JP2004271880A

JP2004271880A - Coupling lens, optical connector, and optical communication apparatus

Info

Publication number: JP2004271880A
Application number: JP2003062167A
Authority: JP
Inventors: Kimio Nagasaka; 公夫長坂; Akira Miyamae; 章宮前
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2004-09-30

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a coupling lens that reduces mode dispersion of connection between a laser diode and a multi-mode optical fiber without lowering optical coupling efficiency. <P>SOLUTION: The coupling lens used for optical coupling between a light emitting element and an optical fiber includes a plurality of converging lens elements which are arranged concentrically around the optical axis of the coupling lens to converge output light from the light emitting element on the core area of the optical fiber, and each of the plurality of converging lens elements diffuses the output light of the light emitting element to the core area of the optical fiber while superposing a portion of converged light. Consequently, convergence of light energy on laser light of a specific mode is evaded. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバに光信号を送光し又は光ファイバから光信号を受光する光トランシーバ（光送信機、光受信機）に関し、特に、光ファイバと光トランシーバとの光結合効率の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信は遠距離間の通信、ローカルエリアネットワーク、装置内、回路基板内における信号の伝送に使用される。光信号の伝送路は主として光ファイバによって行われ、この光ファイバの両端に送信（送光）及び受信（受光）を行う光トランシーバがそれぞれ配置される。一般的に、遠距離通信を行う場合には、発光素子としてエネルギ密度の高いレーザダイオード（レーザ発光器）を使用し、光ファイバとして信号減衰の少ない単一（シングル）モード光ファイバを使用する。また、近距離通信を行う場合には発光素子として安価なＬＥＤを使用し、光ファイバとして多（マルチ）モード光ファイバ等を使用している。
【０００３】
光ファイバと光トランシーバとを着脱可能にするために、通常、光コネクタが使用される。光コネクタは、光ファイバ端部を光トランシーバに設けられた発光素子の発光面や受光素子の受光面に近接して着脱可能に配置するものであり、接続における光結合損失の少ないことが重要なファクターとなっている。
【０００４】
このための、一方法として光ファイバ端部と光素子（発光素子・受光素子）間に結合レンズを設けている。それにより、光ファイバ端部のコアから広がるように出射する光信号を受光素子の受光面に導く。また、発光素子から広がるように出射する光信号を光ファイバ端部のコア中心に導く。更に光結合損失を減少するために、上記結合レンズとして無収差の非球面レンズを用いて発光素子から出射した光ビームを光ファイバ端部のコア部分の中心部に集中させる。
【０００５】
レンズを介して光ファイバと光素子とを結合する光コネクタ等としては、例えば、特開平１０−３００９９４号、特開平１０−２１５０２０号などがある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−３００９９４号公報
【特許文献２】
特開平１０−２１５０２０号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような非球面レンズを有する光コネクタを使用してレーザダイオードと屈折率分布型のマルチモード光ファイバとを結合した場合には、モード分散が問題となる。すなわち、無収差の非球面レンズによって発生する微小光スポットにより光ファイバ端面のコアに入射した光信号は特定の２〜３の伝搬モードの光信号成分に光エネルギが集中する。シングルモード光ファイバよりもコア径の大きいマルチモード光ファイバを伝搬するこれ等の光信号成分の群速度には反射経路の距離差等に起因する相違が生じ、受端側での伝搬光信号の波形が歪む。それにより、１パルスとして復調できる許容範囲（単一パルスの独立性）が減少してビットエラーが増大し、通信可能距離が減少する場合がある。
【０００７】
これを解決するために光コネクタの結合レンズの焦点位置から光ファイバ端面を光ファイバの光軸方向に微小距離だけ移動することによって焦点ボケ（デフォーカス）を発生させて、多数の伝搬モードの光信号成分によって信号伝搬を行い、それらを合成することによってモード分散による信号波形の歪みを緩和させることが考えられるが、この方法では光ファイバと光素子（発光素子及び受光素子）との光結合におけるエネルギの損失が増大する。また、光ファイバと光素子間が離間して光信号の結合も不安定になって不具合である。
【０００８】
よって、本発明は、レーザ発光器とマルチモード光ファイバとを接続する際に光結合効率を低下させずにモード分散による信号波形歪み（ロス）を低減することを可能とした結合レンズを提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、光素子とマルチモード光ファイバとを接続しても不具合のない光コネクタを提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、マルチモード光ファイバと接続しても不具合のないレーザ発光器を含む光トランシーバを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の結合レンズは、発光素子と光ファイバとの光結合に使用する結合レンズにおいて、このレンズの光軸を中心として同心円状に配置されて上記発光素子の出力光を上記光ファイバのコア領域に集光するための複数の集光レンズ要素を含み、上記複数の集光レンズ要素の各々は集光する光の一部を重畳させて上記発光素子の出力光を上記光ファイバのコア領域に拡散させている。
【００１２】
かかる構成によって、集光光の一部を重畳させて、光ファイバのコア領域に拡散（あるいは分布）させられた光スポットの集合によりコア領域を広く照射し、多モードの光を入射させ易くすることができる。
【００１３】
好ましくは、上記複数の集光レンズ要素の各々は互いに隣接する集光光同士の一部を重複させることによって上記発光素子の出力光を上記光ファイバのコア領域内に略均一な光強度となるように分布させる。これにより、各レンズ要素によって形成される単位光スポットを組み合わせて面内光強度が均一な大径のスポットを形成することが可能となる。そして、光ファイバの径方向に対して入射光が均等に分散（あるいは分布）され、従来の２〜３の特定の伝搬モードの光信号間の遅延時間差に起因する受信波形の歪みを多数の伝搬モードの光信号の重畳による受信波形とすることによって緩和可能となる。また、光信号を微小スポットから径方向に面積が拡大した信号として均等に分散（あるいは分布）し、光パワーが特定の伝搬モードの光信号に集中することを回避する。
【００１４】
好ましくは、上記複数の集光レンズ要素のうち上記光軸の中心に配置される集光レンズ要素は円形状に形成され、その他の集光レンズ要素は環状に形成される。これにより、各集光レンズ要素が、出力光をコア領域の径方向に拡散（あるいは分布）させ、一部重畳し合いながら光ファイバのコア領域内を広く照射し、略均一な光強度となるように分布させることも可能となる。
【００１５】
好ましくは、上記複数の集光レンズ要素は上記結合レンズの上記発光素子に対向する面側に形成される。これにより、結合レンズの厚さを各レンズ要素の集光距離として利用し、各レンズ要素と光ファイバ間の配置距離を短くすることを可能とする。
【００１６】
好ましくは、上記複数のレンズ要素が非球面のレンズ要素又は球面のレンズ要素を１又は複数含む。これにより、各複数のレンズ要素に入射した光は、所要の集光束となって光ファイバ端面に向かう。
【００１７】
好ましくは、上記結合レンズは上記発光素子から出射した光信号を上記光ファイバ端部のコア領域上に導いて略コア領域に対応する大きさの光スポットを形成する。これにより、レンズから出射した光信号のスポットはコア領域内に収まり、光結合のロスを減少する。
【００１８】
好ましくは、上記結合レンズの複数の集光レンズ要素の各々は互いに隣接する集光光同士の一部を重複させるようにして上記発光素子の出力光を上記光ファイバのコア領域内に導いてコア領域中心部の光強度が相対的に抑制された光スポット光を形成する。これにより、発光素子の出力光は、コア領域内に導かれコア領域中心部の光強度が相対的に抑制された光スポット光となる。光パワーがコア領域中心部に対応する特定の伝搬モードの光信号に集中することを回避する。
【００１９】
本発明の結合レンズは、発光素子と光ファイバとの光結合に使用する結合レンズにおいて、互いに径を異にして同心円状に配置された複数の環状のレンズ要素を含み、各レンズ要素によって上記光ファイバ端部のコア領域にその径方向に互いに位置を異にする複数の環状の光スポットを形成する。
【００２０】
かかる構成によって、同心円状に配置された複数の環状のスポット光によってコア領域を広く照射し、多くの伝搬モードの光信号をコア領域に入射させる。光信号を微小スポットから径方向に面積が拡大した信号として均等に分散（あるいは分布）し、光パワーが特定の伝搬モードの光信号に集中することを回避する。
【００２１】
好ましくは、上記光ファイバがマルチモードタイプの光ファイバである結合レンズである。例えば、光ファイバはグレーティッドインデックス型のマルチモード光ファイバである。これにより、大容量の別々の周波数を持つ光信号を同時に伝送できる。
【００２２】
好ましくは、上記発光素子が面発光型レーザ発生装置である。また、光素子は発光素子と受光素子とを含む。より具体的には、発光素子は、例えば、レーザダイオード、面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）等のレーザ発生器を含み、受光素子は、例えば、アバランシェ型のフォトダイオード等の受光器を含む。これにより、集光した場合、高強度、高エネルギーの光束であり、位相の揃ったコヒーレント光を光ファイバに入射できる。
【００２３】
また、本発明の光コネクタは、上述したいずれかの構成の結合レンズと上記光ファイバを保持する光ソケットとを一体的に成型してなる。それにより、光素子と光ファイバとの接続において光結合効率を低下させることなくモード分散による伝送信号波形の歪みを軽減することが可能となる。成型は、例えば、金型と射出成型機を使用することが可能である。それにより、組み立て及び調整の工程を省き、精度を均一化させることが可能となる。
【００２４】
また、本発明の光通信機は、上述したいずれかの構成の結合レンズを光ファイバと光素子との光結合に使用している。これにより、光結合効率の低下を回避して分散ノイズによる信号遅延の防止を図ることが可能である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。本発明の実施例においては、発光素子が出射した光ビームを結合レンズによって光ファイバのコア領域に径の大きい光スポットとして入射させる。例えば、この大きいスポットを複数のスポットの組み合わせや重畳によって形成する。
