(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一芯双方向光通信回線における通信回線となる光ファイバに接続され、送信する第１の光信号を前記光ファイバに入射させると共に前記光ファイバを介して送られてくる第２の光信号を受信する光送受信装置であって、
前記第１の光信号を出射するための発光素子と、
前記第２の光信号を受光するための受光素子と、
前記発光素子より出射される第１の光信号を集光して前記光ファイバの端面に入射させ且つ前記光ファイバの端面より出射される第２の光信号を集光して前記受光素子に導く光学系とを備え、
前記光学系は、前記発光素子より出射される第１の光信号の光路と前記受光素子に入射する第２の光信号の光路とを分離すると共に、主に第１の光信号が入射し、他の領域に比べて第１の光信号に対する通過率が大きい第１の領域と、主に第２の光信号が入射し、他の領域に比べて第２の光信号に対する通過率が大きい第２の領域とを有する分離手段を含み、
前記分離手段に対する入射時において第２の光信号の光径は第１の光信号の光径よりも大きく、前記分離手段は、前記分離手段に対する第１の光信号の入射位置および入射光径に対応して設けられて前記発光素子より出射される第１の光信号を前記光ファイバに導く光学素子を有し、
前記光学素子は、円柱をその中心軸に交差する面で切断して斜面が形成された形状のプリズムをなしており、かつ斜面が前記発光素子側を向くように配置され、
この光学素子によって前記第１の領域が形成され、前記光学素子の周囲が前記第２の領域となっている
ことを特徴とする光送受信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを用いた一芯双方向光通信回線に用いられる光送受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを用いた双方向光通信の方式として、１本の光ファイバを用いて双方向の光信号の伝送を行う一芯双方向光通信回線方式がある。一芯双方向光通信回線では、２つの光送受信装置間が１本の光ファイバで接続される。一芯双方向光通信回線における光送受信装置としては、図１２および図１３に示すようなものが考えられている。図１２は光送受信装置の一例の要部を示す側面図、図１３は図１２に示した光送受信装置の要部の斜視図である。この光送受信装置は、例えばシリコン半導体やガリウムヒ素半導体からなり、上面部に受光素子としてのフォトダイオード１０２が形成された半導体基板１０１と、この半導体基板１０１上に接合されたプリズム１０３と、半導体基板１０１上に接合された直方体形状の半導体素子１０４と、この半導体素子１０４上に接合された発光素子としてのレーザダイオード１０５と、レーザダイオード１０５から出射され、他の光送受信装置に対して送信するための第１の光信号Ｌ１  を、通信回線となる光ファイバ１０６の端面に入射させると共に、光ファイバ１０６を介して他の光送受信装置から送られ、光ファイバ１０６の端面より出射される第２の光信号Ｌ２  を集光してフォトダイオード１０２に導くためのレンズ１０７とを備えている。
【０００３】
プリズム１０３は、半導体基板１０１上において、フォトダイオード１０２の上に配置されている。半導体素子１０４は、プリズム１０３の側方に配置され、レーザダイオード１０５は、プリズム１０３側に向けて第１の光信号Ｌ１  を出射するように配置されている。プリズム１０３は、レーザダイオード１０５に対向する側に、例えば半導体基板１０１の上面に対して４５°をなす斜面が形成され、この斜面にハーフミラー面１０３ａが形成されている。なお、光ファイバ１０６としては、例えば大口径のプラスチック光ファイバが用いられる。
【０００４】
このように構成された光送受信装置では、図示しない駆動回路によってレーザダイオード１０５が駆動されて、このレーザダイオード１０５より第１の光信号Ｌ１  が出射される。この第１の光信号Ｌ１  は、例えば開口数０．１でプリズム１０３のハーフミラー面１０３ａに入射し、ここで例えば光量の略５０％が反射され、レンズ１０７に入射する。この第１光信号Ｌ１  は、レンズ１０７で集光され、例えば開口数０．１で光ファイバ１０６に入射する。なお、レーザダイオード１０５から出射する際の第１の光信号Ｌ１  の開口数は、レーザダイオード１０５によって決まる。
【０００５】
一方、光ファイバ１０６を介して他の光送受信装置から送られてきた第２の光信号Ｌ２  は、例えば開口数０．３で光ファイバ１０６より出射される。この第２の光信号Ｌ２  は、レンズ１０７で例えば開口数０．３となるように集光され、プリズム１０３のハーフミラー面１０３ａに入射し、例えば光量の略５０％が透過して、フォトダイオード１０２に入射し、このフォトダイオード１０２によって電気信号に変換される。なお、光ファイバ１０６から出射する際の第２の光信号Ｌ２  の開口数は、光ファイバ１０６によって決まる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１２および図１３に示した光送受信装置では、ハーフミラー面１０３ａにおいて、第１の光信号Ｌ１  ，第２の光信号Ｌ２  それぞれについて光量が略５０％ずつ損失するため、光送受信装置における光出力の効率が悪いという問題点がある。
