JP2007025256A - 導波路型光モジュール及びその発光素子のモニター方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の発光素子と結合したアレイ状光導波路において、発光素子の強度の観察を簡易かつ小型、また安価に実現する導波路型光モジュール、及びその導波光のモニター方法を提供する。
【解決手段】 複数の発光素子と、各発光素子から出射する光を伝搬させるアレイ構造のマルチモード光導波路と、各主導波路コアの前記発光素子側と、他側との間で分岐する分岐導波路コアと、各分岐導波路コアの２以上が結合する結合導波路コアと、結合導波路コアからの光をモニターするモニター用受光素子と、を備え、主導波路コアと、分岐導波路コア又は結合導波路コアとが同一平面内で交差する導波路型光モジュール、及び前記主導波路コアに結合された発光素子を１個ずつまたは複数個を同時に点灯し、該発光素子からの光を前記モニター用受光素子が受光し、該モニター用受光素子が得た受光情報に基づきモニターする導波路型光モジュールの発光素子のモニター方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光素子及びモニター用受光素子を備えた導波路型光モジュール及びその発光素子のモニター方法に関する。

光導波路とその端面に発光素子が結合された系において、発光素子は例えば端面レーザーダイオードや面発光型レーザーや発光ダイオードなどが挙げられるが、それらの発光強度は一般的に温度や湿度などの外部環境あるいは経時変化などにより変化し、それに伴い導波路を伝搬する信号強度も変化する。そこで光通信においてはそれを安定させ、管理する必要がある。そのために、発光素子と結合された光導波路を終端手前で分岐させ、その分岐されたモニター用導波路の終端または光ファイバーや光学素子を介して受光素子を結合し、その受光素子によって受光強度を観測することで状態の把握し、発光素子の駆動を司るドライバチップにフィードバックすることで発光強度を調整することが行われる。しかし、複数の発光素子と結合した光導波路がアレイ状、かつ密度高く集積されている場合、発光素子の数だけの受光素子が必要となり、空間物理的に配置が困難であるということと、それに伴う調芯の困難さ、また受光素子の数の多さによるコスト高が問題となる。また、高速性や物理的空間の制限を克服するために、受光素子手前で、光路変換用のミラー素子等や光ファイバー等で受光素子に光を導くという手法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、それはまたコスト高や物理的空間制約の要因となっていた。また、分岐をなくし、主導波路の一部にミラー等を設置し、受光素子に光路変換した場合においてもやはりアレイ数と同じ数の受光素子が必要となる。
特開平６−２８１８３７号公報

本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであって、以下の目的を達成することを課題とする。すなわち、
本発明の目的は、複数の発光素子と結合したアレイ状光導波路において、発光素子の強度の観察を簡易かつ小型、また安価に実現する導波路型光モジュール、及びその発光素子のモニター方法を提供することにある。

前記課題を解決するための手段は以下の通りである。すなわち、
＜１＞ 複数の発光素子と、該複数の発光素子のそれぞれと光学的に結合し、各発光素子から出射する光を伝搬させるアレイ構造の複数の主導波路コアを有するマルチモード光導波路と、前記各主導波路コアの前記発光素子側の始端と、他側の終端との間で分岐する分岐導波路コアと、前記各分岐導波路コアのうちの２以上が結合してなる１以上の結合導波路コアと、前記結合導波路コアから出射する光をモニターするモニター用受光素子と、を備え、前記主導波路コアと、前記分岐導波路コア又は結合導波路コアとが同一平面内で交差することを特徴とする導波路型光モジュールである。

＜２＞ 前記分岐導波路コアと他の主導波路コアとが４５度〜１３５度の範囲で交差することを特徴とする前記＜１＞に記載の導波路型光モジュールである。

＜３＞ 前記分岐導波路コアの径が前記主導波路コアの径の１０％〜１００％であることを特徴する前記＜１＞または＜２＞に記載の導波路型光モジュールである。

＜４＞ 前記光導波路が高分子フィルムで形成されていることを特徴とする前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の導波路型光モジュールである。

＜５＞ 前記光導波路の端に、４５度ミラー面からなる光路変換面を有し、前記発光素子から出射した光は前記光路変換面で反射し、前記主導波路コアに導かれること、及び結合導波路コアの伝搬光は前記光路変換面で反射し、モニター用受光素子へ導かれることを特徴とする前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の導波路型光モジュールである。

＜６＞ 前記結合導波路コアがモニター用受光素子に向かって径が減少するテーパー形状をなすことを特徴とする前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の導波路型光モジュールである。

