(57)【要約】【課題】ＶＣＳＥＬ等の光源に用いる場合におけるオートパワーコントロールを良好に行うことを可能とする技術を提供すること。【解決手段】入力信号に応じた強度の光を出射する光源(10)と、光源(10)の出射光路中に配置され、当該光源(10)からの出射光の一部を反射する回折格子(12)と、回折格子(12)からの反射光を受光し、当該反射光の強度に応じた電気信号を出力する受光素子(14)と、を含んで光学ユニットが構成される。この光学ユニットと、受光素子(14)から出力される電気信号に基づいて光源(10)からの出射光の強度を調整する調整手段(24)とを含んで光源制御装置が構成される。当該光学制御装置を含んで光通信装置(100)が構成される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号に応じた強度の光を出射する光源と、
前記光源の出射光路中に配置され、当該光源からの出射光の一部を反射する回折格子と、
前記回折格子からの反射光を受光し、当該反射光の強度に応じた電気信号を出力する受光素子と、
を備える光学ユニット。
【請求項２】
前記光源は面発光型のレーザである、請求項１に記載の光学ユニット。
【請求項３】
第１面側に前記光源及び前記受光素子を有し、第２面側に前記回折格子を有する透光性基板を更に備える、請求項１又は２に記載の光学ユニット。
【請求項４】
前記受光素子は、前記回折格子からの前記反射光に含まれる１次回折光を受光する、請求項１乃至３のいずれかに記載の光学ユニット。
【請求項５】
前記回折格子は、前記反射光を集光する機能を兼ね備える、請求項１乃至４のいずれかに記載の光学ユニット。
【請求項６】
前記回折格子は、フレネル反射板である、請求項１乃至５のいずれかに記載の光学ユニット。
【請求項７】
前記回折格子は、入射光の波長λ、当該回折格子を構成する材料の屈折率ｎに対して深さがほぼλ／（２・ｎ）となるように形成されている、請求項６に記載の光学ユニット。
【請求項８】
前記回折格子は、入射光の波長λ、当該回折格子を構成する材料の屈折率ｎに対して深さがλ／（２・ｎ）を越えないように形成されている、請求項６に記載の光学ユニット。
【請求項９】
前記回折格子は、前記透光性基板と一体に形成されている、請求項３乃至８のいずれかに記載の光学ユニット。
【請求項１０】
前記回折格子の出射面側に配置される半透過反射膜を更に備える、請求項１乃至９のいずれかに記載の光学ユニット。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の光学ユニットと、
前記光学ユニットに含まれる前記受光素子から出力される前記電気信号に基づいて前記光源からの前記出射光の強度を調整する調整手段と、
を備える光源制御装置。
【請求項１２】
信号光の強度を制御する光強度制御装置であって、
前記信号光の光路中に配置され、当該信号光の一部を反射する回折格子と、
前記回折格子からの反射光を受光し、当該反射光の強度に応じた電気信号を出力する受光素子と、
前記受光素子から出力される前記電気信号に基づいて前記信号光の強度を調整する調整手段と、
を備える光強度制御装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の光源制御装置を用いた光通信装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の光強度制御装置を用いた光通信装置。
【請求項１５】
前記回折格子を通過した透過光を集光する集光レンズを更に備える、請求項１３又は１４に記載の光通信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光を用いて情報通信を行う光通信装置（光トランシーバ）の改良技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光をキャリアとして用いて情報通信を行う光通信は、高速、大容量な通信を実現する通信方法の１つであり、この特徴を生かした幹線系ネットワークや、加入者系ネットワークの構築が国内外において活発化している。光通信を行うための加入者側の端末装置（例えば、パーソナルコンピュータなど）には、光信号を送受するためのインターフェイスとしての光通信装置が備えられる。
【０００３】
