JP2007288182A - 光伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】高速で光を伝送することが可能でありかつ安価な光伝送システムを提供する。
【解決手段】光伝送システム２は、光を伝送する大口径のプラスチック光ファイバ１、およびラテラルpin構造を有する光受信器８から構成され、光受信器８は光ファイバ１から伝送され放出される光を受信する。
【選択図】図１

Description

本発明は光伝送システムに関し、特に、光を伝送する大口径光ファイバおよびラテラルpin構造を有し大口径光ファイバからの光を受け取る光受信器を有する光伝送システムに関するものである。

光通信分野で主に用いられるシングルモード光ファイバは、コア径が約9μmと小さいため、ケーブル同士の接合部に高精度のコネクタを使用しなければならない等、高価な部品が必要となり、コストの低減に限界があった。

そこで比較的短距離のデータ通信分野では、マルチモード光ファイバが用いられている。マルチモード光ファイバにおいては、コア径を大口径とすることにより、光ファイバを接続するときに端面に多少の傷や汚れがある場合や光軸が多少ずれている場合であってもデータの伝送を行うことができる。また、安価な部品で光ファイバ同士の接続や他の機器との接続が可能であり、さらに、曲げによる光損失も少ないことから配線も簡単にでき、コストを低減することができる。

しかしながら、例えば1Gbps以上の高速で使用する場合には、大口径光ファイバおよび光受信器の双方で問題が生じるため、従来の光伝送システムでは、近年のインターネットに代表されるネットワーク容量の飛躍的増大に伴い必要とされる一層の高速化に対応できない。すなわち、大口径光ファイバにおいては、モード分散の影響を受け伝送速度の高速化に制約が生じる。一方、光受信器は、大口径のpinフォトダイオードを使用すると、寄生容量が大きくなるため大きいRC時定数が発生し信号の遅れが生じるため、伝送速度の高速化に制約が生じる。このため受光径の小さい高速のデータ伝送用のpinフォトダイオードが考えられるが、受光径をあまりに小さくすると、直接ファイバと結合させる場合に結合ロスが生じる等して感度が取れず、またガラスレンズやプラスチックレンズを入れることも考えられるが、コストが増大するため採用できない。

本発明は、上記のような事情に鑑み、高速で光を伝送することが可能でありかつ安価な光伝送システムを提供することを目的とするものである。

本発明の第１の光伝送システムは、光を伝送する光ファイバおよび光ファイバから伝送される光を受信する光受信器を有する光伝送システムであって、光ファイバはその直径が50μm以上の大口径光ファイバであり、光受信器はラテラルpin構造を有することを特徴とするものである。

本発明の第２の光伝送システムは、光を伝送する光ファイバ、光ファイバから伝送される光を受信する光受信器、および光受信器で受信した光に応じて光ファイバに光を返送する光送信器を有する光伝送システムであって、前記光ファイバはその直径が50μm以上の大口径光ファイバであり、前記光受信器はラテラルpin構造を有することを特徴とするものである。

ここで、「大口径光ファイバ」は、石英ファイバ、ハードプラスチッククラッド光ファイバ（HPCF）、またはプラスチック光ファイバ（POF）とすることができる。「POF」とは、光信号が通る中心部（コア）と、それを囲む周縁部（クラッド）を有し、一般には、コア材料としては、コア部のポリマーが実質的にC-H結合を有しないポリマーであることが好ましく、C-H結合が重水素および／またはフッ素で置換されているポリマーであることがより好ましい。具体的には、アクリル系樹脂および／またはフッ素系樹脂が使用される。また、クラッド材料としては、フッ素系樹脂またはフッ素を含有する樹脂が使用される。「ラテラルpin構造」とは、半導体基板の上層の同一表面上に、間隔を置いて形成したN形層の間にP形層を形成した構造であり、N形層とP形層との間に真性半導体層を挟む構造である。

