JP7312576B2 - 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。

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、光伝送体の端面に入射させる光レセプタクルを有する。

例えば、特許文献１は、発光素子から出射された光を、光レセプタクルを用いて光ファイバーの端面に入射させることができる光レセプタクルを開示している。

特開２０１３－１３７５０７号公報

近年、光通信において送受信される情報は大容量化しており、また光通信に用いられる光モジュールが小型化している。このような状況下で、光レセプタクルを光モジュールとして組み立てる際に、発光素子と光レセプタクルとの位置がずれると極端な出力低下が起こることがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光電変換素子と光レセプタクルとの位置ずれが許容される範囲（位置ずれトレランス幅）を広げることができる光レセプタク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、光電変換素子と光伝送体との間に配置され、前記光電変換素子と前記光伝送体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、前記光電変換素子から出射された光を入射させるか、前記光伝送体の端面から出射され、前記光レセプタクルの内部を通る光を前記光電変換素子に向けて出射させる第１光学面と、前記光電変換素子から出射され、前記光レセプタクルの内部を通る光を前記光伝送体に向けて出射させるか、前記光伝送体から出射された光を入射させる第２光学面と、前記第１光学面と前記第２光学面との間の光路上において互いに対向するように配置された第３光学面および第４光学面と、を有し、前記第３光学面は、前記第１光学面で入射した光を前記光レセプタクルの外部に出射させるか、前記第４光学面から前記光レセプタクルの外部に出射された光を前記光レセプタクルの内部に入射させ、前記第４光学面は、前記第２光学面で入射した光を前記光レセプタクルの外部に出射させるか、前記第３光学面から前記光レセプタクルの外部に出射された光を前記光レセプタクルの内部に入射させ、前記第３光学面または前記第４光学面は、レンズ面である。

本発明に係る光モジュールは、１または２以上の光電変換素子と、本発明に係る光レセプタクルとを有する。

本発明によれば、光電変換素子と光レセプタクルとの位置ずれが許容される範囲（位置ずれトレランス幅）を広げることができる光レセプタクルを提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る光モジュールの断面図である。 図２Ａ、Ｂは、本発明の実施の形態に係る光レセプタクルの斜視図である。 図３Ａ、Ｂは、シミュレーションに用いたレンズ面の断面の一部をＸＹ平面上に示すグラフである。 図４は、シミュレーションの結果を示すグラフである。

以下、本発明の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１０の断面図である。なお、図１では、光路を示すために各構成要素の断面のハッチングを省略している。一点鎖線は光束の光軸ＬＡを示しており、破線は光束の外縁を示している。

図１に示されるように、光モジュール１０は、光電変換素子２１と、光レセプタクル３０とを有する。光モジュール１０は、光レセプタクル３０に光伝送体５０がフェルールを介して接続された状態で使用される。

光モジュール１０が送信用の光モジュールの場合、光電変換素子２１は、光レセプタクル３０に向けて光を出射する発光素子である。発光素子から出射された光は、光レセプタクル３０の内部を通って光伝送体５０の端面２３に到達する。発光素子の種類は、特に限定されない。発光素子は、例えば垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）である。

一方、光モジュール１０が受信用の光モジュールの場合、光電変換素子２１は、光伝送体５０の端面２３から出射された、光レセプタクル３０の内部を通ってきた光を検出する受光素子である。受光素子の種類は、特に限定されない。受光素子は、例えばフォトダイオード（ＰＤ）である。

光電変換素子２１の数は、特に限定されず、１個であってもよく、複数個であってもよい。なお、光電変換素子２１の数が複数の場合、複数の光電変換素子２１は、一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。本実施の形態では、光電変換素子２１の数は、１個である。

光レセプタクル３０は、光電変換素子２１と、光伝送体５０との間に配置され、光電変換素子２１と光伝送体５０の端面２３とを光学的に結合させる。光レセプタクル３０は透光性を有し、光電変換素子２１または光伝送体５０から出射された光を入射させる。光レセプタクル３０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３０は、例えば射出成形により製造される。光レセプタクル３０の構成については、別途詳細に説明する。

光伝送体５０は、フェルールを介して光レセプタクル３０に接続される。光伝送体５０の種類は、特に限定されない。光伝送体５０の例には、光ファイバー、光導波路が含まれる。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５０の数も、特に限定されず、１本であってもよく、複数本であってもよい。通常は、光電変換素子２１の数と光伝送体５０の数は、同じである。本実施の形態では、光伝送体５０は、１本の光ファイバーである。なお、光伝送体５０の数が複数の場合、複数の光伝送体５０は、一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。

