JP2006276736A - 光レセプタクル及びそれを用いた光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 接続損失を低減でき、光学モジュールの小型化が可能な新規な光レセプタクルを提供すること。
【解決手段】 中心軸から外周に向かって徐々に屈折率が下がるような屈折率分布を有するグレーテッド・インデックス・レンズロッド（３）と透明ロッド（２）とを直列に配列した内部ロッド（６）をフェルール（１）に保持させて、光コネクタ内の光ファイバ（１７）と接続されるスタブ（１０）とする。スタブ（１０）を、グレーテッド・インデックス・レンズロッド（３）が光コネクタとの接続側になるようにホルダに保持した光レセプタクル（２０）。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信等に使用される光レセプタクル及びそれを用いた光モジュールに関する。

従来から光通信や光センサー等に使用されている発光デバイス３０として、図７に示すような構造が知られている（特許文献１）。発光デバイス３０は、高信頼性を得る為、パッケージ２４内に半導体レーザ２２を気密封止したものである。半導体レーザ２２は光出力を安定させるために温度を一定にすることが必要である。そこで、半導体レーザ２２は、ベース基板２３を介してペルチェ素子２６の上に半田固定され温度コントロールされている。ペルチェ素子２６はパッケージ２４に半田固定されており、ペルチェ素子２６から発生する熱はパッケージ２４によって外部に放出されている。

半導体レーザ２２は、モニタ用フォトダイオード２７、内部レンズ２５及び光アイソレータ１１と共にベース基板２３上に実装されている。内部レンズ２５は、レンズホルダを介して基板２３の一端に固定されている。また、発光素子２２およびモニタ用フォトダイオード２７は、それぞれチップキャリアを介してベース基板２３に実装されている。更に、これら一連の部材を装荷されたベース基板２３は、ペルチェ素子２６を介してパッケージ２４の底面に固定されている。一方、パッケージ２４の一方の端面にはハーメチックガラスで封止された封止窓２１が形成されており、この封止窓の外側に、レンズホルダにより固定された外部レンズ１５、フェルール２９を介して支持された光ファイバ１７が順次装着されている。

発光素子２２で発生した光は、内部レンズ２５、光アイソレータ１１、封止窓２１、外部レンズ１５を順次通過して光ファイバ７に結合される。ここで、内部レンズ２５および外部レンズ１５は、発光素子６の放射光を光ファイバ７のコア部に集束させて結合効率を改善する目的で装着されている。

また、半導体レーザ２２から出射された光を光ファイバ１７に入射させて伝送する際に、結合系内で発生した反射光が半導体レーザ２２に戻ると、半導体レーザ２２が不安定に発振して出力変動が生じる。この反射戻り光による半導体レーザへの悪影響を防止するために、半導体レーザの光が入射する光ファイバ１７の端面を斜めに加工し、光ファイバ１７と半導体レーザ素子２２間の光路上に光を一方向にしか通さない特性を持つ光アイソレータ１１が挿入されている。また、モニタ用フォトダイオード２７は、発光素子２２の放射光の一部を受けて、その出力をモニタするために設けられている。これを利用して帰還制御を行うことにより、発光素子２２の出力を安定させることができる。

一方、このような発光デバイス３０は、光ファイバ１７が固定されているため実装の自由度が低い。そこで光ファイバ１７を着脱可能とするために、光コネクタを着脱可能な光レセプタクルを光デバイス３０に取付けることが知られている。光レセプタクルとしては、例えば、短い光ファイバをフェルール内に保持して接続用のファイバスタブとした構成が知られている（特許文献２）。この光レセプタクルによって、発光デバイス３０と光ファイバを自由に接続したり、取外したりできるようになる。

特開平８−１０６０３０号公報 特開平２−３３１１５号公報

近年、インターネット等の普及に伴い、データ通信においても光伝送が一般的になっており、その収容局においての回線数が増加している。その結果、光通信用送受信器の高密度実装化が進み、光モジュールを出来るだけ小型で高結合効率とすることが求められている。しかしながら、従来のような高出力・長距離用の光モジュールを更に小型化を進めようとした場合、従来の光レセプタクルでは光学系のスペースが大きく特に光軸方向の小型化が困難であった。

例えば、図８は、特許文献２に示されるような光レセプタクル２０を、特許文献１に示されるような光デバイス３０に組み合わせて光モジュール４０を構成した例である。光レセプタクル２０では、ホルダ８の内側に、光ファイバ９をフェルール１内に接着固定したスタブ１０の後端部が固定されている。スタブ１０の先端部は、セラミックス等からなる割スリットの入ったスリーブ４によって把持されており、スリーブ４の抜け防止の為、カバー５がホルダ８の内側に接着や圧入により固定されている。光コネクタのプラグフェルール１６の先端は、スリーブ４に挿入されて、スタブ１０の先端に押し当てられる。また、光レセプタクル２０の入射側には外部レンズ１５が組み込まれている。発光素子２２からの出射光は、内部レンズ２５、光アイソレータ１１、パッケージ２４の封止窓２１を通過して、光レセプタクル２０の外部レンズ１５に入射する。外部レンズ１５に入射した光は、スタブ１０内の光ファイバ９に集光される。

この光レセプタクルにおいて、発光デバイスの出射光を内部レンズ２５によって直接スタブ１０内の光ファイバ９のコアに集光させれば、外部レンズ１５を省略して光レセプタクルを小型化することが可能である。しかしながら、内部レンズ２５によって光ファイバ９のコアに集光させた場合、周囲温度の変動によって結合効率が低下する問題が生じる。

