(57)【要約】【課題】Ｓ／Ｎ比を向上させ、かつ、安定した強度の光信号を受信可能とする光通信用モジュールを提供すること。【解決手段】本発明の実施形態にかかる光通信用モジュール１００は、電気信号を光信号に変換して出射する少なくとも１つの平面発光素子５ａ（５ｂ）を有する。平面発光素子５ａ（５ｂ）の光信号の放射角が３０度以下になるように平面発光素子５ａ（５ｂ）の光軸方向に所定の間隔をもって設置され、第１の光信号と第２の光信号を出力するレンズ７ａ（７ｂ）を有する。レンズ７ａ（７ｂ）の光軸中心上に設置され、第１の光信号を特定方向に変更して透過する第１の偏光板２２を有する。さらに、レンズの光軸中心上で、第１の偏光板２２に隣接して設置され、第１の光信号に対して偏光格差が９０度になるように第２の光信号を偏光して透過する第２の偏光板２３とを有することを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号を光信号に変換し、出射する平面発光素子と、
前記平面発光素子の放射角が３０度以下になるように前記平面発光素子の光軸中心方向に所定の間隔をもって設置され、第１の光信号と第２の光信号を出力するレンズと、
前記レンズの光軸中心上に設置され、前記第１の光信号を特定方向に偏光して透過する第１の偏光板と、
前記レンズの光軸中心上で、前記第１の偏光板に隣接して設置され、前記第１の光信号に対して偏光格差が略９０度になるように前記第２の光信号を偏光して透過する第２の偏光板とを有することを特徴とする光通信用モジュール。
【請求項２】
前記第1の光信号を偏光して透過する第1の受信用偏光板と、
前記第1の偏光板に隣接して設置され、前記第1の光信号に対して偏光格差が略９０度になるように前記第２の光信号を偏光して透過する前記第２の受信用偏光板と、
前記第1の光信号と前記第２の光信号と受光する受光部とをさらに有する請求項1記載の光通信用モジュール。
【請求項３】
前記レンズがプリズムレンズであることを特徴とする請求項１記載の光通信用モジュール。
【請求項４】
前記電気信号を前記光信号に変換し、所定の放射角で第２の光信号を出射する第２の平面発光素子と、
前記第２の平面発光素子の前記第２の光信号の放射角が３０度以下になるように前記第２の平面発光素子の光軸中心上に設置され、前記第２の光信号を透過して前記第２の偏光板へ出力する第２のレンズとをさらに有することを特徴とする請求項１記載の光通信用モジュール。
【請求項５】
前記レンズの形状が球形であることを特徴とする請求項１記載の光通信用モジュール。
【請求項６】
前記レンズが半径方向に屈折率分布を持つ光ファイバを特定の長さに切断した棒状の屈折率分布型レンズであることを特徴とする請求項１記載の光通信用モジュール。
【請求項７】
前記第1のレンズの形状が円筒形であり、この円筒形の軸方向が前記第１の偏光板の偏光面に対して平行に設置されており、
前記第２のレンズの形状が円筒形であり、この円筒形の軸方向が前記第２の偏光板の偏光面に対して平行に設置されていることを特徴とする請求項４記載の光通信用モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は光通信用モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、データ通信のための光信号を、自由空間を通じて送受信することができる光通信用モジュールが知られている。従来の光通信用モジュールにおいて、光受信器は、光信号と、太陽光や照明光などの外乱光とを併せて受光する。光信号に含まれる外乱光は、光送受信器の性能に悪影響を及ぼす。そこで、光送受信器の性能を改善するために、光受信器が受光した光信号から外乱光を除去し、Ｓ／Ｎ比を向上させる方法が数多く開発されている（たとえば特許文献１）。
【０００３】
一方、この光通信用モジュールに用いる発光素子として、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）や表面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ ＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ）を用いることが知られている。特に、ＶＣＳＥＬは、半導体基板の表面から光が出射されるレーザダイオードであり、端面発光型のレーザダイオードと比べて、駆動電流が低く、ウエハレベルでの特性検査が可能、および２次元化が容易、といった特徴を備えている。