(57)【要約】【課題】有効ＮＡをより大きくすることができ、レンズの調心も容易に行うことができ、ＬＤと光ファイバとの光結合効率をより高めることが可能な光モジュールを提供する。【解決手段】光モジュールのレンズは、第１の非球面レンズ９ａと第２の非球面レンズ９ｂからなり、第１の非球面レンズ９ａはステム６の上面に下端が固定されたレンズキャップ７の上部側に備えられ、第２の非球面レンズ９ｂはレンズキャップの上端に接合固定されるレンズホルダ８に取付けられる。そして、第１の非球面レンズ９ａと第２の非球面レンズ９ｂからなる前記レンズの倍率が４〜７であり、光ファイバ２０側の開口数ＮＡが０.１３以上、レーザダイオード１０側の開口数ＮＡが０.６５以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステム上に搭載されたレーザダイオードから出射された信号光を、レンズキャップ部材に取り付けられたレンズにより集光して光ファイバに結合させる同軸型の光モジュールであって、
前記レンズは第１の非球面レンズと第２の非球面レンズからなり、前記第１の非球面レンズはステム面に下端が固定された前記レンズキャップ部材の上部側に備えられ、前記第２の非球面レンズは、前記レンズキャップ部材の上端に接合固定されるレンズホルダにより保持され、
前記第１の非球面レンズと第２の非球面レンズからなる前記レンズの倍率が４〜７であり、光ファイバ側の開口数ＮＡが０.１３以上、レーザダイオード側の開口数ＮＡが０.６５以上であることを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記第１の非球面レンズの出射光は発散光であることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
前記レンズキャップ部材は、下端に設けた環状のプロジェクションを抵抗溶接により溶融してステム上に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。
【請求項４】
前記レンズホルダと前記レンズキャップは平坦な面で接し、面方向に位置調整が可能とされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光モジュール。
【請求項５】
前記第２の非球面レンズは、縦横の倍率を異ならせていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１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、レーザダイオードから出射された信号光を光ファイバに光結合させて光通信するための光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信に用いられる送信用の光モジュールは、レーザダイオード（ＬＤ）から出射された信号光を、集光レンズにより光ファイバに光結合させている。この場合、ＬＤからの出射される光は発散光であることから、集光レンズに球面レンズを用いると球面収差により光結合効率や光学特性が低下する。このため、例えば、特許文献１に開示されるように、集光レンズに非球面レンズを用いることが知られている。
【０００３】
また、送信用の光モジュールにおいて、光ファイバに入射された信号光が反射により戻るのを防止するのに光ファイバ端を斜めにカットすることが行われている。この場合、信号光が光ファイバのコア軸方向に効率よく入射するように、例えば、特許文献２に開示するように、ＬＤと光ファイバの軸方向をずらせたり、レンズのアパーチャを偏心させることが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−６１６６５号公報
【特許文献２】特開平９−２１１２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＬＤからの出射光は発散光であることから、これを集光して光ファイバに光結合させるレンズとしては、上記の特許文献１に開示されるように非球面レンズを用いるが知られている。単一の非球面レンズを用いて集光する場合、レンズの有効開口数（ＮＡ）が大きいほど高い結合効率を得ることができる。しかしながら、量産に適した非球面レンズは、通常、成型によって形成されるため、金型の構造上、光ファイバ側の有効ＮＡが０.１２、ＬＤ側の有効ＮＡが０.６程度とするのが限界であった。
【０００６】
さらに結合効率を高めるために、より高い有効ＮＡを得ようとすると、レンズ外縁部の表面と光軸の成す角度が小さくなり、レンズ成型で金型からの抜け難くなったり、レンズ外縁部へのＬＤ出射角が大きくなり、全反射角となってしまい、透過させることができなくなるなどの問題があった。
