JP3792040B2 - 双方向光半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、双方向光半導体装置に関し、特に高い光アイソレーション機能を有する双方向光半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、基地局からデータ等を一般家庭まで光ファイバを用いて伝送する光加入者システムが提案されている。光加入者システムにおいては、基地局側及び加入者側の両方に光送信器と光受信器とを設置して双方向の光通信を行なうので、半導体発光素子からなり光信号を出力する光送信器と、フォトダイオード等の半導体受光素子からなり光信号を受信する光受信器と、光送信器と光受信器とを接続する光ファイバからなる光伝送路とを備えた光送受信装置が必要になる。
【０００３】
そこで第１の従来例に係る光送受信装置としては、パッケージに実装された半導体レーザを有する光送信装置の送信用光ファイバと、パッケージに実装された受光素子を有する光受信装置の受信用光ファイバとがカプラーで結合されたものが知られている。
【０００４】
ところが、第１の従来例に係る光送受信装置は、光送信装置と光受信装置とをカプラーで結合するものであるから、市販されている光送信装置及び光受信装置を用いることができるが、互いに別体の光送信装置と光受信装置とを結合する必要があるので、小型化及び低コスト化の点で問題がある。
【０００５】
そこで、第２の従来例に係る光送受信装置として、石英からなる基板と、該基板に一体的に保持された半導体レーザ素子及び受光素子と、基板の内部に形成された光導波路とを有するＰＬＣ（Planer Lightwave Circuit）が提案されている。
【０００６】
ところが、第２の従来例に係る光送受信装置は、石英からなる基板に半導体レーザ素子及び受光素子を一体的に設けることによって小型化を図っているが、基板の内部に形成する導波路の面積の低減に限界があるので小型化という点で問題が残ると共に、ＰＬＣと光ファイバとを結合する必要があるので、低コスト化の点でも問題がある。
【０００７】
そこで、我々は、特願平７−１９８５３８号において、図９に示すような双方向光半導体装置を提案した。すなわち、パッケージ１の底部の左側部分にシリコン基板２が固定されており、該シリコン基板２の上面には、例えば波長１．３μｍ帯の信号光を出力する半導体レーザ素子３（半導体発光素子）が固定されている。パッケージ１の底部の右側部分には、光軸方向に延びる溝部を有するガラス基板４（基板）が固定されており、該ガラス基板４の溝部には光ファイバ５（光導波路）が埋め込まれていると共に、光ファイバ５のレーザ側の端部はシリコン基板２の上面に固定されている。ガラス基板４には光軸に対して所定の角度を持つようにハーフミラー６（光分岐器）が挿入されており、該ハーフミラー６は、光ファイバ５の左方から入射する波長１．３μｍ帯の出力信号光の約５０％を透過させる一方、光ファイバ５の右方から入射する波長１．３μｍ帯の入力信号光の約５０％を上方に反射する。ガラス基板４の上面には、ハーフミラー６により反射された入力信号光を受けてフォトカレントを出力する面入射型のフォトダイオードからなる受光素子７（半導体受光素子）が固定されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記の双方向光半導体装置においては、内部に光導波路を有する基板、半導体発光素子、光分岐器が一体化されているため、取り扱い易さ及び小型化の点で優れているが、光アイソレーションの点で問題がある。すなわち、半導体発光素子から出射された出力信号光の一部が半導体受光素子に受光されてしまうので、光アイソレーションが劣化するという問題がある。
【０００９】
ところで、半導体発光素子をパルス駆動した直後には、緩和時間内で出力信号光はテールをひく。つまり半導体発光素子から出力される出力信号光はテール光を伴う。このため、発光・受光間の光アイソレーションが低いと、入力信号光の受光時に、半導体発光素子から出射された出力信号光のテール光が半導体受光素子で受光されて、入射してきた入力信号光に対して雑音となるので、半導体受光素子における受信特性が劣化する。従って、双方向光通信を行なうためには、光アイソレーション特性の改善が重要である。
【００１０】
第１の従来例に係る光送受信装置においては、送信用光ファイバと受信用光ファイバとのカプラーにおける結合角度をずらすことにより、光アイソレーション特性の劣化を防止している。
【００１１】
これに対して、第２の従来例に係る光送受信装置及び前記の双方向光半導体装置においては、光アイソレーション特性の劣化に対する対策は現在のところ講じられていないのが実状である。
【００１２】
前記に鑑み、本発明は、出力信号光及び入力信号光を伝搬する光導波路を内部に有する基板と、光導波路の一端部に出力信号光を出射する半導体発光素子と、光導波路に設けられ、出力信号光の少なくとも一部を通過させると共に入力信号光の少なくとも一部を光導波路の外部に導く光分岐器と、基板に設けられ、光分岐器により光導波路の外部に導かれた入力信号光が入射する半導体受光素子とが一体化されてなる双方向光半導体装置において、装置全体の小型化と光アイソレーションの向上との両立を図ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
以下、前記の双方向光半導体装置における発光・受光間の光アイソレーション及び光アイソレーションが劣化する原因について検討を行なった結果を説明する。
【００１４】
まず、前記の双方向光半導体装置における発光・受光間の光アイソレーションについての検討結果を説明する。尚、以下の説明は、半導体発光素子としての半導体レーザ素子から出力された１．３μｍ帯の出力信号光が光導波路としての光ファイバの一端に入力されると共に、該光ファイバ５の他端からは１．３μｍ帯の入力信号光が入力され、光分岐器がハーフミラー６であり、半導体受光素子がフォトダイオード７である場合を前提としている。
【００１５】
半導体レーザ素子３から１０ｍＷの出力信号光が出射される場合、出力信号光の約２０％が光ファイバ５に結合し、光ファイバ５に結合した出力信号光の約５０％がハーフミラー６を透過して外部に出力される。従って、光ファイバ５からは約１ｍＷの出力信号光が外部に出力される。
【００１６】
受光素子７に−３Ｖのバイアス電圧を印加した状態で、半導体レーザ素子３から出射された後、光ファイバ５から外部に出力される出力信号光の出力パワーが１ｍＷであるときの受光素子７から出力されるフォトカレントは平均８．５μＡである。また、受光素子７に−３Ｖのバイアス電圧を印加した状態で、光ファイバ５から１ｍＷの入力信号光が入力されるときの受光素子７から出力されるフォトカレントは平均４５０μＡ（平均感度：０．４５Ａ／Ｗ）である。従って、発光・受光間の光アイソレーションは１７ｄＢとなる。
【００１７】
次に、前記の双方向光半導体装置における発光・受光間の光アイソレーションが劣化する原因についての検討結果を説明する。
【００１８】
光アイソレーションが劣化する原因としては、半導体レーザ素子３から出射された出力信号光が主として３つの経路を経て受光素子７に入力されることを見出した。図１０に示すように、第１の入力経路は、半導体レーザ素子３から出射された出力信号光のうち光ファイバ５のクラッドを伝搬する光成分がクラッドから漏れ出てパッケージ１で反射されることなく受光素子７に到達するもの（以下、この経路を通る光をクラッド漏れ光と称する。）であり、第２の入力経路は、半導体レーザ素子３から出射された出力信号光のうちハーフミラー６で反射された光成分がパッケージ１の底面で再び乱反射されて受光素子７に到達するもの（以下、この経路を通る光をハーフミラー反射光と称する。）であり、第３の入力経路は、半導体レーザ素子３における光ファイバ５の反対側から出射された光がパッケージ１の側面及び上面で乱反射されて受光素子７に到達するもの（以下、この経路を通過する光をパッケージ散乱光と称する。）である。
【００１９】
本発明は、前記の知見に基づいてなされ、クラッド漏れ光、ハーフミラー反射光又はパッケージ散乱光が半導体受光素子に入射することを防止する手段を講じるものであって、具体的には以下の各双方向光半導体装置によって実現される。
【００２０】
本発明に係る第１の双方向光半導体装置は、出力信号光及び入力信号光を伝搬する光導波路を内部に有する基板と、光導波路の一端部に出力信号光を出射する半導体発光素子と、光導波路に設けられ、出力信号光の少なくとも一部を通過させると共に入力信号光の少なくとも一部を光導波路の外部に導く光分岐器と、基板に設けられ、光分岐器により光導波路の外部に導かれた入力信号光が入射する半導体受光素子と、半導体受光素子の表面に設けられ、半導体発光素子から出射された光を遮断する遮光部材とを備えている。
【００２１】
第１の双方向光半導体装置によると、半導体受光素子の表面に設けられ、半導体発光素子から出射された光を遮断する遮光部材を備えているため、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬することなく半導体受光素子に向かう光は、半導体受光素子の表面の遮光部材によって遮断される。
【００２２】
本発明に係る第２の双方向光半導体装置は、出力信号光及び入力信号光を伝搬する光導波路を内部に有する基板と、光導波路の一端部に出力信号光を出射する半導体発光素子と、光導波路に設けられ、出力信号光の少なくとも一部を通過させると共に入力信号光の少なくとも一部を光導波路の外部に導く光分岐器と、基板に設けられ、光分岐器により光導波路の外部に導かれた入力信号光が入射する半導体受光素子と、基板の表面に設けられ、半導体発光素子から出射された光を遮断する遮光部材とを備えている。
【００２３】
第２の双方向光半導体装置によると、基板の表面に設けられ、半導体発光素子から出射された光を遮断する遮光部材とを備えているため、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、基板の表面の遮光部材によって遮断される。
【００２４】
第１又は第２の双方向光半導体装置において、遮光部材は、樹脂膜、金属層又は誘電体薄膜フィルターであることが好ましい。
【００２５】
本発明に係る第３の双方向光半導体装置は、出力信号光及び入力信号光を伝搬する光導波路を内部に有する基板と、光導波路の一端部に出力信号光を出射する半導体発光素子と、光導波路に設けられ、出力信号光の少なくとも一部を通過させると共に入力信号光の少なくとも一部を光導波路の外部に導く光分岐器と、基板に設けられ、光分岐器により光導波路の外部に導かれた入力信号光が入射する半導体受光素子と、基板における半導体受光素子と反対側の表面に設けられ、半導体発光素子から出射された光を半導体受光素子と異なる方向に高反射する高反射層とを備えている。
【００２６】
第３の双方向光半導体装置によると、基板における半導体受光素子と反対側の表面に設けられ、半導体発光素子から出射された光を半導体受光素子と異なる方向に高反射する高反射層を備えているため、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、基板における半導体受光素子と反対側の表面の高反射層によって半導体受光素子と異なる方向に高反射される。
【００２７】
本発明に係る第４の双方向光半導体装置は、出力信号光及び入力信号光を伝搬する光導波路を内部に有する基板と、光導波路の一端部に出力信号光を出射する半導体発光素子と、光導波路に設けられ、出力信号光の少なくとも一部を通過させると共に入力信号光の少なくとも一部を光導波路の外部に導く光分岐器と、基板に設けられ、光分岐器により光導波路の外部に導かれた入力信号光が入射する半導体受光素子と、基板における光導波路以外の部分に形成され、半導体発光素子から出射された光を吸収する光吸収部とを備えている。
