JPH0460506A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光モジュールに係り、特に支持部材に発光素子
、レンズ、光ファイバ等の光学系が取り付けられた構成
の光モジュールに関する。

近年、光ファイバを用いた光通信システムが実用化され
ている。この光通信システムでは、発光素子（半導体レ
ーザデイバイス等）から出射された所定の情報を含む光
をレンズにより集光し、この集光された光を光ファイバ
に導入させることにより発光素子と光ファイバを光結合
させる構成としている。

この光通信システムは、屋外配設される場合もあり、種
々の環境下に置かれる。よって、安価な構成で且つ広い
動作温度領域で安定した光出力特性を維持しうる光モジ
ュールか望まれている。

〔従来の技術〕

第８図は従来の光モジュールを示している。同図におい
て、ｌはりセブタクル、２はフェルール、３は半導体レ
ーザデイバイス（ＬＤ）　、４はレンズ、５はレンズホ
ルダ、６はスリーブ、７は光ファイバを夫々示している
。

同図に示されるように、光モジュールは、リセプタクル
１とレンズホルダ５か一体化されることにより形成され
たハウジング内に、ＬＤ　３．　　レンズ４．光ファイ
バ７か内設された構造とされている。

また、ＬＤ３．　　レンズ４．光ファイバ７の位置関係
は、同図に光路を矢印で示すように、結合効率を確保す
るために光ファイバ７の端面７ａをレンズ４からててく
る収束光の焦点位置に合うよう組み立てられていた。従
来、この位置決めは室温（約２０°Ｃ）において上記位
置関係か満足されるよう行われていた。

〔発明か解決しようとする課題〕

前記したように、光モジュールは種々の環境下に置かれ
るため、広い温度範囲において適性に動作することか要
求される。

しかるに、ＬＤ３．　　レンズ４．光ファイバ７等か組
み付けられるリセプタクル１．レンズホルダ５は例えば
ステンレス等の金属により構成されているため、環境の
温度か上昇すると熱膨張することは避けられない。

また、上記のように従来の光モジュールでは室温におい
て光ファイバ７の端面７ａがレンズ４からでてくる収束
光の焦点位置に一致するよう構成されていたため、光モ
ジュールか使用される環境温度か室温から数十度以上離
れると、リセプタクル１等の熱膨張により収束光の焦点
位置と光ファイバ７の端面７ａが一致しなくなり、結合
効率か室温時に比べて悪化してしまうという課題かあっ
た。

特に、ＬＤ３は高温下で使用する稈元出力特性が劣化す
ることが知られており、高温雰囲気下では上記の結合効
率の悪化に加えてこの光出力特性か劣化か重なるため、
光モジュールの特性か大きく低下してしまう。また、温
度上昇による光モジュールの特性低下を防止する手段と
して、光モジュールに温度制御装置（光モジュールを室
温に保つ装置）を設けることか考えられるか、温度制御
装置を設ける構成では、光通信システムのコストが上昇
してしまうと共に、光モジュールか大型化してしまう。

更に、従来構成の光モジュールでは光ファイバ７の端面
７ａをレンズ４からててくる収束光の焦点位置に一致さ
せる調整作業か困難で、組立作業か困難であるという課
題かあった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、温度変
化に拘わらず安定した光出力特性を実現できる光モジュ
ールを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の原理図である。

上記課題を解決するために本発明ては、同図に示すよう
に、 発光素子１０から出射された光をレンズ】１により集光
して光ファイバ１２に結合させると共に、温度変化に伴
い膨張或いは収縮を行う支持部材ｊ３に上記発光素子１
０．　　レンズ１１．光ファイバ１２の少なくともいず
れがか支持されてなる構成の光モジュールにおいて、 室温において、上記発光素子１０から出射された光の焦
点位置か光ファイバＩ２の光導入端部１２ａより離間し
た光ファイバ内部に位置するよう構成したことを特徴と
するものである。

