JP5605382B2 - Optical module - Google Patents
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Description
本発明は、レンズ部品を備えた光モジュールに関する。 The present invention relates to an optical module provided with a lens component.
電気信号を光信号に変換する、あるいは、光信号を電気信号に変換する光モジュールが知られている。このような光モジュールは、光ファイバと、光電変換素子と光ファイバからの光を光電変換素子に導光するレンズ部品とを備えている(例えば、特許文献1、2参照)。
An optical module that converts an electrical signal into an optical signal or converts an optical signal into an electrical signal is known. Such an optical module includes an optical fiber, a photoelectric conversion element, and a lens component that guides light from the optical fiber to the photoelectric conversion element (see, for example,
このような光モジュールにおいて、例えば、レンズ部から出射し、受光素子に入射した光が反射して反射戻り光としてレンズ部品に入射し、レンズ部品に入射する光信号を劣化させてしまうことが知られている。 In such an optical module, for example, it is known that light emitted from the lens unit and incident on the light receiving element is reflected and incident on the lens component as reflected return light, thereby degrading the optical signal incident on the lens component. It has been.
この光信号劣化に関して特許文献1に記載の技術では、レンズ部のレンズ形状を工夫し、受光素子からの反射戻り光が光ファイバに結合しないようにすることを提案している。しかし、特許文献1に記載の方法では、レンズ形状が特殊になり、製造コストが嵩んでしまう。
With regard to this optical signal degradation, the technique described in
また、特許文献2に記載の技術では、光電変換装置および光結合素子に設けられた位置決め用凹凸部を用いることにより、光結合効率(結合ロス)が許容値に収まるよう、光電変換装置および光結合素子のXY方向(光軸と垂直な平面)における取り付け位置を規定する。しかし、特許文献2に記載の方法では反射戻り光の影響については言及されていない。また、Z軸方向(光軸方向)への位置ズレは、結合ロスの観点からすれば厳密な管理が不要である点を述べている([0066]段落参照)。
In the technique described in
本発明の目的は、反射戻り光による通信品質の劣化が小さく、かつ、低コストに製造することが可能な光モジュールを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an optical module that can be manufactured at a low cost with little deterioration in communication quality due to reflected return light.
上記課題を解決することのできる本発明の光モジュールは、送信側光ファイバと、発光素子と、前記送信側光ファイバと対向する第1レンズ部と、前記発光素子と対向する第2レンズ部と含む送信側光学系を備えた、前記発光素子と前記送信側光ファイバとを光学的に接続するレンズ部品において、
前記第1レンズ部の開口数をNA1、前記第2レンズ部の開口数をNA2、前記レンズ部品の倍率をM、前記発光素子の発光面の半径をΦ1、前記発光素子の実装位置最大誤差をd1、前記送信側光ファイバのコア径をΦ2、前記送信側光ファイバの実装位置最大誤差をd2、としたとき、以下の不等式(1)〜(3)が成立するように設定されており、
反射戻り光強度が前記発光素子と前記送信側光ファイバの光結合効率が最大である場合よりも10dB以上小さくなるとともに、光結合効率が前記発光素子と前記送信側光ファイバの光結合効率が最大である場合に対する光結合効率の低下が1dB以下となる。
MΦ1<Φ2…(1)
M(d1+Φ1/2)<Φ2/2−d2…(2)
NA1/M<NA2…(3)
なお、前記第1レンズ部の焦点位置から前記光軸方向に50μm以上100μm以下オフセットされた位置に、前記送信側光ファイバの先端が位置されていることが好ましい。
The optical module of the present invention capable of solving the above problems includes a transmission-side optical fiber, a light-emitting element, a first lens portion facing the transmission-side optical fiber, and a second lens portion facing the light-emitting element. In a lens component that optically connects the light emitting element and the transmission side optical fiber, including a transmission side optical system including:
The numerical aperture of the first lens unit is NA1, the numerical aperture of the second lens unit is NA2, the magnification of the lens component is M, the radius of the light emitting surface of the light emitting element is Φ1, and the maximum mounting position error of the light emitting element is When d1, the core diameter of the transmission side optical fiber is Φ2, and the mounting position maximum error of the transmission side optical fiber is d2, the following inequalities (1) to (3) are established.
The reflected return light intensity is 10 dB or more lower than the case where the light coupling efficiency between the light emitting element and the transmission side optical fiber is the maximum, and the light coupling efficiency is the maximum. In this case, the decrease in optical coupling efficiency is 1 dB or less.
MΦ1 <Φ2 (1)
M (d1 + Φ1 / 2) <Φ2 / 2-d2 (2)
NA1 / M <NA2 (3)
In addition, it is preferable that the tip of the transmission-side optical fiber is located at a position offset from the focal position of the first lens unit by 50 μm to 100 μm in the optical axis direction.
上記光モジュールにおいて、受信側光ファイバと、受光素子と、前記受信側光ファイバと対向する第3レンズ部と、前記受光素子と対向する第4レンズ部とを含む受光側光学系をさらに備え、前記送信側光学系および前記受信光学系における全体の光結合効率が、最大効率に対する光結合効率の低下が3dB以上6dB以下となることが好ましい。 The optical module further includes a light receiving side optical system including a receiving side optical fiber, a light receiving element, a third lens part facing the receiving side optical fiber, and a fourth lens part facing the light receiving element, The overall optical coupling efficiency in the transmission side optical system and the reception optical system is preferably such that the decrease in optical coupling efficiency with respect to maximum efficiency is 3 dB or more and 6 dB or less.
また、上記光モジュールにおいて、前記第3レンズ部は、その焦点位置に前記受信側光ファイバが位置するように配置され、前記第4レンズ部は、その焦点位置に前記受光素子が位置するように配置され、前記第3レンズ部と前記第4レンズ部の少なくとも一方は非球面レンズであることが好ましい。 In the optical module, the third lens unit is disposed such that the receiving-side optical fiber is positioned at a focal position, and the fourth lens unit is configured such that the light receiving element is positioned at the focal position. It is preferable that at least one of the third lens portion and the fourth lens portion is an aspheric lens.
