JP3741608B2 - 双方向光通信器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
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６２−２２２２１１号公報に開示されている。また、光ファイバと受光素子とを凹面鏡を用いて結合させる方式が特開平９−１１３７６８号公報に開示されている。図９および図１０を基にそれぞれの方式を説明する。
【０００４】
図９（特開昭６２−２２２２１１号公報）では、発光素子１０６から放射された送信光は凹面鏡１０４により光ファイバ１０２の方向に反射される。凹面鏡１０４として回転楕円面が使用され、その焦点位置に発光素子１０６と光ファイバ１０２の端面が配置されることにより、発光素子１０６から放射された送信光が光ファイバ１０２の端面で集光されて光ファイバ１０２に結合される。
【０００５】
また、図１０（特開平９−１１３７６８号公報）では、光ファイバ２０２から放射された受信光は凹面鏡２０４により受光素子２０７の方向に反射される。凹面鏡２０４としては同様に回転楕円面が用いられており、その焦点位置に受光素子２０７と光ファイバ２０２の端面が配置されることにより、光ファイバ２０２から放射された受信光が受光素子２０７に結合される。
【０００６】
しかしながら、このような方式では、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るため、一本の光ファイバにより送受信を行うことができない。
【０００７】
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３−２４３９０５号公報）やハーフミラー（特開平１０−１１５７３２号公報）を用いたもの等がある。
【０００８】
ここで特開平１０−１１５７３２号公報に開示されている、ハーフミラーを用いる方式について、図１１を基に説明する。
【０００９】
光ファイバ３０２の光学経路の延長上に集光レンズおよび二つのミラーが配置されており、光ファイバ近端にハーフミラー３１２、そして遠端に反射ミラー３１３が配置される。基板３０８上に置かれた端面発光型の発光素子３０６から放射された送信光は、４５度で形成されているマイクロミラー３１４で上方に反射され、さらにハーフミラー３１２により反射されることで光ファイバ３０２に結合される。一方、光ファイバ３０２を伝搬してきた受信光は集光レンズ３１５により集光されて、反射ミラー３１３で反射され、そして下側にある受光素子３０７に結合される。この方式では、送受信の分離がハーフミラーで行われている。すなわち、ハーフミラーでの反射光がファイバへの送信光とされ、ファイバからの光のうちのハーフミラーを透過したもののみ受信光とされている。これにより、小型の双方向通信装置が構成されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１０−１１５７３２号公報のハーフミラーを用いて双方向通信装置を得る場合、送信光の透過光及び受信光の反射光は使用することなく、それぞれ約３ｄＢの損失が生じてしまい、効率的な光の使用が行えないという問題があった。また、送受信光の分離素子（ここではハーフミラー）が必要であり、コストが高くなるという問題があった（ホログラムの使用の場合も同様の問題がある）。
【００１１】
また、光ファイバとして、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、レンズを用いても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、送信および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を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の発明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、発光素子から放射される送信光をほぼ全反射して光ファイバに結合させる第１ミラーと、光ファイバから放射される受信光をほぼ全反射して受光素子に結合させる第２ミラーを有する。
【００１４】
さらに、前記発光素子および前記受光素子は、前記第２ミラーにおける前記光ファイバから放射される受信光を反射する側に配置され、前記発光素子は、前記受光素子よりも前記光ファイバの端面側に配置されている。
【００１５】
さらに、前記第１ミラーは、前記光ファイバの光軸に重ならないように配置される一方、前記第２ミラーは、前記光ファイバの光軸に重なるように配置され、前記第２ミラーは、前記第１ミラーよりも、前記光ファイバ端面から遠い位置にまで、存在し、第１ミラーと第２ミラーは、少なくとも一部が、前記光ファイバの光軸に垂直な方向において重なり合うよう配置され、前記第１ミラーは、前記第２ミラーにおける前記光ファイバから放射される受信光を反射する側に配置されていることを特徴とする。
