(57)【要約】【課題】受信光の光ファイバへの再結合を低減することができる光受信モジュール用の光学装置及びこれを用いた光受信モジュールを提供することを目的としている。【解決手段】光ファイバ７０から出射される受信光を受信する受光素子４０と、前記受信光を受光素子４０に結合させる集光レンズ２０と、を備えた光学装置において、集光レンズ２０と受光素子４０との間に配置された回折格子３０を有し、回折格子３０は受光素子４０で反射した反射光の光路を集光レンズ２０の外周方向に屈折させていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバから出射される受信光を受信する受光素子と、
前記受信光を前記受光素子に結合させる集光レンズと、を備えた光学装置において、
前記集光レンズと前記受光素子との間に配置された回折格子を有し、
前記回折格子は前記受光素子で反射した反射光の光路を前記集光レンズの外周方向に屈折させることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記受信光は前記集光レンズにより集光され、前記回折格子により屈折されて前記受光素子に結合するとともに、前記回折格子は前記受信光を前記集光レンズの光軸から離れる方向に屈折させることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記受光素子は前記集光レンズの光軸からオフセットされた位置に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記集光レンズを固定する鏡筒を有し、前記回折格子が前記鏡筒の内壁面に固定されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項５】
前記受光素子が固定された基板と、前記鏡筒に形成された鍔部と、を有し、前記基板と前記鍔部とが溶接されていることを特徴とする請求項４に記載の光学装置。
【請求項６】
前記受光素子は、前記集光レンズが焦点を結ぶ結像位置から前記受信光の光路方向にデフォーカスさせた位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項７】
光ファイバを固定するハウジングを備え、前記ハウジングには請求項１〜請求項６のいずれかに記載の光学装置が組み込まれたことを特徴とする光受信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受信光の光ファイバへの再結合を低減することができる光受信モジュール用の光学装置及びこれを用いた光受信モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信において、伝送媒体である光ファイバと、光ファイバに光信号を伝送する光学装置が使用されている。たとえば、光信号を送信する発光素子と集光レンズが組み込まれた光送信モジュール用の光学装置や、光信号を受信する受光素子と集光レンズが組み込まれた光受信モジュール用の光学装置がある。それぞれの光学装置は、ハウジング等に組み込まれて、光ファイバと位置合わせされて、光送信モジュールや光受信モジュールとして使用される。
【０００３】
特許文献１に開示されているように、光送信モジュールにおいては、半導体レーザ等の発光素子から出射された送信光がレンズに集光されてファイバ端面に光結合される。このとき、出射された送信光が半導体レーザに戻ってくる反射光を十分に抑制できなければ、反射光によって半導体レーザの動作が不安定になってしまうことが知られている。
【０００４】
図６は特許文献１に開示された構造例であり、斜めカットファイバを用いた光送信モジュール１０１を示す模式断面図である。光ファイバ１７０として斜めカットファイバが使用されているので、発光素子１６０から出射された送信光は、光路上に封入された気体の屈折率と光ファイバ１７０の屈折率との差異によって、屈折して光ファイバ１７０に入射する。このとき、発光素子１６０及びレンズ１２０並びに光ファイバ１７０は、Ｘ１−Ｘ２方向にオフセット配置されている。
【０００５】
図６に示す光送信モジュール１０１では、ファイバ端面１７０ａでの反射光が発光素子１６０の方向に戻る現象を低減することを目的として、反射光の角度を送信光の入射方向から逸らすために斜めカットファイバが使用されている。斜めカットファイバとは、ファイバ端面を光ファイバの中心軸に対して斜めに切断したものであり、たとえば８度の切断角を有している。図７に示すように、レンズ１２０からファイバ端面１７０ａに結合した送信光は屈折して光ファイバ１７０の中心軸方向に伝播する。一方、ファイバ端面１７０ａでの反射光は端面への光の入射角度に依存した反射角度を有し、送信光の入射方向から逸らすことができる。
