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発明の名称 光モジュール
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2007−65318(P2007−65318A)
公開日 平成19年3月15日(2007.3.15)
出願番号 特願2005−251596(P2005−251596)
出願日 平成17年8月31日(2005.8.31)
代理人 【識別番号】100073184
【弁理士】
【氏名又は名称】柳田 征史
発明者 下津 臣一
要約 課題
光源からの光を集光させて出射する光モジュールにおいて、集光位置における汚染物質の発生を抑制する。

解決手段
短波長領域の光を出射する光源1と、光の入射端と出射端を有する石英スタブ42と、光源1から出射された光を透明部材の入射端から入射させ、出射端に集光させる集光レンズ2とを備えた光モジュール100であって、透明部材のNa及びK(アルカリ金属)のそれぞれの含有量が2.0[重量%]未満、及び/又は、光源1から出射された光の吸収量が0.65[%/mm]未満であり、導波路を有しない屈折率が一様な透明部材を用いる。
特許請求の範囲
【請求項1】
短波長領域の光を出射する少なくとも1つの光源と、
光の入射端と出射端を有する透明部材と、
前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、
前記透明部材のアルカリ金属の含有量が、2.0[重量%]未満であることを特徴とする光モジュール。
【請求項2】
短波長領域の光を出射する少なくとも1つの光源と、
光の入射端と出射端を有する透明部材と、
前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、
前記透明部材のNa及びKのそれぞれの含有量が2.0[重量%]未満であることを特徴とする光モジュール。
【請求項3】
短波長領域の光を出射する少なくとも1つの光源と、
光の入射端と出射端を有する透明部材と、
前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、
前記透明部材の前記光源から出射された光の吸収量が0.65[%/mm]未満であることを特徴とする光モジュール。
【請求項4】
短波長領域の光を出射する少なくとも1つの光源と、
光の入射端と出射端を有する透明部材と、
前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、
前記透明部材のアルカリ金属の含有量が2.0[重量%]未満であり、且つ前記透明部材の前記光源から出射された光の吸収量が0.65[%/mm]未満のものであることを特徴とする光モジュール。
【請求項5】
短波長領域の光を出射する少なくとも1つの光源と、
光の入射端と出射端を有する透明部材と、
前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、
前記透明部材のNa及びKのそれぞれの含有量が2.0[重量%]未満であり、且つ前記透明部材の前記光源から出射された光の吸収量が0.65[%/mm]未満のものであることを特徴とする光モジュール。
【請求項6】
前記透明部材が、屈折率の一様なものであることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の光モジュール。
【請求項7】
前記透明部材が、SiO、CaF及びMgFから選ばれる少なくとも一種を含むガラスであることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の光モジュール。
【請求項8】
前記光源から出射される光の発振波長が350[nm]〜450[nm]であることを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の光モジュール。
【請求項9】
前記透明部材の光軸方向の長さが1[mm]以上であることを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の光モジュール。
【請求項10】
前記透明部材の入射端に反射防止膜が塗布されていることを特徴とする請求項1〜9の何れか一項に記載の光モジュール。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、透明部材で形成されたスタブを備えるレセプタクル型光モジュールに関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来より、半導体レーザと、半導体レーザから出射されたレーザ光を光ファイバの入射端面に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールが光通信部品として一般的に知られている。このような光モジュールのうち、特許文献1に開示されているように、光ファイバを保持している光コネクタと接続自在に構成されたレセプタクル型光モジュールも多く知られている。このようなレセプタクル型光モジュールには、半導体レーザから出射されたレーザ光を光ファイバに安定的に入射させるために、モジュール内にファイバスタブが圧入固定されている。
