(57)【要約】【課題】レーザダイオードとマルチモード光ファイバとの接続におけるモード分散を光結合効率を低下させずに低減する結合レンズを提供する。【解決手段】発光素子と光ファイバとの光結合に使用する結合レンズにおいて、このレンズの光軸を中心として同心円状に配置されて発光素子の出力光を光ファイバのコア領域に集光するための複数の集光レンズ要素を含み、複数の集光レンズ要素の各々は集光する光の一部を重畳させて発光素子の出力光を光ファイバのコア領域に拡散させる。それにより、特定モードのレーザ光に光エネルギが集中することを回避する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と光ファイバとの光結合に使用する結合レンズであって、
このレンズの光軸を中心として同心円状に配置されて前記発光素子の出力光を前記光ファイバのコア領域に集光するための複数の集光レンズ要素を含み、
前記複数の集光レンズ要素の各々は集光する光の一部を重畳させて前記発光素子の出力光を前記光ファイバのコア領域に拡散させる、結合レンズ。
【請求項２】
前記複数の集光レンズ要素の各々は互いに隣接する集光光同士の一部を重複させることによって前記発光素子の出力光を前記光ファイバのコア領域内に略均一な光強度となるように分布させる、請求項１記載の結合レンズ。
【請求項３】
前記複数の集光レンズ要素のうち前記光軸の中心に配置される集光レンズ要素は円形状に形成され、その他の集光レンズ要素は環状に形成される、請求項１又は２に記載の結合レンズ。
【請求項４】
前記複数の集光レンズ要素は前記結合レンズの前記発光素子に対向する面側に形成される、請求項１乃至３のいずれかに記載の結合レンズ。
【請求項５】
前記複数のレンズ要素が非球面のレンズ要素又は球面のレンズ要素を１又は複数含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の結合レンズ。
【請求項６】
前記発光素子から出射した光信号を前記光ファイバ端部のコア領域上に導いて略コア領域に対応する大きさの光スポットを形成する、請求項１乃至５のいずれかに記載の結合レンズ。
【請求項７】
前記複数の集光レンズ要素の各々は互いに隣接する集光光同士の一部を重複させることによって前記発光素子の出力光を前記光ファイバのコア領域内に導いてコア領域中心部の光強度が相対的に抑制された光スポット光を形成する、請求項１に記載の結合レンズ。
【請求項８】
発光素子と光ファイバとの光結合に使用する結合レンズであって、
互いに径を異にして同心円状に配置された複数の環状のレンズ要素を含み、
各レンズ要素によって前記光ファイバ端部のコア領域にその径方向に互いに位置を異にする複数の環状の光スポットを形成する結合レンズ。
【請求項９】
前記光ファイバがマルチモードタイプの光ファイバである、請求項１乃至８のいずれかに記載の結合レンズ。
【請求項１０】
前記発光素子が面発光型レーザ発生装置である、請求項１乃至９のいずれかに記載の結合レンズ。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の結合レンズと前記光ファイバを保持する光ソケットとを一体的に成型してなる光コネクタ。
【請求項１２】
請求項１乃至９のいずれかに記載の結合レンズを光ファイバと光素子との光結合に使用した光通信機。
【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に光信号を送光し又は光ファイバから光信号を受光する光トランシーバ（光送信機、光受信機）に関し、特に、光ファイバと光トランシーバとの光結合効率の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信は遠距離間の通信、ローカルエリアネットワーク、装置内、回路基板内における信号の伝送に使用される。光信号の伝送路は主として光ファイバによって行われ、この光ファイバの両端に送信（送光）及び受信（受光）を行う光トランシーバがそれぞれ配置される。一般的に、遠距離通信を行う場合には、発光素子としてエネルギ密度の高いレーザダイオード（レーザ発光器）を使用し、光ファイバとして信号減衰の少ない単一（シングル）モード光ファイバを使用する。また、近距離通信を行う場合には発光素子として安価なＬＥＤを使用し、光ファイバとして多（マルチ）モード光ファイバ等を使用している。