また、上記光モジュールにおいて、前記第1レンズ部と前記第3レンズ部はファイバ側接続面上に形成され、前記第2レンズ部と前記第4レンズ部は、素子側接続面上に形成され、前記第3レンズ部は、その焦点位置に前記受信側光ファイバが位置するように配置され、前記第4レンズ部は、その焦点位置に前記受光素子が位置するように配置され、前記第2レンズ部はその焦点位置に、前記発光素子が位置するように配置され、前記第1レンズ部は前記第3レンズ部に対して光軸方向にオフセットされた位置に配置されていることが好ましい。 In the optical module, the first lens unit and the third lens unit are formed on a fiber side connection surface, and the second lens unit and the fourth lens unit are formed on an element side connection surface, The third lens unit is disposed so that the receiving-side optical fiber is positioned at the focal position, and the fourth lens unit is disposed so that the light receiving element is positioned at the focal position, and the second lens It is preferable that the portion is disposed so that the light emitting element is located at the focal position, and the first lens portion is disposed at a position offset in the optical axis direction with respect to the third lens portion.
本発明によれば、第1レンズ部の焦点位置を光軸方向に所定量オフセットすることにより、送信側光ファイバの端面で反射した反射戻り光による通信品質の劣化を抑えることができる。これにより、レンズ部品を、複雑で特殊な形状に成形することによる製造コストの増大を抑制しつつ反射戻り光による通信品質の劣化を抑えることができる。 According to the present invention, it is possible to suppress deterioration in communication quality due to reflected return light reflected by the end face of the transmission side optical fiber by offsetting the focal position of the first lens unit by a predetermined amount in the optical axis direction. Accordingly, it is possible to suppress deterioration in communication quality due to reflected return light while suppressing an increase in manufacturing cost due to molding the lens component into a complicated and special shape.
以下、本発明に係る光モジュールの実施の形態の例を、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る光モジュールは、光通信技術などにおいて信号(データ)の伝送に用いられるものであり、接続先のパソコンなどといった電子機器に電気的に接続され、入出力される電気信号を光信号に変換して光信号を伝送するものである。
Hereinafter, an example of an embodiment of an optical module according to the present invention will be described with reference to the drawings.
The optical module according to the present embodiment is used for signal (data) transmission in optical communication technology or the like, and is electrically connected to an electronic device such as a personal computer to be connected to input / output electric signals. An optical signal is transmitted after being converted into a signal.
図1から図3に示すように、光モジュール1は、光ケーブル3の端部に取り付けられている。この光ケーブル3は、単芯或いは多芯の光ケーブルである。
光ケーブル3は、複数本(ここでは4本)の光ファイバ心線(光素子)7と、この光ファイバ心線7を被覆する樹脂製の外被9と、光ファイバ心線7と外被9との間に介在された極細径の抗張力繊維(ケブラー)11と、外被9と抗張力繊維11との間に介在された金属編組13とを有している。つまり、光ケーブル3では、光ファイバ心線7、抗張力繊維11、金属編組13及び外被9が、その中心から径方向の外側に向けてこの順に配置されている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
The
光ファイバ心線7は、コアとクラッドが石英ガラスである光ファイバ(AGF)、クラッドが硬質プラスチックからなるプラスチック光ファイバ(HPCF:Hard Plastic Clad Fiber)、等を用いることができる。ガラスのコア径が80μmの細径HPCFを用いると、光ファイバ心線7が小径に曲げられても破断しにくい。
As the
外被9は、ノンハロゲン難燃性樹脂である例えばPVC(poly vinyl chloride)から形成されている。外被9の外径は、4.2mm程度である。抗張力繊維11は、例えば、アラミド繊維であり、束状に集合された状態で光ケーブル3に内蔵されている。
The
金属編組13は、例えば錫めっき導線から形成されており、編組密度が70%以上、編み角度が45°〜60°である。金属編組13の外径は、0.05mm程度である。
The
光モジュール1は、ハウジング20と、ハウジング20の前端(先端)側に設けられる電気コネクタ22と、ハウジング20に収容される基板24とを備えている。
The
ハウジング20は、金属ハウジング26と、樹脂ハウジング28とから構成されている。金属ハウジング26は、収容部材30と、収容部材30の後端部に連結され、光ケーブル3を固定する固定部材32とから構成されている。
The
収容部材30は、断面が略矩形形状を呈する筒状の中空部材である。収容部材30は、基板24などを収容する収容空間を画成している。収容部材30の前端側には、電気コネクタ22が設けられ、収容部材30の後端側には、固定部材32が連結される。