即ち、発光デバイスには、種々の使用環境で使用できるように、周囲温度が約０℃〜７０℃の範囲において安定した光出力が求められる。ところが、周囲温度が変化するとパッケージ２４の温度は周囲に合わせて変化する一方で、半導体レーザ２２や内部レンズ２５が設置されたベース基板２３の温度はペルチェ素子２６によって一定に保持されている。このため、両者に大きな温度差が生じる。しかも、ペルチェ素子２６は、周囲温度の変化を補償するようにパッケージ２４に対して放熱、吸熱するため、パッケージ２４とベース基板２３等との温度差はさらに大きくなる。その結果、パッケージ２４の熱膨張、熱収縮に起因して、パッケージ２４に固定された光レセプタクル２０と、ベース基板２３に固定された半導体レーザ２２や内部レンズ２５との間に、相対的な高さズレが生じてしまう。このとき、図８に示す光モジュールでは、内部レンズ２５と外部レンズ１５の間を結ぶコリメート光線の径が例えばφ０．５〜０．８程度と大きいため、パッケージ２４の熱膨張・収縮によって内部レンズ２５と外部レンズ１５の高さが多少ずれても、結合効率はあまり変化しない。ところが、図８において外部レンズ１５を省略し、内部レンズ２５によって光ファイバ９のコアに直接集光した場合、光ファイバ９のコア径は例えばφ０．０１と非常に小さいため、内部レンズ２５と光ファイバ９の僅かな高さズレによって結合効率が大きく低下してしまう。

そこで本件発明は、結合効率を低下させることなく光学系の小型化が可能な新規な光レセプタクル及びそれを用いた光学モジュールを提供することを目的とする。

本件発明に係る光レセプタクルは、光コネクタを接続するための光レセプタクルであって、（ａ）（ｉ）中心軸から外周に向かって徐々に屈折率が下がるような屈折率分布を有するグレーテッド・インデックス・レンズロッド（以下、「ＧＩレンズロッド」）と透明ロッドとを直列に配列した内部ロッドと、（ii）前記内部ロッドを保持するフェルールと、を有し、前記光コネクタ内の光ファイバと接続されるスタブと、（ｂ）前記スタブを、前記グレーテッド・インデックス・レンズロッドが前記光コネクタとの接続側になるように保持するホルダと、を具えたことを特徴とする。

本件発明の光レセプタクルによれば、ほぼ平行な光を入射させてもＧＩレンズロッドのレンズ作用によってプラグフェルール内の光ファイバのコアに集光することができる。従って、本件発明の光レセプタクルを光デバイスと組み合わせた場合に、光デバイス内の内部レンズはコリメート若しくは僅かに集光させるだけで良く、周囲温度の変化によって、光デバイス内の光学素子や内部レンズと光レセプタクル内のスタブとの間に多少の高さズレが生じた場合にも、結合効率の低下を抑制することができる。

また、図８の構成では、スタブ１０とレンズ２５の間に外部レンズ１５が必要であったのに対して、本件発明によれば、光レセプタクルのスタブ内にＧＩレンズロッドを内蔵することにより、光学系を簡略化して光レセプタクルを小型することが可能となる。しかも、外部レンズが不要のため調整が容易である。

さらに、本件発明では、ＧＩレンズロッドに透明ロッドを接続して内部ロッドを構成しているため、スタブの設計を光レセプタクルや光コネクタの仕様に合わせて自由に変更できる利点がある。即ち、ＧＩレンズロッドの長さは一定に保ったまま、透明ロッドの長さだけを変化させることにより、スタブの長さを自由に変更することが可能になる。これにより、１種類のＧＩレンズロッドを用いて多種多様な長さのスタブを簡単に準備することができるようになる。

尚、内部ロッドにおいて、さらに第２透明ロッドを直列に配列し、透明ロッドと第２透明ロッドによってＧＩレンズロッドを挟むことが好ましい。これにより、入射する光のビーム径に合わせた調整が容易となり、種々の光学系の仕様に合わせたファイバスタブを簡単に用意できるようになる。即ち、ＧＩレンズロッドは、入射する光のビーム径によって焦点位置が変化する。第２透明ロッドをＧＩレンズロッドのコネクタ側に接続しておけば、第２透明ロッドの長さ（又はＧＩレンズロッドの長さと第２透明ロッドの長さ）を変えるだけで焦点位置を調整することができる。従って、種々の光学系の仕様に合わせたスタブを簡単に用意することができる。

また、光レセプタクル内のスタブに光アイソレータを接続することが好ましい。これにより、光レセプタクルを取り付ける光デバイス内に光アイソレータを設ける必要がなくなり、光デバイスを小型化することが出来る。また、光デバイス内のペルチェ素子等も熱容量の小さなもので済むため、小型で低消費電力のものが使用できる。

内部ロッドの外径は特に限定されないが、光コネクタ内の光ファイバよりも大きな外径を有することが好ましい。これによって、光デバイスから出射した光を高い効率で光コネクタ内の光ファイバへ導入することが可能となる。また、スタブと発光デバイスの距離が短くても発光を高効率で取り込むことができるため、光レセプタクルの長さを短尺化でき、有利となる。

フェルールは、ジルコニアセラミックスから成ることが好ましい。ジルコニアセラミックスは、金属と異なり、塑性変形性を有しないため、フェルールをジルコニアセラミックスによって形成すれば、プラグフェルールから加わる圧力によってフェルールが塑性変形することを防止できる。また、ジルコニアセラミックスは、優れた耐摩耗性を有するとともに、適度に弾性変形する。従って、光コネクタのプラグフェルールと接続した際に、光コネクタ側に内蔵されたバネによる加圧に対して、スタブの接続部が好ましく変形し、確実な面接合が可能となる。また、変形の繰り返し再現性にも優れており、プラグフェルールとスタブの接続面に常に安定した圧力を与えることができる。さらに、ジルコニアセラミックスは、靭性に優れており、スタブをホルダに固定する際に、フェルールへの割れ発生等が起きにくいというメリットがある。

スタブは、光コネクタと接続する側の端面が凸曲面になっていることが好ましい。これによって、光コネクタ中のプラグフェルールの端面が押し付けられた際にスタブの端面を好ましく弾性変形させ、接続界面におけるエアギャップを低減することができる。

