JP2007206631A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光学部品（集光レンズ、反射抑制部品）を一体化することによって、各部品のコストを抑え、高度な組立精度を維持しつつ容易に組立可能な光モジュールを提供する。
【解決手段】光モジュールは、光ファイバ１を所望の位置にガイドするスリーブ３と、光ファイバ１の端面での反射を抑制するレンズ一体反射抑制部品４とを有する。レンズ一体反射抑制部品４は、光ファイバ１の端面と対向する一方の面に、光ファイバ１の端面が当接し、光デバイス５と対向する他方の面に、光ファイバ１の端面と光デバイス５との間で伝播する光を集光するためのレンズ４ａが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光コネクタに含まれる光ファイバを光学素子に光結合させるための光モジュールに関する。

光通信用機器において、光コネクタに含まれる光ファイバと、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ＬＤ（Laser Diode）、ＰＤ（Photo Diode）などの光学素子とを光学的に結合させるための光結合素子モジュールの構造に関し、図６に示すものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

図６に示す従来構造の光モジュールは、光ファイバ１０１の端部に取り付けられた光コネクタフェルール１０２を挿入，位置決めするためのスリーブ１０３と、ＬＥＤ，ＬＤ，ＰＤなどの光デバイス１０４を所定位置に搭載したステム１０５と、光デバイス１０４と外部機器（図示せず）を接続するためにステム１０５から延び出した複数のリードピン１０６と、光学ガラスあるいは透明樹脂からなるボールレンズ１０７と、光ファイバ１０１の端面と対向するように形成された開口部にボールレンズ１０７を支持するキャップシェル１０８と、を備えている。

この光モジュールは、光デバイス１０４により、光信号もしくは電気信号のいずれか一方を他方へ変換し、また、ステム部材（光デバイス１０４，ステム１０５，リードピン１０６）、キャップ部材（ボールレンズ１０７，キャップシェル１０８）、及びスリーブ部材（スリーブ１０３）を含むパッケージを備える。光デバイス１０４は、ステム１０５上に搭載される。ステム１０５には、光デバイス１０４を封止するキャップシェル１０８が接合され、キャップシェル１０８には、光ファイバ１０１（光コネクタフェルール１０２）を固定するためのスリーブ１０３が接合される。

このように、ステム１０５，キャップシェル１０８，及びスリーブ１０３を接合固定することにより、スリーブ１０３内の光ファイバ１０１と、光デバイス１０４とが、ボールレンズ１０７を介して光結合する。

しかしながら、図６に示す従来構造においては、光デバイス１０４を封止するためにボールレンズ１０７付きのキャップシェル１０８を用いており、パッケージのコストを削減することが困難であった。

また、キャップシェル１０８を光デバイス１０４に対して調芯固定し、すなわち、光デバイス１０４とボールレンズ１０７との間で調芯を行い、その後、スリーブ１０３をキャップシェル１０７に対して調芯する必要があった。すなわち、ボールレンズ１０７の両側にある部品（光デバイス１０４、スリーブ１０３）に対して、それぞれ調芯する必要があり、調芯作業に手間がかかっていた。

上記のような問題に対して、ボールレンズをスリーブと一体化し（例えば、特許文献２を参照）、さらに、ボールレンズの代わりにフラットガラスを用いて、光デバイスを気密封止するようにした光モジュールの構造を図７に示す。

図７に示す光モジュールは、前述の図６に示したボールレンズ１０７に相当するレンズ１０３ａを一体で設けたレンズ一体スリーブ１０３と、光デバイス１０４を気密封止するためのフラットガラス１０９とを備える。

図７に示すように、レンズ部品とスリーブ部品を同一材料（光学ガラスあるいは透明樹脂など）で一体成形する、あるいは、レンズ部品をスリーブ部品に接着固定する、などの方法を採用することにより、スリーブ部品とレンズ部品を一体化する。

また、上記一体構造により、ステム上の光デバイスを封止するために、フラットガラス付のキャップシェルを用いているため、レンズと光デバイスとの間の光学的調芯が不要となり、このモジュールの製造コストを削減することができる。

しかしながら、図７に示す一体構造によれば、上記のような効果が得られる一方で、スリーブ部品に集光機能を有するレンズを形成しなければならないため、スリーブ部品のコスト増が問題となる。
特開２００３−２４１０２９号公報 特開平７−１３４２２５号公報

