JP2000266969A - 光送受信モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造することが容易で、小型化することが可
能である光送受信モジュールを提供する。 【解決手段】 本発明の光送受信モジュールは、光源
と、受光素子と、前記光源から出力された信号光を光フ
ァイバに入射させるとともに前記光ファイバから出力さ
れた信号光を前記受光素子に入射させる光分岐素子とを
備えた光送受信モジュールである。前記光分岐素子は、
前記光源と前記受光素子とを結ぶ線に対して略直交する
方向に延在する平面の上に三角形のプリズムを略一定の
間隔で配置されたプリズムアレイである

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１本の光ファイバ
を用いて、送受信を行う光通信システムに用いられる光
送受信モジュールに関し、特にＩＥＥＥ１３９４および
ＵＳＢ２等に基づいた高速転送が可能な光送受信モジュ
ールおよびこれを用いた通信システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平７−２４８４２９号公報は、光送
受信モジュールを開示している。図３０は、特開平７−
２４８４２９号公報の光送受信モジュールを示す図であ
る。

【０００３】発光素子から出射された送信信号光は、パ
ッケージに取り付けられたカバーガラスを透過し、フー
コープリズムにて、２分割される。２分割された光は、
レンズにより点Ａおよび点Ｂに集光される。つまり、一
方の光のみが光ファイバへ入射される。

【０００４】また、光ファイバから出射した受信信号光
は、レンズにより集光された後、フーコープリズムに入
射する。光はフーコープリズムで２分割され、カバーガ
ラスを透過し、一方のみが受光素子へ入射される。

【０００５】特開平８−１５５８２号公報は、他の光送
受信モジュールを開示している。図３１は、特開平８−
１５５８２号公報の光送受信モジュールを示す図であ
る。

【０００６】半導体レーザ２から出力された送信信号光
は、レンズ４により平行光線化される。その後、平行光
線化された光は、ホログラフィック回折格子５に入射さ
れ、０次光と＋１次光とに２分割される。集光された０
次光のみが光ファイバ６へ入射される。

【０００７】一方、光ファイバ６から出射された受信信
号光は、ホログラフィック回折格子５に入射され、０次
光と＋１次光に２分割され平行光線化される。その後、
レンズ４によって集光された＋１次光のみが受光素子３
へ入射される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３０
に示す光送受信モジュールは、以下に示す問題を有す
る。

【０００９】 フーコープリズムの頂角が２°〜３°
と小さいため、発光素子と受光素子が近接する。このた
め、受光素子を受信信号光の集光点から離して実装せざ
るを得ない。その結果、広がった受信信号光を検出する
必要があり、受光素子が大きくなり、受光素子の静電容
量が大きくなって高速通信ができない。

【００１０】なお、発光素子と受光素子の間隔を広げる
ためにプリズムの頂角を大きくすると、プリズムの厚み
が増加するため、光送受信モジュールを小型化すること
が難しい。

【００１１】 フーコープリズムが光ファイバの光軸
から外れると、プリズムの分岐比が変化するため、プリ
ズムの実装に高精度な位置決めが必要となる。

【００１２】 発光素子にＲＣＬＥＤを用いる場合、
高効率なＲＣＬＥＤで生じる放射光のピーク放射角が０
度でないため、光の利用効率が下がる問題が生じる。

【００１３】また、図３１に示す光送受信モジュール
は、以下に示す問題を有する。

【００１４】 半導体レーザの温度によって、波長が
変化する。ホログラフィック回折格子に入射される光の
波長が変化すると、受光素子へ入射する光の集光位置や
サイズが変化するため、受光感度が減少する。

【００１５】 ホログラフィック回折格子から発生す
る回折光には、通信に利用できない高次回折光が含まれ
ているため、光の利用効率が低くなる。

【００１６】 高次回折光を抑制するためには、回折
格子形状を鋸歯状にする必要があるが、微細ピッチのた
め製造が困難である。

【００１７】 発光素子にＲＣＬＥＤを用いる場合、
高効率なＲＣＬＥＤで生じる放射光のピーク放射角が０
度でないため、光の利用効率が下がる問題が生じる。

【００１８】本発明は、上記問題を鑑み、製造すること
が容易で、小型化することが可能である光送受信モジュ
ールを提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の光送受信モジュ
ールは、光源と、受光素子と、前記光源から出力された
信号光を光ファイバに入射させるとともに前記光ファイ
バから出力された信号光を前記受光素子に入射させる光
分岐素子とを備えた光送受信モジュールであって、前記
光分岐素子が、前記光源と前記受光素子とを結ぶ線に対
して略直交する方向に延在する平面の上に三角形のプリ
ズムを略一定の間隔で配置されたプリズムアレイであ
り、そのことにより上記目的が達成される。

【００２０】前記光ファイバの直径をＤとし、前記光源
の波長をλとし、前記一定の間隔をＰとし、偏向角をθ
とすると、条件Ｄ／２＞Ｐ＞＞λ／ｓｉｎθを満たして
もよい。

【００２１】前記三角形のプリズムの形状が２等辺三角
形であってもよい。

【００２２】前記三角形のプリズムの頂角が、−２０°
〜６０°であってもよい。

【００２３】前記三角形のプリズムの頂角の一方の頂角
をαｔｘとし、前記三角形のプリズムの頂角の他方の頂
角をαｒｘとし、前記三角形のプリズムの屈折率をｎと
すると、前記光送受信モジュールが、条件１／ｔａｎ
（１／αｔｘ）＝１／ｔａｎ（１／αｒｘ）＋ｔａｎ
（αｒｘ−ａｒｃｓｉｎ（αｒｘ／ｎ））を満たしても
よい。

【００２４】前記光ファイバから前記プリズムアレイに
出力される信号光の直径をΦとし、前記プリズムアレイ
のそれぞれプリズムの底辺の長さをＢとすると、前記光
送受信モジュールが、条件Φ＞Ｂを満たしてもよい。

