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(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】P2024171525
(43)【公開日】2024-12-12
(54)【発明の名称】光モジュールおよび送信装置
(51)【国際特許分類】
G02B 6/32 20060101AFI20241205BHJP
G02B 6/42 20060101ALI20241205BHJP
【ＦＩ】
G02B6/32
G02B6/42
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023088581
(22)【出願日】2023-05-30
(71)【出願人】
【識別番号】000208765
【氏名又は名称】株式会社エンプラス
(74)【代理人】
【識別番号】110002952
【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】岩崎 敬広
【テーマコード（参考）】
2H137
【Ｆターム（参考）】
2H137AB06
2H137BA03
2H137BB03
2H137BC02
2H137BC10
2H137BC51
2H137FA06
(57)【要約】
【課題】光レセプタクルおよび光伝送体がいずれの方向に位置ずれした場合であっても光結合効率が低下しにくい光モジュールを提供すること。
【解決手段】光モジュールは、発光素子と、光レセプタクルと、を有する。光レセプタクルは、凸面である入射面と、凹面である出射面とを含む。発光素子から出射され、光伝送体の端面へ向かうた光は、第１光線と、第２光線とを含む。第１光線のうち光軸に対して±１０°で出射される第１光束は、出射面から出射された後に第１光束の中心光線上で集光される。光軸を含む平面において、第２光線のうち平面上における一方の発光面端部である出射点から光軸に対して±１０°で出射される第２光束は、出射面から出射された後に第１光束の中心光線に対して出射点が存在する側とは反対側へ位置するように制御される。
【選択図】図２
【解決手段】光モジュールは、発光素子と、光レセプタクルと、を有する。光レセプタクルは、凸面である入射面と、凹面である出射面とを含む。発光素子から出射され、光伝送体の端面へ向かうた光は、第１光線と、第２光線とを含む。第１光線のうち光軸に対して±１０°で出射される第１光束は、出射面から出射された後に第１光束の中心光線上で集光される。光軸を含む平面において、第２光線のうち平面上における一方の発光面端部である出射点から光軸に対して±１０°で出射される第２光束は、出射面から出射された後に第１光束の中心光線に対して出射点が存在する側とは反対側へ位置するように制御される。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板上に配置された発光素子と、
光伝送体が接続された場合に、前記発光素子および前記光伝送体の端面を光学的に結合するための光レセプタクルと、を有し、
前記光レセプタクルは、
前記発光素子から出射される光を入射させるための凸面である入射面と、
前記入射面で入射された光を前記光伝送体の端面に向けて出射させるための凹面である出射面と、
を含み、
前記発光素子から出射され、前記光伝送体の端面へ向かう光は、前記発光素子の発光面の中心から出射される第１光線と、前記発光面の外縁から出射される第２光線とを含み、
前記第１光線のうち光軸に対して±１０°で出射される第１光束は、前記出射面から出射された後に前記第１光束の中心光線の光路上で集光され、
前記第１光束の中心光線の光路を含み、基板に垂直な平面において、前記平面上における前記発光面の外縁である２つの出射点のうちの一方の出射点から前記光軸に対して±１０°で出射される第２光束は、前記出射面から出射された後に前記第１光束の中心光線の光路に対して前記一方の出射点が存在する側とは反対側へ位置するように制御される、
光モジュール。
光伝送体が接続された場合に、前記発光素子および前記光伝送体の端面を光学的に結合するための光レセプタクルと、を有し、
前記光レセプタクルは、
前記発光素子から出射される光を入射させるための凸面である入射面と、
前記入射面で入射された光を前記光伝送体の端面に向けて出射させるための凹面である出射面と、
を含み、
前記発光素子から出射され、前記光伝送体の端面へ向かう光は、前記発光素子の発光面の中心から出射される第１光線と、前記発光面の外縁から出射される第２光線とを含み、
前記第１光線のうち光軸に対して±１０°で出射される第１光束は、前記出射面から出射された後に前記第１光束の中心光線の光路上で集光され、
前記第１光束の中心光線の光路を含み、基板に垂直な平面において、前記平面上における前記発光面の外縁である２つの出射点のうちの一方の出射点から前記光軸に対して±１０°で出射される第２光束は、前記出射面から出射された後に前記第１光束の中心光線の光路に対して前記一方の出射点が存在する側とは反対側へ位置するように制御される、
光モジュール。
【請求項2】
