JP2006221159A - Optical transmitter module and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、発光素子と光ファイバを光学的に結合した光送信モジュールの構造に関し、特に低価格でありながら低挿入損失を達成できる光送信モジュールおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a structure of an optical transmission module in which a light emitting element and an optical fiber are optically coupled, and particularly relates to an optical transmission module that can achieve low insertion loss while being low in cost, and a manufacturing method thereof.
従来の発光素子と光ファイバを光学的に結合した光送信モジュールの構造の一例を図２０および図２１に示す。 An example of the structure of a conventional optical transmission module in which a light emitting element and an optical fiber are optically coupled is shown in FIGS.
図２０に示される光送信モジュールでは、レーザダイオード（ＬＤ）素子１５２から出射される光が、ＬＤ素子１５２と光ファイバ１５６との間に設けられたレンズ１５９により、光ファイバ１５６の入射端に集光される光結合構造が用いられている（特許文献１参照）。 In the optical transmission module shown in FIG. 20, the light emitted from the laser diode (LD) element 152 is collected at the incident end of the optical fiber 156 by the lens 159 provided between the LD element 152 and the optical fiber 156. An optical coupling structure that emits light is used (see Patent Document 1).
ＬＤ素子など発光素子から出射される出射光は放射状に拡がるため、そのままでは伝送路として用いられるシングルモード型光ファイバ（以下、ＳＭＦと称する。）に入射される光はわずかとなってしまい、ノイズに対する十分な信号強度を確保することができず、またすぐに減衰してしまうという問題がある。 Since outgoing light emitted from a light emitting element such as an LD element spreads radially, the light incident on a single mode type optical fiber (hereinafter referred to as SMF) used as a transmission line as it is becomes small, and noise. There is a problem that a sufficient signal strength cannot be secured, and the signal is attenuated immediately.
図２０に示される光結合構造は、この問題を解決するため、ＬＤ素子から放射状に拡がって出射される出射光を、ＬＤ素子と光ファイバとの間に配置されたレンズにより集束させて光ファイバの入射端に集光することにより、高効率の光結合を実現しようとするものである。 In order to solve this problem, the optical coupling structure shown in FIG. 20 converges the outgoing light emitted radially from the LD element by a lens disposed between the LD element and the optical fiber, and the optical fiber. It is intended to realize highly efficient optical coupling by condensing light at the incident end.
一方、図２１に示される光送信モジュールでは、発光素子１６２からの出射光１６３が、発光素子１６２と光導波路のコア部１６６との間に設けられた、コア部とクラッド部を有する短尺のグレーテッド・インデックス型光ファイバ（以下、ＧＩＦと称する。）１６４により光導波路のコア部１６６の入射端に集束される光結合構造が用いられている（特許文献２参照）。 On the other hand, in the optical transmission module shown in FIG. 21, the emitted light 163 from the light emitting element 162 is a short gray having a core part and a clad part provided between the light emitting element 162 and the core part 166 of the optical waveguide. An optical coupling structure focused on the incident end of the core portion 166 of the optical waveguide by a ted index type optical fiber (hereinafter referred to as GIF) 164 is used (see Patent Document 2).
光導波路を用いた表面実装型の光結合系は、光導波路のスポットサイズを発光素子であるＬＤ素子やＳＭＦのスポットサイズに整合させることができるため、高効率の光結合が実現できるとされているが、光導波路によるスポットサイズの整合には限界があるため、大型の同軸型結合系で使用される非球面レンズで集束させた場合と比較すれば効率が劣るという問題がある。 The surface mount type optical coupling system using the optical waveguide can match the spot size of the optical waveguide to the spot size of the LD element or SMF, which is a light emitting element. However, since there is a limit to the matching of the spot size by the optical waveguide, there is a problem that the efficiency is inferior compared with the case of focusing with an aspherical lens used in a large coaxial coupling system.
図２１に示される光結合構造は、この問題を解決するため、コア部とクラッド部との界面で生じる反射によるレンズ効果を有する短尺ＧＩＦで、発光素子からの出射光を集束させることにより、光導波路とのスポットサイズの整合を行ない、簡易な構成で低損失な光結合を行なうものである。
しかしながら、図２０に示されるレンズを用いる同軸型の光結合構造は、高効率の光結合が実現できる反面、発光素子とレンズとの間の光軸調整、さらにレンズとＳＭＦとの間の２箇所に光軸調整が必要になるため組み立て作業が煩雑になり、また高価なレンズを用いるため製造コストが高くなるという問題がある。 However, the coaxial optical coupling structure using the lens shown in FIG. 20 can realize high-efficiency optical coupling, but it can adjust the optical axis between the light emitting element and the lens, and further, two locations between the lens and the SMF. In addition, there is a problem that the optical axis needs to be adjusted, so that the assembling work becomes complicated, and an expensive lens is used, resulting in an increase in manufacturing cost.
さらに正確な光軸調整のためにはレンズをモジュール内で正確に固定しておくための構造が必要になり、必然的にモジュールサイズが大型になってしまうという問題がある。 In addition, in order to accurately adjust the optical axis, a structure for accurately fixing the lens in the module is required, which inevitably increases the module size.
一方、図２１に示される光導波路と短尺ＧＩＦを用いた表面実装型の光結合構造は、発光素子と短尺ＧＩＦとＳＭＦを短時間で簡便に実装できることから、自動化が容易である反面、光導波路の形成に高価な薄膜プロセスを必要とするため大量生産しなければやはり製造コストが高くなるという問題がある。 On the other hand, the surface mount type optical coupling structure using the optical waveguide and the short GIF shown in FIG. 21 can easily mount the light emitting element, the short GIF and the SMF in a short time, and thus is easily automated. Since an expensive thin film process is required to form the film, there is a problem that the manufacturing cost is increased unless mass production is performed.
また、表面実装型の光結合構造は薄膜プロセスを用いて形成した認識マークやＶ溝などの位置決め手段により高精度な位置決めが可能となるものの、光軸調整ができないため、各構成要素、特に高精度な位置決め精度が必要となる発光素子の実装ずれによる結合損失の増大を補正することができず、製造歩留まりが悪くなるという問題がある。 In addition, although the surface mount type optical coupling structure can be positioned with high precision by positioning means such as a recognition mark or a V groove formed by using a thin film process, the optical axis cannot be adjusted. There is a problem that an increase in coupling loss due to a mounting deviation of a light emitting element that requires accurate positioning accuracy cannot be corrected, and a manufacturing yield is deteriorated.
さらに、光導波路自体の伝搬損失が避けられないため、レンズを用いる同軸型の光結合構造と比較すると、まだ挿入損失が大きいという問題がある。 Furthermore, since the propagation loss of the optical waveguide itself is unavoidable, there is a problem that the insertion loss is still large as compared with a coaxial optical coupling structure using a lens.
そこで、この発明の目的は、低い製造コストでありながら、小型で低挿入損失を達成できる光送信モジュールと、そのような光送信モジュールの製造方法を提供しようとすることである。 Therefore, an object of the present invention is to provide an optical transmission module that can achieve a small size and a low insertion loss at a low manufacturing cost, and a method for manufacturing such an optical transmission module.
上述した技術的課題を解決するため、請求項１の光送信モジュールは、発光素子と、所定の長さに切断されたコア部とクラッド部を有する短尺ＧＩＦであって、前記発光素子に相対する端面側にレンズ部が形成され、前記レンズ部から入射させた前記発光素子からの出射光が他端側から集束して出射されるように調整された第１の光ファイバと、前記第１の光ファイバを固定する支持体と、前記第１の光ファイバからの出射光を入射させるＳＭＦである第２の光ファイバとを備えることを特徴としている。 In order to solve the above technical problem, an optical transmission module according to claim 1 is a short GIF having a light emitting element, a core part and a clad part cut to a predetermined length, and is opposed to the light emitting element. A first optical fiber having a lens portion formed on the end surface side, and adjusted so that outgoing light from the light emitting element incident from the lens portion is converged and emitted from the other end side; and It is characterized by comprising a support for fixing the optical fiber, and a second optical fiber that is an SMF for allowing the outgoing light from the first optical fiber to enter.
また、請求項２の光送信モジュールは、請求項１に記載された光送信モジュールにおいて、前記短尺ＧＩＦの前記発光素子に相対する端面側に形成されたレンズ部の曲率半径が、前記短尺ＧＩＦの半径よりも小さいことを特徴としている。 An optical transmission module according to a second aspect is the optical transmission module according to the first aspect, wherein a radius of curvature of a lens portion formed on an end surface side of the short GIF facing the light emitting element is that of the short GIF. It is characterized by being smaller than the radius.
また、請求項３の光送信モジュールは、請求項１に記載された光送信モジュールにおいて、前記短尺ＧＩＦの前記発光素子に相対する端面側に形成されたレンズ部の曲率半径は、前記短尺ＧＩＦのコア部半径よりも小さいことを特徴としている。 An optical transmission module according to a third aspect is the optical transmission module according to the first aspect, wherein a curvature radius of a lens portion formed on an end surface side of the short GIF facing the light emitting element is equal to that of the short GIF. It is characterized by being smaller than the core radius.
また、請求項４の光送信モジュールの製造方法は、請求項１〜３に記載された光送信モジュールの製造方法であって、ＧＩＦを所定の長さに切断する第１の工程と、前記第１の工程により得られた短尺ＧＩＦの一端にレンズ部を形成し、該レンズ部側からの入射光が他端側から集束して出射されるように調整された前記第１の光ファイバを作製する第２の工程と、前記発光素子と、前記第１の光ファイバの前記レンズ部が相対するように、前記発光素子と前記第１の光ファイバを基板に固定する第３の工程と、前記第１の光ファイバの前記発光素子に相対しない端面側に、前記第２の光ファイバを配置する第４の工程と、前記第２の光ファイバの前記第１の光ファイバに相対しない端面側に光量測定手段を設置し、前記発光素子を発光させて、前記光量測定手段で測定される前記第２の光ファイバからの出射光の光量が最大となるように前記第２の光ファイバの位置を調整し、測定される光量が最大となる位置で前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバの位置関係を固定する第５の工程とを有することを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an optical transmission module manufacturing method according to any one of the first to third aspects, wherein the first step of cutting the GIF into a predetermined length; A lens part is formed at one end of the short GIF obtained by the process 1, and the first optical fiber adjusted so that incident light from the lens part side is converged and emitted from the other end side is manufactured. A second step, a third step of fixing the light emitting element and the first optical fiber to a substrate such that the light emitting element and the lens portion of the first optical fiber face each other, and A fourth step of disposing the second optical fiber on an end surface side of the first optical fiber not facing the light emitting element; and an end surface side of the second optical fiber not facing the first optical fiber. Install a light quantity measuring means to make the light emitting element emit light. The position of the second optical fiber is adjusted so that the amount of light emitted from the second optical fiber measured by the light amount measuring means is maximized, and the first optical fiber is measured at the position where the measured light amount is maximized. And a fifth step of fixing a positional relationship between the first optical fiber and the second optical fiber.
