(57)【要約】【課題】遠端クロストークを低減でき、高効率で小型に構成できる双方向光通信用光学部品を提供する。【解決手段】一本の光ファイバと、受光素子及び発光素子と、光信号を集光及び反射させる光学部品とを有し、上記一本の光ファイバを通じて送受信を行う双方向モジュールにおいて、上記光学部品は、上記光ファイバの端面と対向される第１の面と、該第１の面と隣接し受光素子と対向される第２の面と、該第２の面と対向しかつ上記第１の面と隣接して発光素子と対向される第３の面と、上記第１の面から入射される受信光を上記第２の面に向って反射する第４の面と、上記第３の面から入射される送信光を上記第１の面に向って反射する第５の面とによって断面五角形を成し、上記光学部品の第１の面及び第２の面にそれぞれ上記受信光を集光する集光用レンズを一体形成し、上記第１の面及び第３の面にそれぞれ上記送信光を集光する集光用レンズを一体形成し、上記光学部品の第２の面と上記受光素子との間、及び上記光学部品の第３の面と上記発光素子との間に、それぞれ光アイソレータを配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一本の光ファイバと、受光素子及び発光素子と、光信号を集光及び反射させる光学部品とを有し、上記一本の光ファイバを通じて送受信を行う双方向モジュールにおいて、
上記光学部品は、上記光ファイバの端面と対向される第１の面と、該第１の面と隣接し受光素子と対向される第２の面と、該第２の面と対向しかつ上記第１の面と隣接して発光素子と対向される第３の面と、上記第１の面から入射される受信光を上記第２の面に向って反射する第４の面と、上記第３の面から入射される送信光を上記第１の面に向って反射する第５の面とによって断面五角形を成し、
上記光学部品の第１の面及び第２の面にそれぞれ上記受信光を集光する集光用レンズを一体形成し、上記第１の面及び第３の面にそれぞれ上記送信光を集光する集光用レンズを一体形成し、
上記光学部品の第２の面と上記受光素子との間、及び上記光学部品の第３の面と上記発光素子との間に、それぞれ光アイソレータを配置したことを特徴とする双方向光モジュール。
【請求項２】
上記光学部品の第４の面及び第５の面は、それぞれ上記光ファイバの軸方向となす角度が４５°以下であることを特徴とする請求項１に記載の双方向光モジュール。
【請求項３】
上記光学部品の第１の面に、上記送信光を集光するレンズと上記受信光を集光するレンズがそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の双方向光モジュール。
【請求項４】
上記送信光を集光するレンズと上記受信光を集光するレンズの半径が異なることを特徴とする請求項３記載の双方向光モジュール。
【請求項５】
上記光学部品の第４の面と第５の面にＡｌ、Ａｕ、ＳｉＯ、ＭｇＦ２、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２の１種以上からなる全反射誘電体薄膜を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の双方向光モジュール。
【請求項６】
前記全反射誘電体薄膜の厚みが１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の双方向光モジュール。
【請求項７】
上記光学部品の第４の面及び第５の面が、それぞれ球面又は非球面の曲面形状とされていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の双方向光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一本の光ファイバを介して光の送受信を行う双方向光通信に用いる光学部品に関し、特に光ファイバ端面に対向配置されて、光ファイバから出射された受信光を受光素子に導き、発光素子から出射された送信光を光ファイバ端面に入射させる双方向光モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５に従来の双方向光モジュール４０の例を示す。この例では光学部品であるプリズム１１と、その面に一体形状された集光用レンズ１２〜１５を使用して構成されている。図５中、一点鎖線はこの光部品４０に対して配置される光ファイバの軸２１ａを示している。
