(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１本の光ファイバに対し、それからの出射光の受光とそれへの光の入射をなせるようにされた光ファイバ用の送受信装置において、
素子ブロックとこれに積層状態にして組み合わされた平板状のガイドブロックを有しており、前記素子ブロックには、発光素子と受光素子が設けられており、前記ガイドブロックには、後端側から先端側に向けて徐々に縮径するようにされるとともに、高反射性の内周面が与えられたガイド孔が前記ガイドブロックを前記素子ブロックの方向に貫通する状態で設けられており、そして前記ガイド孔にその後端側から挿入された前記光ファイバの光軸を、前記光ファイバに対する前記ガイド孔による光軸合せ機能により、前記受光素子に対して所定の位置関係にし、この所定位置関係状態で前記光ファイバから出射する光が前記ガイド孔により集光されて前記ガイド孔の先端開口から出射して前記受光素子に入射し、また前記発光素子から出射する光が前記ガイド孔の先端開口を通って前記光ファイバに入射するようにされていることを特徴とする光ファイバ用の送受信装置。
【請求項２】
１本の光ファイバに対し、それからの出射光の受光とそれへの光の入射をなせるようにされた光ファイバ用の送受信装置において、
素子ブロックとこれに積層状態にして組み合わされた平板状のガイドブロックを有しており、前記素子ブロックには、発光素子と受光素子が設けられるとともに、鏡面部が設けられており、前記ガイドブロックには、後端側から先端側に向けて徐々に縮径するようにされるとともに、高反射性の内周面が与えられたガイド孔が前記ガイドブロックを前記素子ブロックの方向に貫通する状態で設けられており、そして前記ガイド孔にその後端側から挿入された前記光ファイバの光軸を、前記光ファイバに対する前記ガイド孔による光軸合せ機能により、前記受光素子に対して所定の位置関係にし、この所定位置関係状態で前記光ファイバから出射する光が前記ガイド孔により集光されて前記ガイド孔の先端開口から出射して前記受光素子に入射し、また前記発光素子から出射する光が前記鏡面部での反射を経た後に前記ガイド孔の先端開口を通って前記光ファイバに入射するようにされていることを特徴とする光ファイバ用の送受信装置。
【請求項３】
前記光ファイバがマルチモードポリマー光ファイバである請求項１または請求項２に記載の光ファイバ用の送受信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１本の光ファイバに対し、それからの出射光の受光とそれへの光の入射をなせるようにした送受信装置に関し、特に例えばマルチモードポリマー光ファイバのように比較的コア径が大きい光ファイバに好適な送受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ用の送受信装置については、例えば特開平８−１５５８２号、特開平８−２０１６６６号、特開平１０−１９７７６２号、特開２０００−２４１６４２号、特開２００１−１４１９６７号などの各公報に見られえるように、既に多くの提案がなされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
昨今におけるコンピュータネットワークの発達は通信容量の増大に対する要求をますます高めている。この要求に応えるのに最も有効な手段は通信ネットワーク末端までの光通信化である。そしてこの通信ネットワーク末端までの光通信化については、上記各公報においても説明されているように、光ファイバ用の送受信装置の低廉化と小型化が最も重要な要件になるといえる。このような観点から上記各公報に開示の技術では様々な工夫がなされている。しかしその実を十分に達成できているとはいいがたい。特に、光ファイバと受光部や発光部との光学的結合に関する構造に問題がある。
【０００４】
