JP4732139B2 - 光モジュールの製造方法および光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、本発明は光モジュールの製造方法および光モジュールに関する。特に、ＴＯＳＡ(Transmitter Optical Sub-assembly)やＲＯＳＡ(Receiver Optical Sub-assembly)等の光モジュールの構造および製造方法に関する。

光モジュールのうち、ＴＯＳＡやＲＯＳＡは、光通信や光信号による情報処理などに広く用いられている。ＴＯＳＡとは、発光素子（レーザーダイオード等）を搭載する送信用小型光デバイスであり、ＲＯＳＡとは受光素子（フォトダイオード等）を搭載する受信用小型光デバイスである。これらの光モジュールは、発光素子および受光素子などの光半導体素子が金属等のキャップで覆われて構成されるキャンと、ＴＯＳＡではレンズが配設されたバレルが、ＲＯＳＡではレンズがないバレルとが接合された構造である。

このようなＴＯＳＡおよびＲＯＳＡを製造する際、通常、キャンの光半導体素子とバレルのレンズとの光軸を高精度で合わせた後、キャンにバレルを固定する。キャンの光半導体素子とバレルのレンズとの光軸のずれの許容差は、マルチモードのＴＯＳＡの場合で±５μｍ程度、ＲＯＳＡの場合でも±２５μｍ程度、シングルモードの場合ではさらに高い精度が必要とされており、キャンとバレルの接合精度を確保することが重要である。

このため、キャンとバレルの固定において、光半導体素子とレンズとの光軸ずれを引き起こさないようにすることが求められている。

しかし、従来、キャンとバレルは熱硬化性樹脂を用いて接合されていた為、樹脂の硬化には長時間の加熱が必要であり、作業性・作業効率の悪化や、硬化中に樹脂が変形して光軸がずれてしまうという問題が指摘されていた。そこで、紫外線硬化型樹脂を用いて瞬間的に接合することも検討されているが、紫外線硬化型樹脂は接着強度が低く、未硬化部分が生じやすく、耐候性も十分でないという問題が指摘されている。

かかる観点から、特許文献１は、図５に示すように、キャン１０１とバレル１０２の接合面に紫外線・加熱兼用硬化性樹脂１０３を塗布し、光軸合わせが完了した状態で、紫外線照射によってキャン１０１とバレル１０２との仮固定を行った後、紫外線・加熱兼用硬化性樹脂１０３の外側に熱硬化性樹脂１０４を塗布して接着補強する方法を開示している。
特開２００２−０９０５８７号公報

特許文献１に開示された方法では、熱硬化性樹脂で紫外線硬化型樹脂の接着強度不足を補っているが、熱硬化性樹脂を塗布する工程で、紫外線硬化型樹脂の上に、熱硬化型樹脂を塗布するため、機械的な接触により接着箇所が破壊されてしまうことがあった。また、接着位置（すなわち樹脂の塗布位置）が、被接着部品のエッジ部分に限られていることと、熱硬化型樹脂をもともと接着強度の弱い紫外線硬化型樹脂の上に塗布するため、熱硬化型樹脂の特性が十分発揮できないことにより、十分な接着強度が得られなかった。

特に、特許文献１に開示された方法を密閉型の光モジュールに応用する場合は、バレルとキャンとの接合により形成されるバレル内側の密閉空間の内圧が、紫外線硬化型樹脂を硬化させるときの雰囲気加熱により上昇する。その結果、内圧上昇の負荷に紫外線硬化型樹脂が耐え切れず、バレルとキャンの接合状態が歪み、光軸ずれの不良が大量に発生していた。なお、特許文献１に開示された構成は、図５に示されるようにバレル１０２に貫通孔１０２ａが設けられているので、膨張した気体が逃げ、このような問題は生じにくい。しかし、接合完了後に貫通孔１０２ａを接着剤などで封止する必要があり、その分作業工程や製造コストが増加する。また、貫通孔を封止しないと、キャン上に配設された部品が外気、特に水分と接触し、劣化することになり、光モジュールの信頼性が低下する。したがって、貫通孔１０２ａが設けられていないバレルを用いて密閉型の光モジュールを製造することが望ましかったが、上述したとおり、特許文献１によるバレルとキャンとの接合方法では、光軸ずれの不良が起きていた。

