JP2004191396A - 光送受信装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構造で一芯双方向通信を実現できる光送受信装置を提供する。
【解決手段】光集積チップ２は、発光素子と受光素子が同一チップ上に形成され、発光部６と受光部７が近接して設けられる。回路基板３には、光ファイバ４が挿入されるバイアホール５が貫通して設けられる。光集積チップ２は、バイアホール５に発光部６と受光部７が収まる位置で、回路基板３の裏面に取り付けられる。また、光ファイバは、回路基板３の表面からバイアホール５に挿入されて固定される。これにより、発光部６からの光が光ファイバ４に入射するとともに、光ファイバ４からの光が受光部７に入射する構成となり、一芯双方向通信が実現される。
【選択図】 図１
【解決手段】光集積チップ２は、発光素子と受光素子が同一チップ上に形成され、発光部６と受光部７が近接して設けられる。回路基板３には、光ファイバ４が挿入されるバイアホール５が貫通して設けられる。光集積チップ２は、バイアホール５に発光部６と受光部７が収まる位置で、回路基板３の裏面に取り付けられる。また、光ファイバは、回路基板３の表面からバイアホール５に挿入されて固定される。これにより、発光部６からの光が光ファイバ４に入射するとともに、光ファイバ４からの光が受光部７に入射する構成となり、一芯双方向通信が実現される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを用いて一芯双方向通信を行う光送受信装置に関する。詳しくは、回路基板に設けたバイアホールに光ファイバを挿入して固定するとともに、発光素子と受光素子を同一チップ上に形成した光集積チップをバイアホールに対向して取り付けることで、簡単な構造で一芯双方向通信を行えるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを利用した光通信を行う装置には、電気信号を発光素子で光信号に変換して光ファイバへ出力し、また、光ファイバからの光信号を受光素子で電気信号に変換して出力する光送受信装置が設けられている。
【０００３】
従来の光送受信装置の構成は、発光素子および受光素子がそれぞれ個別の金属製カンパッケージ上もしくはシリコンのサブマウント上に実装され、光ファイバと良好な光学結合が得られるように、個別に調芯、固定されているのが一般的である。
【０００４】
また、発光素子から出射される送信用の光が通る光ファイバと外部から入ってくる受信用の光が通る光ファイバを同一のものにする方式、いわゆる一芯双方向方式においては、発光素子、受光素子の他に、光を集光するためのレンズ、光路を分離するためのビームスプリッタ等が必要であった（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
図２１は従来の光送受信装置の構成例を示す平面図である。発光素子１００から出射された送信光はレンズ１０１によって集光され、ビームスプリッタ１０２を透過し、光ファイバ１０３のコアの部分に入射して伝播する。また、外部から光ファイバ１０３を通って伝わってきた受信光は、ビームスプリッタ１０２によって反射して光路が送信光と分離され、受光素子１０４に入射して電気信号に変換される。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−３２５２４５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光送受信装置では、発光素子と受信素子毎に個別に光ファイバとの調芯・固定作業を必要とするため、組立工数が増大し、大幅なコストアップを招いていた。同様に、調芯・固定用の部材が多数必要となるため、部品点数が増大し、大幅なコストアップを招いていた。また、光ファイバを支持するＶ溝を持つシリコン製の基板、ガラス製レンズ等の高価な材質を用いた部品と、これら部品を得るための複雑な加工を必要とするため、部材費、加工費が増大し、大幅なコストアップを招いていた。
【０００８】
また、一芯双方向通信を行うためには、送信側と受信側の光のクロストークの影響を軽減するために、光アイソレータが必要となり、部品点数増、部材コスト増につながっていた。また、光路を分離するための光学部品であるビームスプリッタが非常に高価であり、光送受信装置全体のコスト増につながっていた。
【０００９】
さらに、発光素子と受光素子を実装する際に、両素子の実装位置には非常に高精度が要求されるため、その誤差を最小限にするために組立工数、特に調芯に要する工数が増大し、大幅なコストアップを招いていた。
【００１０】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、簡単な構造で一芯双方向通信を実現した低コストな光送受信装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するため、本発明に係る光送受信装置は、電気信号を光信号に変換する発光素子と光信号を電気信号に変換する受光素子を備え、光ファイバを用いて一芯双方向通信を行う光送受信装置において、発光素子と受光素子が同一チップ上に形成され、発光素子の発光部と受光素子の受光部が近接して設けられた光集積チップと、光ファイバが挿入されるバイアホールが貫通して設けられる回路基板とを備え、バイアホールに発光部と受光部が収まる位置で、光集積チップが回路基板の一方の面に取り付けられ、回路基板の他方の面から、バイアホールに光ファイバが挿入されて固定されたものである。
【００１２】
この本発明に係る光送受信装置によれば、バイアホールに挿入されて固定される光ファイバの端面に、光集積チップの発光部および受光部が対向する。これにより、発光部から出射される送信光は光ファイバに入射するとともに、光ファイバからの受信光は受光部に入射する。したがって、単純な構造で、一芯双方向通信を実現することができる。
【００１３】
また、本発明に係る光送受信装置は、電気信号を光信号に変換する発光素子と光信号を電気信号に変換する受光素子を備え、光ファイバを用いて一芯双方向通信を行う光送受信装置において、発光素子と受光素子が同一チップ上に形成され、発光素子の発光部と受光素子の受光部が近接して設けられた光集積チップと、光ファイバが挿入されるバイアホールが貫通して設けられる回路基板と、発光部からの光路と受光部への光路を分離する光学部品とを備え、バイアホールに発光部と受光部が収まる位置で、光集積チップが回路基板の一方の面に取り付けられ、回路基板の他方の面から、バイアホールに光ファイバが挿入されて固定され、光集積チップと光ファイバとの間のバイアホール内に光学部品が取り付けられ、発光部および受光部と光ファイバの端面との間に、送信光が通る第１の導波路と受信光が通る第２の導波路が形成されたものである。
【００１４】
この本発明に係る光送受信装置によれば、バイアホールに挿入されて固定される光ファイバの端面に、第１の導波路を介して光集積チップの発光部が対向するとともに、第２の導波路を介して受光部が対向する。これにより、発光部から出射される送信光は第１の導波路を通って光ファイバに入射するとともに、光ファイバからの受信光は第２の導波路を通って受光部に入射する。したがって、送信光と受信光が分離しているので、単純な構造でクロストークを抑えて、全二重の一芯双方向通信を実現することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の光送受信装置の実施の形態を説明する。図１は第１の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す説明図で、図１（ａ）は側断面図、図１（ｂ）は要部平面図である。また、図２は第１の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す一部破断斜視図である。
【００１６】
第１の実施の形態の光送受信装置１ａは、発光素子と受光素子を同一チップ上に形成した光集積チップ２を回路基板３にフリップチップ実装するとともに、この光集積チップ２と光学的に結合する光ファイバ４を、回路基板３に設けたバイア（ｖｉａ）ホール５に挿入して固定したものである。
【００１７】
図３は光集積チップ２の構成例を示す斜視図であり、まず、光集積チップ２の構成を説明する。光集積チップ２は、発光素子と受光素子を１チップ上に作り込んだもので、光集積チップ２の表面側に発光部６と受光部７が設けられる。発光部６は面発光素子であるＶＣＳＥＬで、この発光部６の周囲に受光部７が形成される。光集積チップ２のサイズは、例えば５００×２５０μｍ程度である。
【００１８】
ここで、光集積チップ２の製造は半導体製造プロセスを利用して行われるが、エピタキシャル成長法では、発光部６の周囲に不感帯８が形成される。この不感帯８を発光部６に対して偏芯した位置に形成することで、受光部７が発光部６に近接して配置される。なお、発光部６のサイズを例えば直径１０μｍで形成する場合、不感帯８は直径１００μｍ程度、受光部７は内径１２０μｍ、外形１７０μｍ程度のサイズとする。このように、光集積チップ２を半導体製造プロセスを利用して形成することで、発光部６と受光部７を近接して、かつ、高い位置精度で配置することが可能となる。また、既存の半導体製造設備を利用できることから、高精度な光集積チップ２を低コストで製造することができる。
【００１９】
