JP4975695B2

JP4975695B2 - 光モジュール

Info

Publication number: JP4975695B2
Application number: JP2008191733A
Authority: JP
Inventors: 崇行松井; 達弥山下; 朱里中尾; 学各務; 英樹後藤
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2028-07-25
Also published as: JP2010032583A

Description

本発明は、発光素子を有する光モジュールの、発光素子の出力を調整するための、発光素子の出力の検出を容易に行う光部品に関する。

本発明者らは、自己形成光導波路を多数開発し、出願している（特許文献１乃至３他）。ここで自己形成光導波路とは、液状の光硬化性樹脂に例えば光ファイバから当該樹脂を硬化させうる波長の光を照射することで、当該樹脂が自己集光的に硬化することを利用した、軸状のコアを用いた光導波路である。
その他、本願発明の技術分野の公報として、特許文献４乃至９を挙げる。
特許第３４４４３５２号特許第３８４１６５６号特開２００４−１４９５７９号公報特開２００１−３４３５５９号公報特開２００３−１０７２９８号公報特開２００５−９９５１０号公報特開２００３−２０９２７９号公報特開平８−３０６９５２号公報特開平９−２１９５５２号公報

特許文献４には、発光素子から光ファイバ内に結合された光信号を外部に取り出しモニタする方法が開示されている。
特許文献５には、受発光素子、光ファイバからなる光モジュールにおいて発光素子からの出力をモニタする受光素子の位置を電気的クロストーク解消を目的とした技術が開示されている。
特許文献６乃至８には、発光素子から光ファイバ、光導波路等に光信号を結合し通信を行うデバイスにおいて光量をモニタする受光素子の位置を調整する技術が開示されている。
特許文献９は強度が制御された光を発生させるレーザ光源に関するものである。

発光素子から受光素子へ、光信号を光ファイバや光導波路等の光伝送路を介し送り通信を行うシステムを考える。その際、発光素子から出力された光信号の光出力を正確に検出し、光出力を調整することは重要である。現在、発光素子として、ＣＡＮパッケージと呼ばれる形態が一般的である。この場合、パッケージ内にモニタ用のフォトダイオードを設置することで発光素子からの光量測定を行い、発光素子の出力を調整している（特許文献９等）。
しかし、ＣＡＮパッケージは封止用の金属缶、ベースとなる台座を有し、必ずしも小型とは言えない。例えば、ＣＡＮパッケージとしては比較的小さいＴＯ−５６ＣＡＮパッケージは、およそ直径４ｍｍ、高さ３ｍｍ程の金属缶がかぶせられる。発光素子からの光を光ファイバ、光導波路に導く光モジュールをより小型に作製しようとした時、この金属缶の大きさが小型化の限界となる。そこで、より小型なモジュールを作製するためには、金属缶を有するＣＡＮパッケージを用いず、発光素子チップからの出射光を、光ファイバや光導波路に導くような光モジュールが作製されている。
その場合、ＣＡＮパッケージに用いられている、同封されたモニタ用フォトダイオードを用いる方法とは異なる方法で、発光素子からの光量をモニタする必要がある。これが上記特許文献４乃至８である。しかし、例えば特許文献４の技術を、本発明者らの自己形成光導波路を用いた光モジュールに適用すると、光ファイバ中を伝搬する光の内半分近くを外に出してしまうこととなり、光量の減少により通信距離に制約を加えることとなる。
本発明は、これらとは全く異なる発想から完成された、発光素子の光量をモニタする新たな方式である。本発明はさらに一芯双方向通信用光モジュールに適応できる。

本発明は、発光素子を有する発光モジュールにおいて、平板状の直方体から成る透光性基板の裏面に多層膜を有する光学フィルタと、発光素子から出力される光を光学フィルタに導き、光学フィルタの透光性基板の表面に斜め方向に接続され、光硬化性樹脂の硬化物から成る自己形成光導波路を構成する軸状の第１コアと、光学フィルタの透光性基板の表面における第１コアの接続点から、第１コアを伝搬する光の反射方向に第１コアに連続して形成された、光硬化性樹脂の硬化物から成る自己形成光導波路を構成する軸状の第２コアと、を有し、光学フィルタの透光性基板の表面の法線は、第１コア及び第２コアの各々の光軸の成す角の二等分線であり、光学フィルタは、第１コアの光軸方向のベクトルを透光性基板の表面に正射影したベクトルの方向の透光性基板の端面にモニタ面を有し、モニタ面から出力される光を入力する受光素子を有し、受光素子の出力に基づいて、発光素子の発光強度を調整することを特徴とする発光モジュールである。