【０００３】
図５に示すように、光ファイバ２１と、光学部品であるプリズム１１と、受光素子２２及び発光素子２３とによって双方向光モジュール４０が構成され、光の送受信が行われる。プリズム１１の面１１ａに位置する集光用レンズ１２、１４に近接対向されて配置される光ファイバ２１の軸２１ａは、図５に示したように、集光用レンズ１２、１４の界面ではなく、集光用レンズ１２側に少しずれた位置に位置されている。
【０００４】
また、受信側の反射面をなす面１１ｄ及び送信側の反射面をなす面１１ｅがそれぞれ光ファイバ軸２１ａ方向となす傾斜角β１、β２は、４５°より小さい角度で設定されている。
【０００５】
また、受光素子２２は集光用レンズ１３の正面ではなく、集光用レンズ１３の正面に対し、軸２１ａ方向においてプリズム１１の面１１ａから遠ざかる方向にずらして配置されている。同様に、発光素子２３も集光用レンズ１５の正面ではなく、集光用レンズ１５の正面に対し、軸２１ａ方向において面１１ａから遠さがった方向にずらして配置された。なお、これら受光素子２２及び発光素子２３の各素子面２２ａ、２３ａは共に軸２１ａ方向と平行とされている。
【０００６】
光ファイバ２１の端面から出射された受信光３１は集光用レンズ１２で集光されてプリズム１１内に入射、面１１ｄで反射されて面１１ｂに向い、集光用レンズ１３で集光されている。この際、この従来例では受信光３１は受光素子２２の素子面２２ａに対して斜めに入射されている。一方、発光素子２３から出射された送信光３２は集光用レンズ１５によって集光されてプリズム１１内に入射し、面１１ａに向い、集光用レンズ１４で集光されて光ファイバ２１の端面に入射されている。
【特許文献１】特開２００３−３３７２６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような双方向光モジュールにおいては、クロストークと結合効率は性能上、大きな問題であり、クロストークと結合効率の低減は重要な課題となっている。
【０００８】
クロストークは、この種の光学部品においては送信光が自局の受信側へ漏れ、自局の受光素子に入射することであり、このうち自局の受信経路と送信経路の分岐部の各光学的界面や光ファイバ近端面における反射に起因するものを近端クロストークと呼んでいる。これに対し、相手局の分岐部の各光学的界面や光ファイバ遠端面、さらには相手局の受光素子面や発光素子面の反射に起因するものを遠端クロストークと呼んでいる。
【０００９】
そして、図５に示した双方向光モジュールでは、特にこの遠端クロストークが大幅に低減できなかった。
【００１０】
即ち、図５に示したようにプリズム１１の面（反射面）１１ｄ、１１ｅの傾斜角がなだらであるため、図５に示したように受信光３１及び送信光３３がこれら面１１ｄ及び面１１ｅによって反射された光は後方（面１１ａから遠ざかる方向）に進行し、その方向に配置されている受光素子２２及び発光素子２３の各素子面２２ａ、２３ａに斜めに入射及び出射することになる。そのため、これら素子面２２ａで反射された光は、さらに後方に進行するものとなり、素子面２３ａで出射された光の一部が光ファイバ２１の端面に入射している。
【００１１】
従って、図５（ａ）に各素子面２２ａ、２３ａで反射された光の経路は入射してきた経路と異なって近接せず、つまり反射光が入射してきた経路を遡って再び光ファイバ２１に入射し、相手局の遠端クロストークとなるといったことは発生しないものとなっており、かつ、この点で遠端クロストークを大幅に低減することができなかった。
【００１２】
また、受光素子２２は集光用レンズ１３の正面ではなく、集光用レンズ１３の正面に対し、軸２１ａ方向においてプリズム１１の面１１ａから遠ざかる方向にずらして配置されていた。同様に、発光素子２３も集光用レンズ１５の正面ではなく、集光用レンズ１５の正面に対し、軸２１ａ方向において面１１ａから遠さがった方向にずらして配置されていた。結合効率は光源から光ファイバへ光を入射するとき、光源とファイバとの結合と呼んでいる。光源から出射された全光パワーと、ファイバに入射された光のパワーとの比較を結合効率と呼んでおり、上記のような配置構成では結合効率にも問題があった。
