JP3699852B2 - 双方向光通信器および双方向光通信装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、双方向に光信号を送受信することのできる双方向光通信器に関し、より詳しくはプラスチック光ファイバ等のマルチモード光ファイバを伝送媒体として、家庭内通信や電子機器間通信、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等に使用することのできる双方向光通信器およびそれを用いた双方向光通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバを伝送媒体として信号光の送受信を行う光通信器においては、光ファイバと発光素子、および、受光素子とを結合させる方法が数多く提案されている。
【０００３】
その一例として、発光素子と光ファイバとを、凹面鏡を用いて結合させる方式が特開昭６２ー２２２２１１号公報や特開平１ー１０８５１1号公報に開示されている。図９を基にこの方式を説明する。
【０００４】
発光素子１０５からの送信光は凹面鏡１０３へと放射される。凹面鏡１０３は回転楕円面に形成されており、その焦点位置に発光素子１０５と光ファイバ１０２の端面が配置されている。このため、凹面鏡１０３に入射した上記送信光は、そこで反射されて、光ファイバ１０２の端面に集光され、光ファイバ１０２に結合される。
【０００５】
しかしながら、この特開昭６２ー２２２２１１号公報や特開平１ー１０８５１１号公報に記載の方式は、発光素子からの送信光を光ファイバに結合するだけの発光モジュールに関するものであり、双方向に送受信する場合には、送信光と受信光のそれぞれで別々の結合光学系が必要となり、２本の光ファイバが必要となる。
【０００６】
２本の光ファイバによる煩雑さを避けるために、１本の光ファイバにより送受信を行うことが望まれているが、この１本の光ファイバによる双方向光通信器においては、送信光と受信光を分離して光ファイバと結合させる方法が課題となっている。従来より提案されている方式としては、ホログラム（特開平３ー２４３９０５号公報）やハーフミラー（特開平１０ー１１５７３２号公報）を用いたもの等がある。
【０００７】
しかしながら、これらの方式では、送信光と受信光の分離を行うために約３ｄＢの損失が生じてしまうという問題があった。また、送受信光の分離素子が必要であり、コストが高く、小型化が困難であった。
【０００８】
また、送信光と受信光の分離を行わずに、受光素子と発光素子の両方を光ファイバの光軸近傍に配置して、レンズを用いてそれぞれを結合させる方式が特開平９ー２５１１１９号公報に開示されている。この方式について、図１０を基に説明する。
【０００９】
光ファイバ２０２の光学経路の延長上に発光素子２０５が配置され、光ファイバ２０２と発光素子２０５とを結ぶ基線に側面が接近するように受光素子２０４が配置されている。光ファイバ２０２を伝搬してきた受信光はレンズ２１０により屈折されて、受光素子２０４に結合される。一方、発光素子２０５から放射された送信光はレンズ２１０により屈折されて、光ファイバ２０２に結合される。この方式では、送受信光の分離を行っていないため、低コストで小型の双方向光通信装置を得ることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような方式では、発光素子２０５と受光素子２０４の光軸を近づけているために、送信光が受光素子基板２０６により蹴られたり、光ファイバ２０２からの受信光の約半分が受光素子２０４に結合しなくなり、損失が大きくなるという問題があった。
【００１１】
また、光ファイバ２０２として、プラスチック光ファイバ（以後ＰＯＦと記載）のように大口径の光ファイバを用いる場合、レンズ２１０では十分に集光できないという問題もある。特に、高速での通信を行う場合には、静電容量の問題から、受光素子の面積を小さくする必要があるが、この場合、１ｍｍ程度のコア系を持つＰＯＦから放射されたマルチモードの受信光をレンズにより屈折させて高い結合効率を得ることは困難である。
【００１２】
本発明は、これらの課題を鑑みてなされたものであり、一本の光ファイバにより送受信が可能であり、送信・受信共に損失が少なく、ＰＯＦのように大口径の光ファイバとも高効率で結合させることができ、送受信の分離素子が不必要で、安価で小型の双方向光通信器、および、それを用いた双方向光通信装置を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の双方向光通信器は、一本の光ファイバにより送受信を行う双方向光通信器において、発光素子からの送信光を反射して前記光ファイバの一端面に結合させるととともに、前記光ファイバの前記一端面から放射される受信光を反射して受光素子に入射させる１つの集光ミラーを有し、前記集光ミラーにおける、前記送信光を反射する領域と、前記受信光を反射する領域が少なくとも一部重複しており、前記受光素子の近傍で、かつ前記受信光の一部が照射される位置に前記発光素子の発光点を配置していることを特徴とする。
【００１４】
上記の構成によれば、集光ミラーを用いて、光ファイバから放射される受信光を集光して、受光素子に結合させているため、集光ミラーの曲率を変化させることにより、集光状態を容易に変化させることが可能であり、例えばＰＯＦのような大口径の光ファイバを用いても、高効率で受光素子に結合させることが可能となる。また、送信光を同一の集光ミラーにより、光ファイバに結合させているため、一本の光ファイバでの送受信が可能であり、送信光と受信光を分離する必要がなく、低コストで小型の双方向光通信器を得ることができる。また、前記集光ミラーにおける、前記送信光を反射する領域と、前記受信光を反射する領域が少なくとも一部重複していることにより、光ファイバの光軸に対して略平行に送信光を送ることができ、高効率化を実現できる。
【００１５】
請求項２に記載の双方向光通信器は、請求項１に記載の双方向光通信器において、前記発光素子と前記受光素子とが同一基板に搭載され、前記送信光あるいは受信光が上記集光ミラーを介して略直角方向に変換されることを特徴とする。
【００１６】
本構成によれば、光ファイバと双方向光通信器を平面実装することが可能となり、回路基板の組み込みを行うスペースが取り易く、組み立ても容易となり、装置の小型化が可能となる。
【００１７】
請求項３に記載の双方向光通信器は、請求項１または請求項２に記載の双方向光通信器において、前記集光ミラーは、入射してきた前記送信光を、開口数を減少させて前記光ファイバへと導くことを特徴とする。
【００１８】
光ファイバに入射する送信光はＮＡが小さい程、光ファイバとの結合効率が高く、また、光ファイバを伝搬した後のモード分散が小さくなる。このため、集光ミラーにより送信光のＮＡを小さくなるように変換することにより、より高効率な双方向光通信器を得ることができる。
【００１９】
請求項４に記載の双方向光通信器は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の双方向光通信器において、前記発光素子からの送信光を、開口数を減少させて前記集光ミラーへと導く光学部材を有していることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、集光ミラー方向に反射された送信光の広がりを少なくすることができるため、送信光の光ファイバへの集光をより行いやすくすることができる。また、光ファイバへの送信光の結合，受光素子への受信光の入射を高効率に行うことが可能となる。
