JP2021043347A - 光モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】信号光の偏波成分光同士の分離・合波において、２つの偏波成分の間の結合効率を均一化し、かつ高い結合効率を実現することが可能なコヒーレント通信向けの光モジュールを提供する。【解決手段】光モジュールは、信号光を第１信号光と第２信号光とに偏波分離する光分岐素子と、第１信号光及び第２信号光をそれぞれ局発光と干渉させる光ハイブリッド素子と、を備える。光分岐素子は、複屈折材料を含んで構成されている。光分岐素子は、第１端面から入射した信号光のうちの第１偏波成分を、第１信号光として第１方向に沿って直進させて、第２端面から出射し、第１端面から入射した信号光のうちの第２偏波成分を、第２信号光として第２方向に沿って直進させて、第２端面から出射し、第１端面から入射した局発光を、第１方向に沿って直進させて、第２端面における第１信号光の出射点と第２信号光の出射点との間から出射する。【選択図】図１

Description

本開示は、光モジュールに関する。
特許文献１には、偏光分離プリズムを用いて光路制御を行う光学部品が記載されている。この偏光分離プリズムは、基板に平行な振動面をもつ光と、垂直な振動面をもつ光とで、屈折率が異なるという複屈折性を示す材料によって構成されている。
特許文献２には、第１の直線偏光及び第２の直線偏光が入射する入射面と、第１の直線偏光及び第２の直線偏光が合波された合波光を出射する出射面と、を有する一軸性複屈折結晶を備える光合分波モジュールが記載されている。
特許文献３には、コヒーレント光通信方式における二重平衡偏波ダイバーシティ受信装置が記載されている。この受信装置は、受信光と局部発振光とを混合する光混合器と、混合出力光を直交する偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタと、分離された偏光成分光が入射される受光素子と、を備える。偏光ビームスプリッタは、例えば複屈折性結晶等によって構成される。
特開２００１−０３３６０４号公報 特開２００２−１０７５７９号公報 特開昭６３−０１９９２８号公報
コヒーレント通信の際に復調を行う光受信モジュールにおいては、信号光の偏波成分光同士を分離する機能が求められる。また、コヒーレント通信の際に変調を行う光変調モジュールにおいては、信号光の偏波成分光同士を合波する機能が求められる。復調用あるいは変調用の素子としては、例えばＩｎＰ、Ｓｉ等を主な構成材料とする半導体素子を使用する場合があり、そのような場合、偏波成分光の分離・合波には、一般的に、誘電体多層膜を使用した光学フィルタが採用される。このとき、例えば光ファイバ等の光入力部と上記半導体素子との結合光学系は、上記光学フィルタ、レンズ等を配置させた空間光学系によって構成される。空間光学系では、伝搬する光の角度が結合効率の重要なパラメータとなる。コヒーレント通信の結合光学系においては、高い結合効率を実現し、かつ信号光に含まれる２つの偏波成分光の間の結合効率差（インバランス）を抑制することが求められる。
信号光の偏波成分光同士を分離・合波する光学部品としてＰＢＳ（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ、偏光ビームスプリッタ）又はＰＢＣ（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ、偏光ビームコンバイナ）と呼ばれる合分波器が用いられることがある。ＰＢＳ又はＰＢＣは、例えばガラス部品である。当該ガラス部品における信号光の光路上には、誘電体多層膜が設けられている。ＰＢＳ又はＰＢＣは、誘電体多層膜において、一方の偏波成分光を透過させ、他方の偏波成分光を反射することにより、２つの偏波成分光を９０°の角度にて分離・合波する。また、上記ガラス部品における反射した偏波成分光の光路上には、ミラーが設けられていることが多い。この場合、ＰＢＳ又はＰＢＣは、反射した他方の偏波成分光をミラーによってさらに反射して、当該偏波成分光の進行方向を調整する（例えば９０°折り返す）。
ところで、このような光学部品において、製造誤差あるいは実装誤差が生じる場合がある。しかしながら、上述したＰＢＳ又はＰＢＣでは、例えば誘電体多層膜の角度のずれ、ミラーの角度のずれ等の製造誤差が生じた場合に、伝搬する光の角度が設計値に対してずれやすい。このため、２つの偏光成分光の間の結合効率差が製造誤差からの影響を受けやすい。また、ガラス部品の実装角度のずれ等の実装誤差が生じた場合に、伝搬する２つの光のビーム間隔が設計値から変動しやすい。このため、各偏波成分についての結合効率の損失が実装誤差から影響を受けやすい。
