JP3324289B2 - 発光素子モジュール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発光素子モジュールに関
する。より詳細には、本発明は、発光素子と共に、レン
ズ、アイソレータ、光ファイバ等を一体化して構成され
る発光素子モジュールの新規な構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】図15は、発光素子モジュールの典型的な
構成を示す垂直縦断面図である。

【０００３】同図に示すように、発光素子モジュール
は、発光素子１、光学系および光ファイバ４を一体化し
て構成されている。発光素子１はモニタ用のフォトダイ
オード８および第１レンズ２と共に基板５上に実装され
ている。ここで、発光素子１はチップキャリア７を介し
て、第１レンズ２はレンズホルダを介して、それぞれ基
板５に実装されている。更に、この基板５はペルチェ効
果素子等の温度制御素子を介してパッケージ６の底面に
固定されている。

【０００４】一方、パッケージ１の一方の側面にはハー
メチックガラス９で封止された窓が形成されており、こ
の窓の外側にアイソレータ10およびレンズホルダ11が順
次装着されている。レンズホルダ11は第２レンズ３を支
持しており、更に、レンズホルダ11の他端にはフェルー
ルホルダ12が固定されている。光ファイバ４の端部を把
持したフェルール13がフェルールホルダ12に挿入されて
いる。

【０００５】以上のように構成された発光素子モジュー
ルにおいて、発光素子１から出射された出射光は、第１
レンズ２、アイソレータ10、第２レンズ３等を順次通過
した後、最終的に光ファイバ４の端面に結合される。こ
こで、通常は、第１レンズ2は発光素子１の放射光を平
行光にする機能を有しており、また、第２レンズ３は第
１レンズ２から出射された平行光を光ファイバ４の入射
端面に収束させる機能を有している。

【０００６】尚、図16に示すように、第１レンズ２と第
２レンズ３との機能をひとつの光学部品に集約して、物
理的な構造としては第２レンズの装着を省略した形式の
光モジュールもある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のような構成の発
光素子モジュールにおいて、第１レンズ２、アイソレー
タ10、第２レンズ３等の光学素子の入射面および出射面
では不可避に反射が生じる。

【０００８】一方、発光ダイオード、半導体レーザ等の
半導体発光素子は、その動作中に上述のような反射光が
戻って来て再注入されると、多重反射の影響で発光波長
や出力が不安定になり、戻り光雑音や歪が増加するとい
う問題がある。

【０００９】図15または図16に示した発光素子モジュー
ルにおいて使用されているアイソレータ10はこの種の反
射光を遮断する目的で設けられたものであり、また、光
ファイバの端面反射を低減するために光ファイバの端面
を斜めに研磨する等の工夫も提案され、既に実施されて
いる。しかしながら、この種の工夫は、モジュールのパ
ッケージ内部に実装されている第１レンズ２の表面で発
生する反射に対しては全く効果が及ばない。

【００１０】そこで、本発明は、発光素子モジュールに
おける上記従来技術の問題点を解決し、モジュールを構
成する各光学部品における戻り光を一層抑制することが
できる新規な構成を提供することをその目的としてい
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に従うと、基板上
に実装された発光素子と、光ファイバと、該発光素子の
放射光を該光ファイバの一方の端面に導き且つ収束させ
る光学系とを一体に構成してなる発光素子モジュールに
おいて、該発光素子の放射光の光軸が、該光学系を構成
する光学部品のうち、該発光素子に最も近い第１光学部
品の光学的な中心軸と一致しないように構成されている
ことを特徴とする発光素子モジュールが提供される。

【００１２】

【作用】本発明に係る発光素子モジュールは、その光学
系が、発光素子からの放射光を平行光にする第１光学部
品と、光ファイバの端面に対してこの平行光を収束させ
る第２光学部品とを備え、発光素子の放射光の光軸が、
この光学系を構成する光学部品のうち、発光素子に最も
近い第１光学部品の光学的な中心軸と互いに平行ではな
く、且つ、発光素子の発光中心以外の位置で交叉してい
るというその独特の構成を特徴とする。

【００１３】即ち、従来の発光素子モジュールにおいて
は、主に結合効率を高くするという観点から、各々の光
学的な中心が一直線上に配列されるように各部品が位置
決めされていた。しかしながら、発光素子の放射光が光
学部品を通過する際には各光学部品への入射および出射
に際して発光素子に戻るような反射光が不可避に発生
し、これが発光素子の特性劣化の原因となっていた。

