TW202201058A - 光學模組及其製造方法 - Google Patents

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山下智広
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Abstract

本發明之課題，在於在具有透鏡之插座之朝向最佳位置的安裝手段中，可不必監視光功率而僅以零件的尺寸公差與安裝精度來進行組裝。本發明構成為在由光學元件10、搭載光學元件的光學元件基座11、TO-CAN(罐型)管芯12、具有玻璃窗的蓋13、及具有透鏡之插座15所構成的光學模組中，TO-CAN管芯被嵌合於具有透鏡之插座(receptacle)，而該具有透鏡之插座具備有可得到光學元件與被安裝於具有透鏡之插座之光纖間的既定之耦合效率的透鏡，並藉由TO-CAN管芯以無須調心的方式被嵌合而黏接固定於具有透鏡之插座，則不必直接監視來自光學元件的光功率，而僅以光學元件的安裝精度、及TO-CAN管芯與具有透鏡之插座的零件尺寸公差，便可實現具有透鏡之插座的最佳安裝位置。

Description

光學模組及其製造方法
本發明係關於接收發光信號的光學模組及其製造方法。
過去以來，在光通信所使用的光學模組中，各種形態的光學模組被產品化。如此之光學模組有光發送模組與光接收模組兩種。其中，光發送模組具備發光半導體元件(Laser Diode；雷射二極體)，具有將電氣信號轉換為光信號，並朝光纖傳輸的功能。另一方面，光接收模組具備受光半導體元件(Photo Diode；光電二極體)，具有將來自光纖的光信號轉換為電氣信號的功能。
而此種光學模組被使用在，以支援公用網路為主之用戶系統為首，以及進行工廠內之機器人之控制之通信系統等各種的領域。所有的系統，為市場的需求，都被要求低價格化。因此，對於被使用於系統的光學模組，同樣被要求低價格化。
圖3顯示習知型的光學模組之光發送模組的一例。光發送模組由發出光的光學元件100(此處係作為一種雷射二極體的垂直共振腔面發射激光器(VCSEL；Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser))、搭載光學元件100的光學元件基座110、搭載光學元件基座110的TO-CAN(罐型封裝)管芯(stem)120、為了保護光學元件100而將其封入氮氣(N2)環境中之具有玻璃窗的蓋130、以及將透鏡150b與套筒部150a設為一體之具有透鏡之插座(receptacle)150所構成。
再者，上述具有透鏡之插座150的透鏡150b，採用具有透鏡的曲率經特殊加工後之非球面透鏡等，且構成為從光學元件100所發出的光經由被插入套筒部150a的光纖連接器160而耦合至光纖170(參照圖4)。
其次，利用圖4，詳細地說明上述之光發送模組之組裝方法的一例。為了組裝光發送模組，將光學元件基座110利用銀膏等固定在TO-CAN管芯120之光學元件安裝面120a的中心附近，而且將光學元件100利用銀膏等固定在其光學元件基座110上。其後，為了保護光學元件100，在氮氣(N2)環境中，將具有透光玻璃窗130a之具有玻璃窗的蓋130，固定在光學元件安裝面120a。
最後，將具有透鏡之插座150固定在具有玻璃窗的蓋130。然而，此時僅將具有透鏡之插座150安裝在具有玻璃窗的蓋130上，將無法使來自光學元件100的光輸出進入芯徑為50μm~200μm之較小的光纖中。因此，將具有光纖170的光纖連接器160，預先插入具有透鏡之插座150的套筒部150a中。
其後，藉由對光學元件100施加既定的電流，使該光學元件100發光。如此，由於通過具有玻璃窗之蓋130的玻璃窗130a被發出的光，可有效率地進入光纖170，因此一邊監視從光纖170所取出之光輸出，一邊將具有透鏡之插座150朝X、Y、Z的三個方向移動，以調心為光輸出成為最大的位置。其後，使預先所塗布的紫外線硬化型樹脂或熱硬化型樹脂等黏著劑140硬化，而將具有透鏡之插座150固定在具有玻璃窗的蓋130。
另一方面，在光學模組為光接收模組的情形時，以受光半導體元件所轉換的受光電流藉由經光纖的光纖連接器接收的光成為最大的方式，將具有透鏡之插座150朝X、Y、Z的三個方向移動，而調心至最佳位置。其後，與光發送模組同樣地，藉由黏著劑140等，將具有透鏡之插座150固定在具有玻璃窗的蓋130。
如上所述，上述之習知例的光發送模組、光接收模組，在使發光半導體元件或受光半導體元件動作的狀態下，對準於光軸中心之調心作業及系統，皆為必要而不可或缺者。
