JP2637570B2 - 光送信機、受信機モジュール - Google Patents

光送信機、受信機モジュール

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、光放射光電子素子および、または光受信
光電子素子ならびに光が可能な限り小さい損失で結合さ
れる光信号伝送光導波体を具備する光送信機および、ま
たは受信機モジユールに関する。
［従来の技術］ この様な光学的モジユールは例えば通信システムで使
用される光導波体伝送リンクのための送信機および、ま
たは受信機としてその使用が増加している。例えばレー
ザーによつて発生された光はガラスファイバのような伝
送媒体として動作する光導波体に結合され、受信端で光
電子受信機に結合される。結合損失を避けるために光電
子素子は各光ファイバのコアの端面と正確に整列しなけ
ればならない。この結合は信頼性があり、長期間にわた
つて、および温度変化に対して安定していなければなら
ない。
従来の技術において、この要求は高価で複雑な精密な
機械的機構（例えば西ドイツ特許3046415号、フランス
公開出願2591763号参照）によつて満たされていた。し
かしそれは非常に精密な公差を有し、高い強度を必要と
し高価な材料でなければならない。これは光学素子の価
格を増加させる。さらにその長期間安定性は依然として
不十分である。
CDプレーヤーでは、デジタル形態でディスク上に記録
されている音響情報を読み取るレーザビームをデイスク
上で垂直、すなわちデイスク面に対して垂直の方向にお
いて集束させることが知られている。これは±１μｍの
制御精度を必要とする。さらにピックアップ装置はデイ
スク上の非常に狭い情報トラックに追従しなければなら
ない。このためピックアップ装置は±0.1μｍの精度で
容易に調整される必要がある（雑誌Funkschau,4/1986,3
0〜33頁参照）。この必要な精度は著しい費用の増加を
伴う。さらに従来のピックアップ装置では２次元或いは
それ以上にレーザビームを移動させることはできない。
［発明の解決すべき課題］ この発明の目的は、無条件で長期間安定な光結合が確
保できる光送信機または受信機を提供することである。
［課題解決のための手段］ この目的は本発明の光モジユールによって達成され
る。
本発明は、光放射および、または光受光用の光電子素
子およびこの光電子素子と光が可能な限り小さい損失で
結合される光信号伝送光導波体を具備する光送信機およ
び、または光受信機用の光モジユールにおいて、光導波
体の端面に光放射光電子素子の発生した光を結合する光
結合手段と、この光結合手段によって結合された光の光
導波体の端面における反射光が投影されて検出される光
検出手段と、この光検出手段の検出した出力に基づいて
光電子素子と光導波体の間の光の結合を制御する制御装
置とを具備し、光検出手段は光導波体の端面のコア領域
とクラッド領域との間の反射係数の相違によってコア領
域からの反射光とクラッド領域からの反射光の光検出手
段上の投影位置を検出し、この検出したコア領域からの
反射光の投影位置と、光放射光電子素子の発生した光が
最適に光導波体の端面のコア領域に結合された状態にお
けるコア領域からの反射光の投影位置に相当する基準位
置とが一致しない場合にその位置の偏差を表すエラー信
号を生成するごとく構成され、制御装置は、光検出手段
から出力されたエラー信号に基づいて光結合手段を調整
して光電子素子と光導波体の間の光の結合が最適の結合
状態になるように制御するように構成されていることを
特徴とする。
制御のための容易に評価できる測定信号は、光導波体
の端面のクラッド領域に反射被覆を設けることによつて
得ることができる。さらに光導波体の端面のコア領域は
反射防止被覆を設けられてもよい。
さらに有利なこの発明の実施態様は特許請求の範囲の
第２項以下に記載されている。
この発明の主要な効果は、簡単な手段によつて光結合
の長期間の安定性が得られること、および電子装置で比
較的安価な素子を使用することができることである。必
要な変化は低コストで行うことができる。
要求される整列の公差は、単一モード光ファイバの光
を導くコアの直径が９乃至10μｍであるために非常に小
