JP2007256798A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光デバイスと光コネクタとを結合する光モジュールにおいて、強度上や精度上の制約を受けることなく製造でき、且つＰＣコンタクト部位にも十分な耐久性を持たせることを可能にする。
【解決手段】スリーブ部品１は、光コネクタに付随するフェルールを受納するフェルール受納部１１と、フェルール受納部１１でフェルールを挿入する方向の反対側から光デバイスのパッケージを受納するパッケージ受納部１３と、フェルール受納部１１と光デバイス受納部１３との間にあり光コネクタと光デバイスとの間の光路を確保する貫通孔と、この貫通孔を塞ぎ、フェルールを挿着した際にフェルールで周囲を被覆された光ファイバの端面に接触する窓部品１４とを有する。そして、窓部品１４の材料を樹脂としている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光コネクタを受納する光通信用の光モジュールに関する。

光ファイバを用いた光通信に用いられる光モジュールでは、光デバイスから発せられた光信号を光ファイバへ伝達させ、又は光ファイバを伝達してきた光信号を光デバイスに集光させている。発光素子である光デバイス（主にＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）からの光信号は、光ファイバの導波路であるコアに集光させる必要がある。また、受光素子である光デバイス（主にＰＤ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）では、光ファイバのコアを伝達してきた光信号をレンズ等により集光し、光デバイスへ受光され電気信号に変換される。

このような光モジュールとして、特許文献１には、ＴＯＳＡ（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｕｂ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）やＲＯＳＡ（Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｕｂ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）に用いられる光ファイバと光デバイスとを接続する光結合部品が開示されている。

図７に示すように、この光結合部品７０は、光ファイバ７４が内包された光フェルール７３を受納するスリーブ７１と、スリーブ７１の反対側から光デバイス７６を受納する光デバイス受納部７５と、スリーブ７１と光デバイス受納部７５との間に形成された、スリーブ７１側が凸状で光デバイス受納部７５側が傾斜したファイバ接触部７７とを有する。

ここで、スリーブ７１、光デバイス受納部７５、及びファイバ接触部７７は一体で形成されている。ファイバ接触部７７が凸状に形成されていることによって、スリーブ７１によって形成された空間７２にフェルール７３を挿入した際に、凸状の面が光ファイバ７４とフィジカルコンタクト（ＰＣコンタクト）可能となる。また、ファイバ接触部７７の傾斜面７８によって、ＬＤから出射された光を光学レンズにより集光し光ファイバ７４に結合させる際に、光ファイバ７４の端面で発生する反射戻り光が光デバイスに再結合され、光デバイスの動作が不安定になることを防止することができる。
米国特許第６，５３６，９５９号明細書

しかしながら、上述の光結合部品７０は、スリーブ７１、光デバイス受納部７５、及びファイバ接触部７７が一体成型で形成されており、また特許文献１ではＰＣコンタクトするファイバ接触部７７の材料が特定されておらず、実現性が低い。

例えば、この一体成型品をガラスで成型した場合、ガラス成型の精度の制約やガラスが脆性材料であることから生じる強度上の制約を受けることになる。従って、特許文献１に記載の光モジュールは、極めてコストが高く且つ信頼性の低いものになってしまう可能性が高い。さらに、スリーブ７１をガラスで成型すること自体、脆性が大きく、フェルールとの挿抜に機械的に耐えることができない。

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、光デバイスと光コネクタとを結合する光モジュールにおいて、強度上や精度上の制約を受けることなく製造でき、且つＰＣコンタクト部位にも十分な耐久性を持たせることを可能にすることである。

本発明による光モジュールは、スリーブ部品と光デバイスとを備え、光コネクタを受納する光通信用の光モジュールであって、このスリーブ部品は、光コネクタに付随するフェルールを受納するフェルール受納部と、光デバイスを受納する光デバイス受納部と、フェルール受納部と光デバイス受納部との間にあり光コネクタと光デバイスとの間の光路を確保する貫通孔と、この貫通孔を塞ぎ、フェルールを挿着した際にフェルール端面に接触する窓部品とを有し、その窓部品の材料を樹脂としたことを特徴としている。

本発明によれば、光デバイスと光コネクタとを結合する光モジュールにおいて、強度上や精度上の制約を受けることなく製造でき、且つＰＣコンタクト部位にも十分な耐久性を持たせることができる。

