JP2000162455A - 双方向光通信モジュール及びそれを用いた光通信装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 双方向光通信時における通信の光信号の混信
を防止することにより、ＳＮ比を向上させる。 【解決手段】 一芯ファイバを用いた双方向光通信モジ
ュール及びそれを用いた光通信装置において、信号光を
生成する発光素子４とその発光素子４からの信号光を光
ファイバ３に導く送信用光導波路７ａと、信号光を受光
し電気信号に変換する受光素子５と、光ファイバ３から
の信号光を受光素子５に導く受信用光導波路７ｂとを同
一基板１上に有し、かつ上記送信用光導波路７ａと受信
用光導波路７ｂは光学的に独立して設けられ、前記送信
用導波路７ａはＬ字型をなし、Ｌ字型の一方は送信用導
波路としての機能を有し、他方は遮蔽板としての機能を
有しているような構成とすることにより、発光素子光源
からの光出力及び、送信用導波路からの漏れ光が光検出
器へ入射するのを低減することができ、光検出出力のＳ
Ｎ比を向上することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光通信ネットワーク
における光通信モジュール、特に光導波路を用いた双方
向光通信モジュールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】情報化社会の進展に伴い、光ファイバネ
ットワークが注目されているが、光モジュール部分の構
成がレンズ等の組み合わせによるマイクロオプティック
ス構造であることにより高コストであることが難点とな
っている。その解決策として、光導波路を用いて同一基
板上で光通信を実現する光集積化構造が検討されてい
る。

【０００３】その一例として特開平４−２６３２０６号
公報に光回路が開示されている。この概略構成を図１２
に示す。基板１０１上に光導波路１０２が形成され、光
導波路１０２の一方の端面部は光パワー合分岐部１０７
を介して、送信用光導波路１０２ａ、受信用光導波路１
０２ｂに分岐され、それぞれ発光素子１０４、光受光素
子１０５に接続されている。また、光導波路１０２のも
う一方の端面部は光ファイバ１０３に接続されている。
また、送信用光導波路１０２ａと受信用光導波路１０２
ｂ間に遮閉板１０８が設けられている。

【０００４】光ファイバ１０３より光導波路１０２に受
信された信号光は、光合分岐部１０７で光導波路１０２
ａ、１０２ｂに分岐されて受光素子１０５に受信され
る。一方発光素子１０４より送信された信号光は、光合
分岐部１０７及び光導波路１０２を介して光ファイバ１
０３に送信される。同時光通信を行う場合、発光素子１
０４より発せられた光信号のうち散乱光等光導波路１０
２ａに閉じ込められない迷光が、受光素子１０５に直接
結合されたりしてＳ／Ｎ比の悪化する。遮閉板１０８
を、送信用光導波路１０２ａと受信用光導波路１０２ｂ
の間に遮閉板１０８が設けて、迷光によるＳＮ比の悪化
を防止している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記開
示されている技術においては以下のような問題点を有し
ている。前記従来の光通信モジュールは送信用光源と光
検出器が同一の基板上に形成されているため、送信用光
源や送信側の光導波路からの漏れ光が、受光素子及び受
信側光導波路に直接入射するのを防止するため、２つの
光導波路の間に遮閉板等を設けているが、最も送信光の
漏れ光の出力が強い発光素子付近は遮閉板等で覆われて
いるが、光合分岐部や導波路の端面部において光学的に
結合している場合には光導波路を介して、受信器に結合
する。このような光分岐、結合器構造で同時に双方向光
通信を行った場合、光導波路が光学的に接続されている
と送信光側からでた光は導波路端面での反射により受信
光側にも到達することになり、混信がおこるためＳＮ比
が低下するといった問題があった。

【０００６】高品質な同時双方向光通信を行うにはビッ
トエラーレートを１０^-8か１０^-9程度にする必要があ
り、そのためには受信光入力信号パワーに対し前記漏れ
光によるノイズパワーは１００分の１すなわち最低でも
−２０ｄＢ以下にする必要がある。さらに受信光入力信
号パワーは途中の光導波路や光ファイバでの伝搬損失、
結合損失を考慮すると、送信光出力パワーに対し−１０
〜−３０ｄＢ（１０〜１０００分の１）になっているの
で、受光素子に入る漏れ光の入力パワーは送信光出力パ
ワーに対して、（−１０〜−３０）＋（−２０）ｄＢす
なわち−３０〜−５０ｄＢ（１０００〜１０００００分
の１）に押さえる事が必要となるため、上記構成では不
十分である。

