JP2005331879A - Optical module, optical communications system and electronic equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信システムに好適に用いられる光モジュール、光通信装置及び電子機器に関する。 The present invention relates to an optical module, an optical communication apparatus, and an electronic apparatus that are preferably used in an optical communication system.
近年、情報通信の高速化・大容量化の要請から、光通信システムの開発が進んでいる。
このような光通信システムにおいては、電気信号を光信号に変換する発光素子と光信号を電気信号に変換する受光素子相互間を光ファイバで接続する構成が基本となる。このような発光素子や受光素子などの光素子と光ファイバを着脱あるいは挿脱可能とするために、光素子と光ファィバとを光学的に接続するための光モジュールが利用されている。例えば、特許文献1(特開2000−349307号公報)には、基板に形成された貫通穴を利用して光素子と光ファイバとの位置決めをし得る光モジュールが開示されている。この光モジュールでは、光ファイバと光素子は、光ファイバを貫通孔を介して光素子に突き合わせることにより直接結合されている。
Such an optical communication system basically has a configuration in which a light emitting element that converts an electrical signal into an optical signal and a light receiving element that converts an optical signal into an electrical signal are connected by an optical fiber. An optical module for optically connecting an optical element and an optical fiber is used in order to allow the optical element such as a light emitting element and a light receiving element and an optical fiber to be attached or detached. For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-349307) discloses an optical module that can position an optical element and an optical fiber by using a through hole formed in a substrate. In this optical module, the optical fiber and the optical element are directly coupled by abutting the optical fiber with the optical element through the through hole.
ところで、一般に、短距離での光伝送には、面発光型半導体レーザ(VCSEL)とマルチモード光ファイバとの組み合わせが通信速度及びコストの面から有利とされている。マルチモード光ファイバには、通常、モード分散を抑止するために分散特性が改良されたグレーデッドインデックス(GI)ファイバが使用される。GIファイバには、コア内にクラッドに近づくほど屈折率差が小さくなるような屈折率分布が形成されている。したがって、特許文献1の光通信モジュールのように面発光型半導体レーザとGIファイバを直接結合した場合、面発光型半導体レーザの放射角が大きく、面発光型半導体レーザと光ファイバとの距離が長くなると、放射角の大きな外側の光はGIファイバの中心から離れたNAの小さい部分にしか入射できなくなり、GIファイバとカップリングができなくなるという現象が生じる。ここで、面発光型半導体レーザはマルチモード発光であり、放射角が大きな光ほど高次モードで発光しており、この外側の高次モードの光がGIファイバにカップリングできなくなるので信号に歪みが生じてしまう。また、一方で、面発光型半導体レーザとGIファイバとを直接結合する場合には、面発光型半導体レーザとGIファイバの調整マージンが小さいので、位置ズレによる信号品質の劣化が著しくなる。
By the way, in general, a combination of a surface-emitting type semiconductor laser (VCSEL) and a multimode optical fiber is advantageous for optical transmission over a short distance in terms of communication speed and cost. For a multimode optical fiber, a graded index (GI) fiber with improved dispersion characteristics is usually used to suppress modal dispersion. In the GI fiber, a refractive index distribution is formed so that the refractive index difference becomes smaller in the core as it approaches the cladding. Therefore, when the surface emitting semiconductor laser and the GI fiber are directly coupled as in the optical communication module of
そこで、本発明は、マルチモードのレーザ光を利用した場合の信号歪みを低減し、光ファイバと発光素子との位置ズレによる信号品質の劣化を低減し得る光通信モジュール、光通信装置及び電子機器を提供することを目的としている。 Accordingly, the present invention provides an optical communication module, an optical communication apparatus, and an electronic apparatus that can reduce signal distortion when using multimode laser light and can reduce signal quality degradation due to positional deviation between an optical fiber and a light emitting element. The purpose is to provide.
上記課題を解決するために、本発明は、マルチモードのレーザ光を発振する発光素子(レーザ光源)と、前記発光素子と当該発光素子から発振されるレーザ光を伝播する導波路との光軸上に配置され、前記発光素子と前記導波路との光結合を中継する中継導波路と、を備え、前記中継導波路が、コア部がクラッド部に囲まれた構造を有し、コア部とクラッド部との間に階段状の屈折率分布が形成されている光モジュールを提供するものである。 In order to solve the above problems, the present invention provides an optical axis of a light emitting element (laser light source) that oscillates multimode laser light, and a waveguide that propagates the laser light oscillated from the light emitting element. A relay waveguide that relays optical coupling between the light emitting element and the waveguide, and the relay waveguide has a structure in which a core portion is surrounded by a cladding portion, The present invention provides an optical module in which a stepped refractive index distribution is formed between the clad portion and the clad portion.