本発明に係る光モジュールは、スリーブと光デバイスとを備え、光コネクタを受納する光通信用の光モジュールであって、例えば光トランシーバ等に用いられる。ここで、光デバイスは、内部に半導体光素子を搭載したパッケージ（ＣＡＮパッケージ）を有しているものとする。まず、本発明に係る光モジュールで使用されるスリーブを有するスリーブ部品について、説明を行う。

図１は、本発明に係る光モジュールにおけるスリーブ部品の一構成例を示す斜視図で、図２は、図１のスリーブ部品の斜視断面図である。

図１に示すスリーブ部品１は、光コネクタに付随するフェルールを受納するフェルール受納部１１と、フェルール受納部１１でフェルールを挿入する方向の反対側からＣＡＮパッケージを受納する光デバイス受納部１３と、挿入奥側（底部）に光路を確保するための貫通孔とを有する。フェルール受納部１１と光デバイス受納部１３とはこの貫通孔（結合孔又はスリーブ孔ともいう）により接続されることとなる。

フェルール受納部１１は、光コネクタのフェルールを受容する中空の円筒部分を指し、その円筒の断面は断面１５のようになっている。すなわち、この中空円筒部分によって、フェルール受納部１１は光コネクタのフェルールを保持しその位置を決定するスリーブを成すこととなる。また、フェルール受納部１１の外面には、フランジ１２が形成され、このフランジ１２がトランシーバ筐体等との係合部となる。このスリーブ部品１が搭載される光トランシーバ側に、フランジ１２を前後から挟み込む構造を備えることにより、スリーブ部品１のトランシーバ内で位置が一義的に決定される。光デバイス１３は、光デバイスを収容して結合することから光サブアセンブリ受容部若しくは結合部ともいう。

また、図２で示すように、スリーブ部品１は、フェルール受納部１１とパッケージ受納部１３との間にある貫通孔を塞ぎ、フェルールを挿着した際にフェルールで周囲を被覆された光ファイバの端面に接触する窓部品１４を有する。窓部品１４は、フェルール受納部１１の底部に開けられた貫通孔に嵌め込まれて係合する部品であり、光を通すと共に、後述するように反射対策部品（アンチリフレクタ）の役割も果たしている。従って、スリーブ部品１は、アンチリフレクタ付スリーブ部品であるといえる。

そして、本例では、フェルール受納部１１や光デバイス受納部１３の材料（以下、第１材料という）と、窓部品１４の材料（以下、第２材料という）とを異ならしめている。第２の材料は、シリコーン樹脂等、必要十分な耐久性をもってフェルール内の光ファイバとＰＣコンタクトを維持するための形状維持が可能な樹脂とする。

一方、第１材料（スリーブ材料）は、樹脂、金属いずれでも形成可能であり、前者の例としては、液晶ポリマやポリエーテルイミドなどを用いることが適切である。また、金属の場合は、フェライト系ステンレス鋼を用いるのが好ましい。なお、フェルール受納部１１と光デバイス受納部１３とは同一材料で形成することが好ましいが、異なる材料（勿論、第２材料とも異なる材料）で別々に形成して結合させてもよい。

図３は、図１のスリーブ部品の垂直断面図で、図４は、図３の要部拡大図である。また、図５は、図４のスリーブ部品に光コネクタを接続したときの状態を示す図で、窓部品１４とフェルール４０がＰＣコンタクトしている状態を示している。

図３で示すように、窓部品１４の位置は貫通孔３２の位置となり、窓部品１４の形状は、フェルール受納部１１側に円弧部２１をもち、その対面側は光軸に対して垂直ではない傾斜面２０をもつ。円弧部２１は、フェルール受納部１１の底部となるフェルール突き当て面より突出し、突起部２２を形成している。また、貫通孔３２は光軸に沿って段差部３３が形成されていて、これによって、フェルール押圧に対する窓部品１４の抜け止めの役割を果たしている。

このように、窓部品１４のフェルール受納部１１側の端面は凸状に形成されていることが好ましく、また窓部品１４のパッケージ受納部１３側の端面は、フェルールの中心と半導体光素子とを結ぶ軸に対して傾斜面２０となっていることが好ましい。