【０００７】
また、第１の光信号Ｌ１  に関しては、レーザダイオードは発光量が大きいほど動作寿命が短くなるため、単にレーザダイオード１０５の発光量を倍加して第１の光信号Ｌ１  の光量の損失を補うようにすると、レーザダイオード１０５の信頼性が低下してしまうという問題点がある。
【０００８】
また、第２の光信号Ｌ２  に関しては、フォトダイオードは光感度が大きいほど動作速度が遅くなるため、単にフォトダイオード１０２の光感度を倍加して第２の光信号Ｌ２  の光量の損失を補うようにすると、フォトダイオード１０２の信頼性が低下してしまうという問題点がある。
【０００９】
また、光ファイバ１０６による通信回線に関しては、光信号の光量の損失により、光信号の伝送可能距離が短小化するので、光信号の伝送距離の保証を含む高信頼性の確保が困難になるという問題点がある。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、光出力の効率を向上させることによって、高信頼性の確保を可能とした光送受信装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光送受信装置は、一芯双方向光通信回線における通信回線となる光ファイバに接続され、送信する第１の光信号を光ファイバに入射させると共に光ファイバを介して送られてくる第２の光信号を受信する光送受信装置であって、第１の光信号を出射するための発光素子と、第２の光信号を受光するための受光素子と、発光素子より出射される第１の光信号を集光して光ファイバの端面に入射させ且つ光ファイバの端面より出射される第２の光信号を集光して受光素子に導く光学系とを備え、光学系が、発光素子より出射される第１の光信号の光路と受光素子に入射する第２の光信号の光路とを分離すると共に、主に第１の光信号が入射し、他の領域に比べて第１の光信号に対する通過率が大きい第１の領域と、主に第２の光信号が入射し、他の領域に比べて第２の光信号に対する通過率が大きい第２の領域とを有する分離手段を含むものである。
ここで、分離手段に対する入射時において第２の光信号の光径は第１の光信号の光径よりも大きく、分離手段は、分離手段に対する第１の光信号の入射位置および入射光径に対応して設けられて発光素子より出射される第１の光信号を光ファイバに導く光学素子を有しているものである。この光学素子は、円柱をその中心軸に交差する面で切断して斜面が形成された形状のプリズムをなしており、かつ斜面が発光素子側を向くように配置され、この光学素子によって第１の領域が形成され、光学素子の周囲が第２の領域となっているものである。
【００１２】
この光送受信装置では、発光素子より出射された第１の光信号は、光学系によって集光されて光ファイバの端面に入射する。また、光ファイバを介して送られてくる第２の光信号は、光学系によって集光されて受光素子に導かれ、受光素子によって受光される。ここで、光学系内の分離手段は、発光素子より出射される第１の光信号の光路と受光素子に入射する第２の光信号の光路とを分離すると共に、主に第１の光信号が入射し、他の領域に比べて第１の光信号に対する通過率が大きい第１の領域と、主に第２の光信号が入射し、他の領域に比べて第２の光信号に対する通過率が大きい第２の領域とを有するので、第１の光信号は第１の領域を通過することで光量の損失が抑えられ、第２の光信号は第２の領域を通過することで光量の損失が抑えられる。なお、本発明において、通過とは反射，透過，屈折，回折等のいずれの場合をも含む。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る光送受信装置の構成を示す断面図、図２は図１に示した光送受信装置の要部の斜視図である。本実施の形態に係る光送受信装置は、大口径のプラスチックファイバを通信回線とした宅内・構内通信網等に用いるのに好適なものである。この光送受信装置は、ハウジング１１を備え、このハウジング１１にはコネクタ部１２が設けられている。このコネクタ部１２には、一芯双方向光通信回線における通信回線となる光ファイバ１の端部に設けられたコネクタ２が着脱自在に接続されるようになっている。なお、光ファイバ１としては、例えば大口径のプラスチック光ファイバが用いられる。
【００１４】
ハウジング１１内には、例えばシリコン半導体やガリウムヒ素半導体からなる半導体基板２１と、この半導体基板２１の上面部に形成された受光素子としてのフォトダイオード２２と、半導体基板２１上に接合された分離手段としてのプリズム２３と、半導体基板２１上に接合された直方体形状の半導体素子２４と、この半導体素子２４上に接合された発光素子としてのレーザダイオード２５と、レーザダイオード２５から出射され、他の光送受信装置に対して送信するための第１の光信号Ｌ１  を光ファイバ１の端面に入射させると共に、光ファイバ１を介して他の光送受信装置から送られ、光ファイバ１の端面より出射される第２の光信号Ｌ２  を集光してフォトダイオード２２に導くためのレンズ２７とが設けられている。レンズ２７は、第１の光信号Ｌ１  および第２の光信号Ｌ２  と光ファイバ１とを最適に結合するようになっている。
