JP2002107558A - 光伝送モジュールおよびそれを用いた光通信システム - Google Patents
光伝送モジュールおよびそれを用いた光通信システムInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】製造工程が単純で製造コストの低減が可能であ
り、光導波路との一体形成や光素子搭載基板上に作製が
可能なビームスポット変換光導波路を提供し、光部品間
の光結合効率を上げ、組立・実装を容易にして光伝送モ
ジュールの製造コストを下げてその価格低減を図る。 【解決手段】ビームスポット径を拡大するビームスポッ
ト拡大光導波路１１と、ビームスポット径を縮小するビ
ームスポット縮小光導波路１３とが、光ビームの伝搬方
向に沿って連結し、コア層を屈折率の異なる複数の部材
で積層した構造とする。もしくは、ビームスポット拡大
光導波路１１と、ビームスポット径をおおよそ一定に保
つビームスポット保持光導波路１２と、ビームスポット
縮小光導波路１３とが、光ビームの伝搬方向に沿って連
結し、コア層を屈折率の異なる複数の部材で積層した構
造とする。
り、光導波路との一体形成や光素子搭載基板上に作製が
可能なビームスポット変換光導波路を提供し、光部品間
の光結合効率を上げ、組立・実装を容易にして光伝送モ
ジュールの製造コストを下げてその価格低減を図る。 【解決手段】ビームスポット径を拡大するビームスポッ
ト拡大光導波路１１と、ビームスポット径を縮小するビ
ームスポット縮小光導波路１３とが、光ビームの伝搬方
向に沿って連結し、コア層を屈折率の異なる複数の部材
で積層した構造とする。もしくは、ビームスポット拡大
光導波路１１と、ビームスポット径をおおよそ一定に保
つビームスポット保持光導波路１２と、ビームスポット
縮小光導波路１３とが、光ビームの伝搬方向に沿って連
結し、コア層を屈折率の異なる複数の部材で積層した構
造とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、主として光伝送シ
ステムあるいは光交換システム（両者を光通信システム
と呼ぶ）に使用される光伝送モジュールに係り、光伝送
モジュールにおける発光または受光素子と光ファイバ、
あるいは発光または受光素子と光回路、光回路と光ファ
イバ等の光結合技術に関する。
ステムあるいは光交換システム（両者を光通信システム
と呼ぶ）に使用される光伝送モジュールに係り、光伝送
モジュールにおける発光または受光素子と光ファイバ、
あるいは発光または受光素子と光回路、光回路と光ファ
イバ等の光結合技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】情報伝送路の光化が進展し、各種産業の
事業所ビルのみならず、集合家屋や個別家屋にまで光フ
ァイバを用いた情報伝送が計画されている。ここでの重
要課題の１つは、言うまでもなく光伝送システムの低価
格化であり、特に末端の一般加入者に接続される光伝送
モジュールの低価格化が急務になっている。従来は、半
導体レーザ等の光素子と光ファイバあるいは光導波路と
の光の結合効率を高めるために、これらの間に光学レン
ズを設けるのが一般的であった。しかしながら、光素子
と導波路との間にレンズを設けるという方法は、単に部
品点数が増えるだけでなく、これらが全て独立している
ために３部品間での位置合わせ作業を行わなければなら
ず、従って工程が非常に煩雑なものとなることから、加
入者系光伝送モジュールの低価格化の大きな足枷となっ
ていた。この課題の解決策として、例えば特開平５−２
４９３３１号公報に示されるような、光ビームスポット
径変換器付き半導体レーザが考案され、この実用化が近
年進められてきた。
事業所ビルのみならず、集合家屋や個別家屋にまで光フ
ァイバを用いた情報伝送が計画されている。ここでの重
要課題の１つは、言うまでもなく光伝送システムの低価
格化であり、特に末端の一般加入者に接続される光伝送
モジュールの低価格化が急務になっている。従来は、半
導体レーザ等の光素子と光ファイバあるいは光導波路と
の光の結合効率を高めるために、これらの間に光学レン
ズを設けるのが一般的であった。しかしながら、光素子
と導波路との間にレンズを設けるという方法は、単に部
品点数が増えるだけでなく、これらが全て独立している
ために３部品間での位置合わせ作業を行わなければなら
ず、従って工程が非常に煩雑なものとなることから、加
入者系光伝送モジュールの低価格化の大きな足枷となっ
ていた。この課題の解決策として、例えば特開平５−２
４９３３１号公報に示されるような、光ビームスポット
径変換器付き半導体レーザが考案され、この実用化が近
年進められてきた。
【０００３】ここで、この光ビームスポット変換器を説
明する。図１０は半導体レーザと光導波路との結合系模
式図であり、これにより光ビームの結合効率の求め方に
ついて言及する。
明する。図１０は半導体レーザと光導波路との結合系模
式図であり、これにより光ビームの結合効率の求め方に
ついて言及する。
【０００４】まず、光ビームはガウシアンビームである
と仮定する。光通信においては、多くの場合ビームの導
波モードは単一モード系であるため、ここでは０次のガ
ウシアンビーム同士の結合を考える。半導体レーザ２３
と光導波路２２のビームウエスト（ガウシアンビーム波
面の曲率半径が無限大になる箇所）におけるビームスポ
ット径（ガウシアンビームの振幅が中心値の１／ｅとな
る半径）をそれぞれＷ１、Ｗ２、両ビームウエスト間の
距離をＺ、光軸垂直方向ずれ量をＸ、伝搬する光ビーム
の波長をλとすると、結合効率ηは以下の式で表され
る。
と仮定する。光通信においては、多くの場合ビームの導
波モードは単一モード系であるため、ここでは０次のガ
ウシアンビーム同士の結合を考える。半導体レーザ２３
と光導波路２２のビームウエスト（ガウシアンビーム波
面の曲率半径が無限大になる箇所）におけるビームスポ
ット径（ガウシアンビームの振幅が中心値の１／ｅとな
る半径）をそれぞれＷ１、Ｗ２、両ビームウエスト間の
距離をＺ、光軸垂直方向ずれ量をＸ、伝搬する光ビーム
の波長をλとすると、結合効率ηは以下の式で表され
る。
【０００５】
【数１】
【０００６】ここで、κは
【０００７】
【数２】
【０００８】である。上記式によれば、（１）Ｗ１＝Ｗ
２、（２）これらの値ができる限り大きいとき、結合効
率並びに光軸ずれに対する許容量（トレランス）が向上
することが分かる。
２、（２）これらの値ができる限り大きいとき、結合効
率並びに光軸ずれに対する許容量（トレランス）が向上
することが分かる。
【０００９】従来の半導体レーザ２３のビームスポット
径Ｗ１、すなわち入射系のビームスポット径Ｗ１は、光
ファイバや光導波路２２のビームスポット径Ｗ２に比べ
て非常に小さい値であるため、Ｗ１＝Ｗ２とはならず結
合効率が必ずしも良いとは言えない。
径Ｗ１、すなわち入射系のビームスポット径Ｗ１は、光
ファイバや光導波路２２のビームスポット径Ｗ２に比べ
て非常に小さい値であるため、Ｗ１＝Ｗ２とはならず結
合効率が必ずしも良いとは言えない。
【００１０】光ビームスポット径変換器付き半導体レー
ザは、Ｗ１を拡大してＷ２の値に近づけ、その結果とし
て結合効率及びトレランスを改善するものである。
ザは、Ｗ１を拡大してＷ２の値に近づけ、その結果とし
て結合効率及びトレランスを改善するものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光ビー
ムスポット径変換器付きレーザの作製には、コア部の出
射端側膜厚をテーパ状にするため、選択結晶成長技術が
用いられている。ビームスポット径変換部の集積化はレ
ーザ自体の最適設計に影響し、あるいはレーザ特性に対
する作製誤差の影響が敏感になる等の問題がある。この
ため従来型のレーザに対し製造歩留りが劣化し、レーザ
自体の価格を上昇させ、よって光伝送モジュールの大幅
価格低減には至っていない。
ムスポット径変換器付きレーザの作製には、コア部の出
射端側膜厚をテーパ状にするため、選択結晶成長技術が
用いられている。ビームスポット径変換部の集積化はレ
ーザ自体の最適設計に影響し、あるいはレーザ特性に対
する作製誤差の影響が敏感になる等の問題がある。この
ため従来型のレーザに対し製造歩留りが劣化し、レーザ
自体の価格を上昇させ、よって光伝送モジュールの大幅
価格低減には至っていない。
【００１２】また、選択結晶成長によるテーパ化でのス
ポット径拡大には限界があり、ガウスビーム近似の遠視
野像発散角で表現すれば現状１０度前後が限界である。
光ファイバの発散角が約５度であることを考えるとこの
差は依然として大きいと言わざるを得ない。このため、
スポット径拡大器付きレーザを用いる場合においても、
光結合効率を高くかつ組立を更に容易するためには、こ
れと組み合わせる新規の光結合技術に関する発明が必要
となっている。
ポット径拡大には限界があり、ガウスビーム近似の遠視
野像発散角で表現すれば現状１０度前後が限界である。
光ファイバの発散角が約５度であることを考えるとこの
差は依然として大きいと言わざるを得ない。このため、
スポット径拡大器付きレーザを用いる場合においても、
光結合効率を高くかつ組立を更に容易するためには、こ
