JP6289830B2 - 光レセプタクルおよび光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光レセプタクルおよびこれを有する光モジュールに関する。

以前から、光ファイバーを用いた光通信には、面発光レーザー（例えば、ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）などの発光素子を備えた光モジュールが使用されている。光モジュールは、発光素子から出射された通信情報を含む光を、光ファイバーの端面に入射させる光レセプタクルを有する。

また、光モジュールには、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の強度や光量を監視（モニター）するように構成されているものがある。

たとえば、特許文献１，２には、発光素子および監視用の受光素子を内包したパッケージ型の光電変換装置が記載されている。パッケージ型の光電変換装置では、発光素子から出射された光の一部をパッケージのガラス窓によってモニター光として受光素子側に反射させる。しかしながら、特許文献１，２に記載のパッケージ型の光電変換装置は、高周波の駆動になると、発光素子に接続された配線から電磁波が漏れることによってクロストークが生じる場合がある。このような場合には、１０Ｇｂｐｓ以上の高速通信に対応することが困難となる。さらに、パッケージ型の光電変換装置を使用した光モジュールは、小型化が難しい。

これに対して、回路基板に発光素子が実装された基板実装型の光電変換装置は、パッケージ型の光電変換装置のように、クロストークが生じることはなく、部品点数、コストの削減および小型化が可能などの利点を有する。しかし、基板実装型の光電変換装置は、ガラス窓を有しないため、発光素子側にモニター光を発生させる機能を備えることが困難である。

このような問題に対して、例えば特許文献３では、光レセプタクルに、発光素子から出射された光の一部をモニター光として受光素子側に反射させるための反射面を配置した光モジュールが提案されている。これにより、発光素子の出力の監視を伴う安定的な高速通信を実現している。

特開２０００−３４０８７７号公報 特開２００４−２２１４２０号公報 特開２００８−１５１８９４号公報

特許文献３に記載の光モジュールでは、発光素子から出射された光は、光ファイバーの端面において光電変換装置の基板に垂直な方向となるように、光レセプタクルから取り出される。しかしながら、光モジュールの使用態様によっては、発光素子から出射された光を、光ファイバーの端面において基板に沿った方向となるように光レセプタクルから取り出すことが求められる場合がある。このような場合には、特許文献３に記載の発明とは違った手法が求められる。

本発明は、かかる点に鑑みなされたものであり、発光素子を監視するためのモニター光を取り出しつつ、発光素子から出射された光を基板に沿った方向に出射させることができる光レセプタクルおよびこれを有する光モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る光レセプタクルは、発光素子および前記発光素子から出射された光を監視するための受光素子が基板上に配置された光電変換装置と、光ファイバーとの間に配置され、前記発光素子と前記光ファイバーの端面とを光学的に結合するための光レセプタクルであって、前記発光素子から出射された光を入射させる第１光学面と、前記第１光学面から入射した光を、前記基板に沿った方向に反射させる反射面と、前記反射面で反射した光の一部を出射させる出射領域および前記出射領域から出射した光を再度入射させる入射面を有する凹部と、前記出射領域に配置され、前記反射面で反射した光を前記受光素子に向かうモニター光と前記光ファイバーの端面に向かう信号光とに分離し、前記モニター光を前記受光素子に向けて反射させ、前記信号光を前記凹部に出射させる光分離部と、前記光分離部で分離した前記モニター光を前記受光素子に向けて出射させる第２光学面と、前記光分離部から出射された後、前記入射面から再度入射した前記信号光を前記光ファイバーの端面に向けて出射させる第３光学面と、を有し、前記光分離部は、前記反射面で反射した光の光軸に対する傾斜面である分割反射面と、前記光軸に対する垂直面である分割透過面と、前記光軸に対する平行面である分割段差面とをそれぞれ１つずつ含み、かつ前記分割反射面、前記分割段差面および前記分割透過面が前記分割反射面の傾斜方向である第１の方向に配列されている分離ユニットを複数含み、前記光分離部において、複数の前記分離ユニットは、前記第１の方向に配列されており、複数の前記分割反射面は、同一の仮想平面上に配置されており、かつ前記反射面で反射した光の一部を前記第２光学面に向けて反射させ、複数の前記分割透過面は、それぞれ前記反射面で反射した光の一部を前記凹部に透過させ、複数の前記分割段差面は、それぞれ前記分割反射面および前記分割透過面を接続し、前記光分離部において、複数の前記分離ユニットは、前記反射面で反射した光が入射する領域内に４〜６の前記分離ユニットが存在するように配置されており、前記仮想平面に対する、前記分割透過面と前記分割段差面との境界線の高さは、１３〜２１μｍの範囲内である、構成を採る。

本発明に係る光モジュールは、発光素子および前記発光素子から出射された光を監視するための受光素子を有する光電変換装置と、本発明に係る光レセプタクルと、を有する、構成を採る。

本発明の光レセプタクルを有する光モジュールは、発光素子から出射された光を監視するとともに、発光素子から出射された光を光ファイバーの端面において基板に沿った方向に取り出す光送信を、簡便かつ適正に実現することができる。

