JP2008046312A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 光出力パワーを調整可能であって、光ファイバに対して適正な光強度分布の光を入射することを可能とする光モジュールの提供。
【解決手段】 この光モジュール１は、レーザダイオード１３と、レーザダイオード１３から出射される光を集光する集光レンズ２２と、当該集光された光を回折してリング状の光強度分布とするヴォルテックスレンズ２３と、当該光強度分布となった光が入射される光ファイバ３２ａとを備える光モジュールであって、レーザダイオード１３から出射される光の一部のみを光ファイバ３２ａに入射させると共に、レーザダイオード１３、集光レンズ２２、ヴォルテックスレンズ２３、及び光ファイバ３２ａを、光ファイバ３２ａに入射される光の光強度分布が所定の状態となるように位置決めしてなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザダイオードから出射された光を光ファイバに入射する光モジュールに関する。

従来、光通信ではその通信用途に応じて、マルチモードファイバとシングルモードファイバとが用いられてきた。より具体的には、比較的短距離かつ低速の通信用途にはマルチモードファイバが発光ダイオードを光源として、長距離かつ高速の通信用途にはシングルモードファイバがレーザダイオードを光源として、それぞれ用いられてきた。

ところで、架間通信・敷地内通信等の用途において、コネクタの低コスト性等のメリットに着目して、ギガビット以上の速度で数百メートル程度の距離を対象としてマルチモードファイバとレーザダイオードとを用いた通信が検討されている。

しかしながら、マルチモードファイバは低速通信に対応するため、光が通るコアがシングルモードファイバよりも大きく設計されている。そのため、光源からの光を取り込みやすく、コネクタ製造が容易であるという利点がある一方で、コア内を多くのモードの光が伝送し、各モードのファイバ内伝播遅延時間が異なるため光波形が崩れやすく、高速信号伝送が困難であるという課題があった。

そこで、レーザダイオードとマルチモードファイバとの間に回折光学素子として、渦巻状の光を出すように円周方向に３６０×次数分位相を回転させるヴォルテックスレンズ（ｖｏｌｔｅｘ ｌｅｎｓ）を配置した光モジュールが提案されている（下記特許文献１，２参照）。
ＵＳ６５３０６９７ ＵＳ６８２２７９４

マルチモードファイバは通常コア内の屈折率は中心近傍が高くなっているか一定であるが、製造方法によってはコアの中心近傍で屈折率分布が窪み、いわゆるディップと呼ばれる状態となっている場合がある。上述したように、マルチモードファイバでは、コア内を多くのモードの光が伝送するが、ディップ近傍を通る光は、そこを通らない光とモード分散から更に大きな遅延時間差が発生し、光波形の崩れがより大きくなる。

レーザダイオードから出射される光は光軸にピークを持つガウシアンビームに近い光束である。ヴォルテックスレンズは、この光をリング状の光強度分布に変える役割を果たしており、結果として光軸近傍には光がない状態となっている。

従って、ヴォルテックスレンズを通過した光をマルチモードファイバに入射させれば、マルチモードファイバのコアの中心軸近傍を通る光が無くなるので、上述した光波形の崩れを抑制できる。

ところで、ヴォルテックスレンズを介して光をマルチモードファイバに入射する場合、調芯時にマルチモードファイバへ入射される光のリングの径を調整する必要がある。この径はディップの影響を避ける観点からは小さすぎてはならず、高次のモードでは曲げ損失発生を低減させる観点から大きすぎてもならない。そのため、一般には１０〜２５μｍ程度としている。

光モジュールでは、その光出力パワーを一定にすることが好ましい。しかしながら、同じ電流を流したとしても、レーザダイオードの特性ばらつきにより光出力パワーは一定とならない。また、使用条件によって、出力したい光出力パワーが変動する場合もある。

ここで、光出力パワーを一定にする方法の一つとして、レーザダイオードに流す電流値を調整する方法がある。ところが、レーザダイオードの緩和振動周波数は、レーザダイオードに流す電流値に依存するため、レーザダイオードの特性のばらつきに応じて緩和振動周波数もばらつくこととなる。特に、１０Ｇｂ／ｓ程度以上の高速変調ではレーザダイオードに流す電流を小さくすると、緩和振動周波数が低くなり、高速信号を変調できないという解決すべき課題が発生する。