【００１５】
プリズム２３は、半導体基板２１上において、フォトダイオード２２の上に配置されている。半導体素子２４は、プリズム２３の側方に配置され、レーザダイオード２５は、プリズム２３側に向けて第１の光信号Ｌ１  を出射するように配置されている。プリズム２３は、レーザダイオード２５に対向する側に、例えば半導体基板２１の上面に対して４５°をなす斜面が形成され、この斜面に、レーザダイオード２５より出射された第１の光信号Ｌ１  とレンズ２７通過後の第２の光信号Ｌ２  とが入射するようになっている。
【００１６】
本実施の形態に係る光送受信装置は、プリズム２３の斜面に対する入射時において第２の光信号Ｌ２  の光径は第１の光信号Ｌ１  の光径よりも大きく、プリズム２３の斜面上には、第１の光信号Ｌ１  の入射位置に、第１の光信号Ｌ１  の入射光径に対応した大きさのミラー面２３ａが設けられている。ミラー面２３ａは、入射光量のほとんどを反射するようになっている。プリズム２３の斜面上において、ミラー面２３ａ以外の部分は、ミラー面２３ａの周囲に囲うように形成された透過面２３ｂになっている。透過面２３ｂは、入射光量のほとんどを透過するようになっている。
【００１７】
ハウジング１１内の上記各構成部材は、パッケージ１３によって一体化されている。すなわち、半導体基板２１はパッケージ１３内の底部に固着され、レンズ２７はパッケージ１３の上面部に取り付けられている。パッケージ１３は、ハウジング１１の内面に対して固定されている。
【００１８】
次に、本実施の形態に係る光送受信装置の作用について説明する。レーザダイオード２５は、図示しない駆動回路によって駆動されて、第１の光信号Ｌ１  を出射する。この第１の光信号Ｌ１  は、例えば開口数０．１でプリズム２３のミラー面２３ａに入射し、ここで光量のほとんどが反射され、レンズ２７に入射する。この第１光信号Ｌ１  は、レンズ２７によって、例えば開口数０．１で集光され、光ファイバ１の端面に入射する。なお、光ファイバ１の端面位置は、第１光信号Ｌ１  の入射光径が光ファイバ１のコアの径を越えないように設定される。また、レーザダイオード２５から出射する際の第１の光信号Ｌ１  の開口数は、レーザダイオード２５によって決まる。
【００１９】
一方、光ファイバ１を介して他の光送受信装置から送られてきた第２の光信号Ｌ２  は、例えば開口数０．３で光ファイバ１の端面より出射される。この第２の光信号Ｌ２  は、レンズ２７によって例えば開口数０．３で集光されて、プリズム２３の斜面に入射する。このときの第２の光信号Ｌ２  の光径は、プリズム２３の斜面上のミラー面２３ａに比べて大きいので、第２の光信号Ｌ２  の一部（光束の中央部分）はミラー面２３ａによって反射されるが、大部分（光束の外側部分）は透過面２３ｂを透過して、フォトダイオード２２に入射し、このフォトダイオード２２によって電気信号に変換される。なお、光ファイバ１から出射する際の第２の光信号Ｌ２  の開口数は、光ファイバ１によって決まる。
【００２０】
第１の光信号Ｌ１  は、ミラー面２３ａでその光量のほとんどが反射されて光ファイバ１に入射するので、第１の光信号Ｌ１  のミラー面２３ａでの反射損失を５％、光ファイバ１への結合損失を５％とすると、第１の光信号Ｌ１  は、その光量の９５％×９５％≒９０％が光ファイバ１に入射することになる。
【００２１】
一方、第１の光信号Ｌ１  と第２の光信号Ｌ２  の開口数がそれぞれ上述の例の場合、プリズム２３の斜面上における第１の光信号Ｌ１  の開口面積と第２の光信号Ｌ２  の開口面積との比は、１：９（開口数の２乗比）となるので、第２の光信号Ｌ２  のうち、ミラー面２３ａを回避する光量は、（９−１）／９≒８９％となる。第２の光信号Ｌ２  は、光ファイバ１から拡散して、プリズム２３の斜面中央のミラー面２３ａ外に面積比９倍に開口して、プリズム２３の斜面に入射するので、第２の光信号Ｌ２  の光ファイバ１からの結合損失を５％、プリズム２３の透過面２３ｂでの透過損失を５％とすると、第２の光信号Ｌ２  は、その光量の９５％×８９％×９５％≒８０％がフォトダイオード２２に入射することになる。
【００２２】
このように、本実施の形態に係る光送受信装置によれば、第１の光信号Ｌ１  の光量の損失を略１０％以下に抑えることができると共に、第２の光信号Ｌ２  の光量の損失を略２０％以下に抑えることができる。
【００２３】