また、請求項５の光送信モジュールの製造方法は、請求項１〜３に記載された光送信モジュールの製造方法であって、ＧＩＦを所定の長さに切断する第１の工程と、位置決め用孔が設けられた金属キャップを準備する第２の工程と、前記第１の工程により得られた短尺ＧＩＦを前記金属キャップに設けられた位置決め用孔に挿入した後、封止材により固定すると共に前記位置決め用孔を封止する第３の工程と、前記金属キャップに固定された短尺ＧＩＦの前記金属キャップの内側にある一端にレンズ部を形成し、該レンズ部側からの入射光が他端側から集束して出射されるように調整された前記第１の光ファイバを作製する第４の工程と、前記発光素子と前記第１の光ファイバの前記レンズ部が相対するように前記発光素子と前記第１の光ファイバを配置し、かつ前記第１の光ファイバの前記発光素子に相対しない端面側に、前記第２の光ファイバを配置し、前記第１の光ファイバが付設された前記金属キャップが前記発光素子を内包するように相対固定する第５の工程とを有することを特徴としている。 A method for manufacturing an optical transmission module according to claim 5 is the method for manufacturing an optical transmission module according to claims 1 to 3, wherein the first step of cutting the GIF into a predetermined length and the positioning A second step of preparing a metal cap provided with a hole, and a short GIF obtained by the first step is inserted into a positioning hole provided in the metal cap and then fixed with a sealing material. A third step of sealing the positioning hole; and a lens portion is formed at one end inside the metal cap of the short GIF fixed to the metal cap, and the incident light from the lens portion side receives the other end A fourth step of producing the first optical fiber adjusted so as to be converged and emitted from the side, and the light emitting element such that the light emitting element and the lens portion of the first optical fiber face each other And the first light beam The second optical fiber is disposed on an end surface of the first optical fiber that is not opposed to the light emitting element, and the metal cap to which the first optical fiber is attached is the light emitting element. And a fifth step of relatively fixing so as to enclose them.
また、請求項６の光送信モジュールの製造方法は、請求項４または５に記載された光送信モジュールの製造方法において、前記レンズ部は、所定の粘度である液状の熱硬化性樹脂を前記短尺ＧＩＦの一端に所定量付着させてレンズ形状とした後、加熱硬化させることによって形成されることを特徴としている。 The optical transmission module manufacturing method according to claim 6 is the optical transmission module manufacturing method according to claim 4 or 5, wherein the lens unit is made of a liquid thermosetting resin having a predetermined viscosity. It is characterized in that it is formed by attaching a predetermined amount to one end of the GIF to form a lens shape, followed by heat curing.
また、請求項７の光送信モジュールの製造方法は、請求項４または５に記載された光送信モジュールの製造方法において、前記レンズ部は、所定の粘度である液状の光硬化性樹脂を前記短尺ＧＩＦの一端に所定量付着させてレンズ形状とした後、光照射硬化させることによって形成されることを特徴としている。 The optical transmission module manufacturing method according to claim 7 is the optical transmission module manufacturing method according to claim 4 or 5, wherein the lens unit is made of a liquid photocurable resin having a predetermined viscosity. A predetermined amount is attached to one end of the GIF to form a lens shape, and is then formed by light irradiation curing.
また、請求項８の光送信モジュールの製造方法は、請求項４または５に記載された光送信モジュールの製造方法において、前記レンズ部は、所定の粘度の溶融状態にあるガラス組成物を前記短尺ＧＩＦの一端に所定量付着させてレンズ形状とした後、冷却硬化させることによって形成されることを特徴としている。 An optical transmission module manufacturing method according to an eighth aspect is the optical transmission module manufacturing method according to the fourth or fifth aspect, wherein the lens portion is made of the glass composition in a molten state having a predetermined viscosity. It is characterized by being formed by adhering a predetermined amount to one end of the GIF to form a lens shape and then cooling and hardening.
この発明（請求項１）に係る光送信モジュールは、短尺ＧＩＦの発光素子に相対する端面側にレンズ部が形成され、レンズ部から入射させた発光素子からの出射光が他端側から集束して出射されるように調整された第１の光ファイバと、第１の光ファイバを固定する支持体と、第１の光ファイバからの出射光を入射させるＳＭＦである第２の光ファイバとを備えたものであるので、短尺ＧＩＦ単体を用いた光送信モジュールに比べ、高効率な光結合を得ることができる。 In the optical transmission module according to the present invention (invention 1), a lens portion is formed on the end face side facing the light emitting element of the short GIF, and light emitted from the light emitting element incident from the lens portion is converged from the other end side. A first optical fiber that is adjusted so as to be emitted, a support that fixes the first optical fiber, and a second optical fiber that is an SMF for allowing the outgoing light from the first optical fiber to enter. Since it is provided, highly efficient optical coupling can be obtained as compared with an optical transmission module using a short GIF alone.
すなわち、第１の光ファイバの端面にレンズ部が形成されていることで、発光素子とＳＭＦとのスポットサイズを整合させることに加え、発光素子からの出射光は端面のレンズ部により集束されて第１の光ファイバのコア部に効率良く入射され、さらにレンズ部から第１の光ファイバのコア部に入射させた発光素子からの出射光が他端側から集束して出射されることで、発光素子からＳＭＦに至るまでに発生する光の漏れを低減させることができる。 That is, since the lens portion is formed on the end face of the first optical fiber, in addition to matching the spot size of the light emitting element and the SMF, the emitted light from the light emitting element is focused by the lens portion on the end face. The light emitted from the light emitting element that is efficiently incident on the core portion of the first optical fiber and further incident on the core portion of the first optical fiber from the lens portion is converged and emitted from the other end side, Light leakage occurring from the light emitting element to the SMF can be reduced.
また、第１の光ファイバに用いる短尺ＧＩＦは、一般的に光通信用ファイバとして用いられているものを所定の長さに切断したものであり、また短尺ＧＩＦの端面に形成されたレンズ部は、熱硬化性または光硬化性樹脂、あるいは所定の粘度の溶融状態にあるガラス組成物を１μｇ程度しか用いずに形成することができるので、第１の光ファイバは同軸型モジュールで用いられるレンズと比較してコストは１／１００〜１／１０００程度の安価となることから、同軸型モジュールに比べ、光送信モジュールの製造コストを大幅に低減することができる。 Further, the short GIF used for the first optical fiber is obtained by cutting a generally used fiber for optical communication into a predetermined length, and the lens portion formed on the end face of the short GIF is The first optical fiber can be formed using only about 1 μg of a thermosetting or photocurable resin, or a glass composition in a molten state having a predetermined viscosity. In comparison, the cost is as low as about 1/100 to 1/1000, so that the manufacturing cost of the optical transmission module can be greatly reduced as compared with the coaxial module.
さらに、別に設けたレンズにより集光する場合には必要であったレンズをモジュール内で正確に固定しておくための構造が不要であり、同軸型モジュールに比べ、光送信モジュールの小型化を図ることができる。 In addition, a structure for accurately fixing the lens required in the case of condensing with a lens provided separately is unnecessary, and the optical transmission module is reduced in size as compared with the coaxial module. be able to.
なお請求項２のように、短尺ＧＩＦの発光素子に相対する端面側に形成されたレンズ部の曲率半径を、短尺ＧＩＦの半径よりも小さくすることで、発光素子からの出射光の集束効率をより高めることができるので好ましい。 In addition, the focusing efficiency of the light emitted from the light emitting element can be improved by making the radius of curvature of the lens portion formed on the end face facing the light emitting element of the short GIF smaller than the radius of the short GIF. Since it can raise more, it is preferable.
加えて請求項３のように、短尺ＧＩＦの発光素子に相対する端面側に形成されたレンズ部の曲率半径を、短尺ＧＩＦのコア部半径よりも小さくすることで、発光素子からの出射光の集束効率をさらに高めることができるのでより好ましい。 In addition, as described in claim 3, by making the radius of curvature of the lens portion formed on the end face facing the light emitting element of the short GIF smaller than the core radius of the short GIF, the emission light from the light emitting element is reduced. It is more preferable because the focusing efficiency can be further increased.
また、この発明（請求項４）に係る光送信モジュールの製造方法は、ＧＩＦを所定の長さに切断し、得られた短尺ＧＩＦの一端にレンズ部を形成し、レンズ部側からの入射光が他端側から集束して出射されるように調整された第１の光ファイバを作製する工程と、発光素子を発光させて、その出射光を第１の光ファイバを通じてＳＭＦである第２の光ファイバに入射させ、予め設置した光量測定手段で測定される第２の光ファイバからの出射光の光量が最大となるように第２の光ファイバの位置を調整し、測定される光量が最大となる位置、すなわち第１の光ファイバから第２の光ファイバへの入射光量が最大となる位置で、第１の光ファイバと第２の光ファイバの位置関係を固定する、いわゆるアクティブアライメント実装工程を有しているため、低い製造コストでありながら、小型で低挿入損失を達成できる光送信モジュールを製造することができる。 Also, in the method for manufacturing an optical transmission module according to the present invention (Claim 4), the GIF is cut into a predetermined length, a lens part is formed at one end of the obtained short GIF, and incident light from the lens part side is formed. Manufacturing a first optical fiber adjusted so as to be converged and emitted from the other end side, and causing the light emitting element to emit light, and the emitted light is a second SMF through the first optical fiber. The position of the second optical fiber is adjusted so that the amount of light emitted from the second optical fiber is made maximum by being incident on the optical fiber and measured by a light amount measuring unit installed in advance, and the amount of light measured is maximized. So-called active alignment mounting step of fixing the positional relationship between the first optical fiber and the second optical fiber at the position where the incident light quantity from the first optical fiber to the second optical fiber is maximum. Have Therefore, a low yet the production cost, it is possible to manufacture an optical transmission module capable of achieving a low insertion loss small.
すなわち、第１の光ファイバと第２の光ファイバの位置関係をアクティブアライメント実装により固定して、第１の光ファイバから集束して出射された光を第２の光ファイバに確実に入射させるようにしているため、発光素子の光軸ずれによる損失を大幅に低減することができ、低挿入損失の光送信モジュールを実現することができる。 In other words, the positional relationship between the first optical fiber and the second optical fiber is fixed by active alignment mounting so that the light focused and emitted from the first optical fiber is reliably incident on the second optical fiber. Therefore, the loss due to the optical axis shift of the light emitting element can be greatly reduced, and an optical transmission module with a low insertion loss can be realized.
したがって、発光素子の実装精度を従来に比べて緩和することができ、実装精度が低い安価な汎用実装装置を用いて発光素子を実装することができることに加えて、アクティブアライメントによる光軸調整は１箇所で済むことから、製造コストを大幅に低減することができる。 Therefore, the mounting accuracy of the light emitting element can be relaxed compared to the conventional case, and the light axis can be mounted using an inexpensive general-purpose mounting apparatus with low mounting accuracy. The manufacturing cost can be significantly reduced because only a few locations are required.
また、この発明（請求項５）に係る光送信モジュールの製造方法は、ＧＩＦを所定の長さに切断し、得られた短尺ＧＩＦを金属キャップに設けられた位置決め用孔に挿入した後、封止材により固定すると共に前記位置決め用孔を封止し、金属キャップに固定された短尺ＧＩＦの前記金属キャップの内側にある一端にレンズ部を形成して、レンズ部側からの入射光が他端側から集束して出射されるように調整された第１の光ファイバを作製する工程と、発光素子と第１の光ファイバのレンズ部が相対するように発光素子と第１の光ファイバを配置し、かつ第１の光ファイバの発光素子に相対しない端面側にＳＭＦである第２の光ファイバを配置し、第１の光ファイバが付設された前記金属キャップが前記発光素子を内包するように相対固定する工程とを有しているため、発光素子とその出射光を集束させる第１の光ファイバが気密封止され、半導体からなる発光素子が外部環境の影響を受けないようにすることで、発光素子の寿命を長く保つことができる光送信モジュールを容易に製造することができる。 In the method for manufacturing an optical transmission module according to the present invention (invention 5), the GIF is cut into a predetermined length, and the obtained short GIF is inserted into a positioning hole provided in a metal cap, and then sealed. The positioning hole is sealed and the positioning hole is sealed, and a lens part is formed at one end inside the metal cap of the short GIF fixed to the metal cap, and incident light from the lens part side is the other end. A first optical fiber adjusted so as to be converged and emitted from the side, and the light emitting element and the first optical fiber are arranged so that the light emitting element and the lens portion of the first optical fiber face each other And a second optical fiber, which is an SMF, is disposed on the end face side of the first optical fiber that is not opposed to the light emitting element, and the metal cap provided with the first optical fiber includes the light emitting element. Relatively fix Therefore, the light emitting element and the first optical fiber for focusing the emitted light are hermetically sealed so that the light emitting element made of a semiconductor is not affected by the external environment. It is possible to easily manufacture an optical transmission module that can maintain a long lifetime.
