JP2007187793A

JP2007187793A - 光モジュール

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Publication number: JP2007187793A
Application number: JP2006004693A
Authority: JP
Inventors: Takara Sugimoto; 宝杉本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2007-07-26
Also published as: US20070189660A1; CN101000397A; US7565043B2

Abstract

【課題】発光素子からの送信光信号を光ファイバに出力し、かつ同じ光ファイバから到来する受信光信号を受光素子に導く光モジュールにおいて、自局の発光素子からの送信光信号が受光素子に結合して雑音となり通信を阻害することを防ぐ。
【解決手段】発光素子２０１の光軸と受光素子２０２の受光面４０２に対する法線とが空間的にねじれた関係となる位置関係に発光素子２０１と受光素子２０２とを配置する。さらに、受信光導波路３０２を伝搬した光信号を受光素子２０２の受光面４０２に導くとともに、受光素子２０２の受光面４０２を含む平面に投影される発光素子２０１の発光点の像が受光素子２０２の受光面４０２と重ならないようにする光路変換手段を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は光ファイバにより光通信を行う装置に関する。特に、１本の光ファイバで双方向に光信号の送受信を行うための光モジュールに関する。

近年の通信技術の発展に伴い、一本の光ファイバで光信号の送受信を行う一芯双方向光モジュールが実用化されている。特に一般家庭に光ファイバーを引いて家庭向けのデータ通信サービスを提供するファイバー・トウ・ザ・ホーム（ＦＴＴＨ）用には、小型、高速、安価な光モジュールが望まれている。

図１６は従来例の双方向光モジュールの構成を説明する図である。この光モジュールは特許文献１に開示された導波路型光波長合分波器を利用したものであり、一端でＶ字状に交わる送信光導波路３０１および送受信光導波路３０３が設けられた光導波路基板１０１と、送信光導波路３０１の他端、すなわちV字の腕の先に設けられた発光素子２０１と、Ｖ字の交わった先に設けられた受光素子２０２と、光導波路基板１０１と受光素子２０２との間で光導波路基板１０１に貼り付けられた光フィルタ２０３とを備え、送信光導波路３０１のＶ字の腕の先に光ファイバ２００が固定される構造をもつ。

光ファイバ２００より入射した受信光信号は、送受信光導波路３０３を伝搬し、光フィルタ２０３を透過して受光素子２０２に入射し、電気信号に変換される。一方、送信信号は、発光素子２０１で送信光信号に変換され、送信光導波路３０１に結合し、光フィルタ２０３で反射され、送受信光導波路３０３を伝搬して、光ファイバ２００に出射される。このようにして、１本の光ファイバ２００で光信号の送受信を行うことができる。

しかしながら、図１６に示した従来例の光モジュールでは、発光素子２０１からの送信光信号で送信光導波路３０１に結合しなかった光は、迷光として光導波路基板１０１内に散乱される。この迷光が受光素子２０２に入射すると、本来の受信光信号に対する雑音となり、通信を阻害してしまう。

さらに、受光素子２０２は送受信光導波路３０３の端面から出射される受信光信号を直接受光する構造のため、光導波路基板１０１とは別に組み立てる必要があり、コストの増加や、小型化に対する制約になるといった問題もある。

図１７は上述の雑音を低減させた別の従来例の構成を説明する図である。この従来例は特許文献２に開示されたものであり、送受信光導波路３０３の途中に光導波路基板１０１の法線に対して斜めにスリット３０４が形成され、光フィルタ２０３が挿入される。発光素子２０１は、光フィルタ２０３を介して送信光信号５０１が送受信光導波路３０３に結合するように、送受信光導波路３０３上に実装される。一方、受光素子２０２は、送受信光導波路３０３の終端部で結合するように実装される。

特許文献２によれば、発光素子２０１の発光面と受光素子２０２の受光面が対向しないことで、雑音を低減させることができるということである。しかし、発光素子の光軸と受光素子２０２の受光面に対する法線とが交わっており、特にモジュールの小型化のために発光素子２０１と受光素子２０２を近接して配置した場合には、発光素子２０１からの送信光信号５０１の一部が直接受光素子に入射されてしまい、十分に雑音を抑えることはできない。

