JP3642967B2 - 光通信デバイスおよび双方向光通信装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信等に使用する光通信デバイス、および、一本の光ファイバを用いて、光通信を双方向に同時に行うことが可能な双方向光通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、一本の光ファイバを用いて光通信を双方向に同時に行う光通信デバイスの構成を図１４に示す。この光通信デバイスでは、データ信号に基づく変調光である発信光が、発光素子３１から出射し、この発光素子３１のパッケージに装着された半球レンズ３１ａで集光され、第一の光導波路部３２ａに入射する。第一の光導波路部３２ａを伝搬する発信光は、第二の光導波路部３２ｂを経て、光ファイバ３３の一端面に入射し、光ファイバ３３の他端面に設置された他の光通信デバイスに伝搬する。
【０００３】
反対に、光ファイバ３３の一端面から第二の光導波路部３２ｂに入射した受信光は第二の光導波路部３２ｂから第三の光導波路部３２ｃに進み、受光素子３４に入射し、データ信号を示すための電気信号に変換される。このようにして、一本の光ファイバ３３から分岐型の第一ないし第三の光導波路部３２ａ、３２ｂ、３２ｃを介して双方向光通信が行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来例では、第一ないし第三の光導波路部３２ａ、３２ｂ、３２ｃがＹ分岐構造であるため、発光素子３１から出射した光の一部が、第二の光導波路部３２ｂにおける、発信光が出射される端面、あるいは光ファイバ３３における、発信光が入射される端面で反射されることによって、受光素子３４に導かれてしまう。
【０００５】
この光は、光ファイバ３３の他端に結合（接続）されたもう一方の光通信デバイスから発信光が送られて受信したときにノイズとなるため、高いＳＮ比を保ちながら、同時に双方向に光通信を行うことができなかった。そのため、この光通信デバイスは時分割通信用に使用が限られていた。
【０００６】
本発明はこれらの欠点を除くためになされたものであり、同時双方向に光通信を安価に行うことができる光通信デバイス、およびそれを用いた双方向光通信装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光通信デバイスは、発光素子に光学的に結合された送信用導波路と、受光素子に光学的に結合された受信用導波路とが、互いに光学的に分離されて、かつ、発信光および受信光である信号光をマルチモードにて伝搬するための光ファイバの同一端面に対し光学的に結合可能に設けられ、上記受信用導波路のコア部は、高分子材料から形成され、上記送信用導波路は、上記受信用導波路と比べると、上記光ファイバの中心軸から離れた位置で、光ファイバと位置合わせ可能に設けられていることを特徴としている。
光ファイバから受信用導波路への結合効率を上げるためには、受信用導波路のコア部のサイズ（受信光の受光面積）を大きく設定する必要があるので、受信用導波路のコア部の素材には厚膜形成が容易な高分子材料を用いるとよい。
さらに、発光素子に結合される送信用導波路の幅（光軸方向に対して直交する方向の長さ）を狭くし、受光素子に結合される受信用導波路の幅を広く設定でき、かつ、送信用導波路の位置を光ファイバの中心軸から変位させることにより、光ファイバから受信用導波路に結合する光の結合効率を、より向上させることができる。
また、送信用導波路および受信用導波路と光ファイバとの各光軸が互いに平行状態から外れて傾いた状態となった場合、それらの間の光の結合損失は大きくなる。したがって、
送信用導波路および受信用導波路の各光軸は、光ファイバの光軸に対し平行に形成されていることが好ましい。
本発明の光通信デバイスは、発光素子に光学的に結合された送信用導波路と、受光素子に光学的に結合された受信用導波路とが、互いに光学的に分離されて、かつ、外部の光ファイバの同一端面に対し光学的に結合可能に設けられ、送信用導波路における発信光の出射する端面は、送信光の光ファイバ端面での反射光が受信用導波路に入射することを抑制するように、光ファイバの光軸に直交する（垂直な）面に対し傾斜している。
【０００８】
上記構成によれば、上記送信用導波路と受信用導波路とが分離されており、光ファイバと送信用導波路の端面が光軸に直交する面から傾斜するように設定しているため、送信用導波路からの送信光が、受信用導波路に侵入することを抑制することができる。
【０００９】
したがって、上記構成では、各光通信デバイスを光ファイバの両端に光学的に結合して、双方向光通信を行っても、送信用導波路からの送信光が、受信用導波路に侵入することによるＳ／Ｎ比の低下を低減できるので、上記双方向光通信をより安定に実行できる。
【００１０】
これにより、上記構成においては、一本の光ファイバを用いて、送受信を同時に行う双方向光通信を、時分割通信といった複雑な機構を省いて行うことが可能となり、より安定で、情報の伝送密度の高い双方向光通信を安価にできる。
【００１１】
また、上記光通信デバイスでは、光ファイバと送信用導波路の各光軸が互いに平行となるように設定されることが好ましい。上記構成によれば、送信用導波路から光ファイバヘの結合効率を高くすることができる。そのため、双方向光通信を送受信同時により安価に行うことができる。
【００１２】
上記光通信デバイスでは、送信用導波路および受信用導波路の少なくとも一方と、光ファイバとの互いに結合する側の各端面は互いに平行であり、かつ送信用導波路における光軸方向に対する直交方向の断面積に対し、受信用導波路における光軸方向に対する直交方向の断面積が大きくなっていることが好ましい。
【００１３】
上記構成によれば、送信用導波路および受信用導波路の少なくとも一方と、光ファイバとの互いに結合する側の各端面は互いに平行であるので、送信用導波路および受信用導波路の少なくとも一方と光ファイバとをより近接して結合させることができる。