また、光コネクタは、光ファイバを保持するプラグフェルールを有し、スタブは、プラグフェルールと略同径であることが好ましい。スタブとプラグフェルールが同径であれば、両者をスリーブ等によって同時に把持することができるため、プラグフェルールの高精度な位置決めが可能となる。

さらに、スタブは、フェルールと同種の材料から成るスリーブに嵌合されていることが好ましい。これによって、スリーブとフェルールの硬度を同等にし、スリーブとフェルールが擦れて屑が発生するという問題を防止することができる。スリーブやフェルールの削屑が発生すると、スタブに保持された内部ロッドに付着して大きな光接続損失を発生させる場合がある。特に、スリーブとフェルールは、耐摩耗性、弾性変形性、靭性に優れたジルコニアセラミックスから成ることが好ましい。

また、本件発明に係る光モジュールは、発光又は受光機能を有する光学素子と、上記本件発明に係る光レセプタクルと、前記光学素子と前記光レセプタクルの間に形成されたレンズと、を具えた光モジュールであって、前記レンズと前記内部ロッド内のＧＩレンズロッドとによって、前記光学素子と光コネクタ内の光ファイバとが結合されることを特徴とする。本件発明の光レセプタクルを用いているため、結合効率の低下を抑制しながら、小型の光モジュールが実現できる。

さらに、レンズによって僅かに集光させ、内部ロッドに到達するまでの間にビーム径が小さくなるようにすれば、内部ロッドに入りきらずに蹴られる光線を減らし、結合効率を一層安定させることができる。このとき、レンズによる集光があまり強すぎると、周囲温度の変化によって光コネクタ内の光ファイバへの集光位置が変化し易くなる。そこで、レンズによる集光は、内部ロッドのレンズに近い側の端面におけるスポット径が少なくとも光コネクタ内の光ファイバのコア径よりも大きくなる程度にすることが好ましい。

また、レンズ及び光学素子は、ペルチェ素子の上に配置されることが好ましい。レンズと光学素子をペルチェ素子の上に配置することによって、周囲温度の変化による光学素子の特性変動を防止できる。しかも、本件発明では光レセプタクル内のＧＩレンズロッドによって集光するため、レンズはコリメート又は僅かに集光させる程度で良く、周囲温度の変化による結合効率の低下も抑制できる。

尚、本件明細書において、光学素子と光コネクタ内の光ファイバを「光学的に結合する」とは、あるレンズ系によって光学素子から出射した光を光ファイバのコア部に集光すること、又は、光ファイバから出射した光を光学素子に集光することをいう。また「スタブ」とは、長さの制限された光学部材を指しており、光コネクタ内の光ファイバと接続可能であれば円柱状に限らず種々の形状であって良い。

以上述べたように、本件発明の光レセプタクル及びそれを用いた光モジュールによれば、結合効率を高く維持しながら、光学系を簡略化し、光モジュールの小型化を達成することができる。

以下、本件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。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る光レセプタクルを示す模式断面図である。
光レセプタクル２０は、光コネクタのフェルール１６と接続するためのスタブ１０と、スタブ１０の後端部を圧入固定する金属製のホルダ８と、スタブ１０の先端部に嵌合されてプラグフェルール１６の挿入口となるスリーブ４と、スリーブ４の飛び出し防止のためのカバー５とを有する。スタブ１０は、セラミックス製の円筒状部材であるフェルール１と、フェルール１の貫通孔に保持された内部ロッド６とから成る。そして内部ロッド６として、本実施の形態では、略一様の屈折率を有する石英ガラス製の透明ロッド２と、中心軸から外周に向かって徐々に屈折率が下がるような軸対称の屈折率分布を有するＧＩレンズロッド３とが直列に接続されている。そして、透明ロッド２が光デバイス（図示せず）との接続側に、ＧＩレンズロッドが光コネクタのプラグフェルール１６との接続側に配置されている。また、スタブ１０の端面には、光アイソレータ１１が接着固定されている。さらに、その周囲を囲むように環状の磁石１２がホルダ８に接着固定されており、光アイソレータ１１の周囲に磁界を形成している。光コネクタのプラグフェルール１６の先端は、スリーブ４に挿入されて、スタブ１０の先端に押し当てられる。これによって、プラグフェルール１６内の光ファイバ１７と、スタブ１０内の内部ロッド６が同心軸となるように接続される。

図２に示すように、この光レセプタクル２０は、発光デバイス３０に調整固定されて光モジュール４０を構成する。発光デバイス３０は、パッケージ２４内に半導体レーザ２２を気密封止したものである。半導体レーザ２２は、温度を一定にして光出力を安定させるため、ベース基板２３を介してペルチェ素子２６の上に半田固定されている。また、ペルチェ素子２６は、パッケージ２４に半田固定されており、ペルチェ素子２６から発生する熱はパッケージ２４によって外部に放出される。また、内部レンズ２５は、ベース基板２３にハンダやガラス固定、又は接着剤等で取り付けられ、半導体レーザ２２からの出射光がパッケージ２４の封止窓２１を通過するように調整固定されている。

図３は、光レセプタクル２０内における光線の進行方向を模式的に示す模式断面図である。本実施の形態では、内部レンズ２５とＧＩレンズロッド３によって光学素子２２と光ファイバ１７を光学的に結合している。即ち、図２において内部レンズ２５から封止窓２１及び光レセプタクル１１を通じて入射したほぼ平行な光は、図３に示すように、透明ロッド２を通過してＧＩレンズロッド３に入射し、ＧＩレンズロッド３のレンズ作用によってプラグフェルール１６内の光ファイバ１７のコア１７ａに集光される。内部レンズ２５はコリメート若しくは僅かに集光させるだけで良いため、周囲温度の変化によって半導体レーザ２２や内部レンズ２５と内部ロッド６との間に多少の高さズレが生じた場合にも、結合効率の低下を抑制することができる。

