JP2015011285A - 小型光モジュール用レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】小型光モジュールに用いる光学レンズにおいて、レンズサイズを小型化するあまりに、レンズの高さ方向の調整ができないという問題に対し、小型のレンズサイズを維持したまま、レンズの高さ調整ができる多角形レンズを提供すること。
【解決手段】光軸に垂直なｎ多角形（ｎは４以上の整数）面を有する多角形レンズであって、前記ｎ多角形の各辺が、前記光軸が通過するレンズ中心に対して等角に割り付けられており、前記ｎ多角形面のｎ個の側面は、前記ｎ多角形の前記レンズ中心の位置をａとし、シフト量をｂとしたとき、ｒ＝ａ−（ｎ−１）ｂ／２からｂずつ増加する半径ｒを持つ円弧に順に接する位置に配置されていることを特徴とする多角形レンズ。
【選択図】図６

Description

本発明は、光通信分野で用いられる小型光モジュール用レンズに関する。

従来、光通信用および発光素子を用いる光学デバイスＰＫＧ（光モジュール）の内部には、コリメータレンズやフォーカスレンズなど何らかのレンズが搭載されている。近年、ＰＫＧの小型化に伴い、このレンズのサイズにも小型化の要求がある。実際、現在汎用に用いられている、レンズの形状としては、図１に示す同軸円筒型のレンズや、図２に示すＳＵＳ材の凸型ケースにレンズを圧入した形状が一般的に用いられている。

図１に示すレンズは、（ｂ）に示すように同軸型であるため、搭載部品を光の出力方向を上向きに設置し、ＹＡＧ溶接により半導体レーザなどの発光デバイス４を搭載したキャリア３に固定される。この際、発光素子を搭載したキャリア側には、レンズ１を固定するためのＳＵＳ材２やコバール材などキャリアの母材（ＣｕＷ材が多い）とは異なる金属材料５を溶接により接合した構造のキャリア形状が必要で、比較的高価な材料となっている。また、上向きに設定された溶接面上では面の平面方向Ｘ軸Ｙ軸に対してレンズ１を介して出力される光を上方で観測することで、レンズを調整してＹＡＧ溶接して固定することができる。ただし、レンズ部１０の作動距離ＷＤは、キャリアに搭載された素子４とレンズ１間の距離となるので、素子の搭載精度により決まり調整することができないなどの問題がある。

また、この作動距離を調整する方法としては、同軸レンズの外周にもう一つ円筒型の部品を挿入し、調整する方法などが提案されている。しかしながら外周に作動距離方向にレンズを動かすための筒状の部品を一つ増やすと部品コストが発生することは、もちろんだが、外形寸法が一回り拡大し、小型モジュールには搭載できないケースも発生する。

また、図２に示す凸型のレンズの場合は、筐体３３と共にそれを挟む形のサドル３４と呼ばれる部品を使用することで、素子レンズ間の作動距離や縦横方向の位置を調整することができる。図３は図２のレンズを含むモジュールの斜視図である。図２、図３に示すモジュールは、アイソレータ３１に隣接して、レンズ３２を保持するレンズ筐体３３がサドル３４に支持されて設けられている。キャリア３５上にレンズ３２と光軸合わせされたレーザチップ３６が載置されている。また、このレンズ搭載方法は、デバイスやレンズを横に向けたまま搭載ができることから、平面実装型とも言われている。ただし、このレンズ形状やサドルを用いた部品構成は価格の面や部品の大きさから、小型化が難しい。図３は、実際に搭載された凸型レンズと素子である。サドル３４を含むレンズ部の幅は４ｍｍ程度になる。幅が６ｍｍ程度に縮小された汎用の小型光モジュールなどでは、モジュール内部の幅は５ｍｍから４．５ｍｍとなるため、このサドル付きレンズは幅が広すぎて用いることができない。

