【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，基板上に光ファイバ及び発光素子や受光素子等の光素子を配置して、これら光部品を精度よく光学的に結合させることが可能な、光通信分野で好適に使用される双方向光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ＣＡＴＶや公衆通信の分野において、光ファイバを利用した光通信の実用化が行われている。データ量の増大に伴い、波長１．３１μｍ帯及び１．５５μｍ帯などの長波長光の信号を用い、１本の光ファイバを使用して信号を双方向に送り、同時に信号を送受信できる通信方式（双方向通信方式）が検討されている。この通信方式の利点は光ファイバが１本で済むことである。また、この通信システムに使用される双方向光モジュールには、送信用発光素子からの出射光と受信用受光素子への入射光を分岐させるために空間光学系タイプ、導波路分岐タイプ、光導波路加工タイプなどがある。
【０００３】
例えば、図３０に示す空間光学系タイプの双方向光モジュールＪ１は、パッケージ２３に、光信号の入出力用の光ファイバ６と、光信号を分岐させるための光分波器８と、受信用受光素子５と、送信用発光素子３とを備えてなるものであり、さらに光ファイバ６，受信用受光素子５，送信用発光素子３のそれぞれの直前に、レンズ２１がそれぞれ備えられている。なお、図中２４は光ファイバホルダ、２２はレンズホルダ、２５はキャンパッケージ、４はモニター用受光素子、２６は光分波器ホルダである。
【０００４】
上記構成の双方向光モジュールＪ１によれば、送信用発光素子３から出射した光信号は光分波器８を通過して光ファイバ６へ入射され、光ファイバ６側から導入された光信号は光分波器８で反射され受信用受光素子５で受光される。
【０００５】
また、図３１に示す導波路分岐タイプの双方向光モジュールＪ２は、パッケージ２３内にＹ分岐光導波路１９が形成された基板１と、その基板１上に光信号を送受信するための送信用発光素子３，受信用受光素子５と、光信号を分岐するための光分波器８と、光ファイバ６とを備えてなるものである。
【０００６】
上記構成の双方向光モジュールＪ２によれば、送信用発光素子３から出射された光信号は、光分波器８で反射されて光導波路１９を通り光ファイバ６へ入射され、光ファイバ６側から導入された光信号は導波路１９に入射され、光分波器８を通過して受信用受光素子５で受光される。
【０００７】
また、図３２に示す光導波路加工タイプの双方向光モジュールＪ３は、パッケージ２３内に、基板１と、光信号を入出力させるための光ファイバ６と、光信号を分岐させるための光分波器８と、受信用受光素子５と、送信用発光素子３とを備えてなるものであり、基板１には光導波路１９、及び光分波器８が斜めに搭載されている。
【０００８】
上記双方向光モジュールＪ３によれば、送信用発光素子３から出射された光信号は光導波路１９に入射され、光分波器８を通過して光導波路１９から光ファイバ６へ入射され、一方、光ファイバ６から光導波路１９側より導入した光信号は光分波器８で反射され受信用受光素子５で受光される。
【０００９】
これらは主に加入者系と呼ばれる領域での実用化が目標とされており、高結合効率化、小型化、低価格化等の要求がされている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−４７０７０号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の問題点について以下に述べる。図３０に示すような双方向光モジュールＪ１では、実装方法として半導体レーザ等の送信用発光素子３を発光させて、結合用のレンズ２１や伝送用の光ファイバ６の位置決めを行ない、最大結合効率が得られる位置で、レンズホルダ２２や光ファイバホルダ２４をＹＡＧ溶接等の接合方法を用いて固定する。いわゆるアクティブアライメントと称する方法を利用してきた。この実装方法の特徴は、高結合効率と高信頼性が得られることであるが、反面、組み立て作業が煩雑となるという問題点があった。特に、特定波長の光のみを透過させる目的で、波長フィルター等の光分岐器８を挿入する場合は、さらに調芯箇所が多くなるため、工程がいっそう複雑になり、組み立て時間も長く、光モジュールが大型化し、その結果コストも多大となる。
【００１２】
また、図３１に示すような従来の双方向光モジュールＪ２では、導波路基板１９上に送信用発光素子３、受信用受光素子５を実装する場合、送信側から受信側へ電気信号が基板を伝わってしまう、いわゆる電気的クロストークを抑制することが困難であった。通常、送信側では送信用発光素子３を駆動するために数１０ｍＡの電流を流して電気信号を送るのに対し、受信側では受信用受光素子５にμＡオーダー以下の小さな電流の電気信号を受信する。このため、電気的クロストークを防ぐためには、基板を流れる電気信号の電流を数１０ｎＡオーダーに抑える必要がある。
【００１３】
それから、光ファイバ６から光導波路１９に入射した受信信号光は光分波器８を通過して、再び光導波路１９に入射することになるが、この時、光導波路間には集光効果が考慮されておらず出射した光は発散するため、この時の光導波路１９への結合効率は低く、大きな結合損失が生じる。そのため、できる限り、光導波路１９間の間隔を狭くしなければならず、光分波器８の厚みに近づけるように溝加工を行う必要があった。また、搭載溝の溝幅が光分波器８の厚みに近いため、光分波器８の挿入が困難であった。
【００１４】
図３２に示すような従来の双方向光モジュールＪ３では、斜めに挿入した光分波器８にて反射した信号光を光導波路１９の上方に配置した受信用受光素子５にて受信するため、光分波器８で反射した信号光以外の光導波路１９から漏れ出る光を受光してしまうという光学的クロストークの問題があった。加えて、送信用発光素子３から光導波路１９を介して出射した送信信号光は光分波器８を通過して、再び光導波路１９に入射することになるが、この時、光導波路１９間には集光効果が考慮されておらず出射した光は発散するため、光導波路１９への結合効率は低く、大きな結合損失が生じる。そのため、できる限り、光導波路１９間の間隔を狭くすることが必要で、光分波器８の厚みに近づけるように斜め溝の加工を工夫する必要があった。また、斜め溝を加工するために基板を傾けたり、ダイシングブレードを斜めにするなどの工夫をする必要があった。また、斜め溝の溝幅が光分波器８の厚みに近いため、光分波器８の挿入が困難であった。
