JP2005024617A

JP2005024617A - 光送信器

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Publication number: JP2005024617A
Application number: JP2003186891A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Fujita; 英明藤田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】送信効率の変動が少なく、安価で簡易な構成である光送信器を提供する。
【解決手段】レンズ４は、発光素子３から出射された光５を光ファイバ２の光軸に対してほぼ平行な平行光に変換して、その平行光を光ファイバに結合する。上記平行光によって光ファイバ２の端面に生じる光スポットの面積は、光ファイバ２の端面におけるコア部の面積よりも大きくなるように、発光素子３、レンズ４および光ファイバ２の位置関係が設定されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを伝送媒体として光信号を送信することのできる光送信器に関し、より詳しくはプラスチック光ファイバ等のマルチモード光ファイバを伝送媒体として、家庭内通信や自動車内通信、ＬＡＮ（ローカル・エリア・ネットワーク）等に使用することのできる光送信器に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
光ファイバを伝送媒体とした通信は、長距離伝送、高速伝送が可能なことから従来より注目されている。光ファイバとしては、ガラスを母材としたシングルモードファイバやマルチモードファイバが主に使用されている。ガラス光ファイバ（以下、「ＧＯＦ」と言う。）は、伝送損失が小さく、伝送帯域が大きいことから長距離・高速の通信に広く使用されている。
【０００３】
一方、近年のプラスチック光ファイバ（以下、「ＰＯＦ」と言う。）の低損失化・広帯域化に伴い、家庭内・自動車内通信や電子機器間通信へのＰＯＦを用いた光通信の採用が検討されている。ＰＯＦは、ＧＯＦに比べて伝送損失や帯域が未だ不十分であるため、長距離・高速伝送には不向きであるが、コア径が約１ｍｍと大きいので、ＧＯＦに比べて光送信器（光通信モジュール）との結合が容易である。また、ＰＯＦは光送信器に対して簡易に抜き差しすることが可能である。したがって、ＰＯＦは安価で使い勝手の良い光通信リンクを得ることができるという利点がある。
【０００４】
上記光通信リンクは、発光素子から出射された送信光を光ファイバに結合する光送信器と、光ファイバから出射された受信光を受光素子で受ける光受信器とを備えている。上記光送信器に要求される能力の一つとしては、発光素子から出射された光を効率良く光ファイバに結合させることが挙げられる。
【０００５】
従来、上記光送信器としては、特開昭６１−８０２０９号公報（特許文献１）、特開平７−２９４７７８号公報（特許文献２）、特開２００１−１５４０６６号公報（特許文献３）および特開２００２−４０２９９号公報（特許文献４）に開示されている。これらの特許文献１〜４に開示された光送信器は、発光素子が出射した光をレンズにより集光して光ファイバに結合させる構造を有している。すなわち、上記光送信器は、図８に示すように、発光素子１０３が出射した送信光１０５をレンズ１０４により集光して光ファイバ１０２に結合する。上記レンズ１０４としては、特許文献１で複数のレンズが、特許文献２では非球面のレンズが、特許文献４ではレンズ側面の反射を利用するレンズがそれぞれ開示されている。このように、上記レンズ１０４の形状や配置を工夫することにより発光素子１０３から出射された送信光１０５を光ファイバ１０２へ高効率で結合させている。
【０００６】
ところで、ＰＯＦのようにコア径の大きい光ファイバを伝送媒体として用いた光送信器では、発光素子と光ファイバとの光学的な結合は比較的容易であり、安価で簡易に（低精度で）作製できる光学系が要求される。
【０００７】
また、上記光送信器が使用される光通信リンクでは、用途や敷設状況により伝送距離が１ｍから１００ｍ程度に変動する場合があるが、ＰＯＦでは伝送損失がＧＯＦに比べて大きい（約０．２ｄＢ／ｍ）ことから、伝送距離の違いにより伝送損失の差が大きくなり、光ファイバから出射される光の光量（受信光量）の変動が大きくなる。このように受信光量の変動が大きい光通信リンクは、ダイナミックレンジを大きくする必要が生じるため、設計が煩雑になると共に、製造コストが高くなるという問題があった。
【０００８】
更に、上記光ファイバの伝送損失外に、発光素子と光ファイバとの光学的な結合効率の変動が大きくなると、送信効率の変動も大きくなる。したがって、上記発光素子と光ファイバとの光学的な結合効率の変動を低減することが重要となる。
