JP5390422B2

JP5390422B2 - 光学素子モジュール

Info

Publication number: JP5390422B2
Application number: JP2010011741A
Authority: JP
Inventors: 真司三ツ谷
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2030-01-22
Also published as: JP2011150155A

Description

本発明は、光学素子モジュールに関するものであり、光コネクターに好適に用いられる。

光導波路体として光ファイバ１１５を用いた場合の従来の光学素子モジュールを図８に示す。透明ガラス又は透明合成樹脂の成形品よりなる透明構造体１３１が設けられ、透明構造体１３１の上面に反射体１３１ａが突出形成され、反射体１３１ａには透明構造体１３１の上面１３２とほぼ垂直な位置決め面１３３が形成され、また反射体１３１ａには位置決め面１３３と４５度をなす、つまり上面１３２に対し斜めの反射面１３４が形成されている。透明構造体１３１の上に配された光ファイバ１１５の端面が反射体１３１ａの位置決め面１３３に突き当てられて光ファイバ１１５の図８において左右方向における位置決めがなされる。光ファイバ１１５は位置決め面１３３に対してほぼ直角に配される。この構造により発光素子１３７からの光は、光ファイバ１１５へ入射することができる。尚、発光素子１３７は受光素子であっても良く、光ファイバ１１５からの出射光を受光できる。

特開２００１−１７４６７１号公報

光ファイバ１１５からの出射光は、光ファイバ１１５の開口数によって、出射光の広がりが決まる。光ファイバ１１５の位置決め面１３３と反射面１３４が４５度の角度をなす場合、光ファイバ１１５からの出射光の広がりによって、出射光の一部が反射面を透過してしまい、光強度の損失が発生するという問題があった。近年、屈曲性のある光ファイバが開発されており、機器内配線に有効ではあるが、この光ファイバは、従来のものよりも開口数が大きく、出射光の広がりが大きくなり上記課題が顕在化した。

本発明は、導光体と、前記導光体から出た光を反射可能とする反射体と、前記反射体で反射された光を集光またはコリメーション可能とする光学部材と、が設けられた光学素子モジュールであって、前記導光体からの出射光の中心軸と前記反射体の反射面の法線とのなす角度が、４５度を超えるとともに、前記光学部材の光軸と前記反射体の反射面の法線とのなす角度よりも大きく形成されており、前記光学部材の前記反射体側の焦点が、前記導光体の端面に有り、前記反射体から反射され、前記光学部材で集光またはコリメーションされた光の光軸は、前記光学部材の光軸と一致せずかつ平行であり、前記導光体からの出射光の中心軸と、前記光学部材の光軸と、が垂直であることを特徴とする光学素子モジュールである。これにより、導光体または光学部材からの出射光が、反射体の反射面からの透過光量が少ない状態で反射し光学部材または導光体に入射するので、光強度の損失が少ないという効果が得られる。また、反射体で反射された導光部材からの光が、光学部材の光軸と平行に光学素子モジュール外へ導光できるという効果が得られる。また、導光体または光学部材からの出射光が反射体の反射面からの透過光量がさらに少ない状態で反射し光学部材または導光体に入射するので、光強度の損失がさらに少ないという効果が得られる。また、導光体または光学部材からの出射光の光路が、反射体の反射面で９０度曲げることができる。

また、本発明の光学素子モジュールは、前記導光体からの出射光の光軸と前記反射面とのなす角度と、前記導光体の開口数とによって決定される前記導光体からの出射光の前記反射面への最小入射角（θ４）が、前記反射面における全反射条件を満たす角度となるよう、前記導光体が配置されていることを特徴とする。これにより、導光体または光学部材からの出射光が、反射体の反射面から透過することなく反射し光学部材または導光体に入射するので、光強度の損失が殆どないという効果が得られる。

また、本発明の光学素子モジュールにおいて、前記光学部材は、軸対称体からなる集光部材から、前記反射体で反射された光が通過する領域を除く領域の一部が欠落していることを特徴とする。これにより光学素子モジュールを小型にできる。

また、本発明の光学素子モジュールは、前記光学部材に入射された光を前記反射体を介して前記導光体の前記端面に集光するとともに前記導光体で導光させることを特徴とする。これにより、前記光学部材からの入射光が、確実に前記導光体に入射するため光強度の損失が殆ど発生せず、前記導光体に導光される。

また、本発明の光学素子モジュールは、前記光学部材と前記反射体と前記導光体を固定する基材が設けられていることを特徴とする。これにより、前記光学部材と前記反射体と前記導光体との相対位置が精度良く決められので、導光体または光学部材からの出射光が、反射体の反射面からの透過光量が少ない状態で反射し光学部材または導光体に入射し、光強度の損失が少ないという効果がより安定して得られる。

