JPS6128912A - 光−電気，電気−光変換装置 - Google Patents

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〕 本発明は光ファイバを伝送路とした光伝送モジュールに
係り、特に光ファイバとの結合に好適な光−電気、電気
−光変換装置に関する。

〔発明の背景〕

光ファイバを伝送媒体とした光通信は、本格的な公衆通
信から近年、オフィスオートメーシ目ン（Ｏ，（）、７
アクトリオートメーシヨン（ＦＡ）等各種のネットワー
クの構築手段として急速に普及しつつある。これにとも
ない、光送信および光受信機能を装置化もしくは部品化
した光伝送モジー−ルの需要が大きくなり、光伝送モジ
ュールに対する、性能や経済的要求もまた大きくなって
いる。具体例として、（１）送信−受信間の光レベル差
の向上、（２）小形化、（３）低価格化、（４）多機能
化、（５）信頼性向上、等があけられる。

送信−受信間の光レベル差は、送信側の光出力レベルと
受信側の受信光感度の差で定義され一般に大きいほどシ
ステムを設計しゃすい。光素子としては使い易さ、信頼
性、コスト等から送信側には発光ダイオード（以下ＬＥ
Ｄと称す）受信側にはホトダイオード（以下ＰＤと称丁
）を用いるのが最も一般的である。しがしＬＥＤは拡散
光源であるために、光ファイバとりわけガラスあるいは
石英ファイバのように、コア直径と開口数の積が１０〜
１００のオーダである場合には、　ＬＥＤの出力光を効
率よくファイバに結合させることが容易でない。普通は
ＬＥＩ）をガ５ス等の透明窓をもつ容器に封止し、窓を
介して７アイバを対向させる方法がとられるが、ＬＥＤ
とファイバ間の距離が構造上１−程度以上にならざるを
得ないため、結合効率は数パーセントのオーダ以下と／
Ｊ％ｌさく、送信光レベルはせいぜい一１５ｄｌ１ｍ程
度にとどまることが多い。これを改善するために、ＬＥ
Ｄとファイバ閲に共焦点系の集光光学系を介在させる場
合があるが、一般に構成が複雑となる割に〜鉱得られる
効果が少く、１ｄ、Ｂ程度の改善にとどまるのが一般で
ある。

一方受信側は、ｐＤと受信信号の増幅、識別回路の性能
に左右されるが、一般に大幅に改善することは困難であ
り、結局のところ送信−受信開光レベル差はｔＯｅＬＢ
程度が一般的である。

実用上、伝送路光ファイバの途中には光コネクタや光分
岐器等が組合わされることが少くないので、これらをも
考慮して、大きな送信−受信開光レベル差要求される。

このために光送信。

、、、ウケ８２．−〜よおゆ、□８□。０よ７８（重要
な課題となる。゛ 光送信および光受信モジー−ルの実装構造は従来、ＬＥ
Ｄ　、　ＬＥＤ駆動集積回路チップ、ｐＤ、受信集積回
路チップがそれぞれ別容器に封止することを基本として
おり、このため小形を実現しにくく、また、部品点数も
多いので、経済的にも低価格化の達成が困難であった。

この種の要求に対応するものとして、例えば、第１２図
に図示のごとく、透明基板１に、受光素子２を配線層３
を介して接続し、ファイバ４と直接対向させる方法、さ
ら＃／ｃ隣接間の漏光な防ぐために、第１３図に示すご
とく、透明基板１゛の間に遮光領域５を設けたものがあ
る。この構造は、結合効率をかなりよくできるものでは
あるが、ファイバ先端と受光素子表面の距離の縮／１）
には限界があり十分には小さくできない。また開口数が
大きく、コア径の大きいファイバを用いる場合は結合効
率を十分には上けられない。さらに、発光素子ＬＥＤを
用いる場合、ＬＥＤの発光は拡散性が強いため、本構造
では、ファイバへ十分な光をとりこむことは困難である
。

ｒ　ｎ鼎　ｉ）−＾−） 本発明の目的は、上述の各種課題を解決し、送信−受信
開光レベル差が大きく、小形、低価格で信頼性の高い、
かつ、多機能化に応じられる光伝送モジュールを提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、光素子および集積回路素子を塔載する
基板の一部もしくは全部を、ファイバ素線を集積化して
成る、ファイバ集合化基板で構成したことにあり、ファ
イバ端面から見た光源の位置が、ファイバ集合化基板の
厚さ分だけ近づくという原理に基づくことを特徴とする
ものである。

〔発明の実施例〕 以下本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図において、２０はＬＥＤ、１）はファイバ集合体
基板、１２は基板１）上に形成された配線導体である。