【０００９】
当然、高精度で光学系を作製することで結合効率の変動を低減することも可能であるが、高コスト化を招き、ＰＯＦの利点である安価で簡易に利用できる光通信リンクを構築することが困難となってしまう。従来提案されている光通信器は、送信効率の改善（高効率化）に重点をおいたものであり、送信効率の変動を簡易な光学構成により低減できるものではない。
【００１０】
一方、光学構成以外で受信光量の変動を低減する方法としては、光送信器を組立て後に、光送信器と光ファイバとの結合光量を測定し、回路定数を変更することにより発光素子の出射光量を変化させるものや、伝送距離や送信光量に応じて発光素子の出射光量を変化させるもの、例えば特開２０００−３０７５２０号公報（特許文献５）等があるが、どちらも作業が煩雑となり、高コスト化を招くという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明の課題は、送信効率の変動が少なく、安価で簡易な構成である光送信器を提供することにある。
【００１２】
【特許文献１】
特開昭６１−８０２０９号公報
【特許文献２】
特開平７−２９４７７８号公報
【特許文献３】
特開２００１−１５４０６６号公報
【特許文献４】
特開２００２−４０２９９号公報
【特許文献５】
特開２０００−３０７５２０号公報
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の光送信器は、コア部を有するマルチモード光ファイバに、発光素子から出射された光を結合する光送信器であって、上記発光素子から出射された光を上記光ファイバの光軸に対してほぼ平行な平行光に変換して、その平行光を上記光ファイバに結合するレンズを備え、上記平行光によって上記光ファイバの端面に生じる光スポットの面積が、上記光ファイバの端面における上記コア部の面積よりも大きくなるように、上記発光素子、上記レンズおよび上記光ファイバの位置関係が設定されていることを特徴としている。
【００１４】
上記構成の光送信器によれば、上記発光素子から出射された光は、レンズによって光ファイバの光軸に対してほぼ平行な平行光に変換された後、光ファイバに結合する。このとき、上記平行光によって光ファイバの端面に生じた光スポットの面積は、その端面におけるコア部の面積より大きくなる。これにより、上記発光素子、レンズおよび光ファイバの位置が設定位置からずれても、発光素子と光ファイバとの光学的な結合効率が変動しない。したがって、送信効率の変動を少なくできる。
【００１５】
また、上記発光素子、レンズおよび光ファイバを高精度に配置しなくてもよいので、簡単に製造することができて、製造コストを下げることができる。すなわち、簡易な構成で安価な光送信器を得ることができる。
【００１６】
また、上記送信効率の変動が少ないから、送信効率の最悪値を向上できて、実質的に送信効率を向上させることができる。
【００１７】
更に、上記光送信器と光通信する光受信器を設計する場合、励振ＮＡ（開口数）が小さいので、光リンクの伝送帯域が増加し、光受信器の設計も容易となるという効果を奏する。
【００１８】
一実施形態の光送信器は、上記レンズの周縁部を覆って、上記発光素子から出射された光の一部が上記光ファイバに結合することを防止するアパチャ部材を備え、上記アパチャ部材が有する開口部の直径は上記光スポットの直径とほぼ同一に設定されている。
【００１９】
上記実施形態の光送信器によれば、上記アパチャ部材でレンズの周縁部（エッジ部）を覆うことにより、その周縁部で反射した光が光ファイバに向うのを阻止することができる。その結果、上記発光素子が出射した光をレンズで光ファイバの光軸に対してほぼ平行な平行光に変換し易くなる。
【００２０】
また、上記光送信器は送信光量を最適化できることから、設計が容易である。
【００２１】
一実施形態の光送信器は、上記レンズの直径と上記光スポットの直径とはほぼ同一に設定されている。
【００２２】
上記実施形態の光送信器によれば、上記レンズの直径と光スポットの直径とはほぼ同一に設定されているから、例えば光束の径を拡大する光学部品をレンズと光ファイバとの間に配置しなくてもよく、製造コストの増加を抑制できる。
【００２３】
一実施形態の光送信器は、上記光スポットの直径をＤ_Ｔ、上記コア部の直径をＤ_Ｃとしたとき、上記Ｄ_ＴおよびＤ_ＣがＤ_Ｔ＞１．２Ｄ_Ｃを満足する。
【００２４】
上記実施形態の光送信器によれば、上記Ｄ_ＴおよびＤ_ＣがＤ_Ｔ＞１．２Ｄ_Ｃを満足するので、光ファイバの位置が設定位置からずれても、送信効率の変動を確実に低減することができる。
【００２５】
一実施形態の光送信器は、上記レンズと上記光ファイバの端面との間の距離は上記コア部の直径以下に設定されている。
【００２６】