また、上記発明において、光学フィルタは、透光性基板の裏面の全てが多層膜で覆われており、透光性基板の表面の少なくとも端に位置する面近傍には、反射膜が形成されていても良い。

光学フィルタと軸状のコアを有する光部品において、当該光学フィルタが平板状の直方体から成る透光性基板と、その裏面に形成された多層膜から成る場合、当該コアから光学フィルタ方向に伝送する光又は光信号は、光学フィルタの透光性基板に一部漏れ、透光性基板がスラブ線路となって伝送する。この際、透光性基板の裏面の多層膜が、当該漏れた光又は光信号の波長に対して高反射性であれば、透光性基板のスラブ線路としての特性が増す。透光性基板の表面が、反射膜やより屈折率の低い材料で覆われ、或いは空気にさらされていると、その特性はさらに増す。光又は光信号の、軸状のコアを伝送する方向のベクトルを光学フィルタ面に正射影したベクトルの方向に、当該漏れ光が主として伝送されるので、光学フィルタの当該方向の端面で、漏れ光の強度を検出すれば、軸状のコアを伝送する光又は光信号の強度を見積もることができる。
これは、光学フィルタが反射膜として作用するような、伝送路コアの屈曲部において特に有効である。そこで、発光素子からの光を、直接光ファイバ等に結合させずに、屈曲した２つのコアとその間に形成された光学フィルタから成る光部品に導入した上で光ファイバ等に結合させれば、光ファイバに結合する発光素子の光強度又は光信号強度を調整可能な光部品又は光モジュールとすることができる。
本発明によれば、光導波路中を双方向に伝搬する光信号強度のモニタも可能となる。

光学フィルタとしては、その透光性の基板として、屈折率が周囲媒体より相対的に高い基板を用いると良い。多層膜から成る反射膜等は公知の任意の構成を用いることができる。また、基板の反対側に、コアと結合していない部分において、全反射ミラーを用いるとなお良い。
光学フィルタは、波長選択性ミラー、半透明ミラー、全反射ミラー、偏光フィルタその他任意のフィルタとして良い。
本発明のコアを自己形成光導波路から形成する場合の作製方法は、特許文献１乃至３に記載の任意の技術を用いて良く、公知の如何なる技術をも排除するものではない。また、光硬化性樹脂としては特許文献３に記載の任意の材料を用いて良く、公知の如何なる材料をも排除するものではない。特許文献３に記載された光硬化性樹脂は次のものである。

構造単位中にフェニル基等の芳香族環を一つ以上含んだものが高屈折率、脂肪族系のみからなる場合は低屈折率となる。屈折率を下げるために構造単位中の水素の一部をフッ素に置換したものであっても良い。
脂肪族系としてはエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、テトラプロピレングリコール、ネオペンチルグリコール、1,3-プロパンジオール、1,4-ブタンジオール、1,5-ペンタンジオール、1,6-ヘキサンジオール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール等の多価アルコール。
芳香族系としてはビスフェノールＡ、ビスフェノールＳ、ビスフェノールＺ、ビスフェノールＦ、ノボラック、o-クレゾールノボラック、p-クレゾールノボラック、p-アルキルフェノールノボラック等の各種フェノール化合物等。
これら、あるいはこれらから任意に１種乃至複数種選択された多価アルコールのオリゴマー（ポリエーテル）の構造を有する比較的低分子（分子量３０００程度以下）骨格に、反応基として次の官能基等を導入したもの。
〔ラジカル重合性材料〕
ラジカル重合可能なアクリロイル基等のエチレン性不飽和反応性基を構造単位中に１個以上、好ましくは２個以上有する光重合性モノマー及び／又はオリゴマー。エチレン性不飽和反応性基を有するものの例としては、（メタ）アクリル酸エステル、イタコン酸エステル、マレイン酸エステル等の共役酸エステルを挙げることができる。
〔カチオン重合性材料〕
カチオン重合可能なオキシラン環（エポキシド）、オキセタン環等の反応性エーテル構造を構造単位中に１個以上、好ましくは２個以上有する、光重合性のモノマー及び／又はオリゴマー。オキシラン環（エポキシド）としては、オキシラニル基の他、3,4-エポキシシクロヘキシル基なども含まれる。またオキセタン環とは、４員環構造のエーテルである。

