JP2020042061A - 発光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】第１及び第２のレンズを用いて集光する発光モジュールにおいて、第２のレンズのディセンターによる光結合効率の低下度合いを緩和する発光モジュールを提供する。【解決手段】発光モジュールは、半導体発光素子と、半導体発光素子と光結合され、半導体発光素子から出力される光を平行光とする第１のレンズと、第１のレンズを介して半導体発光素子と光結合されたメニスカスレンズであって平行光を収束させる第２のレンズ６０と、第２のレンズから出力される収束光と光結合される光ファイバスタブとを備える。第２のレンズの光入射面は、光軸からの距離に対する曲率半径の増加率が０以上である断面形状を有する。第２のレンズの光出射面は、光軸からの距離に対する曲率半径の増加率の符号が正である断面形状を有する第１領域と、第１領域を囲み、該光軸からの距離に対する曲率半径の増加率の符号が負である断面形状を有する第２領域とを含む。【選択図】図７

Description

本発明は、発光モジュールに関する。

特許文献１には、レーザダイオードモジュール及びその組み立て方法に関する技術が記載されている。この文献に記載されたレーザダイオードモジュールは、互いに固定されたレーザダイオードアセンブリ及びレンズ−ファイバアセンブリを備える。レーザダイオードアセンブリは、キャリアと、該キャリアに固定されたレーザダイオードとを有する。レーザダイオードはキャップに包囲されており、キャップはレーザビーム透過窓を有する。レンズ−ファイバアセンブリは、互いに連通する第１及び第２の孔を有する。第１の孔には非球面レンズが挿入固定されている。第２の孔には光ファイバを格納したフェルールが圧入される。非球面レンズは、レーザダイオードから出力された光を光ファイバに向けて集光する。

特開２００１−２８１５０１号公報

光通信システムにおける光送信装置として、レーザダイオードといった半導体発光素子を内蔵する発光モジュールが用いられている。例えば特許文献１に記載されたレーザダイオードモジュールでは、ステム及びキャップからなるパッケージに収容されたレーザダイオードからの出射光を、パッケージ外に設けられた非球面レンズを用いて集光している。

このような発光モジュールにおいては、半導体発光素子と光ファイバとの光結合効率を高めることが重要である。半導体発光素子からの出射光を集光レンズを介して光ファイバに導く場合、半導体発光素子、集光レンズ及び光ファイバ相互間の調芯を行うことにより、互いの相対位置精度を高めることが求められる。そこで、特許文献１に記載されたモジュールのような単一の集光レンズではなく、２個のレンズを用いることが考えられる。すなわち、半導体発光素子から出力された光を第１のレンズによって平行化し、その平行光を第２のレンズによって光ファイバに集光する。このような構成によれば、単一の集光レンズを用いる場合と比較して、調芯精度をより高め、半導体発光素子と光ファイバとの光結合効率を向上させることができる。

このように半導体発光素子と光ファイバとの間に第１及び第２のレンズを介在させる場合、第２のレンズと光ファイバとの距離（バックフォーカス）は、単一の集光レンズを用いる場合と比較して短くなる傾向がある。しかしながら、発光モジュールの構造によっては、第２のレンズと光ファイバとの距離を長くしたい場合がある。そのような場合、第２のレンズとしてメニスカスレンズが用いられ得るが、メニスカスレンズの光入射面の光軸と光出射面の光軸との位置ずれ（軸ずれ）すなわちディセンターが、半導体発光素子と光ファイバとの光結合効率に大きく影響する。ディセンターは、メニスカスレンズの光入射面を形成する金型と、光出射面を形成する金型との相対的な位置ずれによって生じる。従って、ディセンターの大きさは金型の精度に依存し、その抑制には限度がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、半導体発光素子から出射された光を第１及び第２のレンズを用いて集光するタイプの発光モジュールにおいて、第２のレンズのディセンターによる光結合効率の低下度合いを緩和することを目的とする。

上述した課題を解決するために、一実施形態に係る発光モジュールは、半導体発光素子と、半導体発光素子と光結合され、半導体発光素子から出力される光を平行光とする第１のレンズと、第１のレンズを介して半導体発光素子と光結合されたメニスカスレンズであって、平行光を収束させる第２のレンズと、第２のレンズから出力される収束光と光結合される光ファイバスタブと、を備える。第２のレンズの光入射面は、光軸からの距離に対する曲率半径の増加率が０以上である断面形状を有する。第２のレンズの光出射面は、光軸からの距離に対する曲率半径の増加率の符号が正である断面形状を有する第１領域と、第１領域を囲み、該光軸からの距離に対する曲率半径の増加率の符号が負である断面形状を有する第２領域とを含む。

本発明によれば、半導体発光素子から出射された光を第１及び第２のレンズを用いて集光するタイプの発光モジュールにおいて、第２のレンズのディセンターによる光結合効率の低下度合いを緩和することができる。

