JP2007065318A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 光源からの光を集光させて出射する光モジュールにおいて、集光位置における汚染物質の発生を抑制する。
【解決手段】 短波長領域の光を出射する光源１と、光の入射端と出射端を有する石英スタブ４２と、光源１から出射された光を透明部材の入射端から入射させ、出射端に集光させる集光レンズ２とを備えた光モジュール１００であって、透明部材のＮａ及びＫ（アルカリ金属）のそれぞれの含有量が２．０［重量％］未満、及び／又は、光源１から出射された光の吸収量が０．６５［％／ｍｍ］未満であり、導波路を有しない屈折率が一様な透明部材を用いる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、透明部材で形成されたスタブを備えるレセプタクル型光モジュールに関するものである。

従来より、半導体レーザと、半導体レーザから出射されたレーザ光を光ファイバの入射端面に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールが光通信部品として一般的に知られている。このような光モジュールのうち、特許文献１に開示されているように、光ファイバを保持している光コネクタと接続自在に構成されたレセプタクル型光モジュールも多く知られている。このようなレセプタクル型光モジュールには、半導体レーザから出射されたレーザ光を光ファイバに安定的に入射させるために、モジュール内にファイバスタブが圧入固定されている。
特開２００４−２９４９０６号公報

しかしながら、ファイバスタブを有する光モジュールは、レーザ光の集光位置であるファイバスタブの入射端が大気中にあり、更に該集光位置は光パワー密度が高くなるため、光化学反応によって発生した有機物質（汚染物質）がファイバスタブの入射端に付着しやすい。ファイバスタブの入射端に汚染物質が付着すると、レーザ特性が劣化し、光モジュールの信頼性低下の原因となっていた。

本発明は、汚染物質の発生を抑制し、高い信頼性を有する光モジュールを提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の光モジュールは、短波長領域の光を出射する少なくとも１つの光源と、光の入射端と出射端を有する透明部材と、前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、前記透明部材のアルカリ金属の含有量が、２．０［重量％］未満であることを特徴としている。

また、請求項２に記載の光モジュールは、短波長領域の光を出射する少なくとも１つの光源と、光の入射端と出射端を有する透明部材と、前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、前記透明部材のＮａ及びＫのそれぞれの含有量が２．０［重量％］未満であることを特徴としている。

また、請求項３に記載の光モジュールは、短波長領域の光を出射する少なくとも１つの光源と、光の入射端と出射端を有する透明部材と、前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、前記透明部材の前記光源から出射された光の吸収量が０．６５［％／ｍｍ］未満であることを特徴としている。

更に請求項４に記載の光モジュールは、短波長領域の光を出射する少なくとも１つの光源と、光の入射端と出射端を有する透明部材と、前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、前記透明部材のアルカリ金属の含有量が２．０［重量％］未満であり、且つ前記透明部材の前記光源から出射された光の吸収量が０．６５［％／ｍｍ］未満のものであることを特徴としている。

更に、請求項５に記載の光モジュールは、短波長領域の光を出射する少なくとも１つの光源と、光の入射端と出射端を有する透明部材と、前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、前記透明部材のＮａ及びＫのそれぞれの含有量が２．０［重量％］未満であり、且つ前記透明部材の前記光源から出射された光の吸収量が０．６５［％／ｍｍ］未満のものであることを特徴としている。

尚、請求項１〜５の何れか一項に記載の光モジュールにおいて、透明部材が、屈折率の一様なものであること、即ち、ファイバスタブのように屈折率差を持つ光ファイバ（光導波路）を内部に有するものではないものとする。更に、透明部材は、石英、ガラス（例えば、住田光学ガラス社製／K-FK5、K-CaFK95、K-PFK80、K-VC79、K-PBK40、K-GFK68、K-PSK11、K-PSK200、K-PFK85、K-PG325、K-SK4、K-VC78、K-PBK50、K-GFK70、K-BK7等）、結晶体（例えば、ＳｉＯ_２、ＣａＦ_２、ＭｇＦ_２から選ばれる少なくとも一種を含むガラス）等で構成されたものであり、光源から出射された光を透過するものである。

更に、請求項１〜７の何れか一項に記載の光モジュールにおいて、前記光源から出射される光の発振波長が３５０［ｎｍ］〜４５０［ｎｍ］の短波長領域であることとする。従って、透明部材は３５０［ｎｍ］〜４５０［ｎｍ］の短波長領域の光を透過する（上記波長領域の光に対して透明な）部材であることとする。

