JP2876871B2 - 光モジュール - Google Patents

光モジュール

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JP2876871B2
JP2876871B2 JP4403892A JP4403892A JP2876871B2 JP 2876871 B2 JP2876871 B2 JP 2876871B2 JP 4403892 A JP4403892 A JP 4403892A JP 4403892 A JP4403892 A JP 4403892A JP 2876871 B2 JP2876871 B2 JP 2876871B2
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  • Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光通信用モジュールに係
わり、特に発光、受光素子を一体に集積した光モジュー
ルに関する。
【0002】
【従来の技術】公衆通信網の分野においてISDN(デ
ィジタル総合網)の進展に伴い、数十回線のディジタル
電話サービスや画像情報等大容量の伝送が幹線系のみな
らず末端の加入者系にまで求められると予想されてい
る。このような高速・大容量の伝送においては、従来の
メタリックケーブルによる伝送では間に合わず、光伝送
技術の導入による光加入者系の実現が必須であると考え
られる。
【0003】この光加入者系の実現方式の1つに同一波
長双方向伝送方式がある。これは局と加入者端末を結ん
だ単一の光ファイバで双方向の伝送を行いN−ISDN
サービスを提供するものである。
【0004】今、図10に同一波長双方向伝送方式に用
いられる従来の送受信用光モジュールの一例を示す。こ
の送受信用光モジュールは、送信用半導体レーザモジュ
ール1と受信用フォトダイオードモジュール2、および
それぞれのピグテイルファイバ3、4に光コネクタ5、
6を介して接続されたファイバ融着型3dBスプリッタ
7とから構成されている。
【0005】このような構成において、半導体レーザモ
ジュール1で光に変換された送信信号8は、スプリッタ
7を通って伝送路に送られる。逆に、伝送路から届いた
受信信号9はスプリッタ7で2分岐され、その一方が受
信用フォトダイオードモジュール2で電気信号に変換さ
れる。しかし、このような個別の光部品を組み合わせた
光分岐合流、合分波素子では光加入者系で要求される小
型化・低コスト化・量産化を実現することが困難であっ
た。
【0006】一般に、光加入者系においては光端末装置
の一端は各加入者側に配置される。したがって、光モジ
ュールには従来のメタリックケーブル用端末装置と同等
の大きさに納めるための小型化が要求される。また局側
においても、幹線系に比べ加入者系では端末数が膨大に
増えるため、やはり光モジュールの小型化が求められ
る。また、同一の機能をもつメタリックケーブル用端末
装置と置き換えられるためには、それよりも低コストで
製造できることが重要である。さらに、各加入者宅およ
び電話局に光端末装置を配置するためには大幅な生産能
力の増大が必要であり、量産に敵した光モジュールが求
められる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかるに、従来の送受
信用光モジュールでは、単一機能の光部品を組み合わせ
ているため、半導体レーザモジュール1、受信用フォト
ダイオードモジュール2、スプリッタ7のそれぞれ単独
に耐環境性や強度をもたせる必要があり、どうしてもサ
イズが大きくなっていた。また、光部品間を接続してい
るピグテイルファイバ3、4を収納するためのスペース
も余分にとる必要があった。さらに、半導体レーザモジ
ュール1、受信用フォトダイオードモジュール2はそれ
ぞれ別個にμm単位の精度の光軸調整・固定が必要で、
かつスプリッタ7も1個づつ融着・延伸しなければなら
ないので、コスト的に高くなり、しかも量産化が困難で
あった。
【0008】本発明の目的は上述した問題に鑑みなされ
たもので、小型かつ低コストで、量産性に優れた光モジ
ュールを提供するにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明によ
る光モジュールは、(イ)半導体レーザ素子とフォトダ
イオード素子が実装された支持台と、光ファイバ端末
と、この支持台と光ファイバ端末との間に配置されかつ
基板の一方の面に回折格子を形成すると共に基板の他方
の面に前期基板の一部を所定の開口を持つマスクでマス
クしてアルカリ溶液中に浸漬することでこの開口を中心
としてイオン交換を行いこのイオン交換部分の屈折率を
増加させることで前記基板上に凸レンズと同一の集光作
用を行うレンズを形成したホログラム光学素子とを備え
て成り、(ロ)半導体レーザ素子から出射され、ホログ
ラム光学素子の回折格子面を透過した光が前記したレン
ズを介して光ファイバ端末に光学的に結合され、かつ前
記した光ファイバ端末から出射され、ホログラム光学素
子の回折格子面で回折された光がレンズを介してフォト
ダイオード素子に光学的に結合されて成ることを特徴と
したものである。
【0010】
【0011】請求項記載の発明は、ホログラム光学素
子の回折格子の断面形状を鋸歯状に作製したものであ
る。
【0012】
【作用】このように、本発明によれば、ホログラム光学
素子により、入出射光線を透過光と回折光に分岐・集光