【００１５】
そこで本発明では、必要最小限の部品点数で結合効率がよく、小型でしかもアライメントが簡易であり、電気的及び光学的クロストークの小さい双方向光モジュールを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するために、本発明の光モジュールは、送信用発光素子と、該送信用発光素子に光接続させる第１光ファイバ体と、該第１光ファイバ体に光接続させ、外部光を入射させる第２光ファイバ体と、前記送信用発光素子から出射された光をモニタするモニタ用受光素子とを同一基板上に配設するとともに、前記第１の光ファイバ体と前記第２の光ファイバ体との間に光分岐器を、該光分岐器の上方に受信用受光素子をそれぞれ設けて成り、前記送信用発光素子からの出射光を前記第１光ファイバ体、前記光分岐器、及び前記第２光ファイバ体を経て外部に送信し、前記第２光ファイバ体に入射された外部光を前記光分岐器を経て前記受信用受光素子で受信できるようにしたことを特徴とする。
【００１７】
また、前記第１光ファイバ体は、前記送信用発光素子からの出射光が入射される第１シングルモード光ファイバ、第１グレーテッドインデックスマルチモード光ファイバ、及び第１コアレス光ファイバが順次縦列に接続されて成り、前記第２光ファイバ体は、前記光分岐器の配設側より、第２コアレス光ファイバ、第２グレーテッドインデックスマルチモード光ファイバ、及び第２シングルモード光ファイバが順次縦列に接続されて成ることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光モジュールの実施形態を模式的に図示した図面に基づき詳細に説明する。
【００１９】
まず、本発明の光モジュールの全体構成について説明する。図１、図２および図１７に示すように、本発明の光モジュールＭ１およびＭ２は、基板１上に送信用発光素子３とモニタ用受光素子４と光ファイバ６（第１光ファイバ体６Ａ，第２光ファイバ体６Ｂ）と、脚部９を４つ備えた受信用受光素子５を搭載したチップキャリア２を配設するとともに、受信用受光素子５の直下にはチップキャリア２にレンズ機能を有するように凸上に樹脂１１を配設し、基板１上には受信光を反射させかつ送信光を透過させる光分岐器８を配設した。
【００２０】
光ファイバ６は、送信用発光素子３からの出射光を入射させる第１光ファイバ体６Ａと、外部に光を出射させる第２光ファイバ体６Ｂとが、光分波器８、９を介して光接続されるように構成されており、第１光ファイバ体６Ａの構成は、送信用発光素子３からの出射光が入射される第１シングルモード光ファイバ、第１グレーテッドインデックスマルチモード光ファイバ、及び第１コアレス光ファイバが順次接続されて成り、かつ第２光ファイバ体６Ｂの構成は、光分波器８に光接続される第２コアレス光ファイバ、第２グレーテッドインデックスマルチモード光ファイバ、及び第２シングルモード光ファイバが順次接続されて成る。
【００２１】
ここで、グレーテッドインデックスマルチモード光ファイバは、光ファイバの中心軸から徐々に屈折率が下がる軸対称の屈折率分布を持つ光ファイバである。ほとんどのグレーテッドインデックスマルチモード光ファイバはほぼ２乗の屈折率分布を持ちレンズ効果を有するため、好適な屈折率分布のグレーテッドインデックスマルチモード光ファイバを好適な長さで用いれば結合光学系を構成することができる。
【００２２】
グレーテッドインデックスマルチモード光ファイバ端面に点光源がある場合に、コリメート光にする条件は、グレーテッドインデックスマルチモード光ファイバの長さが四分の一周期になる長さ（光線の挙動の周期に対応させてピッチ（Ｐ）で表すとＰ＝０．２５）であるが、実際に結合効率が最も高いのは、端面が対向するグレーテッドインデックスマルチモード光ファイバからのビームウェストの位置が一致するときである。
【００２３】
Ｐ＝０．２５におけるビームウェストの位置は、グレーテッドインデックスマルチモード光ファイバの出射端面に位置することになり、グレーテッドインデックスマルチモード光ファイバ間に光学素子を挿入する場合は、ビームウェストの位置は一致しない。そのため、グレーテッドインデックスマルチモード光ファイバの出射端面から離れた位置にビームウェストを形成するためには、四分の一周期になる長さよりも長く（Ｐ＞０．２５）なる条件が必要になる。
【００２４】
そこで、コアレス光ファイバの長さは、２つのグレーテッドインデックスマルチモード光ファイバによるビームスポットが中央で一致するように調整してから、コアレス光ファイバを接続することによって予め焦点距離を厳密に調整することができ、もともと一本の光ファイバであるので、これを分断した場合であっても、光ファイバ間の軸ズレを防止することができる。
【００２５】
以上のことにより、シングルモード光ファイバ同士を対向させた場合よりも結合効率が良く、また、光分波器８を搭載するための溝を斜めに加工する必要がなくなり、加工が容易になると同時に、この溝への光分波器８の挿入も容易になる。
【００２６】
また、送信用発光素子３とモニタ用受光素子４が基板１上に形成された電気配線上に配設されているとともに、チップキャリア２の脚部９と基板１との間に電気配線と同一材料の設置用パッドが形成されている。
【００２７】
また、図１７に示すように、脚部９の高さは基板１上に配設した光ファイバ６の表面高さより高くするようにしている。
【００２８】
基板１の材質はセラミックス、ガラス等のように絶縁性を有し、且つはんだの溶融温度に耐性があれば良い。また、電気配線及び設置用パッドについては単層、多層どちらでもかまわないが、表層がＡｕ等の耐腐食性に優れた材料であることが望ましい。
【００２９】
