JP2004279708A - 光モジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光モジュールは、光ファイバー8、9とこの光ファイバー8、9を挿入するための貫通孔を有するキャピラリー6、7と透過平面4a、5aに焦点位置が設定されている屈折面4b、5bを有する平凸レンズ4、5との組み合わせからなるファイバーコリメータ2、3が基準溝部4Aを有する基準基板1上に固定されてなり、平凸レンズ4、5から射出されるレーザ光束のビームウエスト径が200μm以上でかつ300μm以下であり、キャピラリー6、7と平凸レンズ4、5とは光ファイバー8、9の端面が透過平面4a、5aに当接するようにして一体構成とされている。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバーとこの光ファイバーを挿入するための貫通孔を有するキャピラリーと透過平面に焦点位置が設定されている屈折面を有する平凸レンズとの組み合わせからなるファイバーコリメータを有する光モジュールに関し、光通信、光伝送に用いるのに好適の光モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信の分野においては、従来から光スイッチ、光アイソレータ、光サーキュレータ、光アッテネータ/シャッター、光分波器等の様々な機能を有する光モジュールが必要となるものである。
【0003】
特に、近年、インターネット等の通信伝達手段の急速な普及により、光ファイバー通信網の通信容量の増大が要求され、そのための有効な対策としてWDM(波長多重通信)の開発が進められ、この種のWDM(波長多重通信)の技術分野では、送信側ではわずかな波長差の複数の波長の光信号を重畳して伝送し、これらの複数の波長が個別の情報を伝達するものであるので、受信側ではこの重畳された光を取り出すために波長選択性の良い光分波器等の各種の光機能素子が必要になる。
【0004】
そこで、従来、その光通信、光伝送の技術分野では、光ファイバーと球面レンズ、非球面レンズ、ロッドレンズ、球状レンズ等のコリメータレンズを組み合わせ、光ファイバーの出射端面、入射端面を平凸レンズの焦点位置に設けてファイバーコリメータを形成し、このファイバーコリメータを一対対向させて設けて、そのコリメータレンズの対向間に光機能素子を配置する構成のものが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0005】
この種の結合光学系では、送信側の光ファイバーから出射されたレーザー光束はコリメータレンズによって平行光束として受信側のコリメータレンズに導かれ、この受信側のコリメータレンズによって収束されて受信側の光ファイバーに入射される。
【0006】
その際に、送信側の光ファイバーから出射されたレーザー光が受信側の光ファイバーで受信される際の結合損失(光量損失)を極力小さくすること、言い換えると光結合効率の低下を抑制することが要求される。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−243991号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の結合光学系に用いられる光機能素子は、例えば、多層膜等で製造された一つの大きな光学フィルターを所望の大きさに分割して多数の光学フィルターとすることにより製造されるものである。
【0009】
その一つの光学フィルターの製造には多大のコストがかかるので、結合光学系の1個当たりのコストの低減を図るには、これに使用する光学フィルターの面積をできる限り小さくすることが望ましい。すなわち、結合光学系では、コリメータレンズから出射されるレーザービームの平行光束の径をできる限り小さくすることが望まれている。
【0010】
しかも、この種の結合光学系は、光モジュール化してコンピュータの電子回路基板(ボード)に取り付けられることも要望され、電子回路基板を微小間隔をもって複数枚配設するような場合には、その光モジュール化された結合光学系(以下、光モジュールという)をその狭い間隔の回路基板に収納配設することが必要であり、光機能素子のみならず、光モジュールそれ自体の小型化も要望される。
【0011】
一方、この種の光モジュールでは、光結合効率を最も良くするために、対向するコリメータレンズのレンズ間隔をレンズの焦点距離の2倍の距離にする必要があるが、この対向するコリメータレンズの間に挿入される光機能素子として、既述したように、光学フィルターの他に、光スイッチ、光アイソレータ、光サーキュレータ、光アッテネータ/シャッター、波長選択フィルター等の様々な光機能素子がある。
【0012】
ここで、光アッテネータ/シャッター、波長選択フィルター等の光機能素子では、多少コリメータレンズの焦点距離が短くても、その焦点距離の2倍程度の小さな間隔の間に配置することも可能であるが、光スイッチ、光アイソレータ、光サーキュレータ等の光機能素子では、その焦点距離の2倍程度の小さな間隔の間に配置することが困難となる。
