JP2015162591A - 光モジュール及び光伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡便かつ柔軟に集束点の位置ずれを抑制する光モジュール及び光伝送方法を提供する。【解決手段】光モジュール１００は、レンズ２と、レンズキャップ３と、透過部材７とを備える。レンズ２は、半導体レーザ１から出射されるレーザ光を、集束点に集束させる。レンズキャップ３は、レンズ２を支持する。透過部材７は、レンズ２の光軸を中心として非対称な応力が熱膨張に応じて加わるようにレンズキャップ３に固定される。透過部材７は、光路上に配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、光モジュール及び光伝送方法に関する。

近年のインターネットでの通信量の増大に伴い、光アクセス系においても高速光信号を送信可能な光モジュールが求められている。要求される高速光信号の伝送速度は、例えば、１０Ｇｂｐｓ程度である。

光モジュールには、信号送信の高速化とともに、低コスト化も要求される。そこで、最近では、光モジュールとして、従来使用されていたＢＯＸ型のパッケージよりも安価なＴＯ−ＣＡＮ（Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ｏｕｔｌｉｎｅｄ ＣＡＮ）型と呼ばれるパッケージが使用されつつある。以下では、当該パッケージを、ＴＯ−ＣＡＮ型パッケージという。

光モジュールでは、半導体レーザなどが発熱する。また、光モジュールは、環境温度変化の影響を受ける。これらを起因とした半導体レーザの温度変動による特性変化を防止すべく、光モジュールでは、周辺部材の温度を一定に維持するペルチェ素子がステム上に配置されている。

ペルチェ素子は、一般的には、温度調整面と排熱面とで温度が異なるため、ペルチェ素子自体に温度分布が生じる。温度分布に応じたペルチェ素子の熱膨張により、半導体レーザの位置が光軸方向に変動することがある。この結果、半導体レーザとレンズとの間の距離が変動し、レンズを介した光の集束点の位置が光軸方向にずれてしまう。また、ＴＯ-ＣＡＮ型パッケージにはレンズキャップが用いられることが多いが、ペルチェ素子の熱膨張よりもキャップの熱膨張が大きいため、半導体レーザとレンズ間の距離が変動し、光の集束点の位置が光軸方向にずれてしまう。

また、ステムの温度分布及びステムに搭載される部材の線熱膨張係数の違いで、環境温度の変動に伴ってステムが弾性変形することがある。ステムの弾性変形は、半導体レーザの位置を光軸方向に垂直な方向に変動させることがある。この結果、光の集束点の位置が光軸方向に垂直な方向にずれてしまう。

このように光モジュールでは、温度変動を原因として、光の集束点の位置が光ファイバの入射端から光軸方向及び光軸方向に垂直な方向にずれてしまい、光ファイバへの光結合効率が低下する。光結合効率が低下すると、光ファイバからの光出力が変動するトラッキングエラーが発生する。

トラッキングエラーを軽減するために、ペルチェ素子上の半導体レーザ出射部とレンズとの間にさらに別のレンズを配置したＴＯ−ＣＡＮ型パッケージが開示されている（例えば、特許文献１参照）。このＴＯ−ＣＡＮ型パッケージは、半導体レーザ出射部とレンズとの間に配置されたレンズで半導体レーザ出射部から出射されたレーザ光をコリメート光にすることで、トラッキングエラーを軽減する。

また、レンズと光ファイバとの間に所定の屈折率温度変化特性を有する部材を設置した光伝送モジュールが開示されている（例えば、特許文献２参照）。レンズを介したレーザ光の集束点と光ファイバの入射端におけるコア中心との間には、半導体レーザとレンズとの熱膨張係数の違いにより、レンズの光軸に垂直な方向に位置ずれが生じる。この光伝送モジュールは、当該部材を用いて位置ずれを低減する。

特開２０１１−１０８９３７号公報 特開２００３−２４８１４４号公報

上記特許文献１に開示されたＴＯ−ＣＡＮ型パッケージでは、追加のレンズを必要とする。レンズの追加によるコストの上昇に加え、コリメート光を生成するためにレンズを正確に設置する必要がある。このことが、低コスト化の要求を満たさないうえ、パッケージの大型化を招く。また、特許文献２に開示された光伝送モジュールでは、レンズを介したレーザ光の集束点の光軸方向に関する位置ずれに起因するトラッキングエラーを軽減できない。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、より簡便かつ柔軟に集束点の位置ずれを抑制する光モジュール及び光伝送方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る光モジュールは、光学素子と、支持体と、透過部材とを備える。光学素子は、出射点から出射される光を、集束点に集束させる。支持体は、光学素子を支持する。透過部材は、光学素子の光軸を中心として非対称な応力が熱膨張に応じて加わるように支持体に固定される。透過部材は、光路上に配置される。

