JPWO2015008451A1 - 光送受信モジュール - Google Patents

Abstract

迷光に起因した、受光素子の受信感度の劣化を軽減するために、光送受信モジュール２００は、基板１と、前記基板に設けられた受光素子３と、前記基板に設けられた光源６と、前記基板上に形成され、折り返し点４ａを有する光導波路２と、前記光導波路と前記受光素子との間に配置されるフィルタ７と、を有し、前記光導波路は、一端４ｂで前記光源と光学的に接続し、前記折り返し点で前記受光素子と光学的に接続し、前記受光素子と前記光導波路の前記一端との間の前記基板に、迷光除去部５を有する。

Description

本発明は光送受信モジュールに関し、特に、迷光を軽減するための構成を備える光送受信モジュールに関する。

一般に普及している光ファイバ通信システムは、主に、送信器、伝送路である光ファイバ及び受信器で構成される。

光導波路型の送信器と光ファイバとの接続箇所では、電気信号から変換された光信号が、送信器内の光導波路から光ファイバへ入力される。光ファイバへ入力された光信号は、その光ファイバによって伝送される。光導波路型の受信器と光ファイバとの接続箇所では、伝送された光信号が受信器の光導波路へ入力される。光導波路へ入力された光信号は、フォトダイオード（photo diode、PD）などの受光素子に入力され、光信号から電気信号へと変換される。

前述の受信器と送信器とをモジュール化した光送受信モジュールにおいては、モジュール内の光導波路上に、複数の光デバイスが配置される。光デバイスとしては、光源であるレーザーダイオード（laser diode、LD）や、受光素子であるＰＤなどがある。

このような構成を備える光送受信モジュールにおいて、光源から放射された光信号のうち、光導波路に結合しなかった光が「迷光」となる。迷光は、光導波路の基板の外部または基板の内部を伝搬する。特に、基板内を伝搬する迷光は、光導波路に再入射したり、光導波路に接続された受光素子に入射したりして、信号の雑音を増加させる原因となっていた。

この課題に関連して、生じた迷光を取り除く方法として以下の特許文献１乃至３に記載された技術が知られている。

図６は、特許文献１に記載された光変調器の断面を示す図である。特許文献１には、光導波路１０１が薄板１０２の表面又は裏面に形成されるとともに、薄板１０２内又は薄板１０２に近接して迷光除去手段（図６の光吸収部１０３）が配置された光変調器が記載されている。

図７は、特許文献２に記載された光ＩＣ（integrated circuit）を示す図である。図７の光ＩＣにおいて、基板１０４の表面には光導波路１０１が形成され、基板１０４の裏面には光導波路１０１に略対向して光導波路１０１と略平行に伸びる溝（三角溝１０５）が形成される。溝（三角溝１０５）を形成する面は、基板１０４の裏面に対して非垂直かつ非平行である。また、特許文献３には、光導波路が形成された薄板外に迷光を導くための迷光反射手段を備える光素子が記載されている。

特開２００６−２７６５１８号公報 特開２００１−２６４５５３号公報 特開２００７−２７２１２１号公報

光送受信モジュールの同一基板上に送信用の光源と受信用の受光素子が設けられた場合、光源の発光の際に生じた迷光が、基板内を伝搬して受光素子に入射する可能性がある。しかし、このような構成の光送受信モジュールには、下記の理由により、迷光を除去するための特許文献１乃至３の技術を適用することができない。

特許文献１における迷光除去手段（図６では光吸収部１０３）は、主に光導波路１０１に沿って設けられる。このため、特許文献１に記載された迷光除去手段は、光導波路１０１が形成されている薄板１０２内の迷光と、光導波路１０１の伸長方向に対して垂直な方向に進行する迷光しか効果的に除去できない。

また、特許文献２における溝（図７では三角溝１０５）も同様に、光導波路１０１に沿って設けられ、かつ迷光の成分のうち光導波路１０１の伸長方向に対し垂直な成分を反射する。さらに、特許文献３に記載された迷光反射手段も、光導波路の伸長方向に沿って設けられている。このため、特許文献２及びに記載された構成も、光導波路の伸長方向に対して垂直な方向に進行する迷光しか効果的に除去できない。