本発明の実施の形態１に係る光モジュールの断面図（光路図）である。 図２Ａ，Ｂは、本発明の実施の形態１に係る光レセプタクルの構成を示す図である。 図３Ａ，Ｂは、光分離部の構成を示す図である。 図４Ａ，Ｂは、光分離部の構成を示す部分拡大図である。 図５Ａ，Ｂは、光分離部の構成を示す図である。 図６Ａ，Ｂは、分離ユニットの配置または高さと、信号光およびモニター光の光量の変化量との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る光モジュールの断面図（光路図）である。 図８Ａ〜Ｃは、本発明の実施の形態２に係る光レセプタクルの構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［実施の形態１］
（光モジュールの構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光モジュール１００の断面図である。図１では、光レセプタクル３００内の光路を示すために光レセプタクル３００の断面へのハッチングを省略している。

図１に示されるように、光モジュール１００は、発光素子２２０を含む基板実装型の光電変換装置２００と、光レセプタクル３００とを有する。光モジュール１００は、光レセプタクル３００に光ファイバー４００が接続されて使用される。光電変換装置２００および光レセプタクル３００は、接着剤（例えば、熱／紫外線硬化性樹脂）などの公知の固定手段によって固定される。そして、光レセプタクル３００は、光電変換装置２００と光ファイバー４００との間に配置された状態で、発光素子２２０と光ファイバー４００の端面４１０とを光学的に結合させる。

光電変換装置２００は、半導体基板２１０、発光素子２２０、受光素子２３０および制御部２４０を有する。

発光素子２２０は、半導体基板２１０上に配置されており、半導体基板２１０の表面に対して垂直方向にレーザー光Ｌを出射する。発光素子２２０は、例えば垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）である。

受光素子２３０は、半導体基板２１０の発光素子２２０が配置されている面と同一面上に配置されており、発光素子２２０から出射されたレーザー光Ｌの出力（例えば、強度や光量）を監視するためのモニター光Ｌｍを受光する。受光素子２３０は、例えばフォトディテクターである。

制御部２４０は、半導体基板２１０の発光素子２２０および受光素子２３０が配置されている面と同一面上に配置されており、図外の配線を介して発光素子２２０および受光素子２３０と電気的に接続されている。制御部２４０は、受光素子２３０によって受光されたモニター光Ｌｍの強度や光量に基づいて、発光素子２２０から出射するレーザー光Ｌの出力を制御する。

光レセプタクル３００は、第１光学面３１０および発光素子２２０が対向し、かつ第２光学面３４０および受光素子２３０が対向するように、光電変換装置２００の上に配置されている。光レセプタクル３００は、光透過性の材料からなり、例えば射出成形により一体として製造される。光レセプタクル３００は、光電変換装置２００の発光素子２２０から出射された光Ｌを第１光学面３１０から内部に入射させ、光Ｌをモニター光Ｌｍと信号光Ｌｓとに分離する。そして、光レセプタクル３００は、モニター光Ｌｍを第２光学面３４０から光電変換装置２００の受光素子２３０に向けて出射させ、信号光Ｌｓを第３光学面３５０から光ファイバー４００の端面４１０に向けて出射させる。

本実施の形態の光モジュール１００は、光レセプタクル３００の構成に主たる特徴を有する。そこで、光レセプタクル３００については、別途改めて詳細に説明する。

前述のとおり、光レセプタクル３００には、光ファイバー４００が接続される。光ファイバー４００は、シングルモード方式またはマルチモード方式の光ファイバーである。

（光レセプタクルの構成）
図２Ａは、光レセプタクル３００の平面図であり、図２Ｂは、光レセプタクル３００の底面図である。図１および図２に示されるように、光レセプタクル３００は、略直方体形状の部材である。光レセプタクル３００は、光通信に用いられる波長の光に対して光透過性を有する材料を用いて形成される。そのような材料の例には、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）や環状オレフィン樹脂などの透明な樹脂が含まれる。光レセプタクル３００は、例えば射出成形により一体として製造されうる。

まず、この直方体の６つの面（天面、底面、正面、背面、右側面および左側面）を基準として、光レセプタクル３００の形状について説明する。以下の説明では、光レセプタクル３００の光ファイバー４００側の面を「右側面」として説明する。なお、光レセプタクル３００を射出成形により製造する場合には、右側面および左側面に型抜きのためにテーパを形成してもよい。

図１および図２Ｂに示されるように、底面には、四角錐台形状の第１凹部３６０が形成されている。第１凹部３６０は、発光素子２２０、受光素子２３０および制御部２４０を収容する空間である。第１凹部３６０の底面は、半導体基板２１０の表面と平行である。第１凹部３６０の底面には、発光素子２２０に対向するように第１光学面３１０が形成されており、受光素子２３０に対向するように第２光学面３４０が形成されている。なお、第１凹部３６０の形状は、特に限定されず、例えば直方体形状であってもよい。