そこで、本発明は、上述した従来技術の課題に鑑み、キャンとバレルとの光軸のずれを引き起こさないように製造できる光モジュールの製造方法、及びこれを用い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の製造方法は、光半導体素子がキャップで覆われて構成されるキャンと、該キャップが入る凹部が形成され、前記光半導体素子と光結合する光ファイバーが接続されるように構成されたバレルとを接合して光モジュールを製造する方法である。本製造方法は、キャンに配設されたキャップと、紫外線を透過する材料でできたバレルの凹部を形成する側壁とを接着するように、前記凹部内に紫外線硬化型樹脂を塗布する第１の塗布工程と、バレルとキャンとの光軸を調整する光軸調整工程と、紫外線をバレルの外側からバレルを通して紫外線硬化型樹脂に照射し、紫外線硬化型樹脂を硬化させる第１の硬化工程と、バレルの凹部の開口縁とキャンとの間の隙間に熱硬化型樹脂を塗布することにより、前記キャンと前記バレルとの間に密閉された内部空間を形成する第２の塗布工程と、前記キャンと前記バレルからなる光モジュール全体を密閉容器に封入し、塗布された前記熱硬化型樹脂を雰囲気加熱によって硬化させる第２の硬化工程とを有している。

上記のように第１の硬化工程では、紫外線を用いるため、光モジュールの温度上昇が抑えられ、光軸調整後のバレルとキャンは熱膨張を起こさない。このため、調整された光軸がずれることなく、バレルとキャンを固定することができる。

紫外線硬化型樹脂の塗布位置がバレルの凹部内であるため、バレルの凹部の開口縁とキャンとの間の隙間に熱硬化型樹脂を塗布する際、紫外線硬化型樹脂による接着箇所が機械的な接触により破壊されるおそれは無くなる。さらに、バレルの凹部の開口縁とキャンとを熱硬化型樹脂のみで接着するので、熱硬化型樹脂の特性が十分発揮でき、十分な接着強度が得られる。このため、熱硬化型樹脂を雰囲気加熱によって硬化させる際、熱硬化型樹脂により密閉された内部空間の気体が膨張しても、その負荷に熱硬化型樹脂が耐えて、キャンとバレルとの光軸のずれは生じない。

また、本発明の光モジュールは、光半導体素子がベースに配置されキャップで覆われて構成されるキャンと、キャップが入る凹部が形成され、光半導体素子と光結合する光ファイバーが接続されるように構成されたバレルと、キャンに配設されたキャップとバレルの凹部を形成する側壁とを接着する、前記凹部内に塗布された紫外線硬化型樹脂と、バレルの凹部の開口縁とキャンとの間の隙間を封止する熱硬化型樹脂と、を有している。また、バレルが紫外線を透過する材料でできている。さらに、前記開口縁と前記開口縁に対向する前記ベースとが、前記開口縁と前記ベースの間に前記熱硬化型樹脂のみを配して接着されている。

以上説明したように、本発明によれば、キャンとバレルとの光軸のずれを引き起こさないように製造できる。

以下、図面を参照して本発明の光モジュールについて説明する。本発明はＴＯＳＡとＲＯＳＡの両者に、同様の形態で適用可能であるが、以下の説明はＴＯＳＡを例におこなう。図１は、本発明の光モジュールの概略断面図である。また、図２は図１のＡ部の部分拡大図である。

図１（ａ）は光半導体素子が設けられたキャンの断面図である。キャン２のベース２１上（図面では下側）には、発光素子２２と受光素子２３とが配置されている。発光素子２２はレーザーダイオードが代表例であり、受光素子２３はフォトダイオードが代表例である。受光素子２３は発光素子２２の使用時に発光量をモニターするために備えられている。発光素子２２と受光素子２３の動作を制御する複数本の端子２４がベース２１の反対側に延びている。ベース２１の上には発光素子２２と受光素子２３とを気密封止するために、金属性のキャップ２５が設けられている。キャップ２５の中央付近には光路の確保のため、半透明の鏡やガラス（図示せず）が付けられている。キャップ２５はＦｅ−Ｎｉ系合金やＣｏ−Ｎｉ系合金等の金属で作られており、抵抗溶接によって接合されている。

