JP2019174653A - レンズモジュール及び光通信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光素子と光ファイバとの光結合効率のばらつきを抑制できるレンズモジュール及び光通信モジュールを提供する。【解決手段】レンズモジュール２０は、光源１０と光ファイバ３０とを光学的に結合させるためのレンズモジュールである。レンズモジュール２０は、入射された光Ｌをコリメート光に変換するコリメートレンズ面２１と、コリメート光を出射する出射面２３と、コリメートレンズ面２１と出射面２３との間の光路上に位置し、コリメート光を出射面２３に向かって反射する反射面２２と、光ファイバ３０の端面３１が出射面２３に対面するように光ファイバ３０を支持可能な支持部２５と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レンズモジュール及び光通信モジュールに関する。

特許文献１には、縦方向の光軸を有する光素子と横方向の光軸を有する光ファイバとを光結合するためのレンズモジュールが開示されている。このレンズモジュールは、光素子と対面するレンズ面と、光ファイバの端面と対面する端壁と、レンズ面と端壁とを光学的に結合する傾斜壁とを備えている。レンズ面は、光素子から出射された光を、傾斜壁及び端壁を介して光ファイバ内に集光する。レンズの焦点位置は、光ファイバ内において光ファイバの端面から所定距離離れた位置となるように設定されている。

米国特許出願公開第２０１３／０２５９４２３号明細書

上述したレンズモジュールでは、高い結合効率を得るため、光素子からの光の焦点が光ファイバの端面近傍に位置するようにレンズ面によって設定している。しかしながら、この設定では、レンズモジュールからの出射光の光軸に対するファイバ軸のずれ量によっては、光素子と光ファイバとの光結合効率が極端に変化してしまう（図６参照）。このため、上記構成では、光素子と光ファイバとの光結合効率が製品毎に大きくばらついてしまうことがある。

本発明は、光素子と光ファイバとの光結合効率のばらつきを抑制できるレンズモジュール及び光通信モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一形態に係るレンズモジュールは、光素子と光ファイバとを光学的に結合させるためのレンズモジュールであって、入射された光をコリメート光に変換するコリメートレンズ面と、コリメート光を出射する出射面と、コリメートレンズ面と出射面との間の光路上に位置し、コリメート光を出射面に向かって反射する反射面と、光ファイバの端面が出射面に対面するように光ファイバを支持可能な支持部と、を備える。

本発明の一形態に係る光通信モジュールは、上述したレンズモジュールと、コリメートレンズ面に対面する光源と、支持部によって当該端面が出射面に対面するように支持される光ファイバと、を備える。

本発明の一形態に係るレンズモジュール及び光通信モジュールによれば、光素子と光ファイバとの光結合効率のばらつきを抑制できる。

図１は、一実施形態に係るレンズモジュールを備える光通信モジュールの側面図である。 図２は、図１に示されるII−II線に沿った断面図である。 図３の（ａ）〜（ｃ）のそれぞれは、実施例に係るレンズモジュールを備える光通信モジュールの概略構成図である。 図４の（ａ）〜（ｃ）のそれぞれは、図３の（ａ）〜（ｃ）のそれぞれに示される光通信モジュールにおけるシミュレーションの結果を示すグラフである。 図５は、比較例に係るレンズモジュールを備える光通信モジュールの概略構成図である。 図６は、図５に示される光通信モジュールにおけるシミュレーションの結果を示すグラフである。

［本発明の実施形態の説明］
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。本発明の一実施形態に係るレンズモジュールは、光素子と光ファイバとを光学的に結合させるためのレンズモジュールであって、入射された光をコリメート光に変換するコリメートレンズ面と、コリメート光を出射する出射面と、コリメートレンズ面と出射面との間の光路上に位置し、コリメート光を出射面に向かって反射する反射面と、光ファイバの端面が出射面に対面するように光ファイバを支持可能な支持部と、を備える。

上述したレンズモジュールでは、コリメートレンズ面に入射した光は、コリメートレンズ面によってコリメート光に変換されたのち、反射面を介してコリメート光として出射面から出射される。出射面から出射されたコリメート光は、出射面と対面する光ファイバの端面に入射する。このように、上述したレンズモジュールでは、入射した光をコリメート光に変換するので、入射した光を集光して光ファイバに入射させる構成（集光型）に比べて、出射光の光軸に対する光ファイバの光軸ずれ（ファイバ軸ずれ）の量が大きくなった場合であっても、光ファイバの端面に入射される光のビーム径を比較的大きくしておくことができるので、光ファイバのコアに入射する光の光量の変動割合を小さくすることができる。その結果、本実施形態によれば、光素子と光ファイバとの光結合効率が各製品間において極端に異なってしまうことを抑制でき、光素子と光ファイバとの光結合効率のばらつきを抑制できる。なお、本実施形態に係るレンズモジュールでは、コリメート光を利用することから、ファイバ軸ずれがない場合には集光型に比べて光ファイバに入射する光量は減少するが、各製品での光ファイバの軸ずれによる光量の変動割合を抑えることができるため、ファイバ軸ずれに対して強い構造とすることができる。また、このような構造により、光ファイバの実装精度にそれほど依存しない安定した伝送特性を有する光モジュールを提供することができる。