上記実施形態の光送信器によれば、上記レンズと光ファイバの端面との間の距離をコア部の直径以下にすることにより、発光素子とレンズとの相対位置がずれても、送信効率の変動を確実に低減することができる。
【００２７】
一実施形態の光送信器は、上記発光素子は上記発光素子の発光波長に対して透明な樹脂で覆われ、上記レンズは上記樹脂で形成されている。
【００２８】
上記実施形態の光送信器によれば、上記発光素子を覆う樹脂でレンズを形成するので、発光素子から出射された光を効率良く利用できると共に、発光素子が経時劣化しにくくなる。
【００２９】
また、上記発光素子を覆う樹脂でレンズを形成するので、部品点数を少なくなる。したがって、製造コストを低減することができる。
【００３０】
一実施形態の光送信器は、上記レンズの周辺に上記レンズと一体に形成された光ファイバ位置決め部を備え、上記光ファイバ位置決め部は、上記光ファイバの一部、もしくは、上記光ファイバを収容するプラグの一部と接触することで上記光ファイバの端面の位置を決める。
【００３１】
上記実施形態の光送信器によれば、上記光ファイバの一部もしくは上記プラグの一部を光ファイバ位置決め部に接触させるだけで、光ファイバの端面の位置が決まるから、レンズと光ファイバとの位置合わせ簡単かつ高精度に行うことができる。
【００３２】
一実施形態の光送信器は、上記光ファイバはＰＯＦである。
【００３３】
上記実施形態の光送信器によれば、上記光ファイバがＰＯＦであるので、光送信器との結合調整が容易であるから、例えば、安価な光通信リンクを得ることができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光送信器を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３５】
図１は本発明の実施の一形態の光送信器の概略構成図である。
【００３６】
上記光送信器は、発光素子３、レンズ４およびリードフレーム６を備えている。上記リードフレーム６は発光素子を搭載している。また、上記レンズ４は、発光素子３の光出射端面に対向すると共に、光ファイバ２の端面に対向している。
【００３７】
上記構成の光送信器では、発光素子３から放射されたの光５の一部はレンズ４に結合し、方向を変えてマルチモード光ファイバ２の光軸に対してほぼ平行な平行光（送信光１５）となって、光ファイバ２の端面に結合する。上記発光素子３は、発光素子３の発光波長に対して透明なモールド樹脂７により覆われており、このモールド樹脂７によりレンズ４が形成されている。また、上記レンズ４の周囲には同じくモールド樹脂７により光ファイバ位置決め部８が形成されている。上記ファイバ位置決め部８は、モールド樹脂７で形成された凹部であって、光ファイバ２が挿入されたプラグ（フェルール）９の端部と嵌合する。より詳しくは、上記光ファイバ位置決め部８はレンズ４を中心として同心円状に形成されており、光ファイバ位置決め部８の一部にプラグ９の端面，側面の一部が接触する。このような光ファイバ位置決め部８とプラグ９とを接触させると、レンズ４と光ファイバ２との位置が合う。また、図示しないが、リードフレーム６には発光素子３を駆動するための駆動ＩＣや回路を搭載している。
【００３８】
本発明は、発光素子３、レンズ４および光ファイバ２の配置条件や、光ファイバ２のコア面積（径）と、レンズ４を通過した送信光１５の光ファイバ２の端面位置での集光面積（スポット径）とを最適化した点に特長があり、これにより、発光素子３、レンズ４および光ファイバ２の組立て位置が基準位置からずれた場合に生じる送信効率の変動を低減することができる。つまり、上記発光素子３、レンズ４および光ファイバ２の組立て位置が基準位置からずれても、所定の送信効率を確実に得ることができる。
【００３９】
以下、図２（ａ）〜（ｃ）を用いて上記発光素子３、レンズ４および光ファイバ２の光学配置について説明する。
【００４０】
図２（ａ）は上記発光素子３、レンズ４および光ファイバ２の位置関係を示す概略図である。
【００４１】
上記発光素子３から放射される光５の一部を光ファイバ２の光軸に対してほぼ平行な平行光（送信光１５）に変換するように、レンズ４の配置、形状および屈折率が決められている。すなわち、上記レンズ４（レンズ４の入射側の主点）は発光素子３の発光点から距離Ｌ_１離れた位置に配置され、レンズ４の焦点距離（有効焦点距離）をｆとしたとき、ｆとＬ_１とがほぼ同等（ｆ≒Ｌ_１）となるように距離Ｌ_１が設定されている。厳密には、上記レンズ４を通過した光が収差等により平行光とはならない場合があるが、この場合の詳細な説明は省略する。また、厳密にｆ＝Ｌ_１とすることは困難であり、ｆ≒Ｌ_１という表現方法をとっている。上記レンズ４を通過した光、つまり送信光１５は、レンズ４に対向するように配置された光ファイバ２に結合する。この時、上記送信光１５は光ファイバ２の端面のコア部全てに照射されると共に、コア部の外側にも照射される。