JP3937911B2 - 光送受信モジュール及びこれを用いた光通信システム - Google Patents
光送受信モジュール及びこれを用いた光通信システム Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、表面実装型でなく金属パッケージに収納され外部ノイズを遮蔽でき長寿命で信頼性の高い光送受信モジュール及びこれを利用した光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は一芯双方向光通信システムの概略の構成を示す図である。基地局と加入者があって、それらが１本の光ファイバによって接続される。基地局ではＬＤ１によりλ２（１．５５μｍ）の加入者向けの光信号を生成しＷＤＭ１を経て光ファイバＯＦに送り出す。光ファイバＯＦを伝送されてきた光信号は加入者側でＷＤＭ２によって波長分離されて加入者側のＰＤ２に入り受信される。それが基地局から加入者に向かう下り信号で波長はλ２である。
【０００３】
反対に加入者では基地局向けの信号をＬＤ２によってλ１（１．３１μｍ）の光信号に変えＷＤＭ２から光ファイバＯＦへ送り出す。ＷＤＭ１はλ１の光信号を波長分離してＰＤ１に導く。ＰＤ１はそれを電気信号に変換する。それが加入者から基地局に向かう上り信号であり波長はλ１である。波長が異なるから同時双方向の通信が可能である。もちろんピンポン伝送も可能である。ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexer;波長分離器ともいう）は光伝送路（光ファイバ、光導波路）の分岐にあって波長選択するものである。
【０００４】
光信号を受信するのは受光素子（フォトダイオード：photodiode;ＰＤ）、レンズ、光ファイバなどを光軸上に保持した構造の光受信モジュールである。受信モジュールのことを図１では簡単にＰＤ１（局側）、ＰＤ２（加入者側）と図示している。光信号を発生するのは、発光素子（半導体レーザ：Laser Diode;ＬＤ）、レンズ、光ファイバを同一光軸上に配置支持する構造の光送信モジュールである。
【０００５】
光受信モジュールとして現在実際に使用されているものは、リードピンを底面から突出させた円盤状金属製のステムの上面にＰＤチップを取り付け、レンズを保持するキャップをステムに固定し、さらに光ファイバ端を把持するフェルールを円錐形のフェルールホルダーによってステムに対し固定した構造となっている。あるいは金属製ステムにＰＤを付け、開口部をもつキャップをステムに取り付け、さらにレンズを保持した円筒形のレンズホルダーをステムのキャップの外側に調芯固定し、さらに光ファイバ端を把持するフェルールを円錐形のフェルールホルダーに通し、フェルールホルダーをレンズホルダーの上に調芯固定するようにしている。
【０００６】
それは光ファイバの軸線上にレンズを配置し、その延長にＰＤを垂直に設けている。光ファイバから出た光は空間伝搬してレンズで集光されＰＤに入る。金属製のパッケージ（ステム、レンズホルダー、フェルールホルダー）で全体が包囲されている（ハーメチックシール）から気密性に優れている。水分や酸素が入らないのでＰＤチップ、配線など劣化しない。金属パッケージで厳重に囲まれているから電磁波や光が入らずクロストークも低い。長い使用の実績があり信頼性に富む。
【０００７】
光送信モジュールとして現在使用されているのも同じ金属製のパッケージに収容された金属カンパッケージのモジュールである。円板形状の金属製ステムに突起（ポールと呼ぶ）を形成しておき、ポールの側面に半導体レーザを縦向きに付け、その直下のステム面にモニタ用のフォトダイオード（モニタＰＤ）を取り付ける。レンズを有する円筒形のキャップをその上に固定する。さらに光ファイバの端部を把持するフェルールをフェルールホルダーで支持しフェルールホルダーをステムに調芯固定する。
【０００８】
あるいは開口部だけのキャップをステム面に取り付け、その外側のステム上面に円筒形でレンズを保持したレンズホルダーを取り付ける。さらに光ファイバの端部を把持するフェルールをフェルールホルダーで支持しフェルールホルダーをレンズホルダーの上に調芯固定する。このような金属製パッケージに収納されている光送信モジュールはハーメチックシールされており信頼性が高く長寿命で外部に電磁波や光を出さないからクロストークの原因をまき散らさない。金属カン型の送信モジュールと受信モジュールの二つがあって図１のＷＤＭから光ファイバによって分岐している。だからＷＤＭと金属カン送信モジュールとをつなぐ光ファイバ、ＷＤＭと受信モジュールを繋ぐ光ファイバがあり、送信器と受信器が相互に独立しており光ファイバによって、ＷＤＭとつながっている。
【０００９】
そのように全体を金属パッケージによって包囲した三次元形状をもつモジュールは実績、信頼性があって、これからも引き続き使用されよう。
【００１０】
二つのモジュールが光ファイバによってＷＤＭにつながるのではなくて一体に結合されたものもある。それは例えば、
【００１１】
▲１▼ 日本特許第３１６７６５０号
【００１２】
によって提案されている。図２のその概略の構造を示す。送信器２９は箱型金属パッケージ３０の内部のポール３１にＬＤ３２、モニタ用ＰＤ３３を取り付け、箱型パッケージの前方開口部に集光レンズ３４を設けたものである。送信部は金属パッケージで密封され外部と遮断されている。受信器３５は箱型金属パッケージ３６、サブマウント３７、円筒形キャップ３８、集光レンズ３９、ＰＤチップ４０等よりなる。
【００１３】
これらは独立のモジュールであるが、金属製の統合ハウジング４１によって一体化される。送信器２９は統合ハウジング４１の軸線の延長上にある開口部に溶接固定される。受信器３５は統合ハウジング４１の側方の開口部に対面するように統合ハウジング４１に溶接される。送信器２９のＬＤ３２から出た光は集光レンズ３４で集光されてＷＤＭ４２を通り、光ファイバ４３へと出てゆく。光ファイバ４３を伝搬して来た光はＷＤＭ４２で反射されて側方にある開口部から集光レンズ３９を通り受光素子４０に入射し受信される。
【００１４】
そのように金属パッケージからなる独立の送信器（光送信モジュール）と受信器（光受信モジュール）をハウジングで一体化したものはある。が、それでもなお独立性があって別々のモジュールである。ＷＤＭと光ファイバで接続された送信器、受信器の場合とほとんど異なるものではない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら金属パッケージを有し、ステムの法線方向に光ファイバの光軸を有する三次元的な構成の光送受信モジュールは金属パッケージがある程度の大きさをもつので小型化に限界がある。またコストを切り下げるにしても限界がある。図２のような特別な統合光送受信モジュールにしても容積は減らず嵩は大きくコスト高である。
【００１６】
より小型、より低コストにするという目的で有望なものは表面実装型の光送信モジュール、光受信モジュールである。それはＳｉ基板の上にＶ溝、光導波路などを形成し、その終端にＰＤやＬＤを実装して光ファイバや光導波路をそれに突き合わせるようにする。光ファイバの軸線が基板面に平行になる。Ｖ溝やマークを付けたＳｉ基板において部品を実装するから位置合わせが簡単で時間のかかる調芯がなくても厳密な実装精度を得る。調芯をしない実装方法のことをパッシブアライメントと呼ぶことがある。光ファイバとＰＤまたはＬＤとを近接させて配置するので高い光結合効率が得られる。
【００１７】
つまりレンズが不要である。レンズがなく光ファイバと素子を近接させて配置するので小型化が可能である。金属パッケージを使わずＳｉ基板、リードフレームを纏めて樹脂封止してプラスチックパッケージとするので軽量、小型、安価なモジュールとする可能性がある。
【００１８】
しかもＳｉ基板の上に光導波路を作り終端にＬＤを、中間に斜めにＷＤＭを入れ、その斜め上にＰＤを配置するようにして送信、受信の両方を行うモジュールとする可能性もある。それは光送受信（ＬＤ／ＰＤ）モジュールと呼ぶ。
【００１９】
このように利点の多い表面実装型の光受信モジュール、光送信モジュールであるが、使用環境の厳しい用途ではやはり金属製のパッケージに光素子を気密性に優れたハーメチックシールしたいという要望もなお根強いものがある。
【００２０】
金属カン型のパッケージに受光素子（ＰＤ）だけを実装した光受信モジュールは存在し、すでに使用されている。金属パッケージにＬＤだけ、あるいはＬＤとモニタＰＤだけを実装した光送信モジュールもそれと対になってよく使われる。
【００２１】
本発明は表面実装型の特徴を生かしつつハーメチックシールできる金属パッケージ型の光送受信モジュールを提供する事を目的とする。
【００２２】
【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、基板と、基板の上に設けられ始端が基板前面に露呈し二分岐の終端ｃ、ｄを持ち波長選択性を持つＹ分岐光導波路と、光導波路の一方の終端ｃの基板上に設けた発光素子（ＬＤ）と光導波路のもう一方の終端ｄの基板上に設けた受光素子（ＰＤ）を振り分けて実装したサブモジュールと、軸方向に延びる複数のリードピンと上方へ隆起したポールを有しポール面にサブモジュールを保持した対称性を有する金属ステムと、ステム上に固定されたレンズを保持するキャップと、ステムに対して端部が固定された光ファイバと、ステムに固着され光ファイバを支持する金属パッケージとよりなる。
また、本発明の別の光送受信モジュールは、基板と、基板の上に設けられ始端ｅが基板前面に露呈した導波路と、この導波路の中間部に設けた溝と、この溝に挿入され波長λ１を透過し波長λ２を反射する波長選択性を有する多層膜フィルタと、多層膜フィルタに近接対向して基板上方に設けたλ２を受光する受光素子と光導波路の他方の終端ｆに近接対向して基板上に設けたλ１を発生する発光素子とを振り分けて実装したサブモジュールと、軸方向に延びる複数のリードピンと、上方へ隆起したポールを有しポール面にサブモジュールを保持した円盤状金属製ステムと、ステムに対して端部が固定された光ファイバと、光ファイバと導波路の始端ｅを光学的に結合するレンズと、レンズを保持しステム上に固定されたキャップと、ステムに固着され光ファイバを支持する金属パッケージ部分とよりなる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の光送受信モジュールは、波長選択性を持つＹ分岐光導波路を有する基板の光導波路の終端に受光素子（ＰＤ）と発光素子（ＬＤ）を振り分けて実装して製作したサブモジュールを、リードピンとポールを有する金属ステムのポールの正面に固定し、レンズを保持するキャップを調芯してステムに固定し、ファイバ端を把持するフェルールをフェルールホルダーによって支持し、フェルールホルダーを調芯してステムに固定したものである。
