JPS5977402A

JPS5977402A - 光リンク

Info

Publication number: JPS5977402A
Application number: JP57186688A
Authority: JP
Inventors: Hatsuo Takesawa; 初男武沢; Satoshi Takebe; 武部　智
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-10-26
Filing date: 1982-10-26
Publication date: 1984-05-02
Also published as: EP0112458A2; DE3380977D1; EP0112458A3; US4625333A; EP0112458B1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】発明の技術分野本発明は光リンクに係り、特に光リンクの光結合機構に
関するものである。

発明の技術的背現とその問題点光送信部および先導波路、光受信部により構成される伝
送ユニットを光リンクと称する。この光リンクの一部で
ある双方向光リンクを第１図を参照して説明する。第１
図において、光フアイバ伝送の際、２芯光フアイバコー
ド（１）は２芯光コネクタプラグ（２）に固着されてい
る。送信モジコール部と光受信モジコール部とからなる
半導体ユニット（図示せず）を固着した光コネクタリセ
プタクル（３）と、この光コネクタプラグ（２）とは嵌
合して双方向光リンクを構成する。なおく４）、（５）
は光ファイバをプラスチック等で被覆したフェルルであ
る。

この双方向光リンクの信号伝〕スの大略（ｊ、一方の光
送信部から発せられた光信号が１本の光ファイバに光結
合し伝送した後他端の光受信部に光結合することによっ
て行われる。

次に第２図を参照して双方向光モジュールと光ファイバ
の光結合機構を説明する。ここでは先生ツタ多層配線基
板＜１１）上に送信モジコール（１２〉と受信モジュー
ル（１３）を搭載し、この送信モジコール（１２〉には
ＬＥＤ（１４）とドライバＩＣ（１５）及び抵抗（２５
）等がマウント、ボンディングされており、同様に受信
モジコール（１３）にはＰ　Ｉ　Ｎ−ＰＤ　（１６）と
レジ−ｔ＜　Ｉ　Ｃ（１７）　及ヒバイパスコンデンサ
（１８）等がマウン１〜、ボンディングされている。そ
して各々のモジュール（１２）、（１３）には中央に透
明部材例えばガラス製の窓部（１９）を有し他の部分は
コバール材からイ【るシェル（２０）が設（′）られ、
このシェル（２０）の周）η部はメタライズ層を介して
リング状のセラミック３− （２１）にろう付すされｌこシールリング（２２）にシ
ーム溶接することにより気密封止され高信頼性の半導体
ユニットが構成されている。ここで、（２３）は光ファ
イバであり、光ファイバ（２３）は光を伝送するコア（
図示せず）の周囲を保護部材部らクラッド（図示せず）
で被覆し構成されている。

従来、送信部即ち送信モジュール（１２）において、Ｌ
ＥＤ（１４）から一定の放射角をもって発せられた光は
平行板状の窓部（１９）を通過し、広がり光ファイバ（
２３）の端面に照削される。この様にして光が光ファイ
バ（２３）に光結合される。そこで、光結合効率（′ｔ
Ｅ）を１−ＥＤ（１４）から発せられた光のうち光ファ
イバ（２３）で伝送される光の割合ど定義してみる。す
ると、光結合効率（〃Ｅ）に寄与する要因としては、Ｌ
ＥＤ（１４）発光面と光ファイバ（２３）ｄｉ面の距１
ｌｌｌｌｌがある。この関係となる。

式（Ａ＞より明らかであるが、光結合効率（ｉ７．Ｅ）
４− を高めるにはＬＥＤ（１４）発光面と光ファイバ（２３
）端面とを近づければ良い。しかしながら１−ＥＤ（１
４）のボンディングワイヤー、ドライバＩＣ（１５）等
の高さおよび窓部（１９）の厚さの関係から、Ｉ−ＥＤ
（１４）発光面と光ファイバ（２３）端面との距離は略
０．７乃至略１．Ｏｍｍ稈度が限度である。例えば０．
３ｍｍｘ０．３ｍｍの１−ＦＤ（１１１＞とｏ、ｓｍｍ
φコア（開口数０．４）の光ファイバ（２３）を用いる
と’２Ｆは略５％１メ下程度である。そこで光結合効率
（飢）に寄与する第２の要因は、ＬＥＤ（１４）から発
せられる光の放射角（ＯＥ）である。したがって、光の
放射角（ＯＥ）を小さく、即ちビーム径を小さくするこ
とにより光ファイバ（２３）のコアと光の照射面積との
面積差を小さくする方法である。そこで光の放射角（θ
、）と光結合効率（’２．Ｅ）式（Ｂ）より明らかであ
るが、光結合効率（り、）を高めるには光の放射角（Ｏ
Ｅ）メを小さくすれば良い。

そこで光の放削角（ＯＥ）を小さくする具体的手段の一
つを第３図を参照して説明する。第３図において、送信
部（４０）は次のように構成されている。即ち、メタル
ヘッダー（３１）上に球状ガラス（３２）を載置したｌ
−Ｆ　Ｄ　（３３＞が銅板（３４）を介して載置されて
いる。リードビン（３６）は銅板（３４）と電気的に接
続している。又、リードビン（３７）はメタルヘッダー
（３１）を貫通植設してボンディング線（３８）よりＬ
ＦＤ（３３）に接続している。メタルヘッダー（３１）
に植設された第３のリードビン（３５）は空ビンである
。このメタルへラダー（３３）はメタルシェル（３９）
により気密封じされている。さらにメタルシェル（３９
）の透明部材（４１）を介して光ファイバへＬＥＤ（３
３）からの光信号が送信される。

