光通信モジュール
【課題】透明材料からなる筐体を用いた場合に光クロストークを減少させること。
【解決手段】光通信モジュールは、透明材料からなる筐体１０と、ＬＥＤパッケージ１１と、ＰＤパッケージ１２と、光導波路コア１３および光導波路クラッド１４と、波長選択性ミラー１５と、光ファイバー１６と、によって構成されている。ＬＥＤパッケージ１１と筐体１０との間には空気層１７が設けられている。また、ＰＤパッケージの受光面は、ＰＤ実装面のうち、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域に位置している。これにより、光クロストークの減少を図ることができる。
【解決手段】光通信モジュールは、透明材料からなる筐体１０と、ＬＥＤパッケージ１１と、ＰＤパッケージ１２と、光導波路コア１３および光導波路クラッド１４と、波長選択性ミラー１５と、光ファイバー１６と、によって構成されている。ＬＥＤパッケージ１１と筐体１０との間には空気層１７が設けられている。また、ＰＤパッケージの受光面は、ＰＤ実装面のうち、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域に位置している。これにより、光クロストークの減少を図ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長選択性ミラーにより分岐された自己形成光導波路コアと、それぞれの分岐端に接続するＬＥＤおよびＰＤを有した、一芯双方向の光通信に用いる光通信モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
以下のような構造の光通信モジュールが、一芯双方向の光通信のために開発されている。光通信モジュールは、筐体と、筐体内部に配置された波長選択性フィルタと、光ファイバーに光学的に接続し、波長選択性ミラーによって分岐された軸状の光導波路コアと、光導波路コアを覆う光導波路クラッドと、分岐された光導波路コアにそれぞれ光学的に接続するＬＥＤパッケージおよびＰＤ（フォトダイオード）パッケージと、を有した構造である。ＬＥＤパッケージから出射した光は光ファイバーを介して他の光通信モジュールへと送信され、他の光通信モジュールからの光は光ファイバーを介してＰＤパッケージで受信する。
【０００３】
このような光通信モジュールは自己形成光導波路の技術を用いて作製することができる。たとえば特許文献２のように、まず、筐体に波長選択性ミラーと光ファイバーを固定した後、筐体内に高屈折率の光硬化性樹脂を充填し、光ファイバーを介して硬化波長のレーザーを照射することで、波長選択性ミラーにより分岐された軸状の光導波路コアを形成し、さらに未硬化の光硬化性樹脂を除去した後、低屈折率の光硬化性樹脂を充填して硬化波長の光を照射することで光導波路クラッドを形成する。その後、分岐した光導波路コアに接続するＬＥＤパッケージおよびフォトダイオードパッケージを、パッシブアライメントやアクティブアライメントにより実装する。
【０００４】
特許文献１には、筐体として不透明材料を用いることで光クロストークを低減した光通信モジュールが示されている。ここで光クロストークは、ＬＥＤから出射した光の一部が光導波路コアと結合せずに周囲に漏れ、同一モジュール内のＰＤによって受光されてしまう現象で、通信特性を悪化させてしまう。また特許文献１には、光導波路コアとＬＥＤ、ＰＤとの接続のために、筐体に開口を設けることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１２２７４３
【特許文献２】特開平１１−３２６６６０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光クロストークを減少させるために不透明材料からなる筐体を用いた場合、特許文献１のように筐体に開口を設けるため、光導波路コアを形成する際に樹脂が流れ出るのを防止する必要があり、開口部に透明の部品を接着して塞ぐなど工夫が必要となる。その結果、部品点数の増加や製造工程が複雑となってしまう。また、筐体が不透明ではクラッドを硬化させるための紫外線照射に際して照射方向が限定され、良好にクラッドを硬化させることが難しい。
【０００７】
一方、透明材料からなる筐体を用いた場合、筐体に開口を設ける必要がないので、特許文献１のような工夫が必要なく、製造工程を簡略にすることができる。また、紫外線を任意の方向から照射することができるのでクラッドを良好に硬化させることができる。しかし、筐体が透明であるため光クロストークが発生し、通信特性を悪化させてしまうという問題が生じる。
【０００８】
そこで本発明の目的は、透明な筐体を用いた光通信モジュールにおいて、光クロストークを減少させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、透明材料からなる筐体と、筐体内部に配置された波長選択性フィルタと、筐体内部に配置され、光ファイバーに光学的に接続し、波長選択性ミラーによって分岐された光導波路コアと、筐体内部に配置され、光導波路コアを覆う光導波路クラッドと、筐体外部に配置され、分岐された光導波路コアにそれぞれ光学的に接続するＬＥＤパッケージおよびフォトダイオードパッケージと、を有した光通信モジュールにおいて、ＬＥＤパッケージと筐体との間に空気層を設け、フォトダイオードパッケージの受光面は、筐体外面のＬＥＤパッケージからの光が到達しない領域に接触している、ことを特徴とする光通信モジュールである。
【００１０】
第２の発明は、透明材料からなる筐体と、筐体内部に配置された波長選択性フィルタと、筐体内部に配置され、光ファイバーに光学的に接続し、波長選択性ミラーによって分岐された光導波路コアと、筐体内部に配置され、光導波路コアを覆う光導波路クラッドと、筐体外部に配置され、分岐された光導波路コアにそれぞれ光学的に接続するＬＥＤパッケージおよびフォトダイオードパッケージと、を有した光通信モジュールにおいて、ＬＥＤパッケージと筐体との間に空気層を設け、フォトダイオードパッケージの受光面は、筐体外面のＬＥＤパッケージからの光がその外面において全反射する領域に、空気層を介して配置されている、ことを特徴とする光通信モジュールである。
【００１１】
第３の発明は、第２の発明において、フォトダイオードパッケージの受光面以外の部分は、筐体外面のＬＥＤパッケージからの光が到達しない領域に接触させて実装されている、ことを特徴とする光通信モジュールである。
【００１２】
第４の発明は、透明材料からなる筐体と、筐体内部に配置された波長選択性フィルタと、筐体内部に配置され、光ファイバーに光学的に接続し、波長選択性ミラーによって分岐された光導波路コアと、筐体内部に配置され、光導波路コアを覆う光導波路クラッドと、筐体外部に配置され、分岐された光導波路コアにそれぞれ光学的に接続するＬＥＤパッケージおよびフォトダイオードパッケージと、を有した光通信モジュールにおいて、ＬＥＤパッケージと筐体外面とを直接に接触させ、フォトダイオードパッケージの受光面は、筐体外面のＬＥＤパッケージからの光がその外面において全反射する領域に、空気層を介して実装されている、ことを特徴とする光通信モジュールである。
【００１３】
第５の発明は、第２の発明または第４の発明において、フォトダイオードパッケージは、筐体外面に光吸収体を介して接触させて実装されている、ことを特徴とする光通信モジュールである。
【００１４】
本発明において筐体の透明材料は、ＬＥＤパッケージの出射光やフォトダイオードパッケージへの入射光の波長に対して透過する材料であることを意味し、たとえば可視光〜赤外光の範囲などで透過する材料であることを意味する。筐体の内面、外面のうち、ＬＥＤパッケージ、フォトダイオードパッケージ、および光ファイバーと光導波路コアとの光学的な結合に影響のない領域については、光吸収体を塗布するなどして光クロストークの減少を図ってもよい。
【００１５】
本発明において、光導波路コアの分岐角度は、光導波路コアから光ファイバーへ向かう軸方向を０°として、９０°以下とすることが望ましい。９０°を越えると、波長選択性ミラーの設計が難しくなるため望ましくない。
【００１６】
光導波路コアおよび光導波路クラッドは、既知の自己形成光導波路の技術を用いて作製することができる。特に本発明の場合、筐体として透明材料を用いるため、不透明材料を用いる場合よりも製造工程を簡略化することができ、光導波路クラッドを均一に硬化させることができる。
【００１７】
フォトダイオードパッケージの受光面は、すなわち光導波路コアの分岐端に対向する位置である。したがって、波長選択性ミラーの位置を調整し光導波路コアの分岐位置を調整することで、フォトダイオードパッケージの受光面が、ＬＥＤパッケージからの光が到達しない領域や、ＬＥＤパッケージからの光が全反射する領域に位置するよう調整することができる。
【００１８】
