JP3771222B2

JP3771222B2 - 光モジュール及びそれを備えた光コネクタ

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Publication number: JP3771222B2
Application number: JP2003026656A
Authority: JP
Inventors: 心平森岡
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2023-02-04
Also published as: US7604419B2; US7226221B2; JP2004239997A; US20060104577A1; US20040184743A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信用の光モジュール及びそれを備えた光コネクタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信用の光モジュールは、光電変換素子パッケージ（例えば、半導体レーザ等の半導体発光素子又はフォトダイオード等の半導体受光素子を収容したパッケージ）と、フェルールと、レンズと、これらを収容するホルダと、を備えている。
【０００３】
そして、このような光モジュールは、光電変換素子パッケージ内の光電変換素子（半導体発光素子又は半導体受光素子）とフェルールの光ファイバとがレンズを介して光学的に結合させられるように構成されたものである。
【０００４】
例えば、特許文献１及び特許文献２に開示された光モジュールは、光電変換素子パッケージ，球状レンズ及びフェルールの光ファイバの各部品がそれぞれ別体であるため、ホルダ内に収容する際に行う調心作業を行い、各部品の光軸を合わせるようになっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−３００９９４号公報（段落番号００１６〜００１９，図６及び図７参照）
【特許文献２】
特開２００２−４３６７５号公報（段落番号００２１〜００２５，図４参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１及び特許文献２に開示された従来の技術は、上述のように、共に光電変換素子パッケージ，球状レンズ及びフェルールの光ファイバの各部品が別体であり、これら各部品をホルダに組み付ける際に、各部品の光軸が合うように調心作業を行わなければならず、その調心作業が困難であるため、作業効率が悪いという問題を有していた。
【０００７】
そこで、本発明は、組立時の調心作業の効率化を図ることができ、組立を容易化することができる光モジュール及びこれを備えた光コネクタを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ホルダの軸線方向一端側の光ファイバ取付穴にフェルールを嵌合し、前記ホルダの軸線方向他端側の筒状部内に光電変換素子パッケージを係合し、前記ホルダの前記光ファイバ取付穴と前記筒状部との間には前記光電変換素子パッケージ側に突出する滑らかな曲面のレンズを配置し、前記フェルールと前記光電変換素子パッケージとを前記レンズを介して光学的に結合する光モジュールである。そして、この光モジュールは、前記レンズと前記ホルダとをプラスチックで一体成形し、前記筒状部の開口端側で前記筒状部と前記光電変換素子パッケージとを固定し、前記光電変換素子パッケージの外周面と前記筒状部の内周面との間に隙間を設け、前記レンズの頂点から焦点までの距離（ｄ２）の温度変化量（Δｄ２）と、前記レンズの頂点から前記筒状部と前記光電変換素子パッケージの前記固定した箇所までの軸線方向長さ（Ｌ）の温度変化量（ΔＬ）と、を等しくしたことを特徴としている。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の光モジュールにおいて、前記筒状部と前記光電変換素子パッケージの前記固定した箇所が、前記光電変換素子パッケージに形成した鍔部を突き当てる前記筒状部の開口端面であり、前記鍔部を前記開口端面に接着固定したことを特徴としている。