JP6207881B2 - 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適正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５は、この種の光レセプタクル１の一例を示したものである（例えば、特許文献１、図４参照）。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５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方向における光の上流側（図５における上方）の第一面２ａが平面とされ、光の下流側（図５における下方）の第二面２ｂが凸面とされた平凸レンズに形成されている。

また、図５に示すように、光レセプタクル１は、レンズ２の径方向における外側位置から光軸ＯＡ方向における下流側（図５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と同心の円筒形状とされた筒状に形成されている。ただし、図５に示すように、光電変換装置取付部３には、光電変換装置を接着剤（熱硬化性樹脂等）を用いて光電変換装置取付部３に固定する際に接着剤から発生したガスを外部に逃がすための貫通孔４が穿設されている。

さらに、図５に示すように、光レセプタクル１は、レンズ２の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と同心の略円筒形状とされた筒状に形成されている。

次に、図６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、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６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。より具体的には、図６に示すように、光電変換装置８は、円板状のステム９と、これに搭載されたフォトディテクタ（ＰＤ）等の受光素子１０と、この受光素子１０を覆うように配置された頂部に窓部を有するキャップ１１と、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とによって構成されている。

また、図６に示すように、光モジュール７は、光ファイバ取付部５に、光ファイバ１５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。

このような受信用の光モジュール７においては、送信側のデバイス（半導体レーザＬＤ等）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（端面）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。

この光モジュール７においては、光ファイバ取付部５に対して、フェルール１７とともに光ファイバ１５が頻繁に着脱して利用されている。

特開２００９−２５８３６５号公報

このように形成されている光レセプタクル１においては、光ファイバ取付部５とフェルール１７とが所定の耐久性と嵌め合い性をもって着脱自在に形成されているが、着脱操作数の増加に伴って両者の接合面が次第に摩耗して行き、光ファイバ１５およびフェルール１７の光軸が、これらより後流側の光ファイバ取付部５、レンズ２および光電変換装置８の光軸に対して傾斜するいわゆるウイグルが発生してしまう。

ここで、このウイグルの発生前後における光モジュール７における光路を図７により確認する。

まず、図７（ａ）に示すように、ウイグルの発生がない場合には、レンズ２の光軸に対して光ファイバ１５の光軸が同心であり、光ファイバ１５の端面１５ａから出射した光は、光軸上の光から光軸から大きく拡散する光の全部が平凸状に形成されているレンズ２の集光特性によって受光素子１０の光軸上の中心部に集光されて結合効率が優れたものとなる。

ところが、図７（ｂ）に示すように、ウイグルが発生すると、レンズ２の光軸に対して光ファイバ１５の光軸が傾斜して、光ファイバ１５の端面１５ａから出射した光は、光軸上の光と光軸から小さく拡散する光はレンズ２の集光特性によって受光素子１０の光軸上の中心部に集光されるが、光軸から大きく拡散する光（例えば、同図の左側に拡散した光）は平凸状に形成されているレンズ２の集光特性をもってしても受光素子１０の光軸上の中心部に集光されない状態となり、結合効率が悪くなり、ひいては光情報の伝達効率が低下するという不都合があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ウイグルが発生しても高い結合効率をもって光を集光させて、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適正に結合することができ、光学特性の優れた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、本発明の第１の態様の光レセプタクルは、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当接させた状態で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、前記レンズは、前記光ファイバの端部に対面するとともに前記受光素子側に凹入する凹面からなる第一面と、前記受光素子に対面するとともに前記受光素子側に突出する凸面からなる第二面とを備えており、前記凹面と凸面との組合せが、前記光ファイバが当該レンズの光軸に対して最大１４度に傾斜した状態で前記光ファイバ取付部に取り付けられた場合においても、前記光ファイバからの出力光を前記レンズの光軸上における前記受光素子上の所定直径内の領域に集光させるように形成されていることを特徴とする。

そして、この第１の態様の光レセプタクルによれば、レンズの光軸に対して光ファイバが最大１４度に傾斜した状態で光レセプタクルに取り付けられた場合においても、レンズの第一面の凹面と第二面の凸面との組合せにより、光ファイバからの光を高い結合効率をもってレンズの光軸上における受光素子上の所定直径内の領域に集光させて、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適正に結合させることができ、光学特性の優れたものとなる。