従って、上述の構成の光送受信モジュールにおいては、特許文献１乃至３に記載された構成を適用しても、光源から送信用の光信号が出射された際に発生する迷光が、基板内部を伝播して受光素子に入射する可能性がある。その結果、送受信が同時に行われるＦｕｌｌ−Ｄｕｐｌｅｘ（全二重）動作の際に、受光素子で受信された信号に雑音が付加され、受光素子の受信感度が劣化する恐れがある。

本発明の目的は、上述した課題を解決し、受光素子の受信感度の劣化を軽減する光送受信モジュールを提供することにある。

本発明の光送受信モジュールは、基板と、前記基板に設けられた受光素子と、前記基板に設けられた光源と、前記基板上に形成され、折り返し点を有する光導波路と、前記光導波路と前記受光素子との間に配置されるフィルタと、を有し、前記光導波路は、一端で前記光源と光学的に接続し、前記折り返し点で前記受光素子と光学的に接続し、前記受光素子と前記光導波路の一端との間の前記基板に、迷光除去部を有する。

本発明の光送受信モジュールは、受光素子の受信感度の劣化を軽減できる。

本発明の第一の実施形態における光送受信モジュールの上面図である。 本発明の第一の実施形態における光送受信モジュールの側面図である。 本発明の第一の実施形態における、他の迷光除去部が適用された光送受信モジュールの裏面図である。 本発明の第一の実施形態における、他の迷光除去部が適用された光送受信モジュールの側面図である。 本発明の第一の実施形態における、さらに他の迷光除去部が適用された光送受信モジュールの裏面図である。 本発明の第一の実施形態における、さらに他の迷光除去部が適用された光送受信モジュールの側面図である。 本発明の第一の実施形態における、光送受信モジュールが光吸収材で覆われた例を示す上面図である。 本発明の第一の実施形態における、光送受信モジュールが光吸収材で覆われた例を示す側面図である。 本発明の光送受信モジュールの実施例を示す上面図である。 本発明の光送受信モジュールの実施例を示す側面図である。 特許文献１に記載された光変調器の断面を示す図である。 特許文献２に記載された光ＩＣを示す図である。

［第一の実施形態］
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を用いて説明する。ただし、以下に示す実施形態は、発明の範囲を限定しない。
［構成の説明］
図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、本実施形態における光送受信モジュール２００の上面図及び側面図である。第一の実施形態の光送受信モジュール２００は、基板１、光導波路２、受光素子３、迷光除去部５、光源６、フィルタ７を備える。

図１Ａに示すように、基板１上に形成された光導波路２は、折り返し点４ａ、一端４ｂ、他端４ｃを有する。受光素子３は、基板１上に設けられ、光導波路２と折り返し点４ａで光学的に接続される。受光素子３は、光導波路２を伝送された光を、折り返し点４ａでフィルタ７を介して受光する。光源６は、基板１上に設けられる。光源６は、光導波路２と、一端４ｂで光学的に接続される。光源６からの出射光は、一端４ｂで光導波路２に結合し、光導波路２内を伝搬する。光導波路２内を伝搬した出射光は、他端４ｃにてモジュールの外部の光伝送路と結合し、伝送される。フィルタ７は、光導波路２の折り返し点４ａと受光素子３との間に配置される。フィルタ７は、モジュールの外部の光伝送路から光導波路２に入射する光を透過する。一方、フィルタ７は光源６からの出射光は全反射する。

光導波路２のうち、フィルタ７から他端４ｃに至る部分を光導波路２ｃ、一端４ｂからフィルタ７に至る部分を、光導波路２ｄとする。フィルタ７を透過した入射光は、受光素子３で受光される。一方、フィルタ７によって全反射された出射光は、光導波路２ｃを伝搬し、他端４ｃにてモジュール外の光伝送路等へ入射する。

