JP2022178119A - 光レセプタクルおよび光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光伝送体の端面からの戻り光を低減す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】本発明の光レセプタクル１４０は、発光素子１２２と光伝送体１６０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、発光素子から出射された光を入射させる第１光学面１４１と、第１光学面で入射した光を光伝送体の端面に向けて出射させる第２光学面１４２と、を有する。第２光学面は、光レセプタクルの内部から第２光学面にコリメート光が入射した場合に、Ｘ軸の方向に沿って見たときに観察される第１焦点と、Ｙ軸の方向に沿って見たときに第１焦点よりも前記第２光学面側に観察される第２焦点と、が形成されるように構成されている。
【選択図】図３

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、光電変換素子（発光素子または受光素子）および光レセプタクルを備えた光モジュールが使用されている。光モジュールが送信用の光モジュールとして使用される場合、光モジュールでは、発光素子から出射された通信情報を含む光が、光レセプタクルを経由して光伝送体（例えば光ファイバー）の端面に入射する。このとき、光伝送体の端面に到達した光の一部は、端面で反射して発光素子に戻る。このように光の一部が発光素子に戻ると、発光素子からの光の出射が乱れて、光通信に悪影響をおよぼすことがある。特許文献１は、このような反射戻り光を低減するために、複数の光ファイバーの端部を保持するフェルールの端面に無反射コーティングされているガラスを固定するか、フェルールの端面を斜めに研磨するか、またはフェルールの端面を有限の曲率半径を有する曲面に研磨することを開示している。

特開平５－２９７２４５号公報

上記のとおり、特許文献１に記載の光モジュール（多芯半導体レーザモジュール）では、光レセプタクル（レンズアレイ）ではなくフェルールを加工することで、光伝送体の端面からの戻り光を低減している。したがって、特許文献１に記載の光モジュールには、フェルールの構成が複雑で、製造コストが増大するという問題がある。

本発明の目的は、光伝送体の端面からの戻り光を低減することができる光レセプタクルおよび当該光レセプタクルを有する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、発光素子と光伝送体との間に配置され、前記発光素子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、前記発光素子から出射された光を入射させる第１光学面と、前記第１光学面で入射した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２光学面の光軸と前記第２光学面との交点を原点、前記第２光学面の光軸をＺ軸、前記原点を通り前記Ｚ軸に垂直な軸をＸ軸、前記原点を通り前記Ｚ軸および前記Ｘ軸に垂直な軸をＹ軸としたとき、前記第２光学面は、前記光レセプタクルの内部から前記第２光学面にコリメート光が入射した場合に、前記Ｘ軸の方向に沿って見たときに観察される第１焦点と、前記Ｙ軸の方向に沿って見たときに前記第１焦点よりも前記第２光学面側に観察される第２焦点と、が形成されるように構成されている。

本発明に係る光モジュールは、発光素子と、上記の光レセプタクルと、を有する。

本発明によれば、光伝送体からの戻り光を低減することができる光レセプタクルおよび当該光レセプタクルを有する光モジュールを提供することができる。

図１は、実施の形態に係る光モジュールを示す図である。 図２Ａ～Ｅは、実施の形態に係る光レセプタクルを示す図である。 図３Ａ、Ｂ、Ｃは、実施の形態に係る光モジュールの光路を示す図である。 図４Ａ、Ｂ、Ｃは、比較例に係る光モジュールの光路を示す図である。 図５Ａは、比較例に係る光モジュールにおけるシミュレーションの結果を示し、図５Ｂは、実施の形態に係る光モジュールにおけるシミュレーション結果を示す。

以下、本発明の一実施の形態に係る光モジュールについて、図面を参照して詳細に説明する。

（光モジュールの構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る光モジュール１００の構成を示す図である。図１では、光モジュール１００のうち、送信用の光モジュールとして機能する部分の断面を示している。

図１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。本実施の形態では、光モジュール１００は、送信および受信用の光モジュールであり、光レセプタクル１４０に複数の光伝送体１６０が結合（以下、接続ともいう）されて使用される。