【００１４】
これにより、上記構成では、送信用導波路から受信用導波路への漏れ光の発生を抑制することができて受信光においてＳ／Ｎ比を向上でき、また光ファイバからの出射光の広がりを小さく抑えることができる。このため、上記構成では、光ファイバから受信用導波路への受信光の結合効率をより改善できる。
【００１５】
さらに、上記構成では、送信用導波路の断面積に対し、受信用導波路の断面積が大きくなっているので、発光素子に結合される送信用導波路の幅（光軸方向に対して直交する方向の長さ）を狭くし、受光素子に結合される受信用導波路の幅を広く設定でき、かつ、送信用導波路の位置を光ファイバの中心軸から変位させることにより、光ファイバから受信用導波路に結合する光の結合効率を、より向上させることができる。
【００１６】
上記光通信デバイスでは、送信用導波路は、発信光が通るコア部と、コア部における光軸方向に対する側部に設けられたクラッド部とを有し、送信用導波路の端面の、光軸に対する直交面からの傾斜角度φは、上記コア部の屈折率をｎ₁ 、上記クラッド部の屈折率をｎ₂ としたとき、下記の式（１）
φ＞ｃｏｓ^-1（ｎ₂ ／ｎ₁ ） ……（１）
を満たしていることが望ましい。
【００１７】
上記構成によれば、送信用導波路からの送信光による光ファイバ端面での反射光が、受信用導波路の方向には進行しないため、受信用導波路に侵入することをより完全に抑制することができて、受信光におけるＳ／Ｎ比を、より改善でき、双方向光通信をより安定に実行できる。
【００１８】
上記光通信デバイスにおいては、送信用導波路、および受信用導波路の各開口数は、結合される光ファイバの開口数に略同一にそれぞれ設定されていることが好ましい。
【００１９】
上記構成によれば、開口数を略同一に設定したことにより、送信用導波路から出射される発信光のほぼ全てを光ファイバにおいて伝搬できるので、送信用導波路から光ファイバヘの結合効率を高くすることができる。さらに、上記構成では、開口数を略同一に設定したことにより、光ファイバから受信用導波路に対し出射される受信光を効率よく受信用導波路に伝搬することができる。これにより、上記構成では、双方向光通信を送受信同時により安定に行うことができる。
【００２０】
上記光通信デバイスでは、送信用導波路と受信用導波路とは、送信用導波路および受信用導波路が形成される基板上に、基板の表面方向に沿って互いに並設されていることが望ましい。
【００２１】
上記構成によれば、送信用導波路および受信用導波路が基板上に基板の表面方向に沿って互いに並列して配置されているので、同一プロセスで同時に送信用導波路および受信用導波路を基板上に形成できることから、低コストでの大量生産が可能となる。
【００２２】
上記光通信デバイスにおいては、送信用導波路および受信用導波路が基板上に基板の表面方向に対し直交方向に沿って互いに並設されていてもよい。上記構成によれば、送信用導波路および受信用導波路が基板上に上下、基板の表面方向に対し直交方向に沿って配置されているので、受信用導波路の幅を光ファイバの径に合わせることができる。これにより、上記構成では、光ファイバから受信用導波路への結合損失を小さく設定することが可能となり、受信光におけるＳ／Ｎ比を、より改善できて双方向光通信をより安定に実行できる。
【００２３】
上記光通信デバイスでは、送信用導波路および受信用導波路の少なくとも一方のコア部の周囲に、遮光膜が形成されていることが好ましい。上記構成によれば、送信用導波路および受信用導波路の少なくとも一方の上に、遮光膜を形成することにより、送信用導波路からの漏れ光が受信用導波路に入射することが抑制されるので、受信光におけるＳ／Ｎ比を、より改善できて双方向光通信をより安定に実行できる。
【００２４】
その上、上記構成では、さらにコア部と遮光膜の間にクラッド部を設けた場合、遮光膜による光吸収を抑え、送信用導波路および受信用導波路の少なくとも一方の伝搬損失を軽減できて、受信光におけるＳ／Ｎ比を、より改善できて双方向光通信をより安定に実行できる。
【００２５】
さらに、上記構成では、上下に積み重ねられた送信用導波路と受信用導波路の間に、クラッド部、遮光膜を挟むという構成の場合、光学的な分離をより完全にできるので、迷光の影響をより抑制できて、受信光におけるＳ／Ｎ比を、より改善できて双方向光通信をより安定に実行できる。
【００２６】
上記光通信デバイスにおいては、送信用導波路、受信用導波路の各コア部が、高分子材料から形成され、その厚さが１０μｍ以上１５０μｍ以下であることが望ましい。
【００２７】
上記構成によれば、送信用導波路および受信用導波路に高分子材料を用いると、厚膜の送信用導波路および受信用導波路を、容易に、かつ、安価に形成することができる。また、上記構成では、送信用導波路および受信用導波路を１０〜１５０μｍの厚膜に形成することで、径が大きい、安価なマルチモード光ファイバとの良好な結合が得られる。したがって、上記構成では、双方向光通信をより安定に、かつ安価に実行できる。
【００２８】
上記光通信デバイスでは、受光素子は基板上にモノリシックに形成され、受信用導波路は、受信光の導波光を反射して受光素子に導くように形成された終端部を受光素子上に備え、かつ、発光素子は、基板上にてハイブリッドに集積化されていることが好ましい。
【００２９】
上記構成によれば、上記構成では、受信用導波路の終端部に、例えば４５度ミラーを形成することで受信用導波路を伝搬する導波光を効率よく受光素子に結合させることができ、かつ、受光素子の受光面積も受信用導波路の断面積程度まで小さくできる。
【００３０】
よって、上記構成では、受光素子、信号回路を組み込んだシリコン基板等の基板上に、発光素子、送信用導波路および受信用導波路をモノリシックに、集積化する事により、例えば半導体プロセスを用いることができて、小型化、低コストでの大量生産が可能となる。
【００３１】