また、集光型のような高い結合効率のレンズモジュールを光ファイバに実装した伝送システムでは、各部品の実装精度が高い場合、一端の光源からの出射光のパワーの略すべてが他端の受光部に届き、受光部で生成される電流量がトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ：TransImpedance Amplifier）の制御用ＩＣの上限を超えてしまう、いわゆるＴＩＡオーバーロードとなり、ＩＣが制御不能（伝送不可）となってしまうことがある。しかしながら、上記実施形態に係るレンズモジュールでは、コリメート光を利用しており、また一部のコリメート光を光ファイバのコアに入射しないように光量を調整できることから、光ファイバのコアに入射する出射光の光量が過剰に多くなることを抑制することもできる。その結果、本実施形態によれば、受信部でＴＩＡオーバーロードが発生してしまうことを、送信側において抑制することが可能となる。

上記のレンズモジュールでは、一実施形態として、支持部は、出射面に交差する方向に延在するＶ溝を有してもよい。これにより、レンズモジュールに対する光ファイバの光軸の位置決めを簡易な構成で実現することができる。

本発明の一実施形態に係る光通信モジュールは、上述したいずれかの実施形態に係るレンズモジュールと、コリメートレンズ面に対面する光源と、支持部によって当該端面が出射面に対面するように支持される光ファイバと、を備える。この光通信モジュールでは、光源からの光は、コリメートレンズ面によってコリメート光に変換されたのち、反射面を介してコリメート光として出射面から出射される。出射面から出射されたコリメート光は、出射面と対面する光ファイバの端面に入射する。このように、この光通信モジュールは、上記レンズモジュールを備えているので、上記同様に、光源と光ファイバとの光結合効率の製品毎のばらつきを抑制でき、光ファイバの軸ずれに対して強い構造とすることができる。また、本実施形態に係る光通信モジュールによれば、上記同様、受信部でＴＩＡオーバーロードが発生してしまうことを、送信側において抑制することが可能となる。

上記の光通信モジュールでは、一実施形態として、コリメートレンズ面は、入射された光を光ファイバのコアの直径よりも大きいビーム径を有するコリメート光に変換するように構成されていてもよい。これにより、光素子と光ファイバとの光結合効率が各製品間において極端に異なってしまうことをより確実に抑制でき、光素子と光ファイバとの光結合効率のばらつきを抑制できる。また、受信部でＴＩＡオーバーロードが発生してしまうことを、送信側においてより確実に抑制することが可能となる。

上記の光通信モジュールでは、一実施形態として、光ファイバは、コアを取り囲むクラッドを被覆する被覆部を更に有し、当該被覆部が支持部によって支持されていてもよい。この場合、光ファイバの被覆部を剥がすことなく光ファイバをレンズモジュールに設置できるため、作業工程を大幅に短縮することができ、それにより、光通信モジュールの低コスト化を実現することができる。なお、被覆部を有する光ファイバは、被覆が偏肉している部分を有することがあり、偏肉によりファイバ軸ずれが生じることもあるが、本実施形態に係る光通信モジュールは、軸ずれに対して強い構造のレンズモジュールを備えているため、各製品での光ファイバの軸ずれによる光量の変動割合を抑えることができる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係るレンズモジュール及び光通信モジュールの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

図１は、一実施形態に係るレンズモジュールを備える光通信モジュール１の側面図である。同図には、理解の容易の為、ＸＹＺ直交座標系が示されている。光通信モジュール１は、光源１０（光素子）と、レンズモジュール２０と、光ファイバ３０とを備えている。光通信モジュール１では、レンズモジュール２０を介して光源１０と光ファイバ３０とが互いに光結合されている。なお、光通信モジュール１は、フォトダイオード（ＰＤ）等の受光素子（光素子）を備えていてもよく、受光素子は、例えば発光素子である光源１０に対してＹ軸方向に沿って隣接して配置されていてもよい。受光素子は、光源１０と同様にレンズモジュール２０を介して別の光ファイバ３０に光結合される。

光源１０は、光通信を行うための発光素子であり、例えば、マルチモードのレーザ発振を行う面発光型レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）である。光源１０は、分布帰還型レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）又はファブリペロ―型レーザダイオード（ＦＰ−ＬＤ）であってもよい。光源１０は、ＸＹ平面に沿って延びる実装基板１１上に実装されており、Ｚ方向においてレンズモジュール２０と対面している。光源１０は、Ｚ方向に沿って延びる光軸を有しており、所定波長の光Ｌを連続波としてＺ方向に出射する。実装基板１１上には、例えば、光源１０を駆動する駆動用ＩＣ（ドライバＩＣ）等の部品が実装されてもよい。

レンズモジュール２０は、光源１０と光ファイバ３０とを光結合する部品である。レンズモジュール２０は、光源１０から出射される光Ｌの波長に対して透明である材料（例えばガラス）によって構成されている。レンズモジュール２０は、コリメートレンズ面２１と、反射面２２と、出射面２３とを有している。コリメートレンズ面２１は、Ｚ方向において光源１０と対面しており、Ｚ方向における光源１０側に向かって凸状に湾曲している。コリメートレンズ面２１は、Ｚ方向に沿って延びる光軸を有しており、光源１０と光結合している。一例では、コリメートレンズ面２１の光軸は、光源１０の光軸に一致している。コリメートレンズ面２１には、光源１０から出射された光Ｌが入射する。

