JPWO2014045850A1 - 光通信用のレンズ及び光通信モジュール - Google Patents

Abstract

高精度な光通信を可能としつつ、小型化を図れ成形性や組み立て性が向上し、結果として大幅なコスト低減を図れる光通信用のレンズ及びそれを用いた光通信モジュールを提供する。脚部（２１）の内周面（２１ａ）が、レンズ部（２２）の光軸に対して傾いたテーパ面となっているので、成形時の離型性を向上させることができ、又、脚部内部に設けた発光素子や受光素子などの部品との干渉を回避し、光軸直交方向への変位による芯合わせの調整代を確保できるから、高精度な光結合を実現できる。更に、テーパ面のテーパ角は抑え気味にして前記脚部の強度と小型化を確保しつつ、その代わり、脚部（２１）の内周面（２１ａ）を非鏡面とすることで、成形時に金型とプラスチック素材の密着面積を低減させ、離型性を高め、又、脚部（２１）の内周面（２１ａ）を非鏡面とすることで、内面反射による迷光ノイズの発生を効果的に抑制できる。

Description

本発明は、光通信等に用いられ、例えば半導体レーザ等の光学素子からの光を光ファイバーもしくは受光素子に結合する光通信用のレンズ及び光通信モジュールに関する。

光通信等において、半導体レーザまたは受光素子と、光ファイバーとの間で効率よく光結合させるために、光結合用のレンズが用いられている。ところで、従来の光結合用のレンズでは、主にガラスレンズをステンレス製の脚部で支持する構成が広く用いられている。しかるに、非球面を有するガラスレンズは一般的に高価であり、更に素材が異なる脚部と組み立てる工程を経ることで、顕著なコスト高を招くという問題がある。そこで、特許文献１に示すように、高精度な非球面の成形が容易で大量生産を可能とする、プラスチック製の脚部一体型レンズが開発されている。

特許文献１に示す構成では、光伝送路取付用の円筒部と、光電素子取付用の円筒部と、これらを接続する壁部とが一体に形成されており、レンズは光電素子に対向して凸面を有するように壁部に一体に形成されている。ここで、このような構成を射出成形等で形成する場合、素材冷却時の肉厚部の収縮が形状精度を維持する上で障害となりやすい。そこで、特許文献１では、レンズを取り囲むようにして凹部を形成している。かかる凹部が肉抜き部として機能するので、成形収縮によって肉薄部が肉厚部に引っ張られて不均一に変形することを低減できる。

特開２００７−１８３５６５号公報 特開平０８−２８６０１６号公報

ところで、特許文献１の脚部一体型レンズにおいては、光伝送路取付用の円筒部と、光電素子取付用の円筒部と、レンズとを一体成形しているので、これらの同軸度は精度良く確保されるが、この脚部一体型レンズを介在させる、発光素子又は受光素子と、光ファイバーとの間に芯ズレが生じていた場合、どのようにして調整するかという問題がある。芯ズレ調整のためには、光伝送路取付用の円筒部と、光電素子取付用の円筒部とを切り離し、光軸直交方向に変位可能な構成とするのが好ましい。レンズは、一方の円筒部に設ければ良い。しかしながら、このように、特許文献１の脚部一体型レンズを改良したとしても、以下に述べるような問題がある。

