JP4905252B2 - 光通信モジュール - Google Patents

Description

本発明は、温度による光軸ずれが少ない光通信モジュールに関する。

光通信モジュールにあっては、送信用の発光素子と受信用の受光素子など、複数の光半導体素子を備えることが多い。このような複数の光半導体素子を備える光通信モジュールには、送信用の光ファイバと受信用の光ファイバなど、複数本の光伝送用光ファイバが装備されるか又は光コネクタで光ファイバに接続可能に構成される。

特許３１３４８５０号公報 特開２００６−３０６１１３号公報

本発明者は、上記複数本の光伝送用光ファイバをより少なく集約して、１本の光伝送用光ファイバに複数の光半導体素子からの光を伝送させる構成を検討中である。

例えば、図６に示した検討中の光通信モジュール６１は、セラミック基板２の複数箇所に実装され上記セラミック基板２に垂直な光軸を有する光半導体素子３と、各光半導体素子３の光軸上に共通の反射光軸を有する反射面が形成されたレンズブロック６２とを備える。

レンズブロック６２は、セラミック基板２に対して垂直な端面に上記反射光軸上に位置する対外用レンズ７ｃが形成され、セラミック基板２に対して平行な底面に、各光半導体素子３（３ａ，３ｂ）の光軸上に位置する対光半導体素子用レンズ７（７ａ，７ｂ）が形成され、反射光軸と各光半導体素子３の光軸との交差位置にそれぞれ反射面４が形成されたものである。

ここでは、光半導体素子３は、発光素子３ａと受光素子３ｂとする。

反射光軸上、端面（レンズブロック６２の図示右側の面）に近い位置に送信光のみ選択的に反射する発光素子用反射面４ａが形成され、端面から遠い位置に受信光を反射する受光素子用反射面４ｂが形成されるものとする。各反射面４（４ａ，４ｂ）は、セラミック基板２に対して４５度の傾斜を有する。

そして、発光素子用反射面４ａには、発光素子３ａの送信光（波長λ１）のみを選択的に反射し、受光素子３ｂで受光する受信光（波長λ２）は透過させる光学フィルタ１６が設置されている。ここで、波長λ１と波長λ２の波長が異なり、光学フィルタ１６は波長に応じて反射させたり透過させたりする機能を有すればよく、本実施形態では多層膜フィルタを用いている。

ところで、レンズブロック６２は、アクリル系樹脂、ＰＣ（ポリカーボネイト）系樹脂、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマ）系樹脂、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）などを主材料としており、温度膨張係数が例えば、６０ｐｐｍ／℃である。一方、セラミック基板２は、セラミックを主材料としており、温度膨張係数が例えば７ｐｐｍ／℃である。つまり、レンズブロック６２とセラミック基板２とで、温度膨張係数が大きく異なる。

これに対して、光通信モジュール６１の使用温度範囲は、例えば、０〜８０℃である。このため、レンズブロック６２とセラミック基板２は、使用温度範囲の上限と下限とで顕著な寸法の相違を生じる。具体例で示すと、常温（２０℃）にて、レンズブロック６２における対光半導体素子用レンズ７の間隔Ｌ１が５ｍｍとし、セラミック基板２における光半導体素子３の間隔Ｌ２が５ｍｍとする。温度が７０℃になると、レンズ間隔Ｌ１の増加分ΔＬ１と素子間隔Ｌ２の増加分ΔＬ２の差は、
ΔＬ１−ΔＬ２＝（６０−７）ｐｐｍ／℃×（８０−２０）℃×５ｍｍ
＝０．０１５９ｍｍ（１５．９μｍ）
となる。つまり、８０℃では、２０℃のときと比較してレンズ間隔Ｌ１と素子間隔Ｌ２が約１６μｍも違うことになる。

コア径（直径）５０μｍのマルチモード光ファイバを使用したとすると、マルチモード光ファイバから直径（φ）４０μｍの光ビームが出射される（図８参照）。この光ビームを対受光素子用レンズ７ｂを用いて１：１の結像をした場合、受光素子３ｂには光ビームがφ４０μｍのスポットサイズで入射する。

