JP2022001919A - 光モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ付レセプタクルの最適位置への実装手段において、光パワーをモニタせずに部品の寸法公差と実装精度のみで組立て可能にする。【解決手段】光素子１０、光素子を搭載する光素子台座１１、ＴＯ−ＣＡＮステム１２、窓ガラス付きキャップ１３、レンズ付きレセプタクル１５から構成される光モジュールにおいて、レンズ付きレセプタクルにＴＯ−ＣＡＮステムが嵌合され、当該レンズ付きレセプタクルは、光素子とレンズ付きレセプタクルに実装される光ファイバとの所定の結合効率が得られるレンズを具備し、レンズ付きレセプタクルにＴＯ−ＣＡＮステムが無調心で嵌合し接着固定されることで、光素子からの光パワーを直接モニタせずに光素子の実装精度、ＴＯ−ＣＡＮステムとレンズ付レセプタクルの部品寸法公差のみでレンズ付きレセプタクルの最適実装位置を実現するように構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、光信号を送受信する光モジュール及びその製造方法に関するものである。

従来、光通信において使用される光モジュールには種々な形態のものが製品化されている。この種の光モジュールは、光送信モジュールと光受信モジュールの２つがある。この内、光送信モジュールは発光半導体素子（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）を備え、電気信号を光信号に変換し、光ファイバに伝達する機能を有する。一方、光受信モジュールは受光半導体素子（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）を備え、光ファイバからの光信号を電気信号に変換する機能を有する。

而して、この種の光モジュールは、公衆網を支える主に加入者系のシステムをはじめ、工場内のロボットの制御を行う通信システム等、種々な分野に使用されている。いずれのシステムも市場ニーズとして、低価格化が要求されている。このためシステムに使用される光モジュールに対しても、同じく低価格化が要求されている。

図３は、従来型の光モジュールとして、光送信モジュールの一例を示す。
光送信モジュールは、光を発光する光素子１００（ここではＬａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅの一種類である垂直共振器面発光レーザ：ＶＣＳＥＬ）、光素子１００を搭載する光素子台座１１０、光素子台座１１０を搭載するＴＯ−ＣＡＮステム１２０、光素子１００を保護するため、窒素（Ｎ２）雰囲気中に封入する窓ガラス付きキャップ１３０、ならびに、レンズ１５０ｂとスリーブ部１５０ａを一体にしたレンズ付きレセプタクル１５０から構成されている。

なお、上記レンズ付きレセプタクル１５０のレンズ１５０ｂには、レンズの曲率を特殊に加工した非球面レンズ等が採用され、光素子１００から発光された光が、スリーブ部１５０ａに挿入された光コネクタ１６０を介して、光ファイバ１７０に結合する構成となっている（図４参照）。

次に、上記した光送信モジュールの組み立て方法の一例を、図４を用いて詳細に説明する。
光送信モジュールを組み立てるには、光素子台座１１０をＴＯ−ＣＡＮステム１２０の光素子実装面１２０ａの中心付近に、銀ペースト等で固定し、さらにその光素子用台座１１０の上に、光素子１００を銀ペースト等で固定していた。その後、光素子１００を保護する目的で、光を透過する窓ガラス１３０ａが付いた窓ガラス付きキャップ１３０を、窒素（Ｎ２）雰囲気中で、光素子実装面１２０ａに固定していた。

最後に、レンズ付きレセプタクル１５０を窓ガラス付きキャップ１３０に固定する。しかしながら、この際、単に窓ガラス付きキャップ１３０にレンズ付きレセプタクル１５０を取り付けたのみでは、光素子１００からの光出力をコア径が５０〜２００μｍと小さい光ファイバに入れることができない。そのため、予めレンズ付きレセプタクル１５０のスリーブ部１５０ａに、光ファイバ１７０の付いた光コネクタ１６０を挿入する。

