JP5186048B2 - 光学素子モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光学素子モジュールに関するものであり、光コネクターに好適に用いられる。

光導波路体として光ファイバ１１５を用いた場合の従来の光学素子モジュールを図７に示す。透明ガラス又は透明合成樹脂の成形品よりなる透明構造体１３１が設けられ、透明構造体１３１の上面に反射体１３１ａが突出形成され、反射体１３１ａには透明構造体１３１の上面１３２とほぼ垂直な位置決め面１３３が形成され、また反射体１３１ａには位置決め面１３３と４５度をなす、つまり上面１３２に対し斜めの反射面１３４が形成されている。透明構造体１３１の上に配された光ファイバ１１５の端面が反射体１３１ａの位置決め面１３３に突き当てられて光ファイバ１１５の図７において左右方向における位置決めがなされる。光ファイバ１１５は位置決め面１３３に対してほぼ直角に配される。この構造により発光素子１３７からの光は、光ファイバ１１５へ入射することができる。尚、発光素子１３７は受光素子であっても良く、光ファイバ１１５からの出射光を受光できる。

特開２００１−１７４６７１号公報

光ファイバ１１５からの出射光は、光ファイバ１１５の開口数によって、出射光の広がりが決まる。光ファイバ１１５の位置決め面１３３と反射面１３４が４５度の角度をなす場合、光ファイバ１１５からの出射光の広がりによって、出射光の一部が反射面を透過してしまい、光強度の損失が発生するという問題があった。近年、屈曲性のある光ファイバが開発されており、機器内配線に有効ではあるが、この光ファイバは、従来のものよりも開口数が大きく、出射光の広がりが大きくなり上記課題が顕著である。

本発明は、導光体と、前記導光体から出た光を反射可能とする反射体と、前記反射体からの光を集光またはコリメーション可能とする光学部材と、が設けられた光学素子モジュールであって、前記光学部材の前記反射体側の焦点が、前記導光体の端面に有ると共に、前記反射体の反射面と前記光学部材の光軸とのなす角度が45°未満であり、前記導光体からの出射光の光軸と前記反射面とのなす角度と、前記導光体の開口数とによって決定される前記導光体からの出射光の前記反射面への最小入射角度（θ４）が、前記反射面における全反射条件を満たす角度となるよう、前記導光体が配置されていることを特徴とする光学素子モジュールである。これにより、導光体または光学部材からの出射光が反射体の反射面を透過することなく反射し光学部材または導光体に入射するので、光強度の損失が殆ど発生しないという効果が得られる。

また、本発明の光学素子モジュールは、前記光学部材への入射光を前記反射体を介して前記導光体の前記端面に集光するとともに導光させることを特徴とする。これにより、前記光学部材からの入射光が、確実に前記導光体に入射するため光強度の損失が殆ど発生せず、前記導光体に導光される。

また、本発明の光学素子モジュールは、前記光学部材と前記反射体と前記導光体を固定する基材が設けられていることを特徴とする。これにより、前記光学部材と前記反射体と前記導光体との相対位置が精度良く決められるので、全反射条件を満たす角度がより安定して得られる。

また、本発明の光学素子モジュールにおいて、前記基材は、前記光を透過する透明部材であることを特徴とする。前記光学部材と前記反射体の間の光路上に、前記光学部材と前記反射体を固定する前記基材が光路上にあったとしても、光損失が少ないので、前記反射体と前記光学部材とが、確実に光結合できる。

また、本発明の光学素子モジュールは、前記光学部材と前記反射体と前記基材とが前記透明部材で一体に形成されていることにより、別体で組み立て形成した場合と比較して、容易に高位置精度で配置されるため、全反射条件を満たす角度がさらに安定して得られる。また、光学素子モジュールを容易に低コストで実現できる。

また、本発明の光学素子モジュールは、前記基材に前記光学部材と前記反射体と前記導光体とからなるユニットが複数設けられて、各ユニットの前記光学部材と前記反射体との距離が、実質的に同じとなるように、前記光学部材と前記反射体とが前記基材に固定されていることを特徴とする。これにより、前記光学素子モジュールは、前記導光体を複数配置することにより小型で多チャンネルの光授受が可能となる。

