JPS6127513A - 光伝送モジユ−ル - Google Patents

光伝送モジユ−ル

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JPS6127513A
JPS6127513A JP14751284A JP14751284A JPS6127513A JP S6127513 A JPS6127513 A JP S6127513A JP 14751284 A JP14751284 A JP 14751284A JP 14751284 A JP14751284 A JP 14751284A JP S6127513 A JPS6127513 A JP S6127513A
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JP
Japan
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optical
optical transmission
transmission line
fiber
light
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Pending
Application number
JP14751284A
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English (en)
Inventor
Seiichi Onoda
誠一 斧田
Yasumasa Koakutsu
小圷 泰正
Masaaki Kusano
草野 正昭
Tamio Takeuchi
竹内 民雄
Masao Yano
矢野 正夫
Yoshiharu Yamada
祥治 山田
Ichiro Ikushima
生島 一郎
Kiyohide Miyake
三宅 清秀
Katsuki Tanaka
田中 捷樹
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、光発光素子および受光素子と伝送路用光ファ
イバとの光結合効率向上に適する光伝送モジュールに関
する。
〔発明の背景〕
光伝送用モジー−ル(単にモジュールと略記)は、電気
回路、発受光素子および発受光素子、光フアイバ間の光
学的結合系の王者を基本構成とする。これらのうち、電
気回路と発受光素子は、半導体にて別個に、あるいは一
体化して構成し得ることから、コスト的には堡減化の趨
勢にあるが、光学的結合系については、プラスチックフ
ァイバのように大口径のものを対象とする限られた場合
はともかく、通常の石英もしくは多成分ガラス系の光フ
ァイバを対象とする場合、高効率化を計ろうとすれば系
の構成が複雑化し、モジュールコストに影響することが
多い。
上記の傾向は、とくに発光素子が発光ダイオード(LE
Dと略記)のように拡散性(インコヒレント性)が強い
ほど、また、受光素子の受光径が小さいほど、さらには
光ファイバの開口数(NAと略記)と開口径(コア径)
の積が小さいほど厳しいものとなってくる。さりとて、
結合系を安易化して結合効率を落とすと送受信間の損失
マージンが低下してしまう。これを補償するには、発光
出力もしくは受信感度を向上さぜるが光ファイバの伝送
損失を小さくしてはならないが、これらにも実用上、性
能的、経済的に一定の限界がある。従って、系の構成が
簡単でかつ光素子・光フアイバ間、とりわけ実用的には
LED・光フアイバ間の結合度の高い光学系が要求され
る訳である。さらに、素子の気密性と光ファイバの着脱
可能性が困難なく保証されることが必要である。
光学的結合の従来方法は、原理上大別して2通りに分け
ることが出来る。
まず第1の方法は、単に光素子と光ファイバを直接対向
させ、両者間の距離を極力短くしようとするもので、こ
め考えを極端に推し進めたのが、いわゆるBarrus
  成形と呼ばれるものである。具体的には、LEDの
チップ表面を活性層近くまでエツチングし、そこに光フ
アイバ端部を樹脂に埋め込む。
この場合、光学的結合度は理論限界近くに向上はするが
、ファイバ取り出しがいわゆるピッグテール形となって
モジュールとしては使いにくい上、エツチングや気密封
止など工程上の難□  点が多く、全く実用的でない。
従って第1の方法の最も一般的な構成は、素子をガラス
窓を持つパケジに気密封止し、バケジ外部から光ファイ
バを充填したフェルールを対向させるものである。しか
しこの場合、光素子と光フアイバ間の距離は、少くとも
ガラス窓の厚さ分易上とならざるを得ない。例えば0.
2111!191のLEDと開口径と開口数がそれぞれ
0.2朋φ、0.5のステップインデックス形の光ファ
イバの場合を例にとると、両者間の距離が1朋程度まで
の範囲ではQ、 l vtm離れるごとに約1 dB結
合効率が劣下することが実験的に知られる。ガラス窓の
