JP6365803B1

JP6365803B1 - 光モジュールの製造方法

Info

Publication number: JP6365803B1
Application number: JP2018506239A
Authority: JP
Inventors: 恭介蔵本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2037-09-12
Also published as: CN111066213A; CN111066213B; TW201913172A; TWI641867B; US20200333213A1; JPWO2019053780A1; WO2019053780A1; US11125645B2

Abstract

レーザ素子（３）がレーザ光を出射する。レンズキャップ（４）がレーザ素子（３）に被せられている。レンズ（５）がレンズキャップ（４）に内蔵され、レーザ光を集光又は平行化する。レンズ（５）の上面には、レーザ光の光軸（６）に対して垂直な平坦面（７）が設けられている。

Description

本発明は、レンズを内蔵したレンズキャップをレーザ素子に被せた光モジュール及びその製造方法に関する。

半導体レーザなどのレーザ素子を搭載したパッケージに、レーザ光を集光又は平行化するためのレンズを設置する場合、パッケージに直接レンズを搭載する方法、レンズを内蔵したレンズキャップをレーザ素子に被せる方法などがある（例えば、特許文献１参照）。この場合、レーザ光の中心となる光軸とレンズの中心位置を一致させることが、ビーム広がり角を小さくし、ビームを真っ直ぐに出射する上で重要である。

そこで、レンズを内蔵したレンズキャップをレーザ素子に被せる方法として、レーザ素子を発光させた状態でレンズを仮設置し、レンズからの出射パタンの広がりと傾きを見ながらレンズを微動させて最適な位置で固定するアクティブアライメントと呼ばれる方法がある。しかし、レーザ素子を発光させるため、製造装置が複雑になる。さらに、出射パタンの確認とレンズ位置移動を交互に繰り返す必要があるため、製造に多大な時間を要する。

これを回避する方法として以下の方法が考えられる。まず、レーザの端面に垂直に光を照射し、その反射光から発光点位置を認識する。次に、レンズの上面に光を照射し、その反射光からレンズの中心位置を確認する。そして、レンズキャップを左右に動かして発光点位置とレンズの中心位置を合わせる。

日本特開２０１１−７５３１８号公報

レンズの上面は、連続的に変化する凸の曲面形状を有する。従って、レンズ中心に照射された光は垂直に反射されるが、レンズ中心以外に照射された光は外側に反射される。この結果、反射光の強度は、レンズ中心部が最も強く、レンズ中心部から離れるほど弱くなる。レンズの上面形状は連続的に変化するため、反射光強度分布は連続的に変化する。この反射強度分布のある特定の強度をしきい値として明部と暗部を求め、円形となる明部の中心位置をレンズ中心位置と認識する必要がある。

しかし、レンズ表面の凹凸又はレンズの角度ズレなどにより、明部の形状はきれいな円形にならずに、いびつな形状となりやすい。このため、レンズ中心位置を正確に認識できず、発光点中心とレンズ中心が一致しない状態で組立される場合があった。この場合、レンズを通ったレーザ光は、ビーム広がりが大きくなったり、ビーム出射方向がずれたりして、システムの特性を大きく劣化させる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は発光点位置とレンズ中心位置のずれを低減することができる光モジュール及びその製造方法を得るものである。

本発明に係る光モジュールの製造方法は、レーザ光を出射するレーザ素子と、前記レーザ素子に被せられたレンズキャップと、前記レンズキャップに内蔵され、前記レーザ光を集光又は平行化するレンズとを備え、前記レンズの上面には、前記レーザ光の光軸に対して垂直な平坦面が設けられている光モジュールを製造する際に、前記レンズの前記上面に向けて認識光を照射し、その反射光の形状から前記レンズの中心位置を認識して、前記レーザ素子の発光点位置と前記レンズの中心位置を合わせることを特徴とする。

本発明ではレンズの上面にレーザ光の光軸に対して垂直な平坦面が設けられている。レンズの上面に向けて認識光を照射すると、平坦面からの反射光は一律に同じ強度でカメラの中心位置に入射される。一方、平坦面以外からの反射光は、カメラの中心から外れた位置に入射される。これにより、平坦面からの反射によってカメラにて認識される円形の明点の明度と、その周辺領域の明度は不連続となる。従って、明点がはっきりとカメラに映し出されるため、明点の中心としてレンズの中心を精度良く認識することができる。これにより、レーザ素子の発光点位置とレンズの中心位置のずれを低減することができる。

実施の形態１に係る光モジュールを示す断面図である。実施の形態１に係る光モジュールの製造方法を示す断面図である。実施の形態１に係る光モジュールの製造方法を示す断面図である。比較例に係るコリメーションレンズの形状と、レーザ光の光路を示した図である。実施の形態１に係るレンズの形状と、レーザ光の光路を示した図である。実施の形態２に係る光モジュールのレンズを示す上面図である。実施の形態３に係る光モジュールのレンズを示す上面図及び側面図である。実施の形態３に係る光モジュールのレンズの変形例１を示す上面図及び側面図である。実施の形態３に係る光モジュールのレンズの変形例２を示す上面図及び側面図である。実施の形態４に係る光モジュールのレンズ内蔵キャップを示す断面図である。