このため、光情報処理や光通信用の光源、またはデータの読み出し書き込みに光が使用されるデータ記憶装置の光源として広く利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１６７５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＶＣＳＥＬが形成されたチップは、カンパッケージや樹脂パッケージ内に封止された状態で使用され、また、そのようなパッケージにレンズや光ファイバなどの光学系を取り付けて使用している。そのため、ＶＣＳＥＬから発せられたレーザー光は、レンズや光ファイバ等の光学系を介して受信用モジュールへ伝送されるが、送信用モジュールにおいて光学系の位置決めが正確になされないと、レーザー光の外延領域の強度が損なわれてしまうという問題がある。特に、レーザー光の強度が弱い領域は外乱光の影響を受け易く、受信されるレーザー光が不安定なものなる。
【０００６】
そこで、Ｓ／Ｎ比を向上させ、かつ、受信側で安定した強度のレーザー光を受信可能とする光通信用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】
【０００７】
本発明の実施形態にかかる光通信用モジュールは、電気信号を光信号に変換して出射する平面発光素子を有する。平面発光素子の光信号の放射角が３０度以下になるように平面発光素子の光軸方向に所定の間隔をもって設置され、第１の光信号と第２の光信号を出力するレンズを有する。レンズの光軸中心上に設置され、第１の光信号を特定方向に変更して透過する第１の偏光板を有する。さらに、レンズの光軸中心上で、第１の偏光板に隣接して設置され、第１の光信号に対して偏光格差が９０度になるように第２の光信号を偏光して透過する第２の偏光板とを有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る光通信用モジュールの構成を示すブロック図。
【図２】第１の光受信信号と第２の光受信信号から第１の光信号Ｓ１が抽出する過程を例示する概念図
【図３】第一の実施形態にかかる送信用モジュールを上方から見た上面図。
【図４】第一の実施形態にかかる送信用モジュール２０を示す断面図。
【図５】第一の実施形態にかかる受信用モジュール３０を上方から見た上面図。
【図６】第一の実施形態にかかる第１のレンズ（第２のレンズ）の特性と放射角の関係を示した図。
【図７】第二の実施形態にかかる第１のレンズ（第２のレンズ）を示す図。
【図８】第三の実施形態にかかる第１のレンズ（第２のレンズ）を示す図。
【図９】第四の実施形態にかかる送信用モジュール２０を示す断面図。
【図１０】第四の実施形態にかかる受信用モジュール３０を上方から見た上面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら発明の実施の形態を説明する。
【００１０】
図１は、本実施形態に係る光通信用モジュール１００の構成を示すブロック図である。この光通信用モジュール１００は、光信号を生成し、偏光角が異なる２つの信号Ｓ１およびＳ２を出力する光送信用モジュール２０と、光送信用モジュール２０から出力された２つの光信号Ｓ１およびＳ２を、光伝送空間を介して受信する光受信用モジュール３０とを備えて構成される。本実施形態では、光送信用モジュールと光受信用モジュールとが略１０ｃｍから１ｍ隔離して設置されることを想定する。
【００１１】
光送信用モジュール２０は、発光部２１で所定の電流制御信号（たとえば、バイアス電流ＩＢＩＡＳ、変調電流ＩＭＯＤ）を変換して出射したレーザー光としての光信号を、第1の偏光板２２と第２の偏光板２３で特定の方向に偏光して第１の光信号Ｓ１と第２の光信号Ｓ２を出力する。この第１の偏光板２２と第２の偏光板２３とは互いに偏光角差が略９０度である。したがって、光送信用モジュール２０は、互いに略９０度の偏光角差を有し、干渉が少ない第１の光信号Ｓ１と第２の光信号Ｓ２を出力する。
【００１２】