すなわち、短尺ＧＩＦを金属キャップに固定した後に、短尺ＧＩＦの前記金属キャップの内側にある一端にレンズ部を形成することで、短尺ＧＩＦの固定および位置決め孔の封止に、溶融させるためには数百度の加熱が必要であるが封止性が高いガラス封止材を用いたとしても、耐熱性は低いが室温で液状であり取り扱いの容易な樹脂材料を用いてレンズ部を形成することができるため、気密性が高い光送信モジュールを容易に製造することができる。 That is, after fixing the short GIF to the metal cap, a lens portion is formed at one end inside the metal cap of the short GIF, so that the short GIF can be melted to fix the short GIF and seal the positioning hole. Even if a glass encapsulant with high sealing performance is required, but the heat resistance is high, the lens portion can be formed using a resin material that has low heat resistance but is liquid at room temperature and is easy to handle. Therefore, an optical transmission module with high airtightness can be easily manufactured.
また、請求項５の手順とは逆に短尺ＧＩＦの一端にレンズ部を形成し、第１の光ファイバとした後にそれを小径の金属キャップに挿入して固定しようとすると、第１の光ファイバのレンズ部が形成された端部側を保持しなければならず、レンズ部に傷がついたり、甚だしくは形成したレンズ部が剥離してしまう可能性があるが、短尺ＧＩＦを金属キャップに固定した後にレンズ部を形成することで、おのような懸念がなくなり、歩留まりの高い製造を行なうことができる。 Contrary to the procedure of claim 5, when a lens portion is formed at one end of the short GIF to form a first optical fiber and then inserted into a small-diameter metal cap and fixed, the first optical fiber is obtained. It is necessary to hold the end side where the lens part is formed, and the lens part may be scratched or the formed lens part may be severely peeled off, but the short GIF is fixed to the metal cap. Then, by forming the lens portion, there is no such concern and manufacturing with a high yield can be performed.
これにより、この発明に係る光結合モジュールを、光結合モジュールの一般的な形態である同軸型に展開することが可能となり、これまで使用していた実装設備や製造ラインを変更することなく、小型で製造コストの低い同軸型光送信モジュールを実現することできる。 As a result, the optical coupling module according to the present invention can be developed into a coaxial type, which is a general form of the optical coupling module, and can be reduced in size without changing the mounting equipment and the production line used so far. Thus, a coaxial optical transmission module with a low manufacturing cost can be realized.
なお短尺ＧＩＦの一端へのレンズ部の形成は、請求項６〜８のように光学的に透明な熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、または溶融ガラスを所定量ディスペンサやマイクロポンプなどで短尺ＧＩＦの端面に付着させて行なうことにより、その付着した液体の表面張力と自重にしたがって所望のレンズ形状を容易に得ることができるので好ましい。レンズ形状を形成した後、熱硬化性樹脂であれば所定の温度で加熱し、光硬化性樹脂であれば所定の波長の光を照射し、溶融状態のガラスであれば冷却して硬化させるようにすればよい。 It should be noted that the lens portion is formed on one end of the short GIF by applying a predetermined amount of an optically transparent thermosetting resin, photocurable resin, or molten glass to the short GIF using a dispenser or a micropump. By adhering to the end face, it is preferable because a desired lens shape can be easily obtained according to the surface tension and weight of the adhering liquid. After forming the lens shape, if it is a thermosetting resin, it is heated at a predetermined temperature, if it is a photocurable resin, it is irradiated with light of a predetermined wavelength, and if it is a molten glass, it is cooled and cured. You can do it.
短尺ＧＩＦの一端へのレンズ部の形成は、請求項６〜８に示した方法の中から、短尺ＧＩＦの材質に合わせた方法を適宜選択すればよい。また、ディスペンサのニードル先端部の外径を適宜選択することで、所望の曲率半径を有するレンズ部を得ることができる。 For the formation of the lens portion at one end of the short GIF, a method according to the material of the short GIF may be appropriately selected from the methods described in claims 6 to 8. Moreover, the lens part which has a desired curvature radius can be obtained by selecting the outer diameter of the needle front-end | tip part of a dispenser suitably.
以下に、この発明に係る光送信モジュールの実施形態およびその製造方法を、図面に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of an optical transmission module according to the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the drawings.
この発明に係る表面実装型の光送信モジュールの模式図として、図１にその平面図、図２にその断面図を示す。 As a schematic view of a surface-mounting type optical transmission module according to the present invention, FIG. 1 is a plan view and FIG. 2 is a cross-sectional view thereof.
この光送信モジュールにおける光結合構造について説明すると、まず発光素子２からの出射光３は、第１の光ファイバ４の発光素子２に相対する端面側に形成されたレンズ部５に入射される。レンズ部５に入射され、そこで集束された光は、第１の光ファイバ４の本体である短尺ＧＩＦに入射される。この短尺ＧＩＦは、レンズ部５が形成された状態でレンズ部５からの入射光が他端側から集束して出射される長さに調整されており、短尺ＧＩＦに入射した光はＳＭＦである第２の光ファイバ６の入射端に集光されるように集束された状態で出射される。 The optical coupling structure in the optical transmission module will be described. First, the emitted light 3 from the light emitting element 2 is incident on the lens portion 5 formed on the end face side of the first optical fiber 4 facing the light emitting element 2. The light that is incident on the lens unit 5 and focused there enters the short GIF that is the main body of the first optical fiber 4. This short GIF is adjusted so that the incident light from the lens unit 5 is converged and emitted from the other end side in a state where the lens unit 5 is formed, and the light incident on the short GIF is SMF. The light is emitted in a focused state so as to be condensed at the incident end of the second optical fiber 6.
第２の光ファイバ６の入射端に入射した光は、第２の光ファイバ６の中を伝送されていくが、第２の光ファイバ６は第１の光ファイバ４から第２の光ファイバ６へ入射する光量が最大となるようにアクティブアライメントされているため、発光素子２の光軸ずれによる損失は低減され、低挿入損失の光結合が達成されることになる。 The light incident on the incident end of the second optical fiber 6 is transmitted through the second optical fiber 6, and the second optical fiber 6 is transmitted from the first optical fiber 4 to the second optical fiber 6. Since the active alignment is performed so that the amount of light incident on the light source becomes maximum, the loss due to the optical axis shift of the light emitting element 2 is reduced, and the optical coupling with a low insertion loss is achieved.
発光素子２と第１の光ファイバ４は共通のシリコン基板７上に実装されており、第２の光ファイバ６は円筒形のフェルール８中に挿入固定されている。実際には第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ６の位置関係の固定は、光送信モジュールのパッケージ内（図示しない）に発光素子２と第１の光ファイバ４が実装されたシリコン基板７を固定し、次いで第２の光ファイバ６に入射する光量が最大となるようにアクティブアライメントして、その状態でフェルール８を光送信モジュールのパッケージ内で固定することにより行なわれる。 The light emitting element 2 and the first optical fiber 4 are mounted on a common silicon substrate 7, and the second optical fiber 6 is inserted and fixed in a cylindrical ferrule 8. Actually, the positional relationship between the first optical fiber 4 and the second optical fiber 6 is fixed by a silicon substrate in which the light emitting element 2 and the first optical fiber 4 are mounted in a package (not shown) of the optical transmission module. 7 is fixed, then active alignment is performed so that the amount of light incident on the second optical fiber 6 is maximized, and the ferrule 8 is fixed in the package of the optical transmission module in that state.
発光素子２のシリコン基板７上への実装は、シリコン基板７と発光素子２に形成された認識マーク（図示しない）を用いた高精度の位置決めを行ない、Ａｕ／Ｓｎはんだや導電性ペースト等で接合することにより行なう。 The light-emitting element 2 is mounted on the silicon substrate 7 by positioning with high accuracy using a recognition mark (not shown) formed on the silicon substrate 7 and the light-emitting element 2, and using Au / Sn solder, conductive paste, or the like. This is done by joining.
第１の光ファイバ４は、半導体素子の形成に用いられる異方性エッチング等の技術によりシリコン基板７に高精度に形成されたＶ字状の溝（以下、Ｖ溝と称する。）９により、発光素子２の光軸と第１の光ファイバ４の本体である短尺ＧＩＦの中心軸が一致するように位置決めされ、その状態で接着剤や図３に示すような押さえ機構等で固定される。 The first optical fiber 4 has a V-shaped groove (hereinafter referred to as a V-groove) 9 formed in the silicon substrate 7 with high accuracy by a technique such as anisotropic etching used for forming a semiconductor element. The optical axis of the light emitting element 2 is positioned so that the central axis of the short GIF that is the main body of the first optical fiber 4 is aligned, and in this state, the optical axis is fixed with an adhesive or a pressing mechanism as shown in FIG.
第１の光ファイバ４は、発光素子２からの出射光３を用いた光軸調整は特に行なわずに実装されるため、第２の光ファイバ６のアクティブアライメントに対してパッシブアライメントされることになる。 Since the first optical fiber 4 is mounted without special adjustment of the optical axis using the emitted light 3 from the light emitting element 2, it is passively aligned with respect to the active alignment of the second optical fiber 6. Become.
第１の光ファイバ４の本体である短尺ＧＩＦは、一般的に光通信用ファイバとして用いられているＧＩＦを所定の長さに切断したものである。ＧＩＦの材質としては、石英ガラスと、ポリメチルメタアクリレート系もしくはフッ素系のプラスチックとがあり、石英ガラスを材料としたものでは、コア部の直径が５０〜１００μｍで外径が１２５〜１４０μｍのもの、またプラスチックを材料としたものでは、コア部の直径が１００〜５００μｍで外径が３００〜7５０μｍのものが一般に用いられている。この発明ではどちらを用いても差し支えなく、短尺ＧＩＦの端面へのレンズ部の形成方法は、この発明で開示した方法の中から短尺ＧＩＦの材質に合わせたものを適宜選択することができる。 The short GIF that is the main body of the first optical fiber 4 is obtained by cutting a GIF generally used as an optical communication fiber into a predetermined length. GIF materials include quartz glass and polymethylmethacrylate or fluorine plastic, and those made of quartz glass have a core diameter of 50 to 100 μm and an outer diameter of 125 to 140 μm. In addition, in the case of using plastic as a material, a core part having a diameter of 100 to 500 μm and an outer diameter of 300 to 750 μm is generally used. In the present invention, either one can be used, and the method of forming the lens portion on the end face of the short GIF can be appropriately selected from the methods disclosed in the present invention according to the material of the short GIF.
ＧＩＦは図４に示すようにコア部とクラッド部からなり、またコア部に屈折率分布を持つ光ファイバである。一端から入射した光は、ファイバ内を図５のように光軸の１点に集束する状態を繰り返しながら伝搬して他端から出射されるが、一端側からの入射光が他端側から集束して出射される長さに定められている場合には、レンズとしての機能を有する。 The GIF is an optical fiber having a core part and a clad part as shown in FIG. 4 and having a refractive index distribution in the core part. The light incident from one end propagates in the fiber while repeating the state of focusing on one point of the optical axis as shown in FIG. 5 and is emitted from the other end, but the incident light from one end is focused from the other end. When the length is determined to be emitted, it has a function as a lens.
