JPH03167514A - 金属ホルダ付きモールドレンズ及びその製造方法並びに上記レンズを備えた光半導体モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 目　　　　次 概要 産業上の利用分野 従来の技術 発明が解決しようとする課題 課題を解決するための手段及び作用 実　　施　　例 発明の効果 概要 金属ホルダ付きモールドレンズ及びその製造方法並びに
上記レンズを備えた光半導体モジュールに関し、 主として光結合効率が高い光半導体モジュールに適した
金属モールド付きレンズを提供することを目的とし、 例えば、加熱して軟化したガラスを金型によりプレスし
て上記金型の表面形状の一部をガラスに転写するように
したモールドレンズの製造方法において、円環状の金属
ホルダをその中心線が上記金型によるプレス方向と概略
平行になるように上記金型間のガラスの周囲に配置して
おき、プレスにより押し出されたガラスが上記金属ホル
ダの内周に密着するようにして構戊する。

産業上の利用分野 本発明は金属ホルダ付きモールドレンズ及びその製造方
法並びに上記レンズを備えた光半導体モジュールに関す
る。ここで、光半導体モジュールとは、半導体レーザ等
の発光系の光半導体素子から放射された光を有効に光フ
ァイバに入射させるために、或いは、光ファイバから出
射した光をフォトダイオード等の受光系の光半導体素子
の受光面に有効に入射させるために、光半導体素子と光
ファイバとこれらの光学的結合をなすためのレンズ系と
を所定の位置関係で固定保持してなる光学的・電気的な
装置をいう。以下、説明の便宜上、本発明を半導体レー
ザモジュール（ＬＤモジュール〉に適用する場合につい
て説明するが、本発明はこれに限定されるものではない
。

次世代の光通信システムにおいては、毎秒数十億ビット
以上の高速信号を長距離伝送したり、信号光を分岐して
多数の受信者に分配する等のサービスが考えられており
、大出力（例えばｌＱｍｉ〜以上）の半導体レーザモジ
ュールが要求されている。

また、最近注目を集めている光増幅器を備えたモジュー
ルにおいても、半導体レーザ型の光増幅器と光ファイバ
との光結合或いは希土類ドーブファイバ（εｒ等の希土
類元素がコアにドープされている光ファイバ）を利用し
た光増幅器における励起光源と光ファイバとの光結合等
に高い効率が要求されている。これらのシステムにおい
ては、光結合効率が通信システムの性能を直接左右する
ので、半導体レーザと光ファイバの光結合効率の向上は
大きな技術課題になっている。

従来の技術 従来の半導体レーザモジュールにおいては、微小な球レ
ンズや分布屈折率型のレンズを用いて半導体レーザから
放射された光を集光し、これを光ファイバに入射させる
ようにしていた。しかし、レンズの収差等の影響によっ
て光結合効率は必ずしも高くなく、実際に光ファイバに
入射する光は半導体レーザから放射された光の２０〜４
０％程度であり、半分以上の光を無駄にしていることに
なる。その結果得られる光出力も３〜５ｍＷ程度であり
、十分ではなかった。

最近、非球面ガラスモールドレンズを光半導体モジュー
ル用の結合レンズとして用いることで高い光結合効率を
達或しようとする試みが行われている。この種のレンズ
は光ディスク用の対物レンズとして従来から実用化が試
みられている。ガラスモールドレンズを光半導体モジュ
ール用として用いるには、形状が大きい、焦点距離が長
い、ＮＡ（開口数）が小さい等の問題があったが、極最
近では金型の加工・計測技術が進み、光通信に適用する
ことができる程度の仕様〈例えば、直径が２［１１１１
１．焦点距離がｉｎ，ＮＡ＝０．５　５以上〉が得られ
るようになってきた。このモールドレンズの製造方法は
、基本的には精密な金型の中にガラス材を入れてプレス
して金型形状をガラスに転写するという僅か１工程のも
のであり、極めて量産性に富んでいる。また、レンズ形
状が非球面形状であるので、レンズの受光角度を広くす
ることができ、しかも、収差を小さく押さえることがで
きるので、微小球レンズや分布屈折率レンズを用いた場
合と比較して２倍以上（７０〜８０％）の光結合効率が
得られることが実証されている。

