(57)【要約】      （修正有）【課題】光ファイバ端部に面する空間が形成されたホルダを備えた光モジュールにおいて、空間内に水が発生することによる損失の増大を抑制する。【解決手段】ホルダ２０には、発光素子１０から出射された光を光ファイバ３１の端部に向けて集束させる集束レンズ部２３、およびフェルール３０の先端面における露出した光ファイバ３１端部を含む部分に面する空間２５が形成されており、ホルダ２０を構成する材料と空間２５との界面２６から光ファイバ３１端部までの距離Ｔｄｅｐは、所定の関係式を満たすように設定される。【選択図】図１
2014160179.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸上に発光部が位置する発光素子と、
この発光素子から出射された光を透過する材料からなるホルダと、
先端面で端部が露出するように光ファイバを保持し、この光ファイバが光軸に沿うように前記ホルダに取り付けられたフェルールと、
を備え、
前記ホルダには、前記発光素子から出射された光を前記光ファイバの端部に向けて集束させる集束レンズ部、および前記フェルールの先端面における露出した光ファイバ端部を含む部分に面する空間が形成されており、
前記ホルダを構成する材料と前記空間との界面であって、前記フェルールの先端面と対向する界面から前記光ファイバ端部までの距離Ｔｄｅｐは、以下の式を満たすことを特徴とする光モジュール。
ただし、以下の式において、Ｄ；光ファイバのコアの直径、ＮＡ；光ファイバの開口数、Ｎａｉｒ；空気の屈折率、Ｎｗａｔｅｒ；水の屈折率、である。
【数４】
2014160179.tif 000006
【請求項２】
前記ホルダを構成する材料と前記空間との界面から前記光ファイバ端部までの距離Ｔｄｅｐは、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【数５】
2014160179.tif 000007
【請求項３】
前記ホルダを構成する材料と前記空間との界面から前記光ファイバ端部までの距離Ｔｄｅｐは、以下の式を満たすことを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
【数６】
2014160179.tif 000008
【請求項４】
前記光ファイバのコアの直径が５０μｍ以上であり、当該光ファイバの主成分がガラスである場合において、前記ホルダを構成する材料と前記空間との界面から前記光ファイバ端部までの距離Ｔｄｅｐは、０．１５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３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、光信号を伝送するために用いられる光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、下記特許文献１には、フェルールが挿入される筒状部分（スリーブ部）の底面に、光ファイバ端面との接触を防ぐ空間（凹部）が形成されたホルダを有する光モジュールが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２３７８１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この空間は、発光素子から出射された光が光ファイバに至るまでの光路となる箇所である。そのため、ホルダを構成する材料と空間内の空気との界面（凹部の底面）で生ずる屈折を考慮してレンズ等が設計される。
【０００５】
