(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の波長の光を発生する発光素子と、この発光素子に結合された曲がり導波路部分と光ファイバのコアに結合された直線導波路部分とからなる第一の光導波路と、受光素子と、この受光素子に結合された曲がり導波路部分と前記光ファイバのクラッドに結合された直線導波路部分とからなる第二の光導波路と、前記第一の光導波路の直線導波路部分と前記第二の光導波路の直線導波路部分とからなるとともに前記第一の波長の光を前記第一の光導波路から前記光ファイバのコアに導き第二の波長の光を前記光ファイバのコアから前記第二の光導波路に導く光方向性結合器と、
を備えた双方向光通信モジュール。
【請求項２】
前記第一の波長と前記第二の波長とが等しい、
請求項１記載の双方向光通信モジュール。
【請求項３】
前記光ファイバのクラッドと前記第二の光導波路の直線導波路部分とは間隙を介して結合され、当該直線導波路部分から放射された光の当該光ファイバにおけるスポット径が当該光ファイバのファイバ径よりも小さくなるように、前記間隙の値が設計された、
請求項１又は２記載の双方向光通信モジュール。
【請求項４】
前記光方向性結合器に代えてマッハツェンダ型合分波器とし、前記第一及び第二の光導波路の直線導波路部分に代えて当該マッハツェンダ型合分波器を構成する導波路部分とした、
請求項１記載の双方向光通信モジュール。
【請求項５】
前記第二の光導波路の直線導波路部分の先端は、前記光ファイバの半径方向外側乃至周方向に曲げられた、
請求項１、２又は３記載の双方向光通信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光方向性結合器を用いて送信光と受信光とを合分波する双方向光通信モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２乃至図１４は、特開平５−２８９１２０号公報に開示された従来の双方向光通信モジュールを示す。図１２は全体構成図、図１３［１］は部分拡大図、図１３［２］は図１３［１］における断面図、図１４は光方向性結合器の波長特性図である。以下、これらの図面に基づき説明する。
【０００３】
図１２において、光導波路基板２００の一方の側面寄りの表面に、発光素子２１０に光結合する光導波路２５１、受光素子２２０に光結合する光導波路２５２、及び受光素子２３０に光結合する光導波路２５４を、並列して設けている。一方、光導波路基板２００の他方の側面寄りの表面に、光ファイバ５００に光結合する基幹光導波路２５０を設けている。基幹光導波路２５０を分岐して、一方に光導波路２５３を、他方に光導波路２５４を形成している。
【０００４】
また、光導波路２５３を分岐して、一方に光導波路２５１を、他方に光導波路２５２を形成している。そして、基幹光導波路２５０及び光導波路２５３，２５４が構成する三叉路部分に、光合分波器（導波路型の光方向性結合器又はマッハツェンダ型合分波器）２２０を設けて、光ファイバ５００から入射する光の短波長帯λ１１を光導波路２５３に、長波長帯λ１２を光導波路２５４に、それぞれ分波伝送している。
【０００５】
更に、光導波路２５１，２５２，２５３が構成する三叉路部分に、光導波路２５２に対して、長波長帯λ１２で結合損失が大きい光方向性結合器４００を設けて、光導波路２５３に漏れ進行した長波長帯λ１２が受光素子２２０に入射するのを阻止している。
【０００６】
そして、光導波路２５１の入射端（すなわち光導波路基板２００の端面）に発光素子２１０を設置し、光導波路２５２の出射端（すなわち光導波路基板２００の端面）に受光素子２２０の受光面を対向配置し、光導波路２５４の出射端（すなわち光導波路基板２００の端面）に受光素子２３０の受光面を対向配置している。
【０００７】
次に、光方向性結合器４００を、図１３及び図１４を参照しながら詳述する。
【０００８】
図１３に図示したように、光導波路２５３と光導波路２５１との接続部を逆台形に折り曲げて、コア線路４１０を設けるとともに、光導波路２５２の入射端側を台形に折り曲げて、コア線路４１０に近接して平行するコア線路４２０を設けることで、光方向性結合器４００としている。
