JP2005326785A - 双方向光モジュール、光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】 入力光や出力光の損失を抑えるとともに、コスト低減、小型化及び信頼性の向上を図ることができる双方向光モジュールを提供する。
【解決手段】 光ファイバ１７から供給された入力光の光束を拡大させる第１のレンズ２３と、第１のレンズ２３から出射され、第１の面２４ａから入射された入力光を受光素子２２における受光面上に集光させる第２のレンズ２４と、第２のレンズ２４の内部、第１の面２４ａ上、或いは第１のレンズ２３と第２のレンズ２４間の何れかに設けられてなり出力光を発光する発光素子２１とを備え、第１のレンズ２３は、発光素子２１から発光された出力光を光ファイバへ結像させ、また入力光の光束が発光素子２１を一部に含むようにこれを拡大させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバを介して双方向に光信号を伝送する一芯双方向光通信に適用される双方向光モジュール並びに光通信システムに関する。

近年における光ファイバ通信網の拡大に伴い、１本の光ファイバを用いて双方向に光信号を伝送する一芯双方向光通信システムの導入が進んできている。

かかる一芯双方向光通信に適用される双方向通信用モジュール６が従来において提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この双方向通信用モジュール６は、例えば図４に示すように、供給された電気信号に基づいて出力光を発光する発光器６１と、相手側のモジュールから光ファイバ６４を介して伝送される入力光を受光するための受光器６２と、これら入力光と出力光を分離するための光方向性結合器６３とを備えている。

この双方向通信用モジュール６では、発光器６１により発光された波長λ１の出力光につき、光方向性結合器６３を通過させてそのまま光ファイバ６４へ光結合させ、これを相手側のモジュールへ伝送する。また、この双方向光通信用モジュール６では、光ファイバ６４を介して波長λ２の入力光が伝送された場合には、これを光方向性結合器６３により分離して受光器６２へと導く。

このような構成からなる双方向通信用モジュール６により、一本の光ファイバを用いて出力光と入力光を送受信する一芯双方向光通信を実現することが可能となる。

図５は、この双方向通信用モジュール６において、発光器６１,受光器６２,光方向性結合器６３を一体化させた構成７を示している。

この構成７では、出力光を発光する発光素子７１と、入力光を受光する受光素子７７と、発光素子７１から発光された出力光を平行光にするレンズ７２と、レンズ７２により平行光とされた出力光の伝搬方向に対して略４５°傾けて配設されたハーフミラー７３と、光ファイバ７５を介して伝送される入力光を平行光にするレンズ７４と、ハーフミラー７３を反射した入力光を受光素子７７における受光面に受光させるためのレンズ７６とを備えている。

この構成７においても、発光素子７１からの出力光を平行光にするとともに、これをハーフミラー７３を介して光ファイバ７５へ光結合させ、更には光ファイバ７５からの入力光をハーフミラー７３で反射させてこれを受光素子７７へと導くことにより、出力光と入力光を分離することができ、一芯双方向光通信を実現することが可能となる。

また従来において、かかる一芯双方向光通信に適用される双方向通信用モジュール８が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

この双方向通信用モジュール８は、図６に示すように、出力光を発光するレーザダイオード８１と、かかるレーザダイオード８１からの出力光をモニタリングするモニタ受光素子８２と、相手側のモジュールからの入力光を受光するための受光素子８３と、レーザダイオードからの出力光を集束させる第１の集束レンズ８４と、この第１の集束レンズ８４により集束された出力光を透過させるとともに、光ファイバ８９を介して相手側のモジュールから伝送されてきた入力光を反射させるビームスプリッタ８６と、偏光方向を回転させる回転素子８７と、光ファイバ８９から伝送される入力光を集束させるとともに、回転素子８７から出射された出力光を光ファイバ８９へ結像させる第２の集束レンズ８８と、ビームスプリッタ８６により反射された入力光を集束させ、これを受光素子８３における受光面へ受光させるレンズ８５とを備えている。

このような構成からなる双方向通信用モジュール８において、レーザダイオード８１より発光された出力光は、第１の集束レンズ８４,ビームスプリッタ８６を通過した後、回転素子８７によりその偏光方向が４５°回転させられた上で、第２の集束レンズ８７,光ファイバ８９を介して相手側のモジュールへ送信される。

