WO2013011938A1 - 光レセプタクルおよびこれを備えた光モジュール - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an optical receptacle and an optical module including the optical receptacle, and more particularly to an optical receptacle suitable for optically coupling an end portion of an optical fiber and a light receiving element of a photoelectric conversion device, and an optical module including the optical receptacle.
- an optical receptacle suitable for optically coupling an end portion of an optical fiber and a light receiving element of a photoelectric conversion device
- an optical module including the optical receptacle is about.
- optical module parts called optical receptacles have been used for optical communication using optical fibers, and the optical receptacles that are held in cylindrical ferrules together with the ferrules.
- a photoelectric conversion device inserted and fixed and having a photoelectric conversion element is attached.
- the optical receptacle in which the photoelectric conversion device and the optical fiber are assembled in this manner optically couples the photoelectric conversion element and the end of the optical fiber.
- FIG. 7 shows an example of this type of optical receptacle 1, and this optical receptacle 1 includes, for example, PEI (polyetherimide), PC (polycarbonate), PES (polyethersulfone), It is integrally formed by injection molding a translucent resin material such as COP (cycloolefin polymer) or PMMA (polymethyl methacrylate).
- PEI polyetherimide
- PC polycarbonate
- PES polyethersulfone
- COP cycloolefin polymer
- PMMA polymethyl methacrylate
- the optical receptacle 1 has a lens 2 at a substantially central position in the longitudinal direction.
- This lens 2 is the first (downward in FIG. 7) of one of them in the optical axis OA direction.
- the surface 2a is a convex surface
- the other second surface 2b in the optical axis OA direction (upper side in FIG. 7) is a plano-convex lens having a plane orthogonal to the optical axis OA.
- each surface 2a, 2b of the lens 2 has a circular shape centered on the optical axis OA when viewed from the direction of the optical axis OA, and the first surface 2a is The diameter is larger than that of the second surface 2b.
- the optical receptacle 1 has a photoelectric conversion device mounting portion extending from an outer position in the radial direction with respect to the first surface 2a toward one side (downward in FIG. 7) in the optical axis OA direction.
- the photoelectric conversion device mounting portion 3 is formed in a cylindrical shape whose inner peripheral surface is a substantially cylindrical surface concentric with the optical axis OA.
- the optical receptacle 1 is an optical fiber that extends from an outer position in the radial direction with respect to the second surface 2 b in a direction opposite to the photoelectric conversion device mounting portion 3 in the optical axis OA direction.
- a mounting portion 5 is provided.
- the optical fiber attachment portion 5 is formed in a cylindrical shape whose inner peripheral surface is a substantially cylindrical surface concentric with the optical axis OA.
- FIG. 8 shows an optical module 7 for optical reception as an example of an optical module provided with such an optical receptacle 1.
- the photoelectric conversion device 8 includes a disc-shaped stem 9, a light receiving element 10 such as a photodetector (PD) mounted thereon, and covers the light receiving element 10 in an airtight manner.
- a cap 11 having a window portion 11a at the top thereof, a lead 12 through which an electric signal corresponding to a light reception result (photoelectric conversion) of the light receiving element 10 flows, and the like.
- the photoelectric conversion device 8 is attached in a state where a predetermined range portion on the light receiving element 10 side of the photoelectric conversion device 8 is inserted inside the photoelectric conversion device attachment portion 3. 3 is performed by curing (adhesion) the adhesive 13 disposed between the two.
- the adhesive 13 a thermosetting resin or an ultraviolet curable resin is used.
- the optical module 7 includes an optical fiber mounting portion 5 having a predetermined length portion on the end (end surface) 15a side of a long optical fiber 15 together with a ferrule 17 holding the same. Removably attached.
- the end 15a of the optical fiber 15 faces the second surface 2b of the lens 2 across the air layer when attached to the optical fiber attachment 5.
- optical reception optical module 7 light including transmission information transmitted from a transmission-side device such as a semiconductor laser (LD) is transmitted through the optical fiber 15, and the end of the optical fiber 15 is transmitted.
- the light is emitted from the portion 15a toward the lens 2.
- the light emitted toward the lens 2 is converged at the lens 2 and emitted toward the photoelectric conversion device 8 and then received by the light receiving element 10 of the photoelectric conversion device 8. In this way, the end 15a of the optical fiber 15 and the light receiving element 10 are optically coupled.
- the light emitted from the end 15 a of the optical fiber 15 is Fresnel-reflected on the second surface 2 b (plane) of the lens 2, so that the optical fiber It has been a problem that the light is returned (incident) as the return light to the end portion 15a. Such return light may become noise through the optical fiber 15 and adversely affect the light output characteristics of the transmitting device.
