JP2009258154A - 光送信モジュールとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバとＬＤ光の光軸との間に多少の軸ズレがあったとしても、光学的な結合効率は変動しないようにして、構造的、製造的に簡素化することが可能な光送信モジュールを提供する。
【解決手段】半導体発光素子１からの出射光を、集光レンズ２により集光させて光ファイバ５に入射させる光送信モジュールである。本発明においては、出射光が透過する光路７中に位相板３が配され、光路の光軸中心と交わる位相板の中心部領域は段差４で区画されており、前記区画の内側を透過する前記出射光の位相と、前記区画の外側を透過する出射光の位相とに差が有るようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子からの出射光を、集光レンズにより集光させて光ファイバに入射させる光送信モジュールとその製造方法に関する。

高速大容量の光通信システムで用いられる光送信モジュールは、その信号光の光源として、一般的に高出力のレーザダイオード（ＬＤ）によるレーザ光が使用されている。そして、光送信モジュールは、光伝送路である光ファイバと接続するために、光コネクタを着脱可能に結合するレセプタクルを備えている。このレセプタクルは、挿入される光コネクタのフェルールを整列させて、このフェルールを介して光ファイバが光送信モジュール内の半導体発光素子と光学的に精度よく結合するように構成されている。

光送信モジュールは、一般に、ＬＤ等の発光素子を収納したパッケージと、集光レンズを保持するレンズホルダと、光ファイバが接続されたフェルールが挿入されるスリーブとを備える。モジュール組み立て時には、これら構成部品を互いに位置合わせを行いながら組み付けを固定し、最後に保護筐体に収納してモジュール全体を保護している。部品間の位置合わせには、アクティブアライメント法またはパッシブアライメント法を用いて調心され、また、モジュール組み立て後は、外力のよって光ファイバの光軸にズレが生じないような保護構造がとられている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３３３３４０８号明

光ファイバ通信が広く普及しつつある状況の下で、光送信モジュールの信頼性と低コスト化が求められている。アクティブアライメント法は、発光素子からの出射光を光ファイバ側でモニタしながら、サブミクロンのオーダで精度よく光結合させるのに適しているが、調心のための時間がかかり、調心装置としても精度の高い高価のものが必要とされる。また、パッシブアライメント法は、モニタを行わないので短時間での組み立て実装が可能であるが、部品間の結合部を１μｍ以下の精度で仕上げることが要求され、部品の製造コストが高く、また、高精度の高価な実装設備も必要とされる。

また、発光素子と光ファイバとを精度よく組み付けたて後に、外力等により光軸にズレが生じて光結合が低下する可能性がある。このため、上記の特許文献１においては、保護筐体を工夫して部品の位置ズレが生じないようにしているが、部品構成が複雑になり、コスト増となるものであった。
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、光ファイバとＬＤ光の光軸との間に多少の軸ズレがあったとしても、光学的な結合効率は変動しないようにして、構造的、製造的に簡素化することが可能な光送信モジュールの提供を目的とする。

本発明による光送信モジュールは、半導体発光素子からの出射光を、集光レンズにより集光させて光ファイバに入射させる光送信モジュールで、出射光が透過する光路中に位相板が配され、光路の光軸中心と交わる位相板の中心部領域は段差で区画されており、前記区画の内側を透過する前記出射光の位相と、前記区画の外側を透過する出射光の位相とに差が有ることを特徴とする。

前記の段差は、複数段で形成されていてもよく、この場合、光路の光軸中心に対して同心円で形成してもよい。なお、位相板は、光路内の集光レンズと一体に形成されていてもよい。また、出射光の光強度分布をＰ（ｘ，ｙ）とし、位相板による位相分布をｆ（ｘ，ｙ）としたとき、少なくとも下記の一方の式を満たすようにする。

また、本発明による光送信モジュールの製造方法は、位相板と同じ材質・厚みを有する非位相板を用いて、光路の光軸の調心を行った後、非位相板を位相板と置き換える。このとき、さらに、位相板を光路の光軸方向に移動させて調整してもよい。