れと組み合わせる新規の光結合技術に関する発明が必要
となっている。
【００１３】もちろん、この課題を解決する手段の一つ
として、半導体レーザと光導波路との間に光学レンズを
搭載するという従来技術による方法も考えられる。しか
しながら本方法の導入は、部品点数の増大や製造工程の
煩雑さといった課題を招くこととなり、光伝送モジュー
ルの低コスト化を実現することは難しい。
として、半導体レーザと光導波路との間に光学レンズを
搭載するという従来技術による方法も考えられる。しか
しながら本方法の導入は、部品点数の増大や製造工程の
煩雑さといった課題を招くこととなり、光伝送モジュー
ルの低コスト化を実現することは難しい。
【００１４】本発明の第一の目的は、光部品間の結合効
率を向上させた光伝送モジュール及び光通信システムを
提供することにある。
率を向上させた光伝送モジュール及び光通信システムを
提供することにある。
【００１５】さらに、本発明の第二の目的は、少なくと
も光部品間の結合効率もしくはトレランスのどちらか一
方を向上させた光伝送モジュール及び光通信システムを
提供することにある。
も光部品間の結合効率もしくはトレランスのどちらか一
方を向上させた光伝送モジュール及び光通信システムを
提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記第一の目
的を達成するために、光ビームのビームスポット径を光
ビームの伝搬方向に沿って拡大する第一の光導波路と、
該第一の光導波路により拡大されたビームスポット径を
光ビームの伝搬方向に沿って縮小する第二の光導波路と
を備え、光ビームの伝搬方向である光軸をｚ軸、これに
直交する断面で垂直方向の軸をｘ軸、水平方向の軸をｙ
軸としたとき、該第一の光導波路もしくは該第二の光導
波路のうちの少なくとも一方の光導波路のコア部の屈折
率をｘ軸もしくはｙ軸に沿って変化させて構成したもの
である。
的を達成するために、光ビームのビームスポット径を光
ビームの伝搬方向に沿って拡大する第一の光導波路と、
該第一の光導波路により拡大されたビームスポット径を
光ビームの伝搬方向に沿って縮小する第二の光導波路と
を備え、光ビームの伝搬方向である光軸をｚ軸、これに
直交する断面で垂直方向の軸をｘ軸、水平方向の軸をｙ
軸としたとき、該第一の光導波路もしくは該第二の光導
波路のうちの少なくとも一方の光導波路のコア部の屈折
率をｘ軸もしくはｙ軸に沿って変化させて構成したもの
である。
【００１７】また、前記コア部の中心に屈折率ｎ1の第
一の部材を有し、該第一の部材の上下もしくは左右の両
側に該第一の部材よりも屈折率の小さい屈折率ｎ2の第
二の部材を有するものである。
一の部材を有し、該第一の部材の上下もしくは左右の両
側に該第一の部材よりも屈折率の小さい屈折率ｎ2の第
二の部材を有するものである。
【００１８】また、前記光導波路のコア部を屈折率ｎ1
の第１のコア、屈折率ｎn-1の第ｎ−１のコア、屈折率
ｎnの第ｎのコアを順に積層して構成し、該各部材の屈
折率の関係をｎ(n+1)/2＞n(n-1)/2＞・・・＞ｎ2＞ｎ1
ならびにｎ(n+1)/2＞n(n+3)/2＞・・・＞ｎn-1＞ｎnと
したものである。
の第１のコア、屈折率ｎn-1の第ｎ−１のコア、屈折率
ｎnの第ｎのコアを順に積層して構成し、該各部材の屈
折率の関係をｎ(n+1)/2＞n(n-1)/2＞・・・＞ｎ2＞ｎ1
ならびにｎ(n+1)/2＞n(n+3)/2＞・・・＞ｎn-1＞ｎnと
したものである。
【００１９】また、Ｚ方向に複数個のコアを配置して前
記コア部を構成したものである。
記コア部を構成したものである。
【００２０】また、前記コア部を構成する少なくとも１
個のコアのｙ−ｚ断面が、略円、略楕円またはそれらを
近似した形状であるものである。
個のコアのｙ−ｚ断面が、略円、略楕円またはそれらを
近似した形状であるものである。
【００２１】また、前記コアの幅をｘ軸もしくはｙ軸の
いずれか一方についてｚ軸方向に沿って変化させて構成
したものである。
いずれか一方についてｚ軸方向に沿って変化させて構成
したものである。
【００２２】また、本発明は、上記第二の目的を達成す
るために、光ビームのビームスポット径を光ビームの伝
搬方向に沿って拡大する第一の光導波路と、該第一の光
導波路により拡大されたビームスポット径を保持する第
二の光導波路と、該第二の光導波路により保持されたビ
ームスポット径を縮小する第三の光導波路とを備え、光
ビームの伝搬方向である光軸をｚ軸、これに直交する断
面で垂直方向の軸をｘ軸、水平方向の軸をｙ軸としたと
き、該第一の光導波路もしくは該第二の光導波路もしく
は該第三の光導波路のうちの少なくとも一つの光導波路
のコア部の屈折率をｘ軸もしくはｙ軸に沿って変化させ
て構成したものである。
るために、光ビームのビームスポット径を光ビームの伝
搬方向に沿って拡大する第一の光導波路と、該第一の光
導波路により拡大されたビームスポット径を保持する第
二の光導波路と、該第二の光導波路により保持されたビ
ームスポット径を縮小する第三の光導波路とを備え、光
ビームの伝搬方向である光軸をｚ軸、これに直交する断
面で垂直方向の軸をｘ軸、水平方向の軸をｙ軸としたと
き、該第一の光導波路もしくは該第二の光導波路もしく
は該第三の光導波路のうちの少なくとも一つの光導波路
のコア部の屈折率をｘ軸もしくはｙ軸に沿って変化させ
て構成したものである。
【００２３】また、前記コア部の中心に屈折率ｎ1の第
一の部材を有し、該第一の部材の上下もしくは左右の両
側に該第一の部材よりも屈折率の小さい屈折率ｎ2の第
二の部材を有するものである。
一の部材を有し、該第一の部材の上下もしくは左右の両
側に該第一の部材よりも屈折率の小さい屈折率ｎ2の第
二の部材を有するものである。
【００２４】また、前記光導波路のコア部を屈折率ｎ1
の第１のコア、屈折率ｎn-1の第ｎ−１のコア、屈折率
ｎnの第ｎのコアを順に積層して構成し、該各部材の屈
折率の関係をｎ(n+1)/2＞n(n-1)/2＞・・・＞ｎ2＞ｎ1
ならびにｎ(n+1)/2＞n(n+3)/2＞・・・＞ｎn-1＞ｎnと
したものである。
の第１のコア、屈折率ｎn-1の第ｎ−１のコア、屈折率
ｎnの第ｎのコアを順に積層して構成し、該各部材の屈
折率の関係をｎ(n+1)/2＞n(n-1)/2＞・・・＞ｎ2＞ｎ1
ならびにｎ(n+1)/2＞n(n+3)/2＞・・・＞ｎn-1＞ｎnと
したものである。
【００２５】また、Ｚ方向に複数個のコアを配置して前
記コア部を構成したものである。
記コア部を構成したものである。
【００２６】また、前記コア部を構成する少なくとも１
個のコアのｙ−ｚ断面が、略円、略楕円またはそれらを
近似した形状であるものである。
個のコアのｙ−ｚ断面が、略円、略楕円またはそれらを
近似した形状であるものである。
【００２７】また、前記コアの幅をｘ軸もしくはｙ軸の
いずれか一方についてｚ軸方向に沿って変化させて構成
したことを特徴とする請求項１０または１１記載の光伝
送モジュール。
いずれか一方についてｚ軸方向に沿って変化させて構成
したことを特徴とする請求項１０または１１記載の光伝
送モジュール。
【００２８】また、以上説明した構成において、Ｚ方向
における前記コアとコアとの間には前記コアよりも屈折
率の低いクラッド層が形成されたものである。
における前記コアとコアとの間には前記コアよりも屈折
率の低いクラッド層が形成されたものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】まず、本発明の原理を、図８に示
す模式図を用いて以下に説明する。
す模式図を用いて以下に説明する。
【００３０】図において、２３は半導体レーザ等の発光
素子、２１はビームスポット径を拡大した後に縮小、も
しくは拡大して保持した後に縮小して光ビームを伝搬す
るビームスポット径変換光導波路、２２はビームスポッ
ト径変換光導波路２１によりビームスポット径が変換さ
れた光ビームを伝搬する光導波路である。
素子、２１はビームスポット径を拡大した後に縮小、も
しくは拡大して保持した後に縮小して光ビームを伝搬す
るビームスポット径変換光導波路、２２はビームスポッ
ト径変換光導波路２１によりビームスポット径が変換さ
れた光ビームを伝搬する光導波路である。
【００３１】図８（ａ）におけるビームスポット径変換
光導波路２１は、ビームスポット径を拡大させて光ビー
ムを伝搬するビームスポット径拡大導波路１１、ビーム
スポット径を縮小させて光ビームを伝搬するビームスポ
ット径縮小導波路１３で構成した例である。この場合、
半導体レーザ等の発光素子２３から出射された光ビーム
は、ビームスポット径拡大導波路１１によりそのビーム
スポット径が拡大される。次にその拡大された光ビーム
は、ビームスポット径縮小導波路１３によりそのビーム
スポット径が縮小され、その後に続く光導波路に入射さ
れる。
光導波路２１は、ビームスポット径を拡大させて光ビー
ムを伝搬するビームスポット径拡大導波路１１、ビーム
スポット径を縮小させて光ビームを伝搬するビームスポ
ット径縮小導波路１３で構成した例である。この場合、
半導体レーザ等の発光素子２３から出射された光ビーム
は、ビームスポット径拡大導波路１１によりそのビーム
スポット径が拡大される。次にその拡大された光ビーム