図１は、一実施形態に係る発光モジュールを備える双方向の光送受信モジュール（ＢＯＳＡ）を示す斜視図である。 図２は、発光モジュール２の外観を示す斜視図である。 図３は、キャップ１２が外された状態の発光モジュール２を示す斜視図である。 図４は、発光モジュール２の内部構造を部分的に拡大した断面図である。 図５は、レンズ６０を示す斜視図である。 図６は、レンズ６０を示す断面斜視図である。 図７は、光軸方向に沿った断面における発光モジュール２の断面図である。 図８の（ａ）は、光軸方向から見た光入射面１９ａを示す正面図である。図８の（ｂ）は、光軸方向から見た光出射面１９ｂを示す背面図である。 図９の（ａ）に示されるグラフＧ１１、及び図９の（ｂ）に示されるグラフＧ１３は、光軸Ｓ２を含む断面における、光入射面１９ａの曲率半径と光軸Ｓ２からの距離との関係の一実施例を示すグラフである。 図１０の（ａ）に示されるグラフＧ２１、及び図１０の（ｂ）に示されるグラフＧ２３は、光軸Ｓ２を含む断面における、光出射面１９ｂの曲率半径と光軸Ｓ２からの距離との関係の一実施例を示すグラフである。 図１１は、ディセンターが±５μｍであるときの、光軸Ｓ２からの距離と波面収差との関係を示すグラフである。 図１２は、ディセンターが±５μｍであるときの、光軸Ｓ２からの距離とコマ収差との関係を示すグラフである。 図１３は、ディセンターが±５μｍであるときの、光軸Ｓ２からの距離と球面収差との関係を示すグラフである。 図１４の（ａ）及び（ｂ）は、集光レンズ１９を通過する光を内側のビームＢＡと外側のビームＢＢとに分解した様子を概念的に示す図である。 図１５は、集光レンズ１９のディセンターと、半導体レーザチップ４０と光ファイバとの光結合効率の低下量ｄηとの関係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。一実施形態に係る発光モジュールは、半導体発光素子と、半導体発光素子と光結合され、半導体発光素子から出力される光を平行光とする第１のレンズと、第１のレンズを介して半導体発光素子と光結合されたメニスカスレンズであって、平行光を収束させる第２のレンズと、第２のレンズから出力される収束光と光結合される光ファイバスタブと、を備える。第２のレンズの光入射面は、光軸からの距離に対する曲率半径の増加率が０以上である断面形状を有する。第２のレンズの光出射面は、光軸からの距離に対する曲率半径の増加率の符号が正である断面形状を有する第１領域と、第１領域を囲み、該光軸からの距離に対する曲率半径の増加率の符号が負である断面形状を有する第２領域とを含む。

この発光モジュールでは、半導体発光素子から出力された光がまず第１のレンズに到達し、平行光となって第１のレンズから出力される。次に、この平行光は第２のレンズに到達し、第２のレンズによって集光される。発光モジュールが第１及び第２のレンズを備えることにより、単一のレンズを備える場合と比較して調芯精度が高まり、半導体発光素子と光ファイバとの光結合効率を向上させることができる。また、第２のレンズがメニスカスレンズであることにより、第２のレンズのバックフォーカスを長くすることができる。

更に、この発光モジュールでは、第２のレンズの光入射面において、光軸からの距離に対する曲率半径の増加率が０以上となっている。且つ、第２のレンズの光出射面において、第１領域では光軸からの距離に対する曲率半径の増加率の符号が正となっており、第１領域を囲む第２領域では該光軸からの距離に対する曲率半径の増加率の符号が負となっている。本発明者の実験によれば、メニスカスレンズである第２のレンズがこのような形状を有することにより、第２のレンズのディセンターに起因する波面収差及びコマ収差を低減することができる。故に、上記の発光モジュールによれば、第２のレンズのディセンターによる光結合効率の低下度合いを緩和することができる。

上記の発光モジュールは、半導体発光素子及び第１のレンズを収容するパッケージを更に備え、パッケージは、半導体発光素子から出力される光を通過させる開口を有し、第２のレンズは該開口に取り付けられてもよい。これにより、小型の発光モジュールを提供できる。

上記の発光モジュールにおいて、第２のレンズのバックフォーカスは６ｍｍ以上であってもよい。上記の発光モジュールによれば、このように長いバックフォーカスを実現することができる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る発光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、重複する説明を省略する。

図１は、一実施形態に係る発光モジュールを備える双方向の光送受信モジュール（ＢＯＳＡ）を示す斜視図である。光送受信モジュール１は、例えば１０Ｇ−ＥＰＯＮ（10 Gigabit Ethernet Passive Optical Network）、ＸＧ−ＰＯＮ、ＮＧ−ＰＯＮ、ＮＧ−ＰＯＮ２、２５Ｇ−ＰＯＮ等の光送受信デバイスとして用いられる。

