JP2015060119A - 光モジュール用レンズキャップ、光モジュール、及び光モジュール用レンズキャップの製造方法 - Google Patents

光モジュール用レンズキャップ、光モジュール、及び光モジュール用レンズキャップの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】光出力変動を防ぎ、気密性を確保することができる光モジュール用レンズキャップ、光モジュール、及び光モジュール用レンズキャップの製造方法を得る。
【解決手段】鏡筒２は金属材料からなる。プレスレンズ３はガラスからなり、鏡筒２に保持されている。ガラスの線膨張係数は６〜８ｐｐｍ／Ｋである。金属材料の線膨張係数は、１５０〜８００℃では１０ｐｐｍ／Ｋ以上であり、１００℃以下では８ｐｐｍ／Ｋ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光モジュール用レンズキャップ、光モジュール、及び光モジュール用レンズキャップの製造方法に関する。
従来のプレスレンズを使用した光モジュール用レンズキャップにおいては、金属の鏡筒にＳＵＳ４３０やＳＦ−２０Ｔなどの線膨張係数が１０ｐｐｍ／Ｋ以上の材質を使用している（例えば、特許文献１の段落００１４参照）。即ち、ガラスの線膨張係数６〜８ｐｐｍ／Ｋよりも大きな線膨張係数の材料を鏡筒に用いる。これにより、６００〜８００℃でレンズ成形を行った後の冷却過程で、レンズガラスと金属鏡筒間の線膨張係数差により金属鏡筒がレンズを締め付ける。従って、レンズと金属鏡筒間の気密性を向上することができる。
特開２００９−３７０５５号公報
従来のプレスレンズを使用した光モジュール用レンズキャップは、鏡筒材質の線膨張係数が１０ｐｐｍ／Ｋ以上あるため、レンズキャップの温度変化（ΔＴ＝７０Ｋ）により鏡筒底面からレンズまでの距離が２〜５ｕｍ程度変動してしまう。従って、レンズと光半導体素子の発光点との間の距離が変化し、レンズの集光位置が変動するため、光出力変動が発生していた。
この変動を抑制するために、光半導体素子の発光点の位置がレンズの位置変動に追従するように光半導体素子を実装する部分に線膨張係数１０ｐｐｍ／Ｋ前後の材料を使用する方法や光半導体素子の実装面にレンズを取り付ける方法などが用いられている。しかし、前者の方法ではＥＭＬチップなど、チップを実装する部分を一定温度に保った製品では使用できず、後者では部品点数が増えてしまうという問題があった。
熱変形量を低減するために、鏡筒材質を線膨張係数が小さい材質（例えば、線膨張係数が８ｐｐｍ／Ｋ以下のＫｏｖａｒ、Ｆｅ−４２Ｎｉ）に変更する方法がある。しかし、レンズと線膨張係数が同等以下となってしまうため、金属鏡筒とレンズとの間の熱かしめの力が減り、Ｈｅリーク（１×１０−５Ｐａ・ｍ３／ｓ以上）が発生して気密性を損なうという問題があった。なお、予め成形したプレスレンズを穴が開いた金属鏡筒にはめ込み、低融点ガラスを用いて固定する方法もあるが、レンズと鏡筒との間の位置精度が悪い。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は光出力変動を防ぎ、気密性を確保することができる光モジュール用レンズキャップ、光モジュール、及び光モジュール用レンズキャップの製造方法を得るものである。
本発明に係る光モジュール用レンズキャップは、金属材料からなる鏡筒と、ガラスからなり、前記鏡筒に保持されたプレスレンズとを備え、前記ガラスの線膨張係数は６〜８ｐｐｍ／Ｋであり、前記金属材料の線膨張係数は、１５０〜８００℃では１０ｐｐｍ／Ｋ以上であり、１００℃以下では８ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とする。
本発明では鏡筒の金属材料の線膨張係数が１００℃以下では小さいため、鏡筒の熱変形によるレンズ位置変動を低減し、光出力変動を防ぐことができる。また、１５０〜８００℃では金属材料の線膨張係数がガラスよりも大きいため、鏡筒とレンズとの間の熱かしめの力を十分に発揮して、気密性を確保することができる。
本発明の実施の形態に係る光モジュール用レンズキャップを示す断面図である。 プレスレンズ用ガラスと鏡筒の金属材料の線膨張係数を示す図である。 本発明の実施の形態に係る光モジュールを示す正面図である。 図３のＩ−ＩＩに沿った断面図である。 本発明の実施の形態に係る光モジュールをレセプタクルに取り付けた状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る光モジュールの変形例を示す断面図である。
図１は、本発明の実施の形態に係る光モジュール用レンズキャップを示す断面図である。光モジュール用レンズキャップ１は、鏡筒２と、鏡筒２に保持されたプレスレンズ３とを備える。鏡筒２は金属材料からなり、プレスレンズ３はガラスからなる。具体的には、金属材料はインバー、スーパーインバー、ステンレスインバーの何れか１つである（インバーはAperam Alloys Imphyの登録商標）。
図２は、プレスレンズ用ガラスと鏡筒の金属材料の線膨張係数を示す図である。ガラスの線膨張係数は、温度による変化が比較的少なく６〜８ｐｐｍ／Ｋである。金属材料の線膨張係数は、１５０〜８００℃では１０ｐｐｍ／Ｋ以上であり（例えば３００℃で１０〜１５ｐｐｍ／Ｋ）、１００℃以下では８ｐｐｍ／Ｋ以下である。
上記の光モジュール用レンズキャップ１の製造方法を説明する。まず、金属材料からなる鏡筒２を形成する。次に、鏡筒２に対してガラスを加圧プレスにより成形することで鏡筒２に保持されたプレスレンズ３を形成する。
ここで、加圧プレス時の温度は６００〜８００℃である。この温度では鏡筒２の線膨張係数の方が高いため、加圧プレス後の冷却過程において鏡筒２からプレスレンズ３への熱かしめが行われる。１５０〜２５０℃でプレスレンズ３と鏡筒２の線膨張係数の大小が逆転するが、それまでの熱かしめによる圧力が蓄積されている。このため、光モジュールの使用温度範囲（１４０〜１００℃）では十分な締め付け力が残っており、気密性が確保できる。
一方、Ｋｏｖａｒの線膨張係数は、全温度範囲で常にガラスより小さく、熱収縮によるガラス締め付けが無い。このため、Ｋｏｖａｒからなる鏡筒を用いた従来技術では光モジュール用レンズキャップ内の気密性を損なうという問題がある。
図３は、本発明の実施の形態に係る光モジュールを示す正面図である。図４は図３のＩ−ＩＩに沿った断面図である。ステム４上にペルチェモジュール５を介して金属ブロック６が設けられている。その金属ブロック６上に半導体レーザーなどの光半導体素子７が設けられている。ペルチェモジュール５が光半導体素子７の冷却を行う。
光モジュール用レンズキャップ１が、光半導体素子７を覆うようにかぶせられ、ステム４に溶接接着されている。光半導体素子７は、光モジュール用レンズキャップ１の鏡筒２内においてプレスレンズ３の集光位置に配置されている。鏡筒２内にＨｅが充填されている。
図５は、本発明の実施の形態に係る光モジュールをレセプタクルに取り付けた状態を示す断面図である。プレスレンズ３を介して光半導体素子７とレセプタクル８の光ファイバーが対向するようにレセプタクル用ホルダ９を介して光モジュールがレセプタクル８に取り付けられている。
以上、説明したように、本実施の形態では、鏡筒２の金属材料の線膨張係数が１００℃以下では８ｐｐｍ／Ｋ以下と小さいため、７０Ｋの温度変化によるレンズ位置変動も１〜３ｕｍに低減できる。この結果、光出力変動を防ぐことができる。
また、１５０〜８００℃では金属材料の線膨張係数がガラスよりも大きいため、鏡筒２とプレスレンズ３との間の熱かしめの力を十分に発揮して、光モジュール用レンズキャップ１内部の気密性を確保することができる。このため、Ｈｅの鏡筒２からのリークレートが１×１０−９Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。
なお、ガラスの線膨張係数が大き過ぎると、ガラス成型温度から常温へと冷却する際にガラスの収縮量が大きくなり、熱かしめによる圧力が不足し、気密耐性が低下してしまう。このため、ガラスの線膨張係数は大きすぎないものが望ましい。
図６は、本発明の実施の形態に係る光モジュールの変形例を示す断面図である。ステム４上に金属ブロック６が直接的に設けられている。このようにペルチェモジュール５が無い場合でも上記の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
１ 光モジュール用レンズキャップ、２ 鏡筒、３ プレスレンズ、７ 光半導体素子

