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
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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
【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。
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。
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。
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。
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。
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)
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)
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)
△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| = m2 (4)
|△b/△a| = m2 (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)
△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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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