(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溝を有する半導体基板と、前記溝の一側面に設けられた反射鏡と、前記溝の底面上に設けられ、光ビームを伝送する光伝送路の端面に対して前記反射鏡を間に介して光ビームを出射するレーザ素子と、前記半導体基板に設けられ、前記光伝送路の端面から光ビームを受光する受光素子とを具備し、前記受光素子の受光面は前記半導体基板の表面に前記溝の一側面及び該面に隣接する両側面を３方向から囲むように設けられ、前記光伝送路の光軸が前記受光素子の受光面内に位置し、かつ、前記レーザ素子から出射される光ビームの光軸が前記光伝送路の光軸とずれて位置するとともに前記光伝送路の端面のうち光伝搬領域内に位置することを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
溝を有する半導体基板と、前記溝の一側面に設けられた反射鏡と、前記溝の底面上に設けられ、光ビームを伝送する光伝送路の端面に対して前記反射鏡を間に介して光ビームを出射するレーザ素子と、前記半導体基板に設けられ、前記光伝送路の端面から光ビームを受光する受光素子とを具備し、前記受光素子の受光面は前記半導体基板の表面に前記溝の一側面及び該面に隣接する両側面に隣接して設けられ、前記光伝送路の光軸が前記受光素子の受光面内に位置し、かつ、前記レーザ素子から出射される光ビームの光軸が前記光伝送路の光軸とずれて位置するとともに前記光伝送路の端面のうち光伝搬領域内に位置することを特徴とする光モジュール。
【請求項３】
溝を有する半導体基板と、前記溝の一側面に設けられた反射鏡と、前記溝の底面上に設けられ、光ビームを伝送する光伝送路の端面に対して前記反射鏡を間に介して光ビームを出射するレーザ素子と、前記半導体基板に設けられ、前記光伝送路の端面から光ビームを受光する受光素子と、前記レーザ素子及び前記受光素子を前記光伝送路に対して光学的に結合する光結合手段とを具備し、前記受光素子の受光面は前記半導体基板の表面に前記溝の一側面及び該面に隣接する両側面を３方向から囲むように設けられ、前記光伝送路の光軸が前記受光素子の受光面内に位置し、かつ、前記レーザ素子から出射される光ビームの光軸が前記光伝送路の光軸とずれて位置するとともに前記光伝送路の端面のうち光伝搬領域内に位置するように、前記光結合手段により光学的な結合が行われることを特徴とする光モジュール。
【請求項４】
溝を有する半導体基板と、前記溝の一側面に設けられた反射鏡と、前記溝の底面上に設けられ、光ビームを伝送する光伝送路の端面に対して前記反射鏡を間に介して光ビームを出射するレーザ素子と、前記半導体基板に設けられ、前記光伝送路の端面から光ビームを受光する受光素子と、前記レーザ素子及び前記受光素子を前記光伝送路に対して光学的に結合する光結合手段とを具備し、前記受光素子の受光面は前記半導体基板の表面に前記溝の一側面及び該面に隣接する両側面に隣接して設けられ、前記光伝送路の光軸が前記受光素子の受光面内に位置し、かつ、前記レーザ素子から出射される光ビームの光軸が前記光伝送路の光軸とずれて位置するとともに前記光伝送路の端面のうち光伝搬領域内に位置するように、前記光結合手段により光学的な結合が行われることを特徴とする光モジュール。
【請求項５】
溝を有する半導体基板と、前記溝の一側面に設けられた反射鏡と、光ビームを伝送する光伝送路と、前記溝の底面上に設けられ、前記光伝送路の端面に対して前記反射鏡を間に介して光ビームを出射するレーザ素子と、前記半導体基板に設けられ、前記光伝送路の端面から光ビームを受光する受光素子と、前記レーザ素子及び前記受光素子を前記光伝送路に対して光学的に結合する光結合手段とを具備し、前記受光素子の受光面は前記半導体基板の表面に前記溝の一側面及び該面に隣接する両側面を３方向から囲むように設けられ、前記光伝送路の光軸が前記受光素子の受光面内に位置し、かつ、前記レーザ素子から出射される光ビームの光軸が前記光伝送路の光軸とずれて位置するとともに前記光伝送路の端面のうち光伝搬領域内に位置するように、前記光結合手段により光学的な結合が行われていることを特徴とする光モジュール。
