JP4894579B2 - レンズ筐体及び光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光が伝送される光導波路とレンズが一体に構成されたレンズ筐体及びこのレンズ筐体を備えた光モジュールに関する。詳しくは、光透過物質が充填される溝で光導波路を構成して、光導波路とレンズと結合させることで、レンズ設計や、レンズにつながる光路設計の自由度を向上させたものである。

従来、光信号を出力する光モジュールでは、発光素子が収納されるパッケージに窓部を形成し、この窓部にレンズを備えて、発光素子とレンズを直接結合する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−３５４６４２号公報

しかし、従来の光モジュールでは、発光素子等の光素子とレンズが直接結合されるので、光素子とレンズとの間において所望の光路を形成することができず、レンズの配置や光路設計等の自由度が低いという問題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、光導波路を介してレンズと光素子等を結合できるようにしたレンズ筐体及びこのレンズ筐体を備えた光モジュールを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明のレンズ筐体は、所定の波長領域において透明性を有した材質で構成され、少なくとも２個のレンズが一体に形成されたレンズ形成部と、レンズ形成部と一体に構成され、レンズ形成部の後面にレンズの光軸に合わせて一方の端部が配置される複数の導波路形成溝を有した導波路形成部と、レンズ形成部と反対側の導波路形成部の端部を傾斜させて形成され、導波路形成溝の他方の端部と対向した反射面とを備え、導波路形成溝が、少なくとも１本の溝が複数に分岐される分岐部を有する。

本発明のレンズ筐体では、レンズ形成部及び導波路形成部より屈折率の高い光透過物質が導波路形成溝に充填されると、反射面とレンズとの間で光が伝送されるコアが構成され、導波路形成溝の形状に応じて光導波路が形成される。

また、本発明の光モジュールは、所定の波長領域において透明性を有した材質で構成され、少なくとも２個のレンズ及びレンズの光軸に合わせて各レンズの後方に一方の端部が配置された複数の導波路形成溝が一体に形成されると共に、レンズと反対側の端部を傾斜させて、導波路形成溝の他方の端部と対向した反射面が形成されたレンズ筐体と、レンズ筐体より高い屈折率を有した材質で構成され、レンズ筐体の導波路形成溝に充填されて、反射面とレンズとの間で光が伝送されるコアを構成する光透過物質と、レンズ筐体が実装される実装基板と、レンズ筐体の反射面と対向して実装基板に実装され、反射面で反射する光により、導波路形成溝に充填された光透過物質で構成されるコアと結合される光素子とを備え、導波路形成溝が、少なくとも１本の溝が複数に分岐される分岐部を有する。

本発明の光モジュールでは、光素子から出射された光は、レンズ筐体の反射面で反射して、導波路形成溝に充填された光透過物質で構成されるコアに入射し、導波路形成溝内を伝送されて、レンズから出射される。

本発明のレンズ筐体及び光モジュールでは、レンズ筐体に形成された導波路形成溝の形状に応じて光導波路を形成することができるので、光導波路を介してレンズと光素子等を結合でき、レンズ設計や、レンズにつながる光路設計の自由度を向上させることができる。

また、レンズ筐体は金型を用いて一体成型で作製することができるので、レンズと光素子を光導波路を介して結合した光モジュールを、低コストで実現することができる。

以下、図面を参照して本発明のレンズ筐体及び光モジュールの実施の形態について説明する。

＜本実施の形態のレンズ筐体の構成例＞
図１は、本実施の形態のレンズ筐体の一例を示す斜視図、図２は、本実施の形態のレンズ筐体の一例を示す平面図、図３は、本実施の形態のレンズ筐体の一例を示す側断面図である。

本実施の形態のレンズ筐体１Ａは、レンズ形成部２Ａと導波路形成部３Ａを備える。レンズ形成部２Ａと導波路形成部３Ａは、所定の波長領域において透明性の高い樹脂材料で構成され、レンズ筐体１Ａは、レンズ形成部２Ａと導波路形成部３Ａが一体に成形される。本例では、レンズ筐体１Ａは、波長８５０ｎｍに対して９０パーセント以上の透過率を有するエポキシ系有機溶剤を用いて作製されている。

