JP2006235037A - 光通信モジュール及び光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】
光透過率を高めることができる光学素子を備えた光通信モジュール及び光学素子を提供する。
【解決手段】
波長λ１の光が、光ファイバ１側からレンズ５に対してその光軸に沿って入射し、波長λ２の光が、光ファイバ１側に向かってレンズ５からその光軸に沿って出射するようにしたので、レンズ５に入射する光或いは出射する光は、その屈折面における光軸を中心とした領域を通過するため、レンズ５の集光作用を最も効率よく発揮でき、それにより光透過率を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバの端部に取り付けられて、光ファイバを介して送信された光信号を受信すると共に、光ファイバを介して光信号を送信するための光通信モジュール及び光学素子に関する。

従来、波長の異なる光を用いた双方向伝送による光通信システムでは、光ファイバを介して光信号を送受する端末に、受光素子や発光素子やレンズ等からなる光学系を含む光通信モジュールを設けることが行われている。かかる光通信モジュールの光学系が回折構造による回折効果を利用して送信光と受信光とを分離し、発光素子からの送信光を光ファイバに結像させ、且つ光ファイバからの受信光を受光素子に受光させることができ、それにより小型化とコストダウンとを図ることができる。

特許文献１に記載の従来の光通信モジュールの光学系では、光学素子の一方の光学面に回折構造を形成し、発光素子から出射された送信光は、かかる回折構造で回折が生じることなくそのまま通過して、光ファイバの端面に至るようにし、光ファイバから出射された光束は、回折構造で回折効果を与えて出射方向を変更し、受光素子に入射させるようにしている。
特開２００３−３４４７１５号公報

ところで、特許文献１に記載された光通信モジュールでは、光ファイバの端面から、その軸線に沿って送信光が照射され、また受信光が入射するようになっている。しかるに、かかる構成の場合、受信光が回折構造によって角度付けされて出射すると、階段状の回折構造により一部が遮られ、光透過率が低下する恐れがある。光透過率の低下は、エラー信号を発生させる恐れがある。

ここで、光透過率を向上させるために、光ファイバの軸線と、光学素子の光軸とをずらせた上で、光ファイバから出射される光束を光学素子に斜入射させる構成が試みられている。例えば、光ファイバの端面を軸線と直交する角度に対して斜めにカットするようにすれば、光の屈折により、光ファイバの端面から出射される送信光は、その軸線に対して傾いた状態で進行することとなる。かかる場合、例えば光ファイバの軸線と光学素子の光軸とを平行になるように配置すると、光ファイバより出射した受信光が回折構造を通過することで発生する０次回折光は、受光素子に到達し、発光素子から出射された送信光が回折構造を通過することで発生するｎ次回折光は、光ファイバに到達することができ、それにより光透過率を向上させることができる。

ところが、光ファイバの軸線と光学素子の光軸とを平行になるように配置すると、光ファイバから光学素子に照射されるのは発散光束であるから、その光学面に斜入射したときに、幾何学上、最も光ファイバに近い領域を通過する光と、最も光ファイバから遠い領域を通過する光とで、入射角度が異なることになり、回折構造による影が発生し、光量の低下を招く。このように入射角度が異なると、かかる光学素子を通過した光束全てを受光素子に集光させることが困難となり、光透過率が低下する恐れがある。

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、光透過率を高めることができる光学素子を備えた光通信モジュール及び光学素子を提供することを目的とする。

本発明の光通信モジュールは、軸線直交面に対して傾いている端面を有する光ファイバに対して光を送受する光通信モジュールにおいて、
ハウジングと、
前記光ファイバの端面から、前記ハウジングに対して傾いた方向に出射される波長λ１の光が入射する受光素子と、
前記ハウジングに対して傾いた方向より、前記光ファイバの端面に入射させるため波長λ２（λ１≠λ２）の光を出射する発光素子と、
前記受光素子及び前記発光素子と前記光ファイバの端面との間に配置されてなり、前記受光素子及び前記発光素子側に回折面を有する第１光学面と、前記光ファイバ側に正の屈折力を有する第２光学面と、前記第１光学面及び前記第２光学面の周囲に形成されたフランジ部とを備えた第１の光学素子と、
前記発光素子と前記第１の光学素子との間に配置され、正の屈折力を有する第２の光学素子と、を有し、
前記回折面には、前記波長λ２の光が通過したときに、０次回折光が最も光量が高くなり、前記波長λ１の光が通過したときに、ｎ（ｎは０以外の整数）次回折光が最も光量が高くなる回折構造が形成されており、
前記波長λ１の光は、前記光ファイバ側から前記第１の光学素子に対して前記第１の光学素子の光軸に沿って入射し、前記波長λ２の光は、前記光ファイバ側に向かって前記第１の光学素子から前記第１の光学素子の光軸に沿って出射することを特徴とする。

