WO2012169586A1

WO2012169586A1 - 光レセプタクルおよびこれを備えた光モジュール

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Publication number: WO2012169586A1
Application number: PCT/JP2012/064685
Authority: WO
Inventors: 和孝渋谷
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2012-12-13
Anticipated expiration: 2013-12-07
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Abstract

【課題】戻り光を有効に低減することができるとともに、光学性能の確保、製造の効率化および低コスト化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。【解決手段】光ファイバ取付部５、光電変換装置取付部３'およびレンズ２は、透光性の樹脂材料によって一体的に形成され、光ファイバ取付部５は、レンズ２の光軸ＯＡと同心状に形成され、光電変換装置取付部３'における光電変換装置８の当接面３ａ'が、光軸ＯＡに垂直な平面に対して傾きを有するように形成され、光電変換装置８として、光電変換装置取付部３'への当接面９ａが受光素子１０の受光面に平行とされたものが取り付けられること。

Description

光レセプタクルおよびこれを備えた光モジュール

　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、光ファイバの端部と光電変換装置の受光素子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、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、筒状のフェルール内に保持された光ファイバの端部がフェルールとともに挿入されて固定され、かつ、光電変換素子を有する光電変換装置が取り付けられるようになっている。そして、このようにして光電変換装置および光ファイバが組み付けられた光レセプタクルは、光電変換素子と光ファイバの端部とを光学的に結合するようになっていた。

　ここで、図１０は、この種の光レセプタクル１の一例を示したものであり、この光レセプタクル１は、例えば、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）またはＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）等の透光性の樹脂材料を射出成形することによって一体的に形成されている。

　図１０に示すように、光レセプタクル１は、長手方向におけるほぼ中央位置に、レンズ２を有しており、このレンズ２は、これの光軸ＯＡ方向における一方（図１０における下方）の面２ａが凸面、他方（図１０における上方）の面２ｂが平面とされた平凸レンズに形成されている。

　また、図１０に示すように、光レセプタクル１は、レンズ２の径方向における外側位置から光軸ＯＡ方向における一方（図１０における下方）に向かって延在された光電変換装置取付部３を有している。この光電変換装置取付部３は、内周面が光軸ＯＡと同心の円筒形状とされた筒状に形成されている。ただし、図１０に示すように、光電変換装置取付部３には、光電変換装置を接着剤（熱硬化性樹脂等）を用いて光電変換装置取付部３に固定する際に接着剤から発生したガスを外部に逃がすための貫通孔４が穿設されている。

　さらに、図１０に示すように、光レセプタクル１は、レンズ２の径方向における外側位置から光軸ＯＡ方向における光電変換装置取付部３と反対の方向に向かって延在された光ファイバ取付部５を有している。この光ファイバ取付部５は、内周面が光軸ＯＡと同心の略円筒形状とされた筒状に形成されている。

　次に、図１１は、このような光レセプタクル１を備えた光モジュールの一例として、受信用の光モジュール７を示したものである。

　すなわち、図１１に示すように、光モジュール７は、光レセプタクル１の光電変換装置取付部３に、光受信機能を備えたＣＡＮパッケージ型の光電変換装置８が取り付けられている。より具体的には、図１１に示すように、光電変換装置８は、円板状のステム９と、これに搭載されたフォトディテクタ（ＰＤ）等の受光素子１０と、この受光素子１０を覆うように配置された頂部に窓部を有するキャップ１１と、受光素子１０の受光結果（光電変換）に応じた電気信号が流れるリード１２とによって構成されている。

　また、図１１に示すように、光モジュール７は、光ファイバ取付部５に、光ファイバ１５が、これを保持するフェルール１７とともに着脱可能に取り付けられている。

　このような受信用の光モジュール７においては、送信側のデバイス（半導体レーザＬＤ等）から送信された送信情報を含む光が、光ファイバ１５を介して伝送されて、光ファイバ１５の端部（端面）１５ａからレンズ２に向けて出射される。そして、このレンズ２に向けて出射された光は、レンズ２において収束されて光電変換装置８に向けて出射された後に、光電変換装置８の受光素子１０によって受光される。このようにして、光ファイバ１５の端部１５ａと受光素子１０とが光学的に結合される。

　ところで、このような受信用の光モジュール７においては、受光素子１０の受光面がシリコーン等によって形成されているため、図１２に示すように、光ファイバ１５の端部１５ａから出射された光（同図破線部）が、受光素子１０の受光面において反射されることによって、光ファイバ１５の端部１５ａに戻り光（同図二点差線部）として戻って（入射して）しまうことが問題となっていた。このような戻り光は、特に、シングルモード方式の光ファイバ１５を用いる場合においては、ノイズとなって送信側のデバイスの光出力特性に悪影響を与える虞があった。

