本発明は、複数波長の光を含む光信号を受信する波長多重受信モジュールに関する。

特許文献１には、複数波長の光を含む光信号（多重化光信号という）を波長ごとに分波し、受光素子で受光する波長多重受信モジュールが開示されている。 この波長多重受信モジュールは、多重化光信号を分波するために複数のフィルタを備えている。 ここで、フィルタは特定の１つの波長の光を通過させるものである。 そのため、多重化光信号に含まれる波長の数と同数のフィルタが必要となる。

フィルタの後段には、分波された光を集光ビームとするために集光レンズを備えている。 集光レンズは分波された光ごとに設けられる。 そのため、少なくとも分波された光の数と同数の集光レンズが必要となる。 集光レンズの後段には、集光レンズを通過した光を受光する受光素子を備えている。 上述の構成を有する波長多重受信モジュールの組み立ての際には、波長多重受信モジュール内の光損失を低減するために、集光レンズ及び受光素子の光軸が調整される。 この調整は調芯と呼ばれる。

特許文献１に開示の波長多重受信モジュールでは、多重化光信号に含まれる波長毎にフィルタと集光レンズが用意されるため、当該波長の数が多くなるとそれに応じてフィルタの枚数と集光レンズの数を増加させる必要がある。 そのため、波長多重受信モジュールが高コスト化する。

特許文献１に開示の波長多重受信モジュールのように複数の集光レンズがある場合は、集光レンズごとに調芯を行わなければならず組み立て作業が複雑化する。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、低コストで組み立て容易な波長多重受信モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る波長多重受信モジュールは、複数波長の光を含む光信号を出射する光ファイバと、該光信号が入射するように配置されたプリズムと、該プリズムの第１面に固着された全反射ミラーと、該プリズムの該第１面に対向する第２面に固着された帯域通過フィルタと、該帯域通過フィルタを通過した光を受光する受光素子と、を備える。 そして、該第１面は該第２面に対して角度がつけられており、該帯域通過フィルタは、光の入射角度によって通過できる光の波長が異なり、通過できない光は反射することを特徴とする。

本発明によれば、低コストで組み立て容易な波長多重受信モジュールを製造できる。

本発明の実施の形態１に係る波長多重受信モジュールの断面図である。

プリズム、全反射ミラー、及び帯域通過フィルタの拡大図である。

受光素子アレイの受光面を示す図である。

波長多重受信モジュール内部での光の経路を示す断面図である。

プリズム内部の光の経路を示す図である。

分波された光の受光位置について説明する模式図である。

本発明の実施の形態１に係る受光素子アレイの変形例を示す図である。

本発明の実施の形態１に係る全反射ミラーの変形例を示す図である。

本発明の実施の形態２に係る受光素子アレイの受光面を示す図である。

本発明の実施の形態２に係る波長多重受信モジュールの受光素子アレイを示す図である。

本発明の実施の形態３に係る波長多重受信モジュールを示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る波長多重受信モジュールの断面図である。 波長多重受信モジュール１０はホルダ１２を備えている。 ホルダ１２は波長多重受信モジュール１０の各部品を固定するものである。 ホルダ１２には光ファイバ１４が固定されている。 光ファイバ１４は、ホルダ１２内部へ多重化光信号を出射するものである。 光ファイバ１４の後段にはコリメートレンズ１６が固定されている。 コリメートレンズ１６は多重化光信号を平行化するものである。

コリメートレンズ１６の後段にはプリズム１８が固定されている。 プリズム１８は第１面１８ａと、第１面１８ａに対向する第２面１８ｂを備えている。 第１面１８ａには全反射ミラー２０が固着されている。 全反射ミラー２０はすべての波長の光を反射するミラーである。 全反射ミラー２０には開口２０ａが設けられている。 開口２０ａは、コリメートレンズ１６からの多重化光信号がプリズム１８に入射するように設けられている。

第２面１８ｂには帯域通過フィルタ２２が固着されている。 帯域通過フィルタ２２は、入射角度によって通過可能な光の波長が異なるフィルタである。 つまり、帯域通過フィルタ２２は、多重化光信号がある角度で入射したときには特定の波長の光のみを通過させ、多重化光信号が別の角度で入射したときには別の波長の光のみを通過させる。 これを帯域通過フィルタ２２の入射角度依存性という。 なお、プリズム１８、全反射ミラー２０、及び帯域通過フィルタ２２をまとめて３層フィルタと称することがある。

３層フィルタの後段には集光レンズ２４が固定されている。 集光レンズ２４は１枚のレンズである。 集光レンズ２４は、帯域通過フィルタ２２を通過した平行ビームを集光ビームとするものである。

集光レンズ２４の後段には受光素子アレイ２６が固定されている。 受光素子アレイ２６は、基板２６ｓにモノリシックに受光素子２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄが固定されたものである。

