JP2005215231A

JP2005215231A - 光学部品およびその製造方法

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Publication number: JP2005215231A
Application number: JP2004020733A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tanaka; 裕之田中
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-08-11
Also published as: TW200532265A; CN1661408A; TWI279598B; CN100462758C; US20050175300A1; US7151871B2

Abstract

【課題】細径では困難な屈折率分布型ロッドレンズ端面の機械的加工を不要にし、かつ容易で信頼性が高いロッドレンズのレンズホルダへの固定方法を提供する。
【解決手段】本発明の光学部品は、レンズホルダ３０の貫通穴に屈折率分布型ロッドレンズ１０が挿入固定されたものである。ロッドレンズ１０の一方の端面の側の貫通穴をテーパ穴とし、この端面全体とテーパ穴の内周面の一部とを覆うように透明部材を密着成形するとともに、この透明部材の表面の一部を球面または非球面形状に成形して成形レンズ２０とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、微小光学分野や光通信分野等で使用される屈折率分布型ロッドレンズをレンズホルダに固定した光学部品に関する。

屈折率分布型ロッドレンズは、媒質そのものの屈折率分布により光を屈折するパワーを備えているため、基本的には両端面が平坦な円筒状のレンズである。このため、一般のレンズに比べて光ファイバなど他の光学要素との形状的整合性がよく光軸合わせ等において有利である。また、媒質自体に屈折力を有しているため、レンズ長を変化させることにより、焦点距離を変化させることができるなど優れた特性を多く持っている。そのため、微小光学と呼ばれる分野で幅広く使用され、光通信分野でも非常に重要な光学素子であることが広く認知されている。

また、この屈折率分布型ロッドレンズは、その少なくとも一方の端面を球面加工することにより、さらに屈折力を大きくすることができる。これにより端面が平坦面の場合に比べてより明るい、開口数の大きいレンズを得ることができる（例えば特許文献１参照）。

上記ロッドレンズのみならず、他のレンズにおいても、取り扱いを容易にし、他の光学素子と組合せる場合の組立を容易にするため、ホルダ（枠体）に固定する場合が多い。これはホルダ実装と呼ばれ、つぎの各特性が重要である。
（１）ホルダに対するレンズの位置精度
（２）ホルダに対するレンズの接着強度
（３）ホルダとレンズの接着後の気密性
（４）上記接着の耐久性

半導体レーザから出射する光を光ファイバに結合させる目的で、ロッドレンズと半導体レーザをホルダに固定して一体化する方法は例えば、特許文献２に開示されている。ロッドレンズは通常直径数ｍｍ以下と微小であるため、ホルダへの実装はとくに重要である。ホルダの材料には金属や樹脂が用いられるが、レンズをホルダに固定するためには以下のような方法が一般的に用いられている。
（ａ）金属ハンダによる接着
（ｂ）有機系接着剤による接着
（ｃ）低融点ガラスによる接着
（ｄ）圧入

図８にロッドレンズのホルダ実装の一例を示す。釣鐘状の金属製レンズホルダ１３０の頂部に貫通穴を設け、ロッドレンズ１０を挿入、固定してある。この場合、ロッドレンズ１０は低融点ガラス１１０によって金属製レンズホルダ１３０に固定されている。
特開２００２−１８２０７３号公報特開平７−２８１０６２号公報

しかしロッドレンズ端面の球面加工は、とくに直径が小さくなると、レンズの端面を研磨が難しくなり、生産性が低い。
またホルダ実装における上記（ａ）〜（ｄ）の手段にはそれぞれ以下の課題が存在する。

金属ハンダによりガラス製レンズを接着するには、金属メッキかまたは真空成膜法によりレンズの外周面に金属被膜を形成する必要があり、かつホルダ側にも金メッキ等を施す必要がある。このため工程数が多く、コスト高の要因となる。

有機系接着剤による固定方法は簡略ではあるが、耐久性に問題があり、かつ樹脂から脱ガスあるとレンズ表面に付着物が生じたり、半導体光学素子に悪影響が及んだりする。

低融点ガラスによる接着は、発光・受光素子のキャップ（カバー）部の窓材の接着方法として一般的に広く知られており、耐久性が高い。しかし融解前の低融点ガラスは固体であり、ホルダとレンズの接着部の形状に合わせた加工が必要である。図８に示した例ではロッドレンズの周囲を囲むために低融点ガラスはリング状に加工したものを用いている。また低融点ガラスとホルダおよびレンズの熱膨張係数の整合に注意が必要であるなど制約が多い。