さいものである。
［実施例］ 以下添付図面を参照にして実施例で詳細に説明する。
以下単に送信機または受信機と呼ぶ光送信機または受
信機モジユール１は送信すべき光信号を生成するレーザ
ダイオード２および光信号の伝送媒体である光導波体３
を具備し、第１図には光導波体３の送信機側の端部だけ
が示されており、そのスケールは実際のものとは異なっ
ている。
レーザダイオード２によつて発生された光は集束レン
ズ４を通って回折格子５に入射し、そこからビーム分割
器６に導かれる。偏向されない光線７は別にして１次オ
ーダーの回折線8,9および高次の回折線（図示せず、ま
た以下において無視する）はビーム分割器６に到達す
る。
回折格子５は直交回折格子、すなわち２つの格子が直
交して設けられている回折格子として設計され、そのた
め一方の格子による前記のような１次オーダーの回折線
8,9に加えて第１図には示されていない第１図に垂直な
平面で回折された１次オーダーの回折線10,11を生成
し、これは第２図および第３図に示されている。
レーザ光線は例えば半透明鏡として設計されたビーム
分割器６で反射され、コリメートレンズ12および対物レ
ンズ13により構成された可動レンズ系を通過して光導波
体３の端面14に達する。端面14において光線７乃至11は
以下説明するように方法で反射される。反射された光線
は再び可動レンズ系のレンズ12,13を通過し、さらにビ
ーム分割器６およびレンズ15を通って検出器16に入射す
る。検出器16およびそれに接続された評価回路における
評価によりエラー信号が生成され、それは制御ライン17
によつて電気機械的位置決め装置18に転送される。この
位置決め装置18はｘおよびｙ方向に沿って、すなわち端
面14に平行な平面でエラー信号にしたがつて可動レンズ
系のレンズ12,13を動かす。
光導波体３は良く知られているように光を伝導するコ
ア20とそのコアを囲むクラッド21とを有する。単一モー
ド光ファイバではコア20は通常直径は９乃至10μｍであ
る。
光導波体３へのレーザ光の損失のない結合は、レーザ
ビームの所望のフォーカスに基づいて制御される。すな
わち光導波体３の端面14のコア領域22がそれを囲んでい
るクラッド領域23とは異なった反射係数を有することに
よつて制御される。コア領域22とクラッド領域23と間の
相対屈折率の差が約１％において、コア領域22とクラッ
ド領域23と間の反射率の相対的な変化は約５％である。
この反射率の変化は制御のために信頼性のある測定値を
得るためには一般的に小さ過ぎる。それ故、光導波体３
の端面14はコア領域22の反射係数RKとクラッド領域23の
反射係数RMと間にもつと大きな差が生じるように処理さ
れる。これは３つの方法で行うことができる （ａ）端面14のクラッド領域23の反射性被覆、例えばア
ルミニウム被覆を設ける。
（ｂ）端面14のコア領域22に反射防止被覆を設ける。
（ｃ）端面14のクラッド領域23に反射性被覆を設け、コ
ア領域22に反射防止被覆を設ける。
（ａ），（ｂ），（ｃ）の方法はフォトリソグラフ技
術を使用して容易に行うことができる。コア領域22をマ
スクしてフォトリソグラフ技術による露光を行うため
に、光ファイバの他端に光を結合することによつて光フ
ァイバのコア20の光伝送特性を利用することができる。
以下の表は、上記の端面14の処理によつて得られた端
面14のコア領域22の反射係数RKとクラッド領域23の反射
係数RM、およびそれから得られた反射係数比RM/RKを示
している。
屈折率差（K/M）＝１％と仮定する。
方法（ａ）は最も簡単に実行することができ、クラッ
ド領域23にコア領域22の28倍の反射係数を与える。
方法（ｂ）はクラッド領域にコア領域のわずか3.7倍
の反射係数を与えるに過ぎないが、この方法はレーザダ
イオードに対する反射が明らかに減少されるという利点
を有する。これは例えば大きなコヒーレント長を有する
単一モードレーザダイオードのような高品質レーザモジ
ユールの場合に重要である。
方法（ｃ）は方法（ａ）の利点、すなわち、クラッド
領域とコア領域との間の反射係数の大きな差と、方法
（ｂ）の利点、すなわち、端面コア領域からの反射を減
少させるという利点が組み合わされ、クラッド領域にコ