光電変換装置１２０は、基板１２１と、発光素子１２２と、受光素子（図示省略）を有する。

基板１２１は、発光素子１２２および受光素子を支持するとともに、光レセプタクル１４０に対して固定される。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および受光素子が配置されている。

発光素子１２２は、光伝送体１６０の端面１２５に向かう光を出射する。発光素子１２２は、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）である。発光素子１２２の数は、特に限定されず、光レセプタクル１４０の構成に合わせて選択される。本実施の形態では、発光素子１２２の数は、１つである。発光素子１２２は、発光面１２３が光レセプタクル１４０の第１光学面１４１の焦点と一致するように配置されることが好ましい。

受光素子は、光伝送体１６０の端面１２５から出射された光を検出する。受光素子は、例えば、フォトディテクタである。受光素子の数は、特に限定されず、光レセプタクル１４０の構成に合わせて選択される。本実施の形態では、受光素子の数は、１つである。受光素子は、受光面が光レセプタクル１４０の第１光学面１４１の焦点と一致するように配置されることが好ましい。

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、発光素子１２２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１２３と、光伝送体１６０の端面１２５とを光学的に結合させる。本実施の形態では、光レセプタクル１４０は、１つの発光素子１２２の発光面１２３と、１つの光伝送体１６０の端面１２５とを光学的に結合させ、１つの受光素子の受光面と、１つの光伝送体１６０の端面１２５とを光学的に結合させるが、光レセプタクル１４０は、１つの発光素子１２２の発光面１２３と、１つの光伝送体１６０の端面１２５との間のみを光学的に結合させてもよい。光レセプタクル１４０の構成については、別途詳細に説明する。

光伝送体１６０の種類は、特に限定されない。光伝送体１６０の種類の例には、光ファイバー、光導波路が含まれる。本実施の形態では、光伝送体１６０は、光ファイバーである。光伝送体１６０の数は、特に限定されず、光レセプタクル１４０の構成に合わせて選択される。光伝送体１６０の数は、１つでもよいし、複数でもよい。本実施の形態では、光伝送体１６０の数は、２つである。

（光レセプタクルの構成）
図２Ａ～Ｅは、本発明の実施の形態に係る光レセプタクル１４０の構成を示す図である。図２Ａは、光レセプタクル１４０の平面図であり、図２Ｂは正面図であり、図２Ｃは底面図であり、図２Ｄは、図２ＡのＤ－Ｄ線の断面図であり、図２Ｅは、図２ＢのＥ－Ｅ線の断面図である。

前述のとおり、本実施の形態では、光モジュール１００は、送信および受信用の光モジュールである。図２Ａ～Ｃにおいて、光レセプタクル１４０の左側半分は、送信用の光モジュールの一部として機能し、光レセプタクル１４０の右側半分は、受信用の光モジュールの一部として機能する。本実施の形態では、光レセプタクル１４０の左側半分と右側半分とでは、第２光学面１４２の形状が異なっている。図２Ｄ、Ｅでは、図１と同様に、送信用の光モジュールの一部として機能する部分の断面を示している。

光レセプタクル１４０は、透光性を有し、第１光学面１４１と、第２光学面１４２を有する。また、本実施の形態において、光レセプタクル１４０は、第１光学面１４１と第２光学面１４２との間の光路上に配置された反射面１４３をさらに有する。なお、反射面１４３は任意の構成要素であり、なくてもよい。反射面１４３がない場合、第１光学面１４１と第２光学面１４２とは互いに対向するように配置される。また、本実施の形態では、第１光学面１４１、および第２光学面１４２の数は、それぞれ複数である。

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、光レセプタクル１４０は、例えば、射出成形により製造される。

送信用の光モジュールの一部として機能する部分では、第１光学面１４１は、発光素子１２２から出射された光を光レセプタクル１４０の内部に入射させる光学面である。また、受信用の光モジュールの一部として機能する部分では、第１光学面１４１は、第２光学面１４２で入射し、光レセプタクル１４０の内部を進行してきた光を受光素子に向けて出射させる光学面である。

