特許 6805277 光レセプタクル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6805277

(24)【登録日】2020年12月7日

(45)【発行日】2020年12月23日

(54)【発明の名称】光レセプタクル

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/42 20060101AFI20201214BHJP

   G02B 6/32 20060101ALI20201214BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/42

   G02B6/32

【請求項の数】4

【全頁数】28

(21)【出願番号】特願2019-5364(P2019-5364)

(22)【出願日】2019年1月16日

(62)【分割の表示】特願2017-525688(P2017-525688)の分割

【原出願日】2015年7月2日

(65)【公開番号】特開2019-91061(P2019-91061A)

(43)【公開日】2019年6月13日

【審査請求日】2019年1月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000376

【氏名又は名称】オリンパス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100147692

【弁理士】

【氏名又は名称】下地 健一

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 稔明

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 靖浩

【審査官】 野口 晃一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−２７７３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０１７７３２７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００５／０８３４９０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−０９８６０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００６−５１５６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２３８９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０３２９０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−００３００７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５１２６９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２９２６０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２９３９７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０９２９２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／２６−６／２７

６／３０−６／３４

６／４２−６／４３

Ｈ０１Ｌ ３１／００−３１／０２

３１／０８−３１／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光ファイバから射出される光を集光するレンズと、
前記レンズにより集光される前記光を受光する受光素子と、
前記受光素子の受光面に結合して配置された固浸レンズと、
を備え、
前記レンズ及び前記固浸レンズにより形成されるスポット径が、前記受光面の径と略等しく、
前記固浸レンズは、前記光ファイバ側に凸のレンズ面を有し、
前記凸のレンズ面の曲率半径をＲ、
前記凸のレンズ面の面頂から前記受光面までの距離をＤ、
とするとき、
０．４＜Ｒ／Ｄ＜０．９
を満足し、
前記固浸レンズと前記受光面との間に、前記固浸レンズの媒質の屈折率と前記受光面を形成する媒質の屈折率との中間の屈折率を有する薄膜が介在されている、光レセプタクル。

【請求項2】

請求項１に記載の光レセプタクルにおいて、
前記受光素子は、フリップチップ実装されており、
前記固浸レンズは、前記受光素子の前記受光面側に接着固定されている、
ことを特徴とする光レセプタクル。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の光レセプタクルにおいて、
前記薄膜が、単層の反射防止膜である
ことを特徴とする光レセプタクル。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか一項に記載の光レセプタクルにおいて、
前記受光素子に入射する前記信号光のＮＡをＮＡpd、
とするとき、
ＮＡpdが０．６５以下である
ことを特徴とする光レセプタクル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光レセプタクルに関するものである。

【背景技術】

【0002】

光信号伝送システムとして、例えば特許文献１に開示のものが知られている。特許文献１に開示の光信号伝送システムは、レーザダイオードから射出される信号光を、送信ファイバ、光コネクタ及び受信ファイバを経て光レセプタクルに伝送している。このような光信号伝送システムに使用される光コネクタとしては、例えば特許文献２に開示のものが知られている。また、光レセプタクルとしては、例えば特許文献３に記載のものが知られている。

【0003】

特許文献２に開示の光コネクタは、送信ファイバと受信ファイバとをレンズを介して結合する、いわゆる空間結合型のものである。ここで、レンズは、送信ファイバの射出端面を受信ファイバの入射端面に縮小して結像するように構成されている。これにより、受信ファイバに入射する信号光のスポット位置が、受信ファイバのコア中心から多少ずれても光回線が維持されるようにしている。そのため、受信ファイバのＮＡ（開口数）は、送信光ファイバのＮＡよりも大きくとる必要がある。

【0004】

また、特許文献３に開示の光レセプタクルは、レンズと受光素子とを備え、受信ファイバの射出端面から発散して空間に射出される信号光を、レンズにより受光素子に集光させて光電変換するものである。ここで、受光素子は、受光面の径が小さいものが使用される。特に、近年の光信号伝送システムは、例えば高精細な映像信号の伝送に対応することが期待されることから、１０Ｇｂｐｓ〜４０Ｇｂｐｓの高速通信の要求がある。そのため、受光素子は、良好な周波数応答速度を得ることから受光面の径（受光径）が小さくなる傾向があり、５０μｍ程度のものが多く使われる。したがって、レンズは、受信ファイバの射出端面を受光素子上に縮小して結像するように構成される。その結果、受光素子に入射する光束のＮＡは、受信ファイバのＮＡよりも大きくなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００５−３１８５３２号公報

【特許文献2】特開平７−１８１３３９号公報

【特許文献3】特開２０１４−２３２２６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上述した光コネクタ及び光レセプタクルを用いて光信号伝送システムを構成すると、光コネクタ及び光レセプタクルにおいて信号光の縮小結像が繰り返されるため、最終的に受光素子に入射する光束のＮＡが過剰に大きくなる。図２８は、この場合の光信号伝送システムの構成例を示すもので、レーザダイオード１１０から発散して射出される信号光を、送信ファイバ１２０、光コネクタ１３０及び受信ファイバ１４０を経て光レセプタクル１５０に伝送するものである。

【0007】

光コネクタ１３０はレンズ１３１及び１３２を有し、送信ファイバ１２０の射出端面１２０exから射出される信号光をレンズ１３１で平行光とし、その平行光をレンズ１３２で集光して受信ファイバ１４０の入射端面に入射させもので、レンズ１３１とレンズ１３２との間が着脱自在に構成される。また、光レセプタクル１５０はレンズ１５１と受光素子１５２とを備え、受信ファイバ１４０の射出端面から射出される信号光を、レンズ１５１により受光素子１５２に集光させる。

【0008】

図２８に示すように、レーザダイオード１１０から発散して射出される信号光を送信ファイバ１２０に直接入射させる場合、より多くの光量を送信ファイバ１２０に入射させるには、送信ファイバ１２０のコア径及びＮＡを、例えばコア径が５０μｍ、ＮＡが０．２７とある程度大きくとる必要がある。この場合、受信ファイバ１４０を送信ファイバ１２０と同じコア径とすると、光コネクタ１３０は、レンズ１３１及び１３２によって送信ファイバ１２０から射出される信号光をコア径よりも小さな光スポットで受信ファイバ１４０に入射させる必要がある。そのため、この場合のアライメント誤差の許容値は、せいぜい２０μｍ〜３０μｍ程度と小さくなる。

【0009】

そこで、受信ファイバ１４０を送信ファイバ１２０よりも太く、例えばコア径を１５０μｍ、ＮＡを０．３にすることが想定される。この場合、光レセプタクル１５０において、受信ファイバ１４０から射出される信号光をレンズ１５１によって受光素子１５２に集光させるには、受光素子１５２の受光径を５０μｍとすると、レンズ１５１の縮小倍率は１／３となる。したがって、この場合に受光素子１５２に集光される光束のＮＡは、受信ファイバ１４０のＮＡの３倍の０．９となる。

【0010】

しかし、このように受光素子１５２に入射する光束のＮＡが大きくなると、レンズ１５１の収差も大きくなって集光性が低下し、受光素子１５２の受光面の径を小さくとることが困難になる。その結果、周波数応答速度の向上が期待できなくなる。また、受光素子１５２は、シリコン等の高屈折率の材質で構成され、３０％以上の表面反射率を有していることから、受光素子１５２での信号光の反射による戻り光が、レーザダイオード１１０から射出される信号光に悪影響を及ぼすことも懸念される。そのため、受光素子１５２の受光面に反射防止膜を施すことがしばしば行われるが、反射防止膜は、入射角依存性を有しており、広角の入射光に対しては十分な効果が期待できない。

