JP2009200448A - 波長分離型フォトダイオードおよびその製造方法並びに波長分離型フォトダイオードを用いた光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】波長の異なる光を分離するためにフィルタを空間的に配置すると、物理的なスペースが多く必要になるという問題を解決する。
【解決手段】波長分離型フォトダイオード７１は、隣接して設けられた少なくとも２つの面受光型フォトダイオード７３の受光面に、それぞれ異なる波長の光を選択的に透過させる、薄膜よりなる波長選択フィルタ７４をそれぞれ直接設けたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、波長分離型フォトダイオードおよびその製造方法並びに波長分離型フォトダイオードを用いた光モジュールに関するものである。

従来、波長の異なる光を分離するには、光導波路または光ファイバから出射された異なる波長をもつ光を、空間的に配置された波長選択フィルタを用いて分離し、フォトダイオードで受光する方法が採用されている（非特許文献１、特許文献１）。しかしこのような方式では、図１に示すように、フィルタチップをハンドリングしてスリット上の溝に埋め込まなくてはならないため、小型化することが困難であった。これからは非常に小型で高速な光通信技術が求められており、フィルタを空間的に配置すると、物理的なスペースが多く必要になるという問題があった。

一方、光を情報伝送媒体とする光通信分野においては、光ファイバ等により伝送される光信号を受信または送信するため、光信号と電気信号とを相互に変換する光素子を備えた光モジュールが用いられている。電気信号から光信号への変換には、垂直共振器表面発光レーザ（Vertical cavity surface-emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）に代表される面発光素子が用いられ、光信号から電気信号への変換には、ＰＩＮフォトダイオードに代表される面受光素子が用いられており、これらの光素子は基板に対して電気的に接続され、光ファイバ等は光素子に対して光学的に接続される。

このような光モジュールは、配線基板（プリント配線板あるいはボード）上において光ファイバ等の光配線をする際の作業性や、保守交換の容易性などの点から、光ファイバ等の光伝送体がコネクタを介して着脱可能であることが望ましい。

また、光素子に光ファイバ等を着脱する場合、配線基板に対して水平方向に着脱する構造にすると、光素子を搭載した部品の周辺に光ファイバ等を着脱する作業用のスペースを設けざるを得ないことから、そのスペースには他の部品を実装できず、実装密度を上げられないという問題がある。したがって、光ファイバ等の着脱は配線基板に対して垂直方向に行うことができることが望ましい。

従来、このような要求に対応するものとして、光素子をその受発光面が配線基板に対して水平になるように搭載すると共に、光ファイバ等の端面に反射ミラー等を設けて光軸を垂直に変換したコネクタを用いることで、光ファイバ等と光素子とを垂直方向へ着脱自在に光学的に接続する光モジュールが提案されている（特許文献２参照）。

また、本発明者等は、円弧状に曲げられた構造を有し外部側の光軸と光素子側の光軸とが互いに垂直である光伝送体および当該光伝送体を保持する保持部材を備えた上部構造体と、配線基板上に配置され、光素子および光素子駆動用のドライバ集積回路装置を含む複数の電子部品が搭載された光素子搭載基板と、配線基板上の光素子・電子部品搭載基板の上面に上部構造体を垂直方向に押圧して固定することにより、光素子搭載基板の光素子に対して上部構造体の光伝送路を光学的に接続する装着体とを備えた光モジュールを提案している（特許文献３参照）。
「微小光学ハンドブック」朝倉書店発行、ｐ487 特開平１０−５４９１７号公報 特開２００６−６５３５８号公報 特願２００７−２１７５７４

上記の本発明者等が提案した光モジュールは、大幅な小型化と、光伝送体と光素子との垂直方向への着脱自在な光学的接続を達成しているが、より伝送密度（伝送スループット）を向上させること、近年の光通信分野における長距離から短距離までの光データ伝送が広がりに対応して１０Ｇｂｐｓ／チャンネル以下の駆動や、４０Ｇｂｐｓ／チャンネルや１００Ｇｂｐｓの高速駆動にも適合した多様な駆動を行う点については更なる改善の余地があった。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、波長の異なる光を分離するためにフィルタを空間的に配置すると、物理的なスペースが多く必要になるという問題を解決することを課題としている。

また、本発明は、より伝送密度（伝送スループット）を向上させ、近年の光通信分野における長距離から短距離までの光データ伝送が広がりに対応して１０Ｇｂｐｓ／チャンネル以下の駆動や、４０Ｇｂｐｓや１００Ｇｂｐｓ等の高速駆動にも適合した多様な駆動を行うことができる光モジュールを提供することをも課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、本発明の波長分離型フォトダイオードは、隣接して設けられた少なくとも２つの面受光型フォトダイオードの受光面に、それぞれ異なる波長の光を選択的に透過させる、薄膜よりなる波長選択フィルタをそれぞれ直接設けたことを特徴とする。

