特許 7065033 光結合素子及び光通信システム

(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】

(24)【登録日】2022-04-27

(45)【発行日】2022-05-11

(54)【発明の名称】光結合素子及び光通信システム

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/42 20060101AFI20220428BHJP

【ＦＩ】

G02B6/42

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2018547181

(86)(22)【出願日】2017-09-08

(86)【国際出願番号】 JP2017032420

(87)【国際公開番号】W WO2018079091

(87)【国際公開日】2018-05-03

【審査請求日】2020-07-20

(31)【優先権主張番号】P 2016207650

(32)【優先日】2016-10-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】316005926

【氏名又は名称】ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003339

【氏名又は名称】特許業務法人南青山国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100104215

【弁理士】

【氏名又は名称】大森 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100196575

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 満

(74)【代理人】

【識別番号】100168181

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 哲平

(74)【代理人】

【識別番号】100117330

【弁理士】

【氏名又は名称】折居 章

(74)【代理人】

【識別番号】100160989

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 正好

(74)【代理人】

【識別番号】100168745

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 彩子

(74)【代理人】

【識別番号】100176131

【弁理士】

【氏名又は名称】金山 慎太郎

(74)【代理人】

【識別番号】100197398

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 絢子

(74)【代理人】

【識別番号】100197619

【弁理士】

【氏名又は名称】白鹿 智久

(72)【発明者】

【氏名】尾山 雄介

【審査官】奥村 政人

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００７／００３６４９３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平１０－３０３４５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２３７６４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－３２５２４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５５－０７７７０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０２５１４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０３１５５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０１５２２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０７９２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３２６０６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０４０３０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－２０１６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０７３９３１４５（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／２６－ ６／３４

Ｇ０２Ｂ ６／４２－ ６／４３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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
を具備し、
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、
前記レンズは、その中心が前記入射光の光軸上に位置し、一方の面の中央域に前記レンズを厚み方向に貫通しない窪みを有し、
前記レンズの前記一方の面は、中心に向かって前記レンズの厚みが漸減する前記第１の曲面と、外方に向かって前記レンズの厚みが漸減する前記第２の曲面を有する
光結合素子。

【請求項2】

請求項１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。

【請求項3】

請求項１又は２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。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項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。

【請求項5】

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、前記レンズを構成する凸部を有する
光結合素子。

【請求項6】

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、前記レンズを構成する凸部を有する
光結合素子。

【請求項7】

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
を具備し、
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、
前記レンズは、その中心が前記入射光の光軸上に位置し、一方の面の中央域に前記レンズを厚み方向に貫通しない窪みを有し、
前記レンズの前記一方の面は、中心に向かって前記レンズの厚みが漸減する前記第１の曲面と、外方に向かって前記レンズの厚みが漸減する前記第２の曲面を有する
光通信システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００６－３５１６０８号公報

【文献】特開２０１２－２０９３４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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。

【0005】

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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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。

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

上記受光部はリング形状を有してもよい。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

上記光学素子はフレネルレンズであってもよい。

【0016】

上記光学素子は屈折率分布型レンズであってもよい。

【0017】

上記光学素子は液晶レンズであってもよい。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【発明の効果】

【0021】

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。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】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。

【図2】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。

【図3】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。

【図4】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。

【図5】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。

【図6】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。

【図7】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。

【図8】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。

【図9】第１実施形態に係る光結合素子の断面図である。

【図10】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。

【図11】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。

【図12】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。

【図13】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。

【図14】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。

【発明を実施するための形態】

【0023】

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。

【0024】

［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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

（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。

【0040】

［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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

［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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

［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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

（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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

（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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

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。

【0075】

（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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

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。

【0080】

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。

【0081】

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。

【0082】

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。

【0083】

（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。

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

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。

【0088】

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。

【0089】

（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。

【0090】

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。

【0091】

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

【0092】

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。

【0093】

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。

【0094】

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。

【0095】

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。

【0096】

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。

【0097】

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。

【0098】

（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。

【0099】

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。

【0100】

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。

【0101】

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。

【0102】

［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。

【0103】

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。

【0104】

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。

【符号の説明】

【0105】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】