窓部品１４は、シリコーン樹脂など、透光性でヤング率（弾性率）が１００ＭＰａ以下、かつ屈折率が１.４〜１.５の樹脂材料で構成することが望ましく、さらにスリーブを金型にセットした状態でインサート成型することによりコスト低減を図ることが可能である。また、ヤング率が極端に低いゴム材料を用いることで、従来技術で問題となっていた、フェルール押圧による過大な圧縮応力とそれによる永久変形、さらに傷つきやすさなどの課題を解決することができる。なお、代表的なシリコーン樹脂の物性値として、波長１.３μｍ〜１.５μｍでの透過率９２％、屈折率１.４、及び弾性率８０ＭＰａ、が知られているが、樹脂の組成や添加物によりこれら物性値を変更するのは比較的容易である。また、インサート成型の具体的方法としては、傾斜面側の円筒側面２３から樹脂注入する方法が考えられる。

また、突起部２２として説明したように、円弧部２１の頂点がフェルール４０の突き当たる端面３１より例えば０.１ｍｍほど突き出ているが、これはシリコーン樹脂の成型精度を加味しての寸法である。

通常、フェルール４０からの押圧力は、４Ｎ〜１０Ｎ程度である。図５に示すように、コンタクト界面４２は、円形状に平坦に変形し、その面に応力が発生する。窓部品１４についてセラミック、ガラス等ヤング率の高い材料を用いた場合では、経験上、フィジカルコンタクト界面４２はこの押圧力により潰れて直径０.１ｍｍ程度の円形となる。この場合、喩え４Ｎの荷重であっても応力値は５００ＭＰａと極めて高い値になってしまう。

従って、例えばベンダと呼ばれる従来のガラス製反射防止部品を適用した場合には、成型用ガラスの圧縮耐性が２００〜３００ＭＰａであるので、材料の降伏限界を超え永久変形が起こる。一方、ポリエーテルイミド等の従来樹脂スリーブに用いられていた材料であるプラスチックを適用した場合には、ヤング率が低いことから、接触面積は大きくなり、その結果接触面に発生する応力値も低下する。その一方、材料硬度は、ガラスがビッカース硬度５００程度であるのに対し、プラスチックでは高々２０程度であり、微小な埃などによる傷に対してきわめて敏感になってしまう。

しかしながら、本例で適用するシリコーン樹脂などの透過性ゴムは、樹脂スリーブに用いられるポリエーテルイミドのヤング率３.５ＧＰａに対し、０.１ＧＰａ以下と極端に低く変形に際して応力は殆ど発生しないといえるので、応力緩和とフィジカルコンタクト面の密着向上、さらに傷などへの耐性向上を両立させることが可能となる。

図６は、本発明に係る光モジュールの一構成例を示す断面図で、図１乃至図５のスリーブ部品に光デバイスを接続したときの状態を示す図である。

上述した窓部品１４を有するスリーブ部品１は、光デバイス２と組立てられる。光デバイス２は、内部にＬＤ及び／又はＰＤ等の半導体光素子を搭載するパッケージ（ＣＡＮパッケージ或いはＴＯ−パッケージともいわれている）の外形形状を有する光学部品である。

受光デバイスの場合には金属製のステム５４上に直接にＰＤを搭載、発光デバイスの場合にはステム５４上にブロックを形成し当該ブロックの側面にＬＤを実装する。ＰＤ、ＬＤ等の光素子５６はステム５４に付属するリードピン４０ａ〜４０ｅにワイヤボンディングされ、外部から電気的信号（動作信号、電源）を受信、或いは外部に信号を発信する。この例では、前置増幅器５７及びコンデンサ５５が、ステム５４の部品搭載面に直接搭載（固定）され、光素子５６の信号に対する耐雑音特性を考慮し、電子回路（光素子５６、前置増幅器５７、コンデンサ５５）の全体が、パッケージ５０の内部に収容される。

ステム５４上にはさらにキャップ５１が搭載され、キャップ５１により内部のＰＤ、ＬＤ等のデバイスは断熱封止される。キャップ５１とステム５４との接続は抵抗溶接が一般的、すなわち、ステム５４もキャップ５１も金属製であることが一般的である。キャップ５４の天井部には、ＬＤから発した光をファイバ端に集光する（送信モジュールの場合）、或いはファイバ端から発した光をＰＤの受光面に集光する（受信モジュールの場合）ためのレンズ５３が実装されている。レンズ５３とキャップ５１の天井の接続には接着剤が用いられる。レンズ５３は図示したように球レンズでも、非球面レンズでもよく、或いはデバイス側とファイバ側とで焦点距離が異なる非対象レンズであってもよい。