は、ビームスポット径縮小導波路１３によりそのビーム
スポット径が縮小され、その後に続く光導波路に入射さ
れる。
【００３２】一方、図８（ｂ）におけるビームスポット
径変換光導波路２１は、ビームスポット径を拡大させて
光ビームを伝搬するビームスポット径拡大導波路１１、
ビームスポット径をおおよそ一定に保って光ビームを伝
搬するビームスポット保持導波路１２、ビームスポット
径を縮小させて光ビームを伝搬するビームスポット径縮
小導波路１３で構成した例である。この場合、ビームス
ポット径拡大導波路１１によりビームスポット径が拡大
されたビームは、ビームスポット保持導波路１２ではビ
ームスポット径はおおよそ一定に保たれる。そして、ビ
ームスポット縮小導波路１３にてビームスポット径を縮
小し、その後に続く光導波路に伝搬する。
径変換光導波路２１は、ビームスポット径を拡大させて
光ビームを伝搬するビームスポット径拡大導波路１１、
ビームスポット径をおおよそ一定に保って光ビームを伝
搬するビームスポット保持導波路１２、ビームスポット
径を縮小させて光ビームを伝搬するビームスポット径縮
小導波路１３で構成した例である。この場合、ビームス
ポット径拡大導波路１１によりビームスポット径が拡大
されたビームは、ビームスポット保持導波路１２ではビ
ームスポット径はおおよそ一定に保たれる。そして、ビ
ームスポット縮小導波路１３にてビームスポット径を縮
小し、その後に続く光導波路に伝搬する。
【００３３】ここで、光導波路２２側から光ビームが入
射した場合を考える（相反定理により入射方向を変えて
も結合効率は変化しない）。
射した場合を考える（相反定理により入射方向を変えて
も結合効率は変化しない）。
【００３４】図８（ａ）に示す光モジュールにおいて
は、光導波路２２から伝搬したビームは、ビームスポッ
ト変換光導波路２１の端部（ビームスポット縮小導波路
１３）でＷ２のビームスポット径を持つとすると、ビー
ムスポット縮小光導波路１３を伝搬することにより、ビ
ームスポット縮小光導波路１３とビームスポット拡大光
導波路１１との境界においてビームスポット径はＷ３に
拡大する。そしてビームスポット拡大光導波路１１を伝
搬するとビームスポット径は縮小し、ｚ＝ｚ’の位置に
おいてビームウエストが形成され、そのときのビームス
ポット径はＷ４となる。すなわち、ビームスポット変換
光導波路２１を形成することにより、光導波路２２から
伝搬した光ビームのビームスポット径Ｗ２を任意の大き
さのビームスポット径Ｗ４に変換することが可能とな
る。従って、半導体レーザ２３の特性や光導波路２２の
特性から、 ビームスポット径Ｗ２がビームスポット径
Ｗ１よりも大きくならざるを得ない構成であったとして
も、ビームスポット変換光導波路２１によりビームスポ
ット径Ｗ２をビームスポット径Ｗ１とほぼ同じ程度の大
きさのビームスポット径Ｗ４に変換することが可能とな
るので、ビームスポット径Ｗ１とビームスポット径Ｗ４
とをほぼ等しくでき、よって結合効率を向上させること
ができる。これは前述の式（１）（２）からも理解でき
る。また、ビームスポット変換光導波路２１によりビー
ムウエストＷ４を形成する位置を擬似的に半導体レーザ
２３に近づけることができるので、すなわちＺ‘を従来
に比べて短くすることができるので、これによっても結
合効率を向上させることができる。特に、ビームスポッ
ト変換光導波路２１を用いることで、実際に半導体レー
ザ２３と光導波路２２とを実装する際の物理的な限界を
超えて擬似的にビームウエストＷ４を半導体レーザ２３
に近づけることが可能となる。
は、光導波路２２から伝搬したビームは、ビームスポッ
ト変換光導波路２１の端部（ビームスポット縮小導波路
１３）でＷ２のビームスポット径を持つとすると、ビー
ムスポット縮小光導波路１３を伝搬することにより、ビ
ームスポット縮小光導波路１３とビームスポット拡大光
導波路１１との境界においてビームスポット径はＷ３に
拡大する。そしてビームスポット拡大光導波路１１を伝
搬するとビームスポット径は縮小し、ｚ＝ｚ’の位置に
おいてビームウエストが形成され、そのときのビームス
ポット径はＷ４となる。すなわち、ビームスポット変換
光導波路２１を形成することにより、光導波路２２から
伝搬した光ビームのビームスポット径Ｗ２を任意の大き
さのビームスポット径Ｗ４に変換することが可能とな
る。従って、半導体レーザ２３の特性や光導波路２２の
特性から、 ビームスポット径Ｗ２がビームスポット径
Ｗ１よりも大きくならざるを得ない構成であったとして
も、ビームスポット変換光導波路２１によりビームスポ
ット径Ｗ２をビームスポット径Ｗ１とほぼ同じ程度の大
きさのビームスポット径Ｗ４に変換することが可能とな
るので、ビームスポット径Ｗ１とビームスポット径Ｗ４
とをほぼ等しくでき、よって結合効率を向上させること
ができる。これは前述の式（１）（２）からも理解でき
る。また、ビームスポット変換光導波路２１によりビー
ムウエストＷ４を形成する位置を擬似的に半導体レーザ
２３に近づけることができるので、すなわちＺ‘を従来
に比べて短くすることができるので、これによっても結
合効率を向上させることができる。特に、ビームスポッ
ト変換光導波路２１を用いることで、実際に半導体レー
ザ２３と光導波路２２とを実装する際の物理的な限界を
超えて擬似的にビームウエストＷ４を半導体レーザ２３
に近づけることが可能となる。
【００３５】同様に、図８（ｂ）に示す光モジュールお
いては、光導波路２２から伝搬したビームは、ビームス
ポット変換光導波路端部（ビームスポット縮小導波路１
３）でＷ２のビームスポット径を持つとすると、ビーム
スポット縮小光導波路１３を伝搬することにより、ビー
ムスポット縮小光導波路１３とビームスポット保持光導
波路１２との境界においてビームスポット径はＷ３に拡
大し、ビームスポット保持光導波路１２においてそのビ
ームスポット径は保持されビームスポット拡大光導波路
１１に入射される。このときのビームスポット径は同じ
くＷ３である。そしてビームスポット拡大光導波路１１
を伝搬するとビームスポット径は縮小し、ｚ＝ｚ’の位
置においてビームウエストが形成され、そのときのビー
ムスポット径はＷ４となる。すなわち、図８（ｂ）の構
成においても図８（ａ）の構成と同じように、ビームス
ポット変換光導波路２１を形成することにより、光導波
路２２から伝搬した光ビームのビームスポット径Ｗ２を
任意の大きさのビームスポット径Ｗ４に変換することが
可能となる。従って、半導体レーザ２３の特性や光導波
路２２の特性から、 ビームスポット径Ｗ２がビームス
ポット径Ｗ１よりも大きくならざるを得ない構成であっ
たとしても、ビームスポット変換光導波路２１によりビ
ームスポット径Ｗ２をビームスポット径Ｗ１とほぼ同じ
程度の大きさのビームスポット径Ｗ４に変換することが
可能となるので、ビームスポット径Ｗ１とビームスポッ
ト径Ｗ４とをほぼ等しくでき、よって結合効率を向上さ
せることができる。
いては、光導波路２２から伝搬したビームは、ビームス
ポット変換光導波路端部（ビームスポット縮小導波路１
３）でＷ２のビームスポット径を持つとすると、ビーム
スポット縮小光導波路１３を伝搬することにより、ビー
ムスポット縮小光導波路１３とビームスポット保持光導
波路１２との境界においてビームスポット径はＷ３に拡
大し、ビームスポット保持光導波路１２においてそのビ
ームスポット径は保持されビームスポット拡大光導波路
１１に入射される。このときのビームスポット径は同じ
くＷ３である。そしてビームスポット拡大光導波路１１
を伝搬するとビームスポット径は縮小し、ｚ＝ｚ’の位
置においてビームウエストが形成され、そのときのビー
ムスポット径はＷ４となる。すなわち、図８（ｂ）の構
成においても図８（ａ）の構成と同じように、ビームス
ポット変換光導波路２１を形成することにより、光導波
路２２から伝搬した光ビームのビームスポット径Ｗ２を
任意の大きさのビームスポット径Ｗ４に変換することが
可能となる。従って、半導体レーザ２３の特性や光導波
路２２の特性から、 ビームスポット径Ｗ２がビームス
ポット径Ｗ１よりも大きくならざるを得ない構成であっ
たとしても、ビームスポット変換光導波路２１によりビ
ームスポット径Ｗ２をビームスポット径Ｗ１とほぼ同じ
程度の大きさのビームスポット径Ｗ４に変換することが
可能となるので、ビームスポット径Ｗ１とビームスポッ
ト径Ｗ４とをほぼ等しくでき、よって結合効率を向上さ
せることができる。
【００３６】以上のように、半導体レーザ２３と光導波
路２２との結合効率は、各ビームウエストにおけるそれ
ぞれのビームスポット径（Ｗ１、Ｗ４）ならびにビーム
ウエスト間の距離Ｚ’で決まる。従って、前述のビーム
スポット変換光導波路２１を用いてビームスポット径Ｗ
２をビームスポット径Ｗ１とほぼ同じ大きさのビームス
ポット径Ｗ４となるように構成すれば結合効率は向上す
ることとなる。
路２２との結合効率は、各ビームウエストにおけるそれ
ぞれのビームスポット径（Ｗ１、Ｗ４）ならびにビーム
ウエスト間の距離Ｚ’で決まる。従って、前述のビーム
スポット変換光導波路２１を用いてビームスポット径Ｗ
２をビームスポット径Ｗ１とほぼ同じ大きさのビームス
ポット径Ｗ４となるように構成すれば結合効率は向上す
ることとなる。
