JP2007525722A - 光制限素子を備える送信機および受信機用光学部品 - Google Patents

Abstract

光エミッタ（１３０）と、光ファイバ（１０８）が収容されているファイバ・レセプタクル（１２２）とを含む送信機用光学部品（１０４）。光制限素子（１３４）は光エミッタ（１０３）とファイバ・レセプタクル（１２２）との間に位置する。光信号が光エミッタから放射されると、光信号は、光信号がファイバ・レセプタクル（１２２）に達し、光ファイバに受信される前に光制限素子（１３４）を通過する。光制限素子（１３４）は、光制限素子（１３４）に入る光信号のパワーが所定の制限を超えた場合、光信号のパワーが光学的に減衰し、そのため、光制限素子から出射される光信号のパワーが所定の制限以下に維持されるような特性を有する。

Description

本発明は、概して、光トランシーバの分野に関する。特に、本発明の実施形態は、光トランシーバから伝送される光信号に対する目の安全要件に関する。

レーザ信号は、種々の異なる技術および用途で広く使用されている。例えば、レーザは、距離測定器として、目標指定装置として、および誘導システムで軍用に広く使用されてきた。レーザは、また、高速データ転送のための通信システムに広く内蔵されている。レーザの実際的な使用方法および異なるレーザの物理特性は種々様々である。あるレーザは比較的低いパワー信号を放射し、他のレーザは、遥かに高いパワー信号を放射することができる。多くの例の場合、感知装置および人間の目は、高パワーレーザ信号により照射されると重大な損傷を起こす恐れがある。

人間の目を、損傷を与えるレーザ信号から保護するために、光伝送装置のメーカーへの指示要項としていくつかの目の安全要件が制定されてきた。両目の安全要件、目の安全要件分類１は、保護を受けていない目がこれらのレーザ信号で照射される環境でレーザ信号を安全に伝送するためのガイドラインを規定している。目の安全限界分類１は、レーザ・パワーおよび照射時間についての制限が組み込まれている。それ故、レーザ信号のパワーは、短時間であれば高くてもよく、または長時間の場合には低くなければならないが、依然として目の安全要件分類１に適合する。

目の安全要件分類１は、光トランシーバのような用途のレーザ信号の放射に適用される。光ファイバ・トランシーバの場合には、目の安全要件分類１は、トランシーバ内での１つの構成要素または接続の妥当な故障として定義されているすべての妥当な１つの故障状態を含むすべての条件の下で適用される。目の安全要件に適合するために、トランシーバは、一般的に、２つの方法のうちの一方で目の安全を確保するように設計される。第一に、トランシーバは、基本的に安全である。何故なら、トランシーバが放射することができる最大パワーは、目の安全限界以下であるからである。１３１０〜１５５０ｎｍの範囲内で動作する長い波長のレーザを内蔵するトランシーバの場合には、そのようになっている。第二に、トランシーバが放射するレーザ信号が基本的に安全でない場合には、例えば、８５０ｎｍの範囲内の波長の信号を伝送するレーザを使用するトランシーバの場合、レーザ電流を監視するか、またはより直接的に、モニタのフォトダイオードを通してレーザ出力パワーを監視する冗長な電気回路により目の安全限界が確保される。

電気回路をベースとする目の安全システムは、レーザ信号のパワーを目の安全限界内に維持するのには役に立つが、このような目の安全システムは複雑になり、コストが増大し、製造が難しくなり、光トランシーバの性能が影響を受ける恐れがある。電気回路をベースとする目の安全システムは、トランシーバで使用する電気回路内の１つの電気部品または接続が故障しても、光トランシーバが必ず引き続き機能するように冗長性を含んでいる。これらの電気回路システムは、一般的に、故障を検出した場合、レーザへのバイアス電流をオフにする働きをするため、多くの場合、レーザ素子と直列に接続している２つのトランジスタからなる。しかし、直列構成要素は、トランシーバ内の電気的上部空間を低くし、それによりトランシーバの性能を制限するので、トランシーバ内でトランジスタを直列に構成するのは実用的でなく、非効率的である。

１カ所の故障を検出または補償するために使用する冗長回路の他の例は、モニタ・フォトダイオードの使用を含む。モニタ・フォトダイオードを内蔵する目の安全システムの場合には、モニタ・フォトダイオードの出力が監視され、出力が設定レベルを超えた場合、レーザ・バイアス電流が制限される。このような目の安全システムの場合には、モニタ・フォトダイオードまたはモニタ・フォトダイオードへの接続の故障を検出しなければならない。何故なら、多くのシステムは、光出力パワーを所望の範囲内に維持するために、フィードバック・ループ内にモニタ・フォトダイオードを使用しているからである。モニタ・フォトダイオードまたはモニタ・フォトダイオードへの接続が故障した場合には、フィードバック・ループは、バイアス電流を最大レベルに駆動しようとする。最大レベルになると、多くのシステムの場合、出力パワー・レベルは目の安全限界を超えることになる。それ故、モニタ・フォトダイオードまたはモニタ・フォトダイオードへの回路接続の故障を検出し、レーザを個々にシャットダウンするために冗長システムが必要になる。すべての起こりうる故障モードに対処しなければならないとなると、目の安全回路全体が複雑になり、非効率的になり、高価なものになる。さらに、通常の目の安全回路では検出されない妥当な１つの欠陥を発見することもできる。

さらに、短波長用の光トランシーバは、多くの場合、所望の通常の動作パワーが目の安全限界に非常に近い。そのため、通常のレベルと安全でないレベルを高い信頼性で見分けるシステムを設計するのが難しいために、多くの場合、そのシステム設計は複雑なものになる。実際、許容できる出力パワーの基準は、多くの場合、最小値および目の安全限界に対応する最大値により定義される。高い製造歩留まりにするために出力パワーの範囲を最大にすることが望ましいために、目の安全管理の問題がますます難しくなる傾向となっている。

