JP2009192566A - 光サブアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】プレス成形で形成したキャップシェルを用いた光モジュールにスリーブ部材を接着により取付けて成るものであって、広い接着面積を確保することができる光サブアセンブリ（ＯＳＡ）を提供する。
【解決手段】ＯＳＡ１は、ＰＤ２１を実装したステム２２に、集光用レンズ２３ａを保持するプレス加工で形成したキャップシェル２３ｂが取付けられた同軸型光モジュール２０と、光コネクタ５０のフェルール５１を整列するスリーブ部材１０と、を備える。キャップシェル２３ｂの筒状外周部には、キャップシェル２３ｂのレンズ２３ａの保持面２３ｃよりも上方に延出する延出部４０が設けられ、スリーブ部材１０には、キャップシェル２３ｂを収納する凹部１２ａが形成される。キャップシェル２３ｂに設けられた延出部４０の外周面を含む光モジュール２０の外周面とスリーブ部材１０の凹部１２ａの内周面が接着剤で固定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光モジュールの光電変換素子と、スリーブ部材が受納する光コネクタのフェルールの光ファイバとを結合する光サブアセンブリに関する。

光モジュールとしては、光電変換素子を実装したステムに、レンズがキャップシェルに固定されてなるレンズキャップを取付けた、同軸型のＣＡＮパッケージを有するものがある。この光モジュールを光コネクタを受納するレセプタクルスリーブ（スリーブ部材）に取付けて成る光サブアセンブリ（ＯＳＡ：Optical Sub-Assembly）では、光モジュールとスリーブ部材とをＹＡＧ溶接により固定することが通常行われている。しかし、ＹＡＧ溶接での固定によってＯＳＡを組み立てると、例えば、以下の（１）〜（３）の理由から、ＯＳＡの作製コストが高くなっていた。

（１）上記のようにＹＡＧ溶接により固定するには、スリーブ部材の固定部分や光モジュールの固定部分（例えば、光モジュールのパッケージを構成するキャップシェル等）を切削加工により精度良く作製する必要があるが、切削加工は加工コストが高く、コストを下げにくい。
（２）キャップシェル等の、ＹＡＧ溶接により固定する部分について、その材料が、溶接性及び切削性に優れたＳＵＳ材料、例えば、フェライト系のＳＦ２０Ｔまたはオーステナイト系のＳＵＳ３０３等に限定されてしまい、より安い材料を用いることができない。
（３）ＹＡＧ溶接で組み立てを行うために必要な設備（ＹＡＧ光源で５００〜１０００万円）は、非常に高価である。

そこで、より低コストなＯＳＡを実現するために、組み立ての際に、ＹＡＧ溶接ではなく、樹脂製接着剤などの接着剤により光モジュールとスリーブ部材との接着固定を行う技術が提案されてきている（例えば、特許文献１参照）。この技術は、当初、マルチモードファイバを用いる用途や受信用光サブアセンブリ（ＲＯＳＡ：Receiving Optical Sub-Assembly）など、要求される組み立てトレランスの緩いＯＳＡに限られて利用されていたが、送信用光サブアセンブリ（ＴＯＳＡ：Transmitting Optical Sub-Assembly）にも少しずつ利用が広がっている。
特開平８−１２９１１８号公報

ＯＳＡでは、一般的に、実使用状態において、スリーブ部とＯＳＡが取付けられる回路基板との相対的な位置のずれにより、固定部分に常時応力がかかる可能性がある。そのため、製品としてのＯＳＡには、初期特性を満足することだけでなく、十分な固定強度を有し所定の信頼性試験を満足することが安定的に求められる。所定の信頼性試験としては、例えば、高温通電試験、低温保存試験、高温高湿試験、ヒートサイクル試験等があり、ＯＳＡには、事実上の標準であるTelcordia社の光半導体デバイス信頼度保証仕様（Telcordia GR-468-CORE）に準拠する信頼性が求められる。