【００２６】
それにより、光ファイバコアの径方向に入射光を均一あるいは所望の光強度特性で分散（あるいは分布）させ、光ファイバを伝搬する多数の伝搬モードの光信号に光エネルギ（信号情報）を適宜に分担させる。また、モード分散による受光信号波形への影響、特に単一パルスの独立性への影響を緩和し、エラー発生を減少し、あるいは通信可能距離を増大させる。
【００２７】
まず、図４を参照して本発明の結合レンズを使用する装置の例について説明する。同図は、本発明の結合レンズを光トランシーバに使用した例を説明している。
【００２８】
光通信機である光トランシーバ１は、送信部及び受信部を備えて光信号の送信及び受信を行うことが出来る。図示の例では、送信部の構成例を示している。
【００２９】
同図において、光トランシーバ１は、ケース１１内に配置された信号処理部２０と、光信号を伝送する光ファイバケーブル４０と、光ファイバケーブル４０を接続する光コネクタ３０とを含んでいる。信号処理部２０は、基板２１に形成された、信号処理回路２２、駆動回路２３、光素子あるいはレーザ発光器としてのレーザダイオード２４、リード端子２５、２６等を含んでいる。信号処理回路２２は並列入力信号を直列信号に変換する。駆動回路２３は直列信号をレベル増幅（パワー増幅）してレーザダイオード２４に供給する。レーザダイオード２４は、例えば、面発光型（ＶＣＳＥＬ）であり、キャンパッケージされている。リード端子２５、２６は外部信号、電源を信号処理部２０に供給すると共に、光トランシーバ１の基板へのハンダ付け用の端子となっている。
【００３０】
なお、図示しない受信部の信号処理部は、光ファイバからの出力光を受光する受光素子（フォトダイオード）、この光検出出力をレベル増幅する増幅器、増幅した受信信号を並列信号に変換する信号処理回路などを備えて構成される。他の構成は、送信部と同様である。
【００３１】
光ファイバケーブル４０は、光信号を伝送する光ファイバ４４を保護する被覆４３、光ファイバ端部を保護するフェルール４２、ケーブルの端部に設けられて光ファイバ４４を光ソケット３１に接続するプラグハウジング４１を含んでいる。光ファイバ４４として、例えば、屈折率分布型（グレーティッドインデックス型）の多モード伝送の光ファイバを使用することができる。
【００３２】
光コネクタ３０は、光ファイバケーブル４０のフェルール４２を光ソケット３１のスリーブ３３で着脱自在に保持する。また、光ソケット３１はその保持部３４で光素子２４を光ファイバの光軸と同一位置上に保持する。このように保持された光ファイバ４４とレーザダイオード２４との間に結合レンズ３２が配置される。光コネクタ３０は、上述した、結合レンズ３２、スリーブ３３及び保持部３４を含む光ソケット３１を射出成型などによる透明樹脂の一体成型で形成している。
【００３３】
図１は、結合レンズ３２の構成例を示している。結合レンズ３２は、互いに径を異にして同心円状に配置された複数の環状のレンズ要素を含んでいる。各レンズ要素によって光ファイバ端部のコア領域にその径方向に互いに位置を異にする複数の環状の集光を行う。それによって、光信号をコア領域の径方向に均等に分散することを可能としている。
【００３４】
また、結合レンズは、例えば環状の非球面のレンズ要素又は球面のレンズ要素を１又は複数含むようにすることができる。これ等のレンズ要素が所要の位置に焦点を形成する。それにより、光信号をコアの径方向に分散あるいは分布させることが可能となる。
【００３５】
図１（ａ）は結合レンズ３２のその光軸方向における断面形状を示している。また、同図（ｂ）はこのレンズ３２を正面（光信号の入射側）から見た形状を示している。これ等の図に示すように、この実施例ではレンズの径方向に同心の環状のレンズ要素を複数形成している。例えば、レンズの径方向におけるレンズ中心位置Ｏのレンズ要素３２ａは中心部が平らで断面の輪郭形状が凸レンズ状である。更に、レンズ３２の径方向に環状の各レンズ要素３２ｂ、３２ｃ、…が形成されている。これらのレンズ要素は非球面レンズによって構成されているが、これに限られない。非球面レンズであっても、球面レンズであっても良く、非球面レンズと球面レンズとが混在しても良い。光ファイバ４４のコア領域４４ａに適当に分散する光信号を形成することが出来ればよい。
【００３６】
図２は、結合レンズ３２の作用を説明する説明図である。光軸Ｏ上に発光素子２４、結合レンズ３２、光ファイバ４４をそれぞれ配置して結合レンズの作用を示している。上述した複数のレンズ要素３２ａ〜３２ｃの各々はレーザダイオード２４の出射光を光ファイバ４４の光入射端面のコア領域４４ａ上にそれぞれ円形状や環状等に集光を行う。それにより、円形の光スポット、複数の環状光スポット等を形成し、これら光スポットの合成によってより大径の光スポットＳＰをコア領域４４ｂ内に形成している。これは、後述の比較例（図７）と比べると、レーザダイオード２４の出射光をコア領域の径方向に分散あるいは分布させたものに相当する。環状の集光による光スポット形状は各々が光ファイバの径方向に整然と配列されることは望ましいが、入射光の分散あるいは分布が目的であるのでこれに限られない。すなわち、光スポットは一部重複してもよい。環状のスポット群でなく、例えばモザイク状のスポット群を形成するものであっても良い。入射光のエネルギを多数の伝搬モードの光信号成分に分担させる（分散させる）ことが出来れば良いのである。
【００３７】
図３は、結合レンズ３２の光強度分布の第１の特性例を説明する説明図である。同図においては、光ファイバ端部のコア中心を基準位置とする径方向（外周側）の位置を横軸とし、光強度を縦軸としている。
【００３８】
上述の構成のように、結合レンズ３２のレンズ要素を増やすことによって、このグラフに示すように径方向に強度のピークを複数生ぜしめ、径方向における合成された全体的光強度分布をより平坦化（平準化）させることが可能となる。
【００３９】
また、径の異なる環状のスポット光を入れ子状に組み合わせて径方向に強度のピークを複数生ぜしめことが可能となる。それにより、より多くの伝搬モードの光信号が光エネルギを等しく担って多くの光経路（コア領域内の光反射経路）を経て伝搬し、受端側で重畳して受信される。各光信号間の遅延時間差がより接近し、信号相互のレベル差も少ないため受光される合成光パルス波形の極端な歪みが減少する。その結果、パルスの独立性が改善され、エラーレートの改善や通信距離の増大を図ることが可能となる。
【００４０】
図７は参考例の結合レンズを示している。本願の実施例の特徴をより明確にするための比較例として使用される説明図である。同図において図２と対応する部分には同一符号を付している。
【００４１】
この例では、結合レンズ３２は出射光を光ファイバ４４のコア４４ａの中心部に微小の光スポットとして集光する非球面レンズである。結合レンズ３２へ入射した光束は、光ファイバ４４の入射側端面のコア領域上４４ａに焦点を結ぶ。その結像パターンは、コア中心部に位置する微小光スポットとなる。これにより、グレーディッド型のマルチモード光ファイバに光信号が入射される場合、コア中心部とコア中心から少し離れた個所各々から入射した光束は、各々特定の伝搬モードの光信号成分に光エネルギが集中する。シングルモード光ファイバよりもコア径の大きいマルチモード光ファイバを伝搬するこれ等の光信号成分の群速度には反射経路の距離差等に起因する相違が生じ、受端側での伝搬光信号の波形が歪む。それにより、１パルスとして復調できる許容範囲（単一パルスの独立性）が減少してビットエラーが増大し、通信可能距離が減少する場合がある。
【００４２】
これに対して、実施例の構成では、多数の伝搬モードの光信号成分に光エネルギを分担させているので受端側で合成される受光信号の波形の歪みが少ない。それにより、１パルスとして復調できる許容範囲（単一パルスの独立性）が拡大してビットエラーが減少し、通信可能距離が増大する場合がある。
【００４３】
図５は、結合レンズ３２の光強度分布の第２の特性例を説明する説明図である。同図において、図３と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００４４】
この例でも、複数のレンズ要素により複数の円形スポット、または複数の環状スポット等を形成し、また、各々の光スポットが重畳しながら全体の光スポットＳＰの光強度を径方向に分散あるいは分布させているのであるが、径方向における光強度分布を平坦化した図３の第１の特性例とは異なり、径方向のコア中心から少し離れた位置に強度分布の極大値が来るように複数のレンズ要素の設計パラメータによって調整している。具体的な調整方法については、各々のレンズ形状またはレンズ角度を少し光軸から離れる方向に向ける等がある。これによりコア中心近傍の光強度が相対的に低く、抑制されたものとなっている。
【００４５】
かかる構成により、結合レンズ２３の入射瞳におけるレーザダイオード２４からの出射光の強度分布特性あるいは出射光の指向性が光軸上（レンズ中心）において極端に大きい場合に、コア中心部を伝搬する光信号の光パワーレベルを相対的に抑制して受光側で他の伝搬モードの光信号と合成されたときの受光信号の波形歪みが大きくならないようにする。
【００４６】
図６は、結合レンズ３２の光強度分布の第３の特性例を説明する説明図である。同図において、図３と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００４７】
この例でも、複数のレンズ要素により複数の円形スポット、または複数の環状スポット等を形成し、また、各々の光スポットが重畳しながら全体の光スポットＳＰの光強度を径方向に分散あるいは分布させているのであるが、径方向における光強度分布を平坦化した図３の第１の特性例とは異なり、径方向のコア中心部の強度を抑制し、他は平坦な特性となっている。これは複数のレンズ要素の設計パラメータによって調整している。
【００４８】
かかる構成により、結合レンズ２３の入射瞳におけるレーザダイオード２４からの出射光の強度分布特性あるいは出射光の指向性が光軸上（レンズ中心）において大きい場合に、コア中心部を伝搬する光信号の光パワーレベルを相対的に抑制して受光側で他の伝搬モードの光信号と合成されたときの受光信号の波形歪みが大きくならないようにする。
【００４９】
以上説明したように、本発明の結合レンズを使用するとモード分散による不具合を回避可能となる。特に、レーザダイオードとマルチモード光ファイバとを組み合わせて使用した場合であっても、単一パルスの孤立性が損なわれ難くなる。また、結合レンズでレーザ光源の出力光を全て光ファイバのコア領域に光信号として入射させることが可能であるので光結合の効率を低下させずに済むので具合がよい。
【００５０】
また、このような結合レンズを光コネクタ、光通信機、光トランシーバ等に使用するとモード分散によるエラー・ノイズ等の対策になり好都合である。
【００５１】
なお、光通信機には、光受信機、光送信機、光送受信機（光トランシーバ）が含まれる。光トランシーバは、光信号の送信及び受信を行うが、送信又は受信のみを行うものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の結合レンズの形状を説明する説明図である。
【図２】第１の実施例の結合レンズの作用を説明する説明図である。
【図３】本発明の第１の実施例の作用を説明するグラフである。
【図４】光トランシーバと光ファイバケーブルとの接続を説明する説明図である。
【図５】本発明の第２の実施例の作用を説明するグラフである。
【図６】本発明の第３の実施例の作用を説明するグラフである。
【図７】比較例の結合レンズを説明する説明図である。
【符号の説明】
１…光トランシーバ、２０…信号処理部、３０…光コネクタ、３２…結合レンズ、３２ａ〜３２ｃ…レンズ要素、４０…光ファイバケーブル、４４ａ…コア領域[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical transceiver (optical transmitter, optical receiver) for transmitting an optical signal to an optical fiber or receiving an optical signal from the optical fiber, and more particularly, to an improvement in optical coupling efficiency between the optical fiber and the optical transceiver.
