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JP2011077133A - 光双方向通信モジュール及び光双方向通信装置 - Google Patents

光双方向通信モジュール及び光双方向通信装置 Download PDF

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Abstract

【課題】製造コストを削減すると共に、歩留まりを向上させることができる光双方向通信モジュール及び光双方向通信装置を提供する。
【解決手段】光双方向通信モジュール１０は、発光素子１４と、受光素子１６と、入出力ポート２２Ａから入力された光を波長分割フィルタ部２２Ｄで波長分割して受光素子１６へ導波すると共に、発光素子１４からの光を波長分割フィルタ部２２Ｄで波長分割して入出力ポート２２Ａへ導波するシリコンから成る光導波路２２と、が同一基板に集積されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光双方向通信モジュール及び光双方向通信装置に係り、同一基板上に発光素子、受光素子、及び光導波路が集積された光双方向通信モジュール及び光双方向通信装置に関する。
従来、１本の光ファイバを接続して光による双方向通信が可能な通信モジュールとして、例えば特許文献１に記載されたような通信モジュールがある。
この特許文献１に記載されたモジュールでは、送信部である半導体レーザモジュールと、受信部であるフォトダイオードと、をそれぞれ別のパッケージに収め、さらに、光ファイバからの受信光をフォトダイオードで受光できるように受信光の波長の光をフォトダイオード側へ反射すると共に、送信部からの送信光が光ファイバへ入射されるように送信光の波長の光を透過させるバンドパスフィルタを設け、前記パッケージ及びフィルタを一つにまとめている。
また、特許文献２には、半導体レーザ、フォトダイオード、及びバンドパスフィルタを平面基板上に集積化することにより小型化及び製造コストの低下が可能な通信モジュールが開示されている。
特開平１０−２０６６７８号公報 特開平１１−６８７０５号公報
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、送信部及び受信部が別パッケージになっているため、小型化が非常に困難であると共に、各々の光部品を駆動調整しながら作製するため、製造工程が増加してコストがかかる、という問題があった。
また、特許文献２に記載された技術では、平面基板をダイシング加工して溝を形成し、この溝にバンドパスフィルタを挿入して接着剤で固定するため、歩留まりが悪化すると共に、コストがかかる、という問題があった。
本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、製造コストを削減すると共に、歩留まりを向上させることができる光双方向通信モジュール及び光双方向通信装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明の光双方向通信モジュールは、発光素子と、受光素子と、入力ポートから入力された光を波長分割して前記受光素子へ導波すると共に、前記発光素子からの光を波長分割して出力ポートへ導波するシリコン導波路と、が同一基板に集積されたことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、前記発光素子から発光された光の進行方向における前記発光素子の位置と、前記光の進行方向における前記受光素子の位置とが一致しないように、前記発光素子及び前記受光素子が前記基板上に搭載されたことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、前記発光素子が、前記基板の一部が削られた領域に搭載されると共に、前記基板の厚み方向における前記発光素子の発光部の位置と、前記基板の厚み方向における前記受光素子の位置とが一致しないように、前記発光素子及び前記受光素子が前記基板上に搭載されたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、前記入力ポートと前記出力ポートとが兼用されたことを特徴とする。
請求項５記載の発明は、前記発光素子が、端面発光型の発光素子であり、前記シリコン導波路と前記発光素子とが前記基板の端面で光結合することを特徴とする。
請求項６記載の発明は、前記シリコン導波路の前記受光素子側の端部が、回折格子として機能する形状で構成され、前記受光素子が、前記回折格子の上部に搭載されたことを特徴とする。
請求項７記載の発明は、前記発光素子及び前記受光素子の少なくとも一つの素子を実装する際の目印であるアライメントマークが前記シリコン導波路と同一材料で形成されたことを特徴とする。
請求項８記載の発明の光双方向通信装置は、請求項１〜７の何れか１項に記載の光双方向通信モジュールと、前記発光素子を駆動する駆動手段と、前記受光素子で受光した光の電気信号を増幅する増幅手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、製造コストを削減すると共に、歩留まりを向上させることができる、という効果を奏する。
光双方向通信モジュールの平面図である。 光双方向通信モジュールの発光素子が搭載された領域の一部拡大図である。 （Ａ）は、光双方向通信モジュールの受光素子が搭載された領域の一部断面図であり、（Ｂ）は、光双方向通信モジュールの受光素子が搭載された領域の一部平面図である。 （Ａ）は、変形例に係る光双方向通信モジュールの受光素子が搭載された領域の一部断面図であり、（Ｂ）は、変形例に係る光双方向通信モジュールの受光素子が搭載された領域の一部平面図である。図である。 光双方向通信モジュールの発光素子が搭載された領域の一部断面図である。 変形例に係る光双方向通信モジュールの発光素子が搭載された領域の一部断面図である。 光双方向通信装置の概略構成図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る光双方向通信モジュール１０の平面図を示した。同図に示すように、光双方向通信モジュール１０は、光学基板１２に発光素子１４及び受光素子１６が実装された構成である。光双方向通信モジュール１０には、一例として光ファイバ１８が接続される。
光学基板１２には、シリコン（Ｓｉ）導波路としての光導波路２２が形成されている。光導波路２２は、光ファイバ１８が光双方向通信モジュール１０に接続されることによって光ファイバ１８と光学的に結合される。
図１に示すように、光導波路２２の光ファイバ１８が接続される側の端部には、入出力ポート２２Ａが形成されており、その端部より手前の光導波路よりも若干幅が太くなっている。同様に、光導波路２２の発光素子１４が接続される側の端部は、入力ポート２２Ｂが形成されており、その端部の手前の光導波路よりも幅が太くなっている。