本開示は、このような問題に鑑みてなされたものであり、信号光の偏波成分光同士の分離・合波において、２つの偏波成分光の間の結合効率を均一化し、かつ高い結合効率を実現することが可能なコヒーレント通信向けの光モジュールを提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、一実施形態に係る光モジュールは、偏波面が互いに直交する第１偏波成分及び第２偏波成分を含む信号光を、第１偏波としての第１信号光と第２偏波としての第２信号光とに偏波分離する光分岐素子と、第１信号光及び第２信号光をそれぞれ局発光と干渉させる光ハイブリッド素子と、を備え、光分岐素子は、複屈折材料を含んで構成されており、第１端面と、第１端面と反対の第２端面と、を有し、第１端面から入射した信号光のうちの第１偏波成分を、第１信号光として第１方向に沿って直進させて、第２端面から出射し、第１端面から入射した信号光のうちの第２偏波成分を、第２信号光として第１方向に対して傾斜する第２方向に沿って直進させて、第２端面から出射し、第１偏波成分の偏波面に平行な偏波面にて第１端面から入射した局発光を、第１方向に沿って直進させて、第２端面における第１信号光の出射点と第２信号光の出射点との間から出射し、光ハイブリッド素子は、第２端面に対向して配置された第３端面と、第２端面における第１信号光の出射点と光学的に結合された第１信号光導入口と、第２端面における局発光の出射点と光学的に結合された局発光導入口と、第２端面における第２信号光の出射点と光学的に結合された第２信号光導入口と、を有し、第３端面には、第１信号光導入口、局発光導入口、及び第２信号光導入口がこの順に並んで設けられている。
別の実施形態に係る光モジュールは、直線偏波の無変調光から第１信号光及び第２信号光を生成する光変調素子と、互いの偏波面が直交するように第１信号光及び第２信号光を合波して、第１信号光としての第１偏波成分と第２信号光としての第２偏波成分とを含む信号光を生成する光合波素子と、を備え、光合波素子は、複屈折材料を含んで構成されており、第１端面と、第１端面と反対の第２端面と、を有し、第２端面から入射した第１信号光を、第１偏波成分として第１方向に沿って直進させて第１端面から出射し、第２端面から入射した第２信号光を、第２偏波成分として第１方向に対して傾斜する第２方向に沿って直進させて、第１端面における第１信号光と重なる位置から出射し、第１偏波成分の偏波面に平行な偏波面にて第１端面から入射した無変調光を、第１方向に沿って直進させて、第２端面における第１信号光の入射点と第２信号光の入射点との間から出射し、光変調素子は、第２端面に対向して配置された第３端面と、第２端面における第１信号光の入射点と光学的に結合され、第１信号光を導出する第１信号光導出口と、第２端面における無変調光の出射点と光学的に結合された無変調光導入口と、第２端面における第２信号光の入射点と光学的に結合され、第２信号光を導出する第２信号光導出口と、を有し、第３端面には、第１信号光導出口、無変調光導入口、及び第２信号光導出口がこの順に並んで設けられている。
本開示の一実施形態に係る光モジュールによれば、信号光の偏波成分光同士の分離・合波において、２つの偏波成分光の結合効率を均一化し、かつ高い結合効率を実現することが可能となる。
図１は、第１実施形態に係る光モジュールとしての光受信モジュールの概略を示す平面図である。 図２は、図１に示された光分岐素子の斜視図である。 図３は、光分岐素子による偏波分離を説明するための図である。 図４は、光分岐素子の実装角度がずれた状態における光路を説明する図である。 図５は、光分岐素子の実装角度がずれた状態における光路を説明する図である。 図６は、光分岐素子の実装誤差による回転ずれと信号光Ｎ１，Ｎ２のビーム間隔の平行ずれとの関係を示すグラフである。 図７は、信号光Ｎ１，Ｎ２のビーム間隔の平行軸ずれと結合効率との関係を示すグラフである。 図８は、第２実施形態に係る光モジュールとしての光変調モジュールの概略を示す平面図である。 図９は、図８に示された光合波素子の斜視図である。 図１０は、光合波素子による合波を説明するための図である。 図１１は、光合波素子の実装角度がずれた状態における光路を説明する図である。 図１２は、光合波素子の実装角度がずれた状態における光路を説明する図である。 図１３は、比較例に係る光モジュールとしての光受信モジュールの概略を示す平面図である。 図１４は、比較例において製造誤差が生じた状態における光路を説明する図である。 図１５は、製造誤差と結合効率の損失との関係を示すグラフである。 図１６は、比較例において製造誤差が生じた状態における光路を説明する図である。 図１７は、比較例において実装誤差が生じた状態における光路を説明する図である。 図１８は、比較例における実装誤差による回転ずれと信号光Ｎ１，Ｎ２のビーム間隔の平行ずれとの関係を示すグラフである。 図１９は、信号光Ｎ１，Ｎ２のビーム間隔の平行軸ずれと結合効率との関係を示すグラフである。