【０００６】
同様に、光受信モジュールにおいても、光ファイバから出射された受信光が受光素子等で反射して光ファイバに再入射（再結合）する。この光受信モジュールから光ファイバへの戻り光は本来の信号光に重なって妨害を与え、受信誤りを生じさせる原因となる。したがって、光受信モジュールでは、この戻り光を低減することが必要である。
【０００７】
ところが、図８に示すように、従来の光受信モジュールの場合は、斜めカットファイバを用いても、光ファイバ１７０から出射した受信光の光路と受光素子１４０からの反射光の光路とがほとんど一致していた。そのため、戻り光を低減する方法としては、レンズ１２０の本来の結像位置から受光素子１４０を光路方向（Ｚ方向）にずらして配置することがおこなわれていた。これはデフォーカスと呼ばれる設計手法であり、デフォーカスによって反射光が相対的に拡がりをもって拡散するので、レンズ１２０を介して光ファイバ１７０に再結合する戻り光を低減できた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０―９６８３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、このデフォーカスによる戻り光対策は、本来の結像位置からずれた「ぼやけた位置」に受光素子を配置するので、受光素子の受光径が大きくなければ結合効率が低下してしまうという問題があった。一方、このデフォーカスをおこなわずに従来の光受信モジュールを製作すると、製作工程における製造ばらつきによって、戻り光の大きい不良品が混入してしまうことを防げない。したがって、製作された従来の光受信モジュール用の光学装置１台１台について、光ファイバを仮接続して受信光を導入し、そのときの戻り光を測定して、戻り光の大きい不良品を選別する検査が必要になる。
【００１０】
近年、通信速度の高速化に伴って受光素子の受光径が小さくなり、戻り光対策として十分なデフォーカス量に設定することが困難になっている。そのため、デフォーカスによる従来の方法では、受信光の光ファイバへの再結合を低減することができず、上述のように検査をおこなわなければならない。
【００１１】
本発明は上記課題を解決するためのものであり、デフォーカスをしなくても、受信光の光ファイバへの再結合を低減することができる光受信モジュール用の光学装置及びこれを用いた光受信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】
【００１２】
本発明は、光ファイバから出射される受信光を受信する受光素子と、前記受信光を前記受光素子に結合させる集光レンズと、を備えた光学装置において、前記集光レンズと前記受光素子との間に配置された回折格子を有し、前記回折格子は前記受光素子で反射した反射光の光路を前記集光レンズの外周方向に屈折させる、ことを特徴とする。
【００１３】
これにより、受光素子で反射した反射光は回折格子で集光レンズの外周方向に曲げられる。こうすれば、受光素子で反射した反射光のうち、集光レンズに集光されて光ファイバに結合する割合が低減される。光ファイバに結合する反射光を低減できるので、レンズの結像位置から受光素子を光路方向にずらして配置しておかなくてもよい。すなわち、デフォーカスをしなくてもよい。
【００１４】
したがって、デフォーカスをしなくても、受信光の光ファイバへの再結合を低減することができる。
【００１５】
さらに、前記受信光は前記集光レンズにより集光され、前記回折格子により屈折されて前記受光素子に結合するとともに、前記回折格子は前記受信光を前記集光レンズの光軸から離れる方向に屈折させることが好適である。すなわち、前記集光レンズの光軸方向をＺ軸方向とすれば、前記光軸に直交するＸ方向に前記受信光を屈折させて、前記集光レンズの光軸から離れる方向に前記受信光を進行させる。これにより、回折格子によって、受光素子に結合する受信光は集光レンズの光軸から離れる方向に１回屈折して、さらに、受光素子で反射した反射光は集光レンズの光軸から離れる方向（集光レンズの外周方向）にもう１回屈折するので、反射光の光路はより大きく曲げられる。こうすれば、受信光の結合効率を低下させずに、受信光の光ファイバへの再結合を低減することができる。
【００１６】
前記受光素子は前記集光レンズの光軸からオフセットされた位置に配置されていることが好ましい。すなわち、前記集光レンズの光軸方向をＺ軸方向とすれば、前記光軸に直交するＸ方向に受光素子がオフセット配置されていることが好ましい。これにより、受光素子からの反射光は集光レンズの光軸から離れる方向に反射されるので、デフォーカスをしなくても、受信光の光ファイバへの再結合を低減できる。また、受光素子の受光径とオフセット位置とを最適にしておけば、結合効率を向上させることができる。
【００１７】