かかる構成によれば、コア部とクラッド部との間に階段状の屈折率分布が形成された導波路を通過させることで、導波路に入射する光の角度及び入射位置を種々に変更することが可能となる。これにより、導波路への入射位置が発光素子からのレーザ光の出射角により定まっており、一定の光しか導波路と光結合し得ないような場合においても、入射位置と出射角との相関性をなくすことが可能となるので、略均一な分布の信号を伝送することが可能となる。したがって、例えば、出射角とモードに相関性があるレーザ光において、特定の出射角のモードの光のみが入射できず、伝送される信号に歪が生じる等の問題を解消し得る。また、導波路の端面における種々のモード光の入射位置がランダム化されているので、位置調整のためのマージンを大きくすることが可能となり、調整位置ズレによる信号品質の劣化を低減することが可能となる。ここで、階段状の屈折率分布とは、コア部内の屈折率n1が略均一であり、コア部の屈折率n1がクラッド部の屈折率n2より高いもの(n1>n2の関係にあるもの)をいう。 According to such a configuration, the angle and the incident position of light incident on the waveguide can be variously changed by passing the waveguide in which the stepwise refractive index distribution is formed between the core portion and the cladding portion. Is possible. As a result, the incident position to the waveguide is determined by the emission angle of the laser beam from the light emitting element, and even when only a certain amount of light can be optically coupled to the waveguide, the correlation between the incident position and the emission angle is obtained. Therefore, it is possible to transmit a signal having a substantially uniform distribution. Therefore, for example, in a laser beam having a correlation between the emission angle and the mode, only light of a specific emission angle mode cannot be incident, and problems such as distortion in the transmitted signal can be solved. In addition, since the incident positions of various mode lights on the end face of the waveguide are randomized, it is possible to increase the margin for position adjustment, and it is possible to reduce deterioration of signal quality due to misalignment of the adjustment position. It becomes. Here, the stepwise refractive index distribution means that the refractive index n1 in the core part is substantially uniform and the refractive index n1 of the core part is higher than the refractive index n2 of the cladding part (n1> n2). Say.
このような中継導波路としては、例えば、ステップインデックス型の光導波路が用いられ、例えば、ステップインデックス型マルチモード光ファイバから構成される光ファイバ片等が挙げられる。 As such a relay waveguide, for example, a step index type optical waveguide is used, and for example, an optical fiber piece composed of a step index type multimode optical fiber can be used.
本発明の他の態様は、マルチモードのレーザ光を発振する発光素子と、前記発光素子と当該発光素子から発振されるレーザ光を伝播する導波路との光軸上に配置され、前記発光素子と前記導波路との光結合を中継する光ファイバ片と、前記発光素子を搭載し、前記光ファイバ片及び前記導波路を保持する基材と、を備え、前記光ファイバ片がステップインデックス型マルチモード光ファイバから構成される光モジュールを提供するものである。 According to another aspect of the present invention, the light emitting element is disposed on an optical axis of a light emitting element that oscillates multimode laser light, and the light emitting element and a waveguide that propagates laser light oscillated from the light emitting element. And an optical fiber piece that relays optical coupling between the optical waveguide and the waveguide; and a base material that mounts the light emitting element and holds the optical fiber piece and the waveguide. An optical module composed of a mode optical fiber is provided.
かかる構成によれば、ステップインデックス型マルチモード光ファイバから構成される光ファイバ片を通過させることで、導波路に入射する光の角度及び入射位置を種々に変更することが可能となる。これにより、導波路への入射位置が発光素子からのレーザ光の出射角により定まっており、一定の光しか導波路と光結合し得ないような場合においても、このような入射位置と出射角との相関性をなくすことが可能となるので、略均一な分布の信号を伝送することが可能となる。したがって、例えば、出射角とモードに相関性があるレーザ光において、特定の出射角のモードの光のみが入射できず、伝送される信号に歪が生じる等の問題を解消し得る。また、導波路の端面における種々のモード光の入射位置がランダム化されているので、位置調整のためのマージンを大きくすることが可能となり、調整位置ズレによる信号品質の劣化を低減することが可能となる。また、単純な構造で発光素子、光ファイバ片及び導波路の位置決めを精度良く行うことが可能となる。なお、光ファイバ片及びどうは炉を保持する保持手段としては、例えば基材に設けられた貫通孔等の孔部が挙げられる。 According to such a configuration, it is possible to variously change the angle and the incident position of the light incident on the waveguide by passing the optical fiber piece composed of the step index type multimode optical fiber. As a result, the incident position to the waveguide is determined by the emission angle of the laser light from the light emitting element, and even when only a certain amount of light can be optically coupled to the waveguide, such an incident position and an emission angle. Therefore, it is possible to transmit a signal with a substantially uniform distribution. Therefore, for example, in a laser beam having a correlation between the emission angle and the mode, only light of a specific emission angle mode cannot be incident, and problems such as distortion in the transmitted signal can be solved. In addition, since the incident positions of various mode lights on the end face of the waveguide are randomized, it is possible to increase the margin for position adjustment, and it is possible to reduce deterioration of signal quality due to misalignment of the adjustment position. It becomes. Further, the light emitting element, the optical fiber piece, and the waveguide can be accurately positioned with a simple structure. Examples of the holding means for holding the optical fiber piece and the furnace include holes such as through holes provided in the base material.
前記導波路は、例えば、グレーデッドインデックス型の光導波路であり、特に、グレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバ(以下、GIファイバともいう)であると好ましい。GIファイバは、コア内にクラッドに近づくほど屈折率差が小さくなるような屈折率分布が形成されている。したがって、特に、発光素子とGIファイバを直接結合した場合に、放射角の大きな光をカップリングすることができず、信号に歪みが生じ易くなる傾向にあるが、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ(以下、SI光ファイバともいう)からなる光ファイバ片を中継に用いることでかかる不具合を解消することが可能である。 The waveguide is, for example, a graded index optical waveguide, and is preferably a graded index multimode optical fiber (hereinafter also referred to as GI fiber). In the GI fiber, a refractive index distribution is formed such that the refractive index difference decreases as the distance from the cladding increases in the core. Therefore, particularly when the light emitting element and the GI fiber are directly coupled, light having a large radiation angle cannot be coupled and the signal tends to be distorted. However, the step index type multimode optical fiber ( Such an inconvenience can be solved by using an optical fiber piece composed of an SI optical fiber for relaying.