更に、請求項１〜８の何れか一項に記載の光モジュールにおいて、前記透明部材の光軸方向の長さが１［ｍｍ］以上であることが望ましい。尚、透明部材の長寿命化を図るためには、２［ｍｍ］以上であることが望ましい。

更に、請求項１〜９の何れか一項に記載の光モジュールにおいて、前記透明部材の入射端に反射防止膜が塗布されていることとする。これにより、透明部材の入射端に入射された光の反射光が光源に照射されることを防ぐことができる。

光源から出射された光を集光光学系によって透明部材の出射端に集光させることによって、透明部材の出射端に光ファイバの入射端を密着させて配置し、集光された光を光ファイバに入射させるようにしたときに、光の集光位置が大気に曝されないため、光ファイバの入射端の汚染を防ぐことができ、洗浄工程を簡便化させることができる。

また、アルカリ金属、又はＮａ及びＫのそれぞれの含有量が２．０［重量％］未満の透明部材を用いることにより、透明部材に含まれるＮａ、Ｋ（アルカリ金属）と光ファイバのクラッドに含まれるＦの化学反応によって発生する反応物質（汚染物質）の発生を抑えることができる。更に、短波長領域（３５０［ｎｍ］〜４５０［ｎｍ］）のレーザ光の吸収量が０．６５［％／ｍｍ］未満の透明部材を用いることにより、レーザ光の長時間照射による透明部材の特性変化を抑えることができ、光損失の増加を防ぐことができる。

以下、本発明を半導体レーザを用いた光モジュールに適用した場合について実施の形態を用いて説明する。また、以下の実施の形態では、透明部材の例として石英スタブを用いて説明するが、その他に、ガラス（例えば、住田光学ガラス社製／K-FK5、K-CaFK95、K-PFK80、K-VC79、K-PBK40、K-GFK68、K-PSK11、K-PSK200、K-PFK85、K-PG325、K-SK4、K-VC78、K-PBK50、K-GFK70、K-BK7等）、結晶体（例えば、ＳｉＯ_２、ＣａＦ_２及びＭｇＦ_２から選ばれる少なくとも一種を５０［％］以上含むガラス）等で構成された透明部材であってもよい。

〔第１の実施の形態〕
図１は、本実施の形態における光モジュール１００の概略構成を説明するための断面図である。

光モジュール１００は、光源１、集光レンズ２、レンズホルダ３、石英スタブ４及びフェルール５等によって構成される。半導体レーザ１１は、ステム１３上に固定されたブロック１２にＡｕＳｎ等のロウ材を用いて実装され、不活性ガス雰囲気中において光出射窓１５を有するキャップ１４の縁部とステム１３がＹＡＧレーザ等を用いた溶接、半田、接着剤等で接着されて気密封止される。半導体レーザ１１を電気的に駆動するための端子１６は、ステム１３の開口部分（不図示）を介し、外部へ引き出される。半導体レーザ１１を気密封止したキャップ１４は、レンズホルダ３に圧入固定される。ここで、半導体レーザ１１は３５０［ｎｍ］〜４５０［ｎｍ］の短波長領域のレーザ光を出射するものであり、例えばＧａＮ系の半導体レーザ等を用いる。

集光レンズ２（集光光学系）は、レンズホルダ３の内部に接着や圧入により固定される。

石英スタブ（透明部材）４は、出射端４１側がフェルール５に挿入されて保持され、更に石英スタブ４の入射端４２側がレンズホルダ３に挿入されることによって、レンズホルダ３と石英スタブ４が接続・固定される。透明部材の詳細については後述する。

集光されたレーザ光Ｌが石英スタブ４の入射端４２に入射し、出射端４１にて集光するように、集光レンズ２の配置位置が調整されてレンズホルダ３内に配置される。例えば、集光レンズ２が光モジュール１００の光軸方向に摺動自在なようにレンズホルダ３が構成されていてもよい。

光コネクタ２００は、光ファイバ６１と、フェルール６と、コネクタ７とを備えて構成される。光ファイバ６１は、例えば開口率ＮＡ＝０．２２程度のマルチモード光ファイバを用いる。フェルール６の貫通孔には光ファイバ６１の入射端側が挿入され、更にフェルール６がコネクタ７によって保持される。そして、図１（ｂ）に示すようにフェルール６がフェルール５に挿入されて固定される。ここで、光ファイバ６１と石英スタブ４との間に空間があると汚染の原因となるため、光ファイバ６１の入射端と石英スタブ４の出射端４１との間に空間が発生しないように密着させて固定される。そして、石英スタブ４の出射端４１に集光されたレーザ光Ｌは光ファイバ６１に入射され、光ファイバ６１内を導波し、光ファイバ６１の出射端（不図示）から出射される。

