JP2007017580A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 光ファイバとの正常な結合が阻害されるような状況下においても、光束の結合効率を維持することが可能な光モジュールを提供する。
【解決手段】 光ファイバ６０が正常な位置に保持された状態において、集束光（光束７０）の集光点Ｐ１を、光ファイバ６０のコア６０Ａ内となるように構成する。例えば光ファイバ６０が浮いているような場合でも、光束７０が光ファイバ６０の外部へ漏れることはなく、光モジュール１での光量の損失が発生しない。また、例えば光ファイバ６０の入射側端面６０Ｔなどに異物Ｇが付着しているような場合でも、異物Ｇによって光束７０が完全に遮断されることはなく、光モジュール１での光量の損失が最小限に抑えられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光束を光ファイバに入射するように構成された光モジュールに関し、特に、光通信用に用いられる光モジュールに関する。

従来より、光通信の分野において、例えば半導体レーザなどの発光素子からの射出光を光ファイバに入射するための光学部品として、光モジュールが使用されている。このような光モジュールは、発光素子からの射出光を光ファイバの端面に集光するレンズと、光ファイバを保持するホルダとを備えており、発光素子と光ファイバとを光学的に結合する構造をなしている（例えば、特許文献１，２）。

特開昭５６−１１０９１１号公報 特開昭５９−１８９１４号公報

ここで、このような光モジュールを使用する際に、例えば光ファイバが正しい位置に保持されずに浮いてしまっていたり、光ファイバの抜き差しなどによって、小さなゴミなど（異物）が光ファイバの端面に付着してしまっていることがある。

ところが、上記特許文献１，２に開示されているように、発光素子からの射出光の集光点が光ファイバの入射側端面上にある従来の光モジュールでは、このような状況下において、光束の結合効率が大きく低下してしまうという問題があった。具体的には、例えば光ファイバが浮いていると、光束の一部が光ファイバの導光路であるコアへ入射できなくなり、外部へ漏れてしまう。また、例えば光ファイバの入射側端面、特に集光点付近に異物が付着していると、この異物によって光束が遮断され、場合によっては伝播することができなくなってしまう。

このように、射出光の集光点が光ファイバの入射側端面上にある従来の光モジュールでは、光ファイバとの正常な結合が阻害されるような状況下において、光束の結合効率を維持するのが困難であった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、光ファイバとの正常な結合が阻害されるような状況下においても、光束の結合効率を維持することが可能な光モジュールを提供することにある。

本発明の光モジュールは、一の光ファイバを、その入射側端面に向けて集束光を導くように保持するファイバ保持部材を備え、このファイバ保持部材を、一の光ファイバが正常な位置に保持された状態において、上記集束光の集光点が一の光ファイバの導光路内となるように構成したものである。

本発明の光モジュールでは、一の光ファイバが正常な位置に保持された状態において、集束光の集光点が一の光ファイバの導光路内となるように構成されているので、例えばこの一の光ファイバが正常な位置に保持されていない場合、すなわち一の光ファイバが浮いているような場合であっても、集束光が外部へ漏れることはなく、光量を損失することなく導光路内へ導かれる。また、例えばこの一の光ファイバの入射側端面に異物が付着しているような場合であっても、この異物によって集束光が完全に遮断されることはなく、従来と比べて光量の損失が低減する。

本発明の光モジュールでは、上記ファイバ保持部材を、一の光ファイバが正常な位置に保持された状態において、以下の条件式（１）を満たすように構成するのが好ましい。但し、Ｌ１は一の光ファイバの中心軸上において正常な位置に保持された状態の入射側端面から集束光の集光点までの距離であり、Ｄは一の光ファイバの導光路の外径であり、ｎは一の光ファイバの導光路の屈折率であり、αは集束光の集光角である。
０＜Ｌ１≦Ｄ／［２×ｔａｎ｛ｓｉｎ^-1（（１／ｎ）×ｓｉｎα）｝］ ……（１）

