JP2006184339A

JP2006184339A - 光モジュール

Info

Publication number: JP2006184339A
Application number: JP2004375042A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Ito; 宏樹伊藤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2006-07-13

Abstract

【課題】ファイバスタブを有するレセプタクルタイプの光モジュールや更に雑音特性を改善した光モジュールにおいて、接着固定されている光ファイバの半田実装時の熱影響による飛び出し、引き込みを防止する。
【解決手段】レセプタクル８は、フェルール１ａの内孔２ａに光ファイバ２を固定してなるファイバスタブ１が固定部材３の貫通孔にその先端部と後端部を露出するように固定される。ファイバスタブ１の先端部にはスリーブ４を嵌め込み、スリーブ４の飛び出し防止のためのカバー部５が圧入固定される。そして、予め基板に半田付け可能な、レンズ２５と、光素子２２を有するステム２３とを一体化した筐体２４からなる光モジュール２１に設けられたガイド孔２４ａに、ファイバスタブ１の後端部を挿入するように構成することで、ファイバスタブ１に熱ダメージを与えることなく、光モジュール１の半田実装を可能にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信用モジュール等に使用される光モジュールに関するものである。

光信号を電気信号に変換するための光モジュールは、半導体レーザーやフォトダイオード等の光素子をケース内に収納し、レンズ等を介して、光ファイバに光信号を導入または導出するような構造となっている。この様な光モジュールのうちコネクタを接続するようにした光モジュールを図４に示す。図４に示すレセプタクル型の光モジュール１０は光レセプタクル８に光デバイス２１を備えるとともに、もう一方にプラグフェルール６を接続するものである。

上記、図４に示した光レセプタクル８は、ステンレス鋼の母材を切削加工もしくは射出成形した固定部材３の内径に、ファイバ２を接着固定したファイバスタブ１の後端部を圧入により固定され、ファイバスタブ１の先端部をセラミック等からなる割スリットの入ったスリーブ４により把持し、スリーブ４の抜け防止の為、ステンレス鋼の母材を切削加工もしくは射出成形したカバー部５を固定部材３の内径にて接着または圧入固定して構成されている。

近年、インターネット等の普及に伴い、データ通信においても光伝送が一般的になり、そのキーデバイスである光通信用送受信器は高速化と、小型化、低コスト化を同時に実現することが求められている。この光通信用送受信器の小型化に伴い、使用される光ファイバも送信用受信用が対になった２芯の光コネクタを用いて勘合させる光レセプタクルタイプが一般的となった。

このとき、図５の様に送信用の光レセプタクル８ａと受信用の光レセプタクル８ｂをハウジング３１で固定されるが、静電気や外部電磁波等が金属の光レセプタクル８ａ、８ｂから光デバイスに伝わり、外部雑音を拾ってしまう問題が発生した。

そこで参考特許文献１で説明されている図６に示すような光レセプタクル８が考案された。図６の光レセプタクル８はジルコニア、アルミナ等のセラミック材料からなる円筒状の貫通孔に石英ガラス等からなる光ファイバ２を挿入固定して得られたファイバスタブ１を固定部材３に圧入により固定し、他端を割スリーブ４の内孔に挿入するとともに、モジュールを取り付けるフランジと一体化した樹脂成形とした割スリーブ１の抜け防止のためのカバー部５が固定部材２の外周にある勘合ツメにより、嵌め込み固定することによって構成されている。これはモジュールを取り付けるフランジと一体成形されているカバー部５が樹脂である為、雑音特性が改善されていることが報告されている。
特開２００１−６６４６８号公報