【請求項６】
溝を有する半導体基板と、前記溝の一側面に設けられた反射鏡と、光ビームを伝送する光伝送路と、前記溝の底面上に設けられ、前記光伝送路の端面に対して前記反射鏡を間に介して光ビームを出射するレーザ素子と、前記半導体基板に設けられ、前記光伝送路の端面から光ビームを受光する受光素子と、前記レーザ素子及び前記受光素子を前記光伝送路に対して光学的に結合する光結合手段とを具備し、前記受光素子の受光面は前記半導体基板の表面に前記溝の一側面及び該面に隣接する両側面に隣接して設けられ、前記光伝送路の光軸が前記受光素子の受光面内に位置し、かつ、前記レーザ素子から出射される光ビームの光軸が前記光伝送路の光軸とずれて位置するとともに前記光伝送路の端面のうち光伝搬領域内に位置するように、前記光結合手段により光学的な結合が行われていることを特徴とする光モジュール。
【請求項７】
前記受光素子の受光面は、一部が欠けた円形の平面形状を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光モジュール。
【請求項８】
前記光伝送路はポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、またはポリカーボネートを主材料とするコアを有する光ファイバーからなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光モジュールに係わり、特に光通信や光伝送技術において単一光伝送路及び単一波長を用いた光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体を利用した機器、たとえばコンピュータや通信機器において、機器に搭載されるＩＣ等の半導体素子は年々大容量化してきている。それに伴い、信号伝送手段の大容量化が求められている。その傾向は幹線系で顕著であるが、インターネットなどの普及により幹線局と端局間、端局と家庭間へと次第に端末まで進みつつある。そのため、信号伝送手段は、ますます小型化・低価格化が要求され、候補として光ファイバを用いた簡易光伝送が注目を集めている。
【０００３】
信号の伝送を行う場合には、信号のやり取りをする、たとえば、コンピュータの記憶装置と処理ＩＣとのやり取りなど、つまり、双方向の通信を行う必要の有る用途が多い。このように、双方向の信号伝送を行うには、複数の伝送路を用意するか、複数の波長を用いた波長多重技術を用いるか、単一の波長を用いた場合、時分割に双方向に通信する、通称ピンポン伝送と呼ばれる技術が用いられる。
【０００４】
これらは、必要とされる仕様によって使い分けがなされるが、最もシステムが簡素化されるのは時分割を用いて、単一波長、単一伝送路を用いる方式である。したがって、この方式に用いられる光モジュールは、簡易な構成でコストも低く抑える必要がある。
【０００５】
単一伝送路用の光モジュールの例として、図４に示すようなモジュールが有る（特開平９−３１８８５３）。この例では、半導体レーザ１１３と受光素子１１４をハーフミーラ１１６を挟んで半導体基板１１１上に配置し、一括してパッケージベース１１７内にパッケージングし非常にコンパクトにまとめているため、製造コストが低く寸法も小さくすることに成功している。
【０００６】
しかしながら、この例では光をハーフミラー１１６で分割しているため、当該光はある一定の分割比で分割された後、プリズム１１５内を透過して吸収を受けた後に受光素子１１４の受光面に到達する。そのため、受光素子１１４に入射する光は弱くなり、受光効率を稼ぐためにはハーフミラーの透過率をあげる必要が有る。これに伴い、半導体レーザから出射されハーフミラーで反射されて光ファイバー１１９のコア部１１９ａ（１１９ｂはクラッド部）に入射する入射光の強度が低下するというトレードオフの関係になる。
【０００７】
