JP4952219B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光コネクタを接続するための光モジュールに関する。

光ファイバを用いた光通信に用いられる光モジュールでは、光ファイバを伝達してきた光信号を光学素子に集光させている。このような光モジュールにおいて、光ファイバ端面で生じる反射戻り光量は、光ファイバの石英と空気の屈折率差によりフレネル反射が−１４ｄＢ程度生じる。一方、高速・長距離伝送が必要な光モジュールにおいては、モジュール内で発生する反射戻り光量を−２７ｄＢ以下に抑える必要がある。

光モジュール内の反射戻り光量を抑える構造に関し、例えば、図７及び図８に示すものが知られている。図７に示す光モジュール（例えば、特許文献１参照）は、光ファイバ１０１を搭載したスタブ１０２を用い、光コネクタに付随するフェルール１０３の先端１０３ａを凸球面状に加工し、一方、このスタブ１０２の光コネクタ側端面１０２ａも凸球面状に加工し、両凸部を物理接触（ＰＣ：Physical Contact）させる構造を採用して、フェルール１０３の光ファイバ１０４の端面でのフレネル反射を抑制している。導波路となる光ファイバ１０１は屈折率が光コネクタのフェルール１０３の光ファイバ１０４と同一であり、界面で物理的に接触しているので、原理上屈折率の相違によるフレネル反射は生じない。

また、スタブ１０２の光コネクタ側の端面１０２ａと反対側の端面１０２ｂでは、スタブ１０２の光ファイバ１０１と空気の屈折率差によるフレネル反射による反射戻り光が発生するが、それが光ファイバ内を伝播するのを防止するため、スタブ１０２の端面１０２ｂは斜め研磨されている。以上のようにして、光モジュール内の反射戻り光量を抑えるようにしている。

一方、図８に示す光モジュール（例えば、特許文献２参照）は、光ファイバ２０１が内包されたフェルール２０２を受納するスリーブ２０３と、スリーブ２０３の反対側から光デバイス２０５を受納する光デバイス受納部２０４と、スリーブ２０３と光デバイス受納部２０４との間に形成された、スリーブ２０３側が凸状で光デバイス受納部２０４側が傾斜したファイバ接触部２０６とを有している。ここで、スリーブ２０３、光デバイス受納部２０４及びファイバ接触部２０６は一体で形成されている。

特許文献２の光モジュールでは、ファイバ接触部２０６が凸状に形成されていることによって、スリーブ２０３によって形成された空間２０７にフェルール２０２を挿入した際に、凸状の面が光ファイバ２０１と物理接触（当接）し、光ファイバ２０１の端面でのフレネル反射を抑制している。また、ファイバ接触部２０６の傾斜面によって、ファイバ接触部２０６と空気の屈折率差による反射戻り光が光ファイバ２０１に再結合されることを防止している。
特開平１０−２６８１６４号公報 米国特許第６，５３６，９１５９号明細書

図７のような構造の場合、光モジュール内の反射戻り光量を抑えることができる一方で、光学部品として、少なくとも上述のスタブが余分に必要となってしまい、光モジュールのコスト増につながる恐れがある。
これに対し、図８で例示したように、光学レンズと、光ファイバに当接することにより反射を抑制する反射抑制部と、スリーブとを一体成形することで部品点数を削減することは可能である。しかしながら、このような一体成形部品の構造は複雑であり、生産性に難がある。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、部品点数が少なく製造性が高い構造で、反射戻り光のない高速通信を実現する光モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光モジュールは、光信号を電気信号に変換する光学素子と外部接続のためのリードピンを実装したステムと、光コネクタのフェルールを挿入保持するスリーブを実装するスリーブ実装部と光を集光するレンズが気密封止で接着される凹所が形成されたレンズ実装部を有し、ステムに実装された光学素子をステムと協働して封止するレンズシェルキャップと、を備えている。

前記のレンズは、両端面が正方形または長方形のスクエアレンズで形成され、一側にフェルールの光ファイバ端が当接する平坦な当接面を有し、他側に上記の凹所に嵌入する段差部を有し、該段差部上に前記の光ファイバ端から出射した光を集光するレンズ部を有している。