【0013】
そのため、光スイッチ等の光機能素子をコリメートレンズ間に配設する場合には、コリメータレンズの焦点距離を光アッテネータ等の光機能素子を配設する場合に要求される焦点距離に較べて長くして、レンズ間隔を広く設定することも考えられる。
【0014】
しかしながら、コリメータレンズの間に挿入される光機能素子の種類によってコリメータレンズの焦点距離をその都度変更することは好ましくなく、レンズ間に挿入される光機能素子の違いによらず、レンズの焦点距離を変更しなくとも光結合効率の低下の少ないしかも廉価に製造できる光モジュールの開発が望まれている。
【0015】
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、その目的とするところは、小型で、かつ、コリメータレンズの間に配置される光機能素子がどのようなものであっても、コリメータレンズの焦点距離を変えずに光結合効率の低下を抑制できしかも廉価に製造できる光モジュールを提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の光モジュールは、光ファイバーとこの光ファイバーを挿入するための貫通孔を有するキャピラリーと透過平面に焦点位置が設定されている屈折面を有する平凸レンズとの組み合わせからなるファイバーコリメータが基準溝部を有する基準基板上に固定されてなり、前記平凸レンズから射出されるレーザ光束のビームウエスト径が200μm以上でかつ300μm以下であり、前記キャピラリーと前記平凸レンズとは前記光ファイバーの端面が前記透過平面に当接するようにして一体構成とされていることを特徴とする。
【0017】
請求項2に記載の光モジュールは、前記基準基板上に前記ファイバーコリメータが互いに対向して一対設けられていることを特徴とする。
【0018】
請求項3に記載の光モジュールは、前記一対のファイバーコリメータ間に光機能素子が配置されていることを特徴とする。
【0019】
請求項4に記載の光モジュールは、前記キャピラリーに挿入された光ファイバーの本数が1本であり、該光ファイバーが前記平凸レンズの光軸上に配置されていることを特徴とする。
【0020】
請求項5に記載の光モジュールは、前記キャピラリーに挿入された光ファイバーの本数が複数本であることを特徴とする。
【0021】
請求項6に記載の光モジュールは、前記屈折面に対向して反射鏡が配設され、前記キャピラリーに挿入された光ファイバーの本数が2本であり、一方の光ファイバーから射出されたレーザー光束を前記反射鏡により反射させて他方の光ファイバーに導くように構成されてなることを特徴とする。
【0022】
請求項7に記載の光モジュールは、前記平凸レンズの屈折面と前記反射鏡との間に光機能素子が配設されていることを特徴とする。
【0023】
請求項8に記載の光モジュールは、前記一方の光ファイバーが前記平凸レンズの光軸上に位置されかつ前記他方の光ファイバーが前記光軸上からオフセットされているか、又は、前記両光ファイバーが前記光軸を中心に対称位置に配設されていることを特徴とする。
【0024】
請求項9に記載の光モジュールは、前記基準溝部が前記基準基板に互いに平行に複数個形成され、前記ファイバーコリメータが各基準溝部にそれぞれ配設されていることを特徴とする。
【0025】
請求項10に記載の光モジュールは、前記ファイバーコリメータが基準溝部を有しかつ前記基準基板に対向する押さえ基板と前記基準基板とによって挟持固定されていることを特徴とする。
【0026】
【発明の実施の形態】
図1は本発明に係わる光モジュールの一例を示す平面図である。その図1において、1は基準基板、2、3は互いに対向して配設されているファイバーコリメータである。
【0027】
基準基板1にはその延びる方向に長く延びる基準溝部4Aが形成されている。この基準溝部4Aの断面形状はここではV字である。ファイバーコリメータ2、3は、平凸レンズ4、5、キャピラリー6、7、光ファイバー8、9から構成されている。その平凸レンズ4、5は透過平面4a、5aと例えば非球面で構成した屈折面4b、5bとをそれぞれ有する。その屈折面4b、5bの焦点は透過平面4a、5aの位置にあるように設計されている。
【0028】
キャピラリー6、7には図2に示すように貫通孔6a、7aが平凸レンズ4、5の光軸Oと同軸に形成され、光ファイバー8、9の先端部8a、9aが貫通孔6a、7aに挿入されて、光ファイバー8の出射端面8bは透過平面4aに当接され、光ファイバー9の入射端面9bは透過平面5aに当接されて、各出射端面8b、9bがその透過平面4a、5aに接着固定されている。
【0029】
その光ファイバー8、9はここでは長距離通信用のシングルモードファイバーであり、例えば、その先端部8a、9aのコア径は9〜10μm、そのクラッド部8c、9cのクラッド径は125μm又は80μmであり、開口数NAは0.15である。
