JP2007150902A - Light receiving device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、光空間伝送に使用される受光デバイスに関するものである。 The present invention relates to a light receiving device used for optical space transmission, for example.
光空間伝送において送信部と受信部の光軸が合っているのが理想的であるが、現実的には、固定送信部と固定受信部のアライメント不良による静的軸ズレや、送信部と受信部の少なくとも一方が移動(可動)体である場合の動的軸ズレが存在する。軸ズレが発生すると受光レベルの低下によりSN劣化、誤り率の増加による伝送レート低下、送信パワーの増加などの問題が生じる。さらに、高速応答する受光素子になるほど受光面積が小さくなるので、軸ズレの影響が顕著となる。なお、上記軸ズレは位置ズレと角度ズレの両者を含んでいる。光空間伝送の場合、自由空間伝搬中にビーム径はある程度広がっているので位置ズレよりも角度ズレが特に問題である。しかし、面積の小さな受光素子に集光するための従来のレンズなどは分散面が固定的な曲面であるために入射角の変動により集光位置が敏感に変化するので利得の劣化をもたらす。 Ideally, the optical axes of the transmitter and receiver are aligned in space optical transmission, but in reality, static axis misalignment due to improper alignment between the fixed transmitter and fixed receiver, or the transmitter and receiver. There is a dynamic axis shift when at least one of the parts is a moving (movable) body. When the axis shift occurs, problems such as SN degradation due to a decrease in received light level, a decrease in transmission rate due to an increase in error rate, and an increase in transmission power occur. Furthermore, since the light receiving area becomes smaller as the light receiving element responds at a higher speed, the influence of the axial deviation becomes remarkable. The axis deviation includes both positional deviation and angle deviation. In the case of optical space transmission, since the beam diameter is expanded to some extent during propagation in free space, the angle shift is more problematic than the position shift. However, a conventional lens or the like for condensing on a light receiving element having a small area has a fixed dispersion surface, so that the condensing position changes sensitively due to a change in incident angle, resulting in a deterioration in gain.
角度ズレした入射光を広角度で受光する方法としては、受光素子方向に断面が小さくなる円錐形状のレンズの側面に反射鏡を備えることにより、直接に受光素子に入射しない光も側面での反射を通して受光素子に入射させるものがある(例えば、特許文献1参照)。
また、特許文献1の円錐形状をラッパ形状のレンズにして許容指向角を広げ、さらに、レンズ内の屈折率を伝搬方向に大きくしてより許容指向角を広げたものもある(例えば、特許文献2参照)。
As a method of receiving the incident light with the angle deviation at a wide angle, by providing a reflecting mirror on the side surface of the conical lens whose cross section decreases in the direction of the light receiving element, the light that does not directly enter the light receiving element is also reflected on the side surface. In some cases, the light is incident on the light receiving element (see, for example, Patent Document 1).
In addition, there is a lens in which the conical shape of Patent Document 1 is changed to a trumpet-shaped lens to increase the allowable directivity angle, and the refractive index in the lens is increased in the propagation direction to further increase the allowable directivity angle (for example, Patent Document). 2).
また、結合素子に、入射側面に対して傾いた面であって、入射方向に対し所定の伝播角度範囲内で入射側面に入射した信号光を入射側面側に反射して、その入射側面と共同して信号光を入射側面との間隔が開いた方向に導く出射側面を備えたものもある(例えば、特許文献3参照)。
しかしながら、特許文献1の円錐形状および特許文献2のラッパ形状の一定屈折率の集光器の場合、入射角α(即ち、入射側面での屈折角α1)が小さい光は側面での反射により受光素子に結合できるが、図5に示すように、入射角が大きい光(屈折角がα1>3/2π-2θ1−θ2)は集光器側面での反射により入射側面側に反射され、受光素子に結合できない。尚、図5は、一般的な伝搬方向に接近する2個の反射面の多重反射による入射光の軌跡の説明図である。 However, in the case of the conical collector having the constant refractive index of the conical shape of Patent Document 1 and the trumpet shape of Patent Document 2, the light having a small incident angle α (that is, the refraction angle α 1 on the incident side surface) is reflected by the side surface. Although it can be coupled to the light receiving element, as shown in FIG. 5, light having a large incident angle (refractive angle α 1 > 3 / 2π-2θ 1 −θ 2 ) is reflected on the incident side surface by reflection on the collector side surface. And cannot be coupled to the light receiving element. FIG. 5 is an explanatory diagram of a locus of incident light due to multiple reflection of two reflecting surfaces approaching a general propagation direction.
それを改善するために、特許文献2では伝搬方向に屈折率が大きくなるように屈折率分布をつけて、集光器の側面の反射面への入射角を大きくなる、すなわち、伝搬にしたがって進行方向と光軸のなす角度が小さくなる様にすることで許容受光角を広げている。 In order to improve it, in Patent Document 2, a refractive index distribution is provided so that the refractive index increases in the propagation direction, and the incident angle to the reflecting surface on the side surface of the collector increases, that is, progresses according to propagation. The allowable light receiving angle is widened by reducing the angle between the direction and the optical axis.