本発明によれば、透過部材が変形し、温度変化に起因する光学素子に対する出射点の位置ずれに伴う集束点の位置ずれを抑制するように、透過部材の光軸が移動する。このため、より簡便かつ柔軟に集束点の位置ずれが抑制される。

本発明の実施の形態１に係る光モジュールの構成を示す図である。 図１に示す光モジュールにおける透過部材の形状を示す図である。 光モジュールの温度変化と集束点の位置ずれとの関係を説明する図である。（Ａ）は、温度２５℃における光モジュールの状態を示す。（Ｂ）は、温度７５℃における光モジュールの状態を示す。 光モジュールの温度変化に対する光モジュールに実装された透過部材の形状変化を示す図である。 図１に示す光モジュールにおける出射点及び集束点と、レンズ及び透過部材の光軸との位置関係を示す図である。 図１に示す光モジュールにおけるレンズの光軸方向から見た出射点と、レンズ及び透過部材の光軸との位置関係を示す図である。 光モジュールにおける透過部材の形状の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る光モジュールにおける透過部材の形状を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る光モジュールの構成を示す図である。 図９に示す光モジュールにおける出射点及び集束点と、レンズ及び透過部材の光軸との位置関係を示す図である。 図９に示す光モジュールにおけるレンズの光軸方向から見た出射点と、レンズ及び透過部材の光軸との位置関係を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る光モジュールにおける透過部材の形状を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る光モジュールにおける透過部材の実装態様を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る光モジュールにおける透過部材の実装態様を示す図である。 本発明の実施の形態６に係る光モジュールの構成を示す図である。

本発明に係る実施の形態について添付の図面を参照して説明する。なお、本発明は下記の実施の形態及び図面によって限定されるものではない。

（実施の形態１）
まず、図１を参照して、光送信用ＴＯ−ＣＡＮ（Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ｏｕｔｌｉｎｅｄ ＣＡＮ）型を例に、本発明の実施の形態１に係る光モジュール１００について説明する。

光モジュール１００は、レーザ光を出射する半導体レーザ１と、レーザ光が入射する両凸形状のレンズ（光学素子）２と、レンズ２を支持するレンズキャップ（支持体）３と、半導体レーザ１を実装したキャリア４と、キャリア４が載せられるペルチェ素子５と、キャリア４及びペルチェ素子５を介して半導体レーザ１を搭載するステム６と、レンズキャップ３に固定され、光路上に配置される透過部材７とを備える。

半導体レーザ１は、レンズ２に向かってレーザ光を出射する。半導体レーザ１の位置がレーザ光の出射点である。半導体レーザ１から出射されたレーザ光はレンズ２に入射する。

レンズ２は、半導体レーザ１から出射されるレーザ光を、集束点に集束させる。集束点に対応する位置には、例えば光モジュール１００に接続される光ファイバの入力端などが配置される。

レンズキャップ３は、半導体レーザ１から出射されたレーザ光の光軸方向に沿って円筒状である。レンズキャップ３の一端は、ステム６に固定される。他端側において、レンズキャップ３は、半導体レーザ１が内部に位置するようにレンズ２を支持する。レンズキャップ３は、例えばステンレス鋼材（ＳＵＳ）又はＳＦ２０Ｔなどの金属部材で形成される。

キャリア４は、半導体レーザ１を支持する。半導体レーザ１の発熱及び光モジュール１００の環境温度の変動に伴う光モジュール１００の温度変化によって、半導体レーザ１の特性が大きく変化することがある。温度変化を原因とする半導体レーザ１の特性の変化を一定の範囲内にとどめるために、キャリア４は、電子冷却素子としてのペルチェ素子５の上面に接触させて配置される。キャリア４は、例えば銅とタングステンとの金属化合物などの金属で形成される。

ペルチェ素子５は、表面が温度調整面である上層５ａと、表面が排熱面である下層５ｂとを備える。上層５ａには、サーミスタなどの温度センサが接続される。上層５ａの温度は、温度センサで測定された温度に基づいて一定に制御される。これにより、キャリア４及び半導体レーザ１の温度が一定に維持されるため、半導体レーザ１の周辺部材は熱膨張が抑えられている。下層５ｂは、ステム６に接触しているため、半導体レーザ１の動作時に発生する熱を、ステム６を介して効率よく逃すことができる。