【００１６】
第２の発明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、発光素子から放射される送信光をほぼ全反射して光ファイバに結合させる第１ミラーと、光ファイバから放射される受信光をほぼ全反射して受光素子に結合させる第２ミラーを有し、前記光ファイバの光軸に平行な平面に対して、一方側に第１ミラー及び前記発光素子が、他方側に第２ミラー及び前記受光素子が配置され、前記発光素子は、前記受光素子よりも前記光ファイバの端面側に配置され、前記第２ミラーは、前記第１ミラーよりも、前記光ファイバ端面から遠い位置にまで、存在し、前記第１ミラーと前記第２ミラーは、少なくとも一部が、前記光ファイバの光軸に垂直な方向において重なり合うよう配置されている。
【００１７】
さらに、前記第２ミラーにおける前記光ファイバからの受信光を反射する面は、前記光ファイバに近い側の端から前記光ファイバから離れる方向への所定距離までの部分を前記光ファイバの光軸に平行な平面形状に形成され、その他の部分を曲面形状に形成されていることを特徴とする。
【００１８】
第３の発明の双方向光通信器は、第１または第２の発明の双方向光通信器において、第１ミラー及び第２ミラーは、第１ミラーよりも第２ミラーに、光ファイバからの受信光がより多く入射するよう配置されていることを特徴とする。
【００１９】
第４の発明の双方向光通信器は、第１の発明乃至第３の発明のいずれか１つの双方向光通信器において、第２ミラーは、その反射光の光路および開口数を変換して前記受光素子に結合させる、曲面形状部を有していることを特徴とする。
【００２０】
第５の発明の光通信器は、第１の発明の双方向光通信器において、第２ミラーは、その反射光の光路および開口数を変換して前記受光素子に結合させるよう、曲面形状に形成されており、且つ、第２ミラーは、焦点の一方が前記受光素子の中心近傍にあり、他方が前記光ファイバの中心光軸に対して前記第１ミラーが配置される側とは反対側にずれた位置にある、回転楕円面からなることを特徴とする。
【００２１】
第６の発明の双方向光通信器は、第１の発明乃至第５の発明のいずれか１つの双方向光通信器において、第１ミラーは、その反射光の光路および開口数を変換して前記光ファイバに結合させるよう、曲面形状に形成されていることを特徴とする。
【００２２】
第７の発明の双方向光通信器は、第１の発明乃至第６の発明のいずれか１つの双方向光通信器において、第１ミラーと第２ミラーが、一つの部材に一体に形成されていることを特徴とする。
【００２３】
第８の発明の双方向光通信器は、第１の発明乃至第５の発明のいずれか１つの双方向光通信器において、前記第１ミラーとして、平面上に形成した反射膜を用い、前記光ファイバの端面は、前記光ファイバの光軸に対して垂直に交わり、前記発光素子から出射して前記第１ミラーに反射された送信光は、この反射された送信光の中心の光軸が前記光ファイバの端面に垂直な方向に対して前記発光素子の方向に傾斜した角度で、前記光ファイバの端面に入射するように、前記光ファイバの光軸に対して前記第１のミラーの傾斜角度が、３５度〜４０度に設定されていることを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について、まず図１乃至図４に基づいて説明する。
【００２５】
図１は、第１の実施の形態における双方向通信リンク（双方向通信装置）の構成を示す概略図である。双方向通信リンク１１は、伝送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。
【００２６】
図２は、本発明の第１の実施の形態における双方向光通信器の断面をあらわす概略図であり、図３は図２の双方向光通信器の概略平面図である。図２を基に本発明の一例を説明する。
【００２７】
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６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７と、光ファイバ２と発光素子６、受光素子７とをそれぞれ光学的に結合させる、第１ミラー３と曲面形状の第２ミラー４とを有している。発光素子６は受光素子７がモノリシックに形成された基板８の側面に、ハイブリッドに形成されている。
【００２８】
以下、このような双方向光通信器１の各構成要素についてそれぞれ説明する。
【００２９】
（光ファイバ２）
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（ＰｏｌｙｍｅｔｈｙＭｅｔｈａＡｃｒｙｌａｔｅ）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、安価な双方向通信リンク１１を得ることができる。
【００３０】
