JP2001223642A

JP2001223642A - 光通信装置

Info

Publication number: JP2001223642A
Application number: JP2000031891A
Authority: JP
Inventors: Miki Kuhara; 美樹工原; Naoyuki Yamabayashi; 直之山林
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2000-02-09
Filing date: 2000-02-09
Publication date: 2001-08-17
Also published as: US6975812B1

Abstract

(57)【要約】【課題】光ファイバや光コネクタの故障を検出するた
めの監視光反射器を低コストで製作すること。【解決手段】基板の上に光導波機構と光素子を設けた
表面実装型光通信装置の光導波機構に監視光のみを選択
反射するグレーティングを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信に用いる光
送信器、光受信器およびこれらを一体化した光送受信器
（以下では、「光送信・受信器」、或いは「光通信器」
と総称する）に関する。つまり本発明は、１．光送信器２．光受信器３．光送受信器の３つの態様がある。いずれの形式にも適用できるもの
である。

【０００２】これらの光通信器において監視光を反射す
るための機構の改良に関する。特に加入者系のような小
型低コストの光送信・光受信器を提供する。監視光反射
機構は光ファイバ断線を検出するために設けられるが、
これがコストを押し上げないようにした改良を与える。

【０００３】

【従来の技術】従来の光送受信器は、図１のＬＤや、図
２のＰＤを組み合わせて、光送信器或いは光受信器或い
は光送受信器を構成していた。図１のＬＤモジュールは
金属カンに素子を密封したもので三次元的な構成を持っ
ている。円盤形状の金属ステム１、金属円筒形状のレン
ズホルダ−２、金属円錐形状のフェルールホルダ−３に
よって外殻部が構成される。それぞれは溶接によって接
合され堅固な構造物となっている。内部には円筒形のキ
ャップ４がありステム１の上に固定される。

【０００４】ステム１の上面垂直に延びるマウント５の
側壁にＬＤチップ６が取り付けられる。直下にはモニタ
用ＰＤ７がステム１中央に固定される。レンズホルダ−
２の上方開口部には集光レンズ８が固定される。その上
のフェルールホルダ−３の開口には光ファイバ９の先端
を把持するフェルール１０が固定される。先端を斜めに
研磨してファイバ端面反射光がＬＤ６に戻らないように
なっている。ステム１は下面にピン１１を持つ。送信信
号、モニタ信号などの入出力端子となる。

【０００５】ＬＤ６から出た信号光（送信光）はレンズ
８によって集光されファイバ９に入りその中を伝搬す
る。金属パッケージで密封され信頼性も高い。ステム
１、レンズホルダ−２、フェルールホルダ−３、フェル
ール１０をＸＹＺの三方向に動かして、ＬＤ６、レンズ
８、ファイバ９の最適関係位置を決める。このような調
芯が必要である。三次元構成で調芯が不可欠で高コスト
という欠点があった。

【０００６】図２の受光素子モジュールも同様の三次元
構成を持つ。円形の金属ステム１２、円筒形金属レンズ
ホルダ−１３、円錐形金属フェルールホルダ−１４が金
属製パッケージを構成する。内部にはさらに円筒形のキ
ャップ１５がステム上に取り付けられる。ステム１２の
中央にはＰＤ１６が固定される。ＰＤの直上においてレ
ンズホルダ−１３の開口部にレンズ１７が設けられてい
る。光ファイバ１８の端部を保持するフェルール１９が
フェルールホルダ−１４の頂部開口に差し込まれて固定
される。これもステム１２、レンズホルダ−１３、フェ
ルールホルダ−１４の間の２次元調芯と、フェルール１
９の１次元調芯を合わせて３次元の調芯が不可欠であ
る。現在はこのような三次元的構成を持つＬＤ、ＰＤモ
ジュールが使用されている。

【０００７】図３はＬＤとＰＤを対向させて送信と受信
それぞれに光ファイバを１本ずつ使用する例である。基
地局のＬＤ１からの信号が、光ファイバ２１を通って加
入者のＰＤ２にいたる。これは下り信号と呼ぶ。加入者
側のＬＤ２から出た信号は光ファイバ２２を伝わり基地
局側のＰＤ１によって受信される。このように光ファイ
バが２本あるシステムは送信受信を同時に行う場合波長
が同一であっても差し支えない。

【０００８】このような２本光ファイバタイプの光通信
装置はたとえば、高橋龍太、村上和也、須永義則、所武彦、小林雅彦、
「ＳＦＦ光トランシーバ用光素子実装方法の検討」１９
９９年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ
大会、Ｃ−３−２８、ｐ１３３（１９９９）などに提案されている。これは光クロストークを問題に
している。故障検出については言及していない。

【０００９】図４は光ファイバ１本で送受信を行う例で
ある。基地局はＬＤ１、ＰＤ１を有し、加入者はＬＤ
２、ＰＤ２を有する。両者が光ファイバ２４によって結
ばれる。時刻を違える場合（ピンポン伝送）は一つの波
長の信号光を用いることもできる。しかし同時双方向通
信する場合は、上り信号λ_１と下り信号λ_２に二つの異
なる波長の光を利用する必要がある。光ファイバ２４の
両端に分波器２３、２５を設ける。分波器２３、２５で
波長の異なる上り信号λ_１と、下り信号λ_２を区別す
る。

【００１０】具体的には、図５のようなＷＤＭフィルタ
と一体化した送受信器が用いられる。これは加入者側で
ある。別個のＬＤモジュール２６とＰＤモジュール２７
がある。それぞれは図１、図２のように独立したモジュ
ールである。ＬＤ２６の出力は光ファイバ２８、光コネ
クタ２９、光ファイバ３０を経てＷＤＭ３１に入る。こ
れは波長選択性のある結合器であり、送信光λ_１は光フ
ァイバ３０をそのまま通り光コネクタ３４から外部の光
ファイバ３５に送り出される。光ファイバ３５は基地局
につながる。局側からの受信光λ_２は光ファイバ３５、
光コネクタ３４、ＷＤＭ３１に入り、ここの結合部３３
で選択的に第２の光ファイバ３２へ入る。ＷＤＭ３１で
送信光λ_１と受信光λ_２が分離され同時双方向通信が可
能である。

