JP2008292676A - 光サブアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】光コネクタ端面でのフレネル反射を抑えるとともに、受光素子からの反射光が光コネクタに、または、光コネクタからの反射光が発光素子に光結合するのを抑える光サブアセンブリを提供する。
【解決手段】光サブアセンブリ１は、スリーブ１１と、光電変換素子１０を搭載する光デバイスと、光学部材１２と、を有する。スリーブ１１は、その一端側に光ファイバ２ａを保持するフェルール２が挿入される。光学部材１２は、光ファイバ２ａと光電変換素子１０とを光結合するようにスリーブ１１の他端側に装着されており、フェルール２と当接する当接面、及び光電変換素子１０に対向するレンズ部１２ｂを備え、レンズ部１２ｂの光軸Ａとスリーブ１１の光軸Ｃとがオフセットされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信の光信号を送受信するのに用いられる光サブアセンブリに関する。

図３は、従来の光サブアセンブリの構造の一例を説明する図である。図示の光サブアセンブリ（ＯＳＡ：Optical Sub-Assembly）１００は、レセプタクルスリーブ付の光モジュール（光デバイス）であり、光コネクタのフェルール（不図示）を受納するスリーブ１１１を備える。スリーブ１１１の基部には、フェルールとほぼ同構造の部品であり光ファイバ１１０ａを中心に有するスタブ１１０と、スタブ１１０を保持するブッシュ１１１ａとを内蔵している。ＯＳＡ１００が光受信用のものであった場合、フェルールの光ファイバからの光信号は、スタブ１１０の光ファイバ１１０ａ及びレンズキャップ１１２のレンズ１１２ａを介して、ステム１１３上の受光素子（不図示）に受信される。

この場合、ＯＳＡ１００では、屈折率が等しいフェルールの光ファイバ（端面）とスタブ１１０の光ファイバ１１０ａ（の端面１１０ｂ）とをフィジカルコンタクト（ＰＣ：Physical Contact）させることにより、フェルールとスタブ１１０の接触面では、フレネル反射は起こらず光ファイバフェルール端面での反射を抑制することができる。
スタブがない場合、すなわちフェルール単体の場合では、フェルールの光ファイバ端面で生じるフレネル反射による反射戻り光量は、−１４ｄＢ程度であるのに対し、図３のようにスタブを有するＯＳＡを構成した場合、スタブとフェルールとをＰＣさせることで、上記の反射戻り光量を−４０ｄＢ以下に抑制できる。

これとは別に、近年では、スタブの代わりに、シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ：Single Mode Fiber）のコアと屈折率の合ったガラス部品を、スリーブに内蔵し、フェルールとＰＣさせることで、反射を抑制するＯＳＡも提案されている。
スタブを用いた場合は、金属製のブッシュに圧入するのに十分なスタブの固定強度を確保するために、スタブに２．５〜４ｍｍ前後の長さが必要である。しかし、上記ガラス部品を用いた場合は、ガラス部品は圧入の必要がなく例えば樹脂のスリーブに一体成形するなどしてスリーブに搭載すればよいため、１ｍｍ前後に短くできるので、ＯＳＡのモジュール全長を短くできるメリットがある。

また、近年、マルチモード光ファイバ（ＭＭＦ：Multi-Mode Fiber）結合用等で、レンズとスリーブとが一体成型された樹脂スリーブを備えるＯＳＡも提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載のＯＳＡは、フェルールを受け入れる機能に加えてレンズによる集光機能を持たせたスリーブを用いるもの（すなわちスリーブとレンズを一体成形したもの）で、レンズ調芯と同時にスリーブ調芯を行うことになり、材料費、組立工数の削減にメリットがある。ただし、特許文献１のＯＳＡにおいては、フェルール先端はPCしておらずフレネル反射が戻ることになる。
さらに、特許文献２には、スリーブ内にレンズを収納し、スリーブに挿入されるフェルール先端（及びファイバ端面）をこのレンズに当接させてＰＣさせる技術が開示されている。
特開平７−１３４２５５号公報 米国特許第６，５３６，９５９号明細書

図３に示すようなスタブ付スリーブまたはガラス部品付スリーブを備えるＯＳＡは共に、これとは別にレンズ（及びレンズキャップ）が必要となる。
一方、特許文献１に記載のような、ＭＭＦ等に用いられているレンズ一体成形樹脂スリーブは、スリーブとレンズが一体化されているメリットはあるが、ＰＣできる構造体が無い。この場合、フェルールに取付けられたファイバ先端でフレネル反射（約−１４ｄＢ）を生じるため、例えばＳＯＮＥＴ ＯＣ−４８の光受信機側で求められる、−２７ｄＢ以下の反射減衰量を必要とするものに対しては用いることができない。

