JP3573314B2 - 光送受信装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを用いた一芯双方向光通信回線に用いられる光送受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを用いた双方向光通信の方式として、１本の光ファイバを用いて双方向の光信号の伝送を行う一芯双方向光通信回線方式がある。一芯双方向光通信回線では、２つの光送受信装置間が１本の光ファイバで接続される。一芯双方向光通信回線における光送受信装置としては、図７および図８に示すようなものが考えられている。図７は光送受信装置の一例の要部を示す側面図、図８は図７に示した光送受信装置の要部の斜視図である。この光送受信装置は、例えばシリコン半導体やガリウムヒ素半導体からなり、上面部に受光素子としてのフォトダイオード１０２が形成された半導体基板１０１と、この半導体基板１０１上に接合されたプリズム１０３と、半導体基板１０１上に接合された直方体形状の半導体素子１０４と、この半導体素子１０４上に接合された発光素子としてのレーザダイオード１０５と、レーザダイオード１０５から出射され、他の光送受信装置に対して送信するための第１の光信号Ｌ_１ を、通信回線となる光ファイバ１０６の端面に入射させると共に、光ファイバ１０６を介して他の光送受信装置から送られ、光ファイバ１０６の端面より出射される第２の光信号Ｌ_２ を集光してフォトダイオード１０２に導くためのレンズ１０７とを備えている。
【０００３】
プリズム１０３は、半導体基板１０１上において、フォトダイオード１０２の上に配置されている。半導体素子１０４は、プリズム１０３の側方に配置され、レーザダイオード１０５は、プリズム１０３側に向けて第１の光信号Ｌ_１ を出射するように配置されている。プリズム１０３は、レーザダイオード１０５に対向する側に、例えば半導体基板１０１の上面に対して４５°をなす斜面が形成され、この斜面にハーフミラー面１０３ａが形成されている。なお、光ファイバ１０６としては、例えば大口径のプラスチック光ファイバが用いられる。
【０００４】
このように構成された光送受信装置では、図示しない駆動回路によってレーザダイオード１０５が駆動されて、このレーザダイオード１０５より第１の光信号Ｌ_１ が出射される。この第１の光信号Ｌ_１ は、例えば開口数０．１でプリズム１０３のハーフミラー面１０３ａに入射し、ここで例えば光量の略５０％が反射され、レンズ１０７に入射する。この第１光信号Ｌ_１ は、レンズ１０７で集光され、例えば開口数０．１で光ファイバ１０６に入射する。なお、レーザダイオード１０５から出射する際の第１の光信号Ｌ_１ の開口数は、レーザダイオード１０５によって決まる。
【０００５】
一方、光ファイバ１０６を介して他の光送受信装置から送られてきた第２の光信号Ｌ_２ は、例えば開口数０．３で光ファイバ１０６より出射される。この第２の光信号Ｌ_２ は、レンズ１０７で例えば開口数０．３となるように集光され、プリズム１０３のハーフミラー面１０３ａに入射し、例えば光量の略５０％が透過して、フォトダイオード１０２に入射し、このフォトダイオード１０２によって電気信号に変換される。なお、光ファイバ１０６から出射する際の第２の光信号Ｌ_２ の開口数は、光ファイバ１０６によって決まる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