レンズ形成部２Ａは、複数のレンズ２０を備える。レンズ２０は、レンズ形成部２Ａの前面に所定の形状の凸レンズを一体に形成して構成され、本例では、４個のレンズ２０が一列に配置される。ここで、レンズ２０の径は４５０μｍとし、レンズ２０の間隔（ピッチ）は５００μｍとした。

レンズ２０は、光軸に垂直な面としたレンズ形成部２Ａの後面が光の入出射面となり、例えば、レンズ形成部２Ａの後面から入射された所定の放射角で拡がる光が、レンズ２０を透過することでコリメートされ、平行光がレンズ２０から出射される。また、レンズ２０から入射された平行光が、レンズ２０を透過することで集光されて、レンズ形成部２Ａの後面から出射される。

導波路形成部３Ａは、レンズ形成部２Ａの後面側からレンズ２０の光軸方向に沿って伸びる平板形状で、レンズ形成部２Ａと反対側の端部に反射面３０を備える。反射面３０は、レンズ形成部２Ａの後面に対して垂直な平面で構成される実装面３１に対して略４５度に傾斜した斜面で構成される。

また、導波路形成部３Ａは、各レンズ２０の後方に導波路形成溝３２Ａを備える。導波路形成溝３２Ａは、実装面３１側が開口した断面形状が四角状の溝で、レンズ形成部２Ａの後面から反射面３０に対向する位置に到達し、レンズ形成部２Ａの一方の端部は、レンズ２０の光軸の位置に合わせて配置される。

ここで、導波路形成溝３２Ａの反射面３０側での間隔は、接続対象となるレーザアレイ等の発光部の間隔に合わせて２５０μｍとした。一方、導波路形成溝３２Ａのレンズ２０側での間隔は、各導波路形成溝３２Ａをレンズ２０の光軸に合わせるため、レンズ２０の間隔に合わせられる。本例では、レンズ２０を大径にすることで、レンズ筐体１Ａを用いて光コネクタや光モジュールを構成する場合の結合トレランスが緩和されるようにしている。このため、レンズ２０の径に合わせてレンズ２０の間隔は５００μｍとしてあり、各導波路形成溝３２Ａのレンズ２０側での間隔は、本例では５００μｍである。

これにより、レンズ筐体１Ａでは、導波路形成溝３２Ａの間隔が反射面３０側よりレンズ２０側の方が広く構成されている。このため、各導波路形成溝３２Ａは、反射面３０側からレンズ２０に向かうに従って、徐々に間隔が広がるように曲線部分を有したＳ字型溝である。

＜本実施の形態のレンズ筐体の作用効果例＞
上述した構成のレンズ筐体１Ａでは、導波路形成溝３２Ａにレンズ筐体１Ａよりも屈折率の高い光透過物質を充填させると、この導波路形成溝３２Ａに充填された光透過物質が、光導波路のコアとして機能して、レンズ筐体１Ａは導波路構造を有するものとなる。

従って、レンズ筐体１Ａのレンズ２０と反対側の反射面３０に、光素子や光伝送路を配置することで、導波路構造を介して光素子や光伝送路等とレンズ２０との結合を行うことが可能となる。なお、反射面３０では光路変換が行われることで、面受発光タイプの光素子と結合を行うことが可能になる。

そして、コアを構成する導波路形成溝３２Ａの間隔を反射面３０側とレンズ２０側とで変えることで、例えばレーザアレイやファイバアレイ等のピッチが決まっている光デバイスに対して、ピッチを異ならせたレンズ２０とを一括で実装することが可能になる。

これにより、光デバイスのレーザや光ファイバ等のピッチと、レンズ２０のピッチを統一する必要がなくなるため、レンズ設計の拘束が少なくなり、より高性能なレンズや、径の大きなレンズを使用することができる。

さて、導波路形成溝３２Ａの間隔を反射面３０側とレンズ２０側とで変える場合、急激に曲げたり角度をつけて折り曲げた形状とすると、光透過物質を充填してコアとして使用した場合に大きな損失が生じる。このため、各導波路形成溝３２Ａは、損失が大きくなるような半径が小さい曲線部分や、角度がきつい折り曲げ部分が存在しない緩やかな曲線で繋がった形状とすることで、コアとして使用される場合の損失を少なくして、コアの間隔を変えることができる。