光デバイス（ＣＡＮパッケージ）２とスリーブ部品１との接続は、キャップ５１の接触部や小径部で接着剤を用いて行うとよい。スリーブ部品１は、上述のようにフェルールを受納するいわゆるフェルール受納部１１と、ＣＡＮパッケージを受納する光デバイス受納部１３を有し、その両部の間に窓部品１４が形成されている。フェルール受納部１１の内壁３０の内形を、挿入されるフェルールの外径よりも僅かに大きくすることで、フェルールをフェルール受納部１１にスムーズに挿入することができる。

また、光デバイス受納部１３の内径はＣＡＮパッケージの嵌合部の外径よりも大きく、片側が０.１ｍｍ程度とスリーブ内径とフェルール外径の関係よりも隙間は大きい。この径の尤度により、スリーブとＣＡＮパッケージとの間で光軸に垂直な面内での調芯を行う。光軸に平行な方向の調芯は、光デバイス受納部１３とＣＡＮパッケージとの重ね合わせ部の量で調整する。光デバイス受納部１３の内面（又はＣＡＮパッケージ外面）に紫外線硬化樹脂を塗布しておき、その状態で両者を調芯し、調芯後に紫外線を硬化させて両者を固定するとよい。また、紫外線硬化樹脂による固定のみでは強度が不足することがあるため、その場合には、紫外線硬化樹脂で固定後、当該固定箇所の外面に黒樹脂（エポキシ系樹脂）を塗布し、熱硬化させて強度を確保した上で固定するとよい。すなわち、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂の二種の樹脂により固定するとよい。

また、図６では、ＣＡＮパッケージ外周の形状がその中間部（接触部５２の部分）で段差のあるものとなっている。これは、ＣＡＮパッケージ根元部の面積を確保するためであり、５ｍｍ程度は必要である。実際、スリーブ径は１.２５ｍｍが一般的であるので、スリーブとの接合に際しては２〜３ｍｍの径が確保されれば十分であるのに対し、パッケージ根元についてはデバイス（光デバイス、電子デバイス、及びキャパシタンス等の電子部品）を搭載領域を確保しなければならないことから、５ｍｍ程度必要になる。また、市販のＴＯ−パッケージの径が約５ｍｍとなっているので、その一般的なＣＡＮパッケージ用のステムを用いることが可能となる。

このように、本例では、両者（パッケージ根元部とスリーブとの接続部）の径のギャップを、ＣＡＮパッケージ外周面に段差を設けて吸収している。一般的なＣＡＮパッケージ及びそれに付随するキャップを用いる場合には、この段差はなくなる。光モジュール全体が大型化されることには目を瞑り、光モジュールの部品コストを低減させることを目的にすれば、一般的（市販）のＣＡＮパッケージ部品を採用するとよい。

本発明に係る光モジュールにおけるスリーブ部品の一構成例を示す斜視図である。 図１のスリーブ部品の斜視断面図である。 図１のスリーブ部品の垂直断面図である。 図３の要部拡大図である。 図４のスリーブ部品に光コネクタを接続したときの状態を示す図である。 本発明に係る光モジュールの一構成例を示す断面図である。 従来技術による光モジュールの構成を示す断面図である。

符号の説明

１…スリーブ部品、１１…フェルール受納部、１２…フランジ、１３…光デバイス受納部、１４…窓部品、１５…スリーブの断面、２０…傾斜面。

Claims (4)

1. スリーブ部品と光デバイスとを備え、光コネクタを受納する光通信用の光モジュールであって、
   前記スリーブ部品は、前記光コネクタに付随するフェルールを受納するフェルール受納部と、前記光デバイスを受納する光デバイス受納部と、前記フェルール受納部と前記光デバイス受納部とを接続する貫通孔と、該貫通孔を塞ぎ前記フェルールと当接する窓部品とを含み、
   該窓部品が樹脂により形成されていることを特徴とする光モジュール。
2. 前記窓部品の前記フェルール受納部側の端面は、凸状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. 前記窓部品の前記光デバイス受納部側の端面は、前記フェルール受納部の光軸に対して傾斜面となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
4. 前記窓部品はシリコーン樹脂製であり、そのヤング率が１００ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光モジュール。

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