JP3310910B2 - 光モジュール - Google Patents
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Description
は半導体受光素子とレンズを樹脂ハウジングによって調
芯保持する光モジュールに関し、更に詳しく述べると、
樹脂ハウジング本体部と一体的に成形されている爪状突
起とレンズ着座面とからなるレンズ固定部によってレン
ズを抱持固定するようにした光モジュールに関するもの
である。
半導体レーザ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)とレンズとを調芯保持した部
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
ルがボード上で対となって設置されている。このような
光モジュールは、光半導体素子と、レンズと、前記光半
導体素子やレンズ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ハウジングとから構成され
ており、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。ハウジングは、一般的に、光半導体素子や
レンズを保持するホルダ部と、光プラグのフェルールを
嵌合保持するレセプタクル部とを別部材として作製し、
両者を調芯固定する構造が採用されている。
球レンズ又は屈折率分布型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。それらの中でも球レンズは、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
って多用されている。レンズをホルダ部に固定する方法
としては、ホルダ部の凹部(レンズ装着部)にレンズを
落とし込んで位置決めした後、該レンズの周囲に樹脂接
着剤を塗布して熱硬化させる接着法、あるいはレンズ外
径よりも若干大きめの低融点ガラスリング成形体をレン
ズの外周に挿入し加熱溶融させる溶着法などが採用され
ている。
液状の樹脂接着剤を流し込む必要があるため、熱硬化前
のハンドリングに難がある。また通常、ホルダ部は金属
材料からなるが、そのホルダ部との熱膨張係数差によ
り、レンズ接着面の熱割れが生じる恐れがある。
おける失透(白濁)や固着強度の低下、コストアップな
どの問題がある。溶着法に用いる低融点ガラスリング成
形体は、低融点ガラスの粉末を圧粉成形したものである
から、所定の位置に落とし込む際に微細な破片や粉末が
飛散し、それがレンズ表面に付着することが生じる。レ
ンズを固着するためにそのまま加熱溶融処理を行うと、
付着していたガラス破片や粉末が溶融したり、また低融
点ガラス自体の回り込みなどによって、レンズ表面に局
部的な低融点ガラスの被膜ができる。ところが低融点ガ
ラスは、特に湿気に弱く、時間が経過するにつれて失透
が発生することが多く、そのような失透部分によって光
量低下が生じる。また湿気によって、ガラス溜まりの表
面に微細なクラックが入り脆くなるため、レンズの固着
強度が低下し、甚だしい場合にはレンズの脱落が生じる
恐れもある。このような問題を解消するには別の防湿対
策を必要とする他、低融点ガラスリング成形体が高価で
あることとも相俟て、どうしてもコストアップとなる。
を用いることなく、レンズをハウジングに迅速且つ容易
に固定でき、しかも耐候性に優れ、信頼性が高く、安価
に製作できる光モジュールを提供することである。
と、レンズと、それらを保持する樹脂ハウジングとを具
備する光モジュールである。また本発明は、光半導体素
子と、レンズと、それら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樹脂ハウジングとを
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前記レンズによって光学的に結合す
る構造の光モジュールである。これらにおいて、光半導
体素子に対向するレンズ固定部は、光軸を中心軸とし
て、その周囲に、先端部が光半導体素子に向かって突出
し且つ内周側に膨出した爪状突起を有すると共に、該爪
状突起の基部側にレンズ着座面を設けた構造をなし、そ
れらが樹脂ハウジング本体部分と一体的に成形されてい
て、爪状突起内にレンズを圧入することで、前記レンズ
着座面と爪状突起の反力とでレンズを抱持固定するよう
に構成されており、この点に特徴がある。
部に一体的に形成する爪状突起は、使用する樹脂によっ
ては(靭性の高い樹脂を用いた場合は)全周にわたって
連続している筒状構造(分割無し)でもよいが、一般的
には周方向で均等に3〜5分割されている構造の方が好
ましい。
