JP6054468B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバに光信号を送信し、あるいは光ファイバからの光信号を受信する光モジュールに関する。

前記光モジュールにおいては、その内部に半導体レーザやフォトダイオードなどの光素子を搭載しており、外部からの電気信号を光素子（この場合は半導体レーザ）で光信号に変換して光ファイバへ送出する。あるいは、光ファイバから送出された光信号を光素子（この場合はフォトダイオード）で電気信号に変換して外部へ出力する。

光モジュールは、光ファイバが光モジュールの筐体に固定されたピッグテイル型と、光ファイバを取り付けた光コネクタを光モジュールの筐体に受容可能なレセプタクル型に大別することができる。図１は、関連技術のピッグテイル型の光モジュールの構成を説明するものである。

図１に示すピッグテイル型の光モジュールは、筒状の筐体１５と、筐体１５の一方の端面に取り付けられたサブモジュール１７と、筐体１５の他方の端面に取り付けられたフェルールカラー１３と、フェルールカラー１３に挿入された状態でフェルールカラー１３に固定される光ファイバ１１を内蔵したフェルール１２とで構成される。

サブモジュール１７は、平板状のステム２１と、ステム２１の一方の面上に載置される光素子１９と、ステム２１の他方の面から延伸して設けられ、ステム２１を貫通して光素子１９に電気信号を送受信するためのリードピン２２と、光素子１９を封止するためのキャップ１６と、キャップ１６に取り付けられ、光ファイバ１１からの光信号を光素子１９へ集光するためのレンズ１８とで構成される。

サブモジュール１７は、キャップ１６が筐体１５内部に挿入された状態で、ステム２１の光素子搭載面と筐体１５の一方の端面とを固定することで、筐体１５に取り付けられる。筐体１５のサブモジュール１７が取り付けられた端面と対向する端面（以下、この面を「端面ｂ」と呼ぶ）には、フェルール１２の外周よりもやや広い円形状の光学窓が設けられている。

フェルールカラー１３の筐体１５に接する端部には、外側に向けて突出したフランジ部１４が設けられている。フェルールカラー１３は全体として円筒状の形状であり、その内部には、フェルール１２の外周よりやや広い内径をもつ貫通孔が設けられている。

フェルールカラー１３は、フランジ部１４の端面（以下、この面を「端面ａ」と呼ぶ）が筐体１５の端面ｂと接した状態で、後述する光学アライメントを行った後、筐体１５に取り付けられる。光素子１９が半導体レーザである場合の、光モジュールにおける関連技術の光学アライメント方法を説明する。

１．筐体１５の端面ｂにフェルールカラー１３の端面ａを接した状態で、フェルールカラー１３の貫通孔の中心と筐体１５の光学窓の中心とが略同一となるように配置する。
２．光ファイバ１１を内蔵したフェルール１２をフェルールカラー１３の貫通孔に挿入し、フェルール１２の端部がフェルールカラー１３の端面ａ近傍に達するまで挿入する。
３．光素子１９に電気信号を印加して発光させると同時に、光ファイバ１１のフェルール１２を設けた端部と逆側の端部から出力される光パワーを測定する。
４．フェルールカラー１３内でフェルール１２を図１のＺ軸方向に移動させ、同時に、フェルールカラー１３を図１のＸＹ平面内で移動させ、光パワーが最大となる位置を探索する。その位置で、フェルール１２とフェルールカラー１３とを固定し、フェルールカラー１３と筐体１５とを固定する。前記工程４．におけるフェルール１２とフェルールカラー１３との固定、およびフェルールカラー１３と筐体１５との固定には、例えばＹＡＧ溶接などが用いられる。

ここで、前記工程４．を実施している最中に、フェルールカラー１３の端面ａの一部が端面ｂから離間し、フェルールカラー１３が傾いてしまうと、光パワーが最大となる位置を正しく検索できなくなってしまう。そのため、工程４．では、筐体１５の端面ｂとフェルールカラー１３の端面ａとの接触を維持したままフェルールカラー１３を摺動させなければならない。このような理由から、フェルールカラー１３の筐体１５に接する端部には、端面ａと端面ｂとの接触面積がより広くなるよう、外側に向けて突出したフランジ部１４が設けられている。