［本開示の実施形態の説明］
最初に、本開示の実施形態の内容を列記して説明する。一実施形態に係る光モジュールは、偏波面が互いに直交する第１偏波成分及び第２偏波成分を含む信号光を、第１偏波としての第１信号光と第２偏波としての第２信号光とに偏波分離する光分岐素子と、第１信号光及び第２信号光をそれぞれ局発光と干渉させる光ハイブリッド素子と、を備え、光分岐素子は、複屈折材料を含んで構成されており、第１端面と、第１端面と反対の第２端面と、を有し、第１端面から入射した信号光のうちの第１偏波成分を、第１信号光として第１方向に沿って直進させて、第２端面から出射し、第１端面から入射した信号光のうちの第２偏波成分を、第２信号光として第１方向に対して傾斜する第２方向に沿って直進させて、第２端面から出射し、第１偏波成分の偏波面に平行な偏波面にて第１端面から入射した局発光を、第１方向に沿って直進させて、第２端面における第１信号光の出射点と第２信号光の出射点との間から出射し、光ハイブリッド素子は、第２端面に対向して配置された第３端面と、第２端面における第１信号光の出射点と光学的に結合された第１信号光導入口と、第２端面における局発光の出射点と光学的に結合された局発光導入口と、第２端面における第２信号光の出射点と光学的に結合された第２信号光導入口と、を有し、第３端面には、第１信号光導入口、局発光導入口、及び第２信号光導入口がこの順に並んで設けられている。
この光モジュールにおいては、光分岐素子が複屈折材料によって形成されている。これにより、信号光は、当該光分岐素子の第１端面に入射した際の各偏波成分の屈折角の差を利用して偏波分離される。このように偏波分離された第１信号光及び第２信号光は、それぞれ、反射することなく直進して第２端面から出射される。したがって、第２端面からの第１信号光及び第２信号光の各出射角は、信号光の第１端面への入射角と同じとなる。これにより、仮に製造誤差が生じた場合であっても、第１信号光及び第２信号光のうち一方のみの角度が設計値から大きくずれることが回避される。したがって、第１信号光及び第２信号光の間に結合効率差が生じることを抑制できる。また、仮に光分岐素子の実装角度がずれた場合にも、出射される第１信号光及び第２信号光のビーム間隔が設計値から変動しにくい。このため、第１信号光導入口に対する第１信号光の光路のずれ、及び第２信号光導入口に対する第２信号光の光路のずれがそれぞれ抑制される。以上により、信号光の偏波分離において、第１信号光及び第２信号光の間の結合効率を均一化し、かつ高い結合効率を実現することが可能となる。
一実施形態に係る光モジュールは、信号光を第１端面に向けて平行化する第１コリメートレンズと、局発光を第１端面に向けて平行化する第２コリメートレンズと、さらに備えていてもよい。この場合、平行光としての信号光及び局発光を光分岐素子に伝搬させることができる。
一実施形態に係る光モジュールにおいて、光分岐素子の形状は、第１端面に直交する方向を長手方向として延びる直方体状であってもよい。
一実施形態に係る光モジュールにおいて、第２端面のうち第２信号光の出射点を含む領域には、半波長板が設けられていてもよい。この場合、光分岐素子を通過した第２信号光の偏波面を局発光の偏波面に合わせることができる。
別の実施形態に係る光モジュールは、直線偏波の無変調光から第１信号光及び第２信号光を生成する光変調素子と、互いの偏波面が直交するように第１信号光及び第２信号光を合波して、第１信号光としての第１偏波成分と第２信号光としての第２偏波成分とを含む信号光を生成する光合波素子と、を備え、光合波素子は、複屈折材料を含んで構成されており、第１端面と、第１端面と反対の第２端面と、を有し、第２端面から入射した第１信号光を、第１偏波成分として第１方向に沿って直進させて第１端面から出射し、第２端面から入射した第２信号光を、第２偏波成分として第１方向に対して傾斜する第２方向に沿って直進させて、第１端面における第１信号光と重なる位置から出射し、第１偏波成分の偏波面に平行な偏波面にて第１端面から入射した無変調光を、第１方向に沿って直進させて、第２端面における第１信号光の入射点と第２信号光の入射点との間から出射し、光変調素子は、第２端面に対向して配置された第３端面と、第２端面における第１信号光の入射点と光学的に結合され、第１信号光を導出する第１信号光導出口と、第２端面における無変調光の出射点と光学的に結合された無変調光導入口と、第２端面における第２信号光の入射点と光学的に結合され、第２信号光を導出する第２信号光導出口と、を有し、第３端面には、第１信号光導出口、無変調光導入口、及び第２信号光導出口がこの順に並んで設けられている。