- Patent Document 1 proposes as shown in Patent Document 1 so far.
- Patent Document 1 the planar optical surface formed on the sleeve is inclined by 4 to 12 ° with respect to the light receiving surface of the light receiving element, so that the reflected light due to Funnell reflection at the interface between the optical surface and the air layer. Has been proposed to prevent the light from entering the end of the optical fiber as return light.
- JP 2006-98763 A (FIGS. 2 and 3)
- this type of optical module is required to cope with further higher speed of optical communication in the future, and in order to meet such a demand, from an optical transmission device through an optical fiber. It is necessary to receive light transmitted at high speed without delay in the light receiving element.
- a light receiving element that supports high-speed optical reception has a high response speed (shortens the time required from the reception of an optical signal on the light receiving surface to the conversion of this optical signal into an electrical signal). It is required to reduce the area.
- Patent Document 1 since the configuration described in Patent Document 1 is conscious only of the reduction of the return light, when the light receiving area of the light receiving element is reduced in order to cope with the higher speed of light reception, the optical according to the temperature change. There has been a problem that there is a possibility that the performance will be significantly deteriorated. That is, when the optical receptacle is deformed (linear expansion) due to a temperature change, the optical path of the light transmitted through the optical receptacle changes accordingly. It has been difficult to properly couple light emitted from the light receiving element having a small light receiving area after passing through the optical receptacle.
- the present invention has been made in view of such problems, and can effectively reduce the return light and ensure optical stability against temperature changes while supporting high-speed optical reception. It is an object of the present invention to provide an optical receptacle and an optical module including the same.
- the optical receptacle according to claim 1 of the present invention is characterized in that a cylindrical optical fiber mounting portion for mounting an end portion of an optical fiber and a photoelectric conversion device having a light receiving element are mounted.
- An optical receptacle including a cylindrical photoelectric conversion device mounting portion for optically, and a lens for optically coupling an end portion of the optical fiber and the light receiving element, at an end portion of the optical fiber in the lens
- the facing surface is formed on a plane having an inclination angle of 14 to 16 ° with respect to a virtual plane orthogonal to the optical axis of the lens.
- the reflected light is used as return light. Incident light at the end of the optical fiber can be suppressed, and light emitted from the end of the optical fiber can be appropriately coupled to the light receiving element by the lens regardless of temperature changes.
- the optical receptacle according to claim 2 is characterized in that, in claim 1, the optical receptacle is integrally formed of a resin material.
- an optical receptacle can be obtained at low cost by resin molding using a mold, and a resin material having a large amount of deformation (linear expansion coefficient) with temperature change is applied. By doing so, the significance of reducing the deterioration of the optical performance accompanying the temperature change becomes greater.
- the optical receptacle according to claim 3 is characterized in that, in claim 1 or 2, a predetermined low magnification can be selected as the magnification of the lens.
- the optical effect associated with the temperature change is selected. Since the degradation of performance can be sufficiently reduced, when selecting the magnification of the lens, no great restriction is imposed on the low magnification side, and the degree of freedom in design can be improved.
- the optical module according to claim 4 is characterized in that the optical receptacle according to any one of claims 1 to 3, the photoelectric conversion device according to claim 1, and the optical fiber according to claim 1. And the light receiving element in the photoelectric conversion device is such that a light receiving area is formed to a predetermined value or less.
- the return light can be effectively reduced, and the light receiving element with a small light receiving area can be used to cope with the increase in the speed of light reception, and against the temperature change. Optical stability can be ensured.
- the return light can be effectively reduced, and the optical stability against the temperature change can be ensured while corresponding to the high speed of light reception.
- FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of an optical receptacle and an optical module according to the present invention.
- a light receiving element with a small light receiving area for 25 Gbps high-speed light reception and a light receiving element with a relatively large light receiving area for conventional 10 Gbps light reception are targeted.
- FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing an optical module including the optical receptacle of FIG.
- the optical receptacle 1 ′ in the present embodiment is configured by the respective components of a lens 2 ′, a photoelectric conversion device mounting portion 3, and an optical fiber mounting portion 5, similarly to the conventional optical receptacle 1.
- Each component 2 ′, 3 and 5 is integrally formed by injection molding of a resin material using a mold.
- the difference from the conventional optical receptacle 1 ′ in this embodiment is the configuration of the second surface 2 b ′ of the lens 2 ′ (surface facing the end 15 a of the optical fiber 15).
- the second surface 2b ′ of the lens 2 ′ is not a plane perpendicular to the optical axis OA as in the prior art, but a virtual plane S orthogonal to the optical axis OA.