高パワー光信号の制御に関する上記および他の問題は、光信号の出力パワーを制御し、目の安全要件への適合を容易にするために、一般的に、送信機用光学部品（ＴＯＳＡ：transmitter optical subassembly）内に光制限材料を組み込む本発明の実施形態により克服される。１つのこのようなＴＯＳＡは、光エミッタおよび光ファイバを収容するファイバ・レセプタクルを含む。光出力を制限し、それにより目の安全基準への適合を容易にするために、光制限材料が、光エミッタとファイバ・レセプタクルとの間に位置する。通常の条件下で出力パワーに実質的な影響を与えることなく、パワーを適当なレベルに制限する光制限材料が選択される。光信号が、光エミッタからファイバ・レセプタクル内に収容されている光ファイバに送信されると、光制限材料は、目の安全要件を超えるパワーを有する任意の信号を減衰する。

本発明の実施形態の上記および他の態様をより明瞭にするために、添付の図面に示す本発明の特定の実施形態を参照しながら本発明についてさらに詳細に説明する。これらの図面は本発明の通常の実施形態のみを示すもので、それ故、本発明の範囲を制限するものと見なすべきではない。さらに、図面の縮尺は正確なものではない。添付の図面を使用して本発明の他の特異性および詳細について説明する。

本発明の例示としての実施形態は、送信機用光学部品（「ＴＯＳＡ」）および受信機用光学部品（「ＲＯＳＡ：receiver optical subassembly」）の設計において光制限材料と呼ばれる材料を加えることにより、関連する目の安全要件に適合する光トランシーバに関する。光制限材料からなる光制限素子は、光信号のパワー・レベルが所定のしきい値を超えた場合に、光信号を光学的に減衰する働きをする。

例示としてのＴＯＳＡの場合には、信号は、光エミッタから送信され、信号は光信号が光ファイバにより受信されるファイバ・レセプタクルに送られる。光エミッタから光ファイバ内に受信した光信号のパワーが、目の安全限界のような所定の制限を決して超えないようにするために、本発明の実施形態は、光エミッタと光ファイバとの間に１つまたは複数の光制限素子を含む。光制限素子は、所望のしきい値以上のパワー・レベルを有する光信号を減衰することにより、送信された光信号のパワーを効果的に制限する。ＴＯＳＡから送信された光信号のパワーを制限することにより、光制限材料は、ＴＯＳＡから送信された光信号が決して目の安全限界を超えないようにし、保護されていない目を損傷しないようにする。
Ｉ．例示としての動作環境
ここで図１を参照すると、この図は、例示としての光トランシーバ・モジュール１００である。ハウジング１０２の他に、トランシーバ・モジュール１００は、ＴＯＳＡ１０４、ほぼハウジング１０２で囲まれている受信機用光学部品（ＲＯＳＡ）１０６を含む。ＴＯＳＡ１０４は光ファイバ１０８を収容し、一方、ＲＯＳＡ１０６は光ファイバ１１０を収容する。ＴＯＳＡ１０４およびＲＯＳＡ１０６は、それぞれプリント基板（ＰＣＢ）１１２の第１の電気的接触素子１１４を通して、ＰＣＢ１１２に接続している。第１の電気的接触素子１１４は、信号トレース１１６およびＰＣＢ１１２（図示せず）回路に接続している。この場合、このような回路は、後置増幅器、レーザ・ドライバ、および関連回路を含むことができ、次に、信号トレースは第２の電気的接触素子１１８に接続している。第２の電気的接触素子１１８は、外部および／または内部電気部品（図示せず）に接続している。

光トランシーバ・モジュール１００は、光信号の送受信を行う。光信号を光トランシーバ・モジュール１００内で受信した場合には、光信号は光ファイバ１１０を通してＲＯＳＡ１０６内に入る。ＲＯＳＡ１０６に入った後で、光信号は、光信号から電気信号に変換される。電気信号は、第１の電気的接触素子１１４を通して、ＲＯＳＡ１０６からＰＣＢ１１２に送信される。次に、電気信号は、信号トレース１１６およびＰＣＢ１１２の回路を通って、第２の電気的接触素子１１８および、次に、外部および／または内部電気部品に送られる。

ＲＯＳＡ１０６から電気信号を受信する他に、外部および／または内部電気部品は、電気信号をＴＯＳＡ１０４に送信することができる。ある例の場合には、電気信号は、外部構成要素から第２の電気的接触素子１１８に送信され、例えば、レーザ・ドライバのような回路と接続している信号トレース１１６に沿ってＰＣＢ１１２を通る。最終的には、回路により処理される電気信号は、ＴＯＳＡ１０４に達し、ここで電気信号は光信号に変換される。次に、光信号は、光ファイバ１０８を通してＴＯＳＡ１０４から送信される。

ここで例示としてのＴＯＳＡ１０４をより注目すると、ＴＯＳＡ１０４は、ハウジング１２０を含む。本発明の一実施形態の場合には、ハウジング１２０は、１つの成形されたプラスチック素子として実施される。ハウジング１２０は、また、例えばガラスのような他の材料から形成することもできる。さらに、ハウジング１２０は、光ファイバ１０８を収容するファイバ・レセプタクル１２２を形成している。ファイバ・レセプタクル１２２の端部に位置するファイバ・ストップ１２４は、光ファイバ１０８をＴＯＳＡ１０４のハウジング１２０内に挿入することができる長さを制限する働きをする。

ＴＯＳＡ１０４のハウジング１２０は、さらに、エンクロージャ１２６と嵌合するように構成される。エンクロージャ１２６は、例えば、ＴＯ缶として実施することができ、窓１２８を含む。光エミッタ１３０は、エンクロージャ１２６により密封され、エンクロージャ１２６内に配置されている。そのため、光エミッタ１３０からの光信号は窓１２８を通過する。

一実施形態の場合には、光エミッタ１２８はレーザであり、その例としては、垂直共振器型面発光レーザ（「ＶＣＳＥＬ：vertical cavity surface-emitting lasers」）、ファブリ・ペロー（「ＦＰ：Febry-Perot」）レーザおよび分布帰還型（「ＤＦＢ：distributed feedback」）レーザ等があるが、これらに限定されない。ＴＯＳＡ１０４で使用するレーザまたは他の光エミッタは、特定の所望の波長で光信号を生成するように選択することができる。ある例示としての実施形態の場合には、レーザは約８５０ｎｍの波長の光信号を放射する。他の例示としての実施形態の場合には、レーザは、約１３１０ｎｍまたは約１５５０ｎｍの波長の光信号を放射する。