第２に、本発明の波長分離型フォトダイオードは、基板上に一体形成され、隣接して設けられた少なくとも２つの面受光型フォトダイオードの受光面に、それぞれ異なる波長の光を選択的に透過させる、薄膜よりなる波長選択フィルタをそれぞれ直接設けたことを特徴とする。

第３に、上記第１または第２の波長分離型フォトダイオードにおいて、薄膜よりなる波長選択フィルタが、誘電体多層膜で形成されていることを特徴とする。

第４に、本発明の波長分離型フォトダイオードの製造方法は、基板上に一体形成され、隣接して設けられた少なくとも２つの面受光型フォトダイオードに対し、レジスト形成工程、レジストのパターン形成工程、薄膜よりなる波長選択フィルタ形成工程およびリフトオフ工程からなる操作を順次施し、各面受光型フォトダイオードの受光面に、それぞれ異なる波長の光を選択的に透過させる、薄膜よりなる波長選択フィルタをそれぞれ直接設けることを特徴とする。

第５に、本発明の光モジュールは、光信号を伝送する光伝送路と、少なくとも光信号を電気信号に変換する機能を有する光素子とを光学的に接続する光モジュールであって、光伝送路を形成する光伝送体および当該光伝送体を保持する保持部材を備えた上部構造体と、配線基板上に配置され、配線基板に対して垂直方向に着脱自在に電気的に接続された光素子・電子部品搭載基板と、配線基板上に設けられており、上部構造体が垂直方向へ着脱自在に装着され、上部構造体を装着することにより、光素子・電子部品搭載基板の光素子に対して上部構造体の光伝送路を光学的に接続する装着体とを備えており、１つの光伝送路の端部に少なくとも２以上の分岐した光出射部を有し、２以上に分岐した光出射部にそれぞれ対応して、光素子として、波長分離型フォトダイオードが配置され、当該波長分離型フォトダイオードは、隣接して設けられた少なくとも２つの面受光型フォトダイオードの受光面に、それぞれ異なる波長の光を選択的に透過させる、薄膜よりなる波長選択フィルタをそれぞれ直接設けた構成を有することを特徴とする。

第６に、上記第５の光モジュールにおいて、光素子が、光信号を電気信号に変換する機能を有する光素子と電気信号を光信号に変換する機能を有する光素子よりなることを特徴とする。

第７に、上記第５または第６の光モジュールにおいて、光伝送路がマルチモードでひかりを伝送することを特徴とする。

上記第１ないし第３の発明の波長分離型フォトダイオードは、隣接して設けられた少なくとも２つの面受光型フォトダイオードの受光面に、それぞれ異なる波長の光を選択的に透過させる、薄膜よりなる波長選択フィルタをそれぞれ直接設けたので、波長選択フィルタチップを実装する手間がいらず、また物理的な空間をほとんど必要とせず、フォトダイオードの受光面の大きさにフィルタが形成されていることから、超小型の面受光型で波長分離型のフォトダイオードが提供できる。また、従来のように波長選択フィルタチップを配置するためにスリットを設ける必要がないので、隙間も無くガタが発生しないため、振動に対しても安定な光モジュールを作製できる。

上記第４の発明の波長分離型フォトダイオードの製造方法によれば、上記のような優れた効果を奏する波長分離型フォトダイオードを容易に作製することができる。また、薄膜よりなる波長選択フィルタは一括して作製できるため、大量生産に向いており、低価格の光デバイスの実現が可能になる。

上記第５および第６の発明の光モジュールは、光素子として、波長分離型フォトダイオードが配置され、当該波長分離型フォトダイオードは、隣接して設けられた少なくとも２つの面受光型フォトダイオードの受光面に、それぞれ異なる波長の光を選択的に透過させる、薄膜よりなる波長選択フィルタをそれぞれ直接設けた構成を有するようにしたので、より伝送密度（伝送スループット）を向上させることができるとともに、１０Ｇｂｐｓ／チャンネル以下の駆動や、４０Ｇｂｐｓや１００Gｂｐｓ等の高速駆動にも適合した多様な駆動を行うことができる。

上記第７の光モジュールによれば、光伝送路を伝搬する光がマルチモードとなる光伝送路とすることで、光素子と光伝送路の位置ずれトレランスを大きくとることができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

先ず、本発明に係る波長分離型フォトダイオードについて述べる。

本発明に係る波長分離型フォトダイオードは、隣接して設けられた少なくとも２つの面受光型フォトダイオードの受光面に、それぞれ異なる波長の光を選択的に透過させる、薄膜よりなる波長選択フィルタをそれぞれ直接設けたことを特徴としている。