すなわち、上記光ファイバ２の端面位置において、送信光１５の照射面積（光スポットの面積）は光ファイバ２のコア部の面積より大きくなるように設定されている。別の表現では、上記光ファイバ２のコア部の直径（以下、「コア径」と言う。）をＤ_Ｃ、光ファイバ２の端面における送信光１５の光スポットの直径（以下、「スポット径」と言う。）をＤ_Ｔとすると、Ｄ_Ｔ＞Ｄ_Ｃとなるように設定されている。ここで、上記光ファイバ２がＰＯＦの場合、クッラッドの厚さは１０μｍ程度なのに対して、コア径Ｄ_Ｃは１ｍｍ程度とクラッドより十分大きいため、図２（ａ）〜（ｃ）で図示した光ファイバ２の大半はコア部を示すものである。また、上記レンズ４の有効レンズ径（送信光１５が通過する領域の直径）をＤ_Ｌとすると、発光素子３とレンズ４との位置関係よりＤ_Ｌ≒Ｄ_Ｔとなる。このような配置とすることにより、光送信器の製造時の公差（基準位置からのずれ）により、発光素子３、レンズ４および光ファイバ２の位置が変化しても、発光素子３から光ファイバ２への光学的結合効率の変動を低減することができる。その結果、送信効率の変動を少なくすることができる。
【００４２】
上記発光素子３から光ファイバ２への光学的結合効率の変動を低減する原理については後述し、まず送信効率について説明する。
【００４３】
上記送信効率は、発光素子３からレンズ４への結合効率（η_１）と、レンズ４から光ファイバ２への結合効率（η_２）とに分離される。厳密には、上記レンズ４や光ファイバ２での反射損失、レンズ４での透過損失等も考慮する必要があるが、これらは送信効率の変動にはほとんど影響しないので省略する。上記発光素子３からレンズ４への結合効率η_１は、発光素子３から出射される光の放射角および強度分布と、レンズ４の直径Ｄ_Ｌと、発光素子３からレンズ４の入射側面までの距離ｄとにより決まる。上記レンズ４に結合する最大放射角θは下記の式１で与えられる。
θ＝Ｔａｎ^−１（Ｄ_Ｌ／２ｄ） ………式１
【００４４】
例えば、上記発光素子３として発光ダイオード素子（以下、「ＬＥＤ」と言う。）を用いた場合、一般に発光素子３の放射分布は半値半幅が６０°のランバート分布で表される。そして、上記ランバート分布において放射角が−θ〜＋θまでに含まれる光量の割合が、発光素子３からレンズ４への結合効率η_１となる。また、上記光量の割合は、発光素子３の放射分布を−θ〜＋θの間で積分することにより、全光量のうちＳｉｎ^２（θ）で表される。したがって、η_１＝Ｓｉｎ^２（θ）が得られる。一方、上記レンズ４から光ファイバ２への結合効率η_２は、レンズ４を通過した光の中で、光ファイバ２の開口数（以下、「ＮＡ」と言う。）以下の入射角度で光ファイバ２のコア部に入射する光量で決まる。この結合効率η_２は数式で簡易に表せないが、光線追跡法等のシミュレーションにより計算することができる。そして、全結合効率である送信効率は両者の結合効率の積η_１×η_２により算出される。
【００４５】
次に、各部の位置変動と送信効率との関係について説明する。
【００４６】
図２（ｂ），（ｃ）は発光素子３とレンズ４との距離Ｌ_１が変化した場合を示す図である。図２（ｂ）は上記距離Ｌ_１が図２（ａ）よりも狭くなった場合を示す図である。この場合、上記式１よりレンズ４に結合する最大放射角度θが大きくなることからη_１は大きくなる。一方、上記レンズ４の焦点距離ｆと距離Ｌ_１との関係はＬ_１＜ｆとなることから、設定した基準位置（Ｌ_１≒ｆ）ではほぼ平行光であった送信光１５はレンズ４により発散され、スポット径Ｄ_Ｔは大きくなる。つまり、上記光ファイバ２の端面において、発光素子３による照射面積が大きくなる。このため、本来は光ファイバ２のコア部に結合していた光線の一部が光ファイバ２のコア部に結合しなくなり、η_２が小さくなる。すなわち、本発明の配置を用いることにより、距離Ｌ_１が狭くなった場合、発光素子３とレンズ４との結合効率η_１は大きくなるが、レンズ４から光ファイバ２への結合効率η_２が小さくなり、η_２の変化がη_１の変化を相殺して送信効率の変動を小さくすることができる。
【００４７】
一方、図２（ｃ）は上記距離Ｌ_１が図２（ａ）よりも広くなった場合を示す図である。この場合、η_１は小さくなるが、送信光１５はレンズ４により集光されるようになり、スポット径Ｄ_Ｔが小さくなる。つまり、上記光ファイバ２の端面において、発光素子３による照射面積が小さくなる。このため、本来は光ファイバ２のコア部に結合していなかった光線が光ファイバ２のコア部に結合するようになるためη_２は大きくなり、η_２の変化がη_１の変化を相殺して送信効率の変動を小さくすることができる。
【００４８】
比較のため、従来のようにレンズ４により光ファイバ２のコア径以下に送信光１５を集光した場合を考えると、距離Ｌ_１の変動によりη_２はほとんど変動しない（十分集光されていれば発散、集光してもコアに結合するため）のに対し、η_１は変動するため、送信効率の変動が本発明より大きくなる。
