JP3767156B2

JP3767156B2 - 光送受信モジュ−ル

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Publication number: JP3767156B2
Application number: JP05880698A
Authority: JP
Inventors: 裕美中西; 美樹工原
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1998-02-23
Filing date: 1998-02-23
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2018-02-23
Also published as: US6236669B1; JPH11237529A; DE69916914T2; EP0938007B1; DE69916914D1; EP0938007A2; EP0938007A3

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、光ファイバに二つ以上の異なる波長の光信号を一方向あるいは双方向に通し、基地局と加入者の間で情報を伝送する双方向通信において、受光素子と発光素子を一体化した光送受信モジュールに関する。特に光コネクタと容易に着脱できるようにした光送受信モジュールを提供する事を目的とする。
【０００２】
［光双方向通信の説明]
近年、光ファイバの伝送損失が低下し、半導体レーザ（以下ＬＤと略す）や半導体受光素子（以下ＰＤと略す）の特性が向上してきた。このため光を用いた様々な情報の伝達が可能になってきた。光を用いる通信であるので光通信という。伝送されるべき情報の形態としては、電話、ファクシミリ、テレビ画像などがある。特に波長が１．３μｍ帯の光や、１．５５μｍ帯の光などの長波長の光を用いた通信の試みが盛んに行われている。最近は、１本の光ファイバを用いて信号を双方向に送り、同時に信号を送受信できるシステムが検討されている。信号を双方向に送るので双方向通信と呼ぶ。この方式の利点はファイバ１本ですむことである。
【０００３】
図１はこのような双方向通信のうち、異なる波長の光を用いる波長多重双方向通信の原理図である。一つの局と複数の加入者が光ファイバによって結合される。ここで加入者は一つだけ図示しているが実際には沢山の加入者が存在する。数多くの分岐点があって局からの光ファイバは多数の光ファイバに分岐して加入者の装置に至っている。
【０００４】
局側は、電話やＴＶの信号をデジタルあるいはアナログ信号として増幅し、この信号によって半導体レーザＬＤ１を駆動する。この信号は波長λ１の信号となって光ファイバ１に入る。分波器２によって、中間の光ファイバ３に導かれる。これが加入者側の分波器４により光ファイバ５に入り、受光素子ＰＤ２によって受信される。これによって光電変換され、電気信号Ｐ３となる。電気信号Ｐ３は、加入者側の装置によって増幅され信号処理されて、電話の音声あるいはテレビ画像として再生される。このように基地局から加入者側に向かう信号を下り信号といい、この方向を下り系と呼ぶ。
【０００５】
一方加入者側は、電話やファクシミリの信号を半導体レーザＬＤ２によって波長λ２の光信号に変換する。λ２の光は、光ファイバ６に入射し、分波器４によって中間の光ファイバ３に導かれ局側の分波器２を通って受光素子ＰＤ１に入る。局側の装置は、λ２の光信号をＰＤ１によって光電変換し、電気信号とする。この電気信号は、交換機や信号処理回路に送り込まれて適当な処理を受ける。このように局側に信号を送る方向を上り系と呼ぶ。
【０００６】
以上の説明では、λ１は下り系、λ２は上り系のみに使われている。しかし実際には同じ波長の光を、下りと上りの両方に使うことがある。時には二種類の波長の光のいずれをも上りと下りの伝搬させることもある。このような場合、波長による二つの種類の光の分離が極めて重要な問題になってくる。
【０００７】
[光の分波器の説明]
このように二つの波長の光を用い、一本の光ファイバによって双方向通信をするためには、局側、加入者側のどちらもが光の波長を識別し光路を分離する機能が必要である。図１における分波器２、４がその機能を果たす。分波器は、波長λ１と波長λ２の光を結合して一本の光ファイバに導入したり、二つの波長の光から一方の光のみを選んで一本の光ファイバに取り出したりする作用がある。波長多重双方向通信を行うには、分波器が極めて重要な役割を果たす。
【０００８】
現在、いくつかの種類の分波器が提案されている。図２〜図３によって説明する。図２の例では、分波器は光ファイバまたは光導波路によって作られる。二つの光路８、９が一部分１０で近接しており、ここで光エネルギーの交換がなされる。近接部１０の間隔Ｄや距離Ｌによって様々の結合を実現することができる。ここで光路８にλ１の光を入射すると、光路１１にλ１の光が出てくる。光路１２にλ２の光を入れると光路９にλ２の光が出てくる。
【０００９】
図３は、多層膜ミラーを使うものである。二等辺三角形のガラスブロック１３、１４の斜辺面に誘電体多層膜ミラーを形成している。誘電体の屈折率と厚みを適当に組み合わせて、λ１の光は全て透過し、λ２の光は全て反射するようにしている。誘電体は４５度の角度で入射した光を透過あるいは反射させる機能を有する。この分波器も図１の分波器２、４として利用することができる。このような分波器は分波・合波器とも呼ばれる。ＷＤＭ（wavelength division multiplexer）ともいう。光ファイバやガラスブロックによる分波器はすでに市販されている。