チップキャリア２は、図３、及び図４に示すように、シリコンをＫＯＨ水溶液等のアルカリ溶液に浸漬させ異方性エッチングにより形成した脚部９もしくは開口部が正方形のチップキャリア実装用台形溝１５内に勘合させた球体１０を配設することからなり、一部に受信用受光素子５に集光させるためのレンズ機能を有するように凸状に樹脂が配設されている。
【００３０】
チップキャリアの作製方法は、図１１に示すように、脚部９を形成する場合は、受信用受光素子５を配設するチップキャリア２と脚部９を形成するシリコン基板とをウエハボンディング技術を用いて貼り付ける。
【００３１】
次に、脚部９を形成するシリコン基板をＫＯＨ等のアルカリ水溶液に浸漬させ貼り付けた界面まで異方性エッチングし、脚部９の下面に電気配線と同一の材料から成る設置用パッドを形成する。
【００３２】
また、受信用受光素子５直下にあたる場所に樹脂を凸状に配設する。
【００３３】
次に図１２に示すように、球体１０を勘合させるチップキャリア実装用台形溝１５の形成方法は、シリコン基板をＫＯＨ等のアルカリ水溶液に浸漬させ異方性エッチングし、受信用受光素子５直下にあたる場所に樹脂を凸状に配設する。 最後に、光モジュールとして組み立て工程として、最初に基板１上に送信用発光素子３とモニタ用受光素子４および光ファイバ６及び光分岐器８を配設し、各素子を駆動用電極とワイヤボンディングにより電気的接続を行い、次に、光分岐器８の上方に受信用受光素子５を配設したチップキャリア２を設置する。
【００３４】
かくして、本発明の光モジュールによれば、図１７に示すように、脚部９の高さもしくは球体１０勘合させたときの基板１とチップキャリア２の高さは基板１上に配設した光ファイバ６もしくは光分岐器８の表面高さとチップキャリア２に形成した樹脂１１の表面高さを合計した値より高くしていることにより、チップキャリア２を基板１上に実装した際に、基板１に配設したと光ファイバ６もしくは光分岐器８とチップキャリア２に配設した樹脂１１とを非接触にすることができる。これにより、チップキャリア２を基板１上に脚部９もしくは球体１０で勘合しているので正確な位置決めが可能となり光分岐器８より出射した受信光の光軸ずれを極力防止することにより、受信用受光素子５との優れた光結合を実現することができる。
【００３５】
さらに、チップキャリア２の脚部９もしくはチップキャリア実装用台形溝を異方性エッチングにより形成することにより、精度良くかつ迅速・簡便に作製を行うことが可能となる。脚部９の高さはウエハボンディング技術を用いてシリコン基板を貼りつけることにより、脚部９の高さを均一にすることが可能となる。また、これらの作製はウエハプロセスの工程で行うことができ生産性が良好となる。
【００３６】
【実施例】
次に、本発明をより具体化した光モジュールについて説明する。
【００３７】
基板１の作製にはシリコン基板を使用し、フォトリソグラフィー技術とＫＯＨによるシリコン異方性エッチングにて光ファイバ設置用溝１８を形成し、表面に熱酸化による酸化膜による絶縁層を設け表面上に、電気配線及び設置用パッドを上層／下層の順でＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉにて形成した。
【００３８】
また、電気配線上の送信用発光素子３とモニタ用受光素子４と設置用パッド上にはＡｕ−Ｓｎ合金はんだを形成した。
【００３９】
次に、チップキャリア２の作製には、シリコン基板を使用しＫＯＨ水溶液に耐性のあるエッチングマスク膜としてシリコン窒化膜を形成した後、前記シリコン基板と脚部９を形成するシリコン基板とをウエハボンディング技術を用いて貼り付け、フォトリソグラフィー技術とＫＯＨによるシリコン異方性エッチングにて脚部９を形成したのち、熱酸化による酸化膜を絶縁膜として表面に電気配線を脚部９下面には接合用パッドを上層／下層の順でＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉにて形成した。また、受信用受光素子５の搭載にはＡｕ−Ｓｎ合金はんだを用いた。
【００４０】
次に光ファイバ６は第１シングルモード光ファイバ（長さ４．６ｍｍ）と、その反対の端部に第１グレーテッドインデックスマルチモード光ファイバ（長さ０．７８ｍｍ）、さらにその端部にコアレス光ファイバ（長さ１．６ｍｍ）、その端部に第２グレーテッドインデックスマルチモード光ファイバ（長さ０．７８ｍｍ）、さらにその端部に第２シングルモード光ファイバ（長さ１ｍ）が順番に接続された光ファイバ６を形成した。
【００４１】
次に、光モジュールとしての作製の手順として、最初に、基板１上のはんだ１４上に送信用発光素子３、モニタ用受光素子４を設置し、ボンディングワイヤにて電気的接続を行った。次に、光ファイバ６を第１コアレス光ファイバと第２コアレス光ファイバの端面が、光分岐器８をはさんで互いに対向した状態になるように基板１に形成した光ファイバ設置用溝１８に搭載した。
【００４２】
次に、光学分岐器設置用溝をダイシング等で形成し、最後に光分岐器８を光学用接着剤を用い固定した。
【００４３】
次に、チップキャリア２に受信用受光素子５を搭載し、脚部９のある面に受信用受光素子５と対向するように凸上にポリイミド樹脂１１を形成した。
【００４４】
最後に、基板１上にチップキャリア２の脚部９を基板１上に形成したチップキャリア設置用パッド上に形成したはんだを介して設置した。
【００４５】
かくして、光ファイバ６との光軸ずれを極力防止し、受信用受光素子５と光分岐器８からの入射端との優れた光結合を実現し、小型で光モジュールを提供できた。
【００４６】
チップキャリア２のその他の実施例として図４，６，８，１０に示すように脚部９の替わりに基板１とチップキャリアに球体１０を介して勘合させる少なくとも３箇所以上の開口部が正方形のチップキャリア実装用台形溝１５を形成し、基板１上にチップキャリア２を実装した。
【００４７】
また、光分岐器８にて反射した受信光を受信用受光素子５に効率よく入射させるためのレンズ機能は、図５、６に示すように受信用受光素子５に対向するように開口部が正方形の台形溝１３を形成し、ボールレンズを搭載した。また、図７，８に示すように前記台形溝１３に表面が凸上になるように樹脂１１を埋め込んだ。
【００４８】
また、図９，１０に示すように、ＸｅＦ２ガスをもちいてシリコンを直接凸上に形成することも可能である。