ＧＩＦのコア部の屈折率分布が完全な２乗分布の場合、ＧＩＦの焦点距離は以下の数式１で表され、ＧＩＦの長さにより焦点距離が変化することが分かる。 When the refractive index distribution of the core portion of the GIF is a perfect square distribution, the focal length of the GIF is expressed by the following formula 1, and it can be seen that the focal length changes depending on the length of the GIF.
ここで、ｆは焦点距離、ｎ1はコア部の屈折率、ＬはＧＩＦ長さ、ｇは集束定数をそれぞれ表す。 Here, f is the focal length, n 1 is the refractive index of the core, L is the GIF length, and g is the focusing constant.
また、焦点距離の他にＧＩＦの集光特性を決める重要なパラメータである集束定数ｇと開口数ＮＡはそれぞれ数式２、数式３で表される。 In addition to the focal length, the focusing constant g and the numerical aperture NA, which are important parameters for determining the GIF focusing characteristics, are expressed by Formula 2 and Formula 3, respectively.
ここで、Δは比屈折率差であり、（ｎ1−ｎ2）／ｎ1の式により求められる。またｎ1はコア部の屈折率、ｎ2はクラッド部の屈折率、ａはコア部の半径をそれぞれ表す。 Here, Δ is a relative refractive index difference, and is obtained by an equation of (n 1 −n 2 ) / n 1 . N 1 represents the refractive index of the core portion, n 2 represents the refractive index of the cladding portion, and a represents the radius of the core portion.
すなわち、集束定数ｇはＧＩＦ内で光を曲げる力を表す値であり、開口数ＮＡはＧＩＦの受光角度を表す値であると考えることができる。 That is, it can be considered that the focusing constant g is a value representing the force of bending light within the GIF, and the numerical aperture NA is a value representing the light receiving angle of the GIF.
図６に示すような発光素子１２からの出射光１３を短尺ＧＩＦである第１の光ファイバ１４により第２の光ファイバ１６に集光する光結合系において、集束定数ｇ、開口数ＮＡの異なる短尺ＧＩＦを用いた場合の結合効率の変化を、シミュレーションにより求めてグラフ化したものを図７に示す。 In the optical coupling system for condensing the outgoing light 13 from the light emitting element 12 as shown in FIG. 6 onto the second optical fiber 16 by the first optical fiber 14 which is a short GIF, the focusing constant g and the numerical aperture NA are different. FIG. 7 shows a graph of the change in coupling efficiency when a short GIF is used, obtained by simulation.
ここで発光素子１２と第１の光ファイバ１４との間の距離ｚ1、短尺ＧＩＦ長さＬ、第１の光ファイバ１４と第２の光ファイバ１６との間の距離ｚ2は、結合効率が最高となる値に設定してある。 Here, the distance z 1 between the light emitting element 12 and the first optical fiber 14, the short GIF length L, and the distance z 2 between the first optical fiber 14 and the second optical fiber 16 are the coupling efficiency. Is set to the highest value.
図７より、第１の光ファイバ１４の集束定数ｇおよび開口数ＮＡが大きいほど結合効率が高くなることが分かる。一般的な光通信用ファイバとして用いられているＧＩＦでは、集束定数ｇは４程度、開口数ＮＡは０．３程度が最大であり、このシミュレーションに用いたビーム径の発光素子では、結合効率を−４．５ｄＢより向上させることは困難である。 7 that the coupling efficiency increases as the focusing constant g and the numerical aperture NA of the first optical fiber 14 increase. In the GIF used as a general optical communication fiber, the focusing constant g is about 4 and the numerical aperture NA is about 0.3, and the light emitting device having the beam diameter used in this simulation has a coupling efficiency. It is difficult to improve from -4.5 dB.
一般的な光通信用ＧＩＦでの結合効率を向上させるためには、集束定数ｇまたは開口数ＮＡを大きくすることが必要であるが、集束定数ｇはＧＩＦの比屈折率差Δとコア部の半径ａというＧＩＦの材料特性で決定される値であり、材料系そのものを変えなければこの値を変えることはできず、容易なことではない。さらには図７の結果から、集束定数ｇを現状の最大値である４以上にしたとしても、それによる結合効率の向上はわずかでしかない。 In order to improve the coupling efficiency in a general optical communication GIF, it is necessary to increase the focusing constant g or the numerical aperture NA. The focusing constant g depends on the relative refractive index difference Δ of the GIF and the core portion. This is a value determined by the material property of the GIF with the radius a, and this value cannot be changed without changing the material system itself, which is not easy. Further, from the result of FIG. 7, even if the focusing constant g is set to 4 or more which is the current maximum value, the coupling efficiency is only slightly improved.
一方、開口数ＮＡは前述したようにＧＩＦの受光角度を意味する値であることから、ＧＩＦの開口数ＮＡ自体はコア部の屈折率とクラッド部の屈折率から求まる材料特性に依存する値であるが、ＧＩＦの入射端を構造的に光を受け入れやすくするような形状にし、ＧＩＦの見掛け開口数ＮＡ´を大きくすることは可能である。 On the other hand, the numerical aperture NA is a value that means the light reception angle of the GIF as described above. Therefore, the numerical aperture NA of the GIF itself is a value that depends on the material characteristics obtained from the refractive index of the core and the refractive index of the cladding. However, it is possible to increase the apparent numerical aperture NA ′ of the GIF by making the incident end of the GIF structurally easy to accept light.
しかも図７の結果から、開口数ＮＡを大きくすることによる結合効率の向上は、集束定数ｇを４以上に大きくすることに比べてはるかに効果的である。 Moreover, from the results of FIG. 7, the improvement of the coupling efficiency by increasing the numerical aperture NA is much more effective than increasing the focusing constant g to 4 or more.
そこで、図８に示すような集束定数ｇが４、本来の開口数ＮＡが０．３の短尺ＧＩＦの一端にレンズ部２５を形成した第１の光ファイバ２４の場合において、レンズ部２５の曲率半径と、レンズ部２５が形成された状態での第１の光ファイバ２４の見掛け開口数ＮＡ´との関係をシミュレーションにより求めてグラフ化したものを図９に示す。 Therefore, in the case of the first optical fiber 24 in which the lens portion 25 is formed at one end of a short GIF having a focusing constant g of 4 and an original numerical aperture NA of 0.3 as shown in FIG. FIG. 9 is a graph showing the relationship between the radius and the apparent numerical aperture NA ′ of the first optical fiber 24 in the state in which the lens portion 25 is formed.
図９より、レンズ部２５の曲率半径が小さくなるほど第１の光ファイバ２４の見掛け開口数ＮＡ´が大きくなることが分かる。例えばレンズ部２５の曲率半径が７０μｍの場合、見掛け開口数ＮＡ´は０．４１に向上する。 9 that the apparent numerical aperture NA ′ of the first optical fiber 24 increases as the radius of curvature of the lens portion 25 decreases. For example, when the radius of curvature of the lens portion 25 is 70 μm, the apparent numerical aperture NA ′ is improved to 0.41.
さらに、図８に示すような発光素子２２からの出射光２３を、発光素子２２の端面側にレンズ部２５が形成された集束定数ｇが４、開口数ＮＡが０．３の短尺ＧＩＦを本体とする第１の光ファイバ２４により、第２の光ファイバ２６に集光する光結合系における、レンズ部２５の曲率半径と結合効率との関係をシミュレーションにより求めてグラフ化したものを図１０に示す。 Further, the light 23 emitted from the light emitting element 22 as shown in FIG. 8 is composed of a short GIF having a lens portion 25 formed on the end face side of the light emitting element 22 and a focusing constant g of 4 and a numerical aperture NA of 0.3. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the radius of curvature of the lens portion 25 and the coupling efficiency obtained by simulation in the optical coupling system for focusing on the second optical fiber 26 by the first optical fiber 24. Show.
ここで発光素子２２とレンズ部２５の先端との間の距離ｚ1、短尺ＧＩＦ長さＬ、第１の光ファイバ２４と第２の光ファイバ２６との間の距離ｚ2は、レンズ部２５の各曲率半径において結合効率が最高となる値に設定してある。 Here, the distance z 1 between the light emitting element 22 and the tip of the lens unit 25, the short GIF length L, and the distance z 2 between the first optical fiber 24 and the second optical fiber 26 are the lens unit 25. The coupling efficiency is set to the maximum value at each curvature radius.
図１０より、レンズ部２５の曲率半径が小さくなるほど結合効率が向上することが分かる。例えば曲率半径が７０μｍでの結合効率は−２．７ｄＢ、曲率半径が３０μｍでの結合効率は−１．６ｄＢとなり、レンズ部２５がない場合（図６および図７）で想定される−４．５ｄＢに対し高い結合効率の光送信モジュールが実現可能となる。 FIG. 10 shows that the coupling efficiency improves as the radius of curvature of the lens portion 25 decreases. For example, when the radius of curvature is 70 μm, the coupling efficiency is −2.7 dB, and when the radius of curvature is 30 μm, the coupling efficiency is −1.6 dB, which is assumed when there is no lens portion 25 (FIGS. 6 and 7). An optical transmission module having a high coupling efficiency with respect to 5 dB can be realized.
短尺ＧＩＦの一端へのレンズ部２５の形成は、図１１に示すように所定の粘度である液状のレンズ部材料５２、すなわち熱硬化性または光硬化性樹脂、あるいは所定の粘度の溶融状態にあるガラス組成物を、短尺ＧＩＦ５３の一端に所定量付着させ、その付着した液体の表面張力と自重により所望のレンズ形状を形成させた後、熱硬化性樹脂であれば所定の温度で加熱し、光硬化性樹脂であれば所定の波長の光を照射し、溶融状態のガラスであれば冷却して硬化させることにより行なう。 As shown in FIG. 11, the lens portion 25 is formed at one end of the short GIF in a liquid lens portion material 52 having a predetermined viscosity, that is, a thermosetting or photocurable resin, or in a molten state having a predetermined viscosity. A predetermined amount of the glass composition is attached to one end of the short GIF 53, and after a desired lens shape is formed by the surface tension and its own weight of the attached liquid, if it is a thermosetting resin, it is heated at a predetermined temperature, If it is a curable resin, light of a predetermined wavelength is irradiated, and if it is a molten glass, it is cooled and cured.
短尺ＧＩＦの一端へのレンズ部材料の付着は、ディスペンサあるいはマイクロポンプ等で体積制御された液状のレンズ部材料を短尺ＧＩＦの一端へ直接吐出して付着させる方法や、転写ピンの先端部に予め付着させた液状のレンズ部材料を短尺ＧＩＦの一端へ転写する方法など、既存の任意の方法によって行なうことができる。 The lens material is attached to one end of the short GIF by a method in which a liquid lens material whose volume is controlled by a dispenser or a micropump is directly discharged and attached to one end of the short GIF, or in advance on the tip of the transfer pin. It can be performed by any existing method such as a method of transferring the attached liquid lens material to one end of the short GIF.
短尺ＧＩＦの一端へのレンズ部の形成は、上記方法の中から短尺ＧＩＦの材質に合わせた方法を適宜選択すればよい。 The formation of the lens portion at one end of the short GIF may be appropriately selected from the above methods according to the material of the short GIF.
例えば、石英ガラスを材料とする短尺ＧＩＦでは、この発明で開示したレンズ部の形成方法のいずれも好適に用いることができるが、プラスチックを材料とするものであれば、熱硬化性樹脂または光硬化性樹脂によりレンズ部の形成を行なう必要がある。 For example, in the short GIF made of quartz glass, any of the lens portion forming methods disclosed in the present invention can be suitably used. However, as long as the material is plastic, a thermosetting resin or photocuring is used. It is necessary to form the lens portion with a functional resin.