【００２８】
第４の双方向光半導体装置によると、基板における光導波路以外の部分に形成され、半導体発光素子から出射された光を吸収する光吸収部を備えているため、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、基板における光導波路以外の部分に形成された光吸収部によって吸収される。
【００２９】
本発明に係る第５の双方向光半導体装置は、出力信号光及び入力信号光を伝搬する光導波路を内部に有する基板と、光導波路の一端部に出力信号光を出射する半導体発光素子と、光導波路に設けられ、出力信号光の少なくとも一部を通過させると共に入力信号光の少なくとも一部を光導波路の外部に導く光分岐器と、基板に設けられ、光分岐器により光導波路の外部に導かれた入力信号光が入射する半導体受光素子と、基板における光導波路以外の部分に設けられ、半導体発光素子から出射され光導波路以外の部分を伝搬する光を吸収するか又は半導体受光素子と異なる方向に反射する光学部材とを備えている。
【００３０】
第５の双方向光半導体装置によると、基板における光導波路以外の部分に設けられ、半導体発光素子から出射され光導波路以外の部分を伝搬する光を吸収するか又は半導体受光素子と異なる方向に反射する光学部材を備えているため、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、光学部材によって吸収されるか又は半導体受光素子と異なる方向に反射される。
【００３１】
本発明に係る第６の双方向光半導体装置は、出力信号光及び入力信号光を伝搬する光導波路を内部に有する基板と、光導波路の一端部に出力信号光を出射する半導体発光素子と、光導波路に設けられ、出力信号光の少なくとも一部を通過させると共に入力信号光の少なくとも一部を光導波路の外部に導く光分岐器と、基板に設けられ、光分岐器により光導波路の外部に導かれた入力信号光が入射する半導体受光素子と、基板、半導体発光素子、光分岐器及び半導体受光素子を収納するパッケージと、パッケージの内壁面に設けられ、半導体発光素子から出射された光を吸収する光吸収膜とを備えている。
【００３２】
第６の双方向光半導体装置によると、パッケージの内壁面に設けられ、半導体発光素子から出射された光を吸収する光吸収膜を備えているため、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、パッケージの内壁面の光吸収膜によって吸収される。
【００３３】
第１〜第６の双方向光半導体装置において、基板は、石英系のガラス、シリコン結晶又はポリマーからなることが好ましい。
【００３４】
第１〜第６の双方向光半導体装置において、光分岐器は、光導波路と交差するように設けられた光学素子であることが好ましい。
【００３５】
第１〜第６の双方向光半導体装置において、光導波路は基板に形成された溝部に埋め込まれるように設けられた光ファイバのコア部であることが好ましい。
【００３６】
第１〜第６の双方向光半導体装置における光導波路が光ファイバのコア部である場合には、光ファイバは溝部に埋め込まれた状態で固定部材によって基板に固定されており、固定部材の屈折率は光ファイバのクラッド部の屈折率よりも小さいことが好ましい。
【００３７】
第１〜第６の双方向光半導体装置における光導波路が光ファイバのコア部である場合には、光ファイバは溝部に埋め込まれた状態で固定部材によって基板に固定されており、固定部材における半導体受光素子に近い領域の屈折率は光ファイバのクラッド部の屈折率よりも小さく、且つ固定部材における半導体受光素子から遠い領域の屈折率は光ファイバのクラッド部の屈折率よりも大きいことが好ましい。
【００３８】
第１〜第６の双方向光半導体装置における光導波路が光ファイバのコア部である場合には、基板の屈折率は光ファイバのクラッド部の屈折率よりも小さいことが好ましい。
【００３９】
第１〜第６の双方向光半導体装置における光導波路が光ファイバのコア部である場合には、基板における半導体受光素子に近い領域の屈折率は光ファイバのクラッド部の屈折率よりも小さく、且つ基板における半導体受光素子から遠い領域の屈折率は光ファイバのクラッド部の屈折率よりも大きいことが好ましい。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態に係る双方向光半導体装置について説明するが、その前提として、各実施形態に係る双方向光半導体装置に共通する構成部材について説明する。
【００４１】
本発明の各実施形態に係る双方向光半導体装置に共通する構成部材について、図１〜図８を参照しながら説明する。
【００４２】
図１〜図８に示すように、パッケージ１１の底部の左側部分にはシリコン基板１２が固定されており、該シリコン基板１２の上面には、例えば波長１．３μｍ帯の信号光を出力する半導体発光素子としての半導体レーザ素子１３が固定されている。パッケージ１１の底部の右側部分には、光軸方向に延びる溝部１４ａを有するガラス基板１４が固定されており、該ガラス基板１４の溝部１４ａには光導波路としての光ファイバ１５が埋め込まれていると共に、光ファイバ１５のレーザ側の端部はシリコン基板１２の上面に固定されている。
【００４３】
ガラス基板１４には光軸に対して所定の角度を持つように光分岐器１６が挿入されており、該光分岐器１６は、半導体レーザ素子１３から出射された出力信号光の少なくとも一部を通過させる一方、光ファイバ１５に入力された入力信号光の少なくとも一部をガラス基板１４の反対側（上方側）に導く。光分岐器１６としては、ハーフミラー又はＷＤＭフィルター（波長多重フィルター）を用いることができる。
【００４４】
また、ガラス基板１４の上面には、光分岐器１６により導かれた入力信号光を受けてフォトカレントを出力する半導体受光素子としての受光素子１７が固定されており、該受光素子１７としては例えば面受光型のフォトダイオードを用いることができる。
【００４５】
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る双方向光半導体装置について図１（ａ）、（ｂ）を参照しながら説明する。尚、図１（ａ）は、第１の実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＩ−Ｉ線の断面図である。
【００４６】
第１の実施形態の特徴として、受光素子１７は面受光型のフォトダイオードであると共に、光ファイバ１５はガラス基板１４の溝部１４ａの内部において固定用樹脂２１によって固定されている。
【００４７】
また、受光素子１７における、受光部を除く下面、レーザ素子側の側面（図１の左側の側面）、反レーザ側の側面（図１の右側の側面）及び上面にそれぞれ約０．５ｍｍの膜厚を有する遮光性樹脂２２が塗布されている。
【００４８】
遮光性樹脂２２としては、紫外線により硬化するエポキシ系黒色樹脂、熱により硬化するエポキシ系黒色樹脂、高温で軟化し且つ常温で硬化するエポキシ系黒色樹脂、溶剤の蒸発により硬化する黒色塗料等を用いることができる。
【００４９】
第１の実施形態によると、半導体レーザ素子１３から出射されて光ファイバ１５のコア部を伝搬することなく受光素子１７に向かう光は、遮光性樹脂２２によって遮断されるため、受光素子１７に入射しないので、光アイソレーションは大きく向上する。
【００５０】
特に、受光素子１７が面受光型のフォトダイオードである場合には、受光面のみならず側面及び上面から入射する光成分が無視できないが、受光素子１７の受光部を除く部分に遮光性樹脂２２を塗布しているため、半導体レーザ素子１３から出射されて光ファイバ１５のコア部を伝搬することなく受光素子１７に向かう光は確実に遮断されるので、光アイソレーションは大きく向上する。
【００５１】
尚、受光素子１７における、受光部を除く下面、レーザ素子側の側面、反レーザ側の側面及び上面の全ての面に遮光性樹脂２２が塗布されていなくてもよいが、遮光性樹脂２２が塗布される面が多いほど光アイソレーションは向上する。
【００５２】
ところで、半導体レーザ素子１３から出射された後、光ファイバ１５に結合した光は、光ファイバ１５のコア部及びクラッド部をそれぞれ伝搬するが、光ファイバ１５のクラッド部を伝搬する光は容易に輻射光となってクラッド部から外部に漏れ出て受光素子１７に到達する。特に、光ファイバ１５におけるガラス基板１４に埋め込まれている部分では、光ファイバ１５のクラッド部とガラス基板１４との屈折率差が小さいので、光ファイバ１５のクラッド部を伝搬する光は容易に外部に漏れ出る。従って、光アイソレーションが劣化する原因としてはクラッド漏れ光が最も大きいと考えられる。
【００５３】
そこで、光ファイバ１５から１ｍＷの出力信号光が出力される場合において、クラッド漏れ光のうち直接に受光素子１７に至る光成分（ａで示す経路を通過する光成分）に起因するフォトカレント、クラッド漏れ光のうちガラス基板１４の右端面で反射されて受光素子１７に至る光成分（ｂで示す経路を通過する光成分）に起因するフォトカレント及びパッケージ散乱光（ｃで示す経路を通過する光成分）に起因するフォトカレントをそれぞれ測定した。この結果、ａで示す経路を通過する光成分に起因するフォトカレントは約４μＡであってクロストークの約半分を占めている。尚、半導体レーザ素子１３から出射された後、受光素子１７に入射される光に起因するフォトカレントをクロストークと称する。また、ｂで示す経路を通過する光成分に起因するフォトカレントは約０．５μＡであり、ｃで示す経路を通過する光成分に起因するフォトカレントは約１μＡであった。
【００５４】
従って、受光素子１７における、受光部を除く下面、レーザ素子側の側面、反レーザ側の側面及び上面にそれぞれ遮光性樹脂２２を塗布すると、受光素子１７から出力されるフォトカレントは約５．５μＡ低減されて約３μＡとなる。このため、光アイソレーションは２２ｄＢまで改善されることになる。
【００５５】
尚、遮光性樹脂２２を、受光素子１７の表面のみならず、ガラス基板１４の上面における光ファイバ１５が埋め込まれている領域又はガラス基板１４の上面の全領域にも塗布すると、光アイソレーションを一層向上させることができる。
【００５６】
また、ガラス基板１４の上面における光ファイバ１５が埋め込まれている領域又はガラス基板１４の上面の全領域に遮光性樹脂２２を塗布する代わりに、ガラス基板１４の材料中に信号光に対して吸収特性を有する色素等を混入しても、光アイソレーションを一層向上させることができる。
【００５７】
（第１の実施形態の変形例）
第１の実施形態においては、受光素子１７における、受光部を除く下面、レーザ素子側の側面（図１の左側の側面）、反レーザ側の側面（図１の右側の側面）及び上面に遮光性樹脂２２が塗布されていたが、該変形例においては、受光素子１７における、受光部を除く下面、レーザ素子側の側面、反レーザ側の側面及び上面にはそれぞれ遮光層が設けられている。
【００５８】
遮光層としては、受光素子１７に貼着されており、半導体レーザ素子１３から出射されるレーザ光の波長帯に対して遮光性を有する誘電体薄膜フィルター、受光素子１７に貼着された金属薄膜、又は受光素子１７の表面にメッキ法若しくは蒸着法により形成された金属層等が挙げられる。
【００５９】
第１の実施形態のように、遮光性樹脂２２を塗布すると、遮光性樹脂２２の膜厚分だけパッケージ１１の高さが大きくなるが、前記の変形例のように遮光層を設けると、パッケージ１１の高さが大きくなることを防止できる。
【００６０】
また、受光素子１７の表面に誘電体薄膜フィルターを貼着する場合には、遮断する光の波長帯を容易に選択できるので、設計上有利である。