圧入による固定は、接着媒体を必要としない点で有利ではあるが、圧入のためにレンズとホルダに高い寸法精度が要求され、また圧入によりガラス製レンズに内部応力などが生じ、偏光特性が劣化するという問題点がある。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、ロッドレンズ端面の機械的加工を不要にし、かつ容易で信頼性が高いレンズのホルダへの固定方法を提供することを目的とする。

本発明の光学部品は、レンズホルダの貫通穴に屈折率分布型ロッドレンズが挿入固定されたものであり、ロッドレンズの少なくとも一方の端面を貫通穴内に置き、この端面全体と貫通穴の内周面の少なくとも一部とを覆うように透明部材を密着させ、この透明部材の表面の一部を球面または非球面形状に成形する。

この構成により、ロッドレンズ端面を機械加工することなく、光学的には端面を球面加工した場合と同等の特性を付与することができる。併せてロッドレンズをレンズホルダに容易に高い信頼性で、かつ気密性を高く固定できる。

上記レンズホルダの貫通穴が、内径が一定のロッドレンズが固定された部分とその部分に連続するテーパ状部分とを有するようにし、透明部材がロッドレンズの端面全体と貫通穴のテーパ状部分の内周面の少なくとも一部とを覆うようにすることが望ましい。
レンズホルダの貫通穴の一部をテーパ状とすることにより、透明部材の成形を容易にし、かつ透明部材とレンズホルダの密着性を高くできる。

さらに球面または非球面形状に成形された透明部材の表面に反射防止膜または透過光強度減衰フィルタまたは波長フィルタを形成するのが望ましい。
レンズホルダにレンズを固定し、透明部材を成形した後の上記反射防止膜やフィルタの成膜はレンズ単体への成膜に比べ、容易になる。

このロッドレンズを固定し、透明部材を密着させて成型したホルダの貫通穴に連結して半導体光学素子を挿入固定する筒状部分を設け、この筒状部分内に半導体光学素子を気密封止する。そして半導体光学素子が出射する光を集光またはコリメートし、もしくは半導体光学素子が受光する光を集光またはコリメートするように、成型した透明部材の表面と半導体光学素子との距離を定める。
この構成により、各種半導体光学素子とレンズとを組み合わせた光学部品を提供できる。

レンズホルダの貫通穴に屈折率分布型ロッドレンズを挿入、固定した光学部品の製造方法において、レンズホルダの貫通穴に屈折率分布型ロッドレンズをその少なくとも一方の端面が貫通穴内にあるように挿入し、貫通穴内のロッドレンズ端面に接して透明部材を置いて加熱し、成形型により加圧してこれを変形させて、貫通穴内周面とロッドレンズの端面の双方に圧着させるとともに表面を球面または非球面状に成形する。

この方法により、ロッドレンズ端面を機械加工することなく、光学的には端面を球面加工した場合と同等の特性を付与することができる。併せてロッドレンズをレンズホルダに容易に高い信頼性で、かつ気密性を高く固定できる。

本発明によれば、ロッドレンズ端面に球面加工に相当する光学特性を付与すると同時にレンズのホルダへの固定を同時に行うことができる。さらに、反射防止膜などの成膜などもホルダへの固定後に行うことができ、半導体光学素子との組み合わせも容易である。

以下に本発明の実施形態について図を用いて説明する。
図１および図３は本発明の実施形態の光学部品の断面を示している。
図１に示す本発明の光学部品はレンズホルダ３０の円筒状の貫通穴に屈折率分布型ロッドレンズ１０を挿入して固定し、その一方の端面に密着するように成形レンズ２０を形成したものである。

レンズホルダ３０は図２に示すように、貫通穴の中央部は、挿入するロッドレンズの直径にほぼ一致するような一定の直径をもつ筒状部分３２で、この筒状部分の一方の側はテーパ穴３４なっている。筒状部分の他の側は筒状部分より直径が大きい部分３６が設けられている。

ロッドレンズ１０は両端面がともに内径が一定な筒状部分３２内に入るようにレンズホルダ３０を設計するのが望ましい。しかし本発明の実施のためには少なくとも成型レンズを密着させる一方の端面がレンズホルダ３０の貫通穴内にあればよい。

成型レンズ２０は透明部材、本実施形態ではガラスを加熱し成型することによって作製される。成型時の押圧により、ロッドレンズ１０の端面全体とテーパ穴３４の内周面の一部を覆うように密着する。レンズホルダへの密着部分は必ずしもテーパ穴部分である必要はなく、貫通穴の内周面であればよい。しかし成型のしやすさの点からテーパ穴が存在することが望ましい。