光受信用モジュール３０へ入力される光信号には、光送信用モジュール２０から出力された第1の光信号Ｓ１と第２の光信号Ｓ２の他に、室内照明や太陽光などの外乱光Ｎ１およびＮ２が含まれる。したがって、光受信用モジュール３０の第1の受信用偏光板３１には第1の光信号Ｓ１と第1の外乱光Ｎ１とが、第２の受信用偏光板３２には第２の光信号Ｓ２と第２の外乱光Ｎ２とが入力される。ただし、第1の外乱光Ｎ１と第２の外乱光Ｎ２は、自然光のため各成分の振動方向がまちまちであり、全体としては偏光依存性を有さず、各偏光板の影響を受けることなくこれらを透過する。また、第1の受信用偏光板３１および第２の受信用偏光板３２は、隣接して配置されているので、第1の受信用偏光板に入射される第1の光信号Ｓ１や第1の外乱光と、第２の受信用偏光板３２に入射される第２の光信号Ｓ２や第２の外乱光は等しいものとしてみなすことができる。以下、第1の受信用偏光板３１を透過した第1の光信号Ｓ１に第1の外乱光Ｎ１が重畳した信号を第1の光受信信号ＯＳ１と、第２の受信用偏光板３２を透過した第２の光信号Ｓ２に第２の外乱光Ｎ２が重畳した信号を第２の光受信信号ＯＳ２とする。
【００１３】
受光部３３へ第1の光受信信号ＯＳ１と第２の光受信信号ＯＳ２が入射された後、後処理部３４で第1の外乱光Ｎ１と第２の外乱光Ｎ２が除去される。後処理部３４には、外乱光を除去した第1の光信号Ｓ１を増幅する増幅回路をさらに備えても構わない。この場合、増幅回路は、オペアンプを用いた回路でも構わないが、ノイズを低減させるために公知のトランス・インピーダンス・アンプを用いた公知の回路であっても良い。
【００１４】
図２は、第1の光受信信号ＯＳ１と第２の光受信信号ＯＳ２から、第1の外乱光と第２の外乱光が除去され、第1の光信号Ｓ１（あるいは第２の光信号Ｓ２）が抽出される過程を例示する概念図である。図において円内の矢印は偏光方向を示しており、第１の偏光板２２と第２の偏光板２３は互いに略９０度の偏光格差を有し、同様に第１の受信用偏光板３１と第２の受信用偏光板３２も互いに略９０度の偏光格差を有する偏光板である。第１の偏光板２２から出力された第1の光信号と第２の偏光板２３から出力された第２の光信号Ｓ２は、第1の外乱光Ｎ１と第２の外乱光Ｎ２と共に、第1の受信用偏光板３１と第２の受信用偏光板３２へ入力される。これらの信号は第１の光受信信号ＯＳ１と第２の光受信信号ＯＳ２として、受光部３３で受光されたのち、後処理部３４で外乱光が除去される。本実施形態では、第２の光受信信号ＯＳ２を位相反転させ第1の光受信信号ＯＳ１と論理を反転させた第２の光受信信号ＯＳ２を合波することで、第1の外乱光Ｎ１を抽出する。抽出した第１の外乱光Ｎ１を位相反転させた後、再度第1の光受信信号ＯＳ１と合波して第1の外乱光を相殺することで、第1の光信号Ｓ１を抽出する。
【００１５】
（第一の実施形態）
図３は、第一の実施形態にかかる送信用モジュール２０を上方から見た上面図である。図に示す通り、電極端子３上に積層されたセラミック基板１内の電気回路パターン１０上に平面発光素子５ａ、５ｂと、駆動回路４が導電性接着財で固定されており、金ワイヤ１１で双方接続される。また、電気回路パターン１０には、マイクロチップコンデンサ１２が配置される。
【００１６】
駆動回路４は、所定の電流制御信号（たとえば、バイアス電流ＩＢＩＡＳ、変調電流ＩＭＯＤ）に基づき、平面発光素子５ａ、５ｂを電流制御して光信号の強度を制御する回路であり、回路の構成は３ＧＨｚ程度の周波数特性を有するものであれば公知のものであっても良い。
【００１７】
平面発光素子５ａおよび平面発光素子５ｂは、駆動回路４で生成された電気信号を光信号に変換するものであり、ＶＣＳＥＬを想定している。この平面発光素子５ａ（平面発光素子５ｂ）は、光信号の伝送距離に応じた波長のレーザー光を出射し、伝送距離が短い場合には、例えば８５０ｎｍのレーザー光を出力する。本実施形態では、５ａと５ｂの２つの平面発光素子を備え、その上方には後述するように偏光格差が略９０度になる偏光板２２および２３を夫々有する。
【００１８】
図４は、第一の実施形態にかかる送信用モジュール２０を示す断面図であり、図３の送信用モジュールの上面図をＡ−Ａで切断した切断面を示す断面図である。図３において、積層セラミック基板１に形成されたビアを有する積層電気回路２があり、各電極端子３から、図示しない電源、グランド、電気信号等へ信号供給することができる。
【００１９】
第１の平面発光素子５ａと第２の平面発光素子５ｂは既述の通り、セラミック基板１の電気回路パターンに導電性接着剤で実装され、同様に実装された駆動回路４から供給された電気信号を第１の平面発光素子５ａおよび第２の平面発光素子５ｂの変調信号へ変換し、平面発光素子５ａおよび５ｂを駆動することで光信号へ変換する。この場合、２つの平面発光素子に対しては、同じ信号で変調する。
【００２０】
第１のレンズ７ａおよび第２のレンズ７ｂは、第１のキャップ６ａおよび第２のキャップ６ｂによってセラミック基板１に抵抗溶接等の方法で取り付けられる。この第１のレンズ７ａおよび第２のレンズ７ｂは、光学的に第１の平面発光素子５ａと第２の平面発光素子５ｂの光軸中心上に配置される。後述するように、レンズの構造、屈折率、曲率、平面発光素子との位置関係等の第１のレンズ７ａ（第２のレンズ７ｂ）の特性は、放射角および受信用モジュール３におけるスポットの直径との関係で選択される。