のに発光素子（４０）ｍ光結合効率（りＥ）は向上するが
、光を受信する側の受光素子のＰＩＮ−ＰＤに球状ガラ
スを固着しても光ファイバから発せられた光のＰＩＮ−
ＰＤへの光結合効率（’２．１））はほとんど向上しな
い欠点がある。ここで、光リンクとしての光結合効率を
ｔとすると、情；（臂）×（１，片−”’　　　（Ｃ）である。上述
のことより、光リンクの光結合効率（〃）を高めるには
り〔とｒｔｂとの両方とも高める必要がある。その為、
受信側には第３図の構造を用いることはできない。

次に第４図を参照して送信側の発光素子と受信側の受光
素子両方に用いることが可能な構造を説明する。第４図
は送信部（５０）を示し、なお第３図と同一部材には同
じ符号を付す。

光し、光ファイバ（５２）に伝達する。この第４図の構
造は、双方向光リンクの場合送信側も受信側も同じ構造
で光結合効率を改善できる。さらに第３図の構造に比べ
低コストである。

そこで、第４図の構造を用いて双方向′光リンクを製作
した。その双方向光リンクの半導体ユニツ７− トを第５図を参照して説明する。即ち、第２図の半導体
ユニット〈４）の窓部（１９）を凸レンズ（６１）に形
成したものである。この双方向光リンクの光結合効率（
ｔ）を調べたところ第２図に示したものとはとｌυど変
化が見られなかった。さらに詳細に検討しレンズ設計を
見直し、ＬＥＤ（１４）発光面とＰＩＮ−ＰＤ（１６）
受光面と光ファイバ（２３）のコア端面が結像の位置関
係になるようにしてみた。しかしながら、双方向光リン
クとしての有効な光の伝送パワーは第２図のものに比べ
て数％上昇した程度にすぎなかった。

発明の目的本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、光
リンクの光結合効率を高める光リンクを提供することを
目的とする。

発明の概要本発明の光リンクは、発光素子に対向する光フアイバ端
面と送信モジュールのレンズとの距離が送信モジュール
のレンズの実質的に結像距離に等しく且つ、受光素子に
対向する光フアイバ端面と８− 受信モジュールのレンズとの距離が受信モジュールのレ
ンズの実質的に焦点距離に等しいので光リンクの光結合
効率が高効率となる光リンクである。

発明の実施例以下本発明の詳細な説明する。なお、光リンクの基本的
構造は第１図乃至第４図に示すものと同様なので詳細な
説明は省略する。

本発明者らは第４図の構造において、光結合効率（Ｔ）
を高める構造を詳細に検討してみた。

（Ｎ光送信モジュールの場合ＬＥＤ（３３）から光ファイバ（５２）への完結ここで
、ＬＥＤ（３３）から発せられた光が半径りの窓にとり
つけられた凸レンズ（５１）に照射する効率であり、次
の関係式がある。

但し、ノ、は凸レンズ（５１）とＬＥＤ（３３）との距
離であり、θＣは光の放射角である。

ケＩＶＦへは凸レンズ（５１）により集光された光が半径ｔ〃八
は光ファイバ（５２）のコアに照射した光が、光ファイ
バの開口数（ＮＡ＞によって定まる最大受光角（θＦ、
）の中に収まる効率であり、次のような関係式となる。

但し、■ニー７ハＪや６ルオ・牙は規格した光強疫である。

以上、式（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）、（Ｇ）より光結合効
率（宏）を高めるには凸レンズ（５１）とＬＥＤ（３３
）との距離をできるだけ小さくし、光が容易にわかる。

なお、Ｊ２２は凸レンズ（５１）の厚さである。

また名を式にて示すと次のようになる。

但し、Ｆは凸レンズ（５１）の焦点距離、班は光ファイ
バ（５２）側の凸レンズ（５１）端面と凸レンズ（５１
）の主面との距離である。

Ｊ２７　ｍｔｎ　＝　０．３ｎ＋ｍとすると、５＝１．
６ｍｍとなる。

ｌｒ　Ｉ＞光受信モジュールの場合第４図において、ＬＥＤ（３３＞のかわりにＰＩＮ−Ｐ
Ｄを用いた場合、光ファイバ（５２）からＰＩＮ−ＰＤ
（３３）への光結合効率（ｙｌ、ｒ））は次の関係式で
示される。

Ｉ′ｌｏ　＝　（’２．ＦＷ、）ｘ　（？ｗｒ、）−・
・〜’　　　（１−１）％−ｗは光ファイバ（５２）か
ら開口数（ＮＡ）によって定まる一定角度（ＯＦ）によ
り出射された光がレンズに入射する効率であり、次のよ
うな関係式が成立する。

（は凸レンズ（５１）に入射した光がＰＩＮ−ＰＤ（３
３）の受光面に到達する効率であり、次の関係式が成立
する。

ノ ’ｔｗｏ又」’ｌｏ　’−”’　　　　（Ｊ　）但し、
Ｍ、は凸レンズの倍率である。

１３は理論的にはＯにできるが、凸レンズ（５１）に傷
がつく等の理由により避けるべきである。ノーを結像距
離とすると１１＝　１．６ｍｍ程度になる。光送信側で
１．＝　０．３ｍｍ、光受信側でノ’１＝　１．６ｎ＋
ｍとなることは、第５図に示す同一基板上に送・受信部
を設ける場合即ち双方向性光リンクに用いる半導体ユニ
ットに非常に不都合である。即ち、第５図に示した半導
体ユニット（６０）は、第２図の窓部（１９）のかわり
に凸レンズ（６１）、（６２）を取着したものである。

