WO2022144999A1 - 光レセプタクルおよび光モジュール - Google Patents

光レセプタクルおよび光モジュール Download PDF

Info

Publication number
WO2022144999A1
WO2022144999A1 PCT/JP2020/049186 JP2020049186W WO2022144999A1 WO 2022144999 A1 WO2022144999 A1 WO 2022144999A1 JP 2020049186 W JP2020049186 W JP 2020049186W WO 2022144999 A1 WO2022144999 A1 WO 2022144999A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical
axis
light
receptacle
focal point
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/049186
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
裕善 可兒
ほの香 佐藤
Original Assignee
株式会社エンプラス
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社エンプラス filed Critical 株式会社エンプラス
Priority to CN202080108186.6A priority Critical patent/CN116648647A/zh
Priority to PCT/JP2020/049186 priority patent/WO2022144999A1/ja
Priority to JP2022572843A priority patent/JPWO2022144999A1/ja
Publication of WO2022144999A1 publication Critical patent/WO2022144999A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/32—Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements

Definitions

  • the present invention relates to an optical receptacle and an optical module.
  • an optical module equipped with a photoelectric conversion element has been used for optical communication using an optical transmitter such as an optical fiber or an optical waveguide.
  • the optical module When the optical module is an optical module for transmission, the optical module has an optical receptacle for incident light including communication information emitted from a light emitting element on an end face of an optical transmitter.
  • the optical module when the optical module is an optical module for reception, the optical module has an optical receptacle for incidenting light including communication information emitted from an optical transmitter onto a light receiving element.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose such an optical receptacle.
  • the lens (optical surface) facing the photoelectric conversion element (light emitting element or light receiving element) is usually a circularly symmetric convex lens surface having a shallow depth of focus.
  • FIG. 1 is a diagram showing a state when collimated light is incident on a circularly symmetric convex lens surface having a shallow depth of focus from the inside of an optical receptacle.
  • the intersection of the optical axis of the convex lens surface and the convex lens surface is the origin
  • the optical axis of the convex lens surface is the Z axis
  • the axis passing through the origin and perpendicular to the Z axis is the X axis
  • the Z axis and the axis perpendicular to the X axis are Y. Use as the axis.
  • the curvature of the convex lens surface in the XZ plane passing through the origin is the same as the curvature of the convex lens surface in the YZ plane passing through the origin. As shown in FIG. 1, the light incident on the circularly symmetric convex lens surface converges to one point (focal point) on the Z axis.
  • the convex lens surface is used for the incident surface (optical surface facing the light emitting element) of the optical receptacle of the optical module for transmission, the light coupling efficiency is permissible centering on the focal position shown in FIG.
  • the light emitting element is arranged within a predetermined range (Z tolerance range).
  • the convex lens surface is used for the emission surface (optical surface facing the light receiving element) of the optical receptacle of the optical module for reception, the light coupling efficiency is permissible centering on the focal position shown in FIG.
  • the light receiving element is arranged within a predetermined range (Z tolerance range).
  • the Z tolerance range of the convex lens surface is narrow, so when assembling the optical module, high accuracy is required for the positioning of the photoelectric conversion element. Even if the optical module is assembled by properly positioning the photoelectric conversion element, the focal position of the convex lens surface may move in the Z-axis direction due to the temperature change during use of the optical module, and the position of the photoelectric conversion element may change. It may be out of the Z tolerance range.
  • an object of the present invention is to provide an optical receptacle having a wide Z tolerance range of the optical surface facing the photoelectric conversion element, and an optical module having the optical receptacle.
  • the optical receptacle according to the present invention is an optical receptacle that is arranged between a photoelectric conversion element and an optical transmission body and optically couples the photoelectric conversion element and the end face of the optical transmission body, and is the photoelectric conversion element.
  • a first optical surface that causes the light emitted from the conversion element to enter, or emits light emitted from the end face of the optical transmitter and passing through the inside of the optical receptacle toward the photoelectric conversion element, and the first optical surface.
  • the first optical surface has a second optical surface for emitting light incident on the optical surface toward the end face of the optical transmitter or incident light emitted from the end surface of the optical transmitter.
  • the intersection of the optical axis and the first optical surface is the origin, the optical axis of the first optical surface is the Z axis, the axis passing through the origin and perpendicular to the Z axis is the X axis, and perpendicular to the Z axis and the X axis.
  • the first optical surface is observed along the direction of the X-axis when collimated light is incident on the first optical surface from the inside of the optical receptacle when the first optical surface is the Y-axis.
  • the first focal point and the second focal point observed on the first optical surface side of the first focal point when viewed along the Y-axis direction are formed.
  • the optical module according to the present invention has a photoelectric conversion element and an optical receptacle according to the present invention.
  • an optical receptacle having a wide Z tolerance range of the optical surface facing the photoelectric conversion element and an optical module having the optical receptacle. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide an optical module that is easy to assemble and resistant to temperature changes.
  • FIG. 1 is a diagram showing a state when collimated light is incident on a circularly symmetric convex lens surface having a shallow depth of focus.
  • 2A and 2B are diagrams showing the configuration of an optical module and an optical receptacle according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a first focal point and a second focal point formed by the first optical surface.
  • 4A is a diagram showing the simulation settings in the optical module according to the first embodiment
  • FIGS. 4B and 4C are graphs showing the results of the simulation in the optical module according to the first embodiment.
  • 5A to 5C are diagrams showing the configuration of the optical module and the optical receptacle according to the second embodiment.
  • FIG. 6A is a diagram showing a simulation setting in the optical module according to the second embodiment
  • FIGS. 6B and 6C are graphs showing the result of the simulation in the optical module according to the second embodiment.
  • FIGS. 2A and 2B are diagrams showing the configuration of the optical module 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • 2A is a plan view of the optical module 100
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. 2A.
  • the optical transmitter 160 is shown by a broken line.
  • the optical module 100 includes a substrate-mounted photoelectric conversion device 120 including a light emitting element 122 and an optical receptacle 140.
  • the optical module 100 is an optical module for transmission, and an optical transmitter 160 is coupled (hereinafter, also referred to as a connection) to an optical receptacle 140 and used.
  • the photoelectric conversion device 120 has a substrate 121 and a light emitting element 122.
  • the substrate 121 supports the light emitting element 122 and is fixed to the optical receptacle 140.
  • the substrate 121 is, for example, a glass composite substrate, a glass epoxy substrate, a flexible sill substrate, or the like.
  • a light emitting element 122 is arranged on the substrate 121.
  • the light emitting element 122 emits light toward the optical transmitter 160.
  • the light emitting element 122 is, for example, a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL).
  • the number of light emitting elements 122 is not particularly limited and is selected according to the configuration of the optical receptacle 140. In this embodiment, the number of light emitting elements 122 is one.
  • the light emitting element 122 is arranged so that the light emitting surface 123 is located within the Z tolerance range of the first optical surface 141 of the optical receptacle 140.
  • the optical receptacle 140 is arranged on the substrate 121 of the photoelectric conversion device 120.
  • the optical receptacle 140 optically couples the light emitting surface 123 of the light emitting element 122 and the end surface 162 of the optical transmission body 160 in a state of being arranged between the photoelectric conversion element (light emitting element 122) and the optical transmission body 160.
  • the optical receptacle 140 optically couples the light emitting surface 123 of one light emitting element 122 and the end surface 162 of one optical transmitter 160, whereas the optical receptacle 140 has a plurality of light emitting elements.
  • the light emitting surface 123 of the 122 and the end surface 162 of the plurality of optical transmitters 160 may be optically coupled to each other.
  • the configuration of the optical receptacle 140 will be described in detail separately.
  • the type of the optical transmitter 160 is not particularly limited. Examples of the types of optical transmitters 160 include optical fibers and optical waveguides. In this embodiment, the optical transmitter 160 is an optical fiber.
  • the number of optical transmitters 160 is not particularly limited and is selected according to the configuration of the optical receptacle 140. The number of optical transmitters 160 may be one or plural. In the present embodiment, the number of optical transmitters 160 is one.
  • the optical module may be an optical module for reception.
  • the photoelectric conversion element is a light receiving element instead of the light emitting element, and the light emitted from the optical transmitter 160 is incident on the light receiving element.
  • the optical receptacle 140 has translucency, and optical transmission is performed between a first optical surface 141 that causes at least a part of the light emitted from the light emitting element 122 to be incident on the optical receptacle 140 and the light that is incident on the first optical surface. It has a second optical surface 142 that emits light toward the end surface of the body 160.
  • the number of the first optical surface 141 and the number of the second optical surface 142 are one each.
  • the optical receptacle 140 has a positioning portion 144 for positioning the optical transmitter 160 and a direction along the Z axis between the first optical surface 141 and the light emitting surface 123 of the light emitting element 122 (light emitting element). It further has a substrate fixing portion 145 for fixing the optical receptacle 140 on the substrate 121 while determining the distance (in the optical axis direction of 122).
  • the optical receptacle 140 is formed by using a material having translucency with respect to light having a wavelength used for optical communication. Examples of such materials include transparent resins such as polyetherimide (PEI) and cyclic olefin resins. Further, the optical receptacle 140 is manufactured, for example, by injection molding.
  • PEI polyetherimide
  • cyclic olefin resins examples include transparent resins such as polyetherimide (PEI) and cyclic olefin resins.
  • the optical receptacle 140 is manufactured, for example, by injection molding.
  • the positioning unit 144 positions the end face 162 of the optical transmitter 160 with respect to the optical receptacle 140.
  • the configuration of the positioning unit 144 is not particularly limited as long as the above functions can be exhibited.
  • the positioning portion 144 has a bottomed cylindrical shape.
  • the first optical surface 141 is an optical surface that causes the light emitted from the light emitting element 122 to enter the inside of the optical receptacle 140.