前記光ファイバ片のコア径が、前記光ファイバのコア径と同じか、又は前記光ファイバのコア径よりも小さいことが好ましい。これによれば、光ファイバとのカップリング効率をより向上させることが可能となる。 It is preferable that the core diameter of the optical fiber piece is the same as or smaller than the core diameter of the optical fiber. According to this, the coupling efficiency with the optical fiber can be further improved.
前記光ファイバ片のコア径が、前記光ファイバのコア径より大きいことが好ましい。これによれば、光ファイバの位置調整マージンを大きくすることが可能となると共に、光ファイバに伝送する光量を減衰することが可能となるので、光量調整に用いられる減衰器(アッテネータ)を省略することが可能となる。 The core diameter of the optical fiber piece is preferably larger than the core diameter of the optical fiber. According to this, since it becomes possible to increase the position adjustment margin of the optical fiber and to attenuate the amount of light transmitted to the optical fiber, an attenuator (attenuator) used for light amount adjustment is omitted. It becomes possible.
前記光ファイバ片のNAが、前記光ファイバのNAより大きいことが好ましい。これによれば、光ファイバの角度マージンを拡大することが可能となる。 The NA of the optical fiber piece is preferably larger than the NA of the optical fiber. According to this, the angle margin of the optical fiber can be expanded.
前記光ファイバ片が、少なくとも一部に入射側から出射側に向けてコア径が大きくなるテーパー部位を有していることが好ましい。これによれば、光ファイバ片の入射側と出射側でNAを変えることが可能となる。よって、用途等に応じて、NAを種々に変更可能となり、設計の自由度が広がる。 It is preferable that the optical fiber piece has at least a tapered portion where the core diameter increases from the incident side toward the emission side. According to this, it is possible to change the NA on the incident side and the emission side of the optical fiber piece. Therefore, the NA can be changed in various ways according to the application and the like, and the degree of freedom in design is expanded.
前記光ファイバ片の軸長が、前記光ファイバ片の最大受光角で入射した入射光が4回以上反射し得る長さであることが好ましい。光ファイバ片の最大受光角で入射した入射光が4回以上反射し得る長さであれば、ほぼ安定な光ファイバ片と光ファイバとの結合効率が得られる。 It is preferable that the axial length of the optical fiber piece is a length that allows incident light incident at the maximum light receiving angle of the optical fiber piece to be reflected four times or more. If the incident light incident at the maximum light receiving angle of the optical fiber piece can be reflected four or more times, a substantially stable coupling efficiency between the optical fiber piece and the optical fiber can be obtained.
前記光ファイバ片のカップリング効率を縦軸とし、前記光ファイバ片の長さを横軸としてプロットした際に、前記カップリング効率と前記長さとの関係が、減衰曲線に近似される場合において、前記光ファイバ片の長手方向の長さが、前記減衰曲線が略極大値をとる長さであることが好ましい。これによれば、良好な結合効率が得られる。 When the vertical axis represents the coupling efficiency of the optical fiber piece and the horizontal axis represents the length of the optical fiber piece, when the relationship between the coupling efficiency and the length is approximated by an attenuation curve, The length of the optical fiber piece in the longitudinal direction is preferably such that the attenuation curve takes a substantially maximum value. According to this, good coupling efficiency can be obtained.
本発明の他の態様は、上記光モジュールを備えたことを特徴とする光通信装置である。これによれば、上記光モジュールを備えているので、信頼性の高い光通信装置を提供することが可能となる。 Another aspect of the present invention is an optical communication device including the above optical module. According to this, since the optical module is provided, it is possible to provide a highly reliable optical communication device.
ここで、「光通信装置(光トランシーバ)」とは、光信号の送信にかかる構成(発光素子等)と光信号の受信にかかる構成(受光素子等)の両方を含む装置のみならず、送信に係る構成のみを備える装置(いわゆる光送信モジュール)や受信に係る構成のみを備える装置(いわゆる光受信モジュール)をも含む。 Here, “optical communication device (optical transceiver)” means not only a device including both a configuration related to transmission of an optical signal (such as a light emitting element) and a configuration related to reception of an optical signal (such as a light receiving element), as well as transmission. The apparatus (so-called optical transmission module) provided only with the structure which concerns on this, and the apparatus (so-called optical reception module) provided only with the structure which concerns on reception are also included.
本発明のさらなる他の態様は、上記光モジュールを光送信モジュールとして含み、さらに、前記光ファイバ(導波路)から伝送された光信号を受信するPD(Photo Diode)等の受光素子と、前記光ファイバと前記受光素子との光結合を中継する、GIファイバから構成される光ファイバ片と、を有する光受信モジュールを含む光通信装置である。 Still another aspect of the present invention includes the optical module as an optical transmission module, and further includes a light receiving element such as a PD (Photo Diode) that receives an optical signal transmitted from the optical fiber (waveguide), and the light. An optical communication device including an optical receiving module having an optical fiber piece configured by a GI fiber that relays optical coupling between a fiber and the light receiving element.