これに対し、伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃクラスの光通信に用いられる受光素子３ｂの一例であるフォトダイオード（ＰＤ）の受光径（直径）は、現状６０μｍである。したがって、発光素子３ａの一例であるＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）の光軸が対光半導体素子用レンズ７の光軸に対し温度によらず固定的に一致していると仮定すると、８０℃においてＰＤの光軸が対光半導体素子用レンズ７の光軸から約１６μｍずれると、ＰＤに入射する受信光のスポットサイズ（直径）は４０μｍであるため、ＰＤの受光径からはみ出してしまう。このため、温度変化によって大きな損失を受けてしまう（図７参照）。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、温度による光軸ずれが少ない光通信モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の光通信モジュールは、セラミック基板の複数箇所に実装され上記セラミック基板表面に垂直な光軸を有する光半導体素子と、各光半導体素子の光軸上に共通の反射光軸を有する反射面が形成された分割レンズブロックと、各分割レンズブロック間を上記反射光軸方向に隔てる隙間とを備え、上記分割レンズブロックは、それぞれ上記セラミック基板に取り付けられているものである。

上記分割レンズブロックは、それぞれ上記隙間に臨む面が上記反射光軸に対して直角より傾斜していてもよい。

上記隙間に、上記分割レンズブロックより軟らかく、空気に比べて上記分割レンズブロックに屈折率が近い充填材が充填されていてもよい。

上記分割レンズブロックは、それぞれ個別の高さ調整用スペーサを介して上記セラミック基板に取り付けられていてもよい。

また、本発明の光通信モジュールは、セラミック基板の複数箇所に実装され上記セラミック基板に垂直な光軸を有する光半導体素子と、各光半導体素子の光軸上に共通の反射光軸を有する反射面が形成されたレンズブロックと、該レンズブロックの上記セラミック基板と反対側面に形成された割り溝とを備え、上記レンズブロックは、上記セラミック基板に取り付けられているものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）温度による光軸ずれが少ない。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る光通信モジュール１は、セラミック基板２の複数箇所に実装され上記セラミック基板２表面に垂直な光軸を有する光半導体素子３と、各光半導体素子３の光軸上に共通の反射光軸を有する反射面４が形成された分割レンズブロック５と、各分割レンズブロック５間を上記反射光軸方向に隔てる隙間６とを備えたものである。

ここでは、光半導体素子３は、発光素子３ａと受光素子３ｂとする。

反射光軸上、端面Ｓ１（図示右側の分割レンズブロック５の右の面）に近い位置に送信光のみ選択的に反射する発光素子３ａ用の反射面４ａが形成され、端面から遠い位置に受信光を反射する受光素子３ｂ用の反射面４ｂが形成されるものとする。各反射面４（４ａ，４ｂ）は、セラミック基板２に対して４５度の傾斜を有する。

そして、反射面４ａには、光学フィルタ１６が設置されている。光学フィルタ１６の機能は図６と同じであり、前述した通りである。

反射面４ａが形成された分割レンズブロック５を発光側レンズブロック５ａ、受光素子３ｂ用の反射面４ｂが形成された分割レンズブロック５を受光側レンズブロック５ｂと呼ぶことにする。

発光側レンズブロック５ａは、セラミック基板２に対して垂直な端面に、反射光軸上に位置する対外用レンズ７ｃが形成され、セラミック基板２に対して平行な底面に、発光素子３ａの光軸上に位置する対発光素子用レンズ７ａが形成される。受光側レンズブロック５ｂは、セラミック基板２に対して平行な底面に、受光素子３ｂの光軸上に位置する対受光素子用レンズ７ｂが形成される。

分割レンズブロック５は、図６の光通信モジュールにおけるレンズブロックを隙間によって分割したものと言える。両分割レンズブロックは図６の光通信モジュールにおけるレンズブロックと同様に樹脂を主材料とする。