＜７＞ 前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の導波路型光モジュールの発光素子の発光強度をモニターする方法であって、前記主導波路コアの各々に結合された発光素子を１個ずつまたは複数個を同時に点灯し、該発光素子からの光を前記モニター用受光素子が受光し、該モニター用受光素子が得た受光情報に基づきモニターすることを特徴とする導波路型光モジュールの発光素子のモニター方法である。

本発明によれば、複数の発光素子と結合したアレイ状光導波路において、発光素子の強度の観察を簡易かつ小型、また安価に実現する導波路型光モジュール、及びその発光素子のモニター方法を提供することができる。

本発明の導波路型光モジュールは、複数の発光素子と、該複数の発光素子のそれぞれと光学的に結合し、各発光素子から出射する光を伝搬させるアレイ構造の複数の主導波路コアを有するマルチモード光導波路と、前記各主導波路コアの前記発光素子側の始端と、他側の終端との間で分岐する分岐導波路コアと、前記各分岐導波路コアのうちの２以上が結合してなる１以上の結合導波路コアと、前記結合導波路コアから出射する光をモニターするモニター用受光素子と、を備え、前記主導波路コアと、前記分岐導波路コア又は結合導波路コアとが同一平面内で交差することを特徴としている。
以下、図面を参照して本発明の導波路型光モジュールについて説明する。

図１は、本発明を適用した導波路型光モジュールの一実施形態を示す模式図である。
図１に示す導波路型光モジュール１０は、４本の主導波路コア１２が内部に形成されたフィルム型のマルチモード光導波路１４と、４本の主導波路コア１２と光学的に結合した発光素子１６と、発光素子１６の光の光量をモニターする（後述）モニター用受光素子２０を有する。図１においては、各発光素子１６と、モニター用受光素子２０はドライバチップ２４と電気的に接続されていて、モニター用受光素子２０が受光した光学情報が電気信号に変換されてドライバチップ２４にフィードバックされる。そして、ドライバチップ２４は発光素子２４の発光強度を制御することができる。

光導波路１４の内部に形成された４本の主導波路コア１２は、それぞれ、発光素子１６側の始端と、他側の他端との間で分岐導波路コア１８に分岐し、主導波路コア１２を伝搬する光の一部は分岐導波路コア１８を伝搬する。さらに、４本の主導波路コア１２から分岐した４本の分岐導波路コア１８は１本に結合して結合導波路コア２２をなし、結合導波路コア２２は、モニター用受光素子２０に接続されている。すなわち、各発光素子１６から出射した光は主導波路コア１２を伝搬し、その一部は分岐導波路コア１８及び結合導波路コア２２を介してモニター用受光素子２０に入射する。

主導波路コア１２から分岐する分岐導波路コア１８は、モニター用受光素子２０に入射する前に隣り合う主導波路コア１２と交差するが、本発明においては、同一平面内で交差する。図２は、主導波路コア１２と分岐導波路コア１８とが同一平面内で交差する様子を示す模式上面図である。主導波路コア１２Ａから分岐した分岐導波路コア１８は、角度Θで隣り合う主導波路コア１２Ｂと交差している。該角度Θは、４５度から１３５度の範囲であることが好ましく、７０度から１１０度であることがより好ましい。該角度で交差させることにより、隣の主導波路との交差による損失を少なくすることができ、更に、９０度で交差すると更に損失を低減することができ、特に好ましい。

主導波路コア１２から分岐導波路コア１８に分岐させる手段としては特に制限はなく、公知の光学分岐手段を利用することができる。

分岐導波路コアの曲率半径Ｒ（図２に示す）は上記交差角度範囲に収まる値で決定される。分岐導波路コアは一定の曲率に限定されるものでなく、様々な形状例えば、楕円円弧でもよく、正弦曲線の形をしていてもよい。それぞれの分岐導波路コアは他の分岐導波路コアと結合して、最終的には一本の結合導波路コアとなり、フィルム（マルチモード光導波路）端に達する。前記導波路フィルム端に達した結合導波路コア２２はモニター用受光素子２０、たとえば半導体フォトダイオード等と光学的に結合する。

分岐導波路コアの径は主導波路コアの径の１０％〜１００％であることが好ましく、１０〜４０％であることがより好ましい。上記範囲とすることにより、主導波路の伝搬光強度の低減が抑えられ、モニター光の取り出しが効率的となるとともに、導波路作製の歩留まりの点からも好ましい。