特許文献２に記載のＯＳＡは、レンズにフェルールをＰＣさせることにより、スタブのような別の部品を必要とせず、フレネル反射による減衰量を抑えることができる。しかし、このＯＳＡにおいては、光ファイバ軸に一致するスリーブ軸と、レンズ光軸とを一致させて実装させているため、受光素子からの反射光が光コネクタのフェルールの光ファイバに光結合してしまうことがあった。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、光コネクタ端面でのフレネル反射を抑えるとともに、受光素子からの反射光が光コネクタに、または、光コネクタからの反射光が発光素子に光結合するのを抑える光サブアセンブリを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光サブアセンブリは、スリーブと光電変換素子を搭載する光デバイスと光学部材を有するものであって、スリーブはその一端側に光ファイバを保持するフェルールが挿入され、光学部材は、光ファイバと光電変換素子とを光結合するようにスリーブの他端側に装着されており、フェルールと当接する当接面、及び光電変換素子に対向するレンズ部を備え、そのレンズ部の光軸とスリーブの光軸とがオフセットされていることを特徴とする。

光学部材が、光軸と垂直な方向に伸びる凸部または凹部をその外周面に有し、スリーブが、光学部材の凸部または凹部に係合する凹部または凸部をその内周面に有することが好適である。また、光学部材が、光軸と垂直な方向に伸びる凹部をその外周面に有し、スリーブが、光学部材の凹部に対応する凹部をその内周面に有し、光学部材の凹部とスリーブの凹部との間に樹脂が充填されていてもよい。

本発明によれば、フェルールと当接する部分と光信号を集光するレンズ部分とを一体的に形成した光学部材を、そのレンズ光軸をスリーブ軸とオフセットさせて実装することにより、フレネル反射を抑えるとともに、受光素子等での反射光による影響を抑えることができる。

本発明の光サブアセンブリ（ＯＳＡ）は、例えば、レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）を備える送信用光サブアセンブリ（ＴＯＳＡ：Transmitting Optical Sub-Assembly）や、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）を備える受信用光サブアセンブリ（ＲＯＳＡ：Receiving Optical Sub-Assembly）として構成されるが、以下では、本発明のＯＳＡについて、ＲＯＳＡとして構成した例で説明する。
なお、本明細書では、図における上下方向を前後方向とし、後述のスリーブ１１の開口１１ｄが形成されている側を前側として説明する。

図１は、本発明のＲＯＳＡの構造の一例を説明する断面図である。ＲＯＳＡ１は、例えば、図１（Ａ）に示すように、光電変換素子１０、スリーブ１１、光学部材１２、ステム１３、キャップ１４、とを有する。
光電変換素子１０は、スリーブ１１に挿入される光コネクタのフェルール２の光ファイバ２ａから光学部材１２を介して受信した光信号を電気信号に変換するＰＤであって、ステム１３上に実装される。

ステム１３は、キャップ１４と協働して、内部に素子搭載空間を有するＣＡＮパッケージを構成しており、光電変換素子（以下、ＰＤという）１０を搭載するベース部１３ａと、外部に電気接続するためのリードピン１３ｂを有する。ステム１３のベース部１３ａ上には、ＰＤ１０に加えて、トランスインピーダンス型増幅器（ＴＩＡ：Trans Impedance Amplifier）や抵抗やコンデンサ等の素子が実装される場合もある。これら素子は互いに又はベース部１３ａもしくはリードピン１３ｂと種々の接続手段により接続される。リードピン１３ｂは、ベース部１３ａにガラス封止されるなどして支持されており、少なくともその一部がＣＡＮパッケージ外に露出している。

キャップ１４は、ステム１３と協働してＰＤ１０等を気密封止するものであり、ステム１３のベース部１３ａに抵抗溶接にて固定されるキャップシェル１４ａを有する。キャップシェル１４ａには、ステム１３上のＰＤ１０と対向する位置に開口１４ｂが形成されており、その開口１４ｂを塞ぐように、ＰＤ１０等、ベース部１３ａ上に実装された部品を気密封止するためのフラットガラス１４ｃが設けられている。フラットガラス１４ｃは、例えば、低融点ガラスなどの封止ガラスによって、キャップシェル１４ａに対して固定される。

スリーブ１１は、ＰＤ１０への光信号を伝達する光ファイバ２ａを内蔵する光コネクタのフェルール２が挿入されるものであって、光コネクタのフェルール２を受納しガイドするフェルール受納部１１ａと、ＰＤ１０を封止しているＣＡＮパッケージを受納するパッケージ受納部１１ｂと、後述の光学部材１２を保持する光学部材保持部１１ｃと、を有する。スリーブ１１のフェルール受納部１１ａの前方には、フェルール２の挿入を容易にするためにテーパ状に形成された開口１１ｄが形成されている。また、パッケージ受納部１１ｂは、その下端がキャップシェル１４ａと樹脂材料で接着固定することにより、ＣＡＮパッケージを保持するようになっている。