  • the first optical surface 141 is formed on the bottom of the substrate fixing portion 145, which will be described later.
  • the first optical surface 141 is a convex lens surface that is convex toward the light emitting element 122. The details of the shape of the first optical surface 141 will be described with reference to FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing a state when collimated light is incident on the first optical surface 141 from the inside of the optical receptacle 140.
  • the intersection of the optical axis of the first optical surface 141 and the first optical surface 141 is the origin
  • the optical axis of the first optical surface 141 is the Z axis
  • the axis passing through the origin and perpendicular to the Z axis is the X axis and the Z axis.
  • the axis perpendicular to the X axis is the Y axis.
  • the curvature of the first optical surface 141 in the XZ plane passing through the origin is larger than the curvature of the first optical surface 141 in the YZ plane passing through the origin.
  • the first optical surface 141 is a convex lens surface whose curvature in the XZ plane passing through the origin is larger than the curvature in the YZ plane passing through the origin. Therefore, as shown in FIG. 3, the light incident on the first optical surface 141 does not converge to one point (focal point) on the Z axis. Specifically, when collimated light is incident on the first optical surface 141 from the inside of the optical receptacle 140, it is observed along the direction of the X-axis and the first focal point observed along the direction of the Y-axis. When viewed, a second focal point observed on the first optical surface 141 side of the first focal point is formed.
  • the first focal point is formed due to the curvature of the first optical surface 141 along the Y-axis direction
  • the second focal point is formed due to the curvature of the first optical surface 141 along the X-axis direction. That is, the first optical surface 141 is the first focal point observed when viewed along the direction of the X axis when collimated light is incident on the first optical surface 141 from the inside of the optical receptacle 140, and the Y axis.
  • the second focal point observed on the first optical surface 141 side of the first focal point when viewed along the direction of is formed.
  • the first optical surface 141 is symmetric with respect to the XZ plane and also with respect to the YZ plane. Therefore, the first optical surface 141 is not circularly symmetric, but is twice symmetric.
  • the first optical surface 141 is not limited to this.
  • the first optical surface 141 is not particularly limited as long as it can form the first focus and the second focus described above, and may be, for example, a diffractive lens.
  • the distance between the first focal point and the second focal point is preferably 100 ⁇ m or more and 180 ⁇ m or less from the viewpoint of light coupling efficiency and correct signal transmission. Details of this will be described later.
  • the size of the first optical surface 141 is not particularly limited, but is preferably the same as or larger than the size of the light emitting surface 123 of the light emitting element 122.
  • the central axis CA1 of the first optical surface 141 is preferably perpendicular to the light emitting surface 123 of the light emitting element 122. It is preferable that the central axis CA1 of the first optical surface 141 coincides with the optical axis OA of the light emitted from the light emitting surface 123 of the light emitting element 122.
  • the light emitting surface 123 of the light emitting element 122 and the first optical surface 141 can be separated from each other, and the light emitting surface 123 and the first optical surface of the light emitting element 122 can be separated from each other. 1 It is possible to prevent the optical surface 141 from being damaged.
  • the light emitting surface 123 of the light emitting element 122 is arranged so as to be located within the Z tolerance range of the first optical surface 141, and preferably is arranged so as to be located near the center within the Z tolerance range.
  • the bottom of the positioning portion 144 contacts the cladding of the optical transmitter 160.
  • the end face 162 of the optical transmitter 160 can receive the light emitted from the light emitting element 122.
  • the second optical surface 142 is an optical surface that emits light traveling from the first optical surface 141 toward the end surface 162 of the optical transmitter 160.
  • the second optical surface 142 is arranged on the opposite side of the first optical surface 141 so as to face the end surface 162 of the optical transmitter 160.
  • the shape of the second optical surface 142 is not particularly limited. In this embodiment, the second optical surface 142 is a flat surface.
  • the board fixing portion 145 fixes the optical receptacle 140 to the board 121.
  • the configuration of the substrate fixing portion 145 is not particularly limited as long as the above functions can be exhibited.
  • the substrate fixing portion 145 has a bottomed cylindrical shape.
  • the optical receptacle may be an optical receptacle for reception.
  • the second optical surface 142 incidents the light from the optical transmitter, and the first optical surface 141 emits the light toward the light receiving element.
  • the distance between the first focal point and the second focal point, the positional deviation of the light emitting element 122 in the direction along the Z axis, the light emitting element 122, and the optical transmitter 160 is described below.
  • FIG. 4A is a schematic diagram showing how light is emitted from the light emitting element 122, light is incident on the first optical surface 141, and the light reaches the optical transmission body 160. Note that FIG. 4A is for illustration purposes only and does not represent an actual scale.
  • FIG. 4B shows the distance between the first focal point and the second focal point (interfocal distance), the amount of movement of the light emitting element 122 from the design position, and the optical coupling efficiency between the light emitting element 122 and the optical transmitter 160. It is a figure which shows the relationship with the change of. As shown in FIG. 4A, the amount of movement from the design position is a negative value when the light emitting element 122 and the first optical surface 141 are close to each other, and a positive value when they are separated from each other.
  • FIG. 4A it is a graph showing how the optical coupling efficiency fluctuates when the distance between the light emitting element 122 and the first optical surface 141 is fluctuated. ..
  • 0 dB is set when the optical coupling efficiency is the maximum value for each focal distance.
  • the distance between the light emitting surface 123 of the light emitting element 122 and the first optical surface 141 is 1.56 mm when it is in the design position.
  • the shorter the distance between the focal points the more vulnerable to fluctuations in the distance between the light emitting element 122 and the first optical surface 141, and the more vulnerable the distance between the light emitting element 122 and the first optical surface 141 is.
  • the difference from the maximum value of the coupling efficiency becomes large. That is, the shorter the distance between focal points, the narrower the Z tolerance range.
  • the optical receptacle meets the following specifications. That is, even when the temperature changes from 0 ° C. to 70 ° C. and the distance between the light emitting element 122 and the first optical surface 141 moves by a maximum of 30 ⁇ m, the fluctuation range of the coupling efficiency is suppressed to ⁇ 0.5 dB. Is preferable.
  • the conventional optical receptacle with an interfocal distance of 0 ⁇ m has a difference from the maximum value of the coupling efficiency in the range of the movement amount of 30 ⁇ m (the curve is not symmetrical, but from a point of about 0 ⁇ m to ⁇ 15 ⁇ m). However, it is not suppressed to -0.5 dB and does not meet the above specifications.
  • the difference from the maximum value of the coupling efficiency is suppressed to ⁇ 0.5 dB in the above range. Therefore, it meets the above specifications.
  • Table 1 shows that the distance between the first focal point and the second focal point (interfocal distance) and the Z tolerance range (the difference between the maximum value of the coupling efficiency and the maximum value are within the range of -0.5 dB).
  • the movable distance in the direction along the Z axis of the light emitting element 122) is shown.
  • the width of the above graph is 30 ⁇ m, and it is located at the boundary where the above specifications can be satisfied (see FIG. 4B). That is, the distance between the first focal point and the second focal point is preferably 100 ⁇ m or more.
  • FIG. 4C also shows the distance between the first focal point and the second focal point (interfocal distance), the moving distance of the light emitting element 122 in the direction along the Z axis, and the light between the light emitting element 122 and the optical transmitter 160. It is a figure which shows the relationship with the coupling efficiency.
  • the light coupling efficiency that is, the amount of light emitted from the light emitting element 122) when it is assumed that all the light emitted from the light emitting element 122 is incident on the optical transmitter 160 is set to 0 dB.
  • the optical coupling efficiency is suppressed to -7 dB from the viewpoint of correctly transmitting a signal.
  • the coupling efficiency is suppressed to -7 dB at all of the focal lengths of 100 ⁇ m, 150 ⁇ m, and 180 ⁇ m in the range of the movement amount of 30 ⁇ m (the curve is not symmetrical, but ⁇ 15 ⁇ m from the point of about 0 ⁇ m). Therefore, the above specifications can be satisfied.
  • the one having an interfocal distance of 180 ⁇ m is located near the boundary where the above specifications can be satisfied. Table 2 below quantifies this. As can be seen from FIG. 4C and Table 2, the interfocal distance between the first focal point and the second focal point is preferably 180 ⁇ m or less.
  • the optical receptacle 140 according to the first embodiment has a wider Z tolerance range than the conventional optical receptacle. Therefore, the optical module 100 according to the present embodiment is easy to assemble and resistant to temperature changes. For example, in the optical module 100 according to the present embodiment, the coupling efficiency fluctuates even if the focal position of the first optical surface 141 shifts in the direction along the Z axis due to a volume change or a refractive index change due to a temperature change. It's hard to do.
  • FIG. 5A is a diagram schematically showing a cross section of the optical module 200 according to the second embodiment.
  • 5B is a plan view of the optical receptacle 240 according to the second embodiment, and
  • FIG. 5C is a perspective view seen from the bottom surface side.
  • the optical module 200 includes a substrate-mounted photoelectric conversion device 220 including a light receiving element 222 and an optical receptacle 240.
  • the optical module 200 is an optical module for receiving light, and an optical transmitter 260 is coupled (hereinafter, also referred to as a connection) to an optical receptacle 240 via a ferrule.
  • the type of optical transmitter 260 is not particularly limited. Examples of the types of the optical transmitter 160 include optical fibers, optical waveguides, and the like.
  • the optical transmitter 260 is an optical fiber.
  • the optical fiber may be a single mode system or a multimode system.
  • the number of optical transmitters 260 is 1 or 2 or more. In the present embodiment, the number of optical transmitters 260 is 2 or more.
  • the photoelectric conversion device 220 has a substrate 221 and a light receiving element 222.
  • the substrate 221 supports the light receiving element 222.
  • the substrate 221 is, for example, a glass composite substrate, a glass epoxy substrate, a flexible sill substrate, or the like.
  • a light receiving element 222 is arranged on the substrate 121.
  • the light receiving element 222 is arranged on the substrate 221 and receives the light from the optical receptacle 240.
  • the number of light receiving elements 222 is 1 or 2 or more. In this embodiment, the number of light receiving elements 222 is 2 or more.
  • the light receiving element 222 is arranged so that the light receiving surface 224 is located within the Z tolerance range of the first optical surface 241 of the optical receptacle 240.
  • the optical receptacle 240 is arranged on the substrate 221 of the photoelectric conversion device 220.
