JP2919329B2 - 光送受信モジュール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は双方向光通信システ
ムを構成する光送受信モジュールに関し、特に小型化を
図り、かつ低損失で受信特性を改善した光送受信モジュ
ールに関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、双方向の通信システムに対する必
要性が高まり、また家庭にまでこのシステムを導入する
ことが望まれている。双方向通信を可能にさせるデバイ
スとしては光の送信器と受信器が必要になるが、これら
を個別に構成していたのでは光送受信装置が大型化し、
システム普及の妨げになる。さらに送信、受信用光ファ
イバも個別にしていたのでは不経済であり、１本の光フ
ァイバで双方向通信を行うことが望ましい。したがっ
て、１本の光ファイバで光送信器と受信器を集積化した
デバイスが望まれる。さらに波長の異なる光を１本の光
ファイバに多重し、この光を分波し取り出すことによ
り、双方向通信用信号とは別にこの波長の異なる光に映
像信号等の別の機能を持った信号をのせることができ
る。

【０００３】この様な背景から、小型化、高集積化、低
コスト化を目指す構造として光導波路を用いたものが検
討されている。図８はこの種の光送受信モジュールの一
例の平面図である。この光送受信モジュールでは導波路
基板１上に光導波路２が形成され、この光導波路２によ
り光分岐部３が構成されている。一般にこの光分岐部３
は、低損失かつ構造が単純なＹ分岐を用いて構成され
る。また、光分岐部３の非分岐側の光導波路には、光フ
ァイバ４が光学結合され、分岐側の２本の光導波路には
それぞれ送信用の半導体光源５ａ、及び受信用の半導体
光検出器６ａが光学結合されている。なお、これら半導
体光源５ａ、及び半導体光検出器６ａには、これらを駆
動するための電気回路５ｂ，６ｂが近接配置される。そ
して、これらの構成部品を一体的に構成することでモジ
ュール７を構成し、これによりモジュール７の小型化、
低コスト化が可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の光送
受信モジュールでは、Ｙ分岐により分岐側光導波路が形
成されているため、これらの分岐側光導波路に光学結合
される半導体光源５ａと半導体光検出器６ａは導波路基
板の一側に並んで配置されることになるため、両者が近
接されて配置のためのスペースに制限を受け、その組み
立てが困難となる。特に、これらと共に電気回路５ｂ，
６ｂも近接されるため、電気的なクロストークの劣化が
生じることになる。この問題を解消するために、半導体
光源５ａと半導体光検出器６ａとの距離を離すと、分岐
側の導波路の間隔がこれに対応する間隔になるまでの距
離長が長くなるため、全体のサイズが大きくなり、送受
信モジュールに要求される小型化、低コスト化を達成す
ることが難しくなる。また、分岐側光導波路の曲げ半径
を小さくして両者の間隔を大きくすると、デバイスサイ
ズの小型化は可能であるが、曲がり半径が小さくなるほ
ど光の閉じ込めが弱くなるため導波光が光導波路の外に
放射され、導波路損失の増大を招くことになる。

【０００５】このような問題を解決するものとして、特
開平６−９７５６１号公報では、分岐側の一方の光導波
路を導波路基板の端面において折り返し、この折り返し
た光導波路を導波路基板の反対側の端面にまで延長し、
光をこの導波路基板の端面において反射させる技術が記
載されている。この技術を図８に示した光送受信モジュ
ールに適用すれば図９のようになる。同図のように、分
岐側の光導波路２の端部を導波路基板１の反対側の端部
にまで延設した折り返し光導波路７を形成し、この折り
返し光導波路の端部に半導体光検出器６ａを光結合して
いる。この構成では、送信側の半導体光源５ａと受信側
の半導体光検出器６ａが導波路基板１の反対側の面に配
置されるために、前記したような半導体光源と半導体光
検出器とが近接されることによる問題を解消することは
可能である。