発明が解決しようとする課題 一１に、光結合用レンズを半導体レーザモジュール用と
して使用する場合には、組立時に半導体レーザ、レンズ
及び光ファイバの相対的な位置関係を１μｍ以下の精度
で調整する必要がある。また、固定後の位置ずれは経年
変化も含めて０．１〜０．２μｍ程度に抑えておかない
と、光出力が変動してしまう。半導体レーヂは放熱板と
しての機能と電気信号のアースの機能とを兼ね備えた金
属製キャリア上に設置されている。また、レンズは、例
えば円筒形状の金属ホルダ内に固定されている。そして
、上記金属製キャリアと金属ホルダとを溶接固定するこ
とによって、半導体レーザと光ファイバの所定位置関係
での固定保持を図っている。金属同士の固定部分の寸法
精度については上記精度を比較的容易に満足することが
できるが、金属ホルダとガラスレンズという異種の素材
間の固定部分については寸法精度等の面で種々の問題が
あった。以下に従来の手法とその問題点を示す。

（ａ）　　レンズを金属ホルダ内に圧人する方法ら）　
レンズ側面をメタライズして金属ホルダと半田固定する
方法 （Ｃ）　　低融点ガラス材を用いて融着固定する方法（
ｄ）　　接着材を用いて固定する方法（ａ）の方法は金
属ホルダの内径をレンズ外径と同じか少し小さめにして
おき、金属ホルダを加熱して熱膨張させ、レンズに圧力
をかけて押し込み、冷却して固定する方法であり、レン
ズ側面に加わる応力を用いて固定するものである。この
方法による場合、レンズに応力が加わるために、光弾性
効果により屈折率が不均一になり、レンズの光学特性が
劣化することがある。従来の球レンズ等を用いた場合に
は、光結合効率が低いレベルにあるので、圧人による顕
著な特性劣化は見られなかったが、非球面ガラスモール
ドレンズである場合には、圧入による残留応力が大きい
と光結合効率が低下してしまう。

ら）の方法は分布屈折率レンズを使用する際によく用い
られる方法である。分布屈折率レンズのｔｌｔｌＪ面へ
のメタライズは、レンズ母材を切断する前に行うことが
できるが、モールドレンズは個々にプレス或型されるの
で、個々のモールドレンズについて側方のみへメタライ
ズを施す必要があり、著しく生産性が悪い。

（Ｃ）の方法は、レンズと金属ホルダ間に融着材を介在
させてこれらを４００℃以上の高温に１０〜３０分程度
放置して融着材を軟化させ、その後徐冷して融着材を固
化させる方法である。この方法であると、レンズを長時
間高温にしておく必要があるので、レンズが変形し或い
は屈折率が不均一になり、レンズの光学特性が劣化する
恐れがある。

（ｄ）の接着剤による方法は、固化した接着剤の線熱膨
張係数が大きいので、固定後の温度変動等に対する信頼
性が低い。また、固化した接着剤から放出される有害ガ
スの影響によって、半導体レーザの出力特性が劣化する
ことがある。

以上説明したように、従来の固定方法のいずれをモール
ドレンズに適用したとしても、光結合効率が高いレベル
で安定した光半導体モジュールを提供することは困難で
ある。

本発明はこのような事情に鑑みて創作されたもので、光
結合効率が高い光半導体モジュールに適した金属ホルダ
付きモールドレンズを提供することを目的としている。

本発明の他の目的は前述した技術的課題及び以下の説明
から明らかになる。

課題を解決するための手段及び作用 第１図は発明の原理説明図である。

本発明の金属ホルダ付きモールドレンズの製造方法は、
加熱して軟化したガラスを金型２，４によりプレスして
上記金型２，４の表面形状の一部をガラスに転写するよ
うにしたモールドレンズの製造方法において、円環状の
金属ホルダ６をその中心線が上記金型２．４によるプレ
ス方向と概略平行になるように上記金型２．４間のガラ
スの周囲に配置しておき、プレスにより押し出されたガ
ラスが上記金属ホルダ６の内周に密着するようにしたも
のである。第１図において、８は加熱して軟化したガラ
スを示し、１０は金型２，４等に対する加熱手段を示す
。

