JP3203256B2 - 光モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、光モジュールおよびその製造方法に関し、
更に詳しく述べると、接続相手の光プラグのフェルール
が嵌入するレセプタクル部分を金属製の筒状の一体成形
品とし、その少なくともボア内周面にTiCからなる2800
〜3500Hv（ビッカース硬度）の高硬度膜を形成した光モ
ジュールおよびその製造方法に関するものである。この
技術は、例えば光Ｌ−ANなどにおける発光装置あるいは
受光装置に有用である。

背景技術 光モジュールは、半導体発光素子または半導体受光素
子と光ファイバとを光学的に結合する光部品であり、光
通信等の分野において使用されている。例えば、データ
コミュニケーション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発光素子のモジュ
ールがボード上に対で設置されている。このような光モ
ジュールは、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、光半導体素子を保持するホルダと、接続
相手の光プラグのフェルールを嵌合保持しホルダに固定
されるレセプタクルコアとを具備し、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光学的に結
合する構造となっている。

光プラグのフェルールは、その中心軸に沿って光ファ
イバの端部を保持する部材であり、ステンレス鋼製の場
合もあるが、耐久性と信頼性の観点からジルコニア等の
セラミック製のものが多く用いられている。他方、レセ
プタクルコアは、光プラグ接続時にその内部にフェルー
ルが嵌入したり、嵌合しているフェルールが引き抜かれ
たりする部材であり且つ光モジュールはボード上などに
設置される部品であるので、着脱の信頼性と耐久性を確
保するために、より一層すぐれた耐磨耗性が要求され
る。そこで従来技術では、筒状のコアハウジングの内周
側にジルコニア等のセラミックスリーブを圧入あるいは
接着により装着する構造が多く採用されている。

光モジュールのレセプタクルコアにジルコニア等のセ
ラミックスリーブを使用した場合には、硬度が比較的高
く耐磨耗性に選れているが、セラミック部品を精密な形
状に加工しなければならず、またそれをコアハウジング
内に圧入しなければならないために極めて高価なものと
なる。他方、安価に製造するために、りん青銅製の割ス
リーブをコアハウジングに嵌め込むものもあるが、金属
スリーブはセラミックスリーブに比べて耐磨耗性が悪
く、セラミック製のフェルールに対しては磨耗し易く信
頼性並びに耐久性に欠け、多回数の着脱を繰り返すこと
で光半導体素子と光ファイバとの結合光量が変化する問
題が生じる。

このような問題を解決する技術として、レセプタクル
コアのフェルール接触面（ボア内周面）を、フェルール
との間の動摩擦係数が0.7未満となるような低摩擦係数
の材料で被覆する光コネクタレセプタクルが提案されて
いる（特開平３−107807号公報）。ここで低摩擦係数の
被覆材料としては、TiN、ジルコニア、アルミナ、ポリ
テトラフルオロエチレン、フッ素樹脂、MoS₂とで構成さ
れる群から選択された材料、またはそれらを含む複合材
料が例示されている。この技術は、フェルール接触面の
摩擦係数を小さくすることによって、フェルールの挿入
を容易とし、結果的に摩耗を少なくするという考え方に
基づいている。従って、例示されている材料には、かな
り硬度の低いものが含まれている。

ところが、たとえば低摩擦係数であっても、フッ素樹
脂やMoS₂のように硬度が低い場合には、相対的に硬度の
高いフェルールの挿入によってボア内面が削られること
が起こりうる。また、TiNの硬度は比較的高いが、Ｔ摩
擦係数であって且つ高硬度であるという条件では、TiC
に比べて劣っている。因みに、焼結バルク材では、TiN
のビッカース硬度は1900〜2800Hv、摩擦係数は0.49μで
あり、同じくTiCのビッカース硬度は3000〜4000Hv、摩
擦係数は0.25μである。

前述のように、レセプタクル側は機器に固定されて取
り外しが困難なのに対して、フェルールは光ファイバに
接続されていて着脱可能なため交換容易である。勿論、
レセプタクル側もフェルール側も、ともに磨耗が少ない
方がよいが、システム全体としてのメンテナンスを考慮
すると、レセプタクル側をフェルール側よりも硬くする
方が好ましい。その点で、上記のようにレセプタクルの
ボア内周面を硬度の低い皮膜で覆うことは好ましくな
い。

