JP3187705B2

JP3187705B2 - 光モジュールの製造方法

Info

Publication number: JP3187705B2
Application number: JP04833696A
Authority: JP
Inventors: 秀樹橋爪
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1996-02-09
Publication date: 2001-07-11
Anticipated expiration: 2016-02-09
Also published as: JPH09218326A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、球レンズを組み込
んだ光モジュールの製造方法に関し、更に詳しく述べる
と、ホルダの内部に球レンズを装着した後、該球レンズ
のホルダ開口部を臨む面に光学的フィルタ膜を形成し、
その後、ホルダと光半導体素子とを結合する光モジュー
ルの製造方法に関するものである。この光モジュール
は、例えば光ＬＡＮ等における発光装置や受光装置、あ
るいはバーコード読取り装置等における光源などとして
有用である。

【０００２】

【従来の技術】光モジュールは各種の光半導体素子を組
み込んだ光部品であって、光コネクタや光コリメータな
どがあり、様々な分野で使用されている。例えば光通信
の分野で用いられている光コネクタは、半導体発光素子
又は半導体受光素子と光ファイバを光学的に結合する光
モジュールである。光ＬＡＮなどでデータ通信を行うコ
ンピュータシステムでは、半導体発光素子のモジュール
と半導体受光素子のモジュールが回路基板上に対で設置
されている。具体的には、光半導体素子（例えばレーザ
ダイオード等の半導体発光素子あるいはフォトダイオー
ド等の半導体受光素子）とレンズ、及び接続相手の光プ
ラグのフェルールを嵌合保持するレセプタクルコア等を
具備し、光プラグ接続時に光半導体素子とフェルールの
光ファイバとがレンズを介して光学的に結合する構造と
なっている。その他、バーコード読取り装置の光源であ
る光コリメータは、レーザダイオードからの出射光をレ
ンズによって集光し、所定の距離だけ離れた位置で規定
のビームサイズが得られるようにする機能を有する。

【０００３】光モジュールに用いるレンズとしては、球
レンズとロッドレンズが一般的である。勿論、それ以外
の種々の形状のレンズを使用することもある。しかし、
それらの中で球レンズは、機械加工のみによって高精度
の製品を容易に製造できるため安価であり、またレンズ
に方向性が全く無いためにレンズ実装の際の方位調整が
不要であり組み立て易いという利点もあり、多用されて
いる。

【０００４】ところで、光モジュールに組み込むレンズ
には、光モジュールの用途あるいは光モジュールに要求
される特性などのために、レンズ表面に各種の光学的フ
ィルタ膜を形成する場合がある。例えば、光透過率調整
用のＮＤ（ニュートラルデンシティ）フィルタ膜、ある
いは無反射コート膜等である。それらは、通常、真空蒸
着法等の物理的気相成長法によって形成している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】球レンズの表面に各種
の光学的フィルタ膜を形成するには、治具など何らかの
レンズ保持手段によって球レンズを保持しなければなら
ない。具体的には、治具に多数の球レンズを整列固定
し、それを真空蒸着用の成膜室内に設置して成膜処理を
行う。そのため、球レンズの表面の一部（治具による掴
み代の部分）には、当然のことながら全く成膜されな
い。この結果、球レンズであるにもかかわらず光学的フ
ィルタ膜の有無のために方向性が生じてしまう。従っ
て、ホルダの内部に球レンズを実装する際には、光軸上
及びその近傍に光学的フィルタ膜が現れるように、まず
方位調整を行い、その上で固定しなければならないこと
になる。しかし、球面体上の薄膜の分布を見きわめてホ
ルダ内部に取り付ける作業は、極めて煩瑣であり組立作
業能率が悪い。つまり、本来、方向性が無いはずの球レ
ンズに、成膜のために必然的に方向性が生じてしまい、
それがレンズ実装作業の大きな障害となっていたのであ
る。

【０００６】そこで、球レンズを円柱状に研削し、残っ
ている球面状部分に光学的フィルタ膜を形成したり、あ
るいは球レンズの表面に光学的フィルタ膜を形成した
後、治具による掴み代の部分を含めて研削することで、
ほぼ円柱状で両端面に球面が残り、その球面に光学的フ
ィルタ膜が形成されている構造とし、円柱面を利用して
ホルダ内部に落とし込むことも考えられる。この方法で
は、形状的な効果によって方位調整は容易になるもの
の、１個１個研削加工を行わねばならないために、それ
だけレンズは高価となってしまう。

