JP2007094209A

JP2007094209A - 光受信装置

Info

Publication number: JP2007094209A
Application number: JP2005285681A
Authority: JP
Inventors: Akira Obika; 晃小比賀
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-04-12
Also published as: US7469089B2; US20070081784A1

Abstract

【課題】光ファイバのコアの径が大きく、受光素子の受光面の径が小さい場合、光ファイバと受光素子との相対位置によっては、不均一なニアフィールドパターン（ＮＦＰ）のため受光素子は十分な光量を受光できないこともある。また、光ファイバと受光素子との組み立て精度を向上させ、前記ＮＦＰに合わせてアライメントをしても、光ファイバの屈曲状態の変動で前記ＮＦＰが変動して受光素子は十分な光量を受光できないこともある。
そこで、本発明は、光ファイバの端から出射する光のＮＦＰに偏りが発生又は前記ＮＦＰの偏りが変動しても、安定して光データを受信ができる光受信装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る光受信装置は、光の光強度分布を均一化する管型導波路を介して光を受光素子に結合することとした。
【選択図】図２４

Description

本発明は、モジュール間で光データ伝送を行う光受信装置に関する。

近年、普及してきた携帯電話は、使用時及び携帯時の利便性その他の理由から、折り畳み型、スライド型又は回転型の携帯電話が多く用いられるようになった。折り畳み型、スライド型又は回転型の携帯電話においては、その形態上、複数の筐体に通信機能部、増幅回路部、表示回路部等のモジュールが分散して配置されており、各筐体に配置されたモジュール間を接続する配線には、柔軟性と駆動に耐えられる強度が求められている。

さらに、各モジュール間の配線には、音楽再生機能、動画再生機能、写真撮影機能などの携帯電話の多機能化に伴う高速なデータ伝送性、外部機器との電磁障害対策及び長時間使用の要求に伴う低消費電力化が求められている。

これらの要求を満たす配線として光ファイバを使用することが試みられている（例えば、特許文献１参照。）。以下の説明において各モジュール間を光ファイバで接続して光データ伝送を行うモジュールを光通信モジュールと記載する。
特開２００３−２４４２９５号公報。

各モジュール間の配線に光ファイバを使用する場合、モジュールには光ファイバに光を入射する発光素子及び光ファイバから出射する光を受光する受光素子が搭載され、受光素子が光ファイバを伝搬する発光素子からの光を受光することでデータ伝送が行われる。また、円滑なデータ伝送を行うために発光素子と光ファイバとの間及び光ファイバと受光素子との間の光軸を合わせて配置する必要がある。なお、以下の説明において、「光軸を合わせて配置する」を「アライメント」と略記する。

アライメントを容易にするため光ファイバのコアの径を大きくすることが望ましいが、光ファイバのコアの径が大きい場合、発光素子と光ファイバとをアライメントしても組み立て誤差により光ファイバの中心軸と異なる位置から光が入射することもある。

光ファイバの光路長が長い場合、光ファイバの中心軸と異なる位置から光が入射しても前記光は光ファイバを伝搬中にかく乱されるため、光ファイバの他端におけるニアフィールドパターン（以下、「ニアフィールドパターン」を「ＮＦＰ」と略記する。）は均一になる。

しかし、携帯電話のモジュール間を接続する光ファイバの場合、光ファイバの中心軸と異なる位置から光が入射すれば、光路長が数ｃｍと短くモードスクランブル効果が小さいため、前記光は伝搬中に十分にかく乱されず光ファイバの他端におけるＮＦＰは不均一となる。また、光ファイバの中心軸に光が入射しても、光ファイバに曲率半径が５ｍｍ程度の急峻な屈曲が発生すれば、屈曲に応じて前記光の光強度分布に偏りが生ずるため光ファイバの他端におけるＮＦＰは不均一となる。

一方、受光素子の受光面の径は高速のデータ通信を行うために小さくすることが求められている。受光素子の受光面の径が小さい場合、受光素子は光ファイバの他端から出射する光の全てを受光することはできず、光ファイバの他端の面の一部からの光しか受光できないことになる。

従って、光ファイバのコアの径が大きく、受光素子の受光面の径が小さい場合、光ファイバと受光素子との相対位置によっては、不均一な前記ＮＦＰのため受光素子は十分な光量を受光できないこともある。

さらに、光ファイバの屈曲状態は携帯電話の折り畳み、回転等の動作により変動するため、前記ＮＦＰも前記屈曲状態に応じて変動する。

従って、光ファイバと受光素子との組み立て精度を向上させ、前記ＮＦＰに合わせてアライメントをしても、受光素子は十分な光量を受光できず、安定してデータ伝送できないこともある。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、光ファイバの端から出射する光のＮＦＰに偏りが発生又は前記ＮＦＰの偏りが変動しても、安定して光データを受信ができる光受信装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明に係る光受信装置は、光の光強度分布を均一化する管型導波路を介して光を受光素子に結合することとした。

具体的には、本発明は、入射端に入射する光を鏡面反射又は全反射で出射端に伝搬する光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の形状が多角形である管型導波路と、前記管型導波路の前記出射端に接続し、前記管型導波路からの光を受光する受光素子と、を備える光受信装置である。

前記管型導波路は、前記光導波領域を囲う反射面で前記入射端に入射した光を鏡面反射又は全反射をして前記出射端に導く。

管型導波路の光導波領域において光の伝搬方向に垂直な断面の形状（以下、「光の伝搬方向に垂直な断面の形状」を「断面形状」と略記する。）が円形の場合、入射端からの光は鏡面反射又は全反射して円の中心を通る定在波（モード）を生じやすく、管型導波路の光の伝搬方向に垂直な断面の光強度分布（以下、「光の伝搬方向に垂直な断面の光強度分布」を「断面光強度分布」と略記する。）は中心付近の光強度が強くなりやすい。

また、管型導波路の光導波領域の断面形状が円形の場合、モードスクランブル効果が小さく、中心軸と異なる位置から光が入射すれば前記光は断面光強度分布が偏ったまま伝搬される。