【００４９】
また、図３に示したように、レンズ４を収容する鏡筒１２を用いた光学系の場合、レンズ４と発光素子３との距離Ｌ_１が狭くなり、送信光１５が発散すると、鏡筒１２内で送信光１５が反射し、光ファイバ２に結合する場合があり、送信効率の変動が小さくなる効果が得られなくなる。このため、上記鏡筒１２を用いた構成は好ましくはない。あるいは、上記鏡筒１２を用いる場合は、鏡筒１２の内面の光吸収率を高くして、送信光１５の反射率を低減させるか、鏡筒１２の長さを短くして反射した送信光１５が光ファイバ２に結合しないように配置する必要がある。
【００５０】
次に、上記光ファイバ２の位置変動の影響について図４を基に説明する。この光ファイバ２の位置変動が生じる場合、送信光１５のスポット径Ｄ_Ｔを光ファイバ２のコア径Ｄ_Ｃより大きく設定していることにより、送信光量の変動を低減することができる。具体的に説明すると、上記光ファイバ２の位置が設定位置に対してＸ方向（図４紙面の上下方向）またはＹ方向（図４紙面に垂直方向）に変化したとする（図４では光ファイバ２の位置が設定位置に対してＸ方向に移動している）と、設定基準位置では光ファイバ２のコア部に入射していた送信光１５の一部が入射されなくなるが、位置が変化したことにより設定基準位置で入射していなかった送信光１５の一部が新たに入射することになるので、η_２の変動を低減することができる。その結果、送信効率の変動を低減することができる。また、上記光ファイバ２の位置がＺ方向（図４紙面の左右方向）に変化した場合、送信光１５は光ファイバ２の光軸に対してほぼ平行な平行光であるから、η_２の変動は少なくなる。本発明の光送信器の光学配置では、発光素子３やレンズ４の位置変動についても同様の原理により送信効率の変動を少なくできる。
【００５１】
次に、光線追跡によるシミュレーションで送信効率と、各部の位置変化（公差）による送信効率変動を計算した結果を示す。計算に用いた条件は以下の通りである。上記発光素子３として、発光点がφ７０μｍで放射分布が半値半幅６０°でランバート分布のＬＥＤを、レンズ４として屈折率１．５６、曲率０．６ｍｍ、レンズ径Ｄ_Ｌ１．１５ｍｍのモールドレンズを、光ファイバ２としてコア径Ｄ_Ｃ０．９８ｍｍ、ＮＡ０．３５のＰＯＦを考えた。上記レンズ４は図１に示したのと同様の凸レンズで、ＬＥＤを覆うモールド樹脂により作製されたとする。上記レンズ４と光ファイバ２の端面との距離Ｌ_２は０．１ｍｍ、レンズ４の頂点（光ファイバ２に最も近い点）と発光素子２との距離Ｌ_１は１．３ｍｍとした。各部の位置変動量（公差）は、発光素子３に対して、レンズ４がＸＹＺ方向にそれぞれ±５０μｍ、光ファイバ２がＸＹＺ方向にそれぞれ±１００μｍとした。上記光ファイバ２としてＰＯＦを用いる場合、ＰＯＦ自体の軸ずれ公差はＪＩＳＣ−６８３７では±６０μｍと規定されており、コネクタの公差とあわせると±１００μｍ程度が妥当と考えられる（より高精度にするには特別なＰＯＦを使用することになって高コストとなる）。上記レンズ４の公差もトランスファーモールドや発光素子３の配置精度を考慮すると妥当な値と考えられる。計算結果は、標準位置での送信効率が−４．１ｄＢ、公差による送信効率の最大変動量が１．０ｄＢであった。
【００５２】
比較のため、従来のように送信光１５のスポット径Ｄ_Ｔを光ファイバ２のコア径Ｄ_Ｃ以下にし、本実施の形態の光送信器と送信効率が同等の値となる配置でのシミュレーションも実施した。この比較のためのシミュレーションは、レンズ４の曲率が０．５ｍｍ、レンズ径Ｄ_Ｌ１．０ｍｍ、レンズ４の頂点と発光素子２との距離Ｌ_１を１．２５ｍｍとした点が、本実施の形態の光送信器に対して行ったシミュレーションと異なる。本実施の形態の光送信器のシミュレーションでは光ファイバ２の端面でのスポット径Ｄ_Ｔが約１．１５ｍｍであったのに対して、比較のためのシミュレーションでは光ファイバ２の端面でのスポット径Ｄ_Ｔが約０．８ｍｍとなっている。この比較例のシミュレーションでは、送信効率の変動が２．０ｄＢとなり、本実施の形態の光送信器のシミュレーションより送信効率の変動が１．０ｄＢ大きくなった。更に、本実施の形態の光送信器のシミュレーションでは送信効率の最小値が−４．７ｄＢであったのに対して、比較のためのシミュレーションでは送信効率の最小値が−５．３ｄＢとなってしまった。
【００５３】
光通信リンクの設計には、送信効率の最小値を考慮する必要がある。これは、上記送信効率の最小値を向上することにより、送信効率を実質的に向上することができるからである。したがって、本実施の形態の光送信器は、送信効率の最小値が向上しているので、送信効率を実質的に向上することになる。
【００５４】