上述したように構成された光モジュール１００において、石英スタブ４の入射端４２における光パワー密度が高くなると、光化学反応によって有機物質が発生し汚染の原因となるため、石英スタブ４の入射端４２におけるレーザ光Ｌの照射面積は大きい方が好ましい。例えば、光ファイバ６１の開口率ＮＡが０．２２の場合、石英スタブ４の光軸方向の長さは１［ｍｍ］以上であることが望ましい。更に、石英スタブ４の長寿命化を考慮すると２［ｍｍ］以上であることが望ましい。

透明部材（本実施の形態では石英スタブ４）について詳しく説明する。まず、一般的に使用されているガラススタブを用いて、図１に示したような光源モジュールを構成し、動作確認を行った。４０５［ｎｍ］のレーザ光を約２００［ｍＷ］の光パワーで出射させ、ガラススタブを介して光ファイバに長時間入射させたところ、光ファイバの入射端に汚染物質の付着が確認された。そこで、一般的に使用されているガラススタブの組成分析を行った。図２は、一般的なガラススタブの組成分析結果を示すグラフである。分析装置はＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線元素分析：Energy Dispersive X-ray Spectrometry／堀場製作所製ＥＭＡＭ−７０００）を用いて測定した。また、ガラススタブの分析前の処理として、ガラススタブの周囲と外側金属間を導電性塗料にて導通した後、炭素蒸着（２００［ｎｍ］程度）を施した。分析条件は、分析エリアが約５０×４０［μｍ］（２０００倍エリア）、測定時間は１００［ｓｅｃ］、加速電圧は１５．０［ｋＶ］、パルス処理時間はＰ３、電子線入射角度は９０．０［°］、デッドタイムは５［％］、Ｘ線取出し角度は３０．０［°］であり、定量補正法はスタンダードレスφ（ρｚ）、ピーク分離法はオーバーラップファクタ法を用いた。表１に石英スタブの組成を定量的に示す。尚、表１において、酸素Ｏは酸化物計算を行うのに必要な量であり、定量計算は行っていない。

表１に示すように、ガラススタブにはＮａが２．０［重量％］、Ｋが１．３［重量％］含有されていることが分かった。つまり、上記動作確認において光ファイバの入射端に付着した汚染物質は、ガラススタブに含まれるＮａ、Ｋと、光ファイバのクラッドに含まれるＦ（フッ素）が反応して反応物質が発生し、光ファイバの入射端に付着したものと考えられる。従って、Ｎａ、ＫとＦの化学反応による反応物質の発生を抑えるために、本実施の形態における透明部材のＮａ及びＫのそれぞれの含有量は２．０［重量％］未満であることが望ましい。

また、ホウ珪酸ガラスによって構成されたガラススタブを用いて図１に示したような光モジュールを構成し、光源から４００［ｎｍ］のレーザ光を長時間出射させて動作確認を行ったところ、時間経過と共に光損失が増加していることが確認された。ガラススタブに高パワーのレーザ光が長時間照射されたことによって、ガラススタブの組成が変化したり、レーザ光の集光位置付近において微結晶が析出されたりすることによってガラススタブの屈折率等が変化し、光損失増大を招いたと考えられる。上記のホウ珪酸ガラスの光軸方向の長さは２［ｍｍ］であり、４００［ｎｍ］のレーザ光に対する吸収量が０．６５［％／ｍｍ］未満であった。従って、短波長領域のレーザ光の吸収を抑えて組成変化等の透明部材の特性変化を防ぐために、本実施の形態における透明部材の短波長領域（３５０［ｎｍ］〜４５０［ｎｍ］）のレーザ光の吸収量は０．６５［％／ｍｍ］未満であることが望ましい。

つまり、本実施の形態の光源モジュール１００が備える透明部材は、Ｎａ及びＫのそれぞれの含有量が２．０［重量％］未満、及び／又は、短波長領域（３５０［ｎｍ］〜４５０［ｎｍ］）のレーザ光の吸収量が０．６５［％／ｍｍ］未満の透明部材を用いることとする。尚、透明部材のＮａ及びＫ以外のアルカリ金属の含有量が２．０［重量％］未満としてもよい。また、透明部材は３５０［ｎｍ］〜４５０［ｎｍ］の短波長領域の光を透過する（上記波長領域の光に対して透明な）部材であることとし、ファイバスタブのように屈折率差を持つ光ファイバ（光導波路）を内部に有するものではなく、屈折率がほぼ一様なものであることとする。