【特許文献1】特開2004−294906号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかしながら、ファイバスタブを有する光モジュールは、レーザ光の集光位置であるファイバスタブの入射端が大気中にあり、更に該集光位置は光パワー密度が高くなるため、光化学反応によって発生した有機物質(汚染物質)がファイバスタブの入射端に付着しやすい。ファイバスタブの入射端に汚染物質が付着すると、レーザ特性が劣化し、光モジュールの信頼性低下の原因となっていた。
【0004】
本発明は、汚染物質の発生を抑制し、高い信頼性を有する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】
【0005】
以上の課題を解決するために、請求項1に記載の光モジュールは、短波長領域の光を出射する少なくとも1つの光源と、光の入射端と出射端を有する透明部材と、前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、前記透明部材のアルカリ金属の含有量が、2.0[重量%]未満であることを特徴としている。
【0006】
また、請求項2に記載の光モジュールは、短波長領域の光を出射する少なくとも1つの光源と、光の入射端と出射端を有する透明部材と、前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、前記透明部材のNa及びKのそれぞれの含有量が2.0[重量%]未満であることを特徴としている。
【0007】
また、請求項3に記載の光モジュールは、短波長領域の光を出射する少なくとも1つの光源と、光の入射端と出射端を有する透明部材と、前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、前記透明部材の前記光源から出射された光の吸収量が0.65[%/mm]未満であることを特徴としている。
【0008】
更に請求項4に記載の光モジュールは、短波長領域の光を出射する少なくとも1つの光源と、光の入射端と出射端を有する透明部材と、前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、前記透明部材のアルカリ金属の含有量が2.0[重量%]未満であり、且つ前記透明部材の前記光源から出射された光の吸収量が0.65[%/mm]未満のものであることを特徴としている。
【0009】
更に、請求項5に記載の光モジュールは、短波長領域の光を出射する少なくとも1つの光源と、光の入射端と出射端を有する透明部材と、前記光源から出射された光を前記透明部材の前記入射端から入射させ、前記出射端に集光させる集光光学系とを備えた光モジュールであって、前記透明部材のNa及びKのそれぞれの含有量が2.0[重量%]未満であり、且つ前記透明部材の前記光源から出射された光の吸収量が0.65[%/mm]未満のものであることを特徴としている。
【0010】
尚、請求項1〜5の何れか一項に記載の光モジュールにおいて、透明部材が、屈折率の一様なものであること、即ち、ファイバスタブのように屈折率差を持つ光ファイバ(光導波路)を内部に有するものではないものとする。更に、透明部材は、石英、ガラス(例えば、住田光学ガラス社製/K-FK5、K-CaFK95、K-PFK80、K-VC79、K-PBK40、K-GFK68、K-PSK11、K-PSK200、K-PFK85、K-PG325、K-SK4、K-VC78、K-PBK50、K-GFK70、K-BK7等)、結晶体(例えば、SiO、CaF、MgFから選ばれる少なくとも一種を含むガラス)等で構成されたものであり、光源から出射された光を透過するものである。
【0011】
更に、請求項1〜7の何れか一項に記載の光モジュールにおいて、前記光源から出射される光の発振波長が350[nm]〜450[nm]の短波長領域であることとする。従って、透明部材は350[nm]〜450[nm]の短波長領域の光を透過する(上記波長領域の光に対して透明な)部材であることとする。
【0012】
更に、請求項1〜8の何れか一項に記載の光モジュールにおいて、前記透明部材の光軸方向の長さが1[mm]以上であることが望ましい。尚、透明部材の長寿命化を図るためには、2[mm]以上であることが望ましい。
【0013】
更に、請求項1〜9の何れか一項に記載の光モジュールにおいて、前記透明部材の入射端に反射防止膜が塗布されていることとする。これにより、透明部材の入射端に入射された光の反射光が光源に照射されることを防ぐことができる。
【発明の効果】
【0014】