本発明によれば、前記波長λ１の光が、前記光ファイバ側から前記第１の光学素子に対して前記第１の光学素子の光軸に沿って入射し、前記波長λ２の光が、前記光ファイバ側に向かって前記第１の光学素子から前記第１の光学素子の光軸に沿って出射するようにしたので、前記第１の光学素子に入射する光或いは出射する光は、その光学面における光軸を中心とした領域を通過するため、前記第１の光学素子の集光作用を最も効率よく発揮でき、それにより光透過率を向上させることができる。

ここで、作業者が光ファイバと光通信モジュールとを接続する際の利便性を考慮すると、光通信モジュールのハウジングの軸線は、接続される光ファイバに対して極力平行であることが望ましい。すると、光ファイバからハウジングに対して斜めに出射される光束が、その屈折面に対して垂直に入射するように第１の光学素子を配置しようとすると、第１の光学素子の軸線と、ハウジングの軸線とが傾いてしまうこととなり、その取り付けをどのようにして行うが問題となる。

これに対し、前記第１の光学素子のフランジ部が、前記第１の光学素子の光軸に対して傾いた端面を有するようにすれば、前記ハウジングの取り付け面が、その軸線に対して直交している限り、単純に前記取り付け面に対して前記フランジ部の端面を当接させるだけで、前記第１の光学素子の光軸が、前記ハウジングの軸線に対して所定の角度で傾くこととなり、それにより光透過率を高く維持しながらも、容易な組み付け・調整を確保できることとなる。

前記回折構造で発生した前記ｎ次回折光が、前記第１の光学素子の光軸に対して傾いた状態で進行し、前記受光素子により受光されると好ましい。

前記回折構造で発生した前記０次回折光が、前記第１の光学素子の光軸に沿って進行し、前記光ファイバにより受光されると好ましい。

更に、前記回折構造は、所定方向に周期的に形成されたエシュロン型回折構造であると、特に平面の光学面に形成することで製造が容易となって好ましいが、ブレーズ型の回折構造でも良い。

更に、前記第１の光学素子は樹脂製であると、前記回折構造を形成しやすいので好ましく、前記第２の光学素子はガラス製であると、収差特性が良好なものとなる。

なお、第１の光学素子に適した樹脂材料として、環状オレフィン系の他、いわゆる「アサーマル樹脂」を用いることができる。アサーマル樹脂とは、母材となる樹脂の温度変化に伴う屈折率変化率とは、逆符号の屈折率変化率を有する直径が３０ｎｍ以下の粒子を分散させた樹脂材料である。一般に、透明な樹脂材料に微粉末を混合させると、光の散乱が生じ、透過率が低下するため、光学材料として使用することは困難であったが、微粉末を透過光束の波長より小さい大きさにすることにより、散乱が事実上発生しないようにできることがわかってきた。

さて樹脂材料は、温度が上昇することにより、屈折率が低下してしまうが、無機粒子は温度が上昇すると屈折率が上昇する。そこでこれらの性質をあわせて打ち消しあうように作用させることにより、屈折率変化が生じないようにすることも知られている。本発明の第１の光学素子の材料として、母材となる樹脂に３０ナノメートル以下、好ましくは２０ナノメートル以下、さらに好ましくは１０〜１５ナノメートルの無機粒子を分散させた材料を利用することで、屈折率の温度依存性が無いか、あるいはきわめて低い光学素子を提供できる。

たとえば、アクリル樹脂に、酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）の微粒子を分散させている。母材となる樹脂は、体積比で８０、酸化ニオブは２０程度の割合であり、これらを均一に混合する。微粒子は凝集しやすいという問題があるが、粒子表面に電荷を与えて分散させる等の技術により、必要な分散状態を生じさせることが出来る。

母材となる樹脂と粒子との混合・分散は、光学素子の射出成形時にインラインで行うことが好ましい。いいかえると、混合・分散した後は、光学素子に成形される迄、冷却・固化されないことが好ましい。

