JP3681231B2

JP3681231B2 - 光送受信装置

Info

Publication number: JP3681231B2
Application number: JP23053296A
Authority: JP
Inventors: 光晴松本; 徹石川; 浩司冨永; 晃茨木
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: JPH1074975A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号の伝送を光で行う光インターコネクションに用いることができる光送受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、コンピュータなどの筐体内に配置される多数の回路ボード間の相互のデータ伝送に、光でデータ伝送を行う光送受信装置を用いることが考えられる。この光送受信装置は、相互に通信を行う回路ボードの各々に、例えば、レーザーダイオード等の発光素子及び例えば、フォトダイオード等の受光素子を設けるとともに、一方の回路ボード上の発光素子と他方の回路ボード上の受光素子との間に、前記発光素子から出射された光を平行光化するためのレンズなどから成る光学系を備えて構成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記回路ボード上に備えられた発光素子の発光面の上方に前記レンズを配置した場合に、当該回路ボード上の受光素子に導かれるべき光が前記レンズに入り込まないようにするべく、前記レンズの径内から外れた位置に受光素子を配置するから、前記発光素子と受光素子とが大きく離れて配置されることになり、光送受信装置の小型化が図れないという問題があった。
【０００４】
この発明は、上記の事情に鑑み、一つのレンズを、発光素子と受光素子とで共用することによりこれら発光素子と受光素子とを近接させた光送受信装置を提供することを目的とする。
【０００５】
ところで、一つのレンズを、発光素子と受光素子とで共用する構造の光送受信装置においては、以下の不具合が予想される。すなわち、発光素子と受光素子とが近接して配置されるため、発光素子の出射光路と受光素子への入射光路とがほぼ同じ光路をとることになる。この結果、発光素子からの出射光を平行光化するためのレンズは、受光素子に入射する光を集光することになり、極めて狭い領域にのみ光が照射されることになる。このようなことが生じると、例えば、相互に異なる周波数帯の光を通過させる波長フィルタを備えたフォトダイオード（受光素子）を複数個配置した光デマルチプレクサが使用される場合に、当該複数配置されたフォトダイオードの一部だけに光が照射されることになり、光デマルチプレクサとして機能させることが困難となる。なお、複数個のデータ源からのデータを外部からの選択指定に従って１本の出力導線上に多重化する装置をマルチプレクサ（データ・セレクタともよばれる）といい、逆に多重化されたデータを指定された出力導線に分配する装置をデマルチプレクサという。
【０００６】
更に、以下のような不具合も考えられる。図１０は、第１の光送受信装置１０１と第２の光送受信装置１０２と第３の光送受信装置１０３を備え、第１の光送受信装置１０１の発光素子からの光を第３の光送受信装置１０３の受光素子に与え、第２の光送受信装置１０２の発光素子からの光を第１の光送受信装置１０１の受光素子に与えるようにした構成を示している。かかる構成では、図のごとくビームスプリッタ１０４，１０５等によって光路を分ける必要がある。ビームスプリッタ１０４，１０５は、これを通過する光の量の約半分をロスさせるため、前記第１の光送受信装置１０１の発光素子等として大パワーのものが必要になってくる。また、このような光量ロスが生じると、各光学素子の相互間の調整も複雑となる。
【０００７】
この発明の光送受信装置は、発光素子と受光素子とでレンズを共用する構造とした場合の上記のような不具合を解消することも目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の光送受信装置は、受光素子部を複数個配置した受光素子アレイと発光素子とが、前記発光素子からの光を平行光化するレンズの径内に共に位置するように互いに近接し且つ前記レンズの光軸からそれぞれずれて配置されるとともに、前記レンズによる集光作用を緩和するように、前記受光素子アレイの受光面および前記発光素子の発光面から前記レンズまでの距離が互いに異なるように配置して前記レンズによる集光作用を緩和して、前記受光素子アレイの受光面に広い範囲で光が照射されることを特徴とする。
【０００９】