ここで、上述の光モジュールにおいて、高速伝送が必要な品種や、長距離伝送が必要な品種に対しては、光コネクタのフェルール端面（光ファイバ端面）での、光ファイバ（石英ガラス）と空気の屈折率差から生じる反射戻り光の影響も懸念される。

光モジュール、特に、光ファイバから出射された光線を光デバイスに集光する受光モジュールにおいて、光ファイバ端面で生じる反射戻り光量は、光ファイバの石英ガラスと空気の屈折率差よりフレネル反射が−１４ｄＢ程度生じる。一方、高速・長距離伝送が必要なモジュールにおいては、その反射戻り光量を−２７ｄＢ以下に抑える必要がある。このフレネル反射（反射戻り光量）Ｒ_ｆは、下記の式（１）により算出することができる。ここでｎ_１は光ファイバのコアの屈折率、ｎ_２は光学部品の屈折率とする。

図８は、光ファイバ端面での反射を抑制する光学部品を備えた従来構造の光モジュールを示す図である。この光モジュールの構造においては、前述の図６に示した構造に加えて、光ファイバ端面に接触するように反射抑制部品１１０が配置されており、その材料は、フレネル反射Ｒ_ｆが−２７ｄＢ以下になる屈折率を有する材料で構成されている。これにより、光ファイバ端面で生じる反射戻り光を抑制することができるが、その一方で、光学部品として、ボールレンズ１０７と反射抑制部品１１０の２部品が必要となってしまい、光モジュールのコスト増につながる。

また、前述の図６に示した従来構造と同様に、光デバイス１０４とボールレンズ１０７の位置ずれ等を考慮して調芯を行わなければならないため、調芯作業に手間がかかりコスト増の要因となる。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたものであり、光学部品（集光レンズ、反射抑制部品）を一体化することによって、光ファイバ端面でのフレネル反射を抑制しつつ容易に組立可能な光モジュールを提供することを目的とする。

本発明による光モジュールは、光ファイバと光学素子を光学的に結合する光モジュールであって、光ファイバを所望の位置にガイドするスリーブと、光ファイバ端面での反射を抑制する光学部品とを有する。光ファイバは、この光ファイバの端面と対向する光学部品の一方の面に当接し、光学素子と対向する他方の面には、光ファイバの端面と光学素子との間を伝播する光を集光するためのレンズ手段が設けられている。

また、レンズ手段と対向する位置に光学素子を搭載したステムと、ステムに接合されるキャップ部材とを有し、キャップ部材は、ステム上の光学素子と対向する位置に形成された開口部に、光学素子を封止するためのフラットガラスが設けられている。

本発明によれば、光学部品（集光レンズ、反射抑制部品）を一体化することによって、光ファイバ端面でのフレネル反射を抑制しつつ容易に組立可能な光モジュールを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る光モジュールの構造を示す図である。図中、光モジュールは、光ファイバ１の端部に取り付けられた光コネクタフェルール２を挿入，固定するためのスリーブ３と、光ファイバ１の端面での反射を抑制するレンズ一体反射抑制部品４と、ＬＥＤ，ＬＤ，ＰＤなどの光デバイス５を所定位置に搭載したステム６と、光デバイス５と外部機器（図示せず）を接続するためにステム６から伸び出した複数のリードピン７と、ステム６上の光デバイス５を封止するキャップシェル９と、を備えている。

なお、レンズ一体反射抑制部品４の配設方法としては、例えばスリーブ３が樹脂製の場合、このスリーブ３をモールドする際に、モールド金型にレンズ一体反射抑制部品４を予めセットしておくことで、レンズ一体反射抑制部品４を所望の位置に埋め込み配置することができる。

図１において、レンズ一体反射抑制部品４は、光ファイバ１の端面と対向する面が、光ファイバ１の端面に接触し、光デバイス５と対向する他方の面に、光ファイバ１から出射された光を光デバイス５に集光するためのレンズ４ａが設けられている。このように、従来別々の部品で実現していたレンズ機能と反射抑制機能を１つの光学部品（レンズ一体反射抑制部品４）に持たせることにより、部品数を削減することができる。

また、レンズ４ａと光ファイバ１はスリーブ３に対して固定されているため、レンズ４ａとスリーブ３の間での調芯の必要がなく、スリーブ３と光デバイス５間の調芯のみを行えばよく、調芯作業が簡略化される。

