JP2006201685A - 光素子アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 発光、受光素子の光クロストークの低減と、仕切部やホーンなどの光を遮蔽する構造を必要としない光素子アレイの提供。
【解決手段】 発光ダイオードＤの大きさを２・ｒ_１、発光面とレンズ面距離をｄ_１、発光ダイオードＤからの放射角度をθ_１、レンズ面と光ファイバ端面距離をｄ_１’、レンズ面からの光の放射角度をθ_１’、光ファイバ径を２・Ｒ_１、アレイピッチをＬ_１としたとき、ｄ_１・ｔａｎθ_１＋ｄ_１’・ｔａｎθ_１’＜Ｌ_１−Ｒ_１−ｒ_１を満たすように発光ダイオードＦと光ファイバＤを配置して成ることを特徴とする光素子アレイ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば複数の光ファイバを用いて通信させる光コネクタ部の光素子アレイに関する。

従来、この種の光素子アレイには図１１に示すものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。すなわち、発光ダイオードＤを等間隔に並設した発光素子基板１１には、前記発光ダイオードＤ上にレンズ部１２を設けると共に、このレンズ部１２の上方に保持板１５により保持される複数の光ファイバＦの端面を臨ませて構成されている。

そして、発光ダイオードＤの発する光信号を、発光素子基板１１を通してレンズ部１２で集光し、その集光された光信号を光ファイバＦの端面を通して、伝達できるようになっていた。また図１２に示すように各発光ダイオードにホーン１３を形成し、レンズ部１２への集光能力を向上させた構造のものや、さらに光ファイバＦのチャンネル間の隣り合う各発光ダイオードＤ間に仕切部１４を設けた構成のものも知られている。

他方、フォトダイオードのような受光素子Ｌを図１３や図１４に示す構造の光素子アレイが知られ、保持板２５で支持される複数の光ファイバＦからの光信号をレンズ部２２を経て受光素子基板２１に設けた前記受光素子Ｌに直接入射させたり、隣接チャンネルの受光素子Ｌの間に仕切部２４を介して入射させている。
特開２００２−２４３９８７号公報

上述の従来技術にあっては、図１１の構成の発光素子としての発光ダイオードＤからの光は、図示矢符の通り、隣接チャンネルの光ファイバＦに入射して光クロストークが発生するという不都合があり、また図１２に示すようなホーン１３や仕切部１４を形成して光クロストークを無くす構成を備えるも、構造が複数となり、作製工程が掛かりコスト高を生ずる。

また、図１３，図１４に示すような受光素子Ｌの場合にも光ファイバＦからの光が隣接チャンネルのフォトダイオードに入射して光クロストークが発生するという不都合が生ずると共に、この光クロストークを防ぐために仕切部２４を設けなければならないので、構造が複雑かつ作製工程が掛かり、コスト高を招く。

本発明は、以下の構成を備えることにより上記課題を解決した。

（１）発光ダイオード又は半導体レーザは上端面から発光する構造を有し、前記発光ダイオード又は半導体レーザの発光径を２・ｒ_１、発光面とレンズ面距離をｄ_１、発光ダイオード又は半導体レーザからの放射角度をθ_１、レンズ面と光ファイバ端面距離をｄ_１’、レンズ面からの光の放射角度をθ_１’、光ファイバ径を２・Ｒ_１、アレイピッチをＬ_１としたとき、
ｄ_１・ｔａｎθ_１＋ｄ_１’・ｔａｎθ_１’＜Ｌ_１−Ｒ_１−ｒ_１
を満たすように発光ダイオード又は半導体レーザと光ファイバを配置して成ることを特徴とする光素子アレイ。

（２）発光ダイオード又は半導体レーザは上端面から発光する構造を有し、前記発光ダイオード又は半導体レーザの発光径を２・ｒ_１、発光面とレンズ面距離をｄ_１、発光ダイオード又は半導体レーザからの放射角度をθ_１、レンズ面と光ファイバ端面距離をｄ_１’、レンズ面からの光の放射角度をθ_１’、光ファイバ径を２・Ｒ_１としたとき、
ｄ_１・ｔａｎθ_１＋ｄ_１’・ｔａｎθ_１’＜Ｒ_１−ｒ_１
を満たすように発光ダイオード又は半導体レーザと光ファイバを配置して成ることを特徴とする光素子アレイ。