このように、本発明方法は、金型プレスによりモールド
レンズを製造するに際して、軟化したガラスがプレス方
向と垂直な方向に押し出されるという点に着目して、モ
ールドレンズの製造とモールドレンズの金属ホルダへの
固定とを同時に行うようにしたものである。よって、モ
ールドレンズを改めて金属ホルダに固定する必要がなく
なり、生産性が向上する。

また、レンズを構成するガラス自体が融着材としても機
能するため、従来方法の（Ｃ）に示した融着材が不要に
なり、線熱膨張係数のマッチングを行うべき素材を少な
くすることができる。

また、従来方法の（Ｃ）に示したようにレンズ形成後に
再度高温状態にする必要がなくなるので、レンズが変形
したり屈折率が不均一になったりする恐れがなくなる。

また、金属ホルダの内周に凹凸を形成しておき、軟化し
たガラスと金属ホルダの密着面積を増大させることによ
って、固定強度を増大させることができる。金属ホルダ
の内周に凹凸を形成した固定構造は従来方法によって実
現することは事実上不可能であり、モールドレンズの製
造方法の特質を利用した本発明方法によって初めて可能
になった。

金属ホルダの内周に凹凸を形成しておくと、モールドレ
ンズが破損する場合を除いてモールドレンズが金属ホル
ダから抜け落ちる恐れはない。

また、モールドレンズと金属ホルダ間に半田、融着材、
接着材等が介在しないので、モールドレンズの光軸と金
属ホルダの幾何学的な中心軸とを容易に一致させること
ができるようになり、モジュールの組立工程の無調整化
を図る上で有効である。

円環状の金属ホルダ６の中心線が金型２，４によるプレ
ス方向に対してわずかに傾斜するようにしておくことに
よって、製造された金属ホルダ付きモールドレンズの光
軸を金属ホルダ６の中心線に対して傾斜させることがで
きるので、この構成は反射光の悪影響を防止する上で有
効である。この場合、非球面レンズのレンズ面を最適設
計することによって、光結合効率の低下を抑えることが
できる。

加熱して軟化したガラスを金型によりプレスして上記金
型の表面形状の一部をガラスに転写するようにしたモー
ルドレンズの製造方法において、プレスにより押し出さ
れたガラスが充填される窪みが形成された金属ホルダを
上記金型間のガラスの側方に配置しておくことによって
、前述した作用と同等の作用が生じる。

本発明の金属ホルダ付きモールドレンズは、これらの２
方法のうちのいずれかの方法により製造された金属ホル
ダ付きモールドレンズである。

本発明の光半導体モジュールは、光半導体素子と、光フ
ァイバと、該光半導体素子及び光ファイバを光学的に結
合する単一又は複数のレンズと、これら光半導体素子、
光ファイバ及びレンズを所定の位置関係で固定保持する
、金属部分を有するフレームとを備えた光半導体モジュ
ールにおいて、上記レンズ又はその一部（レンズが単一
のレンズである場合にはその単一のレンズ、レンズが複
数のレンズである場合にはその複数のレンズのｅ［又は
一部）を、本発明に係る金属ホルダ付きモールドレンズ
とし、この金属ホルダ付きモールドレンズの金属ホルダ
を、上記フレームの金属部分（光半導体素子が固定され
ている金属キャリア、モジュールフレーム等冫にレーザ
溶接固定したものである。

このように本発明に係る金属ホルダ付きモールドレンズ
を構戊要素とする光半導体モジュールにあっては、前述
の作用を介して光結合効率を高めて光出力を増大させる
ことが可能になり、しかも、この光結合効率あるいは光
出力を高いレベルで安定に維持することが可能になる。

実　　施　　例 以下本発明の実施例を説明する。

第２図は第１実施例を示す金属ホルダ付きモールドレン
ズの正面図（ａ）、（ｂ）　−　（ｂ）線に沿った断面
図（ｂ）である。この実施例では、円筒状の金属ホルダ
６の内周の軟化ガラス材が密着する部分に円環状の２つ
の突起１２を形成して凹凸形状とし、ガラスとの密着面
積を増大させて固定強度の増大を図るとともに、モール
ドレンズｌ４が金属ホルダ６から脱落することを防止し
ている。金属ホルダ６と一体化されたモールドレンズ１
４において、ｌ６，１８は金型から転写された非球面レ
ンズ面である。