また、送信光量の変動に関しては、一般に各通信規格により定められている。送信光量の変動要因としては上記の製造公差による送信効率の変動以外に、発光素子３自体の特性（発光光量のばらつきや、温度変化や経時劣化による変動等）がある。送信効率の変動を低減することにより、他の変動要因にマージンを持たせることができ、例えば、発光素子３の選定の自由度を大きくできると共に、組立て公差を緩和できる等の効果がある。
【００５５】
次に、最適な配置についての条件を説明する。まず、上記光ファイバ２の端面における送信光１５のスポット径Ｄ_Ｔは、各公差により光ファイバ２の位置が変化した時に、常にコア部全てに送信光１５が照射される配置とすることが好ましい。上述したように光ファイバ２としてＰＯＦを用いる場合、コア径約１ｍｍに対し公差は約０．１ｍｍとなる。その他の光ファイバ２についてもコア径に対して約１割りの公差を見込む必要がある。このことから、Ｄ_Ｔ＞１．２Ｄ_Ｃとなるように配置することが好ましい。しかし、Ｄ_Ｔが大きくなると結合効率η_２が小さくなるため、効率が良い光の利用が行えなくなる。このため、１．２Ｄ_Ｃ＜Ｄ_Ｔ＜１．３Ｄ_Ｃとすることがより好ましい。また、レンズ４の有効径Ｄ_ＬはＤ_Ｔと同等であることからＤ_Ｌについても同様のことが言える。つまり、Ｄ_Ｌは、Ｄ_Ｌ＞１．２Ｄ_Ｃを満たすのが好ましく、１．２Ｄ_Ｃ＜Ｄ_Ｌ＜１．３Ｄ_Ｃを満たすのがより好ましい。
【００５６】
発光素子３とレンズ４との位置関係（Ｘ，Ｙ方向）がずれた場合、送信光１５は光ファイバ２の光軸に平行ではなくなり、若干の角度（傾斜）を有して光ファイバ２に入射する。この場合、上記光ファイバ２とレンズ４との距離Ｌ_２が大きいと、傾斜による光線位置のずれが大きくなるため、光ファイバ２のコア部の全体に送信光１５が照射されなくなる場合がある。特に、上記光ファイバ２のコア径Ｄ_Ｃが小さい場合、スポット径Ｄ_Ｔも小さく設定されるため、送信光１５の傾斜による影響を受けやすくなる。したがって、上記距離Ｌ_２は、そのような送信光１５の傾斜によるずれと、光ファイバ２のコア径Ｄ_Ｃとを考慮して決定する必要がある。上記送信光１５の傾斜角度は、公差の大小等により異なるが、上述したような通常の公差での場合は５°程度になる。この場合、上記距離Ｌ_２を光ファイバ２のコア径Ｄ_Ｃ以下に設定することで送信光１５がコア全てを照射させることができる。例えば、上記光ファイバ２としてコア径１ｍｍのＰＯＦを使用する場合、Ｌ_２は１ｍｍ未満に設定することが好ましい。
【００５７】
次に、図１で示した光送信器とは異なる構成の光送信器について説明する。図５から図７は本発明の異なる構成を表す概略図である。ただし、図１で示した構成部と同様の機能を有する構成部は、図１の構成部と同一参照番号を付して説明を省略する。
【００５８】
図５で示した構成では、レンズ４の外周部（エッジ部）をアパチャ部材１３で覆っている。このアパチャ部材１３は、送信光１５の一部を遮光して、その送信光１５の一部が光ファイバ２に結合することを防止する。上記レンズ４のエッジ部に入射した送信光１５はレンズ４への入射角度が大きく、光ファイバ２の光軸に対して平行な平行光とはならない場合がある。また、上記送信光１５は、レンズ４への入射角度が大きいと、レンズ４により反射される割合が大きくなる。このため、上記レンズ４のエッジ部に入射する送信光１５を利用する場合（アパチャ部材１３を用いない場合）、光ファイバ２の光軸に対して平行な平行光とならない光線が送信光１５に多く含まれることとなり、上述したような送信効率の変動を低減させる効果に影響を与えることがある。したがって、上記アパチャ部材１３によりレンズ４のエッジ部に入射した光を遮光することが好ましい。また、図２の例では、上記レンズ４の直径Ｄ_Ｌと光ファイバ２のコア径Ｄ_Ｃを同等に設定したが、図５に示した例ではアパチャ部材１３の開口部の直径を光ファイバ２のコア径Ｄ_Ｃと同等に設定することが好ましい。上記アパチャ部材１３は、図５に示すように、光吸収率や光反射率が高い樹脂や塗料等によりレンズ４のエッジ部上に直接形成してもよいし、樹脂や金属等により別途形成したものを、レンズ４と光ファイバ２との間、あるいは、発光素子３とレンズ４との間に配置してもよい。
【００５９】
図１や図２で示した構成では、レンズ４の直径Ｄ_Ｌと光ファイバ２のコア径Ｄ_Ｃとを同等にしているが、レンズ４の外側のモールド樹脂７がアパチャ部材の役割を有していると考えることができる。すなわち、上記レンズ４の凸部の外側でモールド樹脂７が平坦である部分は、発光素子３から出射された光を光ファイバ２に結合しない方向に屈折（もしくは反射）するものであり、この部分が図５のアパチャ部材１３と同様の働きを有している。
【００６０】