【0011】

このようなことから、従来の光信号伝送システムにあっては、光回線を安定して維持することが困難になり、システムの信頼性が低下することが懸念される。

【0012】

したがって、かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、受光素子の周波数応答速度を維持しながら光回線を安定に維持でき、システムの信頼性を向上できる光信号伝送システムに使用可能な光レセプタクルを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記目的を達成する本発明に係る光レセプタクルは、
光ファイバから射出される光を集光するレンズと、
前記レンズにより集光される前記光を受光する受光素子と、
前記受光素子の受光面に結合して配置された固浸レンズと、
を備え、
前記レンズ及び前記固浸レンズにより形成されるスポット径が、前記受光面の径と略等しく、
前記固浸レンズは、前記光ファイバ側に凸のレンズ面を有し、
前記凸のレンズ面の曲率半径をＲ、
前記凸のレンズ面の面頂から前記受光面までの距離をＤ、
とするとき、
０．４＜Ｒ／Ｄ＜０．９
を満足し、
前記固浸レンズと前記受光面との間に、前記固浸レンズの媒質の屈折率と前記受光面を形成する媒質の屈折率との中間の屈折率を有する薄膜が介在されていることを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、受光素子の周波数応答速度を維持しながら光回線を安定に維持でき、システムの信頼性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】エタンデュの説明図である。

【図2】本発明の第１の主要構成における光レセプタクルの説明図である。

【図3】本発明の第１の主要構成における光コネクタの説明図である。

【図4A】本発明の第２の主要構成における半球レンズの説明図である。

【図4B】本発明の第２の主要構成における超半球レンズの説明図である。

【図5】第１実施の形態に係る光信号伝送システムの要部構成図である。

【図6】図５で使用可能な受信ファイバの説明図である。

【図7】図５の光コネクタの概略構成図である。

【図8】図７の光コネクタのレンズデータにおける面番号の説明図である。

【図9】図５の光レセプタクルの光学系の構成図である。

【図10】図９の光レセプタクルのレンズデータにおける面番号の説明図である。

【図11】図９の光レセプタクルの要部構成を示す断面図である。

【図12】第２実施の形態に係る光信号伝送システムの光コネクタの光学系の構成図である。

【図13A】光ファイバから射出される光線の説明図である。

【図13B】光ファイバの射出端面に半球レンズを接合した場合に射出される光線の説明図である。

【図13C】光ファイバの射出端面に超半球レンズを接合した場合に射出される光線の説明図である。

【図14】図１２の光コネクタのレンズデータにおける面番号の説明図である。

【図15】図１２の光コネクタの結合時における光軸傾き誤差θ（°）に対する光スポットの位置ずれの説明図である。

【図16】図１２の光コネクタの光軸傾き誤差θ（°）に対するスループット特性を示す図である。

【図17】シリコン及び反射防止膜の入射角に対する反射率特性を示す図である。

【図18】第３実施の形態に係る光信号伝送システムの光レセプタクルの光学系の構成図である。

【図19】図１８の部分断面図である。

【図20】図１８の光レセプタクルのレンズデータにおける面番号の説明図である。

【図21】図１８の光レセプタクルの要部構成を示す断面図である。

【図22】第３実施の形態の光信号伝送システムの受光素子（シリコン）に施した反射防止膜の入射角に対する反射率特性を示す図である。

【図23】第３実施の形態による光コネクタの光軸傾き誤差θ（°）に対するスループット特性を示す図である。

【図24】第４実施の形態に係る光信号伝送システムの要部構成図である。

【図25】図７の光コネクタの変形例を示す図である。

【図26】図２５の光コネクタの変形例を示す図である。

【図27】図１２の光コネクタの変形例を示す図である。

【図28】従来の光信号伝送システムの説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

先ず、本発明の実施の形態の説明に先立って、本発明に係る光信号伝送システムの主要構成及び作用について説明する。

【0017】

（主要構成）
本発明に係る光信号伝送システムの第１の主要構成は、受信ファイバの入射端面でのコア径をΦ２en、送信ファイバの射出端面でのコア径をΦ１ex、受光素子の受光面の径をΦpdとするとき、Φ２enをΦ１ex及びΦpdよりも大きくする。また、光コネクタは、送信ファイバから射出される信号光のＮＡをＮＡ１ex、受信ファイバに入射させる信号光のＮＡをＮＡ２enとするとき、ＮＡ１exをＮＡ２enよりも大きく構成する。換言すれば、受信ファイバとして、送信ファイバ及び受光素子の受光面よりもコア径の大きなものを用い、光コネクタに配置されるレンズによって、受信ファイバに入射する信号光のＮＡ２enを、送信ファイバから射出される信号光のＮＡ１exより小さくすることである。

【0018】

本発明に係る光信号伝送システムの第２の主要構成は、受信ファイバの入射端面でのコア径Φ２enを送信ファイバの射出端面でのコア径Φ１ex及び受光素子の受光面の径Φpdよりも大きくする。また、光レセプタクルの受光素子には、固浸レンズ(SIL : Solid Immersion Lens ）を結合することにある。換言すれば、受信ファイバとして、送信ファイバ及び受光素子の受光面よりもコア径の大きなものを用い、光レセプタクルにおいて、受光素子上に固浸レンズを接合することである。

【0019】

（作用）
先ず、第１の主要構成の作用について説明する。
光コネクタにおける受信ファイバあるいは光レセプタクルにおける受光素子のような小さい面積を、レンズを介して照明する場合、照明光の光スポットを小さく絞ろうとするとＮＡが大きくなり、照明光のＮＡを小さくしようとすると光スポットが大きくなるというトレードオフがある。このトレードオフを考慮するため、本発明では「エタンデュ」の概念を導入する。

【0020】

エタンデュとは、立体角と面積とを掛け合わせた物理量である。図１に示すように、発光面１から射出される照明光をレンズ２に集光して受光面３に入射させる場合において、発光面１あるいは受光面３の形状が直径Ｄの円の場合、エタンデュＥは、射出あるいは入射する照明光のＮＡを用いて次式（１）で示すように近似することができる。なお、図１は、直径Ｄの円形の発光面１から開口数ＮＡで照明光が射出され、その照明光がレンズ２に集光されて受光面３に入射する場合を例示している。

【0021】

【数1】

【0022】

エタンデュを用いると、光を無駄にすることなく効率的に照明するための条件は、
発光面１のエタンデュ≦受光面３のエタンデュ
と書き表すことができる。
これを、光信号伝達システムに適用すると、損失なく信号光が伝達する条件は、
（送信ファイバのエタンデュ）≦（受信ファイバのエタンデュ）≦（受光素子のエタンデュ）
である。

【0023】

以上の考察から、光レセプタクルにおいて、受光素子に入射する信号光のＮＡをＮＡpdとするとき、ＮＡpdを小さくするための条件を導くことができる。 すなわち、図２に示すように、光レセプタクル５０において、受信ファイバ４０の射出端面４０exから射出される信号光を、レンズ５１により集光して受光素子５２の受光面５２ａに入射させる場合、受信ファイバ４０の射出端面４０exでのコア径をΦ２ex、受信ファイバ４０から射出される信号光のＮＡをＮＡ２exとすると、レンズの結像関係から次式（２）が成り立つ。

【0024】

【数2】

【0025】

また、受光面５２ａに入射する信号光のＮＡpdは、上式（１）のエタンデュの近似式から、次式（３）で表される。

【0026】

【数3】

【0027】

上式（３）から、受信ファイバ４０のエタンデュＥを小さくすることによって、受光面５２ａに入射する信号光のＮＡpdを小さくすることができる。

【0028】

ここで、受信ファイバ４０のエタンデュは、光レセプタクル５０だけではなく、送信ファイバからの信号光を受信ファイバ４０に中継する光コネクタも考慮して決定する必要がある。光コネクタにおいては、信号光を損失なく伝達するために、受信ファイバ４０のエタンデュを送信ファイバのエタンデュより大きくとることが必要である。しかし、受信ファイバ４０のエタンデュを大きくとりすぎると、前記したように受光面５２ａに入射する信号光のＮＡpdが大きくなるので、受信ファイバ４０のエタンデュは適切に設定することが必要となる。