【００４９】
また、チップキャリア２にレンズ機能を付帯したので図２１、２２，２３，２４に示すように、光ファイバ６に特別に細工をすることも無く、４５度傾斜して形成した溝に光分岐器８を挿入することで反射した受信光が放射しても、集光することが可能となり効率よく受光することが可能となった。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の光モジュールによれば、基板上に設置した光ファイバと光分岐器により外部から光ファイバ介して入射した受信光を所定方向へ転換し、効率よく受信用受光素子に光結合することができ、また、例えば基板の光ファイバ搭載部の上方に受信用受光素子を搭載したチップキャリアを設置できるので、小型化を図ることができ、送信用発光素子と受信用受光素子を搭載する基板を別にすることにより、電気的クロストークの問題を解消した信頼性の高い光モジュールを提供できる。
【００５１】
また、特に請求項２の光モジュールによれば、第１光ファイバ体から出射し、第２光ファイバ体に入射する光はコリメート光であり、光軸ずれに対して低損失で結合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光モジュールを模式的に説明する斜視図である。
【図２】本発明に係る光モジュールを模式的に説明する斜視図である。
【図３】本発明に係るチップキャリアを模式的に説明する図であり、（ａ）は上面斜視図、（ｂ）は下面斜視図、（ｃ）は側面図である。
【図４】本発明に係るチップキャリアを模式的に説明する図であり、（ａ）は上面斜視図、（ｂ）は下面斜視図、（ｃ）は側面図である。
【図５】本発明に係るチップキャリアを模式的に説明する図であり、（ａ）は上面斜視図、（ｂ）は下面斜視図、（ｃ）は側面図である。
【図６】本発明に係るチップキャリアを模式的に説明する図であり、（ａ）は上面斜視図、（ｂ）は下面斜視図、（ｃ）は側面図である。
【図７】本発明に係るチップキャリアを模式的に説明する図であり、（ａ）は上面斜視図、（ｂ）は下面斜視図、（ｃ）は側面図である。
【図８】本発明に係るチップキャリアを模式的に説明する図であり、（ａ）は上面斜視図、（ｂ）は下面斜視図、（ｃ）は側面図である。
【図９】本発明に係るチップキャリアを模式的に説明する図であり、（ａ）は上面斜視図、（ｂ）は下面斜視図、（ｃ）は側面図である。
【図１０】本発明に係るチップキャリアを模式的に説明する図であり、（ａ）は上面斜視図、（ｂ）は下面斜視図、（ｃ）は側面図である。
【図１１】本発明に係るチップキャリアの作製方法を模式的に説明する側面図である。
【図１２】本発明に係るチップキャリアの作製方法を模式的に説明する側面図である。
【図１３】本発明に係るチップキャリアの作製方法を模式的に説明する側面図である。
【図１４】本発明に係るチップキャリアの作製方法を模式的に説明する側面図である。
【図１５】本発明に係るチップキャリアの作製方法を模式的に説明する側面図である。
【図１６】本発明に係るチップキャリアの作製方法を模式的に説明する側面図である。
【図１７】本発明に係る光モジュールを模式的に説明する側面図である。
【図１８】本発明に係る光モジュールを模式的に説明する側面図である。
【図１９】本発明に係る光モジュールを模式的に説明する側面図である。
【図２０】本発明に係る光モジュールを模式的に説明する側面図である。
【図２１】本発明に係る光モジュールを模式的に説明する側面図である。
【図２２】本発明に係る光モジュールを模式的に説明する側面図である。
【図２３】本発明に係る光モジュールを模式的に説明する側面図である。
【図２４】本発明に係る光モジュールを模式的に説明する側面図である。
【図２５】本発明に係る光モジュールにおいてチップキャリア上に放熱用部品を搭載した場合を模式的に説明する斜視図と側面図である。
【図２６】本発明に係る光モジュールにおいてチップキャリアを多段に搭載した場合を模式的に説明する斜視図と側面図である。
【図２７】本発明に係る光モジュールにおいてチップキャリアを多段に搭載した場合を模式的に説明する斜視図と側面図である。
【図２８】本発明に係る光モジュールにおいて基板上に光導波路を形成した場合を模式的に説明する斜視図と側面図である。
【図２９】本発明に係る光モジュールにおいて基板上に光導波路を形成した場合を模式的に説明する斜視図と側面図である。
【図３０】従来の双方向光モジュールの一実施形態を模式的に示す平面図である。
【図３１】従来の双方向光モジュールの一実施形態を模式的に示す平面図である。
【図３２】従来の双方向光モジュールの一実施形態を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
１：基板
２：チップキャリア
３：送信用発光素子
４：モニタ用受光素子
５：受信用受光素子
６：光ファイバ
６Ａ：第１光ファイバ体
６Ｂ：第２光ファイバ体
７：半導体素子
８：光分岐器
９：脚部
１０：球体
１１：樹脂
１２：ボールレンズ
１３：台形溝
１４：シリコン凸レンズ
１５：チップキャリア実装用台形溝
１６：レジスト
１７：放熱用部品
１８：光ファイバ設置用溝
１９：光導波路
２１：レンズ
２２：レンズホルダ
２３：パッケージ
２４：光ファイバホルダ
２５：キャンパッケージ
２６：光分岐器ホルダ
Ｊ１：光モジュール
Ｊ２：光モジュール
Ｊ３：光モジュール
Ｍ１：光モジュール
Ｍ２：光モジュール[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides an optical fiber and an optical element such as a light-emitting element and a light-receiving element on a substrate, and these optical components can be optically coupled with high accuracy. The present invention relates to a light directing module.