本発明の光モジュールでは、上記集束光を、他の光ファイバから射出されたものによって構成してもよい。また、光源と、この光源からの射出光を集束することにより一の光ファイバの入射側端面に向けて集束光を導く集光レンズとを、上記ファイバ保持部材と共に一体に構成するようにしてもよい。この場合において、上記光源を、発光素子から構成することが可能である。

本発明の光モジュールによれば、一の光ファイバが正常な位置に保持された状態において、集束光の集光点をこの一の光ファイバの導光路内となるように構成したので、例えば一の光ファイバが浮いているような場合や、その入射側端面に異物が付着しているような場合であっても、光量の損失をゼロまたは最小限に抑えることができる。よって、光ファイバとの正常な結合が阻害されるような状況下においても、集束光の結合効率を維持することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明では、空間領域２０Ａ（後出）の中心軸方向（各図のＸ軸方向）における距離を「長さ」と表記すると共に、空間領域２０Ａの中心軸と直交する方向（各図のＹ軸方向）における距離を「高さ」を表記する。さらに、最外縁光線を含む断面（ＸＹ平面）における空間領域２０Ａの中心軸からみてＹ軸＋側を「上側」と表記し、Ｙ軸−側を「下側」と表記する。また、空間領域２０Ａの中心軸方向において、スリーブ２０（後出）からみて半導体レーザ１１（後出）の側を「入射側」と表記し、その反対側（光ファイバの側）を「射出側」と表記する。

まず、図１〜図３を参照して、本発明の一実施の形態に係る光モジュールの構成について説明する。図１は、本実施の形態の光モジュール１の内部構成を断面図で表したものである。ここで、図１（Ａ）は、光ファイバ６０（後出）を保持しない状態を示し、図１（Ｂ）は、光ファイバ６０を正常な位置に保持した状態（光ファイバ６０の入射側端面６０Ｔ（後出）を、入射側端面位置２０Ｔ（後出）に保持した状態）を示すものである。また、図２は、図１に示した光モジュール１の断面構成の要部を拡大して示したものであり、図３は、図１に示した光ファイバ６０の断面構成を拡大して示したものである。

光モジュール１は、光通信を行う際に、例えば半導体レーザ等の発光素子からの射出光を光ファイバ６０に導くように機能する光学部品である。光モジュール１は、光ファイバ６０が挿入される空間領域２０Ａを規定する内壁面２１を有するスリーブ２０を備えており、このスリーブ２０が、空間領域２０Ａに挿入される光ファイバ６０を、その入射側端面６０Ｔに光束を導くように保持するようになっている。以下、光モジュール１の構成について、より具体的に説明する。

図１に示したように、光モジュール１は、中心軸Ｚ１に沿って、入射側からホルダ１０と、スリーブ２０と、ハウジング３０とを順に備えている。

ホルダ１０は、中心軸Ｚ１を中心とする空洞領域を有し、中心軸Ｚ１上に、光源としての半導体レーザ１１と、集光レンズ１２とを保持している。半導体レーザ１１は、内部に半導体素子（図示せず）を備えており、凸部１１Ａがホルダ１０の係止部１０Ａに突き当たることにより位置決めがなされるようになっている。また、集光レンズ１２は、例えば、正の屈折力を有する単レンズであり、周縁部がホルダ１０の係止部１０Ｂに突き当たることにより位置決めがなされるようになっている。この集光レンズ１２の集光角は、光ファイバ６０の開口数に対応する入射角よりも小さくなるように構成されている。なお、半導体レーザ１１は、本発明の「発光素子」に対応する一具体例である。