特開２００８−０８３２８２号公報 特開平５−３４３７０９号公報

光モジュールを小型化しようとしたとき、例えばより小型なサブモジュール１７を利用することが考えられる。この場合、光モジュールの筐体１５は、サブモジュール１７の小型化に伴いより細いものが利用できるようになる。一方、フェルールカラー１３の外径寸法は、そこに挿入されるフェルール１２の外径によって制限を受けることから、サブモジュール１７を小型化したとしても、フェルールカラー１３をそれに応じて細くすることはできない場合もある。

そうすると、図２に示したように、フェルールカラー１３に設けられたフランジ部１４は、筐体１５からはみ出して突出してしまうこともありうる。このように、関連技術の光モジュールでは、フェルールカラー１３の筐体１５に接する端部には、外側に向けて突出したフランジ部１４が設けられているため、光モジュールの小型化が困難になる、という課題があった。

前記課題を解決するために、本発明は、光モジュールにおけるフェルールカラーの筐体に接する端部を、フェルールカラーの内側に向けて突出することで、接続精度を維持したまま光モジュールの小型化を図ることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、光モジュールを構成するフェルールカラーの筐体に接する端部に、フェルールカラーの内部に向けて突出したフランジ部を設ける。

具体的には、本開示に係る光モジュールは、
光ファイバを保持するフェルールをフェルール挿入部に直接収容し、その端部に前記光ファイバに光信号を導入するための貫通孔を有するフェルールカラーと、
光信号を出射し又は光信号を受光する光素子を有するサブモジュールと、
一端に前記光素子を内包するようにして前記サブモジュールが固定され、他端に光信号を前記光素子に導光するための光学窓を有する筐体とを備え、
前記フェルールカラーの前記端部には前記フェルールカラーの内部のみに向けて突出したフランジが前記フェルールカラーと一体となって形成され、
前記光素子と前記フェルール挿入部に収容された前記光ファイバとが前記貫通孔および前記光学窓を介して光学的に結合する状態で、前記フェルールカラーと前記筐体とが固定される。

本発明に係る光モジュールでは、
前記フェルールカラーが有する前記貫通孔の内径が、前記光素子が出射又は受光する光信号のビームスポットサイズの半値の３倍以上の内径を有してもよい。

本発明に係る光モジュールでは、
前記フランジは、厚さが０．３ｍｍ以上であり、前記フェルールカラーの内部に向けて突起長さが０．７５ｍｍ以上突出してもよい。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本開示によれば、光モジュールにおけるフェルールカラーの筐体に接する端部に、フェルールカラーの内側に向けて突出したフランジ部を設けるようにしたことで、接続精度を維持したまま光モジュールの小型化を図ることができる。

関連技術のピッグテイル型の光モジュールの構成を示す一例である。 関連技術のピッグテイル型の光モジュールの課題を示す一例である。 本実施形態に係る光モジュールの構成を示す一例である。 本実施形態に係る光モジュールの貫通孔の径の設計例を示す。 本実施形態に係る光モジュールの貫通孔の径の設計例を示す。 本実施形態に係る光モジュールの使用例を示す。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（第１の実施形態）
本実施形態に係る光モジュールは、光ファイバと、フェルールと、フェルールカラーと、筐体と、サブモジュールと、で構成されている。図３は、本発明の第１の実施形態に係る光モジュールの構成をさらに具体的に説明する構成図である。フランジ部３４の構成を除くと、その多くは図１に示した関連技術のピッグテイル型の光モジュールの構成と類似する。本実施形態に係る光モジュールは、筒状の筐体３５と、筐体３５の一方の端面に取り付けられたサブモジュール３７と、筐体３５の他方の端面に取り付けられたフェルールカラー３３と、フェルールカラー３３に挿入された状態でフェルールカラー３３に固定される光ファイバ３１を内蔵したフェルール３２とで構成される。また、サブモジュール３７は、キャップ３６と、レンズ３８と、光素子３９と、ステム４１と、リードピン４２と、で構成される。