成形レンズ２０の光線が通過する部分の表面は球面状または非球面状に成形する。これによってロッドレンズ１０に密着させた透明部材がレンズとしての機能を得る。

図３に示す例では、ロッドレンズ１０と成形レンズ２０を固定している部分４２の構造は図１の場合とまったく同様であるが、ホルダ４０の成形レンズ側に直径の大きな筒状部分４８を備えている点が異なる。この筒状部分４８は例えば半導体レーザなどの半導体光学素子を収容するために設けられている。

とくに半導体レーザと組み合わせて用いる場合には成形レンズ２０の表面に反射防止膜（図示しない）を設けることが望ましい。一般に真空成膜法によってレンズ表面に単層または多層の誘電体膜を形成するが、ホルダの貫通穴がテーパ状になっているとレンズ表面に均一な成膜がしやすい。必要に応じて透過光強度減衰フィルタまたは波長フィルタなどを形成してもよい。

使用した屈折率分布型ロッドレンズはガラス製で、成形する透明部材もガラスである。レンズホルダは金属製（フェライト系ステンレス鋼ＳＦ２０Ｔ）である。それぞれの熱膨張係数の値は以下のとおりであり、熱膨張係数をほぼ一致させるように選択した。
（熱膨張係数）屈折率分布型ロッドレンズ１１９×１０^-7 ／℃
成形用ガラス素材１１２×１０^-7 ／℃
フェライト系ステンレス鋼１２２×１０^-7 ／℃

またロッドレンズの中心屈折率と成形用ガラス素材の屈折率は以下の通りであり、界面の反射率は計算上０．１％以下にすることができる。
（屈折率）屈折率分布型ロッドレンズ１．６３４
成形用ガラス素材１．５７７

つぎに上記光学部品の製造方法について説明する。
図４は本発明の光学部品の製造装置の断面を示している。例として図３に示す光学部品を製造している状態を示した。

成形レンズの光学面を形成する上型５２と、屈折率分布型ロッドレンズ１０を保持する下型５４は、胴型と呼ばれる貫通穴をもつ円筒状のアウタースリーブ６４に挿入されており、上下の成形型は、その同軸度が、成形後の光学部品の光学特性を得るのに十分な程度に維持された状態で、円筒の軸方向に自由に動くことが可能である。下型５４に対してレンズホルダ４０、屈折率分布型ロッドレンズ１０の軸方向位置及び同軸度を確保するための手段として、下型に被せるように内穴に段差をもつインナースリーブ６２が設置されている。下型５４とアウタースリーブ６４の双方をベース（固定台）に搭載して固定する（図示は省略した）。

インナースリーブ６２と下型５４に囲まれた空間にインナースリーブ内穴の段差を利用してレンズホルダ４０を配置する。レンズホルダ４０の貫通穴には予め屈折率分布型ロッドレンズ１０を挿入しておく。レンズホルダ４０の貫通穴の筒状部分外側に設けられたテーパ穴と屈折率分布型ロッドレンズの端面の少なくとも一方に接するように球形状のガラス素材７０を投入する。
上型５２は、屈折率分布型ロッドレンズ１０と球形状の素材ガラス７０を下型５４との間に挟み込むように、アウタースリーブ６４に挿入する。これを成型ユニットとする。

図５は球形状ガラス素材を屈服点付近まで加熱し、上型５２を下型５４方向に押し、型形状をガラス素材に転写している様子を示す模式図である。屈服点付近での素材ガラスは、型による押圧で容易に変形し、上型５２の成形面が転写されて成形レンズ２０が形成される。これと同時にレンズホルダ４０のテーパ穴の内面の一部と屈折率分布型ロッドレンズ１０の端面の双方に圧着され固定される。このとき、余剰なガラスは上型５２の外側に、テーパ穴の内面に沿って押し出されるため光束が通過するレンズの領域には影響を及ぼさない。

一定の成型工程により成形が終了しレンズが固定されたレンズホルダ、すなわち光学部品は成型ユニットを徐冷した後取り出す。

さらにこのレンズの表面に反射防止膜または波長依存性を有するフィルタなどを設けることにより機能を付加した光学部品となる。フィルタの成膜については、ホルダに固定したレンズについて行うため、ロッドレンズ単体に施すより取り扱い上容易となる。

図６および図７は上述のように作製された光学部品を使用した半導体レーザモジュールの断面図を表している。
図６は、一般にＴＯ型と称する容器に実装した半導体レーザ素子を用いた例を示している。半導体レーザ素子は、容器のベース８２に半導体レーザチップ８０を実装し、チップ上の素子電極と容器のリード線８４をワイヤボンディングにより結線し、これにキャップ８６を被せ、容器内部に不活性ガスを封入して気密封止したものである。

