JP5896136B2 - 光レセプタクルおよびこれを備えた光モジュール - Google Patents

光レセプタクルおよびこれを備えた光モジュール Download PDF

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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、発光素子と光伝送体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、面発光レーザ(例えば、VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)等の発光素子を備えた光モジュールが用いられていた。
この種の光モジュールには、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、発光素子から出射された通信情報を含む光を光ファイバの端面に結合させることによって、光ファイバを介した光送信に用いられるようになっていた。
また、従来から、光モジュールにおいては、温度変化に対する発光素子の出力特性の安定化や光出力の調整を目的として、発光素子から出射された光(強度や光量)をモニタ(監視)するための種々の提案がなされていた。
例えば、特許文献1においては、レンズアレイ本体の凹部内に反射/透過層を配置し、この反射/透過層によって、発光素子の光を光ファイバに結合すべき結合光とモニタ光とに分割するレンズアレイの発明が提案されている。
特開2011−133807
特許文献1に記載の発明おいては、モニタ光を反射/透過層における反射によって得るとともに、モニタ光と結合光との光量比の調整を、反射/透過層を構成する金属単層膜または誘電体多層膜の材質や厚みの選択によって行うようになっていた。
これに対して、本発明者は、特許文献1に記載の発明よりも少ない部品点数によるモニタ光の取得およびモニタ光と結合光との光量比の調整を実現するとともに、光路のレイアウトの自由度を確保すべく鋭意研究を行い、本発明をなすに至った。
本発明は、このような点に鑑みなされたものであり、モニタをともなう光送信を簡易な構成によって実現するとともに、光路のレイアウトの自由度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、本発明の請求項1に係る光レセプタクルの特徴は、発光素子およびこの発光素子から発光された光をモニタするためのモニタ光を受光する受光素子を有する光電変換装置と、光伝送体との間に配置された状態で、前記発光素子と前記光伝送体とを光学的に結合可能とされた光レセプタクルであって、前記発光素子からの前記光の入射および前記受光素子に向けた前記モニタ光の出射が行われる光レセプタクル本体における前記光電変換装置側の第1の面と、この第1の面と反対側の前記光レセプタクル本体における第2の面上に、前記第1の面に入射した前記発光素子の前記光が内部入射するように配置され、内部入射した前記発光素子の光を、全反射を利用して前記モニタ光と前記光伝送体に結合すべき結合光とに分割する光分割面と、前記第2の面上における前記光分割面に対する前記モニタ光および前記結合光の全反射方向側の位置に凹設された凹部の内斜面によって形成され、前記光分割面側から入射した前記モニタ光を前記第1の面における前記受光素子に対応する位置に向けて反射させるモニタ光反射面と、前記凹部における前記モニタ光反射面よりも前記第2の面側の部位を通過した前記結合光が、前記光伝送体に向けて出射される前記光レセプタクル本体における前記光伝送体側の第3の面とを備え、前記光分割面は、前記第1の面に対して角度α〔°〕の傾斜角を有する第1の仮想基準平面から前記第1の面と反対側に膨出するように形成された第1の曲面と、この第1の曲面に連接されるとともに、前記第1の面に対して角度β〔°〕の傾斜角を有する第2の仮想基準平面から前記第1の面と反対側に膨出するように形成された第2の曲面とを有し、αおよびβは、次の(1)に示す条件式、α>β>臨界角・・・(1)を満足し、前記発光素子の光における一部の光は、前記第1の曲面に前記臨界角よりも大きい入射角で内部入射して前記結合光として全反射され、前記発光素子の光における前記一部の光以外の他の一部の光は、前記第2の曲面に、前記臨界角よりも大きくかつ前記第1の曲面における前記入射角よりも小さい入射角で内部入射して前記モニタ光として全反射される点にある。
