JP2008026462A

JP2008026462A - 光モジュール

Info

Publication number: JP2008026462A
Application number: JP2006196849A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Saeki; 智哉佐伯
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2008-02-07

Abstract

【課題】正確に調芯されたレンズを実装した光モジュールを提供する。
【解決手段】キャリア１３上に、半導体レーザと、この半導体レーザの出射する光をコリメートするレンズ１２と、このレンズを保持するレンズホルダ１２０を搭載した光モジュールにおいて、さらに、キャリア１３上に枠１４を有し、レンズホルダ１２０を固定する接着剤Ｂが枠１４により規制されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、キャリア上に、半導体レーザと、この半導体レーザの出射する光をコリメートするレンズと、このレンズを保持するレンズホルダを搭載した光モジュールに関する。

近年、光通信の分野では、高速光通信に対応可能な例えば１０Ｇｂｐｓ通信用のＸＦＰ（10 Gigabit Small Form Factor Pluggable）などとよばれる小型の光トランシーバの実現が望まれている。ＸＦＰ光トランシーバは、光送受信デバイスを収納するが、光送受信デバイスには、２心のＬＣコネクタを着脱させるレセプタクル（アダプタ）が必要となっている。レセプタクル（アダプタ）は、その送受信間の間隔が非常に狭く設定されており、しかもＸＦＰ光トランシーバのパッケージは横幅及び高さが所定寸法に規格化されている。このため、ＸＦＰに搭載される光送受信デバイスは、そのパッケージ内部に収納可能となるように小型化されたものが必要となっている。

光通信用のレーザモジュール分野において、前述した光送信デバイスとして、例えば１４ピンバタフライ型パッケージなどが標準規格として知られている。バタフライパッケージは、図８に示すように、ガラスの封止窓２０１から光を取り出す構造を有しているが、光軸に対して上下対称な構造を有していないために、熱膨張などで、図示しない外部に設けた光学系やファイバー光軸などに対して光軸がずれてしまう虞がある。そこで、筺体２００Ａの内部に、半導体レーザ２０２に隣接して図示のようなレンズ(コリメートレンズ)２０３を光路上に挿入し、一旦、コリメート光(平行光)としてパッケージ２００Ａの外部に出してから、外部の図示しない光ファイバに集光する光学系を有するものが多い。このような構成であれば、内部の光学系と外部の光学系との間の光軸にずれが生じていても、光結合効率の劣化を抑えられる。レンズ２０３を筺体２００Ａの内部に実装するために、キャリア２０４を用いるものがあり、レンズ２０３をキャリア２０４の面２０４Ａ上に実装している。

レンズ実装方法としては、発光素子の前方にＶ溝等の実装用ガイドを高精度で作成し、ガイドに合わせてレンズを実装する、いわゆる「パッシブアライメント」と呼ばれる方法がある(例えば、特許文献１参照)。この実装方法は、例えばシリコン基板などの異方性エッチングの技術を用いて高精度に形成されたＶ溝と、Ｖ溝に対してさらに高精度に形成された光半導体素子搭載用の電極または位置決め用のマーカからなる実装用基板などを用いる。ところが、この方法は、実装に要する時間が短くて済むが、Ｖ溝等の実装ガイドの精度、また、発光素子の実装精度により光結合効率が悪くなる場合がある。

また、発光素子を実際に発光させ、最大の出力(最大結合効率)が得られる位置ヘレンズの位置させる、「アクティブアライメント」と呼ばれる方法がある。この方法は、例えば特許文献２に記載されているＹＡＧ溶接などを用いて、前述したキャリアにレンズを固定するものであるが、この方法ではレンズの実装に時間を要し、また、部品点数も多くなり、モジュールの大型化やコストアップにつながる。

また、特許文献３には、レンズの位置決めをしながら接着剤で固定する方法が記載されている。この方法は、レンズ実装面上にレンズを仮配置させ、レンズから所定距離離れた場所にカメラを配置させ、発光素子を実際に発光させてレンズによる集光スポットがカメラで撮影したモニタの所定位置に合致させるようにレンズを調芯するものである。
特開平１１−３４４６４３号公報特開平９−１７８９８６号公報特開２００３−１６８８３８号公報