【００２１】
請求項５に記載の双方向光通信器は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の双方向光通信器において、前記発光素子は端面発光型からなり、前記受光素子が搭載された基板上に配置されており、前記発光素子からの送信光を前記集光ミラーへと導く立ち上げミラーを有してなることを特徴とする。
【００２２】
本構成によれば、半導体プロセスにより作製ができ、低コストで信頼性の高い双方向光通信器を得ることができる。また、立ち上げミラーを受光素子の近傍に配置することにより、受光素子と送信光の立ち上げ位置を近づけることができ、より高効率で送受信光を光ファイバと結合させることができる。
【００２３】
請求項６に記載の双方向光通信器は、請求項５に記載の双方向光通信器において、前記立ち上げミラーは、前記発光素子からの送信光の開口数を減少させるように、凹曲面形状を有していることを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、集光ミラー方向に反射された送信光の広がりを少なくすることができるため、送信光の光ファイバへの集光をより行いやすくすることができる。また、光ファイバへの送信光の結合，受光素子への受信光の入射を高効率に行うことが可能となる。
【００２５】
請求項７に記載の双方向光通信器は、請求項５または請求項６に記載の双方向光通信器において、前記基板と前記光ファイバの光軸が平行に配置されていることを特徴とする。
【００２６】
上記の構成によれば、光ファイバと双方向光通信器を平面実装することが可能であり、素子基板の組み立てを容易に行うことができ、また、小型化が容易となる。
【００２７】
請求項８に記載の双方向光通信装置は、光ファイバの各端に、それぞれ光学的に結合されている複数の双方向光通信器を有して、双方向光通信を行うための双方向光通信装置であって、上記複数の双方向光通信器の少なくとも一つは、請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載の双方向光通信器であることを特徴とする。
【００２８】
上記の構成によれば、集光ミラーを用いて、光ファイバから放射される受信光を集光して、受光素子に結合させているため、集光ミラーの曲率を変化させることにより、集光状態を容易に変化させることが可能であり、例えばＰＯＦのような大口径の光ファイバを用いても、高効率で受光素子に結合させることが可能となる。また、送信光を同一の集光ミラーにより、光ファイバに結合させているため、一本の光ファイバでの送受信が可能であり、送信光と受信光を分離する必要がなく、低コストで小型の双方向光通信装置を得ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明に係る実施の形態１について、図１〜図３に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００３０】
図２は、実施の形態１における双方向光通信リンク（双方向光通信装置）の構成を示す概略図である。本双方向光通信リンク１０は、伝達するデータ信号に基づく、伝送に適した変調光を双方向に伝送するための光ファイバ２と、光ファイバ２の両端に光学的に結合するように、それぞれ接続された各双方向光通信器１とを備えている。
【００３１】
図１は、本発明の双方向光通信器の断面を表す概略図である。図３は図１の双方向光通信器における発光素子５，受光素子４の配置を説明する平面図である。図１，３を基に本発明の一例を説明する。
【００３２】
双方向光通信器１は、データ信号に基づく変調光を生成する発光素子５と、光ファイバ２からの変調光を受光してデータ信号を生成するための受光素子４と、光ファイバ２と発光素子５、受光素子４とを光学的に結合させる、曲面形状の集光ミラー３とを有している。発光素子５は受光素子４がモノリシックに形成された基板６の側面に、ハイブリットに形成されている。
【００３３】
発光素子５の発光点５Ａ（図３参照）から放射された送信光は、集光ミラー３により光ファイバ２の端面方向に光路が曲げられると共に、集光ミラー３の曲面により、発散して広がった光が、光ファイバ２の端面に向けて集光される。一方、光ファイバ２から放射された受信光は、光ファイバ２のＮＡ（開口数）に従って広がっていくが、集光ミラー３により、受光素子４に向けて曲げられるとともに集光されて、集光スポットＳ（図３参照）として受光素子４に入射する。
【００３４】
集光ミラー３は、例えば、回転楕円面のような曲面形状からなる。この集光ミラー３については後述する。
【００３５】
光ファイバ２としては、例えばＰＯＦ等のマルチモード光ファイバを用いることが好ましい。ＰＯＦはコアがＰＭＭＡ（ＰｏｌｙＭｅｔｈｙｌＭｅｔｈＡｃｒｙｌａｔｅ）やポリカーボネート等の光透過性に優れたプラスチックからなり、クラッドは上記のコアより屈折率の低いプラスチックで構成されている。このような光ファイバ２では、石英光ファイバに比べそのコアの径を約２００μｍから約１ｍｍと大きくすることが容易であることから、双方向光通信器１との結合調整が容易であり、安価な双方向光通信リンク１０を得ることができる。
【００３６】
また、光ファイバ２としては、コアが石英ガラスよりなり、クラッドがポリマーで構成されたＰＣＦを用いてもよい。ＰＣＦはコア径が２００μｍ程度であり、ＰＯＦに比べると価格が高いが、伝送損失が小さく、伝送帯域が広いという特徴がある。このため、ＰＣＦを伝送媒体とすることにより長距離での通信やより高速での通信を行うことができる双方向光通信リンク１０を得ることができる。
【００３７】
発光素子５としては、例えば、ＡｌＧａＡｓやＧａＩｎＡｌＰ等を材料とする半導体レーザや、発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。ＬＥＤ等の面発光型の発光素子５を用いる場合は、図１で示した端面発光型の発光素子５とは光軸が９０度回転するため、基板６上の受光素子４の隣に配置される。
【００３８】
受光素子４としては、受光した変調光の強弱を電気信号に変換し、発光素子５の波長域で感度の高いフォトダイオードを使用し、例えば、シリコンを材料とするＰＩＮフォトダイオードや、アバランシェフォトダイオード等を用いる。また、受光素子４は基板６上にハイブリッドに形成されたものでもよい。
【００３９】
以上本実施の形態の双方向光通信器の構成について説明したが、ここでは、集光ミラー３に、(1)発光素子５からの送信光を光ファイバ２に結合させる機能と、(2)光ファイバ２からの受信光を受光素子４に結合させる機能を持たせている。
【００４０】
以下にこの集光ミラー３について詳しく説明する。
【００４１】
上記(1)の送信光の光ファイバ２への結合は、送信光が光ファイバ２の端面の中心にその光軸に平行に入射する場合に、その効率が最も高くなり、一方、上記(2)の受信光の受光素子４への入射は、受信光が受光素子４の受光領域の中心に集光される場合に、最も大きな受光量が得られ効率が良くなる。しかしながら、単一の集光ミラー３を用いて、両方を満足することは不可能である。
【００４２】
そこで、本発明では、集光ミラー３における送信光を反射する領域と、受信光を反射する領域とを少なくとも一部重複させている。これにより、集光ミラー３は、光ファイバ２から光軸に平行に送られてくる受信光を受けるとともに、光ファイバ２の光軸に対して略平行に送信光を送出することができ、高効率化を実現できる。また、双方向光通信器を小型化できる。
【００４３】
