JPH09329726A

JPH09329726A - 光送受信モジュール

Info

Publication number: JPH09329726A
Application number: JP14745996A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Tojo; 正明東城
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-06-10
Filing date: 1996-06-10
Publication date: 1997-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】２つの異なる波長の光を多重する分波機能
と、発光素子及び受光素子を光ファイバに結合して双方
向伝送を可能とする分岐結合機能を共有する組立の容易
な光送受信モジュールを提供する。【解決手段】シリコン基板１上に固定した第１及び第
２の光ファイバ２，３間に設けた間隙４に波長分離素子
５を挿入して波長カプラを構成し、間隙４の付近の第１
の光ファイバ２の片側にハーフミラー６と発光素子８
を、反対側にカットフィルタ７と受光素子９を設け、発
光素子８の放射光を波長分離素子５で反射して第１の光
ファイバ２に結合すると共に、第１の光ファイバ２から
出力した光を波長分離素子５及びハーフミラー６で反射
して受光素子９に結合するようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２つの異なる波長
の光を多重すると共に、半導体発光素子から発せられた
光を光ファイバに導き、且つ、光ファイバから出力した
光を半導体受光素子に集光し、１本の光ファイバを用い
て双方向及び波長多重伝送するための光送受信モジュー
ルに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、１本の光ファイバを用いて双方向
光伝送を行うための光半導体モジュールとしては、次の
ような構成のものが知られている。図５はその要部を示
す一部省略断面図であり、図中、51は半導体発光素子、
即ち半導体レーザ素子、52はモニタ用受光素子、53は半
導体受光素子、即ち受光素子、54はヒートシンク、55及
び56はチップキャリア、57はハーフミラー等の光分岐素
子、58は微小レンズ、59はレンズ支持体、60はスライド
リング、61は光ファイバ、62はフェルール、63は半田シ
ール、64はケースである。

【０００３】次にその細部の構成と組立及び動作につい
て説明する。まず、レンズ支持体59はケース64の所定の
位置に実装固定され、半導体レーザ素子51はヒートシン
ク54に載せ、ケース64の中でレンズ支持体59に隣接した
所定の位置に実装される。モニタ用受光素子52はチップ
キャリア55に実装した後、半導体レーザ素子51の後方に
出射したレーザ出力光が入射できる位置に半田で固定さ
れる。微小レンズ58はレンズ支持体59の中央に固定さ
れ、受光素子53はチップキャリア56に実装した後、微小
レンズ58とそれぞれの光軸を一致させ、その光軸が半導
体レーザ素子51と直交する所定の位置に実装される。こ
の場合、光分岐素子57を微小レンズ58及び受光素子53の
光軸と45度をなすように挿入固定すると、半導体レーザ
素子51と受光素子53は光分岐素子57に対して線対称の位
置になる。

【０００４】光ファイバ61はフェルール62に挿入固定さ
れ、このフェルール62はスライドリング60に挿通され
る。この際、半導体レーザ素子51を発光させ、光分岐素
子57で反射した光を微小レンズ58で集光し、集光した光
を光ファイバ61に結合するようにこのフェルール62を３
軸(ｘｙｚ軸)方向に動かして光軸を調整し、光ファイバ
61に結合した状態でフェルール62とスライドリング60を
固定し、更にスライドリング60をレンズ支持体59に固定
する。受光素子53は半導体レーザ素子51と光分岐素子57
に対して線対称の位置にあるので、光ファイバ61から出
力して微小レンズ58で集光され光分岐素子57を透過した
した光は、受光素子53に結合する。半導体レーザ素子5
1，モニタ用受光素子52，受光素子53は、これらを外気
から保護するためフェルール62とケース64を半田シール
63により密閉されている。

【０００５】このように、１本の光ファイバ61を用いて
半導体レーザ素子51を発光させた送信機能と、受光素子
53による受信機能を持つ光半導体モジュールを構成して
いる。なお、前記光分岐素子57としてハーフミラーを用
いると同一波長による双方向伝送が可能となり、また波
長分離フィルタを用いると波長多重双方向伝送が可能な
モジュールを構成することができ、その詳細は特開平６
−138347号公報に開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の光送受信モジュールでは、分岐機能または分
波機能の一方だけは保有するが、分岐機能と分波機能の
両方を保有することがなかった。また、受光素子はチッ
プキャリアに実装し、これを90度回転させてからケース
に実装するため、チップキャリアに配線パターンを必要
とし、また、半導体レーザ素子と受光素子を実装したケ
ース内に光ファイバを挿入するので、ケースとフェルー
ルの半田シールが必要になると共に、半田シールを行う
ための加熱がモジュールの信頼性劣化をもたらす原因と
なっていた。

