JP6494711B2

JP6494711B2 - 光モジュール

Info

Publication number: JP6494711B2
Application number: JP2017169344A
Authority: JP
Inventors: 心平森岡; 忠信新見
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 2017-09-04
Filing date: 2017-09-04
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: JP2017207788A

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、レンズアレイに形成された第１の凹部の内面からなる反射／透過面によるフレネル反射を利用して、発光素子からの出射光の一部をモニタ光として受光素子側に反射させる技術が提案されている。

特開２０１１−０３９１５１号公報

前述した特許文献１に記載の技術は、フレネル反射を利用することにより、モニタ光の取得に要する部品点数を抑えることができるといった利点がある一方で、発光素子の出射光をモニタ光と光ファイバへの結合光とに分光するための第１の凹部の形成と、モニタ光の進行方向を反射を利用して受光素子側に向けるための第２の凹部の形成とが不可欠であるため、更なる構成の簡素化および機械的強度の向上には限界があった。

また、特許文献１に記載の技術は、反射／透過面によって反射された後のモニタ光が、第２の凹部において屈折および反射といった２回の方向変換を受けるように構成されているため、モニタ光を受光するための受光素子の位置を自由に選択した設計が困難であった。

そこで、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適正に実現することができるとともに、構成の簡素化ならびに機械的強度および設計の自由度の向上を図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が基板上に実装された光電変換装置と、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、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の面上に、前記発光素子側に凸面を向けたレンズ面であって円形状の一部を弦状に切り欠いた形状を呈するとともに前記発光素子の前記光における一部の光が入射するように配置された第１のレンズ面と、前記光レセプタクル本体における前記第１の面と反対側の第２の面上に、前記第１の面に対して所定の第１の傾斜角を有するとともに、前記第１のレンズ面に入射した前記一部の光が到達するように配置され、到達した前記一部の光を反射させる第１の反射面と、この第１の反射面によって反射された前記一部の光を前記光伝送体に向けて出射させる出射面と、前記第１の面上に、前記第１のレンズ面の前記弦状に切り欠いた部位に形成された弦状部に連設されるとともに、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が入射するように配置され、入射した前記他の一部の光を前記モニタ光として前記受光素子に向けて反射させる第２の反射面であって、前記第１のレンズ面の弦状に切り欠かれた範囲を含む形状に形成されているとともに、前記光レセプタクル本体における前記第１のレンズ面に隣接する部位の面形状のみによって形成され、かつ、入射した前記他の一部の光を全反射またはフレネル反射のみによって前記モニタ光として前記受光素子に向けて反射させる第２の反射面とを有し、前記発光素子の中心部は、前記第１のレンズ面上の光軸に対して前記第２の反射面側にずれた位置に配置されている点にある。

そして、この請求項１に係る発明によれば、第１のレンズ面に連設された第２の反射面によって、発光素子の光における他の一部の光をモニタ光として受光素子に向けて反射させることができるので、分光用の凹部を要しなくすることが可能となり、モニタをともなう光送信を、簡易かつ堅牢な構成によって実現することができる。また、モニタ光が、第２の反射面以降の光路上において方向変換されずに受光素子に入射するように構成されているため、第２の反射面の面形状を選択するだけで、受光素子の自由な配置位置に適合したモニタ光の光路を容易に設計することができる。また、前記第２の反射面を、前記第１のレンズ面の前記弦状に切り欠かれた範囲を含む形状に形成しているので、発光素子の光が確実に照射される部位であり、確実にモニタ光を反射させることができ、信頼性の高いモニタを実現することができる。また、前記第２の反射面が、前記光レセプタクル本体における前記第１のレンズ面に隣接する部位の面形状のみによって形成され、前記他の一部の光をフレネル反射させることによって前記モニタ光を発生させるので、光レセプタクル本体の面形状のみによって実現することができ、部品点数を抑えることができる。また、前記発光素子の中心部が、前記第１のレンズ面上の光軸に対して前記第２の反射面側にずれた位置に配置されているので、モニタ光を更に確実に得ることができる。

さらに、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の反射面は、前記第１の面に対して所定の第２の傾斜角をなす傾斜平面を有する点にある。

そして、この請求項２に係る発明によれば、第２の反射面の面形状を簡素化することができる。

さらにまた、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２の反射面は、前記受光素子側に向けた凹曲面を有する点にある。