レセプタクル側に要求される条件は、単に摩耗され難
いという点の他に、ボア内周面の製作精度が高いという
こともある。特に皮膜を形成する場合には、膜厚の制御
が容易で且つ広い範囲にわたって均一な膜厚が得られる
ような材料および成膜方法の選定が重要である。膜厚の
ばらつきや、むらなどによる内径寸法の変化は光伝送効
率を大きく変動させる結果を招来するからである。

発明の開示 本発明の目的は、上記のような従来技術の欠点を解消
し、構造が単純で耐磨耗性に優れ、且つ安価に高精度で
製作できる構造の光モジュールを提供することにある。

本発明の他の目的は、上記構造の光モジュールの製造
方法を提供することにある。

本発明は、光半導体素子と、この光半導体素子を保持
するホルダと、接続相手の光プラグのフェルールを嵌合
保持し前記ホルダに固定されるレセプタクルコアとを具
備し、光プラグ接続時に前記光半導体素子とフェルール
の光ファイバとが光学的に結合する光モジュールであ
る。ここでレセプタクルコアは、金属製の筒状の一体成
形品であり、その少なくともボア内周面にTiCからなる
高硬度膜を形成し、ボアの基端側にフェルールストッパ
を装着した構造とする。この構造はホルダとレセプタク
ルコアとを別体として結合する形式であるが、それらが
一体に成形されている構造でもよい。TiCからなる高硬
度膜は、CVD法（化学的気相成膜法）による膜とし、そ
の膜厚は１〜10μｍ程度とするのがよい。一般的に、同
じ材料であっても、膜材の方が焼結バルク材よりも硬度
はやや低くなる傾向がある。それでもTiCからなるCVD膜
は、ビッカース硬度で2800〜3500Hvが得られる。

このような光モジュールに用いるレセプタクルコアを
製造するには、耐熱ステンレス鋼の母材を切削加工もし
くは射出成形した一体成形品を用い、その少なくともボ
ア内周面にCVD法によりTiCからなる高硬度膜を１〜10μ
ｍの厚さに形成し、成膜後、内周面研磨を行うことな
く、ボアの基端側にフェルールストッパを圧入すること
によって製造することができる。

レセプタクルコアが金属製であっても、そのボア内周
面に2800〜3500Hvの高硬度膜を形成しておけば、光プラ
グを脱着する際にフェルールが摺動しても殆ど磨耗は生
じない。そのため、多数回にわたって光プラグの着脱を
繰り返しても、光半導体素子と光ファイバとの結合光量
の低下は極めて少なく、ジルコニア製のセラミックスリ
ーブを使用した場合と同等以上の耐久性を発現させるこ
とができる。高硬度膜の形成にCVD法を使用すると、長
い筒状部材であっても、その内周面にほぼ均一に成膜で
きるし、反応炉（成膜容器）内でレセプタクルコアを多
段に積んで一括して処理できるため極めて効率良く且つ
安価に製造できる。またCVD法によるTiC膜の成膜は、Ti
Nの成膜に比べて成膜速度をより遅くするこおができる
ので、緻密な膜を形成できる。また、膜厚の時間制御が
より容易であり、寸法精度の高い均一な膜を得ることが
できる。

図面の簡単な説明 図１は、本発明に係る光モジュールの一実施例を示す
断面図である。

図２は、その光モジュール本体の斜視図である。

図３は、本発明で用いるレセプタクルコアの一例を示
す断面図である。

図４は、本発明に係る光モジュールとレセプタクルコ
アの製造方法を示す説明図である。

発明を実施するための最良の形態 レセプタクルコアに形成する高硬度膜は、光プラグの
フェルールに摺接する部分のみ覆っていえばよいが、レ
セプタクルコアの全外面を覆うような構成でもよい。そ
のような全外面を覆う構成とすると、内周面を除く部分
にマスキングを施す必要が無くなり、製造が容易とな
る。内部に組み込むレンズは、ロッドレンズでもよい
し、球レンズなどでもよく、また要求される仕様などに
よってはレンズを組み込まない構成とすることもある。
レーザダイオードのような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。レセプタクルコアと
ホルダとを別体で作製し、その後固着する構成が一般的
であるが、特にレンズを組み込まないような場合には、
レセプタクル部を含むような一体構造のホルダを用いる
ことも可能である。またホルダを、レーザダイオードを
保持するレーザホルダとレンズを保持するレンズホルダ
との組み合わせとしてもよい。

図１は本発明に係る光モジュールの一実施例を示す断
面図であり、図２はその光モジュール本体の斜視図であ
る。これは光半導体素子としてレーザダイオードを使用
した光LAN用光源の一例である。光モジュールは、レー
ザダイオード10と、レーザダイオード10およびレンズ12
を保持するホルダ14と、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16とを具備
している。

