JP4663482B2 - 受光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、レンズ一体型光ファイバスタブおよび該光ファイバスタブを備える光レセプタクル及び光モジュールに関する。

近年、情報通信が高速化・大容量化の傾向にあり、その対応として光通信技術が利用されている。一般に光通信においては、電気信号を光信号に変換し、光信号を光ファイバを用いて送信し、受信した光信号を電気信号に変換する。電気信号と光信号との変換は、半導体レーザやフォトダイオードなどの光素子により行われる。

この場合、光素子と光ファイバとの結合特性を向上させるために、通常光ファイバから放射された光を集光したり、あるいは平行光にするために、光ファイバからの光の放射側に球面レンズまたは非球面レンズなどの光学レンズが設置される（特許文献３参照）。

または、他の構造として、先球ファイバが用いられる場合がある。この先球ファイバとは、光ファイバ先端に半球状のレンズが設置されている光ファイバである。この先球ファイバを用いることにより、通常光ファイバと光素子との間に設置されるレンズが省略可能となるため、光学調芯が容易となり、かつ光モジュールの小型化が可能となる。

しかしながら、先球ファイバを製造するためには、複雑な加工が必要となる場合が多い（特許文献１参照）。このため、先球ファイバは一般に、通常の光ファイバと比較してかなり高価である。この問題を解決するための方法として、樹脂をファイバの端面に塗布後硬化させることにより、先球ファイバを構成するものが考案されているが、先球部の信頼性および、寸法および構造の自由度が限られている（特許文献２参照）。
特開平８−２８６０８２号公報 特開２００４−２４０３６１号公報 特開２００３−１９５０１２号公報

上記特許文献３のような構造の場合、光ファイバとレンズ間の位置調整が必要になり、そのための部品が必要になり、部品の点数が増加する。また通常レンズとファイバの接触部での反射などを防ぐため、光ファイバ端面やレンズ端面は精密な光学面である必要がある。またその光学レンズは、通常ガラス材で作製され、その両端面は、球面あるいは非球面などの形状に成形、あるいは光学研磨されるため、レンズ自体が高価であるという問題がある。

一方これらの問題を解決するために、上述の樹脂をファイバ端面に塗布後硬化させた先球ファイバが考案されている。その先球ファイバＸを図３に表す。先球ファイバＸは、コア部９とクラッド部１４を有する光ファイバ１と樹脂レンズ４により構成されている。

通常光ファイバの材料は石英であり、その線膨張係数は０．４〜０．５５X１０^−６／
℃程度である。それに比較して一般的に樹脂レンズ４の線膨張係数は、非常に大きい（例えば７０X１０^−６／℃程度）。このため、光通信用モジュールなどの信頼性試験である
熱サイクル試験（−４０℃〜＋８５℃）などで、光ファイバ１と樹脂レンズ４の界面１５にストレスが生じ、界面１５に剥離が生じるというような問題がある。また高温高湿試験（８５℃/８５％）などでは、その光ファイバ１と樹脂レンズ４の接着面積が非常に小さ
いため、水分がコア部９まで容易に進入しやすく、その界面１５に剥離が生じ、反射特性が悪化するという問題がある。

また本図３の構造の場合、通常光ファイバ１のコア部９はその光ファイバ外径Ｄ２の中心に位置している。また樹脂レンズ４は製造上その曲率中心１０は、光ファイバ外径Ｄ２の中心になる。このため、コア部９の光軸と樹脂レンズ４の光軸は一致している。この場合、例えば、図４に表す受光モジュールＭ１などの場合、その光軸上に光素子であるフォトダイオード１１が位置することになる。この場合、フォトダイオード１１への入射光１３のその端面１２での反射光１６が光ファイバ１に戻ってしまい、それにより、光伝送信号にノイズが発生するという問題がある。

本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、その信頼性を向上させるとともに、光素子端面での反射光の光ファイバへの戻りを抑制することにより、光伝送信号の安定化を提供することを、目的とする。

