JP2004264659A - 光送受信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子の部品数が少なくコンパクトな光送受信モジュールを提供する。
【解決手段】光送受信モジュールにおいては、パッケージ１内に、レーザダイオード２と、フォトダイオード３と、バイナリ型の１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４と、１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５とが配置されている。光ファイバ６が、その端面が光送受信モジュールと対向するように配置されている。レーザダイオード２は波長１．３μｍの光７を放射し、フォトダイオード３は波長１．５５μｍの光８を受光する。両ＤＯＥレンズ４、５は、両波長の光７、８に対して、互いに異なる回折次数の主たる回折作用を有する。レーザダイオード２から光ファイバ６に至る光軸と、フォトダイオード３から光ファイバ６に至る光軸とが分離されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを用いた光通信システムに用いられる光送受信モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを用いた光通信システムないしは光通信ネットワーク、例えばＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ Ｔｏ Ｔｈｅ Ｈｏｍｅ）では、１本の光ファイバで双方向の光伝送を行うので、光加入者線終端装置には光を送受信するための光送受信モジュールが設けられる（例えば、特許文献１〜５参照）。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示された光送受信モジュールでは、レーザダイオード用パッケージ内に納められたレーザダイオード（ＬＤ）から放射された１．３μｍの光は、該光を光ファイバに入射させるためのレーザダイオード用レンズによって収束され、この後、プリズム端面に波長選択フィルタを備えたカプラを通過して、光ファイバに入射する。一方、光ファイバから射出された１．５５μｍの光は、波長選択フィルタによって反射され、この後、フォトダイオード用レンズによって収束され、フォトダイオード用パッケージ内に納められたフォトダイオード（ＰＤ）で検出される。
【０００４】
特許文献２に開示された光送受信モジュールでは、送信時には、発光素子から放射された光ビームが、回折格子を透過し、レンズによって光ファイバの端面上に集光される。一方、受信時には、光ファイバの端面から射出された受信光ビームが、レンズを経て回折格子に達する。そして、回折格子により回折されて、その＋１次回折光ビームが受光素子の光検出面上に集光される。
【０００５】
特許文献３に開示された光送受信モジュールでは、入射光ビームに対して光軸が偏向しない０次回折光ビームだけが、レンズを経て光ビームとなり、光ファイバの端面上に集光されて光ファイバ内を伝送されてゆく。一方、他の光モジュールなどから光ファイバ内を伝送されてこの光送受信モジュールに達し、光ファイバ端面から出射した光ビームは、送信光ビームとは逆の光路をたどり、再びレンズを透過して回折格子に達する。そして、送信時と同様に、回折格子によって回折され、いくつかの回折光ビームが発生する。このうち、＋１次回折光ビームが発光素子の近傍に設けられた受光素子の受光面上に集光し、受信信号が検出される。
【０００６】
特許文献４に開示された光送受信モジュールでは、外部から入射する入射光が回折格子によって回折される位置に光検出器が配置されている。また、特許文献５に開示された光送受信モジュールでは、光ファイバと、一体化光電／電光変換器との間を光学的に結合するためのカップリングレンズが設けられている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１８０６７１号公報（段落［０００７］、図１）
【特許文献２】
特開平７−１０４１５４号公報（段落［００２３］〜［００２４］、図１）
【特許文献３】
特開平７−２６１０５４号公報（段落［００２０］〜［００２１］、図１）
【特許文献４】
特開平３−１０６０９１号公報（第４頁右上欄、第３図）
【特許文献５】
特開平９−３２５２４６号公報（段落［００１３］〜［００１４］、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示された光送受信モジュールの構成では、レーザダイオードパッケージ、フォトダイオードパッケージ、レーザダイオード用レンズ、フォトダイオード用レンズ、カプラ、光ファイバ等を設けなければならないので、光学部品の数が多くなり、その製造コストが高くなるといった問題がある。また、各光学素子間の光軸調整を行う必要があるので、その調整作業に非常に手間がかかるといった問題がある。さらに、光路を垂直方向に２分岐しているため、光送受信モジュール全体のサイズが大きくなるといった問題がある。また、特許文献２〜５に開示された光送受信モジュールの構成では、回折効率、とくに１．３μｍの光に対する１次回折効率が低いといった問題がある。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、光学素子の部品数が少なくコンパクトな光送受信モジュールを提供することを解決すべき課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明にかかる光送受信モジュールは、光ファイバにより双方向に伝送される光を送受信する光送受信モジュールにおいて、（ｉ）第１の波長の光を放射する光源と、（ｉｉ）光ファイバから射出された第２の波長の光を受光する受光部と、（ｉｉｉ）第１の波長の光と第２の波長の光とに対して、互いに異なる回折次数の主たる回折作用を有する、階段形状の回折光学素子面を有するバイナリ型の回折光学素子とを有し、（ｉｖ）回折光学素子は、光源から光ファイバに至る第１の光軸と、受光部から光ファイバに至る第２の光軸とを分離させていることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明のいくつかの実施の形態を具体的に説明する。