【０００７】本発明の目的は、上記のような従来技術の
欠点を解消し、球レンズの表面に光学的フィルタ膜を形
成するにもかかわらず、レンズを実装する際の方位調整
が不要で組立工程を簡素化でき、容易に且つ安価に製造
できるような光モジュールの製造方法を提供することで
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、球レンズを用
い、該球レンズを内蔵したホルダと光半導体素子とを結
合して光モジュールを製造する方法である。ここでホル
ダの構造は、光半導体素子のパッケージのキャップ部分
を収容する空洞部を有し、その奥まった位置に球レンズ
が固着される筒状の部材である。本発明の特徴は、ホル
ダの内部に球レンズを固定した後、該球レンズのホルダ
開口部を臨む面に物理的気相成長法により光学的フィル
タ膜を形成する点にある。そのため前記ホルダの形状
は、その開口部の直径ａと開口部から球レンズまでの深
さｂとの比ａ／ｂを１以上とする。形成する光学的フィ
ルタ膜としては、光学的な吸収のある金属を真空蒸着し
た光透過率調整用のＮＤ（ニュートラルデンシティ）フ
ィルタ膜がある。あるいは無反射コート膜等でもよい。

【０００９】

【発明の実施の形態】球レンズは、表面に光学的フィル
タ膜を形成していない状態で（球レンズのみの状態
で）、ホルダに装着する。従って、この状態では、球レ
ンズは方向性を全くもたず、方位調整無しに簡単に実装
できる。このようにして球レンズを内蔵した多数のホル
ダを成膜室の内部に並べて蒸着を行うことで、球レンズ
表面の機能上必要な部分（即ち光軸と交差する点の近傍
部分）に所望の光学的フィルタ膜を形成できる。その
際、球レンズのホルダ開口部を臨む面の中心部に対して
周辺部の方が膜厚が薄くなるが、光学設定値を中心部に
対して設定することで必要十分な特性を得ることができ
る。つまり球レンズの場合、光軸周り３０％程度の範囲
内しか結合に寄与しないので、本発明の製造方法により
形成した膜でも機能的には何ら問題は生じない。ホルダ
の形状を、開口部が広く且つ浅い構造にすれば、球レン
ズの表面に蒸着材料を十分に供給できるため、効率良く
且つ良好な薄膜を形成できる。

【００１０】

【実施例】図１及び図２は本発明に係る光モジュールの
製造方法の一実施例を示す工程説明図である。図１はレ
ンズ内蔵ホルダの完成までの製造工程を、図２は完成し
たレンズ内蔵ホルダと光半導体素子の結合工程を示して
いる。

【００１１】まず図１のＡに示すように、ホルダ１０の
内部に球レンズ１２を実装する。ホルダ１０は、例えば
ステンレス鋼等からなるほぼ筒状の部材であり、内壁に
球レンズ１２を取り付けるための第１の段部１０ａ、及
び光半導体素子（図示せず）を取り付けるための第２の
段部１０ｂを有する構造である。ホルダ１０の内部に球
レンズ１２を落とし込むと、レンズ径がホルダ先端部の
円形貫通孔１０ｃの直径よりも大きいために、該球レン
ズ１２は第１の段部１０ａのエッジで支えられる。これ
によって自動的に球レンズ１２の中心と貫通孔１０ｃの
中心軸は一致するようになる。次にリング状に成形した
低融点ガラス（例えば融点が３６５℃程度）１４を、第
１の段部１０ａの上の球レンズ１２とホルダ１０の間に
落とし込む。なおこの順序は、逆に、まずリング状に成
形した低融点ガラス１４を装填した後、球レンズ１２を
落とし込むようにしてもよい。これを加熱炉に入れ４０
０℃前後の温度で熱処理を行う。これによって低融点ガ
ラス１４は溶融し、図１のＢに示すように、球レンズ１
２をホルダ１０にガラス溶着できる。

【００１２】なお、この実施例では低融点ガラスによっ
て球レンズとホルダを固着しているが、接着剤を用いて
固着してもよいし、リング状の弾性部材を嵌め込む等の
機械的な方法による固定でもよい。

