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発明の名称 光送信モジュール、光受信モジュール及び光送受信システム
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−3622(P2007−3622A)
公開日 平成19年1月11日(2007.1.11)
出願番号 特願2005−180989(P2005−180989)
出願日 平成17年6月21日(2005.6.21)
代理人 【識別番号】100090446
【弁理士】
【氏名又は名称】中島 司朗
発明者 西川 透
要約 課題
光結合デバイスと発光素子との間の実装誤差の許容範囲が広い光送信モジュールを提供する。

解決手段
発光素子103と、マルチモード光ファイバ105と、発光素子103からの光をマルチモード光ファイバ105に導く、クラッド部材108で被覆されたコア部材107とを備え、コア部材107は、光路方向に見たときの発光素子側の端面107bがマルチモード光ファイバのコア109の端面よりも広い。
特許請求の範囲
【請求項1】
発光素子と、
マルチモード光ファイバと、
前記発光素子からの光を前記マルチモード光ファイバに導く、クラッド部材で被覆されたコア部材とを備え、
前記コア部材は、光路方向に見たときの発光素子側の端面が前記マルチモード光ファイバのコア端面よりも広いこと
を特徴とする光送信モジュール。
【請求項2】
前記コア部材は、前記マルチモード光ファイバに向かって太さが連続的に縮小する部分を有するとともに、前記マルチモード光ファイバに向かって太さが拡大する部分がないこと
を特徴とする請求項1に記載の光送信モジュール。
【請求項3】
前記コア部材は、発光素子側の端面から前記マルチモード光ファイバに向かって所定の距離だけ太さが一定の部分を有すること
を特徴とする請求項2に記載の光送信モジュール。
【請求項4】
前記コア部材における発光素子側の端面は、前記発光素子の発光面に対して略45度傾斜しており、
発光素子の発光面から発された光がコア部材の発光素子側の端面で反射してマルチモード光ファイバ側の端面に向かうような関係位置に、発光素子とコア部材とが配されていること
を特徴とする請求項1に記載の光送信モジュール。
【請求項5】
前記コア部材の発光素子側の端面は空気に触れていること
を特徴とする請求項4に記載の光送信モジュール。
【請求項6】
前記コア部材の発光素子側の端面に光反射部材が配設されていること
を特徴とする請求項4に記載の光送信モジュール。
【請求項7】
前記発光素子と前記コア部材とは、前記コア部材における前記発光素子側の端面と前記発光素子との光学距離が500μm以内に配されており、
前記コア部材は、光路方向に見たときの発光素子側の端面の径が100μm乃至120μmであること
を特徴とする請求項1に記載の光送信モジュール。
【請求項8】
前記コア部材は、さらに、光路方向に見たときのマルチモード光ファイバ側の端面が前記マルチモード光ファイバのコア端面よりも狭いこと
を特徴とする請求項1に記載の光送信モジュール。
【請求項9】
前記コア部材は、マルチモード光ファイバ側の端面の径が、マルチモード光ファイバのコア径の60%乃至80%であること
を特徴とする請求項8に記載の光送信モジュール。
【請求項10】
2個以上の発光素子と、
当該発光素子と同数のマルチモード光ファイバと、
各発光素子からの光を各発光素子に対応するマルチモード光ファイバに導く、クラッド部材で被覆された、前記発光素子と同数のコア部材とを備え、
前記コア部材は、それぞれ、光路方向に見たときの発光素子側の端面が前記マルチモード光ファイバのコア端面よりも広く、
全てのコア部材が所定ピッチで一体成形されており、
全ての発光素子が前記所定ピッチで同一チップに形成されていること
を特徴とする光送信モジュール。
【請求項11】
受光素子と、
マルチモード光ファイバと、
前記マルチモード光ファイバからの光を前記受光素子に導く、クラッド部材で被覆されたコア部材とを備え、
前記コア部材は、光路方向に見たときの受光素子側の端面が前記マルチモード光ファイバのコア端面よりも狭いこと
を特徴とする光受信モジュール。
【請求項12】
前記コア部材は、前記受光素子に向かって太さが連続的に縮小する部分を有するとともに、前記受光素子に向かって太さが拡大する部分がないこと
を特徴とする請求項11に記載の光送信モジュール。
【請求項13】
前記コア部材は、マルチモード光ファイバ側の端面から前記受光素子に向かって所定の距離だけ太さが一定の部分を有すること
を特徴とする請求項12に記載の光送信モジュール。
【請求項14】
前記コア部材における受光素子側の端面は、前記受光素子の受光面に対して略45度傾斜しており、
マルチモード光ファイバから入射された光がコア部材の受光素子側の端面で反射して受光素子の受光面に向かうような関係位置に、受光素子とコア部材とが配されていること
を特徴とする請求項11に記載の光受信モジュール。
【請求項15】
前記コア部材の受光素子側の端面は空気に触れていること
を特徴とする請求項14に記載の光受信モジュール。
【請求項16】
前記コア部材における受光素子側の端面に光反射部材が配設されていること
を特徴とする請求項14に記載の光送信モジュール。
【請求項17】
前記受光素子と前記コア部材とは、前記コア部材における前記受光素子側の端面と前記受光素子との光学距離が500μm以内に配されており、
前記コア部材は、光路方向に見たときの受光素子側の端面の径が40μm乃至60μmであること
を特徴とする請求項11に記載の光受信モジュール。
【請求項18】
前記コア部材は、さらに、光路方向に見たときのマルチモード光ファイバ側の端面が前記マルチモード光ファイバのコア端面よりも広いこと
を特徴とする請求項11に記載の光受信モジュール。
【請求項19】
前記コア部材は、マルチモード光ファイバ側の端面の径が、マルチモード光ファイバのコア径の120%乃至140%であること
を特徴とする請求項18に記載の光受信モジュール。
【請求項20】
2個以上の受光素子と、
当該受光素子と同数のマルチモード光ファイバと、
各マルチモード光ファイバからの光を各マルチモード光ファイバに対応する受光素子に導く、クラッド部材で被覆された、前記受光素子と同数のコア部材とを備え、