ＬＥＤパッケージと筐体との間の空気層、またはＰＤパッケージと筐体との間の空気層は、レンズ形状を持たせたパッケージを実装することで実現してもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の光通信モジュールでは、筐体として透明材料を用いた場合であっても光クロストークを減少させることができ、光通信モジュールの製造工程の簡略化、製造コストの低減などを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１の光通信モジュールの構成について示した図。
【図２】光通信モジュールを単純化したモデルの構成について示した図。
【図３】θ１とθ２の関係について示したグラフ。
【図４】反射率とθ２との関係について示したグラフ。
【図５】ＰＤ実装面における光強度の分布を示した図。
【図６】筐体１０から１０μｍ離れたＰＤ実装面と平行な面における光強度の分布を示した図。
【図７】実施例２の光通信モジュールの構成について示した図。
【図８】実施例３の光通信モジュールの構成について示した図。
【図９】ＰＤ実装面における光強度の分布を示した図。
【図１０】筐体１０から１０μｍ離れたＰＤ実装面と平行な面における光強度の分布を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２２】
図１は、実施例１の光通信モジュールの構成について示した図である。実施例１の光通信モジュールは、図１に示すように、筐体１０と、ＬＥＤパッケージ１１と、ＰＤ（フォトダイオード）パッケージ１２と、光導波路コア１３および光導波路クラッド１４と、波長選択性ミラー１５と、光ファイバー１６と、によって構成されている。
【００２３】
筐体１０は、アクリル樹脂やポリカーボネイト樹脂などの透明材料からなる直方体の升状の容器である。筐体１０は、たとえば射出成形などによって容易に作製することができる。筐体１０の内部には、波長選択性ミラー１５が配置され、波長選択性ミラーによってＴ字型に分岐された光導波路コア１３が配置されている。また、光ファイバー１６の一端が、光導波路コア１３に光学的に接続するよう筐体１０に固定されている。また、筐体１０内部全体は光導波路クラッド１４によって満たされており、これにより光導波路コア１３は光導波路クラッド１４に覆われている。
【００２４】
光導波路コア１３は、光ファイバー１６に光学的に接続する軸状の構造であり、波長選択性ミラー１５の位置で９０°の角度を成して２つに分岐している。光導波路コア１３のそれぞれの分岐端はＬＥＤパッケージ１１、ＰＤパッケージ１２と光学的に接続している。
【００２５】
光導波路コア１３および光導波路クラッド１４は、ともに光硬化性樹脂の硬化物であり、光導波路コア１３の屈折率は光導波路クラッド１４の屈折率よりも高くなっている。光導波路コア１３は、自己形成光導波路の技術を用いて作製されたものである。たとえば、コア形成用の液状の光硬化性樹脂を筐体１０内部に満たした後、光ファイバー１６を介して硬化波長のレーザー光を照射し、光硬化性樹脂を自己収束的に硬化させることにより、軸状の光導波路コア１３を形成することができる。また、光導波路コア１３の形成時に、筐体１０内部に波長選択性ミラー１５を配置して光ファイバー１６からの光を分岐させることで、光導波路コア１３も分岐させることができる。また、光導波路クラッド１４は、たとえば光導波路コア１３の形成後、未硬化の光硬化性樹脂を除去し、クラッド形成用の液状の光硬化性樹脂を筐体１０内部に満たし、硬化波長の光を筐体１０全体に照射することで光硬化性樹脂を硬化させることによって形成することができる。ここで、筐体１０として透明材料を用いているため、不透明材料を用いた場合のように筐体１０に開口を設けるなどの工夫をする必要がなく、光導波路コア１３の形成を簡略にすることができる。また、光導波路クラッド１４を形成する際の光照射は、不透明材料を用いた場合のように特定の方向から照射する必要はないので、クラッドを均一に硬化させることができる。
【００２６】
なお、実施例１の光通信モジュールでは、光導波路コア１３の分岐角度（ＬＥＤモジュールから光ファイバー１６に向かう方向を０°とする）を９０°としているが、光導波路コア１３の分岐角度は９０°以下であればよい。９０°未満（たとえば６０°）とすれば、波長選択性ミラー１５の設計がより容易となる。
【００２７】
ＬＥＤパッケージ１１は、０．２ｍｍ角のＬＥＤチップが透明樹脂にパッケージされたものである。ＬＥＤパッケージ１１は、空気層１７を介して光ファイバー１６と対向する筐体１０の外面１０Ａ（ＬＥＤ実装面）に実装されていて、分岐された光導波路コア１３の一端に光学的に接続している。ＬＥＤパッケージ１１と筐体１０との間には空気層１７を設けている。このような空気層１７は、レンズ形状を持たせたＬＥＤパッケージ１１を用い、そのレンズ側を筐体１０の外面１０Ａに接触させることで容易に実現することができる。
【００２８】
ＰＤパッケージ１２は、フォトダイオードが透明樹脂にパッケージされたものである。金属によりパッケージされたものを用いてもよいが、透明樹脂を用いたものの方がコストの面で望ましい。ＰＤパッケージ１２は、筐体１０のＬＥＤ実装面に対して９０°を成す外面１０Ｂ（ＰＤ実装面）に実装されていて、ＬＥＤパッケージ１１側とは異なる方の分岐された光導波路コア１３の一端に光学的に接続している。ここで、ＰＤパッケージ１２の受光面１２ａは、ＰＤ実装面中のＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域に配置されている。ＰＤパッケージ１２の実装位置をこのようなＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域とすることは、光導波路コア１３の分岐位置や分岐角度を調整することで、またＰＤパッケージ１２のサイズを選択することで、容易に達成することができる。
【００２９】
ＬＥＤパッケージ１１は、アクティブアライメントやパッシブアライメントなどの方法により実装する。アクティブアライメントは、光ファイバー１６から出力される光の強度をモニタしながら、強度が最大となる位置でパッケージの端を紫外線硬化接着剤などで固定する方法である。パッシブアライメントは、筐体に勘合構造を設けておき、そこにＬＥＤパッケージ１１をはめ込む方法である。ＰＤパッケージ１２についてもアクティブアライメントやパッシブアライメントなどの方法により実装する。ＰＤパッケージ１２を実装する際、受光面の全面に紫外線硬化接着剤を充填し、筐体のＰＤ実装面とＰＤパッケージ１２との間に空気層が生じないように実装することが望ましい。光のフレネル損失が小さくなり、高効率な光の結合が実現できる。
【００３０】
波長選択性ミラー１５は、ガラス基板上に誘電体多層膜を形成した構造である。使用する２波長に対してそれぞれ透過・反射するよう設計されている。２波長は可視光〜赤外光の任意の異なる波長であればよく、たとえば緑色と赤色である。
【００３１】
光ファイバー１６は、コア径１ｍｍのプラスチック光ファイバーである。この光ファイバー１６を介して、他方の光通信モジュールと接続している。
【００３２】
２つの光通信モジュールは、光ファイバー１６を介して接続される。一方の光通信モジュールのＬＥＤパッケージ１１からの出射光は、光導波路コア１３に結合して波長選択性ミラー１５を透過し、光ファイバー１６に接合する。そして、一方の光通信モジュールから他方の光通信モジュールへと光ファイバー１６を介して送信された光は、光導波路コア１３に結合して波長選択性ミラー１５により反射され、ＰＤパッケージ１２によって受光される。このようにして、一方の光通信モジュールと他方の光通信モジュールとで双方向の通信を行うことができ、車載用や家庭用などの光通信ネットワークを構成することができる。
【００３３】
次に、ＰＤパッケージの実装位置についてより詳細に説明する。実施例１の光通信モジュールでは、ＰＤ実装面には、ＬＥＤパッケージ１１からの光が全反射する領域と、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域と、の２つの領域が生じる。実施例１の光通信モジュールは、この２つの領域のうち、光が到達しない領域にＰＤパッケージ１２の受光面が配置されるよう実装するものである。
【００３４】
光が到達しない領域と光が全反射する領域の２つの領域が生じる理由を説明する。まず、図２のように、光通信モジュールの構成を単純化したモデルで考察する。ＬＥＤパッケージ１００からの光が空気層１０１を介して直方体の誘電体１０２のある面１０２ａ（ＬＥＤ実装面）から誘電体１０２内に入射し、その入射した光が、外面１０２ａに直交する外面１０２ｂ（ＰＤ実装面）に到達する場合について考察する。外面１０２ａへの光の入射角をθ１、誘電体１０２の屈折率をｎ２、外面１０２ｂへの光の入射角をθ２とすると、ｓｉｎ（θ１）＝ｎ２＊ｃｏｓ（θ２）である。ただし、空気の屈折率を１としている。ｎ２が１．４０、１．５０、１．６０の場合についてのθ１とθ２の関係は、図３のグラフのようになる。図３より、θ１が０〜９０°の範囲の場合、θ２はおよそ４５°以上となることがわかり、外面１０２ｂのうちθ２が４５°未満となる領域には光が到達しないことがわかる。
【００３５】
