特許 7179659 光レセプタクルおよび光モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-18

(45)【発行日】2022-11-29

(54)【発明の名称】光レセプタクルおよび光モジュール

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/42 20060101AFI20221121BHJP

   H01S 5/022 20210101ALI20221121BHJP

   H01L 31/02 20060101ALI20221121BHJP

   H01L 31/0232 20140101ALI20221121BHJP

【ＦＩ】

G02B6/42

H01S5/022

H01L31/02 B

H01L31/02 D

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019056233

(22)【出願日】2019-03-25

(65)【公開番号】P2020160119

(43)【公開日】2020-10-01

【審査請求日】2022-02-14

(73)【特許権者】

【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】斉藤 悠生

【審査官】山本 元彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－２２４８５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０６１５８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３０７６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－００４２６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／００９７０３７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／２６－６／２７

Ｇ０２Ｂ ６／３０－６／３４

Ｇ０２Ｂ ６／４２－６／４３

Ｈ０１Ｓ ５／０２２

Ｈ０１Ｌ ３１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発光素子および前記発光素子から出射された光を監視するための受光素子を有する光電変換装置と、光伝送体との間に配置されたときに、前記発光素子と前記光伝送体の端面とを光学的に結合するための光レセプタクルであって、
前記発光素子から出射された光を入射させる第１光学面と、
前記第１光学面で入射した光を受光素子に向かうモニター光と前記光伝送体の端面に向かう信号光とに分離し、前記モニター光を前記受光素子に向けて集光させつつ透過させ、前記信号光を前記光伝送体の端面に向けて反射させる光分離部と、
前記光分離部で反射した前記信号光を前記光伝送体の端面に向けて出射させる第２光学面と、を有し、
前記光分離部は、
前記第１光学面で入射した光を前記受光素子に向けて集光させつつ透過させる複数の分割集光面と、
前記分割集光面と異なる領域に形成され、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複数の分割反射面と、を有し、
前記分割反射面は、前記第１光学面で入射した光の光軸に対する傾斜面であり、
前記分割集光面および前記分割反射面は、前記第１光学面で入射した光の光軸と、前記信号光の光軸とを含む前記光レセプタクルの中央仮想断面において、前記分割反射面の傾斜方向において交互に配置されており、
前記複数の分割集光面は、前記光分離部に到達する光の照射スポットの全体に存在するように配置されており、
前記複数の分割集光面は、各分割集光面から出射した光が１つの受光素子に入るように形成されている、
光レセプタクル。

【請求項2】

前記中央仮想断面および前記中央仮想断面に平行な他の仮想断面において、前記分割集光面の断面および前記分割反射面の断面の合計長さに対する前記分割集光面の断面の長さの比率は、前記中央仮想断面において最大であり、前記中央仮想断面から遠ざかるにつれて徐々に小さくなる、請求項１に記載の光レセプタクル。

【請求項3】

前記複数の分割集光面は、平面視したときに各分割集光面の外縁の一部が１つの円周上に位置するように構成されている、請求項１または請求項２に記載の光レセプタクル。

【請求項4】

前記複数の分割集光面は、入射光の光軸に対する角度がそれぞれ異なる、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の光レセプタクル。

【請求項5】

前記複数の分割集光面は、入射光の進行方向が前記傾斜方向に近づくように前記入射光をそれぞれ屈折させる、請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の光レセプタクル。

【請求項6】

前記光分離部は、入射光の光軸に対して平行であり、かつ前記分割集光面と前記分割反射面とを接続する複数の段差面をさらに有する、請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の光レセプタクル。

【請求項7】

前記第１光学面で入射した光を前記光分離部に向けて反射させる反射面をさらに有する、請求項１～請求項６のいずれか一項に記載の光レセプタクル。

【請求項8】

発光素子および前記発光素子から出射された光を監視するための受光素子を有する光電変換装置と、
請求項１～請求項７のいずれか一項に記載の光レセプタクルと、
を有する、光モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

光ファイバーを用いた光通信では、送信用の発光素子または受信用の受光素子を有する光モジュールが使用される。光モジュールは、発光素子または受光素子と光ファイバーの端面とを光学的に結合する光レセプタクルを有する。送信側の光モジュールでは、光レセプタクルは、発光素子から出射された通信情報を含む光（以下「信号光」という）を光ファイバーの端面に入射させる。一方、受信側の光モジュールでは、光レセプタクルは、光ファイバーの端面から出射された信号光を受光素子に導く。複数の発光素子または受光素子と複数の光ファイバーの端面とを一括して結合する光レセプタクルは、所定のピッチで配列された複数のレンズ面を有するため、レンズアレイと称されることもある。