また、天面には、五角柱形状の第２凹部３７０および略五角柱形状の第３凹部３８０が直方体の長手方向に並んで形成されている。第２凹部３７０の内面の一部は、反射面３２０として機能する。一方、第３凹部３８０の内面の一部は光分離部３３０（出射領域）として機能し、光分離部３３０に対向する内面は入射面３８１として機能する。なお、第２凹部３７０の形状は、反射面３２０を所定の位置に配置することができれば、特に限定されない。また、第３凹部３８０の形状も、光分離部３３０および入射面３８１を所定の位置に配置することができれば、特に限定されない。

さらに、右側面には、光ファイバー４００を接続するための、筒形状の光ファイバー取付部３９０が設けられている。光ファイバー取付部３９０は、円柱形状の第４凹部３９１と、第４凹部３９１の底面に形成された円柱形状の第５凹部３９２とを有する。第４凹部３９１は、光ファイバー４００の端部に取り付けられた円筒形状のフェルール４２０を装着するための部位である。光ファイバー４００の端部は、フェルール４２０を取り付けられた状態で光ファイバー取付部３９０（第４凹部３９１）に挿入されることで、半導体基板２１０の表面と平行に配置される。第５凹部３９２の底面には、装着された光ファイバー４００の端面４１０と対向するように、第３光学面３５０が形成されている。

次に、光レセプタクル３００の光学的な構成要素について説明する。

図１および図２に示されるように、光レセプタクル３００は、第１光学面３１０、反射面３２０、光分離部３３０、第２光学面３４０、入射面３８１および第３光学面３５０を有する。

第１光学面３１０は、光レセプタクル３００の底面側に、発光素子２２０と対向するように配置されている。本実施の形態では、第１光学面３１０は、凸レンズ面である。第１光学面３１０の平面視形状は、円形である。第１光学面３１０は、発光素子２２０から出射されたレーザー光Ｌを光レセプタクル３００内に入射させる。このとき、第１光学面３１０は、レーザー光Ｌをコリメート光Ｌに変換する。以下の説明では、変換されたコリメート光Ｌの進行方向に直交する方向の断面形状の直径を「コリメート光Ｌの光束径（有効径）」という。そして、第１光学面３１０によって変換されたコリメート光Ｌは、反射面３２０に向かって進行する。第１光学面３１０の中心軸は、発光素子２２０の発光面（および半導体基板２１０の表面）に対して垂直である。第１光学面３１０の中心軸は、発光素子２２０から出射された光Ｌの光軸と一致することが好ましい。なお、本実施の形態では、コリメート光Ｌの光束径は、０．２〜０．２５μｍ程度である。

反射面３２０は、光レセプタクル３００の天面側に形成された傾斜面である。反射面３２０は、光レセプタクル３００の底面から天面に向かうにつれて、光ファイバー４００に近づくように傾斜している。本実施の形態では、反射面３２０の傾斜角度は、第１光学面３１０から入射した光Ｌの光軸に対して４５°である。反射面３２０には、第１光学面３１０から入射したコリメート光Ｌが、臨界角より大きな入射角で内部入射する。反射面３２０は、入射した光Ｌを半導体基板２１０の表面に沿う方向に全反射させる。すなわち、反射面３２０では、所定の光束径のコリメート光Ｌが入射して、所定の光束径のコリメート光Ｌが出射する。

光分離部３３０（第３凹部３８０の出射領域）は、複数の面からなる領域であり、光レセプタクル３００の天面側に配置されている。光分離部３３０は、反射面３２０で反射した所定の光束径のコリメート光Ｌを受光素子２３０に向かうモニター光Ｌｍと、光ファイバー４００の端面４１０に向かう信号光Ｌｓとに分離する。信号光Ｌｓは、第３凹部３８０に出射される。光分離部３３０で分離された信号光Ｌｓおよびモニター光Ｌｍは、いずれもコリメート光である。信号光Ｌｓおよびモニター光Ｌｍの進行方向に直交する方向の外形は、それぞれ直径が前述の光束径の円形である。本実施の形態の光モジュール１００は、光レセプタクル３００の光分離部３３０に主たる特徴を有する。そこで、光分離部３３０については、別途改めて詳細に説明する。

第２光学面３４０は、光レセプタクル３００の底面側に、受光素子２３０と対向するように配置されている。本実施の形態では、第２光学面３４０は、凸レンズ面である。第２光学面３４０は、光分離部３３０で分離したモニター光Ｌｍを収束させて受光素子２３０に向けて出射する。これにより、モニター光Ｌｍを受光素子２３０に効率良く結合させることができる。第２光学面３４０の中心軸は、受光素子２３０の受光面（半導体基板２１０）に対して垂直であることが好ましい。

入射面３８１は、光レセプタクル３００の天面側に配置されており、光分離部３３０で出射した信号光Ｌｓを光レセプタクル３００内に再度入射させる。本実施の形態では、入射面３８１は、光分離部３３０で分離した信号光Ｌｓに対する垂直面である。これにより、光ファイバー４００の端面４１０に向かう信号光Ｌｓを屈折させることなく光レセプタクル３００内に再度入射させることができる。