本発明は、上述した実状に鑑みてなされたもので、有効ＮＡをより大きくすることができ、また、レンズの調心も容易に行うことができ、ＬＤと光ファイバとの光結合効率をより高めることが可能な光モジュールの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による光モジュールは、ステム上に搭載されたレーザダイオードから出射された信号光を、レンズキャップに備えられたレンズにより集光して光ファイバに光結合させる光モジュールである。光モジュールのレンズは、第１の非球面レンズと第２の非球面レンズからなり、第１の非球面レンズはステム面に下端が固定されたレンズキャップの上部側に備えられ、第２の非球面レンズはレンズキャップの上端に接合固定されるレンズホルダに取付けられる。そして、第１の非球面レンズと第２の非球面レンズからなる前記レンズの倍率が４〜７であり、光ファイバ側の開口数ＮＡが０.１３以上、レーザダイオード側の開口数ＮＡが０.６５以上であることを特徴とする。
【０００８】
なお、第１の非球面レンズの出射光は発散光である。また、レンズキャップは下端に設けた環状のプロジェクションを抵抗溶接により溶融してステム上に固定され、レンズホルダとレンズキャップは平坦な面で接し、面方向に位置調整による調心が可能とされている。また、第２の非球面レンズは、縦横の倍率を異ならせ、ＬＤから出射される楕円形状の光を円形状にして光ファイバと光結合するようにしている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、有効ＮＡを従来のものより大きくすることができると共に調心が容易となり、ＬＤと光ファイバとの光結合効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による光モジュールの概略を説明する図である。
【図２】本発明で用いる非球面レンズについて説明する図である。
【図３】本発明における非球面レンズの調心について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図により本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明が適用される光モジュールの一例を示し、送信部と受信部を備えた送受信型の光モジュールである。図において、１は光モジュール、２は送信部、３は受信部、４は連結部、５は光ファイバ結合部、６，１４はステム、７，１５はレンズキャップ、８はレンズホルダ、９ａは第１の非球面レンズ、９ｂは第２の非球面レンズ、１０はレーザダイオード（ＬＤ）、１１，１８はリードピン、１２は光アイソレータ、１３は波長分波フィルタ、１６は球面レンズ、１７はフォトダイオード（ＰＤ）、２０は光ファイバ、２１はフェルール、２２はスリーブ、２３はブーツを示す。
【００１２】
送受信型の光モジュール１は、図１に示すように信号光を送信する送信部２と信号光を受信する受信部３とが連結部４を介して組付けられ、連結部４に外部機器と光接続する光ファイバ結合部５を連結して構成される。
送信部２は、ステム６に第１の非球面レンズ９ａを有するレンズキャップ７が密封形状で固定され、レンズキャップ７には第２の非球面レンズ９ｂを有するレンズホルダ８が接合固定されて成る。なお、ステム６には、外部制御回路に接続するためのリードピン１１が絶縁封止されており、また、信号光を送出するレーザダイオード（ＬＤ）等の電子部品が搭載されている。
【００１３】
受信部３は、送信部２と同様に、例えば、ステム１４にレンズ（球面または非球面レンズ）１６を有するレンズキャップ１５を密封形状で固定して成る。また、ステム１４には、外部制御回路に接続するためのリードピン１８が絶縁封止されており、信号光を受信するフォトダイオード（ＰＤ）等の電子部品が搭載されている。
【００１４】
連結部４は、送信部２と受信部３、並びに、光ファイバ結合部５を一体的に組付ける機能を有し、内部に光アイソレータ１２や波長分波フィルタ１３を配置することができる。光アイソレータ１２は、ＬＤ１０から出射された信号光がＬＤに戻るのを抑制するものであり、波長分波フィルタ１３は、ＬＤ１０からの出射される波長の信号光を透過させて光ファイバ側に送り、光ファイバ側から送られてきた波長の信号光を反射させて、ＰＤ１７側に入射させるものである。
【００１５】
光ファイバ結合部５は、光ファイバ２０の先端部にフェルール２１を固定し、フェルール２１をスリーブ２２で光ファイバ端面が所定位置に突き出るように位置決めして成る。また、光ファイバの引き出し部は、弾性を有するゴム等からなるブーツ２３で保護し、ピグテール型の光ファイバ端末とされる。
【００１６】
