JP2007156423A - フィルタモジュール及び光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高温高湿耐性の高いフィルタモジュール及び光モジュールを提供する。
【解決手段】多層膜フィルタと透明部材とを貼り合わせ面で貼り合わせててなる光学フィルタアセンブリ１を、金属ベース２に形成された落とし込み穴３に落とし込み、その落とし込み穴３の内側面と上記光学フィルタアセンブリ１の側面Ｓ１との間に上記貼り合わせ面Ｓ３の縁が完全に覆われるように接着剤４を充填した。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学フィルタを金属ベースに固定してアセンブリ化したフィルタモジュール及びフィルタモジュールに光電素子を搭載した光モジュールに係り、高温高湿耐性の高いフィルタモジュール及び光モジュールに関する。

光学フィルタアセンブリは、多層膜フィルタと複数層の光学ガラスを貼り合わせて構成される。例えば、図４（ａ）に示した光学フィルタアセンブリ１は、４種類の異なる透過波長（又は波長帯）を有する多層膜フィルタ５，６，７，８（図示左から第一、第二、第三、第四フィルタという）を一列に配し、これら多層膜フィルタ列に対向させて全光波長反射膜フィルタ９を設けたものである。各々の多層膜フィルタ５，６，７，８は、図４（ｂ）のように光学ガラス板１０の片面に多層膜１１を形成したものである。また、全光波長反射膜フィルタ９も光学ガラス板１２の片面に反射膜１３を形成したものである。多層膜フィルタ列の延長線上には、光波長に対する特殊な光学特性を持たない光学ガラス板１４，１５を並べる。さらに、多層膜フィルタ列の全光波長反射膜フィルタとは反対側は光学ガラス板１６で覆う。

なお、各光学ガラス板の貼り合わせには接着剤が使用される。もちろん、この接着剤は光波長に対して透明なものである。

この光学フィルタアセンブリ１において、図４のように、光学ガラス板１６の所定の位置に対して所定の入射角で光波長多重信号（以下、光Ｃ）が入射すると、この光Ｃは光学ガラス板１６，１４を透過し、全光波長反射膜フィルタ９の反射膜１３で反射される。その反射光が第一フィルタ５に入射すると、透過波長の光のみが透過し、他の波長の光は第一フィルタ５の多層膜で反射される。その反射光は、全光波長反射膜フィルタ９の反射膜１３の先ほどより進んだ位置で反射される。その反射光が第二フィルタ６に入射すると、透過波長の光のみが透過し、他の波長の光は第二フィルタ６の多層膜で反射される。

このようにして、順次、波長の異なる光が選択的に透過していく。従って、光波長多重信号は互いに異なる光波長（又は波長帯）の光信号に分離される。また、逆の光路を辿れば、互いに異なる光波長の光信号が合波されて光波長多重信号となる。つまり、この光学フィルタアセンブリ１は光合分波器として使用できる。

特開２００２−３１３１４０号公報

一般に、光トランシーバなどの光通信装置、分光分析装置あるいはその他の光学装置に、ガラス製の光学部品を組み込む際に、光学装置の筐体に直接、そのガラスの部分を固定するのではなく、あらかじめ光学部品をステー部材に固定して光学アセンブリにしておき、その光学アセンブリを光学装置の筐体に取り付けるようにすると、組み立てが容易になる。光学部品をステー部材に固定するには、接着剤を用いるのが簡便である。

しかし、光学フィルタアセンブリを接着剤でステー部材に固定した構造では、高温高湿の環境下に長時間晒された場合に、接着剤に剥離が生じることがある。

光学フィルタアセンブリ自体においても、各光学ガラス板の貼り合わせに使用されている接着剤に同様に剥離が生じる。その剥離に伴って水分や気泡が光学ガラス板の貼り合わせ面に浸入すると、光合分波器の特性が変動してしまう。

図５に示されるように、光学フィルタアセンブリ１を単体で高温高湿試験を施した後に観察（この図は上面から透視したイメージ）すると、第二フィルタ６とその上下の光学ガラス板の貼り合わせ面に気泡５１が浸入している。気泡５１が貼り合わせ面の縁になっている側面Ｓ１に沿って集中していることから、気泡５１が側面Ｓ１から貼り合わせ面に浸入したものと推定される。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高温高湿耐性の高いフィルタモジュール及び光モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明のフィルタモジュールは、多層膜フィルタと透明部材とを貼り合わせ面で貼り合わせてなる光学フィルタアセンブリと、その光学フィルタアセンブリを落とし込むために金属ベースに形成された落とし込み穴と、その落とし込み穴の内側面と上記光学フィルタアセンブリの側面との間に上記貼り合わせ面の縁が完全に覆われるように充填された接着剤とを有するものである。