【０００９】
コア線路４１０，４２０の構成の一例は、幅ｂが６［μｍ］、高さａが６［μｍ］の角形で、長さＬが１.８１［ｍｍ］であり、コア線路４１０とコア線路４２０との間隔ｄは、３．６［μｍ］である。なお、コア線路４１０，４２０の屈折率は１.４６８、クラッド４５０の屈折率は１.４５７である。
【００１０】
光方向性結合器４００の波長特性を図１４に示す。図１４の点線Ｐ−１は、光導波路２５３と光導波路２５１との間における結合損失対波長の関係を示し、実線Ｐ−２は光導波路２５３と光導波路２５２との間における結合損失対波長の関係を示す。光方向性結合器４００が図１４のような波長特性を有しているので、短波長帯λ１１として１．３１［μｍ］を中心とした波長帯を選択し、長波長帯λ１２として１．５５［μｍ］を中心とした波長帯を選択することにより、光導波路２５２すなわち受光素子２２０に対して、長波長帯λ１２の光の侵入が阻止される。
【００１１】
従来の双方向光通信モジュールでは、光ファイバ５００から出射した短波長帯λ１１及び長波長帯λ１２の光が、基幹光導波路２５０を経て光合分波器２２０に入り、短波長帯λ１１と長波長帯λ１２とに分波される。その結果、長波長帯λ１２の光は、光導波路２５４を進行して受光素子２３０に入射する。一方、短波長帯λ１１の光及び光合分波器２２０で漏れた長波長帯λ１２の光は、光導波路２５３に進み、光方向性結合器４００を経ることにより、短波長帯λ１１の光のみが、光導波路２５２に進み受光素子２２０に入射する。なお、発光素子２１０から発信された短波長帯λ１１の光は、光導波路２５１，光方向性結合器４００，光導波路２５３，光合分波器２２０，基幹光導波路２５０を経て、光ファイバ５００に伝送される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の双方向光通信モジュールでは、発光素子２１０からの短波長帯λ１１の光が光方向性結合器４００を通過する際に分岐及び放射される光が発生するものの、その処理方法について全く考慮されていない。すなわち、図１３に示す光方向性結合器４００の詳細図において、光導波路２５１からの短波長帯λ１１の光は、半分は光導波路２５３に導波されるが、残りの半分はコア線路４２０にパワーが移行され、切断された光導波路２５２から光が放射される。放射された光は、双方向光通信モジュール内で乱反射して迷光となり、短波長帯λ１１用の受光素子２２０に入射されて受信感度特性の劣化を引き起こす。
【００１３】
また、光方向性結合器４００では、図１３［１］に示すように、二本の接近したコア線路４１０，４２０の導波路間隔を、切断された光導波路２５２側において広げる構造になっている。しかし、この構造では曲がり導波路が長くなってしまうので、光導波路基板２００の小型化が困難であるという欠点があった。
【００１４】
【発明の目的】
そこで、本発明の主な目的は、受信感度特性を向上できる双方向光通信モジュールを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る双方向光通信モジュールは、第一の波長の光を発生する発光素子と、発光素子に結合された曲がり導波路部分と光ファイバのコアに結合された直線導波路部分とからなる第一の光導波路と、受光素子と、受光素子に結合された曲がり導波路部分と光ファイバのクラッドに結合された直線導波路部分とからなる第二の光導波路と、第一の光導波路の直線導波路部分と第二の光導波路の直線導波路部分とからなるとともに第一の波長の光を第一の光導波路から光ファイバのコアに導き第二の波長の光を光ファイバのコアから第二の光導波路に導く光方向性結合器とを備えたものである（請求項１）。
【００１６】
このとき、第一の波長と第二の波長とが等しい、としてもよい（請求項２）。光ファイバのクラッドと第二の光導波路の直線導波路部分とは間隙を介して結合され、直線導波路部分から放射された光の光ファイバにおけるスポット径が光ファイバのファイバ径よりも小さくなるように、間隙の値が設計された、としてもよい（請求項３）。光方向性結合器に代えてマッハツェンダ型合分波器とし、第一及び第二の光導波路の直線導波路部分に代えてマッハツェンダ型合分波器を構成する導波路部分とした、としてもよい（請求項４）。第二の光導波路の直線導波路部分の先端は、光ファイバの半径方向外側乃至周方向に曲げられた、としてもよい（請求項５）。
