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WO2017002149A1 - 光信号伝送システム及び光レセプタクル - Google Patents

光信号伝送システム及び光レセプタクル Download PDF

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WO2017002149A1
WO2017002149A1 PCT/JP2015/003345 JP2015003345W WO2017002149A1 WO 2017002149 A1 WO2017002149 A1 WO 2017002149A1 JP 2015003345 W JP2015003345 W JP 2015003345W WO 2017002149 A1 WO2017002149 A1 WO 2017002149A1
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WO
WIPO (PCT)
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fiber
optical
light
lens
face
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2015/003345
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English (en)
French (fr)
Inventor
稔明 鈴木
宮崎　靖浩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Olympus Corp filed Critical Olympus Corp
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Priority to CN201580080895.7A priority patent/CN107735708B/zh
Priority to PCT/JP2015/003345 priority patent/WO2017002149A1/ja
Priority to JP2017525688A priority patent/JP6483258B2/ja
Publication of WO2017002149A1 publication Critical patent/WO2017002149A1/ja
Priority to US15/840,564 priority patent/US10386580B2/en
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    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4292—Coupling light guides with opto-electronic elements the light guide being disconnectable from the opto-electronic element, e.g. mutually self aligning arrangements

Definitions

  • the present invention relates to an optical signal transmission system and an optical receptacle that can be used for the optical signal transmission system.
  • Patent Document 1 As an optical signal transmission system, for example, the one disclosed in Patent Document 1 is known.
  • the optical signal transmission system disclosed in Patent Document 1 transmits signal light emitted from a laser diode to an optical receptacle through a transmission fiber, an optical connector, and a reception fiber.
  • an optical connector used for such an optical signal transmission system the thing of an indication is known by patent document 2, for example.
  • the thing of patent document 3 is known, for example.
  • the optical connector disclosed in Patent Document 2 is a so-called spatial coupling type in which a transmitting fiber and a receiving fiber are coupled via a lens.
  • the lens is configured to form an image by reducing the exit end face of the transmission fiber to the entrance end face of the reception fiber.
  • the NA number of the receiving fiber needs to be larger than the NA of the transmitting optical fiber.
  • the optical receptacle disclosed in Patent Document 3 includes a lens and a light receiving element, and the signal light emitted from the end face of the receiving fiber and emitted into space is collected by the lens and photoelectrically converted.
  • the light receiving element one having a small light receiving surface diameter is used.
  • the light receiving element tends to reduce the diameter (light receiving diameter) of the light receiving surface to obtain a good frequency response speed, and one having a size of about 50 ⁇ m is often used. Therefore, the lens is configured to reduce and image the exit end face of the receiving fiber on the light receiving element. As a result, the NA of the luminous flux incident on the light receiving element becomes larger than the NA of the receiving fiber.
  • JP 2005-318532 A Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-181339 JP, 2014-232261, A
  • FIG. 28 shows a configuration example of the optical signal transmission system in this case, and the signal light diverged and emitted from the laser diode 110 passes through the transmitting fiber 120, the optical connector 130 and the receiving fiber 140 to the optical receptacle 150. It is to transmit.
  • the optical connector 130 has lenses 131 and 132.
  • the signal light emitted from the emission end face 120ex of the transmission fiber 120 is collimated by the lens 131, and the parallel light is condensed by the lens 132 to be incident on the reception fiber 140
  • the lens 131 and the lens 132 are configured to be detachable.
  • the optical receptacle 150 also includes a lens 151 and a light receiving element 152, and causes the lens 151 to focus the signal light emitted from the exit end face of the receiving fiber 140 on the light receiving element 152.
  • the core diameter of the transmitting fiber 120 and the core diameter of the transmitting fiber 120 are required to For example, the core diameter should be 50 ⁇ m and the NA should be as large as 0.27.
  • the optical connector 130 causes the signal light emitted from the transmitting fiber 120 by the lenses 131 and 132 to enter the receiving fiber 140 at an optical spot smaller than the core diameter. You need to Therefore, the allowable value of the alignment error in this case becomes as small as at most about 20 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the receiving fiber 140 is thicker than the transmitting fiber 120, for example, the core diameter is 150 ⁇ m, and the NA is 0.3.
  • the reduction ratio of the lens 151 is 1/1. It will be three. Therefore, in this case, the NA of the luminous flux collected on the light receiving element 152 is 0.9, which is three times the NA of the receiving fiber 140.
  • the NA of the light beam incident on the light receiving element 152 is increased as described above, the aberration of the lens 151 is also increased, the light collecting property is reduced, and it is difficult to reduce the diameter of the light receiving surface of the light receiving element 152. As a result, improvement in frequency response speed can not be expected.
  • the light receiving element 152 is made of a high refractive index material such as silicon and has a surface reflectance of 30% or more, return light due to reflection of signal light at the light receiving element 152 is a laser diode It is also feared that the signal light emitted from 110 is adversely affected. Therefore, although the antireflective film is often provided on the light receiving surface of the light receiving element 152, the antireflective film has incident angle dependency, and a sufficient effect can not be expected for incident light with a wide angle. .
  • an object of the present invention made in view of such a point is to provide an optical signal transmission system capable of stably maintaining an optical line while maintaining the frequency response speed of a light receiving element, and improving the reliability of the system It provides an optical receptacle.
  • the optical signal transmission system is A transmitting fiber having an emitting end face for transmitting signal light and emitting the signal light;
  • a receiving fiber for transmitting the signal light having an incident end face for receiving the signal light emitted from the exit end face of the transmission fiber and an emitting end face for emitting the signal light;
  • An optical connector disposed between the transmitting fiber and the receiving fiber and having a lens for guiding the signal light emitted from the exit end face of the transmitting fiber to the incident end face of the receiving fiber; It has a light receiving surface on which the signal light transmitted through the receiving fiber is incident, and a light receiving element that photoelectrically converts the incident signal light, and guides the signal light transmitted through the receiving fiber to the light receiving surface
  • An optical receptacle having a lens;
  • In an optical signal transmission system comprising The core diameter at the emission end face of the transmission fiber is 11 ex, The core diameter at the incident end face of the receiving fiber is 22en, The diameter of the light receiving surface of the light receiving element is pdpd, And when 1
  • an optical receptacle for achieving the above object is: A lens for condensing light emitted from the optical fiber; A light receiving element for receiving the light condensed by the lens; A solid immersion lens coupled to the light receiving surface of the light receiving element; Is provided.
  • the optical line can be stably maintained while maintaining the frequency response speed of the light receiving element, and the reliability of the system can be improved.
  • FIG. 19 is a partial cross-sectional view of FIG. 18; It is explanatory drawing of the surface number in the lens data of the optical receptacle of FIG.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view showing the main configuration of the optical receptacle of FIG. 18; It is a figure which shows the reflectance characteristic with respect to the incident angle of the anti-reflective film given to the light receiving element (silicon) of the optical signal transmission system of 3rd Embodiment.
  • the first main configuration of the optical signal transmission system according to the present invention has a core diameter of ⁇ 2en at the incident end face of the receiving fiber, a core diameter of ⁇ 1ex at the exit end face of the transmitting fiber, and ⁇ pd of the light receiving surface of the light receiving element.
