JP2016102864A

JP2016102864A - 光モジュールおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2016102864A
Application number: JP2014240299A
Authority: JP
Inventors: 輝市祝田; Teruichi Iwaida; 英行山田; Hideyuki Yamada
Original assignee: Fibest Ltd
Current assignee: Fibest Ltd
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2016-06-02

Abstract

【課題】光機能素子と光ファイバとの間の光結合の精度を向上させた光モジュールを提供する。【解決手段】光モジュール１は、半導体レーザ１０等の光機能素子と、光機能素子から出射、もしくは、光機能素子に入射される光の光路に配置されたレンズ３０と、光機能素子およびレンズ３０を保持するベース部材４０と、を備える。ベース部材４０は、光機能素子およびレンズ３０が配置された面のうちの露出した部分、および、レンズ３０を固着した接着層５０の直下の部分に紫外領域の光に対する反射膜４３を有する。【選択図】図１

Description

実施形態は、光モジュールおよびその製造方法に関する。

光通信における情報伝送の大容量化は、波長多重方式（wavelength division multplexing：ＷＤＭ）により著しく進展している。そして、ＷＤＭ方式に用いられる光モジュールは、発光素子もしくは受光素子などの光機能素子と、これらの光機能素子を光ファイバに光結合させる光学レンズと、を含む複数の光学系を内蔵する。一方、これら光モジュールの小型化は、普遍的な要請である。このため、光モジュールの内部の限られたスペースに配置される光機能素子と、光ファイバと、を精度良く光結合させる技術が必要とされている。

特開２００５−２４９９６６号公報

実施形態は、光機能素子と光ファイバとの間の光結合の精度を向上させた光モジュールを提供する。

実施形態に係る光モジュールは、光機能素子と、前記光機能素子から出射、もしくは、前記光機能素子に入射される光の光路に配置されたレンズと、前記光機能素子および前記レンズを保持するベース部材と、を備える。前記ベース部材は、前記光機能素子および前記レンズが配置された面のうちの露出した部分、および、前記レンズを固着した接着層の直下の部分に紫外領域の光に対する反射膜を有する。

実施形態によれば、光機能素子と光ファイバとの間の光結合の精度を向上させた光モジュールを実現することができる。

第１実施形態に係る光モジュールを示す模式断面図である。第１実施形態に係る光モジュールの製造過程を示す模式断面図である。比較例に係る光モジュールを示す模式断面図である。第２実施形態に係る光モジュールを模式的に示す平面図である。第２実施形態に係る光モジュールの製造過程を模式的に示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について適宜説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る光モジュール１を示す模式断面図である。光モジュール１は、例えば、光機能素子である半導体レーザ１０と、光ファイバ２０と、レンズ３０と、を備える。レンズ３０は、半導体レーザ１０から出射されるレーザ光を光ファイバ２０の入射面２０ａに集光する。

なお、実施形態は、この例に限定される訳ではない。例えば、光機能素子は、受光素子、合波器、分波器もしくは光スイッチなどであっても良い。また、光ファイバ２０に代えて、合波器などの光機能素子を配置した構造でも良い。すなわち、実施形態に係る光モジュールは、光機能素子と、光機能素子から出射、もしくは、光機能素子に入射される光の光路Ｒ_Ｘに配置されたレンズと、を備える。以下、図１を参照して、光モジュール１を具体的に説明する。

半導体レーザ１０、光ファイバ２０およびレンズ３０は、ベース部材４０の上に配置される。ベース部材４０は、半導体レーザ１０及び光ファイバ２０、レンズ３０を保持する。ベース部材４０は、半導体レーザ１０、光ファイバ２０およびレンズ３０が配置された上面４０ａのうちの露出した部分、および、レンズを固着した接着層５０の直下の部分に紫外領域の光に対する反射膜４３を有する。なお、実施形態はこの例に限定されず、例えば、ベース部材４０の上に、半導体レーザ１０と、レンズ３０と、を配置し、光ファイバ２０を別の部材に固定した構成でも良い。

ベース部材４０には、例えば、銅タングステン（ＣｕＷ）、または、アルミナもしくは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミックを用いることができる。反射膜４３には、紫外領域の光に対して高い反射率を有する材料、例えば、アルミニウムもしくはアルミニウム合金を用いることができる。