本発明によれば、ＬＤ光と光ファイバとの結合効率が変動しない軸ズレ量の範囲を大きくすることができる。このため、組み立て時及び外力等により光ファイバに多少の軸ズレがあっても、結合効率の変動を抑制することができ、光送信モジュールの構造の簡素化、製造精度を緩和することが可能となる。

図１，２により本発明の概略を説明する。図１（Ａ）は本発明による光送信モジュールの概略を示す図、図１（Ｂ）は本発明による光送信モジュールの軸ズレのトレランス特性を示す図、図２（Ａ）は比較例としての光送信モジュールの概略を示す図、図２（Ｂ）は前記比較例の光送信モジュールの軸ズレのトレランス特性を示す図である。図中、１は発光素子（ＬＤ）、２は集光レンズ、３は位相板、４は凹み、５は光ファイバ、６は光路、７は光軸、８はフラット板を示す。

本発明による光送信モジュールは、図１（Ａ）に示すように、レーザダイオード等の発光素子（以下、ＬＤと略称する）１から、出射したＬＤ光を集光レンズ２で集光して光ファイバ５に入射させる光路６からなる構成である。光ファイバ５に入射されたＬＤ光は、光ファイバケーブルにより伝送され、外部の光通信機器に送信される。なお、光ファイバ５は、その端部にフェルール（図示省略）を用いて、光送信モジュールのレセプタクルに着脱可能に接続される光コネクタ内に保持固定される。

本発明では、特に、上記のＬＤ光の光路６中に位相板３を配したことを特徴とするもので、この位相板３は図に示すように、ＬＤ光の光路中に、光路６の中心を示す光軸７と板面が交わるように配される。位相板３が配される位置は、例えば、集光レンズ２と光ファイバ５の間に配されるが、ＬＤ１と集光レンズ２の間に配置してもよい。また、ＬＤ１と集光レンズ２の間にコリメートレンズがある場合は、集光レンズ２とコリメートレンズの間に配してもよい。すなわち、位相板３は光路６中であれば、任意の位置に配することができる。

位相板３は、ガラスや透明樹脂などの光透過性の材料で板状に形成され、光路６の光軸７を中心とする所定の領域に、段差のある凹み４により区画されている。なお、この区画は段差のある凹み４に代えて、段差のある凸部としてもよい。凹み４の段差ｈは、後述するように、段差（凹み）の内側と段差の外側を透過する光の位相が１８０度異なるように設定される。
本発明は、上述のような位相板３を用いて、ＬＤ１の光の強度分布をＰ（ｘ，ｙ）とし、位相板による位相分布をｆ（ｘ、ｙ）するとき、少なくとも次式（１），（２）のいずれか一方を満たすように凹み４の領域（半径ｒｓ）が決定されている。

ここで、位相分布を示すｆ（ｘ、ｙ）は、凹み４の内側で「−１」、外側で「＋１」もしくは、凹み４を凸部としたとき内側で「＋１」、外側で「−１」の値をとる。
図１（Ｂ）は、上記の式（１），（２）を満足するように凹み４の領域を有する位相板３を用いたときの光ファイバの軸ズレ量（μｍ）と光軸７上のＬＤ光との結合効率（％）の関係を表すトレランス特性を示している。本発明においては、このトレランス特性によれば、光ファイバの軸ズレ量が所定値以下（例えば、３μｍ以下）では、結合効率がほぼ一定（フラット）にすることができる。

図２は、本発明の図１に対する比較例を示し、図２（Ａ）に示すように、本発明の位相板３に代えて、位相板３と材料・厚みが同じで、凹みを有しないフラット板８（非位相板）を配した構成である。その他の構成は、図１の構成と同じとし、その説明を省略する。 図２（Ｂ）は、位相板３に代えて非位相板８を用いたときの光ファイバ５の軸ズレによるトレランス特性で、このトレランス特性によれば、軸ズレが０μｍのときに、光軸７上のＬＤ光と光ファイバ５との結合効率が最大（１００％）となる凸曲線となる。したがって、光ファイバ５の軸ズレがわずかであっても、ＬＤ光の結合効率は大きく変動して一定しない。