上記構成の作用効果を説明する。

前述と同様に、常温（２０℃）にて、両分割レンズブロック５における対光半導体素子用レンズ７（対発光素子用レンズ７ａと対受光素子用レンズ７ｂ）の間隔Ｌ１が５ｍｍとし、セラミック基板２における光半導体素子３の間隔Ｌ２が５ｍｍとする。発光素子３ａの光軸が対発光素子用レンズ７ａの光軸に対し温度によらず固定的に一致していると仮定すると、８０℃においても発光素子３ａの光軸が対発光素子用レンズ７ａの光軸に一致する。

温度上昇により、発光側レンズブロック５ａは受光側レンズブロック５ｂに向かって膨張するが、発光側レンズブロック５ａと受光側レンズブロック５ｂとの間に隙間６があるため、発光側レンズブロック５ａの膨張の影響は受光側レンズブロック５ｂに及ばない。

一方、受光側レンズブロック５ｂも膨張するが、発光側レンズブロック５ａとは別体であって、発光側レンズブロック５ａとの間に隙間６があることにより、受光素子３ｂの光軸が対受光素子用レンズ７ｂの光軸に対し温度によらず固定的に一致していると仮定することができる。このとき、８０℃においても受光素子３ｂの光軸が対受光素子用レンズ７ｂの光軸に一致する。

よって、８０℃においてもレンズ間隔Ｌ１と素子間隔Ｌ２は、ともにほぼ５ｍｍのままであり、対受光素子用レンズ７ｂと受光素子３ｂの光軸ずれ、及び対発光素子用レンズ７ａと発光素子３ａの光軸ずれは生じない。

実際には、光半導体素子３の光軸が対光半導体素子用レンズ７の光軸に対し温度によらず固定的に一致することはないとしても、両分割レンズブロック５が個別に形成され、温度膨張係数が大きい両分割レンズブロック５間に隙間６があることにより、レンズ間隔Ｌ１と素子間隔Ｌ２の温度による違いが緩和されることになる。隙間６の大きさは両分割レンズブロック５がそれぞれ隙間６の方向に膨張する大きさを上回っていれば十分である。

次に、図１の実施形態における他の特徴とその作用効果を説明する。

発光側レンズブロック５ａ及び受光側レンズブロック５ｂは、それぞれ隙間６に臨む面が反射光軸に対して直角より傾斜している。両分割レンズブロック５の隙間６に臨む面は互いに平行であり、反射光軸に対して直角な仮想面に対して５〜１５度の傾斜を有する。

このように隙間６に臨む面が反射光軸に対して直角より傾斜しているため、分割レンズブロック５内から隙間６に出射した光が対向する分割レンズブロック５の面で部分的に反射したとき、この部分的な反射光は正規の反射光軸から逸れる。よって、部分的な反射光による通信の障害を防止することができる。

図２に示されるように、光通信モジュール１の隙間６には、分割レンズブロック５より軟らかく、空気に比べて分割レンズブロック５に屈折率が近い充填材８を充填してもよい。充填材８は、例えば、屈折率が分割レンズブロック５の樹脂とほぼ等しいシリコーン樹脂である。

このように、隙間６に、空気に比べて分割レンズブロック５に屈折率が近い充填材８が充填されていることにより、分割レンズブロック５内から隙間６に出射した光が対向する分割レンズブロック５に入射するとき、部分的に反射する光が少なくなる。一方、この充填材８は、分割レンズブロック５より軟らかいので、両分割レンズブロック５がそれぞれ隙間６の方向に膨張したとき、容易に変形して、分割レンズブロック５に位置ずれや歪みを与えることがない。

また、隙間６に充填材８が充填されているので、光通信モジュール１の外部からの埃や水分が隙間６に入り込むことがなく、これら異物による通信の障害を防止することができる。

本発明では、レンズ間隔Ｌ１及び素子間隔Ｌ２を５ｍｍと広く形成したことにより、発光素子３ａを駆動する図示しない発光素子ドライバの数ＧＨｚ以上の高周波駆動電流（例えば、数１０ｍＡ程度）によって生じるノイズが受光素子３ｂの微弱な出力（例えば、数μＡ程度）に影響を与えるのを防止することができる。

