JP2002258078A - 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、これらコアの隣接す
るコア間の少なくとも一部において、コアと同じ部材か
らなるコア連結部４を配置する構造とする。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、これらコアの隣接するコア間の少なくとも一部にお
いて、コアと同じ部材からなるコア連結部４を配置する
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】 ここで、κは

【０００５】

【数２】 である。上記式によれば、（１）Ｗ１＝Ｗ２、（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。

【０００６】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。

【０００７】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。

【０００８】

【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。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。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】

【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、少なくとも１組の
隣接する該コア部間に該コア部と同じ部材からなるコア
連結部が形成されたものである。

【００１３】また、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、少なくとも１
組の隣接する該コア部を該コア部と同じ部材からなるコ
ア連結部が形成されたものである。

【００１４】また、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、前記コア連結部のｘ軸、ｙ軸
方向の少なくとも一方の幅が、隣接するコア部の幅より
も小さいものである。

【００１５】また、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、前記複数個配置したコアの少
なくとも一つのコアのｙ−ｚ断面もしくはｚ−ｘ断面の
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、前記コアのｙ−ｚ断面もしくはｚ−
ｘ断面の最大幅が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。

【００１７】また、前記コアの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ものである。

【００１８】また、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、前記コアの少なくとも一つの
ｙ−ｚ断面もしくはｚ−ｘ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。

【００１９】また、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、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
化させて構成したものである。

【００２０】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。

【００２１】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（ｎは３以上の奇数）、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。

【００２２】また、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ものである。

【００２３】

【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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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）。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】この原理を図１０の模式図を用いて以下に
説明する。

【００３４】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。その結果、光が放射モードに結合する量が増
大し、本来伝搬すべき光導波路２２に進行する光ビーム
の量が減る。従って、軸ずれに対するトレランスは低下
してしまう。

【００３５】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が存在すること
によって放射モードへ結合することが抑制され、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。

【００３６】次に、ビームスポット径変換光導波路２１
の第1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２２の構成のみを図示した。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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、ｎ_０をクラッド２の屈折率、ｎ_１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ｎ_１’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。

【００４０】 ｎ_１’＝（１―α）・ｎ_０＋α・ｎ_１………（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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。なお、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。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
高次モードが励振する恐れがあるので、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０．０５〜０．２％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。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。

【００４４】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。

【００４５】ところで、本実施例におけるビームスポッ
ト径変換光導波路２１を構成する各セグメントは、コア
連結部４によってそれぞれ隣接するコアと連結している
が、この理由は以下の製造プロセス（図６）の説明にお
いて詳述する。なお、コア連結部のｙ軸方向の幅は、セ
グメントによるビームスポット径変換効果を阻害しない
よう、それが連結する幅よりも狭くすることが好まし
い。具体的には、コアの幅の１／３以下であることが望
ましい。下限値は、フォトリソグラフィの精度やコア厚
さに依存するが、コア厚さが７μｍ程度の場合は１μｍ
以上あることが望ましい。これより小さいと、精度よく
加工されない可能性がある。

【００４６】次に、図6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
を以下に記し、コア連結部４の効果を説明する。

【００４７】まず、Ｓi基板３１を用意する（工程
（ａ））。

【００４８】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））。第１クラッド層３２およびコア層３３
の部材として、フッ素化ポリイミドを用いた。製造工程
としては、まず、第１クラッド層３２の原材料であるワ
ニス状のポリイミド前駆体を基板３１上に滴下し、基板
３１をスピン回転させることにより均一に塗膜する。次
に、３５０℃程度の温度にてこれを熱硬化し、イミド化
させる。次に、第１クラッド層同様コア層３３の原材料
となるワニスを塗膜し、熱硬化させる（工程（ｂ））。
コア層３３は、フッ素化率を変動する等してクラッド層
３２よりも若干屈折率が高くなるような部材を用いてい
る。

【００４９】続いて、コア層３３を通常のフォトリソグ
ラフィを用いて、コア連結部４付きのビームスポット変
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（Ｒｅａｃｔ
ｉｖｅ Ｉｏｎ 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））。 その後、第１クラッド層
３１と同じ部材からなる第２クラッド層３４を成膜す
る。これも第１クラッド層３１やコア層３３と同様にポ
リイミド前駆体を塗布し、熱硬化させることにより形成
する（工程（ｄ））。

