JP5749592B2 - 光レセプタクルおよびこれを備えた光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光レセプタクルおよびこれを備えた光モジュールに係り、特に、光ファイバの端部と光電変換装置の受光素子とを光学的に結合するのに好適な光レセプタクルおよびこれを備えた光モジュールに関する。

従来から、光ファイバを用いた光通信には、光レセプタクルと称される光モジュール部品が用いられており、この光レセプタクルは、筒状のフェルール内に保持された光ファイバの端部がフェルールとともに挿入されて固定され、かつ、光電変換素子を有する光電変換装置が取り付けられるようになっている。そして、このようにして光電変換装置および光ファイバが組み付けられた光レセプタクルは、光電変換素子と光ファイバの端部とを光学的に結合するようになっていた。

ここで、図７は、この種の光レセプタクル１の一例を示したものであり、この光レセプタクル１は、例えば、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）またはＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）等の透光性の樹脂材料を射出成形することによって一体的に形成されている。

図７に示すように、光レセプタクル１は、長手方向におけるほぼ中央位置に、レンズ２を有しており、このレンズ２は、これの光軸ＯＡ方向における一方（図７における下方）の第１の面２ａが凸面、光軸ＯＡ方向における他方（図７における上方）の第２の面２ｂが光軸ＯＡに直交する平面とされた平凸レンズに形成されている。なお、図示はしないが、レンズ２の各面２ａ、２ｂは、光軸ＯＡ方向から見た場合に、光軸ＯＡを中心とした円形状を呈するようになっており、第１の面２ａは、第２の面２ｂよりも大径とされている。

また、図７に示すように、光レセプタクル１は、第１の面２ａに対する径方向における外側位置から光軸ＯＡ方向における一方（図７における下方）に向かって延在された光電変換装置取付部３を有している。この光電変換装置取付部３は、内周面が光軸ＯＡと同心の略円筒面とされた筒状に形成されている。

さらに、図７に示すように、光レセプタクル１は、第２の面２ｂに対する径方向における外側位置から光軸ＯＡ方向における光電変換装置取付部３と反対の方向に向かって延在された光ファイバ取付部５を有している。この光ファイバ取付部５は、内周面が光軸ＯＡと同心の略円筒面とされた筒状に形成されている。

次に、図８は、このような光レセプタクル１を備えた光モジュールの一例として、光受信用の光モジュール７を示したものである。

すなわち、図８に示すように、光モジュール７は、光レセプタクル１の光電変換装置取付部３に、光受信機能を備えたＣＡＮパッケージ型の光電変換装置８が取り付けられている。ここで、図８に示すように、光電変換装置８は、円板状のステム９、これに搭載されたフォトディテクタ（ＰＤ）等の受光素子１０、この受光素子１０を覆って気密に封止するための頂部に窓部１１ａを有するキャップ１１および受光素子１０の受光結果（光電変換）に応じた電気信号が流れるリード１２等によって構成されている。また、光電変換装置８の取り付けは、光電変換装置８における受光素子１０側の所定範囲の部位を光電変換装置取付部３の内側に挿入させた状態で、光電変換装置８と光電変換装置取付部３との間に配置された接着剤１３を硬化させること（接着）によって行われている。接着剤１３としては、熱硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂が用いられる。

また、図８に示すように、光モジュール７は、光ファイバ取付部５に、長尺な光ファイバ１５における端部（端面）１５ａ側の所定長さの部位が、これを保持するフェルール１７とともに着脱可能に取り付けられている。光ファイバ１５の端部１５ａは、光ファイバ取付部５への取り付け状態において、空気層を隔ててレンズ２の第２の面２ｂに臨んでいる。

このような光受信用の光モジュール７においては、半導体レーザ（ＬＤ）等の送信側のデバイスから送信された送信情報を含む光が、光ファイバ１５を介して伝送されて、光ファイバ１５の端部１５ａからレンズ２に向けて出射される。そして、このレンズ２に向けて出射された光は、レンズ２において収束されて光電変換装置８に向けて出射された後に、光電変換装置８の受光素子１０によって受光される。このようにして、光ファイバ１５の端部１５ａと受光素子１０とが光学的に結合される。