（３）フォトダイオードの大きさを２・ｒ_２、受光面とパッケージ表面距離をｄ_２、パッケージ表面と光ファイバ端面距離をｄ_２’、光ファイバからの光の放射角度をθ_２’、パッケージに入射した光の屈曲角をθ_２、光ファイバ径を２・Ｒ_２としたとき、
ｄ_２・ｔａｎθ_２＋ｄ_２’・ｔａｎθ_２’＜Ｌ_２−Ｒ_２−ｒ_２
を満たすようにフォトダイオードと光ファイバを配置して成ることを特徴とする光素子アレイ。

（４）フォトダイオードの大きさを２・ｒ_２、受光面とレンズ面距離をｄ_３、レンズ面と光ファイバ端面距離をｄ_３’、光ファイバからの光の放射角度をθ_３’、レンズに入射した光の屈曲角をθ_３、光ファイバ径を２・Ｒ_２としたとき、
ｄ_３・ｔａｎθ_３＋ｄ_３’・ｔａｎθ_３’＜ｒ_２−Ｒ_２
を満たすようにフォトダイオードと光ファイバを配置して成ることを特徴とする光素子アレイ。

本発明によれば、従来必要とされていた仕切部やホーンなどを不要としたので、全体の構成を簡易にできると共に、発光素子や受光素子のクロストークを低減でき、さらに光信号のＳ／Ｎ比を向上できるという効果を有する。

以下に、本発明の二実施例を図面と共に説明する。

発光素子の基本構造としては、電極パターンが施された基板またはリードフレーム上に、発光ダイオードを複数個等間隔で実装したもので、これらは樹脂により封止し、さらに光の入出力部分にレンズ形状が施されている。発光ダイオードは素子上面に強い発光分布を有する面発光素子である。

図１に、発光ダイオードＤを封止したダイオードアレイと、光ファイバＦを保持板５で保持させたアレイとを結合させたときの模式図を示す。用いる発光素子Ｄは主にチップ構成となって基板１内に設けられ、前記チップ上端面から発光する構造を有しており、これとレンズ部２を組み合わせることで指向性の強い発光を得ることができる。図１中の矢印線は発光ダイオードＤから射出された光が、光ファイバＦの端面に入射するまでの経路を示している。このとき、チップＤの発光範囲よりも大きなレンズ径にすることにより、チップＤから出た光をレンズ部２で屈折させることができる。屈折した光はある角度でレンズ部２から出射し、光ファイバＦの端面へと到達する。このとき、発光ダイオードＤから出た光が隣接した光ファイバＦの端面に入射しないように光ファイバアレイおよび発光ダイオードアレイの間隔を開ける。図１中に示されたパラメータを用いて、発光ダイオードＤの発光径２・ｒ_１、発光面とレンズ面距離をｄ_１、発光ダイオードからの放射角度をθ_１、レンズ面と光ファイバ端面距離をｄ_１’、レンズ面からの光の放射角度をθ_１’、光ファイバ径を２・Ｒ_１、アレイピッチをＬ_１としたとき、光ファイバ端面に光が到達したときの発光径は２（ｒ_１＋ｄ_１・ｔａｎθ_１＋ｄ_１’・ｔａｎθ_１）となり、この発光が隣接した光ファイバに入射しないためには直径２（Ｌ_１−Ｒ_１）の円内に収まる必要がある。
２（ｒ_１＋ｄ_１・ｔａｎθ_１＋ｄ_１’・ｔａｎθ_１）＜２（Ｌ_１−Ｒ_１）

従って、式（１）のようになる。
ｄ_１・ｔａｎθ_１＋ｄ_１’ｔａｎθ_１’＜Ｌ_１−Ｒ_１−ｒ_１ ・・・ （１）

このように、光ファイバＦおよび発光ダイオードＤを配置することで隣接チャンネルからの光ノイズを低減することができ、つまりＳ／Ｎ比を大きくすることができる。

また、隣接チャンネルからの光ノイズを低減し、且つ信号成分を光ファイバにより多く入射させるためには光ファイバ端面に光が到達したときの発光径を光ファイバの直径２Ｒ_１以内に収まる必要がある。
２（ｒ_１＋ｄ_１・ｔａｎθ_１＋ｄ_１’・ｔａｎθ_１）＜２Ｒ_１