前記コア部材は、それぞれ、光路方向に見たときの受光素子側の端面が前記マルチモード光ファイバのコア端面よりも狭く、
全てのコア部材が所定ピッチで一体成形されており、
全ての発光素子が前記所定ピッチで同一チップに形成されていること
を特徴とする光受信モジュール。
【請求項21】
光送信モジュールと光受信モジュールとがマルチモード光ファイバで光結合された光送受信システムであって、
前記光送信モジュールは、
発光素子と、
前記発光素子からの光を前記マルチモード光ファイバの一端に導く、クラッド部材で被覆された第1のコア部材とを備え、
前記光受信モジュールは、
受光素子と、
前記マルチモード光ファイバの他端からの光を前記受光素子に導く、クラッド部材で被覆された第2のコア部材とを備え、
前記第1のコア部材は、光路方向に見たときの発光素子側の端面が前記マルチモード光ファイバのコア端面よりも広く、
前記第2のコア部材は、光路方向に見たときの受光素子側の端面が前記マルチモード光ファイバのコア端面よりも狭いこと
を特徴とする光送受信システム。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、光信号通信を実現する光送信モジュール、光受信モジュール及び光送受信システムに関し、特に、光結合効率を犠牲にすることなく従来よりも製造コストを低減させる技術に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、PC内部、PC−ディスプレイ間、AV機器−ディスプレイ間、AV機器間などにおいて、高速信号伝送技術の需要が急速に高まっている。このような近距離間の信号伝送には、一般には電気信号が用いられている。しかし、電気信号は電磁輻射等の問題から5Gbps程度の伝送速度において高速化への障壁があると言われている。そこで、電気信号の代わりに光信号を用いる高速信号伝送技術が大きな注目を集めている。
【0003】
光送受信システムでは、信号強度の損失を抑えるため、発光素子−マルチモード光ファイバ間、マルチモード光ファイバ−受光素子間における光結合効率を向上させる必要がある。そのための手段として、実装精度の向上により光軸ずれや配置ずれを抑制する技術がある。
例えば、特許文献1は、発光素子の基板主面と、マルチモード光ファイバが固定された光結合デバイスとに予め凹部と凸部とを高精度に形成しておき、当該凹部と凸部とを嵌め込むことで発光素子と光結合デバイスとの位置合わせが高精度に行われた光送信モジュールを開示している。こうすることで、発光素子と光結合デバイスとの間の実装精度が向上し、その結果、光結合効率を向上させることができる。
【特許文献1】特開平10−223985号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
光送受信システムをPCやAV機器のような民生機器に利用するには、光送信モジュールの低コスト化を図ることが重要である。
しかしながら、特許文献1では、発光素子と光結合デバイスとの位置合わせのために凹部及び凸部の形成に高い精度が必要であり、その分だけ製造コストが高くつく。また、光送信モジュールだけでなく、光受信モジュールについても、受光素子と光結合デバイスとの位置合わせについて同様の課題がある。
【0005】
本発明は、光結合効率を犠牲にすることなく、従来よりも低コストで製造可能な光送信モジュールを提供することを第1の目的とする。
本発明は、光結合効率を犠牲にすることなく、従来よりも低コストで製造可能な光受光モジュールを提供することを第2の目的とする。
本発明は、従来よりも低コストで製造可能な光送受信システムを提供することを第3の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
第1の目的を達成するために、本発明に係る光送信モジュールは、発光素子と、マルチモード光ファイバと、前記発光素子からの光を前記マルチモード光ファイバに導く、クラッド部材で被覆されたコア部材とを備え、前記コア部材は、光路方向に見たときの発光素子側の端面が前記マルチモード光ファイバのコア端面よりも広い。
第2の目的を達成するために、本発明に係る光受信モジュールは、受光素子と、マルチモード光ファイバと、前記マルチモード光ファイバからの光を前記受光素子に導く、クラッド部材で被覆されたコア部材とを備え、前記コア部材は、光路方向に見たときの受光素子側の端面が前記マルチモード光ファイバのコア端面よりも狭い。
【0007】
第3の目的を達成するために、本発明に係る光送受信システムは、光送信モジュールと光受信モジュールとがマルチモード光ファイバで光結合された光送受信システムであって、前記光送信モジュールは、発光素子と、前記発光素子からの光を前記マルチモード光ファイバの一端に導く、クラッド部材で被覆された第1のコア部材とを備え、前記光受信モジュールは、受光素子と、前記マルチモード光ファイバの他端からの光を前記受光素子に導く、クラッド部材で被覆された第2のコア部材とを備え、前記第1のコア部材は、光路方向に見たときの発光素子側の端面が前記マルチモード光ファイバのコア端面よりも広く、前記第2のコア部材は、光路方向に見たときの受光素子側の端面が前記マルチモード光ファイバのコア端面よりも狭い。
【発明の効果】
【0008】
課題を解決するための手段に記載された構成によれば、発光素子側の端面が広げられているので、発光素子とコア部材との光結合効率を犠牲にせずに、これらの間の実装誤差の許容範囲を従来よりも広げることができる。一般に、実装誤差の許容範囲が広ければ、製造コストが低減する。したがって、光送信モジュールを従来よりも低コストで製造することができる。なお、コア部材は、光結合デバイスの構成の一部である。
【0009】
また、課題を解決するための手段に記載された構成によれば、受光素子側の端面が狭められているので、受光素子とコア部材との光結合効率を犠牲にせずに、これらの間の実装誤差の許容範囲を従来よりも広げることができる。一般に、実装誤差の許容範囲が広ければ、製造コストが低減する。したがって、光受信モジュールを従来よりも低コストで製造することができる。
【0010】