かかる構成によれば、受信側に、GIファイバを光ファイバ片として用いているので、レーザ光の広がりが少なく、受光面積を小さくすることが可能となるので、さらなる通信の高速化を図ることが可能となる。 According to such a configuration, since the GI fiber is used as the optical fiber piece on the receiving side, the spread of the laser light is small and the light receiving area can be reduced, so that the communication speed can be further increased. It becomes possible.
本発明の他の態様は、上記光モジュールを備えた電子機器である。これによれば、信頼性の高い電子機器を提供することが可能となる。 Another aspect of the present invention is an electronic device including the optical module. According to this, it becomes possible to provide a highly reliable electronic device.
ここで、「電子機器」とは、電子回路等を用いて一定の機能を実現する機器一般をいい、その構成には特に限定はないが、例えば、パーソナルコンピュータ、PDA(携帯型情報端末装置)、電子手帳などの光を伝送媒体として外部装置等との間の情報通信を行う各種機器が挙げられる。 Here, “electronic device” means a device in general that realizes a certain function using an electronic circuit or the like, and its configuration is not particularly limited. For example, a personal computer, a PDA (portable information terminal device) In addition, various devices that perform information communication with an external device or the like using light such as an electronic notebook as a transmission medium.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る光モジュールの一例を説明するための図であり、図2は、図1の部分拡大図である。図1に示すように、本実施形態の光通信モジュールは、基材11、発光素子13、光ファイバ片21、フェルール15、透光性樹脂膜16、配線膜17、封止材18を含んで構成される。この光通信モジュールと、さらに電子回路等が配置された外部基板30を含んで、光通信装置が構成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram for explaining an example of an optical module according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partially enlarged view of FIG. As shown in FIG. 1, the optical communication module of this embodiment includes a
基材11は、光通信モジュールを構成する各要素を支持するものであり、光ファイバ19を挿入可能な貫通孔12を有する。この基材11は、例えば、ステンレス、アルミニウム、銅等の導電性材料や、ガラス、樹脂、セラミックス等の非導電性材料など種々のものを用いて構成することができる。例えば本実施形態では、セラミックスを用いて基材11を構成する。
The
貫通孔12は、光ファイバ19の周囲に設けられたフェルール15を挿入した際に、貫通孔12の内壁及び光ファイバ片21とフェルール15との間に実質的な隙間が生じない形状に形成される。これにより、貫通孔12に光ファイバ19を固定することが可能となると共に、発光素子13との位置合わせも同時に行うことが可能となる。なお、光ファイバ19にフェルール15が設けられていない場合には、当該光ファイバ19の形状に応じた貫通孔12が形成される。
The through
発光素子13は、透光性樹脂膜16を介して貫通孔12上に配置されており、当該貫通孔12に挿入される光ファイバ19へ向けて複数のモードのレーザ光を含む信号光を出射する。このような発光素子13としては、例えば、面発光型半導体レーザ(VCSEL)などが用いられる。本実施形態では、VCSEL(例えば、波長850nm)を透光性樹脂膜16にフェイスダウンでフリップチップボンディングしている。発光素子13の位置決めは、貫通孔12、光ファイバ14又はフェルール15を基準になされる。
The
マルチモード光ファイバ(導波路)19は、複数のモードが伝播できる光ファイバであり、発光素子13から発振されたマルチモードのレーザ光を他に伝播する役割を果たす。本実施形態では、光ファイバ19として、グレーデッドインデックス(GI)型マルチモード光ファイバ(GIファイバ)を用いる。GIファイバのコア20は、中心から離れるに従って屈折率がほぼ連続的に減少し、クラッドとの境界でクラッドと同じ屈折率になるように形成されている。したがって、GIファイバはコア部20とクラッド部25との間で曲線状(2乗型)の屈折率分布を有している。
The multimode optical fiber (waveguide) 19 is an optical fiber capable of propagating a plurality of modes, and plays a role of propagating the multimode laser light oscillated from the
透光性樹脂膜16は、基材11の片面に貫通孔12全体を覆うように配置されている。発光素子13と光ファイバ19とはこの透光性樹脂膜16を介して光結合している。透光性樹脂膜16は、例えば、ポリイミド、エポキシ樹脂等の光を透過する樹脂を用いて形成することができる。光透過性が良好であり、可撓性を有し、取扱いが容易であるという点からはポリイミド膜が好適に用いられる。また、透光性樹脂膜16と光ファイバ19の接合面には、両者間の隙間を無くし、光ファイバ19と透光性樹脂膜16との間の屈折率の整合を図り、光信号の散乱による光損失を防止するための、屈折率整合材(いわゆるマッチングオイル)を間に浸透させてもよい。これにより、光結合効率を高めることが可能となる。なお、屈折率整合材としては、例えば、後述するアンダーフィル材と同様の透光性を有するエポキシ樹脂などを用いることができる。また、透光性樹脂膜16にFPCを使用したときには、FPCと基板を接着する接着剤又は接着シートを屈折率整合材として使用してもよい。
The
配線膜17は、発光素子13と外部基板30上に配置された図示しない外部の電子回路(外部回路)等との間の信号伝送を担うものであり、例えば銅などの導電体を用いて透光性樹脂膜16上に所定の形状(配線パターン)に形成されている。発光素子13の高速動作に対応するためには、透光性樹脂膜16と配線膜17とを含んで、高周波信号の伝送に適したマイクロストリップラインを構成していることが好ましい。
The
封止材18は、必要に応じて、発光素子13を保護するために発光素子13の全体を覆うようにして透光性樹脂膜16上に形成される。このような封止材18としては、例えばエポキシ樹脂等が用いられる。