図１２および図１３に示した光送受信装置では、第１の光信号Ｌ１  の光ファイバへの入射および第２の光信号Ｌ２  のフォトダイオードへの入射は、共に最大で５０％にしかならない。従って、図１２および図１３に示した光送受信装置と比較すると、本実施の形態に係る光送受信装置では、第１の光信号Ｌ１  の光ファイバ１への入射光量は約１．８倍、第２の光信号Ｌ２  のフォトダイオード２２への入射光量は約１．６倍となる。
【００２４】
以上説明したように、本実施の形態に係る光送受信装置によれば、装置内における第１の光信号Ｌ１  の光量の損失を最小とし、且つ第２の光信号Ｌ２  の光量の損失も抑えることができ、第１の光信号Ｌ１  の光ファイバ１への入射光量を最大とし、且つ第２の光信号Ｌ２  のフォトダイオード２２への入射光量を増大することができる。
【００２５】
特に、本実施の形態に係る光送受信装置によれば、レーザダイオード２５から光ファイバ１への第１の光信号Ｌ１  の入射光量を、図１２および図１３に示した光送受信装置と比べて約２倍に増大することができるので、レーザダイオード２５の発光量に対する負担が軽減され、信頼性の確保が容易になる。また、光ファイバ１からフォトダイオード２２への第２の光信号Ｌ２  の入射光量も増大することができるので、フォトダイオード２２の光感度に対する負担が軽減され、信頼性の確保が容易になる。以上のことから、本実施の形態に係る光送受信装置によれば、装置自体の光出力の高効率化が容易になり、光送受信装置の高信頼性の確保が容易になる。更に、光ファイバ１による通信回線に関しては、光信号の伝送可能距離が長大化するので、光信号の伝送距離の保証を含む一芯双方向光通信回線における高信頼性の確保が容易になる。
【００２６】
図３は、本実施の形態に係る光送受信装置の第１の変形例における要部を示す説明図である。図１および図２に示した光送受信装置では、１枚の半導体基板２１上にフォトダイオード２２，プリズム２３およびレーザダイオード２５を集積して、装置の小型化を図っているが、これらの構成部材は、互いに分離されていても良い。図３に示した第１の変形例は、プリズム２３の代わりにプレートガラス３１を設けると共に、フォトダイオード２２，レーザダイオード２５およびプレートガラス３１を一体化せずに分離して設けた例である。なお、フォトダイオード２２，レーザダイオード２５およびプレートガラス３１の位置関係は、図１におけるフォトダイオード２２，レーザダイオード２５およびプリズム２３の斜面の位置関係と同様である。プレートガラス３１上には、第１の光信号Ｌ１  の入射位置に、第１の光信号Ｌ１  の入射光径に対応した大きさのミラー面３２が設けられている。プレートガラス３１において、ミラー面３２以外の部分は透過面となっている。この第１の変形例における作用は、第１の実施の形態と同様である。
【００２７】
図４は、本実施の形態に係る光送受信装置の第２の変形例における要部を示す説明図である。この第２の変形例は、第１の変形例におけるフォトダイオード２２とレーザダイオード２５の位置を入れ替えた例である。この第２の変形例では、プレートガラス３１上において、第１の光信号Ｌ１  が入射する部分を除いてミラー面３３が設けられ、第１の光信号Ｌ１  が入射する部分は透過面になっている。この第２の変形例では、レーザダイオード２５から出射された第１の光信号Ｌ１  は、プレートガラス３１における透過面を透過してレンズ２７に入射し、第２の光信号Ｌ２  は、その大部分（光束の外側部分）がプレートガラス３１上のミラー面３３で反射されてフォトダイオード２２に入射する。
【００２８】
図５は本発明の第２の実施の形態に係る光送受信装置の構成を示す断面図である。本実施の形態に係る光送受信装置では、レンズ２７は、第１の光信号Ｌ１  を、光ファイバ１の端面の手前の所定位置で一旦収束させた後、光ファイバ１の端面に入射させるようになっている。更に、本実施の形態に係る光送受信装置では、第１の光信号Ｌ１  が収束される位置に配置され、第２の光信号Ｌ２  の見かけの出射位置を光ファイバ１の端面位置よりもレンズ２７に対して遠ざけるレンズ２８が設けられている。レンズ２８は、レンズ２７を囲うようにパッケージ１３の上面部に固着されたレンズ支持枠１４によって支持されている。第２の光信号Ｌ２  は、プリズム２３の斜面近傍で収束するように、レンズ２８およびレンズ２７により集光されるようになっている。また、レンズ２７およびレンズ２８は、第１の光信号Ｌ１  および第２の光信号Ｌ２  と光ファイバ１とを最適に結合するようになっている。
【００２９】
本実施の形態に係る光送受信装置では、プリズム２３の斜面に対する入射時において第１の光信号Ｌ１  の光径は第２の光信号Ｌ２  の光径よりも大きく、プリズム２３の斜面上には、第２の光信号Ｌ２  の入射位置に、第２の光信号Ｌ２  の入射光径に対応した大きさの透過面２３ｃが形成されている。透過面２３ｃは、入射光量のほとんどを透過するようになっている。プリズム２３の斜面上における透過面２３ｃ以外の部分には、透過面２３ｃの周囲を囲うようにミラー面２３ｄが設けられている。ミラー面２３ｄは、入射光量のほとんどを反射するようになっている。
【００３０】