図２は３層フィルタの拡大図である。 プリズム１８はくさび形となるように形成されている。 すなわち、第１面１８ａは第２面１８ｂに対して角度がつけられている。 別の言い方をすれば、プリズム１８上端の幅Ｗ１はその下端の幅Ｗ２よりも大きくなっている。

図３は受光素子アレイ２６の受光面を示す図である。 受光素子の受光部の面積は、受光素子２６ｄが最大であり、受光素子２６ｃ、２６ｂの順に小さくなり、受光素子２６ａが最小となっている。 また、受光素子２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄの受光部は、帯域通過フィルタ２２を通過して分波された複数の光が広がる方向に沿うように、基板２６ｓ上に一列に配置されている。

図４は波長多重受信モジュール１０内部での光の経路を示す断面図である。 以後、光の経路について説明する。 まず、光ファイバ１４から４波長（λ１、λ２、λ３、及びλ４）の光を含む多重化光信号が出射する。 そして、多重化光信号はコリメートレンズ１６を通って平行化される。 平行化された光信号は全反射ミラー２０の開口２０ａを通って、プリズム１８に入射する。 プリズム１８内部の光については図５を参照して説明する。

図５はプリズム１８内部の光の経路を示す図である。 多重化光信号が帯域通過フィルタ２２に入射（１回目の入射という）すると、帯域通過フィルタ２２の入射角度依存性により、波長λ１の光のみが帯域通過フィルタ２２を通過し、他の波長の光は反射される。 このときの反射角をθ１とする。

θ１の反射角で反射された光は、全反射ミラー２０によりθ２の角度で全反射（１回目の全反射という）される。 １回目の全反射により反射された光は再び帯域通過フィルタ２２に入射する（２回目の入射という）。 ２回目の入射直前の光は、帯域通過フィルタ２２と角度がつけられた全反射ミラー２０によって全反射されている。 そのため、２回目の入射時の入射角は１回目の入射時の入射角と異なる。 そして、帯域通過フィルタ２２の入射角度依存性により、２回目の入射時には波長λ２の光のみが帯域通過フィルタ２２を通過し、他の波長の光は反射される。 このときの反射角をθ３とする。

θ３の反射角で反射された光は、全反射ミラー２０によりθ４の角度で全反射（２回目の全反射という）される。 ２回目の全反射により反射された光は再び帯域通過フィルタ２２に入射する（３回目の入射という）。 ３回目の入射直前の光は、帯域通過フィルタ２２と角度がつけられた全反射ミラー２０によって２回全反射されている。 そのため、３回目の入射時の入射角は１回目及び２回目の入射時の入射角と異なる。 そして、帯域通過フィルタ２２の入射角度依存性により、３回目の入射時には波長λ３の光のみが帯域通過フィルタ２２を通過し、他の波長の光は反射される。 このときの反射角をθ５とする。

θ５の反射角で反射された光は、全反射ミラー２０によりθ６の角度で反射（３回目の全反射という）される。 ３回目の全反射により反射された光は再び帯域通過フィルタ２２に入射する（４回目の入射という）。 ４回目の入射直前の光は、帯域通過フィルタ２２と角度がつけられた全反射ミラー２０によって３回全反射されている。 そのため、４回目の入射時の入射角は１回目、２回目、及び３回目の入射時の入射角と異なる。 そして、帯域通過フィルタ２２の入射角度依存性により、４回目の入射時には波長λ４の光が帯域通過フィルタ２２を通過する。

このようにして、４波長（λ１、λ２、λ３、及びλ４）の光を含む多重化光信号は、波長ごとに分波される。 分波された光は図５においてλ１、λ２、λ３、λ４と表されており、それぞれの出射角はθ１´、θ３´、θ５´、θ７´である。 このように、光はプリズム１８内部で反射を繰り返して、プリズム１８の幅が太い側から幅が細い側に進行するため、各反射角はθ1＞θ３＞θ５＞θ７となっている。 また、前述のθ１´、θ３´、θ５´、θ７´については、θ１´＞θ３´＞θ５´＞θ７´となっている。 なお、θ７は４回目の入射で反射があった場合を想定したもので、実際にはθ７の反射角で反射は起こらない。

次に、図６を参照して分波された後の光について説明する。 図６は、帯域通過フィルタ２２を通過した光が、受光素子の受光部に入射するまでを示す図である。 帯域通過フィルタ２２を通過した光は、前述のとおり出射角がθ１´＞θ２´＞θ３´＞θ４´となる。 そのため、４つに分波された光がそれぞれ進行するとやがて相互に交差する。 集光レンズ２４はこの交差する場所に配置されており、分波された光を平行ビームから集光ビームへ変換する。 その後、波長λ１の光は受光素子２６ａの受光部に入射する。 波長λ２、λ３、及びλ４の光はそれぞれ受光素子２６ｂ、２６ｃ、及び２６ｄの受光部に入射する。