一方、本発明に係る光受信装置における前記管型導波路の前記光導波領域の断面形状は多角形であり、光の経路が複雑になるためモードスクランブル効果が大きく、鏡面反射毎又は全反射毎に導波光はかく乱される。前記管型導波路は光路長が短くても断面光強度分布を均一化することができ、前記出射端の光のＮＦＰは均一化されるため、前記受光素子と前記管型導波路との間に組み立て誤差が生じていても、前記受光素子は十分な光量の光を受光することができる。

また、前記光受信装置の前記入射端に光ファイバの端を接続すれば、前記光ファイバの端において光のＮＦＰに偏りが生じていても、前記管型導波路は前記光ファイバの光のＮＦＰの偏りを緩和することができる。

従って、本発明は、光ファイバの端から出射する光のＮＦＰに偏りが発生又は前記ＮＦＰの偏りが変動しても、安定して光データを受信できる光受信装置を提供することができる。

なお、以下の説明において「光導波領域の断面形状が多角形である管型導波路」を「多角形管型導波路」と略記する。

本発明は、入射端に入射する光を鏡面反射又は全反射で出射端に伝搬する光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の形状が角丸多角形である管型導波路と、前記管型導波路の前記出射端に接続し、前記管型導波路からの光を受光する受光素子と、を備える光受信装置である。

角丸多角形とは、多角形の頂点のうち少なくとも一つを丸めた形状である。前記光受信装置における前記管型導波路の前記光導波領域の断面形状は角丸多角形のため、前記多角形管型導波路と同様の効果を得ることができる。

本発明は、入射端に入射する光を鏡面反射又は全反射で出射端に伝搬する光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の形状が複数の曲率を有する一の単一閉曲線で囲まれた形状である管型導波路と、前記管型導波路の前記出射端に接続し、前記管型導波路からの光を受光する受光素子と、を備える光受信装置である。

本発明に係る光受信装置の前記管型導波路の断面形状は、複数の曲率を有する一の単一閉曲線で囲まれた形状（以下、「複数の曲率を有する一の単一閉曲線で囲まれた形状」を「単一閉曲線形状」と略記する。）である。前記光受信装置における前記管型導波路の前記光導波領域の断面形状は単一閉曲線形状のため、前記多角形管型導波路と同様の効果を得ることができる。

本発明は、入射端に入射する光を鏡面反射又は全反射で出射端に伝搬する光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の形状が複数の曲線の端同士を接続して囲まれた形状且つ前記複数の曲線の接続点を特異点とする形状である管型導波路と、前記管型導波路の前記出射端に接続し、前記管型導波路からの光を受光する受光素子と、を備える光受信装置である。

本発明に係る光受信装置の前記管型導波路の断面形状は、複数の曲線の端同士を接続して囲まれた形状且つ前記複数の曲線の接続点を特異点とする形状（以下、「複数の曲線の端同士を接続して囲まれた形状且つ前記複数の曲線の接続点を特異点とする形状」を「複数曲線形状」と略記する。）である。本発明に係る光受信装置における前記管型導波路の前記光導波領域の断面形状は複数曲線形状のため、前記多角形管型導波路と同様の効果を得ることができる。

本発明は、入射端に入射する光を鏡面反射又は全反射で出射端に伝搬する光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の形状が少なくとも一の線分の端と少なくとも一の曲線の端とを接続して囲まれた形状である管型導波路と、前記管型導波路の前記出射端に接続し、前記管型導波路からの光を受光する受光素子と、を備える光受信装置である。

本発明に係る光受信装置の前記管型導波路の断面形状は、少なくとも一の線分の端と少なくとも一の曲線の端とを接続して囲まれた形状（以下、「少なくとも一の線分の端と少なくとも一の曲線の端とを接続して囲まれた形状」を「線分曲線形状」と略記する。）である。本発明に係る光受信装置における前記管型導波路の前記光導波領域の断面形状は線分曲線形状のため、前記多角形管型導波路と同様の効果を得ることができる。

本発明に係る光受信装置は、前記管型導波路の前記出射端の面における前記光導波領域の大きさは前記受光素子の受光面の大きさより大きいことが好ましい。

前記受光素子の前記受光面の大きさと前記管型導波路の前記出射端の面における前記光導波領域の大きさとが前記関係にあることで、前記受光素子と前記管型導波路とのアライメントの余裕を得ることができる。前記管型導波路は前記出射端の光のＮＦＰを均一化するため、前記受光素子と前記管型導波路と間に組み立て誤差があっても前記受光素子は十分な光量を受光することができる。

従って、本発明は、受光素子と管型導波路とのアライメント精度を緩和でき、光ファイバの端から出射する光のＮＦＰに偏りが発生又は前記ＮＦＰの偏りが変動しても、安定して光データを受信できる光受信装置を提供することができる。

本発明に係る光受信装置は、前記管型導波路の前記入射端に接続する一端から前記管型導波路の前記光導波領域に光を入射するマルチモード型の光ファイバをさらに備える。

前記光受信装置はマルチモード型の光ファイバを前記管型導波路の前記入射端に接続する。前記光ファイバを備えた結果、光路長が短く屈曲が生じて前記光ファイバの一端における光のＮＦＰに偏りが生じても、前記管型導波路は前記光ファイバの光の断面光強度分布を緩和することができる。前記出射端の光のＮＦＰは均一化されるため、前記受光素子と前記管型導波路との間に組み立て誤差が生じていても、前記受光素子は十分な光量の光を受光することができる。

本発明に係る光受信装置において、前記管型導波路の前記入射端の面における前記光導波領域の大きさは前記光ファイバの前記一端の面におけるコアの大きさより大きいことが好ましい。

前記光ファイバのコアの大きさと前記管型導波路の前記入射端の面における前記光導波領域の大きさとが前記関係にあることで、前記光ファイバと前記管型導波路とのアライメントの余裕を得ることができる。すなわち、前記光ファイバと前記管型導波路との間に組み立て誤差があっても前記光ファイバは前記管型導波路の前記光導波領域に全ての光を入射することができる。前記出射端の光のＮＦＰは均一化されるため、前記受光素子と前記管型導波路との間及び前記光ファイバと前記管型導波路との間に組み立て誤差が生じていても、前記受光素子は十分な光量の光を受光することができる。

