JP2006258964A - 光モジュール、光通信装置、電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】オーバーシュート量が抑制された良好な信号伝送を行うことが可能な光モジュールを提供すること。
【解決手段】マルチモード発振の面発光レーザからなる光源(10)と、上記光源と光ファイバとの相互間に配置され、上記光源からの放射光を光ファイバに結合させるレンズ(22)と、上記光源と上記光ファイバとの相互間の光路上に配置され、上記光源と上記光ファイバとの相互間の光軸中心近傍に配置された光量減少部と、(28)と、を備える光モジュールである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信システムに用いて好適な光モジュールとこれを備える光通信装置及び電子機器に関する。

従来、基幹系、アクセス系において使用されていた光通信の技術は、ＬＡＮ（Local Area Network）はもとより、各種装置に含まれる回路チップ相互間、あるいは回路基板相互間などにおける信号の高速伝送の用途に応用されつつある。かかる光通信においては、光源と光ファイバ等の光伝送路とを高効率に光結合させる構造が基本となる。近年では、光源として面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）を使用し、当該ＶＣＳＥＬを光ファイバ等と結合させて光通信を行うための光モジュールが盛んに研究、開発されている。

ところで、ＶＣＳＥＬにステップ状の駆動電流を供給した場合に、放射光の立ち上がり時にその後の定常状態に比較して光量が過大となる現象（オーバーシュート）が知られている。これは、放射光の立ち上がり時に、放射光の基本モードが他の高次成分に比較して速く立ち上がり、かつ過大な光量となることに起因すると考えられる。かかるオーバーシュート現象の詳細は、例えば、“Johan S. Gustavsson et al. ; A Comprehensive Model for the Model Dynamics of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers , IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL.38, NO.2,FEBRUARY 2002, p.203-212”（非特許文献１）に開示されている。このようなオーバーシュート現象はＶＣＳＥＬを高速駆動した際により顕著であり、当該現象によって光信号の波形に乱れが生じ、伝送エラーが増加してしまう不都合を生じる。

Johan S. Gustavsson et al. ; A Comprehensive Model for the Model Dynamics of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers , IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL.38, NO.2,FEBRUARY 2002, p.203-212

そこで、本発明は、オーバーシュート量が抑制された良好な信号伝送を行うことが可能な光モジュールを提供することを目的とする。

第１の態様の本発明は、マルチモード発振の面発光レーザからなる光源と、上記光源と光伝送路（例えば、光ファイバ）との相互間に配置され、上記光源からの放射光を光伝送路に結合させるレンズと、上記光源と上記光伝送路との相互間の光軸中心近傍に配置された光量減少部と、を備える光モジュールである。

第２の態様の本発明は、マルチモード発振の面発光レーザからなる光源と、上記光源と光伝送路（例えば、光ファイバ）との相互間に配置され、上記光源からの放射光を光伝送路に結合させるレンズと、上記光源と上記光伝送路との相互間の光路上に配置され、上記光源からの放射光に含まれる基本モードの光量を減少させる光量減少部と、を備える光モジュールである。

上記各態様の本発明にかかる構成によれば、オーバーシュートの主要因となる放射光の基本モードの光量が光量減少部によって低減されるので、全体として、オーバーシュート量が抑制された良好な信号伝送を行うことが可能となる。

上述した光量減少部は、上記レンズの光入射面の一部を上記光軸の方向に窪ませてなる凹部であることが好ましい。また、光量減少部は、上記光軸と略直交するように上記レンズの光入射面の一部に設けられる平面であってもよい。

これらのように、レンズの形状を部分的に変更してレンズ作用を生じないようにすることにより、光量減少部を容易に実現することができる。

また、上述した光量減少部は、主面が上記光軸と交差するように設けられる回折格子であることも好ましい。

回折格子を用いることによっても、光量減少部を容易に実現し得る。また、回折格子の形状パラメータを適宜設定することにより、光量減少の度合いを比較的に精度よく制御することができる。

また、上述した光量減少部は、非規則的な凹凸によって光の散乱を生じさせる散乱部であってもよい。

かかる散乱部を用いることによっても、光量減少部を容易に実現し得る。また、散乱度を調整することによって、光量減少の度合いを容易に制御し得る。

また、上述した光量減少部は、主面が上記光軸と交差するように設けられる半透過膜であってもよく、主面が上記光軸と交差するように設けられ、光量をほぼ１００％減衰させ、又は反射することによって基本モードの光量を減少させる遮光膜であってもよい。更に、上述した光量減少部は、光源からの放射光の光軸中心近傍の光線が、屈折により光伝送路以外の方向に進むように面形状をなした部分であってもよい。