そして、この請求項３に係る発明によれば、第２の反射面にモニタ光の集光機能を付与することができるので、受光素子へのモニタ光の結合を効率的に行うことができる。

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、前記出射面は、前記一部の光を収束させつつ出射させる第２のレンズ面と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、光伝送体への受光素子の光の結合を効率的に行うことができる。

さらに、請求項５に係る光レセプタクルの特徴は、請求項１〜４のいずれか１項において、更に、前記第１の反射面は、前記一部の光が臨界角よりも大きい入射角で内部入射し、内部入射した前記一部の光を全反射させる全反射面と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、第１の反射面を光レセプタクル本体の面形状のみによって実現することができるので、部品点数を抑えることができる。

さらにまた、請求項６に係る光モジュールの特徴は、請求項１〜５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６に係る発明によれば、モニタをともなう光送信を、簡易かつ堅牢な構成によって実現することができるとともに、受光素子の配置位置およびこれに適合したモニタ光の光路を従来よりも自由に設計することができる。また、基板実装型の光電変換装置を用いることにより、ＴＯ−ＣＡＮを用いる場合に生じ得るクロストークの問題を未然に回避することができる。

本発明によれば、モニタをともなう光送信を適正に実現することができるとともに、構成の簡素化ならびに機械的強度および設計の自由度の向上を図ることができる。

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下面図図１に示す光レセプタクルの要部拡大下面図図１の光モジュールにおける分光状態を示す要部拡大縦断面図図１の光モジュールにおけるファイバ結合光のスポット形状の一例を示す模式図図１の光モジュールにおけるモニタ光のスポット形状の一例を示す模式図本発明の第１の変形例を示す要部拡大縦断面図本発明の第２の変形例を示す光レセプタクルの要部拡大下面図図９の光レセプタクルによる分光状態を示す要部拡大縦断面図本発明の第３変形例を示す光モジュールの概略構成図図１１に示す光レセプタクルの右側面図

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１２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（図２のＡ−Ａ断面図に相当）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。さらに、図３は、図１に示す光レセプタクル２の下面図である。

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、第１の面としての光レセプタクル２の下端面２ａ（平面）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直方体状に形成されている。すなわち、図１〜図３に示すように、光レセプタクル２の主要部は、下端面２ａ、第２の面としての上端面２ｂ、左端面２ｃ、右端面２ｄ、前端面２ｅおよび後端面２ｆの各面によって大まかな外形を構成している。そして、上下の端面２ａ、２ｂは互いに平行とされ、左右の端面２ｃ、２ｄも互いに平行とされている。さらに、上下の端面２ａ、２ｂと左右の端面２ｃ、２ｄとは、互いに垂直とされている。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。ただし、このような構成に限定される必要はなく、例えば、光レセプタクル２をポリエーテルイミド等の透光性樹脂材料を用いた射出成形によって得る場合には、左右の端面２ｃ、２ｄ等に、金型からの成形品の離型のための抜きテーパを形成してもよい。

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が形成されており、この第１の凹部１０の内底面１０ａは、下端面２ａに平行に形成されている。そして、この第１の凹部１０の内底面１０ａ上の図１および図３における左端部近傍位置には、図１および図３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。ここで、第１のレンズ面１１は、図３および図４に示すように、下面図において、円形状の一部（右端部側の所定範囲の部位）を直線状（弦状）に切り欠いた形状を呈しており、また、図１に示すように、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、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５（図４のＢ−Ｂ断面図に相当）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における一部のレーザ光Ｌａが下方から入射する。そして、第１のレンズ面１１は、入射した一部のレーザ光Ｌａを、光ファイバ５の端面５ａに結合すべきファイバ結合光Ｌｃとして光レセプタクル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、光レセプタクル２の上端面２ｂ上における第１のレンズ面１１に対してファイバ結合光Ｌｃの進行方向側の位置（図１における真上位置）には、上方に向かうにしたがって右方に傾くような下端面２ａに対する所定の第１の傾斜角を有する第１の反射面１４が形成されている。図１に示すように、第１の反射面１４は、上端面２ｂ上に下方に向かって凹入形成された断面略台形状の第２の凹部１５の内斜面のみからなる。

このような第１の反射面１４には、図１に示すように、第１のレンズ面１１を通過したファイバ結合光Ｌｃが、図１における下方側（光レセプタクル２の内部側）から臨界角よりも大きい入射角で内部入射（到達）する。そして、第１の反射面１４は、この内部入射したファイバ結合光Ｌｃを、図１における右方に向けて全反射させる。