光集積チップ２の表面には、受光部７のアノード電極７ａとカソード電極７ｂが設けられる。また光集積チップ２の表面には、発光部６のアノード電極６ａが設けられる。さらに光集積チップ２の裏面には、発光部６のカソード電極６ｂが設けられる。なお、各電極の配置は一例であり、発光部６のカソード電極をチップ表面側に形成してもよい。
【００２０】
次に、この光集積チップ２が取り付けられる回路基板３等の構成について、図１および図２を参照して説明する。回路基板３は一般的なガラスエポキシ基板で、この回路基板３の裏面には、図３で説明したアノード電極６ａおよび７ａと、カソード電極７ｂと接続されるフリップチップ実装用の電極パッド９が設けられる。なお、図２では、一部の電極パッド９を表示してある。
【００２１】
また回路基板３には、電極パッド９以外の回路パターンが作り込まれ、さらに、トランスインピーダンスアンプやリミッティングアンプ、もしくはそれらを集積したＩＣ等の光学素子駆動用ＩＣや受信用ＩＣ、その他、受動部品も実装される。
【００２２】
そして、回路基板３は、外部からの電気信号を発光素子駆動用の信号に変換して、光集積チップ２へ送り出す機能を持つ。外部からの光信号（受信光）は、光集積チップ２の図示しない受光素子によって電気信号に変換され、回路基板３に入力される。回路基板３は、受信光による電気信号を後段のロジックに適合するような信号に変換する機能を持つ。
【００２３】
光ファイバ４は、光が導波するコア部４ａと、このコア部４ａより屈折率が低いクラッド部４ｂから構成される。このクラッド部４ｂでコア部４ａの周囲が覆われることで、コア部４ａに光が閉じ込められる。ここで、本実施の形態では、光ファイバ４として、コア部４ａの径が大きいマルチモードファイバが用いられる。そして、光集積チップ２の発光部６と受光部７は、それぞれの一部分、あるいは全部が、光ファイバ４のコア部４ａの直径に収まる距離に設けられる。
【００２４】
バイアホール５は回路基板３を貫通して設けられる。このバイアホール５は、例えばレーザ加工によって開けられる。ここで、バイアホール５の直径は、使用する光ファイバ４の直径に応じて１００〜２５０μｍ程度となるが、レーザ加工により回路基板３に貫通孔を開けることで、バイアホール５は、光ファイバ４に対するクリアランスが直径で±２０〜３０μｍ（半径で１０〜１５μｍ）程度に設定される。このように、レーザ加工を用いて回路基板３に貫通孔を開けることで、光ファイバ４の径に対して高い寸法精度を持ったバイアホール５を形成することができる。
【００２５】
回路基板３の裏面においては、バイアホール５の周囲の所定の位置に電極パッド９が配置される。これにより、回路基板３に光集積チップ２を取り付け、バイアホール５に光ファイバ４を取り付けると、光集積チップ２の発光部６および受光部７と、光ファイバ４の位置合わせが行われる。
【００２６】
次に、第１の実施の形態の光送受信装置１ａの組立工程を説明する。図４は第１の実施の形態の光送受信装置１ａにおける光集積チップ２の取付工程例を示す説明図で、図４（ａ）は側断面図、図４（ｂ）は要部平面図である。また、図５は第１の実施の形態の光送受信装置１ａにおける光集積チップ２の取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【００２７】
まず、バイアホール５が予め開けられた回路基板３に、光集積チップ２をフリップチップ実装する。このとき、回路基板３の面やバイアホール５、光集積チップ２をＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラで撮影し、画像認識を行って、光集積チップ２の位置合わせを行う。そして、回路基板３の電極パッド９に光集積チップ２の各電極がフリップチップ実装されることによって、光集積チップ２は、発光部６がバイアホール５の中心と一致する位置で回路基板３に固定される。
【００２８】
図６は第１の実施の形態の光送受信装置１ａにおける光ファイバ４の取付工程例を示す説明図で、図６（ａ）は側断面図、図６（ｂ）は要部平面図である。また、図７は第１の実施の形態の光送受信装置１ａにおける光ファイバ４の取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【００２９】
光集積チップ２を回路基板３にフリップチップ実装した後、回路基板３のバイアホール５に、光集積チップ２とは反対側の表面側から光ファイバ４を挿入する。ここで、光ファイバ４は、その端面が光集積チップ２の表面に当接する位置まで挿入される。そして、光ファイバ４を樹脂１０等を接着剤として用いて回路基板３に固定する。
【００３０】
上述したように、回路基板３のバイアホール５は、光ファイバ４に対するクリアランスが直径で±２０〜３０μｍ程度とかなりの高精度で開けられている。このため、光ファイバ４が挿入されるだけで、バイアホール５は、光ファイバ４のコア部４ａの中心をバイアホール５の中心にアライメントする機能を持つ。また、光ファイバ４を樹脂で固定する際に、光ファイバ４の外周面とバイアホール５の内周面との間に入り込む樹脂により、光ファイバ４は周囲から均等な張力がかかる。よって、接着によっても、光ファイバ４の径方向の位置をアライメントする機能が生じる。したがって、光ファイバ４の実装時には光ファイバ４の調芯を行う必要がなく、かつ位置決め用の部品を別に必要としない。さらに、発光部６と受光部７が光集積チップ２上に一体に形成されているので、受発光素子のそれぞれと光ファイバ４との調芯も不要である。
【００３１】
ここで、樹脂１０として光透過性の樹脂を利用することで、光ファイバ４の端面と光集積チップ２の表面との間に樹脂１０を介在させる形態で接着を行うこともできる。
【００３２】
以上のように、光集積チップ２および光ファイバ４を回路基板３に実装することで、図１および図２に示すように、光集積チップ２の発光部６の中心、バイアホール５の中心、そして光ファイバ４のコア部４ａの中心が略一致した状態で固定される。
【００３３】
これにより、外部から光送受信装置１ａに入ってきた電気信号は、回路基板３に形成されたＩＣ類や光集積チップ２の図示しない発光素子を介して光信号に変換され、発光部６から出射される送信光となる。送信光は光ファイバ４のコア部４ａに入射し、光送受信装置１ａの外部へと出て行く。
【００３４】
また、外部から光ファイバ４を介して入ってきた受信光は、光集積チップ２の受光部７に入射され、回路基板３を介して電気信号として出力される。このようにして、第１の実施の形態の光送受信装置１ａでは、半二重による一芯双方向通信が実現される。ここで、光集積チップ２の発光部６が光ファイバ４のコア部４ａの中心と略一致するように取り付けられているが、不感帯８を偏芯させて設けることで、受光部７も、光ファイバ４のコア部４の中心と近い位置に配置される。これにより、受信光として強度の強い光を利用できる。
【００３５】
次に、送信光と受信光の経路を分離して全二重による一芯双方向通信を行えるようにした第２および第３の実施の形態の光送受信装置について説明する。図８は第２の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す説明図で、図８（ａ）は側断面図、図８（ｂ）は要部平面図である。また、図９は第２の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す一部破断斜視図である。なお、第１の実施の形態の光送受信装置１ａと同一の構成の部位については、同じ番号を付して説明する。
【００３６】
第２の実施の形態の光送受信装置１ｂは、光ファイバ４と光集積チップ２の間に送信光と受信光の経路を分離する光学部品１１を入れたものである。光学部品１１は、例えば２層構造のガラスファイバの外面に金属メッキを施したもので、内層部に対して外層部の屈折率を異ならせてある。これにより、内層部に光が閉じ込められることになり、この内層部によって第１の導波路１１ａを形成する。また、外層部によって第２の導波路１１ｂを形成するため、光学部品１１の外面に金属メッキ等によって全反射膜１１ｃを形成して、光を閉じ込められるようにしてある。これにより、光学部品１１においては、第１の導波路１１ａを通る光と第２の導波路１１ｂを通る光が分離され、互いが干渉しないようになっている。
【００３７】
光集積チップ２の構成は図３で説明した通りであり、この光集積チップ２は、発光素子と受光素子を１チップ上に作り込んだもので、光集積チップ２の表面側に発光部６と受光部７が設けられる。発光部６の周囲に形成される不感帯８を、発光部６に対して偏芯した位置に形成することで、受光部７が発光部６に近接して配置される。
【００３８】
回路基板３には光ファイバ４が挿入されるバイアホール５が貫通して設けられる。また、回路基板３の裏面には、バイアホール５の周囲の所定の位置に、光集積チップ２のアノード電極６ａ等と接続される電極パッド９が設けられる。
【００３９】
次に、第２の実施の形態の光送受信装置１ｂの組立工程を説明する。図１０は第２の実施の形態の光送受信装置１ｂにおける光集積チップ２の取付工程例を示す説明図で、図１０（ａ）は側断面図、図１０（ｂ）は要部平面図である。また、図１１は第２の実施の形態の光送受信装置１ｂにおける光集積チップ２の取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【００４０】
まず、光学部品１１の一方の端面を光集積チップ２の表面に突き当てるようにして、光学部品１１を光集積チップ２の表面に光透過性の樹脂１０を接着剤として用いて接着する。光学部品１１の実装時は、光集積チップ２と光学部品１１の径方向の位置関係が重要であり、光集積チップ２の発光部６から上方へ出射される光が光学部品１１の第１の導波路１１ａにほぼ入るように実装される。