従って、本発明は、光ファイバの端から出射する光のＮＦＰに偏りが発生又は前記ＮＦＰの偏りが変動しても、安定して光データを受信でき、伝送損失の少ない光受信装置を提供することができる。

本発明に係る光受信装置において、前記管型導波路の前記光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の面積は前記入射端から前記出射端へ単調減少していることが好ましい。

以下の説明において「光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の面積が入射端から出射端へ単調減少している管型導波路」を「テーパー型導波路」と略記する。

前記光受信装置の前記管型導波路は前記多角形管型導波路の効果と同様の効果を有する。

さらに、前記管型導波路はテーパー型導波路のため、前記入射端からの光の前記反射面における入射角は反射を繰り返す度に小さくなる。ゆえに、前記入射端からの光のＦＦＰが広がり、前記入射端からの光の前記反射面での反射回数が増加するため、前記管型導波路は前記入射端からの光の断面光強度分布を均一にする。

従って、本発明は、光ファイバの端から出射する光のＮＦＰに偏りが発生又は前記ＮＦＰの偏りが変動しても、安定して光データを受信でき、伝送損失が小さい光受信装置を提供することができる。

本発明に係る光受信装置において、前記管型導波路の前記光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の面積が前記入射端から前記出射端へ単調減少する減少率は前記入射端から前記出力端に向かって小さくなることが好ましい。

前記光導波領域の断面形状の面積が前記入射端から前記出射端へ単調減少する減少率が一定の前記テーパー型導波路では前記入射端からの光は反射毎に前記反射面に対する入射角が小さくなるため、前記光のうち一定回数反射をした光は前記入射端側に戻ることになる。前記光導波領域のテーパー形状を前記減少率が前記入射端から前記出力端に向かって小さくなるようにすることで、前記光導波領域の前記反射面は前記出射端側で光の伝搬方向と平行に近づくため、前記管型導波路は前記反射面に入射する光の入射角を一定値以上に保つことができる。ゆえに、前記管型導波路は前記反射面で光の反射回数が多くても前記入射端側へ戻る光を減少させることができ、前記入射端からの光の伝送損失を小さくすることができる。

本発明に係る光受信装置において、前記管型導波路の一の区間における光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の形状と前記管型導波路の他の区間における光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の形状とが異なる形状であってもよい。

前記管型導波路では、一の区間から他の区間への光の伝搬で定在波が変換されるため、伝搬モードがかく乱されて前記他の区間における断面光強度分布は均一になる。前記光受信装置は、光導波領域の断面形状が多角形である管型導波路の説明と同様に前記入射端からの光の断面光強度分布を均一化する。

前記管型導波路からの光を前記受光素子に結合するため、前記光受信装置は光導波領域の断面形状が多角形である管型導波路の説明と同様の効果を得ることができる。

なお、前記光ファイバはクラッドとコアとの界面で光を全反射して伝搬するステップインディックス型光ファイバとして説明をしているが、クラッドとコアとの境界の連続的な屈折率の変化で光を蛇行させて伝搬するグレーデッドインデックス型光ファイバとしても同様の効果を得ることができる。

本発明は、光ファイバの端から出射する光のＮＦＰに偏りが発生又は前記ＮＦＰの偏りが変動しても、安定して光データを受信できる光受信装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。

（実施の形態１）
本発明に係る一の実施形態は入射端に入射する光を鏡面反射又は全反射で出射端に伝搬する光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の形状が多角形である管型導波路と、前記管型導波路の前記出射端に接続し、前記管型導波路からの光を受光する受光素子と、を備える光受信装置である。

本発明に係る一の実施形態である光受信装置１０１の概念図を図１に示す。光受信装置１０１は受光素子１１、管型導波路１４から構成される。図１は管型導波路１４の中心軸を含む面での切断面の図である。なお、受光素子１１に必要な電源、周辺回路及び基板等の通常の技術で実現できるものは、図１及び図２２以降の図で図示をしていない。

受光素子１１は光を電気信号に変換する光電素子である。受光素子１１としてＰＤを使用することができる。

管型導波路１４は一端が光を入射する入射端１６、他端が光を出射する出射端１５である中空又は内部を使用波長に対して透過率の高い樹脂で充填した管である。前記管の内壁は光を反射する反射面１８で囲まれており、光は反射面１８で反射を繰り返す。反射面１８で囲まれた部分が光導波領域１９である。

反射面１８は光を鏡面反射させる反射鏡とすることができる。入射端１６から入射した光Ａは反射面１８で鏡面反射を繰り返し、光導波領域１９を伝搬して出射端１５に導かれる。

なお、管型導波路１４は屈折率の高い媒質を屈折率の低い媒質で被覆した構造としてもよい。光は前記媒質間の界面で全反射をするため、前記界面を反射面１８とすることができる。

管型導波路１４は前記入射端１６から入射した光Ａを反射面１８で反射を繰り返すことでかく乱して、出射端１５の光ＢのＮＦＰを均一化する。

光導波領域１９のＴ−Ｔ’における断面形状が多角形の例を図２から図７及び図２１に示す。単位はｍｍである。図２は三角形、図３は正三角形、図４は正方形、図５は正五角形、図６は正六角形、図７は正二十角形、図２１は八角形である。

なお、光導波領域１９の断面形状は、角丸多角形、単一閉曲線形状、複数曲線形状又は線分曲線形状であってもよい。光導波領域１９のＴ−Ｔ’における断面形状の例を、角丸多角形の場合を図１２に、複数曲線形状の場合を図１３から図１６に、線分曲線形状の場合を図８から図１１及び図１７から図２０に示す。単位はｍｍである。

なお、図１２の角丸八角形は正方形の各頂点を正方形の対角線の交点を中心とする直径０．２４ｍｍの円弧になるように丸めた形状である。光ファイバのコアの断面は円形のため、断面形状が角丸多角形の管型導波路は光ファイバと導光部との間に要求されるアライメント精度を緩和することができる。また、多角形の頂点を丸めることで頂点部の変形を防ぎ、断面形状を保護することができる。