ところで、このような光受信用の光モジュール７においては、光ファイバ１５の端部１５ａから出射された光が、レンズ２の第２の面２ｂ（平面）においてフレネル反射されることによって、光ファイバ１５の端部１５ａに戻り光として戻って（入射して）しまうことが問題となっていた。このような戻り光は、光ファイバ１５を介してノイズとなって送信側のデバイスの光出力特性に悪影響を与える虞があった。

そこで、このような問題を低減すべく、これまでにも、例えば、特許文献１に示すような提案がなされていた。

すなわち、特許文献１においては、スリーブに形成された平面状の光学面を受光素子の受光面に対して４〜１２°傾斜させることによって、光学面と空気層との界面におけるフネレル反射による反射光が戻り光として光ファイバの端部に入射することを抑制することが提案されている。

特開２００６−９８７６３号公報（図２、図３）

ところで、この種の光モジュールには、今後、更なる光通信の高速化に対応することが求められており、このような要求に応えるためには、光送信用のデバイスから光ファイバを介して高速で伝送された光を、受光素子において遅滞なく高速で受信することが必要となる。そして、このような高速の光受信に対応した受光素子は、応答速度を速く（受光面における光信号の受光からこの光信号の電気信号への変換までの所要時間を短く）するために、受光面積を小さくすることが求められる。

しかるに、特許文献１に記載の構成は、戻り光の低減のみを意識したものであるため、光受信の高速化に対応すべく受光素子の受光面積を小さくする場合には、温度変化にともなう光学性能の劣化が顕著となる虞があるといった問題が生じていた。すなわち、温度変化によって光レセプタクルの変形（線膨脹）が生じた場合には、これにともなって光レセプタクルを透過する光の光路が変化するため、この変化を加味しない構成では、光ファイバの端部からの出射光を光レセプタクルを透過させた後に受光面積が小さい受光素子に適正に結合させることが困難であった。

そこで、本発明は、このような問題点に鑑みなされたものであり、戻り光を有効に低減することができるとともに、光受信の高速化に対応しつつ温度変化に対する光学安定性を確保することができる光レセプタクルおよびこれを備えた光モジュールを提供することを目的とするものである。

前述した目的を達成するために、本発明の請求項１に係る光レセプタクルの特徴は、光ファイバの端部を取り付けるための筒状の光ファイバ取付部と、受光素子を有する光電変換装置を取り付けるための筒状の光電変換装置取付部と、前記光ファイバの端部と前記受光素子とを光学的に結合するためのレンズとを備えた光レセプタクルにおいて、前記レンズにおける前記光ファイバの端部に臨む面が、前記レンズの光軸に直交する仮想平面に対して１４〜１６°の傾斜角を有する平面に形成されている点にある。

そして、この請求項１に係る発明によれば、光ファイバの端部から出射された光がレンズにおける光ファイバの端部に臨む面において反射されたとしても、この反射された光が戻り光として光ファイバの端部に入射することを抑制することができ、かつ、温度変化にかかわらず、光ファイバの端部から出射された光をレンズによって受光素子に適正に結合させることができる。

また、請求項２に係る光レセプタクルの特徴は、請求項１において、更に、樹脂材料によって一体的に形成されている点にある。

そして、この請求項２に係る発明によれば、光レセプタクルを金型を用いた樹脂成形によって安価に得ることができ、また、温度変化にともなう変形量（線膨脹係数）が大きい樹脂材料を適用することによって、温度変化にともなう光学性能の劣化を低減する意義がより大きなものとなる。

さらに、請求項３に係る光レセプタクルの特徴は、請求項１または２において、更に、前記レンズの倍率として、１．５倍の高倍率に対して１倍の低倍率を選択可能とされている点にある。

そして、この請求項３に係る発明によれば、高倍率のレンズに比較して温度変化にともなう光学性能の劣化が大きい傾向にある低倍率のレンズを選択する場合においても、温度変化にともなう光学性能の劣化を十分に低減することができるので、レンズの倍率を選択する際に、低倍率側において大きな制約が課されることがなく、設計の自由度を向上させることができる。