プラスチックを材料とした短尺ＧＩＦへのレンズ部の形成に熱硬化性樹脂を用いる場合は、プラスチックの軟化が起こらない低温硬化性樹脂が好ましく、ポリメチルメタアクリレート系の短尺ＧＩＦでは６０℃以下、フッ素系の短尺ＧＩＦでは１００℃以下の硬化温度を有するものを好適に用いることができる。 When a thermosetting resin is used to form a lens part on a short GIF made of plastic, a low-temperature curable resin that does not cause plastic softening is preferable. For the short GIF of the system, those having a curing temperature of 100 ° C. or less can be suitably used.
光硬化性樹脂は、プラスチック系であっても短尺ＧＩＦの軟化変形が全く生じないため、さらに好適にレンズ部の形成を行なうことができる。 Even if the photo-curing resin is a plastic type, since the soft deformation of the short GIF does not occur at all, the lens portion can be more suitably formed.
レンズ部２５の曲率半径は、樹脂や溶融状態にあるガラスの粘度、チクソトロピック性、および付着量により制御することができる。 The radius of curvature of the lens portion 25 can be controlled by the viscosity of the resin or glass in a molten state, thixotropic properties, and the amount of adhesion.
図１１に示すような短尺ＧＩＦの外径以上のニードル先端部を有するディスペンサを用いれば、短尺ＧＩＦの外径に応じた曲率半径のレンズ部２５が形成でき、図１２に示すような短尺ＧＩＦの外径よりも小さな直径のニードル先端部５５を有する精密ディスペンサを用いれば、短尺ＧＩＦの半径よりも小さな曲率半径を有するレンズ部２５を形成することが可能である。 If a dispenser having a needle tip portion having an outer diameter larger than that of the short GIF as shown in FIG. 11 is used, a lens portion 25 having a radius of curvature corresponding to the outer diameter of the short GIF can be formed. If a precision dispenser having a needle tip 55 having a diameter smaller than the outer diameter is used, the lens portion 25 having a radius of curvature smaller than the radius of the short GIF can be formed.
図１１の方法で形成した場合、短尺ＧＩＦの外径に応じた曲率半径となるため、ばらつきが小さく。短尺ＧＩＦとレンズ部２５のそれぞれの中心軸が高精度に一致するという利点がある。 When formed by the method of FIG. 11, the radius of curvature according to the outer diameter of the short GIF is small, so the variation is small. There is an advantage that the central axes of the short GIF and the lens unit 25 coincide with each other with high accuracy.
一方、図１２の方法で形成した場合、短尺ＧＩＦとレンズ部２５の中心軸のずれは精密ディスペンサの位置決め精度に依存するものの、短尺ＧＩＦの半径よりも小さな曲率半径を有するレンズ部２６を形成することが可能であるため、図１０から分かるように高い結合効率を得ることができる。 On the other hand, when formed by the method of FIG. 12, the lens portion 26 having a radius of curvature smaller than the radius of the short GIF is formed, although the deviation between the central axes of the short GIF and the lens portion 25 depends on the positioning accuracy of the precision dispenser. As shown in FIG. 10, high coupling efficiency can be obtained.
発光素子２２と第１の光ファイバ２４は、半導体素子の形成に用いられる異方性エッチング等の技術を用いてシリコン基板に高精度に形成されたＶ溝により、発光素子２２の光軸と第１の光ファイバ２４の本体である短尺ＧＩＦの中心軸が一致するように位置決めされるとはいえ、発光素子２２の実装ずれにより、最大で±１μｍ程度の光軸ずれが生じる可能性がある。 The light emitting element 22 and the first optical fiber 24 are connected to the optical axis of the light emitting element 22 and the first optical fiber 24 by a V-groove formed with high precision in a silicon substrate using a technique such as anisotropic etching used for forming a semiconductor element. Although it is positioned so that the central axis of the short GIF which is the main body of one optical fiber 24 coincides, there is a possibility that the optical axis deviation of about ± 1 μm at maximum occurs due to the mounting deviation of the light emitting element 22.
曲率半径７０μｍのレンズ部２５を有する第１の光ファイバ２４における、発光素子２２との光軸ずれΔＸと正規化した結合効率との関係を示すグラフを図１３に示す。 FIG. 13 is a graph showing the relationship between the optical axis deviation ΔX with respect to the light emitting element 22 and the normalized coupling efficiency in the first optical fiber 24 having the lens portion 25 with a curvature radius of 70 μm.
図１３より、例えばＸ方向に１μｍの光軸ずれが起こった場合、約３ｄＢの光軸ずれによる損失が生じることが分かる。 FIG. 13 shows that, for example, when an optical axis shift of 1 μm occurs in the X direction, a loss due to an optical axis shift of about 3 dB occurs.
光導波路では、発光素子の実装ずれでΔＸ1の光軸ずれが起こった場合、光路の変化はなく損失が増加するだけであるが、一方発光素子２２に相対する端面側にレンズ部２５が形成された第１の光ファイバ２４では、ΔＸ1の光軸ずれが起こった場合には光路が変化し、第２の光ファイバ２６に入射する光は第１の光ファイバ２４の本体である短尺ファイバの中心軸からΔＸ2のずれが生じることになる。そこで第２の光ファイバ２６をアクティブアライメントして、第２の光ファイバの位置をＸ方向にΔＸ2だけずらすことにより、光軸ずれによる損失を低減することができる。 In the optical waveguide, when the optical axis shift of ΔX 1 occurs due to the mounting shift of the light emitting element, the optical path is not changed and the loss only increases. On the other hand, the lens portion 25 is formed on the end face side facing the light emitting element 22. In the first optical fiber 24, the optical path changes when the optical axis shift of ΔX 1 occurs, and the light incident on the second optical fiber 26 is a short fiber that is the main body of the first optical fiber 24. This results in a deviation of ΔX 2 from the central axis. Accordingly, the active optical alignment of the second optical fiber 26 and the position of the second optical fiber are shifted by ΔX 2 in the X direction, thereby reducing the loss due to the optical axis shift.
図１３より、例えば発光素子２２の実装ずれによりＸ方向に起こった１μｍ程度の光軸ずれによる損失は、第２の光ファイバ２６をアクティブアライメントすることで０．１ｄＢ程度まで低減されることになり、高い結合効率の光送信モジュールが実現可能となる。 From FIG. 13, for example, the loss due to the optical axis shift of about 1 μm caused by the mounting shift of the light emitting element 22 is reduced to about 0.1 dB by active alignment of the second optical fiber 26. Thus, an optical transmission module with high coupling efficiency can be realized.
この発明におけるさらに具体的な実施例について、以下に説明する。 More specific examples of the present invention will be described below.
まず、コア部の直径が１００μｍ、外径が１４０μｍで、一般的に光通信用ファイバとして用いられているＧＩＦをダイサで３４０μｍの長さに切断し、短尺ＧＩＦを作製した。 First, a GIF having a core part diameter of 100 μm and an outer diameter of 140 μm and generally used as an optical communication fiber was cut into a length of 340 μm with a dicer to produce a short GIF.
この長さの算定について説明すると、レンズ部が形成されていない短尺ＧＩＦ自体がレンズ機能を有するのは０．２５〜０．５ピッチの長さであるが、この発明では一端に形成されたレンズ部による集光効果が加味されるため、それを踏まえたシミュレーションによって、レンズ部が形成された状態でレンズ部側からの入射光が他端側から集束して出射される短尺ＧＩＦの長さを求めている。今回準備した短尺ＧＩＦは、０．２２ピッチの長さに相当している。 The calculation of this length will be explained. Although the short GIF itself in which the lens portion is not formed has a lens function, it has a length of 0.25 to 0.5 pitch. In the present invention, the lens formed at one end. Therefore, the length of the short GIF from which the incident light from the lens unit side is converged and emitted from the other end side in a state where the lens unit is formed is calculated by a simulation based on that. Looking for. The short GIF prepared this time corresponds to a length of 0.22 pitch.
切断された短尺ＧＩＦを真空吸引機構が付設されたニードルで吸引保持し、ディスペンサにより液状のエポキシ系紫外線効果樹脂（λ＝１．３μｍの光に対する屈折率１．５６６）を短尺ＧＩＦの一端に０．５μｇ付着させたところ、付着した液体の表面張力と自重によって短尺ＧＩＦの外径に応じたレンズ形状が形成された。 The cut short GIF is sucked and held with a needle equipped with a vacuum suction mechanism, and a liquid epoxy ultraviolet effect resin (refractive index 1.566 for light of λ = 1.3 μm) is applied to one end of the short GIF by a dispenser. When 5 μg was adhered, a lens shape corresponding to the outer diameter of the short GIF was formed by the surface tension and the own weight of the adhered liquid.
その後、紫外線を１８０秒間照射することによりレンズ形状の液体を硬化させた。形成されたレンズ部５の曲率半径は７３μｍ、厚さは５５μｍであった。 Thereafter, the lens-shaped liquid was cured by irradiating with ultraviolet rays for 180 seconds. The formed lens portion 5 had a radius of curvature of 73 μm and a thickness of 55 μm.
このようにして得られた一端にレンズ部５が形成された短尺ＧＩＦの結合効率を測定したところ、−２．８ｄＢであった。一方、同じ発光素子を用いてレンズ部５を形成していない短尺ＧＩＦでの結合効率を測定したところ−５．０ｄＢであり、短尺ＧＩＦの代わりにレンズを用いた場合の結合効率は−３．９ｄＢであったことから、一端にレンズ部を形成した短尺ＧＩＦにより、高い結合効率が得られていることが分かった。 The coupling efficiency of the short GIF having the lens portion 5 formed at one end thus obtained was -2.8 dB. On the other hand, when the coupling efficiency of a short GIF in which the lens portion 5 is not formed using the same light emitting element is measured, it is -5.0 dB, and the coupling efficiency when a lens is used instead of the short GIF is -3. Since it was 9 dB, it was found that high coupling efficiency was obtained by the short GIF having a lens portion formed at one end.
次に、シリコン基板７への発光素子２とレンズ部５が一端に形成された短尺ＧＩＦ、すなわち第１の光ファイバ４の実装を行なった。今回発光素子２はビーム径１．９μｍ×１．３μｍのレーザダイオード（以下、ＬＤと称する）素子を用いた。 Next, the short GIF having the light emitting element 2 and the lens portion 5 formed at one end, that is, the first optical fiber 4 was mounted on the silicon substrate 7. The light emitting element 2 used here is a laser diode (hereinafter referred to as LD) element having a beam diameter of 1.9 μm × 1.3 μm.
ＬＤ素子２は、シリコン基板７上に形成された認識マーク（図示せず）と、ＬＤ素子２に形成された認識マーク（図示せず）の双方の位置を画像認識によって確認して両者の位置合わせを行なった後に、±１μｍ以内の実装精度を有する高精度ボンディング装置を用い、Ａｕ／Ｓｎはんだによりパッケージ（図示せず）に固定されたシリコン基板上７に実装した。 The LD element 2 confirms the positions of both the recognition mark (not shown) formed on the silicon substrate 7 and the recognition mark (not shown) formed on the LD element 2 by image recognition. After the alignment, the substrate was mounted on a silicon substrate 7 fixed to a package (not shown) with Au / Sn solder using a high-accuracy bonding apparatus having a mounting accuracy within ± 1 μm.