半径が３μｍ、長さが３０μｍの仮想円柱を、前記仮想円柱の中心軸が前記光伝送体と平行になり、かつ前記第１光束が最も細くなる位置における前記第１光束の中心光線の光路上に位置するように前記仮想円柱の重心を配置したとき、
前記第１光束の中心光線の光路および前記出射点を含む平面において、前記第２光束は、前記仮想円柱内かつ前記出射面から出射された後に前記第１光束の中心光線の光路に対して前記出射点が存在する側とは反対側へ位置するように制御される、
請求項１に記載の光モジュール。
前記第１光束の中心光線の光路および前記出射点を含む平面において、前記第２光束は、前記仮想円柱内かつ前記出射面から出射された後に前記第１光束の中心光線の光路に対して前記出射点が存在する側とは反対側へ位置するように制御される、
請求項１に記載の光モジュール。
【請求項3】
前記光伝送体のコアの端面の中心は、前記仮想円柱内に配置される、請求項２に記載の光モジュール。
【請求項4】
前記第１光束が最も細くなる位置と、前記第２光束が最も細くなる位置は、異なる位置である、請求項１に記載の光モジュール。
【請求項5】
前記入射面の中心の曲率半径をＲ１とし、前記出射面の中心の曲率半径をＲ２としたとき、以下の式（１）を満たす、請求項１に記載の光モジュール。
式（１） Ｒ１＞Ｒ２
式（１） Ｒ１＞Ｒ２
【請求項6】
前記発光素子から出射された光のうち、前記入射面に入射される光の前記入射面上の径をＥ１とし、前記発光素子から出射された光のうち、前記出射面から出射される光の前記出射面上の径をＥ２としたとき、以下の式（２）を満たす、請求項１に記載の光モジュール。
式（２） Ｅ１／Ｅ２＞７
式（２） Ｅ１／Ｅ２＞７
【請求項7】
前記入射面で入射した光を前記出射面に向けて反射させるための反射面をさらに有する、請求項１に記載の光モジュール。
【請求項8】
請求項１～７のいずれか一項に記載の光モジュールと、
前記光レセプタクルから出射した光が入射する光伝送体と、を有し、
前記発光素子から出射された光のうち、前記出射面から出射される光の前記出射面上の径をＥ２とし、前記発光素子から出射された光のうち、前記光伝送体の端面上の径をＸとしたとき、以下の式（３）を満たす、送信装置。
式（３） ２Ｘ＜Ｅ２＜４Ｘ
前記光レセプタクルから出射した光が入射する光伝送体と、を有し、
前記発光素子から出射された光のうち、前記出射面から出射される光の前記出射面上の径をＥ２とし、前記発光素子から出射された光のうち、前記光伝送体の端面上の径をＸとしたとき、以下の式（３）を満たす、送信装置。
式（３） ２Ｘ＜Ｅ２＜４Ｘ
【請求項9】
前記発光素子の発光面の中心および前記入射面の中心の間の距離をＤ１とし、前記出射面の中心および前記光伝送体の端面の間の距離をＤ２としたとき、以下の式（４）を満たす、請求項８に記載の送信装置。
式（４） １＜Ｄ１／Ｄ２＜２．５
式（４） １＜Ｄ１／Ｄ２＜２．５
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光モジュールおよび送信装置に関する。
【背景技術】
【0002】
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（例えば、垂直共振器面発光レーザ（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、発光素子と、光レセプタクルとを有する。光レセプタクルとしては、球面収差を少なくする観点から、メニスカスレンズの機能を有するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【0003】
特許文献１には、光ファイバーを介して光信号を送信するための光学モジュールデバイス（光モジュール）が記載されている。光学モジュールデバイスは、発光素子と、光ファイバーと、光学ベンチと、カバーとを有する。カバーは、発光素子から出射された光の配光を制御するためのレンズアッセンブリを有する。レンズアッセンブリは、凸レンズ面である入射面と、凹レンズ面である出射面とを有する。発光素子から出射された光は、凸レンズである入射面で入射し、凹レンズ面である出射面から出射することで、光ファイバーの端面に集光するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特表２０１９－５２６８３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献１に記載されたような光学モジュールデバイスでは、カバー（レンズアッセンブリ）と光ファイバーとの組み立て精度によって、発光素子から出射された光の光ファイバーに対する光結合効率が低下してしまう。光結合効率の低下は、光ファイバーの軸に沿った前後方向と、前後方向に垂直な左右方向と、前後方向および左右方向に垂直な上下方向とのいずれかの方向において、カバーと、光ファイバーとが位置ずれした場合に生じうる。
【0006】
そこで、本発明の目的は、光レセプタクルおよび光伝送体がいずれの方向に位置ずれした場合であっても光結合効率が低下しにくい光モジュールおよび送信装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