【００２５】前記三角形のプリズムがアクリルからなっ
てもよい。

【００２６】前記光源は、発光素子を含み、前記発光素
子に半導体レーザー素子を用いてもよい。

【００２７】前記光源は、発光素子を含み、前記発光素
子にＲＣＬＥＤ（ＲｅｓｏｎａｎｔＣａｖｉｔｙ Ｌｉ
ｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ）を用いてもよ
い。

【００２８】前記光源は、発光素子を含み、前記光分岐
素子の偏向角と、前記発光素子の放射光のピーク放射角
を合わせてもよい。

【００２９】前記光源は、発光素子を含み、前記発光素
子は、第１集光レンズを有し、前記受光素子は、第２集
光レンズを有し、前記光送受信モジュールは、前記発光
素子および前記受光素子と前記プリズムアレイとの間に
前記プリズムアレーに平行に配置される少なくとも一つ
のコリメート用レンズをさらに備えてもよい。

【００３０】前記プリズムアレーと前記コリメート用レ
ンズを一体化成型した光学部品を用いてもよい。

【００３１】自発光素子からの自発光送信光を自受信素
子へ入射させないように、前記プリズムアレーの単位三
角形の頂角αｔＸ、αｒＸを互いに異なる値としてもよ
い。

【００３２】前記プリズムアレイは、ランダムな長さの
複数の溝を有し、前記溝は、前記プリズムの高さ方向と
前記溝の方向とに対して実質的に直交する方向にランダ
ムにずらして設けられてもよい。

【００３３】前記プリズムの高さと前記溝とが、ランダ
ムな凹凸構造を形成してもよい。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照し、本発明の
実施形態を説明する。

【００３５】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態における光送受信モジュールを示す図であ
る。

【００３６】図１に示す光送受信モジュール１００は、
光源１０、受光素子１１、および光分岐素子２０とを備
えている。

【００３７】光源１０は、送信光５１を光分岐素子２０
に出力する。たとえば、光源１０は、発光ダイオード１
０ａと、発光ダイオード１０ａから出力される光を集光
するレンズ１０ｂとを有している。

【００３８】受光素子１１は、光分岐素子２０からの受
信光５２を受け取る。たとえば、受光素子１１は、フォ
トダイオード１１ａと、受信光５２を集光するレンズ１
１ｂとを有している。なお、光源１０と受光素子１１を
結ぶ線は、Ｘ軸方向に延びている。Ｚ軸方向は、光源１
０と受光素子１１とを結ぶ線（Ｘ軸方向）に対してほぼ
直交し、後述するＹ軸方向は、Ｘ軸方向およびＺ軸方向
にほぼ直交する。

【００３９】光分岐素子２０は、光源１０から出力され
た送信光５１を信号光５３として光ファイバ３０に出力
し、光ファイバ３０から出力された信号光５４を受信光
５２として受光素子１１に出力する。たとえば、光分岐
素子２０は、基体２１と、複数のプリズム２２からなる
プリズムアレイを有している。

【００４０】基体２１はＰＥＴなどで成形され、プリズ
ム２２はアクリルなどで形成される。

【００４１】プリズム２２の形状は、ほぼ三角柱であ
る。基体２１に平行な三角柱の一辺２３は、Ｙ軸方向に
延びている。プリズム２２は、間隔Ｐで配置される。言
い換えると、プリズム２２の一辺２３と、そのプリズム
２２に隣接するプリズム２２の一辺２３との距離は、Ｐ
となる。なお、プリズム２２をＹ軸方向から見ると、そ
の形状は三角である。受信側の頂角αｒｘをとし、送信
側の頂角をβｔｘとする。

【００４２】また、偏向角をθとする。偏向角とは、Ｚ
軸方向と、送信光５１または受信光５２とがなす角であ
る。

【００４３】第１の実施形態における光送受信モジュー
ル１００は、条件Ｐ＞＞λ／Ｓｉｎθを満たすことが好
ましい。Ｐ＝λ／Ｓｉｎθでは、光分岐素子での光分岐
・偏向は回折作用が支配的になるからである。

【００４４】条件Ｐ＞＞λ／Ｓｉｎθを満たせば、光分
岐素子２０での光分岐・偏向は、屈折作用が支配的にな
り、光源の波長変動に強く高次回折光が発生しない。こ
のため光の利用効率に優れる。

【００４５】たとえば、ホログラフィック回折格子のア
ッベ数は−３．４５３である。プリズムアレイをアクリ
ルから成形すると、アッベ数は５７となる。アクリルか
らなるプリズムアレイを有する光送受信モジュールは、
ホログラフィック回折格子を用いた光送受信モジュール
に比べて、１０倍以上、波長変動に強い。

【００４６】光ファイバ３０からプリズムアレイに出力
される信号光５４の直径、またはプリズムアレイから光
ファイバ３０に出力される信号光５３の直径をΦとし、
プリズム２２の底辺の長さをＢとすると、光送受信モジ
ュール１００は、条件Φ＞Ｂを満たすことが好ましい。

【００４７】この場合、位置ずれによる分岐比（２分割
された光の比）の変動の最大値は、間隔Ｐの１／４の位
置ずれのときに起こる。このことを図２〜図６を用いて
説明する。

【００４８】図２および図４は、図１６に示す光送受信
モジュールのフーコープリズムに直径Φの光束が入射さ
れ、光束が２分割されていることを示す図である。図３
および図５は、図１に示す光送受信モジュール１００の
プリズムアレイに直径Φの光束が入射され、光束が２分
割されていることを示す図である。

【００４９】なお、フーコープリズムの大きさは、プリ
ズムアレイの大きさと同じであるとする。

【００５０】図２および図３に示す光送受信モジュール
では、分岐比が１：１となっている。

【００５１】図４に示すように、図２に示すフーコープ
リズムの位置に比べて、フーコープリズムが下方に位置
ずれすると、分岐比は１：１からずれる。

【００５２】本実施形態では、図３に示すプリズムアレ
イの位置に比べて、プリズムアレイが下方に位置ずれす
ると、分岐比は１：１からずれるが、図３に示すプリズ
ムアレイの位置からプリズムアレイの間隔Ｐの半分だ
け、下方に位置ずれすると、図５に示すように、分岐比
は１：１に戻る。