光送受信装置では、小型化および高信頼性の確保が要望されている。ところが、図７および図８に示したような光送受信装置では、レンズ１０７通過後の第２の光信号Ｌ_２ の開口数が小さいため、フォトダイオード１０２に入射する際の第２の光信号Ｌ_２ の光径（光束の径）が大きなってしまう。一般に、フォトダイオードは、寸法が大きいほど、基板との間の寄生容量が大きくなって動作速度が遅くなるため、第２の光信号Ｌ_２ の光径に合わせてフォトダイオード１０２の寸法を大きくしたのでは、光送受信装置の大型化をまねくと共に、フォトダイオード１０２の動作速度が遅くなり、信頼性が低くなるという問題点がある。更に、図７および図８に示したような光送受信装置では、第２の光信号Ｌ_２ の光径に合わせてプリズム１０３の寸法も大きくする必要があり、光送受信装置が大型化してしまうという問題点がある。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、受光素子に対する光信号の入射光径を小さくすることによって、小型化および高信頼性の確保を可能とした光送受信装置を提供することにある。
【０００９】
請求項１記載の光送受信装置は、第１の光信号を出射するための発光素子と、第２の光信号を受光するための受光素子と、発光素子より出射される第１の光信号を集光して光ファイバの端面に入射させ且つ光ファイバの端面より出射される第２の光信号を集光して受光素子に導くと共に、第２の光信号における光束の外側部分について、受光素子入射時における開口数を光ファイバ出射時における開口数よりも大きくする光学系とを備えたものである。この光学系は、発光素子より出射される第１の光信号の光路と受光素子に入射する第２の光信号の光路とを分離する第１の光学素子と、この第１の光学素子を経由した第１の光信号を集光して光ファイバに導くと共に光ファイバの端面より出射される第２の光信号を集光して第１の光学素子に導く第２の光学素子とを有し、第２の光学素子は、主に第１の光信号が通過する中央部分と主に第２の光信号における光束の外側部分が通過する周辺部分とを含み、周辺部分が中央部分に比べて焦点距離が短くなるように構成されているものである。
【００１１】
請求項１記載の光送受信装置では、発光素子より出射された第１の光信号は、光学系によって集光されて光ファイバの端面に入射する。また、光ファイバを介して送られてくる第２の光信号は、光学系によって集光されて受光素子に導かれ、受光素子によって受光される。光学系は、第２の光信号における光束の外側部分について、受光素子入射時における開口数を光ファイバ出射時における開口数よりも大きくし、これにより、受光素子に対する第２の光信号の入射光径が小さくなる。
【００１２】
【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詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る光送受信装置の構成を示す断面図、図２は図１に示した光送受信装置の要部の斜視図である。本実施の形態に係る光送受信装置は、大口径のプラスチックファイバを通信回線とした宅内・構内通信網等に用いるのに好適なものである。この光送受信装置は、ハウジング１１を備え、このハウジング１１にはコネクタ部１２が設けられている。このコネクタ部１２には、一芯双方向光通信回線における通信回線となる光ファイバ１の端部に設けられたコネクタ２が着脱自在に接続されるようになっている。なお、光ファイバ１としては、例えば大口径のプラスチック光ファイバが用いられる。
【００１３】
ハウジング１１内には、例えばシリコン半導体やガリウムヒ素半導体からなる半導体基板２１と、この半導体基板２１の上面部に形成された受光素子としてのフォトダイオード２２と、半導体基板２１上に接合された第１の光学素子としてのプリズム２３と、半導体基板２１上に接合された直方体形状の半導体素子２４と、この半導体素子２４上に接合された発光素子としてのレーザダイオード２５と、レーザダイオード２５から出射され、他の光送受信装置に対して送信するための第１の光信号Ｌ_１ を、光ファイバ１の端面の手前の所定位置で一旦収束させた後、光ファイバ１の端面に入射させると共に、光ファイバ１を介して他の光送受信装置から送られ、光ファイバ１の端面より出射される第２の光信号Ｌ_２ を集光してフォトダイオード２２に導くための第２の光学素子としてのレンズ２７と、第１の光信号Ｌ_１ が収束される位置に配置され、第２の光信号Ｌ_２ の見かけの出射位置を光ファイバ１の端面位置よりもレンズ２７に対して遠ざける第３の光学素子としてのレンズ２８とが設けられている。レンズ２７およびレンズ２８は、第１の光信号Ｌ_１ および第２の光信号Ｌ_２ と光ファイバ１とを最適に結合するようになっている。