すなわち、θ３（＝９０°−θ２）の最大値をθｃ（θ１を９０°としたときのθ３であり、誘電体１０２から空気層１０１へ光が入射する際の臨界角）とし、ＬＥＤ実装面（外面１０２ａ）とＰＤ実装面（外面１０２ｂ）との交点を原点Ｏ、ＬＥＤ実装面における光の入射位置をｙ０として、ＰＤ実装面のうち、θｃをとるときに光がＰＤ実装面に到達する位置ｘ０（＝ｙ０／ｔａｎ（θｃ）、図３よりθｃが約４５°のため、ｘ０はおよそｙ０に等しい）よりも原点Ｏに近い領域（位置ｘ０よりもＬＥＤパッケージ１１側の領域）は、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域である。
【００３６】
また、図４は、誘電体１０２内の光のＰＤ実装面（誘電体１０２の面１０２ｂ）での反射率とθ２との関係を示したグラフである。図４より、θ２がおよそ４５°以上であれば、面１０２ｂで光が全反射することがわかる。図３よりθｃは約４５°であるから、θ２は４５°以上で常にθｃ以上となり、面１０２ｂに到達する光はすべて全反射することになる。以上により、ＰＤ実装面である面１０２ｂには、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域と、光が全反射する領域の２つの領域が存在することとなる。なお、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達して誘電体１０２の外部へ放射される領域は存在しないため、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域は、光が全反射する領域以外の領域となっている。
【００３７】
上記モデルについて一般的に考えると、θ３≦θｃ、９０°−θｃ≦θ２であるから、θｃ≦９０°−θｃすなわちθｃが４５°以下であれば、θｃ≦θ２となり、ＰＤ実装面に到達するすべての光は全反射する。一方、θｃが４５°よりも大きいと、９０°−θｃ≦θ２＜θｃの範囲でＰＤ実装面に到達する光は誘電体１０２の外部へ放射され、θｃ≦θ２の範囲でＰＤ実装面に到達する光は全反射する。つまり、θｃが４５°以下であれば、ＰＤ実装面には、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域と、光が全反射する領域の２つの領域が生じ、θｃが４５°よりも大きいと、ＬＥＤパッケージ１１側から順に、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域、光が到達し外部へ放射される領域、光が全反射する領域の３つの領域が生じる。
【００３８】
図５は、ＬＥＤパッケージ１１を発光させたときのＰＤ実装面における光強度の分布を示した図である。また、図６は、筐体１０から１０μｍ離れたＰＤ実装面と平行な面における光強度の分布を示した図である。いずれの光強度分布も、光線追跡法によるシミュレーションにより求めた。シミュレーションの条件は以下の通りである。ＬＥＤパッケージ１１には、出力波長５２０ｎｍ（緑色）の０．２ｍｍ角のＬＥＤチップを立方体の透明樹脂に封止したものを用いた。筐体１０とＬＥＤパッケージ１１とを１μｍ離して空気層１７を設けた。光導波路コア１３の直径は１ｍｍとした。波長選択性ミラー１５は、厚さ０．５ｍｍのガラス基板上に誘電体多層膜を形成して、緑色の波長は透過し、赤色の波長（６５０ｎｍ）は反射する特性を持たせたものを用いた。筐体１０のＰＤ実装面は６ｍｍ×６ｍｍの正方形とした。屈折率は、ＬＥＤパッケージ１１の透明樹脂が１．５７、筐体１０が１．４９、光導波路コア１３が１．５３、光導波路クラッド１４が１．４８、波長選択性ミラー１５のガラス基板が１．５２とした。また、筐体１０のＬＥＤ実装面、ＰＤ実装面以外の面は、光吸収体であると仮定した。これは、実際の光通信モジュールにおいて、ＬＥＤパッケージ１１から直接ＰＤ実装面に到達する光に比べて、ＰＤ実装面以外の面によって反射されてＰＤ実装面に到達する光は少なく、光クロストークへの影響は小さいと考えられるからである。また、実際の光通信モジュールにおいても、ＰＤ実装面以外の面に光吸収体を配置したり着色すれば、これと同様の効果が得られる。
【００３９】
図５、６において、ＰＤ実装面の中心を原点としている。ｘ軸は光導波路コア１３の軸方向であり、ｙ軸はこれに垂直な方向である。また、ｘ軸の正の方向がＬＥＤパッケージ１１側である。図５のように、ＰＤ実装面の中心付近からｘ軸負方向の領域にはＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しているが、ＰＤ実装面の中心付近からｘ軸正方向（ＬＥＤパッケージ１１側）にかけては、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達していないことがわかる。なお、ＰＤ実装面の中央付近からｘ軸負方向の領域には、光の明暗による模様が生じているが、これは光導波路コア１３、光導波路クラッド１４、波長選択性ミラー１５の存在によるものである。また、図５と図６を比較すると、図５において光が到達していた領域は、図６においては光が到達していないことがわかる。つまり、図５に現れている光は、ＰＤ実装面において全反射している光であることがわかる。
【００４０】
以上の考察から、光クロストークを減少させる方法として、以下の２つの方法が考えられる。１つは、ＬＥＤパッケージ１１と筐体１０との間には空気層１７を設けたことにより生じるＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域に、ＰＤパッケージ１２の受光面を接触させて実装することが考えられる。他の１つは、ＬＥＤパッケージ１１と筐体１０との間には空気層１７を設けたことにより生じるＬＥＤパッケージ１１からの光が全反射する領域に、ＰＤパッケージ１２の受光面を空気層を介して実装することが考えられる。いずれの場合も、波長選択性ミラー１５の位置を調整して光導波路コア１３の分岐位置を調整することなどによって、ＰＤパッケージの実装位置を調整することができる。実施例１の光通信モジュールは、この２つの方法のうち前者を採用することにより光クロストークを減少させている。
【００４１】
以上のように、実施例１の光通信モジュールでは、ＬＥＤパッケージ１１と筐体１０との間に空気層１７を設け、ＰＤパッケージ１２をＰＤ実装面のうち光が到達しない領域に実装しているため、筐体１０が透明材料であっても光クロストークが低減されている。また、筐体１０として透明材料を用いるため、光通信モジュールの作製が容易となり、低コスト化を図ることができる。
【００４２】
なお、ＬＥＤ実装面とＰＤ実装面が９０°であるとしているが、９０°を越える角度とすれば、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域がさらに拡大し、ＰＤパッケージ１２の実装がより容易になると考えられる。しかし、ＬＥＤ実装面とＰＤ実装面との成す角度が９０°を越えるということは光導波路コア１３の分岐角度が９０°を越えるということであり、波長選択性ミラー１５の設計が難しくなるという問題が生じる。また、ＬＥＤ実装面とＰＤ実装面との成す角度を９０°未満とすれば、光導波路コア１３の分岐角度が９０°未満となるため波長選択性ミラー１５の設計が容易となる。しかし、ＰＤ実装面において、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域と、光が全反射する領域との間に、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達して筐体１０の外部へ透過する領域が生じる。そのため、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域と光が全反射する領域は減少し、ＰＤパッケージ１２の実装が難しくなる。したがって、ＬＥＤ実装面とＰＤ実装面との成す角度はなるべく９０°に近いことが望ましく、９０°とするのが最も望ましい。また、ＬＥＤ実装面とＰＤ実装面は直交して連続しているが、必ずしも連続している必要はない。
【実施例２】
【００４３】
図７は、実施例２の光通信モジュールの構成について示した図である。実施例２の光通信モジュールは、実施例１の光通信モジュールにおけるＰＤパッケージ１２、光導波路コア１３、波長選択性ミラー１５に替えて、以下に説明するＰＤパッケージ２２、光導波路コア２３、波長選択性ミラー２５としたものである。ＰＤパッケージ２２は、その受光面がＰＤ実装面のうちＬＥＤパッケージ１１からの光が全反射する領域に、空気層２７を介して配置されている。ＰＤパッケージ２２のＰＤ実装面に接触する部分は、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域に接触させる。そして、波長選択性ミラー２５の位置を調整することで光導波路コア２３の分岐位置を調整し、ＰＤパッケージ２２の受光面がＬＥＤパッケージ１１からの光が全反射する領域となるような配置としている。なお、受光面にレンズ形状を持たせたＰＤパッケージ２２を実装することで空気層２７を設けてもよい。
【００４４】