しかし、当該空間内が結露などによって生ずる水で満たされることがある（特に、自動車内の光通信に用いられる光モジュールなどでは、温度、湿度変化による結露が発生しやすい）。当該空間が水で満たされてしまうと、上記界面における屈折角度が変化してしまい、光モジュールにおける損失（結合損失）が大きくなってしまうという問題があった。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、光ファイバ端部に面する空間が形成されたホルダを備えた光モジュールにおいて、当該空間内に水が発生することによる損失の増大を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる光モジュールは、光軸上に発光部が位置する発光素子と、この発光素子から出射された光を透過する材料からなるホルダと、先端面で端部が露出するように光ファイバを保持し、この光ファイバが光軸に沿うように前記ホルダに取り付けられたフェルールと、を備え、前記ホルダには、前記発光素子から出射された光を前記光ファイバの端部に向けて集束させる集束レンズ部、および前記フェルールの先端面における露出した光ファイバ端部を含む部分に面する空間が形成されており、前記ホルダを構成する材料と前記空間との界面であって、前記フェルールの先端面と対向する界面から前記光ファイバ端部までの距離Ｄは、後述する式（４）を満たすことを特徴とする。
【０００８】
また、前記ホルダを構成する材料と前記空間との界面から前記光ファイバ端部までの距離Ｔｄｅｐは、後述する式（４ａ）を満たすようにしてもよい。
【０００９】
また、前記ホルダを構成する材料と前記空間との界面から前記光ファイバ端部までの距離Ｔｄｅｐは、後述する式（４ｂ）を満たすようにしてもよい。
【００１０】
前記光ファイバのコアの直径が５０μｍ以上であり、当該光ファイバの主成分がガラスである場合において、前記ホルダを構成する材料と前記空間との界面から前記光ファイバ端部までの距離Ｔｄｅｐは、０．１５ｍｍ以下であるとよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にかかる光モジュールでは、空間が空気で満たされている場合、水で満たされている場合のいずれの場合であっても、集束レンズ部を通過して界面に到達した光は光ファイバ端面に集光されることになる。したがって、結露等によって空間内に水が発生することによる損失の増大を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態にかかる光モジュールの断面を模式的に示した図である（図を分かりやすくするためハッチングは省略してある）。
【図２】第一条件にかかるＴｄｅｐの範囲を設定する式（ホルダを構成する材料と空間との界面から光ファイバ端部までの距離の最大値）を導出する手順を説明するための図であり、空間を拡大示した図である。
【図３】発光素子から出射された光軸に沿う光線の反射光線がレンズ部の外縁を通るように界面の傾斜が設定された光モジュールの模式図であり、（ａ）は発光素子から出射された光軸に沿う光線が界面に到達するまでの光路を示したものであり、（ｂ）は当該光軸に沿う光線の界面における反射光線の光路を示したものである。
【図４】第二条件にかかるＴｄｅｐの範囲を設定する式を導出する手順を説明するための図であり、空間を拡大示した図である。
【図５】第三条件にかかるＴｄｅｐの範囲を設定する式を導出する手順を説明するための図であり、空間を拡大示した図である。
【図６】Ｔｄｅｐの範囲を第三条件に基づいて設定した場合、出射側光モジュールのホルダと入射側光モジュールのホルダを同一形状とすることができる点を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１に示す本発明の一実施形態にかかる光モジュール１は、自動車内における光通信に用いられるものであり、発光素子１０、ホルダ、およびフェルール３０を備える。
【００１４】
発光素子１０は、伝送すべき信号を構成する光（レーザ光）を出射する部材である。具体的には、伝送すべき信号を電気信号から光信号に変換して出射する光電変換素子である。本実施形態では、発光素子１０は、電気信号を生成する（信号を発光素子１０に伝える）回路が形成された基板Ｂに実装されている。
【００１５】