なお、以下の各実施の形態にかかる図面において、各実施の形態に共通な構成要素には、同一の参照番号が付されている。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる光送受信モジュールの構成を示している。図１に示すように、この光送受信モジュールにおいては、パッケージ１内に、レーザダイオード２（ＬＤ）と、フォトダイオード３（ＰＤ）と、１．３μｍ用ＤＯＥ（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ：回折光学素子）レンズ４と、１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５とが配置されている。そして、光ファイバ６が、その端面が光送受信モジュール（１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５）と対向するように配置されている。ここで、レーザダイオード２は波長１．３μｍの光７を放射（射出）し、フォトダイオード３は波長１．５５μｍの光８を受光する。
【００１３】
このように、実施の形態１にかかる光送受信モジュールでは、普通のレンズやカプラの代わりに、それぞれ波長選択性を有する回折光学素子（ＤＯＥ）からなる２種のＤＯＥレンズ４、５が用いられている。これらのＤＯＥレンズ４、５は、いずれも、特定の波長の光に対してはレンズ作用を有し、かつ、上記波長とは異なる特定の波長の光に対しては単なる平行平面板として作用する。具体的には、１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４は、レーザダイオード２の発振波長１．３μｍの光７に対してはレンズ作用を有し、フォトダイオード３の受信波長１．５５μｍの光８に対しては平行平面板として作用する。一方、１．５５μｍＤＯＥレンズ５は、レーザダイオード２の発振波長１．３μｍの光７に対しては平行平面板として作用し、フォトダイオード３の受信波長１．５５μｍの光８に対してはレンズ作用を有する。
【００１４】
レーザダイオード２とフォトダイオード３とは、１つのパッケージ１内において１つの基板９上の異なる位置に配置されている。ここで、レーザダイオード２から放射された波長１．３μｍの光７は、１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４によって、該光７の伝播方向にみて後段に位置する光ファイバ６に入射するよう収束させられる。波長１．３μｍの光７は、この後１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５に入射するが、１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５が平行平面板として作用するので、そのまま１．５５μｍＤＯＥレンズ５通過し、光ファイバ６に入射する。
【００１５】
一方、光ファイバから射出された波長１．５５μｍの光８は、まず、１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５によって収束させられる。この１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５は偏芯効果を有しているので、波長１．５５μｍの光８は、光軸が傾いた状態で１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５から射出される。波長１．５５μｍの光８は、この後、１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４に入射するが、１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４は平行平面板として作用するので、そのまま１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４を通過し、フォトダイオード３に入射する。
【００１６】
次に、図２（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ、実施の形態１で用いられる両ＤＯＥレンズ４、５の構造及び光学的特性を説明する。図２（ａ）は、普通のレンズである。これに対し、図２（ｂ）は、キノフォーム型ＤＯＥレンズと呼ばれている回折光学素子レンズであり、一定の高さ毎にレンズ断面を切断して結合した形状のものである。また、図２（ｃ）は、バイナリ型ＤＯＥレンズと呼ばれている回折光学素子レンズであり、キノフォーム型ＤＯＥレンズの斜面部および曲面部を階段状に近似化した形状を有している。本発明では、両ＤＯＥレンズ４、５にはバイナリ型ＤＯＥレンズを用いている。なお、キノフォーム型ＤＯＥレンズを用いてもよい。
【００１７】
図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４および１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５の正面図である。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、正面からみると、両ＤＯＥレンズ４、５には、それぞれ、回折格子の輪体が現れている。また、図３（ｂ）から明らかなとおり、１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５は、１．５５μｍの光８の光軸を傾斜させるためにレンズ中心軸が偏芯させられ、このため回折格子の輪体はレンズ中心から外側にずれている。
【００１８】
次に、階段形状の回折光学素子面を有し、波長選択性を有するバイナリ型の両ＤＯＥレンズ４、５の特徴を説明する。
図４に示すように、両ＤＯＥレンズ４、５の段の高さｈは、階段形状の回折光学素子面の各段の高さで定義される。
【００１９】
図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、バイナリ段数が６段の１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４および１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５における、０次光および±１次回折光の回折効率の段の高さｈに対する依存性（回折効率と段高さｈとの関係）を計算した結果を示すグラフである。なお、この計算では、両ＤＯＥレンズ４、５の材料の屈折率ｎを１．５としている。
