JP2004294636A - 光モジュールおよびこれを備えた光コネクタ - Google Patents

Abstract

【課題】組立効率を向上することができるとともに、部品点数を削減することができ、ひいては製造コストの低廉化を図ることができる光学特性に優れた光モジュールおよびこれを備えた光コネクタを提供すること。
【解決手段】ホルダ３、レンズ１２および光量減衰手段が、樹脂材料によって一体成形され、前記光量減衰手段が、高次の回折光の光ファイバ８との結合を妨げる回折格子１３とされていること。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光モジュールおよびこれを備えた光コネクタに係り、特に、光ファイバを用いた高速・大容量の光通信を行うのに好適な光モジュールおよびこれを備えた光コネクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、データ通信のさらなる高速化・大容量化にともなって、光ファイバを用いた光ファイバ通信技術の要請がさらに高まりつつある。
【０００３】
このような光ファイバ通信に用いられる光モジュールは、ホルダ内に、光電変換素子パッケージ（例えば、半導体レーザ等の半導体発光素子又はフォトダイオード等の半導体受光素子が収容されたパッケージ）と、光ファイバの端面を保持するフェルールと、レンズとを収容することによって構成されている。
【０００４】
そして、このような光モジュールは、光電変換素子パッケージ内の光電変換素子とフェルールによって保持された光ファイバとをレンズを介して光学的に結合させることによって光通信を可能ならしめている。
【０００５】
このような光モジュールとしては、これまでにも、例えば、特許文献１及び特許文献２に示す光モジュールが提案されているが、これらの光モジュールは、光電変換素子パッケージ、フェルールおよびレンズがそれぞれ別体であるため、ホルダ内に収容する際に調心作業を行って各部品の光軸を合わせなければならなかった。従って、これらの光モジュールは、作業効率、組立効率が良好なものとはいえなかった。
【０００６】
そこで、本出願人は鋭意研究した結果、特願２００３−０２６６５６号に係る発明において、レンズとホルダとをプラスチックによって一体成形した光モジュールを提案した。この光モジュールによれば、レンズの光軸とホルダの軸線との位置合わせが不要になるため、光モジュールの組み立て作業が容易化し、ひいては光モジュールの生産効率を向上させることができる。
【０００７】
さらに、最近の動向としては、光モジュールの新たな形態として、光電変換素子パッケージと光ファイバとの間を通る光の光量を減衰させる光量減衰フィルタを備えた光モジュールが求められるようになっている。
【０００８】
このような光量減衰フィルタは、半導体発光素子側において電圧−電流特性が安定した領域で光を発光させ、一方で、半導体受光素子側に強すぎる光が入射することによって通信エラーが生じてしまうことを防止すること等を目的として、例えば、ホルダ内における光電変換素子パッケージとレンズとの間に配置されていた。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−３００９９４号公報（段落番号００１６〜００１９，図６および図７参照）
【特許文献２】
特開２００２−４３６７５公報（段落番号００２１〜００２５，図４参照）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これまでに提案されている光量減衰フィルタを備えた光モジュールは、光量減衰フィルタがホルダやレンズとは別体のものであるため、組立効率が悪く、また、部品点数も多くなってしまっていた。
【００１１】
これにより、光量減衰フィルタを備えた光モジュールを安価に製造することができないといった問題が生じており、この問題を解決するための手段については、未だに有効な提案がなされていないのが実情であった。
