JP2010060897A - 光学部品、光モジュール及び光学部品の実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学部品の固着剤による固定における光モジュール性能のバラツキを解消できる光学部品、光モジュール及び光学部品の実装方法を提供する。
【解決手段】本発明の光学部品は、光学中心を外形中心に対して偏心し、固着剤による部分的な固着が可能な外形を備える。本発明の光学部品の実装方法は、光学デバイスを実装したキャリア上に光学部品を固着する実装方法であって、光学中心を外形中心に対し偏心した光学部品を用い、前記光学部品の光学中心が前記光学デバイスの光軸に対応するように、前記光学部品を前記キャリアに外形の一部で固着剤により固着する。
【選択図】図２

Description

本発明は光学部品の実装に関し、特に固着剤を使用する光学部品、光モジュール及び光学部品の実装方法に関する。

近年、光通信システム、光記録・再生、光加工等の幅広い分野で光送信・光受信・光機能モジュールが使用されている。

一般に光送信・光受信・光機能モジュールは、発光素子または受光素子等の光学デバイスとレンズ等の光学部品との組み合わせで構成されており、高精度、コンパクトで低価格化が要請されてきている。

このような光学デバイスと光学部品の組み合わせ構造では、光学部品の固定の際に光学デバイスの光軸と光学部品の光学中心との位置関係を調整する必要がある。一般には光学デバイスは熱工程の関係から光学部品より先に実装されることから、光学部品の実装時の位置調整は光学デバイスが実装された位置に依存する。

例えば、光学デバイスと光学部品としてそれぞれレーザ素子とレンズを使用する光モジュールについて考えると、貫通孔（３２）を有する保持体（２８）の一方の開口にレーザ素子（１４）を保持し、他方の開口に、レンズ（１６）を偏心して収容した鏡筒（３４）を挿入し、鏡筒（３４）の回転によりレンズの位置を調整する機構が知られている（特許文献１）。

また、後壁（４）にレーザ素子（６）を取着した支持台であるベース（２）の楕円筒形状の支持枠（１０）に対し、レンズ（２０）の光軸（Ａ）を回転軸に対し偏心して筒内部に取り付けたレンズ保持筒（２２）を挿入し、該レンズ保持筒（２２）を回転可能とするとともに、レーザ素子の光軸と直交する方向へ移動可能にしてレンズの位置を調整する機構が知られている（特許文献２）。

また、レンズを接着剤で固定する実装工法を用いて、レーザ素子を搭載したキャリア上にレンズを実装して光モジュールを構成することが考えられる。

図６はレンズを接着剤で固定した光モジュールの構成を示す図である。段差のあるキャリア３０の上段に実装したレーザ素子２０に対し、キャリア３０の下段にレンズ１０を接着固定する光モジュールの構成例である。

この光モジュールは、レンズの外形中心と光学中心とが一致する通常のレンズ１０を使用するものであり、図６（ａ）に示すように、キャリア３０の段差が規定段差ｈ１の場合に規定の接着層の厚みｈ２でレーザ素子２０の光軸とレンズ１０の光学中心（光軸）とが一致する。また、例えば図６（ｂ）に示すように、キャリア３０の固体バラツキにより段差がｈ１’と増大した場合、接着層の厚みもｈ２’（＞ｈ２）と大きくすることによりレーザ光軸とレンズ１０の光学中心とを一致させる。この光モジュールは特許文献１、２に記載のものに比べてコンパクトで低価格の光モジュールを実現することができる。
特開平１１−１４２７５４号公報（図１、２、段落００１５、００１６） 特開平５−２２５５７５号公報（図１、２、段落０００８、００１１）

貫通孔の一方の開口にレーザ素子を保持した保持体（２８）に対し、レンズを収容した鏡筒（筒状レンズ保持体）（３４）を貫通孔の他方の開口に挿入するような機構構造（引用文献１）では、製作及び実装の工数が削減できず、小型化、低価格化が困難であるだけでなく、レンズは鏡筒の回転方向以外の自由度を奪われるので、レーザの光軸とレンズの光学中心の調整はＸＹ方向の何れか１軸のみの調整に限られ、３軸の全ての調整は本質的に不可能であるという問題がある。

