JP5397209B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光電変換素子が実装されたパッケージと光コネクタのフェルールが挿入される光レセプタクルを備えた光モジュールに関する。

光通信に用いられる光トランシーバ等に搭載される光モジュールは、発光素子あるいは受光素子等の光電変換素子が搭載され、これら光電変換素子を気密封止したパッケージ部分と、光ファイバケーブルに接続された光コネクタのフェルールを位置決めして光電変換素子との光結合を形成する光レセプタクル部分を備えている。

例えば、同軸型（ＣＡＮ型）のパッケージにおいては、光電変換素子等の電子部品を搭載する領域と電気信号を伝送するリード端子を有するステムと、気密空間を確保するためのキャップシェルとからなる。光電変換素子等の電子部品は、ステム上に電気的に絶縁されて半田材などを用いて実装される。キャップシェルは、例えば、窒素雰囲気下でステムに抵抗溶接等で溶接され、ステム上に搭載される電子部品の収納空間を気密状態で封止し、電子部品に対する信頼性を高めている。また、キャップシェルには、伝搬される光を集光する光学レンズが、低融点ガラスなどで取付け固定されている。

光レセプタクル部分は、パッケージ部分に対して、光学レンズにより集光される光が高効率で結合される位置になるように調芯して、ＹＡＧ溶接等により固定される。光レセプタクル部分の位置決めには、ジョイントスリーブを用いて行なう場合もあるが、用いずに行う場合もある。
上記のような構造の光モジュールは、光トランシーバ等に搭載する場合に、光レセプタクル部分を光トランシーバ等の光コネクタの挿入部分に位置決めして取付固定される。

光トランシーバの使用周波数が高くなると、光電変換素子を搭載したパッケージ部分から放射される電気的ノイズやパッケージの後段の回路基板から放射される電気的ノイズ、また、光トランシーバに外部から伝搬されて侵入する電気的ノイズが問題となる。
通常、これらの電気的ノイズを抑制するために、光トランシーバの光コネクタの挿入部分（光モジュールの光レセプタクル部分）は、電気的ノイズの放射や侵入を抑制するため、金属材料もしくは金属コーティングでシールドされた構造とされている。

この金属材によるシールドは、通信機器の筐体等を介して接地（フレームグランドと呼ばれている）され、電気的ノイズの抑制以外に静電気による影響も抑制されるように設計されている。
他方、光モジュールの光電変換素子等を制御駆動する信号回路の接地（シグナルグランドと呼ばれている）は、パッケージ部分のグランドピン等を介して回路基板に設けたグランド導体等に接続されるように設計されている。

上記のフレームグランドとシグナルグランドが、電気的に接続されていると、機器筐体と回路基板との間での電気的ノイズの伝搬が生じやすくなり、機器の動作に悪影響を与える恐れがある。また、機器筐体からの静電気が回路基板側に伝搬されやすくなって、回路部をサージ破壊する要因にもなる。したがって、光モジュールにおいて、フレームグランドとシグナルグランドが電気的に分離される構造が必要とされている。

例えば、特許文献１には、図４（Ａ）に示すような、電子部品素子（半導体レーザ等）を搭載した光ユニット（パッケージ）１と、光コネクタが接続される光レセプタクル２からなる光モジュールが記載されている。パッケージ１は、金属ステム４にヒートシンク５を介して半導体レーザ３が搭載され、レンズ６が固定された金属製のレンズホルダ７を金属ステム４に抵抗溶接して構成されている。

光レセプタクル２は、金属製のスタブホルダ８、金属製のスリーブカバー９、ファイバスタブ１０、スペーサ１１、スリーブ１２からなっている。スタブホルダ８の貫通孔８ａにはファイバスタブ１０が圧入で保持され、ザグリ部８ｂにはスペーサ１１が圧入で保持される。スリーブ１２は、ジルコニア等のセラミック材で径方向に伸縮可能な割スリーブで形成され、ファイバスタブ１０の前部側に嵌合保持される。スリーブカバー９は、スタブホルダ８からは離間してスリーブ１２を保護するように、スペーサ１１の外側に圧入嵌合するようにして取付け保持される。

ファイバスタブ１０は、ジルコニアやアルミナ等のセラミック材から形成され、また、スペーサ１１も電気的に絶縁性のセラミックで形成されている。金属製のスタブホルダ８と金属製のスリーブカバー９は、スペーサ１１により電気的に絶縁される。この構成により、金属製のスタブホルダ８は、電子部品素子が搭載されるパッケージ１と電気的には導通されるが、光コネクタが接触する金属製のスリーブカバー９からは電気的に絶縁される。

