JP6088404B2 - 光モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、光モジュールに関し、特に光ビームの光学系を小型化して集積した光モジュールに関する。
従来、半導体レーザから出射された光ビームを光ファイバで効率よく光結合させるときに、レンズを用いることが知られている。このレンズを固定する方法として、接着剤でレンズと基板とを固定するという方法がある。非特許文献1に開示されたレンズの固定方法について図1を参照して説明する。
図1は、従来のレンズ101の固定方法を示す図である。
図1において、光モジュール100は、レンズ101を備えており、このレンズ101は、接着材102を介して基板103上に固着されている。レンズ101の硝材として、各種ガラス材が用いられる。
なお、光モジュール100では、レンズ1は、図示されていない光素子(例えば、半導体レーザ、フォトダイオードなど)と光学的に結合されている。
接着剤103は、主に無機材料による複数の充填剤(以下、「フィラー」という。)104を含有している。これは、接着剤103の接着主剤だけでは得られない線膨張係数や硬化収縮率、熱伝導率等の特性を得るためである。フィラー104は、十数μ以下の微粒子状である。
一つのフィラー104が、接着される基板102とレンズ101との間に挟まれ、これにより、接着剤103の接着特性が保証されるようになっている。
光ビーム20は、光軸xに沿って、入射用のレンズ部101aから出射用のレンズ部101bを伝搬するようになっている。
図1において、距離dは、接着材103と接着するレンズ101面の距離を表している。また、z軸は、光軸xと垂直方向を示す。
一方、レンズ101と基板102との間においてフィラー104が挟まる状況により、レンズ101の傾きが異なってくる。このレンズ101の傾きは、光学特性に影響を与える。
図2は、フィラー104が基板102とレンズ101との間に挟まれて、レンズ101が傾いている状態を示してある。
図2において、フィラー104の粒子径をhとすると、レンズ101の傾きθは、下記式で与えられる。
Figure 0006088404
式(1)に示す「x」の値は、図2に示すレンズ101の端面上における入射側からの距離(x=0〜d)で決定される。
上記式(1)において、θが最大となるのは、一つのフィラー粒子が、レンズ101の端面の中央の位置(x=d/2)にある場合である。その場合の最大傾き角θmaxは、下記式(2)で与えられる。
Figure 0006088404
有賀麻衣子他、FBT樹脂固定レーザモジュールの開発、古河電工時報第128号、平成23年8月、p.1−6
従来の光モジュールでは、レンズ101の傾きθが最大となるのは、上記式(2)で示したθmaxとなる。このθmaxの値以内とするには、図2に示したフィラー粒子径hとdとは、下記式(3)の関係を満たすようにする必要がある。
Figure 0006088404
式(3)に示したdと同じ値の幅を有するレンズ101の場合、フィラー粒子径hが決まれば、最大傾き角θmaxの値が決定される。しかしながら、低コスト化のために、光モジュールの部材類を容易に変更することが難しい。これにより、上記dの値と同じ幅を有するレンズ101と、フィラー粒子径hを含有する接着剤103とを用いて、より高性能な特性を有する光モジュールが要求されることも多い。
一方、上記高性能な特性のためには、レンズ101の傾き角θを小さくする必要がある。光モジュールの小型化の観点からは、レンズ101の幅を小さくすることも考えられるが、上記式(3)から明らかなように、レンズの幅dを小さくすると、フィラー粒子径hも小さくする必要がある。フィラー粒子径を小さくするのは、接着剤103の信頼性を検証するうえでも、非常に困難である。例えば、d=0.5mmと同じ幅を有するレンズをフィラーの粒子径h=0.01mmで固定する場合、レンズの最大の傾き角θmaxは2.29°にもなることが想定される。
本発明は、上記の状況下においてなされたものであり、その目的は、光学素子を基板に固着するための接着剤を変更することなく、基板に対する光学素子の傾き角をより一層小さくするようにした光モジュールを提供することである。
上記の課題を解決するための本発明は、基板と、前記基板上に、フィラーを含有する接着材により固定される光学素子とを含み、前記光学素子は、前記接着材を介した前記基板との接着面に、前記フィラーによる当該光学素子の傾きを防止するための溝部を有する。
ここで、前記溝部の幅は、前記接着面の全幅よりも小さく、かつ前記フィラーの粒子径よりも大きくするようにしてもよい。
前記溝部の最大の深さは、前記フィラーの粒子径と等しい、または、前記フィラーの粒子径よりも小さくするようにしてもよい。
前記接着剤は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、および、シリコーン樹脂のうちのいずれかの材料を主成分とするようにしてもよい。