［１］基板上に配置された発光素子と、光伝送体が接続された場合に、前記発光素子および前記光伝送体の端面を光学的に結合するための光レセプタクルと、を有し、前記光レセプタクルは、前記発光素子から出射される光を入射させるための凸面である入射面と、前記入射面で入射された光を前記光伝送体の端面に向けて出射させるための凹面である出射面と、を含み、前記発光素子から出射され、前記光伝送体の端面へ向かう光は、前記発光素子の発光面の中心から出射される第１光線と、前記発光面の外縁から出射される第２光線とを含み、前記第１光線のうち光軸に対して±１０°で出射される第１光束は、前記出射面から出射された後に前記第１光束の中心光線の光路上で集光され、前記第１光束の中心光線の光路を含み、基板に垂直な平面において、前記平面上における前記発光面の外縁である２つの出射点のうちの一方の出射点から前記光軸に対して±１０°で出射される第２光束は、前記出射面から出射された後に前記第１光束の中心光線の光路に対して前記一方の出射点が存在する側とは反対側へ位置するように制御される、光モジュール。
［２］半径が３μｍ、長さが３０μｍの仮想円柱を、前記仮想円柱の中心軸が前記光伝送体と平行になり、かつ前記第１光束が最も細くなる位置における前記第１光束の中心光線の光路上に位置するように前記仮想円柱の重心を配置したとき、前記第１光束の中心光線の光路および前記出射点を含む平面において、前記第２光束は、前記仮想円柱内かつ前記出射面から出射された後に前記第１光束の中心光線の光路に対して前記出射点が存在する側とは反対側へ位置するように制御される、［１］に記載の光モジュール。
［３］前記光伝送体のコアの端面の中心は、前記仮想円柱内に配置される、［１］または［２］に記載の光モジュール。
［４］前記第１光束が最も細くなる位置と、前記第２光束が最も細くなる位置は、異なる位置である、［１］～［３］のいずれか一項に記載の光モジュール。
［５］前記入射面の中心の曲率半径をＲ１とし、前記出射面の中心の曲率半径をＲ２としたとき、以下の式（１）を満たす、［１］～［４］のいずれか一項に記載の光モジュール。
式（１） Ｒ１＞Ｒ２
［６］前記発光素子から出射された光のうち、前記入射面に入射される光の前記入射面上の径をＥ１とし、前記発光素子から出射された光のうち、前記出射面から出射される光の前記出射面上の径をＥ２としたとき、以下の式（２）を満たす、［１］～［５］のいずれか一項に記載の光モジュール。
式（２） Ｅ１／Ｅ２＞７
［７］前記入射面で入射した光を前記出射面に向けて反射させるための反射面をさらに有する、［１］～［６］のいずれか一項に記載の光モジュール。
［８］［１］～［７］のいずれか一項に記載の光モジュールと、前記光レセプタクルから出射した光が入射する光伝送体と、を有し、前記発光素子から出射された光のうち、前記出射面から出射される光の前記出射面上の径をＥ２とし、前記発光素子から出射された光のうち、前記光伝送体の端面上の径をＸとしたとき、以下の式（３）を満たす、送信装置。
式（３） ２Ｘ＜Ｅ２＜４Ｘ
［９］前記発光素子の発光面の中心および前記入射面の中心の間の距離をＤ１とし、前記出射面の中心および前記光伝送体の端面の間の距離をＤ２としたとき、以下の式（４）を満たす、［８］に記載の送信装置。
式（４） １＜Ｄ１／Ｄ２＜２．５
［２］半径が３μｍ、長さが３０μｍの仮想円柱を、前記仮想円柱の中心軸が前記光伝送体と平行になり、かつ前記第１光束が最も細くなる位置における前記第１光束の中心光線の光路上に位置するように前記仮想円柱の重心を配置したとき、前記第１光束の中心光線の光路および前記出射点を含む平面において、前記第２光束は、前記仮想円柱内かつ前記出射面から出射された後に前記第１光束の中心光線の光路に対して前記出射点が存在する側とは反対側へ位置するように制御される、［１］に記載の光モジュール。
［３］前記光伝送体のコアの端面の中心は、前記仮想円柱内に配置される、［１］または［２］に記載の光モジュール。
［４］前記第１光束が最も細くなる位置と、前記第２光束が最も細くなる位置は、異なる位置である、［１］～［３］のいずれか一項に記載の光モジュール。
［５］前記入射面の中心の曲率半径をＲ１とし、前記出射面の中心の曲率半径をＲ２としたとき、以下の式（１）を満たす、［１］～［４］のいずれか一項に記載の光モジュール。
式（１） Ｒ１＞Ｒ２
［６］前記発光素子から出射された光のうち、前記入射面に入射される光の前記入射面上の径をＥ１とし、前記発光素子から出射された光のうち、前記出射面から出射される光の前記出射面上の径をＥ２としたとき、以下の式（２）を満たす、［１］～［５］のいずれか一項に記載の光モジュール。
式（２） Ｅ１／Ｅ２＞７
［７］前記入射面で入射した光を前記出射面に向けて反射させるための反射面をさらに有する、［１］～［６］のいずれか一項に記載の光モジュール。
［８］［１］～［７］のいずれか一項に記載の光モジュールと、前記光レセプタクルから出射した光が入射する光伝送体と、を有し、前記発光素子から出射された光のうち、前記出射面から出射される光の前記出射面上の径をＥ２とし、前記発光素子から出射された光のうち、前記光伝送体の端面上の径をＸとしたとき、以下の式（３）を満たす、送信装置。
式（３） ２Ｘ＜Ｅ２＜４Ｘ