光受信装置１０１は管型導波路１４の出射端１５に受光素子１１をアライメントして接続する。光受信装置１０１は以下に説明するように動作する。管型導波路１４の入射端１６に入射した光Ａは、管型導波路１４で断面光強度分布が均一化され、出射端１５から光Ｂとして出射する。光Ｂの一部は管型導波路１４の出射端１５に接続される受光素子１１に入射する。受光素子１１は光Ｂを電気信号に変換するためデータが伝送するデータは図示しない周辺回路で伝送可能な形式の電気信号のデータに変換される。

従って、光受信装置１０１は、管型導波路１４の入射端１６に接続される光ファイバの端から出射する光のＮＦＰに偏りが発生又は前記ＮＦＰの偏りが変動しても、安定して光データを受信できる。

なお、出射端１５の面における光導波領域１９の大きさは、受光素子１１と管型導波路１４とを接続する際の組み立て誤差を考慮した大きさとする。図２２に組み立て誤差がある場合の管型導波路１４の出射端１５と受光素子１１の受光面１１ａとの相対位置の関係を示す。図２２において図１で用いた符号と同じ符号は同じ構成である。図２２において１２は管型導波路１４の中心点、２２は受光素子１１と管型導波路１４との組み立て精度を示す。図２２に組み立て精度２２でアライメントされた受光素子１１の発光面１１ａの中心が配置される可能性のある領域を領域２６で示している。

例えば、受光素子１１の受光面１１ａが直径０．１ｍｍの円形かつ出射端１５の面における光導波領域１９の形状が一辺０．２２ｍｍの正方形の場合、受光素子１１と管型導波路１４との組み立てに±０．０６ｍｍの誤差があっても、受光素子１１は管型導波路１４からの光を受光することができる。

従って、光受信装置１０１は、受光素子１１と管型導波路１４とのアライメント精度の緩和を図ることができる。

（実施の形態２）
本発明に係る光受信装置において、前記管型導波路の一の区間における光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の形状と前記管型導波路の他の区間における光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の形状とが異なる形状であってもよい。

本発明に係る他の実施形態である光受信装置１０３の概念図を図２３に示す。光受信装置１０３は受光素子１１、管型導波路３４から構成される。図２３は管型導波路３４の中心軸を含む面での切断面の図である。図２３において図１で用いた符号と同じ符号は同じ構成又は同じ光である。図１の光受信装置１０１と光受信装置１０３との違いは管型導波路１４を備えず、管型導波路３４を備えていることである。

管型導波路３４は光導波領域１９の断面形状が互いに異なる管型導波路３４ａと管型導波路３４ｂとから構成される。例えば、管型導波路３４ａのＳ−Ｓ’における光導波領域１９の断面が図２の形状の場合、管型導波路３４ｂのＵ−Ｕ’における光導波領域１９の断面は図３から図２１の形状とすることができる。

管型導波路３４ａ及び管型導波路３４ｂは、図１の管型導波路１４と同様に入射端１６から入射した光を出射端１５に導く。

管型導波路３４ａから管型導波路３４ｂへ光信号が伝搬されることで、定在波が変換されるため、伝搬モードがかく乱されて断面光強度分布は均一になる。ゆえに、管型導波路３４は図１の管型導波路１４より短い光路長で入射端１６からの光Ａの断面光強度分布を均一化することができる。

従って、光受信装置１０３は図１の光受信装置１０１の効果と同様の効果を得ることができる。

（実施の形態３）
本発明に係る光受信装置は、前記管型導波路の前記入射端に接続する一端から前記管型導波路の前記光導波領域に光を入射するマルチモード型の光ファイバをさらに備える。

本発明に係る他の実施形態である光受信装置１０４の概念図を図２４に示す。光受信装置１０４は受光素子１１、管型導波路１４及び光ファイバ４５から構成される。図２４において、図１で用いた符号と同じ符号は同じ構成又は同じ光である。なお、図２４において、管型導波路１４の光伝送領域１９の断面形状は正方形として説明する。

光ファイバ４５はコア４５ａとクラッド４５ｂとから構成されるマルチモード型の光ファイバである。光ファイバ４５は、ガラスファイバ、プラスチックファイバ（ＰＯＦ）又はガラスのコアとプラスチックのクラッドをもつ光ファイバであってもよい。光ファイバの長さは５ｍｍ以上３００ｍｍ以下であることが例示できる。

光受信装置１０４は管型導波路１４の入射端１６と光ファイバ４５の一端４７とを接続し、光ファイバ４５からの光は光Ａとして管型導波路１４の入射端１６に入射する。管型導波路１４は図１で説明したように出射端１５からＮＦＰの均一な光Ｂを出射するため、出射端１５に接続した受光素子１１は組み立て誤差に関わらず十分な光量の光を受光できる。

従って、光受信装置１０４は、光ファイバ４５の端から出射する光のＮＦＰに偏りが発生又は前記ＮＦＰの偏りが変動しても、安定して光データを受信できる。

前記管型導波路の前記入射端の面における前記光導波領域の大きさは前記光ファイバの前記一端の面におけるコアの大きさより大きいことが好ましい。

入射端１６の面における光導波領域１９の大きさは、光ファイバ４５と管型導波路１４とを接続する際の組み立て精度を考慮した大きさとする。図２５に光ファイバ４５の一端４７と管型導波路１４の入射端１６との相対位置の関係を示す。図２５において、図１、図２２及び図２４で用いた符号と同じ符号は同じ構成又は同じ光である。４５ｃは光ファイバ４５の中心軸である。５２は組み立て精度を示し、組み立て精度５２でアライメントされた光ファイバ４５の中心軸４５ｃが配置される可能性のある領域を領域５６で示している。

例えば、光ファイバ４５のコア４５ａの断面形状が直径０．２４ｍｍの円形かつ入射端１６の面における光導波領域１９の形状が一辺０．３４ｍｍの正方形の場合、光ファイバ４５と管型導波路１４との組み立てに±０．０５ｍｍの誤差があっても、光ファイバ４５は管型導波路１４に光Ａを損失なく結合できる。