ア領域の反射係数の99倍の反射係数を与える。しかしな
がら、この方法は２つの異なった処理ステップを必要と
する。正確に調整された可動レンズ系のレンズ12,13に
よつて偏向されないレーザ光線７は正確にコア領域22に
焦点を結び、したがつて可能な限り効率よく光導波体３
に結合される（第2A図参照）。同時に回折された１次オ
ーダーの光線8,9,10,11は上記のようにクラッド領域23
を照射し、このクラッド領域23は前記のようにコア領域
よりもはるかに高い反射率を有する。それは当然レーザ
ダイオード２の動作波長において十分に高い反射率であ
る。もしも可動レンズ系のレンズ12,13が適切に調整さ
れるならば、光線８乃至11は反射されてレンズ12,13、
ビーム分割器６およびレンズ15を通って検出器16に達す
る。この検出器16は象限検出器として設計されている
（第3A図乃至第3C図参照）。すなわち４個の象限または
セグメント24,25,26,27を具備し、そのそれぞれは他の
３個の象限とは独立にその表面に入射する光を検出す
る。
レンズ15は、可動レンズ系のレンズ12,13が適切に調
整されるならば、検出器16の４個の象限セグメント24,2
5,26,27が反射された光線８乃至11によつて均等に照射
される（第2A図および第3A図）ことを保証する。
端面14のｘまたはｙ軸における調整が不適切である場
合には、検出器16の４個の象限セグメント24,25,26,27
の一部が不均等に照射される。以下の説明において、４
個の象限セグメント24,25,26,27によつて生成された信
号はそれぞれD1,D2,D3,D4で示されている。不均等に照
射される場合には、次のようなエラー信号が生成され
る。
D2−D4（ｘ軸）、または D1−D3（ｙ軸）、または （D1−D3）±（D2−D4）（両軸） これは直接光導波体３のコア領域22にレーザビームの
焦点を結ばせるために使用されることができる。エラー
信号は最大の結合効率が得られるまで位置決め装置18に
可動レンズ系のレンズ12,13をｘおよび、またはｙ方向
に移動させる。
ｚ方向、すなわちビーム軸の方向における焦点の調整
は通常は必要ない。それは端面14上の光スポットの映像
の平面における焦点深度は十分な公差を有しており、そ
れは光送信機モジユール１の製造および予備設定中容易
に維持されることができるからである。
もしもビーム軸の方向における焦点の調整、すなわち
レンズ12,13と端面14との間の距離の制御が、それでも
例えば光ファイバに結合するレーザ光の位相を制御する
ため等の理由で必要であるならば、これは非点収差焦点
制御によつて容易に行うことができる。そのような制御
のために、象限検出器16が使用できるが、その場合に円
筒レンズが反射された光の光路に配置されなければなら
ない。レーザビームが正確に調整されないならば、この
円筒レンズは反射された光ビームの非点収差歪を生じ、
この歪は検出器16によつて検出されることができる。
光送信機１はまた良く知られたホログラフ光学素子に
よつて構成することができる。それはビーム分割器６お
よび光学系のレンズ12,13の機能を遂行する。その場合
にはレーザダイオード２と象限検出器16を一つのバイブ
リッドユニットに組合わせることも有効である。これは
光送信機または受信機１の構造を簡単にする。
第４図および第５図に概略的に示された光送信機また
は受信機モジユールの実施例において、第１図乃至第３
図と同一の符号で示されているモジユールの部分は容器
28中に収容されている。この実施例は、光導波体３の端
部部分が案内スリーブ29中に固定され、この案内スリー
ブ29が保護スリーブ30中に挿入されている。
第４図に示された装置は第１図に記載されたものとと
ほぼ同様の構成であり、光送信機モジユールとして動作
する場合には、第１図乃至第３図を参照にして説明した
ように動作して光ファイバ３とレーザダイオード２の発
生したビームを性格に光ファイバ３のコア領域に結合さ
せることができる。
また、光受信機モジユールとして動作する場合には、
検出器16が光ファイバ３から出力される光信号受信用の
受光装置として動作する。この場合にも上記の光送信機
モジユールの場合と同様にレーザダイオード２の発生し