本発明のもう一つの光送受信モジュールは、基板の光導波路の終端に発光素子（ＬＤ）を、光導波路の中間に設けた斜め溝に波長選択性を持つ多層膜フィルタを挿入しその上方に受光素子（ＰＤ）をそれぞれ振り分けて実装して製作したサブモジュールを、リードピンとポールを有する金属ステムのポールの正面に固定し、レンズを保持するキャップを調芯してステムに固定し、ファイバ端を把持するフェルールをフェルールホルダーによって支持し、フェルールホルダーを調芯してステムに固定したものである。
【００２４】
（１）調芯
光ファイバ端面と光導波路の始端の間で所望の光学的結合効率になるように調芯するのである。キャップの調芯は二次元、フェルールホルダーの調芯は二次元である。フェルールホルダーに対するフェルールの調芯は軸方向である。そのように積極的な調芯が必要であるが、二つに分離した送信器、受信器で必要な調芯が一つに纏められたから調芯の手間、コストは従来の分離された２つのモジュールからなるものに比べて半減する。
【００２５】
（２）基板
基板はサブモジュールを形成するために必要である。寸法精度を強く要求する場合は単結晶ＳｉよりなるＳｉベンチを用いる。しかし絶縁性、平坦性、剛性があればよいのだからセラミック基板を用いることができる。また液晶ポリマーなどの有機材料を基板とすることもできる。
【００２６】
（３）Ｙ分岐
基板面に左右対称になるような光導波路を設ける。光導波路のＹ分岐であるが、単に分岐であるのではなくて波長選択性がある。λ１（１．３１μｍ）を右に、λ２（１．５５μｍ）を左に通すというような波長選択性が必要である。マッハツェンダ干渉計型の波長分波合波器を図示している。それは二つの導波路の距離と平行近接部分の長さによって波長選択性を付与するものである。単純なＹ分岐でどちらへも半分ずつパワーを分配するというようなＹ分岐でもよい。その場合は波長選択性を与えるためにＷＤＭを分岐部ｂに挿入する必要がある。
また、本発明の別の構成では、多層膜フィルタによって前記Ｙ分岐の項で説明した波長選択機能を持たせる。この場合、多層膜フィルタは主に屈折率の異なる誘電体薄膜によって構成される。
【００２７】
（４）光導波路
Ｓｉ基板の上に形成されたＧｅ−ＳｉＯ２／ＳｉＯ２系の導波路とすることができる。例えばＳｉ基板の上にスパッタリングやＣＶＤ法によってＳｉＯ２層（アンダークラッド）を設け、その上にＧｅドープＳｉＯ２層を形成してエッチングしてコアとする。その上にさらにＳｉＯ２層（オーバークラッド）を設ける。クラッド層は例えば１０μｍ厚み、コア層断面は６μｍ角である。ポリマーなど有機材料によって光導波路を形成することもできる。たとえばフッ素化ポリイミドの光導波路を形成してもよい。これはＳｉ基板、セラミック基板、プラスチック基板のどの種類の基板の上にも形成することができる。
【００２８】
（５）受光素子
光信号を受信する素子であるから、通常のｐｉｎフォトダイオード（ｐｉｎ−ＰＤ）を用いることができる。受光層はＩｎＧａＡｓ三元混晶層、あるいはＩｎＧａＡｓＰ四元混晶層とする。加入者側では１．５５μｍ（λ２）光を受信し、１．３１μｍ光に不感であるのが良い。例えばＰＤの直前に１．３１μｍ光を吸収する吸収板を設けるというような工夫をする。あるいはＰＤ自体の中に１．３１μｍ光を吸収する吸収層を設けるようにする。光導波路の終端に取り付けるのだから端面から光を入射させるような特別な形態のＰＤとなる。端面入射型ＰＤと呼ぶが、それは導波路のすぐ上に受光層を設けた導波路型と端面を斜めに切っておき水平入射光を上向きに屈折させ受光層へ導く上向き屈折型、基板下面中央に楔型切欠きを設け端面から入射した光を楔型切欠きで上向き反射して受光層へ導く中間反射型のものがある。一括して端面入射型ＰＤと呼ぶ。
また、本発明の別の構成では、多層膜フィルタに反射された光を受光するため基板裏面から光入射させる裏面入射型ＰＤを用いる。
【００２９】
（６）発光素子
これは光信号を発生するものである。半導体レーザ（ＬＤ）または発光ダイオード（ＬＥＤ）である。面発光型のＬＥＤの場合は横向けに基板に取り付ける必要がある。加入者側で１．３１μｍ（λ１）光を発生し、局側では１．５５μｍ（λ２）光を発生するような発光素子とする。
【００３０】
（７）ピグテイル型への応用
本発明の装置はステム、ポール、サブモジュール、レンズ、ファイバを持てばよいので、ピグテイル型の光送受信モジュールに応用できる。これは光ファイバの終端がフェルールによって固定されており、外部に別の光コネクタを持っている。モジュールと光コネクタを合わせピグテイルのようになるから、その名称がある。
【００３１】
（８）レセプタクル型への応用
本発明の装置はステム、ポール、サブモジュール、レンズ、光ファイバを持てば良いのだから、着脱可能なレセプタクル型の光送受信モジュールに応用できる。これは外部の光ファイバの端に取り付けたコネクタと、光送受信モジュールのコネクターを直接に結合離脱できるようにしたものである。サブモジュール、レンズの延長上にダミー光ファイバが設けられる。
【００３２】
（９）周辺回路の補充
送信部においてはＬＤの他にＬＤのパワーをモニタする受光素子（モニタ用ＰＤ；ＭＰＤ）を同一基板の上に設けることができる。それによってＬＤの出力を一定に保持するようにできる。
受信部においてはＰＤの他にＰＤの光電流を前置増幅する増幅器ＩＣ（ＡＭＰ）を同一基板上ＰＤのすぐ後ろに設けることもできる。
【００３３】
（１０）光通信システムへの応用
本発明の光送受信モジュールは送信器と受信器を一つの金属パッケージに収容したものだから、局側と加入者側に設置しそれぞれを１本の光ファイバで接続することによって波長多重双方向同時光通信システムに利用する事ができる。容積が半減し低コストになるから光通信のさらなる普及を促進することができよう。
【００３４】
【実施例】
［１．実施例１（ピグテイル型；図３、図４）］
縦断正面図（図３）と縦断側面図（図４）によって本発明の第１の実施例を説明する。それはピグテイル型のものである。円盤状金属ステム２は上下方向に延びるリードピンと上面に隆起したポール（隆起部）３を有する。この例ではステムは直径が５．６ｍｍφである。ステム材質は燐青銅、ステンレス、コバール（Kovar：商標）などである。ステム２は５本のリードピン４６〜５０を有する。リードピンは例えば０．４５ｍｍφである。
【００３５】
ポール３の側面に、Ｙ分岐光導波路と送信部と受信部を含むサブモジュール４が上下方向に軸線が向くように固定される。サブモジュールの内部の構造については後に説明する。円筒形の金属キャップ５は上方の開口部に集光レンズ６を有する。集光レンズは例えば球レンズでＢＫ７ガラスで製作してある。もちろん球面レンズや非球面レンズとしても良い。
【００３６】
金属キャップ５の下方は調芯してステム２に固定される。この段階で外界からの電気ノイズや湿気に対して敏感なサブモジュール部分は完全にハーメチックシールされる。やキャップ５の外側にはそれを囲む金属製円筒形のフェルールホルダー７が設けられる。円筒形のフェルール８は光ファイバ９の先端を保持する。先端は４゜〜１２゜の斜め角に研磨される事が多い。フェルールホルダー７の軸孔にフェルール８を差し込み、軸方向（ｚ方向）にフェルールを進退させ調芯する。フェルールホルダー７のｘｙ面で調芯し最適の位置を求めステム２に対して固定される。フェルールホルダー７の上部外側には柔軟なベンドリミッタ１０が差し込まれ光ファイバ９が過度に曲がらないようになっている。光ファイバ端面と光導波路の始端ａの間で所望の光学的結合効率になるように調芯してある。
【００３７】
光ファイバ９を伝搬してきたλ２（受信光）は光ファイバ９から出てレンズ６によって絞られＳｉ基板２０上のサブモジュール４の光導波路２２の始端ａに入る。λ２は分岐ｂで選択的にｂｄ側へ分配されＰＤ２４に入射する。
【００３８】
ＬＤ２３で発生したλ１（送信光）は光導波路２２に入り、光導波路中をｃｂａと進む。始端ａから出た送信光はレンズ６によって絞られ光ファイバ９端面に入る。それは光ファイバ９の中を伝搬してゆく。しかしピグテイル型なのですぐ近くに光コネクタがあって、そこで光ファイバ９は外部の光ファイバと接続できるようになっている。
【００３９】
［２．実施例２（レセプタクル型、図５）］
本発明は図５に示すようにレセプタクル型の光送受信モジュールにも応用できる。金属製円板状のステム２のポール３にサブモジュール４が固定され、その上にレンズ６がキャップ５によって保持される点は先例（図３、４；ピグテイル型）と同様である。キャップ５の外側においてステム２の上面に金属製円筒状のスリーブ６０が調芯固定される。スリーブ６０の上方は軸方向の開口６２となっている。スリーブ６０の頂面には中央穴をもつ円盤状のハウジング６３が溶接される。ハウジング６３は横に延びる円板のフランジ６４を持つ。フランジ６４を螺子によって固定するようになっている。
【００４０】
ハウジング６３の中央穴には耐摩耗性に優れた円筒状のスリーブ６５が埋め込まれる。これはフェルールを何度も挿入離脱するからである。スリーブ６５の最下点にスリーブ内径に等しい外径をもつスタブ６６が挿入される。スタブ６６はダミー光ファイバ６７を保持する。ダミー光ファイバ６７の下端は斜めに研磨され反射光がＬＤへ戻るのを防止するようになっている。ダミー光ファイバ６７の上のスリーブ６５へ相手側光コネクタのフェルール７２が挿入される。中央穴の外側には円環状の凹溝６８が形成される。凹溝６８のさらに外側には雄螺子条６９が形成されている。
【００４１】
相手方の光コネクタ７０は、ハウジング６３に着脱できるような構造の雄型光コネクタである。光コネクタ７０の中心に金属円筒状のフェルール７２が通っている。光コネクタ７０の前端には位置決めのためのガイドピン７３が突出している。フェルールとガイドピンの間には円筒状のカラー７４がある。フェルール７２とカラー７４は一体化されている。カラー７４の外側にローレット７５を刻設した袋ナット７６がある。フェルール７２は前方から後方まで続いており光ファイバ７７の端を堅固に保持している。
【００４２】
光コネクタ７０をレセプタクルのハウジング６３に結合するには、フェルール７２をハウジング６３のスリーブ６５の穴へ差し込む。カラー７４が凹溝６８にはまりこむ。ガイドピン７３がハウジングの穴（図に現れない）にはまりこみ円周方向の位置が決まる。フェルール７２の先端はスタブ６６、ダミー光ファイバ６７に接触する。袋ナット７６を右に廻すことによって雄螺子条６９に螺合することができる。外部光ファイバ７７、ダミー光ファイバ６７、開口６２、レンズ６、サブモジュール４が光軸上に並ぶようになる。サブモジュールの構造は実施例１（ピグテイル型）でも実施例２でも同様である。また、レセプタクルの嵌合部の構造は爪やピンが嵌め合いになっていても良い。
【００４３】