本発明の双方向光通信装置は、前記の課題を解決するために、発信光および受信光である信号光をマルチモードにて伝搬するための光ファイバの軸方向の両端面に、上記光通信デバイスが、それぞれ光学的に結合されていることを特徴としている。
【００３２】
上記構成によれば、一本の光ファイバとその両端面に結合された各光通信デバイスを用いて双方向光通信を送受信同時に、簡素で、かつ、安価に行うことができる。
【００３３】
その上、上記構成では、光ファイバがマルチモードにて光を伝搬するので、上記光ファイバのコア径を大きく、例えば１ｍｍ程度に設定できる。このことから、上記構成では、上記光ファイバと各光通信デバイスとの光学的な結合を容易化できる。
【００３４】
上記双方向光通信装置においては、光ファイバはプラスチック光ファイバあるいはポリマクラッド石英光ファイバであることが望ましい。
【００３５】
上記構成によれば、プラスチック光ファイバを用いることにより、プラスチック光ファイバの価格が石英製光ファイバより安いため、より安価に双方向光通信装置を構成できると共に、光ファイバのコア径を大きくできるので、光ファイバと送信用導波路および受信用導波路とを光学的に結合する際の光軸調整（取り付けの際における結合の位置合わせ調整）を容易化することが可能となる。
【００３６】
さらに、上記構成では、ポリマクラッド石英光ファイバを用いることにより、ポリマクラッド石英光ファイバはプラスチック光ファイバよりも伝送損失が小さいので、より伝送距離を延ばすことができて、低コスト化を図れる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
（第一の実施の形態）
本発明の第一の実施の形態について、図１ないし図３に基づいて以下に説明する。図１は本発明の光導波路デバイス２０と光ファイバ１との結合部の平面図を示し、図２は光導波路デバイス２０の受信用導波路５部分の断面図（Ａ−Ａ’矢視断面）、図３は光導波路デバイス２０の送信用導波路４部分の断面図（Ｂ−Ｂ’矢視断面）である。
【００３８】
図１ないし図３に示すように、上記光通信デバイス２０は、発光素子としての半導体レーザ２と、受光素子としてのフォトダイオード３と、半導体レーザ２から出射された送信光２１を光ファイバ１に導く送信用導波路４と、光ファイバ１から出射された受信光２２をフォトダイオード３に導く受信用導波路５とを備えている。
【００３９】
送信用導波路４および受信用導波路５は、それぞれ、光透過性を有して光の伝搬する略直方体形状のコア部１３と、各クラッド層（クラッド部）１２、１４とを有している。各クラッド層１２、１４は、コア部１３における光の伝搬方向に対し側面部となる外面を少なくとも覆い、上記コア部１３内を伝搬する光を境界で全反射して上記光の伝送損失を低減するようになっている。
【００４０】
ここで、送信用導波路４と受信用導波路５とは光学的に互いに分離されて互いに並列しており、光ファイバ１の同一となる端面８に光学的にそれぞれ結合されている。送信用導波路４と受信用導波路５とは光学的に互いに分離されているため、これら送信用導波路４と受信用導波路５との相互間での光の漏洩は防止されている。送信用導波路４と光ファイバ１との各光軸は、それらの間の光の結合効率を最も高めるために互いに平行に設定されている。
【００４１】
さらに、本実施の形態では、送信用導波路４からの発信光２１が受信用導波路５に対する受信光に混入（クロストーク）して、上記受信光のＳ／Ｎ比を劣化することを防止するために、送信用導波路４の出射面となる端面９と光ファイバ１の端面８は共に、それらの光軸に対する直交面から同じ角度だけ傾斜している。また、それらの間の光の結合効率を最も高めるために光ファイバ１の端面８と送信用導波路４の端面９とが互いに平行となるよう、光ファイバ１と送信用導波路４とは光学的に互いに結合されて取り付けられている。
【００４２】
送信用導波路４と光ファイバ１との各光軸が互いに平行状態から外れて傾いた状態となった場合、それらの間の光の結合損失は大きくなる。図４は、光ファイバ１と送信用導波路４との間の各光軸の傾き（ずれ）と結合損失の解析結果である。この解析結果では、傾きが大きくなるほど、結合損失は増大するため、光ファイバ１と送信用導波路４との各光軸は互いに平行となるように保つほうがよいことがわかる。
【００４３】
図５は、送信用導波路４部分の拡大図を示し、送信用導波路４内を通過する発信光２１を模式的に表している。前述したように光ファイバ１の端面８は、光ファイバ１の中心軸に平行な仮想軸１ｃに対し直交する仮想面である直交面１ｄから傾斜角φだけ傾斜するように設定されている。上記傾斜角φは、送信用導波路４から出射される送信光２１の一部が、光ファイバ１の入射領域の端面８で反射されて反射光２３となったときに、上記反射光２３が受信用導波路５に入射することを回避するように設定されている。
【００４４】
すなわち、その傾斜角は、光ファイバ１の長手方向端面において、受信用導波路５と送信用導波路４との並設方向に沿って、受信用導波路５に面する側が光通信デバイス２０に向かって突出し、送信用導波路４に面する側が光通信デバイス２０から順次離間するように設定されている。
【００４５】
本第一の実施の形態として、光ファイバ１にＰＯＦ（Plastic Optical Fiber)を用い、シリコン（Ｓｉ）からなる基板１上に後述する工程で送信用導波路４および受信用導波路５の各コア部１３および各クラッド層１２、１４を形成し、光ファイバ１および送信用導波路４および受信用導波路５の各端面８、９、１０の傾斜角度をそれぞれ設定したときの効果を調べた。
【００４６】
ここで使用した光ファイバ１は、コア１ａがポリメチルメタクリレート（略称ＰＭＭＡ：屈折率１．４９、直径５００μｍ）から、クラッド１ｂはフッ素樹脂のフルオロアクリレート（屈折率１．４０）から、また送信用導波路４および受信用導波路５の各コア部１３（幅はそれぞれ５０μｍ，３５０μｍ、厚さは共に４０μｍ）はフッ素化ポリイミド（屈折率１．５４）から、各クラッド層１２、１４はＳｉＯ₂ （屈折率１．４５）からそれぞれ調製した。