【０００３】
光ファイバと光トランシーバとを着脱可能にするために、通常、光コネクタが使用される。光コネクタは、光ファイバ端部を光トランシーバに設けられた発光素子の発光面や受光素子の受光面に近接して着脱可能に配置するものであり、接続における光結合損失の少ないことが重要なファクターとなっている。
【０００４】
このための、一方法として光ファイバ端部と光素子（発光素子・受光素子）間に結合レンズを設けている。それにより、光ファイバ端部のコアから広がるように出射する光信号を受光素子の受光面に導く。また、発光素子から広がるように出射する光信号を光ファイバ端部のコア中心に導く。更に光結合損失を減少するために、上記結合レンズとして無収差の非球面レンズを用いて発光素子から出射した光ビームを光ファイバ端部のコア部分の中心部に集中させる。
【０００５】
レンズを介して光ファイバと光素子とを結合する光コネクタ等としては、例えば、特開平１０−３００９９４号、特開平１０−２１５０２０号などがある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−３００９９４号公報
【特許文献２】
特開平１０−２１５０２０号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような非球面レンズを有する光コネクタを使用してレーザダイオードと屈折率分布型のマルチモード光ファイバとを結合した場合には、モード分散が問題となる。すなわち、無収差の非球面レンズによって発生する微小光スポットにより光ファイバ端面のコアに入射した光信号は特定の２〜３の伝搬モードの光信号成分に光エネルギが集中する。シングルモード光ファイバよりもコア径の大きいマルチモード光ファイバを伝搬するこれ等の光信号成分の群速度には反射経路の距離差等に起因する相違が生じ、受端側での伝搬光信号の波形が歪む。それにより、１パルスとして復調できる許容範囲（単一パルスの独立性）が減少してビットエラーが増大し、通信可能距離が減少する場合がある。
【０００７】
これを解決するために光コネクタの結合レンズの焦点位置から光ファイバ端面を光ファイバの光軸方向に微小距離だけ移動することによって焦点ボケ（デフォーカス）を発生させて、多数の伝搬モードの光信号成分によって信号伝搬を行い、それらを合成することによってモード分散による信号波形の歪みを緩和させることが考えられるが、この方法では光ファイバと光素子（発光素子及び受光素子）との光結合におけるエネルギの損失が増大する。また、光ファイバと光素子間が離間して光信号の結合も不安定になって不具合である。
【０００８】
よって、本発明は、レーザ発光器とマルチモード光ファイバとを接続する際に光結合効率を低下させずにモード分散による信号波形歪み（ロス）を低減することを可能とした結合レンズを提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、光素子とマルチモード光ファイバとを接続しても不具合のない光コネクタを提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、マルチモード光ファイバと接続しても不具合のないレーザ発光器を含む光トランシーバを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の結合レンズは、発光素子と光ファイバとの光結合に使用する結合レンズにおいて、このレンズの光軸を中心として同心円状に配置されて上記発光素子の出力光を上記光ファイバのコア領域に集光するための複数の集光レンズ要素を含み、上記複数の集光レンズ要素の各々は集光する光の一部を重畳させて上記発光素子の出力光を上記光ファイバのコア領域に拡散させている。
【００１２】
かかる構成によって、集光光の一部を重畳させて、光ファイバのコア領域に拡散（あるいは分布）させられた光スポットの集合によりコア領域を広く照射し、多モードの光を入射させ易くすることができる。
【００１３】