[0002]
[Prior art]
Optical communication is used for long-distance communication, local area networks, transmission of signals in devices and circuit boards. The transmission path of an optical signal is mainly performed by an optical fiber, and optical transceivers for transmitting (transmitting light) and receiving (receiving light) are disposed at both ends of the optical fiber. Generally, when performing long-distance communication, a laser diode (laser emitter) having a high energy density is used as a light emitting element, and a single (single) mode optical fiber having a small signal attenuation is used as an optical fiber. In the case of performing short-range communication, an inexpensive LED is used as a light emitting element, and a multi-mode optical fiber or the like is used as an optical fiber.
[0003]
An optical connector is usually used to make the optical fiber and the optical transceiver detachable. The optical connector is configured such that the end of the optical fiber is detachably disposed close to the light emitting surface of the light emitting element and the light receiving surface of the light receiving element provided in the optical transceiver, and it is important that the optical coupling loss in connection is small. Factor.
[0004]
For this purpose, as one method, a coupling lens is provided between the end of the optical fiber and the optical element (light emitting element / light receiving element). As a result, an optical signal emitted so as to spread from the core at the end of the optical fiber is guided to the light receiving surface of the light receiving element. Further, an optical signal emitted from the light emitting element is guided to the center of the core at the end of the optical fiber. In order to further reduce the optical coupling loss, the light beam emitted from the light emitting element is focused on the center of the core portion at the end of the optical fiber by using an aspheric lens having no aberration as the coupling lens.
[0005]
As an optical connector for coupling an optical fiber and an optical element via a lens, for example, JP-A-10-300994, JP-A-10-215020 and the like are known.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-10-300994 [Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-215020 [Problems to be Solved by the Invention]
However, when an optical connector having such an aspherical lens is used to couple a laser diode and a gradient index multimode optical fiber, mode dispersion becomes a problem. That is, the optical energy of the optical signal incident on the core at the end face of the optical fiber due to the minute optical spot generated by the aspherical lens having no aberration is concentrated on the optical signal components of specific two or three propagation modes. The group velocities of these optical signal components propagating in a multi-mode optical fiber having a larger core diameter than a single-mode optical fiber have a difference due to the difference in the distance of the reflection path, and the like. The waveform is distorted. As a result, the permissible range (independence of a single pulse) that can be demodulated as one pulse decreases, the bit error increases, and the communicable distance may decrease.
[0007]
In order to solve this problem, by moving the end face of the optical fiber from the focal position of the coupling lens of the optical connector by a small distance in the optical axis direction of the optical fiber, defocusing is generated, and the light of many propagation modes is generated. It is conceivable to reduce signal waveform distortion due to mode dispersion by performing signal propagation by signal components and combining them. However, in this method, the optical coupling between the optical fiber and the optical element (light emitting element and light receiving element) is considered. The energy loss increases. Further, the optical fiber and the optical element are separated from each other, and the coupling of the optical signal becomes unstable, which is a problem.
[0008]
Therefore, the present invention provides a coupling lens capable of reducing signal waveform distortion (loss) due to mode dispersion without lowering optical coupling efficiency when connecting a laser emitter and a multi-mode optical fiber. The purpose is to:
[0009]
Another object of the present invention is to provide an optical connector which does not cause any trouble even when an optical element is connected to a multimode optical fiber.
[0010]
It is another object of the present invention to provide an optical transceiver including a laser emitter that does not have a problem even when connected to a multimode optical fiber.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a coupling lens according to the present invention is a coupling lens used for optical coupling between a light emitting element and an optical fiber, wherein the coupling light is arranged concentrically around the optical axis of the lens to output light from the light emitting element. The optical fiber includes a plurality of converging lens elements for converging light on a core region of the optical fiber, and each of the plurality of converging lens elements overlaps a part of light to be condensed to output light from the light emitting element. It is diffused in the core region of the optical fiber.