POFは、コア分子中のC-H結合を重水素またはハロゲン原子で置換することができ、この場合には光損失が少なくなり、長距離伝送が可能となる。

光ファイバは、ステップ・インデックス・ファイバまたはグレーデッド・インデックス・ファイバとすることができる。ここで、「ステップ・インデックス・ファイバ」とは、コアの屈折率が一定でありコアとクラッドの界面のみで屈折率が不連続に変わる光ファイバで、光がコア内を多くのモード（光の通り道）に分かれて伝搬するマルチ・ステップ・インデックス・ファイバが含まれる。「グレーデッド・インデックス・ファイバ」とは、コアの屈折率を滑らかに分布させた光ファイバで、コアの屈折率が動経方向に対して連続的に変化する。POFをステップ・インデックス・ファイバとした場合には、コア径が太く曲げに強いため光ファイバー同士の接続や光ファイバーと機器との接続が容易になり、またステップ・インデックス・ファイバは製造が簡単で安価であるため、コストが削減される。また、POFをグレーデッド・インデックス・ファイバとした場合には、中心から離れるに従って屈折率が小さくなるため、光の速度は中心から離れるにつれて速くなる。これにより、モードによらず伝搬速度を一定にすることが可能になり、さらなる高速伝送が可能となる。

光ファイバの開口数は、0.2以上とすることができる。「開口数」とは、光ファイバ内を最大角度で伝播する光の出射角の正弦値をさす。POFの開口数を0.2以上とした場合には、POFからの光を効率よく光受信器に入射させることが可能となる。

下記式で表される光ファイバの屈折率分布係数gは、

（ここで、n(r)はコア中心からの屈折率分布、n₁はコア中心の屈折率、aはコア半径、Δは比屈折率である）1.5から3までとすることができ、この場合には高速伝送に適する。屈折率分布係数を1.5から3とした場合には、伝搬モード間の遅延時間差が小さくなり、信号の歪みも小さくなる。すなわち、マルチモードファイバの広帯域化には、コアが適当な屈折率分布を持つことが必要であるが、屈折率分布係数が3より大きい場合には低次モード群より高次モード群の遅延が大きくなることにより、また屈折率分布係数が1.5より小さい場合には高次モード群より低次モード群の遅延が大きくなることにより、信号の歪みが大きくなる。コア径を大きくした場合、光ファイバを伝搬するモードの数が大きくなるため、高速伝送を可能とするためには、全ての伝搬モードに対して伝搬遅延差が最小となる屈折率分布係数を維持するよう屈折率分布を制御することが特に重要である。本発明の光伝送システムにおいて使用される屈折率分布係数は、好ましくは1.5から3、より好ましくは1.8から2.5、最も好ましくは2.0から2.3である。

光ファイバにより伝送される光の波長は、770nmから860nmまでとすることが好ましい。この波長域においては、光損失が少なく、長距離伝送が可能となる。

光受信器は、Si、Ge、またはSiGeから構成されてもよく、特にGeまたはSiGeから構成される場合には一層の高速化を達成できる。

光受信器の受光部の外径は、光ファイバのコア部の外形より大きいことが好ましく、この場合には軸ずれ許容が広がり高精度の光軸調整が不要となり、また光損失が少ないためレンズも不要となり、コストを低減することができる。

また、POFから出射される光は、従来の光伝送システムで出射される光に対して出射後一定距離内のビームの広がりが小さいので、光ファイバの出射端面と光受信器の入射端面との間に150μmから500μmまでの隙間を設けて光結合をすることが可能となる。この場合には、光ファイバと光受信器との間の光結合の施工が容易となり、コストを低減することができる。

光ファイバと光受信器は樹脂を介して接続することができ、この場合には伝送損失が少なくなるため長距離伝送が可能となり、さらに、反射戻り光が少なくなるため低ノイズで高品質の伝送が可能となる。

POFとラテラルpin構造との組合せにより、光ファイバから光受信器への伝送速度を、100Mbps以上とすることができる。

光送信器は、面発光レーザとすることができる。「面発光レーザ」とは、VCSELとも称され、光の共振する方向が基板面に対して垂直な半導体レーザであり、出射光も基板面に対して垂直に出射する。光送信器を面発光レーザとした場合には、面発光レーザは大量生産に適し低価格であるため、光伝送システムが安価となり、さらにレーザ端面をへき開して形成する必要がないため、初期不良はウエハーの段階で一括して欠陥を判定して歩留まりを高めることができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。なお、図１および図２においては光ファイバにプラスチックファイバ（POF）を用いたが、石英ファイバやハードプラスチッククラッド光ファイバ（HPCF）等の他の種類の光ファイバであっても構わない。

図１は、本発明における光伝送システムの具体的な実施形態を示す図である。図１に示すように、光伝送システム２は、高速で光を伝送するPOF１と、POF１から入射する光２２を受信するフォトディテクタ８と、POF１に光を出力するVCSEL４とを備えてなる。