以上説明したように、レセプタクル型の光モジュール１００において、光コネクタ１００との接続部分に石英スタブ４を配置して石英スタブ４の出射端４１と光ファイバ６１の入射端との間に空間ができないように密着可能な構成にし、集光レンズ２によってレーザ光を石英スタブ４の出射端４１に集光させることによって、集光位置が大気に曝された環境にないため、光ファイバ６１の入射端の汚染を抑えることができる。

また、ファイバスタブを用いた従来の光モジュールでは、ファイバスタブに貫通された光ファイバにレーザ光を集光させるが、集光位置は大気に曝露されることになるため、光モジュールを組み立てる際の洗浄工程に手間がかかっていた。しかし、本発明における光モジュール１００においては、集光位置が大気に曝された環境にないため、洗浄工程を簡便化させることができる。

更に、Ｎａ及びＫ（アルカリ金属）のそれぞれの含有量が２．０［重量％］未満の透明部材を用いることにより、透明部材に含まれるＮａ、Ｋ（アルカリ金属）と光ファイバのクラッドに含まれるＦの化学反応によって発生する反応物質（汚染物質）の発生を抑えることができる。そして、短波長領域（３５０［ｎｍ］〜４５０［ｎｍ］）のレーザ光の吸収量が０．６５［％／ｍｍ］未満の透明部材を用いることにより、レーザ光の長時間照射による透明部材の特性変化を抑え、光損失の増加を防ぐことができる。

次に、光源モジュール１００の石英スタブの他の実施例について説明する。図３（ａ）は、図１に示した石英スタブ４の入射端４２に反射防止膜８を塗布したときの光源モジュールを示している。石英スタブ４の入射端４２に照射されたレーザ光のうち、一部の光は入射端４２によって反射される。この反射光が光出射窓１５を介して光源１内に入射し半導体レーザ１１に照射されると、半導体レーザ１１の損傷の原因となり、安定したレーザ光の出射を妨げることとなる。そこで、石英スタブ４の入射端４２に反射防止膜８を塗布することにより、入射端４２を反射する反射光の量を抑えることができ、石英スタブ４の透過率を上げることができる。尚、反射防止膜８は石英スタブ４の入射端４２におけるレーザ光の照射領域を十分覆う範囲に対して塗布されていればよい。

また、図３（ｂ）に示したように、石英スタブの入射端を光モジュールの光軸に対して斜めに切断した石英スタブ４ｂを用いてもよい。このように入射端が斜めに切断された石英スタブ４ｂを用いることによって、石英スタブの入射端を反射する反射光が直接光源１に照射されることを防ぐことができる。尚、図３（ｃ）のように、石英スタブ４ｂの入射端のレーザ光照射領域に反射防止膜８が塗布されていてもよい。

更に、図３（ｄ）に示したように、石英スタブの出射端が球面処理された石英スタブ４ｃを用いてもよい。出射端が球面処理された石英スタブ４ｃを用いることによって、石英スタブ４ｃの出射端と光ファイバ６１の入射端とを確実に当接させることができる。これにより、光損失を抑えることができ、光源モジュールとしての動作安定性を向上させることができる。尚、図３（ｅ）のように石英スタブ４ｃの入射端のレーザ光照射領域に反射防止膜８を塗布してもよい。

更に、図３（ｆ）に示したように、石英スタブの入射端が光モジュールの光軸に対して斜めに切断されており、出射端が球面処理された石英スタブ４ｄを用いてもよい。尚、図３（ｇ）のように、石英スタブ４ｄの入射端のレーザ光照射領域に反射防止膜８が塗布されていてもよい。

〔第２の実施の形態〕
第１の実施の形態では、光源１内に半導体レーザ１１を１つ備える光モジュール１００について説明した。第２の実施の形態では、半導体レーザを複数（例えば５個）備える光モジュール１００ａについて説明する。

図４は、本実施の形態における光モジュール１００ａ及び光コネクタ２００の概略構成を説明するための断面図である。光モジュール１００ａは、キャップ４５内に５個の半導体レーザ３１〜３５（例えば、ＧａＮ系の半導体レーザ）を備えており、キャップ４５の光出射窓がコリメータレンズアレイ４３によって構成されている。図４においては、コリメータレンズアレイ４３及び集光レンズ２の形状を概略的に示している。また、図の煩雑化を防ぐために、半導体レーザ３１〜３５のうち、両端に配置されている半導体レーザ３１及び３５にのみ符号を付している。