上述した光モジュール１は、ＬＤ１０と光ファイバ２０の端面との光結合は、光軸方向（Ｚ）については、連結部４の嵌合部４ａとレンズキャップ７との軸方向位置を調心することにより行われる。光軸方向と直交する方向（ＸＹ）については、連結部４の上端４ｂとスリーブ２２の下端面との接合位置を調心することにより行われる。また、受信部３のＰＤ１７と光ファイバ２０との光結合は、連結部４の光軸と平行な面４ｃと受信部３のレンズキャップ１５の端面との接合位置を調心することにより行われる。
【００１７】
上述した構成の光モジュール１は、ＬＤ１０から出射された信号光は、第１の非球面レンズ９ａ及び第２の非球面レンズ９ｂにより集光されて、光アイソレータ１２及び波長分波フィルタ１３を通って、光ファイバ２０の端面に入射される。一方、光ファイバ２０からの信号光は、波長分波フィルタ１３により反射されて受光部３の球面レンズ１６により集光されて、ＰＤ１７により受光される。
【００１８】
本発明は、上述の光モジュールにおいて、送信部２の集光レンズとして、第１の非球面レンズ９ａと第２の非球面レンズ９ｂの２つの非球面レンズで形成したことにある。第１の非球面レンズ９ａは、上述したようにレンズキャップ７に備えられて、送信部２の密閉封止の機能も兼ね備えたものとされる。第２の非球面レンズ９ｂは、レンズホルダ８に取付けられて、第１の非球面レンズ９ａに対して、後述するように、接合面方向に位置調整が可能に配置される。
【００１９】
送信部２の集光レンズに非球面レンズを用いる理由としては、図２（Ａ）に示すように、球面レンズの場合は、レンズへの光の入射角（θ）によって、焦点位置に差が生じる。すなわち、レンズ中心付近へ入射する光と、レンズの外縁部へ入射する光とでは、レンズ表面への入射角が異なるため焦点位置が大きくズレる球面収差が生じ、光結合効率が低下する。一方、非球面レンズを用いることにより、レンズへの光の入射角（θ）が変化しても、焦点位置をほぼ一定にすることが可能で、球面収差の問題を解消することができる。したがって、送信部２のＬＤ１０から出射される信号光は発散光であることから、集光レンズとしては非球面レンズを用いるのが好ましいと言える。
【００２０】
非球面レンズを用いてＬＤからの信号光を光ファイバに光結合させる場合、有効開口数（ＮＡ）を大きくして、集光効率を高めることが望ましい。図２（Ｂ）に示すように、ＮＡは、ＬＤ側においては、入射角を（θ）とすると、「ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎθ」で表すことができる。また、光ファイバ側においては、入射角（θ’）とすると、「ＮＡ’＝ｎ・ｓｉｎθ’」で表すことができる。なお、ｎは屈折率で、空気中では「１」である。また、この光学系の倍率ｍは、一般的に、「ｍ＝ＮＡ／ＮＡ’」で表される。
【００２１】
上記の非球面レンズを安価に得るには、成型による量産が適している。しかしながら、非球面レンズを成型により形成する場合、図２（Ｂ）に示すように、単一の非球面レンズを用いると、Ｓで示す周囲領域の急な傾斜部分での金型の抜き性が低下する。また、周囲領域の傾斜部分では屈折角が大きくなるため高精度の加工が必要となり、有効ＮＡをあまり大きくすることはできない。
一般に、有効ＮＡが大きいほど、ＬＤと光ファイバの光学系で高い光結合率を得ることができるとされているが、前述したように金型の構造上から、ＬＤ側の有効ＮＡは０.６程度で、他方の光ファイバ側の有効ＮＡは０.１２程度が上限とされている。
【００２２】
本発明においては、図２（Ｃ）に示すように、図２（Ｂ）の非球面レンズを、ＬＤ側に配する第１の非球面レンズと光ファイバ側に配するレンズを第２の非球面レンズとの２つのレンズを用いることにより、上記の問題を解決している。この２つ非球面レンズを用いることによりレンズ設計を容易にし、図２（Ｂ）のレンズ周囲領域Ｓの傾斜を緩やかにして、金型の抜き性や精度を緩和することができる。この結果、１レンズでは実現が難しいとされるＬＤ側の有効ＮＡを０.６５以上、他方の光ファイバ側の有効ＮＡを０.１３以上とすることが可能となる。
【００２３】
また、上記の光モジュールの光学系において、ＬＤと第１の非球面レンズ間の位置決め、第１の非球面レンズと第２の非球面レンズ間の位置決め、第２の非球面レンズと光ファイバ間の位置決めが、精度よく容易に行えることが必要とされる。
本発明は、上記した第１の非球面レンズと第２の非球面レンズを用いることで、光モジュールの組付けと調心を容易にし、高い光結合効率を得ることを可能としている。
【００２４】
図３（Ａ）は、本発明による第１の非球面レンズ９ａと第２の非球面レンズ９ｂの組付け形態を説明する図である。第１の非球面レンズ９ａを備えたレンズキャップ７は、ステム６の上面６ａを基準面として、レンズキャップ７の下端に設けたプロジェクション７ａを抵抗溶接により溶融して内部を密封するようにして固定される。なお、このプロジェクション７ａの溶接による歪の影響を軽減するために、レンズキャップ７は肉厚で形成されていることが望ましい。