更に、導波路形成溝３２ＡをＹ形状に分岐するような形状とすれば、光透過物質を充填すると、光の合分波が行われる導波路を構成することができる。これにより、より高機能な光モジュールを実現することが可能になる。

レンズ筐体１Ａは、金型を用いたモールド成型で作製することができる。特に、本例の形状では、導波路形成部３Ａを挟む方向を抜き方向とした２つの金型で、実装面３１及び導波路形成溝３２Ａと、反射面３０を作製することができる。また、レンズ２０の光軸方向を抜き方向とした金型で、レンズ２０を作製することができる。これにより、３つの金型の組み合せでレンズ２０、導波路形成溝３２Ａ及び反射面３０を作製することができ、レンズに導波路が一体に構成されるレンズ筐体１Ａを低コストで提供できる。

なお、導波路形成溝３２Ａが反射面３０に到達していると、光透過物質を充填する際に、光透過物質で反射面を形成するための型もしくは光透過物質の充填後に反射面を切削する工程等が必要となり、製作工程が複雑になる。このため、導波路形成溝３２Ａは、反射面３０まで到達しない形状としてある。

＜本実施の形態の光モジュールの構成例＞
図４は、本実施の形態の光モジュールの一例を示す斜視図、図５は、本実施の形態の光モジュールの一例を示す平面図、図６は、本実施の形態の光モジュールの一例を示す側断面図である。

本実施の形態の光モジュール１０Ａは、図１〜図３で説明したレンズ筐体１Ａと、レンズ筐体１Ａが実装される実装基板４と、実装基板４に実装され、レンズ筐体１Ａと光学的に結合される面発光型レーザ５とを備える。

レンズ筐体１Ａは、上述したように、４個のレンズ２０と、反射面３０と各レンズ２０をつなぐ緩やかな曲線と直線の組合せで構成した４本の導波路形成溝３２Ａを備え、各導波路形成溝３２Ａに光透過物質３３が充填される。光透過物質３３は、所定の波長領域において透明性が高く、レンズ筐体１Ａを構成する材料より高屈折率材である。本例では、レンズ筐体１Ａの屈折率は約１．５であるのに対して、光透過物質３３の屈折率は約１．５２とした。

光透過物質３３の屈折率を、レンズ筐体１Ａの屈折率より若干高くすると、導波路形成溝３２Ａに充填された光透過物質３３に光が閉じ込められて伝送されるコア３４として機能する。一方、反射面３０で反射してレンズ筐体１Ａに入射した光を、レンズ筐体１Ａから光透過物質３３によるコア３４に入射させるため、上述したようにレンズ筐体１Ａと光透過物質３３の屈折率差が大きくならないようにして、損失を少なくしている。

実装基板４は、本例ではシリコン（Ｓｉ）で構成され、上面にレンズ筐体１Ａが実装される。レンズ筐体１Ａは、図１に示す実装面３１が実装基板４に接着固定される。実装基板４は、レンズ筐体１Ａの反射面３０に対向する下部に実装凹部４０が形成され、実装凹部４０に面発光型レーザ５が実装される。

面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）５は光素子の一例で、実装基板４に対して略垂直方向に光を出射する。面発光型レーザ５は、複数の発光部が所定の間隔で一列に並列された本例では４ｃｈのレーザアレイであり、発光部の間隔は２５０μｍである。このため、レンズ筐体１Ａに形成された導波路形成溝３２Ａの反射面３０側での間隔は、面発光型レーザ５の発光部の間隔に合わせて２５０μｍとした。

面発光型レーザ５は、レンズ筐体１Ａの反射面３０に対向して実装され、面発光型レーザ５から出射された光が反射面３０で反射すると、導波路形成溝３２Ａに充填された光透過物質３３によるコア３４に結合する位置に固定されている。