The
固定部材32は、板状の基部34と、光ケーブル3側へ突出する筒部(図示略)と、基部34の両側から前方に張り出す一対の第1張出片38と、基部34の両側から後方に張り出す一対の第2張出片40とを有している。一対の第1張出片38は、収容部材30の後部からそれぞれ挿入され、収容部材30に当接して連結される。一対の第2張出片40は、後述する樹脂ハウジング28のブーツ46に連結される。なお、固定部材32は、基部34、筒部、第1張出片38及び第2張出片40が板金により一体に形成されている。
The fixing
筒部は、略円筒形状をなしており、基部34から後方に突出するように設けられている。筒部は、カシメリング(図示略)との協働により光ケーブル3を保持する。具体的には、外被9を剥いだ後、光ケーブル3の光ファイバ心線7を筒部の内部に挿通させると共に、抗張力繊維11を筒部の外周面に沿って配置する。そして、筒部の外周面に配置された抗張力繊維11上にカシメリングを配置して、カシメリングをかしめる。これにより、抗張力繊維11が筒部とカシメリングとの間に挟持されて固定され、固定部材32に光ケーブル3が保持固定される。
The tube portion has a substantially cylindrical shape and is provided so as to protrude rearward from the
基部34には、光ケーブル3の金属編組13の端部がはんだにより接合されている。具体的には、金属編組13は、固定部材32においてカシメリング(筒部)の外周を覆うように配置されており、その端部が基部34の一面(後面)にまで延ばされてはんだにより接合されている。これにより、固定部材32と金属編組13とは、熱的に接続されている。さらに、収容部材30の後端部に固定部材32が結合することにより、収容部材30と固定部材32とが物理的且つ熱的に接続される。つまり、収容部材30と光ケーブル3の金属編組13とが熱的に接続される。
The end of the
樹脂ハウジング28は、例えばポリカーボネートなどの樹脂材料から形成されており、金属ハウジング26を覆っている。樹脂ハウジング28は、外装ハウジング44と、外装ハウジング44と連結するブーツ46とを有している。外装ハウジング44は、収容部材30の外面を覆うように設けられている。ブーツ46は、外装ハウジング44の後端部に連結され、金属ハウジング26の固定部材32を覆っている。ブーツ46の後端部と光ケーブル3の外被9とは、接着剤(図示しない)により接着される。
The
電気コネクタ22は、接続対象(パソコンなど)に挿入され、接続対象と電気的に接続される部分である。電気コネクタ22は、ハウジング20の前端側に配置されており、ハウジング20から前方に突出している。電気コネクタ22は、接触子22aにより基板24に電気的に接続されている。
The
基板24は、金属ハウジング26(収容部材30)の収容空間に収容されている。また、図4(a),(b)に示すように、基板24には、制御用半導体50と、受発光素子52とが搭載されている。基板24は、制御用半導体50と受発光素子52とを電気的に接続している。基板24は、平面視で略矩形形状を呈しており、所定の厚みを有している。基板24は、例えば、ガラスエポキシ基板、セラミック基板などの絶縁基板であり、その表面又は内部には、金(Au)、アルミ(Al)又は銅(Cu)などにより回路配線が形成されている。制御用半導体50と受発光素子52とは、光電変換部を構成している。
The board |
制御用半導体50は、駆動IC(Integrated Circuit)50aや波形整形器であるCDR(Clock Data Recovery)装置50bなどを含んでいる。制御用半導体50は、基板24において、表面24aの前端側に配置されている。制御用半導体50は、電気コネクタ22と電気的に接続されている。
The
受発光素子52は、複数(ここでは2つ)の発光素子52aと、複数(ここでは2つ)の受光素子52bとを含んで構成されている。発光素子52a及び受光素子52bは、基板24において、表面24aの後端側に配置されている。発光素子52aとしては、例えば、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)、レーザダイオード(LD:Laser Diode)、面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting LASER)などを用いることができる。受光素子52bとしては、例えば、フォトダイオード(PD:Photo Diode)などを用いることができる。
The light receiving / emitting
受発光素子52は、光ケーブル3の光ファイバ心線7と光学的に接続されている。具体的には、図4(b)に示すように、基板24には、受発光素子52及び駆動IC50aを覆うようにレンズアレイ部品(レンズ部品)55が配置されている。
The light emitting / receiving
レンズアレイ部品55は、光ファイバ心線7の末端に取り付けられたコネクタ部品54が結合されている。レンズアレイ部品55は、発光素子52aから出射された光を光ファイバ心線7へ入力し、また、光ファイバ心線7を伝送された光を受光素子52bに入力する。これにより、光ファイバ心線7と受発光素子52とを光結合する。
The
上記構成を有する光モジュール1は、電気コネクタ22から基板24の配線を介して制御用半導体50に電気信号が入力される。制御用半導体50に入力された電気信号は、レベルの調整やCDR装置50bにより波形整形などが行われた後に、制御用半導体50から基板24の配線を介して受発光素子52に出力される。電気信号を入力した受発光素子52は、電気信号を光信号に変換し、発光素子52aからレンズアレイ部品55を介して光ファイバ心線7に光信号を出射する。
In the
また、光ケーブル3で伝送された光信号は、レンズアレイ部品55を介して受光素子52bにより入射される。受発光素子52は、入射された光信号を電気信号に変換し、この電気信号を基板24の配線を介して制御用半導体50に出力する。制御用半導体50では、電気信号に所定の処理を施した後、電気コネクタ22にその電気信号を出力する。
The optical signal transmitted through the
図5から図8を用いて、レンズアレイ部品55について説明する。図5は、本実施形態に係る光モジュール1を構成するレンズアレイ部品55とコネクタ部品54の平面図、図6は、本実施形態に係る光モジュールを構成するレンズアレイ部品55の幅方向に沿う断面図、図7は、本実施形態に係る光モジュール1を構成する図5のレンズアレイ部品55とコネクタ部品54のA−A断面図、図8は、本実施形態に係る光モジュール1を構成する図5のレンズアレイ部品55とコネクタ部品54のB−B断面図である。
The
図5から図8に示すように、レンズアレイ部品55は、光ファイバ心線7と対向するファイバ側接続面55aを有している。このファイバ側接続面55a上には、複数のファイバ側レンズ部62が形成されている。また、レンズアレイ部品55は、受発光素子52と対向する素子側接続面55bを有している。この素子側接続面55b上には、複数の素子側レンズ部65が形成されている。
As shown in FIGS. 5 to 8, the