また、課題を解決するための手段に記載された構成によれば、光送受信システムは、上述した光送信モジュールと光受信モジュールとからなる。したがって、上記と同様に、光送受信システムを、従来よりも低コストで製造することができる。
また、前記コア部材は、前記マルチモード光ファイバに向かって太さが連続的に縮小する部分を有するとともに、前記マルチモード光ファイバに向かって太さが拡大する部分がないこととしてもよい。
【0011】
上記のように太さを連続的に縮小させることで、階段状に縮小させるよりもコア部材中での信号強度の損失を減らすことができる。
また、前記コア部材は、発光素子側の端面から前記マルチモード光ファイバに向かって所定の距離だけ太さが一定の部分を有することとしてもよい。
上記のように所定の距離だけ太さを一定とすることで、コア部材全体をテーパ状にするよりもコア部材中での信号強度の損失を減らすことができる。
【0012】
また、前記コア部材における発光素子側の端面は、前記発光素子の発光面に対して略45度傾斜しており、発光素子の発光面から発された光がコア部材の発光素子側の端面で反射してマルチモード光ファイバ側の端面に向かうような関係位置に、発光素子とコア部材とが配されていることとしてもよい。
上記構成によれば、コア部材の発光素子側の端面にコア軸の直交方向から光が入射されたとしても、入射光をコア軸方向へと略90度曲げることができる。したがって、基板垂直方向に光を発するように発光素子を配置したとしても基板平行方向に光を取り出せるので、マルチモード光ファイバの取り回しを容易にすることができる。
【0013】
また、前記コア部材の発光素子側の端面は空気に触れていることとしてもよい。
上記構成によれば、端面における屈折率の比が大きいので、反射率を高めることができる。
また、前記コア部材の発光素子側の端面に光反射部材が配設されていることとしてもよい。
【0014】
上記構成によれば、条件によっては端面における反射率をさらに高めることができる。
また、前記発光素子と前記コア部材とは、前記コア部材における前記発光素子側の端面と前記発光素子との光学距離が500μm以内に配されており、前記コア部材は、光路方向に見たときの発光素子側の端面の径が100μm乃至120μmであることとしてもよい。
【0015】
上記構成によれば、発光素子に一般的な面発光レーザを採用したとき、面発光レーザとマルチモード光ファイバとの光結合効率として−5dB以上を確保し、かつ、面発光レーザとコア部材との実装誤差の許容範囲として50μm以上を確保することができる。実装誤差の許容範囲として50μm以上という条件を満たすことができれば、外形認識による実装が可能となる。
【0016】
また、前記コア部材は、さらに、光路方向に見たときのマルチモード光ファイバ側の端面が前記マルチモード光ファイバのコア端面よりも狭いこととしてもよい。
上記構成によれば、発光素子とコア部材との間だけでなく、マルチモード光ファイバとコア部材との間の実装誤差の許容範囲も広げることができる。したがって、光送信モジュールを、さらに低コストで製造することができる。
【0017】
また、前記コア部材は、マルチモード光ファイバ側の端面の径が、マルチモード光ファイバのコア径の60%乃至80%であることとしてもよい。
上記構成によれば、コア部材とマルチモード光ファイバとの配置ずれによる損失を無視できるレベルまで抑制させることができる。
また、2個以上の発光素子と、当該発光素子と同数のマルチモード光ファイバと、各発光素子からの光を各発光素子に対応するマルチモード光ファイバに導く、クラッド部材で被覆された、前記発光素子と同数のコア部材とを備え、前記コア部材は、それぞれ、光路方向に見たときの発光素子側の端面が前記マルチモード光ファイバのコア端面よりも広く、全てのコア部材が所定ピッチで一体成形されており、全ての発光素子が前記所定ピッチで同一チップに形成されていることとしてもよい。
【0018】
上記構成によれば、上記と同様の効果に加えて、コア部材と発光素子とのセットを複数セット一括して実装することができるので実装コストをより低減することができる効果を奏することができる。
また、前記コア部材における受光素子側の端面は、前記受光素子の受光面に対して略45度傾斜しており、マルチモード光ファイバから入射された光がコア部材の受光素子側の端面で反射して受光素子の受光面に向かうような関係位置に、受光素子とコア部材とが配されていることとしてもよい。
【0019】
上記構成によれば、コア部材を伝播した光を、コア部材の受光素子側の端面でコア軸垂直方向へと略90度曲げることができる。したがって、基板平行方向に伝播した光を、基板垂直方向に向いた受光面で受光することができるので、マルチモード光ファイバの取り回しを容易にすることができる。
また、前記コア部材の受光素子側の端面は空気に触れていることとしてもよい。
【0020】
上記構成によれば、端面における屈折率の比が大きいので、反射率を高めることができる。
また、前記コア部材における受光素子側の端面に光反射部材が配設されていることとしてもよい。
上記構成によれば、条件によっては端面における反射率をさらに高めることができる。
【0021】
また、前記受光素子と前記コア部材とは、前記コア部材における前記受光素子側の端面と前記受光素子との光学距離が500μm以内に配されており、前記コア部材は、光路方向に見たときの受光素子側の端面の径が40μm乃至60μmであることとしてもよい。
上記構成によれば、受光素子とマルチモード光ファイバとの光結合効率として−5dB以上を確保し、かつ、受光素子とコア部材との実装誤差の許容範囲として50μm以上を確保することができる。
【0022】
また、前記コア部材は、さらに、光路方向に見たときのマルチモード光ファイバ側の端面が前記マルチモード光ファイバのコア端面よりも広いこととしてもよい。
上記構成によれば、受光素子とコア部材との間だけでなく、マルチモード光ファイバとコア部材との間の実装誤差の許容範囲も広げることができる。したがって、光受信モジュールを、さらに低コストで製造することができる。
【0023】
また、前記コア部材は、マルチモード光ファイバ側の端面の径が、マルチモード光ファイバのコア径の120%乃至140%であることとしてもよい。