光学部材保持部１１ｃは、フェルール受納部１１ａ内のフェルール２と光学部材１２とがＰＣするように前方からフェルール２及び光学部材１２に対して力が加えられたとしても動かないように光学部材１２を保持している。この光学部材の保持機構については、後述する。

光学部材１２は、フェルール２の端面２ｂが当接する当接面が形成された当接部１２ａを一方に有し、ＰＤ１０とフェルール２の端面２ｂとの間の光信号を集光するレンズ部１２ｂを他方に有する。
フェルール２の端面２ｂでのフレネル反射を抑制するためには、光学部材１２の材料は、その屈折率がフェルール２の光ファイバ（ＳＭＦ）２ａのコアの屈折率と近いことが好ましいが、レンズ集光という観点からはより屈折率が高いことが好ましい。集光に用いることができ、かつフェルール２がコンタクトしても傷が付きにくいという観点からすれば、材料は樹脂ではなくガラス系が好ましい。集光側のレンズ部１２ｂのＰＤ１０側端面は、非球面の方が好ましく、例えばＧＭＰ等の方法で形成される。
以下、光学部材１２の材料として、光ファイバ（ＳＭＦ）２ａのコアの屈折率と近いガラス材料を用いるものとして説明する。

ガラス材料で形成されている光学部材１２は、当接部１２ａの前側端面１２ｃと、フェルール２の光ファイバ２ａとが、空気を介在させずに確実に当接してＰＣすることができるように、当接部１２ａの前側の端面１２ｃは凸面状に加工されている。また、フェルール２の後端面２ｂは凸面状に加工されている。これらの凸面同士が当接することにより、フェルール２の光ファイバ２ａの端面２ｂでのフレネル反射を抑えるようになっている。

また、光学部材１２のレンズ部１２ｂのレンズ光軸Ａは、図１（Ｂ）に示すように、フェルール２の光ファイバ軸Ｂがスリーブ１１の中心軸（以下、スリーブ軸という）Ｃと一致するのに対し、スリーブ軸Ｃとは一致しておらず、つまり、スリーブ軸（スリーブ１１の光軸）Ｃと光ファイバ軸Ｂからオフセットされている。
このようにレンズ光軸Ａが光ファイバ軸Ｂからオフセットされているので、図１（Ａ）に示すように、光コネクタのフェルール２の光ファイバ２ａより光学部材１２に入射した光信号は、光学部材１２のレンズ部１２ｂより出射する際には、光ファイバ軸に対して角度をもっており、光ファイバ軸に対して垂直な受光面を有するＰＤ１０からの反射光が、光ファイバ２ａに結合することがない。

また、光学部材１２においては、従来のスタブと同様の機能を有する当接部１２ａと集光機能を有するレンズ部１２ｂとが一体化されているので、レンズ部１２ｂがＰＤ１０に対してその光軸がオフセットされていたとしても調芯は容易になる。図１の形態のＲＯＳＡでは、少なくとも、レンズ（光学部材）とスリーブとの調芯が省略できる。

以上のように、ガラス体である光学部材１２はスリーブ１１に取付けられている。また、ガラス体が有する２面の内、フェルール２導入側はＰＣ接続するためのコンタクト面となっており、もう片面は集光するためのレンズ形状を有している。また、スリーブ１１に用いられる材料は、金属でも樹脂でも良い。金属の場合は削り出して必要な形状を作り出し、その内部にガラス体を接着剤、あるいは低融点ガラス等で取付ける。スリーブ１１が樹脂の場合はインジェクションモールド等の方法で形成することができる。そこにガラス体を接着剤で取付けても良いし、モールド金型にガラス体をセットしスリーブ成型と同時にガラス体を取付けることも可能である。あるいは、スリーブ構造とガラス体をガラスで一体成型し、双方を同時に成型しても良い。

次に、図２を用いて、光学部材の保持機構について説明する。
上述のようにＲＯＳＡを構成する場合、特に光学部材とスリーブとを別部品として構成する場合、光学部材はレンズ体であると同時に、反射抑制のためにフェルールとＰＣするものでもあるため、光学部材にはフェルールから常時押圧がかかる。したがって、本発明に係る光学部材においては、従来のようなレンズ単体で構成されるときとは異なり、スリーブに対する保持機構も重要となる。

