JP4932664B2 - 光ファイバ及び一心双方向光送受信モジュール - Google Patents

Description

この発明は、光通信技術に用いられている光モジュールに関し、特に、一本のファイバで双方向の通信を行う一心双方向通信を簡易に実現するための光ファイバとそれを用いた一心双方向光送受信モジュールに関する。

光ファイバを使った波長分割方式の一心双方向光通信では、「光ファイバ」、「発光素子」、「受光素子」、「フィルタ（あるいはカプラ）」が光モジュールの基本構成要素であり、必要に応じてさらに各種レンズが加えられる。この中で、構造の簡易化を追求したものに一つとしてファイバの端面にカプラを設けたものが挙げられる。

例えば、特許文献１に記載された光モジュールでは、ガラスフェルールに保持された状態で、斜めに研磨されたファイバ端面に反射率５０％のカプラ膜を形成し、ファイバの光路の延長上に発光素子を配置し、フェルールの側面のファイバ端面で反射された光の光路上に受光素子を配置することで、双方向通信を実現している。

特許文献２には、光軸と直交する面に対して所定角度で傾斜した光ファイバ端面を有する光ファイバと、端面の近傍に配されたマウント手段と、光ファイバの光軸の延長線上に配置され、かつ前記サブマウント上に配された発光素子と、光ファイバのクラッド上に置かれ、光ファイバの端面から出射される光がマウント手段において反射した後に光ファイバ内を通過して入射する位置に配置された受光素子と、光ファイバ端面近傍と、マウント手段と、発光素子と、受光素子とを収容する筐体とを有する光送受信モジュールが開示されている。

特許文献３には、発光素子と、受光素子と、波長分離フィルタと、フェルールと、モジュールケースを具備し、フェルールは端面を斜めに研磨し、中心に配置される光ファイバ線の側面の一部が露出するように切欠き加工し、フェルールの端面には波長分離フィルタが配置されて発光素子及び受光素子と光学結合され、発光素子及びフェルールは、モジュールケースに固定することにより、相互の空間配置を保持する構成の双方向光モジュールが開示されている。
特開平８−５４５４１号公報 特開２００４−３４７８２６号公報 特開２００５−２５７７３７号公報

特許文献１の光モジュールは、斜めに研磨した光ファイバの端面にカプラを設け、この斜め研磨面側の光路の延長上に発光素子を、側面側に形成される光路の延長上に受光素子を配置し、一本の光ファイバによる双方向通信を実現している。しかし、このためには光ファイバの端面にカプラを形成する工程が不可欠となり、工数やコストが増える。さらに、その材質もカプラ膜の形成に耐えうるものであることが必要となり、ガラスファイバには適用できるが、プラスチックファイバには適用できない。
また、フェルールを通して受光素子に信号光を結合させるため、フェルールの材料も光信号を透過するものでなくてはならず、一般に用いられるジルコニア製のフェルールなどを用いることができない。

特許文献２の光送受信モジュールにおいても、光ファイバの研磨面にフィルタを形成する、或いは別途作製したフィルタを貼り付けるという工程が必要となり、工数とコストが増える。また、受光素子を載せるために、ガラス製のフェルール側面を内に凸に加工しなければならず、加工に手間がかかる。すなわち、凹部があるため、通常の光ファイバ端面研磨装置のように、平らな研磨板では加工できず、「角」をもつ研磨装置で研磨しなくてはならない。さらに、その加工面に部材を搭載するため、強度の確保にも注意が必要となる。

特許文献３の光モジュールは、フィルタが不要であるが、光ファイバとサブマウントの位置精度への依存が大きい。また、受光素子へ結合される光は、受光素子とクラッドの間をクラッドと同程度の屈折率を持つ樹脂等で埋めなければクラッドの外に出ることが出来ず、出てきた光も角度が非常に浅く、広がりが大きくなってしまう。また、送信、受信側とも、レンズを追加して結合効率を向上させることはできない。また、送信側としては、端面発光型のレーザーダイオードしか使用できない。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、一心双方向通信を簡易に実現するための光ファイバとそれを用いた一心双方向光送受信モジュールの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、一心双方向光送受信モジュール用の光ファイバを用い、片方の研磨面に出射する光軸上に面発光素子のベアチップを配置し、その反対側の研磨面側に出射する光軸上に受光素子のベアチップを配置し、基板に実装又は筐体に納めることによって得られる一心双方向光送受信モジュールであって、一心双方向光送受信モジュール用の光ファイバは、フェルールの中心に保持された光ファイバの先端付近が光軸をはさんで、中心を境界として両側からフェルールとともに斜めに研磨され、それぞれの研磨面を第１、第２の研磨面とし、光ファイバを進んできた信号光のうち、第１の研磨面に当たった分は第１の研磨面で全反射して第２の研磨面に向かい、第２の研磨面では屈折して光ファイバの外に出射し、第２の研磨面に当たった分は第２の研磨面で全反射して第１の研磨面に向かい、第１の研磨面では屈折して光ファイバの外に出射され、光ファイバからの信号光が光ファイバの光軸と略垂直を成す方向に出射するように第１、第２の研磨面の研磨角度が定められており、光ファイバの研磨面の境界を光ファイバの中心からオフセットしたことを特徴とする一心双方向光送受信モジュールを提供する。