従って、光受信装置１０４は、光ファイバ４５と管型導波路１４とのアライメント精度の緩和することができ、伝送損失を減少することができる。

（実施の形態４）
本発明に係る光受信装置において、前記管型導波路の前記光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の面積は前記入射端から前記出射端へ単調減少していることが好ましい。

本発明に係る他の実施形態である光受信装置１０６の概念図を図２６に示す。光受信装置１０６は受光素子１１、前記管型導波路としてのテーパー型導波路６４及び光ファイバ４５から構成される。図２６はテーパー型導波路６４の中心軸６２と光ファイバ４５の中心軸４５ｃとを含む面での切断面の図である。図２６において、図１及び図２４で用いた符号と同じ符号は同じ構成又は同じ光である。なお、図２６において、テーパー型導波路６４の光伝送領域１９の断面形状は正方形として説明する。

テーパー型導波路６４は管型導波路１４と同じ構成であり、同じ機能を有する。テーパー型導波路６４と管型導波路１４との違いは、光伝送領域１９の断面形状の面積が入射端１６から出射端１５へ単調減少していることである。例えば、テーパー型導波路６４の入射端１６から出射端１５までの長さは３ｍｍとすることができる。

光受信装置１０６はテーパー型導波路６４と光ファイバ４５とを中心軸６２と中心軸４５ｃとが平行になるように接続する。

なお、光伝送領域１９の断面形状の面積の中心軸６２の距離に対する減少率はテーパー角βで表すことができる。テーパー角βは、前記切断面及び反射面１８の交線とテーパー型導波路６４のある断面との交点における反射面１８の前記切断面上の２本の接線が成す角度である。テーパー型導波路６４のテーパー角βは入射端１６から出射端１５まで同じ値である。

テーパー角度βは大きいほど光Ａの反射回数が増加し、出射端１５の光ＢのＮＦＰを均一化する。しかし、反射回数が一定以上になると光Ａは入射端１６へ戻ることになる。そこで、伝送損失を低減するため、テーパー型導波路６４のテーパー角βは出射端１５からの光Ｂの光量が入射端１６に入射する光Ａの光量の３０％以下となるように設計することが好ましい。

さらに、伝送損失を低減するために、全ての光Ａが出射端１５へ伝搬できるようにテーパー型導波路６４のテーパー角βは以下に説明する範囲に設計することが望ましい。

光伝送領域１９の屈折率をｎ_３、光ファイバ４５のコア４５ａの屈折率をｎ_１、光ファイバ４５のクラッド４５ｂの屈折率をｎ_２、光受信装置１０６の外部の屈折率をｎ_０とする。図２６において平行線６１は中心線６２及び中心線４５ｃの双方に平行の仮想の線である。

図２６において、光ファイバ４５から入射される光Ａのうち中心軸６２に対して最大の角度で放射される光Ｅとする。光Ｅのコア４５ａ内でのコア４５ａとクラッド４５ｂとの境界面に入射する角度を角度θ_１とする。光Ｅが光ファイバ４５の一端４７から出射してテーパー型導波路６４の入射端１６に入射するまでに平行線６１となす角度を角度θ_０とする。テーパー型導波路６４内の光Ｅが中心軸６２と成す角度を角度θ_３、反射面１８で反射を繰り返した光Ｅの進行方向と中心線６２とが成す角度を角度θ_４とする。

光Ｅがテーパー型導波路６４内で入射端１６から出射端１５に至るまでに反射する回数をｋとすると、角度θ_３、ｋ、角度θ_４及びテーパー角βの間に数１の関係がある。

数１の関係があるため、テーパー角βが大きいほど或いは反射の回数ｋが多いほど角度θ_４が大きくなり、一定以上のテーパー角β又は一定以上の反射の回数ｋを越えると、角度θ_４は９０°を越え、光Ｅは入射端１６へ戻ることになる。ゆえに、光Ｅがテーパー型導波路６４内での反射で入射端１６へ戻らないためには角度θ_４は数２の範囲内である必要がある。

また、光ファイバ４５から出射する光Ｅはコア４５ａとクラッド４５ｂとの境界面で全反射をしているため、角度θ_１は数３で定義される前記境界面の限界角θ_ｃ以下である。

また、角度θ_１と角度θ_０とは数４の関係がある。

さらに、角度θ_３と角度θ_０とは数５の関係がある。

数１から数５の関係から、光Ｅがテーパー型導波路６４の出射端１５から出射するためにはテーパー角βは数６で算出される値より小さい値に設計することが望ましい。

従って、テーパー型導波路６４は光ファイバ４５からの光Ａを出射端１５にかけて断面光強度分布を均一化及び集中させて受光素子１１に結合することができるため、光受信装置１０６は、光ファイバの端から出射する光のＮＦＰに偏りが発生又は前記ＮＦＰの偏りが変動しても、安定して光データを受信できる。

（実施の形態５）
本発明に係る光受信装置において、光の伝搬方向に垂直な断面における前記管型導波路の前記光導波領域の面積の光の伝搬方向の距離に対する減少率は前記入射端から前記出力端に向かって小さくなることが好ましい。

本発明に係る他の実施形態である光受信装置１０７の概念図を図２７に示す。光受信装置１０７は受光素子１１、管型導波路としてテーパー型導波路７４及び光ファイバ４５から構成される。図２７はテーパー型導波路７４の中心軸７２と光ファイバ４５の中心軸４５ｃとを含む面での切断面の図である。図２７において、図１、図２４及び図２６で用いた符号と同じ符号は同じ構成又は同じ光である。なお、図２７において、管型導波路７４の光伝送領域１９の断面形状は正方形として説明する。

管型導波路７４はテーパー型導波路６４と同じ構成であり、同じ機能を有する。管型導波路７４とテーパー型導波路６４との違いは、光伝送領域１９の断面形状が入射端１６から出射端１５に向けて単調減少する減少率が入射端１６から出射端１５に向けて小さくなっていることである。

管型導波路７４は入射端１６から出射端１５へかけてテーパー角βが小さくなるため、入射端１６近傍でテーパー角βが大きくかつ反射回数ｋが多くても、角度θ_４は９０°を越えないため、光Ｅは入射端１６へは戻らない。