一般的に今日の技術背景からすると、送受信装置の小型・低廉化には半導体プロセスを基本にして装置の製造を行なえることがことに望ましい。ところで上記各公報に開示の従来技術では何れも、光ファイバに対する受光部と発光部の光学的結合の効率を高めるのに、光学レンズを用いている。しかし光学レンズは、半導体プロセスで形成するのになじまない。そのため、半導体プロセスで得られる電子素子の集積チップに光学レンズを個々に組み込む必要がある。また光学レンズによる高い結合効率を確実なものとするにはその組み込みに高い精度を求められる。これらの要求はいずれも送受信装置の製造工程を煩雑にする。すなわち、光ファイバと受発光部との光学的結合効率を光学レンズで確保する方式は、装置構造が複雑になって小型化が困難になるのに加えて、装置製造における煩雑化、つまり製造コストの上昇要因も伴うことになる。このことは、通信ネットワーク末端までの光通信化において強く望まれる送受信装置の小型・低廉化を実際上困難にする。
【０００５】
本発明は、以上のような従来の事情を背景になされたものであり、構造が簡易で、比較的簡略な工程で製造することを可能とする光ファイバ用の送受信装置の提供を目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記目的を実現するために、１本の光ファイバに対し、それからの出射光の受光とそれへの光の入射をなすようにされた光ファイバ用の送受信装置において、受光部、発光部、およびガイド孔が設けられ、前記ガイド孔は、後端側から先端側に向けて縮径するようにされるとともに、高反射性の内周面を与えられており、そして前記ガイド孔に挿入の前記光ファイバから出射する光が前記受光部に入射する一方で、前記発光部から出射する光が前記ガイド孔に挿入の前記光ファイバに入射する構造としている。
【０００７】
また本発明では上記目的を実現するために、１本の光ファイバに対し、それからの出射光の受光とそれへの光の入射をなすようにされた光ファイバ用の送受信装置において、受光部、発光部、鏡面部、およびガイド孔が設けられ、前記ガイド孔は、前記光ファイバを挿入可能な径とされた後端側から先端側に向けて連続的に縮径するようにされるとともに、高反射性の内周面を与えられており、そして前記ガイド孔に挿入の前記光ファイバから出射する光が前記受光部に直接的に入射する一方で、前記発光部から出射する光が前記鏡面部での反射を経て前記ガイド孔に挿入の前記光ファイバに入射する構造としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明による送受信装置はその基本的な構成として、光ファイバと発光部との結合の仕方に関し、直接結合式と鏡面部を介する間接式とに大別できる。先ず第１の実施形態として、光ファイバと発光部とを直接的に結合する構成の代表的な形態について説明する。第１の実施形態による送受信装置は、その構成を図１に模式化して示すように、素子ブロック１にガイドブロック２を積層した構成を有する。
【０００９】
素子ブロック１は光素子部３と信号処理回路部４、５を有している。光素子部３には、受光部となる受光素子６と発光部となる発光素子７を設けてある。受光素子６は、例えばフォトダイオード構造の素子として、半導体プロセスにより信号処理回路部４、５とともに集積回路化して一体的に形成してある。一方、この例では発光素子７に、他の半導体プロセスで製造された素子を用いている。具体的には発光素子７として面発光レーザであるVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser diode)を用い、これをその発光面が図の状態で上方を向くようにしてシリコン基板８に形成の凹部９に埋め込むことで組み込んである。信号処理回路部４は受光素子６からの信号用であり、信号処理回路部５は発光素子７の制御信号用であり、これらは上記のように、受光素子６とともに半導体プロセスにより集積回路化して形成してある。
【００１０】
ガイドブロック２は、平たい基板１１にガイド孔１２を貫通状態で形成した構成としてある。基板１１の素材としては、例えば石英ガラスや金属などの無機材、あるいはプラスチックのような有機高分子材を用いることができる。ガイド孔１２は二つの機能を負っている。一つは、ガイド孔１２に挿入の光ファイバOFから出射する光を光ファイバOFのコア径よりも小さいスポットに集めるための集光機能である。他の一つは、ガイド孔１２に光ファイバOFを挿入した際に、その光軸が素子ブロック１の受光素子６と発光素子７に対し所定の位置関係を自動的にとるようにする自動光軸合せ機能である。そのために、後端側（光ファイバOFの挿入側）から先端側に向けて徐々に縮径する形状とされ、その内周面が例えばめっき処理により鏡面化することなどで高反射性となるようにされている。このようなガイド孔１２の形成には、基板１１の素材が成形性に乏しい無機材であれば、例えばレーザ加工や超音波加工あるいはディープリアクティブイオンエッチング法、さらにはサンドブラスト法などを用いることができる。一方、成形加工が容易なプラスチック材を用いる場合には、例えば射出成形などにより成形的にガイド孔を形成することができる。