【００１１】公知の光通信システムを概観した。以上の
光通信システムにおいて伝送路の異常検出機構が設けら
れる。伝送路である光ファイバが正常に光送受信器まで
到達しているか否かを確認するために、局側から上り光
とも下り光とも異なる波長の光λ_３を局側から加入者側
に送り、その反射戻り光を観測して伝送路の異常の有無
を検知する方式が採られている。

【００１２】例えば図６は、１：Ｎ（Ｎ＝１６，３２
等）の多分岐の光加入者系を模式的に表したものであ
る。局４０からλ_２（例えば１．５５μｍ）の下り信号
が光ファイバ４１によって送られ１：Ｎ分岐４２、例え
ば１６（Ｎ＝１６）の加入者に分割され、複数の加入者
へ光ファイバ４３、４６を通して送られる。家屋４４の
内部に加入者光送受信器４７があって、これによりλ_２
の光信号を感受する。光送受信器４７は図５のようなＬ
Ｄ、ＰＤモジュールを備えた装置である。

【００１３】一方各加入者はλ_１（例えば１．３μｍ）
の光で、加入者固有の送信信号を局４０の側へ送信す
る。局側４０は１６の加入者の信号を受信する。さらに
本発明に関わる機能として、伝送路が正常であるか否か
の監視機能を設ける。そのため家屋４４の内外の境界に
監視光反射器４５を設置する。

【００１４】例えば、１．６５μｍのような上り信号λ
_１、下り信号λ_２のいずれとも異なる波長の光λ_３を局
４０から加入者家屋４４側に送信し、各加入者の光送受
信器４７の手前の内外境界にある監視光反射器４５によ
って反射されてきた戻り光を検知するようになってい
る。戻り光がなければ光ファイバ断線ということであ
る。戻り光があっても微弱であれば何らかの故障がある
ということである。こうして、光ファイバの断線や、減
衰量の増大、光コネクタの脱落などがないかを定期的に
チェックする。この機能は、公衆通信という意味で非常
に重要な機能である。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図６の構成
では、監視光反射器４５を屋外と屋内の境目に付けるよ
うになっている。そのために、反射器として自立した機
能を持つ製品を独立の装置として製造し、取り付ける必
要がある。そのために光ファイバを切断して反射器を挿
入するという加工をしなければならない。独立した装置
だから反射器箱などの容器が必要である。取付金具など
も入用である。

【００１６】経済的な観点から見ると光ファイバ系の断
線、減衰の監視のために新たなコストが発生するという
ことになる。それは望ましくないことである。光通信が
広く公衆一般に普及するには安価だということが何より
も重要である。

【００１７】さらに技術的な観点からも問題がある。境
目の監視光反射器４５までたとえ異常がないとしても屋
内の光送受信器４７の近くでの光ファイバ４６の断線、
光コネクタの不調などの可能性もある。図６の従来装置
では監視反射器４５より屋内側の故障は検出することが
できない。不完全な監視であると言わねばならない。図
６のものは完全な伝送路監視装置になっていない。モジ
ュールの内部に監視光を反射する誘電体多層膜フィルタ
を入れて監視光反射機能を与えることを提案したものが
ある。森中彰、井上靖之、榎本圭高、加藤邦治、鳥羽弘、高
戸範夫「１．６５μｍ試験光反射／遮断フィルタ内蔵Ｐ
ＬＣ−ＷＤＭ回路」１９９８年電子情報通信学会総合大
会、Ｃ−３−１５８、ｐ３２４（１９９８）これはＹ分岐を持つ光導波路の先端にＰＤとＬＤを設け
同時双方向通信できるような装置で光導波路に誘電体Ｗ
ＤＭを入れたものである。ＷＤＭの角度を増やすと監視
光の反射減衰量が増える。３度〜５度で１．６５μｍに
対し１０ｄＢ〜２０ｄＢの反射減衰量が得られるとあ
る。１．６５μｍの挿入損失は５０ｄＢ以上であって、
ＰＤには殆ど入らないと主張している。

【００１８】以上のように図６のような家屋の内外境界
に独立反射器を設けたものは経済的にも、技術的にも問
題がありなお不十分である。ＷＤＭフィルタを挿入した
ものは、１．６５μｍに対する挿入損失を得るためには
高性能のＷＤＭフィルタが必要であるが、このようなフ
ィルタは歩留まり低く高コストになる。ＷＤＭフィルタ
を追加することになるからその分だけ部品が増えコスト
を押し上げるし、狭いフィルタ溝に挿入するため加工工
数も増加する。より低コストであってより完全に故障検
出できる監視装置を提供することが本発明の目的であ
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の問題
を根本的に解決できる方法を発明した。本発明の思想
は、光導波機構（光ファイバや光導波路）と光素子（発
光素子や受光素子）を基板に搭載した光通信装置（光送
信器、光受信器、光送受信器）の、同じ基板上の光導波
機構に、監視光のみを選択的に反射する回折格子を一体
化形成することによって、監視光反射機能を付与する、
ということである。

【００２０】表面実装型の光通信装置は、基板の上に平
面的に配置された光素子と光導波機構（光ファイバ或い
は光導波路）を必ず持つ。外部の光ファイバと光素子を
仲立ちする光導波機構に監視光を反射するグレーティン
グを形成して内部に監視光反射機能を与えるのである。
図６のように光通信装置の外にあるのではなく光通信装
置の内部に監視光反射機能がある。監視光反射機能を内
蔵したとも言えよう。さらに重要なことは光導波機構に
グレーティングを形成することによって監視光を選択反
射するようにしたということである。