わないが、前述したように特に球レンズは、安価で方向
性がなく、圧入に都合がよいため好ましい。球レンズを
用いる場合には、レンズ着座面は球レンズと同じ半径の
球面の一部を有するような凹面とする。レンズとして屈
折率分布ロッドレンズを用いる場合には、レンズ着座面
はロッドレンズ端面に対応して直径が同じ穴径で端面が
平面の凹部とすればよい。その場合、ロッドレンズを爪
状突起の内部に圧入し易くするために、端面に適当な面
取りを施すのがよい。
容易にすると共にレンズ保持の信頼性を高めるために靭
性の高い材質が好ましく、また光ファイバのフェルール
との嵌合部を−20〜+75℃程度の温度範囲で5/1
000mm程度の公差に抑える必要があるために線膨張係
数が小さい(具体的には、2×10-5/℃程度)材質が
望ましい。しかし、使用温度条件などによっては、線膨
張係数が7×10-5/℃程度までの樹脂なら使用可能で
ある。この使用可能な樹脂はエンジニアリングプラスチ
ックと呼ばれる範疇のものであり、例えば液晶ポリマー
(LCP)、ポリエーテルエーテルケトン(PEE
K)、ポリエーテルイミド、ポリフェニルサルファイド
(PPS)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、
ポリフェニレンエーテル(PPE)、ポリカーボネート
(PC)、ポリアミドなどであり、線膨張係数が大きす
ぎる場合には、ガラスフィラーあるいはガラスビーズな
どを適量混入するのが有効である。ガラスビーズは、平
均粒径を30μm程度以下とすることが好ましい。その
場合、粒径が小さいほうが好ましいが、コストが高くな
る。特に、平均粒径2〜20μm程度のガラスビーズを
均一に分散させた液晶ポリマーを用いた場合は好結果が
得られている。
光半導体素子は、例えば半導体レーザや発光ダイオード
などの発光素子、あるいはフォトダイオードやプリアン
プ内蔵型フォトダイオードなどの受光素子である。
を示す断面図であり、図2は樹脂ハウジングと球レンズ
の組み立て前の状態を示す説明図、図3は樹脂ハウジン
グのレンズ圧入方向から見た端面図である。この例は、
光半導体素子10と、球レンズ12と、それらを保持す
ると共に接続相手の光プラグのフェルール(図示せず)
を嵌合保持する樹脂ハウジング14とを具備し、光プラ
グ接続時に前記光半導体素子10とフェルールの光ファ
イバとが前記球レンズ12によって光学的に結合する構
造の光モジュールである。
を呈する一体成形品であり、一方の端部(図1で左側の
端部)16が光半導体素子10の取付け部、その内部中
央寄りの部分がレンズ固定部、中央付近から反対側の端
部にかけてはレセプタクル部18となっている。なお、
レセプタクル部18は、接続相手の光プラグのフェルー
ルが丁度嵌入するボア(空洞部)20を有する部分であ
る。
その周囲に、先端部が光半導体素子10に向かって突出
し且つ内周側に膨出(オーバーハング)した爪状突起2
2を有すると共に、該爪状突起22の基部側にレンズ着
座面24を形成した構造である。ここでは爪状突起22
は周方向で均等に3分割して配列形成してある(図3参
照)。装着するレンズが球レンズ12であるために、レ
ンズ着座面24は、該球レンズ12と同じ半径の球面の
一部であるような凹面形状となっている。そして、その
レンズ着座面24の中心に小口径とやや大口径の貫通孔
26,28が連続するように形成され、それが光ビーム
の通路となる。
分とともに射出成形法によって一体的に成形される樹脂
部である。具体的には、爪状突起の先端膨出部分(オー
バーハング)は、成形金型の中心部に挿入するコアピン
の球面状先端部の基部に括れを形成しておき、樹脂を金
型内に射出した直後に該コアピンを無理抜きすることで
形成できる。ここでは爪状突起22の外周側の基端部
(符号aで示す)にはアールを付け、爪状突起22の外
周側の窪み(符号bで示す)は、球レンズの中心付近ま
で凹ませている。このような形状とすることで、球レン
ズ圧入時の撓み変形に対する強度を高めると共に比較的
撓み易くし、且つ復元時の反力の低下を防いでいる。使
用する樹脂の物性や爪状突起の寸法などによっては、上
記のような断面形状に限らるものではない。
径約20μmのガラスビーズを50重量%程度分散させ
た低異方性グレード液晶ポリマーを使用した。液晶ポリ
マー自体は線膨張係数の異方性が大きい(射出時の流動
方向では線膨張係数はほぼゼロ、それと直交する方向で
は線膨張係数は8×10-5/℃程度)が、ガラスビーズ
を適量分散させることで異方性を低減できる(射出時の
流動方向及びそれと直交する方向とも線膨張係数は2×
10-5/℃程度)からである。これによって、光モジュ
ールの実際の使用温度範囲(−20〜+75℃)でレセ
プタクル部の内径2.5mmφに対して内径変動量を0.