【０００７】本発明は前記従来の問題点を解決するた
め、２つの異なる波長の光を多重する分波機能と、発光
素子及び受光素子を光ファイバに結合して双方向伝送を
可能とする分岐結合機能を共有する組立の容易な光送受
信モジュールを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の光送受信モジュ
ールは、間隙を挟んで対向配置した第１及び第２の光フ
ァイバと、前記間隙に設けた波長分離素子と、前記間隙
付近の前記第２の光ファイバに隣接して設けたハーフミ
ラーと、前記ハーフミラーに隣接して設けた発光素子
と、前記第２の光ファイバを挟んで前記ハーフミラーと
対向して設けた受光素子を備えたものである。

【０００９】この本発明によれば、２つの異なる波長の
光を多重する分波機能と、半導体発光素子及び受光素子
を光ファイバに結合して双方向伝送可能な分岐結合機能
を共有する組立の容易な光送受信モジュールが得られ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施の形態につ
いて図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、各実施の
形態において共通する部分については同一符号を用い、
重複する説明は省略する。

【００１１】（実施の形態１）図１は本発明の光送受信
モジュールの実施の形態１における構成を示す平面図
で、図中、１はシリコン基板、２，３は第１及び第２の
光ファイバ、４はこれら第１及び第２の光ファイバ２，
３の間に形成された間隙、５は波長分離素子、６はハー
フミラー、７はカットフィルタ、８は発光素子、９は受
光素子、10はワイヤ、11，12は電極ピン、13は波長λ１
の光、14は波長λ２の光を示している。

【００１２】次にその細部の構成とその組立及び動作に
ついて説明する。まず、第１及び第２の光ファイバ２，
３はシリコン基板１に溝を設けてこの溝に埋め込み固定
され、ダイシングソーでシリコン基板１と共に第１及び
第２の光ファイバ２，３を切断して間隙４を設ける。こ
の間隙４は第１の光ファイバ２の中心軸に対して67.5度
の傾きを持つている。波長分離素子５は樹脂フィルムに
干渉膜フィルタを構成したもので、波長λ１の光を透過
し波長λ２の光を反射する光学特性を持つ。ハーフミラ
ー６は波長分離素子５と45度の角度をなして設けられ、
カットフィルタ７は波長λ１を反射し波長λ２の光を透
過する光学特性を持ち、第１の光ファイバ２と平行に設
けられる。発光素子８及び受光素子９はシリコン基板１
に設けた所定の位置に実装固定し、ワイヤー10を用いて
それぞれ電極ピン11及び12と接続する。

【００１３】一方、第１の光ファイバ２から入射した波
長λ１の光13は間隙４の間に設けた波長分離素子５を透
過して第２の光ファイバ３に結合する。波長分離素子５
の光学特性上、透過する波長λ１の光13の１％以下の光
量の光は反射し、この反射された波長λ１の光13はハー
フミラー６で反射され、受光素子９の方向に進むが、受
光素子９の前にあるカットフィルタ７により遮光され
る。第１の光ファイバ２に入射した波長λ２の光14は波
長分離素子５で反射し、ハーフミラー６で光量の半分が
反射された後、カットフィルタ７を透過して受光素子９
に結合する。波長分離素子５とハーフミラー６のなす角
度が45度なので、この波長λ２の光14は受光素子９にほ
ぼ垂直に入射する。なお、受光素子９にはチップ状のピ
ンホトダイオードが用いられる。

【００１４】発光素子８にはレーザダイオードを用い、
発光素子８から出力した光の半分がハーフミラー６を透
過し、波長分離素子５で反射されて第１の光ファイバ２
に結合する。この発光素子８の構成は図２(a)の断面図
に示してあるが、同図(b)にその従来型のものを参考と
して示した。この従来型の発光素子８a(レーザダイオー
ド)は薄い活性層15から直接光を放射するため光の放射
角θ₂は30度位に広がっているので、これが光ファイバ1
7と直接結合するとビーム径がコア18より大きく、且
つ、放射角θ₂が大きいため光ファイバ17に結合する光
は放射光全体の10％にも満たない。これに対して図２
(a)に示す本発明で用いる発光素子８(レーザダイオー
ド)の活性層15の前方には厚みが徐々に薄くなる導波路1
6が設けてあるため、この導波路16の導波層の厚みが薄
くなるに従って光の閉じこめ効果が弱くなり、同時に導
波路16からの光の放射角θ₁が小さくなる。発光素子８
の場合、導波路16からの出力光の放射角は10度以下にな
る。この放射角の小さな発光素子８と光ファイバ17を直
接結合すると、放射光のビーム径が余り大きくならない
ので、50％以上の光が光ファイバ17に入射することにな
る。

