JP4894797B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、発光素子から出射された信号光を、光ファイバに光結合する光学系を備えた光モジュールに関する。

近年の光通信に用いられる光モジュールでは、半導体レーザ等の発光素子と光ファイバ間を互いに精度よく位置決めして光結合を実現している。発光素子は、筐体内にチップキャリアを介して実装され、光ファイバは、フェルールなどの保持部材とともに筐体内に保持される。レンズ等の光学系は、レンズ保持部材によりＹＡＧ溶接などにより筐体内に位置決めされて固定される。

発光素子とレンズの位置決めは、チップキャリアやレンズ保持部材の寸法精度によって決まるが、この後、光ファイバを通して光パワーをモニタしながら、所定の光結合が得られるように光ファイバ保持部材の位置を調整することが行われている。このとき、発光素子とレンズの寸法精度のバラツキ等により、光学系の光軸が大きくズレるような場合には、光ファイバの位置をいくら調整しても所定の光パワーが得られないことがある。
そこで、レンズを実装平面内の最適位置を選択して実装することが、従来から行われている。しかし、実装平面に対して垂直な高さ方向については、レンズ保持部材の厚みを調整するなどの工夫を要する必要がある。

例えば、特許文献１には、図５（Ａ）に示すように、チップキャリア２上に載置したレーザダイオードまたはフォトダイオード等の光素子１と、レンズホルダ４に保持したレンズ３とを、ベース部材５に搭載して光学的に結合する光モジュールが開示されている。そして、光モジュールを構成するレンズホルダ４とベース部材５との間に、くさび形の台座６を介在させ、例えば、台座６をベース部材５上に移動させることにより、２次元方向（ＸＹ）及び回転方向（θ１）の平面内の位置調整を行い、台座６の斜面に沿ってレンズホルダ４をスライドさせることにより高さ方向（Ｚ）、回動させることにより傾動方向（θ２）の位置調整を行っている。

また、特許文献２には、図５（Ｂ）に示すように、チップキャリア２上に載置した発光素子１と、レンズ筒７に収納されたレンズ３とを、保持ブロック８に搭載して光学的に結合する発光モジュールが開示されている。そして、保持ブロック８は、チップキャリア２を固定する平坦部８ａと、この平坦部と直交する方向にレンズ筒７を保持する垂直壁部８ｂとを一体に形成した構造とされている。垂直壁部８ｂには、溶接性のよい金属板９を貼りつけ、垂直部壁８ｂに形成されている貫通穴８ｃ内で、レンズ筒７を光軸方向及び光軸と直光する方向に移動させ、光パワーをモニタしながら位置調整して、溶接により固定している。
特開平９−３３７６１号公報 特開２００１−１２４９６３号公報

図５（Ａ）に示す光モジュールの場合、レンズ３の高さ位置を調整するために、レンズホルダ４をくさび形の台座６の斜面上を移動させると、レンズ３の平面内の位置も変わるので、平面内の位置の再調整を行う必要がある。このため、レンズホルダ４とくさび形の台座６の両方を把持して調整することとなり、作業性の点で問題がある。
その他、自動化設備においては、くさび形のような傾斜構造を有する部品は、チャッキングやコレットでの把持が難しく、台座６の斜面上にレンズホルダ４を接合するハンドリングが容易でない。また、台座６の斜面上にレンズホルダ４を固定する際に、上から押し付ける力や重力により、レンズホルダ４が斜面に沿って滑動して位置ズレを起こすことがある。

一方、図５（Ｂ）に示す発光モジュールの場合、レンズ筒７のみを把持して、光軸方向と光軸と直角な垂直部に沿った方向での位置合わせを行うので、図５（Ａ）の構成による問題は解消することができる。しかし、レンズ筒７を位置合わせして保持ブロック８の垂直壁部８ｂに、異なる方向から複数箇所で溶接して固定しなければならず、また垂直壁部を有するＬ字状の保持ブロックを必要とすることから、生産性とコスト面で問題がある。
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、ベース台の実装面からの高さ位置を含めて、レンズの位置合わせを容易に行うことができ、作業性がよく安価に実現することが可能な光モジュールの提供を目的とする。

本発明による光モジュールは、発光素子と、該発光素子の出射光を光ファイバに入射させるためのレンズを含む光学系と、レンズを位置決めして保持するレンズ保持部材と、これらを実装するベース台とを備える光モジュールで、レンズ保持部材は、ベース台からの高さ位置を順次異ならせた階段状のレンズ保持面を備えていることを特徴とする。そして、前記のレンズは、発光素子の出射光が光ファイバに所定値以上の光結合率で入射されるように、選択されたレンズ保持面で保持される。
また、上記の光学系は、コリメートレンズと集光レンズを含み、集光レンズがレンズ保持部材で保持される。また、発光素子の出射光は、ファイバスタブを介して光ファイバに出射されるようにしてもよい。