上述した式（１），（２）の分母の項は、図２（Ａ）に示す比較例で、光ファイバがＸ方向またはＹ方向に軸ズレする場合、図２（Ｂ）の軸ズレ量＝０μｍでの規格化曲率の近似式、すなわち、軸ズレ量＝０μｍでカーブの曲率を、同じく軸ズレ量＝０μｍでの結合効率で規格化したときの近似式を示している。また、同様に式（１），（２）の分子の項は、図１（Ａ）の本発明の位相板を挿入した例で、光ファイバがＸ方向またはＹ方向に軸ズレする場合、図１（Ｂ）の軸ズレ量＝０μｍでの規格化曲率の近似式となる。すなわち、式（１），（２）は、軸ズレ量＝０μｍでの規格化曲率が、位相板を挿入することで、位相板を挿入しないときの−４０％〜１０％になることを意味している。なお、「−」の記号は、軸ズレ量＝０μｍの近傍で、下向きに凸となり曲率が反転することを意味するものである。

また、図１（Ａ）では、Ｆｘ＝Ｆｙ＝「−０.４」，「−０.２」,「０」，「０.１」の４つの例のトレンランス曲線を示している。ここで、位相板３を通るＬＤ光の光分布は、ビーム径が３３４μｍのガウシアン分布（正規分布ともいう）形状で、凹み４は半径ｒｓがそれぞれ、１３９μｍ，１４５μｍ，１５３μｍ，１５８μｍの円形で形成されている。この図１（Ｂ）のトレランス曲線のそれぞれを、図２（Ｂ）と比較すると、結合効率は、２５％〜４５％程度に減じられるが、何れも、軸ズレ量が３μｍ以下の領域で平坦化され、軸ズレによる結合効率の変動を抑制することが可能とされる。

なお、Ｆｘ＝Ｆｙ＝「−０.４」の例で、軸ズレ量＝０μｍのみで見ると、規格化曲率は、比較例の４０％程度であるので、あまり軸ズレの変動が抑制されていないようにも見える。しかし、軸ズレ量の広い範囲で見ると、他の例は、軸ズレ量＝０μｍの近傍を含めて上方側に凸になるのに対し、上記の例は、軸ズレ量＝０μｍの近傍で下方側に凸となっていて、軸ズレ量の範囲を６μｍ程度の広い範囲では、平均的には平坦なものとなる。

図３は、位相板３の凹み４の種々の構成例を示す図である。図３（Ａ）に示す位相板３ａは、光軸７を中心とした円形の凹み４ａの例を示したもので、円の中心が光軸を通るように配され、光ファイバの軸ズレがＸ方向及びＹ方向に生じる場合に用いることができる。なお、ＬＤ光が楕円の場合は、円形の代わりに楕円形あるいは長円形の凹みで形成されていてもよい。図３（Ｂ）に示す位相板３ｂは、光軸７を中心とした正方形ないしは長方形状の凹み４ｂの例を示したもので、光ファイバの軸ズレがＸ方向及びＹ方向に生じる場合に用いることができる。図３（Ｃ）に示す位相板３ｃは、Ｘ方向に段差を設け、Ｙ方向にはスルーさせた凹み４ｃの例を示したもので、光ファイバの軸ズレがＸ方向のみに生じる場合に使用するのに適している。

図４は、本発明による位相板の凹みの段差について説明する図である。図４（Ａ）は段差幅がゼロの場合を示す図、図４（Ｂ）は段差幅が傾斜面で形成されている場合を示す図、図４（Ｃ）は、図４（Ａ）と図４（Ｂ）の場合のトレランス曲線を比較した図である。