【００２１】つまり本発明の特徴は２つに要約すること
ができ、１．光通信装置内部に監視光反射機能を内蔵させた。２．光導波機構に監視光選択反射性を持つ回折格子を形
成した。ということである。簡単な構成である。しかしそのもた
らす利益は大きい。

【００２２】こうすると個別の筐体に収容された監視光
反射器というものは不要になる。また家屋の内外境界に
取り付けるという手間も不要である。さらにグレーティ
ングを作るだけだから表面実装装置の内部に構成要素が
増えるわけでない。素子の数は、監視光反射機能がない
ものとまったく変わらない。

【００２３】それに光ファイバの場合は多数の光ファイ
バを並べてグレーティングを製作でき一つ当たりのコス
トは極わずかである。光導波路の場合も同様で、Ｓｉウ
エハ−の段階で光導波路上にグレーティングを作製でき
るから多数のグレーティングを一挙に形成できる。製造
コスト、据え付けコストを削減できる。据え付け工事が
不要でコスト削減の効果は大きくて光通信の普及をさら
に加速することができる。

【００２４】さらに監視光は家屋の内部にある光受信器
などまで届くからＬＤ、ＰＤの極近傍までの故障を監視
することができる。つまり図６の光ファイバ４６の部分
の故障まで広く検出できるわけである。このようにＰ
Ｄ、ＬＤと同じ素子内に監視光反射器を設けることによ
って前記の問題点の全てを解決する事ができる。まこと
に優れた発明である。

【００２５】

【発明の実施の形態】従来の図１〜図５の形態の装置
に、特定波長の反射機能を有する新たな部品を追加した
だけではコストメリットはない。送信・受信器の部品の
点数が一つ増えるだけである。コストアップ、構造の複
雑化、サイズの大型化という欠点が生ずるだけである。
それではいけないのである。

【００２６】そこで本発明者は、光導波機構（光ファイ
バ、石英系光導波路、高分子系光導波路を含む）と光素
子（ＰＤ、ＡＰＤ、ＬＤ、ＬＥＤ）を組み合わせてなる
光通信装置（光送信器、受信器、光送受信器）におい
て、光導波機構に送信、受信の波長と異なる波長の光λ
_３（監視光）のみを反射する回折格子による監視光反射
機能を設けたものを提案する。

【００２７】既に存在する光導波機構の一部に反射機構
（回折格子）を設けるのだからコスト増は僅かである。
送信・受信器が表面実装技術などで小型、低コスト化さ
れるとともに、同時に監視光反射機能をも合わせ持つと
いう優れた送信・受信器となる。

【００２８】ここで光導波機構と呼んでいるものは、光
ファイバと光導波路の二つがある。いずれも基板の上に
設けられて外部の光ファイバと内部の光素子を繋ぐもの
である。本発明はその途中にグレーティングを設けるか
ら重要な素子なのである。予め光導波路、光ファイバ、
グレーティングを説明する。

【００２９】［光ファイバ］光ファイバというのはシ
ングルモード光ファイバ、マルチモード光ファイバの別
がある。石英系の光ファイバ、プラスチックのファイバ
などがある。シングルモード石英光ファイバの場合は１
０μｍ径のコアを１２５μｍ径のクラッドが囲むような
形状でさらに被覆によって覆われる。コアはクラッドよ
り屈折率が高く光はコアを伝搬する。その他の光ファイ
バでもコア、クラッド、被覆の構造を持つ。本発明は何
れにも適用できる。

【００３０】［光導波路］光導波路というのは表面実
装基板の上に作り付けにするものである。図７に断面図
を示す。基板５０の上にアンダークラッド層５１を一様
に設け、その上に線上のコア５２をフォトリソグラフィ
によって形成する。コアというのはクラッド層よりも屈
折率が高い部分で光を導く作用がある。コア５２を囲む
ようにオーバークラッド層５３が設けられる。基板はＳ
ｉ基板のこともありプラスチック基板のこともある。基
板によってクラッド、コアの材質も変わる。ここではＳ
ｉ基板の場合を説明する。Ｓｉ基板の場合は、クラッド
層はＳｉＯ_２層である。スパッタリングやＣＶＤ法で作
製できる。コアはＳｉＯ_２にＧｅをドープすることによ
って作製できる。ＧｅはＳｉＯ_２の屈折率を上げること
ができる。

【００３１】［グレーティング］図８は光ファイバに
グレーティング（回折格子）を形成した状態の平面図を
示す。クラッド１１０とコア１１１とからなる光ファイ
バ１１２は被覆を剥離した状態（１２５μｍ径）であ
る。光ファイバコアに等間隔の屈折率の摂動を与えてい
る。もちろんクラッドにも同じ間隔で屈折率の周期的な
変化を与えている。屈折率がある周期Ｐで僅かな変動を
すると先述のように、λ＝ｎＰ／ｍの波長の光は反射さ
れる。それ以外の光は透過する。

【００３２】例えば紫外レ−ザによる２光束干渉露光法
により回折格子を作製する。これはかなり強いレ−ザパ
ワーが必要である。光ファイバでなくて、光導波路に作
製した場合も同様の平面図になる。光導波路の場合も２
光束干渉露光法（後述）を適用できるがそれ以外の方法
でも回折格子を作製できる。

【００３３】光導波路のコアに屈折率変動を一定周期Ｐ
で与えることによって反射機能を付与できる。もちろん
機械的な手段によって等間隔の屈折率変動を与えること
もできる。グレーティングを作製した押圧子を光導波路
に押し付けてコアを歪ませることにより回折格子を作製
することができる。あるいは一定間隔の縞模様を持った
マスクで光導波路や光ファイバを覆ってクラッドを部分
的にエッチングすることによりコアに屈折率の周期的変
動を与えるということも可能である。