光送受信モジュール１は、発光モジュール２、受光モジュール３、ジョイント４、及びスリーブ５を備えている。ジョイント４及びスリーブ５は共通の中心軸を有する円筒状を呈しており、スリーブ５の一端は、ジョイント４の長手方向の一端に固定されている。スリーブ５の他端には、光ファイバの先端部に取り付けられたフェルールとともに光ファイバが挿入される。スリーブ５の内部には光ファイバスタブが設けられており、光ファイバの先端は、光ファイバスタブの一端と当接することにより光ファイバスタブと光学的に結合される。

発光モジュール２は、ジョイント４の他端に固定され、ジョイント４の内部に形成された孔に向けて送信光を出力する。送信光は、ジョイント４の内部に形成された孔を通過して、光ファイバスタブの他端に達する。発光モジュール２は、ステム１１及びキャップ１２により構成されるパッケージ１０と、パッケージ１０に内蔵されたレーザダイオードといった半導体発光素子とを有する。複数のリードピン１３がステム１１を貫通しており、半導体発光素子を駆動するための電源電圧及び電気的な送信信号がリードピン１３を介してパッケージ１０の内部へ提供される。

受光モジュール３は、ジョイント４の側面に固定されている。受光モジュール３は、光ファイバから出力されてジョイント４の内部に形成された孔を通過した受信光を受ける。受光モジュール３は、ステム１６及びキャップ１７により構成されるパッケージ１５と、パッケージ１５に内蔵されたフォトダイオードといった受光素子とを有する。複数のリードピン１８がステム１６を貫通しており、受光素子に印加されるバイアス電圧がリードピン１８を介してパッケージ１５の内部へ提供され、また受光素子により生成された電気的な受信信号がリードピン１８を介してパッケージ１５の外部へ提供される。

ジョイント４の内部には、波長分波フィルタが設けられている。発光モジュール２から出力された送信光は、波長分波フィルタを通過して光ファイバスタブに入射する。また、光ファイバから光ファイバスタブを通って出射された受信光は、波長分波フィルタにおいて反射され、受光モジュール３に達する。波長分波フィルタと発光モジュール２との間に、アイソレータが更に配置されてもよい。

なお、本実施形態では、発光モジュール２及び受光モジュール３の双方を備える光送受信モジュール１を例示したが、発光モジュール２のみを備える光送信モジュール（ＴＯＳＡ）であってもよい。或いは、互いに波長の異なる複数の発光モジュール２を並設し、フィルタ、ミラー等の光学部品で合波することによって集積型の光送信モジュールを構成してもよい。

図２は、発光モジュール２の外観を示す斜視図である。図３は、キャップ１２が外された状態の発光モジュール２を示す斜視図である。図４は、発光モジュール２の内部構造を部分的に拡大した断面図である。これらの図には、ＸＹＺ直交座標系が示されている。Ｘ軸は、発光モジュール２の光軸、及び図１に示されたジョイント４及びスリーブ５の中心軸線に沿っている。以下、Ｚ軸方向を上下方向として、Ｙ軸方向を左右方向として説明する場合がある。

前述したように、発光モジュール２は、パッケージ１０を備えている。パッケージ１０は、いわゆるＣＡＮパッケージであって、ステム１１とキャップ１２とを有する。ステム１１及びキャップ１２は共に金属製である。ステム１１とキャップ１２とは互いに抵抗溶接により接合されており、パッケージ１０の内部の空間は気密に保たれている。ステム１１は、略円形板状をなしており、パッケージ１０の内部空間に面する主面１１ａを有している。複数のリードピン１３は、ステム１１を貫通しており、給電、接地及び電気信号の入出力端子として利用される。キャップ１２は、略円筒状をなしており、軸方向の一端に端壁１４を有している。端壁１４の中央には、円形状の開口１４ａが形成されている。開口１４ａ内には、集光レンズ１９が取り付けられている。集光レンズ１９は、本実施形態における第２のレンズである。ＳＦＰ（Small Form-factor Pluggable）、ＳＦＰ＋等の小型光トランシーバに搭載される場合、パッケージ１０の直径（外径サイズ）は、一例として５．６ｍｍであってよい。

パッケージ１０の内部には、熱電変換素子２１、キャリア２２、サブキャリア３０、半導体発光素子としての半導体レーザチップ４０、モニタフォトダイオード（モニタＰＤ）５０、及びレンズ６０が収容されている。

熱電変換素子２１は、例えばペルチェ素子である。熱電変換素子２１は、供給電流の方向に応じて、一方面が吸熱面又は放熱面の一方となり、他方面が吸熱面又は放熱面の他方となる。熱電変換素子２１は、一対の板状体２３，２４の間に設けられている。熱電変換素子は、板状体２３を介してステム１１の主面１１ａ上に設けられている。これらの板状体２３，２４は、絶縁性材料（例えば、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３）によって構成されている。パッケージ１０内に熱電変換素子２１が内蔵されていることによって、半導体レーザチップ４０の温度が一定に保たれる。これにより、例えば１０Ｇｂｐｓや２５Ｇｂｐｓといった高速の光通信が可能となる。半導体レーザチップ４０の温度は、例えば−４０℃〜８０℃といった広い温度範囲で調整される。

