JP2006072232A

JP2006072232A - 光送受信モジュール

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Publication number: JP2006072232A
Application number: JP2004258667A
Authority: JP
Inventors: Seiichiro Tabata; 誠一郎田端; Atsushi Kawamura; 敦志河村; Hironori Sasaki; 浩紀佐々木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2004-09-06
Publication date: 2006-03-16
Also published as: US7128477B2; CN100405105C; US20060051033A1; CN1746710A; DE102005019562A1; DE102005019562B4

Abstract

【課題】ＬＤから光ファイバへの結合効率を高くでき、かつ、光ファイバから出射される光のフォトダイオードにおける受光効率が高くできる光送受信モジュールを提供する。
【解決手段】光ファイバに接続され、その光ファイバを介して第１の光を送信し第２の光を受信する光送受信モジュールであって、第１の光を出射する光源と、第２の光を受光する受光部と、第１の光と第２の光のうちの少なくとも一方の進行方向を変化させる回折素子と、光源から出射されて回折素子を介して入射される第１の光を光ファイバの光入出力面に集光し、光ファイバから出射される第２の光を回折素子を介して受光部に集光する第１レンズと、光源から出射される第１の光を、そのビームの広がりを抑制して回折素子を介して第１レンズに入射する第２レンズを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として、光通信に用いる光送受信モジュールに関するものである。

家庭で使用されるＦＴＴＨと呼ばれる光加入者線の端末装置では、１本のファイバで双方向伝送を行う光送受信モジュールが使用される。この光送受信モジュールの従来例として、レーザダイオードとフォトダイオードとが同一パッケージ内に収納されたものを用いた例（第１の従来例）が、例えば、特許文献１の図１に示されている。

この特許文献１に示された例では、レーザダイオードとフォトダイオードとが収納されたパッケージの開口部と光ファイバの間にレンズを配置し、パッケージの開口部のカバー硝子に回折格子を形成している。このように構成された特許文献１に開示された光送受信モジュールにおいて、レーザダイオードから出射された光は回折格子を透過し、レンズによって光ファイバに集光される。一方、受信時には、光ファイバから出射された光はレンズを経て回折格子に達する。そして、回折格子で回折されフォトダイオードの光検出面に集光される。

また、特許文献２には、レーザダイオードの直近にレンズを配置してレーザダイオードからの光を平行光とし、この光をレンズ作用を持たせた回折格子で光ファイバに入射させるようにした第１の従来例とは異なる従来例（第２の従来例）が開示されている。
特開平０７−２６１０５４号公報特開平０８−１５５８２号公報

しかしながら、第１の従来例では、レーザダイオードとフォトダイオードとを、それらの素子自体の大きさを考慮した場合、近接して配置することには限界があり、約０．２ｍｍより近づけることは困難である。このレーザダイオードとフォトダイオードの間に必要な間隔を保って、レーザ光を光ファイバに入射させ、かつフォトダイオードに光ファイバから出射された光を入射させるためには、回折格子の回折角を大きくする方法（第１の方法）、回折格子とレーザダイオード間の距離を長くする方法がある（第２の方法）。しかしながら、第１の方法では、回折角を大きくした回折格子は回折効率が低くなり、レーザ光の光ファイバに対する結合効率が低下したり、光ファイバから出射される光のフォトダイオードにおける受光効率が低下するという問題が起こる。また、第２の方法のようにレンズとレーザダイオードとの距離を長くすると、収差が大きくなり、レーザ光の光ファイバに対する結合効率が低下するという問題が起こる。
また、第２の従来例では、回折格子がレンズ作用を持つため周期の短い輪帯状の回折格子となり、回折効率が低下するという問題が有る。

そこで、本発明は、レーザダイオードから光ファイバへの結合効率を高くでき、かつ、光ファイバから出射される光のフォトダイオードにおける受光効率が高くできる光送受信モジュールを提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明に係る光送受信モジュールは、光ファイバに接続され、その光ファイバを介して第１の光を送信し第２の光を受信する光送受信モジュールであって、上記第１の光を出射する光源と、上記第２の光を受光する受光部と、上記第１の光と上記第２の光のうちの少なくとも一方の進行方向を変化させる回折素子と、上記光源から出射されて上記回折素子を介して入射される上記第１の光を上記光ファイバの光入出力面に集光し、上記光ファイバから出射される上記第２の光を上記回折素子を介して上記受光部に集光する第１レンズと、上記光源から出射される上記第１の光を、そのビームの広がりを抑制して上記回折素子を介して上記第１レンズに入射する第２レンズを含むことを特徴とする。

