JP2011123121A - 双方向光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも光損失の小さい双方向光モジュールを実現する。
【解決手段】光ファイバ２１から出射された光を出射平行光とする第１のレンズ１３と、出射平行光を集光する第２のレンズ１４と、第２のレンズ１４で集光された光を受光する受光素子１２と、光ファイバ２１に入射させる光を発光する発光素子１１と、発光素子１１から発光された光を入射平行光とする第３のレンズ１５と、出射平行光の光路中に第２のレンズ１４に至る出射平行光の一部を遮るように位置された第１の反射手段４１を具備する。入射平行光のビーム径は出射平行光のビーム径より小とされ、入射平行光は第１の反射手段４１で反射され、出射平行光と平行とされて第１のレンズ１３に至る構成とされる。
【選択図】図４

Description

この発明は光ファイバを用いた双方向光通信に使用される双方向光モジュールに関する。

図７は従来のこの種の双方向光モジュールの構成概略を示したものである。双方向光モジュールはこの例では発光素子１１と受光素子１２と３つのレンズ１３〜１５とミラー１６とハーフミラー１７とを具備するものとなっている。図中、２１は光ファイバを示す。

光ファイバ２１から出射された光は第１のレンズ１３で平行光（出射平行光）とされ、出射平行光はハーフミラー１７に入射される。出射平行光はその半分がハーフミラー１７で反射され、残りの半分がハーフミラー１７を透過する。ハーフミラー１７を透過した出射平行光はミラー１６で反射され、第２のレンズ１４で集光されて受光素子１２に受光される。

一方、発光素子１１から発光された光は第３のレンズ１５で平行光（入射平行光）とされ、入射平行光はハーフミラー１７に入射される。入射平行光はその半分がハーフミラー１７を透過し、残りの半分がハーフミラー１７で反射される。ハーフミラー１７で反射された入射平行光は、出射平行光の進行方向とは反対方向に、出射平行光と平行に進行して第１のレンズ１３に入射され、第１のレンズ１３で集光されて光ファイバ２１に入射される。

このような構成とされた双方向光モジュールではハーフミラー１７で反射される出射平行光及びハーフミラー１７を透過する入射平行光は共に損失となる。従って、光ファイバ２１の両端に双方向光モジュールがそれぞれ接続された系において、一方の双方向光モジュールの発光素子１１から発光された光が他方の双方向光モジュールの受光素子１２に受光されるまでの光損失は、光ファイバ２１に入射する入射光で半分（３ｄＢ）損失し、光ファイバ２１から出射する出射光で半分（３ｄＢ）損失するため、全体で６ｄＢとなる。

図８は双方向光モジュールの他の従来例として、特許文献１に記載されている構成を示したものであり、この例では双方向光モジュールは発光素子３１と受光素子３２と３つのレンズ３３〜３５と集積光学プリズム３６とを具備するものとなっている。集積光学プリズム３６は第１のプリズム３７と第２のプリズム３８が配設板３９上に固定されて構成されている。図中、３０はモジュールケースを示す。

発光素子３１から発光された光（ここでは出力光と言う）はレンズ３３により平行光とされ、第１のプリズム３７の反射面３７ａで反射されて第２のプリズム３８に到達する。第２のプリズム３８はその反射面３８ａと空気層との間で形成される境界が出力光の光路中に位置するように調整されているため、図８Ｂに示したように出力光の一部は反射面３８ａで反射され、残りの部分は境界上部の空気層を通過することになる。空気層を通過した出力光はレンズ３４に入射され、レンズ３４で集光されて光ファイバ２１に入射される。

一方、光ファイバ２１から出射された光（ここでは入力光と言う）はレンズ３４により平行光とされ、第２のプリズム３８に到達する。第２のプリズム３８はその反射面３８ａと空気層との間で形成される境界が入力光の光路中に位置するため、図８Ｃに示したように入力光の一部は反射面３８ａで反射され、残りの部分は境界上部の空気層を通過することになる。反射面３８ａで反射された入力光はレンズ３５に入射され、レンズ３５で集光されて受光素子３２に受光される。