図２は、本発明の実施形態に係る波長分離型フォトダイオードの原理を示す図で、（ａ）が薄膜からなる波長選択フィルタの一例の断面図、（ｂ）が波長分離型フォトダイオードの一例の平面図である。この例は、波長分離型フォトダイオード７１として、４つの波長分離型フォトダイオード７１−１〜７１−４が並設され、それぞれ異なる波長λ１、λ２、λ３、λ４を選択的に透過させることができるようになっている。すなわち、波長分離型フォトダイオード７１−１は波長λ１の光は透過し、それ以外の波長の光は反射する。波長分離型フォトダイオード７１−２は波長λ２の光は透過し、それ以外の波長の光は反射する。波長分離型フォトダイオード７１−３、７１−４についても同様である。この波長分離型フォトダイオード７１−１〜７１−４は、基板７２上に４つの面受光型のフォトダイオード７３−１〜７３−４が隣接して配置され、面受光型フォトダイオード７３−１〜７３−４の受光面の上に、直接、薄膜状の波長選択フィルタ７４−１〜７４−４が形成されて構成されている。７５−１_ａ、７５−１_ｂ〜７５−４_ａ〜７５−４_ｂは取出電極である。フォトダイオード間の距離は２５０μｍ程度とすることができ、１２５μｍ程度での使用も可能である。

波長選択フィルタ７４−１〜７４−４は、例えば図２（ａ）に示すように誘電体多層膜で形成し、その中の少なくとも一層の材料を変えることにより透過波長λ１、λ２、λ３、λ４を調整することができる。このような材料としては、例えば誘電体膜に透過波長の異なる色素を含有させることにより、所望の透過波長λ１、λ２、λ３、λ４に設定することができる。図２（ａ）では、誘電体膜７６−１〜７６−４の色素材料を異なるものとしている。

本発明に係る波長分離型フォトダイオード７０による波長の分離の概念図を２波の場合を例にして図３に示す。７７が導波路、７７ａは入射側部分、７７ｂは出射側部分で７７ｂ−１と７７ｂ−２にＹ分岐している。出射側部分７７ｂに２つの波長分離型フォトダイオード７１−１、７１−２が隣接して設けられる。図示しないＶＣＳＥＬ等の面発光素子から入射した波長λ１とλ２の光は導波路７７を伝送し、出射側部分７７ｂで２つに分岐する出射側部分７７ｂ−１では、波長分離型フォトダイオード７１−１に設けられている波長選択フィルタ７４−１により波長λ１の光は透過し、それ以外の光は反射する。また、出射側部分７７ｂ−２では、波長分離型フォトダイオード７１−２に設けられている波長選択フィルタ７４−２により波長λ２の光は透過し、それ以外の光は反射する。

次に、本発明による波長分離型フォトダイオードの製造方法について２波長分離の波長分離型フォトダイオードを作製する場合を例に図４の模式的断面図を参照して説明する。

まず、ＧａＡＳ基板７２上に設けられた面受光型フォトダイオード７３−１、７３−２の上にレジスト８１を塗布し、光を照射してパターン形成を行い、面受光型フォトダイオード７３−２の上にレジストが着かないようにする（図４（ａ））。次に、真空蒸着法によりλ１用の誘電体多層膜を着膜し、波長λ１の光を透過し、波長λ２の光を反射する波長分離型フィルタ７４−１を直接形成する（図４（ｂ））。その後、リフトオフ法により、レジスト８１上に着いた誘電体多層膜を除去すると、何も着膜されていない面受光型フォトダイオード７３−２が残る（図４（ｃ））。

次に、再度レジスト８２を塗布し、光を照射してパターン形成を行い、面受光型フォトダイオード７３−２の上にはレジストが着かないようにする（図４（ｄ））。真空蒸着法により同様にλ２用の誘電体多層を着膜し、波長λ２の光を透過し、波長λ１の光を反射する誘電体多層膜７４−２を形成する（図４（ｅ））。この段階でλ２用の面受光型フォトダイオード７１−２の受光面には、直接、誘電体多層膜が着膜される。次にリフトオフ工程を行って、不要なレジスト８２上の誘電体多層膜を除去すると、所望の波長選択フィルタが７４−１、７４−２が形成される（図４（ｆ））。

例として、８４０ｎｍと８６０ｎｍのＶＣＳＥＬ光を分離するために試作したフィルタとその分光特性を図５に示す。

以上、２波長分離の場合の波長分離型フィルタ７１を作製する場合を例に説明したが、３以上の波長を分離する波長選択型フィルタ７１を作製する場合も各工程からなる手順を順次繰り返すことにより所望波長の波長選択型フィルタ７１を作製することができる。

次に、上記実施形態の波長選択型フィルタを用いた光モジュールの実施形態について説明する。

本明細書において、「光伝送体」には、ガラス製、樹脂製等の光ファイバ、樹脂製等の光導波路などが含まれる。以下の光モジュールの実施形態では光導波路を用いた例を説明するが、本発明において適用される光伝送体はこれに限定されるものではなく、光ファイバ等のように、光伝送路を構成する各種のものを適用することができる。

本明細書において、「光素子」には、単一の受発光面を有するものの他、複数の受発光面がアレイ状等に配置された一体のものが含まれる。光素子の具体例としては、ＶＣＳＥＬなどの面発光素子、上記で述べた波長分離型フォトダイオードなどの面受光素子が挙げられるが、これらの面発光素子および／または面受光素子の受発光面がアレイ状に配置された一体のものであってもよい。

