JP5608455B2 - 光受信モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光通信に使用される光受信モジュールに関する。

光受信モジュールは、一般に、光ファイバを保持するスリーブ、光ファイバの出射光を集光するレンズ、および、光ファイバの出射光を受光する受光素子を備えており、スリーブに保持された光ファイバから出射された光を、レンズを経由して受光素子に入射させる。受光素子はこの光に対応する光信号を電気信号に変換する。

従来の光受信モジュールでは、光ファイバから出射された光の一部が受光素子に入射されるまでにスリーブの光出射端面や受光素子の受光面等で反射して戻り、この反射戻り光が光ファイバに入射することがあった。この反射戻り光は、光通信におけるノイズの原因となることがある。

近年、光通信においては、長距離化、大容量化が進み、光受信モジュールに対してノイズを低減することが強く要求されている。そのため、従来から、光ファイバに入射する反射戻り光の量を抑制する様々な方策が採られてきた。

例えば、特許文献１には、スリーブの光出射端面（光学平面）を受光素子の受光面に対して４°から１２°の範囲で傾斜させることにより、反射戻り光の方向を変えてノイズを低減させる技術が開示されている。また、特許文献２には、光受信モジュールの中心軸からずらして受光素子を配置することにより、反射戻り光の量を抑制する技術が開示されている。また、特許文献３には、受光素子の受光面を光軸に対して傾斜するよう加工することにより反射戻り光の量を抑制する技術が開示されている。

特開２００６−９８７６３号公報 特開２００５−１４８４５２号公報 特開平０５−１５２５９９号公報

ここで、光受信モジュールのレンズは、温度の変化によって膨張・収縮するとともに屈折率も変化し、集光点の位置が変化する。

しかしながら、従来技術では、この温度変化による集光点の位置の変化について考慮されていない。例えば、特許文献１のようにスリーブの光出射端面の、受光素子の受光面に対する傾斜角を４°から１２°の範囲とすると、温度変化に対する集光距離の変化量が大きくなる。このため、特許文献１では、常温（例えば２０℃）において結合効率が最も高い位置に受光素子の受光面が来るように調芯しても、その後の温度変化によって集光点位置が光軸方向にずれてしまうので光学性能（特に結合効率）が低下してしまう。したがって、特許文献１では、温度が変化した場合でも所定の受信品質を得るために、光軸方向における受光素子の調芯精度を高くしなければならず、高コスト化や歩留まり率の低下を招く。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、光ファイバに入射する反射戻り光の量を抑制することができ、かつ、低コスト、高歩留まり率で温度変化による光学性能の低下を防ぐことができる光受信モジュールを提供することを目的とする。

本発明の光受信モジュールは、光ファイバを保持するスリーブと、前記スリーブに設けられ、前記光ファイバから出射された光を入射する光学平面と、前記スリーブに設けられ、前記光学平面に入射された光を集光して出射するレンズと、前記レンズから出射された光を受光し、光信号を電気信号に変換する受光素子と、を具備し、前記光学平面は、前記受光素子の受光面に対して、２０°から４０°あるいは６０°から７０°傾斜して形成される、構成を採る。

本発明によれば、光ファイバに入射する反射戻り光の量を抑制することができ、さらに、温度変化に対する集光点の位置の変化量を小さくし、かつ、製造時のばらつきによる性能変化量が少なくすることができる。これにより、光軸方向における受光素子の調芯に対して要求される精度を低くすることができるので、低コスト、高歩留まり率で温度変化による光学性能の低下を防ぐことができる。

本発明の一実施の形態に係る光受信モジュールの断面図 本発明の一実施の形態に係る光受信モジュールの光学平面の角度と集光点変化量との関係を示す図

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。

〔光受信モジュールの構成〕
図１は、本発明の一実施の形態に係る光受信モジュールの断面図である。図１に示すように、光受信モジュール１は、ステム１１と、受光素子１２と、カバーガラス１３と、スリーブ１４と、レンズ１５と、から主に構成される。光受信モジュール１には、光ファイバ２０を有する光ファイバケーブルが着脱自在に取り付けられる。なお、図１の軸線ＣＬは、光ファイバ２０の中心軸であって光ファイバ２０の出射光の中心線（光軸）である。