【００３４】［二光束干渉露光法］ここではＧｅ添加
石英光ファイバを水素添加処理した後、２４４ｎｍ付近
の波長のレ−ザ光を２つのビームに分け対称になるよう
ある角度方向から干渉縞ができる条件で光ファイバに照
射し、光ファイバ内に屈折率の周期的な変化を起こすよ
うにした。水素添加は屈折率変化をおこし易くするため
である。光ファイバにはある周期で屈折率の変化が起こ
っている。屈折率変化は１０^−５程度の小さなものであ
る。屈折率変化はわずかであるが、ある程度の長さがあ
れば、その周期Ｐの２倍の整数分の１の波長の光λ（λ
＝２ｎＰ／ｓ；ｓは整数、ｎは屈折率）を完全に反射す
ることができる。空間格子と異なり方向によって反射波
長が変動するというような事はない。光ファイバは一次
元の材料でグレーティングに対して斜め入射というよう
なことはなく必ず垂直入射ということになる。

【００３５】図８において、光ファイバ１１２の中心に
はコア１１１があり、これをクラッド１１０が取り囲ん
でいる。シングルモードファイバの場合、コア径は１０
μｍ、クラッド径は１２５μｍである。紫外線レ−ザを
使い二光束干渉法によって、コア内部に屈折率が周期的
に変化する部分を形成する。

【００３６】［選択反射の原理］グレーティング部の
屈折率縞の周期Ｐをλ_３＝２ｎＰ／ｓ（ｓは整数）とな
るように決める。ここにλ_１、λ_２、λ_３の光を入れる
と、λ _１、λ_２は透過し、λ_３は反射する。そのような
波長選択性がある。どうしてそうなのか？グレーティン
グを初めから１、２、…、ｍと番号を付ける。その間隔
はＰである。光路長は長さに屈折率を掛けたものを意味
する。つまり０番目からみるとｊ番目格子までの光路長
はｊｎＰである。往復の光路長は２ｊｎＰである。波数
がｋ（＝２π／λ）の光があるとする。波動関数はｅｘ
ｐ（−ｋｘ）である。

【００３７】この波数の光がｊ番目の格子でεの反射を
受けて戻ってくるとする。屈折率が増えることによって
反射する場合は位相がπだけ増え、屈折率が減少するこ
とによって反射される場合は位相は変わらない。そのよ
うな違いがあるがどの格子点でも同じ屈折率変化がおこ
るのであるから位相変化も同じである。すると０番目で
の振幅Ａはこれらｊ番目格子点からの反射振幅の和にな
るから、

【００３８】

【数１】

【００３９】となる。ここでΣというのはｊが１からｍ
までを加えるということを意味している。光のパワーＷ
はこれの二乗（複素共役との積）である。

【００４０】

【数２】

【００４１】となる。これは反射光パワーを意味する
が、それだけでない。透過光のパワーをも表しているの
である。つまり（１−Ｗ）が透過光の強度である。εは
小さい値であるから、分母のｓｉｎの中の（ｋｎＰ）が
πの整数倍でない場合にはＷは極めて小さい値にすぎな
い。もしもｋｎＰがπの整数倍ならば分母は０に近く同
時に分子も０に近くなる。

【００４２】ｋｎＰ→ｓπ（ｓ；整数）の極限でどうな
るのか？ｋｎＰ−ｓπ＝ηとして、ｓｉｎのわり算の部
分は、ｓｉｎ^２ｍη／ｓｉｎ^２ηと書けるから、そのη
→０の極限はｍ^２である。つまりｋｎＰ＝ｓπのとき
は、反射光パワーは（εｍ）^２ということになる。ｋ＝
２π／λであるから、それはλ＝２ｎＰ／ｓだというこ
とである。

【００４３】 λ＝２ｎＰ／ｓのときＷ＝（εｍ）^２（３） λ≠２ｎＰ／ｓのときＷ＝０（４）

【００４４】εが小さい値であるが格子の数ｍが１／ε
程度あれば（３）の右辺は１とすることができる。λ_３
が（３）の条件を満足するようにＰやｓを決めるのであ
るが、監視光は完全に反射されなければならないという
ものではない。これが受信系に入らなければよい、入っ
てもＰＤによって感受されなければ良いのである。

【００４５】受信光が１．５５μｍ、監視光が１．６５
μｍであって、分離が難しいというのであれば、ｍを１
／εよりかなり大きい値（ｍε＞＞１）として、監視光
λ_３（ここでは１．６５μｍ）の完全反射を狙うのがよ
い。

【００４６】（４）式は何を意味するのか？それは
λ_１、λ_２のように、２ｎＰ／ｓでないものは実質的に
反射されないという事である。これも重要なことであ
る。例えば、λ_１（送信光）＝１．３μｍ、λ_２（受信
光）＝１．５５μｍ、λ_３（監視光）＝１．６５μｍと
すると、送信光、受信光は格子によって散乱されずその
まま透過するということを意味する。監視光だけが格子
によって反射される。

【００４７】ｓの意味であるが、これはグレーティング
の波長Ｐの選び方に自由度を与える。たとえばｓがない
と、光ファイバ屈折率ｎを１．４程度、λ_３＝１．６５
μｍとすると、Ｐは０．６μｍ程度となる。かなり波長
の短いレ−ザを使って二光束干渉法を実行しなければな
らない。二光束干渉法はレ−ザ光を二つに分けて、面対
称の方向から角度Φ、−Φで対称に照射して干渉縞を作
るものである。干渉縞のピッチＰはΛ／ｓｉｎΦによっ
て与えられる。Λはレ−ザの発振波長である。Φを大き
くすればかなり波長の長いレ−ザでも小さいＰの干渉縞
を作ることができる。Φ（０≦Φ＜９０゜）は斜め入射
角だから大きくするといっても限界がある。