好ましくは、上記複数の集光レンズ要素の各々は互いに隣接する集光光同士の一部を重複させることによって上記発光素子の出力光を上記光ファイバのコア領域内に略均一な光強度となるように分布させる。これにより、各レンズ要素によって形成される単位光スポットを組み合わせて面内光強度が均一な大径のスポットを形成することが可能となる。そして、光ファイバの径方向に対して入射光が均等に分散（あるいは分布）され、従来の２〜３の特定の伝搬モードの光信号間の遅延時間差に起因する受信波形の歪みを多数の伝搬モードの光信号の重畳による受信波形とすることによって緩和可能となる。また、光信号を微小スポットから径方向に面積が拡大した信号として均等に分散（あるいは分布）し、光パワーが特定の伝搬モードの光信号に集中することを回避する。
【００１４】
好ましくは、上記複数の集光レンズ要素のうち上記光軸の中心に配置される集光レンズ要素は円形状に形成され、その他の集光レンズ要素は環状に形成される。これにより、各集光レンズ要素が、出力光をコア領域の径方向に拡散（あるいは分布）させ、一部重畳し合いながら光ファイバのコア領域内を広く照射し、略均一な光強度となるように分布させることも可能となる。
【００１５】
好ましくは、上記複数の集光レンズ要素は上記結合レンズの上記発光素子に対向する面側に形成される。これにより、結合レンズの厚さを各レンズ要素の集光距離として利用し、各レンズ要素と光ファイバ間の配置距離を短くすることを可能とする。
【００１６】
好ましくは、上記複数のレンズ要素が非球面のレンズ要素又は球面のレンズ要素を１又は複数含む。これにより、各複数のレンズ要素に入射した光は、所要の集光束となって光ファイバ端面に向かう。
【００１７】
好ましくは、上記結合レンズは上記発光素子から出射した光信号を上記光ファイバ端部のコア領域上に導いて略コア領域に対応する大きさの光スポットを形成する。これにより、レンズから出射した光信号のスポットはコア領域内に収まり、光結合のロスを減少する。
【００１８】
好ましくは、上記結合レンズの複数の集光レンズ要素の各々は互いに隣接する集光光同士の一部を重複させるようにして上記発光素子の出力光を上記光ファイバのコア領域内に導いてコア領域中心部の光強度が相対的に抑制された光スポット光を形成する。これにより、発光素子の出力光は、コア領域内に導かれコア領域中心部の光強度が相対的に抑制された光スポット光となる。光パワーがコア領域中心部に対応する特定の伝搬モードの光信号に集中することを回避する。
【００１９】
本発明の結合レンズは、発光素子と光ファイバとの光結合に使用する結合レンズにおいて、互いに径を異にして同心円状に配置された複数の環状のレンズ要素を含み、各レンズ要素によって上記光ファイバ端部のコア領域にその径方向に互いに位置を異にする複数の環状の光スポットを形成する。
【００２０】
かかる構成によって、同心円状に配置された複数の環状のスポット光によってコア領域を広く照射し、多くの伝搬モードの光信号をコア領域に入射させる。光信号を微小スポットから径方向に面積が拡大した信号として均等に分散（あるいは分布）し、光パワーが特定の伝搬モードの光信号に集中することを回避する。
【００２１】
好ましくは、上記光ファイバがマルチモードタイプの光ファイバである結合レンズである。例えば、光ファイバはグレーティッドインデックス型のマルチモード光ファイバである。これにより、大容量の別々の周波数を持つ光信号を同時に伝送できる。
【００２２】
好ましくは、上記発光素子が面発光型レーザ発生装置である。また、光素子は発光素子と受光素子とを含む。より具体的には、発光素子は、例えば、レーザダイオード、面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）等のレーザ発生器を含み、受光素子は、例えば、アバランシェ型のフォトダイオード等の受光器を含む。これにより、集光した場合、高強度、高エネルギーの光束であり、位相の揃ったコヒーレント光を光ファイバに入射できる。
【００２３】
また、本発明の光コネクタは、上述したいずれかの構成の結合レンズと上記光ファイバを保持する光ソケットとを一体的に成型してなる。それにより、光素子と光ファイバとの接続において光結合効率を低下させることなくモード分散による伝送信号波形の歪みを軽減することが可能となる。成型は、例えば、金型と射出成型機を使用することが可能である。それにより、組み立て及び調整の工程を省き、精度を均一化させることが可能となる。