【００４１】
このとき、受光部７の上部には第２の導波路１１ｂが位置するように光学部品１１の径等は設計されており、第２の導波路１１ｂを介して外部から入ってきた光は、光集積チップ２の受光部７もしくは不感帯８に照射される。
【００４２】
次に、バイアホール５が予め開けられた回路基板３に、光学部品１１を取り付けた光集積チップ２をフリップチップ実装する。このとき、回路基板３の面やバイアホール５、光集積チップ２および光学部品１１をＣＣＤカメラで撮影し、画像認識を行って、光集積チップ２の位置合わせを行う。そして、回路基板３の電極パッド９に光集積チップ２の各電極がフリップチップ実装されることによって、光集積チップ２は、発光部６がバイアホール５の中心と一致する位置で回路基板３に固定される。なお、光学部品１１の径はバイアホール５の径より小さく、光学部品１１がバイアホール５に挿入された状態で、光集積チップ２の位置決めが行えるようになっている。
【００４３】
図１２は第２の実施の形態の光送受信装置１ｂにおける光ファイバ４の取付工程例を示す説明図で、図１２（ａ）は側断面図、図１２（ｂ）は要部平面図である。また、図１３は第２の実施の形態の光送受信装置１ｂにおける光ファイバ４の取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【００４４】
光学部品１１が取り付けられた光集積チップ２を回路基板３にフリップチップ実装した後、回路基板３のバイアホール５に、光集積チップ２とは反対側の表面側から光ファイバ４を挿入する。ここで、光ファイバ４は、その端面が光学部品１１の他方の端面に当接する位置まで挿入される。そして、光ファイバ４を樹脂１０を接着剤として用いて回路基板３に固定する。
【００４５】
上述したように、回路基板３のバイアホール５は、光ファイバ４に対するクリアランスが直径で±２０〜３０μｍ程度とかなりの高精度で開けられている。このため、光ファイバ４が挿入されるだけで、バイアホール５は、光ファイバ４のコア部４ａの中心をバイアホール５の中心にアライメントする機能を持つ。また、光ファイバ４を樹脂で固定する際に、光ファイバ４の外周面とバイアホール５の内周面との間に入り込む樹脂により、光ファイバ４は周囲から均等な張力がかかる。よって、接着によっても、光ファイバ４の径方向の位置をアライメントする機能が生じる。
【００４６】
以上のように、光集積チップ２および光ファイバ４を回路基板３に実装することで、図８および図９に示すように、光集積チップ２の発光部６の中心、光学部品１１の第１の導波路１１ａの中心、バイアホール５の中心、そして光ファイバ４のコア部４ａの中心が略一致した状態で固定される。
【００４７】
これにより、外部から光送受信装置１ｂに入ってきた電気信号は、回路基板３に形成されたＩＣ類や光集積チップ２の図示しない発光素子を介して光信号に変換され、発光部６から出射される送信光となる。送信光は光学部品１１の第１の導波路１１ａを伝わって光ファイバ４のコア部４ａに入射し、光送受信装置１ｂの外部へと出て行く。
【００４８】
また、外部から光ファイバ４を介して入ってきた受信光は、光学部品１１の第１の導波路１１ａと第２の導波路１１ｂの両方に入り、第２の導波路１１ｂを伝わった光は光集積チップ２の受光部７に入射され、回路基板３を介して電気信号として出力される。ここで、発光部６のエリアは第１の導波路１１ａの断面積に比べて十分小さいため、第１の導波路１１ａと第２の導波路１１ｂに入射した受信光のうち、第１の導波路１１ａを伝わる光のほとんどは不感帯８に落ち、送信信号、受信信号に影響を及ぼさない。このように、第２の実施の形態の光送受信装置１ｂでは、光学部品１１によって送信光と受信光の経路が分離され、全二重による一芯双方向通信が実現される。
【００４９】
図１４は第３の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す説明図で、図１４（ａ）は側断面図、図１４（ｂ）は要部平面図である。また、図１５は第３の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す一部破断斜視図である。なお、第１の実施の形態の光送受信装置１ａと同一の構成の部位については、同じ番号を付して説明する。
【００５０】
第３の実施の形態の光送受信装置１ｃは、光ファイバ４と光集積チップ２の間に送信光と受信光の経路を分離する光学部品１２を入れ、バイアホール５の内面に全反射膜１３を形成したものである。光学部品１２は、例えばガラス管の周りに金属メッキによる全反射膜１２ａを形成したもので、全反射膜１２ａの内側に光が閉じ込められる第１の導波路１２ｂが形成される。
【００５１】
光集積チップ２の構成は図３で説明した通りである。また、回路基板３には光ファイバ４が挿入されるバイアホール５が貫通して設けられる。このバイアホール５の内面に、例えば金属メッキによる全反射膜１３が形成される。光学部品１２の径はバイアホール５の径より小さく、光学部品１２の外面とバイアホール５の内面との間には光が通る隙間が形成される。そして、バイアホール５の内面の全反射膜１３と光学部品１２の外面の全反射膜１２ａにより、光学部品１２の外面とバイアホール５の内面との間に光が閉じ込められる第２の導波路１３ａが形成される。
【００５２】
次に、第３の実施の形態の光送受信装置１ｃの組立工程を説明する。図１６は第３の実施の形態の光送受信装置１ｃにおける光集積チップ２の取付工程例を示す説明図で、図１６（ａ）は側断面図、図１６（ｂ）は要部平面図である。また、図１７は第３の実施の形態の光送受信装置１ｃにおける光集積チップ２の取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【００５３】
まず、光学部品１２の一方の端面を光集積チップ２の表面に突き当てるようにして、光学部品１２を光集積チップ２の表面に光透過性の樹脂１０を接着剤として用いて接着する。光学部品１２の実装時は、光集積チップ２と光学部品１２の径方向の位置関係が重要であり、光集積チップ２の発光部６から上方へ出射される光が光学部品１２の第１の導波路１２ｂにほぼ入るように実装される。
【００５４】
次に、バイアホール５が予め開けられ、かつ、このバイアホール５の内面に全反射膜１３が形成された回路基板３に、光学部品１２を取り付けた光集積チップ２をフリップチップ実装する。このとき、回路基板３の面やバイアホール５、光集積チップ２および光学部品１２をＣＣＤカメラで撮影し、画像認識を行って、光集積チップ２の位置合わせを行う。そして、回路基板３の電極パッド９に光集積チップ２の各電極がフリップチップ実装されることによって、光集積チップ２は、発光部６がバイアホール５の中心と一致する位置で回路基板３に固定される。
【００５５】
図１８は第３の実施の形態の光送受信装置１ｃにおける光ファイバ４の取付工程例を示す説明図で、図１８（ａ）は側断面図、図１８（ｂ）は要部平面図である。また、図１９は第３の実施の形態の光送受信装置１ｃにおける光ファイバ４の取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【００５６】
光学部品１２が取り付けられた光集積チップ２を回路基板３にフリップチップ実装した後、回路基板３のバイアホール５に、光集積チップ２とは反対側の表面側から光ファイバ４を挿入する。ここで、光ファイバ４は、その端面が光学部品１２の他方の端面に当接する位置まで挿入される。そして、光ファイバ４を樹脂１０を接着剤として用いて回路基板３に固定する。
【００５７】
以上のように、光集積チップ２および光ファイバ４を回路基板３に実装することで、図１４および図１５に示すように、光集積チップ２の発光部６の中心、光学部品１２の第１の導波路１２ｂの中心、バイアホール５の中心、そして光ファイバ４のコア部４ａの中心が略一致した状態で固定される。
【００５８】
これにより、外部から光送受信装置１ｃに入ってきた電気信号は、回路基板３に形成されたＩＣ類や光集積チップ２の図示しない発光素子を介して光信号に変換され、発光部６から出射される送信光となる。送信光は光学部品１２の第１の導波路１２ｂを伝わって光ファイバ４のコア部４ａに入射し、光送受信装置１ｃの外部へと出て行く。
【００５９】
また、外部から光ファイバ４を介して入ってきた受信光は、光学部品１２の第１の導波路１２ｂと、光学部品１２の外面とバイアホール５の内面との間に形成される第２の導波路１３ａの両方に入る。第２の導波路１３ａに入射した光は全反射膜１２ａと全反射膜１３で反射しながら伝わり、光集積チップ２の受光部７に入射され、回路基板３を介して電気信号として出力される。ここで、発光部６のエリアは第１の導波路１２ｂの断面積に比べて十分小さいため、第１の導波路１２ｂと第２の導波路１３ａに入射した受信光のうち、第１の導波路１２ｂを伝わる光のほとんどは不感帯８に落ち、送信信号、受信信号に影響を及ぼさない。このようにして、第３の実施の形態の光送受信装置１ｃでは送信光と受信光の経路が分離され、全二重による一芯双方向通信が実現される。
【００６０】
次に、上述した第１〜第３の実施の形態の光送受信装置の具体的な使用例を説明する。図２０は第１〜第３の実施の形態の光送受信装置の使用例を示す構成図である。
【００６１】
第１〜第３の実施の形態の光送受信装置１ａ〜１ｃは、例えば、基板間の信号の伝送に用いられる。回路基板３としては、複数の光ファイバ４が取り付けられ、かつ各光ファイバ４に対応して光集積チップ２が取り付けられるものを用いる。この回路基板３が、映像処理用等のＩＣ１４ａ等で構成される基板１４に立てた状態で取り付けられ、基板１４間を複数の光ファイバ４で結ぶ。
