JP2005326478A

JP2005326478A - フィルタ入りボールレンズ及び一心双方向光送受信モジュール

Info

Publication number: JP2005326478A
Application number: JP2004142421A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Masuko; 幸一郎増子; Yu Ishii; 祐石井; Masahito Takigahira; 将人瀧ヶ平; Kenichiro Asano; 健一郎浅野; Kenji Oda; 研二小田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2005-11-24

Abstract

【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】光透過性材料からなり、内部に波長フィルタ４が設けられたことを特徴とするフィルタ入りボールレンズ１１。このフィルタ入りボールレンズと、光信号を送受信する光ファイバ１と、送信光信号を発するＬＤ２と、受信光信号を検知するＰＤ３とを有してなり、送信光信号と受信光信号の分岐及び受光素子−光ファイバ間と発光素子−光ファイバ間の光結合が前記フィルタ入りボールレンズによりなされるように構成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１２。
【選択図】図４

Description

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フィルタ入りボールレンズ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。

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）。

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４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。

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５〜７）を加えることで集光されるのが一般的である。

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る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。
特許第２７５７３５０号公報米国特許第５４１６６２４号公報特開２００２−４０２７１号公報

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、図３に示すように、光ファイバ１とＬＤ２又はＰＤ４の間にボールレンズ５を配置し、単に光ファイバ１とＬＤ２、ＰＤ３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。

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、ＬＤをフィルタの透過側に配置すると十分な光結合効率を得るのは困難である。

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。

前記目的を達成するため、本発明は、光透過性材料からなり、内部に波長フィルタが設けられたことを特徴とするフィルタ入りボールレンズを提供する。
また本発明は、前記本発明に係るフィルタ入りボールレンズと、光信号を送受信する光ファイバと、送信光信号を発する発光素子と、受信光信号を検知する受光素子とを有してなり、送信光信号と受信光信号の分岐及び受光素子−光ファイバ間と発光素子−光ファイバ間の光結合が前記フィルタ入りボールレンズによりなされるように構成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。

本発明によれば、フィルタ付きボールレンズ１つで、波長合分波と光結合を行うことができるので、部品点数が少なくなる。
光学系設計に際しての物理的制約の少ない光送受信モジュールを作製することができる。この結果、光結合効率の高いモジュールが作製できる。
また、部品が少なく、部品間の距離も小さくできるので光送受信モジュールを小型化できる。

以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を説明する。
図４は本発明の実施例を示す構成図であり、図４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は波長フィルタ、１１はフィルタ入りボールレンズ、１１Ａと１１Ｂは半球レンズ、１２は一心双方向光送受信モジュールである。

本実施形態において、フィルタ入りボールレンズ１１は、ガラスなどの光透過性材料からなり、いずれか一方の平坦面に波長フィルタ４が設けられた２つの半球レンズ１１Ａ，１１Ｂを貼り合わせた構成になっている。２つの半球レンズ１１Ａ，１１Ｂは同じ屈折率を有し、好ましくは同一材料から形成されている。２つの半球レンズ１１Ａ，１１Ｂを構成する材料としては、ガラス、石英、サファイアなどの各種透明材料の中から選択できるが、好ましくはＢＫ７等のガラスが用いられる。

このフィルタ入りボールレンズ１１に内蔵される波長フィルタ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誘電体多層膜フィルタなどを用いることができる。この波長フィルタ４は、２つの半球レンズ１１Ａ，１１Ｂのうちのいずれか一方の平坦面に設けられ、２つの半球レンズ１１Ａ，１１Ｂの平坦面同士を貼り合わせることで、その貼り合わせ面に配置される。この波長フィルタ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、波長フィルタ４に対して４５度で入射した光に対して、波長１３１０ｎｍ付近の光を透過し、１５５０ｎｍ付近の光を反射するフィルタ特性を有するものとすることができる。

図５は、このフィルタ入りボールレンズ１１の製造方法の一例を示す斜視図である。本例示では、一方の半球レンズ１１Ａの平坦面に波長フィルタ４を形成し、次いでこの一方の半球レンズ１１Ａの平坦面（波長フィルタ４形成面）側に、他方の半球レンズ１１Ｂの平坦面を重ね、屈折率整合をとった光学用接着剤で貼り付けてフィルタ入りボールレンズ１１を製造する。これにより、例えば直径４ｍｍのＢＫ７ガラス製のフィルタ入りボールレンズ１１が得られる。

なお、ここでは直径４ｍｍのＢＫ７ガラス製レンズを使用した例を示したが、レンズ材質、寸法はこれに限られるものではなく、使用する光ファイバ１、ＬＤ２，ＰＤ３の仕様に応じて高い光結合効率を得るべく、石英、サファイヤその他レンズとして利用可能な材料の中から適切なものを選び、また直径も自由に選ぶことができる。

このようなフィルタ入りボールレンズ１１を使用することで、フィルタ４を挿入する空間の確保を考えることなく、ＬＤ２、ＰＤ３の光ファイバ１との結合効率最適化を図る設計が可能となり、設計の自由度が大きくなる。特に、レンズ直径や部品間距離を小さくしたい時に有効である。この結果、波長フィルタ４を挿入しているにも関わらず、フィルタ無しで光ファイバ１とＬＤ２、ＰＤ３をボールレンズで結合させた場合（図３参照）と同等の高い結合効率を得ることができる。

このフィルタ入りボールレンズ１１は、適当な固定部材に固定しておくことが望ましい。この固定部材としては特に限定されず、例えば薄い固定板にレンズ直径より若干大きい丸穴を穿設しておき、この丸穴にフィルタ入りボールレンズ１１を、その波長フィルタ４が固定板面に対し所望の角度となるように向きを調整した後、丸穴の周縁に接着剤を塗布して硬化させ、フィルタ入りボールレンズ１１を固定板に固定する方法などを用いることができる。このようにフィルタ入りボールレンズ１１を固定板に固定することで、波長フィルタ４の向きや角度が容易に分かり、取り扱いが容易となり、また迷光対策にもなる。