上記金属ベースには、上記落とし込み穴から上記金属ベース裏側に抜ける裏抜け穴が形成され、上記接着剤は、この裏抜け穴又は上記落とし込み穴と上記光学フィルタアセンブリの隙間から注入されて上記落とし込み穴の内側面と上記光学フィルタアセンブリの側面との間に浸み込まされてもよい。

上記落とし込み穴と上記光学フィルタアセンブリの隙間に生じる上記接着剤の液面の曲率が上記裏抜け穴に生じる上記接着剤の液面の曲率よりも大きくてもよい。

また、本発明の光モジュールは、上記光学フィルタアセンブリの入出射光軸上に配置する光電素子を搭載したＣＡＮモジュールが、請求項１又は２記載のフィルタモジュールに固定されたものである。

上記落とし込み穴の周の長さをｂとし、上記裏抜け穴の周の長さをｃとしたとき、
ｂ＞ｃ
であってもよい。

上記落とし込み穴と上記光学フィルタアセンブリとの隙間の面積をＭとし、上記裏抜け穴の面積をＮとしたとき、
Ｍ＜Ｎ
であってもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）高温高湿耐性を高めることができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１（ａ）に示されるように、本発明に係るフィルタモジュールは、多層膜フィルタと透明部材とを貼り合わせ面で貼り合わせてなる光学フィルタアセンブリ１を、金属ベース２に形成された落とし込み穴３に落とし込み、その落とし込み穴３の内側面と光学フィルタアセンブリ１の側面Ｓ１との間に上記貼り合わせ面の縁が完全に覆われるように接着剤４を充填したものである。

図４との対応のために図１（ａ）のフィルタモジュールの側断面を示すと、図１（ｂ）のようになる。すなわち、本発明に係るフィルタモジュールは、光学フィルタアセンブリ１を金属ベース２に形成された落とし込み穴３に落とし込み、その落とし込み穴３の内側面と光学フィルタアセンブリ１の側面Ｓ２との間に上記貼り合わせ面の縁が完全に覆われるように接着剤４を充填したものである。

図４で説明したとおり、光学フィルタアセンブリ１は、底面に反射膜１３を形成した透明部材１２の上面に、透明部材１４、多層膜フィルタ５，６，７，８、透明部材１５を一列に並べて、その上に透明部材１６を重ねて接着剤で接着したものであり、直方体状の外観を呈する。透明部材１５は、少なくとも光通信に使用する光波長帯域において光Ｃを低損失で透過させることができる光学部材である。例として、光学ガラス、アクリル系樹脂、ポリマ材料を用いることができる。特に、光学ガラスの中でも石英ガラスは低損失で温度による光学特性の変化も少なく優れた特性を得る場合に有効である。図５のように、多層膜フィルタ５，６，７，８の並びに沿った側面には側面Ｓ１が現れ、その並びの端となる側面には側面Ｓ２が現れる。

光学フィルタアセンブリ１を金属ベース２に接着する接着剤４と光学フィルタアセンブリ１内の各貼り合わせ面Ｓ３を接着する接着剤は、同じものを使用する。例えば、ＵＶ硬化型の樹脂を使用することができる。

図１（ａ）に示した本発明に係るフィルタモジュールは、側面Ｓ１が接着剤４で覆われている。その接着剤４は光学フィルタアセンブリ１の上面近く（最上層を占める透明部材１６にかかる高さ）まで充填されている。接着剤４は、高温高湿環境下で長時間経過すれば、水分や気泡が染み込んでくることが避けられない。しかし、本発明では、光学的に問題となる側面Ｓ１（貼り合わせ面Ｓ３の縁）が接着剤４で覆われており、さらに、その接着剤４は上部の透明部材１６と金属ベース２との隙間のみが外部に露出しているに過ぎない。従って、水分や気泡の入口となる露出面積が小さく、しかもその入口から側面Ｓ１（貼り合わせ面Ｓ３の縁）までの距離が長い。従って、多層膜フィルタ５，６，７，８の貼り合わせ面Ｓ３に水分や気泡が浸入するまでの時間を顕著に延ばすことができる。