【０００６】しかし、この公報に記載の技術では、折り
返し側の光導波路７に半導体光検出器６ａを配置した構
成とされているため、半導体光検出器側の導波路の長さ
が長くなり、しかもその途中に導波路基板１の端面での
反射による光導波の損失があるため、結果として光導波
損失が他方の光導波路よりも大きくなり、半導体光検出
器で検出しようとする光信号の強度が劣化されてしまう
ことになる。そして、このような受信側の光信号の強度
はモジュール側では制御できないため、結果として半導
体光検出器に入力される光信号強度が劣化され、受信特
性が劣化されてしまうという問題がある。

【０００７】本発明の目的は、従来の光送受信モジュー
ルに比べて、特に受信特性の劣化を改善することが可能
な光送受信モジュールを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】 本発明の光送受信モジュ
ールは、Ｙ分岐を有する光導波路に設けられる分岐側の
２本の光導波路のうち第１の光導波路は導波路基板の他
方の端部において光受信器に光結合され、第２の光導波
路は前記導波路基板の他方の端部において前記導波路基
板の一方の端部に向けて折り返された折り返し光導波路
として構成され、かつこの折り返し光導波路は前記導波
路基板の一方の端部において光送信器と光結合される構
成とする。

【０００９】ここで、分岐側の第２の光導波路と折り返
し光導波路とは導波路基板の他方の端部において近接配
置され、かつこの他方の端部の端面に配置された反射膜
によって光結合された方向性結合器として構成されても
よい。この場合、導波路基板の他方の端部における分岐
側の第２の光導波路から出射される光量と、折り返し光
導波路から出射される光量が等しくなるように方向性結
合器の長さを設定することが好ましい。また、方向性結
合器における分岐側の第２の光導波路と折り返し光導波
路との間隔を４μｍ以下に設定することが好ましい。

【００１０】本発明によると、分岐側の２本の光導波路
のうち第２の光導波路は導波路基板の他方の端部におい
て折り返された上で光送信器と結合するために、光送信
器と光受信器はそれぞれ導波路基板の両端に位置され
る。これによって光送信器と光受信器の導波路基板への
実装は簡単になり、また両者が導波路基板を挟んで離れ
ているために、これらを駆動する電気回路も離れた位置
に在り、電気的クロストークの劣化を生じない。また、
光導波路が折り返されることにより光の損失が増加する
が、折り返し光導波路に光結合された光送信器の光出力
を調整することにより折り返しによる損失を補償でき、
光ファイバへ所望の光出力を得ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態の平
面図である。この光送受信モジュールでは、これまでと
同様に導波路基板１上に、その一方の端面から他方の端
面に向けて光導波路２が形成されており、かつこの光導
波路２には低損失かつ構造が単純なＹ分岐からなる光分
岐部３が構成されている。また、前記光導波路２の一側
には、これと略平行に前記導波路基板１の一方の端面か
ら他方の端面の間に折り返し光導波路７が形成されてい
る。そして、この折り返し光導波路７の他端部は前記光
分岐部３により分岐された２本の分岐側光導波路のうち
の一方の光導波路２ｂに近接配置されている。

【００１２】そして、非分岐側の光導波路２には光ファ
イバ４が光学結合されている。また、分岐側の光導波路
のうち、前記折り返し光導波路７が近接されていない側
の第１の光導波路２ａには受信用の半導体光検出器６ａ
が光学結合されている。さらに、折り返し光導波路７が
近接されている第２の光導波路２ｂと折り返し光導波路
７の各他端部が終端されている導波路基板１の他方の端
面には反射ミラー８が装着され、反射効率を高めてい
る。そして、前記折り返し光導波路７の反対側の端部に
送信用の半導体光源５ａが光学結合されている。なお、
前記半導体光源５ａと半導体光検出器６ａにはそれぞれ
の電子回路５ｂ，６ｂが近接配置された上で電気接続が
行われ、その上で、これらの構成部材は一体化されて光
送受信モジュール９として構成される。ここで、前記反
射ミラー８は、例えば、あらかじめＡｕ，Ａｌ，Ａｇや
誘電体多層膜等の反射膜が装荷された物体を導波路端面
に貼り合わせた構造とされる。或いは、導波路基板１の
端面に直接前記反射膜を貼り付けてもよい。