ステム６には、上述の各種部品が搭載される。ステム６は、光モジュール１００の動作時に発生する熱を効率よく逃がすために、熱伝導率が高い冷間圧延鋼などで形成される。

レンズキャップ３は、温度が制御されるペルチェ素子５とは独立にステム６に取り付けられている。このため、レンズキャップ３は、光モジュール１００の温度変化によって熱膨張したり、収縮したりする。レンズキャップ３が熱膨張すると、レーザ光を集束点に集束させているレンズ２に対する半導体レーザ１の相対的な位置が変動するため、集束点が温度変化の前後で変動する。

透過部材７は、プラスチックで形成される。このため、透過部材７の屈折率は、雰囲気の屈折率より大きい。図２に示すように、透過部材７は、両凸形状であって、半導体レーザ１側の面と集束点側の面とが、曲率の等しい曲面をそれぞれ有する。透過部材７は、主に当該曲面を介して半導体レーザ１から出射されるレーザ光（出射光）を透過させる。透過部材７の形状は、透過部材７の光軸Ａ７を中心として回転対称である。図１に戻って、透過部材７の光軸Ａ７は、レンズ２の光軸Ａ２とずれるようにレンズキャップ３に固定される。より詳細には、透過部材７は、周縁部分７ａを介してレンズキャップ３に接着剤で固定される。温度の上昇に伴いレンズキャップ３が熱膨張すると、透過部材７はレンズキャップ３に固定されているため、レンズ２の光軸Ａ２を中心として均等な応力が透過部材７に加わる。これに対し、透過部材７の光軸Ａ７は、レンズ２の光軸Ａ２とずれているため、レンズ２の光軸Ａ２を中心として非対称な応力が熱膨張に応じて透過部材７に加わる。透過部材７は、その光軸Ａ７が、レンズ２の光軸Ａ２を中心として非対称な応力による変形で、温度変化に起因するレンズ２に対する出射点の位置ずれに伴う集束点の位置ずれを抑制するように移動する。

ここで、仮に透過部材７が配置されていない場合における光モジュール１００の温度変化と集束点の位置ずれについて説明する。図３（Ａ）は、半導体レーザ１がレーザ光を出射している状態を示す。このとき、光モジュール１００の温度は室温、ここでは２５℃であるとする。また、ペルチェ素子５は、半導体レーザ１を所望の温度に調整する様に駆動しているとする。光モジュール１００の温度が２５℃の場合、ステム６の上面からレンズ２の中央までの長さはＬである。

図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の状態にて、光モジュール１００の温度が７５℃となるように環境温度を変化させたと仮定した状態を示す。光モジュールの温度が７５℃になった場合、ステム６の上面からレンズ２の中央までの長さは、熱膨張することでＬよりも長くなる。ペルチェ素子５自体も熱膨張することがあり、半導体レーザ１の位置がレンズ２の方向に変動することがある。しかし、ペルチェ素子５の熱膨張は、レンズキャップ３の熱膨張に比べ小さいため、レンズキャップ３の熱膨張によるレンズ２の位置ずれは、半導体レーザ１の位置ずれよりも大きい。このため、結果的には、半導体レーザ１に対するレンズ２の位置が変動する。これにより、半導体レーザ１とレンズ２との間の相対距離が長くなる。すなわち出射点（物点）とレンズ２の主点との間の距離が変化する。これに伴い、主点と集束点（結像点）との間の距離が変化し、集束点がレンズ２の光軸Ａ２方向にΔｙだけ位置ずれする。また、温度上昇によってステム６が弾性変形し、レンズ２に対する半導体レーザ１の相対位置が光軸Ａ２方向に垂直な方向に変化する。したがって、レーザ光の集束点の位置が光軸Ａ２方向のみならず光軸Ａ２方向に垂直な方向にもΔｘだけ位置ずれする。このΔｘ及びΔｙを小さくするために、透過部材７が配置されている。

図４は、透過部材７の光軸Ａ７がレンズ２の光軸Ａ２と一致するように透過部材７を配置した状態と、透過部材７の光軸Ａ７がレンズ２の光軸Ａ２とずれるように透過部材７を配置した状態とで、温度が室温から５０℃に変化した場合に想定される集束点側の面の形状変化を示す。図４に示すように、光軸Ａ２方向をｙ軸、光軸方向に垂直な方向をｘ軸とする。透過部材７の光軸Ａ７がレンズ２の光軸Ａ２と一致するように、すなわち集束点側の面の曲率中心がレンズ２の光軸Ａ２上になるように透過部材７を配置した場合、レンズ２の光軸Ａ２を中心とする対称な応力が透過部材７に加わる。このため、実線で示すように、ｘ軸方向から見た集束点側の面の形状変化は、光軸Ａ２上に対応する位置ｘ＝０に対してｘ軸方向に対称である。この場合、形状変化後の曲面の曲率中心は、光軸Ａ２上に維持される。