しかしながら、従来のレンズ搭載方法では、高さ方向についての調芯が不可能である。つまり、レンズがキャリアに実装されており、高さ方向の位置が、発光素子とレンズ実装面との位置関係(部品寸法精度)に左右され調整代を確保できないため、発光素子の光軸がレンズの中心と一致しないことがある。その結果、最大結合効率が得られなくなる。

また、レンズを固着させる接着剤が、Ｌキャリアの実装表面（横方向）に拡散し、必要な量の接着剤の管理ができないため、レンズに対する接着剤が不均一となり、固化時や温度変動時に接着部分が変形して位置ずれが発生するなどの問題も内在している。

本発明は、正確に調芯されたレンズを実装した光モジュールを提供することを目的とする。

本発明の光モジュールは、キャリア上に、半導体レーザと、この半導体レーザの出射する光をコリメートするレンズと、このレンズを保持するレンズホルダを搭載した光モジュールにおいて、さらに、前記キャリア上に枠を有し、前記レンズホルダを固定する接着剤が前記枠により規制されている。この構成によれば、レンズホルダを固定する接着剤が枠により規制されるため、接着剤の拡散を阻止して、高さ方向の調芯に必要な量の接着剤を管理することができるため、正確に調芯されたレンズを実装した光モジュールを提供することができる。

本発明の光モジュールは、キャリア上に、半導体レーザと、この半導体レーザの出射する光をコリメートするレンズと、このレンズを保持するレンズホルダを搭載した光モジュールにおいて、前記キャリアは前記レンズホルダが搭載される凹部を有し、前記レンズホルダを前記キャリアに固定する接着剤が前記凹部により規制されている。この構成によれば、レンズホルダを固定する接着剤が凹部により規制されるため、接着剤の拡散を阻止して、高さ方向の調芯に必要な量の接着剤を管理することができるため、正確に調芯されたレンズを実装した光モジュールを提供することができる。

本発明の光モジュールは、キャリア上に、半導体レーザと、この半導体レーザの出射する光をコリメートするレンズを、このレンズを保持するレンズホルダおよびこのレンズホルダを実装するための実装ホルダを介して搭載した光モジュールにおいて、前記実装ホルダは一対の柱部と、これら柱部を接続する連結部を有し、この連結部の一の面が前記キャリアに固定され、前記連結部の他の面と前記一対の柱部により形成される空間に、前記レンズホルダが接着剤を介して固定されている。この構成によれば、レンズホルダを上記構成の実装ホルダに接着剤を介して固定することで、接着剤の拡散を阻止して、高さ方向の調芯に必要な量の接着剤を管理することができるため、正確に調芯されたレンズを実装した光モジュールを提供することができる。

本発明の光モジュールによれば、接着剤の拡散を阻止して、高さ方向の調芯に必要な量の接着剤を管理することができるため、正確に調芯されたレンズを実装した光モジュールを提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るバタフライ型パッケージ１を示すものであり、筺体１０の内部に、光源である半導体レーザ１１とコリメートレンズ（以下、「第１レンズ」とよぶ)１２とを、キャリア１３上に搭載している。

筺体１０には、第１の側壁面１０Ａに、フェルールが嵌合可能なノーズ２０が取り付けられる。第１の側壁面１０Ａに対向する第２の側壁面１０Ｂには、リードピン１０２が配置される。リードピン１０２は、内部の半導体レーザ１１に高周波変調信号を与えるために用意されている。さらに、第１の側壁面１０Ａおよび第２の側壁面１０Ｂと交差する第３の側壁面１０Ｃにもリードピン１０３が配置されており、リードピン１０３は、いずれも図示しないが、後述する電子冷却器の電源、測温素子の出力、モニタＰＤ素子の出力等のＤＣ、もしくは低周波信号の入出力に利用される。

筺体１０は、底板１０Ｄが例えばＣｕＷ（銅タングステン合金）といった高熱伝導性の材料からなる。底板１０Ｄと側壁面１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃなどは、ロー付けより組み立てられており、気密性が確保されている。側壁面は、例えばコバールといった金属と、積層セラミックとからなる。積層セラミックの表面および内部には、多層配線が形成されており、筺体１０内部に配置される各種光部品や電気部品と、筺体１０側壁面に配置されたリードピン１０１、１０２との間の電気的な接続に利用される。