以下，具體地說明此種光學模組的周知例。例如，如專利文獻1所揭示，習知技術存在有一種具有透鏡之光纖連接器，其構成為包含有：棒狀透鏡；圓筒狀的套筒，其供套圈接頭的前端部插入，使該套圈接頭的前端面與上述棒狀透鏡的前端面抵接，該套圈接頭係棒狀透鏡的前端部從一端部被插入而固定，且光纖從另一端部被固定於軸中心者；及筒狀的透鏡保持器，其具有貫通孔，且在該貫通孔的內周面把持棒狀透鏡的後端部；將上述棒狀透鏡的後端面曲面加工為在從上述套圈接頭之前端部的光纖前端面朝光軸方向偏移的位置具有聚光點，且上述光纖之端面的光點尺寸(spot size)大於上述光纖芯。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1] 日本專利第4883927號公報
(發明所欲解決之問題)
然而，如上所述，在習知的光學模組及其製造方法中，當要安裝習知之具有透鏡之插座時，由於使光學元件發光，一邊監視來自光纖的光輸出一邊將具有透鏡之插座調心至最佳位置的作業及系統為必要而不可或缺者，並且該步驟需花費數分鐘，因此成為生產成本及產品成本增加的重要原因。
又，在上述之專利文獻1的情形時，由於將棒狀透鏡的後端面曲面加工為在從套圈接頭之前端部的光纖前端面朝光軸方向偏移的位置具有聚光點，且光纖之端面的光點尺寸大於光纖芯，因此棒狀透鏡的加工變得複雜。而且，其存在有關對於光學元件的外殼、透鏡保持器、套筒外殼等之光纖插座之具體的構成，完全未被揭示的問題。
本發明的目的，在提出如下之提案：為了實現光學模組的低價化，除去成為成本增加之主要原因的調心步驟，僅以組合零件的尺寸以及安裝精度來管理具有透鏡之插座，其可不須調心步驟及系統即可組裝光學模組。 (解決問題之技術手段)
於本發明中，在由光學元件、搭載光學元件的光學元件基座、TO-CAN管芯、具有玻璃窗的蓋、及具有透鏡之插座所構成的光學模組中，其特徵在於，具有透鏡之插座以既定的位置精度將光學元件安裝在TO-CAN管芯的中心，藉此被嵌合於TO-CAN管芯。
具有透鏡之插座之特徵在於，其具備有可得到光學元件與被安裝於具有透鏡之插座的光纖間之既定之耦合效率的透鏡，且具有透鏡之插座以無調心的方式被嵌合而黏接固定於TO-CAN管芯。
上述之透鏡其特徵在於，其與光纖之耦合效率為30%以上。
光學元件之特徵在於，以TO-CAN管芯的側壁尺寸為基準，在相對於光軸中心成為±30μm以下的位置，將該光學元件安裝於TO-CAN管芯的光學元件安裝面，而且將具有透鏡之插座之內壁與TO-CAN管芯之管芯側壁之尺寸公差的合計設為±50μm以下。
位於被安裝在具有透鏡之插座之光纖連接器之中心的光纖之特徵在於，其係具有Φ200μm之芯徑的硬塑膠包層光纖或具有Φ980μm之芯徑的塑膠光纖。
一種由光學元件、搭載光學元件的光學元件基座、TO-CAN管芯、具有玻璃窗的蓋、及具有透鏡之插座所構成之光學模組之製造方法，其特徵在於，其具備有：將光學元件基座安裝在TO-CAN管芯之光學元件安裝面之中心附近的步驟；藉由圖像攝影機來辨識安裝有光學元件之TO-CAN管芯的管芯側壁，求取光學元件安裝面的中心，將光學元件安裝在離中心成為既定之位置以下之位置的步驟；將具有玻璃窗的蓋安裝在TO-CAN管芯之光學元件安裝面的步驟；及使預先以既定的尺寸公差精度所製造之具有透鏡之插座的內壁與TO-CAN管芯的側壁嵌合，並利用紫外線硬化型樹脂或熱硬化型樹脂的黏著劑使其硬化而固定的步驟。
其特徵為，將上述之光學元件的安裝精度，設為離TO-CAN管芯的中心±30μm以下。
其特徵為，上述之具有透鏡之插座之內壁與TO-CAN管芯之側壁的尺寸公差係±50μm以下。 (對照先前技術之功效)
根據本發明之光學模組及其製造方法，藉由使用預先以既定之尺寸公差所製造的TO-CAN管芯與具有透鏡之插座，並以既定之位置精度將光學元件安裝在TO-CAN管芯的中心，僅以將具有透鏡之插座嵌入TO-CAN管芯，即可實現具有既定光輸出的光學模組。因此，藉由本發明的應用，可提供不再需要過去所必要之調心步驟及系統，且低價的光發送模組。
以光發送模組為例，在圖1及圖2表示本發明之光學模組的構成。亦即，如圖1及圖2所示，本發明由光學元件(垂直共振腔面發射激光器：VCSEL)10、安裝光學元件10的基座11、安裝光學元件基座11的TO-CAN管芯12、保護光學元件10的具有玻璃窗之蓋13、以及將非球面透鏡部15b與供在中心部具備有光纖17之光纖連接器16插入的套筒部15a設為一體的具有透鏡之插座15所構成。此處，具有透鏡之插座15的內壁15c，嵌合於TO-CAN管芯12的側壁12b，而藉由黏著劑14被固定在具有玻璃窗的蓋13。