第１の光ファイバ４は、シリコン基板に異方性エッチングにより、外径１４０μｍの短尺ＧＩＦの中心軸がＬＤ素子２の発光点と一致するように高精度に形成されたＶ溝上に、Ｖ溝側面で面内方向の位置決めがなされ、図３のようにファイバ押さえガラス１０によって押さえられた状態で、上記のレンズ部の形成に用いたものと同じエポキシ系紫外線硬化樹脂を用いて、紫外線を１８０秒間照射させて硬化させることにより固定した。この際、ＬＤ素子２と第１の光ファイバ４に形成されているレンズ部５が相対するように配置し、発光素子２とレンズ部５の先端との間の距離は５０μｍとした。 The first optical fiber 4 is formed on a V-groove formed on a silicon substrate with high accuracy by anisotropic etching so that the central axis of a short GIF having an outer diameter of 140 μm coincides with the light emitting point of the LD element 2. With the side surface positioned in the in-plane direction and pressed by the fiber pressing glass 10 as shown in FIG. 3, the same epoxy-based UV curable resin as that used for forming the lens part is used to irradiate 180 ° of ultraviolet rays. It was fixed by irradiating for 2 seconds and curing. At this time, the LD element 2 and the lens portion 5 formed on the first optical fiber 4 are arranged so as to face each other, and the distance between the light emitting element 2 and the tip of the lens portion 5 is 50 μm.
次に、第２の光ファイバ６のアクティブアライメント実装を行なった。まず、ＬＤ素子２とレンズ部５が形成された短尺ＧＩＦが実装されたシリコン基板７を光送信モジュールのパッケージに実装した後、短尺ＧＩＦのＬＤ素子２に相対しない端面側に、フェルール８に挿入固定されている第２の光ファイバ６を配置し、ＸＹＺ方向に可動なように仮固定した。 Next, active alignment mounting of the second optical fiber 6 was performed. First, after mounting the silicon substrate 7 on which the short GIF on which the LD element 2 and the lens unit 5 are formed is mounted on the package of the optical transmission module, the short GIF is inserted into the ferrule 8 on the end face side that is not opposed to the LD element 2. The fixed second optical fiber 6 was disposed and temporarily fixed so as to be movable in the XYZ directions.
第２の光ファイバ６の第１の光ファイバ４に相対しない端面側に光量測定装置（パワーメータ）を設置した後、ＬＤ素子２を発光させてパワーメータで測定される第２の光ファイバ６からの出射光の光量が最大となるように、第２の光ファイバ６が挿入固定されているフェルール８の位置を微調整し、測定される光量が最大となる位置で、上記のレンズ部５の形成に用いたものと同じエポキシ系紫外線硬化樹脂を用いてフェルール８を固定した。アクティブアライメント後の第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ６との光軸方向の距離は５００μｍ、ＬＤ素子２から第２の光ファイバ６との光軸方向の距離は９４５μｍであり、小型の光結合系を実現することができた。 After the light quantity measuring device (power meter) is installed on the end face side of the second optical fiber 6 not facing the first optical fiber 4, the LD element 2 is caused to emit light and the second optical fiber 6 measured by the power meter. The position of the ferrule 8 on which the second optical fiber 6 is inserted and fixed is finely adjusted so that the amount of light emitted from the lens 5 is maximized, and the lens unit 5 is positioned at the position where the amount of light to be measured is maximized. The ferrule 8 was fixed using the same epoxy type ultraviolet curable resin as used for forming the film. The distance in the optical axis direction between the first optical fiber 4 and the second optical fiber 6 after active alignment is 500 μm, and the distance in the optical axis direction from the LD element 2 to the second optical fiber 6 is 945 μm. We were able to realize the optical coupling system.
上記のようにして得られた光送信モジュールの挿入損失は、ＬＤ素子２と第１の光ファイバ４との実装ずれと、第２の光ファイバ６を固定する際の光軸ずれによる損失０．５ｄＢを含めて３．５ｄＢであり、高い結合効率の表面実装型光送信モジュールが作製できた。 The insertion loss of the optical transmission module obtained as described above is the loss due to the mounting deviation between the LD element 2 and the first optical fiber 4 and the optical axis deviation when the second optical fiber 6 is fixed. A surface-mounting optical transmitter module with a high coupling efficiency of 3.5 dB including 5 dB could be produced.
すなわち、短尺ＧＩＦのＬＤ素子２側端面にレンズ部５を形成した第１の光ファイバ４を用いることにより、短尺ＧＩＦ単体および別にレンズを設置してＬＤからの出射光を集束させる場合に比べ、高い結合効率が得られ、さらに第２の光ファイバ６をアクティブアライメント実装することにより、ＬＤ素子２と第１の光ファイバ４との光軸ずれによる損失を大幅に低減することができるため、光送信モジュールとして従来では達成できなかった高い結合効率を得られることが分かった。 That is, by using the first optical fiber 4 in which the lens portion 5 is formed on the end surface of the short GIF on the LD element 2 side, compared to a case where the short GIF is separately provided and a lens is separately provided to focus the light emitted from the LD. High coupling efficiency can be obtained, and furthermore, the active alignment mounting of the second optical fiber 6 can greatly reduce the loss due to the optical axis misalignment between the LD element 2 and the first optical fiber 4. It has been found that the transmission module can obtain a high coupling efficiency that could not be achieved in the past.
その際、短尺ＧＩＦの外径に応じた曲率半径を有するレンズ部５の形成は、液状のレンズ部材料を短尺ＧＩＦに付着させた後、その表面張力と自重を利用して行なうため、簡単な工程でレンズ部５と短尺ＧＩＦの中心軸を高精度に一致させることができた。 At this time, the formation of the lens portion 5 having a radius of curvature corresponding to the outer diameter of the short GIF is performed by attaching the liquid lens portion material to the short GIF and then utilizing the surface tension and its own weight. In the process, the center axis of the lens unit 5 and the short GIF could be matched with high accuracy.
また、短尺ＧＩＦは一般的に光通信用ファイバとして用いられているＧＩＦと同じ材質のものを用いて作製され、必要とされるファイバ長さは０．５ｍｍ以下であり、レンズ部の形成に必要なレンズ部材料の使用量も１μｇ以下と非常に微量であることから、光導波路や別にレンズを用いた場合に比べ、安価な光送信モジュールを提供することができた。 In addition, the short GIF is manufactured using the same material as the GIF generally used as an optical communication fiber, and the required fiber length is 0.5 mm or less, which is necessary for forming the lens portion. Since the amount of the lens part material used is very small, 1 μg or less, an inexpensive optical transmission module can be provided as compared with the case where an optical waveguide or another lens is used.
さらに、別に設けたレンズにより集光する場合には必要であったレンズをモジュール内で正確に固定しておくための構造が不要であり、光送信モジュールの小型化を図ることができた。 Furthermore, a structure for accurately fixing the lens necessary for condensing light by a separately provided lens is unnecessary, and the optical transmission module can be reduced in size.
なお、ＬＤ素子２からの光出力をモニタし、その検出値に基づいてフィードバックを行なうことでＬＤ素子２の出力制御を行なう場合、モニタ用素子としては光ダイオード（以下、ＰＤと称する）を用いることができる。 When the output of the LD element 2 is controlled by monitoring the light output from the LD element 2 and performing feedback based on the detected value, a photodiode (hereinafter referred to as PD) is used as the monitoring element. be able to.
このようなモニタ用ＰＤは、通常ＬＤ素子２の後方に配置するが、この後方光モニタ構造では温度変動によりＬＤ素子２の前後で出力比の変動が生じるため、それが大きい場合±１．５ｄＢ程度のトラッキングエラーが生じてしまう。 Such a monitor PD is usually arranged behind the LD element 2, but in this rear light monitor structure, the output ratio fluctuates before and after the LD element 2 due to temperature fluctuations. Some degree of tracking error will occur.
それを解決するためには、図１５に示すように、モニタ用ＰＤ１７をシリコン基板７のＬＤ素子２の前方に埋め込み、ＬＤ素子２から第１の光ファイバ４に向かって出射される光の漏れ光をモニタするようにし、温度変動による出力比の変動の影響を受けないようにすることが好ましい。このようなモニタ用ＰＤ１７のＬＤ前方配置は、例えばダイサなどでシリコン基板７の一部を門型に加工し、そこにモニタ用ＰＤ１７を埋め込むことによって実現できる。 In order to solve this, as shown in FIG. 15, a monitoring PD 17 is embedded in front of the LD element 2 on the silicon substrate 7 and leakage of light emitted from the LD element 2 toward the first optical fiber 4 is leaked. It is preferable to monitor the light so as not to be affected by fluctuations in the output ratio due to temperature fluctuations. Such an LD front arrangement of the monitor PD 17 can be realized, for example, by processing a part of the silicon substrate 7 into a gate shape with a dicer or the like and embedding the monitor PD 17 therein.
そのようにすることで、ＬＤ素子２の前後で発生する出力比の変動の影響を受けず、トラッキングエラーが±０．１ｄＢ以下の安定した光送信モジュールを得ることができる。 By doing so, it is possible to obtain a stable optical transmission module with a tracking error of ± 0.1 dB or less without being affected by fluctuations in the output ratio occurring before and after the LD element 2.
また、このような光結合系を複数配列し、表面実装型の多チャンネル光送信モジュールを作製することもできる。図１６にそのような表面実装型多チャンネル（４チャンネル）光送信モジュールの模式図（平面図）を示す。 In addition, a plurality of such optical coupling systems can be arranged to produce a surface mount type multi-channel optical transmission module. FIG. 16 shows a schematic diagram (plan view) of such a surface-mount type multi-channel (4-channel) optical transmission module.
この表面実装型多チャンネル光送信モジュールは、図１５で示された光送信モジュールＡをＬＤ素子２の光軸の間隔がそれぞれ１ｍｍとなるように平面上に４つ配置したものである。光結合系の接続は実施例１と同様にして行ない、第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ６がアクティブアライメントされた後、紫外線硬化樹脂により４チャンネルＳＭＦアレイを光送信モジュールのパッケージ１８に固定した。アクティブアライメント後の第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ６との光軸方向の距離は５００μｍ、ＬＤ素子２から第２の光ファイバとの光軸方向の距離は９４５μｍであり、小型の光結合系を実現することができた。 This surface-mounted multi-channel optical transmission module is obtained by arranging four optical transmission modules A shown in FIG. 15 on a plane so that the optical axis intervals of the LD elements 2 are each 1 mm. The optical coupling system is connected in the same manner as in the first embodiment. After the first optical fiber 4 and the second optical fiber 6 are active-aligned, a 4-channel SMF array is formed with an ultraviolet curable resin and the package 18 of the optical transmission module. Fixed to. The distance in the optical axis direction between the first optical fiber 4 and the second optical fiber 6 after active alignment is 500 μm, and the distance in the optical axis direction from the LD element 2 to the second optical fiber is 945 μm. An optical coupling system could be realized.
製作した光送信モジュールの挿入損失は、ＬＤ素子２と第１の光ファイバ４との実装ずれと、第２の光ファイバ６を固定する際の光軸ずれによる損失０．５ｄＢを含めて３．５〜４．１ｄＢであり、高い結合効率の表面実装型多チャンネル光送信モジュールが作製できた。 The insertion loss of the manufactured optical transmission module includes a mounting deviation between the LD element 2 and the first optical fiber 4 and a loss of 0.5 dB due to an optical axis deviation when the second optical fiber 6 is fixed. A surface-mounting type multi-channel optical transmission module having a high coupling efficiency of 5 to 4.1 dB could be produced.
