JP2007225696A - 光モジュールの製造方法、光モジュール、及び光モジュール用部材 - Google Patents

Abstract

【課題】光モジュールを組立てる際、光素子・光学部品・光ファイバは、それぞれの光軸を合わせるため、三次元的に位置調整された後、レーザ溶接によって固定されるが、溶接固定時に支持部材間の相対的変位により光軸ずれを生じ、光の結合効率が所望の性能に達しないことがあったため、これを解消する光モジュールの組立方法を提供する。
【解決手段】２個以上の光学部品１、５、７を光学的に結合するようにした光モジュールにおいて、上記各光学部品の支持部材２、４、６を固定した後、上記支持部材を塑性変形させることにより、上記各光学部品の光軸方向の光軸ずれを補正する構成とする。
【選択図】図７

Description

この発明は光モジュールの製造方法、光モジュール、及び光モジュール用部材に関するものである。より詳しくは、光学的に結合される複数の光学部品と、この複数の光学部品を支持する複数の支持部材とを備える光モジュールの製造方法、光モジュール、及び光モジュール用部材に関するものである。

光通信に使用する光モジュールは、発光素子等の光素子と光ファイバとが高効率で結合される必要がある。例えば、特許文献１には、従来の光ファイバの組立方法が記載されている。この特許文献１によると、従来の光ファイバの組立方法は、まず、光素子に電気信号を印加し、光素子からの光出力をモニタしながら、光ファイバの位置を光ファイバの延長方向である光軸方向と、この光軸方向と直交する方向である光軸偏芯方向とについて調整する。そして、光ファイバとファイバホルダをレーザ溶接することにより光軸方向を固定し、さらに、光ファイバとファイバホルダとが一体となった部品をキャップにレーザ溶接して光軸偏芯方向を固定するという手順で行なわれる。

特開平０６−１７４９８０号公報

しかし、従来の光モジュールの組立方法においては、上記で説明したような方法を採用していたため、光素子からの光出力に合わせて光ファイバの位置を高精度に調芯しても、レーザ溶接による固定時に、光ファイバとファイバホルダとの間、さらにこれらが一体となった部品とキャップとの間の相対位置間に位置ずれが生じ、光の結合効率が所望の性能に達しないという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点に対処するためになされたもので、光学部品を支持する複数の支持部材間の相対的な位置ずれを小さくする光モジュールの製造方法を提供することを目的とする。

この発明に係る光モジュールの製造方法は、
複数の光学部品を光学的に結合してなる光モジュールの製造方法であって、
前記複数の光学部品のそれぞれを支持する複数の支持部材を溶接により固定する固定ステップと、
前記複数の支持部材のうち、少なくとも一つの支持部材を塑性変形する変形ステップと
を備えるものである。

この発明によれば、光学部品を支持する複数の支持部材間の位置ずれを小さくすることができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る光モジュールの製造方法を図に基づいて説明する。この実施の形態１に係る光モジュールの製造方法は、光学部品を支持する複数の支持部材を固定した後に、少なくとも一つの支持部材を塑性変形させることに特徴がある。図１は、実施の形態１に係る光モジュールの製造方法によって製造された光モジュールの構成を示す断面図である。

図において、光素子である発光素子１は、ステム２に固定されるとともに、ステム２の裏面から導出された端子３と電気的に接続されている。このステム２には、発光素子１を覆うキャップ４が配設される。キャップ４の壁の中央には孔４Ａが形成されており、球レンズ５が嵌め込まれている。さらに、キャップ４の壁の前面には、ファイバホルダ６が配設され、ファイバホルダ６の中心を貫通する貫通孔には光ファイバ７が挿入されている。

このように構成された光モジュールでは、端子３を介して発光素子１に電気信号が印加され、この信号に応答して発光素子１から光信号が照射される。そして、発光素子１から照射された光信号が、球レンズ５を介して集光され、光ファイバ７の端面に入射された後、この光ファイバ７を通じて外部へ伝送される。

なお、発光素子１としては、例えば、波長１．３μｍで発振するファブリーペローレーザを用いることができる。また、光ファイバ７としては、例えば、直径１２５μｍ程度の石英系のシングルモード光ファイバを使用することができる。

次に、実施の形態１に係る光モジュールの製造方法の製造手順について、図２から図７を用いながら説明する。まず、第１のステップとして、予めステム２上に形成されたＡｕ−Ｓｎ合金からなる半田を溶融して、発光素子１をステム２に実装固定する。次に、第２のステップとして、球レンズ５が嵌め込まれたキャップ４を、ステム２にプロジェクション溶接により固定する。第１のステップ、及び第２のステップにより形成された光モジュールの断面図を図２に示す。