【００６１】
また、受光素子１７の上面にのみ遮光層を設けるようにすると、遮光層の面積を確保できると共に遮光層を設ける工程が容易である。
【００６２】
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態に係る双方向光半導体装置について図２（ａ）、（ｂ）を参照しながら説明する。尚、図２（ａ）は、第２の実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるII−II線の断面図である。
【００６３】
第２の実施形態の特徴として、受光素子１７は面受光型のフォトダイオードであると共に、光ファイバ１５はガラス基板１４の溝部１４ａの内部において、光ファイバ１５のクラッド部の屈折率よりも低い屈折率を有する固定用樹脂２１によって固定されている。
【００６４】
波長１．３μｍ帯の光を伝搬する石英系のシングルモードの光ファイバ１５のクラッド部の屈折率は１．４４７であるので、第２の実施形態においては、固定用樹脂２１としては、１．４４５の屈折率を有する樹脂を用いる。
【００６５】
前述したように、半導体レーザ素子１３から出射された後、光ファイバ１５に結合した光のうちクラッド部を伝搬する光成分は容易に輻射光となってクラッド部から外部に漏れ出て受光素子１７に到達する。
【００６６】
ところが、第２の実施形態のように、光ファイバ１５をガラス基板１４の溝部１４ａに光ファイバ１５のクラッド部よりも低い屈折率を有する固定用樹脂２１によって固定すると、光ファイバ１５のクラッド部を伝搬する光は、固定用樹脂２１によって光ファイバ１５のクラッド部に閉じこめられるため、クラッド部から外部に漏れ出なくなるので、クラッド漏れ光に起因する光アイソレーションを低減することができる。
【００６７】
第２の実施形態に係る双方向光半導体装置を用いて、光ファイバ１５から１ｍＷの出力信号光が出力される場合のフォトカレントを測定したところ約１μＡであって、光アイソレーションは約２７ｄＢに改善されている。
【００６８】
第２の実施形態によると、クラッド漏れ光のうち直接に受光素子１７に至る光成分（図１においてａで示す経路を通過する光成分）に起因する約４μＡのクロストーク、クラッド漏れ光のうちガラス基板１４の右端面で反射されて受光素子１７に至る光成分（図１においてｂで示す経路を通過する光成分）に起因する約０．５μＡのクロストーク、及びクラッド漏れ光のうち受光素子１７の受光部に直接に入射する光成分（図２においてｄで示す経路を通過する光成分）に起因する約１．５μＡのクロストークを低減することができる。特に、クラッド漏れ光のうち受光素子１７の受光部に直接に入射する光成分に起因するクロストークは、第１の実施形態では抑制できないが、第２の実施形態によると抑制することができる。
【００６９】
尚、光ファイバ１５を、該光ファイバ１５のクラッド部の屈折率よりも低い屈折率を有する固定用樹脂２１によって固定する代わりに、ガラス基板１４を構成する材料の屈折率を光ファイバ１５のクラッド部の屈折率よりも低くしてもよい。このようにすると、光ファイバ１５のクラッド部から横方向又は下方向に漏れ出る光をガラス基板１４の溝部１４ａの内部に閉じこめることができる。従って、図２（ｂ）に示すように、受光素子１７の受光面（下面）が広くてガラス基板１４の側面を通過する光を受光してしまうような場合における光アイソレーションを向上させることができると共に、受光素子１７がガラス基板１４の下面に固定される場合における光アイソレーションを向上させることもできる。
【００７０】
（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態に係る双方向光半導体装置について図３を参照しながら説明する。
【００７１】
第３の実施形態の特徴として、光分岐器１６はハーフミラーであり、受光素子１７は面受光型のフォトダイオードであると共に、ガラス基板１４とパッケージ１１との間に遮光部材２３が設けられている。
【００７２】
遮光部材２３としては、紫外線により硬化するエポキシ系黒色樹脂、熱により硬化するエポキシ系黒色樹脂、高温で軟化し且つ常温で硬化するエポキシ系黒色樹脂、溶剤の蒸発により硬化する黒色塗料又は金属板等のように、半導体レーザ素子１３から出射される出力信号光の波長帯の光を遮断する部材を適宜用いることができる。
【００７３】
ところで、半導体レーザ素子１３から出射された出力信号光は光ファイバ１５に結合するが、出力信号光のうちの約２０％は光ファイバ１５のコア部に結合して該コア部を伝搬する。光分岐器１６としてハーフミラーを用いる場合には、光ファイバ１５のコア部を伝搬する光の約半分の成分は、図３においてｅの経路で示すように、ハーフミラーによってガラス基板１４側つまり下側に反射された後、ガラス基板１４の下面又はパッケージ１１の底部の上面で再び乱反射されて受光素子１７に至る。
【００７４】
ところが、第３の実施形態のように、ガラス基板１４とパッケージ１１との間に遮光部材２３が設けられていると、光ファイバ１５のコア部を伝搬中にハーフミラーにより反射された光は、遮光部材２３に遮断されて受光素子１７に向かわないので、光アイソレーションは大きく向上する。
【００７５】
第３の実施形態に係る双方向光半導体装置を評価するために、光ファイバ１５における半導体レーザ素子１３とガラス基板１４との間に位置する部分の長さを十分に長くすると共にこの部分を屈曲させて光ファイバ１５のクラッド部を伝搬する光が完全に除去される双方向光半導体装置を試作すると共に、ガラス基板１４の下面の状態及びパッケージ１１の底部の上面の状態を種々変化させて、光ファイバ１５から１ｍＷの出力信号光が出力される場合のフォトカレントを測定した。
【００７６】
まず、パッケージ１１の底部の上面を切削加工により粗くした状態でフォトカレントを測定すると１．５μＡであった。
【００７７】
次に、ガラス基板１４とパッケージ１１との間に黒色の遮光部材２３を設けた状態でフォトカレントを測定すると０．１８μＡであった。従って、第３の実施形態によると、光アイソレーションを大きく向上できることが確認された。
【００７８】
（第３の実施形態の変形例）
ところで、光ファイバ１５のコア部におけるガラス基板１４の溝部１４ａに挿入されている部分を伝搬する光の広がり角度は５度以内であるから、コア部を伝搬する光の広がり角度は無視することができる。従って、ガラス基板１４の下面に、半導体レーザ素子１３から出射された光を受光素子１７と異なる方向に高反射する高反射層を形成すると、光ファイバ１５のコア部を伝搬中にハーフミラーにより反射された光は、ガラス基板１４の下面で乱反射されることなく受光素子１７の反対側に反射されるので、光アイソレーションは大きく向上する。
【００７９】
光分岐器１６が光ファイバ１５に対して垂直な面と交差する角度を３０度に設定すると共にガラス基板１４の下面に高反射層を形成した状態でフォトカレントを測定すると０．００９μＡであった。この場合には、光アイソレーションは４７ｄＢであって、大きく向上する。
【００８０】
ガラス基板１４の下面に高反射層を形成する方法としては、ガラス基板１４の下面に鏡面仕上げされたシリコン基板を固定する方法、ガラス基板１４の下面を鏡面仕上げする方法、又はガラス基板１４の下面にＡｕ、Ｔｉ若しくはＮｉ等の金属をメッキする方法等が挙げられる。ガラス基板１４の下面に金属のメッキ層を形成する方法は、反射率の均一化及び安定化並びにコストの低減の観点から有効な方法である。
【００８１】
尚、光ファイバ１５のコア部におけるガラス基板１４の溝部１４ａに挿入されている部分を伝搬する光の広がり角度は無視できる程度に小さいため、ガラス基板１４の下面に高反射層を形成しておくと、光分岐器１６が光ファイバ１５に対して垂直な面と交差する角度は３０度でなくても、光アイソレーションの劣化を低減することができる。また、光ファイバ１５のコア部におけるガラス基板１４の溝部１４ａに挿入されている部分を伝搬する光の広がり角度が大きい場合には、光分岐器１６が光ファイバ１５に対して垂直な面と交差する角度を小さくすると、光アイソレーションの劣化の低減効果は大きくなる。
【００８２】
（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態に係る双方向光半導体装置について図４を参照しながら説明する。
【００８３】
第４の実施形態の特徴として、光分岐器１６はハーフミラー又はＷＤＭフィルターであり、受光素子１７は面受光型のフォトダイオードであると共に、光分岐器１６と受光素子１７との間に、半導体レーザ素子１３から出射され光ファイバ１５のコア部以外の部分を伝搬する光を吸収するか又は受光素子１７と異なる方向に反射する光学部材としてのフィルター２４が光ファイバ１５のコア部に掛からないように設けられている。フィルター２４としては、ハーフミラー又はＷＤＭフィルター等を用いることができる。
【００８４】
ところで、図４においてｆの経路で示すように、クラッド漏れ光のうち光分岐器１６に到達しない光成分、又はクラッド漏れ光のうち光分岐器１６を通過してしまう光成分は受光素子１７に至る。特に、光分岐器１６がＷＤＭフィルターであるときには、光ファイバ１５のクラッド部を伝搬する光はＷＤＭフィルターを通過してしまう。
【００８５】
ところが、第４の実施形態のように、光分岐器１６と受光素子１７との間に半導体レーザ素子１３から出射される波長帯の光を受光素子１７に向かわせないフィルター２４が設けられているため、クラッド漏れ光のうち光分岐器１６に到達しない光成分及びクラッド漏れ光のうち光分岐器１６を通過してしまう光成分は受光素子１７に到達しないので、光アイソレーションを向上させることができる。
【００８６】
（第４の実施形態の変形例）
半導体レーザ素子１３から出射される出力信号光の波長帯（例えば１．３μｍ）と、光ファイバ１５から入力される入力信号光の波長帯（例えば１．５５μｍ）とが異なっていると共に、光分岐器１６がＷＤＭフィルターである場合には、光ファイバ１５のクラッド部を伝搬する光は光分岐器１６を通過してしまう。
【００８７】
従って、この場合には、受光素子１７とガラス基板１４との間に受光素子１７の受光面に沿うように、入力信号光を通過させるが出力信号光を通過させないＷＤＭフィルターを設ける。このようにすると、半導体レーザ素子１３から出射された出力信号光のうち光ファイバ１５のクラッド部から漏れ出た光成分が受光素子１７に到達する事態を防止できるので、光アイソレーションを向上させることができる。
【００８８】
（第５の実施形態）
以下、第５の実施形態に係る双方向光半導体装置について図５を参照しながら説明する。
【００８９】
第５の実施形態の特徴として、光分岐器１６はハーフミラー又はＷＤＭフィルターであり、受光素子１７は面受光型のフォトダイオードであると共に、光ファイバ１５における光分岐器１６よりも半導体レーザ素子１３側の部分はガラス基板１４の溝部１４ａの内部において遮光性樹脂２５によって固定されている。
【００９０】
このようにすると、光ファイバ１５のクラッド部を伝搬する光の広がり角度は小さいため、クラッド漏れ光は遮光性樹脂２５に遮断されて受光素子１７には到達しないので、光アイソレーションが向上する。
【００９１】
（第５の実施形態の変形例）
第５実施形態の変形例は、光ファイバ１５における光分岐器１６よりも半導体レーザ素子１３側の部分はガラス基板１４の溝部１４ａの内部において、光ファイバ１５のクラッド部の屈折率（例えば１．４４７）よりも高い屈折率を有する固定用樹脂によって固定されている。
【００９２】
このようにすると、光ファイバ１５のクラッド部を伝搬する光は固定用樹脂に予め吸収されて、クラッド漏れ光のうち受光素子１７に到達する光成分が低減するので、光アイソレーションが向上する。
