JP6621241B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光伝送体が接続される受信用の光モジュールに関する。

従来、光ファイバーや光導波路などの光伝送体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発信用の光モジュールや、光検出器（例えば、フォトダイオード）などの受光素子を備えた受信用の光モジュールが使用されている。発信用の光モジュールは、発光素子から出射された通信情報を含む光を、光伝送体の端面に入射させる光レセプタクルを有する。一方、受信用の光モジュールは、光伝送体から出射された通信情報を含む光を、受光素子の受光面に入射させる。

たとえば、特許文献１には、発光素子および検出素子が配置された光電変換装置と、発光素子と光伝送体の端面とを光学的に接続させる光レセプタクルとを有する発信用の光モジュールが記載されている。

特許文献１に記載の光モジュールは、光電変換装置および光レセプタクルを有する。光電変換装置は、基板上に発光素子および検出素子がワイヤーを用いたワイヤーボンディングで固定されている。光レセプタクルは、発光素子から出射された光を入射させる第１光学面と、光レセプタクルの内部を通る光を光伝送体の端面に向けて出射させる第２光学面と、第１光学面で入射した光を第２光学面に向けて反射する反射面と、反射面で反射した光を受光素子に向かうモニター光および光伝送体の端面に向かう信号光に分離する光分離部と、モニター光を検出素子に向けて出射させる第３光学面とを有する。

特許文献１に記載の光モジュールでは、発光素子から出射され、第１光学面で入射した光は、光分離部に向けて反射面で反射する。反射面で反射した光は、光分離部によって信号光およびモニター光に分離される。光分離部で分離された信号光は、光伝送体の端面に向けて第２光学面から出射される。一方、光分離部で分離されたモニター光は、検出素子の受光面に向けて第３光学面から出射される。

特開２０１３−１３７５０７号公報

特許文献１に記載の光モジュールを、受信用の光モジュールとして使用することも考えられる。たとえば、すべての発光素子を光検出器などの受光素子に換えることにより、特許文献１に記載の光モジュールを受信用の光モジュールとして使用することができる。

近年、受信用の光モジュールでは、通信速度の高速化により受光素子の受光面の面積が小さくなってきている。高速通信を行う受信用の光モジュールでは、受光素子の受光面における受信光の照射スポットを受光素子の受光面の面積より小さくして、全ての受信光を受光素子に到達させている。また、受光面における受信光の照射スポットを受光面の面積よりさらに小さくすることにより、光モジュールの製造工程における組み立て誤差を許容するトレランス幅を確保している。

しかしながら、受光面における受信光の照射スポットを小さくするためには、第１光学面および第２光学面を精度よく形成する必要がある。また、光モジュールの組み立て時においても精度よく組み立てなければならず、光モジュールの製造コストが増大してしまう。

また、受光面における受信光の照射スポットを小さくするためには、光レセプタクルの倍率βを大きくする必要がある。ここで「光レセプタクルの倍率β」は、光レセプタクル内を進行する光がコリメート光の場合、光伝送体の端面および第２光学面の間隔をＤ１とし、第１光学面および受光素子の受光面の間隔をＤ２とした場合、以下の式（１）で表すことができる。
β＝Ｄ１／Ｄ２ （１）

光伝送体の端面および第２光学面の間隔Ｄ１は、規格化されている。したがって、前述の式（１）により、光レセプタクルの倍率βを高くするためには、第１光学面および受光素子の受光面の間隔Ｄ２を短くする必要がある。しかしながら、第１光学面および受光素子の受光面の間隔Ｄ２を短くしすぎると、第１光学面と受光素子を固定したワイヤーとが干渉してしまう。

このように、光レセプタクルの倍率βを高くすると、第１光学面とワイヤーとが干渉してしまうため、受光面における受信光の照射スポットを所定の大きさより小さくできない。この場合、受光面に対する受信光の照射スポットのトレランス幅が小さくなってしまう。