スリーブ２０は、例えばステンレス鋼などからなり、光ファイバ６０が挿入される空間領域２０Ａを規定する内壁面２１を有し、光ファイバ６０を保持するように機能するものである。空間領域２０Ａは、中心軸Ｚ１に沿った方向の長さがＬであると共に、中心軸Ｚ１を中心とする半径がＲ／２である円柱形状をなしている。長さＬは、例えば約４ｍｍであり、半径Ｒ／２は、例えば１．２５ｍｍφ程度である。また、このスリーブ２０には、光ファイバ６０を正常な位置に保持する際の入射側端面６０ＴのＸ軸方向の位置、すなわち入射側端面位置２０Ｔを決める係止部２２が形成されている。この係止部２２から、集光レンズ１２とは反対側（すなわち、射出側）の開口端２３Ｋまでの長さが空間領域２０Ａの長さに相当する。ここで、このスリーブ２０が、本発明の「ファイバ保持部材」に対応する一具体例である。

ハウジング３０は、スリーブ２０の外周面側に装着され、例えば、光ファイバ６０を保護するフェルール６１を保持するフレーム（図示せず）と嵌合するようになっている。

図１（Ｂ）に示したように、光ファイバ６０は、例えば、比較的高い屈折率を示すプラスチックからなり、光束が伝搬する光路（導光路）となる円柱形状のコア６０Ａと、比較的低い屈折率を示すプラスチックからなり、コア６０Ａの周囲を長手方向に覆うクラッド６０Ｂとを備えている。この光ファイバ６０の開口数は、例えば０．３であり、コア６０Ａの外径Ｄは、例えば０．４４ｍｍφであり、クラッド６０Ｂの外径は、例えば０．５０ｍｍφである。光ファイバ６０は、その最大受光角（開口数に相当する角度）よりも小さな角度でコア６０Ａに入射した光線に対し、コア６０Ａとクラッド６０Ｂとの境界面６０Ｃにおいて全反射を繰り返し行うことによって伝搬するように機能する。光ファイバ６０は、さらにその周囲を、例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）からなる円筒状のフェルール６１によって覆われ、保持された状態で空間領域２０Ａに挿入され、光ファイバ６０の中心軸と空間領域２０Ａの中心軸Ｚ１とが一致するようにスリーブ２０に保持される。なお、この光ファイバ６０としては、いわゆるステップインデックス（Step Index；ＳＩ）ファイバおよびグレーデッドインデックスファイバ（Graded Index；ＧＩ）ファイバのいずれの構造も適用することが可能である。また、この光ファイバ６０が、本発明の「一の光ファイバ」に対応する一具体例である。

ここで、図２に示したように、この光モジュール１では、光ファイバ６０が正常な位置に保持された状態において、その入射側端面６０Ｔから入射される集束光（光束７０）の集光点Ｐ１が、この光ファイバ６０のコア６０Ａ内に位置するように構成されている。換言すると、この光モジュール１（具体的には、スリーブ２０）は、光ファイバ６０が正常な位置に保持された状態において、以下の条件式（１）を満たすように構成されている。なお、この図２は、光束７０の最外縁光線が入射側端面６０Ｔを通過する場合、すなわち集光点Ｐ１が中心点Ｚ１上に位置する場合の断面図であり、この場合の最外縁光線を特に光線７１としている。
０＜Ｌ１≦Ｄ／［２×ｔａｎ｛ｓｉｎ^-1（（１／ｎ）×ｓｉｎα）｝］ ……（１）

但し、図２および後述する図３に示したように、Ｌ１は空間領域２０Ａの中心軸Ｚ１上において正常な位置に保持された状態の光ファイバ６０の入射側端面６０Ｔから集光点Ｐ１までの距離（焦点位置の深さ）であり、Ｄは光ファイバ６０のコア６０Ａの外径であり、ｎは光ファイバ６０のコア６０Ａの屈折率であり、αは光束７０の集光角である。また、図３中のＬ１maxは、この条件式（１）を満たす焦点位置の深さＬ１の最大値（最大焦点位置の深さ）を表しており、Ｐ１maxは、そのときの焦点Ｐ１の位置を表している。なお、この条件式（１）の詳細については、以下述べる光モジュール１の作用の説明部分において触れることとする。