【００１３】このようにホルダ内部に球レンズを固着し
た後、図１のＣに示すように、真空蒸着法により球レン
ズ１２のホルダ開口部を臨む面に光学的フィルタ膜１６
を形成する。具体的には、坩堝２０内に成膜に必要な蒸
着材料２２を入れ、電子ビーム法あるいは抵抗加熱法等
により加熱して蒸着材料を蒸発させて球レンズ１２の表
面に付着させる。これによって球レンズ１２のホルダ開
口部を臨む面の中心部分近傍に光学的フィルタ膜１６が
形成される（図１のＤ参照）。勿論、マスキング等の処
置を施さないかぎり同時にホルダ内壁面にも膜が形成さ
れるが、極く薄いものであるので、特に支障は生じな
い。球レンズ１２の表面に効率良く成膜するには、ホル
ダ開口部の直径ａと開口部から球レンズまでの深さｂと
の比ａ／ｂを１以上とするのが良い。

【００１４】ここで形成する光学的フィルタ膜は、例え
ば光透過率調整用のＮＤフィルタ膜や無反射コート膜等
である。光透過率調整用のＮＤフィルタ膜は、レーザ製
品の安全基準を満たすために出射光量とスロープ効率の
調整に用いられている。成膜材料は、光学的な吸収のあ
る金属、例えばクロム、チタン、アルミニウム、銀、あ
るいはＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金などであり、光を減衰する
機能を果たす。レーザダイオードからの出射光は、しき
い値電流以上の電流を加えると電流に比例して増加す
る。この傾きをスロープ効率と言う。光透過率を低下さ
せることで、その傾きを緩くすることができる。例え
ば、波長７８０nmの光について金属クロムのフィルタ膜
（膜厚５００Å程度）を設けると、光透過率は約４５％
程度となり、スロープ効率は半分程度となる。このよう
にして、ＮＤフィルタ膜によってレーザダイオードから
の出射光量を見掛け上調整することができる。また無反
射コート膜の場合には誘電体多層膜を形成する。例えば
ＴｉＯ₂とＳｉＯ₂を交互に多層に形成することで無反
射特性が得られる。

【００１５】次に図２に示すように、球レンズ１２を内
蔵したホルダ１０と光半導体素子１８とを結合する。球
レンズ１２の表面には図１に示す手順によって光学的フ
ィルタ膜１６が形成されている。光半導体素子１８のパ
ッケージのベース部分１８ａをホルダ１０の第２の段部
１０ｂに押し当てるように嵌合させることで位置決めを
行い、接着剤あるいはＹＡＧレーザ溶接等によって固定
する。光半導体素子１８の実装位置はホルダ１０の加工
寸法で決定するものとし、光軸方向の調芯は行っていな
い。このようにして、図２のＢに示すような光モジュー
ルが得られる。しかし、必要に応じて光軸方向の調芯が
行える結合構造としてもよい。

【００１６】光半導体素子としてレーザダイオードを組
み込んだ場合、図２のＢのような光半導体素子とレンズ
の組み合わせでバーコード読取り装置用光源となる光コ
リメータが得られる。

【００１７】その他、光コネクタを構成する場合の例を
図３に示す。これは、図２のＢに示すような光モジュー
ルに加えて、接続相手の光プラグのフェルール（図示せ
ず）が嵌入するレセプタクルコア３０を有する。ここで
レセプタクルコア３０は、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ
３０４）製の筒状の一体成形品であり、その少なくとも
ボア内周面に、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）によりＴ
ｉＣ等の高硬度膜３１を形成したものである。なお、こ
のレセプタクルコア３０のボアの基端側にはフェルール
ストッパ３２が装着されている。勿論、レセプタクルコ
ア内にセラミックスリーブを嵌合した構造でもよい。こ
のようなレセプコクルコア３０をホルダ１０に対して調
芯状態においてＹＡＧ溶接する（溶接箇所を符号Ｗで示
す）。即ち、レセプタクルコア３０に光プラグのフェル
ールを嵌入して光ファイバからの出射光量、あるいは半
導体受光素子での検出光量をモニターし、合わせ面方向
の精密調芯を行い、ピーク結合位置でＹＡＧレーザビー
ムを照射してスポット溶接する。そして、その外周側に
プラスチック製のコネクタハウジング３４を装着する。
このような光コネクタを使用する際は、相手方の光フェ
ルールがレセプタクルコア３０のボア内に嵌入すると共
に、光プラグのプラグフレームがコネクタハウジング３
４と嵌合して機械的に結合する。この状態で、光半導体
素子とフェルールの光ファイバとの光学的な軸合わせと
結合が同時に達成される。