【００１１】
ガイドブロック２と素子ブロック１の積層は、個々のガイドブロック２と素子ブロック１ごとに両者を接着させるなどして行なうこともできるが、製造効率ということからは複数個をまとめて処理するのが好ましい。具体的には、半導体プロセスでシリコンウエハ上に所定数形成する素子ブロックの配列パターンと対応する配列パターンで素子ブロック数と同数のガイド孔を形成したガイドブロック用材をシリコンウエハに重ねて接合した後、ダイシングを行なう方式である。
【００１２】
図２に、ガイド孔の好ましい形状の例を受光素子と発光素子に対するガイド孔の位置関係の例とともに示す。この例のガイド孔１２はその内周面の形状が複合放物面としてある。複合放物面とは、焦点を中心にして中心軸方向に所望角度θ回転させた放物線の回転面として得られる形状であり、集光効率に優れる。ガイド孔１２を複合放物面とする場合には、光ファイバOFからの出射光の最大出射角度をαとして、上記角度θをこのα以上にすることで原理的には、光ファイバOFからの出射光の全てを２回以下の反射でガイド孔１２の先端開口１２aから出射させることができ、高い集光能を有する。この結果、光ファイバOFと受光素子６との結合について、先端開口１２aと受光素子６の受光面とのサイズ関係を適切に設定することにより、レンズによる結合方式と同等以上の結合効率を得ることが可能となる。
【００１３】
受光素子６は、ガイド孔１２から出射する信号光を効率的に受光することができるように、ガイド孔１２の先端側開口にその受光面を近接・露呈させる配置とする。一方、発光素子７は、それから出射されるレーザビームがそのままガイド孔１２の先端側開口と通って光ファイバOFに直接的に入射する配置とする。
【００１４】
ここで、ガイド孔１２は光ファイバOFと受光素子６の結合についてのみその効率を高めるのに機能し、光ファイバOFと発光素子７の結合には実質的に関与していない。つまり本発明による送受信装置においては、光ファイバと受発光部との光学的結合に関し、光ファイバと受光部との間についてだけ集光による結合を用いているということである。このような結合構造は、光ファイバOFとしてコア径の大きいマルチモードポリマー（プラスチック）光ファイバが用いられることを前提にしたものである。言い換えれば、通信ネットワーク末端の光ファイバ化においては接続の容易性などの要求からコア径の大きいマルチモードポリマー光ファイバが多用されると考えられることに着目し、そのコア径が大きいという特性を有効に活用することで、ガイド孔による光学的結合という、より簡易な結合構造を得たものである。以下で、このことに関して数値例を挙げて説明する。
【００１５】
屈折率分布型のマルチモードポリマー光ファイバの場合にはコア径は例えば５００μｍである。これに対し、受光素子６の受光面サイズは１００μｍ以下であることが望ましい。すなわち屈折率分布型光ファイバの場合はマルチモードであっても高速性に優れ、ギガビット／秒レベルの伝送速度を可能とするので、これに対応できる高速動作性が受光素子に求められ、それを満足させるには受光面のサイズを１００μｍ以下とするのが望ましくなるからである。このため光ファイバと受光素子６の結合に関しては、集光によりその効率を高める必要がある。
【００１６】
一方、発光素子７から出射されるレーザビームの太さは一般に１０〜１００μｍ程度であり、その広がり角度は１０〜１５°程度である。したがって例えばレーザビームの太さを５０μｍ、広がり角度１３°としても、ガイド孔１２の長さは通常２mm以下であることから、図２のような配置であれば、発光素子７からの出射光は光ファイバOFのコア径の半分である２５０μｍよりも十分に細いビーム径で光ファイバOFに入射できることになる。つまり発光素子７と光ファイバOFの間については集光要素を介在させない直接結合でも十分な結合効率が得られるということである。
【００１７】