このように発光素子と受光素子アレイとを近接して配置したので、光送受信装置の小型化が図れるとともに、前記レンズを受光素子アレイの受光素子部用の光路と発光素子用の光路で共用するので、部品点数を削減できる。なお、前記レンズが発光素子と受光素子部とで共用されると、発光素子と受光素子部のいずれか又は両方を前記レンズの光軸からずらして配置しなければならいことになるが、所定の範囲内であれば特に問題はない。
【００１０】
前記受光素子アレイの受光面および前記発光素子の発光面がともに前記レンズの光軸に対して垂直に配置されるとともに、これら受光面および発光面から前記レンズまでの距離が互いに異なるように段差配置されていてもよい。
【００１１】
これによれば、前記段差の分だけ受光面が集光点からずらされ、前記レンズによる集光作用が緩和されることになり、前記受光素子アレイの受光面に広い範囲で光が照射されることになる。従って、かかる受光素子アレイが光デマルチプレクサとして構成されている場合でも、問題なく機能させることができる。
【００１２】
前記発光素子のみその発光面が前記レンズの光軸に対して傾いて配置されていてもよい。
【００１３】
これによれば、前記受光素子部に至る光の光路と、前記発光素子から出射される光の光路とが、非平行になり、互いに独立した光路を設定できる。従って、前記受光素子に至る光の光路上に例えばビームスプリッタが配置されている場合に、これを避けるように前記発光素子用の光路を設定することができ、当該発光素子の出射光の光量を減少させずに他の受光素子部に導くことができる。また、各光路に別個にレンズ（前記レンズとは異なる）を配置することによって各光路で所望の変換倍率を得ること等も可能となる。
【００１４】
前記発光素子のみその発光面が前記レンズの光軸に対して傾いて配置されるとともに、前記発光素子の発光面および受光素子の受光面から前記レンズまでの距離が互いに異なるように段差配置されていてもよい。また、前記受光素子アレイの受光面および前記発光素子の発光面がともに前記レンズの光軸に対して傾いて配置されるとともに、これら受光面および発光面から前記レンズまでの距離が互いに異なるように段差配置されていてもよい。また、前記受光素子アレイの受光面および前記発光素子の発光面がともに前記レンズの光軸に対して傾いて配置されるとともに、これら受光面および発光面が同一平面内に位置しているものでもよい。
【００１５】
これらの構成であれば、前記受光素子の受光面に広い範囲で光を照射させる作用と、受光素子用の光路と発光素子用の光路を非平行化して互いに独立した光路を設定できるという作用の両方を実現できる。
【００１６】
なお、これらの発明において、発光素子には、発光素子部を複数有する発光素子アレイが含まれる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、この発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
【００１８】
図１（ａ）は、この発明の実施の形態の光送受信装置１の概略構成を示した模式図である。この光送受信装置１は、受光により電気信号を生成する機能を有する受光素子部を複数個（この実施の形態では受光素子部を２個）配置した受光素子アレイ２と、電気信号によって光の出射／非出射が制御される発光素子部を複数個配置した発光素子アレイ３とが、前記発光素子アレイ３からの各光を平行光化するレンズ４の径内に共に位置するように互いに近接して配置されるとともに、前記レンズ４の光軸（「レンズの光軸」とは、レンズの中心を通りレンズに対して垂直な直線軸をいう。）からそれぞれずれて配置されている。なお、受光により電気信号を生成する機能には、受光により導通状態が変化する機能や受光により電力を発生する機能などが含まれ、後者の受光により電力を発生するものとしては、フォトダイオードがある。また、電気信号によって光の出射と非出射とが制御される発光素子としては、例えば、レーザーダイオードがある。
【００１９】
そして、前記受光素子アレイ２の各素子の受光面および前記発光素子アレイ３の各素子の発光面がともに前記レンズ４の光軸に対して垂直に配置されるとともに、これら受光面および発光面から前記レンズ４までの距離が互いに異なるように段差配置されている。すなわち、支持基台５の上面に段差が設けられていて、その下段側には前記発光素子アレイ３が、上段側には受光素子アレイ２がそれぞれ配置されている。また、前記受光素子アレイ２の各素子の受光面上には、図示しない波長選択フィルタ（或いは波長選択ホログラム素子）が設けられている。各素子上に設けられた波長選択フィルタは互いに異なる波長帯域の光を透過させる機能を有する。
【００２０】
図２は、図１の光送受信装置１を用いた光バス構造を示した模式図である。互いに波長が異なる光を出射する第１発光素子１１（波長λ₁）と第２発光素子１２（波長λ₂）とが前記受光素子アレイ２に対応して設けられているとともに、受光素子１３が前記発光素子アレイ３に対応して設けられている。
