(57)【要約】【課題】組み立て工数を大幅に減少させ、且つ高い結合効率を安定して実現する光素子モジュール及びその光素子モジュールに用いる新規な光導波路素子を提供しようとする。【解決手段】発光素子からの出射光を出側光ファイバを介して光伝送路に取り込むためのものであって、発光素子と、該発光素子と結合する光導波路素子と、該光導波路素子と結合する出側光ファイバとを含んで構成され、該光導波路素子は、光導波路ファイバとＧＩファイバとを含み、該光導波路ファイバの入射側の先端に凸曲面が形成され、該光導波路ファイバの出射端面に該ＧＩファイバの入射面が接合され、前記出側光ファイバの入射側の先端にコリメート用ＧＩファイバが接合された光素子モジュールである。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子からの出射光を出側光ファイバを介して光伝送路に取り込むためのものであって、
発光素子と、該発光素子と結合する光導波路素子と、該光導波路素子と結合する出側光ファイバとを含んで構成され、
該光導波路素子は、光導波路ファイバとＧＩファイバとを含み、
該光導波路ファイバの入射側の先端に凸曲面が形成され、該光導波路ファイバの出射端面に該ＧＩファイバの入射面が接合され、
前記出側光ファイバの入射側の先端にコリメート用ＧＩファイバが接合された光素子モジュール。
【請求項２】
前記光導波路ファイバの入射側の端部が錐状又は楔状に先細である請求項１に記載の光素子モジュール。
【請求項３】
前記ＧＩファイバの長さが、該ＧＩファイバの蛇行波長の略１／４である請求項１又は２に記載の光素子モジュール。
【請求項４】
前記コリメート用ＧＩファイバの長さが、該コリメート用ＧＩファイバの蛇行波長の略１／４である請求項１乃至３のいずれかに記載の光素子モジュール。
【請求項５】
前記ＧＩファイバの出射面が前記コリメート用ＧＩファイバの入射面に空間結合された請求項１乃至４のいずれかに記載の光素子モジュール。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光素子モジュールと、前記光素子モジュールを搭載する搭載台とを含む光素子モジュールパッケージ。
【請求項７】
前記搭載台に前記導波路ファイバと前記出側光ファイバとを嵌める溝が形成された請求項６に記載の光素子モジュールパッケージ。
【請求項８】
光導波路ファイバとＧＩファイバとを含み、
該光導波路ファイバの入射側の先端に凸曲面が形成され、該光導波路ファイバの出射端面に該ＧＩファイバの入射面が接合された光導波路素子。
【請求項９】
前記光導波路ファイバの入射側の端部が錐状又は楔状に先細である請求項８に記載の光導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信に使用する光源用の光素子モジュールと、その光素子モジュールに用いられる光導波路素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信の発光源としては、レーザダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード等の発光素子が用いられ、発光素子からの光を光ファイバに入光させて光通信に使用する光源として使用する。
【０００３】
図１０に、従来の、光素子モジュール１３０を搭載した光素子モジュールパッケージ１００の態様を示す。図１０（ａ）は、平面構造模式図、図１０（ｂ）は、側面からみた構造模式図である。発光素子１２０、光ファイバ１２２を主体に構成されている。発光素子１２０の出射面１２４に光ファイバ１２２の先端１０９が相対して、発光素子１２０からの出射光が光ファイバ１２２に入光する。光ファイバ１２２は固定部品１１０、１１２、１１４により基台１５０に固定されている。基台１５０は光素子モジュール１３０とともにケース１７０に納められている。光ファイバ１２２は、ケース１７０の外部Ｂの部分では、被覆材により被覆されている。又、光ファイバ１２２は、固定部品１１４の位置でフェルール１１５が外挿され、光ファイバ１２２の入射端部には、フェルール１１６が外挿されている。
【０００４】
更に、光素子モジュール１３０は発光素子１２０の近傍の温度を検出するサーミスタ１１８や、発光素子１２０及びその近傍を冷却するペルチエ素子１２７や、発光された光をモニターするホトダイオード１２３を備えている。
【０００５】