そこで、レーザダイオードに流す電流を変えずに光出力パワーを一定とする方法として、レーザダイオードからの出射光と光ファイバとの結合効率を、光軸をずらしたり、焦点位置から光ファイバをずらすといったいわゆるデフォーカスしたりということで調整する方法が知られている。

上述したレーザダイオードとマルチモードファイバの間に回折光学素子としてヴォルテックスレンズを配した光モジュールにおいて、光軸をずらすか又はデフォーカスを行う場合には次のような解決すべき課題がある。

マルチモードファイバは、シングルモードファイバと比較して、ＮＡ及びコア径共に大きい。従って、光軸ずらし量やデフォーカス量が小さい場合には、マルチモードファイバに結合する光の量は実質的に変わらない。一方で、光軸ずらし量を大きくした場合には、マルチモードファイバのコアの中心軸を光のリング部分が通ってしまい、そもそもヴォルテックスレンズを用いる意味が没却されてしまうといった解決すべき課題がある。また、デフォーカス量を大きくした場合には、入射面の光強度分布が伝送に最適な値から大きくずれてしまうといった解決すべき課題がある。

そこで本発明では、レーザダイオードと光ファイバとの間に回折光学素子としてヴォルテックスレンズを用いた光モジュールにおいて、光出力パワーを調整可能であって、光ファイバに対して適正な光強度分布の光を入射することを可能とする光モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る光モジュールは、レーザダイオードと、そのレーザダイオードから出射される光を集光するレンズと、当該集光された光を回折してリング状の光強度分布とする回折光学素子と、当該リング状の光強度分布を有する光が入射する光ファイバとを備える光モジュールであって、レンズを、レーザダイオードから出射された光の径がレンズの有効径よりも大きな位置に配置し、光の一部のみを光ファイバに入射させたことを特徴とする。

本発明によれば、レーザダイオードから出射される光の一部のみを用いているので、光出力パワーの調整を出射光の使用量を増減させることで行うことができ、レーザダイオードから出射される光の光強度分布を容易に制御できる。

本発明に係る光モジュールは、レーザダイオードと、そのレーザダイオードから出射される光を集光するレンズと、当該集光された光を回折してリング状の光強度分布とする回折光学素子と、当該リング状の光強度分布を有する光が入射する光ファイバとを備える光モジュールであって、レーザダイオードと光ファイバとを結ぶ光軸上の所定の位置において、レーザダイオードから出射された光の径よりも小さい孔が形成されている遮光板を、所定の位置に配置したことを特徴とする。

本発明によれば、レーザダイオードから出射された光がレンズ位置に作る照射領域よりも小さい孔が形成されている遮光板を用いて出射光の一部のみを用いているので、レーザダイオードから出射される光の光強度分布を容易に制御できる。

本発明によれば、光出力パワーの調整を、出射光の一部のみを用いることで行うと共に、レーザダイオード、レンズ、回折光学素子、及び光ファイバの位置関係によって所望の光強度分布を安定的に得ているので、光出力パワーを調整可能であって、光ファイバに対して適正な光強度分布の光を入射することを可能とする光モジュールを提供することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

本発明の実施形態である光モジュールについて説明する。図１は、本実施形態に係る光モジュール１の断面図である。光モジュール１は、レーザダイオード１３を有するＬＤブロック１０と、集光レンズ２２及びヴォルテックスレンズ２３を有するレンズブロック２０と、ファイバスタブ３２及びフェルール３３を有するスリーブブロック３０と、を備えている。以下の説明においては、レーザダイオード１３から出射される光の進行方向を「前方」と定め、「前」「後」等の方向を表す語を用いることとする。

ＬＤブロック１０は、ベース１１と、ベース１１の主面から延びる取り付け部１２とを有している。ベース１１は、後述するレンズブロック２０の開口部を塞ぐような形状に形成されている。取り付け部１２は、ベース１１の主面から前方に延びている。取り付け部１２にはレーザダイオード１３が配されている。取り付け部１２は、レーザダイオード１３から出射される光が集光レンズ２２に入射される位置に形成されている。

ベース１１には、リードピン１４が配されている。リードピン１４は、ベース１１を後方から前方に貫通して配されている。リードピン１４の一端とレーザダイオード１３とは電気的に接続されている。リードピン１４の他端は、図示しない駆動回路に電気的に接続されている。