なお、集光ミラー３は、使用する双方向光通信器の用途等を考慮して、送信光の光ファイバ２への結合効率，受信光の受光素子４への入射効率の双方が目的値以上となるように、発光素子５，受光素子４，光ファイバ２の形状や特性，配置等に合わせて反射面形状を調整する必要がある。
【００４４】
また、集光ミラー３として上述の回転楕円面を用いる場合は、その焦点の一つを、発光素子５の出射点５Ａ及び受光素子４の受光領域中心の近傍に配置することが、送信光，受信光を効率的に使用でき好ましい。なお、この場合、光ファイバ２の端面は、集光ミラー３の反射面と回転楕円面のもう一つの焦点とを結ぶ直線上に配置することが望ましい。
【００４５】
以下、本実施の形態の集光ミラー３の変形例について説明する。
【００４６】
（変形例１）一般に、光ファイバ２に入射する光束は、ＮＡが小さい程モード分散が少なくなるため、特に高速での光伝送を行う際に有利となり、一方、ＮＡが大きい場合には光ファイバ２との結合ができず損失となる。このため、通常は、発光素子からの送信光のＮＡをレンズ等で変換してＮＡを小さくして光ファイバに結合させている。
【００４７】
本発明の集光ミラー３は、上述の送信光のＮＡを変換する役割をも担うことが可能である。図４は本変形例１の集光ミラー３を説明する断面概略図である。
【００４８】
この図に示すように、発光素子５の出射点５Ａと集光ミラー３との間隔ｄ１に比べ、集光ミラー３と光ファイバ２の端面との間隔ｄ２の方が大きくなるように配置している。そして、集光ミラー３の曲面形状を、光ファイバ２に送信光が集光されるように最適化している。このようにすれば、送信光のＮＡをＮＡ変換用のレンズなしで小さくして、光ファイバ２へと導くことができ、高効率であるとともに簡単な構成で安価な双方向光通信器を実現できる。
【００４９】
（変形例２）実施の形態１では、発光素子５，受光素子４，集光スポットＳを図３に示すように配置した例を示したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、図５に示すように、受光素子４を半円状に構成すれば、集光スポットＳをスポット径の小さな略円状のものとすることができ、高効率化を実現できる。
【００５０】
（変形例３）実施の形態１では、集光ミラー３の反射面を連続した滑らかな曲面で形成したが、不連続な曲面で形成しても構わない。例えば、反射面の内の一部を送信光を光ファイバに結合するのに適した曲面で形成し、残りを受信光を受光素子に入射させるに適した曲面で形成すれば、双方の光利用効率を高めることができる。
【００５１】
（変形例４）また、発光素子４からの送信光が集光ミラー３に入射する領域の面積を小さくすることが、集光ミラーの反射面形状の設計を行う上で有利である。これは、例えば、発光素子と集光ミラーとの間にレンズ等の光学部品を配置することで実現できる。このようにすれば、集光ミラー３方向に反射された送信光の広がりを少なくすることができるため、送信光の光ファイバ２への集光をより行いやすくすることができる。また、光ファイバ２への送信光の結合，受光素子５への受信光の入射を高効率に行うことが可能となる。
【００５２】
以上説明した実施の形態１（及び変形例１〜４）の双方向光通信器、および双方向光通信リンクでは、一つの集光ミラーにより、送信光と受信光を光ファイバと結合させているため、送信光と受信光の分離素子が必要なく、一本の光ファイバにより送信・受信が可能となる。また、レンズを用いず、集光ミラーにより光ファイバと受光素子４とを光学的に結合させているため、集光ミラーの曲率を最適化することにより、ＰＯＦ等の大口径の光ファイバを用いても、受信光を効率良く受光素子に結合させることができる。更にまた、集光ミラーにより発光素子から放射された送信光のＮＡをより小さく変換して、光ファイバに結合させることが可能であり、より効率良く送信光を光ファイバに結合させることができる。
【００５３】
（実施の形態２）
実施の形態２について図６，図７に基づいて説明すれば以下の通りである。図６は本実施の形態の双方向光通信器を説明する概略断面図であり、図７はその平面図である。但し、ここでは、実施の形態１にて説明した部分と同様の機能を有する部材については、同一の部材番号を付与して、その説明を省略する。
【００５４】
本実施の形態では、例えば、単結晶シリコン等を材料とした基板６に各光学部品、制御部品が集積化された形となっている。基板６にはモノシリックにＰＩＮフォトダイオード等からなる受光素子４が形成されており、半導体レーザや端面発光型のＬＥＤ等の発光素子５が同一基板上にハイブリッドに配置されている。また、発光素子５の光軸上で受光素子４の近傍に、発光素子５から放射された送信光の光軸を集光ミラー３の方向に変換するための、立ち上げミラー７が形成されている。その他に、基板６には、発光素子５からの放射光の一部を受光して、送信光強度を検知するための、モニタ用フォトダイオード８、および、発光素子５、受光素子４の動作を制御する制御装置９が配置されている。
【００５５】
発光素子５から放射された送信光は、立ち上げミラー７で基板６に垂直方向に光路が曲げられて、集光ミラー３に到達する。その後、集光ミラー３で集光されて光ファイバ２に結合される。光ファイバ２から放射された受信光は、集光ミラー３により、向きを変えると共に、集光されて、受光素子４に結合される。
【００５６】
発光素子５から放射された送信光の一部はモニタ用フォトダイオード８で受光されモニタされる。そのモニタ結果に基づいて、発光素子５からの光の出射強度が一定となるように、フィードバック制御により、発光素子５の出力が調整される。モニタ用フォトダイオード８としては、例えばシリコンを材料とするＰＩＮフォトダイオード等を用いることができる。モニタ用フォトダイオード８は、基板６に埋め込んで設けてもよい。
【００５７】
制御装置９は、受光素子４で受光した受信光からの電気信号を、データ信号に復調したり、発光素子５の出力を制御したり、モニタ用フォトダイオード８で受光したモニタ光から発光素子５の出力を制御したりする。
【００５８】
立ち上げミラー７は、例えば、ポリイミド等の樹脂を切削やレーザーアブレーション等によりテーパー形状に加工して、表面にアルミニウムや金等の反射膜を形成したものを用いる。あるいは、基板６を異方性エッチングにより加工した面を用いてもよい。ミラー面の角度は基板６に対して、４５度程度がよいが、任意に選択することによって、配置の自由度を大きくすることができる。
【００５９】
立ち上げミラー７を用いることによって、発光素子５として、半導体レーザ等の端面発光型のものを用いても、一つの基板６上にすべての光学素子を集積して配置することが容易となる。また、一つの集光ミラー３により送信光と受信光の両方を効率良く集光して、光ファイバ２と結合させるためには、受光素子４と発光素子５の出射位置は近い方が有利となる。実施の形態１のように、基板６の側面に発光素子５を配置する場合、受光素子４のパッシベーションの関係等から、受光素子４の端部と発光素子５の出射位置とを１００μｍ程度以下に近づけることは困難である。しかし、立ち上げミラー７の位置を受光素子４の近傍に形成することは、比較的容易であり、発光素子５と受光素子４を近づけるのと同様の効果があるため、立ち上げミラー７を用いることにより、より効率良く送信光と受信光の光ファイバ２との結合が行えるという効果がある。
【００６０】
次に、立ち上げミラーの変形例について説明する。
【００６１】
（変形例５）図８（ａ）は上述した図６の三角形状の立ち上げ立ち上げミラー７、図８（ｂ）は本変形例の反射面形状が凹曲面状に形成した立ち上げミラー７’を示している。また、ともに発光素子５から放射された光ビームの光路を矢印で示している。