【００１２】
本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、組立効率を向上することができるとともに、部品点数を削減することができ、ひいては製造コストの低廉化を図ることができる光学特性に優れた光モジュールおよびこれを備えた光コネクタを提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明の請求項１に係る光モジュールの特徴は、光軸方向の一端側に、光電変換素子が収容された光電変換素子パッケージを取付けるための光電変換素子パッケージ取付穴が形成され、他端側に、光ファイバをフェルールとともに取付けるための光ファイバ取付穴が形成されたホルダと、前記ホルダにおける前記光電変換素子パッケージ取付穴と前記光ファイバ取付穴との間に配設されたレンズと、前記光電変換素子から出射された光の光量を前記光ファイバに入射する前に減衰させる光量減衰手段とを備え、前記レンズを介して前記光電変換素子と前記光ファイバとを光学的に結合する光モジュールにおいて、
前記ホルダ、前記レンズおよび前記光量減衰手段は、樹脂材料によって一体成形され、前記光量減衰手段は、高次の回折光の前記光ファイバとの結合を妨げる回折格子とされている点にある。
【００１４】
この請求項１に係る発明によれば、光量制御手段をレンズおよびホルダとともに一体的に形成することによって組立効率を向上するとともに部品点数を削減することが可能となり、さらに、光量制御手段として高次の回折光が光ファイバと結合することを妨げる回折格子を用いることによって、通信エラーの発生を簡便かつ有効に防止することが可能となる。これにあわせて、回折格子によって光電変換素子側に反射された光を、光ファイバに対する光の入射が適正に行われているか否かを判断するためのモニタ光として扱えば、さらに適正な光通信を行うことが可能となる。
【００１５】
請求項２に係る光モジュールの特徴は、請求項１において、前記回折格子が、次の条件式、Ｐ＜λ／〔ｓｉｎ［ｔａｎ^−１ ｛ｔａｎθ_ＮＡ ＋Φ／Ｌ｝］−ｓｉｎθ_ＮＡ 〕（但し、Ｐ：回折格子のピッチ、λ：使用波長、Φ：光ファイバの直径、Ｌ：光ファイバの端面から回折格子までの距離、θ_ＮＡ ：光ファイバの開口数（ＮＡ）を与える角度（ＮＡ＝ｓｉｎθ_ＮＡ ））を満足し、０次の回折光のみを前記光ファイバに結合させるようにしたものである点にある。
【００１６】
この請求項２に係る発明によれば、さらに通信エラーを有効に防止してより適正な光通信を行うことが可能となり、また、そのような適正な光通信を行う光モジュールを、（１）式による統一された条件の下で画一的に設計することができるため、さらに生産性を向上することが可能となる。
【００１７】
請求項３に係る光コネクタの特徴は、光軸方向の一端側に、光電変換素子が収容された光電変換素子パッケージを取付けるための光電変換素子パッケージ取付穴が形成され、他端側に、光ファイバをフェルールとともに取付けるための光ファイバ取付穴が形成されたホルダ、前記ホルダにおける前記光電変換素子パッケージ取付穴と前記光ファイバ取付穴との間に配設されたレンズおよび前記光電変換素子から出射された光の光量を前記光ファイバに入射する前に減衰させる光量減衰手段を有し、前記ホルダ、前記レンズおよび前記光量減衰手段が、樹脂材料によって一体成形された光モジュールと、この光モジュールを収容保持するハウジングとを備え、前記レンズを介して前記光電変換素子と前記光ファイバとを光学的に結合する光コネクタにおいて、前記光量減衰手段は、高次の回折光の前記光ファイバとの結合を妨げる回折格子とされている点にある。
【００１８】
この請求項３に係る発明によれば、光量制御手段をレンズおよびホルダとともに一体的に形成することによって組立効率を向上するとともに部品点数を削減することが可能となり、さらに、光量制御手段として高次の回折光が光ファイバと結合することを妨げる回折格子を用いることによって、通信エラーの発生を簡便かつ有効に防止することが可能となる。