一方、透過部材７の光軸Ａ７がレンズ２の光軸Ａ２とずれるように、すなわち集束点側の曲面の曲率中心がレンズ２の光軸Ａ２上からずれるように透過部材７を配置した場合、レンズ２の光軸Ａ２を中心とする非対称な応力が透過部材７に加わる。このため、破線で示すように、ｘ軸方向から見た曲面の変形は、光軸Ａ２上の位置ｘ＝０に対してｘ軸方向に非対称である。このため、形状変化後の曲面の曲率中心は、形状変化前の位置からずれる。すなわち、レンズ２の光軸Ａ２を中心として非対称な応力による透過部材７の変形で、レンズ２の光軸Ａ２に対する透過部材７の光軸Ａ７の位置が移動する。

この点を考慮し、温度変化に起因するレンズ２に対する出射点の位置ずれに伴う集束点の位置ずれを抑制するために、透過部材７は、透過部材７の光軸Ａ７を、レンズ２の光軸Ａ２を起点とする出射点の位置ずれの方向に対向する方向にずらしてレンズキャップ３に固定される。図５は、レンズキャップ３がまだ熱膨張していない状態のレーザ光の出射点である点Ａと位置ずれした出射点である点Ｂとを含む断面平面におけるレンズ２及び透過部材７を示す。本来であれば、熱膨張により、出射点に対してレンズ２の位置が動くことになるが、便宜的に、基準とするレンズ２に対して出射点が点Ａから点Ｂの位置に動くものとして説明する。この平面において、図４と同様に、光軸Ａ２方向をｙ軸、光軸Ａ２方向に垂直な方向をｘ軸とする。

室温でレンズキャップ３が熱膨張していない状態での出射点である点Ａから出射されたレーザ光は、実線で示される光路を辿ってレンズ２を介して集束点である点Ａ’に集束する。温度上昇によって、レンズ２に対して出射点が点Ａから点Ｂにシフトしたとする。この場合、透過部材７が変形しないと仮定すると、レーザ光は、破線で示される光路を辿って点Ｂ’に集束する。これに対し、まず、点Ｂ’のｘ軸方向における位置ずれの抑制について説明する。図５に示すように、透過部材７は、透過部材７の光軸Ａ７を、レンズ２の光軸Ａ２を起点とする出射点の位置ずれの方向であるｘ軸の負方向に対向する正方向にずらしてレンズキャップ３に固定される。このため、レンズ２の光軸Ａ２を中心として非対称な応力による変形Ｃで、透過部材７の光軸Ａ７が、レンズ２の光軸Ａ２を起点とする点Ｂの位置ずれの方向であるｘ軸の負方向に移動し、Ｃ７で示す位置に移動する。

図６は、ｙ軸方向から見た場合の出射点の位置ずれと透過部材７の光軸Ａ７との位置関係を示す図である。ｘ軸方向とｙ軸方向に直交する方向をｚ軸とする。出射点が光軸Ａ２上の点Ａからｘ軸の負方向かつｚ軸の負方向にある点Ｂへシフトしたとする。この場合、点Ａから点Ｂへのシフトをキャンセルするために、透過部材７を、光軸Ａ７がｘ軸の正方向かつｚ軸の正方向にずれるように固定する。レンズ２の光軸Ａ２を中心として非対称な応力による変形で、光軸Ａ７は、ｘ軸の負方向かつｚ軸の負方向のＣ７で示す位置に移動する。この結果、集束点Ｂ’は、ｘ軸の負方向にシフトし、集束点Ａ’から集束点Ｂ’へのｘ軸方向の位置ずれはキャンセルされる。

次に、点Ｂ’のｙ軸方向における位置ずれの抑制について説明する。熱膨張により、透過部材７の半導体レーザ１側の面も、図４に示した透過部材７の集束点側の面の形状変化と同様に、半導体レーザ１の方向に形状変化する。このため、図５に示すように、透過部材７のｙ軸方向の厚みは、光モジュール１００の温度上昇によって厚くなる。透過部材７のｙ軸方向の厚みが厚くなると、透過部材７の屈折率は雰囲気の屈折率より大きいため、それだけレンズ２から集束点までの光路の空気換算長が短くなる。この結果、集束点Ｂ’は、ｙ軸の正方向にシフトし、集束点Ａ’から集束点Ｂ’へのｙ軸方向への位置ずれはキャンセルされる。