【００４７】
光ファイバ１と送信用導波路４間の間隔を小さく、かつ、光ファイバ１と送信用導波路４の光軸を平行に保つため、光ファイバ１と送信用導波路４の各端面８、９の傾斜角は同一にそれぞれ設定し、それらの各端面８、９が互いに平行となるよう結合した。ここでは、光ファイバ１の端面８と送信用導波路４の端面９との間隔は１０μｍに設定した。
【００４８】
図１に模式的に示すような構成で、傾斜角φを変化させて光ファイバ１における、発信光２１が入射する端面８における反射で受信にどのような影響があるかを調べた。
【００４９】
光ファイバ１における出射側の他の端面からの反射光の影響を抑えるため、できるだけ長い光ファイバ１（プラスチック光ファイバであれば、５０ｍ以上）に光通信デバイス２０を結合し、半導体レーザ２を発光させて送信用導波路４から出射された光量と、受信用導波路５を経てフォトダイオード３に入射する光量の比、すなわちクロストークを測定した。その結果を図６に示す。
【００５０】
この結果から光ファイバ１と送信用導波路４の各端面８、９の傾斜角を大きくすると良いことがわかる。この理由について光ファイバ１および送信用導波路４の開口数ＮＡを用いて以下に説明する。
【００５１】
図５に示すように、送信用導波路４を伝搬する送信光２１は送信用導波路４を出射したときに広がり、その出射された発信光２１の放射角度（広がりの大きな光線と光軸とがなす角度）は送信用導波路４の開口数ＮＡで定まる。送信用導波路４、および光ファイバ１の開口数ＮＡは、送信用導波路４、および光ファイバ１内を伝搬する光線が光軸を横切る角度の最大値θmax を用いて、次式（２）で定義される。
【００５２】
ＮＡ＝ｓｉｎθmax ……（２）
したがって、θmax は、コアの屈折率ｎ₁ 、クラッドの屈折率ｎ₂ を用いて次式（３）で定義される。
【００５３】
θmax ＝ｃｏｓ^-1（ｎ₂ ／ｎ₁ ） ……（３）
光ファイバ１の端面傾斜角φが、この角度θmax と同じ場合に、光ファイバ１における、発信光２１が入射される端面８からの反射光２３は、ほぼθmax に沿って戻ることになり、また、角度θmax より大きいとき、光ファイバ１の端面８からの反射光２３は、光ファイバ１と送信用導波路４の間の距離に関係なく、受信用導波路５の方向に進行しなくなる。したがって、上記材料を用いて構成した場合、端面８の傾斜角φは１９．７°以上とするとよい。
【００５４】
しかしながら光ファイバ１の端面８を加工することを考慮した場合、端面８の傾斜角φは小さい方がより好ましく、最大でも４０°程度が妥当である。これ以上、端面８の傾斜角φを大きく設定した場合には、直径１ｍｍ以下の光ファイバ１の端面８が鋭角となり、端面８の加工が難しく、また破損しやすくなるため、実用的ではない。また、傾斜角φが大きくなるほど、送信用導波路４および受信用導波路５と、光ファイバ１との間での、光の結合損失が増加するため、傾斜角φは、小さい方がより好ましい。
【００５５】
次に送信用導波路４の開口数について考察する。上記の第一の実施の形態に示した光ファイバ１と送信用導波路４の開口数ＮＡは、上記示した式よりそれぞれ０．５１と０．５２とほぼ等しい構成としている。送信用導波路４の開口数は光ファイバ１の開口数とほぼ同じにするのが好ましい。送信用導波路４と光ファイバ１の開口数が同じであると、送信用導波路４から出射された発信光２１の全てが光ファイバ１を伝搬できるので、送信用導波路４から光ファイバ１への結合効率を高くすることができる。
【００５６】
受信用導波路５の開口数は光ファイバ１の開口数と同じか、より大きく設定するとよい。しかしながら、後述するように送信用導波路４と受信用導波路５のコア部１３、各クラッド層１２、１４は同じ材料および加工方法を用いて構成し、同時に加工を行って形成するため、各送信用導波路４および受信用導波路５の各開口数ＮＡは互いに等しく設定するのが好ましい。
【００５７】
上記説明した構成の光通信デバイス２０では、光ファイバ１と、送信用導波路４および受信用導波路５との結合間隔を小さく構成することができるため、半導体レーザ２から出射された送信光２１が、広がりが小さい状態で光ファイバ１に結合することが可能となる。そのため送信用導波路４と光ファイバ１の間の結合損失を小さくすることができる。
【００５８】
また、光ファイバ１の端面８からの反射光２３が、同じ光通信デバイス２０内のフォトダイオード３に入射することが防止されるため、光通信を、双方向において、同時に、安定に、かつ、信頼性よく行うことが可能となる。
【００５９】
同時双方向通信においては、光ファイバ１を伝搬する光の一部が出射端面で反射されて、再度光ファイバ１内を逆進し、送信側の光通信デバイス２０に戻り、送信側の光通信デバイス２０での受信に対しノイズとなるという問題についても考慮する必要がある。図７に示すように、この反射光２５によるノイズも光ファイバ１の端面８を傾斜させることにより、大幅に除去することができる。
【００６０】
すなわち、光ファイバ１を伝搬する受信光２２は、光ファイバ１を出射して、受信用導波路５に結合する。このとき、光ファイバ１の端面８で、受信光２２から反射光２５が発生する。端面８の傾斜角φが大きいと、この反射光２５は大きな伝搬角度を有することになるので、光ファイバ１内を伝搬できなくなる。そのため、よりクロストークを小さくすることができる。
【００６１】
図１ないし図３に示すように、送信用導波路４と受信用導波路５とは、それらの間での光の漏洩を回避するために、互いに近接、つまり互いの間にある程度の間隔（数十μｍ）を有してそれぞれ設けられており、さらに、送信用導波路４および受信用導波路５上に、後述する遮光膜１５、あるいは上部クラッド層１４と遮光膜１５の双方を設けて、互いに光学的に分離しておくのが望ましい。
【００６２】
（第二の実施の形態）