本発明に係るフィルタモジュールは、例えば、光トランシーバのような上位装置に組み込まれる。その応用のために、金属ベースは、必要な形状に形成される。例えば、図２（ａ）、図２（ｂ）に示されるように、このフィルタモジュール２１は、金属ベース２２に形成された落とし込み穴２３に光学フィルタアセンブリ１を落とし込み、その落とし込み穴２３の内側面と光学フィルタアセンブリ１の側面との間に接着剤４を充填したものである。

ここでは、落とし込み穴２３は光学フィルタアセンブリの積層高さとほぼ等しい。

また、ここでは、金属ベース２２に、落とし込み穴２３から金属ベース２２裏側に抜ける裏抜け穴２５を形成してある。裏抜け穴２５は落とし込み穴２３に比べて幅（図２（ｂ）上下方向）と長さ（図２（ｂ）左右方向）のいずれか一方又は両方が短く、落とし込み穴２３に落とし込まれた光学フィルタアセンブリ１が裏抜け穴２５から抜けないようになっている。

フィルタモジュール２１は、光モジュールの構成部品の一つである光学サブアセンブリを構成する部品である。例えば、レーザダイオードのパッケージにフィルタモジュール２１を取り付けて光学サブアセンブリとする。ここで、フィルタモジュール２１は金属ベース２２に形成されているため、この金属ベース２２とレーザダイオードのパッケージ（金属パッケージ）とをＹＡＧ溶接によって固定することができる。このとき、入射光軸あるいは反射光軸をレーザダイオードの出射光軸に合わせるために、金属ベース２２は、レーザダイオードのパッケージに対して所定の角度をなす姿勢でそのパッケージに取り付けられる。これにより、光学サブアセンブリを光モジュールの筐体中に所定の姿勢で組み込めばレーザダイオードの光軸を光モジュールの所定の位置に合わせることができる。

裏抜け穴２５を設けた理由は、図３で説明する。図３に示されるように、落とし込み穴２３と光学フィルタアセンブリ１との間には隙間があり、そこへ接着剤４を充填することが可能である。しかし、図３の上側から接着剤４を充填しようとすると、落とし込み穴２３が行き止まり構造のため、気泡が接着剤４に押されて底の方へ送られ、気泡が閉じ込められる虞がある。これに対して、裏抜け穴２５を設けておくと、この裏抜け穴２５から接着剤４を注入することができる。接着剤４は、裏抜け穴２５と光学フィルタアセンブリ１との間に浸み込み、毛管現象により落とし込み穴２３の内側面と光学フィルタアセンブリ１の側面との間に吸い上げられる。このとき、落とし込み穴２３の上部が開放されているので、気泡が残ることがない。これにより、光学フィルタアセンブリ１を金属ベース２２にしっかりと接着することができるため、信頼性を高めることができる。接着剤４の液面の曲率に着目すると、落とし込み穴２３と光学フィルタアセンブリ１の隙間における曲率が裏抜け穴２５全体における曲率よりも大きいので、毛細管力の差により、落とし込み穴２３に注入した接着剤４が落とし込み穴２３の方へよく吸い込まれる。

裏抜け穴２５を設けることにより、落とし込み穴２３と光学フィルタアセンブリ１との隙間から接着剤４を注入した場合も、気泡が残ることなく、接着剤４を吸い込ませることができる。

図６に示されるように、本発明に係る光モジュール６１は、光学フィルタアセンブリ１の入出射光軸上に配置する光電素子６２（例えば、ＰＤアレイ）を搭載したＣＡＮモジュール６４を、これまで説明したフィルタモジュール２１に固定し、これらＣＡＮモジュール６４及びフィルタモジュール２１を図示しない筐体に収容したものである。

レセプタクル６５は、光コネクタを挿入する穴６６とボールレンズ６７を有する金属製部材であり、このレセプタクル６５にフィルタモジュール２１の金属ベース２２が接合されている。この金属ベース２２にはＣＡＮモジュール６４の光電素子６２に光信号を高効率に結合させるためのレンズアレイ６８を備えると共に、そのレンズアレイ６８に隣接して傾斜したミラー６３を備える。さらにその金属ベース２２と金属製のＣＡＮモジュール６４とがＹＡＧ溶接によって固定されている。