しかし、集光器内に屈折率分布を形成することは技術的に困難であるだけでなく、コスト的にも非常に不利であるという課題がある。 However, it is not only technically difficult to form a refractive index distribution in the light collector, but also has a problem that it is very disadvantageous in terms of cost.
一方、特許文献3の従来の方法は、2次元的な光の伝搬には有効であるが、3次元的に入射する光に対しては効果が無いという問題がある。 On the other hand, the conventional method of Patent Document 3 is effective for propagation of two-dimensional light, but has a problem that it is not effective for light incident three-dimensionally.
本発明は、従来の装置のこの様な課題を考慮して、3次元光学系における入射光に対し、より広い角度範囲で軸ズレ入射光を受光できる受光デバイスを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a light receiving device that can receive axially shifted incident light in a wider angle range with respect to incident light in a three-dimensional optical system in consideration of such problems of conventional apparatuses.
この目的を達成するため本発明は、第1の本発明は、光源からの出射光を集光して出射する集光器と、前記集光器からの出射光を受光する受光素子とを備えた受光デバイスであって、
前記集光器は、両端に入射側面と出射側面とを有し、前記入射側面から入射した光を反射させる反射機能を有する側面の内部が前記入射側面から前記出射側面に向かうに従って実質上せまくなっており、前記集光器の内部には、前記入射側面から前記出射側面に亘る全部又は一部の範囲において前記側面と実質上対面する反射面が設けられている受光デバイスである。
In order to achieve this object, the present invention provides the first invention, comprising: a concentrator for collecting and emitting the light emitted from the light source; and a light receiving element for receiving the light emitted from the light collector. A light receiving device,
The concentrator has an incident side surface and an exit side surface at both ends, and the inside of the side surface having a reflection function for reflecting light incident from the incident side surface becomes substantially narrower as it goes from the incident side surface to the exit side surface. In the light collecting device, a reflection surface that substantially faces the side surface is provided in the whole or a part of the range from the incident side surface to the emission side surface.
又、第2の本発明は、上記反射面が前記集光器の光軸を含む上記第1の本発明の受光デバイスである。 The second aspect of the present invention is the light receiving device according to the first aspect of the present invention, wherein the reflecting surface includes the optical axis of the condenser.
又、第3の本発明は、上記反射面が複数であって、前記反射面同士の交線が存在する上記第1の本発明の受光デバイスである。 The third aspect of the present invention is the light receiving device according to the first aspect of the present invention, wherein there are a plurality of the reflecting surfaces, and there are intersecting lines between the reflecting surfaces.
又、第4の本発明は、上記複数の反射面の前記交線が、前記集光器の光軸に平行である上記第3の本発明の受光デバイスである。 The fourth aspect of the present invention is the light receiving device according to the third aspect of the present invention, wherein the intersecting lines of the plurality of reflecting surfaces are parallel to the optical axis of the condenser.
又、第5の本発明は、上記反射面が複数であって、前記反射面同士の交線が存在しない上記第1の本発明の受光デバイスである。 The fifth aspect of the present invention is the light receiving device according to the first aspect of the present invention, wherein there are a plurality of the reflecting surfaces, and no line of intersection exists between the reflecting surfaces.
又、第6の本発明は、上記集光器の光軸に対する前記反射面の傾斜の程度が、前記入射側面から前記出射側面に向かうに従って小さくなる上記第5の本発明の受光デバイスである。 A sixth aspect of the present invention is the light receiving device according to the fifth aspect of the present invention, wherein the degree of inclination of the reflecting surface with respect to the optical axis of the condenser is reduced as it goes from the incident side surface to the emission side surface.
又、第7の本発明は、上記反射面が金属面で形成されている上記第1の本発明の受光デバイスである。 The seventh aspect of the present invention is the light receiving device according to the first aspect of the present invention, wherein the reflecting surface is formed of a metal surface.
又、第8の本発明は、上記反射面がブラグ反射を起こす周期構造で形成されている上記第1の本発明の受光デバイスである。 The eighth aspect of the present invention is the light receiving device according to the first aspect of the present invention, wherein the reflecting surface is formed with a periodic structure that causes Bragg reflection.
又、第9の本発明は、上記反射面が、前記集光器と異なる屈折率を有する材料との全反射を起こす界面で形成されている上記第1の本発明の受光デバイスである。 The ninth aspect of the present invention is the light receiving device according to the first aspect of the present invention, wherein the reflecting surface is formed at an interface that causes total reflection between the light collector and a material having a different refractive index.
又、第10の本発明は、上記集光器の前記入射側面と前記出射側面との少なくとも一方が曲面である上記第1〜9の何れかの本発明の受光デバイスである。 The tenth aspect of the present invention is the light receiving device according to any one of the first to ninth aspects, wherein at least one of the incident side surface and the emission side surface of the condenser is a curved surface.