【0029】

図３は、光コネクタの概略構成を示すものである。光コネクタ３０は、送信ファイバ２０の射出端面２０exから射出される信号光を受信ファイバ４０の入射端面４０enに導くレンズ３１を有する。図３において、レンズ３１は、互いに凸面を向き合わせて配置される２つの平凸レンズ３２及び３３を有してなり、例えば平凸レンズ３２及び３３の間で光コネクタ３０が着脱自在に結合される。光コネクタ３０は、送信ファイバ２０の射出端面２０exから射出される信号光を平凸レンズ３２で平行光とし、該平行光の信号光を平凸レンズ３３で集光して受信ファイバ４０の入射端面４０enに入射させる。

【0030】

第１の主要構成では、図３において、送信ファイバ２０から出射される信号光のエタンデュをＥ₀、受信ファイバ４０の入射端面４０enに入射する信号光の光スポットのクリアランスをδとすると、受信ファイバ４０に入射する信号光のエタンデュＥは、下式（４）で表される。

【0031】

【数4】

【0032】

上式（４）において、エタンデュＥ₀は、上式（１）から、送信ファイバ２０の射出端面２０exでのコア径Φ１ex、送信ファイバ２０から射出される信号光のＮＡ１exを用いて下式（５）で表される。

【0033】

【数5】

【0034】

また、上式（４）において、受信ファイバ４０の入射端面４０enに入射する信号光のＮＡ２enは、光コネクタ３０の結像倍率をβconとすると、下式（６）で表される。

【0035】

【数6】

【0036】

つまり、本発明に係る光信号伝送システムの第１の主要構成では、送信ファイバのコア径よりも、受信ファイバのコア径を太くするトレードオフとして、受信ファイバへの信号光の入射光束のＮＡ２enを小さくとることによって、受信ファイバのエタンデュが大きくなり過ぎないようにしている。換言すれば、従来の光コネクタにおいては、送信ファイバと受信ファイバのレンズによる結像関係が縮小倍率になっているのに対し、第１の主要構成では拡大倍率のレンズ配置としている。これにより、受信ファイバとしてＮＡの小さいものを使うことが可能となり、結果として、光レセプタクルにおいて受光素子に入射する光束のＮＡpdを小さくすることが可能となる。

【0037】

次に、上述した第２の主要構成の作用について説明する。
図２８に示した光信号伝送システムでは、信号光が送信ファイバ１２０から受信ファイバ１４０を経て受光素子１５２に到達する順に漸次エタンデュが拡大し、最終的に光レセプタクル１５０のレンズ１５１から受光素子１５２に入射する光線の最大入射角が過剰に大きくなる。これは、受光素子１５２に大きなエタンデュを持たせる要求がある一方、受光素子１５２の径を小さくするトレードオフとして、ＮＡを大きく取らざるを得ないことによる。

【0038】

そこで、本発明に係る光信号伝送システムの第２の主要構成では、固浸レンズを受光素子に接合することによって、例えば受光面を固浸レンズの媒質に埋め込む。これにより、入射する信号光の最大入射角を大きくすることなく、受光素子のＮＡを大きくする。換言すれば、固浸レンズは受光素子のエタンデュを拡大するように作用する。

【0039】

固浸レンズは、例えば図４Ａに示すような半球レンズ５６、又は、図４Ｂに示すような超半球レンズ５７が使用可能である。図４Ａにおいて、半球レンズ５６は、球面からの入射光を球心に集光する。したがって、受光素子５２は、半球レンズ５６の球心に受光面５２ａが位置するように、半球レンズ５６の平面に接着剤等を介して接合される。また、図４Ｂにおいて、超半球レンズ５７は、球面に対して光束の入射点と集光点とがアプラナティック条件（球面収差及びコマ収差が生じない条件）を満たす位置関係にあり、集光点が平面に形成されている。したがって、受光素子５２は、超半球レンズ５７の集光点に受光面５２ａが位置するように、超半球レンズ５７の平面に接着剤等を介して接合される。

【0040】

図４Ａに示す半球レンズ５６の場合、半球レンズ５６の球心に向かう光線は、半球レンズ５６の球面で屈折することなく、半球レンズ５６の媒質中で集光する。したがって、受光素子５２に入射する信号光のＮＡpdは、空気中に対し半球レンズ５６の媒質の屈折率倍になる。また、図４Ｂに示す超半球レンズ５７の場合、信号光は超半球レンズ５７の球面で屈折して超半球レンズ５７の媒質の屈折率倍の開口数で集光し、さらに超半球レンズ５７の媒質中で集光する。したがって、受光素子５２に入射する信号光のＮＡpdは、空気中に対し超半球レンズ５７の媒質の屈折率の２乗倍になる。

【0041】

このように、本発明に係る光信号伝送システムの第２の主要構成では、受光素子５２に空気中で直接集光する場合にくらべて、固浸レンズの媒質中で集光させるほうが、ＮＡpdが大きくなるので、所望のエタンデュを得るのに、受光素子に入射する光線の最大入射角度を小さくとることができる。その結果、コア径の大きい受信ファイバの使用が可能になる。

【0042】

以下、本発明の実施の形態について説明する。

【0043】

（第１実施の形態）
図５は、第１実施の形態に係る光信号伝送システムの要部の構成を示す図である。図５に示す光信号伝送システムは、レーザダイオード１０から発散して射出される信号光を、送信ファイバ２０、光コネクタ３０及び受信ファイバ４０を経て光レセプタクル５０に伝送するものである。

【0044】

レーザダイオード１０は、送信ファイバ２０の入射端面２０enに結合されて、信号光を送信ファイバ２０に直接入射させる。送信ファイバ２０は、入射端面２０enに入射される信号光を伝送して射出端面２０exから光コネクタ３０に射出させる。

【0045】

光コネクタ３０は、図３において説明したように、送信ファイバ２０の射出端面２０exから射出される信号光を受信ファイバ４０の入射端面４０enに導くレンズ３１として、互いに凸面を向き合わせて配置される平凸レンズ３２及び３３を有する。平凸レンズ３２は、送信ファイバ２０の射出端面２０exから射出される信号光を平行光として平凸レンズ３３に入射させる。平凸レンズ３３は、平凸レンズ３２からの平行光の信号光を集光して受信ファイバ４０の入射端面４０enに入射させる。光コネクタ３０は、平凸レンズ３２と平凸レンズ３３との間で着脱自在に構成される。

【0046】

受信ファイバ４０は、入射端面４０enに入射される信号光を伝送して射出端面４０exから射出して光レセプタクル５０に入射させる。光レセプタクル５０は、レンズ５１と受光素子５２とを備え、受信ファイバ４０の射出端面４０exから射出される信号光を、レンズ５１により集光して受光素子５２に入射させる。

【0047】

本実施の形態において、送信ファイバ２０は、レーザダイオード１０から発散して射出される信号光を直接入射させるために、コア径をΦ１、ＮＡをＮＡ１とすると、Φ１及びＮＡ１をある程度大きくとる必要がある。そのため、送信ファイバ２０は、コア径Φ１が例えば５０μｍ、ＮＡ１が０．２７のマルチモードファイバで構成される。なお、送信ファイバ２０は、入射端面２０enでのコア径Φ１enと射出端面２０exでのコア径Φ１exとが等しいコア径Φ１を有するものとする。

【0048】

受信ファイバ４０は、光コネクタ３０において、（送信ファイバ２０のエタンデュ）≦（受信ファイバ４０のエタンデュ）、を満足させる。そのため、条件１として、受信ファイバ４０は、コア径をΦ２、ＮＡをＮＡ２とすると、５０μｍ×０．２７≦Φ２×ＮＡ２、を満たすように構成される。なお、受信ファイバ４０は、入射端面４０enでのコア径Φ２enと射出端面４０exでのコア径Φ２exとが等しいコア径Φ２を有するものとする。