  • the optical receptacle 240 optically couples the end surface 225 of the optical transmitter 260 and the light receiving surface 224 of the light receiving element 222 in a state of being arranged between the photoelectric conversion device (light receiving element 222) and the optical transmitter 260. Let me.
  • the configuration of the optical receptacle 240 will be described in detail separately.
  • the optical module may be an optical module for transmission.
  • the photoelectric conversion element is a light emitting element, and the light emitted from the light emitting element is incident on the optical transmitter 160.
  • the optical receptacle 240 has translucency, and receives light incident on the second optical surface 242 and the second optical surface 242, which causes the light emitted from the end surface 265 of the optical transmitter 260 to be incident on the optical receptacle 240. It has a first optical surface 241 that emits light toward the light receiving surface 224 of the element 222. In the present embodiment, the number of the second optical surface 242 and the number of the first optical surface 241 is 2 or more, respectively.
  • the optical receptacle 240 according to the present embodiment has a reflecting surface 243 in addition to the above configuration.
  • the optical receptacle 240 is formed by using a material having translucency with respect to light having a wavelength used for optical communication. Examples of such materials include transparent resins such as polyetherimide (PEI) and cyclic olefin resins. Further, the optical receptacle 240 is manufactured, for example, by injection molding.
  • PEI polyetherimide
  • cyclic olefin resins examples include transparent resins such as polyetherimide (PEI) and cyclic olefin resins.
  • the optical receptacle 240 is manufactured, for example, by injection molding.
  • the second optical surface 242 is an optical surface that refracts the light emitted from the optical transmitter 260 and causes it to enter the inside of the optical receptacle 240.
  • the second optical surface 242 can convert the light emitted from the optical transmitter 260 into collimated light, convergent light, or diffused light.
  • the second optical surface 242 converts the light emitted from the optical transmitter 260 so as to become collimated light and narrows its luminous flux.
  • the narrowed light beam is totally reflected by the reflection surface 243 and then heads toward the first optical surface 241 as described later.
  • the shape of the second optical surface 242 is a convex lens surface that is convex toward the optical transmitter 260.
  • the plan view shape of the second optical surface 242 is a circular shape.
  • the reflection surface 243 is an inclined surface formed on the top surface side of the optical receptacle 240, and is arranged on an optical path between the second optical surface 242 and the first optical surface 241.
  • the reflecting surface 243 reflects the light incident on the second optical surface 242 (light emitted from the optical transmitter 260) toward the first optical surface 241.
  • the reflective surface 243 may be a flat surface or a curved surface. In this embodiment, the reflective surface 243 is a flat surface.
  • the reflective surface 243 is inclined so as to approach the optical transmitter 260 from the bottom surface of the optical receptacle 240 toward the top surface.
  • the inclination angle of the reflecting surface 243 is 45 ° with respect to the optical axis of the light incident on the second optical surface 242.
  • the light incident on the second optical surface 242 is internally incident on the reflecting surface 243 at an incident angle larger than the critical angle. As a result, the reflecting surface 243 totally reflects the incident light so as to be perpendicular to the surface of the
  • the first optical surface 241 is an optical surface that emits light reflected by the reflecting surface 243 toward the light receiving surface 224 of the light receiving element 222.
  • the first optical surface 241 is arranged on the bottom surface of the optical receptacle 240 so as to face the light receiving surface 224 of the light receiving element 222.
  • the shape of the first optical surface 241 is a convex lens surface that is convex toward the light receiving surface 224 of the light receiving element 222.
  • the central axis CA of the first optical surface 241 coincides with the optical axis OA of the light receiving surface 224 of the light receiving element 222.
  • the first optical surface 241 of the optical receptacle 240 according to the second embodiment has the same characteristics as the first optical surface 141 of the optical receptacle 140 according to the first embodiment. That is, as shown in FIG. 3, when collimated light is incident on the first optical surface 241 from the inside of the optical receptacle 240, the first focal point observed when viewed along the X-axis direction and the Y-axis are observed. A second focal point observed on the first optical surface 241 side of the first focal point is formed when viewed along the direction of.
  • the definition of the XYZ coordinate system is the same as that of the first embodiment.
  • the first optical surface 241 is a convex lens surface whose curvature in the XZ plane passing through the origin is larger than the curvature in the YZ plane passing through the origin.
  • the first focal point is formed due to the curvature of the first optical surface 241 along the Y-axis direction
  • the second focal point is formed due to the curvature of the first optical surface 241 along the X-axis direction. That is, the first optical surface 241 has a first focal point observed when viewed along the direction of the X axis when collimated light is incident on the first optical surface 241 from the inside of the optical receptacle 240, and the Y axis.
  • the second focal point observed on the first optical surface 241 side of the first focal point when viewed along the direction of is formed.
  • the first optical surface 241 is symmetric with respect to the XZ plane and also with respect to the YZ plane. Therefore, the first optical surface 241 is not circularly symmetric, but is twice symmetric.
  • the first optical surface 241 is not limited to this.
  • the first optical surface 241 is not particularly limited as long as it can form the first focus and the second focus described above, and may be, for example, a diffractive lens.
  • the distance between the first focal point and the second focal point is preferably more than 0 ⁇ m and 100 ⁇ m or less, more preferably more than 0 ⁇ m and 80 ⁇ m or less, from the viewpoint of light coupling efficiency and correct signal transmission. Even more preferably, it exceeds 0 ⁇ m and 50 ⁇ m or less. Details of this will be described later.
  • the light emitted from the optical transmitter 260 is incident on the inside of the optical receptacle 240 on the second optical surface 242.
  • the light incident on the optical receptacle 240 is internally reflected by the reflecting surface 243 and travels toward the first optical surface 241.
  • the light that has reached the first optical surface 241 is emitted so as to be focused toward the light receiving surface 224 of the first optical surface 241.
  • the optical receptacle may be an optical receptacle for transmission.
  • the first optical surface 241 incidents the light from the light emitting element, and the second optical surface 141 emits the light toward the optical transmitter 260.
  • the reflecting surface 243 reflects the light incident on the first optical surface 241 (light emitted from the light emitting element) toward the second optical surface 242.
  • the distance between the first focal point and the second focal point, the positional deviation of the light receiving element 222 in the direction along the Z axis direction, the optical transmitter 260 and the light receiving element 222 In the optical module 200 according to the second embodiment, the distance between the first focal point and the second focal point, the positional deviation of the light receiving element 222 in the direction along the Z axis direction, the optical transmitter 260 and the light receiving element 222.
  • the relationship between the optical coupling efficiency and the optical coupling efficiency will be described below.
  • FIG. 6A is a schematic diagram showing how light is emitted from the optical transmitter 260, light is incident on the second optical surface 242, light is emitted from the first optical surface 241 and the light reaches the light receiving element 222. be. Note that FIG. 6A is for illustration purposes only and does not represent an actual scale.
  • FIG. 6B shows the distance between the first focal point and the second focal point (interfocal distance), the amount of movement of the light receiving element 222 from the design position, and the optical coupling efficiency between the optical transmitter 260 and the light receiving element 222. It is a figure which shows the relationship with the change of. As shown in FIG. 6A, the amount of movement from the design position is a negative value when the light receiving element 222 and the first optical surface 241 are close to each other, and a positive value when the light receiving element 222 is separated from the design position.
  • FIG. 6B shows the light receiving element 222 and the first light receiving element 222 as shown in FIG. 6A when the interfocal distance between the first focus and the second focus is 0 ⁇ m (conventional technique), 100 ⁇ m, 150 ⁇ m, and 180 ⁇ m, respectively.
  • 1 It is a graph which shows how the optical coupling efficiency fluctuates when the distance between it and an optical surface 241 is fluctuated. In this graph, 0 dB is set when the optical coupling efficiency is the maximum value for each focal distance. Further, the distance along the optical path from the second optical surface 242 to the light receiving surface 224 of the light receiving element 222 is set to 0.35 mm when it is in the design position.
  • the shorter the distance between the focal points the more vulnerable the distance between the light receiving element 222 and the first optical surface 241 is, and the more vulnerable the distance between the light receiving element 222 and the first optical surface 241 is.
  • the difference from the maximum value of the coupling efficiency becomes large. That is, the shorter the distance between focal points, the narrower the Z tolerance range.
  • FIG. 6C also shows the distance between the first focal point and the second focal point (interfocal distance), the moving distance of the light receiving element 222 in the direction along the Z axis, and the light between the light receiving element 222 and the optical transmitter 260. It is a figure which shows the relationship with the coupling efficiency.
  • Each shows how the optical coupling efficiency fluctuates when the distance between the light receiving element 222 and the first optical surface 241 is fluctuated.
  • the light coupling efficiency that is, the amount of light emitted from the optical transmitter 260
  • the light coupling efficiency that is, the amount of light emitted from the optical transmitter 260
  • the coupling efficiency is suppressed to -2 dB in the range of the movement amount of 30 ⁇ m from the viewpoint of correctly transmitting the signal.
  • the coupling efficiency is suppressed to -2 dB at any of the interfocal distances of 25 ⁇ m, 50 ⁇ m, and 100 ⁇ m, so that the above specifications can be satisfied at this point.
  • the one having an interfocal distance of 100 ⁇ m is located at the boundary where the above specifications can be satisfied. Table 3 below quantifies this. As can be seen from FIG.
  • the interfocal distance between the first focal point and the second focal point is preferably more than 0 ⁇ m and 100 ⁇ m or less, more preferably more than 0 ⁇ m and 80 ⁇ m or less, and even more preferably more than 0 ⁇ m and 50 ⁇ m or less. preferable.
  • the optical receptacle 240 according to the second embodiment has a wider Z tolerance range than the conventional optical receptacle. Therefore, the optical module 200 according to the present embodiment is easy to assemble and resistant to temperature changes. For example, in the optical module 200 according to the present embodiment, the coupling efficiency is unlikely to fluctuate even if the position of the optical receptacle 240 shifts in the direction along the Z axis when the optical module 200 is assembled.
  • optical receptacle and the optical module according to the present invention are useful for optical communication using, for example, an optical transmitter.