その後、光素子１００に所定の電流を加えることで、当該光素子１００を発光させる。こうして、窓ガラス付きキャップ１３０の窓ガラス１３０ａを通り発光された光が、効率良く光ファイバ１７０に入れるため、光ファイバ１７０から取り出した光出力をモニタしながら、レンズ付きレセプタクル１５０を、Ｘ、Ｙ、Ｚの３方向に動かし、光出力が最大となる位置に調心していた。その後、予め塗布していた紫外線硬化型樹脂、あるいは熱硬化型樹脂等の接着剤１４０を硬化させ、レンズ付きレセプタクル１５０を窓ガラス付きキャップ１３０に固定していた。

一方、光モジュールが光受信モジュールの場合には、光ファイバの光コネクタを介して受光した光により、受光半導体素子で変換された受光電流が最大となるように、レンズ付きレセプタクル１５０をＸ、Ｙ、Ｚの３方向に動かし、最適位置に調心していた。その後、光送信モジュールと同様に、接着剤１４０等で、レンズ付きレセプタクル１５０を窓ガラス付きキャップ１３０に固定していた。

以上のように、上記した従来例の光送信モジュール、光受信モジュールは、ともに発光半導体素子、あるいは受光半導体素子を動作させた状態で、光軸中心に合わせ込む調心作業及びシステムが必要不可欠であった。

以下、この種光モジュールの公知例を具体的に説明する。
例えば、特許文献１に開示されているように、棒状レンズと、該棒状レンズの先端部が一方の端部から挿入固定され、他方の端部から軸中心に光ファイバが固定されたプラグフェルールの先端部を挿入し、該プラグフェルールの先端面と上記棒状レンズの先端面を当接させる円筒状のスリーブと、貫通孔を有し、該貫通孔の内周面で棒状レンズの後端部を把持した筒状のレンズホルダとを含んでなり、上記棒状レンズの後端面を、上記プラグフェルールの先端部の光ファイバ先端面から光軸方向にずれた位置に集光点をもち、前記光ファイバの端面でのスポットサイズが前記光ファイバのコアよりも大きくなるように曲面加工したレンズ付き光レセプタクルが従来技術として存在する。

特許第４８８３９２７号公報

しかしながら、上記したように、従来の光モジュール及びその製造方法にあっては、従来のレンズ付きレセプタクルを実装する際に、光素子を発光させ、光ファイバからの光出力をモニタしながらレンズ付きレセプタクルを最適位置に調心する作業及びシステムが必要不可欠であるとともに、この工程に数分かかるため、生産コスト及び製品コスト増加の要因となっていた。

また、上記した特許文献１の場合、棒状レンズの後端面を、プラグフェルールの先端部の光ファイバ先端面から光軸方向にずれた位置に集光点をもち、光ファイバの端面でのスポットサイズが光ファイバのコアよりも大きくなるように曲面加工するので、棒状レンズの加工が煩雑となる。しかも、光素子のケース、レンズホルダ、スリーブケース等に対する光レセプタクルに対する具体的な構成に関しては何ら開示されていないという問題があった。

本発明の目的は、光モジュールの低価格化を実現するために、コスト増の主因となっている調心工程を削除し、レンズ付きレセプタクルを、組み合わせる部品の寸法、ならびに実装精度のみで管理し、調心工程及びシステムなしに光モジュールを組み立てられるよう提案するものである。

本発明では、光素子、光素子を搭載する光素子台座、ＴＯ−ＣＡＮステム、窓ガラス付きキャップ、レンズ付きレセプタクルから構成される光モジュールにおいて、ＴＯ−ＣＡＮステムの中心に所定の位置精度で光素子を実装することにより、ＴＯ−ＣＡＮステムにレンズ付きレセプタクルが嵌合されることを特徴とする。

レンズ付きレセプタクルは、光素子とレンズ付きレセプタクルに実装される光ファイバとの所定の結合効率が得られるレンズを具備し、ＴＯ−ＣＡＮステムに、レンズ付きレセプタクルが無調心で嵌合して接着固定されることを特徴とする。