【００１４】これに対して、本発明に係る発光素子モジ
ュールにおいては、発光素子の直後に配置された光学部
品の光軸が、発光素子の放射光の光軸と一致しないよう
に構成されている。尚、ここで『一致しない』とは、両
光軸が互いに平行ではなく所定の角度をなすような位置
関係になっていることを意味する。

【００１５】このようなレイアウトにより、パッケージ
内部の光学部品の入射面と出射面における反射光の光軸
は発光素子の発光部からそれるので、発光素子の発光部
に戻る戻り光は僅かになる。尚、放射光の中心軸とレン
ズの中心軸とが交叉することにより生じる損失も皆無で
はないが、具体的に後述するように、この損失は実質的
な問題にはならない。

【００１６】以上のような構成の本発明に係る発光素子
モジュールでは、発光素子と光学部品とが物理的に一直
線上に整列されるわけではない。また、角度ずれを形成
するために発光素子または光学部品の実装角度も変化す
る。従って、製造の際の各部品の位置決めを容易にする
ために以下のような構成とすることが好ましい。

【００１７】即ち、発光素子モジュールにおいて発光素
子等の電子部品を支持する基板は、発光素子等の電子部
品を実装される水平部分とレンズ等の光学部品を支持す
る垂直部分とを含み全体としてＬ字型の断面を有してい
る。ここで、基板の垂直部の側面を適切な角度で傾斜さ
せたり、基板水平部に発光素子を搭載したチップキャリ
アを案内するための溝、段差等を形成しておくことによ
り、特殊な位置で、殊に特殊な角度での位置決めが容易
になる。このような方法で、生産性を低下させることな
く本発明に係る発光素子モジュールを製造することがで
きる。

【００１８】以下、図面を参照して本発明をより具体的
に説明するが、以下の開示は本発明の実施例に過ぎず、
本発明の技術的範囲を何ら限定するものではない。

【００１９】

【実施例】 〔実施例１〕図１ は、本発明に係る発光素子モジュールの他の態様を
示す図である。なお、この発光素子モジュールは、図15
に示した従来の発光素子モジュールと共通の構成要素を
用いて構成されており、各構成要素には図15と共通の参
照番号を付している。

【００２０】同図に示すように、この発光素子モジュー
ルは、発光素子１を搭載しているチップキャリア７を、
基板５の垂直部に対して傾けて実装することにより、発
光素子１の出射光軸が光学系の伝播光軸と交叉するよう
な配置となっていることである。

【００２１】図２は、本発明に係る発光素子モジュール
における発光素子とレンズとの相対位置とその作用を説
明するための図である

【００２２】同図に示すように、本発明に係る発光素子
モジュールにおいては、発光素子１の放射光の中心と、
レンズ２の中心軸とが所定の角度δをなすように配置さ
れている。尚、このような配置は、実際には、発光素子
１とレンズ２のいずれか一方を、あるいは両方を回転さ
せても実現できる。

【００２３】図３は、図２に示した配置における、発光
素子の傾き角度と戻り光量との関係を示すグラフであ
る。同図から、傾き角度が大きくなるにつれて戻り光量
が減少することがわかる。

【００２４】一方、図４は、発光素子１のずれ角度と、
レンズ２から出射される相対光量の変化との関係を示す
グラフである。

【００２５】同図に示すように、角度ずれに起因する相
対光量の変化は、戻り光量の変化に比較すると非常に小
さい。従って、戻り光量の低減により発光素子の動作が
安定して実質的に利用できる光パワーが増加することを
考慮にいれると、相対光量の低下は無視することができ
る。

【００２６】尚、図１に示した発光素子モジュールにお
いては、発光素子１の後方のモニタ用フォトダイオード
８も、その受光面がモニタ光に対して傾斜するように装
荷されておりフォトダイオード８の受光面の反射による
戻り光も防止している。

【００２７】〔実施例２〕図５ は、図１に示した本発明に係る発光素子モジュール
をより製造し易い構造に変形した例を示す図である。こ
こで、図１と共通の構成要素には共通の参照番号を付し
ている。

【００２８】即ち、この発光素子モジュールでは、基板
５の垂直部５ａの発光素子１側の面が傾いて形成されて
いる。従って、発光素子１を装荷されたチップキャリア
７を基板上に実装する際に、チップキャリア７をこの傾
斜した垂直部５ａに押し付けることにより極めて簡単に
位置決めができる。従って、所定の形状の基板５を使用
するだけで、図５に示した構造を再現性良く実現するこ
とができる。

