(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学繊維を光学装置に接続する構造において、
第１および第２のほぼ直交する面を備えるとともに前記第１および第２の面間に配置された送信および受信光伝播路を備え、前記光伝播路のそれぞれが、少なくとも３個のセグメントからなるようにした透明な光学部材であって、
前記光学部材が、
（ａ）前記光学繊維に光学的に接続するように構成されている第1の対の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートと、
（ｂ）前記光伝播路の第1のセグメントに沿って光信号を交換するように前記第1の対のＩ／Ｏポートに関して配置されている第1の対の反射鏡と、
（ｃ）前記光伝播路の第２のセグメントに沿って光信号を交換するように前記第1の対の反射鏡に関して配置されている第2の対の反射鏡と、
（ｄ）前記光伝播路の第３のセグメントに沿って光信号を交換するように前記第2の対の反射鏡に関して配置されている第2の対のＩ／Ｏポートと、
を含み、前記第2の対のＩ／Ｏポートが、前記第2の面上に配置されるとともに前記第1の対のＩ／Ｏポートのポート−ポート間隔よりも大きなポート−ポート間隔を備え、
かつ、前記光学繊維が、埋め込まれているフェルールをさらに設け、前記光学部材が、前記フェルールを前記光学部材に対して精密に整合させるように少なくとも２個の整合ピンを備えるとともに、前記光学部材と前記フェルールとの間に金属板を設け、前記金属板が、前記光学部材の整合ピンを受け入れるピン受け入れ孔を備えているとともに第２の対の整合ピンを備えており、前記フェルールが前記金属板の第２の対の整合ピン間の間隔にマッチングする中心間間隔を備えた孔を設けた構造を有し、
前記整合ピンの間に前記光学繊維が設置され、前記光学繊維が、前記第１の対のＩ／Ｏポートに整合させられるとともに、
前記第１および第２の対のＩ／Ｏポートおよび反射鏡が、
前記光伝播路の前記第１のセグメントを、互いに平行をなし、前記第１の面に対 して直交し、かつ、前記第２の面に対して平行をなし、
前記第２のセグメントを、互いに軸に関して整合されるとともに前記第１および 第２の面のそれぞれに対して平行をなし、および、
前記第３のセグメントを、互いに平行をなし、前記第１の面に対して平行をなし 、かつ、前記第２の面に対して直交するようにし、
前記第2の対のＩ／Ｏポートに隣接して配置された基板をさらに設け、前記基板が、前記第2の対のＩ／Ｏポートの送信ポートに整合する光軸を備えた光源を有し、前記基板がさらに、前記第2の対のＩ／Ｏポートの受信ポートに整合する光軸を備えたディテクタを有し、
前記光学部材が、前記基板上の前記光学部材をシールする機構を備えて前記第２の対の前記Ｉ／Ｏポートが前記ディテクタおよび前記光源に対して間隔を置くことを特徴とする構造。
【請求項２】
前記第１および第２の対のそれぞれのＩ／Ｏポートが、双曲線レンズであることを特徴とする請求項１記載の構造。
【請求項３】
前記光学部材が、ユニットとして成形されたプラスチック装置であることを特徴とする請求項１又は２に記載の構造。
【請求項４】
前記光学部材が、ほぼ透明なブロックであり、および、前記反射鏡のそれぞれが、前記ブロックの内部全反射面（ＴＩＲ）であるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の構造。
【請求項５】
前記光源が、レーザ光源および発光ダイオードのいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の構造。
【請求項６】