【００１０】
【従来の技術】
加入者側の光送受信モジュールについて説明する。図１６において、局から加入者に向けて敷設された光ファイバ１６の終端が光コネクタ１７によって、屋内の光ファイバ１８に接続される。加入者の屋内にあるＯＮＵモジュールには、光ファイバＷＤＭ２１が設けられる。光ファイバ１８と光ファイバ１９がＷＤＭの中で波長選択的に結合されている。光ファイバ１８に光コネクタ２２によって、ＬＤモジュール２５をつなぐ。光ファイバ１９には光コネクタ２３を介してＰＤモジュール２７を接続する。
【００１１】
ＬＤ２５、光ファイバ２４は上り系である。１．３μｍ帯光が加入者側の信号を局へと伝送する。光ファイバ２６、ＰＤモジュール２７は下り系である。局からの１．５５μｍ信号を受けてＰＤモジュール２７によって光電変換する。送信装置であるＬＤ２５は電話やファクシミリの信号を増幅し、変調する回路や、電気信号を光信号に変換する半導体レーザなどを含む。受信装置であるＰＤモジュール２７は、局から送られたＴＶ信号、電話などの光信号を光電変換するフォトダイオードと増幅回路、復調回路などを含む。波長分波器２１は、１．５５μｍ帯光と１．３μｍ帯光を分離する作用がある。この例では、１．３μｍを上り系の信号光に、１．５５μｍを下り系の信号光として使っている。
【００１２】
本発明は、二つの異なる波長の光信号を用いて双方向通信する場合における光送受信モジュールの改良に関する。光送受信モジュールというのは、発光素子、受光素子、これらの周辺回路などを含めたものである。これらの要素技術についての従来技術を説明する。
【００１３】
［従来例に係る半導体発光素子の説明］
図４によって従来例に係る半導体発光素子２８を説明する。これは半導体レーザチップ（ＬＤ）２９と、モニタ用のフォトダイオードチップ３０を含むモジュールである。半導体レーザチップ２９はヘッダ３２の***部（ポール）３１の側面に固定される。チップの面に平行に光を発生するからである。ヘッダ３２の底面にはフォトダイオードチップ３０がレーザチップの背面発光が入射する位置に固定される。ヘッダ３２の下面には適数のリードピン３３がある。ヘッダ３２の素子取り付け面は、キャップ３４によって覆われる。
【００１４】
キャップ３４の中央部には窓３５が開口している。半導体レーザ２９の光はチップから上下方向に出る。窓３５の直上にはレンズ３７がある。これはレンズホルダー３６によって支持される。レンズホルダーのさらに上にはハウジング３８があって、これの上頂部にはフェルール３９が固定される。フェルール３９は光ファイバ４０の先端を保持する。フェルールと光ファイバの端部は斜め（８度）に研磨してある。戻り光が半導体レーザに入るのを防止するためである。半導体レーザの光を光ファイバ４０の他端において監視しながらホルダー３６をヘッダ３２に対して位置決めする。さらにハウジング３８をレンズホルダー３６に対して位置決めする。半導体レーザチップ２９、フォトダイオードチップ３０の各電極はワイヤによってリードピン３３のいずれかに接続される。
【００１５】
半導体レーザから出た光はレンズによって絞られ、光ファイバの端部に入射する。半導体レーザは信号によって変調されているから、この光は信号を伝送することになる。半導体レーザの出力は反対側にあるモニタ用のフォトダイオードによってモニタされる。１．３μｍ〜１．５μｍの発振波長は半導体層の材料によって決まる。
【００１６】
［従来例に係る半導体受光モジュールの説明］
図５によって従来の半導体受光モジュールの一例を説明する。受光素子チップ４１がヘッダ４２の上面にダイボンドされる。ヘッダ４２の下面にはリードピン４３が設けられる。ヘッダ４２の上面はキャップ４４によって覆われる。キャップ４４の中央には光を通すための開口部４５がある。キャップの外側にはさらに円筒形のホルダー４６が固定される。これはレンズ４７を保持するためのものである。
【００１７】
レンズホルダー４６のさらに上には円錐形のハウジング４８が固定される。光ファイバ５０の先端をフェルール４９によって固定し、フェルール４９がハウジング４８によって保持される。フェルール４９、光ファイバ５０の先端は斜め研磨してある。
【００１８】
受光素子の場合も光ファイバに光を通し、受光素子チップ４１の出力を監視しながら、ホルダー４６の位置と、ハウジング４８の位置、フェルール４９の位置を決める。受光素子の半導体層によって、受光可能な波長が決まる。可視光の場合はＳｉの受光素子を使う事ができる。しかし本発明では赤外光を用いる送受信モジュールを対象にするからＳｉフォトダイオードは不適当である。赤外光を感受するためにはよりバンドギャップの狭いＩｎＰを基板とし、ＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰなどの受光層をもつ化合物半導体の受光素子を用いる必要がある。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の問題点について述べる。加入者側は、一般の家庭が最も多い。だから光双方向通信は今普及している電話と同じ数だけの市場の広がりがある筈である。しかし普通のメタル線による電話と同じぐらい安価にしないと一般家庭は購入しないだろう。加入者側機器が安価であるということが普及の条件である。ところが図３の従来例に係る個別のモジュール（ＬＤモジュール、ＰＤモジュール、ＷＤＭモジュール）の組み合わせでは安価にできない。これら３つの個別モジュールの価格の合計が全体のモジュールの価格ということになり高価なものになる。