複数のファイバ側レンズ部62および複数の素子側レンズ部65は一方向に並んで配列されており、互いに異なる光軸を有している。また、レンズアレイ部品55は、反射面67を有している。この反射面67は、互いに異なる光軸を有するファイバ側レンズ部62と素子側レンズ部65とを光学的に接続する。
The plurality of fiber
ファイバ側レンズ部62および素子側レンズ部65は、入射光を平行光とし、平行光を集光して出射するコリメートレンズから形成される。このようなレンズアレイ部品55は、樹脂の射出成形により、一体に形成される。
The fiber
4つのファイバ側レンズ部62は、そのうちの2つが、光信号の送信側光ファイバ心線7aと対向する送信用ファイバ側レンズ部(第1レンズ部)62Aとされている。他の2つは、光信号の受信側光ファイバ心線7bと対向する受信用ファイバ側レンズ部(第3レンズ部)62Bとされている。
Of the four fiber
また、4つの素子側レンズ部65は、そのうちの2つが、発光素子52aと対向する送信用素子側レンズ部(第2レンズ部)65Aとされている。他の2つは、受光素子52bと対向する受信用素子側レンズ部(第4レンズ部)65Bとされている。
Of the four element
レンズアレイ部品55は、ファイバ側レンズ部62の配列方向と交差する方向に延びる板状部61を有している。この板状部61は、反射面67に対してファイバ側レンズ部62と反対側に設けられている。この板状部61は、素子側レンズ部65の配列方向と交差する方向へ延びるように形成されている。レンズアレイ部品55は、板状部61の両側に形成され、後端側から前端側まで延びる一対の脚部72を有している。
The
また、レンズアレイ部品55は、前端側に、板状部61よりも厚肉に形成された前端リブ部73を有している。また、板状部61の後端側には、後端リブ部74が幅方向にわたって形成されている。
The
また、レンズアレイ部品55の前端リブ部73には、その両端近傍部分に、コネクタ部品54側へ向かって突出するガイドピン69が形成されている。これらのガイドピン69は、図4(b)に示すように、コネクタ部品54の接続端面に形成された位置決め孔71に挿入可能とされている。そして、これらのガイドピン69が位置決め孔71に挿入されることで、レンズアレイ部品55に対してコネクタ部品54が位置決めされ、光ファイバ心線7がファイバ側レンズ部62に対向する位置に配置される。
Further, the front
また、板状部61には、その上面に、凹部81が形成されている。この凹部81は、接続側の壁面が上方へ向かって次第に接続側へ傾斜した傾斜面とされており、この傾斜面は反射面67の一部をなしている。板状部61の上面には、凹部81の接続側と反対側に、平面状に形成された平坦部83が形成されている。この平坦部83は、凹部81を介して反射面67と隣接するように形成されている。
Further, the plate-
図6に示したように、レンズアレイ部品55は、板状部61の両側に形成され、後端側から前端側まで延びる一対の脚部72を有している。脚部72は、回路基板24側へ突出する位置決め部75と、位置決め部75に隣接する接着部76とを有している。位置決め部75は位置決め面75aにおいて回路基板24と当接した状態で固定されている。
As shown in FIG. 6, the
脚部72は、回路基板24からレンズアレイ部品55の素子側レンズ部65を、所定長さ離間させるものであり、素子側レンズ部65を挟んで対向する位置に設けられている。位置決め部75は、脚部72の回路基板24側の先端に設けられ、接着部76よりも回路基板24へ向かって突出している。これにより、脚部72の回路基板24側の先端面において、位置決め面75aのみが回路基板24に当接する。
The
また、位置決め部75の位置決め面75aが回路基板24に当接した状態で、接着部76と回路基板24との間に隙間が生じている。この隙間は接着剤充填空間Sとされている。接着剤充填空間Sには接着剤が充填される。レンズアレイ部品55はこの接着剤によって回路基板24に接着固定されている。
In addition, a gap is generated between the bonding
レンズアレイ部品55が実装される回路基板24には、その実装面側に、金属薄膜からなる第1金属パッド78と第2金属パッド79とが設けられている。第2金属パッド79は、それぞれレンズアレイ部品55の位置決め部75に対応する箇所に、第1金属パッド78を挟んで対向するように形成されている。第1金属パッド78の上には受発光素子52が実装される。
The
また、第2金属パッド79にはレンズアレイ部品55の位置決め部75のみが当接されており、接着剤はレンズアレイ部品55の接着部76と第2金属パッド79との間の接着剤充填空間Sにのみ充填されている。これにより、接着剤が第2金属パッド79とレンズアレイ部品55の位置決め部75の間に介在することを防止できる。すなわち、位置決め面75aが回路基板24と当接することにより、発光素子52aと素子側レンズ部65の離間距離が所定量に規定される。さらに、接着剤は接着剤充填空間Sに充填されており、接着剤が熱膨張しても発光素子52aと素子側レンズ部65の離間距離に影響を与えにくい。このため、環境温度変化によっても光結合効率が変動しにくい。
Further, only the
上記のようなレンズアレイ部品55において、発光素子52aからの光信号は、送信用素子側レンズ部65Aから入射して反射面67で反射することで光路が接続側へ変更され、板状部61の延在方向に沿って伝達され、送信用ファイバ側レンズ部62Aから出射し、送信側光ファイバ心線7aに到達する。このような送信側光ファイバ心線7aと、発光素子52aと、送信側光ファイバ心線7aと対向する送信用ファイバ側レンズ部62A(第1レンズ部)と、発光素子52aと対向する送信用素子側レンズ部65A(第2レンズ部)とを含む領域を送信側光学系と称する。
In the
また、受信側光ファイバ心線7bからの光信号は、受信用ファイバ側レンズ部62Bから入射して板状部61の延在方向に沿って伝達され、反射面67で反射することで光路が下方へ変更され、受信用素子側レンズ部65Bから出射し、受光素子52bに到達する。このような受信側光ファイバ心線7bと、受光素子52bと、受信側光ファイバ心線7bと対向する受信用ファイバ側レンズ部62B(第3レンズ部)と、受光素子52bと対向する受信用素子側レンズ部65B(第4レンズ部)とを含む領域を受信側光学系と称する。
これらにより、光ファイバ心線7と受発光素子52との間で、レンズアレイ部品55を介して光信号が伝達される。
Further, the optical signal from the receiving side optical
As a result, an optical signal is transmitted between the optical
次に、レンズアレイ部品55の基板24およびコネクタ部品54に対する取付精度について説明する。より具体的には、レンズアレイ部品55のレンズ部62,65の受発光素子52または光ファイバ心線7の端面に対するずれ量について説明する。
Next, the mounting accuracy of the
まず、送信側光学系におけるレンズ部62A,65Aと、発光素子52aおよび送信側光ファイバ心線7aの端面との間の、光軸に直交する方向の理想取付位置からのずれ量を説明する。