特許文献１に示すような脚部一体型レンズは、本来的に内部に発光素子や受光素子を配置するので、径に対して長さが比較的長い円筒部（以下、脚部という）を備えている。しかしながら、脚部を比較的長くすると、成形時の離型性が悪くなり、離型の際に破損や変形を招く恐れがある。その対策として、脚部の強度を確保するために、脚部の肉厚をあげることが考えられ、また離型性を高めるために、脚部に抜き勾配をつけることが考えられる。ところが、脚部の肉厚を増大すると、内部に配置した発光素子や受光素子との干渉や光軸直交方向の調整代の減少、脚部の端面に付与した接着剤のはみ出しによる内部部品等の汚染などを招きやすい。更に、抜き勾配のため脚部の根元を厚くすると、成形時の収縮による影響がレンズ部に及び光学性能の劣化を招きやすくなる。これに対し、脚部の内径を固定したまま、脚部の肉厚を増大させたり、脚部の根元を厚くすると、それに応じて脚部の外径が増大してしまい、周囲部品と干渉する恐れがある。一方、脚部の根元側の厚さを変えることなく脚部の先端側を薄くすることで抜き勾配をつければ、脚部の外径を抑えることもできるが、これにより脚部先端の接着剤塗布面積が小さくなり、接着強度の低下が懸念される。

これに対し、特許文献２の図９には、成形後に金型を容易に取り外すことができるように、脚部をテーパ形状とした脚部一体型レンズが開示されている。しかしながら、特許文献２の図９は、内側面で反射したレーザ光が迷光ノイズとなる解決すべき課題を説明するためのものであり、そのため、特許文献２では、脚部を光軸と平行にすることが提案されているのである。すなわち、特許文献２には、脚部のテーパ形状を維持した状態で迷光ノイズを有効に抑制できる技術は開示も示唆もされていない。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、高精度な光通信を可能としつつ、小型化を図れ成形性や組み立て性が向上し、結果として大幅なコスト低減を図れる光通信用のレンズ及びそれを用いた光通信モジュールを提供することを目的とする。

請求項１に記載の光通信用のレンズは、光学素子もしくは光ファイバーから出射された光束を集光する光通信用のレンズであって、
プラスチック素材を用いてなり、筒状の脚部と、前記脚部に連結されたレンズ部とを一体的に成形してなり、前記脚部の内周面は、前記レンズ部の光軸に対して傾いたテーパ面となっており、前記テーパ面は前記レンズ部から前記脚部側のレンズ端面に向かって広がるように形成されており、且つ非鏡面であることを特徴とする。

本発明によれば、前記脚部の内周面が、前記レンズ部の光軸に対して傾いたテーパ面となっているおり、前記テーパ面は前記レンズ部から前記脚部側のレンズ端面に向かって広がるように形成されているので、成形時の離型性を向上させることができ、又、脚部内部に設けた発光素子や受光素子などの部品との干渉を回避し、光軸直交方向への変位による芯合わせの調整代を確保できるから、高精度な光結合を実現できる。尚、テーパ面のテーパ角を大きくすれば、離型性はより向上するが、レンズ外径の増大による周囲部品との干渉、又は脚部の薄肉化に伴う強度低下や接着性の低下等を招く恐れがある。そこで、本発明では、前記テーパ面のテーパ角は抑え気味にして前記脚部の強度と小型化，接着性を確保しつつ、その代わり、前記脚部の内周面を非鏡面とすることで、成形時に金型とプラスチック素材の密着面積を低減させ、離型性を高めているのである。又、前記レンズ部と前記脚部とを一体的に成形しており、且つ光通信用のレンズであるため前記光学素子が前記脚部と近い位置にあるので、前記レンズ内への出射光が前記脚部を透過または反射することで迷光となってしまう恐れがある。特に前記脚部を透過した光は、前記レンズ内でどのような反射をし、最終的に迷光となってしまうのかを予測することが困難であるが、前記脚部の内周面を非鏡面とすることで、透過や反射による迷光ノイズの発生を効果的に抑制できる。ここで、「非鏡面」とは、鏡面でない面をいう。鏡面とは、ＪＩＳ ０６０１−１９７６（表面粗さの規格）に準拠した十点平均粗さＲｚが０．８μｍ以下の面をいう。
又、「光学素子」とは、発光素子及び受光素子のいずれも含む。０．８μｍ未満の粗さでは迷光ノイズを好適に抑制することができず、また、本発明のレンズを金型から離型する際の離型性が悪くなってしまう。