【００５３】このため、条件Φ＞Ｂを満たす光送受信モ
ジュール１００は、図１６に示す光送受信モジュールに
比べて、プリズムのずれに強い。

【００５４】なお、光送受信モジュール１００が条件Φ
＞Ｂを満たすことが好ましいと述べたが、光送受信モジ
ュール１００が条件Ｄ／２＞Ｐを満たすことがより好ま
しい。ここで、Ｄは光ファイバ３０の直径をＤとする。

【００５５】また、光送受信モジュール１００が条件Φ
＞Ｂを満たす場合、フーコープリズムの高さｈ１は、プ
リズムアレイの高さｈ２より高い。言い換えると、条件
Φ＞Ｂを満たす光送受信モジュール１００は、図２に示
すフーコープリズムを用いた光送受信モジュールに比べ
て、薄く作ることが可能である。

【００５６】図６は、プリズム２２の頂角と光の利用効
率とをシミュレーションした結果を示す図であり、図７
は、プリズム２２の頂角と分岐比とをシミュレーション
した結果を示す図である。なお、プリズム２２の屈折率
を１．５とする。図６および図７に示す「式」とは、後
述する１／ｔａｎ（１／αｔｘ）＝１／ｔａｎ（１／α
ｒｘ）＋ｔａｎ（αｒｘ−ａｒｃｓｉｎ（αｒｘ／
ｎ））を意味する。

【００５７】図６に示すように、プリズム２２の頂角を
−２０°〜６０°とすると、送信時の透過率ηｔｘと受
信時の透過率ηｒｘの和が８５％以上となる。

【００５８】なお、プリズムの頂角がプラスとは、図８
に示すように、プリズムアレイの尖った側が光ファイバ
側にあることを意味する。また、プリズムの頂角がマイ
ナスとは、図９に示すように、プリズムアレイの尖った
側が光ファイバとは反対側にあることを意味する。

【００５９】光送受信モジュール１００では、送信時の
透過率ηｔｘが受信時の透過率ηｒｘであってもよい。

【００６０】ηｔｘ＝ηｒｘとなるには、光送受信モジ
ュール１００が、条件１／ｔａｎ（１／αｔｘ）＝１／
ｔａｎ（１／αｒｘ）＋ｔａｎ（αｒｘ−ａｒｃｓｉｎ
（αｒｘ／ｎ））を満たしてもよい。以下にその理由を
説明する。

【００６１】図１０は、単位プリズムに入射する光が受
光素子側（図１０の右下方）へ分岐屈折するようすを示
す図である。

【００６２】図１０に示す場合の透過率は、屈折面での
フレネル反射を無視すると、Ｐｒｘ／Ｐで表される。 Ｐｒｘ／Ｐ ＝｛ｈ／ｔａｎαｒｘ｝／｛ｈ（１／ｔａｎαｔｘ＋１／ｔａｎαｒｘ）｝ ＝｛１／ｔａｎαｒｘ｝／｛１／ｔａｎαｔｘ＋１／ｔａｎαｒｘ｝ となる。

【００６３】ここで、Ｐ＝ｈ（１／ｔａｎαｔｘ＋１／
ｔａｎαｒｘ）、Ｐｒｘ＝ｈ／ｔａｎαｒｘである。ま
た、ｈはプリズムの高さである。

【００６４】図１１は、単位プリズムに入射する光が光
ファイバ側（図の左側）へ分岐屈折するようすを示す図
である。

【００６５】図１１に示す場合の透過率は、屈折面での
フレネル反射を無視すると、Ｐｔｘ／Ｐで示される。

【００６６】Ｐｔｘ／Ｐ＝｛１／ｔａｎαｔｘ＋ｔａｎ
（αｒｘ−ａｒｃｓｉｎ（αｒｘ／ｎ））｝／｛１／ｔ
ａｎαｔｘ＋１／ｔａｎαｒｘ｝ となる。

【００６７】ここで、Ｐｔｘ＝ｈ／ｔａｎαｔｘ＋ｈ
（ｔａｎ（αｒｘ−ａｒｃｓｉｎ（αｒｘ／ｎ）））で
ある。また、プリズムアレイの屈折率をｎとする。

【００６８】送信時の透過率ηｔｘと受信時の透過率η
ｒｘが等しくなる条件は、Ｐｔｘ＝Ｐｒｘより、１／ｔ
ａｎ（１／αｔｘ）＝１／ｔａｎ（１／αｒｘ）＋ｔａ
ｎ（αｒｘ−ａｒｃｓｉｎ（αｒｘ／ｎ））である。

【００６９】図７は、光送受信モジュール１００が条件
１／ｔａｎ（１／αｔｘ）＝１／ｔａｎ（１／αｒｘ）
＋ｔａｎ（αｒｘ−ａｒｃｓｉｎ（αｒｘ／ｎ））を満
たす場合と、光送受信モジュール１００が条件αｔｘ＝
αｒｘを満たす場合の、頂角と分岐比とを示す図であ
る。

【００７０】条件１／ｔａｎ（１／αｔｘ）＝１／ｔａ
ｎ（１／αｒｘ）＋ｔａｎ（αｒｘ−ａｒｃｓｉｎ（α
ｒｘ／ｎ））を満たす場合の方が、条件αｔｘ＝αｒｘ
を満たす場合に比べて、広い頂角の範囲でηｔｘ＝ηｒ
ｘ（ηｔｘ／ηｒｘ＝１）となっている。

【００７１】なお、条件１／ｔａｎ（１／αｔｘ）＝１
／ｔａｎ（１／αｒｘ）＋ｔａｎ（αｒｘ−ａｒｃｓｉ
ｎ（αｒｘ／ｎ））を満たす場合であっても、頂角が所
定の範囲を超えると、ηｔｘ／ηｒｘ＜１となる。それ
は、フレネル反射が無視できなくなるからである。広い
頂角の範囲で、送信時の透過率ηｔｘと受信時の透過率
ηｒｘとを等しくするためには、フレネル反射を考慮し
頂角を決定すればよい。

