WO2018079091A1 - 光結合素子及び光通信システム - Google Patents

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WO2018079091A1
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optical
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optical axis
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雄介 尾山
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ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社
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    • G02B6/4249—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details comprising arrays of active devices and fibres

Definitions

  • This technology relates to an optical coupling element and an optical communication system using the same.
  • a single-core bidirectional optical communication module is used in an optical communication system using an optical wiring such as an optical fiber.
  • the single-core bidirectional communication module branches an optical path for reception and an optical path for transmission using an optical filter (see, for example, Patent Document 1).
  • the communication module having such a structure is structurally large and is not suitable for short-distance optical communication.
  • a structure in which a light receiving element and a surface light emitting element are stacked is considered (for example, see Patent Document 2).
  • the optical signal incident on the light receiving element from the optical fiber is also incident on the surface light emitting element. There was a problem that quality deteriorated.
  • an object of the present technology is to provide an optical coupling element that efficiently receives an optical signal from an optical fiber and has improved communication quality, and an optical communication system using the optical coupling element.
  • An optical coupling element includes a light emitting / receiving element and an optical element.
  • the light emitting / receiving element includes a light emitting unit that emits outgoing light, and a light receiving unit that receives incident light from the outside and has a light passage unit that is disposed on the optical axis of the incident light and through which the outgoing light passes.
  • the optical element refracts incident light near the optical axis of the incident light so as to be separated from the optical axis and causes the incident light to enter the light receiving unit.
  • the optical coupling element even if the light receiving unit and the light emitting unit are arranged so that the light passing unit through which the outgoing light passes is located on the optical axis of the outgoing light, the incident light near the optical axis is separated from the optical axis. Since the optical element is configured to be refracted and incident on the light receiving portion, the incidence of incident light on the light emitting portion can be reduced and the incidence of incident light on the light receiving portion can be increased. Therefore, stable reception can be performed in optical communication using such an optical coupling element.
  • the optical element may cause the incident light to enter the light receiving unit.
  • the light receiving part may have a ring shape.
  • the light receiving part and the light emitting part are arranged so that the light passing part through which the emitted light passes is positioned on the optical axis of the emitted light, light is emitted when the light emitting part and the light receiving part are projected on a plane orthogonal to the optical axis.
  • the light receiving part is located surrounding the part. In this way, the light receiving part whose light passing part is located at the center may be formed in a ring shape, and incident light condensed in a ring shape by the optical element is efficiently incident on the light receiving part, and incident light is incident on the light emitting part. There is almost no.
  • the optical element includes a first curved surface that refracts light in the vicinity of the optical axis of the incident light so that the light is separated from the optical axis and enters the light receiving unit, and another light of the incident light approaches the optical axis.
  • a lens having a second curved surface that is refracted and incident on the light receiving portion may be provided.
  • the 2 curved surface lens which has a 1st curved surface and a 2nd curved surface, and condenses incident light on a light-receiving part by a 1st curved surface and a 2nd curved surface in a ring shape be able to.
  • the optical element may include the lens, a substrate on which the lens is disposed on one surface, and a lens that collimates the emitted light disposed on the other surface of the substrate.
  • the light emitted from the light emitting unit and passed through the optical element may further include an optical path conversion element that converts an optical path of the incident light before entering the optical element.
  • the optical element may be a Fresnel lens.
  • the optical element may be a gradient index lens.
  • the optical element may be a liquid crystal lens.
  • the optical element includes an incident / exit surface on which the outgoing light is incident and the incident light is emitted, and a reflective surface that changes an optical path of the outgoing light and the incident light
  • the incident / exit surface has a first curved surface that refracts light in the vicinity of the optical axis of the incident light so as to be separated from the optical axis and enters the light receiving unit, and other light of the incident light on the optical axis. And a second curved surface that is refracted so as to approach and is incident on the light receiving portion.
  • the optical element includes an incident / exit surface on which the outgoing light is incident and the incident light is emitted, and a reflective surface that changes an optical path of the outgoing light and the incident light
  • the reflecting surface includes a first curved surface that refracts light in the vicinity of the optical axis of the incident light so as to be separated from the optical axis and enters the light receiving unit, and another light of the incident light approaches the optical axis. And a second curved surface that is refracted and incident on the light receiving portion.
  • An optical communication system includes an optical wiring and an optical coupling element.
  • the optical coupling element includes a light emitting / receiving element and an optical element.
  • the light emitting / receiving element includes a light emitting unit that emits outgoing light and a light receiving unit that receives incident light from the optical wiring and includes a light passage unit that is disposed on the optical axis of the incident light and through which the outgoing light passes. .
  • the optical element refracts incident light near the optical axis of the incident light so as to be separated from the optical axis and causes the incident light to enter the light receiving unit.
  • FIG. 1 is a schematic exploded perspective view showing a basic configuration of an optical module in which a plurality of optical coupling elements according to a first embodiment are installed in an array. It is a figure which shows the mode of the light ray at the time of reception at the time of transmission in the optical communication using the optical coupling element which concerns on 1st Embodiment, respectively.
  • the present technology relates to a single-core bidirectional optical communication system using an optical wiring such as a single-core optical fiber as an optical transmission line, and an optical coupling element used therefor. It is to provide.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a basic configuration of an optical coupling element according to each embodiment to be described later of the present technology.
  • the optical coupling element 1 includes a light emitting / receiving element 3 and an optical element 2.
  • the optical coupling element 1 is an optical coupling element for bidirectional transmission communication having a structure in which a light receiving element 31 and a light emitting element (reference numeral 32 in FIG. 9 described later) are stacked. Communication is performed by placing an optical fiber on the optical element 2 side of the optical coupling element 1.
  • the light emitting / receiving element 3 includes a light receiving element 31 and a light emitting element having a light emitting portion 32a.
  • the light receiving element 31 has a light receiving portion 31a made of, for example, a photodiode. Incident light 91 transmitted from an optical fiber (not shown), which is incident light 91 (91a and 91b) from the outside, enters the light receiving unit 31a through the optical element 2. A light passage portion 33 that is a through hole penetrating along the direction of the optical axis 93 of the incident light 91 is formed at the center of the light receiving element 31.
  • the light emitting unit 32a is made of, for example, a surface emitting laser element, and emits laser light (emitted light) 92 (92a and 92b).
  • Laser light (emitted light) 92 emitted from the light emitting part 32a passes through the light passage part 33 of the light receiving part 31a, passes through the optical element 2, and is emitted toward the optical fiber.
  • the semiconductor laser including the surface emitting laser element, a light emitting diode, an electroluminescence element, or the like may be used for the light emitting unit 32a.
  • the optical coupling element 1 is designed so that the optical axis of the incident light 91 and the optical axis of the outgoing light 92 coincide.
  • the light receiving unit 31a and the light emitting unit 32a are stacked on the same optical axis 93, and the center of the light emitting unit 32a and the center of the light receiving unit 31a are located on the optical axis 93.
  • FIG. 2 is a projection view in which the light receiving unit 31 a and the light emitting unit 32 a are projected onto a plane orthogonal to the optical axis 93.
  • the light receiving portion 31 a is formed so that the shape projected on the surface orthogonal to the optical axis 93 of the incident light 91 (91 a and 91 b) is a ring shape.
  • the central portion of the ring-shaped light receiving portion 31a is a light passing portion (through hole) 33 having a circular planar shape that allows light to pass therethrough.
  • the center of the light receiving portion 31a, that is, the center of the light passing portion 33 is incident light. It is arranged on the optical axis 93 of 91.
  • the light emitting part 32 a is arranged so as to be located in the light passing part 33.
  • the shape of the light receiving portion 31a is not limited to the ring shape, and a plurality of island-shaped light receiving portions 31a may be positioned so as to surround the light emitting portion 32a in the projection view.
  • the external shape in the projection drawing of the light-receiving part 31a and the light emission part 32a is circular, it is not limited to this, For example, a rectangular shape may be sufficient.
  • Incident light 91 from the optical fiber is converted into parallel light by a condenser lens (FIG. 11, reference numeral 43 described later) provided on the optical fiber side, and is incident on the optical coupling element 1.
  • incident light 91 a that is near the optical axis is refracted by the optical element 2 so as to be separated from the optical axis 93.
  • most of the incident light 91 b other than the light near the optical axis of the incident light 91 is refracted by the optical element 2 so as to approach the optical axis 93.
  • the incident light 91 is condensed into a ring shape by the optical element 2 and is incident on the ring-shaped light receiving part 31a, and is hardly incident on the light emitting part 32a. Accordingly, the light receiving rate of the light receiving unit 31a is increased, and stable reception can be performed in optical communication using such an optical coupling element.
  • the optical element 2 As described above, even if the laser light emitted from the light emitting unit 32a is reflected by the mirror or the end face of the optical fiber and returns toward the light emitting unit 32a again, this return light is Almost no incident on the light emitting part 32a. Therefore, the reinjection of the return light does not make the state of the laser resonator unstable and the output does not fluctuate.
  • the optical coupling element 1 includes a light emitting portion 32a corresponding to the light passage portion 33 of the light receiving portion 31a, and is configured by stacking the light receiving portion 31a and the light emitting portion 32a. It is optimal for short-distance optical communication.
  • the number of arrows indicating light is set to several.