従って、光受信装置１０７は、光ファイバの端から出射する光のＮＦＰに偏りが発生又は前記ＮＦＰの偏りが変動しても、安定して光データを受信できる。

（シミュレーション結果１）
図２６の光受信装置１０６におけるテーパー型導波路６４の効果ついてシミュレーション結果を示して本発明の効果についてさらに詳しく説明する。図２８に光ファイバ４５の一端４７にテーパー型導波路６４を接続しない従来の場合、図２９に光ファイバ４５の一端４７にテーパー型導波路６４を接続した本発明の場合の図を示す。図２８及び図２９において、図１、図２２、図２４及び図２６で用いた符号と同じ符号は同じ構成又は同じ光である。また、光Ａは発光素子１０から光ファイバ４５の他端４６に入射する。

シミュレーション条件は以下の通りである。受光素子１１の受光面は直径０．１ｍｍの円である。テーパー型導波路６４の出射端１５における光伝送領域１９の面は一辺０．２２ｍｍの正方形である。テーパー型導波路６４の入射端１６における光伝送領域１９の面は一辺が０．３４ｍｍの正方形である。テーパー型導波路６４の光路長は３ｍｍである。光ファイバ４５はコアの直径が０．２４ｍｍ、コアを覆うクラッドの表面までの直径が０．２５ｍｍであり、一端４７から他端４６までの光路長は１ｃｍである。光ファイバ４５に屈曲状態を与えるために、光ファイバ４５は一端４７から他端４６まで半径５ｍｍの円に沿うように一様に屈曲させる。図２８及び図２９にシミュレーション条件の概略図を示す。

なお、光ファイバ４５の中心軸方向をＺ方向とし、一端４７から他端４６へ光が伝搬する方向をＺの正方向とする。さらに、光ファイバ４５のＺ方向に垂直な断面（以下、「光ファイバのＺ方向に垂直な断面」を「断面」と略記する。）において、前記半径５ｍｍの円の半径方向をＸ方向とし、前記円の中心方向をＸの正方向とする。さらに、前記断面においてＸ方向及びＺ方向と垂直な方向をＹ方向とし、図２８及び図２９の奥側から手前方向をＹの正方向と定義する。

発光素子１０と光ファイバ４５とはアライメントされていても光ファイバ４５の中心軸と発光素子１０からの光Ａの光軸位置とは異なる場合がある。発光素子１０と光ファイバ４５との間の組み立て誤差を以下のようにシミュレーションする。

光ファイバ４５の他端４６に入射する光Ａの光軸位置Ａ−０からＡ−４を図３０に示す。図２８は光ファイバ４５の他端４６の面における図である。図３０において、図１、図２２、図２４及び図２６で用いた符号と同じ符号は同じ構成又は同じ光である。光ファイバ４５の中心軸４５ｃを原点（０，０）、中心軸４５ｃの他端４６から一端４７の方向をＺの正方向、図３０の下から上方向をＹの正方向、右から左方向をＸの正方向とする。

発光素子１０と光ファイバ４５との間に組み立て誤差のない状態は座標（０，０）の光軸位置Ａ−０から光Ａが入射するとしてシミュレーションする。発光素子１０と光ファイバ４５との間に組み立て誤差のある状態は座標（０．１，０）の光軸位置Ａ−１、座標（０，０．１）の光軸位置Ａ−２、座標（−０．１，０）の光軸位置Ａ−３及び座標（０，−０．１）の光軸位置Ａ−４から光Ａが入射するとしてシミュレーションする。なお、座標の単位はｍｍである。

図２８の場合において、光ファイバ４５の他端４６の光軸位置Ａ−０、Ａ−１、Ａ−３及びＡ−４に入射した光Ａの一端４７におけるＦＦＰをシミュレーションした結果をそれぞれ図３１、図３２、図３３及び図３４に示す。図２９の場合において、光ファイバ４５の他端４６の光軸位置Ａ−０、Ａ−１、Ａ−３及びＡ−４に入射した光Ａがテーパー型導波路６４に結合され、出射端１５におけるＦＦＰをシミュレーションした結果をそれぞれ図３５、図３６、図３７及び図３８に示す。図３０から図３８のシミュレーション結果においてＦＦＰの光強度を色相で表示しており、光強度は茶色から白色へ強くなることを示している。

図３１は光軸位置Ａ−０から光Ａが入射した場合のシミュレーション結果である。光ファイバ４５の屈曲のため光ＡはＸの負方向へ偏り、一端４７のＮＦＰはＸの負方向の光強度が強くなっている。

図３２は光軸位置Ａ−１から光Ａが入射した場合のシミュレーション結果である。光ファイバ４５の屈曲のため光ＡはＸの負方向へ拡散して、一端４７におけるＮＦＰの偏りは緩和されている。

図３３は光軸位置Ａ−３から光Ａが入射した場合のシミュレーション結果である。光ファイバ４５の屈曲のため光ＡはさらにＸの負方向へ偏り、一端４７のＮＦＰはＸの負方向に大きく偏っている。

図３４は光軸位置Ａ−４から光Ａが入射した場合のシミュレーション結果である。図３１で説明した理由と同様に、一端４７のＮＦＰはＸの負方向の光強度が強くなっている。なお、光ＡがＹの負の位置からの入射のため、一端４７のＮＦＰもＹの負方向の光強度が強くなっている。

従って、光ファイバ４５の一端４７におけるＮＦＰは光ファイバ４５の屈曲及び光Ａの他端４６における光軸位置の影響が大きい。

特に、光Ａを直接光軸位置Ａ−０、Ａ−３及びＡ−４に入射する場合、図３１、図３３及び図３４に示すように光ファイバ４５の一端４７において、Ｘの正方向の位置からの光量が少なく、受光素子１１は十分な光量を受光できない可能性がある。

一方、図３５から図３８は光Ａのテーパー型導波路６４の出射端１５におけるＮＦＰのシミュレーション結果である。光Ａの入射位置の等しい図３１と図３５と、図３２と図３６と、図３３と図３７と及び図３４と図３８とを比較すれば、図２６で説明したようにテーパー型導波路６４は光Ａの光軸位置に関わらず光ファイバ４５の一端４７で生じていたＮＦＰの偏りを緩和している。