第３光学面３５０は、光レセプタクル３００の右側面側に、光ファイバー４００の端面と対向するように配置されている。本実施の形態では、第３光学面３５０は、凸レンズ面である。第３光学面３５０は、入射面３８１から光レセプタクル３００内に再度入射した信号光Ｌｓを収束させて光ファイバー４００の端面４１０に向かって出射する。これにより、信号光Ｌｓを光ファイバー４００の端面４１０に効率良く結合させることができる。第３光学面３５０の中心軸は、光ファイバー４００の端面４１０の中心軸と一致していることが好ましい。

本実施の形態の光レセプタクル３００では、発光素子２２０から出射した光Ｌを、第１光学面３１０によって光束径が一定のコリメート光に変換して入射させるため、コリメート光のみを扱うことができる。これにより、光レセプタクル３００に光の進行方向への寸法誤差が生じたとしても、光ファイバー４００の端面４１０および受光素子２３０への光量と、光ファイバー４００および受光素子２３０への入射光の集光点の位置とを確保することができる。この結果、光学性能を維持しながら、光レセプタクル３００に要求される寸法精度を緩和して製造容易性を向上させることができる。

次に、光分離部３３０の構成について説明する。図３〜図５は、光分離部３３０の構成を示す図である。図３Ａは、光分離部３３０の斜視図であり、図３Ｂは、光分離部３３０の平面図である。図４Ａは、図１において破線で示される領域の部分拡大断面図であり、図４Ｂは、光分離部３３０の光路を示す部分拡大断面図である。図５Ａは、図３Ａにおいて破線で示される領域の部分拡大断面図であり、図５Ｂは、コリメート光Ｌが入射する領域における光分離部３３０の数を説明するための図である。図４Ｂでは、光レセプタクル３００内の光路を示すために光レセプタクル３００の断面へのハッチングを省略している。また、図５Ａでも光レセプタクル３００の断面へのハッチングを省略している。

図３および図４に示されるように、光分離部３３０は、複数の分離ユニット３３５を有する。詳細は後述するが、光分離部３３０において、複数の分離ユニット３３５は、反射面３２０で反射した光Ｌが入射する領域内に４〜６の分離ユニット３３５が存在するように配置されている。分離ユニット３３５は、分割反射面３３１、分割透過面３３２および分割段差面３３３をそれぞれ１つずつ含む。すなわち、光分離部３３０は、複数の分割反射面３３１と、複数の分割透過面３３２と、複数の分割段差面３３３とを有する。この後説明するように、分割反射面３３１は、反射面３２０で反射したコリメート光Ｌの光軸に対する傾斜面である。以下の説明では、分割反射面３３１の傾斜方向を第１の方向と称する（図３に示される矢印Ｄ１参照）。分割反射面３３１、分割透過面３３２および分割段差面３３３は、それぞれ第１の方向に分割されている。

分割反射面３３１は、反射面３２０で反射したコリメート光Ｌの光軸に対する傾斜面である。分割反射面３３１は、反射面３２０で反射したコリメート光Ｌの一部を第２光学面３４０に向けて反射させる。本実施の形態では、分割反射面３３１は、光レセプタクル３００の天面から底面に向かうにつれて第３光学面３５０（光ファイバー４００）に近づくように傾斜している。分割反射面３３１の傾斜角は、反射面３２０で反射したコリメート光Ｌの光軸に対して４５°である。分割反射面３３１は、第１の方向に分割されており、所定の間隔で配置されている。また、複数の分割反射面３３１は、同一の仮想平面Ｓ１（図３Ａおよび図５Ａ参照）上に配置されている。

分割透過面３３２は、分割反射面３３１と異なる位置に形成された、反射面３２０で反射したコリメート光Ｌの光軸に対する垂直面である。分割透過面３３２は、反射面３２０で反射したコリメート光Ｌの一部を透過させ、第３凹部３８０に出射させる。分割透過面３３２も、第１の方向に分割されており、所定の間隔で配置されている。複数の分割透過面３３２は、第１の方向において互いに平行に配置されている。

分割段差面３３３は、反射面３２０で反射したコリメート光Ｌの光軸に平行な面であり、分割反射面３３１および分割透過面を接続している。複数の分割段差面３３３は、第１の方向において互いに平行に配置されている。

１つの分離ユニット３３５内において、分割反射面３３１、分割段差面３３３および分割透過面３３２は、この順番で第１の方向（天面から底面に向かう方向）に配列されている。分割透過面３３２および分割段差面３３３の間には、稜線が形成される。第１の方向において隣接する複数の稜線は、互いに平行に配置されている。分割透過面３３２および分割段差面３３３のなす角度のうち小さい角度は、９０°である。また、分割透過面３３２および（隣の分離ユニット３３５の）分割反射面３３１のなす角度のうち小さい角度は１３５°である。また、分割段差面３３３および分割反射面３３１のなす角度のうち小さい角度も１３５°である。光分離部３３０において、複数の分離ユニット３３５は、第１の方向に配列されている。分割反射面３３１を含む仮想平面Ｓ１に対する、分割透過面３３２と分割段差面３３３との境界線の高さｄ３は、１３〜２１μｍの範囲内である（図５Ａ参照）。