レセプタクルコア16は、ステンレス鋼（例えばSUS30
4）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、TiCのCVD膜である高硬度膜16aを１〜10μｍ
程度の膜厚で形成したものである。このレセプタクルコ
ア16のボアの基端側にフェルールストッパ18が装着され
ている。

このようなレセプタクルコア16はホルダ14に対して調
芯状態においてYAG溶接（溶接箇所を符号Ｗで示す）に
より固着される。これが図２に示す光モジュール本体で
ある。この光モジュール本体の外周側にプラスチック製
のコネクタハウジング20を装着する。

光モジュールに光プラグを接続した時は、光プラグの
フェルールがレセプタクルコア16のボアに貫入すると共
に、光プラグのプラグフレームがコネクタハウジング20
と嵌合して機械的に結合する。この状態で、レーザダイ
オード10からの出射光はレンズ12で集光されたフェルー
ルの光ファイバに入射するように光学的な軸合わせと結
合が同時に達成される。

光プラグのフェルールがジルコニア等のセラミック製
の場合でも、レセプタクルコア16のボア内周面はTiCの
高硬度膜16aで完全に被覆されているために、着脱を多
数回繰り返しても殆ど磨耗を生じない。具体的な数値で
説明すると、TiCからなる高硬度膜を形成した場合、ボ
アの内面硬度は2800〜3500Hv（ビッカーズ硬度）とな
り、光プラグのフェルールの材料であるジルコニアの硬
度（ほぼ1500Hv程度）に比べてはるかに高い値になるた
めに、レセプタクルコア側の耐磨耗性は格段に向上す
る。因に、高硬度皮膜を施さないステンレス鋼では、ビ
ッカース硬度は300〜500Hv程度と非常に小さい。

次に本発明による光モジュール（特にそのレセプタク
ルコア）の製造方法について、図３〜図５により説明す
る。図３は試作に用いたレセプタクルコアおよびフェル
ールストッパの断面図である。ステンレス鋼材（SUS30
4）の母材をNCマシーンにより加工し、内径約2.5mm、外
径4.65mmほぼ円筒状のレセプタクルコア26を作製した。
そのフェルール挿入側には曲率2mm程度の滑らかな曲面
状のテーパ加工を施し、光プラグの着脱を容易にしてい
る。また基端部（底部）にはホルダとの溶接用に周囲1m
m程度張り出した鍔部を設けた。

このように加工して筒状の一体成形品のレセプタクル
コア26を図４に示すような反応炉30に設置する。炉内に
は極細の金属線を網状に加工した棚板31を数段設置し、
レセプタクルコアの鍔付底面を下にして並べた。2000個
程度並べ、一回のバッチで処理した。反応炉内は真空ポ
ンプにより排気管34を通して排気減圧し、ガス供給管32
から原料ガスを供給した。原料ガスとしては、反応性ガ
ス（気化性金属塩、炭化水素）、不活性ガス（アルゴン
あるいは窒素）を必要に応じて使用する。

ここでは、反応性ガスとして四塩化チタンとメタンを
用いた。熱CVD法による成膜を行うため、炉内温度は100
0℃で制御した。反応は次式に従い、TiC膜を形成でき
た。

TiCl₄＋CH₄→TiC＋4HCl 必要とする厚さの膜を形成するには約３時間必要であ
った。レセプタクルコアをステンレス鋼製としたのは、
それを1000℃に加熱したとき変質しないようにするため
である。加熱したレセプタクルコアの表面で反応が生
じ、生成物であるTiCが堆積して膜となる。そのため、
長い筒状体でも内面に均一な厚さの膜を形成できる。

レセプタクルコアのボアは直径約2.5mm、長さ約8mm程
度であるが、上記の方法によって厚さ約２μｍのTiC膜
を均一に形成することができた。成膜後に断面をSEM測
定した結果によれば、膜厚はレセプタクルコアの外面が
2.3μｍ、内面が2.1μｍであり、成膜の異方性は非常に
小さかった。光プラグのフェルールが接触するボア内面
の膜硬度は、ビッカース硬度で2800〜3500HVの範囲であ
った。なお安価に仕上げるために内面の研磨は特に行わ
なかったが、それでも面粗度は10点平均粗さで1.6μｍ
以下である。CVD法によって成膜したTiC膜は、表面に１
μｍ程度の粒界ができるために、フェルールとは面接触
ではなく、多数の点接触となる。そのため膜とフェルー
ルとの間の動摩擦係数が特別低くなくても、摩擦自体は
小さくなり、十分実用に耐え得るものであった。

