JP5157571B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、信号光を発する発光素子、信号光を受ける受光素子等の光素子と、これら光素子と光ファイバを光学的に結合する光接続部とを備えた光モジュールに関する。

光通信に用いられる光モジュールとしては、信号光を送信する光送信モジュール、信号光を受信する光受信モジュール、または、信号光の送信と受信の両方の機能を持つ光送受信モジュールがある。
図４（Ａ）は、従来の光モジュールの一例を模式的に示した図である。光モジュール１は、信号光を送受する光サブアセンブリ２（ＯＳＡ Optical sub-assembly）が搭載され、そのための電子回路装置３が実装された電子部品実装部分４と、光ファイバ伝送路との光結合を形成する光接続部分５と、これらを収納保持する筐体部分６とを備えている（（例えば、特許文献１参照）。

ＯＳＡ２は、機能的な面から見て、信号光を発する発光素子あるいは信号光を受ける受光素子である光素子７と、光素子７を光ファイバ伝送路に光結合するレンズ８ａ，８ｂと、光コネクタにより光ファイバ伝送路を接続するためのファイバスタブ９ａ、スリーブ９ｂ及び補助スリーブ９ｃを有している。また、ＯＳＡ２を構造的な面から見ると、光素子７とその光電変換手段が搭載された本体部１０と、光ファイバとの接続を形成するスリーブ部１１と、本体部１０とスリーブ部１１を結合する結合部１２からなる。これらの各部は、最適な光結合が得られるように互いの位置関係が調整されて、１つの一体化された部品として構成されている。

また、ＯＳＡ２に光素子７として、レーザダイオード（ＬＤ）が搭載されるような場合は、その発熱による光学的特性の低下を抑え通信品質を確保するために、放熱に対する考慮が払われている。例えば、ＯＳＡ２のハウジングは、光モジュール１の外殻をなす筐体部分６の内面に接するように配設され、外部への放熱路を形成している。また、ＯＳＡ２のハウジングと光素子７を搭載したキャリア基板との間には、熱電変換素子を用いて電子的に冷却するサーモモジュール（例えば、ＴＥＣ Thermo Electrical Cooler）を実装して光素子７を冷却する方法も用いられている。

上記のＯＳＡ２は、その本体部１０が光モジュール１の電子回路実装部分４で電子回路装置３に電気的に接続される一方で、光モジュール１の前部側に設けられている光ファイバ伝送路との光接続部分５（レセプタクルともいう）に、光コネクタを整列接続するためのスリーブ部１１が保持固定される。そして、光モジュール１の光接続部分５に光ファイバコード等の端部に取付けられた光コネクタ（図示せず）が挿入され、光コネクタのフェルールがスリーブ９ｂに挿着されて、光素子７と光学的に結合される。光素子７と光コネクタとは、レンズ（例えば、コリメートレンズ８ａ及び集光レンズ８ｂ）及びファイバスタブ９ａ等を含む光学系を介して光結合され、最適な光結合が得られるような位置調整されて、信号光の送受信が行われるように組立てられている。

しかしながら、光結合に係る光素子７の光軸方向の位置については、光素子７、レンズ８ａ，８ｂを搭載する部品や組立ての精度のバラツキによって、ファイバスタブ９ｂへの光結合に対する最適位置からずれた位置となることがある。また、ＯＳＡ２のハウジングは、放熱のためモジュールの筐体６に接触するように配置される一方で、スリーブ部１１は光接続部分５の寸法精度で保持位置が決まるなど、光軸に垂直な面方向のバラツキも存在する。

これらのバラツキによる位置ずれ等を解消するために、レンズ８ａ，８ｂの位置を調整する方法が種々提案されている。しかしながら、レンズ８ａ，８ｂの保持機構が複雑になることやＯＳＡ２のハウジングの小型化が求められていることから、あまり有効な方法ではなく、光素子７とファイバスタブ９ｂの軸ずれを避けることは容易でない。しかし、これらのバラツキや位置ずれが解消されずに残ると、各所にストレスが生じて破損や特性劣化の原因ともなるとともに、光伝送特性の劣化の原因となり信頼性が損なわれる。