ケース１７０は外部に対して封止され、フェルール１１５と固定部品１１４との接合部１１８や、固定部品１１４とケース１７０との接合部１１９は、はんだにより封止されている。
【０００６】
光素子モジュール１３０の組み立てに際しては、発光素子１２０の光を光ファイバ１２２に入光させるために、発光素子と光ファイバ端面とを位置あわせして結合させることが行われる。
【０００７】
発光面からの光は出射角がかなり大きいので、結合効率を向上させるため、発光面と光ファイバ１２２の先端との間に不図示のマイクロレンズを１ないしは複数個挿入して光を収束して光ファイバ１２２へ入光させることが行なわれる。
【０００８】
しかし、レンズで収束した光の軸と光ファイバ１２２の軸をあわせる調節が微妙な操作をともないむつかしく、結合モジュールの構造が複雑になり、モジュールの製造工数を増大させ、かつ軸あわせの操作が複雑になり、据付操作に手間がかかり信頼性にかけるという問題があった。
【０００９】
又、光ファイバ１２２の先端をＬＤの出射光に応じてテーパ先球化、もしくは楔形状にして加工することが行なわれている。しかし、この方法は、更に精度の高い微妙な調芯作業を必要とし、又、光ファイバ１２２が長いのでモジュールの組み立ての自動化が難しい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これら問題点に鑑み、組み立て工数を大幅に減少させ、且つ高い結合効率を安定して実現する光素子モジュール及びその光素子モジュールに用いる新規な光導波路素子を提供しようとする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨とするところは、発光素子からの出射光を出側光ファイバを介して光伝送路に取り込むためのものであって、
発光素子と、該発光素子と結合する光導波路素子と、該光導波路素子と結合する出側光ファイバの入射側の端部とを含んで構成され、
該光導波路素子は、光導波路ファイバとＧＩファイバとを含み、
該光導波路ファイバの入射側の先端に凸曲面が形成され、該光導波路ファイバの出射端面に該ＧＩファイバの入射面が接合され、
前記出側光ファイバの入射側の先端にコリメート用ＧＩファイバが接合された光素子モジュールであることにある。
【００１２】
前記光導波路ファイバは、入射側の端部が錐状又は楔状に先細であり得る。
【００１３】
前記ＧＩファイバの長さは、該ＧＩファイバの蛇行波長の略１／４であり得る。
【００１４】
前記コリメート用ＧＩファイバの長さは、該コリメート用ＧＩファイバの蛇行波長の略１／４であり得る。
【００１５】
前記光素子モジュールにおいては、前記ＧＩファイバの出射面が前記コリメート用ＧＩファイバの入射面に空間結合され得る。
【００１６】
又、本発明の要旨とするところは、前記光素子モジュールと、前記光素子モジュールを搭載する搭載台とを含む光素子モジュールパッケージであることにある。
【００１７】
前記搭載台には、前記導波路ファイバと前記出側光ファイバとを嵌める溝が形成され得る。
【００１８】
更に、本発明の要旨とするところは、光導波路ファイバとＧＩファイバとを含み、
該光導波路ファイバの入射側の先端に凸曲面が形成され、該光導波路ファイバの出射端面に該ＧＩファイバの入射面が接合された光導波路素子であることにある。
【００１９】
前記光導波路ファイバは、入射側の端部が錐状又は楔状に先細であり得る。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る態様を図面に基づいて詳しく説明する。図１は本発明の光素子モジュールに用いる光導波路素子２の構成を示す模式図である。図１において、光導波路素子２は、光導波路ファイバ４とＧＩファイバ６とから構成される。光導波路ファイバ４は図面視左側の入射側端部８が先細とされて且つ先端９に凸曲面１０が形成されている。
【００２１】
図２は本発明の光素子モジュール３０及び光素子モジュール３０を搭載した光素子モジュールパッケージ７０の平面構造模式図である。図２において、光導波路素子２が、発光素子２０、及び発光素子２０で発光した光が入射される出側光ファイバ２２と組み合わされて光素子モジュール３０が組み立てられる。なお、本明細書においては、各図にわたって記される同じ符号は同一又は同様の部材やものを示す。又、図２のＡの部分の拡大図である図３にも示すように、光導波路ファイバ４の図面視右側の出射端面１２にＧＩファイバ６の入射面１４が接合されている。又、図２に示すように発光素子２０の出射面２４に光導波路ファイバ４の先端９が突き合わされ、発光素子２０からの出射光が光導波路ファイバ４に入光する。一方、出側光ファイバ２２は、入射側の端部３４の先端３５にコリメート用ＧＩファイバ３６が接続されている。符号２２ａは、出側光ファイバ２２のコアであり、符号３６ａはコリメート用ＧＩファイバ３６の径方向に屈折率の分布を有するコアである。
