(57)【要約】      （修正有）【課題】組み付けが容易であり、光透過率を高めることができる光学素子を備えた光通信モジュールを提供する。【解決手段】発光素子と受光素子と光ファイバと回折構造が形成された光学素子とで構成された光通信モジュールにおいて、光ファイバの端面の傾き角θを、光学素子の回折角φによって定まる所定値に設定することで、前記光ファイバの軸線の方向を、前記光学素子の光軸に平行とでき、それにより組付性が高まる。【選択図】    図４
2006126263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線直交面に対して傾き角θで傾いている端面を有する光ファイバに対して光を送受する光通信モジュールにおいて、
前記光ファイバの端面から出射される波長λ１の光が入射する受光素子と、
前記光ファイバの端面に入射させるため波長λ２（λ１≠λ２）の光を出射する発光素子と、
前記受光素子及び前記発光素子と、前記光ファイバの端面との間に配置された第１の光学素子と、
前記発光素子と、前記第１の光学素子との間に配置された第２の光学素子と、を有し、
前記第１の光学素子は、前記受光素子及び前記発光素子側に向いた曲面の光学面と、前記光ファイバの端面側に向いた平面の光学面とを有し、
前記平面の光学面には、前記波長λ２の光が通過したときに、０次回折光が最も光量が高くなり、前記波長λ１の光が通過したときに、ｎ（ｎは０以外の整数）次回折光が最も光量が高くなる回折構造が形成されており、
前記回折構造におけるｎ次回折光の回折角φに基づいて、前記光ファイバの端面の傾き角θを定めたことを特徴とする光通信モジュール。
【請求項２】
前記傾き角θは、最も回折効率が高くなる角度に対して±１度以内の範囲に調整されることを特徴とする請求項１に記載の光通信モジュール。
【請求項３】
前記回折構造で発生した前記ｎ次回折光が、前記第１の光学素子の光軸に沿って或いは平行に進行するように、前記波長λ１の光は、前記第１の光学素子の光軸に対して傾いた状態で、前記回折構造に照射されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光通信モジュール。
【請求項４】
前記回折構造は、所定方向に周期的に形成されたエシュロン型回折構造であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光通信モジュール。
【請求項５】
前記第１の光学素子は樹脂製であり、前記第２の光学素子はガラス製であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光通信モジュール。
【請求項６】
前記第１の光学素子の光軸は、前記発光素子から前記光ファイバの端面に向かって出射される光の軸線に対して、前記回折構造の並び方向に傾いていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光通信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバの端部に取り付けられて、光ファイバを介して送信された光信号を受信すると共に、光ファイバを介して光信号を送信するための光通信モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、波長の異なる光を用いた双方向伝送による光通信システムでは、光ファイバを介して光信号を送受する端末に、受光素子や発光素子やレンズ等からなる光学系を含む光通信モジュールを設けることが行われている。かかる光通信モジュールの光学系が回折構造による回折効果を利用して送信光と受信光とを分離し、発光素子からの送信光を光ファイバに結像させ、且つ光ファイバからの受信光を受光素子に受光させることができ、それにより小型化とコストダウンとを図ることができる。
【０００３】
特許文献１に記載の従来の光通信モジュールの光学系では、光学素子の一方の光学面に回折構造を形成し、発光素子から出射された送信光は、かかる回折構造で回折が生じることなくそのまま通過して、光ファイバの端面に至るようにし、光ファイバから出射された光束は、回折構造で回折効果を与えて出射方向を変更し、受光素子に入射させるようにしている。
