JP2002169046A - 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

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】複数個のコアからなるビームスポット拡大
光導波路１１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、これらコアの少なく
とも一部において、光の伝搬方向に垂直な幅が光の伝搬
方向に沿って変化し中間付近で最大となる構造とする。
もしくは、複数個のコアからなるビームスポット拡大光
導波路１１と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、これらコアの少なくとも一部において、光
の伝搬方向に垂直な幅が光の伝搬方向に沿って変化し中
間付近で最大となる構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【０００３】この光ビームスポット変換器を説明するた
めに、図１１に示される半導体レーザと光導波路との結
合系模式図を用いて、光ビームの結合効率の求め方につ
いて言及する。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２
３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。

【０００４】

【数１】

【０００５】ここで、κは

【０００６】

【数２】

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】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。

【００１０】

【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。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】

【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、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を、光ビームを伝搬するように形
成されたコア部を光ビームの伝搬方向に複数個配置して
構成した光伝送モジュールにおいて、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、該複数個配
置したコアの少なくとも一つのｙ−ｚ断面もしくはｚ−
ｘ断面が、ｚ軸に垂直な方向の幅がｚ軸方向に沿って変
化した構造であるものである。

【００１６】また本発明は、前記複数個配置したコアの
少なくとも一つのｙ−ｚ断面もしくはｚ−ｘ断面の輪郭
の少なくとも一部が、対向する二つの円弧または円弧の
近似形状により構成されたものである。

【００１７】また本発明は、前記複数個配置したコアの
少なくとも一つのｙ−ｚ断面もしくはｚ−ｘ断面が、ｚ
軸に垂直な方向の最大幅がｚ軸方向におけるコアの２分
の１から３分の２の範囲に位置するものである。

【００１８】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、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を、光ビームを伝搬
するように形成されたコア部を光ビームの伝搬方向に複
数個配置して構成した光伝送モジュールにおいて、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、該複数個配置したコアの少なくとも一つのｙ−ｚ断
面もしくはｚ−ｘ断面が、ｚ軸に垂直な方向の幅がｚ軸
方向に沿って変化した構造であるものである。

【００１９】また本発明は、前記複数個配置したコアの
少なくとも一つのｙ−ｚ断面もしくはｚ−ｘ断面が、ｚ
軸に垂直な方向の最大幅がｚ軸方向におけるコアの２分
の１から３分の２の範囲に位置するものである。

【００２０】また本発明は、前記複数個配置したコアの
少なくとも一つのｙ−ｚ断面もしくはｚ−ｘ断面の輪郭
の少なくとも一部が、対向する二つの円弧または円弧の
近似形状により構成されたものである。

【００２１】また、以上説明した構成において、複数個
配置したコアの少なくとも一つの屈折率を、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。

【００２２】また、前記コアの中心に屈折率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。

【００２３】また、前記コアを屈折率ｎ₁の第１のコ
ア、屈折率ｎ_n-1の第ｎ−１のコア、屈折率ｎ_n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＞・・・＞ｎ_n-1＞ｎ_nとしたもので
ある。

【００２４】また、以上説明した構成において、前記光
ビームの伝搬方向における前記コア部とコア部との間に
は前記コア部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。

【００２５】

【発明の実施の形態】まず、本発明の原理を、図９に示
す模式図を用いて以下に説明する。

【００２６】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。

【００２７】図９（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。

【００２８】一方、図９（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。

【００２９】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）。

【００３０】図９（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。

【００３１】同様に、図９（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９（ｂ）の構
成においても図９（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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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９（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。

【００３５】この原理を図１０の模式図を用いて以下に
説明する。

【００３６】まず、図１０（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。

【００３７】しかしながら、図１０（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２２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。

【００３８】次に、ビームスポット径変換光導波路２１
の構成例を図１に示す。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２
２の構成のみを図示した。

【００３９】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（例えば、Δｎ＝（ｎ１−ｎ０）／ｎ１×１００
［％］（ｎ１：コアの屈折率、ｎ０：クラッドの屈折
率）としたとき、Δｎが０．２〜０．５％の範囲が望ま
しい）、３は光導波路を伝搬する光ビームである。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１
２、及びビームスポット縮小光導波路１３により構成し
た。これらビームスポット変換光導波路は、複数個のコ
アが光ビームの伝搬方向に沿って連結した構造、すなわ
ちセグメント形導波路となっている。これは、光ビーム
が伝搬する方向に沿ってコア／クラッド屈折率差を変換
することによってビームスポット径を拡大もしくは縮小
させるためにとった形状である。また、ビームスポット
拡大光導波路１１及びビームスポット保持光導波路１２
に関しては、各セグメントのｙ−ｚ断面の光ビームの伝
搬方向に垂直な方向の（すなわちｙ軸方向の）幅が、光
ビームの伝搬方向（すなわちｚ軸方向）に沿って円弧状
に変化しており、セグメントの中間付近でその幅（Ｙ軸
方向の長さ）が最大となっている。なお、最大幅の位置
は、セグメントの中間から後半の３/４付近が好まし
い。