本発明において、光導波路の素材としては特に制限はないが、硬化型高分子材料で形成することが好ましい。高分子導波路は鋳型を利用した熱あるいは紫外線硬化型で形成され、それゆえにコアの形成のデザインに関しては自由度が高い。よって本発明のような分岐導波路コアの結合も容易に形成することができる。このような高分子光導波路の製造方法として、例えばＬＡＭＭ法（特開２００４−８６１４４号公報参照）が知られている。この製造方法はきわめて簡便かつ低コストで高分子導波路を量産することが可能で、また、簡便な方法であるにもかかわらず、導波損失が小さい高分子導波路を作製することが可能であり、鋳型作成が可能であればどうようなパターン形状を有するものでも簡易に作製が可能である。更に、従来作製が困難であったフレキシブル機材の上に光導波路を作製することが可能である。主導波路コアの分岐と結合とが複数存在する本発明に係る光導波路においてはきわめて有効である。

４個の発光素子１６の動作を司るドライバチップ２４はモニター用受光素子２０の感度値をもって、発光素子１６の発光強度の診断及び調整を行う（フィードバック回路）。そして診断は、光通信を行いながら診断を行う定常モードと、診断を目的として独立にそれを行う診断モードとがある。またドライバチップ２４または本モジュール内は不揮発性のメモリを有し、該メモリは発光素子１６の初期値等の基準値を記憶している。その基準値は各々の発光素子１６の基準値でもよいし、組み合わせによる基準値でもよい。次に詳細に説明する。

診断モードにおいては、目的に合わせてドライバチップ２４により発光素子１６を点灯させ、モニター用受光素子２０の感度値とメモリ内の記憶された値を用いて診断し、調整を行う。各発光素子１６は、ひとつずつ点灯させても、複数組み合わせて点灯させてもよい。つまり、例えば、図１のように、４本の主導波路コア１２から分岐した分岐導波路コアが結合して１本の結合導波路コアとなる態様の場合、発光素子４個を全て点灯させ、予め測定して記憶した発光素子４個点灯時に記憶した基準値と変化がなければ、４個の発光素子はいずれも変化がないと判断する。もし変化があれば、ひとつずつ点灯させどの発光素子に変化があったかを調べることにより異常のある発光素子を特定することができる。ただし、例えば、ある発光素子の発光強度の減少と、別の発光素子の発光強度の増加が等しく、残る２個の発光素子の発光強度に変化がない場合においては、４個の発光素子を同時に点灯させたときのモニター用受光素子が受ける感度は記憶値と変化がなく、２個の発光素子の変化をモニターすることはできない。このような場合も当然おこり得るので、４個点灯するのみでなく、４個の中の組み合わせを変えて点灯させて調べることができる。

定常モードにおいては、ドライバチップ２４が光通信のために各発光素子１６の点灯と消灯とを繰り返すに際し、１個の発光素子しか点灯させない場合においてはその発光素子の診断が可能であるし、複数の組み合わせにおいてもその組み合わせにおける基準値と比較し強度の診断を行い、調整することができる。

また、発光素子１６の制御を司るドライバチップ２４は、発光素子１６の強度の診断において４個の発光素子を異なった周波数で同時に発振させ、発光強度モニター用に結合された受光素子は、周波数多重された受光感度値をドライバチップにフィードバックし、ドライバチップはその値を周波数変調し、各々の強度とメモリ内の基準値と比較して強度調整を行うことができるのは言うまでもない。

以上の図１の実施形態においては、４本の主導波路コア１２から分岐した分岐導波路コアが結合して１本の結合導波路コアとなる形態であるが、結合導波路コアは１本である必要はなく、主導波路コアの本数より少ない本数であることで本発明の目的は達せられる。換言すると、各分岐導波路コアのうちの２以上が結合して、１以上の結合導波路コアを形成すれば、分岐導波路コアの本数を減らすことができ、モニター用受光素子の必要個数を減らすことができる。
図３は、４本の主導波路コアのうち２つずつ組み合わせて２本の結合導波路コア２２Ａ、２２Ｂが形成された形態を示す。この場合、モニター用受光素子２０は２個となり、発光素子２４の操作を司るドライバチップ２４へのフィードバック回路をそれぞれが保有すれば、２個のモニター用受光素子に対して同時に発光強度の診断を行うことができる。なお、図３においては図１と同じ構成要素には同じ符合を付して説明を省略する。

次いで、本発明を適用した導波路型光モジュールの別の実施形態について図４、図５を参照して説明する。
動作速度向上や集積度向上のために、電子素子と光素子が混在する、いわゆる光電混載が注目されている。このためには、受発光素子と光導波路が高密度かつコンパクトで結合されることが望ましい。本形態はそのような要求から空間資源を有効活用することができるようにした形態である。