光源から出射された光を集光光学系によって透明部材の出射端に集光させることによって、透明部材の出射端に光ファイバの入射端を密着させて配置し、集光された光を光ファイバに入射させるようにしたときに、光の集光位置が大気に曝されないため、光ファイバの入射端の汚染を防ぐことができ、洗浄工程を簡便化させることができる。
【0015】
また、アルカリ金属、又はNa及びKのそれぞれの含有量が2.0[重量%]未満の透明部材を用いることにより、透明部材に含まれるNa、K(アルカリ金属)と光ファイバのクラッドに含まれるFの化学反応によって発生する反応物質(汚染物質)の発生を抑えることができる。更に、短波長領域(350[nm]〜450[nm])のレーザ光の吸収量が0.65[%/mm]未満の透明部材を用いることにより、レーザ光の長時間照射による透明部材の特性変化を抑えることができ、光損失の増加を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
以下、本発明を半導体レーザを用いた光モジュールに適用した場合について実施の形態を用いて説明する。また、以下の実施の形態では、透明部材の例として石英スタブを用いて説明するが、その他に、ガラス(例えば、住田光学ガラス社製/K-FK5、K-CaFK95、K-PFK80、K-VC79、K-PBK40、K-GFK68、K-PSK11、K-PSK200、K-PFK85、K-PG325、K-SK4、K-VC78、K-PBK50、K-GFK70、K-BK7等)、結晶体(例えば、SiO、CaF及びMgFから選ばれる少なくとも一種を50[%]以上含むガラス)等で構成された透明部材であってもよい。
【0017】
〔第1の実施の形態〕
図1は、本実施の形態における光モジュール100の概略構成を説明するための断面図である。
【0018】
光モジュール100は、光源1、集光レンズ2、レンズホルダ3、石英スタブ4及びフェルール5等によって構成される。半導体レーザ11は、ステム13上に固定されたブロック12にAuSn等のロウ材を用いて実装され、不活性ガス雰囲気中において光出射窓15を有するキャップ14の縁部とステム13がYAGレーザ等を用いた溶接、半田、接着剤等で接着されて気密封止される。半導体レーザ11を電気的に駆動するための端子16は、ステム13の開口部分(不図示)を介し、外部へ引き出される。半導体レーザ11を気密封止したキャップ14は、レンズホルダ3に圧入固定される。ここで、半導体レーザ11は350[nm]〜450[nm]の短波長領域のレーザ光を出射するものであり、例えばGaN系の半導体レーザ等を用いる。
【0019】
集光レンズ2(集光光学系)は、レンズホルダ3の内部に接着や圧入により固定される。
【0020】
石英スタブ(透明部材)4は、出射端41側がフェルール5に挿入されて保持され、更に石英スタブ4の入射端42側がレンズホルダ3に挿入されることによって、レンズホルダ3と石英スタブ4が接続・固定される。透明部材の詳細については後述する。
【0021】
集光されたレーザ光Lが石英スタブ4の入射端42に入射し、出射端41にて集光するように、集光レンズ2の配置位置が調整されてレンズホルダ3内に配置される。例えば、集光レンズ2が光モジュール100の光軸方向に摺動自在なようにレンズホルダ3が構成されていてもよい。
【0022】
光コネクタ200は、光ファイバ61と、フェルール6と、コネクタ7とを備えて構成される。光ファイバ61は、例えば開口率NA=0.22程度のマルチモード光ファイバを用いる。フェルール6の貫通孔には光ファイバ61の入射端側が挿入され、更にフェルール6がコネクタ7によって保持される。そして、図1(b)に示すようにフェルール6がフェルール5に挿入されて固定される。ここで、光ファイバ61と石英スタブ4との間に空間があると汚染の原因となるため、光ファイバ61の入射端と石英スタブ4の出射端41との間に空間が発生しないように密着させて固定される。そして、石英スタブ4の出射端41に集光されたレーザ光Lは光ファイバ61に入射され、光ファイバ61内を導波し、光ファイバ61の出射端(不図示)から出射される。
【0023】
上述したように構成された光モジュール100において、石英スタブ4の入射端42における光パワー密度が高くなると、光化学反応によって有機物質が発生し汚染の原因となるため、石英スタブ4の入射端42におけるレーザ光Lの照射面積は大きい方が好ましい。例えば、光ファイバ61の開口率NAが0.22の場合、石英スタブ4の光軸方向の長さは1[mm]以上であることが望ましい。更に、石英スタブ4の長寿命化を考慮すると2[mm]以上であることが望ましい。
【0024】