なお、第１の反射面１４の傾斜角は、設計および寸法精度測定の簡便化の観点から、下端面２ａを基準（０°）として図１における反時計回りに４５°としてもよい。

さらにまた、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における光ファイバ５の端面５ａに臨む位置には、出射面としての１つの第２のレンズ面１２が形成されている。この第２のレンズ面１２は、外周形状が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１の反射面１４によって全反射されたファイバ結合光Ｌｃが内部入射する。そして、第２のレンズ面１２は、この内部入射したファイバ結合光Ｌｃを、収束させつつ光ファイバ５の端面５ａに向けて出射させる。

そして、図１および図３〜５に示すように、第１の凹部１０の内底面１０ａ上における第１のレンズ面１１の右側には、第２の反射面１６が連設されている。この第２の反射面１６は、光レセプタクル２における第１のレンズ面１１に隣接する部位の面形状のみによって構成されている。より具体的には、図３および図４に示すように、第２の反射面１６は、第１のレンズ面１１の弦状の右端部に連接されているとともに、下面図において矩形状を呈している。また、図５に示すように、第２の反射面１６は、下端面２ａに対して所定の第２の傾斜角θ〔°〕を有する傾斜平面に形成されている。第２の傾斜角θとしては、モニタ光Ｍの照射方向（換言すれば、受光素子８の配置位置）や受光素子８の受光面のサイズ等に応じた好適な角度を設定すればよい。

また、図５において二点鎖線で示す発光素子７の中心部（換言すれば、レーザ光Ｌａの中心）は、第１のレンズ面１１上の光軸ＯＡ（１）に対して第２の反射面１６側にずれた位置に配置されている。

このような第２の反射面１６には、図１および図５に示すように、発光素子７から出射されたレーザ光Ｌａにおける第１のレンズ面１１に入射した一部のレーザ光Ｌａ以外の他の一部のレーザ光Ｌａが入射する。そして、第２の反射面１６は、入射した他の一部のレーザ光Ｌａを、フレネル反射を利用して、いわゆるフレネルの公式を満足する所定の反射率を有するモニタ光Ｍとして、受光素子８に向けて反射させる。

ここで、図７は、このようにして反射されたモニタ光Ｍの受光素子８上でのスポット形状を示したものである。一方、図６は、ファイバ結合光Ｌｃの光ファイバ５の端面５ａ上におけるスポット形状を示したものである。

以上の構成によれば、発光素子７のレーザ光Ｌａを、第１のレンズ面１１および第２の反射面１６によってファイバ結合光Ｌｃとモニタ光Ｍとに分光することができるので、モニタをともなう光送信を、簡易かつ堅牢な構成によって実現することができる。具体的には、特許文献１に示すような分光用の凹部を設ける必要がないので、金型形状を簡素化することができるとともに、機械的強度を向上させることができる。また、モニタ光Ｍが、第２の反射面１６以降の光路上において方向変換されずに受光素子８に入射するように構成されているため、第２の反射面１６の面形状を選択するだけで、受光素子８の自由な配置位置に適合したモニタ光Ｍの光路を容易に設計することができる。

なお、第１の反射面１４上および第２の反射面１６上に、必要に応じて光反射率が高い金属（例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ）の薄膜等からなる反射膜を形成してもよいが、部品点数の削減を優先させたい場合には、前述のように、全反射およびフレネル反射のみを利用した構成を採用することが望ましい。

なお、本発明においては、以下に示すような種々の変形例を採用してもよい。

（第１の変形例）
例えば、ファイバ結合光Ｌｃとモニタ光Ｍとの光強度比は、第１のレンズ面１１に入射する一部のレーザ光Ｌａと第２の反射面１６に入射する他の一部のレーザ光Ｌａとの光束断面積比（光軸ＯＡ（１）に垂直な断面の面積比）によって調整することができ、この光束断面積比は、光軸ＯＡ（１）に対する発光素子７の中心部のオフセット量によって調整することができる。

したがって、図５に示した場合よりもモニタ光Ｍの光強度を大きくしたい場合には、図８に示すように、発光素子７の中心部（二点鎖線部）を、第１のレンズ面１１上の光軸ＯＡ（１）に対して第２の反射面１６側により離れた位置に配置すればよい。