アルプス電気カタログ 製品情報 非球面ガラスレンズ コリメータ用レンズ FLBM1SQ1 等、インターネット（URL:http://www.alps.com/WebObjects/catalog.woa/J/HTML/Optical/Optical/COLLIMATOR/FLBM1SQ0.html） アルプス電気カタログ 製品情報 非球面ガラスレンズ 角型レンズ FLGP1SG0 等、インターネット（URL:http://www.alps.com/WebObjects/catalog.woa/J/HTML/Optical/Optical/FLG/FLGP1SG0.html）

近年、光モジュールの小型化の要求のため、図４に示すような、外周にＳＵＳ部品の構造体が無い、ガラス材のみ形成した角型バルクレンズ４１が用いられている。このレンズ４１にはレンズを包む筐体がなく、レンズ自身が角型に成型されているため、幅が１ｍｍ程度と非常に小さく、小型の光モジュールに用いやすい。ただし、この角型レンズ４１は、ＹＡＧ溶接用の筐体を持たないため、ＹＡＧ溶接等の固定方法は使えず、その搭載には接着剤や半田などが用いられる。

角型バルクレンズを用いた構造では、レンズの中心高さを調整する機能はないため、その搭載には、レンズの形状寸法を厳密に管理することに加えて、発光デバイス（素子）の厚さやその素子を搭載する基板部品の厚さを精密に管理制御することでレンズの高さ方向を調整することなく搭載し用いるか、図４にも示したようにレンズの下に厚さを何種類にも変えた高さ調整用スペース板４２など用いてキャリア４３に固定することによって高さを調整してレンズ４１を搭載している。

しかし、部品の製造精度や素子の厚さ制御の精度により、各ロット間などの組み合わせによっては、所望の光ビーム位置に至らず、歩留まり悪くするケースが少なくない。また、そういった光ビーム位置のズレに伴う光結合効率の劣化を許容するようにデバイスのスペック自体が決められているケースもあり、小型光デバイスの性能向上の障害となっている。

本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、小型光モジュールに用いる光学レンズにおいて、レンズサイズを小型化するあまりに、レンズの高さ方向の調整ができないという問題に対し、小型のレンズサイズを維持したまま、レンズの高さ調整ができる多角形レンズを提供することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、光軸に垂直なｎ多角形（ｎは４以上の整数）面を有する多角形レンズであって、前記ｎ多角形の各辺が、前記光軸が通過するレンズ中心に対して等角に割り付けられており、前記ｎ多角形面のｎ個の側面は、前記ｎ多角形の前記レンズ中心の位置をａとし、シフト量をｂとしたとき、ａ−（ｎ−１）ｂ／２からｂずつ増加する半径を持つ円弧に順に接する位置に配置されていることを特徴とする多角形レンズである。

従来の同軸円筒型のレンズの構成を示す図である。 従来の凸型のレンズの構成を示す図である。 図２のレンズをモジュールに搭載した際の斜視図である。 従来のバルクレンズを示す図である。 レンズ中心のシフト量と出力光線角度の関係を示す図である。 実施例１のレンズのレンズ中心からのずれを示す図である。 実施例２のレンズを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

本発明では、小型バルクレンズ構造を４角形以上の多角形構造とすることで、レンズの中心から接着面までの距離、つまりレンズの有効な搭載高さを調整できるようにする。光軸に垂直な４角形以上のｎ角形（ｎは４以上の整数）面を有する多角形レンズの場合、光軸が通過するレンズ中心の位置をａとし、任意のシフト量をｂとしたとき、最小の高さとなる面に接する円弧の半径ｒ１をｒ１＝ａ−（ｎ−１）ｂ／２とし、前記面に隣接する面に接する円弧の半径ｒ２を、この半径の値からｂ増加する半径ｒ２＝ｒ１＋ｂと設定し、さらにその先で隣接する面に接する円弧の半径ｒ３＝ｒ２＋ｂ、ｒ４＝ｒ３＋ｂ・・というように、値が順にｂずつ増加するように設定すればよい。