【００２０】
図５（ａ）に示すグラフでは、段の高さｈの範囲は２．９〜３．３μｍであるが、この図から分かるように、段の高さｈが約３．１μｍのときには、波長１．５５μｍの光８はすべて（１００％）０次光となる。つまり、１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４は、１．５５μｍの光８に対しては平行平面板として機能する。また、波長１．３μｍの光７の約８０％は１次回折光となる。つまり、１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４は、波長１．３μｍの光７に対してはレンズとして機能する。よって、バイナリ段数が６段の１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４は、段の高さｈを３．１μｍに設定すれば、波長１．３μｍの光７に対してはレンズ作用を有し、波長１．５５μｍの光８に対しては平行平面板として作用するといった前記機能を全うすることができる。
【００２１】
一方、図５（ｂ）に示すグラフでは、段の高さｈの範囲は２．４〜２．８μｍであるが、この図から分かるように、段の高さｈが約２．５５μｍのときには、波長１．３μｍの光７の約９５％が０次光となる。つまり、１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５は、波長１．３μｍの光７に対しては平行平面板として機能する。また、波長１．５５μｍの光８の約８０％は−１次回折光となる。つまり、１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５は、波長１．５５μｍの光８に対してはレンズとして機能する。よって、バイナリ段数が６段の１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５は、段の高さｈを２．５５μｍに設定すれば、波長１．５５μｍの光８に対してはレンズ作用を有し、波長１．３μｍの光７に対しては平行平面板として作用するといった前記機能を全うすることができる。
【００２２】
本願発明者らは、波長１．３μｍの光７と波長１．５５μｍの光８との回折特性の重なり合いはバイナリ段数によって変化するが、バイナリ段数を６段にしたときは、両ＤＯＥレンズ４、５は、段の高さｈを上記のように設定することにより、波長１．３μｍの光７と波長１．５５μｍの光８とに対する波長選択性を備えることを見出した。このように、実施の形態１にかかる光送受信モジュールは、０次光の回折ピークと±１次回折光の回折ピークとを合わせることにより、波長の変動、ＤＯＥへの入射角度の広がり、ＤＯＥの製作誤差、ＤＯＥ素子の屈折率変化等の設定誤差に対する回折効率の変動を小さくすることができるといった大きな利点を有する。
【００２３】
前記のとおり、実施の形態１にかかる光送受信モジュールでは、フォトダイオード３が受光する波長１．５５μｍの光８を回折させる１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５のみを偏芯させている。しかし、これとは逆に、レーザダイオード２が放射する波長１．３μｍの光８を回折させる１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４のみを偏芯させてもよく、また両ＤＯＥレンズ４、５を互いに逆方向に偏芯させてもよい。なお、段の高さｈの最適値はＤＯＥレンズ４、５の材料の屈折率によって変化する。例えば、ＤＯＥレンズ４、５の材料としてシリコンを用いた場合、その屈折率ｎは３．５であるので、段高さｈの最適値は、屈折率ｎが１．５の場合の１／５となる（ｎ−１の逆数：（１．５−１）／（３．５−１）＝１／５）。
【００２４】
ところで、レーザダイオード２とフォトダイオード３とが接近して配置されている場合、レーザダイオード２に印加される電気信号の一部がフォトダイオード３から電気信号を取り出す回路に漏出し、信号の認識または判定の誤りを引き起こす可能性がある。しかし、これは、レーザダイオード２に印加される電気信号を用いてフォトダイオード３からの電気信号を相殺（キャンセル）することにより対処することができる。
【００２５】
以上、実施の形態１にかかる光送受信モジュールは、従来の光送受信モジュールに比べて、光学部品数が少なく、またレーザダイオード２とフォトダイオード３とが垂直方向に分離して配置されないので、そのサイズがコンパクトになるという利点を有する。また、一方の波長の光に何ら作用を及ぼすことなく、もう一方の波長の光を集光および屈曲させることができるので、光学設計の自由度が増し、該光送受信モジュールと光ファイバ６との結合効率を高めることができる。
【００２６】
実施の形態２．
以下、図６（ａ）、（ｂ）および図７（ａ）、（ｂ）を参照しつつ、本発明の実施の形態２を具体的に説明する。ただし、実施の形態２にかかる光送受信モジュールは、実施の形態１にかかる光送受信モジュールと多くの共通点を有するので、以下では説明の重複を避けるため、主として実施の形態１と異なる点を説明する。
【００２７】
実施の形態２にかかる光送受信モジュールでは、１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４および１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５のバイナリ段数を、実施の形態１にかかる光送受信モジュールとは異なる値に設定することにより、回折効率をより向上させるようにしている。その他の点は、実施の形態１の場合と同様である。
【００２８】
図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施の形態１の場合とは異なりバイナリ段数が７段である場合の、１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４および１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５における０次光および±１次回折光の回折効率の段高さｈに対する依存性を計算した結果を示すグラフである。なお、図６（ａ）、（ｂ）における段の高さｈの範囲は、それぞれ、図５（ａ）、（ｂ）の場合と同様である。