請求項２に記載の光通信用のレンズは、請求項１に記載の発明において、前記内周面の前記レンズ部の光軸に対するテーパ角は、２°以上、４０°以下であることを特徴とする。

前記テーパ角が２°以上であると、離型性を確保することができる。一方、前記テーパ角が４０°以下であると、前記脚部の強度を確保でき、その外径を抑えながらも内部空間を確保して、内部部品との干渉を抑制でき，更に前記脚部端面の面積を確保できるから、十分な接着面積により接着強度が高まる。尚、好ましくは、前記テーパ角は、３°以上、１０°以下である。

請求項３に記載の光通信用のレンズは、請求項１又は２に記載の発明において、前記脚部の内周面は、十点平均粗さＲｚが１．０μｍ以上、５０μｍ以下であることを特徴とする。

前記脚部の内周面の十点平均粗さＲｚが１．０μｍ以上であると、離型性を確保でき、また反射光の迷光ノイズを抑制できる。一方、前記脚部の内周面の十点平均粗さＲｚが５０μｍ以下であると、前記内周面の凹凸が金型の表面に引っかかることによる離型性の悪化を抑制できる。より好ましくは、前記内周面は、十点平均粗さＲｚが５．０μｍ以上、４０μｍ以下である。

請求項４に記載の光通信用のレンズは、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記脚部の長さは、１ｍｍ以上、４ｍｍ以下であることを特徴とする。

前記脚部の長さが１ｍｍ以上であると、前記脚部内部に設けた発光素子や受光素子等に干渉する恐れが少なく、前記脚部の長さが４ｍｍ以下であると、離型性を確保できるとともに、光通信モジュールの全長を抑えることができる。特に、現在、ガラス製のレンズを有する光通信モジュールが大量に設置されているので、既存のガラス製のレンズを本発明のレンズに置き換える場合における整合性等の問題から脚部が４ｍｍ以下であることが望ましい。

請求項５に記載の光通信用のレンズは、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記脚部の長さＬと、前記レンズの外径Ｄとの比（Ｌ／Ｄ）は、０．２以上、２以下であることを特徴とする。

前記比（Ｌ／Ｄ）が０．２以上であると、前記脚部内部に設けた発光素子や受光素子等に干渉する恐れが少なく、前記比（Ｌ／Ｄ）が２以下であると、離型性を確保できるとともに、光通信モジュールの全長を抑えることができる。より好ましくは、Ｌ／Ｄ＝０．２〜１である。なお、脚部の長さＬとは、レンズ内面のうち、光学面を除いて、取り付け基準面から最も遠いところから取り付け基準面までの光軸方向の距離をいう。

請求項６に記載の光通信用のレンズは、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記光学素子は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ），ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）、ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）であることを特徴とする。

請求項７に記載の光通信モジュールは、請求項１〜６のいずれかに記載の光通信用のレンズを、光学素子を支持する基板に組み付けてなることを特徴とする。

本発明によれば、高精度な光通信を可能としつつ、小型化を図れ成形性や組み立て性が向上し、結果として大幅なコスト低減を図れる光通信用のレンズ及びそれを用いた光通信モジュールを提供することができる。

本実施形態にかかる光通信モジュール１０の光軸方向断面図である。 本実施形態のレンズの製造工程（ａ）〜（ｃ）を示す図である。 比較例にかかるレンズ２０’の断面図である。 実施例にかかるレンズ２０の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態にかかる光通信モジュール１０の光軸方向断面図である。給電用の棒状の端子１１を有する円板状のステム１２の中央に、チップ搭載部１３が取り付けられ、チップ搭載部１３の側面にヒートシンク１４を介して発光素子としてのレーザチップ１５が取り付けられている。レーザチップ１５は、不図示の配線を介して端子１１に接続されている。なお、光学素子としてはＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ），ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）、などが用いられる。また、用いられる波長は、シングルモードの場合には一般に１３１０±１５ｎｍまたは１５５０±１５ｎｍ程度の波長が、マルチモードの場合には８５０±１５ｎｍ程度の波長が用いられる。なお、受光素子を用いる場合にはＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）などが用いられる。

