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JP6255237B2 - 光レセプタクルおよび光モジュール - Google Patents

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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。
以前から、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に入射させる送信用の光レセプタクル、または光伝送体からの光を受光素子に入射させる受信用の光レセプタクルを有する（例えば特許文献１参照）。
図１は、特許文献１に記載の受信用の光レセプタクル１０の斜視図である。図１に示されるように、光レセプタクル１０は、複数の光ファイバーからの光をそれぞれ入射させる複数の入射面１２と、複数の入射面１２で入射した光を反射する反射面１４と、反射面１４で反射した光を複数の受光素子に向かってそれぞれ出射する複数の出射面１６と、反射面１６を挟むように配置された一対のガイド孔１８と、を有する。複数の光ファイバーは光コネクタに収容されており、光コネクタの凸部をガイド孔１８に挿入することで、複数の光ファイバーは光レセプタクル１０に接続される。
このように接続された光レセプタクル１０では、光ファイバーから出射した光は、入射面１２を介して入射し、反射面１４で受光素子の受光面に向かって反射された後、出射面１６を介して受光素子の受光面に到達する。
特許文献１に記載の光レセプタクル１０は、熱可塑性の透明樹脂を用いた射出成形により一体成形される。具体的には、光レセプタクル１０は、金型のキャビティーに熱可塑性の透明樹脂を流し込んで、固化せた後、光レセプタクル１０を離型することで製造される。
特開２００５−０３１５５６号公報
しかしながら、特許文献１に記載の光レセプタクル１０を射出成形により製造する場合、ガイド孔１８から、金型のガイド孔１８に対応する部分が抜けにくいため、離型時に光レセプタクル１０が変形してしまう。離型時に変形した光レセプタクル１０は、離型前の形状に戻ることができないため、光ファイバーから出射された光を受光素子の受光面に適切に導くことができないことがある。このように、特許文献１に記載の光レセプタクル１０には、射出成形により製造した場合に変形してしまうという問題があった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、射出成形により製造しても変形しにくい光レセプタクルを提供することを目的とする。また、本発明は、前記光レセプタクルを有する光モジュールを提供することも目的とする。
本発明の光レセプタクルは、複数の発光素子または複数の受光素子と、複数の光伝送体との間に配置され、前記複数の発光素子または複数の受光素子と、前記複数の光伝送体の端面とをそれぞれ光学的に結合するための光レセプタクルであって、前記複数の発光素子から出射された光をそれぞれ入射させるか、内部を通る光を前記受光素子に向けてそれぞれ出射させる複数の第１光学面と、前記複数の第１光学面で入射した光を前記複数の光伝送体の端面に向けてそれぞれ出射させるか、前記複数の光伝送体からの光をそれぞれ入射させる複数の第２光学面と、前記第１光学面で入射した光を前記第２光学面に向けて反射させるか、前記第２光学面で入射した光を前記第１光学面に向けて反射させる第３光学面と、前記複数の第２光学面が配置された面、または前記複数の第１光学面が配置された面に形成された複数の第１凹部と、前記第１凹部が配置された面と対向する面に形成された複数の第２凹部と、を有し、前記複数の第１凹部および前記複数の第２凹部は、それぞれ、その中心軸が一致するように対向して配置されている、構成を採る。
