(57)【要約】【課題】受発光素子と光ファイバ固定具及び光結合用レンズを備え、前記光結合用レンズを保持用部品に圧入固定した光モジュールにおいて、特性が安定性し、安価で容易な組立が行え、更には地球環境に優しい光モジュールを提供する。【解決手段】受発光素子と光ファイバ固定具及び光結合用レンズを備え、前記光結合用レンズを保持用部品に圧入固定した光モジュールにおいて、前記保持用部品の前記光結合用レンズとの当接部を肉薄部、もしくは貫通孔を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受発光素子と光ファイバ固定具及び光結合用レンズを備え、前記光結合用レンズを保持用部品に圧入固定した光モジュールにおいて、前記保持用部品の前記光結合用レンズとの当接部に肉薄部もしくは貫通孔を形成したことを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
結合用レンズの形状が球体状、または円柱状、または立方状であることを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
【請求項３】
上記保持用部品の肉薄部における厚みが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲であること特徴とする請求項１記載の光モジュール。
【請求項４】
上記保持用部品の肉薄部における幅が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲であること特徴とする請求項１記載の光モジュール。
【請求項５】
上記保持用部品の光結合用レンズとの当接部に緩衝材を介在させたことを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信に用いる光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に光モジュールは、光半導体素子（例えばレーザダイオード等の半導体発光素子あるいはフォトダイオード等の半導体受光素子）と光部品（例えばレンズや光ファイバフェルール）とを調芯保持したデバイスであり、例えば、光半導体素子と、レンズと、前記光半導素子やレンズを保持する部品と光ファイバフェルールを保持する部品から構成され、光半導体素子と光ファイバとがレンズを介して光学的に結合する構造がある。
【０００３】
光モジュールを製造する際には、通常、光半導体素子、レンズ、光ファイバを光学的に最適な位置関係に調芯し、レンズを内蔵し且つ光ファイバを固定している部品に光半導体素子を固定する。例えば、光半導体素子がレーザーダイオードの場合、レーザーダイオードを動作させ、その出射光を光ファイバから取り出し、取り出したレーザー出射光の光量が最大となる位置で、レーザーダイオードを固定する。
【０００４】
光モジュールに組み込むレンズとしては、球レンズや非球面レンズ、屈折率分布型ロッドレンズ等の各種結合用レンズが用いられるが、中でも、機械加工のみによって高精度の製品を容易に製造できるため安価であり、且つ方向性が全く無いためにレンズ実装の際の方位調整が不要で組み立て易いという利点もあって、球レンズが多用されている。
【０００５】
図７（ａ）は、従来のレンズ固定による光モジュールの一例である。レンズ保持用部品１の内部にレンズ受け部１２が形成されており、そこにレンズ２を落とし込み、接着剤１３や半田、低融点ガラス等で固定する方法である。コストの面からレンズの固定に際しては、接着剤を用いていた。このときの接着剤としては、通常エポキシ系の熱硬化型もしくは光硬化型のものを用い、接着後、形状安定化のため、所定の時間アニール処理を行っていた。
【０００６】
この問題の解決として、圧入固定方法がある。
【０００７】
図７（ｂ）は、従来のレンズ圧入工程による光モジュールの一例である。レンズ保持用部品１の片端は、レンズ２の圧入固定のために、レンズ２の圧入位置までレンズ保持用部品１の肉厚Ｔが管理されている。レンズ保持用部品１の肉厚Ｔは極めて薄いため、リング５との直接接合はできない。そのため、補助用のスリーブ１５が必要となり、部品点数が多くなる。また、補助用スリーブ１５を使用するため外径が大きくなり、光モジュール４００全体も大きくなり、小型化が難しい。
【０００８】
図８（ａ）乃至（ｄ）は、従来の圧入固定である。図８（ａ）は、レンズ保持用部品１７にレンズ２を挟み込む係止突起１７ａやレンズ受け部１７ｂが設けられている。
【０００９】