サブキャリア３０は、矩形板状をなしており、例えば、絶縁性材料（例えば、ＡｌＮ等のセラミックス）によって形成されている。サブキャリア３０の上面（主面）３１には、光軸方向（Ｘ軸方向）に光を出射する半導体レーザチップ４０が搭載されている。半導体レーザチップ４０は、レーザダイオードと光変調器とが共通基板上に集積されたモノリシック構造を有する。サブキャリア３０にはメタライズによって高周波配線４２が形成されている。この高周波配線４２は、ステム１１の主面１１ａに配置されたセラミック基板４５上にメタライズで形成された高周波配線４５ａと電気的に接続されている。例えば高周波配線４２と高周波配線４５ａとは、直径２５μｍのＡｕワイヤによって互いに接続され得る。インピーダンスは５０Ωである。

図示例においては、サーミスタ４６及びコンデンサ４７がサブキャリア３０の上面に搭載されている。サーミスタ４６は、半導体レーザチップ４０近傍の温度を示す電気信号を生成する。この電気信号は、リードピン１３を介して発光モジュール２の外部に出力される。熱電変換素子２１は、この電気信号に基づいて制御される。コンデンサ４７は、半導体レーザチップ４０のレーザダイオードに接続されるバイアス配線と、基準電位線との間に接続されている。このコンデンサ４７は、レーザダイオードに供給されるバイアス電流の安定化のために設けられる。

キャリア２２は、板状体２４上に配置されている。キャリア２２は、サブキャリア３０と同じ絶縁性材料によって構成されている。図４に示されるように、キャリア２２は、上面に突出部２２ａを有している。すなわち、キャリア２２は、上面２５及び２６、並びに上面２５と上面２６とを接続する接続面２７を含む。上面２６は上面２５よりも低い位置に形成されており、半導体レーザチップ４０の光軸Ｓ１と上面２６との距離は、光軸Ｓ１と上面２５との距離よりも大きい。上面２５及び２６は、いずれも平坦面となっており、接続面２７は上面２５及び２６に対して垂直に延在している。なお、接続面２７と上面２６との境は、なめらかに湾曲していてもよい。キャリア２２の上面２５には、サブキャリア３０が搭載されている。

モニタＰＤ５０は、半導体レーザチップ４０の出射光をモニタする。図示例では、モニタＰＤ５０は、板状体２４上であって、半導体レーザチップ４０の後方の位置に配置されている。モニタＰＤ５０は、半導体レーザチップ４０の後方に出射される背面光を受光し、背面光の光強度に応じた電気信号を生成する。この電気信号は、リードピン１３を介して発光モジュール２の外部に出力される。半導体レーザチップ４０のレーザダイオードの発光強度は、この電気信号に基づいて制御される。

レンズ６０は、本実施形態における第１のレンズである。レンズ６０は、キャリア２２の上面２６上に接着剤７５によって固定され、半導体レーザチップ４０と光結合されている。レンズ６０には、半導体レーザチップ４０からの出射光Ｌａが入射する。一例として、レンズ６０は表面実装型の樹脂レンズである。本実施形態における接着剤７５は、紫外線硬化樹脂からなる樹脂系接着剤である。レンズ６０は、例えば、半導体レーザチップ４０からの出射光Ｌａを平行光に変換するコリメートレンズである。

図５は、レンズ６０を示す斜視図である。図６は、レンズ６０を示す断面斜視図である。レンズ６０は、略直方体形状をなしており、レンズ本体部分６１と、フランジ部分６３と、固定部分６５とを含んでいる。レンズ本体部分６１は、非球面レンズであり、半導体レーザチップ４０から出射される光が入射される光入射面６１ａと、光入射面６１ａに入射された光が出射する光出射面６１ｂとを有する。光入射面６１ａ及び光出射面６１ｂはいずれも曲面である。図示例のレンズ６０では、光入射面６１ａの曲率が、光出射面６１ｂの曲率よりも大きい。つまり、光入射面６１ａの曲率半径は、光出射面６１ｂの曲率半径よりも小さい。これは、光入射面６１ａと半導体レーザチップ４０の出射端との距離が狭い故であり、さらに、光出射面６１ｂによって光束を平行化するためである。固定部分６５は、キャリア２２の上面２６に対して接着剤７５によって固定される部分である。固定部分６５は、フランジ部分６３の周縁の少なくとも一部に形成されている。

一例として、光軸方向から見た場合のレンズ６０の外形サイズは、０．６ｍｍ角、１ｍｍ角、１．５ｍｍ角、０．６ｍｍ×１．０ｍｍ長方形などであってよい。光軸方向におけるレンズ６０の厚みは、約０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度であり、焦点距離の設計によって決定される。また、発光モジュール２から出射されるコリメート光の直径のサイズは、例えば０．５ｍｍ程度である。

