特開 2024-170254 光源モジュール及び光出力方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024170254

(43)【公開日】2024-12-06

(54)【発明の名称】光源モジュール及び光出力方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/02255 20210101AFI20241129BHJP

   H01S 5/02253 20210101ALI20241129BHJP

   H01S 5/024 20060101ALI20241129BHJP

   G02B 6/42 20060101ALN20241129BHJP

   G02B 6/32 20060101ALN20241129BHJP

【ＦＩ】

H01S5/02255

H01S5/02253

H01S5/024

G02B6/42

G02B6/32

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023087315

(22)【出願日】2023-05-26

(71)【出願人】

【識別番号】000004237

【氏名又は名称】日本電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】金子 太郎

(72)【発明者】

【氏名】冨田 功

【テーマコード（参考）】

2H137

5F173

【Ｆターム（参考）】

2H137AB06

2H137AC02

2H137BB02

2H137BB25

2H137BC02

2H137DA07

2H137DB13

5F173MA02

5F173MB03

5F173MC01

5F173ME25

5F173ME56

5F173MF03

5F173MF36

5F173MF39

(57)【要約】

【課題】簡易な構成で光源モジュールの小型化を実現する。
【解決手段】冷却部４は、筐体１に包含されるように筐体１に取り付けられる。光源５は、冷却部４に取り付けられ、レーザ光Ｌを出力する。レンズ６は、冷却部４に取り付けられ、光源５から出力されたレーザ光Ｌが入射し、入射したレーザ光Ｌの進行方向を冷却部４の方向へ偏向させて出力する。光コネクタ７は、筐体１に取り付けられ、レンズ６から出力されたレーザ光Ｌを筐体１の外部へ出力する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

筐体と、
前記筐体に包含されるように前記筐体に取り付けられた冷却部と、
前記冷却部に取り付けられ、光を出力する光源と、
前記冷却部に取り付けられ、前記光源から出力された前記光が入射し、入射した前記光の進行方向を前記冷却部の方向へ偏向させて出力するレンズと、
前記筐体に取り付けられ、前記レンズから出力された前記光を前記筐体の外部へ出力する光出力部と、を備える、
光源モジュール。

【請求項2】

前記光源から出力された前記光の光軸は、前記レンズの軸と平行であり、
前記光源から出力された前記光は、前記レンズの前記軸から所定の距離だけ離れた位置で前記レンズに入射する、
請求項１に記載の光源モジュール。

【請求項3】

前記冷却部は、前記筐体の内側の面に取り付けられ、
前記光源及び前記レンズは、前記冷却部の、前記筐体に取り付けられた面とは反対の面に取り付けられ、
前記光源から出力された前記光は、前記冷却部の前記反対の面と平行な方向に出力される、
請求項１又は２に記載の光源モジュール。

【請求項4】

前記筐体は、前記冷却部が取り付けられる底板と、前記底板に対向する前記底板に平行な天板と、前記底板及び前記天板に対して垂直な、前記底板と前記天板とを連結する側板と、を有し、
前記光出力部は、前記底板と前記天板とに干渉しないように、前記側板に設けられる、
請求項１又は２に記載の光源モジュール。

【請求項5】

前記冷却部に取り付けられ、前記レンズから出力された前記光が入射するアイソレータをさらに備え、
前記レンズから出力された前記光は、前記アイソレータの入射面に所定の入射角で入射し、
前記入射面に入射した前記光は、屈折によって前記冷却部の方向にさらに偏向して前記アイソレータを伝搬し、
前記アイソレータを伝搬して前記アイソレータの出射面に到達した前記光は、屈折により前記冷却部とは反対の方向に偏向することで、前記入射角と同じ出射角で出射する、
請求項１又は２に記載の光源モジュール。

【請求項6】

前記アイソレータは、一部が前記冷却部に設けられた孔に挿通されることで、前記冷却部に取り付けられる、
請求項５に記載の光源モジュール。

【請求項7】

筐体に包含されるように前記筐体に取り付けられた冷却部に取り付けられた光源から光を出力し、
前記冷却部に取り付けられたレンズにより、前記光源から入射する前記光の進行方向を前記冷却部の方向へ偏向させて出力し、
前記筐体に取り付けられた光出力部により、前記レンズから出力された前記光を前記筐体の外部へ出力する、
光出力方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光源モジュール及び光出力方法に関する。