又、第11の本発明は、上記集光器の前記入射側面に、又は前記出射側面と前記受光素子との間に、特定の波長のみを透過するフィルターを備えた上記第1〜10の何れかの本発明の受光デバイスである。 Further, an eleventh aspect of the present invention is any one of the first to tenth aspects, further comprising a filter that transmits only a specific wavelength on the incident side surface of the collector or between the emission side surface and the light receiving element. This is the light receiving device of the present invention.
本発明は、従来に比べて受信許容角度の大きな受光デバイスを提供できるという効果を発揮する。 The present invention exhibits an effect that it is possible to provide a light receiving device having a larger allowable reception angle than conventional ones.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1(a)は、本発明に係る一実施の形態の受光デバイスであって、光軸を含む反射面を介して2個の導光部9が接するレンズ集光器10を具備する受光デバイスの構成概要図である。尚、図1(a)は、受光デバイスの縦方向の断面を模式的に表した図であり、図1(b)は、受光デバイスの光軸に垂直な断面から見た光線軌跡を説明するための模式図である。同図を用いて、本実施の形態の構成について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1A is a light receiving device according to an embodiment of the present invention, and includes a
本願の実施の形態の受光デバイスは、図1(a)、(b)に示すように、光源1から自由空間2で隔てられ、光軸3上の受光素子4と、入射側面5が曲面を有し、出射側面6が受光素子4に接し、側面の反射面8の対面する間隔が受光素子4に向かうに従って小さくなり、入射側面と出射側面を分割し光軸を含む反射面7を内部に具備するレンズ集光器10とで構成されている。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the light receiving device according to the embodiment of the present application is separated from the light source 1 by a free space 2, and the light receiving element 4 on the optical axis 3 and the
ただし、反射面7は平面であっても曲面であっても良い。また、少しの特性劣化が許容できるならば厳密に光軸を含む必要も無い。 However, the reflecting surface 7 may be a flat surface or a curved surface. Further, it is not necessary to strictly include the optical axis if slight characteristic deterioration can be allowed.
次に、本実施の形態の光軸を含む反射面7を有するレンズ集光器を使用して、軸ズレ平行入射光が受光面積の小さなPin−PD(Pin Photo Diode)やAPD(Avalanche Photodiode)などの受光素子に集光されるメカニズムを光線軌跡を使用して説明する。 Next, using the lens concentrator having the reflecting surface 7 including the optical axis of the present embodiment, Pin-PD (Pin Photo Diode) or APD (Avalanche Photodiode) having a small light-receiving area with respect to the axially shifted parallel incident light. A mechanism for focusing on a light receiving element such as the above will be described using a ray trajectory.
まず、図5に示す、対向する反射面での多重反射の従来タイプのレンズ集光器110の2次元モデルを使用して光線の軌跡について説明する。 First, the trajectory of light rays will be described using a two-dimensional model of a conventional type lens concentrator 110 of multiple reflection at opposing reflecting surfaces shown in FIG.
入射角12(α)の軸ズレ平行入射光11は、まずレンズ集光器110の入射側面5上でα1方向に屈折し、第1反射面15上の第1反射点17で反射する。第1反射点での反射角をβ1(第1反射角β1=π/2 −θ1−α1)とし、第1反射面15と光軸3とのなす角度をθ1とし、第1反射面15と対向する第2反射面16と光軸3とのなす角度をθ2とすると、第2反射側面16上の第2反射点18での第2反射角β2(β2=θ1+θ2−β1−π)は、次式で表される。
The axially shifted parallel incident light 11 having the incident angle 12 (α) is first refracted in the α 1 direction on the
すなわち、β2=0となるα1(式2)から計算するαが最大受光角となる。 That is, α calculated from α1 (formula 2) where β2 = 0 is the maximum light receiving angle.
ただし、αは次式のスネルの法則から導かれ、想定する入射角度範囲ではαとα1は単調増加関係にあるので、最大受光角を最大屈折角α1maxで代用する。 However, α is derived from Snell's law of the following equation, and α and α 1 have a monotonically increasing relationship in the assumed incident angle range, and therefore the maximum light receiving angle is substituted with the maximum refraction angle α 1max .
以上の結果は、光軸対称な3次元光学系についても成立する。 The above results also hold for a three-dimensional optical system that is optically symmetric.
次に、図1に示す本願の実施の形態1の場合について光線軌跡を使用して説明する。 Next, the case of Embodiment 1 of the present application shown in FIG. 1 will be described using a ray trajectory.
光軸を含む反射面が存在していない従来例(図5参照)で、許容受光角範囲を超える入射角を有する軸ズレ平行入射光11を考える。最初の反射点が、光軸を含む反射面が存在しない従来のレンズ集光器110の側面の場合は、光軸を含む反射面7が存在する本願の実施の形態1と比較して、第1反射点までの軌跡の相違は無い。 Consider axially shifted parallel incident light 11 having an incident angle exceeding the allowable light receiving angle range in a conventional example (see FIG. 5) in which no reflecting surface including the optical axis exists. In the case where the first reflection point is the side surface of the conventional lens concentrator 110 having no reflection surface including the optical axis, the first reflection point is compared with the first embodiment of the present application in which the reflection surface 7 including the optical axis is present. There is no difference in the trajectory up to one reflection point.