引き続き図１について説明すると、レンズ１３２は、光エミッタ１２８からの光信号の焦点を光ファイバ１０８に結ぶためにＴＯＳＡ１０４内に位置する。さらに、光制限素子１３４が、ＴＯＳＡ１０４内の光ファイバ１０８と光エミッタ１２８との間に位置する。１つまたは複数の光制限素子１３４を、光ファイバ１０８と光エミッタ１２８との間の任意の場所または複数の場所に位置させることができる。図１の特定の例の場合には、光制限素子１３４は、エンクロージャ１２６の窓１３０上に位置する。

光制限素子１３４のような光制限素子を構成する際に、種々の材料を使用することができる。このような材料の例としては、ガラス、透明なガラス・ゲル、ポリマー、および例えばフラーレンのような非線形光特性を有する材料と混合した半導体ポリマー等があるが、これらに限定されない。本発明の他の実施形態の場合には、光制限素子は、ポリマー、またはドーパントと混合したポリマーにより構成することができる。

動作中、ＴＯＳＡ１０４がＰＣＢ１１２から電気信号を受信すると、電気信号は光信号に変換され、次に、この光信号は光エミッタ１２８から放射される。光信号は、エンクロージャ１２６の窓１３０を通して光エミッタ１２８から光制限素子１３４に送られる。光制限素子１３４に送信された光信号のパワーが、所定の制限以下である場合には、光信号が光制限素子１３４を通過する場合、光信号はそのままで、ほとんど変化しない。しかし、光信号のパワーが所定の制限以上である場合には、光制限素子１３４は光信号のパワーを光学的に減衰する。それ故、光制限素子は、ＴＯＳＡ１０４が送信した光信号のパワーが所定の制限を決して超えないようにする。本発明の一実施形態の場合には、所定の制限は目の安全要件に対応する。本発明の一実施形態の場合には、目の安全要件は、目の安全要件分類１である。
ＩＩ．光制限材料を含む例示としてのＴＯＳＡ
ここで図２について説明すると、この図は例示としてのＴＯＳＡ２００である。ＴＯＳＡ２００は、ファイバ・レセプタクル２０４を形成するハウジング２０２および関連するファイバ・ストップ２０６を含む。光ファイバ２０８はファイバ・レセプタクル２０４内に収容され、ファイバ・ストップ２０６まで延びる。ハウジング２０２は、また、一体型レンズ２１０を含み、エンクロージャ２１２を取り付けるように構成されている。エンクロージャ２１２の窓２１４は、エンクロージャ２１２内に密封されている光エミッタ２１６が、窓２１４を通して光ファイバ２０８に光信号を送信することができるように配置されている。

ＴＯＳＡ２００は、また、この例示としての実施形態の場合には、光エミッタ２１６の放射面上に位置する光制限素子２１８も含む。通常、光制限素子は、必要に応じて光エミッタ２１６からの光信号のパワーを減衰する働きをする。

図２の光制限素子２１８、光エミッタ２１６の放射面上に直接置かれているが、他の例示としての実施形態の場合には、光制限素子を光エミッタ２１６とファイバ・レセプタクル２０４との間の任意の場所、または複数の場所に設置することができる。さらに、光制限材料を、例えば、レンズ２１０および／またはファイバ・ストップ２０８のようなＴＯＳＡ２００の他の構成要素に組み込むことができる。

ある例示としての実施形態は、例えば、光制限素子２１８のような個々の光制限素子を使用するためのものであるが、ＴＯＳＡに関連する光制限機能は他の方法でも実施することができる。例えば、ＴＯＳＡの他の実施形態は、例えば、２光子吸収ダイのような光制限化合物でドープされた材料からなるハウジングまたはその一部を含む。しかし、代わりに任意の他の適当なドーピング材を使用することもできる。このような例示としての実施態様の場合には、ハウジングは、光エミッタが放射した光信号が、光ファイバに入る前にハウジングの一部を通過するように構成される。この例示としての実施態様の場合には、他の光制限素子は使用せず、ＴＯＳＡハウジング自身が光制限機能を行う。このような実施形態の一例は、別の光制限素子２１８を使用していないという点を除けば、図２のＴＯＳＡ２００に構成が類似している。
ＩＩＩ．光制限材料を含む例示としてのＴＯＳＡ
ここで図５について説明すると、この図はＲＯＳＡ５００の断面図である。この例示としての実施形態の場合には、ＲＯＳＡ５００のハウジング５０２は１つのプラスチックの成形素子である。ハウジング５０２は、例えば、プラスチック、ガラス、または任意の他の光学的に適当な材料を含む任意の数の異なる材料から形成することができる。図５に示すように、ＲＯＳＡ５００のハウジング５０２は、例えば、検出器素子５０６が配置され、かつ密封されているＴＯ缶として実施されている例示としてのエンクロージャ５０４と嵌合する。本発明の一実施形態の場合には、検出器素子５０６は、アバランシェ・フォトダイオード検出器（ＡＰＤ）である。しかし、代わりに、種々の他のタイプの検出器素子を使用することもできる。このような検出器素子の例としては、ＰＩＮフォトダイオードがあるがこれに限定されない。また、エンクロージャ５０４のレンズ５０８は、光信号の焦点を検出器素子５０６上に結ばせるように構成し設置される。図の実施形態の場合には、レンズ５０８は、エンクロージャ５０４と一体になっているが、ある他の実施形態の場合には別々になっている。

図５の例示としてのＲＯＳＡ５００について引き続き説明すると、ハウジング５０２は、光ファイバ５１２を収容するファイバ・レセプタクル５１０を形成する。ファイバ・レセプタクル５１０は、光ファイバ５１２をＲＯＳＡ５００のハウジング５０２内に挿入することができる長さを制限する働きをするファイバ・ストップ５１４と連通している。図１の例示としての配置と同じように、検出器素子５０６の損傷を防止する目的で、必要に応じて光ファイバ５１２からＲＯＳＡ５００内に入った光信号のパワーを減衰するために、光制限材料５１６がＲＯＳＡ５００内の光ファイバ５１２と検出器素子５０６との間に位置する。