【００７２】以下に、送信時の透過率ηｔｘが受信時の
透過率ηｒｘと等しくなると、同一種類の光送受信モジ
ュール間の通信では、光の利用効率が高いことを説明す
る。

【００７３】一方の光送受信モジュールの送信時の透過
率をηｔｘＡとし、受信時の透過率をηｒｘＡとし、他
方の光送受信モジュールの送信時の透過率をηｔｘＢと
し、受信時の透過率をηｒｘＢとする。

【００７４】一方の光送受信モジュールおよび他方の光
送受信モジュールの光分岐素子は波面分割型であるた
め、ηｔｘＡ＋ηｒｘＡ＝１、ηｔｘＢ＋ηｒｘＢ＝１
となる。また、一方の光送受信モジュールが他方の光送
受信モジュールと同一であるため、ηｔｘＡ＝ηｔｘ
Ｂ、ηｒｘＡ＝ηｒｘＢとなる。なお、光の利用効率は
ηｔｘＡ・ηｒｘＢ、ηｔｘＢ・ηｒｘＡで表される。

【００７５】上述した関係から、ηｔｘＡ・ηｒｘＢ＝
ηｔｘＡ・ηｒｘＡ＝ηｔｘＡ・（１−ηｔｘＡ）であ
り、ηｔｘＡ＝０．５の時に、光の利用効率が最も高く
なる。すなわち、ηｔｘＡ＝ηｒｘＡのときに、光の利
用効率が最も高くなる。

【００７６】ただし、光送受信モジュールの用途によっ
ては、分岐比を１以外にすることも可能である。

【００７７】たとえば、モバイル端末では通信時の消費
電力を下げる要望が高い。その場合、消費電力の大きい
送信時の効率を上げるべく、ηｔｘ／ηｒｘ＞１とすれ
ばよい。 ηｔｘ／ηｒｘ＞１、たとえば、ηｔｘ／η
ｒｘ＝５にする場合、図１２に示すように、αｔｘ＝３
０°、αｒｘ＝６０°とすればよい。また、αｔｘ＝３
０°、αｒｘ＝６０°である場合でも、図１３に示すよ
うに、光の利用効率は８５％以上である。

【００７８】また、光送受信モジュール１００は、図１
７に示す光送受信モジュールのホログラフィック回折格
子に比べて、間隔が広い。

【００７９】たとえば、図１７に示す光送受信モジュー
ルでは、光源波長をλ＝６５０ｎｍとし、回折角をθ＝
３０°とし、ホログラフィック回折格子の間隔をＰとす
ると、Ｐ＝λ／Ｓｉｎθ＝１．３μｍとなる。

【００８０】また、光送受信モジュール１００では、ア
クリルを用いて、頂角を４５゜にするとほぼ屈折角３０
°を得るプリズム２２が得られる。プリズム２２の高さ
を２５μｍとすれば、間隔Ｐは５０μｍとなる。上述し
た条件の場合、光送受信モジュール１００は、図１７に
示す光送受信モジュールに比べて容易に製造することが
可能となる。

【００８１】（第２の実施の形態）図１４は、本発明の
第２の実施の形態における光送受信モジュールを示す図
である。図１５は、図１４に示す光送受信モジュールを
線分Ａ−Ａで切断した断面を示す図である。

【００８２】信号を伝達するために、光送受信モジュー
ル２００には、内部に光ファイバ３０を有するプラグ２
１０が挿し込まれる。光ファイバ３０は、プラグ２１０
と同軸となるよう配置されている。

【００８３】光送受信モジュール２００は、発光素子で
ある半導体発光素子チップ１１と受光素子である半導体
受光素子チップ１０を一体成形してなるモールドパッケ
ージ２３０、光分岐素子２０を備えている。光送受信モ
ジュール２００の構成で、第１の実施の形態の光送受信
モジュール１００と同じ構成には、同じ番号を付けるも
のとする。

【００８４】光送受信モジュール２００は、ＩＣ２４０
が組み込まれたＰＷＢ２９０と、プラグ２１０が挿し込
まれ、モールドパッケージ２３０、光分岐素子２０、お
よびＰＷＢ２９０を内包する外装パッケージ２２０とを
さらに備えている。

【００８５】詳しくは、外装パッケージ２２０は、挿入
されたプラグ２１０を一定位置に保持するレセプタクル
部と、光分岐素子２０が挿入される挿入溝と、モールド
パッケージ２３０が挿入されるモールドパッケージ挿入
部と、ＰＷＢ２９０が挿入されるＰＷＢ取付け部を持
ち、ナイロンやＡＢＳなどの樹脂射出成形により製造さ
れる。

【００８６】モールドパッケージ２３０は、銅板を銀め
っきしてなるリードフレーム２８０に半導体発光素子チ
ップ１１と半導体受光素子チップ１０を銀ペーストまた
はインジウムなどによりロウ付けし、ワイヤーボンディ
ングによりリードフレーム２８０とチップ間の電気接続
を行った後、金型に設置されトランスファーモールド成
形されて製造される。モールドパッケージの表面にはト
ランスファーモールド成形時に少なくとも２つのレンズ
が一体成形される。

【００８７】光分岐素子２０は、アクリル等の透明樹脂
をプリズムアレイ逆形状を持った金型に射出成形するこ
とにより製造される。これは、図１４のＹ軸方向から、
外装パッケージ２２０の挿入部に挿入され、接着剤によ
り固定される。

【００８８】また、光分岐素子２０は、液晶表示板用の
バックライトの輝度分布補正にプリズムシート等の名称
で使用されており各社から販売され容易に入手すること
が可能である。本実施形態では、住友３Ｍ社製ＢＥＦ
ＩＩ ９０／５０が用いられている。このプリズムシー
トはアクリルから成る頂角４５度の２等辺三角形アレイ
がＰＥＴ層の上に形成されているものである。形成され
たものは、溝方向を図１４のＹ軸方向に合わされ、外装
パッケージ２２０の挿入溝に挿入され固定される。