この光モジュールにおいては、光合波素子が複屈折材料によって形成されている。これにより、当該光分岐素子の第２端面に別々に入射した第１信号光及び第２信号光は、各偏波成分の屈折角の差を利用して互いに異なる屈折角にて屈折され、第１端面において合波される。このとき、第２端面から入射した第１信号光及び第２信号光は、それぞれ、反射することなく直進して、第１端面から信号光として出射される。したがって、第１端面からの信号光の出射角は、第１信号光及び第２信号光の第２端面への各入射角と同じとなる。これにより、仮に製造誤差が生じた場合であっても、第１信号光及び第２信号光のうち一方のみの角度が設計値から大きくずれることが回避される。したがって、信号光として出射される第１信号光及び第２信号光の間に結合効率差が生じることを抑制できる。また、仮に光分岐素子の実装角度がずれた場合にも、信号光として出射される第１信号光及び第２信号光のビーム間隔が設計値から変動しにくい。このため、光ファイバ等に対する第１信号光及び第２信号光のそれぞれの光路のずれが抑制される。以上により、信号光の合波において、第１信号光及び第２信号光の間の結合効率を均一化し、かつ高い結合効率を実現することが可能となる。
別の実施形態に係る光モジュールは、無変調光を第１端面に向けて平行化する第３コリメートレンズと、第１信号光を第２端面に向けて平行化する第４コリメートレンズと、第２信号光を第２端面に向けて平行化する第５コリメートレンズと、をさらに備えていてもよい。この場合、平行光としての第１信号光、第２信号光及び無変調光を光合波素子に伝搬させることができる。
別の実施形態に係る光モジュールにおいて、光合波素子の形状は、第１端面に直交する方向を長手方向として延びる直方体状であってもよい。
別の実施形態に係る光モジュールにおいて、第２端面のうち第２信号光の入射点を含む領域には、半波長板が設けられていてもよい。この場合、光合波素子を通過する第２信号光の偏波面を第１信号光の偏波面に直交させることができる。
［本開示の実施形態の詳細］
本開示に係る光モジュールの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明においては、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光モジュールとしての光受信モジュール１Ａの概略を示す平面図である。図１に示される光受信モジュール１Ａは、コヒーレント通信向けの光受信モジュールである。光受信モジュール１Ａは、位相変調された信号光（Ｓｉｇｎａｌ Ｂｅａｍ）ＮＡと局発光（Ｌｏｃａｌ Ｂｅａｍ）ＬＡとを干渉させ、信号光ＮＡに含まれる情報を復調する。復調された情報は電気信号に変換されて光受信モジュール１Ａの外部に出力される。光受信モジュール１Ａは、光入力部１０と、光ハイブリッド素子４０と、光入力部１０と光ハイブリッド素子４０とを光学的に結合する結合光学系と、を備える。信号光ＮＡは、結合光学系において偏波分離されて光ハイブリッド素子４０に導かれる。
光ハイブリッド素子４０は、例えばＩｎＰ、Ｓｉ等を主な構成材料とする半導体素子である。光ハイブリッド素子４０は、端面４３（第３端面）と、２つの信号光導入口４１ａ，４１ｂと、１つの局発光導入口４２と、を有する。端面４３には、信号光導入口４１ａ（第１信号光導入口）、局発光導入口４２、及び信号光導入口４１ｂ（第２信号光導入口）がこの順に並んで設けられている。信号光導入口４１ａと信号光導入口４１ｂとの間隔は、例えば５００μｍである。信号光導入口４１ａには、偏波分離された一方の信号光Ｎ１（第１信号光）が入力され、信号光導入口４１ｂには、偏波分離された他方の信号光Ｎ２（第２信号光）が入力される。局発光導入口４２には、局発光ＬＡが入力される。光ハイブリッド素子４０は、信号光Ｎ１及び信号光Ｎ２をそれぞれ局発光ＬＡと干渉させる。光ハイブリッド素子４０は、局発光ＬＡによって信号光Ｎ１及び信号光Ｎ２にそれぞれ含まれる情報を復調する。なお、光受信モジュール１Ａは、光入力部１０、結合光学系及び光ハイブリッド素子４０を収容する筐体（不図示）をさらに備えたコヒーレントモジュールであってもよい。
光入力部１０は、光ファイバ１１，１２と、レンズアレイ１３と、を有する。光ファイバ１１は、単一モードファイバであって、信号光ＮＡを伝搬する。信号光ＮＡは、互いに直交する二つの偏波成分としての第１偏波成分及び第２偏波成分を含む。本実施形態において、第１偏波成分はＰ偏波であり、第２偏波成分はＳ偏波である。光ファイバ１２は、偏光保持ファイバであって、Ｐ偏波の局発光ＬＡを伝搬する。すなわち、局発光ＬＡの偏波面は、第１偏波成分の偏波面と平行である。光ファイバ１１，１２は、互いに同じ方向に沿って延在し、延在方向に交差する方向に並んで配置されている。光ファイバ１１の光軸と光ファイバ１２の光軸とは互いに平行である。