前記載のレンズは、光ファイバとの結合効率が３０％以上であることを特徴とする。

光素子は、ＴＯ−ＣＡＮステムの側壁寸法を基準とし、光軸中心に対して、＋／−３０μｍ以下となる位置に当該光素子をＴＯ−ＣＡＮステムの光素子実装面に実装し、また、レンズ付きレセプタクルの内壁と、ＴＯ−ＣＡＮステムのステム側壁の寸法公差の合計を＋／−５０μｍ以下とすることを特徴とする。

レンズ付きレセプタクルに実装される光コネクタの中心に位置する光ファイバは、Φ２００μｍのコア径を有するハードプラスチッククラッドファイバもしくはΦ９８０μｍのコア径を有するプラスチック光ファイバであることを特徴とする。

光素子、光素子を搭載する光素子台座、ＴＯ−ＣＡＮステム、窓ガラス付きキャップ、レンズ付きレセプタクルから構成される光モジュールの製造方法であって、光素子台座をＴＯ−ＣＡＮステムの光素子実装面の中心付近に実装するステップと、光素子を実装したＴＯ−ＣＡＮステムのステム側壁を画像カメラで認識し、光素子実装面の中心を求めて、中心から所定の位置以下となる位置に光素子を光素子実装面に実装するステップと、窓ガラス付きキャップをＴＯ−ＣＡＮステムの光素子実装面に実装するステップと、予め所定の寸法公差精度で作製したレンズ付きレセプタクルの内壁と、ＴＯ−ＣＡＮステムの側壁とを嵌合させ、紫外線硬化型樹脂、あるいは熱硬化型樹脂の接着剤で、硬化、固定させるステップと、を有することを特徴とする。

前記載の光素子の実装精度を、ＴＯ−ＣＡＮステムの中心から＋／−３０μｍ以下とすることを特徴とする。

前記載のレンズ付きレセプタクル内壁と、ＴＯ−ＣＡＮステムの側壁との寸法公差が、＋／−５０μｍ以下であることを特徴とする。

本発明の光モジュール及びその製造方法によれば、予め所定の寸法公差で作製したＴＯ−ＣＡＮステムとレンズ付きキャップを使用し、ＴＯ−ＣＡＮステムの中心に所定の位置精度で光素子を実装することにより、レンズ付きレセプタクルをＴＯ−ＣＡＮステムに嵌め込むのみで、所定の光出力を有する光モジュールを実現することができる。
よって、本発明の適用により、従来、必須であった調心工程及びシステムが不要となり、低価格の光送信モジュールを提供することができるものである。

本発明の一実施形態における光モジュールを示す図である。 本発明の光モジュールの組み立て手順（製造方法）を説明する図である。 従来の光モジュールの示す図面である。 従来の光モジュールの組み立て手順（製造方法）を説明する図面である。 光素子と光ファイバとのずれによる結合効率を示す図面である。

本発明に係る光モジュールの構成を、光送信モジュールを例にして、図１及び図２に示す。
すなわち、図１及び図２に示すように、本発明は、光素子（垂直共振器面発光レーザ：ＶＣＳＥＬ）１０、光素子１０を実装する台座１１、光素子台座１１を実装するＴＯ−ＣＡＮステム１２、光素子１０を保護する窓ガラス付きキャップ１３、ならびに非球面レンズ部１５ｂと、中心部に光ファイバ１７を備えた光コネクタ１６を挿入するスリーブ部１５ａとを一体にしたレンズ付きレセプタクル１５から構成されている。ここで、レンズ付きレセプタクル１５の内壁１５ｃは、ＴＯ−ＣＡＮステム１２の側壁１２ｂに嵌合し、接着剤１４にて窓ガラス付きキャップ１３に固定される。