底板１０Ｄの台座部１０Ｅ上には、電子冷却器１０Ｆが搭載されており、その上にキャリア１３が搭載される。キャリア１３は、図２に示すように、第１実装面１３Ａと、これに平行なレンズを搭載する第２実装面１３Ｂとを有する。キャリア１３の第１実装面１３Ａには、ＥＡ−ＤＦＢデバイス（電界吸収型(ＥＡ)変調器と分布帰還型半導体レーザをモノリシックに集積したデバイス）１１が搭載され、第２実装面１３Ｂには、第１レンズ１２が搭載される。

第１実装面１３Ａには、図示しない積層セラミック基板層が積層され、その最上層に、前記ＥＡ−ＤＦＢデバイスとモニタＰＤを固定したＰＤキャリアが搭載される。ＰＤキャリア上の配線パターンは、ボンディングワイヤで積層セラミック基板層上の配線パターンと電気的に接続される。

キャリア１３の第２実装面１３Ｂ上には、コリメート光を作るための第１レンズ(角型非球面レンズ)１２が配置され、筺体１０の外部前方のノーズ２０（図１（Ｂ）参照）には集光のための第２レンズ２１が配置されている（不図示）。第１レンズ１２の実装面への固定は、硬化を意図的に制御できる接着剤として接着剤Ｂ（紫外線と熱を併用して硬化させるタイプ）を使用している。

次に、本発明のレンズ実装方法が適用されるレンズ実装装置について説明する。ここでは、本実施形態の第１レンズ１２を調芯しつつ実装する場合について説明する。第１レンズ１２は、図３に示すような吸着コレットＣに把持され接着剤Ｂ（図２参照）の塗布された実装位置に移載される。第１レンズ１２は、半導体レーザ１１から出射されるレーザ光が第１レンズ１２を透過することによってコリメート光ができる位置に実装させる。

そこで、本実施形態では、レンズ搭載位置を確認するために、図４（Ａ）に示すようなレンズ調芯装置１００(詳細は後述する)を使用する。レンズ調芯装置１００は、第１レンズ１２を搭載するダミーパッケージ１１０と、ダミーパッケージ１１０を載置するパッケージ固定台１６０と、パッケージ固定台１６０の位置から十分離れた位置に配置されている赤外線カメラ１３０と、ヘリウムネオン（Ｈｅ-Ｎｅ）レーザ１４０と、２孔スリット（ピンホール）１５０とを備えており、赤外線カメラ１３０にてコリメート光の位置及びそのビーム形状を確認しながら調芯を行い、第１レンズ１２を実装する。

Ｈｅ-Ｎｅレーザ１４０は、レンズ調芯装置１００を構成するレンズ調芯系の最後段に配置しており、Ｈｅ-Ｎｅレーザ１４０のレーザ光を光軸Ｌの基準としレンズ調芯系を調整するする。２孔スリット１５０は、Ｈｅ-Ｎｅレーザ１４０の前段に配置する。ダミーパッケージ１１０は、２孔スリット１５０の前段に配置する。ダミーパッケージ１１０の両面にはピンホール(貫通口)が設けられている。赤外線カメラ１３０は、ダミーパッケージ１１０から十分離れた後段に配置されており、モニタ１３０Ａには十字のマークを設けてダミーパッケージ１１０のピンホールを通過したレーザ光を観察する。モニタ１３０Ａの中心にレーザ光が映し出されれば光軸Ｌに赤外線カメラ１３０を整列させることができる。

レンズ調芯系を上記の様に調整した上で、同図（Ｂ）に示すように、実際の筺体１０をパッケージ固定台１６０に固定する。そして、その筺体１０に収納した半導体レーザ１１(図１参照)から出射された光を第１レンズ１２(図１参照)によりコリメート状態にし、前方の赤外線カメラ１３０で観察する。赤外線カメラ１３０のモニタ１３０Ａに映し出されたレーザ光形状が、モニタの中心に位置しかつ、そのスポット形状が歪んでいなければ、軸ズレのないコリメート光であることがわかる。このような方法でＸ、Ｙ、Ｚ方向いずれのレンズ調芯も可能となる。