本発明の一心双方向光送受信モジュールにおいて、光ファイバの研磨面の両方または片方に光学フィルタを形成したことが好ましい。

本発明の一心双方向光送受信モジュールにおいて、光ファイバが、プラスチックファイバであることが好ましい。

本発明の一心双方向光送受信モジュールにおいて、光ファイバ単体の両側の側面を研磨し実装した構成としてもよい。

本発明の一心双方向光送受信モジュールは、光ファイバ研磨面の一方で全反射、他方で屈折して光信号が出入りし、研磨された位置によって分割されるので、フィルタやカプラ膜なしで双方向通信を実現できる。また、プラスチックファイバの適用も可能となる。
本発明の一心双方向光送受信モジュールは、フェルールを通らずに光ファイバ自体の側面から光が出入りするので、フェルールの材質を光の透過を考えずに選択可能となり、従来より汎用されているジルコニアフェルール等を用いることができるため、低コスト化を図ることができる。
本発明の一心双方向光送受信モジュールは、光ファイバの両側を斜めに研磨することで双方向通信を実現できるので、無理な機械加工が不要であり、製造時の不良発生率を減じ、歩留まりを高めることができる。
本発明の一心双方向光送受信モジュールは、光ファイバ自体で送受信を分離し、発光素子は光ファイバの横に配置することができるので、発光素子は自由に選択可能となる。
本発明の一心双方向光送受信モジュールは、光ファイバの研磨面から、光軸に対し垂直に近い角度で光が出入りするので、ベアチップを置くことも、レンズを配置することも自由にできるようになる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１及び図２は、本発明の第１実施形態を示し、図１（ａ）は一心双方向光送受信モジュール用光ファイバの側面図、（ｂ）は同じ一心双方向光送受信モジュール用光ファイバの平面図である。図２（ａ）は図１（ｂ）中のＡ部拡大図、図２（ｂ）はこの（ａ）中のＢ部拡大図である。これらの図中、符号１は光ファイバ、２はフェルール、３ａ及び３ｂは研磨面、４は先端、５は光ファイバ１のコア、６はクラッド、７ａ及び７ｂは光、８は受光素子を示す。

本実施形態の一心双方向光送受信モジュール用光ファイバは、直径１２５μｍのマルチモード光ファイバ（光ファイバ１）がその中心に保持された直径１．２５ｍｍのジルコニアフェルール（フェルール２）の先端付近の両側の側面をくさび形に研磨し、両側に研磨面３ａ，３ｂを形成した構成になっている。本例示では、両側の研磨面３ａ，３ｂの境界（先端４）が光ファイバ１の中心を通るように設定してある。使用した光ファイバ１のコア５の屈折率は約１．４５である。

本実施形態では、光ファイバ１の両側をその長手方向、すなわち、光ファイバ内部の光軸に対して斜めに研磨している。なお、この研磨角度θ１は、使用する光ファイバ１の屈折率に応じて計算して定める。具体的には、光ファイバ１のコア５を進行してきた信号光が、直接研磨面に当たった時には全反射してもう一方の研磨面に向かい、一度全反射した光がもう一方の研磨面に到着した時には、全反射することなく屈折しながら光ファイバ１の外部に出射する範囲内で定める。

図２（ａ）に、このフェルール先端付近の拡大図、および信号光の経路の模式図を示す。光ファイバ１を伝わってきた受信光７ａの内、図中の手前側の部分は、手前側の研磨面３ｂで全反射し、奥側の研磨面３ａで屈折して、光ファイバ１の奥側に出射する。また、奥側の部分は奥側の研磨面３ａで全反射し、手前側の研磨面で屈折して、光ファイバ１の手前側に出射する。この、光ファイバ１の研磨面３ａ，３ｂから屈折して出射した光の光軸側に受光素子８，８を配置することで、光ファイバを伝わってきた光７ａを受光することができる。