図５の例示としての実施形態の場合には、光制限素子５１６は、ファイバ・ストップ５１４とレンズ５０８との間に位置するように、ハウジング５０２に取り付けられているブロック材料の形をしている。しかし、本明細書の他の場所でも説明したように、この配置は単に例示としてのものに過ぎず、光制限素子５１６の構成および位置は必要に応じて変更することができる。

動作中、ＲＯＳＡ５００内で光信号を受信した場合には、光信号は、ファイバ・ストップ５１４および光制限素子５１６を通して光ファイバ５１２から送られる。光制限素子５１６にて光ファイバ５１２から受信した光信号のパワーが所定の制限以下である場合には、光信号は減衰しないで光制限素子５１６を通過する。

一方、光制限素子５１６にて光ファイバ５１２から受信した光信号のパワーが所定の制限以上である場合には、光制限素子５１６は、検出器素子５０６での光信号の光パワーが必ず許容できる制限内に入るのに必要なレベルだけ、光信号のパワーを光学的に減衰する。次に、検出器素子５０６は、光信号を検出し、受信した光信号を電気信号に変換する。このようにして、光検出器５０６に最後に届いた光信号は、必要に応じて、光過負荷制限、損傷しきい値、および／または光検出器５０６に関連する他の所定の制限以下のレベルに光学的に減衰している。

すでに説明したように、ＲＯＳＡ内の光制限素子の位置は変更することができる。ここで図６について説明すると、この図は、光制限素子が検出器素子に隣接して位置するＲＯＳＡ６００を詳細に示す。

図６に示すように、例示としてのＲＯＳＡ６００は、エンクロージャ６０４と嵌合するように構成されているハウジング６０２を含む。検出器素子６０６は、エンクロージャ６０４内に位置しており、レンズ６０８から光信号を受信するように配置されている。この場合、レンズ６０８は、エンクロージャ６０４の一部として構成されている。この例示としての実施形態の場合には、光制限素子６１０は、光検出器６０６の検出面上に直接位置している。

図６について引き続き説明すると、ＲＯＳＡ６００のハウジング６０２は、光ファイバ６１４を収容するファイバ・レセプタクル６１２を形成している。光ファイバ６１４をＲＯＳＡ６００のハウジング６０２内に挿入することができる長さを制限するために、ファイバ・ストップ６１６が、ファイバ・レセプタクル６１２の一方の端部にハウジング６０２により形成されている。

光ファイバ６１４が光信号を受信すると、光信号は光ファイバ６１４からファイバ・ストップ６１６を通ってレンズ６０８に送られる。次に、レンズ６０８は、光信号の焦点を結び、光信号を検出器素子６０６の検出面上に位置する光制限素子６１０に送る。通常、例えば図１にてすでに説明したように、光制限素子６１０は、検出器素子６０６の損傷または検出器素子６０６に関する他の問題を防止するために、検出器素子６０６に送られた光信号のパワーを必要に応じて減衰する。このような減衰が行われる程度は、仮に、例えば、光過負荷限界または検出器素子６０６の損傷しきい値により定義することができる。より一般的に説明すると、光制限素子６１０による光減衰の程度は、種々のしきい値および制限のうちの任意のものを参照して決定することができる。

ここで図７について説明すると、この図は本発明のさらに他の代替実施形態の詳細図である。この例は、エンクロージャ７０４に取り付けられているハウジング７０２を含むＲＯＳＡ７００を開示している。本明細書に記載する他の例示としての実施形態の開示と同様に、検出器素子７０６はエンクロージャ７０４内に配置され、エンクロージャ７０４およびレンズ７０８によりその内部に密封されている。この実施形態の場合には、レンズ７０８は、外部からの光信号の焦点を検出器素子７０６上に結ばせる働きをする。また、ＲＯＳＡ７００のハウジング７０２は、光ファイバ７１２を収容するファイバ・レセプタクル７１０を形成する。

本明細書に開示する他の例示としての実施形態とは対照的に、図７の例示としての実施形態は、さらに、ＲＯＳＡ７００内の反射を制限するためにファイバ・レセプタクル７１０に接触するように位置する物理的接触素子７１４を含む。さらに、物理的接触素子７１４は、光ファイバ７１２が決してファイバ・レセプタクル７１０の端部を超えて延長されないようにする。本発明の一実施形態の場合には、物理的接触素子７１４はガラスであるが、本発明の実施形態はガラスに限定されず、プラスチックまたは他の適当な材料を含むことができる。次に、この実施形態の場合には、光制限素子７１６は、ＲＯＳＡ７００内の物理的接触素子７１４と検出器素子７０６との間に位置しており、光制限素子は物理的接触素子７１４と接触している。

動作中、光信号は、光ファイバ７１２を通してＲＯＳＡ７００内に入る。光信号は、物理的接触素子７１４を通過して光制限素子７１６に入る。光制限素子７１６内に送られた光信号のパワーが所定の制限以下である場合には、光信号は元通りでほとんど変わらない。何故なら、光信号は光制限素子７１６を通過するからである。しかし、光制限素子７１６に送られた光信号のパワーが所定の制限を超えた場合には、光制限素子７１６は、光制限素子７１６から出る光信号のパワーが所定の制限以下になるように、外部からの光信号のパワーを光学的に減衰させる。それ故、光制限素子７１６は、検出器素子７０６が最後に受信した光信号のパワーが必ず所定の制限以下になるようにする。

ここで図８について説明すると、この図は全体を参照番号８００で示し、光制限素子および個別のレンズを組み込む別のＲＯＳＡの断面図である。この図に示すように、ＲＯＳＡ８００のハウジング８０２は、エンクロージャ８０４と嵌合し、検出器素子８０６はエンクロージャ８０４内に配置される。エンクロージャ８０４は検出器素子８０６の近くに位置する窓８０８を含み、光信号はエンクロージャ８０４を通って検出器素子８０６に達することができる。この他の実施形態は、検出器素子８０６に送られた光信号のパワーを制限するために、光制限材料８１０がエンクロージャ８０４の窓８０８上に位置する点で他の例示としての実施形態とは異なる。

さらに、ＲＯＳＡ８００で使用するレンズの配置も、同様に、いくつかの他の実施形態のレンズ配置とは異なる。より詳細に説明すると、個別のレンズ８１２は、光信号の焦点を検出器素子８０６上に結ぶように、レンズ・ホルダ８１４により正しい位置に保持され、ＲＯＳＡ８００内に位置するように配置されている。物理的接触素子８１６は、レンズ・ホルダ８１４とファイバ・レセプタクル８１８との間に介在され、少なくともいくつかの実施形態の場合には、物理的接触素子はレンズ・ホルダ８１４およびファイバ・レセプタクル８１８の一方または両方と接触している。

