JP2019105798A - 光モジュール、光トランシーバ、及び光モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導波路の曲げを含め伝搬モードの励起状態が変化し得る構成において、結合損失を抑制する。【解決手段】光モジュールは、第１の光導波路を保持する第１コネクタと、第２の光導波路を保持する第２コネクタと、を有し、前記第２の光導波路は湾曲または光路の方向変換が可能な曲げ導波路であり、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の間に、前記第２の光導波路の曲げ方向に曲率を有するシリンドリカルレンズが配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、光モジュール、光トランシーバ、及び光モジュールの製造方法に関する。

スーパーコンピュータ、サーバシステム等の高性能演算システムでは、ＬＳＩ回路間の信号伝送レートが高くなる一方で、伝送損失や波形歪を補償するために消費電力が増大している。現状では、電気信号での高速伝送は短距離間の伝送に限られるようになってきている。一方、光ファイバ網の急速な発展により、長距離伝送から普及してきた光伝送は、徐々に近距離伝送にも取り入れられ、装置間、機器間などでの光通信も実現されている。

装置間、あるいは機器間の光接続には、光トランシーバ等の光モジュールと光ケーブルをセットにしたアクティブ光ケーブル（ＡＯＣ：Active Optical Cable）が用いられる。ＡＯＣで用いられる光モジュールは、一般的に、光素子、光配線、光路変換部、及び光接続部を有する。光素子として、面型光素子が用いられることが多い。この場合、光の入出力方向は実装基板に対して垂直となる。モジュールの筐体あるいはパッケージを小型かつ薄型にするには、光路を９０度変換して、基板と水平な方向に延びる光ファイバアレイに光結合させる構成が望ましい。光配線の一例としてポリマー光導波路が用いられることもある（たとえば、特許文献１参照）。

石英の導波路基板またはＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating：アレイ導波路）が形成されたバルク導波路基板の厚さ方向に曲率を有するシリンドリカルレンズを設けた構成が知られている（たとえば、特許文献２〜４参照）

特開２０１４−８５４１７号公報 国際公開番号ＷＯ２００９／０６３９８６号 特表２００５−５２６２８７号公報 特開２００９−３６９０３号公報

光配線用のポリマー光導波路は、厚さが１００〜１５０μｍ程度、幅はチャネル数によっても異なるが、数ｍｍ程度の帯状のフィルム導波路である。幅方向に比べて厚さ方向のサイズが一桁小さいため、厚さ方向に曲げやすく、限られたスペースでフレキシブルに配線することができる。

一方で、フィルム導波路の曲げの形状に応じて全反射条件が異なり、伝搬角が導波路の厚さ方向と配列方向で異なることがある。たとえば、導波路の配列方向をＸ方向、厚さ方向をＹ方向、伝搬方向をＺ方向とする。図１（Ａ）のように、曲げを含まない直線の導波路では、導波路から出射される光は均等（等方的）なビーム断面をもつ。

図１（Ｂ）のように導波路が厚さ方向（Ｙ方向）に曲がると、光源から同じ出射角（拡がり半角）θで導波路に入射した光に高次伝搬モードが励起され、伝搬モードの分布が厚さ方向に拡がる。その結果、導波路から出射される光の断面形状が縦長になる。この例で、導波路のＹ方向への曲げ半径は２ｍｍであるが、曲げの形状に応じて全反射条件が異なり、伝搬角が厚さ方向（Ｙ方向）と配列方向（Ｘ方向）で異なってくる。この場合、導波路から出射された光が光ファイバに結合する際に、結合損が生じ得る。

導波路の曲げに起因する結合損の問題は、９０度の光路変換構成を有する導波路にも生じる。９０度の光路変換は、たとえば、導波路形成面と平行な面にレンズや受発光素子を配置し、導波路内に４５度ミラーを形成して光の伝搬方向を９０度変換する。導波路の曲げはコア内部に高次伝搬モードを発生させるが、導波路上に配置される光素子の位置や４５度ミラーの形成ばらつきによっても、導波路伝搬モードの励起状態が変動する。伝搬モードの励起状態の変化によって、曲げ導波路の場合と同様に結合損が増大する。

本発明は、導波路の曲げを含め伝搬モードの励起状態が変化し得る構成において、結合損失を抑制することのできる構成を提供することを目的とする。

一つの態様では、光モジュールは、第１の光導波路を保持する第１コネクタと、第２の光導波路を保持する第２コネクタと、を有し、
前記第２の光導波路は湾曲または光路の方向変換が可能な曲げ導波路であり、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の間に、前記第２の光導波路の曲げ方向に曲率を有するシリンドリカルレンズが配置されている。

導波路の曲げを含め伝搬モードの励起状態が変化し得る構成において、結合損失を抑制することができる。

導波路の曲げによる結合損の発生を説明する図である。 第１実施形態の光モジュールの基本構成を説明する垂直断面図である。 第１実施形態の光モジュールの基本構成を説明する水平断面図である。 第１実施形態の光モジュールの分解斜視図である。 第１実施形態のレンズ構成を説明する図である。 第１実施形態の効果を示す図である。 第２実施形態の光モジュールの基本構成を説明する垂直断面図である。 第２実施形態の光モジュールの基本構成を説明する水平断面図である。 第３実施形態の光モジュールの基本構成を説明する垂直断面図である。 第３実施形態の光モジュールの基本構成を説明する水平断面図である。 第３実施形態の効果を示す図である。 第４実施形態の光モジュールの基本構成を説明する図である。 第４実施形態の光モジュールの作製工程図である。 第４実施形態のシリンドリカルレンズ形成の原理を説明する図である。 第４実施形態の第２コネクタの加工例を示す図である。 第４実施形態の第２コネクタの別の加工例を示す図である。 第４実施形態の第２コネクタのさらに別の加工例を示す図である。 光モジュールの変形例の垂直断面図である。 光モジュールの変形例の水平断面図である。 光モジュールの使用態様を示す図である。

以下で図面を参照して発明の実施形態を説明する。
＜第１実施形態＞
図２Ａと図２Ｂは、第１実施形態の光モジュール１の基本構成を示す図である。図２ＡはＹＺ面に沿った垂直断面図、図２ＢはＸＺ面に沿った水平断面図である。ここでは、光の伝搬方向をＺ方向としている。