【００２０】
このような機器の高価額が光加入者系の進展を妨げている。さらなる進展のためには機器を低コストにしなければならない。そこで少しでも部品点数を減らし、コンパクトにし、低コストにするという試みがなされる。光送受信モジュールについていくつかの低コスト化の為の提案がなされている。
【００２１】
［Ａ．ビーム空間分離型型モジュール（ＷＤＭ，ＰＤ，ＬＤ内蔵レセプタクル）］
これは小楠正大、富岡多寿子、大島茂「レセプタクル型双方向波長多重光モジュール」１９９６年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会Ｃ−２０８、Ｐ２０８によって提案されたものである。図６に概略を示す。直方体のハウジング６０の内部に斜め４５度にＷＤＭフィルタ６１を取り付け、３方の壁にドラムレンズ６２、６３、６４を固定している。レンズ６２の先にはＰＤ６６をハウジング６０に取り付けている。レンズ６３の先にはＬＤ６８をハウジング６０に固定している。レンズ６４が外部の光ファイバ６９との接続端となるレンズである。
【００２２】
実際にはハウジングと、光ファイバを固定したレセプタクルは着脱自在になっている。光ファイバはハウジングに対して抜き差しできる。だから外部につながる光ファイバ６９はハウジング６０に着脱可能に固定される。外部からの光ファイバ６９がレンズ６４、ＷＤＭ６１によってＰＤ６６とＬＤ６８に結合される。光ファイバから出た光はレセプタクル内で空間を伝搬し広がるからレンズ６４、６２、６３によって集光しパワーが広がるのを防いでいる。ＬＤは１．３μｍ光を発する。これはＷＤＭ６１を斜めに透過してレンズ６４を経て光ファイバ６９に入り送信光となる。
【００２３】
光ファイバ６９を伝搬して来た受信光は１．５５μｍ光でありＷＤＭ６１で反射されてレンズ６２を経てＰＤ６６に入射する。ＷＤＭフィルタ６１が波長選択性を持っている。図３のものよりもかなりコンパクトになっているがＬＤ、ＰＤは独立の素子を使っており、３つの集光レンズを必要とししかもＷＤＭ６１を必須としている。軸合わせは難しく寸法は小さくなったがコスト的には図３のものと殆ど変わらない。
【００２４】
［Ｂ．Ｙ分岐光導波路型モジュール（図７）］
Naoto Uchida, Yasufumi Yamada, Yoshinori Hibino, Yasuhiro Suzuki & Noboru Ishihara, "Low-cost Hybrid WDM Module Consisting of a Spot-size Converter Integrated Laser Diode and a Waveguide Photodiode on a PLC Platform for Access Network Systems", IEICE TRANS. ELECTRON., VOL.E80-C, NO.1 ,p88, JANUARY 1997 によって提案されたものである。図７によってこれを説明する。絶縁性Ｓｉ基板７０の上に石英系の透明な光導波路部７１を設けている。光導波路部７１の一隅は切りかかれた段部７２となっている。不純物をドープすることによって、光導波路部分７１に細いＹ分岐した導波路７３、７４、７６、７７、７８を形成している。
【００２５】
このモジュールには二つのＹ分岐がある。初めのＹ分岐の交差点にＷＤＭフィルタ７５が埋め込んである。ＷＤＭ７５は１．５５μｍを反射し、１．３μｍを透過する波長選択作用がある。段部７２には電極パターン７９、８０、８１、８２が蒸着してある。底部に電極をもつＬＥＤまたはＬＤ８３が段部７２の電極パターン７９、８０にボンドしてある。これは１．３μｍを発光する端面発光型のＬＥＤ又はＬＤ８３である。端面の発光点８５から光が出る。
【００２６】
より後方の電極パターン８１、８２には１．３μｍを感受するための端面感受型のＰＤ８４がボンドしてある。光ファイバを伝搬してくる光８８は、１．３μｍと１．５５μｍを含む。これが導波路７４に入りＷＤＭフィルタ７５に至る。ＷＤＭ７５によって１．５５μｍは反射され光導波路７３から光８７となって別に光ファイバを通って戻って行く。１．３μｍはさらに進行してＹ分岐の導波路７７、７８の両方に入る。ＬＥＤ８３に至るものは無駄な光である。ＰＤ８４に入ったものは受信光として検出される。ＬＥＤ８３は送信光を発する。これは１．３μｍの光であるが導波路７８、ＷＤＭ７５、導波路７４を通過し、出力光になる。
【００２７】
個々においてＷＤＭは１．５５μｍを排除するためにのみ設けられている。なんといってもこの提案の最大の困難は、平面Ｙ分岐導波路の製造が難しいということである。直線導波路を作るのは簡単であるが、石英導波路部分に彎曲したＹ分岐導波路を作るのは容易でない。導波路７３、７４に直接に光ファイバ端を接合するということも困難な作業である。結局これとて光送受信モジュールを安価に作るという訳にはいかない。
【００２８】