レーザチップ１５の外側を覆うようにして、レンズ２０が配置されている。レンズ２０は、プラスチック製であり、略円筒状の脚部２１と、脚部２１の端部に設けられたレンズ部２２とから一体的に形成されている。脚部２１の先端２１ｂをステム１２に接着することで、レンズ２０はステム(光学素子を支持する基板)１２に取り付けられている。尚、脚部２１の先端２１ｂは、取り付け基準面である。また、ステム１２は、通常、一様な厚みを有するセラミック材料で形成されており、光軸方向から見た際に円板状の形状をしているが、厚みが異なる部分があっても、多角形状や楕円形などであってもよい。また、ステム１２の大きさは、光軸方向から見た際にホルダ３０の外径よりも十分大きくなっており、加えて、ステム１２の表面には金メッキが施されている。

脚部２１の内周面２１ａは、レンズ部２２から脚部２１側のレンズ端面に向かって広がるように形成されたテーパ面となっており、且つ粗し面である。テーパ面の光軸に対するテーパ角θは、２°以上、４０°であり、ここでは５°である。又、粗し面の十点平均粗さＲｚは１．０μｍ以上、５０μｍ以下であり、ここでは８μｍである。また、脚部２１とステム１２とは、溶着などで接合されても良いが、通常、接着剤により接合されることが多い。接着剤としては、熱硬化性接着剤・熱溶融性接着剤・UV硬化性接着剤・嫌気性感圧性接着剤・エポキシ系接着剤などが挙げられるが、接着時のレンズへの影響が小さいUV硬化性接着剤やエポキシ系接着剤を用いることが好ましく、また、金属系と樹脂系に十分な接着力があり、低粘度かつ液体が広がらないチクソ性の高い接着剤を用いることが望ましい。なお、脚部２１を有しているレンズ２０は樹脂製であり、基板１２は通常金メッキがなされているため、脚部２１の底面は溶着などをされず接着剤によって取り付けられている。

実施の形態に係るレンズ２０の光軸方向全長Ｈは３．５ｍｍであり、その外径Ｄは４．７ｍｍであり、脚部２１の光軸方向長Ｌは２ｍｍである。レンズは通常の射出成形により成形することができる。なお、光通信用のレンズに用いられる樹脂としては、赤外線の透過率が良好な樹脂であれば特に制限はなく、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、シクロオレフィン樹脂、ポリサルホン樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。これらの中でも特に、吸湿による光学性能の変化が生じにくいという観点から、シクロオレフィン樹脂を用いることが好ましい。また、レンズ２０を光軸方向から見た際の形状は円形状であることが好ましいが、四角形などの多角形状や楕円形状であってもよい。また、光通信用のレンズの外形の大きさは一般的に２〜６ｍｍであり、光軸方向の全長は３〜７ｍｍとなっている。なお、本明細書における光軸とは、レンズ部２２のうち、最も厚い部分又は最も薄い部分、あるいはレンズ部２２の中心を通過する直線のことを指す。

また、本明細書において「略○○」と記載されている場合には、「○○」自体も含むものとする。例えば、略光軸方向とは、光軸方向そのものも含む。なお、略光軸方向という場合には、光軸からのからの傾きが２度以下までの方向を指す。