そして、この請求項1に係る発明によれば、光分割面における全反射を利用して、発光素子の光をモニタ光と結合光とに分割することができるので、モニタ光の取得およびモニタ光と結合光との光量比の調整を、光分割面の面形状といった幾何学的な構成のみによって実現することができ、また、光分割面を構成する第1の曲面および第2の曲面の集光機能および全反射方向制御機能を利用して、結合光およびモニタ光を、所望の方向に向けて全反射させなが収束させることができるので、各光の光路を自由にレイアウトすることができる。
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、前記第2の曲面は、前記第1の曲面に対して前記第1の面側に配置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、モニタ光反射面を経由して第1の面から出射されるモニタ光の光路を設計し易くすることができる。
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、前記第1の曲面および前記第2の曲面は、自由曲面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、モニタ光および結合光の光路のレイアウトの自由度を更に向上させることができる。
さらにまた、請求項4に係る光レセプタクルの特徴は、請求項1〜3のいずれか1項において、更に、前記第1の面上に、前記発光素子の光を前記光分割面に向けて入射させる第1のレンズ面が形成され、前記第3の面上に、前記結合光を前記光伝送体に向けて収束させるようにして出射させる第2のレンズ面が形成されている点にある。
そして、この請求項4に係る発明によれば、光伝送体への結合光の結合をさらに適切に行うことができる。
また、請求項5に係る光レセプタクルの特徴は、請求項4において、更に、前記第1の曲面および前記第2の曲面のそれぞれの面頂点は、前記第1のレンズ面上の光軸および前記第2のレンズ面上の光軸を含む仮想平面上に配置されている点にある。
そして、この請求項5に係る発明によれば、より簡便な光路設計を行うことができる。
さらに、請求項6に係る光レセプタクルの特徴は、請求項1〜5のいずれか1項において、更に、前記モニタ光反射面は、前記モニタ光が臨界角よりも大きい入射角で内部入射するように配置された前記凹部の内斜面のみからなる全反射面とされている点にある。
そして、この請求項6に係る発明によれば、部品点数をさらに削減することができる。
さらにまた、請求項7に係る光モジュールの特徴は、請求項1〜6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を備えた点にある。
そして、この請求項7に係る発明によれば、モニタをともなう光送信を光分割面の幾何学的な構成のみによって実現するとともに、光分割面の集光機能および全反射方向制御機能を利用して、光路のレイアウトの自由度を確保することができる。
本発明によれば、モニタをともなう光送信を簡易な構成によって実現するとともに、光路のレイアウトの自由度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これを備えた光モジュールの実施形態を示す概略構成図 図1に示す光レセプタクルの平面図 図1に示す光レセプタクルの要部拡大図
以下、本発明に係る光レセプタクルおよびこれを備えた光モジュールの実施形態について、図1〜図3を参照して説明する。
図1は、本実施形態における光モジュール1の概要を本実施形態における光レセプタクル2の縦断面図とともに示す概略構成図である。また、図2は、図1に示す光レセプタクル2の平面図である。なお、図1に示す光レセプタクル2は、図2のA−A断面に該当する。
図1に示すように、本実施形態における光レセプタクル2(光レセプタクル本体)は、光電変換装置3と光伝送体としての光ファイバ5との間に配置されるようになっている。