【００６２】
図８（ｂ）の立ち上げミラー７’は、凹曲面状の反射面が、発光素子５からの送信光の集光ミラー３に到達したときのビーム径が小さくなるように設定されている。すなわち、送信光のＮＡを減少させるように設定されている。このため、集光ミラー３による光ファイバ２への送信光の集光を小さなＮＡで行うことが可能となり、設計が容易となる。また、ＮＡが小さいため、図中Ｘ方向（集光ミラー３から光ファイバー２へと向かう方向）に対する集光ミラー３の設置ずれ等にも強くなる。特に、発光素子５として半導体レーザを用いる場合、基板６に対して垂直方向には放射角が比較的大きくなるため、図８（ｂ）に示すように、立ち上げミラー７’は凹形状となるように曲率を与えることが好ましい。
【００６３】
ここで、２００μｍ〜１ｍｍの大口径のマルチモード光ファイバ２を用い、基板上に発光素子（半導体レーザ）５、受光素子４を搭載する場合を考える。一般的な半導体レーザ５では基板に垂直方向の放射角（半値幅）は３０度程度であり、図８（ａ）の構成の場合、半導体レーザ５の端面から集光ミラー３までの距離ａ＋ｂは短くしなければ、送信光の集光ミラー３への入射面積Ｓ１が大きくなり、その結果、集光ミラー３の曲面形状設計が困難になるばかりでなく、反射後のＮＡを小さくすることが困難となり、ファイバ２との結合効率が悪くなる。また、上記に記述したように、Ｘ方向に対する設計ずれに対し弱くなる。図８（ｂ）の場合、ＮＡを小さくする、すなわち、半導体レーザ５による送信光の放射を抑制できる機能を立ち上げミラー７’に具備することで、送信光の集光ミラー３による照射面積Ｓ２を小さくでき、その結果、集光ミラー３の設計に余裕を持たせることができ、またＮＡが小さいため、送信光を集光させる能力に優れ、光ファイバ２を集光ミラー３に近づけることが可能になる。そのため、光ファイバ２から出射してきた受信光の広がりを抑えることができ、効率よく受光素子４に結合できる。
【００６４】
なお、上記図８（ａ）（ｂ）において、発光素子（半導体レーザ）５の端面から立ち上げミラー７，７’までの距離をａ、立ち上げミラー７，７’から集光ミラー３までの距離をｂ、集光ミラー３から光ファイバ２端面までの距離をｃとすると、ｃ＞ｂ＞ａとなるように配置するのが好ましい。ｃ＞ｂの配置が好ましい理由は、光ファイバ２は、そのＮＡが小さい程、モード分散が少なくなり、特に高速での光伝送を行う場合有利となり、発光素子５からの出射光の方がＮＡが大きい場合は光ファイバ２と結合せずに、損失となってしまうからである。ｂ＞ａの配置が好ましい理由は、一つの基板に発光素子５、受光素子４を形成し、光ファイバ２との結合効率を高めるために必要であり、距離ａが大きいと、発光素子（半導体レーザ）５の放射角により、一層大きな立ち上げミラー７，７’が必要になり、同一基板上に発光素子５、受光素子４を形成することは困難になる。一例としてａの距離としては、数十ミクロン程度、立ち上げミラー７，７’の高さとしては１００μｍ以下、ｂの距離としては１ｍｍ程度に構成するのが好ましい。距離ａを長くしなければならない場合は、発光素子５と立ち上げミラー７，７’の間に導波路を挿入する構成としても良い。以上説明したように、ｃ＞ｂ＞ａを満足する構成とすることでより一層コンパクトな双方向光通信器が実現できる。
【００６５】
さらにまた、基板６と光ファイバ２の光軸は平行に配置することが好ましい。このような配置とすることにより、光ファイバと双方向光通信器を平面実装することが可能となり、回路基板の組み込みを行うスペースが取り易く、組み立ても容易となり、装置の小型化が可能となる。
【００６６】
以上のように、実施の形態２で示した双方向光通信器１では、一つの基板６上に光学素子を集積化しているため、小型で、信頼性が高く、高性能な双方向光通信器１、および、双方向光通信リンク１０を得ることができる。
【００６７】
なお、本実施の形態では、集光ミラー３の反射面を連続した滑らかな曲面で形成したが、不連続な曲面で形成しても構わない。例えば、反射面の内の一部を送信光が光ファイバに結合するのに適した曲面で形成し、残りを受信光が受光素子に入射するに適した曲面で形成すれば、双方の光利用効率を高めることができる。特に、図８（ｂ）で示した凹面状の立ち上げミラー７’を用いる場合、集光ミラー３における送信光を受ける領域の面積Ｓ２が小さくなるため、この部分を送信光が光ファイバに結合するのに適した曲面で形成し、他の部分を受信光が受光素子に入射するに適した曲面で形成すれば、光の利用効率を高めることができる。
【００６８】
なお、本実施の形態で示した構成は、一例であり、もちろんその一部を変更した構成によっても同様の効果を得ることが可能である。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、集光ミラーを用いて、光ファイバから放射される受信光を集光して、受光素子に結合させているため、集光ミラーの曲率を変化させることにより、集光状態を容易に変化させることが可能であり、例えばＰＯＦのような大口径の光ファイバを用いても、高効率で受光素子に結合させることが可能となる。また、送信光を同一の集光ミラーにより、光ファイバに結合させているため、一本の光ファイバでの送受信が可能であり、送信光と受信光を分離する必要がなく、低コストで小型の双方向光通信器及び双方向光通信装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の双方向光通信器の実施の形態１の構成を説明する概略断面図である。
【図２】 本発明の双方向光通信装置の構成を説明する概略図である。
【図３】 図１の双方向光通信器の概略平面図である。
【図４】 集光ミラーの変形例１を示す概略断面図である。
【図５】 集光ミラーの変形例２を示す概略断面図である。
【図６】 本発明の双方向光通信器の実施の形態２の構成を説明する概略断面図である。
【図7】 図６の双方向光通信器の概略平面図である。
【図８】 図６の立ち上げミラーの変形例を説明する概略模式図である。
【図９】 従来の光通信器の構成を示す説明図である。
【図１０】 従来の双方向光通信器の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 双方向光通信器
２ 光ファイバ
３ 集光ミラー
４ 受光素子
５ 発光素子
６ 基板
７ 立ち上げミラー
８ モニタ用フォトダイオード
９ 制御装置
１０ 双方向光通信リンク
【発明の属する技術分野】
本発明は、双方向に光信号を送受信することのできる双方向光通信器に関し、より詳しくはプラスチック光ファイバ等のマルチモード光ファイバを伝送媒体として、家庭内通信や電子機器間通信、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等に使用することのできる双方向光通信器およびそれを用いた双方向光通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバを伝送媒体として信号光の送受信を行う光通信器においては、光ファイバと発光素子、および、受光素子とを結合させる方法が数多く提案されている。
【０００３】
その一例として、発光素子と光ファイバとを、凹面鏡を用いて結合させる方式が特開昭６２ー２２２２１１号公報や特開平１ー１０８５１1号公報に開示されている。図９を基にこの方式を説明する。
【０００４】
発光素子１０５からの送信光は凹面鏡１０３へと放射される。凹面鏡１０３は回転楕円面に形成されており、その焦点位置に発光素子１０５と光ファイバ１０２の端面が配置されている。このため、凹面鏡１０３に入射した上記送信光は、そこで反射されて、光ファイバ１０２の端面に集光され、光ファイバ１０２に結合される。