なお、凸レンズ（６１）　、（６２）は同じ大きさであ
ることは言うまでもない。

また第５図において一般に光ファイバ（２３）のコア半
径Ｙｐ　ハ略０，０２５ｍｍ乃〒略０，２５ｍｍ　テあ
り、ＰＩＮ−ＰＤ（１６）の受光半径和は略０．４乃至
略０．５ｍｍである。即ちＹ、、＞Ｙ６である。そして
、光ファイバ（２３）の開口数（ＮＡ）を０．４とする
と、例えばノ３＝　０．２５ｍｍの時、凸レンズ（６２
）に光が出射したときのビーム半径ｎは、次のような式
になル。’ｌ’ａ　二斤＋ＡｍＥパーＣＡ／Ａ）Ｊ　＝
６．３〆即ちｈ〈４となる。したがって受信側即ち受信
モジュール（１３）では、！３を凸レンズ（６２）の焦
点距離にすればレンズを通過した光はほとんど平行光で
あるため受光面においてもＹｅ＜ｉが保たれ、送信側す
なわち送信モジュール（１２）と同じモジュール構造で
光ファイバ（２３）からＰＩＮ−ＰＤ（１６）への光結
合効率（／２／、）　−１ｏｏ％となる。

換言すれば、送信側即ち送信モジュール（１２）では、
式（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）、（Ｇ　）より最大のＬＥＤ
（１４）から光ファイバ（２３）への光結合効率（’２
．Ｅ）が得られるＭＥと結像距離ノ３を出せば良い。一
方、受信側即ち受信モジュール（１３）ではノ３をレン
ズ焦点距離にすれば良いのである。

以下上）ボのことを鑑みて、第６図を参照しながら本発
明の光リンクの一実施例を説明する。なお第２図と同一
部材は同じ符号を付する。

第６図において、光リンクの半導体ユニット＜７２）Ｇ
ま同一セラミック多層配線基板（１１）を用い、同一の
凸レンズ（６１）　、（６２）を用いている。

しかし光コネクタプラグ（７３）のフェルル（７４〉、
（７５）の長さを異なるようにしたものである。言い変
えれば、送信モジュール（１２）のＬＥＤ（１４）に対
向するフェルル（７４）の長さは、受信モジコール（１
３）のＰＩＮ−ＰＤ（１Ｇ）に対向するフェルル（７５
）の長さよりも短くしたものである。即ち、凸レンズ（
６１）からフェルル（７４）の光ファイバ（２３）のコ
ア端面までの距−ｔ４を凸レンズ（６１）の結像距離と
し、凸レンズ（６２）からフェルル（７５）の光ファイ
バ（２３）のコア端面までの距離すを凸レンズ（６２）
の焦点距離としたものである。こうような構造の光リン
ク日東は、完結力１” 合効率（’２／）＆約２０％となり、従来の光リンク例
えば第２図のものに比べて略３乃至略４倍となった。ま
た、送信モジュール（１２）と受信モジュール（１３）
とを同じ高さにして別々に直接光コネクタプラグに配置
してもよい。

次に第７図を参照して本発明の光リンクの仙の実施例を
説明する。この光リンクは、送信モジュール（１２）と
受信モジコール（１３）とに段差を設けたものである。

即ち、凸レンズ（６１）からフェルル（８３）の光ファ
イバ（２３）の］ア端而までの距ｍ４を凸レンズ（６１
）の結像距離どし、凸レンズ（６２）からフェルル（８
４）の光ファイバ（２３）のコア端面までの距離ノ士を
凸レンズ（６２）の焦点距離とするため、送・受信モジ
ュール（１２）、（１３）を光コネクタリセプタクル（
８１）に高低をつけて固着したものである。このように
すると、第７図の光リンク〈１０）の光結合効率（θ）
と同じ効率即ち約２０％となった。また、フェルル（８
３）、（８４）とは同じ長さであることは言うまでもな
い。なお、同一基板で送信モジュールと受信モジュール
とに高低差を設けても、効果は同じである。

また、第８図はＬＥＤ（１４）とＰＩＮ−ＰＤ（１６）
、２本の光ファイバは同−位置即ち高低差をつ【りすに
、送信モジュール（１２）の凸レンズ１５− （９１）の結像距離と、受信モジュール（１３）の凸レ
ンズ（９２）の焦点距離が等しい一対の凸レンズ（９１
）　、（９２）を用いたものである。この光リンクの光
結合効率（ｔ）は第７図のものと同一効果であることは
言うまでもない。

以上、双方向光リンクの例で説明したが、３チャンネル
以上の多チャンネルであっても本発明が適用できるのは
言うまでもない。

なお、以上の実施例において、発光素子に対向する光フ
アイバ端面と送信モジュールのレンズの結像距離に等し
く且つ受光素子に対向する光フアイバ端面とこの受光モ
ジュールのレンズとの距離が受信モジュールのレンズの
焦点距離に等しくすればよいと説明したが、実際には組
立上の誤差等を考慮すれば必ずしも全く同一となること
は期待できないので、基本的に本発明の趣旨の範囲内で
あれば本発明に含まれることは言うまでもない。

発明の効果本発明の光リンクは、発光素子に対向する光フアイバ端
面と送信モジュールのレンズとの距離が１６− 送信モジュールのレンズの実質的に結像距離で且つ、受
光素子に対向する光ファイバ端面と受信モジュールのレ
ンズとの距離が受信モジュールのレンズの焦点距離とし
たので、光リンクの光結合効率が従来の光リンクに比べ
て高くなった。