  • en2en is made larger than ⁇ 1ex and ⁇ pd.
  • the optical connector configures the NA 1 ex to be larger than the NA 2 en when the NA of the signal light emitted from the transmission fiber is NA 1 ex and the NA of the signal light to be incident on the reception fiber is NA 2 en.
  • NA2en of the signal light entering the receiving fiber is emitted from the transmitting fiber by the lens disposed in the optical connector To be smaller than NA 1 ex of the signal light.
  • the core diameter 22en at the incident end face of the receiving fiber is made larger than the core diameter 11ex at the exit end face of the transmitting fiber and the diameter ⁇ ⁇ pd of the light receiving surface of the light receiving element.
  • a solid immersion lens is coupled to the light receiving element of the optical receptacle.
  • a solid immersion lens is bonded on the light receiving element in the optical receptacle, using a receiving fiber having a core diameter larger than the light receiving surface of the transmission fiber and the light receiving element.
  • Etendue is a physical quantity obtained by multiplying a solid angle and an area.
  • FIG. 1 when the illumination light emitted from the light emitting surface 1 is condensed on the lens 2 and made incident on the light receiving surface 3, in the case where the shape of the light emitting surface 1 or the light receiving surface 3 is a circle of diameter D, The etendue E can be approximated as shown by the following equation (1) using the NA of the emitted or incident illumination light. Note that FIG. 1 exemplifies a case where illumination light is emitted from the circular light emitting surface 1 of diameter D with a numerical aperture NA, and the illumination light is condensed on the lens 2 and is incident on the light receiving surface 3.
  • etendue the conditions for efficient illumination without wasting light are: It can be written as: etendue of light emitting surface 1 ⁇ etendue of light receiving surface 3.
  • etendue of light emitting surface 1 ⁇ etendue of light receiving surface 3.
  • the condition under which signal light is transmitted without loss is (Etendue of transmitting fiber) ⁇ (Etendue of receiving fiber) ⁇ (Etendue of light receiving element) It is.
  • the condition for reducing the NApd can be derived. That is, as shown in FIG. 2, in the optical receptacle 50, when the signal light emitted from the emission end face 40 ex of the receiving fiber 40 is collected by the lens 51 to be incident on the light receiving surface 52 a of the light receiving element 52, the receiving fiber Assuming that the core diameter at the emission end face 40 ex of 40 is 22 ex and the NA of the signal light emitted from the receiving fiber 40 is NA 2 ex, the following equation (2) holds from the imaging relationship of the lenses.
  • NApd of the signal light incident on the light receiving surface 52a is expressed by the following equation (3) from the etendue approximation equation of the above equation (1).
  • the etendue of the receiving fiber 40 needs to be determined in consideration of not only the optical receptacle 50 but also an optical connector for relaying the signal light from the transmitting fiber to the receiving fiber 40.
  • the optical connector in order to transmit signal light without loss, it is necessary to make the etendue of the receiving fiber 40 larger than that of the transmitting fiber.
  • the etendue of the receiving fiber 40 is too large, as described above, the NApd of the signal light incident on the light receiving surface 52a becomes large, so the etendue of the receiving fiber 40 needs to be set appropriately.
  • FIG. 3 shows a schematic configuration of the optical connector.
  • the optical connector 30 has a lens 31 for guiding the signal light emitted from the emission end face 20 ex of the transmission fiber 20 to the incident end face 40 en of the reception fiber 40.
  • the lens 31 has two plano-convex lenses 32 and 33 arranged with convex surfaces facing each other.
  • the optical connector 30 is detachably coupled between the plano-convex lenses 32 and 33.
  • the optical connector 30 converts the signal light emitted from the exit end face 20 ex of the transmission fiber 20 into parallel light with the plano-convex lens 32, condenses the parallel light signal light with the plano-convex lens 33, and makes the incident end face 40 en of the receiving fiber 40. Let it strike.
  • the etendue E 0 is determined by the following equation (5) using the core diameter 1 1 ex at the exit end face 20 ex of the transmission fiber 20 and the NA 1 ex of the signal light emitted from the transmission fiber 20. It is represented by).
  • NA2en of the signal light incident on the incident end face 40en of the receiving fiber 40 is expressed by the following equation (6), where the imaging magnification of the optical connector 30 is ⁇ con.
  • the NA2en of the incident light flux of the signal light to the receiving fiber is made as a trade-off to make the core diameter of the receiving fiber thicker than the core diameter of the transmitting fiber.
  • the small size prevents the etendue of the receiving fiber from becoming too large.
  • the image forming relationship between the transmitting fiber and the receiving fiber is a reduction magnification
  • the lens arrangement of the enlargement magnification is used.
  • the etendue gradually expands in the order in which the signal light reaches the light receiving element 152 from the transmitting fiber 120 through the receiving fiber 140, and finally from the lens 151 of the optical receptacle 150 to the light receiving element 152
  • the maximum incident angle of the incident light ray becomes excessively large. This is because the light receiving element 152 is required to have a large etendue, but as a trade-off to reduce the diameter of the light receiving element 152, the NA must be increased.
  • the light receiving surface is embedded in the medium of the solid immersion lens by bonding the solid immersion lens to the light receiving element.
  • the NA of the light receiving element is increased without increasing the maximum incident angle of the incident signal light.
  • the solid immersion lens acts to expand the etendue of the light receiving element.
  • a hemispherical lens 56 as shown in FIG. 4A or a super hemispherical lens 57 as shown in FIG. 4B can be used.
  • the hemispherical lens 56 condenses the incident light from the spherical surface to the spherical center. Therefore, the light receiving element 52 is bonded to the flat surface of the hemispherical lens 56 via an adhesive or the like so that the light receiving surface 52 a is positioned at the spherical center of the hemispherical lens 56. Further, in FIG.
  • the super hemispherical lens 57 has a positional relationship in which the incident point of the light beam and the focusing point satisfy the aplanatic condition (a condition in which no spherical aberration and coma aberration occur) with respect to the spherical surface.
  • the points are formed in a plane. Therefore, the light receiving element 52 is bonded to the plane of the super hemispherical lens 57 via an adhesive or the like so that the light receiving surface 52 a is positioned at the condensing point of the super hemispherical lens 57.
  • the light beam toward the spherical center of the hemispherical lens 56 is condensed in the medium of the hemispherical lens 56 without being refracted by the spherical surface of the hemispherical lens 56. Therefore, the NApd of the signal light incident on the light receiving element 52 is twice the refractive index of the medium of the hemispherical lens 56 with respect to that in the air. Further, in the case of the super hemispherical lens 57 shown in FIG.
  • the signal light is refracted by the spherical surface of the super hemispherical lens 57 and condensed at a numerical aperture twice the refractive index of the medium of the super hemispherical lens 57. Focus in the medium. Therefore, the NApd of the signal light incident on the light receiving element 52 is equal to the square of the refractive index of the medium of the super hemispherical lens 57 with respect to that in the air.
  • NApd is more effective when light is collected in the medium of the solid immersion lens than when light is directly collected in the air on the light receiving element 52.
  • the maximum incident angle of the light beam incident on the light receiving element can be reduced to obtain a desired etendue. As a result, it is possible to use a large diameter receiver fiber.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the main part of the optical signal transmission system according to the first embodiment.