厚さは通常0.6mont以上にとることが多いから、
これにより約6 dBの効率低下を招くことになる。こ
の6 dBという損失は、多成分ガラスあるいは石英フ
ァイバの長さに換算して400〜2000mに及ぶから
、伝送モジー−ルとして多大の損失といわねばならない
。以上のことから、第1の方法は、容易ではあるが効率
が悪いという欠点を有する。
光学的結合の第2の方法は、素子と光フアイバ間あるい
は光ファイバ端に、何らかの集光光学系を設けることに
より、素子もしくは光ファイバからの出力光を相手方に
絞りこもうというものである。
集光には通常凸しンス、球レンズ、ロンドレンズなどの
レンズ類を用いるか、ファイバの先端を実球加工するな
どの方法が用いられる。この方法は原理上かなり有効と
なる筈のものであるが、光ファイバのコネクタ着脱式の
モジュールとしては実用的に問題がある。すなわち、光
ビームがレンズ系によって絞られる結果、その分だけ、
光素子、光゛ファイバ間の光軸垂直面内の位置合わせ精
度が厳しくなる。一方、光素子のステム等に対する実装
位置精度には数10〜100μmオーダの限度があるた
め、実際にはビームウェストを外した集光系の甘いとこ
ろにファイバ端面をもってくる必要があり、結局のとこ
ろは、光学部品点数を多くシ、構成を複雑化する割には
、実効的な結合改善度はたかだか1 dB程度にとどま
ることが多い。換言すれば上記方法は、得られる効果の
割にはコストが高くなりすぎるという欠点を有する。こ
のように、従来モジュールとして実用的な結合゛効率改
善の方法は見出されていない。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、光学部品点数を最少にとどめ簡単な構
成で光学的結合度を向上させる実際的な方法を提供する
ことにある。
〔発明の概要〕
上記目的を達成するため、本発明においては光発光素子
、光フアイバ間に光伝送路を介在させる方法を採用する
。光伝送路は入射角、出射角が等しくなるような複数の
光伝送路で構成される。
〔発明の原理〕
第1図(a)において光強度Pなる点光源1が距離L1
を隔てて光伝送路2に面しているとし、さらに光伝送路
の分解能を無限小開口数(NA)を〔1〕、透過損失を
(0)と仮定する。光源1を発し光伝送路2に角度θ1
.θ2で入射した光線3.4は夫々光伝送路内の反射板
9により全反射しながら厚さ方向に伝播する。光伝送路
2からの出射光は、出射角±01およびθ2の2つの光
線5.5′および6,6′に分かれる。これら2つの光
線対はそれぞれ等分の光強度を担う。
ここにおいて、出射光線5,6が光伝送路2の出射面か
ら光軸上J−1だけ手前の点7を起点とすること、また
、出射光線5/ 、 6/が光伝送路の出射面から光軸
上同じ(LLだけ離れた点8を通ることは明らかである
。以上のことから第1図(a)の光学系は同図(b)の
ごとく、光強度P/2なる2つの点光源7,8bt自由
空間において、ル伝送路の出射面から士J1の点に位置
する系と等価なことがわかる。
説明の便室上、点7を第1光源、点8を第2光源と呼ぶ
ことにする。次に光伝送路2の出射側に伝送路用光ファ
イバー0と対向させて、光源゛出力を結合させる場合を
考える。
まず第2図(a)のように光伝送路2とファイバ10間
の距離22が jz ) il の場合には、等価基においてファイバ端面から1】±1
2 だけ離れた点に光強度P/2の2つの点光源が存在する
のと等価であるCとが容易に了解される。
次に第2図(b)のごとく Lz (Jl の場合には、第2光源の代りにファイバー0の端面に関
して鏡像となる第3光源が存在すると考えてよい。何故
なら、ファイバー0への入射角の符号が反転しても結合
効率は変わらないからである。従ってこの場合でもファ
イバー0の端面から J−1± 12 だけ離れた点に2つの光源が位置する系と等価となる。
よって、第2図(a) 、 (b)を合わせた一般の場
合、ファイバ10の端面からの2光源の位置は l  11 ±121 で与えられることがわかる。また、上述の等価関係は、
光伝送路の厚さえには関係しない。
以上説明したように光源の出力と光伝送路2を介してフ
ァイバ10と結合させる場合には、光源、ファイバ間の
距iが等価的に短縮されるという効果を持つことになる
例えば、Jl=Liijとすれば光源の1/2はファイ
バ10の端面に密着する一方、他の1/2はファイバ1
0の端面から11だけ離れた点に位置する場合と等価と
なるから、結合効率の向上効果は原理的に明らかである
。一方光学系の構成は俸めて簡単である上、光伝送路2
の垂直面内位置は全く自由であるから、レンズ系と異な
り、精度上の制約が軽減される。
〔本発明の原理の実験的検証〕
第3図は、光源に発光径600μmφのドーム形LED
(発光波長0.88μm、駆動ピーク電流30mA、デ