また、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を用いても良い。ＰＣＦは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通信リンク１１を得ることができる。
【００３１】
（発光素子６）
発光素子６としては、例えば、ＧａＡｌＡｓ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６を用いる場合は、図２で示した端面発光型の発光素子６とは光軸が９０度回転するため、基板８上の受光素子７の隣に配置される。
【００３２】
（受光素子７）
受光素子７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６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７は基板８上にハイブリッドに形成されたものでも良い。
【００３３】
（ミラー３，４）
ミラー３，４は、アクリル、ＰＭＭＡあるいはポリカーボネート等の光透過性に優れたプラスチックで形成する。また、第１ミラー３および第２ミラー４となる部分にはアルミニウムや金等といった反射率の高い金属材料で反射膜１２、１３をそれぞれ平面上、曲面上に蒸着して形成することにより、ミラーでの損失を無視することができるほぼ全反射するミラーを形成することができる。
【００３４】
本実施の形態では透過性プラスチックに反射率の良好な金属を蒸着したものを用いているが、透過性の必要でない場合には、金属のみを用いて送信光あるいは受信光の反射を行う構成としても構わない。
【００３５】
以上のような構成により、発光素子６から放射された送信光は第１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。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に従って広がっていくが、第２ミラー４により、受光素子７に向けて曲げられると共に集光されて、受光素子７に結合される。これにより、双方向通信を同時に行うことが可能となる。
【００３６】
本実施の形態の双方向光通信器ではファイバ端面に近い側に発光素子６を設けているが、これは受光素子７で受光できる信号光量を大きくとるためである。図４（ａ）には図２のＡ−Ａ断面矢視図を示すが、本実施の形態では光ファイバ２と第１ミラー３とが重なる領域を除く、略全ての領域からの受信光を検出することが可能となる。これが逆に発光素子６をファイバ端面に遠い側に配置すると、図４（ｂ）に示すように、第２ミラー４の外側の広い領域からの受信光を検出できなくなり、効率が低下してしまう。そこで、本実施の形態では、光ファイバ２からの受信光が、第２のミラー４により、第１のミラー３よりも多く反射されるように、ファイバ端面に近い側に第１のミラー３を、遠い側に第２のミラー４を配置している。
【００３７】
また、本双方向光通信器では、ファイバの光軸に垂直な方向において、第１ミラー３と第２ミラー４のミラー面が少なくとも一部で重なるように配置している。これにより、光ファイバ２から発散される光束を反射する第２ミラー４を、プリズム等を用いずに、できる限り小型化することが可能となる。
【００３８】
なお、本実施の形態において、第１ミラー３は、光ファイバ２の中心光軸（図２中１点鎖線）に重ならないように配置することが望ましい。このようにすれば、多くの受信光が送られてくる光ファイバ２の中心領域を活かすことができる。また、光ファイバ２の光軸に垂直な面に対する第１ミラー３の投影面積は光ファイバ２の断面積の１／２よりも小さくすることが効率を挙げる上で必要である。
【００３９】
以下に、光ファイバ２としてコアがφ１ｍｍ、ＮＡ０．３のＰＯＦ（材質ＰＭＭＡ）、発光素子６として発振波長６５０ｎｍのＧａＩｎＡｌＰ半導体レーザ、受光素子７としてシリコン基板を用いたＰＩＮフォトダイオード、ミラーとしてＰＭＭＡにアルミニウムを２０００Å蒸着したものを使用し検討を行った具体例について説明する。
【００４０】
ここでは、図２に示す第１ミラー３として平面上に形成した反射膜１２（以下、平面ミラー１２と記す）を使用し、光ファイバ２の光軸に対し３７．５度に傾いた構成（図中α）としている。平面ミラー１２を傾斜させる理由を以下に説明する。
【００４１】
平面ミラー１２を光ファイバ２の光軸に対し４５度傾斜させた場合を図２（ｂ）の拡大図に示す。この場合、平面ミラー１２により反射された光の中心の光軸は光ファイバ２の端面に垂直な角度から光ファイバ２に入射することになる。平面ミラー１２による反射光は拡がりをもっているため、反射光の中心の光軸が光ファイバ２の端面に垂直に入射しても、図２の紙面上方に傾いて入射するものが存在し、その上方に傾いて入射する光は光ファイバ２の端面での反射により受光素子７へ入射してノイズとなる惧れがある。したがって、平面ミラー１２による反射光の少なくとも中心の光軸は、光ファイバ２の端面に垂直な方向に対して基板側に傾いた角度で、光ファイバ２に入射するようにしておくことが望ましい。