本発明によれば、階段状に形成された複数のレンズ保持面から、最適な高さ位置のレンズ保持面を選択した後、選択されたレンズ保持面の平面内で位置合わせするので、レンズを移動させての位置調整は、レンズ保持面の平面内のみとなる。このため、位置調整が容易で生産性を高めることができるとともに、高い光結合率を得ることができる。

図により本発明の実施の形態を説明する。図１（Ａ）は本発明の光モジュールの概略を説明する図、図１（Ｂ）は本発明におけるレンズ保持部材の一例を説明する図である。図中、１０は光モジュール、１１は光パッケージ、１１ａは透光孔、１１ｂはリード端子、１２はマウント部材、１３はレンズ部材、１４はベース台、１４ａは実装面、１５はレンズ保持部材、１５ａ〜１５ｅはレンズ保持面、１６はフェルールホルダ、１７はフェルール、１８は光ファイバコードを示す。

本発明による光モジュール１０は、例えば、図１（Ａ）に一例として示すような形態で形成される。この光モジュール１０は、信号光源である発光素子、および発光素子の駆動回路等が収納された光パッケージ１１と、該パッケージからの信号光を集光するレンズ部材を含む光学系と、集光された信号光を光ファイバコード１８に入射させるフェルールホルダ１６等をベース台１４上に実装して構成される。なお、フェルールホルダ１６には、光ファイバコード１８等の端部に取り付けられたフェルール１７を挿着して、入射された信号光を外部通信機器（図示せず）に送信する。

光パッケージ１１は、筐体内の発光素子から出射される信号光を透過させる透光孔１１ａ、発光素子の駆動回路に制御信号、電源等を供給するリード端子１１ｂ、ベース台１４に実装させるマウント部材１２等を備えている。
レンズ部材１３は、光パッケージ１１の透光孔１１ａを透過して出射される信号光を集光して、光ファイバに高結合率で入射させるレンズをレンズ筐体等に収納して成り、例えば、その背面側に、光ファイバコード１８のフェルール１７を結合するフェルールホルダ１６を、予め一体的に結合させた形態で構成することができる。

レンズ部材１３をベース台１４に実装するに際しては、信号光源である発光素子との位置関係を最適に設定するために、位置調整用のレンズ保持部材１５が用いられる。本発明においては、レンズ保持部材１５は、一方の面（上面側）に平坦な反対の面（下面側）からの高さ位置（厚さ）を順次異ならせた階段状のレンズ保持面１５ａ〜１５ｅを備えた形状のものを用いる。このレンズ保持部材１５は、平坦な下面をベース台１４の平坦な実装面１４ａに接着材や溶接等により固定し、階段状に形成された複数のレンズ保持面１５ａ〜１５ｅのうちから、いずれかの保持面を選択してレンズ部材１３を載置し、位置決めされる。

レンズ保持面１５ａ〜１５ｅのそれぞれの幅Ｗは、レンズ部材１３が安定して載置できるような幅で形成されているのが望ましく、レンズ部材１３の筐体幅の１／２以上あることが好ましい。また、レンズ保持面の段差Ｔは、後述する軸ズレ量による光結合率の低下が最適値の２％以内に収まる範囲、例えば、±５０μｍ以内とするのが望ましく、段差Ｔ≦５０μｍであることが好ましい。

レンズ保持面の段数は、各部品の製造精度、組立て精度を考慮して任意に設定することができ、集光レンズの軸ズレ量と光パワーの結合特性に基づいて、光結合率を所定値にすることが可能な分割数とすればよい。図１（Ｂ）では、段数が５段で２５０μｍ分の軸ズレ量の調整が可能となっている。なお、レンズ保持部材１５は、金属、セラミック、樹脂等の各種の材料で形成することができる。

図２は、レンズ部材の位置調整について説明する図で、図２（Ａ）は側面方向から見た図、図２（Ｂ）は上面方向から見た図である。図中の符号は、図１で用いたのと同じ符号を用いることで説明を省略する。また、図２では、光パッケージの筐体を外した状態で図示してあり、光パッケージ内の発光素子１及び発光素子の駆動回路部品が、熱伝導性のよい材料等で形成されたマウント部材１２を介して、ベース台１４上に実装されている。
なお、レンズ部材１３の位置調整に際しては、発光素子１からの出射光を、光ファイバコード１８を利用して光パワーメータ等でモニタしながら行うことができる。

図２（Ａ）に示すように、レンズ部材１３のＹ方向の位置（すなわち、ベース台１４の実装面１４ａからのレンズ３の高さ位置）調整は、レンズ保持部材１５の階段状に形成された複数のレンズ保持面の一つを選択することで一義的に決定されるので、容易に行うことができる。なお、図１（Ｂ）で説明したように、１つの段差を５０μｍとすると、５０μｍ単位での調整量（Δｙ）となる。また、Ｙ方向の調整は、Ｘ方向の調整に先立って行うのが望ましい。

