JPH0722643Y2

JPH0722643Y2 - 多入力受光モジュール

Info

Publication number: JPH0722643Y2
Application number: JP1987005998U
Authority: JP
Inventors: 匡砂田
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1987-01-21
Filing date: 1987-01-21
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2002-01-21
Also published as: JPS63115107U

Description

【考案の詳細な説明】［産業上の利用分野］本考案は、光ファイバー通信におけるO/E（光／電気）
変換部の受光モジュールに関し、特に複数本の独立した
ファイバーからの光を、一つの受光素子に一括受光する
形式の光合流器や光スイッチなどとして使用できる多入
力受光モジュールに関する。

［従来の技術］従来、受光モジュールといえば、一般に一本の光ファイ
バーと一つの受光素子とを一体化させた一入力系の形式
のものであり、これにより光ファイバーからの光を受光
素子の受光面に効率よく光結合させている。例えば、GI
（グレーディド−インディックス）−マルチモードファ
イバーのコア径は、50μｍ程度であるものに対し、受光
素子の受光面は100μｍ以上と大きいので、一本のファ
イバーの場合には、結合は極めて容易で80％以上の結合
効率が得られている。その結合方式としては、大別し
て、第２図（Ａ），（Ｂ）に示すように、ファイバー１
を受光素子３の受光面に近接させた直接結合（本図
（Ｂ））と、ファイバー１からの光をレンズ２などの集
光器により集光させたレンズ結合（本図（Ａ））とがあ
る。

ところで、最近海底光通信における障害点探査用に不可
欠な光デバイスとして、２入力受光装置の必要性がでて
きた。このため、２入力受光モジュールがいくつか研究
開発されている。そのひとつには、第３図（Ａ）に示す
ように、２本のファイバー１を平行に束ね、その端面よ
り出た光を、レンズ２で受光素子３に入射させたものが
ある（例えば昭和57年電子通信学会総合全国大会231
5）。いまひとつには、第３図（Ｂ）に示すように、２
本のファイバー１を平行に入射させ、２つの球レンズ２
で集光させ、光ファイバー１の軸とレンズ２の軸とを少
しだけずらすことにより、受光素子３の受光面の１点に
集光させたことを特徴とする２入力受光モジュールがあ
る（例えば、昭和57年度電子通信学会総合全国大会231
4:特許公開60-412「２入力受光装置」）。

［考案が解決しようとする問題点］しかしながら、上述した従来の２入力受光モジュールで
は、いずれも受光素子３の受光面に対し垂直方向からフ
ァイバーから光を出射させている。このため、２本のフ
ァイバー１を密に束ねた場合においても、ファイバー１
のクラッド径が125μｍ以上あるので、光の放射領域ａ
は約200μｍと大きくなる。そこで、受光径100μｍに集
光させるには、レンズ２により1/2倍に縮小させる必要
がある。

一般に、光結合用に使用されるマイクロレンズ２のNA
（開口数）は0.3〜0.5程度であり、一本のファイバー１
（ファイバー１のNAは一般に約0.2である。）に対して
は十分なNAを有している。ところで、レンズ２の倍率Ｍ
は、第４図の関係から次式（１）で表される。

ここで、θ₁，θ₂はそれぞれファイバー１の最大放射
角、レンズ２の最大受光角である。また、NA_l、NA_fはそ
れぞれレンズ２、およびファイバー１のNAである。

したがって、ファイバー１からの光を受光面に高効率に
結合させるためには、NAの大きいレンズを使用してもＭ
（倍率）は約1/2倍が限度であり、それ以上縮小すると
レンズ２により光の蹴られが増大する。またNAが大きい
と収差による損失も増える。このため、ファイバー１を
受光素子３の受光面に対して垂直に配設させる従来の構
成では、２本以上のファイバーを受光面に高効率に結合
させることは極めて難しい。

また、２入力の場合であっても、実際には両ファイバー
入力に対して同時に高効率を得ることは難しく、一方を
最適にすると他方が大幅に劣化してしまうという欠点が
あった。

このように、従来の光結合手段では、多入力化が困難で
あり、また２入力の場合でも、レンズ収差等による光の
損失があって、一方を最大受光感度にすると、他方の受
光感度が低下してしまい、同時に良くすることは困難で
あるという欠点があった。

一方、複数本のファイバー入力を一つの受光素子に高効
率に結合させることができれば、海底光通信等の障害個
所探査用用途に限らず、広く光通信分野に適用されう
る。たとえば、光合流器として使用でき、SN比と伝送距
離の大幅な向上が図れる。また、光スイッチと組合せる
ことにより光マトリックス装置としても使用でき、放送
分野での情報素材の切り替え、あるいは光LAN（ローカ
ルエリアネットワーク）等の広い応用が可能である。従
来難しかった光伝送系の大幅な機能向上とシステムの低
コスト化が図れる。

