(57)【要約】【課題】  送信、受信ともに光学設計の自由度が高く光結合効率の高い一心双方向送受信モジュールの提供。【解決手段】  半球レンズ１０の平坦面と直角プリズムの長辺側の面が貼り合わされ、その貼り合わせ面にフィルタが設けられてなり、前記半球レンズの半球面から入射した特定波長帯の光信号はフィルタで反射されて半球面から出射され、半球面から入射した別の波長帯の光信号はフィルタを透過して直角プリズムの短辺側の一面から出射されることを特徴とする一心双方向光送受信モジュール用光部品。光部品と、光ファイバと、発光素子と、受光素子とを有してなり、前記光ファイバと前記発光素子と前記受光素子とが、それぞれの光軸が前記フィルタに対して略４５度で交わるように前記一心双方向光送受信モジュール用光部品の周囲に配置されたことを特徴とする一心双方向光送受信モジュール。【選択図】  図３
2005352256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半球レンズの平坦面と直角プリズムの長辺側の面が貼り合わされ、その貼り合わせ面にフィルタが設けられてなり、前記半球レンズの半球面から入射した特定波長帯の光信号はフィルタで反射されて半球面から出射され、半球面から入射した別の波長帯の光信号はフィルタを透過して直角プリズムの短辺側の一面から出射されることを特徴とする一心双方向光送受信モジュール用光部品。
【請求項２】
請求項１に記載の一心双方向光送受信モジュール用光部品と、光ファイバと、発光素子と、受光素子とを有してなり、前記光ファイバと前記発光素子と前記受光素子とが、それぞれの光軸が前記フィルタに対して略４５度で交わるように前記一心双方向光送受信モジュール用光部品の周囲に配置されたことを特徴とする一心双方向光送受信モジュール。
【請求項３】
前記発光素子が、その出射光を前記フィルタで反射させて前記光ファイバにその反射光を入射させる側に配置され、かつ前記受光素子が、前記フィルタを透過した前記光ファイバからの光信号を入射可能な側に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の一心双方向光送受信モジュール。
【請求項４】
前記直角プリズムの短辺側の一面に、前記発光素子からの光を除去する送信光カットフィルタが設けられたことを特徴とする請求項３に記載の一心双方向光送受信モジュール。
【請求項５】
前記直角プリズムの短辺側の一面にレンズが貼り付けられたことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の一心双方向光送受信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一本の光ファイバにおいて送信と受信とで異なる波長の光信号を用いる双方向光通信システムの送受信部に使われる一心双方向送受信モジュールに関し、特に送信、受信ともに光学設計の自由度が高く光結合効率の高い一心双方向光送受信モジュール用光部品と、それを用いた高性能の一心双方向送受信モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の一心双方向送受信モジュールは、発光素子である送信用レーザダイオード（以下、ＬＤと記す。）からの光信号を光ファイバへ導くとともに、光ファイバを通して送られてきた光信号を受光素子であるフォトダイオード（以下、ＰＤと記す。）に導くために、光ファイバとＬＤ、ＰＤの間に波長フィルタを配置し、それぞれの波長の違いにより光信号の経路を分けることが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１（ａ）、（ｂ）は従来の一心双方向送受信モジュールの構成を例示する概略図であり、図中、符号１は光ファイバ、２はＬＤ、３はＰＤ、４はフィルタ、５〜７はボールレンズであり、図１（ａ）ではガラス板８上に形成されたフィルタ４を用いた例、（ｂ）は直角プリズムをフィルタ４を介して貼り合わせた光部品９を用いた例を示している。
【０００４】