ここで、図1の光電変換装置3は、基板実装型の光電変換装置3とされている。すなわち、図1に示すように、光電変換装置3は、光レセプタクル2の下端面2aに対して平行に配置される半導体基板(回路基板)6における光レセプタクル2側の面(上面)に、この面に対して垂直方向(上方向)にレーザ光Laを出射(発光)させる1つの発光素子7を有しており、この発光素子7は、前述したVCSEL(垂直共振器面発光レーザ)を構成している。また、光電変換装置3は、半導体基板6における光レセプタクル2側の面上であって、発光素子7に対する図1における右方位置に、発光素子7から出射されたレーザ光Laの出力(例えば、強度や光量)をモニタするためのモニタ光Mを受光する1つの受光素子8を有している。この受光素子8は、フォトディテクタであってもよい。さらに、図示はしないが、半導体基板6における光レセプタクル2側の面上には、受光素子8によって受光されたモニタ光Mの強度や光量に基づいて発光素子7から発光されるレーザ光Laの出力を制御する制御回路等の電子部品が実装されており、この電子部品は、配線を介して発光素子7および受光素子8に電気的に接続されている。このような光電変換装置3は、例えば、半導体基板6と光レセプタクル2との間に配置された接着剤(例えば、熱/紫外線硬化性樹脂)等の公知の固定手段によって光レセプタクル2に取り付けられることにより、光レセプタクル2とともに光モジュール1を構成するようになっている。
また、図1に示すように、光ファイバ5は、端面5a側の所定長さの部位が、この部位を保持する円筒状のフェルール9とともに、光レセプタクル2に形成された筒状の光ファイバ取付部4内に着脱可能に取り付けられている。この取り付け状態において、光ファイバ5における端面5a側の部位(光ファイバ取付部4内に収容された部位)は、半導体基板6に対して平行となっている。なお、光ファイバ5は、シングルモード光ファイバおよびマルチモード光ファイバのいずれであってもよい。
そして、光レセプタクル2は、このような光電変換装置3と光ファイバ5との間に配置された状態で、発光素子7と光ファイバ5の端面5aとを光学的に結合させるようになっている。
この光レセプタクル2について更に詳述すると、図1に示すように、光レセプタクル2は、各種の光学面を有する主要部の外形が略台形柱状に形成されている。すなわち、図1および図2に示すように、光レセプタクル2の主要部は、第1の面としての下端面2aと、第2の面としての上端水平面2bおよび上端傾斜面2cと、第3の面としての右端面2dと、前端面2eおよび後端面2fとの各面によって大まかな外形を構成している。また、下端面2aと上端水平面2bとは互いに平行とされている。なお、前述した光ファイバ取付部4は、右端面2dから右方に延出するように形成されている。
このような光レセプタクル2は、例えば、ポリエーテルイミド等の樹脂材料を用いた射出成形によって一体的に形成することができる。
図1に示すように、光レセプタクル2の下端面2a上には、下端面2aに対して上方に凹入された断面略台形状の第1の凹部10が形成されている。そして、この第1の凹部10の内底面上には、図1に示すように、1つの第1のレンズ面11が形成されている。この第1のレンズ面11は、平面円形状に形成されているとともに、発光素子7側に凸面を向けた球面または非球面の凸レンズ面に形成されている。なお、第1のレンズ面11上の光軸OA(1)の軸方向は、第1の凹部10の内底面およびこれ以外の下端面2aに直交していてもよい。
このような第1のレンズ面11には、図1に示すように、光レセプタクル2に光電変換装置3が取り付けられた状態において、発光素子7から出射されたレーザ光Laが下方から入射する。そして、第1のレンズ面11は、入射したレーザ光Laを、収束(例えば、コリメート)させて光レセプタクル2の内部へと進行させる。
また、図1および図2に示すように、第1のレンズ面11の反対側には、前述した光レセプタクル2の上端傾斜面2cが配置されており、この上端傾斜面2c上には、光分割面14が配置されている。この光分割面14には、第1のレンズ面11に入射した発光素子7のレーザ光Laが、下方から内部入射する。そして、光分割面14は、内部入射した発光素子7のレーザ光Laを、全反射を利用してモニタ光Mと光ファイバ5に結合すべき結合光Lcとに分割する。
