(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一本の光ファイバを介して送受信を行う双方向光通信に用いる光学部品であって、
上記光ファイバの端面と対向される第１の面と、その第１の面と直角をなして隣接し、受光素子と対向される第２の面と、その第２の面と対向し、かつ上記第１の面と直角をなして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の面とによって五角形が構成された断面五角形をなすプリズムとされ、
上記第１の面及び第２の面に上記受信光を集光する集光用レンズがそれぞれ一体形成されていることを特徴とする双方向光通信用光学部品。
【請求項２】
請求項１記載の双方向光通信用光学部品において、
上記第１の面及び第３の面に上記送信光を集光する集光用レンズがそれぞれ一体形成されていることを特徴とする双方向光通信用光学部品。
【請求項３】
請求項１又は２記載のいずれかの双方向光通信用光学部品において、
上記第４の面及び第５の面がそれぞれ球面形状とされていることを特徴とする双方向光通信用光学部品。
【請求項４】
請求項２記載の双方向光通信用光学部品において、
上記第１の面の上記受信光を集光する集光用レンズと上記送信光を集光する集光用レンズとが単一レンズによって構成され、
上記第４の面及び第５の面がそれぞれ球面形状とされ、
上記受信光が通る一半部と送信光が通る他半部とが対称形をなすものとされていることを特徴とする双方向光通信用光学部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この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光学部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１６はこの種の光学部品の従来例を、光ファイバ及び発光素子、受光素子と共に示したものであり、この例では光学部品はプリズム１１と集光用の二つのレンズ１２，１３とによって構成され、これらプリズム１１及びレンズ１２，１３を通して光の送受信が行われるものとなっている。
プリズム１１は断面形状が直角三角形をなすものとされ、その直角を挟む第１の面１１ａに光ファイバ１４の端面が近接対向配置され、直角を挟む第２の面１１ｂにレンズ１２を介して受光素子１５が対向配置される。一方、斜辺を構成する第３の面１１ｃの外側にはレンズ１３を介して発光素子１６が配置される。
【０００３】
受光素子１５及び発光素子１６はこの例では共にリードフレーム上に搭載されて透明樹脂により樹脂封止された構造とされており、図１６中、１７はリードフレームを示し、１８は封止樹脂を示す。発光素子１６は例えばレーザダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）とされ、受光素子１５は例えばフォトダイオード（ＰＤ）とされる。
上記のような配置構成により、光ファイバ１４の端面から出射する受信光２１は面１１ａからプリズム１１内に入射し、面１１ｃで反射されて面１１ｂに至り、レンズ１２によって集光されて受光素子１５に入射される。一方、発光素子１６から出射された送信光２２はレンズ１３によって集光されて面１１ｃからプリズム１１内に入射し、面１１ｃを透過して面１１ａに至り、光ファイバ１４の端面に入射される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、図１６に示した従来構成ではプリズム１１の第３の面（斜面）１１ｃにおける光の透過と反射によって送信光経路と受信光経路を分けるものとなっており、図１６中、斜線を施した部分は送受信の共用部となっている。
従って、プリズム１１内の迷光や図１７に示したような第１の面（開口面）１１ａ及び光ファイバ１４の端面での反射によって送信光２２が受信側へ漏れ、受光素子１５に入射するといったクロストークが発生し、性能上、このクロストークの大きさが問題となっていた。
【０００５】
また、光の結合効率を上げるために、二つのレンズ１２，１３を用いているため、部品点数が多く、その分高価となり、かつ形状も全体として大きくなって小型化を図りにくいものとなっていた。
この発明の目的はこれら問題に鑑み、クロストークを低減でき、高効率で小型かつ安価に構成することができる双方向光通信用光学部品を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、一本の光ファイバを介して送受信を行う双方向光通信に用いる光学部品は、光ファイバの端面と対向される第１の面と、その第１の面と直角をなして隣接し、受光素子と対向される第２の面と、その第２の面と対向し、かつ第１の面と直角をなして隣接して発光素子と対向される第３の面と、第１の面から入射される受信光を第２の面に向って反射する第４の面と、第３の面から入射される送信光を第１の面に向って反射する第５の面とによって五角形が構成された断面五角形をなすプリズムとされ、第１の面及び第２の面に受信光を集光する集光用レンズがそれぞれ一体形成されているものとされる。
