JP2004133117A - 樹脂封止型光モジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】樹脂封止型光モジュールの構造が、少なくともレーザダイオード(LD)1aとレンズ2と光ファイバ4とを有し、LD1aと光ファイバ4とがレンズ2により光結合され、LD1aとレンズ2との間の少なくとも光路を構成する部分が封止用の透明樹脂3で満たされ、且つ、レンズ2と光ファイバ4との間の少なくとも光路を構成する部分に空隙を有するものとする。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂封止型光モジュール、特にレンズで光半導体素子と光ファイバとがレンズで結合された樹脂封止型光モジュールに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の樹脂封止型光モジュールにおいては、少なくとも、光半導体素子とレンズと光ファイバとからなる各光部品を有して構成されており、少なくともそれらの光部品間の空間が固形の透光性有機材料で満たさている。前記固形の透光性有機材料には、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、ウレア系樹脂が挙げられ、この固形の透光性有機材料の屈折率n2と前記レンズの屈折率n1とはn1>n2の関係となっている。そして、レンズにより、光半導体素子と光ファイバとが光学的に結合されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
【特許文献1】
特開平11−271572号公報(第5−6頁、第2図)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
一般に光モジュールは−40℃から85℃までの温度範囲で安定した特性を有することが求められている。しかし、前記従来の樹脂封止型光モジュールは、光半導体素子とレンズと光ファイバとの光部品間の空間が固形で透光性の、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂またはウレア系樹脂で満たされており、これら樹脂の屈折率は温度依存性を有している。そのため、前記従来の樹脂封止型光モジュールでは、樹脂内に設置されたレンズの焦点距離が温度により変化し、光半導体素子と光ファイバとの結合効率が大きく変化する。すなわち、前記従来の樹脂封止型光モジュールでは、温度変化による光出力の変動(トラッキングエラー)が大きいという課題があった。
【0005】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、例えば−40℃から85℃までの温度範囲において使用しても、光半導体素子と光ファイバとの結合効率の変化が少なく、トラッキングエラーが小さい樹脂封止型光モジュールを得ることである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる樹脂封止型光モジュールにおいては、光半導体素子とレンズと光ファイバとを有し、前記光半導体素子と前記光ファイバとが前記レンズにより光結合され、前記光半導体素子と前記レンズとの間の少なくとも光路を構成する部分が透明樹脂で満たされ、且つ、前記レンズと前記光ファイバとの間の少なくとも光路を構成する部分に空隙を有するものである。
【0007】
また、光半導体素子とレンズとが透明樹脂に封入されており、前記透明樹脂の光ファイバに対向する面が平面または凸面レンズの形状のものであるか、前記レンズの光ファイバに対向する側が前記透明樹脂から露出しているものである。
【0008】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1における樹脂封止型光モジュールの光結合構造を示す図である。
図1にあるように、本実施の形態における樹脂封止型光モジュールの光結合部は、光半導体素子1とレンズ2とが透明樹脂3で封止されており、透明樹脂3の光ファイバ4と対向する面は平面形状となっている。光ファイバ4は、光半導体素子1とレンズ2とを結ぶ光路の延長線上に、透明樹脂3の光ファイバ4と対向する面から空隙を設けて設置されている。また、透明樹脂3の光ファイバ4と対向する面は、平面であり、光半導体素子1と光ファイバ4とを結ぶ光路の軸に対して、時計方向で82度〜98度の角度範囲にあれば良い。この角度が82度未満または98度より大きいと、レーザ光の屈折成分が多くなり、光半導体素子1と光ファイバ4との結合効率が低下する。
光半導体素子1には、発光素子のレーザーダイオード(LD)や受光素子のフォトダイオード(PD)が用いられる。レンズ2は、例えば球レンズが用いられるが、機能をはたせば他の形のレンズでも良く、その材質は、シリコンなど屈折率の大きい材料が好ましい。透明樹脂3には、成形性の面からエポキシ樹脂やシリコーン樹脂が用いられる。
【0009】