より具体的には、図3に示すように、光分割面14は、下端面2aに対して角度α〔°〕の傾斜角を有する第1の仮想基準平面S(α)から下端面2aと反対側に膨出するように形成された第1の曲面S(1)と、この第1の曲面S(1)に連接されるとともに、下端面2a対して角度β〔°〕の傾斜角を有する第2の仮想基準平面S(β)から下端面2aと反対側に膨出するように形成された第2の曲面S(2)とによって構成されている。
また、αおよびβは、次の(1)に示す条件式を満足している。
α>β>臨界角 (1)
そして、発光素子7のレーザ光Laにおける一部の光は、第1の曲面S(1)に臨界角よりも大きい入射角で内部入射して、この第1の曲面S(1)によって、図1および図3における右方に向けて結合光Lcとして全反射される。同時に、発光素子7のレーザ光Laにおける第1の曲面S(1)への入射光以外の他の一部の光は、第2の曲面S(2)に、臨界角よりも大きくかつ第1の曲面S(1)における入射角よりも小さい入射角で内部入射して、この第2の曲面S(2)によって、図1および図3における右下方に向けてモニタ光Mとして全反射される。
なお、図1および図3に示すように、本実施形態においては、第2の曲面S(2)が、第1の曲面S(1)よりも下端面2a側(下側)であって結合光Lcの全反射方向と反対側(左側)において連接されているため、結合光Lcは、モニタ光Mよりも上方の光路上を進行する。
図1に戻って、上端傾斜面2cにモニタ光Mおよび結合光Lcの全反射方向側(図1における右方)において連接された光レセプタクル2の上端水平面2b上には、下方に向かって、断面略五画形状を有する第2の凹部16が凹設されている。図1に示すように、第2の凹部16は、その内底面161の左端部に連接された内斜面162を有しており、この内斜面162は、モニタ光反射面162とされている。このモニタ光反射面162は、光分割面14側(左方)に向かうにしたがって上端水平面2b側(上方)に傾くような傾斜平面に形成されている。
このようなモニタ光反射面162には、図1に示すように、光分割面14によって全反射されたモニタ光Mが、臨界角よりも大きな入射角で内部入射する。そして、モニタ光反射面162は、内部入射したモニタ光Mを、下端面2aにおける受光素子8に対応する位置に向けて全反射させる。このようにしてモニタ光反射面162によって全反射されたモニタ光Mは、下端面2aから出射されて、受光素子8に結合される。
一方、第2の凹部16におけるモニタ光反射面162の上端に連接された左内側面163と、これに対向する右内側面164とは、互いに平行かつ下端面2aに垂直とされている。
そして、図1に示すように、光分割面14によって全反射された結合光Lcは、第2の凹部16における左内側面163と右内側面164との間の部位を通って光ファイバ5側に進行する。
また、図1に示すように、光レセプタクル2の主要部の右端面2dは、光ファイバ5の端面5aに臨む第2のレンズ面12に形成されている。この第2のレンズ面12は、平面円形状に形成されているとともに、光ファイバ5の端面5a側に凸面を向けた球面または非球面の凸レンズ面に形成されている。なお、第2のレンズ面12上における光軸OA(2)は、光ファイバ5の端面5aの中心軸に一致することが望ましい。
このような第2のレンズ面12には、図1に示すように、第2の凹部16を通過した結合光Lcが内部入射する。そして、第2のレンズ面12は、この内部入射した結合光Lcを、収束させて光ファイバ5の端面5aに向けて出射させる。
以上の構成によれば、光分割面14おける全反射を利用して、発光素子7のレーザ光Laをモニタ光Mと結合光Lcとに分割することができるので、モニタ光Mの取得およびモニタ光Mと結合光Lcとの光量比の調整を、光分割面14の面形状といった幾何学的な構成のみによって実現することができる。また、光分割面14を構成する第1の曲面S(1)および第2の曲面S(2)の集光機能および全反射方向制御機能を利用して、モニタ光Mおよび結合光Lcを、所望の方向に向けて全反射させながら収束させることができるので、各光の光路を自由にレイアウトすることができる。
また、上記構成によれば、モニタ光Mを全反射させる第2の曲面S2を、結合光Lcを全反射させる第1の曲面S(1)よりも下端面2a側に位置させることができるので、モニタ光反射面162を経由して下端面2aから出射されるモニタ光Mの光路を設計し易くすることができる。