以上のように構成された本発明に係る光送受信モジュールは、光源と光ファイバとの結合効率を高くでき、かつ、光ファイバから出射される光の受光部における受光効率が高くできる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態１の光送受信モジュールについて説明する。
実施の形態１．
本実施の形態１の光送受信モジュールは、レーザダイオード１から出射されたレーザ光が回折格子５と第１レンズ３を介して光ファイバ６に入射され、光ファイバ６から出射される光が第１レンズ３と回折格子５を介してフォトダイオード２に入射されるという点においては従来例と同様であるが、レーザダイオード２に近接して第２レンズが設けられている点で従来例とは異なっている（図１等）。
以下、本実施の形態１の光送受信モジュールの構成について詳細に説明する。

本実施の形態１において、レーザダイオード１と第２レンズであるボールレンズ４がＳｉマウント基板１０に実装されて、そのＳｉマウント基板１０がＬＤサブマウント１１を介してステム３０上に取り付けられる（図２）。
具体的には、図２に示すように、Ｓｉマウント基板１０の上面にはレーザダイオード１に接続される電極パターン１２，１３が形成されており、例えば、その一方の電極パターン１２の上にレーザダイオード１がその一方の電極と導通するように半田等でダイボンディングされ、他方の電極パターン１３とレーザダイオード１の他方の電極がワイヤ１４によって接続される。尚、レーザダイオード１は、発光点がＳｉマウント基板の表面側に位置するようにジャンクションダウンで実装される。以上のように実装されたレーザダイオード１には、図示しない駆動回路からの変調電量が電極パターン１２、１３を通じて印加され、レーザ光が小径のボールレンズ４を通じて射出される。

また、図２に示すように、Ｓｉマウント基板１０上面のレーザダイオード１の発光点の前方には、例えば、エッチングにより溝１０ａが形成されており、その溝１０ａに透明な球体からなるボールレンズ４が、その中心がレーザダイオード１のレーザビームの中心軸上に位置するように設けられる。このボールレンズ４は、半田や接着剤で溝１０ａ内に固定する。
本実施の形態１のように、Ｓｉマウント基板１０上面にエッチングにより溝１０ａを形成して、その溝１０ａでボールレンズ４を位置決めして固定するようにすると、例えば、±５μｍ以内の高い精度で実装することができる。これにより、レーザダイオード１とボールレンズ４の相対位置を精度を良好に保って配置することができる。

以上のようにレーザダイオード１とボールレンズ４が取り付けられたＳｉサブマウント基板１０は、ＬＤサブマウント１１の１つの面に接合され、Ｓｉサブマウント基板１０がステム３０の上面に対して垂直になるようにＬＤサブマウント１１がステム上の所定の位置に取り付けられる。

本実施の形態１において、フォトダイオード２は、その受光部２ａを上にしてＰＤ実装基板２０の上面に実装される（図３）。また、図３に示すように、ＰＤ実装基板２０の上面には、フォトダイオード２で検出した信号を増幅するための増幅用ＩＣ２５が設けられ、そのＩＣの電極２５ｅとフォトダイオード２のＰＤ電極２ｅがワイヤ２４ａで接続され、増幅用ＩＣ２５の他の電極がＰＤ実装基板２０の上面に形成された電極パターン２２にワイヤ２４ｂにより接続される。このＰＤ実装基板２０はアルミナなどのセラミックスで製作することができる。

以上のようにフォトダイオード２と増幅用ＩＣ２５が実装されたＰＤ実装基板２０は、ステム３０の上面の所定の位置に固定される。このように、Ｓｉサブマウント基板１０とＰＤ実装基板２０は直交するように設けられるが、本実施の形態１では、Ｓｉサブマウント基板１０の上面において一辺に沿って段差１０ｂが形成されており、その段差１０ｂの底面にＰＤ実装基板２０の一側面が当たるようにする（図４）。この段差１０ｂにより、レーザダイオード１とフォトダイオード２の相対位置精度が確保できる。以上のようにして、レーザダイオード１とフォトダイオード２の光軸方向距離と横方向距離は安定して確保することができる。

そして、Ｓｉサブマウント基板１０とＰＤ実装基板２０を覆うキャップ４０がステム３０の上面に設けられる。このキャップ４０には、上面の開口部にガラスプレート４１が取り付けられてなる窓部４０ａが形成されており、その窓部４０ａを介して光が入出力されるようになっている。
本実施の形態１において、キャップ４０のガラスプレート４１上に、一方の面がレンズ面３ａであり、他方の面に回折格子５が形成されてなるレンズ３が、ガラスプレート４１の上面に回折格子５が形成された回折格子面Ｓ５が対向するように設けられる。尚、回折格子５が一体化されたレンズ３は、例えば、Ｓｉのエッチングでよって製作が可能である。