さらに、特許文献２に開示のモジュールは、発光素子２０１からの送信光信号５０１を光フィルタ２０３で反射させて送受信光導波路３０３に結合させる構造であるが、発光素子２０１、受光素子２０２、光フィルタ２０３の大きさや配置に制約が大きく、生産性や小型化をする上で不十分である。

特開平１０−２５３８４８号公報特開２００５−０９１４６０号公報

本発明は、自局の発光素子からの送信光信号が受光素子に結合して雑音となり通信を阻害することを防ぐことのできる光モジュールを提供することを目的とする。さらに本発明は、発光素子、受光素子等を一枚の基板の上に実装でき、小型で安価な高速動作を可能とする光モジュールを提供することを目的とする。

本発明の第一の観点によると、発光素子からの送信光信号が入射する第一の光導波路と、受信光信号を受光素子に導く第二の光導波路とを同一の光導波路基板上に備えた光モジュールにおいて、前記第二の光導波路を伝搬した光信号の伝搬方向を前記第一の光導波路への送信光信号の入射軸とは空間的にねじれた第一の方向に変換するとともに、前記第二の光導波路とは異なる方向から到来する光を前記第一の方向とは異なる方向に導く光路変換手段を備えたことを特徴とする光モジュールが提供される。

本発明の第二の観点によると、発光素子と、この発光素子と光学的に結合する第一の光導波路と、受光素子、この受光素子に光信号を導く第二の光導波路とを同一の光導波路基板上に備えた光モジュールにおいて、前記受光素子は、その受光面に対する法線が前記発光素子から前記第一の光導波路への光信号の入射軸に対して空間的にねじれた関係となる位置に配置され、前記第二の光導波路を伝搬した光信号を前記受光素子の受光面に導くとともに、前記受光素子の受光面を含む平面に投影される前記発光素子の発光点の像が前記受光素子の受光面と重ならないようにする光路変換手段を備えたことを特徴とする光モジュールが提供される。

前記光路変換手段として、平面反射鏡、凹面反射鏡あるいは材料の屈折率差を利用して光路を変換する手段を含むことができる。屈折率差を利用する場合には、前記光路変換手段を前記受光素子と一体に形成することもできる。

前記光導波路基板上にさらに、光ファイバが光学的に結合される第三の光導波路と、前記第一の光導波路からの送信光信号を前記第三の光導波路に出力し、第三の光導波路からの受信光信号を前記第二の光導波路に導く光合分波手段とを備えることが望ましい。この光合分波手段は、前記光導波路基板に形成されたスリットと、このスリットに挿入され、前記第一の光導波路からの送信光信号を透過または反射して前記第三の光導波路に結合し、前記第三の光導波路からの受信光信号を反射または透過して前記第二の光導波路に結合する光フィルタとを含むことができる。

発光素子から発光された光のうち、光導波路に結合しなかった光は迷光となる。本発明によれば、発光素子から光導波路への光信号の入射軸（以下単に、「発光素子の光軸」という）と受光素子の受光面の法線とが空間的にねじれの関係にあるため、迷光が直接受光素子の受光面に到達することを防止できる。また、光路変化手段によって、受信光信号のみが受光素子の受光部に結合し、迷光は受光素子の受光面へ到達することができないため、自局からの発光信号が混入してしまうエラーを大幅に減らすことができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１ないし図４は本発明第一実施例の光モジュールの構造を示す図であり、図１は斜視図、図２は平面図、図３は受光素子付近の拡大図、図４は受光素子を除いた該当部付近の平面図である。