以上では複合放物面の例について説明したが、集光と自動光軸合せ機能を負うガイド孔の内周面形状としては、この複合放物面の他に、回転放物体、回転楕円体、円錐体などを好ましい例として挙げることができる。
【００１８】
以上のようなガイド孔の介在により、光ファイバと受光素子との結合に重点をおいて、集光的に結合効率を高める構造は、装置構造の簡易化と装置製造工程の簡略化をもたらす。すなわち装置構造としては、素子ブロック１にガイドブロック２を層構造的に重ねるだけで足りるものであり、これを製造する工程としても、所定数のガイド孔を形成したガイドブロック用材を素子ブロック用のシリコンウエハに重ねてダイシングを行なうという簡略な手法で実現することができる。そしてこのような装置構造の簡易化と装置製造工程の簡略化は、送受信装置に強く望まれる低廉化と小型化の実現を容易なものとする。
【００１９】
次に第２の実施形態として、光ファイバと発光部とを鏡面部を介して結合する構成の形態について説明する。図３に示すのが第２の実施形態による送受信装置である。この例の送受信装置は、発光素子２１に端面発光型レーザダイオードが用いられている。発光素子２１は、素子ブロック２２に形成した凹部２３に組み込まれており、その凹部２３の側面に形成した鏡面部２４を介して光ファイバOFと結合するようにされている。鏡面部２４は、シリコン基板２５に凹部２３を形成するのに異方性エッチングを用いることで、凹部２３の側面に必要な傾斜を与え、この傾斜面にアルミニウムや金などによる金属膜を付着させて形成してある。鏡面部２４の傾斜角度は、本例の構成つまり発光素子２１からのレーザビームが光ファイバOFの光軸と直交する配置構成であると、４５°となる。
【００２０】
一般に、（１００）面をもつシリコン基板に通常の異方性ウエットエッチングで凹部を形成する場合、その側面の傾斜角度は５５°程度になってしまう。ただ、これについてはエッチング液として水酸化テトラメチルアンモニウムに非イオン系界面活性剤を加えた液を用いることで解決できることが知られている。しかし、この方法だけでは傾斜面の表面荒れが大きくなり、鏡面化に適しにくくなる。そこで何らかの工夫を必要とする。面荒れを効果的に防ぐための有効な方法の一つはエッチング時に超音波の照射で液の撹拌を促進させることである。この方法によれば、平均表面荒さを数ミクロンから０．１ミクロン以下に抑えることができるようになり、適切な金属膜の形成により反射率９０％以上の鏡面を得ることが可能となる。この他の構成については基本的には第1の実施形態におけるのと同様なので、共通する部分に同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００２１】
図４に第３の実施形態による送受信装置の構成を示す。この送受信装置は図３の送受信装置と基本的には同様で、素子ブロック３１の構成で一部相違している。すなわち本例では、光素子部３２と信号処理回路部３３、３４をそれぞれ別々のシリコン基板３５、３６に形成し、これらをワイヤ３７で接続するようにしている。この他の構成については第２の実施形態におけるのと同様なので、共通する部分に同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、構造が簡易で、簡略な工程で製造することが可能で、しかも高速動作への対応性にも優れる光ファイバ用の送受信装置を提供することができる。したがって本発明によれば、送受信装置の低廉化を可能とし、通信ネットワーク末端までの光通信化に大きく寄与できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態による送受信装置の模式化した構成図である。
【図２】ガイド孔の形状例を受光素子と発光素子に対する位置関係とともに示す図である。
【図３】第２の実施形態による送受信装置の模式化した構成図である。
【図４】第３の実施形態による送受信装置の模式化した構成図である。
【符号の説明】
６  受光素子（受光部）
７  発光素子（発光部）
１２  ガイド孔
２１  発光素子（発光部）
２４  鏡面部
ＯＦ  光ファイバ
【図１】
0003969563.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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