しかし、次式2’を満たす屈折角α1の光線の第1反射点での反射後の軌跡は、従来例の場合は、レンズ集光器110の第1反射点を含む側面に対向する側面上の第2反射点まで進み、その後レンズ集光器の入射側面から外へ反射される。
すなわち上記の屈折角α1は、式2から導かれる式2’の関係を満たしている。
However, the locus after reflection at the first reflection point of the light beam having the refraction angle α 1 satisfying the following expression 2 ′ is the side surface facing the side surface including the first reflection point of the lens concentrator 110 in the conventional example. It proceeds to the upper second reflection point and is then reflected out of the incident side of the lens collector.
That is, the refraction angle α 1 satisfies the relationship of Expression 2 ′ derived from Expression 2.
ここで、α1max’は、従来のレンズ集光器110における最大屈折角を示す。 Here, α 1max ′ indicates the maximum refraction angle in the conventional lens concentrator 110.
一方、本願の実施の形態1の第1反射点での反射後の軌跡は、光軸を含む反射面上に第2反射点を有するので、第2反射点での反射後、第1反射点を有するレンズ集光器の側面上の第3反射点に向かって進み、最終的に受光素子に結合される。すなわち、本願の実施の形態1の場合は、式2においてθ2=0となるので式4が成り立つ。 On the other hand, since the locus after reflection at the first reflection point in Embodiment 1 of the present application has the second reflection point on the reflection surface including the optical axis, the first reflection point after reflection at the second reflection point. Proceed toward the third reflection point on the side surface of the lens concentrator having, and finally coupled to the light receiving element. That is, in the case of the first embodiment of the present application, θ 2 = 0 in equation 2, so that equation 4 holds.
この式4から、本願の実施の形態1のレンズ集光器10の最大屈折角α1maxの方が、従来の最大屈折角α1max’よりも大きいことが分かり、本実施の形態の方が、従来より広い受光角を有すると言える。
From this equation 4, it can be seen that the maximum refraction angle α 1max of the
光軸を含む反射面が存在しない従来のレンズ集光器110の場合、反射点は全てレンズ集光器の側面上となるので上記の場合だけを検討すれば十分であるが、本実施の形態の場合は、最初の反射点が光軸を含む反射面7上の場合がある。 In the case of the conventional lens concentrator 110 having no reflecting surface including the optical axis, all the reflection points are on the side surfaces of the lens concentrator, so it is sufficient to consider only the above case. In this case, the first reflection point may be on the reflection surface 7 including the optical axis.
そこで、次にその場合の光線軌跡について説明する。即ち、その場合の光線軌跡は、最初の光軸を含む反射面7上の第1反射点での反射の後、レンズ集光器の側面上の第2反射点で反射し、光軸を含む反射面と第2の反射点を含むレンズ集光器の側面間で多重反射することで、最終的に受光素子に結合される。この場合は、式2においてθ1=0となるので、次式4’の関係が成り立つ。 Therefore, the ray trajectory in that case will be described next. That is, the ray trajectory in that case is reflected at the second reflection point on the side surface of the lens concentrator after reflection at the first reflection point on the reflection surface 7 including the first optical axis, and includes the optical axis. Multiple reflection between the reflecting surface and the side surface of the lens concentrator including the second reflecting point finally couples to the light receiving element. In this case, since θ 1 = 0 in Equation 2, the relationship of the following Equation 4 ′ holds.
よって式4’から、最初の反射点が光軸を含む反射面7上の場合であっても、光軸を含む反射面が無い従来の場合に比べて許容受光範囲広いことが分かる。 Therefore, it can be seen from Equation 4 'that even when the first reflection point is on the reflection surface 7 including the optical axis, the allowable light receiving range is wider than in the conventional case where there is no reflection surface including the optical axis.
尚、図1(a)、図1(b)には、軸ズレ平行入射光11の光線軌跡が反射面7で反射して出射側面6側に進む場合とともに、比較のために、入射側面5側から出ていく従来の光線軌跡14も同時に表されている。
FIGS. 1A and 1B show the case where the ray trajectory of the axially shifted parallel incident light 11 is reflected by the reflecting surface 7 and proceeds to the
次に、本願の実施の形態1のレンズ集光器10の作製方法について説明する。
即ち、従来のレンズ集光器110を、光軸3を含む面に沿って2分割した形状と同形状のものを用意し、反射面8を挟んだ状態で、接着しても良いし、固定冶具で保持しても良い。また、反射面8は、金属面や、ブラグ反射を利用した屈折率の周期構造や、レンズ集光器10の導光部9の屈折率と異なる屈折率材料と導光部9の境界面での全反射構造などが挙げられる。
Next, a method for manufacturing the
That is, a conventional lens concentrator 110 having the same shape as that obtained by dividing the lens concentrator 110 into two along the surface including the optical axis 3 may be prepared, and may be bonded or fixed with the reflecting surface 8 interposed therebetween. You may hold with a jig. The reflective surface 8 is a metal surface, a periodic structure of refractive index using Bragg reflection, or a boundary surface between the refractive index material different from the refractive index of the light guide portion 9 of the
なお、レンズ集光器の出力面が受光素子のセンシング部分、例えば、半導体の活性層まで達していると高効率化が図れる。 In addition, when the output surface of the lens concentrator reaches the sensing portion of the light receiving element, for example, the active layer of the semiconductor, high efficiency can be achieved.