【００１３】
さらに、図５（ｂ）のように、発光素子２３も集光用レンズ１５の正面ではなく、集光用レンズ１５の正面に対し、軸２１ａ方向において面１１ａから遠さがった方向にずらして配置されたことによって、光の結合効率を上げることができず、よって高い信頼性を有する双方向光通信用光学部品を得ることができなかった。
【００１４】
本発明の目的は、このような問題点に鑑みてなされたもので、その技術的課題は、遠端クロストークを大幅に低減できるようにしたことと結合効率を上げることができるようにした双方向光モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明は、一本の光ファイバと、受光素子及び発光素子と、光信号を集光及び反射させる光学部品とを有し、上記一本の光ファイバを通じて送受信を行う双方向モジュールにおいて、上記光学部品は、上記光ファイバの端面と対向される第１の面と、該第１の面と隣接し受光素子と対向される第２の面と、該第２の面と対向しかつ上記第１の面と隣接して発光素子と対向される第３の面と、上記第１の面から入射される受信光を上記第２の面に向って反射する第４の面と、上記第３の面から入射される送信光を上記第１の面に向って反射する第５の面とによって断面五角形を成し、上記光学部品の第１の面及び第２の面にそれぞれ上記受信光を集光する集光用レンズを一体形成し、上記第１の面及び第３の面にそれぞれ上記送信光を集光する集光用レンズを一体形成し、上記光学部品の第２の面と上記受光素子との間、及び上記光学部品の第３の面と上記発光素子との間に、それぞれ光アイソレータを配置したことを特徴とする。
【００１６】
また、上記光学部品の第４の面及び第５の面は、それぞれ上記光ファイバの軸方向となす角度が４５°以下であることを特徴とする。
【００１７】
更に、上記光学部品の第１の面に、上記送信光を集光するレンズと上記受信光を集光するレンズがそれぞれ形成されていることを特徴とする。
【００１８】
また、上記送信光を集光するレンズと上記受信光を集光するレンズの半径が異なることを特徴とする。
【００１９】
更に、上記光学部品の第４の面と第５の面にＡｌ、Ａｕ、ＳｉＯ、ＭｇＦ２、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２の１種以上からなる全反射誘電体薄膜を備えたことを特徴とする。
【００２０】
また、前記全反射誘電体薄膜の厚みが１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００２１】
更に、上記光学部品の第１の面及び第５の面が、それぞれ球面形状又は非球面形状とされていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
以上に述べた通り、本発明によればプリズムの第２の面と受光素子との間に光アイソレータを配置した構成からによって、受光素子面からの反射を遮断することによって受信側にクロストークを大幅に低減することができ、また、前記プリズムの第３の面と発光素子との間に光アイソレータを配置した構成により、第１の面から入射される受信光の一部が第３の面に向って反射する受信光を遮断することにより発光素子に悪影響を与えることなしとその点で高結合効率、高性能の向上を有する双方向光モジュールを得ることができる。
【００２３】
また、本発明ではプリズムの反射面側は集光レンズ形状によって構成されるものとなっているため、光の結合効率と光電気変換効率の向上を図ることができ、小型に構成でき、かつ安価な双方向光モジュールを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、従来例と同じものについては同じ符号を用いるものとする。
【００２５】
図１は、本発明の双方向光モジュールに用いる光学部品６０の実施の形態を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図を示す。この例では受信光経路（受光素子側）と送信光経路（送光素子側）は同一材料を使用して一体成形となっていることによって製造コストを低減することができる。
【００２６】
