JPH0682658A - 光結合方法 - Google Patents

光結合方法

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JPH0682658A
JPH0682658A JP23503192A JP23503192A JPH0682658A JP H0682658 A JPH0682658 A JP H0682658A JP 23503192 A JP23503192 A JP 23503192A JP 23503192 A JP23503192 A JP 23503192A JP H0682658 A JPH0682658 A JP H0682658A
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JP
Japan
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optical fiber
optical
fiber
spherical lens
light receiving
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JP23503192A
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English (en)
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Akira Tanaka
章 田中
Yuji Kojima
雄次 小島
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光ファイバと受光素子とを光学的に結合させ
る光結合方法に関し、光結合効率の改善を目的とする。 【構成】 光情報伝送用光ファイバ1の先端に、光ファ
イバ1と同軸かつ光ファイバ1のコア径より小径コアの
光情報取り出し用光ファイバ41を接続し、光情報取り出
し用光ファイバ41の先端に球レンズ31を対向せしめ、光
情報取り出し用光ファイバ41および球レンズ31と同軸に
受光素子2を配設し、光情報伝送用光ファイバ1の伝播
光の一部を該受光素子2に取り込むように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光結合方法、特に、光情
報伝送用光ファイバより、受光面積の小さいチップから
なるレーザーダイオード(LD)やホトダイオード(L
ED)等の受光素子に、効率良く光結合させるための方
法に関する。
【0002】光ファイバコネクタは、今後情報処理信号
が膨大化し、かつ、小形・軽量化、低消費電力化が要求
されるのみならず、機器内・機器間の配線の高密度実装
化のため、益々高速伝送における耐電磁ノイズ対策が重
要になってきた。
【0003】一方、肥大化する大容量情報を処理するた
めに、現在、サービス統合ディジタル網(ISDN)に
よる光ファイバ網が整備されつつあり、21世紀には加
入者である家庭の中に光ファイバが導入されようとして
いる。
【0004】既に、公衆回線に使用される基幹通信網で
は、大容量・高速伝送のため石英系シングルモードファ
イバが使用されているが、家庭内で使用する場合に大口
径で取扱性に優れるプラスチック光ファイバが期待さ
れ、発光・受光素子と結合させた光結合部品の需要は、
拡大しようとしている。
【0005】
【従来の技術】図2と図3は従来の光結合方法の説明
図、図4は図2に示す光結合方法の解析モデル図であ
る。
【0006】図2はレンズ無しで光ファイバ端と受光素
子を近接させ、直接接合したときの光結合を、図3はレ
ンズを介して行う光結合方法であり、図中において、1
は光情報伝送用光ファイバ、2は受光素子(APD:Av
alanche Photo Diode)、2aはAPD2に収容したチッ
プの受光面、3は球レンズである。
【0007】図2において、受光素子2は光ファイバ1
の端面と同軸に対向する。かかる光結合において、光フ
ァイバ1のコアの直径をd、光ファイバ1と受光素子2
のチップ受光面2a との距離をL、光ファイバ1の端面
より放射した光ビームの放射角度をθ、光ファイバ1の
開口数をNAとしたとき、受光面2a を含む平面上にお
ける放射光ビームの直径Dは、 D=2L・tan θ+d≒2L・NA+d (1) となる。
【0008】そこで、受光面2a の直径をc(図4参
照)とすると、光ファイバ1からの入射効率は定性的に
は(c/D)2 で表される。今、光ファイバ1に、通常
のポリメチルメタクリレートをコアとし、そのコアの開
口数NA=0.5,直径d=0.98mmのものを用い、L=1.