ホルダ２０は、発光素子１０から出射された光（信号を伝送する光）を透過する材料（例えばテラリンク（住友電工ファインポリマー株式会社の登録商標；屈折率１．５１、その他の特性等はhttp://www.sei-sfp.co.jp/products/tralink.html参照）やＰＥＩ（屈折率１．６４））で形成された部材である。ホルダ２０は、筒状に形成された筒状部２１（本実施形態は段差のある筒状である）および同じく筒状に形成されたスリーブ部２２を有する。筒状部２１は上記基板Ｂに実装された発光素子１０を囲む部分である。具体的には、筒状部２１の先端が基板Ｂにおける発光素子１０が実装された箇所の周囲にハンダ付け等により固定されている。筒状部２１の内底面（図１では上側の面）には、集束レンズ部２３が形成されている。集束レンズ部２３は、筒状部２１の内側に位置する上記発光素子１０から出射された発散光（所定の広がり角（発散角）をもつレーザ光）が透過する凸レンズであって、当該集束レンズ部２３に進入する発散光が後述する光ファイバ３１端部に向かう集束光（所定の集束角をもつレーザ光）となるように屈折させる。この集束レンズ部２３の光軸は、発光素子１０（発光素子１０から出射される光）の光軸と一致している（光軸Ｘ）。
【００１６】
スリーブ部２２は、内側に光ファイバ３１が固定されたフェルール３０が挿入される部分である。その内径はフェルール３０の外径と略同じに設定（両者の間にできるだけ隙間が生じないように設定）されている。スリーブ部２２の内底面（図１では下側の面）には、発光素子１０側（集束レンズ部２３側）に向かって窪んだ凹部２４が形成されている。凹部２４の内径は、スリーブ部２２の内径よりも小さい。したがって、凹部２４とスリーブ部２２の内壁面との間には段差が存在する。スリーブ部２２の内側にフェルール３０を挿入すると、フェルール３０の周縁が当該段差（スリーブ部２２の内底面）に突き当たる。当該突き当たる位置までフェルール３０を挿入することにより、ホルダ２０に対するフェルール３０が位置決めされる。本実施形態における光ファイバ３１は、主成分がガラス（コア３１１の屈折率１．４５、クラッド３１２の屈折率１．４６〜１．５３）であり、フェルール３０の中央に固定されている。ホルダ２０に対して位置決めされたフェルール３０に固定されている光ファイバ３１の光軸は、上記集束レンズ部２３や発光素子１０（発光素子１０から出射される光）の光軸と一致する（光軸Ｘ）。この光ファイバ３１のコア３１１の端面は、光軸Ｘと交差する点を中心とする円形である。
【００１７】
フェルール３０の先端面（上記段差に突き当てられる面）の中央には、光ファイバ３１の端部が露出している。この光ファイバ３１が露出した箇所は、上記凹部２４の内側の空間２５に面する。さらに詳しく言えば、フェルール３０の先端面における露出した光ファイバ３１の端部を含む部分（中央側の一部）が、上記凹部２４の内側の空間２５に面する。このような空間２５が形成されていると、フェルール３０が上記スリーブ部２２に挿入される際、光ファイバ３１の端部がホルダ２０に接触することはない。つまり、光ファイバ３１端部の損傷が防止される。
【００１８】
このような構成の光モジュール１において、上記発光素子１０から出射された発散光は、集束レンズ部２３によって集束されて光ファイバ３１に進入する。すなわち、発光素子１０から出力された光信号が、光ファイバ３１を通じて図示されない受光素子に伝達される。このとき、集束レンズ部２３によって集束された光は、光軸Ｘに交差するホルダ２０と上記空間２５との界面２６、すなわち屈折率の異なる「ホルダ２０を構成する光透過性材料」と「空間２５内に存在する物質」の界面２６を通過する。そのため、当該界面２６で出射光が屈折する。当該界面２６は、フェルール３０の先端面と対向する光軸Ｘに直交する平面であり、光軸Ｘに交差する点を中心とする円形である。
【００１９】
本実施形態では、空間２５内に空気が存在している場合および結露等によって生じる水が存在している場合のいずれであっても、集束レンズ部２３によって集束する光が光ファイバ３１のコア３１１に進入することとなるように、凹部２４の深さ、すなわちホルダ２０を構成する材料と空間２５との界面２６から光ファイバ３１端部までの距離（光軸Ｘに交差する光ファイバ３１のコア３１１の中心と界面２６の中心間の距離）「Ｔｄｅｐ」が式（４）を満たす（以下、当該条件を第一条件と称する）ように設定している。
【００２０】
＜第一条件＞