図2は、図1の光結合構造を備えた樹脂封止型光モジュールの側面断面模式図である。図2にあるように、本実施の形態の樹脂封止型光モジュール20では、LD1aとモニター用PD1bと球レンズ2とがシリコンオプティカルベンチ5に搭載されており、このシリコンオプティカルベンチ5が外部リード8を備えた基板7に実装されている。そして、基板7上にあるLD1aとPD1bと球レンズ2とシリコンオプティカルベンチ5とは、透明樹脂3で封止されている。封止方法としては、例えば、金型を用いるトランスファーモールド法や注型法が挙げられる。
光ファイバ4は、透明樹脂3から間隔をあけて、基板7に設けられた台座6のV溝に接着樹脂9で接着固定されている。光ファイバ4の接着固定は、アクティブアライメントにより、LD1aの出射光と光ファイバ4の光学結合が最大となる位置で行う。
台座6は、別途作製し基板7に接着して設けてもよく、透明樹脂3の封止時に同時に透明樹脂の成形で作製して設けても良い。
また、透明樹脂3の光ファイバ4に対向する面以外の部分と光ファイバに対向する面の光路部以外の部分とを不透明な樹脂で覆っても良い。
【0010】
すなわち、本実施の形態の樹脂封止型光モジュール20は、少なくともLD1aと球レンズ2とが透明樹脂3に封入されており、透明樹脂3と光ファイバ4との間の光路に空隙を有するものであるので、−40℃〜85℃の温度範囲の使用においても、式(1)で定義されるLD1aと光ファイバ4との結合効率(η)の変化が少なく、式(2)で定義されるトラッキングエラー(Er)が小さくできる。
η=10log10(Pf/Po) (1)
ただし、η:結合効率(dB)、Pf:光ファイバに結合した光量(mW)、Po:LDの発光光量(mW)
Er=|ηmax−ηmin| (2)
ただし、Er:トラッキングエラー(dB)、ηmax:使用温度範囲における最大結合効率(dB)、ηmin:使用温度範囲における最小結合効率(dB)
【0011】
実施の形態2.
図3は、この発明の実施の形態2における樹脂封止型光モジュールの光結合構造を示す図であり、図4は、図3の光結合構造を備えた樹脂封止型光モジュールの側面断面模式図である。
本実施の形態の樹脂封止型光モジュール30は、透明樹脂3の光ファイバ4と対向する面が凸面形状となっている以外、実施の形態1と同様である。
【0012】
本実施の形態の樹脂封止型光モジュール30は、透明樹脂3の光ファイバ4と対向する面が凸面形状となっており、透明樹脂3がレンズを形成するので、結合効率が向上するとともに、透明樹脂3と光ファイバ4との間の光路に設ける空隙を短くしても、実施の形態1と同様のトラッキングエラーの小さい樹脂封止型光モジュールとなる。
【0013】
実施の形態3.
図5は、この発明の実施の形態3における樹脂封止型光モジュールの側面断面模式図である。
本実施の形態の樹脂封止型光モジュール40は、透明樹脂3の光ファイバ4と対向する面にレンズ2の一部が露出している以外、実施の形態1と同様である。
【0014】
本実施の形態の樹脂封止型光モジュール40は、レンズ2と光ファイバ4との間の光路に透明樹脂3が全くないので、形状がコンパクトで、トラッキングエラーがさらに小さい樹脂封止型光モジュールとなる。
【0015】
実施の形態4.
図6は、この発明の実施の形態4における樹脂封止型光モジュールの側面(a)と上面(b)との断面模式図である。
本実施の形態の樹脂封止型光モジュール50は、透明樹脂3の光ファイバ4と対向する面に接して透明板10があり、透明樹脂3の前記光ファイバ4と対向する面以外の側面に接してコの字型の枠11がある以外、実施の形態1と同様である。光ファイバ4は、透明板10に対向し空隙を設けて設置されている。透明板10とコの字型の枠11と基板7とで形成される箱体に蓋を設けても良い。
本実施の形態の樹脂封止型光モジュール50では、実施の形態1における効果に加え、透明板10とコの字型の枠11と基板7とで箱体が形成されているので、金型を用いない注型法により、少なくともLD1aとレンズ2とを透明樹脂3にて封止でき、樹脂封止が簡便にできる。
【0016】
【実施例】
本発明を、実施例を用いてさらに詳細に説明する。
【0017】
実施例1.
本実施例では、発信波長が1300nm、スポットサイズが1μmで屈折率が3.45であるLD1aと、半径500μmで屈折率が3.45であるシリコンの球レンズ2と、25℃の屈折率が1.56で屈折率の温度係数が−1.53×10−4℃−1であるエポキシ樹脂の透明樹脂3と、スポットサイズ5μmで屈折率1.45である光ファイバ4とを用い、トランスファーモールド法により樹脂封止し、実施の形態1に示す構造の樹脂封止型光モジュール20を作製する。
本実施例の樹脂封止型光モジュール20では、LD1aと球レンズ2との距離(d1)は50μm、球レンズ2と透明樹脂3の光ファイバに対向する面との距離(d2)は100μm、透明樹脂3の光ファイバに対向する面と光ファイバ4との距離(d3)は1344μmとし、空隙部の光路長L2=d3と透明樹脂部の光路長L1=(d1+d2)との比L2/L1は9.0である。
【0018】
本実施例の樹脂封止型光モジュール20における−40℃〜85℃の温度範囲の結合効率を測定し、前記(2)式からトラッキングエラーを求め、表1に示した。本実施例の樹脂封止型光モジュールのトラッキングエラーは0.8dBと小さかった。
【0019】
実施例2、3.