図６および図７は、本発明の一実施形態における光モジュールを示す斜視図であり、図６は光接続および電気接続を切り離した状態、図７は光接続および電気接続をした状態を示している。

図６に示すように、本実施形態の光モジュール１は、光導波路７が保持部材６により保持された上部構造体５と、光素子４０および電子部品４１を搭載した光素子・電子部品搭載基板３０と、異方導電性シート６０と、配線基板７０（プリント配線板あるいはボード）上に固定された嵌合部材５０とを備えている。

この光モジュール１は、配線基板７０上の嵌合部材５０内の開口部５１に異方導電性シート６０を配置し、その上に光素子・電子部品搭載基板３０を配置し、さらにその上から上部構造体５を垂直に嵌め込んで図７に示すように装着することにより、上部構造体５の光導波路７と光素子・電子部品搭載基板３０の光素子４０が光学的に接続し、光素子・電子部品搭載基板３０と配線基板７０が異方導電性シート６０を介して電気的に接続されるようになっている。図７に示す装着状態の光モジュール１は、全体として、たとえば幅１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ６．４ｍｍのコンパクトなサイズのモジュールを構成している。

上部構造体５は、図８（ａ）および図８（ｂ）にも示すように、樹脂製の保持部材６の背面から、複数本（本実施形態では１２本）の光導波路７が並列したテープ状導波路８が保持部材６内に水平に入り込み、保持部材６内で光導波路７が円弧状に曲げられて光導波路７の端面７ａが保持部材６の下面から垂直に露出した構造を有している。

保持部材６の上面における光導波路７と平行な両側周縁部には、当該周縁部に沿ってテーパ面を成す一対の肩部１２が設けられており、図６の嵌合部材５０内に嵌め込んで装着したときに嵌合部材５０の上部に設けられた一対の突条部５２が保持部材６の肩部１２に当接して下方に押圧するようになっている。

また、図６に示すように、保持部材６には２つの位置決め穴１１が設けられており、図６の嵌合部材５０内に嵌め込んで装着したときに、光素子・電子部品搭載基板３０に立設された位置決めピン４２が保持部材６の位置決め穴１１に挿入されて上部構造体５と光素子・電子部品搭載基板３０とが水平方向に位置決めされるようになっている。

保持部材６は、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように上側部材１０と下側部材２０とから構成されており、上側部材１０と下側部材２０によって光導波路７を挟み込んで保持するようになっている。一方、下側部材２０の上面側には光導波路７の円弧形状に対応した曲面を成す光導波路保持面が設けられており、上側部材１０と下側部材２０によって光導波路７を挟み込むことにより、上側部材１０のガイド溝と下側部材２０の光導波路保持面との間で光導波路７を円弧状に曲げられた状態で保持するようになっている。

光導波路７の外部側光軸６５ａと光素子側光軸６５ｂとの間の円弧部分の曲率半径Ｒは、好ましくは５ｍｍ以下、より好ましくは１〜３ｍｍである。このように円弧部分の曲率半径は非常に小さく、上部構造体５の上下方向が低背化され、かつ、水平方向も小型化されている。

図９は、光素子・電子部品搭載基板の上面側斜視図、図１０は、上部構造体と光素子・電子部品搭載基板とが光接続された状態を示す断面図である。図９に示すように、光素子・電子部品搭載基板３０は、外周部に沿って壁部３２が立設された箱状のセラミック基板３１を備えており、セラミック基板３１上の前方側の位置には光導波路７と対応した数の受発光面が並んで配置された光素子４０が搭載されている。

光素子・電子部品搭載基板３０は、壁部３２に囲まれたキャビティ内に光素子４０、ドライバ集積回路装置４１などの電子部品を搭載している。

光素子４０は、面発光素子のＶＣＳＥＬと上記の波長分離型フォトダイオードから構成されている。壁部３２の上面３２ａは光学的基準面を構成しており、上部構造体５の下面に当接することにより、図１０に示すように光導波路７の端面７ａと光素子４０とが垂直方向に位置決めされる。

なお、図９に示すように、セラミック基板３１上における光素子４０の両側の位置には突出高さ２ｍｍ、突出部分の直径０．７ｍｍの一対の位置決めピン４２が立設されており、これらの位置決めピン４２が上部構造体５の位置決め穴１１に挿入されることにより光素子・電子部品搭載基板３０と上部構造体５が水平方向に位置決めされるようになっている。

セラミック基板３１上における光素子４０の後方には、光素子４０のドライバ集積回路装置４１が搭載されており、光素子４０とドライバ集積回路装置４１はボンディングワイヤによって接続されている。その他、セラミック基板３１上には他の電子部品が搭載されていると共に、セラミック基板３１上の電子部品の電極は、電子部品の直下あるいはプリント配線３３等を介してセラミック基板３１を貫通する不図示のスルーホールを通じて、セラミック基板３１の下面に設けられたパッド電極に電気的に接続されている。