透明部材(本実施の形態では石英スタブ4)について詳しく説明する。まず、一般的に使用されているガラススタブを用いて、図1に示したような光源モジュールを構成し、動作確認を行った。405[nm]のレーザ光を約200[mW]の光パワーで出射させ、ガラススタブを介して光ファイバに長時間入射させたところ、光ファイバの入射端に汚染物質の付着が確認された。そこで、一般的に使用されているガラススタブの組成分析を行った。図2は、一般的なガラススタブの組成分析結果を示すグラフである。分析装置はEDX(エネルギー分散型X線元素分析:Energy Dispersive X-ray Spectrometry/堀場製作所製EMAM−7000)を用いて測定した。また、ガラススタブの分析前の処理として、ガラススタブの周囲と外側金属間を導電性塗料にて導通した後、炭素蒸着(200[nm]程度)を施した。分析条件は、分析エリアが約50×40[μm](2000倍エリア)、測定時間は100[sec]、加速電圧は15.0[kV]、パルス処理時間はP3、電子線入射角度は90.0[°]、デッドタイムは5[%]、X線取出し角度は30.0[°]であり、定量補正法はスタンダードレスφ(ρz)、ピーク分離法はオーバーラップファクタ法を用いた。表1に石英スタブの組成を定量的に示す。尚、表1において、酸素Oは酸化物計算を行うのに必要な量であり、定量計算は行っていない。
【表1】


【0025】
表1に示すように、ガラススタブにはNaが2.0[重量%]、Kが1.3[重量%]含有されていることが分かった。つまり、上記動作確認において光ファイバの入射端に付着した汚染物質は、ガラススタブに含まれるNa、Kと、光ファイバのクラッドに含まれるF(フッ素)が反応して反応物質が発生し、光ファイバの入射端に付着したものと考えられる。従って、Na、KとFの化学反応による反応物質の発生を抑えるために、本実施の形態における透明部材のNa及びKのそれぞれの含有量は2.0[重量%]未満であることが望ましい。
【0026】
また、ホウ珪酸ガラスによって構成されたガラススタブを用いて図1に示したような光モジュールを構成し、光源から400[nm]のレーザ光を長時間出射させて動作確認を行ったところ、時間経過と共に光損失が増加していることが確認された。ガラススタブに高パワーのレーザ光が長時間照射されたことによって、ガラススタブの組成が変化したり、レーザ光の集光位置付近において微結晶が析出されたりすることによってガラススタブの屈折率等が変化し、光損失増大を招いたと考えられる。上記のホウ珪酸ガラスの光軸方向の長さは2[mm]であり、400[nm]のレーザ光に対する吸収量が0.65[%/mm]未満であった。従って、短波長領域のレーザ光の吸収を抑えて組成変化等の透明部材の特性変化を防ぐために、本実施の形態における透明部材の短波長領域(350[nm]〜450[nm])のレーザ光の吸収量は0.65[%/mm]未満であることが望ましい。
【0027】
つまり、本実施の形態の光源モジュール100が備える透明部材は、Na及びKのそれぞれの含有量が2.0[重量%]未満、及び/又は、短波長領域(350[nm]〜450[nm])のレーザ光の吸収量が0.65[%/mm]未満の透明部材を用いることとする。尚、透明部材のNa及びK以外のアルカリ金属の含有量が2.0[重量%]未満としてもよい。また、透明部材は350[nm]〜450[nm]の短波長領域の光を透過する(上記波長領域の光に対して透明な)部材であることとし、ファイバスタブのように屈折率差を持つ光ファイバ(光導波路)を内部に有するものではなく、屈折率がほぼ一様なものであることとする。
【0028】
以上説明したように、レセプタクル型の光モジュール100において、光コネクタ100との接続部分に石英スタブ4を配置して石英スタブ4の出射端41と光ファイバ61の入射端との間に空間ができないように密着可能な構成にし、集光レンズ2によってレーザ光を石英スタブ4の出射端41に集光させることによって、集光位置が大気に曝された環境にないため、光ファイバ61の入射端の汚染を抑えることができる。
【0029】
また、ファイバスタブを用いた従来の光モジュールでは、ファイバスタブに貫通された光ファイバにレーザ光を集光させるが、集光位置は大気に曝露されることになるため、光モジュールを組み立てる際の洗浄工程に手間がかかっていた。しかし、本発明における光モジュール100においては、集光位置が大気に曝された環境にないため、洗浄工程を簡便化させることができる。
【0030】
更に、Na及びK(アルカリ金属)のそれぞれの含有量が2.0[重量%]未満の透明部材を用いることにより、透明部材に含まれるNa、K(アルカリ金属)と光ファイバのクラッドに含まれるFの化学反応によって発生する反応物質(汚染物質)の発生を抑えることができる。そして、短波長領域(350[nm]〜450[nm])のレーザ光の吸収量が0.65[%/mm]未満の透明部材を用いることにより、レーザ光の長時間照射による透明部材の特性変化を抑え、光損失の増加を防ぐことができる。
【0031】
次に、光源モジュール100の石英スタブの他の実施例について説明する。図3(a)は、図1に示した石英スタブ4の入射端42に反射防止膜8を塗布したときの光源モジュールを示している。石英スタブ4の入射端42に照射されたレーザ光のうち、一部の光は入射端42によって反射される。この反射光が光出射窓15を介して光源1内に入射し半導体レーザ11に照射されると、半導体レーザ11の損傷の原因となり、安定したレーザ光の出射を妨げることとなる。そこで、石英スタブ4の入射端42に反射防止膜8を塗布することにより、入射端42を反射する反射光の量を抑えることができ、石英スタブ4の透過率を上げることができる。尚、反射防止膜8は石英スタブ4の入射端42におけるレーザ光の照射領域を十分覆う範囲に対して塗布されていればよい。