また、レンズ集光器の入射側面に接して、あるいは、出射側面と受光素子間に特定の波長のみを透過するフィルターを具備していても良い。 Further, a filter that transmits only a specific wavelength may be provided in contact with the incident side surface of the lens concentrator or between the emission side surface and the light receiving element.
このように、受光素子方向に断面が小さくなるレンズ集光器の側面だけでなく、光軸を含む面上にも反射面7を形成することで、レンズ集光器の側面の反射面への入射角をより大きくできるので、より広角での受光が可能となる。
(実施の形態2)
図2は、本発明に係る別の実施の形態の受光デバイスであって、光軸を含む2個の反射面を介して4個の導光部59が接するレンズ集光器50を具備する受光デバイスの構成を示す概要図である。尚、図2(a)は、受光デバイスの縦方向の断面を模式的に表した図であり、図2(b)は、受光デバイスの光軸に垂直な断面から見た光線軌跡を説明するための模式図である。同図を用いて、本実施の形態の構成について上記実施の形態との相違点を中心に説明する。
Thus, by forming the reflecting surface 7 not only on the side surface of the lens concentrator whose cross section decreases in the direction of the light receiving element, but also on the surface including the optical axis, Since the incident angle can be made larger, light reception at a wider angle is possible.
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a light receiving device according to another embodiment of the present invention, and includes a
本願の実施の形態の受光デバイスは、図2(b)に示すように、本願の実施の形態1の反射面7と、その反射面7との交線が光軸3と一致する第2の反射面19を具備し、4個の導光部59で構成されるレンズ集光器50を備えた点において図1の構成と異なる。
As shown in FIG. 2B, the light receiving device according to the embodiment of the present application has a second reflecting surface 7 according to the first embodiment of the present application and a line of intersection between the reflecting surface 7 and the optical axis 3. 1 is different from the configuration of FIG. 1 in that a reflecting surface 19 is provided and a
上記実施の形態1において、入射側面における入射光と透過光を含む面(本明細書では、この面を入射面と定義し、以下、入射面と呼ぶ。)が、光軸3から遠くない入射光は第1反射点と第2反射点のいずれかが必ず光軸を含む反射面7,19上にあるので、光軸を含む反射面7が1個(図1(b)参照)でも従来よりも受光角が広がるといえる。 In the first embodiment, an incident side surface that includes incident light and transmitted light (this surface is defined as an incident surface, hereinafter referred to as an incident surface) is not far from the optical axis 3. Since either one of the first reflection point and the second reflection point is necessarily on the reflection surfaces 7 and 19 including the optical axis, even if there is one reflection surface 7 including the optical axis (see FIG. 1B), It can be said that the acceptance angle is wider than that.
しかし、図1の構成では、入射側面における入射面が光軸3から遠い入射光は、レンズ集光器10から入射側面側に出ていってしまう場合がある。そのことを、図2(b)を代用して説明する。
However, in the configuration of FIG. 1, incident light whose incident surface on the incident side surface is far from the optical axis 3 may be emitted from the
即ち、図1のレンズ集光器10の構成は、例えば図2(b)の構成で第2反射面19が存在しないとした場合と等価であるから、光軸を含む第2反射面19が無い場合の光線軌跡20を図2(b)に示すとすれば、レンズ集光器50の側面上の第1反射点30で反射した光線は破線で示すように、同じ導光部59のレンズ集光器50の側面上に第2反射点31を有することになる。そしてこの光線は、第2反射点31から入射側面5側へ戻ってしまう。従ってこの場合、許容受光角度は従来のレンズ集光器110と同じとなる。
That is, the configuration of the
そこで、入射側面における入射面が光軸から遠い入射光でも、第2反射点が、第1反射点と同じ導光部のレンズ集光器の側面上に来ないように、光軸を含む反射面7,19を複数個設けたのが実施の形態2である。 Therefore, even if the incident surface on the incident side is far from the optical axis, the reflection including the optical axis is performed so that the second reflection point does not come on the side surface of the lens concentrator of the same light guide unit as the first reflection point. In the second embodiment, a plurality of surfaces 7 and 19 are provided.
光軸を含む反射面の数は多いほど良いが、図2のように2個にしてレンズ集光器50の導光部59を4個にすれば、光軸を含む反射面が1個の構成では受光できない入射光でも、図2(b)に示すように第2反射点32が光軸を含む反射面19上になるので、受光素子4に結合できる。なお、光軸を含む反射面7,19の配置は光軸3に対して対称であることが望ましい。
The larger the number of reflection surfaces including the optical axis, the better. However, if the number of the light guide portions 59 of the
このように、光軸を含む反射面を複数個にすることで入射側面における入射面が光軸から遠い入射光に対しても、上記実施の形態1の構成より広角での受光が可能となる。 Thus, by using a plurality of reflecting surfaces including the optical axis, it is possible to receive light at a wider angle than the configuration of the first embodiment, even for incident light whose incident surface on the incident side surface is far from the optical axis. .