ＬＥＤ　２０は配線導体１２の部分を介して基板１）に
接続されている。第２図はＬＥＤ側から見た第１図の平
面図で、ファイバ集合体基板１）は、光の通路となる７
アイバ素線１３とそれをとりまく、クラット部１４より
成り、ファイバの屈折率はクラッド部の屈折率よりいく
ぶん大きく、直径は伝送路ファイバのコア径および光素
子の発・受光面に較べて十分小さく、また開口数は、伝
送路ファイバの開口数と等しいかそれより太きく＃＃：
される。

ＬＥＤから出た光は、第１囚に２αで示すとと（大きな
拡散性をもっているが、ファイバ集合体基板のコア２４
を通って、ファイバ１５のコア１６αにとり込まれる。

７ア・ｆバ集合体基板を用いた場合、ファイバ端面から
見た光源位置が、基板の厚さ分だけ近づけたごとく作用
する。

第３図において、本原理を説明する。ファイバ集合体化
基板１）の端面から距離！、に位置する点光源の光強度
なＰとし、Ｐから角度θ１およびθ２で入射した光線そ
れぞれ、基板内のファイバ素線内を全反射しながら厚さ
方向に伝播する。

基板の他面からの出射光は、出射角±Ｏ１および十〇、
のそれぞれ１７．１７’および１８．１８’の２本の光
線に分かれる。これら２本の光強度は等分の光強度を担
う。ここで出射光１７．１８は、出射面から基板内部へ
距離ｔ１の点１９を光源とし、また１７’　、　１８’
は、基板面から外側の距離！、の位置を通る。すなわち
光強度Ｐの光学系は、光強度７／２０２つの点光源１９
．１９’が自由空間で、ファイバ集合体基板の出射面か
ら±ｊ１の点に位置する系と等価となる。

従って第１図のとと（基板の片面にＬＥＤを直接、接続
した構成では、光の出射面である基板の反対面に、ＬＥ
Ｄを位置させたのとほぼ等価となる。第４図はこの効果
を示した数値計算例である。　ＬＥＤの発光径をそれぞ
れ５０．ｉｏｎ、２００μ７７１φとし、コア径２００
μ扉φ、開口数０．５のファイバ端面との距離Ｊに対す
る結合効率を表わしている。

なおＬＥＤの発光バタンはＬａｖｎｂｇｒｔｉｏｎとし
た。

ＬＥＤの発光径５０μφとしたとき、ｊ−１箇での発光
効率ηは約１５％であるが、１−０では、ηは約２７％
と向上する。これは光出力レベルにして約１７ｄＢの向
上に相当し基板の透過損失な考慮しても１５ｄＢの改善
が得られることを示している。

第５図は受光側を示したもので、３０は光を電気に変換
する受光素子（ＦＤ　）である。ファイバ２５のコア２
６αから出た光は通常２βの角度をもって広がり、ファ
イバ端面から受光面までの距離を１■、ファイバの開口
数な０，５、直径を０．２■とするとき、受光面での光
の広がり径は約ｔ４■φとなる。一般に受光素子の受光
面の直径が大きいほど、接合容量も大きくなるので、立
上り、立下り速度が遅くなるので、メカへルツオーダの
比較的速い信号を扱う場合、受光径線通常１■以下のも
のが用いられるが、ファイバ集合体化基板によって、フ
ァイバから出た光はコア２３に導びかれるので、光は受
光面以上の大きさに広がることなく、受光面に集光され
る。

第６図は、光送信及び光受信部を一体化した実施例の製
造工程を示すものである。まづ第６図（α）に示すごと
く外形成形したファイバ集合体基板１）１を用意する。

次に第６図（ｂ）で、配線導体バタン１）２を形成する
。ここで必要に応じ抵抗バタンを１２２も形成される。

本例では１２２は第１０図に示したＬＥＤの電流制限抵
抗Ｒである。

次に第６図（Ｃ）に示すごとく、ＬＥＤチップ１２０、
ｐＤチップ１５０、ＬＥＤ駆動用集積回路チップ１２１
、受信用集積回路チップ１３１を接続する。図示の例で
は、全て７エーヌダウン接続である。さらに外部リード
端子１０８を接続する。最後に第６図＠）ＩＣ示すごと
く、キャップ１０９で気密封止する。

第７図は、第５図＠）の断面口、第７図はその回路ブロ
ック図である。ファイバ集合体基板によって、光の相互
干渉がなく、送信−受信機能が一体に１）１成される。

第９図は、光７アイパとの結合部を含む七ジュールを示
し、２０１は第６図に示した送信−受信一体化基板で２
０２は、例えばプラスチック成形で構成される容器、２
０３はファイバコネクタとの歌合部である。