【特許文献１】特開２００３−３４４７１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された光通信モジュールでは、光ファイバの軸線と光学素子の光軸とが一致しており、光学素子の回折構造が設けられた光学面に対して垂直に送信光を入射させ、且つ回折構造が設けられた光学面から角度付けする形で受信光を出射する構成となっている。しかるに、かかる構成の場合、受信光が回折構造によって角度付けされて出射すると、階段状の回折構造により一部が遮られ、光透過率が低下する恐れがある。光透過率の低下は、エラー信号を発生させる恐れがある。又、光ファイバの端面は、そこからの反射光が逆戻りしないよう、所定の端面角で傾いているため、光ファイバの端面から出射される受信光は、光ファイバの軸線に対して傾いていることとなり、その傾きと回折角との関係をどうするかが問題となっている。
【０００５】
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、組み付けが容易であり、光透過率を高めることができる光学素子を備えた光通信モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光通信モジュールは、軸線直交面に対して傾き角θで傾いている端面を有する光ファイバに対して光を送受する光通信モジュールにおいて、
前記光ファイバの端面から出射される波長λ１の光が入射する受光素子と、
前記光ファイバの端面に入射させるため波長λ２（λ１≠λ２）の光を出射する発光素子と、
前記受光素子及び前記発光素子と、前記光ファイバの端面との間に配置された第１の光学素子と、
前記発光素子と、前記第１の光学素子との間に配置された第２の光学素子と、を有し、
前記第１の光学素子は、前記受光素子及び前記発光素子側に向いた曲面の光学面と、前記光ファイバの端面側に向いた平面の光学面とを有し、
前記平面の光学面には、前記波長λ２の光が通過したときに、０次回折光が最も光量が高くなり、前記波長λ１の光が通過したときに、ｎ（ｎは０以外の整数）次回折光が最も光量が高くなる回折構造が形成されており、
前記回折構造におけるｎ次回折光の回折角φに基づいて、前記光ファイバの端面の傾き角θを定めたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の光通信モジュールによれば、光ファイバの軸線に対して傾き角θで傾いた端面から出射する光の出射角度は、スネルの法則によって、光ファイバの素材の屈折率と、空気の屈折率と、端面への入射角度とにより一義的に定まる。一方、端面から出射した光が前記光学素子の光学面に入射する際の入射角と、そこに設けられた前記回折構造で生じる前記ｎ次回折光との回折角φとは一定の関係がある。例えば、前記ｎ次回折光を前記光学素子の光軸に一致させるように（出射角度０度と）定め、且つ前記光ファイバの軸線の方向を、前記光学素子の光軸に平行とした場合、光通信モジュールの組付けが容易になるが、このとき、回折角φと傾き角θとの関係は一義的に定めることができる。言い換えると、端面の傾き角θを、回折角φによって定まる所定値に設定することで、前記光ファイバの軸線の方向を、前記光学素子の光軸に平行とできるのである。加えて、前記発光素子と、前記第１の光学素子との間に前記第２の光学素子を設けているので、前記第１の光学素子が、前記光ファイバの端面側に、その平面の光学面を設けることで、収差劣化をより抑制することができる。
【０００８】
更に、前記傾き角θは、最も回折効率が高くなる角度に対して±１度以内の範囲に調整されると、高い強度の光信号を受信できるので好ましい。
【０００９】
更に、前記回折構造で発生した前記ｎ次回折光が、前記第１の光学素子の光軸に沿って或いは平行に進行するように、前記波長λ１の光は、前記第１の光学素子の光軸に対して傾いた状態で、前記回折構造に照射されると、前記波長λ１の光は、前記第１の光学素子の光軸に対して傾いた状態で、前記回折構造に照射されるので、光透過率を高く維持できる。
【００１０】
更に、前記回折構造は、所定方向に周期的に形成されたエシュロン型回折構造であると、特に平面の光学面に形成することで製造が容易となって好ましいが、ブレーズ型の回折構造でも良い。
【００１１】
更に、前記第１の光学素子は樹脂製であると、前記回折構造を形成しやすいので好ましく、前記第２の光学素子はガラス製であると、収差特性が良好なものとなる。
【００１２】
