JP2010027650A - キャップ、レンズユニット、光モジュール、及び光通信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】キャップ内で生じる迷光を低減させること。
【解決手段】キャップ１０は、一対の反射面を有する溝４５によって形成されたパターンが筒体の内周面に施されている。溝４５に形成された一対の反射面間で迷光が多重反射し、迷光は減衰する。これによってキャップ内の迷光を効果的に低減することができる。なお、キャップ１０は、筒体１１、及び鍔１２を有する。筒体１１は、軸線ＡＸに沿って延在し、軸線ＡＸに沿う光路を囲む。キャップ１０は、抵抗溶接によって実装基板１上に固定される。
【選択図】図３

Description

本発明は、キャップ、レンズユニット、光モジュール、及び光通信モジュールに関する。

近年、光通信に代表されるように幅広い分野で光技術は活用されている。光技術というカテゴリに含まれるキーデバイスとしては、半導体レーザ素子、及び半導体受光素子といった光半導体素子が代表的である。

特許文献１及び２には、光半導体素子の封止用のキャップが開示されている。より具体的には、特許文献１及び２には、キャップ内での迷光を防止するための半導体装置用キャップが開示されている。

一般的に、光半導体素子の寿命特性を向上させるため、光半導体素子を実装基板上に実装した後、キャップで気密封止し、光半導体素子を外界から保護する。キャップは、樹脂又は金属材料を加工することで製造される。キャップ内で迷光が生じると、キャップ内での反射を繰り返して、キャップ内の光半導体素子に到達してしまう場合がある。

特許文献１及び２では、キャップ表面の黒色めっき皮膜により光反射を防止している。
特開平７−７０９８号公報 特開２００３−２０４００６号公報

上述のようにキャップ内で生じる迷光を低減させることが強く望まれている。

本発明は、キャップ内で生じる迷光を低減させることを目的とする。

本発明にかかるキャップは、実装基板上に配置されると共に、一対の反射面を有する溝によって形成されたパターンが筒体の内周面に施されている。

反射面間で迷光が多重反射し、迷光は減衰する。これによってキャップ内の迷光を効果的に低減することができる。また、母材を切削加工することでキャップを製造する場合には、同一の工程にて溝を形成することができるため特に有利である。

前記パターンは、前記溝の延在方向に対して交差する方向に前記溝が配列されて形成される、と良い。溝を高密度に配置することで迷光を効果的に減衰させることができる。

前記反射面は平坦面であり、前記溝の断面視形状はＶ字状である、と良い。Ｖ溝であれば、一般的な加工方法によって簡易に形成することができる。

前面及び当該前面に対して反対にある背面を有する突出部を有し、前記パターンは、少なくとも前記突出部の前記背面に形成されている、と良い。

前記突出部の延在方向に対して前記背面がなす角θは、０度＜θ＜９０度の条件を満足する、と良い。

前記パターンは、前記筒体を切削加工することで形成される、と良い。

本発明にかかるレンズユニットは、実装基板上に配置されるキャップによってレンズが直接又は間接的に保持されたレンズユニットであって、前記キャップは、前記レンズの光軸に沿って延在する筒体を有し、前記筒体の内周面には、一対の反射面を有する溝によって形成されたパターンが施されている。

本発明にかかる光モジュールは、光半導体素子と、前記光半導体素子が実装された実装基板と、前記実装基板上に配置されるキャップと、前記キャップによって直接又は間接的に保持されたレンズと、を備える光モジュールであって、前記キャップは、前記レンズの光軸に沿って延在する筒体を有し、前記筒体の内周面には、一対の反射面を有する溝によって形成されたパターンが施されている。

本発明にかかる通信モジュールは、光ファイバと、前記光ファイバの一端に取り付けられた上述の光モジュールと、を備える。

本発明によれば、キャップ内で生じる迷光を低減させることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、各実施の形態は、説明の便宜上、簡略化されている。図面は簡略的なものであるから、図面の記載を根拠として本発明の技術的範囲を狭く解釈してはならない。図面は、もっぱら技術的事項の説明のためのものであり、図面に示された要素の正確な大きさ等は反映していない。同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。上下左右といった方向を示す言葉は、図面を正面視した場合を前提として用いるものとする。

〔第１の実施の形態〕
図１乃至６を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、光通信モジュールの概略的な断面構成を示す模式図である。図２は、光源モジュールを斜視した概略的な模式図である。図３は、キャップの概略的な断面構成を示す模式図である。図４は、迷光が減衰する仕組みを説明するための説明図である。図５は、溝によって形成されたパターンを示す模式図である。図６Ａ及びＢは、光源モジュールの製造方法を示す概略的な工程図である。