尚、本実施の形態のレンズ集光器50の作製方法は、従来のレンズ集光器110を光軸3を含む面に沿って4分割した形状と同形状のものを用意しさえすれば、その後の工程は、上記実施の形態1で説明した場合と基本的には同じである。
(実施の形態3)
図3は、本発明に係る別の実施の形態の受光デバイスであって、光軸を中心に対向する平行な反射面で構成される有限反射面21を介して4個の導光部69が接するレンズ集光器60を具備する受光デバイスの構成概要図である。尚、図3(a)は、受光デバイスの光軸3を含むA−A’断面(図3(b)参照)を模式的に表した図であり、図3(b)は、受光デバイスの光軸に垂直な断面において光線軌跡を模式的に示した図である。同図を用いて、本実施の形態の構成について上記実施の形態との相違点を中心に説明する。
The
(Embodiment 3)
FIG. 3 shows a light receiving device according to another embodiment of the present invention, in which four light guides 69 are arranged via a finite reflection surface 21 composed of parallel reflection surfaces facing the optical axis as a center. It is a structure schematic diagram of the light receiving device which comprises the
本願の実施の形態の受光デバイスは、図3に示すように、上記実施の形態2で説明した反射面7,19の内部に導波路構造の導光部分を有する構成と等価であり、上記の反射面7,19を、対向する反射面で構成された有限反射面21と有限反射面内の導光部分22とに置き換えた構成である。
As shown in FIG. 3, the light receiving device according to the embodiment of the present application is equivalent to the configuration having the light guide portion of the waveguide structure inside the reflecting surfaces 7 and 19 described in the second embodiment. In this configuration, the reflecting surfaces 7 and 19 are replaced with a finite reflecting surface 21 configured with opposing reflecting surfaces and a
本実施の形態のレンズ集光器60の作製方法は、有限反射面内の導光部分22の部分を除き上述した実施の形態2の場合と基本的には同じである。
The manufacturing method of the
有限反射面内の導光部分22は、上述した作製方法で用いた接着層の厚みを厚めに制御して作製してもよいし、ガラス材料又は樹脂材料等を用いて金型で成形したものを4分割されたレンズ集光器の間に挟み込む様にして作製しても良い。成形材料は、導光部69と同一でも良いし異なっていても良い。あるいは、単に空気層を設けるだけでも良い。
The
このように、上記実施の形態と同じ許容受光角を有するレンズ集光器60の導光部69の他に、式2においてθ1=θ2=0を代入した場合と等価な関係となる、光軸を含む有限反射面内の導光部分22が構成されている。この導光部分22は、上記実施の形態の構成には存在しないため、光軸近傍の有限反射面内の導光部分22に入射する光は、上記実施の形態よりもより広い受光角を有することになる。
Thus, in addition to the light guide portion 69 of the
この有限反射面内の導光部分22の断面が大きくなるほど、上記実施の形態の許容受光角よりも受光角の大きな部分の割合が増えるので、レンズ集光器60全体の許容受光角が大きくなる。尚、図3(b)に光線軌跡を示す。ここで、図3(b)の破線部分は、光線が反射を繰り返すことを表現したものであり、反射を繰り返して最終的には受光素子4に到達する。
(実施の形態4)
図4は、本発明に係る別の実施の形態の受光デバイスであって、光軸を中心に対向する湾曲した反射面で構成される有限反射面121を介して4個の導光部79が接するレンズ集光器70を具備する受光デバイスの構成概要図である。同図を用いて、本実施の形態の構成について上記実施の形態との相違点を中心に説明する。
As the cross section of the
(Embodiment 4)
FIG. 4 shows a light receiving device according to another embodiment of the present invention, in which four
本願の実施の形態4は、上記実施の形態3の有限反射面内の導光部分22の光軸3に垂直な断面の面積を受光素子4に向かうに従って小さくした例である(図4(b)、(c)参照)。
Embodiment 4 of the present application is an example in which the area of the cross section perpendicular to the optical axis 3 of the
ここで、図4(a)は、受光デバイスの光軸3を含むA−A’断面(図3(b)参照)を模式的に表した図であり、図4(b)は、受光デバイスの光軸に垂直な断面において光線軌跡を模式的に示した図である。図4(c)は、有限反射面内の導光部分122の断面の変化を説明するために、図4(b)によりも受光素子4に近い位置における光軸3に垂直な断面を示した模式図である。
Here, FIG. 4A is a diagram schematically showing an AA ′ cross section (see FIG. 3B) including the optical axis 3 of the light receiving device, and FIG. It is the figure which showed typically the light ray locus in the cross section perpendicular | vertical to the optical axis. FIG. 4C shows a cross section perpendicular to the optical axis 3 at a position closer to the light receiving element 4 than in FIG. 4B in order to explain the change in the cross section of the
本実施の形態の場合、有限反射面内の導光部分122の許容受光角は実施の形態3に比べて小さくなるが、レンズ集光器70を構成する導光部79は式2において、第2傾斜角θ2が負の値となるので、第2傾斜角θ2=0となる実施の形態1〜実施の形態3よりも許容受光角が大きい。その理由を以下に説明する。
In the case of the present embodiment, the allowable light receiving angle of the
ここで、図4において導光部79ではθ1>0、θ2<0となるが、有限反射面内の導光部分122は対向する面の曲率が異符号となるためθ1>0、θ2>0となる。なぜなら、図5でラッパ状に広がっている場合をθ1>0、θ2>0で同符号と定義しているからである。
Here, in the
即ち、実施の形態4の有限反射面の導光部分122の場合は、θ1>0、θ2>0となるので、図3で述べた導光部分22の最大屈折角、図4で述べた導光部分122の最大屈折角をそれぞれα1max(22)、α1max(122)と表すとすると、式2より、次の式が導ける。
That is, in the case of the
よって、式5からα1max(122)<α1max(22)の関係が成り立つので、本実施の形態の導光部分122の許容受光角の方が、実施の形態3の導光部分22の許容受光角に比べて小さくなることが分かる。