Abstract

本発明の光レセプタクルは、光電変換素子から出射された光を入射させるか、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った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、前記第１光学面で入射した光を前記光伝送体の端面に向けて出射させるか、前記光伝送体の端面から出射された光を入射させる第２光学面と、を有する。前記第１光学面の光軸と前記第１光学面との交点を原点、前記第１光学面の光軸をＺ軸、前記原点を通り前記Ｚ軸に垂直な軸をＸ軸、前記Ｚ軸および前記Ｘ軸に垂直な軸をＹ軸としたとき、前記第１光学面は、前記光レセプタクルの内部から前記第１光学面にコリメート光が入射した場合に、前記Ｘ軸の方向に沿って見たときに観察される第１焦点と、前記Ｙ軸の方向に沿って見たときに前記第１焦点よりも前記第１光学面側に観察される第２焦点と、が形成されるように構成されている。

Description

光レセプタクルおよび光モジュール
　本発明は、光レセプタクルおよび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、光電変換素子を備えた光モジュールが使用されている。光モジュールが送信用の光モジュールである場合、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ための光レセプタクルを有する。一方、光モジュールが受信用の光モジュールである場合、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に入射させるための光レセプタクルを有する。特許文献１、２はこのような光レセプタクルを開示している。
特開２０１３－２４９１７号公報 特開２０１６－１４２８９９号公報
　特許文献１、２に記載されているような光レセプタクルでは、通常、光電変換素子（発光素子または受光素子）に対向するレンズ（光学面）は、焦点深度が浅い円対称の凸レンズ面である。
　図１は、上記の焦点深度が浅い円対称の凸レンズ面に光レセプタクルの内部からコリメート光を入射させたときの様子を示す図である。ここでは、凸レンズ面の光軸と凸レンズ面との交点を原点、凸レンズ面の光軸をＺ軸、原点を通りＺ軸に垂直な軸をＸ軸、Ｚ軸およびＸ軸に垂直な軸をＹ軸とする。原点を通るＸＺ平面における凸レンズ面の曲率は、原点を通るＹＺ平面における凸レンズ面の曲率と同じである。図１に示されるように、円対称の凸レンズ面に入射した光は、Ｚ軸上の一点（焦点）に収束する。
　ここで当該凸レンズ面が、送信用の光モジュールの光レセプタクルの入射面（発光素子と対向する光学面）に用いられる場合、図１に示される焦点の位置を中心として、光の結合効率が許容範囲となる所定の範囲（Ｚトレランス範囲）内に、発光素子が配置される。一方、当該凸レンズ面が、受信用の光モジュールの光レセプタクルの出射面（受光素子と対向する光学面）に用いられる場合、図１に示される焦点の位置を中心として、光の結合効率が許容範囲となる所定の範囲（Ｚトレランス範囲）内に、受光素子が配置される。
　通常、上記の凸レンズ面のＺトレランス範囲は狭いため、光モジュールを組み立てる際には、光電変換素子の位置決めについて高い精度が要求される。また、光電変換素子を適切に位置決めして光モジュールを組み立てたとしても、光モジュールの使用時における温度変化により凸レンズ面の焦点位置がＺ軸方向に移動することがあり、光電変換素子の位置がＺトレランス範囲から外れてしまうことがある。
　そこで本発明の目的は、光電変換素子と対向する光学面のＺトレランス範囲が広い光レセプタクル、および、当該光レセプタクルを有する光モジュールを提供することである。
　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った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、前記第１光学面で入射した光を前記光伝送体の端面に向けて出射させるか、前記光伝送体の端面から出射された光を入射させる第２光学面と、を有し、前記第１光学面の光軸と前記第１光学面との交点を原点、前記第１光学面の光軸をＺ軸、前記原点を通り前記Ｚ軸に垂直な軸をＸ軸、前記Ｚ軸および前記Ｘ軸に垂直な軸をＹ軸としたとき、前記第１光学面は、前記光レセプタクルの内部から前記第１光学面にコリメート光が入射した場合に、前記Ｘ軸の方向に沿って見たときに観察される第１焦点と、前記Ｙ軸の方向に沿って見たときに前記第１焦点よりも前記第１光学面側に観察される第２焦点と、が形成されるように構成されている。
　本発明に係る光モジュールは、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、光電変換素子と対向する光学面のＺトレランス範囲が広い光レセプタクル、および、当該光レセプタクルを有する光モジュールを提供することできる。したがって、本発明によれば、組み立てやすく、かつ温度変化に強い光モジュールを提供することできる。
図１は、焦点深度が浅い円対称の凸レンズ面にコリメート光を入射させたときの様子を示す図である。 図２Ａ、Ｂは、実施の形態１に係る光モジュールおよび光レセプタクルの構成を示す図である。 図３は、第１光学面によって形成される第１焦点および第２焦点を示す図である。 図４Ａは、実施の形態１に係る光モジュールにおけるシミュレーションの設定を示す図であり、図４Ｂ、Ｃは、実施の形態１に係る光モジュールにおけるシミュレーションの結果を示すグラフである。 図５Ａ～Ｃは、実施の形態２に係る光モジュールおよび光レセプタクルの構成を示す図である。 図６Ａは、実施の形態２に係る光モジュールにおけるシミュレーションの設定を示す図であり、図６Ｂ、Ｃは、実施の形態２に係る光モジュールにおける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。
　［実施の形態１］
　（光モジュールの構成）
　以下、本発明の実施の形態１に係る光モジュールについて、添付した図面を参照して詳細に説明する。
　図２Ａ、Ｂは、本発明の実施の形態１に係る光モジュール１００の構成を示す図である。図２Ａは、光モジュール１００の平面図であり、図２Ｂは、図２Ａに示されるＡ－Ａ線の断面図である。図２Ａ、Ｂでは、光伝送体１６０を破線で示している。
　図２Ａ、Ｂに示されるように、光モジュール１００は、発光素子１２２を含む基板実装型の光電変換装置１２０と、光レセプタクル１４０とを有する。本実施の形態において、光モジュール１００は、送信用の光モジュールであり、光レセプタクル１４０に光伝送体１６０が結合（以下、接続ともいう）されて使用される。
　光電変換装置１２０は、基板１２１と、発光素子１２２とを有する。
　基板１２１は、発光素子１２２を支持するとともに、光レセプタクル１４０に対して固定される。基板１２１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。基板１２１上には、発光素子１２２が配置されている。
　発光素子１２２は、光伝送体１６０に向けて光を出射する。発光素子１２２は、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）である。発光素子１２２の数は、特に限定されず、光レセプタクル１４０の構成に合わせて選択される。本実施の形態では、発光素子１２２の数は、１つである。発光素子１２２は、発光面１２３が光レセプタクル１４０の第１光学面１４１のＺトレランス範囲内に位置するように配置される。
　光レセプタクル１４０は、光電変換装置１２０の基板１２１上に配置されている。光レセプタクル１４０は、光電変換素子（発光素子１２２）と光伝送体１６０との間に配置された状態で、発光素子１２２の発光面１２３と、光伝送体１６０の端面１６２とを光学的に結合させる。本実施の形態では、光レセプタクル１４０は、１つの発光素子１２２の発光面１２３と、１本の光伝送体１６０の端面１６２とを光学的に結合させるが、光レセプタクル１４０は、複数の発光素子１２２の発光面１２３と、複数の光伝送体１６０の端面１６２とをそれぞれ光学的に結合させてもよい。光レセプタクル１４０の構成については、別途詳細に説明する。