上記第一の実施の形態で示した光通信デバイスを用いた双方向光通信装置について以下に第二の実施の形態として説明する。双方向光通信装置では、図８に示されるように、光ファイバ１の両端面に上記光通信デバイス２０、２０’が光学的にそれぞれ結合されている。光通信デバイス２０’では、光通信デバイス２０と同一の機能を有する部材については、光通信デバイス２０の各部材番号にダッシュを付記して示している。
【００６３】
光ファイバ１は、データ信号に基づく変調光を送信光および受信光としてそれぞれ伝搬する、細長いコード状のものである。光通信デバイス２０、２０’は、光ファイバ１の長手方向の各端面に光学的にそれぞれ結合され、送信光を生成して光ファイバ１に送出すると共に光ファイバ１の端面からの出射された受信光から上記データ信号を再生するためのものである。
【００６４】
光ファイバ１は、光ファイバ１の長手方向に対する直交方向の断面が略円形状となっており、図１に示すように、光ファイバ１の中心部に光透過性のコア１ａと、そのコア１ａの外周を覆う光透過性のクラッド１ｂとを有している。
【００６５】
コア１ａの屈折率は、クラッド１ｂの屈折率より大きく設定されており、よって、光ファイバ１は、コア１ａ内を光ファイバ１の中心軸にほぼ沿って伝搬する光が、コア１ａとクラッド１ｂとの境界にて全反射して、伝送損失の少ない伝搬が可能となっている。
【００６６】
光通信デバイス２０において、図１に示すように、半導体レーザ２から出射された送信光２１は、送信用導波路４に結合され、送信用導波路４を伝搬して、送信用導波路４の出射の端面９より出射される。この端面９から出射された送信光２１は、上記端面９に対し近接して配置された光ファイバ１に結合され、光ファイバ１を伝わって、光ファイバ１の反対側の他の光通信デバイスに導かれる。
【００６７】
また、半導体レーザ２の他方の端面から出射した光は、モニタ用光２４としてモニタ用導波路６に導かれ、モニタ用フォトダイオード７で検出され、上記半導体レーザ２の出力調整に用いられる。
【００６８】
一方、光通信デバイスにおいて、図１に示すように、光ファイバ１から出射された受信光２２は受信用導波路５に結合され、受信用導波路５を伝搬して、受信用導波路５の下部に位置するフォトダイオード３によって検出され、受信光２２の光強度の変化に応じて、前記データ信号に対応した電気信号が得られる。この電気信号は、図示しない復号器にて、上記データ信号に復号され、データ通信が完了する。
【００６９】
この構成では、より高密度なデータ通信のための波長多重通信を必要としない場合、光ファイバ１の両端に結合する各光通信デバイス２０、２０’の特性を互いに同一に設定でき、低価格な双方向光通信装置のリンクを提供できる。
【００７０】
光ファイバ１には、プラスチック光ファイバや、ポリマークラッド光ファイバを用いることが可能である。特に、プラスチック光ファイバは、コア径が０．２〜１．０ｍｍと大きくなるため、送信用導波路４や受信用導波路５との結合の際の位置合わせが容易であり、かつ、プラスチック光ファイバの製造コストも安価なものである。
【００７１】
光ファイバ１から受信用導波路５への結合効率を上げるためには、受信用導波路５のコア部１３のサイズ（受信光２２の受光面積）を大きく設定する必要があるので、受信用導波路５のコア部１３の素材には厚膜形成が容易な高分子材料を用いるとよい。
【００７２】
一方、送信用導波路４は、光ファイバ１のコア１ａよりもサイズ（発信光２１の発信光の出射面積）が小さければ小さいほど、位置ずれに対する許容範囲が広がることから、送信用導波路４は可能なかぎり細く、すなわち送信用導波路４における発信光２１に直交する断面積は可能なかぎり小さく設定することが望ましい。一方、受信用導波路５は、可能な限り太く、つまり受信用導波路５の受信光２２に直交する断面積を大きく設定するのが望ましい。このことから、受信用導波路５の断面積は送信用導波路４の断面積より大きくなるように設定することが好ましい。
【００７３】
さらに、送信光２１が光ファイバ１における、光軸方向に対して直交する断面が円形になっているコア１ａの外周近く、すなわちコア１ａの中心軸から離れ、コア１ａの外周を覆う、クラッド１ｂの近くに結合するよう、送信光用導波路４と光ファイバ１との位置を互いに合わせると、受信光用導波路５の受光面積を大きく設定できるので、光ファイバ１から受信光用導波路５への結合効率を改善できる。
【００７４】
また受光面積を大きくするには、受信用導波路５の導波路厚が大きい方が好ましい。そのため、受信用導波路５においては、ポリイミドなどの有機材料からなる厚さ１０μｍ以上の厚膜導波路としている。しかし、上記導波路厚は大きすぎると加工時間が長くなり、また受信用導波路５の内部応力が大きくなり、受信用導波路５が設けられた基板１にダメージを与えるため、１５０μｍ以下とするのがよい。
【００７５】
光ファイバ１の入射領域端面８での反射光の他に、送信用導波路４の伝搬中の送信光２１からの漏れ光、半導体レーザ２からの出射光の漏れ光等が、フォトダイオード３に入射することによっても、受信用導波路５を伝搬する受信光２２から再生された電気信号（データ信号）におけるＳＮ比は低下する。
【００７６】
そこで、本願発明では、上記のような漏れ光が、基板１１上において、互いに近接した位置に設けられたフォトダイオード３に対して入射することを防止するため、図２に示すように、受信用導波路５の側壁と上部を覆う遮光膜１５が設けられている。この遮光膜１５は金属反射膜で構成するとよい。金属反射膜の場合、受信用導波路５の伝搬モードからはずれたモードの光も受信用導波路５を伝搬させることができ、光ファイバ１から受信用導波路５への結合損失を小さくすることができる。
【００７７】
この遮光膜１５によって、受信用導波路５では、光ファイバ１と結合して受信光２２が入射される側の端面１０からしか光が結合しないようになっている。さらに、送信用導波路４、およびモニタ用導波路６の側壁と上部においても、半導体レーザ結合側端面と光ファイバ結合側端面とを残して、他の部分を遮光膜１５で覆うと、漏れ光の影響を、上記遮光膜１５によって、さらに抑制でき、データ信号におけるＳＮ比を向上させることができる。