図４Ｂに示されるように、分割反射面３３１には、反射面３２０で反射したコリメート光Ｌの一部の光が、臨界角より大きな入射角で内部入射する。分割反射面３３１は、入射したコリメート光Ｌの一部の光を第２光学面３４０に向けて反射させて、モニター光Ｌｍを生成する。一方、分割透過面３３２は、反射面３２０で反射したコリメート光Ｌの一部の光を透過させ、光ファイバー４００の端面４１０に向かう信号光Ｌｓを生成する。信号光Ｌｓは、第３凹部３８０に出射される。このとき、分割透過面３３２はコリメート光Ｌに対して垂直面であるため、信号光Ｌｓは屈折しない。なお、光分離部３３０において、分割段差面３３３は、コリメート光Ｌの入射方向と平行に形成されているため、コリメート光Ｌが入射することはない。

信号光Ｌｓとモニター光Ｌｍとの光量比は、所望の光量の信号光Ｌｓを得つつ、発光素子から出射された光Ｌの強度や光量を監視することができるモニター光Ｌｍを得ることができれば、特に限定されない。信号光Ｌｓとモニター光Ｌｍとの光量比は、信号光Ｌｓ：モニター光Ｌｍ＝６：４〜８：２であることが好ましい。信号光Ｌｓとモニター光Ｌｍとの光量比は、信号光Ｌｓ：モニター光Ｌｍ＝７：３であることがさらに好ましい。

信号光Ｌｓとモニター光Ｌｍとの光量比は、理論上、反射面３２０側から見たときの分割透過面３３２および分割反射面３３１の面積比に比例する。たとえば、図４Ｂに示される断面の分割透過面３３２と平行な方向における、分割透過面３３２の寸法ｄ１と、分割反射面３３１の寸法ｄ２との比率を１：１にすると、光分離部３３０に入射するコリメート光Ｌの光量を１００％とした場合、信号光Ｌｓおよびモニター光Ｌｍの光量はそれぞれ５０％になるはずである。

一方、光レセプタクル３００は、上記のように射出成形により製造されうる。射出成形による製造方法では、金型の内部（キャビティー）に注入した溶融樹脂を硬化させて光レセプタクル３００を成形する。よって、光レセプタクル３００では、キャビティー内から抜けなかった気体によりエッジ部に成形不良が生じたり、冷却工程における樹脂の収縮または転写不良により所望の形状が得られなかったりする場合がある。また、光レセプタクル３００では、光レセプタクル３００の材料の種類に応じて、光損失が発生する。よって、信号光Ｌｓとモニター光Ｌｍとが所望の光量比となるように、分割透過面３３２および分割反射面３３１を設計しても、所望の光量比とならないことが多い。

本発明者らは、このような光レセプタクル３００の特性や、射出成形による製造上の誤差などを考慮した上で、信号光Ｌｓおよびモニター光Ｌｍを所定の光量比で生成するための、光分離部３３０における最適な分離ユニット３３５の配置および形状を見出した。本実施の形態では、信号光Ｌｓとモニター光Ｌｍとの光量比は、信号光Ｌｓ：モニター光Ｌｍ＝７：３である。なお、以下の説明において「分離ユニット３３５の高さ」とは、上述した第１仮想平面Ｓ１と、分割透過面３３２および分割段差面３３３の境界線との最短距離ｄ３を意味する。

本発明者らは、条件の異なる３種類のシミュレーション（シミュレーション１〜３）を実施し、これらのシミュレーション結果から最適な光分離部３３０の形状（分離ユニット３３５の配置および形状）を求めた。シミュレーション１では、光レセプタクル３００の形状のみを考慮してシミュレーションを行った。シミュレーション２では、シミュレーション１の条件に加え、光レセプタクル３００の材料も考慮してシミュレーションを行った。シミュレーション３では、シミュレーション２の条件に加え、製造上の誤差も考慮してシミュレーションを行った。なお、シミュレーション１〜３において、発光素子２２０から出射されるレーザー光Ｌの光量は、同じである。また、シミュレーション１〜３において、信号光Ｌｓの光量は、入射面３８１の近くに設定した第２仮想平面Ｓ２に到達した光量とした（図１参照）。また、シミュレーション１〜３において、モニター光Ｌｍの光量は、受光素子２３０の近くに設定した第３仮想平面Ｓ３に到達した光量とした（図１参照）。

シミュレーション１〜３では、光分離部３３０のコリメート光Ｌが入射する領域における分離ユニット３３５の数を２〜１２個の範囲で変化させた場合、および分離ユニット３３５の高さを７，１０，１２，１５，２１，２５，３５μｍと変化させた場合のそれぞれについて各光量をシミュレーションした。