レンズ２０の光軸直交方向外側に、隙間を空けて円筒状のステンレス製であるホルダ３０が、ステム１２に溶接されるようにして取り付けられている。ホルダ３０の先端には、より小さい径の円筒状のスリーブ３１が固定され、その内部に光ファイバーＦＢが挿入されているフェルール３２が挿入されており、光ファイバーＦＢの端部はレンズ部２２に対向している。また、ホルダ３０の内周とレンズ２０の外周の光軸周方向における距離は０．００２ｍｍ〜０．０２０ｍｍの間であることが好ましい。０．００２ｍｍ以上であることにより、ホルダ３０をレンズ２０にスムーズに挿し込むことができ、０．０２０ｍｍ以下であることにより、ホルダ３０とレンズ２０とを略嵌合させることができる。

本実施形態の光通信モジュール１０の動作を説明する。端子１１を介して給電が行われると、レーザチップ１５が発光し、その出射光束は、レンズ部２２を通過して、屈折面で屈折され、光ファイバー３２の端面に集光し、その後光ファイバー３２内を伝播することとなる。尚、レーザチップ１５から出射し、脚部２１の内周面２１ａに入射した光は、粗し面で拡散されるので、レーザチップ１５に戻ることや光ファイバーＦＢ内に迷光が入ることが抑制され、迷光ノイズを抑えることができる。

図２は、本実施形態のレンズの製造工程を示す図である。まず、図２（ａ）にて、金型の素材Ｍから、放電加工にて脚部転写面Ｍａを形成する。より具体的には、加工終了後の脚部転写面Ｍａに類似の形状を持つ電極ＥＴを用いて、金型の素材Ｍに放電加工を行う。このとき、脚部２１の内周面２１ａに対応する電極ＥＴの表面に微小な凹凸を形成するなどして、脚部転写面Ｍａの対応部位を粗し面とすることができる。粗し面の粗度は、電極ＥＴの速度や電圧などで調整できる。尚、レンズ部２２に対応する光学面転写面Ｍｂは，切削加工で形成する。

図２（ｂ）に示すように、このようにして形成した金型Ｍ１と、平板状の金型Ｍ２とを型締めし、不図示のゲートを介して内部のキャビティ内に溶融したプラスチック（アクリル、ＰＣ等）を注入する。更に、図２（ｃ）に示すように、素材冷却後にレンズ２０を離型させる。このとき、脚部２１の内周面２１ａが、レンズ部２２の光軸に対して傾いたテーパ面となっているので、成形時の離型性を向上させることができる。又、脚部転写面Ｍａの対応部位を適度な粗し面としているので、離型性が更に向上する。

更に、図１に示すように、レンズ２０をステム１２に組み付ける際に、脚部２１の内周面２１ａが、レンズ部２２の光軸に対して傾いたテーパ面となっているので、脚部２１の内部に設けたチップ搭載部１３等との干渉を抑制できる。又、レンズ２０をステム１２に接着する際に、光軸直交方向への変位を行って芯合わせを行う場合、その調整代を比較的大きく確保しても、チップ搭載部１３等との干渉を抑制できるから、高精度な光結合を実現できる。

以下、比較例と比較して、本実施形態の実施例を説明する。図３は、比較例にかかるレンズ２０’の断面図であり、図４は、実施例にかかるレンズ２０の断面図である。比較例と実施例は脚部の構成のみが異なる。

図３に示す比較例では、レンズ部２２から光軸方向に延在する脚部２１’は、内周面が光軸に対して平行になっている。このレンズ２０’を成形したところ、脚部２１’のみが金型に残ってしまうという現象が発生した。（レンズ部と脚部分との境界部分で切れてしまった）また、脚部２１’のみが金型に残らない場合でも、金型を開いて成形品を取り出す時に、脚部２１’が金型にひっかかり変形してしまった。そこで、成形条件を変更して離型性が改善するか検討した。最初に保圧を上げてレンズ部と脚部の強度を増すことを試みた。保圧を基本条件の１．５倍まで上げたが、脚が切れる頻度が若干減った程度の効果しかなかった。次に成形品を取り出す時の金型の突き出し速度を遅くすることを試みた。金型は、光軸方向に前後摺動するレンズ部と、別部品からなる脚部によって構成されており、レンズ部を構成する金型を突き出すことで脚部が離型する構造になっている。設定可能な最大速度の５％まで下げてみたが、金型を突き出すとレンズ部と脚部の境界で切れてしまい、脚部は金型側に残ってしまった。次にサイクルタイムを延ばしてレンズが完全に冷却固化してから取り出すことを試みた。サイクルタイムは基本条件の２倍の長さにした。その結果、脚部２１’のみが金型に残ってしまうことは大幅に減少したが、完全に解消されたわけではなかった。そのため、成形品の光学性能が悪化したり、連続成形が出来ないという問題があることが判明した。