前記光ディテクタが、表面に取り付けられたフォトダイオードであることを特徴とする請求項１又は２に記載の構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には、光学繊維機器を用いて信号を接続するシステムに関し、より詳細には、光学繊維と光信号を発生あるいは検出する装置との間に信号を接続するシステムであって、繊維を基板に取り付けられた装置に接続する光学繊維レンズシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信アプリケーションにおいて、高密度のパッケージが重要な問題点である。これは、通信が電気信号の伝送に基づいているかあるいは光信号の伝送に基づいているかどうかによる。製造コストも付随して問題になる。光学繊維ベースのローカルエリヤネットワーク（ＬＡＮ）ハブあるいは類似するシステムのプリント回路板（ＰＣＢ）に沿って配置できる光学繊維モジュールの密度は、システムのチャンネル当りのコストに大きな影響を与える。
【０００３】
小型の光学繊維モジュールが、高密度の送受信チャンネルを可能にする。このようなモジュールは、送信繊維への光源の接続を可能にするとともに受信繊維へのディテクタの接続を可能にする。
図１は、光学繊維１０および１２を図示せぬＰＣＢに取り付けられた一対の固体装置１４および１６に接続している周知の構成を示すものである。光学繊維は、コネクタ１８に埋め込まれている。標準化されたＭＴ−ＲＪ繊維対についての２本の繊維の中心間距離は、０．７５ｍｍである。例えば、コネクタは、Ｍｉｎｉ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ−ｔｒａｎｓｆｅｒｒａｂｌｅ  ＰｕｓｈＯｎ（Ｍｉｎｉ−ＭＰＯ）コネクタ型である。送受信チャンネルの送信機の密度は、装置パッケージの必要な大きさに従って定められるのが通常である。固体装置は、パッケージ化されて環境保護のためと同様に光学的におよび電気的に送受信信号の絶縁を行なわなければならない。図１に示す例において、装置のパッケージは、従来周知のトランジスタアウトライン（ＴＯ）スタイルの容器である。これらの容器のそれぞれは、プリント回路板にはんだ付けされた一対のリード線２０および２２を備えており、このプリント回路板は、トランスミッタチップ２４およびディテクタチップ２６のためのドライブおよび処理電子回路からなる。このトランスミッタチップは、発光ダイオード（ＬＥＤ）あるいはレーザダイオードである。ディテクタチップ２６は、フォトダイオードであることができる。
【０００４】
図１のＴＯ容器１４および１６は、コネクタ１８がＴＯ容器として同じＰＣＢに取り付けられたメスのコネクタに挿入されるとき、光信号の交換が単一の面に沿って行なわれるように配置されている。送信チャンネルに関して、トランスミッタチップ２４は、ＴＯ容器１４のレンズ２８に導かれる光信号を発生する。容器レンズ２８は、コリメートレンズと協働して反射鏡３２に入射する平行光化された光束を発生させる。第１の反射鏡が光路を第２の反射鏡３４に再び導いて送信繊維１０に整合する光路に再び導くようにする。レンズ３６が、信号を整合された繊維１０に焦点調節する。
【０００５】
受信チャンネルは送信チャンネルと同様の路をたどるが、反対の方向である。繊維１２からの光は、レンズ３８によって平行光化されて第３の反射鏡４０に入射する。再び導かれた光信号は、第４の反射鏡４２によって再び導かれる。次いで、光信号はレンズ４４および容器レンズ４６により制御されて受けた信号をディテクタチップ２６に焦点調節する。
【０００６】
図１の構成は、図１におけるＸ軸およびＹ軸のような二つの軸に沿って光束を移動させるものである。これは、コネクタ１８の間隔０．７５ｍｍから例えばより大きな６．２ミリである二つの容器１４および１６間の間隔に二つのチャンネル間の間隔を広げることを可能にする。
【０００７】
