(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバを介して、第１の光信号送受信装置と第２の光信号送受信装置との間で双方向通信を行う双方向光通信システムであって、
前記第１の光信号送受信装置は、
第１の波長の光信号を出射する第１の面発光型発光素子と、
吸収端波長が第１の波長より短い化合物半導体層により構成されると共に前記光ファイバの一端に光結合され、前記第１の面発光型発光素子からの第１の波長の光信号を透過して前記光ファイバに入射させると共に前記光ファイバを介して吸収端波長より短い第２の波長の光信号を受光する第１の受光素子と、
前記第１の面発光型発光素子および前記第１の受光素子との間に設けられると共に光信号を透過させる窓を有する第１の共通電極と
を備え、
前記第１の面発光型発光素子は、第１基板上に、一対の多層膜反射鏡によって挟まれた発光層と、前記第１基板の裏面に設けられた第１の電極とを有し、当該第１の電極と前記第１の共通電極との間で電流注入を行う構成となっており、
前記第１の受光素子は、第２基板上に、受光層と、前記受光層上に設けられた第２の電極とを有し、当該第２の電極と前記第１の共通電極との間から電流が引き出される構成となっており、
前記第１の共通電極は、前記第１基板上の一対の多層膜反射鏡と前記第２基板の裏面との間に設けられており、
前記第２の光信号送受信装置は、
吸収端波長が第１の波長より短い化合物半導体層により構成されると共に前記光ファイバの他端に光結合され、前記光ファイバを介して入射した第１の波長の光信号を透過すると共に前記光ファイバに第２の波長の光信号を出射する第２の面発光型発光素子と、
前記第２の面発光型発光素子を透過した第１の波長の光信号を受光する第２の受光素子と、
前記第２の面発光型発光素子および前記第２の受光素子との間に設けられると共に光信号を透過させる窓を有する第２の共通電極と
を備え、
前記第２の面発光型発光素子は、第３基板上に、一対の多層膜反射鏡によって挟まれた発光層と、前記多層膜反射鏡上に設けられた第３の電極とを有し、当該第３の電極と前記第２の共通電極との間で電流注入を行う構成となっており、
前記第２の受光素子は、第４基板上に、受光層と、前記第４基板の裏面に設けられた第４の電極とを有し、当該第４の電極と前記第２の共通電極との間から電流が引き出される構成となっており、
前記第２の共通電極は、前記第３基板の裏面と前記第４基板上の受光層との間に設けられている
ことを特徴とする双方向光通信システム。
【請求項２】
前記第１の光信号送受信装置において前記第１の共通電極に導通する第１のコンタクトプラグが設けられ、前記第２の光信号送受信装置において前記第２の共通電極に導通する第２のコンタクトプラグが設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の双方向光通信システム。
【請求項３】
前記第１のコンタクトプラグは前記第１の受光素子の層構造を貫通して設けられ、前記第２のコンタクトプラグは前記第２の面発光型発光素子の層構造を貫通して設けられている
ことを特徴とする請求項２記載の双方向光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一方の送受信側と他方の送受信側との間で双方向通信が可能な光通信システムに関し、更に詳細には、単芯の１本の光ファイバを介して双方向光通信が可能であり、しかも一方の送受信側及び他方の送受信側に小型の光信号送受信装置を設けた光通信システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムでは、図４に示すように、基本的には、送信側で電気信号により変調された半導体レーザ素子又は発光ダイオード等の発光素子の出射光を光信号として光ファイバを介して受信側に送信し、受信側では伝送された光信号をフォトダイオード（ＰＤ、光検出器）等の受光素子で検出して電気信号として復調している。
そして、一方の側と他方の側との間で双方向の光信号送受信を行うためには、発光素子を有する光信号送信装置及びフォトダイオードを有する光信号受信装置を双方の側にそれぞれ設け、一方の側の光信号送信装置と他方の側の光信号受信装置とを結び、他方の側の光信号送信装置と一方の側の光信号受信装置とを結ぶ２芯の光ファイバを用いて送受信を行っている。
【０００３】