【０００７】上記問題点に鑑み、本発明の目的とすると
ころは、一本のファイバで同時双方向光通信が可能であ
るような光モジュール、すなわち同一基板上に作製した
光モジュールの送信光が受信部へ入射し、混信を起こす
ことのなく、家庭用の機器間の接続に対応できるような
小型、低価格を達成できる光導波路型の双方向光通信モ
ジュールを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の同時双方
向光モジュールによれば信号光を生成する発光素子とそ
の発光素子からの信号光を光ファイバに導く送信用光導
波路と、信号光を受光し電気信号に変換する受光素子
と、光ファイバからの信号光を受光素子に導く受信用光
導波路とを同一基板上に有し、かつ上記送信用光導波路
と受信用光導波路は光学的に独立して設けられ、少なく
とも発光素子と受光素子の間に遮蔽板を有していること
を特徴としている。

【０００９】第２の光モジュールは前記遮蔽板が光導波
路の光軸に対しほぼ垂直に形成されていることを特徴と
している。

【００１０】第３の光モジュールは信号光を生成する発
光素子とその発光素子からの信号光を光ファイバに導く
送信用光導波路と、信号光を受光し電気信号に変換する
受光素子と、光ファイバからの信号光を受光素子に導く
受信用光導波路とを同一基板上に有し、かつ上記送信用
光導波路と受信用光導波路は光学的に独立して設けら
れ、前記送信用導波路はＬ字型をなし、Ｌ字型の一方は
送信用導波路としての機能を有し、他方は遮蔽板として
の機能を有していることを特徴としている。

【００１１】第４の光モジュールは前記遮蔽板の長さは
少なくとも受光素子の一辺の長さ以上であることを特徴
としている。

【００１２】第５の光モジュールは前記発光素子がハイ
ブリッドに形成され、受光素子は基板にモノリシックに
形成されていることを特徴としている。

【００１３】第６の光モジュールは前記基板の光ファイ
バに対向する端面は光ファイバ端面に対し傾斜している
ことを特徴としている。

【００１４】第７の光モジュールは前記送信用導波路と
受信用導波路の光軸は平行であり、かつ光ファイバの光
軸に対しては傾斜していることを特徴としている。

【００１５】第８の双方向光通信装置は信号光をマルチ
モードにて伝搬するための一本の光ファイバの両端面
に、上記に記載の双方向光通信モジュールを、それぞれ
光学的に結合することによって得られる。

【００１６】第９の双方向光通信装置は上記光ファイバ
がプラスチック光ファイバあるいはポリマクラッド石英
光ファイバであることを特徴としている。

【００１７】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）本発明の第
１の実施の形態について図面を参照して説明する。図１
は本発明の光通信モジュールの第１の実施例に関する概
略斜視図であり、図２はそのＣ−Ｃ’断面図である。図
１においてシリコン基板１にフォトダイオード５がモノ
リシックに形成されている。またその上にはバッファ層
８及び送信用光導波路２ａ、受信用光導波路２ｂ、チッ
プ状の半導体レーザ８がそれぞれ形成されいる。受信用
光導波路２ｂはフォトダイオード５上のバッファ層を除
去することにより光学的に結合されている。４４はシリ
コン基板１上に作製されたフォトダイオードの電気配線
層が埋め込まれている部分である。概略斜視図１でフォ
トダイオード５の位置が受信用光導波路２ｂよりはみ出
た様子になっているが、これは位置関係を理解しやすく
するためで、ＳＮ比向上のため現実には、図２の断面図
に示すようにフォトダイオード５は受信用光導波路２ｂ
内に収まっている構成としている。