本発明の実施の形態に係る光モジュール及びその製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る光モジュールを示す断面図である。パッケージ１にサブマウント２が設けられ、サブマウント２にレーザ素子３が設けられている。レーザ素子３は、レーザ光を出射する。レンズキャップ４がレーザ素子３に被せられている。レーザ光を集光又は平行化するレンズ５がレンズキャップ４に内蔵されている。このレンズ内蔵キャップを形成する場合、レンズ材料をレンズキャップ４内に入れて高温にし、柔らかくなったレンズ材料に金型を上下から押し当てて所望の形状のレンズ５を得る。レンズ５の上面には、レーザ光の光軸６に対して垂直な平坦面７が設けられている。

図２及び図３は、実施の形態１に係る光モジュールの製造方法を示す断面図である。まず、図２に示すように、レーザ素子３の出射端面に垂直に認識光８を照射し、その反射光９をカメラ１０にて撮影する。するとレーザ素子３の出射端面部分から最も強く反射光が反射するため、カメラ１０でレーザ素子３の端面形状を認識することができる。レーザ素子３の端面形状が分かれば、発光点位置がどこにあるかが分かる。

次に、図３に示すように、レンズキャップ４に内蔵されたレンズ５の上面に向けて認識光１１を照射し、その反射光１２の形状からレンズ５の中心位置を認識する。レンズ５の頂点部分が認識光１１に対して垂直な平坦面７であるため、この平坦面７からの反射光１２は一律に同じ強度でカメラ１０の中心位置に入射される。一方、平坦面７以外からの反射光１２は、カメラ１０の中心から外れた位置に入射される。これにより、平坦面７からの反射によってカメラ１０にて認識される円形の明点の明度と、その周辺領域の明度は不連続となる。従って、明点がはっきりとカメラ１０に映し出されるため、明点の中心としてレンズ５の中心を精度良く認識することができる。

そして、レンズキャップ４を左右に動かすことで、レーザ素子３の発光点位置とレンズ５の中心位置を合わせる。その位置にてレンズキャップ４をパッケージ１に溶接する。これにより、レーザ素子３の発光点位置とレンズ５の中心位置のずれを低減することができる。この結果、ビーム広がり及びビームの出射方向ずれが小さい光モジュールを得ることができる。

図４は、比較例に係るコリメーションレンズの形状と、レーザ光の光路を示した図である。レンズ５の上面は、レーザ光が平行に出射するような形状になっている。従って、レーザ素子３の発光点から出射されたレーザ光がレンズ５のどの位置に入射しても、レーザ光はレンズ５の上面から光軸に対して平行に出射される。

図５は、実施の形態１に係るレンズの形状と、レーザ光の光路を示した図である。レンズ５の完全中心位置及び平坦面７以外の領域を通過するレーザ光は、実線で示すように、光軸に対し平行な出射光となる。しかし、レンズ５の完全中心位置以外で平坦面７を通過するレーザ光は、点線で示すように、光軸に対し若干の傾きを持って出射することになる。しかし、レンズ５の平坦面７はカメラ１０の解像度で認識でき、かつ平坦面７以外との角度差が十分とれる大きさであればよい。この大きさは数百ミクロン程度で十分である。一方、レンズ５の上面におけるレーザ光の広がりは数ミリメートル以上となり、レンズ５の平坦面７の影響は非常に小さい。また、例えばプロジェクタ用途の場合、光軸に対する平行度が±数度以下であれば、最終的に光を導波するインテグレーターロッドに全光量が取り込まれるため、平坦面７でのわずかな角度ずれは何ら問題とならない。

例えば、レーザ素子３の発光点中心とレンズ５の上面との距離が３ｍｍ、レンズ５の平坦面７の半径が０．１２ｍｍ、レンズ５の屈折率が１．８とする。この場合、レンズ５の平坦面７の最外周部分を透過したレーザ光の光軸からのずれ角度θは、フレネルの法則からｓｉｎ^−１（１／１．８×０．１２／３）＝１．０６°である。

また、光を集光する場合又はより厳密な平行度を求められる場合にも、焦点距離を大きくし、平坦面７のサイズをより小さくするなどの設計により、所望の特性を得ることができる。

なお、本実施の形態では、レンズ５がレンズキャップ４に内蔵された場合について説明したが、レンズ５がレンズキャップ４に内蔵されていない単体のものでも同様である。この場合、レンズ５単体を移動させてパッケージ１に接着剤などで固定することになる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る光モジュールのレンズを示す上面図である。この図はレンズ５をレーザ出射側から見た図である。レンズ５の上面の中心位置に、レーザ光の光軸に対して垂直な平坦面７ａが設けられている。この平坦面７ａの外周の一部のみに接するように平坦面７ｂが設けられている。従って、平坦面７ａ，７ｂを組み合わせた形状は、レンズ５の上面の中心を回転中心とした回転方向において異方性を持つ。

