JP2006235293A - 光通信モジュール - 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を提供する。
【解決手段】
レンズ５の光ファイバ１側に向いた曲面の光学面が正の屈折力を有するため、光ファイバ１より波長λ１の発散光が斜入射したときに、これを平行光束になるように変換するので、それにより集光効率を高めることができる。又、レンズ５の曲面の光学面にエシュロン型の回折構造５ａを形成することにより、回折構造５ａで発生した１次回折光（２次以上の回折光であっても良い）が、レンズ５の光軸に沿って或いは平行に進行するようになるので、光透過率を高く維持できる。
【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る。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。特に、入射面に回折構造を設けている場合、回折構造への光の入射角度がばらつくと、回折効率が低下し、入射光を有効に利用できないという問題がある。図６に、回折構造に入射する光の角度を変えた場合における、回折効率の変化を示す。図６によれば、最も回折効率が高まる入射角度（この例では＋３度）が存在することがわかる。

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、
前記光ファイバの端面から出射される波長λ１の光が入射する受光素子と、
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た第２の光学素子と、を有し、
前記第１の光学素子は、前記受光素子及び前記発光素子側に向いた曲面の光学面と、前記光ファイバの端面側に向いた曲面の光学面とを有し、
前記曲面の光学面には、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沿って或いは平行に進行するように、前記波長λ１の光は、前記第１の光学素子の光軸に対して傾いた状態で、前記回折構造に照射されることを特徴とする。

本発明の光通信モジュールによれば、前記第１の光学素子における前記光ファイバ側に向いた曲面の光学面が、前記光ファイバより前記波長λ１の発散光が斜入射したときに、その発散角をより小さくするので集光効率を高めることができる。又、前記曲面の光学面に回折構造を形成することにより、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沿って或いは平行に進行するようになっているので、更に光透過率を高く維持できる。加えて、前記発光素子と、前記第１の光学素子との間に前記第２の光学素子を設けているので、前記第１の光学素子が、前記光ファイバの端面側に、その平面の光学面を設けることで、収差劣化をより抑制することができる。

前記第１の光学素子における前記受光素子及び前記発光素子側に向いた曲面の光学面は、前記第１の光学素子の光軸に対して、前記光ファイバより前記波長λ１の発散光が斜入射したときに、平行光に変換すると、より集光効率が高まる。

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。

更に、前記第１の光学素子の光軸は、前記発光素子から前記光ファイバの端面に向かって出射される光の軸線に対して、前記回折構造の並び方向に傾いているので、前記発光素子から出射される光と、前記光ファイバの伝播光との結合効率を向上させることができる。

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。又、ケース６の図で右端には、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、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は、受光素子４と発光素子７ａ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。又、レンズ５は、光ファイバ１側の光学面（正の屈折力を有し且つ回折構造を有する第１光学面）が非球面曲面となっており、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。回端格子５ｂは、点線で示す母非球面ＭＳに沿って形成されており、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。

図３は、光ファイバ１と、レンズ５と、受光素子４及び発光素子７ａとの位置関係を示す概略三次元図である。図３において、レンズ５は、その光軸をＺ軸に一致させるようにして配置されているものとする。ここで、受光素子４は、その受光面がＺ軸上になるように配置されている。一方、光ファイバ１の端面１ａは、原点からＹ軸（回折構造５ａの並び方向）に沿って＋Δｙだけ離れた位置に配置され、端面１ａと、レンズ５のエシュロン型の回折構造５ａを結んだ延長線上であって、所定の結像関係が成立する位置に発光素子７ａが配置されている。

図１〜３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の光学面に斜入射するが、非球面曲面であるために、入射した発散光束が平行光束に変換される。更にエシュロン型の回折構造５ａが、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。

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（図３に示すＺ軸に平行）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。

本発明者らは、エシュロン型の回折構造５ａを通過する光の角度の適否について考察を行った。図５は、レンズ５におけるエシュロン型の回折構造を通過する光を模式的に示す図である。ここで、エシュロン型の回折構造における階段格子５ｂのピッチｐを２６．４μｍ、１段の高さｓを４．９μｍ、段スロープ角αを６．５度とする。レンズ５の光学面に、コートは被覆されていないものとする。図５（ａ）に示すように、波長λ２＝１．３１μｍの光を、レンズ５の光軸に平行に空気側から回折構造５ａに入射させ、且つ波長λ１＝１．４９μｍの光を、レンズ５の光軸に平行にレンズ５側から回折構造５ａに入射させた場合、本発明者らの検討結果によれば、光透過率（ＴＥ，ＴＭは偏光方向が互いに直交する向き）は以下のようになった。
（光透過率）
波長λ１の１次回折光／ＴＥ：７２．１６％、ＴＭ：７１．３０％
波長λ２の０次回折光／ＴＥ：５６．５０％、ＴＭ：５７．２８％