なお、この体積比率は、屈折率の温度に対する変化の割合をコントロールするために、適宜増減できるし、複数種類のナノサイズ無機粒子をブレンドして分散させることも可能である。

比率では、上記の例では８０：２０、すなわち４：１であるが、９０：１０（９：１）から６０：４０（３：２）までの間で適宜調整可能である。９：１よりも少ないと温度変化抑制の効果が小さくなり、逆に３：２を越えると樹脂の成形性に問題が生じるために好ましくない。

微粒子は無機物であることが好ましく、さらに酸化物であることが好ましい。そして酸化状態が飽和していて、それ以上酸化しない酸化物であることが好ましい。

無機物であることは、高分子有機化合物である母材となる樹脂との反応を低く抑えられるために好ましく、また酸化物であることによって、使用に伴う劣化を防ぐことが出来る。特に高温雰囲気など過酷な条件下で使用される場合において、酸化が促進されやすくなるが、このような無機酸化物の微粒子であれば、酸化による劣化を防ぐことが出来る。

また、その他の要因による樹脂の酸化を防止するために、酸化防止剤を添加することも勿論可能である。

ちなみに、母材となる樹脂として、特願２００２−３０８９３３号、特願２００２−３０９０４０号、特願２００２−３０８９６４号等に記載されているような樹脂を適宜好ましく採用することができる。

前記光ファイバの端面には、反射防止膜などの機能膜が成膜されていると好ましい。機能膜の成膜方法としては、浸漬、スプレー、蒸着、プラズマなど種々の処理がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態による光通信モジュールの概略的断面図である。尚、エシュロン型の回折構造に関しては、理解しやすいように実際より誇張して描いている。

図１において、円筒状のケース（ハウジングともいう）６内の中央に、樹脂製のレンズ（第１の光学部材）５が配置されている。より具体的に説明すると、ケース６の内周から開口を有する壁６ａが、ケース６の軸線に対して直交するように延在している。この壁６ａに、レンズ５のフランジ部５ｃの図１で右端面が当接するようにして配置されている。レンズ５の位置を調整した状態で、フランジ部５ｃの図１で左端面が、ケース６に螺合などされた取り付け板８により押圧され、それと平行な壁６ａに向かってフランジ部５ｃを押圧することでレンズ５を固定している。このような取付態様を採用した理由は、フランジ部５ｃを半径方向外方から拘束力を与えて固定すると、レンズ５の光学面の変形を招いてしまい好ましくないためである。

又、ケース６の図１で右端には、中空円筒状の保持体３が取り付けられており、その内部に光ファイバ１が挿通されている。光ファイバ１は光通信システムに接続されることによって、別な端末との間で送受する光信号を伝播可能であり、その端面１ａにおいて受信光を照射し且つ発信光を入射する構成となっている。更に、ケース６の図で左端には、基板２が取り付けられており、基板２の内側面には、フォトダイオードからなる受光素子４と、発光素子ユニット７とが取り付けられている。発光素子ユニット７は、半導体レーザである発光素子７ａと、正の屈折力を有するガラス製のレンズ（第２の光学素子）７ｂとを一体的に組み付けてなる。受光素子４と発光素子７ａとは、基板２の植設されたコネクタ８を介して、電気信号を伝達可能に外部の端末機器（不図示）に接続されるようになっている。

図２（ａ）は、レンズ５を受光素子４と発光素子７ａ側から見た図であり、図２（ｂ）は、図２（ｂ）のレンズ５を光軸と垂直線とを含む面で切断して示す（矢視Ｂ−Ｂ）断面図である。レンズ５は、光ファイバ１側には非球面の光学面（正の屈折力を有する第２光学面）を有しているが、受光素子４と発光素子７ａ側の光学面（回折面を有する第１光学面）は平面となっており、その上にエシュロン型の回折構造５ａを形成している。エシュロン型の回折構造５ａは、図２（ｂ）に示すように、光学面上において水平方向に延在し周期的に繰り返す階段格子５ｂによって形成されている。１つの階段格子５ｂは、例えば、段数が４であり、全体の高さＨを１５μｍ、全体の幅Ｗを３８μｍに設定できる。なお、レンズ５は、その周囲にフランジ部５ｃを有している。