しかしながら、従来の図４に示された光モジュール１０や、雑音特性を改善した図６に示された従来の光モジュール１０を実装するときは、ステム２３の電気配線であるリードを回路基板の配線パターンに対して平行方向での重ね合わせ、又はスルーホールへの挿入後に半田固定する。ここで、光デバイス２１と光レセプタクル８は高精度な位置決めが必要であるため、光レセプタクルは予め光デバイスに対して位置決め固定されて一体型とする必要があった。また、上記半田固定は半田の溶融する加熱条件下での作業となっていつため、この熱がステム２３を介して光レセプタクルに伝達されていた。そのため、光レセプタクル８のファイバスタブ１に挿入されている光ファイバ２は接着剤により固定されていることから、高温にさられることで接着剤が変質して光ファイバ２が飛び出したり、引っ込んだりして光コネクタ側のプラグフェルール６との接続損失が大きくなるなどの問題が発生する。従って光モジュール１０の回路基板への半田固定は半田ごてによる局所過熱により数秒の間で実施する必要があるため、手作業で熟練が必要な作業となっていた。また、前記光モジュール１０の組み立ては更なる低価格化が要求されており、コストの削減が必須となっていた。

フェルールの内孔で光ファイバを保持してなるファイバスタブと、貫通孔を有し、該貫通孔に前記ファイバスタブの先端部および後端部を露出させながら固定する固定部材と、前記ファイバスタブの先端部を保持するスリーブと、ガイド穴を有し、かつ該ガイド穴で前記ファイバスタブの後端部を保持するとともに前記ファイバスタブの後端面に対向する位置にレンズを設けた筐体と、光素子を有するとともに、該筐体の蓋体となるステムとからなることを特徴とする。

また、前記ファイバスタブの後端部側の前記固定部材の端面に絶縁膜を形成したことを特徴とする。

また、前記絶縁膜に電波吸収剤を含有させたことを特徴とする。

また、前記ファイバスタブの後端部側の前記固定部材の端面と前記筺体との間に空隙を設け、前記ファイバスタブの後端部を前記ガイド穴で保持したことを特徴とする。

本発明の光モジュールによれば、光レセプタクルから露出して突出したファイバスタブの後端部が光デバイスを構成する筐体が有するガイド穴で高精度かつ簡易に位置決めすることが可能であるため、従来の光モジュールの様にあらかじめ光レセプタクルを光デバイスに固定する必要がなく、光デバイスを基板に半田実装させたあと、光レセプタクルを簡易に固定することが可能であるので、半田実装時の熱ダメージを光レセプタクル内のファイバスタブに与えることがなく、光ファイバを固定している接着剤が変質して光ファイバが飛び出したり、引っ込んだりせずに光コネクタのプラグフェルールとの接続損失を発生させることが無い。

また、光レセプタクルは、光デバイスを基板に固定した後に該光デバイスに固定することができるため、光デバイスの固定を高温の熱工程に入れることが可能となり、自動の半田実装装置による組み立て効率の改善が可能となり低コスト化が可能となる。

さらには、外部電磁波が光レセプタクルを通じて、光デバイスに対して雑音を発生させてしまうことや、静電破壊してしまうことのない雑音特性に優れた光モジュールを提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。

図１は、本発明の光モジュールの一実施例の形態を示す断面図である。光モジュール１０は、光レセプタクル８と光デバイス２１とから構成されている。

まず、光レセプタクル８の構成について説明する。フェルール１ａの内孔２ａに光ファイバ２を挿入し接着固定してなるファイバスタブ１が、金属の固定部材３の貫通孔にファイバスタブ１の先端部と後端部が露出するように固定する。次に、固定部材３から露出したファイバスタブ１の先端部にスリーブ４を嵌め込み、さらに、スリーブ４の飛び出し防止のために、カバー部５が固定部材３に圧入固定されている。そして、上述したように、光デバイス２１が設置される側に位置するファイバスタブ１の後端部も固定部材３から露出させるように形成することにより、光レセプタクル８を作製できる。なお、光デバイス２１が設置される側の固定部材３の端面３ａに絶縁膜３ｂを形成してもよい。

次に、光デバイス２１の構成について説明する。固定部材３から露出したファイバスタブ１の後端部を精密に保持する為のガイド穴２４ａを有するとともに、ファイバスタブ１の後端面に対向する位置にレンズ２５を設け、かつ該レンズ２５を介して、固定部材３に当てついた位置にて光結合が得られるように、光素子２２が取り付けられたステム２３と一体型の筐体２４から光デバイスが構成されている。なお、レンズ２５は、光素子２２が取り付けられたステム２３に対して気密封止の状態で調整固定されている。

