JP2020118856A - 光レセプタクルおよび光モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】光伝送体への光の結合効率を維持しつつ、垂直共振器面発光レーザーへの戻り光を減少させることができる光レセプタクルを提供すること。【解決手段】光レセプタクル140は、基板121上に配置される1または2以上の垂直共振器面発光レーザー122と、1または2以上の光伝送体160との間に配置され、垂直共振器面発光レーザー122と、光伝送体160の端面125とを光学的に結合するための光レセプタクル140であって、垂直共振器面発光レーザー122から出射された光を入射させる第1光学面141と、第1光学面141で入射し、内部を通る光を光伝送体160の端面125に向けて出射させる第2光学面143と、を有する。第1光学面141は、第1光学面141の中心軸が垂直共振器面発光レーザー122の光軸に対して傾斜するように配置されているか、または中心軸および光軸が平行、かつ一致しないように配置されている。【選択図】図2

Description

本発明は、光レセプタクルおよび光モジュールに関する。
従来、光ファイバーや光導波路などの光伝送体を用いた光通信には、垂直共振器面発光レーザー(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)などの発光素子を備えた光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るための光レセプタクルを有する(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1には、発光素子を含む光電変換装置と、発光素子と光伝送体の端面とを光学的に接続させる光レセプタクルとを有する光モジュールが記載されている。光レセプタクルは、発光素子から出射された光を入射させる第1の面と、第1の面で入射した光を光伝送体の端面に向かって反射させるための反射面と、反射面で反射した信号光を、光伝送体の端面に集光するように出射する第2の面と、を有する。
特許文献1に記載の光モジュールでは、発光素子から出射された光は、第1の面で入射する。第1の面で入射した光は、反射面で反射される。反射面で反射された光は信号光として透過部を透過し、光伝送体の端面に向けて第2の面から出射される。第2の面から出射された光は、光伝送体の端面に到達する。
特開2013−24918号公報
しかしながら、特許文献1に記載された光モジュールでは、光伝送体の端面に到達した光のうち、一部の光は、光伝送体の端面で反射し、第2の面で光レセプタクル内に再度入射し、反射面で再度反射した後、第1の面から出射される。第1の面から出射された光は、発光素子の受光面に到達する。発光素子の受光面に戻り光が到達してしまうと、発光素子から出射される光の強度分布が乱れてしまうおそれがある。
本発明の目的は、光伝送体への光の結合効率を維持しつつ、垂直共振器面発光レーザーへの戻り光を減少させることができる光レセプタクルおよび光モジュールを提供することである。
本発明に係る光レセプタクルは、基板上に配置される1または2以上の垂直共振器面発光レーザーと、1または2以上の光伝送体との間に配置され、前記垂直共振器面発光レーザーと、前記光伝送体の端面とを光学的に結合するための光レセプタクルであって、前記垂直共振器面発光レーザーから出射された光を入射させる第1光学面と、前記第1光学面で入射し、内部を通る光を前記光伝送体の端面に向けて出射させる第2光学面と、を有し、前記第1光学面は、前記第1光学面の中心軸が前記垂直共振器面発光レーザーの光軸に対して傾斜するように配置されているか、または前記中心軸および前記光軸が平行、かつ一致しないように配置されている。
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垂直共振器面発光レーザーとを含む光電変換装置と、本発明に係る光レセプタクルと、を有する。
本発明によれば、光伝送体への光の結合効率を維持しつつ、垂直共振器面発光レーザーへの戻り光を減少させることができる光レセプタクルおよび光モジュールを提供できる。
図1A、Bは、実施の形態1に係る光モジュールの構成を示す図である。 図2は、シミュレーションにおける光モジュールの各構成要素の位置関係を示す図である。 図3A、Bは、実施の形態1の変形例に係る光モジュールの構成を示す図である。 図4A、B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、Bは、実施の形態3に係る光モジュールの構成を示す図である。
以下、本発明に係る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1A、Bは、実施の形態1に係る光モジュールの構成を示す図である。図1Aは、実施の形態1に係る光モジュール100の断面図であり、図1Bは、図1Aに示される破線領域の部分拡大断面図である。なお、図1Bでは、ハッチングを省略している。