5mm、c=0.15mmとすると、入射効率は0.36%となり、
光ビームの殆どが受光素子2のチップ外に漏れることに
なる。
【0009】図3において、光ファイバ1の端面と球レ
ンズ3および受光素子2は、同軸に対向する。球レンズ
3を光ファイバ1と受光素子2との間に介在せしめた時
の光結合効率につき、図4の解析モデルを使用して説明
する。
【0010】図4において、4は受光素子2の窓ガラス
であり、球レンズ3の半径をR、球レンズ3の焦点距離
をf、球レンズ3の中心から受光素子2の受光面2a 迄
の距離をa、球レンズ3の中心から光ファイバ1の端面
迄の距離をbとし、球レンズ3が有する屈折率をnとす
ると、球レンズ3の焦点距離fは、 f=0.5Rn/ (n−1) (2) となり、球レンズ3の結像式は、 1/b=(1/f)+(1/a) (3) となる。
【0011】この(3) 式に、球レンズ3の倍率β=b/
aを代入すると、 (1/a)・(1/β−1)=1/f (4) となり、焦点距離fの式は、 f=a・β/(1−β) (5) となる。
【0012】一方、受光素子2の光学的距離(窓ガラス
4の厚さ×窓ガラス4の屈折率+窓ガラス4とチップ受
光面2a 迄の距離)は1.5mmであるから、 a=−(R+1.5) となる。
【0013】さらに、光ファイバ径d=1.0mm、チップ
受光面の径c=0.15mmであるとき、光ファイバ径dに対
する受光面径cの倍率β1 =−1/0.15=−6.7となる
ので、この値を(5) 式, (2) 式に代入すると、 (R+1.5)(6.7/7.7)=f=0.5Rn/(n−1) (6) となり、球レンズ3にBK−7(n=1.5l)ガラスを
使用すると、R=5.2mmとなる。
【0014】その結果、 b=a・β1 =6.7×6.7=44.9mm となる。
【0015】次いで、(3) 式による球レンズの結像式
に、近軸光の式と倍率の関係を代入すると、 b=f(1−β1)−fDsin21 , sin i1 =NAAPD (7) D=0.5〔(l−β1)2 /n−(1+β1)2 (1−l/n)2 〕 (8) となり、これらの(7),(8) 式にn=1.51、β1 =−6.7
を代入すると、 D=17.8、 f=7.7、 sin i1 =h1 /a=0.8R(8割使うとして)/(−
6.7)=0.62 が得られる。
【0016】そこで、NAAPD =0.6とすると、(0.62
/0.6)2 ≒100 %の光が、球レンズから受光素子(AP
D)2に入射することになる。さらに、 縦収差SAMAX =−fDsin21 =−7.7×17.8=−137 横収差TSAMAX =−fDsin21 ×sin i1 /β=−20 となり、最小錯乱円の直径は0.25×20=5mmとなり、位
置は0.75×SAMAX =102mm だけレンズに近付き、実際
はレンズに当たることになる。
【0017】何れにしても、光ファイバ1と受光素子2
との光結合の最大効率は(ファイバ径/最小錯乱円径)
2 =(1/5)2 =4%以下となる。このように、光ファイ
バと、その光ファイバに対し受光面積が小さい受光素子
の組み合わせでは、レンズを介在させても高効率の光結
合は困難である。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
光ファイバと受光素子とを直接結合するまたは、球レン
ズを介在させて光ファイバと受光素子とを結合させる従
来方法は、結合効率が4%以下となり、極めて低いとい
う問題点があった。
【0019】
【課題を解決するための手段】光結合効率の改善を目的
とした本発明方法は、図1(A) の実施例によれば、光情
報伝送用光ファイバ1の先端に、光ファイバ1と同軸か
つ光ファイバ1のコア径dより小径コアd′の光情報取
り出し用光ファイバ41を接続し、光情報取り出し用光フ
ァイバ41の先端に球レンズ31を対向せしめ、光情報取り
出し用光ファイバ41および球レンズ31と同軸に受光素子
2を配設し、光情報伝送用光ファイバ1の伝播光の一部
を受光素子2に取り込むようにすることである。
【0020】
【作用】上記手段によれば、光ファイバ41のコア径に対
し7倍程度(光ファイバ1のコアに対し3倍程度)の大
径の球レンズ31が利用可能となり、従来方法で4%以下
であった光結合効率を、10%程度に高めることができる
ようになる。
【0021】
【実施例】図1は本発明方法の実施例の説明図であり、
(A) は第1の実施例、(B) は第2の実施例である。
【0022】図1において、1は光情報伝送用光ファイ
バ、2はADP(受光素子)、2aはAPD2に収容し
たチップの受光面、31は光ファイバ1のコア径より小径
の球レンズ、41は光ファイバ1より小径の光情報取り出
し用光ファイバ、51は反射鏡である。
【0023】図1(A) において、光ファイバ1と、光フ
ァイバ1の端面に一端を接合した光ファイバ41と、球レ
ンズ31とAPD2とは同軸であり、例えば光ファイバ1
のコア径d=1mmのとき、光ファイバ41のコア径d′=
0.4mm、APD2に収容したチップの受光面の径は0.15
mmである。
【0024】光情報取り出し用光ファイバ41には、石英
のコアに高分子樹脂をクラッドしたポリマークラッド光
ファイバがよい。かかる光結合において、光ファイバ1
の伝播光の一部は、光ファイバ41を伝播しAPD2に入
射する。
【0025】光ファイバ1のコアの直径d=1mmとし、
光ファイバ41のコアの直径d′=0.4mmとし、APD2