〔ラジカル重合開始剤〕
ラジカル重合性モノマー及び／又はオリゴマーから成るラジカル重合性材料の重合反応を光によって活性化する化合物である。具体例としては、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル及びベンゾインプロピルエーテル等のベンゾイン類、アセトフェノン、2,2-ジメトキシ-2-フェニルアセトフェノン、2,2-ジエトキシ-2-フェニルアセトフェノン、1,1-ジクロロアセトフェノン、1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2-メチル-1-(4-(メチルチオ)フェニル)-2-モルホリノプロパン-1-オン及びN,N-ジメチルアミノアセトフェノン等のアセトフェノン類、2-メチルアントラキノン、1-クロロアントラキノン及び2-アミルアントラキノン等のアントラキノン類、2,4-ジメチルチオキサントン、2,4-ジエチルチオキサントン、2-クロロチオキサントン及び2,4-ジイソプロピルチオキサントン等のチオキサントン類、アセトフェノンジメチルケタール及びベンジルジメチルケタール等のケタール類、ベンゾフェノン、メチルベンゾフェノン、4,4'-ジクロロベンゾフェノン、4,4'-ビスジエチルアミノベンゾフェノン、ミヒラーズケトン及び4-ベンゾイル-4'-メチルジフェニルサルファイド等のベンゾフェノン類、並びに2,4,6-トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド等が挙げられる。尚、ラジカル重合開始剤は単独で使用しても、２種以上を併用しても良く、また、これらに限定されることはない。
〔カチオン重合開始剤〕
カチオン重合性モノマー及び／又はオリゴマーから成るカチオン重合性材料の重合反応を光によって活性化する化合物である。具体例としては、ジアゾニウム塩、ヨードニウム塩、スルホニウム塩、セレニウム塩、ピリジニウム塩、フェロセニウム塩、ホスホニウム塩、チオピリニウム塩が挙げられるが、熱的に比較的安定であるジフェニルヨードニウム、ジトリルヨードニウム、フェニル(p-アニシル)ヨードニウム、ビス(p-t-ブチルフェニル)ヨードニウム、ビス(p-クロロフェニル)ヨードニウムなどの芳香族ヨードニウム塩、ジフェニルスルホニウム、ジトリルスルホニウム、フェニル(p-アニシル)スルホニウム、ビス(p-t-ブチルフェニル)スルホニウム、ビス(p-クロロフェニル)スルホニウムなどの芳香族スルホニウム塩等のオニウム塩光重合開始剤が好ましい。芳香族ヨードニウム塩および芳香族スルホニウム塩等のオニウム塩光重合開始剤を使用する場合、アニオンとしてはBF₄ ^-、AsF₆ ^-、SbF₆ ^-、PF₆ ^-、B(C₆F₅)₄ ^-などが挙げられる。尚、カチオン重合開始剤は単独で使用しても、２種以上を併用しても良く、また、これらに限定されることはない。

本発明の構成をもとに光線追跡ソフトを用い、シミュレーションを行った。
図１は、本発明のシミュレーションに用いた光モジュール１００の構成を示す断面図である。
光モジュール１００の構成は、直径１ｍｍ、屈折率１．５４の樹脂製のコア１０ａ、１０ｂ、１０ｃと、厚さ０．１ｍｍ、幅１．２ｍｍ、長さ４．５ｍｍのガラス基板２１の裏面に多層膜２２を形成した光学フィルタ２０、コア１０ａ端に位置する直径が０．１ｍｍの円状の発光領域を有する発光素子４０、それらを覆う屈折率１．４６のクラッド１５とから成る。