図６の異方導電性シート６０は、加圧によって垂直方向への導通が確保されるものであり、特に制限なく各種のものを用いることができるが、たとえばシリコーンゴムなどの弾性をもつ絶縁性基材に、金属等の導電性粒子を厚さ方向に並べたもの、あるいは導電性の線材を埋設したものなどを用いることができる。絶縁性基材上に導電性のパッドが設けられたものを用いるようにしてもよい。異方導電性シート６０の厚さは、たとえば０．１〜１ｍｍである。

次に、上記では光導波路７として説明した「光伝送体」について詳細に述べる。

本実施形態では、「光伝送路」として波長多重光伝送路構造を用いる。この波長多重光伝送路構造は次の３つの形態をとりうる。
（１）面発光素子の近接した２以上の発光点から異なる波長の光を入射する１つの光入射部と、入射した２以上の異なる波長の光を合波して伝送する光伝送路本体を有することを特徴とする波長多重光伝送路構造。
（２）面発光素子からの２以上の異なる波長の光の合波を伝送する光伝送路本体と、光伝送路本体の出射側に２以上に分岐して設けられた光出射部と、光出射部から出た光を受ける受光素子の受光部があり、光伝送路の分岐部から受光部の間に設けられたそれぞれ波長の異なる光に分波する波長選択フィルターを有することを特徴とする波長多重光伝送路構造。
（３）面発光素子の近接した２以上の発光点から異なる波長の光を入射する１つの光入射部と、入射した２以上の異なる波長の光を合波して伝送する光伝送路本体を有する波長多重光伝送路構造、並びに、面発光素子からの２以上の異なる波長の光の合波を伝送する光伝送路本体と、光伝送路本体の出射側に２以上に分岐して設けられた光出射部と、光出射部から出た光を受ける受光素子の受光部があり、光伝送路の分岐部から受光部の間に設けられたそれぞれ波長の異なる光に分波する波長選択フィルターを有する波長多重光伝送路構造を有することを特徴とする複合化された波長多重光伝送路構造。

本発明では、光伝送路を伝搬する光がマルチモードとなる光伝送路とすることができ、その場合、光素子と光伝送路の位置ずれトレランスを大きくとることができる。

上記において、各波長多重光導波路構造は単独で構成されていてもよいし、複数のものが複数複合されて構成されていてもよい。短距離間で光伝送を行う場合には、光入射部と光反射部が１つのモジュールに一緒に設けられていてもよいし、両者がある程度、あるいはかなり離間して設けられる場合には、別々のモジュールとして設けられていてもよい。

ここでは、波長多重光伝送構造が光導波路により構成される場合を例に述べるが、もちろん、本発明は光導波路に限らず光ファイバ等の各種光伝送路に適用される。

図１１に、本実施形態に係る光導波路２１の構造例を模式的に平面図で示す。この例は、２波長の光伝送を行う場合であり、左側が入射側ステーション、右側が出射側ステーションである。両ステーションは別々のモジュールとして設けられる場合もあり、同一のモジュールとして設けられる場合もある。また、同じモジュールで、それぞれのステーションを任意の組合せで含む場合もある。図１１において、２１は光導波路、２１ａは光導波路２１の入射側部分、２１ｂは光導波路２１の出射側部分、２２は面発光素子（ＶＣＳＥＬ）、２３は面発光素子（ＶＣＳＥＬ）駆動回路、２４−１、２４−２は波長選択フィルター、２５（２５−１、２５−２）は面受光素子（ＰＤ）、２６は増幅器である。

面発光素子（ＶＣＳＥＬ）２２は隣接して設けられた２つの発光点２２−１、２２−２を有し、たがいに異なる波長λ１、λ２の光を発光する。この波長λ１、λ２の光は光導波路２１の入射側部分２１ａに入射し、合波され、光導波路２１中を伝送する。

光導波路２１の出射側部分２１ｂは、２１ｂ−１と２１ｂ−２の２つの部分に分岐している。出射側部分２１ｂ−１に対して波長選択フィルター２４−１と面受光素子（ＰＤ）２５−１が設けられ、出射側部分２１ｂ−２に対して波長選択フィルター２４−２と面受光素子（ＰＤ）２５−２が設けられている。波長選択フィルター２４−１は波長λ１の光は透過し、それ以外の波長の光は遮断する。一方、波長選択フィルター２４−２は波長λ２の光は透過し、それ以外の波長の光は遮断する。