具体的には、サブモジュール３７は、平板状のステム４１と、ステム４１の一方の面上に載置される光素子３９と、ステム４１の他方の面から延伸して設けられ、ステム４１を貫通して光素子３９に電気信号を送信あるいは受信するためのリードピン４２と、光素子３９を封止するためのキャップ３６と、キャップ３６に取り付けられ、光ファイバ３１と光素子３９との光学的結合を可能とするためのレンズ３８とで構成される。

サブモジュール３７は、キャップ３６が筐体３５内部に挿入された状態で、ステム４１の光素子搭載面と筐体３５の一方の端面とを固定することで、筐体３５に取り付けられる。ここで、光素子３９とは、例えば電気信号で変調されたレーザ光を出力可能な半導体レーザなどの発光素子や、変調されたレーザ光を受信して電気信号として出力可能なフォトダイオードなどの受光素子などである。

光素子３９が発光素子である場合、光素子３９から出力された光は、レンズ３８および後述する光学窓を介して、フェルール３２に内蔵された光ファイバ３１の一端に結合する。一方、光素子３９が受光素子である場合、フェルール３２に内蔵された光ファイバ３１の一端から出力された光は、後述する光学窓およびレンズ３８を介して、光素子３９の受光面に結合する。筐体３５のステム４１が取り付けられた端面と対向する端面（以下、この面を「端面ｂ」と呼ぶ）には、光ファイバ３１と光素子３９とが光学的に結合できるよう、円形状の光学窓が設けられている。

光学窓は、筐体３５に設けられた単なる穴であってもよいし、それをガラスなどの透明部材で覆ったものであってもよい。もちろん、透明部材を凹面状あるいは凸面状の形状に形成し、レンズ機能を持たせるようにしてもよい。フェルールカラー３３が筐体３５に接する端部には、フェルールカラー３３の内部に向けて突出したフランジ部３４が設けられている。

フェルールカラー３３は全体として円筒状の形状であり、その内部には、光ファイバ３１を内蔵したフェルール３２を挿入可能とするため、フェルール３２の外周よりやや広い内径をもつフェルール挿入部が設けられている。フェルール挿入部は、フェルールカラー３３のフランジ部３４が設けられた端部と対向する端部から、フランジ部３４に到達する位置の間に形成される。一方、フランジ部３４が設けられた端部には、光ファイバ３１と光素子３９とが光学的に結合できるよう、貫通孔が設けられている。

フェルールカラー３３は、フランジ部３４のフェルール挿入部が設けられた端部と対向する端面（以下、この面を「端面ａ」と呼ぶ）が筐体３５の端面ｂと接した状態で、筐体３５の端面ｂとフェルールカラー３３の端面ａとの接触を維持したまま、フェルールカラー３３を摺動させて光学アライメントを行った後、筐体３５に固定される。フェルールカラー３３と筐体３５は、例えばＹＡＧ溶接などによって固定される。なお、ＹＡＧ溶接に際し、フェルールカラー３３と筐体３５の材料としては、熱伝導率が小さくＹＡＧレーザによる溶解熱が拡散し難い材料であるＳＵＳ又はコバール等のＦｅＮｉＣｏ合金を用いてもよい。

フェルール３２に内蔵された光ファイバ３１と光素子３９との光学アライメントの具体例は、以下のとおりである。まず、フェルールカラー３３を、フェルールカラー３３の貫通孔の中心と筐体３５の光学窓の中心とが略同一となるように配置する。光ファイバ３１を内蔵したフェルール３２をフェルールカラー３３のフェルール挿入部に挿入し、フェルール３２の端部がフランジ部３４近傍に到達するまで挿入する。次いで、光素子３９に電気信号を印加して発光させ、光ファイバ３１のフェルール３２を設けた端部と逆側の端部から出力される光パワーを測定しながら、フェルールカラー３３内でフェルール３２を図３のＺ軸方向に移動させ、同時に、フェルール３２を挿入したフェルールカラー３３を図３のＸＹ平面内で摺動させ、光パワーが最大となる位置を探索する。最後に、フェルール３２とフェルールカラー３３とを固定し、フェルールカラー３３と筐体３５とを固定する。