【0030】
なお、透過平面4a、5a上に、光ファイバー8、9のコア径に対応した径の微小な凹部を設けるとともに、キャピラリー6、7の端面から微小量突出させるように光ファイバー8、9のコア部を凸部として形成し、このコア部の凸部を凹部に嵌合させて接着することにより、リターンロスを低減するように構成しても良い。
【0031】
その光モジュールのファイバーコリメータ2、3は標準化して用いられるものであるが、ファイバーコリメータ2、3には、図3(A)に示すように光ファイバー8、9がキャピラリー6、7に複数本接続されるものもある。その図3(A)には、例えばファイバーコリメータ2に複数本(2本)の光ファイバー8、8’を接続した例が示されている。また、他方のファイバーコリメータ3のキャピラリー7に固定される光ファイバー9は平凸レンズ5の光軸Oからオフセットされている。
【0032】
その光ファイバー8、8’は図3(B)に示すように、平凸レンズ4の光軸Oに対して対称位置に配設されているが、図3(C)に示すように、一方の光ファイバー8を平凸レンズ4の光軸Oと同軸に配設し、光ファイバー8’を光軸Oからオフセットして設けても良い。その一対のファイバーコリメータ2、3の間には、ここでは、光機能素子10として波長選択フィルター(バンドパスフィルター)が設けられている。光ファイバー8、8’のクラッド径を125μmとしたとき、光軸Oに光ファイバー8、8’を接触させて対称配置のときの像高hは62.5μmであり、光軸Oに光ファイバー8を配置しかつこれに対して光ファイバー8’を接触させてオフセット配置したときの像高hは125μmである。
【0033】
この図3に示す光モジュールは、波長選択に用いるもので、例えば、出射側の光ファイバー8から伝送される光の波長をλ1、λ2、λ3(λ1、λ2、λ3の波長は互いに異なるものとする)とすると、波長λ1、λ2の光は波長選択フィルター10によって反射されて入射側の光ファイバー8’に導かれ、波長λ3は波長選択フィルターを透過して平凸レンズ5に導かれ、この平凸レンズ5により収束されて出射側の光ファイバー9に入射され、これにより、光の波長選択が行われる。
【0034】
ところで、このような光機能素子10をファイバーコリメータ2、3の間に配設すると、平凸レンズ4、5の間隔Hを広げなければならないことがある。
【0035】
レーザービームを用いた光通信(光伝送)では、図1に示すように、対向する平凸レンズ4、5のビームウエストωの位置が合致するように、すなわち、平凸レンズ4、5のレンズ間隔Hが焦点距離fの2倍にして、その間に光機能素子を配設することが最も光結合効率を稼ぐことができる。
【0036】
ところが、このレンズ間隔Hを広げていくと、対向するレンズのビームウエストωの位置が合致しなくなり、光ファイバー9に入射する入射光量が減少する。その光結合効率とビームウエスト径ωとの関係を図4に示す。図4における横軸はビームウエスト径ωであり、縦軸は光結合損失が0.5dBダウンする際のレンズ間隔Hを示すものである。
【0037】
この図4からわかるように、ビームウエスト径ωを小さくする、すなわち、レンズの焦点距離を短くすると、光結合損失を0.5dB以内におさめることのできるレンズ間隔Hは小さくなり、ビームウエスト径が200μmの場合は、その最大間隔は16mmである。ここで、ほとんどの種類の光機能素子であっても使用できるためには、少なくともレンズ間隔16mmを確保する必要があり、その間隔を保持しようとすると、ビームウエスト径は少なくとも200μm以上必要となる。
【0038】
ここで、平凸レンズ4、5の焦点距離とビームウエスト径ωと最大像高125μmに設定したときの平凸レンズ4、5の有効径φとの関係を計算して表にして示すと以下の通りになる。
【0039】
【表1】
この表から明らかなように、最大像高125μmについても満足する平凸レンズ4、5の有効径φを選択するものとすると、ビームウエストωの値が350μmになると、平凸レンズ4、5の有効径φが約1mm近くになり、基準基板1にこの平凸レンズ4、5を配置して後述する押さえ基板と協同してファイバーコリメータ2、3を保持して光モジュールを構成した場合に、この光モジュールが大型となり、この光モジュールをコンピューター等の狭い間隔の回路基板に配置することが困難となる。
【0040】
従って、光モジュールの小型化を図る観点からは、平凸レンズ4、5の有効径φを考慮して、ビームウエストωの値を300μm以下に設定するのが望ましく、これらの条件を考慮したうえで、平凸レンズ4、5の設計条件を設定すると、波長1550nmのレーザービームを使用するものとして、図5に示すように、波長1550nmのときの屈折率が1.5485、開口数NAが0.22、有効径φが0.6mm、焦点距離fが1.301mm、ビームウエストωの直径が245μm、バックフォーカスが0.0mm、レンズ全長Lが2.015mm、レンズ外径Φが1.0mm(レンズの有効径φ=0.8mm)であることが標準化平凸レンズ4、5として望ましい。