【００２２】
ＧＩファイバ６の出射面３８がコリメート用ＧＩファイバ３６の入射端面である受光面４０と空間結合して対向している。出射面３８と受光面４０との間隔Ｄは０．１〜３ｍｍ程度であることが好ましい。光導波路ファイバ４を経て受光面４０に入光した光は、コリメート用ＧＩファイバ３６を経て出側光ファイバ２２の入射側の端部３４の先端３５から出側光ファイバ２２に入光する。
【００２３】
光素子モジュール３０は搭載台５０に搭載され固定されて光素子モジュールパッケージ７０となる。搭載台５０には、導波路ファイバ４と出側光ファイバ２２とを、ＧＩファイバ６の出射面３８とコリメート用ＧＩファイバ３６の入射面即ち受光面４０を対向させて固定するホルダ６０が備えられている。図３に示すように、ホルダ６０は一端に導波路ファイバ４の出射側の端部５６を挿入する挿入孔６２が形成され、他端に出側光ファイバ２２の入射側の端部５８を挿入する挿入孔６４が形成されている。挿入孔６２と挿入孔６４とは長手方向の軸を共有し、且つ互いに導通している。
【００２４】
又、図２に示すように、搭載台５０は、導波路ファイバ４を固定する固定子３３と、出側光ファイバ２２を固定する固定子３９が備えられる。
光素子モジュールパッケージ７０の両側には、発光素子２０を駆動したり、不図示のモニターホトダイオードや冷却用素子等のための電極の端子９０が突出している。
【００２５】
図１に示される本発明の光導波路素子２、及び図２、図３に示される本発明の光素子モジュール３０の構成により、発光素子２０からの光が効率よくシングルモードの出側光ファイバ２２に入光する。以下にその理由を説明する。
【００２６】
発光素子２０からの光が直接入光する光導波路ファイバ４の先端９には、前述の凸曲面１０が形成されていて、この凸曲面１０のレンズ効果により、発光素子２０から大きな広がりの開口角で光導波路ファイバ４に入光した光束が収束されてその広がりの角度が小さくなる。広がりの角度が小さくなった光束が光導波路ファイバ４の中を進行し、光導波路ファイバ４の図面視右側の出射端面１２に達し、ＧＩファイバ６の入射面１４を経てＧＩファイバ６の中を進行し、ＧＩファイバ６の出射面３８に達する。入射面１４に入射した光束は、ＧＩファイバ６の中を進行することにより収束さる。
【００２７】
一般にＧＩファイバの中を進行する光は、ＧＩファイバの中心軸の位置とその中心軸から径方向に一定の距離離れた位置との間を往復しながら、スポットサイズの拡張と収縮を繰り返してＧＩファイバの長手方向に進行する。ＧＩファイバ６の長さを、このように波状に蛇行してＧＩファイバ６の長手方向に進行する光の蛇行波長の略１／４としたときには、光導波路ファイバ４の出射端面１２からＧＩファイバ６の入射面１４に入射した光の、ＧＩファイバ６からの出射光がＧＩファイバ６の長手方向にほぼ平行な光の束となり、対向する入射面での受光が効率よく行なわれる。
【００２８】
なお、蛇行波長は、ファイバの屈折率分布、進行光の波長、コア径、比屈折率差を変数とする関数から求めることが出来る。
【００２９】
又、受光側のコリメート用ＧＩファイバ３６の長さをコリメート用ＧＩファイバ３６の蛇行波長の略１／４としたときに、コリメート用ＧＩファイバ３６に入光した光束が最も安定的に収束されて、この収束された位置に配置された出側光ファイバ２２の入射側の端部３４の先端３５から、出側光ファイバ２２に入光する。
【００３０】
このような構成によれば、発光素子２０からの光を極めて高い効率で出側光ファイバ２２に入光することが出来る。
【００３１】
又、ＧＩファイバ６の出射面３８とコリメート用ＧＩファイバ３６の入射面即ち受光面４０との結合を無調芯で行なうことが出来る。
【００３２】