式（４）は、以下のように導出したものである。空間２５内に空気が存在する場合と水が存在する場合のいずれであっても光ファイバ３１のコア３１１に光が進入する限界は、光ファイバ３１に向かう集束光の最も外側の光線（以下単に光線というときはこの最も外側の光線をいうものとする）が、コア３１１の一方側端部に入射する状態からコア３１１の他方側端部に入射する状態に変化するときである。すなわち、空間２５内に空気が存在する場合には図２において実線で示す光線となる一方、空間２５内に水が存在する場合には図２において点線で示す光線に変化する場合である。光軸に沿う軸をＸ軸、それに直交するコア３１１の端面に沿う軸をＹ軸、両者の交点を座標（０，０）とし、空間２５内に空気が存在する場合の光線を式（１）（光軸（Ｘ軸）に関し対称な光線を式（１′）とする）で示される直線とし、空間２５内に水が存在する場合の光線を式（２）（光軸（Ｘ軸）に関し対称な光線式（２′）とする）の直線としたとき、両式は以下のように導出できる。なお、Ｄ；コア３１１の直径、Ｎａｉｒ；空気の屈折率（≒１）、Ｎｗａｔｅｒ；水の屈折率（≒１．３３）、Ｎ１；コア３１１を構成する材料の屈折率、Ｎ２；クラッド３１２を構成する材料の屈折率、Ｎ３；ホルダ２０を構成する材料の屈折率、ＮＡ；コア３１１の開口数、θ；光軸（Ｘ軸）に対する光線の傾斜角度とする。
【００２１】
（式（１）の導出）
空間２５内に空気が存在する場合、空間２５と光ファイバ３１のコア３１１との界面２６における屈折の法則より式（１−１）が得られる。なお、θｍａｘ；空気が存在する空間２５内を通過する光線の光軸（Ｘ軸）に対する傾斜角度、θｃ；コア３１１内の光線の光軸（Ｘ軸）に対する傾斜角度である。
【００２２】
コア３１１内に進入した光線は、コア３１１内に留まるように設計される。つまり、光ファイバ３１におけるコア３１１とクラッド３１２の界面２６で全反射する光線として（当該界面２６を通過しクラッド３１２内に進入しないように）設定される。コア３１１とクラッド３１２の界面２６において角度θｃの光線が全反射する条件は式（１−２）である。
【００２３】
式（１−１）と式（１−２）をまとめるとｓｉｎθｍａｘについての式（１−３）が得られる。また、光ファイバ３１（コア３１１）の開口数ＮＡは式（１−４）で示される。
【００２４】
式（１）の直線は、切片がコア３１１の半径Ｄ／２であり、傾き−ｔａｎθｍａｘである直線であるため、式（１−５）で示される。この式（１−５）を式（１−３）および式（１−４）を使ってまとめると、式（１）が得られる。
【００２５】
（式（２）の導出）
空間２５内に空気が存在する場合の、空間２５とホルダ２０の界面２６（凹部２４の底面）における屈折の法則より式（２−１）が得られる。また、空間２５内に水が存在する場合の、空間２５とホルダ２０の界面２６における屈折の法則により式（２−２）が得られる。式（２−１）と式（２−２）をまとめると、式（２−３）が得られる。なお、θ３；ホルダ２０を通過する光線の光軸（Ｘ軸）に対する傾斜角度、θｗ；水が存在する空間２５内を通過する光線の光軸（Ｘ軸）に対する傾斜角度である。
【００２６】
式（２）の直線は、切片がコア３１１の半径−Ｄ／２であり、傾き−ｔａｎθｍａｘである直線であるため、式（２−４）で示される。この式（２−４）を式（２−３）、上記式（１−３）、（１−４）を使ってまとめると、式（２）が得られる。
【００２７】
（凹部の最大深さの導出）
式（２）−式（１）とすることにより式（３−１）が得られる。この式（３−１）を変形してＸについてまとめると式（３）が得られる。当該Ｘは、空間２５内に空気が存在する場合と水が存在する場合のいずれであっても光ファイバ３１のコア３１１に光が進入する限界のときにおけるＸ値である。すなわち、当該限界のときにおける凹部２４の深さ（凹部２４の最大深さＴｄｅｐ−ｍａｘ）となる。したがって、集束レンズ部２３を通過した集束光が全て光ファイバ３１に進入するようにするためには、凹部２４の深さＴｄｅｐを、式（４）の関係を満たすように設定すればよいということになる。
【００２８】
【数１】
2014160179.tif 000003
【００２９】