【００８９】ＰＷＢ２９０上には、増幅器、駆動回路、
復調・変調回路からなるＩＣ２４０、抵抗器（図示せ
ず）またはコンデンサ（図示せず）が実装されている。
これらの一部または全部がモールドパッケージ内部にあ
ってもよい。

【００９０】ＰＷＢ２９０は、図１４のＹ軸方向から外
装パッケージ取付け部へ挿入され固定される。この際、
ＰＷＢ２９０の穴にモールドパッケージのリード２８５
が挿入され、リード２８５とＰＷＢ２９０のパターンと
が半田付けされ、それらが電気的に接続される。

【００９１】以下に、光送受信モジュール２００の動作
を説明する。

【００９２】受信信号光は、光ファイバ３０から出射さ
れ、光分岐素子２０の−Ｚ軸方向から入射される。

【００９３】入射された光は、光分岐素子２０によりＺ
軸方向から±３０°傾斜した２つの光束となる。一方の
光は、モールドパッケージ２３０の表面に形成されたレ
ンズにより集光され、半導体受光素子チップ１０に入射
される。

【００９４】半導体受光素子チップ１０へ入射された受
信信号光は受信信号電流となり、電子回路により処理さ
れ、ＰＷＢに取り付けられた外部接続端子２８５から光
送受信モジュール２００が取り付けられたメインＰＷＢ
（図示せず）へ出力される。

【００９５】一方、送信信号は、メインＰＷＢ（図示せ
ず）、外部接続端子２８５の経路をたどり、半導体発光
素子チップ１１にて送信信号光となり、モールドパッケ
ージ２３０表面に形成されたレンズにより集光され、光
分岐素子２０にＺ軸方向から３０度傾斜して入射され
る。

【００９６】その後、光分岐素子２０により−Ｚ軸方向
に偏向され光が光ファイバ３０に入射され、光ファイバ
３０に入射された光が送受信相手によって受信される。

【００９７】プラグ２１０は、ファイバの光軸に対し対
称であるから、プリズムアレイもファイバの光軸に対し
対称である方が、サイズ的に有利である。

【００９８】（第３の実施の形態）本発明の光送受信モ
ジュールの第３の実施の形態を以下に説明する。図１６
は本発明の第３の実施の形態の光送受信モジュール３０
０のプラグ挿入時の上面断面構造を、図１７は光学系拡
大図を示す。図１８は、モールドパッケージの正面図、
側面図、上面図を示す。

【００９９】第１の実施の形態では発光素子に発光ダイ
オード（ＬＥＤ）が用いられていたが、第３の実施の形
態では発光素子に半導体レーザー素子（ＬＤ）４０が用
いられている点が異なる。第１の実施の形態と異なる点
のみ説明する。

【０１００】図１６〜図１８を参照して、酸化アルミニ
ウム等から成るセラミックを切削加工し所定の形状にし
たサブマウント６０に、金やアルミ等の表面電極を形成
し、その表面電極上に金すず合金により半導体レーザー
素子４０とＬＤ光モニター角受光素子（ＭＰＤ）５０が
ロウ付けされ、ワイヤーボンディングによりサブマウン
ト６０とチップ間の電気接続を行った後、エージングに
より半導体レーザー素子４０の選別を行い、ＬＤアッセ
イ６１は完成する。

【０１０１】モールドパッケージ２３０は、銅板を銀め
っきしてなるリードフレーム２８０に半導体受光素子チ
ップ１０を銀ぺーストなどによりロウ付けし、ワイヤー
ボンディングによりリードフレーム２３０とチップ間の
電気接続を行った後、金型に設置されトランスファーモ
ールド成形されて製造される。モールドパッケージ２３
０の表面にはトランスファーモールド成形時にレンズが
一体成形される。その後、リードフレーム２８０にＬＤ
アッセイ６１をインジウムなどにてロウ付けし、モール
ドパッケージ２３０が完成する。

【０１０２】図１７を参照して、第３の実施の形態の光
送受信モジュール３００の動作を説明する。半導体レー
ザー素子４０を出たレーザー光のうち後方分４１はＬＤ
光モニター用受光素子５０に入射し、図示しない半導体
レーザー駆動回路の制御信号となる。前方出射レーザー
光（送信信号）４０はプリズムアレイ２０に入射し、偏
向され光ファイバ３０に入射し、送受信相手に受信され
る。

【０１０３】（第４の実施の形態）図１９および図２０
を参照して、第４の実施の形態を説明する。従来の発光
ダイオード（ＬＥＤ）に共振器構造を与えて、その特性
（光電気変換効率、波長半値幅、放射半値幅、応答速度
など）を改善する研究開発が行われている。例えば、Ｏ
ＰＴＲＯＮＩＣＳ（１９９３、Ｎ０４）「自然放出制御
ダイオード」などがある。このようなＬＥＤとして、近
年ＲＣＬＥＤ（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｃａｖｉｔｙ Ｌｉ
ｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ）と呼ばれるＬ
ＥＤが量産されつつある。

【０１０４】図１９は、ＲＣＬＥＤの断面構造の一例を
示す。図２０は、ＲＣＬＥＤの放射特性を示す。数字は
光電気変換効率を示す。（ ）内は共振器長を示す。Ｒ
ＣＬＥＤには前記特性の改善が行える利点があるが、光
電気変換効率ＥＥを高める設計とすると図２０に示す様
に、放射光のピーク位置がＬＥＤ正面方向からずれてく
る欠点がある。ピーク放射角φ（ピーク位置の角度）
は、発光層の発光波長をλｅ、共振器の透過ピーク波長
をλｏとすると、φ＝ｃｏｓ-（λｅ／λｏ）となるた
め、共振器の設計にて制御可能である。

【０１０５】従って光分岐素子の偏向角Θと前記ピーク
放射角φを合わせれば、前記ＲＣＬＥＤの欠点を補える
ため、光の利用効率が良くなる。これは図３１に示す従
来例にも適用可能である。

【０１０６】図２０は、一断面の放射特性であり、実際
はこれを縦軸に回転した３次元の放射特性を持つから、
より正確にはΘ＝φでは無くその近傍に光利用効率の最
適解がある。これは光線追跡計算により簡単に求めるこ
とができる。