【００１８】さらに光導波路の構成としてはコア層２
ａ，２ｂの上にオーバークラッド層９ａ，９ｂが形成さ
れており、コア層２ａとオーバークラッド層９ａをあわ
せて送信用光導波路７ａとしている。同様にコア層２ｂ
とオーバークラッド層９ｂをあわせて受信用光導波路７
ｂとしている。バッファ層及びオーバークラッド層は透
明でかつプレーナプロセスに適合した石英系若しくはポ
リマ系の材料であればよいが、コア層の屈折率より低い
構成としている。ここで送信用導波路の光軸方向の長さ
は受光用導波路より長く、その幅は受信用導波路の幅よ
り短く構成するのが好ましい。これはファイバを介して
受信用導波路に入射してくる光の利用効率を上げるため
に、ファイバ端面の面積に対する受信用導波路端面の面
積を大きくすなわち導波路幅を大きく構成し、また受信
用導波路での損失を小さくするという理由から導波路長
さをできるだけ短く構成する。

【００１９】送信用光導波路７ａの端面には発光素子で
ある例えばチップ状の半導体レーザ４がハイブリッド接
合され、受信用光導波路７ｂの底面の一端には受光素子
であるフォトダイオード５が接続されている。

【００２０】また前記送信用光導波路７ａ、受信用光導
波路７ｂのもう一方の端面には光ファイバ３が接続され
ている。光ファイバ３はハードポリマクラッド石英光フ
ァイバまたはプラスチック光ファイバを使用する。光導
波路コアの材質はファイバコアとの接続性より厚膜化が
可能なポリマ系の材料を使用する。更に受光素子への漏
れ光の再結合を防止するため、受光素子と発光素子の間
に遮蔽板１１を設ける構成とする。この遮蔽板１１は光
導波路の光軸に対しほぼ垂直に設けまた導波路と同様の
材料、同工程で形成するためその高さは導波路の厚みと
同じである。

【００２１】図３は本発明の光通信モジュールＭ、Ｍ’
に光ファイバ３を接続してリンクを形成した図である。
図１、２に示したように本発明の光通信モジュールは発
信側と受信側の導波路が光学的に分離されかつ発光素子
４と受光素子５の間に光軸に対し垂直に遮蔽板１１が設
けられているため、光通信モジュールＭ及びＭ’から同
一波長で同時に信号が発せられても、光通信モジュール
Ｍから発せられた光信号はＭ自体の受光素子５では受信
されず、相手側の光通信モジュールＭ’の受光素子５’
に受信される。光通信モジュールＭ’から発せられた光
信号はＭ’自体の受光素子５’では受信されず、相手側
の光通信モジュールＭの受光素子５に受信され双方向光
通信が達成される。

【００２２】以上のように構成された本発明の光モジュ
ールについて、損失及び反射戻り光によるＳＮ比の性能
評価を行った。上記に示す図１の構成を実施例１として
説明する。Ｓｉ基板１上にＳｉＯ₂膜でできた厚み５μ
ｍのバッファ層８を介してコア層２が形成されている。
コア層の材料は数百度の耐熱性がありかつ厚膜形成が可
能でバッファ層のＳｉＯ₂より屈折率の高いポリイミド
やポリアミドイミド樹脂が良いが、中でも特に光透過性
の良いフッ素化ポリイミド（日立化成：ＯＰＩシリー
ズ）を用いた。またコアの膜厚は４０μｍ、受信側の導
波路幅は４００μｍ、長さ７００μｍであり送信側の導
波路幅は５０μｍ、長さ１０００μｍとしそれらの導波
路間隔は５０μｍとした。オーバークラッドは、コアよ
り屈折率の高い材料であればよいが、２μｍ厚のＣＶＤ
のＳｉＯ２を用いた。さらにその上には遮光膜としてＡ
ｌを０．２μｍ厚形成し、外光を遮断した。またシリコ
ン基板上にフォトダイオードがフォトリソ法で形成さ
れ、ファイバの接続面と反対側に光軸に対し垂直方向に
幅４５０μｍ、長さ５０μｍ、高さ４０μｍの光導波路
と同様の材料で遮蔽板１１を形成した。