コリメートレンズ面２１は、入射した光Ｌをコリメート光（平行光）に変換するように構成されている。コリメートレンズ面２１に入射した光Ｌがコリメート光となるように、コリメートレンズ面２１の各種パラメータ（例えばコリメートレンズ面２１の面形状、大きさ、材質等）が、コリメートレンズ面２１と光源１０とのＺ方向における距離Ｒに応じて最適化されている。コリメートレンズ面２１の各種パラメータは、例えば、光学設計用の市販されているシミュレータ等を用いて簡単に導出される。

コリメートレンズ面２１の各種パラメータの最適化の結果、コリメートレンズ面２１によりコリメート光に変換された光Ｌのビーム径Ｄは、距離Ｒに対応して変化する。このため、距離Ｒの調整により、光Ｌのビーム径Ｄを調整することが可能となる。光Ｌのビーム径Ｄは、例えば半値全幅（ＦＷＨＭ）によって定義される。

コリメートレンズ面２１では、光Ｌのビーム径Ｄが光ファイバ３０のコア３２の直径ｄよりも大きくなるように設定されている。光Ｌのビーム径Ｄは、コア３２の直径ｄに対して、例えば１．４倍〜３．６倍の大きさを有しており、好ましくは、例えば１．８倍〜２．２倍の大きさを有している。コア３２の直径ｄが５０μｍである場合、光Ｌのビーム径Ｄは、例えば７０μｍ〜１８０μｍであり、好ましくは、例えば９０μｍ〜１１０μｍである。

反射面２２は、Ｚ方向においてコリメートレンズ面２１と対面しており、ＸＹ平面及びＹＺ平面のそれぞれに対して傾斜している。反射面２２は、コリメートレンズ面２１から入射してＺ方向に進行する光Ｌを受け、その全てを出射面２３に向けてＸ方向に反射する。反射面２２における光Ｌの入射光軸と反射光軸とは、例えば直角を成す。出射面２３は、Ｘ方向と交差するＹＺ平面に沿っており、Ｘ方向において反射面２２と対面して光結合されている。出射面２３は、反射面２２により反射された光Ｌを外部に出射する。

レンズモジュール２０は、光ファイバ３０を支持する支持部２５を更に有する。支持部２５は、Ｘ方向において出射面２３に対して反射面２２とは反対側に設けられている。図２は、図１に示されるII−II線に沿った断面図である。支持部２５は、図２に示されるように、光ファイバ３０が載置されるＶ溝２６（ＹＺ平面においてＶ字状をなす溝）を含んでいる。Ｖ溝２６は、Ｘ方向に沿って延びており、ＹＺ平面における光ファイバ３０の位置を規定する。Ｖ溝２６は、Ｚ方向から見てＶ溝２６の底線が光ファイバ３０の光軸と同じ位置となるように設計されている。

光ファイバ３０は、例えばマルチモード光ファイバである。光ファイバ３０は、単心光ファイバ、多心光ファイバ又はシングルモード光ファイバ等であってもよい。光ファイバ３０は、Ｘ方向に沿って延びる光軸を有しており、支持部２５のＶ溝２６に載置されている。光ファイバ３０は、図１に示されるように、Ｘ方向において出射面２３と対面して光結合する端面３１と、端面３１からＸ方向に沿って延びるコア３２とを有している。一例では、端面３１は、Ｘ方向において出射面２３に接触している。端面３１には、出射面２３から出射された光Ｌが入射する。光ファイバ３０の光軸は、例えば、出射面２３から出射された光Ｌの光軸上に配置される。

また、光ファイバ３０は、図２に示されるように、コア３２を取り囲むクラッド３３と、クラッド３３を被覆する被覆部３４とを更に有している。一例では、コア３２の直径ｄは５０μｍであり、クラッド３３の直径は１２５μｍであり、被覆部３４の直径は２５０μｍである。被覆部３４は、コア３２及びクラッド３３を保護するために設けられ、樹脂材料によって構成されている。被覆部３４は、Ｖ溝２６の底線を共有する２つの側面２６ａのそれぞれに当接して支持されている。Ｖ溝２６に載置された光ファイバ３０の上には、例えばガラス板が載置される。Ｖ溝２６、光ファイバ３０、及び当該ガラス板は、例えばＵＶ硬化性接着剤等の接着剤によって互いに固定される。

光ファイバ３０は、端面３１からコア３２に入射した光Ｌを導光して外部に出射する（図１参照）。光ファイバ３０の外部に出射された光Ｌは、光ファイバ３０と光結合する受光部によって受光される。受光部は、例えば、光ファイバ３０から出射した光Ｌを集光するレンズと、当該レンズにより集光された光Ｌを電気信号に変換する受光素子（例えばフォトダイオード）と、該電気信号の強度を増幅する増幅器（例えばＴＩＡ: TransImpedance Amplifier）とを有する。なお、レンズモジュール２０が上述した受光部を更に備える構成を有している場合には、当該レンズモジュールを受光側に配置してもよい。