Claims (6)

  1. 金属材料からなる鏡筒と、
    ガラスからなり、前記鏡筒に保持されたプレスレンズとを備え、
    前記ガラスの線膨張係数は６〜８ｐｐｍ／Ｋであり、
    前記金属材料の線膨張係数は、１５０〜８００℃では１０ｐｐｍ／Ｋ以上であり、１００℃以下では８ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とする光モジュール用レンズキャップ。
  2. 前記金属材料はインバー、スーパーインバー、ステンレスインバーの何れか１つであることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール用レンズキャップ。
  3. 請求項１又は２に記載の光モジュール用レンズキャップと、
    前記鏡筒内において前記プレスレンズの集光位置に配置された光半導体素子とを備えることを特徴とする光モジュール。
  4. 前記鏡筒内に充填されたＨｅを更に備え、
    前記Ｈｅの前記鏡筒からのリークレートが１×１０−９Ｐａ・ｍ３／ｓ以下であることを特徴とする請求項３に記載の光モジュール。
  5. 金属材料からなる鏡筒を形成する工程と、
    前記鏡筒に対してガラスを加圧プレスにより成形することで前記鏡筒に保持されたプレスレンズを形成する工程とを備え、
    前記ガラスの線膨張係数は６〜８ｐｐｍ／Ｋであり、
    前記金属材料の線膨張係数は、１５０〜８００℃では１０ｐｐｍ／Ｋ以上であり、１００℃以下では８ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とする光モジュール用レンズキャップの製造方法。
  6. 前記加圧プレス時の温度は６００〜８００℃であることを特徴とする請求項５に記載の光モジュール用レンズキャップの製造方法。
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