動作中、ＲＯＳＡ８００内に入った光信号は、最初、光ファイバ８２０から放射され、物理的接触素子８１６を通してレンズ８１２に達する。レンズ８１２は光信号の焦点を結び、次にこの光信号はエンクロージャ８０４の窓８０８上に位置する光制限素子８１０を通して伝送される。光制限素子８１０に達した光信号のパワーが所定の制限以下である場合には、光信号は元通りでほとんど変わらない。何故なら、光信号は光制限素子８１０を通過するからである。しかし、光制限素子８１０に達した光信号のパワーが、所定の制限を超える場合には、光制限素子８１０は、光信号を光学的に減衰させ、そのため検出器素子８０６が検出する光信号は決して所定の制限を超えない。

ここで図９について説明すると、この図は本発明のもう１つの例示としての実施形態である。本明細書に記載する他の例示としての実施形態と同様に、図９は、相互に嵌合しているハウジング９０２とエンクロージャ９０４を含むＲＯＳＡ９００の断面図である。検出器素子９０６は、エンクロージャ９０４内に配置されている。係合エンクロージャ９０４の他に、ハウジング９０２は、光ファイバ９１０が配置されるファイバ・レセプタクル９０８を形成している。

ＲＯＳＡ９００は、さらに、物理的接触素子９１２およびレンズ・ホルダ９１４を含む。光制限素子９１４は、光ファイバ９１０と検出器素子９０６との間のレンズ・ホルダ９１６内に位置し、レンズ・ホルダは、さらに、１つまたは複数のレンズ９１８および／または他の光学部品を保持する。

光信号がＲＯＳＡ９００内に入ると、光信号は光ファイバ９１０を通ってＲＯＳＡ９００に入る。次に、光信号は物理的接触素子９１２および光制限素子９１４を通過する。光制限素子９１４に送られた光信号のパワーが所定の制限以下である場合には、光信号は元通りでほとんど変わらない。何故なら、光信号は光制限素子９１４を通過するからである。しかし、光信号のパワーが、所定の制限を超える場合には、光制限素子９１４は光信号のパワーを光学的に減衰させ、そのため検出器素子９１４が検出する光信号のパワーは必ず所定の制限以下になる。光制限素子９１４を通過した後で、光信号は引き続きレンズ９１８を通過し、そこで光信号の焦点が検出器素子９０６上に結ばれる。次に、光信号は検出器素子９０６により受信され、電気信号に変換される。
ＩＶ．例示としての光制限材料
本明細書から明かであるように、開示の光制限素子は、光信号のパワーを光学的に減衰させるための手段の例示としての構造の実施形態である。しかし、本発明の範囲は、本明細書に開示する例示としての光制限材料の例示としてのタイプおよび配置に限定されない。それどころか、類似の機能を有する任意の他の構造体も同様に使用することができる。

すでに説明したように、光制限材料は、少なくともある光パワー範囲に対して非線形光学特性を有し、それにより光制限材料を通しての透過率が低パワーの光信号に対しては比較的高く、光信号のパワーが所定の上限を超えると比較的低いレベルに低減する材料である。通常、光制限材料は、必要に応じて、光制限材料に入る光信号のエネルギーの一部を吸収する。このようにして、光制限材料から出る光信号のパワーは所定の制限にまたはそれ以下に維持される。

すでに説明したように、光制限材料は任意のパワーしきい値を超える光信号を減衰するための特徴のある応答時間を有する。以下に説明するように、特定の所望の応答時間は用途および／またはデバイスにより異なる場合がある。

特定の光制限材料の応答時間は、光信号の許容できるパワー・レベルおよび光信号により目が照射される許容最大時間についてのガイドラインを規定する目の安全要件のような規格と密接に関連する。より詳細に説明すると、光制限材料の応答時間は、傷害を受けずに、あるパワーの光信号で目を照射することを許容することができる時間と関連する。応答時間は、光制限材料により異なり、通常、例えば目の安全基準および関連する光信号の予想パワーを基準にして選択される。例示としての応答時間は、数百秒からマイクロ秒の範囲内の時間に測定される。

ある例示としての実施形態の場合には、光制限材料の応答時間は、約１００μｓから約１００ｍｓの範囲内である。目の安全レベルは、任意のパワー・レベルで目が照射される全時間の関数であるので、比較的低パワーの光信号で照射される時間的制限は、比較的高パワーの光信号での照射に対する時間的制限よりかなり長い。さらに、光制限材料が比較的高パワーの光信号に比較的迅速に応答できる場合には、光信号の出力パワーは、目の安全限界を超えることなく、比較的長い期間、比較的高いままで維持することができる。

光制限材料のもう１つのパラメータは、光制限材料上の、そのパワーが所定の限界以上の光信号の影響に関連する。より詳細に説明すると、ＴＯＳＡの光エミッタが放射する光信号に対する光制限材料の応答は、可逆的である場合もあるし、非可逆的である場合もある。高パワー光信号は、可逆的および非可逆的光制限材料の両方により減衰するが、光信号のパワーが所定のパワー制限以下に低減すると、可逆的光制限材料の透過率は比較的高いレベルに戻る。対照的に、非可逆的光制限材料は、一旦光信号がパワーしきい値を超えた場合、高いレベルの光信号の透過率に戻ることができない。

可逆的光学材料は、さらに、少なくとも２つの分類に分割することができる。第１の分類の材料は、吸収性が高く、２光子吸収材料とも呼ばれる。第２の分類の材料は屈折率が高い。屈折性光制限材料は、高度の収束または発散光ビームを有する光学系で使用するのに適しているが、屈折性および／または吸収性光制限材料は、本発明の例示としての実施形態で役に立つ。

すでに説明したように、光制限材料は、光制限材料の特定の特性に基づいて本発明の例示としての実施形態で使用するために選択される。その例としては応答時間、透過率および可逆性等がある。特定の光制限材料および／または光制限材料の配置を選択する際のもう１つの考慮事項は、関連する光信号の波長に関連する。