[0012]
With this configuration, a part of the condensed light is superimposed, and the core region is broadly illuminated by a set of light spots diffused (or distributed) in the core region of the optical fiber, thereby facilitating the incidence of multi-mode light. be able to.
[0013]
Preferably, each of the plurality of condensing lens elements causes the output light of the light emitting element to have a substantially uniform light intensity in the core region of the optical fiber by overlapping a part of condensed lights adjacent to each other. Distribution. This makes it possible to form a large-diameter spot with uniform in-plane light intensity by combining the unit light spots formed by the lens elements. Then, the incident light is evenly dispersed (or distributed) in the radial direction of the optical fiber, and the distortion of the received waveform caused by the delay time difference between the conventional two or three specific propagation mode optical signals is propagated by a large number. This can be alleviated by forming a reception waveform by superimposing the optical signal in the mode. Further, the optical signal is evenly dispersed (or distributed) as a signal whose area is enlarged in the radial direction from the minute spot, so that the optical power is prevented from being concentrated on the optical signal of a specific propagation mode.
[0014]
Preferably, of the plurality of condenser lens elements, the condenser lens element disposed at the center of the optical axis is formed in a circular shape, and the other condenser lens elements are formed in an annular shape. As a result, each condensing lens element diffuses (or distributes) the output light in the radial direction of the core region, irradiates a wide area in the core region of the optical fiber while partially overlapping, and has substantially uniform light intensity. Can be distributed as follows.
[0015]
Preferably, the plurality of condenser lens elements are formed on a surface of the coupling lens facing the light emitting element. This makes it possible to use the thickness of the coupling lens as the focusing distance of each lens element and shorten the arrangement distance between each lens element and the optical fiber.
[0016]
Preferably, the plurality of lens elements include one or more aspheric lens elements or spherical lens elements. As a result, the light that has entered each of the plurality of lens elements forms a required condensed light bundle and travels toward the end face of the optical fiber.
[0017]
Preferably, the coupling lens guides an optical signal emitted from the light emitting element onto a core region at an end of the optical fiber to form a light spot having a size substantially corresponding to the core region. Thereby, the spot of the optical signal emitted from the lens falls within the core region, and the loss of optical coupling is reduced.
[0018]
Preferably, each of the plurality of condensing lens elements of the coupling lens guides output light of the light emitting element into a core region of the optical fiber such that a part of condensed light adjacent to each other overlaps. A light spot light in which the light intensity at the center of the region is relatively suppressed is formed. Thus, the output light of the light emitting element becomes a light spot light in which the light intensity at the center of the core region is relatively suppressed while being guided into the core region. The optical power is prevented from being concentrated on the optical signal of a specific propagation mode corresponding to the center of the core region.
[0019]
The coupling lens of the present invention is a coupling lens used for optical coupling between a light emitting element and an optical fiber, and includes a plurality of annular lens elements arranged concentrically with different diameters from each other. A plurality of annular light spots whose positions are different from each other in the radial direction are formed in the core region at the fiber end.
[0020]
With this configuration, the core region is widely irradiated with a plurality of annular spot lights arranged concentrically, and optical signals of many propagation modes are incident on the core region. The optical signal is evenly dispersed (or distributed) as a signal whose area is enlarged in the radial direction from the minute spot, thereby preventing the optical power from being concentrated on the optical signal of a specific propagation mode.
[0021]
Preferably, the coupling lens is a multi-mode type optical fiber. For example, the optical fiber is a multimode optical fiber of a graded index type. As a result, large-capacity optical signals having different frequencies can be transmitted simultaneously.
[0022]
Preferably, the light emitting element is a surface emitting laser generator. The optical element includes a light emitting element and a light receiving element. More specifically, the light emitting element includes, for example, a laser generator such as a laser diode and a surface emitting laser (VCSEL), and the light receiving element includes, for example, a light receiver such as an avalanche photodiode. Accordingly, when condensed, coherent light having a high intensity and a high energy and having a uniform phase can be incident on the optical fiber.