本実施の形態に係る光送受信装置では、レーザダイオード２５より出射された第１の光信号Ｌ１  は、例えば開口数０．１でプリズム２３の斜面に入射し、一部（光束の中央部分）は透過面２３ｃを透過するが、大部分（光束の外側部分）はミラー面２３ｄによって光量のほとんどが反射され、レンズ２７に入射する。この第１光信号Ｌ１  は、レンズ２７によって、例えば開口数０．１で集光され、光ファイバ１の端面の手前の所定位置、すなわちレンズ２８の中心位置で一旦収束した後、光ファイバ１の端面に入射する。なお、光ファイバ１の端面位置は、第１光信号Ｌ１  の入射光径が光ファイバ１のコアの径を越えないように設定される。
【００３１】
一方、光ファイバ１より出射された第２の光信号Ｌ２  は、まずレンズ２８によって集光され、更にレンズ２７によってプリズム２３の斜面近傍で収束するように集光されて、プリズム２３の斜面に入射し、その光量のほとんどが透過面２３ｃを透過して、フォトダイオード２２に入射し、このフォトダイオード２２によって電気信号に変換される。
【００３２】
ここで、第２の光信号Ｌ２  が、レンズ２８およびレンズ２７によって、プリズム２３の斜面近傍で収束するように集光されることについて説明する。本実施の形態に係る光送受信装置では、第１の光信号Ｌ１  の出射位置であるレーザダイオード２５の位置と、第１の光信号Ｌ１  の収束位置であるレンズ２８の位置は、レンズ２７に対して対象な位置関係にある。すなわち、レーザダイオード２５の位置をレンズ２７に対する物点、レンズ２８の位置をレンズ２７に対する像点とすると、レンズ２７の中心から物点までの距離とレンズ２７の中心から像点までの距離は等しくなっている。従って、第１の光信号Ｌ１  のレンズ２７入射前後の開口数は、共に例えば０．１であり、等しくなっている。一方、第２の光信号Ｌ２  の出射位置である光ファイバ１の端面の位置は、第１の光信号Ｌ１  の収束位置であるレンズ２８の位置よりもレンズ２７に対して若干遠くなっている。更に、レンズ２８の作用により、第２の光信号Ｌ２  の見かけの出射位置は、光ファイバ１の端面位置よりもレンズ２７に対して遠ざけられている。従って、第２の光信号Ｌ２  の見かけの出射位置をレンズ２７に対する物点、レンズ２７通過後の第２の光信号Ｌ２  の収束位置を像点とすると、レンズ２７の中心から像点までの距離は、レンズ２７の中心から物点までの距離よりも短くなり、光ファイバ１より開口数０．３で出射された第２の光信号Ｌ２  は、レンズ２７によって開口数０．３＋α（αは正の数）で集光されることになる。ここで、αは、第２の光信号Ｌ２  の見かけの出射位置がレンズ２７に対して遠ざけられていることによる効果分である。その結果、プリズム２３の斜面上における第２の光信号Ｌ２  の光径は、図７および図８に示した光送受信装置に比べて極めて小さくなる。
【００３３】
例えばα＝０．１５とし、プリズム２３の斜面上における第１の光信号Ｌ１  の開口面積と第２の光信号Ｌ２  の開口面積との比を、９：１とすると、第１の光信号Ｌ１  のうち、ミラー面２３ｄで反射される光量は、（９−１）／９≒８９％となる。つまり、第１の光信号Ｌ１  は、レーザダイオード２５から拡散して、プリズム２３の斜面中央の透過面２３ｃ外に面積比９倍に開口して、ミラー面２３ｄに入射するので、ミラー面２３ｄでの反射損失を５％とすると、第１の光信号Ｌ１  は、その光量の８９％×９５％≒８５％がミラー面２３ｄで反射してレンズ２７に向かうことになる。更に、第１の光信号Ｌ１  は、レンズ２７で集光され、レンズ２８の中心位置で収束してレンズ２８を通過するので、レンズ２８の中心部分はほとんど平坦であるとみなすと、第１の光信号Ｌ１  は、そのままレンズ２８を通過することになり、第１の光信号Ｌ１  の光ファイバ１への結合損失を５％とすると、第１の光信号Ｌ１  は、その光量の８５％×９５％≒８０％が光ファイバ１に入射することになる。なお、レンズ２８の中心部分を平坦に加工するか、レンズ２８の中心部分に微小な孔をあければ、レンズ２８の第１の光信号Ｌ１  に与える影響を完全を除去することができる。
【００３４】
一方、第２の光信号Ｌ２  は、光ファイバ１から拡散して、レンズ２８に入射し、更にレンズ２７によって開口数０．４５で集光されて、プリズム２３の透過面２３ｃへ入射するので、第２の光信号Ｌ２  の光ファイバ１からの結合損失を５％、プリズム２３の透過面２３ｃでの透過損失を５％とすると、第２の光信号Ｌ２  は、その光量の９５％×９５％≒９０％がフォトダイオード２２に入射することになる。
【００３５】
このように、本実施の形態に係る光送受信装置によれば、第２の光信号Ｌ２  の光量の損失を略１０％以下に抑えることができると共に、第１の光信号Ｌ１  の光量の損失を略２０％以下に抑えることができる。従って、図１２および図１３に示した光送受信装置と比較すると、本実施の形態に係る光送受信装置では、第２の光信号Ｌ２  のフォトダイオード２２への入射光量は約１．８倍、第１の光信号Ｌ１  の光ファイバ１への入射光量は約１．６倍となる。