  • the optical signal transmission system shown in FIG. 5 transmits signal light diverged and emitted from the laser diode 10 to the optical receptacle 50 through the transmission fiber 20, the optical connector 30 and the reception fiber 40.
  • the laser diode 10 is coupled to the incident end face 20 en of the transmission fiber 20 to make the signal light directly enter the transmission fiber 20.
  • the transmission fiber 20 transmits the signal light incident on the incident end face 20 en and emits the signal light from the emission end face 20 ex to the optical connector 30.
  • the optical connector 30 is, as described with reference to FIG. 3, a flat surface facing each other with convex surfaces as the lens 31 for guiding the signal light emitted from the emission end face 20ex of the transmission fiber 20 to the incident end face 40en of the reception fiber 40. It has convex lenses 32 and 33.
  • the plano-convex lens 32 causes the signal light emitted from the exit end face 20 ex of the transmission fiber 20 to be incident on the plano-convex lens 33 as parallel light.
  • the plano-convex lens 33 condenses the signal light of the parallel light from the plano-convex lens 32 and makes it incident on the incident end face 40 en of the receiving fiber 40.
  • the optical connector 30 is configured to be removable between the plano-convex lens 32 and the plano-convex lens 33.
  • the receiving fiber 40 transmits the signal light incident on the incident end surface 40 en, and emits the signal light from the emission end surface 40 ex to be incident on the optical receptacle 50.
  • the optical receptacle 50 includes a lens 51 and a light receiving element 52, and the signal light emitted from the emission end face 40 ex of the receiving fiber 40 is collected by the lens 51 and is incident on the light receiving element 52.
  • the transmission fiber 20 needs to have ⁇ 1 and NA1 large to some extent, where ⁇ 1 is the core diameter and NA1 is NA in order to directly input the signal light emitted divergingly from the laser diode 10. is there. Therefore, the transmission fiber 20 is formed of a multimode fiber having a core diameter 11 of, for example, 50 ⁇ m and an NA1 of 0.27.
  • the transmitting fiber 20 has a core diameter 11 in which the core diameter 11 en at the incident end face 20 en and the core diameter 11 ex at the emission end face 20 ex are equal.
  • the receiving fiber 40 satisfies (Etendue of the transmitting fiber 20) ⁇ (Etendue of the receiving fiber 40) in the optical connector 30. Therefore, assuming that the core diameter is ⁇ 2 and the NA is NA2 as the condition 1, 50 ⁇ m ⁇ 0.27 ⁇ ⁇ 2 ⁇ NA2 is satisfied.
  • the receiving fiber 40 has a core diameter 22 in which the core diameter 22 en at the incident end surface 40 en and the core diameter 22 ex at the emission end surface 40 ex are equal.
  • the light receiving element 52 is configured with a small diameter of, for example, 50 ⁇ m.
  • the NApd of the signal light incident on the light receiving element 52 is set to, for example, 0.65, with the NA of the lens 51 as the upper limit that is not unreasonable in optical design. Therefore, as condition 2, the optical receptacle 50 is configured to satisfy ⁇ 2 ⁇ NA2 ⁇ 50 ⁇ m ⁇ 0.65 from (Etendue of the receiving fiber 40) ⁇ (Etendue of the light receiving element 52).
  • the optical connector 30 is configured such that the NA2en of the signal light collected on the reception fiber 40 is smaller than the NA1ex of the signal light emitted from the transmission fiber 20. Therefore, as condition 3, the receiving fiber 40 is configured to satisfy NA2 ⁇ 0.27.
  • FIG. 6 is a view for explaining a receiving fiber 40 which can be used in the present embodiment.
  • the vertical axis indicates NA
  • the horizontal axis indicates core diameter ⁇ .
  • the solid line I indicates the upper limit of NA 2 of the receiving fiber 40 determined from the etendue of the optical receptacle 50.
  • the solid line II indicates the lower limit of NA2 of the receiving fiber 40 determined from the etendue of the optical connector 30.
  • the area shown by hatching in FIG. 6 is the usable area that satisfies the above conditions 1 to 3 as the light receiving fiber 40. It can be understood from FIG. 6 that when the core diameter 22 is increased, the light receiving fiber 40 should decrease NA2 in inverse proportion.
  • the receiving fiber 40 is formed of, for example, a multimode fiber having a core diameter 22 of 150 ⁇ m and an NA2 of 0.2.
  • the multimode fiber is classified into a graded index type having a distribution in which the refractive index of the core decreases outward from the center and a step index type in which the refractive index of the core is homogeneous.
  • the graded index type is considered to have a good signal quality because the transmission time is not delayed between the light passing through the center of the core and the light passing through the periphery.
  • NA gradually decreases from the center of the core to the outside, incident light leaks even when there is no alignment error when used on the receiving side of the optical connector, and the optical loss increases compared to the step index type. . Therefore, in a short distance communication application such as indoor wiring, a time index of an optical signal is hardly a problem, so a step index type with less optical loss is desirable.
  • FIG. 7 is a schematic block diagram of the optical connector 30.
  • the optical connector 30 has the plano-convex lenses 32 and 33 as described above, and the parallel light portion between the plano-convex lens 32 and the plano-convex lens 33 is configured such that the transmission side and the reception side are detachable.
  • dirt such as dust adheres to the convex surfaces of the plano-convex lenses 32 and 33 at the attachment / detachment portion which becomes parallel light, the signal light is blocked and the optical line can not be maintained. Therefore, it is necessary to make the luminous flux diameter of the parallel light sufficiently larger than the assumed size of the dirt. Specifically, about 1 mm to 3 mm is appropriate. In the present embodiment, the beam diameter is, for example, 3 mm.
  • the focal length is 5.5 mm.
  • the plano-convex lens 33 on the receiving fiber 40 side has a luminous flux radius of 1.5 mm, and the NA 2 of the receiving fiber 40 is 0.2, so the focal length is 7.5 mm, but in the present embodiment it is slightly longer than that. It has become.
  • the focal length of the plano-convex lens 33 is 8.0 mm, which is slightly longer than 7.5 mm.
  • the plano-convex lenses 32 and 33 may be spherical lenses, but in the present embodiment, the plano-convex lenses 32 and 33 are aspheric lenses.
  • the plano-convex lens 32 on the transmission fiber 20 side can be the same aspheric lens as the plano-convex lens 33 on the reception fiber 40 side.
  • an adaptive lens 34 is further disposed between the transmission fiber 20 and the plano-convex lens 32 to achieve NA matching.
  • the aplanatic lens 34 has an action of enlarging the NA of the plano-convex lens 32 to the refractive index of the lens material without affecting the aberration. Therefore, by using quartz with a refractive index of 1.45 as the lens material of the aplanatic lens 34, it is possible to substantially match the NA of the plano-convex lens 32 and the NA1 of the transmission fiber 20.
  • plano-convex lenses 32 and 33 are aspheric lenses, the blurring of the light spot due to the aberration can be reduced, so that the state of focusing of the signal light on the incident end face 40en of the receiving fiber 40 can be improved. Therefore, there is an advantage that the clearance between the core diameter of the receiving fiber 40 and the incident light spot diameter can be increased.