これらによっても、光量減少部を容易に実現し得る。また、半透過膜の透過率を調整し、又は遮光膜の面積を調整すること等によって、光量減少の度合いを容易に制御し得る。

また、回折格子、散乱部、半透過膜、遮光膜又は所定の面形状を成した部分のいずれかを光量減少部として採用する場合に、当該光量減少部は、レンズの光入射面に設けられることが好ましい。

レンズの光入射面では、光源からの放射光が広がった状態となっているので、光量減少部を形成可能なき面積を比較的に大きく確保することができる。したがって、回折格子等からなる光量減少部の形成がより容易になる。

また、上記光伝送路は、屈折率分布型のマルチモードファイバであることが好ましい。

かかる特性の光ファイバを用いる場合ではオーバーシュート現象による弊害が顕著となりやすいが、本発明を適用することにより当該不都合を効果的に抑制することができる。

第３の態様の本発明は、上述した光モジュールを備える光通信装置（光トランシーバ）でもある。このような本発明にかかる光通信装置は、例えば、パーソナルコンピュータやいわゆるＰＤＡ（携帯型情報端末装置）など、光を伝送媒体として外部装置等との間の情報通信を行う各種の電子機器に用いることが可能である。

第４の態様の本発明は、上述した光モジュール或いは光トランシーバを備える電子機器でもある。ここで「電子機器」とは、電子回路等を用いて一定の機能を実現する機器一般をいい、その構成には特に限定がないが、例えば、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（携帯型情報端末）、電子手帳など各種機器が挙げられる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、一実施形態の光モジュールの構成を説明する断面図である。図１に示す光モジュール１は、ＶＣＳＥＬ（光源）１０を含んでなるカンパッケージ１２と、透明樹脂による射出成形によって一体成形されたコネクタ２０とを含んで構成されている。カンパッケージ１２とコネクタ２０とは、位置調整をした後に接着材１８を用いて固定されており、ＶＣＳＥＬ１０から出力された光がコネクタ２０のレンズ２２によって集光され、スリーブ部２４によって位置決めされた光ファイバ３２の端面に入射する。光ファイバ３２としては、例えばコア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍ、ＮＡ０．２１の屈折率分布型（ＧＩ）マルチモードファイバが使用される。

ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）１０は、カンパッケージ１２の内部に固定されており、透明窓１４を介して外部に光を出力可能に構成されている。このＶＣＳＥＬ１０としては、例えばマルチモード発振型のものが用いられる。ＶＣＳＥＬ１０に対する駆動信号の供給はカンパッケージ１２に備わったリード線１６を介して行われる。

コネクタ２０は、レンズ２２、スリーブ部２４、カンパッケージ支持部２６、光量減少部２８を備えている。

レンズ２２は、ＶＣＳＥＬ１０と光ファイバ３２との相互間に配置され、ＶＣＳＥＬ１０からの放射光を集光して光ファイバ３２に結合させる。

スリーブ部２４は、光ファイバ３２の一端に設けられたフェルール３０が挿入され、当該光ファイバ３２とＶＣＳＥＬ１０との光軸合わせを行う。

カンパッケージ支持部２６は、一方が開口した略コ字状の断面を有しており、当該開口側にカンパッケージ１２が取り付けられる。このコネクタ２０は、上記のようにレンズ２２とスリーブ部２４とカンパッケージ支持部２６とが樹脂成形によって一体に成形されている。

光量減少部２８は、ＶＣＳＥＬ１０と光ファイバ３２との相互間の光路上、より詳細にはＶＣＳＥＬ１０と光ファイバ３２との相互間の光軸中心近傍に配置されており、主としてＶＣＳＥＬ１０からの放射光に含まれる基本モードの光量を減少させるためのものである。なお、放射光に含まれる基本モード以外の成分についても、光量減少部２８に入射した全ての成分はその光量が減少する。図１に示すように本実施形態では、この光量減少部２８は、レンズ２２の光入射面の一部をＶＣＳＥＬ１０の光軸の方向に窪ませてなる凹部である。このような凹部からなる光量減少部２８は、例えば、コネクタ２０を射出成形法などによって形成する際に一括して形成してもよく、あるいはコネクタ２０の形成後にレンズ２２の光入射面をエッチングや切削等によって部分的に除去することによって形成してもよい。ここで、光入射面とは、レンズ２２のＶＣＳＥＬ１０と対向する側の面をいう。この光量減少部２８は、放射光の基本モードが当該光量減少部２８の位置に集中するようにその形状、形成範囲等が設定される。そして、ＶＣＳＥＬ１０から光量減少部２８に入射した基本モード及びその他の成分は、光ファイバ３２のコアに結合されないが、レンズ２２の光量減少部２８以外の部位に入射した光（端部は除く）は、光ファイバ３２のコアに結合される。

