JP4788546B2

JP4788546B2 - 光モジュール

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Publication number: JP4788546B2
Application number: JP2006259414A
Authority: JP
Inventors: 邦彦田才
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-09-25
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2026-09-25
Also published as: JP2008077003A

Description

本発明は、信号光と可視光によるガイド光を光ファイバに結合させる光モジュールに関する。詳しくは、信号光とガイド光を別光路で導光して光ファイバに結合させることで、信号光の損失を防ぐものである。

半導体レーザから出射されたレーザ光を光ファイバに結合させる光モジュールとして、近年、数十ワット（Ｗ）以上の高出力を持つ高出力の半導体レーザを搭載したファイバカップルモジュールが、固体レーザ励起、プラスチック溶接、半田付け等の光源として活用されている。

ファイバカップルモジュールは、半導体レーザ単体に比べて、光ファイバから出射されるレーザ光のビームプロファイルが等方的であること、光ファイバにより所望の場所へレーザ光を照射できる等の利点を持つ。これらの利点により、ファイバカップルモジュールは、半導体レーザ単体で適用しえなかったアプリケーションへの適用が可能となり、高出力半導体レーザの応用分野を拡げている。

さて、このようなファイバカップルモジュールに搭載される高出力半導体レーザは、波長領域が近赤外領域であり人間の目では認識できない。そのため、レーザ光が照射されるスポット位置を人の目により確認することは不可能である。

これに対して、ファイバカップルモジュールが適用されるアプリケーションの中には、レーザ光が対象物に照射されていることを視認したいという要望がある場合が多い。このような問題を解決するため、赤色等の可視のレーザ光を近赤外の信号光と同一の光ファイバへ結合させるモジュールが開発されている。

異なる波長の光を同一の光ファイバに結合させる方法としては、光路中に波長選択手段を備え、波長の異なる光を合波して光ファイバに結合する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

そして、信号光とガイド光とを同一の光ファイバへ結合させる方法としては、反射率に波長分散のあるダイクロイックミラーを用いて合波する技術が一般的である。

図８は、ダイクロイックミラーを用いた従来の光モジュールの一例を示す構成図である。従来の光モジュール１００は、信号光Ｃｓの光路中にダイクロイックミラー１０１が配置され、近赤外の信号光Ｃｓと、可視光であるガイド光Ｃｇは、互いの光に対して垂直にダイクロイックミラー１０１に入射する。この場合、ダイクロイックミラー１０１は、信号光Ｃｓに対しては透過率が高く、ほぼ全ての光がダイクロイックミラー１０１を透過し、ガイド光Ｃｇに対しては反射率が高く、ほぼ全ての光がダイクロイックミラー１０１で反射される。

ダイクロイックミラー１０１は、合波した光の光軸が一致するように配置され、ダイクロイックミラー１０１で合波されたガイド光Ｃｓと信号光Ｃｇは、フォーカスレンズ１０２で集光されて光ファイバ１０３に結合する。

ダイクロイックミラー１０１の素子構造は、反射膜に誘電体多層膜が用いられる。誘電体多層膜の膜数を増やせば、所定の波長の光に対して透過率を１に近づけることが可能となる。仮に、信号光Ｃｓに対してダイクロイックミラー１０１の透過率が１であれば、信号光Ｃｓはダイクロイックミラー１０１による損失は発生しない。

但し、ダイクロイックミラー１０１の透過率を完全に１にすることは不可能であり、数％の吸収や反射成分が生じる。従って、ダイクロイックミラーを用いた合波は、信号光Ｃｓに損失を生じさせる。信号光の損失量としては、半導体レーザが高出力となると、数百Ｗの信号光では数Ｗとなる。

また、信号光Ｃｓの損失分は、ダイクロイックミラー１０１により吸収されるか、もしくは反射、散乱され、モジュール内に閉じ込められて、最終的に筐体や内部素子に吸収される。これにより、信号光の損失により発生したエネルギーが熱源となる。

特開２００５−１４０９６０号公報（図２）

信号光の光路中にダイクロイックミラー等の波長選択光学素子を配置して、信号光とガイド光を合波させる従来の光モジュールでは、信号光に損失が生じ、信号光の強度が減じられる。