【００１５】本実施の形態によれば、第１及び第２の光
ファイバ，波長分離素子，ハーフミラー，受光素子，発
光素子等すべての素子がシリコン基板に平面実装される
ので、小型化と精密な位置決め実装が可能であり、ま
た、光ファイバはシリコン基板に設けられた溝に埋め込
まれた状態で切断され、光軸が一致した２本の光ファイ
バと間隙が形成され、光ファイバ間の結合と波長分離／
合波機能を無調整で実現できる。また、発光素子及び受
光素子と光ファイバ間の光学結合は直接行われるため、
部品数が少なく組立ても容易である。

【００１６】（実施の形態２）図３は本発明の光送受信
モジュールの実施の形態２における構成を示す平面図
で、図中、21は溝、22，23，24，25及び26は位置決めパ
ターン、27，28は電極パターンである。光送受信モジュ
ールを構成するためには、図１で説明したような波長分
離素子５、ハーフミラー６や発光素子８、受光素子９の
正確な位置決めが必要となり、本実施の形態は予め実装
に使用するシリコン基板１に各光学素子、半導体素子の
実装位置をパターン化することにより組立の容易化を図
ったものである。即ち、図３に示すように、溝21は光フ
ァイバを固定するために用いるもので、ここに光ファイ
バ(図１の２，３に相当する連続した光ファイバ)を固定
した後、パターン22をダイシングソーで切断すると、溝
幅、角度が正確な切断溝を形成することができ、光軸が
一致した２本の光ファイバ(図１の２，３に相当)と所望
の光ファイバ間の隙間(図１の４に相当)を得ることがで
きる。パターン23はパターン22に対して45度の角度をな
しているので、パターン23にハーフミラー６を固定する
とハーフミラーの角度は容易に、且つ、正確に設定する
ことができる。パターン24はカットフィルタの位置決め
固定に使用する。パターン25は発光素子８の位置決めに
使用するパターンで、発光素子８の位置及び方向を決定
することができるため、発光素子８を機械的にパターン
25に実装するだけで組立が完了する。パターン26は受光
素子９を位置決め実装するために使用する。

【００１７】本実施の形態によれば、各光学素子、半導
体素子の実装位置、方向が実装基板にパターン化されて
いるので、精密な機械的組立を容易に行うことができ
る。

【００１８】（実施の形態３）図４は本発明の光送受信
モジュールの実施の形態３における構成を示す平面図で
あり、発光素子及び受光素子がそれぞれ個別のパッケー
ジに固定されている点が特長である。図中、31はケー
ス、32は反射ミラー、33はステム、34はキャップ、35は
保護ガラス、36はレンズ、37はレンズホルダ、38はリン
グホルダ、39はパッケージ、40は保護ガラス、41，42及
び43は溶接部である。次にその細部の構成とその組立及
び動作について説明する。まず、シリコン基板１は鉄系
金属でできたケース31に固定する。第１の光ファイバ２
に入射した波長λ１の光13は間隙４内の波長分離素子５
を透過して第２の光ファイバ３に結合する。第１の光フ
ァイバ２に入射した波長λ２の光14は波長分離素子５及
びハーフミラー６で反射され、保護ガラス40で密閉され
たパッケージ39に固定した受光素子９に結合する。受光
素子９を第１の光ファイバ２に近づけるため、第１の光
ファイバ２はシリコン基板１の縁付近に固定し、シリコ
ン基板１はケース31の縁に固定している。金属でできた
パッケージ39はケース31と溶接部43でＹＡＧレーザスポ
ット溶接機を用いて固定する。パッケージ39を固定する
時、第１の光ファイバ２から波長λ２の光14を入射し、
受光光量が最大になる位置を検出する調整を行って固定
する。