上記問題点に鑑みて本発明の受光モジュールは、ファイバスタブと受光素子とを含む受光モジュールであって、前記ファイバスタブは、ファイバスタブは、光を導通するための光ファイバと、前記光ファイバを貫通孔に備えたフェルールと、前記光ファイバの端面を覆うように前記フェルールの端面に被着された樹脂レンズとを有し、前記フェルールに対して前記光ファイバを偏芯させ、前記樹脂レンズの曲率中心に対して、前記光ファイバをずらして位置させたことによって、前記受光モジュールにおける反射特性が３５ｄＢ以上となるようにした。

さらに前記フェルールの線膨張係数は、前記光ファイバの線膨張係数よりも前記樹脂レンズの線膨張係数に近いことを特徴とする。

さらに前記フェルールは、前記樹脂レンズ側の端面が凹曲面であることを特徴とする。

さらに前記フェルールは前記樹脂レンズ側の端面の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．８μｍ以下であることを特徴とする。

本発明の構成によると、樹脂レンズがフェルールの端面にわたって覆うように設けられるため、接着面積を広くとることができる。このため、湿度などのファイバコア部位への進入を防ぐことができ、信頼性を向上させることができる。また、フェルールの端面わたって覆うように設けられることにより、その樹脂レンズの曲率中心はその端面の中心上に位置する。このため、光ファイバが固定されるフェルールの内径とその端面を偏心させることにより、任意にその曲率中心と光ファイバの光軸を偏心させることができる。このため、受光モジュールなどの場合、その光の入射角をフォトダイオード受光面に対して傾斜させることが可能になり、そのフォトダイオード面からの反射光が光ファイバへ戻るのを防ぐことができ、信号ノイズを低減することが可能になる。

またそのフェルールの線膨張係数は、光ファイバよりも樹脂レンズの線膨張係数に近いため、使用温度の変化による樹脂レンズへの応力を低減でき、樹脂レンズの剥離などを防止することができる。

また、上記のファイバスタブを用い、光レセプタクルおよびその光レセプタクルを使用した光モジュールを構成することにより、信頼性面で優れ、かつ信号ノイズを低減した光モジュールを実現することが可能となる。

本発明は光を導通するための光ファイバと、前記光ファイバを貫通孔に備えたフェルールと、前記フェルールの端面に前記光ファイバの端面を覆うように被着された樹脂レンズとを有するファイバスタブである。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るファイバスタブを表す平面図である。

ファイバスタブX１は、光ファイバ１とその光ファイバ１が固定される貫通孔を有するフェルール２、およびそのフェルール２の端面３にわたって覆うように設けられる樹脂レンズ４を備える。

光ファイバ１は光信号を通すコア部とその周辺のクラッド部からなり、形状は円筒形状のものである。またそれを固定するフェルール２は、セラミックス、ガラス、プラスチック、金属などからなり、その光ファイバ１を固定する貫通孔は高精度に成形または、加工されている。光ファイバ１とフェルール２間は、熱あるいは、紫外線や可視光線等のエネルギ−を付加することにより硬化する樹脂接着材などにより固定される。

光ファイバ１のフェルール２の貫通孔への固定後、その両端面は光学研磨される。光学研磨される面は球面あるいは平面の場合もあり、光ファイバ１と樹脂レンズ４間の反射を低減するために、光ファイバ１の光軸に対して角度をつけた状態で研磨される場合もある。そのあとその光学研磨された端面３を覆うように樹脂レンズ４が形成される。

この樹脂レンズ４については、まず光ファイバ材料（石英など）と同等の屈折率をもった樹脂接着材が選定され、それを、フェルール２の端面３に適量塗布する。そのあと塗布された硬化前の樹脂接着材は、その端面３の全体を覆うように広がり、曲面５を形成する。

その曲面５の曲率半径が、要求寸法に達したのちに、紫外線または、可視光線、あるいは、熱などのエネルギ−を加え、樹脂接着材を硬化させることにより形成することができる。

またその曲面５の曲率半径は、塗布する樹脂接着材の量を変えたり、あるいはフェルール２の端面３の径Ｄ１を変えたりすることにより、任意に調整することができる。

さらに前記樹脂レンズの曲率半径の中心を、前記光ファイバの光軸に対してずらして位置させることが好ましい。

図２は、本発明の第２の実施形態に係るファイバスタブを表す平面図である。

本実施形態におけるファイバスタブＸ2の構成と製造方法は上述の第１の実施形態と同様であるが、それに使用される光ファイバ１を固定するフェルール２において、その貫通孔とそのフェルール２の端面３を偏芯させている。このフェルール２は上記同様セラミックス、ガラス、プラスチック、金属などからなる。