また、相手側のモジュールから送信された入力光は、回転素子８７により、その回転方向をさらに４５°回転させられた上で、ビームスプリッタ８６により反射され、レンズ８５を介して受光素子８３へ結像されることになる。

このような双方向通信用モジュール８においても一芯双方向光通信を実現することが可能となる。

特開昭６１−９６１０号公報 特開平４−３１５３２７号公報

しかしながら、上述の如き従来の双方向通信用モジュールでは、数多くの光学部品を実装しなければならないため、モジュール全体、ひいては一芯双方向光通信システム全体のコストを抑えることができない。

また、数多くの光学部品を用いる従来の双方向通信用モジュールでは、組立時においてより厳格なマウント精度が求められるところ、実装時における僅かなズレ等により光結合効率が低下してしまう。その結果、このような双方向通信用モジュールを実装するシステム全体の信頼性を維持することが困難となる。

また、モジュール全体の部品点数が増えることになり、モジュール全体が大型化してしまう結果、屋内の僅かな空きスペースにこれを配設することができないという問題点が生じる。

さらに、従来の双方向通信用モジュールでは、例えば、光方向性結合器やビームスプリッタを使用する関係上、入力光や出力光の損失が大きくなるという問題点もある。

そこで本発明は、上述した実施の形態に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、入力光や出力光の損失を抑えるとともに、コスト低減、小型化及び信頼性の向上を図ることができる双方向光モジュール、光通信システムを提供することにある。

本発明に係る双方向光モジュールは、上述した課題を解決するために、発光させた出力光を双方向の光伝送が可能な光ファイバへ供給するとともに、当該光ファイバから供給される入力光を受光素子により受光させるための双方向光モジュールにおいて、光ファイバから供給された入力光の光束を拡大させる第１のレンズと、第１のレンズから出射され、第１の面から入射された上記入力光を受光素子における受光面上に集光させる第２のレンズと、第２のレンズの内部、第１の面上、或いは第１のレンズと第２のレンズ間の何れかに設けられてなり、出力光を発光する発光素子とを備え、第１のレンズは、発光素子から発光された出力光を光ファイバへ結像させ、また上記入力光の光束が発光素子を一部に含むようにこれを拡大させる。

本発明に係る光通信システムは、上述した課題を解決するために、光ファイバの両端に設けられた双方向光モジュール間で双方向の光通信を行う光通信システムにおいて、双方向光モジュールは、光ファイバを介して相手側の双方向光モジュールから供給された入力光の光束を拡大させる第１のレンズと、第１のレンズから出射され、第１の面から入射された入力光を受光素子における受光面上に集光させる第２のレンズと、第２のレンズの内部、第１の面上、或いは第１のレンズと第２のレンズ間の何れかに設けられてなり、出力光を発光する発光素子とを有し、第１のレンズは、発光素子から発光された出力光を光ファイバへ結像させてこれを相手側の双方向光モジュールへ伝送し、また入力光の光束が発光素子を一部に含むようにこれを拡大させる。

本発明に係る双方向光モジュール並びに光通信システムでは、従来のようにビームスプリッタを使用する必要がなくなることから、入力光や出力光の損失を極力抑えることができる。また、モジュール全体の部品点数を減らすことができ、モジュール全体を小型化することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、１本の光ファイバを用いて双方向に光信号を伝送する一芯双方向光通信システム、並びにこれに適用される双方向光モジュール１につき図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、この双方向光モジュール１が配設される一芯双方向光通信システム１０を示している。この一芯双方向光通信システム１０は、互いに異なるＡ地点,Ｂ地点に設置された各双方向光モジュール１ａ,１ｂ間で１本の光ファイバ１７を介して信号を送受信するシステムである。

Ａ地点に設置された双方向光モジュール１ａは、相手側（双方向光モジュール１ｂ）に送信すべき情報に応じた出力光を、双方向の光伝送が可能な光ファイバ１７を介して伝送させるとともに、当該光ファイバ１７を介して相手側から伝送される入力光を受光する。この双方向光モジュール１ａにより光ファイバ１７へ伝送された出力光は、双方向光モジュール１ｂにおける入力光に相当する。この双方向光モジュール１ｂは、この入力光を受光することによりこれに付加された情報を取得するとともに、相手側（双方向光モジュール１ａ）に送信すべき情報に応じた出力光を発光し、これを光ファイバ１７を介して伝送させる。この双方向光モジュール１ｂにより伝送された出力光は、上述した双方向光モジュール１ａにおける入力光に相当することになる。