【００２１】
第１の偏光板２２および第２の偏光板２３は偏光板保持板８ａ、８ｂに取り付けられレンズ付キャップ上に固定される。既述の通り、第１の偏光板２２と第２の偏光板２３とは、両偏光板から出力される波形の干渉を防ぐために、お互いに偏向角差が略９０度になるように設定される。また、偏光板は、それぞれ平面発光素子の光軸上およびレンズを介した光軸上で広がる光を十分透過する位置に配置される。なお、第１のキャップ６ａおよび第２のキャップ６ｂを用いない場合、ＵＶ硬化樹脂等でセラミック基板１上に固定しても良い。
【００２２】
図５は、第一の実施形態にかかる受信用モジュール２０を上方から見た上面図である。ガラスエポキシ基板４１に形成された電気回路および実装用端子４２があり、この電気回路のパターン上に第１の受光素子４４ａおよび第２の受光素子４３ｂが、セラミック等の材料からなる高さ位置調整用の絶縁台座４５ａおよび４５ｂの上にそれぞれ配置される。 絶縁台座４５ａおよび４５ｂは、上下面に金属膜が形成されており、ワイヤボンディング等で通電することが可能である。また、光信号を受けた受光素子からの電気信号を増幅等行う受光用駆動回路４３が回路パターン上に配置され、受光素子等と金ワイヤ等で接続される。なお、受光素子４４ａ近傍には、ノイズ対策として上面と裏面側との間で形成され、上下電極を有するマイクロチップコンデンサ４６が配置される。これらの回路は、さらに透明樹脂で台形上の構造で封止される。また、第１の受光素子４４ａおよび第２の受光素子４４ｂは、偏光板３１および３２が透明ＵＶ硬化樹脂等で接着固定され、受光素子の受ける光の偏光方向を特定する。
【００２３】
図６は、第１のレンズ７ａの特性と放射角の関係を示した図である。以下、説明の便宜上第１のレンズ７ａについて説明するが、第２のレンズ７ｂも同様である。図5では、直径２ｍｍ、屈折率１．５５の第１のレンズ７ａを第１の平面発光素子５ａ（第２の平面発光素子５ｂ）の発光面から１．６５ｍｍの位置に設置した例を示す。この場合、第１の平面発光素子５ａ（第２の平面発光素子５ｂ）からの光の放射角が３０度で、５００ｍｍ離れた光受信用モジュール３０の受信素子において直径約２７０ｍｍのスポットが得られる。一方、直径２ｍｍの第１のレンズ７ａを第１の平面発光素子５ａ（第２の平面発光素子５ｂ）の発光面から１．６５ｍｍより小さい位置に設置した場合、放射角が７度で、５００ｍｍ離れた光受信用モジュール３０の受信素子において直径約６０ｍｍのスポットが得られる。
【００２４】
このように、同じ屈折率、曲率直径のレンズを用いる場合、第１のレンズ７ａと第１の平面発光素子５ａの位置を近づけると、放射角およびスポットの直径は小さくなる。また、曲率直径、平面発光素子との位置を維持しつつ、屈折率のみを大きなものにした場合、光の放射角およびスポットの直径はさらに小さくなる。なお、第１の偏光板２２は第１のレンズ７ａに近いほど偏光板２２のスリットの間隔は拡大するので、レンズ７ａから離れているほうが良い。但し、本実施例では、第１の偏光板２２は、ユニット内のスペースとの関係上、第１のレンズ７ａの上方に配置する。
【００２５】
本実施形態のように、第１のレンズ７ａ（第２のレンズ７ｂ）の位置、レンズ直径、屈折率は、および第１の偏光板２２（第２の偏光板２３）の位置関係を設定することで、第１の平面発光素子５ａ（第２の平面発光素子５ｂ）から出力されるレーザー光を可能な限り平行光に近づけることができ、光の放射角およびスポットの直径を小さくすることが可能となる。その結果、光受信用モジュール３０で得られるレーザー光の強度が安定的なものとなり、光送信用モジュール２０から出力された光信号以外の外乱光の入射を抑えることが可能となる。
【００２６】
（第二の実施形態）
図７は第二の実施形態にかかる第１のレンズ７ａを示す図である。
【００２７】
本実施形態では第１のレンズ７ａおよび第２のレンズ７ｂがそれぞれ円筒状の形状であり、円筒形状の軸をＸ軸方向とした場合にＺ軸方向にレンズ効果を有する。この第１のレンズ７ａの光軸中心方向であるＹ軸方向上に第1の偏光板２２が設置されるが、第１の偏光板の偏光面はレンズ効果を有するＺ軸方向とは垂直になるよう設置される。
【００２８】