前記接着剤は、紫外線による硬化特性を有するようにしてもよい。
前記フィラーは、銀、二酸化ケイ素、タルク、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化、ホウ素、および、酸化チタンのうちのいずれかの無機材料を主成分とするようにしてもよい。
前記フィラーは、球体形状、鱗片形状、板形状、および、粉砕塊形状のうちのいずれかの形状を有するようにしてもよい。
本発明によれば、光学素子を基板に固着するための接着剤を変更することなく、基板に対する光学素子の傾き角をより一層小さくするようにすることができる。
従来のレンズの固着方法を示す図である。 図1の接着材に含まれるフィラーが基板とレンズとの間に挟まれて、レンズが傾いている状態を説明するための図である。 第1実施形態における光モジュールの構成例を示す図である。 第1実施形態の光モジュールを底面からみた図である。 第2実施形態における光モジュールの構成例を示す図である。 第3実施形態における光モジュールの構成例を示す図である。 第4実施形態における光モジュールの構成例を示す図である。 第5実施形態における光モジュールの構成例を示す図である。 第2実施形態の変形例を示す図である。
<第1実施形態>
以下、本発明の光モジュールの第1実施形態について図3および図4を参照して説明する。図3は、第1実施形態における光モジュール10の構成例を示す図である。図4は、光モジュール10を底面からみた図である。
図3に示すように、光モジュール10は、光学素子としてのレンズ1と、基板2とを備える。図3において、フィラー4は、レンズ1と基板2との間に挟まれて、基板2に対してレンズ1がθだけ傾いているが、このフィラー4は、レンズ1と基板2とを接着するための接着材(不図示)に含まれる。接着材としては、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂またはシリコーン樹脂のいずれかを主成分とするものが好ましいが、これらに限定されるものではない。
また、上述した接着剤としては、紫外線、または、熱による硬化特性を有するようにするようにすると有用である。
フィラー4は、銀、二酸化ケイ素、タルク、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化、ホウ素、または、酸化チタンのうちのいずれかの無機材料を主成分とするものが好ましいが、これらに限定されるものではない。一般に、フィラーは、例えば、球体形状、鱗片形状、板形状、および、粉砕塊形状のうちのいずれかの形状を有するが、これらの形状に限定されるものではない。
なお、光モジュール10では、レンズ1は、図示されていない光素子(例えば、半導体レーザ、フォトダイオードなど)と光学的に結合されている。
本実施形態のレンズ1において、溝部5が形成されている。溝部5は例えば凹部状に形成されている。この溝部5は、図4に示すように、レンズ1の突出部11,12の間に直線状に形成されている。この溝部5は、精密切削加工や、ケミカルエッチング、ドライエッチングなどで形成することができるが、その生成方法については特に限定されない。例えばダイサーによる溝入れによって、溝部5を形成することもできる。
なお、溝部5として、図3および図4に示した凹部状に限られず、切り欠き状などの形状を適用することもできる。
なお、図3および図4において、符号11aは突部11のエッジ部を示している。また、符号dは、レンズ1の幅、すなわち、レンズ1の光軸と平行な接着材との接着面の幅を示している。また、図4のz軸は、光軸xと垂直な方向を示す。
この実施形態では、図3および図4に示すように溝部5の全幅をaとし、図3に示すように溝部5の深さをbとする。溝部5の全幅aは、レンズ1の幅dよりも小さい。溝部5の全幅aは、フィラー4の粒子径hよりも大きくすることが好ましい。
溝部5の深さbは、フィラー4の粒子径hとの関係において、b≦hとなるようになっている。
なお、図3の例において、溝部5は、溝部中央がレンズ1の中央に配置されるように形成されている。
光ビーム20は、光軸xに沿って、入射用のレンズ部1aから出射用のレンズ部1bを伝搬するようになっている。
次に、一つのフィラー4は、図3に一例を示すように、レンズ1と基板2との間に挟まれ、レンズ1が傾き角θを有する場合、θは、xの値に応じて下記式(4)または下記式(6)で表される。
Figure 0006088404
式(4)中、xは、下記式(5)の関係を満たす。
Figure 0006088404
Figure 0006088404
式(6)中、xは、下記式(7)の関係を満たす。
Figure 0006088404