光モジュール１は、少なくとも１本の光ファイバ１２を保持する第１コネクタ１０と、少なくともひとつのポリマー導波路３３を有するフィルム導波路３０を保持する第２コネクタ２０Ａを有する。図２Ａ及び図２Ｂでは、４本の光ファイバ１２−１〜１２−４（適宜、「光ファイバ１２」と総称する）と４つのポリマー導波路３３−１〜３３−４（適宜、「ポリマー導波路３３」と総称する）を光接続する４チャンネルの光モジュール１が例示されている。

各光ファイバ１２は、コア１３とコア１３を囲むクラッド１４を有し、所定の配列ピッチで第１コネクタ１０に保持されている。各ポリマー導波路３３は、コア３１とコア３１を取り囲むクラッド３２を有する。ポリマー導波路３３−１〜３３−４は、所定の配列ピッチでＸ方向に配列され、ポリイミドのカバーフィルム３４に保持されて、フィルム導波路３０が形成されている。フィルム導波路３０は、第２コネクタ２０Ａの後端面２９側で本体２６に固定されている。第２コネクタ２０Ａと、接着剤は、たとえば使用波長に対して透明な材料で形成されている。

第２コネクタ２０Ａは、ポリマー導波路３３と光ファイバ１２の間に、ポリマー導波路３３の曲げ方向と同じ方向に曲率を有するシリンドリカルレンズ２１Ａを有する。図２Ａ及び図２Ｂでは、ポリマー導波路３３はフィルム導波路３０の厚さ方向（Ｙ方向）にだけ曲がっており、シリンドリカルレンズ２１Ａは、Ｙ方向で曲率を有するが（図２Ａ）、円筒軸に沿ったＸ方向（図２Ｂ）では曲率を有しない。

シリンドリカルレンズ２１Ａは、第２コネクタ２０Ａの本体２６の内部に形成された空間２５に突出するように、本体２６と一体形成されていてもよい。シリンドリカルレンズ２１Ａを出射した光は、空間２５を通って対向面２５ａから本体２６に入射する。空間２５は、本体２６の材料と屈折率が異なる透明な接着層で充填されていてもよい。

第２コネクタ２０Ａは、光ファイバ１２と光結合する先端面２７に凸レンズ２２を有していてもよい。４チャンネルの光接続の場合、４つの凸レンズ２２−１〜２２−４が第２コネクタ２０Ａの本体２６の先端面２７に設けられる。凸レンズ２２−１〜２２−４の凸面を非球面としてもよい。

凸レンズ２２を非球面レンズとすることで、球面収差が小さい短焦点レンズが実現される。非球面の凸レンズ２２は、光ファイバ１２から出射する光を小さく絞ってシリンドリカルレンズ２１Ａに入射させることができる。また、ポリマー導波路３３から伝搬してシリンドリカルレンズ２１Ａを出射した光を、効率良く光ファイバ１２のコア１３に集光することができる。

各ポリマー導波路３３のコア３１を伝搬する光は、伝搬モード分布の曲げ方向への偏りがシリンドリカルレンズ２１Ａによって補償され、径方向の断面形状が整えられて、対応する凸レンズ２２に入射する。

この構成により、伝搬角度がフィルム導波路３０の厚さ方向（Ｙ方向）と配列方向（Ｘ方向）で異なってしまう状態を補正して、結合損を抑制することができる。

図３は、光モジュール１の分解斜視図である。光ファイバ１２−１〜１２−４は、第１コネクタ１０の対応するファイバガイド穴１９−１〜１９−４に挿入されて保持されている。第１コネクタ１０は、たとえば光ファイバ１２の配列の両側にガイドピン１８を有する。ガイドピン１８は、第２コネクタ２０Ａに形成されたガイドピン穴２８に挿入されて第１コネクタ１０と第２コネクタ２０Ａが嵌合する。

第２コネクタ２０Ａの先端面２７は、第１コネクタ１０と嵌合する嵌合面になる。ガイドピン１８とガイドピン穴２８によって、第１コネクタ１０と第２コネクタ２０Ａの先端面との間に凸レンズ２２の高さに相当する幅の空間が形成されてもよい。あるいは、凸レンズ２２を第２コネクタ２０Ａの先端面２７に設ける替わりに、先端面２７に本体２６の内側に引っ込んだ凹部を設けて、凹部の内部に凸レンズ２２のアレイを設けてもよい。

フィルム導波路３０は、第２コネクタ２０Ａの後端面２９に形成されているスリット２４１に挿入され、接着剤等で固定されている。フィルム導波路３０の厚さは、幅と比較して非常に薄いため、厚さ方向（Ｙ方向）に曲がりやすく、高次伝搬モードが励起されて伝搬モードの分布がＹ方向に拡がりやすい。伝搬モードの分布偏りによる光の伝搬角の拡がりは、ポリマー導波路３３の曲げ方向に曲率を有するシリンドリカルレンズ２１Ａによって補償される。これにより、光ファイバ１２とポリマー導波路３３の間で結合損失が抑制される。

図４は、第１実施形態で用いられるレンズ構成を説明する図である。第２コネクタ２０Ａの本体２６は、シリンドリカルレンズ２１と非球面の凸レンズ２２を一体的に組み込んだ構成となっている。シリンドリカルレンズ２１Ａと凸レンズ２２を含む本体２６は、アクリル系材料、ポリカーボネート、ポリオレフィン等で一体成型される。

凸レンズ２２単体の口径は約２５０μｍ、凸レンズ２２の底面からレンズトップまでの高さｔ１は、５０〜６０μｍ、ポリマー導波路３３の先端から凸レンズ２２のレンズトップまでの寸法ｔ２は、たとえば６００〜７００μｍである。

シリンドリカルレンズ２１Ａの口径は約２４０μｍ、ポリマー導波路３３の曲げ方向への曲率半径は０．１〜０．２ｍｍである。

後述するように、必ずしも第２コネクタ２０Ａの後端側にシリンドリカルレンズ２１Ａを配置し、先端側に非球面の凸レンズ２２を配置する必要はない。相互に接続される２つの導波路の少なくとも一方に生じる高次伝搬モードの励起状態の変化を補償できればよいので、適切な位置にシリンドリカルレンズ２１Ａを配置することができる。導波路の曲げ状態や光路方向の変換部の特性等に応じて、光の伝搬モードの分布が偏る方向に曲率を持つシリンドリカルレンズ２１Ａを、適切な位置に配置できる。