ＯＳＡにおいて、コスト低減のために接着固定を利用する場合、上記のような信頼性を満たすためには、十分な（高い）固定強度、すなわち、十分な（広い）接着面積が必要である。ＯＳＡでは、光モジュールを収納するスリーブ部材の凹部に、光モジュールの一端部が挿入され、光モジュールの外周面とスリーブ部材の凹部の内周面とが接着固定されるので、光モジュールの外周面とスリーブ部材の凹部の内周面との間の接着面積が重要である。

同軸型のＯＳＡの光モジュールは、一般的に、図３に示すように、集光用のレンズ１１１が設けられたキャップシェル１１２が円板上のステム１１３に取付けられてなる。
図３の従来の光モジュール１１０では、ＹＡＧ溶接のときと同様にＳＵＳを切削等してキャップシェル１１２を形成する場合、形状を比較的自由に設計することができるので、ステム１０２を基準としたキャップシェル１０１の高さを大きくすることができる。これにより、切削加工によりキャップシェル１１２が作製される従来のＯＳＡ１００では、光モジュール１１０の側面の高さを大きくして、光モジュール１１０の側面とスリーブ部材１２０の凹部１２１の内周面との間の接着面積の広さを確保することができる。しかし、上述のように、この方法ではコストが高いものとなる。

切削による成形に代えて、プレス成形でキャップシェルを成形する場合、ＯＳＡの製造コストを下げることはできる。ただし、この場合の光モジュールは一般的に、レンズを止める位置すなわちレンズの中心が上記キャップシェルの高さとなる平らなパッケージになる。

ＲＯＳＡや面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）を用いたＴＯＳＡでは、図４に示すように、光モジュール１０のステム２１１の実装面２１１ａに直接（または低いサブマウントを介して）フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）やＶＣＳＥＬといったチップ２１２を実装している。したがって、ＲＯＳＡやＶＣＳＥＬを用いたＴＯＳＡにおいて、上述のようにプレス成形でキャップシェル２１３を形成し、レンズ２１４の中心が上記キャップシェル２１３の高さとなる平らなパッケージを用いると、チップ２１２の位置に合わせてレンズ２１４の位置が低くなっている結果、必然的にキャップシェル２１３の高さが小さい。そのため、接着固定される光モジュール２１の側面の面積が小さく、上記接着面積を広くすることができない。

特に、近年結合効率を高めるために球面収差が小さくなるように、より高屈折率の球レンズを用いることがある。高屈折率の球レンズを用いた場合において、上述のようにプレス成形でキャップシェル２１３を形成しパッケージを平らに形成すると、キャップシェル２１３の高さを小さくして球レンズの位置を低くする必要があり、広い接着面積を確保することができない。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、プレス成形で形成したキャップシェルを用いた光モジュールにスリーブ部材を接着により取付けて成るものであって、広い接着面積を確保することができる光サブアセンブリを提供することを目的とする。

本発明の光サブアセンブリは、光電変換素子を実装したステムに、集光用のレンズを保持するプレス加工で形成したキャップシェルが取付けられた同軸型光モジュールと、光コネクタのフェルールを整列するスリーブ部材と、を備え、キャップシェルの筒状外周部には、キャップシェルのレンズの保持面よりも上方に延出する延出部が設けられ、スリーブ部材には、キャップシェルを収納する凹部が形成され、キャップシェルに設けられた延出部の外周面を含む同軸型光モジュールの外周面とスリーブ部材の凹部の内周面が接着剤で固定されていることを特徴とする。

なお、延出部が、キャップシェルの上部外周を折り返して形成されていることが好ましく、また、延出部が、キャップシェルの外周部にキャップシェルの高さよりも軸方向寸法が大な円筒状部材を嵌合固着して形成されていることも好ましい。