  • the incident light that is incident on the region of the optical element 2 that refracts the incident light 91 so as to be separated from the optical axis 93 is denoted by 91a, and the emitted light is denoted by 92a.
  • the incident light 91b and the outgoing light 92b are denoted by reference numerals as they enter the region of the optical element 2 that refracts the incident light 91 so as to approach the optical axis 93, respectively.
  • the outgoing light 92 (92a and 92b) is shown on the right side of the optical axis 93 of the optical element 2, and the incident light 91 (91a and 91b) is shown on the left side.
  • both the outgoing light 92 and the incident light 91 have a light distribution with the optical axis 93 as a rotation target axis.
  • FIG. 3 is a basic configuration diagram of a main part of the optical coupling element according to the first embodiment.
  • the optical coupling element 100 includes a light emitting / receiving element 3 and a lens substrate 102 as an optical element.
  • the lens substrate 102 includes a support substrate 1021 that is a transparent glass substrate that transmits light, and a double-curved lens 1022 that is formed on one surface of the support substrate 1021 (a surface located on the optical fiber side during communication). .
  • the double curved lens 1022 is formed by resin molding, for example.
  • a transparent resin may be used instead of a glass substrate as the support substrate 1021 that supports the two-curved lens 1022, and the support substrate 1021 and the two-curved lens 1022 may be formed by integral injection molding with a resin.
  • the material of the lens substrate and the forming method are not limited to these.
  • the center of the double curved surface lens 1022 is located on the optical axis 93, one surface (the surface on the support substrate 1021 side) is a flat surface, and the other surface has a lens shape with a slightly depressed central portion.
  • the double-curved lens 1022 is a lens having a first curved surface 1022 a and a second curved surface 1022 b whose central portion is recessed toward the center of the double-curved lens 1022.
  • the first curved surface 1022 a and the second curved surface 1022 b are formed to be rotationally symmetric with respect to the optical axis 93.
  • the region where the first curved surface 1022a around the optical axis 93 is formed substantially coincides with the outer shape of the light receiving portion 31a when the ring-shaped light receiving portion 31a is projected onto a surface orthogonal to the optical axis 93.
  • the incident light 91 from the optical fiber is converted into parallel light by a condenser lens (FIG. 11, reference numeral 43 described later) provided on the optical fiber side, and is incident on the lens substrate 102.
  • a condenser lens (FIG. 11, reference numeral 43 described later) provided on the optical fiber side, and is incident on the lens substrate 102.
  • the incident light 91a in the vicinity of the optical axis of the incident light 91 is refracted away from the optical axis 93 by the first curved surface 1022a of the double curved lens 1022, and the other incident light 91b is The second curved surface 1022b is refracted so as to approach the optical axis 93.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the state of light rays in each of reception and transmission during optical communication using the optical coupling element 100 of the first embodiment.
  • FIG. 11A shows a state at the time of reception, that is, a state where the light receiving portion 31a of the light receiving element 31 receives the incident light 91 from the optical fiber.
  • FIG. 11B shows a state at the time of transmission, that is, a state in which outgoing light 92 emitted from the light emitting part 32a of the light emitting element 32 is transmitted to the optical fiber.
  • FIG. 11C is an enlarged view of a region surrounded by a dotted line in FIG. 11A.
  • reference numeral 42 denotes an optical fiber
  • reference numeral 41 denotes an optical fiber holding member
  • reference numeral 43 denotes a condenser lens
  • the optical fiber 42 is held by the optical fiber holding member 41.
  • the condensing lens 43 converts incident light 91 from the optical fiber 42 into parallel light, condenses the outgoing light 92 emitted from the light emitting element 32 and passed through the optical coupling element 100, and emits it to the optical fiber 42.
  • the incident light 91a near the optical axis 93 out of the incident light 91 incident on the lens substrate 102 from the optical fiber 42 is separated from the optical axis 93 by the first curved surface 1022a. Refracts into. Incident light 91 b incident on the second curved surface 1022 b is refracted so as to approach the optical axis 93. Incident light 91 is condensed in a ring shape on the light receiving portion 31a, and incidence of the incident light 91 on the light passage portion (through hole) 33 is reduced. Therefore, the light receiving rate of the light receiving unit 31a is increased, and reception by optical communication is stabilized.
  • the spread angle of the emitted light 92 emitted from the light emitting unit 32 a can be reduced by the two-curved lens 1022 during transmission. . Therefore, the coupling loss to the optical fiber 42 can be maintained close to that in the case of using a normal condenser lens.
  • FIG. 12 shows a case where an optical coupling element provided with the double-curved lens 1022 of this embodiment is used (corresponding to countermeasures in the figure), and a case where a normal condensing lens having no depression at the center is used for the optical coupling element A comparative example of the light receiving rate with (corresponding to no countermeasure in the figure) is shown.
  • the case where the double-curved lens 1022 of the present embodiment is used is more than the case where a normal condenser lens is used. It can be seen that the light receiving rate is greatly improved.
  • the use of the two-curved lens 1022 of the present embodiment is slightly less efficient than the case of using a normal lens, although this is almost the same. Even in the case where the two-curved lens 1022 having the configuration is used, the coupling loss to the optical fiber 24 can be maintained close to that in the case of using a normal condenser lens.
  • the two-curved lens 1022 having two different first curved surfaces 1022a and 1022b, most of the incident light 91 incident on the lens substrate 102 from the optical fiber 42 is a ring-shaped light receiving section.
  • the light is condensed on 31a and hardly incident on the light emitting portion 32a. Therefore, the light receiving rate of the light receiving unit 31a is improved, and reception in optical communication using such an optical coupling element is stabilized.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the optical coupling element 100.
  • the optical coupling element 100 includes a light emitting / receiving element 3, a lens substrate 102, and a mother substrate 8.
  • the light emitting / receiving element 3 and the lens substrate 102 are bonded together by a light-transmitting adhesive layer 61.
  • the light emitting / receiving element 3 is electrically connected to the mother substrate 8 via bumps 71 and 73.
  • the light emitting / receiving element 3 includes a light receiving element 31, an insulating layer 65 having a connection hole 62 formed on the light receiving element 31, wiring layers 63 and 67 formed on the insulating layer 65, and these wiring layers.
  • the insulating layer 66 is covered, and the light emitting element 32 having the light emitting portion 32a is included.
  • the light receiving element 31 and the wiring layer 63 are electrically connected through the connection hole 62, and the wiring layer 63 and the mother substrate 8 are electrically connected through the pad portion 64 and the bump 71.
  • the light emitting element 32 is electrically connected to the wiring layer 67 via the bump 72 and the pad portion 64, and the wiring layer 67 is electrically connected to the mother substrate 8 via the pad portion 68 and the bump 73.
  • the insulating layer 65 transmits light and allows light to pass therethrough.
  • the insulating layer 66 has a through hole 66a in a region corresponding to the light emitting portion 32a so that light can pass therethrough.
  • the light emitting part 32a, the through hole 66a, and the light passing part 33 are arranged so as to be positioned on the optical axis 93.
  • FIG. 10 is a schematic exploded perspective view of the optical module 10.
  • the same structures as those described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof may be omitted.
  • the optical module 10 includes an optical coupling element array 1000 in which a plurality of optical coupling elements 100 are arranged in an array, and an optical fiber array 4.
  • the optical fiber array 4 includes six optical fibers 42, an optical fiber holding member 41 that holds the optical fibers 42, and six condensing lenses (not shown in FIG. 11) that are arranged corresponding to the optical fibers 42. Corresponding to reference numeral 43).
  • the optical coupling element array 1000 includes a lens array substrate 1020 and a light receiving / emitting element array substrate 30.
  • the lens array substrate 1020 includes a support substrate 1021 and six double-curved lenses 1022 arranged in an array on one surface of the support substrate 1021 on the optical fiber array 4 side.
  • the light receiving / emitting element array substrate 30 includes two light emitting array elements 320 on which three light emitting portions 32a are arranged and two light receiving array elements 310 on which three light receiving portions 31a are arranged.
  • Each light emitting part 32a, each light receiving part 31a, and each two-curved surface lens 1022 are arranged on each optical axis 93 corresponding to each other. Also, each optical fiber 42 and each two-curved surface lens 1022 of the optical coupling element array 1000 are arranged in correspondence with each other so that each optical axis 93 is positioned at the center in a plane orthogonal to the longitudinal direction of each optical fiber 42. .
  • optical path conversion element that converts the optical path by 90 degrees is provided between the optical coupling element array 1000 and the optical fiber array 4. May be.
  • the optical coupling element 100 according to the first embodiment is used for the optical module is taken as an example, the optical coupling elements 200, 300, 400, 500, and 600 of the respective embodiments described later are applied to the optical module. Of course, this is also possible.
  • FIG. 4 is a basic configuration diagram of the main part of the optical coupling element according to the second embodiment.
  • the present embodiment is different from the first embodiment in that the structure of the optical element is different.
  • the same reference numerals are given to the same configurations described above, and the description may be omitted.
  • the optical coupling element 200 includes a light emitting / receiving element 3 and a Fresnel lens substrate 202 as an optical element.
  • the Fresnel lens substrate 202 includes a support substrate 2021 that is a transparent support substrate that transmits light, and a Fresnel lens 2022 formed on one surface of the support substrate 2021.
  • the support substrate 2021 and the Fresnel lens 2022 may be formed by integral injection molding with resin.
  • the center of the Fresnel lens 2022 is located on the optical axis 93.