また、本発明の光学素子モジュールにおいて、前記基材は、前記光を透過する透明部材であることを特徴とする。これにより前記反射体と前記光学部材とが、確実に光結合できる。

また、本発明の光学素子モジュールは、前記光学部材と前記反射体と前記基材とが前記透明部材で一体に形成されている。これにより、別体で組み立て形成した場合と比較して前記光学部材と前記反射体と前記導光体との相対位置が精度良く決められので、導光体または光学部材からの出射光が、反射体の反射面からの透過光量が少ない状態で反射し光学部材または導光体に入射し、光強度の損失が少ないという効果がより一層安定して得られる。また、光強度の損失が少ない光学素子モジュールを容易に低コストで実現できる。

また、本発明の光学素子モジュールは、導光体と、前記導光体から出た光を反射可能とする反射体と、前記反射体で反射された光を集光またはコリメーション可能とする光学部材とからなるユニットが複数設けられた光学素子モジュールであって、前記導光体からの出射光の中心軸と前記反射体の反射面の法線とのなす角度が、４５度を超えるとともに、前記光学部材の光軸と前記反射体の反射面の法線とのなす角度よりも大きく形成されており、前記光学部材の前記反射体側の焦点が、前記導光体の端面に有り、前記反射体から反射され、前記光学部材で集光またはコリメーションされた光の光軸は、前記光学部材の光軸と一致せず、かつ平行であり、前記導光体からの出射光の中心軸と前記光学部材の光軸が垂直であり、前記各ユニットは、隣接して設けられており、隣り合う前記光学部材は、連接して設けられていることを特徴とする光学素子モジュールである。これにより、光学素子モジュールは、導光体または光学部材からの出射光が、反射体の反射面からの透過光量が少ない状態で反射し光学部材または導光体に入射するので、導光体または光学部材からの出射光が、反射体の反射面からの透過光量が少ない状態で反射し光学部材または導光体に入射し、光強度の損失が少ないという効果をより一層安定して発揮するとともに、小型で多チャンネルの光授受を可能とする。

本発明では、導光体または光学部材からの出射光が反射体の反射面を透過することなく反射し光学部材または導光体に入射するので、光強度の損失が殆ど発生しないという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態を示す平面図である。本発明の第１の実施形態を示す断面図である。本発明の第１の実施形態を示す断面の拡大図である。本発明の第２の実施形態を示す平面図である。本発明の第２の実施形態を示す断面図である。本発明の第２の実施形態を示す断面の拡大図である。本発明の第２の実施形態の変形例を示す平面図である。従来の構造の断面図である。

次に、本発明の実施の形態について図を参照しながら詳細に説明をする。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態を説明するための平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。図３は図２の拡大図を示す。

図１は、第１実施形態における光学素子モジュール１４の平面視した基材２と、反射体１と光学部材８と導光体５の配置を示している。ポリカーボネート製の基材表面２ａには、４本の導光体５と４個のポリカーボネート製の反射体１が配置されており、基材裏面２ｂには、４個のポリカーボネート製の光学部材８が配置されている。それぞれの導光体５および光学部材８は、反射体１である反射プリズムを通じて、光学的に結合し単位ユニット１５を構成している。尚、導光体５である光ファイバは、反射体１である反射プリズムに接し、配置されている。

図２は、第１実施形態における光学素子モジュール１４の基材２と反射体１と光学部材８と導光体５の配置を断面により示している。基材表面２ａの反射体１と導光体５は、同一平面上に配置されており、基材裏面２ｂの全ての光学部材８は、同一平面上に配置されている。各ユニット１５の光学部材８と反射体１との距離は、実質的に同じとなるように配置され、基材表面２ａと基材裏面２ｂは平行となっている。反射体１は、反射体１の反射面４と基材表面２ａのなす角度θ０が、４０°となる角度に設計されている。尚、光学部材８の反射体１側の焦点Ｐは、導光体５の端面でかつ導光体５の中心（光ファイバのコア）にあるように、光学部材８は設計されている。

図３は、図２において示した光学素子モジュール１４の反射体１の近傍を拡大した図であり、導光体５から光を出射した場合を示している。第１実施形態では反射体１の反射面４と基材表面２ａのなす角度θ０が、４０°であるため、導光体５からの出射光の中心軸１６と反射体１の反射面４の法線２０ａとのなす角度θ１は５０°となる。一方、導光体５からの出射光の中心軸１６と光学部材８の光軸１３が垂直になるように、光学部材８が配置されているため、光学部材８の光軸１３と反射体１の反射面４の法線２０ｂとのなす角度θ２は４０°となる。よって、導光体５からの出射光の中心軸１６と反射体１の反射面４の法線２０ａとのなす角度θ１は、光学部材８の光軸１３と反射体１の反射面４の法線２０とのなす角度θ２よりも大きくなっている。さらに反射体１から反射され、光学部材８で集光またはコリメーションされた光の光軸２３は、光学部材８の光軸１３と一致せず、かつ平行になるよう光学部材８は配置されている。