【００４２】
より具体的に示すと、半導体レーザ６の基板に対し垂直な方向でのレーザビーム放射角をβとすると、最端のビームは光ファイバ２の光軸に対しβ／２傾斜してファイバに入射することになる。このビームの反射戻り光が受光素子７に入射しノイズとなるため、最端のビームを受光素子７に結合しないような構成にしなければならない。ここではβが３０度であるので、平面ミラー１２の傾斜角度を３７．５度にすることで最端ビームが光ファイバ２の光軸と平行になり、受光素子７に行くことはなくなる。
【００４３】
このような構成とすることで、発光素子６から放射状に放射された送信光の光軸が光ファイバ２の光軸に対して傾斜して、光ファイバ２に入射するため、ファイバ端で反射された反射戻り光は、第１ミラー３により遮断され、受信側に行くことなく混信を防止することが可能となる。平面ミラー１２の傾斜角度を更に小さくすることで反射戻り光量をより低減することができるが、平面ミラー１２の傾斜を小さくしすぎると光ファイバ２のＮＡとの関係から送信光の結合効率が悪くなるため、上記の場合、平面ミラー１２の傾斜角度はファイバ光軸に対し３５〜４０度が適切である。
【００４４】
さらに、同様の効果を得る方法として、光ファイバ２を傾斜させる方法を用いることも可能である。上述の説明と同様の理由で、図２に示すごとく光ファイバの端面を点線で示すように光軸に対し１０度程度傾け、光ファイバ２の光軸と平面ミラー１２の角度を４５度に構成することでも対応できる。
【００４５】
第２ミラー４は、高速な通信を行うためには受光素子７の面積が小さくなるため、回転楕円面を用いた曲面形状を採用し、受光素子７の中心近傍に回転楕円面の焦点の一つ（第１焦点）を配置した構成としている。このような構成とすることで数百Ｍｂｐｓの高速光通信に適応可能であり、集光効率を高めることができる。
【００４６】
また、上述の回転楕円面のもう１つの焦点（第２焦点）は、光ファイバ２の端面もしくはその端面から光軸方向に若干ファイバ内に入った位置とすることが望ましい。さらに、第１ミラー３により光ファイバ２からの光束が遮断されることを考慮すると、第２焦点は光ファイバ２の中心光軸に対して、第１ミラー３が配置される側とは反対方向にずれた位置に設定することが望ましい。このようにすれば、光ファイバ２からの光束をより有効に受信することが可能となる。
【００４７】
なお、第２ミラー４の形状は、回転楕円面を用いた曲面形状に限定されるものではなく、受光素子７および光ファイバ２の形状や特性、配置等により決定されるものである。例えば、受光素子７と光ファイバ２の大きさの組み合わせにより変更が可能であり、受光素子７の径が大きく、光ファイバ２の径が小さい場合、第２ミラー４は平面形状でも良い。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に従って広がっていくため、第２ミラー４と受光素子７の配置を旨く調整すれば、高効率で受光素子７に結合することができる。
【００４８】
さらに、図２の構成に加え、発光素子６と第１ミラーの間にレンズを挿入しても構わない。このレンズにより、発光素子６からの送信光をほぼ平行光あるいは収束光にすれば、すなわちレンズによりＮＡ変換を行う構成とすれば、送信光が光ファイバ２への入射時に放射状とならないため、送信光の光ファイバ入射面積を小さくすることが可能となり、完全にファイバに伝達できる。また、光ファイバ２への入射面積が小さくできることから、図２の構成の場合の送信及び受信効率と同様の効率を得ようとした場合には、ファイバの軸ずれに対して強い構成となる。さらに、第１ミラー３を小型化することができるため、光ファイバ２から放射され受光素子６で検出される受信光の光量を増大することが可能となる。
【００４９】
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態について図５に基づいて説明する。図５は図２に示した双方向光通信器の第１ミラー３に曲面上に形成した反射膜１２’（曲面ミラー１２’と記す）を用いた双方向光通信器の概略平面図を示している。ただし、この第２の実施の形態では、上記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、その説明を省いている。
【００５０】
第１ミラー３（曲面ミラー１２’）は、回転楕円面のような曲面形状とし、その曲面ミラー１２’で反射した送信光のＮＡを変換して、光ファイバ２の端面にほぼ円形に集光して光ファイバ２と結合する構成としている。曲面ミラー１２’にＮＡ変換機能を持たせるには、発光素子６の出射点と曲面ミラー１２’との間隔に比べ、曲面ミラー１２’と光ファイバ２の端面との間隔の方が大きくなるような配置とし、曲面ミラー１２’の曲率を最適化して、光ファイバ２に送信光が集光されるようにする。
【００５１】
