(57)【要約】【課題】他の光学部品を用いずに、送信と受信との同時動作を行うことが可能な光導波路および光送受信モジュールを提供する。【解決手段】直線状の第１の導波路２１の一端が光ファイバ３に結合され他端が受光素子４に結合されている。そして、受光素子４に結合される側の第１の導波路２１に対し鋭角θで一端が結合され、他端が発光素子５に結合される第２の導波路２２が設けられている。この第２の導波路２２の形状を制御することにより、光ファイバ３からの受信信号光は第２の導波路２２に導波されることなく、受光素子４に受光される。従って、受信動作と同時に送信動作が可能となる。すなわち、発光素子５からの送信信号光が第２の導波路２２に入射されると、当該信号光は、第２の導波路２２により第１の導波路２１に向けて導波されて、第１の導波路２１に結合されて光ファイバ３に向けて導波される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が共通送受信ポートとなり他端が受信ポートとなる、双方向に信号光を導波し得る直線状に伸びた第１の導波路と、
前記受信ポート側の前記第１の導波路に対し鋭角で一端が結合され他端が送信ポートとなる、前記第１の導波路に向けて信号光を導波する第２の導波路と
を有する光導波路。
【請求項２】
前記第１の導波路は、信号光の複数のモードを導波し得る寸法により形成されている
請求項１記載の光導波路。
【請求項３】
前記第２の光導波路は、前記第１の導波路に結合される一端部の寸法が、前記第１の導波路側ほど小さくなるように形成されている
請求項１記載の光導波路。
【請求項４】
光ファイバ、発光素子および受光素子が光導波路を介して結合された光送受信モジュールであって、
一端が前記光ファイバに結合され他端が前記受光素子に結合される、直線状に伸びた第１の導波路と、
前記受光素子に結合される側の前記第１の導波路に対し鋭角で一端が結合され、他端が前記発光素子に結合される第２の導波路と
を有する光送受信モジュール。
【請求項５】
前記第１の導波路は、信号光の複数のモードを導波し得る寸法により形成されている
請求項４記載の光送受信モジュール。
【請求項６】
前記第２の光導波路は、前記第１の導波路に結合される一端部の寸法が、前記第１の導波路側ほど小さくなるように形成されている
請求項４記載の光送受信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路および光送受信モジュールに関し、特に光ファイバと光素子を接続する光導波路および当該光導波路を備えた光送受信モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光アクセス系システムに使用される光モジュールの小型化とコスト低減を図るため、光導波路等を使用して送信機能と受信機能とを一体化した光送受信モジュールの適用が主流となりつつある。この背景としてインターネットの爆発的な普及に後押しされた情報伝送容量の拡大への要求がある。光送受信モジュールでは、送信用の発光素子と受信用の受光素子とが一つの光送受信モジュールの中に実装されている。
【０００３】
従来例の光送受信モジュールでは、光ファイバから送られてきた信号光がＹ分岐導波路で分けられて、受光素子と発光素子のそれぞれに伝送される（特許文献１、２参照）。
【０００４】
あるいは、光ファイバから受信した信号光を波長選択フィルタを介して受光素子だけに送る構成の光送受信モジュールもある（特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２０６３４９号公報
【特許文献２】
特開２００２−１６９０４３号公報
【特許文献３】
特開２００１−１３３６４２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１ないし２に記載の光送受信モジュールでは、Ｙ分岐導波路を用いるため、光ファイバから送られてきた信号光は、１対１の割合で２つの分岐導波路のそれぞれに導波されることから、信号光を受信している時は、発光素子にも受信した信号光が導波してきており、同時に信号光を送信することができない。
【０００７】
また、特許文献３に記載の光送受信モジュールでは、送信と受信とを同時動作を行うことができるが、波長選択フィルタ等の他の光学部品を光送受信モジュールに組み込まなくてはならないため、コストや生産性の面で不利となる。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、他の光学部品を用いずに、送信と受信との同時動作を行うことが可能な光導波路および光送受信モジュールを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の光導波路は、一端が共通送受信ポートとなり他端が受信ポートとなる、双方向に信号光を導波し得る直線状に伸びた第１の導波路と、前記受信ポート側の前記第１の導波路に対し鋭角で一端が結合され他端が送信ポートとなる、前記第１の導波路に向けて信号光を導波する第２の導波路とを有する。
【００１０】
前記第１の導波路は、信号光の複数のモードを導波し得る寸法により形成されている。
【００１１】
前記第２の光導波路は、前記第１の導波路に結合される一端部の寸法が、前記第１の導波路側ほど小さくなるように形成されている。