[0002]
[Prior art]
At present, in the field of CATV and public communication, practical use of optical communication using an optical fiber is performed. With the increase in data volume, a communication system that can transmit signals bidirectionally using a single optical fiber using long wavelength light signals such as the 1.31 μm band and 1.55 μm band and simultaneously transmit and receive signals (Two-way communication system) is being studied. The advantage of this communication method is that only one optical fiber is required. The bidirectional optical module used in this communication system includes a spatial optical system type, a waveguide branch type, and an optical waveguide for branching out the light emitted from the light emitting element for transmission and the light incident on the light receiving element for reception. There are processing types.
[0003]
For example, a spatial optical system type bidirectional optical module J1 shown in FIG. 30 includes, in a package 23, an optical fiber 6 for inputting / outputting an optical signal, an optical splitter 8 for splitting an optical signal, It comprises a light receiving element 5 and a light emitting element 3 for transmission, and further includes an optical fiber 6, a light receiving element 5 for reception, and a lens 21 immediately before each of the light emitting element 3 for transmission. In the drawing, 24 is an optical fiber holder, 22 is a lens holder, 25 is a can package, 4 is a monitor light receiving element, and 26 is an optical demultiplexer holder.
[0004]
According to the bidirectional optical module J1 having the above configuration, the optical signal emitted from the transmitting light emitting element 3 passes through the optical demultiplexer 8 and is incident on the optical fiber 6, and the optical signal introduced from the optical fiber 6 side is The light is reflected by the optical splitter 8 and received by the light receiving element 5 for reception.
[0005]
The waveguide-branch-type bidirectional optical module J2 shown in FIG. 31 includes a substrate 1 on which a Y-branch optical waveguide 19 is formed in a package 23, and transmission light emission for transmitting and receiving an optical signal on the substrate 1. It comprises an element 3, a receiving light receiving element 5, an optical demultiplexer 8 for splitting an optical signal, and an optical fiber 6.
[0006]
According to the bidirectional optical module J2 having the above-described configuration, the optical signal emitted from the transmitting light emitting element 3 is reflected by the optical demultiplexer 8, enters the optical fiber 6 through the optical waveguide 19, and enters the optical fiber 6 side. Is introduced into the waveguide 19, passes through the optical demultiplexer 8, and is received by the light receiving element 5 for reception.
[0007]
The optical waveguide processing type bidirectional optical module J3 shown in FIG. 32 includes, in a package 23, a substrate 1, an optical fiber 6 for inputting and outputting an optical signal, and an optical demultiplexer for splitting the optical signal. An optical waveguide 19 and an optical splitter 8 are obliquely mounted on the substrate 1. The optical waveguide 19 and the optical splitter 8 are mounted on the substrate 1.
[0008]
According to the bidirectional optical module J3, the optical signal emitted from the light emitting element for transmission 3 enters the optical waveguide 19, passes through the optical demultiplexer 8, and enters the optical fiber 6 from the optical waveguide 19. The optical signal introduced from the optical fiber 6 from the optical waveguide 19 side is reflected by the optical demultiplexer 8 and received by the light receiving element 5 for reception.
[0009]
These are intended to be put to practical use mainly in a region called a subscriber system, and there are demands for high coupling efficiency, miniaturization, low cost, and the like.
[0010]
[Patent Document 1]
JP 2000-47070 A
[Problems to be solved by the invention]
The problems of the above prior art will be described below. In the bidirectional optical module J1 as shown in FIG. 30, the transmitting light emitting element 3 such as a semiconductor laser emits light as a mounting method to position the coupling lens 21 and the transmission optical fiber 6, thereby achieving the maximum coupling efficiency. Is fixed at a position where is obtained by using a joining method such as YAG welding. A method called active alignment has been used. The feature of this mounting method is that high coupling efficiency and high reliability can be obtained, but on the other hand, there is a problem that the assembling work becomes complicated. In particular, when an optical branching device 8 such as a wavelength filter is inserted for the purpose of transmitting only light of a specific wavelength, the number of locations for alignment is further increased, so that the process becomes more complicated, the assembling time becomes longer, and the optical module becomes longer. Becomes large, and as a result, the cost becomes large.
[0012]
In the conventional bidirectional optical module J2 as shown in FIG. 31, when the transmitting light emitting element 3 and the receiving light receiving element 5 are mounted on the waveguide substrate 19, an electric signal is transmitted from the transmitting side to the receiving side. It has been difficult to suppress so-called electrical crosstalk that is transmitted. Usually, on the transmitting side, a current of several tens of mA flows to drive the transmitting light emitting element 3, and an electric signal is sent. On the receiving side, an electric signal of a small current of the order of μA or less is received by the receiving light receiving element 5. I do. For this reason, in order to prevent electric crosstalk, it is necessary to suppress the electric signal current flowing through the substrate to the order of several tens nA.
[0013]
Then, the received signal light that has entered the optical waveguide 19 from the optical fiber 6 passes through the optical demultiplexer 8 and then enters the optical waveguide 19 again. At this time, a light-condensing effect is generated between the optical waveguides. Since the emitted light diverges without being considered, the coupling efficiency to the optical waveguide 19 at this time is low, and a large coupling loss occurs. Therefore, the interval between the optical waveguides 19 must be reduced as much as possible, and it is necessary to perform the groove processing so as to approach the thickness of the optical demultiplexer 8. Further, since the groove width of the mounting groove is close to the thickness of the optical splitter 8, it is difficult to insert the optical splitter 8.