【００２９】
図６（ａ）に示すように、バイナリ段数が７段の場合、１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４については、波長１．５５μｍの光８の０次光と波長１．３μｍの光７の１次回折光とで回折効率のピークがずれている。しかし、図６（ｂ）に示すように、１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５については、波長１．３μｍの光７の０次光の回折効率のピークと波長１．５５μｍの−１次回折光の回折効率のピークとが一致している。また、波長１．５５μｍの光８の−１次回折光の回折効率のピーク値も約９０％まで上昇している。
【００３０】
図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、バイナリ段数が５段である場合の、１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４および１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５における０次光および±１次回折光の回折効率の段の高さｈに対する依存性を計算した結果を示すグラフである。なお、図７（ａ）、（ｂ）における段の高さｈの範囲は、それぞれ、図５（ａ）、（ｂ）の場合と同様である。図７（ａ）、（ｂ）から明らかなとおり、バイナリ段数が５段の場合は、両ＤＯＥレンズ４、５について、バイナリ段数が６段の場合（図５（ａ）、（ｂ））と非常に良く似た傾向（結果）を示している。
【００３１】
表１に、上記結果に基づくバイナリ段数と回折効率との関係をまとめて示す。
【表１】
表１ バイナリ段数と回折効率の関係

【００３２】
表１から分かるように、１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４については、バイナリ段数は５段から７段までの範囲であるのが好ましく、その中でも５段または６段であるのがとくに好ましい。また、１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５については、バイナリ段数は６段から８段までの範囲であるのが好ましく、その中でも７段であるのがとくに好ましい。つまり、実施の形態１にかかる光送受信モジュールにおいて、１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４のバイナリ段数を５段または６段とし、１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５のバイナリ段数を７段とすれば、最も性能の良い結合効率を得ることができる。
【００３３】
以上、実施の形態２にかかる光送受信モジュールは、実施の形態１にかかる光送受信モジュールと同様の作用・効果を奏するほか、レーザダイオード２用の１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４とフォトダイオード３用の１．５５μｍＤＯＥレンズ５とについてのそれぞれのバイナリ段数を最適化しているので、光結合の効率をより高めることができる。
【００３４】
実施の形態３．
以下、図８を参照しつつ、本発明の実施の形態３を具体的に説明する。ただし、実施の形態３にかかる光送受信モジュールは、実施の形態１にかかる光送受信モジュールと多くの共通点を有するので、以下では説明の重複を避けるため、主として実施の形態１と異なる点を説明する。
【００３５】
図８に示すように、実施の形態３にかかる光送受信モジュールでは、実施の形態１における１．３μｍ用ＤＯＥレンズ４および１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ５に代えて、これらを一体化した一体型ＤＯＥレンズ１０が設けられている。この一体型ＤＯＥレンズ１０は、単一の板状材料の表面と裏面とに、それぞれ、１．３μｍ用ＤＯＥレンズ面１１と１．５５μｍ用ＤＯＥレンズ面１２とが形成された構造を有している。その他の点は、実施の形態１にかかる光送受信モジュールと同様である。なお、この一体型ＤＯＥレンズ１０を、個別に製作された１．３μｍ用ＤＯＥレンズと１．５５μｍ用ＤＯＥレンズとを接着剤で貼り合わせて製作してもよい。
【００３６】
以上、実施の形態３にかかる光送受信モジュールは、実施の形態１にかかる光送受信モジュールと同様の作用・効果を奏するほか、一体型ＤＯＥレンズ１０を用いているので、光学部品数がより少なくなり、そのサイズがよりコンパクトになる。
【００３７】
実施の形態４．
以下、図９を参照しつつ、本発明の実施の形態４を具体的に説明する。ただし、実施の形態４にかかる光送受信モジュールは、実施の形態１にかかる光送受信モジュールと多くの共通点を有するので、以下では説明の重複を避けるため、主として実施の形態１と異なる点を説明する。
【００３８】
実施の形態４にかかる光送受信モジュールでは、各ＤＯＥレンズ４、５内または両ＤＯＥレンズ４、５間での多重反射光がフォトダイオード３に入射することにより生じるクロストーク光を防止するようにしている。その他の点は、実施の形態１にかかる光送受信モジュールと同様である。以下、実施の形態４におけるクロストーク光を防止する手法ないし手段を説明する。
【００３９】
一般に、この種の光送受信モジュールでは、レーザダイオード２から放射された波長１．３μｍの光が各ＤＯＥレンズ４、５の表面で反射して戻ってくる光、各ＤＯＥレンズ４、５の両面で多重反射回折して戻ってくる光、あるいは２枚のＤＯＥレンズ４、５の表面で多重反射回折して戻ってくる光などが存在する。このため、光ファイバ６から射出された光には、検出したい波長１．５５μｍの光８以外に、これらの波長１．３μｍの光が含まれることになる。そして、これらの波長１．３μｍの光がフォトダイオード３で受光された場合、これらの波長１．３μｍの光と波長１．５５μｍの受信光との区別がつかず、信号の認識ないし判定に誤りが生じるおそれがある。
【００４０】