エーティ50% ) 、光ファイバにコア径200μm
φ、開口数0.5のステップインデックス形、光伝送路
に分解能25μmφ、開口数0.55厚さ2?Liwi
、透過損失1.3dBのものとし、j =jl−4−J
−2を一定として21を振ったときのファイバ出力光レ
ベル(平均レベル)を実測した例である。
同図より、4 z 12 m J/2としたとき、ファ
イバ出力は最大となりJ=315/7m111に対して
それぞれ−20,7/−23/−32dBmとなること
が読み取れる。
一方、光伝送路挿入前の出力レベルはそれぞれ−40,
1/−42,6/−53,6dBmであった。よって光
伝送路2の挿入による結合度改善は19.4/19.6
/21.6dBであることがわかる。以上、光伝送路挿
入によるファイバ結合効率の改善効果が実験的に検証さ
れた。
、なお、これらの効果は、逆にファイバからの出力光と
受光素子に導入する場合についても全く同様に得られる
ことはいう才でもない。
上述したように、光伝送路2を光軸に対し平行に配置し
たことにより、得られる効果は大きく、又、中央に位置
した時に最大の効果となる。
又、伝送路として種々のものが選択出来ることは言うま
でもないことで、放射同心円状に配置することにより、
より伝送路密度が上げられるため、集光精度(第2光源
の位置ずれ)も上がってくる。
伝送路の選択としてはコア、クラッド層を持ったもので
も可能であり又、上記のものに球面加工することにより
レンズ効果をより高めることも出来る。又、上記した伝
送路を光素子の窓として使用することも十分可能である
第2光源(V2)の位置は入射角により一義的に定すり
、伝送路の口径が光伝送ファイバに比べ十分小さい時そ
の値は無視出来るものとなる。
〔発明の実施例〕
第4図、第5図は光伝送路としてフエ・−スプレー)(
FPと略記)を用いたものである。このFPとは極めて
細径のファイバ束を固めてスライスし、両端面を研磨し
たものであり、通常気密性を有するものである。FPの
開口数および分解能はPPを構成する細径ファイバの開
口数及びコア径で規定され、0.2〜1および数〜数1
0μmφのものが得られており、上記したFPを光素子
と伝送路用光フアイバ間に介在させて使用したものであ
る。
ファイバへの結合効率を大きくするには、光素子および
ファイバ端面とFP両端面間の距離11および22を等
しくとり、かつ両者を短くすることが有利となる。実施
例として上げたものは、FP12を光素子11のキャッ
プ13の窓としたもので、光素子11は通常信頼性の点
から、気密封止されねばならないが光入出力のために、
気密性を有する。透明材料の窓を設けることが必要であ
る。この窓にはガラスやサファイヤが多用されるが、こ
れらは単に透明体というだけであるから、少(ともその
厚さ分だけ光素子11とファイバ17との間の距離が長
くなって結合効率の点で難点があることは前述した通り
である。従って本発明の最も基本的な実施例は、第4図
および第5図に示すように構成される。尚、図中14は
ステム、15はピン、16はパケジハウジングである。
本実施例の発展的な形態として光素子だけでなく、他の
回路機能をもつ電気ICを一緒にパケジマウントするの
もより望ましいことである。
以上の説明では、複合レンズあるいはフェースプレート
の光の入出射面はいづれも平面で述べたが、フェースプ
レートの端面を球面上に加工して、レンズ効果をより高
めることもできる。
上述したように伝送路の開口数と伝送用光ファイバとの
開口数を等しいか、又は小さくすることによるメリット
は大きい。
〔発明の効果〕
本発明によれば、光伝送路を使用することKより、光素
子とファイバ端間との距離を著しく小さく、等測的には
光素子表面とファイ゛バ端面がはゾ接した状態に出来る
ので、光素子とファイバの結合効率を最大に高めること
が出来る。
又、光伝送路の分解能を上げたものを使用すれば、光体
送路入射光が半導体レーザのように広  4がり角が非
軸対称ビームであっても出射光は軸対称化される。これ
は基本的には個々の光伝送路に入った光は軸対称ビーム
になることによる。
次に光伝送路%NAフィルタとして用いることも可能で
ある。光伝送路に固有のNAを持たせ、かつ迷光防止機
能を持たせることは容易であるから、光伝送踏出力は一
定角度以内のものに限定される。従って、光伝送路のN
ABファイバのNAより太き(ない値に選べばファイバ
に励起されるモードは伝播性のもののみとなり、クラッ
ドモードは励起されない。通常LEDのような拡散光を
ファイバに入れると多くのクラッドモードが励起される
結果、見かけ上ファイバ投入パワが高目に評価される。
これらはファイバの付加損失として補正する必要がある
が、一般に付加損失の評価は容易でない。従って、FP
挿入により、クラッドモードが励起されない様にすれば