光ファイバ片21は、発光素子13と光ファイバ19との光信号の授受を中継する役割を担う。すなわち、光ファイバ片21は、発光素子13からの複数のモードを含むレーザ光を光ファイバ19に導き、両者を光結合させるものである。また、本発明で用いられる光ファイバ片21は、ステップインデックス型マルチモードファイバ(SIファイバ)から構成されており、発光素子13から発振されたレーザ光は、光ファイバ片21の中で複雑に反射を繰り返し、入射光とは異なる様々な角度や出射位置から出射されることになる。これにより、光ファイバ19端面における入射位置や入射角度も様々に変化するので、発光素子13の放射角と光ファイバ19端面における入射位置との相関関係をなくすことが可能となる。よって、入射位置とレーザ光のモードとの相関関係をなくすことができ、種々のレーザ光を満遍なく光ファイバ19に入射することが可能となる。
The sealing
The
なお、SIファイバは、コア部の周囲をクラッド部で覆われた構造を有しており、コア部とクラッド部との間で階段状の屈折率分布を有する。 The SI fiber has a structure in which the periphery of the core part is covered with a clad part, and has a step-like refractive index distribution between the core part and the clad part.
光ファイバ片(中継導波路)21の作用について、VCSEL(発光素子13)とGIファイバ(光ファイバ19)との光結合の観点からより詳細に説明する。 The operation of the optical fiber piece (relay waveguide) 21 will be described in more detail from the viewpoint of optical coupling between the VCSEL (light emitting element 13) and the GI fiber (optical fiber 19).
GIファイバのコア20の開口数(NA)は、中心部が最も大きく、中心から離れるに従い徐々に減少し、クラッドとの境界で0となる。例えば、コア径50μm、NA0.21(空気中では、片側12.1度)のGIファイバのNA分布は、下記式(1)のように表される。
The numerical aperture (NA) of the
VCSELとGIファイバとのダイレクトカップリング(直接結合)を行った場合、VCSELとGIファイバ間の距離によっては、放射角の大きな外側のビームがGIファイバのNAの限界を超えてしまい、光結合できない光成分が生じる場合がある(図16参照)。通常、マルチモード発振しているVCSELでは、発振モードと放射角との間に依存性があり、特定のモードは特定の角度で放射される。一般に、高次モードほど放射角が大きくなる傾向にあり、ここで、特定角度以上の放射角で放射された光が全て入射し得ないとすると、特定のモード(特に高次モード)が入射できないことになる。レーザ光の発光特性(I−L特性)は、全モードの光量の和により決定されるので、このように特定のモードが入射できないとI−L特性に歪みが生じ、その結果、伝送される光信号が歪んでしまうという不具合が生じる。 When direct coupling (direct coupling) between the VCSEL and the GI fiber is performed, depending on the distance between the VCSEL and the GI fiber, the outside beam with a large radiation angle exceeds the NA limit of the GI fiber, and optical coupling cannot be performed. A light component may be generated (see FIG. 16). Usually, in a VCSEL that oscillates in a multimode, there is a dependency between an oscillation mode and a radiation angle, and a specific mode is emitted at a specific angle. In general, the higher the mode, the larger the radiation angle tends to be. Here, if all the light emitted at a radiation angle greater than a specific angle cannot be incident, a specific mode (especially a higher mode) cannot be incident. It will be. Since the light emission characteristic (IL characteristic) of the laser beam is determined by the sum of the light amounts of all modes, if the specific mode cannot be incident in this way, the IL characteristic is distorted and transmitted as a result. There is a problem that the optical signal is distorted.
GIファイバに結合可能な放射角は、上記式(1)と下記NAの定義式(2)より求められる。 The radiation angle that can be coupled to the GI fiber is obtained from the above equation (1) and the following NA definition equation (2).
ここで、例えば、VCSELの放射角(開口数NA)をNA=0.25(空気中では、片側14.5度)、VCSELの発光点からGIファイバの入口(端面)までの光学距離LをL=70μm(空気中)とすると、R=12.8μm、NA=0.18(空気中では、片側10.4度)以内の光しか結合されない。また、VCSELの出射部は、例えば直径10μm程度の円形であるので、実効NAはさらに小さくなる。 Here, for example, the emission angle (numerical aperture NA) of the VCSEL is NA = 0.25 (in air, 14.5 degrees on one side), and the optical distance L from the emission point of the VCSEL to the entrance (end face) of the GI fiber is When L = 70 μm (in air), only light within R = 12.8 μm and NA = 0.18 (in air, 10.4 degrees on one side) is coupled. Further, since the emission part of the VCSEL has a circular shape with a diameter of about 10 μm, for example, the effective NA is further reduced.
ここで、VCSELとGIファイバ間で位置ズレが生じると、さらに、光結合可能な光束が限定されてしまう。したがって、VCSELとGIファイバとの位置調整にはかなりの精度が要求される。 Here, if a positional shift occurs between the VCSEL and the GI fiber, the light beam that can be optically coupled is further limited. Therefore, considerable accuracy is required for position adjustment between the VCSEL and the GI fiber.