シミュレーション１では、光レセプタクル３００の形状のみを考慮して、発光素子２２０から出射した光Ｌから生成された信号光Ｌｓの光量およびモニター光Ｌｍの光量をそれぞれ求めた。シミュレーション１では、図４Ｂに示される分割透過面３３２の寸法ｄ１と分割反射面３３１の寸法ｄ２との比率は、７：３と設定した。また、分割透過面３３２および分割段差面３３３のなす角度のうち小さい角度を９０°と設定した。さらに、分割透過面３３２および分割反射面３３１のなす角度のうち小さい角度、ならびに分割段差面３３３および分割反射面３３１のなす角度のうち小さい角度を１３５°と設定した。このような条件を満たす範囲内で、分離ユニット３３５の配置および分離ユニット２２５の高さを変化させて、信号光Ｌｓおよびモニター光Ｌｍの光量をそれぞれ求めた。

シミュレーション２では、シミュレーション１の条件（光レセプタクル３００の形状）に加え、光レセプタクル３００の材料による光損失も考慮して、信号光Ｌｓの光量およびモニター光Ｌｍの光量をそれぞれ求めた。シミュレーション２では、光レセプタクル３００の材料は、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）とした。

シミュレーション３では、シミュレーション２の条件（光レセプタクル３００の形状および材料）に加え、射出成形による製造上の誤差も考慮して、信号光Ｌｓの光量およびモニター光Ｌｍの光量をそれぞれ求めた。ここで、製造上の誤差とは、分割透過面３３２および分割段差面３３３のなす角度のうち、小さい角度（９０°）が１°増減した場合であって、かつ第１の方向における分割透過面３３２および分割段差面３３３の接続部（稜線部分）のＲ（曲率半径）が３μｍとなった場合である。

図６は、分離ユニット３３５の配置または高さと、信号光Ｌｓおよびモニター光Ｌｍの光量の変動量との関係を示すグラフである。図６Ａは、光分離部３３０のコリメート光Ｌが入射する領域における分離ユニット３３５の数と、光（信号光Ｌｓまたはモニター光Ｌｍ）の光量の変動量との関係を示すグラフであり、図６Ｂは、分離ユニット３３５の高さと、信号光Ｌｓの減少量との関係を示すグラフである。なお、図６Ａにおいて、黒塗りされた四角形のシンボルは、シミュレーション１によるモニター光Ｌｍの光量に対するシミュレーション２によるモニター光Ｌｍの光量の変動量を示しており、白抜きされた四角形のシンボルは、シミュレーション１による信号光Ｌｓの光量に対するシミュレーション２の信号光Ｌｓの光量の変動量を示している。また、黒塗りされた円形のシンボルは、シミュレーション１によるモニター光Ｌｍの光量に対するシミュレーション３のモニター光Ｌｍの光量の変動量を示しており、白抜きされた円形のシンボルは、シミュレーション１によるモニター光Ｌｍの光量に対するシミュレーション３のモニター光Ｌｍの光量の変動量を示している。また、図６Ａに示される破線は、信号光Ｌｓまたはモニター光Ｌｍの光量の変動量が５％の位置を示している。図６Ｂの黒塗りされた円形のシンボルは、シミュレーション１による信号光Ｌｓの光量に対するシミュレーション３による信号光Ｌｓの減少量を示している。また、図６Ｂに示される破線は、信号光Ｌｓの減少量が１５％の位置を示している。

図６Ａに示されるように、シミュレーション１による信号光Ｌｓまたはモニター光Ｌｍの光量に対する、シミュレーション２の信号光Ｌｓまたはモニター光Ｌｍの光量の変動量は、分離ユニット３３５の数が４個以上であれば５％未満であることがわかる。また、シミュレーション１による信号光Ｌｓまたはモニター光Ｌｍの光量に対する、シミュレーション３の信号光Ｌｓまたはモニター光Ｌｍの光量の変動量も、分離ユニット３３５の数が４個以上であれば５％未満であることがわかる。

また、図６Ｂに示されるように、シミュレーション１による信号光Ｌｓの光量に対する、シミュレーション３による信号光Ｌｓの減少量は、分離ユニット３３５の高さが１３〜２１μｍの範囲内であれば１５％未満であることがわかる。

よって、本シミュレーションから、光分離部３３０のコリメート光Ｌが入射する領域における分離ユニット３３５の数が４〜６個であり、かつ、分離ユニット３３５の高さが１３〜２１μｍであれば、所望の光量の信号光Ｌｓおよび所望の光量のモニターＬｍを得られることがわかる。

なお、特に結果は示さないが、透過光としての信号光Ｌｓの光量：反射光としてのモニター光Ｌｍの光量＝２０：８０〜８０：２０の範囲内であれば、所定の光束径における分離ユニット３３５の数が４〜６個であり、かつ、分離ユニット３３５の高さが１３〜２１μｍの場合に、所望の光量の信号光Ｌｓおよび所望の光量のモニターＬｍを得られることもわかっている。