また、図８の構成では、スタブ１０とレンズ２５の間に外部レンズ１５必要であったのに対して、本実施の形態によれば、スタブ１０内にＧＩレンズロッド３を内蔵することにより、光学系を簡略化して光レセプタクルを小型することが可能となっている。しかも、図８の構成では、光モジュールを組み立てる際に外部レンズ１５とスタブ１０との結合の調整に時間がかかる上、スタブ１０中の光ファイバ９とプラグフェルール１６中の光ファイバ１７のコア同士の位置が僅かにずれても損失が発生するため、接続損失も大きくなり易かった。図３に示す構成によれば、外部レンズ１５が不要のため調整が容易であり、ＧＩレンズロッド３によって十分に光線を集光すればＧＩレンズロッド３と光ファイバ１７との接続損失も低減できる。

さらに、図３では、ＧＩレンズロッド３に透明ロッド２を接続して内部ロッド６を構成しているため、スタブ１０の設計を光レセプタクル２０や光コネクタの仕様に合わせて自由に変更できる利点がある。即ち、光レセプタクル２０や光コネクタの仕様によって必要とされるスタブ１０の長さは変わるため、仕様に応じて種々の長さのスタブ１０を製造する必要がある。ところが、ＧＩレンズロッド３は光コネクタ内の光ファイバ１７に正しく集光しなければならないところ、ＧＩレンズロッド３による光の集光位置はロッドの長さによって決まるため、ＧＩレンズロッド３の長さ設計には制限がある。本実施の形態のようにＧＩレンズロッド３と透明ロッド２を接続して内部ロッド６を構成すれば、ＧＩレンズロッド３の長さは一定に保ったまま、透明ロッド２の長さだけを変化させることにより、スタブ１０の長さを自由に変更することが可能になる。これにより、１種類のＧＩレンズロッド３を用いて多種多様な長さのファイバスタブ１０を簡単に準備することができるようになる。

尚、内部レンズ２５によって僅かに集光させ、内部ロッド６に到達するまでの間にビーム径が小さくなるようにすれば、内部ロッド６に入りきらずに蹴られる光線を減らし、結合効率を一層安定させることができる。このとき、内部レンズ２５による集光があまり強すぎると、パッケージ２４の温度変化によって光ファイバ１７への集光位置が変化し易くなる。そこで、内部レンズ２５による集光は、内部ロッド６の内部レンズ６に近い側の端面におけるスポット径が少なくとも光コネクタ内の光ファイバ１７のコア径よりも大きくなる程度にすることが好ましい。さらに好ましくは、上記のスポット径が光ファイバ１７のコア径の２倍以上であることが望ましい。

このように本実施の形態によれば、ＧＩレンズロッド３と透明ロッド２を光レセプタクル２０のスタブ１０内に内蔵することにより、結合効率の低下を抑制しながら、小型の光モジュールが実現できる。また、ＧＩレンズロッド３と透明ロッド２を接続しているため、透明ロッド２の長さを調整することにより、ＧＩレンズロッド３を一定の長さにしたまま種々の光学系の仕様に対応できる利点がある。

また、図２に示すように、本実施の形態では、さらに光アイソレータ１１をレンズ内蔵のスタブ１０に取付けているため、光デバイス３０内に光アイソレータ１１を設ける必要がない。このため光デバイス３０内のベース基板２３を小型化することが出来る。また、ペルチェ素子２６も熱容量の小さなもので済むため、小型で低消費電力のものが使用できる。従って、小型かつ低消費電力な光モジュール３０が実現できる。

以下、本実施の形態に係る光レセプタクル及び光モジュールの各構成について詳細に説明する。
（ａ）スタブ１０
スタブ１０は、光コネクタのプラグフェルール１６に接続する側の端面を凸曲面とすることが好ましい。この凸曲面は、例えば研磨によって形成することができる。凸曲面の曲率半径は、５〜３０mmであることが好ましい。これによって、光コネクタ中のプラグフェルール１６の端面が押し付けられた際にスタブ１０の端面を好ましく弾性変形させ、接続界面におけるエアギャップを低減することができる。エアギャップを低減することにより、接続界面における反射や接続損失を低減させることができる。

スタブ１０の他方の端面（光デバイス側の端面）は、ＡＲコートを施すか光軸との直交面から傾斜した鏡面とすることが好ましい。傾斜した鏡面にする場合、光軸との直交面からの傾斜角は１〜１０°程度であることが好ましい。これにより、スタブ１０中の透明ロッド２の端面で生じた反射光が光デバイス３０の特性に悪影響を与えることを効果的に防止できる。また、光デバイス３０中の光学素子２２が半導体レーザである場合、半導体レーザ２２から出射された光が透明ロッド２の端面で反射して戻り、半導体レーザの発振特性に影響を与えることを防止できる。尚、スタブ１０中の透明ロッド２の端面だけにＡＲコートを施すか、透明ロッド２の端面だけを斜めに研磨しても良い。

（内部ロッド６）
スタブ１０内の内部ロッド６は、中心から周辺に向かって屈折率を低く変化させたＧＩレンズロッド３と石英ガラス等から成る透明ロッド２を融着等によって接続して成る。この内部ロッド６は、フェルール１の内径に挿入されて接着固定されている。ここでＧＩレンズロッド３と透明ロッド２は、光ファイバ１７と接続した際に反射が極力起きないよう、光ファイバ１７のコアの屈折率と同等（＝屈折率にして０．１以下の差）であることが望ましい。また、図１に示すように、光コネクタとの接続側（＝プラグフェルール１６側）にＧＩレンズロッド３を配置することが好ましい。