また、図８（ａ）のように、レンズ保持用部品１７にレンズ受け部１７ｂを設け、レンズ２の挿入側にレンズ２の外周部が圧入される複数個の係止突起１７ａを設け、レンズ２がこの係止突起１７ａを介してレンズ受け部１７ｂに固定されるような構造もあった（特許文献１参照）。
【００１０】
図８（ｂ）は図８（ａ）の正面図である。
【００１１】
図８（ｃ）は、レンズ保持用部品１８にレンズ２固定用の爪状突起１８ａが備えられている。図８（ｄ）は図８（ｃ）の正面図である。
【００１２】
また、図８（ｃ）のように、プラスチックなどの樹脂を用いたレンズ保持用部品１８のレンズ受け部１８ｂにおいては、レンズ挿入側が爪状突起１８ａになっており、その爪状突起１８ａの内部にレンズ２を挿入する構造もあった（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１１−８４１９７号公報
【特許文献２】特開平１１−１７４２８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図７（ａ）のように、レンズ保持用部品１の内部にレンズ受け部１２を形成し、そこにレンズ２を落とし込み、レンズ２を接着剤８等で固定する方法だと、次のような問題があった。先ず、接着剤８の塗布作業があって、この作業が極めて大変であった。例えば塗布量が多いと、レンズ表面を汚し、逆に塗布量が少ないと、接着不足の問題が起こるなど、歩留りの悪化が避けられなかった。また、接着剤の塗布後、接着が安定するまでには、ある程度の時間が必要とされ、作業性が悪かった。さらに、このような接着剤８による固定の場合、樹脂の硬化時などに光軸の位置ずれが起き易いという問題もあった。
【００１４】
図８（ａ）および（ｃ）は、いずれもレンズ保持用部品のレンズ固定形状が複雑であるため、レンズ保持用部品が高価であった。また、図８（ｃ）はその形状上、プラスチック等の樹脂製のレンズ保持用部品にしか適用ができないといった制限があった。
【００１５】
国際的に環境負荷物質の規制もあり、接着剤や半田、低融点ガラスなどの副資材に環境負荷物質が含まれる場合、使用禁止など制限がでてきている。
【００１６】
従来の光モジュールでは、レンズを固定する際に使用する接着剤や半田、低融点ガラスなどの副資材によって、いろいろな制限や懸念事項があった。例えば、接着剤の場合は、接着剤から出るアウトガスの問題で、レンズや光半導体素子の特性を劣化させる可能性がある。半田の場合は、レンズや保持用部品にメッキ処理の必要性があり作業が煩雑となる。低融点ガラスの場合は、レンズや保持用部品、使用する低融点ガラスの融点や線膨張係数を適切に合わせないとレンズが割れたりする。いずれにしても、環境負荷物質の規制もあり、接着剤や半田、低融点ガラスなどの副資材を使用するべきではない。
【００１７】
接着剤や半田、低融点ガラスなどの副資材を使用しない圧入方法があるが、上述の特許文献１のようにレンズ保持用部品１７内に係止突起１７ａを設けることは、使用部材の加工難易度が高く、コストアップの要因となっていた。
【００１８】
また、上述の特許文献２も同様にレンズ保持用部品１８に非常に複雑形状な爪状突起１８ａを形成しなくてはならずコストアップの要因となっていた。また、プラスチック等の樹脂製のレンズ保持用部品１８という制限があった。
【００１９】
上述の通り、圧入は圧入される部品の寸法が厳しく、さらには形状が複雑となり、容易に採用することは難しい。
【００２０】
本発明の目的は、レンズ固定に際し、接着剤や半田、低融点ガラスなどの副資材を使用せず、部品の厳しい寸法管理が必要のない圧入構造を提供することである。さらに、レンズ保持構造が極めて簡素なため、より安価な光モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明はこれらの課題を解決するためのものであり、受発光素子と光ファイバ固定具及び光結合用レンズを備え、前記光結合用レンズを保持用部品に圧入固定した光モジュールにおいて、前記保持用部品の前記光結合用レンズとの当接部に肉薄部もしくは貫通孔を形成したことを特徴とするものである。
【００２２】
又、結合用レンズの形状が球体状、または円柱状、または立方状であることを特徴とするものである。
【００２３】
又、上記保持用部品の肉薄部における厚みが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲であること特徴とするものである。
【００２４】
又、上記保持用部品の肉薄部における幅が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲であること特徴とするものである。
【００２５】