従って、テーパー型導波路６４は、発光素子１０と光ファイバ４５との間の組み立て誤差による光ＢのＮＦＰへの影響を小さくすることができる。

（シミュレーション結果２）
図２８及び図２９の場合において、受光素子が受光できる光量についてのシミュレーション結果を示す。

図２８の場合、光ファイバ４５の一端４７に受光素子１１が接続されている。図２９の場合、テーパー型導波路６４の出射端１５に発光素子１１が接続されている。

発光素子と光ファイバとの関係と同様に、受光素子と光ファイバとはアライメントされても光ファイバの中心軸と受光素子の受光面の中心位置とは異なる場合がある。受光素子１１と光ファイバ４５又はテーパー型導波路６４との組み立て誤差を以下のようにシミュレーションする。

図２８の場合の光ファイバ４５の一端４７と受光素子１１の受光面１１ａとの相対位置を表した図を図３９及び図４１に示す。図２９の場合のテーパー型導波路６４の出射端１５と受光素子１１の受光面１１ａとの相対位置を表した図を図４０及び図４２に示す。

図３９は光ファイバ４５の中心軸と受光素子１１の受光面１１ａの中心が一致、すなわち受光素子１１と光ファイバ４５との間に組み立て誤差がない場合の図である。

図４０はテーパー型導波路６４の中心軸と受光素子１１の受光面１１ａの中心が一致、すなわち受光素子１１とテーパー型導波路６４との間に組み立て誤差がない場合の図である。

図４１は受光素子１１の受光面１１ａの中心が一端４７の面の座標（０．０５，０）にある、すなわち受光素子１１と光ファイバ４５との間に組み立て誤差がある場合の図である。

図４２は受光素子１１の受光面１１ａの中心が出射端１５の面の座標（０．０５，０）にある、すなわち受光素子１１とテーパー型導波路６４との間に組み立て誤差がある場合の図である。図４１及び図４２の座標の単位はｍｍである。

図３９及び図４０の受光素子１１と光ファイバ４５又はテーパー型導波路６４との間に組み立て誤差が無い場合において、光ファイバ４５の一端４７において受光素子１１が受光できる光量とテーパー型導波路６４の出射端１５において受光素子１１が受光できる光量とを光ファイバ４５の他端４６における光Ａの光軸位置毎にシミュレーションした結果を表１に示す。シミュレーション結果は光ファイバ４５に入射する光Ａの光量と受光素子１１が受光する光量との比率を減衰量で示しており、単位はｄＢである。

光ファイバ４５と受光素子１１の受光面１１ａとの相対位置が図３９の場合、前記減衰量が最大の光軸位置Ａ−３と前記減衰量が最小の光軸位置Ａ−４との差は３．２９ｄＢとなる。図３１から図３４で説明したように、前記減衰量は光Ａの光軸位置で大きく異なる。すなわち、光ファイバ４５に受光素子１１を直接接続した場合、受光素子１１が受光できる光量は発光素子１０と光ファイバ４５との組み立て誤差の影響が大きい。

一方、テーパー型導波路６４と受光素子１１の受光面１１ａとの相対位置が図４０の場合、前記減衰量が最大の光軸位置Ａ−４と前記減衰量が最小の光軸位置Ａ−３との差は０．１６ｄＢである。図３５から図３８で説明したように出射端１５において光ファイバ４５の一端４７のＮＦＰの偏りが緩和されるため、光Ａの光軸位置による前記減衰量の違いは小さい。

従って、受光素子１１がテーパー型導波路６４を介して光ファイバ４５からの光を受光することで、発光素子１０と光ファイバ４５との組み立て誤差の影響を小さくすることができ、受光素子１１は発光素子１０からの光データを安定して受光することができる。

次に、図４１及び図４２の受光素子１１と光ファイバ４５又はテーパー型導波路６４との間に組み立て誤差がある場合において、光ファイバ４５の一端４７において受光素子１１が受光できる光量とテーパー型導波路６４の出射端１５において受光素子１１が受光できる光量とを光ファイバ４５の他端４６における光Ａの光軸位置毎にシミュレーションした結果を表２に示す。表１と同様に、光ファイバ４５に入射する光Ａの光量と受光素子１１が受光する光量との比率を減衰量で示している。

光ファイバ４５と受光素子１１の受光面１１ａとの相対位置が図４１の場合、前記減衰量が最大の光軸位置Ａ−３と前記減衰量が最小の光軸位置Ａ−１との差は４４．９６ｄＢとなる。表１で説明したように、受光素子１１は発光素子１０と光ファイバ４５との間の組み立て誤差の影響を大きく受ける。さらに、光ファイバ４５と受光素子１１との間の組み立て誤差のため、光Ａの光軸位置の影響はさらに大きくなる。

一方、テーパー型導波路６４と受光素子１１の受光面１１ａとの相対位置が図４２の場合、前記減衰量が最大の光軸位置Ａ−３と前記減衰量が最小の光軸位置Ａ−１との差は１．４７ｄＢである。表１で説明したように、テーパー型導波路６４は受光素子１１が受光する光量に対する発光素子１０と光ファイバ４５との間の組み立て誤差の影響を小さくすることができる。さらに、テーパー型導波路６４は受光素子１１が受光する光量に対するテーパー型導波路６４と受光素子１１との間に組み立て誤差の影響を小さくすることができる。

表１及び表２の結果より、受光素子が管型導波路を介して光ファイバからの光を受光することで、発光素子と光ファイバとの組み立て誤差及び受光素子と管型導波路との組み立て誤差の影響を小さくすることができ、受光素子は発光素子からの光データを安定して受光することができる。

従って、本発明に係る光受信装置は管型導波路を備えたことで、光ファイバの端から出射する光のＮＦＰに偏りが発生又は前記ＮＦＰの偏りが変動しても、安定して光データを受信できる。