たビームが光ファイバ３の端面で反射されて検出器16上
に投影され、コア領域からの反射光とクラッド領域から
の反射光との強度の相違に基づいてコア領域からの反射
光の投影区域を識別することができるために送信の場合
と同様にコア領域からの反射光が検出器16の中心のよう
な最適の結合が行われる基準位置に入射するように基準
位置とのずれに対応するエラー信号を検出器16が出力し
て、それに基づいてレンズ12,13を調整して受光装置で
ある検出器16に光ファイバ３から出力される光ビームを
最適状態で結合させることができる。
両方向光通信システムにおいては第４図には示された
装置においてレーザダイオード２を送信用の光放射素子
として使用し、検出器16を光信号受信用の受光装置とし
て使用すればコンパクトで構造の簡単な装置を得ること
ができる。その場合に、第６図に示されるような光信号
受信用の光検出器37を象限検出器36の中心に配置した構
造に検出器16を構成すれば高いビット速度の信号の場合
に特に有効である。すなわち、信号のビット速度が高い
場合には光検出器は小さい面積にすることが必要である
が、コア領域からの反射光を検出するためには象限検出
器36は比較的広い面積を必要とする。したがって象限検
出器36と分離して最終的に調整された受信光ビームが入
射する位置である象限検出器36の中心位置に小型の光検
出器37を配置することによって高いビット速度の信号の
検出のための小さい面積の検出器の必要性と、コア領域
からの反射光を検出するために比較的広い面積の検出器
の必要性との両方の要求を満足させることができる。
光検出器37は例えば小型のPINダイオードまたはAPD検
出器として構成することができる。このような光検出器
37を象限検出器36の中心に配置した構造の検出器は単一
半導体チップ上に構成することが可能であり、そのよう
な構造にすれば製造コストを著しく低減させることがで
きる。
第５図は第４図の破線の円31で示された光ファイバの
端部部分の拡大図である。案内スリーブ29は光導波体３
の端面のクラッド領域のための反射被覆32およびコア領
域のための丸い光入力ポート33を有する。光導波体３は
案内スリーブ29に半田付けまたは接着されている。単一
モード光ファイバの場合には光入力ポート33の直径は約
10μｍである。
製造上の観点から、この実施例は 焦点の制御および
容器28を含む全体の光学モジユールは光導波体の端部に
結合される前にすでに十分にテストすることができる大
きな利点を有している。
製造業者からの情報によれば、コアとクラッドの同心
性についてのエラーは±１μｍより大きくはない。その
ため案内スリーブ29中の光導波体３の限定された案内の
結果として、光が丸い光入力ポート33を通って光導波体
３に結合されるとき顕著な損失が導入されることはな
い。
【図面の簡単な説明】
第１図は、能動的に制御されたレーザと光ファイバの結
合を備えたこの発明の１実施例の光送信機を示す。 第2A図乃至第2C図は異なった結合整列状態の光導波体の
端面を示す。 第3A図乃至第3C図は第2A図乃至第2C図の整列状態におけ
るこの発明の装置中で使用される検出器を示す。 第４図は、この発明の光送信機または受信機の別の実施
例を示す。 第５図は、第４図に示された装置の一部を拡大して示
す。 第６図は、この発明のさらに別の実施例で使用される検
出器を示す。 ２……レーザダイオード、３……光導波体、５……回折
格子、６……ビーム分割器、14……光導波体の端面、16
……検出器、17……制御ライン、18……位置決め装置、
20……コア、21……クラッド、22……コア領域、23……
クラッド領域、29……案内スリーブ、30……保護スリー
ブ。

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光放射および、または光受光用の光電子素
    子およびこの光電子素子と光が可能な限り小さい損失で
    結合される光信号伝送光導波体を具備する光送信機およ
    び、または光受信機用の光モジユールにおいて、 光導波体（３）の端面に光放射光電子素子（２）の発生
    した光を結合する光結合手段（12,13）と、 この光結合手段（12,13）によって結合された光の光導