又、上記保持用部品の光結合用レンズとの当接部に緩衝材を介在させたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２６】
このように本発明の光モジュールにおいては、レンズ固定に圧入方法を用いるため、接着剤や半田、低融点ガラスなどの副資材を一切使用しない。このため、部材のコストダウンが図れる。また、レンズへの副資材付着による光透過特性の劣化などが無くなり、レンズの安定した特性を得ることができる。さらには、環境負荷物質の必要がないため、地球環境に優しい製品となる。
【００２７】
また、レンズ保持用部品の形状が極めて簡素なため、レンズ保持用部品のコストダウンにもなる。また、保持用部品が簡素なため、光モジュール構成時に連結される他部品形状も簡素となり、全体としての安価な光モジュールが実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。図１（ａ）は本発明の光モジュールの一例を示す断面図である。図１（ａ）に示すように光モジュール１００は、レンズ２や光ファイバピグテイル４、光半導体素子６が光学的に結合されている。物理的には、光ファイバピグテイル４はスリーブ３と溶接等で固定され、スリーブ３とレンズ保持用部品１も溶接等で固定されている。同様に、光半導体素子６はリング５と溶接等で固定され、リング５とレンズ保持用部品１と溶接等で固定されている。各の部品を溶接固定する際は、光学的に最適な位置で固定するため、調芯工程が必要となる。
【００２９】
レンズ保持用部品１は外周の一部のに溝を形成することによって、肉薄部１ａを備え、肉薄部１ａの内側にレンズ２ａを固定しており、肉薄部１ａは光学的に最適な位置に形成されている。設計によっては、半導体素子６や光ピグテイル４のＺ軸方向の調芯は必要なく、工数の削減が図れる。
【００３０】
図１（ｂ）は、レンズ保持用部品１の拡大図である。
【００３１】
レンズ保持用部品１は、円筒形状でも角柱形状でもよいが、加工が容易な円筒形状であることが望ましい。また、レンズ２を挿入する光通路部８の形状も加工が容易な円筒形状が望ましい。肉薄部１ａの幅Ｗは、０．１〜１．０ｍｍにするとよい。肉薄部１ａの幅Ｗは、広いほどレンズ２の圧入固定時に肉薄部１ａが変形しやすくなるが、１．０ｍｍを越えるとレンズ２の固定位置精度が悪くなり、０．１ｍｍ未満では、肉薄部１ａが変形しにくいため固定できない。
【００３２】
また、肉薄部１ａにおけるレンズ保持用部品２の肉厚Ｔは、０．１〜０．５ｍｍ程度にすると、肉薄部１ａの弾性変形が起こりやすく、圧入位置精度が安定する。０．１ｍｍ未満の場合、肉薄部１ａの強度が得られず、光モジュールとしての機能を果たさなくなる。また、肉薄部１ａが０．５ｍｍを越えると、肉薄部１ａが変形しにくくなる。
【００３３】
肉薄部１ａは、強度的に弱くなりやすい部分のため、Ｒ面等のついた隅肉部１ｂ等を形成することにより、強度を上げることができる。
【００３４】
レンズ２を肉薄部１ａにて圧入固定する際、レンズ保持用部品１の大径側８ａはレンズ２の寸法よりも若干大きく（大径側８ａ）＞（レンズ２の直径）としておくとレンズ２の押し込み力が低減され作業効率が上がる。つまり、肉薄部１ａの手前までは、光通路部８の大径側８ａにザグリを設けておき、肉薄部１ａ近辺では小径側８ｂを圧入固定部の寸法と同じにしておくと良い（（小径側８ｂ）＜（レンズ２の直径））。
【００３５】
このように、レンズ２の固定位置精度が良い場合は、光学調芯の工数削減が図られ、また、レンズ保持用部品１の形状が簡素であるため、光モジュール１００全体が簡素となり、全体のコストダウンにつながる。
【００３６】
図２（ａ）乃至（ｄ）は、レンズ２の種類によるレンズ保持用部品１における本発明の実施形態である。図２（ａ）は、横長タイプのレンズ２をレンズ保持用部品１に圧入した断面図である。一般に、非球面レンズにこの形状が多い。図２（ｂ）は、縦長タイプのレンズ２をレンズ保持用部品１に圧入した断面図である。図２（ｃ）は、円柱状のレンズ２をレンズ保持用部品１に圧入した断面図である。屈折率分布型ロッドレンズにこの形状が多い。図２（ｄ）は、立方状のレンズ２をレンズ保持用部品１に圧入した横断面図である。立方状のレンズ２の場合、レンズ保持用部品１の肉薄部１ａとの当接部１ｃはレンズ２の角部２ａの４点となるため、当接部１ｃ以外は肉薄にする必要はない。肉薄部１ａでない箇所は、補強の梁１ｄの役割を果たす。
【００３７】
円柱状や立方状のレンズ２は、圧入時のレンズ割れ、欠けを防ぐために、角部２ａに対してＣ面やＲ面の処理を施す必要がある。
【００３８】
レンズ２の材質としては、ホウケイ酸ガラスや石英ガラスなどが用いられる。
【００３９】