さらに、図１Ｂに示すように、受光素子３と光導波路２の一端４ｂとの間の基板１に、迷光除去部５が設けられる。

以下に、光送受信モジュール２００に適用しうる、具体的な構成や材料を示す。

基板１としては、図５Ａ及び図５Ｂを用いて後述するように、Ｓｉ基板１ａを用いることができる。

光導波路２は、クラッドの内部に光導波路２であるコアが埋め込まれている平面光波回路（planer lightwave circuit、PLC）で構成することができる。図１Ａ及び図１Ｂに記載された光導波路２は、クラッドがＳｉＯ_２であるＰＬＣで構成されてもよい。図５Ａ及び図５Ｂを用いて後述するように、ＰＬＣの材料としては、クラッドとしてＳｉＯ_２層２ａ、コアとしてＳｉＯ_２−ＧｅＯ_２ガラスを採用することができる。例えば、ＳｉＯ_２−ＧｅＯ_２ガラスのコアのパターンは、ＳｉＯ_２層２ａ上に、フォトリソグラフィ及び既知のプロセス技術によって形成される。その他にも、光導波路２を形成するための既知の材料、工法が採用されてもよい。

受光素子３として、ＰＤあるいはＡＰＤ（avalanche photodiode、アバランシェ・フォトダイオード）が用いられてもよい。さらに、既知の光センサが受光素子３として用いられてもよい。

迷光除去部５は、図１Ｂに示すように、受光素子３と一端４ｂとの間の基板１に溝５ａとして設けられる。迷光除去部５は、基板１の内部を伝播する迷光を遮断する。溝５ａは、光導波路２の長さ方向と略垂直に、基板１の全幅にわたって形成されてもよい。溝５ａの、基板１に略垂直な面によって、光導波路２の長さ方向の成分を有する迷光が反射される。さらに、迷光を吸収する光吸収材、迷光を受光素子３に入射させないよう屈折させる高屈折率材などを溝５ａ内に充填することで、より高い、迷光を遮断する効果を得ることができる。図１Ｂは、前述のように光吸収材、高屈折率材などを溝５ａ内に充填した場合を示す。しかし、溝５ａ内に何も充填せず、空気が存在する状態のままでもよい。

図２Ａ及び図２Ｂは、第一の実施形態における光送受信モジュールの、他の迷光除去部が適用された光送受信モジュールの裏面図及び側面図である。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、光導波路２の長さ方向に複数の溝５ａが設けられてもよい。複数の溝５ａを設けることにより、迷光が受光素子３に至る経路上に多くの面が存在することになり、迷光の除去を複数回行うことができる。したがって、迷光除去部５として複数の溝５ａが設けられた場合には、迷光が溝５ａの面で反射されることによる迷光の影響の低減効果がより高くなる。さらに、溝５ａに光吸収材が充填された場合には、より高い迷光の吸収の効果が得られる。

図３Ａ及び図３Ｂは、第一の実施形態における光送受信モジュールの、さらに他の迷光除去部が適用された光送受信モジュールの裏面図及び側面図である。図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂでは、溝５ａは基板１の全幅に渡って形成された。しかし、基板１の全幅よりも長さが短い溝５ａが、基板１の一方の側面と他の側面に、互い違いに配列させて設けられてもよい。溝５ａを互い違いに配列させて設けることにより、迷光が低減されるとともに、基板１の強度低下を防ぐことができる。

また、溝５ａなどの部材が互い違いに配列される場合、図３Ａ及び図３Ｂに例示されたように、すべての溝５ａが互い違いに配列されることが、迷光による影響の抑制と基板１の強度低下の防止のためには効果的である。しかし、少なくとも一組の互い違いに配列した溝５ａがあれば、迷光による影響の抑制と基板１の強度低下の防止という効果が得られる。さらに、迷光の発生箇所である光導波路２の一端４ｂから受光素子３の方向を見た場合に、基板１の一方の側面と他の側面に、互い違いに配列する溝５ａが、基板１の全幅にわたる一つの面を形成するよう形成及び配列されると、より迷光を遮断する効果が得られる。