また、通常、高精度にレンズを固定するには紫外線硬化型の接着剤が使用されるが、鏡筒内で固定するため、鏡筒自体が紫外線を通す材質である必要があり、ガラスを材料とするなど高価な部品になり、部品点数が多く、鏡筒の材料制限がある等、かかる点でもコスト高となるという問題もある。

次に、レーザ素子を取着した支持台であるベース（２）の楕円筒形状の支持枠に対し、レンズの光軸を回転軸に対し偏心して筒内部に取り付けたレンズ保持筒（２２）を挿入し、該レンズ保持筒を回転可能とするとともに、レーザ素子の光軸と直交する方向へ移動可能にしてレンズの位置を調整する機構構造（特許文献２）は、２軸まで調整が可能であるものの、同様に小型化、低価格化が困難であり、製作及び実装の工数が削減できず、更にレンズの固定に紫外線硬化型の接着剤を使用する場合は前述と同様にコスト面の問題がある。

これらに対し、図６に示すように光学部品を接着剤で固定して実装する実装工法を採用する方が、部品サイズの小型化と低価格化が可能であり、製作工数及び固定の際の実装工数も削減でき、３軸全ての調整が可能であるという利点がある。

しかし、図６に示すようにキャリア上に光学部品を接着剤で固定した光モジュールは、光学部品の接着剤による固定の際、光学部品の位置はキャリア等の個体差により変化するため、光学部品とキャリア上の光学デバイスとの相対的な位置関係を適正にするには接着剤の接着層の厚さを変化させる必要がある。このような接着層の厚さの変化による差は、接着力の差や信頼性の差となるので、結果として光モジュール性能のバラツキの一因になるという問題がある。

本発明の目的は、以上のような問題を解決するものであり、光学部品の固着剤による固定における光モジュール性能のバラツキを解消できる光学部品、光モジュール及び光学部品の実装方法を提供することにある。

本発明の第１の光学部品は、光学中心を外形中心に対して偏心し、固着剤による部分的な固着が可能な外形を備えることを特徴とする。

本発明の第１の光モジュールは、光学デバイスと光学部品をキャリア上に実装した光モジュールにおいて、前記光学部品は、光学中心が外形中心に対して偏心しており、前記光学部品の外形の一部で前記キャリア上に固着剤により固着されたこと特徴とする。

本発明の第１の光学部品の実装方法は、光学デバイスを実装したキャリア上に光学部品を固着する実装方法であって、光学中心を外形中心に対し偏心した光学部品を用い、前記光学部品の光学中心が前記光学デバイスの光軸に対応するように、前記光学部品を前記キャリアに外形の一部で固着剤により固着することを特徴とする。

本発明の光学部品によれば、光学部品の光学中心を外形中心に対し偏心したことにより、固着剤によりキャリア等へ固定する際に、固定する外形部分を選択することにより固着剤の厚みを変えることが可能である。

本発明の光モジュールによれば、固着剤の厚みを変えられる光学部品の使用により、キャリアの固体バラツキに対し、固着層の厚みを一定にして固定できるので、光モジュールの固着層の厚さのバラツキによる光モジュール性能のバラツキを解消することが可能である。

本発明の光モジュールの実装方法によれば、光学デバイスを実装したキャリア上に固着剤の厚みを変えられる光学部品を外形部分の選択により固定することで光学デバイスの光軸との位置調整が可能であるから、キャリアの固体バラツキに対し、固着層の厚みを常に一定範囲に収まるようにすることが可能であり、固着層の厚さのバラツキによる光モジュール性能のバラツキを解消することが可能である。

次に、本発明の光学部品、光モジュール及び光学部品の実装方法の実施形態について説明する。以下、本発明の第１〜４の実施形態では光学デバイス及び光学部品としてそれぞれレーザ素子及びレンズを使用した例で説明する。

（発明の実施形態１）
図１は本発明の第１の実施形態のレンズ及び該レンズを使用した光モジュールを示す図であり、（ａ）はレンズの構造、（ｂ）は光モジュールの構造である。