実施例２の光通信モジュールは、実施例１の図２〜６における考察で示した、光クロストークを減少させる２つの方法のうち、後者を採用したものである。すなわち、ＬＥＤパッケージ１１と筐体１０との間には空気層１７を設けたことにより生じるＬＥＤパッケージ１１からの光が全反射する領域に、ＰＤパッケージ１２の受光面を空気層２７を介して配置する方法である。特に実施例２の光通信モジュールは、光導波路コア２３の直径や分岐位置、筐体１０の大きさ、形状などの制限により、ＰＤパッケージをＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域に実装することができない場合に適している。
【００４５】
なお、ＰＤパッケージ２２の実装において、ＰＤパッケージ２２のＰＤ実装面と接触する部分を、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域に接触させることで、光クロストークの発生を抑制しているが、必ずしもそのようにする必要はない。たとえば、光が全反射する領域にカーボンブラックを配合した接着剤などの光吸収体を介して接触させてＰＤパッケージ２２を実装してもよいし、接触部分を着色しておいたり、筐体１０外面のＰＤ実装面以外の面に接触させてＰＤパッケージ２２を実装してもよい。このようにしても光クロストークの発生を抑制することができる。
【実施例３】
【００４６】
図８は、実施例３の光通信モジュールの構成について示した図である。実施例３の光通信モジュールは、実施例１の光通信モジュールにおけるＬＥＤパッケージ１１、ＰＤパッケージ１２、光導波路コア１３、波長選択性ミラー１５に替えて、以下に説明するＬＥＤパッケージ３１、ＰＤパッケージ３２、光導波路コア３３、波長選択性ミラー３５としたものである。
【００４７】
ＬＥＤパッケージ３１は、筐体１０のＬＥＤ実装面に、空気層を設けずに直接接触させて実装されている。ＰＤパッケージ３２は、その受光面３２ａがＰＤ実装面のうちＬＥＤパッケージ３１からの光が全反射する領域に、空気層３７を介して配置されている。ＰＤパッケージ３２のＰＤ実装面に接触する部分３２ｂは、光吸収体３８を介して接触している。光吸収体３８は、たとえばカーボンブラックを配合した接着剤などである。そして、波長選択性ミラー３５の位置を調整することで光導波路コア３３の分岐位置を調整し、ＰＤパッケージ３２の受光面３２ａがＬＥＤパッケージ３１からの光が全反射する領域となるような配置としている。なお、受光面にレンズ形状を持たせたＰＤパッケージ３２を実装することで空気層３７を設けてもよい。
【００４８】
図９は、ＬＥＤパッケージ３１を発光させたときのＰＤ実装面における光強度の分布を示した図である。また、図１０は、筐体１０から１０μｍ離れたＰＤ実装面と平行な面における光強度の分布を示した図である。いずれの光強度分布も、光線追跡法によるシミュレーションにより求め、シミュレーションの条件は図５、６と同様である。
【００４９】
図９のように、ＰＤ実装面のほぼ全面にＬＥＤパッケージ３１からの光が到達することがわかる。また、ＰＤ実装面の中央付近からｘ軸負方向の領域には、光の明暗による模様が生じているが、これは図５と同様に、光導波路コア３３、光導波路クラッド１４、波長選択性ミラー３５の存在によるものである。また、図９と図１０を比較すると、図９において光が到達していた領域のうち中央付近からｘ軸負方向の領域は、図１０においては光が到達していないことがわかる。つまり、この領域はＬＥＤパッケージ３１からの光がＰＤ実装面において全反射している領域であることがわかる。このように、ＬＥＤパッケージ３１を空気層を介さずに直接接触させて実装させた場合には、ＰＤ実装面にＬＥＤパッケージ３１からの光が透過する領域と、光が全反射する領域とが生じることがわかる。
【００５０】
この２つの領域のうち、ＬＥＤパッケージ３１からの光が透過する領域にＰＤパッケージ３２を実装してしまうと、ＰＤパッケージ３２と筐体１０との間の空気層の有無に関わらず、透過した光がＰＤパッケージ３２に受光されて光クロストークが発生してしまう。したがって、ＬＥＤパッケージ３１を空気層を介さずに直接接触させて実装させた場合に、光クロストークを減少させる方法としては、ＰＤ実装面のうちＬＥＤパッケージ３１からの光が全反射する領域に、ＰＤパッケージ１２の受光面を空気層３７を介して配置する方法が考えられ、実施例３の光通信モジュールはこれを採用したものである。
【００５１】
実施例１、２の光通信モジュールでは、ＬＥＤパッケージと筐体との間に空気層を設けているためフレネル損失が発生し、ＬＥＤパッケージと光導波路コアとの光学的な接合率が低下してしまうが、実施例３の光通信モジュールでは、ＬＥＤパッケージ３１と筐体１０との間に空気層を設けていないため、ＬＥＤパッケージ３１と光導波路コア３３との光の結合率が高いという利点がある。
【００５２】
なお、実施例３の光通信モジュールでは、ＰＤパッケージ３２の実装において、ＰＤパッケージ３２のＰＤ実装面と接触する部分は、光吸収体３８を介して接触させ、これにより光クロストークの発生を抑制しているが、必ずしもその必要はない。たとえば、接触部分を着色しておいたり、筐体１０外面のＰＤ実装面以外の面に接触させてＰＤパッケージ２２を実装してもよい。そのような場合も光クロストークの発生を抑制することができる。
【００５３】
また、筐体の形状や屈折率、ＬＥＤ実装面とＰＤ実装面との成す角度、光導波路コアの分岐角度などを考慮したより一般的な光通信モジュールでは、ＰＤ実装面において、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域、光が到達して筐体の外部へ放射される領域、光が全反射する領域の３つの領域のうち少なくとも１つの領域が存在することが想定される。したがって、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域か、光が全反射する領域の少なくともどちらか一方が生じるように光通信モジュールの設計を行えば、実施例１〜３のいずれかを適用することができ、光クロストークを減少させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の光通信モジュールは、車載用、家庭用などの光通信ネットワークの構成に利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０：筐体
１１：ＬＥＤパッケージ
１２、２２、３２：ＰＤパッケージ
１３、２３、３３：光導波路コア
１４：光導波路クラッド
１５、２５、３５：波長選択性ミラー
１６：光ファイバー
１７、２７、３７：空気層
３８：光吸収体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長選択性ミラーにより分岐された自己形成光導波路コアと、それぞれの分岐端に接続するＬＥＤおよびＰＤを有した、一芯双方向の光通信に用いる光通信モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
以下のような構造の光通信モジュールが、一芯双方向の光通信のために開発されている。光通信モジュールは、筐体と、筐体内部に配置された波長選択性フィルタと、光ファイバーに光学的に接続し、波長選択性ミラーによって分岐された軸状の光導波路コアと、光導波路コアを覆う光導波路クラッドと、分岐された光導波路コアにそれぞれ光学的に接続するＬＥＤパッケージおよびＰＤ（フォトダイオード）パッケージと、を有した構造である。ＬＥＤパッケージから出射した光は光ファイバーを介して他の光通信モジュールへと送信され、他の光通信モジュールからの光は光ファイバーを介してＰＤパッケージで受信する。
【０００３】
このような光通信モジュールは自己形成光導波路の技術を用いて作製することができる。たとえば特許文献２のように、まず、筐体に波長選択性ミラーと光ファイバーを固定した後、筐体内に高屈折率の光硬化性樹脂を充填し、光ファイバーを介して硬化波長のレーザーを照射することで、波長選択性ミラーにより分岐された軸状の光導波路コアを形成し、さらに未硬化の光硬化性樹脂を除去した後、低屈折率の光硬化性樹脂を充填して硬化波長の光を照射することで光導波路クラッドを形成する。その後、分岐した光導波路コアに接続するＬＥＤパッケージおよびフォトダイオードパッケージを、パッシブアライメントやアクティブアライメントにより実装する。
【０００４】
特許文献１には、筐体として不透明材料を用いることで光クロストークを低減した光通信モジュールが示されている。ここで光クロストークは、ＬＥＤから出射した光の一部が光導波路コアと結合せずに周囲に漏れ、同一モジュール内のＰＤによって受光されてしまう現象で、通信特性を悪化させてしまう。また特許文献１には、光導波路コアとＬＥＤ、ＰＤとの接続のために、筐体に開口を設けることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１２２７４３