次に、図２〜図５を参照して、この光モジュール１の作用について説明する。

図２に示したように、この光モジュール１では、光源としての半導体レーザ１１から射出された射出光が集光レンズ１２によって集光されたのち、光束７０として、入射側端面位置２０Ｔに向けて光ファイバ６０の入射側端面６０Ｔからコア６０Ａに入射するようになっている。そして前述のように、このような集束光からなる光束７０は、光ファイバ６０のコア６０Ａ内（集光点Ｐ１）で結像するようになっている。なお、この光束７０が、本発明の「集束光」に対応する一具体例である。

したがって、図４に示したように、この光モジュール１において、例えば光ファイバ６０が空間領域２０Ａの正常な位置に保持されずに浮いてしまっている場合、具体的には光ファイバ６０が係止部２２から距離Ｌ０だけ離れた位置にあるような場合にも、光束７０がコア６０Ａの外部へ漏れることはない。より具体的には、焦点位置の深さＬ１が前述の条件式（１）を満たすように光モジュール１が構成されていれば、光束７０が光ファイバ６０の外部へ漏れることはなく、換言すると、光ファイバ６０の浮いている距離Ｌ０は、図２に示した焦点位置の深さＬ１と最大焦点位置の深さＬ１maxとの和に対して光ファイバ６０の浮いている部分（空気層）の屈折率とコア６０Ａの屈折率ｎとの比を乗じた（１／ｎ）×（Ｌ１＋Ｌ１max）までは許容されることになる。なお、図３に示したように、この焦点位置の深さＬ１が最大焦点位置の深さＬ１maxに等しい場合には、光ファイバ６０の浮いている距離Ｌ０は、（１／ｎ）×（２×Ｌ１max）まで許容されることになる。

ここで、図３を参照して、前述の条件式（１）の詳細について説明する。

まず、空間領域２０Ａの中心軸Ｚ１と最外縁光線（光線７１）とがなす角度をθとすると、前述のコア６０Ａの屈折率ｎおよび光束７０の集光角αとの間で以下の式（２）が成り立ち、これにより式（３）が導かれる。
ｎ×ｓｉｎθ＝ｓｉｎα ……（２）
θ＝ｓｉｎ^-1｛（１／ｎ）×ｓｉｎα｝ ……（３）

次に、図３から分かるように、最大焦点位置の深さＬ１maxは、コア６０Ａの外径Ｄおよび上記した角度θとの間に、以下の式（４）が成り立つ。
ｔａｎθ＝Ｄ／（２×Ｌ１max） ……（４）

この式（４）中のθに、上記式（３）を代入することにより、以下の式（５）が成り立つ。よって、焦点位置の深さＬ１の最大値、すなわち最大焦点位置の深さＬ１maxは式（５）のように表され、これにより前述の条件式（１）が導かれることとなる。
Ｌ１max＝Ｄ／（２×ｔａｎθ）
＝Ｄ／［２×ｔａｎ｛ｓｉｎ^-1（（１／ｎ）×ｓｉｎα）｝］ ……（５）

なお、この条件式（１）を満たす場合の一例として、光束７０の集光角αに対応する開口数＝０．２、光ファイバ６０の外径＝０．２ｍｍφの場合には、最大焦点位置の深さＬ１max＝２ｍｍとなる。

これに対して、従来の光モジュールの場合には、図２中の光束１７０および光線１７１で示したように、光束１７０が、光ファイバ６０の入射側端面６０Ｔ（集光点Ｐ１０１）で結像するようになっている。したがって、図４に示したように光ファイバ６０が浮いている場合（係止部２２から距離Ｌ０だけ離れた位置にあるような場合）、光束１７０の一部がコア６０Ａへ入射できなくなり、コア６０Ａの外部へ漏れてしまうことになる。よってこのような場合、光量の一部が損失し、光モジュール１での結合効率が低下しまうことになる。

このように、この光モジュール１では、光ファイバ６０が正常な位置に保持された状態において、集束光（光束７０）が光ファイバ６０のコア６０Ａ内（集光点Ｐ１）で結像するようになっているので、従来の光モジュールの場合とは異なり、光量を損失することなくコア６０Ａ内へ導かれ、その結果、光ファイバ６０が浮いているような状況下においても、光モジュール１での結合効率が維持される。