従って、式（２）のようになる。
ｄ_１・ｔａｎθ_１＋ｄ_１’ｔａｎθ_１’＜Ｒ_１−ｒ_１ ・・・ （２）
と光ファイバＦおよび発光ダイオードを配置することで、発光ダイオードＤから出た光を効率よく光ファイバ端面に入射させることができ、つまりＳ／Ｎ比を大きくすることができる。

また、この実施例では発光ダイオードＤおよび光ファイバＦは直線状に配列したアレイ形状としているが、これに限定されず、式（１）、式（２）をみたすように平面状に発光ダイオードＤおよび発光ファイバＦを配列してもよい。

図１の詳細な説明図を図２、図３、図４に示す。

図２はチャンネル間クロストークが起きている場合である。発光ダイオードの大きさを２・ｒ_１、発光ダイオードからの放射角度をθ_１とし、その時の光線の軌跡を矢印線で示してある。レンズから放射した光は角度θ_１’で放射し、光ファイバ端面に到達する。矢印綿とレンズとの交点と発光面との距離をｄ_１とする。同じく、その交点と光ファイバ端面との距離をｄ_１’とする。光ファイバ径を２・Ｒ_１、アレイピッチをＬ_１とする。光線の軌跡より、チップから放出された光はそれと対向する光ファイバのみならず、それと隣接する光ファイバにも入射しており、チャンネル間クロストークが起きていることがわかる。

図３はチャンネル間クロストークが起きていない場合である。光線の軌跡より、チップから放出された光は、隣接する光ファイバに入射しておらず、チャンネル間クロストークが起きていないことがわかる。この時、各記号の関係式は式（１）のようになる。

図４はチャンネル間クロストークが起きていなく、かつ図３の条件より良く光ファイバに結合している場合である。光線の軌跡より、チップから放出された光はそれと対向する光ファイバの端面にすべて入射しており、効率よく結合していることがわかる。この時、各記号の関係式は式（２）のようになる。

図５に発光ダイオードＤを４つ並べた素子および、以下の表１にその素子を用いて各チャンネルのＳ／Ｎ比を評価した結果を示す。発光強度とは、各発光ダイオードＤを発光させ、光ファイバアレイと結合させたとき、向かい合った光ファイバＦに入射する光量を示している。つまり光信号成分である。漏れ光とは、この実施例の場合、発光ダイオードＤのＣＨ１のみを発光させたとき、光ファイバＦのＣＨ２〜ＣＨ４に入射する光量を示している。つまり光ファイバＦのＣＨ２〜ＣＨ４にとっての光ノイズ成分である。以上の結果からＳ／Ｎ比を算出すると表１に示すようになり、Ｓ／Ｎ比は２０ｄＢ程度確保することができ、チャンネル間クロストークは無視できるほどになる。

なお、上記実施例では、発光素子として発光ダイオードを用いた例で示したが、これに変えて半導体レーザを用いることも可能である。特に発光ダイオード又は半導体レーザでも、上端面から発光するものが好ましく、白熱電球などのほぼ全方向に光を照射する発光素子も使用可能であるが、この場合には光が照射される方向を制御するリフレクタやレンズ等が必要となる。

つぎに、受光素子の基本構造としては、電極パターンが施された基板またはリードフレーム上に、フォトダイオードを複数個等間隔で実装したものである。これらは樹脂により封止し、さらに光の入出力部分にレンズ形状が施されている。

図６にフォトダイオードＬを封止したダイオードアレイと、光ファイバＦを保持板５に保持されたアレイとを結合させたときの模式図を示す。図６中の波線は光ファイバから出射される光が照らす範囲を示している。このとき、光ファイバＦから出た隣接したフォトダイオードＬに入射しないように光ファイバアレイおよびダイオードアレイのフォトダイオードとの間隔を開ける。図６中に示されたパラメータを用いて、フォトダイオードＬの大きさを２・ｒ_２、受光面とパッケージ表面距離をｄ_２、パッケージ表面と光ファイバ端面距離をｄ_２’、光ファイバＦからの光の放射角度をθ_２’、パッケージに入射した光の屈曲角をθ_２としたとき、受光面に光が到達したときの発光径は、２（Ｒ_２＋ｄ_２・ｔａｎθ_２＋ｄ_２’・ｔａｎθ_２’）となり、この発光が隣接したフォトダイオードに入射ないしためには直径２（Ｌ_２−Ｒ_２）の円内に収まる必要がある。
２（Ｒ_２＋ｄ_２・ｔａｎθ_２＋ｄ_２’・ｔａｎθ_２’）＜２（Ｌ_２−ｒ_２）