図７は、光軸方向に沿った断面における発光モジュール２の断面図である。前述したように、発光モジュール２は、集光レンズ１９を更に備える。集光レンズ１９は、樹脂レンズ若しくはガラスレンズである。集光レンズ１９は、レンズ６０を介して半導体レーザチップ４０と光結合されており、レンズ６０から出射された平行光を集光点Ｐに収束させる。この収束光は、スリーブ５の内部に設けられた光ファイバスタブと光結合され、また、光ファイバスタブを介して光ファイバと光結合される。光軸方向から見た集光レンズ１９の形状は、例えば円形である。キャップ１２の端壁１４には、半導体レーザチップ４０から出力される光を通過させる円形の開口１４ａが形成されている。集光レンズ１９は、開口１４ａに嵌め込まれることにより端壁１４に固定されている。レンズ６０の光軸と集光レンズ１９の光軸とは互いに一致する。

前述したように、発光モジュール２と集光点Ｐとの間には、アイソレータ及び波長分波フィルタが配置される。発光モジュール２と集光点Ｐとの間に、受光モジュール３へ受信光を送るための鏡筒が配置される場合もある。従って、端壁１４の外表面から集光点Ｐまでの距離Ｌ１は、６ｍｍ以上（例えば６．６ｍｍ）とされる。また、集光レンズ１９の光出射面１９ｂから集光点Ｐまでの距離Ｌ２（バックフォーカス）は、６ｍｍ以上（例えば６．７５ｍｍ）とされる。その結果、ステム１１の主面１１ａから集光点Ｐまでの距離Ｌ３は、１２ｍｍ以上（例えば１２．２ｍｍ）とされる。

半導体レーザチップ４０のＮＡは例えば０．５であり、ジョイント４に設けられる光ファイバスタブのＮＡは例えば０．１である。これらの間で高い光結合を得るために、レンズ６０及び集光レンズ１９からなるレンズ系の像倍率を５倍以上（例えば５．４倍）に設定してもよい。一例では、レンズ６０の焦点距離は０．６５とされ、集光レンズ１９の焦点距離は３．５２とされる。

距離Ｌ２が６ｍｍ以上である場合、２レンズ系において一般的な距離（３〜４ｍｍ程度）と比較して格段に長い。従って、集光レンズ１９としては、メニスカスレンズが用いられる。集光レンズ１９は、光入射面１９ａおよび光出射面１９ｂを有する。光入射面１９ａは、曲面であって光出射面１９ｂ側に凹んでいる。光出射面１９ｂは、曲面であって光入射面１９ａとは反対側に凸となっている。光出射面１９ｂの曲率は、光入射面１９ａの曲率よりも大きい。集光レンズ１９がメニスカスレンズであることによって、例えば６ｍｍ以上といった長さのバックフォーカスを確保することができる。なお、集光レンズ１９の側面には段差１９ｃが形成されており、光出射面１９ｂ側の集光レンズ１９の外径は、光入射面１９ａ側の集光レンズ１９の外径よりも大きい。この段差１９ｃは、開口１４ａの内側面に形成された段差１４ｂと当接し、光軸方向におけるキャップ１２に対する集光レンズ１９の相対的な位置決めを行う。

ここで、集光レンズ１９の詳細な形状について説明する。図８の（ａ）は、光軸方向から見た光入射面１９ａを示す正面図である。図８の（ａ）に示されるように、光入射面１９ａは、単一の領域１９ａ１（図のハッチング部分）を含む。領域１９ａ１は、円形の領域であり、その中心は集光レンズ１９の中心軸線（光軸）Ｓ２と一致する。光入射面１９ａにおいて光が入射する範囲（レンズ有効径）は、領域１９ａ１と一致する。図８の（ｂ）は、光軸方向から見た光出射面１９ｂを示す背面図である。図８の（ｂ）に示されるように、光出射面１９ｂは、領域１９ｂ１（第１領域）および領域１９ｂ２（第２領域）を含む。領域１９ｂ１は、円形の領域であり、その中心は集光レンズ１９の中心軸線（光軸）Ｓ２と一致する。領域１９ｂ２は、領域１９ｂ１を囲む円環状の領域であり、その中心は集光レンズ１９の中心軸線（光軸）Ｓ２と一致する。本実施形態では、領域１９ｂ１と領域１９ｂ２とは互いに隣接する。光出射面１９ｂにおいて光が出射する範囲（レンズ有効径）は、領域１９ｂ１及び１９ｂ２を合成した領域と一致する。