上述の光学部品の筒状部分４８（図５参照）に図６に示すように半導体レーザ素子のキャップ８６部分を挿入し、光学部品のレンズホルダ４０の端部とＴＯ型容器の外周部８３とをレーザ溶接等で固定し半導体レーザモジュールとする。成型レンズ２０のレンズ面はＴＯ型容器のキャップ８６部のガラス製の窓８８を挟んで半導体レーザチップ８０と対向している。

図６は半導体レーザチップ８０を実装した後、キャップを被せず、レンズホルダ４０とチップを実装したベース８２とを直接、溶接接合した例を示している。この場合は、レンズホルダ４０内に不活性ガスを満たし、気密封止する。また成型レンズ２０のレンズ面は直接半導体レーザチップ８０に対向して配置されるため、レーザの発光点とレンズを近接させることができる。

図６および図７に示す半導体レーザモジュールは、ともに半導体レーザチップ８０から出射する発散光を成形レンズ２０と屈折率分布型ロッドレンズ１０とで効率よく、かつ低収差で集光し、光ファイバ１００に結合する機能を有している。

また、レンズホルダ４０の貫通穴は機械加工等によって開けられるが公差をもっており、ロッドレンズの外径の公差との関係で、ロッドレンズとレンズホルダの接着部分の気密が不十分になる恐れがある。しかし本発明の場合は、成形レンズの存在によって、ロッドレンズとレンズホルダの間の気密が不十分でもモジュール内の気密が保たれる。

上記の例は半導体レーザについて説明したが、他の半導体光学素子を用いる場合にも、同様なモジュールを作製できる。発光素子では発光ダイオード、スーパールミネッセントダイオードなど、受光素子ではフォトダイオードがその例である。

以上説明した実施形態では、ガラス製のロッドレンズと成形レンズ及び金属製レンズホルダを例に説明した。しかし本発明はこの他の場合にも適用できる。例えば、ロッドレンズ、成形レンズ、レンズホルダのすべてを樹脂性とすることもできる。

本発明の光学部品の一例を示す断面模式図である。本発明の光学部品に用いるレンズホルダの一例を示す断面模式図である。本発明の光学部品の他の例を示す断面模式図である。本発明の光学部品を製造する成形ユニットの断面模式図である。成形終了後の成形ユニットの状態を示す断面模式図である。本発明の実施形態の一例である半導体レーザモジュールの断面模式図である。本発明の実施形態である半導体レーザモジュールの他の例の断面模式図である。従来の屈折率分布型ロッドレンズのホルダ実装の例を示す断面模式図である。

符号の説明

１０屈折率分布型ロッドレンズ
２０成形レンズ
３０レンズホルダ
４０ホルダ
５２上型
５４下型
６２インナースリーブ
６４アウタースリーブ
７０ガラス素材
８０半導体レーザチップ
１００光ファイバ

Claims

貫通穴を有するレンズホルダの該貫通穴に屈折率分布型ロッドレンズが挿入固定された光学部品において、前記ロッドレンズの少なくとも一方の端面が前記貫通穴内にあり、該端面全体と貫通穴の内周面の少なくとも一部とを覆うように透明部材が密着され、該透明部材の表面の一部が、球面または非球面形状に成形されていることを特徴とする光学部品。
前記レンズホルダの貫通穴は内径が一定で前記ロッドレンズが固定された部分と該部分に連続するテーパ状部分とを有し、前記透明部材は前記ロッドレンズの端面全体と貫通穴のテーパ状部分の内周面の少なくとも一部とを覆っていることを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
前記球面または非球面形状に成形された透明部材の表面に反射防止膜を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の光学部品。
前記球面または非球面形状に成形された透明部材の表面に透過光強度減衰フィルタまたは波長フィルタを形成したことを特徴とする請求項１、２または３に記載の光学部品。
前記ロッドレンズを固定し、透明部材を密着させて成型した前記ホルダの貫通穴に連結して半導体光学素子を挿入固定する筒状部分を設け、該筒状部分内に前記半導体光学素子を気密封止し、かつ半導体光学素子が出射する光を集光またはコリメートし、もしくは該半導体光学素子が受光する光を集光またはコリメートするように、前記成型した透明部材の表面と半導体光学素子との距離を定めたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学部品。
貫通穴を有するレンズホルダの該貫通穴に屈折率分布型ロッドレンズが挿入、固定された光学部品の製造方法において、前記レンズホルダの貫通穴に前記屈折率分布型ロッドレンズをその少なくとも一方の端面が貫通穴内にあるように挿入し、該貫通穴内のロッドレンズ端面に接して透明部材を置いて加熱し、成形型により加圧してこれを変形させて、前記貫通穴内周面と前記ロッドレンズの端面の双方に圧着させるとともに表面を球面または非球面状に成形することを特徴とする光学部品の製造方法。