本発明によれば、光モジュールにおいて、光ファイバから出射された光を集光するレンズと光ファイバ端面を当接させることにより、フェルールの光ファイバ端面での反射戻り光の発生を抑制することができる。また、このレンズ及びレンズを保持するレンズキャップシェルにより光学素子を気密封止することで、製造性の高い構造のまま、光モジュールの構成部品を削減することができる。

本発明の光モジュールは、受光モジュールに用いて好適なもので、以下に、本光モジュールの一例を説明する。まず、図１及び図２を用いて、本発明による受光モジュールの構造について説明する。
図１は、本発明の受光モジュールの部分断面斜視図である。また、図２は、本発明の受光モジュールとフェルールとの係合状態を説明する図で、図２（Ａ）は、フェルールが挿入された状態での受光モジュールの部分断面側面図を示し、図２（Ｂ）は、その状態でのフェルール先端近傍の部分拡大断面図を示している。

本発明によれば、受光モジュール１０は、例えば、図１及び図２に示すように、スリーブ３に挿入される光コネクタのフェルール２の光ファイバ１からの光信号を電気信号に変換するものであって、特に、光ファイバ１の端面と当接することにより端面での反射を抑制する反射抑制部分及び光を集光するレンズ部分が一体に形成されたレンズ４を備えている。さらに、フォトディテクタ（ＰＤ：Photo Detector）などの光学素子５を所定位置に搭載したステム６と、光学素子５と外部機器（図示せず）を接続するためにステム６から伸び出した複数のリードピン７と、レンズ４を保持すると共にレンズ４及びステム６と協働して光学素子５を封止するレンズキャップシェル８と、を備えている。また、レンズキャップシェル８には、光ファイバケーブルの端部に取付けられた光コネクタのフェルール２を挿入，固定するためのスリーブ３が実装される。

図２に示すように、レンズ４のスリーブ３側に向く面は、受光モジュール１０に挿入されるフェルール２の光ファイバ１の端面と物理的に当接（Physical Contact: ＰＣ）する。この光ファイバ１の端面と当接するレンズ４の一方の面（当接面）４ａは、後述のように、光ファイバコアと同じ屈折率を有する材料を用いるなどして、光ファイバ１端面での光の反射を抑制するように形成されている。

また、レンズ４の光学素子５と対向する他方の面４ｂには、光ファイバ１から出射された光を光学素子５に集光するレンズ部４ｃが設けられている。そして、このレンズ４はレンズキャップシェル８に接着され、レンズキャップシェル８，ステム６と共に光学素子５を気密封止している。従来複数の部品で実現していたレンズ機能，反射抑制機能及び光学素子封止機能を１つの光学部品（レンズ４）が担うことにより、部品数を削減することができる。

また、レンズ４は、光ファイバ１の端面と当接する当接面４ａを、後述の加工方法を用いて、例えば、正方形に形成することにより、スクエアレンズという言い方もできる。以下、光学部品であるレンズ４を、スクエアレンズ４と称して説明する。

光信号を電気信号へ変換する受光モジュール１０は、光学素子５を収納する、ステム部材（光学素子５，ステム６，リードピン７）、キャップ部材（レンズキャップシェル８，スクエアレンズ４）及びスリーブ部材（スリーブ３）を含むパッケージを備える。光学素子５は、ステム６上に搭載される。ステム６にはレンズキャップシェル８のレンズ実装部８ｃにレンズ４が取付けられたキャップ部材が接合され、光学素子５が封止される。そして、レンズキャップシェル８のスリーブ実装部８ｄには、レンズ４と対向するように光ファイバ１（フェルール２）を挿入保持するためのスリーブ３が接合される。