次に、レンズモジュール２０を備えた光通信モジュール１によって奏される作用効果について、比較例が有する課題と共に説明する。図５は、比較例に係るレンズモジュール１１０を備える光通信モジュール１００の概略構成図である。同図では、説明を容易にするため、光ファイバ３０のコア３２のみを示している。比較例に係る光通信モジュール１００と本実施形態に係る光通信モジュール１との相違点は、レンズモジュールの構成である。すなわち、本実施形態に係る光通信モジュール１のレンズモジュール２０は、光源１０から出射された光Ｌをコリメート光に変換するコリメートレンズ面２１を有していたが、比較例に係る光通信モジュール１００のレンズモジュール１１０は、図５に示されるように、コリメートレンズ面２１に代えて、光源１０から出射された光Ｌを光ファイバ３０の端面３１に集光する集光レンズ面１２０を有している。

このような集光レンズ面１２０を有する光通信モジュール１００では、光ファイバ３０の軸ずれが発生すると、光ファイバ３０のコア３２が光Ｌの光路から外れやすくなる傾向がある。特に被覆部３４（図２参照）を有する光ファイバ３０を用いる場合には、被覆部３４の偏肉の影響によって光ファイバ３０の軸ずれが大きくなりやすいので、光ファイバ３０のコア３２が光Ｌの光路から外れる可能性が高まる。コア３２が光Ｌの光路から外れると、コア３２に入射する光Ｌの光量が極端に減少するため、光源１０と光ファイバ３０との結合効率が極端に低下するおそれがある。

また、このような光通信モジュール１００では、光通信モジュール１００の各部品の実装誤差等を考慮した上で、光源１０と光ファイバ３０との結合効率が高くなるように設計されている。このため、光通信モジュール１００の各部品が極めて高精度に実装されると、光源１０から出射された光Ｌが光ファイバ３０を介して受光部に至るまでに結合損失がほとんど生じない場合（例えばフレネル損失のみが生じるような場合）がある。このような場合、光ファイバから受光素子に入射する光Ｌの光量が想定よりも多くなり、増幅器に入力される光Ｌの電気信号の強度が増幅器のオーバーロード規格の上限値を超えるおそれがある。このように電気信号が増幅器のオーバーロード規格の上限値を超えると、増幅器のオーバーロードが発生し、増幅器が制御不能となる可能性がある。例えばＴＩＡのオーバーロード規格の上限値は小さいため、受光素子に或る程度（例えば２ｍＷ〜３ｍＷ）以上の光量が入射すると、ＴＩＡのオーバーロードが発生する可能性がある。

以上、レンズモジュール２０を備えた光通信モジュール１では、図１に示されるように、コリメートレンズ面２１によって光Ｌがコリメート光に変換されるので、出射面２３からの光Ｌのビーム径Ｄを光ファイバ３０のコア３２の直径ｄよりも大きくなるように設定することができる。これにより、光Ｌの光軸に対する光ファイバ３０の光軸のずれ量が大きくなった場合であっても、コア３２を光Ｌの光路から外れ難くすることができ、コア３２に入射する光Ｌの光量が極端に変化することを抑制できる。その結果、光源１０と光ファイバ３０との光結合効率が各製品間において極端に異なることを抑制でき、光源１０と光ファイバ３０との光結合効率のばらつきを抑制できる。なお、光通信モジュール１の構成によれば、コリメート光を用いているため、光Ｌのビーム径Ｄが光ファイバ３０のコア３２の直径ｄより大きくなくても、従来の集光型の光結合に比べて、光源１０と光ファイバ３０との光結合効率のばらつきをある程度は抑制することができる。

また、光通信モジュール１では、コア３２の直径ｄに対して光Ｌのビーム径Ｄが大きくなるように設定することで、コア３２に入射する光Ｌの光量が過剰に多くなることを抑制できる。これにより、例えば、光ファイバ３０と光結合する受光部（例えば増幅器）にオーバーロード規格の上限値を超えるような強い光Ｌの信号が入力されることを送信側で抑制できる。また、光ファイバ３０のコア３２の直径ｄに対する光Ｌのビーム径Ｄの大きさを調整することによって、コア３２に入射する光Ｌの光量を調整することができ、光源１０と光ファイバ３０との結合損失の大きさを調整することができる。光通信モジュール１における光Ｌの伝送速度に基づいて、光源１０と光ファイバ３０との結合損失の許容範囲の上限値が設定されるところ、光Ｌの伝送速度に応じて光源１０と光ファイバ３０との結合損失を調整することによって、当該結合損失を許容範囲内に収めることができる。これにより、種々の伝送速度（例えば、より高速な伝送速度）に対応可能な光通信モジュール１を実現できる。

また、支持部２５は、出射面２３に直交（交差）するＸ方向に延在するＶ溝２６を有している。これにより、レンズモジュール２０に対する光ファイバ３０の光軸の位置決めを簡易な構成で実現することができる。

また、コリメートレンズ面２１は、入射された光Ｌを光ファイバ３０のコア３２の直径よりも大きいビーム径Ｄを有するコリメート光に変換するように構成されている。これにより、上述した作用効果を好適に得ることができる。