【００２３】図４には上記の比較例として送信側と受信
側の導波路を分岐・結合構造としたものをを示す。各部
の材料、膜厚及びそれぞれの導波路幅は実施例１と同一
で、結合している部分の導波路幅は４５０μｍとした。

【００２４】尚、発光素子４には波長６５０ｎｍで大き
さ３００μｍ角のチップ状の半導体レーザをシリコン基
板１上にハイブリッド集積したものを用いて、送信用光
導波路７ａを介した光出力が０ｄＢｍ即ち１ｍＷになる
ように出力を制御した。また光ファイバには口径５００
μｍ長さ５０ｍのＰＭＭＡ製プラスチック光ファイバを
用いた。

【００２５】上記に示す構成を図５に示す実験モデルを
設定しての位置でのフォトダイオードで光量を測
定し、損失、ＳＮ比を求めて比較検討した。図６に示す
実験モデルは、は半導体レーザ４から出射した光が送
信側導波路７ａを経た位置での光量、は半導体レーザ
４から出射した光が導波路７ａ、７ｂ及び光ファイバ３
（反射を含む）を経てＰＤ５に入射した光量、は半導
体レーザ４から出射した光が送信側導波路７ａ及び光フ
ァイバ３を経てＰＤ５’に入射した光量、での測定を行
ったものである。上記の測定結果を表１に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】以上の結果から比較例で示したものは、導
波路が送信用と受信用の結合部分を有していることから
導波路内での反射により送信光が同モジュールの受信部
に入射し混信の原因となることがわかる。したがって送
信用導波路７ａと受信用導波路７ｂは独立して設けるこ
とが必要であり、かつ発光素子４、受光素子５の間に遮
蔽板１１を設けるような構成とすることで双方向の混信
を防止することができ、さらにモジュールを小型に構成
することが可能となり、低価格が実現できる。

【００２８】（第２の実施の形態）本発明の第２の実施
の形態として図面を参照して説明する。図６には送信側
導波路７ａをＬ字型とした。光の光軸方向の導波路は送
信光伝達用の導波路であり、光軸にほぼ垂直な導波路は
遮蔽板１１としての役割を果たす。各部の材料、膜厚は
実施例１と同一である。

【００２９】図７には実施例３として送信側導波路７ａ
と受信側導波路７ｂの間に遮蔽板１１を挿入した構造と
した光モジュールを示す。各部の材料、膜厚は実施例１
と同一で導波路幅は送信用、受信用それぞれ５０μｍ、
３００μｍとし、その間に５０μｍの遮蔽板１１を挿入
した。導波路の長さは実施例１と同様であり、またここ
で採用した導波路及び遮蔽板１１の寸法は実施例１と同
サイズの基板上に作製可能なサイズである。

【００３０】上記に示した実施例２及び実施例３を作製
し、実施例１と同様の実験及び評価を行った。それらの
結果を表２に示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】上記実施例２の結果から送信用導波路７ａ
をＬ字型の構成とし、Ｌ字型の一方を送信用導波路７ａ
として機能させ、他方を遮蔽板１１として機能させる構
造とすることで導波路と遮蔽板１１の形成に必要な溝を
なくすことができ漏れ光が完全になくなる。すなわち図
８に示すように半導体レーザ４からでた光が送信用導波
路端面、レーザ端面で反射を繰り返すため、少しでも隙
間があるとフォトダイオード５に入射する可能性が大き
い。したがって図６に示す導波路構造を採用することで
ＳＮ比は飛躍的に向上する。ここでは送信用導波路７ａ
構造をＬ字型としたがこれに限ったものではない。図９
（ａ）には送信用導波路７ａの他の形状例を示す。送信
用導波路幅Ｗ＝５０μｍ、半導体レーザの放射角θ＝２
０度、とした場合、導波路の側面と送信光の放射による
交点位置は半導体レーザ出射端面から距離Ｌ＝１４２μ
ｍ離れることになる。したがって遮蔽機能を有する導波
路は図９（ｂ）に示す位置でも光の損失はないことにな
る。実際上、放射角の誤差や半導体レーザ４の取り付け
誤差などの要因があるため、この構造ではＬは１００μ
ｍ以下とするのが妥当である。また送信用導波路７ａを
Ｌ字ではなく、フォトダイオードを囲むようにコの字に
しても良いことは明らかである。