また、本発明の第１の態様の光モジュールは、第１の態様の光レセプタクルと、光ファイバと、光電変換装置とを備えたことを特徴とする。

そして、この第１の態様の光モジュールによれば、レンズの光軸に対して光ファイバが最大１４度に傾斜した状態で光レセプタクルに取り付けられた場合においても、レンズの第一面の凹面と第二面の凸面との組合せにより、光ファイバからの光を高い結合効率をもってレンズの光軸上における受光素子上の所定直径内の領域に集光させて、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適正に結合させることができ、光学特性の優れたものとなる。

このような本発明の光レセプタクルおよびこれを備えた光モジュールによれば、光レセプタクルに対する光ファイバの取付にウイグルが発生しても、高い結合効率をもって光を集光させて、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適正に結合することができ、光学特性の優れたものとなる。

（ａ）は本発明に係る光レセプタクルの１実施形態を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）のレンズの第一面部分の拡大図 本発明に係る光モジュールの１実施形態を示す縦断面図 本発明に係る光モジュールの１実施形態におけるファイバ光の光路を示す模式図で、（ａ）は光ファイバの傾きが０度の場合の模式図、（ｂ）は光ファイバが傾斜した場合の模式図 本発明に係る光モジュールの１実施形態における、光ファイバの光軸に対する傾きと光結合効率との相関関係についてのシミュレーション結果を示すグラフ （ａ）は従来の光レセプタクルの構成例を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）のレンズの第一面部分の拡大図 従来の光モジュールの構成例を示す縦断面図 従来の光モジュールにおけるファイバ光の光路を示す模式図で、（ａ）は光ファイバの傾きが０度の場合の模式図、（ｂ）は光ファイバが傾斜した場合の模式図

以下、本発明の実施形態について、図１および図４を参照して説明する。

ただし、従来と基本的な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および図２に示すように、本実施形態における光レセプタクル２０は、従来の光レセプタクル１と同様に、レンズ２１、光電変換装置取付部３および光ファイバ取付部５が、透光性の樹脂材料を用いて一体的に形成されることによって構成されている。また、本実施形態における光レセプタクル２０は、従来例とは異なり、レンズ２１が凹凸レンズに形成されている。

更に説明すると、図５に示した従来の構成においては、レンズ２が、その光軸ＯＡ方向における光の上流側（図５における上方）の第一面２ａが平面とされ、光の下流側（図５における下方）の第二面２ｂが凸面とされた平凸レンズに形成されている。

これに対して、図１（ｂ）に示すように、本実施形態においては、レンズ２の光軸ＯＡ方向における光の上流側（図１における上方）の第一面２１ａが受光素子１０側に凹入する凹面とされ、光の下流側（図１における下方）の第二面２１ｂが凸面とされた凹凸レンズに形成されている。更に、これらの凹面と凸面との組合せによってレンズ２１の光軸に対して傾斜して取り付けられた光ファイバ１５からの出力光を受光素子１０上の適正箇所（例えば、光軸上の所定直径内の領域）に集光させるように形成されている。

そして、このような本実施形態の光レセプタクル２０は、図２に示すように、光ファイバ取付部５への光ファイバ１５の取り付けと、光電変換装置取付部３への光電変換装置８の取り付けとを行うことによって、本実施形態における光モジュール２２を構成するようになっている。

次に、本実施形態の作用を説明する。

図３は本実施形態の光レセプタクル２０および光モジュール２２によるウイグルの発生前後における光路を示すものである。

まず、図３（ａ）に示すように、ウイグルの発生がない場合には、レンズ２１の光軸に対して光ファイバ１５の光軸が同心であり、光ファイバ１５の端面１５ａから出射した光は、光軸上の光から光軸より大きく拡散する光の全部が凹凸状に形成されているレンズ２１の集光特性によって受光素子１０の光軸上の中心部に集光されて結合効率が優れたものとなる。