レンズブロック２０は、キャップ２１と、集光レンズ２２及びヴォルテックスレンズ２３とを有している。キャップ２１は、レーザダイオード１３から見て前方に配置される前壁部２１ａと、前壁部２１ａの周囲を取り囲むように後方に延びる側壁部２１ｂとを有している。側壁部２１ｂの、前壁部２１ａと反対側にはＬＤブロック１０のベース１１が当接している。従って、ＬＤブロック１０とレンズブロック２０とによって閉じられた空間が形成されており、その内部にレーザダイオード１３が配置されている。

前壁部２１ａの中央近傍には穴２１ｃが形成されている。穴２１ｃはレーザダイオード１３から出射する光の光軸に沿って形成されている。穴２１ｃには集光レンズ２２が嵌め込まれている。集光レンズ２２は、レーザダイオード１３から出射する光の一部が照射されるように、その位置が決められている（詳細は後述する）。また、穴２１ｃの前方を塞ぐようにヴォルテックスレンズ２３が配置されている。ヴォルテックスレンズ２３は、渦巻状の回折格子を有する回折光学素子であって、入射される光を回折してリング状の光強度分布とするものである。

従って、レーザダイオード１３から出射された光の一部が、集光レンズ２２によって集光され、その集光された光がヴォルテックスレンズ２３によって回折されてリング状の光強度分布を有するようになる。

スリーブブロック３０は、筒状のスリーブ３１と、その内部に収められているファイバスタブ３２及びフェルール３３とを有している。スリーブ３１は、レンズブロック２０の前壁部２１ａを囲繞し、前壁部２１ａから前方に延びるように形成されている。スリーブ３１内には、後方から順にファイバスタブ３２とフェルール３３とが配置されている。

ファイバスタブ３２は、その中心部に結合ファイバ３２ａが配置されている。結合ファイバ３２ａは、マルチモードファイバである。フェルール３３は、その中心部に光ファイバ３２ａが配置されている。光ファイバ３２ａもマルチモードファイバである。

引き続いて、光モジュール１の組立方法について説明する。光モジュール１の組立方法は、適宜図２を参照しながら説明する。図２は、レーザダイオード１３と、集光レンズ２２と、ヴォルテックスレンズ２３と、ファイバスタブ３２との位置関係を示す図である。

まず、実際にレーザダイオード１３から出力される光の光出力パワーをモニターし、所望の光出力パワーとの差分に応じて、レーザダイオード１３と集光レンズ２２との距離ｚ１、集光レンズ２２とファイバスタブ３２との距離ｚ２をそれぞれ決定する。その決定した値に応じて、レーザダイオード１３及び集光レンズ２２を取り付けると共に、ヴォルテックスレンズ２３を取り付ける。続いて、ファイバスタブ３２を前後に移動させながら、ファイバスタブ３２の端面から出力される光の光強度分布をモニターし、ファイバスタブ３２の位置を決めて固定する。

続いて、実際にある数値を定めて本実施形態に係る光モジュール１を組み立てるシミュレーションを行った結果について説明する。ここでは、レーザダイオード１３のスポットサイズｗ０を１μｍ、集光レンズ２２の有効径（直径）２ｄを５００μｍ、ヴォルテックスレンズ２３の次数ｍを６としている。その他の、レーザダイオード１３と集光レンズ２２との距離ｚ１、集光レンズ２２とファイバスタブ３２との距離ｚ２、レンズ面でのスポットサイズｗ１については、図３に示す３組の値を用いた。

図４には、マルチモードファイバ（ＬＰ６１モード）の光強度分布を示す。また、図５には、図３に示すパラメータを用いて、レーザダイオード１３から出射される光が空間を伝搬することにより拡大された後、集光レンズ２２の有効径内の光が集光され、ヴォルテックスレンズ２３により円周方向に３６０度×６回の位相回転が与えられた際の、ファイバスタブ３２端面における光強度分布を示す。

尚、図５においては、レーザダイオード１３と集光レンズ２２との距離ｚ１を大きくすると、集光レンズ２２におけるスポットサイズｗ１は大きくなるため、集光レンズ２２の有効径よりも外側の光は全て減衰するものとして計算している。また、レーザダイオード１３と集光レンズ２２との距離ｚ１を大きくすると、集光レンズ２２とファイバスタブ３２との距離ｚ２は小さくする必要がある。