例えば、ＴＯＳＡのレーザが放射した光信号の波長が約８５０ｎｍである場合には、約−３ｄＢｍから約−１．３ｄＢｍの範囲内に制限パワーを有する光制限材料を所望の光減衰機能を持たせるために選択することができる。このような光制限材料を通して放射することができる光信号のパワーの上限、および光信号パワーに対する最大の目の安全限界は約−２ｄＢｍである。これらのパワー制限は、光ファイバにおいて受信する光信号のパワーを意味する。もちろん、このようなパワー制限は、単に例示としてのものであって本発明の範囲を制限するものではない。

光制限材料は、他の波長の光信号と共に使用するために選択することもできる。例えば、本発明のある実施形態は、それぞれ１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍの信号を放射するレーザを使用する。それ故、この波長情報によって特定の光制限材料の選択を行うことを知らせることができる。この特定の例の場合には、１３１０ｎｍまたは１５５０ｎｍの信号を放射するＴＯＳＡで使用するために選択した光制限材料の応答時間は、目の安全要件を超えることなく、８５０ｎｍの範囲内の信号を放射するＴＯＳＡで使用するために選択された光制限材料の応答時間より比較的長くすることができる。それ故、本発明の実施形態は、種々の波長で放射する種々の異なる光エミッタを使用する。

光制限材料は、ＦＰレーザ、ＤＦＢレーザおよびＶＣＳＥＬを含むがこれらに限定されないデバイスが生成する種々の光信号と共に効果的に使用することができる。また、光制限材料は、種々のタイプの検出器と共に使用するのに適している。検出器の例としては、アバランシェ・フォトダイオード（「ＡＰＤ：avalanche photodiodes」）およびＰ−Ｉ−Ｎフォトダイオード等がある。同様に、任意の状況で使用する特定の光制限材料は、通常、光制限材料が遭遇すると予想される特定の波長または波長範囲を考慮して選択される。このような波長の例としては、１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍを含むが、これらに限定されない。しかし、上記のものは例示としてのものに過ぎず、本発明の範囲が任意の特定のデバイス、構成または動作波長に制限されると解釈すべきではない。

すでに説明したように、検出器素子の１つの損傷機構の性質は熱的なものである。それ故、検出器素子または他の光トランシーバ構成要素の温度を許容できないレベルにまで上昇させる恐れがある過度の光パワーの受信による損傷から検出器素子を保護するために、例示としての光制限材料は、検出器が高パワーの光信号により放射される時間を温度を臨界点以上に上昇するのに必要な時間よりもかなり短く制限している。

例えば、約６〜２０ｄＢｍまたは４〜１０ｍＷの光パワー・レベルの場合には、時間の長さは、マイクロ秒の範囲内、すなわち約１０^−６〜１０^−３秒の範囲内である。それ故、本発明のある実施形態に組み込まれた光制限材料は、約１０^−６〜約１０^−３秒の応答時間を特徴とする。しかし、本発明で使用する光制限材料の応答時間は種々様々であり、任意の特定の時間に限定されない。

光制限材料のもう１つのパラメータは、光制限材料上のそのパワーが所定の制限以上の光信号の影響に関連する。より詳細に説明すると、ＲＯＳＡ内に入る光パワー信号に対する光制限材料の応答は、可逆的である場合もあるし、非可逆的である場合もある。高パワー光信号は、可逆的および非可逆的光制限材料の両方により減衰するが、光信号のパワーが所定のパワー制限以下に低減すると、可逆的光制限材料の透過率は比較的高いレベルに戻る。対照的に、非可逆的光制限材料は、一旦光信号がパワーしきい値を超えた場合、高いレベルの光信号の透過率に戻ることができない。

可逆的光学材料は、少なくとも２つの分類にさらに分割することができる。第１の分類の材料は、吸収性が高く、２光子吸収材料とも呼ばれる。第２の分類の材料は屈折率が高い。屈折性光制限材料は、高度の収束または発散光ビームを有する光学系で使用するのに適しているが、屈折性および／または吸収性光制限材料は本発明の例示としての実施形態で役に立つ。

すでに説明したように、本発明の実施形態は光制限材料を組み込んでいる。その例としては光過負荷制限を改善するために、また検出器素子の損傷しきい値を増大するために、ＲＯＳＡ内への吸収性または屈折性材料等がある。適当な応答時間およびエネルギー吸収を有する光制限材料を使用すると、検出器素子に達する光パワーが光過負荷制限以下に、または広い範囲の光入力パワーに対する検出器素子の他の所定の制限以下に確実に維持するのを援助する。さらに、ＲＯＳＡ内への光制限材料の組み込みは、関連するトランシーバの全体の構造および設計に悪影響を与えないで行うことができる。

特定の配置および材料を使用することができるように、および／または所望の効果を達成することができるように、必要に応じて本発明の実施形態の種々の態様を修正することができる。例えば、光制限機能を、検出器素子と光ファイバとの間の距離が約１ｍｍ以下であるＲＯＳＡで実施することができる。より詳細に説明すると、光制限材料が、適当な吸収剤でドープされたガラスに基づくリミッタ類似のガラスの機械特性を有している場合には、より多くのオプションが可能である。より柔らかい材料の場合には、材料を支持するためにガラスからなる基板を使用することができる。

さらに、このような態様の他の例として、本発明のいくつかの実施形態は、光制限材料への光信号入力のパワーが、検出器素子の損傷しきい値により決定した＋３から＋１０ｄＢｍ、最も典型的には＋６ｄＢｍの範囲内のレベルに達するまで、光減衰効果が少ないか全くない光制限材料を使用する。光制限材料が受信機の通常の動作範囲を拡張するように設計されている場合には、光減衰がスタートするしきい値は、−６から＋３ｄＢｍの範囲に下がる。この場合、このしきい値は検出器の飽和レベルに基づいて選択される。光制限材料の応答の性質は、光強度をベースとしているので、単位面積あたりのパワーで測定した場合、光制限材料の特性は、適当な光信号横断面を有する光路の一部内に光制限材料を設置するのが望ましい場合がある。逆に、ＲＯＳＡまたはトランシーバの実効パワー制限を調整するように光路内の位置を選択することができる。また、光信号のパワーにより光検出器が損傷を受ける時間より短い応答時間を有するように光制限材料を選択することができる。