次に、図３（ｂ）に示すように、ウイグルが発生した場合には、レンズ２１の光軸に対して光ファイバ１５の光軸が傾斜して、光ファイバ１５の端面１５ａから出射した光は、レンズ２１の第一面２１ａの凹面によって光軸方向に屈折させられる。これにより、光軸上の光と光軸から小さく拡散する光はレンズ２１の集光特性によって受光素子１０の光軸上の中心部に集光されるとともに、光軸から大きく拡散する光（例えば、同図の左側に拡散した光）であっても凹凸状に形成されているレンズ２１の集光特性をもって受光素子１０の光軸上の中心部の適正位置に集光されて結合効率が優れたものとなる。

次に、図４により、本実施形態と従来例とにおけるレンズの結合効率を比較して説明する。

図４においては、図３に示す本実施例のレンズ２１と図５に示す従来例のレンズ２とにおいて、一方のレンズ２１の第一面２１ａを凹面とし、他方のレンズ２の第一面２ａを平面とする他は全部同一条件として形成し、それぞれの光ファイバの傾き角度と結合効率との相関関係についてのシミュレーションの結果現すトレランスカーブを示している。この図４における横軸は、レンズ２１、２の光軸ＯＡに対する光ファイバの傾き角度であり、縦軸は、受光素子１０としてのフォトディテクタの受光面に対する光ファイバの出射光の結合効率（ｄＢ）である。また、図４のシミュレーションにおいては、光ファイバとして、ＮＡが０．１４、コア径がΦ０．０１ｍｍのものを用いるとともに、フォトディテクタとして、受光面がΦ０．０５ｍｍのものを用いた。

本実施例のレンズ２１を用いた場合のトレランスカーブ（図４の実線）によれば、光ファイバの傾き角度が０度の場合から次第に大きくなって、最大傾斜角度の１４度に達しても、結合効率は−０．３ｄＢ程度の小さな低下に抑えられている。このことは、本実施形態によれば、図３（ｂ）に示すように、光軸上の光から光軸より大きく拡散する光の全部が凹凸状に形成されているレンズ２１の集光特性によって受光素子１０の光軸上の中心部に集光されて結合効率が優れたものとなることがわかる。

これに対して、従来例のレンズ２を用いた場合のトレランスカーブ（図４の破線）によれば、光ファイバの傾き角度が０度から６度の範囲においては、本実施例とほぼ同等に変化するが、当該傾き角度が８度を超えると結合効率が大きく低下するものとなっている。特に、最大傾斜角度の１４度に達すると、本実施形態の結合効率より−０．４ｄＢも低下している。このことは、従来例によれば、図７（ｂ）に示すように、光軸より大きく拡散する光（例えば、同図の左側に拡散した光）は平凸状に形成されているレンズ２の集光特性をもってしても受光素子１０の光軸上の中心部に集光されない状態となり、結合効率が悪くなることがわかる。

したがって、本実施形態によれば、光レセプタクル１に対する光ファイバ１５の取付にウイグルが発生しても、高い結合効率をもって光を集光させて、光ファイバ１５の端部と光電変換装置８の受光素子１０とを光学的に適正に結合することができ、光学特性の優れたものとなることがわかる。

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、本発明はシングルモードおよびマルチモードのいずれの光ファイバに対しても適用できる。

３ 光電変換装置取付部
５ 光ファイバ取付部
１０ 受光素子
１５ 光ファイバ
２０ 光レセプタクル
２１ レンズ
２１ａ 第一面
２１ｂ 第二面
２２ 光モジュール

Claims (2)

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当接させた状態で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、
   前記レンズは、前記光ファイバの端部に対面するとともに前記受光素子側に凹入する凹面からなる第一面と、前記受光素子に対面するとともに前記受光素子側に突出する凸面からなる第二面とを備えており、前記凹面と凸面との組合せが、前記光ファイバが当該レンズの光軸に対して最大１４度に傾斜した状態で前記光ファイバ取付部に取り付けられた場合においても、前記光ファイバからの出力光を前記レンズの光軸上における前記受光素子上の所定直径内の領域に集光させるように形成されていること
   を特徴とする光レセプタクル。
2. 請求項１に記載の光レセプタクルと、光ファイバと、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。