図４は、本形態の光導波路１０Ｂを模式的に示す上面図であり、図５は側面図である。図４、図５に示す形態では、光導波路１０Ｂが４５度ミラー面からなる光路変換面２６及び光路変換面２８を有しており、発光素子１６と主導波路コア１２及び、結合導波路コア２２とモニター用受光素子２０とはそれぞれ光路変換面２６、２８を介して光学的に結合している。４５度ミラー面たる光路変換面２６、２８は、ダイシングソーの切削加工により形成することができる。ダイシングソーでの４５度加工は、４５度先端を持つブレードを用いることで加工可能となる。４５度ミラー面を形成する方法としては、ダイシングソーを利用するほかにレーザーや研磨を使う方法もある。

発光素子１６から出射した光は図５の側面図に示すように光路変換面２６で反射して９０度光路変換され主導波路コア１２中を伝搬する（図５において矢線で示した。）。そして、各主導波路コア１２から分岐して各分岐導波路コア１８に導かれ、さらに結合導波路コア２２に導かれ、光路変換面２８で反射し、モニター用受光素子方向へのモニター光となる。このように発光素子１６と、モニター用受光素子とを縦方向に重ねてモジュールを形成可能であることで、よりコンパクトとなる。なお、本形態における発光素子１６としては、面発光タイプのものが好ましい。

以上の導波路型光モジュールにおいて、図６に示すように、結合導波路コア２２はモニター用受光素子２０に向かってコア径が小さくなっているテーパー加工が施されることが好ましい。このような結合導波路コアの作製には鋳型を利用する方法が挙げられる。例えば、既述の鋳型を利用した導波路の作製において、あらかじめテーパー構造を形成した鋳型に、そこに熱あるいは紫外線によって硬化する高分子材料を注入し硬化させることにより形成することができる。テーパー加工された結合導波路コアはモニター用受光素子と光学的に結合させるが、テーパー加工が施されていることで、受光素子との調芯が容易になるとともに、より小さい受光径のモニター用受光素子を選択が可能となり、高速の光強度診断行うことができる。また、集光のためのレンズ等を用いる必要が無くコスト安となる。また、もちろん、モニター用受光素子と結合導波路コアの結合には、図４、図５で示したような光路変換面（ミラー面）を介してもよい。

結合されたモニター用導波路がモニター用受光素子に向かって径が細くなるようなテーパー加工を施すことによって、より受光径の小さい受光素子が選択でき高速駆動が可能となる。またそれによって発光素子の発光強度調整も高速となる。
導波路フィルムが光路変換面を有しており、発光素子と導波路フィルムのコア部とは光路変換面であるミラー面を介して結合している。それにより導波路フィルム下方に発光素子、受光素子を設置でき、コンパクトなモジュールを提供できる。

［実施例１］
図７に示すように、５００μｍピッチの面発光型レーザーＶＣＳＥＬ（富士ゼロックス製、波長８５０ｎｍ）の４個の発光素子３０があり、それに対しＬＡＭＭ法で作製されたアレイ型高分子光導波路３２（５００μｍピッチ、コア径５０μｍ□、コア屈折率１．５５、クラッド屈折率１．５１）を光学的に結合させた。光導波路３２には４本の主導波路コア３４を４本有し、各主導波路コア３４より径が１５μｍ、Ｒ７００μｍの分岐導波路コア３６が分岐形成されている。各分岐導波路コア３６は結合して１本の結合導波路コア３８をなしている。そして、結合導波路コア３８の終端にはφ２００μｍのマルチモード光ファイバ４０を光学的に接続し、その終端に光強度計４２を接続した。なお、光ファイバーと光導波路間にはマッチングオイルを使用した。

以上の実施例１で得られた導波路型光モジュールにおいて、点灯する発光素子を変えて光強度計で観測した。表１に示す組み合わせによる損失を示す。

このようにそれぞれの組み合わせによって受光強度の違いを観察できた。
この結果より明らかなように、本発明の形式による導波路型光モジュールを用いれば、発光素子数より少ない数のモニター用受光素子でそれぞれの光強度を観測、管理することができる。