光学繊維をＴＯ容器に接続するその他の光学的なカプラが周知である。Ｒｏｂｅｒｔｓに対する米国特許第４，７０１，０１０号は、繊維をディテクタＴＯパッケージあるいはエミッタＴＯパッケージに接続するための反射面を備えた成形されたボディを述べている。スロットが、必要なアプリケーションに応じてダイクロイック反射鏡、あるいは、ビームスプリッタのようなフィルタの挿入を可能にするようにボディ内に延びている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のシステムはそれらの目的に応じて作動しているが、光学的な性能に支障をきたさないようにして製造コストを下げることができるシステムが求められている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
光学繊維を光学装置に接続するシステムは、Ｘ、ＹおよびＺ方向に直交する方向に伝播を行なうように協働するレンズおよび反射鏡からなり、これらの装置は、繊維間よりも大きな中心間距離を備えるとともに繊維の軸に直交する軸を備えるように取りつけることができる。好ましい実施例においては、光学装置は、プリント回路板に表面取り付けされるである光ディテクタおよび光トランスミッタからなり、他方で、レンズおよび反射鏡が、プリント回路板の面にやはり取り付けられたユニット的な光学部材を形成する。ディテクタおよびトランスミッタの表面取り付けを可能にすることにより、製造コストが低減される。その上、この表面取りつけは、ディテクタおよびトランスミッタを位置決めするために必要な回路板の実際の大きさを少なくする可能性を備えている。
【００１０】
光学部材は、透明なプラスチック材料から製造され、互いに鏡像関係にあるが、反対方向に導かれる一対の光伝播路からなる。「透明な」の用語は、光信号の伝送における低損失に特徴付けられるものとして定義される。第１の対の入力／出力レンズが、光学部材の一つの面に配置されている。入力／出力レンズは、双曲線レンズにして、従って、光束の平行化を行なうものであることが好ましい。送信光学繊維および受信光学繊維に整合されるのがこの第１の対の入力／出力レンズである。これらのレンズは、第１の対の反射鏡に整合される軸を備えている。反射鏡は光信号を反射するための内部全反射（ＴＩＲ）面を備えている。好ましい実施例においては、ＴＩＲ面は、関連するレンズの軸に対して４５度をなしている。反射鏡のそれぞれは、第２の反射鏡に整合され、この第２の反射鏡は、第１の対の入力／出力レンズを備える面に対して直交する面上の第２の対の入力／出力レンズに対して直交している。再び、入力／出力レンズは、双曲線レンズであることが好ましい。
【００１１】
第１の面において、光学部材は、密接して配置された２重の繊維および第１の対のレンズ間の精密なレジストレーションを確保するための整合ピンあるいはそれぞれに等価の構造を持っている。伝播路の他端においては、第２の対のレンズが、フォトディテクタあるいは光源に整合している。例えば、フォトディテクタは、フォトダイオードで構成でき、および、光源は、ＬＥＤあるいはレーザダイオードで構成できる。フォトダイオードおよび光源は、ＰＣＢ上に表面取り付けされる。
【００１２】
送信路に関して、信号は、レンズの一つに整合されている光源によって発生させられる。光源からの光束は、第１のＴＩＲ面に伝播させるためにレンズによって平行光化される。第１のレンズおよび第１のＴＩＲ面間の距離は、送信伝播路の基板対向セグメントを構成している。第１のＴＩＲ面は、光束を第２のＴＩＲ面に再び導く。二つのＴＩＲ面の間の中間路セグメントは、基板対向セグメントに直交し、および、光源が取り付けられているＰＣＢに平行している。第２のＴＩＲ面は、繊維対向セグメントに沿って光束を送信繊維に焦点調節する双曲線レンズに反射する。
【００１３】
受信チャンネルに関して、受信繊維は、受信伝播路の繊維対向セグメントを構成している軸を備えた双曲線レンズに光信号を導く。光束はレンズにより平行光化され、および、ＴＩＲ面によって光路の中間セグメントに反射される。光束は、再び、双曲線レンズに整合している基板対向セグメントに反射されて、この双曲線レンズは、光束をフォトディテクタに焦点調節する。