位相板３、３ａ〜３ｃの凹み４、４ａ〜４ｃの段差ｈについて、ＬＤ光の波長をλとし、光線をほほ平行光とすると、凹みの内側と外側で光の光路長が半波長（の奇数倍）異なることから、段差ｈ＝ｍλ／２（ｎ−１）で与えられる。ここでｍは任意の奇数である。このｍは、負の値となってもよいが、この場合、凹みではなく中央部が凸部となる形態となる。例えば、λ＝１.３１μｍ、ｎ＝１.５、ｍ＝１では、ｈ＝１.３１μｍとなる。ただ、一般的には、位相板に入射される光が平行光であるとは限らないので、段差ｈは２０％程度の範囲で調整される。

また、凹みの段差ｈは、図４（Ａ）に示すように段差幅がゼロの急峻な形態と、図４（Ｂ）に示すような傾斜スロープのある幅Ｓを持たせた形態とで形成することができる。後者の場合、傾斜スロープの段差ｈの半分の高さ位置が実効段差位置と考え、その段差を境界として、位相分布関数ｆ（ｘ，ｙ）を定義する。図４（Ａ），（Ｂ）の例では、中央の凹み４、４ａ〜４ｃでは、ｆ（ｘ，ｙ）＝「−１」で、その外側は、ｆ（ｘ，ｙ）＝「１」として定義づけられる。

また、図４（Ｃ）に、図４（Ａ）ように段差幅Ｓが０μｍの場合と、図４（Ｂ）のように傾斜スロープによる段差幅Ｓを５０μｍとした場合のトレランス曲線を比較して見た。実質的には、両者の間で大きな差はなく、この程度の差であれば、殆ど差はないとして扱うことができる。なお、ＬＤ光が幅５０μｍの傾斜スロープを透過する光パワーが全体の２０％程度であり、光の強度分布が異なる場合でも、光パワーの２０％以下を目安に段差幅Ｓを決定するようにすればよい。

図５は、本発明による位相板の凹みの他の例を説明する図である。図４では位相板３，３ａの凹みが１段の例で説明したが、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、２段以上の凹み４，４ａで形成してもよい。例えば、凹みの最底部を基準面として、同心円で形成する半径ｒ１で段差ｈ１の第１の円形凹みと、半径ｒ２で段差ｈ２の第２の円形凹みを有する位相板３，３ａとすることができる。この場合、位相分布関数ｆ（ｘ、ｙ）は、半径ｒ１の基準面を有する第１の円形凹みで、ｆ（ｘ、ｙ）＝「１」とすると、半径ｒ２の第２の凹みでは、ｆ（ｘ、ｙ）＝「−１」であり、その外側は、ｆ（ｘ，ｙ）＝「１」として定義づけられる。なお、ここでは段差ｈ１、ｈ２とも正の値として図示しているが、いずれも負の値にしても良い。例えば、ｈ１が負、ｈ２が正で絶対値が同じ場合、半径ｒ１からｒ２のリング状の領域が凹む形態となる。

ここで、第１の凹みの半径ｒ１＝１２３μｍ、第２の凹みの半径ｒ２＝２０３μｍとすることで、Ｆｘ＝Ｆｙ〜０となり、式（１），（２）を満たすことができる。このときのトレランス曲線は、図５（Ｃ）に示す如くになる。この図５（Ｃ）のトレランス曲線は、図１（Ｂ）あるいは図４（Ｃ）のトレランス曲線と比べて、段差の数が増えることで、曲線の平坦部の領域がさらに広がって、結合効率は全体的に低下するが変動を抑制することができる。

なお、光ファイバの軸ズレは、Ｘ方向とＹ方向で生じるが、いずれか一方の方向のみの軸ズレを考慮すればよい場合もある。このような場合は、例えば、図３（Ｃ）および図６（Ａ）に示すようにＸ方向に段差ｈを有し、Ｙ方向には段差を有しないスルーとした凹み４ｃを設けた位相板３ｃを用いるようにしてもよい。この場合、凹み４ｃの中心から段差までの距離Ｗを１２８μｍとすることにより、Ｆｘ〜０とすることで式（１）を満たすことができる。