  • Table 1 shows lens data of the optical connector 30 shown in FIG.
  • the transmission core represents the exit end face 20ex of the transmission fiber 20
  • the reception core represents the entrance end 40en of the reception fiber 40
  • the refractive index is a measured value at a measurement wavelength of 850 nm.
  • the unit of the radius of curvature and the surface separation is mm.
  • the surface numbers in Table 1 are shown in FIG.
  • the aspheric surface shape (ASP) of the surface 4 and the surface 5 is expressed by the following expression (7), where z is an optical axis with the light traveling direction as positive and y is a direction orthogonal to the optical axis Ru.
  • R is a paraxial radius of curvature
  • k is a conical coefficient
  • a 4 , A 6 , A 8 , and A 10 are fourth-order, sixth-order, eighth-order, and tenth-order aspheric coefficients, respectively. is there.
  • Table 2 shows each aspheric coefficient of the surface 4 and the surface 5 based on the equation (7).
  • "E-n" (n is an integer) indicates "10- n .”
  • the image of the emitting end face 20ex of the transmitting fiber 20 is enlarged and imaged on the incident end face 40en of the receiving fiber 40. It becomes 4 or less from the combination of the thickness of an optical fiber. Therefore, the imaging magnification ⁇ con of the optical connector 30 should be 1.1 ⁇
  • FIG. 9 is a view showing the configuration of the optical system of the optical receptacle 50.
  • the optical receptacle 50 shown in FIG. 9 receives the collimating lens 53 disposed on the receiving fiber 40 side as the lens 51 for guiding the signal light emitted from the emission end face 40 ex of the receiving fiber 40 to the light receiving surface 52 a of the light receiving element 52 And a condenser lens 54 disposed on the element 52 side.
  • the optical receptacle 50 reduces and forms an image of the emission end face (core end face) 40 ex of the reception fiber 40 on the light receiving surface 52 a of the light receiving element 52 with the imaging magnification ⁇ rec.
  • the collimating lens 53 and the condensing lens 54 can be configured by, for example, an aspheric lens.
  • Table 3 shows lens data of the optical receptacle 50 shown in FIG.
  • the receiving core represents the exit end face 40 ex of the receiving fiber 40
  • the light receiving element represents the light receiving surface 52 a
  • the refractive index is a measured value at a measurement wavelength of 850 nm.
  • the unit of the radius of curvature and the surface separation is mm.
  • the surface numbers in Table 3 are shown in FIG.
  • Table 3 the aspherical shape (ASP) of the surface 2 is represented by the above equation (7).
  • Table 4 shows each aspheric coefficient of the surface 2 based on the equation (7).
  • the collimating lens 53 is the same as the plano-convex lenses 32 and 33 of FIG.
  • Table 3 the aspheric surface shape (ASP) of the surface 3 is expressed by the above equation (7).
  • Table 5 shows each aspheric coefficient of the surface 3 based on the equation (7).
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing the main configuration of the optical receptacle 50 shown in FIG.
  • the optical receptacle 50 has a light receiving element holder 60 for holding the light receiving element 52, a first lens holder 61 for holding the condenser lens 54, a second lens holder 62 for holding the collimator lens 53, and an FC receptacle 63.
  • the light receiving element holder 60, the first lens holder 61, the second lens holder 62, and the FC receptacle 63 are each formed in a hollow shape.
  • the light receiving element 52 is a CAN package type having a flange, and is mounted to one end of the light receiving element holder 60 via the flange in a state where the light receiving surface 52 a is exposed.
  • the first lens holder 61 is mounted on the inner circumferential surface of the light receiving element holder 60 so as to be adjustable in position in the optical axis direction while holding the condenser lens 54. After adjusting the position of the first lens holder 61, the light receiving element holder 60 is mounted on the inner peripheral surface of one end portion of the second lens holder 62 in which the collimator lens 53 is held.
  • the FC receptacle 63 is mounted on the outer peripheral surface of the other end of the second lens holder 62 so as to be positionally adjustable in the optical axis direction.
  • an FC connector 41 mounted on the exit end of the receiving fiber 40 is detachably mounted on the FC receptacle 63. Then, when signal light is emitted from the receiving fiber 40 in a state where the FC connector 41 is attached to the FC receptacle 63, the signal light passes through the collimator lens 53 and the condenser lens 54 and is received on the light receiving surface 52 a of the light receiving element 52. It is collected.
  • the focal length of the collimating lens 53 is 8.03 mm
  • the focal length of the focusing lens 54 is 2.75 mm
  • the imaging magnification ⁇ rec of the optical receptacle 50 may be 0.1 ⁇ rec ⁇ 1.
  • the receiving fiber 40 having a core diameter larger than that of the transmitting fiber 20 is used.
  • the allowable amount of positional deviation between the light spot and the core of the light receiving fiber 40 can be increased as compared with the configuration of FIG. Therefore, in the optical receptacle 50, the NApd of the signal light incident on the light receiving element 52 can be efficiently reduced by a commonly used lens, so that the light receiving surface of the signal light can be reduced in diameter while maintaining the frequency response speed of the light receiving element.
  • the light can be incident on the light source 52 in a good focused state.
  • the optical connector 30 is configured to be detachable between the plano-convex lens 32 and the plano-convex lens 33 which are disposed with the convex surfaces facing each other, the optical connector 30 is made of the plano-convex lenses 32 and 33 when the optical connector 30 is separated. The convex surface will be exposed. Therefore, since it becomes difficult for water droplets and the like to adhere to the convex surfaces of the plano-convex lenses 32 and 33, it becomes possible to prevent contamination and the like which become an obstacle for transmission of signal light.
  • the plano-convex lenses 32 and 33 constituting the optical connector 30 in the first embodiment are spherical lenses.
  • the plano-convex lenses 32 and 33 are formed of spherical lenses with the planar lens 34 omitted by omitting the planar lens 34 in the configuration shown in FIG.
  • the light spot of the signal light may be blurred.
  • it is necessary to reduce the NA of the transmission / reception optical fiber for example, the NA is 0.15 or less), but the multimode fiber has a core diameter for the purpose of facilitating light incidence. And NA are usually large.
  • the optical connector 30 is configured as shown in FIG.
  • the optical connector 30 shown in FIG. 12 transmits, in addition to the plano-convex lenses 32 and 33 made of spherical lenses, as the lens 31 for guiding the signal light emitted from the emission end face 20ex of the transmission fiber 20 to the incident end face 40en of the reception fiber 40.
  • It has a solid immersion lens 35 joined to the exit end face 20 ex of the fiber 20 and a solid immersion lens 36 joined to the entrance end face 40 en of the receiving fiber 40. That is, in the present embodiment, the apparent NA of the transmission fiber 20 and the reception fiber 40 is reduced by bonding the solid immersion lens 35 to the transmission fiber 20 and the solid immersion lens 36 to the reception fiber 40 respectively.
  • the transmission fiber 20 and the reception fiber 40 are made of, for example, an optical fiber made of glass.
  • the core is generally formed of quartz. Therefore, as shown in FIG. 13A, the light beam transmitted through the core 80 a of the glass optical fiber 80 is refracted from the end face of the optical fiber 80 and emitted.