金型の構造及び材質は、プレスされるレンズのガラス材
質、形状、要求精度等に応じて決定することができる。

金型の材質としては具体的には、白金一口ジウムー金合
金、タングステンカーバイ｝　（ＷＣ）　、炭化珪素（
ＳｉＣ）、窒化珪素（Ｓ１３Ｎ４）等を用いることがで
きるが、モールドレンズのレンズ面の離型性を確保する
等の目的で、金型表面に無電解ニッケルその他の金属か
らなる薄膜を形成してお《ことが望ましい。金型のプレ
ス部の構造は、第ｌ図にも示したが、その外周が金属ホ
ルダ６の内周に外接するようなものが望ましい。一方、
金属ホルダ６の材質は、ガラス材との高温融着性、金属
キャリアとの溶接特性、及び線熱膨張係数の面から選択
される。金属ホルダ６の材質として鉄−ニッケル合金を
用いることによって、良好な高温融着性を得ることがで
きる。この場合、ニッケルの含有率を変えることにより
線熱膨張係数を調整することができるので、金属ホルダ
の同係数をモールドレンズの同係数と一致させることが
できる。固化したガラス材の線熱膨張係数と同等の係数
を有する金属ホルダ６の材質を遺択するか、或いは、金
属ホルダ６の材質の線熱膨張係数と同等の係数を有する
ガラス材の材質を選択することによって、製造後にレン
ズに残留する応力を小さく抑えることができ、しかも、
この金属ホルダ付きモールドレンズの使用可能温度範囲
が拡大される。モールドレンズに残留している応力が小
さくなると、光弾性効果による屈折率の不均一性が生じ
にく《なり、このレンズの光学特性を高く維持すること
ができるようになる。

第３図に第１実施例の変形例を示す。金属ホルダ６の内
周の円周方向に構２０を形成して凹凸とすることによっ
ても、固定強度の増大を図るとともにモールドレンズ１
４の金属ホルダ６からの脱落を防止することができる。

突起ｌ２、溝２０は図示はしないがＵ字型の断面形状に
することによって、応力集中の度合を小さくすることが
できるので、モールドレンズ１４の破損の恐れが少なく
なる。

第４図は第２実施例を示す金属ホルダ付きモールドレン
ズの正面図（ａｌ、（ｂ）　−　（ｂ）線に沿った断面
図わ）である。この実施例では、金属ホルダと軟化した
ガラスとの密着面積を増大させるための凹凸として、金
属ホルダ６の内周に３つの窪み２２を等間隔に形成して
いる。窪み２２の底面には段差が形成されている。そし
て、ガラス材が構２２内においてのみ金属ホルダ６に密
着するようにしている。こうするには、例えば、金型に
よるプレスを行うに際して、金属ホルダ６の内周のａ２
２に相当する部分以外の部分にガラス材との離型性に優
れたスベーサを配しておくとよい。

この構或によると、金属ホルダ６の線熱膨張係数とモー
ルドレンズｌ４の係数とが異なる場合に、製造により発
生した熱応力或いはその他の原因により発生した熱応力
を金属ホルダ６の弾性変形等により緩和することができ
る。その結果、モールドレンズ１４に不所望な歪みが生
じにくくなり、良好な光学特性の維持が可能になる。金
属ホルダ６の内周に凹凸が形成されていない場合でも、
軟化したガラスが金属ホルダの内周を円周方向に略等分
割した位置近傍の部分においてのみ金属ホルダに密着す
るようにすることによって、同様の効果を生じさせるこ
とができる。

第５図は第３実施例を示す金属ホルダ付きモールドレン
ズの正面図（ａ）、（ｂ）　−　（ｂ）線に沿った断面
図ら）である。この実施例では、直方体のｌ側面（図で
は上面）に窪み２８が形成された形状の金属ホルダ２６
を用い、モールドレンズｌ４の外周の一部分に形成され
たフランジ２４が窪み２８内にで金属ホルダ２６と密着
するようにしている。２８ａはガラス材との密着面積を
増大させるために窪み２８内に形成された突起である。