【００２５】
より具体的には、レンズキャップ７の底面の厚み方向の幅に占めるプロジェクション７aの幅は、従来品では通常１／３程度であったが、本願の実施例では１／１０程度となるようにレンズキャップ７の底面の厚みを大きくしている。その結果、レンズキャップ７の底面における、プロジェクション７ａ以外の部分の熱容量が大きくなるため、プロジェクション溶接後のステムに対するレンズキャップ７の高さ方向のバラツキを抑えることができる。
【００２６】
第２の非球面レンズ９ｂは、レンズホルダ８に取付けられて、第１の非球面レンズ９ａに対して所定の離間距離で設置される。このため、レンズキャップ７の上端面７ｂとレンズホルダ８の下端面８ｂは平坦面で形成され、単に接合するだけで光軸方向の位置決め（離間距離）は、機械的に決まるようにされる。したがって、光軸と直交するＸＹ方向の調心、並びに、光軸を中心とする円周方向Ｒの調心を行うことで済ますことができる。なお、調心は光結合パワーをモニターしながら行ってもよく、画像認識により行ってもよい。
【００２７】
光ファイバ端面は、通常、ＬＤからの出射光の反射戻りを防ぐために、斜めに形成することが行われている。そして、この斜めに形成された光ファイバ端面にＬＤの出射光を効率よく結合させるには、光軸に対して所定の角度で光を入射させることも知られている。本発明においては、上記の構成により、第２の非球面レンズ９ｂが取付けられたレンズホルダ８を、その下端面８ｂをレンズキャップ７の上端面７ｂにＸＹ方向にスライドさせて、第１の非球面レンズ９ａと第２の非球面レンズ９ｂの中心位置をずらすことにより、光の入射角を容易に調整することができる。第２の非球面レンズ９ｂの調心状態は、溶接２４（例えば、ＹＡＧ溶接）等により固定される。
【００２８】
また、ＬＤの出射光は、広がり角が水平方向と垂直方向で異なるため、光ビームの断面形状が楕円状になる。しかし、光ファイバのコアは円形であるため、楕円形状の光ビームが円形になるように補正して入射させることが、結合効率を高める上で好ましい。このため、本発明においては、第１の非球面レンズ９ａ又は第２の非球面レンズ９ｂのいずれか一方に、収差を抑制する形状に加えて、楕円形状の光を円形状に変換するアナモフィック（縦横の倍率を異ならせる）な楕円形の凸状とする。レンズキャップ７が備える第１の非球面レンズ９ａは、レンズキャップ７をステムへ抵抗溶接によって固定するため回転方向の調整に手間がかかる場合がある。その場合には、第２の非球面レンズ９ｂをアナモフィックとすることが望ましい。
【００２９】
このとき、目視では凸形状の楕円方向の確認が難しいので、レンズ面に視認が容易なマーキングを付しておくのが好ましい。図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）は、第２の非球面レンズ９ｂを楕円形の凸状とし、そのレンズ面にマーキングを付した例で、例えば、凸起２５又は凹み２６を光結合に影響しないレンズ表面の周縁部に少なくとも１箇所に形成する。なお、マーキングは凹凸の他に、表面を粗くして曇らせた部分で形成するようにしてもよい。そして、図３（Ａ）で説明したように、第２の非球面レンズ９ｂが取付けられたレンズホルダ８を、ＸＹ方向の調心時にその下端面８ｂをレンズキャップ７の上端面７ｂでＲ方向に回転させて、ＬＤからの楕円形状の出射光を円形状に補正することができる。
【００３０】
本発明は、上述したように、ＬＤと光ファイバとの光結合を形成する集光レンズに、２つの非球面レンズを用いることにより、ＬＤと光ファイバとの光結合に最適とされている倍率５〜６程度に対する有効ＮＡを大きくすることが可能となる。また、２つの非球面レンズを用いて平面で接合させることにより、傾斜した光ファイバ端への光の入射角の調整、ＬＤの楕円形状のビームを円形に補正するための調心が容易となって、高効率で光結合された光モジュールを実現することが可能となる。
【符号の説明】
【００３１】
１…光モジュール、２…送信部、３…受信部、４…連結部、５…光ファイバ結合部、６，１４…ステム、７，１５…レンズキャップ、８…レンズホルダ、９ａ…第１の非球面レンズ、９ｂ…第２の非球面レンズ、１０…レーザダイオード（ＬＤ）、１１，１８…リードピン、１２…光アイソレータ、１３…波長分波フィルタ、１６…球面レンズ、１７…フォトダイオード（ＰＤ）、２０…光ファイバ、２１…フェルール、２２…スリーブ、２３…ブーツ、２４…溶接、２５…凸起、２６…凹み。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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