図１に示すように、光通信モジュール１００は、コネクタ３０、アイソレータ３１、光ファイバ３２、及び光源モジュール（光モジュール）５０を有する。光源モジュール５０は、実装基板１、リードピン２、台座３、半導体レーザ素子（光半導体素子）４、半導体受光素子（光半導体素子）５、キャップ１０、レンズ（光学部品）２０、及び封止ガラス２５を有する。なお、レンズ２０を保持した状態のキャップ１０をレンズユニットと呼ぶこともある。

光通信モジュール１００は、半導体レーザ素子４から出力されたレーザ光を、光ファイバ３２のコア３２ａにレンズ２０を介して入力させる。光通信モジュール１００は、半導体レーザ素子４を変調して駆動し、外部から伝達される電気信号に応じた光信号を光ファイバ３２に入力させる。

なお、半導体レーザ素子４と光ファイバ３２間には軸線ＡＸ（レンズ２０の光軸ＡＸに等しい）に沿って延在する光路が形成されている。半導体レーザ素子４からの出射光は、軸線ＡＸに沿って前方に伝播し、レンズ２０によってレンズ作用を受け、アイソレータ３１を通過し、光ファイバ３２のコア３２ａに光結合される。なお、光ファイバ３２は、ｙ軸に沿って延在する線状体であり、コア３２ａがクラッド３２ｂによって囲まれた構造を有する。コア３２ａの屈折率は、クラッド３２ｂの屈折率よりも高い。これによって、光ファイバ３２に入力された光は、コア３２ａに閉じ込められた状態で、コア３２ａ内を伝播する。

光源モジュール５０は、コネクタ３０を介して光ファイバ３２に取り付けられる。光源モジュール５０は、光ファイバ３２のコア３２ａに光結合される光を出力する。

以下、図１乃至図５を参照してより具体的に説明する。

実装基板１は、金属（例えば、銅）からなる板状部材である。実装基板１の背面には、抵抗溶接時に電極が配置される。実装基板１を形成する導電材料は、キャップ１０を形成する導電材料とは異なる。換言すると、実装基板１を形成する導電材料の抵抗値は、キャップ１０を形成する導電材料の抵抗値とは異なる。なお、実装基板１上には、台座３、半導体レーザ素子４、及び半導体受光素子５が実装されている。

リードピン２は、金属からなる棒状部材である。リードピン２は、実装基板１に形成された貫通孔内に挿通され、絶縁材料（軟質ガラス等）によって実装基板１とは電気的に絶縁された状態で実装基板１によって保持される。

台座３は、半導体レーザ素子４が固定される。台座３は、実装基板１と同様に金属であっても良いし、他の材料であっても良い。台座３は、実装基板１と一体成形されていても良い。

半導体レーザ素子４は、半導体層が積層されて形成されたチップ状の光半導体素子である。半導体レーザ素子４は、駆動電流に応じて所定波長のレーザ光を出力する。なお、半導体レーザ素子４の種類は任意である。半導体レーザ素子４は、面発光型のレーザ素子であっても良いし、端面発光型のレーザ素子であっても良い。

半導体受光素子５は、入射光量に応じた量の電流を生成するチップ状の光半導体素子である。半導体受光素子５は、半導体レーザ素子４の活性層の反射端から漏れる漏れ光を受光する。半導体受光素子５からの出力に応じて半導体レーザ素子４の駆動状態を制御することができる。

なお、半導体レーザ素子４は、ボンディングワイヤーを介してリードピン２に接続される。同様に、半導体受光素子５も、ボンディングワイヤーを介してリードピン２に接続される。ここでは、半導体レーザ素子４のために２本のリードピン２を用意し、半導体受光素子５のために２本のリードピン２を用意している。半導体レーザ素子４及び半導体受光素子５は、実装基板１からは電気的に絶縁されている。

キャップ１０は、抵抗溶接によって実装基板１上に固定される。キャップ１０は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる母材が切削刃物によって加工されることで製造される。キャップ１０を切削加工で製造することによって、プレス加工の場合と比べて、キャップ１０の高い加工精度を保持することができる。この点は、非球面レンズをキャップ１０に保持させる場合には特に有利である。なお、ＳＵＳ以外の一般的な金属を加工することでキャップ１０を製造しても良い。

キャップ１０は、筒体１１、及び鍔１２を有する。筒体１１は、軸線ＡＸに沿って延在し、軸線ＡＸに沿う光路を囲む。筒体１１の外周面は、実質的に平坦である。他方、筒体１１の内周面は、筒体１１の肉厚の変化に応じて非平坦である。