【0032】
また、図3(b)に示したように、石英スタブの入射端を光モジュールの光軸に対して斜めに切断した石英スタブ4bを用いてもよい。このように入射端が斜めに切断された石英スタブ4bを用いることによって、石英スタブの入射端を反射する反射光が直接光源1に照射されることを防ぐことができる。尚、図3(c)のように、石英スタブ4bの入射端のレーザ光照射領域に反射防止膜8が塗布されていてもよい。
【0033】
更に、図3(d)に示したように、石英スタブの出射端が球面処理された石英スタブ4cを用いてもよい。出射端が球面処理された石英スタブ4cを用いることによって、石英スタブ4cの出射端と光ファイバ61の入射端とを確実に当接させることができる。これにより、光損失を抑えることができ、光源モジュールとしての動作安定性を向上させることができる。尚、図3(e)のように石英スタブ4cの入射端のレーザ光照射領域に反射防止膜8を塗布してもよい。
【0034】
更に、図3(f)に示したように、石英スタブの入射端が光モジュールの光軸に対して斜めに切断されており、出射端が球面処理された石英スタブ4dを用いてもよい。尚、図3(g)のように、石英スタブ4dの入射端のレーザ光照射領域に反射防止膜8が塗布されていてもよい。
【0035】
〔第2の実施の形態〕
第1の実施の形態では、光源1内に半導体レーザ11を1つ備える光モジュール100について説明した。第2の実施の形態では、半導体レーザを複数(例えば5個)備える光モジュール100aについて説明する。
【0036】
図4は、本実施の形態における光モジュール100a及び光コネクタ200の概略構成を説明するための断面図である。光モジュール100aは、キャップ45内に5個の半導体レーザ31〜35(例えば、GaN系の半導体レーザ)を備えており、キャップ45の光出射窓がコリメータレンズアレイ43によって構成されている。図4においては、コリメータレンズアレイ43及び集光レンズ2の形状を概略的に示している。また、図の煩雑化を防ぐために、半導体レーザ31〜35のうち、両端に配置されている半導体レーザ31及び35にのみ符号を付している。
【0037】
第1の実施の形態と同様に、半導体レーザ31〜35は、キャップ45のブロック49にAuSn等のロウ材を用いて実装され、不活性ガス雰囲気中においてキャップ45の縁部とステム47とがYAGレーザ等を用いた溶接、半田、接着剤等によって接着されて気密封止される。半導体レーザ31〜35を気密封止したキャップ45は集光レンズホルダ3に圧入固定される。半導体レーザ31〜35を電気的に駆動するための端子48はステム47の開口部を介して外部に引き出される。
【0038】
半導体レーザ31〜35より発散光状態で出射されたレーザ光は、コリメータレンズアレイ43の対応するコリメータレンズによって平行光化される。平行光化されたレーザ光は集光レンズ2によって集光されて石英スタブ4に入射し、石英スタブ4の出射端において結合される。そして結合されたレーザ光はフェルール6に挿入された光ファイバ61の入射端に入射して導波し、光ファイバ61の出射端(不図示)から出射される。
【0039】
尚、本実施の形態の光モジュール100aでは、透明部材としてNa及びKのそれぞれの含有量が2.0[重量%]未満、及び/又は、短波長領域(350[nm]〜450[nm])のレーザ光の吸収量が0.65[%/mm]未満の透明部材を用いることとする。尚、透明部材のNa及びK以外のアルカリ金属の含有量が2.0[重量%]未満としてもよい。また、透明部材はファイバスタブのように屈折率差を持つ光ファイバ(光導波路)を内部に有するものではなく、屈折率がほぼ一様なものであることとする。
【0040】
また、本実施の形態の石英スタブ4は、図3において示した石英スタブ4b〜4dを用いてもよい。更に、石英スタブ4の入射端のレーザ光照射領域には反射防止膜を塗布してもよい。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】第1の実施の形態における光モジュールの概略断面図
【図2】一般的なガラススタブの組成分析結果を示すグラフ
【図3】石英スタブの他の実施例を説明するための図
【図4】第2の実施の形態における光モジュールの概略断面図
【符号の説明】
【0042】
100、100a 光モジュール
1 光源
2 集光レンズ
3 レンズホルダ
4 石英スタブ
5 フェルール
8 反射防止膜
200 光コネクタ
6 フェルール
61 光ファイバ
7 コネクタ




 

 


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