【００５０】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、ポリイミド以外の例えばシリコー
ン樹脂を用いても構わず、またポリマ系以外の石英系材
料を用いても構わない。

【００５１】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。

【００５２】ところで、工程（ｄ）においては、セグメ
ント状のコアとコアとの間（コア間隙）にもクラッドが
充填されるが、コア間隙が狭い、即ちコア間隙のアスペ
クト比（＝コア間隙の光軸垂直辺長さ÷光軸方向長さ）
が大きいと、コア間隙にあるクラッド層に空孔が発生す
る場合があることが我々の研究により明らかとなった。
特に、コア及びクラッドの部材にフッ素化ポリイミド等
のポリマを用いた場合、コア間隙が狭いとクラッドに気
泡が発生する恐れがある。これは、コア間隙が狭いこと
によって、熱硬化による体積収縮に対応するポリマの移
動が困難なこと、並びに揮発物の膜外への逃げ道が確保
されないことに起因していると考えている。要求される
寸法仕様としては、例えば、コア間隙については、所望
の平均屈折率を得るために場所によっては数μｍ程度と
する必要があり、コアの幅については、単一モードのビ
ームを効率よく伝搬させるために、７μｍ程度とする必
要があり、コアの高さについても同様におよそ７μｍ程
度とする必要がある。このような寸法仕様のコア間隙に
クラッド層を形成した場合、上述の空孔が発生する可能
性が高い。空孔の存在する光導波路に光を伝搬させる
と、空孔部分にて光の散乱が起こり、結合効率が極端に
低下してしまう。

【００５３】このような問題を解決するのがコア連結部
４であり、これによって見かけ上のコアのアスペクト比
を小さくし、体積収縮時のポリマ移動及び揮発物の膜外
への抜けを容易にすることで、空孔の発生を抑制する。

【００５４】例えば、前述の例において、コア間隔が２
μｍ、コアの幅が７μｍでコア連結部の幅が２μｍであ
れば、コア間隙部のアスペクト比は３．５から１．２５
に低減でき、空孔の発生を抑制できる。特に、コア間隙
が狭い場合（コア幅がコア間隔の√２倍よりも大きい場
合）は前述のアスペクト比を小さくすることが有効とな
る。なお、コア連結部を設けることによる前述のセグメ
ント状光導波路によるビームスポット径変換効果への影
響については、コア連結部の幅が細ければ問題はなく、
コア幅の１／３以下であることが望ましい。

【００５５】以上のようなコア連結部４を形成すると、
コア間隙における空孔の発生を抑制でき、光ビームの伝
搬不良が発生せず、良品率低下による製造コストの上昇
といった問題も起こさない。これは、以下の実施例の構
造についても同様である。

【００５６】図１２は、アスペクト比と空孔発生率との
関係を示すが、この図からも分かるように、アスペクト
比1.5以下であれば十分に空孔の発生数を抑制でき、よ
り好ましくは1.3以下であれば空孔は発生しない。この
結果は、以下の実施例についても同様である。但し、こ
れはコア膜厚７μｍの実験結果であり、コアが厚くなる
と、空孔の発生しない最大アスペクト比は小さくなる傾
向にある。

【００５７】次に、図7に、光伝搬法（Ｂｅａｍ Ｐｒ
ｏｐａｇａｔｉｏｎ 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ｎ_１２＝１．４６４１５９２、ク
ラッドの屈折率ｎ_０＝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。

【００５８】本発明の他の実施例を図２を用いて説明す
る。

【００５９】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、各セグメントは、コア連結部４によって
それぞれ隣接するコアと連結している。