　光伝送体１６０の種類は、特に限定されない。光伝送体１６０の種類の例には、光ファイバー、光導波路が含まれる。本実施の形態では、光伝送体１６０は、光ファイバーである。光伝送体１６０の数は、特に限定されず、光レセプタクル１４０の構成に合わせて選択される。光伝送体１６０の数は、１つでもよいし、複数でもよい。本実施の形態では、光伝送体１６０の数は、１本である。
　なお、上記では光モジュールが送信用の光モジュールである場合を示したが、光モジュールは受信用の光モジュールでもよい。受信用の光モジュールである場合、光電変換素子が発光素子の代わりに受光素子であり、光伝送体１６０から出射された光が受光素子に入射する。
　（光レセプタクルの構成）
　光レセプタクル１４０は、透光性を有し、発光素子１２２から出射された光の少なくとも一部を、光レセプタクル１４０に入射させる第１光学面１４１と、第１光学面で入射した光を光伝送体１６０の端面に向けて出射させる第２光学面１４２を有する。本実施の形態では、第１光学面１４１、および第２光学面１４２の数は、それぞれ１つである。本実施の形態では、光レセプタクル１４０は、光伝送体１６０を位置決めするための位置決め部１４４と、第１光学面１４１と発光素子１２２の発光面１２３との間のＺ軸に沿う方向（発光素子１２２の光軸方向）の距離を決めつつ、光レセプタクル１４０を基板１２１上に固定するための基板固定部１４５とをさらに有する。
　光レセプタクル１４０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１４０は、例えば、射出成形により製造される。
　位置決め部１４４は、光レセプタクル１４０に対して、光伝送体１６０の端面１６２を位置決めする。位置決め部１４４の構成は、上記の機能を発揮できれば特に限定されない。本実施の形態では、位置決め部１４４は、有底の円筒形状である。位置決め部１４４の開口部から光伝送体１６０を挿入することで、位置決め部１４４の内空部に光伝送体１６０の端部が配置される。位置決め部１４４の底部には、第１凹部１４６が配置されている。
　第１光学面１４１は、発光素子１２２から出射された光を光レセプタクル１４０の内部に入射させる光学面である。第１光学面１４１は、後述する基板固定部１４５の底部に形成されている。本実施の形態において、第１光学面１４１は、発光素子１２２に向かって凸状の凸レンズ面である。第１光学面１４１の形状の詳細について図３を参照しつつ説明する。
　図３は、第１光学面１４１に光レセプタクル１４０の内部からコリメート光を入射させたときの様子を示す図である。ここでは、第１光学面１４１の光軸と第１光学面１４１との交点を原点、第１光学面１４１の光軸をＺ軸、原点を通りＺ軸に垂直な軸をＸ軸、Ｚ軸およびＸ軸に垂直な軸をＹ軸とする。原点を通るＸＺ平面における第１光学面１４１の曲率は、原点を通るＹＺ平面における第１光学面１４１の曲率よりも大きい。すなわち、第１光学面１４１は、原点を通るＸＺ平面における曲率が、原点を通るＹＺ平面における曲率よりも大きい凸レンズ面である。したがって、図３に示されるように、第１光学面１４１に入射した光は、Ｚ軸上の一点（焦点）に収束しない。具体的には、光レセプタクル１４０の内部から第１光学面１４１にコリメート光が入射した場合、Ｘ軸の方向に沿って見たときに観察される第１焦点と、Ｙ軸の方向に沿って見たときに第１焦点よりも第１光学面１４１側に観察される第２焦点とが形成される。第１焦点は、第１光学面１４１のＹ軸方向に沿う曲率に起因して形成され、第２焦点は、第１光学面１４１のＸ軸方向に沿う曲率に起因して形成される。すなわち、第１光学面１４１は、光レセプタクル１４０の内部から第１光学面１４１にコリメート光が入射した場合に、Ｘ軸の方向に沿って見たときに観察される第１焦点と、Ｙ軸の方向に沿って見たときに第１焦点よりも第１光学面１４１側に観察される第２焦点と、が形成されるように構成されている。このように第１光学面１４１を構成することにより、第１光学面１４１の焦点深度を深くして、Ｚトレランス範囲を広くすることができる（図３と図１とを比較参照）。
　なお、本実施の形態では、第１光学面１４１は、ＸＺ平面に対して対称であり、ＹＺ平面に対しても対称である。したがって、第１光学面１４１は、円対称ではないが、２回対称である。
　上記では第１光学面１４１が凸レンズ面である例を説明したが、第１光学面１４１はこれに制限されない。第１光学面１４１は、上記の第１焦点および第２焦点を形成することができれば特に制限されず、例えば回折レンズであってもよい。
　本実施の形態において、第１焦点と第２焦点との間の距離は、光の結合効率および信号を正しく送るという観点から、１００μｍ以上１８０μｍ以下であることが好ましい。このことについての詳細は後述する。
　第１光学面１４１の大きさは、特に限定されないが、発光素子１２２の発光面１２３の大きさと同じかそれよりも大きいことが好ましい。第１光学面１４１の中心軸ＣＡ１は、発光素子１２２の発光面１２３に対して垂直であることが好ましい。第１光学面１４１の中心軸ＣＡ１は、発光素子１２２の発光面１２３から出射された光の光軸ＯＡと一致することが好ましい。
　後述する基板固定部１４５の底部に第１光学面１４１を配置することで、発光素子１２２の発光面１２３と第１光学面１４１とを離間させることができ、発光素子１２２の発光面１２３および第１光学面１４１が傷つくことを抑制できる。発光素子１２２の発光面１２３は、第１光学面１４１のＺトレランス範囲内に位置するように配置され、好ましくはＺトレランス範囲内の中央付近に位置するように配置される。
　位置決め部１４４の底部は、光伝送体１６０のクラッドに接触する。これにより、光伝送体１６０の端面１６２は、発光素子１２２から出射される光を受け取ることができる。
　第２光学面１４２は、第１光学面１４１から進行してきた光を、光伝送体１６０の端面１６２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１４２は、光伝送体１６０の端面１６２と対向するように、第１光学面１４１と反対側に配置されている。第２光学面１４２の形状は、特に限定されない。本実施の形態では、第２光学面１４２は、平面である
　基板固定部１４５は、基板１２１に対して光レセプタクル１４０を固定する。基板固定部１４５の構成は、上記の機能を発揮できれば特に限定されない。本実施の形態では、基板固定部１４５は、有底の円筒形状である。
　なお、上記では光レセプタクルが送信用の光レセプタクルである場合を示したが、光レセプタクルは受信用の光レセプタクルでもよい。受信用の光レセプタクルである場合、第２光学面１４２は光伝送体からの光を入射させ、第１光学面１４１は受光素子に向けて光を出射させる。
　（シミュレーション）
　実施の形態１に係る光モジュール１００における、第１焦点と第２焦点との間の焦点間距離と、発光素子１２２のＺ軸に沿う方向の位置ずれと、発光素子１２２と光伝送体１６０との間の光結合効率との関係について以下に説明する。
　図４Ａは、発光素子１２２から光が出射され、第１光学面１４１に光が入射し、光伝送体１６０に光が到達する様子を示す模式図である。なお、図４Ａは説明のためのものであり、実際の縮尺を表したものではない。
　図４Ｂは、第１焦点と第２焦点との間の距離（焦点間距離）と、発光素子１２２の設計位置からの移動量と、発光素子１２２と光伝送体１６０との間の光結合効率の変化との関係を示す図である。図４Ａに示されるように、設計位置からの移動量は、発光素子１２２と第１光学面１４１とが近づく場合を負の値とし、離れる場合を正の値とした。
　図４Ｂは、第１焦点と第２焦点との間の焦点間距離が０μｍ（焦点が１つの従来技術）、１００μｍ（Ｚ＝１００μｍ）、１５０μｍ（Ｚ＝１５０μｍ）、１８０μｍ（Ｚ＝１８０μｍ）のときのそれぞれにおいて、図４Ａに示されるように、発光素子１２２と、第１光学面１４１との間の距離を変動させたときに、光結合効率がどのように変動するかを示すグラフである。なお、このグラフでは、各焦点間距離について、光結合効率が最大値のときを０ｄＢとしている。また、発光素子１２２の発光面１２３と第１光学面１４１との間の距離は、設計位置にあるときに１．５６ｍｍとしている。