一般に、導光体５の開口数ＮＡ、反射体１を構成する材料の屈折率ｎ、導光体５の出射光の光軸１６に対する出射光の広がりの角度θ３とすると、ＮＡ＝ｎｓｉｎθ３が成り立つ。また、全反射条件を満たす最小角度θと反射体１を構成する材料の屈折率ｎとは、ｎｓｉｎθ＝１の関係を満たすことが知られている。

第１実施形態における光学素子モジュール１４では、開口数０．２９の光ファイバすなわち導光体５を配置しており、導光体５からの出射光は、広がりを持ってしまう。ポリカーボネート製の反射体１の屈折率１．５８５では、ファイバ出射角θ３は、１０．５°となる角度となる。導光体５からの出射光で反射面４との角度が最も大きくなる角度、すなわち、入射角が最小となる最小入射角はθ４であるが、この光学素子モジュール１４では、反射体１の反射面４と光学部材８の光軸１３のなす角度θ０が４０°であるため、ファイバ出射角θ３が１０．５°であったとしても、反射面４への最小入射角θ４は３９．５°となる。よって、反射面４への最小入射角θ４は、ポリカーボネート製の反射体１の全反射角３９．１°よりも大きいため、導光体５からの出射光は、９５％以上が反射され、ほぼ全反射条件を満たす（図３の符号２０ｃは、反射体１の反射面４の法線を示す）。これにより、導光体５からの出射光の光軸１６と反射面４との角度と、導光体５の開口数とによって決定される導光体５からの出射光の反射面４への最小入射角度（θ４）が、反射面４における全反射条件を満たす角度となるよう、導光体５が基材２に配置されていることがわかる。尚、本実施形態では、導光体５が光ファイバである場合を示したが、導光体５は導波路であっても構わない。

本実施形態では、光学素子モジュール１４の基材２と反射体１と光学部材８の材質がポリカーボネートである場合を示したが、ポリエーテルイミドや他の透明な材質であっても構わない。但し、ポリエーテルイミドの場合、屈折率が１．６４と高いため、図３における反射体１の反射面４と基材表面２ａのなす角度θ０が、ポリカーボネートの場合、４０°であったが、４２°となり、導光体５からの出射光の中心軸１６と反射体１の反射面４の法線２０とのなす角度θ１は、垂直な角度である９０°から角度θ０を差し引いた４８°となり、光学部材８の光軸１３と反射体１の反射面４の法線２０ｂとのなす角度θ２は角度θ１よりも小さく、４２°となる。

この材質と構造によっても、導光体５からの出射光は、９５％以上が反射され、ほぼ全反射条件を満たす。尚、本実施形態では、導光体５から光を出射した場合を示したが、光学部材８から光を入射しても構わない。これらの構造の光学素子モジュール１４により、導光体５または光学部材８からの出射光が反射体１の反射面４を透過することなく反射し光学部材８または導光体５に入射するので、光強度の損失が殆ど発生しないという効果が得られる。

尚、反射体１および光学部材８もポリカーボネート製で、基材２の形成と同時に一体で成形されていても良い。これにより、別体で組み立て形成した場合と比較して、容易に高位置精度で配置されるため、全反射条件を満たす角度がさらに安定して得られる。また、光学素子モジュール１４を容易に低コストで実現できる。

［第２実施形態］
図４は、本発明の他の実施形態を説明するための平面図である。図５は、図４のＢ−Ｂ線断面図である。図６は図５の拡大図を示す。

図４は、本発明の第２の実施形態における光学素子モジュール１４の平面視した基材２と、反射体１と光学部材１８と導光体５の配置を示している。本実施形態では第１の実施形態と同様に、基材２と全ての反射体１および光学部材１８はポリカーボネート製である。基材表面２ａには、１２本の導光体５と１２個の反射体１が配置されており、基材裏面２ｂには、１２個の光学部材１８が配置されている。それぞれの導光体５および光学部材１８は、反射体１である反射プリズムを通じて、光学的に結合し単位ユニット１５を構成している。これらの光学部材１８は、平面視して千鳥状に配置されており、光学部材１８の形状は平面視して長方形である。光学部材１８は、軸対称体からなる集光部材から、反射体１で反射された光が通過する領域Ｃを除く領域の一部を欠落させている。また、各単位ユニット１５は、隣接して設けられており、隣合う光学部材１８同士が連接部１８ａを介し連接して設けられている。尚、導光体５である光ファイバは、反射体１である反射プリズムに接し、配置されている。