【００２１】
かかる構成であれば、発光素子アレイ３と受光素子アレイ２とが近接して配置されるので、光送受信装置１の小型化が図れる。ここで、前記レンズ４は発光素子アレイ３と受光素子アレイ２とで共用されるため、前述のごとく発光素子アレイ３と受光素子アレイ２を前記レンズ４の光軸からずらして配置しているが、このように光軸からシフト配置しても、そのシフト距離が所定の範囲内であれば、前記レンズ４による変換倍率の影響は殆どないといえる。図３は、光軸から発光素子アレイ３までのシフト距離Ｘ（図２参照）と変換倍率との関係を示したグラフである。このグラフから明らかなように、シフト距離Ｘが±０．５ｍｍ程度の範囲内であれば、変換倍率に殆ど変化はない。なお、変換倍率は、前記レンズ４と前記受光素子１３側に配置された図示しないレンズとにより定まる。
【００２２】
また、前述のごとく、受光素子アレイ２の受光面および発光素子アレイ３の発光面から前記レンズ４までの距離が互いに異なるように段差配置されているので、図１（ａ）に示しているように、前記段差の分だけ受光面が集光点からずらされ、前記レンズ４による集光作用が緩和されることになり、同図（ｂ）に示すように、前記受光素子アレイ２の受光面に広い範囲で光が照射されることになる。従って、かかる受光素子アレイ２が光デマルチプレクサとして構成されている場合でも、問題なく機能させることができる。即ち、受光素子アレイを構成する２個の受光素子の受光面ともに広い面積で跨がるようにλ₁、λ₂の光が入射するようにできる。しかも、上記２個の受光素子のうち、一方はλ₁を選択的に受光するように波長選択性フィルタを有し、他方はλ₂を選択的に受光するように波長選択性フィルタを有する。従って、受光素子アレイの配置位置を高精度に配置することなく、受光素子アレイにてλ₁、λ₂の光を検出できる。
【００２３】
（実施の形態２）
次に、この発明の他の実施の形態について説明する。
【００２４】
図４は、この発明の他の実施の形態の光送受信装置を用いた光バスの概略構成を示した模式図である。この実施の形態の光送受信装置１は、実施の形態１の光送受信装置１と略共通した構成を有するが、発光素子アレイ３を支持する支持基台５の部分が斜めに形成され、前記発光素子アレイ３の発光面のみが前記レンズ４の光軸に対して傾いている点が相違している。
【００２５】
そして、第１発光素子１１が出射する光（波長λ₁）と、第２発光素子１２が出射する光（波長λ₂）とを、光合成手段６にて波長多重し、前記レンズ４を介して受光素子アレイ２へと導くようにしてある。
【００２６】
かかる構造であれば、前記受光素子アレイ２に至る光の光路と、前記発光素子アレイ３から出射される光の光路とが、非平行になる。従って、前述のごとく光合成手段６が配置されていても、これを避けるように前記発光素子アレイ３用の光路を設定することができ、当該発光素子アレイ３の出射光の光量を減少させずに前記受光素子１３に導くことができる。
【００２７】
更に、このように、光路を独立に設定することができると、各光路上に前記レンズ４とは別のレンズをそれぞれ配置することができるので、それぞれの光路において変換倍率を独自に設定することなどが可能となる。
【００２８】
また、実施の形態１で説明したように、受光素子アレイ２の受光面および発光素子アレイ３の発光面から前記レンズ４までの距離が互いに異なるように段差配置されているので、この段差の分だけ前記レンズ４による集光作用が緩和されることになり、前記受光素子アレイ２の受光面に広い範囲で光が照射されることになる。
【００２９】
なお、この実施の形態では、第１発光素子１１と第２発光素子１２として、互いに波長が異なるものを用いたが、波長を異ならせることに代えて、図５に示すごとく、偏光方向を互いに異ならせるようにしてもよい。かかる場合には、受光素子アレイとして、複数の受光素子部を集合化して各素子部の受光面上に所定の光透過軸方向を持つ偏光板を配置した受光素子アレイ２′を用いればよい。
【００３０】
また、図６に示すように受光素子アレイ２と発光素子アレイ３を段差を小さくして配置した場合には、前記受光素子アレイ２の受光面に広い範囲で光を照射させる機能はあまり得られないけれども、前記受光素子アレイ２に至る光の光路と、前記発光素子アレイ３から出射される光の光路とを非平行化する作用は得ることができる。
【００３１】
（実施の形態３）
この実施の形態は、図７に示すように、受光素子アレイ２と発光素子アレイ３とを同一平面上に配置して成る光送受信装置１をレンズ４の光軸に対して傾けて配置している。即ち、前記受光素子アレイ２の受光面および前記発光素子アレイ３の発光面がともに前記レンズ４の光軸に対して傾いて配置されるとともに、これら受光面および発光面が同一平面内に位置するようにしてある。
