JPH04306603A - 双方向送受信光モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は１本の光ファイバを使う
双方向光ファイバ通信のための、発光素子と受光素子を
具備した双方向送受信光モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】１本の光ファイバで双方向に光通信を行
うためは、電気回路ボードに実装可能な小形の双方向送
受信光モジュールが必要である。この種の光モジュール
としては、１つの発光素子の光信号をコモンファイバに
結合させると同時に、コモンファイバ中をこの光信号と
は反対方向に伝搬する光信号を受光素子に結合するため
の光素子が必要であった。この光素子としては、誘電体
多層膜の波長選択性を利用した光分波合波器や、また方
向性結合器の分岐比波長依存性を利用した光分波合波器
があった。これらの光素子を小形、安価に作製するため
には光導波路を使った光集積回路（光導波回路）が望ま
しい。一方、受発光素子を高信頼化しかつ取扱いを容易
にするためには、透明窓を持つパッケージ内にハーメチ
ックシールすることが必要である。

【０００３】従来、光導波回路とパッケージした受発光
素子を組み合わせた双方向送受信光モジュールとしては
図３に示すような構成が考えられていた。これは、光を
分離結合もしくは分波合波する機能を有する光導波回路
チップ６０にコモンファイバ６１、出力ファイバ６２、
入力ファイバ６３を接続し、ファイバ６２、６３の先端
にそれぞれ受光素子モジュール６４、発光素子モジュー
ル６５を接続したものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この従来の双方向送受
信光モジュールは、受発光素子６４、６５が光導波回路
チップ６０に接続するファイバ６２、６３の先端に接続
されているため全体の寸法が大きく、電気回路基板に実
装する場合にファイバ余長の処理が不可欠であり、接続
箇所が多いため低価格化が困難であった。

【０００５】このため、従来の光導波回路チップと受発
光素子を新規な方法で集積した双方向送受信光モジュー
ルが希求されていた。本発明はこれに応えて、導波路チ
ップと、１本のコモンファイバと、パッケージした１組
の受発光素子と、レンズアレイ素子だけからなる双方向
送受信光モジュールを提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の双方向送受信光
モジュールは、導波路基板上に形成され少なくとも３つ
の入出力ポートを有する方向性結合器と、入出力ポート
の内の１つに接続されたコモンファイバと、コモンファ
イバと光結合して光の入出力が可能な２つの入出力ポー
トに接続されたマイクロレンズアレイ板と、マイクロレ
ンズアレイ板の外部に配置された発光素子及び受光素子
とで構成される。

【０００７】上記方向性結合器は、２本の導波路がある
長さにわたり近接配置されていること、これらの導波路
が外部の受発光素子と結合されるために導波路チップの
端面で所定の間隔に拡大されていることが必要である。 伝送する光信号の波長が２つある場合は、方向性結合器
の波長特性はこの２つの波長に対し１００：０の分岐比
を持つことが望ましい。伝送光信号の波長が実質的に１
つの場合は、方向性結合器の波長特性はその波長に対し
５０：５０の分岐比を持つことが望ましい。受発光素子
はパッケージの中にハーメチックシールされていること
が望ましい。このパッケージは光の入出射用の透明窓が
平面であることが望ましく、内部にレンズ素子を具備し
ていてもよい。

【０００８】マイクロレンズアレイ板は、導波路チップ
とパッケージした受発光素子とに直接接続するため、光
の入出射面が平面であることが望ましい。また、レンズ
効果を有する半球状高屈折率領域の位置は、レンズの結
像条件により受発光素子側であることが望ましい。マイ
クロレンズアレイ板のレンズは、所定の倍率で入出力ポ
ート導波路のスポットサイズを受発光素子に集光するよ
うに、レンズの焦点距離とレンズ板厚等が設計されてい
るべきである。