　図４Ｂからわかるように、焦点間距離が短いほど、発光素子１２２と第１光学面１４１との間の距離の変動に対して脆弱であり、発光素子１２２と第１光学面１４１との間の距離が変動すると、結合効率の最大値との差が大きくなってしてしまう。すなわち、焦点間距離が短いほどＺトレランス範囲が狭い。
　ここで、一般的に、光レセプタクルは次のようなスペックを満たすことが好ましい。すなわち、０℃から７０℃まで温度変化して、発光素子１２２と第１光学面１４１との間の距離が最大で３０μｍ移動したときでも、結合効率の変動幅を－０．５ｄＢまでに抑えることが好ましい。
　図４Ｂにおいて、焦点間距離が０μｍの従来の光レセプタクルは、移動量が３０μｍ（曲線は左右対称ではないが、おおよそ０μｍの地点から、±１５μｍ）の範囲において、結合効率の最大値との差が－０．５ｄＢまでに抑えられておらず上記のスペックを満たしていない。一方、焦点間距離が１００μｍ、１５０μｍ、１８０μｍの本実施の形態に係る光レセプタクル１４０は、いずれも、上記の範囲において、結合効率の最大値との差が－０．５ｄＢまでに抑えられているので、上記スペックを満たしている。
　上記のことを以下の表１に数値化して示す。具体的には、表１は、第１焦点と第２焦点との間の距離（焦点間距離）と、Ｚトレランス範囲（結合効率の最大値との差が－０．５ｄＢの範囲内となる発光素子１２２のＺ軸に沿う方向の移動可能距離）を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示されるように、焦点間距離が１００μｍであるとき、上記のグラフの横幅の大きさは３０μｍであり、上記スペックを満たすことができる境界に位置する（図４Ｂ参照）。すなわち、第１焦点と第２焦点との間の焦点間距離は１００μｍ以上が好ましい。
　図４Ｃも、第１焦点と第２焦点との間の距離（焦点間距離）と、発光素子１２２のＺ軸に沿う方向の移動距離と、発光素子１２２と光伝送体１６０との間の光結合効率との関係を示す図である。
　具体的には、図４Ｃは、第１焦点と第２焦点との間の焦点間距離が０μｍ（焦点が１つの従来技術）、１００μｍ（Ｚ＝１００μｍ）、１５０μｍ（Ｚ＝１５０μｍ）、１８０μｍ（Ｚ＝１８０μｍ）のときのそれぞれにおいて、発光素子１２２と、第１光学面１４１との間の距離を変動させたときに、光結合効率がどのように変動するかを示している。なお、このグラフでは、発光素子１２２から出射された光がすべて光伝送体１６０に入射したと仮定したときの光の結合効率（すなわち、発光素子１２２からの出射光量）を０ｄＢとしている。
　ここで、光レセプタクルに求められるスペックとして、信号を正しく送るという観点から、光結合効率が－７ｄＢまでに抑えられることが好ましい。図４Ｃにおいて、移動量が３０μｍ（曲線は左右対称ではないが、おおよそ０μｍの地点から±１５μｍ）の範囲において、焦点距離が１００μｍ、１５０μｍ、１８０μｍのいずれも、結合効率が－７ｄＢまでに抑えられているので、上記スペックを満たすことができる。これらのうち焦点間距離が１８０μｍのものが、上記スペックを満たすことができる境界付近に位置する。以下の表２はこのことを数値化したものである。図４Ｃ、表２からわかるように、第１焦点と第２焦点との間の焦点間距離は１８０μｍ以下が好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　（効果）
　以上のように、実施の形態１に係る光レセプタクル１４０は、従来の光レセプタクルよりもＺトレランス範囲が広い。したがって、本実施の形態に係る光モジュール１００は、組み立てやすく、かつ温度変化に強い。たとえば、本実施の形態に係る光モジュール１００は、温度変化に起因する体積変化や屈折率変化などより第１光学面１４１の焦点の位置がＺ軸に沿う方向にずれたとしても結合効率が変動しにくい。
　［実施の形態２］
　（光モジュールの構成）
　以下、本発明の実施の形態２に係る光モジュールについて、添付した図面を参照して詳細に説明する。
　図５Ａは、実施の形態２に係る光モジュール２００の断面を概略的に示す図である。図５Ｂは、実施の形態２に係る光レセプタクル２４０の平面図であり、図５Ｃは底面側からみた斜視図である。
　図５Ａに示されるように、光モジュール２００は、受光素子２２２を含む基板実装型の光電変換装置２２０と、光レセプタクル２４０とを有する。本実施の形態において、光モジュール２００は、光受信用の光モジュールであり、光レセプタクル２４０に光伝送体２６０がフェルールを介して結合（以下、接続ともいう）されて使用される。
　光伝送体２６０の種類は、特に限定されない。光伝送体１６０の種類の例には、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２６０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もよいし、マルチモード方式でもよい。光伝送体２６０の数は、１または２以上である。本実施の形態では、光伝送体２６０の数は、２以上である。
　光電変換装置２２０は、基板２２１と、受光素子２２２とを有する。
　基板２２１は、受光素子２２２を支持する。基板２２１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。基板１２１上には、受光素子２２２が配置されている。
　受光素子２２２は、基板２２１上に配置されており、光レセプタクル２４０からの光を受け取る。受光素子２２２の数は、１または２以上である。本実施の形態では、受光素子２２２の数は、２以上である。受光素子２２２は、受光面２２４が光レセプタクル２４０の第１光学面２４１のＺトレランス範囲内に位置するように配置される。
　光レセプタクル２４０は、光電変換装置２２０の基板２２１上に配置されている。光レセプタクル２４０は、光電変換装置（受光素子２２２）と光伝送体２６０との間に配置された状態で、光伝送体２６０の端面２２５と、受光素子２２２の受光面２２４とを光学的に結合させる。光レセプタクル２４０の構成については、別途詳細に説明する。
　なお、上記では光モジュールが受信用の光モジュールである場合を示したが、光モジュールは送信用の光モジュールでもよい。送信用の光モジュールである場合、光電変換素子が発光素子であり、発光素子から出射された光が光伝送体１６０に入射する。
　（光レセプタクルの構成）
　光レセプタクル２４０は、透光性を有し、光伝送体２６０の端面２６５から出射された光を、光レセプタクル２４０に入射させる第２光学面２４２と、第２光学面２４２で入射した光を受光素子２２２の受光面２２４に向けて出射させる第１光学面２４１を有する。本実施の形態では、第２光学面２４２、および第１光学面２４１の数は、それぞれ２以上である。なお、本実施の形態に係る光レセプタクル２４０は、上記の構成に加え、反射面２４３を有する。
　光レセプタクル２４０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２４０は、例えば、射出成形により製造される。
　第２光学面２４２は、光伝送体２６０から出射された光を屈折させて光レセプタクル２４０の内部に入射させる光学面である。第２光学面２４２は、光伝送体２６０から出射された光を、コリメート光、収束光、または拡散光に変換させうる。本実施の形態では、第２光学面２４２は、光伝送体２６０から出射された光をコリメート光となるように、その光束を狭めるように変換する。狭められた光束は、後述するように、反射面２４３で全反射された後に第１光学面２４１へ向かう。本実施の形態では、第２光学面２４２の形状は、光伝送体２６０に向かって凸状の凸レンズ面である。また、第２光学面２４２の平面視形状は、円形状である。
　反射面２４３は、光レセプタクル２４０の天面側に形成された傾斜面であり、第２光学面２４２と第１光学面２４１との間の光路上に配置されている。反射面２４３は、第２光学面２４２で入射した光（光伝送体２６０から出射された光）を、第１光学面２４１に向かって反射させる。反射面２４３は、平面でもよいし、曲面でもよい。本実施の形態では、反射面２４３は、平面である。反射面２４３は、光レセプタクル２４０の底面から天面に向かうにつれて、光伝送体２６０に近づくように傾斜している。本実施の形態では、反射面２４３の傾斜角度は、第２光学面２４２で入射した光の光軸に対して４５°である。反射面２４３には、第２光学面２４２で入射した光が、臨界角より大きな入射角で内部入射する。これにより、反射面２４３は、入射した光を基板２２１の表面に対して垂直になるように全反射させる。
