JP2009047738A - 光モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光モジュールの組み立て工数を削減できるようにすると共に、安定した品質の光モジュールを再現性良く製造できるようにする。
【解決手段】ＴＯＳＡ１００は、ＬＤ７及びモニタＰＤ８が実装された基板１と、この基板１の上方に積層された斜面部２と、ＬＤ７から射出された光の一部をモニタＰＤ８に向けて反射するハーフミラー３と、ＬＤ７から射出された光を集光するレンズ部４と、光ファイバを支持するスリーブ部５とが一体化された積層構造を有するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気信号を光信号に変換して光ファイバに光を射出するＴＯＳＡ（Transmitter Optical Sub-Assembly）に適用可能な光モジュール及びその製造方法に関するものである。詳しくは、発光素子及びモニタ用の受光素子が実装された基板と、この基板の上方に積層された斜面部と、発光素子から射出された光の一部を受光素子に向けて反射する反射部と、発光素子から射出された光を集光するレンズ部と、光ファイバを支持する支持部とが一体化された積層構造を有することで、光モジュールの組み立て工数を削減できるようにすると共に、安定した品質の光モジュールを再現性良く製造できるようにしたものである。

近年、取り扱う情報量の増加に伴い、情報伝送路として光ファイバが使用される場合が多くなっている。この場合、例えば光ファイバは、光モジュールを介して情報処理装置に接続される。この光モジュール（例えばＴＯＳＡ）は、情報処理装置から出力される電気信号を光信号に変換して光ファイバに光を射出する。

例えば図９は、従来例に係るＴＯＳＡ３００の構成例を示す断面図である。図９に示すＴＯＳＡ３００は、レンズ一体型のスリーブ３０２及びＣＡＮパッケージ３０３から構成されている。

ＣＡＮパッケージ３０３は、ステム３０３ｃ上に、ＬＤ（Laser Diode）７及びモニタＰＤ（Photo Diode）８がマウントされている。また、ＣＡＮパッケージ３０３は、ステム３０３ｃ上に、低融点ガラスで固定されたハーフミラー３０３ａを支持するキャップ３０３ｂが溶接されている。なおキャップ３０３ｂの溶接は、結露を防止する為に、ドライエアの環境下で行われる。ＬＤ７からのレーザ光は、一部ハーフミラー３０３ａによって反射されてモニタＰＤ８に入光する。モニタＰＤ８は、ＬＤ７の出力パワーをモニタして、ＬＤ７の出力調整を行う。

図９に示すレンズ一体型のスリーブ３０２には、フェルール３０１により光ファイバ１０が保持固定されている。ＴＯＳＡ３００は、光ファイバ１０のコアにＬＤ７からのレーザ光が集光するように位置調整されて、ＣＡＮパッケージ３０３にレンズ一体型のスリーブ３０２が接着剤等によって固定されている（特許文献１参照）。

また、図１０は、従来例に係るＴＯＳＡ４００の構成例を示す断面図である。図１０に示すＴＯＳＡ４００は、光ファイバ１０のコアにＬＤ７からのレーザ光が集光するように位置調整されて、別体のレンズ４０１が固定されたスリーブ４０２が、ＣＡＮパッケージ３０３に接着剤等によって固定されている。

特開２００７−１２１９２０号公報（第２図）

しかしながら、特許文献１に記載の光モジュールや、従来例に係るＴＯＳＡ３００、４００を製造する場合、例えばハーフミラー３０３ａを保持するキャップ３０３ｂが必要なため、部品点数や組立工数が多くなり、部品公差や組立公差が増大するおそれがある。従って、組立によるバラツキが発生し、安定した品質の光モジュールを再現性良く製造することが困難である。しかも、スリーブ３０２とＣＡＮパッケージ３０３との位置決めを精密に行うための設備が必要である。

なお、この問題に対処して、部品点数及び組立工数を減らしたものに、図１１に示すレンズ一体型のパッケージ５００が存在する。しかし、このパッケージ５００に、ＬＤ７の出力をモニタする為のハーフミラー３０３ａを取り付ける場合、このパッケージ５００には、ＬＤ７とレンズ５０１との間に当該ハーフミラー３０３ａを取り付けるスペースが存在しない。このため、ハーフミラー３０３ａを取り付けることは困難である。従って、ＬＤ７の出力調整を行うことが難しい。