【００２９】図６は、図５と同様に、図１に示した発光
素子モジュールの変形例であり、基板５の垂直部５ａの
外側の面を傾斜させて、第１レンズ３を支持するレンズ
ホルダを傾斜させている。このような基板５の形状によ
り、結果的に図１に示した発光素子モジュールと同じ機
能を実現している。

【００３０】〔実施例３〕図７ は、図１に示した発光素子モジュールの他の変形例
であり、共通の構成要素にはそれぞれ図１と共通の参照
番号を付している。また、この図では、基板５とそれに
装荷された部材だけを示している。

【００３１】この発光素子モジュールにおいては、基板
５の垂直部５ａの形状は、図１に示したものと同じであ
る。一方、基板５の水平部５ｂには、図７(a) および
(b) に示すように、溝５ｃが切られている。この溝５ｃ
は、チップキャリア７と実質的に同じ幅を有しており、
且つ、水平部５ｃの外縁に対して所定の角度で傾斜して
形成されている。従って、チップキャリア７の底部がこ
の溝に嵌合するように装荷することにより、図７(a) に
示すように、チップキャリア７を所定の角度で傾斜させ
た状態で装荷することができる。

【００３２】〔実施例４〕図８ は、図１に示された発光素子モジュールの更に他の
変形例を示し、図１と共通の構成要素には共通の参照番
号を付している。この図でも、基板50とそれに装荷され
た部材だけを示している。

【００３３】図８(a) および(b) に示す基板50は、基本
的には図15または図16に示した従来の発光素子モジュー
ルで使用されていた基板５と同じ形状を有している。但
し、この基板50の後端には、図８(b) に示すように、後
述するセラミック配線基板51を位置決めするための段差
が形成されている。

【００３４】即ち、この発光素子モジュールでは、基板
50上にセラミック配線基板51を装荷した後、更に、発光
素子１を搭載したチップキャリア７が実装されている。
ここで、セラミック配線基板51の前端は、図８(a) に示
すように、斜めに切断されている。従って、このセラミ
ック配線基板51の長さは左右で異なっている。チップキ
ャリア７は、セラミック配線基板51の斜めになった前端
に押しつけるようにして位置決めされており、レンズホ
ルダの装着される基板垂直部50ａに対して斜めに配置さ
れている。

【００３５】以上のような構成により、実質的に図１に
示した発光素子モジュールと同じ機能が実現されてい
る。この構成では、セラミック配線基板51だけを加工す
れば、その余の製造工程は一般的な発光素子モジュール
と全く変わらないので、生産性の観点から見ると有利で
ある。

【００３６】図９から図11は、図８に示された発光素子
モジュールの変形例を示し、図８と共通の構成要素には
共通の参照番号を付している。また、この図でも、基板
50とそれに装荷された部材だけを示している。

【００３７】図９に示す基板50では、図12に示したもの
と同じ形状のセラミック配線基板51を使用しているが、
チップキャリア７の位置決めは、基板50の垂直部50ａの
近傍に形成した段差により行っている。このような構成
の発光素子モジュールでは、チップキャリアを上記段差
に当接させるだけで位置決めが容易にできる。

【００３８】図10に示す基板50も、図８に示した場合と
同じ形状のセラミック配線基板51を使用しているが、図
５に示した実施例と同様に、基板50の垂直部50ａを傾斜
した形状とすることによりチップキャリア7 の位置決め
を行っている。このような構成では、チップキャリアの
レンズ接合面に対してレンズが垂直に装着されるのでレ
ンズを固定する際に使用する治具の精度が出し易く、発
光素子モジュールの製造が容易になる。

【００３９】図11に示す基板50では、従来の発光素子モ
ジュールの場合と同じ形状の基板、セラミック配線基板
51を使用しており、基板50の垂直部50ａの外側の面を傾
斜させることにより本願発明の構成を実現している。こ
のような構成では、発光素子の光軸の角度をチップキャ
リアの簡単な加工で規定できるので、発光素子モジュー
ルを低コストで製造することが可能になる。

【００４０】尚、図７から図11までに示した各実施例の
構造が、図15に示した２レンズ型の発光素子モジュール
にも、図16に示した単レンズ型の発光素子モジュールに
も、いずれにも適用できることは勿論である。