【００６０】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。

【００６１】本発明の他の実施例を図３を用いて説明す
る。

【００６２】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。また、これらを構成要素である各
セグメントは、コア連結部４によってそれぞれ隣接する
コアと連結している。但し、ビームスポット径保持部１
２においては、コア連結部４を設けていない。これは、
図とは異なるものの、ビームスポット径保持部における
セグメント間隔はビームスポット拡大光導波路１１やビ
ームスポット径縮小光導波路１３に比べて狭くなく、コ
ア連結部が存在しなくとも上述の空孔発生の可能性が少
ないからである。具体的には、ビームスポット保持光導
波路１２のコア間隙のアスペクト比を1.3以下とすれば
連結部を設けなくてもよい。

【００６３】また、図３における図１との違いは、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点であ
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。

【００６４】セグメント形光導波路は本来、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凸レンズ機能を有し、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
集光する効果を持つ。従って、これを適用することによ
り位置ずれトレランスのさらなる拡大を実現することが
できる。

【００６５】ビア樽形状としては、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□6.5μ
ｍ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。

【００６６】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
多角形状でも構わない。

【００６７】なお、図３においては、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、ビア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。

【００６８】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。

【００６９】本発明の他の実施例を図４を用いて説明す
る。

【００７０】図４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、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１
３のｙ−ｚ平面が円形状をなしている点である。ビーム
スポット径保持光導波路１２は矩形のセグメント状であ
り、これらセグメントは、コア連結部４によって隣接す
るコアと連結している。コア連結部の寸法条件に関して
は、図１と同様である。

【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４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４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。

【００７４】本発明の他の実施例を図５を用いて説明す
る。

【００７５】図５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。また、これらを構成要素である各
セグメントは、コア連結部４によってそれぞれ隣接する
コアと連結している。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ｎ_１、第２のコアの屈折率
ｎ_２、第３のコアの屈折率ｎ_３、ならびにクラッド２の
屈折率ｎ_０は、ｎ_２＞ｎ_１＞ｎ_０、ｎ_２＞ｎ_３＞ｎ_０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ｎ_０との間には、
例えば、Δｎ＝（ｎ_２−ｎ_０）／ｎ_２×１００［％］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、ｎ_１＝ｎ_３、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。

【００７６】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。

【００７７】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５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。これは図１の構造に限らず、図２〜４の
構造にも適用してもよい。

【００７８】

【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。また、コア間間隙に発生する空孔に起因する良品率
低下を防ぐことができる。

【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
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
５の実施の形態例を示す鳥瞰図である。

【図６】本発明に係るビームスポット変換光導波路の第
１の実施の形態例の製造工程を示すｚ−ｘ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。

【図１２】空孔発生率を表す図である。

【符号の説明】

１…コア、２…クラッド、３…光ビーム、４…コア連結
部、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、３３…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

Claims (12)

【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、少なくとも１組の隣接する
   該コア部間に該コア部と同じ部材からなるコア連結部が
   形成されたことを特徴とする光伝送モジュール。
2. 【請求項２】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、
   少なくとも１組の隣接する該コア部を該コア部と同じ部
   材からなるコア連結部が形成されたことを特徴とする光
   伝送モジュール。
3. 【請求項３】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、前記コア連結部のｘ軸、ｙ軸方向の
   少なくとも一方の幅が、隣接するコア部の幅よりも小さ
   いことを特徴する請求項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、前記複数個配置したコアの少なくと
   も一つのコアのｙ−ｚ断面もしくはｚ−ｘ断面の幅が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請
   求項１〜３のいずれかに記載の光伝送モジュール。
5. 【請求項５】前記コアのｙ−ｚ断面もしくはｚ−ｘ断面
   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】前記コアの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】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、前記コアの少なくとも一つのｙ−ｚ
   断面もしくはｚ−ｘ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１〜３の
   いずれかに記載の光伝送モジュール。
8. 【請求項８】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、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１〜７のいずれかに
   記載の光伝送モジュール。
9. 【請求項９】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８記載の光伝送モジュ
   ール。
10. 【請求項１０】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（ｎは３以上の奇数）、該各部材の
    屈折率の関係をｎ_(n+1)/2＞n_(n-1)/2＞・・・＞ｎ₂＞ｎ
    ₁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８記載の光伝送モジュー
    ル。
11. 【請求項１１】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１〜１
    ０のいずれかに記載の光伝送モジュール。
12. 【請求項１２】請求項１〜１１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。