Therefore, since the relationship of α 1max (122) <α 1max (22) is established from
したがって、本実施の形態の有限反射面内の導光部分122の断面形状が小さい場合には導光部分122の影響は小さくなり、導光部79の全体に占める割合が、実施の形態3の場合より大きくなり得るため、実施の形態3よりも効果的に許容受光角を広げることができる。
Therefore, when the cross-sectional shape of the
このように、受光素子方向に断面が小さくなるレンズ集光器の側面だけでなく、光軸を含む面上にも反射面を形成することで、レンズ集光器の側面の反射面への入射角をより大きくできるので、より広角での受光が可能となる。 In this way, the reflecting surface is formed not only on the side surface of the lens concentrator whose cross section is reduced in the direction of the light receiving element but also on the surface including the optical axis, so that the incident light is incident on the reflecting surface on the side surface of the lens concentrator Since the angle can be made larger, light can be received at a wider angle.
以上説明した様に本発明は、例えば、光源から自由空間で隔てられた受光素子と、受光素子の入力端の近傍に配置し、反射機能を有する側面の対向する間隔が受光素子方向に向かって小さくなり、内部に入射側面と出射側面を分割する少なくとも一つの反射面を具備するレンズ集光器で構成される。 As described above, the present invention is arranged, for example, in the vicinity of the light receiving element separated from the light source in free space and the input end of the light receiving element, and the distance between the opposing side surfaces having the reflecting function is directed toward the light receiving element. The lens concentrator is made smaller and includes at least one reflecting surface that divides the incident side surface and the output side surface.
このように、レンズ集光器の側面だけでなく、レンズ集光器の内部にも入射側面と出射側面を分割する反射面を形成することにより、レンズ集光器への入射角をより大きくできるので、より広角での受光が可能となり、より広い受光角範囲で高速光空間伝送を可能とする光学系を提供できるという効果を有する。 In this way, by forming a reflection surface that divides the incident side surface and the output side surface not only on the side surface of the lens concentrator but also inside the lens concentrator, the incident angle to the lens concentrator can be further increased. As a result, it is possible to receive light at a wider angle and to provide an optical system capable of high-speed optical space transmission in a wider light reception angle range.
尚、上記実施の形態では、レンズ集光器の内部に、入射側面から出射側面に亘る全範囲において側面の反射面と実質上対面する反射面(例えば、図1の光軸を含む反射面7)が設けられている場合について説明したが、これに限らず例えば、入射側面の近傍及び/又は出射側面の近傍を除く範囲において本発明の反射面が設けられていてもかまわない。要するに、レンズ集光器への入射角をより大きくできる構成であれば、集光器の内部に、入射側面から出射側面に亘る一部の範囲において反射機能を有する側面と実質上対面する反射面が設けられている構成であってもよい。 In the above-described embodiment, a reflecting surface (for example, the reflecting surface 7 including the optical axis in FIG. 1) that substantially faces the reflecting surface of the side surface in the entire range from the incident side surface to the exit side surface is provided inside the lens concentrator. However, the present invention is not limited to this. For example, the reflective surface of the present invention may be provided in a range excluding the vicinity of the incident side surface and / or the vicinity of the output side surface. In short, as long as the angle of incidence on the lens concentrator can be increased, a reflecting surface that substantially faces the side surface having a reflecting function in a part of the range from the incident side surface to the output side surface within the concentrator. May be provided.
又、上記実施の形態では、出射側面と受光素子とが接触している場合について説明したが、これに限らず例えば、双方の間に空間が存在しても良い。 In the above-described embodiment, the case where the emission side surface and the light receiving element are in contact with each other has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, a space may exist between the two.
又、上記実施の形態では、レンズ集光器の入射側面が曲面であって出射側面が平面である場合について説明したが、これに限らず例えば、出射側面が曲面であってもよい。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the entrance side surface of a lens concentrator is a curved surface and the output side surface is a plane, it is not restricted to this, For example, an exit side surface may be a curved surface.