【００３３】実施例３の結果から実施例１及び２の場合
と比較してＳＮ比が低下しているが、双方向光通信とし
て使用可能なレベルであり、送信用導波路７ａと受信用
導波路７ｂの間に遮蔽板１１を設ける構成としても構わ
ない。この場合、図８に示したようにフォトダイオード
５に漏れ光が入射させないようにするためには、遮蔽板
１１の位置は送信用導波路７ａの端面と同様の位置程度
まで形成しておく必要がある。遮蔽板端面位置がこれ以
上短い場合は漏れ光がフォトダイオードに入射する可能
性があり、ＳＮ比が低下する。

【００３４】（第３の実施の形態）第３の実施の形態と
して上記実施の形態に示した方法とは別に、さらにＳＮ
比を向上させる方法として、下記の２方法がある。第１
に、光ファイバと導波路の光軸を送信側導波路がファイ
バ外側を向く方向に１０度程度傾斜させる方法である。
図１ではファイバの光軸３１と導波路の光軸７１は同一
であったが、ここでは送信用導波路の光軸と受信用導波
路の光軸は平行でその光軸７１とファイバの光軸３１は
１０度傾斜した構造とした。この構造を図１０に示す。
このような構造で上記に示したのと同様なＳＮ比の評価
を行った結果、ＳＮ比／は２５ｄＢとなり、実施例
１での結果より３ｄＢ程度ＳＮ比が向上した。

【００３５】第２に、シリコン基板１端面を光ファイバ
３端面に対し傾斜構造することで反射を防止することが
できる。図１１にこの断面構造を示す。ファイバに対向
する厚さ０．５のシリコン基板１の端面を４５度にスラ
イスすることで、シリコン基板１端面で反射した光がフ
ァイバ３に再び入射することがなくなった。上記の構造
を実施例１に採用することで５ｄＢ程度ＳＮ比を向上さ
せることができた。

【００３６】これは図３に示すように光モジュールＭか
ら出射した光はファイバ３を介して他端の光モジュール
Ｍ’に到達する。光モジュールＭ’に到達した光は光モ
ジュールＭ’が作製されているシリコン基板で反射し、
再び光モジュールＭに戻る。この光が混信の原因となり
ＳＮ比が低下すると考えられる。

【００３７】上記ではシリコン基板１を光ファイバ３端
面に対し傾斜させることでファイバへの戻り光を防止し
たが、シリコン基板１端面に、例えば反射防止膜を設け
たり、黒色樹脂膜を塗布しても戻り光を防止でき上記と
同様の効果が得られる。

【００３８】以上のように上記構造をさらに上記実施例
で示した構造に付加することでより一層のＳＮ比の向上
が可能となった。

【００３９】

【発明の効果】上記構成によれば、発光素子光源からの
光出力及び、送信用導波路からの漏れ光が光検出器へ入
射するのを低減することができ、光検出出力のＳＮ比を
向上することができる。また遮蔽板を光軸に対し垂直に
構成するあるいは送信用導波路をＬ字型とすることで上
記効果をより一層増大できる。さらに基板の光ファイバ
に対向する端面は光ファイバ端面に対し傾斜している構
造にしたり、送信用導波路と受信用導波路の光軸は平行
であり、かつ光ファイバの光軸に対しては傾斜している
構造にすることでも更なるＳＮ比の向上が可能である。

【００４０】また受光素子を基板とモノリシックな構成
とすることで半導体の製造工程を使用でき、プレーナプ
ロセスでの作製が容易となり、小型化が可能になるとと
もにコストダウンが図れる。さらにマルチモード光ファ
イバを使用することが可能となり、コストダウンが図れ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に関する光通信モジュー
ル全体の概略斜視図である。