に収容したチップの受光面2a の直径を0.15mmとしたと
き、受光面2a に対する光ファイバ41のコアの倍率β2
は、−0.4/0.15=−2.7となる。
【0026】従って、球レンズ31の焦点距離f′は、球
レンズ31の半径をR′とし屈折率をn′とすると(6) 式
より、 f′=(R′+1.5)・(2.7/3.7)=0.5R′n′/(n′−1) となり、球レンズ31にBK−1ガラスを使用すると、球
レンズ31の半径R′=1.5mmとなる。
【0027】その結果、球レンズ31の中心から受光素子
2の受光面2a 迄の距離をa′、球レンズ31の中心から
光ファイバ41の端面迄の距離をb′とすると、 b′=a′・β2 =3.0×2.7=8.1mm となる。
【0028】図4を用いて説明したように、 b′=f′(1−β2)−f′Dsin21 、sin i1 =NAAPD D=0.5〔(1−β2)2 /n′−(1+β2)2 (1−1/n′)2 〕 であるため、球レンズ31の屈折率n′=1.51とβ2 =−
2.7を代入すると、 D=2.7 、f′=2.2、 となり、 sin i1 =h1 /a=0.8(8割使うとして)/(−
3)=0.4 となる。
【0029】従って、NAAPD =0.6とすると、(0.4/
0.6)2=67%の光が球レンズ31からAPD2に入射する
ことになるため、 縦収差SAMAX =−f′Dsin21 =−2.2×2.7×0.42 =0.95 横収差TSAMAX =−f′Dsin21 ×sin i1 /β1 =−0.95×0.4/−2.7=0.14 となり、最小錯乱円の径は0.25×0.14=0.035mm とな
り、位置は0.75×SAMAX=0.67mmだけ近軸光よりレン
ズに近付くので、そこにファイバ41を置く。
【0030】その結果、図4に示すような、光結合方法
での入射効率を推定すると、 (光ファイバ41の径d/光ファイバ1の径d′)2 ×
(レンズ結合効率)=(0.4/1.0)2 ×67%=10% となり、直径1mmの伝送用ファイバ1に球レンズ31を直
接結合するよりも、直径0.4mmのポリマークラッド光フ
ァイバ41を介し、ファイバ1と球レンズ31を接続する
が、光接続効率が良いことになる。
【0031】図1(B) において、球レンズ31の外周部お
よび球レンズ31に対向する光情報取り出し用光ファイバ
41の先端の外周部に反射鏡51を配設し、光情報取り出し
用光ファイバ41の先端および球レンズ31からの漏れ光を
球レンズ31および受光素子2に向けて反射せしめる。
【0032】その結果、図1(A) を用いて説明した光結
合方法では、球レンズ31の外側に逃げた光を、反射鏡51
にて回収し、光結合効率は一層高くなる。
【0033】
【発明の効果】本発明方法によれば、従来方法で4%程
度以下であった光結合効率を、10%程度に高めることが
できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明方法の実施例の説明図である。
【図2】 従来の光結合方法の説明図(その1)であ
る。
【図3】 従来の光結合方法の説明図(その2)であ
る。
【図4】 図2に示す光結合方法の解析モデル図であ
る。
【符号の説明】
1は光情報伝送用光ファイバ 2は受光素子 2aは受光素子チップの受光面 31は球レンズ 41は光情報取り出し用光ファイバ 51は反射鏡

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光情報伝送用光ファイバ(1) の先端に、
    該光ファイバ(1) と同軸かつ該光ファイバ(1) のコア径
    より小径コアの光情報取り出し用光ファイバ(41)を接続
    し、該光情報取り出し用光ファイバ(41)の先端に球レン
    ズ(31)を対向せしめ、該光情報取り出し用光ファイバ(4
    1)および該球レンズ(31)と同軸に受光素子(2) を配設
    し、該光情報伝送用光ファイバ(1) の伝播光の一部を該
    受光素子(2) に取り込むことを特徴とする光結合方法。
  2. 【請求項2】 前記光情報取り出し用光ファイバ(41)に
    ポリマーグラッドファイバを使用することを特徴とする
    請求項1記載の光結合方法。
  3. 【請求項3】 前記球レンズの外周部および該球レンズ
    (31)に対向する前記光情報取り出し用光ファイバ(41)の
    先端の外周部に反射鏡(51)を配設し、該光情報取り出し
    用光ファイバ(41)の先端および該球レンズ(31)からの漏
    れ光を該球レンズ(31), 前記受光素子(2) に向けて反射
    せしめることを特徴とする請求項1記載の光結合方法。
JP23503192A 1992-09-03 1992-09-03 光結合方法 Withdrawn JPH0682658A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003075690A (ja) * 2001-08-31 2003-03-12 Matsushita Electric Works Ltd トランスミッタ及びレシーバ
JP2010067892A (ja) * 2008-09-12 2010-03-25 Omron Corp 受光装置およびセンサ装置

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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