図１７に、この発明に係るレンズ部が形成された短尺ＧＩＦを用いた送信用小型ＬＤモジュール（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｕｂ−Ａｓｓｅｎｂｌｙ；以下、ＴＯＳＡと称する）を示す。 FIG. 17 shows a small LD module for transmission (Transmitter Optical Sub-Assembly; hereinafter referred to as TOSA) using a short GIF in which a lens portion according to the present invention is formed.
実施例１と同様にして第１の光ファイバを作製した後、Ａｕ／Ｓｎはんだや導電性ペーストでφ３．８ｍｍのＴＯ−３８ステム１９のヒートシンク部１９Ａに固定されたシリコン基板７へのＬＤ素子２と第１の光ファイバ４の実装を行なった。 After producing the first optical fiber in the same manner as in Example 1, the LD element to the silicon substrate 7 fixed to the heat sink portion 19A of the TO-38 stem 19 of φ3.8 mm with Au / Sn solder or conductive paste 2 and the first optical fiber 4 were mounted.
次に、ＬＤ素子２およびモニタ用ＰＤ１７とステム１９のリード部１９Ｂとをワイヤボンディングで電気的に接続した後、軸調整ホルダ２０とステム１９とを抵抗溶接機で接合した。その後、ＬＤ素子２を発光させ、第２の光ファイバ６が内蔵されたレセプタクル３１をＸＹＺ方向にアクティブアライメントした。測定される光量が最大となる位置で、上記のレンズ部５の形成に用いたものと同じエポキシ系紫外線硬化樹脂を用いてレセプタクル３１と軸調整ホルダ２０とを固定した。アクティブアライメント後の第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ６との光軸方向の距離は５００μｍ、ＬＤ素子２から第２の光ファイバ６との光軸方向の距離は９４５μｍであり、小型の光結合系を実現することができた。 Next, after the LD element 2 and the monitoring PD 17 and the lead portion 19B of the stem 19 were electrically connected by wire bonding, the shaft adjustment holder 20 and the stem 19 were joined by a resistance welding machine. Thereafter, the LD element 2 was caused to emit light, and the receptacle 31 incorporating the second optical fiber 6 was actively aligned in the XYZ directions. The receptacle 31 and the shaft adjustment holder 20 were fixed using the same epoxy-based ultraviolet curable resin as that used for forming the lens unit 5 at a position where the amount of light to be measured becomes maximum. The distance in the optical axis direction between the first optical fiber 4 and the second optical fiber 6 after active alignment is 500 μm, and the distance in the optical axis direction from the LD element 2 to the second optical fiber 6 is 945 μm. We were able to realize the optical coupling system.
なお、１×１０-9Ｐａ・ｍ3／ｓ以下の気密性が必要な場合は、紫外線硬化樹脂により固定する代わりに、レセプタクル３１と軸調整ホルダ２０を抵抗溶接機により接合すれば良い。製作した送信モジュールの挿入損失は、ＬＤ素子２と第１の光ファイバ４の実装ずれ損失と、レセプタクル３１と軸調整ホルダ２０とを固定する際の光軸ずれ損失０．５ｄＢを含め３．５ｄＢであり、高効率なＴＯＳＡが製作できた。 In addition, when airtightness of 1 × 10 −9 Pa · m 3 / s or less is required, the receptacle 31 and the shaft adjustment holder 20 may be joined by a resistance welder instead of fixing with an ultraviolet curable resin. The insertion loss of the manufactured transmission module is 3.5 dB including the mounting deviation loss of the LD element 2 and the first optical fiber 4 and the optical axis deviation loss of 0.5 dB when fixing the receptacle 31 and the axis adjustment holder 20. Thus, a highly efficient TOSA could be manufactured.
また、ＴＯＳＡのリード部１９Ｂを除いた全長８．５ｍｍであり、非球面レンズや球面レンズを用いる場合（全長１１．５ｍｍ以上）よりも小型のＴＯＳＡが製作できた。 Further, the total length of the SASA excluding the TOSA lead portion 19B is 8.5 mm, and a smaller TOSA can be manufactured than when an aspherical lens or a spherical lens is used (the total length is 11.5 mm or more).
図１８に、この発明に係るレンズ部が形成された短尺ＧＩＦを用いたＴＯＳＡの別の形態を示す。 FIG. 18 shows another form of TOSA using a short GIF in which a lens portion according to the present invention is formed.
まず、コア部の直径が１００μｍ、外径が１４０μｍで、一般的に光通信用ファイバとして用いられているＧＩＦをダイサで３４０μｍの長さに切断し、短尺ＧＩＦを作製した。 First, a GIF having a core part diameter of 100 μm and an outer diameter of 140 μm and generally used as an optical communication fiber was cut into a length of 340 μm with a dicer to produce a short GIF.
次に、図１９に示すようにしてＦｅ−Ｎｉ合金、コバール、およびステンレスなどからなるＴＯ−３８用金属キャップ（φ３．８ｍｍステム用）３２に設けられたＧＩＦの外径より数μｍ程度大きい位置決め用孔３３に短尺ＧＩＦ３４を挿入し、ＰｂＯ−Ｂ2Ｏ3系の低融点ガラス３５をその周りに配置した。 Next, as shown in FIG. 19, the positioning is about several μm larger than the outer diameter of the GIF provided in the metal cap for TO-38 (for φ3.8 mm stem) 32 made of Fe—Ni alloy, Kovar, stainless steel, and the like. A short GIF 34 was inserted into the working hole 33, and a PbO—B 2 O 3 -based low melting point glass 35 was arranged around it.
その後、４００℃まで加熱してその状態で１０分間保持することにより、低融点ガラス３５を十分溶融させた後、室温まで冷却して硬化させ、短尺ＧＩＦ３４を金属キャップ３２に固定すると共に、位置決め用孔３３を封止した。 Thereafter, the glass is heated to 400 ° C. and held in that state for 10 minutes to sufficiently melt the low-melting glass 35 and then cooled to room temperature and hardened to fix the short GIF 34 to the metal cap 32 and for positioning. The hole 33 was sealed.
次に、ディスペンサにより液状のエポキシ系紫外線効果樹脂（λ＝１．３μｍの光に対する屈折率１．５６６）を、短尺ＧＩＦの金属キャップの内側にある一端に０．５μｇ付着させたところ、付着した液体の表面張力と自重によって短尺ＧＩＦの外径に応じたレンズ形状が形成された。 Next, when 0.5 μg of liquid epoxy ultraviolet effect resin (refractive index 1.566 with respect to light of λ = 1.3 μm) was attached to one end inside the metal cap of the short GIF using a dispenser, it was attached. A lens shape corresponding to the outer diameter of the short GIF was formed by the surface tension of the liquid and its own weight.
その後、紫外線を１８０秒間照射することによりレンズ形状の液体を硬化させた。形成されたレンズ部５の曲率半径は７３μｍ、厚さは５５μｍであった。 Thereafter, the lens-shaped liquid was cured by irradiating with ultraviolet rays for 180 seconds. The formed lens portion 5 had a radius of curvature of 73 μm and a thickness of 55 μm.
このようにして得られた一端にレンズ部５が形成された短尺ＧＩＦの結合効率を測定したところ、−２．８ｄＢであった。一方、同じ発光素子を用いてレンズ部５を形成していない短尺ＧＩＦでの結合効率を測定したところ−５．０ｄＢであり、短尺ＧＩＦの代わりにレンズを用いた場合の結合効率は−３．９ｄＢであったことから、金属キャップ一体型においても、一端にレンズ部を形成した短尺ＧＩＦにより、高い結合効率が得られていることが分かった。 The coupling efficiency of the short GIF having the lens portion 5 formed at one end thus obtained was -2.8 dB. On the other hand, when the coupling efficiency of a short GIF in which the lens portion 5 is not formed using the same light emitting element is measured, it is -5.0 dB, and the coupling efficiency when a lens is used instead of the short GIF is -3. Since it was 9 dB, it was found that even in the metal cap integrated type, high coupling efficiency was obtained by the short GIF having a lens portion formed at one end.
このようにして形成された金属キャップ一体型の第１の光ファイバは、同軸型光送信モジュールで用いられる非球面レンズや球面レンズと同じ形態であるため、ステムとの接合を行なう抵抗溶接機と、第２の光ファイバが内蔵されたレセプタクルとの調芯および接合を行なうＹＡＧ溶接機を用い、同様にして図１８に示すようなＴＯＳＡを作製することができる。その際の金属キャップ内の気密性は、１×１０-9Ｐａ・ｍ3／ｓ以下を達成することができる。 Since the first optical fiber integrated with the metal cap formed in this way has the same form as an aspherical lens or a spherical lens used in the coaxial optical transmission module, a resistance welding machine for joining with the stem, A TOSA as shown in FIG. 18 can be produced in the same manner using a YAG welding machine that performs alignment and joining with a receptacle incorporating the second optical fiber. In this case, the hermeticity in the metal cap can be 1 × 10 −9 Pa · m 3 / s or less.
このＴＯＳＡの光出力は＋３ｄＢｍ、ステム１９のリード部１９Ｂを除いた全長は９．０ｍｍであり、非球面レンズや球面レンズを用いる場合（全長１１．５ｍｍ以上）よりも小型のＴＯＳＡが製作できた。 The optical output of this TOSA is +3 dBm, the total length excluding the lead portion 19B of the stem 19 is 9.0 mm, and a smaller TOSA can be manufactured than when an aspherical lens or a spherical lens is used (overall length is 11.5 mm or more). .
なお、この実施例では短尺ＧＩＦ３４の金属キャップ３２への固定と位置決め用孔３３の封止には低融点ガラスを用いたが、熱硬化性樹脂や紫外線硬化樹脂を用いることもできる。短尺ＧＩＦ３４がポリメチルメタアクリレート系もしくはフッ素系のプラスチックからなる場合は、このような樹脂を用いて固定ならびに位置決め用孔を封止するのがよい。 In this embodiment, low melting point glass is used for fixing the short GIF 34 to the metal cap 32 and sealing the positioning hole 33, but thermosetting resin or ultraviolet curable resin can also be used. When the short GIF 34 is made of a polymethyl methacrylate-based or fluorine-based plastic, the fixing and positioning holes are preferably sealed using such a resin.
まず、コア部の直径が１００μｍ、外径が１４０μｍで、一般的に光通信用ファイバとして用いられているＧＩＦを、ダイサで実施例１と同様にして算定された３９０μｍの長さに切断し、短尺ＧＩＦを作製した。 First, the core portion has a diameter of 100 μm and an outer diameter of 140 μm, and the GIF generally used as an optical communication fiber is cut into a length of 390 μm calculated in the same manner as in Example 1 with a dicer, A short GIF was prepared.
切断された短尺ＧＩＦを真空吸引機構が付設されたニードルで吸引保持し、短尺ＧＩＦの外径より十分小さいニードル先端部を有する精密ディスペンサを用いて、液状のエポキシ系紫外線効果樹脂（λ＝１．３μｍの光に対する屈折率１．５６６）を短尺ＧＩＦの一端に０．０２μｇ付着させたところ、付着した液体の表面張力と自重によって短尺ＧＩＦの半径より小さな曲率半径を有するレンズ形状が形成された。 The cut short GIF is sucked and held by a needle provided with a vacuum suction mechanism, and a liquid epoxy ultraviolet effect resin (λ = 1...) Is used by using a precision dispenser having a needle tip sufficiently smaller than the outer diameter of the short GIF. When 0.02 μg of a refractive index of 1.566 for light of 3 μm was attached to one end of the short GIF, a lens shape having a radius of curvature smaller than the radius of the short GIF was formed by the surface tension and the own weight of the attached liquid.