これに対して、図５に示すように、送信回路部１４ａと受信回路部１４ｂからなる光モジュール１３で、信号光の送受信を行う発光素子１５ａ，受光素子１５ｂと、光ファイバ伝送路に光学的に結合する光コネクタ１７ａ，１７ｂとを、光ファイバ部材１８ａ，１８ｂを用いて光結合する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。なお、光素子１５ａ，１５ｂと光ファイバ部材１８ａ，１８ｂの一端１９ａ，１９ｂは、サブマウント１６ａ，１６ｂにより精度よく結合固定され、光コネクタ１７ａ，１７ｂと光ファイバ部材１８ａ，１８ｂの他端はフェルール２０ａ，２０ｂを用いて結合固定されている。
特開２００４−１５１６８６号公報 米国特許第５９４３４６１号明細書

図５のように、送受信用の光素子と光コネクタとを、可撓性のある光ファイバ部材を用いて光結合させることにより、図４で説明したような光素子とファイバスタブとの軸ずれを解消することが可能となる。しかしながら、光伝送装置の普及と小型化、そこで用いられる光モジュールの形状の標準化が進むなかで、図５に示すようなＯＳＡの構造（光素子の搭載部と光ファイバ伝送路への光接続部とが一体化されていない）を用いることは、光モジュールの小型化、量産時における光ファイバ部材の取扱い性において問題がある。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、光素子が収納されたＯＳＡの本体部に対して、光ファイバ伝送路に光結合させるスリーブ部の位置ズレによるストレス発生や特性低下を解消するとともに、本体部とスリーブ部を一体的に取扱うことが可能な光モジュールの提供を目的とする。

本発明による光モジュールは、受光または発光する光素子を収納した本体部と、光素子を光ファイバ伝送路に光結合させるファイバスタブを含むスリーブ部とを備える光サブアセンブリ（ＯＳＡ）が搭載され、光素子が接続される電子回路実装部とスリーブ部を配置する光接続部を有する光モジュールである。本体部は、光素子に光結合した短尺光ファイバの一端を保持し、短尺光ファイバの他端は、スリーブ部内のファイバスタブに貫通保持され、本体部とスリーブ部とは、短尺光ファイバの外側を囲うように配した弾性変形が可能な弾性部材により一体的に結合されている。

前記の弾性部材は、短尺光ファイバの外側を囲うコイルスプリングで形成される。また、短尺光ファイバを挟んで囲う対向する少なくとも一対の板バネで形成するようにしてもよい。

本発明によれば、光ファイバ伝送路の光コネクタのフェルールが挿入されるスリーブ部は、光素子が収納された本体部に対して短尺光ファイバで光学的に結合されているので、光素子とファイバスタブとの間の高精度な位置調整が不要となる。また、光モジュールの筐体への取付けに際しての寸法誤差、温度変化等による位置ズレによるストレス発生を無くすことができるとともに、本体部とスリーブ部は短尺光ファイバの外側を囲うように配した弾性部材により一体的とされているので、従来と同様に取扱うことができ、小型化することも可能となる。

図により本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の概略を説明する図で、図１（Ａ）は光モジュールの全体構造を説明する図、図１（Ｂ）は本発明の光モジュールに搭載される光サブアセンブリの構成例を示す図、図１（Ｃ）は光素子と光ファイバ結合の一例を示す図である。図中、２１は光モジュール、２２は光サブアセンブリ、２３は電子回路装置、２４は電子回路実装部分、２５は光接続部分、２６は光モジュール筐体、２７は光素子、２８はレンズ、２９は短尺光ファイバ、３０はキャリア基板、３１は本体部ハウジング、３２はファイバスタブ、３３はスリーブ、３４は弾性部材（スプリングコイル）、３５は本体部、３６はスリーブ部、３７は結合部を示す。

本発明による光モジュールは、信号光を送信する光送信モジュール、信号光を受信する光受信モジュール、または、信号光の送信と受信の両方の機能を持つ光送受信モジュールに適用することができる。
図１（Ａ）は、本発明による光モジュールの一例を模式的に示した図で、光モジュール２１は、信号光を送受する光サブアセンブリ２２（以下、ＯＳＡという）が搭載され、そのための電子回路装置２３が実装された電子部品実装部分２４と、光ファイバ伝送路との光結合を形成する光接続部分２５と、これらを収納保持するモジュール筐体部分２６とを備えている。