【背景技術】

【0002】

光通信技術分野においては、例えば、光信号の送受信を担う送信器及び受信器が搭載された光トランシーバが広く用いられている。光トランシーバにおいては、送信用波長の光を変調して光信号を送信し、受け取った光信号を受信用波長の光と干渉させることで受信するために、所定の波長の光を出力する光源モジュールが設けられる。

【0003】

こうした光源モジュールでは、光源から出力されたレーザ光が、レンズで収束され他後、コネクタなどを介して、他の光部品へ出力される（特許文献１～３）。また、内部での反射光が光源に戻ることを防止するために、アイソレータが設けられる光源モジュールも知られている（特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－００５１２２号公報

【特許文献2】国際公開第２０２０／１６６５０２号

【特許文献3】特開２００２－２５２４２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

一方で、光トランシーバには、光源モジュールだけでなく、送信器、受信器、光レセプタクルや各種のコネクタなどの様々な部品を搭載する必要がある。これに対し、光トランシーバの筐体内のスペースには限りがあるため、複数の部品を効率的に筐体内に収容することが求められる。そのため、光源モジュールのさらなる小型化が求められている。

【0006】

本開示は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、簡易な構成で光源モジュールの小型化を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様である光源モジュールは、筐体と、前記筐体に包含されるように前記筐体に取り付けられた冷却部と、前記冷却部に取り付けられ、光を出力する光源と、前記冷却部に取り付けられ、前記光源から出力された前記光が入射し、入射した前記光の進行方向を前記冷却部の方向へ偏向させて出力するレンズと、前記筐体に取り付けられ、前記レンズから出力された前記光を前記筐体の外部へ出力する光出力部と、を備える。

【0008】

本開示の一態様である光出力方法は、筐体に包含されるように前記筐体に取り付けられた冷却部に取り付けられた光源から光を出力し、前記冷却部に取り付けられたレンズにより、前記光源から入射する前記光の進行方向を前記冷却部の方向へ偏向させて出力し、前記筐体に取り付けられた光出力部により、前記レンズから出力された前記光を前記筐体の外部へ出力する。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、簡易な構成で光源モジュールの小型化を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態１にかかる光源モジュールの構成を模式的に示す図である。

【図2】実施の形態１にかかる光源モジュールの構成をより詳しく示す図である。

【図3】一般的な光源モジュールの構成を模式的に示す図である。

【図4】実施の形態２にかかる光源モジュールの構成を模式的に示す図である。

【図5】実施の形態３にかかる光源モジュールの構成を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。

【0012】

実施の形態１
実施の形態１にかかる光源モジュールについて説明する。図１に、実施の形態１にかかる光源モジュール１００の構成を模式的に示す。光源モジュール１００は、筐体１、冷却部４、光源５、レンズ６及び光コネクタ７を有する。

【0013】

筐体１は、図１の紙面水平方向を長手方向とする、内部に空洞が形成された箱形の部材である。筐体１は、互いに平行に対向するように設けられた、紙面鉛直方向を法線方向とする四角形の板状部材である底板１Ａ及び天板１Ｃを有する。底板１Ａの各辺と天板１Ｃの各辺との間は、底板１Ａ及び天板１Ｃに対して垂直な側板で連結される。図１では、底板１Ａの左端と天板１Ｃの左端とを連結する側板に符号１Ｄを付している。筐体１の底板１Ａの内側の面である底面１Ｂの上には、光源モジュール１００を構成する各種の部品が搭載される。

【0014】

冷却部４は、発熱体である光源５を冷却する部材であり、筐体１の底面１Ｂの上に搭載される。よって、冷却部４の底面は、底面１Ｂと接触している。ここでは、冷却部４の高さ方向の寸法を、Ｈ_Ｃとする。以下、冷却部４の構成について説明する。図２に、実施の形態１にかかる光源モジュール１００の構成をより詳しく示す。冷却部４は、底面１Ｂの上に配置されたペルチェ素子４１、ペルチェ素子４１上に配置されたヒートスプレッダ４２、及び、ヒートスプレッダ４２上に搭載された基板４３を有する。

【0015】

光源５は、基板４３上に設けられ、レンズ６へ向けて、所定の波長のレーザ光Ｌを出射する。この例では、レーザ光Ｌの出射方向は、紙面水平方向、すなわち、冷却部４の上面４Ａに平行な方向である。光源５から出射されたレーザ光Ｌの光軸と冷却部４の上面４Ａとの間の距離は、Ｈ_Ｓである。光源５は、例えばＤＦＢ（Distributed FeedBack）レーザ素子や、レーザ素子と外部共振器とで構成されたレーザモジュールなどの、各種の光源として構成されてもよい。