さらに、半導体レーザ１１３がオンになっている時、半導体レーザ１１３からの出射光が光ファイバー１１９の接続点などで反射を起こし戻り光が発生した場合、光ファイバー１１９でガイドされた反射光のビームの最も強度の強い部分が、再び半導体レーザ１１３の活性層に入射する構造になっているため、雑音が大きくなる傾向が有るという問題がある。この問題はこの例に限定されるものではなく、半導体レーザの出射ビームの光軸と光伝送路の光軸とが一致する場合に生じる問題である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上で述べたように、従来の単一伝送路、単一波長を用いた光モジュールにおいては、光伝送路への入射光強度を保ったまま受光効率を高めることが困難であった。また、光伝送路からの戻り光ビームの強度最大部分が半導体レーザに戻るという問題がある。
【０００９】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、光伝送路への入射光強度を保ったまま受光効率を高めることができ、戻り光ビームの影響を抑制することが可能な光モジュールを提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（構成）
前述した課題を解決するため、本発明は、光ビームを伝送する光伝送路の端面に対して光ビームを出射するレーザ素子と、前記光伝送路の端面から光ビームを受光する受光素子とを具備し、前記光伝送路の光軸が前記受光素子の受光面内にあり、かつ、前記レーザ素子から出射される光ビームの光軸が前記光伝送路の光軸とずれており前記光伝送路の端面のうち光伝搬領域内にあることを特徴とする光モジュールを提供する。
【００１１】
また本発明は、光ビームを伝送する光伝送路の端面に対して光ビームを出射するレーザ素子と、前記光伝送路の端面から光ビームを受光する受光素子と、前記レーザ素子及び前記受光素子を前記光伝送路に対して光学的に結合する光結合手段とを具備し、前記光伝送路の光軸が前記受光素子の受光面内にあり、かつ、前記レーザ素子から出射される光ビームの光軸が前記光伝送路の光軸とずれており前記光伝送路の端面のうち光伝搬領域内にあるように、前記光結合手段により光学的な結合が行われることを特徴とする光モジュールを提供する。
【００１２】
かかる本発明において、以下の構成を備えることが好ましい。
【００１３】
（１）前記レーザ素子及び前記受光素子はともに半導体素子であり、共通の半導体基板に隣接して形成されたものであること。
【００１４】
（２）前記受光素子と前記レーザ素子間の前記半導体基板上にはさらに反射鏡が設けられ、前記レーザ素子から出射された光ビームは前記反射鏡により反射され、反射された光ビームは前記光伝送路の端面に対して出射されること。
【００１５】
（３）前記光伝送路はポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、またはポリカーボネートを主材料とするコアを有する光ファイバーからなること。
【００１６】
前記光伝搬領域とは前記光伝送路の光入射口面のうち光ビームを伝搬する領域を意味し、当該光伝送路のコア領域に相当するものである。また、前記光伝送路の光軸とは主として光伝送路の中心軸を意味するものである。さらにまた、前記レーザ素子から出射される光ビームの光軸とは、当該光ビームの進行方向に垂直な面内において光ビーム強度が最大となる位置を通る軸を意味するものである。
【００１７】
（作用）
本発明によれば、光伝送路の光軸を受光素子の受光面内に配置し、かつ、半導体レーザ素子の出射光ビームの光軸とずらすことにより、戻り光の課題を解決し、かつ半導体レーザ素子の出射光ビームのうち所定の広がり角のビームが前記光伝送路に入射するように配置することにより、半導体レーザの前記光伝送路への入射光強度の低下を抑えることが可能である。特に、光伝送路の開口数以下の広がり角のビームがすべて前記光伝送路に入射するようにすることが好ましい。また、光伝送路の光軸が受光素子の受光面内にあるので、受光素子において高い受光効率を確保することが可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る光モジュールの構成を示す図である。図１（ｂ）は当該光モジュールの上面図であり、図１（ａ）は当該光モジュールのＡＡ′における断面図である。