次に、第３のステップとして、図３に示すように、発光素子１に、端子３を介してＬＤ電源（図示せず）からの電気信号を印加し、発光素子１からの光出力をパワーメータ（図示せず）で計測する。その計測値をモニタしながら、光ファイバ７の位置を光軸方向、光軸偏芯方向の２方向について調整する。その後、第４のステップとして、パワーメータの計測値が所定値以上となる位置で、図４に示すように、光ファイバ７とファイバホルダ６とをレーザ照射個所８で示す個所でレーザ溶接し、光軸方向を固定する。

さらに、光ファイバ７とファイバホルダ６とをレーザ溶接した際の光軸偏芯方向の光軸ずれを修正するために、第５のステップとして、図５に示すように、光ファイバ７とファイバホルダ６とが一体となった部品について、再度パワーメータの計測値を見ながら光軸偏芯方向の調芯を行い、パワーメータが所望の光出力であることを確認する。

そして、第６のステップとして、光ファイバ７とファイバホルダ６とが一体となった部品とキャップ４とを、図６にレーザ照射個所９で示す個所でレーザ溶接し、光軸偏芯方向を固定する。第１のステップから第６のステップにより組立てられた光モジュールの断面図を図６に示す。

最後に、第７のステップとして、光モジュールが所望の光出力で結合されていることをパワーメータで計測して確認する。

この発明の実施の形態１に係る光モジュールの製造方法は、次に説明する第８のステップを実施する点に特徴がある。即ち、第７のステップにおいて光出力を計測した結果、光軸方向に光軸ずれが発生していることによりパワーメータの計測値が所望の値になっていない場合に、第８のステップとして、光ファイバ７を保持しているファイバホルダ６にレーザを照射することにより、ファイバホルダ６を塑性変形させ、光軸方向の光軸ずれを補正する。図７に、第８のステップにおいて、光軸方向の光軸ずれを補正する際のレーザ照射個所１０の例を示す。

このように、実施の形態１に係る光モジュールの製造方法は光学部品を支持している複数の支持部材のうち、少なくとも一つの支持部材を塑性変形させることとした。その結果、光学部品の位置を光軸方向に移動させることが可能となり、光軸方向の光軸ずれを補正できるようになったので、高結合効率の光モジュールを安価に生産することができる。

すなわち、従来の光ファイバの組立方法では、光ファイバとファイバホルダとのレーザ溶接による固定時に生じる光軸偏芯方向に関しては、次に光ファイバとファイバホルダとが一体となった部品とキャップとをレーザ溶接固定する前に、光軸偏芯方向を再調芯することにより、光軸ずれを修正することが可能であった。しかし、光ファイバとファイバホルダとを一体化する際の光軸方向の光軸ずれ、または光ファイバとファイバホルダとを一体化した後、キャップとレーザ溶接により固定する際の光軸方向の光軸ずれに関しては修正することが困難であった。その結果、光軸方向の光軸ずれが大きい光モジュールは、光モジュール自体、あるいは各部品を廃却することになり、歩留まりが落ち、高コストの要因となっていた。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る光モジュールの製造方法を図に基づいて説明する。この実施の形態２に係る光モジュールの製造方法は、レーザの照射位置に特徴がある。図８は、実施の形態２の特徴を説明するための説明図である。なお、光モジュールの基本的な構成及び製造方法は実施の形態１とほぼ同様であるため、説明を省略する。

実施の形態２において、第１から第７のステップまでの手順は、実施の形態１と同様である。また、第８のステップについても、パワーメータによって光出力を計測した結果、光軸方向に光軸ずれが発生していて所望の値になっていない場合に、光ファイバ７を支持しているファイバホルダ６にレーザを照射する手順までは、実施の形態１と同様である。

実施の形態２では、第８のステップにおけるレーザの照射する位置に特徴がある。即ち、光軸方向の光軸ずれを補正する目的でファイバホルダ６にレーザを照射する際、レーザ照射個所を、光軸方向に対して直角な面内、すなわち、光軸偏芯方向に平行な面内で、光軸な対称位置とするものである。図８に、光ファイバ側から見た光モジュールの断面図を示す。図に示すように、レーザ照射個所１０を３個所とする場合は、ほぼ同一面内に１２０°間隔とする。同様に、レーザ照射個所１０を６個所とする場合は、６０°間隔とし、４個所とする場合は、９０°にする。