図９は、これらの波長１．３μｍの多重反射光がフォトダイオード３に到達することを防ぐ手法ないし手段を示している。ここで、例えばレーザダイオード２とフォトダイオード３とが、両ダイオード２、３が配置されている平面（以下、「ダイオード配置面」という。）内で、ｘ軸方向ににずれて配置されているとする。そして、ＤＯＥレンズ４は、ダイオード配置面に対して傾けて配置されるが、この傾きを、ｘ軸に対して垂直なｙ軸方向に対する傾きであるとする。
【００４１】
このようにＤＯＥレンズ４を傾けて配置すると、レーザダイオード２から放射された波長１．３μｍの光（実線の矢印）のうち、ＤＯＥレンズ４の表面で反射した光は、レーザダイオード２に対してｙ軸方向に偏移した位置に戻ってくる。図９では、この位置はｙ軸の＋側となる。したがって、この波長１．３μｍの光は、フォトダイオード３には到達しない。
【００４２】
一方、光ファイバ６から射出された波長１．５５μｍの光に混入し、最終的にＤＯＥレンズ４を透過する波長１．３μｍの多重反射光（破線の矢印）は、ｙ軸の一側に変移した位置に到達する。したがって、この１．３ｍの光もフォトダイオード３には到達しない。ここで、仮に、ＤＯＥレンズ４をｘ軸に対して傾けた場合、レーザダイオード２からの多重反射光は、ｘ軸方向のフォトダイオード３とは反対側に変移した位置に到達するので、同一の効果を奏することができる。しかし、光ファイバ６からの多重反射光は、フォトダイオード３と同一方向に偏移して光が到達するので、フォトダイオード３はこの光を受光してしまうことになる。
【００４３】
以上、実施の形態４にかかる光送受信モジュールは、実施の形態１にかかる光送受信モジュールと同様の作用・効果を奏するほか、ＤＯＥレンズ４、５での多重反射によるクロストーク光を除去することができるので、信号の認識ないし判定を正確に行うことができる。
【００４４】
実施の形態５．
以下、図１０および図１１を参照しつつ、本発明の実施の形態５を具体的に説明する。ただし、実施の形態５にかかる光送受信モジュールは、実施の形態１にかかる光送受信モジュールと多くの共通点を有するので、以下では説明の重複を避けるため、主として実施の形態１と異なる点を説明する。
【００４５】
図１０に示すように、実施の形態５にかかる光送受信モジュールでは、波長分離のための波長分離ＤＯＥ１３（波長分離回折光学素子）と通常のレンズ１４との組み合わせが用いられている。その他の点は、実施の形態１にかかる光送受信モジュールと同様である。ここで、レンズ１４は、レーザダイオード２から放射された波長１．３μｍの光７を光ファイバ６に集光させる（光結合する）とともに、光ファイバ６から射出された波長１．５５μｍの光８をフォトダイオード３に受光させるために用いられる。そして、波長分離ＤＯＥ１３は、光ファイバ６から射出された波長１．５５μｍの光８の光軸を傾けるために用いられる。この波長分離ＤＯＥ１３は、波長１．３μｍの光７に対しては平行平面板として機能する。
【００４６】
図１１に、波長分離ＤＯＥ１３の形状を示す。図１１に示すように、この波長分離ＤＯＥ１３では、一方向に一様に並ぶ三角形状の格子列が形成されており、この三角形状の格子列は、実施の形態１の場合と同様に細かい階段形状、すなわちバイナリ形状となっている。バイナリ段の段数は実施の形態２の場合と同じく７段である。各バイナリ段の段高さｈは、屈折率ｎが１．５の場合は、２．６μｍであるのが望ましい。
【００４７】
図１０に示す例では、レーザダイオード２から放射された波長１．３μｍの光７を一直線状に透過させ、フォトダイオード３で受光される波長１．５５μｍの光８を屈曲させているが、これを逆にしてもよい。この場合、波長分離ＤＯＥ１３は、実施の形態１の場合と同様に、バイナリ段の段数を６段とし、段高さｈを３．１μｍ（屈折率ｎ＝１．５）とするのが望ましい。
【００４８】
この実施の形態５にかかる光送受信モジュールにおいても、実施の形態４の場合と同様に波長分離ＤＯＥ１３は傾けて配置するのが望ましい。また、波長分離ＤＯＥ１３とレンズ１４の配列順は図１０に示す形態と逆でも良い。ただし、図１０に示す配列順の方が、波長分離ＤＯＥ１３とフォトダイオード３との距離を長くすることができるので、より小さな分離角で波長１．３μｍの光７と波長１．５５μｍの光とを大きく分離することができるといった利点がある。
【００４９】
以上、実施の形態５にかかる光送受信モジュールは、実施の形態１にかかる光送受信モジュールと同様の作用・効果を奏するほか、円形の回折格子ではなく直線状の回折格子を用いているので、その製作が容易となり、また波長分離ＤＯＥ１３の位置精度も緩くできるといった利点をもつ。
【００５０】
実施の形態６．
以下、図１２を参照しつつ、本発明の実施の形態６を具体的に説明する。ただし、実施の形態６にかかる光送受信モジュールは、実施の形態５にかかる光送受信モジュールと多くの共通点を有するので、以下では説明の重複を避けるため、主として実施の形態５と異なる点を説明する。
【００５１】
図１２に示すように、実施の形態６にかかる光送受信モジュールでは、一方の表面が一方向に並ぶ三角形状の格子列が形成されたレンズ・格子面１６であり、他方の表面が普通のレンズ面１７であるレンズ１５が用いられている。つまり、このレンズ１５は、実施の形態５における波長分離ＤＯＥ１３とレンズ１４とを一体化したものである（図１０参照）。したがって、レンズ１５は、レンズ効果と波長分離効果の両方を奏する。
【００５２】
以上、実施の形態６にかかる光送受信モジュールは、実施の形態５にかかる光送受信モジュールと同様の作用・効果を奏するほか、波長分離用ＤＯＥ素子とレンズとが一体化されているので、光学部品数をさらに減らすことができるといった利点をもつ。
【００５３】
実施の形態７．
以下、図１３および図１４を参照しつつ、本発明の実施の形態７を具体的に説明する。ただし、実施の形態７にかかる光送受信モジュールは、実施の形態１にかかる光送受信モジュールと多くの共通点を有するので、以下では説明の重複を避けるため、主として実施の形態１と異なる点を説明する。
【００５４】
一般に、大きなパワーを有するＤＯＥレンズでは、回折格子のピッチが狭くなり、その製作が困難となる。また、回折効率が低下するといった欠点がある。
そこで、図１３に示すように、実施の形態７にかかる光送受信モジュールでは、光学系の球面レンズ１８と偏芯非球面ＤＯＥレンズ１９とを用いている。ここで、偏芯非球面ＤＯＥレンズ１９は、レーザダイオード２の発振波長１．３μｍの光７に対しては回折作用を及ぼす一方、光ファイバ６から射出された波長１．５５μｍの光８に対しては平行平面板として作用する。なお、図１４は、偏芯非球面ＤＯＥレンズ１９の正面図である。