【００１４】
この発明の利点は、フォトディテクタおよび光源がＰＣＢに直接取り付けられていることにある。この二つの装置は、フォトディテクタのための処理電子回路および光源のための駆動電子回路からなる金メッキされたＰＣＢに銀あるいは金エポキシを用いて機械的にあるいは電気的に取り付けられる。この発明の利点は、フォトディテクタおよび光源の取り付けが従来周知のＴＯ容器に関連するパッケージよりも安価にできることにある。その上、表面取りつけは、装置が別々にＴＯ容器に取り付けられるときに比してより密接して取り付けられることを装置に可能にする。この発明により構成された光学部材に対して、基板対向する双曲線レンズ間の間隔は、光学部材を通過する伝播路の中間セグメントによって定められる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図２に関して、光学部材４８は、プリント回路板（ＰＣＢ）５０の表面に取り付けられているように示されている。ＰＣＢはまた、表面取り付けの光源および表面取り付けのフォトディテクタからなる。表面取り付けの電子装置５２のみが、図２の側面図に示されている。集積回路チップ５４および５６は、光源のための駆動回路と、フォトディテクタのための処理回路とを示すものである。このような回路は、従来周知である。
【００１６】
光学部材４８は、繊維光学モジュール光学系であって、送受信伝播路が、三つのセグメントからなり、それぞれのセグメントが、その他のセグメントに対して直交している。送信伝播路において、光源（例えば装置５２）からの光束が、Ｙ軸に沿って上方に、Ｚ軸に沿って内方に、および、次いで、Ｘ軸に沿って前方に導かれる。他方で、受信伝播路は、Ｘ軸に沿って後方に、Ｚ軸に沿って外方に、および、次いで、Ｙ軸に沿って下方にフォトディテクタ（例えば装置５２）に導かれる。
【００１７】
伝播路のそれぞれは、入射および射出双曲線平行化および焦点調節レンズからなる。それぞれの路はまた、４５度の反射鏡により直角に屈曲を行う一対のＴＩＲ面を備えている。二つの反射鏡間における中間路セグメントの長さは、光源およびフォトディテクタの間の中心間間隔を決定する。すなわち、中間路セグメントの長さは、伝播路の基板整合路セグメント間の間隔を決定する。繊維整合路セグメントは、Ｘ軸に沿って導かれる。繊維整合路セグメント間の距離は、マッチングさせられる光学繊維コネクタの繊維間距離によって決定される。好ましい実施例においては、光学部材４８は、標準化されたＭＴ−ＲＪ繊維対にマッチングさせられるように設計されている。ＭＴ−ＲＪ標準によれば、間隔は０．７５ｍｍである。他方、光源およびフォトディテクタの分離は、６．２ｍｍにできる。従って、この実施例において、中間路セグメントは、長さにおいてそれぞれ２．７２５ｍｍとなる（例えば、（６．２ｍｍ−０．７５ｍｍ）／２）．
【００１８】
光源は、ＬＥＤ、あるいは、レーザダイオードなどの光学的なトランスミッタである。光源は、通信のためのデータ信号を発生させるためにパルス化される。フォトディテクタは、光信号を対応する電気信号に変換するフォトダイオードあるいはその他の装置からなることができる。
【００１９】
好ましい実施例において、光学部材４８は、４面のレンズおよび４ＴＩＲ面を備えるような形状にされたユニット的に成形された部材である。反射鏡は「内部全反射」面であるとして記述されているが、いくらかの望ましくない散乱損失が、それぞれの面に生じている。
【００２０】
図３は、光学部材４８の正面図である。成形されたプラスチック部材は、中心から等距離に配置された２個の整合ピン５８および６０を備えている。これらの整合ピンは、繊維保持フェルールに直接接触できてフェルールとの繰り返し可能な接続を可能にし、あるいは、繊維保持フェルールとの繰り返し可能な接続を可能にするために用いられる精密な金属板（図６における板６２）を適正に位置決めするように用いられる。レンズ６４は、トランスミッタチャンネルの出口であり、他方、別のレンズ６６は、受信チャンネルの出口である。好ましい実施例において、レンズは、双曲線レンズである。トランスミッタチャンネルに対して、双曲線レンズ６４は、光束を整合させられた光学繊維に焦点調節する。受信チャンネルにおいて、双曲線レンズ６６は、整合させられた受信光学繊維から光学部材４８に導かれる光束を平行光化する。