【０００９】

【作用】コモンファイバから出射した光信号は導波路チ
ップのコモンポートに入力し、方向性結合器で例えば５
０：５０に分岐され、５０％の光信号は入出力ポートよ
り第１のマイクロレンズに入射して収束光に変換された
後、受光素子に受光される。発光素子の出射光は、第２
のマイクロレンズに入射して収束光に変換された後入出
力ポートに結合され、方向性結合器で５０：５０に分岐
され、５０％の光信号はコモンポートよりコモンファイ
バに入力する。

【００１０】

【実施例】次に、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は、本発明にかかる双方向送受信光モジュー
ルの全体の構成を示す要部破断平面図である。導波路チ
ップ１０はガラス基板であり、中央付近に、中心軸間隔
ｓで結合距離ｌの方向性結合器１５が形成されており、
その両側には間隔が約４．５ｍｍで互いに平行な入出力
ポート１１、１２、１３、１４が展開部を介して接続さ
れている。一例として、方向性結合器１５の間隔ｓは１
６μｍ、結合距離ｌは１．１ｍｍとし、波長１．３１μ
ｍで分岐比がほぼ５０：５０となっている。コモンファ
イバ端末２０は取付け端部２１に単一モードのコモンフ
ァイバ２２が固定されたものであり、導波路チップ１０
のコモンポート１１に結合するように接着固定されてい
る。

【００１１】導波路チップ１０は、２段熱イオン交換法
によるＳＭＦ（単一モードファイバ）適合の埋込み型光
導波路で構成した方向性結合器である。２段熱イオン交
換法については本発明者らがエレクトロニクスレターズ
（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）１９８８年
第２４巻第２０号１２５８〜１２５９頁に報告した論文
を、またこのイオン交換法による方向性結合器の設計・
試作については橋爪らが１９８９年電子情報通信学会秋
季全国大会の論文番号Ｃ−２６３に報告した論文を参照
されたい。本発明で使用する方向性結合器を製作するに
当たっては公知の方法を適用することができ、詳しい説
明は省略する。

【００１２】導波路チップ１０にはファイバ端末２０と
反対側にマイクロレンズアレイ板３０が接着固定されて
いる。マイクロレンズアレイ板３０には、導波路チップ
１０の入出力ポート１３、１４の間隔と等しい間隔で配
置された２つのマイクロレンズ３１、３２のアレイがあ
る。マイクロレンズ３１、３２は、ガラス基板にイオン
交換法で半球状の高屈折率領域を形成した埋込み型の平
板マイクロレンズであり、その焦点距離ｆは５３０μｍ
、マイクロレンズ基板の厚みは３３７０μｍである。

【００１３】ここで、ガウシアンビームのビーム変換に
ついて説明する。あるガウシアンビームのビームウェイ
ストがレンズの主平面からｄ１の距離にあり、レンズの
主平面からｄ２の距離にビームウェイストを持つ別のガ
ウシアンビームに変換されたとする。また、ビーム変換
前のガウシアンビームのスポットサイズ（１／ｅ２半径
）をｗ１、変換後の同スポットサイズをｗ２とし、ガウ
シアンビーム変換倍率Ｍをｗ２／ｗ１で表す。ｄ２／ｆ
対ｄ１／ｆと、Ｍ対ｄ１／ｆの関係を図２に示す。

【００１４】レーザーダイオード５３のビームは後述す
るように楕円形であり、単一モードファイバに対する最
適な変換倍率Ｍは４であるが、マイクロレンズ作製上の
制約から３（単一モードファイバからみれば１／３＝０
．３３）を選んだ。この時、ｄ１／ｆ＝４、ｄ２／ｆ＝
１．３３とした。

【００１５】受光素子４０は、そのキャップ４１の部分
がマイクロレンズアレイ板３０に、図には示されていな
い保持具を利用して接着固定されている。その内部には
サファイア窓４２の下方にＰＩＮフォトダイオード４３
がマウントされている。入出力ポート１３からの出射光
は第１のマイクロレンズ３１によりＰＩＮフォトダイオ
ード４３に結合される。