しかし、上記のような光ファイバ片21によれば、VCSELから発せられたレーザ光がGIファイバに至る前に、各モードの光の光路を変更し、放射角と発振モードの依存性をなくすことが可能となる。したがって、ほぼ全てのモードの光を少しずつGIファイバと結合することが可能となり、モードの偏りが低減され、伝送される信号の歪みが改善されることになる。
However, according to the
次に、基材11との関係で好ましい長さ及び配置について簡単に説明する。光ファイバ片21は、基材11の一方面(第1の面)23と他方面(第2の面)24との間の距離よりも短い軸長の断片であり、基材11の上面側23に片寄って配置される。光ファイバ片21と、挿入する光ファイバの径は略同径のものが用いられる。光ファイバ片21は、貫通孔12により位置決めされ、貫通孔12内に圧入又は接着等することにより固定される。また、光ファイバ片21は、光ファイバ19を挿脱する際の衝撃が、発光素子13に直接伝わらないようにする役割も担う。これにより、光通信モジュールの寿命を長くすることが可能となる。光ファイバ片21の周囲には、必要に応じてフェルール22が形成されていてもよい。
Next, a preferable length and arrangement in relation to the
光ファイバ片21の好ましい長さについて、光ファイバ19との結合効率の観点から説明する。光ファイバ片21と光ファイバ19との結合効率と、光ファイバ片21の長さとの関係について、コンピュータシュミレーションにより計算を行った。なお、計算を単純化するため、模式的に光ファイバ片21のコア部の中点を含む光ファイバ片21の軸に平行な面内を通過する光のみについて計算を行った。光ファイバ片21のコア内屈折率は1.5とし、VCSEL(発光素子13)と光ファイバ片21との間の屈折率は1.5とした。また、GIファイバ(光ファイバ19)は、コア径50μm、NA0.21とした。結果を図3〜図11に示す。
The preferable length of the
図3は、計算に用いたVCSEL(発光素子13)の放射角と出力との関係を示す図である。ここで、出力(パワー)は、光量の最大値を基準とした時の相対値で示した。図3に示されるように、VCSELはリング状の放射特性を有していることがわかる。 FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the radiation angle of the VCSEL (light emitting element 13) used for the calculation and the output. Here, the output (power) is shown as a relative value when the maximum value of the light amount is used as a reference. As shown in FIG. 3, it can be seen that the VCSEL has a ring-like radiation characteristic.
図4は、光ファイバ片21のコア径を50μmの際の光ファイバ片21の長さと、光ファイバ片21とGIファイバとの結合効率との関係を示すグラフである。図4に示すように、光ファイバ片21の長さ(軸長)により結合効率(カップリング効率)は変動し、減衰曲線を描き、光ファイバ片21の軸長が光ファイバ片21の最大受光角で入射した入射光が4回以上反射し得る長さとなった場合に所定の結合効率に集束(安定化)する。したがって、光ファイバ片21の長さは、入射光が4回以上反射し得る長さとすれば、良好の結合効率が得られるので好ましい。なお、1回の反射に要する長さは、コア径×コアの屈折率/NA=0.05×1.5/0.21=0.357なので、4回反射では約1.43mmとなると考えられる。この減衰曲線が極大値及び極小値を示す長さの光ファイバ片21を用いた場合の各長さL(図4中のa〜f点における長さ)における放射角と相対光量の計算結果について図5〜図10に示す。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the length of the
図5(点aに該当)は、光ファイバ片21のコア径φ=50μm、長さL=105μmの場合の放射角と相対光量の計測結果を示す。なお、ここでL=105μmは、光学距離70μmのダイレクトカップリングに相当する。この際の結合効率は、73.6%と良好な値が得られている。
FIG. 5 (corresponding to the point a) shows the measurement result of the radiation angle and the relative light quantity when the core diameter φ of the
図6(点bに該当)は、光ファイバ片21のコア径φ=50μm、長さL=305μmの場合の放射角と相対光量の計測結果を示す。この際の結合効率は、23.3%と低く、また、放射角約6度より大きな光についてはカップリングされておらず、信号歪が大きい。
FIG. 6 (corresponding to the point b) shows the measurement result of the radiation angle and the relative light quantity when the core diameter φ of the
図7(点cに該当)は、光ファイバ片21のコア径φ=50μm、長さL=425μmの場合の放射角と相対光量の計測結果を示す。この際の結合効率は、76.5%と良好な値が得られており、また、比較的大きな放射角の光までカップリングされている。
FIG. 7 (corresponding to the point c) shows the measurement results of the radiation angle and the relative light quantity when the core diameter φ of the
図8(点dに該当)は、光ファイバ片21のコア径φ=50μm、長さL=675μmの場合の放射角と相対光量の計測結果を示す。この際の結合効率は、49.7%と低く、また、放射角約8度より大きな光についてはカップリングされておらず、信号歪が大きい。
FIG. 8 (corresponding to the point d) shows the measurement result of the radiation angle and the relative light quantity when the core diameter φ of the
図9(点eに該当)は、光ファイバ片21のコア径φ=50μm、長さL=825μmの場合の放射角と相対光量の計測結果を示す。この際の結合効率は、66%と良好な値が得られており、また、比較的大きな放射角の光までカップリングされている。
FIG. 9 (corresponding to the point e) shows the measurement result of the radiation angle and the relative light quantity when the core diameter φ of the
図10(点fに該当)は、光ファイバ片21のコア径φ=50μm、長さL=1500μmの場合の放射角と相対光量の計測結果を示す。この際の結合効率は、63.5%と良好であり、また、比較的大きな放射角の光までカップリングされている。
FIG. 10 (corresponding to the point f) shows the measurement result of the radiation angle and the relative light quantity when the core diameter φ of the