　このような問題を低減するためには、例えば、図１３に示すように、光電変換装置８をレンズ２の光軸ＯＡに対して傾けた状態で光電変換装置取付部３に取り付けることによって、受光素子１０の受光面における光の反射方向を、反射光の光ファイバ１５の端部１５ａへの入射（入射光量）が抑制され得る方向（端部１５ａから可及的に外れる方向）に制御することが考えられる。

　また、これ以外にも、従来から、戻り光の問題を低減するための種々の提案がなされている。

　例えば、特許文献１においては、ＰＤチップを斜めに実装した光電変換装置を用いることによって、ＰＤチップからの反射光が戻り光となることを抑制することが提案されている。

　また、特許文献２においては、光ファイバの端部を、これの光軸をレンズの光軸に対して傾けた状態で取り付けることによって、ＰＤの反射光がレンズを透過した後に戻り光となることを抑制することが提案されている。

特開２００９－２５８３６５号公報特開２００８－８３２８２号公報

　しかしながら、図１３の構成は、光電変換装置８における光電変換装置取付部３への当接面（図１３におけるステム９の上面）が、光電変換装置取付部３における光電変換装置８の当接面（図１３における下端面３ａ）に対して傾いた状態となるため、光電変換装置８を接着剤１８を介して光電変換装置取付部３に安定的に当接させることができず、正確な調芯作業（受光素子１０の受光面の中心点をレンズ２の光軸ＯＡ上に位置合わせする作業、以下同様）も困難となってしまう。すなわち、図１３の構成は、光電変換装置８の取り付けを簡便かつ高精度に行うことができないといった問題点を有している。

　また、特許文献１に記載の構成は、ＰＤチップが傾いた特殊な光電変換装置（カスタマイズ品）を用いなければならないため、コストが高くなるといった問題点を有している。

　さらに、特許文献２に記載の構成は、光ファイバを斜めに保持する必要上、光レセプタクルを、光ファイバを保持する部分とレンズおよび光電変換装置を保持する部分とで個別に製造しなければならない。蓋し、両部分を金型を用いて一体成形しようとしても、光ファイバを保持する部分が傾いているため、離型を確保するための金型設計が非常に困難となるからである。すなわち、特許文献２に記載の構成は、光レセプタクルを簡便かつ安価に製造することができないといった問題点を有している。更に、こればかりでなく、特許文献２に記載の構成は、光ファイバを斜めに保持する構成上、温度変化にともなう光レセプタクルの寸法変化（線膨脹）によって、受光素子に対するファイバ光の結合効率が大きく変化する虞があるといった光学性能上の問題点も有している。

　そこで、本発明は、このような問題点に鑑みなされたものであり、戻り光を有効に低減することができるとともに、光学性能の確保、製造の効率化および低コスト化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、光ファイバの端部を取り付けるための筒状の光ファイバ取付部と、受光素子を有する光電変換装置を当接させた状態で取り付けるための筒状の光電変換装置取付部と、前記光ファイバの端部と前記受光素子とを光学的に結合するためのレンズとを備えた光レセプタクルにおいて、前記光ファイバ取付部、前記光電変換装置取付部および前記レンズは、透光性の樹脂材料によって一体的に形成され、前記光ファイバ取付部は、前記レンズの光軸と同心状に形成され、前記光電変換装置取付部における前記光電変換装置の当接面が、前記レンズの光軸に垂直な平面に対して傾きを有するように形成され、前記光電変換装置として、前記光電変換装置取付部への当接面が前記受光素子の受光面に平行とされたものが取り付けられる点にある。

　そして、この請求項１に係る発明によれば、光電変換装置取付部における光電変換装置の当接面を、レンズの光軸に垂直な平面に対して傾きを有するように形成することにより、汎用的な光電変換装置を用いつつ、受光素子の受光面における反射光が戻り光となることを有効に低減することができ、かつ、光電変換装置取付部がレンズの光軸と同心であることによって、樹脂材料を用いた一体成形を無理なく行うことができるとともに温度変化に対する光学性能の安定性を確保することができ、さらに、光電変換装置取付部の当接面と光電変換装置の当接面とを安定的に当接させることによって、光電変換装置を簡便かつ高精度に取り付けることができる。

　また、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、前記光電変換装置取付部における前記光電変換装置の当接面は、前記光電変換装置取付部における前記光電変換装置側の端面である点にある。