図４(Ｃ)に示されるように、第１レンズ１２をＸＹＺ方向に移動させることにより、第１レンズ１２を半導体レーザ１１に対して調芯することができる。第１レンズ１２は吸着コレットＣにより固定されているので、吸着コレットＣと一体で移動させることにより、所望の位置に第１レンズ１２を配置することができる。

上記実装方法は、第１レンズ１２に対してＸ、Ｙ、Ｚの３軸調芯を可能にするが、レンズ１２を直接キャリア１３面上に実装すると、Ｙ(高さ)方向に隙間ができる隙間が生ずる可能性がある。レンズ１２を浮かせて、接着剤で固定することも可能だが、接着剤が実装面上で拡散するため、接着剤の量の管理が難しく、また、接着剤の粘度の管理も難しいという欠点がある。

図５は第１の実施例を示しており、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は斜視図を示している。図５に示されるように、第１レンズ１２が搭載されるキャリア１３の第２実装面１３Ｂには壁枠１４が設けられている。壁枠１４内には後述するレンズホルダ１２０を固着させるための適宜量の接着剤Ｂが充填される。第１レンズ１２は、図６に示すように、レンズホルダ１２０に保持される。レンズホルダ１２０の下部にはレンズホルダ１２０を支持する台座１２１が備えられる。

本実施例では、キャリア１３の第２実装面１３Ｂ上に壁枠１４を設け、その中に接着剤Ｂを投入し、接着剤Ｂが充填された壁枠１４の内部に台座１２１に支持されたレンズホルダ１２０を載置する。第１レンズ１２の調芯を行った後、接着剤Ｂを固化させる。接着剤Ｂは壁枠１４で水平方向の拡散が規制されるため、接着剤Ｂの量の管理が容易である。また、接着剤Ｂの固化の際、レンズホルダ１２０を支持する台座１２１は、水平方向について一様に張力を受けるために、接着剤Ｂの固化時に水平方向へのずれは少ない。

なお、第２実装面１３Ｂに窪みを設け、その窪みに接着剤Ｂを投入し、接着剤Ｂが充填された窪みにレンズホルダ１２０を搭載する構成でもよい。

図７は第２の実施例を示している。本実施例では、キャリア１３の第２実装面１３Ｂ上に、一対の柱部と、これら柱部を繋ぐ連結部を有する実装ホルダ１６を設けている。実装ホルダ１６は、連結部の一面が固着手段、例えばＡｕＳｎ半田などで第２実装面１３Ｂ上に固着される。そして、連結部の他面と柱部に囲まれた空間にレンズホルダ１２０が搭載され、実装ホルダ１６とレンズホルダ１２０との間は接着剤で固定される。

図７（Ａ）に示すように、実装ホルダ１６の柱部の間隔Ｗ１はレンズホルダ１２０の幅寸法（Ｗ２）よりも広い。同図（Ｂ）に示されるように、実装ホルダ１６とレンズホルダ１２０との間に形成される間隙ｄは、毛細管現象で底部の接着剤Ｂが進入可能な程度の幅に設定される。レンズホルダ１２０を囲む接着剤Ｂを固化させて実装ホルダ１６にレンズホルダ１２０を実装することにより、接着剤塗布量を均一化させ、接着剤Ｂの硬化時、高温時における接着剤Ｂの収縮、膨張等の応力によるレンズの位置ずれなどを防ぐことができる。

なお、レンズホルダ１２０と実装ホルダ１６との間の接着剤Ｂには、実装ホルダ１６にレンズホルダ１２０を挿入した場合、Ｚ(レンズ厚さ)方向にレンズホルダ１２０が抜け出して脱落することがない程度の表面表力が発生している。