図５は、本実施形態における光学素子モジュール１４の基材２と反射体１と光学部材１８と導光体５の配置を断面により示している。基材表面２ａの反射体１と導光体５は、同一平面上に配置されており、基材裏面２ｂの全ての光学部材１８は、同一平面上に配置されている。各単位ユニット１５の光学部材１８と反射体１との距離は、実質的に同じとなるように配置され、基材表面２ａと基材裏面２ｂは平行となっている。反射体１は、反射体１の反射面４と基材表面２ａのなす角度θ０が、４０°となる角度に設計されており、図示しないが、第一実施形態と同様に、導光体５からの出射光の中心軸と光学部材１８の光軸が垂直になるように、光学部材１８が配置されている。尚、光学部材１８の反射体１側の焦点Ｐは、導光体５の端面でかつ導光体５の中心にあるように、光学部材１８は設計されている。本実施形態の構成により、第一実施形態と同様に導光体５からの出射光は、９５％以上が反射され、ほぼ全反射条件を満し、導光体５または光学部材１８からの出射光が反射体１の反射面４を透過することなく反射し光学部材１８または導光体５に入射するので、光強度の損失が殆ど発生しないという効果が得られる。

図６は、図５において示した光学素子モジュール１４の反射体１の近傍を拡大した図であり、導光体５から光を出射した場合を示している。領域Ｃは導光体５から出射されて、かつ反射体１で反射された光の通過領域を示す。仮想曲線２５は、軸対称体からなる集光部材を示しており、光学部材１８は、軸対称体からなる集光部材から、反射体１で反射された光が通過する領域Ｃを除く領域の一部を欠落させている。この構造により、光学素子モジュール１４は、小型にでき、かつ多チャンネルの光授受を可能とする。なお、本実施形態では、光学部材１８は、平面視して長方形である例を示したが、図７に示すように軸対称体の一部が欠落すると共に、隣接する光学部材同士が、連接していても良い。

１反射体
２基材
２ａ基材表面
２ｂ基材裏面
４反射面
５導光体
８，１８光学部材
１３光学部材の光軸
１５単位ユニット
１６出射光の光軸（出射光の中心軸）
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ法線
２３光の光軸
２５仮想曲線

Claims

導光体と、前記導光体から出た光を反射可能とする反射体と、前記反射体で反射された光を集光またはコリメーション可能とする光学部材と、が設けられた光学素子モジュールであって、
前記導光体からの出射光の中心軸と前記反射体の反射面の法線とのなす角度が、４５度を超えるとともに、前記光学部材の光軸と前記反射体の反射面の法線とのなす角度よりも大きく形成されており、
前記光学部材の前記反射体側の焦点が、前記導光体の端面に有り、
前記反射体から反射され、前記光学部材で集光またはコリメーションされた光の光軸は、前記光学部材の光軸と一致せず、かつ平行であり、
前記導光体からの出射光の中心軸と前記光学部材の光軸とが垂直であることを特徴とする光学素子モジュール。
請求項１記載の光学素子モジュールであって、
前記導光体からの出射光の光軸と前記反射面とのなす角度と、前記導光体の開口数とによって決定される前記導光体からの出射光の前記反射面への最小入射角（θ４）が、前記反射面における全反射条件を満たす角度となるよう、前記導光体が配置されていることを特徴とする光学素子モジュール。
請求項１または請求項２に記載の光学素子モジュールであって、
前記光学部材は、軸対称体からなる集光部材から、前記反射体で反射された光が通過する領域を除く領域の一部が欠落していることを特徴とする光学素子モジュール。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光学素子モジュールであって、
前記光学部材に入射された光を前記反射体を介して前記導光体の前記端面に集光するとともに前記導光体で導光させることを特徴とする光学素子モジュール。
前記光学部材と前記反射体と前記導光体を固定する基材が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載した光学素子モジュール。
前記基材は、前記反射体で反射される光を透過する透明部材であることを特徴とする請求項５に記載の光学素子モジュール。
前記光学部材と前記反射体と前記基材とが前記透明部材で一体に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の光学素子モジュール。
導光体と、前記導光体から出た光を反射可能とする反射体と、前記反射体で反射された光を集光またはコリメーション可能とする光学部材とからなるユニットが複数設けられた光学素子モジュールであって、
前記導光体からの出射光の中心軸と前記反射体の反射面の法線とのなす角度が、４５度を超えるとともに、前記光学部材の光軸と前記反射体の反射面の法線とのなす角度よりも大きく形成されており、
前記光学部材の前記反射体側の焦点が、前記導光体の端面に有り、
前記反射体から反射され、前記光学部材で集光またはコリメーションされた光の光軸は、前記光学部材の光軸と一致せず、かつ平行であり、
前記導光体からの出射光の中心軸と前記光学部材の光軸が垂直であり、
前記各ユニットは、隣接して設けられており、隣り合う前記光学部材は、連接して設けられていることを特徴とする光学素子モジュール。