[0023]
Further, an optical connector of the present invention is formed by integrally molding a coupling lens having any one of the above-described structures and an optical socket that holds the optical fiber. This makes it possible to reduce the distortion of the transmission signal waveform due to mode dispersion without lowering the optical coupling efficiency in the connection between the optical element and the optical fiber. For molding, for example, a mold and an injection molding machine can be used. As a result, the steps of assembly and adjustment can be omitted, and the accuracy can be made uniform.
[0024]
Further, in the optical communication device of the present invention, the coupling lens having any one of the above-described configurations is used for optical coupling between the optical fiber and the optical element. As a result, it is possible to avoid a decrease in optical coupling efficiency and prevent signal delay due to dispersion noise.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In an embodiment of the present invention, a light beam emitted from a light emitting element is made to enter a core region of an optical fiber as a light spot having a large diameter by a coupling lens. For example, this large spot is formed by combining or overlapping a plurality of spots.
[0026]
Thereby, the incident light is dispersed (or distributed) in the radial direction of the optical fiber core with uniform or desired light intensity characteristics, and the optical energy (signal information) is appropriately converted into the optical signals of many propagation modes propagating through the optical fiber. Share. In addition, the influence of the mode dispersion on the received light signal waveform, particularly the influence on the independence of a single pulse, is reduced, and the occurrence of errors is reduced or the communicable distance is increased.
[0027]
First, an example of an apparatus using the coupling lens of the present invention will be described with reference to FIG. The figure illustrates an example in which the coupling lens of the present invention is used for an optical transceiver.
[0028]
The optical transceiver 1 as an optical communication device includes a transmission unit and a reception unit, and can transmit and receive an optical signal. The illustrated example shows a configuration example of the transmission unit.
[0029]
In FIG. 1, the optical transceiver 1 includes a signal processing unit 20 disposed in a case 11, an optical fiber cable 40 for transmitting an optical signal, and an optical connector 30 for connecting the optical fiber cable 40. The signal processing unit 20 includes a signal processing circuit 22, a driving circuit 23, a laser diode 24 as an optical element or a laser emitter, lead terminals 25 and 26, and the like formed on a substrate 21. The signal processing circuit 22 converts a parallel input signal into a serial signal. The drive circuit 23 level-amplifies (power-amplifies) the serial signal and supplies it to the laser diode 24. The laser diode 24 is, for example, a surface emitting type (VCSEL) and is packaged. The lead terminals 25 and 26 supply external signals and power to the signal processing unit 20 and serve as terminals for soldering the optical transceiver 1 to the substrate.
[0030]
The signal processing unit of the receiving unit (not shown) includes a light receiving element (photodiode) for receiving the output light from the optical fiber, an amplifier for level-amplifying the light detection output, and a signal processing for converting the amplified received signal into a parallel signal. It comprises a circuit and the like. Other configurations are the same as those of the transmission unit.
[0031]
The optical fiber cable 40 includes a coating 43 for protecting an optical fiber 44 for transmitting an optical signal, a ferrule 42 for protecting an end of the optical fiber, and a plug housing provided at an end of the cable and connecting the optical fiber 44 to the optical socket 31. 41. As the optical fiber 44, for example, a refractive index distribution type (graded index type) multi-mode transmission optical fiber can be used.
[0032]
The optical connector 30 detachably holds the ferrule 42 of the optical fiber cable 40 with the sleeve 33 of the optical socket 31. The optical socket 31 holds the optical element 24 at the same position as the optical axis of the optical fiber by the holding portion 34. The coupling lens 32 is disposed between the optical fiber 44 and the laser diode 24 held as described above. In the optical connector 30, the optical socket 31 including the coupling lens 32, the sleeve 33, and the holding portion 34 described above is formed by integral molding of a transparent resin by injection molding or the like.
[0033]
FIG. 1 shows a configuration example of the coupling lens 32. The coupling lens 32 includes a plurality of annular lens elements arranged concentrically with different diameters. Each lens element converges a plurality of annular light beams whose positions are different from each other in the radial direction in the core region at the end of the optical fiber. This makes it possible to evenly distribute the optical signal in the radial direction of the core region.
[0034]
The coupling lens may include, for example, one or more annular aspheric lens elements or spherical lens elements. These lens elements form the focal point at the required location. This makes it possible to disperse or distribute the optical signal in the radial direction of the core.