図1A、Bに示されるように、光モジュール100は、発光素子としての垂直共振器面発光レーザー(VCSEL)122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、光送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、光ファイバー、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、光ファイバーである。光ファイバーは、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、1または2以上である。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、垂直共振器面発光レーザー122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、垂直共振器面発光レーザー122が配置されている。
垂直共振器面発光レーザー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レーザー光を出射する。垂直共振器面発光レーザー122の数は、1または2以上である。本実施の形態では、垂直共振器面発光レーザー122の数は、1つである。また、垂直共振器面発光レーザー122の位置も、特に限定されない。
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、垂直共振器面発光レーザー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、垂直共振器面発光レーザー122の発光面124から出射された光を、光伝送体160の端面125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、第2光学面143とを有する。なお、本実施の形態に係る光レセプタクル140は、上記の構成に加え、反射面142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、垂直共振器面発光レーザー122から出射された光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、垂直共振器面発光レーザー122から出射された光を、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、垂直共振器面発光レーザー122から出射された光をコリメート光となるように、その光束を狭めるように変換する。狭められた光束は、後述するように、反射面142で全反射された後に第2光学面143へ向かう。本実施の形態では、第1光学面141の形状は、垂直共振器面発光レーザー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。後述するように、垂直共振器面発光レーザー122への戻り光を減少させる観点から、第1光学面141の中心軸CA1は、垂直共振器面発光レーザー122の光軸OA1に対して傾斜している。垂直共振器面発光レーザー122の光軸OA1に対する第1光学面141の中心軸CA1の傾斜角度θ1は、垂直共振器面発光レーザー122への戻り光を減少させることができれば特に限定されない。傾斜角度θ1は、垂直共振器面発光レーザー122への戻り光を減少させる観点から、0.1〜23°が好ましく、3〜7°がより好ましい。
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と第2光学面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(垂直共振器面発光レーザー122から出射された光)を、第2光学面143に向かって反射させる。反射面142は、平面でもよいし、曲面でもよい。本実施の形態では、反射面142は、平面である。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で入射した光の光軸に対して45°である。反射面142には、第1光学面141で入射した光が、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、入射した光を基板121の表面に沿う方向に全反射させる。
第2光学面143は、反射面142で反射した光を、光伝送体160の端面125に向けて出射させる光学面である。本実施の形態では、第2光学面143は、光レセプタクル140の正面に、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143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。本実施の形態では、第2光学面143の中心軸CA2は、光伝送体160の端面125の光軸OA2と一致している。これにより、第1光学面141で入射され、反射面142で反射した光を集光させて、光伝送体160の端面125に効率良く入射させることができる。
垂直共振器面発光レーザー122から出射された光は、第1光学面141で光レセプタクル140の内部に入射する。光レセプタクル140内に入射した光は、反射面142で内部反射して、第2光学面143に向かって進行する。第2光学面143に到達した光は、光伝送体160の端面125に向かって集光するように出射される。そして、光伝送体160の端面125に到達した光のうち大部分の光は、光伝送体160の端面125で光伝送体160内に入射するが、一部の光は光伝送体160の端面125で反射する。光伝送体160の端面で反射した光は、第2光学面143および反射面142を経て、光電変換装置120に向かう。ただし、本実施の形態に係る光レセプタクル140では、第1光学面141の中心軸CA1が垂直共振器面発光レーザー122の光軸OA1に対して傾斜しているため、反射光の一部のみが、第1光学面141から出射されて垂直共振器面発光レーザー122の発光面124に到達する戻り光となり、反射光の大部分は、第1光学面141以外の領域から出射されて光電変換装置120の垂直共振器面発光レーザー122以外の領域に到達する。