透明ロッド２とＧＩレンズロッド３の径は特に限定されないが、両者が同径であることが望ましい。同径であることによって、内部ロッド６のフェルール１への挿入が容易となる。また、透明ロッド２とＧＩレンズロッド３は、接続される光コネクタに保持された光ファイバ１７の外径（＝クラッドの外径）に対しては、同じか又は大きな外径を有することが好ましい。それによって、発光素子２２から出射した光を高効率で光ファイバ１７へ導入することが可能となる。また、ＧＩファイバロッド３と発光デバイス３０の距離が短くても発光を高効率で取り込むことができるため、光レセプタクル３０の長さを短尺化でき、有利となる。一方、内部ロッド６の外径があまり大きすぎると、フェルール１の肉厚が薄くなり、フェルール１をホルダ８に圧入した際にクラックが生じたり、スタブ１０全体として弾性変形し難くなるため好ましくない。そこで内部ロッド６の外径は、フェルール１の外径の２／３以下であることが好ましい。尚、透明ロッド２やＧＩレンズロッド３の外側に屈折率の異なる透明被覆層等が形成されていても良い。

−ＧＩレンズロッド３
ＧＩレンズロッド３は、いわゆる屈折率分布型のレンズであり、例えば、円柱状の石英ガラス等にゲルマニウム等をドープすることによって中心から周辺に向かって屈折率を低く変化させることで形成できる。ＧＩレンズロッド３は、単純な屈折率分布型レンズであっても良いし、コア−クラッド構造を有するグレーテッド・インデックス・ファイバ（以下、「ＧＩファイバ」）であっても良い。例えば、ＧＩレンズロッド３は、中心軸から徐々に屈折率が下がるような軸対称の屈折率分布をもつロッドレンズで、ほぼ２乗の屈折率分布をもつものである。

ＧＩレンズロッド３の半径方向の屈折率分布をｎ_（ｒ）とすると、次の式１が成り立つ。
（式１） ｎ_（ｒ）＝ｎ_０（１−Ａ／２ｒ^２） （ａ≧ｒ≧０）
ｎ_０：レンズ光軸上の屈折率
Ａ：収束定数
ａ：レンズの半径
又、収束定数Ａは、次の式２に従う。
（式２） Ａ＝｛α・（α―１）・Δ｝／（ａ）^α
α：屈折率分布定数 （通常は、２前後）
Δ：ＧＩレンズの比屈折率
Δ＝｛ｎ_０―ｎ_（ａ）｝／ｎ_０
ｎ_（ａ）：ＧＩファイバのコア外周面の屈折率
で示すことができる。

これを適切な長さＺで切断することにより、所望の光学特性を有する屈折率分布型レンズとして使用することができる。図４は、ＧＩレンズロッド３がＧＩファイバから成る場合の光線追跡の例を示したものである。ＧＩファイバ３のコア直径を２ａ、クラッド直径をＣｄとしている。ＧＩファイバ３内を伝播する光の光線１４は、ＧＩファイバ３のコア３ａ内でほぼサインカーブの挙動を示す。図４では、そのサインカーブの単位長さをピッチ（Ｐ）で表している。Ｐ＝１は、サインカーブの１周期（２π）に相当する。その周期Ｐは、収束定数Ａに基づいて次の式３で計算される。
（式３） Ｐ＝２π／√Ａ
また、所定のピッチ（Ｐ）に対応するレンズ長Ｚは、次の式４で表される。
（式４） Ｚ＝２πＰ／√Ａ

例えば、平行光を点に収束するには、ＧＩレンズロッド３をＰ＝０．２５となる長さで使用すればよい。図３は、Ｐ＝０．２５近傍の場合の例である。平行光としてＧＩレンズロッド３に入射した光は、収束光としてＧＩレンズロッド３から出射し、接続された光ファイバ１７に結合される。

−透明ロッド２
スタブ１０中の透明ロッド２は、単純な光路を形成するため、不必要な屈折や反射が起きないように略一様な屈折率を有することが好ましい。特に、少なくとも光路となる部分において略均一な屈折率を有することが好ましい。また、少なくとも光路となる部分が石英ガラス等の屈折率が光ガラスのコアに近い材料から成ることが好ましい。例えば、石英ガラスロッドや石英ガラスのコアを持つガラスロッドとする。石英ガラスは、光ファイバにも用いられるガラスで硬度が高く、レンズ等に用いられるような加工性に優れたガラスに比べ傷が付きにくいという利点がある。透明ロッド２は、単なる光路であるため円柱状に限らず、種々の形状とすることができる。例えば、透明ロッド２の光軸との直交断面における形状を、円形、矩形、多角形、楕円などの種々の形状にすることができる。但し、ＧＩレンズロッド３と同じ断面形状とすることが望ましい。

（フェルール１）
スタブ１０を構成するフェルール１は、エポキシや液晶ポリマー等のプラスチックス、ガラス、アルミナやジルコニア等のセラミックス等種々の材料で形成することができる。中でもセラミックス、特にジルコニアセラミックで形成することが好ましい。一般にセラミックスは、金属と異なり、塑性変形性を有しないため、フェルール１をセラミックスによって形成すれば、プラグフェルール１６から加わる圧力によってフェルール１が塑性変形することを防止できる。ジルコニアセラミックスとしては、例えば、ＺｒＯ₂を主成分とし、Ｙ₂Ｏ₃、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ₂、Ｄｙ₂Ｏ₃などの少なくとも一種を安定化剤として含み、正方晶の結晶を主体とする部分安定化ジルコニアセラミックスを用いることが好ましい。このようなジルコニアセラミックスは、優れた耐摩耗性を有するとともに、適度に弾性変形する。従って、光コネクタのプラグフェルール１６と接続した際に、光コネクタ側に内蔵されたバネによる加圧に対して、スタブ１０の接続部が好ましく変形し、確実な面接合が可能となる。また、変形の繰り返し再現性にも優れており、プラグフェルール１６とスタブ１０の接続面に常に安定した圧力を与えることができる。また、ジルコニアセラミックスは、靭性に優れており、曲げ強さは石英ガラスの約１５倍あり、圧縮強さも石英ガラスの約５倍もある。従って、スタブ１０をホルダ８に固定する際に、フェルール１への割れ発生等が起きにくいというメリットがある。さらに、ジルコニアセラミックスは、耐摩耗性が高く、ビッカーズ硬度が石英ガラスの約１．４倍、ＳＵＳの約６．５倍もある。従って、フェルール１をジルコニアセラミックスとすれば、コネクタの着脱によって動く割スリーブ４によってフェルール１が摩耗するといった不具合を防止できる。