また、本発明の光レセプタクルは、複数の発光素子または複数の受光素子と、複数の光伝送体との間に配置され、前記複数の発光素子または複数の受光素子と、前記複数の光伝送体の端面とをそれぞれ光学的に結合するための光レセプタクルであって、前記複数の発光素子から出射された光をそれぞれ入射させるか、内部を通る光を前記受光素子に向けてそれぞれ出射させる複数の第１光学面と、前記複数の第１光学面で入射した光を前記複数の光伝送体の端面に向けてそれぞれ出射させるか、前記複数の光伝送体からの光をそれぞれ入射させる複数の第２光学面と、前記第１光学面で入射した光を前記第２光学面に向けて反射させるか、前記第２光学面で入射した光を前記第１光学面に向けて反射させる第３光学面と、前記複数の第２光学面が配置された面に形成された複数の凹部と、を有し、前記複数の凹部は、円柱形の凹部本体と、前記凹部本体の底部に連続して形成された略円錐台形のテーパー部と、を含む、構成を採る。
本発明の光モジュールは、複数の発光素子または複数の受光素子が配置された基板と、前記基板上に配置された本発明の光レセプタクルと、を有する、構成を採る。
本発明によれば、射出成形により製造しても、複数の発光素子または複数の受光素子と複数の光伝送体とを光学的に適切に結合させることができる。
図１は、特許文献１に係る光レセプタクルの斜視図である。 図２は、実施の形態１に係る光モジュールの断面図である。 図３Ａ〜Ｅは、実施の形態１に係る光レセプタクルの構成を示す図である。 図４Ａ〜Ｅは、比較例の光レセプタクルの構成を示す図である。 図５Ａ，Ｂは、比較例の光レセプタクルの歪みを説明するための図である。 図６Ａ，Ｂは、実施の形態１に係る光レセプタクルの歪みを説明するための図である。 図７Ａ〜Ｅは、実施の形態２に係る光レセプタクルの構成を示す図である。 図８Ａ，Ｂは、実施の形態２に係る光レセプタクルの歪みを説明するための図である。
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）
図２は、本発明の実施の形態１に係る光モジュール１００の断面図である。図２では、光レセプタクル１２０内の光路を示すために光レセプタクル１２０の断面へのハッチングを省略している。
図２に示されるように、光モジュール１００は、発光素子１１４を含む基板実装型の光電変換装置１１０と、光レセプタクル１２０と、を有する。光モジュール１００は、光レセプタクル１２０に光伝送体１１６が接続されて使用される。光伝送体１１６の種類は、特に限定されず、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１１６は、光ファイバーである。また、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。
光電変換装置１１０は、基板１１２および複数の発光素子１１４を有する。発光素子１１４は、基板１１２上に一列に配置されており、基板１１２の表面に対して垂直方向にレーザー光を出射する。発光素子１１４は、例えば垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）である。
光レセプタクル１２０は、光電変換装置１１０と光伝送体１１６との間に配置された状態で、発光素子１１４と光伝送体１１６の端面とを光学的に結合させる。以下、光レセプタクル１２０の構成について詳細に説明する。
（光レセプタクルの構成）
図３は、実施の形態１に係る光レセプタクル１２０の構成を示す図である。図３Ａは、光レセプタクル１２０の平面図であり、図３Ｂは、底面図であり、図３Ｃは、正面図であり、図３Ｄは、背面図であり、図３Ｅは、右側面図である。
図３に示されるように、光レセプタクル１２０は、略直方体形状の部材である。光レセプタクル１２０は、透光性を有し、発光素子１１４から出射された光を光伝送体１１６の端面に向けて出射する。光レセプタクル１２０は、複数の第１光学面（入射面）１２１、第３光学面（反射面）１２２、複数の第２光学面（出射面）１２３、複数の第１凹部１２４および複数の第２凹部１２５を有する。光レセプタクル１２０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１２は、例えば射出成形により製造されうる。