それ故、一般的に、光制限材料に関する種々のパラメータを必要に応じて特定の用途に適合するように調整することができる。このようなパラメータの例としては、透過率、可逆性、応答時間、制限パワーの範囲、光制限材料の位置およびエネルギー吸収等があるが、これらに制限されない。

上記説明から分かるように、光制限材料に関する種々のパラメータは、特定の用途に適合するように必要に応じて調整することができる。このようなパラメータの例としては、透過率、可逆性、応答時間、制限パワーの範囲、光制限材料の位置、光エミッタの波長およびエネルギー吸収等があるが、これらに制限されない。
Ｖ．光制限材料の性能
ここで図３について説明すると、この図は、光制限材料への入力パワーの関数として、ＴＯＳＡで使用する光制限材料からの出力パワーのグラフによって、光制限材料の光制限特性を示す図面である。本発明の例示としての実施形態で使用する光制限材料は、光制限材料の透過率が図３のライン３０２で示す指定のパワーしきい値に対応するように選択される。本発明の一実施形態の場合には、パワーしきい値は検出器素子の損傷しきい値である。

本発明の他の実施形態の場合には、パワーしきい値は検出器素子の光過負荷制限である。ラインＡＢに示すように、光制限材料が受信した光信号の入力パワーがパワーしきい値以下である場合には、出力パワーは入力パワーにほぼ等しい。それ故、光制限材料の透過率はほぼ１００％である。入力パワーが、パワーしきい値以下の所定のレベル、ライン３０４である出力パワーに対応する点「Ｂ」で示す入力パワーしきい値に達すると、光制限材料は光信号のパワーを減衰し、それにより、入力パワーのさらなる増大が入力パワーしきい値「Ｂ」を超えても、出力光信号のパワーがパワーしきい値を超えるのを防止する。

すなわち、光制限材料への入力パワーの増大が点「Ｂ」を超えても、光制限材料の減衰特性により光制限材料からの出力パワーに有意の変化はない。それ故、光制限材料の透過率の応答は、平坦になり、入力パワーしきい値を超える入力光パワーの増大に対してゼロに近づく。光制限材料が可逆的である本発明の実施形態の場合には、光信号の入力パワーが「Ｂ」で示す入力パワーしきい値以下に下がった場合、光信号の透過率は１００％近いレベルに戻る。

ここで図１０について説明すると、光制限材料への入力パワーの関数として、ＲＯＳＡで使用する光制限材料からの出力パワーのグラフによって、光制限材料の光制限特性を示す。本発明の例示としての実施形態で使用する光制限材料は、光制限材料の透過率が図１０のライン１００２で示す指定のパワーしきい値に対応するように選択される。本発明の一実施形態の場合には、パワーしきい値は、検出器素子の損傷しきい値である。

本発明の他の実施形態の場合には、パワーしきい値は検出器素子の光過負荷制限である。ラインＡＢに示すように、光制限材料が受信した光信号の入力パワーがパワーしきい値以下である場合には、出力パワーは入力パワーにほぼ等しい。それ故、光制限材料の透過率はほぼ１００％である。すなわち、出力光パワーと入力光パワーとの間の比率は、１：１または１である。入力パワーが、パワーしきい値以下の所定のレベルである出力パワーに対応する点「Ｂ」で示す入力パワーしきい値に達すると、光制限材料は光信号のパワーを減衰し、それにより、入力パワーのさらなる増大が入力パワーしきい値「Ｂ」を超えても、出力光信号のパワーがパワーしきい値を超えるのを防止する。

すなわち、入力パワーの少なくとも所定の範囲の場合、光制限材料への入力パワーの増大が、点「Ｂ」を超えても、光制限材料の減衰特性により光制限材料からの出力パワーに有意の変化はない。それ故、光制限材料の透過率応答は、平坦になり、入力パワーしきい値を超える入力光パワーの増大に対してゼロに近づく。
ＶＩ．光減衰のための方法
ここで図４について説明すると、この図はＴＯＳＡ内の光信号を処理するための方法を示す。ステップ４０２において、電気信号は光信号に変換される。次に、光信号は、ステップ４０４に示すように、例えばレーザにより放射される。光信号の入力パワーが入力パワーしきい値を超えた場合には、ステップ４０６に示すように、光信号のパワーは光学的に減衰し、そのため出力光信号のパワーは所定のパワー制限以下に維持される。ステップ４０８において、減衰した光信号が送信される。それにより、送信される光信号のパワーは、目の安全限界以下のパワーまたはある他の所定のしきい値に維持される。

本発明の実施形態は、光制限材料をＴＯＳＡのような構成要素に組み込むことにより光信号の出力パワー・レベルを所望の制限内に維持する。光制限材料をレーザのような光エミッタと光ファイバとの間に設置することにより、光ファイバ内に最終的に放射される光信号のパワーが、所望の制限を超えるのが防止される。

ここで図１１について説明すると、この図は所定の制限を超える光信号のパワーを減衰するための方法１１００である。ステップ１１０２において、光信号を受信する。受信した光信号のパワーが所定の制限を超える場合には、パワーはステップ１１０４に示すように光学的に減衰する。このようにして、所定の制限を超えるパワーを有する入力光信号は検出器素子で受信されない。

方法１１００のステップ１１０６において、減衰した光信号が焦点を結ぶ。次に、減衰した光信号がステップ１１０８において検出される。最後に、ステップ１１１０において、減衰した光信号が電気信号に変換される。

本発明は、本発明の技術思想または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形で実施することができる。上記実施形態は、すべての点で単に例示としてのものであると見なすべきで、本発明を制限するものではない。それ故、本発明の範囲を表すものは、上記説明ではなく、添付の特許請求の範囲である。特許請求の範囲の均等物の意味および範囲に含まれるすべての変更は本発明の範囲内に含まれる。