　そして、この請求項２に係る発明によれば、光電変換装置取付部よりも外周が大きな光電変換装置の取り付けに適切に対応することができる。

　さらに、請求項３に係る光レセプタクルの特徴は、請求項１において、更に、前記光電変換装置取付部における前記光電変換装置の当接面は、前記光電変換装置取付部における前記光電変換装置側の端面よりも径方向における内側の位置において前記端面に対して前記レンズ側に凹入された凹入面である点にある。

　そして、この請求項３に係る発明によれば、光電変換装置取付部よりも外周が小さな光電変換装置の取り付けに適切に対応することができる。

　さらにまた、請求項４に係る光モジュールの特徴は、請求項１～３のいずれか１項に記載の光レセプタクルと、請求項１に記載の光ファイバと、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４に係る発明によれば、汎用的な光電変換装置を用いつつ、受光素子の受光面における反射光が戻り光となることを有効に低減することができ、かつ、樹脂材料を用いた光レセプタクルの一体成形を無理なく行うことができるとともに温度変化に対する光学性能の安定性を確保することができ、さらに、光電変換装置を簡便かつ高精度に取り付けることができる。

　また、請求項５に係る光モジュールの特徴は、請求項４において、更に、前記光ファイバは、シングルモード光ファイバである点にある。

　そして、この請求項５に係る発明によれば、マルチモード光ファイバを用いる場合に比較して、戻り光を低減する効果が顕著になる。

　本発明によれば、戻り光を有効に低減することができるとともに、光学性能の確保、製造の効率化および低コスト化を図ることができる。

本発明に係る光レセプタクルの第１実施形態を示す縦断面図本発明に係る光モジュールの第１実施形態を示す縦断面図本発明に係る光モジュールの第１実施形態において、受光素子の受光面の傾きが２°の場合におけるファイバ光の光路を示す模式図本発明に係る光モジュールの第１実施形態において、受光素子の受光面の傾きが４°の場合におけるファイバ光の光路を示す模式図本発明に係る光モジュールの第１実施形態において、受光素子の受光面の傾きが６°の場合におけるファイバ光の光路を示す模式図本発明に係る光モジュールの第１実施形態において、受光素子の受光面の傾きと光結合効率との相関関係についてのシミュレーション結果を示すグラフ本発明に係る光レセプタクルの第２実施形態を示す縦断面図本発明に係る光モジュールの第２実施形態を示す縦断面図光モジュールの変形例を示す縦断面図従来の光レセプタクルの構成例を示す縦断面図従来の光モジュールの構成例を示す縦断面図従来の問題点を説明するための第１の説明図従来の問題点を説明するための第２の説明図

（第１実施形態）
　以下、本発明の第１実施形態について、図１および図２を参照して説明する。

　ただし、従来と基本的な構成が同一もしくはこれに類する箇所については、同一の符号を用いて説明する。

　図１に示すように、本実施形態における光レセプタクル２０は、従来の光レセプタクル１と同様に、レンズ２、光電変換装置取付部３’および光ファイバ取付部５が、透光性の樹脂材料を用いて一体的に形成されることによって構成されている。また、本実施形態における光レセプタクル２０は、特許文献２に記載の構成とは異なり、光ファイバ取付部５が、レンズ２の光軸ＯＡと同心状に形成されているため、金型を用いて無理なく一体成形することができる。因みに、金型としては、例えば、光ファイバ取付部５の内周面ならびに上端面およびレンズ２の平面２ｂの形状転写面が形成された上型（例えば、可動型）と、光電変換装置取付部３’の内周面ならびに下端面およびレンズ２の凸面２ａの形状転写面が形成された下型（例えば、固定型）と、光レセプタクル２０の外周面の形状転写面が形成され、光軸ＯＡを含む仮想平面上にパーティングラインを有するようなスプリットモールドとを備えた射出成形金型を用いてもよい。この場合に、スプリットモールドは、光レセプタクル２０の外周面における図１の左半部を成形するための左側のスライド型と、光レセプタクル２０の外周面における図１の右半部を成形するための右側のスライド型と、各スライド型にそれぞれ備えられた貫通孔４を成形するためのピンとによって構成されたものであってもよい。

　また、図１０に示した従来の構成においては、光電変換装置取付部３における光電変換装置８の当接面である下端面３ａが、レンズ２の光軸ＯＡに垂直な仮想平面に対して平行に形成されていたが、本実施形態における光レセプタクル２０は、そのような従来の構成とは異なっている。