図９の（ａ）に示されるグラフＧ１１、及び図９の（ｂ）に示されるグラフＧ１３は、光軸Ｓ２を含む断面における、光入射面１９ａの曲率半径と光軸Ｓ２からの距離との関係の一実施例を示すグラフである。横軸は、光軸Ｓ２と直交する方向の座標位置（単位：ｍｍ）を表し、光軸Ｓ２を原点とする。図９の（ａ）の縦軸は、曲率半径（単位：ｍｍ）を表す。図９の（ｂ）の縦軸は、レンズ中心に対する曲率半径の増減割合（単位：％）を表す。なお、比較のため、図９の（ａ）及び（ｂ）それぞれには、従来の光入射面に関するグラフＧ１２，Ｇ１４それぞれが併せて示されている。図中の矢印Ａは、領域１９ａ１の範囲を表す。この例では、領域１９ａ１は光軸から０．４０ｍｍ以下の範囲内に設定される。この実施例及び比較例では、バックフォーカス（距離Ｌ２）が６．７５ｍｍ、集光レンズ１９の焦点距離が３．５２と長いことから、光入射面１９ａにおける光軸Ｓ２上の曲率半径を０．７５ｍｍとし、光出射面１９ｂにおける光軸Ｓ２上の曲率半径を１．１ｍｍとした。

グラフＧ１１，Ｇ１３に示されるように、集光レンズ１９の光入射面１９ａは、領域１９ａ１の全範囲において、光軸Ｓ２からの距離に対する曲率半径の増加率が０以上である断面形状を有する。ここで、曲率半径の増加率とは、光軸Ｓ２からの距離の微小増分ΔＹと曲率半径の増分ΔＲとの比（ΔＲ／ΔＹ）をいう。本実施形態の光入射面１９ａは凹曲面であるが、曲率半径の符号を正として扱っている。すなわち、光入射面１９ａの曲率半径は光軸Ｓ２において最も小さく、光軸Ｓ２から離れるほど増大する。一例では、光軸Ｓ２からの距離が±０．１５ｍｍを超えるまでは曲率半径が一定であり、光軸Ｓ２からの距離が±０．１５ｍｍを超えた位置から曲率半径が徐々に大きくなっている。なお、比較例であるグラフＧ１２，Ｇ１４では、光軸Ｓ２からの距離に対する曲率半径の増加率が０以下となっている。すなわち、光入射面の曲率半径は光軸Ｓ２において最も大きく、光軸Ｓ２から離れるほど減少する。

図１０の（ａ）に示されるグラフＧ２１、及び図１０の（ｂ）に示されるグラフＧ２３は、光軸Ｓ２を含む断面における、光出射面１９ｂの曲率半径と光軸Ｓ２からの距離との関係の一実施例を示すグラフである。横軸は、光軸Ｓ２と直交する方向の座標位置（単位：ｍｍ）を表し、光軸Ｓ２を原点とする。図１０の（ａ）の縦軸は、曲率半径（単位：ｍｍ）を表す。図１０の（ｂ）の縦軸は、レンズ中心に対する曲率半径の増減割合（単位：％）を表す。なお、比較のため、図１０の（ａ）及び（ｂ）それぞれには、従来の光出射面に関するグラフＧ２２，Ｇ２４それぞれが併せて示されている。図中の矢印Ｂ１は、領域１９ｂ１の範囲を表す。この例では、領域１９ｂ１は光軸Ｓ２から±０．８０ｍｍの範囲内に設定される。図中の矢印Ｂ２は、領域１９ｂ２の範囲を表す。この例では、領域１９ｂ２は光軸Ｓ２から±０．８０〜±１．００ｍｍの範囲内に設定される。

グラフＧ２１，Ｇ２３に示されるように、集光レンズ１９の光出射面１９ｂは、領域１９ｂ１の範囲において、光軸Ｓ２からの距離に対する曲率半径の増加率の符号が正である断面形状を有する。また、光出射面１９ｂは、領域１９ｂ１を囲む領域１９ｂ２の範囲において、光軸Ｓ２からの距離に対する曲率半径の増加率の符号が負である断面形状を有する。曲率半径の増加率の定義は、光入射面１９ａの場合と同様である。本実施形態の光出射面１９ｂは凹曲面であるが、光入射面１９ａと同様に、曲率半径の符号を正として扱っている。すなわち、領域１９ｂ１における曲率半径は、光軸Ｓ２において最も小さく、光軸Ｓ２から離れるほど増加している。また、領域１９ｂ２における曲率半径は、光軸Ｓ２側において最も大きく、光軸Ｓ２から離れるほど減少している。なお、比較例であるグラフＧ２２，Ｇ２４では、領域１９ｂ１，１９ｂ２の双方において、光軸Ｓ２からの距離に対する曲率半径の増加率の符号が正となっている。すなわち、領域によらず、光入射面の曲率半径は光軸Ｓ２において最も小さく、光軸Ｓ２から離れるほど増加している。なお、領域１９ｂ２の内径は、例えば領域１９ｂ２の外径の８０％である。