【００１４】
プリズム２３は、半導体基板２１上において、フォトダイオード２２の上に配置されている。半導体素子２４は、プリズム２３の側方に配置され、レーザダイオード２５は、プリズム２３側に向けて第１の光信号Ｌ_１ を出射するように配置されている。プリズム２３は、レーザダイオード２５に対向する側に、例えば半導体基板２１の上面に対して４５°をなす斜面が形成され、この斜面にハーフミラー面２３ａが形成されている。
【００１５】
ハウジング１１内の上記各構成部材は、パッケージ１３およびレンズ支持枠１４によって一体化されている。すなわち、半導体基板２１はパッケージ１３内の底部に固着され、レンズ２７はパッケージ１３の上面部に取り付けられている。また、レンズ２８は、レンズ２７を囲うようにパッケージ１３の上面部に固着されたレンズ支持枠１４によって支持されている。パッケージ１３は、ハウジング１１の内面に対して固定されている。
【００１６】
次に、本実施の形態に係る光送受信装置の作用について説明する。レーザダイオード２５は、図示しない駆動回路によって駆動されて、第１の光信号Ｌ_１ を出射する。この第１の光信号Ｌ_１ は、例えば開口数０．１でプリズム２３のハーフミラー面２３ａに入射し、ここで例えば光量の略５０％が反射され、レンズ２７に入射する。この第１光信号Ｌ_１ は、レンズ２７によって、例えば開口数０．１で集光され、光ファイバ１の端面の手前の所定位置、すなわちレンズ２８の中心位置で一旦収束した後、光ファイバ１の端面に入射する。なお、光ファイバ１の端面位置は、第１光信号Ｌ_１ の入射光径が光ファイバ１のコアの径を越えないように設定される。また、レーザダイオード２５から出射する際の第１の光信号Ｌ_１ の開口数は、レーザダイオード２５によって決まる。
【００１７】
一方、光ファイバ１を介して他の光送受信装置から送られてきた第２の光信号Ｌ_２ は、例えば開口数０．３で光ファイバ１の端面より出射される。この第２の光信号Ｌ_２ は、まずレンズ２８によって集光され、更にレンズ２７によって集光されて、プリズム２３のハーフミラー面２３ａに入射し、例えば光量の略５０％が透過して、フォトダイオード２２に入射し、このフォトダイオード２２によって電気信号に変換される。なお、光ファイバ１から出射する際の第２の光信号Ｌ_２ の開口数は、光ファイバ１によって決まる。
【００１８】
本実施の形態に係る光送受信装置では、第１の光信号Ｌ_１ の出射位置であるレーザダイオード２５の位置と、第１の光信号Ｌ_１ の収束位置であるレンズ２８の位置は、レンズ２７に対して対象な位置関係にある。すなわち、レーザダイオード２５の位置をレンズ２７に対する物点、レンズ２８の位置をレンズ２７に対する像点とすると、レンズ２７の中心から物点までの距離とレンズ２７の中心から像点までの距離は等しくなっている。従って、第１の光信号Ｌ_１ のレンズ２７入射前後の開口数は、共に例えば０．１であり、等しくなっている。一方、第２の光信号Ｌ_２ の出射位置である光ファイバ１の端面の位置は、第１の光信号Ｌ_１ の収束位置であるレンズ２８の位置よりもレンズ２７に対して若干遠くなっている。更に、レンズ２８の作用により、第２の光信号Ｌ_２ の見かけの出射位置は、光ファイバ１の端面位置よりもレンズ２７に対して遠ざけられている。従って、第２の光信号Ｌ_２ の見かけの出射位置をレンズ２７に対する物点、レンズ２７通過後の第２の光信号Ｌ_２ の収束位置を像点とすると、レンズ２７の中心から像点までの距離は、レンズ２７の中心から物点までの距離よりも短くなり、光ファイバ１より開口数０．３で出射された第２の光信号Ｌ_２ は、レンズ２７によって開口数０．３＋α（αは正の数）で集光されることになる。ここで、αは、第２の光信号Ｌ_２ の見かけの出射位置がレンズ２７に対して遠ざけられていることによる効果分である。その結果、フォトダイオード２２上における第２の光信号Ｌ_２ の光径は、図７および図８に示した光送受信装置に比べて小さくなる。