【特許文献２】特開平１１−３２６６６０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光クロストークを減少させるために不透明材料からなる筐体を用いた場合、特許文献１のように筐体に開口を設けるため、光導波路コアを形成する際に樹脂が流れ出るのを防止する必要があり、開口部に透明の部品を接着して塞ぐなど工夫が必要となる。その結果、部品点数の増加や製造工程が複雑となってしまう。また、筐体が不透明ではクラッドを硬化させるための紫外線照射に際して照射方向が限定され、良好にクラッドを硬化させることが難しい。
【０００７】
一方、透明材料からなる筐体を用いた場合、筐体に開口を設ける必要がないので、特許文献１のような工夫が必要なく、製造工程を簡略にすることができる。また、紫外線を任意の方向から照射することができるのでクラッドを良好に硬化させることができる。しかし、筐体が透明であるため光クロストークが発生し、通信特性を悪化させてしまうという問題が生じる。
【０００８】
そこで本発明の目的は、透明な筐体を用いた光通信モジュールにおいて、光クロストークを減少させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、透明材料からなる筐体と、筐体内部に配置された波長選択性フィルタと、筐体内部に配置され、光ファイバーに光学的に接続し、波長選択性ミラーによって分岐された光導波路コアと、筐体内部に配置され、光導波路コアを覆う光導波路クラッドと、筐体外部に配置され、分岐された光導波路コアにそれぞれ光学的に接続するＬＥＤパッケージおよびフォトダイオードパッケージと、を有した光通信モジュールにおいて、ＬＥＤパッケージと筐体との間に空気層を設け、フォトダイオードパッケージの受光面は、筐体外面のＬＥＤパッケージからの光が到達しない領域に接触している、ことを特徴とする光通信モジュールである。
【００１０】
第２の発明は、透明材料からなる筐体と、筐体内部に配置された波長選択性フィルタと、筐体内部に配置され、光ファイバーに光学的に接続し、波長選択性ミラーによって分岐された光導波路コアと、筐体内部に配置され、光導波路コアを覆う光導波路クラッドと、筐体外部に配置され、分岐された光導波路コアにそれぞれ光学的に接続するＬＥＤパッケージおよびフォトダイオードパッケージと、を有した光通信モジュールにおいて、ＬＥＤパッケージと筐体との間に空気層を設け、フォトダイオードパッケージの受光面は、筐体外面のＬＥＤパッケージからの光がその外面において全反射する領域に、空気層を介して配置されている、ことを特徴とする光通信モジュールである。
【００１１】
第３の発明は、第２の発明において、フォトダイオードパッケージの受光面以外の部分は、筐体外面のＬＥＤパッケージからの光が到達しない領域に接触させて実装されている、ことを特徴とする光通信モジュールである。
【００１２】
第４の発明は、透明材料からなる筐体と、筐体内部に配置された波長選択性フィルタと、筐体内部に配置され、光ファイバーに光学的に接続し、波長選択性ミラーによって分岐された光導波路コアと、筐体内部に配置され、光導波路コアを覆う光導波路クラッドと、筐体外部に配置され、分岐された光導波路コアにそれぞれ光学的に接続するＬＥＤパッケージおよびフォトダイオードパッケージと、を有した光通信モジュールにおいて、ＬＥＤパッケージと筐体外面とを直接に接触させ、フォトダイオードパッケージの受光面は、筐体外面のＬＥＤパッケージからの光がその外面において全反射する領域に、空気層を介して実装されている、ことを特徴とする光通信モジュールである。
【００１３】
第５の発明は、第２の発明または第４の発明において、フォトダイオードパッケージは、筐体外面に光吸収体を介して接触させて実装されている、ことを特徴とする光通信モジュールである。
【００１４】
本発明において筐体の透明材料は、ＬＥＤパッケージの出射光やフォトダイオードパッケージへの入射光の波長に対して透過する材料であることを意味し、たとえば可視光〜赤外光の範囲などで透過する材料であることを意味する。筐体の内面、外面のうち、ＬＥＤパッケージ、フォトダイオードパッケージ、および光ファイバーと光導波路コアとの光学的な結合に影響のない領域については、光吸収体を塗布するなどして光クロストークの減少を図ってもよい。
【００１５】
本発明において、光導波路コアの分岐角度は、光導波路コアから光ファイバーへ向かう軸方向を０°として、９０°以下とすることが望ましい。９０°を越えると、波長選択性ミラーの設計が難しくなるため望ましくない。
【００１６】
光導波路コアおよび光導波路クラッドは、既知の自己形成光導波路の技術を用いて作製することができる。特に本発明の場合、筐体として透明材料を用いるため、不透明材料を用いる場合よりも製造工程を簡略化することができ、光導波路クラッドを均一に硬化させることができる。
【００１７】
フォトダイオードパッケージの受光面は、すなわち光導波路コアの分岐端に対向する位置である。したがって、波長選択性ミラーの位置を調整し光導波路コアの分岐位置を調整することで、フォトダイオードパッケージの受光面が、ＬＥＤパッケージからの光が到達しない領域や、ＬＥＤパッケージからの光が全反射する領域に位置するよう調整することができる。
【００１８】
ＬＥＤパッケージと筐体との間の空気層、またはＰＤパッケージと筐体との間の空気層は、レンズ形状を持たせたパッケージを実装することで実現してもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の光通信モジュールでは、筐体として透明材料を用いた場合であっても光クロストークを減少させることができ、光通信モジュールの製造工程の簡略化、製造コストの低減などを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１の光通信モジュールの構成について示した図。
【図２】光通信モジュールを単純化したモデルの構成について示した図。
【図３】θ１とθ２の関係について示したグラフ。
【図４】反射率とθ２との関係について示したグラフ。
【図５】ＰＤ実装面における光強度の分布を示した図。
【図６】筐体１０から１０μｍ離れたＰＤ実装面と平行な面における光強度の分布を示した図。
【図７】実施例２の光通信モジュールの構成について示した図。
【図８】実施例３の光通信モジュールの構成について示した図。
【図９】ＰＤ実装面における光強度の分布を示した図。
【図１０】筐体１０から１０μｍ離れたＰＤ実装面と平行な面における光強度の分布を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２２】
図１は、実施例１の光通信モジュールの構成について示した図である。実施例１の光通信モジュールは、図１に示すように、筐体１０と、ＬＥＤパッケージ１１と、ＰＤ（フォトダイオード）パッケージ１２と、光導波路コア１３および光導波路クラッド１４と、波長選択性ミラー１５と、光ファイバー１６と、によって構成されている。
【００２３】
筐体１０は、アクリル樹脂やポリカーボネイト樹脂などの透明材料からなる直方体の升状の容器である。筐体１０は、たとえば射出成形などによって容易に作製することができる。筐体１０の内部には、波長選択性ミラー１５が配置され、波長選択性ミラーによってＴ字型に分岐された光導波路コア１３が配置されている。また、光ファイバー１６の一端が、光導波路コア１３に光学的に接続するよう筐体１０に固定されている。また、筐体１０内部全体は光導波路クラッド１４によって満たされており、これにより光導波路コア１３は光導波路クラッド１４に覆われている。
【００２４】
光導波路コア１３は、光ファイバー１６に光学的に接続する軸状の構造であり、波長選択性ミラー１５の位置で９０°の角度を成して２つに分岐している。光導波路コア１３のそれぞれの分岐端はＬＥＤパッケージ１１、ＰＤパッケージ１２と光学的に接続している。
【００２５】
光導波路コア１３および光導波路クラッド１４は、ともに光硬化性樹脂の硬化物であり、光導波路コア１３の屈折率は光導波路クラッド１４の屈折率よりも高くなっている。光導波路コア１３は、自己形成光導波路の技術を用いて作製されたものである。たとえば、コア形成用の液状の光硬化性樹脂を筐体１０内部に満たした後、光ファイバー１６を介して硬化波長のレーザー光を照射し、光硬化性樹脂を自己収束的に硬化させることにより、軸状の光導波路コア１３を形成することができる。また、光導波路コア１３の形成時に、筐体１０内部に波長選択性ミラー１５を配置して光ファイバー１６からの光を分岐させることで、光導波路コア１３も分岐させることができる。また、光導波路クラッド１４は、たとえば光導波路コア１３の形成後、未硬化の光硬化性樹脂を除去し、クラッド形成用の液状の光硬化性樹脂を筐体１０内部に満たし、硬化波長の光を筐体１０全体に照射することで光硬化性樹脂を硬化させることによって形成することができる。ここで、筐体１０として透明材料を用いているため、不透明材料を用いた場合のように筐体１０に開口を設けるなどの工夫をする必要がなく、光導波路コア１３の形成を簡略にすることができる。また、光導波路クラッド１４を形成する際の光照射は、不透明材料を用いた場合のように特定の方向から照射する必要はないので、クラッドを均一に硬化させることができる。
【００２６】