【０００７】
請求項２の発明では請求項１の発明において、上記第１の面及び第３の面に送信光を集光する集光用レンズがそれぞれ一体形成される。
請求項３の発明では請求項１又は２のいずれかの発明において、上記第４の面及び第５の面がそれぞれ球面形状とされる。
請求項４の発明では請求項２の発明において、上記第１の面の受信光を集光する集光用レンズと送信光を集光する集光用レンズとが単一レンズによって構成され、上記第４の面及び第５の面がそれぞれ球面形状とされ、受信光が通る一半部と送信光が通る他半部とが対称形をなすものとされる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
まず、この発明に先立って検討した双方向光通信用光学部品の各種形態を参考例として説明する。
図１は一参考例を示したものであり、この例では一本の光ファイバを介して送受信を行う双方向光通信に用いる光学部品３１は、光ファイバの端面から出射する受信光を集光して受光素子に入射させるレンズ３２に、屈折率がレンズ３２より大とされた導光板３３（斜線を施してある）が埋め込まれて配置された構成とされる。
導光板３３はレンズ３２の光ファイバ端面と対向される開口面の径上に位置するように配置され、レンズ３２に埋め込まれた埋設部３３−１と、レンズ３２上に突出された延長部３３−２とよりなるものとされる。なお、この例では導光板３３はレンズ３２の一半径位置に配置されている。
【０００９】
埋設部３３−１の底面はレンズ３２の光軸に対して傾斜されて反射面３３ａをなすものとされ、延長部３３−２は埋設部３３−１からレンズ３２の径方向外側に向って延長されている。
導光板３３はこの例では図１に示したように、全体として台形板状をなすものとされ、その延長部３３−２の、光ファイバ端面と対向される面３３ｂはレンズ３２の光軸と垂直とされ、かつレンズ３２の光軸上の頂点を含む面とされている。一方、延長部３３−２の延長端面３３ｃはレンズ３２の光軸と平行とされている。
【００１０】
これらレンズ３２及び導光板３３は透明度（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、非晶性ポリオレフィン等）を使用して作製され、その際、例えばレンズ３２と導光板３３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によってレンズ３２と導光板３３とを作製してもよい。
図２はこの光学部品３１を使用して光の送受信が行われる様子を示したものであり、発光素子１６は導光板３３の延長端面３３ｃと対向配置され、一方受光素子１５はレンズ３２の光軸上に配置され、即ちこの例では発光素子１６と受光素子１５とは直交配置されるものとなっている。光ファイバ１４とレンズ３２とは光軸が一致される。
【００１１】
発光素子１６から出射された送信光２２は図２Ａに示したように延長端面３３ｃから導光板３３内に入射され、反射面３３ａで反射されて面（開口面）３３ｂに至り、光ファイバ１４の端面に入射される。反射面３３ａは送信光２２を全反射するのに十分な傾斜をもつものとされる。
一方、光ファイバ１４の端面から出射する受信光２１は図２Ｂに示したように、レンズ３２によって集光されて受光素子１５に入射される。なお、発光素子１６及び受光素子１５はこの例では図１６と同様、それぞれリードフレーム１７上に搭載されて封止樹脂１８により封止されたものとなっている。
【００１２】
上記のような構成とされた光学部品３１によれば、送信光２２は導光板３３によって光ファイバ１４の端面に導かれるものとなっており、つまり図１６に示した従来例のような送受信の共用部がなく、導光板３３によって送信専用の光経路が構成されており、さらに光ファイバ１４の端面や導光板３３の開口面３３ｂにおける送信光２２の反射も図３に示したように導光板３３の方向にしか戻ってこない構造となっている。
従って、この光学部品３１によれば、反射光や迷光を受信側に漏らすことなく、送信光２２を出射することができ、送信光２２が受光素子１５に入射するといったクロストークの大幅な低減が可能となる。
【００１３】
また、このように送信専用の光経路を設けたことにより、送信側の開口面積を小さくすることができ、それにより受信側の開口面積を広くとることができるため、その分受信の効率を上げることが可能となる。
さらに、送信側の開口面積を小さくし、送信光２２の光束を絞って光ファイバ１４に入射させるため、光ファイバ１４の偏心による送信、受信の有効開口面積の変化が少なく、よって送信、受信光量の変化を抑えることができる。