【0049】

一方、光レセプタクル５０は、１０Ｇｂｐｓ〜４０Ｇｂｐｓの高速通信に対応させるため、受光素子５２は受光面５２ａの口径（受光径）が例えば５０μｍの小口径で構成される。また、受光素子５２に入射する信号光のＮＡpdは、例えばレンズ５１のＮＡを光学設計に無理の無い上限として例えば０．６５に設定される。そのため、条件２として、光レセプタクル５０は、（受信ファイバ４０のエタンデュ）≦（受光素子５２のエタンデュ）から、Φ２×ＮＡ２≦５０μｍ×０．６５、を満たすように構成される。

【0050】

また、光コネクタ３０は、送信ファイバ２０から射出される信号光のＮＡ１exよりも、受信ファイバ４０に集光される信号光のＮＡ２enが小さくなるように構成される。したがって、条件３として、受信ファイバ４０は、ＮＡ２＜０．２７、を満たすように構成される。

【0051】

図６は、本実施の形態において使用可能な受信ファイバ４０を説明するための図である。図６において、縦軸はＮＡを示し、横軸はコア径Φを示す。実線Ｉは、光レセプタクル５０のエタンデュから決まる受信ファイバ４０のＮＡ２の上限を示す。実線ＩＩは、光コネクタ３０のエタンデュから決まる受信ファイバ４０のＮＡ２の下限を示す。破線ＩＩＩは、送信ファイバ２０のＮＡ１（＝０．２７）を示す。

【0052】

本実施の形態においては、図６にハッチングを施して示す領域が、受光ファイバ４０として上記の条件１〜３を満たす使用可能領域となる。図６から、受光ファイバ４０は、コア径Φ２を大きくとった場合、反比例してＮＡ２を小さくとればよいことが判る。本実施の形態において、受信ファイバ４０は、例えばコア径Φ２が１５０μｍ、ＮＡ２が０．２のマルチモードファイバで構成される。

【0053】

なお、マルチモードファイバには、コアの屈折率が中心から外側に向かって減少する分布を持つグレーデッドインデックス型とコアの屈折率が均質なステップインデックス型とがある。グレーデッドインデックス型は、コアの中心を通る光と周辺を通る光との間で伝達時間の遅延が起こらないので信号品質が良いとされている。しかし、コアの中心から外に向かってＮＡが漸次小さくなるため、光コネクタの受信側に用いるとアライメント誤差が無い場合でも入射光の漏れがあって、ステップインデックス型と比べて光損失が大きくなる。そのため、屋内配線のような短距離通信の用途においては、光信号の時間遅延が殆ど問題とならないため、光損失の少ないステップインデックス型が望ましい。

【0054】

次に、光コネクタ３０のレンズ構成について説明する。

【0055】

図７は、光コネクタ３０の概略構成図である。光コネクタ３０は、上述したように平凸レンズ３２及び３３を有し、平凸レンズ３２と平凸レンズ３３との間の平行光部分で、送信側と受信側とが着脱自在に構成される。この場合、平行光となる着脱部分において、平凸レンズ３２及び３３の凸面にほこり等の汚れが付着すると、信号光が遮光されて光回線が維持できなくなる。そのため、平行光の光束径は、想定される汚れの大きさよりも十分大きくする必要がある。具体的には、１ｍｍ〜３ｍｍ程度が適切である。本実施の形態では、光束径を例えば３ｍｍとしている。

【0056】

この場合、送信ファイバ２０側の平凸レンズ３２は、光束半径が１．５ｍｍで、送信ファイバ２０のＮＡ１を０．２７としていることから焦点距離が５．５ｍｍとなる。

【0057】

受信ファイバ４０側の平凸レンズ３３は、光束半径が１．５ｍｍで、受信ファイバ４０のＮＡ２を０．２としていることから焦点距離７．５ｍｍとなるが、本実施の形態ではそれよりも若干長くなっている。このように、平凸レンズ３３の焦点距離を若干長くすると、受信ファイバ４０に集光する光束のＮＡ２enが、受信ファイバ４０のＮＡ２より若干小さくなるので、光コネクタ３０の結合時の光軸傾き誤差による受信ファイバ４０への入射光漏れを減らすことが可能となる。そこで、本実施の形態では、平凸レンズ３３の焦点距離を７．５ｍｍよりも若干長い８．０ｍｍとしている。

【0058】

これにより、光コネクタ３０は、送信ファイバ２０の射出端面（コア端面）２０exの像を、受信ファイバ４０の入射端面（コア端面）４０enに１．４５倍の結像倍率βconで結像させる。したがって、受信ファイバ４０のコア径１５０μｍに対して、十分小さい７２μｍ（＝送信ファイバ２０のコア径Φ１（５０μｍ）×結像倍率βcon（１．４５））の光スポット径で信号光を受信ファイバ４０に入射させることができる。

【0059】

平凸レンズ３２及び３３は、球面レンズで構成してもよいが、本実施の形態では平凸レンズ３２及び３３が非球面レンズで構成される。この場合、送信ファイバ２０側の平凸レンズ３２を、受信ファイバ４０側の平凸レンズ３３と同じ非球面レンズとすることができる。しかし、平凸レンズ３２を平凸レンズ３３と同じ非球面レンズとすると、平凸レンズ３２のＮＡは０．１８７５（＝光束半径１．５ｍｍ／焦点距離８．０ｍｍ）となって、送信ファイバ２０のＮＡ１（＝０．２７）と、１．４４倍の乖離が生ずる。

【0060】

そのため、本実施の形態では、図７に示すように、送信ファイバ２０と平凸レンズ３２との間に、さらにアプラナティックレンズ３４を配置してＮＡの整合を図っている。ここで、アプラナティックレンズ３４は、収差に影響を与えることなく平凸レンズ３２のＮＡをレンズの材質の屈折率倍に拡大する作用がある。したがって、アプラナティックレンズ３４のレンズ材質として屈折率１．４５の石英を用いれば、平凸レンズ３２のＮＡと、送信ファイバ２０のＮＡ１とをほぼ合致させることが可能となる。

【0061】

このように、平凸レンズ３２及び３３を非球面レンズで構成すれば、収差による光スポットのボケを小さくできるので、受信ファイバ４０の入射端面４０enへの信号光の集光状態を向上できる。したがって、受信ファイバ４０のコア径と入射光スポット径とのクリアランスを大きくできる利点がある。

【0062】

表１は、図７に示した光コネクタ３０のレンズデータを示すものである。表１において、送信側コアは送信ファイバ２０の射出端面２０exを表し、受信側コアは受信ファイバ４０の入射端面４０enを表し、屈折率は測定波長８５０ｎｍでの測定値である。曲率半径及び面間隔の単位は、ｍｍである。また、図８に表１の面番号を示す。

【0063】

【表1】

【0064】

表１において、面４及び面５の非球面形状（ＡＳＰ）は、ｚを光の進行方向を正とした光軸とし、ｙを光軸と直交する方向として、下式（７）で表される。ただし、式（７）において、Ｒは近軸曲率半径、ｋは円錐係数、Ａ₄、Ａ₆、Ａ₈、Ａ₁₀は、それぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。また、式（７）に基づく面４及び面５の各非球面係数を表２に示す。表２において、「E−ｎ」（ｎは整数）は、「１０^-n」を示している。

【0065】

【数7】

【0066】

【表2】

【0067】

上述したように、本実施の形態では、光コネクタ３０において、送信ファイバ２０の射出端面２０exの像を、受信ファイバ４０の入射端面４０enに拡大して結像させるが、その拡大倍率は、市販の光ファイバの太さの組合せから４以下となる。したがって、光コネクタ３０の結像倍率βconは、１．１＜｜βcon｜＜３．９、とするのがよい。