光制限材料および素子を使用する例示としての光トランシーバ・モジュールの断面図。 光エミッタの放射面に直接接着した光制限材料を含むＴＯＳＡのある実施形態の断面図。 光制限材料に入る光信号の入力パワーの関数として、光制限材料から放射される光信号の出力パワーのグラフ。 ＴＯＳＡで放射された光信号のパワーを制限するためのプロセスを示す流れ図。 光制限材料を組み込む例示としてのＲＯＳＡの断面図。 検出器素子の検出面上に光制限材料を組み込む例示としてのＲＯＳＡの断面図。 物理的接触素子と共に光制限材料を組み込む例示としてのＲＯＳＡの断面図。 光制限材料および個別のレンズを組み込む例示としてのＲＯＳＡの断面図。 レンズ・ホルダ内に位置する光制限材料を組み込む例示としてのＲＯＳＡの断面図。 光制限材料に入る光信号の入力パワーの関数として、光制限材料から出る光信号の出力パワーのグラフ。 光信号を光学的に減衰するための方法を示す流れ図。

Claims (23)

1. 送信機用光学部品であって、
   光エミッタが配置されるエンクロージャと、
   前記エンクロージャに取り付けられ、ファイバ・レセプタクルを形成するハウジングであって、光ファイバがファイバ・レセプタクル内に収容された場合、前記光エミッタからの光信号が、前記光ファイバ内に入るように構成されている前記ハウジングと、
   前記光エミッタと前記ファイバ・レセプタクルとの間に配置された光制限素子であって、前記光制限素子に入る前記光信号のパワーが所定の範囲内である場合、前記光制限素子から出てくる前記光信号のパワーが所定の制限またはそれ以下に維持されるような特性を有する前記光制限素子と
   を備える送信機用光学部品。
2. 前記光エミッタが、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、ファブリ・ペロー・レーザ、または分布帰還型（ＤＦＢ）レーザのうちの１つである請求項１に記載の送信機用光学部品。
3. 前記光エミッタの放射波長が、約８５０ｎｍ、約１３１０ｎｍ、または約１５５０ｎｍのうちの１つである請求項１に記載の送信機用光学部品。
4. 前記光制限素子が、吸収性、または屈折性のうちの一方である請求項１に記載の送信機用光学部品。
5. 前記光制限素子が、前記光エミッタの放射面上に位置する請求項１に記載の送信機用光学部品。
6. 前記光制限素子が、可逆的、または非可逆的のうちの一方である請求項１に記載の送信機用光学部品。
7. 前記所定の制限が、目の安全限界である請求項１に記載の送信機用光学部品。
8. 前記光制限素子の透過率が、入力光パワーの第１の範囲内でほぼ線形的であり、入力光パワーの第２の範囲内でほぼ非線形的である請求項１に記載の送信機用光学部品。
9. 前記ファイバ・レセプタクルと前記光エミッタとの間に介在するレンズをさらに備える請求項１に記載の光送信機アセンブリ。
10. 受信機用光学部品であって、
    検出器素子が配置されるエンクロージャと、
    前記エンクロージャに取り付けられ、ファイバ・レセプタクルを形成するハウジングであって、光ファイバがファイバ・レセプタクル内に収容された場合、前記光ファイバからの信号が、前記検出器素子を向くように構成されている前記ハウジングと、
    前記検出器素子と前記ファイバ・レセプタクルとの間に配置された光制限素子であって、前記光制限素子に入る前記光信号のパワーが所定の範囲内である場合、前記光制限素子から出てくる前記光信号のパワーが所定の制限またはそれ以下に維持されるような特性を有する前記光制限素子と
    を備える受信機用光学部品。
11. 前記光制限素子が、吸収性、または屈折性のうちの一方である請求項１０に記載の受信機用光学部品。
12. 前記検出器素子が、ＡＰＤ、またはＰ−Ｉ−Ｎフォトダイオードのうちの一方を備える請求項１０に記載の受信機用光学部品。
13. 前記エンクロージャが、前記光制限素子が取り付けられている窓を含む請求項１０に記載の受信機用光学部品。
14. 前記所定の制限が、光過負荷制限、または損傷しきい値のうちの一方である請求項１０に記載の受信機用光学部品。
15. 前記エンクロージャがＴＯ缶を有する請求項１０に記載の受信機用光学部品。
16. 前記光制限素子が、前記ファイバ・レセプタクルに隣接して位置する物理的接触素子に組み込まれている請求項１０に記載の受信機用光学部品。
17. 前記光制限素子が接合されている物理的接触素子をさらに備え、前記物理的接触素子が前記ファイバ・レセプタクルと前記検出器素子との間に介在する請求項１０に記載の受信機用光学部品。
18. 前記光制限素子が、前記検出器素子上に位置する請求項１０に記載の受信機用光学部品。
19. 前記光制限素子の透過性が、入力光パワーの第１の範囲内でほぼ線形的であり、入力光パワーの第２の範囲内でほぼ非線形的である請求項１０に記載の受信機用光学部品。
20. 前記ファイバ・レセプタクルと前記検出器素子との間に介在するレンズをさらに備える請求項１０に記載の受信機用光学部品。
21. 前記光制限素子の特性が、前記光制限素子に入る前記光信号のパワーが、以下の範囲、すなわち、約−６ｄＢｍから約＋３ｄＢｍ、または約＋３ｄＢｍから約＋１０ｄＢｍの範囲の一方に入るまで、前記光制限素子がほぼ１の透過率を有するようになっている請求項１０に記載の受信機用光学部品。
22. 光トランシーバ・モジュールであって、
    プリント基板と、
    前記プリント基板に接続された受信機用光学部品と、
    前記プリント基板に接続された送信機用光学部品であって、
    光エミッタと、
    ファイバ・レセプタクルであって、光ファイバがその内部に収容された場合に、前記光エミッタからの信号が前記光ファイバ内に入るように構成されている前記ファイバ・レセプタクルと、
    前記光エミッタが生成する光信号を光学的に減衰するための手段とを含む前記送信機用光学部品と、
    前記プリント基板、前記送信機用光学部品、および前記受信機用光学部品をほぼ囲むハウジングと
    を備える光トランシーバ・モジュール。
23. 前記受信機用光学部品が、
    検出器素子と、
    ファイバ・レセプタクルであって、光ファイバがその内部に収容された場合に、前記光ファイバからの信号が前記検出器素子内に入るように構成されている前記ファイバ・レセプタクルと、
    光信号を光学的に減衰するための手段とを含む請求項２２に記載の光トランシーバ・モジュール。

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