【００２４】
また、本発明の光通信機は、上述したいずれかの構成の結合レンズを光ファイバと光素子との光結合に使用している。これにより、光結合効率の低下を回避して分散ノイズによる信号遅延の防止を図ることが可能である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。本発明の実施例においては、発光素子が出射した光ビームを結合レンズによって光ファイバのコア領域に径の大きい光スポットとして入射させる。例えば、この大きいスポットを複数のスポットの組み合わせや重畳によって形成する。
【００２６】
それにより、光ファイバコアの径方向に入射光を均一あるいは所望の光強度特性で分散（あるいは分布）させ、光ファイバを伝搬する多数の伝搬モードの光信号に光エネルギ（信号情報）を適宜に分担させる。また、モード分散による受光信号波形への影響、特に単一パルスの独立性への影響を緩和し、エラー発生を減少し、あるいは通信可能距離を増大させる。
【００２７】
まず、図４を参照して本発明の結合レンズを使用する装置の例について説明する。同図は、本発明の結合レンズを光トランシーバに使用した例を説明している。
【００２８】
光通信機である光トランシーバ１は、送信部及び受信部を備えて光信号の送信及び受信を行うことが出来る。図示の例では、送信部の構成例を示している。
【００２９】
同図において、光トランシーバ１は、ケース１１内に配置された信号処理部２０と、光信号を伝送する光ファイバケーブル４０と、光ファイバケーブル４０を接続する光コネクタ３０とを含んでいる。信号処理部２０は、基板２１に形成された、信号処理回路２２、駆動回路２３、光素子あるいはレーザ発光器としてのレーザダイオード２４、リード端子２５、２６等を含んでいる。信号処理回路２２は並列入力信号を直列信号に変換する。駆動回路２３は直列信号をレベル増幅（パワー増幅）してレーザダイオード２４に供給する。レーザダイオード２４は、例えば、面発光型（ＶＣＳＥＬ）であり、キャンパッケージされている。リード端子２５、２６は外部信号、電源を信号処理部２０に供給すると共に、光トランシーバ１の基板へのハンダ付け用の端子となっている。
【００３０】
なお、図示しない受信部の信号処理部は、光ファイバからの出力光を受光する受光素子（フォトダイオード）、この光検出出力をレベル増幅する増幅器、増幅した受信信号を並列信号に変換する信号処理回路などを備えて構成される。他の構成は、送信部と同様である。
【００３１】
光ファイバケーブル４０は、光信号を伝送する光ファイバ４４を保護する被覆４３、光ファイバ端部を保護するフェルール４２、ケーブルの端部に設けられて光ファイバ４４を光ソケット３１に接続するプラグハウジング４１を含んでいる。光ファイバ４４として、例えば、屈折率分布型（グレーティッドインデックス型）の多モード伝送の光ファイバを使用することができる。
【００３２】
光コネクタ３０は、光ファイバケーブル４０のフェルール４２を光ソケット３１のスリーブ３３で着脱自在に保持する。また、光ソケット３１はその保持部３４で光素子２４を光ファイバの光軸と同一位置上に保持する。このように保持された光ファイバ４４とレーザダイオード２４との間に結合レンズ３２が配置される。光コネクタ３０は、上述した、結合レンズ３２、スリーブ３３及び保持部３４を含む光ソケット３１を射出成型などによる透明樹脂の一体成型で形成している。
【００３３】
図１は、結合レンズ３２の構成例を示している。結合レンズ３２は、互いに径を異にして同心円状に配置された複数の環状のレンズ要素を含んでいる。各レンズ要素によって光ファイバ端部のコア領域にその径方向に互いに位置を異にする複数の環状の集光を行う。それによって、光信号をコア領域の径方向に均等に分散することを可能としている。
【００３４】
また、結合レンズは、例えば環状の非球面のレンズ要素又は球面のレンズ要素を１又は複数含むようにすることができる。これ等のレンズ要素が所要の位置に焦点を形成する。それにより、光信号をコアの径方向に分散あるいは分布させることが可能となる。
【００３５】