【００３６】
以上説明したように、本実施の形態に係る光送受信装置によれば、装置内における第２の光信号Ｌ２  の光量の損失を最小とし、且つ第１の光信号Ｌ１  の光量の損失も抑えることができ、第２の光信号Ｌ２  のフォトダイオード２２への入射光量を最大とし、且つ第１の光信号Ｌ１  の光ファイバ１への入射光量を増大することができる。
【００３７】
特に、本実施の形態に係る光送受信装置によれば、光ファイバ１からフォトダイオード２２への第２の光信号Ｌ２  の入射光量を、図１２および図１３に示した光送受信装置と比べて約２倍に増大することができるので、フォトダイオード２２の光感度に対する負担が軽減され、信頼性の確保が容易になる。また、レーザダイオード２５から光ファイバ１への第１の光信号Ｌ１  の入射光量をも増大することができるので、レーザダイオード２５の発光量に対する負担が軽減され、信頼性の確保が容易になる。本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は第１の実施の形態と同様である。
【００３８】
なお、本実施の形態において、レンズ２８を、第１の光信号Ｌ１  の収束位置よりもレンズ２７側に配置し、レンズ２７およびレンズ２８によって、第１の光信号Ｌ１  を光ファイバ１の端面の手前の所定位置で一旦収束させた後、光ファイバ１の端面に入射させると共に、レンズ２８によって第２の光信号Ｌ２  の見かけの出射位置を光ファイバ１の端面位置よりもレンズ２７に対して遠ざけるようにして、第２の光信号Ｌ２  がプリズム２３の斜面近傍で収束するように構成しても良い。
【００３９】
図７は、本実施の形態に係る光送受信装置の第１の変形例における要部を示す説明図である。図５および図６に示した光送受信装置では、１枚の半導体基板２１上にフォトダイオード２２，プリズム２３およびレーザダイオード２５を集積して、装置の小型化を図っているが、これらの構成部材は、互いに分離されていても良い。図７に示した第１の変形例は、プリズム２３の代わりにプレートガラス３１を設けると共に、フォトダイオード２２，レーザダイオード２５およびプレートガラス３１を一体化せずに分離して設けた例である。なお、フォトダイオード２２，レーザダイオード２５およびプレートガラス３１の位置関係は、図５におけるフォトダイオード２２，レーザダイオード２５およびプリズム２３の斜面の位置関係と同様である。プレートガラス３１上には、第２の光信号Ｌ２  の入射位置に、第２の光信号Ｌ２  の入射光径に対応した大きさの透過面が形成され、他の部分にミラー面３４が設けられている。この第１の変形例における作用は、第２の実施の形態と同様である。
【００４０】
図８は、本実施の形態に係る光送受信装置の第２の変形例における要部を示す説明図である。この第２の変形例は、第１の変形例におけるフォトダイオード２２とレーザダイオード２５の位置を入れ替えた例である。この第２の変形例では、プレートガラス３１上において、第２の光信号Ｌ２  が入射する部分にミラー面３５が設けられ、他の部分は透過面になっている。この第２の変形例では、レーザダイオード２５から出射された第１の光信号Ｌ１  は、その大部分がプレートガラス３１における透過面を透過してレンズ２７に入射し、第２の光信号Ｌ２  は、プレートガラス３１上のミラー面３５で反射されてフォトダイオード２２に入射する。
【００４１】
図９は本発明の第３の実施の形態に係る光送受信装置の構成を示す断面図、図１０は図９に示した光送受信装置の要部の斜視図である。本実施の形態に係る光送受信装置では、ハウジング１１内に、例えばシリコン半導体やガリウムヒ素半導体からなる半導体基板４１と、この半導体基板４１の上面部に形成された受光素子としてのフォトダイオード４２と、半導体基板４１上に接合され、分離手段の一部を構成するプリズム４３と、半導体基板４１上に接合された直方体形状の半導体素子４４と、この半導体素子４４上に接合された発光素子としてのレーザダイオード４５と、レーザダイオード４５から出射され、他の光送受信装置に対して送信するための第１の光信号Ｌ１  を光ファイバ１の端面に入射させると共に、光ファイバ１を介して他の光送受信装置から送られ、光ファイバ１の端面より出射される第２の光信号Ｌ２  を集光してフォトダイオード４２に導くためのレンズ２７と、このレンズ２７のプリズム４３側の面における中央部の近傍に配置され、分離手段の一部を構成するプリズム４６とを備えている。プリズム４６は、円柱をその中心軸に交差する面で切断して斜面が形成された形状をなしており、斜面がレーザダイオード４５側を向くように配置されている。このプリズム４６は、例えば、透明な連結部材４７を介してレンズ２７のプリズム４３側の面における中央部に連結されて固定されている。
【００４２】