然而，為了藉由上述之具有透鏡之插座15與TO-CAN管芯12的嵌合來實現發出既定之光輸出的光發送模組，搭載於TO-CAN管芯12之光學元件10的搭載精度與具有透鏡之插座15的尺寸精度便很重要。
因此，已進行如下評估的一例，顯示於圖5：對為了得到上述光學元件的安裝精度與具有透鏡之插座15的尺寸精度，進行光學元件10與光纖連接器16之光纖17間的軸偏移與耦合效率之評估。在本例子中，使用光學元件10及光纖連接器16進行測量，該光纖連接器16在中心具有插入於具有透鏡之插座15的套筒部15a且芯徑Φ200μm的光纖17。
如圖5所示，橫軸表示光學元件10、與位於光纖連接器16之中心之芯徑Φ200μm的光纖17之間在X、Y方向的位置偏移量(μm)，而縱軸表示從光學元件10所發出的光中有多少比例進入上述芯徑Φ200μm的光纖17。此一般稱為耦合效率。
因此，光學元件10與上述光纖17的位置偏移越大，耦合於該光纖17的光功率便越小。例如，在將光學元件10之光輸出的30%以上取入芯徑Φ200μm的光纖17之情形時，其需要將光學元件10與光纖17的位置偏移量抑制在±80μm以下。因此，根據該結果來實施構成零件的尺寸管理，若可將光學元件10與光纖17的安裝偏移抑制在±80μm以下，則可去除過去所必需之調心步驟及系統而容易地且快速地組裝光學模組。
順帶一提，於本實施例中，為了將上述光學元件10與光纖17的安裝偏移抑制在±80μm以下，將光學元件10離TO-CAN管芯12之光學元件安裝面之中心的偏移量設為±30μm以下。又，將具有透鏡之插座15的內壁15c與TO-CAN管芯12的管芯側壁12b之尺寸公差的合計設為±50μm以下。
其次，根據圖2，對本實施形態之光學模組的組裝順序(製造方法)詳細地說明。將光學元件基座11利用銀膏等，安裝在TO-CAN管芯12之光學元件安裝面12a的中心附近。其次，將光學元件(垂直共振腔面發射激光器：VCSEL)10，利用圖像攝影機等來辨識TO-CAN管芯12的管芯側壁12b，求取光學元件安裝面12a的中心，而在離中心±30μm以下的位置，將光學元件10安裝於光學元件安裝面12a。
接著，就保護光學元件10的目的，將具有玻璃窗的蓋13安裝於TO-CAN管芯12的光學元件安裝面12a。最後，使預先以合計在±50μm以下的尺寸公差精度所製造之具有透鏡之插座15的內壁15c、與TO-CAN管芯12的側壁12b嵌合，並藉由紫外線硬化型樹脂或熱硬化型樹脂等之黏著劑14使其硬化而固定。
於本實施形態中，雖以應用光纖17具有Φ200μm之芯徑的硬塑膠包層光纖之情形為例，將與其容許安裝公差之偏移量的最大值設為±80μm，但本發明並不受其限制，其可為具有例如Φ980μm之芯徑的塑膠光纖等。由於必要的公差根據應用之光纖17的芯徑、或使用的光功率等而不同，與其相應地，可決定光學元件10的安裝精度、以及TO-CAN管芯12與具有透鏡之插座15的尺寸精度。
另一方面，在光接收模組的情形時亦同樣地，只要事先掌握光纖與受光半導體元件的公差，而以該公差成為容許公差以下的方式，決定受光半導體元件之安裝精度與零件的尺寸公差精度即可。
10:光學元件(VCSEL) 11:光學元件基座 12:TO-CAN管芯 12a:光學元件安裝面 12b:管芯側壁 13:玻璃窗的蓋 13a:玻璃窗 14:黏著劑 15:透鏡之插座 15a:套筒部 15b:非球面透鏡部 15c:透鏡之插座的內壁 16:光纖連接器 17:光纖 100:光學元件(VCSEL) 110:光學元件基座 120:TO-CAN管芯 120a:光學元件安裝面 130:玻璃窗的蓋 130a:玻璃窗 140:黏著劑 150:透鏡之插座 150a:套筒部 150b:透鏡 160:光纖連接器 170:光纖
圖1係表示本發明一實施形態之光學模組的圖。 圖2係說明本發明之光學模組之組裝順序(製造方法)的圖。 圖3係表示習知之光學模組的圖。 圖4係說明習知之光學模組之組裝順序(製造方法)的圖。 圖5係表示基於光學元件與光纖之偏移之耦合效率的圖。
10:光學元件(VCSEL)
11:光學元件基座
12:TO-CAN管芯
12a:光學元件安裝面
12b:管芯側壁
13:玻璃窗的蓋
13a:玻璃窗
14:黏著劑
15:透鏡之插座
15a:套筒部
15b:非球面透鏡部
15c:透鏡之插座的內壁