005mmに抑えることができた。
4の光半導体素子取付け側の端部16を上向きにして、
各爪状突起22の先端部分に球レンズ12を放り込み、
棒状の圧入治具(図示せず)で圧入すればよい。爪状突
起22は、樹脂の靭性によって外向きに撓んで内部に球
レンズ12を受け入れ、該球レンズ12はレンズ着座面
24に当接し位置決めされる。その状態で、爪状突起2
2は元の形状に戻ろうとし、レンズ着座面24と爪状突
起22の復元反力とで該球レンズ12は抱持固定され
る。このような固定構造のため、周囲温度の上昇により
樹脂が若干伸びても、レンズの保持力は維持される。試
作結果によれば、ボア側からレンズを押し出した場合の
抜け強度は15〜20kgf であった。またレンズ着座面
の曲率が精度よくレンズ自身の曲率と合致しているため
に、光軸方向のレンズ位置決め精度は設計中心値に対し
て±0.01mmに収まった。光学設計上、レーザ発光点
からレンズ面までの距離は重要な因子であり、ここを精
度よくコントロールできることは、光学特性のばらつき
を低減できる結果をもたらす。
ウジング14に光半導体素子10を結合する。ここで光
半導体素子10は、素子本体が気密パッケージ内に収容
された構造である。そのベース部分30が樹脂ハウジン
グ14の端部16に当接するように気密パッケージ部分
を樹脂ハウジング14に挿入して調芯位置決めし、周囲
を樹脂接着剤32などで固定する。
プラグのフェルールがレセプタクル部18に嵌入する。
その時、光半導体素子10が例えば半導体レーザであれ
ば、半導体レーザからの出射光は球レンズ12で集光さ
れてフェルールの光ファイバの端面に集光し入射するよ
うに、光学的な軸合わせが達成される。レンズ着座面2
4の中央を貫通している小口径の貫通孔26は、その口
径を必要最小限に設定することによって、光ファイバ結
合光のみを通し、球レンズ自体の収差などに起因する不
要光を除去する機能を果たす。光半導体素子10が例え
ばフォトダイオードであれば、光モジュールに光プラグ
を接続した時、フェルールの光ファイバの端面からの出
射光は球レンズ12で集光されてフォトダイオードに入
射するように、光学的な軸合わせが達成される。
セプタクル部も一体的に成形した構造であるが、レセプ
タクル部を有しない構造もある。そのようなレセプタク
ル部の無い構造の光モジュールをそのまま使用する場合
もあるが、レセプタクル部を別に作製して接合する構成
とすることも可能であり、そうするとレセプタクル部に
は光ファイバのフェルールの抜き差しに対する耐久性の
高い材質を選定できる利点が生じる。
内部に爪状突起とレンズ着座面とからなるレンズ固定部
を樹脂ハウジング本体と一体的に成形した構造での光モ
ジュールであるので、部品点数が最少限で済む利点があ
る。本発明では、レンズを接着剤や溶着ガラス無しで機
械的に樹脂ハウジングに固定できるために、レンズ表面
への接着剤などの付着が無く、また光モジュールの耐候
性が向上する。レンズ固定は、樹脂ハウジングの爪状突
起にレンズを放り込んで圧入治具を用いて圧入すれば完
了するので、ハンドリング作業が容易となる。これらの
結果、レンズ固定の際に別部品を必要としないこと、及
びレンズ装着コストが安価であること、などのために製
造コストを下げることができる。
面図。
状態を示す説明図。
図。
Claims (5)
- 【請求項1】 光半導体素子と、レンズと、それらを保
持する樹脂ハウジングとを具備する光モジュールにおい
て、 光半導体素子に対向するレンズ固定部は、光軸を中心軸
として、その周囲に、先端部が光半導体素子に向かって
突出し且つ内周側に膨出した爪状突起を有すると共に、
該爪状突起の基部側にレンズ着座面を設けた構造をな
し、それらが樹脂ハウジング本体部分と一体的に成形さ
れていて、爪状突起内にレンズを圧入することで、前記
レンズ着座面と爪状突起の反力とでレンズを抱持固定し
たことを特徴とする光モジュール。 - 【請求項2】 光半導体素子と、レンズと、それらを保
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
持する樹脂ハウジングとを具備し、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前記レン
ズによって光学的に結合する光モジュールにおいて、 光半導体素子に対向するレンズ固定部は、光軸を中心軸
として、その周囲に、先端部が光半導体素子に向かって
突出し且つ内周側に膨出した爪状突起を有すると共に、
該爪状突起の基部側にレンズ着座面を設けた構造をな
し、それらが樹脂ハウジングの本体部分と一体的に成形
されていて、爪状突起内にレンズを圧入することで、前
記レンズ着座面と爪状突起の反力とでレンズを抱持固定
したことを特徴とする光モジュール。 - 【請求項3】 爪状突起が周方向で均等に3〜5分割さ
れている請求項1又は2記載の光モジュール。 - 【請求項4】 レンズが球レンズであり、レンズ着座面
が球レンズと同じ半径の球面の一部であるような形状で
ある請求項1乃至3記載の光モジュール。 - 【請求項5】 樹脂ハウジングが、平均粒径30μm以
下のガラスビーズを均一に分散させた液晶ポリマーから
なる請求項1乃至4記載の光モジュール。
Priority Applications (4)
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JP18312397A JP3310910B2 (ja) | 1997-06-24 | 1997-06-24 | 光モジュール |
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EP98304980A EP0887865A1 (en) | 1997-06-24 | 1998-06-24 | Optical module with an optoelectronic semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
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