- it is formed in a plane having a predetermined inclination angle in an angle range of 14 to 16 ° (14 ° or more and 16 ° or less).
- the center of the second surface 2b ' may be positioned on the optical axis OA.
- the optical module 7 ′ in the present embodiment is different from the conventional one in addition to the difference in the configuration of the optical receptacle 1 ′ described above, and further, the light receiving area of the light receiving element 10 ′ is larger than that of the conventional light receiving element 10. Is also formed in a small size. In the case of a circular light receiving surface, the light receiving area is desirably 30 ⁇ m or less in the case of accommodating high-speed light reception of 25 Gbps or more.
- the light receiving element 10 ′ is aligned according to a design such that the center of the light receiving surface matches the condensing point (focal point) of the lens 2 ′ at a set temperature (for example, room temperature). Also good. In this case, the position of the center of the light receiving surface may be shifted in the direction orthogonal to the optical axis OA from the optical axis OA of the lens 2 '.
- the second surface 2b ′ of the lens 2 ′ is provided with the inclination angle within the optimum angle range, so that the light emitted from the end 15a of the optical fiber 15 is the second. Even if it is Fresnel-reflected on the surface 2b ′, it is possible to prevent the reflected light from entering the end 15a of the optical fiber 15 as return light. Furthermore, according to such a configuration, the light emitted from the end portion 15a of the optical fiber 15 can be appropriately coupled to the light receiving element 10 'having a small light receiving area by the lens 2' regardless of the temperature change. In particular, in the case where the optical receptacle 1 ′ is formed of a resin material having a large linear expansion coefficient as in the present embodiment, it is significant to reduce deterioration of optical performance due to temperature change.
- a predetermined low magnification can be selected as the magnification of the lens 2 '.
- the low magnification for example, 1 ⁇ can be adopted. That is, according to the present embodiment, a low-magnification (for example, 1 ⁇ ) lens that tends to have a greater deterioration in optical performance due to temperature changes than a high-magnification lens (for example, 1.5 ⁇ ) is selected. Even in this case, the deterioration of the optical performance can be sufficiently reduced, so that no great restriction is imposed on the low magnification side with respect to the magnification of the lens, and the degree of freedom in designing the module including the lens is increased. be able to.
- the optical fiber is a single mode optical fiber
- the light used for optical coupling between the optical fiber and the light receiving element is light having a wavelength of 1550 nm
- the optical receptacle is the PEI. It was made of.
- the angle of the second surface of the lens is changed by a predetermined angle within an angle range of 0 to 30 ° with a plane (0 °) orthogonal to the optical axis OA as a reference (0 °).
- the difference between the maximum value and the minimum value of the optical coupling efficiency when the temperature was changed from ⁇ 40 to 85 ° C. was plotted on the graph as the loss amount of the optical coupling efficiency corresponding to the angle.
- the vertical axis represents the loss amount (dB) of the optical coupling efficiency associated with the temperature change
- the horizontal axis represents the angle (°) of the second surface of the lens.
- the loss amount of the optical coupling efficiency at the time of temperature change is ⁇ 0.13 dB, and this value is a characteristic with respect to the light receiving element for 10 Gbps light reception ( ⁇ broken line graph of plot) It is a sufficiently small loss amount that is not inferior to the loss amount shown in FIG.
- the vertical axis represents the amount of return light (dB)
- the horizontal axis represents the angle of the second surface of the lens with the plane perpendicular to the optical axis OA of the lens as the reference (0 °). is there.
- the characteristics in the angle range of 14 to 16 ° are the characteristics corresponding to the configuration of the present invention.
- the amount of return light can be reduced to a value in the range of approximately ⁇ 36 dB to ⁇ 40 dB.
- the return light can be sufficiently reduced by setting the angle of the second surface of the lens to 14 to 16 ° as in the present invention.
- each condition of the method of calculating the type of optical fiber, the wavelength of light used, the material for forming the optical receptacle, the angle range of the second surface of the lens, the temperature change range, and the loss amount of the optical coupling efficiency is as follows: This is the same as the first simulation.
- FIG. 4 shows the result of the third simulation.
- the outline of the graph of FIG. 4 is the same as that of FIG. 2.
- the angle (horizontal axis) of the characteristics ( ⁇ plotted solid line graph) for the light receiving element for high-speed optical reception of 25 Gbps is 14-16.
- the characteristics in the range of ° (within the alternate long and short dash line) are the characteristics corresponding to the configuration of the present invention.
- the drop in optical coupling efficiency with respect to the light receiving element for high-speed light reception of 25 Gbps is reduced on the second surface of the lens.