この図１に示す従来の一心双方向送受信モジュールにおいて、ＬＤ２からの信号光はフィルタ４を透過して光ファイバ１へ結合され、一方、光ファイバ１からの信号光はフィルタ４で反射されてＰＤ３へ導かれる。但し、光ファイバ１からの信号光やＬＤ２からの信号光は、そのままでは広がりが大きいため、図１（ａ）、（ｂ）に示すようにフィルタ４の他に１つ以上のレンズ（ボールレンズ５，６，７）を加えることで集光されるのが一般的である。
【０００５】
また、別な従来技術として、半球レンズの平坦面にフィルタを形成した光部品を用いた一心双方向送受信モジュールが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
図２は、従来の一心双方向送受信モジュールの別な例を示す図であり、このモジュールは、半球レンズ１０の平坦面にフィルタ４を形成し、ＬＤ２からの信号光は半球面から半球レンズ１０に入射し、平坦面のフィルタ４で反射され、再び半球面から出射されて光ファイバ１に向かう。一方、光ファイバ１からの信号光は半球面から入射され、フィルタ４を透過してＰＤ３へ向かう配置になっている。この際、フィルタ４は光軸に対して斜めであるため、光軸が曲がって出射される。従って、ＰＤ３はこの曲がった軸に合わせて配置されている。
【特許文献１】特許第２７５７３５０号公報
【特許文献２】米国特許第５４１６６２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述した従来技術には、次のような問題があった。
特許文献１に記載された従来技術では、ＬＤやＰＤと光ファイバの間にフィルタとレンズを挿入する必要がある。このため、単に光ファイバとＬＤ、ＰＤを結合させる場合に比べてレンズや光ファイバの間にレンズを入れる空間を確保するため、複数のレンズを配置するか、焦点距離を長くするなどの対策が必要となり、部品点数の増加、組立作業の複雑化を招く問題がある。また、光学設計の自由度が下がることから、必ずしも最も結合効率の高い設計が実現できないという問題がある。
【０００７】
特許文献２に記載された従来技術は、フィルタとレンズを一体化し、かつＬＤと光ファイバの光結合に関しては、ボールレンズを利用したのと同等の効果が得られ、比較的光学設計の自由度も高い。ただし、ＬＤと光ファイバの位置を近接させる必要があるほか、光ファイバとＰＤの結合に関しては、レンズの集光効果が得にくい上、レンズの屈折率が高いほどフィルタ平坦面で光が大きく屈折されるため、ＰＤへの光信号を確保するためにレンズの角度や屈折率、またＬＤ、ＰＤの配置について設計上の自由度は小さくなってしまう。一般に、伝送速度が低い場合はＰＤの受光面積も大きいため影響は小さいが、特に高い伝送速度に対応したＰＤは受光面積が小さいため、十分な結合を得るのが難しくなる。また、透過側にＬＤを配置するのは、光結合効率を確保する点で極めて困難である。さらに、一定の角度を保って半球レンズを保持するのも難しい。
【０００８】
本発明は前記事情に鑑みてなされ、送信、受信ともに光学設計の自由度が高く光結合効率の高い一心双方向送受信モジュールの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明は、半球レンズの平坦面と直角プリズムの長辺側の面が貼り合わされ、その貼り合わせ面にフィルタが設けられてなり、前記半球レンズの半球面から入射した特定波長帯の光信号はフィルタで反射されて半球面から出射され、半球面から入射した別の波長帯の光信号はフィルタを透過して直角プリズムの短辺側の一面から出射されることを特徴とする一心双方向光送受信モジュール用光部品を提供する。
また本発明は、前述した本発明に係る一心双方向光送受信モジュール用光部品と、光ファイバと、発光素子と、受光素子とを有してなり、前記光ファイバと前記発光素子と前記受光素子とが、それぞれの光軸が前記フィルタに対して略４５度で交わるように前記一心双方向光送受信モジュール用光部品の周囲に配置されたことを特徴とする一心双方向光送受信モジュールを提供する。
本発明の一心双方向光送受信モジュールにおいて、前記発光素子が、その出射光を前記フィルタで反射させて前記光ファイバにその反射光を入射させる側に配置され、かつ前記受光素子が、前記フィルタを透過した前記光ファイバからの光信号を入射可能な側に配置された構成とすることが好ましい。