従って、式（３）のようになる。
ｄ_２・ｔａｎθ_２＋ｄ_２’ｔａｎθ_２’＜Ｌ_２−Ｒ_２−ｒ_２ ・・・ （３）

このように光ファイバＦおよびフォトダイオードＬを配置することで隣接チャンネルからの光ノイズを低減することができ、つまりはＳ／Ｎ比を大きくすることができる。

また、隣接チャンネルからの光ノイズを低減し、且つ信号成分をフォトダイオードにより多く入射させるためには受光面に光が到達したときの発光径をフォトダイオードの直径２ｒ_２以内に収まる必要がある。
２（Ｒ_２＋ｄ_３・ｔａｎθ_３＋ｄ_３’・ｔａｎθ_３’）＜２ｒ_２

従って、式（４）のようになる。
ｄ_３・ｔａｎθ_３＋ｄ_３’・ｔａｎθ_３’＜ｒ_２−Ｒ_２ ・・・ （４）
と光ファイバＦおよびフォトダイオードＬを配置することで、光ファイバＦから出た光を効率よく受光面に入射させることができ、つまりＳ／Ｎ比を大きくすることができる。

また、この実施例ではフォトダイオードＬおよび光ファイバＦは直線状に配列したアレイ形状としているが、これに限定されず、式（３）、式（４）を満たすように平面状にフォトダイオードＬおよび光ファイバＦを配列してもよい。

図６の詳細な説明図を図７、図８、図９に示す。

図７は、チャンネル間クロストークが起きている場合である。光ファイバ径を２・Ｒ_１、光ファイバからの光の放射角度をθ_２’とし、その時の光線の軌跡を矢印線で示してある。パッケージ平坦部と光ファイバ端面との距離をｄ_２’、同じく、パッケージ平坦部と受光面との距離をｄ_２，とする。フォトダイオードの大きさを２・ｒ_２、アレイピッチをＬ_２とする。光線の軌跡より、光ファイバ端面から放出された光はそれと対向するフォトダイオードのみならず、それと隣接するフォトダイオードにも入射しており、チャンネル間クロストークが起きていることがわかる。

図８はチャンネル間クロストークが起きていない場合である。光線の軌跡より、光ファイバ端面から放出された光は、隣接するフォトダイオードに入射しておらず、チャンネル間クロストークが起きていないことがわかる。この時、各記号の関係式は式（３）のようになる。

図９はチャンネル間クロストークが起きていなく、かつ図８の条件より良く光ファイバに結合している場合である。光ファイバからの放射角度をθ_３’とし、その時の光線の軌跡を矢印線で示してある。レンズに入射した光はθ_３で伝播し、受光面に到達する。矢印線とレンズとの交点と光ファイバ端面との距離をｄ_３’とする。同じく、その交点と受光面との距離をｄ_３とする。光線の軌跡より、光ファイバから放出された光はそれと対向するフォトダイオードの受光面にすべて入射しており、効率よく結合していることがわかる。この時、各記号の関係式は式（４）のようになる。

図４にフォトダイードＬを４つ並べた素子および、下記の表２にその素子を用いて各チャンネルのＳ／Ｎ比を評価した結果を示す。表２では各光ファイバＦからの光を受光素子Ｌと結合させたときに受光面に入射する光量を示している。また光ファイバＦの１のみを発光させたとき、フォトダイオード２〜４に入射する光量を計測し、Ｓ／Ｎ比を求めている。表２の結果より、Ｓ／Ｎ比は２０ｄＢ程度確保することができ、チャンネル間クロストークは無視できるほどになる。