- the angle can be kept small compared to many configurations where the angle deviates from the angular range of the present invention (14-16 °).
- the loss amount of the optical coupling efficiency at the time of temperature change is about ⁇ 0.09 dB at the maximum, and this value is the case of the configuration of the present invention using the low magnification lens ( The loss amount is smaller than in the case of FIG.
- the angle range (4 to 12 °) defined in Patent Document 1 the drop in the optical coupling efficiency with the temperature change becomes large, and in particular, the angle of the second surface of the lens is 5 °. In this case, the loss amount of the optical coupling efficiency showed a maximum value of -0.275 dB.
- the result of this simulation corresponds to a comparison between the characteristics for the light receiving element for high speed light reception shown in FIG. 2 and the characteristics for the light receiving element for high speed light reception shown in FIG. That is, the result of this simulation is as shown in FIG.
- FIG. 5 when a low-power lens is applied, the drop in optical coupling efficiency due to temperature change is greater than when a high-power lens is applied.
- the deterioration of the optical coupling efficiency is sufficiently reduced by providing an optimum angle range to the second surface of the lens. Can do.
- the return light can be effectively reduced and the light can be effectively reduced by a simple design in which the second surface 2b of the lens 2 is formed on an inclined plane of 14 to 16 °. Optical stability against temperature changes can be ensured while accommodating high-speed reception. Further, the number of parts and the cost can be reduced as compared with the case where an antireflection (AR) coat for reducing the return light is formed on the second surface 2b.
- AR antireflection
- the first surface 2a of the lens 2 may be a spherical surface or an aspherical surface.
- a substrate mounting type photoelectric conversion device 8 ′ in which a light receiving element 10 ′ is mounted on a semiconductor substrate 20 may be adopted.
- the present invention can be effectively applied not only to a single mode optical fiber but also to a multimode optical fiber.
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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、光受信の高速化に対応しつつ温度変化に対する光学安定性を確保す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15の端部15aを取り付けるための筒状の光ファイバ取付部5と、受光素子10'を有する光電変換装置8を取り付けるための筒状の光電変換装置取付部3と、光ファイバ15の端部15aと受光素子10'とを光学的に結合するためのレンズ2'とを備え、レンズ2'における光ファイバ15の端部15aに臨む面2b'が、レンズ2'の光軸OAに直交する仮想平面Sに対して14~16°の傾斜角を有する平面に形成されていること。
Description
