JP6088404B2 - 光モジュール - Google Patents

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。

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。

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。

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。

式（４）中、ｘは、下記式（５）の関係を満たす。

式（６）中、ｘは、下記式（７）の関係を満たす。

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。

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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