そこで、本発明はこのような従来例に係る課題を解決したものであって、光モジュールの組み立て工数を削減できるようにすると共に、安定した品質の光モジュールを再現性良く製造できるようにした光モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る光モジュールは、電気信号を光信号に変換して、光ファイバに光を射出する光モジュールであって、基板に実装された発光素子と、前記基板に実装され、前記発光素子の出力をモニタするための受光素子と、前記発光素子及び受光素子が実装された前記基板の上方に積層された斜面部と、前記斜面部上に積層され、前記発光素子から射出された光の一部を前記受光素子に向けて反射する反射部と、前記反射部上に積層され、前記発光素子から射出された光を集光するレンズ部と、前記レンズ部上に積層され、前記光ファイバを支持する支持部とを備え、前記基板、斜面部、反射部、レンズ部及び支持部が一体化された積層構造を有することを特徴とするものである。

本発明に係る光モジュールによれば、受光素子は、発光素子の出力をモニタするようになされる。反射部は、発光素子から射出された光の一部を受光素子に向けて反射する。レンズ部は、発光素子から射出された光を集光する。支持部は光ファイバを支持する。この場合に、基板、斜面部、反射部、レンズ部及び支持部が一体化された積層構造を有する。これにより、光モジュールの組み立て工数を削減できると共に、部品公差や組立公差の積み上げを減少できる。

上述した課題を解決するために、本発明に係る光モジュールの製造方法によれば、電気信号を光信号に変換して光ファイバに光を射出する光モジュールを製造する方法であって、光射出用の発光素子、及びモニタ用の受光素子を基板上に実装する工程と、前記発光素子及び受光素子が実装された前記基板の上方に、斜面部を形成する工程と、形成された前記斜面部上に、出力光一部反射用の反射部を形成する工程と、形成された前記反射部上に、出力光集光用のレンズ部を形成する工程と、形成された前記レンズ部上に、光ファイバ支持用の支持部を形成する工程とを有することを特徴とするものである。

本発明に係る光モジュールの製造方法によれば、基板、斜面部、反射部、レンズ部及び支持部が積層されて一体化される。これにより、光モジュールの組み立て工数を削減できると共に、部品公差や組立公差の積み上げを減少できる。

本発明に係る光モジュール及びその製造方法によれば、発光素子及びモニタ用の受光素子が実装された基板と、この基板の上方に積層された斜面部と、発光素子から射出された光の一部を受光素子に向けて反射する反射部と、発光素子から射出された光を集光するレンズ部と、光ファイバを支持する支持部とが一体化された積層構造を有するものである。

この構成によって、光モジュールの組み立て工数を削減できる。これにより、部品公差や組立公差の積み上げを減少できる。しかも、反射部を支持するキャップなどの部品を削減できる。従って、安価かつ安定した品質の光モジュールを再現性良く製造することができる。また、一体化された積層構造により、一つずつ部品を組立てる必要がないので組立時間を削減できる。しかも、精密な位置決めを必要とする設備が不要になる。

続いて、本発明に係る光モジュール及びその製造方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明をする。

図１は、ＴＯＳＡ１００の構成例を示す斜視図である。図２Ａは、ＴＯＳＡ１００の構成例を示す上面図であり、図２ＢはＴＯＳＡ１００の構成例を示すＸ−Ｘ矢視断面図である。図１に示すＴＯＳＡ１００は光モジュールの一例として機能し、電気信号を光信号に変換して、光ファイバに光を射出するものである。このＴＯＳＡ１００は、基板（ステム）１、斜面部２、ハーフミラー３、レンズ部４、スリーブ部５、マウント部６、ＬＤ７及びモニタＰＤ８を備える。

ＬＤ７は発光素子の一例として機能し、マウント部６により基板１上の略中央部に実装されている。このＬＤ７は、入力した電気信号を光信号に変換して当該光信号を出力する。モニタＰＤ８はモニタ用の受光素子の一例として機能し、マウント部６によりＬＤ７の基板１上に実装されている。このモニタＰＤ８は、温度変化などによるＬＤ７の出力パワーのバラツキを抑えるために、ＬＤ７の出力パワーをモニタして出力調整を行う。例えば、モニタＰＤ８は、ハーフミラー３により半反射されたＬＤ７のレーザ光を入射し、当該入射光量に基づいてＬＤ７の光の出力量を調整するようになされる。この例で、ＴＯＳＡ１００の制御部（不図示）はモニタＰＤ８に接続され、モニタＰＤ８の出力電流が一定となるように、ＬＤ７の駆動電流をＡＰＣ（Automatic Power Control）制御する。これにより、ＬＤ７から安定した光の出力を得ることができる。