第１の実施の形態で示した第２ミラー４と同様に、本実施の形態の第１ミラー３を回転楕円面のような曲面形状とした場合、その形状は、発光素子６や光ファイバ２の形状や特性や配置、また光ファイバ２との結合状態等により決定されるものである。特に、回転楕円面とする場合は、その焦点の一つを発光素子６の近傍に配置することが好ましい。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るため、特に高速での光伝送を行う場合、有利となる。
【００５２】
しかしながら、発光素子６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。このため、上記第１の実施の形態で説明したレンズ等を用いたＮＡの変換の代替手段として第１ミラー３により、このＮＡ変換機能を持たせることにより、レンズ等が不要であり、簡単な構成で安価な双方向光通信器１を得ることができる。
【００５３】
さらに、曲面形状である第１ミラー３を反射した送信光が光ファイバ２の端面に入射し、その反射戻り光の一部は第２ミラー４を経由して受光素子７に入射する場合には、上記第１の実施の形態で説明したようにファイバを傾斜させることで、受光素子に入射しないような構成にするとよい。
【００５４】
（第３の実施の形態）
図６は、第１の実施の形態で示した図２の双方向光通信器において、第１ミラー３および第２ミラー４を一つの部材（ミラー部材５０）で形成した場合の構成を示している。ここで第１ミラー３および第２ミラー４を一体型に形成し、部品コストを低減したものである。
【００５５】
一つの部品として形成する場合、受信光はミラー部材５０を構成するプラスチック内を透過し、受光素子７に集光されて結合する。
【００５６】
第１ミラー３および第２ミラー４を一つの部材で形成することにより、第１ミラーと第２ミラーの位置関係は成型時の寸法制度の管理によって決定されるため、発光素子６と第１ミラー３および受光素子７と第２ミラー４の調整を各々行う必要はなくなり、受光素子７に発光素子６をハイブリッド形成した部品と前記一体型成形ミラーとを調整するだけでよく、組立工程の簡略化が図れる。特に、光ファイバ２の軸ずれ等の影響が大きい発光素子６と第１ミラー３の調整を精度良くことで、必要とする双方向光通信器１を得ることができる。一方、光ファイバ２と第２ミラー４との調整は精度を必要とせず、受光素子７に効率よく結合することができる。
【００５７】
以上のように、第１〜第３の実施の形態で示した双方向通信リンク１１では、第１ミラー３および第２ミラー４により、送信光と受信光を光ファイバ２と結合させているため、一本の光ファイバ２により全二重の送信・受信が可能となる。
【００５８】
また、レンズを用いず、第２ミラー４により光ファイバ２と受光素子７とを光学的に結合させているため、第２ミラー４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２を用いても、受信光を効率良く受光素子７に結合させることができる。
【００５９】
更にまた、第１ミラー３により発光素子６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２に結合させることが可能であり、より効率よく送信光を光ファイバ２に結合させることができる。
【００６０】
（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態の双方向光通信器について図７及び図８に基づいて説明する。図７はその概略側面図であり、図８は概略平面図を示している。ただし、この第４の実施の形態では、第１の実施の形態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、第１の実施の形態と同一の部材番号を付与して、その説明を省いた。
【００６１】
本実施の形態では、単結晶シリコン等を材料とした基板８に各光学部品、制御部品が集積化され、基板８と光ファイバ２の光軸は平行に配置されている。基板８にはモノリシックに受光素子５が形成されており、発光素子６が同一基板上にハイブリッドに配置されている。
【００６２】
また、発光素子６の光軸上で発光素子６から放射された送信光の光軸を第１ミラー３の方向に変換するための、第３ミラー５が形成されており、第１ミラー３及び第２ミラー４は実施の形態３と同様に一体的に形成されている。その他に、基板８には、発光素子６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９、および、発光素子６、受光素子７の動作を制御する制御装置１０が配置されている。
【００６３】