一方、研磨面３ｂから屈折して出射してくる光の光軸上に、図２（ｂ）に示すように、図示していない発光素子を、その出射光７ｂが光ファイバ１のコア５に向かうように（発光素子の出射光７ｂの光軸と光ファイバ１からの出射光７ａの光軸を重ねて）配置することで、発光素子からの出射光７ｂは、光ファイバ１の手前側の研磨面３ｂで屈折した後、奥側の研磨面３ａで全反射して、光ファイバ内へ（図では左側に）進む。こうして、送信信号を光ファイバ１に入射させることができる。この際、光ファイバ１からの受信光も発光素子に向かうが、発光素子の発光点は小さく、発光素子への影響は小さい。
この構成により、光ファイバ１の端面にフィルタやカプラ膜などを設けなくても、一本の光ファイバを使った双方向通信ができる。

本発明の第２実施形態は、図１及び図２に示す一心双方向光送受信モジュール用光ファイバと同じ構成であり、特に、光ファイバ１の研磨面３ａ，３ｂと光ファイバ１の長手方向とがなす角度θ１が、３８度となるように研磨したことを特徴としている。

このように、角度θ１を３８度に設定して両側の研磨面３ａ，３ｂを形成したことにより、光ファイバ１の研磨面３ａ，３ｂからの出射光７ａは、その光軸が光ファイバ１の軸に対してほぼ垂直に出射されるようになる。また、光ファイバ１の軸にほぼ垂直となる角度を持つ光軸で研磨面に入射した光７ｂは、光ファイバ１のコア５へ効率よく入射されるようになる。このような角度に出射させることで、光ファイバ１から出射する光信号の方向が外観から容易に推定（画像認識での判断）でき、実装が容易となる。

図３は、本発明の第３実施形態を示し、図３（ａ）は一心双方向光送受信モジュール用光ファイバの平面図、（ｂ）は同じ一心双方向光送受信モジュール用光ファイバの先端部分の拡大図である。本実施形態の一心双方向光送受信モジュール用光ファイバは、前述した第１実施形態の一心双方向光送受信モジュール用光ファイバとほぼ同じ構成要素を備えて構成され、同じ構成要素には同一符号を付してある。さらに、図３（ｂ）中の符号９は発光素子である。

本実施形態では、光ファイバ１の第１の研磨面３ａと光ファイバ１の長手方向とがなす角度θ２を４０度とし、また第２の研磨面３ｂと光ファイバ１の長手方向とがなす角度θ３を３０度としたことを特徴としている。また本実施形態では、光ファイバ１として、コア５の屈折率が１．４５のマルチモード光ファイバを用いている。

本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、第２の研磨面３ｂ側に配置された発光素子９から光軸に対して９０度で入射した光が光ファイバ１のコア５に結合される一方、光ファイバ１からの信号光のうち、第２の研磨面３ｂ側に当たった分は、光軸に対してθ４＝１１５度の角度で出射し、その先に配置された受光素子８に結合するようになっている。特に、ベアチップの光素子を使う場合、送信側と受信側の光軸をずらすことで、クロストークを軽減する効果がある。特に、発光素子のビームの広がり角度θ５の範囲外に受光素子８を配置できるような角度にすると、その効果が大きい。

ここでは、斜めの出射側に受光素子８を配置したが、受発光素子の搭載角度を調整すれば、受光素子８と発光素子９の配置は逆でも構わない。さらに、使用する光ファイバ１の屈折率に応じて、第１、第２の研磨面３ａ，３ｂの研磨角度θ２，θ３を調整することで、光ファイバ１から出る光軸の角度は屈折率に応じた制限の範囲内で任意に設定できる。なお、受光素子８、発光素子９はこの例ではベアチップを使用しているが、ＣＡＮパッケージされたものを使用しても構わない。

なお、光ファイバ１の屈折率分布の影響などで、適正な研磨角度θ２，θ３の精密な計算が困難な場合でも、光ファイバ側から実際に使用するのと同じ波長の信号光や、波長の違いを考慮した上でヘリウムネオンレーザーなどの光を入射すると、ビーム方向の確認や、研磨角度の微調整を容易に行うことができる。

図４は、本発明の第４実施形態を示し、図４（ａ）は一心双方向光送受信モジュールの概略構成図、（ｂ）は要部斜視図である。図４中、符号１０は、一心双方向光送受信モジュール、１１はフェルール、１２はピグテールファイバ、１３は筐体、１４及び１６はサブマウント、１５は受光素子であるＰＤチップ、１７は発光素子であるＶＣＳＥＬチップ、１８はＩＣ、１９は遮光用ブロックである。