  • the Fresnel lens 2022 has a plurality of annular grooves.
  • the Fresnel lens 2022 causes the first region 2022a that refracts the incident light 91a in the vicinity of the optical axis 93 of the incident light 91 so as to be away from the optical axis 93 and the other incident light 91b to approach the optical axis 93.
  • a second region 2022b that is refracted into the first region.
  • the Fresnel lens 2022 also operates in the same manner as the lens substrate 102 of the first embodiment, and shows the state of light rays as shown in FIG. 11 during reception and transmission. That is, incident light 91 a incident on the first region 2022 a is refracted away from the optical axis 93 by the first region 2022 a near the center of the Fresnel lens 2022. Further, the incident light 91b incident on the second region 2022b is refracted so as to approach the optical axis 93 by the second region 2022b excluding the vicinity of the central portion of the Fresnel lens 2022.
  • the incident light 91 from the optical fiber located outside the optical coupling element 200 is condensed on the light receiving unit 31a in a ring shape by the first region 2022a and the second region 2022b of the Fresnel lens 2022, and the light emitting unit 32a. Is hardly incident. Therefore, the light receiving rate is improved and the reception of optical communication is stabilized.
  • FIG. 5 is a basic configuration diagram of the main part of the optical coupling element according to the third embodiment.
  • the present embodiment is different from the first embodiment in that the structure of the optical element is different.
  • the same reference numerals are given to the same configurations described above, and the description may be omitted.
  • the optical coupling element 300 includes a light emitting / receiving element 3 and a gradient index lens 302 as an optical element.
  • the gradient index lens 302 has a cylindrical shape and has a refractive index gradient in which the refractive index changes in the radial direction (direction orthogonal to the optical axis 93).
  • the size of the refractive index is represented by shading using dots, and the darker the color, the higher the refractive index.
  • the refractive index is the lowest at the center of the gradient index lens 302 located on the optical axis 93. Then, in the circular cross section orthogonal to the optical axis 93 of the gradient index lens 302, the refractive index increases continuously from the center of the circle toward the outer shape of the circle, and then further continuously. The refractive index changes so as to decrease.
  • the center line of the gradient index lens 302 substantially coincides with the optical axis 93, and the refractive index distribution is the object of the optical axis 93.
  • Incident light 91a incident near the central portion and outgoing light 92a emitted near the central portion are separated from the optical axis 93 by the region having a high refractive index near the central portion (near the optical axis) of the gradient index lens 302. Refracts into.
  • the incident light 91b incident on the region other than the vicinity of the central portion and the outgoing light 92b emitted on the region other than the vicinity of the central portion approach the optical axis 93. Refracts into.
  • the incident light from the optical fiber located outside the optical coupling element 200 is condensed on the ring-shaped light receiving part 31a by the gradient index lens 302 and hardly incident on the light emitting part 32a. Therefore, the light receiving rate is improved and the reception of optical communication is stabilized.
  • FIG. 6 is a basic configuration diagram of a main part of the optical coupling element according to the fourth embodiment. This embodiment is different from the first embodiment in that the optical path is converted by the structure of the optical element and the optical element.
  • the same reference numerals are given to the same configurations described above, and the description may be omitted.
  • the optical coupling element 400 includes a light emitting / receiving element 3 and an optical waveguide 402 as an optical element.
  • the optical waveguide 402 in the present embodiment converts the optical paths of the incident light 91 and the outgoing light 92, and condenses the incident light 91 in a ring shape and makes it incident on the ring-shaped light receiving unit 31a as in the above-described embodiment. Is.
  • the optical waveguide 402 is made of a light transmissive transparent material.
  • the optical waveguide 402 has a reflective surface 4021 and an incident / exit surface 4022.
  • the reflection surface 4021 which is an optical path conversion element is an inclined surface of approximately 45 degrees with respect to the incident / exit surface 4022, and reflects light incident on the optical waveguide 402 and converts the light path of light by 90 degrees.
  • the incident / exit surface 4022 is a surface on which incident light 91 from the optical fiber whose optical path has been converted by the reflecting surface 4021 is emitted to the light receiving unit 31a, and the emitted light 92 emitted from the light emitting unit 32a is incident thereon.
  • the optical fiber is disposed on the surface side of 90 degrees with respect to the incident / exit surface 4022 of the optical waveguide 402.
  • the light from the optical fiber enters the optical waveguide 402, is reflected by the reflecting surface 4021, changes its optical path by 90 degrees, is emitted from the incident / exiting surface 4022, and is incident on the light receiving unit 31a.
  • the outgoing light 92 emitted from the light emitting portion 32a enters the optical waveguide 402 from the incident / exit surface 4022, is reflected by the reflecting surface 4021, undergoes a 90-degree optical path change, and is guided to the optical fiber.
  • a convex portion 4023 having a first curved surface 4023a and a second curved surface 4023b is formed on the incident / exit surface 4022.
  • the shape of the convex portion 4023 is the same as the shapes of the first curved surface 1022a and the second curved surface 1022b of the two-curved lens 1022 in the first embodiment.
  • the incident light 91a near the optical axis is refracted by the first curved surface 4023a so as to be separated from the optical axis.
  • the other incident light 91b is refracted so as to approach the optical axis by the second curved surface 4023b.
  • the incident light 91 from the optical fiber located outside the optical coupling element 400 is condensed on the light receiving unit 31a in a ring shape by the first curved surface 4023a and the second curved surface 4023b, and almost incident on the light emitting unit 32a. Not. Therefore, the light receiving rate is improved and the reception of optical communication is stabilized.
  • FIG. 7 is a basic configuration diagram of the main part of the optical coupling element according to the fifth embodiment.
  • This embodiment is different from the fourth embodiment in the structure of the optical element, and is different in that the first and second curved surfaces are formed on the reflection surface instead of the incident / exit surface.
  • differences from the fourth embodiment will be mainly described, and the same configurations as those described above may be denoted by the same reference numerals, and description thereof may be omitted.
  • the optical coupling element 500 includes a light emitting / receiving element 3 and an optical waveguide 502 as an optical element.
  • the optical waveguide 502 in the present embodiment converts the optical paths of incident light and outgoing light, and condenses the incident light 91 in a ring shape and makes it incident on the ring-shaped light receiving portion 31a as in the above-described embodiment. is there.
  • the optical waveguide 502 is made of a light transmissive transparent material.
  • the optical waveguide 502 has a reflective surface 5021 and an incident / exit surface 5022.
  • the reflecting surface 5021 is an inclined surface of approximately 45 degrees with respect to the incident / exiting surface 5022, and reflects incident light and converts the optical path of the light by 90 degrees.
  • the incident / exit surface 5022 is a surface on which incident light 91 from the optical fiber whose optical path has been converted by the reflecting surface 5021 is emitted to the light receiving portion 31a, and the emitted light 92 emitted from the light emitting portion 32a is incident thereon.
  • a convex portion 5023 having a first curved surface 5023 a and a second curved surface 5023 b is formed on the reflective surface 5021.
  • the shape of the convex portion 5023 is the same as the shapes of the first curved surface 1022a and the second curved surface 1022b of the two-curved lens 1022 in the first embodiment.
  • the incident light 91 from the optical fiber In the incident light 91 from the optical fiber, the incident light 91a near the optical axis 93 is refracted so as to be separated from the optical axis 93 by the first curved surface 5023a. Of the other incident light, the incident light 91 b incident on the second curved surface 5023 b is refracted so as to approach the optical axis 93.
  • the incident light 91 from the optical fiber is condensed on the light receiving unit 31a in a ring shape by the first curved surface 5023a and the second curved surface 5023b and hardly incident on the light emitting unit 32a. Therefore, the light receiving rate is improved and the reception of optical communication is stabilized.
  • FIG. 8 is a basic configuration diagram of the main part of the optical coupling element according to the sixth embodiment.
  • a collimator lens is added to the lens substrate of the optical coupling element of the first embodiment.
  • the optical coupling element 600 includes a light emitting / receiving element 3 and a lens substrate 602 with a collimator lens as an optical element.
  • a lens substrate 602 with a collimator lens includes a support substrate 1021, a double-curved lens 1022 disposed on one surface of the support substrate 1021 (a surface located on the optical fiber side during communication), and the other surface of the support substrate 1021.
  • the support substrate 1021, the double curved lens 1022, and the collimator lens 6021 may be formed by integral injection molding with resin.
  • the collimator lens 6021 converts the emitted light 92 emitted from the light emitting unit 32a into parallel light.
  • the collimator lens 6021 is disposed on the optical axis 93 so as to correspond to the light passage part (through hole) 33 and the light emitting part 32a.
  • the collimator lens 6021 by further providing the collimator lens 6021, the spread of the emitted light 92 from the light emitting unit 32a can be reduced, and is arranged on the double-curved lens 1022 and the optical fiber side.
  • the tolerance of the distance of the lens (reference numeral 43 in FIGS. 13A and 12B described later) is widened, and the design range is widened.
  • FIG. 13 is a diagram showing the state of light rays at the time of reception and transmission in optical communication using the optical coupling element 600 of the sixth embodiment.
  • FIG. 13A shows a state at the time of reception, that is, a state where the light receiving unit 31a receives incident light from the optical fiber.
  • FIG. 13B shows a state at the time of transmission, that is, a state in which the outgoing light 92 emitted from the light emitting element 32 is transmitted to the optical fiber.
