JP2020038250A

JP2020038250A - 光モジュール

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Publication number: JP2020038250A
Application number: JP2018164292A
Authority: JP
Inventors: 亜耶乃今; Ayano Kon
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
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Filing date: 2018-09-03
Publication date: 2020-03-12
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Abstract

【課題】信号光および受信光の光結合効率を維持しつつ、双方向の光通信ができる光モジュールを提供する。【解決手段】光モジュールは、光電変換装置と、光レセプタクル１４０とを有する。光レセプタクルは、第１光学面１４１と、第２光学面１４５と、透過反射部１４３と、凹部１４４と、第３光学面とを有する。透過反射部は、信号光Ｌｓの光路以外の位置で凹部の内面に固定されており、第１光学面で入射した信号光を第２光学面に向けて透過させ、かつ第２光学面で入射した受信光Ｌｒを第３光学面に向けて反射させる。基板の法線方向に沿って見たときに、凹部内における光路は、第２光学面と凹部との間の光路に対して傾斜している。【選択図】図３

Description

本発明は、光モジュールに関する。

従来、光ファイバや光導波路などの光伝送体を用いた光通信には、発光ダイオードなどの発光素子およびフォトディテクターなどの受光素子を備えた光モジュール（光伝送モジュール）が使用されている。光モジュールは、発光素子から出射された通信情報を含む光を、光伝送体の端面に入射させ、光伝送体から出射された通信情報を含む光を受光素子の端面に入射させる光レセプタクル（光学部材）を有する（例えば、特許文献１参照）。

例えば、特許文献１には、送信用光学素子および受信用光学素子を含む光素子アッセンブリと、光ファイバと、光学部材とを有する光伝送モジュールが記載されている。光学部材は、送信用光学素子からの光信号を光ファイバに入射させるか、光ファイバからの光信号を受信用光素子に入射させる。光学部材は、送信用光学素子と対向して配置された送信用レンズと、光ファイバと対向して配置されたファイバ用レンズと、受信用光学素子と対向して配置された受信用レンズと、送信用レンズで入射した信号光をファイバ用レンズに向けて反射させるか、ファイバ用レンズで入射した受信光を透過させる光フィルタと、光フィルタを透過した受信光を受信用レンズに向けて反射させる反射面とを有する。光フィルタは、フィルタ搭載部のフィルタ搭載面に面して配置され、透明な接着剤によりフィルタ搭載部を埋めるように固定されている。

特開２００９−２５１３７５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された光伝送モジュールでは、信号光または受信光の光路上に接着剤が位置しているため、信号光または受信光の光路は、硬化した接着剤の屈折率や、接着剤の硬化状態や、硬化した接着剤に混入した気泡などにより変化してしまう。これにより、信号光または受信光の光結合効率が低くなってしまうことがある。

本発明の目的は、信号光および受信光の光結合効率を維持しつつ、双方向の光通信ができる光モジュールを提供することである。

本発明に係る光モジュールは、基板と、前記基板上に配置された発光素子と、前記基板上に配置された受光素子とを有する光電変換装置と、前記光電変換装置の上に配置され、光伝送体が接続された場合に前記発光素子および前記受光素子と前記光伝送体の端面とをそれぞれ光学的に結合するための光レセプタクルと、を有し、前記光レセプタクルは、前記発光素子から出射された信号光を入射させるための第１光学面と、前記第１光学面で入射した信号光を前記光伝送体の端面に向けて出射させ、かつ前記光伝送体から出射された受信光を入射させるための第２光学面と、前記第１光学面で入射した信号光を前記第２光学面に向けて透過させ、かつ前記第２光学面で入射した受信光を前記受光素子に向けて反射させるための透過反射部と、前記透過反射部を収容するための凹部と、前記透過反射部で反射した受信光を前記受光素子に向けて出射させるための第３光学面と、を有し、前記透過反射部は、前記信号光の光路以外の位置で前記凹部の内面に固定されており、前記基板の法線方向に沿って見たときに、前記凹部内における光路は、前記第２光学面と前記凹部との間の光路に対して傾斜している。