【００１９】
請求項４に係る光コネクタの特徴は、請求項３において、前記回折格子が、次の条件式、Ｐ＜λ／〔ｓｉｎ［ｔａｎ^−１ ｛ｔａｎθ_ＮＡ ＋Φ／Ｌ｝］−ｓｉｎθ_ＮＡ 〕（但し、Ｐ：回折格子のピッチ、λ：使用波長、Φ：光ファイバの直径、Ｌ：光ファイバの端面から回折格子までの距離、θ_ＮＡ ：光ファイバの開口数（ＮＡ）を与える角度（ＮＡ＝ｓｉｎθ_ＮＡ ））を満足し、０次の回折光のみを前記光ファイバに結合させるようにしたものである点にある。
【００２０】
この請求項４に係る発明によれば、さらに通信エラーを有効に防止してより適正な光通信を簡便に行うことが可能となり、また、生産性を向上することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光モジュールおよびこれを備えた光コネクタの実施形態について、図１乃至図４を参照して説明する。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態における光モジュール１は、光軸２に沿って長尺とされたホルダ３を有しており、このホルダ３は、例えば、ＰＥＴ（ポリエーテルイミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）やＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）等の光透過性のプラスチック等からなる樹脂材料を射出成形することによって形成されている。
【００２３】
ホルダ３における光軸２方向の一端側（図１における右端側）には、光軸２に沿って光電変換素子パッケージ取付穴４が形成されており、この光電変換素子パッケージ取付穴４には、図２に示すように、光電変換素子の一例としての半導体レーザ等の半導体発光素子が収容された光電変換素子パッケージ６が取付けられるようになっている。
【００２４】
一方、ホルダ３における光軸２方向の他端側（図１における左端側）には、光軸２に沿って光ファイバ取付穴７が形成されており、この光ファイバ取付穴７には、図２に示すように、光ファイバ８が、この光ファイバ８のファイバコア９の端面を保持するフェルール１０とともに着脱可能に取付けられるようになっている。
【００２５】
ホルダ３における光電変換素子パッケージ取付穴４と光ファイバ取付穴７との間には、光電変換素子パッケージ６側に凸面を有するレンズ１２が配置されており、このレンズ１２は、ホルダ３と一体成形によって形成されている。
【００２６】
そして、本実施形態において、レンズ１２に対して光ファイバ８側となる面には、半導体発光素子から出射された光の光量を光ファイバ８に入射する前に減衰させる光量減衰手段としての回折格子１３が、ホルダ３と一体成形によって形成されている。
【００２７】
この回折格子１３は、半導体発光素子から出射されてレンズ１２によって集光された光を、光の回折を利用して複数の回折次数の回折光に分光し、分光した回折光のうち、高次の回折光については、光ファイバ８と結合しないようになっている。
【００２８】
従って、回折格子１３によって半導体発光素子から光ファイバ８に対して強すぎる光が入射されることを防ぐことができるため、通信エラーの発生を有効に防止することができる。さらに、回折格子１３をホルダ３と一体成形することによって、部品点数を削減してすることができ、また、回折格子１３をホルダ３内に組み込む工程を省くことができるため、光モジュール１の組立効率を向上することができる。
【００２９】
なお、回折格子１３によって半導体発光素子側に反射された光を、光ファイバ８に対する光の入射が適正に行われているか否かを判断するためのモニタ光として扱えば、さらに適正な光通信を行うことができる。
【００３０】
より好ましい実施形態としては、回折格子１３を、０次の回折光のみを光ファイバ８の端面に結合させる回折格子１３とし、このためには、次の（１）に示す条件式を満足するようにする。