図５は、第１実施形態のレンズ構成の効果を示す図である。図４に示す実施形態のレンズ構成を用いて、ポリマー導波路３３の条件を種々に変えて挿入損失を計算で見積もる。比較例として、シリンドリカルレンズ２１Ａを設けずに、凸レンズ２２だけを備えたときの挿入損失を見積もる。

シミュレーションに用いるレンズパラメータは以下のとおりである。シリンドリカルレンズ２１Ａの口径は２４０μｍ、曲率半径は０．１５３ｍｍ、コーニック定数は−０．０１７、屈折率は１．５２である。

凸レンズ２２は非球面レンズとし、口径が２５０μｍ、ポリマー導波路３３の先端からレンズトップまでの寸法ｔ２が６８３μｍ、凸レンズ２２単体でのレンズ高さｔ１は６０μｍ、非球面の曲率半径は０．１２５ｍｍ、コーニック定数は−１．１３である。

シリンドリカルレンズ２１Ａと凸レンズ２２は、屈折率が１．５２の材料で、図４に示すように一体に形成されている。

ポリマー導波路３３として、エポキシ樹脂を用いて、コア幅５０μｍ、コア高さ５０μｍ、長さが５０ｍｍのフィルム導波路を用いる。クラッドの厚さは上下ともに１０μｍとする。コアの屈折率は１．５５、クラッドの屈折率は１．５である。

凸レンズ２２の先端にＧＩ５０ファイバ（コア径５０μｍ、外形１２５μｍ）を接続する。フィルム導波路をＳ字状に湾曲させた状態で、ポリマー導波路３３の後端から光を入射し、ＧＩ５０ファイバの出口からの光をモニタする。

ポリマー導波路の曲げ半径Ｒと、光源からの出射角度（半角）θの組み合わせを種々に変えて、実施形態の構成と比較例の構成で挿入損失を見積もることで、実施形態の構成の効果を検証する。

いずれの条件においても、実施形態の構成で、挿入損失が低減されている。光源からのビーム出射角θが同じ条件では、曲げ半径Ｒが小さくなるほど、すなわち曲がり方が大きくなるほど、比較例に比べて実施形態の挿入損失の低減効果が大きくなっている（シミュレーション番号１〜３参照）。これは、導波路の曲げ方向に曲率を有するシリンドリカルレンズで、曲げ方向への伝搬角度の拡がりが補償されているからである。

曲げ半径Ｒが同じ条件では、光源からのビーム出射角θが大きくなるほど、比較例に比べて実施形態の挿入損失の低減効果が大きくなっている（シミュレーション番号１，４，５参照）。

この結果から、ポリマー導波路３３の曲げ半径Ｒが小さい、もしくはビーム出射角θが大きい場合に、実施形態の構成は挿入損失の抑制により効果を発揮することが分かる。

＜第２実施形態＞
図６Ａと図６Ｂは、第２実施形態の光モジュール２の基本構成を示す図である。図６ＡはＹＺ面に沿った垂直断面図、図６ＢはＸＺ面に沿った水平断面図である。ここでは、光の伝搬方向をＺ方向としている。第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。

第２実施形態では、ポリマー導波路３３の曲げ方向を、フィルム導波路３０のＸＺ面内の方向とする。ポリマー導波路３３のコア３１は、露光と現像により容易にパターニングされるので、ＸＺ面内で所望の形状に湾曲させることができる。

光モジュール２は、少なくとも１本の光ファイバ１２を保持する第１コネクタ１０と、フィルム導波路３０を保持する第２コネクタ２０Ｂを有する。光モジュール２は、第１実施形態と同様に、４本の光ファイバ１２−１〜１２−４と４つのポリマー導波路３３−１〜３３−４を光接続する４チャンネルのモジュールである。

ＸＺ面内でのポリマー導波路３３−１〜３３−４の湾曲によって、励起された高次伝搬モードの分布がＸ方向に拡がり、ポリマー導波路３３−１〜３３−４から出射される光の伝搬角がＸ方向に拡がる。この伝搬角の拡がりを補償するために、シリンドリカルレンズ２１Ｂは、Ｘ方向に曲率を有する。

シリンドリカルレンズ２１Ｂは、ポリマー導波路３３-１〜３３−４の各々に生じる高次伝搬モードの分布拡がりを補償するために、Ｘ方向に沿って４つの半円筒形のサブレンズ２３−１〜２３−４を有する。サブレンズ２３−１〜２３−４の各々は、フィルム導波路３０の面内方向（図６Ｂ）で曲率を有するが、厚さ方向（図６Ａ）では曲率を有しない。

シリンドリカルレンズ２１Ｂの各サブレンズ２３−１〜２３−４は、第２コネクタ２０Ｂの本体２６の内部に形成された空間２５に突出するように、本体２６と一体形成されている。半円筒形の各サブレンズ２３−１〜２３−４を出射した光は、空間２５を通って対向面２５ａから本体２６に入射し、凸レンズ２２−１〜２２−４の各々で集光される。空間２５は本体２６の材料と屈折率が異なる透明な接着層で充填されていてもよい。

凸レンズ２２−１〜２２−４で集光された光は、対応する光ファイバ１２−１〜１２−４のコア１３に入射する。ポリマー導波路３３−１〜３３−４を伝搬する間に励起された高次モードのＸ方向への分布拡がりは、シリンドリカルレンズ２１Ｂの各サブレンズ２３−１〜２３−４によって補償される。

フィルム導波路３０が面内方向で湾曲するポリマー導波路３３を有する場合にも、フィルム導波路３０の厚さ方向（Ｙ方向）と配列方向（Ｘ方向）で異なる高次伝搬モードの分布の変化をシリンドリカルレンズ２１Ｂで補正して、結合損を抑制することができる。