図１（ｂ）はバレルの断面図である。バレル３は本体部分であるハウジング３１と、ハウジング３１に支持されたレンズ３２を備えている。ハウジング３１は、紫外線を透過する材料（例えばプラスチック）で作られている。ハウジング３１の先端部分には開口部３３が設けられており、発光素子２２と光結合する光ファイバーを保持するフェルール（図示せず）が嵌合保持される。フェルールは開口部３３と一体形成されていてもよい。開口部３３の内側は光路孔３４となっており、その先に半球状のレンズ３２が設けられている。発光素子２２とフェルールに保持された光ファイバーとの光結合は、レンズ３２および光路孔３４を介して行われる。光結合を精度よく行なうため、レンズ３２の取り付けには高い調芯精度が求められるが、方向性のない球形レンズを用いてもよい。

また、ハウジング３１にはレンズ３２を囲むように側壁３５が形成されており、その側壁によって、キャン２のキャップ２５を入れることができる凹部３６が形成されている。

図１（ｃ）は光モジュールの断面図である。光モジュール１は、キャン２のキャップ２５をバレル３のハウジング３１に形成された凹部３６内に入れた状態で、キャン２とバレル３を紫外線硬化型樹脂４および熱硬化型樹脂５によって接合して形成されている。図２に示すように、紫外線硬化型樹脂４は、キャン２に配設されたキャップ２５の外周面の一部である第１の接合面２６および、これに対向する、バレル３のハウジング３１に形成された側壁３５の一部である第１の接合面３７を互いに接着している。熱硬化型樹脂５は、バレル３のハウジング３１に形成された凹部３６の開口縁である第２の接合面３８および、これに対向する、キャン２のベース２１上の第２の接合面２７を互い接着して、キャン２とバレル３との隙間を埋めている。これにより、キャン２とバレル３との間に、密閉された内部空間６が形成される。

このように、光モジュール１は密閉構造型のモジュールである。キャン２およびバレル３には、内部空間６と外部とが連通する開口や貫通孔は設けられていない。このため、内部空間６に存在するキャップ２５が外気、特に水分と接触し、光モジュールの信頼性が低下することが防止される。

ＲＯＳＡは、図４に示すように、図１に示すＴＯＳＡと基本的に同一構造であるが、発光素子２２の代わりに受光素子（フォトダイオード等）が設けられている。また、レンズはＴＯＳＡにおける半球状のレンズ３２の代わりに球形レンズ３９を用いることができる。その理由は、ＴＯＳＡではレンズを通る光の位相を揃えて光ファイバーに供給する必要があるのに対して、ＲＯＳＡではそのような必要がなく、通常は安価な球形レンズで十分であるためである。

なお、図４に示すようにＲＯＳＡの場合も、キャン２とバレル３の接合は紫外線硬化型樹脂４および熱硬化型樹脂５を使用している。具体的には、紫外線硬化型樹脂４は、キャン２に配設されたキャップ２５の外周面の一部と、これに対向する、バレル３のハウジング３１に形成された側壁３５の一部とを互いに接着している。熱硬化型樹脂５は、バレル３のハウジング３１に形成された凹部３６の開口縁と、これに対向する、キャン２のベース２１の上面とを互い接着して、キャン２とバレル３との隙間を埋めている。

次に、以上説明した光モジュールの製造方法について、ＴＯＳＡを例に図面を参照して説明する。図３Ａ〜３Ｅは、本実施形態における光モジュールの製造工程を示す図である。なお、これらの図では、キャップ内の部品を省略してある。

まず、図３Ａに示すようにキャン２およびバレル３を用意する。

次に、図３Ｂに示すように、キャン２に配設されたキャップ２５の外周面の一部である第１の接合面２６に紫外線硬化型樹脂４を塗布する（第１の塗布工程）。ただし、紫外線硬化型樹脂４はバレル３のハウジング３１に形成された側壁３５の第１の接合面３７、または第１の接合面２６，３７の双方に塗布してもよい。紫外線硬化型樹脂４としては、例えばアクリルウレタン樹脂（粘度３Ｐａ・ｓ、熱変形温度Ｔｇ＝２０℃）を用いた。