本発明に係る他の光モジュールは、基板と、前記基板上に配置された発光素子と、前記基板上に配置された受光素子とを有する光電変換装置と、前記光電変換装置の上に配置され、光伝送体が接続された場合に前記発光素子および前記受光素子と前記光伝送体の端面とをそれぞれ光学的に結合するための光レセプタクルと、を有し、前記光レセプタクルは、前記発光素子から出射された信号光を入射させるための第１光学面と、前記第１光学面で入射した信号光を前記光伝送体の端面に向けて出射させ、かつ前記光伝送体から出射された受信光を入射させるための第２光学面と、前記第１光学面で入射した信号光を前記第２光学面に向けて反射させ、かつ前記第２光学面で入射した受信光を前記受光素子に向けて透過させるための透過反射部と、前記透過反射部を収容するための凹部と、前記透過反射部で透過した受信光を前記受光素子に向けて出射させるための第３光学面と、を有し、前記透過反射部は、前記信号光の光路以外の位置で前記凹部の内面に固定されており、前記基板の法線方向に沿って見たときに、前記凹部内における光路は、前記第１光学面と前記凹部との間の光路に対して傾斜している。

本発明によれば、信号光および受信光の光結合効率を維持しつつ、双方向の光通信ができる光モジュールを提供できる。

図１は、実施の形態１に係る光モジュールの断面図である。図２は、実施の形態１に係る光モジュールの平面図である。図３Ａ、Ｂは、凹部の傾斜角度を説明するための図である。図４Ａ〜Ｄは、実施の形態２に係る光モジュールの構成を示す図である。図５Ａ〜Ｄは、実施の形態２に係る光モジュールの構成を示す他の図である。

以下、本発明に係る一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［実施の形態１］
（光モジュールの構成）
図１は、実施の形態１に係る光モジュール１００の断面図である。図２は、本実施の形態に係る光モジュール１００の平面図である。図３Ａは、凹部の傾斜角度を説明するための図であり、図３Ｂは、基板１２１に平行な断面において、凹部１４４内を通る受信光Ｌｒの光軸に対する透過反射部１４３の傾斜角度を説明するための図である。図１には、光モジュール１００における光路を示している。また、図３には、光モジュール１００における光路の光軸を示している。なお、図１では、光レセプタクル１４０内の光路を示すために光レセプタクル１４０の断面へのハッチングを省略している。

図１および図２に示されるように、光モジュール１００は、発光素子１２２および受光素子１２３を含む基板実装型の光電変換装置１２０と、光レセプタクル１４０とを有する。光モジュール１００は、双方向光通信用の光モジュールであり、光レセプタクル１４０に光伝送体１６０がフェルール１６２を介して結合（以下、接続ともいう）されて使用される。光伝送体１６０の種類は、特に限定されず、光ファイバ、光導波路などが含まれる。本実施の形態では、光伝送体１６０は、光ファイバである。光ファイバは、シングルモード方式でもよいし、マルチモード方式でもよい。光伝送体１６０の数は、特に限定されない。本実施の形態では、光伝送体１６０の数は、１本である。

光電変換装置１２０は、基板１２１と、発光素子１２２と、受光素子１２３とを有する。

基板１２１は、例えば、ガラスコンポジット基板やガラスエポキシ基板、フレキブシル基板などである。基板１２１上には、発光素子１２２と、受光素子１２３とが配置されている。

発光素子１２２は、基板１２１上に配置されており、基板１２１に対して垂直方向に光を出射する。発光素子は、例えば、発光ダイオードや、垂直共振器面発光レーザー（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）である。発光素子１２２の数は、特に限定されない。本実施の形態では、発光素子１２２の数は、１つである。また、発光素子１２２の位置も、特に限定されない。また、光伝送体１６０からの反射光が発光素子１２２に戻ることを防止する観点から、発光素子１２２から出射された信号光Ｌｓの凹部１４４内の光軸は、光伝送体１６０の端面１２５に対して傾斜していてもよい。

受光素子１２３は、基板１２１上に配置されており、光伝送体１６０から出射された受信光Ｌｒを受光する。受光素子１２３は、例えば、フォトディテクターである。受光素子１２３の数は、特に限定されず、例えば発光素子１２２と同数である。本実施の形態では、受光素子１２３の数は、１つである。