【００７８】
コア部１３上に直接遮光膜１５を配置した場合、反射時の損失によって光の伝送損失が大きくなるため、コア部１３と遮光膜１５の間に上部クラッド層１４を、下部クラッド層１２と同様の素材により配置してもよい。
【００７９】
受信用導波路５において、導波光をフォトダイオード３に結合させるために、図１に示すように、フォトダイオード３上の下部クラッド層１２を除去し、さらに結合効率を高めるため受信用導波路５における、受信光２２の到達端面（終端部）を加工して、フォトダイオード３上において、受信光２２の伝搬方向に対し４５度の斜面が形成されている。受信用導波路５内を伝搬する受信光２２である導波光は、この斜面上の遮光膜（金属反射膜）１５によって反射され、フォトダイオード３に導かれる。
【００８０】
本発明に係る光通信デバイス２０は、モニタ用フォトダイオード７と、受信光用のフォトダイオード３とを埋め込むようにモノリシックに形成した基板１１に、半導体レーザ２、送信用導波路４および受信用導波路５を半導体プロセスを用いて集積化しており、個々の部品を別々に作製し、それらを組み上げるといったバルクで形成した、従来の光通信デバイスと比較して、大幅に小型化でき、低コストでの大量生産が可能となっている。
【００８１】
（第三の実施の形態）
次に第一の実施の形態における光通信デバイス２０の作製法を第三の実施の形態として図９を参照しながら以下に説明する。図９は、送信用導波路４の各製造工程における各断面図である。受信用導波路５も、同様な一連のプロセスで形成される。
【００８２】
まず、図９（ａ）に示すように、基板１１上に半導体プロセスによって、図示しないフォトダイオード、モニタ用フォトダイオード７、およびそれらの信号検出回路を形成する。続いて、その上に、光導波路のバッファ層（クラッド部）となる下部クラッド層１２を形成する。下部クラッド層１２の材料としては、後述するコア部１３の材料の屈折率より低い屈折率を有する、例えばＳｉＯ₂ 等を用いることができる。
【００８３】
下部クラッド層１２の上面は研磨して、平滑となるように設定される。次に、図９（ｂ）に示すように、下部クラッド層１２に対し、フォトリソグラフィ、エッチングを行って、各フォトダイオード３、７上、および後に設置する半導体レーザ２の固定位置２ａの上の下部クラッド層１２を除去する。
【００８４】
続いて、図９（ｃ）に示すように、上記基板１１および下部クラッド層１２上に、後に光導波路のコア部１３となる光透過性プラスチック層１３ｃを形成する。この光透過性プラスチック層１３ｃの材料としては、例えば、ポリイミド等の光透過性の有機材料を用いることができ、光透過性プラスチック層１３ｃの膜厚は、例えば１００μｍ程度に設定される。
【００８５】
次に、図９（ｄ）に示すように、光透過性プラスチック層１３ｃに対し、フォトリソグラフィ、エッチングを行って、送信用導波路と受信用導波路と半導体レーザからの出射光のモニタ用導波路以外の除去部分１３ｂとなる光透過性プラスチック層１３ｃを除去して、送信用導波路４のコア部１３、モニタ用導波路６のコア部６ａをそれぞれ形成する。このとき、図示しないが、受信用導波路も形成されている。エッチングの方法としては、反応性イオンエッチングや、エキシマレーザエッチングを挙げることができる。
【００８６】
次に、図９（ｅ）に示すように、エキシマレーザエッチングを行って、モニタ用導波路６のコア部６ａにおける終端部６ｂを斜度４５度の斜面となるよう加工する。エキシマレーザの照射時間を徐々に変えることによってエッチング量を制御し、斜面を形成する。
【００８７】
次に、図９（ｆ）に示すように、残存した光透過性プラスチック層である送信用導波路４、受信用導波路５の各コア部１３、およびモニタ用導波路６のコア部６ａ上や半導体レーザ固定位置２ａとなる下部クラッド層１２上に、上部クラッド層（クラッド部）１４を形成し、さらに、その上に遮光膜１５を形成する。
【００８８】
上部クラッド層１４の材料としては、前述したコア部１３の材料の屈折率より低い屈折率を有する、例えば、ＳｉＯ₂ 等を用いることができる。遮光膜１５の材料としては、例えば光を反射することによって遮光できる、例えばアルミニウム等を用いることができる。
【００８９】
次に、図９（ｇ）に示すように、上部クラッド層１４および遮光膜１５に対し、フォトリソグラフィ、エッチングを行って、送信用導波路４におけるコア部１３における半導体レーザ結合側端面２ｂ、光ファイバ結合側端面１３ａと、モニタ用導波路６のコア部６ａにおける半導体レーザ結合側端面２ｂと、下部クラッド層１２上との上部クラッド層１４および遮光膜１５をそれぞれ除去する。
【００９０】
最後に、図９（ｈ）に示すように、前記の半導体レーザの固定位置２ａに対し、半導体レーザ２をボンディングして、送信用導波路４が完成する。また、受信用導波路５についても、上記送信用導波路４と同様に作製され、かつ、上述の半導体製造プロセスを用いて一括して同時に作製することが可能である。なお、以上説明した光通信デバイス２０において、各層の形成は、スパッタ、ＣＶＤ、蒸着、スピンコーティング等の方法を材料に応じて使い分けて行われる。
【００９１】
（第四の実施の形態）
本発明の第四の実施の形態について、図１０および図１１に基づき以下に説明する。図１０および図１１に示す、本第四の実施の形態における光通信デバイス２８では、受信用導波路５の上に送信用導波路４が構成されている点が、前記第一の実施の形態と異なっている。上記の点以外の他の構成については第一の実施の形態と同様であり、それらと同様な各構成については、第一の実施の形態に付記した部材番号と同一の部材番号を付記して、それらの説明を省いた。
【００９２】
受信用導波路５と送信用導波路４とを、基板１１面内、つまり基板１１の表面方向に沿って互いに並列に配置した場合、送信用導波路４の幅と上記両者のギャップ領域の幅の分、受信用導波路５の幅が狭くなる。
【００９３】