【００６２】
第１〜第３の実施の形態の光送受信装置１ａ〜１ｃは、回路基板３に設けたバイアホール５と光集積チップ２等で構成され、光路分離のためのビームスプリッタや、光ファイバ４を固定するためのコネクタ等が不要であるので、非常に小形のものとなる。よって、情報処理装置等の内部に設けた異なる基板間を、多芯の光ファイバ４で結ぶような形態を実現できる。かつ、それぞれの光ファイバ４では一芯双方向通信が可能である。これにより、基板間で大容量の情報を高速で伝送することが可能となる。例えば、光ファイバ４の１本当りの伝送レートが１Ｇｂｐｓであると、３２本の光ファイバ４で基板１４間を結ぶこととすれば、３２Ｇｂｐｓの伝送レートを実現できる。
【００６３】
したがって、処理能力を落とすことなく、基板１４を小型化のために２枚に分割するような形態とすることが可能となる。また、図示しないが、１枚の基板内で、従来回路パターンによっていた伝送経路を、第１〜第３の実施の形態の光送受信装置１ａ〜１ｃを用いて光ファイバに置き換えることも考えられる。第１〜第３の実施の形態の光送受信装置１ａ〜１ｃは非常に小形のものとなるので、基板上での占有面積は少なくて済む。これに対して、回路パターンを無くせる分、基板を小型化できる。また、光ファイバの下に部品を配置することも可能であるので、実装密度を上げることができる。
【００６４】
以上説明したように、第１〜第３の実施の形態の光送受信装置１ａ〜１ｃでは、発光素子と受光素子を１チップ上に集積しているため、それぞれを別々に実装する従来の方法に比べて、両素子間の位置精度を極めて高くすることができる。すなわち、従来は製造装置の実装精度で発光素子と受光素子の位置精度が決まっていたのに対して、各実施の形態で用いた光集積チップ２は、半導体製造プロセスによって極めて高い精度が得られている。このため、従来に比べて調芯工程を簡略化した低コストの光送受信装置を提供できる。
【００６５】
また、発光素子と受光素子を１チップ上に集積することによって発光部６と受光部７との距離を従来の方法より短くできるため、一芯双方向通信を実現するにあたって、例えばビームスプリッタのような光路を分離するために必要な高価な光学部品が不要となり、結果として、低コストな光送受信装置を提供できる。
【００６６】
さらに、光学部品１１，１２あるいは光ファイバ４の端面が発光部６と突き当たる状態で実装されるので、反射戻り光を低減でき、クロストークを抑えた光送受信装置を提供できる。
【００６７】
また、回路基板３に形成されたバイアホール５に光ファイバ４のアライメント機能を持たせているため、従来のシリコン製またはガラス製、プラスチック製のアライメント用部品、例えば光ファイバを支持するＶ溝を持つ基板が不要となり、部品点数、組み立て工数の少ない低コストな光送受信装置を提供できる。
【００６８】
さらに、第２および第３の実施の形態の光送受信装置１ｂ，１ｃでは、光学部品１１，１２を用いることで、送信側の光路と受信側の光路が分離されているため、特に発光部６から受光部７への光の漏れこみの影響が低減でき、全二重双方向通信におけるクロストークを抑えた光送受信装置を提供できる。そして、光学部品１１，１２はファイバやガラス管を加工しただけのものなので、従来必要とされていた光アイソレータと比較して非常に低コストで実現でき、低コストでクロストークを抑えた光送受信装置を影響できる。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、電気信号を光信号に変換する発光素子と光信号を電気信号に変換する受光素子を備え、光ファイバを用いて一芯双方向通信を行う光送受信装置において、発光素子と受光素子が同一チップ上に形成され、発光素子の発光部と受光素子の受光部が近接して設けられた光集積チップと、光ファイバが挿入されるバイアホールが貫通して設けられる回路基板とを備え、バイアホールに発光部と受光部が収まる位置で、光集積チップが回路基板の一方の面に取り付けられ、回路基板の他方の面から、バイアホールに光ファイバが挿入されて固定されたものである。
【００７０】
これにより、発光部から出射される送信光が光ファイバに入射するとともに、光ファイバからの受信光は受光部に入射する。したがって、単純な構造で、一芯双方向通信を実現することができる。
【００７１】
また、本発明は、発光部からの光路と受光部への光路を分離する光学部品を備え、光集積チップと光ファイバとの間のバイアホール内にこの光学部品を取り付けて、発光部および受光部と光ファイバの端面との間に、送信光が通る第１の導波路と受信光が通る第２の導波路を形成したものである。
【００７２】
これにより、発光部から出射される送信光は第１の導波路を通って光ファイバに入射するとともに、光ファイバからの受信光は第２の導波路を通って受光部に入射する。したがって、送信光と受信光が分離しているので、単純な構造でクロストークを抑えて、全二重の一芯双方向通信を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す説明図である。
【図２】第１の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す一部破断斜視図である。
【図３】光集積チップの構成例を示す斜視図である。
【図４】第１の実施の形態の光送受信装置における光集積チップの取付工程例を示す説明図である。
【図５】第１の実施の形態の光送受信装置における光集積チップの取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【図６】第１の実施の形態の光送受信装置における光ファイバの取付工程例を示す説明図である。
【図７】第１の実施の形態の光送受信装置における光ファイバの取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【図８】第２の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す説明図である。
【図９】第２の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す一部破断斜視図である。
【図１０】第２の実施の形態の光送受信装置における光集積チップの取付工程例を示す説明図である。
【図１１】第２の実施の形態の光送受信装置における光集積チップの取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【図１２】第２の実施の形態の光送受信装置における光ファイバの取付工程例を示す説明図である。
【図１３】第２の実施の形態の光送受信装置における光ファイバの取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【図１４】第３の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す説明図である。
【図１５】第３の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す一部破断斜視図である。
【図１６】第３の実施の形態の光送受信装置における光集積チップの取付工程例を示す説明図である。
【図１７】第３の実施の形態の光送受信装置における光集積チップの取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【図１８】第３の実施の形態の光送受信装置における光ファイバの取付工程例を示す説明図である。
【図１９】第３の実施の形態の光送受信装置における光ファイバの取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【図２０】第１〜第３の実施の形態の光送受信装置の使用例を示す構成図である。
【図２１】従来の光送受信装置の構成例を示す平面図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ・・・光送受信装置、２・・・光集積チップ、３・・・回路基板、４・・・光ファイバ、４ａ・・・コア部、４ｂ・・・クラッド部、５・・・バイアホール、６・・・発光部、７・・・受光部、８・・・不感帯、９・・・電極パッド、１０・・・樹脂、１１・・・光学部品、１１ａ・・・第１の導波路、１１ｂ・・・第２の導波路、１１ｃ・・・全反射膜、１２・・・光学部品、１２ａ・・・全反射膜、１２ｂ・・・第１の導波路、１３・・・全反射膜、１３ａ・・・第２の導波路
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを用いて一芯双方向通信を行う光送受信装置に関する。詳しくは、回路基板に設けたバイアホールに光ファイバを挿入して固定するとともに、発光素子と受光素子を同一チップ上に形成した光集積チップをバイアホールに対向して取り付けることで、簡単な構造で一芯双方向通信を行えるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを利用した光通信を行う装置には、電気信号を発光素子で光信号に変換して光ファイバへ出力し、また、光ファイバからの光信号を受光素子で電気信号に変換して出力する光送受信装置が設けられている。
【０００３】
従来の光送受信装置の構成は、発光素子および受光素子がそれぞれ個別の金属製カンパッケージ上もしくはシリコンのサブマウント上に実装され、光ファイバと良好な光学結合が得られるように、個別に調芯、固定されているのが一般的である。
【０００４】