図５に示すように、ファイバスタブ３２端面（結合ファイバ３２ａ端面）での光強度分布は、コア中心に光がない。また、図５に示す光強度分布は、図４に示す光強度分布に近いことが分かる。ヴォルテックスレンズ２３の位相次数ｍを６としているため、マルチモードファイバ（ＬＰ６１モード）と強く結合し、コア中心にある屈折率のディップの影響をほとんど受けない。また、ＬＰ６１モードのみならず、ＬＰ６２モード、ＬＰ６３モードといったより高次のモードのマルチモードファイバとも強く結合する。

図６には、図３に示す条件におけるファイバスタブ３２に結合する光出力パワー（Ａを基準としている）及び伝送ペナルティの計算結果とを示す。伝送ペナルティは、コアの中心に屈折率のディップがあり、全モード励振時の帯域が１ＧＨｚ・ｋｍのマルチモードファイバ３００ｍを伝送した後の値を算出している。尚、全モード励振時の伝送ペナルティは４．０ｄＢである。

図６に示すように、図３に示すＡ〜Ｃの条件において、３ｄＢの光出力パワーの調整が可能であり、かつ、伝送ペナルティも１．９〜２．４ｄＢと、全モード励振時の伝送ペナルティよりも低い光モジュールが実現されることが分かった。

尚、図１に示した形態の他にも、レーザダイオードから出射される光の一部のみをファイバスタブ３２に入射させる種々の形態を採用し得る。それら変形例を図７〜図９に示す。

図７に示す例は、レーザダイオード１３と集光レンズ２２との間に遮光板３を配置するものである。遮光板３には、孔３ａが形成されている。孔３ａは、集光レンズ２２の最もレーザダイオード１３に近い位置における平面に投影されるレーザダイオード１３からの出射光の光束の断面形状よりも小さくなるように形成されている。孔３ａの形状は、円形のみならず楕円形でもよく、矩形でもよい。また、図８に示すように、遮光板３をヴォルテックスレンズ２３の後ろ側に配置してもよい。また、図９に示すように、中央部２２１のみに集光機能を持つ部分集光レンズ２２ａを用いてもよい。

本実施形態によれば、レーザダイオード１３から出射される光の一部のみを用いているので、光出力パワーの調整を出射光の使用量を増減させることで行うことができる。また、レーザダイオード１３、集光レンズ２２（レンズ）、ヴォルテックスレンズ２３（回折光学素子）、及びファイバスタブ３２を、ファイバスタブ３２に入射される光の光強度分布が所定の状態となるように位置決めしているので、所望の光強度分布を安定的に得ることができる。

本発明の実施形態である光モジュールの断面図である。 図１に示す光モジュールの製造方法を説明するための図である。 図１に示す光モジュールの仕様を決める手法を説明するためのパラメータを例示する図である。 マルチモードファイバの光強度分布を示す図である。 レーザダイオードからの出射光の光強度分布を示す図である。 図３に示すパラメータを用いて場合の伝送特性を示す図である。 本実施形態の光モジュールの変形例を示す図である。 本実施形態の光モジュールの変形例を示す図である。 本実施形態の光モジュールの変形例を示す図である。

符号の説明

１…光モジュール、１０…ＬＤブロック、２０…レンズブロック、３０…スリーブブロック、１１…ベース、１２…取り付け部、１３…レーザダイオード、１４…リードピン、２１…キャップ、２２…集光レンズ、２３…ヴォルテックスレンズ、３１…スリーブ、３２…ファイバスタブ、３３…フェルール。

Claims (2)

1. レーザダイオードと、前記レーザダイオードから出射される光を集光するレンズと、当該集光された光を回折してリング状の光強度分布とする回折光学素子と、当該リング状の光強度分布を有する光が入射する光ファイバとを備える光モジュールであって、
   前記レンズを、前記レーザダイオードから出射された光の径が前記レンズの有効径よりも大きな位置に配置し、前記光の一部のみを前記光ファイバに入射させたことを特徴とする光モジュール。
2. レーザダイオードと、前記レーザダイオードから出射される光を集光するレンズと、当該集光された光を回折してリング状の光強度分布とする回折光学素子と、当該リング状の光強度分布を有する光が入射する光ファイバとを備える光モジュールであって、
   前記レーザダイオードと前記光ファイバとを結ぶ光軸上の所定の位置において、前記レーザダイオードから出射された光の径よりも小さい孔が形成されている遮光板を、前記所定の位置に配置したことを特徴とする光モジュール。
   
   

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