【００１７】
換言すると、本発明に係る双方向光通信モジュールでは、光方向性結合器で生じた漏れ光を、光ファイバのクラッドに入射させることにより双方向光通信モジュール外へ導く構造としている。光方向性結合器での漏れ光を双方向光通信モジュール外へ導くことにより、双方向光通信モジュール内で乱反射する迷光が抑制される。また、光方向性結合器において二本の光導波路の間隔をあまり広げずにそのままクラッドに導くことにより、光ファイバ側の曲がり導波路が不要になるので、光導波路基板の小型化が実現される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る双方向光通信モジュールの第一実施形態を示す構成図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００１９】
本実施形態の双方向光通信モジュールは、波長λ１の光を発光する発光素子２と、発光素子２に結合された曲がり導波路部分（光導波路６）と光ファイバ４のコア１１に結合された直線導波路部分（光導波路８）とからなる第一の光導波路と、受光素子３と、受光素子３に結合された曲がり導波路部分（光導波路７）と光ファイバ４のクラッド１２に結合された直線導波路部分（光導波路９）とからなる第二の光導波路と、光導波路８，９からなるとともに波長λ１の光を光導波路６からコア１１に導き波長λ２の光をコア１１から光導波路７に導く光方向性結合器１０とを備えたものである。
【００２０】
換言すると、本実施形態の双方向光通信モジュールは、光導波路基板１、発光素子２、受光素子３、光ファイバ４、パッケージ５等から構成される。光導波路基板１上に発光素子２及び受光素子３が実装され、光導波路基板１と光ファイバ４が固定された状態でパッケージ５内に収納されている。
【００２１】
光導波路基板１には、発光素子２と結合する光導波路６、受光素子３と結合する光導波路７、コア１１と結合する光導波路８、光導波路８に隣接してクラッド１２に接続する光導波路９が形成されている。光導波路６，７は曲がり導波路、光導波路８，９は直線導波路である。光導波路８，９は、波長λ１の光を光導波路６に、波長λ２の光を光導波路７にそれぞれ導く光方向性結合器１０を形成している。光ファイバ４には、ファイバ径１２５［μｍ］、コア径１０［μｍ］のシングルモードファイバが、主に使用される。
【００２２】
図２は、光方向性結合器１０の波長特性の一例を示すグラフである。以下、図１及び図２に基づき説明する。
【００２３】
図２は、光導波路６から入射された光に対する、光方向性結合器１０の波長特性である。波長λ１＝１.５５［μｍ］、波長λ２＝１.３１［μｍ］である。波長λ１の光が光導波路６から光方向性結合器１０に入射した場合、その全ての光が光導波路８から出射され、光導波路９からは何も出射されない。しかし、波長λ１が１.５５μｍからずれていた場合や、光導波路８，９の屈折率が設計値からずれていた場合などには、全ての光が光導波路８から出射されるわけではなく、光導波路９からも漏れ光が出射される。双方向光通信モジュール内の迷光による受信感度特性の劣化を抑えるためには、この光導波路９からの漏れ光を無視できない。そのため、本実施形態では、この漏れ光をクラッド１２を通過させて双方向光通信モジュール外へ導く構造となっている。
【００２４】
次に、本実施形態の双方向光通信モジュールの動作を説明する。
【００２５】
コア１１から入射された波長λ２の受信光は、光方向性結合器１０によって光導波路７に導かれ、受光素子３で受光される。一方、発光素子２で発光された波長λ１の送信光は、光方向性結合器１０によって光導波路８に導かれ、コア１１に結合される。このとき、光方向性結合器１０から光導波路９に漏れてきた波長λ１の光は、クラッド１２を通過することにより、パッケージ５の外へ導かれる。ファイバクラッド１２を通過してパッケージ５の外へ導かれた光は、伝送路での光ファイバ４の曲がり部分などで放射されるため、コア１１を伝送する送信光や受信光に影響を及ぼすことはない。このように、波長λ１の光を送信するとともに、波長λ２の光を受信し、光方向性結合器１０からの漏れ光を双方向光通信モジュール外へ導く機能を有する双方向光通信モジュールを実現できる。