そして、光ファイバは、レーザダイオードのレーザ光がレンズ３で光ファイバ６の入射面に集光されるようにレンズ面３ａから所定間隔を隔てて設けられる。ここでは、ステム３０上に、例えば円筒形状のアダプター５０を被せ、フェルール７とフェルールホルダー５１を用いてフェルール７に挿入された光ファイバ６を固定する。

次に、本実施の形態１の光送受信モジュールにおける光学系の構造について説明する。
本光送受信モジュールにおいて、回折格子５は、上述したようにレンズ３と一体で構成されており、レンズ面とは反対側の面に回折格子パターンが形成されることにより構成される。このように、本実施の形態１では、回折格子５がレンズ３と一体で構成されているので安価かつ容易に構成できる。

その回折格子５の形状例を図５に示す。図５に示したようにこの回折格子は、一定間隔で互いに平行に直線的に形成された複数の楔型（断面がＶ字型）の溝により構成される。各溝は、所定の角度を成す２つの面で構成され、その一方の面はほぼ垂直（レーザ光の進行方向に平行）で、他方の面は傾斜面（レーザ光の進行方向に対して斜めに交わる面）となっており、その傾斜面はさらに階段状に形成されている。本実施の形態１では、回折格子５の回折特性を、レーザダイオード１が発するレーザ光の第１波長に対しては、回折することなく透過するように(０次回折)、また、光ファイバから出射される光の第２波長に対しては回折するように、楔型の溝の深さと階段の段数を設定している。

一例として、階段の段数を７段にしたときの、波長１．３μｍと１．５５μｍの光に対する回折効率特性（溝の深さに対する回折効率）を図６に示す。この図６から分かるように、楔型の溝の深さを２．６μｍに設定したとき、波長１．３μｍの光は、ほぼ１００％の光が０次回折、つまり、透過する。これに対して、１．５５μｍの光はそのほぼ９０％が１次回折する。

従って、光ファイバ６から出射された１．５５μｍの波長の光の光軸は、上述の回折格子を通過することにより、レーザダイオードから出射されてボールレンズ４を介してレンズ３に入射されるレーザ光の光軸と分離される。このように構成された回折格子５があると、レーザダイオード１から出射される波長１．３μｍのレーザ光は、ボールレンズ４を通過した後、回折されることなく回折格子５を通過して、レンズ３によって集光されて光ファイバ６に入射される（図７，図８Ａ）。また、光ファイバ６から出射された１．５５μｍの波長の光は、回折格子５を通過することにより回折されて、ボールレンズ４に入射されることなく、フォトダイオード２に入射される（図７，図８Ｂ）。

以下、実施の形態１の光送受信モジュールにおける光学設計に関するより具体的な例を表１に示す。
ここで、表１及び図７に示す各記号は、次のものを表している。
Ｌ３:光ファイバ６とレンズ３との距離、
Ｒ２:レンズ３のレンズ面の曲率、
Ｄ２:レンズ３の厚み、
Ｌ２:レンズ４とレンズ３の距離、
Ｄ１:レンズ４の厚み(＝ボールレンズの場合、ボールレンズ曲率の２倍)、
Ｌ１:レンズ４とレーザダイオード１の発光点１ａ間の距離、
Ｌ４:レンズ３とフォトダイオード２の受光点間の距離、
Ｐ：レーザダイオード１の発光点とフォトダイオード２の受光点間の横方向間隔。
ここで、本例では、レンズ３はＳｉ(屈折率３．４５)と設定しており、レンズ４は屈折率１．５の硝子で製作されたボールレンズとしている。また、回折格子は２０μｍピッチとしており、この回折格子では、１．５５μｍ光に対する回折角は４．３°となる。

表１

また、このときの光線図を図８Ａ，図８Ｂに示す。図８Ａはレーザダイオードから光ファイバまでの光線図を、図８Ｂは光ファイバからＰＤ受光部までの光線図を示している。

以上の例では、レーザダイオード１のスポット半径を約１μｍ、光ファイバ６のスポット半径を４．５μｍとすると、レーザダイオード１のレーザ光が光ファイバ６に入射される場合の結合効率は約６０％の高い結合効率を得ることができる。