前記集光レンズを固定する鏡筒を有し、前記回折格子が前記鏡筒の内壁面に固定されていることが実用的である。鏡筒に一体となるように集光レンズを成形してから、回折格子を内壁面に固定することは容易である。こうすれば、光学装置の組み立て精度が向上して、製造ばらつきが低減できるので、光受信モジュールの性能ばらつきが低減できる。
【００１８】
前記受光素子が固定された基板と、前記鏡筒に形成された鍔部と、を有し、前記基板と前記鍔部とが溶接されていることが好ましい。これにより、受光素子が気密に封止された光学装置を容易に実現できる。こうすれば、酸化による劣化が抑制されるので、信頼性が向上する。
【００１９】
前記受光素子は、前記集光レンズが焦点を結ぶ結像位置から前記受信光の光路方向にデフォーカスさせた位置に配置されていることが好適である。このとき、受光素子の受光径に合わせたデフォーカス量にすることが好ましい。こうすれば、受光径が小さく、デフォーカス量をそれほど大きく取れなくても、回折格子による反射光の屈折作用を組み合わせたことにより、受光素子で反射した反射光のうち、集光レンズに集光されて光ファイバに結合する割合を低減できる。
【００２０】
本発明は、光ファイバを固定するハウジングを備え、前記ハウジングに上記いずれかに記載の光学装置が組み込まれた光受信モジュールであることが好ましい。これにより、受信光の光ファイバへの再結合を低減することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の光学装置及び光受信モジュールによれば、受光素子で反射した反射光は回折格子で集光レンズの外周方向に曲げられるので、集光レンズに集光されて光ファイバに結合する割合が低減される。したがって、デフォーカスをしなくても、受信光の光ファイバへの再結合を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態の光学装置を示す模式断面図である。
【図２】本実施形態の光受信モジュールを示す模式断面図である。
【図３】受光素子で反射した戻り光の光路が回折格子によって変化する光学作用を示す説明図である。
【図４】ブレーズ型回折格子の適用事例を示す説明図である。
【図５】本実施形態の変形例における戻り光の光路を示す説明図である。
【図６】従来の光学装置であり、斜めカットファイバを用いた光送信モジュールを示す模式断面図である。
【図７】従来の光学装置における斜めカットファイバに結合した送信光とファイバ端面での反射光の光路を示す説明図である。
【図８】従来の光学装置における斜めカットファイバから出射した受信光と受光素子での反射光の光路を示す説明図である。
【図９】従来の光学装置においてオフセット配置した受光素子位置に対する受光径と戻り光強度とを示す事例のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、分かりやすいように、図面は寸法を適宜変更している。
【００２４】
図１は本実施形態の光学装置１を示す模式断面図であり、図２は光受信モジュール２を示す模式断面図である。図３は、受光素子４０で反射した戻り光の光路が回折格子３０によって変化する光学作用を示す説明図である。
【００２５】
本実施形態の光学装置１は、光受信モジュール２に組み込まれて、光ファイバ７０のファイバ端面７０ａから出射された光信号を集光レンズ２０により集光して受光素子４０に結合させる。図１では、集光レンズ２０は鏡筒１０に収納されて、鏡筒１０の鍔部１１が、受光素子４０を搭載した基板５０に溶接されている。図２に示すように、光学装置１を組み込んだハウジング９０と、光ファイバ７０の固定部８０とが一体に固定されることによって、光ファイバ７０がハウジング９０に固定された光受信モジュール２が構成される。なお、光受信モジュール２は、光ファイバ７０が着脱自在になっているレセプタクル型、または、光ファイバ７０が固定されたピグテイル型、のいずれでも適用可能である。
【００２６】
図１において、光ファイバ７０のファイバ端面７０ａから出射された受信光は、ファイバ端面７０ａの斜めカット角度と光ファイバ７０の屈折率とによって、Ｚ２方向から所定の角度だけ傾いた光路を進行する。ここで、集光レンズ２０は鏡筒１０の内壁面に固定されて、集光レンズ２０の光軸ＬはＺ１−Ｚ２方向に一致している。集光レンズ２０の光軸Ｌに対して、光ファイバ７０の中心軸ＦはＸ２方向にオフセットして配置され、集光レンズ２０を受信光が通過するように位置合わせされている。集光レンズ２０は非球面レンズであり、レンズ面の光学的な中心を集光レンズ２０の中心Ｏと定義する。
【００２７】
なお、鏡筒１０と集光レンズ２０とは光軸ＬがＺ１−Ｚ２方向に平行に製作され、基板１０に固定された受光素子４０はＸ１−Ｘ２方向に平行な表面で受信光を反射する。光路が傾いているので、受信光は集光レンズ２０の外周方向に反射される。
