JPH11248978A - 双方向光半導体装置 - Google Patents
双方向光半導体装置Info
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- JPH11248978A JPH11248978A JP5464198A JP5464198A JPH11248978A JP H11248978 A JPH11248978 A JP H11248978A JP 5464198 A JP5464198 A JP 5464198A JP 5464198 A JP5464198 A JP 5464198A JP H11248978 A JPH11248978 A JP H11248978A
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Abstract
光分岐器と及び半導体受光素子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。 【解決手段】 シリコン基板12の上面に半導体レーザ
素子13が固定され、ガラス基板14の溝部14aには
光ファイバ15が埋め込まれている。ガラス基板14に
は光軸に対して所定の角度を持つ光分岐器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をガラス基板14の反対側
に導く。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る受光素子17が固定され
ている。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遮光性
樹脂22が塗布されており、半導体レーザ素子13から
出射されて受光素子17に向かう光は遮光性樹脂22に
よって遮断される。
Description
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。
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。
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。
置は、光送信装置と光主新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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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1.3
μm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1
4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。
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。
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。
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。
7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。
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。
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。
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。
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1
5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。
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。
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1
4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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
7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。
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。
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。
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1
5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。
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1μ
Aであって、光アイソレーションは約27dBに改善さ
れている。
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。
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。
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。
6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10との間に遮光部材23が設けられている。
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。
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10の底部の上面で再び乱反射されて受光素子1
7に至る。
ス基板14とパッケージ10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。
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10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。
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。
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。
ファイバ15のコア部におけるガラス基板14の溝部1
4a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。
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。
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。
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低減効果は大きくな
る。
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。
6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。
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。
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。
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。
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。
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。
6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。
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。
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。
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。
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。
6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1
4a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。
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1
2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。
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12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10の内部空間を伝搬した後、パッケージ10の壁面
で反射されて受光素子17に至る。
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12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10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。
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。
6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。
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。
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17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17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。
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。
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、0.85μ
m、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。
ーザ素子13に代えて、LEDを用いることができる。
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。
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。
を示しており、基地局側に接地された第1の双方向光半
導体装置30と、一般家庭に接地された第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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
置の側方断面図である。
置の側方断面図である。
置の側方断面図である。
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。
置の側方断面図である。
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。
断面図である。
ける問題点を説明する側方断面図である。
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。
6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。
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1
7に至る。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (18)
- 【請求項1】 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光分岐器と、 前記基板に設けられ、前記光分岐器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、 前記半導体受光素子の表面に設けられ、前記半導体発光
素子から出射された光を遮断する遮光部材とを備えてい
ることを特徴とする双方向光半導体装置。 - 【請求項2】 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光分岐器と、 前記基板に設けられ、前記光分岐器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、 前記基板の表面に設けられ、前記半導体発光素子から出
射された光を遮断する遮光部材とを備えていることを特
徴とする双方向光半導体装置。 - 【請求項3】 前記遮光部材は樹脂膜であることを特徴
とする請求項1又は2に記載の双方向光半導体装置。 - 【請求項4】 前記遮光部材は金属層であることを特徴
とする請求項1又は2に記載の双方向光半導体装置。 - 【請求項5】 前記遮光部材は誘電体薄膜フィルターで
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。 - 【請求項6】 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光分岐器と、 前記基板に設けられ、前記光分岐器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、 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とを
備えていることを特徴とする双方向光半導体装置。 - 【請求項7】 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光分岐器と、 前記基板に設けられ、前記光分岐器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、 前記基板における前記光導波路以外の部分に形成され、
前記半導体発光素子から出射された光を吸収する光吸収
部とを備えていることを特徴とする双方向光半導体装
置。 - 【請求項8】 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光分岐器と、 前記基板に設けられ、前記光分岐器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、 前記基板における前記光導波路以外の部分に設けられ、
前記半導体発光素子から出射され前記光導波路以外の部
分を伝搬する光を吸収するか又は前記半導体受光素子と
異なる方向に反射する光学部材とを備えていることを特
徴とする双方向光半導体装置。 - 【請求項9】 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光分岐器と、 前記基板に設けられ、前記光分岐器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、 前記基板、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、 前記パッケージの内壁面に設けられ、前記半導体発光素
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
ことを特徴とする双方向光半導体装置。 - 【請求項10】 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1〜9のいずれか1項に記載の双
方向光半導体装置。 - 【請求項11】 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1〜9のいずれか1項に記載の双方
向光半導体装置。 - 【請求項12】 前記基板はポリマーからなることを特
徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の双方向光
半導体装置。 - 【請求項13】 前記光分岐器は、前記光導波路と交差
するように設けられた光学素子であることを特徴とする
請求項1〜9のいずれか1項に記載の双方向光半導体装
置。 - 【請求項14】 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1〜9のいずれか1項
に記載の双方向光半導体装置。 - 【請求項15】 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14に記載
の双方向光半導体装置。 - 【請求項16】 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14に記載の
双方向光半導体装置。 - 【請求項17】 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14に記載の双方向光半導体装置。 - 【請求項18】 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14
に記載の双方向光半導体装置。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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