第１光学面１２１は、発光素子１１４から出射されたレーザー光を屈折させて光レセプタクル１２０の内部に入射させる入射面である。複数の第１光学面１２１は、光レセプタクル１２０の底面に、発光素子１１４とそれぞれ対向するように長辺方向に一列に配置されている。第１光学面１２１の形状は、特に限定されない。本実施の形態では、第１光学面１２１の形状は、発光素子１１４に向かって凸状の凸レンズ面である。また、第１光学面１２１の平面視形状は、円形である。第１光学面１２１の中心軸は、発光素子１１４の発光面（および基板１１２の表面）に対して垂直であることが好ましい。また。第１光学面１２１の中心軸は、発光素子１１４から出射されたレーザー光の光軸と一致することが好ましい。第１光学面１２１（入射面）で入射した光は、第３光学面１２２（反射面）に向かって進行する。
第３光学面１２２は、第１光学面１２１で入射した光を第２光学面１２３に向けて反射させる反射面である。第３光学面１２２は、光レセプタクル１２０の底面から天面に向かうにつれて、光伝送体１１６に近づくように傾斜している。発光素子１１４から出射される光軸に対する第３光学面１２２の傾斜角度は、特に限定されない。本実施の形態では、第３光学面１２２の傾斜角度は、第１光学面１２１で入射した光の光軸に対して４５°である。第３光学面１２２の形状は、特に限定されない。本実施の形態では、第３光学面１２２の形状は、平面である。第３光学面１２２には、第１光学面１２１で入射した光が、臨界角より大きな入射角で入射する。第３光学面１２２は、入射した光を第２光学面１２３に向かって全反射させる。すなわち、第３光学面１２２（反射面）では、所定の光束径の光が入射して、所定の光束径の光が第２光学面１２３（出射面）に向かって出射する。
第２光学面１２３は、第３光学面１２２で全反射した光を光伝送体１１６の端面に向けて出射させる出射面である。複数の第２光学面１２３は、光レセプタクル１２０の側面に、光伝送体１１６の端面とそれぞれ対向するように長辺方向に一列に配置されている。第２光学面１２３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１２３の形状は、光伝送体１１６の端面に向かって凸状の凸レンズ面である。これにより、第３光学面１２２で反射した所定の光束径の光を光伝送体１１６の端面に効率良く結合させることができる。第２光学面１２３の中心軸は、光伝送体１１６の端面の中心軸と一致していることが好ましい。
第１凹部１２４は、光伝送体１１６を光レセプタクル１２０（複数の第２光学面１２３が配置された面）に固定するための凹部である。第１凹部１２４に光伝送体取り付け部の突起をそれぞれ嵌合させることにより、光レセプタクル１２０の複数の第２光学面１２３が配置された面に対して光伝送体１１６が固定される。
第１凹部１２４の形状および数は、基板１１２に対して光レセプタクル１２０を固定することができれば、特に限定されない。すなわち、第１凹部１２４の形状は、光伝送体取り付け部の突起と相補的な形状であればよい。本実施の形態では、第１凹部１２４の形状は、円柱形状である。また、第１凹部１２４の数も光レセプタクル１２０に対して光伝送体１１６を固定することができればよく、通常は複数個形成されている。本実施の形態では、２個の第１凹部１２４が、複数の第２光学面１２３が配置された面に、第２光学面１２３のすべてを長辺方向に挟むように配置されている。複数の第１凹部１２４は、第２光学面１２３を通る光の光軸と平行であって、かつ第３光学面１２２を垂直方向に２分する面を対称面として、面対称の位置に形成されている。また、第１凹部１２４の開口部の直径および深さも、特に限定されず、基板１１２の突起と相補的な形態であればよい。
第２凹部１２５は、光レセプタクル１２０を射出成形で製造する場合において、第１凹部１２４に起因する離型時の光レセプタクル１２０の変形を抑制するための凹部である。第２凹部１２５は、第１凹部１２４が配置された面と反対側の側面に開口している。第２凹部１２５の形状は、第１凹部１２４を離型する際に生じる応力を相殺することができれば、特に限定されない。本実施の形態では、第２凹部１２５の形状は、円柱形状である。また、第２凹部１２５の開口部の直径および深さも、特に限定されず、第１凹部１２４を離型する際に生じる応力に応じて設定すればよい。