また、光モジュール１００では、透過部材７の光学倍率が、温度変化に伴う屈折率の変化によって大きくなることでレンズ２の光軸Ａ２方向であるｙ方向における集束点の位置ずれを抑制する。透過部材７は、プラスチックで形成されているため、透過部材７の光学倍率は、温度の上昇に伴って屈折率が低下する。透過部材７は、両凸形状であるため、光学倍率が大きくなる。これにより集束点Ｂ’は、ｙ軸の正方向にシフトし、集束点Ａ’から集束点Ｂ’へのｙ軸方向への位置ずれはキャンセルされる。

結果的には、透過部材７を配置することで、図５に示すように、点Ｂから出射されたレーザ光は、２点鎖線で示す光路を辿って、点Ｃ’に集束する。このように、集束点の位置ずれを点Ｂ’から点Ｃ’へ相殺することができる。

以上詳細に説明したように、本実施の形態に係る光モジュール１００によれば、レンズ２の光軸Ａ２を中心とする非対称な応力が熱膨張に応じて透過部材７に加わる。透過部材７がレンズ２の光軸Ａ２を中心として非対称な応力で変形することで、レンズ２の光軸Ａ２に対する透過部材７の光軸Ａ７の位置が光軸Ａ２に近づく方向に移動する。この結果、温度変化に起因するレンズ２に対する半導体レーザ１の位置ずれに伴う集束点の位置ずれが抑制される。このため、より簡便かつ柔軟に集束点の位置ずれを抑制することができる。また、集束点の位置ずれを抑制することで、集束点の位置ずれに起因するトラッキングエラーを軽減することができる。

なお、本実施の形態に係る光モジュール１００によれば、レーザ光の集束点の位置ずれを抑制するために、コリメート光を生成するためのレンズを追加しなくてよいので、コストの上昇を抑えることができる。

また、光モジュール１００によれば、集束点の位置ずれが小さくなるように透過部材７の光軸Ａ７とレンズ２の光軸Ａ２とのずれの大きさを調整することで、集束点の位置ずれを抑制するために透過部材７を最適化することができる。

また、透過部材７は、プラスチックで形成される。プラスチックは、レンズキャップ３よりも線熱膨張係数が大きいので、温度変化に対して透過部材７のほうがレンズキャップ３よりも熱膨張が大きい。レンズキャップ３に固定した透過部材７は、透過部材７よりも熱膨張が小さいレンズキャップ３に固定されているので、レンズ２の光軸Ａ２を中心として非対称な応力が透過部材７に加わりやすい。また、プラスチックは、レンズ２よりも熱光学係数が大きいので、温度変化に対する屈折率の変化がレンズ２よりも大きい。このため、透過部材７は、集束点のｙ軸方向の位置ずれをキャンセルするのに有効である。

なお、透過部材７の周縁部分７ａとレンズキャップ３とは、接着剤で固定する際、レンズ２の光軸Ａ２を中心とする非対称な応力が透過部材７に好適に加わるように、周縁部分７ａに接着剤を均等塗布するのが好ましい。

なお、本実施の形態では、透過部材７の光軸Ａ７をレンズ２の光軸Ａ２とずらして透過部材７を固定したが、これに限られない。例えば、集束点の位置ずれが抑制されるように、レンズ２の光軸Ａ２を中心として非対称に接着剤を塗布することで、透過部材７の光軸Ａ７がレンズ２の光軸Ａ２とずれていなくても、透過部材７の周縁部分７ａとレンズキャップ３との接着部分の非対称性によるレンズ２の光軸Ａ２を中心として均等なレンズキャップ３の熱膨張の影響で、レンズ２の光軸Ａ２を中心とする非対称な応力が透過部材７に加わる。透過部材７がレンズ２の光軸Ａ２を中心として非対称な応力で変形することで、レンズ２の光軸Ａ２に対する透過部材７の光軸Ａ７の位置が光軸Ａ２に近づく方向に移動し、集束点の位置ずれが抑制される。

また、透過部材７の半導体レーザ１側の面と集束点側の面とが、曲率の等しい曲面をそれぞれ有する。これにより、透過部材７のどちらの面を半導体レーザ１側の面として透過部材７に実装しても光学特性に影響がないため、量産性が向上する。もちろん、透過部材７の半導体レーザ１側の面と集束点側の面とはそれぞれ、曲率の異なる曲面であってもよく、曲率は、集束点の位置ずれが抑制されるように調整される。なお、光学特性上、高い透過率が要求される場合は、透過部材７の半導体レーザ１側の面及び集束点側の面を、反射防止（ＡＲ）コートで被覆してもよい。