【００４１】〔実施例５〕図12 は、光ファイバの端面の反射により発生する戻り光
を低減するために従来から知られていた技術を説明する
ための図である。

【００４２】即ち、発光素子モジュールにおける発光素
子への戻り光の原因のひとつとして光ファイバの端面反
射も無視することができない。そこで、従来は、図12
(a) に示すように、光ファイバの端面を斜めに研磨して
光ファイバ端面と発光素子とが正対することを防止して
いた。ところが、光ファイバの端面が斜めになっている
とスネルの法則により光ファイバへの結合光の光軸が光
ファイバの伝播光軸と所定の角度をなすようになるの
で、端面反射の低減と引換えに光ファイバに対する結合
効率が低下してしまう。そこで、従来は、図12(b) に示
すように光ファイバを傾けて装着したり、光ファイバの
伝播光軸からそれた方向から斜めに光を注入することに
より、光ファイバに対する入射光の角度を変えて結合効
率を改善していた。

【００４３】図13は、上述のような光ファイバの端面反
射を低減させる技術と、光学系の光軸をオフセットさせ
る技術とを組み合わせた場合の発光素子モジュールの光
学系の構成を模式的に示す図である。

【００４４】同図に示すように、発光素子１、第１レン
ズ２、第２レンズ３および光ファイバ４の各光軸を順次
オフセットして配列することにより、発光素子１から放
射されて光ファイバ４に入射する光は、光ファイバの伝
播光軸に対して所定の角度をなすようになる。

【００４５】また、図14は、上述の技術と、図１および
図２に示した本願発明による構成とを組み合わせた場合
の発光素子モジュールの光学系の構成を模式的に示す図
である。

【００４６】同図に示すように、光ファイバ、レンズお
よび発光素子からなる光学系の構成に図１および図２に
示した本発明の配置を適用すると、図14に示すように、
第１レンズ２、第２レンズ３および光ファイバ４の各光
軸を順次オフセットして配列すると共に、発光素子１を
傾けて設置することにより、発光素子１から放射されて
光ファイバ４に入射する光は、光ファイバの伝播光軸に
対して所定の角度をなすようになる。

【００４７】以上のような構成により、光ファイバの端
面反射に起因する戻り光を低減することができると同時
に、端面を傾斜させた光ファイバに対する光の結合効率
をも改善することができ、光モジュール全体で、戻り光
の低減と結合効率の改善とを簡素な構成で両立させるこ
とができる。

【００４８】また、前述のように、端面を傾斜させた光
ファイバに対する結合効率を改善させる目的で、光ファ
イバの伝播光軸に対して入射光軸の角度をずらしたレイ
アウトが知られていた。本発明の好ましい態様による
と、この入射光軸上に配列された光学系の光軸から更に
発光素子の放射光軸をずらす際に、光ファイバの伝播光
軸に対する放射光軸のずれが小さくなる側に発光素子の
配置をオフセットすることにより、発光素子モジュール
全体で、光ファイバと発光素子とのオフセット量を小さ
くすることができる。

【００４９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
ると、発光素子モジュールにおける各光学部品から発光
素子への戻り光量を効果的に低減することができるの
で、発光素子の動作を安定させ、発光素子モジュール全
体の特性を向上させることができる。

【００５０】また、本発明に係る発光素子モジュール
は、基本的には従来の発光素子モジュールと共通の部材
を用い、レイアウトの変更だけで実現されている。従っ
て、製造コストの上昇や製造工数の増加を招くことなく
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る発光素子モジュールの他の基本的
な構成を示す水平縦断面図である。