なお、フィラー4が下記式(8)または下記式(9)で示されるxの位置にある場合、このフィラー粒子は、エッジ部11aで当該フィラー表面と接しながら描くことになる軌跡上の位置に存在することになるが、実際には、このエッジ部11aの位置にフィラー4が挟まることは少なくなる。これは、フィラー4表面上の一点がエッジ部11と接することになるため、フィラー4がエッジ部11aで安定して固定されず、エッジ部11aから離れることになるからである。
Figure 0006088404
Figure 0006088404
上記の観点から、フィラー4は、上記式(5)または上記式(7)によって表されるxの位置に留まる。そして、レンズ1は、xの値に従ってθの傾きを有することになる。
ここで、上記式(4)に従ったθは、従来例の式(1)に従ったθと同じである。
一方、式(1)に従ったθと異なり、上記式(6)に従ったθは、溝部5の深さbが与えられる分だけ小さいθが設定される。すなわち、フィラー4が溝部5内に留まる場合(式(7)で示したxの場合)、本実施形態の光モジュール1では、従来の場合よりもレンズ1の傾きを小さくできる。これにより、光モジュール1の特性が向上する。
また、溝部5の深さbを、フィラー粒子径hと同じ値に設定した場合(b=h)、フィラー4が溝部5内のどの位置にあっても、レンズ1の傾き角θが最小になるので(θ=0)、レンズ1の傾きがなくなり、光モジュール1の特性が最も良くなる。
一方、フィラー4が溝部5内にない場合であっても、溝部5の全幅aをレンズ1の幅dに近づける(a=dを除く)ように設定することで、レンズ1の傾き角θが十分に許容できる値となり、さらには、従来の場合よりも光モジュール1の特性が向上する。
次に、上述したa,b,dの値を例示したときに得られるレンズ1の傾き角θについて検討する。
この例では、レンズ1の幅d=0.5mm、溝部5の全幅a=0.25mm、溝部5の深さb=0.01mmとする。そして、接着剤に含有されるフィラー4の粒子径hがh=0.01mmとして設定される。この場合のレンズ1の最大の傾き角θは、溝部5の深さbは、フィラー4の粒子径hと同じ値となるので、フィラー粒子が溝部5内にあれば、0°となる。
一方、フィラー粒子が溝部5の外にあったとしても、レンズ1の最大の傾き角θは、1.53°となり、値が小さくなる。なお、溝部5を備えない従来の光モジュールの場合(図1)、レンズ101の幅dおよびフィラー104の粒子径hを本実施形態の場合と同様に設定する(d=0.5mm、h=0.01mm)と、レンズ101の傾きが最大となる角度は、2.29°となる。これは、上述の1.53°よりも大きい値である。すなわち、本実施形態の光モジュール10によれば、溝部5が、レンズ1の傾きを防止するように機能し、レンズ1の傾く最大値が小さくなる。
以上説明したように、本実施形態の光モジュール10によれば、基板2上に、フィラー4を含有する接着材により固定されるレンズ1を含み、このレンズ1は、接着材を介した基板2との接着面に、フィラー4による当該レンズの傾きを防止するための溝部5を有する。これにより、レンズ1を基板2に固着するための接着剤を変更せずに、基板2に対するレンズ1の傾き角θを小さくすることができる。
<第2実施形態>
以上では、1つの溝部5を備える光モジュール10の場合について説明したが、複数の溝部を設けるようにしてもよい。
図5は、第2実施形態の光モジュール10Aの構成例を示す図である。この光モジュール10Aの構成は、3つの溝部6a,6b,6cを備える点を除けば、図3および図4に示したものと同一である。本実施形態の以下の説明では、特に記述しない限り、第1実施形態の説明で用いた符号等をそのまま用いる。
図5の光モジュール10Aでは、レンズ1Aの底面には、3つの溝部6a,6b,6cが形成されている。各溝部6a〜6cは、第1実施形態のものと同様に、凹部状である場合について説明するが、切り欠き状などの形状を適用することもできる。
図5の例では、溝部6a〜6cの各深さをbとする。bの値をフィラー4の粒子径hと同一にできない場合(すなわちb<hの場合)、溝部6a〜6cのいずれかの中にフィラー粒子が入ることによって、基板2に対するレンズ1の傾き角θを小さくすることができる。b=hの場合には、そのθの値は最も小さくなる。
なお、図3および図4に示したものと同様に、光ビームは、光軸xに沿って、入射用のレンズ部1aから出射用のレンズ部1bを伝搬するようになっている。
<第3実施形態>
図6は、第3実施形態の光モジュール10Bの構成例を示す図である。図6の光モジュール10Bでは、曲面を有する凹状の溝部7が形成されている点が、第1実施形態のものと異なる。それ以外の構成は、図3および図4に示したものと同一である。本実施形態の以下の説明では、特に記述しない限り、第1実施形態の説明で用いた符号等をそのまま用いる。
図6の例では、溝部7は例えば凹部表面が2次関数的な円弧を有するように形成されているが、フィラー粒子を溜めることが可能であれば、円弧状の代わりに他の形状を適用することもできる。