さらに、本発明では、レンズ間隔Ｌ１及び素子間隔Ｌ２を５ｍｍと広く形成したことにより、変形例として、発光素子３ａと受光素子３ｂの間に電磁波吸収材１５（図２参照）を配設することが容易となる。この電磁波吸収材１５により、発光素子３ａを駆動する図示しない発光素子ドライバの駆動電流（例えば、数１０ｍＡ程度）によって生じるノイズが受光素子３ｂの微弱な出力（例えば、数μＡ程度）に影響を与えるのを効果的に防止することができる。電磁波吸収材１５としては、炭素やフェライトをゴムやウレタンと複合化して形成した材料を用い、幅２ｍｍ程度で、厚さはセラミック基板２の表面からレンズブロック５ａ，５ｂの間隔と同等の０．５ｍｍに加工して用いる。

図３に示されるように、分割レンズブロック５は、高さ調整用スペーサ９を介してセラミック基板２に取り付けてもよい。高さ調整用スペーサ９は、光半導体素子３と対光半導体素子用レンズ７との距離を調整するために、セラミック基板２と分割レンズブロック５との間に挿入するものである。

図４に示されるように、発光側レンズブロック５ａ及び受光側レンズブロック５ｂは、それぞれ個別の高さ調整用スペーサ９ａ，９ｂを介してセラミック基板２に取り付けるとよい。これにより、発光素子３ａと対発光素子用レンズ７ａとの距離及び受光素子３ｂと対受光素子用レンズ７ｂとの距離が個別に調整できる。

高さ調整用スペーサ９は、セラミック又は分割レンズブロック５と同じ樹脂で形成するとよい。高さ調整用スペーサ９をセラミックで形成するときは、温度膨張係数がセラミック基板２と同じになるので、高さ調整用スペーサ９とセラミック基板２の伸びの大きさは温度によらず一致する。よって、高さ調整用スペーサ９は発光側レンズブロック５ａを載せる部分と受光側レンズブロック５ｂを載せる部分が一体（つまり、分割されていない構造）であってもよい。

高さ調整用スペーサ９を分割レンズブロック５と同じ樹脂で形成するときは、温度膨張係数が分割レンズブロック５と同じで、セラミック基板２と相違することになるので、発光側レンズブロック５ａを載せる部分と受光側レンズブロック５ｂを載せる部分を個別に分けるとよい。このとき、受光側レンズブロック５ｂとその高さ調整用スペーサ９ｂを一体形成し、発光側レンズブロック５ａとその高さ調整用スペーサ９ａを一体形成することができる。これによって、高さ調整が不要となるので、製造が容易となる。

次に、本発明の他の実施形態を図５により説明する。

図５に示されるように、本発明に係る光通信モジュール１１は、セラミック基板２の複数箇所に実装され上記セラミック基板２に垂直な光軸を有する光半導体素子３と、各光半導体素子３の光軸上に共通の反射光軸を有する反射面４が形成されたレンズブロック１２と、該レンズブロック１２の上記セラミック基板２と反対側面に形成された割り溝１３とを備えたものである。

セラミック基板２及び光半導体素子３については、図１のものと同じであるので、説明は省略し、レンズブロック１２とその割り溝１３について説明する。

レンズブロック１２は、図１のものと異なり、発光側と受光側が一体になっている。しかし、図６のものとも異なり、割り溝１３を有する。割り溝１３は、レンズブロック１２を発光側と受光側を完全に分割するのではなく、セラミック基板２とは反対側の面のみを分割し、セラミック基板２に臨む底面では一体に繋がるようにしたものである。

割り溝１３を金型を用いてレンズブロック１２に一体に形成する場合、型くずれなどを防止するため、割り溝１３の光軸方向の幅は０．５ｍｍ以上にする。

温度上昇により、セラミック基板２とレンズブロック１２とが膨張するとき、温度膨張係数の違いにより、セラミック基板２よりレンズブロック１２のほうが大きく膨張する。図３に示したようにセラミック基板２とレンズブロック１２は高さ調整用スペーサ９を介して固定されているので、レンズブロック１２の底面には縮む方向に力が働く。