【００２１】
図４は、光学部材４８の上面図であり、また、図５は、図３における５−５線に沿って見た上面図である。光学部材は、平面の上方部分６８および上方部分に対して４５度の角度をなす傾斜部分７０および７２からなる。この傾斜部分の形状は、図８および図９の背面図においてさらに明瞭に示されている。以下に説明されるように、傾斜部分は、送信光束および受信光束をＸ方向およびＺ方向間に反射するＴＩＲ面として機能する。
【００２２】
図５の上方断面図において最も良く示されているように、２個の傾斜部分７０および７２間の光学部分４８の固体部分は、２個のＴＩＲ面７４および７６を形成するＶ型の切り欠きからなる。これらの面は、Ｚ方向における伝播およびＸ方向における伝播の間に送受信光束を反射する。図５にさらに示されているのは、送信繊維７８および受信繊維８０である。送信繊維７８の軸は、双曲線焦点調節レンズ８２に整合している。受信繊維８０は、双曲線コリメートレンズ８４に整合する光軸を備える。受信繊維８０から射出する光信号は、双曲線焦点調節レンズ８２において光学部材４８に入る。光束は、ＴＩＲ面７６によってＺ方向からＸ方向に反射される。光束は、次いで、傾斜部分７２によって形成されているＴＩＲ面によってＸ方向からＹ方向に反射される。
【００２３】
送信繊維７８までの光信号の伝播路は、受信路の鏡像である反対方向の路に従う。すなわち、Ｙ軸に沿った上方に導かれる光信号は、傾斜部分７０によって形成されるＴＩＲ面によってＸ方向に反射される。再び導かれた光束は、ＴＩＲ面７４によってＺ方向に導かれる。光束は、双曲線焦点調節レンズ８２を介して射出し、次いで、送信繊維７８に焦点調節される。
【００２４】
送受信伝播路の部分が、図６に示されている。簡単に上述したように、光学部材４８の整合ピン５８および６０は、ピン受け入れ孔８５および８７を備えている精密な金属板６２を位置決めするために用いられる。板６２は、第２の対の整合ピン８９および９１を備えている。送受信繊維７８および８０は、精密な金属板の２個の整合ピン８９および９１間の間隔にマッチングする中心間間隔を備えた孔８８および９０からなるフェルール８６に埋め込まれている。このフェルールが板に取り付けられるとき、これらの孔８８および９０は、整合ピン８９および９１を受け入れ、繊維７８および８０の双曲線レンズ８２および８４の軸に対する適正な位置決めを保証する。図６に示されているように、光束が受信繊維８０から射出されたとき、光束は、コリメートレンズ８４に近づくにつれて発散する。レンズは、光エネルギを平行光化し、これはＴＩＲ面７６から傾斜部分７２のＴＩＲ面に反射される。弧９２は、構造的な特徴ではない。その代わり、この弧は、光束をＹ方向に導くＴＩＲ面への受信光束の衝突を示している傾斜部分７２の一部分である。同様の弧９４が、送信光束のために示されている。送信光束は、上方方向から内部方向に傾斜部分７０のＴＩＲ面によって反射され、および、内部方向からＺ方向にＴＩＲ面７４によって反射される。光束は、双曲線レンズ８２によって送信繊維７８に焦点調節される。
【００２５】
図６において、双曲線レンズ８２、８４および、ＴＩＲ面７４、７６は、以後、「繊維整合セグメント」と呼ばれる。これらのセグメントは、Ｚ方向に延びている。ＴＩＲ面７４および７６から傾斜部分７０および７２のＴＩＲ面へ延びるセグメントは、「中間セグメント」と呼ばれる。これらのセグメントは、Ｘ方向に伝播し、および、光源とフォトディテクタ間においてＰＣＢレベルで中心間距離を決定する。傾斜部分７０および７２からフォトディテクタおよび光源までのセグメントは、「基板対向セグメント」と呼ばれる。これらのセグメントは、Ｙ方向に延びている。