【０００５】
しかしながら、この特開昭６２ー２２２２１１号公報や特開平１ー１０８５１１号公報に記載の方式は、発光素子からの送信光を光ファイバに結合するだけの発光モジュールに関するものであり、双方向に送受信する場合には、送信光と受信光のそれぞれで別々の結合光学系が必要となり、２本の光ファイバが必要となる。
【０００６】
２本の光ファイバによる煩雑さを避けるために、１本の光ファイバにより送受信を行うことが望まれているが、この１本の光ファイバによる双方向光通信器においては、送信光と受信光を分離して光ファイバと結合させる方法が課題となっている。従来より提案されている方式としては、ホログラム（特開平３ー２４３９０５号公報）やハーフミラー（特開平１０ー１１５７３２号公報）を用いたもの等がある。
【０００７】
しかしながら、これらの方式では、送信光と受信光の分離を行うために約３ｄＢの損失が生じてしまうという問題があった。また、送受信光の分離素子が必要であり、コストが高く、小型化が困難であった。
【０００８】
また、送信光と受信光の分離を行わずに、受光素子と発光素子の両方を光ファイバの光軸近傍に配置して、レンズを用いてそれぞれを結合させる方式が特開平９ー２５１１１９号公報に開示されている。この方式について、図１０を基に説明する。
【０００９】
光ファイバ２０２の光学経路の延長上に発光素子２０５が配置され、光ファイバ２０２と発光素子２０５とを結ぶ基線に側面が接近するように受光素子２０４が配置されている。光ファイバ２０２を伝搬してきた受信光はレンズ２１０により屈折されて、受光素子２０４に結合される。一方、発光素子２０５から放射された送信光はレンズ２１０により屈折されて、光ファイバ２０２に結合される。この方式では、送受信光の分離を行っていないため、低コストで小型の双方向光通信装置を得ることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような方式では、発光素子２０５と受光素子２０４の光軸を近づけているために、送信光が受光素子基板２０６により蹴られたり、光ファイバ２０２からの受信光の約半分が受光素子２０４に結合しなくなり、損失が大きくなるという問題があった。
【００１１】
また、光ファイバ２０２として、プラスチック光ファイバ（以後ＰＯＦと記載）のように大口径の光ファイバを用いる場合、レンズ２１０では十分に集光できないという問題もある。特に、高速での通信を行う場合には、静電容量の問題から、受光素子の面積を小さくする必要があるが、この場合、１ｍｍ程度のコア系を持つＰＯＦから放射されたマルチモードの受信光をレンズにより屈折させて高い結合効率を得ることは困難である。
【００１２】
本発明は、これらの課題を鑑みてなされたものであり、一本の光ファイバにより送受信が可能であり、送信・受信共に損失が少なく、ＰＯＦのように大口径の光ファイバとも高効率で結合させることができ、送受信の分離素子が不必要で、安価で小型の双方向光通信器、および、それを用いた双方向光通信装置を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の双方向光通信器は、一本の光ファイバにより送受信を行う双方向光通信器において、発光素子からの送信光を反射して前記光ファイバの一端面に結合させるととともに、前記光ファイバの前記一端面から放射される受信光を反射して受光素子に入射させる１つの集光ミラーを有し、前記集光ミラーにおける、前記送信光を反射する領域と、前記受信光を反射する領域が少なくとも一部重複しており、前記受光素子の近傍で、かつ前記受信光の一部が照射される位置に前記発光素子の発光点を配置していることを特徴とする。
【００１４】
上記の構成によれば、集光ミラーを用いて、光ファイバから放射される受信光を集光して、受光素子に結合させているため、集光ミラーの曲率を変化させることにより、集光状態を容易に変化させることが可能であり、例えばＰＯＦのような大口径の光ファイバを用いても、高効率で受光素子に結合させることが可能となる。また、送信光を同一の集光ミラーにより、光ファイバに結合させているため、一本の光ファイバでの送受信が可能であり、送信光と受信光を分離する必要がなく、低コストで小型の双方向光通信器を得ることができる。また、前記集光ミラーにおける、前記送信光を反射する領域と、前記受信光を反射する領域が少なくとも一部重複していることにより、光ファイバの光軸に対して略平行に送信光を送ることができ、高効率化を実現できる。
【００１５】
請求項２に記載の双方向光通信器は、請求項１に記載の双方向光通信器において、前記発光素子と前記受光素子とが同一基板に搭載され、前記送信光あるいは受信光が上記集光ミラーを介して略直角方向に変換されることを特徴とする。
【００１６】
本構成によれば、光ファイバと双方向光通信器を平面実装することが可能となり、回路基板の組み込みを行うスペースが取り易く、組み立ても容易となり、装置の小型化が可能となる。
【００１７】
請求項３に記載の双方向光通信器は、請求項１または請求項２に記載の双方向光通信器において、前記集光ミラーは、入射してきた前記送信光を、開口数を減少させて前記光ファイバへと導くことを特徴とする。
【００１８】
光ファイバに入射する送信光はＮＡが小さい程、光ファイバとの結合効率が高く、また、光ファイバを伝搬した後のモード分散が小さくなる。このため、集光ミラーにより送信光のＮＡを小さくなるように変換することにより、より高効率な双方向光通信器を得ることができる。
【００１９】
請求項４に記載の双方向光通信器は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の双方向光通信器において、前記発光素子からの送信光を、開口数を減少させて前記集光ミラーへと導く光学部材を有していることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、集光ミラー方向に反射された送信光の広がりを少なくすることができるため、送信光の光ファイバへの集光をより行いやすくすることができる。また、光ファイバへの送信光の結合，受光素子への受信光の入射を高効率に行うことが可能となる。
【００２１】
請求項５に記載の双方向光通信器は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の双方向光通信器において、前記発光素子は端面発光型からなり、前記受光素子が搭載された基板上に配置されており、前記発光素子からの送信光を前記集光ミラーへと導く立ち上げミラーを有してなることを特徴とする。
【００２２】
本構成によれば、半導体プロセスにより作製ができ、低コストで信頼性の高い双方向光通信器を得ることができる。また、立ち上げミラーを受光素子の近傍に配置することにより、受光素子と送信光の立ち上げ位置を近づけることができ、より高効率で送受信光を光ファイバと結合させることができる。
【００２３】
請求項６に記載の双方向光通信器は、請求項５に記載の双方向光通信器において、前記立ち上げミラーは、前記発光素子からの送信光の開口数を減少させるように、凹曲面形状を有していることを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、集光ミラー方向に反射された送信光の広がりを少なくすることができるため、送信光の光ファイバへの集光をより行いやすくすることができる。また、光ファイバへの送信光の結合，受光素子への受信光の入射を高効率に行うことが可能となる。
【００２５】