また、信号光の損失分は、波長選択光学素子で吸収されるか、モジュール内で散乱を繰り返すこととなる。数百Ｗクラスの半導体レーザを用いた場合、数％の損失でも数Ｗのエネルギーとなり、損失分のエネルギーは波長選択光学素子やモジュール内部の発熱源となるため、モジュールの信頼性が低下する。

更に、波長の異なる光を合波するダイクロイックミラー等の波長選択光学素子は、誘電体多層膜により反射率（透過率）に波長分散を持たせた素子で、比較的高価な光学素子である。このため、製品コストが上昇する。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、信号光の損失を防いだ光モジュールを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の光モジュールは、信号光を出射する第１の発光手段と、可視光のガイド光を出射する第２の発光手段と、第１の発光手段から出射された信号光を光ファイバに結合させるために導光する第１の導光手段と、第２の発光手段から出射されたガイド光を入射させて、光ファイバの入射端における信号光およびガイド光の結合中心がずれるように光ファイバに集光する単一の集光手段と、を備えた。

本発明の光モジュールでは、第１の発光手段から出射された信号光は、第１の導光手段で光ファイバに導光されて、光ファイバに結合する。第２の発光手段から出射されたガイド光は、第２の導光手段で信号光とは別光路で光ファイバに導光されて、信号光を結合させた同一の光ファイバに結合する。

光ファイバに結合された信号光とガイド光は、光ファイバを伝搬され、光ファイバから出射して、対象物を照射する。光ファイバから出射された信号光とガイド光は、同一の位置を照射する。

ガイド光は可視光であるので、信号光が不可視光であっても、信号光の照射位置をガイド光の照射位置で視認可能となる。

本発明の光モジュールによれば、ガイド光を信号光とは別光路で光ファイバに導光するので、信号光の光路中に、ガイド光を合波する光学素子が不要となり、信号光の損失を防ぐことができる。従って、ガイド光を導入したことにより、信号光の強度が減じられることが無い。

また、信号光の損失を防ぐことができるので、光の損失に伴うエネルギーがモジュール内部で発生せず、高信頼性を得ることができる。

更に、ガイド光の光路は、反射ミラーなどを用いて形成することができるので、コスト上昇を抑えることができる。

以下、図面を参照して本発明の光モジュールの実施の形態について説明する。

＜参考例の光モジュールの構成例＞
図１は、参考例の光モジュールの一例を示す構成図で、図１（ａ）は、参考例の光モジュール１Ａの平面図、図１（ｂ）は、光モジュール１Ａの側面図である。

参考例の光モジュール１Ａは、信号光Ｃｓを放射するバーレーザ２と、ガイド光Ｃｇを放射する可視レーザ３と、バーレーザ２から放射される信号光Ｃｓを光ファイバ４に結合させる第１の光学素子群５と、可視レーザ３から放射されるガイド光Ｃｇを信号光Ｃｓとは別光路で光ファイバ４に結合させる第２の光学素子群６を備える。

信号光Ｃｓとガイド光Ｃｇとを別光路で同一の光ファイバ４に結合させる別光路法と称す結合方法では、信号光Ｃｓを光ファイバ４に結合するために必要な第１の光学素子群５に対して、ダイクロイックミラー等の新たに機能を追加する光学素子を用いないので、ガイド光Ｃｇを導入したことにより信号光Ｃｓに損失が生じることがない。従って、損失の発生による信頼性の低下も防止される。

別光路法としては、以下に示す２つの方法が考えられる。図２及び図３は、信号光とガイド光を別光路とした別光路法の概念を示す説明図である。図２に示す別光路法は、図２（ａ）に示すように、信号光Ｃｓとガイド光Ｃｇの光路を平行にして空間的に分離する。そして、空間的に分離して別光路とした信号光Ｃｓとガイド光Ｃｇをフォーカスレンズ５０に入射させ、光ファイバ４へ結合させる方法である。

このように、信号光Ｃｓとガイド光Ｃｇを空間的に分離して別光路とした別光路法を空間的な別光路法と称す。空間的な別光路法におけるファイバ入射端での２つの光のビームイメージを図２（ｂ）に示す。光ファイバ４は、コア４０と、コア４０を覆うクラッド４１と、クラッド４１を覆う被覆材４２とを備え、空間的な別光路法では、光ファイバ４の入射端４３における信号光ＣｓのビームスポットＢｓの結合中心位置と、ガイド光ＣｇのビームスポットＢｇの結合中心位置は同一であり、角度多重と呼ばれる光多重方式となる。