【００４８】しかしｓを２以上の整数にすると干渉縞の
作製はもっと楽になる。ｓ倍の波長のレ−ザによって光
ファイバ加工が可能になるからである。ｓにはそういう
意味がある。しかし反面ｓが１より大きいと同じ長さに
形成できる格子の数が１／ｓになるから、格子数ｍが小
さくなるという問題がある。先述のように格子の数ｍは
反射パワーを決めるパラメータであり、（３）式のよう
にｍの大きい方が監視光をより完全に反射できるという
利点がある。使用できる加工用レ−ザの波長と光ファイ
バに格子を形成できる長さの余裕を考えてｓを適当に選
ぶべきである。つまり、ここでは必ずしもｓ＝１とは限
らないということを主張しているのである。

【００４９】ここでは光ファイバは、ＧｅＯ_２を６％含
む石英シングルモードファイバである。これを水素添加
処理し、さらにアルゴンレ−ザの２次高調波（ＳＨＧ：
second harmonic generation；λ＝２４４ｎｍ）を二光
束干渉法によって光ファイバに照射した。水素添加する
のは、レ−ザ光照射によって屈折率変化をより容易に引
き起こす為である。グレーティング部の長さは約４ｍｍ
である。ここでは、監視光としてのλ_３＝１．６５μｍ
を選択反射するようにグレーティングの周期Ｐを決め
る。これによって１．６５μｍに対して９９％以上の反
射率を得た。

【００５０】さらに１．６５μｍの反射率を高めたい場
合には、グレーティングの長さをより長くすれば良い。
例えば格子長を８ｍｍ以上にすると９９．９％以上の反
射率が実現される。

【００５１】以上に説明した回折格子は光ファイバに設
けたものであるが、同様に光導波路にも設ける事ができ
る。例えばＳｉＯ_２にＧｅをドープして屈折率を局所的
に上げて導波路としたものは表面実装に頻用される。回
折格子を光導波路に作製した場合も同じような波長選択
反射性が得られる。原理は同様なので説明を繰り返さな
い。

【００５２】本発明においてグレーティングを監視光の
反射機構として使用する理由は、導波路にスリットのよ
うな機械的な加工をしなくても良いことと、フィルタ挿
入というような一個一個の個別の加工作業が不要だから
である。

【００５３】また光ファイバの場合は、何十個の光ファ
イバを平行に平面上に並べて、紫外線を露光することに
より、一度に多くの回折格子の加工ができる。極めて能
率がよい。

【００５４】Ｓｉベンチ（Ｓｉ基板）の上の導波路に回
折格子を形成する場合は、すでに大型Ｓｉウエハ−の上
に（多数のチップごとに）多数の導波路が規則正しく形
成されている上から、（例えば二光束干渉法で）紫外線
を照射することによって回折格子を形成できる。従来の
Ｓｉ半導体製造方法と全く同じ手法によって多数の回折
格子が同時的あるいは継時的に作製することができる。
汚染の恐れはないし短時間で多数同等のものが形成でき
る。低コスト化にメリットがある。

【００５５】

【実施例】［実施例１（光ファイバ、Ｖ溝、単一光素
子）］本発明は既存の様々の光通信装置に適用できる。
まずもっとも単純な応用を述べよう。本発明を１本の光
ファイバを光導波機構として一つの光素子（ＬＤ、ＬＥ
Ｄ、ＰＤ、ＡＰＤのうち一つ）を有する単一光通信装置
に適用する。最も単純な実施例である。図９に平面図、
図１０に中央縦断面図を示す。より具体的に言えば、光
導波機構が石英系光ファイバであり、その一部に例えば
監視光波長１．６５μｍを反射し、１．３μｍ光や１．
５５μｍ光などの信号光を透過する作用のあるグレーテ
ィングを形成した実施例である。

【００５６】単純といっても基板については凝った構造
になっている。小さい第１基板５５が大きい第２基板５
６の凹部５７に埋め込まれた二重構造となっている。第
１基板はＳｉ基板のようにフォトリソグラフィによって
精度高く製造できる基板である。第１基板はプラスチッ
クなどであって安価で造形性に富むものがよい。全体を
Ｓｉ基板とするよりも基板コストを低減する事ができ
る。第１基板５５には小Ｖ溝５８が、第２基板５６には
大Ｖ溝５９が、連続して表面軸方向に穿たれている。第
１基板５５の軸上中心部に光素子６０をマウントする。
光素子というのはＬＤ、ＰＤ、ＬＥＤ、ＡＰＤなど発光
素子、受光素子である。

【００５７】光導波機構はフェルール６１によって一部
を把持された光ファイバ６２である。大Ｖ溝５９にはフ
ェルール６１が小Ｖ溝５８には光ファイバ（クラッドま
で）６２が挿入固定される。光ファイバ６２の途中には
一定間隔のグレーティング６３が形成される。グレーテ
ィング６３が監視光（例えば１．６５μｍ）反射機能を
有する。

【００５８】光ファイバのコア径は１０μｍ、クラッド
径は１２５μｍである。グレーティング長は約５ｍｍで
ある。１．６５μｍ光に対する反射率は９９％以上であ
り、１．３μｍ、１．５５μｍに対する透過率は９０％
以上であった。

【００５９】これにより、光ファイバと光素子（ＬＤ又
はＰＤ）をＳｉベンチ上に実装するという表面実装の小
型、低コスト化というメリットを生かしたまま、さらに
監視光波長を反射する機能も兼ね備えた光送信器または
光受信器が作製できるようになる。ここでは基板は２重
構造となっているが、全体をＳｉベンチとしてもよい
し、全体をポリイミドなどのプラスチック基板としても
良い。