なお、図１に示す例では、光量減少部２８の一例として内壁が曲面となる凹部を示しているが、底側が平面となるような凹部であってもよい。更には、レンズ２２の光入射面の一部に、ＶＣＳＥＬ１０の光軸と略直交する平面を設け、当該平面を光量減少部としてもよい。すなわち、光量減少部は、レンズ２２の光入射面の一部、より具体的には光軸を含む中心部近傍の領域が集光機能を果たさないような形状とされていればよい。更には、レンズ２２の光軸を含む中心部近傍の領域に半透過膜などの光量減少作用を発揮するものを設け、これを光量減少部することもできる。

図２は、光モジュールの他の構成例を説明する断面図である。図示の光モジュール１ａの基本構成は上述した図１に示す光モジュール１と同様であり、光量減少部の構造が異なっている。なお、共通する構成要素については同符合を付し、これらについての詳細な説明は省略する。図２に示す光モジュール１ａでは、光量減少部２８ａは、レンズ２２の光入射面に設けられる。このような光量減少部２８ａとしては、例えば、主面がＶＣＳＥＬ１０の光軸と交差するように設けられる回折格子が挙げられる。この場合、入射する光のパワーを０次光と±ｎ次回折光（ｎ：自然数）とに適宜分割することにより、ＶＣＳＥＬ１０の放射光に含まれる基本モードを減少させることができる。

また、光量減少部２８ａは、非規則的に形成された微少な凹凸によって光の散乱を生じさせる散乱部（いわゆるすりガラス等）であってもよい。この場合には、微少な凹凸の平均サイズ（径、深さ等）を適宜選択することにによって透過光量（主としてＶＣＳＥＬ１０の放射光の基本モード）を所望の大きさに制御することが可能である。

また、光量減少部２８ａは、主面がＶＣＳＥＬ１０の光軸と交差するように設けられる半透過膜であってもよい。このような光量減少部２８ａは、レンズ２２の所定位置に金属等の薄膜を用いて実現することが可能であり、当該薄膜の厚さや材質を適宜選択することによって透過光量（ＶＣＳＥＬ１０の放射光の基本モード）を所望の大きさに制御することが可能である。

また、光量減少部２８ａは、主面がＶＣＳＥＬ１０の光軸と交差するように設けられ、基本モードの光量を１００％近く減衰させ、又は反射することによって、レンズ２２を通過する基本モードの光量を減少させる遮光膜であってもよい。このような光量減少部２８ａは、レンズ２２の所定位置に金属等の薄膜を用いて実現することが可能であり、ＶＣＳＥＬ１０の放射光の基本モードがほとんど通過しないようにしたい場合に好適である。

本実施形態の光モジュール１（又は１ａ、以下同様。）はこのような構成を有しており、次に、当該光モジュール１におけるＶＣＳＥＬ１０の放射光と光ファイバ３２への入射光との関係について詳細に説明する。

図３は、ＶＣＳＥＬの放射角特性を説明する図である。図３に示すように、ＶＣＳＥＬ１０の放射光には主として、光軸を中心としてガウシアン状に分布した基本モードと、この基本モードよりも放射角が大きく、かつ光軸を中心としてリング状に分布した高次モード（図中「１次」と表示する）と、この高次モードよりも更に放射角が大きく、光軸を中心としてリング状に分布した高次モード（図中「２次」と表示する）と、が含まれる。

図４は、ＶＣＳＥＬの放射光のステップ応答特性を説明する図であり、ＶＣＳＥＬ１０を高速駆動した場合（例えば、ＧＨｚ帯で駆動した場合）における特性が示されている。図４（Ａ）に示すようなステップ状に立ち上がる駆動電流が与えられた場合における放射光を細かく分析すると、図４（Ｂ）に示すようになる。具体的には、駆動電流の立ち上がり時には、ＶＣＳＥＬ１０の放射光に含まれる種々の成分（図３参照）のうち、まず基本モード（０次モード）が励起され、立ち上がる。この基本モードは、図３に示したように放射角が狭く、光軸付近にエネルギーが集中している。次に、比較的に次数の低い高次モード（以後「１次モード」と称する。）、１次モードよりも次数の高い高次モード（以後、「２次モード」と称する。）などの様々な高次モードが遅れて励起され、基本モードに集中していたエネルギーが徐々にこれらの高次成分へ移行する。このとき、次数の高いモードほど放射角が広くなり、全体としてはリング状のファーフィールドパターンを持つ放射光となって安定する。このとき、高速で立ち上がる基本モードと、遅れて立ち上がる高次成分とが相互に影響し、全体の光量（総光量）としてはステップ状の応答特性となる。しかし、高速駆動した場合には、図４に示すように、ＶＣＳＥＬ１０自体に含まれる微少な容量成分やインダクタ成分により立ち上がり時にオーバーシュートが発生し、その後は振動しながら減少して安定する、という放射光特性（振動緩和）になる場合もある。