そして、光レセプタクル８の固定部材３から露出したファイバスタブ１の後端部を、光デバイス２１が有するガイド穴２４ａに挿入するとともに、固定部材３の端面３ａと筺体２４とを当て付けて樹脂にて接着固定することにより、本発明の光モジュール１０を作製することができる。

ここで、ファイバスタブ１を構成するフェルール１ａはステンレス、りん青銅等の金属、エポキシ、液晶ポリマー等のプラスチックス、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスからなり、特にジルコニアセラミックで形成することが好ましい。具体的には、ＺｒＯ₂を主成分とし、Ｙ₂Ｏ₃、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ₂、Ｄｙ₂Ｏ₃などの少なくとも一種を安定化剤として含み、正方晶の結晶を主体とする部分安定化ジルコニアセラミックスを用いることが好ましく、このような部分安定化ジルコニアセラミックスは、優れた耐摩耗性を有するとともに、適度に弾性変形することから、圧入によって固定部材３に固定する際に有利である。

そして、フェルール１ａの加工方法としては、例えば、フェルール１ａをジルコニアセラミックスから形成する場合、先ず、予め射出成形、プレス成形、押出成形等の所定の成形法によってフェルール２となる円柱状もしくは直方体形状の成形体を得た後、該成形体を１３００〜１５００℃で焼成し、所定の寸法に切削加工または研磨加工を施す。なお、成形体に切削加工等によって予め所定の形状を形成しておき、その後焼成を行ってもよい。このようにして作製されたフェルール１ａの内孔２ａに光ファイバ２が挿通され、エポキシ系の接着剤は注射器等により光ファイバ２に沿って注入され、フェルール１ａの両端面と光ファイバ２との間にメニスカスが生じる程度まで塗布する。このとき、接着剤内に含まれた気泡は接着硬化後にファイバスタブ１内に膨らんで光ファイバ２を圧迫してクラックを発生させる可能性があるため、遠心分離器等により脱泡作業をした接着剤を使用することが望ましい。その後接着剤硬化のため適切な温度にて加熱硬化される。フェルール１ａの両端から突出した光ファイバ２はメニスカス端部をダイヤモンドカッター等で傷付けて割り、ファイバスタブ１の端面は、片方は光コネクタとの接続損失を低減させるため曲率半径５〜３０mm程度の曲面状に、他方の端面はＬＤ等の光デバイス２１から出射された光が光ファイバ３の端面で反射して光デバイス２１に戻る反射光を防止するため４〜１０°程度の傾斜面に、それぞれ鏡面研磨されている。また、ファイバスタブ１はプラグフェルール１０の脱着の繰り返しや、接続時に掛かり続けるプラグフェルール６側のバネ圧により加重が掛かるため、十分な固定強度が必要である。このため、ファイバスタブ１は固定部材３に十分な圧入または接着、または圧入と接着を併用する固定方法にすることでこれを達成することができる。固定部材３は、主には耐腐食性と溶接性を考慮してステンレスが用いられ、場合によっては固定部材３の端面３ａには絶縁膜３ｂとしてアルミナやＳｉ０_２の厚膜を真空蒸着により形成したり、樹脂皮膜を形成したものを使用する。

また、スリーブ４はジルコニア、アルミナ、銅などの材料から形成されている。主には耐摩耗性を考慮して、ジルコニアなどのセラミックス材料からなることが多い。その加工方法としては、例えばジルコニアなどのセラミックス材料で形成する場合、予め射出成形、プレス成形、押出成形等の所定の成形法によってスリーブ４となる円筒状もしくは円柱状の成形体を得、その後、該成形体を１３００〜１５００℃で焼成し、所定の寸法に切削加工または研磨加工を施して形成する。また、スリーブ４の内径の表面粗さは挿入性を考慮して、算術平均粗さ（Ｒａ）０．２μｍ以下が望ましく、ファイバスタブ１の外径とスリーブ４の内径公差は低い接続損失を得るため±１μｍ以下が望ましく、スリーブ４の内径寸法はファイバスタブ１を確実に保持するために、０．９８Ｎ以上の挿入力になるよう設計することが望ましい。