【００６０】［実施例２（複数光素子、複数光ファイ
バ）］実施例１は１本の光ファイバと一つの光素子を組
み合わせたものであった。それを複数個並列に配列して
さまざまの多重通信器を構成することができる。たとえ
ば複数の送信器を並べて同時複数送信器とすることがで
きる。複数の受信器を並べて同時複数受信器とすること
もできる。さらにｍ個の送信器とｋ個の受信器を並列に
並べることもできる（ｍ≧１、ｋ≧１）。図１１にその
ような複数光ファイバ、複数光素子の実施例を示す。同
等のユニットであるから実施例１と同じ番号を付した。

【００６１】これは３つの単機能ユニット６４、６５、
６６を示すが、２以上幾つであってもよい。何れも光フ
ァイバの送信だけあるいは受信だけに使われる。信号の
流れが一定であるから波長は同一であっても良い。同時
に通信することができる。光ファイバが別なので構成は
単純でクロストークの恐れも少ない。光ファイバにグレ
ーティングがあって監視光反射機能を有する点は前例と
同じである。

【００６２】［実施例３（２本光ファイバ、光送受信
器）］実施例３は、光送信器と光受信器を同一装置内に
有し２本の平行光ファイバによって相手側と通信を行う
ような装置に本発明を適用したものである。図１２にそ
れを示す。平面実装用基板６７の上に平行に光ファイバ
６８、６９が固定される。Ｖ溝を彫ってここに埋め込む
が、ここではＶ溝の図示を略している。これら光ファイ
バにもグレーティング７０、７１が設けられ監視光反射
機能を付与している。基板の後半部には、メタライズ７
２、７３、７４、７５が印刷してある。メタライズ７
３、７５の上にＬＤ７６、ＰＤ７７がマウントしてあ
る。ＬＤ７６が光ファイバ６８へ送信光を出力する。光
ファイバ６９からの受信光をＰＤ７７が受信する。２本
の光ファイバがあるから送信光、受信光は独立である。
波長が異なっていても同じであっても良い。

【００６３】このような場合も同様に、光ファイバに回
折格子（グレーティング）７０、７１を形成して監視光
反射機能を付加することができる。これは内部の光導波
機構が光ファイバであるが、それを光導波路としても差
し支えない。外部光ファイバ８０、８１と、基板の端面
８２、８３において、内部光導波路６８、６９と接合す
るのである。境目に集光レンズのようなものは不要で直
付けとすればよい。そうすれば２本光導波路の実施例と
いうことになる。

【００６４】［実施例４（波長多重、光送受信器）］図
１３は、光送信器と光受信器が一体化され、波長多重に
より同時に双方向通信をする装置に本発明を適用した実
施例を示す。平坦な基板８５の中心軸方向にＶ溝８６が
切ってある。その中へ光ファイバ８７を埋め込んで固定
してある。途中で光ファイバ、Ｖ溝を斜めに切り込む斜
め溝８８がある。ここへ波長分離機能を有するＷＤＭフ
ィルタ８９が差し込んである。基板８５の後端には一段
低い段部９０があり、この上であって光ファイバの軸線
上にＬＤ９１がマウントされている。基板表面の上でＷ
ＤＭフィルタ８９の反射光のいたる位置にＰＤ９２が固
定される。これは裏面入射型ＰＤを上向きに、あるいは
表面入射型ＰＤを裏返しに付けたものである。光ファイ
バ８７を伝わってきた受信光λ_２はＷＤＭ８９によって
斜め反射されてＰＤ９２に入る。ＬＤ９１の発する送信
光は端面から光ファイバ８７に入って直進する。光ファ
イバ８７の途中にはグレーティング９３が形成されてい
る。

【００６５】この例では、１．３μｍが送信光λ_１で、
１．５５μｍが受信光λ_２である。このような場合も同
様な構成で、グレーティング９３によって、監視光（例
えば１．６５μｍ）反射機能を付与することができる。
この例は、図６で示した加入者系で多用される構成であ
る。光送信器と光受信器が同一装置内にある。波長多重
同時双方向通信が可能である。

【００６６】［実施例５（１本光導波路、１光素子）］
図１４は、Ｓｉもしくは石英系ガラスの上に形成された
導波路により１本の光ファイバと一つの光素子（ＰＤ又
はＬＤ）を光学的に結合するものである。図９、図１０
の実施例１と違うのは内部の光導波機構が光ファイバで
なく光導波路であることである。光導波路は図７で説明
した。平坦な基板９４の中心軸上に光導波路９５が形成
してある。光導波路９５の終端は段部になっており軸線
上に光素子９６が固定される。光素子はＰＤ、ＬＤ、Ｌ
ＥＤ、ＡＰＤなどである。外部の光ファイバ９７は基板
９４の端面９８において光導波路９５に接合している。
光導波路９５の途中にグレーティング９９が形成してあ
る。監視光はグレーティングによって反射され局側へ戻
される。

【００６７】この場合も実施例１〜４と同じように、グ
レーティング９９による、監視光反射機能を構成するこ
とができる。特にこの構成は導波路に様様な機能を付加
することができるという長所がある。反射機能の他に例
えば、ＰＤの前に、特定の波長のみ選択的に透過するグ
レーティングフィルタを形成し、不要な波長に対しては
全く感度をなくしたり、ＬＤの前にグレーティングを形
成してこれをＬＤの共振器の一部として、発光波長を安
定化させるなどが可能である。

【００６８】［実施例６（分岐導波路、光送受信器）］
図１５は、基板上に形成された分岐導波路により、光送
信と受信器が一体化され波長多重により同時双方向送受
信を行う実施例を示す。Ｓｉ基板もしくは石英系ガラス
基板１００の上に第１光導波路１０１と第２光導波路１
０２が形成される。両者は接近した結合部１０３でエネ
ルギーを交換できるようになっている。光ファイバ１０
５が基板の端面で光導波路１０１に接合している。光導
波路１０１の途中にグレーティング１０４が形成され
る。これは監視光だけを選択反射する回折格子である。
第１光導波路１０１の終端にＬＤ１０６が設けられる。
第２光導波路１０２の終端にはＰＤ１０７が固定され
る。その側方にはＰＤ信号を前置増幅するためのＡＭＰ
１０８が設けられる。実際には図１２のようにメタライ
ズパターンがあってチップの電極間を電気的に接続する
が、ここでは図示を略している。