プリズム４３は、半導体基板４１上において、フォトダイオード４２の上に配置されている。半導体素子４４は、プリズム４３の側方に配置され、レーザダイオード４５は、プリズム４３側に向けて第１の光信号Ｌ１  を出射するように配置されている。プリズム４３は、レーザダイオード２５に対向する側に、半導体基板４１の上面に対して４５°未満の角度をなす斜面が形成され、この斜面に、レーザダイオード２５より出射された第１の光信号Ｌ１  をプリズム４６の斜面に向けて反射するミラー面４３ａが設けられている。ミラー面４３ａは、入射光量のほとんどを反射するようになっている。なお、プリズム４６は、その斜面が、プリズム４３のミラー面４３ａで反射された第１の光信号Ｌ１  の光径に対応した大きさとなるように形成されている。また、プリズム４３の上面は、半導体基板４１の上面と平行な平面になっており、この上面は、レンズ２７によって集光される第２の光信号Ｌ２  を透過する透過面４３ｂになっている。透過面４３ｂは、入射光量のほとんどを透過するようになっている。
【００４３】
ハウジング１１内の上記各構成部材は、パッケージ１３によって一体化されている。すなわち、半導体基板４１はパッケージ１３内の底部に固着され、レンズ２７はパッケージ１３の上面部に取り付けられている。パッケージ１３は、ハウジング１１の内面に対して固定されている。
【００４４】
次に、本実施の形態に係る光送受信装置の作用について説明する。レーザダイオード４５は、図示しない駆動回路によって駆動されて、第１の光信号Ｌ１  を出射する。この第１の光信号Ｌ１  は、例えば開口数０．１でプリズム４３のミラー面４３ａに入射し、ここで光量のほとんどが反射され、プリズム４６の斜面に入射し、このプリズム４６によって、レンズ２７の光軸と平行なるように光路が曲折されてレンズ２７に入射する。この第１光信号Ｌ１  は、レンズ２７によって、例えば開口数０．１で集光され、光ファイバ１の端面に入射する。なお、光ファイバ１の端面位置は、第１光信号Ｌ１  の入射光径が光ファイバ１のコアの径を越えないように設定される。
【００４５】
一方、光ファイバ１を介して他の光送受信装置から送られてきた第２の光信号Ｌ２  は、例えば開口数０．３で光ファイバ１の端面より出射される。この第２の光信号Ｌ２  は、レンズ２７によって例えば開口数０．３で集光されて、プリズム４６側に出射される。ここで、プリズム４６に対する入射時において第２の光信号Ｌ２  の光径は第１の光信号Ｌ１  の光径よりも大きく、第２の光信号Ｌ２  の一部（光束の中央部分）はプリズム４６によって屈折されるが、大部分（光束の外側部分）はプリズム４６の周囲を通過して、プリズム４３の透過面４３ｂに入射し、プリズム４３を透過して、フォトダイオード４２に入射し、このフォトダイオード４２によって電気信号に変換される。
【００４６】
第１の光信号Ｌ１  は、プリズム４３のミラー面４３ａでその光量のほとんどが反射され、プリズム４６で屈折し、レンズ２７を経て、光ファイバ１に入射するので、第１の光信号Ｌ１  のミラー面４３ａでの反射損失を５％、プリズム４６での屈折および光ファイバ１への結合による損失を５％とすると、第１の光信号Ｌ１  は、その光量の９５％×９５％≒９０％が光ファイバ１に入射することになる。
【００４７】
一方、第１の光信号Ｌ１  と第２の光信号Ｌ２  の開口数がそれぞれ上述の例の場合、プリズム４６通過時における第１の光信号Ｌ１  の開口面積と第２の光信号Ｌ２  の開口面積との比は、１：９（開口数の２乗比）となるので、第２の光信号Ｌ２  のうちプリズム４６を回避する光量は、（９−１）／９≒８９％となる。第２の光信号Ｌ２  は、光ファイバ１から拡散して、プリズム４６外に面積比９倍に開口して、プリズム４３の上面の透過面４３ｂに入射するので、第２の光信号Ｌ２  の光ファイバ１からの結合損失を５％、プリズム４３の透過面４３ｂでの透過損失を５％とし、第２の光信号Ｌ２  の開口面積の１１％がプリズム４６によって遮断されるとすると、第２の光信号Ｌ２  は、その光量の９５％×８９％×９５％≒８０％がフォトダイオード４２に入射することになる。
【００４８】
このように、本実施の形態に係る光送受信装置によれば、第１の光信号Ｌ１  の光量の損失を略１０％以下に抑えることができると共に、第２の光信号Ｌ２  の光量の損失を略２０％以下に抑えることができる。
【００４９】
図１２および図１３に示した光送受信装置では、第１の光信号Ｌ１  の光ファイバへの入射および第２の光信号Ｌ２  のフォトダイオードへの入射は、共に最大で５０％にしかならない。従って、図１２および図１３に示した光送受信装置と比較すると、本実施の形態に係る光送受信装置では、第１の光信号Ｌ１  の光ファイバ１への入射光量は約１．８倍、第２の光信号Ｌ２  のフォトダイオード２２への入射光量は約１．６倍となる。
【００５０】
以上説明したように、本実施の形態に係る光送受信装置によれば、装置内における第１の光信号Ｌ１  の光量の損失を最小とし、且つ第２の光信号Ｌ２  の光量の損失も抑えることができ、第１の光信号Ｌ１  の光ファイバ１への入射光量を最大とし、且つ第２の光信号Ｌ２  のフォトダイオード４２への入射光量を増大することができる。本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。