光レセプタクル１４０は、光電変換装置１２０の基板１２１上に配置されている。光レセプタクル１４０は、光電変換装置１２０と光伝送体１６０との間に配置された状態で、発光素子１２２の発光面１２４と光伝送体１６０の端面１２５とを光学的に結合させ、かつ光伝送体１６０の端面１２５と受光素子１２３の受光面１２６とを光学的に結合させる。以下、光レセプタクル１４０の構成について詳細に説明する。

（光レセプタクルの構成）
光レセプタクル１４０は、透光性を有し、発光素子１２２の発光面１２４から出射された信号光Ｌｓを光伝送体１６０の端面１２５に向けて出射させる。また、光レセプタクル１４０は、光伝送体１６０の端面１２５から出射された受信光Ｌｒの一部を受光素子１２３の受光面１２６に向けて出射させる。光レセプタクル１４０は、第１光学面１４１と、反射面１４２と、透過反射部１４３と、凹部１４４と、第２光学面１４５と、第３光学面１４６と、を有する。

光レセプタクル１４０は、光通信に用いられる波長の光に対して透光性を有する材料を用いて形成される。そのような材料の例には、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）や環状オレフィン樹脂などの透明な樹脂が含まれる。また、例えば、光レセプタクル１４０は、射出成形により製造される。

第１光学面１４１は、発光素子１２２から出射された信号光Ｌｓを屈折させて光レセプタクル１４０の内部に入射させる光学面である。第１光学面１４１は、発光素子１２２から出射された信号光Ｌｓを、コリメート光、収束光、または拡散光に変換させうる。本実施の形態では、第１光学面１４１は、発光素子１２２から出射された信号光Ｌｓをコリメート光に変換させる。本実施の形態では、第１光学面１４１の形状は、発光素子１２２に向かって凸状の凸レンズ面である。また、第１光学面１４１の平面視形状は、円形状である。第１光学面１４１の中心軸は、発光素子１２２の発光面１２４に対して垂直であることが好ましい。また、第１光学面１４１の中心軸は、発光素子１２２から出射された信号光Ｌｓの光軸と一致することが好ましい。

反射面１４２は、光レセプタクル１４０の天面側に形成された傾斜面であり、第１光学面１４１と凹部１４４（透過反射部１４３）との間の光路上に配置されている。反射面１４２は、第１光学面１４１で入射した光（発光素子１２２から出射された信号光Ｌｓ）を、凹部１４４（透過反射部１４３）に向かって内部反射させる。反射面１４２は、光レセプタクル１４０の底面から天面に向かうにつれて、光伝送体１６０に近づくように傾斜している。本実施の形態では、反射面１４２の傾斜角度は、第１光学面１４１で入射した信号光Ｌｓの光軸に対して４５°である。反射面１４２には、第１光学面１４１で入射した信号光Ｌｓが、臨界角より大きな入射角で内部入射する。これにより、反射面１４２は、入射した信号光Ｌｓを基板１２１の表面に沿う方向に全反射させる。

透過反射部１４３は、反射面１４２で反射した信号光Ｌｓを第２光学面１４５に向けて透過させ、かつ第２光学面１４５で入射した受信光Ｌｒの少なくとも一部を受光素子１２３に向けて反射させる。透過反射部１４３の構成は、上記の機能を発揮できれば特に限定されない。本実施の形態では、透過反射部１４３は、信号光Ｌｓの波長の光を透過させ、かつ受信光Ｌｒの波長の光を反射させる波長分離フィルタである。本実施の形態では、透過反射部１４３は、光レセプタクル１４０の底面から天面に向かうにつれて第２光学面１４５（光伝送体１６０）に近づくように傾斜している。透過反射部１４３の傾斜角は、光レセプタクル１４０を側面視したとき（基板１２１の表面に沿う方向から見たとき）に、第２光学面１４５で入射した受信光Ｌｒの光軸に対して４５°である。