さらにまた、請求項４に係る光モジュールの特徴は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光レセプタクルと、請求項１に記載の光電変換装置と、請求項１に記載の光ファイバとを備え、前記光電変換装置における受光素子は、２５Ｇｂｐｓ以上の高速光受信に対応する円形受光面の受光面積がφ３０μｍ以下に形成されている点にある。

そして、この請求項４に係る光モジュールによれば、戻り光を有効に低減することができるとともに、受光面積が小さい受光素子を採用することによって光受信の高速化に対応しつつ、温度変化に対する光学安定性を確保することができる。

本発明によれば、戻り光を有効に低減することができるとともに、光受信の高速化に対応しつつ温度変化に対する光学安定性を確保することができる。

本発明に係る光レセプタクルおよび光モジュールの実施形態を示す縦断面図 第１のシミュレーションの結果として、低倍率のレンズを用いつつ、２５Ｇｂｐｓ高速光受信向けの受光面積が小さい受光素子と、従来の１０Ｇｂｐｓ光受信向けの受光面積が比較的大きい受光素子とのそれぞれを対象として、温度変化にともなう光結合効率の劣化特性をレンズの第２の面の傾斜角ごとにシミュレーションした結果を示すグラフ 第２のシミュレーションの結果として、レンズの第２の面の傾斜角に対する戻り光の光量の特性をシミュレーションした結果を示すグラフ 第３のシミュレーションの結果として、高倍率のレンズを用いつつ、２５Ｇｂｐｓ高速光受信向けの受光素子と、従来の１０Ｇｂｐｓ光受信向けの受光素子とのそれぞれを対象として、温度変化にともなう光結合効率の劣化特性をレンズの第２の面の傾斜角ごとにシミュレーションした結果を示すグラフ 第４のシミュレーションの結果として、低倍率のレンズおよび高倍率のレンズをそれぞれ用いつつ、２５Ｇｂｐｓ高速光受信向けの受光素子を対象として、温度変化にともなう光結合効率の劣化特性をレンズの第２の面の傾斜角ごとにシミュレーションした結果を示すグラフ 本発明の変形例を示す構成図 従来の光レセプタクルの一例を示す縦断面図 図７の光レセプタクルを備えた光モジュールを示す縦断面図

以下、本発明に係る光レセプタクルおよび光モジュールの実施形態について、従来との相違点を中心として、図１〜図６を参照して説明する。

なお、従来と基本的構成が同一もしくはこれに類する箇所については、同一の符号を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態における光レセプタクル１’は、従来の光レセプタクル１と同様に、レンズ２’、光電変換装置取付部３および光ファイバ取付部５の各構成部によって構成されており、各構成部２’、３、５は、金型を用いた樹脂材料の射出成形によって一体成形されている。

本実施形態における光レセプタクル１’の従来との相違点は、レンズ２’の第２の面２ｂ’（光ファイバ１５の端部１５ａに臨む面）の構成にある。

すなわち、図１に示すように、本実施形態において、レンズ２’の第２の面２ｂ’は、従来のような光軸ＯＡに直交する平面ではなく、光軸ＯＡに直交する仮想平面Ｓに対して１４〜１６°（１４°以上かつ１６°以下）の角度範囲における所定の傾斜角を有する平面に形成されている。ただし、本実施形態においても、第２の面２ｂ’は、その中心が光軸ＯＡ上に位置されていてもよい。

また、本実施形態における光モジュール７’の従来との相違点は、前述した光レセプタクル１’の構成の相違点に加えて、更に、受光素子１０’の受光面積が、従来の受光素子１０よりも小さく形成されている点にある。受光面積としては、２５Ｇｂｐｓ以上の高速光受信に対応させる場合には、円形受光面の場合に、φ３０μｍ以下にすることが望ましい。また、受光素子１０’は、設定された温度（例えば、常温）下において受光面の中心がレンズ２’の集光点（焦点）に合致するような設計にしたがった位置合わせが行われていてもよい。この場合に、受光面の中心の位置は、レンズ２’の光軸ＯＡ上から光軸ＯＡに直交する方向にずれていてもよい。