【００１３】このように構成された図１の光送受信モジ
ュールでは、送信用の半導体光源５ａと受信用の半導体
光検出器６ａは導波路基板１の反対側の端部にそれぞれ
配置されるため、それぞれの配置スペースに制限を受け
ることが少なくなり、組立工程が簡単になる。また、こ
れに伴い半導体光源５ａと半導体光検出器６ａの各電気
回路５ｂ，６ｂも相互に離間配置されるため、これら電
気回路同士の電気的クロストークを抑圧することができ
る。さらに、分岐側の２本の光導波路２ａ，２ｂの間隔
を離す必要がないことから、各光導波路の長さを長くす
る必要がなく、光送受信モジュール９全体のサイズの小
型化が可能となる。また、分岐側光導波路２ａ，２ｂの
曲がり半径を小さくする必要もなくなり、光の導波路へ
の閉じ込めが低下されることによる導波光の導波路損失
を抑制することができる。

【００１４】さらに、この光送受信モジュール９では、
分岐側の第２の光導波路２ｂを反射ミラー８で折り返し
光導波路７に光結合し、この折り返し光導波路７に送信
用の半導体光源５ａを光結合しているため、この反射ミ
ラー８での反射による損失や、折り返し光導波路７を設
けることによって生じる光導波路長が長くなることによ
る損失が生じた場合でも、この光送受信モジュール９で
の独自の制御により半導体光源５ａの出力を増加させる
ことにより、前記した損失を容易に相殺でき、結果とし
て所望の光出力を光ファイバ４に送信することができ
る。また、受信用の半導体光検出器６ａは、分岐側の第
１の光導波路２ａに対して最短距離で光結合されている
ため、受信特性が劣化されることはない。

【００１５】ここで、前記したように分岐側の第２の光
導波路２ｂと折り返し光導波路７とは導波路基板１の他
方の端部において略平行に近接されており、これにより
両者で方向性結合器１０を構成している。この方向性結
合器１０における光結合特性を向上するためには、例え
ば、次の方法が採用できる。すなわち、この方向性結合
器１０では、分岐側光導波路２ｂと折り返し光導波路７
とが反射ミラー８での光反射によって光結合されるが、
この場合には方向性結合器１０の長さ、間隔、光導波路
幅、光導波路の屈折率差、及び光の波長に対して非常に
敏感であり設定に対してずれが生じると、光の損失が増
加するだけでなく、入射した導波路に戻るため反射戻り
光となり、半導体光源の特性を劣化させる。これらの問
題を解決し、さらに低損失で反射戻り光の少ない方向性
結合器を構成する方法として、図２に示す様に予め方向
性結合器の長さを設定値Ｌ１に対してＬ２に示す分だけ
長く取っておく。

【００１６】そして、この状態で折り返し端面において
反射ミラー８を装着する前に光の出射を観察すると、出
力側の光導波路７の端面部の方が入力側の光導波路２ｂ
の端面部よりも出射光が強く観察される。その上でこの
端面を研磨しながら方向性結合器１０の長さを徐々に短
くし光の出射を観察すると、光導波路７と光導波路２ｂ
の出射光強度は徐々に等しくなる。完全に出射光強度が
等しくなった時点で研磨を停止し、研磨された端面に反
射ミラー８を装着する。これにより、入力側の光導波路
７より入力した光は完全に出力側の光導波路２ｂへ折り
返され、低損失かつ反射戻り光の少ない折り返しが得ら
れる。この方法では端面での出射光強度をモニタしなが
ら最適な方向性結合器長を決めるため、前述したような
設定に対するずれを吸収することができる。