ここで、実際に作製したポリマ光導波路の形状を図１２に示す。ポリマ光導波路はコアとそれを包囲するクラッドより構成される。図１２の（ａ）は光入射側のコアの形状を平面図で示したもので、図１２の（ｂ）は光出射側のコアの形状を平面図で示したものである。光導波路２１はコアとクラッドからなり、コアとクラッドはアクリル系樹脂あるいはエポキシ系樹脂等を用い、屈折率を異ならせて構成することができる。本実施形態の一例においては、光入射側のコアは端面に向けて幅（縦）が５０μｍから９０μｍに拡がったテーパ状をなしている。厚み（高さ）は５０μｍである。本実施形態においては光入射側のコアが端面に向けて幅が拡がったテーパ状をなしていることが主要な特徴の一つである。詳しくは、光導波路２１の光入射部分２１ａはその幅形状が円弧をつなげた曲面状に拡がったテーパ状に形成されている。このようにすると、面発光素子２２からの入射光と光導波路２１の入射側部分２１ａとの位置ずれトレランス（許容度）を大きくすることができる。また、コアのテーパ部及びその前後でコア幅の広がり方に傾きが不連続にならないようにすることで、光がコアの外に漏れずに損失を抑えることができる。図１３に挿入損失の入射位置依存性を示す。この図から入射位置トレランスが４０μｍ広がっていることがわかる。光導波路２１の入射側部分２１ａの端面から波長λ１とλ２の２波長の光が入射する。

一方、光出射側のコアは一度テーパをつけて５０μｍ幅から１００μｍ幅に拡げた後、Ｙ分岐で２つに分かれている。より詳細には、光出射部分２１ｂの分岐部分の手前のコアの幅形状は徐々に拡がったテーパ状となり、また円弧をつなげた曲面状に拡がった形状となっている。この円弧状の曲率は１０ｍｍ以上とすると挿入損失を最小にすることができる。そして入射光を１：１に分岐できる。分岐部分の手前のコアの広がり部の長さは１０００μｍ超とした。このテーパ部分の長さは、波長やコア幅、光の広がり角などの条件を考慮して設定されるが、好ましくは５００μｍ以上、より好ましくは１０００μｍ以上である。このＹ分岐における挿入損失を図１４に示す。この図から、光パワーが分岐によって３ｄＢ減少するが、短距離の伝送のため十分なロスバジェットを確保することができる。

上記の例では、２つの異なる波長λ１、λ２の光を入射して合波し、光導波路２１よりなる光伝送路を伝送し、光出射側において、伝送してきた合波を２つに分岐させるようになっている。このようにすると、波長λ１による光データ送受信と波長λ２による光データ送受信を合わせて行うことができるため、伝送密度をより一層向上させることができる。

次に、本実施形態に用いる面発光素子（ＶＣＳＥＬ）の一例であるモノリシック２波長ＶＣＳＥＬ１００（２２）の構造を図１５に断面図で示す。ＶＣＳＥＬ１００は２つの隣接するメサ構造がｐ型ＧａＡｓ基板１０１上に形成されている。このメサ構造は、積層の下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層１０２、酸化狭窄層１０３、３層のＱＷ（量子井戸構造）を持つ活性層１０４、第１の上部ＤＢＲ層１０５より構成される。第１の上部ＤＢＲ層１０５の上には、位相制御層１０６、積層の第２の上部ＤＢＲ層１０７が設けられる。１０８は下部電極、１０９は上部電極である。位相制御層１０６の厚さを変えることで発振波長を変えることができる。

この例のモノリシック２波長ＶＣＳＥＬ１００では、発光点間距離を約３０μｍとし、発振波長は８５３ｎｍと８６７ｎｍであり、発振波長に１４ｎｍの違いがあった。図１６にＶＣＳＥＬ１００の発振した様子を示す。また、図１７にＶＣＳＥＬ１００がそれぞれ８、１０、１３Ｇｂｐｓで動作するときのアイ・ダイアグラムを示す。１３Ｇｂｐｓにおいても明瞭なアイ開口が得られていることがわかる。

上記のモノリシック２波長ＶＣＳＥＬ１００と合波用ポリマ光導波路２１とＧＩ５０マルチモード光ファイバ（光入射側と光出射側との間に配置）とを組み合わせたときの入射トレランスと伝送後の光波長スペクトルを調べた。入射トレランスはＶＣＳＥＬ１００を発光させながら光導波路２１をＸＹ平面上で移動させ、光導波路２１を通った後の光パワーのマップを作成して求めた。図１８（ａ）、（ｂ）に発光点の中心間距離が３０μｍ離れたＶＣＳＥＬ１００をそれぞれ発光させたときの光パワーマップを示す。発光位置の違いのため、光パワーの大きい濃い濃度で示された領域にシフトが見られる。図１８（ｃ）はＶＣＳＥＬ１００の両方の発光点からの発光によるマップである。図１８（ｄ）は最大強度から−１ｄＢ以内の光パワーの領域を示す。１８（ｄ）から、ＶＣＳＥＬチップと光導波路の１ｄＢダウンの位置トレランスは、発光点が３０μｍ離れているにも関わらず±１０μｍ以上が得られた。

図１９に波長の異なる近接する２つの発光点で発光させ、光導波路を伝搬した光のスペクトルを示す。波長８５３ｎｍと８６７ｎｍにピークが見られ、波長の異なる２つの発光点からの光が１本の光導波路のコアに入射し、伝送されていることが示され、合波が行われていることが確認された。