図６の光送信器では、モールド樹脂７により発光素子３を覆っておらず、発光素子３は空気中にあり、光ファイバ２と発光素子３との光学的結合には上述した光学配置を用いている。また、上記光送信器では、レンズ４が光ファイバ位置決め部８と共に光学部材１０で一体で形成されている。つまり、上記レンズ４および光ファイバ位置決め部８は光学部材１０の一部から成っている。上記光ファイバ位置決め部８は一部が光ファイバ２を収容するプラグ９に接することで、光ファイバ２とレンズ４との相対位置を決定している。このように、上記レンズ４が形成された光学部材１０の一部に光ファイバ位置決め部８を形成することにより、簡易な構成で高精度に光ファイバ２とレンズ４の位置合わせを行える。また、上記光学部材１０の一部には、発光素子３を位置決めするための発光素子位置決め部１１も形成されている。この発光素子位置決め部１１で発光素子３を位置決めすることにより、発光素子３とレンズ４との位置合わせを簡易な構成で高精度に行うことが可能となる。また、上記光送信器では、発光素子３はモールド樹脂７により覆われていないが、発光素子３としてＬＥＤのように比較的放射角度の大きいものを使用する場合、図１に示したように、発光素子３をモールド樹脂７で覆う方が好ましい。上記発光素子３から放射される光５は、発光素子３の表面と発光素子３の外部（空気やモールド樹脂７）との屈折率差により屈折されて放射される。このため、上記発光素子３の外部は、空気のように小さい屈折率のものである場合より、樹脂のように屈折率の大きい材料である方が好ましい。上記発光素子３を樹脂で覆うことにより、発光素子３の表面と外部との界面における全反射角度が大きくなり、発光素子３からより多くの光量を取り出すことができる。例えば、上記発光素子３がＬＥＤの場合、発光素子３の外部の屈折率を１から１．５６にすると、発光素子３から出射される光量を約２．５倍に増加させることができる。したがって、上記モールド樹脂７により発光素子３や駆動回路を覆うことにより、発光素子３が出射する光の利用効率を向上させることができる。また、上記モールド樹脂７等によって発光素子３を外気に触れさせないようにすると、経時劣化を低減できるという効果もある。なお、図６において、参照番号１６はリードフレームを指し示している。
【００６１】
図７の光送信器は、複数の発光素子３と、複数のレンズ４とを備えている。これにより、上記光送信器は、複数の光ファイバ２に送信光を供給することができる。上記光ファイバ２と発光素子３との光学的結合には上述した光学配置を用いている。また、上記複数の光ファイバ２は等間隔に配置され、光ファイバ２に光学的に接続する複数の光送信部も同間隔で配置されている。上記光ファイバ２は、図示しない一つのプラグにまとめらて収容されており、このプラグを光送信器に抜差しすることより、光送信器と光ファイバ２との分離・結合が行われる。このような光送信器では、複数の光ファイバ２を同時に位置合わせする必要があることから、公差が大きくなりやすいが、本発明の光学配置を利用することにより、送信効率の変動を低減することができる。
【００６２】
以下、各構成部品について説明する。
【００６３】
上記光ファイバ２としては、例えばＰＯＦ等のマルチモード光ファイバを用いることが好ましい。ＰＯＦはコア部がＰＭＭＡ（ＰｏｌｙｍｅｔｈｙｌＭｅｔｈａＡｃｒｙｌａｔｅ）やポリカーボネート等の光透過性に優れたプラスチックからなり、クラッドは上記コア部より屈折率の低いプラスチックで構成されている。このような光ファイバ２では、石英光ファイバに比べてコア径を約２００μｍから約１ｍｍと大きくすることが容易であることから、光送信器１との結合調整が容易であり、安価な光通信リンクを得ることができる。また、上記コア部が石英ガラスよりなり、クラッドがポリマーで構成されたＰＣＦ（ＰｏｌｙｍｅｒＣｌａｄＦｉｂｅｒ）を光ファイバ２として用いても良い。上記ＰＣＦはＰＯＦに比べると価格が高いが、伝送損失が小さく、伝送帯域が広いという特徴がある。このため、上記ＰＣＦを伝送媒体とすることで、より長距離での通信やより高速での通信を行うことができる光通信リンクを得ることができる。
【００６４】
上記発光素子３としては、半導体レーザ素子や、ＬＥＤ、面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）等が用いられる。また、上記発光素子３としては、使用する光ファイバ２の伝送損失が少ない発光波長を有し、かつ、安価であることが好ましい。例えば、上記光ファイバ２としてＰＯＦを用いる場合、ＤＶＤ（デジタル万能ディスク）等で量産効果のある、発光波長６５０ｎｍの半導体レーザ素子等を用いることができる。また、上記発光素子３の光量を測定するモニター用フォトダイオードを配置して、発光素子３の光量を一定に保つようにしてもよい。
【００６５】
上記レンズ４としては、凸レンズ以外に、もちろん球レンズや非球面レンズ等の他の形状のレンズを使用してもよい。上記レンズ４は、使用する発光素子３の発光波長領域において透明な材料で形成する。例えば、上記レンズ４は、各種のガラスやＰＭＭＡ、ポリカーボネート等で形成することができる。更に、上記発光素子３を覆うトランスファーモールドによりレンズ４を作製することで、部品点数の低減や、光利用効率の向上を行うことができる。