ステム１１は、金属製で、円柱形状を為す。ステム１１には、外部機器と接続される端子１１ａが電気的に接触することなく、封止、固定される。また、ステム１１上には、受光素子１２及び増幅用ＩＣ（図示せず）が搭載される。

受光素子１２は、フォトダイオード（ＰＤ）等の半導体素子であり、光ファイバ２０から出射された光を受光し、光信号を電気信号に変換する。受光素子１２の受光面１２ａは、軸線ＣＬに対して直交する。なお、増幅用ＩＣは、受光素子１２と電気的に接続され、受光素子１２からの電気信号を増幅する。端子１１ａは、増幅用ＩＣと電気的に接続し、増幅用ＩＣで増幅された電気信号を外部機器に伝送する。

また、ステム１１上には、カバーガラス１３が受光素子１２を覆うように設けられる。カバーガラス１３は、光透過性を有するガラス材であり、光ファイバ２０から出射され、レンズ１５で集光された光を透過させる。ステム１１とカバーガラス１３との間は気密封止され、ステム１１とカバーガラス１３とで形成される空間は窒素等の不活性ガスで充たされる。

また、ステム１１及びカバーガラス１３は、接着剤１６によりスリーブ１４に固定される。スリーブ１４は、例えば、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）やＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）等の光透過性の樹脂材料を射出成形することによって形成される。スリーブ１４は、簡易な形状であるので射出成形により容易に形成することができる。

スリーブ１４は、受光素子１２側の外径が大きい大径部１４ａと、光ファイバ２０側の外径が小さい小径部１４ｂと、からなる。

大径部１４ａは、片端開口の円環形状であって、カバーガラス１３を覆う。また、大径部１４ａの開口穴の底面１４ｃの中央部には、凸形状のレンズ１５が形成される。レンズ１５は、光ファイバ２０から出射された光を集光させる。

小径部１４ｂには、光ファイバ２０をフェルール２０ａとともに取り付けるための光ファイバ挿入穴１４ｄが設けられる。光ファイバ挿入穴１４ｄは、その内径がフェルール２０ａの外径とほぼ同じ大きさの片端開口の穴である。光ファイバ挿入穴１４ｄの中心線およびレンズ１５の光軸は軸線ＣＬと一致する。光ファイバ挿入穴１４ｄの開口端には、フェルール２０ａを滑らかに案内するためにテーパ１４ｅが設けられる。

光ファイバ挿入穴１４ｄの底面１４ｆは、受光素子１２の受光面１２ａと平行な平面に形成される。底面１４ｆの中央部には、光学平面１４ｇを形成するために、光ファイバ挿入穴１４ｄよりも内形が小さい凹部１４ｈが設けられる。

光学平面１４ｇは、光ファイバ２０の出射光を入射する面であり、受光素子１２の受光面１２ａに対して傾斜するように形成される。これにより、反射戻り光の方向を変えることができるので、光ファイバに入射する反射戻り光の量を抑制し、ノイズを低減させることができる。なお、受光素子１２の受光面１２ａに対する光学平面１４ｇの傾斜角αの好適な値については後述する。

光ファイバ２０は、光信号を伝送し、その先端部分がフェルール２０ａに収納される。フェルール２０ａは、中心に貫通孔を有する円筒形状であり、光ファイバ２０の先端部分は当該貫通孔に配設される。

光ファイバ２０を有する光ファイバケーブルは、フェルール２０ａの先端が光ファイバ挿入穴１４ｄの底面１４ｆに当接された状態で、スリーブ１４に着脱自在に取り付けられる。

上記構成の光受信モジュール１において、光ファイバ２０の端面から出射された光は、凹部１４ｈの空気層を通り、光学平面１４ｇからスリーブ１４に入射され、レンズ１５から集光するように出射され、カバーガラス１３を透過し、受光素子１２の受光面１２ａへと光結合される。

〔光学平面の角度の好適な範囲〕
次に、光学平面１４ｇの傾斜角αと温度変化による集光点変化量との関係に基づいて、傾斜角αの好適な範囲について説明する。

図２は、光学平面１４ｇの傾斜角αと温度変化による集光点の位置の変化量との関係を示す図である。図２において、横軸は光学平面１４ｇの傾斜角α（°）、縦軸は温度が−４０℃から８５℃まで変化した場合の集光点の位置の変化量（μｍ）である。なお、図２は、シングルモードファイバーを用い、１５５０μｍ波長の光を用いてシミュレーションを行った結果を示す。また、図２の実線グラフは、レンズ１５を低倍率に形成した場合のシミュレーション結果であり、図２の破線グラフは、レンズ１５を高倍率に形成した場合のシミュレーション結果である。