また、図11は、光ファイバ片21のコア径φ=50μm、長さL=10000μm(10mm)の場合の放射角と相対光量の計測結果を示す。この際の結合効率は、63.2%と良好で、また、ケラレ(光が光結合し得ない状態)も細分化されており、比較的大きな放射角の光をも含めほぼ全ての放射角の光が万遍なくカップリングされ、良好な結果が得られている。
FIG. 11 shows the measurement results of the radiation angle and relative light quantity when the
本実施形態によれば、SIファイバから構成される光ファイバ片21を通過させることで、導波路19としてのGIファイバに入射する光の角度及び入射位置を種々に変更することが可能となる。これにより、GIファイバへの入射位置が発光素子13からのレーザ光の出射角により定まり、一定の光しか導波路19と光結合し得ないような場合においても、このような入射位置と出射角との相関性をなくすことが可能となるので、略均一な分布の信号を伝送することが可能となる。したがって、例えば、出射角とモードに相関性があるレーザ光において、特定の出射角のモードの光のみが入射できず、伝送される信号に歪が生じる等の問題を解消し得る。また、導波路19の端面における種々のモード光の入射位置がランダム化されているので、位置調整のためのマージンを大きくすることが可能となり、調整位置ズレによる信号品質の劣化を低減することが可能となる。また、単純な構造で発光素子13、光ファイバ片21及び導波路19の位置決めを精度良く行うことが可能となる。よって、高品質で高速伝送可能な光モジュールを安価に歩留まりよく提供することが可能となる。
According to the present embodiment, it is possible to variously change the angle and the incident position of the light incident on the GI fiber as the
なお、上記例において、光ファイバ片21のコア径は、導波路19としての光ファイバのコア径と同じ大きさであったが、これに限定されず、例えば、光ファイバ片21のコア径は、光ファイバ19のコア径よりも小さくてもよい。上記例において、NA0.21以上の光や上記(1)式の条件に当てはまらない光束は光ファイバ19とカップリングされず、クラッド部25を抜けて消滅してしまう。しかし、光ファイバ片21のコア径が光ファイバ19のコア径よりも小さければ、カップリング効率を向上させることが可能となる。
In the above example, the core diameter of the
図12に、光ファイバ片21のコア径φ=35μm、長さL=10000μmの場合の放射角と相対光量の計測結果を示す。この際の結合効率は、80.6%と非常に良好であり、また、比較的大きな放射角の光までカップリングされている。
FIG. 12 shows the measurement results of the radiation angle and relative light quantity when the core diameter φ of the
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、光ファイバ片21のコア径が、導波路19としての光ファイバのコア径と同じか又は小さい場合について説明した。第2の実施形態では、光ファイバ片21のコア径が、光ファイバ19のコア径より大きい場合について説明する。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the case where the core diameter of the
図13は、第2の実施形態に係る光モジュールを説明するための部分拡大図である。
VCSEL等の発光素子13の安定駆動条件では、通常、光パワーが大きく、レーザ光を直視した場合、目に危害を及ぼす場合がある。よって、例えば、光通信システムを構築する場合、使用の仕方によって通信経路上にアッテネータ(減衰器)を配置することも多い。
FIG. 13 is a partially enlarged view for explaining the optical module according to the second embodiment.
Under stable driving conditions of the
このような場合に、図13に示すように、光ファイバ片21のコア径を光ファイバ19のコア径よりも大きくしておくと、光ファイバ片21と光ファイバ19とのカップリング効率が下がり、光ファイバ19にカップリングされない光の分だけ伝送するレーザ光の光量を減衰させることが可能となる。光ファイバ片21から出射される出射光は、出射位置、出射方向とモードとの間に相間関係は無く、種々のモード光が種々の位置、出射角により出射されるので、カップリングロスによる信号歪みも最小限に留めることが可能であり、信号品質の安定した減衰が可能となる。
In such a case, as shown in FIG. 13, if the core diameter of the
図14は、光ファイバ片21のコア径φ=65μm、長さL=10000μmの場合の放射角と相対光量の計測結果を示す。この際の結合効率は、48.5%と減衰されているが、図14にみられるように、ケラレ(光が光結合し得ない状態)も細分化されているので、比較的大きな放射角の光をも含めほぼ全ての放射角の光が万遍なくカップリングされており、信号形状の保存性、すなわちデータ品質に優れている。
FIG. 14 shows the measurement results of the radiation angle and relative light amount when the core diameter φ of the
また、減衰量は中継ファイバのコア径により容易に制御することが可能である。さらに、光ファイバ片21のコア径を大きくすることで、VCSEL13と光ファイバ片21、或いは光ファイバ片21と光ファイバ19の位置調整マージンを広げることが可能となる。よって、製造が容易となるので、より安価に歩留まりよく光モジュールを提供することが可能となる。
The attenuation can be easily controlled by the core diameter of the relay fiber. Furthermore, by increasing the core diameter of the
(第3の実施形態)
図15は、第3の実施形態に係る光モジュールを説明するための部分拡大図である。
本実施形態では、図15に示すように、光ファイバ片21に発光素子13から入射されるレーザ光の入射面から出射面に向けて緩やかなテーパーを付けている。このような光ファイバ片21の一例としては、例えば入射側のコア径50μm、出射側のコア径80μm、長さ(軸長)2mmのものが挙げられる。このような形状の光ファイバ片21を用いると、光ファイバ片21内で、高NAの光は多重反射を繰り返すうちに徐々にNAが低くなり、光ファイバ19とのカップリングが可能なNAの光束となる傾向にある。本例では、NA0.25の光束は、4回反射によりNA0.19程度にまで下がり、カップリングが可能となる。
(Third embodiment)
FIG. 15 is a partially enlarged view for explaining the optical module according to the third embodiment.