図１に示すように、反射膜４３は、ベース部材４０の上面４０ａ、側面４０ｂおよび底面４０ｃを覆うように設けられても良い。反射膜４３は、少なくとも、ベース部材４０の上面４０ａに露出した部分４３ａ、および、接着層５０の直下の部分４３ｂを有する。また、反射膜４３は、ベース部材４０の上面４０ａにおいて、紫外領域の光が照射される部分を覆っていれば良い（図２（ｃ）参照）。反射膜４３は、例えば、無電解メッキを用いて形成される。

半導体レーザ１０は、例えば、サブマウント１３と、サブマウント１３上に固着されたレーザチップ１５と、を含む。サブマウント１３は、例えば、レーザチップ１５に電流を供給するリード（図示しない）を含む。レーザチップ１５を固着したサブマウント１３は、ベース部材４０の上に固定される。

光ファイバ２０は、半導体レーザ１０から放射されるレーザ光を受ける入射面２０ａを有する。入射面２０ａには、好ましくはレンズ２１が設けられる。光ファイバ２０は、入射面２０ａを除く表面の少なくとも一部に反射膜２３を有する。反射膜２３には、紫外領域の光に対する反射率の高い材料、例えば、アルミニウムもしくはアルミニウム合金を用いる。

図１に示す例では、光ファイバ２０は、ベース部材４０の上に固着される。光ファイバ２０は、半導体レーザ１０に対向する入射面２０ａと、その側面に設けられた反射膜２３と、を有する。

レンズ３０は、半導体レーザ１０と、光ファイバ２０と、の間において、半導体レーザ１０から出射されるレーザ光の光路Ｒ_Ｘに配置される。レンズ３０は、接着層５０により、ベース部材４０の上に固定される。

図１に示すように、ベース部材４０は、リセス部４０ｄを有し、レンズ３０は、接着層５０を介してリセス部４０ｄの内面に固定される。接着層５０は、リセス部４０ｄに付設され、例えば、紫外線照射により硬化した接着材を含む。すなわち、接着層５０は、紫外線により硬化する成分を含む。

次に、図２を参照して、光モジュール１の製造方法を説明する。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、第１実施形態に係る光モジュール１の製造過程を示す模式断面図である。

図２（ａ）に示すように、半導体レーザ１０と、光ファイバ２０と、を固着したベース部材４０を用意する。ベース部材４０は、例えば、金属ケース（図示しない）の内部に配置される。ベース部材４０の上面４０ａの少なくとも露出した部分およびリセス部４０ｄの内面には、反射膜４３ａおよび４３ｄが設けられる。また、光ファイバ２０も反射膜２３を有する。

続いて、半導体レーザ１０と、光ファイバ２０と、の間のリセス部４０ｄに接着材５０ａを付着させる。接着材５０ａは、例えば、リセス部４０ｄに塗布、もしくは、ディスペンサを用いて付着させる。接着材５０ａは、紫外線硬化型の樹脂であり、紫外領域の光により硬化する成分を含む。

次に、図２（ｂ）に示すように、レンズ３０の位置決めを行う。例えば、コレット６０の先端に吸着させたレンズ３０をリセス部４０ｄの上方に保持する。リセス部４０ｄは、例えば、レンズ３０の中心をレーザ光の光路Ｒ_Ｘに一致させる深さに設けられる。また、コレット６０の表面には、紫外領域の光に対する反射膜６３が設けられる。

続いて、半導体レーザ１０からレーザ光Ｌ_Ｘを放射させ、レンズ３０の位置決めを行う。例えば、光ファイバ２０の入射面２０ａとは反対側の端（図示しない）から出射されるレーザ光Ｌ_Ｘの強度をモニタしながら、コレット６０のＸ方向およびＹ方向の位置を調整する。さらに、Ｚ方向の上下位置、および、Ｚ方向を軸とする回転方向の微調整を行う。これにより、光ファイバ端のレーザ光Ｌ_Ｘの強度が最大となるように、レンズ３０を位置決めする。