図７は、レンズ筐体と実装基板の実装形態の一例を示す断面図である。実装基板４をシリコンで構成する場合、シリコンの屈折率は約３．５であり、光透過物質３３の屈折率（１．５２）より高い。このため、レンズ筐体１Ａの導波路形成溝３２Ａに充填された光透過物質３３と、実装基板４が直接接するような実装形態では、実装基板４に光が吸収される可能性がある。

そこで、光透過物質３３より屈折率の低い材料で構成されたフィルム４１を間に挟んで、レンズ筐体１Ａの実装面３１と実装基板４を接着固定すると良い。なお、実装基板４上に、光透過物質３３より屈折率の低い材料でクラッド層を形成して、レンズ筐体１Ａを実装しても良い。また、実装基板４をシリコンより屈折率が低いガラス等で構成しても良い。

＜本実施の形態の光モジュールの作用効果例＞
光モジュール１０Ａは、面発光型レーザ５から出射された光Ｃが、レンズ筐体１Ａの実装面３１に対して、反射面３０に向かって略垂直方向から入射する。レンズ筐体１Ａの実装面３１に対して略垂直方向から入射した光Ｃは、反射面３０で全反射して光路が９０度変換される。

反射面３０で全反射した光Ｃは、導波路形成溝３２Ａの反射面３０側の端部から、導波路形成溝３２Ａに充填された光透過物質３３によるコア３４に入射し、導波路形成溝３２Ａ内を伝送される。

光透過物質３３によるコア３４を伝送される光Ｃは、導波路形成溝３２Ａのレンズ２０側の端部から出射し、レンズ２０を通りコリメートされて、平行光が出射される。

なお、図４等に示す光モジュール１０Ａに対向して、面発光型レーザに代えて受光素子を備えた光モジュールが接続されている構成では、送信側の光モジュール１０Ａのレンズ２０から出射された光信号（平行光）は、対向する受信側の光モジュールのレンズ２０に入射する。レンズ２０に入射した光は、導波路形成溝３２Ａのレンズ２０側の端部に集光され、光透過物質３３によるコア３４に入射し、導波路形成溝３２Ａ内を伝送される。

光透過物質３３によるコア３４を伝送される光は、導波路形成溝３２Ａの反射面３０側の端部から出射し、反射面３０で全反射して光路が９０度変換される。反射面３０で全反射した光は、レンズ筐体１Ａの実装面３１に対して略垂直方向へ出射し、図示しない受光素子で受光される。

なお、以上の例では、レンズを介して受発光素子を接続する形態で説明したが、発光素子と光ファイバ、または光ファイバと受光素子を接続する形態としても実現可能である。

このように、本実施の形態の光モジュール１０Ａでは、例えばファイバコネクタ等に挿抜できるようなガイド機構を備えることで、着脱可能な光コネクタ機能をもつ光送受信モジュールを実現できる。

また、コア３４を構成する導波路形成溝３２Ａの間隔を反射面３０側とレンズ２０側とで変えることで、ピッチが決まっている面発光型レーザ５に対して、ピッチを異ならせたレンズ２０を一括で実装することが可能になる。これにより、大径のレンズ２０を使用することができ、結合トレランスを緩和することができる。

＜本実施の形態の光モジュールの変形例＞
図８は、他の実施の形態の光モジュールの一例を示す斜視図である。他の実施の形態の光モジュール１０Ｂは、レンズ筐体１Ｂと、レンズ筐体１Ｂが実装される実装基板４と、実装基板４に実装され、レンズ筐体１Ｂと光学的に結合される面発光型レーザ５とを備える。

レンズ筐体１Ｂは、レンズ筐体１Ａと同様に、所定の波長領域において透明性の高い樹脂材料で構成され、本例では２個のレンズ２０が形成されたレンズ形成部２Ｂと、反射面３０と各レンズ２０をつなぐ分岐部３５を有した導波路形成溝３２Ｂが形成された導波路形成部３Ｂが一体に成形される。