また、本発明の光学素子モジュールは、前記複数のユニットに設けられた各光学部材の光軸は全て同一方向であり、前記複数の導光体が配置される前記基材の表面が、同一平面であり、前記複数の光軸を法線とする仮想平面からの距離が異なる光学部材が、少なくとも一つ設けられていることを特徴とする。これにより、複数の前記導光体が前記基材上の同一平面に形成されるため、前記導光体が容易に配置可能となる。

本発明では、導光体または光学部材からの出射光が反射体の反射面を透過することなく反射し光学部材または導光体に入射するので、光強度の損失が殆ど発生しないという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態を示すＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第１の実施形態を示す断面の部分拡大図である。 本発明の第２の実施形態を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の変形例を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態を示す断面図である。 従来の構造の断面図である。

次に、本発明の実施の形態について図を参照しながら詳細に説明をする。
［第１実施形態］
図１は、本発明の実施形態を説明するための平面図である。図２は、本発明の構造を説明するための断面図であり、図１のＡ−Ａ線断面図である。図３は図２の部分拡大図を示す。

図１は、本実施形態における光学素子モジュール１４の平面視した基材２と、反射体１と光学部材８と導光体５の配置を示している。ポリカーボネート製の基材表面には、９本の導光体５と９個の反射体１が配置されており、基材裏面には、９個の光学部材８が配置されている。それぞれの導光体５および光学部材８は、反射体１である反射プリズムを通じて、光学的に結合し単位ユニット１５を構成している。９個の光学部材８であるレンズは、本実施例では３００μmピッチの格子状に配置されており、９本の導光体５である光ファイバの端面は、反射体１である反射プリズムに接し、配置されている。

図２には、本実施形態における光学素子モジュール１４の基材２と反射体１と光学部材８と導光体５の配置を断面により示している。基材裏面１０の全ての光学部材８は、同一平面上に配置されており、基材表面の反射体１と導光体５は、基材表面の鋸歯状の斜面３に配置されている。これにより、各ユニット１５の光学部材８と反射体１との距離は、実質的に同じとなるように配置されている。基材表面の鋸歯状の斜面３と基材裏面１０のなす角度は、図示するθ２と同じ１０°となる角度であり、斜面３の表面に導光体５と反射体１が配置されている。一方、反射体１の反射面４と基材裏面１０のなす角度θ１は、５０°となる角度で、反射体１が配置されている。よって反射体１の反射面４と光学部材８の光軸１３のなす角度θ０は、４０°であり、４５°未満となるように配置されている。尚、光学部材８の反射体１側の焦点Ｐは、導光体５の端面にあるように、光学部材８は設計されている。

図３は、図２に示した光学素子モジュール１４の反射体１の近傍を拡大した図であり、導光体５から光を出射した場合を示している。本実施形態における光学素子モジュール１４では、開口数０．２９の光ファイバすなわち導光体５を配置しており、導光体５からの出射光は、広がりを持ってしまう。ポリカーボネート製の反射体１の屈折率１．５８５では、導光体５の出射光の光軸１６に対する広がりの角度すなわちファイバ出射角θ３は、１０．５°となる角度となる。導光体５からの出射光で反射面４との角度が最も大きくなる角度、すなわち、入射角が最小となる最小入射角はθ４であるが、この光学素子モジュール１４では、反射体１の反射面４と光学部材８の光軸１３のなす角度θ０が４０°であるため、ファイバ出射角θ３が１０．５°であったとしても、反射面４への最小入射角θ４は３９．５°となる。よって、反射面４への最小入射角θ４は、ポリカーボネート製の反射体１の全反射角３９．１°よりも大きいため、導光体５からの出射光は、９５％以上が反射され、ほぼ全反射条件を満たす。これにより、導光体５からの出射光の光軸１６と反射面４との角度と、導光体５の開口数とによって決定される導光体５からの出射光の反射面４への最小入射角度（θ４）が、反射面４における全反射条件を満たす角度となるよう、導光体５が基材２に配置されていることがわかる。