（第２の変形例）
また、図９および図１０（図９のＣ−Ｃ断面図に相当）に示すように、第２の反射面１６を、下面図において半円環形状を呈するような受光素子８側に向けた傾斜凹曲面に形成してもよい。

このように構成すれば、第２の反射面１６にモニタ光Ｍの集光機能を付与することができるので、受光素子８へのモニタ光Ｍの結合を効率的に行うことができる。

（第３の変形例）
さらに、図１１および図１２に示すように、モニタをともなう光送信の多チャンネル化に対応できるように構成してもよい。

すなわち、本変形例において、光電変換装置３は、発光素子７および受光素子８が、図１１における紙面垂直方向に沿って複数（１２個）整列形成されたものとされている。また、本変形例においては、光ファイバ５が、発光素子７および受光素子８の整列方向と同方向に沿って発光素子７および受光素子８と同数整列配置されるようになっている。なお、図１１において、各光ファイバ５は、多芯一括型のコネクタ１９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２に取り付けられている。

また、このような光電変換装置３および光ファイバ５の構成に応じて、光レセプタクル２は、各発光素子７−各光ファイバ５間の光路および各発光素子７−各受光素子８間の光路を形成し得るように、図１１の紙面垂直方向における寸法が図１の構成に比べて大きく形成されている。さらに、レンズ１１、１２および第２の反射面１６についても、発光素子７、光ファイバ５の端面５ａおよび受光素子８にそれぞれ対応する位置に、発光素子７、光ファイバ５および受光素子８と同数ずつ形成されている。

本変形例によれば、各発光素子７ごとのレーザ光Ｌａを、各発光素子７にそれぞれ対応する各第１のレンズ面１１および各第２の反射面１６において各発光素子７ごとのファイバ結合光Ｌｃとモニタ光Ｍとに分光することができるので、モニタをともなう多チャンネルの光送信を簡易かつ堅牢な構成によって実現することができるとともに、受光素子８の配置位置に応じたフレキシブルな設計が可能となる。

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、本発明には、光導波路等の光ファイバ５以外の光伝送体を適用してもよい。

１光モジュール
２光レセプタクル
３光電変換装置
５光ファイバ
５ａ端面
６半導体基板
７発光素子
８受光素子
１１第１のレンズ面
１４第１の反射面
１６第２の反射面

Claims

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が基板上に実装された光電変換装置と、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、
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の面上に、前記発光素子側に凸面を向けたレンズ面であって円形状の一部を弦状に切り欠いた形状を呈するとともに前記発光素子の前記光における一部の光が入射するように配置された第１のレンズ面と、
前記光レセプタクル本体における前記第１の面と反対側の第２の面上に、前記第１の面に対して所定の第１の傾斜角を有するとともに、前記第１のレンズ面に入射した前記一部の光が到達するように配置され、到達した前記一部の光を反射させる第１の反射面と、
この第１の反射面によって反射された前記一部の光を前記光伝送体に向けて出射させる出射面と、
前記第１の面上に、前記第１のレンズ面の前記弦状に切り欠いた部位に形成された弦状部に連設されるとともに、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が入射するように配置され、入射した前記他の一部の光を前記モニタ光として前記受光素子に向けて反射させる第２の反射面であって、前記第１のレンズ面の弦状に切り欠かれた範囲を含む形状に形成されているとともに、前記光レセプタクル本体における前記第１のレンズ面に隣接する部位の面形状のみによって形成され、かつ、入射した前記他の一部の光を全反射またはフレネル反射のみによって前記モニタ光として前記受光素子に向けて反射させる第２の反射面と
を有し、
前記発光素子の中心部は、前記第１のレンズ面上の光軸に対して前記第２の反射面側にずれた位置に配置されている
ことを特徴とする光レセプタクル。
前記第２の反射面は、前記第１の面に対して所定の第２の傾斜角をなす傾斜平面を有すること
を特徴とする請求項１に記載の光レセプタクル。
前記第２の反射面は、前記受光素子側に向けた凹曲面を有すること
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。
前記出射面は、前記一部の光を収束させつつ出射させる第２のレンズ面とされていること
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。
前記第１の反射面は、前記一部の光が臨界角よりも大きい入射角で内部入射し、内部入射した前記一部の光を全反射させる全反射面とされていること
を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光レセプタクル。
請求項１〜５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。