【００２８】
本実施形態の光学装置１では、鏡筒１０の内壁面に回折格子３０が接着材によって固定されている。この回折格子３０は受光素子４０で反射した反射光の光路を集光レンズ２０の外周方向に屈折させている。図１においては、反射光は集光レンズ２０の中心Ｏから離れる方向（Ｘ１方向）に曲げられるので、集光レンズ２０によってファイバ端面７０ａに結合する割合が低減する。
【００２９】
この効果について、従来例と比較して、詳細に説明する。
【００３０】
図９を用いて、本実施形態の光学装置１における回折格子３０を配置せずに、受信光の光路に受光素子４０を配置した従来構造での課題を説明する。図９は、受光素子４０を所定の位置から変化させたときの、受光径及び戻り光強度の変化を示すグラフである。この変化を評価するため、十分にデフォーカスさせた位置を原点として焦点の合う方向に受光素子４０の位置をＺ方向に変化させ、さらに結像位置を越えて再びデフォーカス量が大きくなった位置までの測定を実施した。前記原点から変化させた距離はわずか４００μｍであった。このとき、測定には斜めカットファイバからの出射光を用い、ファイバ端面７０ａからＺ１−Ｚ２方向に対して約４度傾いて受信光が出射されている。集光レンズ２０を通過して受光素子４０に受信光が上記の角度を保持して受光され、その一部が反射して戻り光となる。図９では、受光素子４０が基板５０に固定される際の製造ばらつきを考慮して、各位置での戻り光が最大になる取り付け角度に受光素子４０を傾けて測定した。これは、受光素子４０からの反射光が集光レンズ２０からの受信光の光路方向に一致した状態（最悪ケース）に対応するものと推測される。
【００３１】
図９のグラフから分かるように、十分にデフォーカスさせた位置（原点）では受光径が４０μｍ以上の大きさであるが、戻り光は−２５ｄＢよりも十分に小さいので、光ファイバ７０への戻り光の光量としては問題にならない。しかし、この位置からデフォーカス量が１００μｍ以上ずれて、焦点の合う方向にばらつくと、戻り光は−２５ｄＢよりも大きくなって、仕様を満たさない不良品になってしまう。したがって、デフォーカス量を１００μｍ以内のばらつきで製作できる組み立て精度が要求される。また、通信速度の高速化に伴って受光素子４０の受光径が小さくなり、受光径を２０μｍ以内にしなければならない場合、その受光径での戻り光は−２３ｄＢ〜―２６ｄＢになるので、やはり仕様を満たすことができない。
【００３２】
本実施形態の光学装置１では、回折格子３０を配置することによって、上記問題を解決するものであり、組み立て精度が同じであっても、従来に比べ戻り光を小さくできる。
【００３３】
図３は、受光素子４０で反射した戻り光の光路が回折格子３０によって変化する光学作用を示す説明図である。受信光は回折格子３０を通過する際に、集光レンズ２０の光軸Ｌに対して離れる方向に屈折してから、受光素子４０に結合している。さらに、受光素子４０で反射した反射光は回折格子３０を通過する際に集光レンズ２０の光軸Ｌから離れる方向にもう１回屈折するので、反射光の光路はより大きく曲げられる。なお、この受信光の光路に受光素子４０の中心を合わせ、図３のように光軸Ｌからオフセット量ＯＦだけオフセットして配置されている。
【００３４】
このため、光ファイバ７０から出射され、集光レンズ２０を通過した受信光の光路が回折格子３０で屈折して、より大きな角度で受光素子４０に結合するので、受光素子４０からの反射光も大きな角度で反射される。
【００３５】
したがって、組み立て精度が同じであっても、受信光の光路方向に反射する最悪ケースの可能性は低くなる。
【００３６】
さらに、回折格子３０を通過する反射光は屈折作用を受けるので、さらに大きな角度で屈折して集光レンズ２０の光軸Ｌから離れる方向に向かう。
【００３７】
図９の測定に対して、本実施形態での適用事例は、回折格子３０における０次光と１次光との角度差を２度にするように設計した。この結果、従来構造での事例と同じ条件で測定して、受光径が最小（約１０μｍ）となる結像位置に受光素子４０を配置した場合であっても、戻り光が−４０ｄＢになった。デフォーカスをしなくても、戻り光を十分に小さくできるので、仕様を満たさない不良品は製造されなくなった。
【００３８】
このような作用を得る回折格子３０として、図４にはブレーズ型回折格子の適用事例を示している。この場合、受信光の波長及び光路に合わせて、ブレーズ型回折格子における鋸歯状溝のブレーズ角度、ピッチ等の光学設計を最適化しておくことが好ましい。回折格子３０は石英ガラスを加工して製作することができる。また、受信光の波長に対して透明な材料であればよいので、たとえば１．５μｍ帯ではシリコン等を使用することができる。このような回折格子３０はプリズム等の光学部品に比べて製作しやすく、光学装置１の製造コストもほとんど増加しないで済む。