【図面の簡単な説明】

題１図は光リンクを示す斜視図、第２図は半導体ユニッ
トの基本原理を示す模式断面図、第３図は従来の送信部
を示す模式断面図、第４図は送信モジュールあるいは受
信モジュールの原理を示す模式断面図、第５図は半導体
ユニットの基本原理を示す模式断面図、第６図は本発明
の光リンクの一実施例を示す模式断面図、第７図は本発
明の光リンクの他の実施例を示す模式断面図、第８図は
本発明の光リンクの他の実施例を示す模式断面図である
。（１）、（２３）　・・光ファイバ、（２）　・・光コ
ネクタリセプタクル、　　（３）　・・光コネクタプラ
グ、　　　（４）、（５）、（１４）、（７５）、（８
３）、（８４）　　　・・フェルル、（１１）・・多層
配線基板、〈１２）・・送信モジュール、（１３）・・
受信モジュール、（１４）・・ＬＥＤ、（１６）・・Ｐ
ＩＮ−ＰＤ。（５１）、（６１）、（６２）、（９１）、（６２）・
・凸レンズ代理人　弁理士　則近憲佑（ばか１名）図面の浄書（内
容に変更なし）第　　１　図第２図１９− 第３図第４図ミ５３６８１第５図第６図第７図第　　８　図手　　続　　補　　正　　書　（方式）％式％１、事件の表示特願昭５７−１８６６８８号２、発明の名称光　　リ　　ン　　り３、補正をする者事件との関係　特許出願人（３０７）　　東京芝浦電気株式会社４、代理人〒１００東京都千代１１区内幸町１−１−６東京芝浦電気株式会ネ１東京事務所内昭和５８年２月２２０（発送日）６、補正の対象図　　面手続補正書（自発）畦晶、５．す２１特許庁長官殿１、　事件の表示特願昭５７−１８６６８８号２、発明の名称双方向光伝送装置３　補正をする者事件との関係　特許出願人（３０７）　　東京芝浦電気株式会社４、代理人〒１００東京都千代田区内幸町１−１−６５、　補正の対象茅ｒ正の）月劣正する。（２）明細書全文を別紙のとおり訂正する。（３）図面の内、第２図を別紙の通り訂正する。以上訂正明細書１、発明の名称双方向光伝送装置２、特許請求の範囲（１）発光素子とこの発光素子の発光面に対向して形成
されたレンズを有する送信モジュールと、受光素子とこ
の受光素子の受光面に対向して形成されたレンズを有す
る受信モジュールと、前記送信モジュールと前記受信モ
ジュールとを一体とした光コネクタリセプタクルと、こ
の光コネクタリセプタクルに嵌合し送受信用光ファイバ
を備えた光コネクタプラグとからなる双方向光伝送装置
において、前記発光素子と光結合する前記送信用光ファ
イバの端面と前記送信モジュールのレンズとの距離は、
前記送信モジュールのレンズの焦点距離と前記発光素子
の発光面及び前記送信モジュールのレンズ間の距離とで
定まる結像距離に実質的に等しく且つ、前記受光素子と
光結合する前記受信用光ファイバの端面と前記受信モジ
ュールのレンズとの距離は、前記受信モジュールのレン
ズの焦点距離ζこ実質的に等しいかまたはそれ以下であ
ることを特徴とする双方向光伝送装置。（２）前記発光素子に対向する前記送信用光ファイハノ
コア端面と前記送信モジュールのレンズとの距離は、前
記送信モジュールのレンズにより集光された光が半径γ
Ｆの前記送信用光ファイバのコアに照射する効率ηＷＦ
と前記送信用光ファイバのコアに照射した光が前記送信
用光ファイバの開口数により定まる最大受光角の中に収
まる効率ηＮＡとの積ηＷＰ　ＸηＮＡが実質的に極大
になるかまたはその極大値の近傍に定まる前記レンズ倍
率Ｍ、に対応する結像距離とすることを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の双方向光伝送装置。（３）前記送信モジュールの前記発光素子と前記送信用
光フアイバ端面間の前記送信モジュールのレンズを介し
た距離は、前記受信モジュールの前記受光素子と前記受
光用光フアイバ端面間の前記受信モジュールのレンズを
介した距離よりも長いことを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の双方向光伝送装置。（４）前記送信モジュールと前記受信モジュールとは同
一主面上に構成されていることを特徴とする特許請求の
範囲第３項記載の双方向光伝送装置。（５）前記送信モジュールと前記受信モジュールとは別
個をこ形成されていることを特徴とする特許請求の範囲
第３項記載の双方向光伝送装置。（６）前記送信モジュールのレンズの焦点距離および前
記発光素子の発光面と前記送信モジュールのレンズ間の
距離によって定まる結像距離と、前８６　受信モジュー
ルのレンズの焦点距離とが略等しいことを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の双方向光伝送装置。３、発明の詳細な説明［発明の技術分野］本発明は双方向光伝送装置に係り、特に双方向光伝送装
置の光結合機構に関するものである。〔発明の技術的背景とその問題点〕双方向光伝送装置は光送信モジュールと光受信モジュー
ルが一体となされ光導波路との光結合部を具備する装置
である。この双方向光伝送装置を第１図を参営して説明
する。第１図において、光フアイバ伝送の際、光導波路
例えば２芯光フアイバコード（１）は２芯光コネクタプ
ラグ（２）に固着されている。送信モジュール部と光受
信モジュール部とからなる半導体ユニット（図示せず）
を固着した光コネクタリセプタクル（３）と、この光コ
ネクタプラグ（２）とは嵌合して双方向光伝送装置を構
成する。なお（４）、　（５）はプラスチックまたは金
属製で光ファイバを保持するフェルルである。この双方
向光伝送装置の信号伝送の大略は、一方の光送信部から
発せられた光信号が【本の光ファイバに光結合し伝送し
た後他端の光受信部に光結合する。また他端の光送信部
から発せられた光信号は他の１本の光ファイバに光結合
され伝送されて、光受信部に光結合されて双方向光伝送
がなされ乙。次に第２図を参照して双方向光モジュールと光ファイバ
の光結合機構を説明する。ここでは光半導体装置をモジ