この方向に関するずれ量は、例えば送信用ファイバ側レンズ部62Aに対する送信側光ファイバ心線7aのずれ量が、送信用ファイバ側レンズ部62Aと送信側光ファイバ心線7aとの間の光結合効率が最大効率を示す理想取付位置に対して、この最大効率に対する光結合効率の低下が1dB以下となるように設定されている。さらに、送信用ファイバ側レンズ部62A及び送信用素子側レンズ部65Aを通る送信側の光路では、反射戻り光強度が、発光素子52aと送信側光ファイバ心線7aの光結合効率が最大である場合よりも10dB以上小さくなるように、そのずれ量が設定されている。
First, the amount of deviation from the ideal mounting position in the direction orthogonal to the optical axis between the
The amount of deviation in this direction is, for example, the amount of deviation of the transmission side
まず、後者すなわち反射戻り光強度の観点から説明する。図9は、送信用ファイバ側レンズ部62Aについて、送信用ファイバ側レンズ部62Aの焦点位置62Asから光軸方向にオフセットされた位置に、コア径φが70mmの送信側光ファイバ心線7aの端面が位置された場合の、送信用ファイバ側レンズ部62Aの焦点位置62Asから光軸方向のオフセット量と反射戻り光強度との関係を示すグラフである。横軸はオフセット量[mm]、縦軸は反射戻り光強度[dB]を表す。
オフセット量が0mmであるとき、即ち送信用ファイバ側レンズ部62Aの焦点位置62Asに配置されているときは、発光素子52aと送信側光ファイバ心線7aの光結合効率が最大となる。このオフセット量が0mmであるときに比較して、オフセット量が増大するに従って反射戻り光強度が低下する事が分かる。そしてオフセット量が50μm(0.05mm)以上において、反射戻り光強度は光結合効率が最大である場合よりも10dB以上小さくなる。
First, the latter, that is, from the viewpoint of reflected return light intensity will be described. FIG. 9 shows the end face of the transmission-side
When the offset amount is 0 mm, that is, when the offset amount is disposed at the focal position 62As of the transmitting fiber
図10は送信用ファイバ側レンズ部62Aの焦点位置62Asから光軸方向にオフセットされた位置に、コア径φが70mmの送信側光ファイバ心線7aの端面が位置された場合の、送信用ファイバ側レンズ部62Aの焦点位置62Asから光軸方向のオフセット量と光結合効率との関係を示すグラフである。横軸はオフセット量[mm]、縦軸は光結合効率[dB]を表す。
オフセット量が0mmであるとき、即ち送信側光ファイバ心線7aの端面が送信用ファイバ側レンズ部62Aの焦点位置62Asに配置されているとき、発光素子52aと送信側光ファイバ心線7aの光結合効率が最大である。オフセット量が0mmのときに比較して、オフセット量が増大するに従って光結合効率が低下する。オフセット量が100μm(0.1mm)以下であれば、最大効率に対する光結合効率の低下が1dB以下となる。
FIG. 10 shows a transmission fiber when the end surface of the transmission side
When the offset amount is 0 mm, that is, when the end surface of the transmission side
なお、図11は比較のために示す、コア径φ62.5μmの送信側光ファイバ心線7aを用いた場合の送信用ファイバ側レンズ部62Aの焦点位置62Asから光軸方向のオフセット量[μm]と光結合効率[dB]との関係を示すグラフである。この場合には、オフセット量が100μm(0.1mm)以下であれば、最大効率に対する光結合効率の低下が1dBを超えることがあるから、光ファイバのコア径は70μm(0.07mm)以上であることが好ましい。
FIG. 11 shows, for comparison, an offset amount [μm] in the optical axis direction from the focal position 62As of the transmission fiber
以上より、オフセット量が50μm〜100μmであるとき、反射戻り光強度が発光素子52aと送信側光ファイバ心線7aの光結合効率が最大である場合よりも10dB以上小さくなるとともに、光結合効率が発光素子52aと送信側光ファイバ心線7aの光結合効率が最大である場合に対する光結合効率の低下が1dB以下となり、通信品質が極めて良好となる。
As described above, when the offset amount is 50 μm to 100 μm, the reflected return light intensity is 10 dB or more smaller than the case where the optical coupling efficiency between the light emitting
なお、上記のようなシミュレーションにおいては、発光素子52aおよび送信側光ファイバ心線7aの、レンズアレイ部品55に対する光軸と垂直な平面内方向における位置ずれは考慮されていない。よって、上記のような光学特性を有する光モジュール1を得るためには、光モジュール1を構成するレンズアレイ部品55、光ファイバ心線7及び受発光素子52などを次のように設計すると良い。
In the simulation as described above, the positional deviation of the
送信用ファイバ側レンズ部62Aの開口数をNA1、
送信用素子側レンズ部65Aの開口数をNA2、
レンズアレイ部品55の倍率をM、
発光素子52aの発光面の半径をΦ1、
発光素子52aの実装位置最大誤差をd1、
送信側光ファイバ心線7aのコア径をΦ2、
送信側光ファイバ心線7aの実装位置最大誤差をd2、
としたとき、以下の不等式(1)〜(3)が成立するように設定する。
The numerical aperture of the transmitting fiber
The numerical aperture of the transmitting element
The magnification of the
The radius of the light emitting surface of the
The maximum mounting position error of the
The core diameter of the transmission side optical
The mounting position maximum error of the transmission side
, The following inequalities (1) to (3) are established.