このフェルール２の製造方法については、セラミックの場合、まず粉末に樹脂バインダ、その他の原料を混練したものを成形する際にあらかじめ、その貫通孔をその成形体の外径に対して偏芯するように調整した金型にて成形し、それを高温で焼結する。この焼結した成形体に外径加工を施し、その外径を基準に先端部にＣ面加工を施すことにより、その端面３と光ファイバ１を固定する貫通孔を偏芯させたフェルールを製造することができる。

このようなフェルールに光ファイバ１を接着固定し、両端面を光学研磨する。その後にその端面３を覆うように樹脂レンズ４が形成される。この場合、その樹脂レンズ４はその端面３の全体を覆うように形成され、その曲率中心６は、端面３の中心上に位置する。一方その光ファイバ１の固定されているフェルール２の貫通孔はその端面３に対して偏芯しているため、その樹脂レンズ４の曲率中心６を、光ファイバ１の光軸１７に対して偏芯させることができる。

さらに前記フェルールの線膨張係数は、前記光ファイバの線膨張係数よりも前記樹脂レンズの線膨張係数に近いことが好ましい。上記フェルール２の線膨張係数は、温度変化における樹脂への応力緩和を考えた場合、光ファイバ１のそれよりも樹脂レンズの線膨張係数に近いものが選択されるからである。

さらに前記フェルールは、前記樹脂レンズ側の端面が凹曲面であることが好ましい。これは特に、硬化前の樹脂接着材の形状保持およびフェルール２の外周部への垂れ防止のためである。また曲率半径の制御範囲を広くすることも可能になる。

さらに前記フェルールは前記樹脂レンズ側の端面の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．８μｍ以下であることが好ましい。これは算術平均粗さＲａが０．８μｍよりも大きいとフェルール端面における表面張力が不均一になり易く、表面の歪な樹脂レンズが形成されてしまうことがあるためである。また曲率半径について再現性が損なわれる傾向もある。

測定方法は樹脂を薬液で除去して、Ｄｅｋｔａｋ３０／３０などの表面粗さ測定器で、フェルール表面の直径をスキャンすれば測定できる。

次に、本発明の実施例および比較例について説明する。

図５の本発明のファイバスタブＸ２を用いた受光モジュールと、図４の従来の樹脂先球ファイバを用いた受光モジュールを作製し、その反射特性について確認した。

まず、本発明のファイバスタブに関して、光ファイバは石英ファイバを使用し、フェルール材料はジルコニアセラミックスにて作製した。樹脂レンズを形成する樹脂接着材については、その硬化後の屈折率が石英のものと同等である１．４〜１．５程度のものを使用した。

また樹脂レンズの線膨張係数は、７０×１０⁻⁶／℃であり、ジルコニアフェルールの線膨張係数は、１０．５×１０⁻⁶／℃となっており、石英の０．４〜０．５５×１０⁻⁶/℃より、樹脂レンズのそれに近い線膨張係数となっている。

さらに上記ファイバスタブＸ２を用い、受光モジュールを作製し、反射特性の測定を行った。

一方比較例として図４に表す従来の樹脂先球ファイバを用いた受光モジュールＭ１を作製し、その反射特性について確認した。

その結果を表１に示した。

本発明品である図５の受光モジュールＭ２の場合、光ファイバ１から出射された光は、光ファイバ１の光軸に対して偏芯した曲面５をもつ樹脂レンズ４を通過する。このため、光はその樹脂レンズ４により、曲げられ、ある傾きを持って、受光素子であるフォトダイオード１１の端面１２に入射することになる。この場合、そのフォトダイオード１１の端面１２での光の反射光１６は、光の入射光１３の方向へは反射しないため、光ファイバ１へ戻ることはない。このため、光ファイバ１への反射光を削減できる。実際にその反射量を測定すると、測定値は３５ｄB以上となり、良好な反射特性を得た。