【００３７】なお、前述のビームスポット変換光導波路
２１は、光導波路２２と一体で形成可能なため、光導波
路２２との位置ずれは実質的に皆無であり、部品点数の
増加ならびに製造工程の煩雑さといった問題は一切発生
しない。
２１は、光導波路２２と一体で形成可能なため、光導波
路２２との位置ずれは実質的に皆無であり、部品点数の
増加ならびに製造工程の煩雑さといった問題は一切発生
しない。
【００３８】ところで、半導体レーザ２３のビームスポ
ット径Ｗ１の値によっては、光軸ずれなしの場合の結合
効率は向上するものの、軸ずれに対するトレランスが低
下する場合があるが、図８（ｂ）に示すようなビームス
ポット保持光導波路１２を有する構造とすれば、これを
確実に防ぎ、結合効率・トレランスともに向上させるこ
とができる、もしくは結合効率・トレランスのいずれか
一方を向上しかつ他方を維持することができる。
ット径Ｗ１の値によっては、光軸ずれなしの場合の結合
効率は向上するものの、軸ずれに対するトレランスが低
下する場合があるが、図８（ｂ）に示すようなビームス
ポット保持光導波路１２を有する構造とすれば、これを
確実に防ぎ、結合効率・トレランスともに向上させるこ
とができる、もしくは結合効率・トレランスのいずれか
一方を向上しかつ他方を維持することができる。
【００３９】この原理を図９の模式図を用いて以下に説
明する。
明する。
【００４０】まず、図９（ａ）に示すように、ビームス
ポット保持光導波路１２が存在しない場合、半導体レー
ザから発する光ビーム３が軸ずれを起こした状態（角度
ずれはなし）で入射すると、ビームスポット変換光導波
路を伝搬したビームは入射したときの光軸に対して傾き
を持つ。傾きを持つということは、光が伝搬するに従い
本来の光軸から離れていくということであり、その結果
光導波路２２に伝搬する光ビームの量は減る。従って、
軸ずれに対するトレランスは低下してしまう。
ポット保持光導波路１２が存在しない場合、半導体レー
ザから発する光ビーム３が軸ずれを起こした状態（角度
ずれはなし）で入射すると、ビームスポット変換光導波
路を伝搬したビームは入射したときの光軸に対して傾き
を持つ。傾きを持つということは、光が伝搬するに従い
本来の光軸から離れていくということであり、その結果
光導波路２２に伝搬する光ビームの量は減る。従って、
軸ずれに対するトレランスは低下してしまう。
【００４１】しかしながら、図９（ｂ）に示すように、
ビームスポット保持光導波路１２がある場合は、ビーム
スポット拡大光導波路１１により傾きを持ったビーム３
がビームスポット保持光導波路１２によって本来の光軸
伝搬方向にコリメートとされる。伝搬方向が修正された
後にビームスポット縮小光導波路１３により光導波路２
２のビームスポット径にまで縮小され、その先の光導波
路２２へ伝搬する。すなわち、ビームスポット保持光導
波路１２を備えることで、傾きをもった光ビームの伝搬
方向を本来の光軸伝搬方向にすることができる。この結
果、軸ずれによる結合効率の低下を抑えることができ、
軸ずれに対するトレランスを向上させることができる。
軸ずれに対するトレランスが向上すれば、半導体レーザ
２３の搭載精度、すなわち光導波路（ビームスポット径
変換光導波路２１を含む）との軸合わせ精度の要求を下
げることができ、半導体レーザ２３の搭載を容易にする
ことができる。
ビームスポット保持光導波路１２がある場合は、ビーム
スポット拡大光導波路１１により傾きを持ったビーム３
がビームスポット保持光導波路１２によって本来の光軸
伝搬方向にコリメートとされる。伝搬方向が修正された
後にビームスポット縮小光導波路１３により光導波路２
２のビームスポット径にまで縮小され、その先の光導波
路２２へ伝搬する。すなわち、ビームスポット保持光導
波路１２を備えることで、傾きをもった光ビームの伝搬
方向を本来の光軸伝搬方向にすることができる。この結
果、軸ずれによる結合効率の低下を抑えることができ、
軸ずれに対するトレランスを向上させることができる。
軸ずれに対するトレランスが向上すれば、半導体レーザ
２３の搭載精度、すなわち光導波路（ビームスポット径
変換光導波路２１を含む）との軸合わせ精度の要求を下
げることができ、半導体レーザ２３の搭載を容易にする
ことができる。
【００４２】図１は、そのビームスポット径変換光導波
路２１の具体的な構成例である。なお、図１では説明を
容易にするためビームスポット径変換光導波路２１と光
導波路２２の構成のみを図示した。また、ビームスポッ
ト変換光導波路２１は、ビームスポット径拡大光導波路
１１、ビームスポット保持光導波路１２、及びビームス
ポット縮小光導波路１３により構成した。
路２１の具体的な構成例である。なお、図１では説明を
容易にするためビームスポット径変換光導波路２１と光
導波路２２の構成のみを図示した。また、ビームスポッ
ト変換光導波路２１は、ビームスポット径拡大光導波路
１１、ビームスポット保持光導波路１２、及びビームス
ポット縮小光導波路１３により構成した。
【００４３】図において、１は光ビームを伝搬するコ
ア、２はそのコア１を囲むコア１よりも屈折率の低いク
ラッド、３は光導波路を伝搬する光ビームである。ここ
でコア１は屈折率の異なる複数の部材により構成されて
いる。具体的には、基板表面に垂直な軸、すなわちｘ軸
に沿って、第１のコア４１、第２のコア４２、第３のコ
ア４３の順に積層された構造となっている。第１のコア
４３の屈折率ｎ１、第２のコアの屈折率ｎ２、第３のコ
アの屈折率ｎ３、ならびにクラッド２の屈折率ｎ０は、
ｎ２＞ｎ１＞ｎ０、ｎ２＞ｎ３＞ｎ０の関係になってい
る。コアの中央部を構成する第２のコア４２の屈折率ｎ
２とクラッドの屈折率ｎ０との間には、例えば、Δｎ＝
（ｎ２−ｎ０）／ｎ２×１００［％］としたとき、Δｎ
が０．２〜０．５％の範囲が望ましい。また、本実施例
では、ｎ１＝ｎ３、即ち第１のコア４１と第３のコア４
２を同じ部材としている。これにより材料コストや製造
工程の煩雑さを低減することができる。
ア、２はそのコア１を囲むコア１よりも屈折率の低いク
ラッド、３は光導波路を伝搬する光ビームである。ここ
でコア１は屈折率の異なる複数の部材により構成されて
いる。具体的には、基板表面に垂直な軸、すなわちｘ軸
に沿って、第１のコア４１、第２のコア４２、第３のコ
ア４３の順に積層された構造となっている。第１のコア
４３の屈折率ｎ１、第２のコアの屈折率ｎ２、第３のコ
アの屈折率ｎ３、ならびにクラッド２の屈折率ｎ０は、
ｎ２＞ｎ１＞ｎ０、ｎ２＞ｎ３＞ｎ０の関係になってい
る。コアの中央部を構成する第２のコア４２の屈折率ｎ
２とクラッドの屈折率ｎ０との間には、例えば、Δｎ＝
（ｎ２−ｎ０）／ｎ２×１００［％］としたとき、Δｎ
が０．２〜０．５％の範囲が望ましい。また、本実施例
では、ｎ１＝ｎ３、即ち第１のコア４１と第３のコア４
２を同じ部材としている。これにより材料コストや製造
工程の煩雑さを低減することができる。
【００４４】本実施例では、コアの積層数を３（部材の
数は２）としたが、積層数ｎは奇数であればこれ以上の
数でも構わない。但し、各コア層を第１のコア（屈折率
ｎ1）、第２のコア（屈折率ｎ2）、・・・第ｎ−１のコ
ア（屈折率ｎn-1）、第ｎのコア（屈折率ｎn）と表し、
コア部を第１のコア、第２のコア、・・・、第ｎ−１の
コア、第ｎのコアの順に積層した構成とした場合、各屈
折率はｎ(n+1)/2＞n(n-1)/2＞・・・＞ｎ2＞ｎ1ならび
にｎ(n+1)/2＞n(n+3)/2＞・・・＞ｎn-1＞ｎnの関係を
満たすことが条件である。また、屈折率及び各コア層の
寸法は、コア中央を軸とした線対称である方がビームの
集束により効果的であり、望ましい。
数は２）としたが、積層数ｎは奇数であればこれ以上の
数でも構わない。但し、各コア層を第１のコア（屈折率
ｎ1）、第２のコア（屈折率ｎ2）、・・・第ｎ−１のコ
ア（屈折率ｎn-1）、第ｎのコア（屈折率ｎn）と表し、
コア部を第１のコア、第２のコア、・・・、第ｎ−１の
コア、第ｎのコアの順に積層した構成とした場合、各屈
折率はｎ(n+1)/2＞n(n-1)/2＞・・・＞ｎ2＞ｎ1ならび
にｎ(n+1)/2＞n(n+3)/2＞・・・＞ｎn-1＞ｎnの関係を
満たすことが条件である。また、屈折率及び各コア層の
寸法は、コア中央を軸とした線対称である方がビームの
集束により効果的であり、望ましい。
【００４５】このようにコアの屈折率を中央から離れる
に従い小さくすることで、コアの外側を通るビームほど
伝送速度が速くなりビームをコアの中央部付近に集束さ
せることができる。これにより図１におけるＸ方向、す
なわち積層方向に対するトレランスを向上させることが
できる。
に従い小さくすることで、コアの外側を通るビームほど
伝送速度が速くなりビームをコアの中央部付近に集束さ
せることができる。これにより図１におけるＸ方向、す
なわち積層方向に対するトレランスを向上させることが
できる。
【００４６】さらに、本実施例においては、光ビームが
伝搬する方向において、コア／クラッド屈折率差を変換
することでビームスポット径を拡大もしくは縮小できる
ように構成した。ここで、コア／クラッド屈折率差と
は、光ビームの伝搬方向においてコアとクラッドが交互
に形成されている場合に、コアとクラッドとの組み合わ