そして、このような構成によれば、レンズ２’の第２の面２ｂ’に最適な角度範囲内の傾斜角を付与したことにより、光ファイバ１５の端部１５ａから出射された光が第２の面２ｂ’においてフレネル反射されたとしても、この反射された光が戻り光として光ファイバ１５の端部１５ａに入射することを抑制することができる。さらに、このような構成によれば、温度変化にかかわらず、光ファイバ１５の端部１５ａから出射された光をレンズ２’によって受光面積が小さい受光素子１０’に適正に結合させることができる。特に、本実施形態のように、光レセプタクル１’を線膨脹係数が大きい樹脂材料によって形成する場合には、温度変化にともなう光学性能の劣化を低減する意義は大きい。

また、本実施形態においては、レンズ２’の倍率として、所定の低倍率を選択することができる。低倍率としては、例えば、１倍を採用することができる。すなわち、本実施形態によれば、高倍率のレンズ（例えば、１．５倍）に比較して温度変化にともなう光学性能の劣化が大きい傾向にある低倍率（例えば、１倍）のレンズを選択する場合においても、光学性能の劣化を十分に低減することができるので、レンズの倍率に対して低倍率側において大きな制約が課されることがなく、レンズを含めたモジュール設計の自由度を広げることができる。

次に、本実施例においては、本発明の光レセプタクル１’および光モジュール７’の光学特性を評価するための各種のシミュレーションを行った。

（第１のシミュレーション）
すなわち、まず、第１のシミュレーションにおいては、倍率１．０の低倍率のレンズを用いる場合に、２５Ｇｂｐｓ高速光受信向けの受光面積φ３０μｍの受光素子と、従来の１０Ｇｂｐｓ光受信向けの受光面積φ５０μｍの受光素子とのそれぞれに対して、温度変化にともなって光ファイバ−受光素子間の光結合効率がどのような劣化特性を示すのかを、レンズの第２の面の傾斜角ごとにシミュレーションした。ただし、本シミュレーションにおいては、光ファイバをシングルモード方式の光ファイバとし、また、光ファイバ−受光素子間の光学的な結合に使用する使用光を波長１５５０ｎｍの光とし、さらに、光レセプタクルをＰＥＩ製のものとした。また、本シミュレーションにおいては、レンズの第２の面の角度を、光軸ＯＡに直交する平面を基準（０°）として０〜３０°の角度範囲内において所定角度ずつ変化させる過程で、各角度ごとに、温度を−４０〜８５℃まで変化させた場合に示される光結合効率の最大値と最小値との差を、角度に対応した光結合効率の損失量としてグラフにプロットした。

このような第１のシミュレーションの結果を図２に示す。なお、図２において、縦軸は、温度変化にともなう光結合効率の損失量（ｄＢ）であり、横軸は、レンズの第２の面の角度（°）である。ここで、図２において、２５Ｇｂｐｓ高速光受信向けの受光素子に対する特性（■プロットの実線グラフ）のうち、角度（横軸）が１４〜１６°の範囲の特性（一点鎖線枠内）が、本発明の構成に該当する特性である。図２に示すように、本発明の構成によれば、温度変化が生じた場合であっても、２５Ｇｂｐｓの高速光受信向けの受光素子に対する光結合効率の落ち込みを、レンズの第２の面の角度が本発明の角度範囲（１４〜１６°）を逸脱する場合の多くの構成に比べて小さく抑えられることが分かる。具体的には、本発明の構成においては、温度変化時の光結合効率の損失量が−０．１３ｄＢであり、この値は、１０Ｇｂｐｓ光受信向けの受光素子に対する特性（▲プロットの破線グラフ）において示される損失量と比べても遜色がない十分に小さい損失量である。この程度の損失量であれば、実使用に十分に耐えることができ、良好な光結合効率を実現することができる。これに対して、特許文献１において規定された角度範囲（４〜１２°）においては、温度変化にともなう光結合効率の落ち込みが大きくなり、とりわけ、レンズの第２の面の角度が５°の場合には、光結合効率の損失量が−０．３２ｄＢと最大値を示した。なお、０〜２°付近の角度範囲においては、本発明の構成よりも光結合効率の落ち込みは小さくなるが、この角度範囲は、次の第２のシミュレーションの結果に示すように、戻り光の低減の観点から好ましくない角度範囲である。

