JP2004020851A - 光モジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光モジュール10によれば、レーザダイオード(以下「LD」という)42から出射された光はボールレンズ44により平行光に変換され、ボールレンズ26を介して光ファイバ100のコア104に集光する。このように、ボールレンズ44と26との間を通過する光が平行光になるため、ボールレンズ44の光軸とボールレンズ26の光軸との間の軸ずれは補正される。これにより、フェルール102とスリーブ14との嵌合等を原因として光ファイバ100の光軸とLD42の光軸との間に軸ずれが生じても、LD42から出射された光を光ファイバ100のコア102に集光させることが可能になる。したがって、半導体光デバイス28、すなわちLD42をハウジング12内に設置する際の調芯が不要になる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に光通信に用いられ、半導体光素子と光ファイバとを光学的接続する光モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体光素子と光ファイバとを光学的接続する光モジュールとしては、例えば特開平8−234058号公報に記載されたものが知られている。この公報に記載の光モジュールは、ケース内において、光ファイバのフェルールが嵌合するスリーブを半導体光素子の光軸上にセルフォックレンズ等を介して設けたものである。このような光モジュールにおいては、UV硬化樹脂等を用いてケースに半導体光素子を固定する際に次のような調芯が行われる。すなわち、半導体光素子が発光素子の場合は、光ファイバを接続した状態で発光素子を発光させ、光ファイバに入射した光をモニタしながら発光素子をケースに対して相対移動させ、所定の出力が得られた位置で発光素子の固定を行う。同様に、半導体光素子が受光素子の場合は、受光素子に入射した光をモニタしながら受光素子をケースに対して相対移動させることによって受光素子の固定を行う。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような光モジュールにあっては、調芯専用の装置が必要であり、しかも、調芯に長時間を要するため、光モジュールの低コスト化が妨げられていた。
【0004】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、半導体光素子の設置における調芯を不要とする光モジュールを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る光モジュールは、光ファイバと光学的接続される半導体光素子上に第1のレンズを設けてなる半導体光デバイスと、半導体光素子と光ファイバとが光学的接続される際の光路上において第1のレンズと光ファイバのコアとの間に設けられ、光ファイバのコアに焦点が位置する第2のレンズと、半導体光デバイス及び第2のレンズを収容すると共に、光ファイバのフェルールが嵌合するスリーブを有するハウジングとを備えたことを特徴とする。
【0006】
本発明に係る光モジュールによれば、半導体光素子がレーザダイオード等の発光素子の場合は、発光素子から出射された光は第1のレンズにより平行光(略平行光を含む。以下同じ)に変換され、第2のレンズを介して光ファイバのコアに集光する。このように、第1のレンズと第2のレンズとの間を通過する光が平行光になるため、第1のレンズの光軸と第2のレンズの光軸との間の軸ずれは補正される。これにより、フェルールとスリーブとの嵌合等を原因として光ファイバの光軸と発光素子の光軸との間に軸ずれが生じても、発光素子から出射された光を光ファイバのコアに集光させることが可能になる。一方、半導体光素子がフォトダイオード等の受光素子の場合は、光ファイバから出射された光は第2のレンズにより平行光に変換され、第1のレンズを介して受光素子に集光する。したがって、半導体光素子が発光素子の場合と同様に、フェルールとスリーブとの嵌合等を原因として光ファイバの光軸と受光素子の光軸との間に軸ずれが生じても、光ファイバから出射された光を受光素子に集光させることが可能になる。以上により、半導体光素子が発光素子或いは受光素子のいずれの場合であっても、半導体光デバイス、すなわち半導体光素子をハウジング内に設置する際の調芯が不要になり、光モジュールの低コスト化を図ることが可能になる。更に、光ファイバとハウジングとの接続にフェルールとスリーブとの嵌合という簡易な構成を適用することが可能になる。
【0007】
本発明に係る光モジュールにおいて、ハウジングは樹脂により一体成型されることが好ましい。これにより、高い精度で効率良くハウジングを形成することができる。
【0008】
また、本発明に係る光モジュールにおいて、第2のレンズはボールレンズであることが好ましい。これにより、レンズの光軸の傾きを考慮する必要がないため、第2のレンズをハウジング内に容易に設置することができる。
【0009】
なお、本発明に係る光モジュールにおいては、半導体光素子として、上述の発光素子や受光素子、或いは光導波路素子が適用可能である。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光モジュールの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0011】