【0003】

送信側の光モジュールとしては、発光素子に加えて、発光素子から出射された光の出力を監視するための受光素子を有するものがある。たとえば、特許文献１は、面発光レーザーから出射された出射光の一部を監視するモニター部（受光素子）を備える光通信モジュールを開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１２－１６３９０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

図１は、特許文献１に開示されている光通信モジュールの例を示す。特許文献１に開示されている光通信モジュールでは、面発光レーザー１０から出射され、第１レンズ部５０で光結合部材３２内に入射したレーザー光を反射部６２で光ファイバー２１に向かって反射させる。これにより、当該光通信モジュールでは、面発光レーザー１０と光ファイバー２１とを結合させている。

【0006】

また、特許文献１に開示されている光通信モジュールでは、面発光レーザー１０から出射され、第１レンズ部５０で光結合部材３２内に入射したレーザー光を透過面７１で透過させ、モニター部４０（受光素子）に入射させることで、その出力を監視している。

【0007】

ここで、特許文献１に開示されている光通信モジュールでは、面発光レーザー１０から出射されたレーザー光の内、光束の周辺部の出力（透過面７１を透過した光）しか監視することができず、面発光レーザー１０の光束の全体の出力を監視することはできない。したがって、特許文献１に開示されている光通信モジュールでは、面発光レーザー１０からの出力を適切に監視できないことがある。

【0008】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、発光素子から出射された光の全体を監視することで、発光素子からの出力をより適切に監視することができる光レセプタクルおよび光モジュールを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明に係る光レセプタクルは、発光素子および前記発光素子から出射された光を監視するための受光素子を有する光電変換装置と、光伝送体との間に配置されたときに、前記発光素子と前記光伝送体の端面とを光学的に結合するための光レセプタクルであって、前記発光素子から出射された光を入射させる第１光学面と、前記第１光学面で入射した光を受光素子に向かうモニター光と前記光伝送体の端面に向かう信号光とに分離し、前記モニター光を前記受光素子に向けて集光させつつ透過させ、前記信号光を前記光伝送体の端面に向けて反射させる光分離部と、前記光分離部で反射した前記信号光を前記光伝送体の端面に向けて出射させる第２光学面と、を有し、前記光分離部は、前記第１光学面で入射した光を前記受光素子に向けて集光させつつ透過させる複数の分割集光面と、前記分割集光面と異なる領域に形成され、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複数の分割反射面と、を有し、前記分割反射面は、前記第１光学面で入射した光の光軸に対する傾斜面であり、前記分割集光面および前記分割反射面は、前記第１光学面で入射した光の光軸と、前記信号光の光軸とを含む前記光レセプタクルの中央仮想断面において、前記分割反射面の傾斜方向において交互に配置されている。

【0010】

本発明に係る光モジュールは、発光素子および前記発光素子から出射された光を監視するための受光素子を有する光電変換装置と、本発明に係る光レセプタクルと、を有する。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、発光素子から出射された光の全体を監視することで、発光素子からの出力をより適切に監視することができる光レセプタクルおよび光モジュールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、従来の光通信モジュールを示す図である。

【図2】図２は、実施の形態１に係る光モジュールの断面図（光路図）である。

【図3】図３Ａ～Ｃ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4】図４は、光分離部の構成および光路を示す部分拡大図である。

【図5】図５は、実施の形態２に係る光モジュールの断面図（光路図）である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

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。

【0014】

［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（光路図）である。この図では、光レセプタクル３００内の光路を示すために光レセプタクル３００の断面へのハッチングを省略している。以下の説明では、光レセプタクル３００について、光伝送体４００側の面を「正面」とし、光電変換装置２００側の面を「底面」として説明する。

【0015】

図２に示されるように、光モジュール１００は、発光素子２２０を有する送信用の光電変換装置２００と、光電変換装置２００の上に配置された光レセプタクル３００を有する。使用時には、光レセプタクル３００の正面（図２において右側に位置する面）に、光伝送体４００が接続される。すなわち、光レセプタクル３００は、光電変換装置２００と光伝送体４００との間に配置される。光レセプタクル３００は、光電変換装置２００の発光素子２２０と、光伝送体４００の端面４１０とを光学的に結合する。