次に、図２（ｃ）に示すように、接着材５０ａに紫外光Ｌ_ＵＶを照射して硬化させ、接着層５０を形成する。この時、コレット６０は、光ファイ端におけるレーザ光Ｌ_Ｘの出力が最大となる位置にレンズ３０を保持する。また、ベース部材４０の露出した部分に設けられた反射膜４３ａ、および、リセス部４０ｄの内面に設けられた反射膜４３ｂは、紫外光Ｌ_ＵＶを反射する。光ファイバ２０の反射膜２３、および、コレット６０の表面に設けられた反射膜６３も紫外光Ｌ_ＵＶを反射する。

リセス部４０ｄの内部に設けられた反射膜４３ｂは、紫外光Ｌ_ＵＶを反射し、接着材５０ａを均一に硬化させる。これにより、レンズ３０の位置ずれを抑制すると共に、レンズ３０の接着強度を向上させることが可能である。また、反射膜４３ａ、４３ｂは、ベース部材４０の温度上昇を抑制し、レンズ３０の位置ずれを抑える。

接着材５０ａは、リセス部４０ｄの底面および側面に接して硬化させることが好ましい。これにより、接着層５０は、リセス部４０ｄの底面および側面に接して形成され、接着層５０とベース部材４０との間の接着強度を向上させることができる。

図３は、比較例に係る光モジュール２を示す模式断面図である。光モジュール２では、ベース部材１４０は、紫外光Ｌ_ＵＶに対する反射膜を有しない。また、光ファイバ１２０およびコレット１６０も反射膜を有しない。

接着層５０を形成する際には、紫外光Ｌ_ＵＶを接着材５０ａにだけ照射することが望ましいが、紫外光Ｌ_ＵＶを小さなスポット径に絞ることは難しい。また、紫外光Ｌ_ＵＶを局所的に照射して接着材５０ａを硬化させると、接着層５０の内部に歪が生じ、レンズ３０の位置ずれ、もしくは、接着強度の劣化の要因となる場合がある。このため、紫外光Ｌ_ＵＶは、広いスポット径で照射することが好ましい。結果として、紫外光Ｌ_ＵＶは、接着材５０ａの他、ベース部材１４０、光ファイバ１２０およびコレット１６０にも照射される。

光モジュール２では、紫外光Ｌ_ＵＶは、ベース部材１４０およびコレット１６０に吸収され、その温度を上昇させる。光ファイバ１２０では、紫外光Ｌ_ＵＶは、その被膜において吸収され、光ファイバ１２０の温度を上昇させる。その結果、各部材は熱膨張し、レンズ３０に位置ずれを生じさせる。例えば、ベース部材１４０、光ファイバ１２０およびコレット１６０は長手方向に延び、レンズ３０の位置を相対的に変化させる。そして、紫外光Ｌ_ＵＶの照射を終えた後に各部材および接着層５０は冷却され収縮するが、レンズ３０は元の位置に戻ることはない。

例えば、光ファイバ１２０としてシングルモードファイバを用いる場合、レンズ３０の０．１マイクロメートルの位置ずれが、ファイバ端におけるレーザ光Ｌ_Ｘの強度の許容できない変動をもたらすことがある。

これに対し、本実施形態に係る光モジュール１では、ベース部材４０に設けられた反射膜４３、光ファイバ２０に設けられた反射膜２３、および、コレット６０に設けられた反射膜６３が紫外光Ｌ_ＵＶを反射する。これにより、ベース部材４０、光ファイバ２０およびコレット６０の熱膨張を抑制し、レンズ３０の位置ずれを抑えることができる。その結果、半導体レーザ１０と、光ファイバ２０と、の間の高精度な光結合を得ることが可能となる。

表１は、光モジュールの各部材に用いられる材料の熱膨張係数を示している。例えば、ベース部材４０には、銅タングステン（ＣｕＷ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナなどの熱膨張係数が比較的小さい材料を用いることが好ましい。これに対し、反射膜２３、４３および６３には、紫外領域の光に対する反射率が高いアルミニウムもしくはその合金を用いることが好ましい。表１に示すように、アルミニウムは、銅タングステン、窒化アルミニウムおよびアルミナなどと比較すると熱膨張係数が大きいが、例えば、５マイクロメートル以下の薄膜にすることにより、各部材に与える影響、例えば、熱歪み等を抑えることができる。