【００９３】
（第６の実施形態）
以下、第６の実施形態に係る双方向光半導体装置について図６（ａ）、（ｂ）を参照しながら説明する。尚、図６（ａ）は、第６の実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるVI−VI線の断面図である。
【００９４】
第６の実施形態の特徴として、光分岐器１６はハーフミラー又はＷＤＭフィルターであり、受光素子１７は面受光型のフォトダイオードであると共に、光ファイバ１５は、ガラス基板１４の断面Ｖ字状の溝部１４ａに挿入された状態で、断面が台形状の溝部を有する押さえ部材２６によってガラス基板１４に固定されている。
【００９５】
また、図６（ｂ）に示すように、光ファイバ１５のレーザ側の端部は、シリコン基板１２に形成された断面Ｖ字状の溝部に挿入された状態で、断面が台形状の溝部を有する遮光部材２７によってシリコン基板１２に固定されている。この場合、遮光部材２７は光ファイバ１５の端部を押さえ付けた状態でシリコン基板１２に接着されている。
【００９６】
半導体レーザ素子１３から出射されたレーザ光の広がり角度は１０数度であるため、半導体レーザ素子１３から出射されたレーザ光のうち光ファイバ１５に結合しない光成分は光ファイバ１５の外側に放射される。光ファイバ１５の外側に放射された光は、パッケージ１１の内部空間を伝搬した後、パッケージ１１の壁面で反射されて受光素子１７に至る。
【００９７】
ところが、第６の実施形態のように、シリコン基板１２の上に遮光部材２７を設けると、半導体レーザ素子１３から出射されたレーザ光のうち光ファイバ１５に結合しない光成分は、遮光部材２７に遮断されて、パッケージ１１の内部空間を伝搬しなくなるため、受光素子１７に到達しなくなるので、光アイソレーションが向上する。
【００９８】
（第７の実施形態）
以下、第７の実施形態に係る双方向光半導体装置について図７を参照しながら説明する。
【００９９】
第７の実施形態の特徴として、光分岐器１６はハーフミラー又はＷＤＭフィルターであり、受光素子１７は面受光型のフォトダイオードである。
【０１００】
また、パッケージ１１の上底部の下面には、半導体レーザ素子１３から出射されるレーザ光を吸収する光吸収部材２８が貼着されている。
【０１０１】
光吸収部材２８としては、半導体レーザ素子１３から出射されるレーザ光の波長帯に対して吸収性を有する薄膜層が挙げられ、具体的には、半導体レーザ素子１３から出射されるレーザ光を吸収する色素が含まれる塗布膜等が挙げられる。第７の実施形態によると、パッケージ１１の上底部の下面に光吸収部材２８が貼着されているため、パッケージ１１の内部を散乱する散乱光が受光素子１７に到達することを防止できるので、光アイソレーションが向上する。
【０１０２】
尚、第１〜第７の実施形態においては、半導体レーザ素子１３から出射された出力信号光を外部に出力する光導波路として光ファイバ１５を用いたが、ガラス基板１４に代えて、シリコン結晶又はポリマー材等からなり光に対して透明な材料からなる透明基板を用いると共に、該透明基板の内部に光導波路を形成してもよい。
【０１０３】
また、第１〜第７の実施形態においては、半導体レーザ素子１３から出射される出力信号光の波長帯が１．３μｍであり、光ファイバ１５に入力される入力信号光の波長帯が１．３μｍ又は１．５５μｍである場合について説明したが、出力信号光の波長帯としては、１．５５μｍであってもよいと共に、０．８５μｍ、０．７８μｍ帯又は０．６５μｍ帯等の短波長帯であってもよいのは当然である。
【０１０４】
また、半導体発光素子としては、半導体レーザ素子１３に代えて、ＬＥＤを用いることができる。
【０１０５】
さらに、第１〜第７の実施形態及び各変形例を単独で採用してもよいが、これらを組み合わせると、光アイソレーションの向上効果が一層向上する。
【０１０６】
（第８の実施形態）
以下、本発明の第８の実施形態として、第１〜第７の実施形態及び各変形例に係る双方向光半導体装置が適用される双方向光伝送システムについて図８を参照しながら説明する。
【０１０７】
図８は、双方向光伝送システムの全体構成を示しており、基地局側に設置された第１の双方向光半導体装置３０と、一般家庭に設置された第２の双方向光半導体装置３１とが伝送用光ファイバ３２を介して接続されている。
【０１０８】
第８の実施形態によると、第１の双方向光半導体装置３０及び第２の双方向光半導体装置３１として、第１〜第７の実施形態及び各変形例に係る光アイソレーション機能が高い双方向光半導体装置を用いているので、送信された信号に対するクロストークを避けるために必要なガードタイムを短縮できるので、より高速な応答を行える双方向光伝送システムを実現することができる。
【０１０９】
【発明の効果】
本発明に係る第１の双方向光半導体装置によると、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬することなく半導体受光素子に向かう光は、半導体受光素子の表面の遮光部材によって遮断されるため、半導体受光素子に入射しないので、光アイソレーションが向上する。
【０１１０】
本発明に係る第２の双方向光半導体装置によると、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、基板の表面の遮光部材によって遮断されるため、半導体受光素子に入射しないので、光アイソレーションが向上する。
【０１１１】
本発明に係る第３の双方向光半導体装置によると、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、基板における半導体受光素子と反対側の表面の高反射層によって半導体受光素子と異なる方向に高反射されるため、半導体受光素子に入射しないので、光アイソレーションが向上する。
【０１１２】
本発明に係る第４の双方向光半導体装置によると、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、基板における光導波路以外の部分に形成された光吸収部によって吸収されるため、半導体受光素子に入射しないので、光アイソレーションが向上する。
【０１１３】
本発明に係る第５の双方向光半導体装置によると、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、光学部材によって吸収されるか又は半導体受光素子と異なる方向に反射されるため、半導体受光素子に入射しないので、光アイソレーションが向上する。
【０１１４】
本発明に係る第６の双方向光半導体装置によると、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、パッケージの内壁面の光吸収膜によって吸収されるため、半導体受光素子に入射しないので、光アイソレーションが向上する。
【０１１５】
第１〜第６の双方向光半導体装置における光導波路が光ファイバのコア部であり、光ファイバが溝部に埋め込まれた状態で固定部材によって基板に固定されている場合に、固定部材における半導体受光素子に近い領域の屈折率を光ファイバのクラッド部の屈折率よりも小さく且つ固定部材における半導体受光素子から遠い領域の屈折率を光ファイバのクラッド部の屈折率よりも大きいすると、半導体発光素子から出射された後に光ファイバのコア部を伝搬しない光は、半導体受光素子の近くでは光ファイバに閉じこめられると共に半導体受光素子から遠くでは固定部材に吸収されるので、光アイソレーションは確実に向上する。
【０１１６】
第１〜第６の双方向光半導体装置における光導波路が光ファイバのコア部である場合に、基板における半導体受光素子に近い領域の屈折率を光ファイバのクラッド部の屈折率よりも小さく且つ基板における半導体受光素子から遠い領域の屈折率を光ファイバのクラッド部の屈折率よりも大きくすると、半導体発光素子から出射された後に光ファイバのコア部を伝搬しない光は、半導体受光素子の近くでは光ファイバに閉じこめられると共に半導体受光素子から遠くでは基板に吸収されるので、光アイソレーションは確実に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＩ−Ｉ線の断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の第２実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるII−II線の断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図である。
【図６】（ａ）は本発明の第６実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるVI−VI線の断面図である。
【図７】本発明の第７実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図である。
【図８】本発明に係る第１〜第７の実施形態及び各変形例に係る双方向光半導体装置が適用される双方向光伝送システムの概略全体構成図である。
【図９】本発明の前提となる双方向光半導体装置の側方断面図である。
【図１０】本発明の前提となる双方向光半導体装置における問題点を説明する側方断面図である。
【符号の説明】
１１ パッケージ
１２ シリコン基板
１３ 半導体レーザ素子
１４ ガラス基板
１４ａ 溝部
１５ 光ファイバ
１６ 光分岐器
１７ 受光素子
２１ 固定用樹脂
２２ 遮光性樹脂
２３ 遮光部材
２４ フィルター
２５ 遮光性樹脂
２６ 押さえ部材
２７ 遮光部材
２８ 光吸収部材
３０ 第１の双方向光半導体装置
３１ 第２の双方向光半導体装置
３２ 伝送用光ファイバ
【発明の属する技術分野】
本発明は、双方向光半導体装置に関し、特に高い光アイソレーション機能を有する双方向光半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、基地局からデータ等を一般家庭まで光ファイバを用いて伝送する光加入者システムが提案されている。光加入者システムにおいては、基地局側及び加入者側の両方に光送信器と光受信器とを設置して双方向の光通信を行なうので、半導体発光素子からなり光信号を出力する光送信器と、フォトダイオード等の半導体受光素子からなり光信号を受信する光受信器と、光送信器と光受信器とを接続する光ファイバからなる光伝送路とを備えた光送受信装置が必要になる。
【０００３】
そこで第１の従来例に係る光送受信装置としては、パッケージに実装された半導体レーザを有する光送信装置の送信用光ファイバと、パッケージに実装された受光素子を有する光受信装置の受信用光ファイバとがカプラーで結合されたものが知られている。
【０００４】
ところが、第１の従来例に係る光送受信装置は、光送信装置と光受信装置とをカプラーで結合するものであるから、市販されている光送信装置及び光受信装置を用いることができるが、互いに別体の光送信装置と光受信装置とを結合する必要があるので、小型化及び低コスト化の点で問題がある。
【０００５】
そこで、第２の従来例に係る光送受信装置として、石英からなる基板と、該基板に一体的に保持された半導体レーザ素子及び受光素子と、基板の内部に形成された光導波路とを有するＰＬＣ（Planer Lightwave Circuit）が提案されている。
【０００６】
ところが、第２の従来例に係る光送受信装置は、石英からなる基板に半導体レーザ素子及び受光素子を一体的に設けることによって小型化を図っているが、基板の内部に形成する導波路の面積の低減に限界があるので小型化という点で問題が残ると共に、ＰＬＣと光ファイバとを結合する必要があるので、低コスト化の点でも問題がある。