［Ｃ．上方反射ＷＤＭ型モジュール；図８］
宇野智昭、西川透、光田昌弘、東門元二、松井康「表面実装型ＬＤ／ＰＤ集積化モジュール」１９９７年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−３−８９ｐ１９８（１９９７）に提案されたものである。ＬＤとＰＤを同一基板上に実装することによって量産化、小型化を狙ったものである。図８によってこれを説明する。Ｓｉ基板９０を直線状に切り欠いてＶ溝９１を形成する。Ｖ溝９１に光ファイバ９２を挿入固定する。光ファイバの光路の途中で斜めに深い斜め溝９３を切り込む。光ファイバ９２の一部も切れてしまう。光ファイバ９２と切り離された光ファイバ切断片９４ができる。斜め溝９３にＷＤＭフィルタ９５を差し込んで固定する。ＷＤＭ９５の上方にＶ溝を跨ぐようにしてＰＤ９６を取り付ける。一方Ｓｉ基板９０の後方には段部９７を切り欠いておき、ここにＬＤチップ９８を固定する。ＬＤ９８は１．３μｍ送信光９９を発する。これが光ファイバ９２、ＷＤＭ９５を通り外部へと伝搬して出て行く。外部からの１．５５μｍ受信光１００はＷＤＭ９５で反射されＰＤ９６によって受信される。これは光路を上向きに分岐させている。
【００２９】
構造は簡単であるように見える。しかし光ファイバを定位置に埋め込み固定し、ＬＤと調芯結合し、しかもＰＤと位置合わせして感度を十分に取るのは難しい。シングルモードファイバはコア径は１０μｍ、クラッド径は１２５μｍであるからＷＤＭフィルタを挿入するために太いクラッドまで切り取る必要がある。結局２本のファイバが、１２５μｍ＋ＷＤＭの分だけ離れたのと同じ状態になる。この広いギャップのために光ファイバ９４、９２間での損失がふえる。ＬＤ９８からの光がギャップで洩れて光ファイバ９２に十分に入らず、損失が増える。
【００３０】
【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、プラットフォームと、プラットフォームの中央に直線状に設けられ光を導く光ガイドと、光コネクタに嵌合するためプラットフォームに固定される複数のガイドピンと、光ガイドの途中に設けられ光ガイドを進行する光の一部を透過し一部を反射するフィルタと、プラットフォーム上に固定されフィルタによって反射された光を感受するフォトダイオード（ＰＤ）と、光ガイドの延長上に設けられる送信光を発する発光素子（ＬＤ、ＬＥＤ）とよりなる。ガイドピンを適当な規格の光コネクタに差し込む事によって光コネクタの光ファイバと、光送受信モジュールの光ガイドが軸心を合わせて対向するようにしている。光コネクタの光ファイバを伝搬してきた受信光は光ガイドからフィルタによって反射されＰＤで検出され、ＬＤ、ＬＥＤで発生した送信光はフィルタを透過し光コネクタの光ファイバに入射する。
【００３１】
光ガイドは、透明な材料の中に一部不純物をドープして屈折率を上げることによって形成される直線の導波路である。材料の一部に形成されるものであって光ファイバを貼り付けるのではない。無機ガラス質の透明材料を使う事ができる。透明のプラスチック材料であってもよい。もっとも良いのは石英である。
【００３２】
本発明の光送受信モジュールは単一波長（λ）を送受信に使う場合にも使える。その場合、光ガイドの途中に設けるフィルタはその波長の光を一定比率で透過し反射できるものである。一波長の他に二つの異なる波長の光（λ１、λ２）を送信と受信に分けて利用する場合にも本発明を適用できる。その場合光ガイドの途中に設けるフィルタは、一方の波長λ１の光をほぼ１００％反射し、他方の波長λ２をほぼ１００％の比率で透過するものとする。つまりこの場合はＷＤＭフィルタである。
【００３３】
フィルタは一定波長の光に対して反射透過の比率が決められるので屈折率の異なる誘電体の多層膜によって作製することができる。例えばガラス基板の上に適当な屈折率厚みの誘電体の多層膜を積層したものをフィルタとすることができる。あるいは、透明な高分子材料の上に誘電体多層膜を積層したものであっても良い。
【００３４】
受光素子としてＩｎＰ基板、ＩｎＧａＡｓ受光層或いはＩｎＧａＡｓＰ受光層のものを使用する事ができる。その場合、信号光は１．３μｍ、１．５５μｍ等近赤外光を用いる事ができる。それに対応して半導体レーザはＩｎＧａＡｓＰ系のものを用いる。
【００３５】
或いは受光素子として、Ｓｉ−ＰＤを使うこともできる。その場合は０．７〜０．８μｍの可視光を用いることができる。半導体レーザとしてはＧａＡｌＡｓ系のものを使うことができる。表面入射型のＰＤを勿論使う事もできる。裏面入射型のＰＤを使う事もできる。またＰＤの近傍に増幅器を設置し光電流を増幅してからモジュールの外部に取り出すようにすると良い。こうすると微弱な光信号を受信でき外部ノイズの影響を受けにくい。
【００３６】
ガイドピンの直径、長さ、間隔などは光コネクタと嵌合できるように決める。例えばＭＴコネクタ、ミニＭＴコネクタと嵌合できるようにガイドピンの直径、長さ、間隔などを決める。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図９によって本発明の一例にかかる光送受信モジュールを説明する。プラットフォームとしてここではフォトリソグラフィ技術などが成熟しているＳｉ基板を使う。もちろんＳｉ基板の他に、セラミック板や高分子板、さらに金属板を用いることもできる。Ｓｉプラットフォーム１１０には長手方向（ｘ方向）に光ガイド１１４、１１５が形成されている。これはＳｉＯ₂ の一部に屈折率の高い部分を作る事によって形成する。