なお、ＬＤ７及びモニタＰＤ８はマウント部６と電気的に接続され、当該マウント部６と基板１とは、電線９（図２参照）により電気的に接続されている。

ＬＤ７などが取り付けられた基板１の上方には、樹脂成型により斜面部２が積層されている。この斜面部２の斜面上にはハーフミラー３が積層されている。このハーフミラー３は反射部の一例として機能し、斜面部２を介して基板１に一体成型されている。ハーフミラー３は、ＬＤ７が射出した光の一部（半分程度）をモニタＰＤ８に向けて反射する。

ハーフミラー３上には、樹脂成型によりレンズ部４が積層されている。このレンズ部４は、上面略中央にレンズ４ａを有している。このレンズ４ａは、図２Ｂに示すように、レンズ部４の上面が略半円球状に窪まされて形成されている。レンズ４ａは、ＬＤ７から射出された光を集光する。

レンズ部４上には、樹脂成型によりスリーブ部５が積層されている。このスリーブ部５は支持部の一例を構成し、鉛直方向に円柱状に開口されたファイバ挿入口５ａを有している。このファイバ挿入口５ａには、図３に示す光ファイバ１０の先端が挿入されて、フェルール１１により当該光ファイバ１０が支持される。このように、ＴＯＳＡ１００は、基板１、斜面部２、ハーフミラー３、レンズ部４及びスリーブ部５が一体化された積層構造を有している。これにより、例えばキャップ３０３ｂ（図９参照）などの部品を組み立てる工程が不要になるので、ＴＯＳＡ１００の組み立て工数を削減できる。従って、部品公差や組立公差の積み上げを減少できる。

続いて、ＴＯＳＡ１００の動作例を説明する。図３は、ＴＯＳＡ１００の動作例を示す断面図である。図３に示すＴＯＳＡ１００は、図２ＡのＸ−Ｘ矢視断面図であり、動作の理解を容易にするために、図２Ｂに示したハッチングは省略している。

スリーブ部５のファイバ挿入口５ａには、光ファイバ１０の先端が挿入されて、フェルール１１により当該光ファイバ１０が固定されている。なお、この光ファイバ１０は、光を伝播するコア１０ａと、当該コア１０ａを被覆したクラッド１０ｂから構成されている。

ＬＤ７は、入力した電気信号を光信号に変換して光λ１を光ファイバ１０に向けて射出する。ハーフミラー３は、光λ１の半分程度若しくは７〜８割程度を透過する。レンズ４ａは、ハーフミラー３を透過した光λ１を、光ファイバ１０のコア１０ａに向けて集光する。光ファイバ１０のコア１０ａは、光λ１を入射して当該光λ１を受信側に向けて伝播する。

また、ハーフミラー３は、光λ１の半分程度若しくは２〜３割程度を光λ２としてモニタＰＤ８に向けて反射する。モニタＰＤ８は、この反射された光λ２を入射して電気信号に変換する。ＴＯＳＡ１００の制御部（不図示）は、モニタＰＤ８の電気信号（出力電流）を入力し、この出力電流が一定となるようにＬＤ７の駆動電流をＡＰＣ制御する。このように、ＴＯＳＡ１００は動作する。

続いて、ＴＯＳＡ１００の第１の製造例を説明する。図４Ａ〜Ｅは、ＴＯＳＡ１００の第１の製造例を示す断面図である。先ず、図４Ａに示すＬＤ７及びモニタＰＤ８を基板１上に実装する。この例で、接着剤によりマウント部６にＬＤ７及びモニタＰＤ８を接着すると共に電気的に結合する。その後、ＬＤ７及びモニタＰＤ８が結合されたマウント部６を接着剤により基板１に接着して固定し、当該マウント部６と基板１とを電線９によりワイヤボンディングする。なお、この接着剤には、光硬化性接着剤や熱硬化性接着剤などを用いる。また、基板１の素材には、シリコンやセラミック等を用いる。