【００１９】
例えばα＝０．１とし、レンズ２８を設けずに図７および図８と同様に構成した場合におけるフォトダイオード２２上における第２の光信号Ｌ_２ の開口面積と、レンズ２８を設けて図１および図２に示したように構成した場合におけるフォトダイオード２２上における第２の光信号Ｌ_２ の開口面積との比を、９：１と設定すると、本実施の形態に係る光送受信装置によれば、第２の光信号Ｌ_２ は、レンズ２７で開口数０．４で集光され、フォトダイオード２２上における第２の光信号Ｌ_２ の光径は、図７および図８に示した光送受信装置に比べて、√（１／９）≒３３％に縮小する。なお、第２の光信号Ｌ_２ は、必ずしもフォトダイオード２２上において収束する必要はなく、フォトダイオード２２に到達する前に一旦収束しても良いし、収束せずにフォトダイオード２２に到達しても良い。
【００２０】
なお、第１の光信号Ｌ_１ は、レンズ２８の中心位置で収束してレンズ２８を通過するので、レンズ２８の中心部分はほとんど平坦であるとみなすと、第１の光信号Ｌ_１ は、そのままレンズ２８を通過することになり、第１の光信号Ｌ_１ はレンズ２８によって影響を受けない。なお、レンズ２８の中心部分を平坦に加工するか、レンズ２８の中心部分に微小な孔をあければ、レンズ２８の第１の光信号Ｌ_１ に与える影響を完全を除去することができる。
【００２１】
以上説明したように、本実施の形態に係る光送受信装置によれば、第１の光信号Ｌ_１ の光ファイバ１への入射光径を適当な大きさに保ちながら、第２の光信号Ｌ_２ のフォトダイオード２２への入射光径のみを例えば３３％に縮小することができる。その結果、フォトダイオード２２およびプリズム２３の小型化が可能となると共に、フォトダイオード２２の小型化によりフォトダイオード２２の動作速度が速くなり、光送受信装置の小型化および高信頼性の確保が可能となる。
【００２２】
図３は、本実施の形態に係る光送受信装置の第１の変形例における要部を示す説明図である。図１および図２に示した光送受信装置では、１枚の半導体基板２１上にフォトダイオード２２，プリズム２３およびレーザダイオード２５を集積して、装置の小型化を図っているが、これらの構成部材は、互いに分離されていても良い。図３に示した第１の変形例は、プリズム２３の代わりにハーフミラー３１を設けると共に、フォトダイオード２２，レーザダイオード２５およびハーフミラー３１を一体化せずに分離して設けた例である。この第１の変形例における作用は、第１の実施の形態と同様である。
【００２３】
図４は、本実施の形態に係る光送受信装置の第２の変形例における要部を示す説明図である。この第２の変形例は、第１の変形例におけるフォトダイオード２２とレーザダイオード２５の位置を入れ替えた例である。この第２の変形例では、レーザダイオード２５から出射された第１の光信号Ｌ_１ は、ハーフミラー３１で例えば光量の略５０％が透過してレンズ２７に入射し、第２の光信号Ｌ_２ はハーフミラー３１で例えば光量の略５０％が反射されてフォトダイオード２２に入射する。
【００２４】
図５は本発明の第２の実施の形態に係る光送受信装置の構成を示す断面図である。本実施の形態に係る光送受信装置では、レンズ２８を、第１の光信号Ｌ_１ の収束位置よりもレンズ２７側に配置している。この場合、レンズ２８は、レンズ２７と協働して、第１の光信号Ｌ_１ を光ファイバ１の端面の手前の所定位置で一旦収束させた後、光ファイバ１の端面に入射させると共に、第１の実施の形態と同様に第２の光信号Ｌ_２ の見かけの出射位置を光ファイバ１の端面位置よりもレンズ２７に対して遠ざける機能を有する。
【００２５】