そこで、本考案は、上述の欠点を除去し、複数本のファ
イバーからの光を一つの受光素子で一括受光でき、かつ
高い受光感度を得るようにした多入力受光モジュールを
提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］上記目的を達成するため、本考案は、複数本のファイバ
ーを受光素子の受光面の法線に対し斜め方向から配置
し、各々独立のレンズを介して前記ファイバーからの光
信号を前記受光面に結合させ、かつ前記ファイバーと前
記レンズの光軸および前記受光素子の受光面の中心を一
致させるとともに、前記ファイバーからの光信号の前記
法線に対する前記斜め方向の入射角度θを60度以下とし
たことを特徴とする。

また、本考案はその一態様として、好ましくは、前記受
光面に誘電体膜を施し、前記斜め方向に対して無反射条
件を満たすような膜厚を有する前記受光素子に、前記複
数本のファイバーを結合させたことを特徴とすることが
できる。

［作用］本考案では、光ファイバーから放射された光信号を受光
素子の受光面に、それぞれ独立のレンズ（集光器）を介
して斜め方向から入射させ、かつファイバーと集光器の
光軸および受光素子面中心を一致させ、受光素子面の反
射防止膜まどとの関連で入射角を60°以下としたので、
複数本の光ファイバーからの光信号を一つの受光素子に
高効率で、高い受光感度で一括入力でき、それぞれの光
ファイバーに対して結合の最適化を容易に図れる。

［実施例］以下、図面を参照して本考案の実施例を詳細に説明す
る。

第１図は本考案実施例の基本構成を示す。本図に示すよ
うに、受光素子３に対して斜め方向から複数の光ファイ
バー１からの光を出射させ、それぞれの出射光４をレン
ズ２等の集光器により受光素子３の受光面に結像させ
る。これにより、極めて多数の光ファイバー１の入力を
一つの受光素子３に高効率に結合させることが可能であ
る。すなわち、受光素子３に対して複数本のファイバー
１を斜め方向、すなわち受光素子３の受光面法線に対し
て角度θ方向（垂直方向も含む）からファイバー１を複
数本配置させ、これらのファイバー１からの光をレンズ
２等の集光器により受光素子３の受光面に結合させ、こ
れにより、多入力化を可能にするだけでなく、すべての
光入力に対して高い受光感度を得るようにしたものであ
る。

まず、上述のような斜め結合により多入力化が容易であ
る点について説明する。本例ではファイバー１およびレ
ンズ２等を受光素子３の受光面に対して斜めに配置する
ようにしたので、配置空間が広がること、またレンズ２
の使用によりレンズ２と受光素子３との間の距離を大き
くとれることなどから、多入力化が容易であることは明
らかである。

次に、上述のような斜め結合でもすべてのファイバー１
の光入力に対して高受光感度が得られることを説明す
る。本例では、複数のすべてのファイバー１の光入力に
対してファイバー１の光軸と、レンズ２の光軸と、およ
び受光素子３の受光面の中心とを同一直線上に位置させ
ることができるので、レンズ２による収差等の損失を極
力抑えることができ、またレンズ２により光ファイバ１
から出射した光源像を縮小させる必要がないので、NAの
小さいレンズ（低収差レンズ）を使用することができ
る。したがって、レンズ２による損失はほとんどない。
これに対し、上述したように従来の光結合方式では、こ
のレンズによる損失は避けられない。

しかし、本例では受光素子３の受光面に対して光を斜め
より入射させるので、入射光の受光表面での反射を考慮
する必要がある。一般に、受光素子３の表面は垂直入射
に対して無反射になるように反射防止膜が施される。こ
の反射防止膜として、入射光４の波長λに対する1/4波
長膜（厚さλ／4n₁）の誘電体薄膜を受光面に付設して
いる。ここで、n₁は誘電体薄膜の屈折率である。この場
合の垂直入射光に対する反射率Ｒは次式（２）となる。

ここで、n₀は入射光がやってくる媒質の屈折率（一般
に、n₀＝１）、n₂は受光素子結晶の屈折率である。い
ま、屈折率n₁，n₂がn₁₂ ²＝n₁n₂になるように選ばれる
と、Ｒ＝Ｏとなり、垂直光に対して無反射となる。

このとき、一般に斜めθ方向から光を受光面に入射させ
ると反射率はどう変化するか調べてみる。第５図（Ａ）
において、入射光４の斜め入射に対する反射率Ｒ（θ）
は次式（３）で求められる。