多角形構造の中で四角形（直方体）では各４面が垂直でレンズ中心と底面までの距離も自由に選択できるため、比較的容易にレンズを設計することができる。具体的には、上記ｒを示す式において、ｎ＝４として、レンズ基本設計高さ（底面からレンズ中心までの長さ）ａに対して、シフト幅ｂを定義した場合、各面に接する円弧の半径がａ−３／２ｂ、ａ−１／２ｂ、ａ＋１／２ｂ、ａ＋３／２ｂとなるように順に隣り合う面に対して設定すれば、右回り、または左周りに一方向に回転させることで、レンズの実効的な光軸高さを増減することができる。

この時隣り合う面で順番に高さが変わるように配置されていれば、４角形の場合、最大３ステップの回転で最適値（または、このレンズで作れる最高の高さまたは、最低の高さ）に到達することができる。例えば、４角形の場合、二番目にレンズ高さが高い面を初期面としてレンズをセットしておいたとすると、この時点で、レンズを介して出力する光のビームが基準値より下向きに出射されていたとすれば、１ステップレンズ高さが高くなる方向に回転させればよい。この高さがこのレンズで作り出せる最大のレンズ光軸高さであることは自明であって、それ以上はレンズを介して出射するビームを上向きに調整できないため、その時点で作業は終了、レンズ固定の工程に入ることができる。

また、上記と同じ面を初期面にセットした場合に、光軸を下げる向きに回転させるときも光ビームの軸や傾きはあと２面分しか変化させることはできないので、最大でも２ステップの回転でこのレンズで調整できる最低の光軸高さとなる。調整面が４面しかない４角形構造では、動きが単純で早い作業が可能である。このように、レンズの高さが隣合う面で順に同じ量だけ高さが変わるように配置または設計したレンズでは、その搭載、調整工程において、レンズの高さが変わる変化に規則性を持たせることで、選択された面とこのレンズにおける調整限界が把握できるようになるため作業を簡略化でき、搭載工程を早く終えることができる。

また、順に高さが一定の割合で変わるように設計されたレンズでは、誤ってレンズをセットしても、４角形構造の場合、最初に同じ方向に３ステップ回転すれば、現状の位置がレンズのどの高さの位置にあるのかがわかる。たとえば、誤ってレンズ高さが一番高い位置にセットさせていた場合、レンズ高さが高くなる方向に一ステップ回転させれば、ビーム位置が上がらず逆に下がるため、その回転位置が、レンズとして一番低い光軸を作る位置であることがわかる。もし、一番高さが低い面で誤ってセットされた場合でも、同一方向に３ステップ回転し、光のビームの位置が上がり続けることがあれば、その時は初期搭載位置が誤って一番高さが低い面にセットされたことがわかる。このように高さの変化が同量でしかも隣合う面が順に高さが変わるように設計配置したレンズでは、レンズセットを誤った場合においても現在のレンズ高さと選択した面を把握することができる。この機能は装置の実装工程を自動化した際に、レンズ位置を適当にセットできるという点でメリットとなる。

また、４角形以上の多角形では、多角形面の各辺のレンズ中心に対する角度を等角に割り付ければ、各側面からレンズ中心までの距離を順に変えた多角形レンズが製作できるだけではなく、多角形の頂点の角度が一定になり、各頂点位置が底面に垂直になることから、レンズを回転する際、レンズの底面を接着する面に対して平行に保つことができる。このため、搭載時のガタ（振動や微動）も少くなく＋／−１０μｍ以下のきわめて高精度なレンズ搭載を可能にすることができる。

また、多角形の形状に加工された各面（レンズ側面）には、金メッキ処理などを施せば、ハンダ固定も可能である。

側面が４角形以上の多角形形状レンズにおいて各面からレンズの中心までの距離が各面で順に同じ長さだけ変わるように加工したレンズを製作することにより、高精度のレンズ高さの調整ができる平面実装可能な小型レンズを提供することができる。