また、レンズ一体反射抑制部品４を用いることにより、光デバイス５の封止のために、従来のボールレンズに代えフラットガラスを採用することができる。本実施形態の光モジュールの場合、レンズ４ａと対向する位置に光デバイス５を搭載したステム６と、ステム６に接合されるキャップシェル９とを有し、キャップシェル９は、ステム６上の光デバイス５と対向する位置に形成された開口部に、光デバイス５を封止するためのフラットガラス８が設けられている。

ここで、光デバイスを封止するためのキャップ部品として、従来のボールレンズを用いた場合、キャップシェルに対するボールレンズの、光軸に垂直な面内での軸ずれ（ＸＹ）や、光軸に平行な方向での位置ずれ（Ｚ）を制御しつつ製造しなければならない。

これに対して、フラットガラスを用いた場合、原則として光軸に対する調芯は不要となり、パッケージの低価格化を図ることができる。また、光デバイスの封止という面でも、光デバイスとの間で調芯作業を必要としないので、封止加工も簡略化することができる。

本実施形態に係る光モジュールは、光デバイス５により、光信号もしくは電気信号のいずれか一方を他方へ変換し、ステム部材（光デバイス５，ステム６，リードピン７）、キャップ部材（フラットガラス８，キャップシェル９）、及びスリーブ部材（スリーブ３，レンズ一体反射抑制部品４）を含むパッケージを備える。光デバイス５は、ステム６上に搭載される。ステム６には、キャップシェル９が接合され、キャップシェル９には、フラットガラス８と対向するように光ファイバ１（光コネクタフェルール２）を固定するためのスリーブ３が接合される。

このように、ステム６，キャップシェル９，及びスリーブ３を接合固定することにより、スリーブ３内の光ファイバ１と、キャップシェル９内の光デバイス５とが、レンズ一体反射抑制部品４，フラットガラス８を介して光結合する。

光デバイス５が半導体発光素子（ＬＤなど）の場合、光デバイス５から出射された光がレンズ４ａで集光され、光ファイバ１の端面に入射する。一方、光デバイス５が半導体受光素子（ＰＤなど）の場合、光ファイバ１の端面から出射された光がレンズ４ａに集光された後光デバイス５に入射する。

本実施形態の光モジュールは、受光モジュール、発光モジュールのいずれに対しても適用できるが、特に、反射戻り光量の大きい受光モジュールに用いて好適なものである。以下、本光モジュールを受光モジュールに適用した場合を代表例として説明する。

図１において、光ファイバ１とレンズ一体反射抑制部品４の界面で発生する、両者の屈折率の差異に起因するフレネル反射を抑制するために、レンズ一体反射抑制部品４の屈折率は、光ファイバ１のコアと±０.１１の範囲で一致していることが好ましい。そこで、レンズ一体反射抑制部品４の材料には、前述の式（１）で計算される値（フレネル反射Ｒ_ｆ）が−２７ｄＢ以下となるものを用いる。端的には、光ファイバのコア材である石英ガラスを用いることができる。

レンズの加工方法としては、例えば、その母体である反射抑制部品４と同じ材料からレンズを一体成形する方法（以下、第１の加工方法）や、レンズと反射抑制部品を屈折率の異なる材料で成形する方法（以下、第２の加工方法）などを適用することができる。この時、レンズを構成する材料の屈折率は反射抑制部品の屈折率よりも大きい方が好ましい。レンズによる回折効果をより顕著にするためである。

第１の加工方法、すなわち、反射抑制部品の材料である石英ガラスをそのまま加工してレンズ一体反射抑制部品４を成形する場合、例えば、マスキングとエッチングを用いて回折格子（フレネルレンズを含む）を形成する方法、エッチングあるいはミリングにより半球レンズを形成する方法など、種々の方法が考えられる。

上記第１の加工方法により、同じ材料でレンズと反射抑制部品が一体成形されたレンズ一体反射抑制部品４を得ることができる。この際、レンズ一体反射抑制部品４のレンズ４ａは、例えば、球面状レンズ，非球面状レンズ，あるいは回折格子レンズ（フレネルレンズ）などの平面形状のレンズなど、各種形態に加工される。