【００１２】
上記の本発明の光導波路では、共通送受信ポートから入射した信号光は第１の導波路により導波されて受信ポートへ達する。このとき、第１の導波路が直線状に延びていることから、共通送受信ポートから入射した信号光のほとんどが第２の導波路へ導波せずに受信ポートへ達する。従って、共通送受信ポートから信号光を入射している際にも、第２の導波路の送信ポートから信号光を入射することも可能となる。
第２の導波路の送信ポートから入射した光は第１の導波路に向けて導波されて、第１の導波路に結合されて共通送受信ポートまで導波される。このとき、受信ポート側の第１の導波路に対し鋭角で第２の導波路の一端が結合されていることから、受信ポート側へ光は導波されず、第２の導波路により導波された信号光のほとんどが第１の導波路により共通送受信ポートへと導波される。
【００１３】
さらに、上記の目的を達成するため、本発明の光送受信モジュールは、光ファイバ、発光素子および受光素子が光導波路を介して結合された光送受信モジュールであって、一端が前記光ファイバに結合され他端が前記受光素子に結合される、直線状に伸びた第１の導波路と、前記受光素子に結合される側の前記第１の導波路に対し鋭角で一端が結合され、他端が前記発光素子に結合される第２の導波路とを有する。
【００１４】
前記第１の導波路は、信号光の複数のモードを導波し得る寸法により形成されている。
【００１５】
前記第２の光導波路は、前記第１の導波路に結合される一端部の寸法が、前記第１の導波路側ほど小さくなるように形成されている。
【００１６】
上記の本発明の光送受信モジュールでは、光ファイバからの信号光が第１の導波路に入射されると、当該信号光は第１の導波路により導波されて受光素子により受光される。このとき、第１の導波路が直線状に延びていることから、光ファイバから入射した信号光のほとんどが第２の導波路へ導波せずに受光素子に受光される。従って、光ファイバから信号光を入射している際にも、発光素子からの信号光を第２の導波路に入射することも可能となる。
発光素子からの信号光が第２の導波路に入射されると、当該信号光は、第２の導波路により第１の導波路に向けて導波されて、第１の導波路に結合されて光ファイバに向けて導波される。このとき、受光素子に結合される側の第１の導波路に対し鋭角で第２の導波路の一端が結合されていることから、受光素子側へ信号光は導波されず、第２の導波路により導波された信号光のほとんどが第１の導波路により光ファイバ側へと導波される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の光導波路および光送受信モジュールの実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る光導波路を備えた光送受信モジュールの構成の一例を示す平面図である。図２は、図１に示す光導波路のＡ−Ａ’線における断面図である。
図１に示す本実施形態に係る光送受信モジュールは、シリコン基板やサファイア基板等からなる基板１上に形成された光導波路２と、基板１上に実装された光ファイバ３、受光素子４および発光素子５とを有する。
【００１９】
光導波路２には、直線状に延びた第１の導波路コア部（第１の導波路）２１と、第１の導波路コア部２１に対し角度θで一端が結合された第２の導波路コア部（第２の導波路）２２とを有する。図２の断面図に示すように、各導波路コア部２１，２２は、基板１上に形成されたクラッド部２０上に形成され、さらに各導波路コア部２１，２２を被覆するようにクラッド部２３が形成されている。
【００２０】
第１の導波路コア部２１，２２は、一端が共通送受信ポート２１ａを構成し、他端が受信ポート２１ｂを構成しており、双方向に信号光を導波する。第１の導波路コア部２１は、マルチモード導波路であることが好ましく、例えば５０μｍ径に形成されている。第１の導波路コア部２１がマルチモード導波路部とすることが好ましいのは、斜めに分岐した第２の導波路コア部２２から導波された信号光を低損失で結合して共通送受信ポート２１ａへと導波するためには、径が大きく光を入れやすいマルチモード導波路とすることが好ましいからである。マルチモード導波路とは、信号光の複数のモード（光線の通り方）を導波可能な寸法をもつ導波路と定義する。
【００２１】
第２の導波路コア部２２は、受信ポート２１ｂ側の第１の導波路コア部２１に対し角度θで一端が結合されることにより分岐部２２ａを構成し、他端が送信ポート２２ｂを構成している。第１の導波路コア部２１に対して斜めに分岐した第２の導波路コア部２２の角度および寸法は、光ファイバ３から導波された信号光が第２の導波路コア部２２に導波されないような角度および寸法に規定されている。
【００２２】
このための条件として、角度θは鋭角である必要があり、好ましくは、５°以上６０°以下であることが好ましい。このような角度に規定することにより、第１の導波路コア部２１の共通送受信ポート２１ａから導波された信号光の大部分は、直線状の第１の導波路コア部２１内を導波して受信ポート２１ｂへと導波される。また、送信ポート２２ｂから導波された信号光は、第１の導波路コア部２１に低損失で結合されて導波され、共通送受信ポート２１ａへと導波される。
【００２３】