［９］前記発光素子の発光面の中心および前記入射面の中心の間の距離をＤ１とし、前記出射面の中心および前記光伝送体の端面の間の距離をＤ２としたとき、以下の式（４）を満たす、［８］に記載の送信装置。
式（４） １＜Ｄ１／Ｄ２＜２．５
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、光レセプタクルおよび光伝送体がいずれの方向に位置ずれした場合であっても光結合効率が低下しにくい。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の一実施の形態に係る光モジュールおよび送信装置について、図面を参照して詳細に説明する。
【0011】
【0012】
図１に示されるように、送信装置１００は、光モジュール１１０と、光伝送体１２０とを有する。光モジュール１１０は、発光素子１３０および光レセプタクル１４０を有する。
【0013】
発光素子１３０は、所定の波長の光を出射する。発光素子１３０は、例えば垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。本実施の形態では、発光素子１３０は、図外の基板に固定されている。発光素子１３０の数は、特に限定されない。発光素子１３０の数は、１個でもよいし、複数個でもよい。本実施の形態では、発光素子１３０の数は１個である。なお、発光素子１３０が複数個の場合、発光素子１３０の数は、後述する光レセプタクル１４０の入射面１４１の数、出射面１４２の数、光伝送体１２０の数とそれぞれ同じ数である。また、以下の説明では、発光素子１３０における発光面の中心から出射される光を第１光線Ｌ１と称し、発光素子１３０における発光面の端部から出射される光を第２光線Ｌ２と称することがある。また、発光素子１３０の発光面から出射されるすべての光線を単に光Ｌと称することもある。
【0014】
光レセプタクル１４０は、光伝送体１２０が接続された場合に、発光素子１３０および光伝送体１２０の端面を光学的に結合するための樹脂製のメニスカスレンズである。光レセプタクル１４０は、発光素子１３０と、光伝送体１２０との間に配置されている。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。光レセプタクル１４０の材料の例には、ウルテム（登録商標）などの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一体成形されて製造されうる。光レセプタクル１４０は、入射面１４１と、出射面１４２とを有する。
【0015】
入射面１４１の中心軸と、出射面１４２の中心軸とは、一致していてもよいし、一致していなくてもよい。本実施の形態では、入射面１４１の中心軸ＣＡ１と、出射面１４２の中心軸ＣＡ２とは、一致している。入射面１４１の中心および出射面１４２の中心の間の光路長Ｔは、１．２～１．８ｃｍの範囲内が好ましい。
【0016】
入射面１４１は、発光素子１３０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ための凸面である。入射面１４１は、発光素子１３０から出射した光のうち、少なくとも一部の光Ｌ（第１光線Ｌ１および第２光線Ｌ２）を発光素子１３０の光軸に向かって進行するように屈折させる。入射面１４１は、発光素子１３０の発光面に対向するように配置されている。入射面１４１の数は、発光素子１３０の数と同じ数である。すなわち、本実施の形態では、入射面１４１の数は、１個である。
【0017】
本実施の形態では、入射面１４１の平面視形状は、円形である。入射面１４１の中心軸ＣＡ１は、発光素子１３０の発光面に対して垂直でもよいし、発光素子１３０の発光面に対して垂直でなくてもよい。本実施の形態では、入射面１４１の中心軸は、発光素子１３０の発光面に対して垂直である。また、入射面１４１の中心軸ＣＡ１は、発光素子１３０から出射された光の光軸（発光素子１３０の発光面の中心軸）と一致してもよいし、発光素子１３０から出射された光の光軸と一致していなくてもよい。発光素子１３０の光軸に沿う方向に光レセプタクル１４０を見たときに、発光素子１３０の発光面と、光レセプタクル１４０の入射面１４１の中心とは、重なることが好ましい。本実施の形態では、入射面１４１の中心軸は、発光素子１３０から出射された光の光軸（発光素子１３０の発光面の中心軸）と一致している。
【0018】
入射面１４１の中心の曲率半径Ｒ１は特に限定されない。射面１４１の中心の曲率半径Ｒ１は、０．２７８～０．３３６ｍｍの範囲内が好ましい。発光素子１３０から出射された光のうち、入射面１４１に入射される光の入射面１４１上の径Ｅ１は、特に限定されない。発光素子１３０から出射された光のうち、入射面１４１に入射される光の入射面１４１上の径Ｅ１は、０．４１０～０．５２０ｍｍの範囲内が好ましい。ここで、発光素子１３０から出射された光のうち、入射面１４１に入射される光の入射面１４１上の径Ｅ１とは、発光素子１３０の発光面から出射された光Ｌによる入射面１４１における照射スポットの直径を意味する。また、発光素子１３０の発光面および入射面１４１の中心の間の距離Ｄ１は、特に限定されない。発光素子１３０の発光面および入射面１４１の中心の間の距離Ｄ１は、１．０～１．２ｍｍの範囲内が好ましい。