本発明によれば、光サブアセンブリにおいて、プレス成形で形成した安価なキャップシェルを有する光モジュールとスリーブ部材を接着剤を用いて固定することができるため、作製コストを抑えることができる。また、この場合においても、キャップシェルのレンズの保持面よりも上方に延出する延出部をキャップシェルの外周に設け、この延出部の外周面を含む光モジュールの外周面とスリーブ部材とを接着固定するので、広い接着面積を確保して、光サブアセンブリに高い固定強度を持たせることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る光サブアセンブリ（ＯＳＡ）を説明する断面図である。本実施形態のＯＳＡは、図示するように、光コネクタ５０のフェルール５１をガイドするスリーブ部１０と、光電変換機能を有する光電変換素子２１をＣＡＮパッケージ内に有する光モジュール２０とが、接着剤としての接着樹脂３０により接着固定されて成る。光電変換素子２１は、フェルール５１内の光ファイバ５１ａからの光信号を電気信号に変換するＰＤや、光ファイバ５１ａへの光信号を電気信号から変換するＶＣＳＥＬ等からなるが、以下では、光電変換素子は、ＰＤからなるものとし、ＰＤ２１として説明する。

まず、スリーブ部１０について説明する。スリーブ部１０は、例えば、樹脂の射出成形により形成されるものであって、ＰＤ２１への光信号を伝達する光ファイバ５１ａを内蔵するフェルール５１が挿入される。このスリーブ部１０は、光コネクタのフェルール５１を受納しガイドするフェルール受納部１１と、ＰＤ２１を封止している光モジュール２０を受納するモジュール受納部１２と、を有する。

フェルール受納部１１は、フェルール５１をガイド可能なように、円柱状のフェルール５１の外径と略同じ大きさの内径を有する円筒状に形成された円筒部１１ａを有し、その一端には、フェルール５１の挿入を容易にするためにテーパ状に形成された開口１１ｂが形成されている。また、その円筒部１１ａには、光学部材（ファイバスタブ）１１ｃが圧入されており、フェルール受納部１１へのフェルール５１の挿入が完了したときに、光コネクタ５０内部のバネ（図示せず）の弾性力により、光ファイバ５１ａとファイバスタブ１１ｃが物理的に当接するようになっている。なお、ファイバスタブ１１ｃの光モジュール２０側の端面は斜め研磨されており、反射戻り光を抑えることができるようになっている。

モジュール受納部１２は、光モジュール２０の後述の延出部側を受納可能なように、光モジュールの延出部側の外周面に対応する形状の凹部１２ａを有する。図１の例のモジュール受納部１２では、光モジュール２０の後述のレンズキャップ２３側を受納可能なように、レンズキャップ２３のキャップシェル２３ｂに対応する形状の凹部１２ａを有する。また、図の例では、モジュール受納部１２の凹部１２ａの内周面に接着樹脂３０を塗布した状態で、光モジュール２０をキャップシェル２３ｂ側から挿入し、光モジュール２０の外周面とモジュール受納部１２の凹部１２ａの内周面とを接着樹脂３０で接着させた後、接着樹脂３０を固化させることにより、光モジュール２０をスリーブ部１０に固定することができる。なお、接着樹脂３０としては、熱硬化性樹脂を用いることができる。

また、スリーブ部１０は、フェルール受納部１１の円筒部１１ａで形成されたフェルール受納空間とモジュール受納部１２の凹部１２ａで形成されたモジュール受納空間を隔てる隔壁１３を有する。この隔壁１３には、光信号を通すための孔１３ａが形成されている。
このようなスリーブ部１０を用いたＯＳＡ１では、光コネクタ５０のフェルール５１がフェルール受納部１１に挿入された状態において、フェルール５１の光ファイバ５１ａから出射された光信号が、ファイバスタブ１１ｃを透過し、孔１３ａを通過し、モジュール受納部１２が有する光モジュール２０のレンズ２３ａにより、ＰＤ２１へ集光される。

続いて、光モジュール２０について説明する。光モジュール２０は、例えば、ＰＤ２１、ステム２２、レンズキャップ２３を有する。
ＰＤ２１は、上述のように光信号を電気信号に変換するもので、ステム２２の後述のベース２２ａの素子実装面２２ｃ上に直接またはサブマウントを介して実装される。