[0014]
In the conventional bidirectional optical module J3 as shown in FIG. 32, the signal light reflected by the optical splitter 8 inserted obliquely is received by the receiving light-receiving element 5 disposed above the optical waveguide 19. There is a problem of optical crosstalk in that light leaking from the optical waveguide 19 other than the signal light reflected by the optical demultiplexer 8 is received. In addition, the transmission signal light emitted from the transmission light emitting element 3 via the optical waveguide 19 passes through the optical demultiplexer 8 and is incident on the optical waveguide 19 again. Does not consider the light condensing effect, and the emitted light diverges, so that the coupling efficiency to the optical waveguide 19 is low and a large coupling loss occurs. Therefore, it is necessary to reduce the interval between the optical waveguides 19 as much as possible, and it is necessary to devise the processing of the oblique groove so as to approach the thickness of the optical splitter 8. In addition, in order to process the oblique grooves, it is necessary to incline the substrate or make the dicing blade oblique. Further, since the groove width of the oblique groove is close to the thickness of the optical splitter 8, it is difficult to insert the optical splitter 8.
[0015]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a bidirectional optical module which has a small number of parts, has a good coupling efficiency, is small, has a simple alignment, and has small electrical and optical crosstalk.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, an optical module according to the present invention includes a light emitting element for transmission, a first optical fiber body optically connected to the light emitting element for transmission, and an optical fiber connected to the first optical fiber body. A second optical fiber body for receiving light and a monitoring light receiving element for monitoring light emitted from the transmitting light emitting element are arranged on the same substrate, and the first optical fiber body and the second An optical splitter is provided between the optical splitter and the optical splitter, and a light receiving element for reception is provided above the optical splitter. Device, and transmitted to the outside via the second optical fiber body, so that the external light incident on the second optical fiber body can be received by the light receiving element for reception via the optical splitter. I do.
[0017]
The first optical fiber body includes a first single-mode optical fiber, a first graded-index multimode optical fiber, and a first coreless optical fiber, into which light emitted from the transmitting light-emitting element is incident, which are sequentially arranged in tandem. The second optical fiber body includes a second coreless optical fiber, a second graded-index multimode optical fiber, and a second single-mode optical fiber that are sequentially arranged in tandem from the side where the optical splitter is provided. It is characterized by being connected.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of an optical module according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings schematically illustrating the embodiment.
[0019]
First, the overall configuration of the optical module of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, FIG. 2 and FIG. 17, the optical modules M1 and M2 of the present invention include a transmitting light emitting element 3, a monitoring light receiving element 4, and an optical fiber 6 (first optical fiber body 6A, The second optical fiber body 6B) and the chip carrier 2 on which the receiving light receiving element 5 having four legs 9 are mounted, and a lens function for the chip carrier 2 immediately below the receiving light receiving element 5 are provided. The resin 11 is disposed on the protrusion so as to have the light, and the optical splitter 8 that reflects the reception light and transmits the transmission light is disposed on the substrate 1.
[0020]
The optical fiber 6 includes a first optical fiber body 6A for emitting light emitted from the transmission light emitting element 3 and a second optical fiber body 6B for emitting light to the outside via the optical demultiplexers 8 and 9. The first optical fiber body 6A is configured so as to be optically connected, and includes a first single mode optical fiber, a first graded index multimode optical fiber into which light emitted from the light emitting element for transmission 3 is incident. , And the first coreless optical fiber are sequentially connected, and the configuration of the second optical fiber body 6B is a second coreless optical fiber optically connected to the optical demultiplexer 8, a second graded index multimode optical fiber , And a second single mode optical fiber are sequentially connected.
[0021]
Here, the graded index multimode optical fiber is an optical fiber having an axially symmetric refractive index distribution in which the refractive index gradually decreases from the central axis of the optical fiber. Since most graded-index multimode optical fibers have a lens effect with a refractive index distribution of approximately the square, if a graded-index multimode optical fiber having a suitable refractive index distribution is used at a suitable length, a coupling optical system can be used. Can be configured.
[0022]
When there is a point light source at the end face of the graded index multimode optical fiber, the condition for forming the collimated light is such that the length of the graded index multimode optical fiber is a quarter period (the period of the behavior of the light beam). (P = 0.25 in terms of pitch (P)), but the coupling efficiency is actually the highest because the beam waist positions from the graded index multimode optical fiber whose end faces face each other match. It is time.
[0023]
The position of the beam waist at P = 0.25 is located at the output end face of the graded index multimode optical fiber. When an optical element is inserted between the graded index multimode optical fibers, the position of the beam waist is set. Does not match. Therefore, in order to form a beam waist at a position distant from the emission end face of the graded index multimode optical fiber, a condition that the length is longer than a quarter period (P> 0.25) is required. .
[0024]
Therefore, the length of the coreless optical fiber is adjusted so that the beam spots of the two graded index multimode optical fibers coincide at the center, and then the focal length is strictly adjusted in advance by connecting the coreless optical fiber. Since the optical fiber is originally a single optical fiber, it is possible to prevent axial deviation between the optical fibers even when the optical fiber is divided.
[0025]
As described above, the coupling efficiency is higher than in the case where the single mode optical fibers are opposed to each other, and the groove for mounting the optical demultiplexer 8 does not need to be processed diagonally, which facilitates the processing. The insertion of the optical demultiplexer 8 into this groove is also facilitated.
[0026]
Further, the light emitting element for transmission 3 and the light receiving element for monitoring 4 are arranged on the electric wiring formed on the substrate 1 and the same as the electric wiring between the leg 9 of the chip carrier 2 and the substrate 1. A pad for material placement is formed.
[0027]
Further, as shown in FIG. 17, the height of the leg 9 is set to be higher than the surface height of the optical fiber 6 disposed on the substrate 1.
[0028]
The material of the substrate 1 may be any material as long as it has insulating properties such as ceramics and glass and has resistance to the melting temperature of the solder. The electric wiring and the pad for installation may be either a single layer or a multilayer, but it is desirable that the surface layer is made of a material having excellent corrosion resistance such as Au.
[0029]
As shown in FIGS. 3 and 4, the chip carrier 2 has a leg 9 or a trapezoidal groove 15 for mounting the chip carrier having a square opening formed by immersing silicon in an alkaline solution such as an aqueous KOH solution and performing anisotropic etching. The resin 10 is provided in a convex shape so as to have a lens function for condensing the light on the light receiving element 5 for reception.