POF１は、直径が50μm以上の大口径光ファイバであり、光信号が通る中心部（コア）１０と、それを囲む周縁部（クラッド）１１を有する。POF１のコア１０を構成する重合体は、例えば、フッ素不含（メタ）アクリル酸エステルおよび含フッ素（メタ）アクリル酸エステルのような（メタ）アクリル酸エステル類、スチレン系化合物、ビニルエステル類、主鎖に環状構造を含むフッ素系ポリマー、ポリカーボネート類の原料であるビスフェノールA等を重合成化合物として用いて重合させたもの、およびノルボルネン系樹脂からなる群より構成される光透過性が高い原料のホモポリマー、２種以上のモノマーからなる共重合体、およびホモポリマーおよび／または共重合体の混合物から形成される。（メタ）アクリル酸エステル類を重合成モノマーとして含むコア素材が好ましい。また、屈折率調整剤を用いて、屈折率分布を重合反応を経由して導入する場合には、塊状重合が容易な原料が好ましい。さらに、光学部材を近赤外線用途に用いる場合は、コア部のポリマーを構成するC-H結合に起因した吸収損失が起こるため、重水素化ポリメチルメタクリレート（PMMA-d8）、ポリトリフルオロエチルメタクリレート（P3FMA）、ポリヘキサフルオロイソプロピル2-フルオロアクリレート（HFIP2-FA）、およびポリパーフルオロブタニルビニルエーテル等におけるC-H結合の水素原子を重水素原子やハロゲン原子（特にフッ素）で置換した重合体が好ましい。これにより、伝送損失が生じる波長域を長波長化することができ、伝送信号光の損失を軽減することができる。なお、原料モノマーは、重合後の透明性を損なわないために、不純物や散乱源となる異物を重合前に十分低減することが好ましい。

また、POF１のクラッド１１の素材は、コア部を伝送する光がコア部とクラッド部との界面で全反射するためにコア１０よりも低屈折率であり、コア１０との密着性に優れるものであることが好ましい。ただし、素材の選択によってコア部とクラッド部との界面において不整が起こりやすい場合や、製造適性上好ましくない場合には、コア部とクラッド部との間にさらに層を設けて整合性を向上させてもよい。クラッド１１の素材としては、タフネスおよび耐湿熱性に優れているものが好ましく、例えば、フッ素含有モノマーの単独重合体または共重合体が挙げられる。フッ素含有モノマーとしては、フッ化ビニリデン（PVDF）が好ましく、フッ化ビニリデンを10質量％以上含有する１種以上の重合性モノマーを重合させて得られるフッ素樹脂が特に好ましい。

POF１のコア１０に屈折率分布を形成する場合には、屈折率調整剤を使用することができる。屈折率調整剤は、コア部を構成する重合体の屈折率と異なる屈折率を有する化合物である。必要に応じて、クラッド部重合性組成物に屈折率調整剤を含有させてもよい。屈折率調整剤の濃度に分布を生じさせることにより、濃度の分布に基づいて屈折率分布型のコアを容易に作製することができ、この場合の屈折率差は0.005以上であることが好ましい。なお、屈折率調整剤を使用せず、コア部の形成に屈折率の異なる２種以上の重合性モノマーを使用してコア部内に共重合比の分布を持たせることにより、コア部に屈折率分布構造を導入することもできる。重合性化合物としては、トリブロモフェニルメタクリレートが挙げられる。屈折率調整成分として重合性化合物を用いる場合は、マトリクスを形成する際に重合性モノマーと重合性屈折率成分とを共重合させるので、種々の特性、特に光学特性の制御がより困難となるが、耐熱性の面では有利となる。これらの化合物中に存在する水素原子を重水素原子に置換した化合物を用いることとした場合には、広い波長域で透明性を向上させることができる。