このような第１のシミュレーションの結果によれば、本発明のようにレンズの第２の面の角度を１４〜１６°にすれば、低倍率のレンズを採用した場合において、２５Ｇｂｐｓの高速光受信に対応しつつ、温度変化にともなう光学安定性を確保できることが分かる。

（第２のシミュレーション）
次に、第２のシミュレーションにおいては、レンズの第２の面の角度に対して、戻り光の光量がどのような特性を示すのかをシミュレーションした。本シミュレーションに用いた光ファイバの種類および使用光の波長は、第１のシミュレーションと同様である。また、本シミュレーションにおいては、光ファイバの端部から出射された光がレンズの第２の面において１００％の反射率で反射されると仮定した。

このような第２のシミュレーションの結果を図３に示す。なお、図３において、縦軸は、戻り光の光量（ｄＢ）であり、横軸は、レンズの光軸ＯＡに直交する平面を基準（０°）としたレンズの第２の面の角度である。ここで、図２の場合と同様に、図３において、角度が１４〜１６°の範囲の特性（一点鎖線枠内）が、本発明の構成に該当する特性である。図３に示すように、本発明の構成によれば、戻り光の光量をほぼ−３６ｄＢ〜−４０ｄＢの範囲内の値に低減できることが分かる。この値は、ノイズとしては実使用上問題がなく、仮に、製造誤差によって値が微増した場合であっても許容し得る程度に十分に小さい値である。これに対して、特許文献１において規定された角度範囲（４〜１２°）においては、戻り光の光量がほぼ−２０ｄＢ〜−３６ｄＢの範囲内となり、本発明の構成よりもノイズの低減効果は少ないと言える。なお、特許文献１において平面状の光学面の角度範囲の上限を１２°と規定している理由は、１２°よりも大きい角度においては、光ファイバの端部から出射されて受光素子に向かう光が光学面で大きく屈折されることによって、受光素子側での集光点が光軸上から光軸に直交する方向にずれる点にある。この点について、本発明においては、モジュール化の際（組立時）に、設計にしたがって受光素子の光軸に対する直交方向へのオフセット設定を行うこともできるので、特許文献１において指摘する問題は未然に回避することができる。

このような第２のシミュレーションの結果によれば、本発明のようにレンズの第２の面の角度を１４〜１６°にすれば、戻り光を十分に低減できることが分かる。

（第３のシミュレーション）
次に、第３のシミュレーションにおいては、倍率１．５の高倍率のレンズを用いる場合に、２５Ｇｂｐｓ高速光受信向けの受光面積φ３０μｍの受光素子と、従来の１０Ｇｂｐｓ光受信向けの受光面積φ５０μｍの受光素子とのそれぞれに対して、温度変化にともなって光ファイバ−受光素子間の光結合効率がどのような劣化特性を示すのかを、レンズの第２の面の傾斜角ごとにシミュレーションした。ただし、本シミュレーションにおいて、光ファイバの種類、使用光の波長、光レセプタクルの形成材料、レンズの第２の面の角度範囲、温度変化の範囲および光結合効率の損失量の算出方法の各条件は、第１のシミュレーションと同様である。

このような第３のシミュレーションの結果を図４に示す。なお、図４のグラフの概要は、図２と同様であり、図４において、２５Ｇｂｐｓ高速光受信向けの受光素子に対する特性（◆プロットの実線グラフ）のうち、角度（横軸）が１４〜１６°の範囲の特性（一点鎖線枠内）が、本発明の構成に該当する特性である。図４に示すように、本発明の構成によれば、温度変化が生じた場合であっても、２５Ｇｂｐｓの高速光受信向けの受光素子に対する光結合効率の落ち込みを、レンズの第２の面の角度が本発明の角度範囲（１４〜１６°）を逸脱する場合の多くの構成に比べて小さく抑えられることが分かる。具体的には、本発明の構成においては、温度変化時の光結合効率の損失量が最大で約−０．０９ｄＢであり、この値は、低倍率レンズを用いた本発明の構成の場合（図２の場合）よりも小さい損失量である。これに対して、特許文献１において規定された角度範囲（４〜１２°）においては、温度変化にともなう光結合効率の落ち込みが大きくなり、とりわけ、レンズの第２の面の角度が５°の場合には、光結合効率の損失量が−０．２７５ｄＢと最大値を示した。