［３．サブモジュールの構造（図６、図７、図８）］
Ｙ分岐光導波路と受信部、送信部を有するサブモジュール４の構造を図６〜８の平面図、縦断側面図、正面図によって説明する。基板としてＳｉ基板、セラミック基板、プラスチック基板を用いることができる。この実施例では、２．０ｍｍ長さ、１．５ｍｍ幅、１．０ｍｍ厚さのＳｉ基板を用いる。矩形状のＳｉベンチ２０の上面にＹ分岐光導波路２２を設ける。これはＳｉＯ２アンダークラッド層ＵＤ、ＧｅドープＳｉＯ２コアＣＲ、ＳｉＯ２オーバークラッド層ＯＤよりなる無機材料の光導波路でもよいし、ポリマーよりなる有機導波路（ＵＤ／ＣＲ／ＯＤ）であってもよい。
【００４４】
いずれにしても始端ａ、分岐部ｂ、第１終端ｃ、第２終端ｄを有するＹ分岐光導波路２２である。始端ａはＳｉベンチ２０の前端中央に露呈する（図８）。それはレンズによって光ファイバと光学的に結合する部分である。つまり送受信光がレンズによって光ファイバと始端ａとの間で所望の効率で結合できるように調芯する。
【００４５】
光導波路２２の分岐部ｂはマッハツェンダ干渉計型の波長分波合波器（ＷＤＭ）となっている。これは１．３１μｍ光と１．５５μｍ光を分離する作用がある分岐部ｂである。二つの導波路の共通部分の長さや距離がそのような波長選択性を与える。１．３１μｍ光はｃｂａの経路を進む。１．５５μｍ光はａｂｄの経路を進行する。そのような波長選択性は可逆的である。１．３１μｍ光はａｂｃと進むこともできる。１．５５μｍ光はｄｂａと進行することもできる。
【００４６】
第１終端部ｃの先にＬＤ２３がエピダウン（ストライプが下側；下方にｐ電極、上面にｎ電極）でＳｉ基板２０上のメタライズ２５に固定される。ＬＤ２３はλ１（１．３１μｍ）の送信光を発生する。光ファイバ端ｃとＬＤ２３が近接しているからレンズが省かれる。ＬＤ２３と光導波路のｂｃ間が送信部である。この実施例では３００μｍ×３００μｍ×１５０μｍｔのサイズのＬＤ２３を用いている。ＩｎＰ基板の上にバッファ層、発光部、コンタクト層、電極などが設けられる。発光部はＩｎＧａＡｓＰ系で１．３１μｍ光を発光する。
【００４７】
第２終端部ｄの先に端面入射型ＰＤ２４がやはりエピダウン（ｐ電極が下、ｎ電極が上）でＳｉ基板上のメタライズ２８に固定される。ＰＤ２４と終端ｄの間にもレンズがない。充分に近接しているからレンズがなくても充分な光がＰＤに入る。ＰＤ２４と光導波路のｂｄ間が受信部である。端面入射型というのは導波路型のものと屈折型のものがあるが端面から受信光が入ってそれを受光部へ導くものである。
【００４８】
この実施例では３００μｍ×３００μｍ×１５０μｍｔの寸法のＰＤ２４を用いている。ＩｎＰ基板の上に受光層、電極などがある。受光層はＩｎＧａＡｓであり１．３１μｍ光にも１．５５μｍ光にも感度があるが１．５５μｍ光を受信すべきものである。
【００４９】
本発明は同一の基板の上に送信部（ＬＤ２３、光導波路ｂｃ）と受信部（ＰＤ２４、光導波路ｂｄ）を設けているところに特徴がある。
【００５０】
表面実装型でＳｉ基板にＹ分岐をもち、その終端にＬＤとＰＤを振り分けて設けたというのはよくあることである。本発明は金属パッケージ型のモジュールで、Ｙ分岐光導波路を有するＳｉ基板をステムのポールに実装している。そのようにＳｉ基板にＹ分岐導波路を設けＬＤ、ＰＤを付けたサブモジュールを金属ステムのポールに縦に取り付けたというのは全く新規である。
【００５１】
Ｓｉ基板を使うという点では表面実装型と似ているが金属パッケージにハーメチックシールするのだから両者の混合型と言ってよい。だから両者の長所を合わせ備える。ハーメチックシールするので水分や酸素が入らず劣化しない。金属パッケージなので外部の電磁ノイズが入らない。金属パッケージであるから堅牢、堅固で長寿命、高信頼性がある。
【００５２】
サブモジュール４はＳｉ基板、光導波路、ＬＤ、ＰＤからなるので小型の部品であり別工程で図６、図７のように製造することができる。ポールを持つ金属ステムはＬＤモジュールで既に使用の実績がある。ＬＤをポール側面に実装する代わりにサブモジュール４を側面に実装すればよいのであるから在来の組立の工程を僅かに変更するだけでよい。
【００５３】
［４．リード、メタライズ、ＬＤ、ＰＤ間のワイヤボンディング（図９、図１０）］
ＬＤ、ＰＤチップ、それらを保持するメタライズがステム面に垂直であるからワイヤボンディングが少し難しくなる。ステムの上面からワイヤボンディングできない。ステムの側方からワイヤボンディングをしなければならない。それはステム面が縦になりポール面が上向きになるように保持すれば可能である。そのように保持した時にリードピンの高さが大きく異なると、やはりワイヤボンディングが難しい。
【００５４】
そこでリードピン４６〜４９の高さを揃えるようにする。つまり図９、図１０のように４本のリードピン４６〜４９はステム面に直角な同一平面上に並ぶようにステム底面に配置する。それら４本のリードピン４６〜４９の他にケースピン５０がある。ケースピン５０だけはそのような制約から自由なのでバランス良く適当な場所へ設置すればよい。リードピンが大体同一高さにあって、それより少し下にＰＤ、ＬＤのｎ電極（上面に見える電極）があるという関係であればワイヤボンディングは容易にできる。図９ではＰＤ、ＬＤとリードピンの高さに差があるが、リードピンの位置を少しずらせば６つの面を同一高さにすることができる。
【００５５】
リードピン４６とメタライズ２５をワイヤ５２で接続する。リードピン４７とＬＤ２３の上面電極（ｎ電極）をワイヤ５３で接続する。この例ではリードピン４６がＬＤのアノードピン、４７がカソードピンということになる。
【００５６】
リードピン４８とＰＤ２４の上面電極（ｎ電極）をワイヤ５４で接続する。リードピン４９とメタライズ２８をワイヤ５５で接続する。この例ではリードピン４８がＰＤのカソードピン、４９がアノードピンということになる。
【００５７】
このようにサブモジュールを縦にポールに貼り付けるのでワイヤボンディングが通常のステム面方向ではなくなり一見多少難しくなるように思われるが、受光素子、発光素子とリードピンを接続するワイヤボンディングをステム面に平行な方向から行うことにより横向きのワイヤボンディングは実行可能である。
【００５８】
［５．周辺素子の付加（モニタ用フォトダイオードＭＰＤ；前置増幅器ＡＭＰ）（図１１、図１２）］
サブモジュールにＰＤやＬＤの作用を助けるための周辺素子を付加する事もできる。図１１、１２にそれらの周辺素子を付加したサブモジュールを示す。Ｓｉベンチ２０の前半部にＹ分岐光導波路２２があり、終端ｃ、ｄの先のメタライズの上にＬＤ２３、ＰＤ２４が実装される。
【００５９】
ここではＬＤ２３の背後にメタライズ８２を設け、その上にモニタフォトダイオード（ＭＰＤ）２６を実装する。これはＬＤ２３の後方光を監視してＬＤの出力を一定に保つようにＬＤ駆動電流を調整するためのものである。
【００６０】
ＰＤ２４の背後にメタライズ８３を設け、その上に前置増幅器（ＡＭＰ）２７を実装する。これはＰＤ２４の微弱な光電流を前置増幅（Preamplify）する作用がある。
【００６１】
そのようにするとリードピンの数が５本増える。それまで５本のリードピンが必要だったので１０本のリードピンがステムの下面に垂下するように設けられる。
【００６２】
［６．実施例３（分岐のない直線導波路、多層膜フィルタ、裏面入射型ＰＤ、図１４〜図１７）］
以上は、Ｙ分岐導波路の場合を説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではない。図１４は分岐のない一本の光導波路８６の中間部に斜め溝を設けて、波長選択性のある多層膜フィルタ８５を挿入した例の縦断面図である。図１５はそのサブモジュール部分の平面図、図１６はサブモジュール部分の縦断面図、図１７は光ファイバとレンズ、サブモジュール、ステム部分の縦断面図である。
サブモジュール上で送信部と受信部を左右に振り分けるのではなく、直線上に送信部と受信部を配置し、図１４に示すようにリードピン９０〜９６を送信部、受信部のそれぞれのメタライズとワイヤボンディングする。
ＬＤ２３からの送信光は端面ｆから分岐のない光導波路８６に入り、多層膜フィルタ８５を透過し、もう一方の端面ｅを経てレンズ６によって光ファイバ９に集光される。一方、光ファイバ９から入って来た受信光はサブモジュール４の端面ｅから光導波路８６に入り、多層膜フィルタ８５によって反射され、サブマウント８８の開口部を通り裏面入射型ＰＤ８７に入り、受光部８９で受光され電気信号に変換される。
このサブモジュールを図１４のようにパッケージに実装することにより、Ｙ分岐導波路を用いた場合と同様の機能と特徴を得ることができる。
【００６３】
［７．金属パッケージ収納光送受信モジュールを利用した一芯双方向光通信システム（図１３）］
本発明の金属パッケージ収納光送受信モジュールをｎ個利用して、ｎ軒の加入者と、一つの局を含む双方向光通信システムを構築することができる。図１３において左側にｎ軒の加入者ＯＮＵ１、ＯＮＵ２、…、ＯＮＵｎ−１、ＯＮＵｎを示す。それらは一つの光送受信モジュールを持つ。それぞれのＯＮＵから１本の光ファイバＯＦが局側へ向かって設けられる。
【００６４】
局側ではｎ軒の加入者に対応するようにｎ個の光送受信モジュールＭＪ１、ＭＪ２、…、ＭＪｎ−１、ＭＪｎが設置される。対応するｋ番目の加入者ＯＮＵｋと局側ＭＪｋがｋ番目の光ファイバＯＦｋによって独立にそれぞれ接続されている。局側から加入者に向けた下り系はλ２（１．５５μｍ）を信号光として利用する。加入者から局舎へ向けた上り系はλ１（１．３１μｍ）を光信号として利用する。
【００６５】
だからＯＮＵの光送受信モジュールはλ２（１．５５μｍ）を受信するＰＤと、λ１（１．３１μｍ）を発振するＬＤを有する。それは図６、７で説明した光送受信モジュールである。
【００６６】
反対に局舎において用いられる送受信モジュールＭＪｋはλ１（１．３１μｍ）を受信するＰＤと、λ２（１．５５μｍ）を発振するＬＤとを組み合わせたものである。本発明はどちらの光送受信モジュールにも適用することができる。
【００６７】
いずれにおいても、従来の金属パッケージ収納のものに比べて容積が大体半分になり設置がより容易になる。コストも低減される。それでいて長寿命、高信頼性、気密性など金属パッケージ製のものの利点をあますことなく享受できるから好適な光通信システムを与えることができる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明はＳｉ基板の上にＹ分岐の光伝送路を設け、その終端に発光素子（ＬＤ）と受光素子（ＰＤ）を設置したサブモジュールを、金属製のパッケージの中に収納できるようにした。金属パッケージ収納の素子は受光素子だけ或いは発光素子だけを収容していたから送信器、受信器のいずれかであった。本発明は両方の素子を収容しているから光送受信モジュールとなる。