尚、本発明の実施形態では、導光体５が光ファイバである場合を示したが、導光体５は導波路であっても構わない。

本発明の実施形態では、光学素子モジュール１４の基材２と反射体１と光学部材８の材質がポリカーボネートである場合を示したが、ポリエーテルイミドや他の透明な材質であっても構わない。但し、ポリエーテルイミドの場合、屈折率が１．６４と高いため、図２における基材表面の鋸歯状の斜面３と基材裏面１０のなす角度θ２は６°、反射体１の反射面４と基材裏面１０のなす角度θ１は４８°となり、反射体１の反射面４と光学部材８の光軸１３のなす角度θ０は４２°であり、４５°未満となるように配置されている。この材質と構造によっても、導光体５からの出射光は、９５％以上が反射され、ほぼ全反射条件を満たす。尚、本発明の実施形態では、導光体５から光を出射した場合を示したが、光学部材８から光を入射しても構わない。これらの構造の光学素子モジュール１４により、導光体５または光学部材８からの出射光が反射体１の反射面４を透過することなく反射し光学部材８または導光体５に入射するので、光強度の損失が殆ど発生しないという効果が得られる。

尚、反射体１および光学部材８もポリカーボネート製で、基材２の形成と同時に一体で成形されていても良い。これにより、別体で組み立て形成した場合と比較して、容易に高位置精度で配置されるため、全反射条件を満たす角度がさらに安定して得られる。また、光学素子モジュール１４を容易に低コストで実現できる。

さらに本実施形態において、図１における基材裏面上の９つの光学部材８の配置が、格子状に配置されている場合を示したが、千鳥状に配置されていても構わない。この配置をとることで、導光体５を高密度に実装でき、かつ小型で多チャンネルの光授受が可能となる。

［第２実施形態］
図４には、本発明の第２の実施形態における光学素子モジュール１４の基材２１と反射体１と光学部材８と導光体５の配置を断面により示している。図示しないが、光学部材８は、平面視して千鳥状に配置されている。第１の実施形態では、基材２の表面を鋸歯状に形成したが、本実施形態の基材２１においては、光学部材８を取り付ける基材裏面の水平面１１を階段状に形成することにより、光学部材８と反射体１との距離を各ユニット１５間で実施的に同じになるように形成した。本実施形態では第１の実施形態と同様に、基材２１と全ての反射体１および光学部材８はポリカーボネート製である。基材表面の全ての反射体１と導光体５は、同一平面上の斜面３に配置されており、基材裏面の光学部材８は、基材裏面の階段状の水平面１１に配置されている。各ユニット１５の光学部材８と反射体１との距離は、実質的に同じとなるように配置されている。基材表面の斜面３と基材裏面の階段状の水平面１１のなす角度は、図示するθ２と同じ１０°となる角度であり、斜面３の表面に導光体５と反射体１が配置されている。一方、反射体１の反射面４と基材裏面の階段状の水平面１１のなす角度θ１は、５０°となる角度で、反射体１が配置されている。よって反射体１の反射面４と光学部材８の光軸１３のなす角度θ０は、４０°であり、４５°未満となるように配置されている。尚、光学部材８の反射体１側の焦点Ｐは、導光体５の端面にあるように、光学部材８は設計されている。本実施形態の構成により、第一実施形態と同様に導光体５からの出射光は、９５％以上が反射され、ほぼ全反射条件を満たす。

この構造の光学素子モジュール１４により、導光体５または光学部材８からの出射光が反射体１の反射面４を透過することなく反射し光学部材８または導光体５に入射するので、光強度の損失が殆ど発生しないという効果が得られ、かつ全ての導光体５が基材表面上の同一平面に高密度で容易に配置できる。

尚、光学素子モジュール１４の基材２１と全ての反射体１および光学部材８はポリカーボネート製で一体成形されていても良い。

なお、光学部材８を階段状の基材裏面に配置せず、図５に示すように、基材裏面の同一平面１１Ａに光学部材８を設けても良い。この場合、各ユニット１５間で光学部材８と反射体１とのなす距離が異なるので、光学部材８の反射体１側の焦点距離を調整するために、反射体１と導光体５との間にポリカーボネート製のスペーサ３０を設けても良い。これにより、光学部材８を階段状とした基材裏面に配置する場合と比較して、同一平面上に光学部材８を設けることができるので、光学部材８の形成が容易となる。