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１に記載の光モジュールにおいて、前記筒状部と前記光電変換素子パッケージの前記固定した箇所が、前記筒状部の前記開口端であり、前記筒状部と前記光電変換素子パッケージを前記開口端で接着固定したことを特徴としている。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１に記載の光モジュールにおいて、前記筒状部と前記光電変換素子パッケージの前記固定した箇所が、前記筒状部の前記開口端と前記光電変換素子パッケージとを凹凸係合させた箇所であり、前記筒状部と前記光電変換素子パッケージを前記凹凸係合させた箇所で着脱可能に固定したことを特徴としている。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の光モジュールと、この光モジュールを収容保持するハウジングと、を備えたことを特徴とする光コネクタに関するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳述する。
【００１４】
図１及び図２は、本発明の実施の形態に係る光モジュール１を説明するための図である。このうち、図１は、光モジュール１を構成するホルダ２の縦断面図である。また、図２は、ホルダ２に光電変換素子パッケージ３を取り付けた状態を模式的に示す縦断面図である。
【００１５】
これらの図に示すように、ホルダ２は、光透過性のプラスチック（例えば、ＰＥＩ，ＰＣ，ＰＭＭＡ等）を射出成形することにより形成されている。そして、このホルダ２の軸線４に沿った方向の一端側には、フェルール５を着脱可能に係合する光ファイバ取付穴６が形成されている。この光ファイバ取付穴６は、ホルダ２の軸線４に沿った方向の一端側に開口しており、その内部にフェルール５が収容保持されるようになっている。ホルダ２の軸線４に沿った方向の他端側には、光電変換素子パッケージ（光電変換素子としての半導体発光素子又は半導体受光素子を収容したパッケージ）３を収容保持する筒状部８が形成されている。
【００１６】
また、ホルダ２は、筒状部８と光ファイバ取付穴６との間に位置する仕切壁１０に、筒状部８に収容された光電変換素子パッケージ３に向かって突出する非球面レンズ１１が一体的に形成されている。この非球面レンズ１１は、その光軸がホルダ２の軸線４に合致するように形成されており、次式（数１）に表される形状になっている（図６参照）。
【００１７】
【数１】

【００１８】
光電変換素子パッケージ３は、略円筒状のキャップ１２の内部に収容した図示しない半導体発光素子（例えば、半導体レーザ等）から光を発光するか、又は図示しない半導体受光素子（フォトダイオード等）で光を受光するようになっている。そして、この光電変換素子パッケージ３のリード１３が突出するキャップ端面１４側には、キャップ１２の外周に突出する略円環状の鍔部１５が一体形成されている。この光電変換素子パッケージ３の鍔部１５は、ホルダ２の筒状部８の開口端面１６に突き当てられるようにして、ホルダ２の筒状部８の開口端面１６に接着剤１７で接着固定されるようになっている。また、この光電変換素子パッケージ３のキャップ１２は、その略円筒状の外周面１８がホルダ２の筒状部８の穴２０内に隙間嵌合しており、その略円筒状の外周面１８とホルダ２の筒状部８の内周面９との間に隙間が生じるようになっている。尚、キャップ１２は、プラスチック製のホルダ２と異なり、プラスチックよりも熱変形量が小さな金属で形成されている。
【００１９】
ここで、本実施の形態は、光モジュール１の温度が変化しても、非球面レンズ１１の焦点Ｐ２と光電変換素子パッケージ３の表面（発光面又は受光面）２１との位置ズレ量が小さくなるように、ホルダ２の寸法を決定している。尚、図２において示す光電変換素子パッケージ３の表面２１は、内部に収容した半導体発光素子の発光面又は半導体受光素子の受光面を説明の便宜上模式的に表したものである。したがって、図２において、非球面レンズ１１の焦点Ｐ２は、光電変換素子パッケージ３の内部に収容した半導体発光素子の発光面又は半導体受光素子の受光面に合致することになる。
【００２０】