この光モジュールは、光導波路基板１０１上に、発光素子２０１と、この発光素子２０１と光学的に結合する送信光導波路３０１と、受光素子２０２と、この受光素子２０２に光信号を導く受信光導波路３０２とを備え、さらに、光ファイバ２００が光学的に結合される送受信光導波路３０３とを備え、送信光導波路３０１からの送信光信号を送受信光導波路３０３に出力し、送受信光導波路３０３からの受信光信号を受信光導波路３０２に導く光合分波手段として、光導波路基板１０１に形成されたスリット３０４と、このスリット３０４に挿入され、送信光導波路３０１からの送信光信号を透過して送受信光導波路３０３に結合し、送受信光導波路３０３からの受信光信号を反射して受信光導波路３０２に結合する光フィルタ２０３とを備える。

ここで本実施例の特徴とするところは、受光素子２０２が、その受光面４０２に対する法線が発光素子２０１の光軸に対して空間的にねじれた関係となる位置に配置され、受信光導波路３０２を伝搬した光信号を受光素子２０２の受光面４０２に導くとともに、受光素子２０１の受光面４０２を含む平面に投影される発光素子２０１の発光点の像が受光面４０２と重ならないようにする光路変換器３０６（図３、図４参照）を備えたことにある。

光導波路基板１０１には光ファイバ２００の位置決めを行うためのファイバガイド３０５が設けられる。送信光導波路３０１、受信光導波路３０２および送受信光導波路３０３は一点で交差しており、この交差点にスリット３０４が設けられる。このスリット３０４は、光導波路のコアまで到達する深さで、送受信光導波路３０３に対して所定の角度で形成される。このスリット３０４には光フィルタ２０３が挿入され、送信光信号５０１および受信光信号５０２に対して透明で屈折率が光導波路の実効屈折率に近い樹脂が、気泡を生じないよう充填される。

送信光導波路３０１と送受信光導波路３０３とは平行で、その中心は光導波路と光フィルタ２０３とスリット３０４に充填された樹脂の屈折率の差からスネルの法則によって導き出される分だけずれて形成されており、受信光導波路３０２は送受信光導波路３０３に対して光フィルタ２０３の光入射面に立てた法線に対して対称に形成される。受信光導波路３０２の光フィルタ２０３と反対側の受信光導波路端面３０７は、例えばダイシングにより平滑な面が形成される。

発光素子２０１は、送信光信号５０１が送信光導波路３０１に結合するように、位置、高さ、角度を調整して配置される。

光路変換器３０６は、受信光導波路３０２から出射された受信光信号５０２がその光路変換器３０６の反射面４００に入射するような位置に形成され、反射面４００の大きさは受信光信号５０２のスポットサイズに対して十分な大きさを持つように形成される。

受光素子２０２は、発光素子２０１の光軸と受光素子２０２の受光面４０２に対する法線とが同一の平面上にない位置、すなわち空間的にねじれの関係になる位置に配置され、かつ光路変換器３０６で反射された受信光信号５０２が受光面４０２に入射するよう、受光面４０２を下向きにして配置される。

次に、光路変換器３０６について図面を参照して詳細に説明する。図５は光路変換器３０６と迷光５０３との関係を平面的に示す図であり、図６は図５中Ａ−Ａ’部の断面における迷光の反射を説明する図である。

発光素子２０１の発光点４０１から出射された光のうち送信光導波路３０１に結合しなかった光のうち一部は、迷光５０３として光路変換器３０６上の任意の点へ到達する。この迷光５０３は光路変換器３０６の反射面４００の法線に対して対称に光路変換され、反射面４００上の角の点ａ、ｂ、ｃ、ｄは受光素子２０２上のａ’、ｂ’、ｃ’、ｄ’へと投影される。このとき、反射面４００の投影像と受光面４０２が重ならないように、光路変換手段３０６の反射面４００の傾き、向き、大きさを形成する。

この実施例において、光導波路基板１０１は、加工性、熱伝導性に優れた例えばシリコンウェハが望ましいが、それ以外の材料、例えばガラス基板やポリマー基板、セラミック基板を用いることもできる。