【００３１】
Ｐ＜λ／〔ｓｉｎ［ｔａｎ^−１ ｛ｔａｎθ_ＮＡ ＋Φ／Ｌ｝］−ｓｉｎθ_ＮＡ 〕 （１）
但し、（１）式におけるＰは、回折格子１３のピッチ、λは、使用波長、Φは、光ファイバ８の直径（コア径）、Ｌは、光ファイバ８の端面から回折格子１３の回折面１６までの距離、θ_ＮＡ は、光ファイバ８の開口数（ＮＡ）を与える角度（ＮＡ＝ｓｉｎθ_ＮＡ ）である。
【００３２】
ここで、（１）式は、０次の回折光のみが光ファイバ８に結合する条件、すなわち、１次以降の回折光が光ファイバ８に結合しないための条件であり、以下に示す過程を経て導出されたものである。
【００３３】
すなわち、まず、回折格子１３によって回折された光が、光ファイバ８に結合する条件は、光ファイバ８の端面に対する回折光の入射角θ_ｉｎ と、光ファイバ８の開口数ＮＡとを用いて次式で表される。
【００３４】
ｓｉｎθ_ｉｎ ≦ＮＡ （２）
ここで、ＮＡを与えるような角度をθ_ＮＡ （ＮＡ＝ｓｉｎθ_ＮＡ ）とおけば、０≦θ_ｉｎ ≦π／２、０≦θ_ＮＡ ≦π／２であるから、（２）式は、次式に置き換えることができる。
【００３５】
θ_ｉｎ ≦θ_ＮＡ （３）
さて、回折光の回折角θ_ｍ （ｍ：次数）は、高次のものほど大きいから、θ_１ ＜θ_（２≦_ｍ） となる。よって、光ファイバ８の端面に対する入射角も高次のものほど大きくなる。
【００３６】
したがって、０次の回折光のみが光ファイバ８に結合する条件を求めるためには、１次の回折光が光ファイバ８に結合しない条件を求めればよい。
【００３７】
そこで、図３に示すように、光軸２を通る平面において、回折面１６上の任意の点Ｉに入射角θで入射する任意の光線ｌを考える。
図３において、回折面１６と光ファイバ８の端面とが平行である場合に、光軸２から点Ｉでの距離をｈとすると、このｈは、光線ｌが回折面１６を透過する際に生じる０次の回折光ｌ_０ （回折角：θ_０ ）が光ファイバ８に結合する範囲において、θ_０ ＝θ_ＮＡ のときに最大となり得る。
【００３８】
したがって、ｈは、次式で表される。
【００３９】
ｈ≦Ｌｔａｎθ_ＮＡ ＋Φ／２ （４）
即ち、０次の回折光がθ_ＮＡ で、かつ、０次の回折光が図３中の光ファイバ８の上端に入射するときにｈは最大となり、ｈがこの値を超えると０次の回折光は光ファイバ８の端面に達しないか、達したとしても、光ファイバ８の端面に対する入射角がθ_ＮＡ を超えて光ファイバ８に結合しなくなってしまう。
【００４０】
一方、全ての１次の回折光ｌ_１ が光ファイバ８の端面に結合しない条件を幾何学的に求めると、次式で表される。
【００４１】
Ｌｔａｎθ_１ ＞ｈ＋Φ／２ （５）
なお、（５）式におけるθ_１ は、１次回折光ｌ_１ の回折角である。
【００４２】
（５）式から、１次の回折光の回折角が次の（６）に示す条件式を満足するときに１次以上の高次の回折光が光ファイバ８に結合しないこととなる。
【００４３】
θ_１ ＞ｔａｎ^−１ ｛（ｈ＋Φ／２）／Ｌ｝ （６）
前述したように、０次の回折光が光ファイバ８に結合する範囲において、θ_０ ＝θ_ＮＡ のときにｈは最大値を採り得る。
【００４４】
ここで、ｔａｎ^−１ ｘの値は、ｘの増加にともなって増加するから、（６）式にｈの最大値（ｈ＝Ｌｔａｎθ_ＮＡ ＋Φ／２）を代入して得られる関係は、ｈ≦Ｌｔａｎθ_ＮＡ ＋Φ／２の範囲で全てのｈについて成り立つ。
【００４５】
よって、０次の回折光が光ファイバ８に結合し、かつ、１次以上の全ての高次の回折光が光ファイバ８に結合しない条件として、次の（７）に示す条件式が得られる。
【００４６】
θ_１ ＞ｔａｎ^−１ （ｔａｎθ_ＮＡ ＋Φ／Ｌ） （７）
また、回折光は、回折面への入射角θ、回折光の次数ｍ、ｍ次の回折光の回折角θ_ｍ 、波長λ、回折格子１３のピッチＰ、ホルダを形成する樹脂の屈折率ｎを用いて、次式で表される。
【００４７】
ｓｉｎθ_ｍ −ｎｓｉｎθ＝ｍ（λ／Ｐ） （８）