(シミュレーション)
ここで、第1光学面141の中心軸CA1の垂直共振器面発光レーザー122の光軸OA1に対する傾斜角度θ1と、垂直共振器面発光レーザー122から出射された光(信号光)の光伝送体160の端面125への光結合効率と、戻り光との関係について調べた。図2は、垂直共振器面発光レーザー122と、光レセプタクル140と、光伝送体160との位置関係を示した図である。なお、図2では、ハッチングを省略している。図2の細い実線は、信号光の光路を示しており、破線は、戻り光の光路を示している。
垂直共振器面発光レーザー122の発光面124の直径φは10μmであり、開口数(NA)は0.3である。光伝送体160の端面(受光面)125の直径φは、50μmであり、開口数(NA)は考慮しない。また、光伝送体160の端面125の反射率は、4.0%とした。第1光学面141の直径φと、第2光学面143の直径φとは、いずれも0.25mmとした。本シミュレーションでは、光レセプタクル140は、垂直共振器面発光レーザー122から出射された光が第1光学面141に対して垂直に入射した場合に5.6%の光が表面反射する界面を形成するような材料で形成されている。そして、本シミュレーションでは、光レセプタクル140は、垂直共振器面発光レーザー122から出射された光が第1光学面141へ入射するときに5.6%に相当する光量の光が反射して消失すると仮定する。また、内部を進行した光が第2光学面143で出射されるときにも5.6%に相当する光量の光が内部表面反射して消失すると仮定する。この場合、垂直共振器面発光レーザー122から出射された光量を100%としたとき、光伝送体160の端面(受光面)125には、最大で約88%に相当する光量の光が到達することになる。なお、このような光レセプタクル140では、垂直共振器面発光レーザー122から出射された光量を100%としたとき、垂直共振器面発光レーザー122の発光面124には、最大で2.11%に相当する光量の光伝送体160の端面125からの戻り光が到達すると試算される。
前述したように、本実施の形態では、第1光学面141の中心軸CA1は、垂直共振器面発光レーザー122の光軸OA1に対して傾斜している。本シミュレーションでは、第1光学面141の中心軸CA1は、垂直共振器面発光レーザー122の光軸OA1に対して5°傾斜しており、前述のシミュレーションにおける光伝送体160の端面125に到達する光量約88%を維持するとともに、垂直共振器面発光レーザー122の発光面124への戻り光を2.11%よりも抑えることができる。第1光学面141の中心軸CA1の垂直共振器面発光レーザー122の光軸OA1に対する傾斜角度θ1が0.1°未満の場合、垂直共振器面発光レーザー122から出射された光の光量を100%としたとき、0.5%超に相当する光量の光が戻り光として生じてしまう。一方、第1光学面141の中心軸CA1の垂直共振器面発光レーザー122の光軸OA1に対する傾斜角度θ1が23°超の場合、光伝送体160の端面125に到達する光量が約88%未満に相当する光の光量になってしまう。
ここで、第1光学面141の中心軸CA1のみを傾斜させた場合と、第2光学面143の中心軸CA2のみを傾斜させた場合との違いについて説明する。垂直共振器面発光レーザー122に戻り光が入射してしまうと、垂直共振器面発光レーザー122から出射される光の強度分布に歪みが生じる。本実施の形態では、この戻り光を減少させて光モジュール100の性能を維持している。
ここで、第1光学面141および第2光学面143のいずれも傾斜させない場合における垂直共振器面発光レーザー122から出射された光の光路(第1光路)と、第1光学面141のみを傾斜させた場合における垂直共振器面発光レーザー122から出射された光の光路(第2光路)と、第2光学面143のみを傾斜させた場合における垂直共振器面発光レーザー122から出射された光の光路(第3光路)とを考える。なお、第1光学面141の傾斜角度θ1と第2光学面143の傾斜角度θ2とは同じとする。
第2光路を進行する光は、第1光学面141を透過した後、進行するにつれて第1光路から徐々にずれる。この現象は、垂直共振器面発光レーザー122の光軸OA1に対する第1光学面141の中心軸CA1の傾斜角度θ1が大きくなるほど顕著になる。
また、第3光路を進行する光は、第2光学面143を透過した後、進行するにつれて第1光路から徐々にずれてくる。この現象は、第1光学面141で入射し第2光学面143に到達する光の光軸OA2に対する第2光学面143の中心軸CA2の傾斜角度θ2が大きくなるほど顕著になる。
第2光路を進行した戻り光の光電変換装置120上の到達位置は、第1光路を進行した戻り光の光電変換装置120上の到達位置(垂直共振器面発光レーザー122の発光面124)とは異なる。また、第3光路を進行した戻り光の光電変換装置120上の到達位置も、第1光路を進行した戻り光の光電変換装置120上の到達位置(垂直共振器面発光レーザー122の発光面124)と異なる。ここで、第2光路を進行した戻り光の到達位置は、第3光路を進行した戻り光の到達位置よりも、垂直共振器面発光レーザー122の発光面(第1光路を進行した戻り光の到達位置)124から離れている。これは、第1光路から外れた光路の長さが、第3光路よりも第2光路の方が長いためである。