【００６９】
光送受信モジュールであって、しかも従来の金属パッケージ収納の光受信モジュールや光送信モジュールと同程度の信頼性、長寿命が得られる。パッケージは堅牢であり実績がある。軸対称なサブモジュールを採用するために光ファイバやレンズとの調芯も容易である。金属パッケージの受信モジュールと送信モジュールを別々に設けたものより部品点数が少なく、小型、低コストになる。容積を節減できるので局側の光送受信モジュールとして極めて有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 基地局と加入者を光ファイバによって結び、信号を相互に送信受信する双方向光通信システムの概念図。
【図２】 特許第３１６７６５０号によって提案された金属パッケージ収納光送信モジュールと光受信モジュールとを組み合わせ一体化したものの断面図。
【図３】 Ｓｉ基板にＹ分岐導波路を設け終端に受光素子（ＰＤ）と発光素子（ＬＤ）を取り付けたサブモジュールを、下向きリードをもつ金属ステムのポールに固定し、集光レンズを有するキャップ、フェルールを差し込んだフェルールホルダーをステムに調芯固定して光ファイバから出た光が集光レンズによって集光されてＳｉ基板の光導波路の始端に導かれるようにした本発明の第１の実施例にかかる光送受信モジュールの縦断正面図。
【図４】 Ｓｉ基板にＹ分岐導波路を設け終端に受光素子（ＰＤ）と発光素子（ＬＤ）を取り付けたサブモジュールを、下向きリードをもつ金属ステムのポールに固定し、集光レンズを有するキャップ、フェルールを差し込んだフェルールホルダーをステムに調芯固定して光ファイバから出た光が集光レンズによって集光されてＳｉ基板の光導波路の始端に導かれるようにした本発明の第１の実施例にかかる光送受信モジュールの縦断側面図。
【図５】 Ｓｉ基板にＹ分岐導波路を設け終端に受光素子（ＰＤ）と発光素子（ＬＤ）を取り付けたサブモジュールを、下向きリードをもつ金属ステムのポールに固定し、集光レンズを有するキャップ、フェルールを差し込んだフェルールホルダーをステムに調芯固定してダミー光ファイバから出た光が集光レンズによって集光されてＳｉ基板の光導波路の始端に導かれるようにしたサブモジュールを、雌雄の光コネクタを組み合わせ外部の光ファイバと着脱可能にしたレセプタクル型のモジュールのステムポールに取り付けた本発明の第２の実施例にかかる光送受信モジュールの縦断正面図。
【図６】 金属製ステムのポールに取り付けて用いるために、Ｓｉ基板の上にＹ分岐導波路を設け、その終端にＬＤ、ＰＤを振り分けて配置したサブモジュールの平面図。
【図７】 金属製ステムのポールに取り付けて用いるために、Ｓｉ基板の上にＹ分岐導波路を設け始端は前端に露出させ終端にＬＤ、ＰＤを振り分けて配置したサブモジュールの縦断側面図。
【図８】 金属製ステムのポールに取り付けて用いるために、Ｓｉ基板の上にＹ分岐導波路を設けその終端にＬＤ、ＰＤを振り分けて配置したサブモジュールの正面図。
【図９】 Ｓｉ基板の上にＹ分岐導波路を形成し、その終端にＬＤとＰＤを設けたサブモジュールを金属ステムのポールに取り付け、ステムのリードピンとＬＤ、ＰＤの電極やメタライズパターンとを接続し、Ｙ分岐光導波路始端に光ファイバからの光が丁度集光するように調芯した状態を示す縦断平面図。
【図１０】 Ｓｉ基板の上にＹ分岐導波路を形成し、その終端にＬＤとＰＤを設けたサブモジュールを金属ステムのポールに取り付け、ステムのリードピンとＬＤ、ＰＤの電極やメタライズパターンとを接続し、Ｙ分岐光導波路始端に光ファイバからの光が丁度集光するように調芯した状態を示す縦断側面図。
【図１１】 金属製ステムのポールに取り付けて用いるために、Ｓｉ基板の上にＹ分岐導波路を設けその終端にＬＤ、ＰＤを振り分けて配置し、さらにＬＤの背後にはモニタ用フォトダイオードＭＰＤｄを、ＰＤの背後には前置増幅器ＡＭＰを設けたサブモジュールの平面図。
【図１２】 金属製ステムのポールに取り付けて用いるために、Ｓｉ基板の上にＹ分岐導波路を設けその終端にＬＤとＰＤを振り分けて配置し、さらにＬＤの背後にはモニタ用フォトダイオードＭＰＤを、ＰＤの背後には前置増幅器ＡＭＰを設けたサブモジュールの縦断側面図。
【図１３】 一つずつの光送受信モジュールを有するｎ軒の加入者と、ｎ個の光送受信モジュールを有する１つの基地局を、ｎ本の光ファイバで結び加入者と局の間で独立の双方向通信ができるようにした一芯双方向光通信システムを説明する図。
【図１４】Ｓｉ基板に分岐のない一本の光導波路を設け、光導波路の途中に斜め溝を設け、波長選択性のある多層膜フィルタを溝に挿入し、その上方に裏面入射型受光素子（ＰＤ）を設け光導波路の終端に発光素子（ＬＤ）を取り付け、発光素子の後ろにモニタＰＤを設けたサブモジュールを、下向きリードをもつ金属ステムのポールに固定し、集光レンズを有するキャップ、フェルールを差し込んだフェルールホルダーをステムに調芯固定して光ファイバから出た光が集光レンズによって集光されてＳｉ基板の光導波路の始端に導かれるようにした本発明の第３の実施例にかかる光送受信モジュールの縦断正面図。
【図１５】金属製ステムのポールに取り付けて用いるために、Ｓｉ基板の上に分岐のない一本の光導波路を設け、途中にＰＤ、終端にＬＤとＭＰＤを配置したサブモジュールの平面図。
【図１６】金属製ステムのポールに取り付けて用いるために、Ｓｉ基板の上に分岐のない一本の光導波路を設け、始端は前端に露出させ途中にＰＤ、終端にＬＤとＭＰＤを配置したサブモジュールの縦断側面図。
【図１７】Ｓｉ基板の上に分岐のない一本の光導波路を形成し、その途中にＰＤ、終端にＬＤとＭＰＤを設けたサブモジュールを金属ステムのポールに取り付け、ステムのリードピンとＬＤ、ＰＤの電極やメタライズパターンとを接続し、光導波路始端に光ファイバからの光が丁度集光するように調芯した状態を示す縦断側面図。
【符号の説明】
２ ステム
３ ポール
４ サブモジュール
５ キャップ
６ レンズ
７ フェルールホルダー
８ フェルール
９ 光ファイバ
１０ ベンドリミッタ
２０ Ｓｉ基板
２２ Ｙ分岐光導波路
ａ 導波路始端
ｂ 分岐部
ｃ 光導波路第１終端
ｄ 光導波路第２終端
２３ ＬＤ
２４ ＰＤ
２５ メタライズ
２６ モニタＰＤ
２７ ＡＭＰ
２８ メタライズ
２９ 送信器
３０ 金属パッケージ
３１ ポール
３２ ＬＤ
３３ モニタＰＤ
３４ 集光レンズ
３５ 受信器
３６ 金属パッケージ
３７ サブマウント
３８ キャップ
３９ レンズ
４０ ＰＤ
４１ 統合ハウジング
４２ ＷＤＭ
４３ 光ファイバ
４６〜５０ リードピン
５２〜５５ ワイヤ
６０ スリーブ
６２ 開口
６３ ハウジング
６４ フランジ
６５ スリーブ
６６ スタブ
６７ ダミー光ファイバ
６８ 凹溝
６９ 雄螺子条
７０ 光コネクタ
７２ フェルール
７３ ガイドピン
７４ カラー
７５ ローレット
７６ 袋ナット
７７ 光ファイバ
ＵＤ アンダークラッド層
ＣＲ コア
ＯＤ オーバークラッド層
８２ メタライズ
８３ メタライズ
８５ 多層膜フィルタ
８６ 光導波路
８７ 裏面入射型ＰＤ
８８ サブマウント
８９ 受光部
９０〜９６ リードピン
【発明の属する技術分野】
この発明は、表面実装型でなく金属パッケージに収納され外部ノイズを遮蔽でき長寿命で信頼性の高い光送受信モジュール及びこれを利用した光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は一芯双方向光通信システムの概略の構成を示す図である。基地局と加入者があって、それらが１本の光ファイバによって接続される。基地局ではＬＤ１によりλ２（１．５５μｍ）の加入者向けの光信号を生成しＷＤＭ１を経て光ファイバＯＦに送り出す。光ファイバＯＦを伝送されてきた光信号は加入者側でＷＤＭ２によって波長分離されて加入者側のＰＤ２に入り受信される。それが基地局から加入者に向かう下り信号で波長はλ２である。
【０００３】
反対に加入者では基地局向けの信号をＬＤ２によってλ１（１．３１μｍ）の光信号に変えＷＤＭ２から光ファイバＯＦへ送り出す。ＷＤＭ１はλ１の光信号を波長分離してＰＤ１に導く。ＰＤ１はそれを電気信号に変換する。それが加入者から基地局に向かう上り信号であり波長はλ１である。波長が異なるから同時双方向の通信が可能である。もちろんピンポン伝送も可能である。ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexer;波長分離器ともいう）は光伝送路（光ファイバ、光導波路）の分岐にあって波長選択するものである。
【０００４】
光信号を受信するのは受光素子（フォトダイオード：photodiode;ＰＤ）、レンズ、光ファイバなどを光軸上に保持した構造の光受信モジュールである。受信モジュールのことを図１では簡単にＰＤ１（局側）、ＰＤ２（加入者側）と図示している。光信号を発生するのは、発光素子（半導体レーザ：Laser Diode;ＬＤ）、レンズ、光ファイバを同一光軸上に配置支持する構造の光送信モジュールである。
【０００５】
光受信モジュールとして現在実際に使用されているものは、リードピンを底面から突出させた円盤状金属製のステムの上面にＰＤチップを取り付け、レンズを保持するキャップをステムに固定し、さらに光ファイバ端を把持するフェルールを円錐形のフェルールホルダーによってステムに対し固定した構造となっている。あるいは金属製ステムにＰＤを付け、開口部をもつキャップをステムに取り付け、さらにレンズを保持した円筒形のレンズホルダーをステムのキャップの外側に調芯固定し、さらに光ファイバ端を把持するフェルールを円錐形のフェルールホルダーに通し、フェルールホルダーをレンズホルダーの上に調芯固定するようにしている。
【０００６】
それは光ファイバの軸線上にレンズを配置し、その延長にＰＤを垂直に設けている。光ファイバから出た光は空間伝搬してレンズで集光されＰＤに入る。金属製のパッケージ（ステム、レンズホルダー、フェルールホルダー）で全体が包囲されている（ハーメチックシール）から気密性に優れている。水分や酸素が入らないのでＰＤチップ、配線など劣化しない。金属パッケージで厳重に囲まれているから電磁波や光が入らずクロストークも低い。長い使用の実績があり信頼性に富む。
【０００７】
光送信モジュールとして現在使用されているのも同じ金属製のパッケージに収容された金属カンパッケージのモジュールである。円板形状の金属製ステムに突起（ポールと呼ぶ）を形成しておき、ポールの側面に半導体レーザを縦向きに付け、その直下のステム面にモニタ用のフォトダイオード（モニタＰＤ）を取り付ける。レンズを有する円筒形のキャップをその上に固定する。さらに光ファイバの端部を把持するフェルールをフェルールホルダーで支持しフェルールホルダーをステムに調芯固定する。
【０００８】