一方、図４に示す実施例では、レンズ部２２から光軸方向に延在する脚部２１は、内周面２１ａが光軸に対してθ＝５°のテーパ角を持つ。このレンズ２０を成形したところ、サイクルタイムを延ばす等の成形条件の変更をしなくても、基本条件での成形で成形品を取り出す時に脚部２１がひっかかることなく離型出来た。また、脚部２１のみが切れて金型に残ってしまうこともなく、安定して連続成形が可能であった。更に、脚部２１の内周面２１ａは、対応する金型の部位を放電加工で形成しており、成形面がざらついて曇った面（十点平均粗さＲｚが約８μｍ）になっている。そのため、発光素子から出射した光が内周面で反射して受光素子に入って迷光ノイズとなることがない。加えて、実施例のレンズ２０は、比較例のレンズに比べて脚部先端側の開口径が大きいので、実際に発光素子／受光素子を設けたステムに取り付けた時に、取り付け基準面に塗布した接着剤が内側にはみ出したとしても、素子や配線に触れることがないので接着剤による悪影響がない。

本発明は、明細書に記載の実施形態や実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施形態・実施例・技術思想から本分野の当業者にとって明らかである。例えば、光ファイバーから出射した光を受光素子に集光するために、本発明のレンズを用いても良く、また、本発明の目的の範囲内においてテーパ面が段差部やＲを有する形状となっていても良い。

１０ 光通信モジュール
１１ 端子
１２ ステム
１３ チップ搭載部
１４ ヒートシンク
１５ レーザチップ
２０ レンズ
２１ 脚部
２１ａ 内周面
２１ｂ 先端
２２ レンズ部
３０ ホルダ
３１ スリーブ
３２ 光ファイバ
Ｍ 金型の素材
Ｍ１ 金型
Ｍ２ 金型
Ｍａ 脚部転写面
Ｍｂ 光学面転写面
ＦＢ 光ファイバー

Claims (7)

1. 光学素子もしくは光ファイバーから出射された光束を集光する光通信用のレンズであって、
   プラスチック素材を用いてなり、筒状の脚部と、前記脚部に連結されたレンズ部とを一体的に成形してなり、前記脚部の内周面は、前記レンズ部の光軸に対して傾いたテーパ面となっており、前記テーパ面は前記レンズ部から前記脚部側のレンズ端面に向かって広がるように形成されており、且つ非鏡面であることを特徴とする光通信用のレンズ。
2. 前記内周面の前記レンズ部の光軸に対するテーパ角は、２°以上、４０°以下であることを特徴とする請求項１に記載の光通信用のレンズ。
3. 前記脚部の内周面は、十点平均粗さＲｚが１．０μｍ以上、５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光通信用のレンズ。
4. 前記脚部の長さは、１ｍｍ以上、４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光通信用のレンズ。
5. 前記脚部の長さＬと、前記レンズの外径Ｄとの比（Ｌ／Ｄ）は、０．２以上、２以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光通信用のレンズ。
6. 前記光学素子は、ＬＥＤ，ＬＤ、ＶＣＳＥＬ、ＰＤであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光通信用のレンズ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の光通信用のレンズを、光学素子を支持する基板に組み付けてなることを特徴とする光通信モジュール。

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