ちなみに、この光ファイバ１７の両端には光コネクタ１８がそれぞれ設けられ、この光コネクタ１８の先端を双方向光モジュール１ａ,１ｂ内に挿通させることにより構成する。ちなみに、この光コネクタ１８は、双方向光モジュール１と光ファイバ１７との間隙を極小に維持すべく、例えばフェルール等で保持するように構成してもよい。

次に、双方向光モジュール１の構成につき、図２を用いて詳細に説明する。

双方向光モジュール１は、図２に示すように、光ファイバ１７に近い方から順に第１のレンズ２３，第２のレンズ２４，受光素子２２が互いに間隙が形成されるように配設され、さらに第２のレンズ２４の内部、第２のレンズ２４における第１の面２４ａ上、或いは上記第１のレンズ２３と上記第２のレンズ２４間の何れかには、出力光を発光するための発光素子２１が設けられている。

光ファイバ１７は、コアの周囲にグラッド層を被覆することにより形成される導波路につき、さらに複数層にも亘る被覆材を被覆することにより構成される。光ファイバ１７の先端に光コネクタ１８を装着する場合には、かかる先端を被覆している被覆材を皮剥して導波路を露出させた状態にしてもよい。この光ファイバ１７は、例えばＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）等の透明性の樹脂材やガラス等で構成される。このとき光ファイバの端面には、ＡＲコート等の反射防止膜を形成するようにしてもよい。

発光素子２１は、半導体の再結合発光を利用して光を発光する発光ダイオードやレーザダイオード等で構成され、一芯双方向光通信に用いられる帯域の出力光を、注入された電流に基づき発光させる。この発光素子２１から出射された拡散光束の出力光は、第１のレンズ２３へ入射されることになる。この発光素子２１は、光ファイバ１７の光軸と略同軸上に配置されるが、かかる場合に限定されるものではなく、発光させる出力光を第１のレンズを介して光ファイバ１７の端面に光結合でき、さらにかかる光ファイバ１７への指向性が考慮されている箇所であればいかなる位置に配置されていてもよい。この発光素子２１は、注入すべき電流を送り込むためのドライバ回路が形成された配線基板に接続されていてもよい。

受光素子２２は、例えばフォトダイオード（ＰＤ）等のように、印加されたバイアス電圧に基づき、受光面に対して照射された光を、その光量に応じた電気的な変換信号に変換する光電変換素子であり、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）等からなるものである。この受光素子２２は、第２のレンズ２４から出射された集束光束の入力光を受光面を介して受光し、その光量に応じた電気信号を生成する。この受光素子２２には、光電変換により生成された電気信号を取り出すためのドライバ回路が形成された配線基板が接続されていてもよい。ちなみに、この受光素子２２の配設位置については、第１のレンズ２３、第２のレンズ２４における屈折率等を十分考慮して決定されているものとする。

第１のレンズ２３は、発光素子２１から発光された出力光を上記光ファイバ１７へ結像させる。また、この第１のレンズ２３は、光ファイバ１７から光コネクタ１８を介して出射された入力光の光束を拡大させる。このとき第１のレンズ２３は、入力光の光束を拡大させた結果、かかる光束が発光素２１子を一部に含むようにこれを制御する。なお、この第１のレンズ２３は、この入力光の光束を拡大する際に、図２に示すような平行光束にしてもよいし、拡散光束或いは集束光束となるようにしてもよい。

第２のレンズ２４は、第１のレンズ２３から出射され、第１の面２４ａから入射された入力光を受光素子２２における受光面上に集光させる。ちなみに、この第２のレンズ２４における幅、大きさ、形状、材質等については、この第２のレンズ２４が設けられた趣旨を逸脱しないものであれば、いかなるもので構成してもよい。