（光レセプタクルの構成）
図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の実施の形態に係る光レセプタクル３０の斜視図である。図２Ａは、後述する第３光学面３３がレンズ面である光レセプタクル３０を示し、図２Ｂは、後述する第４光学面３４がレンズ面である光レセプタクル３０を示す。

図１、図２Ａおよび図２Ｂに示されているように、光レセプタクル３０は、第１光学面３１と、第２光学面３２と、第３光学面３３と、第４光学面３４と、反射面３５とを有する。

第１光学面３１は、光電変換素子２１に対向するように配置されており、光電変換素子（発光素子）２１から出射された光を入射させるか、光伝送体５０の端面２３から出射され、光レセプタクル３０の内部を通る光を光電変換素子（受光素子）２１に向けて出射させる。本実施の形態では、第１光学面３１は、光レセプタクル３０の底面側に配置されており、光電変換素子２１に向かって凸状の凸レンズ面である。本実施の形態では、第１光学面３１は、光電変換素子（発光素子）２１から出射された光をコリメート光に変換させるか、光レセプタクル３０の内部を通った光を光電変換素子（受光素子）２１に向けて集光させる。

第１光学面３１の数は、特に限定されず、１個であってもよく、複数個であってもよい。本実施の形態では、第１光学面３１の数は１個である。なお、複数の光電変換素子２１が一列に配置されている場合には、光電変換素子２１と同じ数の第１光学面３１が一列に配置されていてもよい。さらに、光電変換素子２１が２列以上に配列されている場合には、第１光学面３１も同じ列数で配列されてもよい。

第２光学面３２は、光伝送体５０の端面２３に対向するように配置されており、光電変換素子２１から出射され、光レセプタクル３０の内部を通る光を光伝送体５０に向けて出射させるか、光伝送体５０から出射された光を入射させる。本実施の形態では、第２光学面３２は、光レセプタクル３０の正面側に配置されており、光伝送体５０に向かって凸状の凸レンズ面である。本実施の形態では、第２光学面３２は、光レセプタクル３０の内部を通った光を光伝送体５０の端面２３に向けて集光させるか、光伝送体５０の端面２３から出射された光をコリメート光に変換させる。

第２光学面３２の数は、特に限定されず、１個であってもよく、複数個であってもよい。本実施の形態では、第２光学面３２の数は１個である。なお、複数の光伝送体５０が一列に配置されている場合には、光伝送体５０と同じ数の第２光学面３２が一列に配置されていてもよい。さらに、光伝送体５０が２列以上に配列されている場合には、第２光学面３２も同じ列数で配列されてもよい。

第３光学面３３および第４光学面３４は、第１光学面３１と第２光学面３２との間の光路上において互いに対向するように配置されている。本実施の形態では、光レセプタクル３０の天面に開口し、第１光学面３１と第２光学面３２との間の光路と交わるように、略四角錐台形状の凹部が形成されている。この凹部を構成する５つの面のうち、互いに対向する２つの面が第１光学面３１と第２光学面３２との間の光路と交わる。これらの２つの面のうち、第１光学面３１（反射面３５）側の面において光路と交わる領域が第３光学面３３であり、第２光学面３２側の面において光路と交わる領域が第４光学面３４である。第３光学面３３および第４光学面３４は、凹部内の空間（空気）を挟んで対向している。なお、凹部の形状は、特に限定されず、例えば略直方体などであってもよい。

第３光学面３３は、第１光学面３１で入射した光を光レセプタクル３０の外部に出射させるか、第４光学面３４から光レセプタクル３０の外部に出射された光を光レセプタクル３０の内部に入射させる。本実施の形態では、第３光学面３３は、光電変換素子２１から出射され、第１光学面３１で光レセプタクル３０に入射し、反射面３５で反射した光を、光レセプタクル３０の外部に出射させる。あるいは、本実施の形態では、第３光学面３３は、光伝送体５０の端面２３から出射され、第２光学面３２で光レセプタクル３０に入射し、第４光学面３４で光レセプタクル３０の外部に出射された光を、光レセプタクル３０の内部に入射させる。第３光学面３３で光レセプタクル３０内に入射した光は、反射面３５に向かう。