【００２６】
図３は、本発明に係る双方向光通信モジュールの第二実施形態を示す構成図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００２７】
本実施形態の双方向光通信モジュールは、光方向性結合器１０ａの設計を変更することにより、波長λ１の光が光導波路６と光導波路７とに半分ずつ分岐されるようにしたものである。コア１１から入射された波長λ１の受信光は、光方向性結合器１０ａによって光導波路６と光導波路７とに分岐され、光導波路７に導かれた光が受光素子３で受光される。
【００２８】
一方、発光素子２で発光された波長λ１の送信光は、光方向性結合器１０ａによって光導波路８ａと光導波路９ａとに分岐され、光導波路８ａに導かれた光がコア１１に結合される。このとき、光方向性結合器１０ａにおいて光導波路９ａに導かれた光は、クラッド１２を通過することにより、パッケージ５の外へ導かれる。このように、波長λ１の光を送受信し、光方向性結合器１０ａでの分岐光を双方向光通信モジュールの外へ導く機能を有する双方向光通信モジュールを実現できる。
【００２９】
本実施形態では、光方向性結合器１０ａを３ｄＢカプラとして用いているため、光導波路９ａから放射される光出力は非常に大きく、ファイバ出力とほぼ等しい値である。このため、光方向性結合器１０ａでの分岐光を双方向光通信モジュール外へ導く方法は、迷光の抑制のために非常に効果的である。また、光方向性結合器１０ａの分岐比は、本実施形態では１対１としているが、任意の値で設計することが可能である。
【００３０】
図４は、本発明に係る双方向光通信モジュールの第三実施形態を示す構成図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００３１】
本実施形態の双方向光通信モジュールは、光導波路９ｂを光導波路基板１の端面まで形成せずに、途中で切断した構造となっている。そのため、光導波路９ｂから放射された漏れ光は、光導波路基板１中を広がりながら伝搬する。このとき、光導波路基板１の端面での漏れ光のスポット径が光ファイバ４のファイバ径よりも小さくなるように設計されているので、漏れ光は全てクラッド１２に入射される。したがって、第一実施形態と同じ機能の双方向光通信モジュールを実現できる。
【００３２】
図５は、本発明に係る双方向光通信モジュールの第四実施形態を示す構成図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００３３】
本実施形態の双方向光通信モジュールは、第一実施形態における光方向性結合器１０の代わりに、マッハツェンダ型合分波器１３を用いた例である。マッハツェンダ型合分波器１３は、第１の合分波器１４、第２の合分波器１５、光導波路１６、光導波路１７等から構成される。コア１１から入射された波長λ２の受信光は、マッハツェンダ型合分波器１３によって光導波路７に導かれ、受光素子３で受光される。
【００３４】
一方、発光素子２で発光された波長λ１の送信光は、マッハツェンダ型合分波器１３によって光導波路８ｃに導かれ、コア１１に結合される。このとき、マッハツェンダ型合分波器１３において光導波路９ｃに漏れてきた波長λ１の光は、クラッド１２を通過することにより、パッケージ５の外へ導かれる。このように、波長λ１の光を送信するとともに波長λ２の光を受信し、マッハツェンダ型合分波器１３からの漏れ光を双方向光通信モジュール外へ導く機能を有する双方向光通信モジュールを実現できる。
【００３５】
図６は、本発明に係る双方向光通信モジュールの第五実施形態を示す構成図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００３６】