第１のレンズ２３と第２のレンズ２４との距離については、これらレンズ２３,２４間における屈折率や位置等が考慮された上で決定されている。また、第１のレンズ２３及び／又は第２のレンズ２４については、ＡＲコート等の反射防止膜を形成するようにしてもよい。特に第１のレンズ２３の何れかの面に反射防止膜を形成させておくことにより、発光素子２１により発光された出力光が第１のレンズ２３を反射し、これが受光素子２２へ到達することもなくなることから、クロストークを軽減させることができ、ノイズの少ない光電変換信号を生成することも可能となる。

このような構成からなる双方向光モジュール１において、光ファイバ１７から伝搬してくる入力光は、光コネクタ１８を介して第１のレンズ２３へ出射され、さらにこの第１のレンズ２３により光束が拡大された上で、第２のレンズ２４側へ出射される。この光束が拡大された入力光は、発光素子２１により一部伝搬が遮られるが、残りの大部分は、第２のレンズ２４における第１の面２４ａへ入射されることになる。この第２のレンズ２４における第１の面２４ａに入射された入力光は、受光素子２２の受光面に向けて集光され、かかる受光面により光電変換されることになる。

このとき、第１のレンズ２３により拡大された入力光の光束中において、この発光素子２１は、その一部を占めているに過ぎない。これは、この拡大された入力光の光束の面積が、発光素子２１の面積よりも大きいことを示唆している。このため、受光素子２２へ伝搬していく入力光のうち発光素子２１により遮蔽されるのは、その一部であるため、これに基づく光損失も低く抑えることが可能となる。特にこの拡大された入力光の光束の面積に対する発光素子２１の面積の割合をより小さくすることにより、その光損失をより低く抑えることも可能となる。

ちなみに、発光素子２１の発光面から出射した出力光は、第１のレンズ２３を介して光ファイバ１７へ結像され、さらには光ファイバ１７を介して相手側の双方向光モジュール１へ伝送されていくことになる。このとき、第１のレンズ２３は、光ファイバ１７に対して出力光を高効率で光結合できるようにするため、その中心部における出力光の透過領域の曲率を適度に調整して構成されている。この曲率を調整する際には、例えば第１のレンズ２３における出力光の透過領域の形状を変更してもよいし、或いは当該領域の材質を入れ換えることにより屈折率を変えることでこれを実現するようにしてもよい。

このように、本発明を適用した双方向光モジュール１では、従来のようにビームスプリッタを使用する必要がなくなることから、入力光や出力光の損失を極力抑えることができる。また、光方向性結合器や分波器等を用いずにモジュールを構成することができるため、出力マージンを従来よりも大きくとることができる。これは、光ファイバ１７による伝送の過程において、各種光パワーの損失を考慮しても、受光素子２２への光結合時における余裕度が従来よりも大きくなることを意味している。

また、光ファイバ１７から出射された入力光が拡散しても第１のレンズ２３並びに第２のレンズ２４によりこれを受光素子２２へ集光させることができるため、入力光の損失を極力抑えることが可能となる。

特に、この双方向光モジュール１では、モジュール全体の部品点数を減らすことができ、モジュール全体を小型化することができる。また、この双方向光モジュール１では、光ファイバ１７の光軸と同軸上に発光素子２１等を実装するため、特にその直交方向においてモジュールの小型化を促進させることが可能となり、かつ構成全体をきわめて簡略化させることができるため、作製コストをより低く抑え込むことが可能となる。

また、光学部品の数を極力低く抑えることができるこの双方向光モジュール１では、実装時において部品間で僅かなズレ等が生じる可能性が少なくなることから、この双方向光モジュール１を装着する一芯双方向光通信システム１０全体の信頼性を向上させることが可能となる。

即ち、本発明を適用した双方向光モジュール１では、入力光や出力光の損失を抑えるとともに、コスト低減、小型化及び信頼性の向上を図ることが可能となる。

また、光ファイバ１７の端面や各レンズ２３,２４につき、反射防止膜を形成させることで、クロストークの影響を低減させるとともに、光ファイバ１７を介して出射された入力光の多くを受光素子２２へ受光させることができ、また発光素子２１より出射された出力光の多くを光ファイバ１７へ光結合させることができ、光損失を低減させることが可能となる。

なお、本発明を適用した双方向光モジュール１において、発光素子２１により発光された出力光をモニタリングする場合には、図３に示すようにハーフミラー３０とモニタＰＤ３１を設置するようにしてもよい。