＜本実施の形態の光モジュールの構成例＞
図３に示す別光路法は、図３（ａ）に示すように、信号光Ｃｓとガイド光Ｃｇの放射方向をわずかにずらし、角度的に別光路とする。そして、角度的に別光路とした信号光Ｃｓとガイド光Ｃｇをフォーカスレンズ５０に入射させ、光ファイバ４へ結合させる方法である。

このように、信号光Ｃｓとガイド光Ｃｇを角度的に分離して別光路とした別光路法を角度的な別光路法と称す。角度的な別光路法におけるファイバ入射端での２つの光のビームイメージを図３（ｂ）に示す。角度的な別光路法では、光ファイバ４の入射端４０における信号光ＣｓのビームスポットＢｓの結合中心位置と、ガイド光ＣｇのビームスポットＢｇの結合中心位置はずれ、位置多重と呼ばれる光多重方式となる。

次に、図１を参照に空間的な別光路法を適用した光モジュールの詳細について説明する。バーレーザ２は第１の発光手段の一例で、レーザダイオード（ＬＤ）のｓｌｏｗ（水平）方向に図示しないエミッタが例えば２０個程度並んだ発光デバイスで、ヒートシンク等に実装されてバーＬＤパッケージを構成する。なお、エミッタが２０個程度並んだ構成では、バーレーザ２の全幅は１０ｍｍ程度である。

バーレーザ２から放射されるレーザ光は、波長が近赤外で８００〜１０００ｎｍ程度が一般的で、特に、９００ｎｍ帯は、ほぼ完全に不可視である。このため、バーレーザ２から放射されるレーザ光を信号光として利用する場合、可視のガイド光の必要性が高い。

可視レーザ３は第２の発光手段の一例で、数十ｍＷクラスの横シングルモードＬＤが有用で、波長は可視であれば構わない。

光ファイバ４は、コア４０の屈折率がクラッド４１の屈折率より若干大きくなるように構成されて、コア４０に結合された光が、コア４０に閉じ込められて伝搬される。また、クラッド４１の屈折率が被覆材４２の屈折率より若干大きくなるように構成されて、クラッド４１に結合された光は、クラッド４１に閉じ込められて伝搬される。光ファイバ４としては、通常、コア径が１００〜６００μｍ、ＮＡ（開口数）が０．２程度のものが用いられる。

第１の光学素子群５は第１の導光手段の一例で、フォーカスレンズ５０と、ＦＡＣ（fast axis collimating）レンズ５１と、ビームシェイパ５２Ａと、コリメートレンズ５３を備える。

ＦＡＣレンズ５１は、バーレーザ２から放射された信号光Ｃｓのｆａｓｔ（垂直）方向の放射角を狭めてほぼ平行光化する素子である。ＦＡＣレンズ５１は、通常、焦点距離が１ｍｍ程度のロッドレンズで、バーレーザ２のバーＬＤパッケージに接着等で実装されている。

ビームシェイパ５２Ａは、光路変換装置等と称され、バーレーザ２から放射される信号光Ｃｓのｆａｓｔ方向とｓｌｏｗ方向のビーム品質を等方化させる素子である。バーレーザ２からは、例えば、ｓｌｏｗ方向が１００μｍ〜３００μｍ、ｆａｓｔ方向が１μｍ以下の極端に扁平した出射パターンで信号光が放射される。ビームシェイパ５２Ａは、このような扁平した信号光をｓｌｏｗ方向で分割してｆａｓｔ方向に積み重ねることで、狭い領域へ集光する素子であり、例えば、光の反射を２回利用したものや、屈折によりｆａｓｔ方向とｓｌｏｗ方向を入れ替えるもの等が市販されている。また、ビームシェイパ５１の材質はガラスや金属等である。

コリメートレンズ５３は、ビームシェイパ５２Ａで等方化された信号光Ｃｓのｓｌｏｗ方向を平行光化する素子で、例えばシリンドリカルレンズが用いられる。

フォーカスレンズ５０は集光手段の一例で、コリメートレンズ５３で平行光化された信号光Ｃｓを光ファイバ４へ集光させる素子で、焦点距離が数十ｍｍ程度のガラス材レンズが有用である。