本実施の形態に係る光送受信装置では、第１の光信号Ｌ_１ は、プリズム２３のハーフミラー面２３ａで例えば光量の略５０％が反射され、レンズ２７およびレンズ２８によって集光され、光ファイバ１の端面の手前の所定位置で一旦収束した後、光ファイバ１の端面に入射する。なお、第１の実施の形態と同様に、光ファイバ１の端面位置は、第１光信号Ｌ_１ の入射光径が光ファイバ１のコアの径を越えないように設定される。一方、光ファイバ１を介して他の光送受信装置から送られてきた第２の光信号Ｌ_２ は、光ファイバ１の端面より出射され、レンズ２８およびレンズ２７によって集光され、プリズム２３のハーフミラー面２３ａで例えば光量の略５０％が透過して、フォトダイオード２２に入射する。
【００２６】
本実施の形態においても、第２の光信号Ｌ_２ の見かけの出射位置をレンズ２７に対する物点、レンズ２７通過後の第２の光信号Ｌ_２ の収束位置を像点とすると、レンズ２７の中心から像点までの距離は、レンズ２７の中心から物点までの距離よりも短くなり、光ファイバ１より例えば開口数０．３で出射された第２の光信号Ｌ_２ は、レンズ２７によって開口数０．３＋α（αは正の数）で集光されることになる。その結果、フォトダイオード２２上における第２の光信号Ｌ_２ の光径は、図７および図８に示した光送受信装置に比べて小さくなる。本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は第１の実施の形態と同様である。
【００２７】
図６は本発明の第３の実施の形態に係る光送受信装置の構成を示す断面図である。本実施の形態に係る光送受信装置では、第１の実施の形態におけるレンズ２８およびレンズ支持枠１４を設けておらず、また、第１の実施の形態におけるレンズ２７の代わりに、レンズ４１を設けている。このレンズ４１は、主に第１の光信号Ｌ_１ が通過する中央部分４１ａと、主に第２の光信号Ｌ_２ における光束の外側部分が通過する周辺部分４１ｂとを含み、周辺部分４１ｂが中央部分４１ａに比べて焦点距離が短くなるように設計されている。このレンズ４１を、図７および図８に示した光送受信装置におけるレンズ１０７と比較すると、中央部分４１ａの焦点距離はレンズ１０７と同様であるが、周辺部分４１ｂの焦点距離はレンズ１０７の焦点距離よりも短くなっている。
【００２８】
本実施の形態に係る光送受信装置では、レーザダイオード２５より例えば開口数０．１で出射された第１の光信号Ｌ_１ は、プリズム２３のハーフミラー面２３ａで例えば光量の略５０％が反射され、レンズ２７の中央部分４１ａに入射して集光され、略光ファイバ１の端面位置で収束するように、光ファイバ１の端面に入射する。一方、光ファイバ１を介して他の光送受信装置から送られてきた第２の光信号Ｌ_２ は、光ファイバ１の端面より例えば開口数０．３で出射され、レンズ２７の中央部分４１ａおよび周辺部分４１ｂに入射する。ここで、第２の光信号Ｌ_２ のうち、レンズ４１において焦点距離の短い周辺部分４１ｂを通過する光束の外側部分は、０．３よりも大きい開口数で集光され、プリズム２３のハーフミラー面２３ａで例えば光量の略５０％が透過して、フォトダイオード２２に入射する。従って、第２の光信号Ｌ_２ における光束の外側部分のフォトダイオード２２入射時の光径は、図７および図８に示した光送受信装置の場合に比べて小さくなる。なお、第２の光信号Ｌ_２ のうちレンズ４１の中央部分４１ａを通過する部分は、例えば開口数０．３で集光されてフォトダイオード２２に入射するが、第２の光信号Ｌ_２ のうちレンズ４１の中央部分４１ａを通過する部分の光径は第２の光信号Ｌ_２ 全体の光径に比べて元々小さいので、フォトダイオード２２入射時の光径は、やはり図７および図８に示した光送受信装置の場合に比べて小さくなる。
【００２９】
このように、本実施の形態に係る光送受信装置によれば、第１の光信号Ｌ_１ の光ファイバ１への入射光径を適当な大きさに保ちながら、第２の光信号Ｌ_２ のフォトダイオード２２への入射光径のみを縮小することができる。なお、本実施の形態において、レンズ４１の代わりに、単一の焦点距離を有するレンズの中央部分に小径の凹レンズを接合して、レンズ４１と同等の機能を有するように構成したものを用いても良いし、レンズ４１と同等の機能を有するように形成したホログラムを用いても良い。本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は第１の実施の形態と同様である。