【００５５】
一般に、レーザダイオード２から光ファイバ６への波長１．３μｍの光７の入射は非常に高い精度（組み立て精度）を必要とするので、できるかぎり効率を高くするために非球面レンズを用いることが多い。これに比べて、フォトダイオード３への受光効率は、フォトダイオード３の受光面積が大きいことから、通常の球面レンズで充分である。
【００５６】
そこで、実施の形態７では、レーザダイオード２から光ファイバ６への光結合に必要なレンズパワーから、光ファイバ６からフォトダイオード３への光結合に必要なレンズパワーを差し引いたパワー分についてはＤＯＥレンズを用い、残りの共通パワー分については球面レンズを用いるようにしている。このため、ＤＯＥレンズには非球面部分も含まれている。また、ＤＯＥレンズは、波長分離機能をもたせるために偏芯させている。つまり、このＤＯＥレンズを、波長１．３μｍの光に対しては偏芯非球面レンズとして機能させるようにしている。
【００５７】
かくして、実施の形態７にかかる光送受信モジュールでは、レーザダイオード２から放射された波長１．３μｍの光７は、まず偏芯非球面ＤＯＥレンズ１９によって、非球面による収差補正を含んだいくらかのパワーによって収束されつつ、光軸が傾いた状態で射出される。そして、この波長１．３μｍの光７は、球面レンズ１８によって再度収束され、光ファイバ６に入射する。
【００５８】
一方、光ファイバ６から射出された波長１．５５μｍの光８は、球面レンズ１８により収束作用を受けた後、偏芯非球面ＤＯＥレンズ１９はそのまま透過し、フォトダイオード３で受光される。なお、レーザダイオード２から放射された１．３μｍの光７が球面レンズ１８の中心と光ファイバ６とを結ぶ光軸に対して傾いて射出されるよう、レーザダイオード２とフォトダイオード３とを搭載している基板９は傾いて配置されている。
【００５９】
図１４に示す偏芯非球面ＤＯＥレンズ１９は、実施の形態１にかかる光送受信モジュールにおける１．３μｍＤＯＥレンズ４と同様に、バイナリ段数が６段のバイナリ形状のものであるのが望ましい。この場合、段の高さｈは、屈折率ｎが１．５であれば、３．１μｍであるのが望ましい。図１４に示すように、偏芯非球面ＤＯＥレンズ１９は非球面レンズとなっているため、格子の輪体の間隔は一様ではない。
【００６０】
また、球面レンズ１８と偏芯非球面ＤＯＥレンズ１９の配列順は図１３に示す形態と逆でもよい。ただし、図１３に示すように、レーザダイオード２側に偏芯非球面ＤＯＥレンズ１９を配置した配列順の方が、非球面による収差補正効果が高くなるといった点で有利である。
【００６１】
また、偏芯非球面ＤＯＥレンズ１９は、波長によって焦点距離が変化するといった特性を有する。このため、レーザダイオード２の発振波長が温度変化等により変化したときには、焦点距離の変化により光ファイバ６への入射効率が低下するといった欠点がある。この欠点は、球面レンズ１８が有するパワーの波長依存性を利用することにより克服することができる。すなわち、偏芯非球面ＤＯＥレンズ１９は、波長が長いほどパワーが大きくなるといった特性をもつが、これは通常のレンズとは逆の特性である。したがって、波長変化に対して、球面レンズ１８と偏芯非球面ＤＯＥレンズ１９とについての全体パワーが変化しないよう、球面レンズ１８の材質と、両レンズ１８、１９へのパワー配分を適切に設定すればよい。
【００６２】
以上、実施の形態７にかかる光送受信モジュールは、実施の形態１にかかる光送受信モジュールと同様の作用・効果を奏するほか、球面レンズ１８と偏芯非球面ＤＯＥレンズ１８とを組み合わせているので、偏芯非球面ＤＯＥレンズ１９の製作性を向上させることができ、また結合効率も向上させることができる。また、球面レンズ１８は、フォトダイオード結合とレーザダイオード結合との共通化を図っているので、部品点数をより少なくすることができる。
【００６３】
実施の形態８．
以下、図１５および図１６を参照しつつ、本発明の実施の形態８を具体的に説明する。ただし、実施の形態８にかかる光送受信モジュールは、実施の形態１にかかる光送受信モジュールと多くの共通点を有するので、以下では説明の重複を避けるため、主として実施の形態１と異なる点を説明する。
【００６４】
図１５に示すように、実施の形態８にかかる光送受信モジュールでは、反射型ＤＯＥ素子２０（ＤＯＥミラー）が用いられている。この反射型ＤＯＥ素子２０においては、光学材料からなるプレートの一方（光ファイバ側）の表面に１．３μｍ用ＤＯＥミラー２１が形成され、他方（ダイオード側）の表面に１．５５μｍ用ＤＯＥミラー２２が形成されている。両ＤＯＥミラー２１、２２は、いずれも、上記プレートに形成されたレンズ形状の回折格子の表面に反射コーティングが施されたものである。両ＤＯＥミラー２１、２２は、一方の波長の光に対しては回折作用を有し、もう一方の波長の光に対しては平面反射作用を有し、実質的に実施の形態１における両ＤＯＥレンズ４、５と同様の機能を有する。
【００６５】
かくして、実施の形態８にかかる光送受信モジュールにおいては、レーザダイオード２から放射された波長１．３μｍの光７は、１．３μｍ用ＤＯＥミラー２１によって屈曲反射され、１．５５μｍ用ＤＯＥミラー２２に向かう。この波長１．３μｍの光７は１．５５μｍ用ＤＯＥミラー２２によって平面反射され、反射型ＤＯＥ素子２０（プレート）を透過後、光ファイバ６に入射する。一方、光ファイバ６から射出された波長１．５５μｍの光８は、反射型ＤＯＥ素子２０（プレート）に入射後、１．５５μｍ用ＤＯＥミラー２２によって屈曲反射され、１．３μｍ用ＤＯＥミラー２１に向かう。この波長１．５５μｍの光８は１．３μｍ用ＤＯＥミラー２１によって平面反射され、反射型ＤＯＥ素子２０（プレート）を透過した後、フォトダイオード３で受光される。
【００６６】
図１６に、反射型ＤＯＥを用いたもう１つの光送受信モジュール（変形例）を示す。図１６に示すように、この光送受信モジュールでは、１．３μｍ用ＤＯＥミラー２３と１．５５μｍ用ＤＯＥミラー２４とが別体形成されている。したがって、この光送受信モジュールでは、両光７、８は、光学材料内を伝播せず、空間内を伝播する。なお、両光７、８の光路は、図１５に示す光送受信モジュールと同様である。
【００６７】