請求項７に記載の双方向光通信器は、請求項５または請求項６に記載の双方向光通信器において、前記基板と前記光ファイバの光軸が平行に配置されていることを特徴とする。
【００２６】
上記の構成によれば、光ファイバと双方向光通信器を平面実装することが可能であり、素子基板の組み立てを容易に行うことができ、また、小型化が容易となる。
【００２７】
請求項８に記載の双方向光通信装置は、光ファイバの各端に、それぞれ光学的に結合されている複数の双方向光通信器を有して、双方向光通信を行うための双方向光通信装置であって、上記複数の双方向光通信器の少なくとも一つは、請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載の双方向光通信器であることを特徴とする。
【００２８】
上記の構成によれば、集光ミラーを用いて、光ファイバから放射される受信光を集光して、受光素子に結合させているため、集光ミラーの曲率を変化させることにより、集光状態を容易に変化させることが可能であり、例えばＰＯＦのような大口径の光ファイバを用いても、高効率で受光素子に結合させることが可能となる。また、送信光を同一の集光ミラーにより、光ファイバに結合させているため、一本の光ファイバでの送受信が可能であり、送信光と受信光を分離する必要がなく、低コストで小型の双方向光通信装置を得ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明に係る実施の形態１について、図１〜図３に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００３０】
図２は、実施の形態１における双方向光通信リンク（双方向光通信装置）の構成を示す概略図である。本双方向光通信リンク１０は、伝達するデータ信号に基づく、伝送に適した変調光を双方向に伝送するための光ファイバ２と、光ファイバ２の両端に光学的に結合するように、それぞれ接続された各双方向光通信器１とを備えている。
【００３１】
図１は、本発明の双方向光通信器の断面を表す概略図である。図３は図１の双方向光通信器における発光素子５，受光素子４の配置を説明する平面図である。図１，３を基に本発明の一例を説明する。
【００３２】
双方向光通信器１は、データ信号に基づく変調光を生成する発光素子５と、光ファイバ２からの変調光を受光してデータ信号を生成するための受光素子４と、光ファイバ２と発光素子５、受光素子４とを光学的に結合させる、曲面形状の集光ミラー３とを有している。発光素子５は受光素子４がモノリシックに形成された基板６の側面に、ハイブリットに形成されている。
【００３３】
発光素子５の発光点５Ａ（図３参照）から放射された送信光は、集光ミラー３により光ファイバ２の端面方向に光路が曲げられると共に、集光ミラー３の曲面により、発散して広がった光が、光ファイバ２の端面に向けて集光される。一方、光ファイバ２から放射された受信光は、光ファイバ２のＮＡ（開口数）に従って広がっていくが、集光ミラー３により、受光素子４に向けて曲げられるとともに集光されて、集光スポットＳ（図３参照）として受光素子４に入射する。
【００３４】
集光ミラー３は、例えば、回転楕円面のような曲面形状からなる。この集光ミラー３については後述する。
【００３５】
光ファイバ２としては、例えばＰＯＦ等のマルチモード光ファイバを用いることが好ましい。ＰＯＦはコアがＰＭＭＡ（ＰｏｌｙＭｅｔｈｙｌＭｅｔｈＡｃｒｙｌａｔｅ）やポリカーボネート等の光透過性に優れたプラスチックからなり、クラッドは上記のコアより屈折率の低いプラスチックで構成されている。このような光ファイバ２では、石英光ファイバに比べそのコアの径を約２００μｍから約１ｍｍと大きくすることが容易であることから、双方向光通信器１との結合調整が容易であり、安価な双方向光通信リンク１０を得ることができる。
【００３６】
また、光ファイバ２としては、コアが石英ガラスよりなり、クラッドがポリマーで構成されたＰＣＦを用いてもよい。ＰＣＦはコア径が２００μｍ程度であり、ＰＯＦに比べると価格が高いが、伝送損失が小さく、伝送帯域が広いという特徴がある。このため、ＰＣＦを伝送媒体とすることにより長距離での通信やより高速での通信を行うことができる双方向光通信リンク１０を得ることができる。
【００３７】
発光素子５としては、例えば、ＡｌＧａＡｓやＧａＩｎＡｌＰ等を材料とする半導体レーザや、発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。ＬＥＤ等の面発光型の発光素子５を用いる場合は、図１で示した端面発光型の発光素子５とは光軸が９０度回転するため、基板６上の受光素子４の隣に配置される。
【００３８】
受光素子４としては、受光した変調光の強弱を電気信号に変換し、発光素子５の波長域で感度の高いフォトダイオードを使用し、例えば、シリコンを材料とするＰＩＮフォトダイオードや、アバランシェフォトダイオード等を用いる。また、受光素子４は基板６上にハイブリッドに形成されたものでもよい。
【００３９】
以上本実施の形態の双方向光通信器の構成について説明したが、ここでは、集光ミラー３に、(1)発光素子５からの送信光を光ファイバ２に結合させる機能と、(2)光ファイバ２からの受信光を受光素子４に結合させる機能を持たせている。
【００４０】
以下にこの集光ミラー３について詳しく説明する。
【００４１】
上記(1)の送信光の光ファイバ２への結合は、送信光が光ファイバ２の端面の中心にその光軸に平行に入射する場合に、その効率が最も高くなり、一方、上記(2)の受信光の受光素子４への入射は、受信光が受光素子４の受光領域の中心に集光される場合に、最も大きな受光量が得られ効率が良くなる。しかしながら、単一の集光ミラー３を用いて、両方を満足することは不可能である。
【００４２】
そこで、本発明では、集光ミラー３における送信光を反射する領域と、受信光を反射する領域とを少なくとも一部重複させている。これにより、集光ミラー３は、光ファイバ２から光軸に平行に送られてくる受信光を受けるとともに、光ファイバ２の光軸に対して略平行に送信光を送出することができ、高効率化を実現できる。また、双方向光通信器を小型化できる。
【００４３】
なお、集光ミラー３は、使用する双方向光通信器の用途等を考慮して、送信光の光ファイバ２への結合効率，受信光の受光素子４への入射効率の双方が目的値以上となるように、発光素子５，受光素子４，光ファイバ２の形状や特性，配置等に合わせて反射面形状を調整する必要がある。
【００４４】
また、集光ミラー３として上述の回転楕円面を用いる場合は、その焦点の一つを、発光素子５の出射点５Ａ及び受光素子４の受光領域中心の近傍に配置することが、送信光，受信光を効率的に使用でき好ましい。なお、この場合、光ファイバ２の端面は、集光ミラー３の反射面と回転楕円面のもう一つの焦点とを結ぶ直線上に配置することが望ましい。
【００４５】
以下、本実施の形態の集光ミラー３の変形例について説明する。
【００４６】
（変形例１）一般に、光ファイバ２に入射する光束は、ＮＡが小さい程モード分散が少なくなるため、特に高速での光伝送を行う際に有利となり、一方、ＮＡが大きい場合には光ファイバ２との結合ができず損失となる。このため、通常は、発光素子からの送信光のＮＡをレンズ等で変換してＮＡを小さくして光ファイバに結合させている。
【００４７】
本発明の集光ミラー３は、上述の送信光のＮＡを変換する役割をも担うことが可能である。図４は本変形例１の集光ミラー３を説明する断面概略図である。
【００４８】