なお、実施例１の光通信モジュールでは、光導波路コア１３の分岐角度（ＬＥＤモジュールから光ファイバー１６に向かう方向を０°とする）を９０°としているが、光導波路コア１３の分岐角度は９０°以下であればよい。９０°未満（たとえば６０°）とすれば、波長選択性ミラー１５の設計がより容易となる。
【００２７】
ＬＥＤパッケージ１１は、０．２ｍｍ角のＬＥＤチップが透明樹脂にパッケージされたものである。ＬＥＤパッケージ１１は、空気層１７を介して光ファイバー１６と対向する筐体１０の外面１０Ａ（ＬＥＤ実装面）に実装されていて、分岐された光導波路コア１３の一端に光学的に接続している。ＬＥＤパッケージ１１と筐体１０との間には空気層１７を設けている。このような空気層１７は、レンズ形状を持たせたＬＥＤパッケージ１１を用い、そのレンズ側を筐体１０の外面１０Ａに接触させることで容易に実現することができる。
【００２８】
ＰＤパッケージ１２は、フォトダイオードが透明樹脂にパッケージされたものである。金属によりパッケージされたものを用いてもよいが、透明樹脂を用いたものの方がコストの面で望ましい。ＰＤパッケージ１２は、筐体１０のＬＥＤ実装面に対して９０°を成す外面１０Ｂ（ＰＤ実装面）に実装されていて、ＬＥＤパッケージ１１側とは異なる方の分岐された光導波路コア１３の一端に光学的に接続している。ここで、ＰＤパッケージ１２の受光面１２ａは、ＰＤ実装面中のＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域に配置されている。ＰＤパッケージ１２の実装位置をこのようなＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域とすることは、光導波路コア１３の分岐位置や分岐角度を調整することで、またＰＤパッケージ１２のサイズを選択することで、容易に達成することができる。
【００２９】
ＬＥＤパッケージ１１は、アクティブアライメントやパッシブアライメントなどの方法により実装する。アクティブアライメントは、光ファイバー１６から出力される光の強度をモニタしながら、強度が最大となる位置でパッケージの端を紫外線硬化接着剤などで固定する方法である。パッシブアライメントは、筐体に勘合構造を設けておき、そこにＬＥＤパッケージ１１をはめ込む方法である。ＰＤパッケージ１２についてもアクティブアライメントやパッシブアライメントなどの方法により実装する。ＰＤパッケージ１２を実装する際、受光面の全面に紫外線硬化接着剤を充填し、筐体のＰＤ実装面とＰＤパッケージ１２との間に空気層が生じないように実装することが望ましい。光のフレネル損失が小さくなり、高効率な光の結合が実現できる。
【００３０】
波長選択性ミラー１５は、ガラス基板上に誘電体多層膜を形成した構造である。使用する２波長に対してそれぞれ透過・反射するよう設計されている。２波長は可視光〜赤外光の任意の異なる波長であればよく、たとえば緑色と赤色である。
【００３１】
光ファイバー１６は、コア径１ｍｍのプラスチック光ファイバーである。この光ファイバー１６を介して、他方の光通信モジュールと接続している。
【００３２】
２つの光通信モジュールは、光ファイバー１６を介して接続される。一方の光通信モジュールのＬＥＤパッケージ１１からの出射光は、光導波路コア１３に結合して波長選択性ミラー１５を透過し、光ファイバー１６に接合する。そして、一方の光通信モジュールから他方の光通信モジュールへと光ファイバー１６を介して送信された光は、光導波路コア１３に結合して波長選択性ミラー１５により反射され、ＰＤパッケージ１２によって受光される。このようにして、一方の光通信モジュールと他方の光通信モジュールとで双方向の通信を行うことができ、車載用や家庭用などの光通信ネットワークを構成することができる。
【００３３】
次に、ＰＤパッケージの実装位置についてより詳細に説明する。実施例１の光通信モジュールでは、ＰＤ実装面には、ＬＥＤパッケージ１１からの光が全反射する領域と、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域と、の２つの領域が生じる。実施例１の光通信モジュールは、この２つの領域のうち、光が到達しない領域にＰＤパッケージ１２の受光面が配置されるよう実装するものである。
【００３４】
光が到達しない領域と光が全反射する領域の２つの領域が生じる理由を説明する。まず、図２のように、光通信モジュールの構成を単純化したモデルで考察する。ＬＥＤパッケージ１００からの光が空気層１０１を介して直方体の誘電体１０２のある面１０２ａ（ＬＥＤ実装面）から誘電体１０２内に入射し、その入射した光が、外面１０２ａに直交する外面１０２ｂ（ＰＤ実装面）に到達する場合について考察する。外面１０２ａへの光の入射角をθ１、誘電体１０２の屈折率をｎ２、外面１０２ｂへの光の入射角をθ２とすると、ｓｉｎ（θ１）＝ｎ２＊ｃｏｓ（θ２）である。ただし、空気の屈折率を１としている。ｎ２が１．４０、１．５０、１．６０の場合についてのθ１とθ２の関係は、図３のグラフのようになる。図３より、θ１が０〜９０°の範囲の場合、θ２はおよそ４５°以上となることがわかり、外面１０２ｂのうちθ２が４５°未満となる領域には光が到達しないことがわかる。
【００３５】
すなわち、θ３（＝９０°−θ２）の最大値をθｃ（θ１を９０°としたときのθ３であり、誘電体１０２から空気層１０１へ光が入射する際の臨界角）とし、ＬＥＤ実装面（外面１０２ａ）とＰＤ実装面（外面１０２ｂ）との交点を原点Ｏ、ＬＥＤ実装面における光の入射位置をｙ０として、ＰＤ実装面のうち、θｃをとるときに光がＰＤ実装面に到達する位置ｘ０（＝ｙ０／ｔａｎ（θｃ）、図３よりθｃが約４５°のため、ｘ０はおよそｙ０に等しい）よりも原点Ｏに近い領域（位置ｘ０よりもＬＥＤパッケージ１１側の領域）は、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域である。
【００３６】
また、図４は、誘電体１０２内の光のＰＤ実装面（誘電体１０２の面１０２ｂ）での反射率とθ２との関係を示したグラフである。図４より、θ２がおよそ４５°以上であれば、面１０２ｂで光が全反射することがわかる。図３よりθｃは約４５°であるから、θ２は４５°以上で常にθｃ以上となり、面１０２ｂに到達する光はすべて全反射することになる。以上により、ＰＤ実装面である面１０２ｂには、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域と、光が全反射する領域の２つの領域が存在することとなる。なお、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達して誘電体１０２の外部へ放射される領域は存在しないため、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域は、光が全反射する領域以外の領域となっている。
【００３７】
上記モデルについて一般的に考えると、θ３≦θｃ、９０°−θｃ≦θ２であるから、θｃ≦９０°−θｃすなわちθｃが４５°以下であれば、θｃ≦θ２となり、ＰＤ実装面に到達するすべての光は全反射する。一方、θｃが４５°よりも大きいと、９０°−θｃ≦θ２＜θｃの範囲でＰＤ実装面に到達する光は誘電体１０２の外部へ放射され、θｃ≦θ２の範囲でＰＤ実装面に到達する光は全反射する。つまり、θｃが４５°以下であれば、ＰＤ実装面には、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域と、光が全反射する領域の２つの領域が生じ、θｃが４５°よりも大きいと、ＬＥＤパッケージ１１側から順に、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域、光が到達し外部へ放射される領域、光が全反射する領域の３つの領域が生じる。
【００３８】
図５は、ＬＥＤパッケージ１１を発光させたときのＰＤ実装面における光強度の分布を示した図である。また、図６は、筐体１０から１０μｍ離れたＰＤ実装面と平行な面における光強度の分布を示した図である。いずれの光強度分布も、光線追跡法によるシミュレーションにより求めた。シミュレーションの条件は以下の通りである。ＬＥＤパッケージ１１には、出力波長５２０ｎｍ（緑色）の０．２ｍｍ角のＬＥＤチップを立方体の透明樹脂に封止したものを用いた。筐体１０とＬＥＤパッケージ１１とを１μｍ離して空気層１７を設けた。光導波路コア１３の直径は１ｍｍとした。波長選択性ミラー１５は、厚さ０．５ｍｍのガラス基板上に誘電体多層膜を形成して、緑色の波長は透過し、赤色の波長（６５０ｎｍ）は反射する特性を持たせたものを用いた。筐体１０のＰＤ実装面は６ｍｍ×６ｍｍの正方形とした。屈折率は、ＬＥＤパッケージ１１の透明樹脂が１．５７、筐体１０が１．４９、光導波路コア１３が１．５３、光導波路クラッド１４が１．４８、波長選択性ミラー１５のガラス基板が１．５２とした。また、筐体１０のＬＥＤ実装面、ＰＤ実装面以外の面は、光吸収体であると仮定した。これは、実際の光通信モジュールにおいて、ＬＥＤパッケージ１１から直接ＰＤ実装面に到達する光に比べて、ＰＤ実装面以外の面によって反射されてＰＤ実装面に到達する光は少なく、光クロストークへの影響は小さいと考えられるからである。また、実際の光通信モジュールにおいても、ＰＤ実装面以外の面に光吸収体を配置したり着色すれば、これと同様の効果が得られる。