［第３実施形態］
図６には、本発明の第３の実施形態における光学素子モジュール１４の基材２２と反射体１と光学部材８と導光体５の配置を断面により示している。図示しないが、光学部材８は、平面視して千鳥状に配置されている。第１の実施形態では、基材２の表面を鋸歯状に形成したが、本実施形態の基材２２においては、光学部材８を取り付ける基材裏面の斜面６と基材表面の斜面３が平行になるように基材２２を形成した。これにより、光学部材８と反射体１との距離を各ユニット１５間で実施的に同じになるようにできる。本実施形態では第１の実施形態と同様に、基材２２と全ての反射体１および光学部材８はポリカーボネート製である。基材表面の全ての反射体１と導光体５は、同一平面上の斜面３に配置されており、基材裏面の光学部材８は、基材裏面の同一平面上の斜面６に配置されている。基材裏面の光学部材８の複数の光軸１３を法線とする仮想平面１２と基材表面の斜面３のなす角度θ２は、１０°となる角度である。図６は、複数ある光軸１３のうち一つを示している。一方、反射体１の反射面４と仮想平面１２のなす角度θ１は、５０°となる角度である。よって反射体１の反射面４と光学部材８の光軸１３のなす角度θ０は、４０°であり、４５°未満となるように配置されている。尚、光学部材８の反射体１側の焦点Ｐは、導光体５の端面にあるように、光学部材８は設計されている。本実施形態の構成により、第一実施形態と同様に導光体５からの出射光は、９５％以上が反射され、ほぼ全反射条件を満たす。

この構造の光学素子モジュール１４により、導光体５または光学部材８からの出射光が反射体１の反射面４を透過することなく反射し光学部材８または導光体５に入射するので、光強度の損失が殆ど発生しないという効果が得られ、かつ全ての導光体５が基材表面上の同一平面に高密度で容易に配置できる。

尚、光学素子モジュール１４の基材２２と全ての反射体１および光学部材８はポリカーボネート製で一体成形されていても良い。

１ 反射体
２，２１，２２ 基材
３ 斜面
４ 反射面
５ 導光体
６ 斜面
８ 光学部材
１０ 基材裏面
１１ 水平面
１２ 仮想平面
１３ 光学部材の光軸
１４ 光学素子モジュール
１５ ユニット

Claims (7)

1. 導光体と、前記導光体から出た光を反射可能とする反射体と、前記反射体からの光を集光またはコリメーション可能とする光学部材と、が設けられた光学素子モジュールであって、
   前記光学部材の前記反射体側の焦点が、前記導光体の端面に有ると共に、前記反射体の反射面と前記光学部材の光軸とのなす角度が45°未満であり、
   前記導光体からの出射光の光軸と前記反射面とのなす角度と、前記導光体の開口数とによって決定される前記導光体からの出射光の前記反射面への最小入射角（θ４）が、前記反射面における全反射条件を満たす角度となるよう、前記導光体が配置されていることを特徴とする光学素子モジュール。
2. 請求項１記載の光学素子モジュールであって、
   前記光学部材に入射された光を前記反射体を介して前記導光体の前記端面に集光するとともに導光させることを特徴とする光学素子モジュール。
3. 前記光学部材と前記反射体と前記導光体を固定する基材が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載した光学素子モジュール。
4. 前記基材は、前記光を透過する透明部材であることを特徴とする請求項３に記載の光学素子モジュール。
5. 前記光学部材と前記反射体と前記基材とが前記透明部材で一体に形成されている請求項４に記載の光学素子モジュール。
6. 前記基材に前記光学部材と前記反射体と前記導光体とからなるユニットが複数設けられており、
   各ユニットの前記光学部材と前記反射体との距離が、実質的に同じとなるように、前記光学部材と前記反射体とが前記基材に固定されていることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載した光学素子モジュール。
7. 前記複数のユニットに設けられた各光学部材の光軸は全て同一方向であり、
   前記複数の導光体が配置される前記基材の表面が、同一平面であり、
   前記複数の光軸を法線とする仮想平面からの距離が異なる光学部材が、少なくとも一つ設けられていることを特徴とする請求項６記載の光学素子モジュール。

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