次に、図４Ｂに示す斜面部２を樹脂金型成形により形成する。この例で、ＬＤ７及びモニタＰＤ８が実装された基板１を成形金型内に配置し、透明な熱可塑性樹脂を当該基板１の上方から金型成形して斜面部２を形成する（ＣＡＮパッケージの形成処理）。

斜面部２を形成後、図４Ｃに示す出力光一部反射用のハーフミラー３を形成する。この例で、斜面部２の傾斜面２ａに、金属薄膜を蒸着させてハーフミラー３を形成する（薄膜形成法）。ハーフミラー３を形成後、図４Ｄに示す出力光集光用のレンズ部４を樹脂金型成形により形成する。この例で、ハーフミラー３が形成された基板１を成形金型内に配置し、透明な熱可塑性樹脂を当該ハーフミラー３上に金型成形して、レンズ４ａを有したレンズ部４を形成する。このように、集光手段を二色成型（この例で斜面部２及びレンズ部４から成る二色成型）することで、ハーフミラー３を有したレンズ４ａ付のＣＡＮパッケージを形成することができる。

レンズ部４を形成後、図４Ｅに示す光ファイバ支持用のスリーブ部５を樹脂金型成形により形成する。この例で、レンズ部４が形成された基板１を成形金型内に配置し、透明な熱可塑性樹脂を当該レンズ部４上に金型成形して、ファイバ挿入口５ａを有したスリーブ部５を形成する。これにより、更にスリーブ５が形成された三色成型によるＴＯＳＡ１００を製造することができる。

なお、傾斜部２及びレンズ部４の樹脂には同質の例えば透明なアクリル系樹脂を使用し、スリーブ部５の樹脂には、傾斜部２及びレンズ部４の樹脂と異質の樹脂を使用する。これは、光がレンズ部４とスリーブ部５との境界面を通過する場合に、その境界面で光の進行方向を光ファイバ１０のコア１０ａに向けて変向（集光）するためである。また、図４Ｅ示すＴＯＳＡ１００は、図２Ａに示したＸ−Ｘ矢視断面図と同一である。

このように、本発明に係るＴＯＳＡ１００及びその第１の製造方法によれば、ＬＤ７及びモニタＰＤ８が実装された基板１と、この基板１の上方に積層された斜面部２と、ＬＤ７から射出された光の一部をモニタＰＤ８に向けて反射するハーフミラー３と、ＬＤ７から射出された光を集光するレンズ部４と、光ファイバを支持するスリーブ部５とが一体化された積層構造を有するものである。

従って、ＴＯＳＡ１００の組み立て工数を削減できる。これにより、部品公差や組立公差の積み上げを減少できる。しかも、キャップ３０３ｂ（図９参照）などの部品を削減できる。従って、安価かつ安定した品質のＴＯＳＡ１００を再現性良く製造することができる。また、一体化された積層構造により、一つずつ部品を組立てる必要がないので、組立によるバラツキを減少できると共に組立時間を削減できる。しかも、図９に示したスリーブ３０２とＣＡＮパッケージ３０３との位置決めを精密に行うための設備が不要になる。

続いて、ＴＯＳＡ１００の第２の製造例を説明する。第２の製造例では、複数のＴＯＳＡ１００を集合化状態で製造する方法について説明する。なお、図４Ａ〜Ｅに示した第１の製造例と同じの要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図５Ａ〜Ｃは、ＴＯＳＡ１００の第２の製造例（その１）を示す断面図である。また、図６Ｄ及びＥは、ＴＯＳＡ１００の第２の製造例（その２）を示す断面図である。先ず、図５Ａに示すＬＤ７及びモニタＰＤ８を基板１上に複数実装する。次に、図５Ｂに示す斜面部２を樹脂金型成形により基板１に複数形成する。この例で、ＬＤ７及びモニタＰＤ８が複数実装された基板１を成形金型内に配置し、透明な熱可塑性樹脂を当該基板１の上方から金型成形して斜面部２を連続して各ＴＯＳＡ１００毎に形成する。

斜面部２を形成後、図５Ｃに示すハーフミラー３を斜面部２毎に形成する。ハーフミラー３を形成後、図６Ｄに示すレンズ部４を樹脂金型成形により基板１に複数形成する。この例で、ハーフミラー３が複数形成された基板１を成形金型内に配置し、透明な熱可塑性樹脂を当該各ハーフミラー３上に金型成形して、レンズ４ａを有したレンズ部４を連続して各ＴＯＳＡ１００毎に形成する。