［第２実施形態］
図４は、第２実施形態に係る光モジュール３を模式的に示す平面図である。光モジュール３は、複数の半導体レーザ１０ａ〜１０ｄと、合波器２５０と、複数のレンズ３０ａ〜３０ｄと、を備える。半導体レーザ１０ａ〜１０ｄは、それぞれ波長の異なるレーザ光Ｌ_１〜Ｌ_４を出射する。レンズ３０ａ〜３０ｄは、レーザ光Ｌ_１〜Ｌ_４をそれぞれ合波器２５０の入射面２５０ａに集光する。ここで、「集光」とは、合波器２５０の入射面２５０ａにおいて、レーザ光Ｌ_１〜Ｌ_４のスポット径をそれぞれ最小にフォーカスすることに限らず、より広いスポット径にデフォーカスする場合も含む。

合波器２５０は、レーザ光Ｌ_１〜Ｌ_４を合波した出力光Ｌ_ＯＵＴを出射面２５０ｂから出射する。例えば、レーザ光Ｌ_１は、合波器２５０の内部を伝播し、出射面２５０ｂに設けられた出力部２５０ｃから出射される。レーザ光Ｌ_２〜Ｌ_４は、合波器２５０の内部で反射を繰り返し、最終的に出力部２５０ｃから出射される。

例えば、合波器２５０の入射面２５０ａには、レーザ光Ｌ_１〜Ｌ_４をそれぞれ通過させるバンドパスフィルタ（図示しない）が設けられる。合波器２５０の出力部２５０ｃには、レーザ光Ｌ_１〜Ｌ_４を透過させる無反射コートが施される。一方、合波器２５０の出射面２５０ｂの出力部２５０ｃ以外の部分には、レーザ光Ｌ_１〜Ｌ_４に対する反射コートが施される。

半導体レーザ１０ａ〜１０ｄ、レンズ３０ａ〜３０ｄおよび合波器２５０は、例えば、図示しない金属ケース２００に収容される。そして、合波器２５０の出力光Ｌ_ＯＵＴは、金属ケース２００に設けられた窓２００ａから出力され、レンズ２７０により光ファイバ２８０の入力端に集光される。そして、合波器２５０の出力光Ｌ_ＯＵＴのスポット径が小さいほど、合波器２５０と、光ファイバ２８０と、の間の光結合の精度を向上させることができる。

合波器２５０の出力光Ｌ_ＯＵＴのスポット径を小さくするためには、入射面２５０ａにおけるレーザ光Ｌ_１〜Ｌ_４の入射位置を精密に制御することが望ましい。すなわち、半導体レーザ１０ａ〜１０ｄと、合波器２５０と、の間の光結合の精度を向上させることが好ましい。

本実施形態では、半導体レーザ１０ａ〜１０ｄおよびレンズ３０ａ〜３０ｄは、ベース部材２４０の上に配置される。ベース部材２４０は、少なくともその上面２４０ａの露出した部分、および、レンズ３０ａ〜３０ｂのそれぞれを固定する接着層の直下の部分に紫外領域の光に対する反射膜を有する（図１参照）。これにより、半導体レーザ１０ａ〜１０ｄと、合波器２５０と、の間の光結合の精度を向上させることができる。

次に、図５を参照して、光モジュール３の製造方法を説明する。図５（ａ）〜図５（ｃ）は、第２実施形態に係る光モジュール２の製造過程を模式的に示す平面図である。

図５（ａ）に示すように、例えば、金属ケース２００の内部に、半導体レーザ１０ａ〜１０ｄを固着したベース部材２４０と、合波器２５０と、をマウントする。次に、ベース部材２４０のリセス部２４０ｄに紫外線硬化型の接着材を付着させ、その上にコレット６０に吸着されたレンズ３０ａを載置する。コレット６０は、紫外光Ｌ_ＵＶに対する反射膜６３を有する（図２（ｂ）参照）。続いて、半導体レーザ１０ａからレーザ光Ｌ_１を出射させ、合波器２５０の出力光Ｌ_ＯＵＴの強度が最大となる位置にレンズ３０ａを保持する。さらに、接着材に紫外光Ｌ_ＵＶを照射し、接着材を硬化させてレンズ３０ａを固定する（図２（ｃ）参照）。