【図２】図１に示した発光素子モジュールにおける発光
素子とレンズとの位置関係を説明するための図である。

【図３】図１に示した発光素子モジュールにおける、発
光素子の傾き角度と発光素子への戻り光量との関係を示
すグラフである。

【図４】図１に示した発光素子モジュールにおける、発
光素子の傾き角度とレンズから出射される相対光量との
関係を示すグラフである。

【図５】図１に示した発光素子モジュールの変形例を示
す図である。

【図６】図１に示した発光素子モジュールの他の変形例
を示す図である。

【図７】図１に示した発光素子モジュールに使用できる
基板の他の変形例を示す図である。

【図８】図１に示した発光素子モジュールに使用できる
基板の他の変形例を示す図である。

【図９】図１に示した発光素子モジュールに使用できる
基板の他の変形例を示す図である。

【図１０】図１に示した発光素子モジュールに使用でき
る基板の他の変形例を示す図である。

【図１１】図１に示した発光素子モジュールに使用でき
る基板の他の変形例を示す図である。

【図１２】光ファイバの端面の反射により発生する戻り
光を低減するために従来から知られていた技術を説明す
るための図である。

【図１３】図１２に示した技術を、図１に示した本願発
明に係る発光素子モジュールに適用する場合の基本構成
を模式的に示す図である。

【図１４】図１２に示した技術を、図１に示した本願発
明に係る発光素子モジュールに適用する場合の基本構成
を模式的に示す図である。

【図１５】従来の発光素子モジュールの典型的な構成を
示す垂直縦断面図である。

【図１６】従来の発光素子モジュールの他の典型的な構
成を示す垂直縦断面図である。

【符号の説明】

１・・・発光素子、２・・・第１レンズ、３・・・第２
レンズ、４・・・光ファイバ、５、50・・・基板、６・
・・パッケージ、７・・・チップキャリア、８・・・モ
ニタ用フォトダイオード、９・・・ハーメチックガラ
ス、10・・・アイソレータ、11・・・レンズホルダ、12
・・・フェルールホルダ、13・・・フェルール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−94208（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−65419（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−2217（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−239208（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−232356（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−11310（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−29707（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−213609（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−154010（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−85817（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−153505（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−58969（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/42

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に実装された発光素子と、光ファイ
   バと、該発光素子の放射光を該光ファイバの一方の端面
   に導き且つ収束させる光学系とを一体に構成してなる発
   光素子モジュールにおいて、該光学系が、発光素子からの放射光を平行光にする第１
   光学部品と、該光ファイバの端面に対して該平行光を収
   束させる第２光学部品とを備え、 該発光素子の放射光の光軸が、該光学系を構成する光学
   部品のうち、該発光素子に最も近い第１光学部品の光学
   的な中心軸と互いに平行ではなく、且つ、該発光素子の
   発光中心以外の位置で交叉していることを特徴とする発
   光素子モジュール。
2. 【請求項２】請求項１に記載された発光素子モジュール
   において、前記基板が、前記発光素子を支持する水平部
   分と、前記第１光学部品を支持する垂直部分とを含み、
   該垂直部分の少なくとも一方の面が、該発光素子の放射
   光の光軸に対して直角ではない所定の角度を有すること
   を特徴とする発光素子モジュール。
3. 【請求項３】請求項１に記載された発光素子モジュール
   において、前記発光素子がチップキャリアを介して前記
   基板上に実装されており、該基板上に、該発光素子の放
   射光の光軸に対して直角ではない所定の角度を有するよ
   うに該チップキャリアを案内するための段差が形成され
   ていることを特徴とする発光素子モジュール。
4. 【請求項４】請求項３に記載された発光素子モジュール
   において、前記段差が、前記基板の水平部上に装荷され
   た台形の小基板により形成されていることを特徴とする
   発光素子モジュール。
5. 【請求項５】請求項１から請求項４までの何れか１項に
   記載された発光素子モジュールにおいて、前記光学系に
   含まれる光アイソレータが、前記発光素子の放射光の光
   軸に直角な面に対して90度未満の所定の角度をなすよう
   に装着されていることを特徴とする発光素子モジュー
   ル。
6. 【請求項６】請求項１から請求項５までの何れか１項に
   記載された発光素子モジュールにおいて、前記光ファイ
   バの入射端面が、該光ファイバの伝播光軸に対して直角
   にならないように成形されていることを特徴とする発光
   素子モジュール。
7. 【請求項７】特許請求の範囲第６項に記載された発光素
   子モジュールにおいて、 前記光学系が、前記第１光学部品の光学的な中心軸に対
   して90度未満の所定の角度を成し、 該光ファイバの端面が、該端面の該発光素子側で該光フ
   ァイバの伝播光軸に対して成す角度が鋭角である側に、
   該第１光学部品の光学的中心軸から該発光素子の放射光
   軸がそれるように配置されており、且つ、 該光学系から該光ファイバの端面へ注入される光の入射
   角度が、該光ファイバの端面が該光ファイバの伝播光軸
   に対して成す角度に基づいてスネルの法則に従って求め
   られた最適入射角度であることを特徴とする発光素子モ
   ジュール。