上記構成によれば、コア部材とマルチモード光ファイバとの配置ずれによる損失を無視できるレベルまで抑制させることができる。
また、2個以上の受光素子と、当該受光素子と同数のマルチモード光ファイバと、各マルチモード光ファイバからの光を各マルチモード光ファイバに対応する受光素子に導く、クラッド部材で被覆された、前記受光素子と同数のコア部材とを備え、前記コア部材は、それぞれ、光路方向に見たときの受光素子側の端面が前記マルチモード光ファイバのコア端面よりも狭く、全てのコア部材が所定ピッチで一体成形されており、全ての発光素子が前記所定ピッチで同一チップに形成されていることとしてもよい。
【0024】
上記構成によれば、上記と同様の効果に加えて、コア部材と受光素子とのセットを複数セット一括して実装することができるので実装コストをより低減することができる効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る光送信モジュールの光軸断面図である。
図2は、実施の形態1に係る光送信モジュールの上面図である。
光送信モジュール101は、電気回路基板102、発光素子103、光結合デバイス104、マルチモード光ファイバ105及び屈折率整合ゲル106を備える。
【0026】
発光素子103は、一般的な面発光レーザであり、基板垂直方向に光を発するように電気回路基板102上に配置されている。
光結合デバイス104は、2本のコア部材107及びクラッド部材108からなる。コア部材107は、発光素子103とマルチモード光ファイバ105との光路間に配されている。クラッド部材108は、2本のコア部材107を被覆している。コア部材107及びクラッド部材108の材料としては、マルチモード光ファイバのコア及びクラッドに用いられている一般的な材料が利用可能である。なお、コア部材107における発光素子側の端面107bは、発光素子103の発光面103aに対して略45度傾斜している。この構成により、発光素子103からの光は、端面107bにおいてコア軸107aの方向に略90度曲がり、コア部材107内部を伝播する。
【0027】
マルチモード光ファイバ105は、コア109とクラッド110からなる一般的なマルチモードファイバであり、そのコア軸とコア部材107のコア軸107aとが一致する関係位置に固定されている。
屈折率整合ゲル106は、光学距離短縮及び反射防止のために発光素子103と光結合デバイス104との光路間に配されている。
【0028】
本発明は、コア部材107に主な特徴があるので、以下、コア部材107について詳細に説明する。
(1)コア部材107は、光路方向に見たときに発光素子側の端面107bがマルチモード光ファイバ105のコア端面よりも広いことを特徴とする。この構成により、発光素子103とコア部材107と間における実装誤差の許容範囲を従来よりも広げることができる。
(2)コア部材107は、光路方向に見たときにマルチモード光ファイバ側の端面107cがマルチモード光ファイバ105のコア端面よりも狭いことを特徴とする。この構成により、コア部材107とマルチモード光ファイバ105との間における実装誤差の許容範囲を広げることができる。
(3)コア部材107は、発光素子側の端面107bからマルチモード光ファイバ側の端面107cまで、コア軸107aに沿って、第1の区間107d、テーパ区間107e、第2の区間107fからなる。
【0029】
第1の区間107dは、そのコア径が発光素子側の端面107bにおけるコア径に維持されている。テーパ区間107eは、マルチモード光ファイバに向かってコア径が連続的に漸減する。第2の区間107fは、そのコア径がマルチモード光ファイバ側の端面107cにおけるコア径に維持されている。テーパ区間107eのように、コア部材107の太さを連続的に縮小させることで、階段状に縮小させるよりもコア部材107における信号強度の損失を減らすことができる。また、第1の区間107d及び第2の区間107fのように所定距離だけ太さが一定の区間を設けることで、コア部材107全体をテーパ状にするよりもコア部材107における信号強度の損失を減らすことができる。
(4)発光素子側の端面107bの径については、具体的には、コア軸107aと発光素子の発光面103aとの光学距離が500μm以内になるように発光素子103とコア部材107とが配されている仕様の場合、コア軸方向に見たとき、100μm乃至120μmとなるように調整されている。
【0030】
下限の100μmは、以下の2つの条件を満たすために必要である。
第1の条件:発光素子103とマルチモード光ファイバ105との間の光結合効率(実装配置ずれによる損失も含む)として、−5dB以上を確保する。
第2の条件:発光素子103とコア部材107との実装誤差の許容範囲(実装トレランス)として、50μm以上を確保する。
【0031】
特に、第2の条件は、光結合デバイス104の実装を外形認識によって行うために必要不可欠である。
図3は、3種類のコア径毎に光結合効率と実装誤差の許容範囲との関係を表した図である。
なお、発光素子103からの光の放射角は、マルチモードタイプの面発光レーザの典型値である17度以下を想定している。図3によれば、光結合効率−5dB及び実装誤差の許容範囲50μmを確保するためには、コア径を100μm以上にする必要性があることが分かる。
【0032】
また、上限の120μmは、光結合デバイス104のコスト面において定まる。すなわち、コア部材107の径は大きいほど成形加工が困難であるため、製造コストが増大する。したがって、低コスト化のためには、コア部材107の径が小さいほど望ましい。そうすると、120μm程度にするのが妥当である。
(5)マルチモード光ファイバ側の端面107cの径については、具体的には、マルチモード光ファイバ105のコア径の60%乃至80%となるように調整されている。マルチモード光ファイバ105は、一般的なマルチモードファイバの場合、コア径が50μmであり、コアの偏芯が2μm程度である。光結合デバイス104とマルチモード光ファイバ105との間の実装精度は、図4に示すような光学ベンチ111を使用すれば、容易に数μm程度まで高精度化が可能である。仮に、最悪の実装精度を10μmと想定すれば、コア部材107とマルチモード光ファイバ105のコア109との配置ずれによる損失を無視できるレベルまで抑制させるためには、コア部材107のマルチモード光ファイバ側の端面107cにおける径がマルチモード光ファイバ105のコア109の径の60%乃至80%にするのが望ましい。