  • FIG. 13C is an enlarged view of a region surrounded by a dotted line in FIG. 13B.
  • the outgoing light 92 emitted from the light emitting unit 32a is incident on the collimator lens 6021 through the light passing unit 33 during transmission.
  • the emitted light 92 that has entered the collimator lens 6021 becomes parallel light, and is emitted from the lens substrate 602 with a collimator lens through the support substrate 1021 and the double-curved lens 1022.
  • the emitted light 92 that has not entered the collimator lens 6021 is also emitted from the lens substrate 602 with a collimator lens.
  • the outgoing light 92 emitted from the lens substrate 602 with the collimator lens is condensed on the condenser lens 43 and transmitted to the optical fiber 42.
  • the collimator lens 6021 by using a collimator lens 6021, the spread of the light beam 92 emitted from the light emitting unit 32 a can be reduced, and the light is efficiently collected and transmitted to the optical fiber 42. be able to. Therefore, the tolerance of the distance G between the double-curved lens 1022 and the condenser lens 43 is widened, and the degree of freedom in design is improved.
  • the incident light 91 incident on the lens substrate 602 with the collimator lens from the optical fiber 42 held by the optical fiber holding member 41 as in the first embodiment is condensed on the ring-shaped light receiving portion 31a and hardly incident on the light emitting portion 32a. Therefore, the light receiving rate of the light receiving unit 31a is increased, and reception in optical communication using such an optical coupling element is stabilized.
  • the optical path conversion for converting, for example, 90 degrees the optical path of the outgoing light 92 emitted from the light emitting section 32a and passing through the optical element and the incident light 91 before entering the optical element.
  • a reflector optical path conversion mirror that is an element may be further arranged.
  • the structure in which the collimator lens 6021 is mounted on the lens substrate 102 having the two-curved lens 1022 described in the first embodiment is shown, but the present invention is not limited to this. It is good also as a structure which arrange
  • a double-curved lens is used.
  • the lens is not limited to a curved surface, and may have a flat surface as long as it has a shape for condensing light in a ring shape.
  • a liquid crystal lens having a condensing function may be used as the optical element.
  • FIG. 14 is an example of an optical communication system 700.
  • the optical communication system 700 is configured to realize two-way communication by connecting optical communication devices including the above-described optical coupling elements with an optical fiber cable 742 having an optical fiber 42.
  • the personal computer 701 and the cellular phone 702 are taken as examples of the optical communication device, but a camera, a music player, a video camera, a printer, a storage device, or the like can be used.
  • a light emitting / receiving element comprising: a light emitting unit that emits outgoing light; and a light receiving unit that receives incident light from outside and has a light passage unit that is disposed on the optical axis of the incident light and through which the outgoing light passes
  • An optical coupling element comprising: an optical element configured to refract incident light near the optical axis of the incident light so as to be separated from the optical axis and to enter the light receiving unit.
  • the optical coupling element according to (1) above, The optical element is an optical coupling element that causes the incident light to enter the light receiving unit.
  • the optical coupling element according to (1) or (2) above, The light receiving portion has a ring shape.
  • the optical coupling element according to any one of (1) to (3) above, The optical element refracts light in the vicinity of the optical axis of the incident light so as to be separated from the optical axis and makes it incident on the light receiving unit, and another light of the incident light approaches the optical axis.
  • An optical coupling element comprising a lens having a second curved surface that is refracted and incident on the light receiving portion.
  • the optical element includes an optical coupling element including the lens, a substrate on which the lens is disposed on one surface, and a lens that collimates the emitted light disposed on the other surface of the substrate.
  • An optical coupling element further comprising: an optical path conversion element for converting an optical path of the emitted light emitted from the light emitting unit and passed through the optical element and the incident light before entering the optical element.
  • the optical coupling element according to (2) or (3) above, The optical element is a Fresnel lens.
  • the optical coupling element according to (2) or (3) above, The optical element is a gradient index lens.
  • the optical coupling element according to (2) or (3) above, The optical element is a liquid crystal lens.