この例においても第２のプリズム３８で反射される出力光及び第２のプリズム３８の上の空気層を通過する入力光は共に損失となる。第２のプリズム３８の反射面３８ａと空気層との間で形成される境界が出力光及び入力光のビームを各２等分する位置に位置する場合、図７に示した双方向光モジュールと同様、出力光で半分（３ｄＢ）損失し、さらに入力光で半分（３ｄＢ）損失することになり、全体で６ｄＢの光損失が発生する。

特開２００５−３３８２９１号公報

上述したように、従来の双方向光モジュールにおいては光ファイバに入射する入射光及び光ファイバから出射する出射光のいずれにおいても光損失が発生するものとなっており、光ファイバの一端に接続された双方向光モジュールの発光素子から光ファイバの他端に接続された双方向光モジュールの受光素子までの光損失は原理的に少なくとも６ｄＢ発生するものとなっていた。

この発明の目的はこのような状況に鑑み、光損失を従来よりも小さくすることができる双方向光モジュールを提供することにある。

請求項１の発明によれば、光ファイバを用いた双方向光通信に使用する双方向光モジュールは、光ファイバから出射された光を出射平行光とする第１のレンズと、前記出射平行光を集光する第２のレンズと、第２のレンズで集光された光を受光する受光素子と、光ファイバに入射させる光を発光する発光素子と、発光素子から発光された光を入射平行光とする第３のレンズと、前記出射平行光の光路中に、第２のレンズに至る出射平行光の一部を遮るように位置された第１の反射手段とを具備し、前記入射平行光のビーム径は前記出射平行光のビーム径より小とされ、前記入射平行光は第１の反射手段で反射され、前記出射平行光と平行とされて第１のレンズに至る構成とされる。

請求項２の発明では請求項１の発明において、第１の反射手段がプリズムによって構成される。

請求項３の発明では請求項１の発明において、前記出射平行光は第２の反射手段で反射されて第２のレンズに至る構成とされる。

請求項４の発明では請求項３の発明において、第１の反射手段及び第２の反射手段は共にプリズムで構成され、それらプリズムが一体形成されているものとされる。

請求項５の発明では請求項１乃至４のいずれかの発明において、前記出射平行光は全体の1/4を越える光が第１の反射手段で遮られることなく、第２のレンズに至る構成とされる。

請求項６の発明では請求項１乃至５のいずれかの発明において、発光素子が面発光レーザとされる。

この発明によれば、光ファイバに入射する入射光に光損失は発生せず、光ファイバから出射する出射光のみに光損失が発生するものとなっている。よって、光ファイバの一端に接続された双方向光モジュールの発光素子から光ファイバの他端に接続された双方向光モジュールの受光素子までの光損失を従来よりも小さくすることが可能となる。

この発明による双方向光モジュールの第１の実施例の構成を説明するための図。 図１における出射平行光と第１の反射手段の存在によって生じる陰になる部分の関係を示す図。 この発明による双方向光モジュールの第２の実施例の構成を説明するための図。 この発明による双方向光モジュールの第３の実施例の構成を説明するための図。 この発明による双方向光モジュールの第４の実施例の構成を説明するための図。 図５におけるプリズムの斜視図。 双方向光モジュールの従来構成例を説明するための図。 双方向光モジュールの他の従来構成例を説明するための図。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。

図１はこの発明による双方向光モジュールの一実施例の構成概要を示したものであり、図７と対応する部分には同一符号を付してある。この例では双方向光モジュールは発光素子１１と受光素子１２と３つのレンズ１３〜１５と第１の反射手段４１と第２の反射手段４２とを具備するものとなっている。第１の反射手段４１及び第２の反射手段４２はこの例ではそれぞれミラーによって構成されている。発光素子１１は例えば面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）とされ、受光素子１２は例えばフォトダイオード（ＰＤ）とされる。