さらに、溝５ａを構成する面の表面に凹凸（粗面を含む）を設けて迷光を散乱させてもよい。あるいは、迷光除去部５として、光導波路２と同様の構成を備える、迷光を導波する光ガイド部を設け、迷光を受光素子３以外の方向に誘導させてもよい。加えて、基板１内を伝搬する迷光が受光素子３に到達することを妨げることができるものが、迷光除去部５として適用されてもよい。さらに、前述の迷光除去部５の具体例や既知の例が複数組み合されてもよい。

また、迷光除去部５は、迷光が通過する可能性の高い場所にだけ設けられてもよい。例えば、迷光除去部５は、光導波路２ｄの直下、及び、その周辺にだけ設けられてもよい。迷光除去部５は、図１Ａに示したような直方体の形状でなくてもよく、基板１の内部を伝わる迷光を遮断できる高さ及び位置に、任意の形状で設けられてもよい。

なお、光源６として、ＬＤ６ａが用いられてもよい。

フィルタ７としては、ＷＤＭ（wavelength division multiplexing、波長分割多重）フィルタ７ａとして機能する光ファイバや誘電体多層膜フィルタなど、既知の光分波器を適用することができる。

図１Ａに示した配置の光送受信モジュール２００の場合、受信された光信号、送信される光信号に対するフィルタ７の光学的特性（光信号を透過する、もしくは全反射する）は先述の通りである。他にも、光信号がフィルタ７に入射する面に対する受光素子３及び光源６の配置に基づいて、光学的特性が異なるフィルタ７を採用することが可能である。すなわち、受信した光信号が受光素子３に入射し、送信する光信号がデバイス外の光伝送路などに入射し、かつ受光素子３には入射しないようなフィルタ７が採用されてもよい。

図４Ａ及び図４Ｂは、第一の実施形態における、光送受信モジュールが光吸収材で覆われた例を示す上面図及び側面図である。図４Ａ及び図４Ｂの一点鎖線５ｃで囲まれた領域は、光吸収材５ｂが塗布される領域を示す。図４Ａ及び図４Ｂの一点鎖線９ａで囲まれた領域は、透明樹脂９が塗布される領域を示す。
図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、基板１の外部に放射される迷光も含めて迷光を吸収するために、迷光除去部５を設けることに加え、光送受信モジュール２００全体を覆うように光吸収材５ｂが塗布されてもよい。
光吸収材５ｂが塗布される前に、光導波路２の一端４ｂと光源６との間、光導波路２の折り返し点４ａとフィルタ７との間、フィルタ７と受光素子３との間に、透明樹脂９が塗布される。さらに、モジュール外の光伝送路と光導波路２の他端４ｃとの間と、受光素子３および光源６上にも、光吸収材５ｂが塗布される前に、透明樹脂９が塗布される。前述の箇所に透明樹脂９を塗布する目的は、光路に光吸収材５ｂが入り込まないようにすることである。また、透明樹脂９は、受光素子３と光源６とが透明樹脂９によって光学的に結合されないように塗布される。
透明樹脂９が塗布された後、光送受信モジュール２００は、透明樹脂９を含めて、その全体が光吸収材５ｂで覆われるように封止される。透明樹脂９が受光素子３と光源６とが光学的に結合されないように塗布されているため、光源６周辺で外部に放射された迷光は、全体を覆う光吸収材５ｂによって吸収される。その結果、光源６周辺で外部に放射された迷光は受光素子３では受光されない。
［動作の説明］次に、本実施形態における光送受信モジュール２００の、送信時および受信時の動作を説明する。

（受信時の動作）図１Ａ及び図１Ｂにおいて、モジュール外の光伝送路を伝播した光信号は、他端４ｃから光導波路２ｃに入射し、光導波路２ｃ内を伝搬し、フィルタ７を介して受光素子３に誘導され、受光素子３で受光される。光源６からの出射光が一端４ｂにて光導波路２ｄに入射する際に光導波路２ｄに入射しなかった成分は迷光となり、基板１の内部を伝播する。Ｆｕｌｌ−Ｄｕｐｌｅｘ動作では、迷光が受光素子３に到達した場合には受信感度の劣化が生じるが、基板１を伝播する迷光成分は、迷光除去部５によって、受光素子３の手前で遮断される。