本実施形態の光モジュール10Bでは、溝部7の最大の深さをbとし、溝部の幅をaとする。この溝部7は、コレットでレンズ1を吸引しつつ、レンズ1の接着面に対して一定の押し圧を加える。
溝部7内において、フィラー粒子が溜まることによって、第1実施形態の場合と同様に、基板2に対するレンズ1の傾き角θを小さくすることができる。b=hの場合には、そのθの値は最も小さくなる。
なお、図3および図4に示したものと同様に、光ビームは、光軸xに沿って、入射用のレンズ部1aから出射用のレンズ部1bを伝搬するようになっている。
<第4実施形態>
図7は、第4実施形態の光モジュール10Cを光モジュール底面からみた構成例を示す図である。図7における構成例は、図4に示したものに対応している。
図7の光モジュール10Cでは、第1〜第3実施形態のものと異なり、レンズ1Bの光軸xと平行方向に溝部7を備える。レンズ1Bは、レンズ1Bの光軸xと平行方向に沿って、2つの突出部11_1,12_1を備えており、突出部11_1,12_1の間に、溝部7が形成されている。これにより、レンズ1Bの光軸xに対する、レンズの回転角のずれを改善することができる。
<第5実施形態>
図8は、第5実施形態の光モジュール10Dを光モジュール底面からみた構成例を示す図である。図8における構成例は、図4に示したものに対応している。
図8の光モジュール10Dでは、レンズ1Bの光軸xに対して所定方向(斜め方向)に溝部8を備えている。そして、レンズ1Cは、溝部8の形状に沿って、2つの突出部11_2,12_2を備えている。これにより、第4実施形態で説明したレンズの回転角のずれを改善することができる。
以上、各実施形態について詳述してきたが、構成要素は変更するようにしてもよい。
(変形例1)
以上では、図5を参照して、3つの溝部6a,6b,6cを備える光モジュール10Aについて説明したが、溝部6a〜6cの形状を変更してもよい。
図9は、3つの溝部6a´,6b´,6c´を備える光モジュール10A´の構成例を示している。図5に示した溝部6a〜6cの代わりに、この光モジュール10A´では、図9に示す溝6a´〜6c´が備えられる。溝6a´,6c´は、エッジ部が片側だけに設けられる。このように構成しても、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
(変形例2)
以上では、例えば、光学素子としてレンズ1を例にとって説明したが、レンズ以外に、例えばミラー、波長版、アイソレータ、誘電体多層膜等の光学的な機能を有する母材を適用するようにしてもよい。
なお、各実施形態および変形例の中で個別に例示した数値は、一例であり、自在に変更してもよい。
また、各実施形態および変形例の溝部の数は、適宜変更するようにしてもよい。
1,1A,1B,1C レンズ
2 基板
5,6,7,8 溝部
10,10A,10B,10C,10D 光モジュール

Claims (7)

  1. 光モジュールであって、
    基板と、
    前記基板上に、フィラーを含有する接着材により固定される光学素子とを含み、
    前記光学素子は、前記接着材を介した前記基板との接着面に、前記フィラーによる当該光学素子の傾きを防止するための溝部を有する
    ことを特徴とする光モジュール。
  2. 前記溝部の幅は、前記接着面の全幅よりも小さく、かつ前記フィラーの粒子径よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。
  3. 前記溝部の最大の深さは、前記フィラーの粒子径と等しい、または、前記フィラーの粒子径よりも小さい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. 前記接着剤は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、および、シリコーン樹脂のうちのいずれかの材料を主成分とすることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の光モジュール。
  5. 前記接着剤は、紫外線による硬化特性を有することを特徴とする請求項4に記載の光モジュール。
  6. 前記フィラーは、銀、二酸化ケイ素、タルク、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化、ホウ素、および、酸化チタンのうちのいずれかの無機材料を主成分とすることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の光モジュール。
  7. 前記フィラーは、球体形状、鱗片形状、板形状、および、粉砕塊形状のうちのいずれかの形状を有することを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の光モジュール。
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