また、光ファイバ３０は、コア３２を取り囲むクラッド３３を被覆する被覆部３４を有し、被覆部３４が支持部２５によって支持されている。この場合、光ファイバ３０の被覆部３４を剥がすことなく光ファイバ３０をレンズモジュール２０に設置できるため、作業工程を大幅に短縮することができ、それにより、光通信モジュール１の低コスト化を実現することができる。なお、被覆部３４を有する光ファイバ３０は、被覆が偏肉している部分を有することがあり、偏肉によりファイバ軸ずれが生じることもあるが、光通信モジュール１は、軸ずれに対して強い構造のレンズモジュール２０を備えているため、各製品での光ファイバ３０の軸ずれによる光量の変動割合を抑えることができる。

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

まず、比較例及び実施例１〜実施例３に係る光通信モジュールのそれぞれにおいて、光学シミュレータ（例えばＺｅｍａｘ）を用いて、光ファイバ３０の軸ずれ量と、光源１０及び光ファイバ３０間の結合損失との相関を調査した。

比較例に係る光通信モジュールとしては、図５に示される構成の光通信モジュール１００を採用した。この光通信モジュール１００では、光源１０からの光Ｌを、集光レンズ面１２０を有するレンズモジュール１１０で集光し、光ファイバ３０の端面３１に当該光Ｌを集光させている。

また、実施例に係る光通信モジュールとしては、図１に示される構成の光通信モジュール１を採用し、より具体的には、実施例１〜実施例３のそれぞれが図３の（ａ）〜（ｃ）に示すビーム径Ｄとなるコリメートレンズ面を有する光通信モジュール１Ａ〜１Ｃを採用した。図３の（ａ）は、実施例１に係る光通信モジュール１Ａを示す概略構成図である。図３の（ｂ）は、実施例２に係る光通信モジュール１Ｂを示す概略構成図である。図３の（ｃ）は、実施例３に係る光通信モジュール１Ｃを示す概略構成図である。なお、説明を容易にするため、各図では、光ファイバ３０のコア３２のみを示している。図３の（ａ）〜（ｃ）に示すように、各光通信モジュール１Ａ〜１Ｃは、上記実施形態と同様の構成を備えているが、各光通信モジュール１Ａ〜１Ｃでは、光源１０との距離Ｒに応じてコリメートレンズ面２１Ａ〜２１Ｃの形状がそれぞれ異なるように構成される。

実施例１では、図３の（ａ）に示すように、Ｚ方向における光源１０とコリメートレンズ面２１Ａとの距離Ｒを１００μｍとした。コリメートレンズ面２１Ａの形状は、距離Ｒが１００μｍであるときに光Ｌをコリメート光に変換するように最適化された形状であり、距離Ｒに対応する光Ｌのビーム径Ｄが７５μｍとなった。

実施例２では、図３の（ｂ）に示すように、Ｚ方向における光源１０とコリメートレンズ面２１Ｂとの距離Ｒを１７０μｍとした。コリメートレンズ面２１Ｂの形状は、距離Ｒが１７０μｍであるときに光Ｌをコリメート光に変換するように最適化された形状であり、距離Ｒに対応する光Ｌのビーム径Ｄが１００μｍとなった。

実施例３では、図３の（ｃ）に示すように、Ｚ方向における光源１０とコリメートレンズ面２１Ｃとの距離Ｒを３００μｍとした。コリメートレンズ面２１Ｃの形状は、距離Ｒが３００μｍであるときに光Ｌをコリメート光に変換するように最適化された形状であり、距離Ｒに対応する光Ｌのビーム径Ｄが１６０μｍとなった。

このシミュレータ調査では、比較例及び実施例１〜３のそれぞれにおいて、光ファイバ３０の軸ずれの量を０μｍ、１０μｍ、２０μｍと変化させたときの、光源１０と光ファイバ３０との結合損失、及び当該結合損失の累積確率をシミュレーションにより算出した。光ファイバ３０の軸ずれの量とは、光源１０からの光Ｌの光軸と光ファイバ３０の光軸とのＹＺ平面における距離である。

結合損失の累積確率は、光源１０のＺ方向における厚さの公差、光源１０とレンズモジュールとの間の実装精度、及びレンズモジュールと光ファイバ３０との間の実装精度を考慮して計算される。本シミュレーションでは、光源１０のＺ方向における厚さの公差を±１０μｍとし、光源１０の実装基板への実装精度を±５μｍとし、コリメートレンズ面及び集光レンズ面のレンズ作製精度を±４μｍとした。また、光源１０としては、波長８５０ｎｍのマルチモードのＶＣＳＥＬを想定し、そのビーム広がり角は３２°とした。光ファイバ３０としては、コア３２の直径ｄを５０μｍに設定し、その長さを１ｍｍに設定した。なお、結合損失は、このコア３２の１ｍｍの他端Ｐでの結合損失を示す。

図６は、比較例に係る光通信モジュール１００における本シミュレーションの結果を示すグラフである。図６において、横軸は、光源１０と光ファイバ３０との結合損失を示しており、縦軸は、当該結合損失の累積確率を対数表示により示している。図６では、グラフＧ４０は、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが０μｍである場合を示しており、グラフＧ４１は、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが１０μｍである場合を示しており、グラフＧ４２は、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが２０μｍである場合を示している。なお、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓを２０μｍとしたのは、被覆部３４を有する光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが最大となった場合を想定している。