【００２０】
図１に示されるように、１は光伝送路としての光ファイバーであり、１ａはコア部、１ｂはクラッド部である。光ファイバー１の光軸１ｃは当該光ファイバー１の中心軸に相当する。２は端面発光型の半導体レーザ半導体レーザ素子（以下ＬＤと記す。）であり、実装基板３にマウントされている。実装基板３は、例えばシリコンで作製されており、ＬＤ２を搭載するための凹部４とＬＤ２からの出射光を上方に反射するための斜面５とが形成されている。凹部４及び斜面５は、例えば（１００）から９．７°ｏｆｆさせた表面を有するシリコン基板３を水酸化カリウム水溶液を用いてウエットエッチングすることにより形成される。
【００２１】
凹部４と斜面５間にはＶ字型の溝５ａが形成されている。この溝５ａにより出射光強度の低下を防止することができる。即ち、基板３側に出射される出射光は、基板３の表面で反射して広がることにより出射光強度が低下してしまうという問題がある。溝５ａが形成されていることにより、出射光を効率良く斜面５に入射させることができ、これにより出射光強度の広がりを防止することが可能となる。
【００２２】
斜面５の表面には金属薄膜や誘電体膜（図示せず。）などにより全反射ミラーが形成されている。ＬＤ２から出射された光７はこの全反射ミラーにより反射されて、反射光は光ファイバー１に対して出射される。７ａはＬＤ２から出射される光ビーム７の光軸であり、光ビーム７の進行方向に垂直な面内において光ビーム強度が最大となる位置を通る軸である。
【００２３】
さらに、実装基板３の表面のうちＬＤ２の配置領域と異なる表面領域には、受光素子６が不純物拡散などにより形成されている。例えば、ｎ型半導体層の表面にｐ型半導体層を選択的に形成してダイオードを構成し、このダイオードを受光素子６とすることができる。光ファイバー１からの出射光８は受光素子６に対して入射する。
【００２４】
光ファイバー１は、実装基板３が固定された筐体１０と、紫外線硬化接着剤９で固定されており、光ファイバー１と実装基板３との間を光学的に結合することができ、上述したようにＬＤ２及び受光素子６と光ファイバー１との間の光伝送を行うことが可能となる。
【００２５】
ただし、紫外線硬化接着剤で直接筐体に固定する光結合方式に限定されるものではなく、光ファイバー１をスリーブに挿入後接着剤で固定する方式や光コネクタ方式であっても何ら問題はない。
【００２６】
図１に示されるように、ＬＤ２の出射光ビーム７の光軸７ａは光ファイバー１の光軸１ｃとずれている。このため、ＬＤ２から出射された出射光７が光ファイバー１の接続点などで反射を起こすことによって戻り光ビームが発生した場合でも、光ファイバー１からの戻り光ビームの最大強度を持つ部分はＬＤ２には入射しない。
【００２７】
出射光ビーム７のうち光ファイバー１に入射して伝送されるものは、光ファイバー１の端面に入射した光ビームのうち光ファイバー１の開口数（以下ＮＡと記す。）に相当する広がり角以内の光のみであるから、信号伝送に必要な光強度を確保できる位置にＬＤ２の出射光ビーム７の光軸７ａを持ってくれば良い。具体的には、ＬＤ２から出射される光ビーム７の光軸７ａが光ファイバー１の端面のうち光伝搬領域内にあるようにすれば良い。ここで、光伝搬領域は光ファイバー１のコア部１ａに相当する。
【００２８】
光ファイバー１として、コア部１ａがポリメチルメタクリレート（以下ＰＭＭＡと記す。）から構成され、クラッド部１ｂがテトラフルオロエチレン／フッ化ビニリデン共重合体から構成されたプラスチックファイバを用いることが可能であり、この場合は以下のようになる。即ち、例えば、コア径９８０μｍ、ＮＡ＝０．３のプラスチックファイバーの場合は、伝送可能なＬＤ入射光は、広がり角で約±１７．５°（＝ｓｉｎ-1０．３）となる。したがって、光ファイバー１とＬＤ２との距離を１００μｍとすると、半径約３２μｍの円内に入る光が伝送され得る信号となる。したがって、光ファイバー１のコア部１ａの端部（コア部１ａとクラッド部１ｂとの界面）から約３２μｍほど内側にＬＤ２の出射光７の光軸７ａを置けば、ほとんど過剰損失を与えること無く光ファイバー１内に信号を伝送することが可能になる。