更に、前記第１の光学素子の光軸は、前記発光素子から前記光ファイバの端面に向かって出射される光の軸線に対して、前記回折構造の並び方向に傾いているので、前記発光素子から出射される光と、前記光ファイバの伝播光との結合効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態による光通信モジュールの概略的断面図である。尚、エシュロン型の回折構造に関しては、理解しやすいように実際より誇張して描いている。
【００１４】
図１において、円筒状のケース６内の中央に、樹脂製のレンズ（第１の光学部材）５が配置されている。又、ケース６の図で右端には、中空円筒状の保持体３が取り付けられており、その内部に光ファイバ１が挿通されている。光ファイバ１は光通信システムに接続されることによって、別な端末との間で送受する光信号を伝播可能であり、その端面１ａにおいて受信光を照射し且つ発信光を入射する構成となっている。更に、ケース６の図で左端には、基板２が取り付けられており、基板２の内側面には、フォトダイオードからなる受光素子４と、発光素子ユニット７とが取り付けられている。発光素子ユニット７は、半導体レーザである発光素子７ａと、ガラス製のレンズ（第２の光学素子）７ｂとを一体的に組み付けてなる。受光素子４と発光素子７ａとは、基板２の植設されたコネクタ８を介して、電気信号を伝達可能に外部の端末機器（不図示）に接続されるようになっている。
【００１５】
図２（ａ）は、レンズ５を光ファイバ側から見た図であり、図２（ｂ）は、図２（ｂ）のレンズ５を光軸と垂直線とを含む面で切断して示す（矢視Ｂ−Ｂ）断面図である。レンズ５は、受光素子４と発光素子７ａ側には非球面の光学面を有しているが、光ファイバ１側の光学面は平面となっており、その上にエシュロン型の回折構造５ａを形成している。エシュロン型の回折構造５ａは、図２（ｂ）に示すように、光学面上において水平方向に延在し周期的に繰り返す階段格子５ｂによって形成されている。１つの階段格子５ｂは、例えば、段数が４であり、全体の高さＨを１５μｍ、全体の幅Ｗを３８μｍに設定できる。
【００１６】
図３は、光ファイバ１と、レンズ５と、受光素子４及び発光素子７ａとの位置関係を示す概略三次元図である。図３において、レンズ５は、その光軸をＺ軸に一致させるようにして配置されているものとする。ここで、受光素子４は、その受光面がＺ軸上になるように配置されている。一方、光ファイバ１の端面１ａは、原点からＹ軸（回折構造５ａの並び方向）に沿って＋Δｙだけ離れた位置に配置され、端面１ａと、レンズ５のエシュロン型の回折構造５ａを結んだ延長線上であって、所定の結像関係が成立する位置に発光素子７ａが配置されている。
【００１７】
図１〜３の光通信モジュールを光信号の送受のための光双方向の光通信装置に適用した場合、発光素子７ａから所定の信号に基づき変調された例えば波長λ２＝１．３１μｍのレーザ光が出射され、レンズ７ｂを介してレンズ５に入射するが、このときエシュロン型の回折構造５ａは、波長λ２＝１．３１μｍについては回折効果を発揮しない（すなわち０次回折光の光量が最大となる）ような構成となっているため、点線で示すようにレーザ光は０次回折光として直進し、光ファイバ１の端面１ａに入射して、光ファイバ１を通して外部の端末機器へと送られる。
【００１８】
一方、光ファイバ１から送られてきて端面１ａから出射された例えば波長λ１＝１．４９μｍの光は、レンズ５に入射するが、エシュロン型の回折構造５ａは、波長λ１＝１．４９μｍについては、回折効果を発揮することで１次回折光の光量が最大となるような構成となっているため、入射光に対して実線で示すように角度付けされて回折構造５ａから発生した１次回折光は、レンズ５の光軸に沿って（或いは平行に）進行し、受光素子４の受光面に結像し電気信号に変換されるようになっている。かかる電気信号に基づいて、送信された情報を取得することができる。なお、光通信モジュールは、全体としてケース６内に収容されて遮光状態で使用される。
【００１９】
図４は、光ファイバ１とレンズ５との位置関係を示す概略図であるが、レンズ５の回折構造は省略している。ここでは、光ファイバ１の軸線が、レンズ５の光軸に対して平行になる場合を考える。まず、光ファイバ１の端面１ａにおける端面角（光ファイバ１の軸線Ｌ１に対する端面１ａのなす角度）をθとし、回折構造における回折角をφとすし、鉛直線に対する出射光の傾き角をαとする。ここで、以下の式が成立する。