このように、ステム６、レンズキャップシェル８及びスリーブ３を接合固定することにより、スリーブ３内に挿入されるフェルール２の光ファイバ１と、レンズキャップシェル８内の光学素子５とが、スクエアレンズ４を介して光結合する。
また、スクエアレンズ４の光ファイバ１の当接する当接面４ａでは、スリーブ調芯工程時に、光軸と垂直な平面（ＸＹ面）の調芯作業を行うが、その作業時に光ファイバ１とスクエアレンズ４が当接し続けるように平坦な面（フラット面）としている。

ここで、スリーブ３の調芯工程について説明すると、スリーブ３をレンズキャップシェル８に被せ、スリーブ３に光コネクタに付随するフェルール２（光ファイバ１付）を挿入し、このフェルール２の先端をスクエアレンズ４に当接させる。光コネクタの他端（光ファイバケーブルの他端）から実際に光をファイバコアに入射させ、当該ＰＣ端から光を放射させステム６上のＰＤなどの光学素子５に入射させる。

上記ＰＣ状態を保持したまま、スリーブ３とレンズキャップシェル８との間の嵌め込み余裕の範囲内でＸＹ面内で微調する。そして、光学素子５での光電流が所定値を超える点を見出し、当該箇所がスリーブ３と光学素子５（あるいはレンズキャップシェル８）との間で光学調芯が為された位置と推定する。本発明においては、光軸方向（Ｚ軸方向）の調芯は、スリーブ３及びレンズキャップシェル８の幾何学的寸法のみで実現している。

次に、スクエアレンズ及びレンズキャップシェルについて、図３〜図５を用いて更に説明する。図３は、本発明の光モジュールのスリーブが取付けられる前のＣＡＮパッケージ状態の光デバイスを説明する図で、図３（Ａ）は、光デバイスの斜視図を示し、図３（Ｂ）は、その部分断面斜視図を示している。図４は、スクエアレンズを説明する図で、図４（Ａ）は、スクエアレンズの斜視図を示し、図４（Ｂ）は、側面図を示している。図５は、スクエアレンズとレンズキャップシェルとの関係を説明する断面斜視図である。

スクエアレンズ４を保持するレンズキャップシェル８とステム６とは、上述のように接着されており、図３（Ａ）に示すように、光デバイスのＣＡＮパッケージを構成している。レンズキャップシェル８とステム６との接着は、例えば、抵抗溶接により行われ、また、通常、レンズキャップシェル８もステム６も金属製である。そして、この光デバイスは、図３（Ｂ）に示すように、ＣＡＮパッケージ内部に、光学素子５を封止している。スクエアレンズ４は、例えば、シールガラスを用いてレンズキャップシェル８にガラス封止される。

また、スクエアレンズ４に構成されているレンズ部４ｃとレンズキャップシェル８の中心軸は、一致していることが望ましい。そのために、図４に示すように、スクエアレンズ４には直径Ｒ１の円筒状の段差部４ｄが設けられており、その段差部４ｄの中心にレンズ部４ｃが形成されている。一方、レンズキャップシェル８の中心には、図５に示すように、段差部４ｄが挿入される、直径Ｒ２の孔（凹所）８ａが形成されている。

このような構成で、凹所８ａの内径Ｒ２と段差部４ｄの円筒の外径Ｒ１が略同じになるように同等の精度で加工し、レンズキャップシェル８に段差部４ｄを嵌入することで、部品間の同軸状態を確保することができる。よって、スクエアレンズ４とレンズキャップシェル８で構成されるレンズキャップの製造時に、レンズ中心とキャップシェル中心の軸合わせが容易となり、製造工程を簡易化することができる。

また、このように構成することにより、スクエアレンズ４の下段面（レンズ面側の面であって段差部４ｄの低い位置の面）４ｅは、レンズキャップシェル８の上面８ｂに支えられることになり、スクエアレンズ４に光軸方向の荷重が加えられた際に、レンズキャップシェル８で支えることができるようになっている。