筒体１１は、頂端から基端に向かって肉厚が肉厚Ｗ１〜Ｗ５に変化する。肉厚Ｗ２と肉厚Ｗ３の相違によって、筒体１１の内周面には、レンズ２０が配置される載置面１３が形成される。

肉厚Ｗ４は、前方に近づくに従って肉厚が厚くなる。肉厚Ｗ４の筒体１１の内周面は、前方に近づくに従って内側へ傾斜する。換言すると、筒体１１には、前方に近づくに従って内側へ傾斜する傾斜面１４が形成されている。

また、肉厚Ｗ２〜Ｗ４によって突出部１７が形成される。突出部１７は、軸線ＡＸに交差する方向に延在する。突出部１７の前面には、上述の載置面１３が含まれる。突出部１７の背面は、上述の傾斜面１４に一致する。

ここでは、突出部１７の延在方向（軸線ＡＸに対して直交する方向）に対して傾斜面１４がなす角度θは、０度＜θ＜９０度の条件を満足する。これによって迷光が実装基板１上に実装された光半導体素子に帰還することを効果的に抑制することができる。

なお、肉厚Ｗ１と肉厚Ｗ２の相違によって好適に封止ガラス２５の注入空間を確保できる。また、キャップ１０は、非常に薄肉である（肉厚Ｗ５＝２００μｍ程度である）。

図３及び４に示すように、筒体１１の内周面には、一対の反射面４５ａ、４５ｂを有する溝４５が軸線ＡＸに沿って螺旋状に延在することによって形成されたネジ溝状のパターンが施されている。これによって、キャップ１０内の迷光を低減することができる。この点は、後述の説明から明らかになる。上述の傾斜面１４は、複数の溝４５によって形成される山部の頂点を結んで形成される仮想面である。

図１に示す鍔１２は、筒体１１の下端に連結した基端から外側へ延在する。鍔１２は、実装基板１の上面に載置される背面、この背面とは反対にある前面を有する板状部分である。また、鍔１２の上面視形状は輪状である。なお、図１の状態のとき、鍔１２は、実装基板１に接合された状態であり、その背面は外部から視認することは難しい。

レンズ２０は、平板状の非球面レンズであり、平板部２１の両面にレンズ部２２が形成されている。各レンズ部２２のレンズ面は非球面である。レンズ２０は、キャップ１０の内側に完全に収納されている。レンズ２０の材料は、樹脂であってもガラスであっても良い。

載置面１３に配置されたレンズ２０は、レンズ２０の側面と筒体１１の内周面とによって形成された空間内に低融点ガラス（固着手段）２５を充填することでキャップ１０に対して固着される。レンズ２０をキャップ１０内に取り付けることによって、半導体レーザ素子４が配置される空間は閉じられる。上述のように、キャップ１０は、母材が切削加工されることで製造される。従って、比較的高精度にキャップ１０に対してレンズ２０を位置決めできる。

図２は、光源モジュール５０を斜視した模式図である。光源モジュール５０は、キャップ１０の上面視形状は円状である。実装基板１の上面視形状も円状である。

図３に、抵抗溶接によって実装基板１に対して固着される前のキャップ１０を示す。

図３に示すように、抵抗溶接前、鍔１２の背面には突起１６が形成されている。突起１６は、キャップ１０の全周に亘る範囲で形成されている。突起１６の背面視形状は輪状である。突起１６を形成する斜面は、鍔１２の側面に連結している。このように突起１６を設けることによって、抵抗溶接時、十分な接合強度及び気密性を確保しながら、キャップ１０を実装基板１上に固着させることができる。なお、気密封止することで、半導体レーザ素子４の特性劣化を抑制することができる。

突起１６は、抵抗溶接時に流される大電流によって溶ける。従って、抵抗溶接後、図１に示すように突起１６は、鍔１２の背面には残存していない。突起１６の高さ、幅を所望の値に設定することによって抵抗溶接時に好適に気密封止することができる。

図３に示すように、キャップ１０の内周面には、複数の溝４５が形成されている。溝４５の断面視形状はＶ字状である。溝４５が軸線ＡＸに沿って螺旋状に延在することによって、キャップ１０の内周面にはネジ溝状のパターンが形成される。なお、傾斜面１４と内側面１５間には、凹部４６が形成されている。

図４に示すように、溝４５は、互いに対向して配置された一対の反射面４５ａ、４５ｂを有する。反射面４５ａ、４５ｂは、ともに平坦な面である。図４に模式的に示すように、溝４５に入射した迷光は、反射面４５ａと反射面４５ｂ間で多重反射される。反射面４５ａ、４５ｂでの反射の過程で溝４５に入射した迷光は減衰する。反射面での反射率は１００％ではないためである。これによって、キャップ１０内の迷光を効果的に低減させることができる。