Ｔｄｅｐ−ｍａｘは、光ファイバ３１のコア３１１の開口数ＮＡ、光ファイバ３１のコア３１１半径Ｄ／２によって決まる。Ｎａｉｒ＝１、Ｎｗａｔｅｒ＝１．３３を代入し、横軸をＮＡ値、縦軸をＴｄｅｐ／Ｄ（凹部２４の最大深さと光ファイバ３１のコア３１１の直径との比）で表すと、図３に示す曲線（Ｔｄｅｐ−ｍａｘ≒２．７×（ＮＡ−０．０５）−１．４）となる。なお、当該グラフは、一般的なグラスファイバの開口数「０．１５＜ＮＡ＜０．４５」の範囲を示している。
【００３０】
また、凹部２４の深さを上記最大深さＴｄｅｐ−ｍａｘとする場合、上記式（３）にその値を代入すると、空間２５とホルダ２０の界面２６（凹部２４の底面）の広さ（直径Ｄｍ）を求めることができる。図３に示すグラフには、横軸をＮＡ値、縦軸をＤｍ／Ｄ（凹部２４の底面の直径と光ファイバ３１のコア３１１の直径との比）で表したＤｍの変化を示している。これによると、凹部２４の深さを上記最大深さＴｄｅｐ−ｍａｘとする場合には、空間２５とホルダ２０の界面２６である凹部２４の底面の直径Ｄｍは、ＮＡに大きく依存せず、光ファイバ３１のコア３１１の直径Ｄの五倍以上であればよいことがわかる。
【００３１】
以上のように、凹部２４の深さ、すなわちホルダ２０を構成する材料と空間２５との界面２６から光ファイバ３１端部までの距離「Ｔｄｅｐ」が上記式（４）を満たすことにより、空間２５内に空気が存在する場合、空間２５内に水が存在する場合のいずれにおいても、集束レンズ部２３を通過して界面２６に到達した集束光は全て光ファイバ３１のコア３１１内に進入することとなる。よって、結露などによって空間２５内が水で満たされた場合であってもそれを理由とする損失は発生しない。なお、上記式（４）で規定される第一条件を満たす設計とした場合、従来構成のホルダ２０と比較して凹部２４の深さはかなり浅いものとなる。
【００３２】
＜第二条件＞
上記第一条件をさらに厳しくした条件である第二条件について説明する。上記第一条件の式（４）は、空間２５内に空気が存在する場合と水が存在する場合のいずれであっても、集束光の最も外側の光線がコア３１１に入射する最低限の条件として算出されるものである。これに対し、図４に示すように、空間２５内に空気が存在する場合の光線がコア３１１の中心（座標（０，０）の地点）に入射するように条件を設定するとさらに好適である。通常の使用状態時（空間２５内に空気が存在する場合）において、集束光の焦点がコア３１１の中心に位置するようにすれば、光軸ずれ等に強い（誤差の吸収能が高い）光モジュール１とすることができるからである。
【００３３】
図４に示す式（１ａ）は、上記式（１）において切片（−Ｄ／２）を０にしたものである。式（２）−式（１ａ）とし、Ｘ（Ｔｄｅｐ）についてまとめると、第二条件の式（４ａ）が得られる。上記第一条件よりも設定可能なＴｄｅｐの範囲は小さくなるが、光軸ずれ等に強く、かつ、凹部２４に水が浸入しても損失が小さい光モジュール１が得られる。
【００３４】
【数２】
2014160179.tif 000004
【００３５】
＜第三条件＞
上記第一条件および第二条件をさらに厳しくした条件である第三条件について説明する。上記第一条件の式（４）は、空間２５内に空気が存在する場合と水が存在する場合のいずれであっても、集束光の最も外側の光線がコア３１１に入射する条件として算出されるものである。すなわち、空間２５内に水が浸入した場合であっても損失が生じないような条件である。これに対し、水が空間２５内に水が浸入した場合にある程度の損失が生じてしまうことを許容した上で、光モジュールの製造を容易にするため、以下のように凹部２４の深さを設定することが考えられる。
【００３６】
図５に示すように、空間２５内に空気が存在している場合には、光軸の一方側における最も外側の光線がコア３１１の一方側端部に、光軸の他方側における最も外側の光線がコア３１１の他方側端部に到達するとする。一方、空間２５内に水が存在している場合には、光軸の一方側における最も外側の光線が当該一方側におけるコア３１１の中心からＤ／√２離れた地点に、光軸の他方側における最も外側の光線が当該他方側におけるコア３１１の中心からＤ／√２離れた地点に到達するとする。すなわち、光ファイバ３１に向かって集束する集束光のＸ＝０の地点における断面積が、空間２５内に空気が存在している場合にはコア３１１の端面の面積と同じになり、空間２５内に水が存在している場合にはコア３１１の端面の面積の二倍になるように設定する。光パワーが高い光軸側の部分がコア３１１に入射する（少なくとも光エネルギの１／２がコア３１１に入射する）こととなるため、このように設定しても信号が伝達可能な場合に本条件を適用することができる。