送信用の光モジュールの一部として機能する部分では、第１光学面１４１は、発光素子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、発光素子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１４３で全反射された後に第２光学面１４２へ向かう。

受信用の光モジュールの一部として機能する部分では、第１光学面１４１は、光レセプタクル１４０の内部を進行してきた光を収束光に変換させうる。本実施の形態では、第１光学面１４１は、光レセプタクル１４０の内部を進行してきた光を収束光となるように、その光束を狭めるように変換する。狭められた光束は、受光素子の受光面へ向かう。

本実施の形態では、第１光学面１４１は、発光素子１２２に向かって凸状の凸レンズ面である。また、本実施の形態では、第１光学面１４１は、その中心軸ＣＡに対して回転対称（円対称）である。

第１光学面１４１の大きさは、特に限定されないが、発光素子１２２の発光面１２３の大きさと同じかそれよりも大きいことが好ましい。第１光学面１４１の中心軸ＣＡは、発光素子１２２の発光面１２３（または受光素子の受光面）に対して垂直であることが好ましい。第１光学面１４１の中心軸ＣＡは、発光素子１２２の発光面１２３から出射された光の光軸ＯＡ（または受光素子の受光面に入射する光の光軸ＯＡ）と一致することが好ましい。

反射面１４３は、光レセプタクル１４０に形成された傾斜面であり、第１光学面１４１と第２光学面１４２との間の光路上に配置されている。なお、本実施の形態において反射面１４３は光レセプタクル１４０の底面側に配置されている。送信用の光モジュールの一部として機能する部分では、反射面１４３は、第１光学面１４１で入射した光（発光素子１２２から出射された光）を、第２光学面１４２に向かって反射させる。受信用の光モジュールの一部として機能する部分では、反射面１４３は、第２光学面１４２で入射した光（光伝送体１６０の端面１２５から出射された光）を、第１光学面１４１に向かって反射させる。

反射面１４３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１４３は、平面である。反射面１４３は、光レセプタクル１４０の天面から底面に向かうにつれて、光伝送体１６０（第２光学面１４２）に近づくように傾斜している。本実施の形態では、反射面１４３の傾斜角度は、第１光学面１４１で入射した光の光軸（または第２光学面１４２で入射した光の光軸）に対して４５°である。反射面１４３には、第１光学面１４１で入射した光（または第２光学面１４２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１４３は、入射した光を基板１２１の表面に対して平行（または垂直）になるように全反射させる。

送信用の光モジュールの一部として機能する部分では、第２光学面１４２は、第１光学面１４１で入射し、光レセプタクル１４０の内部を進行してきた光を、光伝送体１６０の端面１２５に向けて出射させる光学面である。また、受信用の光モジュールの一部として機能する部分では、第２光学面１４２は、光伝送体１６０の端面１２５から出射された光を光レセプタクル１４０の内部に入射させる光学面である。本実施の形態では、第２光学面１４２は、光伝送体１６０の端面１２５と対向するように配置されている。

本実施の形態では、第２光学面１４２は、光伝送体１６０の端面１２５向かって凸状の凸レンズ面である。また、受信用の光モジュールの一部として機能する部分では、第２光学面１４２は、その中心軸に対して回転対称（円対称）である。一方、送信用の光モジュールの一部として機能する部分では、第２光学面１４２は、その中心軸に対して回転対称（２回対称）である。本実施の形態に係る光レセプタクル１４０は、送信用の光モジュールの一部として機能する部分における第２光学面１４２の形状に一つの特徴を有する。そこで、この第２光学面１４２の形状について説明する。

図３Ａは、送信用の光モジュールの一部として機能する部分において、第２光学面１４２に光レセプタクル１４０の内部からコリメート光を入射させたときの様子を示す図である。図３Ａに示されるように、コリメート光が第２光学面１４２に入射すると、第１焦点と第２焦点とに収束する。