更に、図５（ｂ）に示すように、波長λ２＝１．３１μｍの光を、レンズ５の光軸に平行にレンズ５側から回折構造５ａに入射させ、且つ波長λ１＝１．４９μｍの光を、レンズ５の光軸に平行に空気側から回折構造５ａに入射させた場合、本発明者らの検討結果によれば、光透過率は以下のようになった。
（光透過率）
波長λ１の１次回折光／ＴＥ：６５．０４％、ＴＭ：６３．９４％
波長λ２の０次回折光／ＴＥ：５６．４８％、ＴＭ：５７．２８％

すなわち、以上の検討結果によれば、波長λ１の光を、レンズ５の光軸に平行に空気側から回折構造５ａに入射させた場合より、レンズ５の光軸に平行にレンズ５側から回折構造５ａに入射させた場合の方が高い光透過率を得ることができることがわかる。しかしながら、図５（ａ）の構成だと、回折構造５ａから出射される波長λ１の１次回折光が、受光素子４の受光面に集光するように調整することが難しいという問題がある。

これに対し、図５（ｃ）に示すように、波長λ２＝１．３１μｍの光を、レンズ５の光軸に斜めにレンズ５側から回折構造５ａに入射させ、且つ波長λ１＝１．４９μｍの光を、レンズ５の光軸に斜めに空気側から回折構造５ａに入射させ且つ１次回折光を光軸に沿って出射させるようにした場合には、本発明者らの検討結果によれば、光透過率は以下のようになった。
（光透過率）
波長λ１の１次回折光／ＴＥ：７２．１７％、ＴＭ：７１．３１％
波長λ２の０次回折光／ＴＥ：５４．１９％、ＴＭ：５３．６２％

即ち、波長λ１の光を、レンズ５の光軸に平行に空気側から回折構造５ａに入射させた場合と、レンズ５の光軸に斜めに空気側から回折構造５ａに入射させ且つ１次回折光を光軸に沿って出射させるようにした場合とでは、ほぼ等しい光透過率を得ることができることがわかった。又、かかる配置であれば、レンズ５の光軸に受光素子４の受光面があるようにあらかじめ配置して、０次回折光と１次回折光とがそれぞれ適切に集光するような位置関係で調整を行えば足り、より容易に組付けを行うことができる。

更に、本実施の形態の光通信モジュールによれば、レンズ５の光ファイバ１側に向いた曲面の光学面が正の屈折力を有するため、光ファイバ１より波長λ１の発散光が斜入射したときに、これを平行光束になるように変換する。従って、レンズ５の曲面の光学面に形成したエシュロン型の回折構造５ａへの入射光束は全て平行光束となるので、回折構造５ａで発生した１次回折光（２次以上の回折光であっても良い）を、レンズ５の光軸に沿って或いは平行に精度良く進行させることができ、その結果として光透過率を高く維持できる。加えて、発光素子７ａと、レンズ５との間にレンズ７ｂを設けているので、レンズ５が、光ファイバ１の端面１ａ側に、その平面の光学面を設けることで、収差劣化をより抑制することができる。

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。 光ファイバ１と、レンズ５と、受光素子４及び発光素子７ａとの位置関係を示す概略三次元図である。 光ファイバ１の端面１ａを拡大して示す側面図である。 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。 回折構造に入射する光の角度を変えた場合における、回折効率の変化を示す図であるり、回折構造の仕様を変えたものを２例示している。

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

Claims (5)

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、
   前記光ファイバの端面から出射される波長λ１の光が入射する受光素子と、
   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た第２の光学素子と、を有し、
   前記第１の光学素子は、前記受光素子及び前記発光素子側に向いた曲面の光学面と、前記光ファイバの端面側に向いた曲面の光学面とを有し、
   前記曲面の光学面には、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沿って或いは平行に進行するように、前記波長λ１の光は、前記第１の光学素子の光軸に対して傾いた状態で、前記回折構造に照射されることを特徴とする光通信モジュール。
2. 前記第１の光学素子における前記受光素子及び前記発光素子側に向いた曲面の光学面は、前記第１の光学素子の光軸に対して、前記光ファイバより前記波長λ１の発散光が斜入射したときに、平行光に変換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又は２に記載の光通信モジュール。
4. 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３のいずれかに記載の光通信モジュール。
5. 前記第１の光学素子の光軸は、前記発光素子から前記光ファイバの端面に向かって出射される光の軸線に対して、前記回折構造の並び方向に傾いてい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。
   
   

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