樹脂製のコア１０ａ、１０ｂ、１０ｃと光学フィルタ２０の位置関係は、コア１０ｂ、１０ｃは本来的には１つの円柱状であって、斜め４５度に光学フィルタ２０で分断されている。円柱状のコア１０ｂの中心軸に沿った光が光学フィルタ２０で反射された方向に中心軸を有するように円柱状のコア１０ａが配置している。即ち、円柱状のコア１０ａの中心軸と円柱状のコア１０ｂの中心軸とは９０度を成す。
また、光学フィルタ２０は、図２に斜視図を示す通り、コア１０ａ及び１０ｂと接する表面中央部の長さ１．５ｍｍ幅１．２ｍｍの両側の、長さ１．５ｍｍ幅１．２ｍｍの２つの領域を金属反射膜２３で覆われている。実際、直径１ｍｍのコア１０ａ及び１０ｂの屈曲部は光学フィルタ２０の表面で長径１．４１ｍｍ、短径１ｍｍの楕円で接することとなる。光学フィルタ２０の、ガラス基板２１の０．１ｍｍ×１．２ｍｍの端面が、モニタ面Ａである。図１に示す通り、光学フィルタ２０のモニタ面Ａは、発光素子４０から見て、光学フィルタ２０の長手方向の遠い側となっている。
また、直径１ｍｍの円柱状のコア１０ｂの他端には、コアの直径１ｍｍ、開口数０．５のＰＯＦ３０を接続したものとした。
図１でコア１０ｃは、その右端に通信用の受光素子を配置させることを想定するものである。この受光素子は、発光素子４０の出力をモニタするものではない。なお、コア１０ｃ右端に受光素子を配置させるため、当該受光素子で受信すべき光信号の波長帯域に対しては、光学フィルタ２０の多層膜２２は透明又は高透過性である。

このような、図１の構成において、発光素子４０の発光波長を６５０ｎｍとし、光学フィルタ２０の多層膜２２での反射と反射膜２３での反射をいずれも全反射とした。これにより、図１の構成において、発光素子４０からコア１０ａに入射した光は、大部分が光学フィルタ２０の多層膜２２で反射してコア１０ｂ、ＰＯＦ３０へ結合される。しかし一部は、コア１０ｂに導入されず、光学フィルタ２０のガラス基板２１をあたかもスラブ線路として、主にモニタ面Ａ方向に出力される。

こうして、直径が０．１ｍｍの円状の発光領域を有する発光素子４０からの出射の開口数（１／ｅ²）を０．２から０．５まで０．１刻みとして、ＰＯＦ３０へ結合される光量と、光学フィルタ２０の、ガラス基板２１の０．１ｍｍ×１．２ｍｍの端面であるモニタ面Ａで検出される光量をシミュレーションにより求めた。この結果を表１に示す。

発光素子からの出射光の開口数（ＮＡ）が０．３〜０．５の範囲で、光学フィルタのモニタ面Ａにおいて、５．０〜５．６％とほぼ一定の光量が得られることが明らかとなった。なお、実際にモジュールとしてモニタ用に用いる際には、モニタ面から出力される光を集光し、受光素子に導く必要があるが、いずれにせよ、光モジュール１００内のコア１０ａを通過する光量、即ち、発光素子４０の発光強度をモニタすることが可能であることがわかる。

本発明のシミュレーションに用いた光モジュール１００の構成を示す断面図。光モジュール１００の光学フィルタ２０の詳細構成を示す斜視図。

１００：光モジュール
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ：円柱状の樹脂製のコア
１５：クラッド
２０：光学フィルタ
２１：ガラス基板
２２：多層膜
２３：反射膜
３０：ＰＯＦ
４０：発光素子
Ａ：ガラス基板２１の長手方向端の、モニタ面

Claims

発光素子を有する発光モジュールにおいて、
平板状の直方体から成る透光性基板の裏面に多層膜を有する光学フィルタと、
前記発光素子から出力される光を前記光学フィルタに導き、前記光学フィルタの前記透光性基板の表面に斜め方向に接続され、光硬化性樹脂の硬化物から成る自己形成光導波路を構成する軸状の第１コアと、
前記光学フィルタの前記透光性基板の前記表面における前記第１コアの接続点から、前記第１コアを伝搬する光の反射方向に前記第１コアに連続して形成された、光硬化性樹脂の硬化物から成る自己形成光導波路を構成する軸状の第２コアと、
を有し、
前記光学フィルタの前記透光性基板の前記表面の法線は、前記第１コア及び前記第２コアの各々の光軸の成す角の二等分線であり、
前記光学フィルタは、前記第１コアの光軸方向のベクトルを前記透光性基板の前記表面に正射影したベクトルの方向の前記透光性基板の端面にモニタ面を有し、
前記モニタ面から出力される光を入力する受光素子を有し、
前記受光素子の出力に基づいて、前記発光素子の発光強度を調整する
ことを特徴とする発光モジュール。
前記光学フィルタは、前記透光性基板の裏面の全てが前記多層膜で覆われており、
前記透光性基板の表面の少なくとも前記端に位置する面近傍には、反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
前記光学フィルタ、前記第１コア、前記第２コア、及び前記発光素子を覆うクラッドを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光モジュール。