JP2009230031A - Optical module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光素子から出射された信号光を、光ファイバに光結合する光学系を備えた光モジュールに関する。 The present invention relates to an optical module including an optical system that optically couples signal light emitted from a light emitting element to an optical fiber.
近年の光通信に用いられる光モジュールでは、半導体レーザ等の発光素子と光ファイバ間を互いに精度よく位置決めして光結合を実現している。発光素子は、筐体内にチップキャリアを介して実装され、光ファイバは、フェルールなどの保持部材とともに筐体内に保持される。レンズ等の光学系は、レンズ保持部材によりYAG溶接などにより筐体内に位置決めされて固定される。 In recent optical modules used for optical communication, a light emitting element such as a semiconductor laser and an optical fiber are positioned with high accuracy to realize optical coupling. The light emitting element is mounted in the housing via a chip carrier, and the optical fiber is held in the housing together with a holding member such as a ferrule. An optical system such as a lens is positioned and fixed in the housing by YAG welding or the like with a lens holding member.
発光素子とレンズの位置決めは、チップキャリアやレンズ保持部材の寸法精度によって決まるが、この後、光ファイバを通して光パワーをモニタしながら、所定の光結合が得られるように光ファイバ保持部材の位置を調整することが行われている。このとき、発光素子とレンズの寸法精度のバラツキ等により、光学系の光軸が大きくズレるような場合には、光ファイバの位置をいくら調整しても所定の光パワーが得られないことがある。
そこで、レンズを実装平面内の最適位置を選択して実装することが、従来から行われている。しかし、実装平面に対して垂直な高さ方向については、レンズ保持部材の厚みを調整するなどの工夫を要する必要がある。
The positioning of the light emitting element and the lens is determined by the dimensional accuracy of the chip carrier and the lens holding member. After that, while monitoring the optical power through the optical fiber, the position of the optical fiber holding member is adjusted so that predetermined optical coupling is obtained. Adjustments have been made. At this time, when the optical axis of the optical system is largely deviated due to variations in dimensional accuracy between the light emitting element and the lens, the predetermined optical power may not be obtained no matter how much the position of the optical fiber is adjusted. .
Therefore, it has been conventionally performed to mount the lens by selecting an optimum position in the mounting plane. However, in the height direction perpendicular to the mounting plane, it is necessary to devise such as adjusting the thickness of the lens holding member.
例えば、特許文献1には、図5(A)に示すように、チップキャリア2上に載置したレーザダイオードまたはフォトダイオード等の光素子1と、レンズホルダ4に保持したレンズ3とを、ベース部材5に搭載して光学的に結合する光モジュールが開示されている。そして、光モジュールを構成するレンズホルダ4とベース部材5との間に、くさび形の台座6を介在させ、例えば、台座6をベース部材5上に移動させることにより、2次元方向(XY)及び回転方向(θ1)の平面内の位置調整を行い、台座6の斜面に沿ってレンズホルダ4をスライドさせることにより高さ方向(Z)、回動させることにより傾動方向(θ2)の位置調整を行っている。
For example, in
また、特許文献2には、図5(B)に示すように、チップキャリア2上に載置した発光素子1と、レンズ筒7に収納されたレンズ3とを、保持ブロック8に搭載して光学的に結合する発光モジュールが開示されている。そして、保持ブロック8は、チップキャリア2を固定する平坦部8aと、この平坦部と直交する方向にレンズ筒7を保持する垂直壁部8bとを一体に形成した構造とされている。垂直壁部8bには、溶接性のよい金属板9を貼りつけ、垂直部壁8bに形成されている貫通穴8c内で、レンズ筒7を光軸方向及び光軸と直光する方向に移動させ、光パワーをモニタしながら位置調整して、溶接により固定している。
図5(A)に示す光モジュールの場合、レンズ3の高さ位置を調整するために、レンズホルダ4をくさび形の台座6の斜面上を移動させると、レンズ3の平面内の位置も変わるので、平面内の位置の再調整を行う必要がある。このため、レンズホルダ4とくさび形の台座6の両方を把持して調整することとなり、作業性の点で問題がある。
その他、自動化設備においては、くさび形のような傾斜構造を有する部品は、チャッキングやコレットでの把持が難しく、台座6の斜面上にレンズホルダ4を接合するハンドリングが容易でない。また、台座6の斜面上にレンズホルダ4を固定する際に、上から押し付ける力や重力により、レンズホルダ4が斜面に沿って滑動して位置ズレを起こすことがある。
In the case of the optical module shown in FIG. 5A, when the
In addition, in an automated facility, a component having an inclined structure such as a wedge shape is difficult to be chucked or gripped by a collet, and handling for joining the
一方、図5(B)に示す発光モジュールの場合、レンズ筒7のみを把持して、光軸方向と光軸と直角な垂直部に沿った方向での位置合わせを行うので、図5(A)の構成による問題は解消することができる。しかし、レンズ筒7を位置合わせして保持ブロック8の垂直壁部8bに、異なる方向から複数箇所で溶接して固定しなければならず、また垂直壁部を有するL字状の保持ブロックを必要とすることから、生産性とコスト面で問題がある。
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、ベース台の実装面からの高さ位置を含めて、レンズの位置合わせを容易に行うことができ、作業性がよく安価に実現することが可能な光モジュールの提供を目的とする。
On the other hand, in the case of the light emitting module shown in FIG. 5B, only the lens cylinder 7 is gripped and alignment is performed in the direction along the vertical direction perpendicular to the optical axis direction. ) Can be solved. However, the lens barrel 7 must be aligned and fixed to the
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and can easily align the lens including the height position from the mounting surface of the base stand, and can be realized with good workability and low cost. An object is to provide an optical module capable of performing the above.