このような第３のシミュレーションの結果によれば、本発明のようにレンズの第２の面の角度を１４〜１６°にすれば、高倍率のレンズを採用した場合においても、２５Ｇｂｐｓの高速光受信に対応しつつ、温度変化にともなう光学安定性を確保できることが分かる。

（第４のシミュレーション）
次に、第４のシミュレーションにおいては、倍率１．０の低倍率のレンズおよび倍率１．５の高倍率のレンズを用いる場合に、それぞれ、２５Ｇｂｐｓ高速光受信向けの受光面積φ３０μｍの受光素子に対して、温度変化にともなって光ファイバ−受光素子間の光結合効率がどのような劣化特性を示すのかを、レンズの第２の面の傾斜角ごとにシミュレーションした。

本シミュレーションの結果は、図２に示した高速光受信向けの受光素子に対する特性と、図４に示した高速光受信向けの受光素子に対する特性とを比較したものに相当する。すなわち、本シミュレーションの結果は、図５に示すものである。図５に示すように、低倍率のレンズを適用する場合には、高倍率のレンズを適用する場合に比べて温度変化にともなう光結合効率の落ち込みが大きくなることが分かる。本発明においては、このような落ち込みが大きな低倍率のレンズを適用する場合においても、レンズの第２の面に最適な角度範囲を付与することによって、光結合効率の劣化を十分に低減することができる。

このような第４のシミュレーションの結果によれば、本発明のようにレンズの第２の面の角度を１４〜１６°にすれば、レンズの倍率として高倍率および低倍率のいずれを選択してもよく、設計の自由度を広げられることが分かる。

以上述べたように、本発明によれば、レンズ２の第２の面２ｂを１４〜１６°の傾斜平面に形成するといった簡便な設計により、戻り光を有効に低減することができるとともに、光受信の高速化に対応しつつ温度変化に対する光学安定性を確保することができる。また、第２の面２ｂに戻り光低減用の反射防止（ＡＲ）コートを形成する場合に比べて、部品点数およびコストを削減することができる。

なお、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限度において種々変更することができる。

例えば、レンズ２の第１の面２ａは、球面であってもよいし、または、非球面であってもよい。

また、図６に示すように、ＣＡＮパッケージ型の光電変換装置８に代わり、半導体基板２０上に受光素子１０’が実装された基板実装型の光電変換装置８’を採用してもよい。

さらに、本発明は、シングルモード光ファイバだけでなく、マルチモード光ファイバにも有効に適用することができる。

１’ 光レセプタクル
２’ レンズ
２ｂ’ 第２の面
３ 光電変換装置取付部
５ 光ファイバ取付部
８ 光電変換装置
１０’ 受光素子
１５ 光ファイバ
１５ａ 端部

Claims (4)

1. 光ファイバの端部を取り付けるための筒状の光ファイバ取付部と、
   受光素子を有する光電変換装置を取り付けるための筒状の光電変換装置取付部と、
   前記光ファイバの端部と前記受光素子とを光学的に結合するためのレンズと
   を備えた光レセプタクルにおいて、
   前記レンズにおける前記光ファイバの端部に臨む面が、前記レンズの光軸に直交する仮想平面に対して１４〜１６°の傾斜角を有する平面に形成されていること
   を特徴とする光レセプタクル。
2. 樹脂材料によって一体的に形成されていること
   を特徴とする請求項１に記載の光レセプタクル。
3. 前記レンズの倍率として、１．５倍の高倍率に対して１倍の低倍率を選択可能とされていること
   を特徴とする請求項１または２に記載の光レセプタクル。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光レセプタクルと、
   請求項１に記載の光電変換装置と、
   請求項１に記載の光ファイバと
   を備え、
   前記光電変換装置における受光素子は、２５Ｇｂｐｓ以上の高速光受信に対応する円形受光面の受光面積がφ３０μｍ以下に形成されていること
   を特徴とする光モジュール。

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