より具体的には、第２光学面１４２は以下のように構成されている。すなわち、第２光学面１４２は、第２光学面１４２の光軸と第２光学面１４２との交点を原点、第２光学面１４２の光軸をＺ軸、原点を通りＺ軸に垂直な軸をＸ軸、原点を通りＺ軸およびＸ軸に垂直な軸をＹ軸としたとき、第２光学面１４２は、光レセプタクル１４０の内部から第２光学面１４２にコリメート光が入射した場合に、Ｘ軸の方向に沿って見たときに観察される第１焦点と、Ｙ軸の方向に沿って見たときに第１焦点よりも第２光学面１４２側に観察される第２焦点と、が形成されるように構成されている。逆に言えば、上記のように第１焦点および第２焦点が観察されるように、Ｘ軸およびＹ軸が設定される。

前述のとおり、本実施の形態では、第２光学面１４２は凸レンズ面であり、以下のような形状を有する。すなわち、第２光学面１４２では、ＸＺ平面における曲率が、ＹＺ平面における曲率よりも大きい（図３Ｂ、Ｃ参照）。このような形状を有することで、上記の様に第２光学面１４２に入射したコリメート光が第１焦点および第２焦点を形成することができる。第１焦点と第２焦点との間の距離は、戻り光を低減するという観点からは、０．０５ｍｍ以上であることが好ましく、０．１ｍｍ以上であることがより好ましい。一方、第１焦点と第２焦点との間の距離は、発光素子１２２と光伝送体１６０の端面１２５との結合効率を維持する観点からは、０．４ｍｍ以下であることが好ましく、０．２５ｍｍ以下であることがより好ましい。

また、第２光学面１４２から出射された光を光伝送体１６０内を適切に伝搬させる観点からは、第２光学面１４２のＸＺ平面で見たときの開口数（ＮＡｘ）およびＹＺ平面で見たときの開口数（ＮＡｙ）は、以下の式（１）および式（２）を満たすことが好ましい。ここでθｘは、ＸＺ平面で見たときの第２光学面１４２から光伝送体１６０の端面に入射する光の光軸ＯＡに対する最大角度である。θｙは、ＹＺ平面で見たときの第２光学面１４２から光伝送体１６０の端面に入射する光の光軸ＯＡに対する最大角度である。
ＮＡｘ＝１・ｓｉｎθｘ＜０．２ …式（１）
ＮＡｙ＝１・ｓｉｎθｙ＜０．２ …式（２）

なお、上記では、送信および受信用の光モジュール１００について説明したが、本発明に係る光モジュールは、送信専用の光モジュールであってもよい。この場合、光電変換装置１２０は、受光素子を有する必要はなく、光レセプタクル１４０は、受信用の第１光学面１４１および第２光学面１４２を有する必要もない。

また、上記では、第２光学面１４２が凸レンズ面である例を説明したが、第２光学面１４２の構成は、上記の第１焦点および第２焦点を形成することができれば特に制限されない。第２光学面１４２は、例えば回折レンズであってもよい。

（シミュレーション）
実施の形態に係る光モジュールおよび比較例に係る光モジュールについて、結合効率と戻り光との関係を図３Ａ～図５Ｂを参照しつつ以下に説明する。

上記のとおり、実施の形態に係る光モジュール１１０では、光レセプタクル１４０の第２光学面１４２は、２回対称であり、ＸＺ平面における曲率がＹＺ平面における曲率よりも大きくなるように構成されている。一方、比較例に係る光モジュール１００’では、光レセプタクル１４０’の第２光学面１４２’は、円対称であり、ＸＺ平面における曲率とＹＺ平面における曲率が同じとなるように構成されている。

図４Ａは比較例に係る光モジュール１００’において、第２光学面１４２’に光レセプタクル１４０’の内部からコリメート光を入射させたときの様子を示す図である。図４Ａに示されるように、コリメート光が第２光学面１４２’に入射すると、１つの焦点に収束する。これは比較例に係る光モジュール１００’において、第２光学面１４２’がＺ軸に対して円対称であり、ＸＺ平面における曲率がＹＺ平面における曲率と同じだからである（図４Ｂ、Ｃ参照）。