【0033】
光学ベンチ111は、図4に示すように、マルチモード光ファイバ位置決め溝112と光結合デバイス位置決め溝113を有する。これらの溝の精度は、光学ベンチ111をシリコン基板に異方性エッチングを施して作製したり、プラスチック材を精密金型により成形したりすることで、10μm程度を確保することができる。
マルチモード光ファイバ105として石英系の直径125μmのGI(Grated Index)型マルチモード品であれば、現状の汎用技術で、コア径110μm弱程度までは、品質劣化させることなく大量生産することができる。100μmのコア径を有するGI型マルチモードファイバを使用することとすると、コア部材107のマルチモード光ファイバ側の端面107cを60μm乃至80μmにすれば、十分な実装トレランスを確保しつつ、損失を無視できる程度に小さくすることができる。
(6)コア部材107の両端における径の差は、できるだけ小さいほうが望ましい。テーパ区間107eの径の漸減の度合は、光の放射による光信号の損失及びチャンネル間のクロストークを考慮して定められる。径の差を小さくするほどテーパ区間107eが短くなるので、光結合デバイス104の小型化及び低コスト化に貢献できる。
【0034】
なお、上記光結合デバイス104は、金型成形等の公知技術により製造することができる。
図1及び図2には本発明の特徴を明らかにするために光学部品のみを表しているが、実際の光送信モジュール101には図5及び図6に示すように電子部品も備えている。
図5は、実施の形態1に係る光送信モジュールの側面図である。
【0035】
図6は、実施の形態1に係る光送信モジュールの上面図である。
光結合デバイス104は、光学ベンチ111により電気回路基板102に固定される。電気回路基板102の主面には、発光駆動素子114がマウントされている。発光駆動素子114は、電気配線115を介して電気信号を受け取り、当該電気信号を変調し、当該変調信号を、電気配線116を介して発光素子103に供給する。電気配線116と発光素子103の電極とはワイヤ117でボンディングされている。
【0036】
次に、光送信モジュール101の製造方法について説明する。
ステップS1:電気回路基板102に、発光駆動素子114その他の電気部品を実装する。電気部品の実装精度は、線路間ショートが発生しない程度に設計されている。
ステップS2:電気回路基板102の発光素子実装位置に発光素子103を実装し、ワイヤリングを行う。発光素子103の実装精度は、特に指定しない。
【0037】
ステップS3:光結合デバイス104を光学ベンチ111の光結合デバイス位置決め溝113に嵌め込んで固定する。
ステップS4:発光素子103に対して光結合デバイス104を画像認識で位置合わせをし、光学ベンチ111を電気回路基板102に固定する。発光素子103と光結合デバイス104との間の実装誤差の許容範囲を50μmで設計しているため、画像認識による位置合わせを採用しても実装誤差の許容範囲に収めることができる。
【0038】
ステップS5:光学ベンチ111のマルチモード光ファイバ位置決め溝112にマルチモード光ファイバ105を嵌め込んで固定する。光学ベンチ111は、10μm程度の誤差で精密成形されているため、溝112及び113に光結合デバイス104及びマルチモード光ファイバ105を嵌め込むだけで高精度実装を実現することができる。
ステップS6:発光素子103と光結合デバイス104との間のギャップに屈折率整合ゲル106を充填する。このとき、ゲル106が発光素子側の端面107bに回り込まないように注意する。
【0039】
このように実装することで、50μmの実装誤差の実装装置を用意すれば、光送信モジュール101を容易に生産することができる。
(実施の形態2)
図7は、実施の形態2に係る光受信モジュールの光軸断面図である。
図8は、実施の形態2に係る光受信モジュールの上面図である。
【0040】
光受信モジュール201は、電気回路基板202、受光素子203、光結合デバイス204、マルチモード光ファイバ205及び屈折率整合ゲル206を備える。
受光素子203は、一般的なPIN型フォトダイオードであり、基板垂直方向に受光面を向けるように電気回路基板102上に配置されている。
光結合デバイス204は、2本のコア部材207及びクラッド部材208からなる。コア部材207は、受光素子203とマルチモード光ファイバ205との光路間に配されている。クラッド部材208は、2本のコア部材207を被覆している。
【0041】
マルチモード光ファイバ205は、コア209とクラッド210からなる一般的なマルチモードファイバであり、そのコア軸とコア部材207のコア軸とが一致するように光結合デバイス204に固着されている。このような構成により、マルチモード光ファイバ205からの光は、コア部材207を伝播して受光素子203に入射される。
屈折率整合ゲル206は、光学距離短縮及び反射防止のために受光素子203と光結合デバイス204との光路間に配されている。
【0042】
本発明は、コア部材207に主な特徴があるので、以下、コア部材207について詳細に説明する。
(1)コア部材207は、光路方向に見たときに受光素子側の端面207bがマルチモード光ファイバ205のコア端面よりも狭いことを特徴とする。この構成により、受光素子203とコア部材207と間における実装誤差の許容範囲を従来よりも広げることができる。
(2)コア部材207は、光路方向に見たときにマルチモード光ファイバ側の端面207cがマルチモード光ファイバ205のコア端面よりも広いことを特徴とする。この構成により、コア部材207とマルチモード光ファイバ205との間における実装誤差の許容範囲を従来よりも広げることができる。
(3)コア部材207は、受光素子側の端面207bからマルチモード光ファイバ側の端面207cまで、コア軸207aに沿って、第1の区間207d、テーパ区間207e、第2の区間207fからなる。
【0043】