本発明による光モジュールは、発光素子と、該発光素子の出射光を光ファイバに入射させるためのレンズを含む光学系と、レンズを位置決めして保持するレンズ保持部材と、これらを実装するベース台とを備える光モジュールで、レンズ保持部材は、ベース台からの高さ位置を順次異ならせた階段状のレンズ保持面を備えていることを特徴とする。そして、前記のレンズは、発光素子の出射光が光ファイバに所定値以上の光結合率で入射されるように、選択されたレンズ保持面で保持される。
また、上記の光学系は、コリメートレンズと集光レンズを含み、集光レンズがレンズ保持部材で保持される。また、発光素子の出射光は、ファイバスタブを介して光ファイバに出射されるようにしてもよい。
An optical module according to the present invention includes a light emitting element, an optical system including a lens for causing light emitted from the light emitting element to enter an optical fiber, a lens holding member that positions and holds the lens, and a base base on which these are mounted. The lens holding member is provided with a step-like lens holding surface in which the height positions from the base stand are sequentially changed. The lens is held by the selected lens holding surface so that the light emitted from the light emitting element is incident on the optical fiber with an optical coupling rate equal to or higher than a predetermined value.
The optical system includes a collimator lens and a condenser lens, and the condenser lens is held by a lens holding member. Moreover, you may make it the emitted light of a light emitting element be radiate | emitted to an optical fiber through a fiber stub.
本発明によれば、階段状に形成された複数のレンズ保持面から、最適な高さ位置のレンズ保持面を選択した後、選択されたレンズ保持面の平面内で位置合わせするので、レンズを移動させての位置調整は、レンズ保持面の平面内のみとなる。このため、位置調整が容易で生産性を高めることができるとともに、高い光結合率を得ることができる。 According to the present invention, after selecting the lens holding surface at the optimum height position from the plurality of lens holding surfaces formed in a step shape, the lens is aligned within the plane of the selected lens holding surface. The position adjustment after moving is only within the plane of the lens holding surface. For this reason, position adjustment is easy and productivity can be improved, and a high optical coupling rate can be obtained.
図により本発明の実施の形態を説明する。図1(A)は本発明の光モジュールの概略を説明する図、図1(B)は本発明におけるレンズ保持部材の一例を説明する図である。図中、10は光モジュール、11は光パッケージ、11aは透光孔、11bはリード端子、12はマウント部材、13はレンズ部材、14はベース台、14aは実装面、15はレンズ保持部材、15a〜15eはレンズ保持面、16はフェルールホルダ、17はフェルール、18は光ファイバコードを示す。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a diagram illustrating an outline of an optical module of the present invention, and FIG. 1B is a diagram illustrating an example of a lens holding member in the present invention. In the figure, 10 is an optical module, 11 is an optical package, 11a is a light transmitting hole, 11b is a lead terminal, 12 is a mount member, 13 is a lens member, 14 is a base base, 14a is a mounting surface, 15 is a lens holding member,
本発明による光モジュール10は、例えば、図1(A)に一例として示すような形態で形成される。この光モジュール10は、信号光源である発光素子、および発光素子の駆動回路等が収納された光パッケージ11と、該パッケージからの信号光を集光するレンズ部材を含む光学系と、集光された信号光を光ファイバコード18に入射させるフェルールホルダ16等をベース台14上に実装して構成される。なお、フェルールホルダ16には、光ファイバコード18等の端部に取り付けられたフェルール17を挿着して、入射された信号光を外部通信機器(図示せず)に送信する。
The
光パッケージ11は、筐体内の発光素子から出射される信号光を透過させる透光孔11a、発光素子の駆動回路に制御信号、電源等を供給するリード端子11b、ベース台14に実装させるマウント部材12等を備えている。
レンズ部材13は、光パッケージ11の透光孔11aを透過して出射される信号光を集光して、光ファイバに高結合率で入射させるレンズをレンズ筐体等に収納して成り、例えば、その背面側に、光ファイバコード18のフェルール17を結合するフェルールホルダ16を、予め一体的に結合させた形態で構成することができる。
The
The
レンズ部材13をベース台14に実装するに際しては、信号光源である発光素子との位置関係を最適に設定するために、位置調整用のレンズ保持部材15が用いられる。本発明においては、レンズ保持部材15は、一方の面(上面側)に平坦な反対の面(下面側)からの高さ位置(厚さ)を順次異ならせた階段状のレンズ保持面15a〜15eを備えた形状のものを用いる。このレンズ保持部材15は、平坦な下面をベース台14の平坦な実装面14aに接着材や溶接等により固定し、階段状に形成された複数のレンズ保持面15a〜15eのうちから、いずれかの保持面を選択してレンズ部材13を載置し、位置決めされる。