本実施形態の双方向光通信モジュールは、光導波路９の先端９ｄが光ファイバ４の半径方向外側に曲げられている。発光素子２で発光された波長λ１の送信光は、光方向性結合器１０によって光導波路８に導かれ、コア１１に結合される。このとき、光方向性結合器１０から光導波路９に漏れてきた波長λ１の光は、先端９ｄを経てクラッド１２を通過することにより、パッケージ５の外へ導かれる。クラッド１２を通過してパッケージ５の外へ導かれた光は、光導波路９の先端９ｄが光ファイバ４の半径方向外側に曲げられているため、より効果的に光ファイバ４の外へ放射される。なお、光導波路９の先端９ｄを光ファイバ４の周方向に曲げても、同様の作用及び効果が得られる。
【００３７】
図７は、本発明に係る双方向光通信モジュールの第六実施形態を示す構成図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００３８】
本実施形態の双方向光通信モジュールでは、光導波路７の端部７ａにおける光軸方向に垂直な一本の溝２０が、光導波路基板１の表面に形成されている。
【００３９】
図８は、図７における受光素子付近を示す部分拡大図である。図９［１］は図８におけるVIIIａ−VIIIａ線縦断面図、図９［２］は図８におけるVIIIｂ−VIIIｂ線縦断面図である。以下、これらの図面に基づき説明する。
【００４０】
溝２０は、光導波路７の端部７ａから光λ２が出射する壁面２１と、壁面２１から出射した光λ２を反射させて受光素子３へ導く壁面２２とからなる。壁面２１には、光λ２の出射する部分を除き反射膜２３が形成されている。壁面２２には、光λ２の反射する部分に反射膜２４が形成されている。なお、光導波路基板１は、シリコン基板３０と、その上に形成された酸化シリコン層３１とからなる。酸化シリコン層３１の一部に、光導波路７が形成されている。
【００４１】
光導波路基板１内を受光素子３の方へ進む迷光Ｐは、反射膜２１で遮られる（図９［２］）。そのため、受光素子３の雑音が減少する。一方、光λ２は、反射膜２４で反射することにより、反射膜２４が無い場合に比べて効率よく受光素子３へ導かれる（図９［１］）。そのため、受光素子３の信号が増加する。したがって、受光素子３のＳＮ比が向上する。
【００４２】
なお、光導波路８，９側は、第一実施形態の構造に限定されるものではなく、例えば図１２及び図１３に示す従来構造としてもよい。
【００４３】
図１０及び図１１は、本発明に係る双方向光通信モジュールの製造方法の一実施形態を示す断面図であり、それぞれ［１］〜［４］の順に工程が進行する。また、図１０は図９［１］に対応し、図１１は図９［２］に対応する。以下、これらの図面に基づき説明する。ただし、図９と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００４４】
本実施形態は、第六実施形態の双方向光通信モジュールを製造する方法である。まず、ダイシングソーのブレード３２を使用して、光導波路基板１の表面に溝２０を形成する（図１０及び図１１の［１］）。この工程では、一般の半導体製造技術と同じように、一枚のシリコンウェハに光導波路基板１となる領域を多数設け、そのシリコンウェハ表面に連続的に多数の溝２０を形成する。
【００４５】
続いて、壁面２１，２２を含む光導波路基板１の表面全体に、蒸着、スパッタリング、メッキ等の成膜方法を用いて、Ａｕ膜３３を形成する（図１０及び図１１の［２］）。このとき、Ａｕの代わりに、例えばＡｇやＡｌ等を用いてもよい。
【００４６】
続いて、Ａｕ膜３３を残したい部分に、フォトリソグラフィ技術を用いて、フォトレジスト膜３４ａ，３４ｂを形成する（図１０及び図１１の［３］）。
【００４７】
最後に、ドライエッチング技術又はウェットエッチング技術を用いて、フォトレジスト膜３４ａ，３４ｂに覆われていない部分のＡｕ膜３３を除去する（図１０及び図１１の［４］）。これにより、反射膜２３，２４が形成される。このとき、図示しないが、受光素子及び発光素子に用いられる電極も同時に形成される。
【００４８】
このように、反射膜２３，２４及び電極（図示せず）は、同じ金属膜形成工程及び金属膜除去工程によって、同時に形成される。したがって、反射膜２３，２４及び電極（図示せず）をそれぞれ別々の工程で形成する場合に比べて、製造工程が簡略化される。