【００３０】
なお、本発明は上記各実施の形態に限定されず、例えば、発光素子としては、レーザダイオードの代わりに発光ダイオード（ＬＥＤ）等を用いても良い。また、また、本発明は、プラスチック光ファイバ以外の大口径光ファイバを通信回線とした宅外・公衆通信網等、一芯双方向光通信回線全般に適用することができる。
【００３２】
請求項１に記載の光送受信装置によれば、発光素子より出射される第１の光信号を集光して光ファイバの端面に入射させ且つ光ファイバの端面より出射される第２の光信号を集光して受光素子に導くと共に、第２の光信号における光束の外側部分について、受光素子入射時における開口数を光ファイバ出射時における開口数よりも大きくする光学系を備えたので、受光素子に対する第２の光信号の入射光径が小さくなり、その結果、受光素子や光学系を構成する光学部材の小型化が可能となり、光送受信装置の小型化および高信頼性の確保が可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光送受信装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示した光送受信装置の要部の斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る光送受信装置の第１の変形例における要部を示す説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る光送受信装置の第２の変形例における要部を示す説明図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る光送受信装置の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る光送受信装置の構成を示す断面図である。
【図７】光送受信装置の一例の要部を示す側面図である。
【図８】図７に示した光送受信装置の要部の斜視図である。
【符号の説明】
１…光ファイバ、２１…半導体基板、２２…フォトダイオード、２３…プリズム、２３ａ…ハーフミラー面、２５…レーザダイオード、２７…レンズ、２８…レンズ、Ｌ_１ …第１の光信号、Ｌ_２ …第２の光信号

Claims (1)

1. 一芯双方向光通信回線における通信回線となる光ファイバに接続され、送信する第１の光信号を前記光ファイバに入射させると共に前記光ファイバを介して送られてくる第２の光信号を受信する光送受信装置であって、
   前記第１の光信号を出射するための発光素子と、
   前記第２の光信号を受光するための受光素子と、
   前記発光素子より出射される第１の光信号を集光して前記光ファイバの端面に入射させ且つ前記光ファイバの端面より出射される第２の光信号を集光して前記受光素子に導くと共に、第２の光信号における光束の外側部分について、前記受光素子入射時における開口数を前記光ファイバ出射時における開口数よりも大きくする光学系と
   を備え、
   前記光学系は、前記発光素子より出射される第１の光信号の光路と前記受光素子に入射する第２の光信号の光路とを分離する第１の光学素子と、この第１の光学素子を経由した第１の光信号を集光して前記光ファイバに導くと共に前記光ファイバの端面より出射される第２の光信号を集光して前記第１の光学素子に導く第２の光学素子とを有し、前記第２の光学素子は、主に第１の光信号が通過する中央部分と主に第２の光信号における光束の外側部分が通過する周辺部分とを含み、周辺部分が中央部分に比べて焦点距離が短くなるように構成されていることを特徴とする光送受信装置。

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