図１（ａ）は結合レンズ３２のその光軸方向における断面形状を示している。また、同図（ｂ）はこのレンズ３２を正面（光信号の入射側）から見た形状を示している。これ等の図に示すように、この実施例ではレンズの径方向に同心の環状のレンズ要素を複数形成している。例えば、レンズの径方向におけるレンズ中心位置Ｏのレンズ要素３２ａは中心部が平らで断面の輪郭形状が凸レンズ状である。更に、レンズ３２の径方向に環状の各レンズ要素３２ｂ、３２ｃ、…が形成されている。これらのレンズ要素は非球面レンズによって構成されているが、これに限られない。非球面レンズであっても、球面レンズであっても良く、非球面レンズと球面レンズとが混在しても良い。光ファイバ４４のコア領域４４ａに適当に分散する光信号を形成することが出来ればよい。
【００３６】
図２は、結合レンズ３２の作用を説明する説明図である。光軸Ｏ上に発光素子２４、結合レンズ３２、光ファイバ４４をそれぞれ配置して結合レンズの作用を示している。上述した複数のレンズ要素３２ａ〜３２ｃの各々はレーザダイオード２４の出射光を光ファイバ４４の光入射端面のコア領域４４ａ上にそれぞれ円形状や環状等に集光を行う。それにより、円形の光スポット、複数の環状光スポット等を形成し、これら光スポットの合成によってより大径の光スポットＳＰをコア領域４４ｂ内に形成している。これは、後述の比較例（図７）と比べると、レーザダイオード２４の出射光をコア領域の径方向に分散あるいは分布させたものに相当する。環状の集光による光スポット形状は各々が光ファイバの径方向に整然と配列されることは望ましいが、入射光の分散あるいは分布が目的であるのでこれに限られない。すなわち、光スポットは一部重複してもよい。環状のスポット群でなく、例えばモザイク状のスポット群を形成するものであっても良い。入射光のエネルギを多数の伝搬モードの光信号成分に分担させる（分散させる）ことが出来れば良いのである。
【００３７】
図３は、結合レンズ３２の光強度分布の第１の特性例を説明する説明図である。同図においては、光ファイバ端部のコア中心を基準位置とする径方向（外周側）の位置を横軸とし、光強度を縦軸としている。
【００３８】
上述の構成のように、結合レンズ３２のレンズ要素を増やすことによって、このグラフに示すように径方向に強度のピークを複数生ぜしめ、径方向における合成された全体的光強度分布をより平坦化（平準化）させることが可能となる。
【００３９】
また、径の異なる環状のスポット光を入れ子状に組み合わせて径方向に強度のピークを複数生ぜしめことが可能となる。それにより、より多くの伝搬モードの光信号が光エネルギを等しく担って多くの光経路（コア領域内の光反射経路）を経て伝搬し、受端側で重畳して受信される。各光信号間の遅延時間差がより接近し、信号相互のレベル差も少ないため受光される合成光パルス波形の極端な歪みが減少する。その結果、パルスの独立性が改善され、エラーレートの改善や通信距離の増大を図ることが可能となる。
【００４０】
図７は参考例の結合レンズを示している。本願の実施例の特徴をより明確にするための比較例として使用される説明図である。同図において図２と対応する部分には同一符号を付している。
【００４１】
この例では、結合レンズ３２は出射光を光ファイバ４４のコア４４ａの中心部に微小の光スポットとして集光する非球面レンズである。結合レンズ３２へ入射した光束は、光ファイバ４４の入射側端面のコア領域上４４ａに焦点を結ぶ。その結像パターンは、コア中心部に位置する微小光スポットとなる。これにより、グレーディッド型のマルチモード光ファイバに光信号が入射される場合、コア中心部とコア中心から少し離れた個所各々から入射した光束は、各々特定の伝搬モードの光信号成分に光エネルギが集中する。シングルモード光ファイバよりもコア径の大きいマルチモード光ファイバを伝搬するこれ等の光信号成分の群速度には反射経路の距離差等に起因する相違が生じ、受端側での伝搬光信号の波形が歪む。それにより、１パルスとして復調できる許容範囲（単一パルスの独立性）が減少してビットエラーが増大し、通信可能距離が減少する場合がある。
【００４２】
これに対して、実施例の構成では、多数の伝搬モードの光信号成分に光エネルギを分担させているので受端側で合成される受光信号の波形の歪みが少ない。それにより、１パルスとして復調できる許容範囲（単一パルスの独立性）が拡大してビットエラーが減少し、通信可能距離が増大する場合がある。