【0068】

次に、光レセプタクル５０の構成について説明する。

【0069】

図９は、光レセプタクル５０の光学系の構成を示す図である。図９に示す光レセプタクル５０は、受信ファイバ４０の射出端面４０exから射出される信号光を受光素子５２の受光面５２ａに導くレンズ５１として、受信ファイバ４０側に配置されるコリメートレンズ５３と、受光素子５２側に配置される集光レンズ５４とを有する。これにより、光レセプタクル５０は、受信ファイバ４０の射出端面（コア端面）４０exの像を受光素子５２の受光面５２ａ上に結像倍率βrecで縮小結像する。コリメートレンズ５３及び集光レンズ５４は、例えば非球面レンズで構成することができる。

【0070】

表３は、図９に示した光レセプタクル５０のレンズデータを示すものである。表３において、受信側コアは受信ファイバ４０の射出端面４０exを表し、受光素子は受光面５２ａを表し、屈折率は測定波長８５０ｎｍでの測定値である。曲率半径及び面間隔の単位は、ｍｍである。また、図１０に表３の面番号を示す。

【0071】

【表3】

【0072】

表３において、面２の非球面形状（ＡＳＰ）は、上式（７）で表される。式（７）に基づく面２の各非球面係数を表４に示す。表４から明らかなように、コリメートレンズ５３は、図７の平凸レンズ３２及び３３と同じである。

【0073】

【表4】

【0074】

また、表３において、面３の非球面形状（ＡＳＰ）は、上式（７）で表される。式（７）に基づく面３の各非球面係数を表５に示す。

【0075】

【表5】

【0076】

図１１は、図９に示した光レセプタクル５０の要部構成を示す断面図である。光レセプタクル５０は、受光素子５２を保持する受光素子ホルダ６０と、集光レンズ５４を保持する第１レンズホルダ６１と、コリメートレンズ５３を保持する第２レンズホルダ６２と、ＦＣレセプタクル６３とを有する。受光素子ホルダ６０、第１レンズホルダ６１、第２レンズホルダ６２及びＦＣレセプタクル６３は、それぞれ中空状に形成される。

【0077】

受光素子５２は、フランジを有するＣＡＮパッケージタイプからなり、受光面５２ａが露出された状態で、フランジを介して受光素子ホルダ６０の一端部に装着される。第１レンズホルダ６１は、集光レンズ５４を保持した状態で、受光素子ホルダ６０の内周面に光軸方向に位置調整可能に装着される。受光素子ホルダ６０は、第１レンズホルダ６１の位置調整後、コリメートレンズ５３が保持された第２レンズホルダ６２の一端部内周面に装着される。ＦＣレセプタクル６３は、第２レンズホルダ６２の他端部外周面に光軸方向に位置調整可能に装着される。

【0078】

ＦＣレセプタクル６３には、図１１に外観図で示すように受信ファイバ４０の射出端部に装着されたＦＣコネクタ４１が着脱自在に装着される。そして、ＦＣコネクタ４１がＦＣレセプタクル６３に装着された状態で、受信ファイバ４０から信号光が射出されると、該信号光がコリメートレンズ５３及び集光レンズ５４を経て受光素子５２の受光面５２ａに集光される。

【0079】

本実施の形態による光レセプタクル５０によると、コリメートレンズ５３の焦点距離は８．０３ｍｍ、集光レンズ５４の焦点距離は２．７５ｍｍとなるので、結像倍率βrecは０．３４（＝２．７５ｍｍ／８．０３ｍｍ）となる。したがって、受光面５２ａに形成される信号光の光スポット径は５１μｍ（＝受信ファイバ４０のコア径Φ２（１５０μｍ）×結像倍率βrec（０．３４））となり、受光素子５２の受光面５２ａの受光径Φpd（＝５０μｍ）にほぼ合致させることができる。

【0080】

また、受光素子５２に集光する信号光のＮＡpdは、０．５８（＝受信ファイバ４０のＮＡ２（０．２）／結像倍率βrec（０．３４））となり、当初の設計目標であった０．６５よりも小さなＮＡpdで信号光を受光素子５２に入射させることができる。なお、この場合の光レセプタクル５０における軸上の透過波面収差は、ｒｍｓ０．００１５λ（ただし、λ＝８５０ｎｍ）となり、収差が十分小さく、光スポットの集光状態は良好となる。

【0081】

上述したように、本実施の形態では、光レセプタクル５０において、受信ファイバ４０の射出端面４０exの像を受光素子５２の受光面５２ａ上に縮小して結像させる。したがって、光レセプタクル５０の結像倍率βrecは、０．１＜βrec＜１、とするとよい。

【0082】

本実施の形態に係る光信号伝送システムによると、送信ファイバ２０よりも太いコア径の受信ファイバ４０を用いている。これにより、光コネクタ３０において、光スポットと受光ファイバ４０のコアの位置ずれの許容量を図２８の構成と比較して大きくできる。したがって、光レセプタクル５０においては、受光素子５２に入射する信号光のＮＡpdを一般に用いられているレンズで効率的に小さくできるので、受光素子の周波数応答速度を維持しながら信号光を小径の受光面５２上に良好な集光状態で入射させることができる。

【0083】

また、光コネクタ３０は、互いに凸面を向き合わせて配置される平凸レンズ３２と平凸レンズ３３との間で着脱自在に構成されるので、光コネクタ３０が分離された状態では平凸レンズ３２及び３３の凸面が露出することになる。したがって、平凸レンズ３２及び３３の凸面に水滴等が付着しにくくなるので、信号光の伝送の障害となる汚れ等を未然に防止することが可能となる。

【0084】

（第２実施の形態）
第２実施の形態に係る光信号伝送システムは、第１実施の形態において光コネクタ３０を構成する平凸レンズ３２及び３３が球面レンズで構成される。この場合、単に図７に示した構成において、アプラナティックレンズ３４を省略して、平凸レンズ３２及び３３を球面レンズで構成すると、設計によっては収差により受光ファイバ４０の入射端面４０enに形成される信号光の光スポットがぼける場合がある。この収差を低減するためには、送受信の光ファイバのＮＡを小さくすること（例えば、ＮＡが０．１５以下）が必要であるが、マルチモードファイバは、光を入射しやすくする都合からコア径及びＮＡが大きいのが通常である。

【0085】

本実施の形態においては、光コネクタ３０が図１２に示すように構成される。図１２に示す光コネクタ３０は、送信ファイバ２０の射出端面２０exから射出される信号光を受信ファイバ４０の入射端面４０enに導くレンズ３１として、球面レンズからなる平凸レンズ３２及び３３の他に、送信ファイバ２０の射出端面２０exに接合した固浸レンズ３５と、受信ファイバ４０の入射端面４０enに接合した固浸レンズ３６とを有する。すなわち、本実施の形態においては、送信ファイバ２０に固浸レンズ３５を、受信ファイバ４０に固浸レンズ３６をそれぞれ接合することにより、送信ファイバ２０及び受信ファイバ４０の見かけのＮＡを小さくしている。

【0086】

送信ファイバ２０及び受信ファイバ４０は、例えばガラス製の光ファイバからなる。この場合、コアは一般に石英で形成される。したがって、図１３Ａに示すように、ガラス製の光ファイバ８０のコア８０ａを伝送した光線は、光ファイバ８０の端面から屈折して射出される。この場合の光ファイバ８０のＮＡを、便宜上、ＮＡ₀とする。

【0087】

これに対し、図１３Ｂに示すように、光ファイバ８０の射出端面に、固浸レンズとして例えばコア８０ａと同じ材質の屈折率ｎからなる半球レンズ８１を接合すると、コア８０ａを伝送した光線は、屈折せずに空中に射出されて、光ファイバ８０の見掛けのＮＡは１／ｎと小さくなる。また、図１３Ｃに示すように、光ファイバ８０の射出端面に、固浸レンズとして例えばコア８０ａと同じ材質の屈折率ｎからなる超半球レンズ８２を接合すると、光ファイバ８０の見掛けのＮＡは１／ｎ²とさらに小さくなる。

【0088】

本実施の形態では、送信ファイバ２０のＮＡ１が０．２７、受信ファイバ４０のＮＡ２が０．２である。そのため、ＮＡが大きい送信ファイバ２０の射出端面２０exに接合する固浸レンズ３５は超半球レンズで構成され、ＮＡが小さい受信ファイバ４０の入射端面４０enに接合する固浸レンズ３６は半球レンズで構成される。