第２の光学素子群６は第２の導光手段の一例で、コリメートレンズ６０と、反射ミラー６１Ａを備える。コリメートレンズ６０は、可視レーザ３から放射されたガイド光Ｃｇのｆａｓｔ方向の放射角を狭めてほぼ平行光化する素子で、焦点距離が数ｍｍ程度のレンズが用いられる。

反射ミラー６１Ａは反射手段の一例で、コリメートレンズ６０で平行光化されたガイド光Ｃｇの光路を、信号光Ｃｓの光路と平行にして、フォーカスレンズ５３に入射させる素子であり、レーザのミラーとして一般的な例えばアルミニウム（Ａｌ）や金（Ａｕ）等の材料が用いられる。

反射ミラー６１Ａは、信号光Ｃｓの光路外に、信号光Ｃｓの光路に対して本例では４５度で設置され、信号光Ｃｓに対して垂直方向に放射されるガイド光Ｃｇを反射して光路を９０度変換し、ガイド光Ｃｇの光路を信号光Ｃｓの光路と平行にする。

信号光Ｃｓと光路が平行になったガイド光Ｃｇは、フォーカスレンズ５０に入射し、信号光Ｃｓとは別光路で光ファイバ４に集光される。なお、反射手段は、プリズム等の屈折素子でもよい。

光モジュール１Ａは、バーレーザ２、可視レーザ３、第１の光学素子群５及び第２の光学素子群６等が図示しないパッケージに実装され、光ファイバ４が接続されてモジュール化される。

＜参考例の光モジュールの変形例＞
図４は、参考例の光モジュールの変形例を示す構成図で、図４（ａ）は、変形例の光モジュール１Ｂの平面図、図４（ｂ）は、光モジュール１Ｂの側面図である。なお、図１に示す光モジュール１Ａと同じ構成の部品については、同じ番号を付して説明する。

変形例の光モジュール１Ｂは、反射を利用して光路を９０度変換し、バーレーザ２から放射される信号光Ｃｓのｆａｓｔ方向とｓｌｏｗ方向のビーム品質を等方化するビームシェイパ５２Ｂを備える。また、可視レーザ３から放射されるガイド光Ｃｇの反射角度を鋭角にして、信号光Ｃｓとガイド光Ｃｇを平行とする反射ミラー６１Ｂを備える。

このように、信号光Ｃｓとガイド光Ｃｇの光路が反射後に平行となる配置であれば、反射ミラーは、いかなる位置や角度でも良い。また、角度的な別光路法の場合も、同等な光学素子配置で実現が可能である。

＜参考例の光モジュールの動作例＞
次に、参考例の光モジュールの動作例について説明する。バーレーザ２から放射された信号光Ｃｓは、ＦＡＣレンズ５１を通過すると、ｆａｓｔ方向の放射角が狭められて平行光化される。

ＦＡＣレンズ５１で平行光化された信号光Ｃｓは、ビームシェイパ５２Ａを通過すると、ｆａｓｔ方向とｓｌｏｗ方向のビーム品質が等方化される。ビームシェイパ５２Ａで等方化された信号光Ｃｓは、コリメートレンズ５３を通過すると、ｓｌｏｗ方向の放射角が狭められて平行光化される。コリメートレンズ５３で平行光化された信号光Ｃｓは、フォーカスレンズ５０を通過すると、光ファイバ４の入射端へ集光される。

そして、光ファイバ４の入射端へ集光された信号光Ｃｓは、光ファイバ４のコア４０に入射し、コア４０を伝搬されて、光ファイバ４の図示しない出射端から出射し、対象物を照射する。

一方、可視レーザ３から放射されたガイド光Ｃｇは、コリメートレンズ６０を通過すると、ｆａｓｔ方向とｓｌｏｗ方向の放射角が狭められて平行光化される。

コリメートレンズ６０で平行光化されたガイド光Ｃｇは、反射ミラー６１Ａで反射することで、信号光Ｃｓとは別光路で、光路が信号光Ｃｓと平行にされる。反射ミラー６１Ａで信号光Ｃｓと光路が平行になったガイド光Ｃｇは、フォーカスレンズ５３に入射し、フォーカスレンズ５３を通過すると、信号光Ｃｓとは別光路で光ファイバ４の入射端へ集光される。