【００３７】
図５に示す式（１ｂ）は、上記式（１）において切片（−Ｄ／２）をＤ／２としたものである。また、式（２ｂ）は、上記式（２）において切片（Ｄ／２）をＤ／√２としたものである。式（２ｂ）−式（１ｂ）とし、Ｘ（Ｔｄｅｐ）についてまとめると、第三条件の式（４ｂ）が得られる。本条件は、上記第一条件や第二条件よりも設定可能なＴｄｅｐの範囲は小さい。しかし、図６に示すように、空間２５内に空気が存在している場合における出射側の光モジュール１の光路を、入射側の光モジュール９の光路と同じにすることができる（対称形にすることができる）ため、第三条件を満たす光モジュール１のホルダ２０をそのまま入射側の光モジュール９のホルダ９２として適用することができる。すなわち、水が浸入した場合の損失を抑制しつつ、ホルダ等の部材の共通化を図ることができる。なお、入射側の光モジュール９は、光ファイバ３１から出射された光を受光素子９１に向かって集束させる集束レンズ部９３を備えるものである。
【００３８】
当該第三条件において、光ファイバ３１の主成分がガラス（開口数；０．２０〜０．２５）であり、コア３１１の直径が５０μｍであるとすると、Ｔｄｅｐは約０．１５ｍｍ以下となる。すなわち、光ファイバ３１の主成分がガラスであり、コア３１１の直径が５０μｍ以上である場合には、空間との界面から光ファイバ端部までの距離を０．１５ｍｍ以下に設定することが望ましい。
【００３９】
【数３】
2014160179.tif 000005
【００４０】
上記第一条件〜第三条件において、Ｔｄｅｐ（≠０）の下限値は、光ファイバ端面とホルダの接触を防ぐことができる値として設定される。接触を確実に防止するためには１０μｍ以上であればよい。さらに好ましくは５０μｍ以上である。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
【００４２】
例えば、図示したホルダ２０の形状や、発光素子１０の仕様は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００４３】
また、ホルダ２０に形成される凹部２４は、光ファイバ３１の端部とホルダ２０が接触することによる光ファイバ３１端部の損傷を防止するために形成されるものであることを説明したが、凹部２４が形成される目的はこれに限定されない。すなわち、発光素子１０から光ファイバ３１に至るまでの光路に、ホルダ２０を構成する材料と空気の界面２６が存在する構成であれば、本発明の技術思想は適用可能である。さらには凹部２４内に空気以外の物質（ホルダ２０を構成する材料を除く）が存在している場合であっても、本発明の技術思想は適用可能である。すなわち、ホルダ２０に形成される凹部２４によって、発光素子１０から光ファイバ３１に至るまでの光路に、反射が生ずる界面２６が形成される構成であればどのような構成であってもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１  光モジュール
１０  発光素子
２０  ホルダ
２２  スリーブ部
２３  集束レンズ部
２４  凹部
２５  空間
２６  界面
３０  フェルール
３１  光ファイバ
３１１  （光ファイバの）コア
３１２  （光ファイバの）クラッド
Ｘ  光軸
【図１】
2014160179.tif 000009
【図２】
2014160179.tif 000010
【図３】
2014160179.tif 000011
【図４】
2014160179.tif 000012
【図５】
2014160179.tif 000013
【図６】
2014160179.tif 000014