  • the NA of the optical fiber 80 in this case is taken as NA 0 for convenience.
  • the NA1 of the transmission fiber 20 is 0.27
  • the NA2 of the reception fiber 40 is 0.2. Therefore, the solid immersion lens 35 joined to the emitting end face 20ex of the transmitting fiber 20 having a large NA is constituted by a super hemispherical lens, and the solid immersion lens 36 joined to the incident end face 40en of the receiving fiber 40 having a small NA is constituted by a hemispherical lens Ru.
  • the solid immersion lenses 35 and 36 are made of, for example, BK7
  • the refractive index of BK7 at a measurement wavelength of 850 nm is 1.509
  • the apparent NA of the transmission fiber 20 is 0.12.
  • the apparent NA of the receiving fiber 40 is 0.13.
  • the plano-convex lenses 32 and 33 are spherical lenses, the aberration can be reduced sufficiently, so that the signal light emitted from the emission end face 20 ex of the transmission fiber 20 is not blurred at the incident end face 40 en of the light reception fiber 40 It can be collected as a light spot. Further, since the apparent NAs of the transmission fiber 20 and the reception fiber 40 can be made substantially the same, the same lenses can be used as the plano-convex lenses 32 and 33.
  • the same plano-convex lens having a focal length of 8.13 mm is used as the plano-convex lenses 32 and 33.
  • the hyper-hemispheric solid immersion lens 35 and the hemispherical solid immersion lens 36 have the same spherical surface radius of curvature. Since the solid immersion lens is manufactured by processing a part of the ball lens into a flat surface, the solid immersion lenses 35 and 36 can be obtained by making the radii of curvature of the spherical surfaces of the solid immersion lenses 35 and 36 the same. There is an advantage that the ball lens which is the material of the lens can be common, and the cost can be reduced.
  • Table 6 shows lens data of the optical connector 30 shown in FIG.
  • the transmission core represents the exit end face 20ex of the transmission fiber 20
  • the reception core represents the incident end face 40en of the reception fiber 40
  • the refractive index is a measured value at a measurement wavelength of 850 nm.
  • the unit of the radius of curvature and the surface separation is mm.
  • the surface numbers in Table 6 are shown in FIG.
  • the optical connector 30 it is possible to obtain transmission / reception throughput characteristics with respect to the optical axis inclination error ⁇ (°) as shown in FIG.
  • ⁇ the optical axis inclination error
  • FIG. 12 it is possible to obtain a throughput of 80% or more if the optical axis inclination error is within 0.5 °, and the case of the first embodiment
  • the optical axis tilt error can be 1.5 times as large as that of the optical connector 30 of FIG.
  • the lens configuration of the optical connector 30 is configured by a spherical lens that can be manufactured by polishing, it is common to lens production It becomes possible to use parts and improve mass productivity.
  • the optical connector 30 is resistant to an optical axis inclination error on the transmission / reception side, and it is possible to reduce a decrease in throughput due to the optical axis inclination error.
  • the solid immersion lens 35 is joined to the exit end face 20ex of the transmitting fiber 20, and the solid immersion lens 36 is joined to the incident end face 40en of the receiving fiber 40.
  • the solid immersion lenses 35 and 36 are joined to the end faces of the transmitting fiber 20 and the receiving fiber 40 in the optical connector 30 as in the present embodiment, the solid immersion lenses 35 and 36 are Since it also plays a role, the above-described effects can be obtained.
  • an antireflection film is applied to the end face of an optical fiber by a vacuum evaporation process.
  • the optical fiber is bulky, it is not possible to put a large number of them in the vacuum deposition tank. Therefore, the unit cost for the deposition process is relatively high compared to the case of the lens.
  • the spherical surfaces of the solid immersion lenses 35 and 36 may be coated with an antireflective film respectively. It is possible to reduce the light loss due to reflection.
  • the combination of the core diameter 22 of the receiving fiber 40 and the NA2 is to prevent the maximum incident angle of the light beam incident on the light receiving element 52 from becoming too large. It is necessary to be within the usable area of FIG. Therefore, in the first embodiment, for example, the core diameter 22 of the receiving fiber 40 is 150 ⁇ m, and the NA2 is 0.2.
  • the receiving fiber 40 in the configuration of the first embodiment, is thicker than in the first embodiment, and for example, the core diameter ⁇ 2 is 200 ⁇ m, and the NA2 is 0.2. Configured Along with that, the configuration of the optical receptacle 50 is also different. Hereinafter, points different from the first embodiment will be described.
  • the optical connector 30 is further resistant to the optical axis tilt error as described in the second embodiment, but the usable area of FIG. You will miss it. Therefore, the maximum incident angle of the signal light entering the light receiving element 52 in the optical receptacle 50 is increased.
  • the reduction ratio is 1 ⁇ 4
  • the light receiving surface 52a of the light receiving element 52 is formed of silicon (Si: refractive index 3.6) which is a general semiconductor, as shown by a broken line in FIG. %.
  • Si refractive index 3.6
  • MgO refractive index 1.7
  • FIG. 17 shows the reflectance characteristic when ⁇ is 850 nm.
  • the above-described problem caused by increasing the core diameter of the receiving fiber is improved in the optical receptacle 50.
  • FIG. 18 is a diagram showing the configuration of the optical system of the optical receptacle 50 in the present embodiment.
  • the optical receptacle 50 shown in FIG. 18 includes, in addition to the collimating lens 53 and the condensing lens 54 constituting the lens 51, a solid immersion lens 55 which is disposed to be coupled to the light receiving element 52.
  • the light receiving element 52 has a single-layer antireflection film 58 stacked on the light receiving surface 52a, as shown in FIG.
  • the solid immersion lens 55 is bonded onto the light receiving surface 52 a via an adhesive 59.
  • the adhesive 59 can be used which is transparent to the used wavelength light and has a refractive index of, for example, about 1.56.
  • the solid immersion lens 55 may be the hemispherical lens 56 shown in FIG. 4A or the super hemispherical lens 57 shown in FIG. 4B, but FIG. 18 illustrates the case of the super hemispherical lens.
  • Table 7 shows lens data of the optical receptacle 50 shown in FIG.
  • the receiving core represents the exit end face 40 ex of the receiving fiber 40
  • the light receiving element represents the light receiving surface 52 a
  • the refractive index is a measured value at a measurement wavelength of 850 nm.
  • the unit of the radius of curvature and the surface separation is mm.
  • FIG. 20 shows the surface numbers in Table 7.
  • Table 7 the aspheric shapes (ASPs) of the surface 2 and the surface 3 are represented by the above equation (7).
  • Table 8 shows each aspheric coefficient of the surface 2 based on the equation (7), and
  • Table 9 shows each aspheric coefficient of the surface 3.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view showing the configuration of the main part of the optical receptacle 50 shown in FIG.
  • the optical receptacle 50 shown in FIG. 21 is different from the optical receptacle 50 shown in FIG. 11 in the configuration of the light receiving element 52.
  • the light receiving element 52 is of a surface mounting substrate type, and is flip chip mounted on the flexible substrate 70 via the bumps 71, for example.