また、光導波路２２の受光素子１６が接続される側の端部は、出力ポート２２Ｃが形成されており、この出力ポート２２Ｃは、所謂グレーティング（回折格子）を構成している。
出力ポート２２Ｃは、図３（Ｂ）に示すように、徐々にシリコンの幅が拡がっていくテーパー形状となっており、かつ、その先が同図（Ａ）、（Ｂ）に示すように、グレーティング、すなわち回折格子として機能するように、複数の直線状のシリコンがスリット状に形成されている。なお、本実施形態では、複数のシリコンが直線状の場合を示したが、これに限らず、シリコンの形状はこれに限られるものではない。回折格子として機能するものであれば、例えば複数の弓状のシリコンがスリット状に形成された構成としてもよい。また、スリット状ではなく、例えば図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、複数の直線状のシリコンの底面側が繋がった形状でもよい。
光導波路２２は、発光素子１４からの光を入出力ポート２２Ａまで導波すると共に、入出力ポート２２Ａに接続された光ファイバ１８から入射された光を受光素子１６まで導波する。
光導波路２２の中央部は、波長分割フィルタ部２２Ｄを構成している。この波長分割フィルタ部２２Ｄは、本実施形態では、一例として４段の所謂マッハツェンダー干渉計を構成している。この波長分割フィルタ部２２Ｄは、発光素子１４が発光した波長の光を入出力ポート２２Ａ側へのみ導波すると共に、入出力ポート２２Ａに入射された波長の光を受光素子１６側へのみ導波する。
なお、本実施形態では、波長分割フィルタ部２２Ｄとして４段のマッハツェンダー干渉計を用いた場合について説明したが、これに限らず、Ｙ分岐導波路や、アレイ導波路（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）型回折格子を用いた波長合分波器を用いてもよい。
また、図１に示すように、光学基板１２の発光素子１４の搭載位置近傍には、発光素子１４を表面実装する際の位置決め用のマークとして、２個の正方形状のアライメントマーク２４が形成されている（図２も参照）。
同様に、光学基板１２の受光素子１６の搭載位置近傍には、受光素子１６を表面実装する際の位置決め用のマークとして、２個の正方形状のアライメントマーク２６が形成されている。なお、各アライメントマークの個数は２個に限られるものではなく、形状も正方形状に限られるものではない。
また、図１において、光学基板１２の右下の角部は、発光素子１４を搭載するための領域として一部が削られている。発光素子１４は、本実施形態では、一例として端面発光型の半導体レーザであり、図５に示すように、その発光部１４Ａと入力ポート２２Ｂとが光学的に結合するような位置に発光素子１４が搭載される。
このように、発光素子１４は、受光素子１６よりも低い位置に搭載され、また、発光素子１４の発光部１４Ａの位置は、受光素子１６が搭載される面よりも低くなっている。これにより、発光素子１４からの漏れ光が受光素子１６により受光されるのを防止することができる。
さらに、図１に示すように、発光素子１４から発光された光の進行方向である矢印Ａ方向における位置が、受光素子１６の矢印Ａ方向における位置と図１において左側にずれている。これにより、発光素子１４からの漏れ光が受光素子１６により受光されるのをより効果的に防止することができる。
光学基板１２は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）がシリコン（Ｓｉ）により挟まれた所謂ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板をもとにして作製される。
シリコンから成る光導波路２２及びアライメントマーク２４、２６は、公知のフォトリソグラフィと同様の方法により形成する。具体的には、ＳＯＩ基板にフォトレジストを塗布し、光導波路２２及びアライメントマーク２４、２６を形成すべき領域を露光して、露光されていない領域のフォトレジストを除去してエッチングする。これにより、光導波路２２及びアライメントマーク２４、２６を形成すべき領域のみにシリコンを形成し、そのシリコン上の余分なフォトレジストを除去する。そして、その上にシリコン酸化膜を形成することにより、光導波路２２が形成される。その後、光学基板１２の右下の角部を所望の深さまでエッチングすることにより、発光素子１４を搭載する領域を形成する。なお、エッチングする深さは、一例として４μｍである。
なお、シリコン酸化膜は透光性を有するので、その上からアライメントマーク２４、２６を認識することができる。
このように光学基板１２は作製されるので、光導波路２２は、図３（Ａ）、図５に示すように、ＳＯＩ基板のシリコン３０上に、シリコンと屈折率の異なるシリコン酸化膜３２で覆われるように形成される。これにより、シリコンから成る光導波路２２を光が伝搬する。
ところで、シリコンの屈折率は３．５４程度であり、シリコン酸化膜の屈折率は１．４７程度であり、空気との屈折率差が大きいことから、損失が大きくなる場合がある。そこで、入出力ポート２２Ａ及び入力ポート２２Ｂを二重コア構成としてもよい。具体的には、例えば図６に示すように、シリコンから成る入力ポート２２Ｂを先細り形状にし、その先細り部分を屈折率が２．０程度のシリコン窒化膜（ＳｉＮ）３４で覆った構成とする。これにより、屈折率を徐々に変化させることができ、光の損失を抑制することができる。
図７には、上記の光双方向通信モジュール１０を用いた光双方向通信装置４０の一例を示した。光双方向通信装置４０は、光双方向通信モジュール１０と、光双方向通信モジュール１０の発光素子１４を駆動する駆動装置４２と、光双方向通信モジュール１０の受光素子１６で受光した光の電気信号を増幅するＴＩＡ（トランスインピーダンスアンプ）４４と、を備えている。このような光双方向通信装置４０は、光通信を行う様々な装置、例えば光通信を行うネットワークに接続される通信機器等に適用可能である。
以上説明したように、本実施形態に係る光双方向通信モジュール１０は、波長分割フィルタ部を含む光導波路２２をシリコン導波路で構成し、発光素子１４及び受光素子１６と共に同一基板上に集積した構成としているので、部品搭載の工程及び部品コストを削減することができると共に、歩留まりを向上させることができる。また、発光素子１４及び受光素子１６をアライメントマーク２４、２６に従って表面実装することにより、光学部品の調芯工程を削減することができるため、製造コストを削減することができる。
１０ 光双方向通信モジュール
１２ 光学基板
１４ 発光素子
１４Ａ 発光部
１６ 受光素子
１８ 光ファイバ
２２ 光導波路
２２Ａ 入出力ポート
２２Ｂ 入力ポート
２２Ｃ 出力ポート
２２Ｄ 波長分割フィルタ部
２４、２６ アライメントマーク
３０ シリコン
３２ シリコン酸化膜
４０ 光双方向通信装置
４２ 駆動装置
４４ ＴＩＡ