このフィルタ入りボールレンズ１１を用いた一心双方向光送受信モジュール１２は、図４に示すように、フィルタ入りボールレンズ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ＰＤ３とが、それぞれの光軸がフィルタ４と略４５度に交わるようにフィルタ入りボールレンズ１１の周囲に配置された構成になっている。図４に示すように、光ファイバ１とＬＤ２の光軸は、ほぼ一直線上に配置されており、これらを結ぶ光軸と直交する向きにＰＤ３の光軸が配置されている。

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）は半球レンズ１１Ｂ側の球面からレンズ内に入射し、波長フィルタ４を透過して、半球レンズ１１Ａ側の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、半球レンズ１１Ａ側の球面からボールレンズ１１に入射し、フィルタ４で反射され、他の球面部分から出射し、ＰＤ３へ向かう。

この一心双方向光送受信モジュール１２は、フィルタ入りボールレンズ１１、ＬＤ２、ＰＤ３、及び光ファイバ４を図４に示すように配置して製造される。その製造方法の一例を記すと、まず光ファイバ１とＬＤ２の光軸を同一直線上に配置し、ＰＤ３の光軸をこれに直角に交わるよう配置する。次に、光ファイバ１、ＰＤ３それぞれの光軸と波長フィルタ４の面が４５度をなすように、フィルタ入りボールレンズ１１を台に固定した。この時、フィルタ入りボールレンズ１１は、前述した固定板に固定したものを用いることができる。次に、ＬＤ２を発光させ、光ファイバ１に結合されるパワーが最大となるようにＬＤ２と光ファイバ１の一方又は両方の位置を調整し、続いて、光ファイバ１から光信号を出射させ、ＰＤ３でその光信号を受信できるようにＰＤ３の位置を調整する。これによって一心双方向光送受信モジュール１２が製造される。

この第１実施形態によれば、１つのフィルタ付きボールレンズ１１で、波長合分波と光結合を行うことができるので、部品点数が少なくなる。
また、光学系設計に際しての物理的制約の少ない光送受信モジュールを作製することができる。この結果、光結合効率の高いモジュールが作製できる。
また、部品が少なく、部品間の距離も小さくできるので光送受信モジュールを小型化できる。

図６（ａ），（ｂ）は前記一心双方向光送受信モジュール１２において、光ファイバ１の光軸と波長フィルタ４とがなす角度を４５度以外の角度とした場合を例示する図であり、（ａ）は波長フィルタ４に入射する光と反射する光のなす角度を鈍角とした場合を示し、また（ｂ）は波長フィルタ４に入射する光と反射する光のなす角度を鈍角とした場合を示している。
図６（ａ）に示すように、波長フィルタ４に入射する光と反射する光のなす角度を鈍角とした場合、ＰＤ３の位置をＬＤ２寄りにすることができる。
図６（ｂ）に示すように、波長フィルタ４に入射する光と反射する光のなす角度を鈍角とした場合、ＰＤ３の位置を光ファイバ１寄りにすることができる。
このようにして、特に、設計上レンズと光ファイバ１、ＰＤ３、ＬＤ２の距離を小さくしたい場合に、各素子の緩衝を避け、物理的な配置の自由度を増すことができる。

なお、前述した実施形態は本発明の例示に過ぎず、本発明は前記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、ＬＤ２とＰＤ３の位置は、使用波長帯と波長フィルタの特性によって変更可能であり、前記実施形態と逆にしてもかまわない。
また、前記実施形態では、一心双方向光送受信モジュールを製造する際に、光ファイバに結合されたパワーをモニターしながら調心を行ったが、画像観察などでパッシブアライメントを行ってもよい。
また、前記実施形態では半球レンズ１１Ａに波長フィルタ４を形成し、これにもう一方の半球レンズ１１Ｂを貼り合わせることでボールレンズとしたが、ガラス板に波長フィルタを形成し、貼り合わせたものを切り分け、研磨してボールレンズを作製してもよい。

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。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。ボールレンズのみ使用した場合の受発光素子と光ファイバとの結合状態を示す構成図である。本発明の実施形態のフィルタ入りボールレンズ、一心双方向光送受信モジュールを示す構成図である。フィルタ入りボールレンズの製造方法の一例を示す斜視図である。本発明の実施形態の一心双方向光送受信モジュールにおいて、光ファイバの光軸と波長フィルタとがなす角度を４５度以外の角度とした場合を例示する構成図であり、（ａ）は波長フィルタに入射する光と反射する光のなす角度を鈍角とした場合を示し、また（ｂ）は波長フィルタに入射する光と反射する光のなす角度を鈍角とした場合を示している。

符号の説明

１…光ファイバ、２…ＬＤ（発光素子）、３…ＰＤ（受光素子）、４…波長フィルタ、１０，１１Ａ，１１Ｂ…半球レンズ、１１…フィルタ入りボールレンズ、１２…一心双方向光送受信モジュール。

Claims

光透過性材料からなり、内部に波長フィルタが設けられたことを特徴とするフィルタ入りボールレンズ。
請求項１に記載のフィルタ入りボールレンズと、光信号を送受信する光ファイバと、送信光信号を発する発光素子と、受信光信号を検知する受光素子とを有してなり、送信光信号と受信光信号の分岐及び受光素子−光ファイバ間と発光素子−光ファイバ間の光結合が前記フィルタ入りボールレンズによりなされるように構成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。