【0041】
以下に、このようにして構成された光モジュールの具体例を示す。
【0042】
図6(A)は基準基板1の基準溝部4Aに一対のファイバーコリメータ2、3を配設し、そのファイバーコリメータ2、3の対向間に光機能素子10として光学フィルターを配設した状態を示す。その基準基板1の長さは約13.03mm、幅は約3mmである。
【0043】
光ファイバー8、9の先端部8a、9aが光軸と同軸に形成されたキャピラリー6、7の貫通孔6a、7aに挿入されて芯合わせされ、光ファイバー8、9の出射端面8b、9bを透過平面4a、5a当接させた状態でキャピラリー6、7と平凸レンズ4、5とを接着固定する。これによって、ファイバーコリメータ2、3が構成される。
【0044】
この一対のファイバーコリメータ2、3を基準基板1に位置決め載置し、その対向間に光機能素子10を配設してファイバーコリメータ2、3、光機能素子10を基準基板1の基準溝部4A上に仮固定する。
【0045】
ついで、図6(B)に示すように基準基板1と同一形状の押さえ基板11を用いて、ファイバーコリメータ2、3、光機能素子10と協同して挟持し、その全体を金属製の薄い挟持板12を用いて包囲し、隙間に接着剤を充填等の手段でハーメチック構造とする。これにより、光モジュール20が形成される。この光モジュール20の全体の厚さはほぼ3mm程度である。
【0046】
なお、押さえ基板11として、基準基板1と同一形状の基板を用いた例で説明をしたが、押さえ基板11には、基準基板1とは異なり、位置決めの基準とするためのV字型等の基準溝部を設ける必要はなく、ファイバーコリメータ2、3を固定できるなら所望の断面形状をもつ押さえ基板で良い。
【0047】
上記のように、本願発明におけるファイバーコリメータ2、3は、ファイバー8、9を挿入する貫通孔6a、7aを中心として正確に同芯加工されたキャピラリー6、7の外周を基準として、基準基板1の基準溝部4Aに直接位置決め固定するものであり、従来技術のようにフェルールを介して位置決めする技術と較べ、ファイバーコリメータ2、3の保持の偏芯誤差を少なくすることができる。
【0048】
また、本願発明では、キャピラリー6、7の外周面に対して正確に直交出しをしたキャピラリー6、7の端面部を基準として平凸レンズ4、5を当接して接着するものであり、平凸レンズ4、5の透過平面4a、5aが光軸に対して正確に直交するように加工されていれば、光ファイバー8、9に対する平凸レンズ4、5の倒れにより生じる光量損失を防ぐことができる。
【0049】
すなわち、本願発明では、キャピラリー6、7に保持された光ファイバー8、9に対して平凸レンズ4、5を偏芯なくあらかじめ接着により一体化し、この一体化されたファイバーコリメータ2、3を基準基板1の基準溝部4Aを基準にして取り付けるというだけで、特別の調整を行わずに光結合効率の高い光モジュールを作成することができる。
【0050】
図7(A)、(B)は光モジュール20の他の具体例を示すもので、ここでは、基準基板1上に基準溝部4Aと直交する方向に光機能素子10を位置決めするための基準溝部4A’が形成されている。光機能素子10は例えば正方形状の波長選択フィルターであり、その波長選択フィルターの縦横寸法は共に例えば1.0mmである。各ファイバーコリメータ2、3は光機能素子10がその基準基板1に位置決めした後、各押さえ基板13、14によって基準基板1に挟持固定される。その後、その全体は、金属製の薄い挟持板(図示を略す)を用いて包囲し、隙間に接着剤を充填してハーメチック構造とされる。
【0051】
この光モジュール20の製造に用いる基準基板1の寸法は図7に示すものと同じであり、各押さえ基板13、14の形状、大きさは共に同じである。
【0052】
図8(A)、(B)はその光モジュール20の更に他の具体例を示すもので、基準基板1に1個のファイバーコリメータ2を配設し、このファイバーコリメータ2の平凸レンズ4の屈折面4aに対向して基準基板16に対して傾斜させることができる反射鏡17を対向配設して光モジュール20を構成したものであり、この光モジュール20は反射鏡17の傾斜角度を変えることにより、光ファイバー8から出射されかつ光ファイバー8’に入射する光量を調整するための光アッテネータとして用いられる。なお、この光モジュール20も図示を略す押さえ基板によってそのファイバーコリメータが挟持固定されるものである。
【0053】
図9は基準基板1に複数個の基準溝部4Aa〜4dを平行に形成し、この各基準溝部4A〜4Dに一対のファイバーコリメータ2、3を互いに対向して配設し、その対向間に光機能素子10として透過波長の互いに異なる波長選択フィルターをそれぞれ設けることにより、光ファイバー8から入射した互いに異なる波長λ1、λ2、λ3、λ4の光をそれぞれ分配して透過させる光分配器を光モジュール20により構成したものである。その押さえ基板にはこの基準基板1と同様に複数本の基準溝部が平行に形成されているものを用いるのが望ましい。