前述のとおり、受光素子の受光部の面積は、受光素子２６ｄが最大であり、受光素子２６ｃ、２６ｂの順に小さくなり、受光素子２６ａが最小となっている。 受光素子２６ｄへ入射するのは、全反射ミラー２０により３回反射された光（λ４）である。 受光素子２６ｃへ入射するのは、全反射ミラー２０により２回反射された光（λ３）である。 受光素子２６ｂへ入射するのは、全反射ミラー２０により１回反射された光（λ２）である。 受光素子２６ａへ入射するのは、全反射ミラー２０により反射されていない光（λ１）である。 このように、全反射ミラー２０による反射回数が多く光路長の長い光ほど、大面積の受光部を有する受光素子へ入射する。

本発明の実施の形態１に係る波長多重受信モジュールによれば、１つの３層フィルタで多重化光信号を分波できる。 これは、入射角度依存性を有する帯域通過フィルタ２２と、帯域通過フィルタ２２への入射角を変化させるように光を反射する全反射ミラー２０を用いることで得られる効果である。 また、集光レンズ２４は、分波された光が交差する場所に固定されているため１枚で足りる。 このように、本発明の実施の形態１に係る波長多重受信モジュール１０の構成によれば、多数のフィルタ及び集光レンズを要せず低コストで波長多重受信モジュールを製造できる。 また、１枚の集光レンズを調芯すれば足りるため、波長多重受信モジュールを容易に組み立てることができる。

前述した分波された光が「交差する場所」は、分波された光の出射角を変えることで所望の場所に調整できる。 分波された光の出射角を変えるためには、プリズム１８の厚み、第１面１８ａの第２面１８ｂに対する角度、及び多重化光信号のプリズム１８への入射角を調整すれば良い。 よって、組み立て容易な位置に集光レンズを固定し、その位置に「交差する場所」が生じるようにすることができる。

受光素子アレイ２６は４つの受光素子２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄをモノリシックに搭載している。 よって、各受光素子の光軸調整（調芯）を一括して行うことができる。

ところで、波長多重受信モジュールの使用状況などに応じて、光ファイバ１４からプリズム１８へ入射する多重化光信号の入射角がずれる場合がある。 その場合、分波された光の受光素子への入射位置もずれる。 このとき、受光素子２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄへの入射位置のずれの量をそれぞれΔ２６ａ、Δ２６ｂ、Δ２６ｃ及びΔ２６ｄとすると、Δ２６ａ＜Δ２６ｂ＜Δ２６ｃ＜Δ２６ｄの関係となる。 つまり、光路長の長い光ほど当該ずれの量が大きくなる。 このずれの量が大きくなると、受光ができなくなったり、光の結合効率が低下したりする。

ところが、本発明の実施の形態１に係る波長多重受信モジュールの構成によれば、上述の入射位置のずれがあっても安定した受光ができる。 本発明の実施の形態１に係る受光素子の受光部の面積は、受光素子２６ｄが最大であり、受光素子２６ｃ、２６ｂの順に小さくなり、受光素子２６ａが最小となっている。 つまり、入射位置のずれが大きくなる受光部ほど、面積が大きく形成されている。 よって、プリズム１８への多重化光信号の入射角について許容公差を大きく取りつつ安定した受光ができるので、容易に波長多重受信モジュールを組立てることができる。

図７は受光素子アレイの変形例を示す図である。 受光素子アレイ３０は、受光素子３０ｂ、３０ｃ、及び３０ｄの受光部の形状が受光部の列と平行方向に伸びる楕円形である点が図３の受光素子アレイと異なる。 この変形例では、受光部への入射位置のずれが「受光部の列と平行方向」に生じることを想定している。 そのように入射位置のずれが生じた場合でも、受光部の形状を当該平行方向に伸びる楕円形とすれば、入射角の許容公差を大きくしつつ、受光部の形状が円形である場合と比べて受光部の面積を小さくできる。 受光素子の受光部の面積を小さくすると受光素子の容量低減ができるため、高速応答性を有する波長多重受信モジュールを製造できる。

本発明の実施の形態１では、光ファイバ１４から出射する光信号は４波長の光が波長多重化されたものであるとしたが、４波長よりも多くても少なくても受光素子の数などを調整すれば本発明の効果を得ることができる。