【００１７】また、前記したように、方向性結合器を用
いた折り返し構造は、光導波路の屈折率差、及び光の波
長に対しても非常に敏感であり、特に、使用する光の波
長は用いる半導体光源の特性によって決定される。通
常、この種の光送受信モジュールには１．３μｍ近辺の
波長が用いられるが、±０．０５μｍ程度のバラツキが
存在している。つまり、使用する半導体光源の特性によ
り折り返し光導波路の特性も変化することになるため、
光の波長に対して安定した折り返し光導波路を構成する
必要がある。図３は方向性結合器の波長特性の光導波路
間隔依存性を示す計算結果である。中心波長が１．３１
μｍになる様に方向性結合器長、屈折率差を設定した。
同図より、光導波路間隔が狭くなるに従って１．３１μ
ｍ付近の波長依存性が小さくなることがわかる。また、
光導波路間隔を４μｍ以下にすることにより±０．０５
μｍの変動に対してクロストークを１５ｄＢ以上とるこ
とができるため、波長変動に対して安定な折り返し導波
路を構成することができる。

【００１８】この特性に基づいて実際に折り返し光導波
路を形成した際の波長特性を図４に示す。このときの光
導波路間隔は２．５μｍと設定した。この折り返し光導
波路はプロセス工程上の変動によって中心波長が長波長
側にシフトしているが、１．３１μｍにおいて１０ｄＢ
以上のクロストークが得られている。このような技術思
想に基づいて方向性結合器を構成すると、波長変動だけ
でなくプロセスにおける変動に対しても非常に安定な導
波路を形成することができる。

【００１９】一方、この種の光送受信モジュールでは、
導波路基板に形成された光導波路に対して光ファイバ、
半導体光源、半導体光検出器を接続する際に、１μｍ以
下の光軸合わせ精度を確保するために、導波路基板の一
部にＶ溝を形成し、このＶ溝に光ファイバ等を載置して
位置決めを行う技術が提案されている。この場合、半導
体光検出器と光導波路の光結合に関しては、半導体光検
出器の受光面積が比較的大きいため、高精度の軸調整の
要求は少ない。一方、半導体光源５ａと光導波路２の結
合については、直接結合すると損失が非常に大きくな
り、かつ許容できる軸ずれ量が非常に小さく光結合が困
難であることが知られており、一般には光ファイバに近
い形状をしたレンズを介して結合が行われている。

【００２０】このため、この実施形態の光送受信モジュ
ールでは、図５に示すように、導波路基板１の一方の端
部において、光結合する光ファイバ４と半導体光源５ａ
の配設位置に相当する基板の表面箇所にＶ溝１１を形成
している。そして、このＶ溝１１を利用して非分岐側の
光導波路２に対する光ファイバ４の位置決めをおこな
い、かつ前記したような半導体光源５ａに光結合される
先球ファイバ１２の折り返し光導波路７に対する位置決
めを行っている。このため、光ファイバ４と先球ファイ
バ１２の各光軸を各光導波路２，７に高精度に位置決め
することができ、光結合の低損失化が図れ、かつ無調整
での実装が可能となり低コスト化も図れる。特に、この
実施形態では、光ファイバ４と半導体光源５ａとが導波
基板１の同じ側の端部に配置されるため、前記したＶ溝
１２を導波路基板１の一方の端部側の領域に並んで形成
すればよく、製造の簡易化と小型化を促進することがで
き、しかも光ファイバと半導体光源の組み立ての容易化
が実現できる。

【００２１】ここで、本発明は、図６に示すように、光
導波路の一部、すなわち非分岐側の光導波路２に沿って
別の光導波路１３を形成することで、この光導波路１３
との間に光合分波器１４を形成してもよい。この光合分
波器１４は、一般に方向性結合器やマッハツエンダー光
干渉計型等により構成される。この光合分波器１４によ
り分波された一方の光は光ファイバ１５と光学的に結合
し外部に出力され、映像信号モニタ等、様々な用途に用
いられる。このように、光合分波器を設けた光送受信モ
ジュールは、図１に示した光送受信モジュールに比べ
て、導波路構造が複雑になっているためにそのサイズが
大きくなることは否定できないが、前記した折り返し光
導波路を用いた構成を採用することにより、この大型化
を抑制することが可能になる。