本発明の一心双方向光送受信モジュールにおいて、前記直角プリズムの短辺側の一面に、前記発光素子からの光を除去する送信光カットフィルタが設けられた構成とするのが好ましい。
本発明の一心双方向光送受信モジュールにおいて、前記直角プリズムの短辺側の一面にレンズが貼り付けられた構成とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一心双方向光送受信モジュール用光部品及び一心双方向光送受信モジュールは、フィルタとレンズ、レンズ保持用部材が一体化されているため、複数のレンズとフィルタを配置する場合に比べて少ないスペースで自由度の高い光学系設計ができる。
また、少なくともフィルタで反射される波長の光信号に対しては、ボールレンズとして作用し、高い結合効率をもつ光モジュールを得ることができる。さらに、フィルタを透過する光については、さらにレンズを追加することで、結合効率を高めることができる。
フィルタで反射される側が送信の場合、直角プリズムの受光素子側面に送信波長をカットするフィルタを付加することで、雑音の影響を除去できる。かつフィルタを追加することによる寸法制約増加がない。
直角プリズムが光学系とその保持部材の役目を果たすので、モジュールへの実装構造が簡単になる。また、汎用のプリズムが使えるため、材料費が少なくて済む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図３は本発明の第１実施形態を示す構成図である。この図中符号１は光ファイバ、２は発光素子であるＬＤ、３は受光素子であるＰＤ、４はフィルタ、１０は半球レンズ、１１Ａは一心双方向光送受信モジュール用光部品（以下、光部品と記す。）、１２は直角プリズム、１２Ａは直角プリズム１２の長辺側の面、１２Ｂと１２Ｃは直角プリズムの短辺側の面である。
【００１２】
本実施形態において、光部品１１Ａは、半球レンズ１０の平坦面と直角プリズム１２の長辺側の面１２Ａが貼り合わされ、その貼り合わせ面にフィルタ４が設けられ、半球レンズ１０の半球面から入射した特定波長帯の光信号はフィルタ４で反射されて半球面から出射され、半球面から入射した別の波長帯の光信号はフィルタ４を透過して直角プリズム１２の短辺側の一面１２Ｃから出射されるように構成されている。直角プリズム１２の短辺側の他面１２Ｂは、この光部品１１Ａを適当な外装体内面や基板に固定するための固定用の面として使用できる。
【００１３】
この光部品１１Ａを構成する直角プリズム１２と半球レンズ１０は、同じ屈折率を有する各種の光学用透明材料を用いて作製可能であり、例えばＢＫ７等のガラス製のプリズムやレンズが好ましい。また、直角プリズム１２と半球レンズ１０の寸法は、特に限定されず、例えば、直角プリズム１２は短辺がすべて４ｍｍ程度、半球レンズの半径は２ｍｍ程度とすることができる。この直角プリズム１２の長辺側の面１２Ａと半球レンズ１０の平坦面とは、光学用接着剤を用いて接着されている。
【００１４】
フィルタ４は、特定波長帯の光信号は反射し、別の波長帯の光信号は透過する波長フィルタであり、誘電体多層膜フィルタなどを用いることができる。このフィルタ４は、半球レンズ１０の平坦面と直角プリズム１２の長辺側の面１２Ａとのいずれか一方の面に設けられ、半球レンズ１０の平坦面と直角プリズム１２の長辺側の面１２Ａとを貼り合わせることで、その貼り合わせ面に配置される。このフィルタ４の波長選択特性は、使用する送受信光信号の波長帯に応じて決定され、一例を挙げれば、フィルタ４に対して４５度で入射した光に対して、波長１３１０ｎｍ付近の光を反射し、１５５０ｎｍ付近の光を透過するフィルタ特性を有するものとすることができる。
【００１５】
この光部品１１Ａを用いた一心双方向光送受信モジュールは、図３に示すように、光部品１１Ａと、光ファイバ１と、発光素子であるＬＤ２と、受光素子であるＰＤ３とを有してなり、光ファイバ１とＬＤ２と受光素子ＰＤとが、それぞれの光軸がフィルタ４と略４５度に交わるように光部品１１Ａの周囲に配置された構成になっている。図３に示すように、直角プリズム１２の短辺側の他面１２Ｂを水平面に固定した場合、フィルタ４は該水平面に対し４５度に傾斜した状態で配置される。光ファイバ１とＰＤ３の光軸は、ほぼ一直線上に配置され、これらの光軸は直角プリズム１２の短辺側の一面１２Ｃに対して直角になっている。また、ＬＤ２は、光部品１１Ａの直下に配置され、その光軸は直角プリズム１２の短辺側の他面１２Ｂに対し垂直である。