以上、実施の形態８にかかる光送受信モジュールは、実施の形態１にかかる光送受信モジュールと同様の作用・効果を奏する。また、透過型ＤＯＥではいくらかの表面反射回折光が生じるので、この光をフォトダイオード３内に入り込ませないための工夫が必要であるが、この実施の形態８にかかる光送受信モジュールのように反射型ＤＯＥ素子２０ないしＤＯＥミラー２３、２４を用いれば、前記のような不用光が生じないといった利点がある。
【００６８】
実施の形態９．
以下、図１７および図１８を参照しつつ、本発明の実施の形態９を説明する。前記のとおり、実施の形態１〜８にかかる光送受信モジュールでは、いずれも、ＤＯＥ素子は一方の波長に対しては回折作用を及ぼし、もう一方の波長に対しては回折作用を及ぼさないものである。これに対して、実施の形態９にかかる光送受信モジュールは、一方の波長に対しては１次回折を行わせる一方、他方の波長に対しては−１次回折を行わせるといった、回折次数が異なる回折を利用している。
【００６９】
図１７に、上記の回折次数が異なる回折作用を有する光送受信モジュールの一例を示す。なお、この光送受信モジュールの基本構成は、実施の形態５にかかる光送受信モジュールと同様である。図１７に示すように、実施の形態９にかかる光送受信モジュールでは、波長選択ＤＯＥ２５と普通のレンズ２６とが用いられている。ここで、波長選択ＤＯＥ２５は、波長１．３μｍの光７を１次回折させ、波長１．５５μｍの光８を−１次回折させる。
【００７０】
レーザダイオード２から放射された波長１．３μｍの光７は、レンズ２６により収束屈曲された後、波長選択ＤＯＥ２５によって１次回折し、図１７の紙面上で下側（手前側）に屈曲して光ファイバ６に入射する。一方、光ファイバ６から射出された波長１．５５μｍの光８は、波長選択ＤＯＥ素子２５によって−１次回折し、図１７の紙面上で上側（向こう側）に屈曲した後、レンズ２６によってフォトダイオード３上に集光される。この光送受信モジュールでは、レーザダイオード２とフォトダイオード３とを搭載している基板９は、その搭載面がレーザダイオードから放射される波長１．３μｍの光７の光軸に対して垂直となるように、傾けて配置されている。
【００７１】
このように波長によって異なる回折次数を有する波長選択ＤＯＥ２５は、バイナリ段数が８段のバイナリ形状のＤＯＥを用いることにより実現することができる。
図１８に、バイナリ段数が８段の波長選択ＤＯＥ２５（両波長兼用ＤＯＥ）についての、バイナリ段高さと回折効率との関係を示す。
【００７２】
図１８から分かるように、各バイナリ段の段の高さｈを２．８３μｍ（屈折率ｎ＝１．５）に設定すれば、波長１．３μｍの光７の１次回折光、および、波長１．５５μｍの光８の−１次回折光の両方について、９０％の回折効率を得ることができる。ここで、−１次回折光は、回折角が−である１次回折光を意味する。つまり、−１次回折光は１次回折光とは逆向きに回折をする。したがって、バイナリ段数が８段の波長選択ＤＯＥ２５は、各バイナリ段の段の高さｈを２．８３μｍ（屈折率ｎ＝１．５）に設定すれば、上記機能を全うすることができる。
【００７３】
以上、実施の形態９にかかる光送受信モジュールは、波長によって逆符号となる回折次数の回折光を発生させる波長選択ＤＯＥ２５を用いているので、両光７、８を互いに逆方向に回折させることができ、より小さな回折角で各波長の光７、８をより大きく分離することができる。また、波長選択ＤＯＥ２５の製作が容易である。
【００７４】
【発明の効果】
本発明にかかる光送受信モジュールは、第１の波長の光と第２の波長の光とに対して互いに異なる回折次数の主たる回折作用を有するバイナリ型の回折光学素子を用いているので、回折効率が高くなる。また、光源から光ファイバに至る第１の光軸と受光部から光ファイバに至る第２の光軸とを分離しているので、光学素子の部品数が少なくなり、該光送受信モジュールがコンパクトなものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる光送受信モジュールの一部断面側面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、普通のレンズ、キノフォーム型ＤＯＥレンズおよびバイナリ型ＤＯＥレンズの立面断面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、１．３μｍ用ＤＯＥレンズおよび１．５５μｍ用ＤＯＥレンズの正面図である。
【図４】バイナリ型回折格子のバイナリ段の段の高さの定義を示す図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、６段バイナリ型の１．３μｍ用ＤＯＥレンズおよび１．５５μｍ用ＤＯＥレンズにおける、バイナリ段高さと回折効率との関係を示すグラフである。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、７段バイナリ型の１．３μｍ用ＤＯＥレンズおよび１．５５μｍ用ＤＯＥレンズにおける、バイナリ段高さと回折効率との関係を示すグラフである。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、５段バイナリ型の１．３μｍ用ＤＯＥレンズおよび１．５５μｍ用ＤＯＥレンズにおける、バイナリ段高さと回折効率との関係を示すグラフである。
【図８】一体型ＤＯＥレンズの側面断面図である。
【図９】実施の形態４にかかる光送受信モジュールの模式的な斜視図である。
【図１０】実施の形態５にかかる光送受信モジュールの一部断面側面図である。
【図１１】波長分離ＤＯＥの斜視図である。
【図１２】波長分離ＤＯＥを一体化したレンズの側面断面図である。
【図１３】実施の形態７にかかる光送受信モジュールの一部断面側面図である。
【図１４】１．３μｍ用偏芯非球面ＤＯＥレンズの正面図である。
【図１５】実施の形態８にかかる光送受信モジュールの一部断面側面図である。
【図１６】実施の形態８の変形例にかかる光送受信モジュールの一部断面側面図である。
【図１７】実施の形態９にかかる光送受信モジュールの一部断面側面図である。