又、上記実施の形態では、導光部あるいは有限反射面内の導光部分の材料としてガラスや樹脂などを用いる場合を中心に説明したが、これに限らず例えば、前記集光器内に、光ファイバーアンプ(増幅器)のようにエリビュウム(Er)やYb(イットリビウム)などを添加したり、ラマン増幅効果を利用して外部から励起光に伴う誘導放出を起こすことで受光素子への入射光を増幅してもよい。 Further, in the above embodiment, the explanation has been made mainly on the case where glass or resin is used as the material of the light guide part or the light guide part in the finite reflection surface, but not limited thereto, for example, in the light collector, Adds erbium (Er), Yb (yttrium), etc. like an optical fiber amplifier (amplifier), or amplifies the incident light to the light receiving element by causing stimulated emission from the outside using the Raman amplification effect. May be.
又、レンズ集光器の内部に、入射側面から出射側面に亘る全部又は一部の範囲において側面の反射面と実質上対面する反射面が設けられている構成例について、上記実施の形態で述べた例(例えば、図1の光軸を含む反射面7)の他に、例えば、断面がリング形状で対面するレンズ集光器の側面との間隔が、受光素子に向かって小さくなる構成も考えられる。即ち、具体的には、レンズ集光器の側面と同心円状の反射面(図示せず)等が挙げられるが、入射側面における入射光と、レンズ集光器内に入った透過光を含む面が光軸から離れている入射光は、第1反射点と第2反射点の両方がレンズ集光器の側面上となる割合が上記実施の形態のように断面がリング形状とならない場合よりも大きいので、受光角の拡大の効果はあまり大きくない。 Further, in the above-described embodiment, a configuration example in which a reflective surface that substantially faces the reflective surface of the side surface is provided in the whole or a part of the range from the incident side surface to the output side surface inside the lens concentrator is described. In addition to the example (for example, the reflecting surface 7 including the optical axis in FIG. 1), for example, a configuration in which the distance from the side surface of the lens concentrator facing in a ring shape becomes smaller toward the light receiving element is also conceivable. It is done. Specifically, a reflecting surface (not shown) concentric with the side surface of the lens concentrator can be mentioned, but a surface including incident light on the incident side surface and transmitted light entering the lens concentrator. The incident light that is away from the optical axis has a ratio that both the first reflection point and the second reflection point are on the side surface of the lens concentrator than in the case where the cross section does not have a ring shape as in the above embodiment. Since it is large, the effect of expanding the light receiving angle is not so great.
本発明の受光デバイスは、より広い角度範囲で軸ズレ入射光を受光できるという効果を有し、光空間伝送等に使用される受光デバイス等として有用である。 The light receiving device of the present invention has an effect of receiving axially shifted incident light in a wider angle range, and is useful as a light receiving device used for optical space transmission or the like.
1 光源
2 自由空間
3 光軸
4 受光素子
5 入射側面
6 出射側面
7 光軸を含む反射面
8 側面の反射面
9、59,69,79 導光部
10 レンズ集光器
11 軸ズレ(平行)入射光
12 入射角
13 光線軌跡
14 従来の光線軌跡
15 第1反射面
16 第2反射面
17 第1反射点
18 第2反射点
19 光軸を含む第2反射面
20 光軸を含む第2反射面が無い場合の光線軌跡
21、121 有限反射面
22、122 有限反射面内の導光部分
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 2 Free space 3 Optical axis 4
21, 121 Finite
Claims (11)
前記集光器は、両端に入射側面と出射側面とを有し、前記入射側面から入射した光を反射させる反射機能を有する側面の内部が前記入射側面から前記出射側面に向かうに従って実質上せまくなっており、前記集光器の内部には、前記入射側面から前記出射側面に亘る全部又は一部の範囲において前記側面と実質上対面する反射面が設けられている受光デバイス。 A light receiving device comprising: a light collecting device that collects and emits light emitted from a light source; and a light receiving element that receives light emitted from the light collecting device,
The concentrator has an incident side surface and an exit side surface at both ends, and the inside of the side surface having a reflection function for reflecting light incident from the incident side surface becomes substantially narrower as it goes from the incident side surface to the exit side surface. The light receiving device is provided with a reflecting surface that substantially faces the side surface in the whole or a part of the range from the incident side surface to the emission side surface.
されている請求項1に記載の受光デバイス。 The light receiving device according to claim 1, wherein the reflection surface is formed at an interface that causes total reflection between the light collector and a material having a different refractive index.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005344569A JP2007150902A (en) | 2005-11-29 | 2005-11-29 | Light receiving device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2005344569A JP2007150902A (en) | 2005-11-29 | 2005-11-29 | Light receiving device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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ID=38211740
Family Applications (1)
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JP2005344569A Pending JP2007150902A (en) | 2005-11-29 | 2005-11-29 | Light receiving device |
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-
2005
- 2005-11-29 JP JP2005344569A patent/JP2007150902A/en active Pending
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