送信光導波路３０１、受信光導波路３０２および送受信光導波路３０３は、送信光信号と受信光信号とに対して透明な材料、例えば石英やポリマーで形成される。

スリット３０４は送受信光導波路３０３に対して４５度以下の角度で配置されることが望ましい。スリット３０４と送受信光導波路３０３の角度を４５度以下にすることで、受信光導波路３０２の端面３０７をダイシングするときに、光導波路基板１０１の辺と平行に加工するだけで出射方向と斜めの面が形成できるため、生産性に寄与する。

光路変換器３０６は、例えば金をボール状に光導波路基板１０１上にあらかじめ形成し、そこにΛ字状の型を押し付けることで三角柱状に加工し、その斜面部分での反射を光路変換器３０６として用いることができる。また、Λ字状の型に金属をメッキなどで形成し、それを光導波路基板１０１に転写しても良い。光路変換器３０６の材料は金に限らず、受信光信号５０２に対して高い反射率をもつ材料であればよい。

送信光導波路３０１、受信光導波路３０２および送受信光導波路３０３の上面は、送信光信号５０１の波長と受信光信号５０２の波長とに対して黒色の樹脂で覆われていることが望ましい。その理由は、発光素子２０１から生じた迷光が直接受光素子２０２の受光面に到達することを防げるためである。

発光素子２０１と受光素子２０２は、それぞれ送信光信号５０１の波長と受信光信号５０２の波長とに対して透明で光導波路と同程度の屈折率を持つ樹脂で封止し、透明な樹脂の上に、透湿率が低く送信光信号５０１の波長と受信光信号５０１２波長とに対して黒色である樹脂で封止することが望ましい。その理由は、発光素子２０１と受光素子２０２を透湿率の低い樹脂で封止することでモジュールを収めるパッケージを簡略化することができ、発光素子２０１からの迷光５０３を吸収することができるからである。

次に、この光モジュールの動作について説明する。

光ファイバ２００より入射した受信光信号５０２は、送受信光導波路３０３を伝搬し、光フィルタ２０３で反射され、受信光導波路３０２へと結合される。受信光導波路３０２から出射された光は、光路変換器３０６で全反射され、受光素子２０２で受光され、電気信号へと変換される。一方、送信信号は、発光素子２０１で光信号へと変換され、送信光導波路３０１へ結合する。この送信光信号５０１は光フィルタ２０３を透過し、送受信光導波路３０３を伝搬し、光ファイバ２００より出射される。

発光素子２０１で変換された光信号で送信光導波路３０１に結合しなかった迷光５０３の一部は、空間的に放射され、受光素子２０２の方向にも放射される。しかし、発光素子２０１、受光素子２０２、送信光導波路３０１の上面、受信光導波路３０２の上面は黒色樹脂で覆われており、さらに発光素子２０１の光軸と受光素子２０２の受光面４０２に対する法線とがねじれの関係にあるため、受光素子２０２に結合する迷光は十分に小さい。

また、受光素子２０２の方向に向かった迷光５０３の一部は、光路変換器３０６へと到達し、光路変換器３０６で光路変換され、受光素子２０２の受光面を含む平面への投影像を結ぶ。このとき、この投影像と受光素子２０２の受光面４０２とが重なっておらず、迷光５０３は受光素子２０２に結合することはない。

受信光信号５０２は、受信光導波路３０２から出射されるときに、その一部が終端面で反射さる。この終端部を光出射方向に対して斜めに形成しておくことで、反射光が受信光導波路３０２に戻ることを防止できる。また、光路変換器３０６から受光素子２０２の受光面４０２に入射する角度を受光面４０２に対する法線からずらしておくことにより、受光素子２０２に結合せずに反射した光が光路変換器３０６を経由して受信光導波路３０２に結合することを防止することができる。

このように、本実施例によれば、自局の発光素子からの光が受光素子に入射することを防止し、受信した光信号が再び伝送路に戻ることを防止することができる。

図７は本発明第二実施例の光モジュールの構造を示す平面図である。この実施例は、第一実施例における発光素子２０１が配置される部分に光路変換器３０６および受光素子２０２が配置され、第一実施例の受光素子２０２が配置される部分に発光素子２０１が配置される。光路変換器３０６と発光素子２０１から発せられる迷光５０３との関係は第一実施例に等しい。本発明は、本実施例のように発光素子２０１と受光素子２０２の位置関係を入れ替えることが可能であり、それぞれの素子の位置関係に縛られるものではない。