【0019】
出射面１４２は、入射面１４１で入射し、光レセプタクル１４０の内部を進行した光を光伝送体１２０の端面に向けて出射させるための凹面である。出射面１４２は、第１光線Ｌ１のうち光軸に対して±１０°で出射される第１光束を出射面１４２から出射された後に発光素子１３０の光軸上で集光させる。また、出射面１４２は、光軸を含む平面において、第２光線Ｌ２のうち当該平面上における一方の発光面の端部である出射点Ａから光軸に対して±１０°で出射される第２光束を出射面１４２から出射された後に光軸に対して出射点Ａが存在する側とは反対側へ位置するように制御する。このように、出射面１４２は、第１光線Ｌ１を焦点位置Ｐに向けて集光させ、第２光線Ｌ２をコリメート化させる。ここで、「コリメート化」とは、出射面１４２から出射された光の中心光線に対して第２光線Ｌ２を平行にすることだけでなく、出射面１４２から出射された光の中心光線に対する第２光線Ｌ２の傾斜角度を±２°以内にすることも含む。出射面１４２から出射された光の中心光線に対する第２光線Ｌ２の傾斜角度は、直径２０μｍの均一照度を光伝送体１２０の軸方向に１５μｍ移動させても光結合効率の変化が０．５ｄＢに収まるための角度である。出射面１４２は、光伝送体１２０の端面と対向して配置されている。出射面１４２の数は、入射面１４１の数と同じである。すなわち、本実施の形態では、出射面１４２の数は、１個である。
【0020】
本実施の形態では、出射面１４２の平面視形状は、円形である。出射面１４２の中心軸ＣＡ２は、光伝送体１２０の端面に対して垂直でもよいし、光伝送体１２０の端面に対して垂直でなくてもよい。本実施の形態では、出射面１４２の中心軸ＣＡ２は、光伝送体１２０の端面に対して垂直である。また、光伝送体１２０の端面が出射面１４２の中心軸ＣＡ２に対して傾斜している場合、出射面１４２の中心軸ＣＡ２は、光伝送体１２０の端面に対して傾斜している。また、出射面１４２の中心軸ＣＡ２は、出射された光が入射する光伝送体１２０の端面の中心軸と一致してもよいし、出射された光が入射する光伝送体１２０の端面の中心軸と一致していなくてもよい。本実施の形態では、出射面１４２の中心軸ＣＡ２は、出射された光が入射する光伝送体１２０の端面の中心軸と一致している。
【0021】
出射面１４２の中心の曲率半径Ｒ２は、特に限定されない。出射面１４２の中心の曲率半径Ｒ２は、０．１４４～０．２５１ｍｍの範囲内が好ましい。出射面１４２の中心と、光伝送体１２０の端面の中心との間の距離は、０．４～０．８ｍｍの範囲内が好ましい。
【0022】
光伝送体１２０の種類は、特に限定されない。光伝送体１２０の種類の例には、光ファイバーや光導波路などが含まれる。本実施の形態では、光伝送体１２０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もよいし、マルチモード方式でもよい。本実施の形態では、光伝送体１２０は、シングルモード方式の光ファイバーであり、コア１２０ａおよびクラッド１２０ｂを有する。コア１２０ａの端面の中心は、仮想円柱内に配置されることが好ましい。仮想円柱は、半径が３μｍ、長さが３０μｍの仮想空間が好ましい。仮想円柱の半径が３μｍ未満の場合、組み立て誤差を考慮した場合に製造が困難である。仮想円柱の長さ３０μｍ超の場合、温度変化に伴う屈折率などの変化により、光結合効率が悪くなってしまう傾向にある。また、仮想円柱は、半径が５μｍ、長さが６０μｍの仮想空間がより好ましい。仮想円柱が半径が５μｍ、長さが６０μｍの仮想空間であれば、組み立て誤差、屈折率温度変化、曲率温度変化、線膨張が複合的に発生したとしても結合効率が変化しにくい。仮想円柱は、その中心軸が光伝送体１２０と平行になり、かつ第１光束が最も細くなる位置における光軸上に位置するように仮想円柱の重心を配置されることが好ましい。ここで、仮想円柱は、本実施の形態において、光線密度がほぼ均一な領域を意味する。なお、本実施の形態では、第１光束が最も細くなる位置（集光位置）Ｐに光伝送体１２０の端面が配置されている。
【0023】
本実施の形態では、発光素子１３０から出射された光Ｌのうち、一部の光は、仮想円柱を通るように制御される。よって、第２出射面１４２に対して光伝送体１２０が位置ずれした場合でも、光結合効率の低下を抑制できる。
【0024】
本実施の形態の送電装置１００は、さらに以下に示す要件を満たすことにより、光結合効率の低下をさらに抑制できる。
【0025】
送信装置１００では、入射面１４１の中心の曲率半径をＲ１とし、出射面１４２の中心の曲率半径をＲ２としたとき、以下の式（１）を満たすことが好ましい。
式（１） Ｒ１＞Ｒ２
入射面１４１の中心の曲率半径Ｒ１と、出射面１４２の中心の曲率半径Ｒ２とが上記の関係を満たすことにより、出射面１４２における屈折力を強くできるため、出射面１４２から出射された光の中心光線に対する第２光線Ｌ２の傾斜角度が小さくなるように制御できる。これにより、光伝送体１２０の端面がＺ方向に位置ずれした場合でも光の結合効率の低下を抑制できる。
式（１） Ｒ１＞Ｒ２