【００１６】発光素子５０は、そのキャップ５１の部分
がマイクロレンズアレイ板３０に、図には示されていな
い保持具を利用して接着固定されている。その内部には
サファイサ窓５２の下方に発振波長１．３１μｍのＩｎ
ＧａＡｓＰ系のレーザーダイオード５３がマウントされ
ている。レーザーダイオード５３はキャップ５１の外周
から約７００μｍ下側にある。レーザーダイオード５３
の垂直方向出射角度（半値半角）と水平方向出射角度（
半値半角）はそれぞれ２５°と１８°であった。これら
の角度より計算したスポットサイズは、垂直方向０．９
μｍ、水平方向１．３μｍであり、単一モードファイバ
のスポットサイズ４．５μｍに対する最適スポットサイ
ズ変換倍率は約４．０倍である。レーザーダイオード５
３の出射光は第２のマイクロレンズ３２により入出力ポ
ート１４に結合される。

【００１７】上述したモジュールにおいて、コモンファ
イバ２２から出射した光信号は導波路チップ１０のコモ
ンポート１１に入力し、方向性結合器１５で５０：５０
に分岐され、５０％の光信号は入出力ポート１３より第
１のマイクロレンズ３１に入射し、収束光に変換され受
光素子４０のフォトダイオード４３に受光される。発光
素子５０のレーザーダイオード５３の出射光は第２のマ
イクロレンズ３２に入射し、収束光に変換されて入出力
ポート１４に結合され、方向性結合器１５で５０：５０
に分岐され、５０％の光信号はコモンポート１１よりコ
モンファイバ２２に入力する。

【００１８】実施例のモジュールの外形寸法は長さ５１
ｍｍ×幅２５ｍｍ×厚み６ｍｍであった。コモンファイ
バ２２からフォトダイオード４３までの全損失は、方向
性結合器１５の理論損失３ｄＢを除き２．２ｄＢであっ
た。レーザーダイオード５３からコモンファイバ２２ま
での全損失は、方向性結合器１５の理論損失３ｄＢを除
き４．３ｄＢであった。

【００１９】以上のように、コモンファイバ２２からの
光信号を受光素子４３に結合させると同時に、発光素子
５３の光信号をコモンファイバ２２に結合させることが
できる。この双方向送受信光モジュールを１本の光ファ
イバ伝送路の両端に接続すれば、双方向光ファイバ通信
を行うことができる。この機能により、実施例は双方向
送受信光モジュールとして機能する。

【００２０】実施例では、コモンファイバ２２からの光
信号の５０％が受光素子４３に結合する入出力ポート１
３に到達し、発光素子５３に結合する入出力ポート１４
の光信号の５０％がコモンファイバ２２に到達する。こ
の結合効率は、２つの波長を使用し方向性結合器１５の
波長分岐特性をそれらに対し１００：０および０：１０
０であるようにすれば、理論上は１００％にすることが
できる。

【００２１】なお、光ファイバフィーダーを共有して複
数の端末が分岐状に接続されている受動光網型の光ファ
イバ通信システムでは、ある特定のタイムスロットにつ
いて見た時に双方向送受信光モジュールは接続している
と言えるので、このような場合も本発明の双方向送受信
光モジュールは使用できる。

【００２２】次に、本発明のモジュールを光ファイバ通
信システムへ適用する際の注意を述べる。このモジュー
ルの近端漏話減衰量が十分大きければ、完全双方向光通
信を行うこことができる。同一波長で行う場合は、この
モジュールおよび光ファイバ伝送路のバックリフレクシ
ョンをできるだけ低減することが望ましい。２波長で行
う場合はこのような工夫は必要ないが、双方向送受信光
モジュールの波長選択比をできるだけ高くすることが望
ましい。また、不完全双方向光通信、例えばタイムスロ
ットを上り下りに割り当てた時分割双方向光通信（ピン
ポン伝送）の場合は、同一波長で近端漏話減衰量を考慮
せずに双方向光通信ができる。