レンズ一体反射抑制部品４に石英ガラスを用いる場合、例えば、その外形について半導体プロセスで用いられているシリコンウェハを模した形状を有するウェハガラスが採用できる。ウェハガラスに対して、半導体加工技術を用いて、マスキング、エッチング、ダイシング加工などを行い、所望のレンズ形状を有するレンズ一体反射抑制部品４を大量に得ることができる。この場合、レンズ一体反射抑制部品４の外形を、例えば、正方形（あるいは長方形）とすることが好ましく、これにより、ウェハガラスより無駄なくレンズを製造することができる。

また、第２の加工方法、すなわち、反射抑制部品の材料である石英ガラスより高屈折率を持つ他の材料を用いてレンズ加工を行う場合、例えば、半球レンズを石英ガラス表面に貼り付ける方法、透明な紫外線（ＵＶ）硬化樹脂などの樹脂を必要量塗布して表面張力にてレンズ形状にした後硬化させる方法、石英ガラス上に透明樹脂を射出成形により形成する方法、石英ガラス表面にマスク加工を施し高屈折率のガラス材料を蒸着させることにより回折格子を形成する方法など、種々の方法が考えられる。

上記第２の加工方法により、屈折率の異なる材料でレンズと反射抑制部品が成形されたレンズ一体反射抑制部品４を得ることができる。この際、レンズ一体反射抑制部品４のレンズ４ａは、第１の加工方法と同様に、例えば、球面状レンズ，非球面状レンズ，回折格子やフレネルレンズなどの平面形状のレンズなど、各種形態に加工される。

レンズ一体反射抑制部品４において、レンズ４ａは、その屈折率が反射抑制部品の屈折率よりも高い材料で構成されている。例えば、高屈折率の半球レンズを石英ガラス表面に貼り付ける方法を用いる場合、レンズ４ａは、反射抑制部品の屈折率よりも屈折率の高い半球レンズで構成され、その半球レンズを反射抑制部品に貼り付けてレンズ一体反射抑制部品４を構成する。

また、石英ガラスに高屈折率の透明樹脂を射出成形により形成する方法を用いる場合、レンズ４ａは、反射抑制部品の屈折率よりも屈折率の高い透明樹脂でレンズ形状に成形される。

また、高屈折率で透明な紫外線硬化樹脂などの樹脂を必要量塗布して表面張力にてレンズ形状にした後硬化させる方法を用いる場合、レンズ４ａは、反射抑制部品の屈折率よりも屈折率の高い紫外線硬化樹脂でレンズ形状に成形される。

また、石英ガラス表面にマスク加工を施し高屈折率のガラス材料を蒸着させることにより高屈折率の回折格子を形成する方法を用いる場合、レンズ４ａは、反射抑制部品の屈折率よりも高い屈折率のガラス材料等を堆積させてなる回折格子で構成される。

上述の第１及び第２の加工方法以外のレンズ一体反射抑制部品４の加工方法として、反射抑制部品の材料である光学ガラスに対して、所望の屈折率を持つ材料をプレス成型することで、反射抑制に必要な面と、その反対面（レンズ面）を形成する方法がある。この場合、レンズ形状は、円形や四角形などに限定されるものではない。

上述の各加工方法により加工されるレンズ４ａの形態としては、球面状レンズ、非球面状レンズ、あるいは、回折格子やフレネルレンズ等の平面形状のレンズなどを適用することができる。

図２は、レンズ一体反射抑制部品４の一例を示す部分拡大図である。本例に示すレンズ一体反射抑制部品４のレンズ４ａは、球面状レンズであって、Ｐ点を曲率中心として、曲率半径ｒ_１で均一に加工されている。

図３は、レンズ一体反射抑制部品４の他の例を示す部分拡大図である。本例に示すレンズ一体反射抑制部品４のレンズ４ａは、非球面状レンズであって、中心部分の曲率半径ｒ_１およびその中心と周辺部分の曲率半径ｒ_２およびその中心が異なるように加工されている。ここでは、前者の曲率半径ｒ_１の方が大きく、またその中心は反射抑制部品内に位置している。

図４は、レンズ一体反射抑制部品４の他の例を示す部分拡大図である。本例に示すレンズ一体反射抑制部品４のレンズ４ａは、平面形状のレンズの一つである回折格子であって、レンズ部分となるガラス表面に複数の溝（スリット）が加工され、ガラス表面での光の回折を利用するものである。この回折格子は、溝間隔が回折する角度に応じて設計され、溝深さも波長に応じて設計することができるため、加工の自由度が高い。