第４光学面３４は、第２光学面３２で入射した光を光レセプタクル３０の外部に出射させるか、第３光学面３３から光レセプタクル３０の外部に出射された光を光レセプタクル３０の内部に入射させる。本実施の形態では、第４光学面３４は、光伝送体５０の端面２３から出射され、第２光学面３２で光レセプタクル３０に入射した光を、光レセプタクル３０の外部に出射させる。あるいは、本実施の形態では、第４光学面３４は、光電変換素子２１から出射され、第１光学面３１で光レセプタクル３０に入射し、反射面３５で反射し、第３光学面３３で光レセプタクル３０の外部に出射された光を、光レセプタクル３０の内部に入射させる。第４光学面３４で光レセプタクル３０内に入射した光は、第２光学面３２に向かう。

本実施の形態に係る光レセプタクル３０では、第３光学面３３および第４光学面３４の少なくとも一方は、レンズ面である（図２Ａおよび図２Ｂ参照）。ここでレンズ面とは、非平面を意味する。レンズ面は、球面であってもよいし、非球面であってもよい。レンズ面に到達した光が所期の位置からずれていた場合に所期の位置に近づくように光の進行方向を制御する観点から、レンズ面の周辺部は、光を中心側に屈折（集光）させるように傾斜していることが好ましい。一方、レンズ面の中央部は、光を中心側に屈折（集光）させる必要は無く、平面または凹面であってもよい。

図２Ａ、２Ｂに示されるように、第３光学面３３または第４光学面３４はレンズ面であり、レンズ面は、回転対称形状である中央部と、前記中央部の周囲に配置された周辺部とを有し、前記中央部は、その対称軸に垂直な仮想基準面に対する傾きが－０．５°以上０°以下の面を含み、前記周辺部は前記仮想基準面に対する傾きが０．３°以上３°以下の面を含むことが好ましい。ここで、レンズ面の特定の点における傾き（角度）は、レンズ面の中央部の対称軸に近づくにつれて凹部に近づくように傾いているときを正の値（０°超）とし、レンズ面の中央部の対称軸に近づくにつれて凹部から離れるように傾いているときを負の値（０°未満）とする。たとえば、レンズ面全体が凸レンズであった場合、レンズ面の各点における傾きは正の値（０°超）である。レンズ面全体が凹レンズであった場合、レンズ面の各点における傾きは負の値（０°未満）である。

図２Ａに示されるように、第３光学面３３がレンズ面である場合、レンズ面は、例えば図３ＡのＸＹ平面に示される線をＹ軸を中心として回転させることで得られる形状を有している。このＸＹ平面では、上が凹部（第４光学面３４）側であり、下が反射面３５側である。すなわち、このレンズ面は、凹部側に突出している。一方、図２Ｂに示されるように、第４光学面３４がレンズ面である場合、レンズ面は、例えば図３ＢのＸＹ平面に示される線をＹ軸を中心として回転させることで得られる形状を有している。このＸＹ平面では、上が凹部（第３光学面３３）側であり、下が第２光学面３２側である。すなわち、このレンズ面も、凹部側に突出している。

図３Ａおよび図３Ｂに示される第３光学面３３および第４光学面３４は、略円錐台状の形状を有する。円錐台の天面（上底）が上述の中央部に相当し、円錐台の側面が上述の周辺部に相当する。レンズ面がこのような形状を有することで、レンズ面の中央部を通る光は光軸に沿って直進し、レンズ面の周辺部を通る光は光軸に近づくように屈折する。レンズ面に到達する光束の位置がずれた場合、レンズ面の中央部を通る光が減り、レンズ面の周辺部を通る光が増えるが、レンズ面の周辺部を通る光は光軸に近づくように屈折するため、光束の位置が補正される。このように、第３光学面３３および第４光学面３４の少なくとも一方を所定形状のレンズ面とすることで、光電変換素子２１に対する光レセプタクル３０の位置がずれた場合であっても、光レセプタクル３０内を進む光束の位置を補正することができる。その結果、光電変換素子２１に対する光レセプタクル３０の位置ずれトレランス幅を広げることができる。

レンズ面の中央部および周辺部の光軸（中心軸）に垂直な方向の大きさは、上記機能を発揮できるように設定されることが好ましい。具体的には、光束の位置ずれがない場合に、光束全体がレンズ面の中央部を通るように、レンズ面の中央部の位置および大きさが設定されることが好ましい。また、光束がずれた場合に、光束の外縁部がレンズ面の周辺部を通るように、レンズ面の周辺部の位置および大きさが設定されることが好ましい。

