JP5861753B2

JP5861753B2 - 光モジュール

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Publication number: JP5861753B2
Application number: JP2014172650A
Authority: JP
Inventors: 道子春本; 大佐々木
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2032-02-20
Also published as: JP2015007799A

Description

本発明は、レンズ部品を備えた光モジュールに関する。

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）。

特許第４８０５６５７号公報特開２００９−１６３２１２号公報

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本実施形態に係るレンズアレイ部品を備えた光モジュールを示す斜視図である。樹脂ハウジングを外した状態を示す斜視図である。ハウジングを外した状態を示す斜視図である。（ａ）は図３に示す基板を上から見た図であり、（ｂ）は図３に示す基板を横から見た図である。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とコネクタ部品の平面図である。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の幅方向に沿う断面図である。本実施形態に係る光モジュールを構成する図５のレンズアレイ部品とコネクタ部品のＡ−Ａ断面図である。本実施形態に係る光モジュールを構成する図５のレンズアレイ部品とコネクタ部品のＢ−Ｂ断面図である。送信側ファイバ側レンズ部の焦点位置から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。送信側ファイバ側レンズ部の焦点位置から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。送信側ファイバ側レンズ部の焦点位置から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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims

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光学的に接続された第１レンズ部と、前記発光素子と光学的に接続された第２レンズ部とを含む送信側光学系と、
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光学的に接続された第３レンズ部と、前記受光素子と光学的に接続された第４レンズ部とを含む受信側光学系と、
前記第１レンズ部と前記第２レンズ部、および、前記第３レンズ部と前記第４レンズ部とを光学的に接続する反射面と、を備えた光モジュールであって、
前記送信側光ファイバと前記受信側光ファイバとを含む光ケーブルの一方の端部と他方の端部とに、同一の構成の前記光モジュールが取り付けられており、前記送信側光ファイバの端面が前記第１レンズ部の焦点位置に配置され、かつ、前記発光素子の発光面が前記第２レンズ部の焦点位置に配置される場合が、光結合効率が最大の場合であり、
前記発光素子の発光面は、前記第２レンズ部の焦点位置に配置され、
前記送信側光ファイバの端面は、前記第１レンズ部の焦点位置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おり、
前記送信側光ファイバの端面および前記受信側光ファイバの端面は、光軸方向において同じ位置に配置されており、
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おり、
前記送信側光学系における光結合効率が、前記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以下であり、
前記送信側光学系における反射戻り光強度が、前記光結合効率が最大である場合に対して１０ｄＢ以上小さく、
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、前記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３ｄＢ以上６ｄＢ以下である、光モジュール。
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光学的に接続された第１レンズ部と、前記発光素子と光学的に接続された第２レンズ部とを含む送信側光学系と、
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光学的に接続された第３レンズ部と、前記受光素子と光学的に接続された第４レンズ部とを含む受信側光学系と、
前記第１レンズ部と前記第２レンズ部、および、前記第３レンズ部と前記第４レンズ部とを光学的に接続する反射面と、を備えた光モジュールであって、
前記送信側光ファイバと前記受信側光ファイバとを含む光ケーブルの一方の端部と他方の端部とに、同一の構成の前記光モジュールが取り付けられており、前記送信側光ファイバの端面が前記第１レンズ部の焦点位置に配置され、かつ、前記発光素子の発光面が前記第２レンズ部の焦点位置に配置される場合が、光結合効率が最大の場合であり、
前記発光素子の発光面は、前記第２レンズ部の焦点位置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おり、
前記送信側光ファイバの端面は、前記第１レンズ部の焦点位置に配置されており、
前記第２レンズ部および前記第４レンズ部は、光軸方向において同じ位置に配置されており、
前記発光素子の発光面は前記受光素子の受光面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おり、
前記送信側光学系における光結合効率が、前記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以下であり、
前記送信側光学系における反射戻り光強度が、前記光結合効率が最大である場合に対して１０ｄＢ以上小さく、
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、前記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３ｄＢ以上６ｄＢ以下である、光モジュール。
前記受信側光ファイバの端面は、前記第３レンズ部の焦点位置に配置され、
前記受光素子の受光面は、前記第４レンズ部の焦点位置に配置され、
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、光結合効率を低下させる非球面レンズで構成されている、請求項１または２に記載の光モジュール。