また、特許文献２には、図４（Ｂ）に示すような、光素子（半導体レーザ等）を搭載したパッケージ１と光コネクタが接続される光レセプタクル２とを、ジョイントスリーブ１３で結合した光モジュールが記載されている。パッケージ１は、リード端子をガラス封止した金属ステム４に光素子（半導体レーザ等）３が搭載され、レンズ６が固定された金属製のレンズホルダ７を金属ステム４に抵抗溶接して構成されている。

光レセプタクル２は、金属製のスタブホルダ８、ハウジング（スリーブカバー）９、ファイバスタブ１０、スリーブ１２からなっている。スタブホルダ８には、ファイバスタブ１０を嵌入させて保持し、ファイバスタブ１０には、ジルコニア製のスリーブ１２が嵌合保持される。ハウジング９は、スリーブ１２を保護するようにしてスタブホルダ８に嵌合して取付け保持される。

ジョイントスリーブ１３は、上金属蓋１４、ジルコニア等のセラミック製の絶縁リング１５、下金属リング１６を互いに圧入によって組み合わされて形成されている。下金属リング１６は、パッケージ１のレンズホルダ７に嵌合して溶接され、上金属蓋１４の上面にはスタブホルダ８が載せられ溶接され、パッケージ１と光レセプタクル２とが、調芯されて組み付けられる。この構成により、パッケージ１側と光レセプタクル２側とは、絶縁リング１５により電気的に絶縁される。

特開２００６−１１９５７７号公報 特開２００６−８４６８３号公報

特許文献１，２には、光電変換素子が搭載されたパッケージ部分と光コネクタが接続される光レセプタクル部分を電気的に絶縁することが開示されている。これにより、電気的ノイズの伝搬や静電気によるサージ破壊を防止することが可能となり、また、光レセプタクル部の金属部分がアンテナとして作用するのを抑制することが可能とされている。

しかしながら、特許文献１では、パッケージ１と光レセプタクル２とを電気的に絶縁する中空円筒状のスペーサ１１に、スタブホルダ８とスリーブカバー９を、共に外周部から圧入嵌合する構造となる。このため、スペーサ１１には圧縮応力が定常的にかかる形態となり、その応力に耐えるに十分な構造が必要となり、コスト高となる。また、特許文献２では、パッケージ１と光レセプタクル２とを電気的に絶縁する絶縁リング１５を、上金属蓋１４と下金属リング１６で圧入で組み付ける構造で、ジョイントスリーブの構造が複雑になりコスト高となる。また、径方向の寸法制約により、絶縁リング１５の厚みを厚くすることができないので、電気的絶縁が十分でなく、クラックが生じる恐れがある。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、パッケージ部分と光レセプタクル部分を電気的に絶縁して、電気的ノイズの伝搬や静電気によるサージ破壊等を防止すると共に、電気絶縁のための絶縁リングを厚くすることなく、安価で組立てが簡単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、光電変換素子が実装され金属キャップで気密封止されたパッケージと、光コネクタのフェルールが挿入される光レセプタクルを備えた光モジュールで、光レセプタクルは、フェルールが挿入される電気絶縁性のスリーブ、該スリーブの基端部が嵌合される電気絶縁性のファイバスタブ、該ファイバスタブを嵌合して保持する金属製のスタブホルダ、該スタブホルダの外側に嵌合される電気絶縁性のリング、該リングの外側に嵌合されて前記のスリーブを覆う金属製のスリーブシェルを有しており、スタブホルダとリングの嵌合部分とリングとスリーブシェルの嵌合部分は光軸方向に沿って重なり部分を有していることを特徴とする。

前記のファイバスタブとスタブホルダ、スタブホルダとリング、リングとスリーブシェルは、それぞれ圧入嵌合により固定される。また、パッケージとレセプタクルは、金属製のジョイントスリーブを介して結合してもよい。

本発明の光モジュールによれば、セラミックのような電気絶縁材で形成されるリングを、互いの応力が均衡するように組立てることができ、セラミック部品の割れや破断を少なくし、品質の信頼性を向上させることができる。また、リングは、厚みを厚くする必要がなく安価に形成することができる。