透過反射部１４３は、凹部１４４の内面に固定されている。透過反射部１４３は、信号光Ｌｓの光路以外の位置で凹部１４４に対して固定されている。凹部１４４に対する透過反射部１４３の固定方法は、特に限定されない。本実施の形態では、凹部１４４の第１側面１４４ａと透過反射部１４３の第１側面１４４ａ側の端部とが、また凹部１４４の第２側面１４４ｂと透過反射部１４３の第２側面１４４ｂ側の端部とが、それぞれ接着剤により固定されている。また、本実施の形態では、透過反射部１４３は、凹部１４４内に配置したときに、光レセプタクル１４０を側面視したとき（基板１２１の表面に沿う方向から見たとき）に、受信光Ｌｒの光軸に対して４５°の傾斜となるように、その外形が加工されている。

図３Ｂに示されるように、透過反射部１４３は、基板１２１の表面に平行な断面において、凹部１４４の内部を通る受信光Ｌｒ（信号光Ｌｓ）の光軸に対して垂直となるように傾斜している。

凹部１４４は、その内部に透過反射部１４３を収容する。凹部１４４の形状は、透過反射部１４３を収容できれば特に限定されない。本実施の形態では、凹部１４４は、第１側面１４４ａと、第２側面１４４ｂとを有する略直方体形状である。

第１側面１４４ａは、反射面１４２側の内側面である。第１側面１４４ａの形状は、特に限定されない。本実施の形態では、第１側面１４４ａは、平面である。光レセプタクル１４０を平面視したときの第１側面１４４ａに入射する信号光Ｌｓと第１側面１４４ａとのなす角度のうち小さい角度θ１は、特に限定されない。当該角度θ１は、７０〜８８°が好ましく、５５〜８６°がより好ましい。当該角度θ１が７０°未満の場合、一部の光が反射してしまうおそれがある。一方、当該角度θ１が８８°超の場合、光伝送体１６０からの反射光が、発光素子１２２に戻り、信号光Ｌｓにノイズが発生するおそれがある。

第２側面１４４ｂは、第２光学面１４５側の内側面である。第２側面１４４ｂの形状は、特に限定されない。本実施の形態では、第２側面１４４ｂは、平面である。光レセプタクル１４０を平面視したときの第２側面１４４ｂで入射した信号光Ｌｓと第２側面１４４ｂとのなす角度のうち小さい角度θ２は、特に限定されない。当該角度θ２は、５５〜８８°であり、７５〜８６°がより好ましく、θ１と等しい角度がより好ましい。当該角度θ２が７０°未満の場合、一部の光が反射してしまうおそれがある。一方、当該角度θ２が８８°超の場合、光伝送体１６０からの反射光が、発光素子１２２に戻り、信号光Ｌｓにノイズが発生するおそれがある。言い換えると、第２光学面１４５で入射した受信光Ｌｒに対して第２側面１４４ｂは、傾斜している。

光レセプタクル１４０を平面視したとき、第１側面１４４ａと、第２側面１４４ｂとは、平行であることが好ましい。すなわち、角度θ１と、角度θ２とは、同じ角度が好ましい。第１側面１４４ａおよび第２側面１４４ｂが平行であれば、凹部１４４を通過する前後の光線（第１側面１４４ａで凹部１４４内に出射される前の光線と、第２側面１４４ｂで光レセプタクル１４０内に再入射した光線）が平行になるので、光レセプタクル１４０の設計が容易である（図３の破線参照）。

第２光学面１４５は、透過反射部１４３を透過した信号光Ｌｓを光伝送体１６０の端面１２５に向けて出射させ、かつ光伝送体１６０から出射した受信光Ｌｒを屈折させて光レセプタクル１４０の内部に入射させる光学面である。第２光学面１４５は、光伝送体１６０から出射された受信光Ｌｒを、コリメート光、収束光、または拡散光に変換させうる。本実施の形態では、第２光学面１４５は、光伝送体１６０から出射された受信光Ｌｒをコリメート光に変換させる。本実施の形態では、第２光学面１４５は、光レセプタクル１４０の側方の面に、光伝送体１６０の端面１２５と対向するように配置されている。第２光学面１４５の形状は、光伝送体１６０の端面１２５に向かって凸状の凸レンズ面である。これにより、第１光学面１４１で入射され、透過反射部１４３を透過した信号光Ｌｓを集光させて、光伝送体１６０の端面１２５に効率良く接続させることができる。