そこで、本発明の目的は、安価、かつトレランス幅の大きい光モジュールを提供することである。

本発明に係る光モジュールは、１または２以上の受光素子を含む光電変換装置と、１または２以上の光伝送体が接続され、前記光伝送体の端面および前記受光素子の受光面を光学的に結合するための光レセプタクルと、を有する光モジュールであって、前記光レセプタクルは、前記光伝送体の前記端面から出射された光を入射させる、１または２以上の第１光学面と、前記第１光学面で入射した光を前記受光素子の前記受光面に向けて出射させる、１または２以上の第２光学面とを含み、前記受光素子の前記受光面を含む仮想平面上における前記第２光学面からの光の照射スポットの大きさは、当該受光面全体を包含しうる大きさである。

本発明によれば、安価、かつトレランス幅の大きい光モジュールを提供することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る光モジュールの断面図である。 図２は、受信光の光軸および受光面の中心軸の間隔と、結合効率との関係を示すグラフである。 図３Ａ〜Ｃは、受光素子の受光面と、照射スポットとの位置関係を示す図である。 図４Ａ〜Ｃは、受光素子の受光面と、照射スポットとの位置関係を示す図である。 図５Ａは、光レセプタクルの倍率と、トレランス幅との関係を示すグラフであり、図５Ｂは、光レセプタクルの倍率と、最大結合効率との関係を示すグラフである。

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。

（光モジュールの構成）
図１は、本発明の一実施の形態に係る光モジュール１００の断面図である。なお、図１では、光レセプタクル１２０内の光路を示すために光レセプタクル１２０の断面へのハッチングを省略している。また、図１の一点鎖線は、受信光Ｌｒの光軸ＬＡを示しており、点線は、受信光Ｌｒの外径を示している。

図１に示されるように、光モジュール１００は、光電変換素子（受光素子１１２）を含む基板実装型の光電変換装置１１０と、光レセプタクル１２０とを有する。光モジュール１００は、光レセプタクル１２０に光伝送体１４０がフェルールを介して接続された状態で使用される。

光伝送体１４０の種類は、特に限定されない。光伝送体１４０の例には、光ファイバー、光導波路などが含まれる。本実施の形態では、光伝送体１４０は、光ファイバーである。光ファイバーは、シングルモード方式であってもよいし、マルチモード方式であってもよい。光伝送体１４０の数は、特に限定されない。本実施の形態では、光伝送体１４０の数は、１本である。なお、光伝送体１４０の数が複数の場合、複数の光伝送体１４０は、１列に配置されていてもよく、２列以上に配列されていてもよい。

光電変換装置１１０は、基板１１１および受光素子１１２を有する。

基板１１１は、例えば、ガラスコンポジット基板やガラスエポキシ基板、フレキブシル基板などである。

受光素子１１２は、基板１１１上に配置されており、光伝送体１４０から出射された受信光Ｌｒを受光する。受光素子１１２は、例えば、フォトダイオードである。受光素子１１２は、基板１１１上にワイヤー１１４を用いたワイヤーボンディングにより固定されている。なお、受光素子１１２の数は、特に限定されない。本実施の形態では、受光素子１１２の数は、１個である。なお、複数の光伝送体１４０が１列に配置されている場合には、光伝送体１４０と同じ数の受光素子１１２が１列に配置されていてもよい。さらに、光伝送体１４０が２列以上に配列されている場合には、受光素子１１２も同じ列数で配列されてもよい。

光レセプタクル１２０は、基板１１１上に配置されている。光レセプタクル１２０は、光電変換装置１１０と光伝送体１４０との間に配置された状態で、受光素子１１２の受光面１１３と光伝送体１４０の端面１４１とをそれぞれ光学的に結合させる。

（光レセプタクルの構成）
図１に示されるように、光レセプタクル１２０は、第１光学面１２１、反射面１２２および第２光学面１２３を有する。光レセプタクル１２０は、透光性を有し、光伝送体１４０の端面１４１から出射された受信光Ｌｒを受光素子１１２の受光面１１３に向けて出射させる。光レセプタクル１２０は、光通信に用いられる波長の光に対して透光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。また、光レセプタクル１２０は、例えば射出成形により製造される。