ところで、上記したレンズ付きレセプタクル１５とＴＯ−ＣＡＮステム１２の嵌合により、所定の光出力を発出する光送信モジュールを実現するためには、ＴＯ−ＣＡＮステム１２に搭載する光素子１０の搭載精度とレンズ付きレセプタクル１５の寸法精度が重要になる。

そこで、上記光素子の搭載精度とレンズ付きレセプタクル１５の寸法精度として必要な精度を出すために行った光素子１０と光コネクタ１６の光ファイバ１７間の軸ずれと結合効率を評価した一例を図５に示す。
本例では、光素子１０と、レンズ付きレセプタクル１５のスリーブ部１５ａに挿入したコア径Φ２００μｍの光ファイバ１７を中心に有する光コネクタ１６を用いて測定した。

図５に示す通り、横軸には、光素子１０と光コネクタ１６の中心に位置するコア径Φ２００μｍのファイバ１７とのＸ、Ｙ方向の位置ずれ量（μｍ）を示し、縦軸には、光素子１０から発光された光のうち、どれくらいの割合が上記コア径Φ２００μｍの光ファイバ１７に入るかを示している。これを一般に結合効率と呼ぶ。

ここで、光素子１０と、上記光ファイバ１７との位置ずれが大きくなるほど、当該光ファイバ１７に結合する光パワーが小さくなることが判る。例えば、コア径Φ２００μｍの光ファイバ１７に、光素子１０の光出力の３０％以上取り込む場合には、光素子１０と光ファイバ１７との位置ずれ量を＋／−８０μｍ以下に抑える必要がある。この結果から構成部品の寸法管理を実施し、光素子１０と光ファイバ１７との実装ずれを＋／−８０μｍ以下に抑えることができれば、従来必須であった調心工程及びシステムを削除して光モジュールを容易且つ迅速に組み立てることができる。

因みに、本実施例では、上記光素子１０と光ファイバ１７との実装ずれを＋／−８０μｍ以下に抑えるために、光素子１０のＴＯ−ＣＡＮステム１２の光素子実装面の中心からのずれ量を＋／−３０μｍ以下とした。また、レンズ付きレセプタクル１５の内壁１５ｃと、ＴＯ−ＣＡＮステム１２のステム側壁１２ｂの寸法公差の合計を＋／−５０μｍ以下とした。

次に、本実施形態の光モジュールの組み立て手順（製造方法）を図２に基づいて詳細に説明する。
光素子台座１１をＴＯ−ＣＡＮステム１２の光素子実装面１２ａの中心付近に、銀ペースト等で実装する。次に、光素子（垂直共振器面発光レーザ：ＶＣＳＥＬ）１０を、ＴＯ−ＣＡＮステム１２のステム側壁１２ｂを画像カメラ等で認識し、光素子実装面１２ａの中心を求めて、中心から＋／−３０μｍ以下となる位置に光素子１を光素子実装面１２ａに実装する。

ついで、光素子１０を保護する目的で、窓ガラス付きキャップ１３をＴＯ−ＣＡＮステム１２の光素子実装面１２ａに実装する。最後に、予め合計＋／−５０μｍ以下の寸法公差精度で作製したレンズ付きレセプタクル１５の内壁１５ｃと、ＴＯ−ＣＡＮステム１２の側壁１２ｂとを嵌合させ、紫外線硬化型樹脂、あるいは熱硬化型樹脂等の接着剤１４で、硬化、固定させる。

本実施形態では、適用する光ファイバ１７がΦ２００μｍのコア径を有するハードプラスチッククラッドファイバの場合を例にとり、その許容実装トレランスからズレ量の最大値を＋／−８０μｍとしたが、これに限るものではなく、例えばΦ９８０μｍのコア径を有するプラスチック光ファイバ等であっても良い。適用する光ファイバ１７のコア径や、使用する光パワーなどにより、必要となるトレランスは異なるため、これにあわせて、光素子１０の実装精度ならびに、ＴＯ−ＣＡＮステム１２とレンズ付きレセプタクル１５の寸法精度を決めることとなる。