図１は、この受信光経路と送信光経路とを同一材料で一体成形する構造の光学部品において、発光素子と受光素子とを対向配置できるようにした構成を示したものであり、この実施の形態では光学部品６０は断面形状が五角形をなすプリズム６２を使用して構成される。
【００２７】
図１（ａ）に示すように、プリズム６２の第１の面６２ａとそれぞれ隣接する第２の面６２ｂ及び第３の面６２ｃと、前記第１の面６２ａには受信用及び送信用の二つの集光用レンズ６３、６４がそれぞれ一体形成されており、さらに前記第２の面６２ｂ及び前記第３の面６２ｃにも集光用レンズ６５、６６がそれぞれ一体形成されている。
【００２８】
図１（ｂ）に側面図を示すように、第２の面６２ｂ及び第３の面６２ｃは第１の面６２ａとそれぞれ直角をなすものとされ、五角形の残る第４の面６２ｄ及び第５の面６２ｅは内側にへこんだ面とされて、これら第４の面６２ｄと第５の面６２ｅとがなす角部６２ｆは図１（ｂ）に示したように第１の面６２ａに近接した位置に位置される。
【００２９】
このプリズム６２は図１（ｂ）において角部６２ｆより上方に位置する部分が受光部を構成し、角部６２ｆより下方に位置する部分が送光部を構成するものとされる。上記のような形状を有するプリズム６２の、光ファイバ端面と対向される第１の面６２ａには受信用及び送信用の二つの集光用レンズ６３、６４がそれぞれ一体形成されており、これら集光用レンズ６３、６４は共に一部が切り欠かれ、それら切り欠かれた部分が連結合体された構造となっている。また、第２の面６２ｂ及び第３の面６２ｃにも集光用レンズ６５、６６がそれぞれ一体形成されており、さらに反射面として機能する第４の面６２ｄ及び第５の面６２ｅは球面形状をなすものとされている。
【００３０】
なお、この実施の形態では光学部品６０はプリズム６２に上述したように集光用レンズ６３〜６６が一体形成され、さらに面６２ｄ、６２ｅが球面形状又は非球面形状とした構成をなすものとされている。さらに、透明度（透過率）の高い安価な樹脂（例えばアクリル、ポリカーボネート、非晶性ポリオプレンフィン等）を使用して作製され、その際、例えば集光用レンズ６３〜６６と面６２ｄ、６２ｅとプリズム６２とを二色成形により一体形成することもできる。なお、一般的な光学系ガラスのよって集光用レンズ６３〜６６と面６２ｄ、６２ｅとプリズム６２とを製作してもよい。
【００３１】
受信側の反射面をなす面６２ｄ及び送信側の反射面をなす面６２ｅがそれぞれ光ファイバ軸２１ａ方向となす傾斜角α１、α２は４５°以下の角度に設定され、かつ、３５°以上４５°以下程度の角度とすることが好ましい。
【００３２】
プリズム６２の第１の面６２ａから入射される受信光を第２の面６２ｂに向って反射する第４の面６２ｄ及び第３の面から入射される送信光を第１の面６２ａに向って反射する第５の面６２ｅの反射面に全反射膜６７が形成されている。前記全反射膜６７はアルミニウム、金等の金属膜と非金属膜の誘電体多層膜で形成したり、あるいは前記全反射膜６７がＡｌ、Ａｕ、ＳｉＯ、ＭｇＦ２、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２から選択する１種以上を用いることが好ましい。
【００３３】
全反射膜６７は、紫外、可視そして赤外領域の広い範囲で高い反射率を持ち、信頼性の高い膜を用いている。また、前記全反射膜６７の反射率を高めるために、多層膜の誘電体膜しており、該全反射膜６７の厚みが１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲が好ましく、波長範囲が５００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下で全反射率が９９．５％以上とすることが好ましい。この範囲にすることにより、全反射膜６７の膜面の強度が強く、クリーニングが耐えられることと、送信側及び受信側から強い出射光を出射することができる。
【００３４】
第４の面６２ｄ及び第５の面６２ｅに全反射膜６７を形成することによって、送信側及び受信側から出射光が無駄なくファイバへ結合する事ができることで歩留まりが向上することができる。
【００３５】