入射面１４１の中心の曲率半径Ｒ１と、出射面１４２の中心の曲率半径Ｒ２とが上記の関係を満たすことにより、出射面１４２における屈折力を強くできるため、出射面１４２から出射された光の中心光線に対する第２光線Ｌ２の傾斜角度が小さくなるように制御できる。これにより、光伝送体１２０の端面がＺ方向に位置ずれした場合でも光の結合効率の低下を抑制できる。
【0026】
発光素子１３０から出射された光のうち、入射面１４１に入射される光の入射面１４１上の径をＥ１とし、発光素子１３０から出射された光のうち、出射面１４２から出射される光の出射面１４２上の径をＥ２としたとき、以下の式（２）を満たすことが好ましい。
式（２） Ｅ１／Ｅ２＞７
発光素子１３０から出射された光のうち、入射面１４１に入射される光Ｌの入射面１４１における径Ｅ１と、発光素子１３０から出射された光Ｌのうち、出射面１４２から出射される光Ｌの出射面１４２における径Ｅ２とが上記の関係を満たすことにより、発光素子１３０と入射面１４１との間にカバーガラスを配置した場合にも、出射点Ａから光軸に対して±１０°で出射される第２光束全てを制御できる。さらに出射面１４２の曲率半径を小さくできる。
式（２） Ｅ１／Ｅ２＞７
発光素子１３０から出射された光のうち、入射面１４１に入射される光Ｌの入射面１４１における径Ｅ１と、発光素子１３０から出射された光Ｌのうち、出射面１４２から出射される光Ｌの出射面１４２における径Ｅ２とが上記の関係を満たすことにより、発光素子１３０と入射面１４１との間にカバーガラスを配置した場合にも、出射点Ａから光軸に対して±１０°で出射される第２光束全てを制御できる。さらに出射面１４２の曲率半径を小さくできる。
【0027】
発光素子１３０から出射された光のうち、出射面１４２から出射される光の径をＥ２とし、光伝送体１２０の端面における発光素子１３０から出射された光Ｌの径をＸとしたとき、以下の式（３）を満たすことが好ましい。
式（３） ２Ｘ＜Ｅ２＜４Ｘ
発光素子１３０から出射された光のうち、出射面１４２から出射される光の径Ｅ２と、光伝送体１２０の端面における発光素子１３０から出射された光Ｌの径Ｘとが、上記の関係を満たすことにより、出射面１４２の曲率半径を小さくできる。また仮想円柱を通過する光線の量を増加できる。
式（３） ２Ｘ＜Ｅ２＜４Ｘ
発光素子１３０から出射された光のうち、出射面１４２から出射される光の径Ｅ２と、光伝送体１２０の端面における発光素子１３０から出射された光Ｌの径Ｘとが、上記の関係を満たすことにより、出射面１４２の曲率半径を小さくできる。また仮想円柱を通過する光線の量を増加できる。
【0028】
発光素子１３０の発光面および入射面１４１の間の距離をＤ１とし、出射面１４２および光伝送体１２０の端面の間の距離をＤ２としたとき、以下の式（４）を満たすことが好ましい。
式（４） １＜Ｄ１／Ｄ２＜２．５
発光素子１３０の発光面および入射面１４１の中心の間の距離Ｄ１と、出射面１４２の中心および光伝送体１２０の端面の間の距離Ｄ２が上記の関係を満たすことにより、発光素子１３０の発光面および入射面１４１の中心の間の距離Ｄ１の位置ずれに対する出射面１４２の中心および光伝送体１２０の端面の間の距離Ｄ２の位置ずれの影響を抑えることができる。
式（４） １＜Ｄ１／Ｄ２＜２．５
発光素子１３０の発光面および入射面１４１の中心の間の距離Ｄ１と、出射面１４２の中心および光伝送体１２０の端面の間の距離Ｄ２が上記の関係を満たすことにより、発光素子１３０の発光面および入射面１４１の中心の間の距離Ｄ１の位置ずれに対する出射面１４２の中心および光伝送体１２０の端面の間の距離Ｄ２の位置ずれの影響を抑えることができる。
【0029】
ここで、本実施の形態に係る送信装置１００における発光素子１３０から出射された光の光路について説明する。また、比較のため、従来のメニスカスレンズを有する送信装置における発光素子１３０から出射された光の光路についても説明する。
【0030】
図２Ａは、本実施の形態に係る送信装置１００における光路図を示しており、図２Ｂは、図２Ａに示される領域ｒ１の拡大図であり、図２Ｃは、図２Ａに示される領域ｒ２の拡大図である。０における光路図である。図３Ａは、比較例に係る送信装置１００における光路図を示しており、図３Ｂは、図３Ａに示される領域ｒ１の拡大図であり、図３Ｃは、図３Ａに示される領域ｒ２の拡大図である。図３Ａでは、半径が５μｍ、長さが６０μｍの仮想円柱を、仮想円柱の中心軸が光伝送体１２０と平行になり、かつ第１光束が最も細くなる位置における光軸上に位置するように仮想円柱の重心を配置したとする。ここでは、第１光線Ｌ１のうち光軸に対して±１０°で出射される第１光束のうち出射角度の最も大きい光線（第１光束の最外光）Ｌ１ａ、Ｌ１ｂと、第２光線２１のうち光軸に対して±１０°で出射される第２光束のうち出射角度の最も大きい光線（第２光線の最外光）Ｌ２ａ、Ｌ２ｂのみを示している。
【0031】
図２Ａ～Ｃに示されるように、本実施の形態に係る送信装置１００では、発光素子１３０の発光面の中心から出射された第１光束は、入射面１４１で入射し、出射面１４２から出射される。出射面１４２から出射された第１光束は、第１光束の中心線上光軸上の焦点位置Ｐ（光伝送体１２０の端面）に向けて集光する。
【0032】