複数の第１凹部１２４および複数の第２凹部１２５は、それぞれ対向して配置されている。また、複数の第１凹部１２４の中心軸と、複数の第２凹部１２５の中心軸とは、それぞれ一致している。第１凹部１２４と、第２凹部１２５の中心軸が一致していない場合、第１凹部１２４を離型する際に生じる応力を相殺することができない。
（第３光学面の歪みの測定）
実施の形態１に係る光レセプタクル１２０について、射出成型により製造したときの離型後の第３光学面１２２の形状を干渉計または３次元測定機により測定した。また、比較のため、第２凹部１２５を有さない光レセプタクル１２０’についても、離型後の第３光学面１２２の形状を測定した。
図４は、比較例の光レセプタクル１２０’の構成を示す図である。図４Ａは、比較例の光レセプタクル１２０’の平面図であり、図４Ｂは、底面図であり、図４Ｃは、正面図であり、図４Ｄは、背面図であり、図４Ｅは、右側面図である。図５および図６は、射出成形により製造した光レセプタクル１２０，１２０’の第３光学面１２２の歪みを説明するための図である。図５Ａは、射出成形時に比較例の光レセプタクル１２０’にかかる力を示しており、図５Ｂは、射出成形後の比較例の第３光学面１２２の形状を示すグラフである。図６Ａは、射出成形時に実施の形態１に係る光レセプタクル１２０にかかる力を示しており、図６Ｂは、射出成形後の実施の形態１に係る第３光学面１２２の形状を示すグラフである。図５Ｂおよび図６Ｂにおいて、横軸は、第３光学面１２２の中心からの距離ｄを示している。縦軸は、第３光学面１２２の法線方向の変形量ｈを示している。
まず、従来の光レセプタクル１２０’を射出成型により製造する場合について説明する。図５Ａに示されるように、従来の光レセプタクル１２０’は、側面に凹部が形成されているため、射出成形において、少なくとも凹部が形成されている側面を成形する金型が必要となる。そして、このような金型を使用して射出成型をした後、離型した場合、光レセプタクル１２０’は、凹部の内面および金型の凹部に対応する部分に生じる摩擦によって、凹部の位置で金型側（図５の下方向）引っ張られる（図５Ａの細い点線参照）。このとき、光レセプタクル１２０’には、全体として湾曲するように応力が掛かる（図５Ａの細い実線参照）。その結果、第３光学面１２２は、全体として湾曲するように力がかかり歪んでしまう（図５Ａの太い実線参照）。
一方、図６Ａに示されるように、実施の形態１に係る光レセプタクル１２０は、一方の側面に第１凹部１２４が形成されており、かつ対向する側面に第２凹部１２５が形成されているため、射出成形において、対向する両側面を成形する金型が必要となる。そして、このような金型を使用して射出成型をした後、離型した場合、光レセプタクル１２０は、第１凹部１２４の内面および金型の第１凹部１２４に対応する部分に生じる摩擦と、第２凹部１２５の内面および金型の第２凹部１２５に対応する部分に生じる摩擦とによって、互いに反対方向に引っ張られる。このとき、第１凹部１２４の内面および金型の第１凹部１２４に対応する部分に生じる摩擦による応力は、第２凹部１２５の内面および金型の第２凹部１２５に対応する部分に生じる摩擦による応力によって相殺される。よって、光レセプタクル１２０に大きな力が掛かることがない。このため、図６Ｂに示されるように、光レセプタクル１２０では、第３光学面１２２の高さ方向の歪みが抑制されていた。
（効果）
以上のように、実施の形態１に係る光レセプタクル１２０は、その中心軸が一致するように第１凹部１２４と第２凹部１２５とが対向して配置されているため、射出成形により製造する場合にも、離型時の変形（歪み）の発生を抑制することができる。
［実施の形態２］