【0016】

光源５がレーザ光Ｌを出力するときに発する熱は、基板４３を介して、冷却部４における熱密度を均一化するために設けられたヒートスプレッダ４２に伝導する。これにより、基板４３から伝送した熱がヒートスプレッダ４２で拡散されることで均一化される。そして、ペルチェ素子４１がヒートスプレッダ４２を冷却することで熱が除去され、その結果、光源５を所定の温度に保つことができる。

【0017】

レンズ６は、凸レンズのように入射する光を収束するレンズであり、軸Ａが、光源５から出射されたレーザ光Ｌの光軸と平行になるように配置される。軸Ａと冷却部４の上面４Ａとの間の距離は、Ｈ_Ｌである。また、レンズ６は、光源５からのレーザ光Ｌが、軸Ａよりも上方、すなわち冷却部４から遠ざかる方向に距離Ｄだけオフセットされた位置に入射するように配置される。したがって、Ｈ_Ｓ＝Ｈ_Ｌ＋Ｄとなっている。これにより、レーザ光Ｌは、レンズ６によって下方、すなわち冷却部４に近づく方向に偏向されて、光コネクタ７へ向けて出射される。

【0018】

光コネクタ７は、筐体１の出射側の側板１Ｄに設けられる。レーザ光Ｌは、光コネクタ７の中央Ｃに設けられた導波構造を通じて、光源モジュール１００の外部へ出射される。図示しないが、光コネクタ７には、例えば、光ファイバによって光源モジュール１００の外部の光部品と接続され、レーザ光Ｌは光ファイバを通じて外部の光部品に導かれる。なお、光コネクタ７は、単に光出力部とも称する。

【0019】

本構成では、冷却部４、光源５及びレンズ６を内包する筐体１の高さ方向の寸法、すなわち側板１Ｄの高さ方向の寸法は、Ｈ１である。光コネクタ７は、底板１Ａと天板１Ｃとに干渉しないように、高さＨ１の側板１Ｄに取り付けられる。

【0020】

次いで、本構成におけるレーザ光Ｌの偏向の効果について説明する。まず、比較例として、レーザ光が偏向されない、一般的な光源モジュールの寸法について検討する。図３に、一般的な光源モジュール９００の構成を模式的に示す。一般的な光源モジュール９００は、光源モジュール１００の筐体１及びレンズ６を、筐体９及びレンズ１０に置き換えた構成を有する。筐体９の底板９Ａ、底面９Ｂ、天板９Ｃ及び側板９Ｄは、それぞれ筐体１の底板１Ａ、底面１Ｂ、天板１Ｃ及び側板１Ｄに対応しており、詳細については説明を省略する。

【0021】

レンズ１０は、レンズ６と同様に、入射する光を収束するレンズである。レンズ１０は、軸が、光源５から出射されたレーザ光Ｌの光軸と一致するように配置される。これにより、レーザ光Ｌは、レンズ１０で収束された後、光コネクタ７の中央Ｃへ向けて直進する。この場合、光コネクタ７の中央Ｃの位置は、レーザ光Ｌの光軸の位置となる。したがって、光コネクタ７の中央Ｃと底面９Ｂとの間の距離は、Ｈ_Ｃ＋Ｈ_Ｓとなる。

【0022】

光源モジュール９００においても、搭載される光源５を効率的に冷却するために冷却部４が設けられるが、上述のように冷却部４は高さ方向に複数の部材が積層されており、高さ方向の寸法Ｈ_Ｃを削減することが難しい。

【0023】

したがって、光源モジュール９００では、レーザ光Ｌの光軸は、底面９ＢからＨ_Ｃ＋Ｈ_Ｓだけ上方の比較的高い位置となり、レーザ光Ｌを外部に出射する光コネクタ７の中央Ｃも、筐体９の上方に偏った位置に配置される。よって、光コネクタ７の上端７Ａが、レンズ１０及び光源５の上端部よりも上方に突出してしまう事態が生じる。図３においては、レンズ１０の上端は光源５の上端よりも高く、光コネクタ７の上端７Ａがレンズ１０の上端よりも上方に突出している。