以上に説明した本実施形態の発光モジュール２によって得られる作用効果について説明する。この発光モジュール２では、半導体レーザチップ４０から出力された光がまずレンズ６０に到達し、平行光となってレンズ６０から出力される。次に、この平行光は集光レンズ１９に到達し、集光レンズ１９によって集光される。発光モジュール２がレンズ６０及び集光レンズ１９を含む２レンズ系を備えることにより、単一のレンズを備える場合と比較して調芯精度が高まり、半導体レーザチップ４０と光ファイバとの光結合効率を向上させることができる。また、集光レンズ１９がメニスカスレンズであることにより、集光レンズ１９のバックフォーカスを長くすることができる。

また、メニスカスレンズにおいては、光入射面の光軸と光出射面の光軸との位置ずれ（軸ずれ）すなわちディセンターが、半導体レーザチップ４０と光ファイバとの光結合効率に影響する。ディセンターに起因する光結合効率の低下を抑制するために、本実施形態では、集光レンズ１９の光入射面１９ａにおいて、光軸からの距離に対する曲率半径の増加率が０以上となっている（図９のグラフＧ１１，Ｇ１３を参照）。加えて、集光レンズ１９の光出射面１９ｂにおいて、領域１９ｂ１では、光軸からの距離に対する曲率半径の増加率の符号が正となっており、領域１９ｂ１を囲む領域１９ｂ２では、該光軸からの距離に対する曲率半径の増加率の符号が負となっている（図１０のグラフＧ２１，Ｇ２３を参照）。

ここで、図９のグラフＧ１１，Ｇ１３に示された形状の光入射面１９ａ、及び図１０のグラフＧ２１，Ｇ２３に示された形状の光出射面１９ｂを有する集光レンズ１９を用いた場合（実施例）と、図９のグラフＧ１２，Ｇ１４に示された形状の光入射面、及び図１０のグラフＧ２２，及びＧ２４に示された形状の光出射面を有する集光レンズを用いた場合（比較例）とで、集光レンズの収差、及び半導体レーザチップ４０と光ファイバとの結合効率がどのように異なるかを検討する。

図１１は、ディセンターが±５μｍであるときの、光軸Ｓ２からの距離と波面収差との関係を示すグラフである。図１１において、グラフＧ３１は実施例における集光レンズ１９の波面収差を示し、グラフＧ３２は比較例における集光レンズの波面収差を示す。図１１に示されるように、実施例における集光レンズ１９の波面収差は、比較例における集光レンズの波面収差と比較して各段に低減される。具体的には、光軸Ｓ２からの距離０．１５ｍｍが分岐点となり、０．１５ｍｍまでは同等であるが、０．１５ｍｍを超える領域では光軸Ｓ２から遠ざかるほど実施例及び比較例の波面収差の差が拡大する。例えば、比較例では光軸Ｓ２からの距離が０．３０ｍｍを超えると波面収差が１０ｍλｒｍｓを上回るのに対し、実施例では、光軸Ｓ２からの距離にかかわらず波面収差が７ｍλｒｍｓ以下に抑制されている。また、光軸Ｓ２からの距離が０．３０ｍｍを超える領域では、実施例の波面収差が、比較例の波面収差に対して５ｍλｒｍｓ以上改善されている。

図１２は、ディセンターが±５μｍであるときの、光軸Ｓ２からの距離とコマ収差との関係を示すグラフである。図１２において、グラフＧ４１は実施例における集光レンズ１９のコマ収差を示し、グラフＧ４２は比較例における集光レンズのコマ収差を示す。図１２に示されるように、実施例における集光レンズ１９のコマ収差は、比較例における集光レンズのコマ収差と比較して各段に低減される。具体的には、光軸Ｓ２からの距離０．１０ｍｍが分岐点となり、０．１０ｍｍまでは同等であるが、０．１０ｍｍを超える領域では実施例のコマ収差が比較例のコマ収差に対して安定的に小さくなっている。例えば、比較例では光軸Ｓ２からの距離が０．１５ｍｍを超えるとコマ収差が１０ｍλｒｍｓを上回るのに対し、実施例では、光軸Ｓ２からの距離にかかわらずコマ収差が６ｍλｒｍｓ以下に抑制されている。また、光軸Ｓ２からの距離が０．１０ｍｍを超える領域では、実施例のコマ収差が、比較例のコマ収差に対して５ｍλｒｍｓ以上改善されている。

図１３は、ディセンターが±５μｍであるときの、光軸Ｓ２からの距離と球面収差との関係を示すグラフである。図１３において、グラフＧ５１は実施例における集光レンズ１９の球面収差を示し、グラフＧ５２は比較例における集光レンズの球面収差を示す。図１３に示されるように、実施例における集光レンズ１９の球面収差は、比較例における集光レンズの球面収差と比較して各段に低減される。特に、光軸Ｓ２からの距離が０．３０ｍｍを超える領域では球面収差がほぼゼロとなっている。また、光軸Ｓ２からの距離が０．１０ｍｍを超える領域では、実施例の球面収差が、比較例の球面収差に対して３．４ｍλｒｍｓ以上改善されている。