光通信装置は、送信情報を担う電気信号を光信号に変換して送信する送信部、外部から送られる光信号を電気信号に変換する受信部、光信号の伝送路である光ファイバと送信部及び受信部を光学的に接続する接続部（光コネクタ）などの要素を含んで構成される。光トランシーバの送信部に含まれる光源として、従来はファブリペロー型の端面発光レーザが多く用いられていたが、光トランシーバの低コスト化、広帯域化が進むにつれて、最近では面発光型のレーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が用いられるようになっている。このような光通信装置は、例えば、特開平７−１３０４６号公報（特許文献１）などの文献に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−１３０４６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
光通信装置では、外気温などの環境の変化や経時劣化等の影響により光源の出射光強度が変動するため、この変動を抑えるために光源からの出射光の強度を監視して所定値に自動制御する、いわゆるオートパワーコントロール（ＡＰＣ）が行われる場合が多い。ところが、ＶＣＳＥＬなどの出射光の出射場所が一箇所のみとなる光源を用いる場合には、複数箇所から出射光が得られる端面発光型のレーザを用いる場合に比べて出射光強度を制御するための参照信号を得ることが難しい。
【０００６】
これに対して、例えば、ＶＣＳＥＬからの出射光の光路中にガラス基板を傾けて配置し、出射光の一部を当該ガラス基板で反射させて得られる反射光をＶＣＳＥＬに隣接して配置したモニタ用の受光素子（モニタＰＤ）により受光し、当該モニタＰＤの出力信号を参照してオートパワーコントロールを行う方法が考えられる。しかしながら、この方法では、ガラス基板からの反射光が拡散光となり、反射光のうちでモニタＰＤに受光される光がわずかしかなく大部分は捨てられてしまうため、モニタＰＤにおける受光量が少なくＳ／Ｎ特性が良くない。また、モニタＰＤのＳ／Ｎ特性を向上させるために反射光の光量を増加するようにすると、透過光（すなわち信号光）の光量が減少して光結合効率の低下をもたらす上、反射光のうちで捨てられる分（迷光）がノイズとなりＳ／Ｎ特性の悪化をもたらし易くなる。また、傾けて配置したガラス基板は光学的に非点収差とコマ収差を増加させるため、さらに光結合効率の低下をもたらすという不都合がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上述したような従来技術における不都合を回避し、ＶＣＳＥＬ等の光源に用いる場合におけるオートパワーコントロールを良好に行うことを可能とする技術の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光学ユニットは、入力信号に応じた強度の光を出射する光源と、この光源の出射光路中に配置され、当該光源からの出射光の一部を反射する回折格子と、回折格子からの反射光を受光し、当該反射光の強度に応じた電気信号を出力する受光素子と、を備えている。
【０００９】
回折格子によって生じる反射光は、指向性を有する回折光を多く含むので、当該回折光の進行方向を考慮して受光素子を適当な位置に配置することにより、受光素子の受光光量を高め、迷光やノイズを低減してＳ／Ｎ特性を向上させることが可能となる。また、光源からの出射光の大部分は回折格子による回折を受けない０次光として通過するので、透過光（すなわち信号光）の光量の減少による光結合効率の低下を回避することが可能となる。更には、回折格子を用いて反射光を得ているので、ガラス基板を傾けて配置する場合のように非点収差やコマ収差を増加させることもない。したがって、本発明にかかる光学ユニットを用いることにより、光通信装置等の光学装置における光源のオートパワーコントロールを良好に行うことが可能となる。
【００１０】
上述した光源は、面発光型のレーザ（ＶＣＳＥＬ）であることが好ましい。本発明の光学ユニットを用いることにより、光の出射箇所が１箇所となっている面発光型のレーザを光源として用いる場合において、オートパワーコントロールを容易に行うことが可能となる。
【００１１】
また、第１面側に上記光源及び上記受光素子を有し、第２面側に上記回折格子を有する透光性基板を更に備えることが望ましい。これにより、光源、受光素子及び回折格子の相互間の位置決めが容易となる。また、かかる構成とすることにより、例えば、透光性の基板母材の一方面に複数の光源及び受光素子を実装し、基板母材の他方面に複数の複数の回折格子を実装（あるいは形成）した後に、当該基板母材を切り分けるという製造方法を採用し、複数の光学ユニットを一度に作製することが可能となるため、量産性に優れるという利点もある。
【００１２】
上述した受光素子は、回折格子からの反射光に含まれる１次回折光を受光することが好ましい。これにより、受光素子の受光光量を必要十分に確保することが可能となる。また、１次回折光の進行方向は、回折格子の設計時にある程度自由に決めることができるので、受光素子の実装位置の自由度を高めることが可能となる利点もある。
【００１３】