〔作用〕

いま、第１図に示されるように室温における発光素子１
０とレンズ１１との離間距離をＬｌ、　　レンズｌ】と
発光素子１０から発射された光の焦点位置との離間距離
をＬｆとする。本発明の光モジュールでは、室温におい
て、発光素子１ｏから発射された光の焦点位置か光ファ
イバ１２の光導入端部１２ａより離間した光ファイバ内
部に位置するよう構成している（第１図では光導入端部
１２ａより△Ｌ、たけ光ファイバ１２の内部位置に焦点
がある例を示している）。

また、発光素子１０．レンズ１１．光ファイバ１２は支
持部材１３に支持されており、温度変化により支持部材
１３か熱膨張することにより発光素子ＩＯとレンズ１１
との離間距離Ｌ１は変化する。

ここで、発光素子１０の光出力特性を一定値に保ちつつ
、光モジュール１４に温度変化を与えた時のトラッキン
グ特性を第２図に示す。同図において、縦軸は結合効率
変動を示しており、また横軸は温度を示している。また
、ここで結合効率（ηＣ）とは、上記一定値とされた発
光素子１゜の光出力をＡ、光ファイバ１２がら出力され
る光出力の値をＢとすると、 η。＝　（Ｂ／Ａ）　Ｘ１００ て示される値である。更に、結合効率変動（Δη。）と
は、室温での結合効率（η。。）からの変動をいい、 Δη。＝（（η。−η。。）／ηＣ０ＩＸ１００て示さ
れる値である。

同図に示すように、トラッキング特性は温度が上昇する
に従い右上がりに上昇する特性を有している。以下、本
発明になる光モジュールがこのようなトラッキング特性
を示す理由について説明する。

前記のように、温度変化により支持部材Ｉ３か熱膨張す
ることにより発光素子ＩＯとレンズ１１との離間距離Ｌ
１は変化する。具体的には、温度か上昇すると支持部材
１３の熱膨張により離間距離Ｌ１は長くなり、逆に温度
が低下すると支持部材１３は収縮し離間距離Ｌ１は短く
なる。第１図に戻り、離間距離Ｌ１か変化することによ
り生ずる焦点位置の変化について考察すると、周知のよ
うにレンズ１１の焦点距離が一定であるとすると、離間
距離Ｌ１が長くなると発光素子１０から発光された光の
焦点位置は、室温時における焦点位置Ｐより図中矢印Ａ
１方向に移動する。逆に、離間距離Ｌ】か短くなると発
光素子】０から発光された光の焦点位置は、室温時にお
ける焦点位置Ｐより図中矢印Ａ、力方向移動する。

また、結合効率は焦点位置か光ファイバ１２の光導入端
部１２ａに一致している状態か最も効率か良く、この光
導入端部１２ａから焦点位置がずれる程、結合効率は低
下する。よって、温度が上昇し焦点位置Ｐか室温におけ
る位置よりＡ、方向に移動すると（即ち、光導入端部１
２ａに近づくと）結合効率は向上し、逆に温度か下かり
焦点位置Ｐか室温における位置よりＡ２方向に移動する
と（即ち、光導入端部１２ａから離間すると）結合効率
は低下する。よって、結合効率と温度との関係は第２図
に示されるような関係となる。

上記した第２図のトラッキング特性は、発光素子ＩＯの
光出力か一定であるという条件下に求められた特性であ
ったか、実際では発光素子１０は温度変化により光出力
か変化することか知られいる。第３図は発光素子１０（
同図では半導体レーザを示す）の順方向電流を一定にし
た時の光出力と、温度変化との関係を示している。同図
に示されるように、発光素子１０の光出力特性は温度か
上昇する程低下する右下がりの特性となる。