ュールと呼ぶととｌこする。第２図において半導体ユニット（６）は、同一セラミッ
ク多層配線基板αυ上に送信モジュールσ２と受信モジ
ュール０３）を搭載し、この送信モジュールαりにはＬ
ＥＤ（１４）とドライバＩＣＱ５１及び抵抗０団尋がマ
ウント、ボンディングされており、同様に受信モ’／　
ユ／’０３）ニハＰ　ＩＮ　−Ｐ　Ｄ　Ｑ６）　ト１／
　Ｚ／−ハＩ　ＣＱ７）及びバイパスコンデンサＱｌＩ
Ｏ等がマウント、ボンディングされている。そして各々
のモジュール（１２１，（１３）には中央に透明部材例
えばガラス製の窓部（１（＋＋を有し他の部分はコバー
ル材からなるシェルｃ２υが設けられ、このシェル翰の
周辺部はメタライズ層を介してリング状のセラミックＱ
υにろう付けされたシールリング（２優にシーム溶接す
ることにより気密封止され高信頼性の半導体ユニットが
構成されている。ここで、（ハ）は光ファイバであり、
光ファイバ（２湧は光を伝送するコア（図示せず）の周
囲を保護部材即ちクラッド（図示せず）で被覆し構成さ
れている。従来、送信部即ち送信モジュールａ功において、ＬＥＤ
ａ４）から一定の放射角をもって発せられた光は平行板
状の窓部翰を通過し、広がり光ファイバ（ハ）の端面に
照射される。この様にして光が光ファイバ（ハ）に光結
合される。そこで、光結合効率（ηｌｌ）をＬＥＤα司
から発せられた光のうち光ファイバ（ハ）で伝送される
光の割合と定義してみる。すると、光結合効率（ηＢ）
に寄与する要因としては、ＬＥＤα荀発光面と光ファイ
バ（ハ）端面の距離ｌがある。この関係を式に示すと、 ηＢｏｃ’−・・・・・・・・・　（Ａ）ｅ′ となる。式（６）より明らかであるが、光結合効率（ηＢ）を高
めるにはＬＥＤ（１４）発光面と光ファイバ（ハ）端面
とを近づければ良い。しかしながらＬＥＤ（ｌ（イ）の
ボンディングワイヤー、ドライバＩＣ（１９等の高さお
よび窓部ＯＩの厚さの関係から、ＩＩＤＱ４）発光面と
光ファイバｅ漕端面との距離は略０７乃至略１．　Ｏｒ
ｔｔｘ程度が限度である。例えばＯ，：ｌａ＋ｘ０．３
１ｍ＋７）ＬＥＤ（１４）ト０．５ａｚφコア（開口数
０．４　）の光ファイバ０３を用いるとηＦは略５％以
下程度である。そこで光結合効率（η１１）に寄与する
第２の要因は、ＬＥＤ（１４から発せられる光の放射角
（θＥ）である。したがって、光の放射角（θＥ）を小
さく、即ちビーム径を小さくすることにより光ファイバ
（ハ）のコアと光の照射面積との面積差を小さくする方
法である。そこで光の放射角（θＩりと光結合効率（η
いとの関係を次に示す。式（Ｂ）より明らかであるが、光結合効率（ηＩＩ）を
高めるには光の放射角（θいを小さくすれば良い。さら
に光ファイバ（ハ）は、光ファイバ（ハ）の開口数ＮＡ
によって定寸る最大受光角θｙｍａ：Ｋ（θｒｍａｘ＝
ｓｉｎ−’ＮＡ）以内の入射角をもつ光のみ伝送可能で
ある。このため光の放射角（θＢ）を小さくすることは
必要不可欠となる。即ちθＦＩＩＩＩＩＸ≧θ［ｉｍａ
Ｘとなるのが最適である。そこで光の放射角（θ１１）を小さくする具体的手段の
一つを第３図を参照して説明する。第３図において、送
信部（４０１は次のように構成されている。即ち、メタ
ルヘッダーＧｌｌ上に球状ガラスθ２を載置したＬＥＤ
ＣＩが銅板（２）を介して載置されている。リードビン
（３０）は銅板Ｃ３４１と電気的に接続している。又、
リードピンムＤはメタルヘッダー〇刀を貫通植設してボ
ンディング線端よりＬＢＪ（３１に接続している。メタルヘッダーＧυに植設された第３のリードピン（至
）は空ビンである。このメタルヘッダーＧυはメタルシ
ェルＧ！ｌにより気密封じされている。さらにメタルシ
ェルＧ９の透明部材（４１）を介して光ファイバへＬ　
Ｅ　ＤＣ’（３１からの光信号が送信される。この送信部舶は、ＬＥＤＣ割の発光面に球状ガラスＣ１
２１を固着するためコスト高である。さらに発光素子（
４（ｌの光結合効率（ηいは向上するが、光を受信する
側の受光素子のＰＩＮ−ＰＤに球状ガラスを固着しても
光ファイバから発せられた光のＰＩＮ−ＦＤへの光結合
効率（η０）はほとんど向上しない欠点がある。ここで
、光送信部から光ファイバを伝送し光受信部に光結合さ
れる光リンクとしての総合の光結合効率をηとすると、 η＝（ηＥ）×（ηＤ）・・・・・・・・・　（Ｃ）で
ある。上述のことより、光リンクの光結合効率（η）を
高めるにはη８とη。との両方とも高める必要がある。その為、受信側には第３図の構造を用いることはできな
い。次に第４図を参照して送信側の発光素子と受信側の受光
素子両方に用いることが可能な構造を説明する。第４図
は送信部（５０）を示し、なお第３図と同一部材には同
じ符号を付す。第４図において、メタルシェル０Ｉに設けた凸レンズ（
５１）を介してＬ　Ｅ　ＤＱ３からの光を集光し、光フ
ァイバ（５２）に伝達する。この第４図の構造は、双方
向光伝送装置の場合送信側即ち送信モジュールも受信側
即ち受信モジュールも同じ構造で光結合効率を改善でき
る。さらに第３図の構造に比べ低コストである。そこで、第４図の構造を用いて双方向光伝送装置を製作
した。その双方向光伝送装置の半導体ユニットを第５図
を参照して説明する。なおこの場合光導波路を介して双
方向光伝送装置が少なくとも光導波路の両端に形成され
ることにより双方向光リンクが構成されるのは言うまで
もない。即ち、第２図の半導体ユニット（４）の窓部０
１を凸レンズ（６１）に形成したものである。この双方
向光リンクの光結合効率（η）を調べたところ第２図に
示したものとほとんど変化が見られなかった。さらに詳
細１こ検討しレンズ設計を見直し、双方向光リンクの一
端に形成された双方向光伝達装置の送信側のＬＥＤ０４
）発光面と双方向光リンクの他端に形成された双方向光
伝送装置の受信側のＰＩＮ−ＰＤ（１６）受光面と光フ
ァイバ（ハ）のコア端面がレンズ（６１）　、　（６２
）の結像の位置関係になるようにしてみた。しかしなが
ら、双方向光リンクとしての有効な光の伝送パワーは第