[0035]
FIG. 1A shows a cross-sectional shape of the coupling lens 32 in the optical axis direction. FIG. 2B shows the shape of the lens 32 as viewed from the front (the side where the optical signal is incident). As shown in these figures, in this embodiment, a plurality of annular lens elements concentric in the radial direction of the lens are formed. For example, the lens element 32a at the lens center position O in the radial direction of the lens has a flat central portion and a cross-sectional contour shape that is a convex lens shape. Further, annular lens elements 32b, 32c,... Are formed in the radial direction of the lens 32. These lens elements are constituted by aspherical lenses, but are not limited thereto. The lens may be an aspheric lens, a spherical lens, or a mixture of an aspheric lens and a spherical lens. It is only required that an optical signal that is appropriately dispersed in the core region 44a of the optical fiber 44 can be formed.
[0036]
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the operation of the coupling lens 32. The light emitting element 24, the coupling lens 32, and the optical fiber 44 are arranged on the optical axis O, respectively, to show the function of the coupling lens. Each of the plurality of lens elements 32a to 32c collects the light emitted from the laser diode 24 in a circular shape, an annular shape, or the like on the core region 44a on the light incident end face of the optical fiber 44. Thus, a circular light spot, a plurality of annular light spots, and the like are formed, and a light spot SP having a larger diameter is formed in the core region 44b by combining these light spots. This corresponds to a case where the light emitted from the laser diode 24 is dispersed or distributed in the radial direction of the core region, as compared with a comparative example (FIG. 7) described later. It is desirable that the shape of the light spot formed by the annular light converging is arranged in a regular manner in the radial direction of the optical fiber. That is, the light spots may partially overlap. Instead of an annular spot group, for example, a mosaic spot group may be formed. It suffices if the energy of the incident light can be shared (dispersed) into the optical signal components of many propagation modes.
[0037]
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a first characteristic example of the light intensity distribution of the coupling lens 32. In the figure, the horizontal axis represents the position in the radial direction (outer peripheral side) with the center of the core of the optical fiber end as a reference position, and the vertical axis represents the light intensity.
[0038]
By increasing the number of lens elements of the coupling lens 32 as in the above-described configuration, a plurality of intensity peaks are generated in the radial direction as shown in this graph, and the combined overall light intensity distribution in the radial direction is further flattened. (Leveling).
[0039]
Further, it is possible to generate a plurality of intensity peaks in the radial direction by nesting annular spot lights having different diameters. As a result, optical signals in more propagation modes equally share optical energy, propagate through many optical paths (light reflection paths in the core region), and are superimposed and received on the receiving end side. Since the delay time difference between the optical signals is closer and the level difference between the signals is small, extreme distortion of the received composite optical pulse waveform is reduced. As a result, the independence of the pulse is improved, and the error rate can be improved and the communication distance can be increased.
[0040]
FIG. 7 shows a coupling lens of a reference example. It is an explanatory view used as a comparative example for clarifying the feature of the example of the present application. In this figure, parts corresponding to those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals.
[0041]
In this example, the coupling lens 32 is an aspheric lens that condenses the emitted light as a minute light spot on the center of the core 44a of the optical fiber 44. The light beam incident on the coupling lens 32 is focused on the core region 44 a on the incident side end face of the optical fiber 44. The imaging pattern becomes a minute light spot located at the center of the core. As a result, when an optical signal is incident on a graded multimode optical fiber, the light flux incident from the core central portion and each of the portions slightly away from the core center is converted into an optical energy component into an optical signal component of a specific propagation mode. Is concentrated. The group velocities of these optical signal components propagating in a multi-mode optical fiber having a larger core diameter than a single-mode optical fiber have a difference due to the difference in the distance of the reflection path, and the like. The waveform is distorted. As a result, the permissible range (independence of a single pulse) that can be demodulated as one pulse decreases, the bit error increases, and the communicable distance may decrease.
[0042]