実施の形態２に係る光モジュールは、光レセプタクル２２０の形状が実施の形態１に係る光モジュール１００と異なる。そこで、実施の形態１に係る光モジュール１００と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略し、光モジュールの異なる構成要素を中心に説明する。実施の形態２に係る光レセプタクル２２０は、複数の第１凹部１２４および複数の第２凹部１２５の代わりに複数の凹部２２１を有する点において、実施の形態１に係る光レセプタクル１２０と異なる。
（光レセプタクルの構成）
図７は、本発明の実施の形態２に係る光レセプタクル２２０の構成を示す図である。図７Ａは、実施の形態２に係る光レセプタクル２２０の平面図であり、図７Ｂは、底面図であり、図７Ｃは、正面図であり、図７Ｄは、背面図であり、図７Ｅは、右側面図である。
図７に示されるように、実施の形態２に係る光レセプタクル２２０は、複数の第１光学面１２１、複数の第３光学面１２２、第２光学面１２３および複数の凹部２２１を有する。
凹部２２１は、光伝送体１１６を光レセプタクル２２０（複数の第２光学面１２３が配置された面）に固定するための部分である。また、本実施の形態では、凹部２２１の形状を工夫することにより、射出成形の離型時における光レセプタクルの変形を抑制することを狙っている。すなわち、凹部２２１は、実施の形態１に係る第１凹部１２４および第２凹部１２５の両方の機能を有する。凹部２２１は、光レセプタクル２２０の複数の第２光学面１２３が配置された側面に形成されている。また、凹部２２１の数は、光伝送体取り付け部の突起の数に対応して設定される。本実施の形態では、２個の凹部２２１が、全ての第２光学面１２３を挟むように配置されている。凹部２２１は、凹部本体２２２およびテーパー部２２３を有する。
凹部本体２２２は、光伝送体１１６を複数の第２光学面１２３が配置された面に対して位置決めすることができる形状であれば、特に限定されない。本実施の形態では、凹部本体２２２の形状は、円柱形状である。凹部本体２２２の軸方向の長さ（深さ）は、光伝送体取り付け部の突起を位置決めする観点から、０．３ｍｍ以上であることが好ましい。凹部本体２２２の軸方向の長さが０．３ｍｍ未満である場合、光伝送体１１６を複数の第２光学面１２３が配置された面に適切に固定できないおそれがある。
テーパー部２２３は、離型時に凹部２２１と金型の対応する部分との間に生じる摩擦を軽減して、光レセプタクル２２０の変形を抑制するための円錐台形状の部位である。凹部本体２２２の底面およびテーパー部２２３の底面は同一形状であり、テーパー部２２３の内周面（テーパー面）は、凹部本体２２２の内周面に連続している。凹部２２１の中心軸に対するテーパー部２２３の内周面（テーパー面）の角度は、特に限定されないが、例えば３°程度である。凹部本体２２２の中心軸およびテーパー部２２３の中心軸は、一致していることが好ましい。
（第３光学面の歪みの測定）
図８は、射出成形により製造した光レセプタクル２２０の第３光学面１２２の歪みを説明するための図である。図８Ａは、離型時に実施の形態２に係る光レセプタクル２２０にかかる応力を示しており、図８Ｂは、離型後の第３光学面１２２の形状を示すグラフである。図８Ｂのグラフにおいて、横軸は、第３光学面１２２の中心からの距離ｄを示している。縦軸は、第３光学面１２２の法線方向の変形量ｈを示している。
図８Ａに示されるように、実施の形態２に係る光レセプタクル２２０は、側面に凹部２２１が成形されているため、射出成形において、凹部２２１が形成された側面側を成形する金型が必要となる。そして、このような金型を使用して射出成型をした後、離型した場合、光レセプタクル２２０は、凹部２２１の内面および金型の凹部２２１に対応する部分に生じる摩擦によって、凹部２２１の位置で金型側（図８Ａの下方向）に引っ張られる（図８Ａの細い点線参照）。このとき、凹部２２１の底部にはテーパー部２２３が形成されているため、光レセプタクル２２０では、図５に示した比較例の光レセプタクル１２０’より摩擦が軽減される。このため、図８Ｂに示されるように、光レセプタクル２２０では、第３光学面１２２の高さ方向における歪みが抑制されていた。
（効果）