図２から明らかなように、傾斜角αが大きくなるほど集光点変化量は小さくなる。また、傾斜角αが、２０°から４０°までの領域、及び、６０°から７０°までの領域は、他の領域に比べてグラフの勾配が緩やかになっている。

グラフの勾配が緩やか領域では、光受信モジュール１の製造時の光学平面の角度のばらつきによる性能変化量が少なくなる。

したがって、傾斜角αの好適な範囲は、２０°から４０°までの領域、及び、６０°から７０°までの領域である。

ここで、傾斜角αが大きくなるほど結合効率は低下する。したがって、高い結合効率（例えば７０％以上）が求められる場合には、傾斜角αを２０°から４０°までとするのが望ましい。また、傾斜角αを６０°から７０°までとしても、結合効率を６０％以上にすることができるので、実用上問題がなければ、適用することができる。

なお、傾斜角αを７０°より大きくすると、光ファイバ２０の出射光のすべてを光学平面１４ｇから入射させるために、光学平面１４ｇを大きくしなければならず、光学平面１４ｇとレンズ１５表面との間が薄くなり、成形時において樹脂の流れに支障をきたすおそれがある。このため、実用上では、傾斜角αを７０°以下とするのが適当である。

〔本実施の形態の効果〕
以上のように、本実施の形態によれば、光学平面１４ｇを受光素子１２の受光面１２ａに対して２０°から４０°あるいは６０°から７０°で傾斜させることにより、反射戻り光の方向を変えて光ファイバに入射する反射戻り光の量を抑制することができ、さらに、温度変化に対する集光点変化量を小さくし、かつ、製造時のばらつきによる性能変化量が少なくすることができる。これにより、光軸方向における受光素子の調芯に対して要求される精度を低くすることができるので、低コスト、高歩留まり率で温度変化による光学性能の低下を防ぐことができる。

なお、特許文献１では、光学平面の受光素子に対する傾斜角を４°から１２°の範囲としている。この第１の理由は、傾斜角を４°より小さくすると、反射戻り光が光ファイバに入射してノイズが発生してしまうためである。また、第２の理由は、傾斜角を１２°より大きくすると、光学平面における光の屈折により、光軸に対して垂直な平面上における集光点位置が光軸から大きくずれてしまうためである。

しかしながら、受光素子の光軸に対する垂直方向の位置は、光受信モジュールの製造時において容易に調整することができる。また、光軸に対して垂直な平面上における集光点位置は、温度が変化しても殆ど変化しない。したがって、光軸に対する垂直方向の傾斜角を１２°より大きくしても、結合効率が最も高い位置に配置するように調芯すれば、所望の受信品質を得ることができる。

上記本実施の形態では、シングルモードファイバーを用い、１５５０μｍ波長の光を用いて測定を行った場合を示したが、本発明はこの場合に限らず、他の波長を用いる場合でも同様の効果を得ることができ、マルチモードファイバーにも適用することができる。

本発明に係る光受信モジュールは、光通信に使用することができる。

１ 光受信モジュール
１１ ステム
１２ 受光素子
１３ カバーガラス
１４ スリーブ
１４ａ 大径部
１４ｂ 小径部
１４ｄ 光ファイバ挿入穴
１４ｇ 光学平面
１４ｈ 凹部
１５ レンズ
２０ 光ファイバ
２０ａ フェルール

Claims (1)

1. ポリエーテルイミド、ポリカーボネートまたはポリメタクリル酸メチルからなり、光ファイバを保持するスリーブと、
   前記スリーブに設けられ、前記光ファイバから出射された光を入射する光学平面と、
   前記スリーブに設けられ、前記光学平面に入射された光を集光して出射するレンズと、
   前記レンズから出射された光を受光し、光信号を電気信号に変換する受光素子と、
   を具備し、
   前記スリーブは、前記光ファイバの出射光の光軸が前記受光素子の受光面に対して垂直になるように前記光ファイバを保持し、
   前記光学平面は、前記受光素子の受光面に対して、２０°から４０°傾斜して形成される、光受信モジュール。

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