【0089】

したがって、固浸レンズ３５及び３６を例えばＢＫ７で構成すると、ＢＫ７の測定波長８５０ｎｍでの屈折率は１．５０９であるから、送信ファイバ２０の見かけのＮＡは０．１２となる。また、受信ファイバ４０の見かけのＮＡは０．１３となる。これにより、送信ファイバ２０及び受信ファイバ４０の見かけ上のＮＡをそれぞれ小さくできると同時に、ほぼ同じにできる。

【0090】

その結果、平凸レンズ３２及び３３が球面レンズで構成されても、収差を十分小さくできるので、送信ファイバ２０の射出端面２０exから射出される信号光を、受光ファイバ４０の入射端面４０enにボケのない光スポットとして集光することができる。また、送信ファイバ２０及び受信ファイバ４０の見かけ上のＮＡをほぼ同じにできることから、平凸レンズ３２及び３３として同じレンズを使用することができる。

【0091】

本実施の形態では、平凸レンズ３２及び３３として、焦点距離が８．１３ｍｍの同じ平凸レンズが使用される。また、超半球の固浸レンズ３５及び半球の固浸レンズ３６は、それぞれの球面の曲率半径が同じである。固浸レンズは、ボールレンズの一部を平面に加工することで製作されることから、このように固浸レンズ３５及び３６の球面の曲率半径を同じとすることで、固浸レンズ３５及び３６の素材となるボールレンズを共通とすることができ、コストダウンが図れる利点がある。

【0092】

表６は、図１２に示した光コネクタ３０のレンズデータを示すものである。表６において、送信側コアは送信ファイバ２０の射出端面２０exを表し、受信側コアは受信ファイバ４０の入射端面４０enを表し、屈折率は測定波長８５０ｎｍでの測定値である。曲率半径及び面間隔の単位は、ｍｍである。また、図１４に表６の面番号を示す。

【0093】

【表6】

【0094】

図１２に示した光コネクタ３０によると、光コネクタ３０にける軸上の透過波面収差は、ｒｍｓ０．０４９λ（ただし、λ＝８５０ｎｍ）となる。この数値は”Marechalのcriterion（ｒｍｓ０．０７λ以下を良好と見なす収差の評価基準）”を下回る。したがって、送信ファイバ２０の射出端面２０exから射出される信号光を、受光ファイバ４０の入射端面４０enに収差が十分に小さく良好な集光状態で集光することができる。

【0095】

また、受信ファイバ４０側の平凸レンズ３３は、第１実施の形態における非球面レンズからなる平凸レンズ３３とほぼ同じ焦点距離を有するが、半球の固浸レンズ３６との合成焦点距離は、５．３ｍｍ（＝８．１３ｍｍ／１．５０９）となるので、第１実施の形態の場合と比べて短くなる。したがって、図１５に示すように、光コネクタ３０の結合時における送信側と受信側との光軸傾き誤差θ（°）に対して、受信ファイバ４０の入射端面４０enでの光スポットの位置ずれを小さくできる。

【0096】

これにより、光コネクタ３０において、図１６に示すような光軸傾き誤差θ（°）に対する送受信のスループット特性を得ることができる。図１６から明らかなように、図１２に示した光コネクタ３０によると、光軸傾き誤差０．５°以内であれば８０％以上のスループットを得ることが可能となり、第１実施の形態の場合の光コネクタ３０と比較して光軸傾き誤差を１．５倍許容することができる。

【0097】

本実施の形態に係る光信号伝送システムによると、第１実施の形態の効果に加えて、光コネクタ３０のレンズ構成が、研磨にて製造可能な球面レンズで構成されるので、レンズ制作に共通部品の使用が可能となり、量産性を向上することが可能となる。また、光コネクタ３０における送受信側の光軸傾き誤差に対しても耐性を有し、光軸傾き誤差によるスループットの低下を低減することが可能となる。

【0098】

さらに、光コネクタ３０において、送信ファイバ２０の射出端面２０exに固浸レンズ３５が接合され、受信ファイバ４０の入射端面４０enに固浸レンズ３６が接合されることから、それぞれのファイバのコアを保護できる利点がある。このように、ファイバのコアを保護すれば、光回線が途切れるのを未然に防止することができ、劣悪な環境下でも安定して使用することが可能となる。したがって、通信機器において重要な信頼性をより向上することが可能となる。すなわち、ファイバのコア径は極めて小さいため、空気中に露出していると水蒸気の水滴やほこりが１つ付着しただけでも、信号光が遮光されて光回線が維持できなくなる。これに対し、本実施の形態におけるように、光コネクタ３０において送信ファイバ２０及び受信ファイバ４０の端面に固浸レンズ３５及び３６がそれぞれ接合されれば、固浸レンズ３５及び３６がそれぞれカバーガラスの役割も果たすので、上述した効果が得られることになる。

【0099】

また、一般に、光ファイバの端面には、表面反射による光損失を低減するため、真空蒸着プロセスにて反射防止膜を施すことが行われる。しかし、光ファイバはかさばるため、あまり多くの本数を真空蒸着槽にいれることができない。そのため、蒸着処理にかかる単価は、レンズの場合に比べると割高になる。その点、本実施の形態における光コネクタ３０においては、送信ファイバ２０及び受信ファイバ４０の端面の代わりに、固浸レンズ３５及び３６の球面にそれぞれ反射防止膜を施せばよいので、低コストで表面反射による光損失を低減することが可能となる。

【0100】

（第３実施の形態）
第１実施の形態で説明したように、光レセプタクル５０において、受光素子５２に入射する光線の最大入射角が大きくなりすぎないためには、受信ファイバ４０のコア径Φ２とＮＡ２との組合せが、図６の使用可能領域内にあることが必要である。そのため、第１実施の形態では、例えば受信ファイバ４０のコア径Φ２を１５０μｍ、ＮＡ２を０．２としている。

【0101】

第３実施の形態に係る光信号伝送システムは、第１実施の形態の構成において、受信ファイバ４０が第１実施の形態の場合よりも太く、例えばコア径Φ２が２００μｍ、ＮＡ２が０．２として構成される。それに伴って、光レセプタクル５０の構成も異なる。以下、第１実施の形態と異なる点について説明する。

【0102】

受信ファイバ４０のコア径Φ２を大きくすると、光コネクタ３０は、第２実施の形態で説明したように光軸傾き誤差に対してさらに耐性が増すが、受信ファイバ４０としては図６の使用可能領域から外れることになる。そのため、光レセプタクル５０において受光素子５２に入射する信号光の最大入射角が大きくなる。具体的には、受信ファイバ４０のコア径２００μｍを、受光素子５２の受光径５０μｍに縮小結像するためには、縮小倍率が１／４となり、集光レンズ５４のＮＡは０．８（＝受信ファイバ４０のＮＡ２（０．２）×４）となる。

【0103】

しかし、このように大きなＮＡの集光レンズは一般的でなく、また、レンズ製造・組立に高精度が要求されることになる。また、この場合、受光素子５２に入射する信号光の最大入射角は、５３°（＝ｓｉｎ^-1０．８）となり、受光面５２ａに反射防止膜を施しても広角の反射防止が不十分となり戻り光が生じることになる。

【0104】

例えば、受光素子５２の受光面５２ａが一般的な半導体であるシリコン（Ｓｉ：屈折率３．６）で構成される場合、図１７に破線で示すように、入射角に対する平均反射率はほぼ３０％である。また、この受光面５２ａ上にＭｇＯ（屈折率１．７）からなる単層の反射防止膜を光路長λ／４の厚さで施しても、図１７に実線で示すように、入射角４０°以上で反射率の上昇がみられ、入射角５３°で５％程度の反射率になる。なお、図１７は、λが８５０ｎｍの場合の反射率特性を示す。