（フェルールカラーの設計例）
光素子３９として半導体レーザを用いた場合のフェルールカラー３３の貫通孔の径の設計例を、図４を用いて説明する。なお、筐体３５の光学窓は、光ファイバ３１と光素子３９との間を導波する光を遮光ないし散乱しない程度の開口面積を有していることを前提としている。光素子３９を出射した光は、レンズ３８で屈折され、フェルール３２に内蔵された光ファイバ３１の一端に向けて集光される。このような出射光の端面ｂでのビームスポットサイズの半値Ｂがωであったとすると、貫通孔の内径Ａを３ω以上とすることで、貫通孔における出射光の散乱あるいは反射を抑制することができるようになる。

例えば、出射光の端面ｂでのビームスポットサイズの半値ω＝０．１ｍｍの場合、貫通孔の内径は３ω＝０．３ｍｍφ以上とすればよい。部材加工精度として±０．１ｍｍの加工誤差を考慮すると、貫通孔の内径は０．４ｍｍφ程度にすればよい。材料としてステンレス（ＳＵＳ３０４）を用いたフェルールカラー３３における、フランジ部３４の設計例を説明する。

図５に示すように、貫通孔に向けて突出したフランジ部３４の厚さを０．３ｍｍ、長さを０．７５ｍｍとした。このようなフェルールカラー３３を製造し、金属の筐体３５にＹＡＧ溶接で固定することを想定した振動衝撃試験を実施した。その結果、Ｔｅｌｃｏｒｄｉａ社の光半導体デバイス信頼度保証仕様である「ＧＲ−４６８−ＣＯＲＥ」の仕様を満足する程度の耐衝撃性を有することが確認できた。

このように、本発明に係る光モジュールでは、フェルールカラー３３が筐体３５に接する端部である端面ａに、フェルールカラー３３の内部に向けて突出したフランジ部３４を設けるようにしたので、より小さいサブモジュールを用いた場合であっても、フランジ部３４が筐体３５の外部に突出してしまうことがなくなり、もって、光モジュールの小型化が可能になる。

また、内部に向けて突出したフランジ部３４であっても、筐体３５の端面ｂとフェルールカラー３３の端面ａとの接触を維持したままフェルールカラー３３を摺動させて光学アライメントを行うことができる程度の断面積を確保することができるため、関連技術の光モジュールと同等の光学特性を確保することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、本発明をピッグテイル型の光モジュールに適用した例を説明してきたが、本発明は、光ファイバ３１を内蔵した光コネクタを挿抜可能なレセプタクル型の光モジュールに対しても適用できる。本発明を適用したレセプタクル型の光モジュールは、第１の実施形態と同様、光モジュールを構成するフェルールカラー３３の筐体３５に接する端部に、フェルールカラー３３の内部に向けて突出したフランジ部が設けられていることを特徴とするものである。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る光モジュールの構成を説明するである。本実施形態に係る光モジュールは、第１の実施形態で説明した光モジュールと比較して、光コネクタを受容するためのレセプタクル４５を備える点で異なる。

これらの相違点を除くと、本実施形態に係る光モジュールの構成の多くは、図３に示した第１の実施形態に係る光モジュールの構成と類似するため、詳細な説明は省略する。図６に示すように、レセプタクル４５は、金属からなる円筒状の本体と、該レセプタクル４５に内蔵され、挿入される光コネクタ４６のフェルール３２−２と物理的接触（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｏｎｔａｃｔ：ＰＣ）して光コネクタ４６から入出射する光をサブモジュール３７に導入するフェルール３２−１で構成される。

フェルール３２−１は、光を導波するための光ファイバ３１−１が内蔵される。なお、光コネクタ４６の挿抜が容易に行えるよう、レセプタクル４５の内部に、光コネクタ４６のフェルール３２−２が挿入されるスリーブあるいは割りスリーブ（いずれも不図示）を設けるようにしてもよい。レセプタクル４５は、フェルールカラー３３のフェルール挿入部に挿入され、例えばＹＡＧ溶接などでフェルールカラー３３に固定される。