そこで、第四の実施の形態では、図１０および図１１に示すように、受信用導波路５と送信用導波路４を基板１１上において、その表面方向に対し直交する方向に互いに並べて、つまり、上下に配置している。これにより、受信用導波路５の幅は光ファイバ１のコア１ａの直径に合わせる、すなわち直径と同一まで大きく設定できるので、受信用導波路５における受信光２２の光軸方向に直交する断面積をより広く設定できる。
【００９４】
この結果、第四の実施の形態では、第一の実施の形態と比較して、光ファイバー１と受信用導波路５との間の光の結合効率をより大きくすることができて、受信光２２の結合効率の改善、つまりＳ／Ｎ比を向上できる。
【００９５】
本第四の実施の形態においても、第一の実施の形態と同様に、送信用導波路４と光ファイバ１の端面は、光ファイバ１の中心軸１ｃに対する直交面（仮想面）１ｄから傾斜角φだけ傾斜するように設定されている。
【００９６】
上記傾斜角φは、送信用導波路４から出射される送信光２１の一部が、光ファイバ１の入射領域の端面８で反射されて反射光２３となったときに、上記反射光２３が受信用導波路５に入射することを、前述と同様、回避するように設定されている。
【００９７】
第四の実施の形態においても、半導体レーザ２から出射された送信光２１の反射光２３が、同じ光通信デバイス２８内のフォトダイオード３に入射することが防止されるため、光通信を、双方向において、同時に、安定に、かつ、信頼性よく行うことが可能となる。
【００９８】
さらに、送信用導波路４と受信用導波路５の間での光の漏洩を防ぐため、この導波路間には遮光膜１５の層を挟む構成としている。上記第四の実施の形態においては、送信用導波路４の上に受信用導波路５を配置する構成としてもよい。
【００９９】
次に、上記第四の実施の形態における光通信デバイス２８の作製法を図９および図１２を参照しながら以下に説明する。図１２は、受信用導波路５上の送信用導波路４の各製造工程における各断面図である。
【０１００】
まず、図９（ａ）から（ｅ）に示す第三の実施の形態と同じ工程に従って、図１２（ａ）に示すように、受信用導波路５を形成する。次に、図１２（ｂ）に示すように、遮光膜１５を形成し、さらに、その上に、送信用導波路４用の下部クラッド層１６を形成する。
【０１０１】
次に、図１２（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ、エッチングを行って、モニタ用フォトダイオード７上、および後に設置する半導体レーザ２の固定位置２ａの上の遮光膜１５、下部クラッド層１６を除去する。続いて、図１２（ｄ）に示すように、上記基板１１および下部クラッド層１２上に、送信用導波路４のコアとなる光透過性プラスチック層１７を形成する。その上に、上部クラッド層１８を形成する。
【０１０２】
次に、図１２（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィ、エッチングを行って、送信用導波路４とモニタ用導波路６以外の除去部分となる上部クラッド層１８および光透過性プラスチック層１７を除去する。
【０１０３】
最後に、図１２（ｆ）に示すように、光ファイバに結合する側の端面１９を光軸に直交する面から傾斜させるよう、斜めにダイシングして各チップを分離し、前記の半導体レーザ２の固定位置２ａに対し、半導体レーザ２をボンディングして、光通信デバイス２８が完成する。
【０１０４】
（第五の実施の形態）
本発明の第五の実施の形態について、図１３に基づき以下に説明する。この光通信デバイス２９では、受信用導波路が複数本形成されている点が、上記第一の実施の形態と異なっている。上記の点以外の他の構成については第一の実施の形態と同様であり、それらと同様な各構成については、第一の実施の形態に付記した部材番号と同一の部材番号を付記して、それらの説明を省いた。
【０１０５】
受信用導波路を第一受信用導波路５、第二受信用導波路２６と、複数本用意することにより、この形態の光通信デバイス２９に対し光分岐機能を備えさせることもできる。
【０１０６】
本実施の形態では、第一受信用導波路５は受光素子３に結合させる一方、第二受信用導波路２６は別の光ファイバ２７に結合させるなどのことが可能となるので、光通信の中継デバイスの役割を備えることもできる。このとき、それぞれの受信用導波路５、２６の各断面積の比率を変えることにより、それぞれの受信用導波路５、２６に結合する各受信光の割合を設定することができる。
【０１０７】
【発明の効果】
本発明の光通信デバイスは、以上のように、発光素子に光学的に結合された送信用導波路と、受光素子に光学的に結合された受信用導波路とが、互いに光学的に分離されて、かつ、外部の光ファイバの同一端面に対し光学的に結合可能に設けられ、送信用導波路における発信光の出射する端面は、送信光の光ファイバ端面での反射光が受信用導波路に入射することを抑制するように、光ファイバの光軸に対し直交する面に対し傾斜している構成である。
【０１０８】
それゆえ、上記構成では、各光通信デバイスを光ファイバの両端に結合することにより、一本の光ファイバを用いて双方向光通信を行うことが可能となり、双方向光通信を安価にできるという効果を奏する。
【０１０９】
その上、上記構成では、上記送信用導波路と受信用導波路とが分離されており、光ファイバと送信用導波路の端面が光軸に直交する面から傾斜するように設定しているため、送信用導波路からの送信光が、受信用導波路に侵入することを抑制することができる。
【０１１０】
したがって、上記構成では、各光通信デバイスを光ファイバの両端に光学的に結合して、双方向光通信を行っても、送信用導波路からの送信光が、受信用導波路に侵入することによるＳ／Ｎ比の低下を低減できるので、上記双方向光通信をより安定に実行できる。
【０１１１】
これにより、上記構成においては、一本の光ファイバを用いて、送受信を同時に行う双方向光通信を、時分割通信といった複雑な機構を省いて行うことが可能となり、より安定で、情報の伝送密度の高い双方向光通信を安価にできるという効果を奏する。