あるいは開口部だけのキャップをステム面に取り付け、その外側のステム上面に円筒形でレンズを保持したレンズホルダーを取り付ける。さらに光ファイバの端部を把持するフェルールをフェルールホルダーで支持しフェルールホルダーをレンズホルダーの上に調芯固定する。このような金属製パッケージに収納されている光送信モジュールはハーメチックシールされており信頼性が高く長寿命で外部に電磁波や光を出さないからクロストークの原因をまき散らさない。金属カン型の送信モジュールと受信モジュールの二つがあって図１のＷＤＭから光ファイバによって分岐している。だからＷＤＭと金属カン送信モジュールとをつなぐ光ファイバ、ＷＤＭと受信モジュールを繋ぐ光ファイバがあり、送信器と受信器が相互に独立しており光ファイバによって、ＷＤＭとつながっている。
【０００９】
そのように全体を金属パッケージによって包囲した三次元形状をもつモジュールは実績、信頼性があって、これからも引き続き使用されよう。
【００１０】
二つのモジュールが光ファイバによってＷＤＭにつながるのではなくて一体に結合されたものもある。それは例えば、
【００１１】
▲１▼ 日本特許第３１６７６５０号
【００１２】
によって提案されている。図２のその概略の構造を示す。送信器２９は箱型金属パッケージ３０の内部のポール３１にＬＤ３２、モニタ用ＰＤ３３を取り付け、箱型パッケージの前方開口部に集光レンズ３４を設けたものである。送信部は金属パッケージで密封され外部と遮断されている。受信器３５は箱型金属パッケージ３６、サブマウント３７、円筒形キャップ３８、集光レンズ３９、ＰＤチップ４０等よりなる。
【００１３】
これらは独立のモジュールであるが、金属製の統合ハウジング４１によって一体化される。送信器２９は統合ハウジング４１の軸線の延長上にある開口部に溶接固定される。受信器３５は統合ハウジング４１の側方の開口部に対面するように統合ハウジング４１に溶接される。送信器２９のＬＤ３２から出た光は集光レンズ３４で集光されてＷＤＭ４２を通り、光ファイバ４３へと出てゆく。光ファイバ４３を伝搬して来た光はＷＤＭ４２で反射されて側方にある開口部から集光レンズ３９を通り受光素子４０に入射し受信される。
【００１４】
そのように金属パッケージからなる独立の送信器（光送信モジュール）と受信器（光受信モジュール）をハウジングで一体化したものはある。が、それでもなお独立性があって別々のモジュールである。ＷＤＭと光ファイバで接続された送信器、受信器の場合とほとんど異なるものではない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら金属パッケージを有し、ステムの法線方向に光ファイバの光軸を有する三次元的な構成の光送受信モジュールは金属パッケージがある程度の大きさをもつので小型化に限界がある。またコストを切り下げるにしても限界がある。図２のような特別な統合光送受信モジュールにしても容積は減らず嵩は大きくコスト高である。
【００１６】
より小型、より低コストにするという目的で有望なものは表面実装型の光送信モジュール、光受信モジュールである。それはＳｉ基板の上にＶ溝、光導波路などを形成し、その終端にＰＤやＬＤを実装して光ファイバや光導波路をそれに突き合わせるようにする。光ファイバの軸線が基板面に平行になる。Ｖ溝やマークを付けたＳｉ基板において部品を実装するから位置合わせが簡単で時間のかかる調芯がなくても厳密な実装精度を得る。調芯をしない実装方法のことをパッシブアライメントと呼ぶことがある。光ファイバとＰＤまたはＬＤとを近接させて配置するので高い光結合効率が得られる。
【００１７】
つまりレンズが不要である。レンズがなく光ファイバと素子を近接させて配置するので小型化が可能である。金属パッケージを使わずＳｉ基板、リードフレームを纏めて樹脂封止してプラスチックパッケージとするので軽量、小型、安価なモジュールとする可能性がある。
【００１８】
しかもＳｉ基板の上に光導波路を作り終端にＬＤを、中間に斜めにＷＤＭを入れ、その斜め上にＰＤを配置するようにして送信、受信の両方を行うモジュールとする可能性もある。それは光送受信（ＬＤ／ＰＤ）モジュールと呼ぶ。
【００１９】
このように利点の多い表面実装型の光受信モジュール、光送信モジュールであるが、使用環境の厳しい用途ではやはり金属製のパッケージに光素子を気密性に優れたハーメチックシールしたいという要望もなお根強いものがある。
【００２０】
金属カン型のパッケージに受光素子（ＰＤ）だけを実装した光受信モジュールは存在し、すでに使用されている。金属パッケージにＬＤだけ、あるいはＬＤとモニタＰＤだけを実装した光送信モジュールもそれと対になってよく使われる。
【００２１】
本発明は表面実装型の特徴を生かしつつハーメチックシールできる金属パッケージ型の光送受信モジュールを提供する事を目的とする。
【００２２】
【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、基板と、基板の上に設けられ始端が基板前面に露呈し二分岐の終端ｃ、ｄを持ち波長選択性を持つＹ分岐光導波路と、光導波路の一方の終端ｃの基板上に設けた発光素子（ＬＤ）と光導波路のもう一方の終端ｄの基板上に設けた受光素子（ＰＤ）を振り分けて実装したサブモジュールと、軸方向に延びる複数のリードピンと上方へ隆起したポールを有しポール面にサブモジュールを保持した対称性を有する金属ステムと、ステム上に固定されたレンズを保持するキャップと、ステムに対して端部が固定された光ファイバと、ステムに固着され光ファイバを支持する金属パッケージとよりなる。
また、本発明の別の光送受信モジュールは、基板と、基板の上に設けられ始端ｅが基板前面に露呈した導波路と、この導波路の中間部に設けた溝と、この溝に挿入され波長λ１を透過し波長λ２を反射する波長選択性を有する多層膜フィルタと、多層膜フィルタに近接対向して基板上方に設けたλ２を受光する受光素子と光導波路の他方の終端ｆに近接対向して基板上に設けたλ１を発生する発光素子とを振り分けて実装したサブモジュールと、軸方向に延びる複数のリードピンと、上方へ隆起したポールを有しポール面にサブモジュールを保持した円盤状金属製ステムと、ステムに対して端部が固定された光ファイバと、光ファイバと導波路の始端ｅを光学的に結合するレンズと、レンズを保持しステム上に固定されたキャップと、ステムに固着され光ファイバを支持する金属パッケージ部分とよりなる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の光送受信モジュールは、波長選択性を持つＹ分岐光導波路を有する基板の光導波路の終端に受光素子（ＰＤ）と発光素子（ＬＤ）を振り分けて実装して製作したサブモジュールを、リードピンとポールを有する金属ステムのポールの正面に固定し、レンズを保持するキャップを調芯してステムに固定し、ファイバ端を把持するフェルールをフェルールホルダーによって支持し、フェルールホルダーを調芯してステムに固定したものである。
本発明のもう一つの光送受信モジュールは、基板の光導波路の終端に発光素子（ＬＤ）を、光導波路の中間に設けた斜め溝に波長選択性を持つ多層膜フィルタを挿入しその上方に受光素子（ＰＤ）をそれぞれ振り分けて実装して製作したサブモジュールを、リードピンとポールを有する金属ステムのポールの正面に固定し、レンズを保持するキャップを調芯してステムに固定し、ファイバ端を把持するフェルールをフェルールホルダーによって支持し、フェルールホルダーを調芯してステムに固定したものである。
【００２４】
（１）調芯
光ファイバ端面と光導波路の始端の間で所望の光学的結合効率になるように調芯するのである。キャップの調芯は二次元、フェルールホルダーの調芯は二次元である。フェルールホルダーに対するフェルールの調芯は軸方向である。そのように積極的な調芯が必要であるが、二つに分離した送信器、受信器で必要な調芯が一つに纏められたから調芯の手間、コストは従来の分離された２つのモジュールからなるものに比べて半減する。
【００２５】
（２）基板
基板はサブモジュールを形成するために必要である。寸法精度を強く要求する場合は単結晶ＳｉよりなるＳｉベンチを用いる。しかし絶縁性、平坦性、剛性があればよいのだからセラミック基板を用いることができる。また液晶ポリマーなどの有機材料を基板とすることもできる。
【００２６】
（３）Ｙ分岐
基板面に左右対称になるような光導波路を設ける。光導波路のＹ分岐であるが、単に分岐であるのではなくて波長選択性がある。λ１（１．３１μｍ）を右に、λ２（１．５５μｍ）を左に通すというような波長選択性が必要である。マッハツェンダ干渉計型の波長分波合波器を図示している。それは二つの導波路の距離と平行近接部分の長さによって波長選択性を付与するものである。単純なＹ分岐でどちらへも半分ずつパワーを分配するというようなＹ分岐でもよい。その場合は波長選択性を与えるためにＷＤＭを分岐部ｂに挿入する必要がある。
また、本発明の別の構成では、多層膜フィルタによって前記Ｙ分岐の項で説明した波長選択機能を持たせる。この場合、多層膜フィルタは主に屈折率の異なる誘電体薄膜によって構成される。
【００２７】
（４）光導波路
Ｓｉ基板の上に形成されたＧｅ−ＳｉＯ２／ＳｉＯ２系の導波路とすることができる。例えばＳｉ基板の上にスパッタリングやＣＶＤ法によってＳｉＯ２層（アンダークラッド）を設け、その上にＧｅドープＳｉＯ２層を形成してエッチングしてコアとする。その上にさらにＳｉＯ２層（オーバークラッド）を設ける。クラッド層は例えば１０μｍ厚み、コア層断面は６μｍ角である。ポリマーなど有機材料によって光導波路を形成することもできる。たとえばフッ素化ポリイミドの光導波路を形成してもよい。これはＳｉ基板、セラミック基板、プラスチック基板のどの種類の基板の上にも形成することができる。
【００２８】
（５）受光素子
光信号を受信する素子であるから、通常のｐｉｎフォトダイオード（ｐｉｎ−ＰＤ）を用いることができる。受光層はＩｎＧａＡｓ三元混晶層、あるいはＩｎＧａＡｓＰ四元混晶層とする。加入者側では１．５５μｍ（λ２）光を受信し、１．３１μｍ光に不感であるのが良い。例えばＰＤの直前に１．３１μｍ光を吸収する吸収板を設けるというような工夫をする。あるいはＰＤ自体の中に１．３１μｍ光を吸収する吸収層を設けるようにする。光導波路の終端に取り付けるのだから端面から光を入射させるような特別な形態のＰＤとなる。端面入射型ＰＤと呼ぶが、それは導波路のすぐ上に受光層を設けた導波路型と端面を斜めに切っておき水平入射光を上向きに屈折させ受光層へ導く上向き屈折型、基板下面中央に楔型切欠きを設け端面から入射した光を楔型切欠きで上向き反射して受光層へ導く中間反射型のものがある。一括して端面入射型ＰＤと呼ぶ。
また、本発明の別の構成では、多層膜フィルタに反射された光を受光するため基板裏面から光入射させる裏面入射型ＰＤを用いる。
【００２９】