レンズ保持用部品１の材質は、加工が容易で弾性変形しやすいものとして、例えば、黄銅やリン青銅等の銅合金、光モジュールとして構成していく上で、部品同士を溶接固定しやすい、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０等のステンレス系、５０Ｎｉ−Ｆｅ、４９Ｎｉ−Ｆｅの合金もしくは、ＳＦ２０Ｔ、ＡＳＴＭ−Ｆ１５等の金属などが良い。
【００４０】
レンズ保持の安定性を上げるためレンズ保持用部品１のレンズ当接部１ｃに緩衝材７を用いるとよい。緩衝材７の材質としては、レンズ保持用部品１と当接するレンズ２の形状に沿う形が良いため、塑性変形を起こしやすい鉛や金、銅、Ｎｉ、アルミニウム等が適している。また、緩衝材７の役割として、レンズ保持用部品１にクラッド管やメッキ加工を施しても良い。
【００４１】
図３（ａ）乃至（ｃ）は、レンズ保持用部品１における本発明の他の実施形態である。
【００４２】
図３（ａ）は、レンズ保持用部品１に肉薄部１ａの代わりに貫通孔１ｅが設けられている。レンズ保持用部品２の弾性変形だけでなく、貫通孔１ｅにレンズ２の一部が嵌合することによってレンズ２が固定される。貫通孔１ｅは１カ所でも良いが、レンズ２の安定した固定を得るためには、２カ所以上の貫通孔１ｅがあると良い。貫通孔１ｅの形状は、丸でも四角でも良い。例えば、レンズ２がφ１．０ｍｍの球レンズの場合、貫通孔１ｅの直径は、φ０．２ｍｍ以下にした方がよい。φ０．２ｍｍより大きい場合は、レンズ保持用部品１の小径側８ｂがレンズ２に対して狭くなりすぎて、レンズ２の圧入固定ができなくなる。この貫通孔１ｅの他の効果として、光モジュール１００内の空気貫流がある。一般に光モジュール内部に湿気が溜まると、光モジュールの外気温に応じて、光モジュール内のレンズ２に結露が生じることがあり、レンズ特性、例えば透過光特性が劣化する可能性がある。光モジュールに空気貫流用の貫通孔１ｅを形成することにより、光モジュール１００内に湿気が溜まることなく、結露することもない。
【００４３】
図３（ｂ）は、レンズ保持用部品１の内周面に溝を形成して、Ｎｉ肉薄部１ｆを備えたものである。レンズ保持用部品１の外径部１ｇに肉薄部１ｂが形成されないため、レンズ保持用部品１に別部品であるスリーブ（不図示）を挿入し固定する際の制限が除去できる。例えば、レンズ保持用部品１にスリーブ挿入し、固定するために外周より溶接を行う際、肉薄部１ｆがレンズ保持用部品１の外径部１ｇに形成されている場合、その位置を溶接することができなくなるといった制限である。
【００４４】
図３（ｃ）は、レンズ保持用部品１に対し、２個のレンズ２が固定されたものである。
【００４５】
図３（ｃ）のように比較的容易に１つのレンズ保持用部品１に複数個のレンズ２を固定することが可能である。また、レンズ２は圧入だけでレンズ保持用部品１の同軸上に配置されるため、２つのレンズ２に関しては調芯工程が不要となる。
【００４６】
図４は、本発明の他の実施形態の光モジュール２００である。レセプタクル型レンズ保持用部品９は光コネクタ（不図示）が挿入されるレセプタクル機能を合わせ持っており、光ファイバスタブ１０がレセプタクル型レンズ保持用部品９の内部で固定されている。
【００４７】
図５は、本発明のレンズ圧入手順を示したものである。図５（ａ）は、レンズ保持用部品１と圧入するレンズ２である。圧入するレンズ２にＡＲコートなどの位置方向管理が必要な場合は、予め方向を確認し、レンズ保持用部品１にセットする。図５（ｂ）は、レンズ２をレンズ保持用部品１に圧入する図である。レンズ２に対し、レンズ２の中心部付近である光軸上を避けて、レンズ２の外周を圧入治具１１を用いて圧入する。レンズ２に傷が付いたり、圧入時にずれたりしないよう圧入治具１１の圧入当接部１１ｂは、樹脂製のシリコンなどを使用すると良い。図５（ｃ）は、レンズ保持用部品１にレンズ２が確実に圧入されたようすを示す。
【００４８】
このように本発明の光モジュールにおいては、レンズ固定に圧入方法を用いるため、接着剤や半田、低融点ガラスなどの副資材を一切使用しない。このため、部材のコストダウンが図れる。また、レンズへの副資材付着による光透過特性の劣化などが無くなり、レンズの安定した特性を得ることができる。さらには、環境負荷物質の必要がないため、地球環境に優しい製品となる。
【００４９】
また、レンズ保持用部品１の形状が極めて簡素なため、レンズ保持用部品１のコストダウンにもなる。また、レンズ保持用部品１が簡素なため、光モジュール１００構成時に連結される他部品形状も簡素となり、全体としての安価な光モジュールが実現する。
【実施例】
【００５０】