【０００７】
そこで、我々は、特願平７−１９８５３８号において、図９に示すような双方向光半導体装置を提案した。すなわち、パッケージ１の底部の左側部分にシリコン基板２が固定されており、該シリコン基板２の上面には、例えば波長１．３μｍ帯の信号光を出力する半導体レーザ素子３（半導体発光素子）が固定されている。パッケージ１の底部の右側部分には、光軸方向に延びる溝部を有するガラス基板４（基板）が固定されており、該ガラス基板４の溝部には光ファイバ５（光導波路）が埋め込まれていると共に、光ファイバ５のレーザ側の端部はシリコン基板２の上面に固定されている。ガラス基板４には光軸に対して所定の角度を持つようにハーフミラー６（光分岐器）が挿入されており、該ハーフミラー６は、光ファイバ５の左方から入射する波長１．３μｍ帯の出力信号光の約５０％を透過させる一方、光ファイバ５の右方から入射する波長１．３μｍ帯の入力信号光の約５０％を上方に反射する。ガラス基板４の上面には、ハーフミラー６により反射された入力信号光を受けてフォトカレントを出力する面入射型のフォトダイオードからなる受光素子７（半導体受光素子）が固定されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記の双方向光半導体装置においては、内部に光導波路を有する基板、半導体発光素子、光分岐器が一体化されているため、取り扱い易さ及び小型化の点で優れているが、光アイソレーションの点で問題がある。すなわち、半導体発光素子から出射された出力信号光の一部が半導体受光素子に受光されてしまうので、光アイソレーションが劣化するという問題がある。
【０００９】
ところで、半導体発光素子をパルス駆動した直後には、緩和時間内で出力信号光はテールをひく。つまり半導体発光素子から出力される出力信号光はテール光を伴う。このため、発光・受光間の光アイソレーションが低いと、入力信号光の受光時に、半導体発光素子から出射された出力信号光のテール光が半導体受光素子で受光されて、入射してきた入力信号光に対して雑音となるので、半導体受光素子における受信特性が劣化する。従って、双方向光通信を行なうためには、光アイソレーション特性の改善が重要である。
【００１０】
第１の従来例に係る光送受信装置においては、送信用光ファイバと受信用光ファイバとのカプラーにおける結合角度をずらすことにより、光アイソレーション特性の劣化を防止している。
【００１１】
これに対して、第２の従来例に係る光送受信装置及び前記の双方向光半導体装置においては、光アイソレーション特性の劣化に対する対策は現在のところ講じられていないのが実状である。
【００１２】
前記に鑑み、本発明は、出力信号光及び入力信号光を伝搬する光導波路を内部に有する基板と、光導波路の一端部に出力信号光を出射する半導体発光素子と、光導波路に設けられ、出力信号光の少なくとも一部を通過させると共に入力信号光の少なくとも一部を光導波路の外部に導く光分岐器と、基板に設けられ、光分岐器により光導波路の外部に導かれた入力信号光が入射する半導体受光素子とが一体化されてなる双方向光半導体装置において、装置全体の小型化と光アイソレーションの向上との両立を図ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
以下、前記の双方向光半導体装置における発光・受光間の光アイソレーション及び光アイソレーションが劣化する原因について検討を行なった結果を説明する。
【００１４】
まず、前記の双方向光半導体装置における発光・受光間の光アイソレーションについての検討結果を説明する。尚、以下の説明は、半導体発光素子としての半導体レーザ素子から出力された１．３μｍ帯の出力信号光が光導波路としての光ファイバの一端に入力されると共に、該光ファイバ５の他端からは１．３μｍ帯の入力信号光が入力され、光分岐器がハーフミラー６であり、半導体受光素子がフォトダイオード７である場合を前提としている。
【００１５】
半導体レーザ素子３から１０ｍＷの出力信号光が出射される場合、出力信号光の約２０％が光ファイバ５に結合し、光ファイバ５に結合した出力信号光の約５０％がハーフミラー６を透過して外部に出力される。従って、光ファイバ５からは約１ｍＷの出力信号光が外部に出力される。
【００１６】
受光素子７に−３Ｖのバイアス電圧を印加した状態で、半導体レーザ素子３から出射された後、光ファイバ５から外部に出力される出力信号光の出力パワーが１ｍＷであるときの受光素子７から出力されるフォトカレントは平均８．５μＡである。また、受光素子７に−３Ｖのバイアス電圧を印加した状態で、光ファイバ５から１ｍＷの入力信号光が入力されるときの受光素子７から出力されるフォトカレントは平均４５０μＡ（平均感度：０．４５Ａ／Ｗ）である。従って、発光・受光間の光アイソレーションは１７ｄＢとなる。
【００１７】
次に、前記の双方向光半導体装置における発光・受光間の光アイソレーションが劣化する原因についての検討結果を説明する。
【００１８】
光アイソレーションが劣化する原因としては、半導体レーザ素子３から出射された出力信号光が主として３つの経路を経て受光素子７に入力されることを見出した。図１０に示すように、第１の入力経路は、半導体レーザ素子３から出射された出力信号光のうち光ファイバ５のクラッドを伝搬する光成分がクラッドから漏れ出てパッケージ１で反射されることなく受光素子７に到達するもの（以下、この経路を通る光をクラッド漏れ光と称する。）であり、第２の入力経路は、半導体レーザ素子３から出射された出力信号光のうちハーフミラー６で反射された光成分がパッケージ１の底面で再び乱反射されて受光素子７に到達するもの（以下、この経路を通る光をハーフミラー反射光と称する。）であり、第３の入力経路は、半導体レーザ素子３における光ファイバ５の反対側から出射された光がパッケージ１の側面及び上面で乱反射されて受光素子７に到達するもの（以下、この経路を通過する光をパッケージ散乱光と称する。）である。
【００１９】
本発明は、前記の知見に基づいてなされ、クラッド漏れ光、ハーフミラー反射光又はパッケージ散乱光が半導体受光素子に入射することを防止する手段を講じるものであって、具体的には以下の各双方向光半導体装置によって実現される。
【００２０】
本発明に係る第１の双方向光半導体装置は、出力信号光及び入力信号光を伝搬する光導波路を内部に有する基板と、光導波路の一端部に出力信号光を出射する半導体発光素子と、光導波路に設けられ、出力信号光の少なくとも一部を通過させると共に入力信号光の少なくとも一部を光導波路の外部に導く光分岐器と、基板に設けられ、光分岐器により光導波路の外部に導かれた入力信号光が入射する半導体受光素子と、半導体受光素子の表面に設けられ、半導体発光素子から出射された光を遮断する遮光部材とを備えている。
【００２１】
第１の双方向光半導体装置によると、半導体受光素子の表面に設けられ、半導体発光素子から出射された光を遮断する遮光部材を備えているため、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬することなく半導体受光素子に向かう光は、半導体受光素子の表面の遮光部材によって遮断される。
【００２２】
本発明に係る第２の双方向光半導体装置は、出力信号光及び入力信号光を伝搬する光導波路を内部に有する基板と、光導波路の一端部に出力信号光を出射する半導体発光素子と、光導波路に設けられ、出力信号光の少なくとも一部を通過させると共に入力信号光の少なくとも一部を光導波路の外部に導く光分岐器と、基板に設けられ、光分岐器により光導波路の外部に導かれた入力信号光が入射する半導体受光素子と、基板の表面に設けられ、半導体発光素子から出射された光を遮断する遮光部材とを備えている。
【００２３】
第２の双方向光半導体装置によると、基板の表面に設けられ、半導体発光素子から出射された光を遮断する遮光部材とを備えているため、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、基板の表面の遮光部材によって遮断される。
【００２４】
第１又は第２の双方向光半導体装置において、遮光部材は、樹脂膜、金属層又は誘電体薄膜フィルターであることが好ましい。
【００２５】
本発明に係る第３の双方向光半導体装置は、出力信号光及び入力信号光を伝搬する光導波路を内部に有する基板と、光導波路の一端部に出力信号光を出射する半導体発光素子と、光導波路に設けられ、出力信号光の少なくとも一部を通過させると共に入力信号光の少なくとも一部を光導波路の外部に導く光分岐器と、基板に設けられ、光分岐器により光導波路の外部に導かれた入力信号光が入射する半導体受光素子と、基板における半導体受光素子と反対側の表面に設けられ、半導体発光素子から出射された光を半導体受光素子と異なる方向に高反射する高反射層とを備えている。
【００２６】
第３の双方向光半導体装置によると、基板における半導体受光素子と反対側の表面に設けられ、半導体発光素子から出射された光を半導体受光素子と異なる方向に高反射する高反射層を備えているため、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、基板における半導体受光素子と反対側の表面の高反射層によって半導体受光素子と異なる方向に高反射される。
【００２７】
本発明に係る第４の双方向光半導体装置は、出力信号光及び入力信号光を伝搬する光導波路を内部に有する基板と、光導波路の一端部に出力信号光を出射する半導体発光素子と、光導波路に設けられ、出力信号光の少なくとも一部を通過させると共に入力信号光の少なくとも一部を光導波路の外部に導く光分岐器と、基板に設けられ、光分岐器により光導波路の外部に導かれた入力信号光が入射する半導体受光素子と、基板における光導波路以外の部分に形成され、半導体発光素子から出射された光を吸収する光吸収部とを備えている。
【００２８】
第４の双方向光半導体装置によると、基板における光導波路以外の部分に形成され、半導体発光素子から出射された光を吸収する光吸収部を備えているため、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、基板における光導波路以外の部分に形成された光吸収部によって吸収される。
【００２９】
本発明に係る第５の双方向光半導体装置は、出力信号光及び入力信号光を伝搬する光導波路を内部に有する基板と、光導波路の一端部に出力信号光を出射する半導体発光素子と、光導波路に設けられ、出力信号光の少なくとも一部を通過させると共に入力信号光の少なくとも一部を光導波路の外部に導く光分岐器と、基板に設けられ、光分岐器により光導波路の外部に導かれた入力信号光が入射する半導体受光素子と、基板における光導波路以外の部分に設けられ、半導体発光素子から出射され光導波路以外の部分を伝搬する光を吸収するか又は半導体受光素子と異なる方向に反射する光学部材とを備えている。
【００３０】
第５の双方向光半導体装置によると、基板における光導波路以外の部分に設けられ、半導体発光素子から出射され光導波路以外の部分を伝搬する光を吸収するか又は半導体受光素子と異なる方向に反射する光学部材を備えているため、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、光学部材によって吸収されるか又は半導体受光素子と異なる方向に反射される。
【００３１】
本発明に係る第６の双方向光半導体装置は、出力信号光及び入力信号光を伝搬する光導波路を内部に有する基板と、光導波路の一端部に出力信号光を出射する半導体発光素子と、光導波路に設けられ、出力信号光の少なくとも一部を通過させると共に入力信号光の少なくとも一部を光導波路の外部に導く光分岐器と、基板に設けられ、光分岐器により光導波路の外部に導かれた入力信号光が入射する半導体受光素子と、基板、半導体発光素子、光分岐器及び半導体受光素子を収納するパッケージと、パッケージの内壁面に設けられ、半導体発光素子から出射された光を吸収する光吸収膜とを備えている。