せであるセグメントにおける平均屈折率とその周囲に存
在するクラッドの屈折率との差を意味するものである。
この場合、光ビームの伝搬方向におけるコア断面積が同
じならば、コア／クラッド屈折率差が小さいほど光の閉
じ込めは弱くなりビームスポット径は拡大する。この本
実施例で採用した屈折率差変換の手段としてのセグメン
ト型光導波路の概念を以下に説明する。
伝搬する方向において、コア／クラッド屈折率差を変換
することでビームスポット径を拡大もしくは縮小できる
ように構成した。ここで、コア／クラッド屈折率差と
は、光ビームの伝搬方向においてコアとクラッドが交互
に形成されている場合に、コアとクラッドとの組み合わ
せであるセグメントにおける平均屈折率とその周囲に存
在するクラッドの屈折率との差を意味するものである。
この場合、光ビームの伝搬方向におけるコア断面積が同
じならば、コア／クラッド屈折率差が小さいほど光の閉
じ込めは弱くなりビームスポット径は拡大する。この本
実施例で採用した屈折率差変換の手段としてのセグメン
ト型光導波路の概念を以下に説明する。
【００４７】図７にセグメント型光導波路の模式図を示
す。
す。
【００４８】セグメント導波路は、光ビームが伝搬する
方向において、ある長さのコア１とそれに続くコア１の
ない部分（＝クラッド２により構成される部分）の連続
からなる。このコア１とコア１のない部分の長さの和を
一単位長Ｌと考え、ｎ０をクラッド２の屈折率、ｎ１を
コア１の屈折率、αを一単位長Ｌに対するコアの長さの
割合とすると、数式（１）により与えられるｎ１’は、
一単位長Ｌの平均屈折率とみなすことができる。なお、
このコア１とコア１のない部分との組み合わせが１周期
のセグメントを構成する。
方向において、ある長さのコア１とそれに続くコア１の
ない部分（＝クラッド２により構成される部分）の連続
からなる。このコア１とコア１のない部分の長さの和を
一単位長Ｌと考え、ｎ０をクラッド２の屈折率、ｎ１を
コア１の屈折率、αを一単位長Ｌに対するコアの長さの
割合とすると、数式（１）により与えられるｎ１’は、
一単位長Ｌの平均屈折率とみなすことができる。なお、
このコア１とコア１のない部分との組み合わせが１周期
のセグメントを構成する。
【００４９】 ｎ１’＝（１―α）・ｎ０＋α・ｎ１………（１） 従って、このコア１とクラッド２の長さの比αを光の伝
搬方向に沿って変えることにより導波路の屈折率が変化
させることができることとなる。これが、屈折率差変換
の手段としてのセグメント型光導波路の概念である。
搬方向に沿って変えることにより導波路の屈折率が変化
させることができることとなる。これが、屈折率差変換
の手段としてのセグメント型光導波路の概念である。
【００５０】図１に示す光モジュールにおいては、この
セグメント型光導波路の概念が適用されており、ビーム
スポット径拡大光導波路１１及びビームスポット縮小光
導波路１３においては、ビームスポット径を変換させる
ために、セグメントにおけるコア長さの割合αを光の伝
搬方向に対して単調増加／減少するように構成した。
セグメント型光導波路の概念が適用されており、ビーム
スポット径拡大光導波路１１及びビームスポット縮小光
導波路１３においては、ビームスポット径を変換させる
ために、セグメントにおけるコア長さの割合αを光の伝
搬方向に対して単調増加／減少するように構成した。
【００５１】すなわち、セグメント周期を一定にして、
セグメントの中で光ビームの進行方向に沿ってコアの占
める割合を減らすように形成することで、ビームスポッ
ト径拡大光導波路１１を構成した。また、セグメント長
を一定にして、セグメントの中でコアの占める割合を増
やすように形成することで、ビームスポット径縮小光導
波路１３を構成した。
セグメントの中で光ビームの進行方向に沿ってコアの占
める割合を減らすように形成することで、ビームスポッ
ト径拡大光導波路１１を構成した。また、セグメント長
を一定にして、セグメントの中でコアの占める割合を増
やすように形成することで、ビームスポット径縮小光導
波路１３を構成した。
【００５２】その他、図示はしていないが、コア間のギ
ャップをほぼ一定にするのであれば、光ビームの進行方
向においてコア自体の長さが短くなるように各セグメン
トを形成することによっても、ビームスポット径拡大光
導波路１１を構成することができる。逆に、コアの長さ
がほぼ一定であれば、光ビームの進行方向においてコア
間のギャップが大きくなるように各セグメントを形成す
ることで、ビームスポット径拡大光導波路１１を構成す
ることができる。また、セグメント、特にコア１の寸法
に関しては、図示していない使用する半導体レーザのビ
ームスポット径等により決まるが、ビームスポット変換
光導波路２１を伝搬するときの損失が極端に大きくなら
ないように構成するのが好ましい。例えば、セグメント
の周期を２０μｍとし、そこに占めるコアの長さを１９
〜１０μｍくらいの範囲とすることが望ましい。
ャップをほぼ一定にするのであれば、光ビームの進行方
向においてコア自体の長さが短くなるように各セグメン
トを形成することによっても、ビームスポット径拡大光
導波路１１を構成することができる。逆に、コアの長さ
がほぼ一定であれば、光ビームの進行方向においてコア
間のギャップが大きくなるように各セグメントを形成す
ることで、ビームスポット径拡大光導波路１１を構成す
ることができる。また、セグメント、特にコア１の寸法
に関しては、図示していない使用する半導体レーザのビ
ームスポット径等により決まるが、ビームスポット変換
光導波路２１を伝搬するときの損失が極端に大きくなら
ないように構成するのが好ましい。例えば、セグメント
の周期を２０μｍとし、そこに占めるコアの長さを１９
〜１０μｍくらいの範囲とすることが望ましい。
【００５３】また、本実施例では、ビームスポット径を
急激に変化させると光ビームのモードまでを変換させる
恐れがあるので、複数個のセグメントを用いて緩やかに
ビームスポット径を変換するように構成した。例えば、
光ビームが１００μｍ伝搬する間に平均屈折率が０．０
５〜０．２％ぐらいの範囲内で、伝搬方向に対しておよ
そ一定の割合で変換することが好ましい。
急激に変化させると光ビームのモードまでを変換させる
恐れがあるので、複数個のセグメントを用いて緩やかに
ビームスポット径を変換するように構成した。例えば、
光ビームが１００μｍ伝搬する間に平均屈折率が０．０
５〜０．２％ぐらいの範囲内で、伝搬方向に対しておよ
そ一定の割合で変換することが好ましい。
【００５４】また、本実施例においては、セグメントの
ｙ軸方向の幅も変化させて構成しているが、これによっ
て光ビームの伝搬時の拡散についても次段のコアに入射
させて損失を減らすことができる。但し、セグメントの
ｙ軸方向の幅は、光ビームの伝搬するモードが変わらな
い程度に変化させなければならない。
ｙ軸方向の幅も変化させて構成しているが、これによっ
て光ビームの伝搬時の拡散についても次段のコアに入射
させて損失を減らすことができる。但し、セグメントの
ｙ軸方向の幅は、光ビームの伝搬するモードが変わらな
い程度に変化させなければならない。
【００５５】一方、ビームスポット保持光導波路１２で
は、αを一定の値としてビームスポット径をおおよそ一
定の値に保つように構成した。なお、ビームスポット保
持光導波路１２の端部では、結合損失を起こさないよう
にビームスポット拡大光導波路１１及びビームスポット
縮小光導波路１３のそれぞれの端部と同じビームスポッ
ト径にするのが好ましいが、伝搬損失が大きくならなけ
れば必ずしも一定である必要はない。
は、αを一定の値としてビームスポット径をおおよそ一
定の値に保つように構成した。なお、ビームスポット保
持光導波路１２の端部では、結合損失を起こさないよう
にビームスポット拡大光導波路１１及びビームスポット
縮小光導波路１３のそれぞれの端部と同じビームスポッ
ト径にするのが好ましいが、伝搬損失が大きくならなけ
れば必ずしも一定である必要はない。
【００５６】これによって、前述の図８に示した原理に
基づき、Ｘ方向（積層方向）のみならず、Ｙ方向に対す
るトレランスを向上させることができる。また、結合効
率を向上させることもできる。
基づき、Ｘ方向（積層方向）のみならず、Ｙ方向に対す
るトレランスを向上させることができる。また、結合効
率を向上させることもできる。
【００５７】なお、あらゆる方向への軸ずれに対してト
レランス拡大をさらに高める場合は、コアの積層方向は
セグメントの幅を変化させる軸でない方が望ましい。
レランス拡大をさらに高める場合は、コアの積層方向は
セグメントの幅を変化させる軸でない方が望ましい。
【００５８】図６に、光伝搬法（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａ
ｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ、ＢＰＭ）による本実施例
の導波路とＬＤとの結合効率の計算結果を示す。ここ
で、第１のコア４１及び第３のコア４３の屈折率ｎ１１
＝ｎ１３＝１．４６２０、第２のコア４２の屈折率ｎ
１２＝１．４６４１５９２、クラッドの屈折率ｎ０＝
１．４５７６とした。また、通常の光導波路２２におけ
る第１のコア４１及び第３のコア４３の断面形状は６．