Claims (8)

  1. 発光素子と、
    受光素子と、
    入力ポートから入力された光を波長分割して前記受光素子へ導波すると共に、前記発光素子からの光を波長分割して出力ポートへ導波するシリコン導波路と、
    が同一基板に集積された
    光双方向通信モジュール。
  2. 前記発光素子から発光された光の進行方向における前記発光素子の位置と、前記光の進行方向における前記受光素子の位置とが一致しないように、前記発光素子及び前記受光素子が前記基板上に搭載された
    請求項１記載の光双方向通信モジュール。
  3. 前記発光素子が、前記基板の一部が削られた領域に搭載されると共に、前記基板の厚み方向における前記発光素子の発光部の位置と、前記基板の厚み方向における前記受光素子の位置とが一致しないように、前記発光素子及び前記受光素子が前記基板上に搭載された
    請求項１又は請求項２記載の光双方向通信モジュール。
  4. 前記入力ポートと前記出力ポートとが兼用された
    請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光双方向通信モジュール。
  5. 前記発光素子が、端面発光型の発光素子であり、前記シリコン導波路と前記発光素子とが前記基板の端面で光結合する
    請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の光双方向通信モジュール。
  6. 前記シリコン導波路の前記受光素子側の端部が、回折格子として機能する形状で構成され、前記受光素子が、前記回折格子の上部に搭載された
    請求項１〜５の何れか１項に記載の光双方向通信モジュール。
  7. 前記発光素子及び前記受光素子の少なくとも一つの素子を実装する際の目印であるアライメントマークが前記シリコン導波路と同一材料で形成された
    請求項１〜６の何れか１項に記載の光双方向通信モジュール。
  8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の光双方向通信モジュールと、
    前記発光素子を駆動する駆動手段と、
    前記受光素子で受光した光の電気信号を増幅する増幅手段と、
    を備えた光双方向通信装置。
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