フィルタモジュール２１の金属ベース２２は、光学フィルタアセンブリ１を取り付けたベース面部２６と、そのベース面部２６の傾斜面２６ａの延長線上に傾斜面２６ａと平行な傾斜面２７ａを有する立上部２７とを有する。ＣＡＮモジュール６４は、天井面の一端をベース面部２６の傾斜面２６ａに接し、反対端を立上部２７の傾斜面２７ａに接している。よって、光電素子６２は光学フィルタアセンブリ１に対して傾斜して臨む。一方、ミラー６３は、穴６６及びボールレンズ６７からの光を光学フィルタアセンブリ１に向けて反射する角度になっている。つまり、レセプタクル６５に装着された光コネクタからの光が図４に示した光Ｃとして光学フィルタアセンブリ１に入射するようになっている。分波された各光はレンズアレイ６８で各々集光されて光電素子６２に入射する。

本実施形態では、フィルタモジュール２１のベース部材に金属材料を用いた。金属材料としては、錆びにくいステンレス系材料であるＳＵＳ４３０，ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３０３を用いるのがよい。特に、光学フィルタアセンブリ１の線形膨張係数と近い線形膨張係数を持つＳＵＳ４３０を用いるのがよい。また、コバールを用いてもよい。

この他にフィルタモジュール２１のベース部材に樹脂材料を用いてもよい。樹脂材料としては、ポリエーテルイミド、ポリカーボネイト、シクロオレフィンポリマなどを用いることができる。樹脂材料をベース部材とした場合、ＣＡＮモジュール６４はＵＶ接着剤を用いてベース部材に接着することができる。ベース部材として樹脂材料を用いることで、ベース部材にレンズを一括して形成することができ、低コスト化を図ることが期待できる。

次に、裏抜け穴からの接着剤の注入方法についてその原理を説明する。

図７に示されるように、金属ベース７１に形成された落とし込み穴７２は、上に向いた長方形の開口を有し、その開口から垂直に下りる内壁７３を経て、長方形の底部７４に至る。その底部７４の中央に底部より狭い長方形の裏抜け穴７５が形成されている。光学フィルタアセンブリ７６は、直方体であり、上から見ると、落とし込み穴７２の開口より狭く、底部７４より広い長方形である。また、ここでは、光学フィルタアセンブリ７６の高さが落とし込み穴７２の深さより大きく、光学フィルタアセンブリ７６を底部７４に置くと、光学フィルタアセンブリ７６の頂部が金属ベース７１の上面より上に位置するものとする。

図７には、一例として寸法が記入されている。すなわち、落とし込み穴７２の縦方向幅１．２ｍｍ、光学フィルタアセンブリ７６の縦方向幅１ｍｍ、落とし込み穴７２の横方向幅３．２ｍｍ、光学フィルタアセンブリ７６の横方向幅３．０ｍｍ、落とし込み穴７２の深さ２ｍｍ、光学フィルタアセンブリ７６の高さ２．２ｍｍ、裏抜け穴７５の横方向幅２．０ｍｍである。この場合、落とし込み穴７２と光学フィルタアセンブリ７６との隙間の幅は、０．２ｍｍということになるが、毛管現象を応用するためには落とし込み穴７２と光学フィルタアセンブリ７６との隙間の幅は０．５ｍｍ以下が好ましい。

上から見たときの光学フィルタアセンブリ７６の外周の長さをａとし、落とし込み穴７２の周の長さをｂとする。裏抜け穴７５から液状の接着剤７７が注入され、その接着剤７７が毛管現象により落とし込み穴７２と光学フィルタアセンブリ７６との隙間に流れ込むとき、金属ベース７１と接着剤７７との間の表面張力により働く単位長さ当たりの力をｆ１とし、光学フィルタアセンブリ７６と接着剤７７との間の表面張力により働く単位長さ当たりの力をｆ２とすると、接着剤７７が落とし込み穴７２と光学フィルタアセンブリ７６との隙間を上昇する力Ｆ１は、
Ｆ１＝ｆ１×ｂ＋ｆ２×ａ
となる。

一方、裏抜け穴７５の周の長さをｃとすると、裏抜け穴７５において接着剤７７が下降する力Ｆ２は、
Ｆ２＝ｆ１×ｃ
である。

よって、
ｂ＞ｃ （１）
であれば、
Ｆ１＞Ｆ２
となる。

また、落とし込み穴７２と光学フィルタアセンブリ７６との隙間の面積（落とし込み穴７２の上面積−光学フィルタアセンブリ７６の上面積）をＭとし、裏抜け穴７５の面積をＮとすると、
Ｍ＜Ｎ （２）
であれば、
Ｆ１／Ｍ＞Ｆ２／Ｎ （３）
であるので、パスカルの原理により、接着剤７７は裏抜け穴７５から落とし込み穴７２と光学フィルタアセンブリ７６との隙間へ移動する。