キャップ１０内の迷光を低減することで、例えば、次のような効果を得ることができる。迷光が半導体受光素子５に入力することによって半導体レーザ素子４を誤った条件で駆動することを抑制することができる。また、迷光が半導体レーザ素子４の活性層に入力することによって半導体レーザ素子４内に形成される導波モードが乱れることを抑制することができる。キャップ１０内に信号受信用のフォトダイオードを配置した場合には、迷光によるノイズ成分がフォトダイオードで検出されることによって、フォトダイオードから出力される信号の品質が劣化することを抑制することができる。

傾斜面１４を背面視すると、図４に模式的に示すように、溝４５によってらせん状に形成されたネジ溝状のパターンが傾斜面１４に形成されていることが分かる。

なお、溝４５によって形成されるパターンのパターン形状は任意である。溝４５を形成する反射面４５ａ、４５ｂ間の光の多重反射によって迷光が減衰すれば良く、具体的なパターン形状は如何様であっても良い。具体的には、パターンは、個々に分離した複数の溝が配列された輪状パターン、直線状の複数の溝が配列された縞状パターン、又は波状の溝が配列された波状パターンであっても良い。但し、ネジ溝状のパターンが最も簡易である。

ここでは、溝４５は、２０μｍピッチで配置されている。また、溝４５の深さは、２５μｍ程度である。溝４５での光の減衰によって、パターンを実際に視認することは難しい。なお、溝４５間に形成される凸部の頂角は、４５度〜６０度程度に設定すると良い。

最後に、図６Ａ及びＢを参照しながら、光源モジュール５０の製造方法について説明する。

まず、図６Ａ（ａ）に示すように、切削刃物によってステンレス鋼からなる母材を加工してキャップ１０を製造する。ここでは、共通の切削刃物を用いて、筒体１１の外周面を面出しし、その後、鍔１２の上面を面出しする。また、共通の切削刃物を用いて、筒体１１の内周面を面出しする。

このとき、いわゆるフィン・タップ加工を筒体１１の内周面に施すことによって、筒体１１の内周面に上述のように溝４５を形成する。ここでは、内側面１５から傾斜面１４に亘る範囲で、連続的に溝４５を形成する。このように溝４５をキャップ１０の内周面に形成することで、キャップ１０の内周面には、一対の反射面４５ａ、４５ｂを有する溝４５によって形成されたネジ溝状のパターンが施される。なお、パターンは、溝４５の延在方向とは異なる方向に連続的に溝４５を配列することで形成される。

次に、図６Ａ（ｂ）に示すように、レンズ２０をキャップ１０に取り付ける。そして、封止ガラス２５を充填し、レンズ２０をキャップ１０に対して固着させる。なお、レンズ２０をキャップ１０に対して嵌合させることで、レンズ２０をキャップ１０に対して固着させても良い。

次に、図６Ｂ（ｃ）に示すように、予め半導体レーザ素子４等が実装された実装基板１上にキャップ１０を載置する。この状態で調芯をし、実装基板１に対してキャップ１０を位置決めする。なお、通常のアセンブリ技術（いわゆる後工程）によって予め実装基板１に対して半導体レーザ素子４等は実装されているものとする。

次に、図６Ｂ（ｄ）に示すように、上部電極４０と下部電極４１で、積層された実装基板１とキャップ１０を、キャップ１０の鍔１２部分で挟み込む。そして、上部電極４０を下方に押し付けながら、上部電極４０と下部電極４１間に電流を流す。このようにして、キャップ１０は、実装基板１に対して固着される。

上述の説明から明らかなように、本実施形態では、互いに対向して配置された一対の反射面４５ａ、４５ｂを有する溝４５をキャップ１０の内周面に形成する。溝４５に入射した迷光は、反射面４５ａと反射面４５ｂ間で多重反射される。反射面４５ａ、４５ｂでの反射の過程で溝４５に入射した迷光は減衰する。これによって、キャップ１０内の迷光を効果的に低減させることができる。

また、本実施形態では、上述のように軸線ＡＸに対して交差する方向に傾斜する傾斜面１４を上述の条件を満足するようにキャップ１０の内周面に形成する。これによって迷光が光半導体素子に入力することをより効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、キャップ１０は、非球面レンズを保持するために切削刃物による切削加工により製造される。キャップ１０の製造時に付加的に溝１５を形成すれば良いだけで迷光低減構造をキャップ１０に付加することができる。この場合、従来のようにキャップ１０の表面に黒色層を形成する工程は不要である。従って、大幅にキャップ１０の製造を簡略化することができる。なお、キャップ１０の表面に黒色層を形成すると、キャップ１０の外形にばらつきを生じさせてしまう。本実施形態では、このような弊害が生じるおそれもない。