すなわち、非球面レンズ１１の頂点Ｐ１から非球面レンズ１１の焦点Ｐ２までの寸法（ｄ２）は、温度変化に対応して変化する屈折率及びレンズ厚に応じて増減し、例えば、温度がΔｔだけ上昇すると、（ｄ２＋Δｄ２）に変化する。また、非球面レンズ１１の頂点Ｐ１から筒状部８の開口端面１６までの軸線方向長さ（Ｌ）は、ホルダ２の材料であるプラスチックの膨張又は収縮によって増減し、そのプラスチックの線膨張率及び温度変化量により増減量（ΔＬ）が異なるが、例えば、温度がΔｔだけ上昇すると、（Ｌ＋ΔＬ）に変化する。一方、ホルダ２に係合される金属（例えば、ＳＵＳ）製のキャップ１２は、その線膨張係数α１とプラスチック（例えば、ＰＥＩ）製ホルダ２の線膨張係数α２との比（α１／α２）が（α１／α２＝０．１２〜０．１８）程度であるため、温度変形しないものとして取り扱うこととする。その結果、ΔＬ＝Δｄ２にすれば、非球面レンズ１１の焦点Ｐ２と光電変換素子パッケージ３の表面２１との位置を近似的に一致させることができ、非球面レンズ１１の焦点Ｐ２と光電変換素子パッケージ３の表面２１との位置のズレを小さくすることできる。
【００２１】
以上のように、光モジュール１において、ΔＬ＝Δｄ２にすれば、非球面レンズ１１の焦点Ｐ２の位置と光電変換素子パッケージ３の表面２１の位置がほぼ合致し、光学的の結合効率が良好になる。ここで、Δｄ２は、非球面レンズ１１の材料，形状及び焦点距離（ｄ２）を適宜決定することにより、温度変化Δｔに応じて一義的に決定される。なぜなら、屈折率及び線膨張係数は、非球面レンズ１１の材料に固有の数値だからである。
【００２２】
そこで、ΔＬ＝Δｄ２となるような寸法（Ｌ）、すなわち、非球面レンズ１１の頂点Ｐ１から接着部までの筒状部８の軸線方向長さ（Ｌ）は、次式のように求めることができる。
【００２３】
【数２】

【００２４】
尚、ホルダ２の光ファイバ取付穴６の底部には、フェルール５の光ファイバ７の先端がホルダ２に接触して傷付くのを防止するため、光ファイバ取付穴６よりも小径の逃がし穴２２が形成されている。
【００２５】
以上のように構成された本実施の形態の光モジュール１によれば、非球面レンズ１１をホルダ２と一体に形成することができるため、非球面レンズ１１の光軸とホルダ２の軸線４との位置合わせが不要になり、光モジュール１の組立作業が容易化し、光モジュール１の生産性が向上する。
【００２６】
また、本実施の形態によれば、部品点数を削減することができ、且つ、上述のように生産性が向上するため、光モジュール１の製品価格を低廉化することができる。
【００２７】
また、本実施の形態によれば、非球面レンズ１１がホルダ２と一体に形成されるため、非球面レンズ１１と光電変換素子パッケージ３との間に埃が侵入する虞がなく、光通信を確実に行うことができる。しかし、ホルダに別体のレンズを接着固定するような従来例によれば、接着ムラが生じているような部分の隙間からレンズと光電変換素子パッケージとの間に埃が侵入する虞がある。
【００２８】
また、本実施の形態の光モジュールによれば、周囲の環境温度が変化しても、非球面レンズ１１の焦点Ｐ２の位置と光電変換素子パッケージ３の表面２１の位置がほぼ合致し、光学的な結合効率が良好になるため、効率的な光通信を可能にする。
【００２９】
また、本実施の形態によれば、温度変化による非球面レンズ１１の焦点Ｐ２の位置と光電変換素子パッケージ３の表面２１とのズレ量を小さくすることができるため、レンズ倍率を大きくすることができる。一方、温度変化によるレンズの焦点距離のズレ量が大きい場合には、光学的な結合効率が低下するため、レンズ倍率を大きくすることができない。
【００３０】
また、本実施の形態によれば、上述のように、非球面レンズ１１の倍率を大きくすることができるため、倍率の小さなレンズを使用する場合に比較し、より広い発光角度の光を光ファイバ７へ入射させることができ、強い光を伝達することが可能になる。
【００３１】
また、本実施の形態の光モジュール１は、上述のように、非球面レンズ１１の倍率を大きくすることができるため、倍率の小さなレンズを使用する場合に比較し、シングルモード光ファイバを使用する場合において、より効率的な光通信が可能になる。
【００３２】
尚、図２に示す光モジュール１は、例えば、図７に示すように、発光用の光モジュール１又は受光用の光モジュール１として、ハウジング２３内に収容され、リード１３がハウジング２３内の図示しない電気基板に半田付けされて、光コネクタ２４を構成する。
【００３３】