【００１８】光半導体素子としてレーザダイオードのよ
うな半導体発光素子を組み込むことで、レーザダイオー
ドからの出射光が球レンズで集光されてフェルールの光
ファイバに入射するような光ＬＡＮ用の発光装置が構成
できる。また半導体発光素子の代わりにフォトダイオー
ドのような半導体受光素子を組み込めば、光ＬＡＮ用の
受光装置が構成できる。

【００１９】次に、本発明による光学的フィルタ膜の形
成方法について、更に詳しく説明する。まず球レンズ
（光学的フィルタ膜を形成していないもの）をホルダ内
部に固着した試料４０（図１のＢに示す状態）を多数個
用意する。これらを、球レンズのホルダ開口部を臨む面
が下向きとなるように治具４２などにより整列固定し、
真空蒸着用の成膜室４４の内部に設置する。そして、下
方に坩堝４６を設け、該坩堝４６内に必要とする蒸着材
料４８（例えばクロムやチタンなど）を入れる。そして
真空ポンプ（図示せず）で必要な高真空状態まで排気
し、電子ビーム（ＥＢ）法や抵抗加熱法等によって加熱
する。高真空中で薄膜材料を加熱蒸発させることによ
り、この蒸発粒子が球レンズの表面に沈着して薄膜が形
成される。薄膜材料の選択及び膜厚の制御によって、所
望の特性を呈する光学的フィルタ膜が得られる。光学的
フィルタ膜は、球レンズの中央部分（即ち球レンズ表面
と光軸とが交差する部分の近傍）に形成されていれば、
十分に光学的特性を発現させることができるため、球レ
ンズ表面の成膜面積が小さくても光モジュールの特性と
しては何ら支障は生じない。成膜する材料によっては、
真空蒸着法の他、スパッタ法などを用いてもよい。

【００２０】

【発明の効果】本発明は上記のようにホルダ内部に球レ
ンズを固着した後、該球レンズのホルダ開口部を臨む面
に物理的気相成長法によって光学的フィルタ膜を形成す
るように構成したから、球レンズをホルダに実装する際
には球レンズに光学的フィルタ膜が形成されておらず、
そのため方位調整が不要となる。つまり、本来方向性を
持たないという球レンズの特徴を生かして、簡便に球レ
ンズを実装することが可能である。また球レンズは既に
ホルダの内部に固定されているため、光学的フィルタ膜
を形成する際の保持・固定が容易になるし、成膜後に取
り扱い等の不注意による損傷の発生等も防止できる。勿
論、球レンズを後加工する必要もないために、コストア
ップの要因は全く無く、極めて安価に光モジュールを製
造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光モジュールの製造工程の一例を
示す説明図。

【図２】そのホルダと光半導体素子との結合構造を示す
説明図。

【図３】本発明により製造した光モジュールの他の使用
例を示す説明図。

【図４】ホルダに固着した球レンズに光学的フィルタ膜
を形成する工程の説明図。

【符号の説明】

１０ホルダ１２球レンズ１４低融点ガラス１６光学的フィルタ膜１８光半導体素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 G02B 1/10 G02B 5/00 G02B 6/00 - 6/54

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】球レンズを用い、該球レンズを内蔵した
ホルダと光半導体素子を、球レンズと光半導体素子とが
同軸上に位置するように結合して光モジュールを製造す
る方法において、前記ホルダは、光半導体素子のパッケージのキャップ部
分を収容する空洞部を有し、その奥まった位置に球レン
ズが固着される構造の筒状の部材であって、ホルダ開口
部の直径ａと開口部から球レンズまでの深さｂとの比ａ
／ｂが１以上に設定されており、ホルダ内部に球レンズ
を固着した後、該球レンズのホルダ開口部を臨む面に物
理的気相成長法により光学的フィルタ膜を形成すること
を特徴とする光モジュールの製造方法。
【請求項２】形成する光学的フィルタ膜が、光学的な
吸収のある金属を真空蒸着した光透過率調整用のＮＤフ
ィルタ膜である請求項１記載の光モジュールの製造方
法。
【請求項３】蒸着する光学的な吸収のある金属が、ク
ロム、チタン、アルミニウム、銀、又はＮｉ−Ｃｒ−Ｆ
ｅ合金である請求項２記載の光モジュールの製造方法。