【００１６】
このような配置構成とすることにより、ＬＤ２からの光信号（送信光）は半球面から半球レンズ１０に入射し、フィルタ４で反射されて直角に曲がり、半球面から出射して光ファイバ１へ向かう。一方、光ファイバ１からの光信号（受信光）は、半球面から半球レンズ１０に入射し、フィルタ４を透過し、直角プリズム１２の短辺側の一面１２Ｃから出射し、ＰＤ３へ向かう。
【００１７】
このように、半球レンズ１０、フィルタ４及び直角プリズム１２により構成したこの光部品１１Ａは、フィルタ４で反射される波長の光に対してはボールレンズとして作用し、フィルタ４を透過する波長の光に対しては、半球レンズ１０と直角プリズム１２の屈折率が同じであることから、平凸レンズとして作用する。平凸レンズとしての厚さは、半球レンズ１０を直角プリズム１２に貼り付ける位置で調整可能である。
【００１８】
本実施形態によれば、フィルタ４とレンズ、レンズ保持用部材が一体化されているため、複数のレンズとフィルタを配置する場合に比べて少ないスペースで自由度の高い光学系設計ができる。
また、少なくともフィルタ４で反射される波長の光信号に対しては、ボールレンズとして作用し、高い結合効率をもつ光モジュールを得ることができる。
直角プリズム１２が光学系とその保持部材の役目を果たすので、モジュールへの実装構造が簡単になる。また、汎用のプリズムが使えるため、材料費が少なくて済む。
【００１９】
図４は本発明の第２実施形態を示す構成図である。本実施形態による光部品１１Ｂは、前述した第１実施形態における光部品１１Ａとほぼ同様の構成を備えている他、ＰＤ３に面している直角プリズム１２の短辺側の一面１２Ｃに、送信光カットフィルタ１３を設けたことを特徴としている。送信光カットフィルタ１３は、誘電体多層膜フィルタなどで形成され、ＬＤ２から出射される送信光信号の波長の光を反射し、光ファイバ１からＰＤ３に向かう受信光信号の波長の光は透過する波長フィルタ特性を有している。必要により、光ファイバから入射する光信号のうち、不要な波長の光を反射する特性をもたせるとよい。
【００２０】
光部品１１Ｂのフィルタ性能によっては、ＬＤ２からの光信号の極一部が、半球レンズ１０の平坦面のフィルタ４で反射されずに透過して、反射を繰り返してＰＤ３へ向かい、雑音の原因となる可能性があるが、図４に示すように直角プリズム１２の短辺側の一面１２ＣにＬＤ２からの光信号の波長を反射するフィルタ１３を形成することにより、雑音の影響を排除することができる。また、光ファイバから入射する光信号のうち、本モジュールで受信しようとする以外の波長を反射する特性をもたせることで雑音の影響を排除することができる。
【００２１】
この第２実施形態によれば、前記第１実施形態と同様の効果が得られ、さらに、直角プリズム１２の短辺側の一面１２ＣにＬＤ２からの光信号の波長を反射するフィルタ１３を形成したことによって、雑音の影響を除去できる。またこのフィルタ１３を追加することによる寸法制約増加がない。
【００２２】
図５は本発明の第３実施形態を示す構成図である。本実施形態では、外装体１６内に光部品１１Ａ（又は１１Ｂ）を配置し、外装体１６を通して所定位置に光ファイバ１とＬＤ２とＰＤ３を配置した一心双方向光送受信モジュール１４Ａを示している。この一心双方向光送受信モジュール１４Ａにおいて、光部品１１Ａは、直角プリズム１２の短辺側の他面１２Ｂを外装体１６の天井内面（又は蓋内面）に接着固定されている。光ファイバ１は、先端部にフェルール１５を成端し、該フェルール１５の先端部を外装体１６に挿入した状態で側壁に取り付けられている。外装体１６の側壁に取り付けられたフェルール１５とＰＤ３、及び外装体１６は、それぞれの光軸が光部品１１Ａのフィルタ４に対して略４５度で交わるように配置されている。
【００２３】
この第３実施形態によれば、前記第１実施形態と同様の効果が得られ、さらに、直角プリズム１２の短辺側の他面１２Ｂを固定用の面として利用し、この面を外装体１６内面に接着固定することで、角形をなす外装体１６の内側面に対してフィルタ４を正確に４５度に定めることができ、底面に対しては直角プリズム１２の短辺側の他面１２Ｂを正確に９０度に定めることができるため、ケース設計が容易になる。