第１光学面１２１は、光伝送体１４０から出射された受信光Ｌｒを屈折させながら光レセプタクル１２０の内部に入射させる光学面である。本実施の形態では、第１光学面１２１の形状は、光伝送体１４０に向かって凸状の凸レンズ面である。第１光学面１２１は、光伝送体１４０から出射された受信光Ｌｒをコリメート光に変換させる。また、本実施の形態では、第１光学面１２１は、光レセプタクル１２０の正面に、光伝送体１４０の端面１４１に対向して配置されている。また、第１光学面１２１の平面視形状は、円形である。第１光学面１２１の中心軸ＣＡ１は、光伝送体１４０の端面１４１に対して垂直であることが好ましい。また、第１光学面１２１の中心軸ＣＡ１は、光伝送体１４０から出射された受信光Ｌｒの光軸ＬＡと一致することが好ましい。第１光学面１２１の数は、特に限定されない。本実施の形態では、第１光学面１２１の数は、１個である。なお、複数の光伝送体１４０が１列に配置されている場合には、光伝送体１４０と同じ数の第１光学面１２１が１列に配置されていてもよい。さらに、光伝送体１４０が２列以上に配列されている場合には、第１光学面１２１も同じ列数で配列されてもよい。

反射面１２２は、第１光学面１２１で入射した受信光Ｌｒを第２光学面１２３に向けて反射させる光学面である。本実施の形態では、反射面１２２は、光レセプタクル１２０の天面側に配置されており、光レセプタクル１２０の天面から底面に向かうにつれて光伝送体１４０から離れるように傾斜している。本実施の形態では、反射面１２２の形状は、平面である。反射面１２２の傾斜角は、第１光学面１２１で入射した受信光Ｌｒを第２光学面に向けて反射させることができれば、特に限定されない。本実施の形態では、反射面１２２の角度は、第１光学面１２１で入射した受信光Ｌｒの光軸ＬＡに対して４５°である。

第２光学面１２３は、第１光学面１２１で入射し、反射面１２２で反射した受信光Ｌｒを受光素子１１２の受光面１１３に向けて出射させる光学面である。本実施の形態では、第２光学面１２３の形状は、受光素子１１２の受光面１１３に向かって凸状の凸レンズ面である。第２光学面１２３は、光レセプタクル１２０の内部を進行した光を受光素子１１２の受光面１１３に向けて収束させる。また、本実施の形態では、第２光学面１２３は、光レセプタクル１２０の底面に、受光素子１１２の端面１４１に対向して配置されている。また、第２光学面１２３の平面視形状は、円形である。また、第２光学面１２３の中心軸ＣＡ２と受光素子１１２の受光面１１３の中心軸ＣＡ３とがなす角度は、特に限定されない。本実施の形態では、第２光学面１２３の中心軸ＣＡ２は、受光素子１１２の端面１４１に対して垂直となるように配置されている。第２光学面１２３の数は、特に限定されない。本実施の形態では、第２光学面１２３の数は、１個である。なお、複数の光伝送体１４０が１列に配置されている場合には、光伝送体１４０と同じ数の第２光学面１２３が１列に配置されていてもよい。さらに、光伝送体１４０が２列以上に配列されている場合には、第２光学面１２３も同じ列数で配列されてもよい。

本実施の形態に係る光レセプタクル１２０では、受光素子１１２の受光面１１３を含む仮想平面上における第２光学面１２３から出射された受信光Ｌｒの照射スポットＳは、受光面１１３全体を包含しうる大きさである。詳細は後述するが、これによりトレランス幅を大きくしている。このように、受光面１１３を含む仮想平面上における受信光Ｌｒの照射スポットＳが受光面１１３全体を包含するためには、第２光学面１２３および受光面１１３の間隔Ｄ２に対する、端面および第１光学面の間隔Ｄ１の割合（β＝Ｄ１／Ｄ２）は、１．５６未満にすることが好ましい。光レセプタクル１２０が所定の倍率βが１．５６以上の場合、第２光学面１２３および受光面１１３の間隔Ｄ２が２００μｍ未満となり、第２光学面１２３およびワイヤー１１４が干渉してしまうおそれがある。なお、第２光学面１２３および受光面１１３の間隔Ｄ２に対する、端面および第１光学面の間隔Ｄ１の割合（β＝Ｄ１／Ｄ２）は、１．０超であることがより好ましい。光レセプタクル１２０の倍率βが、１．０以下の場合、最大結合効率が低くなってしまい、所望の性能を発揮できなくなってしまう。