【００２６】
図７において、光学部材４８の底面図は、光源およびフォトディテクタに整合する双曲線レンズ９６および９８を示している。上述したように、レンズ９６および９８間の中心間距離は、６．２ｍｍである。レンズ９６は、光源から光学部材内部に光信号を導くコリメートレンズである。
【００２７】
成形された部材は、光源およびフォトディテクタのための区画を分離している壁１００からなる。電子装置のために別個の区画１０２および１０４を設けることによって、トランスミッタ側作動および受信側作動の光学的分離および電気的分離が、補強される。二つの区画１０２および１０４は、図９においてよりはっきりと示されている。図９は図７の９−９線に沿って見た断面図であるが、光学部材４８に関しては、直立した状態が示されており、および、ＰＣＢ５０に対して取り付けられている。さらにＰＣＢに取り付けられているのは、光源１０６およびフォトディテクタ１０８である。
【００２８】
図９において光学部材４８を貫通している断面線は、４５度のＴＩＲ面７４および７６を定めているＶ型の「入口」の明瞭な説明を行なっている（完全な「入口」は図８に示されている）。動作に際して、光源１０６によって発生された光信号は、双曲線レンズ９６に到達して平行光束とされる。平行光束にされた光束は、傾斜部分７０のＴＩＲ面に衝突するまでＹ方向に伝播する。光束は、次いで、Ｘ方向への伝播のために直角に反射される。ＴＩＲ面７４からの反射は、光束の伝播を図６に示す双曲線レンズ８２に整合させる。レンズ８２は、光束を送信繊維７８に焦点調節する。
【００２９】
再び図６および図９を参照して、受信繊維８０からの光信号は、光束を双曲線コリメートレンズ８４に導く。平行光化された光束は、Ｚ方向からＸ方向にＴＩＲ面７６によって反射される。光束は再び、傾斜部分７２のＴＩＲ面によって導かれる。この第２の反射は、双曲線レンズ９８に向かうＹ方向における下方への伝播のために光束を位置決めする。光束は、レンズ９８によってフォトディテクタ１０８に焦点調節される。
【００３０】
【発明の効果】
上述したように、本発明の利点は、フォトディテクタ１０８および光源１０６がＰＣＢ５０に直接取り付けられていることにある。これらの装置は、金メッキされたＰＣＢに銀エポキシを用いて機械的にあるいは電気的に表面取り付けをされる。その結果、フォトディテクタおよび光源を収容するために従来周知のＴＯ容器を用いて達成される構成に比べてよりコスト的に効率的な構成を得ることができるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】光学繊維を光発生および光検出装置に接続するための従来技術の構成図である。
【図２】この発明による繊維に対する光学的な接続を提供する表面取り付けされた光学部材および表面取り付けされた電子装置の側面図である。
【図３】図２の光学部材の正面図である。
【図４】図３に示す光学部材の上面図である。
【図５】図３の５−５線に沿って見た図３の光学部材の上方断面図である。
【図６】繊維保持フェルールに接続された図５の光学部材の上面図である。
【図７】図２の光学部材の底面図である。
【図８】図７の光学部材の背面図である。
【図９】図７の９−９線に沿って見た光学部材の背面図である。
【符号の説明】
４８  透明な光学部材
７０、７２  第２の対の反射鏡
７４、７６  第１の対の反射鏡
７８、８０  光学繊維
８２、８４  第１の対の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポート
９６、９８  第２の対の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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