図８は本発明第三実施例の光モジュールの構造を説明する平面図であり、図９は光路変換器３０６とその周辺部の拡大斜視図、図１０は受光素子２０２を除いた光路変換器３０６とその周辺部の拡大平面図をそれぞれ示す。この実施例では、受信光導波路３０２の一部に溝を形成し、受信光導波路３０２の端面３０７と対向する面を斜面状に加工する。この斜面部分の一部もしくは全部に反射率に優れた材料、例えば金を蒸着し、その反射を光路変換器３０６として用いる。このとき、斜面に蒸着する金属は金が望ましい。その理由は、発光素子２０１や受光素子２０２の電気配線を同時に形成できるからである。

図１１は本発明第四実施例の光モジュールの構造を示す斜視図であり、図１２は光路変換器３０６の周辺部のＸＺ平面での断面図である。この実施例では、光路変換器３０６として第一実施例と同様に三角柱状に加工した金を用いるが、その反射面４００を双曲線状に湾曲させたことが第一実施例と異なる。光路変換器３０６の形状以外は第一実施例と同等である。

本実施例によれば、受光素子２０２の受光面４０２上で受信光信号５０２のスポットサイズを小さくすることができ、受光素子２０２の受光面４０２も小さくすることができる。このことにより、受光素子２０２の雑音が低減し、さらに高速化が可能となり、光モジュールの高速化が可能となる。

図１３は本発明第五実施例の光モジュールの構造を示す平面図である。この実施例は、受信光導波路３０２の途中に、第２のスリット３０８と第２の光フィルタ２０４とを備えることが第一実施例と異なる。第２の光フィルタ２０４は、受信光信号５０２の波長の光を透過し、それ以外の波長の光を反射するように設計される。

本実施例によれば、送信光信号５０１の遠端からの反射や、伝送路から入射される受信光信号５０２以外の波長の光のうち、受信光導波路３０２へと混入してきた光を第２の光フィルタ２０４で遮断することができる。これにより、受光素子２０２へと入射する雑音を大幅に低減でき、さらに他の波長の光信号を同一ネットワーク内に混在させることができる。

この実施例において、第２のスリット３０８および第２の光フィルタ２０４は、受信光導波路３０２に対して斜めに配置されることがよい。その理由は、第２の光フィルタ２０４で反射された光が受信光導波路３０２に結合せず、反射損を小さく抑えることができるからである。

図１４は本発明第六実施例の光モジュールの構造を示す断面図であり、光路変換手段の周辺部のＸＺ平面での断面を示す。この実施例は光路変換手段として材料の屈折率差による光の屈折を利用するものであり、受光素子２０２と光路変換手段が一体に形成される。それ以外の部分は第一実施例と同等である。

受光素子２０２はインジウム・リンやガリウム・砒素基板上にガリウム・インジウム・リンなどの化合物半導体を結晶成長することで得られ、空気や石英、樹脂に比べて高い屈折率を持つ。このため受信光導波路３０２の端面３０７から出射した受信光信号５０２は、受光素子２０２に入射するときに、受光素子への入射面４０３でスネルの法則によって大きく屈折され、受光素子２０２中を伝搬し、受光面４０２に結合する。

本実施例によれば、受光素子２０２と光路変換手段を個別に配置する必要がなく、生産性を向上することができる。

図１５は本発明第七実施例の光モジュールの構造を示す平面図である。本実施例では、受信光信号５０２は異なる２つの波長が多重化されている。そこで、光フィルタ２０３で一つ目の光信号を分岐したあと、第２の光フィルタ２０４によって二つ目の光信号を取り出す。光フィルタ２０３、２０４のそれぞれに対して、第一実施例と同様の受信光導波路３０２、光変換手段および受光素子２０２が設けられる。受信光信号５０２の波長数は２つに限定されるわけではなく、さらに多くの波長が多重化される場合にも同様に本発明を実施できる。