    波体（３）の端面（14）における反射光が投影されて検
    出される光検出手段（16）と、 この光検出手段（16）の検出した出力に基づいて光電子
    素子（２）と光導波体（３）との間の光の結合を制御す
    る制御装置（18）とを具備し、 前記光検出手段（16）は、光導波体（３）の端面（14）
    のコア領域（22）とクラッド領域（23）との間の反射係
    数の相違によってコア領域（22）からの反射光とクラッ
    ド領域（23）からの反射光の光検出手段（16）上の投影
    位置を検出し、この検出したコア領域からの反射光の投
    影位置と、光放射光電子素子（２）の発生した光が最適
    に光導波体（３）の端面（14）のコア領域（22）に結合
    された状態におけるコア領域（22）からの反射光の投影
    位置に相当する基準位置とが一致しない場合にその位置
    の偏差を表すエラー信号を生成するごとく構成され、 前記制御装置（18）は、前記光検出手段（16）から出力
    された前記エラー信号に基づいて前記光結合手段（12,1
    3）を調整して光電子素子（２）と光導波体（３）の間
    の光の結合が最適の結合状態になるように制御するよう
    に構成されていることを特徴とする光モジユール。
  2. 【請求項２】光導波体（３）の端面（14）のクラッド領
    域（23）が反射被覆を備えていることを特徴とする請求
    項１記載のモジユール。
  3. 【請求項３】光導波体（３）の端面（14）のコア領域
    （22）が反射防止被覆を備えていることを特徴とする請
    求項１記載のモジユール。
  4. 【請求項４】光導波体（３）の端面（14）が、光導波体
    のクラッド領域（23）のための環状反射被覆（32）とコ
    ア領域（22）のための光入力ポート（33）とを有するス
    リーブ（29）中に収容されていることを特徴とする請求
    項１記載のモジユール。
  5. 【請求項５】光導波体（３）の端面（14）に結合される
    光電子素子（２）の光ビームの光路中に配置され、光路
    を含む互いに直交する２つの平面中で回折されたビーム
    を生成する格子が直交して設けられた直交回折格子
    （５）を具備し、 前記光検出手段（16）は象限検出器として構成され、 前記直交回折格子（５）によつて回折されたビームの光
    導波体（３）の端面（14）における反射により生成され
    たビームが前記象限検出器（16）に入射されて評価され
    ることを特徴とする請求項１記載のモジユール。
  6. 【請求項６】前記制御装置（18）が象限検出器（16）に
    よつて生成されたエラー信号によつて制御されて前記光
    結合手段（12,13）のレンズ系を駆動し、このレンズ系
    は光導波体（３）の端面（14）のコア領域（22）上に光
    ビームを集束することを特徴とする請求項５記載のモジ
    ユール。
  7. 【請求項７】前記光導波体（３）の端面（14）に結合さ
    れる光放射光電子素子（２）の光ビームの光路中に配置
    された円筒レンズを具備し、前記光検出手段（16）が前
    記光結合手段（12,13）による光導波体端面に対する光
    の結合における光路に沿った方向の焦点のずれに基づい
    て前記円筒レンズによって生成される非点収差を検出し
    てそれに基づいてエラー信号を生成することを特徴とす
    る請求項１記載のモジユール。
  8. 【請求項８】集積された中央光検出器（37）を備えた象
    限検出器（36）を具備していることを特徴とする請求項
    １記載のモジユール。
  9. 【請求項９】ホログラフ光学素子とハイブリッドモジユ
    ールとを具備し、前記ホログラフ光学素子はビーム分割
    器および前記光結合手段のレンズとして動作し、前記ハ
    イブリッドモジユールはレーザおよび検出器を具備して
    いることを特徴とする請求項１記載のモジユール。
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