本実施形態のレンズ１は図１（ａ）に示すように、レンズ１の外形１１を四角形とし、四角形の外形中心１３に対し光学中心１２が偏芯（オフセット）するように構成されている。ここでレンズ１の四角形の外形１１の各辺までの距離ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４（光学中心から各辺への垂線の長さ）は少なくとも２つの距離、望ましくは全ての距離が互いに異なるような寸法とする。

これにより、レンズ１をキャリア３等に接着剤等の固着剤４により固定する際に、レンズ１を回転して固着する外形１１の辺として何れかを選択することにより、所定の固着層（接着層）の厚みで光学中心１２が所定の位置になるように調整することが可能である。

図１（ｂ）は、本実施形態のキャリア上に発光素子とレンズを搭載した光送信モジュールの構成例を示す図である。本実施形態は、キャリア３は長短２枚の基板３１、３２を積層して段差を形成した構造例である。ここで長い基板３１をベースとし、短い基板３２を基板３１上に張り合わせ、基板３２上にレーザ光源としてのレーザ素子（レーザ）２を搭載し、基板３１上にレンズ１を固着剤４により固定している。

（動作の説明）
次に、本発明の光学部品、光モジュール及び光学部品の実装方法の第１の実施形態の動作について説明する。

図２は本発明の第１の実施形態の動作を示す図である。キャリア３とレーザ２の位置関係、例えばキャリア３の基準面である長い基板３１上とレーザ２の光軸の位置関係は、それぞれの部品公差と実装精度の合計値になる。例えば、キャリア３の場合、短い基板３２の厚み、レーザ２の光軸の位置、基板３２上へのレーザ光源２の実装精度の合計値となる。

そのため、キャリア３の長い基板３１上で、レーザ２の光軸に光学中心１２が一致するようにレンズ１を実装する場合、設計中心から前記部品公差と実装精度の合計値、即ち個体バラツキ分だけずれた場所がレンズ１の最適な実装位置になる。従って、レンズ１を最適位置に実装しようとすると、前記個体バラツキに依存してキャリア３とレンズ１の固着層の厚さは変化することになる。

第１の実施形態では、個体バラツキに依存した固着層の厚みのバラツキを解消するため、外形１１の外形中心と光学中心を偏芯させたレンズ（偏芯レンズ）を使用する。例えば、一般的な外形形状として四角形の外形１１を持つレンズ１を使用する。

偏芯レンズは、各辺から光学中心までの距離ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４が異なるので、光軸位置を基準にしてレンズ１を回転し、キャリア３とレンズ１の隙間を測長し、所望の隙間になるように固着面（接着面）になる辺を選択することで、個体バラツキに依らず固着厚（接着厚）を一定にしてレンズを固定することができる。

具体例として、レンズ１の外形１１を四角形とし、レンズ１の固着厚の許容量が設計値±２０ｕｍ、個体バラツキでキャリア３とレンズ１の隙間が設計値±８０ｕｍバラつく場合、外形中心と光学中心のレンズ偏芯量を各辺で−６０／−２０／＋２０／＋６０ｕｍとすることで、所望の固着層の厚さを実現することが可能である。

これにより、光モジュール性能のバラツキの一因になる固着層の厚さの変化による固着力（接着力）の差を一定にし、光モジュールの性能を一定に維持し、信頼性を向上させることができる。なお、レンズの外形は三角形とすることも可能である。

（発明の実施形態２）
レンズの固着厚の許容量が少ない場合やキャリア等の個体バラツキが大きい場合などでは、実施形態１の構成例では所望の固着厚を実現することができないことがある。

本発明の第２の実施形態は、レンズの外形を五角形以上の多角形にしてレンズの外形の辺の数を増加するとともに、各辺までの異なる距離の数を増加させるようにレンズの光学中心と外形中心の偏心量を設定する。これにより、辺までの大きな距離差を設定したり、精緻な距離差をも設定することが可能である。これにより個体バラツキが大きい場合等にも所望の固着厚での固着が可能となる。

図３はレンズの外形を六角形とした第２の実施形態を示す図であり、（ａ）はレンズの構造、（ｂ）は光モジュールの構造である。偏芯レンズの外形１１の辺数を増やすことにより固着剤４による固着厚の選択肢を増加でき、レンズの固定位置の精度を向上させることが可能である。