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7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7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7における下方)の第1の面2aが凸面、光軸OA方向における他方(図7における上方)の第2の面2bが光軸OAに直交する平面とされた平凸レンズに形成されている。なお、図示はしないが、レンズ2の各面2a、2bは、光軸OA方向から見た場合に、光軸OAを中心とした円形状を呈するようになっており、第1の面2aは、第2の面2bよりも大径とされている。
また、図7に示すように、光レセプタクル1は、第1の面2aに対する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7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と同心の略円筒面とされた筒状に形成されている。
さらに、図7に示すように、光レセプタクル1は、第2の面2bに対する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と同心の略円筒面とされた筒状に形成されている。
次に、図8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、光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8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。ここで、図8に示すように、光電変換装置8は、円板状のステム9、これに搭載されたフォトディテクタ(PD)等の受光素子10、この受光素子10を覆って気密に封止するための頂部に窓部11aを有するキャップ11および受光素子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等によって構成されている。また、光電変換装置8の取り付けは、光電変換装置8における受光素子10側の所定範囲の部位を光電変換装置取付部3の内側に挿入させた状態で、光電変換装置8と光電変換装置取付部3との間に配置された接着剤13を硬化させること(接着)によって行われている。接着剤13としては、熱硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂が用いられる。
また、図8に示すように、光モジュール7は、光ファイバ取付部5に、長尺な光ファイバ15における端部(端面)15a側の所定長さの部位が、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。光ファイバ15の端部15aは、光ファイバ取付部5への取り付け状態において、空気層を隔ててレンズ2の第2の面2bに臨んでいる。
このような光受信用の光モジュール7においては、半導体レーザ(LD)等の送信側のデバイス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、このような光受信用の光モジュール7においては、光ファイバ15の端部15aから出射された光が、レンズ2の第2の面2b(平面)においてフレネル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、光ファイバ15を介して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。
そこで、このような問題を低減すべく、これまでにも、例えば、特許文献1に示すような提案がなされていた。
すなわち、特許文献1においては、スリーブに形成された平面状の光学面を受光素子の受光面に対して4~12°傾斜させることによって、光学面と空気層との界面におけるフネレル反射による反射光が戻り光として光ファイバの端部に入射することを抑制することが提案されている。
ところで、この種の光モジュールには、今後、更なる光通信の高速化に対応することが求められており、このような要求に応えるためには、光送信用のデバイスから光ファイバを介して高速で伝送された光を、受光素子において遅滞なく高速で受信することが必要となる。そして、このような高速の光受信に対応した受光素子は、応答速度を速く(受光面における光信号の受光からこの光信号の電気信号への変換までの所要時間を短く)するために、受光面積を小さくすることが求められる。
しかるに、特許文献1に記載の構成は、戻り光の低減のみを意識したものであるため、光受信の高速化に対応すべく受光素子の受光面積を小さくする場合には、温度変化にともなう光学性能の劣化が顕著となる虞があるといった問題が生じていた。すなわち、温度変化によって光レセプタクルの変形(線膨脹)が生じた場合には、これにともなって光レセプタクルを透過する光の光路が変化するため、この変化を加味しない構成では、光ファイバの端部からの出射光を光レセプタクルを透過させた後に受光面積が小さい受光素子に適正に結合させることが困難であった。
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、光受信の高速化に対応しつつ温度変化に対する光学安定性を確保す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に、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、前記レンズにおける前記光ファイバの端部に臨む面が、前記レンズの光軸に直交する仮想平面に対して14~16°の傾斜角を有する平面に形成されている点にある。
そして、この請求項1に係る発明によれば、光ファイバの端部から出射された光がレンズにおける光ファイバの端部に臨む面において反射されたとしても、この反射された光が戻り光として光ファイバの端部に入射することを抑制することができ、かつ、温度変化にかかわらず、光ファイバの端部から出射された光をレンズによって受光素子に適正に結合させることができる。