第１０図は別の実施例で、ファイバ集合体基板３１）に
複数個の光素子（ＬＥＤまたはＰＤ）を配線５１２を介
して接続したものである。　３２０を発光素子とした場
合、発光した光は、ただちに基板３１）の各コアに入射
し、反対端面にガイドされファイバ３１５にとりこまれ
る。このため隣接したファイバへ漏光することはない。

万一コアラ突きぬけていわゆる迷光が生じても、コア周
辺のクラッド部で吸収することができる。従って光素子
、すなわちファイバを密にならべることができる。

上述した例では、基板は全てファイバ集合体を用いてい
るが、第１）図のごとく、７アイパ集合体基板４１）を
、絶縁材料でなる配線基板４１）′の中に部分的に形成
してもよい。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれは、光素子とファイバ端
面との距離を、著しく小さく、等測的には光素子表面と
、ファイバ端面とかはｙ接した状態にできるので、光素
子とファイバとの結合効率を最大に高めることができる
。また、漏光や迷光による隣接間の干渉が防けるので、
同一基板に発光および受光素子と、周辺集積回路素子を
塔載して、送信と受信一体形の光伝送モジー−ルの構成
が容易であり、かつ小形化が可能である。多数の光素子
を並べて、複数個のファイバを列状に配置した、いわゆ
るシートファイバと対向させた、マルチャネル光モジュ
ールの構成にも極めて有効で多機能化への対応が可能で
ある。さらにまた、各素子を個別に封止する必要がない
ので、部品点数も少くできるので、経済的でもあり、信
頼性的にも有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図は第１図の
平面図、第６図は原理を示す断面図第４図は本発明の効
果を示す計算結果のグラフ第５囚は本発明の一実施例を
示す受信側の断面図第４図（α９〜第６因（Ｉｔ）は本
発明の実施例の工程図、第７因はその断面図、第８図は
同じくその回路ブロック図、第９図は本発明を適用した
光伝送モジー−ルの断面図、第１０囚扛、本発明の他の
冥前例の断面図、第１）図は、本発明のさらに別の実施
例を示す断面図、第１２図、第１３図は、従来公知の光
電変換装置の断面図である、２０．１２０　・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・発光素
子３０．１３０・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・受光素子３２０．４２０　・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・発光または
受光素子１）．２１，１）１ｊ１），４１）１・・コア
イノ（集合体基板１２．２２，１）２・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・配線導体１３．２３・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・基板のコアイノ（素線、またはコア １４　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・基板のクラッド部１５
．２５，１）５，３１５・・・・・・・・・・・・伝送
用コアイノ（１６α、２６α　・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・コアイノくのコア１６ｂ、
２６ｂ　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・７アイノくのクラッド１７．１７’、１８．１
８’・・・・・・・・・・・・出射光１９．１９’　・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・光源１０８・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
−・・・・・・・・・・・・・・・・リード端子１０９
・・・・・・・・−・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・キャップ１２０・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・駆動用集積回路１３１・・・・・・・・−・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・受
信用集積回路１２２・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・抵抗Ｒ第１
ｍ 第２回 第３図 第４日 ＬＥＤ・ファイバ汁閉望１耐７λ（ｍ爪）第５図 塞ｃ　　図 阜１０品 １）１　回 ４１）′ 第　）３反 ゝ＼−一 丁 １′

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光素子の発光面および受光素子の受光面を基板
   面に対向させて接続し、発光素子の出力光および受光素
   子への入力光に支障を与えない範囲以上にわたる基板の
   一部あるいは全部を、ファイバ素線を集合一体化して形
   成したファイバ集合体基板で構成し、該基板の光素子塔
   載面とは反対側の面で、伝送路用ファイバと結合できる
   ことを特徴とする光−電気、電気−光変換装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載のファイバ集合体基板
   のファイバ素線径を、伝送路用ファイバのコア径および
   発光素子の発光径より十分小さく、開口数を伝送路ファ
   イバの開口数と同等以上に構成したことを特徴とする光
   −電気、電気−光変換装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項記載のファイバ集合体基板
   は、その上に、発光素子とその駆動用集積回路素子は受
   光素子と受光信号の受信用集積回路素子あるいは他の回
   路部品を混在させて実装してあることを特徴とする光−
   電気電気−光変換装置。
4. （４）特許請求の範囲第１項記載のファイバ集合体基板
   は、その上に発光素子とその駆動用集積回路素子および
   受光素子とその受信用集積回路素子を少くとも一組実装
   し、双方向形を構成してあることを特徴とする光−電気
   、電気−光変換装置。