図８は本発明の実施の形態１に係る全反射ミラーの変形例を示す図である。 図８に示す全反射ミラー３２は開口のない１枚のミラーである。 この場合、多重化光信号はプリズム１８の幅の太い方から入射させる。 このようにすると全反射ミラー３２に開口を形成する必要がないため、波長多重受信モジュールを低コスト化できる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る波長多重受信モジュールは、実施の形態１に係る波長多重受信モジュールと共通点が多い。 そのため、実施の形態１に係る波長多重受信モジュールとの相違点を説明する。 図９は本発明の実施の形態２に係る波長多重受信モジュールの受光素子アレイの受光面を示す図である。 受光素子アレイ３４は、基板３４ｓに受光素子３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、及び３４ｄがモノリシックに搭載されたものである。 受光素子３４ｃの受光部の形状は円形である。 一方、受光素子３４ａ、３４ｂ、及び３４ｄの受光部の形状は受光部の列と平行方向に伸びる楕円形である。 そして、受光素子３４ｃの受光部の面積は、他の受光素子の受光部よりも小さい。 受光素子の調芯は、受光素子３４ｃの受光部を調芯軸に設定して行われる。

前述のように、多重化光信号の入射角度のずれによって、受光素子の受光部への光の入射位置がずれることがある。 この入射位置のずれは、複数の受光部のうち調芯軸に近いものほど小さい。 受光素子アレイ３４は、受光部の列の中央部分に配置された受光素子３４ｃの受光部に調芯される。 よって、各受光部から調芯軸までの距離が短くなるので、入射位置のずれを低減できる。

また、受光素子３４ｃの受光部の面積は、他の受光素子の受光部の面積よりも小さい。 これにより、受光素子３４ｃの受光部への調芯は難しくなるものの、受光素子３４ｃの受光部への調芯を終えると同時に他の受光部への調芯も完了することができる。 このように１つの受光部の面積を他の受光部の面積よりも小さくし、面積の小さい受光部について調芯を行うことで、組み立て（調芯作業）を容易にできる。

図１０は受光素子アレイ３４の変形例を示す図である。 受光素子アレイ３６は、受光部の形状に特徴がある。 すなわち、受光部の列の両端の受光素子（３６ａ及び３６ｄ）の受光部の面積が他の受光部の面積よりも小さくなっている。 そして、受光素子３６ａ及び３６ｄの受光部の調芯が完了すると、それらの受光部の面積よりも大きい受光素子３６ｂ及び３６ｃの受光部の調芯も完了させることができる。 よって波長多重受信モジュールの組み立て（調芯作業）を容易にできる。

実施の形態３．
図１１は本発明の実施の形態３に係る波長多重受信モジュールを示す図である。 波長多重受信モジュール５０はプリズム５２を備えている。 プリズム５２の第１面５２ａには全反射ミラー５４が固着されている。 全反射ミラー５４には開口５４ａが形成されている。 プリズム５２の第１面５２ａと対向する第２面５２ｂには帯域通過フィルタ５６が固着されている。 第１面５２ａは第２面５２ｂに対して角度がつけられているため、プリズム５２は上方で幅が広くなり、下方で幅が狭くなっている。 プリズム５２と全反射ミラー５４と帯域通過フィルタ５６を３層フィルタと総称する。

３層フィルタの後段には、集光レンズアレイ５８が形成されている。 集光レンズアレイ５８は、集光レンズ５８ａ、５８ｂ、５８ｃ及び５８ｄがモノリシックに形成されたものである。

集光レンズアレイ５８の後段には、受光素子アレイ６０が形成されている。 受光素子アレイ６０は、受光素子６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、及び６０ｄがモノリシックに形成されたものである。

このような波長多重受信モジュール５０の光の進行について説明する。 まず、多重化光信号が開口５４ａを経由してプリズム５２へ入射する。 光信号はプリズムの幅が狭い側に入射する。 多重化光信号がプリズム５２へ入射してからの分波のプロセスは実施の形態１の場合と同様であるため説明を省略する。 分波された光はそれぞれ、集光レンズ５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、及び５８ｄへ入射する。 集光レンズ５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、及び５８ｄを通過した光は、それぞれ受光素子６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、及び６０ｄの受光部へ入射する。

実装や仕様の都合上、複数の受光素子を一定間隔離して配置する場合がある。 そのような場合には、３層フィルタを出た光の交差する場所はないため、分波された光ごとに集光レンズを用意しなければならない。 複数の集光レンズをそれぞれ独立した部品として別個に実装しようとすると組み立てが複雑化する。 しかしながら、本発明の実施の形態３に係る波長多重受信モジュールでは集光レンズが複数搭載された集光レンズアレイを用いるため、複数の集光レンズを一括して実装できる。 よって、容易に組み立てることができる。

１０ 波長多重受信モジュール、 １２ ホルダ、 １４ 光ファイバ、 １６ コリメートレンズ、 １８ プリズム、 ２０ 全反射ミラー、 ２２ 帯域通過フィルタ、 ２４ 集光レンズ、 ２６ 受光素子アレイ