【００３２】
第６の双方向光半導体装置によると、パッケージの内壁面に設けられ、半導体発光素子から出射された光を吸収する光吸収膜を備えているため、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、パッケージの内壁面の光吸収膜によって吸収される。
【００３３】
第１〜第６の双方向光半導体装置において、基板は、石英系のガラス、シリコン結晶又はポリマーからなることが好ましい。
【００３４】
第１〜第６の双方向光半導体装置において、光分岐器は、光導波路と交差するように設けられた光学素子であることが好ましい。
【００３５】
第１〜第６の双方向光半導体装置において、光導波路は基板に形成された溝部に埋め込まれるように設けられた光ファイバのコア部であることが好ましい。
【００３６】
第１〜第６の双方向光半導体装置における光導波路が光ファイバのコア部である場合には、光ファイバは溝部に埋め込まれた状態で固定部材によって基板に固定されており、固定部材の屈折率は光ファイバのクラッド部の屈折率よりも小さいことが好ましい。
【００３７】
第１〜第６の双方向光半導体装置における光導波路が光ファイバのコア部である場合には、光ファイバは溝部に埋め込まれた状態で固定部材によって基板に固定されており、固定部材における半導体受光素子に近い領域の屈折率は光ファイバのクラッド部の屈折率よりも小さく、且つ固定部材における半導体受光素子から遠い領域の屈折率は光ファイバのクラッド部の屈折率よりも大きいことが好ましい。
【００３８】
第１〜第６の双方向光半導体装置における光導波路が光ファイバのコア部である場合には、基板の屈折率は光ファイバのクラッド部の屈折率よりも小さいことが好ましい。
【００３９】
第１〜第６の双方向光半導体装置における光導波路が光ファイバのコア部である場合には、基板における半導体受光素子に近い領域の屈折率は光ファイバのクラッド部の屈折率よりも小さく、且つ基板における半導体受光素子から遠い領域の屈折率は光ファイバのクラッド部の屈折率よりも大きいことが好ましい。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態に係る双方向光半導体装置について説明するが、その前提として、各実施形態に係る双方向光半導体装置に共通する構成部材について説明する。
【００４１】
本発明の各実施形態に係る双方向光半導体装置に共通する構成部材について、図１〜図８を参照しながら説明する。
【００４２】
図１〜図８に示すように、パッケージ１１の底部の左側部分にはシリコン基板１２が固定されており、該シリコン基板１２の上面には、例えば波長１．３μｍ帯の信号光を出力する半導体発光素子としての半導体レーザ素子１３が固定されている。パッケージ１１の底部の右側部分には、光軸方向に延びる溝部１４ａを有するガラス基板１４が固定されており、該ガラス基板１４の溝部１４ａには光導波路としての光ファイバ１５が埋め込まれていると共に、光ファイバ１５のレーザ側の端部はシリコン基板１２の上面に固定されている。
【００４３】
ガラス基板１４には光軸に対して所定の角度を持つように光分岐器１６が挿入されており、該光分岐器１６は、半導体レーザ素子１３から出射された出力信号光の少なくとも一部を通過させる一方、光ファイバ１５に入力された入力信号光の少なくとも一部をガラス基板１４の反対側（上方側）に導く。光分岐器１６としては、ハーフミラー又はＷＤＭフィルター（波長多重フィルター）を用いることができる。
【００４４】
また、ガラス基板１４の上面には、光分岐器１６により導かれた入力信号光を受けてフォトカレントを出力する半導体受光素子としての受光素子１７が固定されており、該受光素子１７としては例えば面受光型のフォトダイオードを用いることができる。
【００４５】
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る双方向光半導体装置について図１（ａ）、（ｂ）を参照しながら説明する。尚、図１（ａ）は、第１の実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＩ−Ｉ線の断面図である。
【００４６】
第１の実施形態の特徴として、受光素子１７は面受光型のフォトダイオードであると共に、光ファイバ１５はガラス基板１４の溝部１４ａの内部において固定用樹脂２１によって固定されている。
【００４７】
また、受光素子１７における、受光部を除く下面、レーザ素子側の側面（図１の左側の側面）、反レーザ側の側面（図１の右側の側面）及び上面にそれぞれ約０．５ｍｍの膜厚を有する遮光性樹脂２２が塗布されている。
【００４８】
遮光性樹脂２２としては、紫外線により硬化するエポキシ系黒色樹脂、熱により硬化するエポキシ系黒色樹脂、高温で軟化し且つ常温で硬化するエポキシ系黒色樹脂、溶剤の蒸発により硬化する黒色塗料等を用いることができる。
【００４９】
第１の実施形態によると、半導体レーザ素子１３から出射されて光ファイバ１５のコア部を伝搬することなく受光素子１７に向かう光は、遮光性樹脂２２によって遮断されるため、受光素子１７に入射しないので、光アイソレーションは大きく向上する。
【００５０】
特に、受光素子１７が面受光型のフォトダイオードである場合には、受光面のみならず側面及び上面から入射する光成分が無視できないが、受光素子１７の受光部を除く部分に遮光性樹脂２２を塗布しているため、半導体レーザ素子１３から出射されて光ファイバ１５のコア部を伝搬することなく受光素子１７に向かう光は確実に遮断されるので、光アイソレーションは大きく向上する。
【００５１】
尚、受光素子１７における、受光部を除く下面、レーザ素子側の側面、反レーザ側の側面及び上面の全ての面に遮光性樹脂２２が塗布されていなくてもよいが、遮光性樹脂２２が塗布される面が多いほど光アイソレーションは向上する。
【００５２】
ところで、半導体レーザ素子１３から出射された後、光ファイバ１５に結合した光は、光ファイバ１５のコア部及びクラッド部をそれぞれ伝搬するが、光ファイバ１５のクラッド部を伝搬する光は容易に輻射光となってクラッド部から外部に漏れ出て受光素子１７に到達する。特に、光ファイバ１５におけるガラス基板１４に埋め込まれている部分では、光ファイバ１５のクラッド部とガラス基板１４との屈折率差が小さいので、光ファイバ１５のクラッド部を伝搬する光は容易に外部に漏れ出る。従って、光アイソレーションが劣化する原因としてはクラッド漏れ光が最も大きいと考えられる。
【００５３】
そこで、光ファイバ１５から１ｍＷの出力信号光が出力される場合において、クラッド漏れ光のうち直接に受光素子１７に至る光成分（ａで示す経路を通過する光成分）に起因するフォトカレント、クラッド漏れ光のうちガラス基板１４の右端面で反射されて受光素子１７に至る光成分（ｂで示す経路を通過する光成分）に起因するフォトカレント及びパッケージ散乱光（ｃで示す経路を通過する光成分）に起因するフォトカレントをそれぞれ測定した。この結果、ａで示す経路を通過する光成分に起因するフォトカレントは約４μＡであってクロストークの約半分を占めている。尚、半導体レーザ素子１３から出射された後、受光素子１７に入射される光に起因するフォトカレントをクロストークと称する。また、ｂで示す経路を通過する光成分に起因するフォトカレントは約０．５μＡであり、ｃで示す経路を通過する光成分に起因するフォトカレントは約１μＡであった。
【００５４】
従って、受光素子１７における、受光部を除く下面、レーザ素子側の側面、反レーザ側の側面及び上面にそれぞれ遮光性樹脂２２を塗布すると、受光素子１７から出力されるフォトカレントは約５．５μＡ低減されて約３μＡとなる。このため、光アイソレーションは２２ｄＢまで改善されることになる。
【００５５】
尚、遮光性樹脂２２を、受光素子１７の表面のみならず、ガラス基板１４の上面における光ファイバ１５が埋め込まれている領域又はガラス基板１４の上面の全領域にも塗布すると、光アイソレーションを一層向上させることができる。
【００５６】
また、ガラス基板１４の上面における光ファイバ１５が埋め込まれている領域又はガラス基板１４の上面の全領域に遮光性樹脂２２を塗布する代わりに、ガラス基板１４の材料中に信号光に対して吸収特性を有する色素等を混入しても、光アイソレーションを一層向上させることができる。
【００５７】
（第１の実施形態の変形例）
第１の実施形態においては、受光素子１７における、受光部を除く下面、レーザ素子側の側面（図１の左側の側面）、反レーザ側の側面（図１の右側の側面）及び上面に遮光性樹脂２２が塗布されていたが、該変形例においては、受光素子１７における、受光部を除く下面、レーザ素子側の側面、反レーザ側の側面及び上面にはそれぞれ遮光層が設けられている。
【００５８】
遮光層としては、受光素子１７に貼着されており、半導体レーザ素子１３から出射されるレーザ光の波長帯に対して遮光性を有する誘電体薄膜フィルター、受光素子１７に貼着された金属薄膜、又は受光素子１７の表面にメッキ法若しくは蒸着法により形成された金属層等が挙げられる。
【００５９】
第１の実施形態のように、遮光性樹脂２２を塗布すると、遮光性樹脂２２の膜厚分だけパッケージ１１の高さが大きくなるが、前記の変形例のように遮光層を設けると、パッケージ１１の高さが大きくなることを防止できる。
【００６０】
また、受光素子１７の表面に誘電体薄膜フィルターを貼着する場合には、遮断する光の波長帯を容易に選択できるので、設計上有利である。
【００６１】
また、受光素子１７の上面にのみ遮光層を設けるようにすると、遮光層の面積を確保できると共に遮光層を設ける工程が容易である。
【００６２】
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態に係る双方向光半導体装置について図２（ａ）、（ｂ）を参照しながら説明する。尚、図２（ａ）は、第２の実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるII−II線の断面図である。
【００６３】
第２の実施形態の特徴として、受光素子１７は面受光型のフォトダイオードであると共に、光ファイバ１５はガラス基板１４の溝部１４ａの内部において、光ファイバ１５のクラッド部の屈折率よりも低い屈折率を有する固定用樹脂２１によって固定されている。
【００６４】
波長１．３μｍ帯の光を伝搬する石英系のシングルモードの光ファイバ１５のクラッド部の屈折率は１．４４７であるので、第２の実施形態においては、固定用樹脂２１としては、１．４４５の屈折率を有する樹脂を用いる。
【００６５】
前述したように、半導体レーザ素子１３から出射された後、光ファイバ１５に結合した光のうちクラッド部を伝搬する光成分は容易に輻射光となってクラッド部から外部に漏れ出て受光素子１７に到達する。
【００６６】
ところが、第２の実施形態のように、光ファイバ１５をガラス基板１４の溝部１４ａに光ファイバ１５のクラッド部よりも低い屈折率を有する固定用樹脂２１によって固定すると、光ファイバ１５のクラッド部を伝搬する光は、固定用樹脂２１によって光ファイバ１５のクラッド部に閉じこめられるため、クラッド部から外部に漏れ出なくなるので、クラッド漏れ光に起因する光アイソレーションを低減することができる。
【００６７】
第２の実施形態に係る双方向光半導体装置を用いて、光ファイバ１５から１ｍＷの出力信号光が出力される場合のフォトカレントを測定したところ約１μＡであって、光アイソレーションは約２７ｄＢに改善されている。