また、第２の導波路コア部２２の分岐部２２ａにおける寸法、すなわち導波路幅あるいは膜厚は、直線状の第１の導波路コア部２１に比べて小さくすることが好ましい。このように分岐部２２ａにおける導波路幅あるいは膜厚を小さくすることにより、第１の導波路コア部２１の共通送受信ポート２１ａから導波された信号光が第２の導波路コア部２２へ導波することが防止される。
【００２４】
図１に示す例では、必要な角度θに規定し、かつ分岐部２２ａにおける第２の導波路コア部２２の導波路幅あるいは膜厚を小さくしつつ、光の散乱がないように送信ポート２２ｂと連結させるため、第２の導波路コア部２２はゆるやかな曲線形状を有している。
【００２５】
各導波路コア部２１，２２は、使用する光に対して吸収がなく、かつクラッド部２０，２３よりも使用する光に対する屈折率が高い材料により形成されている。導波路コア部２１，２２は、例えばエポキシ樹脂やフッ素化ポリイミド等の高分子材料により形成され、これらに不純物を加えることにより屈折率が調整される。
【００２６】
クラッド部２０，２３は、使用する光に対して吸収がなく、かつ導波路コア部２１，２２よりも使用する光に対する屈折率が低い材料により形成されている。クラッド部２０，２３は、例えばエポキシ樹脂やフッ素化ポリイミド等の高分子材料により形成され、これらに不純物を加えることにより屈折率が調整される。なお、クラッド部２０，２３と導波路コア部２１，２２とは、同種材料であっても異種材料であってもよい。
【００２７】
光ファイバ３は、当該光ファイバ３の端面が第１の導波路コア部２１の共通送受信ポート２１ａと光学的に結合されて、基板１上に搭載されている。光ファイバ３は、マルチモードファイバ又はシングルモードファイバのいずれでもよい。
【００２８】
受光素子４は、当該受光素子４の受光面が第１の導波路コア部２１の受信ポート２１ｂに光学的に結合されて、基板１上に実装されている。受光素子４は、例えばフォトダイオードよりなる。
【００２９】
発光素子５は、当該発光素子５の発光面が第２の導波路コア部２２の送信ポート２２ｂに光学的に結合されて、基板１上に実装されている。発光素子５としては、半導体レーザであるファブリーペローレーザ（ＦＰ−ＬＤ）や分布帰還型レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）等を用いることができる。
【００３０】
次に、上記構成の本実施形態に係る光送受信モジュールの動作について、図１を参照して説明する。
【００３１】
光ファイバ３から入射した受信信号光は、第１の導波路コア部２１の共通入出力ポート２１ａから受信ポート２１ｂまで第１の導波路コア部２１により導波され、受光素子４により受光される。この受光素子４により信号光が電気信号に変換されて、受光素子４に接続された図示しない受信回路に入力される。上記の受信動作において、第１の導波路コア部２１により導波された受信信号光は、第２の導波路コア部２２および発光素子５へは導波されないことから、同時に発光素子５による送信信号光の送信が可能になる。
【００３２】
すなわち、上記の受信動作の際に、発光素子５により発光された送信信号光は、送信ポート２２ｂから分岐部２２ａまで第２の導波路コア部２２により導波され、第１の導波路コア部２１に結合し、第１の導波路コア部２１により共通送受信ポート２１ａまで導波され、光ファイバ３に結合される。このとき、受信ポート２１ｂ側の第１の導波路コア部２１に対して第２の導波路コア部２２が上述した鋭角の角度θで交差していることから、送信信号光は受光素子４側には導波されることはなく、受光素子４への受光動作に影響を与えることもない。
光ファイバ３に結合された送信信号光は、光ファイバ３により導波されて外部の光電子回路装置に送られる。なお、上記の受信信号光と送信信号光の波長を変えてもよい。
【００３３】
次に、上記の本実施形態に係る光送受信モジュールの製造方法の一例について、図１および図２を参照して説明する。
【００３４】
まず、基板１上にエポキシ樹脂あるいはフッ素化ポリイミド等の高分子材料を全面に塗布してクラッド部２０を形成した後に、エポキシ樹脂あるいはフッ素化ポリイミド等の高分子材料をさらに全面に塗布してコア部となる高屈折率層を形成する。クラッド部２０と高屈折率層の屈折率差は、不純物を含有させて調整する。
【００３５】
次に、高屈折率層上にフォトリソグラフィにより所望のパターンをもつレジストを形成し、当該レジストをマスクとして高屈折率層の反応性イオンエッチングを行うことにより、図１に示すような形状の第１の導波路コア部２１と第２の導波路コア部２２をパターン形成する。
【００３６】
レジストを除去した後に、導波路コア部２１，２２を覆うようにエポキシ樹脂あるいはフッ素化ポリイミド等の高分子材料を全面に塗布してクラッド部２３を形成することにより、図２に示すように基板１上にクラッド部２０，２３内に埋め込まれた導波路コア部２１，２２を有する光導波路２が形成される。
【００３７】
最後に、光ファイバ３の端面が第１の導波路コア部２１の共通送受信ポート２１ａに光学的に結合されるように、基板１上に光ファイバ３を搭載する。
また、受光素子４の受光面が第１の導波路コア部２１の受信ポート２１ｂに光学的に結合されるように、受光素子４を基板１上に実装する。さらに、発光素子５の発光面が第２の導波路コア部２２の送信ポート２２ｂに光学的に結合されるように、発光素子５を基板１上に実装する。