ここで、r₁₀、r₁₂は、それぞれ第一の境界面および第二
の境界面におけるフレネル係数であり、それぞれ次式
（４），（５）で表される。

Ｓ偏光に対してＰ偏光に対してまた、上式（３）のγは相隣る反射光の間の位相差であ
り、次式（６）で表される。

垂直入射に対する無反射条件は次式（７）で与えられ
る。

ｄ＝λ／4n₁，n₁ ²＝n₀n₂ …（７）このときの反射率Ｒの計算結果を第５図（Ｂ）の特性図
に示す。入射角をθ（deg）とすると、反射率Ｒはθ＞6
0度で急激に増加するが、その反面θ＜60度では、受光
感度の低下が少なく、10％以下である。

実際に、受光素子３の受光面に斜めからファイバー１の
光を入射させた場合とその受光面に垂直入射させた場合
とを比べ、どれだけ受光パワーが低下するかを、すなわ
ち受光パワーの低下率を測定してみた。いま、受光素子
３の受光面に対して、斜め角度θで入射させたときの受
光パワーと、垂直方向から入射させたときの受光パワー
とをそれぞれＰθおよびP0としたとき、α＝（Ｐθ−P
0）/P0を受光パワーの低下率とよぶことにする。

この低下率αの測定結果を第５図（Ｂ）に同時に示す
（図中の○印）。測定値は反射曲線によく一致してい
る。この測定結果によりθ＜60度では、十分に高い受光
感度が得られることが判明した。

更に、上述の反射以外にファイバー１を受光素子の受光
面に斜め入射させたときに考慮しなければならないの
は、斜め入射させたことによる受光面での照射面積の増
大である。すなわち、受光面積Aaから照射光がはみ出し
た場合には、受光効率は当然低下する。ところが、受光
面上の受光径は一般にファイバー１のコア径より十分に
大きく、２倍以上あるから、例えば、θ＝60度の方向か
らファイバー１からの光を入射させても照射面積は長辺
でもコア径の２倍であり、受光面積からはみ出さない。
すなわちθ＜60度であれば、受光効率の低下はない。

以上の説明から明らかなように受光素子３に対するファ
イバー１の結合角度θが60度以下であれば、受光感度の
低下はほとんどないと言える。すなわち、ファイバー１
を受光素子３の受光面に対して斜め入射させても垂直入
射と同様に高い受光感度が得られる。したがって、受光
素子３のこのような特長を生かし、ファイバー１を斜め
方向から結合させると、第１図に示すように、複数本の
ファイバー１からの入力を一括してひとつの受光素子３
に結合でき、すべてのファイバー１の入力に対して高い
受光感度が得られる。

第６図（Ａ）〜（Ｄ）は、本考案による多入力受光モジ
ュールの種々の実施例を示す。

まず、第６図（Ａ）の実施例１について説明する。

本例は、複数本のファイバー１を結合角度θ₁，θ₂，θ
₃，…，θ_i（０≦θ₁＜θ₂＜θ₃＜θ_i＜60°）により受
光素子３の受光面にロッドレンズ２等で結合させた多入
力受光モジュールである。このレンズ結合の場合は許容
結合角度θが大きいほどファイバー１を多数配置するこ
とができる。また、レンズ２によりレンズ２と受光素子
３の受光面を十分に離すことができるので、多入力化が
極めて容易である。

次に、第６図（Ｂ）の実施例２について説明する。

本例は、先端をテーパー状に加工したファイバー１を、
第６図（Ｂ）に示すように、θ＝０度方向およびθ方向
から受光素子３の受光面に近接に結合させるものであ
る。この直接結合の場合は照射面積が受光面をはみ出さ
ないようにするために、近接結合の必要があり、あまり
多数本のファイバー入力はできない。しかし、レンズ等
の集光器が不要となるので経済的である。

次に、第６図（Ｃ）の実施例３について説明する。

レンズ２の結合により、受光素子３の受光面と光ファイ
バー１間の距離を十分に長くとれるので、本図のように
直接光コネクター５を受光素子３の周りに配置すること
ができ、これによりレセプタクル形式のコンパクトな多
入力受光モジュールが得られる。

次に、第６図（Ｄ）の実施例４について説明する。

上述のようにレンズ結合の場合は、受光素子３の受光面
とレンズ２間の距離を大きくとれるので、本図のよう
に、ホーン状の鏡面６を光の方向を変える反射面として
利用することにより、複数本のファイバー１を受光素子
３の受光面に対して垂直方向から多数平行に配置するこ
とができ、かつ高受光感度を得ることができる。