さらに、上記構成によれば、第1のレンズ面11および第2のレンズ面12を介して、光ファイバ5への結合光Lcの結合をさらに適切に行うことができる。
さらにまた、上記構成によれば、モニタ光反射面162を光レセプタクル2の面形状のみによって構成することができるので、部品点数をさらに削減することができる。
なお、上記構成に加えて、更に、第1の曲面S(1)および第2の曲面S(2)は、それぞれ自由曲面とされていてもよい。
この場合に、自由曲面は、仮想基準平面S(α)、S(β)の面法線方向にZ軸、Z軸に直交する方向にX軸、Y軸をとり、Z軸における曲面S(1)、S(2)の膨出方向を正とし、kを円錐係数、Zs、Za、Zcを係数、r=(X+Y1/2、rmaxをrの最大値としたとき、次式で表されるものであってもよい。
Z=cr/[1+{1−(1+k)c}1/2]+Zs・r/rmax +Za・Y/rmax +(Zc・r/rmax )・(Y/rmax) (2)
このとき、X軸は、レンズアレイ2の奥行き方向(図1における紙面垂直方向)にとり、Y軸は、仮想基準平面S(α)、S(β)の傾斜方向にとるようにしてもよい。
このように構成すれば、モニタ光Mおよび結合光Lcの光路のレイアウトの自由度を更に向上させることができる。
また、上記構成に加えて、更に、第1の曲面S(1)および第2の曲面S(2)のそれぞれの面頂点は、第1のレンズ面11上の光軸OA(1)および第2のレンズ面12上の光軸OA(2)を含む仮想平面(A−A切断面)上に配置されていてもよい。
このように構成すれば、さらに簡便な光路設計を実現することができる。
次に、本実施例においては、図1〜図3に示した光モジュール1を用いたモニタ光Mおよび結合光Lcの光量比調整の具体例について説明する。
なお、本実施例においては、レンズアレイ2を、λ=850nmに対する屈折率が1.64のPEI(ポリエーテルイミド)によって射出成形した。このような本実施例におけるレンズアレイ2の臨界角は、38°である。
また、本実施例においては、第1の曲面S(1)および第2の曲面S(2)を、いずれも(1)式および(2)式を満足する自由曲面とした。
具体的なパラメータは以下に示す通りである。
<第1の曲面S(1)>
α=45°、c=1/−2.6580、X=1〔mm〕、Y=1.414〔mm〕、k=−62、rmax=0.707〔mm〕、Zs=−1.7504、Za=0.0876、Zc=0.0029
<第2の曲面S(2)>
β=38°、c=1/−2.6580、X=1〔mm〕、Y=1.414〔mm〕、k=−62、rmax=0.707〔mm〕、Zs=−1.7504、Za=0.0876、Zc=0.0029
このように、第1の曲面S(1)と第2の曲面S(2)とは、仮想基準平面の角度(α、β)以外のパラメータが一致している(同一形状である)ため、各曲面S(1)、S(2)からそれぞれの面形状のみに応じた設計上の集光点までの光路長は、互いに同一となっている。
また、本実施例においては、第1の曲面S(1)および第2の曲面S(2)のそれぞれの面頂点を、第1のレンズ面11上の光軸OA(1)および第2のレンズ面12上の光軸OA(2)を含む仮想平面(A−A切断面)上に配置した。
さらに、本実施例においては、第1のレンズ面11上の光軸OA(1)を、第1の曲面S(1)と第2の曲面S(2)との境界線上に配置した。
このような本実施例によれば、モニタ光Mと結合光Lcとの光量比を、光路上における吸収やフレネル反射等による損失を無視すれば、ほぼ1:1に調整することができる。因みに、光軸OA(1)を、第1の曲面S(1)と第2の曲面S(2)との境界線に対していずれか一方の曲面側にずらせば、その一方の曲面に対する入射光量を他方の曲面に対する入射光量よりも大きくすることができるので、そのような境界線に対する光軸OA(1)のずれ量を調整することによって、モニタ光Mと結合光Lcとの光量比を調整することも可能である。
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してもよい。
例えば、本発明は、光レセプタクルとして、第1のレンズ面11および第2のレンズ面12をそれぞれ図1の紙面垂直方向に整列配置したレンズアレイに適用してもよい。この場合には、光電変換装置3の発光素子7および光ファイバ5も、レンズ面11、12に応じて複数配置すればよい。