本実施形態の一心双方向光送受信モジュール１０は、光ファイバ１が保持されたフェルール１１（図１〜図３で説明したいずれかのもの）と、フェルール１１や他の素子を保持する筐体１３と、該筐体１３内に設置された発光素子であるＶＣＳＥＬチップ１７と、同じく受光素子であるＰＤチップ１５と、これらのチップを保持しているサブマウント１４，１６と、電子部品であるＩＣ１８と、フェルール１１の先端側に設けられた遮光用ブロック１９とから構成されている。

２面にまたがる電極の形成されたサブマウント１４，１６の端（図では筐体１３と接する面）から６２５μｍの位置に中心が来るように、それぞれＶＣＳＥＬチップ１７、ＰＤチップ１５を実装し、ワイヤボンディングを打った物を、ＶＣＳＥＬチップ１７とＰＤチップ１５の光軸が重なるように筐体１３に固定し、ＶＣＳＥＬチップ１７を発光させた状態で、フェルール１１内の光ファイバ１に結合させる光出力が最大となるようにフェルール１１の位置（図中では左右方向）を調整して固定した。さらに、ＶＣＳＥＬチップ１７からの迷光がＰＤチップ１５に結合されないように、フェルール１１の先端付近に金属の遮光用ブロック１９を搭載した。この構成により、一本のファイバによる双方向通信を実現した。

本実施形態では、ベアチップの発光素子（ＶＣＳＥＬチップ１７）及び受光素子（ＰＤチップ１５）を使うことで、素子が光ファイバに接触するすれすれまで近接して配置することができるため、モジュールを極めて小型に作製することが可能となる。
なお、フェルール１１や光素子などの搭載にあたっては、筐体１３自体にフェルール１１の位置決め機構を持たせ、たとえば迷光防止用のフェルールにつき当てて位置決めできるような構造にすることで、調心なしで実装することもできる。
また、トランスインピーダンスや、リミティングアンプ、ＶＣＳＥＬドライバーなどの電子部品も筐体に組み込んでも良い。又、筐体１４は基板状のものでもよい。
また、ＶＣＳＥＬを筐体あるいは基板上に発光部を上向きに（裏面を直接筐体にボンディング）実装し、光ファイバ面の研磨面をＶＣＳＥＬの側（下向き）にしてもよい。この場合、受光素子は、必要に応じてレンズ機能を併せ持ったガラス基材に載せて光ファイバの上側に配置する。

図５は、本発明の第５実施形態を示し、一心双方向光送受信モジュールの概略構成図である。図５中、符号２０は一心双方向光送受信モジュール、２１はフェルール、２２はフェルール台座、２３は光ファイバコード、２４は筐体、２５はＴＯ−ＣＡＮパッケージの受光素子、２６はＴＯ−ＣＡＮパッケージの発光素子、２７は突起である。

本実施形態の一心双方向光送受信モジュール２０は、光ファイバ１が保持されたフェルール２１（図１〜図３で説明したいずれかのもの）と、ＴＯ−ＣＡＮパッケージの受光素子２５と、ＴＯ−ＣＡＮパッケージの発光素子２６とを筐体２４に固定している。迷光対策も兼ねた突起２７にフェルール２１先端を突き当てて固定し、受光素子２５を固定した後、発光素子２６を調心固定している。ＴＯ−ＣＡＮパッケージの素子を使用することにより、使用可能な発光素子、受光素子の種類が増えるとともに、レンズ付きのパッケージを使用することで結合効率の向上を図ることができる。

図６は、本発明の第６実施形態を示し、一心双方向光送受信モジュール用光ファイバの先端部の拡大図である。本実施形態において、図１に示す一心双方向光送受信モジュール用光ファイバと同じ構成要素には、同一符号を付してある。本実施形態では、光ファイバ１の斜め研磨面３ａ，３ｂの頂点２８（両側の境界）が光ファイバ１の中心２９からオフセットされていることを特徴としている。これにより、送信側の結合効率のバランスを変更することができる。

図７は、本発明の第７実施形態を示し、一心双方向光送受信モジュール用光ファイバの先端部の拡大図である。本実施形態において、図１に示す一心双方向光送受信モジュール用光ファイバと同じ構成要素には、同一符号を付してある。本実施形態では、光ファイバ１の研磨面３ａにフィルタ３０を蒸着したことを特徴としている。たとえば、受信側研磨面に受信波長以外をカットするフィルタ３０を付ければ、光ファイバ１から到着する信号光の内、該当のモジュールでは使用しない波長を除去することが可能となる。また、送信側研磨面に送信波長以外をカットするフィルタ３０を付ければ、発光素子への不要光の混入を軽減できる。たとえば受信側だけにフィルタを付ける場合には、受信側の面を研磨した後にフィルタを蒸着し、次に送信側の面を研磨すれば容易に片面だけにフィルタを設けることが可能である。