図５Ａは、図４Ａ、Ｂ、Ｃに示される比較例に係る光モジュール１００’における、光伝送体１６０の端面１２５の位置と、光の結合効率および戻り光との関係を示すグラフである。図５Ｂは、図３Ａ、Ｂ、Ｃに示される実施の形態に係る光モジュール１００における、光伝送体１６０の端面１２５の位置と、光の結合効率および戻り光との関係を示すグラフである。

図５Ａのグラフにおいて、横軸は、第２光学面１４２’に対する光伝送体１６０の端面１２５の位置を示している。図４Ａに示されるように、第２光学面１４２’の焦点を基準位置（Ｚ＝０）とし、光伝送体１６０の端面１２５を第２光学面１４２’に近づけた場合が負の値（Ｚ＜０）、遠ざけた場合が正の値（Ｚ＞０）となるように、第２光学面１４２’の焦点に対する光伝送体１６０の端面１２５の位置を示している。

同様に、図５Ｂのグラフにおいて、横軸は、第２光学面１４２に対する光伝送体１６０の端面１２５の位置を示している。図３Ａに示されるように、第２光学面１４２の第２焦点を基準位置（Ｚ＝０）とし、光伝送体１６０の端面１２５を第２光学面１４２に近づけた場合が負の値（Ｚ＜０）、遠ざけた場合が正の値（Ｚ＞０）となるように、第２光学面１４２の焦点に対する光伝送体１６０の端面１２５の位置を示している。

図５Ａからわかるように、比較例の光モジュール１００’では、Ｚ＝０のときに結合効率が最大であるが、戻り光も最大となる。よって、結合効率の向上と戻り光の低減を両立することができず、発光素子１２２からの光の出射が乱れる恐れがある。

これに対して、図５Ｂからわかるように、実施の形態の光モジュール１００では、０≦Ｚ≦０．０５のときに結合効率が略最大であるが、戻り光は最大とはならない。戻り光が略最大となるのは、０．０６≦Ｚ≦０．０７のときである。よって、実施の形態の光モジュール１００では、結合効率の向上と戻り光の低減を両立することができ、より正確な情報伝達が可能となる。

（効果）
本発明の光レセプタクルおよび光モジュールによれば、光伝送体からの戻り光を低減することができるので、安定した光通信を行うことができる。

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、１００’ 光モジュール
１２０ 光電変換装置
１２１ 基板
１２２ 発光素子
１２３ 発光面
１２５ 端面
１４０、１４０’ 光レセプタクル
１４１ 第１光学面
１４２、１４２’ 第２光学面
１４３ 反射面
１６０ 光伝送体（光ファイバー）

Claims (6)

1. 発光素子と光伝送体との間に配置され、前記発光素子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、
   前記発光素子から出射された光を入射させる第１光学面と、
   前記第１光学面で入射した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２光学面の光軸と前記第２光学面との交点を原点、前記第２光学面の光軸をＺ軸、前記原点を通り前記Ｚ軸に垂直な軸をＸ軸、前記原点を通り前記Ｚ軸および前記Ｘ軸に垂直な軸をＹ軸としたとき、
   前記第２光学面は、前記光レセプタクルの内部から前記第２光学面にコリメート光が入射した場合に、前記Ｘ軸の方向に沿って見たときに観察される第１焦点と、前記Ｙ軸の方向に沿って見たときに前記第１焦点よりも前記第２光学面側に観察される第２焦点と、が形成されるように構成されている、
   光レセプタクル。
2. 前記第２光学面は、ＸＺ平面における曲率が、ＹＺ平面における曲率よりも大きい凸レンズ面である、請求項１に記載の光レセプタクル。
3. 前記第１焦点と前記第２焦点との間の距離は、０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下である、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１光学面と前記第２光学面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第２光学面に向けて反射させる反射面をさらに有する、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の光レセプタクル。
5. 前記光伝送体の端面が、前記第１焦点と一致する位置から前記第２焦点と一致する位置までの間に配置されるように構成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の光レセプタクル。
6. 発光素子と、
   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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