ここで、第２図に示されるトラッキング特性と、第３図
に示される光出力特性とを比較すると、両者は室温を中
心として略対照的な特性を示している。従って、本発明
になる光モジュール１４の全体としての出力特性は両特
性か重畳された特性となる。即ち、温度が低い領域では
発光素子１０の光出力は高いものの結合効率か低いため
、光モジュール１４全体としては両者は相殺され、また
温度が高い領域では逆に発光素子１０の光出力は低いも
のの結合効率か高いため、高温領域においても光モジュ
ール１４全体としては両者は相殺される。

第４図は本発明になる光モジュール１４の全体としての
温度変化に伴う光出力特性を示している。

同図における相対光出力とは、発光素子１０から発射さ
れる光の強さに対する光ファイバ１２から出力される光
の強さの割合を示している。前記したように、本発明構
成の光ファイバＩ２では、室温における焦点位置を光フ
ァイバ内部に位置するよう構成することにより、トラッ
キング特性は発光素子１０の光出力特性に対し室温を中
心として略対照的な特性を示す。このため、同図に示さ
れるように光モジュール】４の全体としての温度変化に
伴う光出力特性はその傾きか平坦化し、広い温度範囲に
おいて安定した光出力を得ることか可能となる。

〔実施例〕

次に本発明の実施例について図面と共に説明する。第５
図は本発明の一実施例である光モジュールを示している
。尚、同図に示す光モジュールの内部構造は、焦点位置
の設定を除き第８図に示した従来の構造と同一であるた
め、対応する構成には同一符号を付してその説明を省略
する。

本実施例になる光モジュール１４は、ＬＤ３から発射さ
れた光がレンズ４により集光されて合焦点される焦点位
置を光ファイバ７の光導入端面７ａよりΔＬＨだけ内側
に設定したことを特徴とするものである。以下、この△
Ｌ、の求め方について説明する。

本実施例では、ＬＤ３．　　レンズ４．光ファイバ７を
支持するりセブタクル１．フェルール２（以下、両者を
合わせてハウジングという）は共にステンレス（ＳＬＩ
Ｓ　３０４）てあり、その熱膨張係数αはα＝　１８Ｘ
　１０−’／’Ｃで示される。また、光モジュール１４
か使用される環境温度変化の範囲（θ）を室温に対しθ
＝±１００°Ｃとすると、この環境温度変化によりハウ
ジングが熱膨張する長さの変化Δｌは下記の熱膨張式よ
り容易に求められる。

△１＝αθＬ２ 本実施例では、α＝　１８Ｘ　１０−＠／”Ｃ，θ＝±
１００”Ｃ，Ｌｘ　＝２ｍｍとなっているため、上記の
式より、長さ変化はΔｌ＝±３．６μｍとなる。尚、Ｌ
２は光学系に影響を与えるハウジングの長さである。

一方、上記の環境温度変化によりＬ２も変化するためレ
ンズ４の焦点位置も変化する。いま、この焦点位置変化
量をΔＬ、とすると、この焦点位置変化量ΔＬ、はレン
ズの結像式から容易に求めることかできる。本実施例で
はこの温度変化に伴う焦点位置変化量ΔＬ、を上記レン
ズの結像式から算出した結果、室温を基準として約±３
．３μｍであったとする。

よって、環境温度変化により焦点位置が実際に変化する
距離ΔＬは、上記ハウジングか熱膨張する長さの変化Δ
ｌと焦点位置変化量を△Ｌ、とを加えた値であり、 ΔＬ＝Δβ十ΔＬ。

で示される。従って、焦点位置か実際に変化する距離Δ
Ｌは室温時を中心としてΔＬ＃±７μｍとなる。

ΔＬ、を求めるには、このΔＬの値と、トレランス曲線
とに基づき決定する。トレランス曲線の一例を第６図に
示す。トレランス曲線は縦軸に相対光出力を、横軸にピ
ーク位置からのづれ量を示している。このトレランス曲
線は、室温における焦点位置に光ファイバ７の光導入端
面７ａか位置している状態をピーク位置とし、このピー
ク位置より光導入端面７ａをレンズ４に近づけた時の光
出力変化を示したグラフである。