なお、図１６に示したプリズム１１と二つのレンズ１２，１３を用いる従来例のように分光部と集光部が分かれ、三つの部品によって構成されているものに比し、この光学部品３１は一体化された一つの部品で済み、よって小型かつ安価に構成することができる。
【００１４】
図４は上述した光学部品３１における導光板３３の形状を変更し、より性能向上を図った光学部品３４を示したものであり、この例では導光板３３の反射面３３ａ、発光素子１６と対向する延長端面３３ｃ及び光ファイバ１４の端面と対向する開口面３３ｂが共に球面形状をなすものとされ、さらに延長部３３−２のレンズ３２の径方向においてレンズ３２より外側に位置する部分が延長端面３３ｃに向って徐々に広がる（断面積が増加する）テーパ形状とされている。
導光板３３をこのような形状とすることにより、送信光２２の光束を光ファイバ１４のＮＡ（開口数）以下に十分絞った状態で、光ファイバ１４の端面に垂直に入射させることが可能となる。
【００１５】
上述した光学部品３１あるいは３４においては、発光素子１６と受光素子１５とは直交配置されるものとなっているが、これら発光素子１６と受光素子１５とを対向配置できるようにした光学部品の構成を次に説明する。
図５はこのような発光素子１６と受光素子１５の対向配置を可能とする光学部品４１の構成を示したものであり、この例ではレンズ３２に替え、プリズム４２に集光用レンズ４３，４４が一体形成されてなる受信部品４５に導光板３３が埋め込み配置される。
プリズム４２はこの例では断面形状が直角三角形をなすものとされ、その直角を挟む第１の面４２ａが光ファイバの端面と対向され、直角を挟む第２の面４２ｂが受光素子と対向されるものとなっており、これら第１及び第２の面４２ａ，４２ｂにそれぞれ第１の集光用レンズ４３及び第２の集光用レンズ４４が一体形成されている。斜辺を構成する第３の面４２ｃは反射面をなす。
【００１６】
導光板３３はこの例では前述の図４に示した導光板３３と同様の形状を有するものとされ、集光用レンズ４３の光ファイバ端面と対向される開口面の径上、一半径位置に位置し、かつプリズム４２の面４２ａと面４２ｃとが交差する角部４２ｄに向くように配置される。
導光板３３は受信部品４５より屈折率が大とされ、その延長部３３−２は埋設部３３−１からプリズム４２の角部４２ｄの外側に向って突出延長されている。反射面３３ａは集光用レンズ４３の光軸に対して傾斜されている。
図６はこの光学部品４１によって光の送受信が行われる様子を示したものであり、受光素子１５はプリズム４２の面４２ｂの集光用レンズ４４と対向配置され、つまり導光板３３の延長端面３３ｃと対向配置される発光素子１６と平行対向されて配置される。光ファイバ１４と集光用レンズ４３とは光軸が一致される。
【００１７】
発光素子１６から出射された送信光２２は図６Ａに示したように導光板３３によって光ファイバ１４の端面に導かれる。
一方、光ファイバ１４の端面から出射する受信光２１は図６Ｂに示したように、集光用レンズ４３によって集光されて面４２ａからプリズム４２内に入射され、面４２ｃによって反射されて面４２ｂに向かい、集光用レンズ４４によって集光されて受光素子１５に入射される。
このように、この光学部品４１によればプリズム４２によって受信光２１が反射されて受光素子１５に入射するものとなっており、これにより発光素子１６と受光素子１５とを対向配置できるものとなっている。なお、この光学部品４１も前述した光学部品３１と同様の材料によって作製される。
【００１８】
図７は上述した光学部品４１におけるプリズム４２の面（斜面）４２ｃが球面形状をなすように構成した光学部品４６を示したものであり、このような構成とすることにより、受信光２１の集光をより安定させることができる。
なお、上述した光学部品３１、３４、４１及び４６においては、導光板３３はレンズ開口面の一半径位置に位置され、つまりレンズ光軸側の頂点がレンズ中心位置に一致されているが、導光板３３のレンズ光軸側の頂点位置はこれに限らず、例えばレンズ中心位置より若干先まで延長されていても良く、また逆にレンズ中心位置より若干手前に位置するようにしてもよい。
【００１９】
以上、受信光経路（受信部品）に導光板を埋め込み、その導光板を送信専用の光経路として使用する構成について説明したが、次に受信光経路を構成する受信部品と送信光経路を構成する送信部品とを一体形成して一部品とした双方向光通信用光学部品の構成について説明する。
図８はこのような構成を有する光学部品の一参考例を示したものであり、この例では光学部品５１は光軸に平行な面で光軸部分を残し、略半部が切り取られた形状のレンズ半体５２と、プリズム５３とが一体形成されたものとされる。
プリズム５３は断面直角三角形の一鋭角部が対辺に平行に切り取られた形状とされ、この切り取られた部分がレンズ半体５２の平面部５２ａに結合一体化されている。
【００２０】