導波路形成溝３２Ｂは、緩やかな曲線と直線の組合せで構成され、反射面３０側では２本の溝が、分岐部３５で合流してレンズ２０側では１本となるＹ形状である。各導波路形成溝３２Ｂには、レンズ筐体１Ｂを構成する材料の屈折率（１．５）より高い屈折率（１．５２）の材料で構成される光透過物質３３が充填され、導波路形成溝３２Ｂは、光透過物質３３がコア３４として機能する。

レンズ筐体１Ｂは、実装基板４に接着固定される。実装基板４は、レンズ筐体１Ｂの反射面３０に対向する下部に実装凹部４０が形成され、実装凹部４０に面発光型レーザ５が実装される。

面発光型レーザ５は、本例では４ｃｈのレーザアレイであり、発光部の間隔は２５０μｍである。このため、レンズ筐体１Ｂに形成された導波路形成溝３２Ｂの反射面３０側での間隔は、面発光型レーザ５の発光部の間隔に合わせて２５０μｍとした。これに対して、レンズ２０の径は４５０μｍで、レンズ２０の間隔は５００μｍとしてあり、各導波路形成溝３２Ｂのレンズ２０側での間隔は、本例では５００μｍである。

面発光型レーザ５は、レンズ筐体１Ｂの反射面３０に対向して実装され、面発光型レーザ５から出射された光が反射面３０で反射すると、導波路形成溝３２Ｂに充填された光透過物質３３によるコア３４に結合する位置に固定されている。

光モジュール１０Ｂでは、面発光型レーザ５と結合される反射面３０側では２本の導波路形成溝３２Ｂが、分岐部３５で合流してレンズ２０側では１本となるので、面発光型レーザ５の異なる発光部から出射された光が、１本の導波路形成溝３２Ｂ内を伝送されることになり、光信号の合波が可能となる。

なお、図示しないが、導波路形成溝を、面発光型レーザ５と結合される反射面３０側では１本の溝がレンズ２０側では２本以上に分岐される形状とすれば、分岐部を有した光導波路が形成されて、光信号の分波が可能となる。

図９は、他の実施の形態の光モジュールの別の例を示す要部側断面図である。図９に示す光モジュールでは、レンズ筐体１Ｃの反射面として、縦方向に凸状に湾曲した集光反射面３６を備える。

集光反射面３６は、面発光型レーザ５から出射され、レンズ筐体１Ｃの実装面３１に対して略垂直方向から入射した光Ｃを反射して、導波路形成溝３２Ａの集光反射面３６側の端部に集光させる曲面で構成される。これにより、面発光型レーザ５から出射された光を、導波路形成溝３２Ａに充填された光透過物質３３によるコア３４に集光して結合させることができるので、結合損失を減らすことができる。

なお、レンズ筐体１Ｃは金型を用いたモールド成型で作製されるので、反射面の形状は切削によらず金型の形状で作ることができ、凸状に湾曲した反射面を作製することは容易である。

図１０は、他の実施の形態の光モジュールの別の例を示す要部平面断面図である。図１０に示す光モジュールでは、レンズ筐体１Ｄの反射面として、水平方向に凸状に湾曲した集光反射面３７を備える。

集光反射面３７は、図６に示すように面発光型レーザ５から出射され、レンズ筐体１Ｄに対して略垂直方向から入射した光Ｃを反射して、導波路形成溝３２Ａの集光反射面３７側の端部に集光させる曲面で構成される。これにより、面発光型レーザ５から出射された光を、導波路形成溝３２Ａに充填された光透過物質３３によるコア３４に集光して結合させることができるので、結合損失を減らすことができる。

なお、図９に示す集光反射面３６と組み合わせて、球面状の集光反射面を備える構成としても良い。レンズ筐体１Ｄは金型を用いたモールド成型で作製されるので、球面状の反射面でも容易に作製できる。

図１１は、他の実施の形態の光モジュールの別の例を示す要部側断面図である。図１１に示す光モジュールでは、レンズ筐体１Ｅの反射面３３と対向してコリメートレンズ３８を備える。コリメートレンズ３８は、レンズ筐体１Ｅの実装面３１にマイクロレンズを作製することで形成され、面発光型レーザ５から所定の放射角で出射された光Ｃを集光して、導波路形成溝３２Ａの断面形状に合わせた径の平行光に変換する。