このように、第1光学面141の傾斜角度θ1と第2光学面143の傾斜角度θ2との傾斜角度が同じ場合には、第2光路を進行する戻り光の方が、第3光路を進行する光に対して、垂直共振器面発光レーザー122の発光面から離れた位置に到達する。すなわち、第1光学面141を傾斜させる方が第2光学面143を傾斜させるよりも、垂直共振器面発光レーザー122に到達する戻り光の割合を減少させることができる。
(変形例)
次に、実施の形態1の変形例に係る光モジュール200について説明する。変形例に係る光モジュール200は、第1光学面241の構成のみが実施の形態1に係る光モジュール100と異なる。そこで、実施の形態1に係る光モジュール100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。
(光モジュールおよび光レセプタクルの構成)
図3A、Bは、実施の形態1の変形例に係る光モジュール200の構成を説明するための図である。図3Aは、実施の形態1の変形例に係る光モジュール200の断面図であり、図3Bは、図3Aに示される破線領域の部分拡大断面図である。
3図A、Bに示されるように、実施の形態1の変形例に係る光モジュール200は、光電変換装置120と、光レセプタクル240とを有する。光レセプタクル240は、第1光学面241と、反射面142と、第2光学面143とを有する。
実施の形態1の変形例における第1光学面241は、垂直共振器面発光レーザー122から出射された光束を狭めるように制御して、コリメート光となるように変換させる、凸状の凸レンズ面である。また、第1光学面241の平面視形状は、円形状である。第1光学面241は、その中心軸CA1が垂直共振器面発光レーザー122の光軸OA1と平行となるように配置されている。また、第1光学面241は、その中心軸CA1が垂直共振器面発光レーザー122から出射された光の光軸OA1と一致しないように配置されている。
本実施の形態の変形例に係る光モジュール200でも、垂直共振器面発光レーザー122に到達する戻り光の割合を減少させることができる。
(効果)
以上のように、本発明の光モジュール100、200では、第1光学面141、241は、その中心軸CA1が垂直共振器面発光レーザー122の光軸OA1に対して傾斜するように配置されているか、または中心軸CA2および光軸OA2が平行、かつ一致しないように配置されている。これにより、一部の戻り光が垂直共振器面発光レーザー122の発光面124に到達しないため、垂直共振器面発光レーザー122から出射した光の光伝送体160に対する光結合効率を維持しつつ、垂直共振器面発光レーザー122に到達する戻り光の割合を減少させることができる。
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2に係る光モジュール300について説明する。実施の形態2に係る光モジュール300は、第2光学面343の構成のみが実施の形態1に係る光モジュール100と異なる。そこで、実施の形態1に係る光モジュール100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。
(光モジュールおよび光レセプタクルの構成)
図4A、Bは、実施の形態2に係る光モジュール300の構成を説明するための図である。図4Aは、実施の形態2に係る光モジュール300の断面図であり、図4Bは、図4Aに示される破線領域の部分拡大断面図である。
図4A、Bに示されるように、実施の形態2に係る光モジュール300は、光電変換装置120と、光レセプタクル340とを有する。光レセプタクル340は、第1光学面141と、反射面142と、第2光学面343とを有する。
実施の形態2における第2光学面343は、反射面142で反射した光を、光伝送体160の端面125に向けて出射させる光学面である。本実施の形態では、第2光学面343は、光レセプタクル340の正面に、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343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。また、第2光学面343の平面視形状は、円形状である。垂直共振器面発光レーザー122への戻り光をより減少させる観点から、第2光学面343の中心軸CA2は、第1光学面141で入射し第2光学面343に到達する光の光軸OA2に対して傾斜している。第1光学面141で入射し第2光学面343に到達する光の光軸OA2に対する第2光学面343の中心軸CA2の傾斜角度θ2は、特に限定されない。傾斜角度θ2は、光伝送体160への到達光量の損失を抑えつつ、垂直共振器面発光レーザー122への戻り光をより減少させる観点から、0.1〜23°が好ましく、3〜7°がより好ましい。
本実施の形態に係る光モジュール300では、第2光学面343を透過する際にも光軸がずれるため、垂直共振器面発光レーザー122に到達する戻り光の割合をより減少させることができる。
(効果)
以上のように、本実施の形態に係る光モジュール300では、垂直共振器面発光レーザー122から出射した光の光伝送体160に対する光結合効率を維持しつつ、垂直共振器面発光レーザー122に到達する戻り光の割合をより減少させることができる。