本発明による光モジュールの一例を説明する図である。 本発明による光レセプクル部分の構成例を説明する図である。 本発明による光レセプクル部分の他の構成例を説明する図である。 従来技術を説明する図である。

図により本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による光モジュールの一例を説明する図、図２および図３は光レセプクルの詳細を説明する図である。図中、２１はパッケージ、２２は光レセプタクル、２３はジョイントスリーブ、２３ａは蓋部、２３ｂは嵌合部、２４は発光素子、２５は受光素子、２６はＷＤＭフィルタ、２７はリード端子、２８はステム、２９はレンズ、３０はレンズホルダ、３１はスリーブ、３２はファイバスタブ、３３はスタブホルダ、３３ａは円筒部、３３ｂはフランジ部、３３ｃは貫通孔、３３ｄは外周面、３４は電気絶縁性のリング、３５はスリーブシェル、３５ａは挿入口、３５ｂは貫通孔、３５ｃは嵌合穴、３５ｄはフランジ部、３６は光ファイバ素子を示す。

本発明の光モジュールは、図１に一例として示すようなパッケージ２１と光レセプタクル２２からなる構成のものを対象とし、また、パッケージ２１と光レセプタクル２２とは、ジョイントスリーブ２３により結合させる構成のもの含めることができる。パッケージ２１は、例えば、送信用の発光素子２４および受信用の受光素子２５等の光電変換素子を搭載し、波長合分波フィルタ（ＷＤＭフィルタ）２６を介して送受信する双方向型のパッケージとすることができる。この他、送信用の発光素子２４のみを搭載した送信用のパッケージ、あるいは、受信用の受光素子２５のみを搭載した受信用のパッケージとして構成することもできる。

発光素子２４としては、レーザダイオードを用いることができ、受光素子２５としては、フォトダイオードを用いることができる。ＷＤＭフィルタ２６は、波長の異なる送信光と受信光が交差する光学経路上で、選択的に反射または透過させて分離する。この他、必要に応じて放熱のための電子冷却器やインピーダンス整合の回路部品等を搭載することができる。

これら光電変換素子等の電子部品は、金属製で円盤状のステム２８にキャリア部材（図示せず）等を介して位置決めされ、電気的に絶縁されて搭載される。ステム２８には、信号用あるいは電源用のリード端子２７をガラス封止により配設し、ステム２８自体はグランド電位として、回路基板（図示せず）と電気的に接続される。また、ステム２８上に搭載された電子部品は、レンズ２９を固定した金属製のレンズホルダ３０により封止される。

パッケージ２１は、例えば、同軸型（ＣＡＮ型）で形成され、その金属製のレンズホルダ３０は、ステム２８に窒素雰囲気下において抵抗溶接し、搭載電子部品を気密性が確保された空間におき、経年変化による劣化を抑制し信頼性を高めている。なお、レンズホルダ３０は、レンズ２９をレンズ機能を有しない透光ガラスで置き換えられることもあり、キャップシェルと呼ぶ場合もある。

光レセプタクル２２は、光コネクタのフェルール（図示せず）が挿入され、該フェルールに保持固定された光ファイバとパッケージ２１の光電変換素子とを光学的に結合させるものである。本発明における光レセプタクル２２は、フェルールが挿入されるスリーブ３１、該スリーブ３１の基端部が嵌合されるファイバスタブ３２、該ファイバスタブを嵌合して保持する金属製のスタブホルダ３３、該スタブホルダの外側に嵌合される電気絶縁性のリング３４、該リングの外側に嵌合されてスリーブ３１を覆う金属製のスリーブシェル３５からなっている。すなわち、光レセプタクルを組立てる嵌合部分において、ファイバスタブ３２、スタブホルダ３３、リング３４、スリーブシェル３５の順で、嵌合部分の径が順次大きくなるようする。

ジョイントスリーブ２３は金属製で、蓋部２３ａと嵌合部２３ｂからなり、蓋部２３ａには光を通す孔が設けられている。このジョイントスリーブ２３は、パッケージ２１と光レセプタクル２２とを調芯して結合するもので、光軸方向に対しては、嵌合部２３ｂとパッケージのレンズホルダ３０との嵌合位置を調整し、径方向に対しては、蓋部２３ａと光レセプタクルのスタブホルダ３３との相対位置を調整して行なわれる。位置調整後に、ＹＡＧレーザ等により溶接して一体化される。