（６）発光素子
これは光信号を発生するものである。半導体レーザ（ＬＤ）または発光ダイオード（ＬＥＤ）である。面発光型のＬＥＤの場合は横向けに基板に取り付ける必要がある。加入者側で１．３１μｍ（λ１）光を発生し、局側では１．５５μｍ（λ２）光を発生するような発光素子とする。
【００３０】
（７）ピグテイル型への応用
本発明の装置はステム、ポール、サブモジュール、レンズ、ファイバを持てばよいので、ピグテイル型の光送受信モジュールに応用できる。これは光ファイバの終端がフェルールによって固定されており、外部に別の光コネクタを持っている。モジュールと光コネクタを合わせピグテイルのようになるから、その名称がある。
【００３１】
（８）レセプタクル型への応用
本発明の装置はステム、ポール、サブモジュール、レンズ、光ファイバを持てば良いのだから、着脱可能なレセプタクル型の光送受信モジュールに応用できる。これは外部の光ファイバの端に取り付けたコネクタと、光送受信モジュールのコネクターを直接に結合離脱できるようにしたものである。サブモジュール、レンズの延長上にダミー光ファイバが設けられる。
【００３２】
（９）周辺回路の補充
送信部においてはＬＤの他にＬＤのパワーをモニタする受光素子（モニタ用ＰＤ；ＭＰＤ）を同一基板の上に設けることができる。それによってＬＤの出力を一定に保持するようにできる。
受信部においてはＰＤの他にＰＤの光電流を前置増幅する増幅器ＩＣ（ＡＭＰ）を同一基板上ＰＤのすぐ後ろに設けることもできる。
【００３３】
（１０）光通信システムへの応用
本発明の光送受信モジュールは送信器と受信器を一つの金属パッケージに収容したものだから、局側と加入者側に設置しそれぞれを１本の光ファイバで接続することによって波長多重双方向同時光通信システムに利用する事ができる。容積が半減し低コストになるから光通信のさらなる普及を促進することができよう。
【００３４】
【実施例】
［１．実施例１（ピグテイル型；図３、図４）］
縦断正面図（図３）と縦断側面図（図４）によって本発明の第１の実施例を説明する。それはピグテイル型のものである。円盤状金属ステム２は上下方向に延びるリードピンと上面に隆起したポール（隆起部）３を有する。この例ではステムは直径が５．６ｍｍφである。ステム材質は燐青銅、ステンレス、コバール（Kovar：商標）などである。ステム２は５本のリードピン４６〜５０を有する。リードピンは例えば０．４５ｍｍφである。
【００３５】
ポール３の側面に、Ｙ分岐光導波路と送信部と受信部を含むサブモジュール４が上下方向に軸線が向くように固定される。サブモジュールの内部の構造については後に説明する。円筒形の金属キャップ５は上方の開口部に集光レンズ６を有する。集光レンズは例えば球レンズでＢＫ７ガラスで製作してある。もちろん球面レンズや非球面レンズとしても良い。
【００３６】
金属キャップ５の下方は調芯してステム２に固定される。この段階で外界からの電気ノイズや湿気に対して敏感なサブモジュール部分は完全にハーメチックシールされる。やキャップ５の外側にはそれを囲む金属製円筒形のフェルールホルダー７が設けられる。円筒形のフェルール８は光ファイバ９の先端を保持する。先端は４゜〜１２゜の斜め角に研磨される事が多い。フェルールホルダー７の軸孔にフェルール８を差し込み、軸方向（ｚ方向）にフェルールを進退させ調芯する。フェルールホルダー７のｘｙ面で調芯し最適の位置を求めステム２に対して固定される。フェルールホルダー７の上部外側には柔軟なベンドリミッタ１０が差し込まれ光ファイバ９が過度に曲がらないようになっている。光ファイバ端面と光導波路の始端ａの間で所望の光学的結合効率になるように調芯してある。
【００３７】
光ファイバ９を伝搬してきたλ２（受信光）は光ファイバ９から出てレンズ６によって絞られＳｉ基板２０上のサブモジュール４の光導波路２２の始端ａに入る。λ２は分岐ｂで選択的にｂｄ側へ分配されＰＤ２４に入射する。
【００３８】
ＬＤ２３で発生したλ１（送信光）は光導波路２２に入り、光導波路中をｃｂａと進む。始端ａから出た送信光はレンズ６によって絞られ光ファイバ９端面に入る。それは光ファイバ９の中を伝搬してゆく。しかしピグテイル型なのですぐ近くに光コネクタがあって、そこで光ファイバ９は外部の光ファイバと接続できるようになっている。
【００３９】
［２．実施例２（レセプタクル型、図５）］
本発明は図５に示すようにレセプタクル型の光送受信モジュールにも応用できる。金属製円板状のステム２のポール３にサブモジュール４が固定され、その上にレンズ６がキャップ５によって保持される点は先例（図３、４；ピグテイル型）と同様である。キャップ５の外側においてステム２の上面に金属製円筒状のスリーブ６０が調芯固定される。スリーブ６０の上方は軸方向の開口６２となっている。スリーブ６０の頂面には中央穴をもつ円盤状のハウジング６３が溶接される。ハウジング６３は横に延びる円板のフランジ６４を持つ。フランジ６４を螺子によって固定するようになっている。
【００４０】
ハウジング６３の中央穴には耐摩耗性に優れた円筒状のスリーブ６５が埋め込まれる。これはフェルールを何度も挿入離脱するからである。スリーブ６５の最下点にスリーブ内径に等しい外径をもつスタブ６６が挿入される。スタブ６６はダミー光ファイバ６７を保持する。ダミー光ファイバ６７の下端は斜めに研磨され反射光がＬＤへ戻るのを防止するようになっている。ダミー光ファイバ６７の上のスリーブ６５へ相手側光コネクタのフェルール７２が挿入される。中央穴の外側には円環状の凹溝６８が形成される。凹溝６８のさらに外側には雄螺子条６９が形成されている。
【００４１】
相手方の光コネクタ７０は、ハウジング６３に着脱できるような構造の雄型光コネクタである。光コネクタ７０の中心に金属円筒状のフェルール７２が通っている。光コネクタ７０の前端には位置決めのためのガイドピン７３が突出している。フェルールとガイドピンの間には円筒状のカラー７４がある。フェルール７２とカラー７４は一体化されている。カラー７４の外側にローレット７５を刻設した袋ナット７６がある。フェルール７２は前方から後方まで続いており光ファイバ７７の端を堅固に保持している。
【００４２】
光コネクタ７０をレセプタクルのハウジング６３に結合するには、フェルール７２をハウジング６３のスリーブ６５の穴へ差し込む。カラー７４が凹溝６８にはまりこむ。ガイドピン７３がハウジングの穴（図に現れない）にはまりこみ円周方向の位置が決まる。フェルール７２の先端はスタブ６６、ダミー光ファイバ６７に接触する。袋ナット７６を右に廻すことによって雄螺子条６９に螺合することができる。外部光ファイバ７７、ダミー光ファイバ６７、開口６２、レンズ６、サブモジュール４が光軸上に並ぶようになる。サブモジュールの構造は実施例１（ピグテイル型）でも実施例２でも同様である。また、レセプタクルの嵌合部の構造は爪やピンが嵌め合いになっていても良い。
【００４３】
［３．サブモジュールの構造（図６、図７、図８）］
Ｙ分岐光導波路と受信部、送信部を有するサブモジュール４の構造を図６〜８の平面図、縦断側面図、正面図によって説明する。基板としてＳｉ基板、セラミック基板、プラスチック基板を用いることができる。この実施例では、２．０ｍｍ長さ、１．５ｍｍ幅、１．０ｍｍ厚さのＳｉ基板を用いる。矩形状のＳｉベンチ２０の上面にＹ分岐光導波路２２を設ける。これはＳｉＯ２アンダークラッド層ＵＤ、ＧｅドープＳｉＯ２コアＣＲ、ＳｉＯ２オーバークラッド層ＯＤよりなる無機材料の光導波路でもよいし、ポリマーよりなる有機導波路（ＵＤ／ＣＲ／ＯＤ）であってもよい。
【００４４】
いずれにしても始端ａ、分岐部ｂ、第１終端ｃ、第２終端ｄを有するＹ分岐光導波路２２である。始端ａはＳｉベンチ２０の前端中央に露呈する（図８）。それはレンズによって光ファイバと光学的に結合する部分である。つまり送受信光がレンズによって光ファイバと始端ａとの間で所望の効率で結合できるように調芯する。
【００４５】
光導波路２２の分岐部ｂはマッハツェンダ干渉計型の波長分波合波器（ＷＤＭ）となっている。これは１．３１μｍ光と１．５５μｍ光を分離する作用がある分岐部ｂである。二つの導波路の共通部分の長さや距離がそのような波長選択性を与える。１．３１μｍ光はｃｂａの経路を進む。１．５５μｍ光はａｂｄの経路を進行する。そのような波長選択性は可逆的である。１．３１μｍ光はａｂｃと進むこともできる。１．５５μｍ光はｄｂａと進行することもできる。
【００４６】
第１終端部ｃの先にＬＤ２３がエピダウン（ストライプが下側；下方にｐ電極、上面にｎ電極）でＳｉ基板２０上のメタライズ２５に固定される。ＬＤ２３はλ１（１．３１μｍ）の送信光を発生する。光ファイバ端ｃとＬＤ２３が近接しているからレンズが省かれる。ＬＤ２３と光導波路のｂｃ間が送信部である。この実施例では３００μｍ×３００μｍ×１５０μｍｔのサイズのＬＤ２３を用いている。ＩｎＰ基板の上にバッファ層、発光部、コンタクト層、電極などが設けられる。発光部はＩｎＧａＡｓＰ系で１．３１μｍ光を発光する。
【００４７】
第２終端部ｄの先に端面入射型ＰＤ２４がやはりエピダウン（ｐ電極が下、ｎ電極が上）でＳｉ基板上のメタライズ２８に固定される。ＰＤ２４と終端ｄの間にもレンズがない。充分に近接しているからレンズがなくても充分な光がＰＤに入る。ＰＤ２４と光導波路のｂｄ間が受信部である。端面入射型というのは導波路型のものと屈折型のものがあるが端面から受信光が入ってそれを受光部へ導くものである。
【００４８】
この実施例では３００μｍ×３００μｍ×１５０μｍｔの寸法のＰＤ２４を用いている。ＩｎＰ基板の上に受光層、電極などがある。受光層はＩｎＧａＡｓであり１．３１μｍ光にも１．５５μｍ光にも感度があるが１．５５μｍ光を受信すべきものである。
【００４９】
本発明は同一の基板の上に送信部（ＬＤ２３、光導波路ｂｃ）と受信部（ＰＤ２４、光導波路ｂｄ）を設けているところに特徴がある。
【００５０】
表面実装型でＳｉ基板にＹ分岐をもち、その終端にＬＤとＰＤを振り分けて設けたというのはよくあることである。本発明は金属パッケージ型のモジュールで、Ｙ分岐光導波路を有するＳｉ基板をステムのポールに実装している。そのようにＳｉ基板にＹ分岐導波路を設けＬＤ、ＰＤを付けたサブモジュールを金属ステムのポールに縦に取り付けたというのは全く新規である。
【００５１】
Ｓｉ基板を使うという点では表面実装型と似ているが金属パッケージにハーメチックシールするのだから両者の混合型と言ってよい。だから両者の長所を合わせ備える。ハーメチックシールするので水分や酸素が入らず劣化しない。金属パッケージなので外部の電磁ノイズが入らない。金属パッケージであるから堅牢、堅固で長寿命、高信頼性がある。
【００５２】
サブモジュール４はＳｉ基板、光導波路、ＬＤ、ＰＤからなるので小型の部品であり別工程で図６、図７のように製造することができる。ポールを持つ金属ステムはＬＤモジュールで既に使用の実績がある。ＬＤをポール側面に実装する代わりにサブモジュール４を側面に実装すればよいのであるから在来の組立の工程を僅かに変更するだけでよい。