具体例として、レンズ１の外形１１は六角形とし、レンズ１の固着厚の許容量が設計値±１０ｕｍ、個体バラツキでキャリア３とレンズ１の隙間が設計値±６０ｕｍバラつく場合、レンズ１の光学中心１２と外形中心１３の偏芯量を各辺で−５０／−３０／−１０／＋１０／＋３０／＋５０ｕｍとすることで、固着剤４の所望の固着厚を実現することができる。

（発明の実施形態３）
実施形態１〜２の構成例でも所望の固着厚を実現することができない場合などでは、第３の実施形態として外形を円形として構成することも可能である。

図４はレンズの外形を円形とした第３の実施形態を示す図であり、（ａ）はレンズの構造、（ｂ）は光モジュールの構造である。レンズ１の外形１１までの距離を連続的に増加させるようにレンズ１の外形１１を円形にして、光学中心１２と外形中心１３の偏心量を設定する。これにより、外形（辺）１１までの距離が連続的に変化し、レンズ１の固定位置の精度を向上させることが可能である。個体バラツキが大きい場合にも所望の固着厚での高精度な固着が可能である。

（発明の実施形態４）
本発明のレンズは外形が多角形や円形等で構成されるが、レンズ部分は光透過性の材料を使用するものの、外形部分には他の材料が使用可能である。

外形部分の材料を変更することにより、使用材料に好適な固着剤の使用が可能であるから、例えばレンズの外形部分を金属で構成し、又は金属メッキを施して構成することで、固着剤として半田の使用も可能となる。

図５は半田により固着する第４の実施形態を示す図である。図５（ａ）は、レンズ部分及び外形内側は例えばプラスチック等の合成樹脂で構成し、一部で固着する外形部分１４を半田による固着が可能な金属で構成し又は金属メッキ１４を施して構成する。また、図５（ｂ）は、円形のレンズ部分は同様に合成樹脂で構成し、レンズの外周の外形部分は金属材料１５で構成し、両者の組み合わせ構造とする。何れの場合も金属材料又は上面に金属メッキを施したキャリア上に該レンズの外形部分１４、１５の辺などを選んで半田により所望の固着厚で固定する。外形は多角形や円形の場合も適用可能である。

（発明の他の実施形態）
以上の実施形態１〜４では、本発明の光学デバイス及び光学部品としてレーザ及びレンズを使用した光送信モジュールの例を示したが、レーザにはＹＡＧ（Yittrium Aluminium Garnet）レーザ、レーザダイオード（ＬＤ）等が適用可能である。また、レンズはコリメータレンズとして構成できる。

更に、本発明は各種の光学デバイス及び光学部品に適用可能である。例えば、光学デバイスには、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子や、フォトダイオード、フォトトランジスタ等の受光素子、光ファイバーの光入出力部を使用することが可能である。更に、ＰＬＣ（Power Line Communication）等の光入出力素子を対象として本発明が適用可能である。

また、光学部品としてはレンズに代えてプリズムやフィルタなど、所定の光学中心を予定する他の部品を使用することが可能である。

光学部品のレンズ、プリズム、フィルタ等はガラス又はプラスチック等の合成樹脂で成形して製作することも、外形部分を含めてこれらの材料により一体成形により製作することも可能である。更に、ガラス又はプラスチック等の合成樹脂で成形されたレンズ等の本体に対し、その外形部分を合成樹脂、その他の材料の保持部材で保持する構造とすることができる。

また、本発明の光学部品の固定手段の固着剤としては接着剤の使用、特に、高精度な固定には紫外線硬化型の接着剤の使用が可能であり、更に、ペースト樹脂を使用することが可能である。

以上の実施形態からも分かるように、本発明の光学部品により３軸の位置調整が可能であり、構成部品が少なく、コンパクトで低価格化が可能であり、高精度な光モジュールを構成することができる。

本発明は光学デバイスと光学部品からなる光モジュールに関するものであり、レーザ素子に限らず波長分割多重通信(Ｄ−ＷＤＭ：Dense Wave-Division Multiplex)を始めとする幹線系からＦＴＴＨ（Fiber To The Home）を始めとする加入者系までの幅広い範囲の光通信システムの光モジュール、光記録・再生、更には光加工等の光モジュールに適用可能である。