[0030]
As shown in FIG. 11, when the leg 9 is formed, the chip carrier 2 on which the light receiving element 5 for reception is disposed and the silicon substrate on which the leg 9 is formed are formed by a wafer bonding technique. Use and paste.
[0031]
Next, the silicon substrate forming the legs 9 is immersed in an alkaline aqueous solution such as KOH and anisotropically etched to the bonded interface to form an installation pad made of the same material as the electric wiring on the lower surface of the legs 9. I do.
[0032]
In addition, a resin is disposed in a convex shape just below the light receiving element 5 for reception.
[0033]
Next, as shown in FIG. 12, the method of forming the trapezoidal groove 15 for chip carrier mounting for fitting the sphere 10 is such that the silicon substrate is immersed in an alkaline aqueous solution such as KOH and anisotropically etched, and the silicon substrate is directly under the light receiving element 5 for reception. The resin is disposed in a convex shape at the place. Finally, as an assembling process as an optical module, first, the light emitting element 3 for transmission, the light receiving element 4 for monitoring, the optical fiber 6, and the optical splitter 8 are arranged on the substrate 1, and each element is bonded to the driving electrode by wire bonding. Then, the chip carrier 2 on which the light receiving element 5 for reception is arranged is installed above the optical branching device 8.
[0034]
Thus, according to the optical module of the present invention, as shown in FIG. 17, the height of the legs 9 or the height of the substrate 1 and the chip carrier 2 when fitted to the sphere 10 is equal to the height of the light disposed on the substrate 1. By setting the surface height of the fiber 6 or the optical branching device 8 and the surface height of the resin 11 formed on the chip carrier 2 to be higher than the total value, when the chip carrier 2 is mounted on the substrate 1, In this case, the optical fiber 6 or the optical splitter 8 can be brought into non-contact with the resin 11 provided on the chip carrier 2. As a result, since the chip carrier 2 is fitted on the substrate 1 with the legs 9 or the spheres 10, accurate positioning becomes possible, and the optical axis shift of the received light emitted from the optical branching unit 8 is prevented as much as possible, so that the reception is possible. Excellent optical coupling with the light receiving element 5 can be realized.
[0035]
Furthermore, by forming the leg portions 9 of the chip carrier 2 or the trapezoidal grooves for mounting the chip carrier by anisotropic etching, it is possible to accurately, quickly and easily manufacture the chip carrier. The height of the legs 9 can be made uniform by attaching a silicon substrate using a wafer bonding technique. In addition, these processes can be performed in a wafer process, thereby improving productivity.
[0036]
【Example】
Next, an optical module that embodies the present invention will be described.
[0037]
The substrate 1 is manufactured using a silicon substrate, the optical fiber installation groove 18 is formed by photolithography technology and silicon anisotropic etching using KOH, and an insulating layer of an oxide film formed by thermal oxidation is provided on the surface. The electrical wiring and the mounting pad were formed of Au / Pt / Ti in the order of upper layer / lower layer.
[0038]
An Au-Sn alloy solder was formed on the transmission light emitting element 3, the monitor light receiving element 4, and the installation pad on the electric wiring.
[0039]
Next, to manufacture the chip carrier 2, a silicon nitride film is formed as an etching mask film resistant to a KOH aqueous solution using a silicon substrate, and then the silicon substrate and the silicon substrate forming the legs 9 are bonded by wafer bonding. After forming the legs 9 by photolithography and silicon anisotropic etching using KOH, electrical wiring is formed on the surface using an oxide film formed by thermal oxidation as an insulating film, and bonding is performed on the lower surface of the legs 9. Pads were formed of Au / Pt / Ti in the order of upper layer / lower layer. Au-Sn alloy solder was used for mounting the light receiving element 5 for reception.
[0040]
Next, the optical fiber 6 is composed of a first single mode optical fiber (length 4.6 mm), a first graded index multimode optical fiber (length 0.78 mm) at the opposite end, and a coreless optical fiber at the other end. An optical fiber (length 1.6 mm), a second graded-index multimode optical fiber (length 0.78 mm) at its end, and a second single-mode optical fiber (length 1 m) at its end in turn. The connected optical fiber 6 was formed.
[0041]
Next, as a procedure for manufacturing an optical module, first, the light emitting element 3 for transmission and the light receiving element 4 for monitoring were placed on the solder 14 on the substrate 1 and were electrically connected by bonding wires. Next, the optical fiber 6 is inserted into the optical fiber installation groove 18 formed in the substrate 1 so that the end faces of the first coreless optical fiber and the second coreless optical fiber face each other with the optical splitter 8 interposed therebetween. equipped.
[0042]
Next, an optical branching device installation groove was formed by dicing or the like, and finally, the optical branching device 8 was fixed using an optical adhesive.
[0043]
Next, the receiving light-receiving element 5 was mounted on the chip carrier 2, and a polyimide resin 11 was formed on the surface of the leg portion 9 so as to face the receiving light-receiving element 5 so as to be convex.
[0044]
Finally, the legs 9 of the chip carrier 2 were mounted on the substrate 1 via solder formed on the chip carrier mounting pads formed on the substrate 1.
[0045]
Thus, the optical axis deviation from the optical fiber 6 can be prevented as much as possible, excellent optical coupling between the light receiving element 5 for reception and the incident end from the optical splitter 8 can be realized, and a compact optical module can be provided.
[0046]
As another embodiment of the chip carrier 2, as shown in FIGS. 4, 6, 8, and 10, at least three or more openings to be fitted to the substrate 1 and the chip carrier via the sphere 10 instead of the legs 9 are square. The trapezoidal groove 15 for chip carrier mounting was formed, and the chip carrier 2 was mounted on the substrate 1.
[0047]
The lens function for efficiently making the received light reflected by the optical branching device 8 incident on the light receiving element 5 for reception is as follows: an opening is provided so as to face the light receiving element 5 for reception as shown in FIGS. A square trapezoidal groove 13 was formed, and a ball lens was mounted. As shown in FIGS. 7 and 8, a resin 11 was embedded in the trapezoidal groove 13 so that the surface became convex.