図５を参照し、一例を挙げて従来の双方向の光通信システムの構成を具体的に説明する。図５は従来の双方向の光通信システムの構成を示す模式図である。
従来の双方向の光通信システム１０は、基本的には、図５に示すように、一方の送受信側に設けられた第１の光信号送受信装置１２と、他方の送受信側に設けられた第２の光信号送受信装置１４と、第１及び第２の光信号送受信装置１２、１４を結ぶ２芯一本、又は単芯２本の第１及び第２の光ファイバ１６Ａ、Ｂとから構成されている。
【０００４】
第１の光信号送受信装置１２は、第１の光ファイバ１６Ａの一方の端部に光結合され、第１の光ファイバ１６Ａを介して光信号を送信するＧａＡｓ系面発光型半導体レーザ装置（以下、ＶＣＳＥＬと言う）と、ＶＣＳＥＬを駆動する駆動装置（図示せず）とを有する第１の光信号送信装置１８と、第２の光ファイバ１６Ｂの一方の端部に光結合され、次に述べる第２の光信号送信装置２４から第２の光ファイバ１６Ｂを介して送信された光信号を受光して電気信号に変換するＧａＡｓ系フォトダイオード（以下、ＰＤと言う）を有する第１の光信号受信装置２０とを備えている。
第２の光信号受信装置１４は、第１の光ファイバ１６Ａの他方の端部に光結合され、第１の光信号送信装置１８から第１の光ファイバ１６Ａを介して送信された光信号を受光して電気信号に変換するＧａＡｓ系ＰＤを有する第２の光信号受信装置２２と、第２の光ファイバ１６Ｂの他方の端部に光結合され、第２の光ファイバ１６Ｂを介して光信号を送信するＧａＡｓ系ＶＣＳＥＬと、ＶＣＳＥＬを駆動する駆動装置（図示せず）とを有し、光信号を送信する第２の光信号送信装置２４とを備えている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の双方向光通信システムでは、上述のように、２芯の光ファイバを必要とする上に、双方の側に光信号送受信装置としてＶＣＳＥＬとＰＤと並列配置することが必要であるために、光信号送受信装置が大型化する。これでは、今後発展すると思われる個人と個人と間の双方向光通信の分野に、従来の双方向光通信システムを適用することは難しい。
そこで、本発明の目的は、小型でコンパクトな光信号送受信装置により単芯の１本の光ファイバを介して双方向の光通信が可能な光通信システムを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による双方向光通信システムは、光ファイバを介して、第１の光信号送受信装置と第２の光信号送受信装置との間で双方向通信を行う双方向光通信システムであって、
第１の光信号送受信装置は、第１の波長の光信号を出射する第１の面発光型発光素子と、吸収端波長が第１の波長より短い化合物半導体層により構成されると共に光ファイバの一端に光結合され、第１の面発光型発光素子からの第１の波長の光信号を透過して光ファイバに入射させると共に光ファイバを介して吸収端波長より短い第２の波長の光信号を受光する第１の受光素子と、第１の面発光型発光素子および第１の受光素子との間に設けられると共に光信号を透過させる窓を有する第１の共通電極とを備え、第１の面発光型発光素子は、第１基板上に、一対の多層膜反射鏡によって挟まれた発光層と、第１基板の裏面に設けられた第１の電極とを有し、当該第１の電極と第１の共通電極との間で電流注入を行う構成となっており、第１の受光素子は、第２基板上に、受光層と、受光層上に設けられた第２の電極とを有し、当該第２の電極と第１の共通電極との間から電流が引き出される構成となっており、第１の共通電極は、第１基板上の一対の多層膜反射鏡と第２基板の裏面との間に設けられており、第２の光信号送受信装置は、吸収端波長が第１の波長より短い化合物半導体層により構成されると共に光ファイバの他端に光結合され、光ファイバを介して入射した第１の波長の光信号を透過すると共に光ファイバに第２の波長の光信号を出射する第２の面発光型発光素子と、第２の面発光型発光素子を透過した第１の波長の光信号を受光する第２の受光素子と、第２の面発光型発光素子および第２の受光素子との間に設けられると共に光信号を透過させる窓を有する第２の共通電極とを備え、第２の面発光型発光素子は、第３基板上に、一対の多層膜反射鏡によって挟まれた発光層と、多層膜反射鏡上に設けられた第３の電極とを有し、当該第３の電極と第２の共通電極との間で電流注入を行う構成となっており、第２の受光素子は、第４基板上に、受光層と、第４基板の裏面に設けられた第４の電極とを有し、当該第４の電極と第２の共通電極との間から電流が引き出される構成となっており、第２の共通電極は、第３基板の裏面と第４基板上の受光層との間に設けられているものである。