図１、２の光通信モジュールを光信号の送受のための光双方向の光通信装置に適用した場合、発光素子７ａから所定の信号に基づき変調された例えば波長λ２＝１．３１μｍのレーザ光が出射され、レンズ７ｂを介してレンズ５に対し光軸に沿って入射するが、このときエシュロン型の回折構造５ａは、波長λ２＝１．３１μｍについては回折効果を発揮しない（すなわち０次回折光の光量が最大となる）ような構成となっているため、点線で示すようにレーザ光は０次回折光として直進し、光ファイバ１の端面１ａに入射して、光ファイバ１を通して外部の端末機器へと送られる。

一方、光ファイバ１から送られてきて端面１ａから出射された例えば波長λ１＝１．４９μｍの光は、レンズ５の光軸に沿って入射するが、エシュロン型の回折構造５ａは、波長λ１＝１．４９μｍについては、回折効果を発揮することで１次回折光の光量が最大となるような構成となっているため、入射光に対して実線で示すように角度付けされて回折構造５ａから発生した１次回折光は、受光素子４の受光面に結像し電気信号に変換されるようになっている。かかる電気信号に基づいて、送信された情報を取得することができる。なお、光通信モジュールは、全体としてケース６内に収容されて遮光状態で使用される。

本実施の形態によれば、波長λ１の光が、光ファイバ１側からレンズ５に対してその光軸に沿って入射し、波長λ２の光が、光ファイバ１側に向かってレンズ５からその光軸に沿って出射するようにしたので、レンズ５に入射する光或いは出射する光は、その屈折面における光軸を中心とした領域を通過するため、レンズ５の集光作用を最も効率よく発揮でき、それにより光透過率を向上させることができる。

図３は、レンズ５のエシュロン型の回折構造５ａを通過する光を模式的に示す図であり、点線の矢印は光ファイバ１へ向かう送信光を示し、実線の矢印は受光素子４へ向かう受信光を示している。本実施の形態においては、レンズ５の光軸をケース６の軸線に対して傾けており、またエシュロン型の回折構造５ａの階段構造は、受光素子４側（図３で左側）に向かって段数が少なくなる形状を有しているので、図３に示すように、回折した光が回折構造５ａによって遮られることが抑制され、光透過効率を向上させることができるようになっている。

レンズ５の光軸をケース６の軸線に対して傾けようとした場合、その基準をどうするかが問題となる。ここで、ケース６の取り付け面６ａを傾けて、そこにレンズ５を取り付けることもできるが、ケース６の製造が比較的困難となる。そこで、本実施の形態においては、レンズ５のフランジ部５ｃの端面を、レンズ５の光軸に対して直交する位置から所定角度傾けることで、ケース６の軸線に対して取り付け面６ａが直交していた場合でも、その取り付け面６ａにフランジ部５ｃの端面を突き当てるという容易な作業により、レンズ５の光軸をケース６の軸線に対して最適な角度で傾けることができるようにしている。

図４は、光ファイバ１の端面１ａを拡大して示す側面図である。図４において、光ファイバ１の端面１ａは、保持体３（図１）によって保持された光ファイバ１の軸線Ｐ（ケース６の軸線に平行）に対して、θ度傾いている。従って、光ファイバ１の内部から端面１ａを介して射出される光は、軸線Ｐに対してφ度傾いた状態で出射することとなる。角度φは、光ファイバの材質と空気との屈折率の比に従い、角度θをパラメータとして求めることができる。なお、光ファイバ１の端面には、反射防止機能を有する機能膜が形成されている。

ここで、本実施の形態に用いるレンズ５の製造態様について説明する。図５は、本実施の形態にかかるレンズ５を成形する成形装置の概略図である。図５において、成形装置は、つば部１１ａを有する円筒状の下型１１と、下型１１に対向する円筒状の上型１２と、下型１１の周囲に嵌合配置される円管状の下胴型１３と、上型１２の周囲に嵌合配置される円管状の上胴型１４とから構成されている。下型１１の上面には、凹状の非球面光学転写面１１ｂが形成されており、上型１２の下面には、エシュロン型回折構造に対応した微細な階段状の凹部１２ａが形成されている。

又、下胴型１３と上胴型１４の内周には、レンズ５のフランジ部５ｃに対応するくぼみ１３ａ、１４ａがそれぞれ形成されている。くぼみ１３ａ、１４ａの底面１３ｂ、１４ｂは、互いに平行な平面であるが、下型１１及び上型１２の軸線Ｘに対して傾いている。なお、くぼみ１３ａ、１４ａの一部には、それぞれ図５に示す抜き勾配ＣＴを設けているが、点線で示すように、くぼみ１３ａ、１４ａの内周面を軸線Ｘと平行にしても良い。