【００２２】また、折り返し光導波路と分岐側光導波路
とを光結合する構造としては、図７に示すように、各光
導波路７，２ｂを導波路基板１の他方の端部において平
面配置がＶ字型となるように配置し、かつ端部に反射膜
或いは反射ミラー８を配置することで、この反射膜によ
る光反射のみを利用して各光導波路間での光結合を行う
ようにしてもよい。その他の構成及び動作は前記実施形
態のものと全く同じである。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、導波路基
板に形成された分岐側の２本の光導波路のうち第２の光
導波路は導波路基板の他方の端部において折り返された
上で光送信器と光結合されているので、光送信器と光受
信器はそれぞれ導波路基板の両端に位置されることにな
り、光送信器と光受信器の導波路基板への実装は簡単に
なり、また両者が導波路基板を挟んで離れているため
に、これらを駆動する電気回路も離れた位置に在り、電
気的クロストークの劣化を生じない。また、光導波路が
折り返されることにより光の損失が増加するが、折り返
し光導波路に光結合された光送信器の光出力を調整する
ことにより折り返しによる損失を補償でき、光ファイバ
へ所望の光出力を得ることができる。これにより、双方
向光通信システムを構築する際の重要課題である光送受
信モジュールの小型化、低損失化、量産化、低コスト化
が実現可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の平面構成図である。

【図２】方向性結合器の特性を改善する技術を説明する
ための平面図である。

【図３】好ましい光導波路間隔を設定するための特性図
である。

【図４】図３の光導波路間隔により得られる損失特性を
示す図である。

【図５】光ファイバと光導波路との光軸位置合わせ構造
を説明するための分解斜視図である。

【図６】本発明の他の実施形態の平面構成図である。

【図７】本発明の更に他の実施形態の平面構成図であ
る。

【図８】従来の光送受信モジュールの一例の平面構成図
である。

【図９】従来の光送受信モジュールの他の例の平面構成
図である。

【符号の説明】

１ 導波路基板 ２，２ａ，２ｂ 光導波路 ３ 光分岐部 ４ 光ファイバ ５ａ 半導体光源 ５ｂ 電気回路 ６ａ 半導体光検出器 ６ｂ 電気回路 ７ 折り返し光導波路 ８ 反射ミラー ９ 光送受信モジュール １０ 方向性結合器 １１ Ｖ溝 １２ 先球ファイバ １３ 光導波路 １４ 光合分波器 １５ 光ファイバ

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｙ分岐を有する光導波路が導波路基板の
   一方の端部から他方の端部に向けて延設され、その一方
   の端部において前記光分岐導波路の非分岐側の光導波路
   に光ファイバが光結合され、前記光分岐導波路の分岐側
   の２本の光導波路にそれぞれ光送信器と光受信器が光結
   合された光送受信モジュールにおいて、前記分岐側の２
   本の光導波路のうち第１の光導波路は前記導波路基板の
   他方の端部において光受信器に光結合され、第２の光導
   波路は前記導波路基板の他方の端部において前記導波路
   基板の一方の端部に向けて折り返された折り返し光導波
   路として構成され、かつこの折り返し光導波路は前記導
   波路基板の一方の端部において光送信器と光結合される
   ことを特徴とする光送受信モジュール。
2. 【請求項２】 前記分岐側の第２の光導波路と折り返し
   光導波路とは前記導波路基板の他方の端部において近接
   配置され、かつこの他方の端部の端面に配置された反射
   膜によって光結合された方向性結合器として構成される
   請求項１に記載の光送受信モジュール。
3. 【請求項３】 前記導波路基板の他方の端部における分
   岐側の第２の光導波路から出射される光量と、前記折り
   返し光導波路から出射される光量が等しくなるように前
   記方向性結合器の長さを設定してなる請求項２に記載の
   光送受信モジュール。
4. 【請求項４】 前記方向性結合器における分岐側の第２
   の光導波路と折り返し光導波路との間隔を４μｍ以下に
   設定してなる請求項２または３に記載の光送受信モジュ
   ール。
5. 【請求項５】 前記導波路基板には前記非分岐側の光導
   波路に対して光合分波器を構成する分波用光導波路が形
   成され、この分波用光導波路に第２の光ファイバが光結
   合されてなる請求項１ないし４のいずれかに記載の光送
   受信モジュール。