２図のものに比べて数チ上昇した程度にすぎなかった。〔発明の目的〕本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、双
方向光伝送装置を改良することにより光リンクの光結合
効率を高める光リンクを提供することを目的とする。〔発明の概要〕本発明は、発光素子に対向する光フアイバ端面と送信モ
ジュールのレンズとの距離が送信モジュールのレンズの
焦点距離と発光素子の発光面及び送信モジュールのレン
ズ間の距離とにより定まる結像距離に実質的に等しく且
つ、受光素子に対向する光フアイバ端面と受信モジュー
ルのレンズとの距離が受信モジュールのレンズの焦点距
離に実質的に等しいかまたはそれ以下であることにより
、光リンクの光結合効率が高効率となる双方向光伝送装
置である。〔発明の実施例〕以下本発明の詳細な説明する。なお、光リンク及び双方
向光伝送装置基本的構造は第１図乃至第４図に示すもの
と同様なので詳細な説明は省略する。本発明者らは第４図の構造において、光結合効率（η）
を高める構造を詳細に検討してみた。（Ｉ）　　光送信モジュールの場合ＬＥＤ（至）から光ファイバ（５２）への光結合効率（
η８）は次の式であられされる。 η、＝（４１１ｗ）×（η、、）Ｘ（ηＨＡ）　”””
”’（Ｄ）ここで、ＬＥＤＣ３３１から発せられた光が
半径ｒｗの窓にとりつけられた凸レンズ（５１）に照射
する効率であり、次の関係式がある。但し、ｌ、は凸レンズ（５１）とＬ　ｇ　Ｄ　３３）と
の距離であり、九は光の放射角である。なお、　　ｌ、
ｔａｎθＢ〉γＷが（Ｅ１式が成立する栄件である。 ηＷＦは凸レンズ（５１）により集光された光が半径ｒ
ｖの光ファイバ（５２）のコアに照射する効率であり、
レンズ倍率をＭ、とすると、次の関係式となる。！ ηｗｖ　ｏｃ−・・・・・・　（Ｆ）Ｍ；イしし　Ｍｇ＞１である。 ηＮＡは光ファイバ（５２）のコアに照射した光が、光
ファイバの開口数（ＮＡ）によって定まる最大受光角（
θｙｍａｘ）の中に収まる効率であり、次のような関係
式となる。但し、α＝ＣＯ８ＩＩＭ＋！θｎ＋ａｘｙは規格化した
光強度である。以上、式ＣＤ）、（Ｂ）、（Ｆ）、（Ｇ）より光結合効
率（η１１）を高めるには凸レンズ（５１）とＬＥＤＣ
３３１との距離をできるだけ小さくシ、光ファイバ（５
２）のコア端面と凸レンズ（５１）との距離ｅ３は（η
、、）Ｘ（４８人）が極大になるように定まるＭ、に対
応する結像距離にすることが必要である。また距離１３
は（η、、）Ｘ（ηＮＡ）の極大値近傍に定まるＭ１！
に対応する結像距離であれば所定の効果が得られるのは
言うまでもない。なお、Ｉｔは凸レンズ（５１）の厚さである。また１３を式にて示すと次のようになる。Ｉｓ　＝　（ｌ　Ｍｌ）Ｆ　Ｓ’Ｈ・・・・・・・・・
（ｇ）但し、Ｆは凸レンズ（５１）の焦点距離、Ｓ′Ｈ
は光ファイバ（５２）側の凸レンズ（５■）端面と凸レ
ンズ（５１）の主面との距離である。１１目＝０．３麿とするとＩｓ””ｌ、６麿となる。（６）光受信モジュールの場合第４図において、ＬＥＤ（至）のかわりにＰＩＮ−ＦＤ
を用いた場合、光ファイバ（５２）からＰ　ＩＮ−ＦＤ
（至）への光結合効率（ηＤ）は次の関係式で示される
。 ηＤ＝（η、、）Ｘ（ηＷＤ）−・−（Ｈ）ηｖｗは光
ファイバ（５２）から開口数（ＮＡ）によって定まる一
定角度（θＦ）により出射された光がレン（１３）ズに入射する効率であり、次のような関係式が成立する
。 ηＦＷ　（Ｘ：　　、　　　　　・・・・・・・・・　
（Ｉ）１、ｔａｎ”θＦ但しくＩ）式は１３ｔａｎθア＜Ｒｈのときに成立し、
ＲＬはレンズの受光面半径である。（Ｉ）式よりηＷＤは凸レンズ（５１）に入射した光が
ＰＩＮ−ＰＤ（至）の受光面に到達する効率であり、次
の関係式が成立する。・・・・・・・・・　（Ｊ）ｌ但し、ＭＤは凸レンズの倍率である。（Ｊ）式はγＰ・
ＭＤ＞ＦＤのとき成立し、ＦＤはＰＩＮ−ＰＤ（（３１
の受光半径である。（Ｉ）式ηｖｗを大きくするために、ｅｓを極端に小さ
く　Ｌ　ｌ！ｓ＝　Ｏにする方法が考えられるが光ファ
イバ（５２）が凸レンズ（５１）に近づくと凸レンズ（
５１）を透過した光がＰＩＮ−ＰＤ（３３の受光面の面
積よりも広がり、ＰＩＮ−ＰＤ（３３１の受光面に光が
充分照射しなくなるためと、凸レンズ（５１）に傷がつ
く等の理由によα荀り避けるべきである。そこで、　ＰＩＮ−ＰＤ（至）の
受光面の面積を太き（Ｌ　ＰＩＮ−ＰＤＣ（３１の受光
面に光が充分照射するようにすると、光受信モジュール
の外囲器が大きくなり現実的でなくなる上に、ＰＩＮ−
ＰＤ■に浮遊容量か増大しＰＩＮ−ＰＤＣＫＩの高速応
答性が劣化する。この理由ｌこＰＩＮ−ＰＤ（（３の受
光面の面積を大きくすることは好ましくない。次に（Ｊ
）式よりＭＤを小さくすればよい訳であるが概略Ｍｎｏ
ｃ　”３のためＩ３を大きくとらなければならない。ここで受光
面に実像を結ぶためには１３はレンズの焦点距離より大
きいことはもちろんである。しかし、ｌ。を大きくとることは（Ｉ）式のηｒｗを低下させるため
ηＤとしては改善されない。さらに後で詳細に述べる現
実的な光ファイバ、レンズ受光素子の定数を用いて試算
するとたとえばｓ　’Ｉを結像距離とすると４＝ｌ、６
顧程度になる。光送信側で／＋＝０３１ｇ、光受信側で
ｌＩ＝　１．６ｍとなることは、第５図に示す同一基板
上に送・受信部を設ける場合即ち双方向性光リンクに用
いる半導体ユニットに非常に不都合である。即ち、第５
図に示した半導体ユニット（（至）は、第２図の窓部（
１１のかわりに凸レンズ（６１）。（６２）を取着したものである。なお、凸レンズ（６１
）。（６２）は同じ大きさであることは言うまでもない。また第５図において一般に光ファイバ（２漕のコア半径
ｒｖは略０．０２５麿乃至略０．２５層であり、ＰＩＮ
−ＰＤ（ｌ（９の受光半径γＤは略０．４乃至略０．５
２Ｅｌｌである。即ちｒＤ〉γｒである。そして、光ファイバ（ハ）の開