【図２】本発明の第１の実施例に関する断面図である。

【図３】本発明の光通信モジュールを用いたリンクの概
略図である。

【図４】本発明の実施例に対する比較例の概略斜視図で
ある。

【図５】本発明の光通信モジュールの評価方法の概略図
である。

【図６】本発明の第２の実施例に関する概略斜視図であ
る。

【図７】本発明の第３の実施例に関する概略斜視図であ
る。

【図８】反射の例を示した図である。

【図９】本発明のＬ型導波路の説明図と他の例を示した
図である。

【図１０】本発明のファイバの光軸と導波路の光軸を傾
斜させる斜視図である。

【図１１】本発明の基板端面を傾斜させる説明図であ
る。

【図１２】従来の遮蔽板を用いた平面図である。

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２，２ａ，２ｂ 光導波路コア層 ３ 光ファイバ ４ 発光素子 ５ 受光素子（フォトダイオード） ６ａ 送信光 ６ｂ 受信光 ７ 光導波路 ７ａ 送信用光導波路 ７ｂ 受信用光導波路 ８，８ａ，８ｂ バッファ層 ９，９ａ，９ｂ オーバークラッド １０ 電気配線層 １１ 遮蔽板 ３１ 光ファイバの光軸 ７１ 光導波路の光軸 Ａ レーザ発光点 Ｍ、Ｍ’ 光モジュール Ｌ 放射状に出射する光の照射範囲と導波路の側面との
交点とレーザ出射端面との距離 Ｗ 導波路幅 θ 半導体レーザの放射角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤田 英明 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 石井 ▲頼▼成 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 倉田 幸夫 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA02 BA11 BA21 CA34 2H047 MA05 MA07 QA05 QA07 RA00 TA23

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 信号光を生成する発光素子と、その発光
   素子からの信号光を光ファイバに導く送信用光導波路
   と、信号光を受光し電気信号に変換する受光素子と、光
   ファイバからの信号光を受光素子に導く受信用光導波路
   とを同一基板上に有し、かつ上記送信用光導波路と受信
   用光導波路は光学的に独立して設けられ、 少なくとも発光素子と受光素子の間に遮蔽板を有してい
   ることを特徴とする双方向光通信モジュール。
2. 【請求項２】 前記遮蔽板は光導波路の光軸に対しほぼ
   垂直に形成されていることを特徴とする請求項１記載の
   双方向光通信モジュール。
3. 【請求項３】 信号光を生成する発光素子と、その発光
   素子からの信号光を光ファイバに導く送信用光導波路
   と、信号光を受光し電気信号に変換する受光素子と、光
   ファイバからの信号光を受光素子に導く受信用光導波路
   とを同一基板上に有し、かつ上記送信用光導波路と受信
   用光導波路は光学的に独立して設けられ、 前記送信用導波路はＬ字型をなし、Ｌ字型の一方は送信
   用導波路としての機能を有し、他方は遮蔽板としての機
   能を有していることを特徴とする双方向光通信モジュー
   ル。
4. 【請求項４】 前記遮蔽板の長さは少なくとも受光素子
   の一辺の長さ以上であることを特徴とする請求項１乃至
   ３何れかに記載の双方向光通信モジュール。
5. 【請求項５】 前記発光素子はハイブリッドに形成さ
   れ、受光素子は基板にモノリシックに形成されているこ
   とを特徴とする請求項１乃至４何れかに記載の双方向光
   通信モジュール。
6. 【請求項６】 前記基板の光ファイバに対向する端面は
   光ファイバ端面に対し傾斜していることを特徴とする請
   求項１乃至５何れかに記載の双方向光通信モジュール。
7. 【請求項７】 前記送信用導波路と受信用導波路の光軸
   は平行であり、かつ光ファイバの光軸に対しては傾斜し
   ていることを特徴とする請求項１乃至６何れかに記載の
   双方向光通信モジュール。
8. 【請求項８】 信号光をマルチモードにて伝搬するため
   の一本の光ファイバの両端面に、上記請求項１乃至７何
   れかに記載の双方向光通信モジュールを、それぞれ光学
   的に結合することによって得られる双方向光通信装置。
9. 【請求項９】 上記光ファイバがプラスチック光ファイ
   バあるいはポリマクラッド石英光ファイバであることを
   特徴とする請求項８記載の双方向光通信装置。