実際、コネクタ同士の密着を強固にするために、光コネクタのフェルール及びそれを受ける端面には、バネによる光軸方向の荷重がかかるように設計されている。光コネクタの規格の一つであるＬＣコネクタの場合、その荷重は１０Ｎ(ニュートン)と規定されている。上記の構成では、その荷重を、スクエアレンズ４を介してレンズキャップシェル８が支えるようになっている。そして、上述のようにスクエアレンズ４をレンズキャップシェル８にガラス封止した場合で、スクエアレンズの下段面４ｅがない場合（すなわち、光学部品としてのスクエアレンズ４が直方体形状でなく直径Ｒ１の円柱形状である場合）には、前記の荷重の大部分が比較的脆いガラス封止部分に掛かってしまうことになるが、スクエアレンズ４に下段面４ｅを設けることで、その荷重をレンズキャップシェル８（の上面８ｂ）にも分散させることができる。

なお、スクエアレンズ４の厚さＴは、スクエアレンズ４のレンズ部４ｃ側の面で生じる光の反射がスクエアレンズ４内で十分拡散されるように、適切に設定されている。スクエアレンズ４が厚くなれば、スクエアレンズ４のレンズ部４ｃ側の面での反射光量は減るので、例えば、スクエアレンズ４として石英ガラスを用いるのであれば、厚さを５００μｍ以上とし、そこでの反射光量を−３０ｄＢ以下にするようにすればよい。

続いて、本発明に係るスクエアレンズの作成方法について説明する。
フェルール２の光ファイバ１とスクエアレンズ４の界面（図２参照）で発生する、両者の屈折率の差異に起因するフレネル反射を抑制するために、スクエアレンズ４の屈折率は、光ファイバ１のコアと±０.１１の範囲で一致していることが好ましい。光ファイバのコア材は、例えば、石英ガラス（屈折率＝１．４５）であるので、スクエアレンズ４の材料に同じ石英ガラスを用いることができる。

レンズ部４ｃ及び円筒状の段差部４ｄの加工方法としては、例えば、その母体である反射抑制部分と同じ材料からレンズ部４ｃを一体成形する方法（以下、第１の加工方法）や、レンズ部４ｃとその他の部分を屈折率の異なる材料で成形する方法（以下、第２の加工方法）などを適用することができる。

第１の加工方法、すなわち、反射抑制部分の材料である石英ガラスをそのまま加工してレンズ部４ｃ及び円筒状の段差部４ｄを成形する場合、例えば、マスキングとエッチングなどの半導体加工技術を用いて、円筒状の突起を形成し、続いて、同様に半導体加工技術を用いて、回折格子（フレネルレンズを含む）などのレンズ部４ｃが段差部４ｄ状に形成されるようにする方法が考えられる。その他に、エッチングあるいはミリングにより半球レンズなどのレンズ部４ｃ及び円筒状の段差部４ｄを加工する方法など、種々の方法が考えられる。

上記第１の加工方法により、同じ材料でレンズ部４ｃと反射抑制部分（段差部４ｄを含む）が一体成形されたスクエアレンズ４を得ることができる。この際、スクエアレンズ４のレンズ部４ｃは、例えば、球面状レンズ，非球面状レンズ，あるいは回折格子レンズ（フレネルレンズ）などの平面形状のレンズなど、各種形態に加工される。

また、スクエアレンズ４に石英ガラスを用いる場合、例えば、その外形について半導体プロセスで用いられているシリコン（Ｓｉ）ウェハを模した形状を有する石英ウェハガラスを、その材料として採用できる。石英ウェハガラスは、半導体加工技術などのウェハ加工技術が採用でき、図６に示すように、スクエアレンズ４を一度に多く作製することができるので、スクエアレンズ４の材料として好適である。

図６は、スクエアレンズの材料として石英ウェハガラスを用いた場合に、その加工過程中に形成されるスクエアレンズアレイの一例を示す図である。
石英ウェハガラスに対して、半導体加工技術を用いて、マスキング、露光、現像、エッチングなどを繰り返し行うことで、図６に示すように、所望の突起形状及びレンズ形状を有するスクエアレンズ４をアレイ状に大量に得ることができる。このスクエアレンズアレイ４´をダイシングすることにより、本発明に係るスクエアレンズ４に個別に加工される。この場合、スクエアレンズの外形を、例えば、図５に示すように正方形（あるいは長方形）とすることが好ましく、これにより、石英ウェハガラスから無駄なくスクエアレンズ４を製造することができる。