フェルール１は、種々の方法で製造することができる。例えば、フェルール１をセラミックスによって形成する場合、セラミックスの原料を射出成形、プレス成形、押出成形等の所定の成形法によって円筒状、円柱状、直方体等の生成形体を得て、その生成形体を１３００〜１５００℃で焼成し、所定の寸法に切削加工または研磨加工を施せばよい。また、これに代えて、セラミックスの生成形体をはじめから切削加工等によって所定の形状に加工し、その後焼成を行ってもよい。

（スタブ１０の製造方法）
スタブ１０は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、長尺のＧＩレンズロッド３と透明ロッド２を適当な長さで切断し、切断面同士を突き合わせて、融着接続器を用いた放電加工等によって１本の内部ロッド６とする。次に、ＧＩレンズロッド３が所定のレンズ長ＺとなるようにＧＩロッドレンズ３を切断し、同様に透明ロッド２も所定の長さとなるように切断し、内部ロッド６とする。そして、内部ロッド６をフェルール１の貫通孔に挿入し、熱効果型接着剤等によって固定する。その後、フェルール１の両端面を研磨加工することにより、スタブ１０を得ることができる。

ここでスタブ１０の両端面の研磨の際に削れ量のバラツキがあると、内部ロッド６の全長にもバラツキが生じる。ＧＩレンズロッド３だけをフェルール１内に固定してスタブ１０としている場合、スタブ１０の両端面の削れ量のバラツキにより、ＧＩレンズロッド３による集光位置がずれ易くなる。このため、結合効率にバラツキが生じる場合がある。本実施の形態のようにＧＩレンズロッド３に透明ロッド２を接続している場合、ＧＩレンズロッド３の端面はスタブ１０の一方にしか露出していないため、ＧＩレンズロッド３を単独でフェルール１内に固定した場合に比べて、スタブ１０の削れ量のバラツキによる結合効率のバラツキを抑制することができる。

（ｂ）光アイソレータ１１
光アイソレータ１１は、スタブ１０の光デバイス側の端面、即ち、透明ロッド２側の端面に固定されている。固定には、透光性の接着材を用いることが好ましい。光アイソレータ１１は、一般に、偏光板ガラス、ファラデー回転子、偏光板ガラスの順で光透過接着剤により一体化して構成されている。ここで偏光板ガラスは、反射による損失が生じないように、透明ロッド２の屈折率と略同等（０．１以下の差）の屈折率を有することが望ましい。光アイソレータ１１は、損失を抑制できるように反射防止膜や光透過性接着剤の屈折率を調整することが望ましい。具体的には、透明ロッド２と光アイソレータ１１を固定している透過性接着剤を透明ロッド２の屈折率と略同等（０．１程度の差）の屈折率に合せることで、大きな反射を抑えることができる。又、入射側のアイソレータ１１の端面には反射防止膜を形成することで大きな反射を抑えることができる。光アイソレータ１１による損失は０．２ｄＢ以下とすることが好ましい。

また、光アイソレータ１１に磁界を加える為に、サマリウムコバルト等の環状の磁石１２が光アイソレータ１１を囲むように配置されている。磁石１２は、ホルダ８やスタブ１０に接着剤によって固定することができる。尚、光アイソレータ１１が外部磁界を必要としないファラデー回転子によって構成されている場合には磁石１２は必要がない。

（ｃ）ホルダ８
スタブ１０を保持するホルダ８は、金属製であることが好ましく、特に耐腐食性と溶接性に優れたステンレス製とすることが好ましい。スタブ１０をホルダ８に固定する方法として、圧入、接着、圧入と接着の併用等を用いることができる。尚、ホルダ８に固定されたスタブ１０には、プラグフェルール１６側のバネ圧により加重が掛かり続けており、プラグフェルール１６を脱着する際にも力が加わる。このためスタブ１０をホルダ８に十分な強度で固定することが必要である。従って、スタブ１０をホルダ８に固定する方法としては、圧入又は圧入と接着の併用が好ましい。本実施の形態では、内部ロッド６をフェルール１の貫通孔に保持してスタブ１０を構成しているため、スタブ１０をホルダ８に圧入した際に内部ロッド６に加わる歪みを低減できる効果がある。即ち、内部ロッド６をフェルール１に入れずに直接ホルダ８に圧入した場合、内部ロッド６に大きな応力が加わり、内部ロッド６の屈折率が変化してしまう。内部ロッド６の屈折率が変化すると、光の焦点位置がずれるなどして結合効率に悪影響が出る場合がある。特に、内部ロッド６に応力が加わって屈折率が変化した場合、低温側では金属ホルダ８との熱膨張係数差によって応力が大きくなって屈折率が上がり、高温側では応力が弱くなって屈折率がもとに戻る。従って、温度に依存して接続損失が大きくなってしまう。尚、内部ロッド６を接着剤によってフェルール１に固定すれば、接着剤が緩衝材の役割を果たし、内部ロッド６に加わる応力を一層低減することができる。また、フェルール１をホルダ８に圧入してから内部ロッド６をフェルール１内に固定すれば、内部ロッド６に加わる応力を一層低下することができる。尚、ここで説明したことは、スタブ１０をホルダ８に固定する方法が圧入である場合に限らず、スタブ１０に応力が加わるような全ての固定方法について当てはまる。