　第１光学面２４１は、反射面２４３で反射した光を、受光素子２２２の受光面２２４に向けて出射させる光学面である。本実施の形態では、第１光学面２４１は、光レセプタクル２４０の底面に、受光素子２２２の受光面２２４と対向するように配置されている。第１光学面２４１の形状は、受光素子２２２の受光面２２４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２４１の中心軸ＣＡは、受光素子２２２の受光面２２４の光軸ＯＡと一致している。これにより、第２光学面２４２で入射され、反射面２４３で反射した光を集光させて、受光素子２２２の受光面２２４に効率良く入射させることができる。
　実施の形態２に係る光レセプタクル２４０における第１光学面２４１も、実施の形態１に係る光レセプタクル１４０における第１光学面１４１と同様の特性を有する。すなわち、図３に示されるように、光レセプタクル２４０の内部から第１光学面２４１にコリメート光が入射した場合、Ｘ軸の方向に沿って見たときに観察される第１焦点と、Ｙ軸の方向に沿って見たときに第１焦点よりも第１光学面２４１側に観察される第２焦点とが形成される。ここでＸＹＺ座標系の定義は実施の形態１と同じである。実施の形態１と同様に、第１光学面２４１は、原点を通るＸＺ平面における曲率が、原点を通るＹＺ平面における曲率よりも大きい凸レンズ面である。第１焦点は、第１光学面２４１のＹ軸方向に沿う曲率に起因して形成され、第２焦点は、第１光学面２４１のＸ軸方向に沿う曲率に起因して形成される。すなわち、第１光学面２４１は、光レセプタクル２４０の内部から第１光学面２４１にコリメート光が入射した場合に、Ｘ軸の方向に沿って見たときに観察される第１焦点と、Ｙ軸の方向に沿って見たときに第１焦点よりも第１光学面２４１側に観察される第２焦点と、が形成されるように構成されている。このように第１光学面２４１を構成することにより、第１光学面２４１の焦点深度を深くして、Ｚトレランス範囲を広くすることができる。
　なお、本実施の形態では、第１光学面２４１はＸＺ平面に対して対称であり、ＹＺ平面に対しても対称である。したがって、第１光学面２４１は、円対称ではないが、２回対称である。
　上記では第１光学面２４１が凸レンズ面である例を説明したが、第１光学面２４１はこれに制限されない。第１光学面２４１は、上記の第１焦点および第２焦点を形成することができれば特に制限されず、例えば回折レンズであってもよい。
　本実施の形態において、第１焦点と第２焦点との間の距離は、光の結合効率および信号を正しく送るという観点から、０μｍを超え１００μｍ以下が好ましく、０μｍを超え８０μｍ以下がより好ましく、０μｍを超え５０μｍ以下がさらにより好ましい。このことについての詳細は後述する。
　光伝送体２６０から出射された光は、第２光学面２４２で光レセプタクル２４０の内部に入射する。光レセプタクル２４０内に入射した光は、反射面２４３で内部反射して、第１光学面２４１に向かって進行する。第１光学面２４１に到達した光は、第１光学面２４１の受光面２２４に向かって集光するように出射される。
　なお、上記では光レセプタクルが受信用の光レセプタクルである場合を示したが、光レセプタクルは送信用の光レセプタクルでもよい。送信用の光レセプタクルである場合、第１光学面２４１は発光素子からの光を入射させ、第２光学面１４１は光伝送体２６０に向けて光を出射させる。また、反射面２４３は第１光学面２４１で入射した光（発光素子から出射された光）を、第２光学面２４２に向かって反射させる。
　（シミュレーション）
　実施の形態２に係る光モジュール２００における、第１焦点と第２焦点との間の焦点間距離と、受光素子２２２のＺ軸方向に沿う方向の位置ずれと、光伝送体２６０と受光素子２２２との間の光結合効率との関係について以下に説明する。
　図６Ａは、光伝送体２６０から光が出射され、第２光学面２４２に光が入射し、第１光学面２４１から光が出射され、受光素子２２２に光が到達する様子を示す模式図である。なお、図６Ａは説明のためのものであり、実際の縮尺を表したものではない。
　図６Ｂは、第１焦点と第２焦点との間の距離（焦点間距離）と、受光素子２２２の設計位置からの移動量と、光伝送体２６０と受光素子２２２との間の光結合効率の変化との関係を示す図である。図６Ａに示されるように、設計位置からの移動量は、受光素子２２２と第１光学面２４１とが近づく場合を負の値とし、離れる場合を正の値とした。
　図６Ｂは、第１焦点と第２焦点との間の焦点間距離が０μｍ（従来技術）、１００μｍ、１５０μｍ、１８０μｍのときのそれぞれにおいて、図６Ａに示されるように、受光素子２２２と、第１光学面２４１との間の距離を変動させたときに、光結合効率がどのように変動するかを示すグラフである。なお、このグラフでは、各焦点間距離について、光結合効率が最大値のときを０ｄＢとしている。また、第２光学面２４２から受光素子２２２の受光面２２４までの光路に沿う距離は、設計位置にあるときに０．３５ｍｍとしている。
　図６Ｂからわかるように、焦点間距離が短いほど、受光素子２２２と第１光学面２４１との間の距離の変動に対して脆弱であり、受光素子２２２と第１光学面２４１との間の距離が変動すると、結合効率の最大値との差が大きくなってしまう。すなわち、焦点間距離が短いほどＺトレランス範囲が狭い。
　図６Ｃも、第１焦点と第２焦点との間の距離（焦点間距離）と、受光素子２２２のＺ軸に沿う方向の移動距離と、受光素子２２２と光伝送体２６０との間の光結合効率との関係を示す図である。
　具体的には、図６Ｃは、第１焦点と第２焦点との間の焦点間距離が０μｍ（焦点が１つの従来技術）、２５μｍ（Ｚ＝２５μｍ）、１００μｍ（Ｚ＝１００μｍ）のときのそれぞれにおいて、受光素子２２２と、第１光学面２４１との間の距離を変動させたときに、光結合効率がどのように変動するかを示している。なお、このグラフでは、光伝送体２６０から出射された光がすべて受光素子２２２に入射したと仮定したときの光の結合効率（すなわち、光伝送体２６０からの出射光量）を０ｄＢとしている。
　ここで、光レセプタクルに求められるスペックとして、信号を正しく送るという観点から、移動量が３０μｍの範囲において、結合効率が－２ｄＢまでに抑えられることが好ましい。図６Ｃにおいて、移動量が０μｍの地点において、焦点間距離が２５μｍ、５０μｍ、１００μｍのいずれも、結合効率が－２ｄＢまでに抑えられているので、この地点では上記スペックを満たすことができる。これらのうち焦点間距離が１００μｍのものが、上記スペックを満たすことができる境界に位置する。以下の表３はこのことを数値化したものである。図６Ｃ、表３からわかるように、第１焦点と第２焦点との間の焦点間距離は０μｍを超え１００μｍ以下が好ましく、０μｍを超え８０μｍ以下がより好ましく、０μｍを超え５０μｍ以下がさらにより好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　（効果）
　以上のように、実施の形態２に係る光レセプタクル２４０は、従来の光レセプタクルよりもＺトレランス範囲が広い。したがって、本実施の形態に係る光モジュール２００は、組み立てやすく、かつ温度変化に強い。たとえば、本実施の形態に係る光モジュール２００は、光モジュール２００の組み立て時に光レセプタクル２４０の位置がＺ軸に沿う方向にずれたとしても結合効率が変動しにくい。
　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。
　１００、２００　光モジュール
　１２０、２２０　光電変換装置
　１２１、２２１　基板
　１２２　発光素子
　１２３　発光面
　１２５　端面
　１４０、２４０　光レセプタクル
　１４１、２４１　第１光学面
　２４３　反射面
　１４２、２４２　第２光学面
　１４４　位置決め部
　１４５　基板固定部
　１４６　第１凹部
　１６０、２６０　光伝送体
　２２２　受光素子
　２２４　受光面