（シミュレーション）
まず、光レセプタクル１２０の倍率βと、第２光学面１２３および受光素子１１２の受光面１１３の間隔との関係についてシミュレーションした。ここで、前述したように、光レセプタクルの倍率βは、光レセプタクル１２０内を進行する光がコリメート光の場合、光伝送体１４０の端面１４１および第１光学面１２１の間隔をＤ１とし、第２光学面１２３および受光素子１１２の受光面１１３の間隔をＤ２とした場合、以下の式（１）で表すことができる（図１参照）。
β＝Ｄ１／Ｄ２ …（１）

前述したように、光モジュール１００の光電変換装置１１０は、基板１１１上に受光素子１１２がワイヤーボンディングにより固定されている。本シミュレーションでは、光伝送体１４０の端面１４１および第１光学面１２１の間隔を３５０μｍとし、光伝送体（光ファイバー）のコアの直径（以下、単に「コアの直径」ともいう）φ１を５０μｍとし、第１光学面１２１の開口数（ＮＡ）を０．２とし、光伝送体１４０の端面１４１から出射される受信光Ｌｒの強度分布をガウシアン分布とした。また、受光素子１１２の受光面１１３の平面視形状は、円形とし、平面視したときの受光面１１３の直径φ２を３２μｍとした。

また、本シミュレーションでは、光レセプタクルの倍率βを、１．０、１．１９、１．５６、２．２７、２．５０とした。前述の式（１）を用いて、第２光学面１２３および受光素子１１２の受光面１１３の間隔Ｄ２を算出した（表１参照）。

一般的に、受光素子１１２をワイヤーボンディングにより基板１１１に固定すると、基板１１１の表面に対する法線方向において、基板１１１から最も離れたワイヤー１１４の位置（ワイヤー１１４の頂部）および受光素子１１２の受光面１１３の間隔Ｄ３（受光面１１３に対するワイヤー１１４の最大高さ；図１参照）は、１５０〜２００μｍ程度となる。また、光モジュール１００の組み立て時における第２光学面１２３とワイヤー１１４との干渉防止のため、受光素子１１２の受光面１１３および第２光学面１２３の間隔Ｄ２（図１参照）は、２００〜２５０μｍ程度必要である。表１に示されるように、光レセプタクルの倍率βが１．５６未満であれば、第２光学面１２３および受光素子１１２の受光面１１３の間隔Ｄ２が２００μｍ超となる。よって、光レセプタクル１２０の倍率βが１．５６未満であれば、従来のワイヤーボンディングにより受光素子１１２を基板１１１に固定することができるとともに、光モジュール１００として組み立てた場合に第２光学面１２３および受光素子１１２の受光面１１３が干渉することがない。

次いで、光レセプタクル１２０の各倍率βについて、照射スポットＳの直径φ３を算出した（表１参照）。なお、照射スポットＳの直径φ３は、以下の式（２）により表すことができる。
照射スポットＳの直径φ３＝コアの直径φ１／光レセプタクルの倍率β …（２）

ここで、前述したように、コアの直径φ１＝５０μｍであるため、前述の式（２）は、以下の式（３）となる。
照射スポットＳの直径φ３（μｍ）＝５０（μｍ）／光レセプタクルの倍率β …（３）

表１に示されるように、光レセプタクル１２０の倍率βが１．５６超であれば、照射スポットＳの直径φ３が受光面の直径φ２（３２μｍ）未満となり、照射スポットＳは、受光面１１３全体により包含されうる。これにより、光レセプタクル１２０が適切な位置に配置されている場合は、光伝送体１４０から出射された全ての受信光Ｌｒは、受光素子１１２の受光面１１３に受光されうることが分かる。