＜第３実施形態＞
図７Ａと図７Ｂは、第３実施形態の光モジュール３の基本構成を示す図である。図７ＡはＹＺ面に沿った垂直断面図、図７ＢはＸＺ面に沿った水平断面図である。ここでは、光の伝搬方向をＺ方向としている。第１実施形態及び第２実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。

第３実施形態では、ファイバ同士の光接続に本発明の構成を適用する。光モジュール３は、少なくとも１本の光ファイバ１２を保持する第１コネクタ１０と、少なくとも１本の光ファイバ４２を保持する第２コネクタ２０Ｃを有する。第１実施形態及び第２実施形態と同様に、光モジュール４は、４本の光ファイバ１２−１〜１２−４と、４本の光ファイバ４２−１〜４２−４（適宜、「光ファイバ４２」と総称する）を光接続する４チャンネルのモジュールである。光ファイバ４２−１〜４２−４は、たとえば、第２コネクタ２０Ｃの後端面２９に形成されているファイバ穴２４２−１〜２４２−４に挿入されて、接着剤で固定される。

第１コネクタ１０に保持される光ファイバ１２−１〜１２−４は、たとえば石英ファイバである。第２コネクタ２０Ｃに保持される光ファイバ４２−１〜４２−２は、たとえば、石英ファイバ、またはプラスチックファイバである。光ファイバ４２をプラスチックファイバとする場合は、コアとクラッドを、フッ素系樹脂等で形成する。コアに添加するドーパントの濃度分布を変えることでＧＩ（グレーティングインデックス）型の屈折率分布にすることができる。

ファイバ同士の光接続の場合も、光ファイバの重みにより、ファイバ配列面（ＸＺ面）と直交するＹ方向に撓んで湾曲する場合がある。プラスチックファイバの場合は、石英ファイバよりもさらに曲がりやすく、励起された高次伝搬モードの分布が曲げの方向に拡がる蓋然性が高い。なお、図示は省略するが、光ファイバ１２−１〜１２−４と、光ファイバ４２−１〜４２−４は、それぞれ樹脂等の被膜でリボン状にまとめられていてもよい。

第２コネクタ２０Ｃは、光ファイバ４２と光ファイバ１２の間にシリンドリカルレンズ２１Ｃを有する。光ファイバ４２がＹ方向に曲がりやすいので、シリンドリカルレンズ２１Ｃは、Ｙ方向（ファイバ配列面と直交する方向）に曲率を有する。

第１実施形態と同様に、第２コネクタ２０Ｃの先端面２７に、非球面を有する凸レンズ２２−１〜２２−４を配置してもよい。シリンドリカルレンズ２１Ｃを用いることで、光ファイバ４２の曲げに起因する高次伝搬モードの分布拡がりを補償して、径方向に均等な断面形状を有する光を凸レンズ２２−１〜２２−４に入射させることができる。これにより、光ファイバ４２と光ファイバ１２の間の挿入損失を抑制して、高い光結合効率を実現することができる。

図８は、第３実施形態のレンズ構成の効果を示す図である。図７Ａ及び７Ｂに示す構成を用いて、光ファイバ４２の曲げ状態と光源からの出射角の組み合わせを種々に変えたときの挿入損失を計算で見積もる。比較例として、シリンドリカルレンズ２１Ｃを設けないで、凸レンズ２２だけを備えたときの挿入損失を見積もる。

シミュレーションに用いるレンズパラメータは以下のとおりである。シリンドリカルレンズ２１Ｃの口径は２５０μｍ、曲率半径は０．１５７ｍｍ、コーニック定数は−０．０２０、屈折率は１．５２である。

凸レンズ２２は非球面レンズとし、口径が２５０μｍ、光ファイバ４２の先端からレンズトップまでの寸法が６７６μｍ、凸レンズ２２単体でのレンズ高さは６０μｍ、非球面の曲率半径は０．１３２ｍｍ、コーニック定数は−０．６３である。

シリンドリカルレンズ２１Ａと凸レンズ２２は、屈折率が１．５２の材料を用いて、一体に形成されている。

光ファイバ４２は、フッ素系樹脂で形成されたＧＩ型のプラスチックファイバであり、コア径は５０μｍである。凸レンズ２２の先端に石英のＧＩ５０ファイバ（コア径５０μｍ、外形１２５μｍ）を接続する。

光ファイバ４２をＳ字状に湾曲させた状態で、光ファイバ４２の後端から光を入射し、光ファイバ１２の出口からの光をモニタする。

光ファイバ４２の曲げ半径Ｒと、光源からの出射角度（半角）θの組み合わせを種々に変えて、実施形態の構成と比較例の構成で挿入損失を見積もることで、実施形態の構成の効果を検証する。

いずれの条件においても、実施形態の構成で挿入損失が低減されている。光源からのビーム出射角θが同じ条件では、曲げ半径Ｒが小さくなるほど、すなわち曲がり方が大きくなるほど、比較例に比べて実施形態の挿入損失の低減効果が大きくなっている（シミュレーション番号１〜３参照）。

曲げ半径Ｒが同じ条件では、光源からのビーム出射角θが大きくなるほど、比較例に比べて実施形態の挿入損失の低減効果が大きくなっている（シミュレーション番号１，４，５参照）。

この結果から、一方の光ファイバ４２の曲げ半径Ｒが小さい、もしくはビーム出射角θが大きい場合に、第３実施形態の構成は挿入損失の抑制により効果を発揮することが分かる。

第３実施形態の光モジュールは、たとえば、導波路基板と水平に保持されている外部光配線の方向を９０°方向変換して、導波路基板に形成された光導波路に対して垂直方向から光接続する構成にも適用可能である。この場合、光路の方向転換に伴って励起された高次伝搬モードの分布の偏りをシリンドリカルレンズで補償して、結合損失を抑制することができる。

＜第４実施形態＞
図９は、第４実施形態の光モジュール４の基本構成を示す図である。この図は、フィルム導波路の厚さ方向（Ｙ方向）に沿った断面を示している。第４実施形態では、第２コネクタに押圧されたポリマー導波路が受ける力を利用して、コア先端にシリンドリカルレンズを形成する。