このように、実施の形態２では、光学部品（ここでは、光ファイバ７）を支持している支持部材にレーザを照射する場合、光軸方向に対して直角な面内、すなわち、光軸偏芯方向に平行な面内で、光軸に対して対称な位置とした。これにより、塑性変形の変形量を高精度に制御することが可能となるので、光軸方向の光軸ずれを高精度に補正することができる。したがって、より結合効率の高い光モジュールを安価に生産することが可能となる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る光モジュールの製造方法を図に基づいて説明する。この実施の形態３に係る光モジュールの製造方法は、レーザを照射する支持部材が実施の形態１、２と異なることに特徴がある。図９は、実施の形態３の特徴を説明するための説明図である。なお、光モジュールの基本的な構成及び製造方法は実施の形態１、２と同様であるため、説明を省略する。

実施の形態３において、第６のステップまでは、実施の形態１及び２と同様である。実施の形態１及び２では、第７のステップにおいて、パワーメータで光出力を計測した結果、光軸方向に光軸ずれが発生していることによりパワーメータの計測値が所望の値になっていない場合には、第８のステップで光ファイバ７を支持しているファイバホルダ６にレーザを照射していた。しかし、実施の形態３では、図９のレーザ照射個所１１で示すように、球レンズ５を支持しているキャップ４にレーザを照射するものである。この理由について、以下で説明する。

一般的に使用される発光素子１の発光部の直径は約２μｍ、シングルモードの光ファイバ７の受光端面の直径は約８μｍである。そして、発光素子１と光ファイバ７とを高効率で結合させるためには、発光素子１から照射されるのビームの直径が、光ファイバ７の受光端面の直径に近い程よい。したがって、発光素子１から照射されるビームの直径が４倍となる結合倍率の光学系が使用される。

次に、光軸補正する光学系、特に、集光機能を有するレンズを含めた光学系における光軸方向の光軸ずれの補正に関し、光軸補正量と光軸精度との関係について説明する。

一般的に、発光素子１と光ファイバ７とを高効率で光学的に結合させるために、発光素子１からの光を一度広げ、再度集光させるためにレンズ５を用いる場合が多い。

図１０に示すように、発光素子１から球レンズ５までの距離をａ、球レンズ５から光ファイバ７の受光端面までの距離をｂ、球レンズ５の焦点距離をｆとすると、レンズの公式から、下記の数式（１）が成り立つ。

＜数式１＞
１／ａ ＋ １／ｂ＝ １／ｆ （１）

また、発光素子１から球レンズ５までの距離が△ａ、球レンズ５から光ファイバ７の受光端面までの距離が△ｂ、それぞれずれた時には、次の数式（２）が成り立つ。

＜数式２＞
１／（ａ＋△ａ） ＋ １／（ｂ＋△ｂ）＝ １／ｆ （２）

ここで、数式（１）、（２）から、焦点距離ｆを消去すると、次の式（３）が成り立つ。

＜数式３＞
△ａ／（ａ（ａ＋△ａ）） ＝ △ｂ／（ｂ（ｂ＋△ｂ）） （３）

さらに、ｍを光学の結合倍率として、ｍ＝ｂ／ａとして数式（３）に代入し、整理すると次の数式（４）が得られる。

＜数式４＞
｜△ｂ／△ａ｜ ＝ ｍ^２ （４）

したがって、数式（４）から、結合倍率が１を超える光学系の場合には、次の数式（５）が成り立つ。

＜数式５＞
△ｂ ＞ △ａ （５）

数式（５）から、結合倍率が１を超える場合には、光軸方向の光軸ずれを補正する際、発光素子１と球レンズ５との間にレーザを照射し、△ａにて位置の調整を行う方が、球レンズ５と光ファイバ７との間にレーザを照射し、△ｂにて位置の調節を行うよりも、小さい変形量で光軸補正ができることが分かる。

すなわち、例えば、段落００２８で説明したような一般的な光学系であれば、光学の結合倍率が１を超える。したがって、光軸方向の光軸ずれを補正する際は、発光素子１と球レンズ５との間、すなわちキャップ４にレーザを照射し、このキャップ４を塑性変形させることで、塑性変形量に対し光軸方向の焦点位置変更量を大きくすることが可能となる。これにより、光軸方向の焦点位置を広範囲に変更することができる。

さらに、光学の結合倍率が１よりも小さい場合は、キャップ４ではなく、ファイバホルダ６にレーザを照射して塑性変形させた方が、光軸方向の焦点位置を広範囲に変更することができる。このように、結合倍率に基づいてレーザの照射位置を変えることにより、より効率的、かつ高精度のずれ補正が可能となる。