上記のような構成とされた光学部品５１においては、レンズ半体５２によって光ファイバ端面から出射する受信光を集光して受光素子に入射させる受信光経路が構成され、プリズム５３によって送信光経路が構成される。
プリズム５３の、レンズ半体５２との結合面と対向する第１の面５３ａには発光素子が対向配置され、この面５３ａと直角をなす第２の面５３ｂはレンズ半体５２と共に光ファイバ端面に対向され、即ち開口面を構成する。また、第３の面（斜面）５３ｃは反射面として機能する。
プリズム５３の面５３ａから入射される送信光は面５３ｃによって反射されて面５３ｂに向い、光ファイバ端面に入射される。なお、面５３ｃは送信光を全反射するのに十分な傾斜をもつものとされる。
【００２１】
この光学部品５１は透明度（透過率）が高く、安価な樹脂を使用して成形され、その樹脂にはアクリル、ポリカーボネート、非晶性ポリオレフィン等の樹脂が用いられる。
図９は上述した光学部品５１に対し、受信側の形状を変更すると共に、送信側の性能向上を図った光学部品５４を示したものであり、この例では受信側は直方体状をなすブロック５５の両面に集光用レンズ５６，５７が光軸が一致されてそれぞれ一体形成された構造とされ、また送信側はプリズム５３の面５３ａ，５３ｂにそれぞれ集光用レンズ５８，５９が一体形成され、さらに反射面をなす面５３ｃが球面形状をなすものとされている。
【００２２】
プリズム５３にこのように集光用レンズ５８，５９を形成し、かつ反射面を球面形状とすることで、送信光の光束を光ファイバのＮＡ以下に十分絞った状態で光ファイバの端面に垂直に入射させることが可能となる。
図１０はこの光学部品５４を使用して光の送受信が行われる様子を示したものであり、発光素子１６はプリズム５３の面５３ａの集光用レンズ５８と対向配置され、一方受光素子１５は集光用レンズ５６，５７の光軸上に配置される。なお、光ファイバ１４の光軸は集光用レンズ５６，５７の光軸と一致される。
発光素子１６から出射された送信光２２は図１０Ａに示したように集光用レンズ５８によって集光されてプリズム５３内に入射され、球面形状とされた面５３ｃで反射されて面５３ｂに至り、集光用レンズ５９で集光されて光ファイバ１４の端面に入射される。
【００２３】
一方、光ファイバ１４の端面から出射する受信光２１は図１０Ｂに示したように、ブロック５５の両面の集光用レンズ５６，５７によって集光されて受光素子１５に入射される。
上記のような構成とされた光学部品５４によれば、送信光経路と受信光経路とが基本的に分離されたものとなっており、送信光２２の光ファイバ１４の端面や集光用レンズ５９の開口面における反射や迷光に起因するクロストークは前述の、例えば図４に示した光学部品３４に比べれば多少増大するものの、従来例と比べればクロストークは低減される。
【００２４】
なお、この例では受信光経路（受信部品）と送信光経路（送信部品）は同一材料を使用して一体成形されるものとなっており、前述の屈折率の異なる導光板を埋め込む構造の光学部品に比較して製造コストを低減することができる。
次に、この発明の実施の形態を実施例により説明する。
図１１はこの発明による双方向光通信用光学部品の一実施例として、受信部品と送信部品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１６と受光素子１５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、この例では光学部品６１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。
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はこの例では第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１１Ｂ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。
【００２５】
このプリズム６２は図１１Ｂにおいて角部６２ｆより上方に位置する部分が受信光経路を構成し、角部６２ｆより下方に位置する部分が送信光経路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。
【００２６】
なお、この例では光学部品６１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が球面形状とされているが、例えば図１２に示した光学部品６７のように、プリズム６２に集光用レンズ６３〜６６を一体形成しただけの、つまり面６２ｄ，６２ｅは平面とした構成としてもよい。