本発明の第１の実施形態のレンズ及び該レンズを使用した光モジュールを示す図であり、（ａ）はレンズの構造、（ｂ）は光モジュールの構造である。 本発明の第１の実施形態の動作を示す図である。 レンズの外形を六角形とした第２の実施形態を示す図であり、（ａ）はレンズの構造、（ｂ）は光モジュールの構造である。 レンズの外形を円形とした第３の実施形態を示す図であり、（ａ）はレンズの構造、（ｂ）は光モジュールの構造である。 半田により固着する第４の実施形態を示す図である。 本発明の関連技術のレンズ及び光モジュールの構成例を示す図である。

符号の説明

１、１０ レンズ
１１ レンズの外形
１２ 光学中心
１３ 外形中心
２、２０ レーザ素子（レーザ光源）
３、３０ キャリア
３２ 基板（上部）
３１ 基板（下部）
４ 固着剤（接着剤等）

Claims (23)

1. 光学中心を外形中心に対して偏心し、固着剤による部分的な固着が可能な外形を備えることを特徴とする光学部品。
2. 前記外形の形状は多角形であることを特徴とする請求項１記載の光学部品。
3. 前記外形の形状は円形であることを特徴とする請求項１記載の光学部品。
4. レンズであることを特徴とする請求項１から３の何れかの請求項記載の光学部品。
5. 前記レンズは一体成形されたことを特徴とする請求項４記載の光学部品。
6. 前記固着剤は接着剤であることを特徴とする請求項１から５の何れかの請求項記載の光学部品。
7. 前記外形の少なくとも固着可能な部分は金属で構成されていることを特徴とする請求項１から４の何れかの請求項記載の光学部品。
8. 光学デバイスと光学部品をキャリア上に実装した光モジュールにおいて、
   前記光学部品は、光学中心が外形中心に対して偏心しており、前記光学部品の外形の一部で前記キャリア上に固着剤により固着されたこと特徴とする光モジュール。
9. 前記光学部品の外形の形状は多角形であることを特徴とする請求項８記載の光モジュール。
10. 前記光学部品の外形の形状は円形であることを特徴とする請求項８記載の光モジュール。
11. 前記光学部品はレンズであることを特徴とする請求項８から１０の何れかの請求項記載の光モジュール。
12. 前記レンズは一体成形されたことを特徴とする請求項１１記載の光モジュール。
13. 前記固着剤は接着剤であることを特徴とする請求項８から１２の何れかの請求項記載の光モジュール。
14. 前記光学部品の外形の少なくとも固着可能な部分は金属で構成され、前記固着剤は半田であることを特徴とする請求項８から１２の何れかの請求項記載の光モジュール。
15. 前記光学デバイスはレーザであることを特徴とする請求項８から１４の何れかの請求項記載の光モジュール。
16. 光学デバイスを実装したキャリア上に光学部品を固着する実装方法であって、光学中心を外形中心に対し偏心した光学部品を用い、前記光学部品の光学中心が前記光学デバイスの光軸に対応するように、前記光学部品を前記キャリアに外形の一部で固着剤により固着することを特徴とする光学部品の実装方法。
17. 前記光学部品の外形の形状は多角形であることを特徴とする請求項１６記載の光学部品の実装方法。
18. 前記光学部品の外形の形状は円形であることを特徴とする請求項１６記載の光学部品の実装方法。
19. 前記光学部品はレンズであることを特徴とする請求項１６から１８の何れかの請求項記載の光学部品の実装方法。
20. 前記レンズは一体成形されたことを特徴とする請求項１９記載の光学部品の実装方法。
21. 前記固着剤は接着剤であることを特徴とする請求項１６から２０の何れかの請求項記載の光学部品の実装方法。
22. 前記光学部品の外形の少なくとも固着可能な部分は金属で構成され、前記固着剤は半田であることを特徴とする請求項１６から２０の何れかの請求項記載の光学部品の実装方法。
23. 前記光学デバイスはレーザであることを特徴とする請求項８から１４の何れかの請求項記載の光モジュール。

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