このときのトレランス曲線は、図６（Ｂ）に示す如く、実線で示したＸ方向のトレランス曲線のみが平坦部を有し、Ｙ方向(破線)は図２の比較例で示したようなトレランス曲線となる。なお、トレランス曲線を平坦化するのを１方向に限定しているため、両方向を平坦化する図１（Ｂ），図４（Ｃ），図５（Ｃ）の例と比べて、結合効率を高めることが可能となる。

図７は、他の実施形態を説明する図である。本形態は、図１における集光レンズと位相板を一体化したもので、図７（Ａ）に示すように、集光レンズ１０の少なくとも一方の面側に、レンズ面に倣う凹み１１を設けて段差を形成する。凹みの段差ｈおよび凹みの領域を示す半径ｒｓは、図１で説明したのと同様である。また、図７（Ｂ）に示すように、凹み１１の周縁を図４（Ｂ）で説明したのと同様に、傾斜スロープ１２で形成するようにしてもよい。この場合、金型を用いた射出成形での製造性を向上させることができる。
この図７の構成は、図１の構成と比べて部品数を減らすことができ、また、実装も簡略になるので低コスト化が期待できる。

本発明による位相板を用いた光送信モジュールでは、光ファイバおよび組み立て部品間の光軸を、以下のように調心してもよい。その製造に際して、先ず、位相板に代えて、図２で比較例として示した位相板と材料・厚みが同じで、凹みを有しないフラットな非位相板を配した状態で、光ファイバおよび組み立て部品間の光軸の調心を行う。この調心は光パワーメータ等を用い、Ｘ方向、Ｙ方向ならびに光軸方向についても行い、光ファイバの結合効率が最大になるように組み付ける。この後、フラット板を本発明による位相板に置き換えて完成品とする。これにより、本発明の構成でも、従来構成と同じ調心を方法が利用できる。なお、位相板を置き換えたとき、位相板の位置を光軸方向に調整するようにしてもよい。この調整により、トレンランス曲線が多少調整され、フラット特性をある程度向上させることができる。

本発明の概略を説明する図である。 本発明の比較例を説明する図である。 本発明による位相板の凹みの種々の構成例を示す図である。 本発明による位相板の凹みの段差について説明する図である。 本発明による位相板の凹みの他の例を説明する図である。 本発明による位相板の凹みの他の例を説明する図である。 本発明による他の実施形態を説明する図である。

符号の説明

１…発光素子（ＬＤ）、２…集光レンズ、３、３ａ，３ｂ，３ｃ…位相板、４，４ａ，４ｂ，４ｃ…凹み、５…光ファイバ、６…光路、７…光軸、８…フラット板。

Claims (7)

1. 半導体発光素子からの出射光を、集光レンズにより集光させて光ファイバに入射させる光送信モジュールであって、
   前記出射光が透過する光路中に位相板が配され、前記光路の光軸中心と交わる前記位相板の中心部領域は段差で区画されており、前記区画の内側を透過する前記出射光の位相と、前記区画の外側を透過する前記出射光の位相とに差が有ることを特徴とする光送信モジュール。
2. 前記段差は、複数段で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光送信モジュール。
3. 前記段差は、前記光路の光軸中心に対して同心円で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光送信モジュール。
4. 前記位相板は、前記光路内のレンズと一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光送信モジュール。
5. 前記出射光の光強度分布をＰ（ｘ，ｙ）とし、前記位相板による位相分布をｆ（ｘ，ｙ）としたとき、
   

   

   の少なくとも一方の式を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光送信モジュール。
6. 請求項１〜３に記載の光送信モジュールの製造方法であって、位相板と同じ材質・厚みを有する非位相板を用いて、光軸の調心を行った後、前記非位相板を前記位相板と置き換えることを特徴とする光送信モジュールの製造方法。
7. 前記位相板を、光路の光軸方向に移動させて調整することを特徴とする請求項６に記載の光送信モジュールの製造方法。

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