図５は、レンズ一体反射抑制部品４の他の例を示す部分拡大図である。本例に示すレンズ４ａは、平板形状のレンズの一つであるフレネルレンズであって、レンズ部分の断面形状がのこぎり歯状に加工されている。一般に、フレネルレンズは、通常の凸（または凹）レンズを微小区間毎に同心円状に切り、高さを略合わせて平面に並べたものである。

上記の図２〜図５に示したレンズ４ａの形態以外にも、例えば、レンズ本体の中心部分の屈折率が周辺部分の屈折率よりも大きくなるように屈折率分布を与えた屈折率分布レンズを適用してもよい。

また、レンズ一体反射抑制部品４に形成されたレンズ４ａの表面には、空気との屈折率差による反射ロスを抑制するために、ＡＲ（Anti-Reflective）コーティングなどの反射抑制薄膜加工を施しても良い。ＡＲコーティングとしては、例えば、レンズ４ａの表面にフッ化マグネシウムなどを真空蒸着させて透明な薄膜を作り、光の干渉を利用して反射光を打ち消すようにする。この反射抑制薄膜加工を行うことで、レンズ４ａの界面で生じる反射損失を低減できるため、光ファイバ１から出射された光を効率よく光デバイス５に集光させることが可能となる。

また、レンズ一体反射抑制部品４の光ファイバ１との接触端面には、光ファイバ１との接触によるキズなどの影響を少なくするために、硬度を上げるための表面被膜処理（所謂、ハードコーティング）を施しても良い。

以上説明したように、本発明によれば、光学部品（集光レンズ、反射抑制部品）を一体化することによって、光デバイスの封止に必要なキャップにフラットガラスを採用することができ、光デバイスパッケージを安価に製造することができる。

また、従来構造では光デバイスとボールレンズの位置ずれも考慮して調芯を行わなければならなかったのに対して、スリーブ側に集光レンズ機能を有する構造としたため、スリーブと光デバイスの位置のみに着目して調芯を行えばよくなる。

また、半導体加工技術を用いて、レンズ一体の反射抑制部品を加工できるため、高機能なレンズを大量に安く製造することができる。

また、反射抑制部品の材料として、光ファイバと屈折率がマッチングし且つ硬度の高い石英ガラスを選択し、さらに、光ファイバと接触する端面に、硬度を上げるための被膜処理を施すことにより、当該端面におけるキズ等の発生を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る光モジュールの構造を示す図である。 レンズ一体反射抑制部品の一例を示す部分拡大図である。 レンズ一体反射抑制部品の他の例を示す部分拡大図である。 レンズ一体反射抑制部品の他の例を示す部分拡大図である。 レンズ一体反射抑制部品の他の例を示す部分拡大図である 従来構造の光モジュールを示す図である。 従来構造の光モジュールを示す図である。 光ファイバ端面での反射を抑制する光学部品を備えた従来構造の光モジュールを示す図である。

符号の説明

１，１０１…光ファイバ、２，１０２…光コネクタフェルール、３，１０３…スリーブ、４…レンズ一体反射抑制部品、４ａ，１０３ａ…レンズ、５，１０４…光デバイス、６，１０５…ステム、７，１０６…リードピン、８，１０９…フラットガラス、９，１０８…キャップシェル、１０７…ボールレンズ、１１０…反射抑制部品。

Claims (5)

1. 光ファイバと光学素子を光学的に結合する光モジュールにおいて、
   前記光ファイバを所望の位置にガイドするスリーブと、
   前記光ファイバ端面での反射を抑制する光学部品であって、前記光ファイバの端面と当接する一方の面、および前記光学素子と対向する他方の面を有し、該他方の面に前記光ファイバの端面と前記光学素子との間で伝播する光を集光するレンズ手段が設けられた光学部品と、
   前記光学素子を搭載するステムと、
   前記ステムと結合したキャップ部材とを有し、
   前記キャップ部材は、前記光学素子と前記レンズ手段を結ぶ軸線上に前記光学素子を封止するフラットガラスを含むことを特徴とする光モジュール。
2. 前記光学部品は、前記光ファイバの端面に当接する反射抑制部と、前記レンズ手段とが異なる材料により一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記光学部品の少なくとも前記光ファイバの端面と当接する箇所の屈折率は、前記光ファイバのコアと実質的にマッチングされていることを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。
4. 前記レンズ手段は、非球面状のレンズで構成されてい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。
5. 前記レンズ手段は、回折格子で構成されてい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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