図２に光レセプタクル２２を拡大して示すように、スリーブ３１は、例えば、ジルコニア等のセラミック材で、スリ割を入れて径方向に伸縮可能な割スリーブで形成される。このスリーブ３１は、フェルールの位置決めを行い、その着脱を容易にする機能を備えている。スリーブ３１は、中心に短尺の光ファイバ素子３６を有するファイバスタブ３２に、その基端部を弾性的に嵌合させて保持される。

また、スリーブ３１は内径の精度を高めてフェルールとのクリアランスを小さくし、フェルールとファイバスタブ３２を高精度で位置決めする精密スリーブで形成されても良い。ファイバスタブ３２は、スリーブ３１と同じくジルコニア等のセラミック材で形成することができ、その内端面（下端面）は反射防止のために傾斜面で形成することができる。また、内端面（下端面）を平面として反射防止のコーティングを施してもよい。

ファイバスタブ３２は、その下部側をスタブホルダ３３に圧入することにより固定支持される。スタブホルダ３３は、円筒部３３ａとジョイントスリーブ２３の蓋部２３ａに接合されるフランジ部３３ｂからなり、円筒部３３ａの貫通孔３３ｃにファイバスタブ３２が圧入される。ファイバスタブ３２は、その圧入嵌合部分の長さが（Ｄ１）で内径方向の圧縮力を受けて固定される。

スタブホルダ３３の円筒部３３ａの外周面３３ｄには、電気絶縁性のリング３４が圧入嵌合により固定される。リング３４は、ファイバスタブ３２と同様なジルコニア等のセラミック材で形成することができ、円筒部３３ａの外周面３３ｄの軸方向長さより大きい長さで形成される。リング３４は、スタブホルダ３３のフランジ部３３ｂに当接するまで嵌合することにより位置決めされて固定される。リング３４とスタブホルダ３３とは、その圧入嵌合部分の長さが円筒部３３ａの外周面３３ｄの軸方向長さに等しい長さ（Ｄ２）で、リング３４を外径方向に広げようとする力によって円周方向に引張応力が生じる。

リング３４の外側上部には、スリーブシェル３５が圧入嵌合されて取り付けられる。スリーブシェル３５は、光コネクタのフェルールが挿入される挿入口３５ａ、スリーブ３１が多少動き得る程度の隙間をあけて収容する貫通孔３５ｂ、リング３４に嵌合させるための嵌合穴３５ｃ、光トランシーバ等への取り付けの位置決めをするためのフランジ部３５ｄを有している。スリーブシェル３５は、リング３４の上端が嵌合穴３５ｃの段部に当接するまで嵌合することにより位置決めされて固定される。スリーブシェル３５とリング３４とは、その圧入嵌合部分の長さが嵌合穴３５ｃの軸方向長さに等しい長さ（Ｄ３）で、これにより、リング３４は内径方向に縮めようとする力によって円周方向に圧縮応力が生じる。

リング３４とスタブホルダ３３、リング３４の上端と嵌合穴３５ｃとが、上記のように当接するまで嵌合する設計以外に、それぞれ当接しないようクリアランスを設けた設計としても良い。圧入を用いた部品の組立において、圧入時の組立強度を管理することで製造安定性を評価することがある。当接しないようにクリアランスを設けることで、組立時の最大強度が圧入時の組立強度に対応するため、製造管理においては有効となる。

セラミック等の電気絶縁材で形成されたリング３４は、金属材により形成されるスタブホルダ３３やスリーブシェル３５に比べて割れやすい。しかし、リング３４とスタブホルダ３３との圧入嵌合部分による引張応力、リング３４とスリーブシェル３５との圧入嵌合部分による圧縮応力を受けるが、この応力を受ける部分に光軸方向に対して重なり部分（Ｙ）を持たせることにより、圧縮と引張の応力を均衡させることができる。この結果、リング３４の厚さを特に厚くしなくても、強度を持たせることが可能となる。

なお、ファイバスタブ３２とスタブホルダ３３との圧入嵌合部分によるファイバスタブ３２に生じる圧縮応力は、ファイバスタブ３２自身が中実構造であることから、応力への耐性が高く問題はない。また、図２で示す構造以外に、図３に示すように重なり部分（Ｙ）を最大とするよう、Ｄ１とＤ２とＤ３を完全に重ね合わせた構造を採用しても良い。また、少なくともＤ２とＤ３が重ね合わさるように設計すると、リング３４にかかる応力をより均衡させることができ、リング３４の割れなどを防ぐことができる。