【００３９】
図５、６において、ＰＤ実装面の中心を原点としている。ｘ軸は光導波路コア１３の軸方向であり、ｙ軸はこれに垂直な方向である。また、ｘ軸の正の方向がＬＥＤパッケージ１１側である。図５のように、ＰＤ実装面の中心付近からｘ軸負方向の領域にはＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しているが、ＰＤ実装面の中心付近からｘ軸正方向（ＬＥＤパッケージ１１側）にかけては、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達していないことがわかる。なお、ＰＤ実装面の中央付近からｘ軸負方向の領域には、光の明暗による模様が生じているが、これは光導波路コア１３、光導波路クラッド１４、波長選択性ミラー１５の存在によるものである。また、図５と図６を比較すると、図５において光が到達していた領域は、図６においては光が到達していないことがわかる。つまり、図５に現れている光は、ＰＤ実装面において全反射している光であることがわかる。
【００４０】
以上の考察から、光クロストークを減少させる方法として、以下の２つの方法が考えられる。１つは、ＬＥＤパッケージ１１と筐体１０との間には空気層１７を設けたことにより生じるＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域に、ＰＤパッケージ１２の受光面を接触させて実装することが考えられる。他の１つは、ＬＥＤパッケージ１１と筐体１０との間には空気層１７を設けたことにより生じるＬＥＤパッケージ１１からの光が全反射する領域に、ＰＤパッケージ１２の受光面を空気層を介して実装することが考えられる。いずれの場合も、波長選択性ミラー１５の位置を調整して光導波路コア１３の分岐位置を調整することなどによって、ＰＤパッケージの実装位置を調整することができる。実施例１の光通信モジュールは、この２つの方法のうち前者を採用することにより光クロストークを減少させている。
【００４１】
以上のように、実施例１の光通信モジュールでは、ＬＥＤパッケージ１１と筐体１０との間に空気層１７を設け、ＰＤパッケージ１２をＰＤ実装面のうち光が到達しない領域に実装しているため、筐体１０が透明材料であっても光クロストークが低減されている。また、筐体１０として透明材料を用いるため、光通信モジュールの作製が容易となり、低コスト化を図ることができる。
【００４２】
なお、ＬＥＤ実装面とＰＤ実装面が９０°であるとしているが、９０°を越える角度とすれば、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域がさらに拡大し、ＰＤパッケージ１２の実装がより容易になると考えられる。しかし、ＬＥＤ実装面とＰＤ実装面との成す角度が９０°を越えるということは光導波路コア１３の分岐角度が９０°を越えるということであり、波長選択性ミラー１５の設計が難しくなるという問題が生じる。また、ＬＥＤ実装面とＰＤ実装面との成す角度を９０°未満とすれば、光導波路コア１３の分岐角度が９０°未満となるため波長選択性ミラー１５の設計が容易となる。しかし、ＰＤ実装面において、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域と、光が全反射する領域との間に、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達して筐体１０の外部へ透過する領域が生じる。そのため、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域と光が全反射する領域は減少し、ＰＤパッケージ１２の実装が難しくなる。したがって、ＬＥＤ実装面とＰＤ実装面との成す角度はなるべく９０°に近いことが望ましく、９０°とするのが最も望ましい。また、ＬＥＤ実装面とＰＤ実装面は直交して連続しているが、必ずしも連続している必要はない。
【実施例２】
【００４３】
図７は、実施例２の光通信モジュールの構成について示した図である。実施例２の光通信モジュールは、実施例１の光通信モジュールにおけるＰＤパッケージ１２、光導波路コア１３、波長選択性ミラー１５に替えて、以下に説明するＰＤパッケージ２２、光導波路コア２３、波長選択性ミラー２５としたものである。ＰＤパッケージ２２は、その受光面がＰＤ実装面のうちＬＥＤパッケージ１１からの光が全反射する領域に、空気層２７を介して配置されている。ＰＤパッケージ２２のＰＤ実装面に接触する部分は、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域に接触させる。そして、波長選択性ミラー２５の位置を調整することで光導波路コア２３の分岐位置を調整し、ＰＤパッケージ２２の受光面がＬＥＤパッケージ１１からの光が全反射する領域となるような配置としている。なお、受光面にレンズ形状を持たせたＰＤパッケージ２２を実装することで空気層２７を設けてもよい。
【００４４】
実施例２の光通信モジュールは、実施例１の図２〜６における考察で示した、光クロストークを減少させる２つの方法のうち、後者を採用したものである。すなわち、ＬＥＤパッケージ１１と筐体１０との間には空気層１７を設けたことにより生じるＬＥＤパッケージ１１からの光が全反射する領域に、ＰＤパッケージ１２の受光面を空気層２７を介して配置する方法である。特に実施例２の光通信モジュールは、光導波路コア２３の直径や分岐位置、筐体１０の大きさ、形状などの制限により、ＰＤパッケージをＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域に実装することができない場合に適している。
【００４５】
なお、ＰＤパッケージ２２の実装において、ＰＤパッケージ２２のＰＤ実装面と接触する部分を、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域に接触させることで、光クロストークの発生を抑制しているが、必ずしもそのようにする必要はない。たとえば、光が全反射する領域にカーボンブラックを配合した接着剤などの光吸収体を介して接触させてＰＤパッケージ２２を実装してもよいし、接触部分を着色しておいたり、筐体１０外面のＰＤ実装面以外の面に接触させてＰＤパッケージ２２を実装してもよい。このようにしても光クロストークの発生を抑制することができる。
【実施例３】
【００４６】
図８は、実施例３の光通信モジュールの構成について示した図である。実施例３の光通信モジュールは、実施例１の光通信モジュールにおけるＬＥＤパッケージ１１、ＰＤパッケージ１２、光導波路コア１３、波長選択性ミラー１５に替えて、以下に説明するＬＥＤパッケージ３１、ＰＤパッケージ３２、光導波路コア３３、波長選択性ミラー３５としたものである。
【００４７】
ＬＥＤパッケージ３１は、筐体１０のＬＥＤ実装面に、空気層を設けずに直接接触させて実装されている。ＰＤパッケージ３２は、その受光面３２ａがＰＤ実装面のうちＬＥＤパッケージ３１からの光が全反射する領域に、空気層３７を介して配置されている。ＰＤパッケージ３２のＰＤ実装面に接触する部分３２ｂは、光吸収体３８を介して接触している。光吸収体３８は、たとえばカーボンブラックを配合した接着剤などである。そして、波長選択性ミラー３５の位置を調整することで光導波路コア３３の分岐位置を調整し、ＰＤパッケージ３２の受光面３２ａがＬＥＤパッケージ３１からの光が全反射する領域となるような配置としている。なお、受光面にレンズ形状を持たせたＰＤパッケージ３２を実装することで空気層３７を設けてもよい。
【００４８】
図９は、ＬＥＤパッケージ３１を発光させたときのＰＤ実装面における光強度の分布を示した図である。また、図１０は、筐体１０から１０μｍ離れたＰＤ実装面と平行な面における光強度の分布を示した図である。いずれの光強度分布も、光線追跡法によるシミュレーションにより求め、シミュレーションの条件は図５、６と同様である。
【００４９】
図９のように、ＰＤ実装面のほぼ全面にＬＥＤパッケージ３１からの光が到達することがわかる。また、ＰＤ実装面の中央付近からｘ軸負方向の領域には、光の明暗による模様が生じているが、これは図５と同様に、光導波路コア３３、光導波路クラッド１４、波長選択性ミラー３５の存在によるものである。また、図９と図１０を比較すると、図９において光が到達していた領域のうち中央付近からｘ軸負方向の領域は、図１０においては光が到達していないことがわかる。つまり、この領域はＬＥＤパッケージ３１からの光がＰＤ実装面において全反射している領域であることがわかる。このように、ＬＥＤパッケージ３１を空気層を介さずに直接接触させて実装させた場合には、ＰＤ実装面にＬＥＤパッケージ３１からの光が透過する領域と、光が全反射する領域とが生じることがわかる。
【００５０】