させるスプリッタを構成する。このホログラム光学素子
の回折格子は厚さ数μmで機能するため、スプリッタを
大幅に小型化できる。また、半導体レーザ素子とフォト
ダイオード素子を同一の支持台上に実装し、ホログラム
光学素子により透過・回折された光ビームがそれぞれに
結合するよう配置することにより、各素子間の光接続距
離を大幅に短縮できる。
【0013】さらに、ホログラム光学素子は大口径基板
に一括して製作し、光ビーム径に合わせて切り出して使
用することができるため、イオン交換によってレンズを
作製することと併せて、量産に向いており、低コスト化
も容易である。また、予め半導体レーザ素子とフォトダ
イオード素子の間隔、ホログラム光学素子の回折角を一
定に設定して配置することにより、ただ一度の光軸調整
・固定により光素子の結合を行うことができるため、大
幅に工数を削減することができる。
【0014】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。図1は本発明に係わる光モジュールの一実施例を示
す縦断面図である。ホログラム光学素子10は、半導体
レーザ11とPINフォトダイオード12が実装された
支持台13と光ファイバ端末14との間に配置されてい
る。入出射用の光ファイバ端末14の先端は反射戻り光
を低減するため3〜7°の角度をもって斜めに光学研磨
されている。なお、ホログラム光学素子10、半導体レ
ーザ11、PINフォトダイオード12、支持台13、
光ファイバ端末14はパッケージ15に保持された構成
となっている。
【0015】ホログラム光学素子10は、図2に詳細に
示すように、基板の一方の面に回折格子16が形成され
ており、かつ基板の他方の面にレンズ17が形成されて
いる。このホログラム光学素子10の回折格子16は、
図3に示すように、基板表面に形成された一定の間隔Λ
の周期構造をもつ回折格子構造となっており、波長λの
コヒーレントなレーザ光18が入射すると、直進する透
過光19と回折光20に分離される。回折光20の方向
は、次の関係式を満足する。
【0016】
【数1】
【0017】ここで+1次回折光20に着目すると、そ
の回折角はθH =sin -1 (λ/Λ)となる。したが
って、回折格子16と半導体レーザ11間の距離をlH
とすると、半導体レーザ11とPINフォトダイオード
12間の距離dを、下式とすることにより、透過光19
を半導体レーザ11と、+1次回折光20を,PINフ
ォトダイオード12と結合させることができる。
【0018】
【数2】
【0019】なお、ホログラムの作製は通常の干渉露光
による方法以外に、干渉縞パターンを計算機により算出
してフォトマスクを作製し、フォトリソグラフィの手法
によりガラス等の基板に作製する方法とか、前記した手
法により金型を作り樹脂等の可塑性の材料を注入して転
写する方法等があり、非常に低コストで量産することが
できる。
【0020】一方、レンズ17は図4〜図6に示した手
順によりイオン交換法で作製することができる。すなわ
ち、はじめに、図4に示すように基板21上にレンズ径
よりも小さい開口をもつメタルマスク22を設ける。こ
の基板21を図5に示すように、カリウム等のアルカリ
溶液23中に浸漬することにより、基板21中にカリウ
ムイオンがイオン交換された部分24の屈折率が増加
し、図6に示すように、半球状の分布屈折率型平凸レン
ズ25が形成される。焦点距離はイオン交換量を制御す
ることにより変えることができる。
【0021】さらに、交換されたイオン濃度に反比例し
て基板のエッチング速度が遅くなる性質を利用して、図
7に示すように、イオン交換後にウェットエッチングを
行い、基板21に両凸レンズ26を形成することもでき
る。また、図8に示すように、同心円状のフレネルゾー
ンプレートによりフレネルレンズ27をドライエッチン
グまたは金型による転写法等で基板21に形成すること
もできる。
【0022】図9に半導体レーザ11およびPINフォ
トダイオード12の実装構造の一例を示す。半導体レー
ザ11はチップの端面28から光を出射するため支持台
13の上面に固定され、PINフォトダイオード12は
受光面29がチップ表面にあるため支持台13の側面に
固定される。なお、クロストークを防ぐため半導体レー
ザ11、PINフォトダイオード12間は電気的に絶縁
されている。また、半導体レーザ11、PINフォトダ
イオード12はボンディングパッド30、31とボンデ
ィングワイヤ32、33を介して接続されている。半導
体レーザ11とPINフォトダイオード12の中心間隔
は(2)式で求められる間隔dに設定する。
【0023】図1において入力電気信号により半導体レ
ーザ11で変調された送信信号光のうち、レンズ17に
より集光され、回折格子16で回折されずに透過した光
は光ファイバ端末14から光ファイバ34に入射され、
伝送路に送られる。また、伝送路から届いた受信信号光
のうち、回折格子16でθH 方向に回折された光はPI
Nフォトダイオード12に入射し、出力電気信号に変換
される。受信信号光のうち透過成分は半導体レーザ11
にも入射する。しかし受信信号光は伝送路で大きな減衰
を受けており、LD出力光に比べ微弱なこと、および光
加入者系の伝送速度は高々100Μb/sである。この
ため、受信信号光の入射が半導体レーザ11の変調特性
に及ぼす影響は無視できる。
【0024】送受信光を分岐する回折格子16の損失
は、送信の場合回折されず透過する光の割合で決定され
る。また、受信の場合はθH 方向に回折される+1次回