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、樹脂材料によって一体的に形成されている点にある。
そして、この請求項2に係る発明によれば、光レセプタクルを金型を用いた樹脂成形によって安価に得ることができ、また、温度変化にともなう変形量(線膨脹係数)が大きい樹脂材料を適用することによって、温度変化にともなう光学性能の劣化を低減する意義がより大きなものとなる。
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または2において、更に、前記レンズの倍率として、所定の低倍率を選択可能とされている点にある。
そして、この請求項3に係る発明によれば、高倍率のレンズに比較して温度変化にともなう光学性能の劣化が大きい傾向にある低倍率のレンズを選択する場合においても、温度変化にともなう光学性能の劣化を十分に低減することができるので、レンズの倍率を選択する際に、低倍率側において大きな制約が課されることがなく、設計の自由度を向上させることができる。
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に記載の光電変換装置と、請求項1に記載の光ファイバとを備え、前記光電変換装置における受光素子は、受光面積が所定値以下に形成されている点にある。
そして、この請求項4に係る光モジュールによれば、戻り光を有効に低減することができるとともに、受光面積が小さい受光素子を採用することによって光受信の高速化に対応しつつ、温度変化に対する光学安定性を確保することができる。
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、光受信の高速化に対応しつつ温度変化に対する光学安定性を確保することができる。
以下、本発明に係る光レセプタクルおよび光モジュールの実施形態について、従来との相違点を中心として、図1~図6を参照して説明する。
なお、従来と基本的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1’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の各構成部によって構成されており、各構成部2’、3、5は、金型を用いた樹脂材料の射出成形によって一体成形されている。
本実施形態における光レセプタクル1’の従来との相違点は、レンズ2’の第2の面2b’(光ファイバ15の端部15aに臨む面)の構成にある。
すなわち、図1に示すように、本実施形態において、レンズ2’の第2の面2b’は、従来のような光軸OAに直交する平面ではなく、光軸OAに直交する仮想平面Sに対して14~16°(14°以上かつ16°以下)の角度範囲における所定の傾斜角を有する平面に形成されている。ただし、本実施形態においても、第2の面2b’は、その中心が光軸OA上に位置されていてもよい。
また、本実施形態における光モジュール7’の従来との相違点は、前述した光レセプタクル1’の構成の相違点に加えて、更に、受光素子10’の受光面積が、従来の受光素子10よりも小さく形成されている点にある。受光面積としては、25Gbps以上の高速光受信に対応させる場合には、円形受光面の場合に、φ30μm以下にすることが望ましい。また、受光素子10’は、設定された温度(例えば、常温)下において受光面の中心がレンズ2’の集光点(焦点)に合致するような設計にしたがった位置合わせが行われていてもよい。この場合に、受光面の中心の位置は、レンズ2’の光軸OA上から光軸OAに直交する方向にずれていてもよい。
そして、このような構成によれば、レンズ2’の第2の面2b’に最適な角度範囲内の傾斜角を付与したことにより、光ファイバ15の端部15aから出射された光が第2の面2b’においてフレネル反射されたとしても、この反射された光が戻り光として光ファイバ15の端部15aに入射することを抑制することができる。さらに、このような構成によれば、温度変化にかかわらず、光ファイバ15の端部15aから出射された光をレンズ2’によって受光面積が小さい受光素子10’に適正に結合させることができる。特に、本実施形態のように、光レセプタクル1’を線膨脹係数が大きい樹脂材料によって形成する場合には、温度変化にともなう光学性能の劣化を低減する意義は大きい。
また、本実施形態においては、レンズ2’の倍率として、所定の低倍率を選択することができる。低倍率としては、例えば、1倍を採用することができる。すなわち、本実施形態によれば、高倍率のレンズ(例えば、1.5倍)に比較して温度変化にともなう光学性能の劣化が大きい傾向にある低倍率(例えば、1倍)のレンズを選択する場合においても、光学性能の劣化を十分に低減することができるので、レンズの倍率に対して低倍率側において大きな制約が課されることがなく、レンズを含めたモジュール設計の自由度を広げることができる。
次に、本実施例においては、本発明の光レセプタクル1’および光モジュール7’の光学特性を評価するための各種のシミュレーションを行った。
(第1のシミュレーション)
すなわち、まず、第1のシミュレーションにおいては、倍率1.0の低倍率のレンズを用いる場合に、25Gbps高速光受信向けの受光面積φ30μmの受光素子と、従来の10Gbps光受信向けの受光面積φ50μmの受光素子とのそれぞれに対して、温度変化にともなって光ファイバ-受光素子間の光結合効率がどのような劣化特性を示すのかを、レンズの第2の面の傾斜角ごとにシミュレーションした。ただし、本シミュレーショにおいては、光ファイバをシングルモード方式の光ファイバとし、また、光ファイバ-受光素子間の光学的な結合に使用する使用光を波長1550nmの光とし、さらに、光レセプタクルをPEI製のものとした。また、本シミュレーションにおいては、レンズの第2の面の角度を、光軸OAに直交する平面を基準(0°)として0~30°の角度範囲内において所定角度ずつ変化させる過程で、各角度ごとに、温度を-40~85℃まで変化させた場合に示される光結合効率の最大値と最小値との差を、角度に対応した光結合効率の損失量としてグラフにプロットした。