光モジュール４は、少なくとも１本の光ファイバ１２を保持する第１コネクタ１０と、少なくともひとつのポリマー導波路６３を有するフィルム導波路６０を保持する第２コネクタ５０を有する。ポリマー導波路６３は、コア６１と、コア６１を取り囲むクラッド６２を有し、ポリイミドのカバーフィルム６４で保持されている。

コア６１は、全フッ素化ポリマー、ポリカーボネート等で形成されている。コア６１の先端部は、第２コネクタ５０の空間５５内に突起するシリンドリカルレンズ６５を有する。後述するように、シリンドリカルレンズ６５は押出成形の原理で形成されている。

第２コネクタ５０は、フィルム導波路６０が接続される後端側に、スリット５３と、スリット５３に連通する空間５５とを有する。フィルム導波路６０は、スリット５３に挿入されて保持される。空間５５は、スリット５３にフィルム導波路６０が押しつけられたときの力を利用してコア６１の先端にシリンドリカルレンズ６５を生成するための空間である。第２コネクタ５０の第１コネクタ１０と嵌合する先端側に、非球面を有する凸レンズ５２が配置されていてもよい。スリット５３、空間５５、及び凸レンズ５２は、本体５１と一体的に形成されていてもよい。

４チャンネルの光モジュール４の場合、ＸＺ面内では、４本のポリマー導波路６３のそれぞれで、コア６１の先端にシリンドリカルレンズ６５が形成されている。ＸＺ面内ではシリンドリカルレンズ６５は曲率を有さず、円筒形の側面が突出する。

図１０は、図９の光モジュールにおける、シリンドリカルレンズ６５の形成方法を説明する図である。図１０の工程（Ａ）で、第２コネクタ５０を用意する。第２コネクタ５０の本体５１は、その後端側に、Ｘ方向（ポリマー導波路６３の配列方向）に延びるスリット５３を有する。スリット５３は、フィルム導波路６０の先端部を受け取る。本体５１の先端側に、凸レンズ５２が設けられていてもよい。

スリット５３の突き当りに、スリット５３と連通する空間５５が設けられている。空間５５のＹ方向（フィルム導波路６０の厚さ方向または第２コネクタ５０の高さ方向）のサイズは、スリット５３のＹ方向のサイズよりも小さく、スリット５３と空間５５の間に段差５４が形成されている。一例として、スリット５３のＸ方向の長さは３ｍｍ、Ｙ方向のサイズ（幅）は１２０μｍ、空間５５との連通箇所までの奥行きは７０μｍである。空間５５のＹ方向の高さは７０μｍ、奥行は５０μｍである。

図１０の工程（Ｂ）で、スリット５３にフィルム導波路６０の先端を挿入する。フィルム導波路６０の厚さは、たとえば１２０μｍ、幅は３ｍｍ、長さは３０ｍｍである。コア６１の高さ（厚さ）は５０μｍ、クラッド６２の厚さは上下ともに１０μｍ、クラッド６２の外側に、２５μｍのポリイミドのカバーフィルム６４を設ける。

スリット５３の高さ（Ｙ方向のサイズ）は、フィルム導波路６０の厚さとほぼ同じであるが、空間５５の高さ（Ｙ方向のサイズ）は、フィルム導波路６０の厚さよりも小さい。フィルム導波路６０がスリット５３内に挿入されると、コア６１以外の部分が段差５４に突き当たる。

図１０の工程（Ｃ）で、フィルム導波路６０をさらにスリット５３の中に押圧すると、フィルム導波路６０に圧力がかかって、フィルム導波路６０はその厚さ方向に曲がる。クラッド６２はカバーフィルム６４に接着されて、カバーフィルム６４とともに段差５４に押圧されるが、コア６５の端面は、空間５５に向かって解放されている。段差５４からカバーフィルム６４にかかる圧力によって、コア６１が空間５５に向かって引っ張られ、空間５５内に突出する。

コア６１には、フィルム導波路６０がスリット５３に挿入されたときの押圧力に加えて曲げによる力もかかっている。コア６１が受ける力は光軸に対して等方的ではなく、フィルム導波路６０が曲がる方向（Ｙ方向）の力が支配的になる。したがって、コア６１が空間５５内に突出するときに形成される曲率の方向は、フィルム導波路６０の曲げの方向となる。

図１０の例では、フィルム導波路６０はその厚さ方向（Ｙ方向）の上下が段差５４に固定され、厚さ方向に曲がるため、コア６１の先端はＹ方向に曲率をもって空間５５内に突出する。一方、Ｘ方向では、コア６１の両側のクラッド６２は空間５５内で自由端として解放されているので、コア６１にＸ方向の力はほとんどかからない。これにより、ポリマー導波路６３のコア６１の先端に、Ｙ方向に曲率を有するシリンドリカルレンズ６５が形成される。

図１１は、シリンドリカルレンズ６５の形成を説明する図である。フィルム導波路６０がスリット５３に挿入されて、コア６１以外の部分が段差５４に押圧される。ポリイミドのカバーフィルム６４の引張弾性率は、約２００ｋｇｆ／ｍｍ²である。１０ｇの力でフィルム導波路６０がスリット５３の内部に押圧されると、ポリイミドのカバーフィルム６４は、挿入方向（Ｚ方向）に５０μｍ弱、圧縮される。これによって、コア６１がＹ方向に曲率を持って空間内に突出する。

Ｘ方向では、コア６１の両側のクラッド６２とカバーフィルム６４は押圧されておらずその表面は空間５５内に解放されている。したがって、コア６１はＸ方向には曲率を有さずに、並進的に突出する。

さらに、フィルム導波路６０がＹ方向に曲がる場合は、Ｙ方向への曲げの力がコア６１の自由端にかかり、空間５５内に突出するコア６１の端面は、Ｙ方向に曲率を有する。

フィルム導波路６０が、図６Ｂの第２実施形態のように、面内方向に曲がるポリマー導波路６３を有する場合は、スリット５３の奥に形成される空間５５は、フィルム導波路６０の端面で露出するコア６１の端面に対向する位置（４チャンネルの場合は４カ所）に設けられてコア６１のＸ方向の両側が拘束され、Ｙ方向には自由度を有する空間として形成されてもよい。カバーフィルム６４に段差５４からの押圧力がかかるとコア６１は空間５５内に引っ張られ、かつ、Ｘ方向の両端が拘束されているため、コア６１の端面はＸ方向に曲率を有して突出する。さらに、ＸＺ面内で湾曲するポリマー導波路６３の曲げの力がコア６１にかかり、コア６１の先端に、Ｘ方向に曲率を有するシリンドリカルレンズが形成される。