  • the optical coupling element according to (2) or (3) above has an incident / exit surface on which the outgoing light is incident and the incident light is emitted, and a reflective surface that performs optical path conversion of the outgoing light and the incident light.
  • the incident / exit surface includes a first curved surface that refracts light in the vicinity of the optical axis of the incident light so as to be separated from the optical axis and makes the light incident on the light receiving unit, and other light of the incident light to the optical axis.
  • An optical coupling element having a second curved surface that is refracted to approach and incident on the light receiving unit.
  • the optical coupling element according to (2) or (3) above The optical element has an incident / exit surface on which the outgoing light is incident and the incident light is emitted, and a reflective surface that performs optical path conversion of the outgoing light and the incident light.
  • the reflective surface has a first curved surface that refracts light in the vicinity of the optical axis of the incident light away from the optical axis and makes the light incident on the light receiving unit, and another light of the incident light approaches the optical axis. And a second curved surface that is refracted and incident on the light receiving portion.
  • An optical coupling element according to any one of (7) to (9), An optical coupling element further comprising an optical path conversion element that converts an optical path of the incident light and the outgoing light.
  • the optical coupling element includes an optical coupling element including a lens that collimates the emitted light.
  • optical wiring comprising: a light emitting / receiving element comprising: a light emitting part that emits outgoing light; and a light receiving part that receives incident light from the optical wiring and has a light passing part that is disposed on an optical axis of the incident light and through which the outgoing light passes;
  • An optical communication system comprising: an optical coupling element comprising: an optical element that refracts incident light near the optical axis of the incident light so as to be refracted away from the optical axis and enters the light receiving unit.

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Abstract

【課題】光ファイバからの光信号を効率よく受光し、通信品質が向上した光結合素子、これを用いた光通信システムを提供すること。 【解決手段】本技術の光結合素子は、受発光素子と光学素子とを具備する。上記受発光素子は、出射光を発する発光部と、外部からの入射光を受光し前記入射光の光軸上に配置された前記出射光が通過する光通過部を有する受光部とを備える。上記光学素子は、上記入射光の光軸付近の入射光を上記光軸から離間するように屈折させ上記受光部に入射させる。

Description

光結合素子及び光通信システム
　本技術は、光結合素子、これを用いた光通信システムに関する。
　光ファイバ等の光配線を用いた光通信システムには、例えば一芯双方向光通信モジュールが用いられている。一芯双方向通信モジュールは、光学フィルタを用いて受信用の光路と送信用の光路の分岐を行っている（例えば特許文献１参照）。しかしながら、このような構造の通信モジュールでは、構造的に大きくなってしまい、短距離光通信には向いていない。
　これに対して、小型化を目的として受光素子と面発光素子とを積層した構造が考えられている（例えば特許文献２参照）。
特開２００６－３５１６０８号公報 特開２０１２－２０９３４５号公報
　しかしながら、受光素子と面発光素子とが積層された構造では、光ファイバから受光素子に入射される光信号は面発光素子にも入射され、受光素子の光信号の光受光率が悪く、通信の品質が悪くなってしまうという問題があった。
　以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、光ファイバからの光信号を効率よく受光し、通信品質が向上した光結合素子、これを用いた光通信システムを提供することにある。
　本技術の一形態に係る光結合素子は、受発光素子と、光学素子とを具備する。
　上記受発光素子は、出射光を発する発光部と、外部からの入射光を受光し前記入射光の光軸上に配置された前記出射光が通過する光通過部を有する受光部とを備える。
　上記光学素子は、上記入射光の光軸付近の入射光を上記光軸から離間するように屈折させ上記受光部に入射させる。
　上記光結合素子において、出射光が通る光通過部が出射光の光軸上に位置するように受光部と発光部とが配置されていても、光軸付近の入射光を光軸から離間するように屈折させ受光部に入射させるよう光学素子が構成されているため、発光部への入射光の入射を減少させ、受光部への入射光の入射を増加させることができる。したがって、このような光結合素子を用いた光通信では安定した受信を行うことができる。
　上記光学素子は、上記入射光を上記受光部に入射させてもよい。
　上記受光部はリング形状を有してもよい。
　出射光が通る光通過部が出射光の光軸上に位置するように受光部と発光部とが配置されているので、光軸と直交する面に発光部及び受光部を投影したときに発光部を囲んで受光部が位置する。このように光通過部が中央部に位置する受光部をリング形状としてもよく、光学素子によりリング状に集光される入射光は効率よく受光部に入射され、発光部には入射光の入射がほとんどない。
　上記光学素子は、上記入射光の光軸付近の光を上記光軸から離間するように屈折させ上記受光部に入射させる第１の曲面と、上記入射光の他の光を上記光軸に接近するように屈折させ上記受光部に入射させる第２の曲面とを有するレンズを備えてもよい。
　このように、第１の曲面と第２の曲面を有する二曲面レンズを備える光学素子とすることができ、第１の曲面及び第２の曲面により入射光をリング状に受光部に集光させることができる。
　上記光学素子は、上記レンズと、上記レンズが一方の面に配置された基板と、上記基板の他方の面に配置された上記出射光を平行光とするレンズを具備してもよい。
　上記発光部から発せられ上記光学素子を通過した上記出射光及び上記光学素子に入射する前の上記入射光の光路を変換する光路変換素子を更に具備してもよい。
　上記光学素子はフレネルレンズであってもよい。
　上記光学素子は屈折率分布型レンズであってもよい。
　上記光学素子は液晶レンズであってもよい。
　上記光学素子は、上記出射光が入射され上記入射光が出射される入出射面と、上記出射光及び上記入射光の光路変換をする反射面とを有し、
　上記入出射面は、上記入射光の光軸付近の光を上記光軸から離間するように屈折させ上記受光部に入射させる第１の曲面と、上記入射光の他の光を上記光軸に接近するように屈折させ上記受光部に入射させる第２の曲面とを有してもよい。
　上記光学素子は、上記出射光が入射され上記入射光が出射される入出射面と、上記出射光及び上記入射光の光路変換をする反射面とを有し、
　上記反射面は、上記入射光の光軸付近の光を上記光軸から離間するように屈折させ上記受光部に入射させる第１の曲面と、上記入射光の他の光を上記光軸に接近するように屈折させ上記受光部に入射させる第２の曲面とを有してもよい。
　本技術の一形態に係る光通信システムは、光配線と光結合素子とを具備する。
　上記光結合素子は、受発光素子と、光学素子とを有する。上記受発光素子は、出射光を発する発光部と上記光配線からの入射光を受光し上記入射光の光軸上に配置された上記出射光が通過する光通過部を有する受光部とを備える。上記光学素子は、上記入射光の光軸付近の入射光を上記光軸から離間するように屈折させ上記受光部に入射させる。
　以上のように、本技術によれば、外部からの出射光の発光部への入射を減少させ、効率よく出射光を受光部に集光させることができるので、光通信特性の優れた光結合素子及び光通信システムを提供することができる。
　なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