【0016】

送信用の光電変換装置２００は、基板２１０上に、発光素子２２０、および受光素子２３０を有する。

【0017】

発光素子２２０は、基板２１０上に配置されており、基板面に対して垂直方向に光Ｌを出射する。発光素子２２０は、例えば、垂直共振器面発光レーザー（Vertical Cavity Surface Emitting Laser；ＶＣＳＥＬ）である。

【0018】

受光素子２３０は、発光素子２２０の出力を監視するためのモニター光Ｌｍを受光する。本実施の形態では、受光素子２３０は、発光素子２２０よりも光伝送体４００から離れた位置に、発光素子２２０と一列になるように、基板２１０上に配置されている。受光素子２３０は、たとえば、フォトディテクタである。

【0019】

光レセプタクル３００は、第１光学面３１０（後述）と発光素子２２０とが対向し、かつ光分離部３４０（後述）と受光素子２３０とが対向するように基板２１０上に配置されている。光レセプタクル３００がこのように配置されることで、発光素子２２０と光伝送体４００の端面４１０とを光学的に結合し、光分離部３４０において分離されたモニター光Ｌｍが受光素子２３０に集光するようになり、発光素子２２０の出力が監視される。

【0020】

光レセプタクル３００には、発光素子２２０に対応する光伝送体４００が接続される。通常、光伝送体４００の端部にはフェルール（不図示）などが装着されており、このフェルールを光レセプタクル３００の正面側の凹部に挿入することで、光レセプタクル３００の第２光学面３５０と対向する位置に光伝送体４００の端面４１０が位置決めされる。

【0021】

光伝送体４００は、例えば、光導波路または光ファイバーである。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。

【0022】

（光モジュールの動作）
本実施の形態に係る光モジュール１００では、光電変換装置２００の発光素子２２０から出射された光Ｌは第１光学面３１０で光レセプタクル３００の内部に入射する。光レセプタクル３００の内部に入射した光Ｌは、第１反射面３２０（後述）および第２反射面３３０（後述）で順次反射されて光分離部３４０に到達する。光分離部３４０は、光Ｌをモニター光Ｌｍと信号光Ｌｓとに分離する。モニター光Ｌｍは、光分離部３４０で集光されつつ光電変換装置２００の受光素子２３０に向けて出射される。信号光Ｌｓは、第２光学面３５０から光伝送体４００の端面４１０に向けて出射される。

【0023】

（光レセプタクルの構成）
本実施の形態の光モジュール１００は、光レセプタクル３００の構成に主たる特徴を有する。そこで、光レセプタクル３００については、以下に改めて詳細に説明する。

【0024】

図３Ａ～Ｃは、光レセプタクル３００の構成を示す図である。図３Ａは、光レセプタクル３００の左側面図であり、図３Ｂは、光レセプタクル３００の底面図であり、図３Ｃは、図３ＢにおいてＣ－Ｃ線で示す光レセプタクル３００の断面図である。なお、図３Ｃでは、ハッチングを省略している。

【0025】

図３Ａ～Ｃに示されるように、光レセプタクル３００は、略直方体形状の部材である。光レセプタクル３００は、光通信に用いられる波長の光に対して光透過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や環状オレフィン樹脂などの透明樹脂が含まれる。光レセプタクル３００は、例えば射出成形により一体として製造されうる。

【0026】

本実施の形態に係る光レセプタクル３００は、第１光学面３１０と、第２光学面３５０と、第１反射面３２０と、第２反射面３３０と、光分離部３４０とを有する。

【0027】

第１光学面３１０は、発光素子２２０に対向するように配置されており、発光素子２２０から出射された光を光レセプタクル３００の内部に入射させる。本実施の形態では、第１光学面３１０は、光レセプタクル３００の底面側に配置されており、発光素子２２０に向かって凸状の凸レンズ面である。また、本実施の形態では、第１光学面３１０は、発光素子２２０から出射された光をコリメート光に変換させる。なお、本実施の形態では第１光学面３１０は凸状のレンズ面であるが、第１光学面３１０の形状は特に限定されず、平面であってもよい。

【0028】

第１光学面３１０の数は、特に限定されず、１個であってもよく、複数個であってもよい。本実施の形態では、第１光学面３１０の数は１個である。なお、複数の発光素子２２０が一列に配置されている場合には、発光素子２２０と同じ数の第１光学面３１０が一列に配置されていてもよい。さらに、発光素子２２０が２列以上に配列されている場合には、第１光学面３１０も同じ列数で配列されてもよい。