第３光学面１４６は、光レセプタクル１４０の底面側に、受光素子１２３と対向するように配置されている。本実施の形態では、第３光学面１４６は、受光素子１２３に向かって凸状の凸レンズ面である。第３光学面１４６は、透過反射部１４３で反射した受信光Ｌｒを収束させて受光素子１２３に向けて出射させる。これにより、受信光Ｌｒを受光素子１２３に効率良く結合させることができる。第３光学面１４６の中心軸は、受光素子１２３の受光面１２６（基板１２１）に対して垂直であってもよいし、傾斜していてもよい。

（光レセプタクル内の光路）
ここで、光レセプタクル１４０内における光路について説明する。発光素子１２２から出射された信号光Ｌｓは、第１光学面１４１で光レセプタクル１４０の内部に入射する。第１光学面１４１で入射した信号光Ｌｓは、反射面１４２で凹部１４４（透過反射部１４３）に向けて内部反射する。反射面１４２で内部反射した信号光Ｌｓは、凹部１４４および透過反射部１４３を透過して、第２光学面１４５から光伝送体１６０の端面１２５に向けて出射される。このとき、透過反射部１４３は、信号光Ｌｓの光路以外の位置で凹部１４４の内部に固定されているため、信号光Ｌｓは、透過反射部１４３の固定手段（例えば接着剤）により進行を阻害されない。また、反射面１４２で反射した信号光Ｌｓは、第１側面１４４ａで屈折して凹部１４４の内部に出射される。そして、透過反射部１４３を透過し第２側面１４４ｂで屈折して光レセプタクル１４０の内部に再度入射する。

一方、光伝送体１６０から出射された受信光Ｌｒは、第２光学面１４５で光レセプタクル１４０の内部に入射する。第２光学面１４５で入射した受信光Ｌｒのうち、一部の光は、凹部１４４の第２側面１４４ｂを透過し、透過反射部１４３で第３光学面１４６に向けて反射する。また、第２光学面１４５で入射した受信光Ｌｒのうち、他の一部の光は、凹部１４４の第２側面１４４ｂで反射される。このとき、反射面１４２と第２光学面１４５との間の光路を平面視したときに、凹部１４４内における光路は、第２光学面１４５と凹部１４４との間の光路に対して傾斜している。すなわち、基板１２１の法線方向に沿って見たときに、第２側面１４４ｂは、第２光学面１４５で入射した受信光Ｌｒに対して傾斜している。よって、受信光Ｌｒが第３光学面１４６（光伝送体１６０）に向けて反射しない。透過反射部１４３で反射した受信光Ｌｒは、第３光学面１４６から出射され、受光素子１２３に到達する。

（効果）
以上のように、本実施の形態に係る光モジュール１００では、透過反射部１４３は、信号光Ｌｓの光路以外の位置で凹部１４４の内部に固定されているため、固定方法に関わらず、信号光Ｌｓおよび受信光Ｌｒの光結合効率を維持できる。また、本実施の形態に係る光モジュール１００では、第２側面１４４ｂは、第２光学面１４５で入射した受信光Ｌｒに対して傾斜しているため、受信光Ｌｒが第２光学面１４５（光伝送体１６０）に向かって反射しない。

なお、光レセプタクル１４０は、反射面１４２を有していなくてもよい。この場合、発光素子１２２および第１光学面１４１は、光レセプタクル１４０の側方に配置される。

［実施の形態２］
実施の形態２に係る光モジュールの光レセプタクル２４０は、光送信の多チャンネル化に対応したレンズアレイ型の光レセプタクルであること以外は、実施の形態１に係る光モジュールの光レセプタクル１４０と同様である。そこで、実施の形態１と同様の構成については、同様の符号を付してその説明を省略する。

（光レセプタクルの構成）
図４Ａ〜Ｄは、透過反射部１４３が配置されていない光レセプタクル２４０の構成を示す図であり、図５Ａ〜Ｄは、透過反射部１４３が配置された光レセプタクル２４０の構成を示す図である。図４Ａ、図５Ａは、実施の形態２に係る光モジュールの光レセプタクル２４０の平面図であり、図４Ｂ、図５Ｂは、底面図であり、図４Ｃ、図５Ｃは、右側面図であり、図４Ｄ、図５Ｄは、図４Ａ、図５Ａに示されるＡ−Ａ線の断面図である。