成形時には、不図示のゲートから、下型１１及び上型１２の間に形成されるキャビティＣＶ内に加熱溶融した樹脂材を圧送し、下型１１に対して上型１２を接近させることで圧力を与えて成形を行う。キャビティＣＶからあふれた樹脂材は、くぼみ１３ａ、１４ａに充填され、冷却固化することでフランジ部５ｃとなる。その後、上型１２と上胴型１４とを離型することで、レンズ５を得ることができる。このとき、パーティングラインは図５の位置Ｐとなるが、成形されたレンズ５が、離型を妨げることがない。このようにして成形されたレンズ５には、端面が軸線Ｘ即ち光軸に対して傾いたフランジ部５ｃが形成されることとなる（図１参照）。

なお、レンズ５の軸線の傾きと、その成形性との間には最適な範囲があり、またレンズ５の光透過効率と、その軸線の傾きとの間にも最適な範囲がある。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。

第１の実施の形態による光通信モジュールの概略的断面図である。 図２（ａ）は、レンズ５を光ファイバ側から見た図であり、図２（ｂ）は、図２（ｂ）のレンズ５を光軸と垂直線とを含む面で切断して示す（矢視Ｂ−Ｂ）断面図である。 レンズ５におけるエシュロン型の回折構造５ａを通過する光を模式的に示す図である。 光ファイバ１の端面１ａを拡大して示す側面図である。 本実施の形態にかかるレンズ５を成形する成形装置の概略図である。

符号の説明

１ 光ファイバ
１ａ 端面
２ 基板
３ 保持体
４ 受光素子
５ レンズ
５ａ 回折構造
５ｂ 階段格子
６ ケース
７ 発光素子ユニット
７ａ 発光素子
７ｂ レンズ
８ 取り付け板
１１ 下型
１２ 上型
１３ 下胴型
１４ 上胴型

Claims (8)

1. 軸線直交面に対して傾いている端面を有する光ファイバに対して光を送受する光通信モジュールにおいて、
   ハウジングと、
   前記光ファイバの端面から、前記ハウジングに対して傾いた方向に出射される波長λ１の光が入射する受光素子と、
   前記ハウジングに対して傾いた方向より、前記光ファイバの端面に入射させるため波長λ２（λ１≠λ２）の光を出射する発光素子と、
   前記受光素子及び前記発光素子と前記光ファイバの端面との間に配置されてなり、前記受光素子及び前記発光素子側に回折面を有する第１光学面と、前記光ファイバ側に正の屈折力を有する第２光学面と、前記第１光学面及び前記第２光学面の周囲に形成されたフランジ部とを備えた第１の光学素子と、
   前記発光素子と前記第１の光学素子との間に配置され、正の屈折力を有する第２の光学素子と、を有し、
   前記回折面には、前記波長λ２の光が通過したときに、０次回折光が最も光量が高くなり、前記波長λ１の光が通過したときに、ｎ（ｎは０以外の整数）次回折光が最も光量が高くなる回折構造が形成されており、
   前記波長λ１の光は、前記光ファイバ側から前記第１の光学素子に対して前記第１の光学素子の光軸に沿って入射し、前記波長λ２の光は、前記光ファイバ側に向かって前記第１の光学素子から前記第１の光学素子の光軸に沿って出射することを特徴とする光通信モジュール。
2. 前記第１の光学素子のフランジ部は、前記第１の光学素子の光軸に対して傾いた端面を有することを特徴とする請求項１に記載の光通信モジュール。
3. 前記回折構造で発生した前記ｎ次回折光が、前記第１の光学素子の光軸に対して傾いた状態で進行し、前記受光素子により受光されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光通信モジュール。
4. 前記回折構造で発生した前記０次回折光が、前記第１の光学素子の光軸に沿って進行し、前記光ファイバにより受光されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光通信モジュール。
5. 前記回折構造は、所定方向に周期的に形成されたエシュロン型回折構造であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光通信モジュール。
6. 前記第１の光学素子は樹脂製であり、前記第２の光学素子はガラス製であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光通信モジュール。
7. 前記光ファイバー端面には、機能膜が成膜されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光通信モジュール。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の光通信モジュールにおいて、第１の光学素子として用いられることを特徴とする光学素子。
   

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