本発明の技術的範囲は上述の実施形態に限定されるべきものではない。溝４５によって形成されるパターンの具体的なパターン形状は任意である。溝４５によるパターンの形成範囲は任意である。溝４５の断面視形状は、Ｃ字状であっても良い。この場合も、溝４５は、一対の反射面を有する。キャップ１０の内周面の全範囲にパターンを施す必要はない。キャップ内に収納される部品は任意である。キャップ内に光信号を受信するためのフォトダイオードを配置しても良い。

本発明の第１の実施形態にかかる光通信モジュールの概略的な断面構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態にかかる光源モジュールを斜視した概略的な模式図である。 本発明の第１の実施形態にかかるキャップの概略的な断面構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態にかかる迷光が減衰する仕組みを説明するための説明図である。 本発明の第１の実施形態にかかる溝によって形成されたパターンを示す模式図である。 本発明の第１の実施形態にかかる光源モジュールの製造方法を示す概略的な工程図である。 本発明の第１の実施形態にかかる光源モジュールの製造方法を示す概略的な工程図である。

符号の説明

１００ 光通信モジュール
５０ 光源モジュール

１ 実装基板
２ リードピン
３ 台座
４ 半導体レーザ素子
５ 半導体受光素子

１０ キャップ
１１ 筒体
１２ 鍔
１３ 載置面
１４ 傾斜面
１５ 内側面
１６ 縁
１６ 突起
１７ 突出部

４５ 溝
４５ａ 反射面
４５ｂ 反射面
４６ 凹部

２０ レンズ
２１ 平板部
２２ レンズ部
２５ 封止ガラス

３０ コネクタ
３１ アイソレータ
３２ 光ファイバ

４０ 上部電極
４１ 下部電極

Claims (14)

1. 実装基板上に配置されると共に、一対の反射面を有する溝によって形成されたパターンが筒体の内周面に施されているキャップ。
2. 前記パターンは、前記溝の延在方向に対して交差する方向に前記溝が配列されて形成されることを特徴とする請求項１に記載のキャップ。
3. 前記反射面は平坦面であり、前記溝の断面視形状はＶ字状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のキャップ。
4. 前面及び当該前面に対して反対にある背面を有する突出部を有し、
   前記パターンは、少なくとも前記突出部の前記背面に形成されている請求項１乃至３のいずれか一項に記載のキャップ。
5. 前記突出部の延在方向に対して前記背面がなす角θは、０度＜θ＜９０度の条件を満足することを特徴とする請求項４に記載のキャップ。
6. 前記パターンは、前記筒体を切削加工することで形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のキャップ。
7. 実装基板上に配置されるキャップによってレンズが直接又は間接的に保持されたレンズユニットであって、
   前記キャップは、前記レンズの光軸に沿って延在する筒体を有し、
   前記筒体の内周面には、一対の反射面を有する溝によって形成されたパターンが施されている、レンズユニット。
8. 前記パターンは、前記溝の延在方向に対して交差する方向に前記溝が配列されて形成されることを特徴とする請求項７に記載のレンズユニット。
9. 前記反射面は平坦面であり、前記溝の断面視形状はＶ字状であることを特徴とする請求項７又は８に記載のレンズユニット。
10. 前面及び当該前面に対して反対にある背面を有する突出部を有し、
    前記パターンは、少なくとも前記突出部の前記背面に形成されている請求項７乃至９のいずれか一項に記載のレンズユニット。
11. 前記突出部の延在方向に対して前記背面がなす角度θは、０度＜θ＜９０度の条件を満足することを特徴とする請求項１０に記載のレンズユニット。
12. 前記パターンは、前記筒体を切削加工することで形成されることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか一項に記載のレンズユニット。
13. 光半導体素子と、
    前記光半導体素子が実装された実装基板と、
    前記実装基板上に配置されるキャップと、
    前記キャップによって直接又は間接的に保持されたレンズと、
    を備える光モジュールであって、
    前記キャップは、前記レンズの光軸に沿って延在する筒体を有し、
    前記筒体の内周面には、一対の反射面を有する溝によって形成されたパターンが施されている、光モジュール。
14. 光ファイバと、
    前記光ファイバの一端に取り付けられた請求項１３に記載の光モジュールと、
    を備える光通信モジュール。

Images