（８）式より、０次の回折光については、次式が成立する。
【００４８】
ｓｉｎθ_０ −ｎｓｉｎθ＝０ （９）
さらに、（８）式より、１次の回折光については、次式が成立する。
【００４９】
ｓｉｎθ_１ −ｎｓｉｎθ＝λ／Ｐ （１０）
そして、（９）式、（１０）式より、次式が得られる。
【００５０】
Ｐ＝λ／（ｓｉｎθ_１ −ｓｉｎθ_０ ） （１１）
ここで、０≦θ_１ ≦π／２、０≦θ_０ ≦π／２、θ_０ ＜θ_１ であるから、θ_０ ＝θ_ＮＡ のときのｈの最大値を代入して得られた（７）式を（１１）式に代入することによって、（１）の条件式が導出される。
【００５１】
このようにすれば、１次以降の高次の回折光が光ファイバ８に結合することを防ぐことができるため、さらに有効に通信エラーの発生を防止することができ、より適正な光通信を行うことができる。また、そのような適正な光通信を行う光モジュール１を、（１）式による統一された条件の下で画一的に設計することができるため、さらに生産性を向上することができる。
【００５２】
なお、以上の構成を有する光モジュール１は、図４に示すように、発光用の光モジュール１としてハウジング１４内に収容され、リード端子１５がハウジング１４内の図示しない電気基板に接続されることによって光コネクタ１７を構成するようになっている。
【００５３】
次に、本実施形態の作用について説明する。
【００５４】
本実施形態における光モジュール１を用いて光通信を行うには、まず、半導体発光素子に対して電気信号を入力すると、この電気信号は、半導体発光素子によって光信号に変換された後、レンズ１２側に向かって出射される。
【００５５】
そして、半導体発光素子から出射された光は、レンズ１２によって集光された後、レンズ１２に対して光ファイバ８側に形成された光量制御手段としての回折格子１３によって回折されることにより、複数の回折次数の回折光に分光される。
【００５６】
このとき、回折格子１３のピッチＰは、（１）式を満足しているため、０次の回折光のみが光ファイバ８と結合し、１次以上の高次の回折光は、光ファイバ８とは結合せずに外側に逃げる。
【００５７】
この結果、光ファイバ８に結合する光の光量を減衰させることができる。
【００５８】
そして、光ファイバ８に結合した光は、ファイバ８内で全反射を繰り返しながら半導体受光素子側へ進行した後、この半導体受光素子によって受光されて電気信号に変換される。
【００５９】
ここで、光ファイバ８から半導体受光素子に結合する光の光量は、回折格子１３によって既に減衰されたものであるため、半導体受光素子に対して強すぎる光が入射されることはない。
【００６０】
これにより、通信エラーのない適正な光通信を行うことができる。
【００６１】
なお、本発明は前記実施形態のものに限定されるものではなく、必要に応じて種々変更することが可能である。
【００６２】
例えば、前述した実施形態においては、光モジュール１として、半導体発光素子を備えた発光側の光モジュール１を例示しているが、これに限る必要はなく、本発明を、半導体受光素子を備えた受光側の光モジュールに適用し、受光する光の光量を調整するようにしてもよい。
【００６３】
また、回折格子１３の断面形状や溝深さによって回折効率を調整するようにしてもよい。この場合においても、ピッチＰを調整する場合と同様に、発光する光の光量や受光する光の光量を調整することができる。なお、回折格子１３の断面形状としては、例えば、方形パルス状、のこぎり波状、台形パルス状、正弦波状等の種々の形状が考えられる。
【００６４】
さらに、光量減衰手段としての回折格子をレンズ１２と半導体発光素子との面に形成するようにしてもよい。
【００６５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、生産性が向上され、量産に適した安価な光モジュールおよびこれを備えた光コネクタを実現することができる。
【００６６】