レンズアレイ１３は、光ファイバ１１，１２の延在方向の一方側に位置し、光ファイバ１１の端面及び光ファイバ１２の端面の両方と対向している。レンズアレイ１３は、レンズ１３ａ，１３ｂを有する。レンズ１３ａ，１３ｂは、光ファイバ１１，１２の並び方向と同じ方向に並んでいる。レンズ１３ａは、光ファイバ１１と光学的に結合されている。レンズ１３ａ（第１コリメートレンズ）は、光ファイバ１１の端面から出力される信号光ＮＡの光路上に配置され、信号光ＮＡを平行化（コリメート）する。レンズ１３ｂ（第２コリメートレンズ）は、光ファイバ１２と光学的に結合されている。レンズ１３ｂは、光ファイバ１２の端面から出力される局発光ＬＡの光路上に配置され、局発光ＬＡを平行化する。
結合光学系は、光分岐素子２０と、レンズアレイ３０と、を含む。光分岐素子２０は、信号光ＮＡの光路上であって、局発光ＬＡの光路上でもある位置に配置されている。光分岐素子２０は、端面２１（第１端面）と端面２１と反対の端面２２（第２端面）とを含む。端面２１，２２は、互いに平行である。端面２１，２２のそれぞれには、例えば反射防止膜が設けられている。本実施形態において、光分岐素子２０の形状は、端面２１，２２に直交する方向を長手方向として延びる直方体状である。端面２１は、レンズアレイ１３に対向している。レンズ１３ａは、信号光ＮＡを端面２１に向けて平行化し、レンズ１３ｂは、局発光ＬＡを端面２１に向けて平行化している。
図２は、図１に示された光分岐素子２０の斜視図である。光分岐素子２０は、端面２１の法線ＬＮを光ファイバ１１，１２の光軸に対して僅かな角度（例えば２°）だけ傾けた状態で配置されている。信号光ＮＡ及び局発光ＬＡは、ともに上記の僅かな角度の入射角にて端面２１に入射する。
ここで、光分岐素子２０は、複屈折材料を含んで構成されており、一例では、複屈折材料のみからなる。複屈折材料は、複屈折性を有する材料である。複屈折性材料としては、単軸性を有する材料が用いられる。複屈折材料の具体例としては、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、イットリウムバナデート（ＹＶＯ４）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣｏ３）等が挙げられる。光分岐素子２０は、複屈折材料の作用を利用して、入射した信号光ＮＡ及び局発光ＬＡを、偏波面の向きごとに異なる屈折角にて屈折させて出射する。すなわち、光分岐素子２０は、Ｐ偏波とＳ偏波とを互いに異なる屈折角にて屈折させる。これにより、光分岐素子２０は、信号光ＮＡを信号光Ｎ１及び信号光Ｎ２に偏波分離する。
図３は、光分岐素子２０による偏波分離を説明するための図である。図３に示されるように、光分岐素子２０は、端面２１から入射した信号光ＮＡのうちのＰ偏波を、信号光Ｎ１として屈折角θ１にて屈折させる。光分岐素子２０は、この信号光Ｎ１を方向Ｄ１（第１方向）に沿って直進させ、端面２２から出射する。また、光分岐素子２０は、端面２１から入射した信号光ＮＡのうちのＳ偏波を、信号光Ｎ２として屈折角θ２にて屈折させる。屈折角θ２は、屈折角θ１とは分岐角δだけ異なる。光分岐素子２０は、この信号光Ｎ２を、方向Ｄ１に対して傾斜する方向Ｄ２（第２方向）に沿って直進させ、端面２２から出射する。信号光Ｎ１，Ｎ２は、端面２１への信号光ＮＡの入射角と同じ角度の出射角にて、端面２２からそれぞれ出射される。
信号光Ｎ１，Ｎ２は、分岐量Ｐとして分岐された状態で端面２２から出射される。分岐量Ｐは、二つの信号光導入口４１ａ，４１ｂの間隔（ここでは、５００μｍ）と同じである。光分岐素子２０の長手方向の長さＳ１は、分岐量Ｐに基づいて、以下の式（１）から式（３）により設定される。ここで、式（１）は、分岐量Ｐと長さＳ１との関係を示す。また、式（２）は、光分岐素子２０の結晶光学軸ＣとＰ偏波（常光線）とのなす角θｏと、光分岐素子２０の結晶光学軸ＣとＳ偏波（異常光線）とのなす角θeとの関係を示す。なお、式（２）中、ｎｏは、常光線の屈折率、ｎｅは異常光線の屈折率である。式（３）は、信号光Ｎ１，Ｎ２の分岐角δと、角度θｏ，θｅとの関係を示す。
Figure 2021043347
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図３には、光分岐素子２０の結晶光学軸ＣとＰ偏波とのなす角θｏと光分岐素子２０の結晶光学軸ＣとＳ偏波とのなす角θｅが示されている。結晶光学軸ＣとＰ偏波とのなす角θｏが４７°から４９°付近である状態において、分岐角δが最大となる。そのため、本実施形態において、光分岐素子２０としては、その結晶光学軸ＣとＰ偏波の進行方向とのなす角θｏが４７°から４９°（例えば４８°）となるものが用いられている。