図６に示されるように、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが０μｍと小さい場合には、光源１０と光ファイバ３０との結合損失は小さいが、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが１０μｍ、２０μｍと大きくなると、光源１０と光ファイバ３０との結合損失が大幅に大きくなることが分かる。特に、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが２０μｍである場合には、光源１０と光ファイバ３０との結合損失が極端に大きくなっている。このように、比較例に係る光通信モジュール１００では、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが大きくなると、光源１０と光ファイバ３０との結合損失が極端に変化することが分かった。したがって、比較例に係る光通信モジュール１００では、光源１０と光ファイバ３０との光結合効率が製品毎に大きくばらつくおそれがある。

図４の（ａ）は、実施例１に係る光通信モジュール１Ａにおける本シミュレーションの結果を示すグラフである。図４の（ａ）において、グラフＧ１０は、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが０μｍである場合を示しており、グラフＧ１１は、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが１０μｍである場合を示しており、グラフＧ１２は、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが２０μｍである場合を示している。

図４の（ｂ）は、実施例２に係る光通信モジュール１Ｂにおける本シミュレーションの結果を示すグラフである。図４の（ｂ）において、グラフＧ２０は、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが０μｍである場合を示しており、グラフＧ２１は、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが１０μｍである場合を示しており、グラフＧ２２は、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが２０μｍである場合を示している。

図４の（ｃ）は、実施例３に係る光通信モジュール１Ｃにおける本シミュレーションの結果を示すグラフである。図４の（ｃ）において、グラフＧ３０は、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが０μｍである場合を示しており、グラフＧ３１は、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが１０μｍである場合を示しており、グラフＧ３２は、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが２０μｍである場合を示している。

図４の（ａ）〜図４の（ｃ）のそれぞれにおいて、図６と同様に、横軸は、光源１０と光ファイバ３０との結合損失を示しており、縦軸は、当該結合損失の累積確率を対数表示により示している。図４の（ａ）〜図４の（ｃ）のそれぞれに示されるように、実施例１〜実施例３では、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが大きい場合であっても、比較例（図６参照）と比べ、光源１０と光ファイバ３０との結合損失が極端に変化することがないようになっている。つまり、実施例１〜実施例３では、比較例と比べて、光ファイバ３０の軸ずれの影響による、光源１０と光ファイバ３０との結合損失の変動量が小さくなっている。

また、図４の（ａ）〜図４の（ｃ）のそれぞれに示されるように、光ファイバ３０の軸ずれの影響による結合損失の変動量は、各実施例によって異なっていることが分かる。これは、コア３２の直径ｄに対する光Ｌのビーム径Ｄの大きさが影響しているためと考えられる。コア３２の直径ｄが５０μｍである場合、被覆部３４を有する光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓの最大量が２０μｍ程度であることを考慮すると、コア３２の中心位置は、ＹＺ平面内において光ファイバ３０の中心軸から±２０μｍの範囲内で移動する可能性がある。このため、光Ｌのビーム径Ｄが例えば９０μｍよりも大きければ、光ファイバ３０の軸ずれの影響を受けずに光Ｌの光路からコア３２が外れることを防止できると考えられる。一方、光Ｌのビーム径Ｄがコア３２の直径ｄに対して大きくなるほど、コア３２に入射する光Ｌの光量が減少するので、光源１０と光ファイバ３０との結合損失の最大値が大きくなると考えられる。

ここで、図４の（ｂ）を参照すると、光源１０と光ファイバ３０との結合損失は、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓに依らずにほぼ一定となっていることが分かる。また、この結合損失の最大値は、７．５ｄＢ程度と低く抑えられていることが分かる。図４の（ｂ）に対応する光通信モジュール１Ｂでは、光Ｌのビーム径Ｄが９０μｍよりも大きな１００μであるので、１０μｍのマージンを確保しつつ、コア３２を光Ｌの光路内に収めることができる。このため、光ファイバ３０の軸ずれの影響による、光源１０と光ファイバ３０との結合損失の変動量が小さくなったと考えられる。また、コア３２の直径ｄに対して光Ｌのビーム径Ｄが過剰に大きくないため、光源１０と光ファイバ３０との結合損失の最大値を低く抑えることができたと考えられる。

また、図４の（ｃ）を参照すると、図４の（ｂ）と同様に、光源１０と光ファイバ３０との結合損失は、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓに依らずにほぼ一定となっていることが分かる。一方、図４の（ｃ）では、図４の（ｂ）と比べて、光源１０と光ファイバ３０との結合損失の最大値が全体的に大きくなっていることが分かる。図４の（ｃ）に対応する光通信モジュール１Ｃでは、光Ｌのビーム径Ｄが９０μｍよりも大きな１６０μｍであるので、十分なマージンを確保しつつ、コア３２を光Ｌの光路内に収めることができる。なお、この光通信モジュール１Ｃでは、コア３２の直径ｄに対して光Ｌのビーム径Ｄが比較的大きいので、コア３２に入射する光Ｌの光量が減少し、結合損失の最大値が全体的に大きくなってしまっている。