【００３８】
図１０に光ガイドの断面図を示す。Ｓｉ基板１１０の上面を一部酸化或いはスパッタリングによってＳｉ基板の上にＳｉＯ₂ バッファ層１１１を形成する。その上にスパッタリング或いはＣＶＤ法によりＧｅを添加した高屈折率ＳｉＯ₂ 層を堆積させる。マスクを使って高屈折率部分の中央部のみを残す。さらに低屈折率のＳｉＯ₂ クラッド層１１３によってこれを覆う。このようにして光ガイド１１４、１１５が直線状に作製される。光ガイドは周囲より高屈折率であるから光を導く作用、導波作用がある。
【００３９】
光ガイド１１４、１１５の中点の近くにおいてこれと直交する（ｙ方向）横溝１１６、１１７を切り欠く。これも光を導くものである。単に横溝としても良い。その場合は光は空間を伝搬するので多少広がる。光路が短いのでそれでもさしつかえない。これもＧｅドープの導波路型の光ガイドとしても良い。導波路とすれば光の広がりを抑制できる。
【００４０】
長手方向（ｘ方向）に２本のＶ溝１１８、１１９をエッチング法によって設ける。Ｖ溝の上にガイドピン１２０、１２１を固定する。ガイドピンは金属棒、プラスチック棒、或いはセラミック棒などである。固定には接着剤を用いることができる。ガイドピンの本数、長さ、直径、間隔などはこのモジュールを着脱するべき対象である光コネクタの穴に合わせて決定する。穴が３つ、或いは４つの光コネクタが相手方であれば、ガイドピンも３つ或いは４つにする。
【００４１】
ガイドピン１２０、１２１と、光ガイド１１４の相対距離が重要である。光コネクタの穴にガイドピンを差し込んだ時に、光コネクタの光ファイバと、光ガイド１１４が正確に対向するようにしなければならない。ガイドピンと光ガイドは平行である事が望ましい。しかしガイドピンと光ガイドは平行でなくても良い。端面において、光コネクタの光ファイバと光ガイドが合致すれば良いのである。
【００４２】
Ｖ溝１１８、１１９の終端部は傾斜面１２２、１２３となっており、これより後ろは、より高く平坦な後平面１２４となっている。後平面１２４には横方向（ｙ方向）に伸びる複数の電極１２５〜１３１が印刷される。これらの電極は送信光を発する半導体レーザ（ＬＤ）１３２と、モニタ用のフォトダイオード（ＰＤ）と外部回路を接続するために必要である。光ガイド１１５の延長上で後平面１２４の前端にはＬＤ１３２が固定される。ＬＤ１３２から出射した光が光ガイド１１５に入る位置に設定する。ＬＤ１３２の底部の電極は電極１２５にボンディングされ、上部の電極はワイヤによって電極１２６に接続される。電極１２５、１２６によってＬＤ駆動電流が供給される。
【００４３】
ＬＤ１３２の背後にはモニタ用のＰＤ１３３が固定される。これはＬＤ１３２の出力を監視するためのものであり受信用のＰＤではない。ＰＤ１３３の底部電極は電極パターン１２８に半田付けしてある。ＰＤ１３３の上部電極はワイヤで電極パターン１２７に接続してある。ＬＤ１３２とＰＤ１３３とは高さが違うので例えば図１２のような工夫をする。
【００４４】
図１２において、ＬＤ１３２は発光部の方を下にしてプラットフォームに固定してある。ＬＤ１３２の前方光１４６は光ガイド１１５の後尾に入射する。ＬＤ１３２の後方光１４７、１４８はモニタＰＤ１３３の側面に一部が当たるが、側面では感受できない。そこでＬＤ１３２とＰＤ１３３の間には窪み１５３を穿っておく。さらにＰＤ１３３は裏面入射型とする。後方光１４８は傾斜面１５４に当たり反射されてＰＤ１３３に裏面から入射する。これがＰＤによって検出される。これはレーザ１３２のパワー変動を監視するだけで信号を受信するのではない。
【００４５】
さて前方のＳｉＯ₂ クラッド層１１３には、先述の光ガイド１１４、１１５と横溝１１６、１１７の交点Ｑを通って、光ガイドと横溝の二等分線の方向に斜め溝１３４が刻んである。光ガイドと横溝のなす角度がΦであると、Φ／２の角度をなすように斜め溝１３４の方向を決める。Φ＝９０度でなくても良い。しかしΦ＝９０度が作りやすいので以後Φ＝９０度の例について述べる。その場合斜め溝１３４が光ガイド１１４、１１５となす角度は４５度である。
【００４６】
Ｑ点において斜め溝１３４にフィルタ１３６が差し込んである。フィルタは誘電体多層膜よりなるものである。基板は透明のガラス或いは高分子材料である。基板の上に２種類の適当な屈折率と厚みの誘電体膜を交互に積層することによって反射透過の選択性、あるいは波長選択性を与えるようにしている。
【００４７】
送信光も受信光も同じ波長（λ）の光を使う場合は、異なる時刻に（交互に）送信、受信を繰り返すことになる。これをピンポン伝送と呼ぶ。例えば１．３μｍを送信し、１．３μｍを受信するようになる。その場合はフィルタ１３６はその波長の光をある一定比率で透過し反射するようにする。例えば４５度入射の光を、透過：反射＝１：１というように分離する作用をフィルタ１３６に与える。
【００４８】
送信光と受信光の波長が異なる場合は同時双方向通信が可能である。送信光がλ２、受信光がλ１であるとする。その場合は、フィルタ１３６は、４５度入射で送信光λ２はほぼ１００％透過し、受信光λ１はほぼ１００％反射するものとする。このような波長選択性を有するフィルタを用いることになる。つまりそのときはＷＤＭフィルタとなる。横溝１１７の上にはＰＤ１３７を固定する。これは受信用のＰＤである。先ほどのモニタＰＤ１３３と区別しなければならない。