なお、透過部材７はプラスチックで形成されるので、透過部材７の線熱膨張係数は、金属部材で形成されたレンズキャップ３の線熱膨張係数よりも大きい。線熱膨張係数がレンズキャップ３よりも大きいことで、透過部材７は、温度の上昇に対して、レンズキャップ３よりも熱膨張の程度が大きくなる。透過部材７は、レンズキャップ３に周縁部分７ａを介して固定されているため、透過部材７の自由な熱膨張が制限され、透過部材７に加わる応力がより大きくなる。

なお、上記実施の形態では、透過部材７をプラスチックで形成したがこれに限らない。例えば、温度が上昇すると熱光学効果で屈折率が増加する材料で透過部材７を形成する場合、透過部材７の半導体レーザ１側の面及び集束点側の面の少なくとも一方を凹形状に形成すればよい。具体的には、例えば、図７に示すように、透過部材７は、両凹形状に形成される。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態に係る光モジュール２００は、上記実施の形態１に係る光モジュール１００と同様であるが、透過部材７に代えて、形状が透過部材７と異なる透過部材８を備える。

透過部材８の形状は、レンズ２の光軸Ａ２を中心として回転非対称である。具体的には、透過部材８の形状は、図８に示すように、レンズ２の光軸Ａ２方向からみたときに円形状であって、周縁部分８ａの一部が切り落とされている。透過部材８は、図９に示すように、透過部材８の光軸Ａ８を、レンズ２の光軸Ａ２と一致させてレンズキャップ３に固定される。透過部材８は、レンズ２の光軸Ａ２を中心とした回転非対称であるため、レンズキャップ３と透過部材８の周縁部分８ａとの接着面もレンズ２の光軸Ａ２を中心とした回転非対称になる。これに対し、レンズキャップ３は、レンズ２の光軸Ａ２を中心として各方向に均等に熱膨張するので、熱膨張によるレンズ２の光軸Ａ２を中心として非対称な応力が透過部材８に加わる。

図１０は、図５と同様に、レンズキャップ３がまだ熱膨張していない状態のレーザ光の出射点である点Ａと位置ずれした出射点である点Ｂとを含む断面平面におけるレンズ２及び透過部材８を示す。以下では、上記実施の形態１と異なる点を中心に説明する。透過部材８は、透過部材８の光軸Ａ８を、レンズ２の光軸Ａ２と一致させたうえで、出射点の位置ずれの方向であるｘ軸の負方向にレンズキャップ３との接着面が小さくなる周縁部分８ａが配置されるようにレンズキャップ３に固定されている。透過部材８の光軸Ａ８は、レンズ２の光軸Ａ２を中心として非対称な応力による変形で、レンズ２の光軸Ａ２を起点とする点Ｂの位置ずれの方向であるｘ軸の負方向に移動する。変形後の透過部材８の光軸Ａ８は、Ｃ８で示す位置に移動する。

図１１は、ｙ軸方向から見た場合の出射点の位置ずれと透過部材８の光軸Ａ８との位置関係を示す図である。出射点が光軸Ａ２上の点Ａからｘ軸の負方向かつｚ軸の負方向にある点Ｂへシフトしたとする。これに対して、透過部材８は、周縁部分８ａの切り落とした部分が点Ｂの方向に配置されているため、熱膨張により、レンズ２の光軸Ａ２を中心として非対称な応力による変形で、光軸Ａ８は、ｘ軸の負方向かつｚ軸の負方向のＣ８で示す位置に移動する。この結果、集束点Ｂ’は、ｘ軸の負方向にシフトし、集束点Ａ’から集束点Ｂ’へのｘ軸方向の位置ずれはキャンセルされる。

上記実施の形態１と同様に、透過部材８の熱膨張による厚みの増加と温度上昇に伴う透過部材８の光学倍率の増加によって、集束点Ｂ’は、ｙ軸の正方向にシフトし、集束点Ａ’から集束点Ｂ’へのｙ軸方向への位置ずれはキャンセルされる。

図１０に示すように、透過部材８を配置することで、点Ｂから出射されたレーザ光は、２点鎖線で示す光路を辿って、点Ｃ’に集束する。このように、集束点の位置ずれを点Ｂ’から点Ｃ’へ相殺することができる。

透過部材８では、レンズ２の光軸Ａ２に垂直な方向の位置ずれの抑制が透過部材８の形状に依存するため、透過部材８の形状を集束点の位置ずれの大きさ及び位置ずれの方向に合わせて調整すればよいので、集束点の位置ずれに柔軟に対応できる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態に係る光モジュール３００は、上記実施の形態１に係る光モジュール１００と同様であるが、透過部材７に代えて、透過部材９を備える。