光ファイバ２１から出射された光は第１のレンズ１３で平行光（出射平行光）とされる。第１の反射手段４１はこの出射平行光の光路中に位置しており、出射平行光の一部はこの第１の反射手段４１によって反射される。出射平行光の残りの部分は第１の反射手段４１で反射されることなく、つまり遮られることなく、直進し、第２の反射手段４２で反射されて第２のレンズ１４に入射される。出射平行光は第２のレンズ１４で集光され、受光素子１２に受光される。図１中、５１は出射平行光のビーム（光束）の大きさを示す。

一方、発光素子１１から発光された光は第３のレンズ１５で平行光（入射平行光）とされる。この入射平行光のビーム径は出射平行光のビーム径より小とされており、入射平行光はそのすべてが第１の反射手段４１で反射される。第１の反射手段４１で反射された入射平行光は、出射平行光と平行とされ、出射平行光の進行方向と反対方向に進行して第１のレンズ１３に入射され、第１のレンズ１３で集光されて光ファイバ２１に入射される。図１中、５２は入射平行光のビームの大きさを示す。

このように、この例では入射平行光はそのすべてが第１の反射手段４１で反射されて光ファイバ２１に入射されるため、光ファイバ２１に入射する入射光に光損失は発生しない。一方、出射平行光はその一部が第１の反射手段４１で反射されるため、光ファイバ２１から出射する出射光には光損失が生じる。

光ファイバ２１から出射する出射光に生じる光損失は、図２に示したように出射平行光５１中に生じる第１の反射手段４１によって陰になる部分５３であり、出射平行光５１の直径と陰になる部分５３の直径の比を例えば１：０．７とすれば、出射平行光の光損失は３ｄＢとなる。なお、第１の反射手段４１は楕円形のミラーとされており、よって影になる部分５３は図２に示したように円形となる。

従って、この例によれば、光ファイバの一端に接続された双方向光モジュールの発光素子から発光された光が光ファイバの他端に接続された双方向光モジュールの受光素子に受光されるまでの光損失は、０ｄＢ＋３ｄＢ＝３ｄＢとなり、従来よりも光損失を小さくすることができる。

なお、従来においては光ファイバの一端に接続された双方向光モジュールの発光素子から光ファイバの他端に接続された双方向光モジュールの受光素子までの光損失は原理的に６ｄＢ発生するものとなっていたため、光損失を６ｄＢより小さくする点から言えば、陰になる部分５３の大きさは上述した例よりも大きくてもよく、出射平行光全体の1/4を越える光が第１の反射手段４１で遮られることなく（反射されることなく）、受光素子１２に受光されるようにすれば、従来に対して光損失の改善効果を得ることができる。

一方、光損失を極力小さくする点から言えば、入射平行光のビーム径を出射平行光のビーム径より極力小さくし、かつ第１の反射手段４１の大きさを入射平行光のすべてを反射できるだけの大きさに制限するのが好ましい。入射平行光のビーム径は例えば発光素子１１と第３のレンズ１５間の距離を小さくすることによって小さくすることができ、また上述したように発光素子１１に光の出射角が比較的小さい面発光レーザを用いることによって小さくすることができる。

第１の反射手段４１は図１では出射平行光の中央に位置するように配置されているが、例えば図３に示したように出射平行光の光軸とずらし、一方の側に寄せて配置するようにしてもよい。このような配置とすることにより、ミラーよりなる第１の反射手段４１の支持を、出射平行光の直進を妨げることなく、良好かつ容易に行うことができる。

一方、図４は第２の反射手段４２をなしとした例を示したものであり、出射平行光は第１のレンズ１３の光軸上に位置された第２のレンズ１４によって集光されて、その光軸の延長上に配置された受光素子１２に受光される。このような構成を採用することもできる。

上述した例では第１の反射手段４１及び第２の反射手段４２にそれぞれミラーを用いるものとしているが、ミラーに替え、プリズムを用いることもできる。図５はこのようにプリズムを用いる場合の双方向光モジュールの具体的構成例を示したものである。