In this embodiment, as shown in FIG. 15, the
このため、より高い信号歪みの改善効果が得られ、より高品質で高速な信号伝送が可能となる。また、出射側のコア径の設定により第2の実施形態と同様に光量を減衰することが可能である。なお、光ファイバ片21の入射側から出射側へのコア径の変化は、必ずしも直線的でなくてもよい。したがって、入射側から出射側に至るコア部24とクラッド部26との断面図における境界線は曲線となっていてもよい。また、光ファイバ片21の入射側から出射側へのコア径の変化は、連続的であっても断続的であってもよい。したがって、一部にテーパー部を有するものであってもよい。
For this reason, a higher signal distortion improvement effect can be obtained, and higher quality and higher speed signal transmission can be achieved. Further, the amount of light can be attenuated in the same manner as in the second embodiment by setting the core diameter on the emission side. In addition, the change of the core diameter from the incident side of the
(光通信装置及び電子機器)
本発明に係る光モジュールは、光通信装置(光トランシーバ)に用いて好適である。光通信装置は、上記のような光モジュールを発光モジュールとして含む他に、受信モジュールを含んでもよい。このような受信側に用いられる受信モジュールとしては、図1において発光素子13の代わりにPD(Photo Diode)等の受光素子を用い、光ファイバ片21としてSIファイバの代わりにGIファイバを用いて構成されるものが好ましい。SIファイバよりもGIファイバの方が、レーザ光の広がりが少なく、受光面積を小さくできるので、高速化に有利だからである。よって、かかる受信モジュールを用いることで、一層の高速化が可能な光通信装置を提供し得る。
(Optical communication device and electronic equipment)
The optical module according to the present invention is suitable for use in an optical communication device (optical transceiver). The optical communication device may include a receiving module in addition to the optical module as described above as a light emitting module. As a receiving module used on such a receiving side, a light receiving element such as a PD (Photo Diode) is used instead of the
このような光通信装置は、例えば、パーソナルコンピュータやいわゆるPDA(携帯型情報端末装置)など、光を伝送媒体として外部装置等との間の情報通信を行う各種の電子機器に用いることが可能である。 Such an optical communication device can be used for various electronic devices that perform information communication with an external device or the like using light as a transmission medium, such as a personal computer or a so-called PDA (portable information terminal device). is there.
11・・・基材、12・・・貫通孔、13・・・発光素子、14・・・光ファイバ片、15・・・フェルール、16・・・透光性樹脂膜、17・・・配線膜、18・・・封止材、19・・・導波路(光ファイバ)、20・・・コア(部)、21・・・光ファイバ片、22・・・フェルール、23・・・上面側、24・・・コア部、25・・・クラッド部、26・・・クラッド部、30・・・外部基板
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記発光素子と当該発光素子から発振されるレーザ光を伝播する導波路との光軸上に配置され、前記発光素子と前記導波路との光結合を中継する中継導波路と、
を備え、前記中継導波路が、コア部がクラッド部に囲まれた構造を有し、コア部とクラッド部との間に階段状の屈折率分布が形成されていることを特徴とする光モジュール。 A light-emitting element that oscillates multimode laser light;
A relay waveguide that is disposed on an optical axis of the light emitting element and a waveguide that propagates laser light emitted from the light emitting element, and relays optical coupling between the light emitting element and the waveguide;
An optical module, wherein the relay waveguide has a structure in which a core part is surrounded by a clad part, and a stepped refractive index distribution is formed between the core part and the clad part .
前記発光素子と当該発光素子から発振されるレーザ光を伝播する導波路との光軸上に配置され、前記発光素子と前記導波路との光結合を中継する光ファイバ片と、
前記光素子を搭載し、前記光ファイバ片及び前記導波路を保持する基材と、
を備え、前記光ファイバ片がステップインデックスマルチモードファイバから構成されることを特徴とする光モジュール。 A light-emitting element that oscillates multimode laser light;
An optical fiber piece disposed on the optical axis of the light emitting element and a waveguide propagating a laser beam oscillated from the light emitting element, and relaying optical coupling between the light emitting element and the waveguide;
A substrate on which the optical element is mounted and holding the optical fiber piece and the waveguide;
And the optical fiber piece is composed of a step index multimode fiber.
An electronic apparatus comprising the optical module according to claim 1.
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