透過部材９は、半導体レーザ１側の面から集束点側の面までの厚みが、周縁部分９ａのレンズ２の光軸Ａ２方向の厚みよりも薄い。例えば、透過部材９の形状は、図１２に示すように、レンズ２の光軸Ａ２上における各曲面間の厚みｄ１が、周縁部分９ａの光軸Ａ９方向の厚みｄ２よりも薄い。こうすることで、透過部材９をレンズキャップ３に固定する際に位置ずれが生じても、半導体レーザ１から出射されるレーザ光のほとんどが通過する光軸Ａ９周辺の部分を、他の部材に接触させることなく、透過部材９を実装することができる。

以上詳細に説明したように、本実施の形態に係る光モジュール３００によれば、半導体レーザ１から出射されるレーザ光のほとんどが通過する光軸Ａ９周辺の部分を他の部材に接触させることなく、透過部材９を実装することができるので、実装のミスによる光学特性の劣化を防ぐことができる。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態に係る光モジュール４００は、上記実施の形態１に係る光モジュール１００と、透過部材７の実装態様が異なる。光モジュール４００は、レンズキャップ３に代えて、レンズキャップ１０を備える。

レンズキャップ１０は、図１３に示すように、集束点側の面に彫り込みを有する。このため、透過部材７は、その全体がレンズキャップ１０内に入り込んでいる。こうすることで、透過部材７をレンズキャップ１０の外部に露出させずに、光モジュール４００に実装することができる。

以上詳細に説明したように、本実施の形態に係る光モジュール４００によれば、透過部材７がレンズキャップ１０の外部に露出しないので、光モジュール４００の取り扱い時に、透過部材７の集束点側の面に傷がつくことを防ぐことができる。

なお、本実施の形態では、集束点側の面に彫り込みを有するレンズキャップ１０を用いたが、透過部材７の全体がレンズキャップ１０内に入り込むように、レンズキャップ１０の内周面に透過部材７の周縁部分７ａを固定してもよい。

（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５について説明する。本実施の形態に係る光モジュール５００は、上記実施の形態１に係る光モジュール１００と、透過部材７の実装態様が異なる。

図１４に示すように、透過部材７は、レンズキャップ３の内部に位置する半導体レーザ１とレンズ２との間に配置される。レンズキャップ３の内部は、窒素などで気密封止されるため、湿度変化の影響を受けない。このため、湿度変化によって、透過部材７におけるレーザ光の透過性が低下することを防止できる。また、透過部材７をレンズキャップ３に固定する接着剤の保持力の低下も極力抑制することができる。

（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６について説明する。本実施の形態では、光受信用ＴＯ−ＣＡＮ型を例に光モジュール６００について説明する。図１５は、本実施の形態に係る光モジュール６００の構成を示す。光モジュール６００は、半導体レーザ１の代わりにフォトダイオード１１を備える点を除いて、実施の形態１と同様の構成である。以下では、実施の形態１と異なる点を主に説明する。

出射点に対応する位置には、例えば光ファイバの出力端が配置される。光ファイバの出力端（出射点）から出射されたレーザ光は、レンズ２によって集束し、フォトダイオード１１に導かれる。

フォトダイオード１１は、集束点に対応する位置に配置され、出射点から出射されたレーザ光を受光する。フォトダイオード１１は、ペルチェ素子５で温度が制御される。これにより、フォトダイオード１１の特性に対する環境温度の変動の影響は軽減されている。

本実施の形態における光モジュール６００の温度変化と集束点の位置ずれについて説明する。温度変化で、レンズキャップ３が熱膨張し、かつステム６が弾性変形した場合、レンズ２に対するフォトダイオード１１の位置が変動する。この結果、集束点の位置ずれが生じる。

図４を参照して上述したように、温度変化に応じて、レンズ２の光軸Ａ２を中心として非対称に変形する。透過部材７がレンズ２の光軸Ａ２を中心として非対称な応力で変形することで、レンズ２の光軸Ａ２に対する透過部材７の光軸Ａ７の位置が移動する。この結果、温度変化に起因するレンズ２に対するフォトダイオード１１の位置ずれに伴う集束点の位置ずれが抑制される。このため、より簡便かつ柔軟に集束点の位置ずれを抑制することができる。

以上詳細に説明したように、本実施の形態に係る光モジュール６００によれば、光モジュール６００がレーザ光を受信する場合であっても、実施の形態１と同様に、集束点の位置ずれを抑制することができる。

なお、上記各実施の形態では、レンズ２は１個であったがこれに限られない。レンズ２として、複数のレンズを組み合わせてレーザ光を集束させてもよい。また、レンズキャップ３は、円筒に限らず、角筒であってもよい。また、ステム６に固定されるレンズキャップ３の一端には、底があってもよい。