本発明の第８実施形態として、屈折率約１．５０のプラスチックファイバを使用し、図１〜図３及び図６に示す一心双方向光送受信モジュール用光ファイバを構成することが挙げられる。
プラスチックファイバは、フィルタ蒸着に必要な高い温度に耐える事ができず、また別途作製したフィルタを接着することも困難だが、本発明ではフィルタが不要なので、双方向通信にも容易に実現できる。

本発明の第８実施形態として、図１〜図３及び図６に示す一心双方向光送受信モジュール用光ファイバを、フェルールなしで実現することが挙げられる。
たとえば、直径の太いポリマー製ファイバを使用する場合等には、フェルールに保持しなくても、研磨や実装が容易であり、部材コストの低減が可能となる。

本発明の第１、第２実施形態を示し、（ａ）は一心双方向光送受信モジュール用光ファイバの側面図、（ｂ）は同じ一心双方向光送受信モジュール用光ファイバの平面図である。 図２（ａ）は図１（ｂ）中のＡ部拡大図、図２（ｂ）はこの（ａ）中のＢ部拡大図である。 本発明の第３実施形態を示し、（ａ）は一心双方向光送受信モジュール用光ファイバの平面図、（ｂ）は同じ一心双方向光送受信モジュール用光ファイバの先端部分の拡大図である。 本発明の第４実施形態を示し、（ａ）は一心双方向光送受信モジュールの概略構成図、（ｂ）は要部斜視図である。 本発明の第５実施形態を示し、一心双方向光送受信モジュールの概略構成図である。 本発明の第６実施形態を示し、一心双方向光送受信モジュール用光ファイバの先端部の拡大図である。 本発明の第７実施形態を示し、一心双方向光送受信モジュール用光ファイバの先端部の拡大図である。

符号の説明

１…光ファイバ、２…フェルール、３ａ，３ｂ…研磨面、４…先端、５…コア、６…クラッド、７ａ，７ｂ…光、８…受光素子、９…発光素子、１０…一心双方向光送受信モジュール、１１…フェルール、１２…ピグテールファイバ、１３…筐体、１４，１６…サブマウント、１５…ＰＤチップ、１７…ＶＣＳＥＬチップ、１８…ＩＣ、１９…遮光用ブロック、２０…一心双方向光送受信モジュール、２１…フェルール、２２…フェルール台座、２３…光ファイバコード、２４…筐体、２５…ＴＯ−ＣＡＮパッケージの受光素子、２６…ＴＯ−ＣＡＮパッケージの発光素子、２７…突起、２８…頂点、２９…中心、３０…フィルタ。

Claims (4)

1. 一心双方向光送受信モジュール用の光ファイバを用い、片方の研磨面に出射する光軸上に面発光素子のベアチップを配置し、その反対側の研磨面側に出射する光軸上に受光素子のベアチップを配置し、基板に実装又は筐体に納めることによって得られる一心双方向光送受信モジュールであって、
   一心双方向光送受信モジュール用の光ファイバは、フェルールの中心に保持された光ファイバの先端付近が光軸をはさんで、中心を境界として両側からフェルールとともに斜めに研磨され、それぞれの研磨面を第１、第２の研磨面とし、光ファイバを進んできた信号光のうち、第１の研磨面に当たった分は第１の研磨面で全反射して第２の研磨面に向かい、第２の研磨面では屈折して光ファイバの外に出射し、第２の研磨面に当たった分は第２の研磨面で全反射して第１の研磨面に向かい、第１の研磨面では屈折して光ファイバの外に出射され、
   光ファイバからの信号光が光ファイバの光軸と略垂直を成す方向に出射するように第１、第２の研磨面の研磨角度が定められており、
   光ファイバの研磨面の境界を光ファイバの中心からオフセットしたことを特徴とする一心双方向光送受信モジュール。
2. 光ファイバの研磨面の両方または片方に光学フィルタを形成したことを特徴とする請求項１に記載の一心双方向光送受信モジュール。
3. 光ファイバが、プラスチックファイバであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の一心双方向光送受信モジュール。
4. 光ファイバ単体の両側の側面を研磨し実装したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の一心双方向光送受信モジュール。

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