（ｄ）スリーブ４
本実施の形態では、ホルダ８に固定したスタブ１０のプラグフェルール１６側に突き出した部分に、スリーブ４を嵌め込んでいる。スリーブ４は、径方向に可とう性を持つように割スリットを有している。本実施の形態において、スタブ１０の外径は接続される光コネクタのプラグフェルール１６の外径と同等にしている。また、スリーブ４の内径は、挿入されるスタブ１０やプラグフェルール１６の外径より若干小さめにしてあり、スタブ１０とプラグフェルール１６を同時に把持できるようにしている。

スリーブ４によってプラグフェルール１６の把持を行えば、次のような利点がある。即ち、プラグフェルール１６の固定をホルダ８のガイド穴によって行った場合、ガイド穴の内径はプラグフェルール１６の外径規格の最大のものまで挿入出来るように設計しなければならず、更に、ゴミの挟み込みによりプラグフェルール１６が抜けなくなるなどの問題も発生を考慮して、プラグフェルール１６の外径規格に対してゆとりのあるクリアランスを持たせることが要求される。このためプラグフェルール１６の位置決めを高精度に行うことが困難である。これに対し径方向に可とう性のあるスリーブ４によってプラグフェルール１６を把持すれば、スリーブの内径をプラグフェルールの外径規格よりも小さくできるため、プラグフェルール１６の高精度な位置決めが可能となる。プラグフェルール１６を高精度に位置決めすることは、光デバイス３０との光結合における損失を低減する点で有利である。

このスリーブ４の材料は特に限定されず、金属、セラミックス等の種々の材料を用いることができる。但し、スリーブ４には、プラグフェルール１６やスタブ１０のフェルール１と硬度が同等となるように、それらと同じ種類の材料を用いることが好ましい。例えば、ジルコニア等の硬度の高い材料でできたプラグフェルール１６を使用するときに、スリーブ４を金属製とすると、硬度の違いから着脱の繰り返しによる金属屑がスリーブ４に発生し易い。これがスタブ１０に保持された内部ロッド６へ付着して大きな光接続損失を発生させる場合がある。

また、スリーブ４に用いる材料の中では、セラミックス、特にジルコニアセラミックスが好ましい。ジルコニアセラミックスは、耐摩耗性と弾性に優れた材料であるため長期使用の信頼性を確保することができる。ジルコニアセラミックスをスリーブ４の形状に加工する方法は、フェルール３の形状に加工する方法と同様である。スリーブ４とフェルール３を同じジルコニアセラミックスによって形成すれば、次のような利点がある。即ち、ジルコニアセラミックスは適度な弾性変形性を有するため、フェルール３とスリーブ４がいずれもジルコニアセラミックスから成ることにより、プラグフェルール１６をスタブ１０に押し付けた際にスリーブ４とフェルール３が一体となって弾性変形し、プラグフェルール１６内の光ファイバ７の内部ロッド６に対する当接状態を良好にできる。また、スタブ１０をスリーブ４に嵌入する場合に、ジルコニアセラミックスの弾性と耐磨耗性によって屑やクラックが殆ど発生しない。

スリーブ４の内径の表面荒さは挿入性を考慮して、算術平均粗さ（Ｒａ）を０．２μｍ以下にすることが望ましい。また、スリーブ４の内径公差（及びスタブ１０の外径公差）は、低い接続損失を得るため±１μｍ以下が望ましい。さらに、スリーブ４の内径寸法は、スタブ１０を確実に保持するために、スタブ１０の挿入力が０．９８Ｎ以上となるように設計することが望ましい。

（ｅ）カバー５
本実施の形態では、スリーブ４の飛び出し防止のために、円筒形のカバー５をホルダ８に圧入又は接着剤などで固定している。カバー５は、耐腐食性に優れたステンレスを用いることが好ましい。また、カバー５をプラスチック、ジルコニア、アルミナなどで形成しても良い。特に、サージ対策が必要な光モジュールにおいては、絶縁体のプラスチック、ジルコニア、アルミナなどを用いることが好ましい。

実施の形態２
図５は、実施の形態２の光レセプタクル３０の断面図である。本実施の形態では、内部ロッド６として、ＧＩレンズロッド３を透明ロッド２と第２透明ロッド２’とで挟んだ構造としている。第２透明ロッド２’は、実施の形態１で説明した透明ロッド２と同様の材料や形状にすることができる。その他の点は、実施の形態１と同様である。

図６は、本実施の形態の光レセプタクル２０内における光線の進行方向を模式的に示す模式断面図である。本実施の形態においても、内部レンズ２５とＧＩレンズロッド３によって光学素子２２と光ファイバ１７が光学的に結合される。即ち、内部レンズ２５から封止窓２１及び光レセプタクル１１を通じて入射したほぼ平行な光は、図６に示すように、透明ロッド２を通過してＧＩレンズロッド３に入射し、ＧＩレンズロッド３のレンズ作用によって集光され、ＧＩレンズロッド３からある集光角で出射される。そして、第２透明ロッド２’は、第１透明ロッド２と同様に略一様な屈折率分布を持つため、ＧＩレンズロッド３を出射した光は、ＧＩレンズロッド３の端面における集光角を維持したまま光ファイバ１７に向かって直進し、第２透明レンズロッド２’の端面でプラグフェルール１６内の光ファイバ１７のコア１７ａに集光される。本実施の形態においても、外部レンズが不要となるため、光学系を簡略化して小型の光レセプタクルとすることができる。また、内部レンズ２５はコリメート若しくは僅かに集光させるだけで良いため、周囲温度の変化によって半導体レーザ２２や内部レンズ２５とスタブ１０との間に多少の高さズレが生じた場合にも、結合効率の低下を抑制することができる。