まとめると、式（１）及び式（２）が満足されれば、式（３）が成立するので、接着剤７７は裏抜け穴７５から落とし込み穴７２と光学フィルタアセンブリ７６との隙間へ移動する。なお、式（１）が満足されればｆ２×ａ＞０なので、Ｆ１＞Ｆ２となる。従って、ｆ２×ａの項はｂ＞ｃである限り考慮しなくてもよい。よって、ｆ２とａには言及しない。

用いた接着剤７７は、アクリル系樹脂であり、粘度は４４０ｃｐである。この他に接着剤７７としては、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂などがある。作業温度は２０℃〜４０℃が好ましい。

図７に示したメニスカス（接着剤７７の大気との界面）は、接着剤７７が移動している途中のメニスカスである。この状態では、Ｆ１＞Ｆ２であるため、接着剤７７は上方への移動を続ける。このとき、金属ベース７１と接着剤７７との間の表面張力により働く単位長さ当たりの力ｆ１が直上を向いており、水平方向成分を持たず、光学フィルタアセンブリ７６と接着剤７７との間の表面張力により働く単位長さ当たりの力ｆ２も直上を向いており、水平方向成分を持たない。

図８に示したメニスカスは、接着剤７７が最も上に移動したときのメニスカスである。この状態では、力ｆ１及び力ｆ２はそれぞれｃｏｓα、ｃｏｓβの水平成分を有し、図７の状態に比べると力ｆ１及び力ｆ２の上向き成分は小さい。これにより、Ｆ１≒Ｆ２となり接着剤７７の移動が止まり、図８に示したメニスカスで安定する。

本発明の一実施形態を示すフィルタモジュールの図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は側断面図である。 本発明の他の実施形態を示すフィルタモジュールの図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は平面図である。 本発明の他の実施形態を示すフィルタモジュールの側断面図である。 （ａ）は光学フィルタアセンブリの側面視構造図、（ｂ）は多層膜フィルタの斜視図である。 光学フィルタアセンブリの平面視による劣化イメージ図である。 本発明の一実施形態を示す光モジュールの図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡＡ線側断面図である。 本発明における接着剤の注入方法を考察するための図である。 本発明における接着剤の注入方法を考察するための図である。

符号の説明

１ 光学フィルタアセンブリ
２ 金属ベース
３、２３ 落とし込み穴
４ 接着剤
２５ 裏抜け穴

Claims (6)

1. 多層膜フィルタと透明部材とを貼り合わせ面で貼り合わせてなる光学フィルタアセンブリと、その光学フィルタアセンブリを落とし込むために金属ベースに形成された落とし込み穴と、その落とし込み穴の内側面と上記光学フィルタアセンブリの側面との間に上記貼り合わせ面の縁が完全に覆われるように充填された接着剤とを有することを特徴とするフィルタモジュール。
2. 上記金属ベースには、上記落とし込み穴から上記金属ベース裏側に抜ける裏抜け穴が形成され、上記接着剤は、この裏抜け穴又は上記落とし込み穴と上記光学フィルタアセンブリの隙間から注入されて上記落とし込み穴の内側面と上記光学フィルタアセンブリの側面との間に浸み込まされたことを特徴とする請求項１記載のフィルタモジュール。
3. 上記落とし込み穴と上記光学フィルタアセンブリの隙間に生じる上記接着剤の液面の曲率が上記裏抜け穴に生じる上記接着剤の液面の曲率よりも大きいことを特徴とする請求項２記載のフィルタモジュール。
4. 上記光学フィルタアセンブリの入出射光軸上に配置する光電素子を搭載したＣＡＮモジュールが、請求項１又は２記載のフィルタモジュールに固定されたことを特徴とする光モジュール。
5. 上記落とし込み穴の周の長さをｂとし、上記裏抜け穴の周の長さをｃとしたとき、
   ｂ＞ｃ
   であることを特徴とする請求項２又は３記載のフィルタモジュール。
6. 上記落とし込み穴と上記光学フィルタアセンブリとの隙間の面積をＭとし、上記裏抜け穴の面積をＮとしたとき、
   Ｍ＜Ｎ
   であることを特徴とする請求項２，３，５いずれか記載のフィルタモジュール。

Images