上述した回折格子は、反射光を集光する機能を兼ね備えることが好ましい。これにより、受光素子における受光効率を更に向上させることが可能となる。
【００１４】
また、回折格子は、フレネル反射板を用いて構成することが好ましい。ここで、本明細書において「フレネル反射板」とは、断面が鋸波形状（キノフォーム形状）であり、反射光の大部分が略１点に集光されるように同心円状に形成された反射型の回折格子をいう。フレネル反射板とすることにより、２Ｐ法などの成型法を用いて回折格子を形成することが可能となり具合がよい。
【００１５】
また、フレネル反射板によって回折格子を構成する場合に、当該回折格子は、位相深さが反射光に対して最適化されていることが好ましい。より具体的には、フレネル反射板からなる回折格子は、入射光の波長λ、当該回折格子を構成する材料の屈折率ｎに対して深さがλ／（２・ｎ）を越えないように形成されていることが好ましく、深さがほぼλ／（２・ｎ）となるように形成されていると更に好ましい。かかる条件を採用することにより、反射光の回折効率を高めて受光素子の受光効率を向上させることが可能となる。
【００１６】
また、回折格子は、透光性基板と一体に形成されていてもよい。これにより、部品点数が削減され、製造プロセスの簡略化および低コスト化が可能となる。
【００１７】
また、回折格子の出射面側に配置される半透過反射膜を更に備えるようにしてもよい。これにより、回折格子からの反射光の強度をより高め、受光素子の受光効率を向上させることが可能となる。
【００１８】
また、本発明は、上述した光学ユニットと、当該光学ユニットに含まれる受光素子から出力される電気信号に基づいて光源からの出射光の強度を調整する調整手段と、を備える光源制御装置でもある。このような光源制御装置を用いることにより、光通信装置等の光学装置における光源のオートパワーコントロールを良好に行うことが可能となる。
【００１９】
また、本発明は、信号光の強度を制御する光強度制御装置であって、信号光の光路中に配置され、当該信号光の一部を反射する回折格子と、回折格子からの反射光を受光し、当該反射光の強度に応じた電気信号を出力する受光素子と、当該受光素子から出力される電気信号に基づいて信号光の強度を調整する調整手段と、を備えている。
【００２０】
かかる構成によれば、制御対象としたい信号光の光路中に回折格子が配置されるようにして光強度制御装置を設置することにより、信号光の光量の減少を極力回避しながら、指向性を有する回折光を多く含む回折格子からの反射光を用いて信号光の強度を調整することが可能となる。したがって、本発明にかかる光強度制御装置を用いることにより、光通信装置等の光学装置において、信号光の強度の自動制御を良好に行うことが可能となる。なお、本発明の光強度制御装置においても、上述した光学ユニット又は光源制御装置と同様に、回折格子をフレネル反射板によって構成する等の構成を採用することが可能であり、その場合の作用効果については上述した通りである。
【００２１】
また、本発明は、上述した光源制御装置、又は上述した光強度制御装置を用いて構成される光通信装置（光トランシーバ）でもある。これにより、光源からの信号光の光量の減少による光結合効率の低下を回避しながら、光源のオートパワーコントロールを良好に行うことが可能な光通信装置を得ることができる。
【００２２】
また、光通信装置は、回折格子を通過した透過光を集光する集光レンズを更に備えることが好ましい。これにより、光通信装置と光ファイバ等の光通信路との間の光結合効率を更に向上させることが可能となる。
【００２３】
【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説明する。
【００２４】
図１は、本発明を適用した一実施形態の光通信装置の構成について説明する図である。同図に示す本実施形態の光通信装置１００は、信号光を伝搬させる光ファイバ１１０を介して情報通信を行うために用いられるものであり、ＶＣＳＥＬ１０、回折格子１２、モニタＰＤ１４、透光性基板１６、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）１８、封止材２０、プリント基板２２、回路チップ２４、集光レンズ２６、スリーブ２８を含んで構成されている。なお、図１に示す光通信装置１００では、主に信号光の送信に関する構成要素のみを図示し、光ファイバ１１０を介して外部から送られた信号光の受信に関する構成要素については省略している。
【００２５】
ＶＣＳＥＬ１０は、情報送信に用いる信号光を出射する光源（面発光型の発光素子）であり、透光性基板１６の一方面上の所定位置に配置されている。なお、本実施形態では、光の出射箇所が１箇所となっているＶＣＳＥＬ１０を光源として用いているが、光の出射箇所を複数有する光源を用いてもよい。
【００２６】