When mounting the
レンズ保持面15a〜15eのそれぞれの幅Wは、レンズ部材13が安定して載置できるような幅で形成されているのが望ましく、レンズ部材13の筐体幅の1/2以上あることが好ましい。また、レンズ保持面の段差Tは、後述する軸ズレ量による光結合率の低下が最適値の2%以内に収まる範囲、例えば、±50μm以内とするのが望ましく、段差T≦50μmであることが好ましい。
The width W of each of the lens holding
レンズ保持面の段数は、各部品の製造精度、組立て精度を考慮して任意に設定することができ、集光レンズの軸ズレ量と光パワーの結合特性に基づいて、光結合率を所定値にすることが可能な分割数とすればよい。図1(B)では、段数が5段で250μm分の軸ズレ量の調整が可能となっている。なお、レンズ保持部材15は、金属、セラミック、樹脂等の各種の材料で形成することができる。
The number of steps on the lens holding surface can be set arbitrarily in consideration of the manufacturing accuracy and assembly accuracy of each component, and the optical coupling rate is set to a predetermined value based on the coupling characteristics between the axial displacement of the condensing lens and the optical power. What is necessary is just to set it as the number of divisions that can be made. In FIG. 1B, the number of stages is five, and the amount of shaft misalignment for 250 μm can be adjusted. The
図2は、レンズ部材の位置調整について説明する図で、図2(A)は側面方向から見た図、図2(B)は上面方向から見た図である。図中の符号は、図1で用いたのと同じ符号を用いることで説明を省略する。また、図2では、光パッケージの筐体を外した状態で図示してあり、光パッケージ内の発光素子1及び発光素子の駆動回路部品が、熱伝導性のよい材料等で形成されたマウント部材12を介して、ベース台14上に実装されている。
なお、レンズ部材13の位置調整に際しては、発光素子1からの出射光を、光ファイバコード18を利用して光パワーメータ等でモニタしながら行うことができる。
2A and 2B are diagrams for explaining the position adjustment of the lens member. FIG. 2A is a diagram viewed from the side surface direction, and FIG. 2B is a diagram viewed from the top surface direction. The reference numerals in the figure are the same as those used in FIG. In FIG. 2, the optical package is shown with the housing removed, and the
When adjusting the position of the
図2(A)に示すように、レンズ部材13のY方向の位置(すなわち、ベース台14の実装面14aからのレンズ3の高さ位置)調整は、レンズ保持部材15の階段状に形成された複数のレンズ保持面の一つを選択することで一義的に決定されるので、容易に行うことができる。なお、図1(B)で説明したように、1つの段差を50μmとすると、50μm単位での調整量(Δy)となる。また、Y方向の調整は、X方向の調整に先立って行うのが望ましい。
As shown in FIG. 2A, the position of the
レンズ保持部材15のレンズ保持面が選択されて、レンズ部材13の高さ位置が決まったら、図2(B)に示すように、レンズ部材のX方向の位置(光軸と直交する横方向の位置)を調整する。このX方向の調整は、レンズ保持部材15の選択されたレンズ保持面上でレンズ部材13を、レンズ保持面の段差部分をガイドとしてX方向に平行移動させて行うことができる。
光軸と直交するXYの2方向の調整は、上記したようにレンズ保持部材15の階段状に形成されたレンズ保持面の段差を用いて行うので、その調整作業は比較的に容易であり、生産性を高めることができるとともに、高い光結合率を得ることができる。
When the lens holding surface of the
The adjustment in the two directions of XY orthogonal to the optical axis is performed using the step of the lens holding surface formed in the step shape of the
また、光軸方向と平行なZ方向の調整が必要な場合は、レンズ保持部材15をベース台14の実装面14a上を移動させることにより調整することができる。このZ方向の調整は、XYの2方向の調整後に行ってもよいが、Y方向の選択に先だって予め調整し、レンズ保持部材15をベース台14に仮保持させた状態で、XYの2方向の調整を行うようにしてもよい。
When adjustment in the Z direction parallel to the optical axis direction is necessary, the
図3(A),(B)は、他の実施形態を説明する図で、コリメートレンズと集光レンズの2つのレンズを含む光学系を備える例である。コリメートレンズによって信号光を平行光とすることにより、平行光を集光レンズで集光させて光ファイバに入射させる場合、集光レンズは、光源からの距離の影響を受けにくくすることができる。 FIGS. 3A and 3B are diagrams illustrating another embodiment, and are an example including an optical system including two lenses, a collimating lens and a condenser lens. By making the signal light into parallel light by the collimator lens, when the parallel light is condensed by the condensing lens and is incident on the optical fiber, the condensing lens can be hardly affected by the distance from the light source.