（送信時の動作）光源６からの出射光は、一端４ｂにて光導波路２ｄに入射し、光導波路２ｄ内を伝搬し、フィルタ７によってモジュール外の光伝送路等に接続する光導波路２ｃに誘導される。光導波路２ｃに誘導された出射光は、他端４ｃにおいてモジュール外の光伝送路に入射し、伝搬される。光源６から一端４ｂへ出射光が出力される際に、光導波路２に入射しなかった成分は迷光となり、基板１の内部を伝播する。Ｆｕｌｌ−Ｄｕｐｌｅｘ動作の際、迷光が受光素子３に到達した場合には受信感度の劣化が生じるが、基板１の内部を伝播する迷光成分は、迷光除去部５によって、受光素子３の手前で遮断される。［効果の説明］
本発明の第一の実施形態である光送受信モジュール２００は、受光素子３と一端４ｂとの間の基板１に、迷光除去部５を有する。従って、光送受信モジュール２００は、光源６からの出射光が光導波路２に入射した際に一端４ｂで発生し基板１を伝搬する迷光を、受光素子３の手前で遮断できる。この結果、光源６と受光素子３との間の光クロストークが抑制され、Ｆｕｌｌ−Ｄｕｐｌｅｘ動作時の受信感度の劣化を軽減することができる。
［実施例１］
［構成の説明］
図５Ａ及び図５Ｂは、光送受信モジュールの実施例を示す上面図及び側面図である。図５Ａ及び図５Ｂに示されるように、Ｓｉ基板１ａ上には、ＳｉＯ_２層２ａが形成されている。またＳｉ基板１ａ上には、光源であるＬＤ６ａ、受信ＰＤ３ａ、モニタＰＤ３ｂが実装されている。モジュール外の光伝送路として、光ファイバが実装されている。ここで、モニタＰＤ３ｂは、ＬＤ６ａの、一端４ｂと反対側の面（背面）から放射される光をモニタする、モニタ部である。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、Ｓｉ基板１ａ上のＳｉＯ_２層２ａに形成された光導波路２の折り返し点４ａには、凹部８が設けられる。この凹部８に、一端４ｂから光導波路２を伝搬した光が反射されて他端４ｃに向かって導波路２を伝搬するように、折り返し点４ａにＷＤＭフィルタ７ａが取り付けられている。さらに、ＬＤ６ａと光学的に接続する一端４ｂと、受信ＰＤ３ａとの間のＳｉ基板１ａの裏面に、Ｓｉ基板１ａの全幅に渡って溝５ａが形成されている。Ｓｉ基板１ａの裏面の溝５ａ内には、光吸収材５ｂが充填されている。
［動作の説明］
ＬＤ６ａの前面から出力された出射光は、光導波路２に結合後、光導波路２を伝播し、ＷＤＭフィルタ７ａで全反射され、光導波路２，他端４ｃで光導波路２に接続しているモジュール外の光ファイバを通過して、伝送される。ＬＤ６ａの背面から放射されるモニタ光は、モニタＰＤ３ｂで受光される。

一方、出射光とは異なる波長の受信光は、モジュール外の伝送路からモジュール外の光ファイバへ入射し、光ファイバ及び光導波路２を伝搬後、ＷＤＭフィルタ７ａを透過して受信ＰＤ３ａで受光される。ＬＤ６ａによる送信と受信ＰＤ３ａによる受信とは、同時に行われうる。

ＬＤ６ａの前面及び背面からの出射光のうち、光導波路２に結合しなかった光、及び、モニタＰＤ３ｂに受光されなかった光は迷光となる。この迷光は、ＳｉＯ_２層２ａ／Ｓｉ基板１ａの外の空間、ＳｉＯ_２層２ａ内、Ｓｉ基板１ａ内を伝搬する。