このように高い結合効率が得られるのは、レーザダイオード１から出射されたレーザ光の広がりをボールレンズ４によって抑えてレーザ光をレンズ３に入射し、そのレンズ３によって集光して光ファイバ６に入射させることができることに加え、２個のレンズを使うことにより、結像の収差を小さくする事ができることによるものである。

すなわち、表１のように各パラメータが設定されたとき、レンズ４によるレンズ３における回折格子面におけるレーザ光のスポットサイズの倍率β１（＝ｆ１／（ｆ１−Ｄ１／２−Ｌ１））は、ボールレンズ焦点距離ｆ１＝０．２２５ｍｍとなるので、５倍となり、一方、レンズ３による光ファイバ６の入射面における倍率β２（＝ｆ２／（Ｌ４−ｆ２)）は、レンズ３の焦点距離ｆ２が１．７６ｍｍとなるので、０．５８倍となり、総合倍率は、５×０．５８＝２．９倍になり、最適倍率４．５倍に近い値にできる。

レーザダイオード１とフォトダイオード２の光軸方向の間隔（Ｌ４−Ｌ２）は、１．１８ｍｍとでき、横方向の間隔Ｐは、０．３３ｍｍとできる。これらは、光送受信モジュールの全体の大きさを考慮しても実装が容易な間隔である。また、光ファイバ６から受光部に至る光束がレンズ４にかかることもない。これはレンズ４の倍率を求める総合倍率よりも大きくし、レンズ３の倍率を１よりも小さくすることでＬ４＞Ｌ３とでき、回折格子から受光部までの距離が長くなるので、比較的小さな回折角により分離を大きくとれることによるものである。

一方、レンズ３の倍率が０．１以下となると、レンズ３とフォトダイオード２の受光点との距離Ｌ４が２７ｍｍとなりモジュール全体が大きくなってしまうので、レンズ３の倍率は０．１以上１．０以下に設定することが望ましい。また、レンズ３の倍率を、１以下とすることでレンズ３から受光部までの距離を長くすることができ、回折による光軸の分離を大きくすることができる。

さらには、全体倍率は２倍以上であることが望ましく、従って、レンズ３の倍率は０．４倍以上とすることがより望ましい。また、レーザダイオード１の発光点とフォトダイオード２の受光点との横方向間隔Ｐは０．２５ｍｍ以下となるとレーザダイオード１の発光点とフォトダイオード２の実装が困難になることから、Ｌ４は３．４ｍｍ以下に設定することが望ましく、その為にはレンズ３の倍率は０．８倍以下が望ましい。つまり、レンズ３の倍率は０．４倍以上０．８倍以下に設定することがより望ましい。

本例では、ボールレンズ４として、直径０．３ｍｍ、屈折率１．５のボールレンズを用いたが、例えば、直径０．５ｍｍ、屈折率１．８のボールレンズ(焦点距離ｆ１＝０．２８ｍｍ)、又は直径０．８ｍｍ、屈折率２．０のボールレンズ(焦点距離ｆ１＝０．２ｍｍ)を用いてもほぼ同様の効果を得ることができる。

このように、本発明では、種々のサイズのボールレンズを第２レンズとして用いることができるが、０．１ｍｍ以下の直径のボールレンズでは実装が困難になることを考慮すると、ボールレンズの直径は０．１ｍｍ以上０．８ｍｍ以下が望ましく、更には、レンズ材質として容易に入手できるものを選択した場合、その屈折率を考慮するとボールレンズの直径は、０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることがより望ましい。また、ボールレンズ４の直径を、０．８ｍｍ以下にすることで光ファイバから出射され受光部に至る光束を第1のレンズが遮らないよう容易に設計できる。

また、本発明に係る実施の形態１の光送受信モジュールにおいて、回折格子５は、光ファイバから出射された光を回折作用により屈曲させ、レーザ光に対しては０次回折をし、光の屈曲作用をもたらさないように構成されている。
従って、一方の波長の光には何ら作用を及ぼすことなく、他方の波長の光に対して集光および屈曲させることが出来るので、光学設計の自由度が増し、光ファイバとの結合効率を高めることができる。

実施の形態２．
本発明に係る実施の形態２の光送受信モジュールは、実施の形態１の光送受信モジュールにおいて、光ファイバ６から出射された光がレーザダイオードの端面で反射し、その反射光が光ファイバ６に戻ってくるのを防ぐように構成したものである。図９に本実施の形態２のレンズ構成を示す。