上記の工程により高硬度膜を形成したレセプタクルコ
アに、別工程で作製したステンレス鋼（例えばSUS303）
製のフェルールストッパ28を底面方向から圧入し（図３
参照）、これによってレセプタクルが完成する。成膜後
にフェルールストッパを装着するのは、予め装着してお
いた場合には、成膜時に原料ガスの流れが妨げられて均
一な厚さに成膜し難しなるからである。

レンズはホルダに低融点ガラスによって固定する。光
半導体素子（レーザダイオード）はホルダにYAGレーザ
溶接により固定する。それら両部品の実装位置はホルダ
の加工寸法で決定するため、光軸方向の調芯は行ってい
ない。その後、ホルダとレセプタクルコアを近接させ、
レセプタクルコアに光プラグのフェルールを嵌入して光
ファイバからの出力光量をモニターし、合わせ面方向の
精密調芯を行うことにより、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。このようにして
光モジュールを組み立てることができる。

製作した上記の光モジュールに対して、ジルコニア製
のセラミックフェルールを有する光プラグを2000回着脱
したところ、開始時点と終了時点での出射光量の20点平
均値の低下はわずかに0.07dBであった。開始時点からの
各出力データの偏差の最大値も0.21dBであり、高価なジ
ルコニア製のセラミックスリーブを有するレセプタクル
コアに比べてもなんら遜色ない性能を有することが確認
できた。

産業上の利用の可能性 本発明によれば、レセプタクルコアを金属製の筒体の
一体成形品とし、その少なくともボア内周面に、TiNに
比べてビッカース硬度が大きく、且つ摩擦係数の小さい
TiCからなる高硬度膜を形成したので、光プラグのセラ
ミックフェルールが摺動しても磨耗し難い。つまり多数
回にわたり着脱を行っても、ボアの内径の拡大を抑える
ことができるため、光半導体素子と光ファイバとの結合
光量の変化を非常に低く抑えることができる。この高硬
度膜の形成は、CVD法により多数個を一度に処理できる
ため、生産効率が極めて高く安価に作製することができ
る。また膜厚制御も容易なため、均一膜厚の寸法精度の
高い製品を歩留り良く製造できる。

さらには、高硬度膜とフェルールとの間の接触は、多
数の点接触となるなめ、膜とフェルールとの間の動摩擦
係数が特別に低くなくても、摩擦自体は小さくなるの
で、成膜後のレセプタクルコアの内周面の研磨を行う必
要がない。このことは安価な製作に寄与するものであ
る。

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

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光半導体素子と、この光半導体素子を保持
   するホルダと、接続相手の光プラグのフェルールを嵌合
   保持し前記ホルダに固定されるレセプタクルコアとを具
   備し、光プラグ接続時に前記光半導体素子とフェルール
   の光ファイバとが光学的に結合する光モジュールを製造
   する方法において、 前記レセプタクルコアに、ステンレス鋼の母材を切削加
   工もしくは射出成形した筒状の一体成形品を用い、 前記レセプタクルコアの少なくともボア内周面に、CVD
   法によりTiCからなる高硬度膜を１〜10μｍの厚さに形
   成し、 内周面研磨を行うことなく、前記ボアの基端側にフェル
   ールストッパを圧入し、 前記ホルダと前記レセプタクルコアとを調芯状態で結合
   する、 ことを特徴とする光モジュールの製造方法。
2. 【請求項２】前記TiCの硬度は、ビッカース硬度で2800
   〜3500Hvである請求項１記載の光モジュールの製造方
   法。
3. 【請求項３】光半導体素子と、この光半導体素子を保持
   すると共に接続相手の光プラグのフェルールを嵌合保持
   するレセプタクル部を有するホルダとを具備し、光プラ
   グ接続時に前記光半導体素子とフェルールの光ファイバ
   とが光学的に結合する光モジュールを製造する方法にお
   いて、 前記ホルダに、ステンレス鋼の母材を切削加工もしくは
   射出成形した筒状の一体成形品を用い、 前記レセプタクル部の少なくともボア内周面に、CVD法
   によりTiCからなる高硬度膜を１〜10μｍの厚さに形成
   し、 内周面研磨を行うことなく、前記ボアの基端側にフェル
   ールストッパを圧入する、 ことを特徴とする光モジュールの製造方法。
4. 【請求項４】前記TiCの硬度は、ビッカース硬度で2800
   〜3500Hvである請求項３記載の光モジュールの製造方
   法。