すなわち、まず、第1のシミュレーションにおいては、倍率1.0の低倍率のレンズを用いる場合に、25Gbps高速光受信向けの受光面積φ30μmの受光素子と、従来の10Gbps光受信向けの受光面積φ50μmの受光素子とのそれぞれに対して、温度変化にともなって光ファイバ-受光素子間の光結合効率がどのような劣化特性を示すのかを、レンズの第2の面の傾斜角ごとにシミュレーションした。ただし、本シミュレーショにおいては、光ファイバをシングルモード方式の光ファイバとし、また、光ファイバ-受光素子間の光学的な結合に使用する使用光を波長1550nmの光とし、さらに、光レセプタクルをPEI製のものとした。また、本シミュレーションにおいては、レンズの第2の面の角度を、光軸OAに直交する平面を基準(0°)として0~30°の角度範囲内において所定角度ずつ変化させる過程で、各角度ごとに、温度を-40~85℃まで変化させた場合に示される光結合効率の最大値と最小値との差を、角度に対応した光結合効率の損失量としてグラフにプロットした。
このような第1のシミュレーションの結果を図2に示す。なお、図2において、縦軸は、温度変化にともなう光結合効率の損失量(dB)であり、横軸は、レンズの第2の面の角度(°)である。ここで、図2において、25Gbps高速光受信向けの受光素子に対する特性(■プロットの実線グラフ)のうち、角度(横軸)が14~16°の範囲の特性(一点鎖線枠内)が、本発明の構成に該当する特性である。図2に示すように、本発明の構成によれば、温度変化が生じた場合であっても、25Gbpsの高速光受信向けの受光素子に対する光結合効率の落ち込みを、レンズの第2の面の角度が本発明の角度範囲(14~16°)を逸脱する場合の多くの構成に比べて小さく抑えられることが分かる。具体的には、本発明の構成においては、温度変化時の光結合効率の損失量が-0.13dBであり、この値は、10Gbps光受信向けの受光素子に対する特性(▲プロットの破線グラフ)において示される損失量と比べても遜色がない十分に小さい損失量である。この程度の損失量であれば、実使用に十分に耐えることができ、良好な光結合効率を実現することができる。これに対して、特許文献1において規定された角度範囲(4~12°)においては、温度変化にともなう光結合効率の落ち込みが大きくなり、とりわけ、レンズの第2の面の角度が5°の場合には、光結合効率の損失量が-0.32dBと最大値を示した。なお、0~2°付近の角度範囲においては、本発明の構成よりも光結合効率の落ち込みは小さくなるが、この角度範囲は、次の第2のシミュレーションの結果に示すように、戻り光の低減の観点から好ましくない角度範囲である。
このような第1のシミュレーションの結果によれば、本発明のようにレンズの第2の面の角度を14~16°にすれば、低倍率のレンズを採用した場合において、25Gbpsの高速光受信に対応しつつ、温度変化にともなう光学安定性を確保できることが分かる。
(第2のシミュレーション)
次に、第2のシミュレーションにおいては、レンズの第2の面の角度に対して、戻り光の光量がどのような特性を示すのかをシミュレーションした。本シミュレーションに用いた光ファイバの種類および使用光の波長は、第1のシミュレーションと同様である。また、本シミュレーションにおいては、光ファイバの端部から出射された光がレンズの第2の面において100%の反射率で反射されると仮定した。
次に、第2のシミュレーションにおいては、レンズの第2の面の角度に対して、戻り光の光量がどのような特性を示すのかをシミュレーションした。本シミュレーションに用いた光ファイバの種類および使用光の波長は、第1のシミュレーションと同様である。また、本シミュレーションにおいては、光ファイバの端部から出射された光がレンズの第2の面において100%の反射率で反射されると仮定した。
このような第2のシミュレーションの結果を図3に示す。なお、図3において、縦軸は、戻り光の光量(dB)であり、横軸は、レンズの光軸OAに直交する平面を基準(0°)としたレンズの第2の面の角度である。ここで、図2の場合と同様に、図3において、角度が14~16°の範囲の特性(一点鎖線枠内)が、本発明の構成に該当する特性である。図3に示すように、本発明の構成によれば、戻り光の光量をほぼ-36dB~-40dBの範囲内の値に低減できることが分かる。この値は、ノイズとしては実使用上問題がなく、仮に、製造誤差によって値が微増した場合であっても許容し得る程度に十分に小さい値である。これに対して、特許文献1において規定された角度範囲(4~12°)においては、戻り光の光量がほぼ-20dB~-36dBの範囲内となり、本発明の構成よりもノイズの低減効果は少ないと言える。なお、特許文献1において平面状の光学面の角度範囲の上限を12°と規定している理由は、12°よりも大きい角度においては、光ファイバの端部から出射されて受光素子に向かう光が光学面で大きく屈折されることによって、受光素子側での集光点が光軸上から光軸に直交する方向にずれる点にある。この点について、本発明においては、モジュール化の際(組立時)に、設計にしたがって受光素子の光軸に対する直交方向へのオフセット設定を行うこともできるので、特許文献1において指摘する問題は未然に回避することができる。
このような第2のシミュレーションの結果によれば、本発明のようにレンズの第2の面の角度を14~16°にすれば、戻り光を十分に低減できることが分かる。
(第3のシミュレーション)
次に、第3のシミュレーションにおいては、倍率1.5の高倍率のレンズを用いる場合に、25Gbps高速光受信向けの受光面積φ30μmの受光素子と、従来の10Gbps光受信向けの受光面積φ50μmの受光素子とのそれぞれに対して、温度変化にともなって光ファイバ-受光素子間の光結合効率がどのような劣化特性を示すのかを、レンズの第2の面の傾斜角ごとにシミュレーションした。ただし、本シミュレーションにおいて、光ファイバの種類、使用光の波長、光レセプタクルの形成材料、レンズの第2の面の角度範囲、温度変化の範囲および光結合効率の損失量の算出方法の各条件は、第1のシミュレーションと同様である。