図１２は、第２コネクタ５０Ａの別の加工例を示す図である。図１０及び図１１では、スリット５３と空間５５を有する開口内の段差５４を利用してシリンドリカルレンズ６５を形成した。図１２では、スリット５６は奥に向かうほど狭くなり、Ｙ方向の断面形状で傾斜面５７を有する。

フィルム導波路６０がスリット５６に挿入されると、フィルム導波路６０の先端は、傾斜面５７に当接する。この場合、傾斜面５７によりフィルム導波路６０の厚さ方向の力を受ける。コア６１の高さ方向（Ｙ方向）で、カバーフィルム６４は傾斜面５７により拘束される。一方、ポリマー導波路６３の配列方向（Ｘ方向）では、コア６１の両側のクラッド６２とカバーフィルム６４は、スリット５６の奥の空間５７１に向かって解放されており、傾斜面５７からの力を受けない。

この構成により、コア６１の先端に、Ｙ方向に曲率を有して空間５７１内に突出するシリンドリカルレンズ６５を形成することができる。

図１３は、第２コネクタ５０Ｂのさらに別の加工例を示す。図１１及び図１２では、フィルム導波路６０のコア６１以外の部材に印加される力を利用して、空間内にシリンドリカルレンズを突出させていた。図１３では、所望の曲率が得られるようにスリット内にガイドを設けて、より正確な形状のシリンドリカルレンズを形成する。

図１３の（Ａ）では、図１１で用いたスリット５３と空間５５の連通部の段差５４に、シリンドリカルレンズの曲率を有する湾曲面５３１を形成する。湾曲面５３１は、シリンドリカルレンズの球面を形成するガイドとして機能する。

図１３の（Ｂ）で、スリット５３内にフィルム導波路６０の先端が挿入されると、フィルム導波路６０の先端面のうち、コア６１以外の部分が段差５４に押圧されて圧縮応力を受ける。コア６１の先端は自由端となっており、Ｙ方向に曲率をもって空間５５内に突出する。コア６１の突出過程で、コア６１はまず湾曲面５３１に当接し、Ｚ方向への突出が制約されて球面形状が整えられる。

他方、Ｘ方向（ポリマー導波路３３の配列方向）では、クラッド６２とカバーフィルム６４は、コア６１と同様に空間５５に面して解放されており、コア６１にＸ方向の力は印加されにくい。これにより、コア６１の端面に、湾曲部６５１の曲率で規定されるシリンドリカルレンズ６５が形成される。

図１４は、第２コネクタ５０Ｃのさらに別の加工例を示す。図１３では、スリット５３内の段差５４の角に湾曲面５３１を設けて、シリンドリカルレンズ６５の曲率を整えた。図１４では、スリット５３の中央に所定の曲率を有する突起５８を設け、突起５８の端面を所定の曲率を有する湾曲面５８１とする。

図１４の（Ａ）で、第２コネクタ５０Ｃのスリット５３の内部に突起５８が設けられている。突起５８のＹ方向の位置は、フィルム導波路６０のコア６１の光軸の位置とほぼ一致している。Ｘ方向では、たとえば４本のポリマー導波路６３の端面と対向する位置に、４つの突起５８が形成されていてもよいし、Ｘ方向に延びる１つの板状の突起５８が形成されていてもよい。いずれの場合も、突起５８の先端には所定の曲率の湾曲面５８１が形成されている。

図１４の（Ｂ）で、スリット５３内にフィルム導波路６０の先端が挿入されると、フィルム導波路６０の先端面のうち、コア６１の上下でコア６１以外の部分が段差５４に押圧され、コア６１の自由端が空間５５内に突出する。突出過程で、コアの頂点が湾曲部５８１に当接し、Ｚ方向への突出が制限される。コア６１のＹ方向の断面形状は、湾曲部５８１の曲率で決まる曲面となり、Ｙ方向の突起形状が整えられる。

Ｘ方向（ポリマー導波路３３の配列方向）では、クラッド６２とカバーフィルム６４は空間５５に面して解放されており、コア６１にＸ方向の力はほとんどかからない。これにより、コア６１の端面に、湾曲部６５１で規定される曲率を有するシリンドリカルレンズ６５が形成される。

図１４の構成、コア６１の先端に突起５８を用いて形成したシリンドリカルレンズ６５を有する構成を、シリンドリカルレンズ６５が形成されていない構成と比較して、挿入損失を計算する。

図１４の場合、フィルム導波路６０の挿入時に、５０ｇｆの押圧をＺ方向に与えると、スリット５３内でポリイミドのカバーフィルム６４が５０μｍ圧縮され、上下のクラッド６２の間からコア６１が突き出る。突き出たコア６１の先端面の形状は、突起５８の湾曲面５８１によって整えられる。コア６１の先端に、曲率半径が０．０８０μｍ、コーニック定数は０．０７８のシリンドリカルレンズ６５が形成された状態で、フィルム導波路６０をスリット５３に接着固定する。

厚さ１２０μｍ、幅３ｍｍ、長さ３０ｍｍのフィルム導波路６０のコア６１（断面サイズは５０μｍ×５０μｍ）の端部から光を入射し、光ファイバ１２（図９参照）の端部から出力される光を測定する。フィルム導波路６０のＹ方向への曲げ半径Ｒは４ｍｍ、光源からコア６１へのビームの出射角（半角）θは１５°である。計算で求められた挿入損失は、５．１ｄＢである。

比較例として、同じ形状のスリット５３と空間５５を有するコネクタに、フィルム導波路６０を押圧せずに挿入したときの挿入損失を計算する。フィルム導波路６０は段差５４に対して押圧されず、コア６１の端面にシリンドリカルレンズ６５は形成されない。フィルム導波路６０のサイズと曲げ半径を同じ条件にして、同じ測定方法で計算した結果、挿入損失は６．１ｄＢである。