本技術に係る光結合素子の主要部分の基本構成を示す図である。 本技術に係る光結合素子の発光部と受光部との位置関係を示す概略図である。 本技術に係る第１実施形態の光結合素子の主要部分の基本構成図である。 本技術に係る第２実施形態の光結合素子の主要部分の基本構成図である。 本技術に係る第３実施形態の光結合素子の主要部分の基本構成図である。 本技術に係る第４実施形態の光結合素子の主要部分の基本構成図である。 本技術に係る第５実施形態の光結合素子の主要部分の基本構成図である。 本技術に係る第６実施形態の光結合素子の主要部分の基本構成図である。 第１実施形態に係る光結合素子の断面図である。 第１実施形態に係る光結合素子をアレイ状に複数設置した光モジュールの基本構成を示す概略分解斜視図である。 第１実施形態に係る光結合素子を用いた光通信の、受信時、送信時それぞれにおける光線の様子を示す図である。 第１実施形態に係る光結合素子を用いた場合の光通信の光受光率を示す図である。 第６実施形態の光結合素子を用いた光通信の、受信時、送信時それぞれにおける光線の様子を示す図である。 本技術に係る光結合素子を用いた光通信システムを示す図である。
　以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。本技術は、光伝送路として一芯光ファイバなどの光配線を用いた一芯双方向光通信システム、これに用いられる光結合素子に関するものであり、短距離光通信に最適な光結合素子を提供するものである。
［光結合素子の基本構成］
　図１は、本技術の後述する各実施形態に係る光結合素子の基本構成を示す図である。
　図１に示すように、光結合素子１は、受発光素子３と、光学素子２とにより構成される。光結合素子１は受光素子３１と発光素子（後述する図９における符号３２）が積層された構造を有した、双方向伝送通信用の光結合素子である。光結合素子１の光学素子２側に光ファイバが配置されて、通信が行われる。
　受発光素子３は、受光素子３１と、発光部３２aを有する発光素子とからなる。
　受光素子３１は、例えばフォトダイオードからなる受光部３１ａを有する。受光部３１ａには、外部からの入射光９１（９１ａ及び９１ｂ）である光ファイバ（図示せず。）から送信された入射光９１が光学素子２を通って入射される。受光素子３１の中央部には入射光９１の光軸９３の方向に沿って貫通した貫通孔である光通過部３３が形成されている。
　発光部３２ａは例えば面発光レーザ素子からなり、レーザ光（出射光）９２（９２ａ及び９２ｂ）を発する。発光部３２ａから発せられたレーザ光（出射光）９２は、受光部３１ａの光通過部３３を通り、光学素子２を通って光ファイバへ向けて出射される。発光部３２ａには、面発光レーザ素子を含む半導体レーザ以外に、発光ダイオード、エレクトロルミネッセンス素子等を用いてもよい。
　入射光９１の光軸と出射光９２の光軸とは一致するように光結合素子１は設計される。受光部３１ａと発光部３２ａとは同一光軸９３上に積層して配置され、発光部３２aの中心と受光部３１aの中心は光軸９３上に位置する。
　図２は、受光部３１a及び発光部３２aを光軸９３と直交する面に投影した投影図である。図２に示すように、受光部３１ａは、入射光９１（９１ａ及び９１ｂ）の光軸９３と直交する面に投影した形状がリング状となるように形成される。リング状の受光部３１aの中央部は、平面形状が円形の光通過可能な光通過部（貫通孔）３３となっており、受光部３１aの中心、すなわち光通過部３３の中心は、入射光９１の光軸９３上に配置される。発光部３２ａは光通過部３３に位置するように配置される。
　尚、受光部３１aの形状はリング状に限定されず、投影図において発光部３２aを囲むように複数の島状の受光部３１aが位置するようにしてもよい。また受光部３１a及び発光部３２aの投影図における外形は円形であるが、これに限定されず例えば矩形状であってもよい。
　光ファイバからの入射光９１は、光ファイバ側に設けられた集光レンズ（後述する図１１、符号４３）によって平行光となり、光結合素子１に入射される。平行光となった入射光９１のうち光軸付近の光である入射光９１ａは、光学素子２によって光軸９３から離間するように屈折させられる。また、入射光９１の光軸付近の光以外のその他の入射光９１ｂのほぼ大部分は、光学素子２によって光軸９３に接近するように屈折させられる。
　このように光学素子２を構成することにより、入射光９１は、光学素子２によってリング状に集光されてリング状の受光部３１ａに入射され、発光部３２ａにはほとんど入射されない。従って、受光部３１ａの光受光率が高くなり、このような光学結合素子を用いた光通信では安定した受信を行うことができる。
　また、上述のように光学素子２を構成することにより、発光部３２ａから発せられるレーザ光がミラーや光ファイバ端面で反射し、再び発光部３２ａに向かって戻ってきても、この戻り光は、発光部３２ａにはほとんど入射されない。従って、戻り光の再注入によって、レーザ共振器の状態が不安定になり、出力が変動するということがない。
　また、光結合素子１は、受光部３１ａの光通過部３３に対応して発光部３２ａが配置されて、受光部３１ａと発光部３２ａとが積層して構成されているので、小型化が可能であり、短距離光通信に最適である。
　なお、図１及び後述する図３、図４、図５、図８において、光の屈折の方向をわかりやすくするために、光を示す矢印の数を数本としている。そして、光軸９３から離間するように入射光９１を屈折させる光学素子２の領域に入射する入射光を９１ａ、出射光を９２ａと符号を付した。また、光軸９３に接近するように入射光９１を屈折させる光学素子２の領域に入射する入射光を９１ｂ、出射光を９２ｂと符号を付した。
　また、これらの各図において、便宜上、光学素子２の光軸９３を境にした右側に出射光９２（９２ａ及び９２ｂ）を図示し、左側に入射光９１（９１ａ及び９１ｂ）を図示したが、実際には、出射光９２も入射光９１も光軸９３を回転対象軸とした光分布を有する。
　次に、上述した、入射光９１をリング状に受光部３１ａに集光させる光学素子２の具体的な構造について、第１～６実施形態及びその他の実施形態を例にあげて以下に説明する。
（第１実施形態）
　第１実施形態の光結合素子及びこれを用いた光モジュールについて説明する。以下、上述した構成と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する場合がある。
［光結合素子］
　第１実施形態の光結合素子について図３を用いて説明する。図３は、第１実施形態に係る光結合素子の主要部分の基本構成図である。
　図３に示すように、光結合素子１００は、受発光素子３と、光学素子としてのレンズ基板１０２とにより構成される。
　レンズ基板１０２は、光を透過する透明のガラス基板である支持基板１０２１と、該支持基板１０２１の一方の面（通信時、光ファイバ側に位置する面）に形成された二曲面レンズ１０２２を有する。二曲面レンズ１０２２は例えば樹脂成型により形成される。また、二曲面レンズ１０２２を支持する支持基板１０２１としてガラス基板ではなく透明樹脂を用いてもよく、支持基板１０２１と二曲面レンズ１０２２を樹脂で一体射出成型して形成してもよい。レンズ基板の材質、形成方法についてはこれらに限定されない。
　二曲面レンズ１０２２はその中心が光軸９３上に位置し、一方の面（支持基板１０２１側の面）は平面、他方の面は中央部がやや窪んだレンズ形状をしている。二曲面レンズ１０２２は、その中央部付近が二曲面レンズ１０２２の中心に向かって窪む第１の曲面１０２２ａと、第２の曲面１０２２ｂとを有するレンズである。第１の曲面１０２２ａ及び第２の曲面１０２２ｂは光軸９３に回転対称で形成される。
　光軸９３の周囲にある第１の曲面１０２２ａが形成される領域は、光軸９３に直交する面にリング状の受光部３１ａを投影したときの受光部３１ａの外形とほぼ一致している。
　光ファイバからの入射光９１は、光ファイバ側に設けられた集光レンズ（後述する図１１、符号４３）によって平行光となり、レンズ基板１０２に入射される。レンズ基板１０２を通過することによって、入射光９１のうち光軸付近の入射光９１ａは二曲面レンズ１０２２の第１の曲面１０２２ａにより光軸９３から離間するように屈折し、その他の入射光９１ｂは第２の曲面１０２２ｂによって光軸９３に接近するように屈折する。
　図１１は第１実施形態の光結合素子１００を用いた光通信時の、受信、送信それぞれにおける光線の様子を示す図である。図１１Ａは受信時の様子、すなわち光ファイバからの入射光９１を受光素子３１の受光部３１ａが受光する様子を示す。図１１Ｂは送信時の様子、すなわち発光素子３２の発光部３２ａから発せられる出射光９２が光ファイバへ送信される様子を示す。図１１Ｃは図１１Ａの点線で囲んだ領域の拡大図である。
　図１１Ａ及び図１１Ｂにおいて、符号４２は光ファイバ、符号４１は光ファイバ保持部材、符号４３は集光レンズを示し、光ファイバ４２は光ファイバ保持部材４１より保持される。集光レンズ４３は、光ファイバ４２からの入射光９１を平行光にし、発光素子３２から発せられ光結合素子１００を通過した出射光９２を集光し光ファイバ４２へ出射する。
　図１１Ａ及び図１１Ｃに示すように、受信時、光ファイバ４２からレンズ基板１０２に入射する入射光９１のうち光軸９３付近の入射光９１ａは第１の曲面１０２２ａによって光軸９３から離間するように屈折する。第２の曲面１０２２ｂに入射する入射光９１ｂは光軸９３に近づくように屈折する。入射光９１はリング状に受光部３１ａに集光され、光通過部（貫通孔）３３への入射光９１の入射が低減される。従って、受光部３１ａの光受光率が高くなり、光通信での受信が安定する。
　図１１Ｂに示すように、異なる２つの曲面を有する二曲面レンズ１０２２を用いる場合においても、送信時、発光部３２ａから発せられる出射光９２の広がり角は、二曲面レンズ１０２２により小さくすることができる。従って、光ファイバ４２への結合損失を、通常の集光レンズを用いる場合と同等近くに維持することができる。
　図１２は、本実施形態の二曲面レンズ１０２２を備えた光結合素子を用いる場合（図上、対策ありに相当）と、中央部に窪みのない通常の集光レンズを光結合素子に用いる場合（図上、対策なしに相当）との光受光率の比較例を示す。
　図１２に示すように、光ファイバ４２からの入射光９１を受光部で受光する受信時では、本実施形態の二曲面レンズ１０２２を用いる場合の方が、通常の集光レンズを用いる場合よりも、光受光率が大幅に向上していることがわかる。
　他方、発光部３２ａから出射光を発する送信時では、本実施形態の二曲面レンズ１０２２を用いる場合の方が通常のレンズを用いる場合よりも若干効率が悪くなっているもののほとんど変わらず、本実施形態の二曲面レンズ１０２２を用いた場合においても光ファイバ２４への結合損失を通常の集光レンズを用いる場合と同等近く維持することができる。
　このように２つの異なる第１の曲面１０２２ａ及び第２の曲面１０２２ｂを有する二曲面レンズ１０２２を設けることにより、光ファイバ４２からレンズ基板１０２に入射する入射光９１のほとんどは、リング状の受光部３１ａに集光され、発光部３２ａにはほとんど入射されない。従って、受光部３１ａの光受光率が向上し、このような光学結合素子を用いた光通信での受信が安定する。
［光結合素子の構造］
　次に図９を用いて光結合素子１００の詳細な構造について説明する。図９は光結合素子１００の断面図である。
　図９に示すように、光結合素子１００は、受発光素子３と、レンズ基板１０２と、マザー基板８を備える。受発光素子３とレンズ基板１０２は光透過可能な接着層６１によって貼りあわされている。受発光素子３は、マザー基板８にバンプ７１及び７３を介して電気的に接続する。
　受発光素子３は、受光素子３１と、該受光素子３１上に形成された接続孔６２を有する絶縁層６５と、該絶縁層６５上に形成された配線層６３及び６７と、これら配線層を覆う絶縁層６６と、発光部３２ａを有する発光素子３２とを有する。
　受光素子３１と配線層６３は接続孔６２を介して電気的に接続し、更に配線層６３とマザー基板８とはパッド部６４及びバンプ７１を介して電気的に接続する。発光素子３２はバンプ７２及びパッド部６４を介して配線層６７と電気的に接続し、配線層６７は、パッド部６８及びバンプ７３を介してマザー基板８と電気的に接続する。