【００３８】
次に、上記の本実施形態に係る光導波路および光送受信モジュールの効果について、説明する。
【００３９】
図３（ａ）は、受信動作の際の光導波路による導波光の強度パターンをシュミレーションした導波路形状を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す光導波路による導波光の強度パターンのシュミレーション結果である。図３（ａ）に示すように、直線状の第１の導波路コア部２１の長さが７ｍｍ、第１の導波路コア部２１の受信ポート２１ｂと、第２の導波路コア部２２の送信ポート２２ｂ間の間隔が２５０μｍとなる光導波路についてシュミレーションした。各導波路コア部２１，２２は５０μｍ角とし、クラッド部との屈折率差を１．５％とした。なお、図３（ａ）および（ｂ）において、Ｘ座標およびＺ座標は、光導波路の形状をμｍ単位で分割した位置座標を示す。
【００４０】
図３（ｂ）に示すように、受信動作において、受信信号光の９７．６％が第１の導波路コア部２１の受信ポート２１ｂに導波され、受信信号光の０．００１５％が第２の導波路コア部２２の送信ポート２２ｂに導波されており、受信信号光は直線状の第１の導波路コア部２１をほぼ直進していることがわかる。従って、第１の導波路コア部２１に入射した受信信号光は、１．０ｄＢ以下である０．１０ｄＢの低損失で受信ポート２１ｂに導波されていることがわかる。なお、第２の導波路コア部２２へ導波される信号光の強度は、−２８ｄＢでありほとんど導波されないことがわかる。
【００４１】
図４（ａ）は、送信動作の際の光導波路による導波光の強度パターンをシュミレーションした導波路形状を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）に示す光導波路による導波光の強度パターンのシュミレーション結果である。図４（ａ）に示す光導波路は、図３（ａ）に示すものと同じものとしてある。なお、図４（ａ）および（ｂ）において、Ｘ座標およびＺ座標は、光導波路の形状をμｍ単位で分割した位置座標を示す。
【００４２】
図４（ｂ）に示すように、送信動作において、第２の導波路コア部２２からの送信信号光の８７．８％が第１の導波路コア部２１に結合されて共通送受信ポート２１ａに導波されている。従って、第２の導波路コア部２２からの送信信号光は１．０ｄＢ以下である０．５７ｄＢの低損失で第１の導波路コア部２１に導波されていることがわかる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態に係る光導波路および光送受信モジュールによれば、一本の光ファイバを用いた同時双方向送受信を波長選択フィルタ等の光学部品を使用することなく、実現することができる。
【００４４】
また、光導波路の各導波路コア部２１，２２は、上述したようにパターニング等を用いて一括して形成することができ、波長選択フィルタ等の光学部品を挿入する溝もいらないため、低損失な光導波路を歩留り良く作製することができる。これは、波長選択フィルタ等の光学部品を入れる場合には、そこでの光散乱損失や接着強度の信頼性など特性劣化させる要因が多くなるからである。
【００４５】
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、基板１や、光導波路２を構成するクラッド部２０，２３および導波路コア部２１，２２を構成する材料には特に限定されず、また、光ファイバ３を構成する材料にも特に限定はない。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、他の光学部品を用いずに、送信と受信との同時動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る光導波路を備えた光送受信モジュールの構成の一例を示す平面図である。
【図２】図１に示す光導波路のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図３】図３（ａ）は、受信動作の際の光導波路による導波光の強度パターンをシュミレーションした導波路形状を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す光導波路による導波光の強度パターンのシュミレーション結果である。
【図４】図４（ａ）は、送信動作の際の光導波路による導波光の強度パターンをシュミレーションした導波路形状を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）に示す光導波路による導波光の強度パターンのシュミレーション結果である。
【符号の説明】
１…基板、２…光導波路、３…光ファイバ、４…受光素子、５…発光素子、２０…クラッド部、２１…第１の導波路コア部、２１ａ…共通送受信ポート、２１ｂ…受信ポート、２２…第２の導波路コア部、２２ａ…分岐部、２２ｂ…送信ポート、２３…クラッド部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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