レンズキャップの組立方法は実施の形態１と同様であり、実施の形態１と同様にレンズ５の中心を精度良く認識することができる。また、平坦面７ａ，７ｂからの反射光によってレンズ５の回転方向を容易に識別できる。なお、平坦面は、レンズ５の回転方向を認識できる形状であれば、どのようなものでもよい。例えば、平坦面が楕円形であってもレンズ５の回転方向を識別することができる。

レーザ光の整形のために、平面形状が上下方向と左右方向で異なる非対称レンズをレンズ５として用いた場合に本実施の形態は特に有効である。この場合、レンズ５の回転方向とレーザ素子３の回転方向との相対位置合わせを行うことで、ビーム広がり及び特にビームの出射方向ずれが小さい半導体レーザを得ることができる。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係る光モジュールのレンズを示す上面図及び側面図である。レーザ光の垂直方向と水平方向の広がり角が異なっている場合、レンズ５の上面位置を通過するレーザ光のスポット１３は楕円形状となる。レンズ５の上面において、楕円形状のスポット１３の両サイドには、レーザ光が実質的に通過しない領域が存在する。この領域にレーザ光の光軸に対して垂直な平坦面７が設けられている。ただし、これに限らず、レーザ光が実質的に通過しないレンズ頂点以外の領域に平坦面７を設ければよい。平坦面７は、レンズ５の外周の曲面をカットした形状となっている。

レンズキャップの組立方法は実施の形態１と同様である。レンズ５に照射された認識光は平坦面７で強く反射され、平坦面７の平面形状がカメラに認識される。この形状からレンズ５の中心位置と回転方向を精度良く認識することができる。この平坦面７が、レンズ５外ではなく、レンズ効果を持つレンズ５の曲面にあることで、レンズ５の中心位置と回転方向を更に精度良く認識することができる。

また、レンズキャップ４がレンズ５の外周を支え、レンズ５は円形形状にレンズキャップ４から露出している。従って、レンズキャップ４を上面から見て認識光で平坦面７を確認できるようにするため、平坦面７はレンズ５の円形形状の内側にあることが好ましい。

図８は、実施の形態３に係る光モジュールのレンズの変形例１を示す上面図及び側面図である。この変形例では、平坦面７は、レンズ５の外周の曲面から突き出している。この場合でも上述の効果を得ることができる。

図９は、実施の形態３に係る光モジュールのレンズの変形例２を示す上面図及び側面図である。この変形例では、楕円形状のスポット１３の長手方向において平坦面７がスポット１３よりも狭くなっている。このため、レンズ５の中心と回転方向を更に認識し易くなる。

なお、平坦面７は、レンズ５の中心と回転方向を認識できればどのような形状であってもよい。例えば、平坦面７は矩形に限らず、レンズ５の中心に向かって先が細くなるような三角形形状などでもよい。これにより、レンズ５の中心と回転方向が更に認識し易くなる。

実施の形態４．
図１０は、実施の形態４に係る光モジュールのレンズ内蔵キャップを示す断面図である。レンズ５の上面の中心位置に凹面１４が設けられている。その他の構成は実施の形態１と同様であり、レンズキャップ４の組立方法も実施の形態１と同様である。レンズ５の中心に照射された認識光はレンズ５の上面で反射される。この際に凹面１４からの反射光はカメラ１０の位置で集光され、反射光の明点はより明るくかつ小さいスポットとなって認識される。これにより、さらにレンズ５の中心位置の認識が容易になる。

３レーザ素子、４レンズキャップ、５レンズ、７，７ａ，７ｂ平坦面、１１認識光、１２反射光、１４凹面

Claims

レーザ光を出射するレーザ素子と、前記レーザ素子に被せられたレンズキャップと、前記レンズキャップに内蔵され、前記レーザ光を集光又は平行化するレンズとを備え、前記レンズの上面には、前記レーザ光の光軸に対して垂直な平坦面が設けられている光モジュールを製造する際に、前記レンズの前記上面に向けて認識光を照射し、その反射光の形状から前記レンズの中心位置を認識して、前記レーザ素子の発光点位置と前記レンズの中心位置を合わせることを特徴とする光モジュールの製造方法。
前記平坦面の形状は、前記レンズの前記上面の中心を回転中心とした回転方向において異方性を持つことを特徴とする請求項１に記載の光モジュールの製造方法。
前記平坦面は、前記レンズの前記上面の中心位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュールの製造方法。
前記平坦面は、前記レンズの前記レーザ光が実質的に通過しない領域に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュールの製造方法。
レーザ光を出射するレーザ素子と、前記レーザ素子に被せられたレンズキャップと、前記レンズキャップに内蔵され、前記レーザ光を集光又は平行化するレンズとを備え、前記レンズの上面の中心位置に凹面が設けられている光モジュールを製造する際に、前記レンズの前記上面に向けて認識光を照射し、その反射光の形状から前記レンズの中心位置を認識して、前記レーザ素子の発光点位置と前記レンズの中心位置を合わせることを特徴とする光モジュールの製造方法。