　絶縁層６５は光を透過し、光通過可能となっている。絶縁層６６は、発光部３２ａに対応する領域が貫通孔６６ａになっており光通過可能となっている。発光部３２ａ、貫通孔６６ａ、光通過部３３は光軸９３上に位置するように配置される。
［光モジュールの構造］
　上述の光結合素子１００は複数アレイ状に配置して光通信に用いられるのが一般的である。図１０を用いて、上述の光結合素子１００が複数アレイ状に配置された光モジュール（双方向光通信モジュール）の構造について説明する。図１０は光モジュール１０の概略分解斜視図である。上述と同様の構造については同様の符号を付し、説明を省略する場合がある。
　光モジュール１０は、複数の光結合素子１００がアレイ状に配置されてなる光結合素子アレイ１０００と、光ファイバアレイ４とを有する。光ファイバアレイ４は、６つの光ファイバ４２と、光ファイバ４２を保持する光ファイバ保持部材４１と、各光ファイバ４２に対応して配置された６つの集光レンズ（図示せず。図１１の符号４３に該当。）を有する。
　光結合素子アレイ１０００は、レンズアレイ基板１０２０と、受発光素子アレイ基板３０とを有する。レンズアレイ基板１０２０は、支持基板１０２１と、該支持基板１０２１の光ファイバアレイ４側の一方の面にアレイ状に６つ配置された二曲面レンズ１０２２とを有する。受発光素子アレイ基板３０は、３つの発光部３２ａが配置された２つの発光アレイ素子３２０と、３つの受光部３１ａが配置された２つの受光アレイ素子３１０とからなる。
　各発光部３２ａ、各受光部３１ａ及び各二曲面レンズ１０２２は、それぞれ対応して、各光軸９３上に配置される。また各光軸９３が、各光ファイバ４２の長手方向と直交する面における中心に位置するように、各光ファイバ４２と光結合素子アレイ１０００の各二曲面レンズ１０２２とは対応して配置される。
　尚、ここでは、入射光９１及び出射光９２の光路が変換されない場合を例にあげたが、光結合素子アレイ１０００と光ファイバアレイ４との間に光路を９０度変換する光路変換素子を設けてもよい。また、光モジュールに第１実施形態に係る光結合素子１００を用いた場合を例にあげたが、後述する各実施形態の光結合素子２００、３００、４００、５００、６００を光モジュールに適用することも当然のことながら可能である。
（第２実施形態）
　第２実施形態の光結合素子について図４を用いて説明する。図４は、第２実施形態に係る光結合素子の主要部分の基本構成図である。本実施形態では、第１実施形態と比較して光学素子の構造が異なる点が相違する。以下、上述に挙げた同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する場合がある。
　図４に示すように、光結合素子２００は、受発光素子３と、光学素子としてのフレネルレンズ基板２０２とにより構成される。
　フレネルレンズ基板２０２は、光を透過する透明の支持基板である支持基板２０２１と、該支持基板２０２１の一方の面に形成されたフレネルレンズ２０２２を有する。尚、支持基板２０２１とフレネルレンズ２０２２を樹脂で一体射出成型して形成してもよい。
　フレネルレンズ２０２２はその中心が光軸９３上に位置する。フレネルレンズ２０２２は複数の輪帯の溝を有する。フレネルレンズ２０２２は、入射光９１のうち光軸９３付近にある入射光９１ａを光軸９３から離間するように屈折させる第１の領域２０２２ａと、その他の入射光９１ｂを光軸９３に接近させるように屈折させる第２の領域２０２２ｂを有する。
　フレネルレンズ２０２２も、第１の実施形態のレンズ基板１０２と同様の作用をし、受信時及び送信時に図１１に示すような光線の様子を示す。すなわち、フレネルレンズ２０２２の中央部付近の第１の領域２０２２ａによって、第１の領域２０２２ａに入射する入射光９１ａは光軸９３から離れるように屈折する。また、フレネルレンズ２０２２の中央部付近を除く第２の領域２０２２ｂによって、第２の領域２０２２ｂに入射する入射光９１ｂは光軸９３に近づくように屈折する。
　従って、光結合素子２００の外部に位置する光ファイバからの入射光９１は、フレネルレンズ２０２２の第１の領域２０２２ａ及び第２の領域２０２２ｂによってリング状に受光部３１ａに集光され、発光部３２ａにはほとんど入射されない。したがって、光受光率が向上し、光通信の受信が安定する。
（第３実施形態）
　第３実施形態の光結合素子について図５を用いて説明する。図５は、第３実施形態に係る光結合素子の主要部分の基本構成図である。本実施形態では、第１実施形態と比較して光学素子の構造が異なる点が相違する。以下、上述に挙げた同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する場合がある。
　図５に示すように、光結合素子３００は、受発光素子３と、光学素子としての屈折率分布型レンズ３０２とにより構成される。
　屈折率分布型レンズ３０２は円柱形を有し、半径方向（光軸９３と直交する方向）で屈折率が変化する屈折率勾配のあるレンズである。図上、ドットを用いて屈折率の大きさを濃淡で表し、色が濃いほど屈折率が高い。
　図に示すように、光軸９３上に位置する屈折率分布型レンズ３０２の中心が最も屈折率が低くなっている。そして、屈折率分布型レンズ３０２の光軸９３に直交する円形の断面において、円の中心から円の外形に向かって、連続的に屈折率が高くなっていき、続けて更に連続的に屈折率が低くなるように屈折率が変化している。屈折率分布型レンズ３０２の中心線は光軸９３とほぼ一致し、屈折率分布は光軸９３対象となっている。
　屈折率分布型レンズ３０２の中央部付近（光軸付近）の屈折率が高い領域によって、中央部付近に入射する入射光９１ａ及び中央部付近を出射する出射光９２ａは、光軸９３から離れるように屈折する。また、屈折率分布型レンズ３０２の中央部付近を除く領域によって、中央部付近を除く領域に入射する入射光９１ｂ及び中央部付近を除く領域に出射する出射光９２ｂは、光軸９３に近づくように屈折する。従って、光結合素子２００の外部に位置する光ファイバからの入射光は、屈折率分布型レンズ３０２によってリング状の受光部３１ａに集光され、発光部３２ａにはほとんど入射されない。したがって、光受光率が向上し、光通信の受信が安定する。
（第４実施形態）
　第４実施形態の光結合素子について図６を用いて説明する。図６は、第４実施形態に係る光結合素子の主要部分の基本構成図である。本実施形態では、第１実施形態と比較して光学素子の構造及び光学素子によって光路が変換される点が相違する。以下、上述に挙げた同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する場合がある。
　図６に示すように、光結合素子４００は、受発光素子３と、光学素子としての光導波路４０２とにより構成される。本実施形態における光導波路４０２は、入射光９１及び出射光９２の光路を変換するとともに、上述の実施形態と同様に入射光９１をリング状に集光してリング状の受光部３１ａに入射させるものである。
　光導波路４０２は光透過型の透明材料から形成される。光導波路４０２は反射面４０２１と入出射面４０２２とを有する。光路変換素子である反射面４０２１は入出射面４０２２に対して略４５度の傾斜面であり、光導波路４０２に入射する光を反射し光の光路を９０度変換する。入出射面４０２２は、反射面４０２１により光路が変換された光ファイバからの入射光９１を受光部３１ａに出射し、また、発光部３２ａから発せられる出射光９２が入射される面である。
　光ファイバは、光導波路４０２の入出射面４０２２に対して９０度の面側に配置される。光ファイバからの光は光導波路４０２に入射し、反射面４０２１で反射して９０度光路変換し、入出射面４０２２から出射して、受光部３１ａに入射される。
　発光部３２ａから発せられる出射光９２は、入出射面４０２２から光導波路４０２に入射し、反射面４０２１で反射して９０度光路変換して、光ファイバへと導かれる。
　入出射面４０２２には、第１の曲面４０２３ａと第２の曲面４０２３ｂとを有する凸部４０２３が形成されている。この凸部４０２３の形状は、第１実施形態の、二曲面レンズ１０２２の第１の曲面１０２２ａ及び第２の曲面１０２２ｂの形状と同じである。
　光ファイバからの入射光９１のうち光軸付近の入射光９１ａは、第１の曲面４０２３ａによって光軸から離間するように屈折する。その他の入射光９１ｂは第２の曲面４０２３ｂによって光軸に近づくように屈折する。
　従って、光結合素子４００の外部に位置する光ファイバからの入射光９１は、第１の曲面４０２３ａ及び第２の曲面４０２３ｂによってリング状に受光部３１ａに集光され、発光部３２ａにはほとんど入射されない。したがって、光受光率が向上し、光通信の受信が安定する。
（第５実施形態）
　第５実施形態の光結合素子について図７を用いて説明する。図７は、第５実施形態に係る光結合素子の主要部分の基本構成図である。本実施形態では、第４実施形態と比較して光学素子の構造が異なり、第１及び第２の曲面が入出射面ではなく反射面に形成されている点が相違する。以下、第４実施形態と相違する点を主に説明し、上述に挙げた同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する場合がある。
　図７に示すように、光結合素子５００は、受発光素子３と、光学素子としての光導波路５０２とにより構成される。本実施形態における光導波路５０２は、入射光及び出射光の光路を変換するとともに、上述の実施形態と同様に入射光９１をリング状に集光してリング状の受光部３１ａに入射させるものである。
　光導波路５０２は光透過型の透明材料から形成される。光導波路５０２は反射面５０２１と入出射面５０２２とを有する。反射面５０２１は入出射面５０２２に対して略４５度の傾斜面であり、入射する光を反射し光の光路を９０度変換する。入出射面５０２２は、反射面５０２１により光路が変換された光ファイバからの入射光９１を受光部３１ａに出射し、また、発光部３２ａから発せられる出射光９２が入射される面である。
　反射面５０２１には、第１の曲面５０２３ａと第２の曲面５０２３ｂとを有する凸部５０２３が形成されている。この凸部５０２３の形状は、第１実施形態の、二曲面レンズ１０２２の第１の曲面１０２２ａ及び第２の曲面１０２２ｂの形状と同じである。
　光ファイバからの入射光９１のうち光軸９３付近の入射光９１ａは、第１の曲面５０２３ａによって光軸９３から離間するように屈折する。その他の入射光のうち第２の曲面５０２３ｂに入射する入射光９１ｂは光軸９３に近づくように屈折する。
　従って、光ファイバからの入射光９１は、第１の曲面５０２３ａ及び第２の曲面５０２３ｂによってリング状に受光部３１ａに集光され、発光部３２ａにはほとんど入射されない。したがって、光受光率が向上し、光通信の受信が安定する。
（第６実施形態）
　第６実施形態の光結合素子について図８を用いて説明する。図８は、第６実施形態に係る光結合素子の主要部分の基本構成図である。本実施形態は、第１実施形態の光結合素子のレンズ基板にコリメータレンズを追加した構造となっている。以下、上述に挙げた同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する場合がある。
　図８に示すように、光結合素子６００は、受発光素子３と、光学素子としての
コリメータレンズ付きレンズ基板６０２により構成される。
　コリメータレンズ付きレンズ基板６０２は、支持基板１０２１と、該支持基板１０２１の一方の面（通信時、光ファイバ側に位置する面）に配置された二曲面レンズ１０２２と、支持基板１０２１の他方の面（受発光素子側の面）に配置されたコリメータレンズ６０２１とを有する。尚、支持基板１０２１、二曲面レンズ１０２２及びコリメータレンズ６０２１を樹脂で一体射出成型して形成してもよい
　コリメータレンズ６０２１は、発光部３２ａから発せられる出射光９２を平行光にするものである。コリメータレンズ６０２１は、光軸９３上に、光通過部（貫通孔）３３及び発光部３２ａに対応して配置される。