On the other hand, in the configuration of the embodiment, since the optical energy is shared between the optical signal components in a number of propagation modes, the waveform of the received light signal synthesized on the receiving end side has less distortion. As a result, the permissible range (independence of a single pulse) that can be demodulated as one pulse is expanded, the bit error is reduced, and the communicable distance may be increased.
[0043]
FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating a second characteristic example of the light intensity distribution of the coupling lens 32. In the figure, parts corresponding to those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and description of such parts is omitted.
[0044]
Also in this example, a plurality of circular spots or a plurality of annular spots are formed by a plurality of lens elements, and the light intensity of the entire light spot SP is dispersed or distributed in the radial direction while each light spot is superimposed. However, unlike the first characteristic example of FIG. 3 in which the light intensity distribution in the radial direction is flattened, a plurality of values are set so that the maximum value of the intensity distribution comes at a position slightly away from the center of the core in the radial direction. The adjustment is made according to the design parameters of the lens element. As a specific adjustment method, for example, each lens shape or lens angle may be directed slightly away from the optical axis. As a result, the light intensity near the center of the core is relatively low and suppressed.
[0045]
With such a configuration, when the intensity distribution characteristic of the emitted light from the laser diode 24 at the entrance pupil of the coupling lens 23 or the directivity of the emitted light is extremely large on the optical axis (the center of the lens), the light propagating through the center of the core. The optical power level of the signal is relatively suppressed so that the waveform distortion of the received light signal when combined with the optical signal of another propagation mode on the light receiving side does not increase.
[0046]
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a third characteristic example of the light intensity distribution of the coupling lens 32. In the figure, parts corresponding to those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and description of such parts is omitted.
[0047]
Also in this example, a plurality of circular spots or a plurality of annular spots are formed by a plurality of lens elements, and the light intensity of the entire light spot SP is dispersed or distributed in the radial direction while each light spot is superimposed. However, unlike the first characteristic example of FIG. 3 in which the light intensity distribution in the radial direction is flattened, the intensity at the center of the core in the radial direction is suppressed, and the other characteristics are flat. This is adjusted by design parameters of a plurality of lens elements.
[0048]
With such a configuration, when the intensity distribution characteristic of the light emitted from the laser diode 24 at the entrance pupil of the coupling lens 23 or the directivity of the emitted light is large on the optical axis (the center of the lens), the optical signal of The optical power level is relatively suppressed so that the waveform distortion of the received light signal when combined with the optical signal of another propagation mode on the light receiving side does not increase.
[0049]
As described above, the use of the coupling lens of the present invention makes it possible to avoid problems caused by mode dispersion. In particular, even when a laser diode and a multi-mode optical fiber are used in combination, the isolation of a single pulse is not easily impaired. Further, since all the output light of the laser light source can be made incident on the core region of the optical fiber as an optical signal by the coupling lens, the efficiency of optical coupling does not need to be reduced, which is favorable.
[0050]
Further, when such a coupling lens is used in an optical connector, an optical communication device, an optical transceiver, or the like, it is convenient as a measure against error noise due to mode dispersion.
[0051]
Note that the optical communication device includes an optical receiver, an optical transmitter, and an optical transceiver (optical transceiver). The optical transceiver transmits and receives an optical signal, but may perform only transmission or reception.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a shape of a coupling lens according to a first example.
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating an operation of the coupling lens according to the first example.
FIG. 3 is a graph illustrating the operation of the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating connection between an optical transceiver and an optical fiber cable.
FIG. 5 is a graph illustrating the operation of the second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph illustrating the operation of the third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a coupling lens of a comparative example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical transceiver, 20 ... Signal processing part, 30 ... Optical connector, 32 ... Coupling lens, 32a-32c ... Lens element, 40 ... Optical fiber cable, 44a ... Core area