図１に戻り、光分岐素子２０は、さらに、端面２１から入射した局発光ＬＡを、信号光Ｎ１と同じ角度（すなわち、図３に示す屈折角θ１）にて屈折させる。光分岐素子２０は、局発光ＬＡを信号光Ｎ１と同じ方向（すなわち、図３に示す方向Ｄ１）に沿って直進させ、端面２２から出射する。局発光ＬＡは、端面２１への入射角と同じ角度の出射角にて、端面２２から出射される。局発光ＬＡは、端面２２における信号光Ｎ１の出射点２０ａと信号光Ｎ２の出射点２０ｂとの間から出射される。端面２２における局発光ＬＡの出射点２０ｃは、例えば、出射点２０ａと出射点２０ｂとの中点に位置する。
また、光分岐素子２０には、半波長（λ／２）板２４が設けられている。λ／２板２４は、平板状の複屈折材料（例えば、水晶）によって構成され得る。λ／２板２４は、端面２２のうち、信号光Ｎ２の出射点２０ｂを含む一部の領域に設けられている。なお、当該一部の領域は、信号光Ｎ１及び局発光ＬＡのそれぞれの出射点２０ａ，２０ｂを含まない領域である。信号光Ｎ２は、光分岐素子２０から出射される際にλ／２板２４を通過する。λ／２板２４は、信号光Ｎ２の偏波面を９０°回転させる。これにより、λ／２板２４を通過した信号光Ｎ２の偏波面は、信号光Ｎ１の偏波面及び局発光ＬＡの偏波面と一致する（図２参照）。
レンズアレイ３０は、光分岐素子２０と光ハイブリッド素子４０との間に配置されている。レンズアレイ３０の一方の面は、光分岐素子２０の端面２２と対向し、レンズアレイ３０の他方の面は、光ハイブリッド素子４０の端面４３と対向している。換言すると、端面２２と端面４３とは、レンズアレイ３０を介して互いに対向している。
レンズアレイ３０は、レンズ３１，３２，３３を有する。レンズ３１，３２，３３は、信号光導入口４１ａ、局発光導入口４２、及び信号光導入口４１ｂの並び方向と同じ方向に沿って、この順に並んでいる。レンズ３１は、端面２２から出射される信号光Ｎ１の光路上に配置され、信号光Ｎ１を信号光導入口４１ａに集光する。レンズ３２は、端面２２から出射される局発光ＬＡの光路上に配置され、局発光ＬＡを局発光導入口４２に集光する。レンズ３３は、端面２２から出射される信号光Ｎ２の光路上に配置され、信号光Ｎ２を信号光導入口４１ｂに集光する。
信号光導入口４１ａは、端面２２のうち信号光Ｎ１の出射点２０ａと光学的に結合されている。局発光導入口４２は、端面２２のうち局発光ＬＡの出射点２０ｃと光学的に結合されている。信号光導入口４１ｂは、端面２２のうち信号光Ｎ２の出射点２０ｂと光学的に結合されている。信号光Ｎ１は、信号光導入口４１ａから光ハイブリッド素子４０に入力される。局発光ＬＡは、局発光導入口４２から光ハイブリッド素子４０に入力される。局発光ＬＡは、局発光導入口４２から光ハイブリッド素子４０に入力された後、２つの局発光に分岐される。信号光Ｎ２は、信号光導入口４１ｂから光ハイブリッド素子４０に入力される。光ハイブリッド素子４０は、マルチモード干渉導波路（ＭＭＩ導波路）と、この導波路に光結合したフォトダイオード（ＰＤ）とを含む。
ＭＭＩ導波路は、例えばＩｎＰ基板上に形成された導波路である。ＭＭＩ導波路は、信号光Ｎ１と局発光ＬＡから分岐された一方の局発光とを光学的に干渉させて、ホモダイン検波又はヘテロダイン検波を行う。これにより、ＭＭＩ導波路は、信号光Ｎ１に含まれている情報を、局発光の位相に一致する位相成分と、局発光ＬＡの位相と９０°異なる位相成分とに分離して復調する。すなわち、光ハイブリッド素子４０は、信号光Ｎ１について二つの独立した情報を復調する。同様に、ＭＭＩ導波路は、信号光Ｎ２と局発光ＬＡから分岐された他方の局発光とを光学的に干渉させて、ホモダイン検波又はヘテロダイン検波を行う。これにより、ＭＭＩ導波路は、信号光Ｎ２に含まれている情報を、局発光の位相に一致する位相成分と、局発光ＬＡの位相と９０°異なる位相成分とに分離して復調する。すなわち、光ハイブリッド素子４０は、信号光Ｎ２について二つの独立した情報を復調する。光ハイブリッド素子４０によって復調された４つの独立情報は、信号処理された後、光受信モジュール１Ａの外部に導かれる。
以上説明した光受信モジュール１Ａの作用効果について説明する。まず、比較例について説明する。図１３は、比較例に係る光モジュールとしての光受信モジュール１Ｘの概略を示す平面図である。光受信モジュール１Ｘは、光分岐素子２０に代えて光分岐素子２０Ｘを備える点において光受信モジュール１Ａと相違している。光分岐素子２０Ｘは、レンズアレイ１３に対向する端面２１Ｘと、レンズアレイ３０に対向する端面２２Ｘと、を含む。端面２１Ｘ，２２Ｘは、互いに平行である。端面２１Ｘ，２２Ｘのそれぞれには、例えば反射防止膜が設けられている。また、端面２２Ｘには、光分岐素子２０と同様に、λ／２板２４が設けられている。