【０００７】
本発明による双方向光通信システムでは、第１の光信号送受信装置において、第１の面発光型発光素子から長波長（第１の波長）の光信号が出射されると、この光信号は第１の共通電極の窓および第１の受光素子を透過したのち、光ファイバを介して第２の光信号送受信装置へ伝送される。この第２の光信号送受信装置に伝送された信号は、第２の面発光型発光素子および第２の共通電極の窓を透過したのちに第２の受光素子に受光されて電気信号に変換される。
【０００８】
一方、第２の光信号送受信装置において、第２の面発光型発光素子から短波長（第２の波長）の光信号が出射されると、この信号は光ファイバを介して第１の光信号送受信装置へ伝送され、ここで第１の受光素子に受光されて電気信号に変換される。
【０００９】
また、第１の光信号送受信装置において第１の共通電極に導通する第１のコンタクトプラグが設けられ、第２の光信号送受信装置において第２の共通電極に導通する第２のコンタクトプラグが設けられていることが好ましい。その際、例えば、第１のコンタクトプラグは第１の受光素子の層構造を貫通して設けられ、第２のコンタクトプラグは第２の面発光型発光素子の層構造を貫通して設けられているようにしてもよい。なお、第１および第２の光信号送受信装置としては、面発光型発光素子と受光素子とが一体的に光結合したモジュールを用いることが好ましい。モジュールとしては、モノリシック型のものでも、ハイブリッド型のものでもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る双方向光通信システムの実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の光通信システムの構成を示す模式図である。
本実施形態例の光通信システム３０は、一方の送受信側及び他方の送受信側にそれぞれ第１の光信号送受信装置３２及び第２の光信号送受信装置３４を備え、第１の光信号送受信装置３２と第２の光信号送受信装置３４との間に設けられた単芯の１本の光ファイバ３６を介して双方向の光通信を行う光通信システムである。
【００１１】
第１の光信号送受信装置３２は、第１の波長の光信号を出射する第１の面発光型半導体レーザ素子（以下、ＶＣＳＥＬと言う）３８と、吸収端部波長が第１の波長より短い化合物半導体で構成されて第１のＶＣＳＥＬ３８上に光結合して設けられ、かつ光ファイバ３６の一方の端部に光結合され、上記吸収端波長より短い第２の波長の光信号を受光する第１のフォトダイオード（以下、ＰＤと言う）４０とを備えている。
【００１２】
第１のＶＣＳＥＬ３８は、発振波長が１．３μｍ〜１．５５μｍのＧａＩｎＮＡｓ系ＶＣＳＥＬであって、従って第１の波長の光信号は波長が１．３μｍ〜１．５５μｍの範囲の光信号である。
【００１３】
第１のＰＤ４０は、ＧａＡｓ系の化合物半導体で形成されている、ＧａＡｓ系ｐｉｎフォトダイオードであって、後述するように、第１のＰＤ４０の基板裏面の電極には、第１のＶＣＳＥＬ３８から出射された光信号が通過するように円形に窓が開けられている。
第１のＰＤ４０を構成するＧａＡｓのバンドギャップ・エネルギー（１．４３ｅＶ）に相当する波長、つまり、吸収端波長は０．８８μｍであって、第１のＶＣＳＥＬ３８から出射される光信号の第１の波長、つまり１．３μｍ〜１．５５μｍの範囲の波長に比べて短いので、第１のＰＤ４０は、第１のＶＣＳＥＬ３８から出射された光信号を第１のＰＤ４０内で吸収することなく透過して光ファイバ３６に入射させる一方、第１のＰＤ４０は吸収端波長より短い第２の波長、例えば０．８５μｍの光信号を受光する。
第１のＶＣＳＥＬ３８と第１のＰＤ４０とは、一体的に光結合したモジュールとして構成されている。
【００１４】
第２の光信号送受信装置３４は、第１の波長の光信号を受光するようにＩｎＰ基板上に設けられたＩｎＧａＡｓ系化合物半導体から構成された第２のＰＤ４２と、第２のＰＤ４２上に光結合して設けられ、かつ光ファイバ３６の他方の端部に光結合され、第２の波長の光信号を出射するＧａＡｓ系面発光型半導体レーザ素子からなる第２のＶＣＳＥＬ４４とを備えている。尚、図１では、第２のＰＤ４２と第２のＶＣＳＥＬ４４の位置関係を便宜的に上下逆さに図示している。