　このように第１実施形態の構成に加え、コリメータレンズ６０２１を更に具備させることにより、発光部３２ａからの出射光９２の広がりを小さくすることができ、二曲面レンズ１０２２と光ファイバ側に配置されるレンズ（後述する図１３Ａ及び１２Ｂの符号４３）の距離の許容度が広くなり、設計範囲が広くなる。
　図１３は第６実施形態の光結合素子６００を用いた光通信の、受信時、送信時それぞれにおける光線の様子を示す図である。図１３Ａは受信時の様子、すなわち光ファイバからの入射光を受光部３１ａが受光する様子を示す。図１３Ｂは送信時の様子、すなわち発光素子３２から発せられる出射光９２が光ファイバへ送信される様子を示す。図１３Ｃは図１３Ｂの点線で囲んだ領域の拡大図である。
　図１３Ｂ及び図１３Ｃに示すように、送信時、発光部３２ａから発せられる出射光９２は光通過部３３を通ってコリメータレンズ６０２１に入射される。コリメータレンズ付きレンズ基板６０２に入射した出射光９２のうちコリメータレンズ６０２１に入射した出射光９２は平行光となり、支持基板１０２１及び二曲面レンズ１０２２を通ってコリメータレンズ付きレンズ基板６０２から出射する。コリメータレンズ６０２１に入射されなかった出射光９２もコリメータレンズ付きレンズ基板６０２から出射する。
　コリメータレンズ付きレンズ基板６０２から出射した出射光９２は、集光レンズ４３に集光され、光ファイバ４２に送信される。図１３Ｂ及び図１３Ｃに示すように、コリメータレンズ６０２１を用いることにより、発光部３２ａからの出射光９２の光線の広がりを小さくすることができ、効率よく光ファイバ４２に光を集光させ送信することができる。したがって、二曲面レンズ１０２２と集光レンズ４３との距離Ｇの許容度が広くなり、設計自由度が向上する。
　図１３Ａに示すように、コリメータレンズ６０２１を配置した場合においても、第１実施形態と同様に、光ファイバ保持部材４１により保持された光ファイバ４２からコリメータレンズ付きレンズ基板６０２に入射する入射光９１のほとんどは、リング状の受光部３１ａに集光され、発光部３２ａにはほとんど入射されない。従って、受光部３１ａの光受光率が高くなり、このような光学結合素子を用いた光通信での受信が安定する。
（その他の実施例）
　以上、本技術の実施形態について説明したが、本技術は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、種々変更を加え得ることは勿論である。
　上述の第１～第３及び第６の実施形態において、発光部３２ａから発せられ光学素子を通過した出射光９２及び光学素子に入射する前の入射光９１の光路を例えば９０度変換する光路変換素子である反射板（光路変換ミラー）を更に配置してもよい。
　また、第６実施形態においては、第１実施形態に記載する二曲面レンズ１０２２を有するレンズ基板１０２にコリメータレンズ６０２１を搭載させた構造を示したが、これに限定されず、例えば第２～５実施形態に示す光学素子の受発行素子基板側にコリメータレンズを配置する構造としてもよい。
　また、第１実施形態においては二曲面レンズを用いたが、曲面に限定せず、平面を有していてもよく、リング状に光を集光させる形状であればよい。また、光学素子として、集光作用がある液晶レンズを用いてもよい。
［光通信システム］
　次に上述の光結合素子を用いた光通信システムについて説明する。図１４は、光通信システム７００の一例である。光通信システム７００は、上述の光結合素子を備えた光通信装置同士を、光ファイバ４２を有する光ファイバーケーブル７４２で接続して双方向通信を実現する構成である。ここでは光通信装置としてはパーソナルコンピュータ７０１と携帯電話機７０２を例に挙げたが、他にカメラ、音楽プレーヤ、ビデオカメラ、プリンタ、ストレージデバイス等を用いることが可能である。
　このような光通信システム７００では、光受光率が向上した光結合素子を用いているので、安定した受信を行うことができる。
　なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）　出射光を発する発光部と、外部からの入射光を受光し前記入射光の光軸上に配置された前記出射光が通過する光通過部を有する受光部とを備えた受発光素子と、
　前記入射光の光軸付近の入射光を前記光軸から離間するように屈折させ前記受光部に入射させる光学素子と
　を具備する光結合素子。
（２）　上記（１）に記載の光結合素子であって、
　前記光学素子は、前記入射光を前記受光部に入射させる
　光結合素子。
（３）　上記（１）又は（２）に記載の光結合素子であって、
　前記受光部はリング形状を有する
　光結合素子。
（４）　上記（１）から（３）のいずれかに記載の光結合素子であって、
　前記光学素子は、前記入射光の光軸付近の光を前記光軸から離間するように屈折させ前記受光部に入射させる第１の曲面と、前記入射光の他の光を前記光軸に接近するように屈折させ前記受光部に入射させる第２の曲面とを有するレンズを備える
　光結合素子。
（５）　上記（４）に記載の光結合素子であって、
　前記光学素子は、前記レンズと、前記レンズが一方の面に配置された基板と、前記基板の他方の面に配置された前記出射光を平行光とするレンズを具備する
　光結合素子。
（６）　上記（１）から（５）のいずれかに記載の光結合素子であって、
　前記発光部から発せられ前記光学素子を通過した前記出射光及び前記光学素子に入射する前の前記入射光の光路を変換する光路変換素子を
　更に具備する光結合素子。
（７）　上記（２）又は（３）に記載の光結合素子であって、
　前記光学素子はフレネルレンズである
　光結合素子。
（８）　上記（２）又は（３）に記載の光結合素子であって、
　前記光学素子は屈折率分布型レンズである
　光結合素子。
（９）　上記（２）又は（３）に記載の光結合素子であって、
　前記光学素子は液晶レンズである
　光結合素子。
（１０）　上記（２）又は（３）に記載の光結合素子であって、
　前記光学素子は、前記出射光が入射され前記入射光が出射される入出射面と、前記出射光及び前記入射光の光路変換をする反射面とを有し、
　前記入出射面は、前記入射光の光軸付近の光を前記光軸から離間するように屈折させ前記受光部に入射させる第１の曲面と、前記入射光の他の光を前記光軸に接近するように屈折させ前記受光部に入射させる第２の曲面とを有する
　光結合素子。
（１１）　上記（２）又は（３）に記載の光結合素子であって、
　前記光学素子は、前記出射光が入射され前記入射光が出射される入出射面と、前記出射光及び前記入射光の光路変換をする反射面とを有し、
　前記反射面は、前記入射光の光軸付近の光を前記光軸から離間するように屈折させ前記受光部に入射させる第１の曲面と、前記入射光の他の光を前記光軸に接近するように屈折させ前記受光部に入射させる第２の曲面とを有する
　光結合素子。
（１２）　上記（７）から（９）のいずれかに記載の光結合素子であって、
　前記入射光及び前記出射光の光路を変換する光路変換素子を
　更に具備する光結合素子。
（１３）　上記（１）から（３）、（７）から（１２）のいずれかに記載の光結合素子であって、
　前記光学素子は、前記出射光を平行光とするレンズを具備する
　光結合素子。
（１４）　光配線と、
　出射光を発する発光部と、前記光配線からの入射光を受光し前記入射光の光軸上に配置された前記出射光が通過する光通過部を有する受光部とを備える受発光素子と、前記入射光の光軸付近の入射光を前記光軸から離間するように屈折させ前記受光部に入射させる光学素子とを有する光結合素子
　を具備する光通信システム。
　１、１００、２００、３００、４００、５００、６００…光結合素子
　２…光学素子
　３…受発光素子
　３１ａ…受光部
　３２ａ…発光部
　３３…光通過部（貫通孔）
　９１…入射光
　９２…出射光
　９３…光軸
　１０２…レンズ基板
　２０２…フレネルレンズ基板
　３０２…屈折率分布型レンズ
　４０２、５０２…光導波路
　６０２…コリメータレンズ付きレンズ基板
　７００…光通信システム
　１０２１…支持基板
　１０２２…二曲面レンズ
　１０２２ａ、４０２３ａ、５０２３ａ…第１の曲面
　１０２２ｂ、４０２３ｂ、５０２３ｂ…第２の曲面
　２０２２…フレネルレンズ
　４０２１、５０２１…反射面
　４０２２、５０２２…入出射面
　６０２１…コリメータレンズ

Claims (12)

  1. 　出射光を発する発光部と、外部からの入射光を受光し前記入射光の光軸上に配置された前記出射光が通過する光通過部を有する受光部とを備えた受発光素子と、
    　前記入射光の光軸付近の入射光を前記光軸から離間するように屈折させ前記受光部に入射させる光学素子と
    　を具備する光結合素子。
  2. 　請求項１に記載の光結合素子であって、
    　前記光学素子は、前記入射光を前記受光部に入射させる
    　光結合素子。
  3. 　請求項２に記載の光結合素子であって、
    　前記受光部はリング形状を有する
    　光結合素子。
  4. 　請求項３に記載の光結合素子であって、
    　前記光学素子は、前記入射光の光軸付近の光を前記光軸から離間するように屈折させ前記受光部に入射させる第１の曲面と、前記入射光の他の光を前記光軸に接近するように屈折させ前記受光部に入射させる第２の曲面とを有するレンズを備える
    　光結合素子。
  5. 　請求項４に記載の光結合素子であって、
    　前記光学素子は、前記レンズと、前記レンズが一方の面に配置された基板と、前記基板の他方の面に配置された前記出射光を平行光とするレンズを具備する
    　光結合素子。
  6. 　請求項４に記載の光結合素子であって、
    　前記発光部から発せられ前記光学素子を通過した前記出射光及び前記光学素子に入射する前の前記入射光の光路を変換する光路変換素子を
    　更に具備する光結合素子。
  7. 　請求項２に記載の光結合素子であって、
    　前記光学素子はフレネルレンズである
    　光結合素子。
  8. 　請求項２に記載の光結合素子であって、
    　前記光学素子は屈折率分布型レンズである
    　光結合素子。
  9. 　請求項２に記載の光結合素子であって、
    　前記光学素子は液晶レンズである
    　光結合素子。
  10. 　請求項２に記載の光結合素子であって、
    　前記光学素子は、前記出射光が入射され前記入射光が出射される入出射面と、前記出射光及び前記入射光の光路変換をする反射面とを有し、
    　前記入出射面は、前記入射光の光軸付近の光を前記光軸から離間するように屈折させ前記受光部に入射させる第１の曲面と、前記入射光の他の光を前記光軸に接近するように屈折させ前記受光部に入射させる第２の曲面とを有する
    　光結合素子。
  11. 　請求項２に記載の光結合素子であって、
    　前記光学素子は、前記出射光が入射され前記入射光が出射される入出射面と、前記出射光及び前記入射光の光路変換をする反射面とを有し、
    　前記反射面は、前記入射光の光軸付近の光を前記光軸から離間するように屈折させ前記受光部に入射させる第１の曲面と、前記入射光の他の光を前記光軸に接近するように屈折させ前記受光部に入射させる第２の曲面とを有する
    　光結合素子。
  12. 　光配線と、
    　出射光を発する発光部と前記光配線からの入射光を受光し前記入射光の光軸上に配置された前記出射光が通過する光通過部を有する受光部とを備える受発光素子と、前記入射光の光軸付近の入射光を前記光軸から離間するように屈折させ前記受光部に入射させる光学素子とを有する光結合素子
    　を具備する光通信システム。
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