【００４９】
光ガイド１１４の先端が光出入点１３５となる。基地局からの信号は光出入点１３５から光ガイド１１４に入る。これがフィルタ１３６によって反射されて横溝１１７を進みＰＤ１３７に入って検出される。この場合もＰＤと光路の高さが違うので図１１のような工夫をする。これはｙｚ面の断面図である。光ガイド１１４からフィルタ１３６で反射された受信光は空間である横溝１１７をすすみ傾斜面１４３に当たって上方に反射され裏面入射型ＰＤ１３７に裏面から入る。このＰＤ１３７は上方に受光部１４１、上頂面にｐ電極１４２がある。底面にリング状のｎ電極１４０があり、プラットフォームの上面１４４にボンディングされる。
【００５０】
以上の構成においてその作用を述べる。相手方の光コネクタの穴にガイドピンを差し込むと光コネクタとこのモジュールが合体される。その時、光コネクタの光ファイバが、光ガイド１１４に丁度対向する。光ファイバを伝搬してきた局からの光は、光ガイド１１４を進みフィルタ１３６で反射され横溝１１７を通り、受光素子１３７に入射してこれによって受信される。一方ＬＤ１３２で生じた送信光は光ガイド１１５からフィルタ１３６を透過し光ガイド１１４から光ファイバへと出射してゆく。このように本発明の光送受信モジュールは光ファイバが付いていないので尾を引きずらない。ガイドピンによって光コネクタに差し込むことによって光ファイバと結合するようになっている。
【００５１】
図１４はプラットフォームをケースに収容した状態を示している。ケース１７１に収容したモジュール１７０である。前方に２本のガイドピン１２０、１２１が突出している。光コネクタの穴に差し込むためのものである。後方の底面には垂直に複数のリードピンが突出している。内部の電極パターンに接続され、ＬＤ、ＰＤ、モニタＰＤ等に駆動電力、送信信号を与え、或いは受信信号、ＬＤパワー信号などを取り出す為の端子である。
【００５２】
図１５には信号処理ボードに取り付けた本発明の光送受信モジュールに、光コネクタが嵌合した状態を示している。信号処理ボード１８９は、送信すべき信号を送信に適した形に変換し、受信信号を増幅し再生すべき回路等を含む。それに加えて信号処理ボード１８９には本発明の光送受信モジュール１７０が半田付けされている。ＭＴコネクタ、或いはミニＭＴコネクタなどの光コネクタ１８０には、ガイドピン１２０、１２１に対応する位置に穴１８３、１８４があり、その中間位置には光ファイバ１８１の終端部が位置している。光コネクタ１８０の穴にガイドピンを差し込む事によって光ファイバ１８１が光ガイド１１４に対向するようになる。局側から１．５５μｍの光が伝送されこれが光ガイド１１４に入りフィルタ１３６で反射され、ＰＤ１３７で検知される。
【００５３】
一方ＬＤ１３２の光は光ガイド１１５、１１４から光ファイバ１８１に入って局側へと伝送される。このような本発明の光送受信モジュールは、みずから光ファイバを持たないが、光コネクタに簡単に着脱することができる。
図１３は図９とは別異の実施例のメタライズパターンを示す。破線によって示すのが、光ガイド１１４、１１５の線である。側方にあるメタライズパターン１５６、１５７はＰＤの為のものである。ＰＤのｐ電極（アノード）とｎ電極（カソード）が接続される。後方平坦面にあるパターン１５５はＡＭＰの底面電極を半田づけする面である。パターン１６０にはＬＤを固定する。ストライプ電極の方はワイヤによってパターン１６１と接続する。モニタＰＤはパターン１５９の上に取り付ける。ＰＤのｐ電極はワイヤでパターン１５８につなぐ。
【００５４】
【発明の効果】
以上に述べた公知技術に対して本発明は全く発想を異にする。従来例がいずれも光ファイバ付きのモジュールと言う概念であるのに対し、本発明は光コネクタと嵌合するモジュールという概念を基本にしている。光コネクタに光ファイバがついておりこれと嵌合するのであるから光ファイバを含む必要がない。だから光ファイバはモジュールに含まれない。光ファイバを固定するものは不要である。本発明の利点を述べる。
【００５５】
（１）第１の利点は光コネクタに容易に嵌合できるということである。特に図９の実施例では最近どんどん用途が広がっているＭＴコネクタ、もしくはミニＭＴコネクタと直接嵌合できるように、Ｓｉプラットフォームに直接ガイドピンを固定してある。例えば基板にＶ溝を形成しておきここにガイドピンを挿入固定することによって精度良いモジュールを作製することができる。このように既存の光コネクタに嵌合できるというのが本発明の第１の特徴である。
【００５６】
（２）第２番目の特徴は、Ｓｉプラットフォームの上に光ガイドを設けその中間点にＷＤＭフィルタを設けたことである。単純で直線的な光ガイドを形成するだけである。表面導波路によるＷＤＭカップラ（図２、図７）やフィルタは形成しない。表面導波路による光回路のことをＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）と呼ぶ。図２のＷＤＭフィルタや図７の光送受信モジュールはＹ分岐や近接部、彎曲部を含むＰＬＣによって作製されている。分波合波機能や波長選択機能を持たせるにはそのような複雑な構造物を必要とする。しかし彎曲、分岐や近接部を含む光導波路は作製が難しい。本発明は屈折率変化をつけた導波路を作るがこれは直線であるし、分岐、彎曲、近接部等を全く含まない。本発明で利用する光ガイドは、光導波路というよりは、単に、光のガイドである。シングルモードの光ガイドであるが、直線であるから製作は簡単であり歩留まりは高い。