【００２９】
一方、光ファイバー１のコア部１ａの半径は４９０μｍと大きい。この時、光ファイバー１からの出射光８がＬＤ２搭載用の凹部４により遮られる面積は小さく、また光ファイバー１の光軸１ｃが受光素子６の受光面内にあるので、受光素子６において十分な受光効率を確保することが可能である。
【００３０】
即ち、光ファイバー１を伝搬してきた光信号は光ビーム８のように広がって出射される。出射光ビーム８の光軸（１ｃに相当。）は受光素子６を通っているため、受光素子６において信号光の最大強度部分をそのまま受光できる。ここで、光ファイバー１からの出射光８は、ファイバーの長さや途中の曲げの影響を受けるため、その強度分布が一義的には決定されない。しかしながら、光ファイバー１への入射光が半導体レーザ光である場合、おおむねコア１ａの中心付近より周辺部に行くにしたがってビーム強度が下がる。この理由としては、半導体レーザによる入射光は、光軸からの角度に対して角度が大きいほど強度が小さくなる分布を持っているためである。したがって、受光に寄与しない部分、即ち半導体レーザ（ＬＤ２）の搭載部及び反射鏡部（全反射ミラー）が出射光８の中心付近にある場合よりも、明らかに高い効率で受光することが可能になる。
【００３１】
このように本実施形態によれば、光ファイバー１のＮＡに相当する広がり角以内に含まれるＬＤ２の出射光７をすべて光ファイバー１に導くことにより、最大のＬＤ出射光強度を得ることができるとともに、光ファイバー１の光軸１ｃを受光素子６の受光面内とすることにより、受光素子６において十分な受光効率を確保することが可能となる。
【００３２】
また、半導体レーザの寸法が大きくなり、半導体レーザ搭載部の面積が大きくなった場合にも、受光面積の低下を抑制することが可能である。図２はその効果を説明するための図である。図１と同一部分には同一の符号を付して示す。図２に示すように反射鏡部５ｂ（図１の斜面５上に形成される。）が所定の位置にあれば良く、上記実施形態の例によれば、コア部１ａの端部より中心側に３２μｍの位置にＬＤ１２の光軸７ａを置けば良い。かかる配置により半導体レーザ搭載部４ａの一部をファイバー出射光８の領域外におくことができ、搭載部４ａが大きくなったことによる受光面積の低下を抑制することが可能である。
【００３３】
なお、上記実施形態では、光ファイバー１のＮＡに相当する広がり角以内に含まれるＬＤ２の出射光７をすべて光ファイバー１に導く構成を主として述べたが、ＬＤ２から出射される光ビーム７の光軸７ａがコア部１ａの領域内にあれば、本発明の効果を奏することが可能である。
【００３４】
（第２の実施形態）
本実施形態では、半導体レーザ素子を面発光レーザとし、受光素子と発光素子を集積化した例を示す。図３は本発明の第２の実施形態に係る光モジュールの構成を示す図である。図１と同一部分には同一の符号を付している。
【００３５】
図３に示されるように、３２は面発光型の半導体レーザ素子（以下ＬＤと記す。）であり、ＧａＡｓ基板３３上に作製されている。また、同じＧａＡｓ基板３３の表面のうちＬＤ３２の配置領域と異なる表面領域には、受光素子３６が不純物拡散などにより形成されている。例えば、ｎ型半導体層の表面にｐ型半導体層を選択的に形成してダイオードを構成し、このダイオードを受光素子３６とすることができる。光ファイバー１からの出射光８は受光素子３６に対して入射する。
【００３６】
光ファイバー１は、実装基板３３が固定された筐体４０と、紫外線硬化接着剤３９で固定されており、光ファイバー１と実装基板３との間を光学的に結合することができ、上述したようにＬＤ３２及び受光素子３６と光ファイバー１との間の光伝送を行うことが可能となる。
【００３７】
ただし、紫外線硬化接着剤で直接筐体に固定する光結合方式に限定されるものではなく、光ファイバー１をスリーブに挿入後接着剤で固定する方式や光コネクタ方式であっても何ら問題はない。