【０１０７】このように、光分岐素子の偏向角と、発光
素子の放射光のピーク放射角を合わせると、放射光のエ
ネルギを最も良く取り込むことができる。

【０１０８】（第５の実施の形態）本発明の第５の実施
の形態の光送受信モジュールを以下に説明する。

【０１０９】光プラグの挿入接触時の断面構造、ならび
にその拡大図を図２１、図２２に示す。集光レンズ付き
発光素子、集光レンズ付き受光素子は双方ともに同一の
プリント基板上に実装されており、その上からエポキシ
系の樹脂で封止する。エポキシ系の材料としては耐候性
の良いものが適しており、例えば日立化成工業のＣＥＬ
−Ｔ−２０００などが挙げられる。このような材料の上
に更に送信、受信用の集光レンズを形成する。集光レン
ズ付き発光素子からの送信光はプリズムアレーに入射、
屈折されて光ファイバへと結合する。また逆に、光ファ
イバからの受信光はプリズムアレーに入射、屈折されて
集光レンズ付き受光素子へと結合、さらに集光レンズに
より受光素子へと集光される。

【０１１０】従来例としては、特開平８−１５５８２に
て、光分岐素子にホログラフィック回折格子を用い、小
型化・低価格化を図る光送受信モジュールか提案されて
いる（図３１）。発光素子を出射した送信信号光は光フ
ァイバを通った後、レンズにより平行光線化され、ホロ
グラフィック回折格子に入射して、０次光と＋１次光に
２分されつつ集光され０次光のみが光ファイバへ入射す
る。一方、光ファイバを出射した受信信号光は、前記ホ
ログラフィック回折格子に入射し、０次光と＋１次光に
２分されつつ平行光線化された後、レンズを透過し集光
され、＋１次光のみが光ファイバを通った後、受光素子
へ入射する。

【０１１１】図２３に示すように、集光レンズ付き発光
素子、集光レンズ付き受光素子とプリズムアレーの間に
プリズムアレーに平行にコリメート用のレンズを配した
構造を考える。この際コリメート用のレンズは球面・非
球面レンズのどちらでも良いがここでは球面レンズを用
いた場合を考える。この際、一体化光学部品は射出成型
法などによって成形するが、材料としてはモールド用樹
脂と同様に耐候性に優れたものを選定することが望まし
い。例としては前述のＣＥＬ−Ｔ−２０００の他に日本
合成ゴム（株）のＡＲＴＯＮ−Ｆなどが挙げられる。ま
た、加工時の成形性の観点から金型作成の際にはコリメ
ートレンズの周りには適度なテーパ角を付けておくこと
が望ましい。

【０１１２】この場合、集光レンズ付き発光素子からの
送信光はコリメートレンズによって平行化されてプリズ
ムアレーに入射、屈折された光は光ファイバへと結合す
る。逆に、光ファイバからの受信光はプリズムアレーで
屈折された後、コリメートレンズによって平行化し集光
レンズ付き受光素子へと結合、さらに集光レンズにより
受光素子へと集光される。このように集光レンズとプリ
ズムアレーとの間にコリメートレンズを入れることで送
信、受信時の結合効率を改善することが期待できる。

【０１１３】（第６の実施の形態）図２４に示すよう
に、集光レンズ付き発光素子、集光レンズ付き受光素子
と光ファイバの間に第５の実施の形態におけるコリメー
トレンズとプリズムアレーを一体化した光学部品を配置
した構造を考える。この際、一体化光学部品は第１の実
施形態と同様に射出成型法などよって成形し、材料とし
てはモールド用樹脂と同様に耐候性に優れたものを選定
することが望ましい。また、加工時の成形性の観点から
金型作成の際にはコリメートレンズの周りには適度なテ
ーパ角を付けておくことが望ましい。

【０１１４】この場合、第５の実施の形態と比較して有
利な点としては、部品点数が削減できる他に、コリメー
トレンズとプリズムアレー間で発生するフレネル反射光
を削減できるため、送信、受信時の結合効率を改善する
ことができる点が挙げられる。

【０１１５】（第７の実施の形態）図２５を参照して、
第７の実施の形態を説明する。第６の実施の形態におけ
る一体化した光学部品のプリズムアレーでの送信と受信
の頂角を互いに異なる値にした構造を考える（図２
５）。この際、αｒｘ＝αｔｘで最もプリズムアレー部
分での損失が小さいことを考えると、αｒＸのαｔＸか
らのずれは最小限であることか望ましい。

【０１１６】図２６にαｔｘ＝αｒｘ＝６０ｄｅｇとし
たときと、αｔｘ＝６０ｄｅｇ、αｒｘ＝６５ｄｅｇと
したときとの受光素子への戻り光を比較したものを示す
（図２６中においてＦ４が発光素子側）。αｔｘとαｒ
ｘを互いに異なる値にすることによって受光部分への戻
り光が約半分に減少することができる。

【０１１７】（第８の実施の形態）図２７および図２８
を参照して、第８の実施の形態を説明する。第６の実施
の形態における一体化した光学部品のプリズムアレーで
の溝をランダムな長さの複数の溝に分け、その分けたプ
リズムの高さや溝に直行する方向の溝の位置をランダム
にずらした構造を考える（図２７）。このようにランダ
ムな構造にすることによって一体化した光学部品を通過
した後の光線毎の光路長が異なるため、図２８に示すよ
うにコヒーレンシーを減少させることができる。

【０１１８】（第９の実施の形態）図２９を参照して、
第９の実施の形態を説明する。第６の実施の形態におけ
る一体化した光学部品のプリズムアレーでのプリズムの
高さや溝をランダムな凹凸構造にした構造を考える（図
２９）。このようにランダムな構造にすることによって
前述した第８の実施の形態と同様に、コヒーレンシーを
減少させることができる。

【０１１９】

【発明の効果】本発明の光送受信モジュールでは、光分
岐素子が、光源と該受光素子とを結ぶ線に対して略直交
する方向に延在する平面の上に三角形のプリズムを略一
定の間隔で配置されたプリズムアレイである。一定の間
隔が所定の条件下では、プリズムアレイを配置する位置
を正確に決定する必要はない。本発明の光送受信モジュ
ールは、従来の光送受信モジュールに比べて、プリズム
の間隔が広い。このため、本発明の光送受信モジュール
は、従来の光送受信モジュールに比べて、製造し易い。