上述したメカニズムと同じメカニズムにより、第１の波長の光信号は、第２のＶＣＳＥＬ４４を構成するＧａＡｓ系の化合物半導体中を吸収されることなく透過して、第２のＰＤ４２に到達して受光される。
第１のＰＤ４２と第２のＶＣＳＥＬ４４とは、一体的に光結合したモノリシック・モジュールとして構成されている。尚、モジュールは、モノリシックに限らず、ハイブリッド型のモジュールでも良い。
【００１５】
以上の構成により、本実施形態例の双方向光通信システム３０では、第１の光信号送受信装置３２の第１のＶＣＳＥＬ３８から出射された光信号は、第１のＰＤ４０で吸収されることなく透過して光ファイバ３６に入射し、光ファイバ３６を介して第２の光信号送受信装置３４に到達する。第２の光信号送受信装置３４に到達した光信号は、第２のＶＣＳＥＬ４４を透過して第２のＰＤ４２で受光される。
第２の光信号送受信装置３４の第２のＶＣＳＥＬ４４から出射された光信号は、光ファイバ３６に入射し、光ファイバ３６を介して第１の光信号送受信装置３２に到達する。第１の光信号送受信装置３２に到達した光信号は、第１のＰＤ４０で受光される。
【００１６】
本実施形態例では、第１のＶＣＳＥＬ３８をＧａＩｎＮＡｓ系の化合物半導体で構成しているが、ＩｎＧａＡｓＰ系の化合物半導体で構成しても良い。
【００１７】
ここで、図２及び図３を参照して、第１及び第２の光信号送受信装置３２、３４の構成を説明する。図２（ａ）及び（ｂ）は、第１の光信号送受信装置の構成を示す断面図及び平面図であり、図３（ａ）及び（ｂ）は、第２の光信号送受信装置の構成を示す断面図及び平面図である。
第１の光信号送受信装置３２は、図２（ａ）に示すように、第１のＶＣＳＥＬ３８と、第１のＶＣＳＥＬ３８上に光結合して設けられた第１のＰＤ４０とを有する。
【００１８】
第１のＶＣＳＥＬ３８は、ＧａＩｎＮＡｓ系の面発光型半導体レーザ素子であって、図２（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板４６と、ｎ−ＧａＡｓ基板４６上に設けられた一対の多層膜反射鏡４８Ａ、Ｂと、一対の多層膜反射鏡４８Ａ、Ｂによって上下が挟まれ、活性層５０を有する発光層５２と、多層膜反射鏡４８Ｂ上にコンタクト層５４を介して設けられたｐ側電極５６と、ｎ−ＧａＡｓ基板４６の裏面に設けられたｎ側電極５８とを備えている。また、ｐ側電極５６には、光信号を透過させる円形の窓６０が設けてある。
第１のＰＤ４０は、ＧａＡｓ系のｐｉｎフォトダイオードであって、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板６２上に設けられ、ｉ層の活性層６４を有するＧａＡｓ系受光層６６と、受光層６６上に設けられたｐ側電極６８とを備えている。また、ｐ側電極６８には光信号を透過させる円形の窓７０が設けてある。
【００１９】
第１のＰＤ４０のｎ側電極は、第１のＶＣＳＥＬ３８のｐ側電極５６と共通電極になっている。更に、共通電極５６には引き出し電極として、第１のＰＤ４０の層構造を貫通して共通電極５６に導通するコンタクトプラグ７２が層構造との間に絶縁膜７４を介して設けてある。
コンタクトプラグ７２に引き出しワイヤを設けることにより、第１のＶＣＳＥＬ３８のｐ側電極（共通電極）５６とｎ側電極５８との間に電流を注入し、また第１のＰＤ４０のｐ側電極６８とｎ側電極（共通電極）５６との間から電流を引き出すことが容易に出来る。
【００２０】
第２の光信号送受信装置３４は、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２のＰＤ４２と、第２のＰＤ４２上に光結合して設けられた第２のＶＣＳＥＬ４４とを有する。
第２のＰＤ４２は、ＩｎＧａＡｓ系のｐｉｎフォトダイオードであって、図３（ａ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板７６上に設けられ、ｉ層の活性層７８を有するＩｎＧａＡｓ系受光層８０と、受光層８０上に設けられたｐ側電極８２と、ｎ−ＩｎＰ基板７６の裏面に設けられたｎ側電極８４とを備えている。また、ｐ側電極８２には光信号を透過させる円形の窓８６が設けてある。
【００２１】
第２のＶＣＳＥＬ４４は、ＧａＡｓ系の面発光型半導体レーザ素子であって、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板８８と、ｎ−ＧａＡｓ基板８８上に設けられた一対の多層膜反射鏡９０Ａ、Ｂと、一対の多層膜反射鏡９０Ａ、Ｂによって上下が挟まれ、活性層９２を有する発光層９４と、多層膜反射鏡９０Ｂ上にコンタクト層９６を介して設けられたｐ側電極９８とを有する。