（効果）
以上のように、実施の形態１に係る光レセプタクル３００は、発光素子２２０から出射されたレーザー光Ｌを、反射面３２０によって半導体基板２１０の表面に沿って反射させた上で、分割反射面３３１による反射および分割透過面３３２による透過によってモニター光Ｌｍと信号光Ｌｓとに分離する。モニター光Ｌｍについては、第２光学面３４０から受光素子２３０に向けて出射させ、信号光Ｌｓについては、進行方向を変えることなく、第３光学面３５０から光ファイバー４００の端面４１０に向けて出射させる。よって、光レセプタクル３００は、発光素子２２０から出射された光を監視するモニター光Ｌｍを取得しつつ、光ファイバー４００の端面４１０における信号光Ｌｓの方向を半導体基板２１０に沿った方向にすることができる。また、光レセプタクル３００は、光レセプタクル３００の材料および製造上の誤差に関わらず、所望の光量の信号光Ｌｓおよび所望の光量のモニターＬｍを生成することができる。

なお、分割反射面３３１、分割段差面３３３および分割透過面３３２は、この順番で第１の方向であって、光レセプタクル３００の底面から天面に向かう方向に配置されていてもよい。この場合、複数の分割段差面３３３および複数の分割透過面３３２は、分割反射面３３１よりも反射面３２０側に配置される。

また、実施の形態１に係る光レセプタクル３００では、第１光学面３１０、第２光学面３４０および第３光学面３５０が曲率を有する凸レンズ面である場合を示したが、第１光学面３１０、第２光学面３４０または第３光学面３５０は、曲率を有さない平面であってもよい。具体的には、第１光学面３１０のみが平面であってもよいし、第２光学面３４０のみが平面であってもよいし、第３光学面３５０のみが平面であってもよい。第１光学面３１０が平面に形成されている場合、例えば、反射面３２０は、凹面鏡として機能できるように形成される。また、第２光学面３４０が平面に形成されている場合、第２光学面３４０から出射された一部の光が、受光素子２３０の受光面に到達しないおそれがある。しかしながら、受光素子２３０が発光素子２２０から出射された光Ｌを監視するうえでは、大きな問題とはならない。さらに、第１光学面３１０や反射面３２０などにより、第３光学面３５０に到達する直前の光Ｌが効果的に収束されている場合は、第３光学面３５０が平面に形成されていてもよい。

［実施の形態２］
（光モジュールの構成）
実施の形態２に係る光レセプタクル６００および光モジュール５００は、レンズアレイ型であり、監視を伴う光送信の多チャンネル化に対応できる点において、実施の形態１に係る光レセプタクル３００および光モジュール１００と異なる。なお、実施の形態１の光レセプタクル３００および光モジュール１００と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図７は、実施の形態２に係る光モジュール５００の断面図である。図７では、光レセプタクル６００内の光路を示すために光レセプタクル６００の断面へのハッチングを省略している。図８は、実施の形態２に係る光レセプタクル６００の構成を示す図である。図８Ａは、光レセプタクル６００の平面図であり、図８Ｂは、底面図であり、図８Ｃは、右側面図である。

図７に示されるように、実施の形態２に係る光モジュール５００は、光電変換装置７００および光レセプタクル６００を有する。実施の形態２に係る光モジュール５００では、光ファイバー４００は、多芯一括型のコネクター６１０内に収容された状態で公知の取付手段を介して光レセプタクル６００に取り付けられている。

光電変換装置７００は、複数の発光素子２２０と、複数の受光素子２３０と、制御部２４０を有する。複数の発光素子２２０は、半導体基板２１０上に一列に配列されている。図８では、複数の発光素子２２０は、紙面の手前側から奥側に向かって一列に配列されている。一方、複数の受光素子２３０は、複数の発光素子２２０の配列方向と平行になるように、半導体基板２１０上に一列に配列されている。複数の発光素子２２０および複数の受光素子２３０は、互いに対応するように同一間隔で配置される。複数の受光素子２３０は、対応する発光素子２２０の出力などを監視するためのモニター光Ｌｍを受光する。

光レセプタクル６００は、このような光電変換装置７００および光ファイバー４００の構成に応じて、各発光素子２２０および各光ファイバー４００間の光路と、各発光素子２２０および各受光素子２３０間の光路を確保するように形成されている。具体的には、複数の第１光学面３１０、複数の第２光学面３４０および複数の第３光学面３５０が、発光素子２２０ごとのレーザー光Ｌの光路を確保できるように、図７の紙面における前後方向（図８Ａ，Ｂにおいては、上下方向）に配列されている。また、反射面３２０および光分離部３３０が、複数の発光素子２２０から出射されるレーザー光Ｌの光路を確保できるように形成されている。

本実施の形態においても、光分離部３３０は、複数の分離ユニット３３５を有する。本実施の形態においても、反射面３２０で反射した光が入射する領域内に４〜６個の分離ユニット３３５が存在するように、光分離ユニット３３５は配置されている。また、光分離ユニットの高さは、１３〜２１μｍの範囲内である。

（効果）
以上のように、実施の形態２に係る光モジュール５００は、実施の形態１の効果に加え、監視を伴う光送信の多チャンネル化に対応することができる。

なお、特に図示しないが、実施の形態２においても実施の形態１と同様に、第１光学面３１０、第２光学面３４０または第３光学面３５０は、平面であってもよい。

また、上記各実施の形態の光レセプタクル３００，６００において、反射面３２０および分割反射面３３１上に、光反射率が高い金属（例えば、Ａｌ,Ａｇ,Ａｕなど）の薄膜などの反射膜を形成してもよい。部品点数の削減を優先させたい場合には、実施の形態１，２のように、全反射のみを利用した構成を採用することが好ましい。