さらに、本発明によれば、通信エラーを有効に防止して適正な光通信を行うことができる光モジュールおよびこれを備えた光コネクタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光モジュールの実施形態を模式的に示す縦断面図
【図２】本発明に係る光モジュールの実施形態において、ホルダに半導体発光素子および光ファイバを取付けた状態を模式的に示す縦断面図
【図３】本発明に係る光モジュールの実施形態において、回折格子のピッチの条件である式（１）を導出するにあたって参照する参照図
【図４】本発明に係る光コネクタの実施形態を示す概略図
【符号の説明】
１ 光モジュール
２ 光軸
３ ホルダ
４ 光電変換素子パッケージ取付穴
６ 光電変換素子パッケージ
７ 光ファイバ取付穴
８ 光ファイバ
１０ フェルール
１２ レンズ
１３ 回折格子
１４ ハウジング
１７ 光コネクタ

Claims (4)

1. 光軸方向の一端側に、光電変換素子が収容された光電変換素子パッケージを取付けるための光電変換素子パッケージ取付穴が形成され、他端側に、光ファイバをフェルールとともに取付けるための光ファイバ取付穴が形成されたホルダと、
   前記ホルダにおける前記光電変換素子パッケージ取付穴と前記光ファイバ取付穴との間に配設されたレンズと、
   前記光電変換素子から出射された光の光量を前記光ファイバに入射する前に減衰させる光量減衰手段と
   を備え、前記レンズを介して前記光電変換素子と前記光ファイバとを光学的に結合する光モジュールにおいて、
   前記ホルダ、前記レンズおよび前記光量減衰手段は、樹脂材料によって一体成形され、
   前記光量減衰手段は、高次の回折光の前記光ファイバとの結合を妨げる回折格子とされていることを特徴とする光モジュール。
2. 前記回折格子は、次の（１）に示す条件式、
   Ｐ＜λ／〔ｓｉｎ［ｔａｎ^−１ ｛ｔａｎθ_ＮＡ ＋Φ／Ｌ｝］−ｓｉｎθ_ＮＡ 〕 （１）
   但し、Ｐ：回折格子のピッチ
   λ：使用波長
   Φ：光ファイバの直径
   Ｌ：光ファイバの端面から回折格子までの距離
   θ_ＮＡ ：光ファイバの開口数（ＮＡ）を与える角度（ＮＡ＝ｓｉｎθ_ＮＡ ）
   を満足し、０次の回折光のみを前記光ファイバに結合させるようにしたものであることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 光軸方向の一端側に、光電変換素子が収容された光電変換素子パッケージを取付けるための光電変換素子パッケージ取付穴が形成され、他端側に、光ファイバをフェルールとともに取付けるための光ファイバ取付穴が形成されたホルダ、前記ホルダにおける前記光電変換素子パッケージ取付穴と前記光ファイバ取付穴との間に配設されたレンズおよび前記光電変換素子から出射された光の光量を前記光ファイバに入射する前に減衰させる光量減衰手段を有し、前記ホルダ、前記レンズおよび前記光量減衰手段が、樹脂材料によって一体成形された光モジュールと、
   この光モジュールを収容保持するハウジングと
   を備え、前記レンズを介して前記光電変換素子と前記光ファイバとを光学的に結合する光コネクタにおいて、
   前記光量減衰手段は、高次の回折光の前記光ファイバとの結合を妨げる回折格子とされていることを特徴とする光コネクタ。
4. 前記回折格子は、次の（１）に示す条件式、
   Ｐ＜λ／〔ｓｉｎ［ｔａｎ^−１ ｛ｔａｎθ_ＮＡ ＋Φ／Ｌ｝］−ｓｉｎθ_ＮＡ 〕 （１）
   但し、Ｐ：回折格子のピッチ
   λ：使用波長
   Φ：光ファイバの直径
   Ｌ：光ファイバの端面から回折格子までの距離
   θ_ＮＡ ：光ファイバの開口数（ＮＡ）を与える角度（ＮＡ＝ｓｉｎθ_ＮＡ ）
   を満足し、０次の回折光のみを前記光ファイバに結合させるようにしたものであることを特徴とする請求項３に記載の光コネクタ。

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