【００２４】
図６は本発明の第４実施形態を示す構成図である。本実施形態の一心双方向光送受信モジュール１４Ｂは、前記第３実施形態の一心双方向光送受信モジュール１４Ａとほぼ同様の構成要素を備えて構成され、本実施形態の一心双方向光送受信モジュール１４Ｂでは、ＬＤ２及びＰＤ３に代えて、それぞれＬＤベアチップ１７，ＰＤベアチップ１８を用いている点が異なっている。
【００２５】
この第４実施形態によれば、前記第３実施形態と同様の効果が得られ、さらに、ＬＤとＰＤにそれぞれベアチップを用いることで、スペースを増加せずにＬＤとＰＤの素子搭載数を増加できるので、小型で高性能なモジュールを製造することができる。
【００２６】
図７は本発明の第５実施形態を示す構成図である。本実施形態の光部品１９は、図３に示す第１実施形態の光部品１１Ａと同様の構成要件を備えている他、直角プリズム１２の短辺側の一面１２Ｃに平凸レンズ２０を貼り付けた構成になっている。追加した平凸レンズ２０の曲率半径は、半球レンズ１０と同じく２ｍｍ程度で、厚みは約０．５１ｍｍまで研磨し、レンズ、プリズムと合わせて直径４ｍｍのボールレンズをなすようにしている。これにより、フィルタ４の透過光に対する結合効率を高くすることが可能となる。
実際には、必ずしもボールレンズをなす必要はなく、透過側にＬＤ２を配置するかＰＤ３を配置するかに応じて、曲率半径や厚み、屈折率（材質）を調整して最適な光学系を設計する。
【００２７】
また、第５実施形態による一心双方向光送受信モジュールは、この光部品１１と、光ファイバ１と、発光素子であるＬＤ２と、受光素子であるＰＤ３とを有してなり、光ファイバ１とＬＤ２と受光素子ＰＤとが、それぞれの光軸がフィルタ４と略４５度に交わるように光部品１１Ａの周囲に配置された構成になっている。
【００２８】
この第５実施形態では、第１の実施形態とほぼ同様の効果が得られる他、直角プリズム１２の短辺側の一面１２Ｃに平凸レンズ２０を貼り付けた構成としたので、フィルタ４の透過光に対する結合効率を高くすることが可能となる。
【００２９】
なお、前述した各実施形態は本発明の例示に過ぎず、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
例えば、前記各実施形態では、ＬＤと光ファイバとの結合効率を高くするために、フィルタの反対側、すなわち光部品がボールレンズとして作用する側にＬＤを配置しているが、フィルタ透過側にＬＤを配置しても光結合を取ることが可能である。
また、場合によっては、受発光素子とプリズム平坦面の間に屈折率整合をとった光学用樹脂を充填してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来の一心双方向光送受信モジュールの一例を示す構成図である。
【図２】従来の一心双方向光送受信モジュールの別の例を示す構成図である。
【図３】本発明の第１実施形態の一心双方向光送受信モジュールを示す構成図である。
【図４】本発明の第２実施形態の一心双方向光送受信モジュールを示す構成図である。
【図５】本発明の第３実施形態の一心双方向光送受信モジュールを示す構成図である。
【図６】本発明の第４実施形態の一心双方向光送受信モジュールを示す構成図である。
【図７】本発明の第５実施形態の一心双方向光送受信モジュールを示す構成図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…光ファイバ、２…ＬＤ（発光素子）、３…ＰＤ（受光素子）、４…フィルタ、１０…半球レンズ、１１Ａ，１１Ｂ，１９…光部品（一心双方向光送受信モジュール用光部品）。１２…直角プリズム、１３…送信光カットフィルタ、１４Ａ，１４Ｂ…一心双方向光送受信モジュール、１７…ＬＤベアチップ、１８…ＰＤベアチップ、２０…平凸レンズ。
【図１】
2005352256.tif 000003
【図２】
2005352256.tif 000004
【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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