これにより、面発光型レーザ５から出射された光を、導波路形成溝３２Ａに充填された光透過物質３３によるコア３４に集光して結合させることができるので、結合損失を減らすことができる。

なお、レンズ筐体１Ｅは金型を用いたモールド成型で作製されるので、実装面３１に凸レンズを作製することは容易であり、抜き方向が同じであることから、例えば、導波路形成溝３２Ａを作製する金型でコリメートレンズ３８を一括して作製することも可能である。

本発明は、電子機器のボード間やチップ間の光通信モジュールや、光ファイバを利用した通信ケーブルのコネクタ等に適用される。

本実施の形態のレンズ筐体の一例を示す斜視図である。 本実施の形態のレンズ筐体の一例を示す平面図である。 本実施の形態のレンズ筐体の一例を示す側断面図である。 本実施の形態の光モジュールの一例を示す斜視図である。 本実施の形態の光モジュールの一例を示す平面図である。 本実施の形態の光モジュールの一例を示す側断面図である。 レンズ筐体と実装基板の実装形態の一例を示す断面図である。 他の実施の形態の光モジュールの一例を示す斜視図である。 他の実施の形態の光モジュールの別の例を示す要部側断面図である。 他の実施の形態の光モジュールの別の例を示す要部平面断面図である。 他の実施の形態の光モジュールの別の例を示す要部側断面図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ・・・レンズ筐体、１０Ａ，１０Ｂ・・・光モジュール、２Ａ・・・レンズ形成部、２０・・・レンズ、３Ａ・・・導波路形成部、３０・・・反射面、３１・・・実装面、３２Ａ，３２Ｂ・・・導波路形成溝、３３・・・光透過物質、３４・・・コア、３５・・・分岐部、３６，３７・・・集光反射面、３８・・・コリメートレンズ、４・・・実装基板、４０・・・実装凹部、５・・・面発光型レーザ

Claims (5)

1. 所定の波長領域において透明性を有した材質で構成され、少なくとも２個のレンズが一体に形成されたレンズ形成部と、
   前記レンズ形成部と一体に構成され、前記レンズ形成部の後面に前記レンズの光軸に合わせて一方の端部が配置される複数の導波路形成溝を有した導波路形成部と、
   前記レンズ形成部と反対側の前記導波路形成部の端部を傾斜させて形成され、前記導波路形成溝の他方の端部と対向した反射面と
   を備え、
   前記導波路形成溝が、少なくとも１本の溝が複数に分岐される分岐部を有するレンズ筐体。
2. 前記レンズ形成部及び前記導波路形成部より高い屈折率を有した材質で構成され、前記導波路形成溝に充填されて、前記反射面と前記レンズとの間で光が伝送されるコアを構成する光透過物質を備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載のレンズ筐体。
3. 所定の波長領域において透明性を有した材質で構成され、少なくとも２個のレンズ及び前記レンズの光軸に合わせて前記各レンズの後方に一方の端部が配置された複数の導波路形成溝が一体に形成されると共に、前記レンズと反対側の端部を傾斜させて、前記導波路形成溝の他方の端部と対向した反射面が形成されたレンズ筐体と、
   前記レンズ筐体より高い屈折率を有した材質で構成され、前記レンズ筐体の前記導波路形成溝に充填されて、前記反射面と前記レンズとの間で光が伝送されるコアを構成する光透過物質と、
   前記レンズ筐体が実装される実装基板と、
   前記レンズ筐体の前記反射面と対向して前記実装基板に実装され、前記反射面で反射する光により、前記導波路形成溝に充填された前記光透過物質で構成される前記コアと結合される光素子と
   を備え、
   前記導波路形成溝が、少なくとも１本の溝が複数に分岐される分岐部を有する光モジュール。
4. 前記導波路形成溝は、曲線または曲線と直線を組み合わせた形状を有し、前記レンズ側の端部と前記反射面側の端部でピッチが変換される
   ことを特徴とする請求項３に記載の光モジュール。
5. 前記分岐部が、前記レンズ側において２以上の導波路形成溝が合流されることにより形成される請求項３または４に記載の光モジュール。

Images