また、図５に示したように、例えば光ファイバ６０の入射側端面６０Ｔにごみ等の異物Ｇが付着しているような場合であっても、上記のように光ファイバ６０が正常な位置に保持された状態において光束７０がコア６０Ａ内（集光点Ｐ１）で結像するようになっているため、この異物Ｇが入射側端面６０Ｔでの光束７０の直径よりも小さい限り、異物Ｇによって光束７０が完全に遮断されることはない。すなわち、この光モジュール１では、たとえ入射側端面６０Ｔなどに異物Ｇが付着しているような状況下であっても、光モジュール１での光量の損失が最小限に抑えられる。

一方、従来の光モジュールの場合には、図５中の光束１７０および光線１７１で示したように、入射側端面６０Ｔ、特に集光点Ｐ１０１付近に異物Ｇが付着していると、この異物Ｇによって光束１７０が完全に遮断されてしまうことになる。よって、場合によっては光束１７０が伝播することができなくなり、光通信におけるエラーの原因等となってしまう。

このように、この光モジュール１では、光ファイバ６０が正常な位置に保持された状態において、集束光（光束７０）が光ファイバ６０のコア６０Ａ内（集光点Ｐ１）で結像するようになっているので、従来の光モジュールの場合と比べて光量の損失が低減し、その結果、光ファイバ６０の入射側端面６０Ｔなどに異物Ｇが付着しているような状況下においても、光モジュール１での結合効率がある程度維持される。

以上のように、本実施の形態では、光ファイバ６０が正常な位置に保持された状態において、集束光（光束７０）の集光点Ｐ１を、光ファイバ６０のコア６０Ａ内となるように構成したので、光量の損失をゼロまたは最低限に抑えることができる。よって、例えば光ファイバ６０が浮いていたり、その入射側端面６０Ｔなどに異物Ｇが付着しているような場合、すなわち光ファイバ６０との正常な結合が阻害されるような状況下においても、光束７０の結合効率を維持することが可能となる。

より具体的には、光ファイバ６０の浮いている距離Ｌ０を、前述の条件式（１）を満たす焦点位置の深さＬ１とこの条件式（１）により定まる最大焦点位置の深さＬ１maxとの和に対して光ファイバ６０の浮いている部分（空気層）の屈折率とコア６０Ａの屈折率ｎとの比を乗じた（１／ｎ）×（Ｌ１＋Ｌ１max）まで許容することができる。換言すると、この（１／ｎ）×（Ｌ１＋Ｌ１max）までの光ファイバ６０の位置ずれであれば、上記のような状況下においてでも、光束７０の結合効率を維持することができる。

また、光束７０の結合効率を維持することができるので、このような光ファイバ６０との正常な結合が阻害されるような状況下においてでも、安定した光通信を行うことが可能となる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、ファイバ保持部材と共に、光源と集光レンズとを一体に構成する場合について説明したが、これに限定されず、他の部材を用いて光源と集光レンズとをそれぞれ固定し、光源、集光レンズおよび光ファイバとの光軸やそれぞれの光軸方向における間隔等を適切に確保するようにしてもよい。また、光源や集光レンズから直に光束を導く構成に限らず、光ファイバ等の光学部品を介して光束を導くようにしてもよい。

具体的には、例えば上記実施の形態では、図６（Ａ）に模式的に示したように、光モジュール１内に光源としての発光素子（半導体レーザ１１）と集光レンズ１２とを設けるようにしているが、例えば図６（Ｂ）に模式的に示したように、光モジュール４内に別の光ファイバ８０（光ファイバ６０と同様に、コア８０Ａ、クラッド８０Ｂ、境界面８０Ｃおよびフェルール８１から構成されている）と、一対のレンズ１２Ａ，１２Ｂとを設け、この光ファイバ８０からの射出光を、集束光（光束７０）として用いるようにしてもよい。このように構成した場合、上記実施の形態と同様の作用により、光ファイバ８０と光ファイバ６０との正常な結合が阻害されるような状況下においても、結合効率を維持しつつ、光ファイバ８０からの射出光を光ファイバ６０へ中継することができる。なお、この図６（Ｂ）の構成において、一対のレンズ１２Ａ，１２Ｂの間に、光束７０の特性を変更させるためのフィルタ（図示せず）や、光束７０からなる信号を増幅するための部材等（図示せず）をさらに設けるようにしてもよい。なお、この場合における光ファイバ８０が、本発明の「他の光ファイバ」に対応する一具体例である。