第1の区間207dは、そのコア径が受光素子側の端面207bにおけるコア径に維持されている。テーパ区間207eは、受光素子に向かってコア径が連続的に漸減する。第2の区間207fは、そのコア径がマルチモード光ファイバ側の端面207cにおけるコア径に維持されている。テーパ区間207eのように、コア部材207の太さを連続的に縮小させることで、階段状に縮小させるよりもコア部材207における信号強度の損失を減らすことができる。また、第1の区間207d及び第2の区間207fのように所定距離だけ太さが一定の区間を設けることで、コア部材207全体をテーパ状にするよりもコア部材207における信号強度の損失を減らすことができる。
(4)受光素子側の端面207bの径については、具体的には、コア軸207aと受光素子の受光面203aとの光学距離が500μm以内になるように受光素子203とコア部材207とが配されている仕様の場合、コア軸方向に見たとき、40μm乃至60μmとなるように調整されている。
【0044】
図9は、3種類のコア径毎に光結合効率と実装誤差の許容範囲との関係を表した図である。
なお、受光素子203の受光径として80μm及び100μmを想定している。図9によれば、同じ光結合効率であれば、コア径を小さくするほど実装誤差の許容範囲を大きくとれることが分かる。しかし、コア部材207の径が40μmよりも小さければマルチモード伝送ができなくなる。したがって、受光素子側の端面207bの径は、40μm以上でなければならない。
【0045】
一方、受光素子203の受光径は、光結合効率を向上させるためには大きくする必要があるが、通信速度を向上させるためには小さくする必要がある。したがって、受光径は、これらの兼ね合いで定められる。
図10に示すように、通信速度と受光感度とには相関関係があり、通信速度を向上させるには、受光感度を向上させる必要がある。受光感度を向上させるには、電気容量を小さくする必要があり、そのためには、受光面を小さくする必要がある。電気容量は、後述する信号変換素子214に起因している。通常、3Gbps程度の通信速度を保証する場合、受光素子203の受光径は、100μm程度にすることができる。また、4Gbpsであれば80μm程度、10Gbpsであれば40乃至50μm程度となる。すなわち、通信速度の高速化には受光径を小さくしなければならない。
【0046】
以上の点を考慮すると、受光素子203の受光径とコア部材207の受光素子側の端面の径については、通信速度に応じて最適化する必要があることがわかる。
仮に、1チャンネル当たり2.5Gbps程度の通信速度を想定した場合、受光素子203の受光径は100μm、コア部材207の径は40乃至60μmとするのが妥当な範囲である。この範囲であれば、以下の2つの条件を満たすことができる。
【0047】
第1の条件:発光素子103とマルチモード光ファイバ105との間の光結合効率(実装配置ずれによる損失も含む)として、−5dB以上を確保する。
第2の条件:発光素子103とコア部材107との実装誤差の許容範囲(実装トレランス)として、50μm以上を確保する。
(5)マルチモード光ファイバ側の端面207cの径については、具体的には、マルチモード光ファイバ205のコア径の120%乃至140%となるように調整されている。マルチモード光ファイバ205は、一般的なマルチモードファイバの場合、コア径が50μmであり、コアの偏芯が2μm程度である。光結合デバイス204とマルチモード光ファイバ205との間の実装精度は、図4に示すような光学ベンチ111を使用すれば、容易に数μm程度まで高精度化が可能である。仮に、最悪の実装精度を10μmと想定すれば、コア部材207とマルチモード光ファイバ205のコア209との配置ずれによる損失を無視できるレベルまで抑制させるためには、コア部材207のマルチモード光ファイバ側の端面207cにおける径がマルチモード光ファイバ205のコア209の径の120%乃至140%にするのが望ましい。
【0048】
マルチモード光ファイバ205として石英系の直径125μmのGI(Grated Index)型マルチモード品であれば、現状の汎用技術で、コア径110μm弱程度までは、品質劣化させることなく大量生産することができる。100μmのコア径を有するGI型マルチモードファイバを使用することとすると、コア部材207のマルチモード光ファイバ側の端面207cを120μm乃至140μmにすれば、十分な実装トレランスを確保しつつ、損失を無視できる程度に小さくすることができる。
(6)コア部材207の両端における径の差は、できるだけ小さいほうが望ましい。その理由は、実施の形態1で説明したとおりである。
【0049】
なお、上記光結合デバイス204は、金型成形等の公知技術により製造することができる。
図7及び図8には本発明の特徴を明らかにするために光学部品のみを表しているが、実際の光受信モジュール201には図11及び図12に示すように電子部品も備えている。
図11は、実施の形態2に係る光受信モジュールの側面図である。
【0050】
図12は、実施の形態2に係る光受信モジュールの上面図である。
光結合デバイス204は、光学ベンチ111により電気回路基板202に固定される。電気回路基板202の主面には、信号変換素子214がマウントされている。信号変換素子214は、電気配線216を介して受光素子203から電流信号を受け取って電圧信号に変換し、当該電圧信号を、電気配線215を介して外部に出力する。電気配線216と受光素子203の電極とはワイヤ217でボンディングされている。
【0051】
実施の形態2に係る光受信モジュールの製造方法については、実施の形態1に係る光送信モジュールの製造方法と同様であるため、説明を省略する。
実施の形態1に係る光送信モジュールと実施の形態2に係る光受信モジュールとで光送受信システムを構成することができる。
図13は、本発明に係る光送受信システムの上面図である。
【0052】
光送受信システムは、光送信モジュール101と光受信モジュール201とが共通のマルチモード光ファイバ218で光結合されてなる。
図14は、本発明に係る光送受信システムの損失評価を比較例とともに表した図である。
通信速度を高速化するには、受光パワー(最小受光感度)を高くする必要がある。例えば、通信速度を2.5Gbpsとすれば、一般的な受信側の信号処理LSIの性能から−18dBm程度の最小受光感度が必要である(図13参照)。