比較例である従来構造の樹脂先球ファイバとして上記同様に光ファイバは線膨張係数が０．４〜０．５５×１０⁻⁶/℃である石英ファイバを使用し、その石英ファイバをジルコニアセラミック製のフェルールに熱硬化型樹脂接着材にて固定した。その際、石英ファイバをフェルール端面から突出させ、その石英ファイバの端面に樹脂レンズを形成する構造とした。樹脂レンズについては、上記図５のものと同様に、その硬化後の屈折率が石英と同等である１．４〜１．５程度であり、かつその線膨張係数が、７０×１０⁻⁶／℃のものを使用した。この構造の場合、光ファイバ１から出射された光は、光ファイバ１の光軸上に曲率中心をもつ樹脂レンズ４を通過する。そのため、光はその樹脂レンズ４の曲率中心軸上に集光し、受光素子であるフォトダイオード１１の端面に入射することになる。この場合、そのフォトダイオード１１の端面１２での光の反射光１６は、光の入射光１３と同じ方向へ反射するため、その反射光は光ファイバ１へ結合する。実際にその反射量の測定をすると、測定値は、２０ｄB程度となっており、フォトダイオード１１の端面１２での反射光が光ファイバに戻っているため、上記光ファイバへの反射光は受光モジュールの信号のノイズとなるためできる限り低減する必要があることがわかる。

次に上記の本発明品のファイバスタブと従来構造の樹脂先球ファイバに関して、８５℃/８５％高温高湿試験を実施した。

結果として、従来品のものについては、５００時間で樹脂レンズと光ファイバの界面に剥離が生じたが、本発明品１，２のファイバスタブにおいては１３００時間まで剥離せず、本発明品３のファイバスタブにおいては、２０００時間たっても樹脂レンズと光ファイバの界面に剥離は生じていない。

上記の結果から、本発明品のファイバスタブを用いることにより、信頼性を向上させ、かつ光ファイバへの反射戻り光を大幅に改善することができた。

次にレンズからの出射ビームの角度調整については、従来品では全く自由度がないが、本発明品２、３においては１２度程度まで広げることができた。

次に樹脂レンズのＲ寸法調整範囲については、従来品では２００μｍ以下だが、本発明品１、２では１ｍｍ、本発明品３では２ｍｍまで広げることができた。

本発明の第１の実施形態に係るファイバスタブを表す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るファイバスタブを表す断面図である。 従来の樹脂先球ファイバを表す断面図である。 従来の樹脂先球ファイバを用いた受光モジュールの構造の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るファイバスタブを用いた受光モジュールの構造の断面図である。

符号の説明

Ｘ１、Ｘ２ ファイバスタブ
Ｍ１、Ｍ２ 受光モジュール
Ｄ１ 端面径
Ｄ２ 光ファイバ外径
Ｙ 偏芯量
１ 光ファイバ
２ フェルール
３ 端面
４ 樹脂レンズ
５ 曲面
６ 曲率中心
７ 光軸
９ コア部
１０ 曲率中心
１１ フォトダイオード
１２ 端面
１３ 入射光
１６ 反射光

Claims (4)

1. ファイバスタブと受光素子とを含む受光モジュールであって、前記ファイバスタブは、光を導通するための光ファイバと、前記光ファイバを貫通孔に備えたフェルールと、前記光ファイバの端面を覆うように前記フェルールの端面に被着された樹脂レンズとを有し、前記フェルールに対して前記光ファイバを偏芯させ、前記樹脂レンズの曲率中心に対して、前記光ファイバをずらして位置させたことによって、前記受光モジュールにおける反射特性が３５ｄＢ以上となるようにしたことを特徴とする受光モジュール。
2. 前記フェルールの線膨張係数は、前記光ファイバの線膨張係数よりも前記樹脂レンズの線膨張係数に近いことを特徴とする請求項１に記載の受光モジュール。
3. 前記フェルールは、前記樹脂レンズ側の端面が凹曲面であることを特徴とする請求項１または２に記載の受光モジュール。
4. 前記フェルールは前記樹脂レンズ側の端面の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．８μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の受光モジュール。

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