口数（ＮＡ）を０．４とすると、例えばｌｓ＝　０．２
ＦＩＥＩｌの時、凸レンズ（６２）に光が出射したとき
のビーム半径ｒＢは、次のような式ｌこなる。ｒｓ＝ｒｖ　＋　Ｉ３　ｔａｎ　［ｓｘｎ　（ＮＡ）　
）　＝　０．３５即ちγＢくＦＤとなる。したがって受
信側即ち受信モジュールａ３Ｉでは１３を凸レンズ（６
２）の焦点距離ζこすればレンズを通過した光はほとん
ど平行光であるため受光面においてもγＲ＜ｒＤが保た
れ、送信側すなわち送信モジュール（Ｉ４と同じモジュ
ール構造で光ファイバｃ！階からＰＩＮ−ＦＤ（１υへ
の光結合効率（ηｎ）＝１００チとなる。換言すれば、送信側即ち送信モジュールａりでは、式（
Ｄ）　、（ｇ）　、（Ｆ）　、ＣＧ）　　より最大のＬ
ｇＤｏ（イ）がら光ファイバ（ハ）への光結合効率（η
１）が得られるＭＪＩと結像距離ｅ、とを出せば良い。一方、受信側即ち受信モジュール０■ではｌ、をレンズ
焦点距離にすれば良いのである。さらに受信側即ち受信
モジュール（１３１ではｌ！３−焦点距離でγＢ（γＤ
であるからｌ、を凸レンズ（６２）の焦点距離よりもい
くぶん小となってもγａ−ｒｎ　ニするまでは光ファイ
バ（２３）からｐＩＮ−ＦＤ（Ｉｆｉ）への光結合効率
（ηＤ）は、実質的に１００％に近くなるのは言うまで
もない。以下上述のことを鑑みて、第６図を参照しながら本発明
の双方向光伝送装置の一実施例を説明する。なお、第２
図と同一部材は同じ符号を付する。第６図において、光リンクの半導体ユニッ）　（７２）
は同一セラミック多層配線基板ａυを用い、同一の凸レ
ンズ（６１）、（６２）を用いている。しかし光コネク
タプラグ（７３）のフェルル（７４）　、　（７５）の
長さを異なるようにしたものである。言い変えれば、送
信モジュールα４のＬＥＤ（ＩＪＪこ対向する７エルル
（７４）の長さは、受信モジュールα■のＰＩＮ−ＰＤ
（１５）に対向するフェルル（７５）の長さよりも短く
したものである。即ち、凸レンズ（６【）端面からフェ
ルル（７４）の光ファイバ（２３）のコア端面までの距
離ｅ４を凸レンズ（６１）の結像距離とし、凸レンズ（
６２）端面からフェルル（７５）の光ファイバ（ハ）の
コア端面までの距ｉ　／。を凸レンズ（６２）の焦点距離としたものである。こう
ような構造の光リンクの一部分である双方向光伝送装置
は、光結合効率（η）が約２０チとなり、従来の光リン
クの一部分である双方向光伝送装置例えば第２図のもの
に比べて略３乃至略４倍となった。また、送信モジュー
ル０りと受信モジュール０■は同一基板フェルルの長さ
も実質的に同一とし、受光素子に対向するレンズの位置
のみを光フアイバ端面に近づけても良い。次に第７図を参照して本発明の双方向光伝送装置の他の
実施例を説明する。この双方向光伝送装置は、送信モジ
ュール（１４と受信モジュール０■とに段差を設けたも
のである。即ち、凸レンズ（６１）端面力らフェルル（
８３）の光ファイバｔ２３のコア端面までの距離１４を
凸レンズ（６１）の結像距離とし、凸レンズ（６２）端
面からフェルル（８４）の光ファイバ（２３）のコア端
面までの距離らを凸レンズ（６２）の焦点距離とするた
め、送・受信モジュールαり、α印を光コネクタリセプ
タクル（８１）に高低をつけて固着したものである。こ
のようにすると、第７図の双方向光伝送装置（７０）の
光結合効率（η）と同じ効率即ち約２０チとなった。ま
た、フェルル（８３）　、（８４）とは同じ長さである
ことは言うまでもない。なお、同一基板で送信モジュー
ルと受信モジュールとに高低差即ち高低差を設けた同一
主面上に送信モジュールと受信モジュールとを設けても
、効果は同じである。マタ、第８　図ハＬ　Ｅ　Ｄ　（１１）　トＰＩＮ−Ｐ
ＤＱ６）、２本の光ファイバは同−位置即ち高低差をつ
けずに、送信モジュール（ｌ急の凸レンズ（９１）の結
像距離と、受信モジュール崗の凸レンズ（９２）の焦点
距離が等しい一対の凸レンズ（９１）　、　（９２）を
用いたものである。この双方向光伝送装置を用いた光リンクの光結合効率（
η）は第７図のものと同一効果であることは言うまでも
ない。以上、双方向光リンクの例で説明したが、３チャンネル
以上の多チャンネルであっても本発明の光結合機構が適
用できる。なお、以上の実施例において、発光素子に対向する光フ
ァイバ端面と送信モジュールのレンズの結像距離に等し
く且つ受光素子ｌこ対向する光フアイバ端面とこの受光
モジュールのレンズとの距離が受信モジュールのレンズ
の焦点距離に等しいかあるいは受信モジュールのレンズ
の焦点距離以下であればよいと説明したが、実際には組
立上の誤差等を考慮すれば必ずしも全く同一となること
は期待できないので、基本的ζζ本発明の趣旨の範囲内
であれば本発明に含まれることは明白である。〔発明の効果〕以上説明したように本発明の双方向伝達装置の構成ｌこ
することｔこより、本発明の双方向伝達装置を用いた光
リンクの光結合効率が従来の光リンクに比べて高くなっ
た。４、図面の簡単な説明第１図は光リンクを示す斜視図、第２図は半導体ユニッ
トの基本原理を示す模式断面図、第３図は従来の送信部
を示す模式断面図、第４図は送信モジュールあるいは受
信モジュールの原理を示す模式断面図、Ｍ５図は半導体
ユニットの基本原理を示す模式断面図、第６図は本発明
の双方向光伝送装置の一実施例を示す模式断面図、第７
図は本発明の双方向光伝送装置の他の実施例を示す模式
断面図、第８図は本発明の双方向光伝送装置の他の実施
例を示す模式断面図である。（１）、（ハ）・・・光ファイバ（２）・・・光コネク
タリセプタクル（３）・・・光コネクタプラグ（４）、（５）、　（７４）　、（７５）　、（８３）
、（８４）・・フェルルαυ・・・多層配線基板　　α
ａ・・・送信モジュール０句・・・受信モジュール　　
（１４１−・・ＬＥＤ（１（９、、、Ｐ　ＩＮ−ＦＤ（５１）、（６１）、（６２）、（９１）、（６２）・
・・凸レンズ代理人　弁理士　則　近　憲　佑第２図（−一一一、−一）〆