実装ホルダ１６内に第１レンズ１２を実装する場合、最初に、図７（Ａ）に示すように、実装ホルダ１６の空間部分に接着剤Ｂを適量滴下しておく。次に、第１レンズ１２を吸着コレットＣとともにその溝部分へ降下させて接着剤Ｂの液面に接すると、同図(Ｂ)に示すように、接着剤Ｂが毛細管現象により、レンズホルダ１２０と実装ホルダ１６との間の間隙に均一に回り込む。この状態で第１レンズ１２の調芯を行い、その後、接着剤Ｂを固化させる。

上記実装方法によれば、接着剤Ｂはレンズホルダ１２０と実装ホルダ１６とで規制されるため、接着剤Ｂの量や粘度の管理が容易である。また、レンズホルダ１２０は、接着剤Ｂに取り囲まれた３面について一様に張力を受けるために、一方向のみに歪が集中することが避けられ、固化時のずれが少ない。

実施例１、２ともに、レンズとしては、２レンズ光学系の第１レンズ（コリメート光に変換するレンズ）でもよいし、１レンズ系の集光レンズでもよい。また、上記実施例では、レンズの外形が非直方体のコリメートレンズを適用したが、この他にボールレンズなどや、サイコロ型のブロック状のレンズなどでもよい。

なお、レンズホルダ１２０の上部を両側に延長した鍔部を設けることにより、接着剤の進入をこの鍔部で規制することができるため、鍔部を把持する吸着コレットＣに接着剤が付着するのを防ぐことができる。

本発明の実施形態に係る光送信デバイスに係るバタフライ型パッケージ（ＢＴＦ）を示すものであり、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は破断斜視図、（Ｃ）は底部を示す平面図、（Ｄ）は断面図。本発明の実施形態に係るＢＴＦパッケージ内部の半導体レーザと第１レンズの実装状態を示す説明図。（Ａ）は本発明の実施形態に係る発光素子を移載する吸着コレットなどを示す斜視図、（Ｂ）はその平面図。（Ａ）は本発明の実装方法に用いるレンズ調芯装置の構成を示す説明図、（Ｂ）はそのレンズ調芯装置で調芯されたレンズの実装方法を示す説明図、（Ｃ）は発光素子とレンズの中心との一致状態を示す説明図。（Ａ）は本発明の第１実施例を示す側面図、（Ｂ）はその斜視図。（Ａ）は本発明の第１実施例に用いるレンズホルダを示す正面図、（Ｂ）はその側面図。（Ａ）および（Ｂ）は本発明の第２実施例でのレンズ実装方法を示す説明図。従来のＢＴＦを示す説明図。

符号の説明

１バタフライ型パッケージ
１０パッケージ
１０Ｅ台座部
１０Ｆ電子冷却器
１１半導体レーザ
１２レンズ(第１レンズ)
１３キャリア
１３Ａ第１実装面（レーザ実装面）
１３Ｂ第２実装面（レンズキャリア面）
１４壁枠
１６実装ホルダ
１２０レンズホルダ
１２１台座
１３０ＩＲカメラ
１４０ヘリウムネオン（Ｈｅ-Ｎｅ）レーザ
１５０２孔スリット（ピンホール）
１６０パッケージ固定台
Ｂ接着剤
Ｃ吸着コレット

Claims

キャリア上に、半導体レーザと、この半導体レーザの出射する光をコリメートするレンズと、このレンズを保持するレンズホルダを搭載した光モジュールにおいて、
さらに、前記キャリア上に枠を有し、前記レンズホルダを固定する接着剤が前記枠により規制されている、光モジュール。
キャリア上に、半導体レーザと、この半導体レーザの出射する光をコリメートするレンズと、このレンズを保持するレンズホルダを搭載した光モジュールにおいて、
前記キャリアは前記レンズホルダが搭載される凹部を有し、前記レンズホルダを前記キャリアに固定する接着剤が前記凹部により規制されている、光モジュール。
キャリア上に、半導体レーザと、この半導体レーザの出射する光をコリメートするレンズを、このレンズを保持するレンズホルダおよびこのレンズホルダを実装するための実装ホルダを介して搭載した光モジュールにおいて、
前記実装ホルダは一対の柱部と、これら柱部を接続する連結部を有し、この連結部の一の面が前記キャリアに固定され、前記連結部の他の面と前記一対の柱部により形成される空間に、前記レンズホルダが接着剤を介して固定されている、光モジュール。