【００４０】図６は本実施例におけるビームスポット拡
大光導波路を形成する一部のセグメント形光導波路のｙ
−ｚ断面図であるが、これを見ると、各セグメントの側
面が円弧状に膨らんでおり、ビヤ樽の断面形状を呈して
いるのが分かる。ビームスポット縮小光導波路１３に関
しては直方体のセグメントにより構成されている。

【００４１】まず、セグメント形光導波路によるビーム
スポット径変換の原理を以下に説明する。

【００４２】図８にセグメント型光導波路の模式図を示
す。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。

【００４３】 ｎ₁’＝（１―α）・ｎ₀＋α・ｎ₁………（１） つまり、このコア１とクラッド２の長さの比αを変える
ことによって光の伝搬方向に沿ってコアの屈折率を変化
させることができる。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。また、屈折率差が大きいとビームスポット径は縮小
する。従って、セグメント長を変化させることによって
コア／クラッド屈折率差をコントロールしビームスポッ
ト径を変換することができる。

【００４４】図１に示す実施例では、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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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１９〜１
０μｍくらいの範囲とすることが望ましい。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】次に、ビヤ樽形セグメントの効果について
図６を用いて以下に説明する。本来セグメント形光導波
路は、複数のセグメントが集まって一つのビームスポッ
ト変換器をなすものであるが、本実施例に見られるビヤ
樽形状のセグメントは、セグメント単体としてもビーム
スポット変換機能（＝レンズ効果）を有する。即ち、セ
グメント中間の幅の膨らみは、凸レンズとしての機能を
持ち、コアの外側に散乱されようとする光をコアの中心
軸方向へ集光する。これにより、軸ずれ時のトレランス
拡大効果をさらに増すことができる。但し、コアとクラ
ッドの屈折率差Δｎは高々Δｎ＝０．２〜０．５％であ
り、セグメント単体の凸レンズ効果は小さいため、複数
のセグメントを同様の形状にしてレンズ効果の増大を図
っている。また、各セグメントは、ビームスポット変換
光導波路の一部としても機能しなけらばならないため、
直方体から著しくかけはなれた形状をとることは望まし
くなく、最大幅を入出射面幅に対して0.3〜1.2倍程度加
えたものが望ましい。例えば、その最大幅は、標準の光
導波路の断面積が□6.5μｍの場合、入出射面幅に２〜
８μｍ程度加えた値が望ましい。これは、最大幅を極端
に大きくすると、高次モードを励振し、損失が増える可
能性があるからである。

【００５２】最大幅の位置は、セグメントの中央から後
半３/４付近が好ましい。

【００５３】さらに、各セグメント間あるいは各ビーム
スポット変換光導波路間でのビームスポット径の変化が
大きいと、伝搬損失が多大になるため、これを配慮した
構造としなければならない。

【００５４】なお、本実施例では側面を円弧としたビヤ
樽形の断面形状としたが、「光の伝搬方向に垂直な方向
の幅が光ビームの伝搬方向に沿って変化し、セグメント
中間から後半の３/４付近で幅が最大になる」という条
件を満たせばこれ以外でもよく、例えば円弧を近似した
多角形や、あるいは図７に示すような六角形の断面形状
でも構わない。

【００５５】次に、図４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。

【００５６】まず、Ｓi基板３１を用意する（工程
（ａ））。

【００５７】次に、Ｓi基板３１の上に第１クラッド層
３２を堆積し、さらにこの上にコア層３３を形成する
（工程（ｂ））。コア層３３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））。

【００５８】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。

【００５９】続いて、コア層３３を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２１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と
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（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅ
ｔｃｈｉｎｇ、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））。

【００６０】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。

【００６１】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。

【００６２】図５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、コアの屈折率ｎ₁₂＝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におけるコアの寸法は６．５μｍ角とした。図
から明らかなように、本発明によれば、従来技術に比べ
軸ずれなしのときの結合効率と軸ずれ時のそれとの差が
小さい、即ちトレランスが拡大されていることが分か
る。

【００６３】本発明の他の実施例を図２を用いて説明す
る。

【００６４】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。また、ビームスポット拡大光導波路１１に関し
ては、各セグメントのｙ−ｚ断面は前述の実施例同様ビ
ヤ樽形状となっている。ビームスポット縮小光導波路１
３の各セグメントは直方体形状である。

【００６５】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。

【００６６】本発明の他の実施例を図３を用いて説明す
る。

【００６７】図３は、図１と同様、ビームスポット径変
換光導波路２１は、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、ビームスポット径縮
小光導波路１３が光の伝搬方向に沿って連結することに
より構成されている。図１との違いは、光ビームを伝搬
するコア１が屈折率の異なる複数の部材により構成され
ている点である。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４
２、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
４２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。