【００５３】
［４．リード、メタライズ、ＬＤ、ＰＤ間のワイヤボンディング（図９、図１０）］
ＬＤ、ＰＤチップ、それらを保持するメタライズがステム面に垂直であるからワイヤボンディングが少し難しくなる。ステムの上面からワイヤボンディングできない。ステムの側方からワイヤボンディングをしなければならない。それはステム面が縦になりポール面が上向きになるように保持すれば可能である。そのように保持した時にリードピンの高さが大きく異なると、やはりワイヤボンディングが難しい。
【００５４】
そこでリードピン４６〜４９の高さを揃えるようにする。つまり図９、図１０のように４本のリードピン４６〜４９はステム面に直角な同一平面上に並ぶようにステム底面に配置する。それら４本のリードピン４６〜４９の他にケースピン５０がある。ケースピン５０だけはそのような制約から自由なのでバランス良く適当な場所へ設置すればよい。リードピンが大体同一高さにあって、それより少し下にＰＤ、ＬＤのｎ電極（上面に見える電極）があるという関係であればワイヤボンディングは容易にできる。図９ではＰＤ、ＬＤとリードピンの高さに差があるが、リードピンの位置を少しずらせば６つの面を同一高さにすることができる。
【００５５】
リードピン４６とメタライズ２５をワイヤ５２で接続する。リードピン４７とＬＤ２３の上面電極（ｎ電極）をワイヤ５３で接続する。この例ではリードピン４６がＬＤのアノードピン、４７がカソードピンということになる。
【００５６】
リードピン４８とＰＤ２４の上面電極（ｎ電極）をワイヤ５４で接続する。リードピン４９とメタライズ２８をワイヤ５５で接続する。この例ではリードピン４８がＰＤのカソードピン、４９がアノードピンということになる。
【００５７】
このようにサブモジュールを縦にポールに貼り付けるのでワイヤボンディングが通常のステム面方向ではなくなり一見多少難しくなるように思われるが、受光素子、発光素子とリードピンを接続するワイヤボンディングをステム面に平行な方向から行うことにより横向きのワイヤボンディングは実行可能である。
【００５８】
［５．周辺素子の付加（モニタ用フォトダイオードＭＰＤ；前置増幅器ＡＭＰ）（図１１、図１２）］
サブモジュールにＰＤやＬＤの作用を助けるための周辺素子を付加する事もできる。図１１、１２にそれらの周辺素子を付加したサブモジュールを示す。Ｓｉベンチ２０の前半部にＹ分岐光導波路２２があり、終端ｃ、ｄの先のメタライズの上にＬＤ２３、ＰＤ２４が実装される。
【００５９】
ここではＬＤ２３の背後にメタライズ８２を設け、その上にモニタフォトダイオード（ＭＰＤ）２６を実装する。これはＬＤ２３の後方光を監視してＬＤの出力を一定に保つようにＬＤ駆動電流を調整するためのものである。
【００６０】
ＰＤ２４の背後にメタライズ８３を設け、その上に前置増幅器（ＡＭＰ）２７を実装する。これはＰＤ２４の微弱な光電流を前置増幅（Preamplify）する作用がある。
【００６１】
そのようにするとリードピンの数が５本増える。それまで５本のリードピンが必要だったので１０本のリードピンがステムの下面に垂下するように設けられる。
【００６２】
［６．実施例３（分岐のない直線導波路、多層膜フィルタ、裏面入射型ＰＤ、図１４〜図１７）］
以上は、Ｙ分岐導波路の場合を説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではない。図１４は分岐のない一本の光導波路８６の中間部に斜め溝を設けて、波長選択性のある多層膜フィルタ８５を挿入した例の縦断面図である。図１５はそのサブモジュール部分の平面図、図１６はサブモジュール部分の縦断面図、図１７は光ファイバとレンズ、サブモジュール、ステム部分の縦断面図である。
サブモジュール上で送信部と受信部を左右に振り分けるのではなく、直線上に送信部と受信部を配置し、図１４に示すようにリードピン９０〜９６を送信部、受信部のそれぞれのメタライズとワイヤボンディングする。
ＬＤ２３からの送信光は端面ｆから分岐のない光導波路８６に入り、多層膜フィルタ８５を透過し、もう一方の端面ｅを経てレンズ６によって光ファイバ９に集光される。一方、光ファイバ９から入って来た受信光はサブモジュール４の端面ｅから光導波路８６に入り、多層膜フィルタ８５によって反射され、サブマウント８８の開口部を通り裏面入射型ＰＤ８７に入り、受光部８９で受光され電気信号に変換される。
このサブモジュールを図１４のようにパッケージに実装することにより、Ｙ分岐導波路を用いた場合と同様の機能と特徴を得ることができる。
【００６３】
［７．金属パッケージ収納光送受信モジュールを利用した一芯双方向光通信システム（図１３）］
本発明の金属パッケージ収納光送受信モジュールをｎ個利用して、ｎ軒の加入者と、一つの局を含む双方向光通信システムを構築することができる。図１３において左側にｎ軒の加入者ＯＮＵ１、ＯＮＵ２、…、ＯＮＵｎ−１、ＯＮＵｎを示す。それらは一つの光送受信モジュールを持つ。それぞれのＯＮＵから１本の光ファイバＯＦが局側へ向かって設けられる。
【００６４】
局側ではｎ軒の加入者に対応するようにｎ個の光送受信モジュールＭＪ１、ＭＪ２、…、ＭＪｎ−１、ＭＪｎが設置される。対応するｋ番目の加入者ＯＮＵｋと局側ＭＪｋがｋ番目の光ファイバＯＦｋによって独立にそれぞれ接続されている。局側から加入者に向けた下り系はλ２（１．５５μｍ）を信号光として利用する。加入者から局舎へ向けた上り系はλ１（１．３１μｍ）を光信号として利用する。
【００６５】
だからＯＮＵの光送受信モジュールはλ２（１．５５μｍ）を受信するＰＤと、λ１（１．３１μｍ）を発振するＬＤを有する。それは図６、７で説明した光送受信モジュールである。
【００６６】
反対に局舎において用いられる送受信モジュールＭＪｋはλ１（１．３１μｍ）を受信するＰＤと、λ２（１．５５μｍ）を発振するＬＤとを組み合わせたものである。本発明はどちらの光送受信モジュールにも適用することができる。
【００６７】
いずれにおいても、従来の金属パッケージ収納のものに比べて容積が大体半分になり設置がより容易になる。コストも低減される。それでいて長寿命、高信頼性、気密性など金属パッケージ製のものの利点をあますことなく享受できるから好適な光通信システムを与えることができる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明はＳｉ基板の上にＹ分岐の光伝送路を設け、その終端に発光素子（ＬＤ）と受光素子（ＰＤ）を設置したサブモジュールを、金属製のパッケージの中に収納できるようにした。金属パッケージ収納の素子は受光素子だけ或いは発光素子だけを収容していたから送信器、受信器のいずれかであった。本発明は両方の素子を収容しているから光送受信モジュールとなる。
【００６９】
光送受信モジュールであって、しかも従来の金属パッケージ収納の光受信モジュールや光送信モジュールと同程度の信頼性、長寿命が得られる。パッケージは堅牢であり実績がある。軸対称なサブモジュールを採用するために光ファイバやレンズとの調芯も容易である。金属パッケージの受信モジュールと送信モジュールを別々に設けたものより部品点数が少なく、小型、低コストになる。容積を節減できるので局側の光送受信モジュールとして極めて有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 基地局と加入者を光ファイバによって結び、信号を相互に送信受信する双方向光通信システムの概念図。
【図２】 特許第３１６７６５０号によって提案された金属パッケージ収納光送信モジュールと光受信モジュールとを組み合わせ一体化したものの断面図。
【図３】 Ｓｉ基板にＹ分岐導波路を設け終端に受光素子（ＰＤ）と発光素子（ＬＤ）を取り付けたサブモジュールを、下向きリードをもつ金属ステムのポールに固定し、集光レンズを有するキャップ、フェルールを差し込んだフェルールホルダーをステムに調芯固定して光ファイバから出た光が集光レンズによって集光されてＳｉ基板の光導波路の始端に導かれるようにした本発明の第１の実施例にかかる光送受信モジュールの縦断正面図。
【図４】 Ｓｉ基板にＹ分岐導波路を設け終端に受光素子（ＰＤ）と発光素子（ＬＤ）を取り付けたサブモジュールを、下向きリードをもつ金属ステムのポールに固定し、集光レンズを有するキャップ、フェルールを差し込んだフェルールホルダーをステムに調芯固定して光ファイバから出た光が集光レンズによって集光されてＳｉ基板の光導波路の始端に導かれるようにした本発明の第１の実施例にかかる光送受信モジュールの縦断側面図。
【図５】 Ｓｉ基板にＹ分岐導波路を設け終端に受光素子（ＰＤ）と発光素子（ＬＤ）を取り付けたサブモジュールを、下向きリードをもつ金属ステムのポールに固定し、集光レンズを有するキャップ、フェルールを差し込んだフェルールホルダーをステムに調芯固定してダミー光ファイバから出た光が集光レンズによって集光されてＳｉ基板の光導波路の始端に導かれるようにしたサブモジュールを、雌雄の光コネクタを組み合わせ外部の光ファイバと着脱可能にしたレセプタクル型のモジュールのステムポールに取り付けた本発明の第２の実施例にかかる光送受信モジュールの縦断正面図。
【図６】 金属製ステムのポールに取り付けて用いるために、Ｓｉ基板の上にＹ分岐導波路を設け、その終端にＬＤ、ＰＤを振り分けて配置したサブモジュールの平面図。
【図７】 金属製ステムのポールに取り付けて用いるために、Ｓｉ基板の上にＹ分岐導波路を設け始端は前端に露出させ終端にＬＤ、ＰＤを振り分けて配置したサブモジュールの縦断側面図。
【図８】 金属製ステムのポールに取り付けて用いるために、Ｓｉ基板の上にＹ分岐導波路を設けその終端にＬＤ、ＰＤを振り分けて配置したサブモジュールの正面図。
【図９】 Ｓｉ基板の上にＹ分岐導波路を形成し、その終端にＬＤとＰＤを設けたサブモジュールを金属ステムのポールに取り付け、ステムのリードピンとＬＤ、ＰＤの電極やメタライズパターンとを接続し、Ｙ分岐光導波路始端に光ファイバからの光が丁度集光するように調芯した状態を示す縦断平面図。
【図１０】 Ｓｉ基板の上にＹ分岐導波路を形成し、その終端にＬＤとＰＤを設けたサブモジュールを金属ステムのポールに取り付け、ステムのリードピンとＬＤ、ＰＤの電極やメタライズパターンとを接続し、Ｙ分岐光導波路始端に光ファイバからの光が丁度集光するように調芯した状態を示す縦断側面図。
【図１１】 金属製ステムのポールに取り付けて用いるために、Ｓｉ基板の上にＹ分岐導波路を設けその終端にＬＤ、ＰＤを振り分けて配置し、さらにＬＤの背後にはモニタ用フォトダイオードＭＰＤｄを、ＰＤの背後には前置増幅器ＡＭＰを設けたサブモジュールの平面図。