Claims

A coupling lens used for optical coupling between a light emitting element and an optical fiber,
Including a plurality of condensing lens elements arranged concentrically around the optical axis of the lens and for condensing output light of the light emitting element to a core region of the optical fiber,
A coupling lens, wherein each of the plurality of condenser lens elements overlaps a part of light to be condensed to diffuse output light of the light emitting element to a core region of the optical fiber.

Each of the plurality of condensing lens elements distributes the output light of the light emitting element to have a substantially uniform light intensity in the core region of the optical fiber by overlapping a part of the condensed light adjacent to each other. The coupling lens according to claim 1, wherein

The condensing lens element disposed at the center of the optical axis among the plurality of condensing lens elements is formed in a circular shape, and the other condensing lens elements are formed in an annular shape. Coupling lens.

The coupling lens according to claim 1, wherein the plurality of condenser lens elements are formed on a surface of the coupling lens facing the light emitting element.

The coupling lens according to claim 1, wherein the plurality of lens elements include one or more aspheric lens elements or spherical lens elements.

The coupling lens according to claim 1, wherein an optical signal emitted from the light emitting element is guided onto a core region at an end of the optical fiber to form a light spot having a size substantially corresponding to the core region.

Each of the plurality of condensing lens elements guides the output light of the light emitting element into the core region of the optical fiber by overlapping a part of the condensed light adjacent to each other, and the light intensity at the center of the core region is increased. The coupling lens according to claim 1, wherein the coupling lens forms a relatively suppressed light spot light.

A coupling lens used for optical coupling between a light emitting element and an optical fiber,
Including a plurality of annular lens elements concentrically arranged with different diameters from each other,
A coupling lens, wherein each lens element forms a plurality of annular light spots whose positions differ from each other in a radial direction in a core region of the optical fiber end.

The coupling lens according to claim 1, wherein the optical fiber is a multi-mode type optical fiber.

The coupling lens according to any one of claims 1 to 9, wherein the light emitting element is a surface emitting laser generator.

An optical connector obtained by integrally molding the coupling lens according to claim 1 and an optical socket for holding the optical fiber.

An optical communication device using the coupling lens according to claim 1 for optical coupling between an optical fiber and an optical element.