【００４３】
図５は、結合レンズ３２の光強度分布の第２の特性例を説明する説明図である。同図において、図３と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００４４】
この例でも、複数のレンズ要素により複数の円形スポット、または複数の環状スポット等を形成し、また、各々の光スポットが重畳しながら全体の光スポットＳＰの光強度を径方向に分散あるいは分布させているのであるが、径方向における光強度分布を平坦化した図３の第１の特性例とは異なり、径方向のコア中心から少し離れた位置に強度分布の極大値が来るように複数のレンズ要素の設計パラメータによって調整している。具体的な調整方法については、各々のレンズ形状またはレンズ角度を少し光軸から離れる方向に向ける等がある。これによりコア中心近傍の光強度が相対的に低く、抑制されたものとなっている。
【００４５】
かかる構成により、結合レンズ２３の入射瞳におけるレーザダイオード２４からの出射光の強度分布特性あるいは出射光の指向性が光軸上（レンズ中心）において極端に大きい場合に、コア中心部を伝搬する光信号の光パワーレベルを相対的に抑制して受光側で他の伝搬モードの光信号と合成されたときの受光信号の波形歪みが大きくならないようにする。
【００４６】
図６は、結合レンズ３２の光強度分布の第３の特性例を説明する説明図である。同図において、図３と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００４７】
この例でも、複数のレンズ要素により複数の円形スポット、または複数の環状スポット等を形成し、また、各々の光スポットが重畳しながら全体の光スポットＳＰの光強度を径方向に分散あるいは分布させているのであるが、径方向における光強度分布を平坦化した図３の第１の特性例とは異なり、径方向のコア中心部の強度を抑制し、他は平坦な特性となっている。これは複数のレンズ要素の設計パラメータによって調整している。
【００４８】
かかる構成により、結合レンズ２３の入射瞳におけるレーザダイオード２４からの出射光の強度分布特性あるいは出射光の指向性が光軸上（レンズ中心）において大きい場合に、コア中心部を伝搬する光信号の光パワーレベルを相対的に抑制して受光側で他の伝搬モードの光信号と合成されたときの受光信号の波形歪みが大きくならないようにする。
【００４９】
以上説明したように、本発明の結合レンズを使用するとモード分散による不具合を回避可能となる。特に、レーザダイオードとマルチモード光ファイバとを組み合わせて使用した場合であっても、単一パルスの孤立性が損なわれ難くなる。また、結合レンズでレーザ光源の出力光を全て光ファイバのコア領域に光信号として入射させることが可能であるので光結合の効率を低下させずに済むので具合がよい。
【００５０】
また、このような結合レンズを光コネクタ、光通信機、光トランシーバ等に使用するとモード分散によるエラー・ノイズ等の対策になり好都合である。
【００５１】
なお、光通信機には、光受信機、光送信機、光送受信機（光トランシーバ）が含まれる。光トランシーバは、光信号の送信及び受信を行うが、送信又は受信のみを行うものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の結合レンズの形状を説明する説明図である。
【図２】第１の実施例の結合レンズの作用を説明する説明図である。
【図３】本発明の第１の実施例の作用を説明するグラフである。
【図４】光トランシーバと光ファイバケーブルとの接続を説明する説明図である。
【図５】本発明の第２の実施例の作用を説明するグラフである。
【図６】本発明の第３の実施例の作用を説明するグラフである。
【図７】比較例の結合レンズを説明する説明図である。
【符号の説明】
１…光トランシーバ、２０…信号処理部、３０…光コネクタ、３２…結合レンズ、３２ａ〜３２ｃ…レンズ要素、４０…光ファイバケーブル、４４ａ…コア領域
【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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