迷光が受信ＰＤ３ａに到達した場合には受信感度の劣化が生じるが、本実施例では、以下のようにして受信ＰＤ３ａへの到達が防止される。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、まず、ＳｉＯ_２層２ａを伝播する迷光成分は、ＳｉＯ_２層２ａの受信ＰＤ３ａと対向する断面全体を、送信波長を反射するＷＤＭフィルタ７ａで、受信ＰＤ３ａの直前で覆うことによって遮断される。さらに、Ｓｉ基板１ａを伝播する迷光成分は、光吸収材５ｂを充填した裏面の溝５ａにおいて、溝５ａの面によって反射、または溝５ａに充填された光吸収材５ｂに吸収されることにより、受信ＰＤ３ａへの到達が遮断される。また、本実施例においても、図４Ａ及び図４Ｂのように、光送受信モジュール全体が光吸収材５ｂで覆われてもよい。この場合は、透明樹脂９を塗布する箇所として、第一の実施形態における記載に対応する箇所に加え、モニタＰＤ３ｂとＬＤ６との間、及びモニタＰＤ３ｂが追加される。上記の結果、ＬＤ６ａと受信ＰＤ３ａとの間の光クロストークが抑制され、Ｆｕｌｌ−Ｄｕｐｌｅｘ動作時の受信感度の劣化を軽減することができる。
以上、実施形態及び実施例を参照して本願発明の実施形態を説明した。しかし、本願発明が適用可能な形態は上述した実施形態に限定されない。本願発明の構成や詳細説明には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２０１３年７月１８日に出願された日本出願特願２０１３−１４９５５７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１ 基板
１ａ Ｓｉ基板
２、２ｃ、２ｄ 光導波路
２ａ ＳｉＯ_２層
３ 受光素子
３ａ 受信ＰＤ
３ｂ モニタＰＤ
４ａ 折り返し点
４ｂ 一端
４ｃ 他端
５ 迷光除去部
５ａ 溝
５ｂ 光吸収材
６ 光源
６ａ ＬＤ
７ フィルタ
７ａ ＷＤＭフィルタ
８ 凹部
９ 透明樹脂
１０１ 光導波路
１０２ 薄板
１０３ 光吸収部
１０４ 基板
１０５ 三角溝
２００ 光送受信モジュール

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板に設けられた受光素子と、
   前記基板に設けられた光源と、
   前記基板上に形成され、折り返し点を備える光導波路と、
   前記光導波路と前記受光素子との間に配置されるフィルタと、
   を備え、
   前記光導波路は、一端で前記光源と光学的に接続し、前記折り返し点で前記受光素子と光学的に接続し、
   前記受光素子と前記光導波路の一端との間の前記基板に、迷光除去部を有することを特徴とする、光送受信モジュール。
2. 前記迷光除去部が、前記受光素子と前記光導波路の一端との間の基板に、前記光導波路を横切るように設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の光送受信モジュール。
3. 前記迷光除去部が、前記受光素子と前記光導波路の一端および他端との間の基板に、前記光導波路を横切るように設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の光送受信モジュール。
4. 前記迷光除去部が、前記基板の全幅にわたって設けられた、請求項１から３のいずれかに記載の光送受信モジュール。
5. 前記迷光除去部が溝である、請求項１から４のいずれかに記載の光送受信モジュール。
6. 前記迷光除去部が、前記基板の一方の側面と他の側面に、溝を互い違いに配列したものである、請求項１から４のいずれかに記載の光送受信モジュール。
7. 前記溝に光吸収材または高屈折率材が充填されている、請求項５又は６に記載の光送受信モジュール。
8. 少なくとも表面の一部が、光吸収材に覆われていることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の光送受信モジュール。
9. さらに前記光源の出力をモニタするモニタ部を有することを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の光送受信モジュール。
10. 前記他端は、モジュール外の光伝導路と接続される、請求項３に記載の光送受信モジュール。

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