【００１９】発光素子８はステム33の突起に実装し、保
護ガラス35を持つ保護キャップ34を被せて密閉してい
る。ステム33はレンズ36を設けたレンズホルダ37を固定
する。発光素子８から出力した光はレンズ36で集光さ
れ、反射ミラー32で反射された光はハーフミラー６を透
過し、波長分離素子５で反射されて第１の光ファイバ２
に結合する。反射ミラー32はレンズ36から出力した光の
方向を変更するために使用する。レンズ36で集光した光
を第１の光ファイバ２に結合するため、レンズホルダ37
を３軸方向に位置調整し、光結合に最適な位置でレンズ
ホルダ37とリングホルダ38を溶接部42でＹＡＧレーザ溶
接固定し、リングホルダ38とケース31を溶接部41でＹＡ
Ｇレーザ溶接固定する。なお、レンズ36の形状は特定し
ていないが、集光性能があればいかなるレンズでも良い
ことは言うまでもない。

【００２０】本実施の形態によれば、受光素子及び発光
素子等の半導体素子を個別パッケージした状態で使用す
る場合、発光素子と光ファイバ間を１個のレンズを用い
て光結合することによって光送受信モジュールを構成す
ることができ、また、主要部品のＹＡＧレーザ溶接固定
により信頼性が高まるという利点もある。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、光ファイ
バ間の結合と波長分離／合波機能を無調整で実現でき、
また、発光素子及び受光素子と光ファイバ間の光学結合
を直接行うため、部品数が少なく組立て易いという有利
な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光送受信モジュールの実施の形態１に
おける構成を示す平面図である。

【図２】本発明の光送受信モジュールの実施の形態１で
使用した発光素子及び従来の発光素子の構成、放射光の
状態及び光ファイバとの結合状態の説明図である。

【図３】本発明の光送受信モジュールの実施の形態２に
おける構成を示す平面図である。

【図４】本発明の光送受信モジュールの実施の形態３に
おける構成を示す平面図である。

【図５】従来の光送受信モジュールの構成を示す要部断
面図である。

【符号の説明】

１…シリコン基板、２…第１の光ファイバ、３…第
２光のファイバ、４…間隙、５…波長分離素子、
６…ハーフミラー、７…カットフィルタ、８…発光素
子、９…受光素子、 10…ワイヤ、 11，12…電極ピ
ン、 13…波長λ１の光、 14…波長λ２の光、 15…
活性層、 16…導波路、 17…光ファイバ、 18…光フ
ァイバのコア、 21…溝、 22，23，24，25，26…位置
決めパターン、 27，28…電極パターン、 31…ケー
ス、 32…反射ミラー、 33…ステム、 34…キャッ
プ、 35…保護ガラス、 36…レンズ、 37…レンズホ
ルダ、 38…リングホルダ、 39…パッケージ、 40…
保護ガラス、 41，42，43…溶接部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】間隙を挟んで対向配置した第１及び第２
の光ファイバと、前記間隙に設けた波長分離素子と、前
記間隙付近の前記第２の光ファイバに隣接して設けたハ
ーフミラーと、前記ハーフミラーに隣接して設けた発光
素子と、前記第２の光ファイバを挟んで前記ハーフミラ
ーと対向して設けた受光素子を備え、前記第１の光ファ
イバから入射した波長λ１の光を前記第２の光ファイバ
に結合する光路と、前記第２の光ファイバから入射した
波長λ２の光を前記波長分離素子及び前記ハーフミラー
で反射して前記受光素子に結合する光路と、前記発光素
子から出力した光は前記ハーフミラーを透過し、前記波
長分離素子で反射して前記第２の光ファイバに結合する
光路を設定したことを特徴とする光送受信モジュール。
【請求項２】第１及び第２の光ファイバ及び波長分離
素子並びにハーフミラーは同一平面基板に固定され、且
つ、受光素子及び発光素子は半導体チップ状態で前記平
面基板に実装されたことを特徴とする請求項１記載の光
送受信モジュール。
【請求項３】第１及び第２の光ファイバ及び間隙は１
本の光ファイバを切断して形成したことを特徴とする請
求項１記載の光送受信モジュール。
【請求項４】平面基板に波長分離素子及び受光素子並
びに発光素子を実装するマーキングパターンを設けたこ
とを特徴とする請求項２記載の光送受信モジュール。
【請求項５】発光素子と第２の光ファイバ間をレンズ
を用いて光結合することを特徴とする請求項１記載の光
送受信モジュール。