Claims (9)

  1. 一種光學模組，係由光學元件、搭載光學元件的光學元件基座、TO-CAN管芯、具有玻璃窗的蓋、及具有透鏡之插座所構成者；其特徵在於， 具有透鏡之插座以既定的位置精度將光學元件安裝在TO-CAN管芯的中心，藉此被嵌合於TO-CAN管芯。
  2. 如請求項1之光學模組，其中， 具有透鏡之插座具備有可得到光學元件與被安裝於具有透鏡之插座的光纖間之既定之耦合效率的透鏡，且具有透鏡之插座可以無調心的方式被嵌合而黏接固定於TO-CAN管芯。
  3. 如請求項2之光學模組，其中， 上述之透鏡與光纖之耦合效率為30%以上。
  4. 如請求項1之光學模組，其中， 光學元件以TO-CAN管芯的側壁尺寸為基準，在相對於光軸中心成為±30μm以下的位置，將該光學元件安裝於TO-CAN管芯的光學元件安裝面，而且將具有透鏡之插座之內壁與TO-CAN管芯之管芯側壁之尺寸公差的合計設為±50μm以下。
  5. 如請求項1之光學模組，其中， 位於被安裝在具有透鏡之插座之光纖連接器之中心的光纖，係具有Φ200μm之芯徑的硬塑膠包層光纖或具有Φ980μm之芯徑的塑膠光纖。
  6. 如請求項2之光學模組，其中， 位於被安裝在具有透鏡之插座之光纖連接器之中心的光纖，係具有Φ200μm之芯徑的硬塑膠包層光纖或具有Φ980μm之芯徑的塑膠光纖。
  7. 一種光學模組之製造方法，係由光學元件、搭載光學元件的光學元件基座、TO-CAN管芯、具有玻璃窗的蓋、及具有透鏡之插座所構成之光學模組之製造方法；其特徵在於，其具備有： 將光學元件基座安裝在TO-CAN管芯之光學元件安裝面之中心附近的步驟； 藉由圖像攝影機來辨識安裝有光學元件之TO-CAN管芯的管芯側壁，求取光學元件安裝面的中心，將光學元件安裝在離中心成為既定之位置以下之位置的步驟； 將具有玻璃窗的蓋安裝在TO-CAN管芯之光學元件安裝面的步驟；及 使預先以既定的尺寸公差精度所製造之具有透鏡之插座的內壁與TO-CAN管芯的側壁嵌合，並利用紫外線硬化型樹脂或熱硬化型樹脂的黏著劑使其硬化而固定的步驟。
  8. 如請求項7之光學模組之製造方法，其中， 將上述之光學元件的安裝精度，設為離TO-CAN管芯的中心±30μm以下。
  9. 如請求項7之光學模組之製造方法，其中， 上述之具有透鏡之插座之內壁與TO-CAN管芯之側壁的尺寸公差係±50μm以下。
TW110115728A 2020-06-22 2021-04-30 光學模組及其製造方法 TW202201058A (zh)

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