この図に示すように、発光素子５の出射点５Ａと集光ミラー３との間隔ｄ１に比べ、集光ミラー３と光ファイバ２の端面との間隔ｄ２の方が大きくなるように配置している。そして、集光ミラー３の曲面形状を、光ファイバ２に送信光が集光されるように最適化している。このようにすれば、送信光のＮＡをＮＡ変換用のレンズなしで小さくして、光ファイバ２へと導くことができ、高効率であるとともに簡単な構成で安価な双方向光通信器を実現できる。
【００４９】
（変形例２）実施の形態１では、発光素子５，受光素子４，集光スポットＳを図３に示すように配置した例を示したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、図５に示すように、受光素子４を半円状に構成すれば、集光スポットＳをスポット径の小さな略円状のものとすることができ、高効率化を実現できる。
【００５０】
（変形例３）実施の形態１では、集光ミラー３の反射面を連続した滑らかな曲面で形成したが、不連続な曲面で形成しても構わない。例えば、反射面の内の一部を送信光を光ファイバに結合するのに適した曲面で形成し、残りを受信光を受光素子に入射させるに適した曲面で形成すれば、双方の光利用効率を高めることができる。
【００５１】
（変形例４）また、発光素子４からの送信光が集光ミラー３に入射する領域の面積を小さくすることが、集光ミラーの反射面形状の設計を行う上で有利である。これは、例えば、発光素子と集光ミラーとの間にレンズ等の光学部品を配置することで実現できる。このようにすれば、集光ミラー３方向に反射された送信光の広がりを少なくすることができるため、送信光の光ファイバ２への集光をより行いやすくすることができる。また、光ファイバ２への送信光の結合，受光素子５への受信光の入射を高効率に行うことが可能となる。
【００５２】
以上説明した実施の形態１（及び変形例１〜４）の双方向光通信器、および双方向光通信リンクでは、一つの集光ミラーにより、送信光と受信光を光ファイバと結合させているため、送信光と受信光の分離素子が必要なく、一本の光ファイバにより送信・受信が可能となる。また、レンズを用いず、集光ミラーにより光ファイバと受光素子４とを光学的に結合させているため、集光ミラーの曲率を最適化することにより、ＰＯＦ等の大口径の光ファイバを用いても、受信光を効率良く受光素子に結合させることができる。更にまた、集光ミラーにより発光素子から放射された送信光のＮＡをより小さく変換して、光ファイバに結合させることが可能であり、より効率良く送信光を光ファイバに結合させることができる。
【００５３】
（実施の形態２）
実施の形態２について図６，図７に基づいて説明すれば以下の通りである。図６は本実施の形態の双方向光通信器を説明する概略断面図であり、図７はその平面図である。但し、ここでは、実施の形態１にて説明した部分と同様の機能を有する部材については、同一の部材番号を付与して、その説明を省略する。
【００５４】
本実施の形態では、例えば、単結晶シリコン等を材料とした基板６に各光学部品、制御部品が集積化された形となっている。基板６にはモノシリックにＰＩＮフォトダイオード等からなる受光素子４が形成されており、半導体レーザや端面発光型のＬＥＤ等の発光素子５が同一基板上にハイブリッドに配置されている。また、発光素子５の光軸上で受光素子４の近傍に、発光素子５から放射された送信光の光軸を集光ミラー３の方向に変換するための、立ち上げミラー７が形成されている。その他に、基板６には、発光素子５からの放射光の一部を受光して、送信光強度を検知するための、モニタ用フォトダイオード８、および、発光素子５、受光素子４の動作を制御する制御装置９が配置されている。
【００５５】
発光素子５から放射された送信光は、立ち上げミラー７で基板６に垂直方向に光路が曲げられて、集光ミラー３に到達する。その後、集光ミラー３で集光されて光ファイバ２に結合される。光ファイバ２から放射された受信光は、集光ミラー３により、向きを変えると共に、集光されて、受光素子４に結合される。
【００５６】
発光素子５から放射された送信光の一部はモニタ用フォトダイオード８で受光されモニタされる。そのモニタ結果に基づいて、発光素子５からの光の出射強度が一定となるように、フィードバック制御により、発光素子５の出力が調整される。モニタ用フォトダイオード８としては、例えばシリコンを材料とするＰＩＮフォトダイオード等を用いることができる。モニタ用フォトダイオード８は、基板６に埋め込んで設けてもよい。
【００５７】
制御装置９は、受光素子４で受光した受信光からの電気信号を、データ信号に復調したり、発光素子５の出力を制御したり、モニタ用フォトダイオード８で受光したモニタ光から発光素子５の出力を制御したりする。
【００５８】
立ち上げミラー７は、例えば、ポリイミド等の樹脂を切削やレーザーアブレーション等によりテーパー形状に加工して、表面にアルミニウムや金等の反射膜を形成したものを用いる。あるいは、基板６を異方性エッチングにより加工した面を用いてもよい。ミラー面の角度は基板６に対して、４５度程度がよいが、任意に選択することによって、配置の自由度を大きくすることができる。
【００５９】
立ち上げミラー７を用いることによって、発光素子５として、半導体レーザ等の端面発光型のものを用いても、一つの基板６上にすべての光学素子を集積して配置することが容易となる。また、一つの集光ミラー３により送信光と受信光の両方を効率良く集光して、光ファイバ２と結合させるためには、受光素子４と発光素子５の出射位置は近い方が有利となる。実施の形態１のように、基板６の側面に発光素子５を配置する場合、受光素子４のパッシベーションの関係等から、受光素子４の端部と発光素子５の出射位置とを１００μｍ程度以下に近づけることは困難である。しかし、立ち上げミラー７の位置を受光素子４の近傍に形成することは、比較的容易であり、発光素子５と受光素子４を近づけるのと同様の効果があるため、立ち上げミラー７を用いることにより、より効率良く送信光と受信光の光ファイバ２との結合が行えるという効果がある。
【００６０】
次に、立ち上げミラーの変形例について説明する。
【００６１】
（変形例５）図８（ａ）は上述した図６の三角形状の立ち上げ立ち上げミラー７、図８（ｂ）は本変形例の反射面形状が凹曲面状に形成した立ち上げミラー７’を示している。また、ともに発光素子５から放射された光ビームの光路を矢印で示している。
【００６２】
図８（ｂ）の立ち上げミラー７’は、凹曲面状の反射面が、発光素子５からの送信光の集光ミラー３に到達したときのビーム径が小さくなるように設定されている。すなわち、送信光のＮＡを減少させるように設定されている。このため、集光ミラー３による光ファイバ２への送信光の集光を小さなＮＡで行うことが可能となり、設計が容易となる。また、ＮＡが小さいため、図中Ｘ方向（集光ミラー３から光ファイバー２へと向かう方向）に対する集光ミラー３の設置ずれ等にも強くなる。特に、発光素子５として半導体レーザを用いる場合、基板６に対して垂直方向には放射角が比較的大きくなるため、図８（ｂ）に示すように、立ち上げミラー７’は凹形状となるように曲率を与えることが好ましい。
【００６３】
ここで、２００μｍ〜１ｍｍの大口径のマルチモード光ファイバ２を用い、基板上に発光素子（半導体レーザ）５、受光素子４を搭載する場合を考える。一般的な半導体レーザ５では基板に垂直方向の放射角（半値幅）は３０度程度であり、図８（ａ）の構成の場合、半導体レーザ５の端面から集光ミラー３までの距離ａ＋ｂは短くしなければ、送信光の集光ミラー３への入射面積Ｓ１が大きくなり、その結果、集光ミラー３の曲面形状設計が困難になるばかりでなく、反射後のＮＡを小さくすることが困難となり、ファイバ２との結合効率が悪くなる。また、上記に記述したように、Ｘ方向に対する設計ずれに対し弱くなる。図８（ｂ）の場合、ＮＡを小さくする、すなわち、半導体レーザ５による送信光の放射を抑制できる機能を立ち上げミラー７’に具備することで、送信光の集光ミラー３による照射面積Ｓ２を小さくでき、その結果、集光ミラー３の設計に余裕を持たせることができ、またＮＡが小さいため、送信光を集光させる能力に優れ、光ファイバ２を集光ミラー３に近づけることが可能になる。そのため、光ファイバ２から出射してきた受信光の広がりを抑えることができ、効率よく受光素子４に結合できる。