MΦ1<Φ2…(1)
M(d1+Φ1/2)<Φ2/2−d2…(2)
NA1/M<NA2…(3)
MΦ1 <Φ2 (1)
M (d1 + Φ1 / 2) <Φ2 / 2-d2 (2)
NA1 / M <NA2 (3)
上記不等式(1)を満足させれば、発光素子52aから出射した光を送信側光ファイバ心線7aに入射させることができる。上記不等式(2)を満足させれば、発光素子52aおよび送信側光ファイバ心線7aがレンズアレイ部品55に対して最も大きく理想取付位置からずれたとしても、発光素子52aから出射した光を送信側光ファイバ心線7aに入射させることができる。上記不等式(3)を満足させれば、送信用ファイバ側レンズ部62Aの端面に送信用素子側レンズ部65Aからの光を入射させることができる。
以上により、上記の不等式(1)〜(3)を成立させることで、光軸に垂直な平面内方向への位置ずれによる結合損失の発生を抑え、高い光結合効率を有する光モジュール1を実現できる。
If the inequality (1) is satisfied, the light emitted from the
As described above, by establishing the above inequalities (1) to (3), it is possible to suppress the occurrence of coupling loss due to the displacement in the in-plane direction perpendicular to the optical axis, and to realize the
したがって、本実施形態の光モジュールにおいては、第1レンズ部の焦点位置から光軸方向に所定量オフセットされた位置に、送信側光ファイバの先端が位置されているとともに、上記不等式(1)〜(3)が成立するように設定されていることにより、高い光結合効率を有するとともに、反射戻り光による通信品質の劣化を抑制することが可能な光モジュールを実現できる。 Therefore, in the optical module of the present embodiment, the tip of the transmission-side optical fiber is located at a position offset by a predetermined amount in the optical axis direction from the focal position of the first lens unit, and the inequalities (1) to (1) to By setting so that (3) is established, it is possible to realize an optical module that has high optical coupling efficiency and can suppress deterioration in communication quality due to reflected return light.
次に、受信側光学系におけるレンズ部62,65と、受光素子52または光ファイバ心線7の端面との間の関係を説明する。この受信側光学系は、上記の送信側光学系および受信光学系における全体の光結合効率が、最大効率に対する光結合効率の低下が3dB以上6dB以下となるように設定されている。このように受信側光学系において光結合効率を低下させることによって、通信品質を良好に維持するとともに、受光素子の最大受光可能光強度を超過することを確実に防止することができる。
Next, the relationship between the
このような受信側光学系は、受信側光ファイバ心線7bと、受光素子52bと、受信側光ファイバ心線7bと受光素子52bとを光学的に接続する受信用ファイバ側レンズ部62B(第3レンズ部)と受信用素子側レンズ部65B(第4レンズ部)とをさらに備える。
受信用ファイバ側レンズ部62Bは、その焦点位置62Bsに、受信側光ファイバ心線7bの端面が位置するように配置されている。また、受信用素子側レンズ部65Bは、その焦点位置65Bsに、受光素子52bの受光面が位置するように配置されている。
さらに、受信用ファイバ側レンズ部62Bと受信用素子側レンズ部65Bの少なくとも一方は、受信側光ファイバ心線7bから出射された光の一部を光結合させないことにより、受信側光学系において光結合効率を低下させる非球面レンズであることが好ましい。例えば、受信側光ファイバ心線7bと受光素子52bとを光結合する光結合領域をレンズの中央に設け、その外周に受信側光ファイバ心線7bと受光素子52bとを光結合しない非光結合領域を設ければ良い。
Such a receiving-side optical system includes a receiving-side
The receiving fiber
Further, at least one of the receiving fiber
これにより、受信用ファイバ側レンズ部62Bと受信側光ファイバ心線7bは、所定の光結合効率で容易に光接続される。即ち、受信用ファイバ側レンズ部62Bの焦点位置62Bsに受信側光ファイバ心線7bの端面が位置していると、受信側光ファイバ心線7bと受光素子52bが所望の光結合効率で光結合される位置に、レンズアレイ部品55に対して受信側光ファイバ心線7bと受光素子52bとを精度良く配置することができる。このために、送信用ファイバ側レンズ部62Aは、受信用ファイバ側レンズ部62Bに対してファイバ側接続面55aからの突出寸法が大きくされており、送信側光学系において高い光結合効率と反射戻り光の抑制を実現するとともに、受信側光学系において所定の光結合効率が得られる構成が実現されている。
Thereby, the receiving fiber
ところで、光モジュール1において、発光素子52aから送信用素子側レンズ部65Aへ入射して送信用ファイバ側レンズ部62Aから出射した光が、送信側光ファイバ心線7aの端面で反射し、その反射戻り光が発光素子52aからの光と干渉し、発光素子52aからの光の強度が減衰してしまうことがある(反射減衰)また、この反射減衰は発光素子52aと送信用素子側レンズ部65Aとの間のみで生じるものではなく、レンズアレイ部品55と、受発光素子52および光ファイバ心線7の端面との間で生じている。
By the way, in the
このような反射減衰を低減するために、レンズ部のレンズ形状を工夫し、送信側光ファイバ心線7aの端面での反射光を送信用素子側レンズ部65Aへ入射させないことが考えられる。しかしこの場合は、レンズ部が複雑で特殊な形状となり、レンズアレイ部品55の製造コストが嵩んでしまう。
In order to reduce such reflection attenuation, it is conceivable that the lens shape of the lens portion is devised so that the reflected light from the end face of the transmission side optical
これに対して、本実施形態に係る光モジュール1では、反射減衰は光モジュール1の送信側光学系における、発光素子52aと送信側光ファイバ心線7aとの間に生じる反射戻り光に起因することが支配的であることに着目している。例えば、発光素子52aと受光素子52bとの間における反射戻り光は、伝送の過程で減衰されるため、通信品質の劣化に寄与する度合いが小さい。よって、本実施形態においては、ファイバ側接続面55aからの送信用ファイバ側レンズ部62Aの突出寸法を調整することで、反射減衰を改善している。具体的には、送信用ファイバ側レンズ部62A及び送信用素子側レンズ部65Aを通る光路において、反射戻り光強度が、発光素子52aと送信側光ファイバ心線7aの光結合効率が最大である場合よりも10dB以上小さくなるとともに、光結合効率が発光素子52aと送信側光ファイバ7aの光結合効率が最大である場合に対する光結合効率の低下が1dB以下となるように、送信用ファイバ側レンズ部62Aの焦点位置62Asから光軸方向にオフセットされた位置に、送信側光ファイバ心線7aの先端の端面が位置されている。