また、本実施の形態では、ＧＩレンズロッド３に第２透明ロッド２’を接続しているため、入射する光のビーム径に合わせた調整が容易となり、種々の光学系の仕様に合わせたファイバスタブ１０を簡単に用意することができる。即ち、ＧＩレンズロッド３は、入射する光のビーム径によって焦点位置が変化する。このため、組み合わせる光デバイス３０の仕様によってＧＩレンズロッド３に入射する光のビーム径が変化した場合、実施の形態１ではＧＩレンズロッド３自体の屈折率分布を設定し直す必要があった。本実施の形態によれば、その場合にも第２透明ロッド２’の長さ（又はＧＩレンズロッド３の長さと第２透明ロッド２’の長さ）を変えるだけで焦点位置を調整することができる。従って、種々の光学系の仕様に合わせたファイバスタブ１０を簡単に用意することができる。

本実施の形態におけるスタブ１０も、基本的には実施の形態１と同様にして製造できる。例えば、ＧＩレンズロッド３の両端に同径の石英ガラスからなる透明ロッド２と第２透明ロッド２’をそれぞれ融着接続した後、フェルール１の内径に挿入して接着固定する。このときＧＩレンズロッド３はあらかじめ設計したレンズ効果を持つ長さとなる様に調整し、第２透明ロッド２'の長さも所望のレンズ効果を得られるように位置決めして接着し、研磨により微細な調整をすることが望ましい。

また、本実施の形態によれば、実施の形態１に比べて、スタブ１０の削れ量のバラツキによる結合効率のバラツキを一層抑制することができる。即ち、ＧＩレンズロッド３の端面はスタブ１０の端面から露出していないため、スタブ１０の両端面を研磨した際に、ＧＩレンズロッド１０の長さは変化しない。第２透明ロッド２’や透明ロッド２の長さも集光位置に多少影響するが、ＧＩレンズロッド３に比べれば長さの変化による集光位置の変化は小さい。従って、本実施の形態によれば、スタブ１０の両端の削れ量のバラツキによる集光位置のバラツキを効果的に抑制することができる。

尚、ここでは光学素子が半導体レーザなどの発光デバイスである場合を中心に説明したが、本件発明はこれに限定されない。光学素子が受光素子の場合にも、光線の進行方向が逆になり、光アイソレータを反転させる点を除けば、上述の発明を同様に適用できる。

図１は、実施の形態１に係る光レセプタクルを示す模式断面図である。 図２は、図１に示す光レセプタクルを用いた光モジュールを示す模式断面図である。 図３は、図１に示す光レセプタクル内の光の進行方向を示す模式図である。 図４は、ＧＩファイバ中の光線の進行方向を示す模式図である。 図５は、実施の形態２に係る光レセプタクルを示す模式断面図である。 図６は、図１に示す光レセプタクル内の光の進行方向を示す模式図である。 図７は、従来の光デバイスの例を示す断面図である。 図８は、図７に示す光デバイスに従来の光レセプタクルを組み合わせた光モジュールを示す断面図である。

符号の説明

１：フェルール
２、２’：透明体
３：ＧＩファイバ
４：スリーブ
５：カバー
６：内部ロッド
８：ホルダ
９：光ファイバ
１０：スタブ
１１：光アイソレータ
１２：磁石
１４：光線
１５：レンズ
１６：プラグフェルール
１７：光ファイバ
２０：光レセプタクル
２１：封止窓
２２：半導体レーザ
２３：ベース基板
２４：筐体
２５：内部レンズ
２６：ペルチェ素子
２７：フォトダイオード
２９：フェルール
３０：光デバイス
４０：光モジュール

Claims (12)

1. 光コネクタを接続するための光レセプタクルであって、
   （ａ）（ｉ）中心軸から外周に向かって徐々に屈折率が下がるような屈折率分布を有するグレーテッド・インデックス・レンズロッドと透明ロッドとを直列に配列した内部ロッドと、
   （ii）前記内部ロッドを保持するフェルールと、
   を有し、前記光コネクタ内の光ファイバと接続されるスタブと、
   （ｂ）前記スタブを、前記グレーテッド・インデックス・レンズロッドが前記光コネクタとの接続側になるように保持するホルダと、
   を具えた光レセプタクル。
2. 前記内部ロッドにおいて、さらに第２透明ロッドが直列に配列され、前記透明ロッドと前記第２透明ロッドによって前記グレーテッド・インデックス・レンズロッドを挟んだことを特徴とする請求項１に記載の光レセプタクル。
3. 前記スタブに光アイソレータが接続されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光レセプタクル。
4. 前記内部ロッドは、前記光コネクタ内の光ファイバよりも大きな外径を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光レセプタクル。
5. 前記フェルールは、ジルコニアセラミックスから成ることを特徴とする請求項４に記載の光レセプタクル。
6. 前記スタブは、前記光コネクタと接続する側の端面が凸曲面になっていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光レセプタクル。
7. 前記光コネクタは、前記光ファイバを保持するプラグフェルールを有し、前記スタブは、前記プラグフェルールと略同径であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光レセプタクル。
8. 前記スタブは、前記フェルールと同種の材料から成るスリーブに嵌合されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光レセプタクル。
9. 前記スリーブと前記フェルールは、ジルコニアセラミックスから成ることを特徴とする請求項８に記載の光レセプタクル。
10. 発光又は受光機能を有する光学素子と、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光レセプタクルと、前記光学素子と前記光レセプタクルの間に形成されたレンズと、を具えた光モジュールであって、
    前記レンズと前記内部ロッド内のグレーテッド・インデックス・レンズロッドとによって、前記光学素子と光コネクタ内の光ファイバとが結合されることを特徴とする光モジュール。
11. 前記レンズは、前記光学素子の出射又は入射光線の前記内部ロッド端面におけるスポット径が少なくとも前記光コネクタ内の光ファイバのコア径よりも大きくなる程度に集光することを特徴とする請求項１０に記載の光モジュール。
12. 前記レンズ及び前記光学素子が、ペルチェ素子の上に配置されたことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の光モジュール。
    
    

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