図２は図１に示した光学部品６０を使用した本発明の双方向光モジュールを示す。発光素子２３はプリズム６２の面６２ｃの集光用レンズ６６と対向配置され、一方受光素子２２はプリズム６２の面６２ｂの集光用レンズ６５と対向配置され、これにより発光素子２３と受光素子２２とが平行対向されて配置されている。光ファイバ２１の光ファイバ軸２１ａはプリズム６２の面６２ａにおける受信側の集光用レンズ６３の光ファイバ軸２１ａと一致される。
【００３６】
光ファイバ２１の端面２１ｂから出射する受信光１５ａは図２に示したように受信光１５ａが集光用レンズ６３で集光されてプリズム６２内に入射し、球面又は非球面の曲面形状とされた面６２ｄの全反射膜６７で全反射し、面６２ｂに至り、集光用レンズ６５で集光されて光アイソレータ５５を透過することによって受光素子２２に入射する。該受光素子２２に入射した前記受信光１５ａの一部が該受光素子２２ａの表面で反射光１５ａａが反射すると、図３に示すように再び該光アイソレータ５５へ入射することによって、反射光１５ａａが該光アイソレータ５５で遮断される。
【００３７】
このように受光素子２２ａの表面で反射光１５ａａが反射し、光アイソレータ５５で遮断されることによってクロストークを大幅に低減することができる。
【００３８】
図２に示すように、光ファイバ２１の端面２１ｂから出射する受信光１５ａの一部が集光用レンズ６４で集光されてプリズム６２内に入射し、球面形状又は非球面形状とされた面６２ｅの全反射膜６７で全反射し、全反射した出射光は受信光１５ａ１で、該受信光１５ａ１が、面６２ｃに至り、集光用レンズ６６で集光されて光アイソレータ５５へ入射することによって、受信光１５ａ１が該光アイソレータ５５で遮断される。
【００３９】
このように受信光１５ａ１が該光アイソレータ５５で遮断されることによって発光素子２３の性能劣化を避けることと安定した発光と結合効率の向上が得られることができる。
【００４０】
図４は図１に示した光学部品６０を使用して光の送信側が行われる様子を示したものであり、発光素子２３はプリズム６２の面６２ｃの集光用レンズ６６と対向配置され、これにより発光素子２３が平行対向されて配置されている。光ファイバ２１の光軸はプリズム６２の面６２ａにおける送信側の集光用レンズ６４の光ファイバ軸と一致される。
【００４１】
発光素子２３から出射された送信光１６ａは光アイソレータ５５を透過し、集用レンズ６６によって集光されてプリズム６２内に入射し、球面形状又は非球面形状とされた面６２ｅの全反射膜６７で全反射し、面６２ａに至り、集光用レンズ６４で集光されて光ファイバ２１の端面２１ｂに入射される。
【００４２】
このように、図に示したような形状を有するプリズム６２を用いることにより、送信光経路と受信光経路とを分離できると共に、発光素子２３と受光素子２２とを対向配置できるものとなる。また、受光素子２２又は発光素子２３は集光用レンズ６５又は集光用レンズ６６の正面に対して、軸２１ａ方向においてプリズム６２の面６２ａがずらしなしで配置されたものとされる。
【実施例】
【００４３】
本発明の双方向光モジュールの実施例として図２に示すものを作成した。光ファイバ、断面形状が五角形をなすプリズム、２個の光アイソレータ、受光素子と発光素子を互いに接合した。
【００４４】
プリズム及び集光用レンズの材料は一般的な光学系ガラスであるＢＫ７で、プリズム６２と、反射角度α１＋α２が９０°であり、集光用レンズ６３の半径が２．５ｍｍと集光用レンズ６４の半径が１．５ｍｍであり、集光用レンズ６５、６６の曲率半径が１．０ｍｍであり、受光素子２２の開口形が０．１２ｍｍの寸法と発光素子２３が０．５ｍｍ×０．５ｍｍ×ｔ０．１ｍｍである。
【００４５】
第４の面６２ｄ及び第５の面６２ｅの反射面に全反射膜６７の金属膜をＡｕ、ＳｉＯ、ＭｇＦ２、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２にて形成した。また、全反射膜６７の多層積層膜厚みが７５ｎｍで形成し、波長範囲が５００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下で全反射率が９９．５％以上とである。
【００４６】