回折格子１２は、ＶＣＳＥＬ１０の出射光路中に配置され、当該ＶＣＳＥＬ１０からの出射光の一部を反射すると共に集光し、他を透過させるものであり、透光性基板１６の他方面上の所定位置に配置されている。本実施形態では、２Ｐ法によって形成したフレネル反射板を用いて回折格子１２を構成している。回折格子１２を構成する２Ｐ樹脂の屈折率は約１．６であり、その反射率は界面の屈折率差によって一義的に決まり、この場合は約５．３％である。ＶＣＳＥＬ１０から出射して回折格子１２を通過する透過光（すなわち０次光）は、信号光として光ファイバ１１０に入射する。また、ＶＣＳＥＬ１０からの出射光のうちで回折格子１２によって反射される光（回折光）は、図示のようにＶＣＳＥＬ１０の出射光路とある程度の角度をなす方向へ進行する。
【００２７】
モニタＰＤ１４は、回折格子１２からの反射光を受光し、当該反射光の強度に応じた電気信号を出力する受光素子であり、透光性基板１６の一方面上の所定位置に配置されている。このモニタＰＤ１４から出力される電気信号に基づいてＶＣＳＥＬ１０の出射光強度の制御が行われる。本実施形態のモニタＰＤ１４は、回折格子１２からの反射光に含まれる１次回折光を受光するのに好適な位置に配置されている。これにより、受光光量を必要十分に確保することが可能となる。また、１次回折光の進行方向は回折格子１２の設計時にある程度自由に決めることができるので、モニタＰＤ１４の実装位置の自由度を高めることが可能となる。
【００２８】
透光性基板１６は、樹脂あるいはガラスなどの略透明な材料からなる平板状の部材であり、一方面（第１面）にＶＣＳＥＬ１０及びモニタＰＤ１４を有し、他方面（第２面）に回折格子１２を有する。透光性基板１６を用いることにより、ＶＣＳＥＬ１０、回折格子１２及びモニタＰＤ１４の相互間の位置決めが容易となる。なお、当該透光性基板１６と回折格子１２を一体に成形することも好ましい。また、透光性基板１６の一方面には、ＶＣＳＥＬ１０及びモニタＰＤ１４と電気的に接続される回路配線が設けられている。当該回路配線は、銅箔などの導電膜をパターニングして形成される。
【００２９】
フレキシブルプリント基板１８は、柔軟性を有するフィルム状の回路配線基板であり、透光性基板１６の一方面に形成された回路配線とプリント基板２２に形成された回路配線とを電気的に接続する。
【００３０】
封止材２０は、ＶＣＳＥＬ１０やモニタＰＤ１４などを保護するためのものであり、樹脂等の部材を用いて、透光性基板１６の一方面上にＶＣＳＥＬ１０、モニタＰＤ１４及びフレキシブルプリント基板１８の一部を覆うように形成されている。
【００３１】
プリント基板２２は、光通信装置１００の動作を制御する回路チップ２４やその他の図示しない回路素子及び回路配線を備えるものであり、フレキシブルプリント基板１８を介して、透光性基板１６に形成された回路配線と電気的に接続されている。
【００３２】
回路チップ２４は、光通信装置１００の動作を制御するためのものであり、プリント基板２２上に実装されている。この回路チップ２４は、モニタＰＤ１４から出力される電気信号に基づいてＶＣＳＥＬ１０の出射光の強度を調整する光源制御手段としての機能を備えている。すなわち、当該回路チップ２４は、モニタＰＤ１４から出力される電気信号をフレキシブルプリント基板１８等を介して受け取り、当該電気信号の大きさに応じてＶＣＳＥＬ１０に供給する電流等を増減する制御を行うことにより、ＶＣＳＥＬ１０の出射光の強度を所定値に調整する。
【００３３】
集光レンズ２６は、回折格子１２を通過する透過０次光、すなわち信号光を集光して光ファイバ１１０の端面に導く。スリーブ２８は、光ファイバ１１０の一方端が接続される接続部である。集光レンズ２６から出射した信号光はこのスリーブ２８に接続された光ファイバ１１０のコアに入射する。
【００３４】
なお、上述したＶＣＳＥＬ１０、回折格子１２及びモニタＰＤ１４を含んで光学ユニットが構成され、当該光学ユニット及び回路チップ２４を含んで光源制御装置が構成される。また、回折格子１２、モニタＰＤ１４及び回路チップ２４を含んで光強度制御装置が構成される。
【００３５】
本実施形態の光送受信機１００はこのような構成を備えており、次に本実施形態の回折格子１２について更に詳細に説明を行う。
【００３６】
図２は、回折格子１２の構造の具体例について説明する図である。同図では回折格子１２の正面図が概略的に示されている。図２に示すように、回折格子１２は、等位相線が円弧状のパターンとなり、図示しない断面が鋸波形状（キノフォーム形状）となるように形成されている。等位相線のパターンは、図１に示した光学系に基づいて各光線を追跡することにより回折角度を求め、これに基づいて位相分布を計算することによって得られる。
【００３７】