図１（Ｂ）に示すように、本発明で用いるＯＳＡ２２は、信号光を発するレーザダイオード等の発光素子、あるいは、信号光を受けるフォトダイオード等の受光素子である光素子２７は、シリコン等から形成されるキャリア基板３０に搭載される。そして、この光素子２７には、短尺光ファイバ２９の一方の端部が、例えば、レンズ２８を介してキャリア基板３０上で光結合される。光結合された短尺光ファイバ２９の他方の端部は、光ファイバ伝送路の光コネクタ（図示せず）と結合されるファイバスタブ３２に貫通させて保持固定される。

ファイバスタブ３２は、スリーブ３３内に保持固定される。スリーブ３３には、光ファイバ伝送路の光コネクタのフェルールが、整列位置決めされて挿入される。スリーブ３３内に挿入された光コネクタのフェルール先端とファイバスタブ３２の端部とは、中心の光ファイバ同士が互いに突合わされ、光素子６と光ファイバ伝送路とが光学的に光結合され、信号光の送受信が行われる。

ＯＳＡ２２は、構造的な面から見て、光素子２８とその光電変換手段（図示せず）が搭載され、ハウジング３１で囲われた本体部３５と、光ファイバ伝送路との接続を形成するファイバスタブ３２とスリーブ３３を有するスリーブ部３６と、本体部３５とスリーブ部３６を連結する結合部３７から成っている。本体部３５とスリーブ部３６とは、短尺光ファイバ２９により連結された状態にあるが、結合部３７として、この短尺光ファイバ２９を囲うように、スプリングコイルのような弾性部材３４を取付けて、本体部３５とスリーブ部３６とを機械的に連結固定する。

図１（Ｃ）は、ＯＳＡ２２内の光素子２７と短尺光ファイバ２９とを光結合させる構成の一例で、レンズ２８を介して光結合する。レンズ２８は、例えば、凸レンズ素子２８ａの外側を外径が楕円状の外被２８ｂで覆って形成される。キャリア基板３０は、例えば、シリコン結晶基板が用いられ、その表面に光素子２７が搭載され、その光路上に短尺光ファイバ２９を位置決めして固定するためのＶ溝３０ａが形成されている。このＶ溝３０ａには、レンズ２８が光素子２７と短尺光ファイバ２９との間に配置され、その回転位置を調整することにより光軸を最適状態に調整にされて固定される。

また、ＯＳＡ２２の本体部３５内に、光素子２７としてレーザダイオード（ＬＤ）が搭載される場合は、その発熱による光学的特性の低下を抑え通信品質を確保するために、例えば、ＯＳＡ２２のハウジング３１と光素子２７を搭載したキャリア基板３０との間に、熱電変換素子を用いて電子的に冷却するサーモモジュール（ＴＥＣ）を実装して、光素子２７を冷却するようにしている。さらに、ＯＳＡ２２のハウジング３１を光モジュール２１の外殻をなす筐体部分２６の内面に接するように配設して放熱路を形成する。

上記のＯＳＡ２２は、その本体部３５が光モジュール２１の電子回路実装部分２４で電子回路装置２３に電気的に接続される一方で、光モジュール２１の前部側に設けられている光ファイバ伝送路との光接続部分２５（レセプタクル）に、光コネクタとの光接続を形成するスリーブ部３６が保持固定されている。そして、光モジュール２１の光接続部分２５に光ファイバコード等の端部に取付けられた光コネクタが挿入され、光コネクタのフェルールがスリーブ部３６に挿着されて、短尺光ファイバ２９を介して光素子２７と光学的に結合される。

図２は、上述したＯＳＡ２２の使用形態を説明する図で、図２（Ａ）は本体部３５とスリーブ部３６を短尺光ファイバ２９で光学的に連結した状態を示し、図２（Ｂ）は弾性部材３４で本体部３５とフェルール部３６を機械的に連結した状態を示し、図２（Ｃ）はＯＳＡ２２の配設状態を示す。