この２つの領域のうち、ＬＥＤパッケージ３１からの光が透過する領域にＰＤパッケージ３２を実装してしまうと、ＰＤパッケージ３２と筐体１０との間の空気層の有無に関わらず、透過した光がＰＤパッケージ３２に受光されて光クロストークが発生してしまう。したがって、ＬＥＤパッケージ３１を空気層を介さずに直接接触させて実装させた場合に、光クロストークを減少させる方法としては、ＰＤ実装面のうちＬＥＤパッケージ３１からの光が全反射する領域に、ＰＤパッケージ１２の受光面を空気層３７を介して配置する方法が考えられ、実施例３の光通信モジュールはこれを採用したものである。
【００５１】
実施例１、２の光通信モジュールでは、ＬＥＤパッケージと筐体との間に空気層を設けているためフレネル損失が発生し、ＬＥＤパッケージと光導波路コアとの光学的な接合率が低下してしまうが、実施例３の光通信モジュールでは、ＬＥＤパッケージ３１と筐体１０との間に空気層を設けていないため、ＬＥＤパッケージ３１と光導波路コア３３との光の結合率が高いという利点がある。
【００５２】
なお、実施例３の光通信モジュールでは、ＰＤパッケージ３２の実装において、ＰＤパッケージ３２のＰＤ実装面と接触する部分は、光吸収体３８を介して接触させ、これにより光クロストークの発生を抑制しているが、必ずしもその必要はない。たとえば、接触部分を着色しておいたり、筐体１０外面のＰＤ実装面以外の面に接触させてＰＤパッケージ２２を実装してもよい。そのような場合も光クロストークの発生を抑制することができる。
【００５３】
また、筐体の形状や屈折率、ＬＥＤ実装面とＰＤ実装面との成す角度、光導波路コアの分岐角度などを考慮したより一般的な光通信モジュールでは、ＰＤ実装面において、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域、光が到達して筐体の外部へ放射される領域、光が全反射する領域の３つの領域のうち少なくとも１つの領域が存在することが想定される。したがって、ＬＥＤパッケージ１１からの光が到達しない領域か、光が全反射する領域の少なくともどちらか一方が生じるように光通信モジュールの設計を行えば、実施例１〜３のいずれかを適用することができ、光クロストークを減少させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の光通信モジュールは、車載用、家庭用などの光通信ネットワークの構成に利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０：筐体
１１：ＬＥＤパッケージ
１２、２２、３２：ＰＤパッケージ
１３、２３、３３：光導波路コア
１４：光導波路クラッド
１５、２５、３５：波長選択性ミラー
１６：光ファイバー
１７、２７、３７：空気層
３８：光吸収体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明材料からなる筐体と、前記筐体内部に配置された波長選択性フィルタと、前記筐体内部に配置され、光ファイバーに光学的に接続し、前記波長選択性ミラーによって分岐された光導波路コアと、前記筐体内部に配置され、前記光導波路コアを覆う光導波路クラッドと、前記筐体外部に配置され、分岐された光導波路コアにそれぞれ光学的に接続するＬＥＤパッケージおよびフォトダイオードパッケージと、を有した光通信モジュールにおいて、
前記ＬＥＤパッケージと前記筐体との間に空気層を設け、
前記フォトダイオードパッケージの受光面は、前記筐体外面の前記ＬＥＤパッケージからの光が到達しない領域に接触している、
ことを特徴とする光通信モジュール。
【請求項２】
透明材料からなる筐体と、前記筐体内部に配置された波長選択性フィルタと、前記筐体内部に配置され、光ファイバーに光学的に接続し、前記波長選択性ミラーによって分岐された光導波路コアと、前記筐体内部に配置され、前記光導波路コアを覆う光導波路クラッドと、前記筐体外部に配置され、分岐された光導波路コアにそれぞれ光学的に接続するＬＥＤパッケージおよびフォトダイオードパッケージと、を有した光通信モジュールにおいて、
前記ＬＥＤパッケージと前記筐体との間に空気層を設け、
前記フォトダイオードパッケージの受光面は、前記筐体外面の前記ＬＥＤパッケージからの光がその外面において全反射する領域に、空気層を介して配置されている、
ことを特徴とする光通信モジュール。
【請求項３】
前記フォトダイオードパッケージの受光面以外の部分は、前記筐体外面の前記ＬＥＤパッケージからの光が到達しない領域に接触させて実装されている、ことを特徴とする請求項２に記載の光通信モジュール。
【請求項４】
透明材料からなる筐体と、前記筐体内部に配置された波長選択性フィルタと、前記筐体内部に配置され、光ファイバーに光学的に接続し、前記波長選択性ミラーによって分岐された光導波路コアと、前記筐体内部に配置され、前記光導波路コアを覆う光導波路クラッドと、前記筐体外部に配置され、分岐された光導波路コアにそれぞれ光学的に接続するＬＥＤパッケージおよびフォトダイオードパッケージと、を有した光通信モジュールにおいて、
前記ＬＥＤパッケージと前記筐体外面とを直接に接触させ、
前記フォトダイオードパッケージは、前記筐体外面の前記ＬＥＤパッケージからの光がその外面において全反射する領域に、空気層を介して実装されている、
ことを特徴とする光通信モジュール。
【請求項５】
前記フォトダイオードパッケージは、前記筐体外面に光吸収体を介して接触させて実装されている、ことを特徴とする請求項２または請求項４に記載の光通信モジュール。
【請求項１】
透明材料からなる筐体と、前記筐体内部に配置された波長選択性フィルタと、前記筐体内部に配置され、光ファイバーに光学的に接続し、前記波長選択性ミラーによって分岐された光導波路コアと、前記筐体内部に配置され、前記光導波路コアを覆う光導波路クラッドと、前記筐体外部に配置され、分岐された光導波路コアにそれぞれ光学的に接続するＬＥＤパッケージおよびフォトダイオードパッケージと、を有した光通信モジュールにおいて、
前記ＬＥＤパッケージと前記筐体との間に空気層を設け、
前記フォトダイオードパッケージの受光面は、前記筐体外面の前記ＬＥＤパッケージからの光が到達しない領域に接触している、
ことを特徴とする光通信モジュール。
【請求項２】
透明材料からなる筐体と、前記筐体内部に配置された波長選択性フィルタと、前記筐体内部に配置され、光ファイバーに光学的に接続し、前記波長選択性ミラーによって分岐された光導波路コアと、前記筐体内部に配置され、前記光導波路コアを覆う光導波路クラッドと、前記筐体外部に配置され、分岐された光導波路コアにそれぞれ光学的に接続するＬＥＤパッケージおよびフォトダイオードパッケージと、を有した光通信モジュールにおいて、
前記ＬＥＤパッケージと前記筐体との間に空気層を設け、
前記フォトダイオードパッケージの受光面は、前記筐体外面の前記ＬＥＤパッケージからの光がその外面において全反射する領域に、空気層を介して配置されている、
ことを特徴とする光通信モジュール。
【請求項３】
前記フォトダイオードパッケージの受光面以外の部分は、前記筐体外面の前記ＬＥＤパッケージからの光が到達しない領域に接触させて実装されている、ことを特徴とする請求項２に記載の光通信モジュール。
【請求項４】
透明材料からなる筐体と、前記筐体内部に配置された波長選択性フィルタと、前記筐体内部に配置され、光ファイバーに光学的に接続し、前記波長選択性ミラーによって分岐された光導波路コアと、前記筐体内部に配置され、前記光導波路コアを覆う光導波路クラッドと、前記筐体外部に配置され、分岐された光導波路コアにそれぞれ光学的に接続するＬＥＤパッケージおよびフォトダイオードパッケージと、を有した光通信モジュールにおいて、
前記ＬＥＤパッケージと前記筐体外面とを直接に接触させ、
前記フォトダイオードパッケージは、前記筐体外面の前記ＬＥＤパッケージからの光がその外面において全反射する領域に、空気層を介して実装されている、
ことを特徴とする光通信モジュール。
【請求項５】
前記フォトダイオードパッケージは、前記筐体外面に光吸収体を介して接触させて実装されている、ことを特徴とする請求項２または請求項４に記載の光通信モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図７】
【図８】
【図５】
【図６】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図７】
【図８】
【図５】
【図６】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１８１３７２（Ｐ２０１２−１８１３７２Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４４４０８（Ｐ２０１１−４４４０８）
【出願日】平成２３年３月１日（２０１１．３．１）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１日（２０１１．３．１）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【Ｆターム（参考）】
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