【0029】

第２光学面３５０は、光伝送体４００の端面４１０に対向するように配置されており、発光素子２２０から出射され、光レセプタクル３００の内部を通る信号光Ｌｓを光伝送体４００に向けて出射させる。本実施の形態では、第２光学面３５０は、光レセプタクル３００の正面側に配置されており、光伝送体４００に向かって凸状の凸レンズ面である。

【0030】

第２光学面３５０の数は、特に限定されず、１個であってもよく、複数個であってもよい。本実施の形態では、第２光学面３５０の数は１個である。なお、複数の光伝送体４００が一列に配置されている場合には、光伝送体４００と同じ数の第２光学面３５０が一列に配置されていてもよい。さらに、光伝送体４００が２列以上に配列されている場合には、第２光学面３５０も同じ列数で配列されてもよい。

【0031】

第１反射面３２０は、第１光学面３１０で入射した光Ｌを第２反射面３３０に向けて反射させる。本実施の形態では、第１反射面３２０は、光レセプタクル３００の天面側の配置された凹部内に形成されている。

【0032】

第２反射面３３０は、第１反射面３２０で反射した光を光分離部３４０に向けて反射させる。本実施の形態では、第２反射面３３０は、光レセプタクル３００の天面側に配置された凹部内に形成されている。

【0033】

図４は、光分離部３４０の構成および光路を示す部分拡大断面図である。図４でも、ハッチングを省略している。以下、図４を用いて光分離部３４０について詳細に説明する。

【0034】

光分離部３４０は、入射した光Ｌを受光素子２３０に集光させる複数の分割集光面３４１と、入射した光Ｌを光伝送体４００の端面４１０に向かって反射させる複数の分割反射面３４２とを有する。

【0035】

また、本実施の形態では、光分離部３４０は、分割集光面３４１と、分割反射面３４２とをそれぞれ接続する複数の段差面３４３を有する。

【0036】

複数の分割集光面３４１は、それぞれ、第１光学面３１０で入射した光Ｌを受光素子２３０に向けて集光させつつ透過させる。複数の分割集光面３４１は、光分離部３４０に到達する光の到達領域（照射スポット）の全体に偏りなく存在するように配置されている。
図４に示されているように、本実施の形態において、複数の分割集光面３４１は、入射した光Ｌに対する傾斜角度がそれぞれ異なる。具体的には、本実施の形態では、正面側（第２光学面３５０側）に近いほど、分割集光面３４１に対する入射した光Ｌの入射角が小さくなるように、複数の分割集光面３４１の傾斜角度が調整されている。これにより、複数の分割集光面３４１に入射した光Ｌが、分割反射面３４２の傾斜面に近づく方向に屈折され、受光素子２３０に集光される。また、複数の分割集光面３４１の傾斜角度をこのように調整することで、分割集光面３４１を有する光レセプタクル３００を射出成形しやすくすることができる。

【0037】

複数の分割反射面３４２は、それぞれ、分割集光面３４１と異なる領域に形成され、第１光学面３１０で入射した光Ｌを第２光学面３５０に向けて反射させる。複数の分割反射面３４２も、光分離部３４０に到達する光の到達領域（照射スポット）の全体に偏りなく存在するように配置されている。複数の分割反射面３４２は、それぞれ入射した光Ｌの光軸に対する傾斜面である。複数の分割反射面３４２は、それぞれ光レセプタクル３００の天面から底面に向かうにつれて正面に近づくように傾斜している。本実施の形態では、複数の分割反射面３４２の傾斜角は、いずれも第２反射面３３０で反射した光の光軸に対して４５°である。また、本実施の形態において、分割反射面３４２は、一つの仮想平面上に所定の間隔で配置されている。

【0038】

複数の段差面３４３は、それぞれ、入射した光Ｌの光軸に対する平行面であり、かつ分割集光面３４１と分割反射面３４２とを接続する。本実施の形態では、段差面３４３は、第２反射面３３０で反射した光の光軸に対する平行面である。

【0039】

なお、図４に示されるように、分割集光面３４１および分割反射面３４２は、第１光学面３１０で入射した光Ｌの光軸と、前記信号光Ｌｓの光軸とを含む光レセプタクル３００の中央仮想断面において、分割反射面３４２の傾斜方向において交互に配置されている。