【００３８】
図３に示されるように、ＬＤ３２の出射光ビーム３７の光軸３７ａは光ファイバー１の光軸１ｃとずれている。このため、ＬＤ３２から出射された出射光３７が光ファイバー１の接続点などで反射を起こすことによって戻り光ビームが発生した場合でも、光ファイバー１からの戻り光ビームの最大強度を持つ部分はＬＤ３２には入射しない。
【００３９】
第１の実施形態と同様に、出射光ビーム３７のうち光ファイバー１に入射して伝送されるものは、光ファイバー１の端面に入射した光ビームのうち光ファイバー１の開口数（以下ＮＡと記す。）に相当する広がり角以内の光のみであるから、信号伝送に必要な光強度を確保できる位置にＬＤ３２の出射光ビーム３７の光軸３７ａを持ってくれば良い。具体的には、ＬＤ３２から出射される光ビーム３７の光軸３７ａが光ファイバー１の端面のうち光伝搬領域内にあるようにすれば良い。ここで、光伝搬領域は光ファイバー１のコア部１ａに相当する。
【００４０】
また、光ファイバー１のコア部１ａの半径は４９０μｍと大きい。この時、面発光レーザ１の占有面積は非常に小さく、また光ファイバー１の光軸１ｃが受光素子３６の受光面内にあるので、受光素子３６においてほぼ１００％に近い受光効率を確保することが可能である。即ち、第１の実施形態と同様に、光ファイバー１を伝搬してきた光信号は光ビーム８のように広がって出射されるが、出射光ビーム８の光軸（１ｃに相当。）は受光素子３６を通っているため、受光素子３６において信号光の最大強度部分をそのまま受光することが可能である。
【００４１】
このように本実施形態によれば、光ファイバー１のＮＡに相当する広がり角以内に含まれるＬＤ３２の出射光３７をすべて光ファイバー１に導くことにより、最大のＬＤ出射光強度を得ることができるとともに、光ファイバー１の光軸１ｃを受光素子３６の受光面内とすることにより、受光素子３６において十分な受光効率を確保することが可能となる。
【００４２】
また、本実施形態によれば、第１の実施形態で述べた端面発光型の半導体レーザに比較して出射ＮＡを小さくすることができるため、光ファイバー１の光軸１ｃとＬＤ３２の光軸３７ａ間のずれを大きくとっても良く、より配置の自由度つまり設計の自由度を大きくとることが可能となる。
【００４３】
なお、本発明は上記実施形態には限定されない。例えば、上記実施形態では半導体レーザ用のサブマウント基板と受光素子とを集積化した例を示しているが、別個であっても効果は同じである。上記実施形態のように集積化を行った場合には、半導体レーザ素子と受光素子の配置を精密に制御できるため、より望ましい形態である。
【００４４】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、戻り光の課題を解決するとともに、半導体レーザの光伝送路への入射光強度の低下を抑えることが可能である。また、受光素子において高い受光効率を確保することが可能である。さらに、簡単な構成で設計の自由度の高い光モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態に係る光モジュールの構成を示す図。
【図２】  上記第１の実施形態に係る光モジュールの効果を説明するための図。
【図３】  本発明の第２の実施形態に係る光モジュールの構成を示す図。
【図４】  従来の光モジュールの構成を示す図。
【符号の説明】
１…光ファイバー
１ａ…コア部
１ｂ…クラッド部
１ｃ…光ファイバー１の中心軸
２、１２、３２…半導体レーザ素子
３、３３…実装基板
４…凹部
４ａ…半導体レーザ搭載部
５…斜面
５ａ…溝
５ｂ…反射鏡部
６、３６…受光素子
７、３７…半導体レーザ素子からの出射光ビーム
７ａ、３７ａ…光ビーム７の光軸
８…光ファイバー１からの出射光ビーム
９、３９…光コネクタ
【図１】
0003785037.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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