【００６９】受信光λ_２は第２光導波路１０２へ、送信
光は第１光導波路１０１へ分配される。ＬＤ１０６から
出た送信光λ_１は光導波路１０１から光ファイバ１０５
へと送出される。光ファイバ１０５を伝搬してきた受信
光λ_２は分岐結合部１０３で第２光導波路１０２に入り
ＰＤ１０７によって受信される。

【００７０】この例では１．３μｍが送信光λ_１で、
１．５５μｍが受信光λ_２である。この図では１．３μ
ｍと１．５５μｍは導波路間の光結合（１０３）により
光路を分離しているが、これは導波路途中に、１．３μ
ｍ透過、１．５５μｍ反射という波長選択性を持つフィ
ルタ（ＷＤＭフィルタ）によって置き換えることができ
る。

【００７１】このような場合も、実施例５と同様に、グ
レーティングによって、監視光反射機能を付与すること
ができる。この構成は実施例５と同じく、導波路に様様
な機能を付加することができるという利点がある。

【００７２】反射機能の他に例えばＰＤの前に特定の波
長の光のみ選択的に透過するグレーティングを形成し、
不要な波長に対しては全く感度がないようにすることも
できる。あるいはＬＤの前にＬＤ発振波長に対応するグ
レーティングを形成し、これをＬＤの共振器の一部とし
て利用し発振波長をより一層安定化させるようにするこ
ともできる。

【００７３】この構成例も図６で示した加入者系で最も
多用される構成である。送受信機能が一体化されてお
り、特に多機能を集積化できることの利益が大きい。

【００７４】Ｓｉベンチの大きさは、２０ｍｍＬ×７ｍ
ｍＷ×１．５ｍｍｄである。この上に火炎堆積法で、Ｓ
ｉＯ_２アンダークラッド層、ＳｉＯ_２＋Ｇｅ導波層、Ｓ
ｉＯ _２オーバークラッド層を形成した。導波路のコアサ
イズは、６μｍ×６μｍの断面で、コア・クラッドの屈
折率差は０．４％である。その構成は図７に示すものと
同じである。

【００７５】光源としてのＬＤは、ＩｎＧａＡｓＰの
１．３μｍ−ＭＱＷ−ＬＤである。ここでＭＱＷはmult
iquantumwellということである。

【００７６】受光素子であるＰＤはＩｎＧａＡｓを受光
層とする導波路型ＰＩＮ−ＰＤである。つまり端面から
の入射光を感受するような構造のＰＤである。

【００７７】１．３μｍ（送信光）と１．５５μｍ（受
信光）の分離は、マッハツエンダー型の光カプラ（１０
３の部分）によった。

【００７８】受信側には１５６Ｍｂｐｓ用前置増幅器を
ＰＤに近接して配置し高感度化した。グレーティングの
長さは４ｍｍである。グレーティングによる１．６５μ
ｍ（監視光）の反射率は９９％以上であった。

【００７９】ファイバと導波路の接合部に屈折率整合樹
脂を充填した。その結果１５６Ｍｂｐｓの１．３μｍ／
１．５５μｍ送受信機能を確認するとともに、１．６５
μｍの監視光も充分に局側へ反射されていることを確認
した。

【００８０】

【発明の効果】本発明は、光導波機構を有する表面実装
光通信装置において、光導波機構にグレーティングを設
けて監視光反射機能を与えている。表面実装という低コ
スト小型化の技術に、さらに加入者系必須の監視光反射
機能を殆どコストの増加なく形成することができる。光
通信の加入者系への応用を一層加速するであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】金属パッケージに収容され三次元的な構造を持
つ従来例にかかるＬＤモジュールの断面図。

【図２】金属パッケージに収容され三次元的な構造を持
つ従来例にかかるＰＤモジュールの断面図。

【図３】基地局（中央局）側と加入者側を２本の光ファ
イバで結び、下り信号と上り信号が別異の光ファイバを
通るようにした２本光ファイバ同時双方向光通信装置の
概略構成図。

【図４】基地局（中央局）側と加入者側を１本の光ファ
イバで結び、波長選択性を有する分波器を設け波長の異
なる下り信号と上り信号が同一の光ファイバを通るよう
にした波長多重同時双方向光通信装置の全体の概略構成
図。

【図５】基地局（中央局）側と加入者側を１本の光ファ
イバで結び、波長の異なる下り信号と上り信号が同一の
光ファイバを通るようにした波長多重同時双方向光通信
装置の加入者側の概略構成図。

【図６】基地局（中央局）側と加入者側を１本の光ファ
イバで結び、波長の異なる下り信号と上り信号が同一の
光ファイバを通るようにした波長多重同時双方向光通信
装置の加入者側において家屋の内外境界に監視光反射器
を設けた従来例にかかる故障検出装置の概略構成図。

【図７】Ｓｉ基板の上に形成したＳｉＯ_２系の光導波路
の断面図。

【図８】光ファイバの内部に周期的な屈折率変動を与え
ることによって選択反射性を有する回折格子を形成した
ものの断面図。

【図９】１本の光ファイバの先端に一つの光素子（Ｐ
Ｄ、ＬＤ、ＬＥＤなど）を設けた単一機能光通信装置に
本発明を適用した第１の実施例の平面図。

【図１０】１本の光ファイバの先端に一つの光素子（Ｐ
Ｄ、ＬＤ、ＬＥＤなど）を設けた単一機能光通信装置に
本発明を適用した第１の実施例の縦断面図。

【図１１】複数の単一機能光通信装置に本発明を適用し
た第２の実施例の平面図。

【図１２】２本の光ファイバの先に受光素子と発光素子
を設けた同時双方向光通信装置に本発明を適用した第３
の実施例の平面図。

【図１３】同一基板の上に受光素子と発光素子を搭載
し、１本の光ファイバで波長の異なる送信光、受信光を
伝送した同時双方向光通信装置に本発明を適用した第４
の実施例の縦断面図。