【0024】

その結果、レンズ１０及び光源５の上端の位置にかかわらず、光コネクタ７を側板９Ｄに設置できるように、筐体９の高さ方向の寸法Ｈ９を大きくしなければならない。

【0025】

例えば、一般的な光源モジュール９００においては、光コネクタ７の高さ、すなわち光コネクタ７の中央Ｃと底面９Ｂとの間の距離であるＨ_Ｃ＋Ｈ_Ｓは２．４ｍｍであり、このときの筐体９の高さ方向の寸法Ｈ９は４．０ｍｍとなる。

【0026】

そこで、本実施の形態にかかる光源モジュール１００では、レンズ６によりレーザ光Ｌを下方に偏向させることで、レーザ光Ｌが入射する光コネクタ７の中央Ｃの位置を下方に移動させている。図１及び図２に示すように、光源５から出射されたレーザ光Ｌの光軸に対して、光コネクタ７の中央Ｃの位置は、Ｓ１だけ下方にシフトしている。その結果、底面１Ｂと光コネクタ７の中央Ｃとの間の距離は、Ｈｃ＋Ｈｓ－Ｓ１となる。

【0027】

よって、光源モジュール１００によれば、一般的な光源モジュール９００と比べて、底面１Ｂと光コネクタ７の中央Ｃとの間の距離を、Ｓ１だけ短縮することができる。これにより、光コネクタ７の上端７Ａの位置をＳ１だけ下方にシフトさせ、レンズ１０及び光源５に対する光コネクタ７の上端７Ａの突出を防止し、又は、突出量を削減することができる。その結果、筐体１の高さ寸法Ｈ１を、筐体９の高さ寸法Ｈ９と比較して削減できる。

【0028】

例えば、本構成においてレーザ光が偏向されることによるシフト量を０．５ｍｍとすると、一般的な光源モジュール９００と比べて、底面１Ｂと光コネクタ７の中央Ｃとの間の高さは０．５ｍｍだけ下方にシフトして、１．９ｍｍとなる。このときの筐体１の高さ方向の寸法Ｈ１は、３．５ｍｍに短縮することができる。

【0029】

以上、本構成によれば、レーザ光Ｌの光軸を下方に偏向させることで光コネクタの位置を下方にオフセットさせることができる。これにより、追加部品等を要しない簡易な構成にて光源モジュールの高さ方向の寸法を削減して、光源モジュールの小型化を実現することができる。

【0030】

実施の形態２
実施の形態２にかかる光源モジュールについて説明する。図４に、実施の形態２にかかる光源モジュール２００の構成を模式的に示す。光源モジュール２００は、実施の形態１にかかる光源モジュール１００と比べ、筐体１を筐体２に置き換え、かつ、さらにアイソレータ８を設けた構成を有する。筐体２の底板２Ａ、底面２Ｂ、天板２Ｃ及び側板２Ｄは、それぞれ筐体１の底板１Ａ、底面１Ｂ、天板１Ｃ及び側板１Ｄに対応しており、詳細については説明を省略する。

【0031】

アイソレータ８は、冷却部４の基板４３上で、レンズ６で偏向されたレーザ光Ｌが入射する位置に設けられる。これによって、レーザ光Ｌがレンズ１０及び光源５へ戻ることを防止する。

【0032】

レンズ６で偏向されたレーザ光Ｌは、光源５から出射されたレーザ光Ｌの光軸に対して垂直な、アイソレータ８の入射面８Ａに所定の入射角で入射する。アイソレータ８を構成する媒質の屈折率は、レーザ光が伝搬する周囲の雰囲気の屈折率よりも高いので、レーザ光Ｌは入射面８Ａで下方に屈折する。入射面８Ａで下方に屈折したレーザ光Ｌは、アイソレータ８の媒質中を伝搬し、入射面８Ａと平行な出射面８Ｂに到達する。レーザ光Ｌは、出射面８Ｂで上方に屈折した後、入射面８Ａに入射したときの入射角と同じ出射角で、光コネクタ７の中央へ向けて出射される。

【0033】

その結果、出射面８Ｂから出射したレーザ光Ｌは、入射面８Ａに入射したレーザ光Ｌに対して、屈折により、Ｓ２だけ下方にシフトする。これにより、出射面８Ｂから出射されたレーザ光Ｌが到達する光コネクタ７の中央Ｃの位置を、光源モジュール１００の場合と比べ、さらにＳ２だけ下方にシフトさせることができる。