以上の説明では、主に、透過部材７の光軸Ａ７をレンズ２の光軸Ａ２からずらしてレンズキャップ３に固定することにより、あるいは、透過部材８を非回転対称の形状としてレンズキャップ３に固定することにより、透過部材７、８の光軸Ａ７、Ａ８を移動させる不均一な応力をレンズキャップ３から透過部材７，８に加えた。これにより、焦点位置のｘ−ｚ面でのずれの全部又は一部を補償（キャンセル、相殺）するようにした。

なお、透過部材７、８に、熱膨張による応力を加えて、その光軸Ａ７、Ａ８を移動させる手法自体は任意である。例えば、透過部材７が移動しない状態で、非動作時と動作時との温度変化により焦点がどの方向にどの程度移動するかを、例えば、実験で求めておき、この焦点の移動の全部又は一部を補償するように、透過部材７の光軸が移動するように、レンズキャップ３又は他の部材の熱膨張によって不均一な力が透過部材７に加わるように、実験等により、透過部材の形状、サイズ、材質、配置を求め、設置すればよい。

焦点の光軸方向のずれについても同様に、透過部材７が熱膨張しない状態で、非動作時と動作時との温度変化により焦点がどの方向にどの程度移動するかを求め、この焦点の移動の全部又は一部を補償するように、透過部材７の材質、サイズ、形状、配置等を求めて設置すればよい。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等な発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

１ 半導体レーザ、２ レンズ、３，１０ レンズキャップ、４ キャリア、５ ペルチェ素子、５ａ 上層、５ｂ 下層、６ ステム、７，８，９ 透過部材、１１ フォトダイオード、１００，２００，３００，４００，５００，６００ 光モジュール、Ａ２，Ａ７，Ａ８，Ａ９ 光軸、７ａ，８ａ，９ａ 周縁部分

Claims (12)

1. 出射点から出射される光を、集束点に集束させる光学素子と、
   前記光学素子を支持する支持体と、
   前記光学素子の光軸を中心として非対称な応力が熱膨張に応じて加わるように前記支持体に固定され、光路上に配置された透過部材と、
   を備える光モジュール。
2. 前記透過部材は、その光軸が、前記光学素子の光軸を中心として非対称な応力による変形で、温度変化に起因する前記光学素子に対する前記出射点の位置ずれに伴う前記集束点の位置ずれを抑制するように前記支持体に固定されている、
   請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記透過部材は、その光軸が、温度上昇に起因して、前記光学素子の光軸を起点とする前記出射点の位置ずれの方向に移動するように前記支持体に固定されている、
   請求項１又は２に記載の光モジュール。
4. 前記透過部材の形状は、前記透過部材の光軸を中心として回転対称であって、
   前記透過部材は、該透過部材の光軸を、前記光学素子の光軸を起点とする前記出射点の位置ずれの方向に対向する方向にずらして前記支持体に固定されている、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の光モジュール。
5. 前記透過部材の形状は、前記透過部材の光軸を中心として回転非対称であって、
   前記透過部材は、該透過部材の光軸を、前記光学素子の光軸と一致させて前記支持体に固定されている、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の光モジュール。
6. 前記透過部材の光学倍率が、温度変化に伴う屈折率の変化によって大きくなることで前記光学素子の光軸方向における前記集束点の位置ずれを抑制する、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の光モジュール。
7. 前記透過部材の前記出射点側の面と前記集束点側の面とが、曲率の等しい曲面をそれぞれ有する、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の光モジュール。
8. 前記透過部材は、周縁部分を介して前記支持体に固定され、
   前記出射点側の面から集束点側の面までの厚みが、該周縁部分の前記光学素子の光軸方向の厚みよりも薄い、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の光モジュール。
9. 前記透過部材の全体が前記支持体内に入り込んでいる、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の光モジュール。
10. 前記支持体は、前記光学素子の光軸方向に沿って筒状であって、前記出射点又は前記集束点が内部に位置するように前記光学素子を支持し、
    前記透過部材は、前記支持体の内部に位置する前記出射点又は前記集束点と前記光学素子との間に配置される、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の光モジュール。
11. 前記透過部材は、
    プラスチックで形成されている、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の光モジュール。
12. 出射光を集束点に集束させる光学素子の光軸を中心として非対称な応力を、熱膨張に応じて、光路上に配置された透過部材に加える工程と、
    前記非対称な応力による前記透過部材の変形により、温度変化に起因する前記光学素子に対する出射点の位置ずれに伴う前記集束点の位置ずれを抑制する工程と、
    を含む光伝送方法。

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