発光素子６から放射された送信光は、第３ミラー５で基板８に垂直方向に光路が曲げられて、第１ミラー３に到達する。その後、第１ミラー３で反射されて光ファイバ２に結合される。光ファイバ２から放射された受信光は、第２ミラー４により、向きを変えると共に、集光されて、受光素子７に結合される。また、送信光の一部はモニタ用フォトダイオード９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６からの光の放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６の出力が調整される。モニタ用フォトダイオード９も、上記受光素子７と同様の構成としている。またモニタ用フォトダイオード９は、基板８に埋め込んで設けても良い。
【００６４】
制御装置１０は、受光素子７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６の出力を制御したり、モニタ用フォトダイオード９で受光したモニタ光から発光素子６の出力を制御したりする。
【００６５】
第３ミラー５は例えば、ポリイミド等の樹脂を切削やレーザアブレーション等により４５度程度にテーパ形状に加工して、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ている。他には、基板８を異方性エッチングにより加工した面を用いる構成としても構わない。ミラー面の角度は基板８に対して、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。
【００６６】
第３ミラー５の他の構成として、凹面状に形成しても良い。第３ミラー５を凹面状にすることにより、発光素子６から放射された送信光が第１ミラー３に到達した時の広がりを少なくすることができ、第１ミラー３による光ファイバ２への送信光の集光も行いやすくなると共に、第１ミラー３の設置ずれ等にも強い配置を得ることができる。特に、発光素子６として半導体レーザを用いる場合、基板８に対して垂直方向には放射角が比較的大きくなるため、第３ミラー５は基板に対して垂直方向に曲率を与えることが好ましい。
【００６７】
また、光ファイバ２の端面を傾斜させたり、送信光を光ファイバ光軸に対し基板側に傾斜を持たせることで光ファイバ２で反射した戻り光が第２ミラー４を反射して受光素子７に戻るのを防止でき、上記実施の形態で示した効果と同様の効果を得ることができる。
【００６８】
さらにまた、第１ミラー３および第２ミラー４を一つの部品として形成し説明を行ったが、上記実施の形態で示したように別々に設けても構わない。この場合、基板上に第３ミラーを形成後、発光素子をハイブリッドに配置し、光軸調整を行った後、金型を用いて上記第３ミラー及び発光素子を透過性プラスチックでモールド成形し、モールド表面に金属膜を蒸着することで、送信側のモジュールが完成する。
【００６９】
以上のように、第４の実施の形態で示した双方向光通信器１では、一つの基板８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、双方向通信リンク１１を得ることができる。
【００７０】
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。
【００７１】
（第５の実施の形態）
第１から第３の実施の形態は、光ファイバ２からの光線を効率よく受光素子７に集光し、高効率な受信をおこなうことを最優先とした構成であった。これらの構成では、発光素子６と受光素子７の配置が近傍となり、各素子を駆動するためのボンディングワイヤ及び駆動回路等から電磁波が放射し、電気的なノイズとなって互いの素子に影響を及ぼす惧れがあった。
【００７２】
そこで効率の良い受信よりも発光素子６及び受光素子７間で発生する電気的な混信が全二重通信において問題となる場合は、発光素子６と受光素子７を出来るだけ離す構成とすることが望ましい。
【００７３】
本実施の形態では、電気的な混信を防止することを主な目的とした双方向光通信器の実施例を図１２から図１５に基づいて説明する。なお、ここでは上述した実施の形態１から４と同一部分については説明を省略する。
【００７４】
図１２は、本実施の形態の双方向光通信器の一例を示す概略断面図である。この双方向光通信器では、１つのミラー部材５０に、第１ミラー３及び第２ミラー４が形成されている。ミラー部材５０は光ファイバ２の光入射端面（光出射端面）に近接して配置されている。第１ミラー３、第２ミラー４は、光ファイバ２からの出射光を互いに略反対方向に反射するように設けられている。発光素子６及び受光素子７は、ミラー部材５０を挟んで配置されており、発光素子６からの送信光は第１ミラー３により反射されて光ファイバ２に入射し、光ファイバ２からの受信光は第２ミラー４により反射されて受光素子７に入射するようになっている。なお、第２ミラー４は、光ファイバ２からの送信光の光路及び開口数を変換して受光素子７に結合させるようになっている。また、第２ミラー４は、焦点の一方が受光素子７の中心付近にある回転楕円面からなることが望ましい
このように本実施の形態では、光ファイバ２の光軸に平行な面に対して一方側に発光素子６と第１のミラー３、その反対側に受光素子７と第２のミラー４を配置している。これにより、発光素子６と受光素子７のワイヤボンディングや駆動回路等から放射する電磁波が互いに干渉することを抑制でき、全二重通信が可能となる。