図５は、光ファイバに結合可能な光について説明する図である。ＧＩマルチモードファイバは、入射角が小さい光、すなわち光軸近傍の光ほど結合可能な範囲が広く、入射角の大きな光は結合可能な範囲が狭く結合効率が低下する、という特性を有する。例えば、光ファイバのＮＡが０．２１である場合には、ＮＡが０．２１以上の入射角の大きな光線は全く結合することができない（図中、斜線で示す範囲を参照）。したがって、基本モードの光結合効率が高く、高次成分になるほど光結合効率が低くなる。

図６は、光ファイバへの入射光のステップ応答特性を説明する図である。上記のような特性を有するＶＣＳＥＬ１０の放射光をレンズ２２を使用して光ファイバ３２に結合させると、高速で立ち上がる基本モードのみが多く結合され、より放射角の大きな高次成分の光は結合できずに“けられ（eclipse）”（図５において斜線で示す範囲を参照）が生じることになり、オーバーシュート量が相対的に増えてしまう。これは、高速動作させたときのデータエラーの原因となってしまう。放射角が大きく光ファイバ３２への集光ＮＡが０．２１より大きな光は光ファイバ３２に結合できないため、放射角の大きなＶＣＳＥＬにおいて上記の不都合が顕著となる。

図７は、本実施形態の光モジュール１における光ファイバに結合可能な光について説明する図である。また、図８は、本実施形態の光モジュール１における光ファイバへの入射光のステップ応答特性を説明する図である。本実施形態では、光量制限部２８（又は２８ａ、以下同様。）により、ＶＣＳＥＬ１０の放射光のうち、図７において光軸付近に斜線で示す放射角の範囲に含まれる成分の光量を抑制している。これにより、図８に示すように、ＶＣＳＥＬ１０の放射光の基本モードの光量が減少するので、総光量の立ち上がり時のオーバーシュートが減り、全体として良好な特性の信号伝送を行うことが可能となる。ここで、ＶＣＳＥＬ１０の放射光の基本モードを全て制限してしまうと、帯域の遅い成分しか残らないため、かえってエラーが増加する場合がある。したがって、光量減少部２８（又は２８ａ）の形成条件を適宜調整し、光量減少の度合いを適正にすることにより、オーバーシュート量及び帯域を調整するとよい。例えば、光ファイバ３２のＮＡが０．２１である場合には全角で２４度程度であるので、ＶＣＳＥＬ１０の放射角が全角で３０度程度（ピーク値の１／ｅ²）であった場合に、片側３度のけられ部分が生じる計算になる。また、ＶＣＳＥＬ１０の放射光の基本モードの放射角は、概ねマルチモード駆動状態の半分程度（〜１５度）となる。このような条件においては、光量減少部２８（又は２８ａ）へ入射する放射光の角度を３．８〜１５．２度の範囲で可変に設定したところ、９．４度程度としたときに良好な伝送特性が得られた。本条件は一例にすぎないが、光量減少部２８（又は２８ａ）によるマスク角度（光量減少部へ入射する放射光の角度）を基本モードの放射角（〜１５度程度）にまで広げた場合には、帯域の遅い他の高次成分についても光量が抑制されることから伝送特性を向上させる効果が少なくなる傾向が見られた。この結果から、光量減少部２８（又は２８ａ）のマスク角度は、放射光の基本モードの放射角より小さくした方がよいと推測される。

このように本実施形態によれば、オーバーシュートの原因となるＶＣＳＥＬ１０の放射光の基本モードの光量が光量減少部によって低減され、全体として、オーバーシュート量が抑制された良好な信号伝送を行うことが可能となる。

また、上記の光モジュール１に対してＶＣＳＥＬ１０を駆動するための回路（送信ＩＣ、受信ＩＣ等）を取り付け、或いはこれらの回路が実装された回路基板に上記光モジュール１を取り付けることにより、光トランシーバ（光通信装置）を構成することができる。このような本発明にかかる光モジュールや光通信装置は、例えば、パーソナルコンピュータやいわゆるＰＤＡ（携帯型情報端末装置）など、光を伝送媒体として外部装置等との間の情報通信を行う各種の電子機器に用いることが可能である。