本発明における光レセブタクル２２は、金属材で形成されるスタブホルダ３３（シグナルグランド電位）とスリーブシェル３５（フレームグランド電位）とを、電気絶縁材からなるリング３４で、電気的に絶縁分離した形態となる。これにより、機器筐体やフレーム部分と回路基板間の電気的ノイズの伝搬を抑えると共に、外部からの静電気が回路基板に伝搬されて機器に損傷を与えるのを抑制することができる。また、応力を受ける部分に重なり（Ｙ）を持たせることにより、金属材からなるスタブホルダ３３とスリーブシェル３５が互いに重なるように同軸配置されるので、電気的ノイズに対するシールドも十分確保することができる。

上記の光レセプタクルにおいて、ファイバスタブ３２の外径は、ＬＣコネクタが用いられる場合は、その径が１.２５ｍｍΦ程度となる。また、光トランシーバ等に、光モジュールを２個並べて（例えば、送信用と受信用の光モジュール）配置する場合は、光モジュールの外径を６.０ｍｍΦ以下とする必要（標準規格）があるが、上記の構造によれば、構成部品の厚さを十分確保することができる。

また、本発明における各構成部品で、金属材を用いる部品はステンレス材料を用い、非金属材料を用いる部品は、ジルコニア（セラミック）を用いることが望ましく、さらには、ステンレス材料のうちでも線膨張係数がジルコニアに近い物性をもつステンレス材料を選定することが望ましい。例えば、１１ｐｐｍ／ｄｅｇＣの線膨張係数をもつステンレス材料を用いることで、これと近似する線膨張係数をもつジルコニアと物性を合わせることができる。圧入固定部分においては、材料同士の線膨張係数差により、高温もしくは低温において圧入状態が確保できなくなることがあるが、線膨張係数が近似したものを用いることで、全温度範囲において安定した圧入固定状態を実現することができる。

上述したパッケージ２１と光レセプタクル２２とは、図４（Ａ）のように、スタブホルダ３３をパッケージのレンズホルダ３０に対して径方向の調芯を行なった後、直接溶接して結合するようにしてもよいが、図１に示したように、ジョイントスリーブ２３を介して結合するようにしてよい。この場合、ジョイントスリーブ２３とパッケージ２１のレンズホルダ３０との軸方向の嵌合位置を調整して、パッケージ２１と光レセプタクル２２の軸方向の調芯を行なうことができる。

２１…パッケージ、２２…光レセプタクル、２３…ジョイントスリーブ、２３ａ…蓋部、２３ｂ…嵌合部、２４…発光素子、２５…受光素子、２６…ＷＤＭフィルタ、２７…リード端子、２８…ステム、２９…レンズ、３０…レンズホルダ、３１…スリーブ、３２…ファイバスタブ、３３…スタブホルダ、３３ａ…円筒部、３３ｂ…フランジ部、３３ｃ…貫通孔、３３ｄ…外周面、３４…電気絶縁性のリング、３５…スリーブシェル、３５ａ…挿入口、３５ｂ…貫通孔、３５ｃ…嵌合穴、３５ｄ…フランジ部、３６…光ファイバ素子。

Claims (3)

1. 光電変換素子が実装され金属キャップで気密封止されたパッケージと、光コネクタのフェルールが挿入される光レセプタクルを備えた光モジュールであって、
   前記光レセプタクルは、フェルールが挿入される電気絶縁性のスリーブ、該スリーブの基端部が嵌合される電気絶縁性のファイバスタブ、該ファイバスタブを嵌合して保持する金属製のスタブホルダ、該スタブホルダの外側に嵌合される電気絶縁性のリング、該リングの外側に嵌合されて前記スリーブを覆う金属製のスリーブシェルを有し、前記スタブホルダと前記スリーブシェルは前記リングにより電気的に絶縁されており、前記スタブホルダと前記リングの嵌合部分と前記リングと前記スリーブシェルの嵌合部分は光軸方向に沿って重なり部分を有していることを特徴とする光モジュール。
2. 前記ファイバスタブと前記スタブホルダ、前記スタブホルダと前記リング、前記リングと前記スリーブシェルは、圧入嵌合により固定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. 前記パッケージと前記光レセプタクルは、金属製のジョイントスリーブを介して結合されてい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。

Images