光分岐素子２０Ｘは、それぞれガラスからなる三角形プリズム及び平行四辺形プリズムを互いに貼り合わせて形成されている。端面２１Ｘは、平行四辺形プリズムのうち一対の対辺の一方を含む面である。端面２２Ｘは、平行四辺形プリズムのうち当該一対の対辺の他方と、三角形プリズムの一辺と、を含む面である。また、平行四辺形プリズムのうち別の一対の対辺の一方を含む面には、三角形プリズムが貼り合わされている。平行四辺形プリズムにおいて、三角形プリズムとの貼り合わせ面には、誘電体多層膜２５Ｘが設けられている。誘電体多層膜２５Ｘは、Ｐ偏波を透過させ、Ｓ偏波を反射させる。これにより、光分岐素子２０Ｘは信号光Ｎ１，Ｎ２を偏波分離する。信号光ＮＡが光分岐素子２０Ｘを通過すると、信号光Ｎ１は直進し、信号光Ｎ２はその光路を９０°変換する。また、平行四辺形プリズムにおいて、三角形プリズムとの貼り合わせ面に平行な面には、反射膜２６Ｘが設けられている。これにより、誘電体多層膜によって反射されたＳ偏波としての信号光Ｎ２の光路がさらに９０°変換されて信号光Ｎ１の光路と平行になる。
ここで、光受信モジュール１Ｘにおいて、製造誤差が生じた場合について説明する。図１４及び図１６は、比較例において製造誤差が生じた状態における光路を説明する図である。図１４及び図１６においては、製造誤差がゼロである状態を二点鎖線にて示している。図１４に示されるように、例えば、光分岐素子２０Ｘにおいて、製造誤差により、誘電体多層膜２５Ｘにずれ角Δθ１が発生する場合がある。そのような場合、誘電体多層膜２５Ｘと反射膜２６Ｘとが平行でないことに起因して、信号光Ｎ２の光路にずれが生じてしまう。これにより、信号光Ｎ２において結合効率が低下する。このため、信号光Ｎ１，Ｎ２の間に結合効率差が生じてしまう。
図１５は、製造誤差と結合効率の損失との関係を示すグラフである。図１５のグラフにおいて、横軸はずれ角Δθ１の大きさを示し、縦軸は信号光Ｎ２の結合効率の損失の大きさを示す。一般に、結合効率の損失の許容値は０．５ｄＢ程度である。したがって、図１５に示されるように、光分岐素子２０Ｘの製造精度としては、ずれ角Δθ１を−０．０５°（ｄｅｇ）以上０．０５°（ｄｅｇ）以内の範囲内とすることが要求される。
また、図１６に示されるように、例えば、光分岐素子２０Ｘにおいて、製造誤差により、端面２２Ｘのうち平行四辺形プリズムによって形成される面にずれ角Δθ２が発生する場合がある。あるいは、端面２２Ｘのうち三角形プリズムによって形成される面にずれ角Δθ３が発生する場合がある。そのような場合、端面２１Ｘ（すなわち、入射面）と端面２２Ｘ（すなわち、出射面）とが平行でないことに起因して、信号光Ｎ１，Ｎ２のうち少なくとも一方の光路がずれてしまう。これにより、信号光Ｎ１，Ｎ２のうち少なくとも一方において結合効率が低下する。このため、信号光Ｎ１，Ｎ２の間に結合効率差が生じてしまう。
また、図１７は、比較例において実装誤差が生じた状態における光路を説明する図である。図１７においては、実装誤差がゼロである状態を二点鎖線にて示している。図１７に示されるように、例えば、光分岐素子２０Ｘにおいて、実装誤差により、回転ずれΔθ４が発生する場合がある。そのような場合、信号光Ｎ１と信号光導入口４１ａとの間に軸ずれΔＸが生じるとともに、信号光Ｎ２と信号光導入口４１ｂとの間に軸ずれΔＹが生じてしまう。また、信号光Ｎ１，Ｎ２のビーム間隔は、信号光導入口４１ａ，４１ｂ同士の間隔よりも、軸ずれΔＸと軸ずれΔＹとを加算した値だけ広がる。すなわち、軸ずれΔＸと軸ずれΔＹとを加算した大きさの平行ずれ（ΔＸ＋ΔＹ）が発生する。したがって、平行ずれ（ΔＸ＋ΔＹ）を信号光Ｎ１，Ｎ２に対して均等に割り振った際には、信号光Ｎ１と信号光導入口４１ａとの間、及び信号光Ｎ２と信号光導入口４１ｂとの間に、それぞれ、平行軸ずれ（ΔＸ＋ΔＹ）／２が発生することとなる。
図１８は、比較例における実装誤差による回転ずれΔθ４と信号光Ｎ１，Ｎ２のビーム間隔の平行ずれ（ΔＸ＋ΔＹ）との関係を示すグラフである。図１９は、信号光Ｎ１，Ｎ２のビーム間隔の平行軸ずれ（ΔＸ＋ΔＹ）／２と結合効率との関係を示すグラフである。図１８のグラフにおいて、横軸は回転ずれΔθ４の大きさを示し、縦軸は平行ずれ（ΔＸ＋ΔＹ）の大きさを示す。図１９のグラフにおいて、横軸は信号光Ｎ１，Ｎ２と各信号光導入口４１ａ，４１ｂとの平行軸ずれ（ΔＸ＋ΔＹ）／２の大きさを示し、縦軸は信号光Ｎ１，ＮＡ２の結合効率の損失の大きさを示す。図１８に示されるように、光分岐素子２０Ｘにおいて、例えば回転ずれΔθ４が５°（ｄｅｇ）である場合、平行ずれ（ΔＸ＋ΔＹ）は約８０μｍとなる（図１８のグラフの破線を参照）。この場合、信号光Ｎ１，Ｎ２と各信号光導入口４１ａ，４１ｂとのそれぞれの平行軸ずれ（ΔＸ＋ΔＹ）／２は、約４０μｍとなるため、図１９に示されるように、結合効率が０．６ｄＢ程度も損失してしまうことがわかる（図１９のグラフの破線を参照）。換言すると、信号光Ｎ１，Ｎ２に対する各信号光導入口４１ａ，４１ｂの受光感度が０．６ｄＢ程度も低下してしまう。