【0105】

このような事情から、第１実施の形態における光レセプタクル５０の設計指針として、受光素子５２に入射する信号光のＮＡpdを０．６５以下に制限したのは妥当である。なぜなら、反射率が上昇し始める入射角４０°は、ＮＡpdが０．６４（＝ｓｉｎ４０°）に相当するからである。

【0106】

本実施の形態では、受信ファイバのコア径を太くしたことによって生ずる上記の課題を、光レセプタクル５０において改善するものである。

【0107】

図１８は、本実施の形態における光レセプタクル５０の光学系の構成を示す図である。図１８に示す光レセプタクル５０は、レンズ５１を構成するコリメートレンズ５３及び集光レンズ５４の他に、受光素子５２に結合して配置された固浸レンズ５５を備える。受光素子５２は、図１９に要部断面を示すように、受光面５２ａ上に積層された単層の反射防止膜５８を有する。反射防止膜５８は、例えばＴｉＯ₂（屈折率２．３）を光路長λ／４（λ＝８５０ｎｍ）の厚さで構成される。

【0108】

固浸レンズ５５は、受光面５２ａ上に接着剤５９を介して接合される。接着剤５９は、使用波長光に対して透明で屈折率が例えば１．５６程度のものが使用可能である。固浸レンズ５５は、図４Ａに示した半球レンズ５６でもよいし、図４Ｂに示した超半球レンズ５７でもよいが、図１８は超半球レンズの場合を例示している。

【0109】

表７は、図１８に示した光レセプタクル５０のレンズデータを示すものである。表３において、受信側コアは受信ファイバ４０の射出端面４０exを表し、受光素子は受光面５２ａを表し、屈折率は測定波長８５０ｎｍでの測定値である。曲率半径及び面間隔の単位は、ｍｍである。また、図２０に表７の面番号を示す。

【0110】

【表7】

【0111】

表７において、面２及び面３の非球面形状（ＡＳＰ）は、上式（７）で表される。式（７）に基づく面２の各非球面係数を表８に示し、面３の各非球面係数を表９に示す。

【0112】

【表8】

【0113】

【表9】

【0114】

図２１は、図１８に示した光レセプタクル５０の要部の構成を示す断面図である。図２１に示す光レセプタクル５０は、図１１に示した光レセプタクル５０において受光素子５２の構成が異なるものである。以下、異なる点について説明する。すなわち、受光素子５２は、面実装基板タイプのもので、例えばフレキシブル基板７０上にバンプ７１を介してフリップチップ実装されている。受光素子５２は、受光面５２ａ上に反射防止膜５８及び接着剤５９を介して固浸レンズ５５が接合された状態で、受光素子ホルダ６０内に位置するように、フレキシブル基板７０を介して受光素子ホルダ６０の一端部に装着される。

【0115】

本実施の形態による光レセプタクル５０によると、超半球の固浸レンズ５５は、材質の屈折率をｎとすると、集光レンズ５４のＮＡをｎ²倍に拡大する作用がある。本実施の形態においては、表７に示したように、固浸レンズ５５の硝材がＢＫ７で、屈折率が１．５０９であるから、ＮＡの拡大率は２．２７倍（＝１．５０９²）である。したがって、集光レンズ５４のＮＡは、０．３５（＝０．８／２．２７）でよいことになる。このようなＮＡのレンズは一般的であり、コリメートレンズ５３とともに市販の非球面レンズで構成することが可能となる。

【0116】

また、光レセプタクル５０の結像倍率βrecは、０.２４５となるので、受信ファイバ４０のコア径２００μｍから射出される信号光を、４９μｍ（＝２００μｍ×０．２４５）の光スポット径で受光径５０μｍの受光面５２ａに集光させることが可能となる。この場合の光レセプタクル５０における光学系の軸上透過波面収差は、ｒｍｓ０.０００５８λ（ただし、λ＝８５０ｎｍ）となり、収差が十分小さく、光スポットの集光状態は良好となる。

【0117】

また、受光面５２ａに入射する信号光の入射角度は、固浸レンズ５５の材質の屈折率分だけ入射角が軽減されることから、軸上で最大３３°（≒ｓｉｎ^-1（０．８／１．５０９））となる。そして、固浸レンズ５５と受光面５２ａとの間に介在している接着剤５９及び反射防止膜５８の薄膜は、固浸レンズ５５の媒質の屈折率と受光面５２を形成する媒質の屈折率との中間の屈折率を有するので、媒質の屈折率差が小さい。したがって、入射角が軽減されることと相まって、反射防止膜５８での反射率は、図２２に示すように０°〜３３°の全入射角度に亘って０．５％以下と極めて小さくなる。その結果、光レセプタクル５０での戻り光を極めて少なくすることが可能となる。

【0118】

さらに、本実施の形態において、光レセプタクル５０は、受光素子５２に固浸レンズ５５を結合することにより、受光素子５２にＮＡが０．８という高ＮＡで信号光が入射しているにもかかわらず、受光素子５２の位置変化に対して、光スポットの受光面５２ａに対する変位を小さくできる。例えば、偏心に対しては、光スポットの位置ずれ量は、固浸レンズ５５の材質の屈折率をｎとすると、固浸レンズ５５がない場合に比べて１／ｎ²≒１／２でしかない。また、集光レンズ５４の焦点深度は、ＮＡ²に反比例するので、固浸レンズ５５がない場合に比べてｎ⁴≒５倍に拡大される。したがって、デフォーカスによる光スポットのボケも少なくなるので、光レセプタクル５０の組立時の光学調整作業が容易になるとともに、組立後の経時変化の影響も少なくできる。

【0119】

このようにしてコア径２００μｍの太い受信ファイバ４０を使えるようにした結果、光コネクタ３０において、図２３に示すような光軸傾き誤差θ（°）に対する送受信のスループット特性を得ることができる。図２３から明らかなように、光軸傾き誤差０．８°以内であれば８０％以上のスループットを得ることが可能となり、第２実施の形態の場合よりも光軸傾き誤差の耐性を向上できる。

【0120】

なお、図１８では、固浸レンズ５５として超半球レンズを例示したが、半球レンズであってもよい。また、固浸レンズ５５は、ガラスに限らず、例えば樹脂であってもよい。この場合は、接着剤を介することなくポッティング等によって受光素子５２を樹脂に直接埋め込んでもよい。ここで、固浸レンズ５５は、屈折率が例えば１．４５〜２の材質で構成される。したがって、固浸レンズ５５は、受光素子５２のエタンデュを効果的に拡大するためには、凸のレンズ面の曲率半径をＲ、当該凸のレンズ面の面頂から受光素子５２の受光面５２ａまでの距離をＤとするとき、０．４＜Ｒ／Ｄ＜０．９、を満たすとよい。

【0121】

また、図２１に示したように、受光素子５２は、面実装基板タイプのものをフレキシブル基板７０上にフリップチップ実装している。したがって、例えば固浸レンズ５５を受光素子５２の受光面５２ａ上に位置合わせして接合する際に、ワイヤ等の障害物がないので、組立作業が容易になる。

【0122】

本実施の形態に係る光信号伝送システムによると、コア径の大きい受信ファイバ４０を使用できるので、光コネクタ３０において、受信ファイバ４０のコアと該コアに入射する光スポットとの位置ずれをより多く許容できる。その結果、受光素子５２の周波数応答速度を維持しながら光回線を安定して維持することができ、システムの信頼性を向上することが可能となる。

【0123】

（第４実施の形態）
図２４は、第４実施の形態に係る光信号伝送システムの要部の構成を示す図である。図２４に示す光信号伝送システムは、内視鏡システムに適用したものである。内視鏡システム９１は、被検体内に導入され、被検体の体内を撮像して被検体内の画像信号を生成する内視鏡９２と、内視鏡９２が撮像した画像信号に所定の画像処理を施すとともに内視鏡システム９１の各部を制御する情報処理装置９３と、内視鏡９２の照明光を生成する光源装置９４と、情報処理装置９３による画像処理後の画像信号を画像表示する表示装置９５と、を備える。