このようにして、レセプタクル４５は、光コネクタ４６を嵌合して光コネクタ４６を光モジュールに固定する役割を担う。本実施形態で説明したレセプタクル型の光モジュールでは、レセプタクル部の構成を変えることにより、様々な規格の光コネクタ４６を挿入することができるようになる。

以下に本実施形態に係る光モジュールの設計例を説明する。具体的には、ＬＣコネクタの受容部である「ＬＣレセプタクル」を用いた場合、およびＳＣコネクタの受容部である「ＳＣレセプタクル」を用いた場合の、フェルールカラー３３の設計例を説明する。まず、ＬＣレセプタクルについて述べる。

ＬＣコネクタのフェルール外径は１．２５ｍｍφに規定されている。これを考慮すると、レセプタクル４５本体の外径は２．９２ｍｍφとすればよい。レセプタクル４５を収容するフェルールカラー３３のフェルール挿入部の内径は、部材公差を考慮し、２．９２ｍｍφ〜２．９３ｍｍφとすればよい。

次いで、ＳＣレセプタクルについて述べる。ＳＣコネクタのフェルール外径は２．５ｍｍφに規定されている。これを考慮すると、レセプタクル４５本体の外径は４．７ｍｍφとすればよい。レセプタクル４５を収容するフェルールカラー３３のフェルール挿入部の内径は、部材公差を考慮し、４．７ｍｍφ〜４．７１ｍｍφとすればよい。

このように、本発明は、光コネクタ規格に係わらず適用できるものである。ただし、フェルール内径の大きなフェルール３２を用いる光コネクタ４６に対応した光モジュールでは、フェルール内径の拡大に伴い、フェルールカラー３３の外径も大きくせざるを得なくなるため、関連技術の光モジュールではフランジ部１４が筐体１５からはみ出して突出してしまい、小型化が困難となっていた。

一方、本発明を適用したレセプタクル型の光モジュールでは、フェルール内径の大きなフェルール３２を用いる光コネクタ４６に対応させたとしても、フェルールカラー３３の内部に向けて突出したフランジ部３４を設けるようにしたので、フランジ部３４が筐体３５の外部に突出してしまうことがない。すなわち、よりフェルール内径の大きなフェルール３２を用いる光コネクタ４６に対応した光モジュールにおいて、多大な効果をもたらすことができる。

本発明は情報通信産業に適用することができる。

１１、３１：光ファイバ
１２、３２：フェルール
１３、３３：フェルールカラー
１４、３４：フランジ部
１５、３５：筐体
１６、３６：キャップ
１７、３７：サブモジュール
１８、３８：レンズ
１９、３９：光素子
２１、４１：ステム
２２、４２：リードピン
４５：レセプタクル
４６：光コネクタ

Claims (3)

1. 光ファイバを保持するフェルールをフェルール挿入部に直接収容し、その端部に前記光ファイバに光信号を導入するための貫通孔を有するフェルールカラーと、
   光信号を出射し又は光信号を受光する光素子を有するサブモジュールと、
   一端に前記光素子を内包するようにして前記サブモジュールが固定され、他端に光信号を前記光素子に導光するための光学窓を有する筐体とを備え、
   前記フェルールカラーの前記端部には前記フェルールカラーの内部のみに向けて突出したフランジが前記フェルールカラーと一体となって形成され、
   前記光素子と前記フェルール挿入部に収容された前記光ファイバとが前記貫通孔および前記光学窓を介して光学的に結合する状態で、前記フェルールカラーと前記筐体とが固定された光モジュール。
2. 前記フェルールカラーが有する前記貫通孔の内径が、前記光素子が出射又は受光する光信号のビームスポットサイズの半値の３倍以上の内径を有すること
   を特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記フランジは、厚さが０．３ｍｍ以上であり、前記フェルールカラーの内部に向けて突起長さが０．７５ｍｍ以上突出する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。

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