光導波路ファイバ４の先端９の凸曲面１０は、光導波路ファイバ４の先端９を加熱溶融し、加熱溶融した自由表面が球状になることを利用して形成することが出来る。あるいは、ガラス球等の球状透明体を先端９に固着して形成することが出来る。又は、先端９を研磨して得ることが出来る。又、図４に示すように、筒状の光導波路ファイバ４の先端部７を円錐形に加工しその先端９を滑らかにして得ることが出来る。光導波路ファイバの先端は多角錐形であってもよい。又、図５（ａ）の正面図及び図５（ｂ）の平面図に示すように、光導波路ファイバ４ａの先端９ａの凸曲面１０は、筒状の光導波路ファイバ４ａの先端部を楔状に加工しその楔状になった部分６０の先端９ａを半円柱状の曲面にして得ることが出来る。
【００３３】
凸曲面１０の曲率半径は、２〜５０μｍとすることが好ましい。５〜２０μｍであることが結合効率をあげるうえで更に好ましい。発光素子２０の出射開口角を考慮して適切な曲率半径に設計することが最も好ましい。
【００３４】
光導波路ファイバ４は先細であり、先細のテーパー部１７の長さは、先細でない部分の径の１〜１０倍であることが好ましい。先細でない部分の長さＬは１〜２０ｍｍであることが好ましい。
【００３５】
光導波路ファイバ４はＳＩタイプのシングルモードファイバであることが好ましいが、ＧＩ（Ｇｒａｄｅｄ　Ｉｎｄｅｘ）タイプや、ＤＳＦ（Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　Ｓｈｉｆｔｅｄ　Ｆｉｂｅｒ）タイプや、ＰＭＦ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　Ｍａｉｎｔａｉｎｅｄ　Ｆｉｂｅｒ）タイプのシングルモードファイバであってもよい。
【００３６】
本発明の光素子モジュールにおいては、図６に示すように、搭載台５０ａに、導波路ファイバ４の出射側の端部５６と出側光ファイバ２２の入射側の端部５８を嵌めるＶ形の溝５３が形成され、それぞれが溝５３に嵌められて、ＧＩファイバ６の出射面３８とコリメート用ＧＩファイバ３６の入射面即ち受光面４０を対向させて、確実な位置に導波路ファイバ４と出側光ファイバ２２とが固定されてもよい。この態様は、光素子モジュールの組み立てを更に容易にする。
【００３７】
図２の光素子モジュールパッケージ７０の側面説明図である図７に示すように、搭載台５０には蓋８０が被せられ、搭載台５０と蓋８０とで箱体８２が形成されて箱体８２が封止され、箱体８２の内容物である光素子モジュール３０が外気と遮断された構造となっている。箱体８２の中は不活性ガスを充填することが好ましい。
【００３８】
図７に示す光素子モジュールパッケージ７０においては、先ず発光素子２０と導波路ファイバ４の入射面である先端９とを突き合わせて軸芯調整して固定し、次いで導波路ファイバ４の出射面であるＧＩファイバ６の出射面３８とコリメート用ＧＩファイバ３６の入射面即ち出側光ファイバ２２の受光面４０を対向させて、出側光ファイバ２２を固定する。導波路ファイバ４の出射面と出側光ファイバ２２の受光面４０との結合は、精密な軸芯調整を必要としないので、予め発光素子２０と導波路ファイバ４とが搭載台５０上で正確に固定されてあれば、簡単な操作で導波路ファイバ４と出側光ファイバ２２との結合がなされる。
【００３９】
導波路ファイバ４と出側光ファイバ２２との結合の操作には、モニター光の強弱を測定しながら軸芯調整するなどの精緻かつ複雑な操作を必要とせず、単に出側光ファイバ２２の入射側の端部５８を、挿入孔６４（図２）や溝５３（図６）の面のような所定の案内面に沿って、予め固定されている導波路ファイバ４の出射面と相対させるだけでよい。従って、この結合操作は、手作業でも手間をかけずに可能である。又、柔軟で且つ比較的長い出側光ファイバ２２を取り扱うにもかかわらず、この結合操作は操作が単純なので自動化が容易である。
【００４０】
本発明における光素子モジュールパッケージの他の態様を図８に示す。図８の側面説明図において、光素子モジュールパッケージ７０ａは、光素子モジュール３０ａが納められた箱体８２ａの外部に、ホルダ６０の一部が突出している。ホルダ６０の外壁と、箱体８２ａとの接合部８４は封止されている。又、導波路ファイバ４の出射側の端部５６の外周面と、端部５６が挿入される挿入孔６２の内周面との接合部８６も封止されている。この構成によれば、出側光ファイバ２２を導波路ファイバ４と結合する前に箱体８２ａの外気に対する封止を行なうことが出来る。箱体８２ａが封止された状態で、出側光ファイバ２２の入射側の端部５８を、挿入孔６４に挿入し、予め固定されている導波路ファイバ４の出射面と相対させるだけで、出側光ファイバ２２と導波路ファイバ４との結合操作がなされるので、結合操作が更に容易になる。