ステム２２は、レンズキャップ２３と協働して、内部に素子搭載空間を有するＣＡＮパッケージを形成しており、ＰＤ２１等が実装される円板状のベース２２ａと、ベース２２ａに支持される、外部に電気接続するためのリードピン２２ｂとを有する。
ベース２２ａは、レンズキャップ２３のキャップシェル２３ｂと抵抗溶接により接合できるように、抵抗溶接可能な材料（例えば、コバール）から形成される。また、ベース２２ａの上面の素子実装面２２ｃには、ＰＤ２１に加えて、ＰＤ２１が生成した電気信号を増幅するトランスインピーダンスアンプや、抵抗やコンデンサ等の素子が実装される場合もある。これら素子は、互いに又はベース２２ａもしくはリードピン２２ｂと、種々の接続手段により接続される。リードピン２２ｂは、ベース２２ａにガラス封止されるなどして支持されている。

本発明の特徴に関わるレンズキャップ２３は、ステム２２と協働してＰＤ２１等を気密封止するキャップとして機能するものであり、光ファイバ５１ａからファイバスタブ１１ｃ等を介して入射される光をＰＤ２１に集光するレンズ２３ａと、レンズ２３ａを保持するキャップシェル２３ｂを有する。
レンズ２３ａは、例えば、ボールレンズで、キャップシェル２３ｂの平面２３ｃの中央に形成された孔２３ｃに、低融点ガラス等の封止ガラスによって固定される。なお、本発明は、レンズ２３ａに用いられる材料の屈折率が高いときのＯＳＡに、特に好適に用いられる。

キャップシェル２３ｂは、例えば、プレス加工可能であり抵抗溶接可能である材料（コバール等）から形成される。その形状は、レンズ２３ａを固定する平面２３ｃと連続しているその側面が、ステム２２の素子実装面２２ｃを基準として当該平面２３ｃより上方に延出して折り返されるような延出形状（以下、延出部という）になっている。本発明によるＯＳＡ１では、キャップシェル２３ｂに上述のような延出部４０を形成し、この円周部４０の外周面を光モジュール２０の外周面に含めることで、モジュール受納部１２の凹部１２ａとの接着面積を増加させている。また、キャップシェル２３ｂは、その下部とステム２２のベース２２ａと、を抵抗溶接することにより、ステム２２に密封的に固定される。

ＯＳＡ１は、光モジュール２０の外周面を構成するこのキャップシェル２３ｂの外周面と、スリーブ部１０のモジュール受納部１２の凹部１２ａの内周面とを、接着樹脂３０で接着固定することにより組み立てられる。

このように、ＯＳＡ１では、接着剤で接着されるキャップシェル２３ｂの上部外周を折り返して、ステム２２の素子実装面２２ｃを基準としたキャップシェル２３ｂの高さを、同じく面２２ｃを基準としたレンズ２３ａ（の中心）の位置（高さ）より大きくして、延長部４０を形成することで、接着面積を広く稼ぐようにしている。これにより、ＯＳＡ１における固定強度（接着強度）を高くし、その信頼性を向上させることができる。また、キャップシェル２３ｂの高さをレンズ２３ａの位置より大きくすることにより、外乱によるレンズ２３ａへのダメージを防ぐことができる二次的効果もある。

図２は、本発明の他の実施形態に係るＯＳＡを説明する断面図である。本実施形態のＯＳＡにおいて、図１のものと同様の構成部分については、同じ符号を用いることにより、その説明を省略する。
図２のＯＳＡは、図１のＯＳＡと同様なスリーブ部１０を備える。しかし、光モジュール６０の構成が図１のものと異なる。具体的には、光モジュール６０は、図１の光モジュールと異なり、カップ状のキャップシェル６１ａを有するレンズホルダ６１がステム２２に固定され、キャップシェル６１ａのカップ状部材の外周に、リング状のリング部材（円筒状部材）６２が固定されて成る。