また、発光素子から出射される送信用の光が通る光ファイバと外部から入ってくる受信用の光が通る光ファイバを同一のものにする方式、いわゆる一芯双方向方式においては、発光素子、受光素子の他に、光を集光するためのレンズ、光路を分離するためのビームスプリッタ等が必要であった（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
図２１は従来の光送受信装置の構成例を示す平面図である。発光素子１００から出射された送信光はレンズ１０１によって集光され、ビームスプリッタ１０２を透過し、光ファイバ１０３のコアの部分に入射して伝播する。また、外部から光ファイバ１０３を通って伝わってきた受信光は、ビームスプリッタ１０２によって反射して光路が送信光と分離され、受光素子１０４に入射して電気信号に変換される。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−３２５２４５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光送受信装置では、発光素子と受信素子毎に個別に光ファイバとの調芯・固定作業を必要とするため、組立工数が増大し、大幅なコストアップを招いていた。同様に、調芯・固定用の部材が多数必要となるため、部品点数が増大し、大幅なコストアップを招いていた。また、光ファイバを支持するＶ溝を持つシリコン製の基板、ガラス製レンズ等の高価な材質を用いた部品と、これら部品を得るための複雑な加工を必要とするため、部材費、加工費が増大し、大幅なコストアップを招いていた。
【０００８】
また、一芯双方向通信を行うためには、送信側と受信側の光のクロストークの影響を軽減するために、光アイソレータが必要となり、部品点数増、部材コスト増につながっていた。また、光路を分離するための光学部品であるビームスプリッタが非常に高価であり、光送受信装置全体のコスト増につながっていた。
【０００９】
さらに、発光素子と受光素子を実装する際に、両素子の実装位置には非常に高精度が要求されるため、その誤差を最小限にするために組立工数、特に調芯に要する工数が増大し、大幅なコストアップを招いていた。
【００１０】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、簡単な構造で一芯双方向通信を実現した低コストな光送受信装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するため、本発明に係る光送受信装置は、電気信号を光信号に変換する発光素子と光信号を電気信号に変換する受光素子を備え、光ファイバを用いて一芯双方向通信を行う光送受信装置において、発光素子と受光素子が同一チップ上に形成され、発光素子の発光部と受光素子の受光部が近接して設けられた光集積チップと、光ファイバが挿入されるバイアホールが貫通して設けられる回路基板とを備え、バイアホールに発光部と受光部が収まる位置で、光集積チップが回路基板の一方の面に取り付けられ、回路基板の他方の面から、バイアホールに光ファイバが挿入されて固定されたものである。
【００１２】
この本発明に係る光送受信装置によれば、バイアホールに挿入されて固定される光ファイバの端面に、光集積チップの発光部および受光部が対向する。これにより、発光部から出射される送信光は光ファイバに入射するとともに、光ファイバからの受信光は受光部に入射する。したがって、単純な構造で、一芯双方向通信を実現することができる。
【００１３】
また、本発明に係る光送受信装置は、電気信号を光信号に変換する発光素子と光信号を電気信号に変換する受光素子を備え、光ファイバを用いて一芯双方向通信を行う光送受信装置において、発光素子と受光素子が同一チップ上に形成され、発光素子の発光部と受光素子の受光部が近接して設けられた光集積チップと、光ファイバが挿入されるバイアホールが貫通して設けられる回路基板と、発光部からの光路と受光部への光路を分離する光学部品とを備え、バイアホールに発光部と受光部が収まる位置で、光集積チップが回路基板の一方の面に取り付けられ、回路基板の他方の面から、バイアホールに光ファイバが挿入されて固定され、光集積チップと光ファイバとの間のバイアホール内に光学部品が取り付けられ、発光部および受光部と光ファイバの端面との間に、送信光が通る第１の導波路と受信光が通る第２の導波路が形成されたものである。
【００１４】
この本発明に係る光送受信装置によれば、バイアホールに挿入されて固定される光ファイバの端面に、第１の導波路を介して光集積チップの発光部が対向するとともに、第２の導波路を介して受光部が対向する。これにより、発光部から出射される送信光は第１の導波路を通って光ファイバに入射するとともに、光ファイバからの受信光は第２の導波路を通って受光部に入射する。したがって、送信光と受信光が分離しているので、単純な構造でクロストークを抑えて、全二重の一芯双方向通信を実現することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の光送受信装置の実施の形態を説明する。図１は第１の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す説明図で、図１（ａ）は側断面図、図１（ｂ）は要部平面図である。また、図２は第１の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す一部破断斜視図である。
【００１６】
第１の実施の形態の光送受信装置１ａは、発光素子と受光素子を同一チップ上に形成した光集積チップ２を回路基板３にフリップチップ実装するとともに、この光集積チップ２と光学的に結合する光ファイバ４を、回路基板３に設けたバイア（ｖｉａ）ホール５に挿入して固定したものである。
【００１７】
図３は光集積チップ２の構成例を示す斜視図であり、まず、光集積チップ２の構成を説明する。光集積チップ２は、発光素子と受光素子を１チップ上に作り込んだもので、光集積チップ２の表面側に発光部６と受光部７が設けられる。発光部６は面発光素子であるＶＣＳＥＬで、この発光部６の周囲に受光部７が形成される。光集積チップ２のサイズは、例えば５００×２５０μｍ程度である。
【００１８】
ここで、光集積チップ２の製造は半導体製造プロセスを利用して行われるが、エピタキシャル成長法では、発光部６の周囲に不感帯８が形成される。この不感帯８を発光部６に対して偏芯した位置に形成することで、受光部７が発光部６に近接して配置される。なお、発光部６のサイズを例えば直径１０μｍで形成する場合、不感帯８は直径１００μｍ程度、受光部７は内径１２０μｍ、外形１７０μｍ程度のサイズとする。このように、光集積チップ２を半導体製造プロセスを利用して形成することで、発光部６と受光部７を近接して、かつ、高い位置精度で配置することが可能となる。また、既存の半導体製造設備を利用できることから、高精度な光集積チップ２を低コストで製造することができる。
【００１９】
光集積チップ２の表面には、受光部７のアノード電極７ａとカソード電極７ｂが設けられる。また光集積チップ２の表面には、発光部６のアノード電極６ａが設けられる。さらに光集積チップ２の裏面には、発光部６のカソード電極６ｂが設けられる。なお、各電極の配置は一例であり、発光部６のカソード電極をチップ表面側に形成してもよい。
【００２０】
次に、この光集積チップ２が取り付けられる回路基板３等の構成について、図１および図２を参照して説明する。回路基板３は一般的なガラスエポキシ基板で、この回路基板３の裏面には、図３で説明したアノード電極６ａおよび７ａと、カソード電極７ｂと接続されるフリップチップ実装用の電極パッド９が設けられる。なお、図２では、一部の電極パッド９を表示してある。
【００２１】
また回路基板３には、電極パッド９以外の回路パターンが作り込まれ、さらに、トランスインピーダンスアンプやリミッティングアンプ、もしくはそれらを集積したＩＣ等の光学素子駆動用ＩＣや受信用ＩＣ、その他、受動部品も実装される。
【００２２】
そして、回路基板３は、外部からの電気信号を発光素子駆動用の信号に変換して、光集積チップ２へ送り出す機能を持つ。外部からの光信号（受信光）は、光集積チップ２の図示しない受光素子によって電気信号に変換され、回路基板３に入力される。回路基板３は、受信光による電気信号を後段のロジックに適合するような信号に変換する機能を持つ。
【００２３】
光ファイバ４は、光が導波するコア部４ａと、このコア部４ａより屈折率が低いクラッド部４ｂから構成される。このクラッド部４ｂでコア部４ａの周囲が覆われることで、コア部４ａに光が閉じ込められる。ここで、本実施の形態では、光ファイバ４として、コア部４ａの径が大きいマルチモードファイバが用いられる。そして、光集積チップ２の発光部６と受光部７は、それぞれの一部分、あるいは全部が、光ファイバ４のコア部４ａの直径に収まる距離に設けられる。
【００２４】
バイアホール５は回路基板３を貫通して設けられる。このバイアホール５は、例えばレーザ加工によって開けられる。ここで、バイアホール５の直径は、使用する光ファイバ４の直径に応じて１００〜２５０μｍ程度となるが、レーザ加工により回路基板３に貫通孔を開けることで、バイアホール５は、光ファイバ４に対するクリアランスが直径で±２０〜３０μｍ（半径で１０〜１５μｍ）程度に設定される。このように、レーザ加工を用いて回路基板３に貫通孔を開けることで、光ファイバ４の径に対して高い寸法精度を持ったバイアホール５を形成することができる。
【００２５】