　すなわち、図１に示すように、本実施形態においては、光電変換装置取付部３’における光電変換装置８の当接面としての光電変換装置取付部３’の下端面３ａ’が、レンズ２の光軸ＯＡに垂直な仮想平面Ｓに対して傾きを有するように形成されている。より具体的には、光電変換装置取付部３’の下端面３ａ’は、光軸ＯＡを囲む輪帯状を呈しているとともに、全周にわたって、レンズ２の光軸ＯＡに垂直な仮想平面Ｓに対して所定の傾斜角を有する１つの仮想平面Ｓ’上（同一平面上）に配置されている。

　そして、このような本実施形態の光レセプタクル２０は、図２に示すように、光ファイバ取付部５への光ファイバ１５の取り付けと、光電変換装置取付部３’への光電変換装置８の取り付けとを行うことによって、本実施形態における光モジュール２１を構成するようになっている。

　なお、光電変換装置８は、光電変換装置取付部３’への当接面としてのステム９の上端面９ａが、受光素子１０の受光面（上端面）に平行とされたものであり、このような光電変換装置８は、特許文献１に記載の構成とは異なり、汎用品（既存品）として比較的安価に入手できるものである。光電変換装置８の取り付けは、具体的には、光電変換装置８の受光素子１０およびキャップ１１を、光電変換装置取付部３’によって囲まれた空間内に挿入させるようにして、光電変換装置８の当接面９ａを、接着剤１８（例えば、熱硬化性樹脂）を挟んで光電変換装置取付部３’の当接面３ａ’に当接させて、前述した調芯作業の後、接着剤１８を硬化（例えば、熱硬化）することによって行われる。

　図２に示すように、本実施形態における光モジュール２１は、受光素子１０の受光面が、レンズ２の凸面２ａに正対してはおらず、所定の傾きを有している。このため、レンズ２から受光素子１０に向けて出射された光（光ファイバ１５によって送信側から伝送された光）は、受光面において反射されたとしても、この反射光の反射方向が、光ファイバ１５の端部１５ａへの反射光の入射を可及的に抑制し得る方向に制御される。これにより、受光素子１０の受光面における反射光が戻り光となることを有効に低減することができる。

　ここで、図３～図５には、レンズ２の光軸ＯＡに垂直な仮想平面Ｓに対する受光素子１０の受光面の傾き（すなわち、当接面３ａ’の傾き）が、それぞれ、２°、４°、６°となった場合における光ファイバ１５の端部１５ａからの出射光の光路が示されている。なお、図３～図５中の破線は、光ファイバ１５の端部１５ａからの出射光（但し、受光素子１０の受光面に到達する前の段階のもの）を示しており、また、同各図中における二点差線は、受光素子１０の受光面における出射光の反射光を示している。図３～図５に示すように、戻り光を低減するためには、受光素子１０の受光面の傾きが大きい方が望ましいと言える。しかしながら、その一方で、受光面の傾きによって、受光面に対する光の結合効率が悪化することは望ましくない。この点について、本実施形態の構成では、受光素子１０の受光面の傾きと光結合効率との相関関係についてのシミュレーションを行った場合には、図６に示すようなシミュレーション結果を得ることができる。なお、図６における横軸は、レンズ２の光軸ＯＡに垂直な仮想平面Ｓに対する受光素子１０としてのフォトディテクタの受光面の傾き（°）であり、縦軸は、フォトディテクタの受光面に対する光ファイバの出射光の結合効率（ｄＢ）である。また、図６のシミュレーションにおいては、光ファイバとして、ＮＡが０．１４、コア径がΦ０．０１ｍｍのものを用いるとともに、フォトディテクタとして、受光面がΦ０．０５ｍｍのものを用いた。図６に示すように、本実施形態によれば、受光面が３０°傾いたとしても、十分な結合効率（－０．５２ｄＢ）が得られることが分かる。このようなシミュレーション結果は、光ファイバ１５の端部１５ａとレンズ２とが同軸状に配置されていることによるものと推測される。

　なお、図１０に示した従来の光レセプタクル１においても、図１３に示したように受光素子１０の受光面を傾けた状態で取り付けることによって戻り光の発生を防止することができるが、その場合に光電変換装置８の高精度な取り付けが困難となることは既に述べた通りである。