d3を表1に示すものとした以外実施例1と同様の樹脂封止型光モジュール20として、トラッキングエラーを求め、表1に示した。
すなわち、表1から明らかなように、実施の形態1に示す構造の樹脂封止型光モジュールでは、空隙部の光路長と透明樹脂部の光路長との比L2/L1が1.0から10.0の範囲のものでも、トラッキングエラーが小さかった。
【0020】
【表1】
【0021】
実施例4.
実施例1のLD1aと球レンズ2と透明樹脂3と光ファイバ4とを用い、トランスファーモールド法により樹脂封止し、実施の形態2に示す構造の樹脂封止型光モジュール30を作製する。
本実施例の樹脂封止型光モジュール30では、LD1aと球レンズ2との距離(d1)は50μm、透明樹脂3の凸レンズ面の半径は1500μm、球レンズ2と透明樹脂3の光ファイバに対向する凸レンズ面との距離(d4)は100μm、透明樹脂3の光ファイバに対向する凸レンズ面と光ファイバ4との距離(d5)は336μmとし、空隙部の光路長L2=d5と透明樹脂部の光路長L1=(d1+d4)との比L2/L1は2.2である。
本実施例の樹脂封止型光モジュール30における−40℃〜85℃の温度範囲の結合効率を測定し、前記(2)式からトラッキングエラーを求め、表2に示した。本実施例の樹脂封止型光モジュールは、d5が短くL2/L1が小さくてもトラッキングエラーが0.3dBと特に小さかった。
【0022】
実施例5、6.
d5を表2に示すものとした以外実施例4と同様の樹脂封止型光モジュール30として、トラッキングエラーを求め、表2に示した。
すなわち、実施の形態2に示す構造の樹脂封止型光モジュール30では、空隙部の光路長と透明樹脂部の光路長との比L2/L1が0.2から10.0の範囲のものでも、トラッキングエラーが小さかった。
つまり、実施の形態2に示す構造の樹脂封止型光モジュール30では、実施の形態1に示す構造の樹脂封止型光モジュー20よりコンパクトで、しかもトラッキングエラーがさらに小さいものが実現できる。
【0023】
【表2】
【0024】
実施例7.
実施例1のLD1aと球レンズ2と透明樹脂3と光ファイバ4とを用い、トランスファーモールド法により樹脂封止した実施の形態3に示す構造の樹脂封止型光モジュール40を作製する。
LD1aと球レンズ2との距離(d1)は50μm、球レンズ3と光ファイバ4との距離(d7)は450μmとし、空隙部の光路長L2=d7と透明樹脂部の光路長L1=d1との比L2/L1は9.0となる。
本実施例の樹脂封止型光モジュール40における−40℃〜85℃の温度範囲の結合効率を測定し、前記(2)式からトラッキングエラーを求めた。本実施例の樹脂封止型光モジュールのトラッキングエラーは0.5dBと小さかった。
つまり、実施の形態3に示す構造の樹脂封止型光モジュール40では、実施の形態1に示す構造の樹脂封止型光モジュー20よりコンパクトで、しかもトラッキングエラーが小さいものが実現できる。
【0025】
実施例8.
LD1aと球レンズ2と光ファイバ4とは実施例1と同様のものを用い、25℃における屈折率が1.41で屈折率の温度係数が−4.22×10−4℃−1であるシリコーン樹脂の透明樹脂3と、屈折率が1.5で厚さが200μmのガラス板の透明板10と、ポリフェニレンサルファイド樹脂のコの字型の枠11とを用い、注型法により樹脂封止した実施の形態4に示す構造の樹脂封止型光モジュール50を作製する。
【0026】
LD1aと球レンズ2との距離(d1)は30μm、球レンズ2と透明板10との距離(d8)は100μm、透明板10の光ファイバに対向する面と光ファイバ4との距離(d9)は919μmとし、空隙部の光路長L2=d9と透明樹脂部の光路長L1=(d1+d8)との比L2/L1は7.1となる。
本実施例の樹脂封止型光モジュール40における−40℃〜85℃の温度範囲の結合効率を測定し、前記(2)式からトラッキングエラーを求めた。本実施例の樹脂封止型光モジュールのトラッキングエラーは1.5dBと小さかった。
【0027】
比較例1.