図２０は、３波長の光伝送を行う場合の光導波路２１の模式的平面図である。この光導波路２１の光入射側部分２１ａには波長λ１、λ２、λ３の３つの異なる波長の光が入射するようになっている。また、光出射側部分２１ｂは２１ｂ−１、２１ｂ−２、２１ｂ−３の３つの部分に分岐し、それぞれλ１の波長の光のみを透過させる波長選択フィルター２４−１、λ２の波長の光のみを透過させる波長選択フィルター２４−２、λ３の波長の光のみを透過させる波長選択フィルター２４−３が設けられている。この場合も、上記の２波長の場合と同様な原理でλ１、λ２、λ３の３つの波長を用いた光データ送受信を合わせて行うことができるため、伝送密度をさらに向上させることができる。

また、本発明によれば、４波長以上の多重波長による光データ送受信を行うことができる。

以上、波長多重光伝送路構造を、光導波路を例に説明してきたが、本発明は光導波路に限定されず、フォトカプラ等を利用することにより光ファイバにも適用することができる。

以上の構成を備えた光モジュール１を図６のように光接続および電気接続が切り離された状態から図７のように光接続および電気接続をした状態に組み立てる際には、まず図６の配線基板７０上に固定された嵌合部材５０の開口部５１内に異方導電性シート６０を配置する。次いでその上に光素子・電子部品搭載基板３０を配置し、さらにその上から上部構造体５を嵌合部材５０に垂直に嵌め込む。

このとき、光素子・電子部品搭載基板３０の位置決めピン４２が上部構造体５の位置決め穴１１に挿入されて、光素子・電子部品搭載基板３０に対して上部構造体５が水平方向に所定の精度、たとえば３〜５μｍの精度で位置決めされると共に、保持部材６の側面が側板部５３に規制されて、光素子・電子部品搭載基板３０が配線基板７０に対して間接的に水平方向に位置決めされる。配線基板７０上には、ピッチ５００μｍ、直径３００〜３５０μｍ、高さ１００μｍのはんだバンプが形成されており、これらのはんだバンプに対して、光素子・電子部品搭載基板３０の下面に設けられたピッチ５００μｍ、直径３００〜３５０μｍ、高さ１０μｍの裏面電極が位置合わせされる。

そして、嵌合部材５０の弾性により上部構造体５は下方に押圧され、これにより異方導電性シート６０が加圧されて導通状態となる。これにより、異方導電性シート６０を介して光素子・電子部品搭載基板３０の裏面電極と配線基板７０上のはんだバンプとが電気的に接続される。

また、光素子・電子部品搭載基板３０の位置決めピン４２が上部構造体５の位置決め穴１１に挿入されることにより、図１０の断面図に示すように光導波路７の端面７ａと、光素子４０との水平方向の位置決めがされると共に、保持部材６の下面６ａと光素子・電子部品搭載基板３０の壁部３２の上面３２ａとが当接することにより、光導波路７の端面７ａと、光素子４０との垂直方向の位置決めがされて、これらが光学的に接続される。

このようにして、光モジュール１は図７に示す状態で垂直方向へ電気的および光学的に接続され、光導波路７を通じて外部との間で伝送される光信号の送受信が可能な状態とされる。

そして、たとえば保守交換時などにおいては、上部構造体５を嵌合部材５０から垂直に抜き出すことで光接続を容易に切り離すことができ、次いで光素子・電子部品搭載基板３０を異方導電性シート６０上から垂直に取り出すことで電気接続を容易に切り離すことができる。

以上に、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変更が可能である。

たとえば、上記の実施形態では、装着体として嵌合部材５０を用いて上部構造体５を垂直方向へ着脱自在に装着し、光素子・電子部品搭載基板３０の光素子４０に対して上部構造体５の光伝送路を光学的に接続するようにしたが、このような機能を有する装着構造として、クランプスプリング、ネジ止め構造、板バネ構造、ラッチ構造、開閉式クランプスプリングなど、各種のものを用いることができる。