また、図４の（ａ）を参照すると、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが０μｍ及び１０μｍである場合（グラフＧ１０及びＧ１１参照）には、光源１０と光ファイバ３０との結合損失の最大値は、図４の（ｃ）と比べて、小さく抑えられていることが分かる。一方、光ファイバ３０の軸ずれの量が２０μｍまで大きくなると（グラフＧ１２参照）、光源１０と光ファイバ３０との結合損失の最大値は、図４の（ｃ）と比べて大きくなってしまう。

図４の（ａ）に対応する光通信モジュール１Ａでは、光Ｌのビーム径Ｄは７５μｍとなっており、このビーム径Ｄの大きさは、コア３２の直径ｄである５０μｍよりも僅かに大きい程度である。このため、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが０μｍ及び１０μｍである場合（グラフＧ１０及びＧ１１参照）には、コア３２に対する光Ｌの光量の減少を抑えることができ、光源１０と光ファイバ３０との結合損失の最大値を低く抑えることができたと考えられる。しかし、光Ｌのビーム径Ｄが９０μｍよりも小さな７５μｍであるので、光ファイバ３０の軸ずれの量Ｓが大きくなると、光Ｌの光路からコア３２が外れる可能性がある。このため、光ファイバ３０の軸ずれの量が２０μｍと大きくなると、光源１０と光ファイバ３０との結合損失の最大値は、図４の（ｃ）と比べてやや大きくなったと考えられる。

以上のシミュレーションの結果から、実施例１〜実施例３の何れにおいても、比較例に比べて、光ファイバ３０の軸ずれによって生じる結合損失のばらつきが抑えられることが確認できた。また、実施例２のように、被覆部３４の偏肉によるコア３２の偏芯量を考慮して最適化したビーム径Ｄの場合（例えば本実施例では１００μｍ）、結合損失のばらつきを抑制することに加え、結合損失の最大値を低くすることができることも確認できた。なお、これらの実施例は、本シミュレーションにおける一例にすぎず、光ファイバ３０の特性及び光源１０の特性に応じて適宜変更され得る。また、本シミュレーションの結果から、光源１０と光ファイバ３０との結合損失の最大値は、ビーム径Ｄの大きさに応じて変化することが分かった。ここで、ビーム径Ｄの大きさは、光源１０とコリメートレンズ面２１Ａ〜２１Ｃとの距離Ｒに対応して設定されるので、距離Ｒを調整すれば、光源１０と光ファイバ３０との結合損失を調整することができる。これにより、当該結合損失を所望の値に調整することが可能となる。

続いて、実施例２に係る光通信モジュール１Ｂ（図３の（ｂ）参照）及び比較例に係る光通信モジュール１００（図５参照）のそれぞれについて、２０Ｇｂｐｓでの伝送特性評価を行った。

まず、比較例として、図５に示される構成の光通信モジュール１００を光通信の送信側のモジュールとして作製した。光通信モジュール１００のレンズモジュール１１０は、上述したように、光源１０から出射された光Ｌを光ファイバ３０の端面３１に集光するように構成された集光レンズ面１２０を有していた。光通信モジュール１００の光源１０としては、波長８５０ｎｍのマルチモードのＶＣＳＥＬを用い、光源１０が実装される回路基板には駆動用ＩＣ等も実装した。また、光通信モジュール１００では、実装される光ファイバの支持用に設計されたＶ溝に光ファイバ３０を設置した。このＶ溝２６（図２参照）は、所定の外径の光ファイバ３０が実装されると、その中心がレンズ系の光軸と一致するように構成されていた。そして、Ｖ溝２６に光ファイバ３０を設置した後、その上からガラス板で光ファイバ３０を押さえながら、ＵＶ硬化接着剤を用いて、Ｖ溝２６を含む支持部２５に光ファイバ３０を固定した。また、受信側として、光ファイバ３０の逆側の端面から出射された光Ｌをレンズで集光してフォトダイオード（ＰＤ）で受光する光学系を採用した。

また、実施例２として、図１及び図３の（ｂ）に示される構成の光通信モジュール１Ｂを光通信の送信側のモジュールとして作製した。光通信モジュール１Ｂのレンズモジュール２０Ｂは、上述したように、光源１０から出射された光Ｌをコリメート光に変換して光ファイバ３０の端面３１に、そのコリメート光を入射するように構成されたコリメートレンズ面２１Ｂを有していた。光通信モジュール１Ｂの光源１０としては、比較例と同様に、波長８５０ｎｍのマルチモードのＶＣＳＥＬを用い、光源１０が実装される回路基板には駆動用ＩＣ等も実装した。また、光通信モジュール１Ｂでは、実装される光ファイバ３０の支持用に設計されたＶ溝２６に光ファイバ３０を設置した。このＶ溝２６は、所定の外径の光ファイバ３０が実装されると、その中心がレンズ系の光軸と一致するように構成されていた。そして、Ｖ溝２６に光ファイバ３０を設置した後、その上からガラス板で光ファイバ３０を押さえながら、ＵＶ硬化接着剤を用いて、Ｖ溝２６を含む支持部２５に光ファイバ３０を固定した。また、受信側として、比較例と同様に、光ファイバ３０の逆側の端面から出射された光Ｌをレンズで集光してＰＤで受光する光学系を採用した。