次に、図３Ｃに示すように、キャン２とバレル３を近づけ、キャン２をバレル３に嵌合する。この結果、キャン２に配設されたキャップ２５の外周面の一部と、これに対応する、バレル３のハウジング３１に形成された側壁３５とが、紫外線硬化型樹脂４を介して接続される。なお、あらかじめ、バレル３の開口部３３には、光量の測定装置が付いたファイバ（不図示）を挿入しておく。そして、キャン２には仮の配線（不図示）を施して、発光素子（不図示）を駆動することができるように準備しておく。キャン２をバレル３に嵌合した後、バレル２に備えられたレンズ３２とキャン３に配置された発光素子（不図示）との光軸が一致するように、バレル２とキャン３の相対位置を調整する（光軸調整工程）。具体的には、発光素子を動作させ、その出力光をファイバから取り出し、取り出した発光素子の出射光の光量が最大になるように、バレル２とキャン３の相対位置を調整する。紫外線硬化型樹脂４は後述するようにバレル２とキャン３との仮止めのために塗布されるものであり、塗布量も少量であるので、調整は容易である。

上記のように光軸を調整したら、バレル２とキャン３の光軸がずれないように、不図示の保持治具によってそれらを保持する。

次に、図３Ｄに示すように、紫外線を透過できる材料からなるバレル３の周囲に複数の紫外線ランプ７を配置する。そして、紫外線を、バレル３の周囲からバレル３を通して、キャン２に配設されたキャップ２５の外周面とバレル３のハウジング３１に形成された側壁３５との間に存在する紫外線硬化型樹脂４に照射し、紫外線硬化型樹脂４を硬化させる（第１の硬化工程）。紫外線照射中、バレル２とキャン３の光軸位置が変わらないように、不図示の保持治具によってそれらを保持し続ける。本例では、紫外線を４０秒間照射した。紫外線の照度は紫外線ランプ一台当たり３Ｗ／ｃｍ² とした。このような工程により、キャン２とバレル３とを仮止めした。

次に、図３Ｅに示すように、樹脂注入機８により、熱硬化型樹脂５を、バレル３のハウジング３１に形成された凹部３６の開口縁である第２の接合面３８および、これに対向する、キャン２のベース２１上の第２の接合面２７との間に塗布する（図２参照）。具体的には、図３Ｅに示すように、仮止めしたキャン２とバレル３を回転させながら、熱硬化型樹脂５をバレル３の周辺から、第２の接合面２７，３８の間に流し込むようにして塗布する（第２の塗布工程）。この熱硬化型樹脂５により、キャン２とバレル３との間に、密閉された内部空間６が形成され、光モジュールの信頼性が向上する。なお、前述した紫外線硬化型樹脂４によっては内部空間６は密閉されていない。

熱硬化型樹脂５はキャン２とバレル３の最終的な接合を目的とするものであるため、塗布量は紫外線硬化型樹脂４より大目とするのが望ましい。熱硬化型樹脂５としては、例えばエポキシ樹脂（粘度２２．５Ｐａ・ｓ、熱変形温度Ｔｇ＝９４℃）を用いた。このように本例の熱硬化型樹脂５は紫外線硬化型樹脂４よりも高い硬化温度を有している。これは、熱硬化型樹脂５は最終的な接合のための接着剤であり、ＴＯＳＡとしての信頼性を高めるためにはできるだけ硬化温度の高い樹脂を用いて、高い温度で硬化させることが望ましいからである。

また、上記熱硬化型樹脂５の塗布工程は、窒素環境下で行われることが望ましい。これによって、熱硬化型樹脂５によりキャン２とバレル３を密着させる際に、内部空間６が窒素ガスで充填され、空気中の酸素や水分による発光素子２２，受光素子２３や樹脂４，５の劣化を抑制することができる。

最後に、塗布された熱硬化型樹脂５を雰囲気加熱によって硬化させて、キャン２とバレル３とを固定する（第２の硬化工程）。雰囲気加熱は、一般的な加熱炉（オーブン）で行なうことができる。本例では、加熱炉において９５℃、６０分の加熱処理を行なって硬化させた。

この加熱の際、密閉された内部空間６の気体が熱膨張し、膨張した気体が熱硬化型樹脂５に入り込み、熱硬化型樹脂５に気泡が発生するおそれがある。このため、キャン２とバレル３からなる光モジュール全体を密閉容器に封入して加熱することが望ましい。すなわち、このように加熱することで、光モジュール全体と密閉容器との間に封入された気体と、内部空間６の気体との両方が熱膨張するので、内部空間６とこの外側との圧力差が小さくなる。その結果、熱硬化型樹脂５に対して内部空間６の内圧の影響が及びにくく、気泡の発生を防止することができる。