５×０．９μｍとし、第２のコア４２は６．５μｍ角と
した。図から明らかなように、従来技術に比べｘ軸、ｙ
軸いずれの方向にも軸ずれ時の結合効率が大きい、即ち
トレランスが拡大されていることが分かる。
ｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ、ＢＰＭ）による本実施例
の導波路とＬＤとの結合効率の計算結果を示す。ここ
で、第１のコア４１及び第３のコア４３の屈折率ｎ１１
＝ｎ１３＝１．４６２０、第２のコア４２の屈折率ｎ
１２＝１．４６４１５９２、クラッドの屈折率ｎ０＝
１．４５７６とした。また、通常の光導波路２２におけ
る第１のコア４１及び第３のコア４３の断面形状は６．
５×０．９μｍとし、第２のコア４２は６．５μｍ角と
した。図から明らかなように、従来技術に比べｘ軸、ｙ
軸いずれの方向にも軸ずれ時の結合効率が大きい、即ち
トレランスが拡大されていることが分かる。
【００５９】なお、本実施例に示す通常の光導波路２２
のコアは、その全ての箇所で屈折率の異なる部材の積層
構造をとることとなる。従って、各コア層の屈折率及び
断面の寸法を決定する際には、通常の導波路部２２にお
ける光の伝搬モードに留意する必要がある。例えば、単
一モードで伝送させる場合には、高次のモードが発生し
ないようにモード解析によりチェックを行わなければな
らない。
のコアは、その全ての箇所で屈折率の異なる部材の積層
構造をとることとなる。従って、各コア層の屈折率及び
断面の寸法を決定する際には、通常の導波路部２２にお
ける光の伝搬モードに留意する必要がある。例えば、単
一モードで伝送させる場合には、高次のモードが発生し
ないようにモード解析によりチェックを行わなければな
らない。
【００６０】次に、図５を用いてビームスポット変換導
波路２１と光導波路２２とを一括して形成する製造工程
を以下に説明する。
波路２１と光導波路２２とを一括して形成する製造工程
を以下に説明する。
【００６１】まず、Ｓi基板３１を用意する（工程
（ａ））。
（ａ））。
【００６２】次に、Ｓi基板３１の上に第１クラッド層
３２を堆積し、さらにこの上に第１のコア層４１、第２
のコア層４２、ならびに第３のコア層４３を積層し、コ
ア層３３を形成する（工程（ｂ））。第１のコア層４
１、第２のコア層４２、ならびに第３のコア層４３は、
屈折率が所望の関係を満たすよう酸化チタンや酸化ゲル
マニウム等のドーパント濃度を調整している。この後、
ガラス微粒子膜を電気炉中で高温に加熱してこれを透明
化する（工程（ｂ））。 これは火炎堆積法と呼ばれる
プロセスで、石英系光導波路の作製方法として公知の技
術である。
３２を堆積し、さらにこの上に第１のコア層４１、第２
のコア層４２、ならびに第３のコア層４３を積層し、コ
ア層３３を形成する（工程（ｂ））。第１のコア層４
１、第２のコア層４２、ならびに第３のコア層４３は、
屈折率が所望の関係を満たすよう酸化チタンや酸化ゲル
マニウム等のドーパント濃度を調整している。この後、
ガラス微粒子膜を電気炉中で高温に加熱してこれを透明
化する（工程（ｂ））。 これは火炎堆積法と呼ばれる
プロセスで、石英系光導波路の作製方法として公知の技
術である。
【００６３】続いて、第１のコア層４１、第２のコア層
４２、ならびに第３のコア層４３を一括して通常のフォ
トリソグラフィを用いて、ビームスポット変換導波路２
１とそれに繋がる光導波路２２を構成するコアパターン
の形成を同時に行う。例えば、レジストを塗布しマスク
パターンを転写した後、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏ
ｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ、反応性イオンエッチング）により
所定の深さをエッチングしてコアパターンを形成する
（工程（ｃ））。
４２、ならびに第３のコア層４３を一括して通常のフォ
トリソグラフィを用いて、ビームスポット変換導波路２
１とそれに繋がる光導波路２２を構成するコアパターン
の形成を同時に行う。例えば、レジストを塗布しマスク
パターンを転写した後、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏ
ｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ、反応性イオンエッチング）により
所定の深さをエッチングしてコアパターンを形成する
（工程（ｃ））。
【００６４】その後、コア層の最も屈折率の小さい部材
（ここでは第１のコア層及び第３のコア層）より低い屈
折率となるようにドーパント量を調整した第２クラッド
層３４を、ガラス微粒子として堆積させ、さらに高温で
加熱して透明化する（工程（ｄ））。石英系の材料を用
いる場合には、ガラス軟化温度や熱膨張係数の調整のた
めに、補助的なドーパントを微量添加することが多い。
なお、コア及びクラッド材料に関しては、使用する波長
の光を透過することができかつ屈折率の微調整が可能で
あれば、石英系以外の、例えばポリマー系の材料を用い
ても構わない。
（ここでは第１のコア層及び第３のコア層）より低い屈
折率となるようにドーパント量を調整した第２クラッド
層３４を、ガラス微粒子として堆積させ、さらに高温で
加熱して透明化する（工程（ｄ））。石英系の材料を用
いる場合には、ガラス軟化温度や熱膨張係数の調整のた
めに、補助的なドーパントを微量添加することが多い。
なお、コア及びクラッド材料に関しては、使用する波長
の光を透過することができかつ屈折率の微調整が可能で
あれば、石英系以外の、例えばポリマー系の材料を用い
ても構わない。
【００６５】以上の工程により、ビームスポット変換導
波路２１とそれに繋がる光導波路２２を一括して構成す
ることができる。従って、ビームスポット変換光導波路
２１は、光導波路２２と一体で形成可能なため、光導波
路との位置ずれは実質的に皆無であり、部品点数の増加
ならびに製造工程の煩雑さといった問題は一切発生しな
い。なお、以下の実施例の構造についても適用できるこ
とは言うまでもない。
波路２１とそれに繋がる光導波路２２を一括して構成す
ることができる。従って、ビームスポット変換光導波路
２１は、光導波路２２と一体で形成可能なため、光導波
路との位置ずれは実質的に皆無であり、部品点数の増加
ならびに製造工程の煩雑さといった問題は一切発生しな
い。なお、以下の実施例の構造についても適用できるこ
とは言うまでもない。
【００６６】本発明の他の実施例を図２を用いて説明す
る。
る。
【００６７】図において、ビームスポット変換光導波路
２１が、ビームスポット拡大光導波路１１及びビームス
ポット縮小光導波路１３により構成されている点が前述
の第一の実施例と異なる。なお、この第二の実施例も３
層の積層コアとし、セグメント形状は有しており、ビー
ムスポット径を変換させるために、セグメントにおける
コア長さの割合αを光の伝搬方向に対して単調増加／減
少させて構成している。またセグメントのｙ軸方向の幅
も変化させて構成している。
２１が、ビームスポット拡大光導波路１１及びビームス
ポット縮小光導波路１３により構成されている点が前述
の第一の実施例と異なる。なお、この第二の実施例も３
層の積層コアとし、セグメント形状は有しており、ビー
ムスポット径を変換させるために、セグメントにおける
コア長さの割合αを光の伝搬方向に対して単調増加／減
少させて構成している。またセグメントのｙ軸方向の幅
も変化させて構成している。
【００６８】本実施例の構成によれば、ビームスポット
保持光導波路１２がないことで、前述の第一の実施例よ
りも小型化が図れるとともに、伝搬時の光ビームの損失
を抑制するといった効果がある。また、当然のことなが
ら結合効率は従来に比べて向上する。
保持光導波路１２がないことで、前述の第一の実施例よ
りも小型化が図れるとともに、伝搬時の光ビームの損失
を抑制するといった効果がある。また、当然のことなが
ら結合効率は従来に比べて向上する。
【００６９】次に、本発明の他の実施例を図３を用いて
説明する。
説明する。
【００７０】本実施例では、図１の実施例と同様ビーム
スポット拡大光導波路１１、ビームスポット保持光導波
路１２、ならびにビームスポット縮小光導波路１３によ
り構成されているが、ビームスポット拡大光導波路１１
およびビームスポット縮小光導波路１３のｙ−ｚ平面が
円形状をなしているのが異なる点である。３層の積層コ
アとしていること、ビームスポット保持光導波路１２は
セグメント形状であることは図１と同一である。
スポット拡大光導波路１１、ビームスポット保持光導波
路１２、ならびにビームスポット縮小光導波路１３によ
り構成されているが、ビームスポット拡大光導波路１１
およびビームスポット縮小光導波路１３のｙ−ｚ平面が
円形状をなしているのが異なる点である。３層の積層コ
アとしていること、ビームスポット保持光導波路１２は
セグメント形状であることは図１と同一である。
【００７１】セグメント形光導波路がセグメント群全体
でレンズ機能を持たせるのに対し、略円筒形状からなる
コアを複数個備えたビームスポット径変換光導波路は、
セグメント単体をレンズとみなした、レンズの集合体と
して機能する。ビームスポット拡大光導波路１１では、