【００５７】
ＰＬＣ技術においては、ＷＤＭ機能や、Ｙ分岐機能などを光導波路に持たせてできるだけ高機能化しようというのが現在の趨勢である。本発明はそのような道を取らない。むしろ単純で直線の導波路を基板上に（プラットフォーム）１本作るだけである。端面において光ファイバを接着するとすれば位置合わせが難しく接着後も位置ズレが起こったりする。本発明は光ファイバ端面を接着するというような事はしない。光ファイバ側面も接着しないのである。
【００５８】
図１０の光ガイドの断面図を示す。光ガイドの長手方向をｘ方向として、これはｙｚ面である。Ｓｉ基板１１０の上にＳｉＯ₂ バッファ層１１１が作製される。これは火炎堆積法やスパッタリングなどによって作製できる。その上にさらにＧｅ添加高屈折率ＳｉＯ₂ 層１１２を作製する。フォトエッチング法によって高屈折率層をストライプ状に残し後は削除する。そしてその廻りと上部にＳｉＯ₂ のクラッド層１１３を形成する。これらＳｉＯ₂ 層は火炎堆積法やスパッタ法などによって堆積させる事ができる。高屈折率のＧｅ−ＳｉＯ₂ 層１１２がコアになり、その外側の低屈折率ＳｉＯ₂ １１３がクラッドとなる。分岐、彎曲のない直線的なガイドであるから簡単に作ることができる。
【００５９】
（３）第３の特徴は、１枚のＳｉプラットフォームに、光ガイドと、ガイドピン溝を形成するため、本発明のモジュールは、他の光コネクタと低損失で嵌合できるということである。成熟したマスク合わせ技術やフォトエッチング技術を使う事ができるのでガイドピンの丁度中間に光ガイド端面がくるようにできる。相手方のコネクタはピンの中間に光ファイバ端面を持つものだとすれば、本発明のモジュールの光ガイドと、相手側光ファイバ端面を精密に対向させることができる。
【００６０】
（４）本発明の第４の特徴は、ＷＤＭ機能を薄膜のＷＤＭフィルタによって実現することにより、モジュールを小型化できるということである。透明高分子、ガラスの上に誘電体多層膜を積層するので小型のＷＤＭとなる。図９の実施例では、略９０度受信光を曲げている。曲げられた受信光は、図１１のような溝構造１１７の中を通過した後、例えば角度４５度の反射面で上方向に曲げられ裏面入射側の受信ＰＤに入射する。
【００６１】
（５）ここで受信信号を増幅する増幅器（ＡＭＰ）を同じＳｉプラットフォームの上に配置する事によって、受信器としての感度特性がさらに向上する。外部に増幅器を設けるとそれまでのワイヤ、リードピンなどで外部ノイズが混入することもある。本発明は光電流を直ちに増幅するのでノイズに強く感度を増強できる。
【００６２】
（６）送信側のＬＤはそれだけでもよいが、モニタＰＤを設けても良い。その場合ＬＤ及びモニタＰＤは例えば図１２のように配置することができる。図１２において、光ファイバとＬＤ間はバットジョイントである。モニタＰＤは裏面から光が入射する裏面入射型である。
【００６３】
（７）さらに、Ｓｉプラットフォームの上に金のメタライズパターンを形成し、外部回路への接続を可能とすることもできる。図１３は外部と導通するためのメタライズパターンの例を示す図である。図９と図１３以外のメタライズパターンも可能である。
【００６４】
（８）図１４はキャップをかぶせた外観の図である。外観はガイドピンとリードピンだけが突出しているが単純な形状である。光ファイバの尾をひいていない。図１５は局側から来た光ファイバとＭＴコネクタで嵌合した図である。簡単に光コネクタと着脱できる光送受信モジュールである。
【図面の簡単な説明】
【図１】波長多重双方向通信を示す概略図。
【図２】光導波路又は光ファイバを用いた光カップラまたはＷＤＭフィルタの概略図。
【図３】四角柱ガラスブロックの対角線上の面に誘電体多層膜を積層した光カップラあるはＷＤＭの概略図。
【図４】従来の半導体発光素子（ＬＤ）の例を示す断面図。
【図５】従来の半導体受光素子（ＰＤ）の例を示す断面図。
【図６】従来例にかかるレセプタクル型波長多重光送受信モジュールの概略構成図。
【図７】従来例にかかるＹ光導波路型光送受信モジュールの概略斜視図。
【図８】従来例にかかる上向きＷＤＭを持つ光送受信モジュールの概略断面図。
【図９】本発明の実施例にかかる光送受信モジュールの斜視図。
【図１０】本発明においてプラットフォームの上に作製する光ガイドの断面図。
【図１１】裏面入射型のＰＤを用いて受信する実施例の断面図。
【図１２】本発明においてＬＤの発光強度を監視するためのモニタ用のＰＤを設けた場合の光送受信モジュール断面図。
【図１３】本発明の実施例においてプラットフォームのメタライズパターンの例を示す平面図。
【図１４】本発明の実施例に係る光送受信モジュールの外観図。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図１５】本発明の光送受信モジュールとＭＴコネクタとを連結した状態を示す平面図。
【図１６】従来の加入者側の光送受信モジュ−ルの構成例を示す概略図。
【符号の説明】
１光ファイバ
２分波器
３光ファイバ
４分波器
５光ファイバ
６光ファイバ
７光ファイバ
８光路
９光路
１０近接部
１１光路
１２光路