【0034】

したがって、レンズ６及び光源５に対する光コネクタ７の上端７Ａの突出をより容易に防止し、又は、突出量をより容易に削減することができる。その結果、本構成によれば、筐体２の高さ寸法Ｈ２を、筐体１の高さ寸法Ｈ１と比較して削減できる。これにより、光源モジュールの高さ方向の寸法をより削減して、光源モジュールのさらなる小型化を実現することができる。

【0035】

実施の形態３
実施の形態２にかかる光源モジュール２００では、アイソレータ８の上端の位置がレンズ６及び光源５の上端の位置よりも高い場合、アイソレータ８の上端によって筐体２の高さ寸法が制約される。そのため、アイソレータ８を小型化できることが望ましいが、アイソレータ８の小型化が制約されて小型化が難しい場合が想定し得る。そこで、本実施の形態では、アイソレータの設置位置を変更することで、アイソレータと筐体との干渉を回避する光源モジュールについて説明する。

【0036】

図５に、実施の形態３にかかる光源モジュール３００の構成を模式的に示す。光源モジュール３００は、実施の形態２にかかる光源モジュール２００と比べ、筐体２を筐体３に置き換えた構成を有する。筐体３の底板３Ａ、底面３Ｂ、天板３Ｃ及び側板３Ｄは、それぞれ筐体２の底板２Ａ、底面２Ｂ、天板２Ｃ及び側板２Ｄに対応しており、詳細については説明を省略する。

【0037】

アイソレータ８は、基板４３に穿たれた貫通孔４３Ａに挿通されることで、ヒートスプレッダ４２上に設けられる。よって、光源モジュール３００では、実施の形態２にかかる光源モジュール２００と比較して、アイソレータ８の設置位置が、基板４３の厚みＴの分だけ下方に移動している。

【0038】

これにより、アイソレータ８の高さ方向の寸法がレンズ６及び光源５の高さ方向の寸法よりも高い場合でも、アイソレータ８がレンズ６及び光源５よりも上方に突出することを防止し、又は、突出量を削減することができる。

【0039】

その結果、本構成によれば、筐体３の高さ寸法Ｈ３を、筐体２の高さ寸法Ｈ２と比較して削減できる。これにより、光源モジュールの高さ方向の寸法をより削減して、光源モジュールのさらなる小型化を実現することができる。

【0040】

その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述の実施の形態においては、説明の簡略化のため、上下関係によって位置や方向の説明をしたが、これは例示に過ぎない。光源モジュールが他の装置に実装されるときの体勢によっては、上下関係は、反転するなど、適宜変化してもよい。

【0041】

上述の実施の形態においては、説明の簡略化のため、筐体内には冷却部、光源、レンズ及びアイソレータが設けられるものとしたが、筐体内には適宜他の部品が設けられてもよい。また、筐体には、光コネクタが取り付けられるものとして説明したが、筐体には適宜他の部品が取り付けられてもよい。

【0042】

上述の実施の形態で説明した、レンズ及びアイソレータの形状、設置位置及び設置体勢は例示に過ぎず、レーザ光を同様に導ける限り、適宜他の形状、設置位置及び設置体勢としてもよい。

【0043】

実施の形態３において、アイソレータ８が基板４３に穿たれた貫通孔４３Ａに挿通されるものとして説明したが、これは例示に過ぎない。例えば、アイソレータ８は、基板４３に穿たれた基板４３を貫通しない孔、基板４３を貫通してヒートスプレッダ４２に達する孔、又は、基板４３及びヒートスプレッダ４２を貫通してペルチェ素子４１に達する孔に挿通されてもよい。

【符号の説明】

【0044】

１、２、３、９ 筐体
１Ａ、２Ａ、３Ａ、９Ａ 底板
１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ、９Ｂ 底面
１Ｃ、２Ｃ、３Ｃ、９Ｃ 天板
１Ｄ、２Ｄ、３Ｄ、９Ｄ 側板
４ 冷却部
４Ａ 上面
５ 光源
６、１０ レンズ
７ 光コネクタ
７Ａ 上端
８ アイソレータ
８Ａ 入射面
８Ｂ 出射面
４１ ペルチェ素子
４２ ヒートスプレッダ
４３ 基板
４３Ａ 貫通孔
１００、２００、３００、９００ 光源モジュール
Ｌ レーザ光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】