一方、光受信モジュールの場合も同様に、光ファイバと受光半導体素子とのトレランスを事前に把握し、その許容トレランス以下となるように、受光半導体素子の実装精度と、部品の寸法公差精度を決めればよい。

１０ 光素子（ＶＣＳＥＬ）
１１ 光素子台座
１２ ＴＯ−ＣＡＮステム
１２ａ 光素子実装面
１２ｂ ステム側壁
１３ 窓ガラス付キャップ
１３ａ 窓ガラス
１４ 接着剤
１５ レンズ付レセプタクル
１５ａ スリーブ部
１５ｂ レンズ部
１５ｃ レンズ付きレセプタクル内壁
１６ 光コネクタ
１７ 光ファイバ
１００ 光素子（ＶＣＳＥＬ）
１１０ 光素子台座
１２０ ＴＯ−ＣＡＮステム
１２０ａ 光素子実装面
１３０ 窓ガラス付キャップ
１３０ａ 窓ガラス
１４０ 接着剤
１５０ レンズ付レセプタクル
１５０ａ スリーブ部
１５０ｂ レンズ部
１６０ 光コネクタ
１７０ 光ファイバ

Claims (8)

1. 光素子、光素子を搭載する光素子台座、ＴＯ−ＣＡＮステム、窓ガラス付きキャップ、レンズ付きレセプタクルから構成される光モジュールにおいて、ＴＯ−ＣＡＮステムの中心に所定の位置精度で光素子を実装することにより、ＴＯ−ＣＡＮステムにレンズ付きレセプタクルが嵌合されることを特徴とする光モジュール。
2. レンズ付きレセプタクルは、光素子とレンズ付きレセプタクルに実装される光ファイバとの所定の結合効率が得られるレンズを具備し、ＴＯ−ＣＡＮステムに、レンズ付きレセプタクルが無調心で嵌合して接着固定されることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記載のレンズは、光ファイバとの結合効率が３０％以上であることを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
4. 光素子は、ＴＯ−ＣＡＮステムの側壁寸法を基準とし、光軸中心に対して、＋／−３０μｍ以下となる位置に当該光素子をＴＯ−ＣＡＮステムの光素子実装面に実装し、また、レンズ付きレセプタクルの内壁と、ＴＯ−ＣＡＮステムのステム側壁の寸法公差の合計を＋／−５０μｍ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
5. レンズ付きレセプタクルに実装される光コネクタの中心に位置する光ファイバは、Φ２００μｍのコア径を有するハードプラスチッククラッドファイバもしくはΦ９８０μｍのコア径を有するプラスチック光ファイバであることを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。
6. 光素子、光素子を搭載する光素子台座、ＴＯ−ＣＡＮステム、窓ガラス付きキャップ、レンズ付きレセプタクルから構成される光モジュールの製造方法であって、光素子台座をＴＯ−ＣＡＮステムの光素子実装面の中心付近に実装するステップと、光素子を実装したＴＯ−ＣＡＮステムのステム側壁を画像カメラで認識し、光素子実装面の中心を求めて、中心から所定の位置以下となる位置に光素子を光素子実装面に実装するステップと、窓ガラス付きキャップをＴＯ−ＣＡＮステムの光素子実装面に実装するステップと、予め所定の寸法公差精度で作製したレンズ付きレセプタクルの内壁と、ＴＯ−ＣＡＮステムの側壁とを嵌合させ、紫外線硬化型樹脂、あるいは熱硬化型樹脂の接着剤で、硬化、固定させるステップと、を有することを特徴とする光モジュールの製造方法。
7. 前記載の光素子の実装精度を、ＴＯ−ＣＡＮステムの中心から＋／−３０μｍ以下とすることを特徴とする請求項６に記載の光モジュールの製造方法。
8. 前記載のレンズ付きレセプタクル内壁と、ＴＯ−ＣＡＮステムの側壁との寸法公差が、＋／−５０μｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の光モジュールの製造方法。

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