【００６６】
以上のように、本実施の形態で示した光送信器は、発光素子３とレンズ４および光ファイバ２との配置や光学設定を最適化することにより製造公差により各部の位置が変動した場合でも送信効率の変動を少なくすることができる。また、簡易な光学系のみにより対応できることから安価であり、複雑なシステムを必要とせずに、高性能な光送信器１を得ることが可能となる。更に、本発明では送信光１５を光ファイバ２の光軸にほぼ平行として光ファイバ２に入射させているため、励振ＮＡが非常に小さくなっている。励振ＮＡが小さいと、光ファイバ２を伝搬する光線のモード分散を少なくすることができるため、伝送帯域を増加することができ、また、光ファイバ２から出射する光線の広がりを狭くすることができ受信器の光学系の設計が容易となるという副次的な効果も有している。
【００６７】
上記実施の形態で示した光送信器は一例であり、本発明の光送信器は本実施の形態に限定されるものではなく、もちろんその一部を変更した構成としてもよい。
【００６８】
また、上記レンズ４と光ファイバ２の端面との間の距離は、光ファイバ２のコア径以下に設定するのが好ましい。
【００６９】
また、上記光ファイバ位置決め部は、光ファイバ２の一部に接触してもよいし、もしくは、光ファイバを収容するプラグの一部と接触してもよい。
【００７０】
また、上記光ファイバ２は、プラスチック以外に、ガラスなどの材料で形成してもよい。
【００７１】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の光送信器は、発光素子、レンズ、光ファイバの位置が設定位置からずれた場合にも、送信効率の変動を小さくすることができ、簡易な構成にできる。
【００７２】
また、送信効率の最悪値を向上できることから、実質的に送信効率を向上させることができる。
【００７３】
更に、励振ＮＡが小さいため、光リンクの伝送帯域が増加し、受信器の設計も容易となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施の一形態の光送信器の概略構成図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は上記光送信器の構成を説明するための図である。
【図３】図３は上記光送信器の変形例の概略構成図である。
【図４】図４は上記光送信器に用いる光ファイバの位置変動による影響を説明するための図である。
【図５】図５は上記光送信器の変形例の概略構成図である。
【図６】図６は上記光送信器の変形例の概略構成図である。
【図７】図７は上記光送信器の変形例の概略構成図である。
【図８】図８は従来の光送信器の概略構成図である。
【符号の説明】
２光ファイバ
３発光素子
４レンズ
１５送信光

Claims

コア部を有するマルチモード光ファイバに、発光素子から出射された光を結合する光送信器であって、
上記発光素子から出射された光を上記光ファイバの光軸に対してほぼ平行な平行光に変換して、その平行光を上記光ファイバに結合するレンズを備え、
上記平行光によって上記光ファイバの端面に生じる光スポットの面積が、上記光ファイバの端面における上記コア部の面積よりも大きくなるように、上記発光素子、上記レンズおよび上記光ファイバの位置関係が設定されていることを特徴とする光送信器。
請求項１に記載の光送信器において、
上記レンズの周縁部を覆って、上記発光素子から出射された光の一部が上記光ファイバに結合することを防止するアパチャ部材を備え、
上記アパチャ部材が有する開口部の直径は上記光スポットの直径とほぼ同一に設定されていることを特徴とする光送信器。
請求項１に記載の光送信器において、
上記レンズの直径と上記光スポットの直径とはほぼ同一に設定されていることを特徴とする光送信器。
請求項１に記載の光送信器において、
上記光スポットの直径をＤ_Ｔ、上記コア部の直径をＤ_Ｃとしたとき、上記Ｄ_ＴおよびＤ_ＣがＤ_Ｔ＞１．２Ｄ_Ｃを満足することを特徴とする光送信器。
請求項１に記載の光送信器において、
上記レンズと上記光ファイバの端面との間の距離は上記コア部の直径以下に設定されていることを特徴とする光送信器。
請求項１に記載の光送信器において、
上記発光素子は上記発光素子の発光波長に対して透明な樹脂で覆われ、上記レンズは上記樹脂で形成されていることを特徴とする光送信器。
請求項１に記載の光送信器において、
上記レンズの周辺に上記レンズと一体に形成された光ファイバ位置決め部を備え、
上記光ファイバ位置決め部は、上記光ファイバの一部、もしくは、上記光ファイバを収容するプラグの一部と接触することで上記光ファイバの端面の位置を決めることを特徴とする光送信器。
請求項１に記載の光送信器において、
上記光ファイバはプラスチック光ファイバであることを特徴とする光送信器。