　したがって、本実施形態によれば、汎用的な光電変換装置８を用いつつ、受光素子１０の受光面における反射光が戻り光となることを有効に防止することができる。また、光電変換装置取付部３’がレンズ２の光軸ＯＡと同心であることによって、樹脂材料を用いた光レセプタクル２０の一体成形を無理なく行うことができるとともに、温度変化に対する光学性能の安定性を確保することができる。さらに、光電変換装置取付部３’の当接面３ａ’と光電変換装置８の当接面９ａとを安定的に当接させることによって、光電変換装置８を簡便かつ高精度に取り付けることができる。ここで、図６に示したように、本実施形態によれば、受光素子１０の受光面の傾きについては、ある程度の角度（少なくとも３０°）までは光学性能上の安定性が確保されると言える。しかしながら、図６のシミュレーション結果は、前述の調芯作業が正確に行われたことが前提であるので、当接面３ａ’、９ａ同士を接着剤１８を挟んで安定的に当接させて正確な調芯作業を行った上で光電変換装置８を光電変換装置取付部３’における所期の取り付け位置に高精度に取り付けることは、光学性能を確保する上で重要な要素である。特に、本実施形態においては、光電変換装置取付部３’よりも外周が大きい光電変換装置８の取り付けに適切に対応することができる。

　これ以外にも、本実施形態における光レセプタクル２０は、図１０に示したような従来の光レセプタクル１の成形金型に対して、当接面３ａ’の形状転写面を形成するための軽微な加工を施したものを用いて成形することができる場合もある。このような場合には、既存の成形金型を活用することによって更なるコストの削減を図ることができる。

　なお、上記以外の構成は、図１０および図１１に示したものと基本的に同様であるので、詳細は省略する。

（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態について、第１実施形態との差異を中心として、図７および図８を参照して説明する。

　図７に示すように、本実施形態における光レセプタクル２４は、光電変換装置取付部３”における光電変換装置８の当接面が、レンズ２の光軸ＯＡに垂直な仮想平面Ｓに対して傾きを有するように形成されているという点では、第１実施形態と同様である。

　ただし、本実施形態においては、図７に示すように、光電変換装置取付部３”における当接面が、光電変換装置取付部３”の下端面３ａ”ではなく、下端面３ａ”よりも径方向における内側の位置において下端面３ａ”に対してレンズ２側に凹入された凹入面３ｂとされている。

　図８は、このような本実施形態の光レセプタクル２４を備えた光モジュール２５を示したものである。

　図８に示すように、本実施形態においても、光電変換装置取付部３”における当接面３ｂと光電変換装置８における当接面９ａとを当接させた状態で光電変換装置８を光電変換装置取付部３”に簡便かつ安定的に取り付けることによって、受光素子１０の受光面をレンズ２に対して傾けることができる。

　したがって、本実施形態においても、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。特に、本実施形態においては、光電変換装置取付部３”よりも外周が小さい光電変換装置８の取り付けに適切に対応することができる。

　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、本発明は、ＣＡＮパッケージ型の光電変換装置８に限らず、図９に示すように、半導体基板２７の表面に受光素子１０が実装された基板実装型の光電変換装置２８にも有効に適用することができる。

　２　レンズ
　３’　光電変換装置取付部
　５　光ファイバ取付部
　８　光電変換装置
　１５　光ファイバ

Claims

　光ファイバの端部を取り付けるための筒状の光ファイバ取付部と、
　受光素子を有する光電変換装置を当接させた状態で取り付けるための筒状の光電変換装置取付部と、
　前記光ファイバの端部と前記受光素子とを光学的に結合するためのレンズと
　を備えた光レセプタクルにおいて、
　前記光ファイバ取付部、前記光電変換装置取付部および前記レンズは、透光性の樹脂材料によって一体的に形成され、
　前記光ファイバ取付部は、前記レンズの光軸と同心状に形成され、
　前記光電変換装置取付部における前記光電変換装置の当接面が、前記レンズの光軸に垂直な平面に対して傾きを有するように形成され、
　前記光電変換装置として、前記光電変換装置取付部への当接面が前記受光素子の受光面に平行とされたものが取り付けられること
　を特徴とする光レセプタクル。
　前記光電変換装置取付部における前記光電変換装置の当接面は、前記光電変換装置取付部における前記光電変換装置側の端面であること
　を特徴とする請求項１に記載の光レセプタクル。
　前記光電変換装置取付部における前記光電変換装置の当接面は、前記光電変換装置取付部における前記光電変換装置側の端面よりも径方向における内側の位置において前記端面に対して前記レンズ側に凹入された凹入面であること
　を特徴とする請求項１に記載の光レセプタクル。
　請求項１～３のいずれか１項に記載の光レセプタクルと、
　請求項１に記載の光ファイバと、
　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。
　前記光ファイバは、シングルモード光ファイバであること
　を特徴とする請求項４に記載の光モジュール。