光素子４０として、レーザダイオードなどのＶＣＳＥＬ以外の面発光素子を用いてもよく、ＰＩＮフォトダイオード以外の面受光素子を用いるようにしてもよい。

図１は、波長の異なる光を分離する従来方法の例を示す図である。 図２は、本発明の実施形態に係る波長分離型フォトダイオードの原理を示す図で、（ａ）が薄膜からなる波長選択フィルタの一例の断面図、（ｂ）が波長分離型フォトダイオードの一例の平面図である。 図３は、本発明による波長分離型フォトダイオードによる波長の分離の概念図である。 図４は、本発明による波長分離型フォトダイオードの製造方法の工程の説明図である。 図５は、８４０ｎｍと８６０ｎｍのＶＣＳＥＬ光を分離するために試作したフィルタとその分光特性を示す図である。 図６は、本発明の一実施形態における光モジュールを示す斜視図であり、光接続および電気接続を切り離した状態を示す。 図７は、図６の光モジュールにおける光接続および電気接続をした状態を示す斜視図である。 図８は、上部構造体の上側部材、光導波路、および下側部材の配置状態を示した図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 図９は、光素子・電子部品搭載基板の斜視図である。 図１０は、上部構造体と光素子・電子部品搭載基板とが光接続された状態を示す断面図である。 図１１は、本実施形態に係る光導波路の構造例を模式的に示す平面図である。 図１２は、実際に作製したポリマ導波路の形状を示す図で、（ａ）は光入射側のコアの形状を示す平面図、（ｂ）は光出射側のコアの形状を示す平面図である。 図１３は、挿入損失の入射位置依存性を示す図である。 図１４は、Ｙ分岐における挿入損失を示す図である。 図１５は、モノリシック２波長ＶＣＳＥＬの構造を示す断面図である。 図１６は、モノリシック２波長ＶＣＳＥＬが発振した様子を示す図である。 図１７は、ＶＣＳＥＬが各伝送速度で動作するときのアイ・ダイアグラムである。 図１８は、ＶＣＳＥＬのパワーマップを示す図である。 図１９は、波長の異なる２つの発光点で発光させ、光導波路を伝搬した光のスペクトルを示す図である。 図２０は、３波長の光伝送を行う場合の光導波路の模式的平面図である。

符号の説明

１ 光モジュール
５ 上部構造体
６ 保持部材
６ａ 下面
７ 光導波路
７ａ 端面
８ テープ状光導波路
１０ 上側部材
１１ 位置決め穴
１２ 肩部
２０ 下側部材
３０ 光素子・電子部品搭載基板
３１ セラミック基板
４０ 光素子
４１ ドライバ集積回路装置
４２ 位置決めピン
５０ 嵌合部材
６０ 異方導電性シート
７０ 配線基板
７１（７１−１〜７１−４） 波長分離型フォトダイオード
７２ 基板
７３−１〜７３−４ 面発光型フォトダイオード
７４−１〜７４−４ 波長選択フィルタ
７５−１ａ〜７５−４ｂ 取出電極
７６−１〜７６−４ 誘電体多層膜
７７ 導波路
７７ａ 入射側部分
７７ｂ、７７ｂ−１、７７ｂ−２ 出射側部分
８１、８２ レジスト

Claims (7)

1. 隣接して設けられた少なくとも２つの面受光型フォトダイオードの受光面に、それぞれ異なる波長の光を選択的に透過させる、薄膜よりなる波長選択フィルタをそれぞれ直接設けたことを特徴とする波長分離型フォトダイオード。
2. 基板上に一体形成され、隣接して設けられた少なくとも２つの面受光型フォトダイオードの受光面に、それぞれ異なる波長の光を選択的に透過させる、薄膜よりなる波長選択フィルタをそれぞれ直接設けたことを特徴とする波長分離型フォトダイオード。
3. 薄膜よりなる波長選択フィルタが、誘電体多層膜で形成されていることを特徴とする請求項1または２に記載の波長分離型フォトダイオード。
4. 基板上に一体形成され、隣接して設けられた少なくとも２つの面受光型フォトダイオードに対し、レジスト形成工程、レジストのパターン形成工程、薄膜よりなる波長選択フィルタ形成工程およびリフトオフ工程からなる操作を順次施し、各面受光型フォトダイオードの受光面に、それぞれ異なる波長の光を選択的に透過させる、薄膜よりなる波長選択フィルタをそれぞれ直接設けることを特徴とする波長分離型フォトダイオードの製造方法。
5. 光信号を伝送する光伝送路と、少なくとも光信号を電気信号に変換する機能を有する光素子とを光学的に接続する光モジュールであって、光伝送路を形成する光伝送体および当該光伝送体を保持する保持部材を備えた上部構造体と、配線基板上に配置され、配線基板に対して垂直方向に着脱自在に電気的に接続された光素子・電子部品搭載基板と、配線基板上に設けられており、上部構造体が垂直方向へ着脱自在に装着され、上部構造体を装着することにより、光素子・電子部品搭載基板の光素子に対して上部構造体の光伝送路を光学的に接続する装着体とを備えており、１つの光伝送路の端部に少なくとも２以上の分岐した光出射部を有し、２以上に分岐した光出射部にそれぞれ対応して、光素子として、波長分離型フォトダイオードが配置され、当該波長分離型フォトダイオードは、隣接して設けられた少なくとも２つの面受光型フォトダイオードの受光面に、それぞれ異なる波長の光を選択的に透過させる、薄膜よりなる波長選択フィルタをそれぞれ直接設けた構成を有することを特徴とする光モジュール。
6. 光素子が、光信号を電気信号に変換する機能を有する光素子と電気信号を光信号に変換する機能を有する光素子よりなることを特徴とする請求項５に記載の光モジュール。
7. 光伝送路がマルチモードで光を伝送することを特徴とする請求項５または６に記載の光モジュール。