、ファイバの入力パワを正しく評価することが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
第1図(al 、 (blおよび第2図(a) l (
b)は本発明の原理を示す原理説明図、第3図は実験結
果を示すグラフ、第4図は本発明の複合レンズを用いた
光伝送モジュールの断面図、第5図は、同じく複合レン
ズを用いた光伝送モジー−ルの他の実施例を示す断面図
である。 1・・・光源      2・・・光伝送路3.4・・
・光線    5,6・・・光線7.8・・・点   
  9・・・反射板10・・・光ファイバ   11・
・・光素子12・・・ファイバープレート(FP)13
・・−キャップ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)発光素子および受光素子と伝送用光ファイバより
    構成される光伝送モジュールにおいて、発光素子および
    受光素子と伝送路用光ファイバとの間に、入射角度と出
    射角度が等しくなるような光伝送路を複数個設け、その
    光伝送路を光軸に対し平行に配置したことを特徴とする
    光伝送用モジュール。
  2. (2)特許請求の範囲第1項記載の光伝送路を、光発光
    素子と伝送用光ファイバの中央に配置したことを特徴と
    する光伝送用モジュール。
  3. (3)特許請求の範囲第1項記載の光伝送路を放射同心
    円状に配置したことを特徴とする光伝送用モジュール。
  4. (4)特許請求の範囲第1項乃至第3項記載の光伝送路
    をコア層とコア層より屈折率の低いクラッド層を持った
    もので構成したことを特徴とする光伝送用モジュール。
  5. (5)特許請求の範囲第1項、4項の光伝送路はその片
    面もしくは両面を球面とすることを特徴とする光伝送用
    モジュール。
  6. (6)特許請求の範囲第1項、4項の光伝送路はその両
    側が平面または少くとも片側が球面で形成されたものを
    光入力あるいは光出力用の窓として光素子チップ、光素
    子および電気集積回路の両チップまたは光電気集積回路
    チップを封止したことを特徴とする光伝送用モジュール
  7. (7)特許請求の範囲第1項、第4項の光伝送路は開口
    数を伝送用光ファイバの開口数と等しいかまたは小さく
    選んだことを特徴とする光伝送モジュール。
  8. (8)特許請求の範囲第1項、第4項、第7項の光伝送
    路のコア径をファイバのコア径より十分小さく選んだこ
    とを特徴とする光伝送モジュール。
JP14751284A 1984-07-13 1984-07-18 光伝送モジユ−ル Pending JPS6127513A (ja)

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JP14751284A JPS6127513A (ja) 1984-07-18 1984-07-18 光伝送モジユ−ル
US06/754,928 US4741595A (en) 1984-07-13 1985-07-15 Optical transmission device

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP14751284A JPS6127513A (ja) 1984-07-18 1984-07-18 光伝送モジユ−ル

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JPS6127513A true JPS6127513A (ja) 1986-02-07

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ID=15432019

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JP14751284A Pending JPS6127513A (ja) 1984-07-13 1984-07-18 光伝送モジユ−ル

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02118164A (ja) * 1988-10-27 1990-05-02 Chiyuushiyou Kigyo Jigyodan 藍絣の超音波自動染色装置

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JPS5360651A (en) * 1976-11-12 1978-05-31 Hitachi Ltd Semiconductor laser with optical fibers
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