また、本実施の形態の光モジュール１は、非球面レンズ１１の倍率を大きくすることができるため、特に発光用の光モジュール１として使用すると効果的である。
【００３４】
［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る光モジュール１を説明する図であり、ホルダ２に光電変換素子パッケージ３を取り付けた状態を模式的に示す縦断面図である。尚、本実施の形態において、前述の第１の実施の形態の光モジュール１と実質的に同一の構成部分には同一符号を付し、前述の第１の実施の形態と重複する説明を省略する。
【００３５】
本実施の形態の光モジュール１は、ホルダ２の筒状部８の開口端で、且つ光電変換素子パッケージ３のキャップ１２との嵌合部に形成された接着部２５が接着剤２６によって接着固定され、この接着部２５以外の筒状部８の内周面９とキャップ１２の外周面１８の間に隙間が形成され、筒状部８の熱変形が許容されるようになっている。
【００３６】
本実施の形態の光モジュール１は、前述の第１の実施の形態の光モジュール１と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
［第３の実施の形態］
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る光モジュール１を説明する図であり、ホルダ２に光電変換素子パッケージ３を取り付けた状態を模式的に示す縦断面図である。尚、本実施の形態において、前述の第１の実施の形態の光モジュール１と実質的に同一の構成部分には同一符号を付し、前述の第１の実施の形態と重複する説明を省略する。
【００３８】
本実施の形態の光モジュール１は、ホルダ２の筒状部８の開口端面１６に対し、光電変換素子パッケージ３のキャップ端面１４が面一となるように、筒状部８の内周側にキャップ１２が隙間をもって嵌合されている。そして、筒状部８の開口端面１６とキャップ端面１４の外周端側部分には、中空円板状のリング２７が接着剤２８で固定されている。尚、筒状部８の内周面９とキャップ１２の外周面１８との間には隙間が形成され、筒状部８の熱変形が許容されるようになっている。
【００３９】
本実施の形態の光モジュール１は、前述の第１の実施の形態の光モジュール１と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
［第４の実施の形態］
図５は、本発明の第４の実施の形態に係る光モジュール１を説明する図であり、ホルダ２に光電変換素子パッケージ３を取り付けた状態を模式的に示す縦断面図である。尚、本実施の形態において、前述の第１の実施の形態の光モジュール１と実質的に同一の構成部分には同一符号を付し、前述の第１の実施の形態と重複する説明を省略する。
【００４１】
本実施の形態の光モジュール１は、ホルダ２の筒状部８の開口端側の内周面９に突起３０が形成されている。一方、ホルダ２の筒状部８に嵌合される光電変換素子パッケージ３のキャップ１２の外周面１８には、前記ホルダ２の突起３０に凹凸係合する凹部３１が形成されている。そして、ホルダ２の筒状部８は、その開口端から根本部分まで軸線４に沿って延びるスリット３２が複数形成され、突起３０がキャップ１２の凹部３１に係合できるように、筒状部８が弾性変形（拡径変形）できるようになっている。このような構造の光モジュール１は、キャップ１２をホルダ２の筒状部８に嵌合し、筒状部８の突起３０をキャップ１２の凹部３１に係合することにより、ホルダ２に光電変換素子モジュール３を着脱可能に固定することができる。
【００４２】
尚、本実施の形態において、筒状部８の軸線方向長さ（Ｌ）は、非球面レンズ１１の頂点Ｐ１から突起３０までの距離である。また、本実施の形態において、ホルダ２の筒状部８の内周面９とキャップ１２の外周面１８との間には、筒状部８の熱変形が許容されるように隙間が形成されている。また、本実施の形態は、筒状部８に突起３０を形成し、キャップ１２に凹部３１を形成する態様を例示したが、これに限られず、キャップ１２に突起を形成し、筒状部８に凹部を形成して、このキャップ１２の突起と筒状部８の凹部とを凹凸係合させるようにしてもよい。
【００４３】