次に、第3のシミュレーションにおいては、倍率1.5の高倍率のレンズを用いる場合に、25Gbps高速光受信向けの受光面積φ30μmの受光素子と、従来の10Gbps光受信向けの受光面積φ50μmの受光素子とのそれぞれに対して、温度変化にともなって光ファイバ-受光素子間の光結合効率がどのような劣化特性を示すのかを、レンズの第2の面の傾斜角ごとにシミュレーションした。ただし、本シミュレーションにおいて、光ファイバの種類、使用光の波長、光レセプタクルの形成材料、レンズの第2の面の角度範囲、温度変化の範囲および光結合効率の損失量の算出方法の各条件は、第1のシミュレーションと同様である。
このような第3のシミュレーションの結果を図4に示す。なお、図4のグラフの概要は、図2と同様であり、図4において、25Gbps高速光受信向けの受光素子に対する特性(◆プロットの実線グラフ)のうち、角度(横軸)が14~16°の範囲の特性(一点鎖線枠内)が、本発明の構成に該当する特性である。図4に示すように、本発明の構成によれば、温度変化が生じた場合であっても、25Gbpsの高速光受信向けの受光素子に対する光結合効率の落ち込みを、レンズの第2の面の角度が本発明の角度範囲(14~16°)を逸脱する場合の多くの構成に比べて小さく抑えられることが分かる。具体的には、本発明の構成においては、温度変化時の光結合効率の損失量が最大で約-0.09dBであり、この値は、低倍率レンズを用いた本発明の構成の場合(図2の場合)よりも小さい損失量である。これに対して、特許文献1において規定された角度範囲(4~12°)においては、温度変化にともなう光結合効率の落ち込みが大きくなり、とりわけ、レンズの第2の面の角度が5°の場合には、光結合効率の損失量が-0.275dBと最大値を示した。
このような第3のシミュレーションの結果によれば、本発明のようにレンズの第2の面の角度を14~16°にすれば、高倍率のレンズを採用した場合においても、25Gbpsの高速光受信に対応しつつ、温度変化にともなう光学安定性を確保できることが分かる。
(第4のシミュレーション)
次に、第4のシミュレーションにおいては、倍率1.0の低倍率のレンズおよび倍率1.5の高倍率のレンズを用いる場合に、それぞれ、25Gbps高速光受信向けの受光面積φ30μmの受光素子に対して、温度変化にともなって光ファイバ-受光素子間の光結合効率がどのような劣化特性を示すのかを、レンズの第2の面の傾斜角ごとにシミュレーションした。
次に、第4のシミュレーションにおいては、倍率1.0の低倍率のレンズおよび倍率1.5の高倍率のレンズを用いる場合に、それぞれ、25Gbps高速光受信向けの受光面積φ30μmの受光素子に対して、温度変化にともなって光ファイバ-受光素子間の光結合効率がどのような劣化特性を示すのかを、レンズの第2の面の傾斜角ごとにシミュレーションした。
本シミュレーションの結果は、図2に示した高速光受信向けの受光素子に対する特性と、図4に示した高速光受信向けの受光素子に対する特性とを比較したものに相当する。すなわち、本シミュレーションの結果は、図5に示すものである。図5に示すように、低倍率のレンズを適用する場合には、高倍率のレンズを適用する場合に比べて温度変化にともなう光結合効率の落ち込みが大きくなることが分かる。本発明においては、このような落ち込みが大きな低倍率のレンズを適用する場合においても、レンズの第2の面に最適な角度範囲を付与することによって、光結合効率の劣化を十分に低減することができる。
このような第4のシミュレーションの結果によれば、本発明のようにレンズの第2の面の角度を14~16°にすれば、レンズの倍率として高倍率および低倍率のいずれを選択してもよく、設計の自由度を広げられることが分かる。
以上述べたように、本発明によれば、レンズ2の第2の面2bを14~16°の傾斜平面に形成するといった簡便な設計により、戻り光を有効に低減することができるとともに、光受信の高速化に対応しつつ温度変化に対する光学安定性を確保することができる。また、第2の面2bに戻り光低減用の反射防止(AR)コートを形成する場合に比べて、部品点数およびコストを削減することができる。
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、レンズ2の第1の面2aは、球面であってもよいし、または、非球面であってもよい。
また、図6に示すように、CANパッケージ型の光電変換装置8に代わり、半導体基板20上に受光素子10’が実装された基板実装型の光電変換装置8’を採用してもよい。
さらに、本発明は、シングルモード光ファイバだけでなく、マルチモード光ファイバにも有効に適用することができる。
1’ 光レセプタクル
2’ レンズ
2b’ 第2の面
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
10’ 受光素子
15 光ファイバ
15a 端部
2’ レンズ
2b’ 第2の面
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
10’ 受光素子
15 光ファイバ
15a 端部
Claims (4)
- 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、
前記レンズにおける前記光ファイバの端部に臨む面が、前記レンズの光軸に直交する仮想平面に対して14~16°の傾斜角を有する平面に形成されていること
を特徴とする光レセプタクル。 - 樹脂材料によって一体的に形成されていること
を特徴とする請求項1に記載の光レセプタクル。 - 前記レンズの倍率として、所定の低倍率を選択可能とされていること
を特徴とする請求項1または2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に記載の光電変換装置と、
請求項1に記載の光ファイバと
を備え、
前記光電変換装置における受光素子は、受光面積が所定値以下に形成されていること
を特徴とする光モジュール。
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