そして、光ファイバ４の入射端へ集光されたガイド光Ｃｇは、本例では光ファイバ４のクラッド４１に入射するようにし、クラッド４１を伝搬されて、光ファイバ４の図示しない出射端から出射し、対象物を照射する。

光ファイバ４の図示しない出射端から出射された信号光Ｃｓは、波長が近赤外でほぼ不可視である。これに対して、光ファイバ４の図示しない出射端から出射されたガイド光Ｃｇは、可視領域の波長であるので視認できる。よって、信号光Ｃｓの照射位置を視覚で確認できることになる。

＜クラッドモードでガイド光を伝搬する作用効果例＞
参考例の光モジュール１Ａでは、信号光Ｃｓとガイド光Ｃｇを別光路とした別光路法で光ファイバ４へ結合させる際に、ガイド光Ｃｇはクラッドモードで伝搬させることが望ましい。次に、クラッドモードでガイド光Ｃｇを伝搬させる理由について説明する。

図５は、光ファイバのコアへの光の結合原理を示す動作説明図である。通常、光ファイバ４への光の結合は、光をコア４０に閉じ込めるために、光ファイバ４の入射端４３でのビームＣの大きさ（スポット径）を、図５（ａ）に示すように、コア４０の直径よりも小さくし、光ファイバ４へのビームＣの入射角度θが、図５（ｂ）に示すように、光ファイバ４のＮＡに応じた入射許容角度θ_NA以内に収まる角度で結合させる。

信号光Ｃｓにおいては、出来る限り多くの光を光ファイバ４へ結合させるために、光ファイバ４の入射端４３でのコア４０の面積、及びＮＡのほぼ全域を利用し結合させ、高輝度化することが望ましい。

従って、別光路法でガイド光Ｃｇを光ファイバ４へ結合させる場合、コア４０への空間及び角度は信号光Ｃｓのために空けておき、クラッドモードへ結合させることが望ましい。

図６は、フォーカスレンズの焦点距離とビーム位置と光ファイバへの入射角度の関係を示す説明図で、別光路法でガイド光Ｃｇをクラッドモードへ結合させる具体的な方法を次に説明する。

信号光Ｃｓの光路とガイド光Ｃｇの光路を平行にしてフォーカスレンズ５０に入射し、光ファイバ４に集光させる空間的な別光路法では、ガイド光ＣｇをＮＡ以上の入射角度で入射させ光ファイバ４へ結合させる。そのための数値計算を説明する。光ファイバ４への入射角度θは、フォーカスレンズ５０へ入射する信号光Ｃｓの光ファイバ４の光軸中心からのビーム位置をＹｓ、ガイド光Ｃｇのビーム位置をＹｇ、フォーカスレンズ５０の焦点距離をｆとすると、以下の（１）式のように表される。

ｔａｎθ＝Ｙ／ｆ・・・（１）

光ファイバ４において、コアモードのＮＡは、コア４０とクラッド４１を構成する材料の屈折率差によって決まる。一般的に、コア４０とクラッド４１を構成する材料はガラスで屈折率は１．５〜１．６程度、屈折率差Δｎは０．０１程度で、ＮＡは０．２である。ＮＡ（＝ｓｉｎθ_NA）が０．２の時、ｔａｎθ_NAは０．２０４であるので、信号光Ｃｓがコアモードで伝搬するには、信号光Ｃｓのビーム位置Ｙｓを用いて、以下の（２）式を満たせばよい。

０．２０４≧Ｙｓ／ｆ・・・（２）

一方、クラッドモードのＮＡは、クラッド４１とその外側の被覆材４２の材料の屈折率によって決まる。クラッド４１を被覆する被覆材４２の材料は、シリコン樹脂やポリアミド樹脂等が一般的で、その屈折率は１．４〜１．５程度であり、ＮＡは０．３程度である。従って、ガイド光Ｃｇをクラッドモードで伝搬させるには、ガイド光Ｃｇのビーム位置Ｙｇを用いて、以下の（３）式を満たせばよい。