図３は、回折格子１２の深さと反射光の１次光回折効率及び透過光の０次光回折効率の関係を示す図である。同図において、横軸が回折格子の深さ、縦軸が回折効率にそれぞれ対応している。上述したように、本実施形態の回折格子１２はフレネル反射板によって構成されており、屈折率ｎが約１．６、反射率が約５．３％となっている。また、ＶＣＳＥＬ１０の出射光の波長λは８５０ｎｍである。この場合に、反射光の１次光回折効率が最大となる深さは、λ／（２・ｎ）＝０．２７μｍとなる。また、透過光の１次光回折効率が最大となる、すなわち０次光回折効率が最小となる深さは、λ／（ｎ−１）＝１．４２μｍとなる。そして、回折格子の深さが０．２７μｍのときに、反射光の回折効率が１００％（理論限界）であるとすると、モニタＰＤ１４の受光効率は、ＶＣＳＥＬ１０の出射光の全光量の５．３％となる。この値は、モニタＰＤ１４の受光効率としては十分な値である。また、このときの透過光の０次光回折効率は図示のように約８７％であり、透過率として計算すると（１−反射率）×回折効率＝８２％になる。したがって、モニタＰＤ１４の受光効率を十分に確保することができるとともに、透過光の損失もそれほど生じないことが分かる。
【００３８】
このように、本実施形態の光通信装置１００は、回折格子１２によって生じる反射光を用いてＶＣＳＥＬ１０のオートパワーコントロールを行っている。回折格子からの反射光には指向性を有する回折光が多く含まれるので、当該回折光（特に１次回折光）の進行方向を考慮して受光素子１４を適当な位置に配置することにより、受光素子１４の受光光量を高め、迷光やノイズを低減してＳ／Ｎ特性を向上させることが可能となる。また、光源としてのＶＣＳＥＬ１０からの出射光の大部分は回折格子１２による回折を受けずに０次光として通過するので、透過０次光（すなわち信号光）の光量の減少による光結合効率の低下を回避することが可能となる。更には、回折格子１２を用いて反射光を得ているので、非点収差やコマ収差を増加させることもない。したがって、本実施形態によれば、光源からの信号光の光量の減少による光結合効率の低下を極力回避しながら、光源のオートパワーコントロールを良好に行うことが可能な光通信装置を得ることが可能となる。
【００３９】
なお、本実施形態は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、モニタＰＤ１４の受光効率として５．３％という数値例を示していたが、当該受光効率をより高くしたい場合には、回折格子１２をより屈折率の高い部材によって形成したり、図４に示すように、回折格子１２の一方面（透過光の出射側の面）に誘電体膜等からなる半透過反射膜４０を設けて回折光の強度を強めるなどの方法を採用するとよい。
【００４０】
また、回折格子の配置態様についても種々の変形例が考えられる。例えば、上述した実施形態における回折格子１２及び集光レンズ２６に代えて、図５に示すように、半球状（ドーム状）の集光レンズ２６ａと当該集光レンズ２６ａの底面に形成された回折格子１２ａを用いることが可能である。また、図６に示すように、回折格子１２ｂ及び集光レンズ２６ｂを内蔵したスリーブ２８ａを用いることも可能である。
【００４１】
また、上述した実施形態では、本発明にかかる光学ユニット、光源制御装置あるいは光強度制御装置を用いて構成される光学装置の一例として光通信装置を説明していたが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、レーザ等の光源からの出射光強度の調整を必要とする各種の光学装置に対して適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の光通信装置の構成について説明する図である。
【図２】回折格子の構造の具体例について説明する図である。
【図３】回折格子の深さと反射光の１次光回折効率及び透過光の０次光回折効率の関係を示す図である。
【図４】回折格子の一方面半透過膜を設ける変形例について説明する図である。
【図５】回折格子の配置態様の変形例について説明する図である。
【図６】回折格子の配置態様の変形例について説明する図である。
【符号の説明】
１０…面発光型のレーザ（ＶＣＳＥＬ）、  １２…回折格子、  １４…モニタ用の受光素子（モニタＰＤ）、  １６…透光性基板、  １８…フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）、  ２０…封止材、  ２２…プリント基板、  ２４…回路チップ、  ２６…集光レンズ、  ２８…スリーブ、  １００…光通信装置、
【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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