レンズ部４を形成後、図６Ｅに示すスリーブ部５を樹脂金型成形により基板１に複数形成する。この例で、レンズ部４が複数形成された基板１を成形金型内に配置し、透明な熱可塑性樹脂を当該各レンズ部４上に金型成形して、ファイバ挿入口５ａを有したスリーブ部５を連続して各ＴＯＳＡ１００毎に形成する。

図７Ａ及びＢは、ＴＯＳＡ１００の第２の製造例（その３）を示す斜視図である。図８は、ＴＯＳＡ１００の第２の製造例（その４）を示す斜視図である。図７Ａに示す集合状態のＴＯＳＡ１００は、図６Ｅに示した断面のＴＯＳＡ１００を斜め上から見た図である。図６Ｅに示したスリーブ部５を形成後、図７Ａに示す集合状態のＴＯＳＡ１００を基板分割装置に配置し、図７Ｂに示すように基板１を切断（カット）して個片化し、ＴＯＳＡ１００を複数形成する。

また、図８に示すように、４チャンネルの配列（４ch Array）を形成するように、図７Ａに示した集合状態のＴＯＳＡ１００をカットしてもよい。もちろん、４チャンネルに限らず、所定数のチャンネル数にカットすることが考えられる。

このように、本発明に係るＴＯＳＡ１００の第２の製造方法によれば、ＴＯＳＡ１００が一面に複数形成された基板１をカットして各ＴＯＳＡ１００を個片化し、ＴＯＳＡ１００を同時に複数形成するものである。これにより、ＴＯＳＡ１００を効率よく大量に製造することができる。

電気信号を光信号に変換して光ファイバに光を射出するＴＯＳＡに適用して好適である。

ＴＯＳＡ１００の構成例（その１）を示す斜視図である。 Ａ及びＢは、ＴＯＳＡ１００の構成例（その２）を示す説明図である。 ＴＯＳＡ１００の動作例を示す断面図である。 Ａ〜Ｅは、ＴＯＳＡ１００の第１の製造例を示す断面図である。 Ａ〜Ｃは、ＴＯＳＡ１００の第２の製造例（その１）を示す断面図である。 Ｄ及びＥは、ＴＯＳＡ１００の第２の製造例（その２）を示す断面図である。 Ａ及びＢは、ＴＯＳＡ１００の第２の製造例（その３）を示す斜視図である。 ＴＯＳＡ１００の第２の製造例（その４）を示す斜視図である。 従来例に係るＴＯＳＡ３００の構成例を示す断面図である。 従来例に係るＴＯＳＡ４００の構成例を示す断面図である。 従来例に係るレンズ一体型のパッケージ５００の構成例を示す側面図である。

符号の説明

１・・・基板、２・・・斜面部、３・・・ハーフミラー（反射部）、４・・・レンズ部、５・・・スリーブ部（支持部）、６・・・マウント部、７・・・ＬＤ（発光素子）、８・・・モニタＰＤ（モニタ用の受光素子）、１００・・・ＴＯＳＡ（光モジュール）

Claims (2)

1. 電気信号を光信号に変換して、光ファイバに光を射出する光モジュールであって、
   基板に実装された発光素子と、
   前記基板に実装され、前記発光素子の出力をモニタするための受光素子と、
   前記発光素子及び受光素子が実装された前記基板の上方に積層された斜面部と、
   前記斜面部上に積層され、前記発光素子から射出された光の一部を前記受光素子に向けて反射する反射部と、
   前記反射部上に積層され、前記発光素子から射出された光を集光するレンズ部と、
   前記レンズ部上に積層され、前記光ファイバを支持する支持部とを備え、
   前記基板、斜面部、反射部、レンズ部及び支持部が一体化された積層構造を有することを特徴とする光モジュール。
2. 電気信号を光信号に変換して光ファイバに光を射出する光モジュールを製造する方法であって、
   光射出用の発光素子、及びモニタ用の受光素子を基板上に実装する工程と、
   前記発光素子及び受光素子が実装された前記基板の上方に、斜面部を形成する工程と、
   形成された前記斜面部上に、出力光一部反射用の反射部を形成する工程と、
   形成された前記反射部上に、出力光集光用のレンズ部を形成する工程と、
   形成された前記レンズ部上に、光ファイバ支持用の支持部を形成する工程と
   を有することを特徴とする光モジュールの製造方法。

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