【００６８】
第２の実施形態によると、クラッド漏れ光のうち直接に受光素子１７に至る光成分（図１においてａで示す経路を通過する光成分）に起因する約４μＡのクロストーク、クラッド漏れ光のうちガラス基板１４の右端面で反射されて受光素子１７に至る光成分（図１においてｂで示す経路を通過する光成分）に起因する約０．５μＡのクロストーク、及びクラッド漏れ光のうち受光素子１７の受光部に直接に入射する光成分（図２においてｄで示す経路を通過する光成分）に起因する約１．５μＡのクロストークを低減することができる。特に、クラッド漏れ光のうち受光素子１７の受光部に直接に入射する光成分に起因するクロストークは、第１の実施形態では抑制できないが、第２の実施形態によると抑制することができる。
【００６９】
尚、光ファイバ１５を、該光ファイバ１５のクラッド部の屈折率よりも低い屈折率を有する固定用樹脂２１によって固定する代わりに、ガラス基板１４を構成する材料の屈折率を光ファイバ１５のクラッド部の屈折率よりも低くしてもよい。このようにすると、光ファイバ１５のクラッド部から横方向又は下方向に漏れ出る光をガラス基板１４の溝部１４ａの内部に閉じこめることができる。従って、図２（ｂ）に示すように、受光素子１７の受光面（下面）が広くてガラス基板１４の側面を通過する光を受光してしまうような場合における光アイソレーションを向上させることができると共に、受光素子１７がガラス基板１４の下面に固定される場合における光アイソレーションを向上させることもできる。
【００７０】
（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態に係る双方向光半導体装置について図３を参照しながら説明する。
【００７１】
第３の実施形態の特徴として、光分岐器１６はハーフミラーであり、受光素子１７は面受光型のフォトダイオードであると共に、ガラス基板１４とパッケージ１１との間に遮光部材２３が設けられている。
【００７２】
遮光部材２３としては、紫外線により硬化するエポキシ系黒色樹脂、熱により硬化するエポキシ系黒色樹脂、高温で軟化し且つ常温で硬化するエポキシ系黒色樹脂、溶剤の蒸発により硬化する黒色塗料又は金属板等のように、半導体レーザ素子１３から出射される出力信号光の波長帯の光を遮断する部材を適宜用いることができる。
【００７３】
ところで、半導体レーザ素子１３から出射された出力信号光は光ファイバ１５に結合するが、出力信号光のうちの約２０％は光ファイバ１５のコア部に結合して該コア部を伝搬する。光分岐器１６としてハーフミラーを用いる場合には、光ファイバ１５のコア部を伝搬する光の約半分の成分は、図３においてｅの経路で示すように、ハーフミラーによってガラス基板１４側つまり下側に反射された後、ガラス基板１４の下面又はパッケージ１１の底部の上面で再び乱反射されて受光素子１７に至る。
【００７４】
ところが、第３の実施形態のように、ガラス基板１４とパッケージ１１との間に遮光部材２３が設けられていると、光ファイバ１５のコア部を伝搬中にハーフミラーにより反射された光は、遮光部材２３に遮断されて受光素子１７に向かわないので、光アイソレーションは大きく向上する。
【００７５】
第３の実施形態に係る双方向光半導体装置を評価するために、光ファイバ１５における半導体レーザ素子１３とガラス基板１４との間に位置する部分の長さを十分に長くすると共にこの部分を屈曲させて光ファイバ１５のクラッド部を伝搬する光が完全に除去される双方向光半導体装置を試作すると共に、ガラス基板１４の下面の状態及びパッケージ１１の底部の上面の状態を種々変化させて、光ファイバ１５から１ｍＷの出力信号光が出力される場合のフォトカレントを測定した。
【００７６】
まず、パッケージ１１の底部の上面を切削加工により粗くした状態でフォトカレントを測定すると１．５μＡであった。
【００７７】
次に、ガラス基板１４とパッケージ１１との間に黒色の遮光部材２３を設けた状態でフォトカレントを測定すると０．１８μＡであった。従って、第３の実施形態によると、光アイソレーションを大きく向上できることが確認された。
【００７８】
（第３の実施形態の変形例）
ところで、光ファイバ１５のコア部におけるガラス基板１４の溝部１４ａに挿入されている部分を伝搬する光の広がり角度は５度以内であるから、コア部を伝搬する光の広がり角度は無視することができる。従って、ガラス基板１４の下面に、半導体レーザ素子１３から出射された光を受光素子１７と異なる方向に高反射する高反射層を形成すると、光ファイバ１５のコア部を伝搬中にハーフミラーにより反射された光は、ガラス基板１４の下面で乱反射されることなく受光素子１７の反対側に反射されるので、光アイソレーションは大きく向上する。
【００７９】
光分岐器１６が光ファイバ１５に対して垂直な面と交差する角度を３０度に設定すると共にガラス基板１４の下面に高反射層を形成した状態でフォトカレントを測定すると０．００９μＡであった。この場合には、光アイソレーションは４７ｄＢであって、大きく向上する。
【００８０】
ガラス基板１４の下面に高反射層を形成する方法としては、ガラス基板１４の下面に鏡面仕上げされたシリコン基板を固定する方法、ガラス基板１４の下面を鏡面仕上げする方法、又はガラス基板１４の下面にＡｕ、Ｔｉ若しくはＮｉ等の金属をメッキする方法等が挙げられる。ガラス基板１４の下面に金属のメッキ層を形成する方法は、反射率の均一化及び安定化並びにコストの低減の観点から有効な方法である。
【００８１】
尚、光ファイバ１５のコア部におけるガラス基板１４の溝部１４ａに挿入されている部分を伝搬する光の広がり角度は無視できる程度に小さいため、ガラス基板１４の下面に高反射層を形成しておくと、光分岐器１６が光ファイバ１５に対して垂直な面と交差する角度は３０度でなくても、光アイソレーションの劣化を低減することができる。また、光ファイバ１５のコア部におけるガラス基板１４の溝部１４ａに挿入されている部分を伝搬する光の広がり角度が大きい場合には、光分岐器１６が光ファイバ１５に対して垂直な面と交差する角度を小さくすると、光アイソレーションの劣化の低減効果は大きくなる。
【００８２】
（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態に係る双方向光半導体装置について図４を参照しながら説明する。
【００８３】
第４の実施形態の特徴として、光分岐器１６はハーフミラー又はＷＤＭフィルターであり、受光素子１７は面受光型のフォトダイオードであると共に、光分岐器１６と受光素子１７との間に、半導体レーザ素子１３から出射され光ファイバ１５のコア部以外の部分を伝搬する光を吸収するか又は受光素子１７と異なる方向に反射する光学部材としてのフィルター２４が光ファイバ１５のコア部に掛からないように設けられている。フィルター２４としては、ハーフミラー又はＷＤＭフィルター等を用いることができる。
【００８４】
ところで、図４においてｆの経路で示すように、クラッド漏れ光のうち光分岐器１６に到達しない光成分、又はクラッド漏れ光のうち光分岐器１６を通過してしまう光成分は受光素子１７に至る。特に、光分岐器１６がＷＤＭフィルターであるときには、光ファイバ１５のクラッド部を伝搬する光はＷＤＭフィルターを通過してしまう。
【００８５】
ところが、第４の実施形態のように、光分岐器１６と受光素子１７との間に半導体レーザ素子１３から出射される波長帯の光を受光素子１７に向かわせないフィルター２４が設けられているため、クラッド漏れ光のうち光分岐器１６に到達しない光成分及びクラッド漏れ光のうち光分岐器１６を通過してしまう光成分は受光素子１７に到達しないので、光アイソレーションを向上させることができる。
【００８６】
（第４の実施形態の変形例）
半導体レーザ素子１３から出射される出力信号光の波長帯（例えば１．３μｍ）と、光ファイバ１５から入力される入力信号光の波長帯（例えば１．５５μｍ）とが異なっていると共に、光分岐器１６がＷＤＭフィルターである場合には、光ファイバ１５のクラッド部を伝搬する光は光分岐器１６を通過してしまう。
【００８７】
従って、この場合には、受光素子１７とガラス基板１４との間に受光素子１７の受光面に沿うように、入力信号光を通過させるが出力信号光を通過させないＷＤＭフィルターを設ける。このようにすると、半導体レーザ素子１３から出射された出力信号光のうち光ファイバ１５のクラッド部から漏れ出た光成分が受光素子１７に到達する事態を防止できるので、光アイソレーションを向上させることができる。
【００８８】
（第５の実施形態）
以下、第５の実施形態に係る双方向光半導体装置について図５を参照しながら説明する。
【００８９】
第５の実施形態の特徴として、光分岐器１６はハーフミラー又はＷＤＭフィルターであり、受光素子１７は面受光型のフォトダイオードであると共に、光ファイバ１５における光分岐器１６よりも半導体レーザ素子１３側の部分はガラス基板１４の溝部１４ａの内部において遮光性樹脂２５によって固定されている。
【００９０】
このようにすると、光ファイバ１５のクラッド部を伝搬する光の広がり角度は小さいため、クラッド漏れ光は遮光性樹脂２５に遮断されて受光素子１７には到達しないので、光アイソレーションが向上する。
【００９１】
（第５の実施形態の変形例）
第５実施形態の変形例は、光ファイバ１５における光分岐器１６よりも半導体レーザ素子１３側の部分はガラス基板１４の溝部１４ａの内部において、光ファイバ１５のクラッド部の屈折率（例えば１．４４７）よりも高い屈折率を有する固定用樹脂によって固定されている。
【００９２】
このようにすると、光ファイバ１５のクラッド部を伝搬する光は固定用樹脂に予め吸収されて、クラッド漏れ光のうち受光素子１７に到達する光成分が低減するので、光アイソレーションが向上する。
【００９３】
（第６の実施形態）
以下、第６の実施形態に係る双方向光半導体装置について図６（ａ）、（ｂ）を参照しながら説明する。尚、図６（ａ）は、第６の実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるVI−VI線の断面図である。
【００９４】
第６の実施形態の特徴として、光分岐器１６はハーフミラー又はＷＤＭフィルターであり、受光素子１７は面受光型のフォトダイオードであると共に、光ファイバ１５は、ガラス基板１４の断面Ｖ字状の溝部１４ａに挿入された状態で、断面が台形状の溝部を有する押さえ部材２６によってガラス基板１４に固定されている。
【００９５】
また、図６（ｂ）に示すように、光ファイバ１５のレーザ側の端部は、シリコン基板１２に形成された断面Ｖ字状の溝部に挿入された状態で、断面が台形状の溝部を有する遮光部材２７によってシリコン基板１２に固定されている。この場合、遮光部材２７は光ファイバ１５の端部を押さえ付けた状態でシリコン基板１２に接着されている。
【００９６】
半導体レーザ素子１３から出射されたレーザ光の広がり角度は１０数度であるため、半導体レーザ素子１３から出射されたレーザ光のうち光ファイバ１５に結合しない光成分は光ファイバ１５の外側に放射される。光ファイバ１５の外側に放射された光は、パッケージ１１の内部空間を伝搬した後、パッケージ１１の壁面で反射されて受光素子１７に至る。
【００９７】
ところが、第６の実施形態のように、シリコン基板１２の上に遮光部材２７を設けると、半導体レーザ素子１３から出射されたレーザ光のうち光ファイバ１５に結合しない光成分は、遮光部材２７に遮断されて、パッケージ１１の内部空間を伝搬しなくなるため、受光素子１７に到達しなくなるので、光アイソレーションが向上する。
【００９８】
（第７の実施形態）
以下、第７の実施形態に係る双方向光半導体装置について図７を参照しながら説明する。
【００９９】