On the other hand, in the
つまり、本実施形態の光モジュール1によれば、送信用ファイバ側レンズ部62Aの焦点位置62Asが光軸方向にオフセットされている。これにより、送信側光ファイバ心線7aの端面での反射光と発光素子52aからの光信号との干渉を抑制し、反射戻り光による反射減衰量を抑えている。したがって、光路に対して直交する方向の位置ずれを極力小さくして結合損失を抑え、反射減衰量を抑えることができる。また、送信側光学系を焦点位置から光軸方向にオフセットして配置する一方で、受信側光学系は焦点位置に配置するとともに、レンズ形状を非球面形状とすることで所定の光結合効率を得る構成としたことで、各光学部材の搭載が容易となり、製造コストの増大を回避できる。
That is, according to the
なお、送信用ファイバ側レンズ部62Aおよび送信用素子側レンズ部65Aを通る光路において、送信用素子側レンズ部65Aは、その焦点位置65Asに発光素子52aの発光面が位置するように配置されている。上述したように、送信用ファイバ側レンズ部62Aの焦点位置62Asが光軸方向にオフセットされている。これにより、送信側の光路の一方側では光結合損失が若干低下しているので、光路の他方側である送信用素子側レンズ部65Aにおいては、光結合損失が低下しないように設定したものである。これにより、送信側の光路の光結合損失と反射減衰量をともに抑えることができる。
In the optical path passing through the transmission fiber
なお、本実施形態では送信用ファイバ側レンズ部62Aの焦点位置62Asを光軸方向にオフセットした例を挙げて説明したが、送信用ファイバ側レンズ部62Aの焦点位置62Asに送信側光ファイバ心線7aの端面を配置し、送信用素子側レンズ部65Aの焦点位置65Asを光軸方向に発光素子52aの発光面からオフセットするように構成してもよい。
In this embodiment, the example in which the focal position 62As of the transmission fiber
このように、本実施形態における光モジュール1では、送信側の光路においては反射減衰を重視した光学系を設計し、受信側の光路においては結合損失を重視した光学系を設計した、送信側の光路と受信側の光路とを区別したレンズアレイ部品55が採用されている。
As described above, in the
なお、上記の設計に基づく具体的な設計値としては、表1に示す実施例1から実施例3などを例示することができる。 Examples of specific design values based on the above design include Examples 1 to 3 shown in Table 1.
以上、本発明をその実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができることは、当業者にとって明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using the embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and improvements can be made to the above-described embodiment.
例えば、上述の実施形態においてはレンズアレイ部品55から送信用ファイバ側レンズ部62Aを突出させた例を挙げて説明したが、送信用ファイバ側レンズ部62Aをレンズアレイ部品55に凹むように構成してもよい。あるいは、光ファイバ心線7の端面の位置を調節してレンズ部62,65の焦点位置から光軸方向にずらしてもよい。あるいは、基板24の上に段差を設け、発光素子52aの発光面と受光素子52bの受光面とをオフセットさせ、発光素子52aを送信用素子側レンズ部65Aの焦点位置65Asから光軸方向にずらした位置に配置してもよい。
For example, in the above-described embodiment, an example in which the transmission fiber
また、前述の光モジュールは、反射戻り光強度が発光素子と送信側光ファイバの光結合効率が最大である場合よりも10dB以上小さくなるとともに、光結合効率が発光素子と送信側光ファイバの光結合効率が最大である場合に対する光結合効率の低下が1dB以下となるような構成として、第1レンズ部の焦点位置から光軸方向にオフセットされた位置に送信側光ファイバの先端が位置されている場合を説明したが、この他の形態を適用することも可能である。 Further, the above-described optical module has a reflected return light intensity that is 10 dB or more smaller than the case where the light coupling efficiency between the light emitting element and the transmission side optical fiber is maximum, and the light coupling efficiency is the light of the light emitting element and the transmission side optical fiber. As a configuration in which the decrease in optical coupling efficiency with respect to the case where the coupling efficiency is maximum is 1 dB or less, the tip of the transmission-side optical fiber is positioned at a position offset in the optical axis direction from the focal position of the first lens unit. However, other forms can also be applied.
すなわち、第1レンズ部の焦点位置から光軸方向にオフセットされた位置に送信側光ファイバの先端を配置させることなく(即ち、焦点位置に配置した状態で)、送信側光ファイバの端面または第1レンズ部の表面に反射防止処理(Anti-Reflective Coating)を施しても良い。 That is, the end face of the transmission side optical fiber or the first end face of the transmission side optical fiber is not disposed at the position offset in the optical axis direction from the focal position of the first lens unit (that is, in a state of being disposed at the focal position). An anti-reflective coating may be applied to the surface of one lens part.