ここで、受光素子３に使用させている反射防止膜は、一
般に受光面に垂直に入射する光に対して無反射になるよ
うに膜厚ｄが決められている。すなわち、ｄ＝λ／4n₁
である。ここで、たとえば、θ＝30度に対して無反射に
なる条件、ｄ＝λ／4n₁COS（30°）といれると、上式
（６）は γ＝πCOS（θ）/COS（30°）となる。このときの反射率Ｒの入射角度θの依存性の計
算結果を第７図実線の曲線で示す。垂直入射に対する無
反射条件（第７図の破線の曲線）と比べると、僅かでは
あるば、無反射となる角度領域が拡大することが分る。
したがって、ファイバー１の斜め結合を採用する場合に
は、斜め入射に対して無反射になるように、反射防止膜
の膜厚ｄを決めることにより、受光感度をより改善する
ことができる。

上述のように、本考案の実施例によれば、次のような効
果を得ることができる。

２本以上の複数本のファイバーを容易に効率よくひ
とつの受光素子に結合できる。

すべてのファイバー入力に対して、結合の最適化を
容易に図れ、高い受光感度が得られる。

複数の独立のファイバー入力に対し、ひとつの受光
装置ですみ、経済的である。

光合流器として使用でき、例えば、第８図（Ａ）に
示すように、同一信号を伝送してやれば、SN比の向上お
よび伝送距離を大幅に延ばすことが可能である。また、
異なる信号を周波数を変えて伝送すれば、光源の非直線
歪みの影響を避けることが容易であり、かつSN比を改善
できる（第８図（Ｂ）参照）。

また、光スイッチ８と組み合わせて、光切り替え器
として使用でき、第８図（Ｃ）に示すように、例えば放
送局等において回線切り替え、あるいは光LAN等に応用
され得る。

空間配置が可能であるので、レセプタクル（光コネ
クター）結合方式が採用でき、コンパクトな多入力化が
図かれる（第６図（Ｃ）参照）。

［考案の効果］以上説明したように、本考案によれば、光ファイバーか
ら放射された光信号を受光素子の受光面に、それぞれ独
立のレンズ（集光器）を介して斜め方向から入射させ、
かつファイバーと集光器の光軸および受光素子面中心を
一致させ、受光素子面の反射防止膜などとの関連で入射
角を60°以下としたので、特に高効率の結合を可能とす
るとともに製作・調整も容易な極めて実用的な多入力受
光モジュールが得られる。

このような高性能な多入力受光モジュールは、今後急激
に進展すると思われる光通信，光情報処理，光コンピュ
ータなどにおける基本かつ重要な光デバイス技術であ
り、実用的価値が極めて高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の多入力受光モジュールの実施例の基本
構成図、第２図（Ａ），（Ｂ）は従来の受光モジュールの基本構
成図、第３図（Ａ），（Ｂ）は従来の２入力受光モジュールの
結合手段を示す光路図、第４図は第３図での２本ファイバを重ねた場合のレンズ
の結合原理図、第５図（Ａ），（Ｂ）は光が受光素子の薄膜に斜め方向
から入射した場合の反射屈折の様子を表す説明図、およ
び反射率Ｒの入射角度依存性を計算曲線と受光パワー低
下率の測定値を示す特性図、第６図（Ａ）〜（Ｄ）は本考案による多入力受光モジュ
ールの実施例を示す断面図、第７図は異なる膜厚ｄに対する反射率Ｒの入射角度依存
性の計算結果を示す特性図、第８図（Ａ）〜（Ｃ）は本考案による多入力受光モジュ
ールの使用例を示す説明図である。１……光ファイバー、２……レンズ、３……受光素子、
４……光線、５……光コネクター、６……ホーン型鏡
面、７……多入力受光モジュール、８……光スイッチ。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】複数本のファイバーを受光素子の受光面の
法線に対し斜め方向から配置し、各々独立のレンズを介
して前記ファイバーからの光信号を前記受光面に結合さ
せ、かつ前記ファイバーと前記レンズの光軸および前記
受光素子の受光面の中心を一致させるとともに、前記フ
ァイバーからの光信号の前記法線に対する前記斜め方向
の入射角度θを60度以下としたことを特徴とする多入力
受光モジュール。
【請求項２】実用新案登録請求の範囲第１項に記載の多
入力受光モジュールにおいて、前記受光面に誘電体膜を
施し、前記斜め方向に対して無反射条件を満たすような
膜厚を有する前記受光素子に、前記複数本のファイバー
を結合させたことを特徴とする多入力受光モジュール。