この特性評価では、光ファイバ３０として、被覆部３４（図２参照）を有するマルチモード光ファイバ（以下「被覆付き光ファイバ」と称する）と、被覆部３４を有しないマルチモード光ファイバ（以下「被覆無し光ファイバ」と称する）との２種類の光ファイバを用意して、それぞれを比較例及び実施例２に係る光通信モジュールに組み込んだ。被覆付き光ファイバは、コア３２の直径が５０μｍ、クラッド３３（図２参照）の直径が１２５μｍ、被覆部３４の直径（ファイバ外径）が２５０μｍであり、コア３２の偏芯が２μｍであった。この被覆付き光ファイバでは、光ファイバ３０の被覆部３４の偏肉により、レンズ面の中心とコア３２の中心との軸ずれがあり、ずれ量は２０μｍであった。また、被覆無し光ファイバは、コア３２の直径が５０μｍでクラッド３３の直径が１２５μｍで、コア３２の偏芯が２μｍの光ファイバであった。この被覆無しの光ファイバでは、レンズ面の中心とコア３２の中心との軸ずれ量は５μｍであった。

比較例に係る光通信モジュール１００について、被覆付き光ファイバを用いた場合と、被覆無し光ファイバを用いた場合とで、伝送特性評価をそれぞれ行ったところ、いずれの場合においてもエラーフリー伝送を実現することができなかった。このようにエラーフリー伝送の実現が妨げられた要因としては、例えば、被覆なし光ファイバを用いた場合は、光ファイバから受光部に入射した光Ｌの光量が多かったために増幅器（ＴＩＡ）のオーバーロードが発生したこと、また、被覆付き光ファイバを用いた場合は、光ファイバの軸ずれにより結合損失が増大したことが考えられる。

一方、実施例２に係る光通信モジュール１Ｂについて、被覆付き光ファイバを用いた場合と、被覆無し光ファイバを用いた場合とで、伝送特性評価をそれぞれ行ったところ、いずれの場合においてもエラーフリー伝送を実現することができた。この結果から、光通信モジュール１Ｂを用いれば、比較例に係る光通信モジュール１００において生じた上記の要因を解消でき、エラーフリーの高速伝送を実現することができるということが確認できた。

本発明によるレンズモジュール及び光通信モジュールは、上述した実施形態及び各実施例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、レンズモジュールの形状は、上述した実施形態及び各実施例に限られず、適宜変更可能である。また、上述した実施形態及び各実施例では、レンズモジュールの支持部はＶ溝を有していたが、Ｖ溝に代えて他の形状を有していてもよい。また、光源の種類及び配置、並びに光ファイバの種類及び配置は、上述した実施形態及び各実施例に限られず、適宜変更可能である。

また、光通信モジュールは、Ｙ方向に沿って並ぶ複数（例えば４つ）の光ファイバと、Ｙ方向に沿って並ぶ複数（例えば２つ）の光源及び複数（例えば２つ）の受光部とを備えてもよい。この場合、レンズモジュールにおいて、複数の光ファイバの配置にそれぞれ対応するように複数のＶ溝がＹ方向に沿って並んで設けられ、複数の光ファイバの配置にそれぞれ対応するように複数のコリメートレンズ面がＹ方向に沿って並んで設けられてもよい。そして、複数の光源及び複数の受光部のぞれぞれは、Ｚ方向において複数のコリメートレンズのそれぞれと対面するように配置されてもよい。

１，１Ａ〜１Ｃ…光通信モジュール、１０…光源、１１…実装基板、２０…レンズモジュール、２１，２１Ａ〜２１Ｃ…コリメートレンズ面、２２…反射面、２３…出射面、２５…支持部、２６…Ｖ溝、２６ａ…側面、３０…光ファイバ、３１…端面、３２…コア、３３…クラッド、３４…被覆部、Ｌ…光。

Claims (5)

1. 光素子と光ファイバとを光学的に結合させるためのレンズモジュールであって、
   入射された光をコリメート光に変換するコリメートレンズ面と、
   前記コリメート光を出射する出射面と、
   前記コリメートレンズ面と前記出射面との間の光路上に位置し、前記コリメート光を前記出射面に向かって反射する反射面と、
   前記光ファイバの端面が前記出射面に対面するように前記光ファイバを支持可能な支持部と、
   を備える、レンズモジュール。
2. 前記支持部は、前記出射面に交差する方向に延在するＶ溝を有する、
   請求項１に記載のレンズモジュール。
3. 請求項１又は請求項２に記載のレンズモジュールと、
   前記コリメートレンズ面に対面する光源と、
   前記支持部によって当該端面が前記出射面に対面するように支持される光ファイバと、
   を備える、光通信モジュール。
4. 前記コリメートレンズ面は、前記入射された光を前記光ファイバのコアの直径よりも大きいビーム径を有する前記コリメート光に変換するように構成されている、
   請求項３に記載の光通信モジュール。
5. 前記光ファイバは、前記コアを取り囲むクラッドを被覆する被覆部を更に有し、当該被覆部が前記支持部によって支持されている、
   請求項４に記載の光通信モジュール。

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