【0053】
この最小受光感度に対して、1dBの余裕をみて−17dBmの最小受光感度を保証する光送受信システムの構成を考える。ここで、マルチモード光ファイバ218としては、一般的なコア径50μmのマルチモードファイバを想定する。そうすると、光結合デバイス104及び204を実装しない場合、保証できる受光パワーは−25dBmまで落ちてしまう(図14(a)参照)。−17dBmの目標に対して8dBも不足している。一方、光結合デバイス104及び204を実装した場合、保証できる受光パワーは−15.5dBmまで改善される(図14(b)参照)。−17dBmの目標に対して1.5dBmのパワーマージンを生むことができる。
(実施の形態3)
図15は、実施の形態3に係る光送信モジュールの側面図である。
【0054】
図16は、実施の形態3に係る光送信モジュールの上面図である。
光送信モジュール301は、電気回路基板302、発光素子303、光結合デバイス304、マルチモード光ファイバ305、屈折率整合ゲル306、サブマウント318を備える。
実施の形態3は、発光素子303が基板平行方向に光を発するようにした点が実施の形態1と異なる。発光素子303は、サブマウント318を介して電気回路基板302に固定されている。コア部材307の発光素子側の端面は、発光素子303の発光面に略平行になっている。
【0055】
次に、光送信モジュール301の製造方法について説明する。
ステップS1:電気回路基板302に、発光駆動素子(図示せず)その他の電気部品を実装する。電気部品の実装精度は、線路間ショートが発生しない程度に設計されている。
ステップS2:サブマウント318の発光素子実装位置に発光素子303を実装し、ワイヤリングを行う。発光素子303の実装精度については、後述するように、40μm程度で行う。
【0056】
ステップS3:電気回路基板302のサブマウント実装位置にサブマウント318を実装する。サブマウント318の実装精度は、特に指定しない。電極320、321の一端は、サブマウント318の底面において電気配線316、322とそれぞれハンダにより接続されている。したがって、サブマウント318と電気回路基板302との間にワイヤボンディングを施す必要がない。
【0057】
ステップS4:発光素子303に対して光結合デバイス304を画像認識で位置合わせをし、光結合デバイス304を電気回路基板302に直接固定する。
現状の汎用技術では、10μm程度の加工精度で光結合デバイス304を成形することができる。したがって、光結合デバイス304を電気回路基板302の主面に直接固定すれば、コア軸307aの基板垂直方向の精度を10μm程度で実装することができる。そうすると、発光素子303のサブマウント318への実装精度は、基板垂直方向に40μm程度の精度で実装されればよい。
【0058】
ステップS5:光結合デバイス304のガイド溝319にマルチモード光ファイバ305を嵌め込んで固定する。ガイド溝319は、10μm程度の誤差で精密成形されているため、ガイド溝319にマルチモード光ファイバ305を嵌め込むだけで高精度実装を実現することができる。これにより、光結合デバイス304とマルチモード光ファイバ305との間の結合損失はほとんど無視できるレベルに低減される。
【0059】
ステップS6:発光素子303と光結合デバイス304との間のギャップに屈折率整合ゲル306を充填する。
なお、サブマウント318には、側面から底面にわたり電極320、321が形成されている。電極320、321が面間で途切れないようにサブマウント318の一部領域は面取り加工されている。
【0060】
実施の形態3では、コア部材307の発光素子側の端面307bと発光素子303の発光面とが対面する光学構造になっている。そのため、これらの間隔を実施の形態1に比べて小さくすることができる(例えば、光学距離200乃至300μm)。図17に示すように光学距離が短ければ、光結合効率が高まる。したがって、光結合効率を高めることにより、実装誤差の許容範囲を広くすることができる。
【0061】
また、光結合デバイス304と発光素子303との位置合わせは、実施の形態1と同様に画像認識を用いて行う。このときの実装精度を50μm以下にできれば、実施の形態1と同様の送信パワーを得ることができる。
(実施の形態4)
図18は、実施の形態4に係る光受信モジュールの側面図である。
【0062】
図19は、実施の形態4に係る光受信モジュールの上面図である。
光受信モジュール401は、電気回路基板402、受光素子403、光結合デバイス404、マルチモード光ファイバ405、屈折率整合ゲル406、サブマウント418を備える。
光受信モジュール401は、電気回路基板402、受光素子403、光結合デバイス404、マルチモード光ファイバ405、屈折率整合ゲル406、サブマウント418を備える。
【0063】
実施の形態4は、受光素子403が基板平行方向の光を受けるようにした点が実施の形態2と異なる。受光素子403は、サブマウント418を介して電気回路基板402に固定されている。コア部材407の受光素子側の端面は、受光素子403の発光面に略平行になっている。
次に、光受信モジュール401の製造方法について説明する。
【0064】
ステップS1:電気回路基板302に、信号変換素子(図示せず)その他の電気部品を実装する。電気部品の実装精度は、線路間ショートが発生しない程度に設計されている。
ステップS2:サブマウント418の受光素子実装位置に受光素子403を実装し、ワイヤリングを行う。受光素子403の実装精度については、後述するように、40μm程度で行う。
【0065】
ステップS3:電気回路基板402のサブマウント実装位置にサブマウント418を実装する。サブマウント418の実装精度は、特に指定しない。電極420の一端は、ワイヤボンディングにより電気配線416に接続されている。また、電極421の一端は、サブマウント418の底面において電気配線422とハンダにより接続されている。
ステップS4:受光素子403に対して光結合デバイス404を画像認識で位置合わせをし、光結合デバイス404を電気回路基板402に直接固定する。
【0066】