1:光モジュール、7a:送信側光ファイバ心線(送信側光ファイバ)、7b:受信側光ファイバ心線(受信側光ファイバ)、52a:発光素子、52b:受光素子、62A:送信用ファイバ側レンズ部(第1レンズ部)、62As,62Bs,65As,65Bs:焦点位置、62B:受信用ファイバ側レンズ部(第3レンズ部)、65A:送信用素子側レンズ部(第2レンズ部)、65B:受信用素子側レンズ部(第4レンズ部)、55:レンズアレイ部品(レンズ部品)、55a:ファイバ側接続面、55b:素子側接続面 1: optical module, 7a: transmission side optical fiber (transmission side optical fiber), 7b: reception side optical fiber (reception side optical fiber), 52a: light emitting element, 52b: light receiving element, 62A: transmission fiber Side lens part (first lens part), 62As, 62Bs, 65As, 65Bs: focal position, 62B: reception fiber side lens part (third lens part), 65A: transmission element side lens part (second lens part) , 65B: receiving element side lens part (fourth lens part), 55: lens array component (lens part), 55a: fiber side connection surface, 55b: element side connection surface
Claims (5)
前記発光素子の開口数をNA1、
前記送信側光ファイバの開口数をNA2、
前記送信側光学系の倍率をM、
前記発光素子の発光面の直径をΦ1、前記発光素子の光軸に対して垂直方向の実装位置最大誤差をd1、
前記送信側光ファイバのコア径をΦ2、前記送信側光ファイバの光軸に対して垂直方向の実装位置最大誤差をd2、
としたとき、以下の不等式(1)〜(3)が成立するように設定されており、
反射戻り光強度が前記発光素子と前記送信側光ファイバの光結合効率が最大である場合よりも10dB以上小さくなるとともに、
光結合効率が前記発光素子と前記送信側光ファイバの光結合効率が最大である場合に対する光結合効率の低下が1dB以下となるように、前記第1レンズ部の焦点位置から前記光軸方向にオフセットされた位置に前記送信側光ファイバの先端が位置されており、
前記第3レンズ部は、その焦点位置に前記受信側光ファイバが位置するように配置され、
前記第4レンズ部は、その焦点位置に前記受光素子が位置するように配置され、
前記送信側光学系および前記受信光学系における全体の光結合効率が、最大効率に対する光結合効率の低下が3dB以上6dB以下となるように、前記第3レンズ部と前記第4レンズ部の少なくとも一方は非球面レンズで構成されている、光モジュール。
MΦ1<Φ2…(1)
M(d1+1/2・Φ1)<1/2・Φ2−d2…(2)
NA1/M<NA2…(3) A transmission-side optical system including a transmission-side optical fiber, a light- emitting element, a first lens unit facing the transmission-side optical fiber, and a second lens unit facing the light-emitting element ; a reception-side optical fiber; A light-emitting element and a transmission-side optical fiber , each including: an element; a third lens portion facing the reception-side optical fiber; and a reception-side optical system including a fourth lens portion facing the light-receiving element . And in an optical module comprising a lens component for optically connecting the light receiving element and the receiving side optical fiber ,
The numerical aperture of the light emitting element is NA1,
The numerical aperture of the transmission side optical fiber is NA2,
The magnification of the transmission side optical system is M,
The diameter of the light emitting surface of the light emitting element .phi.1, the mounting position maximum error in a direction perpendicular to the optical axis of the light emitting element d1,
The core diameter of the transmission side optical fiber is Φ2, the mounting position maximum error in the direction perpendicular to the optical axis of the transmission side optical fiber is d2,
Is set so that the following inequalities (1) to (3) hold:
The reflected return light intensity is 10 dB or more smaller than the case where the optical coupling efficiency between the light emitting element and the transmission side optical fiber is maximum,
In so that decrease Do less 1dB optical coupling efficiency with respect to the case where the optical coupling efficiency is an optical coupling efficiency is maximum of the transmission optical fiber and the light emitting element, the optical axis direction from the focal position of the first lens unit The tip of the transmission side optical fiber is located at a position offset to
The third lens unit is disposed such that the receiving-side optical fiber is positioned at a focal position thereof,
The fourth lens unit is arranged such that the light receiving element is positioned at a focal position thereof,
At least one of the third lens unit and the fourth lens unit so that the total optical coupling efficiency in the transmission side optical system and the reception optical system is 3 dB or more and 6 dB or less with respect to the maximum optical coupling efficiency. Is an optical module composed of aspherical lenses .
MΦ1 <Φ2 (1)
M (d1 + 1/2 · Φ1 ) < 1/2 · Φ2 − d2 (2)
NA1 / M <NA2 (3)
前記位置決め部が、基板上に搭載された前記発光素子と前記第2レンズ部とを所定長さ離間させるように、前記位置決め面が前記基板と当接した状態で前記基板に固定されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光モジュール。 The lens component further includes a positioning portion including a positioning surface,
The positioning portion is fixed to the substrate in a state where the positioning surface is in contact with the substrate so that the light emitting element mounted on the substrate and the second lens portion are separated by a predetermined length. The optical module according to claim 1 or 2 .
前記位置決め部は前記位置決め面の外周に接着剤充填空間を有し、前記接着剤充填空間に充填された前記接着剤によって前記レンズ部品が前記基板に固定されていることを特徴とする請求項3に記載の光モジュール。 In the lens component, the positioning portion is fixed to the substrate with an adhesive,
The positioning portion has an adhesive filling space on the outer periphery of the positioning surface, according to claim 3, wherein the lens component by the adhesive filled in the adhesive filling space, characterized in that it is fixed to the substrate The optical module as described in.
前記第2レンズ部と前記第4レンズ部は、素子側接続面上に形成され、
前記第3レンズ部は、その焦点位置に前記受信側光ファイバが位置するように配置され、
前記第4レンズ部は、その焦点位置に前記受光素子が位置するように配置され、
前記第2レンズ部はその焦点位置に、前記発光素子が位置するように配置され、
前記第1レンズ部は前記第3レンズ部に対して光軸方向にオフセットされた位置に配置されている、請求項1に記載の光モジュール。 The first lens portion and the third lens portion are formed on a fiber side connection surface,
The second lens portion and the fourth lens portion are formed on the element side connection surface,
The third lens unit is disposed such that the receiving-side optical fiber is positioned at a focal position thereof,
The fourth lens unit is arranged such that the light receiving element is positioned at a focal position thereof,
The second lens unit is disposed so that the light emitting element is positioned at a focal position thereof,
The optical module according to claim 1 , wherein the first lens unit is disposed at a position offset in the optical axis direction with respect to the third lens unit.
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