この例では入射平行光を反射する第１の反射手段及び出射平行光を反射する第２の反射手段は共にプリズムで構成され、それらプリズムが一体形成されているものとされる。

プリズム６０は図５及び図６に示したように、直方体のブロック状の外形を有するものとされ、その下面には周壁部６１を残して凹部６２が形成されている。プリズム６０の上面には２箇所に凹部６３，６４が形成されており、凹部６３の内部底面は図５に示したように４５°の傾斜面とされ、この傾斜面によって反射面６３ａが構成されている。一方、凹部６４は図５に示したように、その内壁面の一つが反射面６３ａと平行な傾斜面とされ、この傾斜面によって反射面６４ａが構成されている。なお、凹部６４はこの例では下面側の凹部６２と連通されている。

上記のような形状とされたプリズム６０はその周壁部６１が基板７１上に搭載される。基板７１上には発光素子１１及び受光素子１２が実装されており、これら発光素子１１及び受光素子１２はプリズム６０の凹部６２内に位置される。

プリズム６０の凹部６２の底面（上底面）にはそれぞれ発光素子１１及び受光素子１２上に位置して、発光素子１１から発光された光を入射平行光とする第３のレンズ１５及び出射平行光を集光して受光素子１２に受光させる第２のレンズ１４が取り付けられている。なお、第１のレンズ１３はこの例では光ファイバ２１の端末を保持するフェルール７２に接着固定されて取り付けられている。図５中、２１ａは光ファイバ素線を示し、２１ｂは光ファイバの被覆部を示す。

この図５に示したような構成とされた双方向光モジュールでは発光素子１１から発光された光は第３のレンズ１５で入射平行光とされ、入射平行光はプリズム６０に入射して反射面６３ａで全反射され、プリズム６０から出射して第１のレンズ１３に入射される。一方、光ファイバ２１から出射された光は第１のレンズ１３で出射平行光とされ、プリズム６０に入射される。プリズム６０に入射された出射平行光の一部は反射面６３ａで全反射されるものの、残りの部分は直進し、反射面６４ａで全反射されてプリズム６０から出射し、第２のレンズ１４に入射される。

このような光の進行経路において、プリズム６０の反射面６３ａ，６４ａ以外の光が入出射する面はいずれも光の進行方向に対して傾いていても、臨界角以下なので全反射は発生せず、そのような入出射面での光の損失はほとんど発生しない。

従って、このようなプリズム６０を用いれば、入射平行光を反射する第１の反射手段及び出射平行光を反射する第２の反射手段を簡易かつ良好に形成することができ、ミラーを用いる場合に必要となる支持構造も不要となる。

Claims (6)

1. 光ファイバを用いた双方向光通信に使用する双方向光モジュールであって、
   光ファイバから出射された光を出射平行光とする第１のレンズと、
   前記出射平行光を集光する第２のレンズと、
   前記第２のレンズで集光された光を受光する受光素子と、
   前記光ファイバに入射させる光を発光する発光素子と、
   前記発光素子から発光された光を入射平行光とする第３のレンズと、
   前記出射平行光の光路中に、前記第２のレンズに至る出射平行光の一部を遮るように位置された第１の反射手段とを具備し、
   前記入射平行光のビーム径は前記出射平行光のビーム径より小とされ、
   前記入射平行光は前記第１の反射手段で反射され、前記出射平行光と平行とされて前記第１のレンズに至る構成とされていることを特徴とする双方向光モジュール。
2. 請求項１記載の双方向光モジュールにおいて、
   前記第１の反射手段はプリズムによって構成されていることを特徴とする双方向光モジュール。
3. 請求項１記載の双方向光モジュールにおいて、
   前記出射平行光は第２の反射手段で反射されて前記第２のレンズに至る構成とされていることを特徴とする双方向光モジュール。
4. 請求項３記載の双方向光モジュールにおいて、
   前記第１の反射手段及び前記第２の反射手段は共にプリズムで構成され、それらプリズムが一体形成されていることを特徴とする双方向光モジュール。
5. 請求項１乃至４記載のいずれかの双方向光モジュールにおいて、
   前記出射平行光は全体の1/4を越える光が前記第１の反射手段で遮られることなく、前記第２のレンズに至る構成とされていることを特徴とする双方向光モジュール。
6. 請求項１乃至５記載のいずれかの双方向光モジュールにおいて、
   前記発光素子が面発光レーザとされていることを特徴とする双方向光モジュール。

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