以上のように、実施の形態２に係る光レセプタクル２２０は、凹部２２１の底部にテーパー部２２３が形成されているため、射出成形により製造する場合にも、離型時の変形（歪み）の発生を抑制することができる。
なお、上記各実施の形態に係る光レセプタクル１２０，２２０では、第１光学面１２１および第２光学面１２３が凸レンズ面である場合を示したが、第１光学面１２１および第２光学面１２３は平面であってもよい。具体的には、第１光学面１２１のみが平面であってもよいし、第２光学面１２３のみが平面であってもよい。第１光学面１２１が平面に形成されている場合、例えば、第３光学面１２２は、凹面鏡として機能できるように形成される。また、第１光学面１２１や第３光学面１２２などにより、第２光学面１２３に到達する直前の光が効果的に収束されている場合は、第２光学面１２３が平面に形成されていてもよい。
また、上記各実施の形態に係る光レセプタクル１２０，２２０は、受信用の光モジュールにも使用することができる。この場合、受信用の光モジュールは、複数の発光素子１１４の代わりに光を受光するための複数の受光素子を有する。複数の受光素子は、それぞれ発光素子と同じ位置に配置される。受信用の光モジュールでは、第２光学面１２３が入射面となり、第１光学面１２１が出射面となる。光伝送体１１６の端面から出射された光は、第２光学面１２３から光レセプタクル内に入射する。そして、光レセプタクルに入射した光は、第３光学面１２２で反射して第１光学面１２１から受光素子に向かって出射される。また、反射面を有さない光モジュールでは、光レセプタクルに入射した光は、第１光学面１２１から受光素子に向かって出射される。
本発明に係る光レセプタクルおよび光モジュールは、光伝送体を用いた光通信に有用である。
１０ 光レセプタクル
１２ 入射面
１４ 反射面
１６ 出射面
１８ ガイド孔
１００ 光モジュール
１１０ 光電変換装置
１１２ 基板
１１４ 発光素子
１１６ 光伝送体
１２０，１２０’，２２０ 光レセプタクル
１２１ 第１光学面（入射面）
１２２ 第３光学面（反射面）
１２３ 第２光学面（出射面）
１２４ 第１凹部
１２５ 第２凹部
２２１ 凹部
２２２ 凹部本体
２２３ テーパー部

Claims (4)

  1. 複数の発光素子または複数の受光素子と、複数の光伝送体との間に配置され、前記複数の発光素子または複数の受光素子と、前記複数の光伝送体の端面とをそれぞれ光学的に結合するための光レセプタクルであって、
    前記複数の発光素子から出射された光をそれぞれ入射させるか、内部を通る光を前記受光素子に向けてそれぞれ出射させる複数の第１光学面と、
    前記複数の第１光学面で入射した光を前記複数の光伝送体の端面に向けてそれぞれ出射させるか、前記複数の光伝送体からの光をそれぞれ入射させる複数の第２光学面と、
    前記第１光学面で入射した光を前記第２光学面に向けて反射させるか、前記第２光学面で入射した光を前記第１光学面に向けて反射させる第３光学面と、
    前記複数の第２光学面が配置された面、または前記複数の第１光学面が配置された面に形成された複数の第１凹部と、
    前記第１凹部が配置された面と対向する面に形成された複数の第２凹部と、
    を有し、
    前記複数の第１凹部および前記複数の第２凹部は、それぞれ、その中心軸が一致するように対向して配置されている、
    光レセプタクル。
  2. 前記複数の第１凹部は、前記第２光学面を通る光の光軸と平行であって、かつ前記第３光学面を垂直方向に２分する面を対称面として、面対称の位置に形成されている、請求項１に記載の光レセプタクル。
  3. 前記第１凹部には、前記光伝送体を前記複数の第２光学面が配置された面に取り付けるための突起が挿入される、請求項１または請求項２に記載の光レセプタクル。
  4. 複数の発光素子または複数の受光素子が配置された基板と、
    前記基板上に配置された請求項１〜３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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