本実施例によれば、１本の光ファイバで複数のサービスを提供する光モジュールに対して適応できる。

本発明第一実施例の光モジュールの構造を示す斜視図。本発明第一実施例の光モジュールの構造を示す平面図。本発明第一実施例の光モジュールの受光素子付近の拡大図。本発明第一実施例の光モジュールの受光素子を除いた該当部付近の平面図。光路変換器と迷光との関係を平面的に示す図。図５中Ａ−Ａ’部の断面における迷光の反射を説明する図。本発明第二実施例の光モジュールの構造を示す平面図。本発明第三実施例の光モジュールの構造を説明する平面図。光路変換器とその周辺部の拡大斜視図。受光素子を除いた光路変換器とその周辺部の拡大平面図。本発明第四実施例の光モジュールの構造を示す斜視図。光路変換器の周辺部の断面図。本発明第五実施例の光モジュールの構造を示す平面図。本発明第六実施例の光モジュールを構造を示す断面図。本発明第七実施例の光モジュールの構造を示す平面図。従来例の双方向光モジュールの構成を説明する図。別の従来例の構成を説明する図。

符号の説明

１０１光導波路基板
２００光ファイバ
２０１発光素子
２０２受光素子
２０３、２０４光フィルタ
３０１送信光導波路
３０２受信光導波路
３０３送受信光導波路
３０４、３０８スリット
３０５ファイバガイド
３０６光路変換器
３０７端面
４００反射面
４０１発光点
４０２受光面
４０３入射面
５０１送信光信号
５０２受信光信号
５０３迷光

Claims

発光素子からの送信光信号が入射する第一の光導波路と、受信光信号を受光素子に導く第二の光導波路とを同一の光導波路基板上に備えた光モジュールにおいて、
前記第二の光導波路を伝搬した光信号の伝搬方向を前記第一の光導波路への送信光信号の入射軸とは空間的にねじれた第一の方向に変換するとともに、前記第二の光導波路とは異なる方向から到来する光を前記第一の方向とは異なる方向に導く光路変換手段を備えた
ことを特徴とする光モジュール。
発光素子と、この発光素子と光学的に結合する第一の光導波路と、受光素子、この受光素子に光信号を導く第二の光導波路とを同一の光導波路基板上に備えた光モジュールにおいて、
前記受光素子は、その受光面に対する法線が前記発光素子から前記第一の光導波路への光信号の入射軸に対して空間的にねじれた関係となる位置に配置され、
前記第二の光導波路を伝搬した光信号を前記受光素子の受光面に導くとともに、前記受光素子の受光面を含む平面に投影される前記発光素子の発光点の像が前記受光素子の受光面と重ならないようにする光路変換手段を備えた
ことを特徴とする光モジュール。
前記光路変換手段は平面反射鏡を含む請求項２記載の光モジュール。
前記光路変換手段は凹面反射鏡を含む請求項２記載の光モジュール。
前記光路変換手段は材料の屈折率差を利用して光路を変換する手段を含む請求項２記載の光モジュール。
前記光路を変換する手段は前記受光素子と一体に形成された請求項５記載の光モジュール。
前記光導波路基板上にさらに、光ファイバが光学的に結合される第三の光導波路と、前記第一の光導波路からの送信光信号を前記第三の光導波路に出力し、第三の光導波路からの受信光信号を前記第二の光導波路に導く光合分波手段とを備えた請求項２ないし６のいずれか記載の光モジュール。
前記光合分波手段は、前記光導波路基板に形成されたスリットと、このスリットに挿入され、前記第一の光導波路からの送信光信号を透過または反射して前記第三の光導波路に結合し、前記第三の光導波路からの受信光信号を反射または透過して前記第二の光導波路に結合する光フィルタとを含む請求項７記載の光モジュール。