［実施例２］
図８、図９に示すように、５００μｍピッチの面発光型レーザーＶＣＳＥＬ（富士ゼロックス製、波長８５０ｎｍ）の発光素子３０に前記ＬＡＭＭ法で作製された、光路変換面４４、４６を有する高分子導波路フィルム２２を結合した。光路変換面４４、４６は、ダイシングソーの切削加工により形成されおおよそ４５度の角度である。そして、発光素子３０と光導波路フィルム３２の主導波路コア３４とは上記４５度で形成された光路変換面４４を介して結合させた。実施例１と同様に、光導波路３２には４本の主導波路コア３４を４本有し、各主導波路コア３４より径が１５μｍ、Ｒ７００μｍの分岐導波路コア３６が分岐形成されている。各分岐導波路コア３６は結合して１本の結合導波路コア３８をなしている。そして、結合導波路コア３８の終端に位置する光路変換面４６の下方にはφ２００μｍのマルチモード光ファイバ４０を光学的に接続し、その終端に光強度計４２を接続し観察した。なお、光ファイバと導波路間にはマッチングオイルを使用した。その結果、実施例１と同様な結果が得られた。また、発光素子３０は光導波路フィルム３２の下方に設置でき、モジュールとして発光素子３０部分の空間を実施例１と比較して節約することができた。

［実施例３］
本実施例においては、図１０に示すように、結合導波路コア３８はモニター用受光素子４０に向かってコア径が小さくなっているテーパー加工が施されている。テーパー加工は実施例１及び実施例２と同様、ＬＡＭＭ法で行った。テーパー径は１５μｍ×５０μｍから１０ｍｍの長さで終端を１０μｍ×５０μｍとした。その他は、実施例１と同様である。
その結果、実施例１より光強度は小さいものの、それぞれの強度を確認することができた。
また、今回ＬＡＭＭ法により作製したテーパー導波路は一辺のみのテーパー加工だが、これを両辺においてテーパー加工すれば、先端は更に鋭角となり、より受光径が小さい受光素子と結合が可能であるし、また調芯も容易となるのは明らかである。また、集光のためのレンズ等を用いる必要が無くコスト安となる。

本発明を適用した導波路型光モジュールの一例を示す模式上面図である。 図１における主導波路コアと分岐導波路コアとの分岐部分を拡大して示す図である。 本発明を適用した導波路型光モジュールの別の例を示す模式上面図である。 本発明を適用した導波路型光モジュールのさらに別の例を示す模式上面図である。 図４に示す導波路型光モジュールの模式側面図である。 本発明を適用した導波路型光モジュールの結合導波路コアの変形例を示す図である。 実施例１の導波路型光モジュールを模式的に示す上面図である。 実施例２の導波路型光モジュールを模式的に示す上面図である。 実施例２の導波路型光モジュールを模式的に示す側面図である。 実施例３の導波路型光モジュールの結合導波路コア近傍を示す図である。

符号の説明

１０ 導波路型光モジュール
１２ 主導波路コア
１４ 光導波路
１６ 発光素子
１８ 分岐導波路コア
２０ モニター用受光素子
２２ 結合導波路コア

Claims (7)

1. 複数の発光素子と、
   該複数の発光素子のそれぞれと光学的に結合し、各発光素子から出射する光を伝搬させるアレイ構造の複数の主導波路コアを有するマルチモード光導波路と、
   前記各主導波路コアの前記発光素子側の始端と、他側の終端との間で分岐する分岐導波路コアと、
   前記各分岐導波路コアのうちの２以上が結合してなる１以上の結合導波路コアと、
   前記結合導波路コアから出射する光をモニターするモニター用受光素子と、を備え、
   前記主導波路コアと、前記分岐導波路コア又は結合導波路コアとが同一平面内で交差することを特徴とする導波路型光モジュール。
2. 前記分岐導波路コアと他の主導波路コアとが４５度〜１３５度の範囲で交差することを特徴とする請求項１に記載の導波路型光モジュール。
3. 前記分岐導波路コアの径が前記主導波路コアの径の１０％〜１００％であることを特徴する請求項１または２に記載の導波路型光モジュール。
4. 前記光導波路が高分子フィルムで形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の導波路型光モジュール。
5. 前記光導波路の端に、４５度ミラー面からなる光路変換面を有し、前記発光素子から出射した光は前記光路変換面で反射し、前記主導波路コアに導かれること、及び結合導波路コアの伝搬光は前記光路変換面で反射し、モニター用受光素子へ導かれることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の導波路型光モジュール。
6. 前記結合導波路コアがモニター用受光素子に向かって径が減少するテーパー形状をなすことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の導波路型光モジュール。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の導波路型光モジュールの発光素子の発光強度をモニターする方法であって、
   前記主導波路コアの各々に結合された発光素子を１個ずつまたは複数個を同時に点灯し、該発光素子からの光を前記モニター用受光素子が受光し、該モニター用受光素子が得た受光情報に基づきモニターすることを特徴とする導波路型光モジュールの発光素子のモニター方法。

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