反射面３５は、第１光学面３１で入射した光を第３光学面３３に向けて反射させるか、第３光学面３３で入射した光を第１光学面３１に向けて反射させる。

本実施の形態では、反射面３５は、光レセプタクル３０の天面側に配置されており、光レセプタクル３０の天面から底面に向かうにつれて光伝送体５０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３５の形状は平面である。反射面３５の傾斜角は、第１光学面３１で入射した光を第３光学面３３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、第１光学面３１で入射した光が全反射するように、反射面３５の傾斜角が設定されている。

（シミュレーション）
本実施の形態に係る光モジュール１０において、光レセプタクル３０に対して光電変換素子２１を最大結合効率となる位置から光軸に垂直な方向に移動させた場合の、光電変換素子２１と光伝送体５０との間の結合効率の変化をシミュレーションした。

図４は、シミュレーション結果を示すグラフである。横軸は、光電変換素子２１の移動量を示し、縦軸は、最大結合効率の変化を示している。実線は、第３光学面３３および第４光学面３４が平面である光レセプタクル（比較例）のシミュレーション結果である。点線は、第３光学面３３を図３Ａに示される形状のレンズ面とした光レセプタクル３０（実施例１）のシミュレーション結果である。一点鎖線は、第４光学面３４を図３Ｂに示される形状のレンズ面とした光レセプタクル３０（実施例２）のシミュレーション結果である。

図４から明らかなように、第３光学面３３または第４光学面３４がレンズ面であると、光電変換素子２１と光レセプタクル３０とが位置ずれをしても、結合効率の低下が抑制されていることがわかる。

具体的には、結合効率の低下が０．５０ｄＢ以下となる光電変換素子２１と光レセプタクル３０との位置ずれ幅を「位置ずれトレランス幅」と定義した場合、比較例の光レセプタクルでは、位置ずれトレランス幅は約０．０２ｍｍであった。一方、第３光学面３３または第４光学面３４をレンズ面とした実施例１および実施例２の光レセプタクルでは、位置ずれトレランス幅は０．０２７ｍｍまで広がった。

（効果）
以上のように、本発明に係る光レセプタクル３０は、従来の光レセプタクルよりも位置ずれトレランス幅が広い。したがって、本発明に係る光レセプタクル３０を用いることで、高性能な光モジュール１０を低コストで製造することができる。

本発明に係る光レセプタクルおよび光モジュールは、例えば、光伝送体を用いた光通信に有用である。

１０ 光モジュール
２１ 光電変換素子
２３ 端面
３０ 光レセプタクル
３１ 第１光学面
３２ 第２光学面
３３ 第３光学面
３４ 第４光学面
３５ 反射面
５０ 光伝送体
ＬＡ 光軸

Claims (4)

1. 光電変換素子と光伝送体との間に配置され、前記光電変換素子と前記光伝送体の端面とを光学的に結合するための一体成形された光レセプタクルであって、
   前記光電変換素子から出射された光を入射させるか、前記光伝送体の端面から出射され、前記光レセプタクルの内部を通る光を前記光電変換素子に向けて出射させる第１光学面と、
   前記光電変換素子から出射され、前記光レセプタクルの内部を通る光を前記光伝送体に向けて出射させるか、前記光伝送体から出射された光を入射させる第２光学面と、
   前記第１光学面と前記第２光学面との間の光路上において互いに対向するように配置された第３光学面および第４光学面と、
   を有し、
   前記第３光学面および前記第４光学面は、前記光レセプタクルの天面に開口した凹部に形成されており、
   前記第３光学面は、前記第１光学面で入射した光を前記光レセプタクルの外部に出射させるか、前記第４光学面から前記光レセプタクルの外部に出射された光を前記光レセプタクルの内部に入射させ、
   前記第４光学面は、前記第２光学面で入射した光を前記光レセプタクルの外部に出射させるか、前記第３光学面から前記光レセプタクルの外部に出射された光を前記光レセプタクルの内部に入射させ、
   前記第３光学面または前記第４光学面は、レンズ面である、
   光レセプタクル。
2. 前記レンズ面は、回転対称形状である中央部と、前記中央部の周囲に配置された周辺部とを有し、
   前記中央部は、その対称軸に垂直な仮想基準面に対する傾きが－０．５°以上０°以下の面を含み、
   前記周辺部は、前記仮想基準面に対する傾きが０．３°以上３°以下の面を含む、請求項１に記載の光レセプタクル。
3. 前記第１光学面で入射した光を前記第３光学面に向けて反射させるか、前記第３光学面で入射した光を第１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または請求項２に記載の光レセプタクル。
4. １または２以上の光電変換素子と、請求項１～３のいずれか一項に記載の光レセプタクルとを有する、光モジュール。

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