一方、結合倍率が１を超える場合、レンズ５と光ファイバ７との間、すなわちファイバホルダ６にレーザを照射して変形させると、光軸方向の焦点位置の移動が小さいので、塑性変形のばらつきが大きくても焦点位置の移動のばらつきが小さいというメリットがある。これは、結合倍率が１よりも小さい場合も同様であり、キャップ４にレーザを照射する処理をしても同様のメリットが得られる。これについては次の実施の形態４で詳しく説明する。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４について説明する。光モジュールの基本的な構成及び組立方法は実施の形態１と同様であるため、図示及び説明を省略する。実施の形態４は、実施の形態３と同様に、光学倍率が１を超える場合の光軸方向の光軸ずれの補正に関する。

この場合、実施の形態３では、球レンズ５を支持しているキャップ４にレーザを照射したが、実施の形態４では、実施の形態１と同様に光ファイバ７を支持しているファイバホルダ６にレーザを照射するものである。

光学倍率が１を超える場合において、光軸方向の光軸ずれを補正する際、球レンズ５と光ファイバ７との間にレーザを照射すると、発光素子１と球レンズ５との間にレーザを照射した時よりも、光軸補正に必要な支持部材の変形量が大きくなるため、レーザのエネルギのばらつき等により支持部材の変形ばらつきが大きくても高精度に補正することができる。

このように光学倍率が１を超える場合において、光軸方向の光軸ずれを補正する際、光ファイバ７と球レンズ５との間にレーザを照射することにより、塑性変形量に対し光軸方向の焦点位置変更量を小さくすることが可能であり、光軸方向の焦点位置を高精度に変更することができる。

また、光軸方向の光軸ずれを広範囲かつ高精度に補正しようとする場合は、実施の形態３のように、球レンズ５を支持しているキャップ４にレーザを照射し、大きく光軸ずれを補正した後、光ファイバ７を支持しているファイバホルダ６にレーザを照射するようにすればよい。

実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５に係る光モジュールの製造方法を図に基づいて説明する。この実施の形態５に係る光モジュールの製造方法は、塑性変形の変形方法に特徴がある。図１１は、実施の形態５の特徴を説明するための説明図である。なお、光モジュールの基本的な構成及び製造方法は実施の形態１とほぼ同様であるため、説明を省略する。

実施の形態５において、第７のステップまでは、例えば実施の形態３と同様である。次に、実施の形態３の第８のステップでは、球レンズ５を支持しているキャップ４にレーザを照射していた。この実施の形態５では、図１１に示すように、キャップ４に、例えば先端がテーパ状になっている金属製の工具１２を直接接触させ、工具１２から外力を与えることにより、キャップ４を塑性変形させるものである。

このようにキャップ４を塑性変形させる方法として、キャップ４に直接工具１２を押し付け、外力を加えて変形させることにより、支持部材を塑性変形させるための手段を安価に得ることができるため、光モジュールを安価に提供することができる。なお、外力を加える支持部材として、キャップ４以外にも、実施の形態１、２で説明したファイバホルダ６でもよい。また、工具以外の方法で外力を加えてもよい。

なお、上述した各実施の形態において、ファイバホルダ６に、図１２に示すような薄肉部１４を設けてもよい。すなわち、この薄肉部をレーザ照射し塑性変形する場合は、上述の実施の形態で説明した方法よりも小さな力で光軸方向の焦点位置を変更することが可能となる。この薄肉部１４は、ファイバホルダ６に設けてもよい。

また、塑性変形を行う方法として、レーザ照射を用いる方法について説明したが、バーナ等により加熱をしてもよい。

さらに、上述した各実施の形態において、ファイバホルダ６とキャップ４の両者を塑性変形させてもよい。

ここで、薄肉部１４について説明する。図１２から明らかなように、薄肉部とは、キャップ４の他の部分よりも光軸偏芯方向に部材の厚みが小さくなっている部分のことである。したがって、図１２に示したような断面が矩形となる場合だけでなく、例えば断面が三角状の切り欠きであってもよい。この薄肉部１４をキャップ４に設けることにより、設けない場合と比較して、上記で説明したような光軸方向の焦点位置の変更が可能になるという、非常に大きな効果がある。すなわち、薄肉部１４をキャップ４に設けることにより、光軸偏芯方向への位置調整が容易になる上に、さらに、光軸方向の焦点位置の変更が可能になるという、極めて優れた効果がある。

また、光軸偏芯方向に平行な面内で、光軸に対称となるように複数の薄肉部１４を設けることにより、より高精度な焦点位置の調整が可能となる。なお、光軸に対称性を保持するのであれば、特に同一面内に限られるものではない。また、薄肉部１４が設けられる光軸偏芯方向に平行な面が複数あってもよい。