図１に示すように、本発明である肉薄部１ａを備えたレンズ保持用部品１にレンズ２を圧入し、光モジュール１００を作製した。レンズ保持用部品１の材質はＳＵＳ３０４とし、レンズ２は球レンズとした。
【００５１】
また、図７（ａ）に示すように、比較例としてレンズ２をレンズ保持用部品１に接着固定した光モジュール４００を作製した。光モジュール１００同様に、レンズ保持用部品１の材質はＳＵＳ３０４とし、レンズ２は球レンズとした。また、接着剤はエポキシ系接着剤の熱硬化型とした。
【００５２】
そして、それぞれ５個ずつ光モジュール作製時の結合効率を評価した。レンズ保持用部品１の固定方法による違いを見るため、光ファイバピグテイル４および光半導体素子６は、同一のものを使用し、レンズ保持用部品１の入れ替えを行って評価した。光半導体素子６から発光される光モジュール１００への光入力Ｐｉを測定しておき、レンズ２を介し、光ファイバピグテイル４からの光出力Ｐｏを測定する。
【００５３】
ここで結合効率η（％）は、η＝Ｐｏ／Ｐｉ×１００となり、測定波長は、１３１０ｎｍとし、光入力は１ｍＷとした。
【００５４】
その結果を表１に示す。
【表１】
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【００５５】
本発明および従来例とも結合効率Ｌの最大値は変わらないが、最小値が違う。これは、接着剤１３によってレンズ２の有効径が遮られ、光の透過特性が劣化したからである。
【００５６】
また、高温高湿試験（条件；８５℃、８５％ＲＨ、１０００時間）における光モジュールとしての光出力変動Ｐｏ（ｄＢ）を評価した。その結果のグラフを図６（ａ）および（ｂ）に示す。
【００５７】
図６（ａ）は、本発明による光モジュール１００の高温高湿試験における光出力特性を示したものである。図６（ｂ）は、従来例による光モジュール４００の高温高湿試験における光出力特性を示したものである。
【００５８】
従来例の光出力変動は、５００時間で既に劣化し、１０００時間でその劣化を継続している。
【００５９】
それに対し、本発明の光出力変動は１０００時間経過後も安定している。従来例の光モジュール４００の光出力特性が著しく劣化した原因は、レンズ２を固定している接着剤１３が高温により軟化したり、水分を吸収し膨潤したことによる光軸ズレと推測できる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】（ａ）は本発明の光モジュールの実施形態を示す断面図である。（ｂ）は、レンズ保持用部品の拡大断面図である。
【図２】（ａ）乃至（ｄ）は本発明のレンズ保持用部品における各レンズの実施形態を示す断面図である。
【図３】（ａ）乃至（ｃ）は、本発明のレンズ保持用部品における他の実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明の光モジュールの他の実施形態を示す断面図である。
【図５】（ａ）乃至（ｃ）は、本発明のレンズ保持用部品におけるレンズ圧入手順を示す断面図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、実施例と従来例を比較したグラフである。
【図７】（ａ）は、従来のレンズ固定方法である接着法を用いた光モジュールの実施形態を示す断面図である。
【００６１】
（ｂ）は、従来のレンズ固定方法である圧入法を用いた光モジュールの実施形態を示す断面図である。
【図８】（ａ）および（ｃ）は、従来のレンズ保持用部品における断面図であり、（ｂ）および（ｄ）は、それぞれ（ａ）および（ｃ）の正面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１：レンズ保持用部品
１ａ：肉薄部
１ｂ：隅肉部
１ｃ：当接部
１ｄ：梁部
１ｅ：貫通孔
１ｆ：肉薄部
１ｇ：外径部
２：レンズ
２ａ：角部
３：スリーブ
４：光ファイバピグテイル
５：リング
６：光半導体素子
７：緩衝材
８：光通路部
８ａ：大径側
８ｂ：小径側
９：レセプタクル型レンズ保持用部品
９ａ：肉薄部
１０：光ファイバスタブ
１１：圧入治具
１１ｂ：圧入当接部
１２：レンズ受け部
１３：接着剤
１４：レンズ保持用部品
１５：スリーブ
１６：レンズ保持用部品
１７：レンズ保持用部品
１７ａ：突起
１７ｂ：レンズ受け部
１８：レンズ保持用部品
１８ａ：爪状突起
１８ｂ：レンズ受け部
１００：光モジュール
２００：光モジュール
３００：光モジュール
４００：光モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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