現状の汎用技術では、10μm程度の加工精度で光結合デバイス404を成形することができる。したがって、光結合デバイス404を電気回路基板402の主面に直接固定すれば、コア軸407aの基板垂直方向の精度を10μm程度で実装することができる。そうすると、受光素子403のサブマウント418への実装精度は、基板垂直方向に40μm程度の精度で実装されればよい。
【0067】
ステップS5:光結合デバイス404のガイド溝419にマルチモード光ファイバ405を嵌め込んで固定する。ガイド溝419は、10μm程度の誤差で精密成形されているため、ガイド溝419にマルチモード光ファイバ405を嵌め込むだけで高精度実装を実現することができる。これにより、光結合デバイス404とマルチモード光ファイバ405との間の結合損失はほとんど無視できるレベルに低減される。
【0068】
ステップS6:受光素子403と光結合デバイス404との間のギャップに屈折率整合ゲル406を充填する。
なお、サブマウント418には、側面から底面にわたり電極420、421が形成されている。電極420、421が面間で途切れないようにサブマウント418の一部領域は面取り加工されている。
【0069】
実施の形態4では、コア部材407の受光素子側の端面407bと受光素子403の受光面とが対面する光学構造になっている。そのため、これらの間隔を実施の形態2に比べて小さくすることができる(例えば、光学距離200乃至300μm)。光学距離が短ければ、光結合効率が高まる。したがって、光結合効率を高めることにより、実装誤差の許容範囲を広くすることができる。
【0070】
また、光結合デバイス404と受光素子403との位置合わせは、実施の形態2と同様に画像認識を用いて行う。このときの実装精度を50μm以下にできれば、実施の形態2と同様の受信パワーを得ることができる。
なお、上述した実施の形態3に係る光送信モジュールと実施の形態4に係る光受信モジュールとで光送受信システムを構成することができる。
【0071】
以上、本発明に係る光送信モジュール、光受信モジュール、光送受信システムについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
(1)実施の形態1では、光学ベンチ111を用いることで、光結合デバイス104とマルチモード光ファイバ105との位置合わせを容易にしている。しかし、容易に位置合わせの精度を確保することができれば、これに限らない。例えば、図20及び図21に示すように、光結合デバイス504にマルチモード光ファイバ505の外径よりもわずかに大きな径のガイド溝519を形成してもよい。実施の形態2についても同様である。
(2)実施の形態1において、発光素子側の端面107bでは略全反射することが期待できるので、端面に特段の処理を施していない。しかし、光反射部材を配設することによりさらなる反射率の向上を図ることができる場合には、図22及び図23に示すように端面に光反射部材623を配設してもよい。光反射部材623としては、誘電体多層膜や金属膜が考えられる。なお、金属コーティングの際には、光路を遮ることがないように、光結合デバイス604の底面及びマルチモード光ファイバ605との接続面に金属が回りこまないように注意すべきである。実施の形態2についても同様である。
(3)実施の形態では、コア部材の断面形状が円形であるが、これに限らない。例えば、断面形状が楕円形や四角形であっても構わない。
(4)実施の形態では、2チャンネルの構成で説明しているが、これに限らない。例えば、AV機器では、R、G、B、CLKの4種類の信号を入出力する仕様がある。このような場合に、4チャンネルの構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0072】
本発明は、光信号通信に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0073】
【図1】実施の形態1に係る光送信モジュールの光軸断面図である。
【図2】実施の形態1に係る光送信モジュールの上面図である。
【図3】3種類のコア径毎に光結合効率と実装誤差の許容範囲との関係を表した図である。
【図4】光学ベンチの外形を示す三面図である。
【図5】実施の形態1に係る光送信モジュールの側面図である。
【図6】実施の形態1に係る光送信モジュールの上面図である。
【図7】実施の形態2に係る光受信モジュールの光軸断面図である。
【図8】実施の形態2に係る光受信モジュールの上面図である。
【図9】3種類のコア径毎に光結合効率と実装誤差の許容範囲との関係を表した図である。
【図10】通信速度と最小受光感度との関係を示す図である。
【図11】実施の形態2に係る光受信モジュールの側面図である。
【図12】実施の形態2に係る光受信モジュールの上面図である。
【図13】本発明に係る光送受信システムの上面図である。
【図14】本発明に係る光送受信システムの損失評価を比較例とともに表した図である。
【図15】実施の形態3に係る光送信モジュールの側面図である。
【図16】実施の形態3に係る光送信モジュールの上面図である。
【図17】発光素子と光結合デバイスとの間隔に対する結合効率を示す図である。
【図18】実施の形態4に係る光受信モジュールの側面図である。
【図19】実施の形態4に係る光受信モジュールの上面図である。
【図20】変形例1に係る光送信モジュールの光軸断面図である。
【図21】変形例1に係る光送信モジュールの上面図である。
【図22】変形例2に係る光送信モジュールの光軸断面図である。
【図23】変形例2に係る光送信モジュールの上面図である。
【符号の説明】
【0074】
101 光送信モジュール
102 電気回路基板
103 発光素子
104 光結合デバイス
105 マルチモード光ファイバ
106 屈折率整合ゲル
107 コア部材
108 クラッド部材
114 発光駆動素子
201 光受信モジュール
202 電気回路基板
203 受光素子
204 光結合デバイス
205 マルチモード光ファイバ
206 屈折率整合ゲル
207 コア部材
208 クラッド部材
214 信号変換素子




 

 


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