図１４の（ａ）及び（ｂ）は、集光レンズ１９を通過する光を内側のビームＢＡと外側のビームＢＢとに分解した様子を概念的に示す図である。また、下記の表１は、実施例及び比較例のそれぞれにおける、光軸Ｓ２からの距離と、外側のビームＢＢが光ファイバに結合する割合（集光レンズ１９を通過したビームＢＢのうち光ファイバに入射する光量の割合）との関係を示す。すなわち、表１は、平行光（ガウシアンビーム）の裾の光が結合効率にどの程度寄与しているかを表している。

図１５は、集光レンズ１９のディセンターと、半導体レーザチップ４０と光ファイバとの光結合効率の低下量ｄηとの関係を示すグラフである。横軸は集光レンズ１９のディセンター（単位：μｍ）を表し、縦軸はディセンターが０μｍであるときを基準とする光結合効率の低下量ｄη（単位：ｄＢ）を表す。また、グラフＧ３１は実施例を示し、グラフＧ３２は比較例を示す。図１５を参照すると、比較例（グラフＧ３２）では、ディセンターが±５μｍであるときの光結合効率の低下量ｄηが約０．２ｄＢとなっている。これに対し、実施例（グラフＧ３１）では、ディセンターが±５μｍであるときの光結合効率の低下量ｄηが約０．０７５ｄＢにまで低減している。このように、実施例では、外側のビームＢＢが光ファイバとの結合効率に寄与する度合いが向上し、ディセンターに対する光結合効率の低下が抑制される。これは、前述した波面収差、コマ収差及び球面収差の低減による効果である。すなわち、本実施形態の集光レンズ１９によれば、ディセンターによる光結合効率の低下度合いを緩和することができる。

また、本実施形態のように、パッケージ１０は、半導体レーザチップ４０から出力される光を通過させる開口１４ａを有し、集光レンズ１９は該開口１４ａに取り付けられてもよい。これにより、集光レンズ１９がパッケージ１０の外部に設けられる場合と比較して小型の発光モジュール２を提供できる。

また、本実施形態のように、集光レンズ１９のバックフォーカス（距離Ｌ２）は６ｍｍ以上であってもよい。本実施形態の発光モジュール２によれば、このように長いバックフォーカスを実現することができる。

本発明による発光モジュールは、上述した実施形態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、上記実施形態では集光レンズ１９がパッケージ１０の端壁１４に取り付けられる場合を例示したが、集光レンズ１９は、パッケージ１０以外の構成要素に取り付けられてもよい。その場合、集光レンズ１９はパッケージ１０の外側に配置されてもよく、パッケージ１０の内側に配置されてもよい。

１…光送受信モジュール、２…発光モジュール、３…受光モジュール、４…ジョイント、５…スリーブ、１０…パッケージ、１１…ステム、１１ａ…主面、１２…キャップ、１３…リードピン、１４…端壁、１４ａ…開口、１４ｂ…段差、１５…パッケージ、１６…ステム、１７…キャップ、１８…リードピン、１９…集光レンズ、１９ａ…光入射面、１９ａ１…領域、１９ｂ…光出射面、１９ｂ１，１９ｂ２…領域、１９ｃ…段差、２１…熱電変換素子、２２…キャリア、２２ａ…突出部、２３，２４…板状体、２５，２６…上面、２７…接続面、３０…サブキャリア、４０…半導体レーザチップ、４２…高周波配線、４５…セラミック基板、４５ａ…高周波配線、４６…サーミスタ、４７…コンデンサ、５０…モニタＰＤ、６０…レンズ、６１…レンズ本体部分、６１ａ…光入射面、６１ｂ…光出射面、６３…フランジ部分、６５…固定部分、７５…接着剤、ＢＡ，ＢＢ…ビーム、Ｌａ…出射光、Ｐ…集光点、Ｓ１，Ｓ２…光軸。

Claims (3)

1. 半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子と光結合され、前記半導体発光素子から出力される光を平行光とする第１のレンズと、
   前記第１のレンズを介して前記半導体発光素子と光結合されたメニスカスレンズであって、前記平行光を収束させる第２のレンズと、
   前記第２のレンズから出力される収束光と光結合される光ファイバスタブと、
   を備え、
   前記第２のレンズの光入射面は、光軸からの距離に対する曲率半径の増加率が０以上である断面形状を有し、
   前記第２のレンズの光出射面は、光軸からの距離に対する曲率半径の増加率の符号が正である断面形状を有する第１領域と、前記第１領域を囲み、該光軸からの距離に対する曲率半径の増加率の符号が負である断面形状を有する第２領域とを含む、発光モジュール。
2. 前記半導体発光素子及び前記第１のレンズを収容するパッケージを更に備え、
   前記パッケージは、前記半導体発光素子から出力される光を通過させる開口を有し、前記第２のレンズは該開口に取り付けられている、請求項１に記載の発光モジュール。
3. 前記第２のレンズのバックフォーカスが６ｍｍ以上である、請求項１または２に記載の発光モジュール。

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