また、本発明は、光導波路等の光ファイバ5以外の光伝送体に適用してもよい。
1 光モジュール
2 光レセプタクル
2a 下端面
2b 上端水平面
2c 上端傾斜面
2d 右端面
3 光電変換装置
5 光ファイバ
7 発光素子
8 受光素子
14 光分割面
16 第2の凹部
162 モニタ光反射面

Claims (7)

  1. 発光素子およびこの発光素子から発光された光をモニタするためのモニタ光を受光する受光素子を有する光電変換装置と、光伝送体との間に配置された状態で、前記発光素子と前記光伝送体とを光学的に結合可能とされた光レセプタクルであって、
    前記発光素子からの前記光の入射および前記受光素子に向けた前記モニタ光の出射が行われる光レセプタクル本体における前記光電変換装置側の第1の面と、
    この第1の面と反対側の前記光レセプタクル本体における第2の面上に、前記第1の面に入射した前記発光素子の前記光が内部入射するように配置され、内部入射した前記発光素子の光を、全反射を利用して前記モニタ光と前記光伝送体に結合すべき結合光とに分割する光分割面と、
    前記第2の面上における前記光分割面に対する前記モニタ光および前記結合光の全反射方向側の位置に凹設された凹部の内斜面によって形成され、前記光分割面側から入射した前記モニタ光を前記第1の面における前記受光素子に対応する位置に向けて反射させるモニタ光反射面と、
    前記凹部における前記モニタ光反射面よりも前記第2の面側の部位を通過した前記結合光が、前記光伝送体に向けて出射される前記光レセプタクル本体における前記光伝送体側の第3の面と
    を備え、
    前記光分割面は、前記第1の面に対して角度α〔°〕の傾斜角を有する第1の仮想基準平面から前記第1の面と反対側に膨出するように形成された第1の曲面と、
    この第1の曲面に連接されるとともに、前記第1の面に対して角度β〔°〕の傾斜角を有する第2の仮想基準平面から前記第1の面と反対側に膨出するように形成された第2の曲面と
    を有し、
    αおよびβは、次の(1)に示す条件式、
    α>β>臨界角 (1)
    を満足し、
    前記発光素子の光における一部の光は、前記第1の曲面に前記臨界角よりも大きい入射角で内部入射して前記結合光として全反射され、
    前記発光素子の光における前記一部の光以外の他の一部の光は、前記第2の曲面に、前記臨界角よりも大きくかつ前記第1の曲面における前記入射角よりも小さい入射角で内部入射して前記モニタ光として全反射されること
    を特徴とする光レセプタクル。
  2. 前記第2の曲面は、前記第1の曲面に対して前記第1の面側に配置されていること
    を特徴とする請求項1に記載の光レセプタクル。
  3. 前記第1の曲面および前記第2の曲面は、自由曲面とされていること
    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. 前記第1の面上に、前記発光素子の光を前記光分割面に向けて入射させる第1のレンズ面が形成され、
    前記第3の面上に、前記結合光を前記光伝送体に向けて収束させるようにして出射させる第2のレンズ面が形成されていること
    を特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の光レセプタクル。
  5. 前記第1の曲面および前記第2の曲面のそれぞれの面頂点は、前記第1のレンズ面上の光軸および前記第2のレンズ面上の光軸を含む仮想平面上に配置されていること
    を特徴とする請求項4に記載の光レセプタクル。
  6. 前記モニタ光反射面は、前記モニタ光が臨界角よりも大きい入射角で内部入射するように配置された前記凹部の内斜面のみからなる全反射面とされていること
    を特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の光レセプタクル。
  7. 請求項1〜6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
    を備えたことを特徴とする光モジュール。
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