０．３≧Ｙｇ／ｆ≧０．２０４・・・（３）

以上の算出方法に従って、フォーカスレンズ５０の焦点距離ｆや、フォーカスレンズ５０に入射するビーム位置Ｙを選択することにより、ガイド光Ｃｇのクラッドモードへの結合が実現できる。

なお、角度的な別光路法においても、同様にフォーカスレンズの焦点距離とフォーカスレンズへの入射角度のずらし量を選択することで、ガイド光のクラッドモードへの結合が実現できる。

図７は、光ファイバの出射端でのビームプロファイルを示す説明図で、図７（ａ）は、光ファイバ４の出射端４４におけるコアモードでの光強度を示し、図７（ｂ）は、クラッドモードでの光強度を示す。

図７（ａ）に示すように、コアモードではコア４０の径Ｗ１でビームが出射され、図７（ｂ）に示すように、クラッドモードではクラッド４１の径Ｗ２でビームが出射される。従って、コアモードとクラッドモードでは、ビーム径が異なる。これに対して、クラッドモードでのビーム中心位置Ｏｓとクラッドモードでのビーム中心位置Ｏｇは、コア４０とクラッド４１の中心位置が同じであれば、同一である。

ガイド光Ｃｇは、光ファイバ４から出射される光を対象物に集光させた場合に、信号光Ｃｓと同一の中心位置を持てば視認の機能を果たす。これにより、ガイド光Ｃｇがクラッドモードであっても、ガイド光Ｃｇの中心位置は信号光Ｃｓの中心位置と同一であるので、ガイド光としての機能は十分に果たす。

本発明は、結晶成長装置等の成膜装置の熱源等に使用可能である。また、医療用途にも適用可能である。医療用途の場合、信号光として可視光の赤色レーザが使用される場合がある。但し、対象物となる人体の組織が赤色系であると、信号光の視認が困難となる。このため、信号光が不可視の赤外光に限らず、可視光や紫外光であっても、対象物と色の異なる可視光をガイド光としても良い。例えば、医療用途では、ガイド光として緑色レーザを使用すると良い。

参考例の光モジュールの一例を示す構成図である。信号光とガイド光を別光路とした別光路法の概念を示す説明図である。本実施の形態の光モジュールの一例を示す説明図である。本実施の形態の光モジュールの変形例を示す構成図である。光ファイバのコアへの光の結合原理を示す動作説明図である。フォーカスレンズの焦点距離とビーム位置と光ファイバへの入射角度の関係を示す説明図である。光ファイバの出射端でのビームプロファイルを示す説明図である。ダイクロイックミラーを用いた従来の光モジュールの一例を示す構成図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ・・・光モジュール、２・・・バーレーザ、３・・・可視レーザ、４・・・光ファイバ、５・・・第１の光学素子群、６・・・第２の光学素子群、４０・・・コア、４１・・・クラッド、４２・・・被覆材、５０・・・フォーカスレンズ、６１Ａ，６１Ｂ・・・反射ミラー

Claims

信号光を出射する第１の発光手段と、
可視光のガイド光を出射する第２の発光手段と、
前記第１の発光手段から出射された前記信号光を光ファイバに結合させるために導光する第１の導光手段と、
前記第２の発光手段から出射された前記ガイド光を、前記信号光に対して所定の角度をつけた別光路として前記光ファイバに結合させるために導光する第２の導光手段と
前記第１の導光手段及び前記光ファイバの間、並びに、前記第２の導光手段及び前記光ファイバの間に配されて、前記信号光および前記ガイド光を入射させて、前記光ファイバの入射端における前記信号光および前記ガイド光の結合中心がずれるように前記光ファイバに集光する単一の集光手段と、を備えた、光モジュール。
前記第１の導光手段は、前記信号光をコアモードで前記光ファイバに結合させ、前記第２の導光手段は、前記ガイド光をクラッドモードで前記光ファイバに結合させる、請求項１記載の光モジュール。
前記第２の導光手段は、前記第２の発光手段から出射された前記ガイド光を、前記信号光の光路外で反射して、前記ガイド光の光路を前記信号光の光路と別光路で前記光ファイバに導光する反射手段を備えた、請求項１記載の光モジュール。