第１の実施の形態と同様に、半導体レーザ３１〜３５は、キャップ４５のブロック４９にＡｕＳｎ等のロウ材を用いて実装され、不活性ガス雰囲気中においてキャップ４５の縁部とステム４７とがＹＡＧレーザ等を用いた溶接、半田、接着剤等によって接着されて気密封止される。半導体レーザ３１〜３５を気密封止したキャップ４５は集光レンズホルダ３に圧入固定される。半導体レーザ３１〜３５を電気的に駆動するための端子４８はステム４７の開口部を介して外部に引き出される。

半導体レーザ３１〜３５より発散光状態で出射されたレーザ光は、コリメータレンズアレイ４３の対応するコリメータレンズによって平行光化される。平行光化されたレーザ光は集光レンズ２によって集光されて石英スタブ４に入射し、石英スタブ４の出射端において結合される。そして結合されたレーザ光はフェルール６に挿入された光ファイバ６１の入射端に入射して導波し、光ファイバ６１の出射端（不図示）から出射される。

尚、本実施の形態の光モジュール１００ａでは、透明部材としてＮａ及びＫのそれぞれの含有量が２．０［重量％］未満、及び／又は、短波長領域（３５０［ｎｍ］〜４５０［ｎｍ］）のレーザ光の吸収量が０．６５［％／ｍｍ］未満の透明部材を用いることとする。尚、透明部材のＮａ及びＫ以外のアルカリ金属の含有量が２．０［重量％］未満としてもよい。また、透明部材はファイバスタブのように屈折率差を持つ光ファイバ（光導波路）を内部に有するものではなく、屈折率がほぼ一様なものであることとする。

また、本実施の形態の石英スタブ４は、図３において示した石英スタブ４ｂ〜４ｄを用いてもよい。更に、石英スタブ４の入射端のレーザ光照射領域には反射防止膜を塗布してもよい。

第１の実施の形態における光モジュールの概略断面図 一般的なガラススタブの組成分析結果を示すグラフ 石英スタブの他の実施例を説明するための図 第２の実施の形態における光モジュールの概略断面図

符号の説明

１００、１００ａ 光モジュール
１ 光源
２ 集光レンズ
３ レンズホルダ
４ 石英スタブ
５ フェルール
８ 反射防止膜
２００ 光コネクタ
６ フェルール
６１ 光ファイバ
７ コネクタ

Claims (10)

1. 短波長領域の光を出射する少なくとも１つの光源と、
   光の入射端と出射端を有する透明部材と、
   前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、
   前記透明部材のアルカリ金属の含有量が、２．０［重量％］未満であることを特徴とする光モジュール。
2. 短波長領域の光を出射する少なくとも１つの光源と、
   光の入射端と出射端を有する透明部材と、
   前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、
   前記透明部材のＮａ及びＫのそれぞれの含有量が２．０［重量％］未満であることを特徴とする光モジュール。
3. 短波長領域の光を出射する少なくとも１つの光源と、
   光の入射端と出射端を有する透明部材と、
   前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、
   前記透明部材の前記光源から出射された光の吸収量が０．６５［％／ｍｍ］未満であることを特徴とする光モジュール。
4. 短波長領域の光を出射する少なくとも１つの光源と、
   光の入射端と出射端を有する透明部材と、
   前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、
   前記透明部材のアルカリ金属の含有量が２．０［重量％］未満であり、且つ前記透明部材の前記光源から出射された光の吸収量が０．６５［％／ｍｍ］未満のものであることを特徴とする光モジュール。
5. 短波長領域の光を出射する少なくとも１つの光源と、
   光の入射端と出射端を有する透明部材と、
   前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、
   前記透明部材のＮａ及びＫのそれぞれの含有量が２．０［重量％］未満であり、且つ前記透明部材の前記光源から出射された光の吸収量が０．６５［％／ｍｍ］未満のものであることを特徴とする光モジュール。
6. 前記透明部材が、屈折率の一様なものであることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の光モジュール。
7. 前記透明部材が、ＳｉＯ_２、ＣａＦ_２及びＭｇＦ_２から選ばれる少なくとも一種を含むガラスであることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の光モジュール。
8. 前記光源から出射される光の発振波長が３５０［ｎｍ］〜４５０［ｎｍ］であることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の光モジュール。
9. 前記透明部材の光軸方向の長さが１［ｍｍ］以上であることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の光モジュール。
10. 前記透明部材の入射端に反射防止膜が塗布されていることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の光モジュール。

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