また、上記実施の形態では、光源として半導体レーザを用いるようにしたが、これに限定されず、例えば発光ダイオード（Light Emitting Diode ;ＬＥＤ）等を用いるようにしてもよい。また、集光レンズについても、上記実施の形態では１枚構成としたが、複数枚からなるようにしてもよい。

さらに、上記実施の形態では、光ファイバとしてプラスチックファイバを用いる場合で説明したが、これに限定されず、本発明の光モジュールは、例えば石英ファイバにも適用可能である。また、その場合、シングルモード型またはマルチモード型のどちらであっても構わない。

本発明の一実施の形態に係る光モジュールの構成を表す断面図である。 図１に示した光モジュールの断面構成の要部を拡大して示し、集束光の集光点の位置について説明するための要部断面図である。 図１に示した光ファイバの断面構成を拡大して示し、本発明に係る条件式について説明するための要部断面図である。 図１に示した光モジュールの断面構成の要部を拡大して示し、本発明の特徴的部分について説明するための要部断面図である。 図１に示した光モジュールの断面構成の要部を拡大して示し、本発明の他の特徴的部分について説明するための要部断面図である。 本発明の変形例に係る光モジュールの構成を表す要部断面図である。

符号の説明

１，４…光モジュール、１０…ホルダ、１１…半導体レーザ、１２…集光レンズ、２０…スリーブ、２０Ａ…空間領域、２０Ｔ…入射側端面位置、２１…内壁面、１０Ａ，１０Ｂ，２２…係止部、２３Ｋ…開口端、３０…ハウジング、６０，８０…光ファイバ、６０Ａ，８０Ａ…コア、６０Ｂ，８０Ｂ…クラッド、６０Ｃ，８０Ｃ…境界面、６０Ｔ…入射側端面、６１…フェルール、７０…光束（集束光）、７１…光線、Ｚ１…中心軸、Ｌ…空間領域の長さ、Ｒ…空間領域の高さ、Ｄ…コア径、Ｐ１…集光点、Ｌ１…焦点位置の深さ、Ｌ１max…最大焦点位置の深さ、Ｇ…異物、α…集光角。

Claims (5)

1. 一の光ファイバを、その入射側端面に向けて集束光を導くように保持するファイバ保持部材を備え、
   前記ファイバ保持部材は、前記一の光ファイバを正常な位置に保持した状態において、前記集束光の集光点がこの一の光ファイバの導光路内となるように構成されている
   ことを特徴とする光モジュール。
2. 前記ファイバ保持部材は、前記一の光ファイバを前記正常な位置に保持した状態において、以下の条件式（１）を満たすように構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
   ０＜Ｌ１≦Ｄ／［２×ｔａｎ｛ｓｉｎ^-1（（１／ｎ）×ｓｉｎα）｝］ ……（１）
   但し、
   Ｌ１：一の光ファイバの中心軸上において、正常な位置に保持された状態の入射側端面から集束光の集光点までの距離
   Ｄ ：一の光ファイバの導光路の外径
   ｎ ：一の光ファイバの導光路の屈折率
   α ：収束光の集光角
   とする。
3. 前記集束光は、他の光ファイバから射出されたものである
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光モジュール。
4. 光源と、
   前記光源からの射出光を集束することにより前記一の光ファイバの入射側端面に向けて前記集束光を導く集光レンズとをさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光モジュール。
5. 前記光源が、発光素子により構成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。
   
   

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