図1に示すように、光モジュール10は、エポキシ樹脂により一体成型されたハウジング12を有している。ハウジング12の一端には、光ファイバ100のフェルール102が嵌合するスリーブ14が形成されており、スリーブ14内部の底面14aは、フェルール端面102aが当接するフェルールストッパとして機能する。なお、光ファイバ100は、光通信用のマルチモード光ファイバであり、コア径φ50μmのコア104を有している。
【0012】
一方、ハウジング12の他端には、断面円形の凹部16が形成されている。凹部16の開口側には、凹部16より大きい径を有する断面円形の大径凹部18が形成され、この大径凹部18の開口部には内面取り20が施されている。また、凹部16の底面16aには、凹部16より小さい径を有する断面円形の小径凹部22が形成され、この小径凹部22の底面22aとスリーブ14内部の底面14aとの間には、光通過孔24が形成されている。
【0013】
このハウジング12において、大径凹部18の中心軸線と小径凹部22の中心軸線とは、スリーブ14の中心軸線に対して同心度±5μmであり、大径凹部18の底面18aと小径凹部22の底面22aとは、スリーブ14内部の底面14aに対して平行度±5μmである。上述のようにハウジング12はエポキシ樹脂による一体成型品であるため、このような高い精度で効率良く形成することが可能になる。なお、ハウジング12の一体成型に、ステンレス鋼等を用いたMIM(Metal Injection Mold)技術を適用してもよい。
【0014】
ハウジング12の小径凹部22内には、BK−7により形成された直径φ1.2mmのボールレンズ(第2のレンズ)26が圧入されている。このボールレンズ26の圧入は、レンズの光軸の傾きを考慮する必要がないため容易に行うことが可能である。ボールレンズ26は、焦点距離(レンズ中心と焦点との距離)が880μmであり、ボールレンズ26の周面と光通過孔24の小径凹部22側の開口縁部との当接によって、スリーブ14の底面14aから880μmの位置にボールレンズ26の中心が位置決めされる。すなわち、光ファイバ100のフェルール端面102aにおけるコア104にボールレンズ26の焦点が位置することになる。
【0015】
ハウジング12において凹部16と大径凹部18とにより形成された空間には、半導体光デバイス28が収容されている。半導体光デバイス28は、コバールにより円板状に形成されたステム30を有しており、ステム30の一端面30aには、光透過窓32が設けられたコバール製のキャップ34が抵抗溶接により気密に固定されている。また、ステム30の他端面30bからは、電気的接続用の複数本のリード36が外方側に延びている。半導体光デバイス28のハウジング12への収容においては、ステム30の一端面30aが大径凹部18の底面18aに当接するまでステム30が大径凹部18内に圧入され、これにより、キャップ32が凹部16内に配置される。このステム30の圧入は、大径凹部18の開口部に内面取り20が設けられているため容易に行うことが可能である。
【0016】
なお、ステム30の大径凹部18への圧入後、大径凹部18の残余空間にはUV硬化樹脂等の樹脂38が充填され、ステム30が大径凹部18に接着される。これは、半田付け等による応力がリード36に加わった際に、半導体光素子28がハウジング12に対して位置ずれするのを防止するためである。
【0017】
半導体光デバイス28のキャップ34内の気密空間において、ステム30の一端面30a上には、モニタ用フォトダイオード40がダイボンドされ、このモニタ用フォトダイオード40上には、面発光のレーザダイオード(発光素子)42がダイボンドされている。更に、レーザダイオード42上には、直径φ610μm,屈折率1.9,焦点距離318μmのボールレンズ(第1のレンズ)44がダイボンドされている。
【0018】
一般に、このような半導体光デバイス28においては、ステム30の中心軸線とレーザダイオード42の光軸との間の軸ずれを±50μm以下で構成することができる。また、ボールレンズ44のダイボンドは、エッチングによりレーザダイオード42上に形成された凹状のレンズガイド(図示しない)を介して行われる。したがって、レーザダイオード42の光軸とボールレンズ44の光軸との間の軸ずれは無視できるほど小さく、これにより、ボールレンズ44の焦点は、レーザダイオード42の発光部に正確に位置決めされる。
【0019】
以上のように構成された光モジュール10による半導体光デバイス28のレーザダイオード42と光ファイバ100との光学的接続について説明する。
【0020】
なお、光モジュール10における光の全体的な流れは次の通りである。すなわち、半導体光デバイス28のレーザダイオード42から出射された光は、ボールレンズ44の焦点がレーザダイオード42の発光部に位置しているため、ボールレンズ44により平行光に変換される。この平行光は、キャップ34に設けられた光透過窓32を通ってボールレンズ26に入射する。ボールレンズ26に入射した平行光は、ボールレンズ26により集光され、ハウジング12に設けられた光通過孔24を通って光ファイバ100のフェルール端面102aにおけるコア104(ボールレンズ26の焦点の位置)に集光する。
【0021】
ここで、レーザダイオード42のビーム広がり半角を9°とすると、ボールレンズ44の焦点距離が318μmであるから、ボールレンズ44により変換された平行光のビームサイズはφ100μm(=318μm×tan9°×2)となる。一方、光ファイバ100における開口数は0.2であり、ボールレンズ26の焦点距離は880μmである。これにより、ボールレンズ44により変換された平行光が、ボールレンズ26のレンズ中心から±176μm(=880μm×0.2)の範囲内に入射すれば、光ファイバ100のフェルール端面102aにおけるコア104への集光が可能になる。