図２（Ａ）に示すように、本体部３５とスリーブ部３６を短尺光ファイバ２９で光学的に接続しただけでは、図５で説明したのと実質的には同じで、機械的な強度を有しない短尺光ファイバ２９が損傷したり破断しないように、その取扱いには慎重を要する。このため、本体部３５及びスリーブ部３６の両方を把持するようにして、光モジュール２１内に組込む必要があり、取扱い性が悪く生産性に劣る。

本発明においては、図２（Ｂ）に示すように本体部３５とスリーブ部３６は、この短尺光ファイバ２９を囲うように弾性部材３４を取付けて、本体部３５とスリーブ部３６とを機械的に連結固定して一体的なものとし、あたかも１つの部品として取扱うことが可能なように構成される。
弾性部材３４は、短尺光ファイバ２９が中空部を貫通するような筒形状のもので、図に
示したスプリングコイルの他に、弾性ゴムや樹脂からなるチューブ、蛇腹パイプのような撓み菅等を用いることもできる。

図２（Ｃ）は、上記のように構成されたＯＳＡ２２を、光モジュール筐体２６に組込む場合に、本体部３５の収納位置とスリーブ部３６の収納位置がズレている状態を示している。この場合、弾性部材３４が弾性的に撓んで、本体部３５並びにスリーブ部３６は、ストレスを生ることなく、所定の収納部に収納保持させることができる。また、本体部３５内の光素子とスリーブ部３６のファイバスタブとの位置関係が多少ズレいても、再度、光結合状態を調整する必要はなく、短尺光ファイバ２９により、予め調整された所定の光結合率で維持される。さらに、短尺光ファイバ２９は、弾性部材３４により保護されているので、従来のリジットな構造のＯＳＡと同様に取扱うことが可能とされる。

図３は、他の実施形態の一例を示す図である。この実施形態は、ＯＳＡ２２を本体部３５とスリーブ部３６を短尺光ファイバ２９で光結合する構成は、図１，２の例と同じである。ただ、上述した弾性部材に少なくとも一対の板バネ３８を用い、短尺光ファイバ２９を両側から挟むように構成している点が異なっている。この板バネ３８は、両端の屈曲片３８ａを本体部３５とスリーブ部３６の端面に溶接あるいは接着により、簡単に取付けることができ製造が容易で安価に実現することができる。

この図３の実施形態においては、短尺光ファイバ２９は外周の全体が覆われていないが、一対の板バネ３８で挟まれているので強度的には問題がなく、また、通常の取扱いでは、手や外力に触れることはなく損傷や破断することはない。なお、図１，２の例に比べて、位置合わせの撓み許容方向に指向性があるが、光モジュール筐体に組込む場合に、寸法誤差が生じやすい方向（例えば、上下方向）に特定して撓み可能方向を設定した構成とすることにより、図１，２の例と同様に有用なものとすることができる。

本発明の概略を説明する図である。 本発明による光サブアセンブリの使用形態を説明する図である。 本発明の他の実施形態を説明する図である。 従来の技術を説明する図である。 従来の他の技術を説明する図である。

符号の説明

２１…光モジュール、２２…光サブアセンブリ、２３…電子回路装置、２４…電子回路実装部分、２５…光接続部分、２６…光モジュール筐体、２７…光素子、２８…レンズ、２９…短尺光ファイバ、３０…キャリア基板、３１…本体部ハウジング、３２…ファイバスタブ、３３…スリーブ、３４…弾性部材（スプリングコイル）、３５…本体部、３６…スリーブ部、３７…結合部、３８…板バネ、３８ａ…屈曲片。

Claims (3)

1. 受光または発光する光素子を収納した本体部と、前記光素子を光ファイバ伝送路に光結合させるファイバスタブを含むスリーブ部とを備える光サブアセンブリが搭載され、前記光素子が接続される電子回路実装部と前記スリーブ部を配置する光接続部を有する光モジュールであって、
   前記本体部は、前記光素子に光結合した短尺光ファイバの一端を保持し、前記短尺光ファイバの他端は、前記スリーブ部内の前記ファイバスタブに貫通保持され、前記本体部と前記スリーブ部とは、前記短尺光ファイバの外側を囲うように配した弾性変形が可能な弾性部材により一体的に結合されていることを特徴とする光モジュール。
2. 前記弾性部材は、コイルスプリングで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記弾性部材は、前記短尺光ファイバを挟んで対向する少なくとも一対の板バネで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。

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