以上のことから、第２光学面１２３とワイヤーとの干渉を考慮すると、光レセプタクル１２０の倍率βは、１．５６未満であることが好ましい。一方で、受光面１１３の直径φ２と照射スポットＳの直径φ３との関係を考慮すると、光レセプタクル１２０の倍率βは、１．５６超であることが好ましい。このように、従来の技術では、光レセプタクル１２０の倍率βと、受光面１１３の直径φ２と照射スポットＳの直径φ３との関係とを満足することができなかった。そこで、本発明者らは、受信光Ｌｒの結合効率と、組み立て時におけるトレランス幅に注目して、照射スポットＳの直径φ３を受光面の直径φ２よりもあえて大きくすることを検討した。

本発明者らは、第２光学面１２３から出射された受信光Ｌｒの光軸ＬＡおよび受光面１１３の中心軸ＣＡ３の間隔と、結合効率との関係についてシミュレーションした。図２は、受信光Ｌｒの光軸ＬＡおよび受光面の中心軸ＣＡ３の間隔と、結合効率との関係を示すグラフである。図２の横軸は、受信光Ｌｒの光軸ＬＡおよび受光面の中心軸ＣＡ３の間隔（μｍ）を示しており、縦軸は、結合効率（ｄＢ）を示している。図２の実線は、倍率βが１．０の光レセプタクル１２０を用いた場合の結果を示しており、点線は、倍率βが１．１９の光レセプタクルを用いた場合の結果を示しており、二点鎖線は、倍率βが１．５６の光レセプタクル１２０を用いた場合の結果を示しており、一点鎖線は、倍率βが２．２７の光レセプタクル１２０を用いた場合の結果を示しており、破線は、倍率βが２．５の光レセプタクルを用いた場合の結果を示している。

図３および図４は、受光素子１１２の受光面１１３と、照射スポットＳとの位置関係を示す図である。図３Ａ〜Ｃは、受光面１１３の直径φ２に対して照射スポットＳの直径φ３が小さい場合の受光素子１１２の受光面１１３と、照射スポットＳとの位置関係を示している。図４Ａ〜Ｃは、受光面１１３の直径φ２に対して照射スポットＳの直径φ３が大きい場合の受光素子１１２の受光面１１３と、照射スポットＳとの位置関係を示している。

図３および図４は、受光素子１１２の受光面１１３と、照射スポットＳとの位置関係を示す図である。図３Ａ〜Ｃは、受光面１１３の直径φ２に対して照射スポットＳの直径φ３が小さい場合の受光素子１１２の受光面１１３と、照射スポットＳとの位置関係を示している。図４Ａ〜Ｃは、受光面１１３の直径φ２に対して照射スポットＳの直径φ３が大きい場合の受光素子１１２の受光面１１３と、照射スポットＳとの位置関係を示している。

図２および図３Ａ〜Ｃに示されるように、光レセプタクル１２０の倍率βが大きくなる（受光面の直径φ２に対する照射スポットＳの直径φ３が小さくなる）につれて、最大結合効率が大きくなることが分かった。

図２および図３Ａ〜Ｃに示されるように、また、光レセプタクル１２０の倍率βが大きくなるにつれて、最大結合効率は高くなるが、受光面１１３の中心軸と受信光Ｌｒの光軸ＬＡとの距離が離れたときの結合効率の減少幅が大きいことがわかった。

図２および図４Ａ〜Ｃに示されるように、光レセプタクル１２０の倍率βが小さくなるにつれて、最大結合効率は小さくなるが、受光面１１３の中心軸と受信光Ｌｒの光軸ＬＡとの距離が離れたときの結合効率の減少幅は小さいことがわかった。言い換えれば、最大結合効率を許容することができれば、受光素子１１２の受光面１１３に対して照射スポットＳが大きい光モジュール１００は、受光面１１３の中心軸ＣＡ３および受信光Ｌｒの光軸ＬＡの間隔が長くなっても適切に機能することを示している。これは、光モジュール１００の組み立て時におけるトレランス幅が大きいことを示している。