【0040】

上記の中央仮想断面およびこれに平行な他の仮想断面において、分割集光面３４１の断面および分割反射面３４２の断面の合計長さに対する分割集光面３４１の断面の長さの比率は、上記の中央仮想断面において最大となり、中央仮想断面から遠ざかるにつれて徐々に小さくなってもよい。たとえば、図４において紙面の奥または手前の方向の断面において、分割集光面３４１の比率が小さくなるようになってもよい。すなわち、複数の分割集光面３４１は、円形の凸レンズ面を帯状に分割した形状であってもよい。この場合、平面視（底面視）したときに、各分割集光面３４１の外縁の一部は、１つの円周（凸レンズ面の外周に相当）上に位置することになる。

【0041】

また、分割集光面３４１の断面および分割反射面３４２の断面の合計長さに対する分割集光面３４１の断面の長さの比率は、上記の中央仮想断面から遠ざかっても同じであってもよい。すなわち、複数の分割集光面３４１は、シリンドリカルレンズ面を帯状に分割した形状であってもよい。なお、ここで、上記の仮想断面から遠ざかる方向は、例えば、仮想断面に垂直な方向である。

【0042】

（光レセプタクルの動作）
本実施の形態に係る光レセプタクル３００では、光分離部３４０の複数の分割集光面３４１は、第１光学面３１０で入射した光Ｌを受光素子２３０に向けて集光させつつ透過させる。一方、光分離部３４０の複数の分割反射面３４２は、第１光学面３１０で入射した光Ｌを光伝送体４００の端面４１０に向かって反射させる。

【0043】

（効果）
本実施の形態に係る光レセプタクル３００は、発光素子２２０から出射され、光レセプタクル３００に入射した光Ｌについて、偏った一部からではなく、全体からモニター光Ｌｍを分離することができる。したがって、光レセプタクル３００は、発光素子２２０から出射される光Ｌをより適切に監視することができる。

【0044】

また、光レセプタクル３００では、光分離部３４０における複数の分割集光面３４１の傾斜角度をそれぞれ別個に調整することで、光電変換装置２００における任意の位置にモニター光Ｌｍを集光させることができる。たとえば、複数の分割集光面３４１は、分割集光面３４１の直下に配置された受光素子２３０に集光させることもできるし、直下ではない位置に配置された受光素子２３０に集光させることもできる。これにより、光レセプタクル３００では、光電変換装置２００における発光素子２２０および受光素子２３０の位置にあわせてモニター光Ｌｍを集光させることができ、光電変換装置２００の設計の自由度を高めることができる。

【0045】

［実施の形態２]
以下、本発明の実施の形態２について、図５を参照しつつ、実施の形態１との相違点を中心に説明する。なお、実施の形態２において、実施の形態１と同じ構成については同一の符号を付してその説明を省略する。

【0046】

（光モジュールの構成および動作）
実施の形態２に係る光モジュール１００は、光電変換装置２０１において、受光素子２３０が発光素子２２０よりも正面側（光伝送体４００側）に配置されている点で、実施の形態１に係る光モジュール１００と異なる。

【0047】

また、実施の形態２に係る光モジュール１００では、上記の発光素子２２０および受光素子２３０の配置に合わせて、光レセプタクル３０１内の第１反射面３２０、第２反射面３３０および光分離部３４０の配置が変わっている点でも、実施の形態１に係る光モジュール１００と異なる。

【0048】

実施の形態２に係る光モジュール１００でも、発光素子２２０から出射され、第１光学面３１０で入射した光Ｌは、第１反射面３２０および第２反射面３３０で順次反射されて、光分離部３４０に到達する。光分離部３４０は、第２反射面３３０からの光を、モニター光Ｌｍと信号光Ｌｓとに分離し、モニター光Ｌｍを受光素子２３０に向かって集光させ、信号光Ｌｓを光伝送体４００の端面４１０に向かって反射させる。

【0049】

（効果）
実施の形態２に係る光レセプタクル３０１は、実施の形態１に係る光レセプタクル３００と同様の効果を奏する。

【産業上の利用可能性】

【0050】

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。

【符号の説明】

【0051】

１０ 面発光レーザー
２１ 光ファイバー
３２ 光結合部材
４０ モニター部
５０ 第１レンズ部
６２ 反射部
７１ 透過面
１００ 光モジュール
２００、２０１ 光電変換装置
２１０ 基板
２２０ 発光素子
２３０ 受光素子
３００、３０１ 光レセプタクル
３１０ 第１光学面
３２０ 第１反射面
３３０ 第２反射面
３４０ 光分離部
３４１ 分割集光面
３４２ 分割反射面
３４３ 段差面
３５０ 第２光学面
４００ 光伝送体
４１０ 光伝送体の端面
Ｌ 入射した光
Ｌｍ モニター光
Ｌｓ 信号光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】