図４Ａ〜Ｄおよび図５Ａ〜Ｄに示されるように、実施の形態２に係る光モジュールの光レセプタクル２４０は、複数の第１光学面１４１と、反射面１４２と、透過反射部１４３と、複数の凹部１４４と、複数の第２光学面１４５と、複数の第３光学面１４６と、を有する。本実施の形態では、複数の光伝送体１６０は、多芯一括型のコネクター内に収容された状態で公知の取付手段を介して光レセプタクルに取り付けられる。

光伝送体１６０、発光素子１２２および受光素子１２３の数は、複数であれば特に限定されない。本実施の形態では、光伝送体１６０、発光素子１２２および受光素子１２３の数は、それぞれ４つずつある。

（効果）
以上のように、本実施の形態に係る光モジュールは、実施の形態１に係る光モジュールと同様の効果を有する。

本発明に係る光モジュールは、例えば光伝送体を用いた光通信に有用である。

１００光モジュール
１２０光電変換装置
１２１基板
１２２発光素子
１２３受光素子
１２４発光面
１２５端面
１２６受光面
１４０、２４０光レセプタクル
１４１第１光学面
１４２反射面
１４３透過反射部
１４４凹部
１４４ａ第１側面
１４４ｂ第２側面
１４５第２光学面
１４６第３光学面
１６０光伝送体
１６２フェルール
Ｌｒ受信光
Ｌｓ信号光

Claims

基板と、前記基板上に配置された発光素子と、前記基板上に配置された受光素子とを有する光電変換装置と、
前記光電変換装置の上に配置され、光伝送体が接続された場合に前記発光素子および前記受光素子と前記光伝送体の端面とをそれぞれ光学的に結合するための光レセプタクルと、を有し、
前記光レセプタクルは、
前記発光素子から出射された信号光を入射させるための第１光学面と、
前記第１光学面で入射した信号光を前記光伝送体の端面に向けて出射させ、かつ前記光伝送体から出射された受信光を入射させるための第２光学面と、
前記第１光学面で入射した信号光を前記第２光学面に向けて透過させ、かつ前記第２光学面で入射した受信光を前記受光素子に向けて反射させるための透過反射部と、
前記透過反射部を収容するための凹部と、
前記透過反射部で反射した受信光を前記受光素子に向けて出射させるための第３光学面と、を有し、
前記透過反射部は、前記信号光の光路以外の位置で前記凹部の内面に固定されており、
前記基板の法線方向に沿って見たときに、前記凹部内における光路は、前記第２光学面と前記凹部との間の光路に対して傾斜している、
光モジュール。
前記第１光学面と前記凹部との間の光路上に配置され、前記第１光学面で入射した光を前記透過反射部に向かって反射させるための反射面をさらに有する、請求項１に記載の光モジュール。
基板と、前記基板上に配置された発光素子と、前記基板上に配置された受光素子とを有する光電変換装置と、
前記光電変換装置の上に配置され、光伝送体が接続された場合に前記発光素子および前記受光素子と前記光伝送体の端面とをそれぞれ光学的に結合するための光レセプタクルと、を有し、
前記光レセプタクルは、
前記発光素子から出射された信号光を入射させるための第１光学面と、
前記第１光学面で入射した信号光を前記光伝送体の端面に向けて出射させ、かつ前記光伝送体から出射された受信光を入射させるための第２光学面と、
前記第１光学面で入射した信号光を前記第２光学面に向けて反射させ、かつ前記第２光学面で入射した受信光を前記受光素子に向けて透過させるための透過反射部と、
前記透過反射部を収容するための凹部と、
前記透過反射部で透過した受信光を前記受光素子に向けて出射させるための第３光学面と、を有し、
前記透過反射部は、前記信号光の光路以外の位置で前記凹部の内面に固定されており、
前記基板の法線方向に沿って見たときに、前記凹部内における光路は、前記第１光学面と前記凹部との間の光路に対して傾斜している、
光モジュール。
前記凹部と前記第２光学面との間の光路上に配置され、前記凹部を透過した受信光を前記第２光学面に向かって反射させるための反射面をさらに有する、請求項３に記載の光モジュール。
前記基板の表面に沿う断面において、前記透過反射部は、前記凹部内の光路に対して垂直に配置されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光モジュール。