例えば、コリメートレンズ3’による平行光をレンズ3で集光して光ファイバのコア部に入射する場合、図3(A)に示すように、平行光の光軸と集光用のレンズ3の位置がずれていて光ファイバとの結合に軸ズレが生じているとする。そこで、図3(B)に示すように、レンズ保持部材15上のレンズ部材13の位置を低い位置に調整したとする。この場合、発光素子1とレンズ部材13との距離も変わるが、レンズ3で受ける光はコリメートレンズ3’により平行光とされているため、距離の再調整は必要がなくなる。
For example, when collimated light from the
このため、図2で説明したZ方向の調整は省略することが可能となる。したがって、レンズ保持部材15をベース台14の所定の位置に固定し、この後、図2に示したY方向の調整とX方向の調整を行う。この場合、固定されたレンズ保持部材15に対して、レンズ部材を移動させるので、位置の調整作業が行いやすく、生産性をさらに向上させることができる。
For this reason, the adjustment in the Z direction described in FIG. 2 can be omitted. Therefore, the
図4は、集光レンズの軸ズレ量と、光パワーの結合率との関係を示す図である。この図に示すように、集光レンズが最適の位置(軸ズレがゼロ)から軸ズレ量が増加すると、光結合率ΔP(%)は、2次関数的に低下していく。しかし、軸ズレ量が±100μmでは光結合率は12%も低下する。しかし、軸ズレ量が±50μmの範囲内であれば、光結合率は2%以下に抑えることができる。光モジュールの仕様にもよるが、光結合率は2%以下であれば、一般的には許容できる範囲である。したがって、軸ズレの範囲を±50μm以下にするには、上記のレンズ保持部材15の階段状のレンズ保持面の1つの段差を50μm以下とするようにすればよい。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the amount of axial misalignment of the condenser lens and the coupling ratio of optical power. As shown in this figure, when the amount of axial deviation increases from the optimum position of the condensing lens (axial deviation is zero), the optical coupling ratio ΔP (%) decreases in a quadratic function manner. However, when the amount of axial misalignment is ± 100 μm, the optical coupling rate decreases by 12%. However, if the amount of axial deviation is within a range of ± 50 μm, the optical coupling rate can be suppressed to 2% or less. Depending on the specifications of the optical module, the optical coupling rate is generally acceptable if it is 2% or less. Therefore, in order to set the range of the axial deviation to be ± 50 μm or less, one step of the stepped lens holding surface of the
また、集光レンズで集光された信号光は、フェルールホルダ内に挿着されたフェルールの光ファイバに直接入射されるようにしてもよいが、例えば、図3に示すように、フェルールホルダ16内に、短尺の光ファイバを中心に保持するファイバスタブ19を介して、光ファイバに入射されるようにしてもよい。後者の場合は、集光レンズ3とスタブ19との位置関係が固定され一定であり、この間に塵埃等の侵入もないので、安定した特性を維持することができる。
Further, the signal light collected by the condenser lens may be directly incident on the optical fiber of the ferrule inserted into the ferrule holder. For example, as shown in FIG. The light may be incident on the optical fiber via a
1…発光素子、3…レンズ、3’…コリメートレンズ、10…光モジュール、11…光パッケージ、11a…透光孔、11b…リード端子、12…マウント部材、13…レンズ部材、14…ベース台、14a…実装面、15…レンズ保持部材、15a〜15e…レンズ保持面、16…フェルールホルダ、17…フェルール、18…光ファイバ、19…ファイバスタブ。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記レンズ保持部材は、前記ベース台からの高さ位置を順次異ならせた階段状のレンズ保持面を備えていることを特徴とする光モジュール。 An optical module comprising: a light-emitting element; an optical system including a lens for causing light emitted from the light-emitting element to enter an optical fiber; a lens holding member that positions and holds the lens; and a base base on which these are mounted. There,
The optical module, wherein the lens holding member includes a step-like lens holding surface in which height positions from the base table are sequentially changed.
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