実施例１として、もっとも単純な４角形のレンズを製作した。まずはじめに、設計中心値ａを０．５ｍｍとして、レンズの高さがズレた場合の光線の挙動を把握することにした。光線はコリメータビームで伝搬長さ（レンズ後端面からの長さ）２．８ｍｍで評価した。この結果を図５に示す。この図は、設計中心位置からレンズ５２が上方向に高さがズレた場合の光線の挙動を示している。この図から、約２．８ｍｍ離れた距離では、レンズ５２が中心から５０μｍ程度上方に外れると光源５１からのビームの到達位置が、約３００μｍ程度ずれることが分かる、また、角度は、６度も変わってしまうことがわかる。この状態では、レンズの位置ズレによる光のケラレも発生し、第二レンズなどで調整して光ファイバーに結合したとしても光結合パワーは半分以下となる。

図５の結果から要求される限界変動量としては、約３０μｍ程度が限界で、この場合でも、簡易な調整だけでは、１．６ｄＢほど結合効率は劣化する。良好な結合効率を維持するためには、さらにレンズの位置を精度よく搭載する必要がある。このため、レンズ設計としては、最悪でも１０μｍ以下の高さズレに調整できるレンズを設計する必要がある。このため、４角形のレンズ形状でレンズ中心位置から底面までの高さのバリエーションを与える場合は、設計中心高さａを中心に、許容変動量の２倍の値を各面の変化幅ｂとして、ａ−３／２ｂ，ａ−１／２ｂ，ａ＋１／２ｂ，ａ＋３／２ｂの順に４角形の各面をレンズの中心から離した面を形成するように製作すればよい。

図６は、本実施例のレンズを説明する図である。図６からわかるように、レンズ６１の中心からＳ１面は、レンズ中心からａ−３／２ｂ、この場合４７０μｍとして、Ｓ２面はａ−１／２ｂで４９０μｍ、Ｓ３面は、５１０μｍ、Ｓ４面は５３０μｍに設定する。こう設定すると、半導体レーザなどの素子研磨厚さや、ヒートシンクなどの部品公差、半田の厚さ誤差をすべて加えて、＋／−４０μｍ程度までレンズ中心と素子の発光点の高さ誤差を＋／−１０μｍ以内の精度で吸収することができる。実際に１．２ｍｍの角型レンズを用い、底面研磨により製作したレンズでは、ほぼ設計どうりの光線位置に制御することができ、十分に実用に耐える設計であることが確認できた。

光出力部に波長ロッカーなど、高い光の角度精度が必要なデバイスや、低価格化のため、部品公差を緩和した部品を用いた場合には、４面の変化よりも更に高さのバリエーションを増やす必要がある。そこで、実施例２では、多角形のレンズ形状を製作した。多角形のレンズ形状によれば、更に実装精度を上げる、または共用レンジつまり吸収できる高さの変化幅を増やすことができるからである。

多角形の形状は、単に、レンズの中心位置を偏心させただけでは、的確な変化幅と面設定ができない。多角形の側面を設計加工するためには、的確な設計指針と手法が必要である。この多角形構造に要求される条件としては、多角形の側面であって隣り合う各面は、（最終面は、どちらか一方の面からの変化分となる）レンズ中心からの距離が、同じ変化分だけ増減する面配置であること、また、形成された各面は、安定したレンズ固定ができる程度の幅が確保できること、また、多角形構造を搭載装置が的確にチャックできることなどの条件がある。これらの条件を満足する構造の一つの設計手法として本実施例では、図７に示すような、幾何的設計手法を採用した。

図７では、レンズ７１が５角形の場合を例に挙げて示している。５角形の各面に同量のシフト量ｂを与えるために、設計中心値ａを含む５種類の半径を持つ円弧を、レンズ中心を中心として描画する。設定する半径は、５角形の場合、ａ−２ｂ、ａ−ｂ、ａ、ａ＋ｂ、ａ＋２ｂの５種類である。ここで、５角形ということで、３６０度を５等分する角度を設定すれば、レンズ中心から各面にいたる線分は、７２度ずつ均等に分割される。一番短い半径に向かう線分を０度の角度に取り、この円周から順に各面に７２度づつ線分を割付ければ、各円周と線分が交わる点に５角形の各面を半径の短いものから順に割り付けると、レンズ中心から各面へ距離がｂづつ順に異なる５角形形状が作成することができる。この作図をそのまま、レンズ中心位置を座標（０，０）にとりｘ、ｙ座標系で各接線の方程式を解けば、各接線の交点座標も決定でき、機械加工や金型の設計を行うことができる。