このとき、発光素子３ａの光軸が対発光素子用レンズ７ａの光軸に一致している状態と、受光素子３ｂの光軸が対受光素子用レンズ７ｂの光軸に一致している状態が維持される。よって、光半導体素子３と対光半導体素子用レンズ７のずれによる通信の障害は回避される。

セラミック基板２のほうがレンズブロック１２よりも剛性が大きいので、膨張差によって発生する変形は主にレンズブロック１２で発生する。もし、割り溝１３がなければ、レンズブロック１２は大きく膨張するのに対しセラミック基板２の膨張は小さいため、セラミック基板２上に実装したレンズブロック１２に対して圧縮応力が加わる。このため、レンズブロック１２が本来あるべき形状から全体的にアンバランスに縮むので、光軸が所定のルートを通らなくなってしまう。しかし、割り溝１３があれば、割り溝１３の底部の薄肉部１４に力が集中し、薄肉部１４のみが歪むので、レンズブロック１２全体としては、歪みを少なくすることができる。これはレンズブロック１２の薄肉部１４を限りなく薄くすることを考えると、レンズブロック１２が２つに分割されている構造に近づくことから明らかである。従って、レンズブロック１２の光軸の変位量を小さくすることができる。

なお、このレンズブロック１２の薄肉部１４は、金型で形成することを考え、レンズブロック１２の薄肉部１４の薄さの限界は５０μｍである。また、レンズブロック１２の薄肉部１４は、上記したように厚くなる（つまり、割り溝１３の高さ方向が低くなる）とレンズブロック１２に加わる応力が大きくなるため、可能な限りレンズブロック１２の薄肉部１４は薄い方がよく、レンズブロック１２の高さｈ（図５参照）の１／１０以下にすることが望ましい。本実施の形態では、レンズブロック１２の薄肉部１４の厚さは５０μｍとした。

本発明の一実施形態を示す光通信モジュールの側断面図である。 本発明の一実施形態を示す光通信モジュールの側断面図である。 本発明の一実施形態を示す光通信モジュールの正面図である。 本発明の一実施形態を示す光通信モジュールの斜視図である。 本発明の他の実施形態を示す光通信モジュールの側断面図である。 本発明者が検討中の光通信モジュールの側断面図である。 スポットサイズと受光径の関係を説明する図である。 スポットサイズを説明する図である。

符号の説明

１ 光通信モジュール
２ セラミック基板
３ 光半導体素子
４ 反射面
５ 分割レンズブロック
６ 隙間
７ 対光半導体素子用レンズ
８ 充填材
９ 高さ調整用スペーサ

Claims (5)

1. セラミック基板の複数箇所に実装され上記セラミック基板表面に垂直な光軸を有する光半導体素子と、
   各光半導体素子の光軸上に共通の反射光軸を有する反射面が形成された分割レンズブロックと、
   各分割レンズブロック間を上記反射光軸方向に隔てる隙間とを備え、
   上記分割レンズブロックは、それぞれ上記セラミック基板に取り付けられていることを特徴とする光通信モジュール。
2. 上記分割レンズブロックは、それぞれ上記隙間に臨む面が上記反射光軸に対して直角より傾斜していることを特徴とする請求項１記載の光通信モジュール。
3. 上記隙間に、上記分割レンズブロックより軟らかく、空気に比べて上記分割レンズブロックに屈折率が近い充填材が充填されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光通信モジュール。
4. 上記分割レンズブロックは、それぞれ個別の高さ調整用スペーサを介して上記セラミック基板に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の光通信モジュール。
5. セラミック基板の複数箇所に実装され上記セラミック基板に垂直な光軸を有する光半導体素子と、
   各光半導体素子の光軸上に共通の反射光軸を有する反射面が形成されたレンズブロックと、
   該レンズブロックの上記セラミック基板と反対側面に形成された割り溝とを備え、
   上記レンズブロックは、上記セラミック基板に取り付けられていることを特徴とする光通信モジュール。

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