また、図２Ａ～Ｃに示されるように、発光素子１３０の発光面の端部から出射された第２光束も、入射面１４１で入射し、出射面１４２から出射される。出射面１４２から出射される第２光束は、出射面１４２から出射された後に光軸に対して出射点が存在する側とは反対側へ向かうように制御される。本実施の形態では、図２Ｂに示されるように、光軸に対して図示上側の出射点Ａから出射された第２光束は、光軸に対して出射点Ａが存在する側とは反対側へ位置するように制御される。より具体的には、光軸および出射点Ａを含む平面において、第２光束は、仮想円柱内かつ出射面１４２から出射された後に光軸に対して出射点Ａが存在する側とは反対側へ位置するように制御される。このように、発光素子１３０から出射された光Ｌのうち、第２光線Ｌ２は、コリメート化される。また、仮想円柱内における光線密度がほぼ均一になるため、出射面１４２および光伝送体１２０が位置ずれした場合であっても、光結合効率が低下しにくい。このとき、光伝送体１２０に到達する第２光線Ｌ２によるスポット径と、出射面１４２に入射する直前のスポット径とは、ほぼ同じ大きさである。
【0033】
出射面１４２から出射された第１光束と、第２光束とは、焦点位置Ｐにおいて離間している。
【0034】
（シミュレーション１）
ここで、送信装置１００における各パラメーターを変更させたときのずらし量と、光の結合効率の変化とについてシミュレーションした。ここでは、光伝送体１２０の軸に沿う方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な方向をＸ方向とし、Ｚ方向およびＸ方向に垂直な方向をＹ方向とした。シミュレーションには、９種類の光レセプタクルを使用した。Ｎｏ．９の光レセプタクルは、平凸型の光レセプタクルを示している。使用した光レセプタクルの各パラメーターを表１に示す。
ここで、送信装置１００における各パラメーターを変更させたときのずらし量と、光の結合効率の変化とについてシミュレーションした。ここでは、光伝送体１２０の軸に沿う方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な方向をＸ方向とし、Ｚ方向およびＸ方向に垂直な方向をＹ方向とした。シミュレーションには、９種類の光レセプタクルを使用した。Ｎｏ．９の光レセプタクルは、平凸型の光レセプタクルを示している。使用した光レセプタクルの各パラメーターを表１に示す。
【0035】
【表1】
【0036】
本シミュレーションでは、光レセプタクルに対して光伝送体１２０の端面をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向にずらした場合でも光の結合効率が０．５ｄＢ以内の変化であるか否かについて調べた。Ｘ方向のずらし量は、±５μｍとし、Ｚ方向のずらし量は、±３０μｍとした。
【0037】
表１に示されるＮｏ．１～８の実施例１～８の光レセプタクルでは、光伝送体１２０の端面の位置をＸ方向に±５μｍずらした場合でも、Ｚ方向に±３０μｍずらした場合でも、光の結合効率の変化は０．５ｄＢ以内であった。特に図示していないが、Ｎｏ．１～７の実施例１～８の光レセプタクルでは、第１光線Ｌ１のうち光軸に対して±１０°で出射される第１光束は、出射面１４２から出射された後に第１光束の中心光線上で集光され、光軸を含む平面において、第２光線Ｌ２のうち当該平面上における一方の発光面の端部である出射点から光軸に対して±１０°で出射される第２光束は、出射面１４２から出射された後に第１光束の中心光線に対して出射点が存在する側とは反対側へ位置するように制御される。
【0038】
一方、Ｎｏ．９の比較例１の光レセプタクルでは、光伝送体１２０の端面の位置をＺ方向に±３０μｍにずらした場合には、光の結合効率の変化が０．５ｄＢよりも小さかったが、光伝送体１２０の端面の位置をＸ方向に±５μｍズラした場合に光の結合効率の変化が０．５ｄＢよりも顕著に大きくなった。
【0039】
（シミュレーション２）
上記Ｎｏ．１の実施例１の光レセプタクルと、上記Ｎｏ．９の比較例の光レセプタクルとのそれぞれについて、発光素子の位置をＹ方向にずらした場合と、光伝送体の端面の位置をＺ方向にずらした場合と、光レセプタクルの屈折率を変化させた場合と、についてシミュレーションした。
上記Ｎｏ．１の実施例１の光レセプタクルと、上記Ｎｏ．９の比較例の光レセプタクルとのそれぞれについて、発光素子の位置をＹ方向にずらした場合と、光伝送体の端面の位置をＺ方向にずらした場合と、光レセプタクルの屈折率を変化させた場合と、についてシミュレーションした。
【0040】
図４Ａ～Ｃは、Ｎｏ．１の実施例１の光レセプタクルの場合の結果を示すグラフであり、図５Ａ～Ｃは、Ｎｏ．９の比較例１の光レセプタクルの場合の結果を示すグラフである。図４Ａは、発光素子の位置をＹ方向にずらした場合の結果を示すグラフであり、図４Ｂは、光伝送体の端面の位置をＺ方向にずらした場合の結果を示すグラフであり、図４Ｃは、光レセプタクルの屈折率を変化させた場合の結果を示すグラフである。図５Ａは、発光素子の位置をＹ方向にずらした場合の結果を示すグラフであり、図５Ｂは、光伝送体の端面の位置をＺ方向にずらした場合の結果を示すグラフであり、図５Ｃは、光レセプタクルの屈折率を変化させた場合の結果を示すグラフである。図４Ａ～Ｃおよび図５Ａ～Ｃの黒丸は、結合効率（左側の第１軸）を示しており、白丸は、結合効率差（右側の第１軸）を示している。