図１４の方法でコア６１の先端にシリンドリカルレンズ６５を形成した場合、シリンドリカルレンズ６５を設けない場合と比較して、損失が１ｄＢ低減されている。これは、ポリマー導波路６３の伝搬モード分布の曲げ方向への偏りが、曲げと同じ方向に曲率を有するシリンドリカルレンズ６５によって補償されたためである。

このように、第４実施形態の光モジュール４でも損失抑制効果が得られる。

＜変形例＞
図１５Ａと図１５Ｂは、変形例の光モジュール５の概略図である。図１５Ａは、フィルム導波路３０の厚さ方向（Ｙ方向）に沿った垂直断面図、図１５ＢはＸＺ面に沿った水平断面図である。

第１〜第３の実施形態では、導波路の曲げ方向に曲率を有するシリンドリカルレンズ２１Ａ〜２１Ｃは、第２コネクタ２０Ａ〜２０Ｃの後端側に配置されていた。しかし、曲げ導波路または方向転換部で生じる高次伝搬モードの分布変化を補償できればよいので、シリンドリカルレンズの位置は第２コネクタの後端側に限定されない。変形例では、シリンドリカルレンズを第２コネクタの先端側に配置する。

光モジュール５は、１本以上の光ファイバ１２を保持する第１コネクタ１０と、１以上のポリマー導波路３３を有するフィルム導波路３０を保持する第２コネクタ７０とを有する。第２コネクタ７０は、フィルム導波路３０を収容する後端側の第１部分７１と、第１コネクタ１０と嵌合する先端側の第２部分７２を有する。第２部分７２の先端にシリンドリカルレンズ７４が形成されている。

後端側の第１部分７１は、第２部分７２との接続面側に非球面の凸レンズ７３を有していてもよい。第２部分７２はその後端面に開口７５を有していてもよい。第１部分７１の凸レンズ７３は、第２部分７２の開口７５内に突出する。開口７５内に、第１部分７１及び第２部分７２の屈折率に近接する屈折率を有する接着層を充填してもよい。

ポリマー導波路３３のコア３１の端面から出射した光は、非球面を有する凸レンズ７３で球面収差が補正され、第２部分７２を透過して、シリンドリカルレンズ７４によって、Ｙ方向への伝搬角の拡がりが補正される。補正された光は、第１コネクタ１０に保持される光ファイバ１２のコア１３に入射する。

光ファイバ１２から光が伝搬するときは、コア１３から出射した光は、シリンドリカルレンズ７４によって、あらかじめポリマー導波路３３の曲げ方向への伝搬角度の拡がりが補償される。この伝搬光は、凸レンズ７３で球面収差が補正されて、ポリマー導波路３３のコア３１に入射する。ポリマー導波路３３を伝搬する光に高次の伝搬モードが励起されるが、あらかじめ曲げ方向への伝搬モード分布の偏りが補償されているので、ポリマー導波路３３の出力端での結合損失は抑制される。

変形例の構成を用いることで、伝搬モードの励起状態が変化し得る構成で結合損失を抑制することができる。

＜光トランシーバへの適用＞
図１６は、実施形態の光モジュールを光トランシーバに適用した例を示す。光トランシーバ１００は、パッケージ基板１０１と、光モジュール１を有する。パッケージ基板１０１に、光素子１０２が形成されており、光モジュール１の光導波路１３０と光学的に接続されている。光素子１０２は、たとえば、光変調器、発光素子、受光素子等である。電気回路チップ１０４ａ及び１０４ｂは、光変調器を駆動する駆動ＩＣチップ、トランスインピーダンスアンプ及び増幅回路を含む電流-電圧変換回路チップなどの、光電気変換用のチップである。

光モジュール１は、光素子１０２及び電気回路チップ１０４ａ及び１０４ｂとともに、パッケージ基板１０１に搭載されて、光トランシーバ１００が形成される。光トランシーバ１００は、たとえばシステムボード上でＬＳＩ等の電子部品の近傍に配置されて、他の電子部品、あるいは他のボードとの間で光信号の送受信を行う。

光モジュール１の光ファイバ１１２は、外部光配線として用いられる。光導波路１３０は、パッケージ内光配線として用いられる。パッケージ基板１０１上で光導波路１３０が曲げ、あるいは方向変換部を含む場合でも、第２コネクタ２０に形成された、曲げ方向に曲率を有するシリンドリカルレンズによって、伝搬角度の拡がりが補償される。したがって、結合損失を抑制して、高効率の光結合が実現される。

特定の実施形態に基づいて本発明を説明してきたが、本発明は上述した実施例に限定されない。シリンドリカルレンズを第２コネクタの先端面に形成する変形例の構成は、フィルム面内で湾曲する導波路を用いる構成（第２実施形態）や、光ファイバ同士の接続（第３実施例）にも適用可能である。また、押圧力を利用してコアの先端にシリンドリカルレンズを形成する場合、段差５４の角に設けた湾曲面５３１と、空間内の突起５８の先端に設けた湾曲面５８１の双方を用いてもよい。