POF１の製造方法として、ステップ・インデックス型では、溶融した重合体を押出し等によって紡糸する方法が挙げられる。また、グレーデッド・インデックス型、すなわち屈折率分布型では、単量体から製造する方法および重合体から製造する方法が考えられる。単量体から製造する方法としては、平滑な中空管内に単量体と屈折率調整剤を含む重合性組成物を入れて重合させ、中央に屈折率調整剤を濃縮する方法、および回転する円筒体に重合性組成物を投入しながら重合させ、投入する重合性組成物の屈折率を変化させながら製造する方法等が挙げられる。重合体から製造する方法としては、同心円状の吐出口から、屈折率の異なるまたは屈折率調整剤の配合量の異なる樹脂を押し出して同心多層状に積層させる方法、および柱状または筒状の重合体内に屈折率調整剤を拡散させる方法等が挙げられる。上記の方法により屈折率分布型のファイバを得ることができるが、必要に応じて、得られたファイバを加熱溶融させて延伸させることにより、所望の径に調整できる。この場合、最外周に樹脂製の管を配置して同時に延伸することにより、最外層に所望の特性を与えることができる。このようにして得られたファイバは、用途に応じて被覆を施すことにより、ケーブルとすることができる。

フォトディテクタ８は、Si基板６の上層の同一表面上に、間隔を置いて形成したN形層の間にP形層を形成し、N形層とP形層との間に真性半導体層を挟む櫛型のラテラルpin構造を有し、POF１から入射する光２２を受け取る。フォトディテクタ８は、POF１の形態に適合するようにほぼ円形の構造であり、Si基板６上にリング状に作成される。フォトディテクタ８の直径は約200μmであり、電極幅は約1μm、電極間隔は約2μmである。電極は金属電極でもよいが、開口率を上げるためにインジウムスズ等の透明電極でもよい。フォトディテクタ８のラテラルpin構造は、下記のように製造する。N形基板６を使用し、湿式酸化（これはp形打込みのドーパントアニーリング工程としても作用する）によりフィールド酸化膜を成長させた。接触領域をドライエッチングにより除去し、２つのフォトレジストマスクを介してPおよびB打込みを行ってp+およびn+領域を形成させ、ウェハをドーパント活性化のためにアニーリングした。AlSiのスパッタ蒸着、パターニング、ドライエッチング、およびシンタリングにより、オーミックコンタクト９を形成した。SiO₂のパッシベーション層２０をPECVDにより蒸着した。オーミックコンタクト９への開口部をパターニングしエッチングした。最後に、Alをスパッタ蒸着し、パターニングし、ドライエッチングし、金属接点１４を形成して開口部を埋めた。

Si基板６の裏面上には、発光波長850nmまたは780nmのVCSEL４が垂直に取り付けられる。穴１２は、Si基板６の裏面上にエッチングされ、VCSEL４で生じた光をPOF１に通過させる。金属接点１４は、SiO2のパッシベーション層２０上に金属を蒸着することによりSi基板６の表面上に作成され、VCSEL４と電気的に接続させる。多層DBR（Distributed Bragg Reflector）１８は、穴１２の内部に蒸着され、光を基板６に通過させる。VCSEL４は、伝送されるべきデータを示す光信号を発する（図示せず）。フォトディテクタ８は、POF１からの光パルスの入力信号を受け取り、対応する電流パルスの信号を生じ、これは電子回路により増幅され検出される。穴１２およびDBR１８はVCSEL光を基板６の裏から表に通過させ、光はPOF１に入射して別の光受信器に誘導され、検出される。

図２は、本発明の光伝送システムの斜視図である。フォトディテクタ８は、POF１から入射する光２２を受け取る。光伝送システム２は、リミッティングアンプ３０、TIA２４、およびVCSELドライバー２８のようなVCSEL４の駆動要素も有する。

VCSELドライバー２８は、伝送されるデータの信号に対応する電圧シグナルを受け取り、この電圧シグナルを電流シグナルに変換してVCSEL４に送り、それによりVCSEL４をオンまたはオフにするが、これにより０および１（すなわちオフおよびオン）の光信号を発する。該光信号はフォトダイオードで電流に変換され、さらにTIA２４で電圧信号に変換される。リミッティングアンプ３０は、電圧シグナル（通常はTIA２４のアウトプット）をインプットとして受け取り、より大きい電圧シグナルを生じる。リミッティングアンプ３０のアウトプットは、データ伝送システムの後続のさらなるデジタル回路へ入力される。リミッティングアンプ３０は同一の基板上に一体化形成されてもよいが、別体で形成されてもよい。

本発明は、いくつかの好ましい実施の形態に関して示され説明されているが、本発明の概念および範囲を逸脱せずに、様々の変化、省略および追加がなされてもよい。

本発明の光伝送システムを示す概略図 本発明の光伝送システムの斜視図

符号の説明

１ POF
２ 光伝送システム
４ VSCEL
６ Si基板
８ フォトディテクタ
９ オーミックコンタクト
１０ コア
１１ クラッド
１２ 穴
１４ 金属接点
１８ DBR
２０ パッシベーション層
２２ 光
２４ TIA
２８ VCSELドライバー
３０ リミッティングアンプ