【００７５】
さらに、第１ミラー３及び第２ミラー４の各反射膜１２，１３は、アルミニウムや金等といった反射率の高い金属材料で形成するが、その前に磁性材料を蒸着することにより各素子からの電磁波をより効果的に遮断することができる。
【００７６】
なお、この図１２の構成においては、受信効率よりも各素子からの電気的なノイズを防止することを最優先とした。つまり、この構成では受信効率は実施の形態１から３に比して低下する構成となる。これに関して図１２をＢ−Ｂにて切断した断面模式図（図１３）を用いて説明する。
【００７７】
図１３において、光ファイバ２と第２ミラー４との重複する領域を通過する受信光のみが、受光素子７に入射できる。このように受光素子に入射可能な受信光は、図１２の双方向光通信器では、実施の形態１から４よりも少ないものとなる。また、ミラー部材５０において斜線部分に入射する光ファイバ２からの受信光がフレネル反射を生じ、再び光ファイバに戻るため、全二重通信での光のノイズとなり問題となる。
【００７８】
図１４に示す双方向光通信器は、上記問題を解決するものであり、図１２の双方向光通信器の第２のミラー４を変形させて上述の斜線部に入射する受信光をも受光素子７に入射できるようにしている。
【００７９】
ここでは、第２のミラーを、曲面形状の一部を切断した形状を持つ曲面ミラー４’と平面形状を持つ平面ミラー４”を組み合わせた構成としている。具体的には、光ファイバ２に近い側の端から距離Ｌの部分までを平面ミラー４”で構成し、距離Ｌの位置から曲面ミラー４’により構成している。
【００８０】
このような構成により、受信効率の低下及び反射ノイズの増加の両方を改善することができる。なお、距離Ｌを大きくすることにより斜線部分の面積Ｓは減少し、反射ノイズは低下する。なお、曲面ミラー４’の形状は、焦点の一方が受光素子７の中心付近にある回転楕円面からなることが望ましい。
【００８１】
図１５は、図１３における斜線部分の面積Ｓ（Ｌ＝０ｍｍの時の面積を１００％とする）と受信効率の関係を示す図である。距離Ｌを大きくしていくと斜線部分の面積Ｓは減少し反射ノイズを抑えることができ、また受信効率に関しては向上する。一方、面積Ｓを２０％より小さくすると受信効率が逆に低下することが図１５より確認できる。今回試作した双方向光通信器では、斜線領域Ｓを２０％前後まで低減することで、最大の受信効率を得ることができた。
【００８２】
なお、第５の実施の形態においても第１〜第４の実施の形態と同様に、光ファイバ２からの受信光が、第２のミラー４により、第１のミラー３よりも多く反射されるように、第１のミラー３、第２のミラー４を配置することが好ましい。これは、送信光は小さい光束径で光ファイバ２に入射させることが可能であるため、第１のミラーの実質的な面積を小さくしても送信効率を維持できるが、受信効率の向上のためには、第２のミラーの実質的な面積（受信光を反射する面積）を大きくすることが必要であるからである。
【００８３】
また、本実施の形態においても、第１ミラー３は、発光素子６の反射光の光路および開口数を変換して光ファイバ２に結合させるよう、曲面形状に形成されていても良い。
【００８４】
以上、本発明の双方向光通信器について第１〜第５の実施の形態において説明したが、本発明はこれに限るものではなく、本発明の主旨の範囲内で様々な変形が可能である。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によれば、第１ミラーおよび第２ミラーを調整することにより、送信光および受信光を別々に制御できるため、高効率な双方向光通信器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装置の構成を説明する概略図である。
【図２】本発明の双方向光通信器の第１の実施の形態の構成を説明する概略断面図である。
【図３】図２の双方向光通信器の概略平面図である。
【図４】図２の双方向光通信器のＡ−Ａ矢視図である。
【図５】本発明の双方向光通信器の第２の実施の形態の構成を説明する概略断面図である。
【図６】本発明の双方向光通信器の第３の実施の形態の構成を説明する概略断面図である。
【図７】本発明の双方向光通信器の第４の実施の形態の構成を説明する概略断面図である。
【図８】図６の双方向光通信器の概略平面図である。
【図９】従来の光通信器の構成を示す説明図である。
【図１０】従来の光通信器の構成を示す説明図である。
【図１１】従来の双方向光通信器の構成を示す説明図である。
【図１２】本発明の双方向光通信器の第５の実施の形態の構成を説明する概略断面図である。
【図１３】図１２の双方向光通信器のＢ−Ｂ断面模式図である。
【図１４】本発明の双方向光通信器の第５の実施の形態の他の例の構成を説明する概略断面図である。