【００６４】
なお、上記図８（ａ）（ｂ）において、発光素子（半導体レーザ）５の端面から立ち上げミラー７，７’までの距離をａ、立ち上げミラー７，７’から集光ミラー３までの距離をｂ、集光ミラー３から光ファイバ２端面までの距離をｃとすると、ｃ＞ｂ＞ａとなるように配置するのが好ましい。ｃ＞ｂの配置が好ましい理由は、光ファイバ２は、そのＮＡが小さい程、モード分散が少なくなり、特に高速での光伝送を行う場合有利となり、発光素子５からの出射光の方がＮＡが大きい場合は光ファイバ２と結合せずに、損失となってしまうからである。ｂ＞ａの配置が好ましい理由は、一つの基板に発光素子５、受光素子４を形成し、光ファイバ２との結合効率を高めるために必要であり、距離ａが大きいと、発光素子（半導体レーザ）５の放射角により、一層大きな立ち上げミラー７，７’が必要になり、同一基板上に発光素子５、受光素子４を形成することは困難になる。一例としてａの距離としては、数十ミクロン程度、立ち上げミラー７，７’の高さとしては１００μｍ以下、ｂの距離としては１ｍｍ程度に構成するのが好ましい。距離ａを長くしなければならない場合は、発光素子５と立ち上げミラー７，７’の間に導波路を挿入する構成としても良い。以上説明したように、ｃ＞ｂ＞ａを満足する構成とすることでより一層コンパクトな双方向光通信器が実現できる。
【００６５】
さらにまた、基板６と光ファイバ２の光軸は平行に配置することが好ましい。このような配置とすることにより、光ファイバと双方向光通信器を平面実装することが可能となり、回路基板の組み込みを行うスペースが取り易く、組み立ても容易となり、装置の小型化が可能となる。
【００６６】
以上のように、実施の形態２で示した双方向光通信器１では、一つの基板６上に光学素子を集積化しているため、小型で、信頼性が高く、高性能な双方向光通信器１、および、双方向光通信リンク１０を得ることができる。
【００６７】
なお、本実施の形態では、集光ミラー３の反射面を連続した滑らかな曲面で形成したが、不連続な曲面で形成しても構わない。例えば、反射面の内の一部を送信光が光ファイバに結合するのに適した曲面で形成し、残りを受信光が受光素子に入射するに適した曲面で形成すれば、双方の光利用効率を高めることができる。特に、図８（ｂ）で示した凹面状の立ち上げミラー７’を用いる場合、集光ミラー３における送信光を受ける領域の面積Ｓ２が小さくなるため、この部分を送信光が光ファイバに結合するのに適した曲面で形成し、他の部分を受信光が受光素子に入射するに適した曲面で形成すれば、光の利用効率を高めることができる。
【００６８】
なお、本実施の形態で示した構成は、一例であり、もちろんその一部を変更した構成によっても同様の効果を得ることが可能である。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、集光ミラーを用いて、光ファイバから放射される受信光を集光して、受光素子に結合させているため、集光ミラーの曲率を変化させることにより、集光状態を容易に変化させることが可能であり、例えばＰＯＦのような大口径の光ファイバを用いても、高効率で受光素子に結合させることが可能となる。また、送信光を同一の集光ミラーにより、光ファイバに結合させているため、一本の光ファイバでの送受信が可能であり、送信光と受信光を分離する必要がなく、低コストで小型の双方向光通信器及び双方向光通信装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の双方向光通信器の実施の形態１の構成を説明する概略断面図である。
【図２】 本発明の双方向光通信装置の構成を説明する概略図である。
【図３】 図１の双方向光通信器の概略平面図である。
【図４】 集光ミラーの変形例１を示す概略断面図である。
【図５】 集光ミラーの変形例２を示す概略断面図である。
【図６】 本発明の双方向光通信器の実施の形態２の構成を説明する概略断面図である。
【図7】 図６の双方向光通信器の概略平面図である。
【図８】 図６の立ち上げミラーの変形例を説明する概略模式図である。
【図９】 従来の光通信器の構成を示す説明図である。
【図１０】 従来の双方向光通信器の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 双方向光通信器
２ 光ファイバ
３ 集光ミラー
４ 受光素子
５ 発光素子
６ 基板
７ 立ち上げミラー
８ モニタ用フォトダイオード
９ 制御装置
１０ 双方向光通信リンク
Claims (8)
- 一本の光ファイバにより送受信を行う双方向光通信器において、
発光素子からの送信光を反射して前記光ファイバの一端面に結合させるととともに、
前記光ファイバの前記一端面から放射される受信光を反射して受光素子に入射させる１つの集光ミラーを有し、
前記集光ミラーにおける、前記送信光を反射する領域と、前記受信光を反射する領域が少なくとも一部重複しており、
前記受光素子の近傍で、かつ前記受信光の一部が照射される位置に前記発光素子の発光点を配置していることを特徴とする双方向光通信器。 - 請求項１に記載の双方向光通信器において、
前記発光素子と前記受光素子とが同一基板に搭載され、前記送信光あるいは受信光が上記集光ミラーを介して略直角方向に変換されることを特徴とする双方向光通信器。 - 請求項１または請求項２に記載の双方向光通信器において、
前記集光ミラーは、入射してきた前記送信光を、開口数を減少させて前記光ファイバへと導くことを特徴とする双方向光通信器。 - 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の双方向光通信器において、
前記発光素子からの送信光を、開口数を減少させて前記集光ミラーへと導く光学部材を有していることを特徴とする双方向光通信器。 - 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の双方向光通信器において、
前記発光素子は端面発光型からなり、前記受光素子が搭載された基板上に配置されており、
前記発光素子からの送信光を前記集光ミラーへと導く立ち上げミラーを有してなることを特徴とする双方向光通信器。 - 請求項５に記載の双方向光通信器において、
前記立ち上げミラーは、前記発光素子からの送信光の開口数を減少させるように、凹曲面形状を有していることを特徴とする双方向光通信器。 - 請求項５または請求項６に記載の双方向光通信器において、
前記基板と前記光ファイバの光軸が平行に配置されていることを特徴とする双方向光通信器。 - 光ファイバの各端に、それぞれ光学的に結合されている複数の双方向光通信器を有して、双方向光通信を行うための双方向光通信装置であって、
上記複数の双方向光通信器の少なくとも一つは、請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載の双方向光通信器であることを特徴とする双方向光通信装置。
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