【０１２０】光ファイバの直径をＤとし、光源波長をλ
とし、プリズムの間隔をＰとし、偏向角をθとすると
き、本発明の他の光送受信モジュールは、条件Ｄ／２＞
Ｐ＞＞λ／Ｓｉｎθを満たすことが好ましい。このた
め、本発明の他の光送受信モジュールは、光源の波長変
動に強く、光利用効率が高く、製造が容易で、位置ずれ
に強い。

【０１２１】単位プリズム形状を２等辺三角形とするこ
とにより、本発明のさらに他の光送受信モジュールのサ
イズが最も小型になる。

【０１２２】本発明の別の光送受信モジュールでは、プ
リズムの頂角を−２０°〜６０°にすることにより、送
信時の透過率ηｔｘと受信時の透過率ηｒｘの和を８５
％以上にすることができる。

【０１２３】プリズムの頂角をαｔｘ、αｒｘとし、プ
リズムの屈折率をｎとすると、本発明のさらに別の光送
受信モジュールが、条件１／ｔａｎ（１／αｔｘ）＝１
／ｔａｎ（１／αｒｘ）＋ｔａｎ（αｒｘ−ａｒｃｓｉ
ｎ（αｒｘ／ｎ））を満たすことにより、同一種類のモ
ジュール間の通信で光の利用効率を高くすることができ
る。

【０１２４】さらに本発明によれば、光分岐素子の偏向
角とＲＣＬＥＤの放射光のピーク放射角とを合わせたの
で、ＲＣＬＥＤの欠点を補え光の利用効率が良くなる。
これにより従来ＬＥＤを発光素子に用いていた場合よ
り、高速長距離光伝送が可能となりぺＩＥＥＥ１３９４
やＵＳＢ２に利用することができる。

【０１２５】さらに本発明の光送受信モジュールによれ
ば、光ファイバからの送信、受信光はプリズムアレーに
おいて屈折、コリメートレンズによって平行化された後
に集光レンズ付き受光素子に結合する。したがって、送
信、受信光の結合効率を増加させること、ならびに実装
時の位置ずれ公差も大きくなることが期待できる。

【０１２６】さらに、本発明の光送受信モジュールによ
れば、プリズムアレーとコリメート用レンズを一体成形
することによって部品点数を削減することができ、しか
もプリズムアレーとコリメート用レンズの間で発生する
フレネル反射による損失分を削減することができる。

【０１２７】さらに、本発明の光送受信モジュールによ
れば、集光レンズ付き発光素子からの光がプリズムアレ
ーと空気との境界面でフレネル反射して生じる反射光が
受光素子に直接結合することを防ぐことができる。

【０１２８】さらに、本発明の光送受信モジュールによ
れば、光送受信モジュールの光が仮に直接ユーザーの目
に入っても、コヒーレンシーが小さいため光の集光スポ
ットサイズが大きくなり網膜に与えるダメージを軽減す
ることが出来る、いわゆるアイセーフティの役目をプリ
ズムアレーに付与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態における光送受信モジ
ュールを示す図である。

【図２】図１６に示す光送受信モジュールのフーコープ
リズムに直径Φの光束が入射され、光束が２分割されて
いることを示す図である。

【図３】図１に示す光送受信モジュール１００のプリズ
ムアレイに直径Φの光束が入射され、光束が２分割され
ていることを示す図である。

【図４】図１６に示す光送受信モジュールのフーコープ
リズムに直径Φの光束が入射され、光束が２分割されて
いることを示す図である。

【図５】図１に示す光送受信モジュール１００のプリズ
ムアレイに直径Φの光束が入射され、光束が２分割され
ていることを示す図である。

【図６】プリズム２２の頂角と光の利用効率とをシミュ
レーションした結果を示す図である。

【図７】プリズム２２の頂角と分岐比とをシミュレーシ
ョンした結果を示す図である。

【図８】プリズムの頂角がプラスである状態を示す図で
ある。

【図９】プリズムの頂角がマイナスである状態を示す図
である。

【図１０】単位プリズムに入射する光が受光素子側（図
１０の右下方）へ分岐屈折するようすを示す図である。

【図１１】単位プリズムに入射する光が光ファイバ側
（図の左側）へ分岐屈折するようすを示す図である。

【図１２】光の利用効率と頂角との関係を示す図であ
る。

【図１３】分岐比と頂角との関係を示す図である。

【図１４】本発明の第２の実施の形態における光送受信
モジュールを示す図である。

【図１５】図１４に示す光送受信モジュールを線分Ａ−
Ａで切断した断面を示す図である。

【図１６】本発明の第３の実施の形態におけるプラグ挿
入時の光送受信モジュール上面断面構造を示す図であ
る。

【図１７】本発明の第３の実施の形態における光送受信
モジュールの光学系の拡大図である。

【図１８】本発明の第３の実施の形態における光送受信
モジュールのモールドパッケージを示す図である。

【図１９】本発明の第４の実施の形態におけるＲＣＬＥ
Ｄの断面構造図である。

【図２０】本発明の第４の実施の形態におけるＲＣＬＥ
Ｄの放射特性を示す図である。数字は光電気変換効率を
示す。

【図２１】本発明の第５の実施の形態における光送受信
モジュールの全体の実施形態を説明する図で、光送受信
モジュールの光プラグ挿入接触時の上面からの断面構造
を示す外観図である。

【図２２】本発明の第５の実施の形態における光送受信
モジュールの光結合部分の拡大図である。

【図２３】本発明における光送受信モジュールの第５の
実施形態を説明する図で、集光レンズ付き発光素子、集
光レンズ付き受光素子とプリズムアレーの間にプリズム
アレーに平行にコリメート用のレンズを配した構造を示
す図である。