【図１４】基板上に設けた１本の光導波路と一つの光素
子からなり１本の光ファイバと接続される単一機能光通
信装置に本発明を適用した第５の実施例を示す平面図。

【図１５】基板上に設けた互いに選択的に結合する２本
の光導波路と２つの光素子からなり、１本の光ファイバ
と接続される波長多重双方向通信装置に本発明を適用し
た第６の実施例を示す平面図。

【符号の説明】

１ステム２レンズホルダ− ３フェルールホルダ− ４キャップ５マウント６ＬＤ７モニタＰＤ８レンズ９光ファイバ１０フェルール１１ピン１２ステム１３レンズホルダ− １４フェルールホルダ− １５キャップ１６ＰＤ１７レンズ１８光ファイバ１９フェルール２０ピン２１光ファイバ２２光ファイバ２３分波器２４光ファイバ２５分波器２６ＬＤモジュール２７ＰＤモジュール２８光ファイバ２９光コネクタ３０光ファイバ３１ＷＤＭ３２光ファイバ３３結合部３４光コネクタ３５光ファイバ３６光ファイバ３７光コネクタ４０局４１光ファイバ４２分岐４３光ファイバ４４家屋４５監視光反射器４６光ファイバ４７加入者光送受信器５０基板５１アンダークラッド層５２コア５３オーバークラッド層５５第１基板５６第２基板５７凹部５８小Ｖ溝５９大Ｖ溝６０光素子６１フェルール６２光ファイバ６３グレーティング６４単機能ユニット６５単機能ユニット６６単機能ユニット６７基板６８光ファイバ６９光ファイバ７０グレーティング７１グレーティング７２メタライズ７３メタライズ７４メタライズ７５メタライズ７６ＬＤ７７ＰＤ７８ワイヤ７９ワイヤ８０光ファイバ８１光ファイバ８２基板端面８３基板端面８５基板８６Ｖ溝８７光ファイバ８８斜め溝８９ＷＤＭフィルタ９０段部９１ＬＤ９２ＰＤ９３グレーティング９４基板９５光導波路９６光素子９７光ファイバ９８端面９９グレーティング１００基板１０１第１光導波路１０２第２光導波路１０３分岐部（結合部）１０４グレーティング１０５光ファイバ１０６ＬＤ１０７ＰＤ１０８ＡＭＰ１１０クラッド１１１コア１１２光ファイバ

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年１月３０日（２００１．１．３
０）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３６】［選択反射の原理］グレーティング部の
屈折率縞の周期Ｐをλ_３＝２ｎＰ／ｓ（ｓは整数）とな
るように決める。ここにλ_１、λ_２、λ_３の光を入れる
と、λ _１、λ_２は透過し、λ_３は反射する。そのような
波長選択性がある。どうしてそうなのか？グレーティン
グを初めから１、２、…、ｍと番号を付ける。その間隔
はＰである。光路長は長さに屈折率を掛けたものを意味
する。つまり０番目からみるとｊ番目格子までの光路長
はｊｎＰである。往復の光路長は２ｊｎＰである。波数
がｋ（＝２π／λ）の光があるとする。波動関数はｅｘ
ｐ（−ｉｋｘ）である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３８】

【数１】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４０】

【数２】

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５６】単純といっても基板については凝った構造
になっている。小さい第１基板５５が大きい第２基板５
６の凹部５７に埋め込まれた二重構造となっている。第
１基板はＳｉ基板のようにフォトリソグラフィによって
精度高く製造できる基板である。第２基板はプラスチッ
クなどであって安価で造形性に富むものがよい。全体を
Ｓｉ基板とするよりも基板コストを低減する事ができ
る。第１基板５５には小Ｖ溝５８が、第２基板５６には
大Ｖ溝５９が、連続して表面軸方向に穿たれている。第
１基板５５の軸上中心部に光素子６０をマウントする。
光素子というのはＬＤ、ＰＤ、ＬＥＤ、ＡＰＤなど発光
素子、受光素子である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｂ 10/135 10/13 10/12 Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA04 BA13 BA24 BA25 CA05 CA33 2H047 KA11 LA01 LA19 MA05 MA07 QA04 QA05 QA07 RA01 2H050 AB03Z AC81 5K002 BA07 BA21 BA31 EA06 FA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の上に光素子と光導波機構とを組み
合わせてなる光通信装置において、信号光波長とは異な
る監視光波長のみを反射する監視光反射用グレーティン
グを基板上の光導波機構に形成したことを特徴とする光
通信装置。
【請求項２】光導波機構が石英系光ファイバであり、
光ファイバの上に監視光反射用グレーティングを形成し
たことを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
【請求項３】光導波機構がＳｉ基板もしくは石英系ガ
ラス基板上に形成されたＳｉＯ_２系光導波路であり、Ｓ
ｉＯ_２系光導波路に監視光反射用グレーティングを形成
したことを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
【請求項４】光導波機構が高分子材料基板の上に設け
られた高分子材料よりなる光導波路であり、光導波路に
監視光反射用グレーティングを形成したことを特徴とす
る請求項１に記載の光通信装置。
【請求項５】複数本の光ファイバによって信号を伝送
するために、基板の上に複数本の光導波機構を設け、光
導波機構に監視光反射用グレーティングを形成し、それ
ぞれの光導波機構の終端に受光素子または発光素子を一
つずつ設けたことを特徴とする請求項１に記載の光通信
装置。