[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3に係る光モジュール400について説明する。実施の形態3に係る光モジュール400は、反射面442の構成のみが実施の形態1に係る光モジュール100と異なる。そこで、実施の形態1に係る光モジュール100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。
(光モジュールおよび光レセプタクルの構成)
図5A、Bは、実施の形態3に係る光モジュール400の構成を説明するための図である。図5Aは、実施の形態3に係る光モジュール400の断面図であり、図5Bは、図5Aに示される破線領域の部分拡大断面図である。図5Bに示される破線は、実施の形態1、2における反射面142を示している。
図5A、Bに示されるように、実施の形態3に係る光モジュール400は、光電変換装置120と、光レセプタクル440とを有する。光レセプタクル440は、第1光学面141と、反射面442と、第2光学面143とを有する。
実施の形態3における光モジュール400でも、反射面442は、第1光学面141で入射した光(垂直共振器面発光レーザー122から出射された光)を、第2光学面143に向かって反射させる。本実施の形態では、反射面442は、平面である。反射面442は、光レセプタクル440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。実施の形態3に係る光モジュール400では、垂直共振器面発光レーザー122への戻り光をより減少させる観点から、第1光学面141で入射した光の光軸に対する反射面442の傾斜角度θ3は、45°からずれている。第1光学面141で入射した光の光軸に対する反射面442の傾斜角度θ3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、第1光学面141で入射した光の光軸に対する反射面442の傾斜角度θ3は、38〜41°または49〜52°である。反射面442には、第1光学面141で入射した光が、臨界角より大きな入射角で内部入射する。
本実施の形態に係る光モジュール400では、反射面442で反射する際にも光軸がずれるため、垂直共振器面発光レーザー122に到達する戻り光の割合をより減少させることができる。
なお、実施の形態1の変形例に係る光モジュール200と、実施の形態2に係る光モジュール300とにおいて、第1光学面141で入射した光の光軸に対する反射面142の傾斜角度θ3は34〜41°または45〜56°であってもよい。
(効果)
以上のように、本実施の形態に係る光モジュール400では、垂直共振器面発光レーザー122から出射した光の光伝送体160に対する光結合効率を維持しつつ、垂直共振器面発光レーザー122に到達する戻り光の割合をより減少させることができる。
本発明に係る光レセプタクルおよび光モジュールは、光伝送体を用いた光通信に有用である。
100、200、300、400 光モジュール
120 光電変換装置
121 基板
122 垂直共振器面発光レーザー
124 発光面
125 端面
140、240、340、440 光レセプタクル
141、241 第1光学面
142、442 反射面
143、343 第2光学面
160 光伝送体

Claims (6)

  1. 基板上に配置される1または2以上の垂直共振器面発光レーザーと、1または2以上の光伝送体との間に配置され、前記垂直共振器面発光レーザーと、前記光伝送体の端面とを光学的に結合するための光レセプタクルであって、
    前記垂直共振器面発光レーザーから出射された光を入射させる第1光学面と、
    前記第1光学面で入射し、内部を通る光を前記光伝送体の端面に向けて出射させる第2光学面と、
    を有し、
    前記第1光学面は、前記第1光学面の中心軸が前記垂直共振器面発光レーザーの光軸に対して傾斜するように配置されているか、または前記中心軸および前記光軸が平行、かつ一致しないように配置されている、
    光レセプタクル。
  2. 前記中心軸は、前記光軸に対して、0.1〜23°傾斜している、請求項1に記載の光レセプタクル。
  3. 前記第1光学面で入射した光を前記第2光学面に向けて内部反射させる反射面をさらに有し、
    前記反射面は、前記垂直共振器面発光レーザーから出射され、前記第1光学面および前記第2光学面を進行して、前記光伝送体の端面で反射した光のうち、一部の光が、前記第1光学面に到達しないように配置されている、
    請求項1または請求項2に記載の光レセプタクル。
  4. 前記第2光学面は、前記第2光学面の中心軸が前記第1光学面で入射し前記第2光学面に到達する光の光軸に対して傾斜するように配置されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光レセプタクル。
  5. 前記第2光学面の中心軸は、前記第1光学面で入射し前記第2光学面に到達する光の光軸に対して、0.1〜23°傾斜している、請求項4に記載の光レセプタクル。
  6. 基板と、前記基板上に配置された垂直共振器面発光レーザーとを含む光電変換装置と、
    請求項1〜5のいずれか一項に記載の光レセプタクルと、
    を有する、
    光モジュール。
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