本発明に係る光レセプタクルおよび光モジュールは、光ファイバーを用いた光通信に有用である。

１００，５００ 光モジュール
２００，７００ 光電変換装置
２１０ 半導体基板
２２０ 発光素子
２３０ 受光素子
２４０ 制御部
３００，６００ 光レセプタクル
３１０ 第１光学面
３２０ 反射面
３３０ 光分離部
３３１ 分割反射面
３３２ 分割透過面
３３３ 分割段差面
３３５ 分離ユニット
３４０ 第２光学面
３５０ 第３光学面
３６０ 第１凹部
３７０ 第２凹部
３８０ 第３凹部
３８１ 入射面
３９０ 光ファイバー取付部
３９１ 第４凹部
３９２ 第５凹部
４００ 光ファイバー
４１０ 端面
４２０ フェルール
６１０ コネクター
Ｌ 発光素子から出射された光
Ｌｍ モニター光
Ｌｓ 信号光
Ｓ 仮想平面

Claims (4)

1. 発光素子および前記発光素子から出射された光を監視するための受光素子が基板上に配置された光電変換装置と、光ファイバーとの間に配置され、前記発光素子と前記光ファイバーの端面とを光学的に結合するための光レセプタクルであって、
   前記発光素子から出射された光を入射させる第１光学面と、
   前記第１光学面から入射した光を、前記基板に沿った方向に反射させる反射面と、
   前記反射面で反射した光の一部を出射させる出射領域および前記出射領域から出射した光を再度入射させる入射面を有する凹部と、
   前記出射領域に配置され、前記反射面で反射した光を前記受光素子に向かうモニター光と前記光ファイバーの端面に向かう信号光とに分離し、前記モニター光を前記受光素子に向けて反射させ、前記信号光を前記凹部に出射させる光分離部と、
   前記光分離部で分離した前記モニター光を前記受光素子に向けて出射させる第２光学面と、
   前記光分離部から出射された後、前記入射面から再度入射した前記信号光を前記光ファイバーの端面に向けて出射させる第３光学面と、を有し、
   前記光分離部は、前記反射面で反射した光の光軸に対する傾斜面である分割反射面と、前記光軸に対する垂直面である分割透過面と、前記光軸に対する平行面である分割段差面とをそれぞれ１つずつ含み、かつ前記分割反射面、前記分割段差面および前記分割透過面が前記分割反射面の傾斜方向である第１の方向に配列されている分離ユニットを複数含み、
   前記光分離部において、複数の前記分離ユニットは、前記第１の方向に配列されており、
   複数の前記分割反射面は、同一の仮想平面上に配置されており、かつ前記反射面で反射した光の一部を前記第２光学面に向けて反射させ、
   複数の前記分割透過面は、それぞれ前記反射面で反射した光の一部を前記凹部に透過させ、
   複数の前記分割段差面は、それぞれ前記分割反射面および前記分割透過面を接続し、
   前記光分離部において、複数の前記分離ユニットは、前記反射面で反射した光が入射する領域内に４〜６の前記分離ユニットが存在するように配置されており、
   前記仮想平面に対する、前記分割透過面と前記分割段差面との境界線の高さは、２１μｍであり、
   前記反射面で反射した光が進行する方向からみたときに、前記分割透過面の高さ方向にの寸法と前記分割反射面の高さ方向の寸法の比率は、７：３であり、
   前記分割透過面および前記分割段差面のなす角度のうち小さい角度は、９０°であり、
   前記分割透過面および前記分割反射面のなす角度のうち小さい角度、ならびに前記分割段差面および前記分割反射面のなす角度のうち小さい角度は、１３５°であり、
   前記第１の方向における前記分割透過面および前記分割段差面の接続部のＲは、３μｍである、
   光レセプタクル。
2. 前記第１光学面、前記第２光学面および前記第３光学面は、いずれも複数配置されており、かつ前記第２の方向にそれぞれ一列に配列されている、請求項１に記載の光レセプタクル。
3. 発光素子および前記発光素子から出射された光を監視するための受光素子が基板上に配置された光電変換装置と、
   請求項１または請求項２に記載の光レセプタクルと、
   を有する、光モジュール。
4. 前記光電変換装置は、複数の前記発光素子と、複数の前記受光素子とを有し、
   前記複数の発光素子は、前記第２の方向に一列に配列されており、
   前記複数の受光素子は、前記発光素子の列と平行になるように前記第２の方向に一列に配列されており、
   前記光レセプタクルは、前記発光素子の列に対応して前記第２の方向に一列に配列された複数の前記第１光学面と、前記受光素子の列に対応して前記第２の方向に一列に配列された複数の前記第２光学面と、前記第２の方向に一列に配列された複数の前記第３光学面とを有する、
   請求項３に記載の光モジュール。

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