【0041】
Ｎｏ．１の実施例１の光レセプタクルを用いた場合の発光素子のずれに対する、結合効率と、結合効率差とを座標にプロットしたものを図４Ａに示す。なお、結合効率とは、発光素子と光伝送体との間における光結合効率を意味する。また、結合効率差とは、発光素子のずれが０ｍｍのときの結合効率との差を意味する。すなわち、結合効率差は、シミュレーション１における光の結合効率の変化と同義である。
【0042】
Ｎｏ．１の実施例１の光レセプタクルを用いた場合の光伝送体のずれに対する、結合効率と、結合効率差とを座標にプロットしたものを図４Ｂに示す。Ｎｏ．１の実施例１の光レセプタクルを用いた場合の屈折率の違いに対する、結合効率と、結合効率差とを座標にプロットしたものを図４Ｃに示す。Ｎｏ．９の比較例１の光レセプタクルを用いた場合の発光素子のずれに対する、結合効率と、結合効率差とを座標にプロットしたものを図５Ａに示す。Ｎｏ．９の比較例１の光レセプタクルを用いた場合の光伝送体のずれに対する、結合効率と、結合効率差とを座標にプロットしたものを図５Ｂに示す。Ｎｏ．９の比較例１の光レセプタクルを用いた場合の屈折率の違いに対する、結合効率と、結合効率差とを座標にプロットしたものを図５Ｃに示す。
【0043】
【0044】
図４Ｂ、図４Ｃ、図５Ｂ、図５Ｃに示されるように、実施例１の光レセプタクルを使用した場合は、比較例１の光レセプタクルを使用した場合と比較して、光伝送体のＺ方向にずれた場合でも結合効率を維持できるとともに、屈折率の変化により結合効率の低下を抑制できる。
【0045】
（効果）
以上のように、本実施の形態の送電装置１００は、第１光束が光軸上の焦点位置に向けて集光され、第２光束線光が光軸に対して発光面端部である出射点とは反対側へ向かうように制御されるため、光レセプタクルおよび光伝送体がいずれの方向に位置ずれした場合であっても光結合効率が低下しにくい。
以上のように、本実施の形態の送電装置１００は、第１光束が光軸上の焦点位置に向けて集光され、第２光束線光が光軸に対して発光面端部である出射点とは反対側へ向かうように制御されるため、光レセプタクルおよび光伝送体がいずれの方向に位置ずれした場合であっても光結合効率が低下しにくい。
【0046】
［実施の形態２］
（送信装置の構成）
次に、実施の形態２の送信装置２００について説明する。本実施の形態の送信装置２００は、光レセプタクル１４０の構成のみが実施の形態１の送電装置１００と異なる。そこで、主として光レセプタクル１４０について説明し、同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。
（送信装置の構成）
次に、実施の形態２の送信装置２００について説明する。本実施の形態の送信装置２００は、光レセプタクル１４０の構成のみが実施の形態１の送電装置１００と異なる。そこで、主として光レセプタクル１４０について説明し、同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。
【0047】
図６は、実施の形態２の送電装置２００の構成を示す図である。
【0048】
図６に示されるように、本実施の形態の送電装置２００は光モジュール２１０と、お光り伝送体１２０とを有する。光モジュール２１０は、発光素子１３０と、光レセプタクル２４０とを有する。
【0049】
光レセプタクル２４０は、入射面１４１と、出射面１４２と、反射面２４３とを有する。
【0050】
反射面２４３は、入射面１４１で入射した光を出射面１４２に向けて反射させる。本実施の形態では、反射面２４３は、平面でもよいし、凸面でもよいし、平面でもよい。本実施の形態では、反射面２４３は、平面である。
【0051】
本実施の形態においても、発光素子１３０から出射され、光伝送体１２０の端面へ向かう光は、発光素子１３０の発光面の中心から出射される第１光線Ｌ１と、発光面の端部から出射される第２光線Ｌ２とを含む。また、第１光線Ｌ１のうち光軸に対して±１０°で出射される第１光束は、出射面１４２から出射された後に第１光束の中心光線上で集光される。さらに、光軸を含む平面において、第２光線Ｌ２のうち当該平面上における一方の発光面の端部である出射点Ａから光軸に対して±１０°で出射される第２光束は、出射面１４２から出射された後に第１光束の中心光線に対して出射点Ａが存在する側とは反対側へ位置するように制御される。
【産業上の利用可能性】
【0052】
本発明に係る光モジュールは、例えば、光伝送体を用いた光通信に有用である。
【符号の説明】
【0053】
１００、２００ 送信装置
１１０、２１０ 光モジュール
１２０ 光伝送体
１３０ 発光素子
１４０、２４０ 光レセプタクル
１４１ 入射面
１４２ 出射面
２４３ 反射面
１１０、２１０ 光モジュール
１２０ 光伝送体
１３０ 発光素子
１４０、２４０ 光レセプタクル
１４１ 入射面
１４２ 出射面
２４３ 反射面
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】