ビームスポット径を拡大しつつ、凸レンズ作用によりそ
の拡大幅を制御し、光ビームがほぼ平行光によるようコ
ントロールする。すなわち、略円筒形状のコアを用いて
光ビームが際限なく拡がるのを抑制する。図３では同一
直径の円形形状のコアを複数個配置しているが、伝搬す
る光ビームのビーム径は拡大するので前段のコアの直径
以上のものを配置してもよい。光ビームスポット変換器
長を短くする観点に立てば、徐々に直径が大きくなるよ
うにコアを配置することが好ましい。
でレンズ機能を持たせるのに対し、略円筒形状からなる
コアを複数個備えたビームスポット径変換光導波路は、
セグメント単体をレンズとみなした、レンズの集合体と
して機能する。ビームスポット拡大光導波路１１では、
ビームスポット径を拡大しつつ、凸レンズ作用によりそ
の拡大幅を制御し、光ビームがほぼ平行光によるようコ
ントロールする。すなわち、略円筒形状のコアを用いて
光ビームが際限なく拡がるのを抑制する。図３では同一
直径の円形形状のコアを複数個配置しているが、伝搬す
る光ビームのビーム径は拡大するので前段のコアの直径
以上のものを配置してもよい。光ビームスポット変換器
長を短くする観点に立てば、徐々に直径が大きくなるよ
うにコアを配置することが好ましい。
【００７２】ビームスポット縮小光導波路１３では、や
はり略円筒形状のコアを複数個備えており、その凸レン
ズ作用によりビームスポット保持光導波路１２からの光
ビームを縮小して光導波路２２の有するビームスポット
径に近づくように構成される。図３では同一直径の円形
形状のコアを複数個配置しているが、ビーム径の縮小を
許容しているので前段のコアの直径以下のものを配置し
てもよい。
はり略円筒形状のコアを複数個備えており、その凸レン
ズ作用によりビームスポット保持光導波路１２からの光
ビームを縮小して光導波路２２の有するビームスポット
径に近づくように構成される。図３では同一直径の円形
形状のコアを複数個配置しているが、ビーム径の縮小を
許容しているので前段のコアの直径以下のものを配置し
てもよい。
【００７３】以上のように構成することで、図１に示す
実施例と同様、ｘ軸、ｙ軸いずれの方向の軸ずれに対し
てもトレランスの拡大が可能である。なお、結合効率を
改善する観点からすると、ビームスポット径保持部のな
い構成であっても良い。
実施例と同様、ｘ軸、ｙ軸いずれの方向の軸ずれに対し
てもトレランスの拡大が可能である。なお、結合効率を
改善する観点からすると、ビームスポット径保持部のな
い構成であっても良い。
【００７４】次に、本発明の他の実施例を図４を用いて
説明する。
説明する。
【００７５】本実施例では、前述の実施例におけるビー
ムスポット拡大光導波路１１に関して、ビームスポット
変換法としてコア断面積を光の伝搬方向に沿って変化さ
せる方法を適用した。コアは、前記２つの実施例と同様
３層の積層構造としている。これは、図２に示すビーム
スポット変換光導波路２１に適用した例であるが、当然
のことながら、図１に示すものにも適用できる。
ムスポット拡大光導波路１１に関して、ビームスポット
変換法としてコア断面積を光の伝搬方向に沿って変化さ
せる方法を適用した。コアは、前記２つの実施例と同様
３層の積層構造としている。これは、図２に示すビーム
スポット変換光導波路２１に適用した例であるが、当然
のことながら、図１に示すものにも適用できる。
【００７６】本実施例によるビームスポット拡大光導波
路１１においては、コアは光の伝搬方向に沿って断面積
が変化していく、いわゆるテーパ形状とした。但し、テ
ーパ形状となっているのは、ｙ軸方向、すなわち基板表
面に平行な軸方向のみで、ｘ軸方向は一定となってい
る。
路１１においては、コアは光の伝搬方向に沿って断面積
が変化していく、いわゆるテーパ形状とした。但し、テ
ーパ形状となっているのは、ｙ軸方向、すなわち基板表
面に平行な軸方向のみで、ｘ軸方向は一定となってい
る。
【００７７】この図示したテーパ形状を用いることで、
ビームスポット径はｘ軸・ｙ軸両方向に拡大・縮小する
ことができるが、これは、光の伝搬方向に沿ってコア断
面積を縮小させると、ある程度まではビームスポット径
は小さくなり、さらに小さくするとコアへの光の閉じ込
めが弱くなり、ビームスポット径は拡大するからであ
る。従って、ビームスポット拡大光導波路１１における
テーパの度合いを調整することで、所定のビームスポッ
ト径に拡大させることができる。
ビームスポット径はｘ軸・ｙ軸両方向に拡大・縮小する
ことができるが、これは、光の伝搬方向に沿ってコア断
面積を縮小させると、ある程度まではビームスポット径
は小さくなり、さらに小さくするとコアへの光の閉じ込
めが弱くなり、ビームスポット径は拡大するからであ
る。従って、ビームスポット拡大光導波路１１における
テーパの度合いを調整することで、所定のビームスポッ
ト径に拡大させることができる。
【００７８】このような形態で形成されたビームスポッ
ト変換光導波路であっても、結合効率を変換できる。従
って、図１に示す実施例と同様、ｘ軸、ｙ軸いずれの方
向の軸ずれに対してもトレランスの拡大が実現できる。
ト変換光導波路であっても、結合効率を変換できる。従
って、図１に示す実施例と同様、ｘ軸、ｙ軸いずれの方
向の軸ずれに対してもトレランスの拡大が実現できる。
【００７９】
【発明の効果】本発明によれば、光部品間の結合効率を
向上させた光伝送モジュール及び光通信システムを提供
することができる。また、少なくとも光部品間の結合効
率もしくはトレランスのどちらか一方を向上させた光伝
送モジュール及び光通信システムを提供することができ
る。
向上させた光伝送モジュール及び光通信システムを提供
することができる。また、少なくとも光部品間の結合効
率もしくはトレランスのどちらか一方を向上させた光伝
送モジュール及び光通信システムを提供することができ
る。
【図１】本発明に係るビームスポット変換光導波路の第
１の実施の形態例を示す鳥瞰図である。
１の実施の形態例を示す鳥瞰図である。
【図２】本発明に係るビームスポット変換光導波路の第
２の実施の形態例を示す鳥瞰図である。
２の実施の形態例を示す鳥瞰図である。
【図３】本発明に係るビームスポット変換光導波路の第
３の実施の形態例を示す鳥瞰図である。
３の実施の形態例を示す鳥瞰図である。
【図４】本発明に係るビームスポット変換光導波路の第
４の実施の形態例を示す鳥瞰図である。
４の実施の形態例を示す鳥瞰図である。
【図５】本発明に係るビームスポット変換光導波路の第
１の実施の形態例の製造工程を示す断面図である。
１の実施の形態例の製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明に係るビームスポット変換光導波路の第
１の実施の形態例ならびに従来技術による光ビームの結
合効率および軸ずれに対するトレランスを表す図であ
る。
１の実施の形態例ならびに従来技術による光ビームの結
合効率および軸ずれに対するトレランスを表す図であ
る。
【図７】セグメント型光導波路を表す模式図である。
【図８】本発明に係るビームスポット変換光導波路のビ
ームスポット径の変化を表す模式図である。
ームスポット径の変化を表す模式図である。
【図９】本発明に係るビームスポット保持光導波路のト
レランス向上効果を表す模式図である。
レランス向上効果を表す模式図である。
【図１０】従来技術における光結合を表す模式図であ
る。
る。
１…コア、２…クラッド、３…光ビーム、１１…ビーム
スポット拡大光導波路、１２…ビームスポット保持光導
波路、１３…ビームスポット縮小光導波路、２１…ビー
ムスポット変換光導波路、２２…光導波路、２３…半導
体レーザ、３１…Ｓｉ基板、３２…第一クラッド層、３
３…コア層、３４…第二クラッド層、４１…第１のコア
層、４２…第２のコア層、４３…第３のコア層
スポット拡大光導波路、１２…ビームスポット保持光導
波路、１３…ビームスポット縮小光導波路、２１…ビー
ムスポット変換光導波路、２２…光導波路、２３…半導
体レーザ、３１…Ｓｉ基板、３２…第一クラッド層、３
３…コア層、３４…第二クラッド層、４１…第１のコア
層、４２…第２のコア層、４３…第３のコア層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 外川 英男 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 Ｆターム(参考） 2H047 KA03 KA11 KA13 LA05 MA00 TA32
Claims (14)
- 【請求項１】光ビームのビームスポット径を光ビームの
伝搬方向に沿って拡大する第一の光導波路と、該第一の
光導波路により拡大されたビームスポット径を光ビーム
の伝搬方向に沿って縮小する第二の光導波路とを備え、
光ビームの伝搬方向である光軸をｚ軸、これに直交する
断面で垂直方向の軸をｘ軸、水平方向の軸をｙ軸とした
とき、該第一の光導波路もしくは該第二の光導波路のう
ちの少なくとも一方の光導波路のコア部の屈折率をｘ軸
もしくはｙ軸に沿って変化させて構成したことを特徴と
する光伝送モジュール。 - 【請求項２】前記コア部の中心に屈折率ｎ1の第一の部
材を有し、該第一の部材の上下もしくは左右の両側に該