【００６８】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ｎ_n-1）、第ｎのコア（屈折率ｎ_n）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＞・・・＞ｎ_n-1＞ｎ_n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。

【００６９】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３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より向上させる
ことができる。

【００７０】なお、図１〜３においては、ビームスポッ
ト拡大光導波路１１のみ、もしくは、ビームスポット拡
大光導波路１１とビームスポット保持光導波路１２にお
いてのみ、樽状のセグメントを使用したが、これはビー
ムスポット縮小光導波路１３にビア樽形状を設けると、
収束すべきビームが発散してしまうため、結合効率とト
レランスともに若干下がるからである。また、ビームス
ポット保持光導波路１２をビア樽形状にしないと、トレ
ランスは向上するが、ビームスポット拡大光導波路１１
からビームスポット保持光導波路１２へ伝搬する際の損
失が大きくなり、結合効率の絶対値が大幅に下がってし
まうからである。

【００７１】また、ビームの入出射面をビームの伝搬方
向に対してほぼ垂直な平面とすると、その平面の幅が、
ビームスポット拡大光導波路１１においては前段セグメ
ントの出射部幅以上、ビームスポット保持光導波路１２
においては前段セグメントの出射部幅と同等、仮にビー
ムスポット縮小光導波路１３にも使用するのであれば、
前段セグメントの出射部幅以下が望ましい。

【００７２】

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【図４】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ｚ−ｘ断面図であ
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６】本発明に係るビームスポット変換光導波路にお
けるセグメント型光導波路の第１の実施の形態例を示す
ｙ−ｚ断面図である。

【図７】本発明に係るビームスポット変換光導波路にお
けるセグメント型光導波路の一実施の形態例を示すｙ−
ｚ断面図である。

【図８】セグメント型光導波路を表す模式図である。

【図９】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。

【図１０】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。

【図１１】従来技術における光結合を表す模式図であ
る。

【符号の説明】

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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA02 BA11 BA31 CA34 2H047 KA04 KA11 LA05 MA05 MA07 TA32 5F073 AB25 AB28 BA01 FA06 5F088 BA20 BB01 JA14

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【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、
   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
   なくとも一方を、光ビームを伝搬するように形成された
   コア部を光ビームの伝搬方向に複数個配置して構成した
   光伝送モジュールにおいて、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、該複数個配置した
   コアの少なくとも一つのｙ−ｚ断面もしくはｚ−ｘ断面
   が、ｚ軸に垂直な方向の幅がｚ軸方向に沿って変化した
   構造であることを特徴とする光伝送モジュール。
2. 【請求項２】前記複数個配置したコアの少なくとも一つ
   のｙ−ｚ断面もしくはｚ−ｘ断面が、ｚ軸に垂直な方向
   の最大幅がｚ軸方向におけるコアの２分の１から３分の
   ２の範囲に位置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。
3. 【請求項３】前記複数個配置したコアの少なくとも一つ
   のｙ−ｚ断面もしくはｚ−ｘ断面の輪郭の少なくとも一
   部が、対向する二つの円弧または円弧の近似形状により
   構成されることを特徴とする請求項１または２記載の光
   伝送モジュール。
4. 【請求項４】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、
   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を、光ビームを
   伝搬するように形成されたコア部を光ビームの伝搬方向
   に複数個配置して構成した光伝送モジュールにおいて、
   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、該複数個配置したコアの少なくとも一つのｙ−ｚ
   断面もしくはｚ−ｘ断面が、ｚ軸に垂直な方向の幅がｚ
   軸方向に沿って変化した構造であることを特徴とする光
   伝送モジュール。
5. 【請求項５】前記複数個配置したコアの少なくとも一つ
   のｙ−ｚ断面もしくはｚ−ｘ断面が、ｚ軸に垂直な方向
   の最大幅がｚ軸方向におけるコアの２分の１から３分の
   ２の範囲に位置することを特徴とする請求項４記載の光
   伝送モジュール。
6. 【請求項６】前記複数個配置したコアの少なくとも一つ
   のｙ−ｚ断面もしくはｚ−ｘ断面の輪郭の少なくとも一
   部が、対向する二つの円弧または円弧の近似形状により
   構成される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。
7. 【請求項７】前記複数個配置したコアの少なくとも一つ
   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請求項１〜６のいずれかに記載の
   光伝送モジュール。
8. 【請求項８】前記コアの中心に屈折率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。
9. 【請求項９】前記コアを屈折率ｎ₁の第１のコア、屈折
   率ｎ_n-1の第ｎ−１のコア、屈折率ｎ_n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＞・・・＞ｎ_n-1＞ｎ_n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。
10. 【請求項１０】前記光ビームの伝搬方向における前記コ
    ア部とコア部との間には前記コア部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１〜９
    のいずれかに記載の光伝送モジュール。
11. 【請求項１１】請求項１〜１０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。