カバー部５は耐腐食性と溶接性を考慮してステンレスを用いたり、サージ対策が必要な光モジュール１０においては絶縁体のプラスチック、ジルコニア、アルミナなどが用いられ、固定部材３に対して圧入または接着剤などで固定される。

光デバイス２１は、レーザーダイオードやフォトダイオードなどの半導体の光素子２２が鉄やコバールに金メッキを施したステム２３にＡｕＳｎ等により半田固定され、レンズ２５が固定された筺体２４の端部を位置決め調整固定する。このとき光素子２２の経年劣化を防ぐために、ステム２３と筐体２４を溶接または半田により気密封止して一体型とすることが望ましい。

光モジュール１０として光結合を取る必要があるが、筐体２４にはファイバスタブ１の外径に対して２μｍ程度大きいガイド穴２４ａが開いており、これに対して光レセプタクル８のファイバスタブ１を挿入すると筐体２４が固定部材３に当接した位置にて位置決めされ、このファイバスタブ１へ光結合するように、ボールレンズや非球面レンズが低融点ガラスや半田等でガイド穴に対して位置決め気密固定されている。そして光素子２２との光結合のためにあらかじめレンズの集光位置に光素子２２の高さを合わせたステム２３と筐体２４を光軸垂直方向に調整しながら、溶接または半田により気密固定をする。

この方法により、従来はレンズ２５と光素子２２との位置決め調整固定をした後、ファイバスタブ１を位置決め調整固定する２度の手間をかけたのに対して、本発明においては筐体２４だけを位置決め調整固定すれば、光レセプタクル８の固定はガイド穴２４ａにはめ込むだけでよく調整固定する必要がなく、工程削減をすることが可能となっている。

ここで筐体２４はレンズとの固定のためレンズとの熱膨張差の小さい材料でかつ、溶接性のよい材料がよく、例えばＦｅ：Ｎｉ＝１：１を用いて防錆の為にＮｉメッキ処理等されたものや、ＳＵＳ４３０等を使用することが望ましい。光レセプタクル８と光デバイス２１の固定においては、光レセプタクル８の固定部材３から露出したファイバスタブ１の後端部を光デバイス２１を構成する筐体２４が有するガイド穴２４ａに挿入し、固定部材３の端面３ａと光デバイス２１の筐体２４を突き当てることで位置決めして熱膨張係数の小さい絶縁樹脂で固定する。なお、固定部材３から露出させるファイバスタブ１の後端部の長さは、ファイバスタブ１の先端部をスリーブ４で固定するとともに、ファイバスタブ１の後端部をガイド穴２４ａで固定できる程度確保すればいいので、ファイバスタブ１の全長の１０分の１以上であればよい。但し、ファイバスタブ１の後端部の面取り長さと、ガイド穴２４ａの縁の面取り長さはそのファイバスタブ後端部の長さの３分の１以下に抑え、少なくとも残りのファイバスタブ後端部の長さの３分の１にて位置決め部を確保する必要がある。

さらに、フェルール１ａをセラミックスで形成すれば、図２に示すように、ファイバスタブ１の後端部側の固定部材３の端面３ａに絶縁膜３ｂを形成することが望ましい。これにより、光レセプタクル８と光デバイス２１との絶縁がとれるため、光レセプタクル８や光デバイス２１の一方で静電気が発生しても、他の一方の部材に静電気が導通するのを防止することができる。なお、絶縁膜３ｂの厚みは、１ｍｍ以下とし、モジュールの全寸に大きな影響を与えないようにすることが望ましい。

さらに、絶縁膜３ｂにフェライト磁性粉末等の電波吸収剤を含有させることが望ましい。これにより、光レセプタクル８からの電磁ノイズの更なる低減が可能となる。

一方で、フェルール１ａをセラミックスで形成すれば、図３に示すように、ファイバスタブ１の後端部側の固定部材３の端面３ａと筺体２４との間に空隙９を設け、ファイバスタブ１の後端部をガイド穴２４で保持することが望ましい。これにより、上述したような絶縁膜３ａを形成しなくても、上記絶縁対策を施すことができる。ここで、空隙９の大きさは、１ｍｍ以下とし、光モジュールの全寸に大きな影響を与えないようにすることが望ましい。なお空隙９を設ける場合は、ファイバスタブ１の後端部は光デバイス２１のガイド穴２４aに対して、絶縁樹脂で接着固定されている。