第一の部材よりも屈折率の小さい屈折率ｎ2の第二の部
材を有することを特徴とする請求項１記載の光伝送モジ
ュール。 - 【請求項３】前記光導波路のコア部を屈折率ｎ1の第１
のコア、屈折率ｎn-1の第ｎ−１のコア、屈折率ｎnの第
ｎのコアを順に積層して構成し、該各部材の屈折率の関
係をｎ(n+1)/2＞n(n-1)/2＞・・・＞ｎ2＞ｎ1ならびに
ｎ(n+1)/2＞n(n+3)/2＞・・・＞ｎn-1＞ｎnとしたこと
を特徴とする請求項１記載の光伝送モジュール。 - 【請求項４】Ｚ方向に複数個のコアを配置して前記コア
部を構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれ
かに記載の光伝送モジュール。 - 【請求項５】前記コア部を構成する少なくとも１個のコ
アのｙ−ｚ断面が、略円、略楕円またはそれらを近似し
た形状であることを特徴とする請求項４記載の光伝送モ
ジュール。 - 【請求項６】前記コアの幅をｘ軸もしくはｙ軸のいずれ
か一方についてｚ軸方向に沿って変化させて構成したこ
とを特徴とする請求項４または５記載の光伝送モジュー
ル。 - 【請求項７】光ビームのビームスポット径を光ビームの
伝搬方向に沿って拡大する第一の光導波路と、該第一の
光導波路により拡大されたビームスポット径を保持する
第二の光導波路と、該第二の光導波路により保持された
ビームスポット径を縮小する第三の光導波路とを備え、
光ビームの伝搬方向である光軸をｚ軸、これに直交する
断面で垂直方向の軸をｘ軸、水平方向の軸をｙ軸とした
とき、該第一の光導波路もしくは該第二の光導波路もし
くは該第三の光導波路のうちの少なくとも一つの光導波
路のコア部の屈折率をｘ軸もしくはｙ軸に沿って変化さ
せて構成したことを特徴とする光伝送モジュール。 - 【請求項８】前記コア部の中心に屈折率ｎ1の第一の部
材を有し、該第一の部材の上下もしくは左右の両側に該
第一の部材よりも屈折率の小さい屈折率ｎ2の第二の部
材を有することを特徴とする請求項７記載の光伝送モジ
ュール。 - 【請求項９】前記光導波路のコア部を屈折率ｎ1の第１
のコア、屈折率ｎn-1の第ｎ−１のコア、屈折率ｎnの第
ｎのコアを順に積層して構成し、該各部材の屈折率の関
係をｎ(n+1)/2＞n(n-1)/2＞・・・＞ｎ2＞ｎ1ならびに
ｎ(n+1)/2＞n(n+3)/2＞・・・＞ｎn-1＞ｎnとしたこと
を特徴とする請求項７記載の光伝送モジュール。 - 【請求項１０】Ｚ方向に複数個のコアを配置して前記コ
ア部を構成したことを特徴とする請求項７から９のいず
れかに記載の光伝送モジュール。 - 【請求項１１】前記コア部を構成する少なくとも１個の
コアのｙ−ｚ断面が、略円、略楕円またはそれらを近似
した形状であることを特徴とする請求項１０記載の光伝
送モジュール。 - 【請求項１２】前記コアの幅をｘ軸もしくはｙ軸のいず
れか一方についてｚ軸方向に沿って変化させて構成した
ことを特徴とする請求項１０または１１記載の光伝送モ
ジュール。 - 【請求項１３】前記Ｚ方向における前記コアとコアとの
間には前記コアよりも屈折率の低いクラッド層が形成さ
れることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載
の光伝送モジュール。 - 【請求項１４】請求項１〜１３のいずれかに記載の光伝
送モジュールを構成要素とする光通信システム。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000300556A JP3941368B2 (ja) | 2000-09-28 | 2000-09-28 | 光伝送モジュールおよびそれを用いた光通信システム |
| US09/793,901 US6813419B2 (en) | 2000-09-28 | 2001-02-28 | Optical transmission module and optical communication system using the same |
| EP01301841A EP1195633B1 (en) | 2000-09-28 | 2001-02-28 | Optical transmission module and optical communication system using the same |
| DE60124195T DE60124195T2 (de) | 2000-09-28 | 2001-02-28 | Optisches Übertragungsmodul und seine Verwendung in einem optischen Übertragungssystem |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000300556A JP3941368B2 (ja) | 2000-09-28 | 2000-09-28 | 光伝送モジュールおよびそれを用いた光通信システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002107558A true JP2002107558A (ja) | 2002-04-10 |
| JP3941368B2 JP3941368B2 (ja) | 2007-07-04 |
Family
ID=18782222
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000300556A Expired - Lifetime JP3941368B2 (ja) | 2000-09-28 | 2000-09-28 | 光伝送モジュールおよびそれを用いた光通信システム |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6813419B2 (ja) |
| EP (1) | EP1195633B1 (ja) |
| JP (1) | JP3941368B2 (ja) |
| DE (1) | DE60124195T2 (ja) |
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| JP2006309197A (ja) * | 2005-03-30 | 2006-11-09 | Nec Corp | 導波路型光結合器、光サブアセンブリユニット、光モジュールおよび光結合方法 |
| KR20190087025A (ko) * | 2018-01-15 | 2019-07-24 | 한국전자통신연구원 | 광 도파로 구조체 |
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| US7650052B2 (en) * | 2007-07-05 | 2010-01-19 | Sun Microsystems, Inc. | Method and apparatus for coupling optical signals onto a semiconductor chip |
| US7929815B2 (en) * | 2008-08-27 | 2011-04-19 | International Business Machines Corporation | Optical coupling device |
| KR102064908B1 (ko) * | 2013-01-25 | 2020-01-10 | 삼성전자주식회사 | 광 커플링 시스템 및 이를 포함하는 광 센서 |
| JP2016024438A (ja) * | 2014-07-24 | 2016-02-08 | 住友電気工業株式会社 | 半導体光素子 |
| US10067112B2 (en) | 2015-09-30 | 2018-09-04 | Battelle Memorial Institute | Autonomous sensor fish to support advanced hydropower development |
| US9671560B1 (en) | 2016-03-18 | 2017-06-06 | Lumentum Operations Llc | Angled periodic segmented waveguide for spot size conversion with reduced return loss |
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| CN114578481B (zh) * | 2020-11-28 | 2023-07-07 | 华为技术有限公司 | 一种模斑转换装置及相关方法 |
| US20230367067A1 (en) * | 2022-05-11 | 2023-11-16 | Globalfoundries U.S. Inc. | Back-end-of-line edge couplers with a tapered grating |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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