【0022】
そして、半導体光デバイス28のステム30の圧入によるステム30の中心軸線と大径凹部18の中心軸線との間の軸ずれは最大10μmであり、ボールレンズ26の圧入によるボールレンズ26の光軸と小径凹部22の中心軸線との間の軸ずれは最大10μmである。更に、半導体光デバイス28において、ステム30の中心軸線とレーザダイオード42の光軸との間の軸ずれは最大50μmである。これにより、ボールレンズ44と26との間における平行光の光軸に直角な方向の位置ずれは、平行光のビームサイズがφ100μmであるから最大120μm(=100μm/2+10μm+10μm+50μm)となる。したがって、ボールレンズ26のレンズ中心から±176μmの範囲内に平行光は入射可能であり、これにより、光ファイバ100のフェルール端面102aにおけるコア104への集光が可能になる。
【0023】
ところで、スリーブ14の内径精度±5μmを考慮すると、ハウジング12における同心度が±5μmであり、平行度が±5μmであるから、光ファイバ100の光軸とボールレンズ26の光軸との間の軸ずれは最大15μm(=5μm+5μm+5μm)となる。これは、ボールレンズ26により集光された光の光軸に直角な方向の位置ずれとなって現れる。そして、ボールレンズ26の焦点位置における像倍率は、ボールレンズ26と44との焦点距離の比から2.5倍(=880μm/318μm)となる。これにより、レーザダイオード42のビームサイズの半径を2μmとすると、ボールレンズ26の焦点位置における像のサイズは5μm(=2μm×2.5)となる。したがって、光ファイバ100の光軸とボールレンズ26の光軸との間の軸ずれと合わせても位置ずれは最大20μm(=15μm+5μm)であるため、コア径φ50μmの光ファイバ100への入射が可能になる。
【0024】
以上のように、光モジュール10によれば、ボールレンズ44と26との間を通過する光が平行光になるため、ボールレンズ44の光軸とボールレンズ26の光軸との間の軸ずれは補正される。これにより、フェルール102とスリーブ14との嵌合等を原因として光ファイバ100の光軸とレーザダイオード42の光軸との間に軸ずれが生じても、レーザダイオード42から出射された光を光ファイバ100のフェルール端面102aにおけるコア104に集光させることが可能になる。したがって、半導体光デバイス28をハウジング12内に設置する際に調芯を行わなくても、レーザダイオード42と光ファイバ100との光学的接続を実現することができ、これにより、光モジュール10の低コスト化を図ることが可能になる。
【0025】
次に、本発明に係る光モジュールの他の実施形態について、図面を参照して説明する。本発明に係る光モジュールにおいては、半導体光デバイスとして、フォトダイオード等の受光素子を有するものや、或いは光導波路素子を有するものも適用可能である。図2に示す光モジュール50は、フォトダイオード52を有する半導体光デバイス54を適用したものである。なお、以下の説明において、上記実施形態と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【0026】
図2に示すように、光モジュール50においては、フォトダイオード(受光素子)52を有する半導体光デバイス54がハウジング12内に収容されている。半導体光デバイス54のキャップ34内の気密空間において、ステム30の一端面30a上には、サブマウント56がダイボンドされ、このサブマウント56上にフォトダイオード52がダイボンドされている。更に、フォトダイオード52上には、直径φ610μm,屈折率1.9,焦点距離318μmのボールレンズ44がダイボンドされている。
【0027】
このような半導体光デバイス54においても、上述の半導体光デバイス28と同様に、ステム30の中心軸線とフォトダイオード52の光軸との間の軸ずれを±50μm以下で構成することができる。また、ボールレンズ44のダイボンドは、半導体プロセスにおいてフォトダイオード52上に設けられたポリイミドのレンズガイド(図示しない)を介して行われる。したがって、フォトダイオード52の光軸とボールレンズ44の光軸との間の軸ずれは無視できるほど小さく、これにより、ボールレンズ44の焦点は、フォトダイオード52の受光部に正確に位置決めされる。
【0028】
以上のように構成された光モジュール50による半導体光デバイス54のフォトダイオード52と光ファイバ100との光学的接続について説明する。
【0029】
なお、光モジュール50における光の全体的な流れは次の通りである。すなわち、光ファイバ100から出射された光は、ハウジング12に設けられた光通過孔24を通ってボールレンズ26に入射する。ボールレンズ26に入射した光は、ボールレンズ26の焦点が光ファイバ100のフェルール端面102aにおけるコア104に位置しているため、ボールレンズ26により平行光に変換される。この平行光は、キャップ34に設けられた光透過窓32を通ってボールレンズ44に入射する。ボールレンズ44に入射した平行光は、ボールレンズ44により集光され、フォトダイオード52の受光部(ボールレンズ44の焦点の位置)に集光する。
【0030】