図7は、比較例1における樹脂封止型光モジュールの側面断面模式図である。本比較例における樹脂封止型光モジュールは、レンズ2と光ファイバ4との間の光路と光ファイバ4とが透明樹脂3で封止されている。
本比較例で用いられる、LD1aと球レンズ2と透明樹脂3と光ファイバ4ととは、実施例8のものと同様である。
LD1aと球レンズ2との距離は20μm、球レンズ2と光ファイバ4との距離は1752μmとする。
本比較例の樹脂封止型光モジュールにおける−40℃〜85℃の温度範囲の結合効率を測定し、前記(2)式からトラッキングエラーを求めた。本比較例の樹脂封止型光モジュールのトラッキングエラーは2.1dBと大きかった。
【0028】
【発明の効果】
本発明に係わる樹脂封止型光モジュールにおいては、光半導体素子とレンズと光ファイバとを有し、前記光半導体素子と前記光ファイバとが前記レンズにより光結合され、前記光半導体素子と前記レンズとの間の少なくとも光路を構成する部分が透明樹脂で満たされ、且つ、前記レンズと前記光ファイバとの間の少なくとも光路を構成する部分に空隙を有するものであり、光半導体素子と光ファイバとの結合効率の温度変化が少なく、トラッキングエラーが小さい樹脂封止型光モジュールを得ることができる。
【0029】
また、本発明に係わる樹脂封止型光モジュールにおいては、光半導体素子とレンズとが透明樹脂に封入されており、前記透明樹脂の光ファイバに対向する面が凸面レンズの形状のものであり、前記レンズと前記光ファイバとの間の光路に設ける空隙を狭くでき、結合効率が大きく、コンパクトでトラッキングエラーが小さい樹脂封止型光モジュールを得ることができる。
【0030】
また、本発明に係わる樹脂封止型光モジュールにおいては、光半導体素子とレンズとが透明樹脂に封入されており、前記レンズの光ファイバに対向する側が前記透明樹脂から露出しているものであり、前記レンズと前記光ファイバとの間の光路に設ける空隙を狭くでき、コンパクトでトラッキングエラーが小さい樹脂封止型光モジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1における樹脂封止型光モジュールの光結合構造を示す図である。
【図2】実施の形態1における樹脂封止型光モジュールの側面断面模式図である。
【図3】実施の形態2における樹脂封止型光モジュールの光結合構造を示す図である。
【図4】実施の形態2における樹脂封止型光モジュールの側面断面模式図である。
【図5】実施の形態3における樹脂封止型光モジュールの側面断面模式図である。
【図6】実施の形態4における樹脂封止型光モジュールの側面(a)と上面(b)との断面模式図である。
【図7】比較例1における樹脂封止型光モジュールの側面断面模式図である。
【符号の説明】
1 光半導体素子、1a LD、1b PD、2 レンズ、3 透明樹脂、4光ファイバ、5 シリコンオプティカルベンチ、6 台座、7 基板、8 外部リード、9 接着樹脂、10 透明板、11 枠、20,30,40,50 樹脂封止型光モジュール。
Claims (5)
- 光半導体素子とレンズと光ファイバとを有し、前記光半導体素子と前記光ファイバとが前記レンズにより光結合され、前記光半導体素子と前記レンズとの間の少なくとも光路を構成する部分が透明樹脂で満たされ、且つ、前記レンズと前記光ファイバとの間の少なくとも光路を構成する部分に空隙を有する樹脂封止型光モジュール。
- 光半導体素子とレンズとが透明樹脂に封入されており、前記透明樹脂の光ファイバに対向する面が、平面であることを特徴とする請求項1に記載の樹脂封止型光モジュール。
- 光半導体素子とレンズとが透明樹脂に封入されており、前記透明樹脂の光ファイバに対向する面が、凸面レンズの形状であることを特徴とする請求項1に記載の樹脂封止型光モジュール。
- 光半導体素子とレンズとが透明樹脂に封入されており、前記レンズの光ファイバに対向する側が前記透明樹脂から露出していることを特徴とする請求項1に記載の樹脂封止型光モジュール。
- 透明樹脂の光ファイバに対向する平面に接して、光学透明な板が設けられていることを特徴とする請求項2に記載の樹脂封止型光モジュール。
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Cited By (4)
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-
2002
- 2002-10-09 JP JP2002296164A patent/JP2004133117A/ja active Pending
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