【図１５】図１４の双方向光通信器における、図１３の斜線部の面積Ｓと受光効率の関係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 第１ミラー
４ 第２ミラー
４’ 曲面ミラー
４” 平面ミラー
５ 第３ミラー
６ 発光素子
７ 受光素子
８ 基板
９ モニタ用フォトダイオード
１０ 制御装置
１１ 双方向光通信リンク
１２ 反射膜（平面ミラー）
１２’ 反射膜（曲面ミラー）
１３ 反射膜

Claims (8)

1. 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、
   発光素子から放射される送信光をほぼ全反射して光ファイバに結合させる第１ミラーと、光ファイバから放射される受信光をほぼ全反射して受光素子に結合させる第２ミラーを有し、
   前記発光素子および前記受光素子は、前記第２ミラーにおける前記光ファイバから放射される受信光を反射する側に配置され、
   前記発光素子は、前記受光素子よりも前記光ファイバの端面側に配置され、
   前記第１ミラーは、前記光ファイバの光軸に重ならないように配置される一方、前記第２ミラーは、前記光ファイバの光軸に重なるように配置され、
   前記第２ミラーは、前記第１ミラーよりも、前記光ファイバ端面から遠い位置にまで、存在し、
   前記第１ミラーと前記第２ミラーは、少なくとも一部が、前記光ファイバの光軸に垂直な方向において重なり合うよう配置され、
   前記第１ミラーは、前記第２ミラーにおける前記光ファイバから放射される受信光を反射する側に配置されていることを特徴とする双方向光通信器。
2. 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、
   発光素子から放射される送信光をほぼ全反射して光ファイバに結合させる第１ミラーと、光ファイバから放射される受信光をほぼ全反射して受光素子に結合させる第２ミラーを有し、
   前記光ファイバの光軸に平行な平面に対して、一方側に第１ミラー及び前記発光素子が、他方側に第２ミラー及び前記受光素子が配置され、
   前記発光素子は、前記受光素子よりも前記光ファイバの端面側に配置され、
   前記第２ミラーは、前記第１ミラーよりも、前記光ファイバ端面から遠い位置にまで、存在し、
   前記第１ミラーと前記第２ミラーは、少なくとも一部が、前記光ファイバの光軸に垂直な方向において重なり合うよう配置され、
   前記第２ミラーにおける前記光ファイバからの受信光を反射する面は、前記光ファイバに近い側の端から前記光ファイバから離れる方向への所定距離までの部分を前記光ファイバの光軸に平行な平面形状に形成され、その他の部分を曲面形状に形成されていることを特徴とする双方向光通信器。
3. 請求項１または２に記載の双方向光通信器において、
   第１ミラー及び第２ミラーは、第１ミラーよりも第２ミラーに、光ファイバからの受信光がより多く入射するよう配置されていることを特徴とする双方向光通信器。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の双方向光通信器において、
   第２ミラーは、その反射光の光路および開口数を変換して前記受光素子に結合させる、曲面形状部を有していることを特徴とする双方向光通信器。
5. 請求項１に記載の双方向光通信器において、
   第２ミラーは、その反射光の光路および開口数を変換して前記受光素子に結合させるよう、曲面形状に形成されており、且つ、第２ミラーは、焦点の一方が前記受光素子の中心近傍にあり、他方が前記光ファイバの中心光軸に対して前記第１ミラーが配置される側とは反対側にずれた位置にある、回転楕円面からなることを特徴とする双方向光通信器。
6. 請求項１乃至５のいずれか１つに記載の双方向光通信器において、
   第１ミラーは、その反射光の光路および開口数を変換して前記光ファイバに結合させるよう、曲面形状に形成されていることを特徴とする双方向光通信器。
7. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の双方向光通信器において、
   前記第１ミラーと前記第２ミラーが、一つの部材に一体に形成されていることを特徴とする双方向光通信器。
8. 請求項１乃至５のいずれか１つに記載の双方向光通信器において、
   前記第１ミラーとして、平面上に形成した反射膜を用い、
   前記光ファイバの端面は、前記光ファイバの光軸に対して垂直に交わり、
   前記発光素子から出射して前記第１ミラーに反射された送信光は、この反射された送信光の中心の光軸が前記光ファイバの端面に垂直な方向に対して前記発光素子の方向に傾斜した角度で、前記光ファイバの端面に入射するように、前記光ファイバの光軸に対して前記第１のミラーの傾斜角度が、３５度〜４０度に設定されていることを特徴とする双方向光通信器。

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