図９は、本発明にかかる光モジュールを備える電子機器の一例を示す斜視図である。図９では電子機器の一例としてパーソナルコンピュータが示されている。図９に示すノート型のパーソナルコンピュータ１００は、キーボード１０１を有する本体部１０２と、表示パネル１０３とを備えて構成されている。本実施形態にかかる光モジュールは、図４に示すパーソナルコンピュータ１００の本体部１０２の内部に含まれて、当該パーソナルコンピュータ１００が外部装置との相互間で情報通信を行うために用いられる。

なお、本発明は上述した各実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。

例えば、上述した実施形態では、カンパッケージングされたＶＣＳＥＬを光源として用いた光モジュールに対して本発明を適用した場合を説明していたが、これ以外のタイプの光モジュールに対しても同様にして本発明を適用することが可能である。

また、上述した実施形態では、光量減少部２８又は２８ａは、レンズ２２の光入射面に設けられていたが、光量減少部を設ける位置はこれに限定されるものではない。原理的には、ＶＣＳＥＬ１０と光ファイバ３２との間の光路上であればいずれの位置に光量減少部を設けてもよく、例えば、レンズ２２の内部、レンズ２２の光出射面側、カンパッケージ１２の透明窓１４の表面、ＶＣＳＥＬ１０の光出射面上など種々の位置に光量減衰部を形成し得る。

また、上述した実施形態では、光伝送路の一例として光ファイバを挙げていたが、当該光伝送路はこれに限定されるものではない。

一実施形態の光モジュールの構成を説明する断面図である。 光モジュールの他の構成例を説明する断面図である。 ＶＣＳＥＬの放射角特性を説明する図である。 ＶＣＳＥＬの放射光のステップ応答特性を説明する図である。 光ファイバに結合可能な光について説明する図である。 光ファイバへの入射光のステップ応答特性を説明する図である。 本実施形態の光モジュールにおける光ファイバに結合可能な光について説明する図である。 本実施形態の光モジュールにおける光ファイバへの入射光のステップ応答特性を説明する図である。 電子機器の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１、１ａ…光モジュール、１０…ＶＣＳＥＬ、１２…カンパッケージ、２０…コネクタ、２２…レンズ、２４…スリーブ部、２８、２８ａ…光量減少部、３０…フェルール、３２…光ファイバ、１００…パーソナルコンピュータ

Claims (13)

1. マルチモード発振の面発光レーザからなる光源と、
   前記光源と光伝送路との相互間に配置され、前記光源からの放射光を前記光伝送路に結合させるレンズと、
   前記光源と前記光伝送路との相互間の光軸中心近傍に配置された光量減少部と、
   を備える、光モジュール。
2. マルチモード発振の面発光レーザからなる光源と、
   前記光源と光伝送路との相互間に配置され、前記光源からの放射光を前記光伝送路に結合させるレンズと、
   前記光源と前記光伝送路との相互間の光路上に配置され、前記光源からの放射光に含まれる基本モードの光量を減少させる光量減少部と、
   を備える、光モジュール。
3. 前記光量減少部は、前記レンズの光入射面の一部を前記光軸の方向に窪ませてなる凹部である、請求項１又は２に記載の光モジュール。
4. 前記光量減少部は、前記光軸と略直交するように前記レンズの光入射面の一部に設けられる平面である、請求項１又は２に記載の光モジュール。
5. 前記光量減少部は、回折格子である、請求項１又は２に記載の光モジュール。
6. 前記光量減少部は、非規則的な凹凸によって光の散乱を生じさせる散乱部である、請求項１又は２に記載の光モジュール。
7. 前記光量減少部は、半透過膜である、請求項１又は２に記載の光モジュール。
8. 前記光量減少部は、遮光膜である、請求項１又は２に記載の光モジュール。
9. 前記光量減少部は、前記光源からの放射光の光軸中心近傍の光線が、屈折により前記光伝送路以外の方向に進むように面形状をなした部分である、請求項１又は２に記載の光モジュール。
10. 前記光量減少部は、前記レンズの光入射面に設けられる、請求項５乃至９のいずれかに記載の光モジュール。
11. 前記光伝送路は、屈折率分布型のマルチモードファイバである、請求項１又は２に記載の光モジュール。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の光モジュールを備える光通信装置。
13. 請求項１２に記載の光通信装置を備える電子機器。

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