一方、比較例として図５に示すものを作製した。比較例が本発明実施例と異なる点は、反射角度β１＋β２が８０°で、受光素子２２又は発光素子２３は集光用レンズ１３又は集光用レンズ１５の正面に対して、軸２１ａ方向においてプリズム１１の面１１ａがずらした位置で配置したものである。
【００４７】
本発明実施例と比較例の双方向光モジュールのサンプルをそれぞれ１１個作製し、それらについて光学特性（結合効率、クロストーク）を測定した。光学特性の測定条件は、光波長λｏを６７０ｎｍ、発光ダイオードの光出力強度を０ｄＢｍまたは１ｍＷで行った。測定系には、Ａｇｉｌｅｎｔ社のＡｇｉｌｅｎｔ８６１４２Ｂ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  Ａｎａｌｉｚｅｒとして、固定レーザ光源モジュール（ＬＥＤ）として光パワー・センサ・モジュール（光波長λｏを６７０ｎｍ）を使用して測定を行った。
【００４８】
以上の測定条件で本発明の実施例、比較例の光学デバイスの光学特性評価結果を表１に示す。
【表１】
2005215219.tif 000003
【００４９】
これにより、本発明の実施例の１１個の結合効率の平均は、０．１０ｄＢであり、クロストークの平均は−６５ｄＢであった。また、比較例の１１個の結合効率の平均は、０．３ｄＢであり、遠端クロストークの平均は−６０ｄＢであった。したがって、本発明実施例は、比較例よりも十分に良好な光学特性を有し、それらの値も安定していることが確認できた。
【００５０】
以上の結果から明らかな様に、比較例では、特に受光素子と発光素子が集光用レンズの正面ではなく、集光用レンズの正面に対し、軸方向においてプリズムの面から遠ざかる方向にずらして配置されており、クロストークと結合効率の値は、実施例の結果よりもかなり悪くなっている。また発光素子からの出射光はファイバの結合効率の値が非常に悪いのは発光素子が集光用レンズの正面ではなく配置されている。
【００５１】
これに対し、本発明実施例によれば、図に示したような形状を有するプリズムの反射側に集光用レンズ効果を用いることにより光の拡がりを抑制して送信光、受信光共に光の結合効率を向上させたものとなっており、また光アイソレータを使用することによって遠端クロストークの発生を大幅に低減するができた。また、受光素子又は発光素子は集光用レンズの正面に対して、軸方向においてプリズムの面をずらすことなしで配置し、よって高い信頼性を有する双方向光モジュールが実現した。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の双方向光モジュールに用いる光学部品を示しており、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】本発明の双方向光モジュールを示す断面図である。
【図３】本発明の双方向光モジュールを示す断面図である。
【図４】本発明の双方向光モジュールを示す断面図である。
【図５】従来の双方向光モジュールを示しており、（ａ）は受信側、（ｂ）は送信側を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１１、６２        プリズム
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ、６２ｅ  面
１２、１３、１４、１５、６３、６４、６５、６６  集光用レンズ
１５ａ、１５ａ１、３１  受信光
１５ａａ            反射光
１６ａ、３２、３３  送信光
２１                ファイバ
２１ａ              光ファイバ軸
２１ｂ              光ファイバの端面
２２                受光素子
２２ａ、２３ａ      素子面
２３                発光素子
４０、６０          光部品
５５                光アイソレータ
６２ｆ              角部
α１、α２、β１、β２  傾斜角
【図１】
2005215219.tif 000004
【図２】
2005215219.tif 000005
【図３】
2005215219.tif 000006
【図４】
2005215219.tif 000007
【図５】
2005215219.tif 000008