【図２４】本発明における送受信モジュールの第６の実
施形態を説明する図で、光送受信モジュールにおいてコ
リメートレンズとプリズムアレーを一体化したものの構
造を示す図である。

【図２５】本発明における送受信モジュールの第７の実
施形態を説明する図で、プリズムアレーの逆信、受信の
頂角をそれぞれ異なる値にした際の単位プリズムの構造
を示す図である。

【図２６】本発明における送受信モジュールの第７の実
施形態において、送信、受信の頂角αｔｘ、αｒｘをα
ｔｘ＝αｒｘ＝６０ｄｅｇにした時とαｔｘ＝６０ｄｅ
ｇ、αｒｘ＝６５ｄｅｇにしたときの受光素子に照射す
る戻り光強度を比較したグラフである。

【図２７】本発明における送受信モジュールの第８の実
施形態を説明する図で、溝をランダムな長さの複数の溝
に分け、その分けたプリズムの高さや溝に直行する方向
の溝の位置をランダムにずらした構造を示す図である。

【図２８】本発明における送受管モジュールの第８の実
施形態を説明する図で、ランダムな光路長により光モジ
ュールからの光のコヒーレンシーを下げている様子を示
す図である。

【図２９】本発明における送受信モジュールの第９の実
施形態を説明する図で、プリズムの高さや溝にランダム
な凹凸構造を設けたものの構造を示す写真である。

【図３０】従来の光送受信モジュールを示す図である。

【図３１】従来の光送受信モジュールを示す図である。

【符号の説明】

１０ 光源 １０ａ 発光ダイオード １０ｂ レンズ １１ 受光素子 １１ａ フォトダイオード １１ｂ レンズ ２０ 光分岐素子 １００ 光送受信モジュール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺島 健太郎 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 名倉 和人 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 中津 弘志 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA03 BA12 CA32 DA03 DA04 DA06 DA15 5F041 DA03 DA07 DA83 DC66 EE01 EE04 EE06 EE25 FF14 5F073 BA01 FA05 FA06 FA23 FA29 5F088 AA01 BB01 EA09 JA14

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、 受光素子と、 該光源から出力された信号光を光ファイバに入射させる
   とともに該光ファイバから出力された信号光を該受光素
   子に入射させる光分岐素子とを備えた光送受信モジュー
   ルであって、 該光分岐素子が、該光源と該受光素子とを結ぶ線に対し
   て略直交する方向に延在する平面の上に三角形のプリズ
   ムを略一定の間隔で配置されたプリズムアレイである光
   送受信モジュール。
2. 【請求項２】 前記光ファイバの直径をＤとし、前記光
   源の波長をλとし、前記一定の間隔をＰとし、偏向角を
   θとすると、条件Ｄ／２＞Ｐ＞＞λ／ｓｉｎθを満たす
   請求項１に記載の光送受信モジュール。
3. 【請求項３】 前記三角形のプリズムの形状が２等辺三
   角形である請求項１に記載の光送受信モジュール。
4. 【請求項４】 前記三角形のプリズムの頂角が、−２０
   °〜６０°である請求項３に記載の光送受信モジュー
   ル。
5. 【請求項５】 前記三角形のプリズムの頂角の一方の頂
   角をαｔｘとし、該三角形のプリズムの頂角の他方の頂
   角をαｒｘとし、該三角形のプリズムの屈折率をｎとす
   ると、条件１／ｔａｎ（１／αｔｘ）＝１／ｔａｎ（１
   ／αｒｘ）＋ｔａｎ（αｒｘ−ａｒｃｓｉｎ（αｒｘ／
   ｎ））を満たす請求項１に記載の光送受信モジュール。
6. 【請求項６】 前記光ファイバから前記プリズムアレイ
   に出力される信号光の直径をΦとし、前記プリズムアレ
   イのそれぞれプリズムの底辺の長さをＢとすると、条件
   Φ＞Ｂを満たす請求項１に記載の光送受信モジュール。
7. 【請求項７】 前記三角形のプリズムがアクリルからな
   る請求項１に記載の光送受信モジュール。
8. 【請求項８】 前記光源は、発光素子を含み、 前記発光素子に半導体レーザー素子を用いた事を特徴と
   する、請求項１に記載の光送受信モジュール。
9. 【請求項９】 前記光源は、発光素子を含み、 前記発光素子にＲＣＬＥＤ（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｃａｖ
   ｉｔｙ ＬｉｇｈｔＥｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ）を
   用いた事を特徴とする、請求項１に記載の光送受信モジ
   ュール。
10. 【請求項１０】 前記光源は、発光素子を含み、 前記光分岐素子の偏向角と、前記発光素子の放射光のピ
    ーク放射角を合わせたことを特徴とする、請求項５に記
    載の光送受信モジュール。
11. 【請求項１１】 前記光源は、発光素子を含み、 前記発光素子は、第１集光レンズを有し、 前記受光素子は、第２集光レンズを有し、 前記光送受信モジュールは、前記発光素子および前記受
    光素子と前記プリズムアレイとの間に前記プリズムアレ
    ーに平行に配置される少なくとも一つのコリメート用レ
    ンズをさらに備える、請求項１に記載の光送受信モジュ
    ール。
12. 【請求項１２】 前記プリズムアレーと前記コリメート
    用レンズを一体化成型した光学部品を用いることを特徴
    とした、請求項１１に記載の光送受信モジュール。
13. 【請求項１３】 自発光素子からの自発光送信光を自受
    信素子へ入射させないように、前記プリズムアレーの単
    位三角形の頂角αｔＸ、αｒＸを互いに異なる値とする
    ことを特徴とした、請求項１に記載の光送受信モジュー
    ル。
14. 【請求項１４】 前記プリズムアレイは、ランダムな長
    さの複数の溝を有し、前記溝は、前記プリズムの高さ方
    向と前記溝の方向とに対して実質的に直交する方向にラ
    ンダムにずらして設けられることを特徴とした、請求項
    ２記載の光送受信モジュール。
15. 【請求項１５】 前記プリズムの高さと前記溝とが、ラ
    ンダムな凹凸構造を形成することを特徴とした、請求項
    ２記載の光送受信モジュール。