α＋φ＝９０°    （１）
【００２０】
光ファイバの素材の屈折率をｎとし、空気の屈折率を１とし、水平に光線が入射したとして入射角（＝傾き角）をθとし、出射角をβとすると、スネルの法則より以下の式が成立する。
ｎ・ｓｉｎθ＝ｓｉｎβ    （２）
【００２１】
更に、幾何学的関係より、以下の式が成立する。
α−θ＋β＝９０°    （３）
【００２２】
（１）、（３）式より、β＝θ＋φとなるので、これを（２）式に代入して、以下の式を得る。
ｎ・ｓｉｎθ＝ｓｉｎ（θ＋φ）
＝ｓｉｎθｃｏｓφ＋ｓｉｎφｃｏｓθ
【００２３】
更に、両辺をｃｏｓθで除して、以下の式を得る。
ｎ・ｔａｎθ＝ｔａｎθｃｏｓφ＋ｓｉｎφ
上式を変形して、以下の式を得る。
θ＝ｔａｎ−１（ｓｉｎφ／（ｎ−ｃｏｓφ））    （４）
【００２４】
（４）式は、端面角θを、回折角φと光ファイバ１の屈折率ｎとをパラメータとして表せることを意味している。即ち、光ファイバ１の素材が決まっており、回折構造５ａにおいて１次回折光を発生させる場合、その回折角φが求まれば、それに応じて端面角θを求めることができる。かかる端面角θを有するようにすれば、光ファイバ１の軸線と、レンズ５の光軸とを平行に位置させることができるので、組み付けが容易となる。
【００２５】
尚、端面角θを、（４）式を満たす最適値に設定すれば、最大の光透過率を得ることができるが、必ずしも（４）式を厳密に満たす必要はない。本発明者らは、端面角θと回折効率との関係について考察を行った。ここで、図５に示すように、エシュロン型の回折構造における階段格子５ｂのピッチｐを２６．４μｍ、１段の高さｓを４．９μｍ、段スロープ角γを６．５度、光ファイバ１の屈折率を１．４６９とする。波長λ１＝１．４９μｍの光を入射させたとき、回折構造５ａから１次回折光が回折角φ＝３．２３５°で発生するものとする。
【００２６】
端面角θを変えながら、波長λ１＝１．４９μｍの光を、レンズ５の光学面に入射させたとき、光ファイバ１の軸線と出射光とのなす角（９０−α）と、回折効率（ＴＥ，ＴＭは偏光方向が互いに直交する向き）の値とを表１にまとめた。
【００２７】
【表１】
2006126263.tif 000003
【００２８】
表１によれば、端面角θを、最適値（ここでは７°）に対して±１度の範囲内で変更しても、回折効率の低下は１％以内に抑えられるため、エラーの少ない信号伝達が可能となる。
【００２９】
更に、本実施の形態の光通信モジュールによれば、レンズ５の平面の光学面にエシュロン型の回折構造５ａを形成することにより、微細構造である回折構造の設計が容易になり且つ製造が容易となる。又、回折構造５ａで発生した１次回折光（２次以上の回折光であっても良い）が、レンズ５の光軸に沿って或いは平行に進行するように、波長λ１の光は、レンズ５の光軸に対して傾いた状態で、回折構造５ａに照射されるので、上述したように光透過率を高く維持できる。加えて、発光素子７ａと、レンズ５との間にレンズ７ｂを設けているので、レンズ５が、光ファイバ１の端面１ａ側に、その平面の光学面を設けることで、収差劣化をより抑制することができる。
【００３０】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１の実施の形態による光通信モジュールの概略的断面図である。
【図２】図２（ａ）は、レンズ５を光ファイバ側から見た図であり、図２（ｂ）は、図２（ｂ）のレンズ５を光軸と垂直線とを含む面で切断して示す（矢視Ｂ−Ｂ）断面図である。
【図３】光ファイバ１と、レンズ５と、受光素子４及び発光素子７ａとの位置関係を示す概略三次元図である。
【図４】光ファイバ１とレンズ５との位置関係を示す概略図である。
【図５】レンズ５におけるエシュロン型の回折構造５ａを通過する光を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１ 光ファイバ
１ａ 端面
２ 基板
３ 保持体
４ 受光素子
５ レンズ
５ａ 回折構造
５ｂ 階段格子
６ ケース
７ 発光素子ユニット
７ａ 発光素子
７ｂ レンズ
８ コネクタ
【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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