【００３２】
かかる構造の光送受信装置１であれば、実施の形態２と同様、前記受光素子アレイ２に至る光の光路と、前記発光素子アレイ３から出射される光の光路とが相互に独立して設けられることになる。そして、受光素子アレイ２が傾いて配置されることにより、受光面上の集光スポットは楕円形状を描き、集光作用が緩和されることになるので、前記受光素子アレイ２の受光面に広い範囲で光を照射させることができる。
【００３３】
なお、受光素子アレイ２の受光素子自体は、これが多少傾いて配置されても受光特性にあまり影響はないといえるが、各受光素子上に波長選択フィルタを配置する構造を採るときには、この傾きに対する考慮が必要である。即ち、波長選択フィルタは、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）の膜と酸化チタン（ＴｉＯ₂）の膜を積層形成して成り、各膜の厚みが波長選択に重要な役割を果たすことになるのであるが、この膜に入射する光が膜面に対して傾いてると、実質的な膜厚みが増加してしまうことになり、設計通りの波長選択性が得られない場合が生じうる。従って、このように受光素子を傾けて配置するときには、波長選択フィルタの設計をこの傾きに合わせて行うことが必要である。また、波長選択フィルタに代えて波長選択ホログラム素子を用いる場合も傾きに応じた最適設計を行うことが望ましいといえる。
【００３４】
（実施の形態４）
この実施の形態の光送受信装置は、図８に示すように、これまでの実施の形態で説明した段差構造を備えるとともに傾斜配置構造も備えた構成を有する。従って、二つの独立した光路の設定による光合成手段６を回避する光路の確保、二つの光路の変換倍率の独立設定、及び集光作用の緩和といった作用が得られることになる。
【００３５】
なお、この図８では具体的な配置寸法を示している。光送受信装置１の受光素子アレイ２における受光素子部間ピッチおよび発光素子アレイ３における発光素子部間ピッチをそれぞれ０．６ｍｍ、前記発光素子アレイ３に対応する受光素子アレイ１３の受光素子部間ピッチを３ｍｍに設定している。そして、レンズ４および前記受光素子アレイ１３の前方に配置したレンズ１５による変換倍率が５倍になるように、レンズ４として焦点距離が１０ｍｍ、レンズ１５として焦点距離が５０ｍｍのものを用い、光送受信装置１とレンズ４との間距離を１０ｍｍ、前記発光素子アレイ３から出射された光を前記受光素子アレイ１３に導くように反射させるために配置されたミラー１６と光送受信装置１との間の距離を３００ｍｍ、前記レンズ１５と受光素子アレイ１３′との間の距離を５０ｍｍとしている。
【００３６】
そして、光送受信装置１における受光素子アレイ２と発光素子アレイ３の配置段差を２ｍｍに、光軸からの発光素子アレイ３のシフト距離を０．５ｍｍに、光軸に垂直な面に対する光送受信装置１の傾きを５°にそれぞれ設定している。なお、この図８に示した寸法は一例であって、システム構成により種々の値を取り得るものである。
【００３７】
（実施の形態５）
図９は、一対の光送受信装置１，１を用いて実現した光バスの構成例を示した概略の構成図である。この光バスは、一対の光送受信装置１，１を対向配置に設けるとともに、各光送受信装置１の前方にそれぞれレンズ４１，４２を配置して成るものである。
【００３８】
各光送受信装置１は、実施の形態１で説明したように、各素子の発光面および受光面ががともに前記レンズ４１，４２の光軸に対して垂直に配置されるとともに、これら受光面および発光面から前記レンズ４１，４２までの距離が互いに異なるように段差配置されている。
【００３９】
このように一対の光送受信装置１，１を用いた光バス構造であれば、各光路上にそれぞれ一対のレンズを配置して変換倍率を設定する構造を、両光路に共通のレンズ４１，４２により実現できるから、用いるレンズの個数を更に削減して光バスの小型化および低コスト化を図ることができる。各光路における変換倍率は、各光送受信装置１，１における受光素子アレイ２と発光素子アレイ３の上段と下段の入れ替えや段差距離の変更（一方の側において段差を設けない場合も含む）によって独自に設定することができる。
【００４０】
なお、以上説明した実施の形態では、レンズ４やレンズ４１，４２等として凸レンズを示しているがこれに限るものでなく、回折格子やホログラム素子により構成されたレンズであってもよいものである。
【００４１】
また、受光素子と発光素子とが、前記発光素子からの光を平行光化するレンズの径内に共に位置する程度に互いに近接して配置されていたり、更に、段差や傾斜構造を設けた構造を、平板導波路を用いる構造に適用してもよいものである。更に、発光素子の例としてレーザーダイオードを示したが、このレーザーダイオードとしては、端面発光型あるいは面発光型のいずれを用いてもよい。レーザーダイオード以外でも、例えばＬＥＤやＥＬ素子、あるいはバックライト付き液晶表示装置などが使用できる。受光素子としては、フォトダイオード以外に光伝導素子やＣＣＤ等が使用できる。