光モジュール６０のキャップシェル６１ａは、例えば、プレス加工可能であり抵抗溶接可能である材料（コバール等）から形成されるもので、その形状はカップ状であり、その上部が平面２３ｃで形成されており、当該平面の中央に、レンズ２３ａ固定用の孔６１ｂが形成されている。このキャップシェル６１ａは、その下部とステム２２のベース２２ａと、を抵抗溶接することにより、ステム２２に密封的に固定される。

リング部材６２は、パイプ状の金属部材から切り出し加工により形成されるものであり、キャップシェル６１ａの外周に、嵌め合わせにより固定される。このリング部材６２の側面は、光モジュール６０の側面を構成する。ＯＳＡ２では、光モジュール６０の側面としてのリング部材６２の側面（外周面）と、スリーブ部１０のモジュール受納部１２の凹部１２ａの内周面とを、接着樹脂３０で接着固定することにより組み立てられる。

また、リング部材６２は、その高さが、ステム２２の素子実装面２２ｃを基準としたレンズ２３ａの中心の高さと略同じまたはそれ以上の高さである。つまり、キャップシェル６１ａの高さよりも軸方向寸法が大である。キャップシェル６１ａの外周にこのリング部材６２を固定することにより、光モジュール６０は、ステム２２の素子実装面２２ｃを基準とした側面の高さが、同じく面２２ｃを基準としたレンズ２３ａ（の中心）の位置（高さ）より高くなっている。言い換えれば、光モジュール６０では、上述のリング部材６２をキャップシェル６１ａに固定することで、本発明の特徴である延出部４０が形成されている。

このように、ＯＳＡ２では、リング部材６２により延出部４０を形成することで、接着面積を広く稼ぐようにしている。これにより、ＯＳＡ２の固定強度を高くしその信頼性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るＯＳＡの概略を説明する図である。 本発明の他の実施形態に係るＯＳＡの概略を説明する図である。 従来のＯＳＡの概略を説明する図である。 従来のＯＳＡの概略を説明する図である。

符号の説明

１，２…光サブアセンブリ（ＯＳＡ）、１０…スリーブ部、１１…フェルール受納部、１１ａ…円筒部、１１ｂ…開口、１１ｃ…ファイバスタブ、１２…モジュール受納部、１２ａ…凹部、１３…隔壁、１３ａ…孔、２０…光モジュール、２１…光電変換素子（ＰＤ）、２２…ステム、２２ａ…ベース、２２ｂ…リードピン、２２ｃ…素子実装面、２３…レンズキャップ、２３ａ…レンズ、２３ｂ…キャップシェル、２３ｃ…平面、２３ｄ…孔、３０…接着樹脂、４０…延出部、５０…光コネクタ、５１…フェルール、５１ａ…光ファイバ、６０…光モジュール、６１…レンズホルダ、６１ａ…キャップシェル、６２…リング部材。

Claims (3)

1. 光電変換素子を実装したステムに、集光用のレンズを保持するプレス加工で形成したキャップシェルが取付けられた同軸型光モジュールと、光コネクタのフェルールを整列するスリーブ部材と、を備え、
   前記キャップシェルの筒状外周部には、前記キャップシェルの前記レンズの保持面よりも上方に延出する延出部が設けられ、
   前記スリーブ部材には、前記キャップシェルを収納する凹部が形成され、
   前記キャップシェルに設けられた前記延出部の外周面を含む前記同軸型光モジュールの外周面と前記スリーブ部材の凹部の内周面が接着剤で固定されていることを特徴とする光サブアセンブリ。
2. 前記延出部は、前記キャップシェルの上部外周を折り返して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光サブアセンブリ。
3. 前記延出部は、前記キャップシェルの外周部に前記キャップシェルの高さよりも軸方向寸法が大な円筒状部材を嵌合固着して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光サブアセンブリ。

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