ハーフミラー３０は、第１のレンズ２３と第２のレンズ２４との間において、発光素子２１の発光面に対して４５°傾けて設置されている。また、モニタＰＤ３１は、その受光面がハーフミラー３０に対してさらに４５°傾くように設置されている。発光素子２１から発光された出力光は、一部につきハーフミラー３０を通過するとともに残りの一部は、ハーフミラー３０を反射する。このハーフミラー３０を反射した出力光は、モニタＰＤ３１により受光されることによりモニタリングされることになる。

また、本発明を適用した双方向光モジュール１において、出力光と入力光との波長が異なる場合には、第１のレンズ２３と第２のレンズ２４との間に波長選択フィルタを設置することにより、これらを正確かつ高効率に分離するようにしてもよい。即ち、第１のレンズ２３と第２のレンズ２４との間に波長選択フィルタを設置することにより、波長の異なる複数の光を双方向で送受信するシステムにこの双方向光モジュール１を配設することが可能となる。

また、双方向光モジュール１では、伝搬されてきた入力光を第１のレンズ２３並びに第２のレンズ２４により集光させてこれを受光素子２２へ受光させる。このため、受光素子２２の受光面積をより小さく設計することが可能となり高速な光通信にも対応させることが可能となる。

また、本発明を適用した双方向光モジュール１では、さらに発光素子２１と受光素子２２の配設位置を互いに入れ換えるようにしてもよい。かかる場合には、各レンズ２３,２４における曲率は一定のままで光学系を構成することも可能となる。

本発明を適用した双方向光モジュールが配設される一芯双方向光通信システムを示す図である。 本発明を適用した双方向光モジュールの構成図である。 発光素子により発光された出力光をモニタリングする方法につき説明するための図である。 従来の双方向通信用モジュールの構成につき説明するための図である。 この双方向通信用モジュールにおいて、発光器,受光器,光方向性結合器を一体化させた構成を示す図である。 従来の双方向通信用モジュールの他の構成につき説明するための図である。

符号の説明

１ 双方向光モジュール、２１ 発光素子、２２ 受光素子、２３ 第１のレンズ、２４ 第２のレンズ、１７ 光ファイバ、１８ 光コネクタ、３０ ハーフミラー、３１ モニタＰＤ

Claims (4)

1. 発光させた出力光を双方向の光伝送が可能な光ファイバへ供給するとともに、当該光ファイバから供給される入力光を受光素子により受光させるための双方向光モジュールにおいて、
   上記光ファイバから供給された入力光の光束を拡大させる第１のレンズと、
   上記第１のレンズから出射され、第１の面から入射された上記入力光を上記受光素子における受光面上に集光させる第２のレンズと、
   上記第２のレンズの内部、上記第１の面上、或いは上記第１のレンズと上記第２のレンズ間の何れかに設けられてなり、上記出力光を発光する発光素子とを備え、
   上記第１のレンズは、上記発光素子から発光された出力光を上記光ファイバへ結像させ、また上記入力光の光束が上記発光素子を一部に含むようにこれを拡大させること
   を特徴とする双方向光モジュール。
2. 上記光ファイバの端面及び／又は上記第１のレンズにおける何れかの面には、反射防止膜が形成されてなること
   を特徴とする請求項１記載の双方向光モジュール。
3. 光ファイバの両端に設けられた双方向光モジュール間で双方向の光通信を行う光通信システムにおいて、
   上記双方向光モジュールは、
   上記光ファイバを介して相手側の双方向光モジュールから供給された入力光の光束を拡大させる第１のレンズと、
   上記第１のレンズから出射され、第１の面から入射された上記入力光を上記受光素子における受光面上に集光させる第２のレンズと、
   上記第２のレンズの内部、上記第１の面上、或いは上記第１のレンズと上記第２のレンズ間の何れかに設けられてなり、上記出力光を発光する発光素子とを有し、
   上記第１のレンズは、上記発光素子から発光された出力光を上記光ファイバへ結像させてこれを上記相手側の双方向光モジュールへ伝送し、また上記入力光の光束が上記発光素子を一部に含むようにこれを拡大させること
   を特徴とする光通信システム。
4. 上記光ファイバの端面及び／又は上記第１のレンズにおける何れかの面には、反射防止膜が形成されてなること
   を特徴とする請求項３記載の光通信システム。

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