  • the light receiving element 52 receives light through the flexible substrate 70 so that the light receiving element 52 is positioned in the light receiving element holder 60 in a state where the solid immersion lens 55 is joined to the light receiving surface 52 a via the antireflective film 58 and the adhesive 59. It is attached to one end of the element holder 60.
  • the super-hemispheric solid immersion lens 55 has an effect of enlarging the NA of the condenser lens 54 by n 2 , where n is the refractive index of the material.
  • n is the refractive index of the material.
  • Such a lens of NA is common, and can be configured with a collimating lens 53 using a commercially available aspheric lens.
  • the imaging magnification ⁇ rec of the optical receptacle 50 is 0.245
  • the incident angle of the signal light incident on the light receiving surface 52a is reduced by the refractive index of the material of the solid immersion lens 55, so that the incident angle is reduced to a maximum of 33 ° ( ⁇ sin -1 (0.8 /1.509)).
  • the thin film of the adhesive 59 and the anti-reflection film 58 interposed between the solid immersion lens 55 and the light receiving surface 52 a has the refractive index of the medium of the solid immersion lens 55 and the refractive index of the medium forming the light receiving surface 52. And the medium has a small refractive index difference.
  • the reflectance of the anti-reflection film 58 becomes extremely small at 0.5% or less over the entire incident angle of 0 ° to 33 ° as shown in FIG. As a result, it is possible to extremely reduce the return light at the optical receptacle 50.
  • the optical receptacle 50 couples the solid immersion lens 55 to the light receiving element 52, so that signal light is incident on the light receiving element 52 with a high NA of 0.8.
  • the displacement of the light spot with respect to the light receiving surface 52 a can be made small with respect to the positional change of the light receiving element 52.
  • the displacement of the light spot is only 1 / n 2 1/21/2 compared to the case without solid immersion lens 55, where n is the refractive index of the material of solid immersion lens 55. Absent.
  • the focal depth of the condenser lens 54 is inversely proportional to NA 2 , the focal depth is enlarged by n 4 ⁇ ⁇ 5 times compared to the case without the solid immersion lens 55. Therefore, blurring of the light spot due to defocusing is reduced, so that the optical adjustment operation at the time of assembly of the optical receptacle 50 is facilitated, and the influence of time-dependent change after assembly can be reduced.
  • the thick receiving fiber 40 with a core diameter of 200 ⁇ m can be used.
  • the optical connector 30 it is possible to obtain transmission / reception throughput characteristics for the optical axis inclination error ⁇ (°) as shown in FIG.
  • the optical axis inclination error is within 0.8 °, it is possible to obtain a throughput of 80% or more, and the tolerance of the optical axis inclination error can be improved as compared with the second embodiment. .
  • the super hemispherical lens was illustrated as a solid immersion lens 55 in FIG. 18, a hemispherical lens may be sufficient.
  • the solid immersion lens 55 is not limited to glass, and may be, for example, a resin.
  • the light receiving element 52 may be directly embedded in the resin by potting or the like without using an adhesive.
  • the solid immersion lens 55 is made of a material having a refractive index of 1.45 to 2, for example. Therefore, in order for the solid immersion lens 55 to effectively expand the etendue of the light receiving element 52, the radius of curvature of the convex lens surface is R, and from the top of the convex lens surface to the light receiving surface 52a of the light receiving element 52. It is preferable to satisfy 0.4 ⁇ R / D ⁇ 0.9, where D is the distance of
  • the light receiving element 52 is flip chip mounted on the flexible substrate 70 in the surface mounting substrate type. Therefore, for example, when the solid immersion lens 55 is aligned and joined onto the light receiving surface 52a of the light receiving element 52, there is no obstacle such as a wire, so the assembly operation becomes easy.
  • the optical signal transmission system of the present embodiment since the receiving fiber 40 with a large core diameter can be used, in the optical connector 30, the positional deviation between the core of the receiving fiber 40 and the light spot incident on the core is increased more acceptable. As a result, the optical line can be stably maintained while maintaining the frequency response speed of the light receiving element 52, and the reliability of the system can be improved.
  • FIG. 24 is a diagram showing the configuration of the main part of the optical signal transmission system according to the fourth embodiment.
  • the optical signal transmission system shown in FIG. 24 is applied to an endoscope system.
  • the endoscope system 91 is introduced into the subject, and images the inside of the subject to generate an image signal of the inside of the subject, and an image captured by the endoscope 92 as a predetermined image.
  • An information processing device 93 that performs processing and controls each part of the endoscope system 91, a light source device 94 that generates illumination light of the endoscope 92, and displays an image signal after image processing by the information processing device 93 And a display device 95.
  • the endoscope 92 has an insertion portion 96 inserted into the subject, an operation portion 97 on the proximal end side of the insertion portion 96, which the operator grasps and operates, and a flexible portion which extends from the operation portion 97. Universal cord 98 of the sex.
  • an illumination fiber, an electric cable, a transmission fiber, and the like are disposed so as to extend inside the insertion portion 96 and the universal cord 98.
  • the transmission fiber is configured in the same manner as the transmission fiber 20 described in the above embodiment.
  • the insertion portion 96 includes a distal end portion 96a, a bendable bending portion 96b formed of a plurality of bending pieces, and a flexible tube portion 96c provided on the proximal end side of the bending portion 96b.
  • the distal end portion 96a is provided with an illumination unit that illuminates the inside of the subject via an illumination lens, an observation unit that images the inside of the subject, an opening 96d that communicates with the treatment tool channel, and an air supply / water supply nozzle. There is.
  • An image pickup device provided at an imaging position of an optical system for collecting light in an observation portion of the distal end portion 96a and performing predetermined signal processing such as photoelectric conversion of an image in a subject formed by the optical system;
  • a transmission module having a light emitting element that converts an electrical signal including image information output from an imaging element into a light signal is disposed. The transmission module causes the signal light emitted from the light emitting element to be incident on the incident end face of the transmission fiber 20.
  • the operation unit 97 includes a bending knob 97a that bends the bending unit 96b in the vertical and horizontal directions, a treatment tool insertion unit 97b in which a treatment tool such as a biological forceps or a laser knife is inserted into a body cavity of a subject, and an information processing apparatus And 93, a plurality of switch units 97c for operating peripheral devices such as a light source device 94, an air supply device, a water supply device, and a gas supply device.
  • the treatment tool inserted from the treatment tool insertion portion 97 b is exposed from the opening 96 d at the tip of the insertion portion 96 through the treatment tool channel provided inside.
  • the universal cord 98 has a proximal end branched into a first connector 98a and a lighting connector 98b.
  • the first connector 98 a is attachable to and detachable from the second connector 98 c of the information processing device 93.
  • the lighting connector 98 b is detachable from the light source device 94.
  • An optical connector is incorporated in the first connector 98a and the second connector 98c.
  • the optical connector is configured in the same manner as the optical connector 30 described in the above embodiment, and is configured to be removable by the first connector 98a and the second connector 98c. Therefore, the transmission fiber is disposed extending from the distal end 96 a of the endoscope 92 to the first connector 98 a inside the insertion portion 96 and the universal cord 98.