このような構造の金属ホルダ付きモールドレンズを製造
する場合には、プレスに際して金型間のガラス材の側方
に金属ホルダ２６を配置しておくとともに、これまでの
実施例等により説明した方法に準じて行うことができる
。

この構戊によると、金属ホルダ２６の線熱膨張係数とガ
ラスの係数とが大きく異なる場合でも、熱応力は主とし
てフランジ２４の金属ホルダ２６近傍の部分に生じるの
で、複屈折性等の悪影響が出る恐れがない。よって、こ
の構造又は製造方法は、溶接性は良好であるが線熱膨張
係数がガラスと大きく異なる材質を金属ホルダの材質と
して用いる場合に適している。

第６図に第３実施例を適用してなる半導体レーザモジュ
ールの断面構戊を示す。このモジュールは、半導体レー
ザ３０とその出射端から放射された光を集束させる第３
実施例に係る第１レンズｌ４とを所定の位置関係で固定
保持してＬＤアセンブリ３２とし、第１レンズ１４から
の光を集束する第２レンズ３４と集束された光が入射す
る光ファイバ３６とを所定の位置関係で固定保持してフ
ァイバアセンブリ３８とし、これらＬＤアセンブリ３２
及びファイバアセンブリ３８を所定の位置関係で固定保
持して構威されている。ＬＤアセンブリ３２において、
４０は金属キャリアであり、半導体レーザ３０及び回路
基板４２は金属キャリア４０上にＡｕＳｎ接合材等を用
いて接合されている。また、モールドレンズ１４の金属
ホルダ２６は、光軸方向及び光軸に垂直な方向について
のアライメントを行った後、レーザ溶接により金属キャ
リア４０上に固定される。そして、半導体レーザアセン
ブリ３２は、温度安定化装置４４等を介して基板４６上
に固定されている。

この実施例では、比較的大口径な第２レンズ３４には第
１レンズに対する程の高精度な位置決め精度は要求され
ないから、この第２レンズをホルダ４８の内孔に接合材
により固定し、同じくこの内孔に、光ファイバ３６が挿
入固定されたフェルール５０を挿入固定するようにして
いる。光ファイバ３６の端面ばフェルール５０の端面と
ともに光ファイバの軸線に対して斜めに研磨されており
、端面反射を防止している。

５２は両アセンブリ間のｔ目対的な位置関係を維持し且
つＬＤアセンブリ３２の気密封止を行うための筐体であ
り、この筐体５２の下面には基板４６が、側面にはホル
ダ３８がそれぞれレーザ溶接にて固定されている。筐体
５２における光の透過部分には、半導体レーザ３０から
の光を一方向にのみ良好に透過させる光アイソレータ５
６がスペーサ５４を介して設けられている。５８は第ｌ
レンズｌ４と光アイソレータ５６間に設けられた反射防
止膜付気密窓である。

この構或によると、金属ホルダ２６と金萬キャリア４０
はレーザ溶接により固定されており、その他の経時劣化
の恐れがある部分についてもレーザ溶接により固定を行
っているので、光結合効率を長期にわたり安定に維持す
ることができる。また、モールド或型による非球面レン
ズを第１レンズとして用いているので、モジュール組立
て当初から高い結合効率を達或することができる。

この実施例のように高い光結合効率（例えば８０％程度
〉が達或されると、光ファイバ３６の端面を斜めに研磨
していることによる光結合効率の低下を無視し得なくな
る。そこで、このような場合には、端面が斜めに研磨さ
れた光ファイバ３６への最大入射効率を与える入射角を
考慮して、第７図に示すように、第１及び第２レンズ１
４．３４の光軸○Ａに対して光ファイバ３６が斜めにな
るようにする。即ち、光ファイバ３６への入射光軸が上
記光軸ＯＡと一致するようにする。光ファイバ３６と上
記光ｌ＋１１０Ａとがなす角θ２　はファイバ端面の傾
斜角度θ１　に応じて決定される。例えば、θ１　＝６
゜の場合には、θ２　＝３゜とすることによって、θ２
−０゜のときと比較して光結合効率を０．４ｄＢ程度改
善することができる。このように光ファイバ３６を斜め
に配置するためには、例えば、フエルール５０が挿入固
定されるホルダ４８の内孔の一部を斜めに形成すればよ
い。