光モジュール50においては、直径φ1mm,焦点距離734μmのボールレンズ26を用いたため、光ファイバ100における開口数0.2を考慮すると、ボールレンズ26により変換された平行光のビームサイズはφ294μm(=734μm×0.2×2)となる。ところで、スリーブ14の内径精度±5μmを考慮すると、ハウジング12における同心度が±5μmであり、平行度が±5μmであるから、光ファイバ100の光軸とボールレンズ26の光軸との間の軸ずれは最大15μm(=5μm+5μm+5μm)となる。この軸ずれにより、フォトダイオード42における光軸に直角な方向の位置ずれは40μm(=15μm/734μm×2000μm(ボールレンズ26のレンズ中心とフォトダイオード42との距離))となる。
【0031】
したがって、半導体光デバイス54におけるステム30の中心軸線とフォトダイオード52の光軸との間の最大50μmの軸ずれと、ステム30の圧入によるステム30の中心軸線と大径凹部18の中心軸線との間の最大10μmの軸ずれとを考慮すると、ボールレンズ26と44との間における平行光の光軸に直角な方向の位置ずれは、平行光のビームサイズがφ294μmであるから最大247μm(=294μm/2+40μm+50μm+10μm)となる。半導体光デバイス54のボールレンズ44は直径φ610μmであるため、ボールレンズ44のレンズ中心から±247μmの範囲内の平行光を集光することは可能である。
【0032】
なお、この場合は、ボールレンズ44の端部を用いることになるため、収差の問題が懸念されるが、フォトダイオード52の受光部のサイズをφ100μm程度に大きくすれば(φ100μmの受光部でも1〜2Gbpsの動作が可能であり、光通信用として適用可能である。)、収差の問題を解決してフォトダイオード52の受光部への集光が可能になる。また、フォトダイオード52の受光部上における像倍率は、ボールレンズ44と26との焦点距離の比から0.4倍(=318μm/734μm)であり、すなわち縮小系であることから、像変換の影響は無視することができる。
【0033】
以上のように、光モジュール50によれば、ボールレンズ26と44との間を通過する光が平行光になるため、ボールレンズ26の光軸とボールレンズ44の光軸との間の軸ずれは補正される。これにより、フェルール102とスリーブ14との嵌合等を原因として光ファイバ100の光軸とフォトダイオード52の光軸との間に軸ずれが生じても、光ファイバ100から出射された光をフォトダイオード52の受光部に集光させることが可能になる。したがって、半導体光デバイス54をハウジング12内に設置する際に調芯を行わなくても、フォトダイオード52と光ファイバ100との光学的接続を実現することができ、これにより、光モジュール50の低コスト化を図ることが可能になる。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光モジュールは、光ファイバと光学的接続される半導体光素子上に第1のレンズを設けてなる半導体光デバイスと、半導体光素子と光ファイバとが光学的接続される際の光路上において第1のレンズと光ファイバのコアとの間に設けられ、光ファイバのコアに焦点が位置する第2のレンズと、半導体光デバイス及び第2のレンズを収容すると共に、光ファイバのフェルールが嵌合するスリーブを有するハウジングとを備えたことを特徴とすることによって、半導体光素子の設置における調芯が不要になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光モジュールの一実施形態を示す図である。
【図2】本発明に係る光モジュールの他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
10,50…光モジュール、12…ハウジング、14…スリーブ、26…ボールレンズ(第2のレンズ)、28,54…半導体光デバイス、42…レーザダイオード(発光素子)、44…ボールレンズ(第1のレンズ)、52…フォトダイオード(受光素子)、100…光ファイバ、102…フェルール、104…コア。
Claims (6)
- 光ファイバと光学的接続される半導体光素子上に第1のレンズを設けてなる半導体光デバイスと、
前記半導体光素子と前記光ファイバとが光学的接続される際の光路上において前記第1のレンズと前記光ファイバのコアとの間に設けられ、前記光ファイバの前記コアに焦点が位置する第2のレンズと、
前記半導体光デバイス及び前記第2のレンズを収容すると共に、前記光ファイバのフェルールが嵌合するスリーブを有するハウジングとを備えたことを特徴とする光モジュール。 - 前記ハウジングは樹脂により一体成型されることを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。
- 前記第2のレンズはボールレンズであることを特徴とする請求項1又は2に記載の光モジュール。
- 前記半導体光素子は発光素子であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の光モジュール。
- 前記半導体光素子は受光素子であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の光モジュール。
- 前記半導体光素子は光導波路素子であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の光モジュール。
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