Claims (20)

1. 光を伝送する光ファイバおよび該光ファイバから伝送される光を受信する光受信器を備える光伝送システムであって、
   前記光ファイバが50μm以上の直径を有し、前記光受信器がラテラルpin構造を有することを特徴とする光伝送システム。
2. 前記光ファイバが、プラスチック光ファイバ（POF）、ハードプラスチッククラッド光ファイバ（HPCF）および石英ファイバのいずれかであることを特徴とする請求項１記載の光伝送システム。
3. 前記光ファイバから前記光受信器への伝送速度が100Mbps以上であることを特徴とする請求項１記載の光伝送システム。
4. 前記光受信器が、GeまたはSiGeから構成されることを特徴とする請求項１記載の光伝送システム。
5. 前記光ファイバから放出される光の波長が、770nmから860nmまでであることを特徴とする請求項１記載の光伝送システム。
6. 前記光ファイバがプラスチック光ファイバ（POF）であり、該POFが、コア分子中のC-H結合を重水素原子またはハロゲン原子で置換されることを特徴とする請求項１記載の光伝送システム。
7. 前記光受信器が受光部を有し、前記光ファイバがコアを有し、前記受光部の外径が、前記光ファイバの前記コアの外径より大きいことを特徴とする請求項１記載の光伝送システム。
8. 前記光ファイバがプラスチック光ファイバ（POF）であり、前記光ファイバおよび前記光受信器が、前記光ファイバの出射端面と前記光受信器の入射端面との間に150μmから500μmまでの隙間を設けて光結合されることを特徴とする請求項１記載の光伝送システム。
9. 前記光ファイバが、ステップ・インデックス・ファイバまたはグレーデッド・インデックス・ファイバであることを特徴とする請求項１記載の光伝送システム。
10. 前記光ファイバの開口数が0.2以上であることを特徴とする請求項１記載の光伝送システム。
11. 下記式で表される前記光ファイバの屈折率分布係数gが、
    

    

    （ここで、n(r)はコア中心からの屈折率分布、n₁はコア中心の屈折率、aはコア半径、Δは比屈折率である）
    1.5から3までであることを特徴とする請求項１記載の光伝送システム。
12. 前記光ファイバと前記光受信器とが、樹脂を介して接続されることを特徴とする請求項１記載の光伝送システム。
13. 光を伝送する光ファイバ、該光ファイバから伝送される光を受信する光受信器、および前記光ファイバに向かって光を放出する光送信器を備える光伝送システムであって、
    前記光ファイバが50μm以上の直径を有し、前記光受信器がラテラルpin構造を有することを特徴とする光伝送システム。
14. 前記光ファイバが、プラスチック光ファイバ（POF）、ハードプラスチッククラッド光ファイバ（HPCF）および石英ファイバのいずれかであることを特徴とする請求項１３記載の光伝送システム。
15. 前記光受信器が、GeまたはSiGeから構成されることを特徴とする請求項１３記載の光伝送システム。
16. 前記光ファイバから放出される光の波長が、770nmから860nmまでであることを特徴とする請求項１３記載の光伝送システム。
17. 前記光ファイバがプラスチック光ファイバ（POF）であり、該POFが、コア分子中のC-H結合を重水素原子またはハロゲン原子で置換されることを特徴とする請求項１３記載の光伝送システム。
18. 前記光受信器が受光部を有し、前記光ファイバがコアを有し、前記受光部の外径が、前記光ファイバの前記コアの外径より大きいことを特徴とする請求項１３記載の光伝送システム。
19. 前記光ファイバがプラスチック光ファイバ（POF）であり、前記光ファイバおよび前記光受信器が、前記光ファイバの出射端面と前記光受信器の入射端面との間に150μmから500μmまでの隙間を設けて光結合されることを特徴とする請求項１３記載の光伝送システム。
20. 下記式で表される前記光ファイバの屈折率分布係数gが、
    

    

    （ここで、n(r)はコア中心からの屈折率分布、n₁はコア中心の屈折率、aはコア半径、Δは比屈折率である）
    1.5から3までであることを特徴とする請求項１３記載の光伝送システム。

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