【００４１】
ＧＩファイバ６の出射面３８とコリメート用ＧＩファイバ３６の入射面即ち受光面４０との間隔Ｄは光の挿入損失に影響する。挿入損失と対向方向の距離（間隔Ｄ（図３））との関係は、用いられる光やＧＩファイバの性状特に径方向の屈折率分布によって異なるが、一例を図９に示す。図９においては、間隔Ｄを２．４ｍｍにすると挿入損失が極小になり、好ましい。
【００４２】
出射面３８と受光面４０とが互いに当接させて突き合わされて結合された態様も可能である。又、導波路ファイバ４の出射側端部５６と、コリメート用ＧＩファイバ３６を備えた出側光ファイバ２２の入射側の先端部５８とは、それぞれフェルールに装着されて対向してもよい。
【００４３】
本発明の光素子モジュールは、発光素子２０の近傍の温度を検出するサーミスタや、発光素子２０及びその近傍を冷却するペルチエ素子や、発光された光をモニターするホトダイオードを備えていてもよい。
【００４４】
本発明の光素子モジュールや光素子モジュールパッケージは、発光素子２０からの出射光を出側光ファイバ２２介して、光通信機器等の光伝送路に効率よく取り込むことが出来る。出側光ファイバ２２の出射側の端部には、その光素子モジュールからの出射光を受け入れる他のファイバ等の光伝送路に接続施工するためのフェルールが取り付けられていてもよい。そのようなフェルールは、施工時に装着してもよい。
【００４５】
本発明の光素子モジュールや光素子モジュールパッケージは、伝送光の光増幅のための光源用として好適に用いられるが、この用途に限らず、光通信用の光源に広く使用することが出来る。
【００４６】
又、本発明の光導波路素子は、発光素子と結合させることにより、発光素子からの光を、光ファイバに効率よく伝送する目的に広く使用することが出来る。
【００４７】
以上本発明の態様を説明したが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変形を加えた態様で実施し得るものであり、これらの態様はいずれも本発明の範囲に属するものである。
【００４８】
【発明の効果】
【００４９】
本発明の光素子モジュールは、構造が簡単で組み立てが容易である。又、組み立て作業の自動化が容易である。又、このため、光素子モジュールパッケージの量産組み立て時の大幅なコストダウンが得られる。
【００５０】
本発明の光素子モジュールは、出側光ファイバの接続操作が容易で、施工現場でも容易に接続操作が出来る。
【００５１】
本発明の光導波路素子は、ＬＤモジュール内に収まる程度に小型なものであり、光素子モジュールの組み立て及び調芯作業の自動化に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光素子モジュールに用いる本発明の光導波路素子の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の光素子モジュールにおける部材の配置を示す配置模式図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】本発明の光導波路素子に用いられる光導波路ファイバの形態を示す平面模式図である。
【図５】本発明の光導波路素子に用いられる他の態様の光導波路ファイバの形態を示し、図５（ａ）は正面模式図、図５（ｂ）は平面模式図である。
【図６】本発明に係る光素子モジュールに用いられる搭載台の態様を示す要部斜視説明模式図である。
【図７】図２の光素子モジュールパッケージの側面説明図である。
【図８】本発明に係る光素子モジュールパッケージの他の態様を示す側面説明図である。
【図９】挿入損失と間隔Ｄ（図３）との関係の一例を示すグラフである。
【図１０】従来の、光素子モジュールを搭載した光素子モジュールパッケージの態様を示し、図１０（ａ）は、平面構造模式図、図１０（ｂ）は、側面からみた構造模式図である。
【符号の説明】
２：光導波路素子
４：光導波路ファイバ
６：ＧＩファイバ
２０：発光素子
２２：光ファイバ
３０、３０ａ：光素子モジュール
３６：コリメート用ＧＩファイバ
４０：受光面
５０、５０ａ：搭載台
５３：溝
７０、７０ａ：光素子モジュールパッケージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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