次に、図５（ｂ）に示すように、半導体レーザ１０ａからレーザ光Ｌ_１を出射させ、合波器２５０の出力光Ｌ_ＯＵＴの強度が最大となる位置に、レンズ２７０および光ファイバ２８０を固定する。レンズ２７０および光ファイバ２８０は、例えば、ＹＡＧ溶接を用いて金属ケース２００に固定しても良い。また、合波器２５０からの出力光Ｌ_ＯＵＴに対して、光ファイバ２８０の出力端の光強度が最大となる位置にレンズ２７０および光ファイバ２８０を仮固定し、レンズ３０ａ〜３０ｄを固定した後に金属ケース２００にＹＡＧ溶接しても良い。

続いて、レンズ３０ｂ〜３０ｄを順に配置する。例えば、図５（ｃ）に示すように、半導体レーザ１０ｂから出射されるレーザ光Ｌ_２の強度が、光ファイバ２８０の出力端において最大となる位置にレンズ３０ｂを保持する。そして、紫外光Ｌ_ＵＶを照射して接着材を硬化させ、レンズ３０ｂを固定する。

以下、同様の手順で、レンズ３０ｃおよび３０ｄを固定する。これにより、合波器２５０の出力光Ｌ_ＯＵＴのスポット径を最小にすることができる。その結果、半導体レーザ１０ａ〜１０ｄと、光ファイバ２８０と、の間の合波器２５０を介した光結合の精度を向上させることが可能となる。

本実施形態においても、紫外領域の光に対する反射膜６３を有するコレット６０を用いることにより、レンズ３０ａ〜３０ｄをその最適位置に固定することが可能となり、半導体レーザ１０ａ〜１０ｄと、光ファイバ２８０と、の間の光結合の精度を向上させることができる。

以上、本発明に係る一実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、出願時の技術水準に基づいて、当業者がなし得る設計変更や、材料の変更等、本発明と技術的思想を同じとする実施態様も本発明の技術的範囲に含有される。

１、２、３・・・光モジュール、１０・・・半導体レーザ、１３・・・サブマウント、１５・・・レーザチップ、２０、１２０、２８０・・・光ファイバ、２０ａ、２５０ａ・・・入射面、２１、３０、２７０・・・レンズ、２３、４３、６３・・・反射膜、４０、１４０、２４０・・・ベース部材、４０ａ・・・上面、４０ｂ・・・側面、４０ｃ・・・底面、４０ｄ、２４０ｄ・・・リセス部、５０・・・接着層、５０ａ・・・接着材、６０、１６０・・・コレット、２００・・・金属ケース、２００ａ・・・窓、２５０・・・合波器、２５０ｂ・・・出射面、２５０ｃ・・・出力部、Ｌ_１〜Ｌ_４、Ｌ_Ｘ・・・レーザ光、Ｌ_ＯＵＴ・・・出力光、Ｌ_ＵＶ・・・紫外光、Ｒ_Ｘ・・・光路

Claims

光機能素子と、
前記光機能素子から出射、もしくは、前記光機能素子に入射される光の光路に配置されたレンズと、
前記光機能素子および前記レンズを保持するベース部材であって、前記光機能素子および前記レンズが配置された面のうちの露出した部分、および、前記レンズを固着した接着層の直下の部分に紫外領域の光に対する反射膜を有するベース部材と、
を備えた光モジュール。
前記反射膜は、アルミニウム膜もしくはアルミニウム合金膜である請求項２記載の光モジュール。
前記接着層は、前記紫外領域の光により硬化した成分を含む請求項１または２に記載の光モジュール。
前記光機能素子から出射する光の入射面、もしくは、前記光機能素子に入射する光の出射面を有し、前記入射面もしくは前記出射面以外の少なくとも一部の表面に前記紫外領域の光に対する反射膜を有する光学部材をさらに備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載の光モジュール。
光機能素子が固着されたベース部材上に、紫外光により硬化する成分を含む接着材を付着させ、
前記光機能素子から出射、もしくは、前記光機能素子に入射する光が通過する位置に、前記紫外光に対する反射膜を有する治具に保持されたレンズを前記接着材を介して配置し、
前記紫外光を照射することにより前記接着材を硬化させ、前記ベース部材上に前記レンズを固定する光モジュールの製造方法。