【0054】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成したので、小型でかつ平凸レンズの間に挿入される光機能素子に応じて平凸レンズ間の間隔を広げたり狭めたりしたとしても光結合効率の低下を抑制できしかも廉価に製造できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる光モジュールの組立途中の状態を示す平面図である。
【図2】図1に示す平凸レンズとキャピラリーとの結合関係を詳細に示す断面図である。
【図3】本発明に係わる光ファイバーが2芯タイプの光モジュールの例を説明するための図であって、(A)はその組立途中の状態を示す平面図、(B)は平凸レンズの光軸に対して光ファイバーを対称位置に配設した状態を示す説明図、(C)は平凸レンズの光軸に対して一方の光ファイバーを同軸とすると共に他方の光ファイバー光軸対して偏心させて配設した状態を示す説明図である。
【図4】光結合効率に対するビームウエスト径とレンズ間隔との関係を示すグラフである。
【図5】本発明に係わる光モジュールの標準化に用いる平凸レンズの平面図である。
【図6】本発明に係わる光モジュールの具体例を示す斜視図であって、(A)はその組み立て途中の状態を示し、(B)は完成後の状態を示す斜視図である。
【図7】本発明に係わる光モジュールの他の具体例を示す斜視図であって、(A)はその組み立て途中の状態を示し、(B)は完成後の状態を示す斜視図である。
【図8】本発明に係わる光モジュールの更に他の具体例を示す説明図であって、(A)はその組み立て途中の平面図を示し、(B)はその組み立て途中の斜視図である。
【図9】本発明に係わる光モジュールの更に他の具体例を示す平面図である。
【符号の説明】
1…基準基板
2…ファイバーコリメータ
4…平凸レンズ
6…キャピラリー
8…光ファイバー
20…光モジュール
4A…基準溝部
4a…屈折面
4b…透過平面
6a…貫通孔
8a…出射端面
Claims (10)
- 光ファイバーとこの光ファイバーを挿入するための貫通孔を有するキャピラリーと透過平面に焦点位置が設定されている屈折面を有する平凸レンズとの組み合わせからなるファイバーコリメータが基準溝部を有する基準基板上に固定されてなり、前記平凸レンズから射出されるレーザ光束のビームウエスト径が200μm以上でかつ300μm以下であり、前記キャピラリーと前記平凸レンズとは前記光ファイバーの端面が前記透過平面に当接するようにして一体構成とされていることを特徴とする光モジュール。
- 前記基準基板上に前記ファイバーコリメータが互いに対向して一対設けられていることを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。
- 前記一対のファイバーコリメータ間に光機能素子が配置されていることを特徴とする請求項2に記載の光モジュール。
- 前記キャピラリーに挿入された光ファイバーの本数が1本であり、該光ファイバーが前記平凸レンズの光軸上に配置されている請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の光モジュール。
- 前記キャピラリーに挿入された光ファイバーの本数が複数本であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1個に記載の光モジュール。
- 前記屈折面に対向して反射鏡が配設され、前記キャピラリーに挿入された光ファイバーの本数が2本であり、一方の光ファイバーから射出されたレーザー光束を前記反射鏡により反射させて他方の光ファイバーに導くように構成されてなることを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。
- 前記平凸レンズの屈折面と前記反射鏡との間に光機能素子が配設されていることを特徴とする請求項6に記載の光モジュール。
- 前記一方の光ファイバーが前記平凸レンズの光軸上に位置されかつ前記他方の光ファイバーが前記光軸上からオフセットされているか、又は、前記両光ファイバーが前記光軸を中心に対称位置に配設されていることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の光モジュール。
- 前記基準溝部が前記基準基板に互いに平行に複数個形成され、前記ファイバーコリメータが各基準溝部にそれぞれ配設されていることを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。
- 前記ファイバーコリメータが基準溝部を有しかつ前記基準基板に対向する押さえ基板と前記基準基板とによって挟持固定されていることを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の光モジュール。
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