この手法で設計した５角形形状のレンズでは、搭載の際、上向きに必ず頂点が位置するが、どの面を選択しても、頂点の角度は必ず、７２度となり、面により横方向に頂点の位置が動くものの、設計段階でそのズレ量も予想できるため、搭載の際に機械的にレンズをチャックする精度と位置決め再現性が高い。このため、高精度の搭載位置決めが可能になる。４角形に比べ、１点増えたことで、可変できるレンジも４角形と同様にｂを２０μｍとすれば、＋／−５０μｍの誤差を吸収できるようになり、また、精度を上げるためｂを１０μｍとすれば、＋／−２５μｍの可変レンジとなるが、精度は、＋／−５μｍ以内の精度でレンズ高さを調整できるようになり、格段に光ビームの光線傾き精度を向上することができる。

図５からも分かるように、５μｍ以内にレンズ高さが調整することができれば、ビームの傾き角は１度以内に保つことができる。このことは、波長ロッカーなどを搭載した光入射角度に敏感なデバイスの製作時にも対応できることを意味する。また、同様な設計手法を用い、６角形、７角形、８角形と必要な可変レンジに合わせて、多角形数を増やすことは可能である。しかし、多角形数を増せば、レンズの設置面積も少なくなるため、実際の搭載を考えるとある程度の多角形数までしか実際には使うことはできない。

また、この多角形形状は、設計値が先にも述べたように関数化できるため、金型を作りやすく、現在の技術では、金型成型により、多角形形状の非球面コリメータレンズも十分に量産することは可能である。また、多角形の形状の側面に金をメタライズすることで、いずれの側面でも半田実装が可能となる。実際に金メタライズした多角形形状のレンズをＡｕＳｎ半田を用いて実装したところ、金スズ半田固定後の厚さが約１０μｍ程度で、ａ＋２ｂの面つまり、設計中心ａが０．５ｍｍのレンズでｂを１０μｍとしたレンズを製作したため、５２０μｍ前後の高さで良好なコリメータビームが得られた。この時設計した５角形レンズの最小となる底面の幅は、約７００μｍ程度で全体幅は約１．２ｍｍと非常に小さな搭載領域にレンズの安定性を十分確保した搭載ができた。

１ レンズ
２ ＳＵＳ材
３ 搭載したキャリア
４ 発光デバイス
５ 金属材料
１０ レンズ部
３１ アイソレータ
３２ レンズ
３３ レンズ筐体
３４ サドル
３５ キャリア
３６ レーザチップ
４１ 角型バルクレンズ
４２ 高さ調整用スペース板
４３ キャリア
５１ 光源
５２ レンズ
６１ レンズ
７１ レンズ

Claims (3)

1. 光軸に垂直なｎ多角形（ｎは４以上の整数）面を有する多角形レンズであって、前記ｎ多角形の各辺が、前記光軸が通過するレンズ中心に対して等角に割り付けられており、前記ｎ多角形面のｎ個の側面は、前記ｎ多角形の前記レンズ中心の位置をａとし、シフト量をｂとしたとき、ｒ＝ａ−（ｎ−１）ｂ／２からｂずつ増加する半径ｒを持つ円弧に順に接する位置に配置されていることを特徴とする多角形レンズ。
2. 前記ｎ多角形は、ｎ＝４であることを特徴とする請求項１に記載の多角形レンズ。
3. 前記ｎ多角形面のｎ個の側面は、金がメタライズされていることを特徴とする請求項１または２に記載の多角形レンズ。

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