【００２３】なお、実施例ではイオン交換によるガラス
導波路チップを使用したが、導波路チップはこれ以外に
プラスチック導波路、石英系導波路、ＬｉＮｂＯ３導波
路などが使用できる。また実施例では、受発光素子はそ
れぞれ別のパッケージに封入されているが、１つのパッ
ケージ内に並列して配置してもよい。

【００２４】また実施例では第１、第２のマイクロレン
ズ３１、３２の仕様は作製容易性から同一仕様としたが
、レーザーダイオード５３とフォトダイオード４３と入
出力ポート１３、１４との最適結合を実現するようにマ
イクロレンズ３１、３２の焦点距離ｆを異なるように設
定してもよい。なお、この場合マイクロレンズ基板の厚
みは両レンズに対し同一であることを前提として最適設
計することが望ましい。イオン交換による平板マイクロ
レンズの場合では、イオン交換制御膜の開口径を変更す
るだけでｆが変えられるので作製は容易である。

【００２５】マイクロレンズアレイ板３０は、所定の結
像条件を満たすために１枚以上の構成であってもよく、
１枚の基板の両側にそれぞれ１つのレンズが形成されて
いてもよい。また、マイクロレンズアレイ板３０と導波
路チップ１０もしくは受発光素子４０、５０の間に、所
定の距離をとるための透明材料の板が配置されていても
よく、あるいは受発光素子４０、５０の外部に円筒形の
キャップを被せて、このキャップで所定の距離を取って
導波路チップ１０に接着固定してもよい。

【００２６】

【発明の効果】本発明のモジュールは基本的には、方向
性結合器の導波路チップ、１本のコモンファイバ、マイ
クロレンズアレイ板、１組の受光素子および発光素子か
らのみ構成されるので、非常にコンパクトである。特に
、受発光素子と導波路チップを接続するファイバがない
のでファイバ余長処理が不要であり、実装上の利点は大
きい。

【００２７】また、導波路チップと受発光素子はマイク
ロレンズアレイで結合されているので、最適な設計と作
製により高効率な結合が実現できる。受発光素子はパッ
ケージでハーメチックシールされたものを使用できるの
で、信頼性を高めることが容易である。また、ここに使
われている光部品は全て平面の結合端部を有しているの
で、組立てが容易で小型化しやすい利点、特殊な構成を
用いず通常の光部品で構成されるので低価格にできる利
点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施を示す部分破断平面図。

【図２】レンズによるガウシアンビームのビーム変換に
おける距離ｄ１、ｄ２および倍率Ｍの間の関係を示すグ
ラフ。

【図３】従来の双方向送受信光モジュールの構成例を示
す平面図。

【符号の説明】

１０‥‥‥‥導波路チップ １５‥‥‥‥方向性結合器 １１、１３、１４‥‥‥‥入出力ポート２０‥‥‥‥コ
モンファイバ端末 ２２‥‥‥‥コモンファイバ ３０‥‥‥‥マイクロレンズアレイ板 ３１、３２‥‥‥‥マイクロレンズ ４０‥‥‥‥受光素子パッケージ ４３‥‥‥‥フォトダイオード ５０‥‥‥‥発光素子パッケージ ５３‥‥‥‥レーザーダイオード

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】導波路基板上に形成され少なくとも３つの
   入出力ポートを有する方向性結合器と、該入出力ポート
   の内の１つに接続されたコモンファイバと、該コモンフ
   ァイバと光結合しており光の入出力が可能な２つの入出
   力ポートに接続されたマイクロレンズアレイ板と、該マ
   イクロレンズアレイ板の外部に配置された発光素子と受
   光素子とからなる双方向送受信光モジュール。
2. 【請求項２】マイクロレンズアレイ板として、ガラス基
   板にイオン交換法で概略半球状の高屈折率領域が形成さ
   れ２つのほぼ平坦な入出射面を有する、少なくとも１枚
   の平板マイクロレンズアレイ板を用いた請求項１に記載
   の双方向送受信光モジュール。