また、絶縁対策の必要のない光モジュール１０の場合は固定部材３に絶縁膜を付ける必要はなく溶接性のよいステンレスとし、筐体２４を溶接により固定してもよい。

また、光デバイス２１のガイド穴２４ａはできるだけ高精度な穴加工が望ましいが、位置決め再現性が実現できればよいため、例えばガイド穴２４ａがファイバスタブ１より十分大きくても、ガイド穴２４aと垂直に穴またはネジ穴をあけておき、ファイバスタブ１の後端部をピンまたはネジでガイド穴２４ａに対して片寄せして固定する方法をとることで達成可能であり、筐体２４のステム２３への調整固定やレセプタクル８と光デバイス２１の固定自体もピンまたはネジ止めにより可能である。この様に、光レセプタクル８を構成する固定部材３からファイバスタブ１の後端部を露出させ、該ファイバスタブ１の後端部光デバイス２１のガイド穴２４ａにて位置決め可能な構成とすることで、光の入出力を確認しながらのアクティブアライメントをする箇所を筐体２４と光素子２２が実装されたステム２３の位置決め調整固定のみとすることで組み立て簡易化を図れるため、低コスト化が可能となり、かつ、レセプタクル８と光デバイス２１が電気的に絶縁されていることにより、光レセプタクル８を通じて、金属のハウジングへ漏れ、受信用光モジュール１０に対して雑音を発生させてしまうことや、送信側や受信側の光レセプタクル７が外部の電磁波や静電気により、外部雑音を拾ってしまい、信号不良やサージ劣化することを防止することが可能となる。

以上の様に本発明では光レセプタクル８を後から簡易に接続固定するだけで良い構造となるため、ハウジング３１に対してレセプタクル８をあらかじめ固定しておき、後から基板に実装した光デバイス２１と嵌め合わせて固定する方法がとれるため、ファイバスタブ１に熱ダメージを与えることが無く、接着剤で固定されている光ファイバ２の飛び出しや引き込みの発生を防止できるだけでなく、光デバイス２１の固定を高温の熱工程に入れることもできるため、自動の半田実装装置による組み立て効率の改善が可能となり低コスト化が可能となる。

本発明の実施例を以下で説明する。

先ず、本発明の光モジュールを作製するにあたり、図２に示す光レセプタクル８を作製した。なお光レセプタクル８に接続される光コネクタはＬＣコネクタとした。

ファイバスタブ１を構成する円筒状フェルール１ａはジルコニアからなり、押し出し成形によって円筒状のセラミックス成形体を得て焼成工程で焼き固め、切削加工を行うことで外径Φ１．２４９、長さ４．０５ｍｍのフェルールを作製した。

上記で得られた円筒状フェルール１ａの貫通孔に光ファイバ２を挿入接着固定し、フェルール１ａの先端部を曲率半径２０ｍｍ程度の曲面に鏡面研磨し、反対側をＬＤ等の光デバイス２１から出射された光が、光ファイバ２の先端部で反射して光デバイス２１に戻る反射光を防止するため、８°の傾斜面に鏡面研磨を施し、同様に、フェルール１ａの後端部も８°の傾斜面に鏡面研磨を施すことによりファイバスタブ１を作製した。

また、防錆性、溶接性に優れたＳＵＳ３０４の固定部材３の端面３ａにはあらかじめポリイミドの樹脂膜を塗布し加熱硬化させて形成しておき、ファイバスタブ１を圧力センサ付きハンドプレスにて十分な加重を確認しつつ固定部材３に圧入した。このとき、このサンプルにてファイバスタブ１が固定部材端面から飛び出した後の固定位置付近での圧入強度は１００Ｎ程度あった。

従って、それ以下の加重であればファイバスタブ１が動くことが無いため、プラグフェルール７による押し圧や着脱時の衝撃に対して十分強度があることが明白である。

次に、割スリーブ４は外径Φ１．６９、長さ５ｍｍのジルコニアセラミックス製のものを用い、ファイバスタブ１の先端部に挿入した。そして、ＳＵＳ３０４のカバー部５を固定部材３に圧入固定し、光レセプタクル８とすることができた。