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　発光素子が形成された多層配線基板とレンズを
取着したシェルをこの多層配線基板に固着してなる送信
モジュールと、受光素子が形成された多層配線基板とレ
ンズを取着したシェルをこの多層配線基板に固着してな
る受信モジコールと、前記送信モジュールと前記受信モ
ジュールとを固着した光コネクタリセプタクルと、この
光コネクタリセプタクルに１択合し光ファイバを保持す
るフェルルを描えた光コネクタプラグとからなる光リン
クにおいて、前記発光素子（ト）に対抗する光ファイバ端面と前記送信モジュールのレン
ズとの距離が前記送信モジュールのレンズの実質的に結
像距離に等しく且つ、前記受光素子に対向する光ファイ
バ端面と前記受信モジュールのレンズとの距離が前記受
信モジコールのレンズの実質的に焦点距離に等しいこと
を特徴とする光リンク。
（２）前記送信モジュールと前記受信モジュールとはそ
れぞれの発光素子または受光素子に実質的に高低差をつ
けずに同一多層配線基板に配置するかまたは光］ネクタ
リセブタクルに固着し、且つ前記受光素子と光結合する
光ファイバを保持するフェルルが前記発光素子と光結合
する光ファイバを保持するフェルルより実質的に長いこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光リンク。
（３）前記送信モジュールと前記受信モジュールとは別
々に高低差をつ（プで光コネクタリセプタクルに固着す
るかまたはそれぞれの発光素子と受光素子とに高低差を
つけて同一多層配線基板に配置し、目つ前記受光素子と
光結合する光ファイバを保持するフェルルが前記発光素
子と光結合する光ファイバを保持するフェルルと略同じ
長さであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の光リンク。
（４）前記送信モジュールのレンズの結像距離と前記受
信モジュールの焦点距離とが略等しいことを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の光リンク。