  • the information processing apparatus 93 is an optical receptacle including a receiving fiber for transmitting signal light incident through an optical connector incorporated in the second connector 98c, and a light receiving element for photoelectrically converting the signal light transmitted through the receiving fiber. And performs predetermined image processing on the output signal of the light receiving element.
  • the receiving fiber and the optical receptacle are configured in the same manner as the receiving fiber 40 and the optical receptacle 50 described in the above embodiment, respectively.
  • the information processing device 93 controls each unit of the endoscope system 91 based on various instruction signals transmitted from the switch unit 97 c in the operation unit 97 of the endoscope 92 via the universal cord 98.
  • the light source device 94 is configured using a light source that emits light, a condensing lens, and the like.
  • the light source device 94 emits light from the light source under the control of the information processing device 93.
  • the light emitted from the light source is emitted from the illumination unit of the distal end portion 96a of the endoscope 92 through the illumination connector 98b and the illumination fiber to illuminate the inside of the subject.
  • the display device 95 is configured using a display or the like using liquid crystal or organic EL (Electro Luminescence).
  • the display device 95 displays various information including an image on which predetermined image processing has been performed by the information processing device 93 through the video cable 95a. Thereby, the operator can determine the observation and the property of the desired position in the subject by operating the endoscope 92 while looking at the image (in-vivo image) displayed by the display device 95.
  • the same effect as that of the above embodiment can be obtained.
  • the insertion portion 96 of the endoscope 92 since the core diameter of the transmission fiber disposed in the insertion portion 96 of the endoscope 92 can be reduced, the insertion portion 96 can be made smaller. Therefore, when the insertion portion 96 is inserted into a body cavity, the pain of the subject can be alleviated.
  • the reception fiber since a fiber having a larger core diameter than that of the transmission fiber can be used as the reception fiber, a slight misalignment may occur between the first connector 98a and the second connector 98c constituting the optical connector, or Even if some dirt or dust adheres to the optical element constituting the connector, it is possible to transmit the signal light with almost no attenuation. Therefore, the reliability of the endoscope system 91 can be improved.
  • the optical connector 30 in the first embodiment, in the configuration shown in FIG. 7, the optical connector 30 has the emitting end face 20 ex of the transmitting fiber 20 and the incident end face 40 en of the receiving fiber 40 as shown in FIG. Transparent cover glasses 37 and 38 may be joined to protect their respective end faces. In this way, the same effect as described in the second embodiment can be obtained. Also, the optical connector 30 may be configured as shown in FIG. 26 with the apparent lens 34 omitted from the configuration shown in FIG.
  • the optical connector 30 separates the solid immersion lenses 35 and 36 from the exit end face 20 ex of the transmission fiber 20 and the entrance end face 40 en of the reception fiber 40, respectively.
  • cover glasses 37 and 38 may be joined to the injection end face 20ex and the entrance end face 40en to protect the respective end faces.
  • the optical signal transmission system according to the present invention is widely applicable not only to the optical signal transmission system and the endoscope system shown in the above-described embodiment, but also to a transmission system that transmits various signals to the signal processing unit.
  • the optical receptacle according to the present invention is not limited to the optical signal transmission system and the endoscope system shown in the above embodiment, and can be widely used as light receiving devices for various signals.
  • the transmission fiber and the reception fiber are not limited to single core fibers, but may be multicore fibers.
  • the optical connector may include a lens of an inorganic material such as quartz or glass to reduce changes in optical characteristics due to changes in temperature and humidity.
  • the optical receptacle may also include a lens of an inorganic material to reduce changes in optical characteristics due to changes in temperature and humidity.
  • the lens used for the optical connector and the lens used for the optical receptacle may be advantageous for reducing spherical aberration by including a lens with a refractive index of 1.5 or more.
  • the effect of the present invention may be made more reliable by satisfying any one or more of the following conditional expressions. ⁇ 2en / ⁇ 1ex> 2 Pdpd // 2en ⁇ 0.5 NA1ex / NA2en> 1.2 ( ⁇ 2en ⁇ NA2en) / ( ⁇ 1ex ⁇ NA1ex)> 1.5

Landscapes

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Abstract

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する光信号伝送システムにおいて、送信ファイバの射出端面でのコア径をΦ１ex、受信ファイバの入射端面でのコア径をΦ２en、光レセプタクルの受光素子の受光面の径をΦpd、とするとき、Φ１ex＜Φ２en、Φpd＜Φ２en、を満足し、光コネクタにおける、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する信号光のＮＡをＮＡ２en、とするとき、ＮＡ１ex＞ＮＡ２en、を満足する。

Description

光信号伝送システム及び光レセプタクル
　本発明は、光信号伝送システム及びこれに使用可能な光レセプタクルに関するものである。
　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。
　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。
　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。
特開２００５－３１８５３２号公報 特開平７－１８１３３９号公報 特開２０１４－２３２２６１号公報
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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及びこれに使用可能な光レセプタクルを提供することにある。
　上記目的を達成する本発明に係る光信号伝送システムは、
　信号光を伝送し、前記信号光を射出する射出端面を有する送信ファイバと、
　前記送信ファイバの前記射出端面から射出される前記信号光を入射する入射端面と前記信号光を射出する射出端面とを有し、前記信号光を伝送する受信ファイバと、
　前記送信ファイバと前記受信ファイバとの間に配置され、前記送信ファイバの前記射出端面から射出される前記信号光を前記受信ファイバの前記入射端面に導くレンズを有する光コネクタと、