Claims (5)

  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った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、
    　前記第１光学面で入射した光を前記光伝送体の端面に向けて出射させるか、前記光伝送体の端面から出射された光を入射させる第２光学面と、
    　を有し、
    　前記第１光学面の光軸と前記第１光学面との交点を原点、前記第１光学面の光軸をＺ軸、前記原点を通り前記Ｚ軸に垂直な軸をＸ軸、前記Ｚ軸および前記Ｘ軸に垂直な軸をＹ軸としたとき、
    　前記第１光学面は、前記光レセプタクルの内部から前記第１光学面にコリメート光が入射した場合に、前記Ｘ軸の方向に沿って見たときに観察される第１焦点と、前記Ｙ軸の方向に沿って見たときに前記第１焦点よりも前記第１光学面側に観察される第２焦点と、が形成されるように構成されている、
    　光レセプタクル。
  2. 　前記第１光学面は、前記原点を通るＸＺ平面における曲率が、前記原点を通るＹＺ平面における曲率よりも大きい凸レンズ面である、請求項１に記載の光レセプタクル。
  3. 　前記第１焦点と前記第２焦点との間の距離は、１００μｍ以上１８０μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の光レセプタクル。
  4. 　前記第１光学面と前記第２光学面との間に配置された反射面をさらに有し、
    　前記第１焦点と前記第２焦点との間の距離は、０μｍを超え１００μｍ以下である、
    　請求項１または請求項２に記載の光レセプタクル。
  5. 　光電変換素子と、
    　請求項１～４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。
PCT/JP2020/049186 2020-12-28 2020-12-28 光レセプタクルおよび光モジュール WO2022144999A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202080108186.6A CN116648647A (zh) 2020-12-28 2020-12-28 光插座及光模块
PCT/JP2020/049186 WO2022144999A1 (ja) 2020-12-28 2020-12-28 光レセプタクルおよび光モジュール
JP2022572843A JPWO2022144999A1 (ja) 2020-12-28 2020-12-28

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2020/049186 WO2022144999A1 (ja) 2020-12-28 2020-12-28 光レセプタクルおよび光モジュール

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022144999A1 true WO2022144999A1 (ja) 2022-07-07

Family

ID=82259150

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2020/049186 WO2022144999A1 (ja) 2020-12-28 2020-12-28 光レセプタクルおよび光モジュール

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JPWO2022144999A1 (ja)
CN (1) CN116648647A (ja)
WO (1) WO2022144999A1 (ja)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10111438A (ja) * 1996-10-07 1998-04-28 Sony Corp 光送受信装置
US20120189252A1 (en) * 2011-01-20 2012-07-26 Venkata Adiseshaiah Bhagavatula Receptacle ferrule assemblies with gradient index lenses and fiber optic connectors using same
JP2013024917A (ja) * 2011-07-15 2013-02-04 Enplas Corp 光レセプタクルおよびこれを備えた光モジュール
WO2014057666A1 (ja) * 2012-10-10 2014-04-17 株式会社エンプラス 光結合素子およびこれを備えた光モジュール
JP2016139716A (ja) * 2015-01-28 2016-08-04 日本オクラロ株式会社 受光モジュール
JP2016142899A (ja) * 2015-02-02 2016-08-08 株式会社エンプラス 光モジュール

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10111438A (ja) * 1996-10-07 1998-04-28 Sony Corp 光送受信装置
US20120189252A1 (en) * 2011-01-20 2012-07-26 Venkata Adiseshaiah Bhagavatula Receptacle ferrule assemblies with gradient index lenses and fiber optic connectors using same
JP2013024917A (ja) * 2011-07-15 2013-02-04 Enplas Corp 光レセプタクルおよびこれを備えた光モジュール
WO2014057666A1 (ja) * 2012-10-10 2014-04-17 株式会社エンプラス 光結合素子およびこれを備えた光モジュール
JP2016139716A (ja) * 2015-01-28 2016-08-04 日本オクラロ株式会社 受光モジュール
JP2016142899A (ja) * 2015-02-02 2016-08-08 株式会社エンプラス 光モジュール

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2022144999A1 (ja) 2022-07-07
CN116648647A (zh) 2023-08-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9971106B2 (en) Optical receptacle and optical module
US10976510B2 (en) Optical receptacle and optical module
JP2015022267A (ja) 光レセプタクルおよび光モジュール
JP6532236B2 (ja) 光レセプタクルおよび光モジュール
US9726835B2 (en) Optical receptacle and optical module
TW201339682A (zh) 光插座及具備它之光模組
US11137558B2 (en) Optical receptacle and optical module
WO2022144999A1 (ja) 光レセプタクルおよび光モジュール
US10547391B2 (en) Optical module
US20210302672A1 (en) Optical receptacle and optical module
US20220187551A1 (en) Optical receptacle, optical module, and method for manufacturing optical module
WO2016031603A1 (ja) 光レセプタクルおよび光モジュール
TWI608263B (zh) Optical socket and light module with it
US20230213712A1 (en) Optical receptacle and optical module
US11513300B2 (en) Optical receptacle and optical module
US11921332B2 (en) Optical receptacle and optical module
WO2020179615A1 (ja) 光レセプタクルおよび光モジュール
WO2017119258A1 (ja) 光レセプタクルおよび光モジュール
CN217279037U (zh) 光插座及光模块
US11726275B2 (en) Optical receptacle and optical module
CN212989714U (zh) 光学传输构件的端部结构
US11480748B2 (en) Optical receptacle and optical module
US20230055328A1 (en) Optical receptacle and optical module
CN114442236A (zh) 光学传输构件的端部结构

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20968011

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022572843

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202080108186.6

Country of ref document: CN

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20968011

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1