第７の実施形態の特徴として、光分岐器１６はハーフミラー又はＷＤＭフィルターであり、受光素子１７は面受光型のフォトダイオードである。
【０１００】
また、パッケージ１１の上底部の下面には、半導体レーザ素子１３から出射されるレーザ光を吸収する光吸収部材２８が貼着されている。
【０１０１】
光吸収部材２８としては、半導体レーザ素子１３から出射されるレーザ光の波長帯に対して吸収性を有する薄膜層が挙げられ、具体的には、半導体レーザ素子１３から出射されるレーザ光を吸収する色素が含まれる塗布膜等が挙げられる。第７の実施形態によると、パッケージ１１の上底部の下面に光吸収部材２８が貼着されているため、パッケージ１１の内部を散乱する散乱光が受光素子１７に到達することを防止できるので、光アイソレーションが向上する。
【０１０２】
尚、第１〜第７の実施形態においては、半導体レーザ素子１３から出射された出力信号光を外部に出力する光導波路として光ファイバ１５を用いたが、ガラス基板１４に代えて、シリコン結晶又はポリマー材等からなり光に対して透明な材料からなる透明基板を用いると共に、該透明基板の内部に光導波路を形成してもよい。
【０１０３】
また、第１〜第７の実施形態においては、半導体レーザ素子１３から出射される出力信号光の波長帯が１．３μｍであり、光ファイバ１５に入力される入力信号光の波長帯が１．３μｍ又は１．５５μｍである場合について説明したが、出力信号光の波長帯としては、１．５５μｍであってもよいと共に、０．８５μｍ、０．７８μｍ帯又は０．６５μｍ帯等の短波長帯であってもよいのは当然である。
【０１０４】
また、半導体発光素子としては、半導体レーザ素子１３に代えて、ＬＥＤを用いることができる。
【０１０５】
さらに、第１〜第７の実施形態及び各変形例を単独で採用してもよいが、これらを組み合わせると、光アイソレーションの向上効果が一層向上する。
【０１０６】
（第８の実施形態）
以下、本発明の第８の実施形態として、第１〜第７の実施形態及び各変形例に係る双方向光半導体装置が適用される双方向光伝送システムについて図８を参照しながら説明する。
【０１０７】
図８は、双方向光伝送システムの全体構成を示しており、基地局側に設置された第１の双方向光半導体装置３０と、一般家庭に設置された第２の双方向光半導体装置３１とが伝送用光ファイバ３２を介して接続されている。
【０１０８】
第８の実施形態によると、第１の双方向光半導体装置３０及び第２の双方向光半導体装置３１として、第１〜第７の実施形態及び各変形例に係る光アイソレーション機能が高い双方向光半導体装置を用いているので、送信された信号に対するクロストークを避けるために必要なガードタイムを短縮できるので、より高速な応答を行える双方向光伝送システムを実現することができる。
【０１０９】
【発明の効果】
本発明に係る第１の双方向光半導体装置によると、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬することなく半導体受光素子に向かう光は、半導体受光素子の表面の遮光部材によって遮断されるため、半導体受光素子に入射しないので、光アイソレーションが向上する。
【０１１０】
本発明に係る第２の双方向光半導体装置によると、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、基板の表面の遮光部材によって遮断されるため、半導体受光素子に入射しないので、光アイソレーションが向上する。
【０１１１】
本発明に係る第３の双方向光半導体装置によると、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、基板における半導体受光素子と反対側の表面の高反射層によって半導体受光素子と異なる方向に高反射されるため、半導体受光素子に入射しないので、光アイソレーションが向上する。
【０１１２】
本発明に係る第４の双方向光半導体装置によると、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、基板における光導波路以外の部分に形成された光吸収部によって吸収されるため、半導体受光素子に入射しないので、光アイソレーションが向上する。
【０１１３】
本発明に係る第５の双方向光半導体装置によると、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、光学部材によって吸収されるか又は半導体受光素子と異なる方向に反射されるため、半導体受光素子に入射しないので、光アイソレーションが向上する。
【０１１４】
本発明に係る第６の双方向光半導体装置によると、半導体発光素子から出射された後に光導波路を伝搬しない光は、パッケージの内壁面の光吸収膜によって吸収されるため、半導体受光素子に入射しないので、光アイソレーションが向上する。
【０１１５】
第１〜第６の双方向光半導体装置における光導波路が光ファイバのコア部であり、光ファイバが溝部に埋め込まれた状態で固定部材によって基板に固定されている場合に、固定部材における半導体受光素子に近い領域の屈折率を光ファイバのクラッド部の屈折率よりも小さく且つ固定部材における半導体受光素子から遠い領域の屈折率を光ファイバのクラッド部の屈折率よりも大きいすると、半導体発光素子から出射された後に光ファイバのコア部を伝搬しない光は、半導体受光素子の近くでは光ファイバに閉じこめられると共に半導体受光素子から遠くでは固定部材に吸収されるので、光アイソレーションは確実に向上する。
【０１１６】
第１〜第６の双方向光半導体装置における光導波路が光ファイバのコア部である場合に、基板における半導体受光素子に近い領域の屈折率を光ファイバのクラッド部の屈折率よりも小さく且つ基板における半導体受光素子から遠い領域の屈折率を光ファイバのクラッド部の屈折率よりも大きくすると、半導体発光素子から出射された後に光ファイバのコア部を伝搬しない光は、半導体受光素子の近くでは光ファイバに閉じこめられると共に半導体受光素子から遠くでは基板に吸収されるので、光アイソレーションは確実に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＩ−Ｉ線の断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の第２実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるII−II線の断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図である。
【図６】（ａ）は本発明の第６実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるVI−VI線の断面図である。
【図７】本発明の第７実施形態に係る双方向光半導体装置の側方断面図である。
【図８】本発明に係る第１〜第７の実施形態及び各変形例に係る双方向光半導体装置が適用される双方向光伝送システムの概略全体構成図である。
【図９】本発明の前提となる双方向光半導体装置の側方断面図である。
【図１０】本発明の前提となる双方向光半導体装置における問題点を説明する側方断面図である。
【符号の説明】
１１ パッケージ
１２ シリコン基板
１３ 半導体レーザ素子
１４ ガラス基板
１４ａ 溝部
１５ 光ファイバ
１６ 光分岐器
１７ 受光素子
２１ 固定用樹脂
２２ 遮光性樹脂
２３ 遮光部材
２４ フィルター
２５ 遮光性樹脂
２６ 押さえ部材
２７ 遮光部材
２８ 光吸収部材
３０ 第１の双方向光半導体装置
３１ 第２の双方向光半導体装置
３２ 伝送用光ファイバ
Claims (11)
- 出力信号光及び入力信号光を伝搬する光導波路を内部に有する基板と、
前記光導波路の一端部に出力信号光を出射する半導体発光素子と、
前記光導波路に設けられ、出力信号光の少なくとも一部を通過させると共に入力信号光の少なくとも一部を前記光導波路の外部に導くハーフミラーと、
前記基板に設けられ、前記ハーフミラーにより前記光導波路の外部に導かれた入力信号光が入射する半導体受光素子とが一体化されてなる双方向光半導体装置であって、
前記基板における前記半導体受光素子と反対側の表面に設けられ、前記半導体発光素子
から出射された光を前記半導体受光素子と異なる方向に高反射する高反射層を備えている
ことを特徴とする双方向光半導体装置。 - 出力信号光及び入力信号光を伝搬する光導波路を内部に有する基板と、
前記光導波路の一端部に出力信号光を出射する半導体発光素子と、
前記光導波路に設けられ、出力信号光の少なくとも一部を通過させると共に入力信号光
の少なくとも一部を前記光導波路の外部に導くハーフミラーと、
前記基板に設けられ、前記ハーフミラーにより前記光導波路の外部に導かれた入力信号光が入射する半導体受光素子とが一体化されてなる双方向光半導体装置であって、
前記基板、半導体発光素子、ハーフミラー及び半導体受光素子を収納するパッケージと、
前記パッケージの内壁面と前記基板の裏面との間に設けられ、前記半導体発光素子から出射され、前記ハーフミラーにより反射されて前記基板裏面に到達した光を吸収する光吸収膜を備えていることを特徴とする双方向光半導体装置。 - 前記基板は石英系のガラスからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の双方向光半導体装置。
- 前記基板はシリコン結晶からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の双方向光半導体装置。
- 前記基板はポリマーからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の双方向光半導体装置。
- 前記ハーフミラーは、前記光導波路と交差するように設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の双方向光半導体装置。
- 前記光導波路は前記基板に形成された溝部に埋め込まれるように設けられた光ファイバのコア部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の双方向光半導体装
置。 - 前記光ファイバは前記溝部に埋め込まれた状態で固定部材によって前記基板に固定されており、
前記固定部材の屈折率は前記光ファイバのクラッド部の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項７に記載の双方向光半導体装置。 - 前記光ファイバは前記溝部に埋め込まれた状態で固定部材によって前記基板に固定されており、
前記固定部材における前記半導体受光素子に近い領域の屈折率は前記光ファイバのクラッド部の屈折率よりも小さく、且つ前記固定部材における前記半導体受光素子から遠い領域の屈折率は前記光ファイバのクラッド部の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項 ７に記載の双方向光半導体装置。 - 前記基板の屈折率は前記光ファイバのクラッド部の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項７に記載の双方向光半導体装置。
- 前記基板における前記半導体受光素子に近い領域の屈折率は前記光ファイバのクラッド部の屈折率よりも小さく、且つ前記基板における前記半導体受光素子から遠い領域の屈折率は前記光ファイバのクラッド部の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の双方向光半導体装置。
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