光学部材の保持機構の一例を図２（Ａ）に示す。この例では、スリーブは好ましくは樹脂から成る。図２（Ａ）の保持機構では、光学部材１２は、スリーブ１１の中間部分に嵌合して取付けられ保持されている。また、この保持機構では、光学部材１２が、光コネクタの挿入方向と垂直方向に形成される凹部１２ｄを有し、スリーブ１１が、この凹部１２ｄと係合する凸部１１ｅを有しており、凹部１２ｄと凸部１１ｅの係合により、光学部材１２のスリーブ１１の軸方向（光コネクタの挿入方向）へのずれ等を抑制している。

この保持機構では、例えば、光学部材１２に凹部１２ｄを設けておき、スリーブ１１をモールドする際に、モールド金型に光学部材１２を予めセットしておくことで、当該凹部１２ｄにスリーブ１１の成形材料が流れ込むことにより、当該凹部１２ｄに凹凸係合する凸部１１ｅがスリーブ１１に形成され、光学部材１２の保持及びスリーブ１１に対する位置決めを行うことができる。
図２（Ａ）に示すものとは異なる一般的な圧入では、常時押圧がかかることにより光学部材が徐々にずれる（クリープ現象が起こる）ことが懸念されるが、凹部１２ｄ形成によるアンカー機構によりクリープ現象も起こりにくくなっている。

光学部材の保持機構の他の例を図２（Ｂ）に示す。この例では、スリーブは樹脂、金属、及びガラスの何れの材料から成っていてもよい。図２（Ｂ）の例では、図２（Ａ）のときと同様に、光学部材１２は、スリーブ１１に嵌合して取付けられ保持されており、また、光学部材１２が、光コネクタの挿入方向と垂直方向に形成される凹部１２を有している。一方、スリーブ１１は、光学部材１２の凹部１２ｄと対向する位置に凹部１１ｆを有し、また、スリーブ１１の外周（側壁）からスリーブ１１の凹部１１ｆに通じる貫通孔１１ｇを複数有する。また、光学部材１２の凹部１２ｄと、スリーブ１１の凹部１１ｅとの間の空間は、貫通孔１１ｇから注入される樹脂接着剤１５により充填されている。

このような構成により、図２（Ｂ）の保持機構では、スリーブ１１から光コネクタの挿入方向と垂直方向に突出するように形成される、樹脂接着剤１５による樹脂体と、光学部材の凹部１２ｄと、を係合させ、光学部材１２のスリーブ１１の軸方向へのずれ等を抑制している。
なお、図２（Ａ），（Ｂ）の何れの例においても、光学部材１２の凹部１２ｄの深さは、数〜数十μｍよりも数百μｍ以上あった方がアンカー機構としては好ましい。

本発明の光サブアセンブリ（ＯＳＡ）の構造の一例を説明する断面図である。 本発明のＯＳＡにおける光学部材の保持機構を説明する図である。 従来のＯＳＡの構造の一例を説明する断面図である。

符号の説明

１…光サブアセンブリ（ＯＳＡ）、２…フェルール、２ａ…光ファイバ、２ｂ…端面、１０…光電変換素子（ＰＤ）、１１…スリーブ、１１ａ…フェルール受納部、１１ｂ…パッケージ受納部、１１ｃ…光学部材保持部、１１ｄ…開口、１１ｅ…凸部、１１ｆ…凹部、１１ｇ…貫通孔、１２…光学部材、１２ａ…当接部、１２ｂ…レンズ部、１２ｃ…前側端面、１２ｄ…凹部、１３…ステム、１３ａ…ベース部、１３ｂ…リードピン、１４…キャップ、１４ａ…キャップシェル、１４ｂ…開口、１４ｃ…フラットガラス、１５…樹脂接着剤。

Claims (3)

1. スリーブと光電変換素子を搭載する光デバイスと光学部材を有する光サブアセンブリであって、
   前記スリーブはその一端側に光ファイバを保持するフェルールが挿入され、
   前記光学部材は、前記光ファイバと前記光電変換素子とを光結合するように前記スリーブの他端側に装着されており、前記フェルールと当接する当接面、及び前記光電変換素子に対向するレンズ部を備え、該レンズ部の光軸と前記スリーブの光軸とがオフセットされていることを特徴とする光サブアセンブリ。
2. 前記光学部材は、前記光軸と垂直な方向に伸びる凸部または凹部をその外周面に有し、
   前記スリーブは、前記光学部材の凸部または凹部に係合する凹部または凸部をその内周面に有することを特徴とする請求項１に記載の光サブアセンブリ。
3. 前記光学部材は、前記光軸と垂直な方向に伸びる凹部をその外周面に有し、
   前記スリーブは、前記光学部材の凹部に対応する凹部をその内周面に有し、
   前記光学部材の前記凹部と前記スリーブの前記凹部との間に樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の光サブアセンブリ。

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