【００４２】
また、受光素子（受光素子アレイ）は、別体でもよく、半導体基板に一体成形されたものでもよい。また、上記各実施形態では、２個の受光素子部を有する受光素子アレイ（２分割受光素子）について説明したが、４分割受光素子等の多分割受光素子にも適用できる。この場合、波長多重の入射光λ₁、λ₂・・・は、各受光素子の受光面ともに跨がるように入射するようにしても良い。
【００４３】
また、発光素子アレイは、受光素子に対応して複数の発光素子部を備えてもよく、単一の発光素子でもよく、適宜変更可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、発光素子と受光素子とが近接して配置されるので光送受信装置の小型化が図れるとともに、レンズを二つの光路で共用するので、部品点数を削減することができる。また、このようにレンズを二つの光路で共用する場合でも、前記レンズによる集光作用を緩和して受光素子の受光面に広い範囲で光を照射することができる。更に、二つの独立した光路を設定できる構造であれば、二つの独立した光路の設定によるビームスプリッタを回避する光路の確保および二つの光路の変換倍率の独立設定などが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】同図（ａ）はこの発明の第１の実施の形態の光送受信装置を示す概略構成図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ矢示部の拡大図である。
【図２】図１の光送受信装置を用いた光バス構造を示した模式図である。
【図３】光軸からの受光素子のシフト距離と変換倍率との関係を示すグラフである。
【図４】この発明の第２の実施の形態の光送受信装置を用いた光バスの概略構成図である。
【図５】この発明の第２の実施の形態の変形例を示す概略構成図である。
【図６】この発明の第２の実施の形態の変形例を示す概略構成図である。
【図７】この発明の第３の実施の形態の光送受信装置を用いた光バスの概略構成図である。
【図８】この発明の第４の実施の形態の光送受信装置を用いた光バスの概略構成図である。
【図９】この発明の第５の実施の形態の光送受信装置を用いた光バスの概略構成図である。
【図１０】この発明の一構成として単に発光素子と受光素子とを近接させた場合に生じる得る問題を明らかにするための説明図である。
【符号の説明】
１光送受信装置
２受光素子アレイ
３発光素子アレイ
４レンズ
５支持基台
６光合成手段
１１第１発光素子
１２第２発光素子
１３受光素子

Claims

受光素子部を複数個配置した受光素子アレイと発光素子とが、前記発光素子からの光を平行光化するレンズの径内に共に位置するように互いに近接し且つ前記レンズの光軸からそれぞれずれて配置されるとともに、前記レンズによる集光作用を緩和するように、前記受光素子アレイの受光面および前記発光素子の発光面から前記レンズまでの距離が互いに異なるように配置して、前記受光素子アレイの受光面に広い範囲で光が照射されることを特徴とする光送受信装置。
前記受光素子アレイの受光面および前記発光素子の発光面がともに前記レンズの光軸に対して垂直に配置されるとともに、これら受光面および発光面から前記レンズまでの距離が互いに異なるように段差配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光送受信装置。
前記発光素子のみその発光面が前記レンズの光軸に対して傾いて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光送受信装置。
前記発光素子のみその発光面が前記レンズの光軸に対して傾いて配置されるとともに、前記発光素子の発光面および受光素子の受光面から前記レンズまでの距離が互いに異なるように段差配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光送受信装置。
前記受光素子アレイの受光面および前記発光素子の発光面がともに前記レンズの光軸に対して傾いて配置されるとともに、これら受光面および発光面から前記レンズまでの距離が互いに異なるように段差配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光送受信装置。
前記受光素子アレイの受光面および前記発光素子の発光面がともに前記レンズの光軸に対して傾いて配置されるとともに、これら受光面および発光面が同一平面内に位置していることを特徴とする請求項１に記載の光送受信装置。