折光20の割合で決定される。ホログラム回折格子型ス
プリッタの低損失化のためには不必要な高次回折光を低
減することが重要である。このためにはホログラム光学
素子10の回折格子16の格子断面形状を図3に示した
ように鋸歯状化し、回折角θH と鋸歯状面の微小領域に
おいてスネルの法則により求められる屈折角を一致させ
るブレーズ化の手法が有効である。鋸歯状化の角度、す
なわちブレーズ角θB は(1)式とスネルの法則を表わ
す次式により求められる。
【0025】
【数3】
【0026】以上よりブレーズ角のθB を下式のように
することにより+1次以外の回折光を抑圧できる。
【0027】
【数4】
【0028】このブレーズ化の手法により透過光通過損
失4dB、+1次回折光通過損失4dBという非常に低
損失なホログラム回折格子型スプリッタを得ることがで
きる。
【0029】回折格子16は(1)式に示したように回
折角が波長依存性をもつため、受信信号の波長が変動す
ると、PINフォトダイオード12に結合する+1次回
折光20も変動する。しかし、PINフォトダイオード
12の受光面29はφ100μm程度あるため、この回
折光の波長依存性は問題とならない。同様に半導体レー
ザ11とPINフォトダイオード12の中心間隔dの実
装誤差もこのPD受光径により吸収することができる。
【0030】以上の構成にあっては回折格子16を光フ
ァイバ端末14側に配置した場合について説明したが、
別にこれに限定されるものではなく、支持台13の側に
回折格子16を配置した場合も同様の効果が得られる。
また2枚レンズのコリメート光学系の場合でも同様の効
果が得られる。
【0031】本発明による構成では双方向伝送を行うた
めのスプリッタおよび結合光学系が大幅に小型化されて
おり、従来のLDモジュール単体と同等のサイズで送受
信用光モジュールを実現することができる。また、ホロ
グラム光学素子10はフォトリソグラフィー法や金型に
よる転写法により、安価な材料を用いてバッチプロセス
により量産することができ、従来に比べて大幅に低コス
ト化することができる。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように請求項1記載の発明
によれば、半導体レーザ素子とフォトダイオード素子が
実装された支持台と、光ファイバ端末と、この支持台と
光ファイバ端末との間に配置されかつ基板の一方の面に
回折格子を形成すると共に基板の他方の面に基板の一
部を所定の開口を持つマスクでマスクしてアルカリ溶液
中に浸漬することでこの開口を中心としてイオン交換を
行いこのイオン交換部分の屈折率を増加させることで基
板上に凸レンズと同一の集光作用を行うレンズを形成し
たホログラム光学素子備えた構成としたことにより、
従来に比べ大幅に小型かつ低コストで、しかも量産性に
優れた光モジュールを提供出来るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる光モジュールの一実施例を示す
縦断面図である。
【図2】図1に用いられるホログラム光学素子の斜視図
である。
【図3】ホログラム光学素子の回折格子の作用を説明す
る側面図である。
【図4】レンズの作製手順の一例を示す断面図である。
【図5】レンズの作製手順の一例を示す図である。
【図6】レンズの作製手順の一例を示す図である。
【図7】レンズの他の実施例を示す断面図である。
【図8】レンズのさらに他の実施例を示す断面図であ
る。
【図9】半導体レーザとフォトダイオードの実装構造の
一例を示す斜視図である。
【図10】従来の送受信用光モジュールの一例を示す概
略構成図である。
【符号の説明】
10 ホログラム光学素子 11 半導体レーザ 12 PINフォトダイオード 13 支持台 14 光ファイバ端末 16 回折格子 17 レンズ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体レーザ素子とフォトダイオード素
    子が実装された支持台と、光ファイバ端末と、この支持
    台と光ファイバ端末との間に配置されかつ基板の一方の
    面に回折格子を形成すると共に基板の他方の面に前期基
    板の一部を所定の開口を持つマスクでマスクしてアルカ
    リ溶液中に浸漬することでこの開口を中心としてイオン
    交換を行いこのイオン交換部分の屈折率を増加させるこ
    とで前記基板上に凸レンズと同一の集光作用を行うレン
    ズを形成したホログラム光学素子とを備えて成り、半導
    体レーザ素子から出射され、ホログラム光学素子の回折
    格子面を透過した光が前記レンズを介して光ファイバ端
    末に光学的に結合され、かつ前記光ファイバ端末から出
    射され、ホログラム光学素子の回折格子面で回折された
    光が前記レンズを介してフォトダイオード素子に光学的
    に結合されて成ることを特徴とする光モジュール。
  2. 【請求項2】ホログラム光学素子の回折格子の断面形状
    を鋸歯状に作製して成ることを特徴とする請求項1記載
    光モジュール。
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TWM602562U (zh) * 2020-06-24 2020-10-11 傅宗民 適用於pcr裝置的光學模組以及含此光學模組的pcr裝置

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