発明の効果 以上税明したように、本発明によれば、高い先結合効率
を得ることができ、且つ、光結合効率を長期間安定に維
持することができる光半導体モジュールの提供が可能に
なるという効果を奏する。

また、この種の光半導体モジュールに適した金属ホルダ
付きモールドレンズ及びその製造方法の提供が可能にな
るという効果を奏する。

本発明によると、レンズ光軸が金属ホルダの外形に対し
て高い精度で位置確定された金属ホルダ付きモールドレ
ンズを低コストで大量に提供することができるようにな
るから、加入者向けへの低コストなモジュールの量産に
寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は発明の原理説明図、 第２図は第１実施例を示す金属ホルダ付きモールドレン
ズの正面図（ａ）及びら）一ら）線に沿った断面図Ｃｂ
）、 第３図は第ｌ実施例の変形例を示す金属ホルダ付きモー
ルドレンズの断面図、 第４図は第２実施例を示す金属ホルダ付きモールドレン
ズの正面図（ａ）及び（ｂ）　−　（ｂＪ線に沿った断
面図（ｂ）、 第５図は第３実施例を示す金属ホルダ付きモールドレン
ズの正面図（ａ）及び（ｂ）　−　（ｂ）線に沿った断
面図ら）、 第６図は第３実施例を適用してなる半導体レーザモジュ
ールの断面図、 第７図は半導体レーザモジュールの変形例の説明図であ
る。 ２， ４・・・金型、 ６， ２ ６・・・金属ホルダ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、加熱して軟化したガラスを金型（２、４）によりプ
   レスして上記金型（２、４）の表面形状の一部をガラス
   に転写するようにしたモールドレンズの製造方法におい
   て、 円環状の金属ホルダ（６）をその中心線が上記金型（２
   、４）によるプレス方向と概略平行になるように上記金
   型（２、４）間のガラスの周囲に配置しておき、 プレスにより押し出されたガラスが上記金属ホルダ（６
   ）の内周に密着するようにしたことを特徴とする金属ホ
   ルダ付きモールドレンズの製造方法。 ２、上記金属ホルダ（６）の内周には軟化したガラスと
   の密着面積を増大させるための凹凸が形成されているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の金属ホルダ付きモール
   ドレンズの製造方法。 ３、軟化したガラスが上記金属ホルダ（６）の内周を円
   周方向に略等分割した位置近傍の部分においてのみ上記
   金属ホルダ（６）に密着するようにしたことを特徴とす
   る請求項１又は２に記載の金属ホルダ付きモールドレン
   ズの製造方法。 ４、加熱して軟化したガラスを金型によりプレスして上
   記金型の表面形状の一部をガラスに転写するようにした
   モールドレンズの製造方法において、 プレスにより押し出されたガラスが充填される窪み（２
   ８）が形成された金属ホルダ（２６）を上記金型間のガ
   ラスの側方に配置しておくことを特徴とする金属ホルダ
   付きモールドレンズの製造方法。 ５、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法により製造
   された金属ホルダ付きモールドレンズ。 ６、光半導体素子と、光ファイバと、該光半導体素子及
   び光ファイバを光学的に結合する単一又は複数のレンズ
   と、これら光半導体素子、光ファイバ及びレンズを所定
   の位置関係で固定保持する、金属部分を有するフレーム
   とを備えた光半導体モジュールにおいて、 上記レンズ又はその一部は請求項５に記載の金属ホルダ
   付きモールドレンズであり、 該金属ホルダ付きモールドレンズは、その金属ホルダを
   上記フレームの金属部分にレーザ溶接固定されているこ
   とを特徴とする光半導体モジュール。 ７、請求項６に記載の光半導体モジュールにおいて、 上記光ファイバの端面は該光ファイバの中心線に対して
   斜めに形成されており、 上記光ファイバの入射光軸又は出射光軸は上記光半導体
   素子及びレンズの光軸に一致するようにされていること
   を特徴とする光半導体モジュール。