ｐ側電極９８は、図３（ｂ）に示すように、光信号を透過させる円形の窓１００を有するリング状の電極であって、引き出し電極１０２に接続されている。
【００２２】
第２のＶＣＳＥＬ４４のｎ側電極は、第２のＰＤ４２のｐ側電極８２と共通電極になっている。更に、共通電極８２には引き出し電極として、第２のＶＣＳＥＬ４４の層構造を貫通して共通電極８２に導通するコンタクトプラグ１０４が層構造との間に絶縁膜１０６を介して設けてある。
コンタクトプラグ１０４に引き出しワイヤを設けることにより、第２のＰＤ４２のｐ側電極（共通電極）８２とｎ側電極８４との間から電流を引き出し、第２のＶＣＳＥＬ４４のｐ側電極９８とｎ側電極８２（共通電極）との間に電流を注入することが容易に出来る。
【００２３】
以上の構成により、本実施形態例の双方向光通信システム３０は、単芯の１本の光ファイバ３６を介して双方向の光通信が可能なシステムであって、光ファイバ３６の両端部に設けた第１及び第２の光信号送受信装置３２、３４の構成をコンパクトで小型化することができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の双方向光通信システムによれば、一方の光信号送受信装置を、長波長用の面発光型発光素子と、光ファイバの一端と光結合した短波長用の受光素子とで構成し、かつ、他方の光信号送受信装置を、長波長用の受光素子と、光ファイバの他端と光結合した短波長用の面発光型発光素子とで構成するようにしたので、双方の光信号送受信装置を小型化することができ、かつ、単芯で１本の光ファイバのみで双方向の光通信を行うことができる。また、第１および第２の面発光型発光素子と第１および第２の受光素子との間に、窓付きの第１および第２の共通電極をそれぞれ設け、この第１および第２の共通電極を用いて第１および第２の面発光型発光素子へ電流を注入し、または第１および第２の受光素子から電流を取り出すようにしたので、双方の光信号送受信装置を小型でコンパクトなものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例の光通信システムの構成を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、第１の光信号送受信装置の構成を示す断面図及び平面図である。
【図３】図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、第２の光信号送受信装置の構成を示す断面図及び平面図である。
【図４】光通信システムの概念を説明する図である。
【図５】従来の双方向の光通信システムの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１０……従来の双方向の光通信システム、１２……一方の側に設けられた光信号送受信装置、１４……他方の側に設けられた光信号送受信装置、１６……光ファイバ、１８……第１の光信号送信装置、２０……第１の光信号受信装置、２２……第２の光信号受信装置、２４……第２の光信号送信装置、３０……実施形態例の光通信システム、３２……第１の光信号送受信装置、３４……第２の光信号送受信装置、３６……光ファイバ、３８……第１のＶＣＳＥＬ、４０……第１のＰＤ、４２……第２のＰＤ、４４……第２のＶＣＳＥＬ、４６……ｎ−ＧａＡｓ基板、４８……多層膜反射鏡、５０……活性層、５２……発光層、５４……コンタクト層、５６……共通電極、５８……ｎ側電極、６０……窓、６２……ｎ−ＧａＡｓ基板、６４……ｉ層の活性層、６６……受光層、６８……ｐ側電極、７０……窓、７２……コンタクトプラグ、７４……絶縁膜、７６……ｎ−ＩｎＰ基板、７８……ｉ層の活性層、８０……ＩｎＧａＡｓ系受光層、８２……共通電極、８４……ｎ側電極、８６……窓、８８……ｎ−ＧａＡｓ基板、９０……多層膜反射鏡、９２……活性層、９４……発光層、９６……コンタクト層、９８……ｐ側電極、１００……窓、１０２……引き出し電極、１０４……コンタクトプラグ、１０６……絶縁膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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