【００４９】
なお、Ａｕ膜３３を形成する前に予めフォトレジスト膜を形成しておき、リフトオフ技術を用いて、反射膜２３，２４を形成してもよい。又は、フォトレジスト膜を形成しないで、イオンミリング技術等を用いて、Ａｕ膜３３を直接除去してもよい。
【００５０】
【発明の効果】
本発明に係る双方向光通信モジュールによれば、以下の効果を奏する。
【００５１】
第１の効果は、良好な受信感度特性が得られることである。光方向性結合器からの漏れ光を双方向光通信モジュール外へ導く構造としたことにより、双方向光通信モジュール内での迷光の発生を抑制することができるので、受光素子に入射される迷光量を大幅に低減できる。したがって、迷光による受信感度の劣化を防止できる。
【００５２】
第２の効果は、簡単な双方向光通信モジュール構成が実現できることである。従来構造では、光方向性結合器からの漏れ光による迷光が受光素子に入射するのを防止するため、迷光を遮光したり、吸収したりする対策が必要であった。これに対し、本発明では、光方向性結合器からの漏れ光を双方向光通信モジュール外へ導く構造としたため、従来のような迷光対策を施す必要がなく、簡単な双方向光通信モジュール構成を実現できる。
【００５３】
第３の効果は、光導波路基板の小型化が可能なことである。従来の漏れ光を双方向光通信モジュール外へ導かない構造の光方向性結合器では、光ファイバと結合する部分での二本の光導波路の間隔を光ファイバの半径より大きく広げる必要があるため、ファイバ結合部の曲がり導波路が長くなってしまうので、光導波路基板の小型化が困難であった。これに対し、本発明における光方向性結合器では、二本の光導波路の間隔を広げずにそのままファイバクラッドに導くことにより、光ファイバ側の曲がり導波路が不要になるので、光導波路基板の小型化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る双方向光通信モジュールの第一実施形態を示す構成図である。
【図２】  図１の双方向光通信モジュールにおける光方向性結合器の波長特性図である。
【図３】  本発明に係る双方向光通信モジュールの第二実施形態を示す構成図である。
【図４】  本発明に係る双方向光通信モジュールの第三実施形態を示す構成図である。
【図５】  本発明に係る双方向光通信モジュールの第四実施形態を示す構成図である。
【図６】  本発明に係る双方向光通信モジュールの第五実施形態を示す構成図である。
【図７】  本発明に係る双方向光通信モジュールの第六実施形態を示す構成図である。
【図８】  図７における受光素子付近を示す部分拡大図である。
【図９】  図９［１］は図８におけるVIIIａ−VIIIａ線縦断面図、図９［２］は図８におけるVIIIｂ−VIIIｂ線縦断面図である。
【図１０】  本発明に係る双方向光通信モジュールの製造方法の一実施形態を示す図９［１］に対応する断面図であり、［１］〜［４］の順に工程が進行する。
【図１１】  本発明に係る双方向光通信モジュールの製造方法の一実施形態を示す図９［２］に対応する断面図であり、［１］〜［４］の順に工程が進行する。
【図１２】  従来の双方向光通信モジュールを示す全体構成図である。
【図１３】  図１３［１］は図１２における部分拡大図、図１３［２］は図１３［１］における断面図である。
【図１４】  図１２の双方向光通信モジュールにおける光方向性結合器の波長特性図である。
【符号の説明】
１  光導波路基板
２  発光素子
３  受光素子
４  光ファイバ
６，８，８ａ，８ｂ  光導波路（第一の光導波路）
７，９，９ａ，９ｂ  光導波路（第二の光導波路）
１０，１０ａ，１０ｂ  光方向性結合器
１１  光ファイバのコア
１２  光ファイバのクラッド
１３  マッハツェンダ型合分波器
２０  溝
２１  壁面（第一の壁面）
２２  壁面（第二の壁面）
２３  反射膜（第一の反射膜）
２４  反射膜（第二の反射膜）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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