【0124】

内視鏡９２は、被検体内に挿入される挿入部９６と、挿入部９６の基端部側であって術者が把持して操作する操作部９７と、操作部９７より延伸する可撓性のユニバーサルコード９８と、を備える。内視鏡９２には、挿入部９６及びユニバーサルコード９８の内部に延在して照明ファイバ、電気ケーブル及び送信ファイバ等が配置される。送信ファイバは、上記実施の形態で説明した送信ファイバ２０と同様に構成される。

【0125】

挿入部９６は、先端部９６ａと、複数の湾曲駒によって構成された湾曲自在な湾曲部９６ｂと、湾曲部９６ｂの基端部側に設けられた可撓性を有する可撓管部９６ｃと、を有する。先端部９６ａには、照明レンズを介して被検体内を照明する照明部、被検体内を撮像する観察部、処理具用チャンネルに連通する開口部９６ｄ及び送気・送水用ノズルが設けられている。

【0126】

先端部９６ａの観察部には、集光用の光学系の結像位置に設けられ、光学系が結像した被検体内の像を光電変換する等の所定の信号処理を施す撮像素子と、撮像素子から出力される画像情報を含む電気信号を光信号に変換する発光素子を有する送信モジュールと、が配置される。送信モジュールは、発光素子から射出される信号光を上記の送信ファイバ２０の入射端面に入射させる。

【0127】

操作部９７は、湾曲部９６ｂを上下方向及び左右方向に湾曲させる湾曲ノブ９７ａと、被検体の体腔内に生体鉗子、レーザメス等の処置具が挿入される処置具挿入部９７ｂと、情報処理装置９３、光源装置９４、送気装置、送水装置及び送ガス装置等の周辺機器の操作を行う複数のスイッチ部９７ｃと、を有する。処置具挿入部９７ｂから挿入された処置具は、内部に設けられた処置具用チャンネルを経て挿入部９６先端の開口部９６ｄから表出される。

【0128】

ユニバーサルコード９８は、基端部が第１のコネクタ９８ａと照明コネクタ９８ｂとに分岐されている。第１のコネクタ９８ａは、情報処理装置９３の第２のコネクタ９８ｃに対して着脱自在である。照明コネクタ９８ｂは、光源装置９４に対して着脱自在である。第１のコネクタ９８ａ及び第２のコネクタ９８ｃには光コネクタが内蔵される。光コネクタは、上記実施の形態で説明した光コネクタ３０と同様に構成されて、第１のコネクタ９８ａ及び第２のコネクタ９８ｃによって着脱自在に構成される。したがって、送信ファイバは、内視鏡９２の先端部９６ａから第１のコネクタ９８ａまで挿入部９６及びユニバーサルコード９８の内部に延在して配設される。

【0129】

情報処理装置９３は、第２のコネクタ９８ｃに内蔵された光コネクタを経て入射される信号光を伝送する受信ファイバと、受信ファイバを経て伝送される信号光を光電変換する受光素子を含む光レセプタクルとを有し、受光素子の出力信号に対して所定の画像処理を施す。受信ファイバ及び光レセプタクルは、それぞれ上記実施の形態で説明した受信ファイバ４０及び光レセプタクル５０と同様に構成される。情報処理装置９３は、ユニバーサルコード９８を介して内視鏡９２の操作部９７におけるスイッチ部９７ｃから送信された各種の指示信号に基づいて、内視鏡システム９１の各部を制御する。

【0130】

光源装置９４は、光を発する光源や、集光レンズ等を用いて構成される。光源装置９４は、情報処理装置９３の制御のもと、光源から光を発する。光源から発した光は、照明コネクタ９８ｂ及び照明ファイバを経て内視鏡９２の先端部９６ａの照明部から射出されて被検体内を照明する。

【0131】

表示装置９５は、液晶又は有機ＥＬ（Electro Luminescence）を用いた表示ディスプレイ等を用いて構成される。表示装置９５は、映像ケーブル９５ａを介して情報処理装置９３によって所定の画像処理が施された画像を含む各種情報を表示する。これにより、術者は、表示装置９５が表示する画像（体内画像）を見ながら内視鏡９２を操作することにより、被検体内の所望の位置の観察及び性状を判定することができる。

【0132】

本実施の形態に係る内視鏡システム９１によると、上記実施の形態と同様の効果が得られる。特に、本実施の形態によると、内視鏡９２の挿入部９６内に配設される送信ファイバのコア径を小さくできることから、挿入部９６の細径化が可能となる。したがって、挿入部９６を体腔内に挿入する場合、被検者の苦痛を軽減することができる。また、受信ファイバとして、送信ファイバよりもコア径の大きいものを用いることができることから、光コネクタを構成する第１のコネクタ９８ａと第２のコネクタ９８ｃとに多少の嵌合ずれが生じたり、光コネクタを構成する光学素子に多少の汚れやゴミ等が付着したりしても、信号光を殆ど減衰させることなく伝送することが可能となる。したがって、内視鏡システム９１の信頼性を向上することが可能となる。

【0133】

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形又は変更が可能である。例えば、第１実施の形態において、光コネクタ３０は、図７に示した構成において、送信ファイバ２０の射出端面２０ex及び受信ファイバ４０の入射端面４０enに、図２５に示すように、使用波長に対して透明なカバーガラス３７及び３８を接合して、それぞれの端面を保護してもよい。このようにすれば、第２実施の形態で説明したと同様の効果が得られる。また、光コネクタ３０は、図２５に示す構成からアプラナティックレンズ３４を省略して、図２６に示すように構成してもよい。

【0134】

さらに、第２実施の形態において、光コネクタ３０は、図１２に示した構成において、送信ファイバ２０の射出端面２０ex及び受信ファイバ４０の入射端面４０enから固浸レンズ３５及び３６をそれぞれ離間させて、射出端面２０ex及び入射端面４０enに、図２７に示すように、カバーガラス３７及び３８を接合してそれぞれの端面を保護してもよい。

【0135】

また、本発明に係る光信号伝送システムは、上記実施の形態に示した光信号伝送システムや内視鏡システムに限らず、各種信号を信号処理部へ伝送する伝送システムに広く適用可能である。同様に、本発明に係る光レセプタクルは、上記実施の形態に示した光信号伝送システムや内視鏡システムに限らず、各種信号の受光装置として広く利用可能である。

【0136】

また、送信ファイバ及び受信ファイバは、シングルコアファイバに限らず、マルチコアファイバであってもよい。
また、光コネクタは、石英やガラスなどの無機材料のレンズを含めることで、温度や湿度の変化による光学特性の変化を小さくしてもよい。
同様に、光レセプタクルも、無機材料のレンズを含めることで、温度や湿度の変化による光学特性の変化を小さくしてもよい。
また、光コネクタに用いるレンズや光レセプタクルに用いるレンズは、屈折率が１．５以上のレンズを含めることで、球面収差の低減に有利としてもよい。
また、以下の条件式のいずれか1つもしくは複数を満たすことで本発明の効果をより確実にしてもよい。
Φ２en／Φ１ex＞２
Φpd／Φ２en＜０．５
ＮＡ１ex／ＮＡ２en＞１．２
（Φ２en×ＮＡ２en）／（Φ１ex×ＮＡ１ex）＞１．５

【符号の説明】

【0137】

１０ レーザダイオード
２０ 送信ファイバ
２０ex 射出端面
３０ 光コネクタ
３１ レンズ
３２、３３ 平凸レンズ
３４ アプラナティックレンズ
３５、３６ 固浸レンズ
３７、３８ カバーガラス
４０ 受信ファイバ
４０en 入射端面
４０ex 射出端面
５０ 光レセプタクル
５１ レンズ
５２ 受光素子
５２ａ 受光面
５５ 固浸レンズ
５６ 半球レンズ
５７ 超半球レンズ
７０ フレキシブル基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図13C】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】