回路基板３の裏面においては、バイアホール５の周囲の所定の位置に電極パッド９が配置される。これにより、回路基板３に光集積チップ２を取り付け、バイアホール５に光ファイバ４を取り付けると、光集積チップ２の発光部６および受光部７と、光ファイバ４の位置合わせが行われる。
【００２６】
次に、第１の実施の形態の光送受信装置１ａの組立工程を説明する。図４は第１の実施の形態の光送受信装置１ａにおける光集積チップ２の取付工程例を示す説明図で、図４（ａ）は側断面図、図４（ｂ）は要部平面図である。また、図５は第１の実施の形態の光送受信装置１ａにおける光集積チップ２の取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【００２７】
まず、バイアホール５が予め開けられた回路基板３に、光集積チップ２をフリップチップ実装する。このとき、回路基板３の面やバイアホール５、光集積チップ２をＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラで撮影し、画像認識を行って、光集積チップ２の位置合わせを行う。そして、回路基板３の電極パッド９に光集積チップ２の各電極がフリップチップ実装されることによって、光集積チップ２は、発光部６がバイアホール５の中心と一致する位置で回路基板３に固定される。
【００２８】
図６は第１の実施の形態の光送受信装置１ａにおける光ファイバ４の取付工程例を示す説明図で、図６（ａ）は側断面図、図６（ｂ）は要部平面図である。また、図７は第１の実施の形態の光送受信装置１ａにおける光ファイバ４の取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【００２９】
光集積チップ２を回路基板３にフリップチップ実装した後、回路基板３のバイアホール５に、光集積チップ２とは反対側の表面側から光ファイバ４を挿入する。ここで、光ファイバ４は、その端面が光集積チップ２の表面に当接する位置まで挿入される。そして、光ファイバ４を樹脂１０等を接着剤として用いて回路基板３に固定する。
【００３０】
上述したように、回路基板３のバイアホール５は、光ファイバ４に対するクリアランスが直径で±２０〜３０μｍ程度とかなりの高精度で開けられている。このため、光ファイバ４が挿入されるだけで、バイアホール５は、光ファイバ４のコア部４ａの中心をバイアホール５の中心にアライメントする機能を持つ。また、光ファイバ４を樹脂で固定する際に、光ファイバ４の外周面とバイアホール５の内周面との間に入り込む樹脂により、光ファイバ４は周囲から均等な張力がかかる。よって、接着によっても、光ファイバ４の径方向の位置をアライメントする機能が生じる。したがって、光ファイバ４の実装時には光ファイバ４の調芯を行う必要がなく、かつ位置決め用の部品を別に必要としない。さらに、発光部６と受光部７が光集積チップ２上に一体に形成されているので、受発光素子のそれぞれと光ファイバ４との調芯も不要である。
【００３１】
ここで、樹脂１０として光透過性の樹脂を利用することで、光ファイバ４の端面と光集積チップ２の表面との間に樹脂１０を介在させる形態で接着を行うこともできる。
【００３２】
以上のように、光集積チップ２および光ファイバ４を回路基板３に実装することで、図１および図２に示すように、光集積チップ２の発光部６の中心、バイアホール５の中心、そして光ファイバ４のコア部４ａの中心が略一致した状態で固定される。
【００３３】
これにより、外部から光送受信装置１ａに入ってきた電気信号は、回路基板３に形成されたＩＣ類や光集積チップ２の図示しない発光素子を介して光信号に変換され、発光部６から出射される送信光となる。送信光は光ファイバ４のコア部４ａに入射し、光送受信装置１ａの外部へと出て行く。
【００３４】
また、外部から光ファイバ４を介して入ってきた受信光は、光集積チップ２の受光部７に入射され、回路基板３を介して電気信号として出力される。このようにして、第１の実施の形態の光送受信装置１ａでは、半二重による一芯双方向通信が実現される。ここで、光集積チップ２の発光部６が光ファイバ４のコア部４ａの中心と略一致するように取り付けられているが、不感帯８を偏芯させて設けることで、受光部７も、光ファイバ４のコア部４の中心と近い位置に配置される。これにより、受信光として強度の強い光を利用できる。
【００３５】
次に、送信光と受信光の経路を分離して全二重による一芯双方向通信を行えるようにした第２および第３の実施の形態の光送受信装置について説明する。図８は第２の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す説明図で、図８（ａ）は側断面図、図８（ｂ）は要部平面図である。また、図９は第２の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す一部破断斜視図である。なお、第１の実施の形態の光送受信装置１ａと同一の構成の部位については、同じ番号を付して説明する。
【００３６】
第２の実施の形態の光送受信装置１ｂは、光ファイバ４と光集積チップ２の間に送信光と受信光の経路を分離する光学部品１１を入れたものである。光学部品１１は、例えば２層構造のガラスファイバの外面に金属メッキを施したもので、内層部に対して外層部の屈折率を異ならせてある。これにより、内層部に光が閉じ込められることになり、この内層部によって第１の導波路１１ａを形成する。また、外層部によって第２の導波路１１ｂを形成するため、光学部品１１の外面に金属メッキ等によって全反射膜１１ｃを形成して、光を閉じ込められるようにしてある。これにより、光学部品１１においては、第１の導波路１１ａを通る光と第２の導波路１１ｂを通る光が分離され、互いが干渉しないようになっている。
【００３７】
光集積チップ２の構成は図３で説明した通りであり、この光集積チップ２は、発光素子と受光素子を１チップ上に作り込んだもので、光集積チップ２の表面側に発光部６と受光部７が設けられる。発光部６の周囲に形成される不感帯８を、発光部６に対して偏芯した位置に形成することで、受光部７が発光部６に近接して配置される。
【００３８】
回路基板３には光ファイバ４が挿入されるバイアホール５が貫通して設けられる。また、回路基板３の裏面には、バイアホール５の周囲の所定の位置に、光集積チップ２のアノード電極６ａ等と接続される電極パッド９が設けられる。
【００３９】
次に、第２の実施の形態の光送受信装置１ｂの組立工程を説明する。図１０は第２の実施の形態の光送受信装置１ｂにおける光集積チップ２の取付工程例を示す説明図で、図１０（ａ）は側断面図、図１０（ｂ）は要部平面図である。また、図１１は第２の実施の形態の光送受信装置１ｂにおける光集積チップ２の取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【００４０】
まず、光学部品１１の一方の端面を光集積チップ２の表面に突き当てるようにして、光学部品１１を光集積チップ２の表面に光透過性の樹脂１０を接着剤として用いて接着する。光学部品１１の実装時は、光集積チップ２と光学部品１１の径方向の位置関係が重要であり、光集積チップ２の発光部６から上方へ出射される光が光学部品１１の第１の導波路１１ａにほぼ入るように実装される。
【００４１】
このとき、受光部７の上部には第２の導波路１１ｂが位置するように光学部品１１の径等は設計されており、第２の導波路１１ｂを介して外部から入ってきた光は、光集積チップ２の受光部７もしくは不感帯８に照射される。
【００４２】
次に、バイアホール５が予め開けられた回路基板３に、光学部品１１を取り付けた光集積チップ２をフリップチップ実装する。このとき、回路基板３の面やバイアホール５、光集積チップ２および光学部品１１をＣＣＤカメラで撮影し、画像認識を行って、光集積チップ２の位置合わせを行う。そして、回路基板３の電極パッド９に光集積チップ２の各電極がフリップチップ実装されることによって、光集積チップ２は、発光部６がバイアホール５の中心と一致する位置で回路基板３に固定される。なお、光学部品１１の径はバイアホール５の径より小さく、光学部品１１がバイアホール５に挿入された状態で、光集積チップ２の位置決めが行えるようになっている。
【００４３】
図１２は第２の実施の形態の光送受信装置１ｂにおける光ファイバ４の取付工程例を示す説明図で、図１２（ａ）は側断面図、図１２（ｂ）は要部平面図である。また、図１３は第２の実施の形態の光送受信装置１ｂにおける光ファイバ４の取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【００４４】
光学部品１１が取り付けられた光集積チップ２を回路基板３にフリップチップ実装した後、回路基板３のバイアホール５に、光集積チップ２とは反対側の表面側から光ファイバ４を挿入する。ここで、光ファイバ４は、その端面が光学部品１１の他方の端面に当接する位置まで挿入される。そして、光ファイバ４を樹脂１０を接着剤として用いて回路基板３に固定する。
【００４５】
上述したように、回路基板３のバイアホール５は、光ファイバ４に対するクリアランスが直径で±２０〜３０μｍ程度とかなりの高精度で開けられている。このため、光ファイバ４が挿入されるだけで、バイアホール５は、光ファイバ４のコア部４ａの中心をバイアホール５の中心にアライメントする機能を持つ。また、光ファイバ４を樹脂で固定する際に、光ファイバ４の外周面とバイアホール５の内周面との間に入り込む樹脂により、光ファイバ４は周囲から均等な張力がかかる。よって、接着によっても、光ファイバ４の径方向の位置をアライメントする機能が生じる。
【００４６】