【図１２】 金属製ステムのポールに取り付けて用いるために、Ｓｉ基板の上にＹ分岐導波路を設けその終端にＬＤとＰＤを振り分けて配置し、さらにＬＤの背後にはモニタ用フォトダイオードＭＰＤを、ＰＤの背後には前置増幅器ＡＭＰを設けたサブモジュールの縦断側面図。
【図１３】 一つずつの光送受信モジュールを有するｎ軒の加入者と、ｎ個の光送受信モジュールを有する１つの基地局を、ｎ本の光ファイバで結び加入者と局の間で独立の双方向通信ができるようにした一芯双方向光通信システムを説明する図。
【図１４】Ｓｉ基板に分岐のない一本の光導波路を設け、光導波路の途中に斜め溝を設け、波長選択性のある多層膜フィルタを溝に挿入し、その上方に裏面入射型受光素子（ＰＤ）を設け光導波路の終端に発光素子（ＬＤ）を取り付け、発光素子の後ろにモニタＰＤを設けたサブモジュールを、下向きリードをもつ金属ステムのポールに固定し、集光レンズを有するキャップ、フェルールを差し込んだフェルールホルダーをステムに調芯固定して光ファイバから出た光が集光レンズによって集光されてＳｉ基板の光導波路の始端に導かれるようにした本発明の第３の実施例にかかる光送受信モジュールの縦断正面図。
【図１５】金属製ステムのポールに取り付けて用いるために、Ｓｉ基板の上に分岐のない一本の光導波路を設け、途中にＰＤ、終端にＬＤとＭＰＤを配置したサブモジュールの平面図。
【図１６】金属製ステムのポールに取り付けて用いるために、Ｓｉ基板の上に分岐のない一本の光導波路を設け、始端は前端に露出させ途中にＰＤ、終端にＬＤとＭＰＤを配置したサブモジュールの縦断側面図。
【図１７】Ｓｉ基板の上に分岐のない一本の光導波路を形成し、その途中にＰＤ、終端にＬＤとＭＰＤを設けたサブモジュールを金属ステムのポールに取り付け、ステムのリードピンとＬＤ、ＰＤの電極やメタライズパターンとを接続し、光導波路始端に光ファイバからの光が丁度集光するように調芯した状態を示す縦断側面図。
【符号の説明】
２ ステム
３ ポール
４ サブモジュール
５ キャップ
６ レンズ
７ フェルールホルダー
８ フェルール
９ 光ファイバ
１０ ベンドリミッタ
２０ Ｓｉ基板
２２ Ｙ分岐光導波路
ａ 導波路始端
ｂ 分岐部
ｃ 光導波路第１終端
ｄ 光導波路第２終端
２３ ＬＤ
２４ ＰＤ
２５ メタライズ
２６ モニタＰＤ
２７ ＡＭＰ
２８ メタライズ
２９ 送信器
３０ 金属パッケージ
３１ ポール
３２ ＬＤ
３３ モニタＰＤ
３４ 集光レンズ
３５ 受信器
３６ 金属パッケージ
３７ サブマウント
３８ キャップ
３９ レンズ
４０ ＰＤ
４１ 統合ハウジング
４２ ＷＤＭ
４３ 光ファイバ
４６〜５０ リードピン
５２〜５５ ワイヤ
６０ スリーブ
６２ 開口
６３ ハウジング
６４ フランジ
６５ スリーブ
６６ スタブ
６７ ダミー光ファイバ
６８ 凹溝
６９ 雄螺子条
７０ 光コネクタ
７２ フェルール
７３ ガイドピン
７４ カラー
７５ ローレット
７６ 袋ナット
７７ 光ファイバ
ＵＤ アンダークラッド層
ＣＲ コア
ＯＤ オーバークラッド層
８２ メタライズ
８３ メタライズ
８５ 多層膜フィルタ
８６ 光導波路
８７ 裏面入射型ＰＤ
８８ サブマウント
８９ 受光部
９０〜９６ リードピン
Claims (10)
- 基板と、基板の上に設けられ始端ａが基板前面に露呈し二分岐の終端ｃ、ｄをもち波長λ１と波長λ２を分離する波長選択性を有するＹ分岐光導波路と、光導波路の一方の終端ｃに近接対向して基板上に設けたλ２を受光する受光素子と光導波路の他方の終端ｄに近接対向して基板上に設けたλ１を発生する発光素子を振り分けて実装したサブモジュールと、軸方向に延びる複数のリードピンと、上方へ隆起したポールを有しポール面にサブモジュールを保持した円盤状金属製ステムと、ステムに対して端部が固定された光ファイバと、光ファイバとＹ分岐導波路の始端ａを光学的に結合するレンズと、レンズを保持しステム上に固定された円筒形のキャップと、ステムに固着され光ファイバを支持する金属パッケージ部分とよりなる事を特徴とする光送受信モジュール。
- 基板と、基板の上に設けられ始端ｅが基板前面に露呈した導波路と、この導波路の中間部に設けた溝と、この溝に挿入され波長λ１を透過し波長λ２を反射する波長選択性を有する多層膜フィルタと、多層膜フィルタに近接対向して基板上方に設けたλ２を受光する受光素子と光導波路の他方の終端ｆに近接対向して基板上に設けたλ１を発生する発光素子とを振り分けて実装したサブモジュールと、軸方向に延びる複数のリードピンと、上方へ隆起したポールを有しポール面にサブモジュールを保持した円盤状金属製ステムと、ステムに対して端部が固定された光ファイバと、光ファイバと導波路の始端ｅを光学的に結合するレンズと、レンズを保持しステム上に固定された円筒形のキャップと、ステムに固着され光ファイバを支持する金属パッケージ部分とよりなる事を特徴とする光送受信モジュール。
- 受光素子と発光素子に接続されるべきリードピンがステムの面に垂直な一平面内に含まれるように配置してあることを特徴とする請求項１または２に記載の光送受信モジュール。
- 受光素子、発光素子とリードピンを接続するワイヤボンディングがステム面に平行な方向からなされておりリードピンの側面にワイヤが接続されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光送受信モジュール。
- 光ファイバの端部を円筒状のフェルールで把持し、フェルールを円筒状金属製のフェルールホルダーによって保持し、フェルールホルダーをステム面に調芯固定したピグテイル型である事を特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の光送受信モジュール。
- 中心に開口を有する円筒金属製のスリーブを円盤状ステムの上に固定し、中心に開口部を有し開口部周囲に外部の光コネクタを着脱することのできる金属製ハウジングをスリーブの上に固定し、ハウジングの中心開口にダミー光ファイバを把持するスタブを挿入して雌型のコネクタとし、光ファイバを把持するフェルールを中心に保持し外部に設けた雄型の光コネクタと着脱可能にしたレセプタクル型であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の光送受信モジュール。
- サブモジュールの基板面に、受光素子の光電流を増幅する前置増幅器を設けた事を特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の光送受信モジュール。
- サブモジュールの基板面に、発光素子のパワーを監視するためのモニタ用フォトダイオードを設けた事を特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の光送受信モジュール。
- 基板と、基板の上に設けられ始端ａが基板前面に露呈し二分岐の終端ｃ、ｄをもち波長λ１と波長λ２を分離する波長選択性を有するＹ分岐光導波路と、光導波路の一方の終端ｃに近接対向して基板上に設けたλ２を受光する受光素子と光導波路の他方の終端ｄに近接対向して基板上に設けたλ１を発生する発光素子を振り分けて実装したサブモジュールと、軸方向に延びる複数のリードピンと、上方へ隆起したポールを有しポール面にサブモジュールを保持した円盤状金属製ステムと、ステムに対して端部が固定された光ファイバと、光ファイバの像をＹ分岐導波路の始端ａに形成するレンズと、レンズを保持しステム上に固定されたキャップと、ステムに固着され光ファイバを支持し全体を気密封止する金属パッケージ部分とよりなる光送受信モジュールを一つずつ備えたｎ軒の加入者ＯＮＵ１、ＯＮＵ２、…、ＯＮＵｎ−１、ＯＮＵｎと、基板と、基板の上に設けられ始端ａが基板前面に露呈し二分岐の終端ｃ、ｄをもち波長λ１と波長λ２を分離する波長選択性を有するＹ分岐光導波路と、光導波路の一方の終端ｃに近接対向して基板上に設けたλ１を受光する受光素子と光導波路の他方の終端ｄに近接対向して基板上に設けたλ２を発生する発光素子を振り分けて実装したサブモジュールと、軸方向に延びる複数のリードピンと、上方へ隆起したポールを有しポール面にサブモジュールを保持した円盤状金属製ステムと、ステムに対して端部が固定された光ファイバと、光ファイバの像をＹ分岐導波路の始端ａに形成するレンズと、レンズを保持しステム上に固定されたキャップと、ステムに固着され光ファイバを支持し全体を気密封止する金属パッケージ部分とよりなるｎ個の光送受信モジュールＭＪ１、ＭＪ２、…、ＭＪｎ−１、ＭＪｎを有する局と、ｎ軒の加入者と局側のｎ個の光送受信モジュールＭＪ１、ＭＪ２、…、ＭＪｎ−１、ＭＪｎを接続するｎ本の光ファイバＯＦ１、ＯＦ２、…、ＯＦｎ−１、ＯＦｎとからなる事を特徴とする光通信システム。
- 基板と、基板の上に設けられ始端ｅが基板前面に露呈した導波路と、この導波路の中間部に設けた溝と、この溝に挿入され波長λ１を透過し波長λ２を反射する波長選択性を有する多層膜フィルタと、多層膜フィルタに近接対向して基板上方に設けたλ２を受光する受光素子と光導波路の他方の終端ｆに近接対向して基板上に設けたλ１を発生する発光素子とを振り分けて実装したサブモジュールと、軸方向に延びる複数のリードピンと、上方へ隆起したポールを有しポール面にサブモジュールを保持した円盤状金属製ステムと、ステムに対して端部が固定された光ファイバと、光ファイバと導波路の始端ｅを光学的に結合するレンズと、レンズを保持しステム上に固定されたキャップと、ステムに固着され光ファイバを支持する金属パッケージ部分とよりなる光送受信モジュールを一つずつ備えたｎ軒の加入者ＯＮＵ１、ＯＮＵ２、…、ＯＮＵｎ−１、ＯＮＵｎと、基板と、基板の上に設けられ始端ｅが基板前面に露呈した導波路と、この導波路の中間部に設けた溝と、この溝に挿入され波長λ１を透過し波長λ２を反射する波長選択性を有する多層膜フィルタと、多層膜フィルタに近接対向して基板上方に設けたλ２を受光する受光素子と光導波路の他方の終端ｆに近接対向して基板上に設けたλ１を発生する発光素子とを振り分けて実装したサブモジュールと、軸方向に延びる複数のリードピンと、上方へ隆起したポールを有しポール面にサブモジュールを保持した円盤状金属製ステムと、ステムに対して端部が固定された光ファイバと、光ファイバと導波路の始端ｅを光学的に結合するレンズと、レンズを保持しステム上に固定されたキャップと、ステムに固着され光ファイバを支持する金属パッケージ部分とよりなるｎ個の光送受信モジュールＭＪ１、ＭＪ２、…、ＭＪｎ−１、ＭＪｎを有する局と、ｎ軒の加入者と局側のｎ個の光送受信モジュールＭＪ１、ＭＪ２、…、ＭＪｎ−１、ＭＪｎを接続するｎ本の光ファイバＯＦ１、ＯＦ２、…、ＯＦｎ−１、ＯＦｎとからなる事を特徴とする光通信システム。
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