本実施形態のような円筒形状のレンズを設置することで、第１の偏光板２２がスリットとなり、第１の発光素子７ａからの放射角が抑えられる。一方で、偏光板と平行方向に第1のレンズ７ａが球形の場合と比較して、受信用偏光板３４のスリットでレーザー光が透過する率が増し、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００２９】
（第三の実施形態）
図８は第三の実施形態にかかる第１のレンズ７ａを示す図である。
【００３０】
本実施形態では、第1のレンズ７ａとしてロッドレンズ（登録商標）を用いる。ロッドレンズは、半径方向に屈折率分布を持つ光ファイバを特定の長さに切断した棒状の屈折率分布型レンズである。
【００３１】
第1のレンズ７ａとしてロッドレンズを用いることで、第1の光信号が光受信用モジュール３０において、より平行光に近いものになる。
【００３２】
（第四の実施形態）
図９は、第四の実施形態にかかる送信用モジュール２０を示す断面図である。本実施形態の発光素子５１は、１つの個数で、ガラスエポキシ基板５２上に実装され、導電性エポキシ５３で固定されている。また、平面発光素子５１は駆動ＩＣと接続されており、電気信号を光信号に変換できる構造となる（図示せず）。平面発光素子５１の上面は、ガラスエポキシ基板５２上で透明なエポキシ系樹脂５４で封止されており、平面発光素子５１の付近は、肉薄形状になっている。
【００３３】
本実施形態にかかるレンズ５５および５６はこの肉薄状の上部、すなわち、平面発光素子５１から出力される光信号の光軸中心上に設置され、平面発光素子５１が発光する光信号を集光する。具体的には、レンズ５５としてマイクロプリズムレンズを配置し、同じ光信号を分岐させ、同じく、レンズ５６としてプリズムレンズで光軸方向を補正して、偏光板２２および２３へ導く。
【００３４】
偏光板２２と２３は、それぞれ平面発光素子５１の光軸上およびレンズを介した光軸上で広がる光を十分透過する位置に、偏光角差が９０度になるよう設置されている。
【００３５】
図１０は、第四の実施形態にかかる光受信用モジュールを示した断面図である。図８に示すとおり、２つの受光素子６１、６２は受光回路６３と一体形成されており、受光素子が受けた光信号に対して電流変換を実施し、さらに電気信号を、増幅、信号復調等までを実施している。この受光回路６３はガラスエポキシ基板６４上に実装され、導電性エポキシ６５で固定され、ガラスエポキシ基板６４上で透明なエポキシ系樹脂６６で封止されており、受光回路６３付近は、肉薄形状になっている。
【００３６】
本実施形態では、この肉薄状の部分に、レンズ６７としてマイクロプリズムレンズを配置し、その上に第１の受信用偏光板３１および第２の受信用偏光板３２が固定されており、送信側から放射された２種類の偏光光信号に対して、それぞれ別々に受光できるように光送信用モジュール２０と同様、９０度の偏光格差と偏光方向を合わせる。これらのレンズ６７および第１の受信用偏光板３１および第２の受信用偏光板３２は、透明なＵＶ硬化接着剤等で固定される。 また、これらの偏光板は、フォトニック結晶にて形成することで、よりコンパクトにすることが可能である。 プリズムレンズ等もフォトニック結晶を用いても良い。
【００３７】
このような構造により、送信側から放射された第１の光受信信号ＯＳ１と第２の光受信信号ＯＳ２とが同時に入射されたとき、各偏光角に対応する光信号のみがプリズムレンズ６７に到達し、集光される。
【００３８】
本実施形態のように、１つの平面発光素子から２つの偏光角を持つ光信号を光受信用モジュール３０において受信することが可能となる。このように、平面発光素子を１つにした場合、部品点数が少なくできるだけでなく、レーザー光の強度、放射角等の平面発光素子個体差の影響を受けないため、光受信用モジュール３０においてＳ／Ｎ比が向上する。
【００３９】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。たとえば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
【符号の説明】
【００４０】
１００  光通信用モジュール、２０  光送信用モジュール、２１  発光部、２２  第１の偏光板、２３  第２の偏光板、３０  光受信用モジュール、３１  第１の受信用偏光板、３２  第２の受信用偏光板、３３  受光部、３４  後処理部  
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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