【０１１２】
本発明の双方向光通信装置は、以上のように、発信光および受信光である信号光をマルチモードにて伝搬するための光ファイバの軸方向の両端面に、上記光通信デバイスが、それぞれ光学的に結合されていることを特徴としている。
【０１１３】
上記構成によれば、一本の光ファイバとその両端面に結合された各光通信デバイスを用いて双方向光通信を送受信同時に、簡素で、かつ、安価に行うことができるという効果を奏する。
【０１１４】
その上、上記構成では、光ファイバがマルチモードにて光を伝搬するので、上記光ファイバのコア径を大きく、例えば１ｍｍ程度に設定できる。このことから、上記構成では、上記光ファイバと各光通信デバイスとの光学的な結合を容易化できるという効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光通信デバイスにおける、第一の実施の形態、およびそれと光学的に結合された光ファイバを示す概略平面図である。
【図２】上記光通信デバイスおよび光ファイバにおける、図１のＡ−Ａ’矢視断面を示す断面図である。
【図３】上記光通信デバイスおよび光ファイバにおける、図１のＢ−Ｂ’矢視断面を示すさらに他の断面図である。
【図４】上記光通信デバイスにおける送信用導波路と光ファイバの各端面を光軸に対し傾斜角度を変化させた場合の結合損失の解析結果を示すグラフである。
【図５】上記送信用導波路と光ファイバとの光学的な結合を示す説明図である。
【図６】上記傾斜角度とクロストークとの関係を示した実験結果のグラフである。
【図７】上記光通信デバイスにおける、受信用導波路と光ファイバとの光学的な結合を示す説明図である。
【図８】本発明に係る双方向光通信装置を、第二の実施の形態として示す概略説明図である。
【図９】上記光通信デバイスの製造工程を示す説明図であって、（ａ）ないし（ｈ）はそれぞれ上記製造工程における各工程図である。
【図１０】本発明の光通信デバイスの第四の実施の形態を示す概略平面図である。
【図１１】上記光通信デバイスにおける断面図である。
【図１２】上記光通信デバイスの製造工程を示す各工程図である。
【図１３】本発明の光通信デバイスの第五の実施の形態を示す概略説明図である。
【図１４】従来の光通信デバイスを示す概略説明図である。
【符号の説明】
１ 光ファイバ
２ 半導体レーザ（発光素子）
３ フォトダイオード（受光素子）
４ 送信用導波路
５ 受信用導波路
６ モニタ用導波路
７ モニタ用フォトダイオード

Claims (10)

1. 発光素子に光学的に結合された送信用導波路と、受光素子に光学的に結合された受信用導波路とが、互いに光学的に分離されて、かつ、発信光および受信光である信号光をマルチモードにて伝搬するための光ファイバの同一端面に対し光学的に結合可能に設けられ、
   上記受信用導波路のコア部は、高分子材料から形成され、
   上記送信用導波路は、上記受信用導波路と比べると、上記光ファイバの中心軸から離れた位置で、光ファイバと位置合わせ可能に設けられていると共に、
   送信用導波路における発信光の出射する端面は、送信光の光ファイバ端面での反射光が受信用導波路に入射することを抑制するように、光ファイバの光軸に対し直交する面に対し傾斜しており、
   かつ、上記送信用導波路および受信用導波路の各光軸は、光ファイバの光軸に対し平行に形成されていることを特徴とする光通信デバイス。
2. 上記の発光素子、送信用導波路、受光素子および受信用導波路が、同一基板上に設けられていることを特徴とする請求項１記載の光通信デバイス。
3. 送信用導波路および受信用導波路の少なくとも一方と、光ファイバとの互いに結合する側の各端面は互いに平行であり、
   かつ、送信用導波路における光軸方向に対する直交方向の断面積に対し、受信用導波路における光軸方向に対する直交方向の断面積が大きくなっていることを特徴とする請求項１記載の光通信デバイス。
4. 送信用導波路は、発信光が通るコア部と、コア部における光軸方向に対する側部に設けられたクラッド部とを有し、
   送信用導波路の端面の、光軸に対する直交面からの傾斜角度φは、上記コア部の屈折率をｎ ₁ 、上記クラッド部の屈折率をｎ ₂ としたとき、下記の式（１）
   φ＞ｃｏｓ ^-1 （ｎ ₂ ／ｎ ₁ ） ……（１）
   を満たしていることを特徴とする請求項２または３記載の光通信デバイス。
5. 送信用導波路、および受信用導波路の各開口数は、結合される光ファイバの開口数に略同一にそれぞれ設定されていることを特徴とする請求項４記載の光通信デバイス。
6. 送信用導波路および受信用導波路の少なくとも一方のコア部の周囲に、遮光膜が形成されていることを特徴とする請求項１ないし５の何れか一項に記載の光通信デバイス。
7. 送信用導波路のコア部が、高分子材料から形成され、送信用導波路および受信用導波路の各コア部の厚さが１０μｍ以上１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし６の何れか一項に記載の光通信デバイス。
8. 受光素子は基板上にモノリシックに形成され、
   受信用導波路は、受信光の導波光を反射して受光素子に導くように形成された終端部を受光素子上に備え、
   かつ、発光素子は、基板上にてハイブリッドに集積化されていることを特徴とする請求項１ないし７の何れか一項に記載の光通信デバイス。
9. 発信光および受信光である信号光をマルチモードにて伝搬するための光ファイバの軸方向の両端面に、請求項１ないし８の何れか一項に記載の光通信デバイスが、それぞれ光学的に結合されていることを特徴とする双方向光通信装置。
10. 光ファイバはプラスチック光ファイバあるいはポリマクラッド石英光ファイバであることを特徴とする請求項９記載の双方向光通信装置。

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