以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
第１の光導波路を保持する第１コネクタと、
第２の光導波路を保持する第２コネクタと、
を有し、
前記第２の光導波路は湾曲または光路の方向変換が可能な曲げ導波路であり、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の間に、前記第２の光導波路の曲げ方向に曲率を有するシリンドリカルレンズが配置されていることを特徴とする光モジュール。
（付記２）
前記第２の光導波路は高分子材料で形成されたフィルム導波路であり、
前記曲げ方向は前記フィルム導波路の厚さ方向であり、
前記シリンドリカルレンズは、前記フィルム導波路の厚さ方向に曲率を有することを特徴とする付記１に記載の光モジュール。
（付記３）
前記第２の光導波路は、基板の上に配置された導波路であり、
前記曲げ方向は、前記基板の面内方向であり、
前記シリンドリカルレンズは、前記面内方向に曲率を有することを特徴とする付記１に記載の光モジュール。
（付記４）
前記第２の光導波路は、１以上の光ファイバの配列を含むファイバアレイであり、
前記曲げ方向は、前記光ファイバの配列面と直交する方向であり、
前記シリンドリカルレンズは、前記配列面と直交する方向に曲率を有することを特徴とする付記１に記載の光モジュール。
（付記５）
前記第２の光導波路は、高分子材料で形成されたフィルム導波路であり、
前記シリンドリカルレンズは、前記第２の光導波路のコアの先端に設けられていることを特徴とする付記１に記載の光モジュール。
（付記６）
前記第２コネクタは、前記シリンドリカルレンズを収容する空間を内部に有することを特徴とする付記５に記載の光モジュール。
（付記７）
前記空間は、前記シリンドリカルレンズの曲率を制御するガイドを有することを特徴とする付記６に記載の光モジュール。
（付記８）
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の間に球面収差を補正する第２レンズ、
をさらに有することを特徴とする付記１〜７のいずれかに記載の光モジュール。
（付記９）
前記第２レンズは、前記第１の光導波路と前記シリンドリカルレンズの間に配置されていることを特徴とする付記８に記載の光モジュール。
（付記１０）
前記第２レンズは、前記第２の光導波路と前記シリンドリカルレンズの間に配置されていることを特徴とする付記８に記載の光モジュール。
（付記１１）
前記第２コネクタは、内部に空間を有し、
前記シリンドリカルレンズは前記第２コネクタの本体に形成されており、前記シリンドリカルレンズは前記空間内で前記第２コネクタの先端面に向かって突出していることを特徴とする付記１〜４のいずれかに記載の光モジュール。
（付記１２）
前記シリンドリカルレンズは、前記第２コネクタの先端面に形成されていることを特徴とする付記１〜４のいずれかに記載の光モジュール。
（付記１３）
前記第２コネクタの後端側に、球面収差を補正する第２レンズ、
をさらに有することを特徴とする付記１２に記載の光モジュール。
（付記１４）
付記１〜１３のいずれかに記載の光モジュールと、
光素子が形成されたパッケージ基板と、
前記パッケージ基板に搭載されて前記光素子との間で光電気変換を行う電気回路チップと、
を有する光トランシーバ。
（付記１５）
第１の光導波路を保持する第１コネクタと、第２の光導波路を保持する第２コネクタとを有する光モジュールの製造方法であって、
前記第２コネクタに、前記第２の光導波路を受け取るスリットと、前記スリットに連通する空間を形成し、前記第２の光導波路の挿入面と直交する第１方向での前記空間のサイズは前記スリットのサイズよりも小さく、
前記スリットに前記第２の光導波路を挿入して、所定の力で前記第２の光導波路を前記スリットに対して押圧し、
前記第２の光導波路のコアを前記空間内に突出させて、前記第１方向に曲率を有するシリンドリカルレンズを前記コアの先端に形成する、
ことを特徴とする光モジュールの製造方法。
（付記１６）
前記空間内に、所定の曲率を有する湾曲面を形成し、
前記湾曲面によって前記シリンドリカルレンズの前記第１方向への曲率を制御することを特徴とする付記１５に記載の光モジュールの製造方法。

１、２、３、４、 光モジュール
１０ 第１コネクタ
１２、１２−１〜１２−４ 光ファイバ
１８ ガイドピン
１９−１〜１９−４ ファイバガイド穴
２０Ａ，２０Ｂ、２０Ｃ，５０、５０Ａ〜５０Ｃ 第２コネクタ
２１、６５ シリンドリカルレンズ
２２ 凸レンズ
２３−１、２３−２、２３−３、２３−４ サブレンズ（シリンドリカルレンズ）
２５ 空間
２５ａ 対向面
２６、５１ 本体
２７ 先端面
２９ 後端面
３０、６０ フィルム導波路
３１、６１ コア
３３ ６３ ポリマー導波路
３４、６４ カバーフィルム
５３、５６ スリット
５４ 段差
５５、７５ 空間
５７ 斜面
５８ 突起
５３１、５８１ 湾曲面
１００ 光トランシーバ

Claims (8)

1. 第１の光導波路を保持する第１コネクタと、
   第２の光導波路を保持する第２コネクタと、
   を有し、
   前記第２の光導波路は湾曲または光路の方向変換が可能な曲げ導波路であり、
   前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の間に、前記第２の光導波路の曲げ方向に曲率を有するシリンドリカルレンズが配置されていることを特徴とする光モジュール。
2. 前記第２の光導波路は高分子材料で形成されたフィルム導波路であり、
   前記曲げ方向は前記フィルム導波路の厚さ方向であり、
   前記シリンドリカルレンズは、前記フィルム導波路の厚さ方向に曲率を有することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記第２の光導波路は、基板の上に配置された導波路であり、
   前記曲げ方向は、前記基板の面内方向であり、
   前記シリンドリカルレンズは、前記面内方向に曲率を有することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
4. 前記第２の光導波路は、１以上の光ファイバの配列を含むファイバアレイであり、
   前記曲げ方向は、前記光ファイバの配列面と直交する方向であり、
   前記シリンドリカルレンズは、前記配列面と直交する方向に曲率を有することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
5. 前記第２の光導波路は、高分子材料で形成されたフィルム導波路であり、
   前記シリンドリカルレンズは、前記第２の光導波路のコアの先端に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の光モジュールと、
   光素子が形成されたパッケージ基板と、
   前記パッケージ基板に搭載されて前記光素子との間で光電気変換を行う電気回路チップと、
   を有する光トランシーバ。
7. 第１の光導波路を保持する第１コネクタと、第２の光導波路を保持する第２コネクタとを有する光モジュールの製造方法であって、
   前記第２コネクタに、前記第２の光導波路を受け取るスリットと、前記スリットに連通する空間を形成し、前記第２の光導波路の挿入面と直交する第１方向での前記空間のサイズは前記スリットのサイズよりも小さく、
   前記スリットに前記第２の光導波路を挿入して、所定の力で前記第２の光導波路を前記スリットに対して押圧し、
   前記第２の光導波路のコアを前記空間内に突出させて、前記第１方向に曲率を有するシリンドリカルレンズを前記コアの先端に形成する、
   ことを特徴とする光モジュールの製造方法。
8. 前記空間内に、所定の曲率を有する湾曲面を形成し、
   前記湾曲面によって前記シリンドリカルレンズの前記第１方向への曲率を制御することを特徴とする請求項７に記載の光モジュールの製造方法。