以上説明したように、本発明では、バレル３がＵＶ透過材料で形成されている。そして、キャン２に配設されたキャップ２５の外周の一部と、バレル３の凹部３６を形成する側壁３５とを、紫外線硬化型樹脂４で接着し、バレル３とキャン２の光軸を合わせた状態で、バレル３の外側から紫外線により紫外線硬化型樹脂４を硬化させてバレル３とキャン２を仮止めしている。このように紫外線を用いるため、光モジュールの温度上昇が抑えられ、バレル３とキャン２は熱膨張を起こさない。このため、調整された光軸がずれることなく、バレル３とキャン２は固定される。

また、紫外線硬化型樹脂４の塗布位置がバレル３の凹部３６内であるため、バレル３の凹部３６の開口縁と、これに対向するキャン２のベース２１との隙間に熱硬化型樹脂５を塗布する際、紫外線硬化型樹脂４による接着箇所が機械的な接触により破壊されるおそれは無くなる。さらに、バレル３の凹部３６の開口縁と、これに対向するキャン２のベース２１とを熱硬化型樹脂５のみで接着するので、熱硬化型樹脂の特性が十分発揮でき、十分な接着強度が得られる。このため、熱硬化型樹脂５を雰囲気加熱によって硬化させる際、熱硬化型樹脂５により密閉された内部空間６の気体が膨張しても、その負荷に熱硬化型樹脂５が耐えて、キャン２とバレル３との光軸のずれは生じない。

本発明が適用されるＴＯＳＡの概略断面図である。 図１のＡ部の部分拡大図である。 本実施形態における光モジュールの製造工程を示す図である。 本実施形態における光モジュールの製造工程を示す図である。 本実施形態における光モジュールの製造工程を示す図である。 本実施形態における光モジュールの製造工程を示す図である。 本実施形態における光モジュールの製造工程を示す図である。 本発明が適用されるＲＯＳＡの概略断面図である。 従来の光モジュールにおけるキャンとバレルの接合方法を説明するための断面図である。

符号の説明

１ 光モジュール
２ キャン
２２ 発光素子
２３ 受光素子
２６ 第１の接合面
２７ 第２の接合面
３ バレル
３１ ハウジング
３２ レンズ
３５ 側壁
３６ 凹部
３７ 第１の接合面
３８ 第２の接合面
３９ 球形レンズ
４ 紫外線硬化型樹脂
５ 熱硬化型樹脂
６ 内部空間
７ 紫外線ランプ
８ 樹脂注入機

Claims (2)

1. 光半導体素子がキャップで覆われて構成されるキャンと、該キャップが入る凹部が形成され、前記光半導体素子と光結合する光ファイバーが接続されるように構成されたバレルとを接合して光モジュールを製造する方法であって、
   前記キャンに配設された前記キャップと、紫外線を透過する材料でできた前記バレルの前記凹部を形成する側壁とを接着するように、前記凹部内に紫外線硬化型樹脂を塗布する第１の塗布工程と、
   前記バレルと前記キャンとの光軸を調整する光軸調整工程と、
   紫外線を前記バレルの外側から前記バレルを通して前記紫外線硬化型樹脂に照射し、前記紫外線硬化型樹脂を硬化させる第１の硬化工程と、
   前記バレルの前記凹部の開口縁と前記キャンとの間の隙間に熱硬化型樹脂を塗布することにより、前記キャンと前記バレルとの間に密閉された内部空間を形成する第２の塗布工程と、
   前記キャンと前記バレルからなる光モジュール全体を密閉容器に封入し、塗布された前記熱硬化型樹脂を雰囲気加熱によって硬化させる第２の硬化工程と、
   を有する、光モジュールの製造方法。
2. 光半導体素子がベースに配置されキャップで覆われて構成されるキャンと、
   前記キャップが入る凹部が形成され、前記光半導体素子と光結合する光ファイバーが接続されるように構成されたバレルと、
   前記キャンに配設された前記キャップと前記バレルの前記凹部を形成する側壁とを接着する、前記凹部内に塗布された紫外線硬化型樹脂と、
   前記バレルの前記凹部の開口縁と前記キャンとの間の隙間を封止する熱硬化型樹脂と、を有し、
   前記バレルが紫外線を透過する材料でできており、
   前記開口縁と前記開口縁に対向する前記ベースとが、前記開口縁と前記ベースの間に前記熱硬化型樹脂のみを配して接着されている、光モジュール。

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