レンズ保持部材１５のレンズ保持面が選択されて、レンズ部材１３の高さ位置が決まったら、図２（Ｂ）に示すように、レンズ部材のＸ方向の位置（光軸と直交する横方向の位置）を調整する。このＸ方向の調整は、レンズ保持部材１５の選択されたレンズ保持面上でレンズ部材１３を、レンズ保持面の段差部分をガイドとしてＸ方向に平行移動させて行うことができる。
光軸と直交するＸＹの２方向の調整は、上記したようにレンズ保持部材１５の階段状に形成されたレンズ保持面の段差を用いて行うので、その調整作業は比較的に容易であり、生産性を高めることができるとともに、高い光結合率を得ることができる。

また、光軸方向と平行なＺ方向の調整が必要な場合は、レンズ保持部材１５をベース台１４の実装面１４ａ上を移動させることにより調整することができる。このＺ方向の調整は、ＸＹの２方向の調整後に行ってもよいが、Ｙ方向の選択に先だって予め調整し、レンズ保持部材１５をベース台１４に仮保持させた状態で、ＸＹの２方向の調整を行うようにしてもよい。

図３（Ａ），（Ｂ）は、他の実施形態を説明する図で、コリメートレンズと集光レンズの２つのレンズを含む光学系を備える例である。コリメートレンズによって信号光を平行光とすることにより、平行光を集光レンズで集光させて光ファイバに入射させる場合、集光レンズは、光源からの距離の影響を受けにくくすることができる。

例えば、コリメートレンズ３’による平行光をレンズ３で集光して光ファイバのコア部に入射する場合、図３（Ａ）に示すように、平行光の光軸と集光用のレンズ３の位置がずれていて光ファイバとの結合に軸ズレが生じているとする。そこで、図３（Ｂ）に示すように、レンズ保持部材１５上のレンズ部材１３の位置を低い位置に調整したとする。この場合、発光素子１とレンズ部材１３との距離も変わるが、レンズ３で受ける光はコリメートレンズ３’により平行光とされているため、距離の再調整は必要がなくなる。

このため、図２で説明したＺ方向の調整は省略することが可能となる。したがって、レンズ保持部材１５をベース台１４の所定の位置に固定し、この後、図２に示したＹ方向の調整とＸ方向の調整を行う。この場合、固定されたレンズ保持部材１５に対して、レンズ部材を移動させるので、位置の調整作業が行いやすく、生産性をさらに向上させることができる。

図４は、集光レンズの軸ズレ量と、光パワーの結合率との関係を示す図である。この図に示すように、集光レンズが最適の位置（軸ズレがゼロ）から軸ズレ量が増加すると、光結合率ΔＰ（％）は、２次関数的に低下していく。しかし、軸ズレ量が±１００μｍでは光結合率は１２％も低下する。しかし、軸ズレ量が±５０μｍの範囲内であれば、光結合率は２％以下に抑えることができる。光モジュールの仕様にもよるが、光結合率は２％以下であれば、一般的には許容できる範囲である。したがって、軸ズレの範囲を±５０μｍ以下にするには、上記のレンズ保持部材１５の階段状のレンズ保持面の１つの段差を５０μｍ以下とするようにすればよい。

また、集光レンズで集光された信号光は、フェルールホルダ内に挿着されたフェルールの光ファイバに直接入射されるようにしてもよいが、例えば、図３に示すように、フェルールホルダ１６内に、短尺の光ファイバを中心に保持するファイバスタブ１９を介して、光ファイバに入射されるようにしてもよい。後者の場合は、集光レンズ３とスタブ１９との位置関係が固定され一定であり、この間に塵埃等の侵入もないので、安定した特性を維持することができる。

本発明による光モジュールの概略を説明する図である。 本発明による光モジュールのレンズ部材の位置調整について説明する図である。 本発明の他の実施形態を説明する図である。 集光レンズの位置ズレと光結合率の関係を示す図である。 従来の技術を説明する図である。

符号の説明

１…発光素子、３…レンズ、３’…コリメートレンズ、１０…光モジュール、１１…光パッケージ、１１ａ…透光孔、１１ｂ…リード端子、１２…マウント部材、１３…レンズ部材、１４…ベース台、１４ａ…実装面、１５…レンズ保持部材、１５ａ〜１５ｅ…レンズ保持面、１６…フェルールホルダ、１７…フェルール、１８…光ファイバ、１９…ファイバスタブ。

Claims (4)

1. 発光素子と、該発光素子の出射光を光ファイバに入射させるためのレンズを含む光学系と、前記レンズを位置決めして保持するレンズ保持部材と、これらを実装するベース台とを備える光モジュールであって、
   前記レンズ保持部材は、前記ベース台からの高さ位置を順次異ならせた階段状のレンズ保持面を備えていることを特徴とする光モジュール。
2. 前記レンズは、前記発光素子の出射光が前記光ファイバに所定値以上の結合率で入射されるように、選択されたレンズ保持面で保持されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記光学系は、コリメートレンズと集光レンズを含み、前記集光レンズが前記レンズ保持部材で保持されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。
4. 前記発光素子の出射光は、ファイバスタブを介して光ファイバに入射されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光モジュール。

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