いま本実施例の光モジュール１４は、その使用される光
通信システムの要求により、結合効率の変動が±１０％
必要であるとする。また、前記のように環境の温度変化
により焦点位置の変化はΔＬζ±７μｍだけ必然的に生
じる。よって、この焦点位置の変化は、△Ｌ＃±７μｍ
だけずれか発生した時に、相対光出力の変動範囲か±１
０％であるピーク位置からのづれ量をトレランス曲線よ
り選定すればよい。本実施例ては、例えば相対光出力か
約５０％の点がこれに該当し、よってこれに対応するピ
ーク位置からのづれ量１００μｍをΔＬ、と選定すれば
よい。これにより、光モジュール１４の全体としての温
度変化に伴う光出力特性は平坦化し、広い温度範囲にお
いて安定した光出力を得ることが可能となる。

第７図は変調電流の変化率の分布を示す図であり、本発
明の効果を示している。同図に示すように、本発明では
変調電流の変化率か低く、具体的には平均で８０％以下
である。また、その度数も低く最高でも１００％の１個
である。このように、本発明では温度変化に拘わらず光
出力特性は安定しているため、変調電流の変化率特性を
向上させることかでき。一般に、変調電流の変化率特性
において９０％を越える光モジュールは規格により不良
品として製品化できないこととなっており、よって本発
明の光モジュールによれば製品の歩留りを向上すること
もてきる。

尚、上記した実施例で述べた数値は本発明の一例を示し
たにすぎず、各値は光モジュールに内設されるＬＤの特
性、レンズの明るさ、ハウジングの熱膨張率等により変
化するものであり、よって本発明はこれらの数値に限定
されるものではない。

〔発明の効果〕

上述のように本発明によれば、温度制御を行うこと無く
、広い温度範囲において安定した光出力を得ることかで
き、かつ製品の歩留りを向上させることがてきる等の特
長を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理図、 第２図はトラッキング特性を示す図、 第３図は発光素子の光出力特性を示す図、第４図は本発
明になる光モジュールの相対光出力と温度との関係を示
す図、 第５図は本発明の一実施例である光モジュールの縦断面
図、 第６図はトレランス曲線を示す図、 第７図は変調電流の変化率分布を示す図、第８図は従来
における光モジュールの一例を示す縦断面図である。 図において、 １はリセプタクル、 ２はフェルール、 ３はＬＤ、 ４．１１はレンズ、 ７．１２は光ファイバ、 ７ａ、１２ａは光導入端面、 １３は支持部材、 １４は光モジュール を示す。 １４光モジユール ／１３支持部材 本発明の原理図 第１図 最低動作温度 室温 温度（’Ｃ） トラッキング特性を示す図 第２図 最高動作温度 発光素子の光出力特性を示す図 第　３　図 本発明ｆこなる光モジュ 示す図 ルの相体光出力と温度との関係を り位置ン ピーク位置からのブれ（μｍン トレランス曲線を示す図 第６図 （レンズ側） 変調電流の変化率（％） ロ従来ロ本発明 変調電流の変化率分布を示す図 第 図 本発明の 実施例である光モジコ ルを示す図 従来の光モジュールの 例を示す図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 発光素子（１０）から出射された光をレンズ（１１）に
   より集光して光ファイバ（１２）に結合させると共に、
   温度変化に伴い膨張或いは収縮を行う支持部材（１３）
   に該発光素子（１０）、レンズ（１１）、光ファイバ（
   １２）の少なくともいずれかが支持されてなる構成の光
   モジュールにおいて、 室温において、該発光素子（１０）から出射された光の
   焦点位置が該光ファイバ（１２）の光導入端部（１２ａ
   ）より離間した光ファイバ内部に位置するよう構成した
   ことを特徴とする光モジュール。