なお、上記実施例では受光素子としてフォトダイオードを用いた例で示したが、これに変えてフォトトランジスタ、フォトＩＣ等を用いることも可能である。

以上述べたように本発明は、複数光ファイバを用いて通信させる光コネクタ部として好適である。

本発明の一実施例を発光ダイオードの場合とした基本構成の模式断面図 図１のチャンネル間クロストークが起きている場合の詳細な説明図 図１のチャンネル間クロストークが起きていない場合の詳細な説明図 図１のチャンネル間クロストークが起きていなく、かつ図３の条件より良く光ファイバに結合している場合の詳細な説明図 複数の発光ダイオードとして構成した場合を示す図１の構成を示す模式断面図 本発明の他の実施例として受光素子の場合とした基本構成の模式断面図 図６のチャンネル間クロストークが起きている場合の詳細な説明図 図６のチャンネル間クロストークが起きていない場合の詳細な説明図 図６のチャンネル間クロストークが起きていなく、かつ図８の条件より良く光ファイバに結合している場合の詳細な説明図 複数の受光素子にフォトダイオードとした場合を示す図６の構成を示す模式断面図 従来例の発光ダイオードと光ファイバとの結合状態を示す模式断面図 図１１の構成にホーンおよび仕切部を設けた従来例の模式断面図 従来例の受光素子としてフォトダイオードを用いた光ファイバとの結合状態を示す模式断面図 図１３の構成に仕切部を設けた場合の従来例の模式断面図

符号の説明

Ｆ 光ファイバ
Ｄ 発光ダイオード、発光素子
Ｌ 受光素子、フォトダイオード
１，１１，２１ 基板
２，１２，２２ レンズ部

Claims (4)

1. 発光ダイオード又は半導体レーザは上端面から発光する構造を有し、前記発光ダイオード又は半導体レーザの発光径を２・ｒ_１、発光面とレンズ面距離をｄ_１、発光ダイオード又は半導体レーザからの放射角度をθ_１、レンズ面と光ファイバ端面距離をｄ_１’、レンズ面からの光の放射角度をθ_１’、光ファイバ径を２・Ｒ_１、アレイピッチをＬ_１としたとき、
   ｄ_１・ｔａｎθ_１＋ｄ_１’・ｔａｎθ_１’＜Ｌ_１−Ｒ_１−ｒ_１
   を満たすように発光ダイオード又は半導体レーザと光ファイバを配置して成ることを特徴とする光素子アレイ。
2. 発光ダイオード又は半導体レーザは上端面から発光する構造を有し、前記発光ダイオード又は半導体レーザの発光径を２・ｒ_１、発光面とレンズ面距離をｄ_１、発光ダイオード又は半導体レーザからの放射角度をθ_１、レンズ面と光ファイバ端面距離をｄ_１’、レンズ面からの光の放射角度をθ_１’、光ファイバ径を２・Ｒ_１としたとき、
   ｄ_１・ｔａｎθ_１＋ｄ_１’・ｔａｎθ_１’＜Ｒ_１−ｒ_１
   を満たすように発光ダイオード又は半導体レーザと光ファイバを配置して成ることを特徴とする光素子アレイ。
3. フォトダイオードの大きさを２・ｒ_２、受光面とパッケージ表面距離をｄ_２、パッケージ表面と光ファイバ端面距離をｄ_２’、光ファイバからの光の放射角度をθ_２’、パッケージに入射した光の屈曲角をθ_２、光ファイバ径を２・Ｒ_２としたとき、
   ｄ_２・ｔａｎθ_２＋ｄ_２’・ｔａｎθ_２’＜Ｌ_２−Ｒ_２−ｒ_２
   を満たすようにフォトダイオードと光ファイバを配置して成ることを特徴とする光素子アレイ。
4. フォトダイオードの大きさを２・ｒ_２、受光面とレンズ面距離をｄ_３、レンズ面と光ファイバ端面距離をｄ_３’、光ファイバからの光の放射角度をθ_３’、レンズに入射した光の屈曲角をθ_３、光ファイバ径を２・Ｒ_２としたとき、
   ｄ_３・ｔａｎθ_３＋ｄ_３’・ｔａｎθ_３’＜ｒ_２−Ｒ_２
   を満たすようにフォトダイオードと光ファイバを配置して成ることを特徴とする光素子アレイ。