次に図１に示す光デバイス２１を作製した。鉄に金メッキを施したステム２３にＩｎＰのフォトダイオードの光素子２２をＡＵＳｎ半田にて実装した後、電圧をかけて受光できるよう駆動した。フェルールの径より２μｍだけ大きいガイド穴２４ａをあけたＳＵＳ４３０の筐体２４には、ボール形状のレンズ２５をはめ込み低融点ガラスにより気密封止固定した後、光レセプタクル８に光ファイバーコードのプラグフェルール６を挿入した。次に、ファイバスタブ１を光レセプタクル８を構成する固定部材３から、ファイバスタブ１の後端部が１ｍｍ露出するように固定部材３に固定し、前記レンズ２５を実装した筐体２４のガイド穴２４ａに挿入し治具により仮固定した。このとき、光ファイバーコードの他端には光源が接続されており、光ファイバーコードのプラグフェルール６からは光出力された状態となっている。これにより、筐体２４のレンズ２５からは光が集光された状態となっており、受光できるよう駆動した光素子２２を実装したステム２３を受光量が最大になる位置に位置調整した後、ステム２３と筐体２４を密着させてシーム溶接し、光デバイス２１とすることができた。

最後に光レセプタクル８の固定部材３の端面３ａにフェライト磁性粉末を混ぜた熱硬化型エポキシ系樹脂を塗布し、光デバイス２１のガイド穴２４ａに対して、光レセプタクル８のファイバスタブ１を挿入、付き当て固定しオーブンにより加熱硬化させることで、図２に示した光モジュール１０を作製した。

従来の図４に示すような光モジュール１０では、レンズ２５と光素子２２の付いたステム２３を調芯固定し、その後更にレセプタクルを調芯固定する必要があったが、図１に示すような本発明の光モジュール１０は、レンズ２５の付いた筐体２４と光素子２２の付いたステム２３をあらかじめ光出力を見ながら調芯するだけで良く、その後、レセプタクルはただ単に嵌め合わせて固定するだけでよいため、光レセプタクル８はあらかじめハウジング３１に、光デバイス２１は基板に半田固定しておくことが可能となり、光デバイスの固定を自動のリフロー工程に投入可能となるため、組み込み工程の低価格化が図れることが確認できた。

本発明の光モジュールを示す断面図である。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。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。従来の光モジュールを示す断面図である。トランシーバとして固定された従来構造の受信用の光モジュール・送信用の光モジュールの断面図を示す。絶縁対策を施した従来の光モジュールを示す断面図である。

符号の説明

１：ファイバスタブ
１ａ：フェルール
２：ファイバ
３：固定部材
３ａ：端面
３ｂ：絶縁膜
４：スリーブ
５：カバー
６：プラグフェルール
７：ファイバ
８：光レセプタクル
８ａ：送信用の光レセプタクル
８ｂ：受信用の光レセプタクル
９：空隙
２１：光デバイス
２２：光素子
２３：ステム
２４：筐体
２４ａ：ガイド穴
２５：レンズ
３１：ハウジング

Claims

フェルールの内孔で光ファイバを保持してなるファイバスタブと、貫通孔を有し、該貫通孔に前記ファイバスタブの先端部および後端部を露出させながら固定する固定部材と、前記ファイバスタブの先端部を保持するスリーブと、ガイド穴を有し、かつ該ガイド穴で前記ファイバスタブの後端部を保持するとともに前記ファイバスタブの後端面に対向する位置にレンズを設けた筐体と、光素子を有するとともに、該筐体の蓋体となるステムとからなることを特徴とする光モジュール。
前記フェルールをセラミックスで形成し、前記ファイバスタブの後端部側の前記固定部材の端面に絶縁膜を形成したことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記絶縁膜に電波吸収剤を含有させたことを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
前記フェルールをセラミックスで形成し、前記ファイバスタブの後端部側の前記固定部材の端面と前記筺体との間に空隙を設け、前記ファイバスタブの後端部を前記ガイド穴で保持したことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。