図５Ａは、光レセプタクル１２０の倍率と、トレランス幅との関係を示すグラフであり、図５Ｂは、光レセプタクル１２０の倍率と、最大結合効率との関係を示すグラフである。図５Ａ、Ｂの横軸は、光レセプタクル１２０の倍率を示している。また、図５Ａの縦軸は、所定の結合効率を維持できる、受光面１１３の中心軸および受信光Ｌｒの光軸ＬＡの間隔（トレランス幅；μｍ）を示しており、図５Ｂの縦軸は、最大結合効率（ｄＢ）を示している。図５Ａの黒丸シンボルは、最大結合効率−１ｄＢを維持できる受光面１１３の中心軸および受信光Ｌｒの光軸ＬＡの間隔を示しており、白丸シンボルは、最大結合効率−２ｄＢを維持できる受光面１１３の中心軸および受信光Ｌｒの光軸ＬＡの間隔を示しており、黒四角シンボルは、最大結合効率−３ｄＢを維持できる受光面１１３の中心軸および受信光Ｌｒの光軸ＬＡの間隔を示している。

光モジュール１００に使用される光レセプタクル１２０の倍率は、図５Ａ、Ｂを参考にして決定することができる。光レセプタクル１２０の倍率は、必要とされる最大結合効率と、許容されるトレランス幅とのバランスにより決定すればよい。本実施の形態では、光モジュール１００の組み立てを考慮して（表１参照）、光レセプタクル１２０の倍率は、１．５６未満とした。また、最大結合効率を考慮すると、光レセプタクル１２０の倍率は、１．０超であるとした。このとき、「最大結合効率−３（ｄＢ）」のときのトレランス幅は、２５μｍ超であって、かつ４５μｍ未満であるため、光モジュール１００の組み立ても容易である。

（効果）
以上のように、本実施の形態に係る光モジュール１００では、受光素子１１２の受光面１１３を含む仮想平面上における第２光学面１２３からの出射光の照射スポットＳの大きさは、受光面１１３全体を包含しうる大きさであるため、トレランス幅を大きくすることができる。これにより、光モジュール１００の組み立て工程において、受信光Ｌｒの光軸ＬＡと受光面１１３の中心軸ＣＡ３とが位置ズレした場合であっても、製品性能を維持しつつ、容易に組み立てることができる。また、本実施の形態に係る光レセプタクル１２０は、従来品以上の精度を必要としないため、安価に製造されうる。

なお、本実施の形態では、反射面１２２上に反射膜を有しない光レセプタクル１２０について説明したが、反射面１２２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、全反射面のみを利用した構成を採用することが好ましい。

本発明に係る光モジュールは、例えば光伝送体を用いた光通信に有用である。

１００ 光モジュール
１１０ 光電変換装置
１１１ 基板
１１２ 受光素子
１１３ 受光面
１２０ 光レセプタクル
１２１ 第１光学面
１２２ 反射面
１２３ 第２光学面
１４０ 光伝送体
１４１ 端面
Ｌｒ 受信光

Claims (4)

1. １または２以上の受光素子を含む光電変換装置と、１または２以上の光伝送体が接続され、前記光伝送体の端面および前記受光素子の受光面を光学的に結合するための光レセプタクルと、を有する光モジュールであって、
   前記光レセプタクルは、前記光伝送体の前記端面から出射された光を入射させる、１または２以上の第１光学面と、前記第１光学面で入射した光を前記受光素子の前記受光面に向けて出射させる、１または２以上の第２光学面とを含み、
   前記受光素子と、前記光レセプタクルの第２光学面とは、直接対向するように配置されており、
   前記受光素子の前記受光面の大きさに対する、前記受光面を含む仮想平面上における前記第２光学面から出射される光の集光点における照射スポットの大きさは、１．０倍超かつ１．５６倍未満である、
   光モジュール。
2. 前記第２光学面および前記受光面の間隔Ｄ２に対する、前記端面および前記第１光学面の間隔Ｄ１の割合（Ｄ１／Ｄ２）は、１．５６未満である、請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記第２光学面および前記受光面の間隔Ｄ２に対する、前記端面および前記第１光学面の間隔Ｄ１の割合（Ｄ１／Ｄ２）は、１．０超である、請求項２に記載の光モジュール。
4. 前記光レセプタクルは、前記第１光学面と前記第２光学面との間に配置され、前記第１光学面で入射した光を前記第２光学面に向けて反射させる反射面をさらに有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光モジュール。

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