【００５１】
図１１は、本実施の形態に係る光送受信装置の変形例における要部を示す説明図である。図９および図１０に示した光送受信装置では、１枚の半導体基板４１上にフォトダイオード４２，プリズム４３およびレーザダイオード４５を集積して、装置の小型化を図っているが、これらの構成部材は、互いに分離されていても良い。図１１に示した変形例は、プリズム４３の代わりにミラー５１を設けると共に、フォトダイオード４２，レーザダイオード４５およびミラー５１を一体化せずに分離して設けた例である。なお、フォトダイオード４２，レーザダイオード４５およびミラー５１の位置関係は、図９におけるフォトダイオード４２，レーザダイオード４５およびプリズム４３のミラー面４３ａの位置関係と同様である。この変形例における作用は、第３の実施の形態と同様である。
【００５２】
なお、本実施の形態におけるプリズム４６の代わりに、このプリズム４６と同様の機能を有する回折格子，ホログラム等を設けても良い。また、図９におけるプリズム４３や図１１におけるミラー５１を設けずに、レーザダイオード４５から出射される第１の光信号Ｌ１  を直接、プリズム４６に入射させるようにしても良い。
【００５３】
なお、本発明は上記各実施の形態に限定されず、例えば、発光素子としては、レーザダイオードの代わりに発光ダイオード（ＬＥＤ）等を用いても良い。また、また、本発明は、プラスチック光ファイバ以外の大口径光ファイバを通信回線とした宅外・公衆通信網等、一芯双方向光通信回線全般に適用することができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の光送受信装置によれば、発光素子より出射される第１の光信号の光路と受光素子に入射する第２の光信号の光路とを分離すると共に、主に第１の光信号が入射し、他の領域に比べて第１の光信号に対する通過率が大きい第１の領域と、主に第２の光信号が入射し、他の領域に比べて第２の光信号に対する通過率が大きい第２の領域とを有する分離手段を設けたので、第１の光信号は第１の領域を通過することで光量の損失が抑えられ、第２の光信号は第２の領域を通過することで光量の損失が抑えられる。その結果、光送受信装置における光出力の効率を向上させることができ、また、発光素子の発光量に対する負担および受光素子の光感度に対する負担を軽減でき、光送受信装置の高信頼性の確保が可能となるという効果を奏する。更に、本発明の光送受信装置によれば、光ファイバによる通信回線における光信号の伝送可能距離を長大化することができ、光信号の伝送距離の保証を含む一芯双方向光通信回線における高信頼性の確保が容易になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光送受信装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示した光送受信装置の要部の斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る光送受信装置の第１の変形例における要部を示す説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る光送受信装置の第２の変形例における要部を示す説明図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る光送受信装置の構成を示す断面図である。
【図６】図５に示した光送受信装置の要部の斜視図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る光送受信装置の第１の変形例における要部を示す説明図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る光送受信装置の第２の変形例における要部を示す説明図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る光送受信装置の構成を示す断面図である。
【図１０】図９に示した光送受信装置の要部の斜視図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る光送受信装置の変形例における要部を示す説明図である。
【図１２】光送受信装置の一例の要部を示す側面図である。
【図１３】図１２に示した光送受信装置の要部の斜視図である。
【符号の説明】
１…光ファイバ、２１…半導体基板、２２…フォトダイオード、２３…プリズム、２３ａ…ミラー面、２３ｂ…透過面、２５…レーザダイオード、２７…レンズ、Ｌ１  …第１の光信号、Ｌ２  …第２の光信号
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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