本発明に係る光受信装置は照明機器やレーザーマーキング装置として利用することができる。

本発明に係る一の実施形態である光受信装置１０１の概念図である。光導波領域１９の断面（形状１）の図である。光導波領域１９の断面（形状２）の図である。光導波領域１９の断面（形状３）の図である。光導波領域１９の断面（形状４）の図である。光導波領域１９の断面（形状５）の図である。光導波領域１９の断面（形状６）の図である。光導波領域１９の断面（形状７）の図である。光導波領域１９の断面（形状８）の図である。光導波領域１９の断面（形状９）の図である。光導波領域１９の断面（形状１０）の図である。光導波領域１９の断面（形状１１）の図である。光導波領域１９の断面（形状１２）の図である。光導波領域１９の断面（形状１３）の図である。光導波領域１９の断面（形状１４）の図である。光導波領域１９の断面（形状１５）の図である。光導波領域１９の断面（形状１６）の図である。光導波領域１９の断面（形状１７）の図である。光導波領域１９の断面（形状１８）の図である。光導波領域１９の断面（形状１９）の図である。光導波領域１９の断面（形状２０）の図である。管型導波路１４の出射端１５と受光素子１１の発光面１１ａとの相対位置の関係の図である。本発明に係る他の実施形態である光受信装置１０３の概念図である。本発明に係る他の実施形態である光受信装置１０４の概念図である。光ファイバ４５の一端４７と管型導波路１４の入射端１６との相対位置の関係の図である。本発明に係る他の実施形態である光受信装置１０６の概念図である。本発明に係る他の実施形態である光受信装置１０７の概念図である。シミュレーションを行う従来の光受信装置の概念図である。シミュレーションを行う本発明に係る光受信装置の概念図である。光ファイバ４５の他端４６における光Ａの光軸位置を示した図である。光ファイバ４５の一端４７における光ＡのＮＦＰをシミュレーションした結果である。光ファイバ４５の一端４７における光ＡのＮＦＰをシミュレーションした結果である。光ファイバ４５の一端４７における光ＡのＮＦＰをシミュレーションした結果である。光ファイバ４５の一端４７における光ＡのＮＦＰをシミュレーションした結果である。テーパー型導波路６４の出射端１５における光ＢのＮＦＰをシミュレーションした結果である。テーパー型導波路６４の出射端１５における光ＢのＮＦＰをシミュレーションした結果である。テーパー型導波路６４の出射端１５における光ＢのＮＦＰをシミュレーションした結果である。テーパー型導波路６４の出射端１５における光ＢのＮＦＰをシミュレーションした結果である。光ファイバ４５の一端４７と受光素子１１の受光面１１ａとの相対位置を表した図である。テーパー型導波路６４の出射端１５と受光素子１１の受光面１１ａとの相対位置を表した図である。光ファイバ４５の一端４７と受光素子１１の受光面１１ａとの相対位置を表した図である。テーパー型導波路６４の出射端１５と受光素子１１の受光面１１ａとの相対位置を表した図である。

符号の説明

１０１、１０３、１０４、１０６、１０７光受信装置
１１受光素子
１１ａ受光素子１１の発光面
１２中心軸
１４、３４、３４ａ、３４ｂ管型導波路
１５出射端
１６入射端
１８反射面
１９光導波領域
２２、５２組み立て精度
２６、５６領域
４５光ファイバ
４５ａコア
４５ｂクラッド
４５ｃ中心軸
４６他端
４７一端
６１平行線
６２、７２中心軸
６４、７４テーパー型導波路
Ａ、Ｂ、Ｅ光
Ａ−０〜４光Ａの光軸位置
ｋ反射回数
β テーパー角
θ_０、θ_１、θ_３、θ_４角度
θ_ｃ限界角

Claims

入射端に入射する光を鏡面反射又は全反射で出射端に伝搬する光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の形状が多角形である管型導波路と、
前記管型導波路の前記出射端に接続し、前記管型導波路からの光を受光する受光素子と、
を備える光受信装置。
入射端に入射する光を鏡面反射又は全反射で出射端に伝搬する光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の形状が角丸多角形である管型導波路と、
前記管型導波路の前記出射端に接続し、前記管型導波路からの光を受光する受光素子と、
を備える光受信装置。
入射端に入射する光を鏡面反射又は全反射で出射端に伝搬する光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の形状が複数の曲率を有する一の単一閉曲線で囲まれた形状である管型導波路と、
前記管型導波路の前記出射端に接続し、前記管型導波路からの光を受光する受光素子と、
を備える光受信装置。
入射端に入射する光を鏡面反射又は全反射で出射端に伝搬する光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の形状が複数の曲線の端同士を接続して囲まれた形状且つ前記複数の曲線の接続点を特異点とする形状である管型導波路と、
前記管型導波路の前記出射端に接続し、前記管型導波路からの光を受光する受光素子と、
を備える光受信装置。
入射端に入射する光を鏡面反射又は全反射で出射端に伝搬する光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の形状が少なくとも一の線分の端と少なくとも一の曲線の端とを接続して囲まれた形状である管型導波路と、
前記管型導波路の前記出射端に接続し、前記管型導波路からの光を受光する受光素子と、
を備える光受信装置。
前記管型導波路の前記出射端の面における前記光導波領域の大きさは前記受光素子の受光面の大きさより大きいことを特徴とする請求項１から５に記載のいずれかの光受信装置。
前記管型導波路の前記入射端に接続する一端から前記管型導波路の前記光導波領域に光を入射するマルチモード型の光ファイバをさらに備えることを特徴とする請求項１から６に記載のいずれかの光受信装置。
前記管型導波路の前記入射端の面における前記光導波領域の大きさは前記光ファイバの前記一端の面におけるコアの大きさより大きいことを特徴とする請求項７に記載の光受信装置。
前記管型導波路の前記光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の面積は前記入射端から前記出射端へ単調減少していることを特徴とする請求項１から８に記載のいずれかの光受信装置。
前記管型導波路の前記光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の面積が前記入射端から前記出射端へ単調減少する減少率は前記入射端から前記出力端に向かって小さくなることを特徴とする請求項９に記載の光受信装置。
前記管型導波路の一の区間における光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の形状と前記管型導波路の他の区間における光導波領域の光の伝搬方向に垂直な断面の形状とが異なる形状であることを特徴とする請求項１から８に記載のいずれかの光受信装置。