また、薄肉部１４を設ける位置も図１２の場合に限られず、例えば、より発光素子１に近い位置でもよく、光ファイバ７に近い方向でもよい。さらに、ファイバホルダ６に設けてもよく、光ファイバ７とファイバホルダ６の両者に設けてもよい。

なお、全ての実施の形態において、光素子は発光素子としての機能を有する場合について説明したが、光素子は受光素子としての機能を有する構成であってもよい。

この発明の実施の形態１に係る光モジュールの製造方法によって製造された光モジュールの構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態１の第１及び第２のステップを説明するための光モジュールの断面図である。 この発明の実施の形態１の第３のステップを説明するための光モジュールの断面図である。 この発明の実施の形態１の第４のステップを説明するための光モジュールの断面図である。 この発明の実施の形態１の第５のステップを説明するための光モジュールの断面図である。 この発明の実施の形態１の第６のステップを説明するための光モジュールの断面図である。 この発明の実施の形態１の第８のステップを説明するための光モジュールの断面図である。 この発明の実施の形態２の第８のステップを説明するための光モジュールの断面図である。 この発明の実施の形態３の第８のステップを説明するための光モジュールの断面図である。 この発明の実施の形態３における光軸補正量と光軸精度を説明するための説明図である。 この発明の実施の形態５の第８のステップを説明するための光モジュールの断面図である。 この発明の光モジュールの他の構成を説明するための説明図である。

符号の説明

１ 発光素子、 ２ ステム、 ３ 端子、 ４ キャップ、
５ 球レンズ、 ６ ファイバホルダ、 ７ 光ファイバ、
８、９、１０、１１ レーザ照射個所、 １２ 工具、 １４ 薄肉部。

Claims (10)

1. 複数の光学部品を光学的に結合してなる光モジュールの製造方法であって、
   前記複数の光学部品のそれぞれを支持する複数の支持部材を溶接により固定する固定ステップと、
   前記複数の支持部材のうち、少なくとも一つの支持部材を塑性変形する変形ステップと
   を備える光モジュールの製造方法。
2. 前記複数の光学部品は、
   光素子と、
   光ファイバと、
   前記光素子からの照射光を集光し前記光ファイバに入射する、又は、前記光ファイバからの入射光を集光し前記光素子に照射するレンズと
   を含み、
   前記塑性変形される前記支持部材は、前記光ファイバを支持する支持部材であること
   を特徴とする請求項１に記載の光モジュールの製造方法。
3. 前記複数の光学部品は、
   光素子と、
   光ファイバと、
   前記光素子からの照射光を集光し前記光ファイバに入射する、又は、前記光ファイバからの入射光を集光し前記光素子に照射するレンズと
   を含み、
   前記塑性変形される前記支持部材は、前記光レンズを支持する支持部材であること
   を特徴とする請求項１に記載の光モジュールの製造方法。
4. 前記光素子と、前記レンズと、前記光ファイバからなる光学系の光学的な結合倍率に基づいて、前記塑性変形させる支持部材を決定すること
   を特徴とする請求項２又は３に記載の光モジュールの製造方法。
5. 前記光学系の光軸方向に直交する光軸偏芯方向に平行な面内で、前記光軸に対し対称となる複数の位置を塑性変形させること
   を特徴とする請求項４に記載の光モジュールの製造方法。
6. 前記複数の支持部材のうち、少なくとも一つの支持部材は薄肉部を備え、
   前記変形ステップは、前記薄肉部を塑性変形させること
   を特徴とする請求項１に記載の光モジュールの製造方法。
7. 前記薄肉部は、前記光学系の光軸方向に直交する光軸偏芯方向に平行な面内で、前記光軸に対し対称となる複数の位置に設けられたこと
   を特徴とする請求項６に記載の光モジュールの製造方法。
8. 光素子と、
   光ファイバと、
   前記光素子からの照射光を集光し前記光ファイバに入射する、又は、前記光ファイバからの入射光を集光し前記光素子に照射するレンズと、
   前記レンズを支持する第１の支持部材と、
   前記光ファイバを支持する第２の支持部材と、
   を備え、
   前記第１の支持部材と前記第２の支持部材とが溶接により固定され、
   前記第１の支持部材、および／または第２の支持部材が塑性変形していること
   を特徴とする光モジュール。
9. 前記第１の支持部材、および／または第２の支持部材は、薄肉部を有すること
   を特徴とする請求項８に記載の光モジュール。
10. レンズ、又は光ファイバの支持が可能な部材であって、
    薄肉部を有すること
    を特徴とする光モジュール用部材。

Images