図１３は図１１に示した光学部品６１を使用して光の送受信が行われる様子を示したものであり、発光素子１６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１５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１６と受光素子１５とが平行対向されて配置されている。光ファイバ１４の光軸はプリズム６２の面６２ａにおける受信側の集光用レンズ６３の光軸と一致される。
【００２７】
発光素子１６から出射された送信光２２は図１３Ａに示したように集光用レンズ６６によって集光されてプリズム６２内に入射し、球面形状とされた面６２ｅで反射されて面６２ａに至り、集光用レンズ６４で集光されて光ファイバ１４の端面に入射される。
一方、光ファイバ１４の端面から出射する受信光２１は図１３Ｂに示したように集光用レンズ６３で集光されてプリズム６２内に入射し、球面形状とされた面６２ｄで反射されて面６２ｂに至り、集光用レンズ６５で集光されて受光素子１５に入射される。
【００２８】
このように、この光学部品６１によれば、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１６と受光素子１５とを対向配置できるものとなる。
図１４に示した光学部品６８は図１１に示した光学部品６１に対し、形状の単純化を図ったもので、この光学部品６８は光学部品６１におけるプリズム６２の面６２ａの二つの集光用レンズ６３，６４が単一の集光用レンズ６９に置き換えられ、受信光が通る一半部（受信光経路）と送信光が通る他半部（送信光経路）とが対称形をなすものとされている。
【００２９】
このような形状を採用することにより、製造が簡易となり、また発光素子及び受光素子を配置する際に、その配置位置が限定されないため、組み込みの簡便性が向上する。
図１５は双方向光通信用光学部品の使用例として、光電変換用の一芯の光ファイバコネクタ７１に搭載されている状態を示したものであり、この例では図９に示した光学部品５４がコネクタに組み込まれたものとなっている。図中、７２は光ファイバプラグが挿入されるスリーブを示す。
【００３０】
この発明による双方向光通信用光学部品は小型なため、このような光ファイバコネクタ７１への組み込みに好適なものとなる。
なお、図１乃至７を参照して説明した受信部品に送信専用の導光板を埋め込む構造の参考例においては、導光板の屈折率を高くする代わりに、例えば受信側との間に微小な隙間を設けるようにしても同様の効果を得ることが可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば送信光経路と受信光経路とが分離され、送信光を受信側に漏らすことなく出射することができるため、クロストークを低減でき、その点で高効率、高性能な双方向光通信用光学部品を得ることができる。
また、図１６に示した従来例のように、プリズムと別体に二つのレンズを用い、つまり分光部と集光部とが分かれ、複数の部品によって構成されるものと異なり、一つの部品形態となっているため、小型に構成でき、かつ安価に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】双方向光通信用光学部品の参考例を示す図、Ａは正面図、Ｂは側面図、Ｃは底面図。
【図２】図１の光学部品を通して光の送受信が行われる様子を示す図。
【図３】図１の光学部品において、導光板の開口面から出射された送信光の、光ファイバ端面での反射光が戻ってくる方向を説明するための図。
【図４】双方向光通信用光学部品の参考例を示す図、Ａは正面図、Ｂは側面図、Ｃは底面図。
【図５】双方向光通信用光学部品の参考例を示す図、Ａは正面図、Ｂは側面図、Ｃは底面図。
【図６】図５の光学部品を通して光の送受信が行われる様子を示す図。
【図７】双方向光通信用光学部品の参考例を示す側面図。
【図８】双方向光通信用光学部品の参考例を示す図、Ａは正面図、Ｂは側面図、Ｃは底面図。
【図９】双方向光通信用光学部品の参考例を示す図、Ａは正面図、Ｂは側面図、Ｃは底面図。
【図１０】図９の光学部品を通して光の送受信が行われる様子を示す図。
【図１１】この発明による双方向光通信用光学部品の第１の実施例を示す図、Ａは正面図、Ｂは側面図、Ｃは底面図。
【図１２】この発明による双方向光通信用光学部品の第２の実施例を示す側面図。
【図１３】図１１の光学部品を通して光の送受信が行われる様子を示す図。
【図１４】この発明による双方向光通信用光学部品の第３の実施例を示す図、Ａは正面図、Ｂは側面図、Ｃは底面図。
【図１５】図９に示した光学部品が光ファイバコネクタに組み込まれた状態を示す底面図。
【図１６】従来の光学部品（プリズム及び二つのレンズ）を通して光の送受信が行われる様子を示す図。
【図１７】図１６の光学部品において、送信光の反射光が受信側に漏れる様子を示す図。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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