以上のように、光集積チップ２および光ファイバ４を回路基板３に実装することで、図８および図９に示すように、光集積チップ２の発光部６の中心、光学部品１１の第１の導波路１１ａの中心、バイアホール５の中心、そして光ファイバ４のコア部４ａの中心が略一致した状態で固定される。
【００４７】
これにより、外部から光送受信装置１ｂに入ってきた電気信号は、回路基板３に形成されたＩＣ類や光集積チップ２の図示しない発光素子を介して光信号に変換され、発光部６から出射される送信光となる。送信光は光学部品１１の第１の導波路１１ａを伝わって光ファイバ４のコア部４ａに入射し、光送受信装置１ｂの外部へと出て行く。
【００４８】
また、外部から光ファイバ４を介して入ってきた受信光は、光学部品１１の第１の導波路１１ａと第２の導波路１１ｂの両方に入り、第２の導波路１１ｂを伝わった光は光集積チップ２の受光部７に入射され、回路基板３を介して電気信号として出力される。ここで、発光部６のエリアは第１の導波路１１ａの断面積に比べて十分小さいため、第１の導波路１１ａと第２の導波路１１ｂに入射した受信光のうち、第１の導波路１１ａを伝わる光のほとんどは不感帯８に落ち、送信信号、受信信号に影響を及ぼさない。このように、第２の実施の形態の光送受信装置１ｂでは、光学部品１１によって送信光と受信光の経路が分離され、全二重による一芯双方向通信が実現される。
【００４９】
図１４は第３の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す説明図で、図１４（ａ）は側断面図、図１４（ｂ）は要部平面図である。また、図１５は第３の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す一部破断斜視図である。なお、第１の実施の形態の光送受信装置１ａと同一の構成の部位については、同じ番号を付して説明する。
【００５０】
第３の実施の形態の光送受信装置１ｃは、光ファイバ４と光集積チップ２の間に送信光と受信光の経路を分離する光学部品１２を入れ、バイアホール５の内面に全反射膜１３を形成したものである。光学部品１２は、例えばガラス管の周りに金属メッキによる全反射膜１２ａを形成したもので、全反射膜１２ａの内側に光が閉じ込められる第１の導波路１２ｂが形成される。
【００５１】
光集積チップ２の構成は図３で説明した通りである。また、回路基板３には光ファイバ４が挿入されるバイアホール５が貫通して設けられる。このバイアホール５の内面に、例えば金属メッキによる全反射膜１３が形成される。光学部品１２の径はバイアホール５の径より小さく、光学部品１２の外面とバイアホール５の内面との間には光が通る隙間が形成される。そして、バイアホール５の内面の全反射膜１３と光学部品１２の外面の全反射膜１２ａにより、光学部品１２の外面とバイアホール５の内面との間に光が閉じ込められる第２の導波路１３ａが形成される。
【００５２】
次に、第３の実施の形態の光送受信装置１ｃの組立工程を説明する。図１６は第３の実施の形態の光送受信装置１ｃにおける光集積チップ２の取付工程例を示す説明図で、図１６（ａ）は側断面図、図１６（ｂ）は要部平面図である。また、図１７は第３の実施の形態の光送受信装置１ｃにおける光集積チップ２の取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【００５３】
まず、光学部品１２の一方の端面を光集積チップ２の表面に突き当てるようにして、光学部品１２を光集積チップ２の表面に光透過性の樹脂１０を接着剤として用いて接着する。光学部品１２の実装時は、光集積チップ２と光学部品１２の径方向の位置関係が重要であり、光集積チップ２の発光部６から上方へ出射される光が光学部品１２の第１の導波路１２ｂにほぼ入るように実装される。
【００５４】
次に、バイアホール５が予め開けられ、かつ、このバイアホール５の内面に全反射膜１３が形成された回路基板３に、光学部品１２を取り付けた光集積チップ２をフリップチップ実装する。このとき、回路基板３の面やバイアホール５、光集積チップ２および光学部品１２をＣＣＤカメラで撮影し、画像認識を行って、光集積チップ２の位置合わせを行う。そして、回路基板３の電極パッド９に光集積チップ２の各電極がフリップチップ実装されることによって、光集積チップ２は、発光部６がバイアホール５の中心と一致する位置で回路基板３に固定される。
【００５５】
図１８は第３の実施の形態の光送受信装置１ｃにおける光ファイバ４の取付工程例を示す説明図で、図１８（ａ）は側断面図、図１８（ｂ）は要部平面図である。また、図１９は第３の実施の形態の光送受信装置１ｃにおける光ファイバ４の取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【００５６】
光学部品１２が取り付けられた光集積チップ２を回路基板３にフリップチップ実装した後、回路基板３のバイアホール５に、光集積チップ２とは反対側の表面側から光ファイバ４を挿入する。ここで、光ファイバ４は、その端面が光学部品１２の他方の端面に当接する位置まで挿入される。そして、光ファイバ４を樹脂１０を接着剤として用いて回路基板３に固定する。
【００５７】
以上のように、光集積チップ２および光ファイバ４を回路基板３に実装することで、図１４および図１５に示すように、光集積チップ２の発光部６の中心、光学部品１２の第１の導波路１２ｂの中心、バイアホール５の中心、そして光ファイバ４のコア部４ａの中心が略一致した状態で固定される。
【００５８】
これにより、外部から光送受信装置１ｃに入ってきた電気信号は、回路基板３に形成されたＩＣ類や光集積チップ２の図示しない発光素子を介して光信号に変換され、発光部６から出射される送信光となる。送信光は光学部品１２の第１の導波路１２ｂを伝わって光ファイバ４のコア部４ａに入射し、光送受信装置１ｃの外部へと出て行く。
【００５９】
また、外部から光ファイバ４を介して入ってきた受信光は、光学部品１２の第１の導波路１２ｂと、光学部品１２の外面とバイアホール５の内面との間に形成される第２の導波路１３ａの両方に入る。第２の導波路１３ａに入射した光は全反射膜１２ａと全反射膜１３で反射しながら伝わり、光集積チップ２の受光部７に入射され、回路基板３を介して電気信号として出力される。ここで、発光部６のエリアは第１の導波路１２ｂの断面積に比べて十分小さいため、第１の導波路１２ｂと第２の導波路１３ａに入射した受信光のうち、第１の導波路１２ｂを伝わる光のほとんどは不感帯８に落ち、送信信号、受信信号に影響を及ぼさない。このようにして、第３の実施の形態の光送受信装置１ｃでは送信光と受信光の経路が分離され、全二重による一芯双方向通信が実現される。
【００６０】
次に、上述した第１〜第３の実施の形態の光送受信装置の具体的な使用例を説明する。図２０は第１〜第３の実施の形態の光送受信装置の使用例を示す構成図である。
【００６１】
第１〜第３の実施の形態の光送受信装置１ａ〜１ｃは、例えば、基板間の信号の伝送に用いられる。回路基板３としては、複数の光ファイバ４が取り付けられ、かつ各光ファイバ４に対応して光集積チップ２が取り付けられるものを用いる。この回路基板３が、映像処理用等のＩＣ１４ａ等で構成される基板１４に立てた状態で取り付けられ、基板１４間を複数の光ファイバ４で結ぶ。
【００６２】
第１〜第３の実施の形態の光送受信装置１ａ〜１ｃは、回路基板３に設けたバイアホール５と光集積チップ２等で構成され、光路分離のためのビームスプリッタや、光ファイバ４を固定するためのコネクタ等が不要であるので、非常に小形のものとなる。よって、情報処理装置等の内部に設けた異なる基板間を、多芯の光ファイバ４で結ぶような形態を実現できる。かつ、それぞれの光ファイバ４では一芯双方向通信が可能である。これにより、基板間で大容量の情報を高速で伝送することが可能となる。例えば、光ファイバ４の１本当りの伝送レートが１Ｇｂｐｓであると、３２本の光ファイバ４で基板１４間を結ぶこととすれば、３２Ｇｂｐｓの伝送レートを実現できる。
【００６３】
したがって、処理能力を落とすことなく、基板１４を小型化のために２枚に分割するような形態とすることが可能となる。また、図示しないが、１枚の基板内で、従来回路パターンによっていた伝送経路を、第１〜第３の実施の形態の光送受信装置１ａ〜１ｃを用いて光ファイバに置き換えることも考えられる。第１〜第３の実施の形態の光送受信装置１ａ〜１ｃは非常に小形のものとなるので、基板上での占有面積は少なくて済む。これに対して、回路パターンを無くせる分、基板を小型化できる。また、光ファイバの下に部品を配置することも可能であるので、実装密度を上げることができる。
【００６４】
以上説明したように、第１〜第３の実施の形態の光送受信装置１ａ〜１ｃでは、発光素子と受光素子を１チップ上に集積しているため、それぞれを別々に実装する従来の方法に比べて、両素子間の位置精度を極めて高くすることができる。すなわち、従来は製造装置の実装精度で発光素子と受光素子の位置精度が決まっていたのに対して、各実施の形態で用いた光集積チップ２は、半導体製造プロセスによって極めて高い精度が得られている。このため、従来に比べて調芯工程を簡略化した低コストの光送受信装置を提供できる。
【００６５】
また、発光素子と受光素子を１チップ上に集積することによって発光部６と受光部７との距離を従来の方法より短くできるため、一芯双方向通信を実現するにあたって、例えばビームスプリッタのような光路を分離するために必要な高価な光学部品が不要となり、結果として、低コストな光送受信装置を提供できる。
【００６６】
さらに、光学部品１１，１２あるいは光ファイバ４の端面が発光部６と突き当たる状態で実装されるので、反射戻り光を低減でき、クロストークを抑えた光送受信装置を提供できる。