このような構成の本実施の形態の光モジュール１は、前述の第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、非球面レンズをホルダとを一体に形成するようになっているため、非球面レンズの光軸とホルダの軸線との位置合わせが不要になり、光モジュールの組立作業が容易化し、光モジュールの生産性が向上する。
【００４５】
また、本発明によれば、部品点数を削減することができ、且つ、上述のように生産性が向上するため、光モジュールの製品価格を低廉化することができる。
【００４６】
また、本発明は、周囲の環境温度が変化しても、非球面レンズの焦点の位置と光電変換素子パッケージの表面の位置のズレを小さくすることができ、光学的な結合効率を良好にすることができるため、効率的な光通信が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光モジュールを構成するホルダの縦断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る光モジュールを示す図であって、ホルダに光電変換素子パッケージを取り付けた状態を模式的に示す縦断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る光モジュールを示す図であって、ホルダに光電変換素子パッケージを取り付けた状態を模式的に示す縦断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る光モジュールを示す図であって、ホルダに光電変換素子パッケージを取り付けた状態を模式的に示す縦断面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係る光モジュールを示す図であって、ホルダに光電変換素子パッケージを取り付けた状態を模式的に示す縦断面図である。
【図６】非球面レンズの断面形状を示す図である。
【図７】本発明の光モジュールを使用する光コネクタを簡略的に示す図である。
【符号の説明】
１……光モジュール、２……ホルダ、３……光電変換素子パッケージ、４……軸線、５……フェルール、６……光ファイバ取付穴、８……筒状部、９……内周面、１１……非球面レンズ（レンズ）、１５……鍔部、１６……開口端面、１８……外周面、２３……ハウジング、２４……光コネクタ

Claims

ホルダの軸線方向一端側の光ファイバ取付穴にフェルールを嵌合し、前記ホルダの軸線方向他端側の筒状部内に光電変換素子パッケージを係合し、前記ホルダの前記光ファイバ取付穴と前記筒状部との間には前記光電変換素子パッケージ側に突出する滑らかな曲面のレンズを配置し、前記フェルールと前記光電変換素子パッケージとを前記レンズを介して光学的に結合する光モジュールであって、
前記レンズと前記ホルダとをプラスチックで一体成形し、
前記筒状部の開口端側で前記筒状部と前記光電変換素子パッケージとを固定し、前記光電変換素子パッケージの外周面と前記筒状部の内周面との間に隙間を設け、
前記レンズの頂点から焦点までの距離（ｄ２）の温度変化量（Δｄ２）と、前記レンズの頂点から前記筒状部と前記光電変換素子パッケージの前記固定した箇所までの軸線方向長さ（Ｌ）の温度変化量（ΔＬ）と、を等しくしたことを特徴とする光モジュール。
前記筒状部と前記光電変換素子パッケージの前記固定した箇所が、前記光電変換素子パッケージに形成した鍔部を突き当てる前記筒状部の開口端面であり、
前記鍔部を前記開口端面に接着固定したことを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
前記筒状部と前記光電変換素子パッケージの前記固定した箇所が、前記筒状部の前記開口端であり、
前記筒状部と前記光電変換素子パッケージを前記開口端で接着固定したことを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
前記筒状部と前記光電変換素子パッケージの前記固定した箇所が、前記筒状部の前記開口端と前記光電変換素子パッケージとを凹凸係合させた箇所であり、
前記筒状部と前記光電変換素子パッケージを前記凹凸係合させた箇所で着脱可能に固定したことを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光モジュールと、この光モジュールを収容保持するハウジングと、を備えたことを特徴とする光コネクタ。