また、第２の加工方法、すなわち、石英ガラスを用いて反射抑制部分及び段差部４ｄを加工し、石英ガラスより高屈折率を持つ他の材料を用いてレンズ部４ｃの加工を行う場合、例えば、半導体加工技術を用いるなどして予めスクエアレンズ４に段差部４ｄを形成しておき、半球レンズを石英ガラス（段差部４ｄ）の表面に貼り付ける方法が考えられる。その他に、同様にしてスクエアレンズ４に段差部４ｄを形成しておいた上で、透明な紫外線（ＵＶ）硬化樹脂などの樹脂を必要量塗布して表面張力にてレンズ形状にした後硬化させる方法、石英ガラス上に透明樹脂を射出成形により形成する方法、石英ガラス表面にマスク加工を施し高屈折率のガラス材料を蒸着させることにより回折格子を形成する方法など、種々の方法が考えられる。

上記第２の加工方法により、屈折率の異なる材料でレンズ部４ｃと反射抑制部分（段差部４ｄを含む）が成形されたスクエアレンズ４を得ることができる。この際、スクエアレンズ４のレンズ部４ｃは、第１の加工方法と同様に、例えば、球面状レンズ，非球面状レンズ，回折格子やフレネルレンズなどの平面形状のレンズなど、各種形態に加工される。

この他に、スクエアレンズ４の材料として、高い屈折率を有するＳｉウェハ（屈折率＝約３．５）を用いることができる。Ｓｉウェハは、石英ウェハガラスを用いたときと同様に加工され、図６に示すようなスクエアレンズアレイ４´として形成され、その後にダイシングされ、本発明に係るスクエアレンズとして形成される。ただし、Ｓｉウェハを用いる場合は、光ファイバのコアとＳｉウェハとの屈折率差を補償するために、スクエアレンズの光ファイバが当接する面（ＰＣ面）にはＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）コート加工を施すことが好ましい。ＡＲコート加工としては、例えば、上記ＰＣ面にフッ化マグネシウムなどを真空蒸着させて透明な薄膜を作り、光の干渉を利用して反射光を打ち消すようにする。

本発明の受光モジュールの部分断面斜視図である。 本発明の受光モジュールとフェルールとの係合状態を説明する図である。 本発明の光モジュールのスリーブが取付けられる前のＣＡＮパッケージ状態の光デバイスを説明する図である。 スクエアレンズを説明する図である。 スクエアレンズとレンズキャップシェルとの関係を説明する断面斜視図である。 スクエアレンズアレイの一例を示す図である。 従来構造の光モジュールを示す図である。 従来構造の光モジュールを示す図である。

符号の説明

１…光ファイバ、２…フェルール、３…スリーブ、４…スクエアレンズ、４´…スクエアレンズアレイ、４…レンズ、４ａ…一方の面（当接面）、４ｂ…他方の面、４ｃ…レンズ部、４ｄ…段差部、４ｅ…下段面、５…光学素子、６…ステム、７…リードピン、８…レンズキャップシェル、８ａ…凹所、８ｂ…上面、８ｃ…レンズ実装部、８ｄ…スリーブ実装部、１０…受光モジュール。

Claims (1)

1. 光信号を電気信号に変換する光学素子と外部接続のためのリードピンを実装したステムと、
   光コネクタのフェルールを挿入保持するスリーブを実装するスリーブ実装部と、光を集光するレンズが気密封止で接着される凹所が形成されたレンズ実装部とを有し、前記ステムに実装された前記光学素子を前記ステムと協働して封止するレンズシェルキャップと、を備え、
   前記レンズは、両端面が正方形または長方形のスクエアレンズで形成され、一側に前記フェルールの光ファイバ端が当接する平坦な当接面を有し、他側に前記凹所に嵌入する段差部を有し、該段差部上に前記光ファイバ端から出射した光を集光するレンズ部を有することを特徴とする光モジュール。

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