【００３９】
上述したように、受信光の光路が回折格子３０によって、集光レンズ２０の光軸Ｌから離れる方向に屈折することが効果的である。なお、受信光の光路が回折格子３０を通過する際にほぼ直進する場合であっても、反射光の光路は上述の方向に屈折する作用を受けるので、本発明の効果が得られる。受光素子４０からの反射光は集光レンズ２０の光軸Ｌから離れる方向であるので、デフォーカスをしなくても、受信光の光ファイバ７０への再結合を低減できる。また、受光素子４０の受光径とＸ１−Ｘ２方向におけるオフセット位置とを最適にしておけば、結合効率を向上させることができる。
【００４０】
受光素子４０は、集光レンズ２０が焦点を結ぶ結像位置から受信光の光路方向（Ｚ方向）にデフォーカスさせた位置に配置されていることが好適である。このとき、製造ばらつきを考慮しながら、受光素子４０の受光径に合わせたデフォーカス量にすることが好ましい。こうすれば、受光素子４０の受光径が小さく、デフォーカス量をそれほど大きく取れなくても、回折格子３０による反射光の屈折作用を組み合わせることができる。このことにより、受光素子４０で反射した反射光のうち、集光レンズ２０に集光されて光ファイバ７０に結合する割合を低減できる。
【００４１】
図５は、本実施形態の変形例における戻り光の光路を示す説明図である。光ファイバ７０が斜めカットファイバでなく、光ファイバ７０の中心軸Ｆに垂直な断面にカットされていて、中心軸Ｆと集光レンズ２０の光軸ＬがＸ１−Ｘ２方向で一致している場合、光ファイバ７０から出射された受信光はＺ１−Ｚ２方向に平行に進行する。あるいは、受信光をＺ１−Ｚ２方向に平行に進行するように、斜めカットファイバが傾斜して固定されている光受信モジュールの場合である。これらの場合であっても、回折格子３０を配置することによって、光軸Ｌから離れる方向に受信光及び反射光を屈折させるので、同様の効果を得ることができる。
【００４２】
集光レンズ２０は、球形のレンズでもよいが、図１に示すように、球面収差が補正された非球面レンズであることが好ましい。非球面レンズは球面収差を補正するので、高い結合効率を得ることができる。さらに、鏡筒１０と一体になるようにプレス成形された非球面レンズであることが好ましい。こうすれば、鏡筒１０と集光レンズ２０との密着がよく、気密性を得ることが容易である。また、鏡筒１０を有しているので、鏡筒１０の内壁面に取り付け部を設けておけば回折格子３０を固定しやすい。さらに、図２に示すように、鏡筒１０を光受信モジュール２のハウジング９０に固定できるので、各部品の位置合わせを容易にすることができる。
【００４３】
光学装置１は、図１に示すＣＡＮパッケージと呼ばれる態様で、受光素子４０が基板５０に載置されて固定されており、基板５０と鏡筒１０の鍔部１１とが溶接されて、受光素子４０を気密に封止していることが好ましい。非酸化性の雰囲気ガスで封止することによって、長期間に亘って酸化による劣化が抑制されるので、信頼性が向上する。
【００４４】
光学装置１は、受光素子４０が固定された基板５０と、鏡筒１０に形成された鍔部１１と、を有し、基板５０と鍔部１１とが溶接されていることが好ましい。これにより、受光素子４０が気密に封止された光学装置１を容易に実現できる。こうすれば、酸化による劣化が抑制されるので、信頼性が向上する。光学装置１を気密に封止する場合であっても、回折格子３０が気密空間の中に配置されていれば、回折格子３０を気密封止用の固定方法で固定する必要はない。
【００４５】
鏡筒１０は円筒状に製作されていることが好ましいが、これに限定されるものではない。また、鏡筒１０が円筒状であっても、回折格子３０は円板状や四角板状等の外形を有していてもよい。
【００４６】
回折格子３０は接着材による固定でなく、はんだ固定にしてもよい。回折格子３０の外周に沿って部分メタライズをおこなっておけば、容易にはんだ固定が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１  光学装置
２  光受信モジュール
１０  鏡筒
１１  鍔部
２０  集光レンズ
３０  回折格子
７０  光ファイバ
７０ａ  ファイバ端面
４０  受光素子
５０  基板
８０  固定部
９０  ハウジング
１０１  光送信モジュール
１２０  レンズ
１４０  受光素子
１６０  発光素子
１７０  光ファイバ
１７０ａ  ファイバ端面
Ｆ  光ファイバの中心軸
Ｌ  集光レンズの光軸
Ｏ  集光レンズの中心
ＯＦ  オフセット
【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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