　前記受信ファイバを経て伝送される前記信号光が入射する受光面を有し、入射した前記信号光を光電変換する受光素子と、前記受信ファイバを経て伝送される前記信号光を前記受光面に導くレンズとを有する光レセプタクルと、
を備える光信号伝送システムにおいて、
　前記送信ファイバの前記射出端面でのコア径をΦ１ex、
　前記受信ファイバの前記入射端面でのコア径をΦ２en、
　前記受光素子の前記受光面の径をΦpd、
とするとき、
　　Φ１ex＜Φ２en
　　Φpd＜Φ２en
を満足し、
　　前記光コネクタにおける、
　　前記送信ファイバから射出される前記信号光のＮＡをＮＡ１ex、
　　前記受信ファイバに入射する前記信号光のＮＡをＮＡ２en、
とするとき、
　　ＮＡ１ex＞ＮＡ２en
　を満足する、ことを特徴とするものである。
　さらに、本発明に係る光信号伝送システムは、
　信号光を伝送し、前記信号光を射出する射出端面を有する送信ファイバと、
　前記送信ファイバの前記射出端面から射出される前記信号光を入射する入射端面と前記信号光を射出する射出端面とを有し、前記信号光を伝送する受信ファイバと、
　前記送信ファイバと前記受信ファイバとの間に配置され、前記送信ファイバの前記射出端面から射出される前記信号光を前記受信ファイバの前記入射端面に導くレンズを有する光コネクタと、
　前記受信ファイバを経て伝送される前記信号光が入射する受光面を有し、入射した前記信号光を光電変換する受光素子と、前記受信ファイバを経て伝送される前記信号光を前記受光面に導くレンズとを有する光レセプタクルと、
を備える光信号伝送システムにおいて、
　前記送信ファイバの前記射出端面でのコア径をΦ１ex、
　前記受信ファイバの前記入射端面でのコア径をΦ２en、
　前記受光素子の前記受光面の径をΦpd、
とするとき、
　　Φ１ex＜Φ２en
　　Φpd＜Φ２en
を満足し、
　前記光レセプタクルは、前記受光素子に結合された固浸レンズをさらに有する、
　ことを特徴とするものである。
　さらに、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、
　を備えるものである。
　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。
エタンデュの説明図である。 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。 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。 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。 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。 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５で使用可能な受信ファイバの説明図である。 図５の光コネクタの概略構成図である。 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５の光レセプタクルの光学系の構成図である。 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９の光レセプタクルの要部構成を示す断面図である。 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。 光ファイバから射出される光線の説明図である。 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。 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。 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。 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１８の部分断面図である。 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１８の光レセプタクルの要部構成を示す断面図である。 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。 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。 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７の光コネクタの変形例を示す図である。 図２５の光コネクタの変形例を示す図である。 図１２の光コネクタの変形例を示す図である。 従来の光信号伝送システムの説明図である。
　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。
　（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。
　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。
　（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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　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。
　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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　以下、本発明の実施の形態について説明する。
　（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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　次に、光コネクタ３０のレンズ構成について説明する。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　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。
　次に、光レセプタクル５０の構成について説明する。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　（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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　（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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　（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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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
　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

Claims (13)

  1. 　信号光を伝送し、前記信号光を射出する射出端面を有する送信ファイバと、
    　前記送信ファイバの前記射出端面から射出される前記信号光を入射する入射端面と前記信号光を射出する射出端面とを有し、前記信号光を伝送する受信ファイバと、
    　前記送信ファイバと前記受信ファイバとの間に配置され、前記送信ファイバの前記射出端面から射出される前記信号光を前記受信ファイバの前記入射端面に導くレンズを有する光コネクタと、
    　前記受信ファイバを経て伝送される前記信号光が入射する受光面を有し、入射した前記信号光を光電変換する受光素子と、前記受信ファイバを経て伝送される前記信号光を前記受光面に導くレンズとを有する光レセプタクルと、
    を備える光信号伝送システムにおいて、
    　前記送信ファイバの前記射出端面でのコア径をΦ１ex、
    　前記受信ファイバの前記入射端面でのコア径をΦ２en、
    　前記受光素子の前記受光面の径をΦpd、
    とするとき、
    　　Φ１ex＜Φ２en
    　　Φpd＜Φ２en
    を満足し、
    　　前記光コネクタにおける、
    　　前記送信ファイバから射出される前記信号光のＮＡをＮＡ１ex、
    　　前記受信ファイバに入射する前記信号光のＮＡをＮＡ２en、
    とするとき、
    　　ＮＡ１ex＞ＮＡ２en
    　を満足する、ことを特徴とする光信号伝送システム。
  2. 　信号光を伝送し、前記信号光を射出する射出端面を有する送信ファイバと、
    　前記送信ファイバの前記射出端面から射出される前記信号光を入射する入射端面と前記信号光を射出する射出端面とを有し、前記信号光を伝送する受信ファイバと、
    　前記送信ファイバと前記受信ファイバとの間に配置され、前記送信ファイバの前記射出端面から射出される前記信号光を前記受信ファイバの前記入射端面に導くレンズを有する光コネクタと、
    　前記受信ファイバを経て伝送される前記信号光が入射する受光面を有し、入射した前記信号光を光電変換する受光素子と、前記受信ファイバを経て伝送される前記信号光を前記受光面に導くレンズとを有する光レセプタクルと、
    を備える光信号伝送システムにおいて、
    　前記送信ファイバの前記射出端面でのコア径をΦ１ex、
    　前記受信ファイバの前記入射端面でのコア径をΦ２en、
    　前記受光素子の前記受光面の径をΦpd、
    とするとき、
    　　Φ１ex＜Φ２en
    　　Φpd＜Φ２en
    を満足し、
    　前記光レセプタクルは、前記受光素子に結合された固浸レンズをさらに有する、
    　ことを特徴とする光信号伝送システム。
  3. 　請求項２に記載の光信号伝送システムにおいて、
    　前記光レセプタクルは、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、
    　ことを特徴とする光信号伝送システム。
  4. 　請求項２又は３に記載の光信号伝送システムにおいて、
    　前記固浸レンズは、前記受信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
    　を満足する、ことを特徴とする光信号伝送システム。
  5. 　請求項１～４のいずれか一項に記載の光信号伝送システムにおいて、
    　前記送信ファイバ及び前記受信ファイバは、
    　　前記光コネクタにおける、
    　　前記送信ファイバ側のＮＡをＮＡ１ex、
    　　前記受信ファイバに入射する前記信号光のＮＡをＮＡ２en、
    とするとき、
    　Φ１ex×ＮＡ１ex＜Φ２en×ＮＡ２en
    を満足し、
    　前記光レセプタクルは、
    　前記受信ファイバ側のＮＡをＮＡ２ex、
    　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、
    　前記光レセプタクル内の前記レンズにて、
    　ＮＡ２ex＜ＮＡpd
    とし、
    　前記受信ファイバの前記射出端面のコア径をΦ２ex、
    とするとき、
    　前記受信ファイバ及び前記受光素子は、
    　Φ２ex×ＮＡ２ex＜Φpd×ＮＡpd
    　を満足する、ことを特徴とする光信号伝送システム。
  6. 　請求項１～５のいずれか一項に記載の光信号伝送システムにおいて、
    　前記受信ファイバは、ステップインデックス型からなる、
    　ことを特徴とする光信号伝送システム。
  7. 　請求項１～６のいずれか一項に記載の光信号伝送システムにおいて、
    　前記光コネクタの結像倍率をβconとするとき、
    　１．１＜｜βcon｜＜３．９
    　を満足する、ことを特徴とする光信号伝送システム。
  8. 　請求項７に記載の光信号伝送システムにおいて、
    　前記光コネクタは、前記レンズとして複数のレンズを含み、該複数のレンズのいずれかの隣接するレンズ間で着脱自在に結合される、
    　ことを特徴とする光信号伝送システム。
  9. 　請求項８に記載の光信号伝送システムにおいて、
    　前記光コネクタは、前記複数のレンズとして互いに凸面を向き合わせて配置される２つの平凸レンズを含み、該２つの平凸レンズ間で着脱自在に結合される、
    　ことを特徴とする光信号伝送システム。
  10. 　請求項９に記載の光信号伝送システムにおいて、
    　前記光コネクタは、前記２つの平凸レンズの互いの凸面が等しい曲率半径を有し、さらに、一方の前記平凸レンズと前記送信ファイバの前記射出端面との間に配置された超半球レンズと、他方の前記平凸レンズと前記受信ファイバの前記入射端面との間に配置され、前記超半球レンズと同じ曲率半径を有する半球レンズとを有する、
    　ことを特徴とする光信号伝送システム。
  11. 　請求項１～１０のいずれか一項に記載の光信号伝送システムにおいて、
    前記光レセプタクルの結像倍率をβrecとするとき、
    　０．１＜βrec＜１
    　を満足する、ことを特徴とする光信号伝送システム。
  12. 　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、
    　を備える光レセプタクル。
  13. 　請求項１２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。
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