その後、紫外線を１８０秒間照射することによりレンズ形状の液体を硬化させた。形成されたレンズ部５の曲率半径は２５μｍであった。また短尺ＧＩＦとレンズ部５の中心軸のずれは３μｍであり、集光特性に問題がないことを確認した。 Thereafter, the lens-shaped liquid was cured by irradiating with ultraviolet rays for 180 seconds. The curvature radius of the formed lens unit 5 was 25 μm. Further, the deviation of the central axis between the short GIF and the lens unit 5 is 3 μm, and it was confirmed that there is no problem in the light collecting characteristics.
このようにして得られた一端に短尺ＧＩＦの半径より小さな曲率半径を有するレンズ部５が形成された短尺ＧＩＦの結合効率を測定したところ、−２．２ｄＢであった。一方、同じ発光素子を用いてレンズ部５を形成していない短尺ＧＩＦでの結合効率を測定したところ−５．０ｄＢ、短尺ＧＩＦの代わりにレンズを用いた場合の結合効率は−３．９ｄＢ、さらに実施例１で示した短尺ＧＩＦの外径に応じた曲率半径を有するレンズ部５が形成された短尺ＧＩＦでの結合効率は−２．８ｄＢであったことから、一端に短尺ＧＩＦの半径より小さな曲率半径を有するレンズ部５が形成された短尺ＧＩＦにより、さらに高い結合効率が得られていることが分かった。 The coupling efficiency of the short GIF in which the lens portion 5 having the radius of curvature smaller than the radius of the short GIF was measured at one end thus obtained was -2.2 dB. On the other hand, when the coupling efficiency was measured with a short GIF in which the lens portion 5 was not formed using the same light emitting element, the coupling efficiency when a lens was used instead of the short GIF was -3.9 dB. Furthermore, since the coupling efficiency in the short GIF in which the lens portion 5 having the radius of curvature corresponding to the outer diameter of the short GIF shown in Example 1 was formed was −2.8 dB, the radius of the short GIF was one end. It was found that even higher coupling efficiency was obtained by the short GIF in which the lens portion 5 having a small radius of curvature was formed.
次に、実施例１と同様にして、シリコン基板への発光素子とレンズ部が一端に形成された短尺ＧＩＦ、すなわち第１の光ファイバ４の実装を行なった。今回は発光素子２とレンズ部５の先端との間の距離を２０μｍとした。さらに実施例１と同様にして第２の光ファイバ６のアクティブアライメント実装を行ない、光送信モジュールを作製した。 Next, in the same manner as in Example 1, a short GIF having a light emitting element and a lens portion formed at one end on the silicon substrate, that is, the first optical fiber 4 was mounted. This time, the distance between the light emitting element 2 and the tip of the lens unit 5 was set to 20 μm. Furthermore, active alignment mounting of the second optical fiber 6 was performed in the same manner as in Example 1 to produce an optical transmission module.
上記のようにして得られた光送信モジュールの挿入損失は、ＬＤ素子２と第１の光ファイバ４との実装ずれと、第２の光ファイバ６を固定する際の光軸ずれによる損失０．５ｄＢを含めて２．９ｄＢであり、さらに高い結合効率の光送信モジュールが製作できた。 The insertion loss of the optical transmission module obtained as described above is the loss due to the mounting deviation between the LD element 2 and the first optical fiber 4 and the optical axis deviation when the second optical fiber 6 is fixed. It was 2.9 dB including 5 dB, and an optical transmission module with higher coupling efficiency could be manufactured.
すなわち、短尺ＧＩＦのＬＤ素子２側端面に、短尺ＧＩＦの半径より小さな曲率半径を有するレンズ部５を形成することにより、短尺ＧＩＦの外径に応じた曲率半径を有するレンズ部５が形成された短尺ＧＩＦによりＬＤ素子２からの出射光を集束させる場合に比べ、さらに高い結合効率が得られ、加えて第２の光ファイバ６をアクティブアライメント実装することにより、ＬＤ素子２と第１の光ファイバ４との光軸ずれによる損失を大幅に低減することができるため、光送信モジュールとして従来では達成できなかった高い結合効率を得られることが分かった。 That is, the lens portion 5 having a radius of curvature corresponding to the outer diameter of the short GIF is formed by forming the lens portion 5 having a radius of curvature smaller than the radius of the short GIF on the end surface of the short GIF on the LD element 2 side. Compared with the case where the light emitted from the LD element 2 is focused by the short GIF, higher coupling efficiency can be obtained. In addition, the second optical fiber 6 is mounted by active alignment, so that the LD element 2 and the first optical fiber are mounted. Since the loss due to the optical axis deviation from 4 can be significantly reduced, it has been found that a high coupling efficiency that cannot be achieved in the past as an optical transmission module can be obtained.
前述の図１０の結果から、レンズ部５の曲率半径は小さくなるほど結合効率は向上するため、この実施例２で示したようにレンズ部の曲率半径を短尺ＧＩＦのコア部半径よりも小さくしておけば、確実に高い結合効率を得ることができる。 From the result of FIG. 10 described above, the coupling efficiency improves as the radius of curvature of the lens portion 5 decreases. Therefore, as shown in the second embodiment, the radius of curvature of the lens portion is made smaller than the core radius of the short GIF. If so, high coupling efficiency can be obtained with certainty.
１ 光送信モジュール
２、１２、２２ 発光素子（ＬＤ）
３、１３、２３ 発光素子からの射出光
４、１４、２４ 第１の光ファイバ
５、２５ レンズ部
６、１６、２６ 第２の光ファイバ
７ シリコン基板
８ フェルール
９ Ｖ溝
１０ ファイバ押さえガラス
１１ 緩衝用樹脂
１７ モニタ用光ダイオード（ＰＤ）
１８ パッケージ
１９ ステム
１９Ａ ヒートシンク部
１９Ｂ リード部
２０ 軸調整ホルダ
３１ レセプタクル
３２ 金属キャップ
３３ 位置決め用孔
３４ 短尺ＧＩＦ
３５ 低融点ガラス
４１ コア部
４２ クラッド部
５１ ディスペンサのニードル先端部
５２ 液状のレンズ部材料
５３ 短尺ＧＩＦ
５４ 付着されたレンズ部材料
５５ 精密ディスペンサのニードル先端部
1 Optical transmission module 2, 12, 22 Light emitting element (LD)
3, 13, 23 Emitted light from light emitting element 4, 14, 24 First optical fiber 5, 25 Lens portion 6, 16, 26 Second optical fiber 7 Silicon substrate 8 Ferrule 9 V groove 10 Fiber holding glass 11 Buffer Resin 17 Monitor Photodiode (PD)
18 Package 19 Stem 19A Heat sink 19B Lead 20 Axis adjustment holder 31 Receptacle 32 Metal cap 33 Positioning hole 34 Short GIF
35 Low melting point glass 41 Core part 42 Clad part 51 Dispenser needle tip part 52 Liquid lens part material 53 Short GIF
54 Adhered Lens Material 55 Needle Tip of Precision Dispenser
Claims (8)
所定の長さに切断されたコア部とクラッド部を有する短尺グレーテッド・インデックス型光ファイバであって、前記発光素子に相対する端面側にレンズ部が形成され、前記レンズ部から入射させた前記発光素子からの出射光が他端側から集束して出射されるように調整された第１の光ファイバと、
前記第１の光ファイバを固定する支持体と、
前記第１の光ファイバからの出射光を入射させるシングルモード型光ファイバである第２の光ファイバと
を備えることを特徴とする、光送信モジュール。 A light emitting element;
A short graded index type optical fiber having a core part and a clad part cut to a predetermined length, wherein a lens part is formed on an end face side opposite to the light emitting element, and is incident from the lens part A first optical fiber adjusted so that light emitted from the light emitting element is converged and emitted from the other end side;
A support for fixing the first optical fiber;
An optical transmission module comprising: a second optical fiber that is a single-mode optical fiber for allowing light emitted from the first optical fiber to enter.
グレーテッド・インデックス型光ファイバを所定の長さに切断する第１の工程と、
前記第１の工程により得られた短尺グレーテッド・インデックス型光ファイバの一端にレンズ部を形成し、該レンズ部側からの入射光が他端側から集束して出射されるように調整された前記第１の光ファイバを作製する第２の工程と、
前記発光素子と、前記第１の光ファイバの前記レンズ部が相対するように、前記発光素子と前記第１の光ファイバを基板に固定する第３の工程と、
前記第１の光ファイバの前記発光素子に相対しない端面側に、前記第２の光ファイバを配置する第４の工程と、
前記第２の光ファイバの前記第１の光ファイバに相対しない端面側に光量測定手段を設置し、前記発光素子を発光させて、前記光量測定手段で測定される前記第２の光ファイバからの出射光の光量が最大となるように前記第２の光ファイバの位置を調整し、測定される光量が最大となる位置で前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバの位置関係を固定する第５の工程と
を有することを特徴とする、光送信モジュールの製造方法。 It is a manufacturing method of the optical transmission module according to claims 1-3,
A first step of cutting the graded index optical fiber into a predetermined length;
A lens portion was formed at one end of the short graded index type optical fiber obtained by the first step, and the incident light from the lens portion side was adjusted to be converged and emitted from the other end side. A second step of producing the first optical fiber;
A third step of fixing the light emitting element and the first optical fiber to a substrate such that the light emitting element and the lens portion of the first optical fiber face each other;
A fourth step of disposing the second optical fiber on an end surface side of the first optical fiber not facing the light emitting element;
From the second optical fiber measured by the light quantity measuring means, the light quantity measuring means is installed on the end face side of the second optical fiber not facing the first optical fiber, the light emitting element is caused to emit light. The position of the second optical fiber is adjusted so that the amount of emitted light is maximized, and the positional relationship between the first optical fiber and the second optical fiber is fixed at the position where the measured amount of light is maximized. And a fifth step of manufacturing the optical transmission module.
グレーテッド・インデックス型光ファイバを所定の長さに切断する第１の工程と、
位置決め用孔が設けられた金属キャップを準備する第２の工程と、
前記第１の工程により得られた短尺グレーテッド・インデックス型光ファイバを前記金属キャップに設けられた位置決め用孔に挿入した後、封止材により固定すると共に前記位置決め用孔を封止する第３の工程と、
前記金属キャップに固定された短尺グレーテッド・インデックス型光ファイバの前記金属キャップの内側にある一端にレンズ部を形成し、該レンズ部側からの入射光が他端側から集束して出射されるように調整された前記第１の光ファイバを作製する第４の工程と、
前記発光素子と前記第１の光ファイバの前記レンズ部が相対するように前記発光素子と前記第１の光ファイバを配置し、かつ前記第１の光ファイバの前記発光素子に相対しない端面側に、前記第２の光ファイバを配置し、前記第１の光ファイバが付設された前記金属キャップが前記発光素子を内包するように相対固定する第５の工程と
を有することを特徴とする、光送信モジュールの製造方法。 It is a manufacturing method of the optical transmission module according to claims 1-3,
A first step of cutting the graded index optical fiber into a predetermined length;
A second step of preparing a metal cap provided with a positioning hole;
A third graded index type optical fiber obtained by the first step is inserted into a positioning hole provided in the metal cap, and then fixed with a sealing material, and the positioning hole is sealed. And the process of
A lens part is formed at one end inside the metal cap of the short graded index type optical fiber fixed to the metal cap, and incident light from the lens part side is converged and emitted from the other end side. A fourth step of producing the first optical fiber adjusted as described above;
The light emitting element and the first optical fiber are disposed so that the lens portion of the light emitting element and the first optical fiber are opposed to each other, and the end face of the first optical fiber that is not opposed to the light emitting element is disposed. And a fifth step of disposing the second optical fiber and relatively fixing the metal cap provided with the first optical fiber so as to include the light emitting element. Manufacturing method of transmission module.
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