[0048]
Further, as shown in FIGS. 9 and 10, it is also possible to form silicon directly on the convex using XeF2 gas.
[0049]
Further, since the chip carrier 2 is provided with a lens function, as shown in FIGS. 21, 22, 23, and 24, the optical fiber 6 is not specially worked, and the optical branch is formed in a groove formed at an inclination of 45 degrees. Even if the received light reflected by inserting 8 is radiated, it can be collected and efficiently received.
[0050]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the optical module of the present invention, the optical fiber installed on the substrate and the optical splitter convert the received light incident from the outside via the optical fiber to a predetermined direction, and efficiently receive the received light. It can be optically coupled to the element, and for example, a chip carrier having a receiving light receiving element mounted above the optical fiber mounting portion of the substrate can be installed, so that miniaturization can be achieved, and the transmitting light emitting element and the receiving light receiving element can be installed. By separately providing a substrate on which a light receiving element is mounted, a highly reliable optical module that solves the problem of electrical crosstalk can be provided.
[0051]
According to the optical module of the second aspect, the light emitted from the first optical fiber body and incident on the second optical fiber body is a collimated light, and can be coupled with low loss with respect to optical axis shift. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically illustrating an optical module according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view schematically illustrating an optical module according to the present invention.
3A and 3B are diagrams schematically illustrating a chip carrier according to the present invention, wherein FIG. 3A is a top perspective view, FIG. 3B is a bottom perspective view, and FIG. 3C is a side view.
4A and 4B are diagrams schematically illustrating a chip carrier according to the present invention, wherein FIG. 4A is a top perspective view, FIG. 4B is a bottom perspective view, and FIG. 4C is a side view.
5A and 5B are diagrams schematically illustrating a chip carrier according to the present invention, wherein FIG. 5A is a top perspective view, FIG. 5B is a bottom perspective view, and FIG. 5C is a side view.
6A and 6B are diagrams schematically illustrating a chip carrier according to the present invention, wherein FIG. 6A is a top perspective view, FIG. 6B is a bottom perspective view, and FIG. 6C is a side view.
7A and 7B are diagrams schematically illustrating a chip carrier according to the present invention, wherein FIG. 7A is a top perspective view, FIG. 7B is a bottom perspective view, and FIG. 7C is a side view.
8A and 8B are diagrams schematically illustrating a chip carrier according to the present invention, wherein FIG. 8A is a top perspective view, FIG. 8B is a bottom perspective view, and FIG. 8C is a side view.
9A and 9B are diagrams schematically illustrating a chip carrier according to the present invention, wherein FIG. 9A is a top perspective view, FIG. 9B is a bottom perspective view, and FIG. 9C is a side view.
10A and 10B are diagrams schematically illustrating a chip carrier according to the present invention, wherein FIG. 10A is a top perspective view, FIG. 10B is a bottom perspective view, and FIG. 10C is a side view.
FIG. 11 is a side view schematically illustrating a method for manufacturing a chip carrier according to the present invention.
FIG. 12 is a side view schematically illustrating a method for manufacturing a chip carrier according to the present invention.
FIG. 13 is a side view schematically illustrating a method for manufacturing a chip carrier according to the present invention.
FIG. 14 is a side view schematically illustrating a method for manufacturing a chip carrier according to the present invention.
FIG. 15 is a side view schematically illustrating a method for manufacturing a chip carrier according to the present invention.
FIG. 16 is a side view schematically illustrating a method for manufacturing a chip carrier according to the present invention.
FIG. 17 is a side view schematically illustrating the optical module according to the present invention.
FIG. 18 is a side view schematically illustrating the optical module according to the present invention.
FIG. 19 is a side view schematically illustrating an optical module according to the present invention.
FIG. 20 is a side view schematically illustrating the optical module according to the present invention.
FIG. 21 is a side view schematically illustrating an optical module according to the present invention.
FIG. 22 is a side view schematically illustrating the optical module according to the present invention.
FIG. 23 is a side view schematically illustrating the optical module according to the present invention.
FIG. 24 is a side view schematically illustrating the optical module according to the present invention.
FIG. 25 is a perspective view and a side view schematically illustrating a case where a heat-dissipating component is mounted on a chip carrier in the optical module according to the present invention.
26A and 26B are a perspective view and a side view schematically illustrating a case where chip carriers are mounted in multiple stages in the optical module according to the present invention.
FIG. 27 is a perspective view and a side view schematically illustrating a case where chip carriers are mounted in multiple stages in the optical module according to the present invention.
FIG. 28 is a perspective view and a side view schematically illustrating a case where an optical waveguide is formed on a substrate in the optical module according to the present invention.
FIG. 29 is a perspective view and a side view schematically illustrating a case where an optical waveguide is formed on a substrate in the optical module according to the present invention.
FIG. 30 is a plan view schematically showing one embodiment of a conventional bidirectional optical module.
FIG. 31 is a plan view schematically showing one embodiment of a conventional bidirectional optical module.
FIG. 32 is a plan view schematically showing one embodiment of a conventional bidirectional optical module.
[Explanation of symbols]
1: substrate 2: chip carrier 3: transmitting light emitting element 4: monitoring light receiving element 5: receiving light receiving element 6: optical fiber 6A: first optical fiber body 6B: second optical fiber body 7: semiconductor element 8: light Branch 9: Leg 10: Sphere 11: Resin 12: Ball lens 13: Trapezoidal groove 14: Silicon convex lens 15: Trapezoidal groove 16 for chip carrier mounting: Resist 17: Heat dissipation component 18: Optical fiber installation groove 19: Light guide Wave path 21: Lens 22: Lens holder 23: Package 24: Optical fiber holder 25: Can package 26: Optical branch holder J1: Optical module J2: Optical module J3: Optical module M1: Optical module M2: Optical module