１３ガラスブロック
１４ガラスブロック
１５誘電体多層膜
１６光ファイバ
１７光コネクタ
１８光ファイバ
１９光ファイバ
２０近接部
２１ＷＤＭ
２２光コネクタ
２３光コネクタ
２４光ファイバ
２５ＬＤモジュール
２７ＰＤモジュール
２８半導体発光素子
２９ＬＤチップ
３０ＰＤ
３２ヘッダ
３３ピン
３４キャップ
３５窓
３６レンズホルダー
３７集光レンズ
３８ハウジング
３９フェルール
４０光ファイバ
４１フォトダイオードチップ
４２ヘッダ
４３ピン
４４キャップ
４５窓
４６レンズホルダー
４７集光レンズ
４８ハウジング
４９フェルール
５０光ファイバ
６０ハウジング
６１ＷＤＭフィルタ
６２〜６４ドラムレンズ
６５ホルダー
６６ＰＤ
６７ホルダー
６８ＬＤ
６９ファイバ
７０基板
７１光導波路部分
７２段部
７３導波路
７４導波路
７５導波路
７６導波路
７７導波路
７８導波路
７９電極パターン
８０電極パターン
８１電極パターン
８２電極パターン
８３ＬＥＤ
８４ＰＤ
８５発光点
８６入射点
８７自由空間光
８８自由空間光
９０Ｓｉ基板
９１Ｖ溝
９２光ファイバ
９３斜め溝
９４光ファイバ切断部
９５ＷＤＭフィルタ
９６ＰＤ
９７段部
９８ＬＤ
９９送信光
１００受信光
１０１反射受信光
１１０Ｓｉ基板
１１１ＳｉＯ₂ バッファ層
１１２高屈折率ＳｉＯ₂ 層
１１３ＳｉＯ₂ クラッド層
１１４光ガイド
１１５光ガイド
１１６横溝
１１７横溝
１１８Ｖ溝
１１９Ｖ溝
１２０ガイドピン
１２１ガイドピン
１２２傾斜面
１２３傾斜面
１２４後平面
１２５電極
１２６電極
１２７電極
１２８電極
１２９電極
１３０電極
１３１電極
１３２ＬＤ
１３３モニタＰＤ
１３４斜め溝
１３５光出入点
１３６フィルタ
１３７受信ＰＤ
１３８増幅器
１３９ワイヤ
１４０ｎ電極
１４１受光部
１４２ｐ電極
１４３傾斜面
１４４上面
１４５反射光
１４６前出射光
１４７後出射光
１４８後出射光
１４９反射光
１５３窪み
１５４傾斜面
１５６〜１６２電極パターン
１７０モジュール
１７１ケース
１７５リードピン

Claims

略平板状のプラットフォームと、プラットフォーム上に直線状に形成された光を通す為の光ガイドと、光ガイドの途中に設けられ一部の光を反射し一部の光を透過することによって光ガイドを通る光に分けるフィルタと、フィルタによって反射された光をフォトダイオードに導くための横溝と、フィルタによって反射された光を受信するためプラットフォームに固定されたフォトダイオードと、光ガイドの延長上においてプラットフォーム上に設けられ送信光を光ガイドへ送り出すレーザダイオードと、光コネクタと嵌合するためプラットフォームの端部に固定される複数のガイドピンとよりなり、光ガイドが直線の光導波路よりなり、その中間地点に、フォトダイオードによって受信すべき１波長を略１００％反射し、レーザダイオードから放射されたもう一つの波長の光を略１００％透過する波長選択性のフィルタを略４５度に配置し、略４５度に反射された光が、直線導波路と略９０度で交差する横溝に導かれた後、横溝の終端に形成された斜面によって反射された光を裏面入射型のフォトダイオードで受光する事を特徴とする光送受信モジュール。
光ガイドが石英系の光導波路で形成されている事を特徴とする請求項１に記載の光送受信モジュール。
光ガイドが透光性の高分子材料からなる光導波路によって形成さ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。
フィルタが透光性の高分子薄膜上に光学的多層膜を形成してなることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光送受信モジュール。
フィルタが透光性のガラス基板上に光学的多層膜を形成してなることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光送受信モジュール。
フォトダイオードがＳｉフォトダイオードであり、発光素子がＧａＡｌＡｓ半導体レーザであることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の光送受信モジュール。
フォトダイオードが、ＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰ系よりなり、発光素子がＩｎＧａＡｓＰ半導体レーザであることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の光送受信モジュール。
ガイドピンのピッチが、ＭＴコネクタまたはミニＭＴコネクタと嵌合できるものであることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の光送受信モジュール。
半導体レーザの後方にモニタ用フォトダイオードを設け、半導体レーザの後方に設けた光導波路溝の終端に形成された斜面によって反射された光をモニタ用フォトダイオードによって受光するようにしたことを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の光送受信モジュール。
フォトダイオードの近傍に増幅器を配置したことを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の光送受信モジュール。