【００６７】
また、回路基板３に形成されたバイアホール５に光ファイバ４のアライメント機能を持たせているため、従来のシリコン製またはガラス製、プラスチック製のアライメント用部品、例えば光ファイバを支持するＶ溝を持つ基板が不要となり、部品点数、組み立て工数の少ない低コストな光送受信装置を提供できる。
【００６８】
さらに、第２および第３の実施の形態の光送受信装置１ｂ，１ｃでは、光学部品１１，１２を用いることで、送信側の光路と受信側の光路が分離されているため、特に発光部６から受光部７への光の漏れこみの影響が低減でき、全二重双方向通信におけるクロストークを抑えた光送受信装置を提供できる。そして、光学部品１１，１２はファイバやガラス管を加工しただけのものなので、従来必要とされていた光アイソレータと比較して非常に低コストで実現でき、低コストでクロストークを抑えた光送受信装置を影響できる。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、電気信号を光信号に変換する発光素子と光信号を電気信号に変換する受光素子を備え、光ファイバを用いて一芯双方向通信を行う光送受信装置において、発光素子と受光素子が同一チップ上に形成され、発光素子の発光部と受光素子の受光部が近接して設けられた光集積チップと、光ファイバが挿入されるバイアホールが貫通して設けられる回路基板とを備え、バイアホールに発光部と受光部が収まる位置で、光集積チップが回路基板の一方の面に取り付けられ、回路基板の他方の面から、バイアホールに光ファイバが挿入されて固定されたものである。
【００７０】
これにより、発光部から出射される送信光が光ファイバに入射するとともに、光ファイバからの受信光は受光部に入射する。したがって、単純な構造で、一芯双方向通信を実現することができる。
【００７１】
また、本発明は、発光部からの光路と受光部への光路を分離する光学部品を備え、光集積チップと光ファイバとの間のバイアホール内にこの光学部品を取り付けて、発光部および受光部と光ファイバの端面との間に、送信光が通る第１の導波路と受信光が通る第２の導波路を形成したものである。
【００７２】
これにより、発光部から出射される送信光は第１の導波路を通って光ファイバに入射するとともに、光ファイバからの受信光は第２の導波路を通って受光部に入射する。したがって、送信光と受信光が分離しているので、単純な構造でクロストークを抑えて、全二重の一芯双方向通信を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す説明図である。
【図２】第１の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す一部破断斜視図である。
【図３】光集積チップの構成例を示す斜視図である。
【図４】第１の実施の形態の光送受信装置における光集積チップの取付工程例を示す説明図である。
【図５】第１の実施の形態の光送受信装置における光集積チップの取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【図６】第１の実施の形態の光送受信装置における光ファイバの取付工程例を示す説明図である。
【図７】第１の実施の形態の光送受信装置における光ファイバの取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【図８】第２の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す説明図である。
【図９】第２の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す一部破断斜視図である。
【図１０】第２の実施の形態の光送受信装置における光集積チップの取付工程例を示す説明図である。
【図１１】第２の実施の形態の光送受信装置における光集積チップの取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【図１２】第２の実施の形態の光送受信装置における光ファイバの取付工程例を示す説明図である。
【図１３】第２の実施の形態の光送受信装置における光ファイバの取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【図１４】第３の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す説明図である。
【図１５】第３の実施の形態の光送受信装置の構成例を示す一部破断斜視図である。
【図１６】第３の実施の形態の光送受信装置における光集積チップの取付工程例を示す説明図である。
【図１７】第３の実施の形態の光送受信装置における光集積チップの取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【図１８】第３の実施の形態の光送受信装置における光ファイバの取付工程例を示す説明図である。
【図１９】第３の実施の形態の光送受信装置における光ファイバの取付工程例を示す一部破断斜視図である。
【図２０】第１〜第３の実施の形態の光送受信装置の使用例を示す構成図である。
【図２１】従来の光送受信装置の構成例を示す平面図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ・・・光送受信装置、２・・・光集積チップ、３・・・回路基板、４・・・光ファイバ、４ａ・・・コア部、４ｂ・・・クラッド部、５・・・バイアホール、６・・・発光部、７・・・受光部、８・・・不感帯、９・・・電極パッド、１０・・・樹脂、１１・・・光学部品、１１ａ・・・第１の導波路、１１ｂ・・・第２の導波路、１１ｃ・・・全反射膜、１２・・・光学部品、１２ａ・・・全反射膜、１２ｂ・・・第１の導波路、１３・・・全反射膜、１３ａ・・・第２の導波路
Claims (12)
- 電気信号を光信号に変換する発光素子と光信号を電気信号に変換する受光素子を備え、光ファイバを用いて一芯双方向通信を行う光送受信装置において、
前記発光素子と前記受光素子が同一チップ上に形成され、前記発光素子の発光部と前記受光素子の受光部が近接して設けられた光集積チップと、
前記光ファイバが挿入されるバイアホールが貫通して設けられる回路基板とを備え、
前記バイアホールに前記発光部と前記受光部が収まる位置で、前記光集積チップが前記回路基板の一方の面に取り付けられ、
前記回路基板の他方の面から、前記バイアホールに前記光ファイバが挿入されて固定された
ことを特徴とする光送受信装置。 - 前記回路基板の一方の面に、前記光集積チップと接続される電極パッドが設けられ、前記光集積チップは前記回路基板にフリップチップ実装された
ことを特徴とする請求項１記載の光送受信装置。 - 前記バイアホールは、レーザ加工により開けられた
ことを特徴とする請求項１記載の光送受信装置。 - 前記回路基板には、前記光集積チップを駆動する回路が少なくとも形成された
ことを特徴とする請求項１記載の光送受信装置。 - 前記発光部と前記受光部は、それぞれの少なくとも一部分が前記光ファイバのコア部の直径に収まる距離に設けられた
ことを特徴とする請求項１記載の光送受信装置。 - 電気信号を光信号に変換する発光素子と光信号を電気信号に変換する受光素子を備え、光ファイバを用いて一芯双方向通信を行う光送受信装置において、
前記発光素子と前記受光素子が同一チップ上に形成され、前記発光素子の発光部と前記受光素子の受光部が近接して設けられた光集積チップと、
前記光ファイバが挿入されるバイアホールが貫通して設けられる回路基板と、
前記発光部からの光路と前記受光部への光路を分離する光学部品とを備え、
前記バイアホールに前記発光部と前記受光部が収まる位置で、前記光集積チップが前記回路基板の一方の面に取り付けられ、
前記回路基板の他方の面から、前記バイアホールに前記光ファイバが挿入されて固定され、
前記光集積チップと前記光ファイバとの間の前記バイアホール内に前記光学部品が取り付けられ、前記発光部および前記受光部と前記光ファイバの端面との間に、送信光が通る第１の導波路と受信光が通る第２の導波路が形成された
ことを特徴とする光送受信装置。 - 前記光学部品は、内層部の周囲が屈折率の異なる外層部で覆われ、この外層部が全反射膜で覆われたファイバで、
前記内層部を前記発光部と対向させて前記第１の導波路が形成され、前記外層部を前記受光部と対向させて前記第２の導波路が形成された
ことを特徴とする請求項６記載の光送受信装置。 - 前記光学部品は、全反射膜で覆われたファイバで、前記光学部品を前記発光部と対向させて前記第１の導波路が形成されるとともに、
前記バイアホールの内面に全反射膜が設けられ、前記バイアホールと前記光学部品の間に前記第２の導波路が形成された
ことを特徴とする請求項６記載の光送受信装置。 - 前記回路基板の一方の面に、前記光集積チップと接続される電極パッドが設けられ、前記光集積チップは前記回路基板にフリップチップ実装された
ことを特徴とする請求項６記載の光送受信装置。 - 前記バイアホールは、レーザ加工により開けられた
ことを特徴とする請求項６記載の光送受信装置。 - 前記回路基板には、前記光集積チップを駆動する回路が少なくとも形成された
ことを特徴とする請求項６記載の光送受信装置。 - 前記発光部と前記受光部は、それぞれの少なくとも一部分が前記光ファイバのコア部の直径に収まる距離に設けられた
ことを特徴とする請求項６記載の光送受信装置。
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