すなわち、本実施の形態２では、光ファイバ６の光入出力面の中心とレーザダイオードの発光点を結んだ光学系の光軸上にレンズ３の中心は位置し、光学系の光軸に対して、ボールレンズ４は偏心して配置される。
言い換えると、ボールレンズ４の中心とレーザダイオード１の発光点を結んだ直線（発光点を含みレーザダイオードの発光面に直交する直線）に対して、レンズ３を偏心させて配置している。
また、実施の形態２において、光ファイバ６の先端の光入出力面は、光学系の光軸に直交させるのではなく、光学系の光軸に直交する面に対して８度傾けている。

以上のように構成された実施の形態２の光送受信モジュールにおいて、レーザダイオード１から出射されたレーザ光は、光ファイバ６の光入出力面が光学系の光軸に直交していないので、光入出力面で反射されてもレーザダイオード１に再入射されることはなく、また、光ファイバ６から出射された光は、レーザダイオード１の発光面が光学系の光軸に直交していないので、レーザの発光面で反射されても光ファイバ６に再入射されることはない。

尚、実施の形態２において、光学系の光軸に対するボールレンズ４の偏心量は、Ｓｉサブマウント基板において、溝幅等を調整することにより容易に確保できる。

本発明に係る実施の形態１の光送受信モジュールの構成を示す断面図である。レーザダイオードとボールレンズ４とが実装されたＳｉマウント基板の斜視図である。フォトダイオードと増幅用ＩＣが設けられたＰＤ実装基板の斜視図である。ステム上にＳｉマウント基板とＰＤ実装基板とを取り付けた状態を示す斜視図である。実施の形態１の回折格子の構成を示す斜視図である。実施の形態１の回折格子の回折効率特性を示すグラフである。実施の形態１の光送受信モジュールの光学系の構成を示す図である。実施の形態１の光送受信モジュールにおいて、レーザダイオードから出射されたレーザ光の経路を示す図である。実施の形態１の光送受信モジュールにおいて、光ファイバから出射された光の経路を示す図である。本発明に係る実施の形態２の光送受信モジュールの光学系の構成を示す図である。

符号の説明

１レーザダイオード、２フォトダイオード、３第１レンズ、３ａレンズ面、４ボールレンズ（第２レンズ）５回折格子、６光ファイバ、７フェルール、１０Ｓｉマウント基板、１０ａ溝、１０ｂ段差、１１ＬＤサブマウント、１２，１３電極パターン、１４ワイヤ、２０ＰＤ実装基板、２５増幅用ＩＣ、３０ステム、４０キャップ、４０ａ窓部、４１ガラスプレート、５０アダプター、５１フェルールホルダー。

Claims

光ファイバに接続され、その光ファイバを介して第１の光を送信し第２の光を受信する光送受信モジュールであって、
上記第１の光を出射する光源と、
上記第２の光を受光する受光部と、
上記第１の光と上記第２の光のうちの少なくとも一方の進行方向を変化させる回折素子と、
上記光源から出射されて上記回折素子を介して入射される上記第１の光を上記光ファイバの光入出力面に集光し、上記光ファイバから出射される上記第２の光を上記回折素子を介して上記受光部に集光する第１レンズと、
上記光源から出射される上記第１の光を、そのビームの広がりを抑制して上記回折素子を介して上記第１レンズに入射する第２レンズを含むことを特徴とする光送受信モジュール。
上記第１レンズは対向する２つの面を有し、その一方の面が光を集光するための曲面であり、他方の面に回折格子が形成されており、その回折格子により上記回折素子が構成されている請求項１記載の光送受信モジュール。
上記回折素子は、上記第１の光と上記第２の光のうちの一方の光を屈曲し、他方の光を直進させる請求項１又は２記載の光送受信モジュール。
上記第１レンズは、入射される上記第１の光を、その入射時のスポット径の０．１倍以上１．０倍以下のスポット径にして上記光入出力面に集光させる請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の光送受信モジュール。
上記第２レンズは、直径が０．１ｍｍ以上０．８ｍｍ以下のボールレンズである請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の光送受信モジュール。
上記光源が実装された光源実装基板を備え、その光源実装基板に形成されたレンズ実装溝に上記ボールレンズが実装された請求項５記載の光送受信モジュール。
上記受光部が設けられた受光部基板を備え、その受光部基板は、その一側面を上記光源実装基板の実装面の一辺に沿って形成された位置決め溝に押し当てることにより位置決めされている請求項６記載の光送受信モジュール。
上記第２レンズは、上記光源の発光点と上記第１レンズを結ぶ直線に対して、偏心させて配置している請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の光送受信モジュール。