【図１８】８段バイナリ型の両波長兼用型ＤＯＥレンズにおける、バイナリ段高さと回折効率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ パッケージ、 ２ レーザダイオード（ＬＤ）、 ３ フォトダイオード（ＰＤ）、 ４ １．３μｍ用ＤＯＥレンズ、 ５ １．５５μｍ用ＤＯＥレンズ、 ６ 光ファイバ、 ７ 波長１．３μｍの光、 ８ 波長１．５５μｍの光、１０ 一体型ＤＯＥレンズ、 １１ １．３μｍ用ＤＯＥレンズ面、 １２ １．５５μｍ用ＤＯＥレンズ面、 １３ 波長分離ＤＯＥ、 １４ レンズ、 １５ 波長分離ＤＯＥを一体化したレンズ、 １６ レンズ・格子面、 １７ レンズ面、 １８ 球面レンズ、 １９ １．３μｍ用偏芯非球面ＤＯＥレンズ、 ２０ 反射型ＤＯＥレンズ、 ２１ １．３μｍ用ＤＯＥミラー、 ２２ １．５５μｍ用ＤＯＥミラー、 ２３ １．３μｍ用ＤＯＥミラー、 ２４ １．５５μｍ用ＤＯＥミラー、 ２５ 波長選択ＤＯＥ、 ２６ レンズ。

Claims (18)

1. 光ファイバにより双方向に伝送される光を送受信する光送受信モジュールにおいて、
   第１の波長の光を放射する光源と、
   前記光ファイバから射出された第２の波長の光を受光する受光部と、
   第１の波長の光と第２の波長の光とに対して、互いに異なる回折次数の主たる回折作用を有する、階段形状の回折光学素子面を有するバイナリ型の回折光学素子とを有し、
   前記回折光学素子は、前記光源から前記光ファイバに至る第１の光軸と、前記受光部から前記光ファイバに至る第２の光軸とを分離させていることを特徴とする光送受信モジュール。
2. 前記回折光学素子は、第１の波長の光および第２の波長の光の一方に対しては回折作用により該光を屈曲させ、他方に対しては０次回折を行わせて該光を屈曲させないようになっていることを特徴とする請求項１に記載の光送受信モジュール。
3. 前記回折光学素子は、第１の波長の光と第２の波長の光とを、その一方の回折次数の符号と他方の回折次数の符号とが互いに逆転するように回折させ、両光を互いに反対方向に屈曲させるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の光送受信モジュール。
4. 前記回折光学素子は、前記光源からの第１の波長の光を前記光ファイバに集光させるレンズ作用、または、前記光ファイバからの第２の波長の光を前記受光部に集光させるレンズ作用を有し、
   かつ、レンズ中心は、前記光源から前記光ファイバに至る直線、または、前記光ファイバから前記受光部に至る直線に対して偏芯していることを特徴とする請求項１に記載の光送受信モジュール。
5. 前記光源から前記光ファイバに向けて光を収束屈曲させ、かつ、前記光ファイバから前記受光部に向けて光を収束屈曲させるレンズを有し、
   前記回折光学素子は、前記光源からの光を受ける入射面において、一方向に一様な格子形状を有することを特徴とする請求項１に記載の光送受信モジュール。
6. 前記回折光学素子は、透過型回折光学素子であることを特徴とする請求項１に記載の光送受信モジュール。
7. 前記回折光学素子は、反射型回折光学素子であることを特徴とする請求項１に記載の光送受信モジュール。
8. 第１の波長および第２の波長は、その一方が１．３μｍ帯の波長であり、他方が１．５５μｍ帯の波長であり、
   前記回折光学素子の階段の段数は、５段以上８段以下であることを特徴とする請求項２に記載の光送受信モジュール。
9. 第１の波長および第２の波長は、その一方が１．３μｍ帯の波長であり、他方が１．５５μｍ帯の波長であり、
   前記回折光学素子の階段の段数は８段であることを特徴とする請求項３に記載の光送受信モジュール。
10. 前記回折光学素子は、第１の回折光学素子と第２の回折光学素子とからなり、
    前記第１の回折光学素子は、前記光源からの第１の波長の光に対して該光を前記光ファイバに集光させるレンズ作用を有する一方、前記光ファイバからの第２の波長の光に対して透過作用を有し、
    前記第２の回折光学素子は、前記光ファイバからの第２の波長の光に対して該光を前記受光部に集光させるレンズ作用を有する一方、前記光源からの第１の波長の光に対して透過作用を有することを特徴とする請求項４に記載の光送受信モジュール。
11. 前記光源から前記光ファイバに向けて光を収束屈曲させ、かつ、前記光ファイバから前記受光部に向けて光を収束屈曲させるレンズを有していて、
    前記回折光学素子は、前記光源からの第１の波長の光に対して該光を前記光ファイバに収束屈曲させるレンズ作用を有する一方、前記光ファイバからの第２の波長の光に対して透過作用を有し、または、前記光ファイバからの第２の波長の光に対して該光を前記受光部に集光させるレンズ作用を有する一方、前記光源からの第１の波長の光に対して透過作用を有することを特徴とする請求項４に記載の光送受信モジュール。
12. 前記第１の回折光学素子と第２の回折光学素子とは、それぞれ、１つの部材の互いに反対向きの両面に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の光送受信モジュール。
13. 前記透過型回折光学素子は、前記光源と前記受光部とが位置する平面内において、前記光源と前記受光部とを結ぶ軸に対して垂直な軸方向に対して傾斜して配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光送受信モジュール。
14. 前記回折光学素子は、前記レンズ表面に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の光送受信モジュール。
15. 前記回折光学素子は、前記レンズ作用として、偏芯非球面作用を有することを特徴とする請求項１１に記載の光送受信モジュール。
16. 前記光源と前記受光部とは同一基板上に配置され、
    前記基板と前記回折光学素子とは、密封された１つのパッケージ内に収容されていることを特徴とする請求項１に記載の光送受信モジュール。
17. 前記光源に送る送信用電気信号と前記受光部からの受信電気信号とを相殺することにより、相互の電気的クロストークを除去するようになっていることを特徴とする請求項１６に記載の光送受信モジュール。
18. 第１の波長および第２の波長は、一方が１．３μｍ帯の波長であり、他方が１．５５μｍ帯の波長であり、
    前記第１の回折光学素子の階段の段数は５段または６段であり、
    前記第２の回折光学素子の階段の段数は７段であることを特徴とする請求項１０に記載の光送受信モジュール。

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