これに対し、第１実施形態に係る光受信モジュール１Ａにおいては、光分岐素子２０が複屈折材料によって形成されている。これにより、信号光ＮＡは、当該光分岐素子２０の端面２１に入射した際の各偏波成分の屈折角の差を利用して偏波分離される。このように偏波分離された信号光Ｎ１，Ｎ２は、それぞれ、反射することなく直進して端面２２から出射される。したがって、端面２２からの信号光Ｎ１，Ｎ２の各出射角は、信号光ＮＡの端面２１への入射角と同じとなる。このため、仮に、製造誤差により、端面２１，２２が平行でない場合であっても、端面２２から出射される際、信号光Ｎ１の光路及び信号光Ｎ２の光路は、設計値に対して互いに同じ角度だけずれることとなる。また、別の製造誤差により、結晶光学軸ＣとＰ偏波の進行方向とのなす角θｏが上述した範囲からずれた場合であっても、端面２２から出射される際、信号光Ｎ１の光路及び信号光Ｎ２の光路は、互いに平行な状態で端面２２における出射点２０ａ，２０ｂのみが設計値に対してそれぞれずれることとなる。これにより、信号光Ｎ１及び信号光Ｎ２のうちの一方のみの角度が設計値から大きくずれることが回避される。したがって、信号光Ｎ１，Ｎ２の間に結合効率差が生じることを抑制できる。
また、図４及び図５は、光分岐素子２０の実装角度がずれた状態における光路を説明する図である。図４においては、実装誤差がゼロである状態を二点鎖線にて示している。図４に示されるように、仮に、光分岐素子２０において、実装誤差により、回転ずれΔθ４が発生し、信号光Ｎ１と信号光導入口４１ａとの間に軸ずれΔＸが生じるとともに、信号光Ｎ２と信号光導入口４１ｂとの間に軸ずれΔＹが生じた場合であっても、信号光Ｎ１，Ｎ２のビーム間隔が設計値から変動しにくい。図５に示されるように、設計値に対する信号光Ｎ１，Ｎ２のビーム間隔の変動としては、僅かな平行ずれΔａ（ここでは、軸ずれΔＸと軸ずれΔＹとの差）が発生するに過ぎない。なお、図５は、光分岐素子２０と光ハイブリッド素子４０との光軸調整により、平行ずれΔａを信号光Ｎ１，Ｎ２に対して均等に割り振った状態（信号光Ｎ１と信号光導入口４１ａとの間、及び信号光Ｎ２と信号光導入口４１ｂとの間に、それぞれ、平行軸ずれΔａ／２が発生した状態）を示している。
図６は、光分岐素子２０の実装誤差による回転ずれΔθ４と信号光Ｎ１，Ｎ２のビーム間隔の平行ずれΔａとの関係を示すグラフである。図７は、信号光Ｎ１，Ｎ２のビーム間隔の平行軸ずれΔａ／２と結合効率との関係を示すグラフである。図６のグラフにおいて、横軸は回転ずれΔθ４の大きさを示し、縦軸は平行ずれΔａの大きさを示す。図７のグラフにおいて、横軸は信号光Ｎ１，Ｎ２と各信号光導入口４１ａ，４１ｂとの平行軸ずれΔａ／２の大きさを示し、縦軸は信号光Ｎ１，Ｎ２の結合効率の損失の大きさを示す。図６に示されるように、光分岐素子２０において、例えば回転ずれΔθ４が５°（ｄｅｇ）である場合、平行ずれΔａは約１０μｍである（図６のグラフの破線を参照）。この場合、信号光Ｎ１，Ｎ２と各信号光導入口４１ａ，４１ｂとの平行軸ずれΔａ／２は、約５μｍであるため、図７に示されるように、結合効率の損失が０．１ｄＢ未満である（図７のグラフの破線を参照）。換言すると、信号光Ｎ１，Ｎ２に対する各信号光導入口４１ａ，４１ｂの受光感度の低下を０．１ｄＢ未満に抑制することができる。したがって、実装誤差による回転ずれΔθ４が同じ程度であっても、比較例における光受信モジュール１Ｘよりも結合効率の損失が抑制される。
上述したように、第１実施形態に係る光受信モジュール１Ａによれば、仮に光分岐素子２０の実装角度がずれた場合にも、出射される信号光Ｎ１，Ｎ２のビーム間隔が設計値から変動しにくい。このため、各信号光導入口４１ａ，４１ｂに対する信号光Ｎ１の光路及び信号光Ｎ２の光路の平行軸ずれΔａ／２がそれぞれ抑制される。以上により、光分岐素子２０によって偏波分離された信号光ＮＡにおいて、信号光Ｎ１，Ｎ２の間の結合効率を均一化し、かつ高い結合効率を実現することが可能となる。
第１実施形態において、光受信モジュール１Ａは、信号光ＮＡ及び局発光ＬＡを端面２１に向けて平行化するレンズ１３ａ、１３ｂをさらに備えている。これにより、平行光としての信号光ＮＡ及び局発光ＬＡを光分岐素子２０に伝搬させることができる。
第１実施形態に係る光受信モジュール１Ａにおいて、端面２２のうち信号光Ｎ２の出射点２０ｂを含む領域には、λ／２板２４が設けられている。これにより、光分岐素子２０を通過した信号光Ｎ２の偏波面を局発光ＬＡの偏波面に合わせることができる。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る光モジュールを説明する。図８は、第２実施形態に係る光モジュールとしての光変調モジュール１Ｂの概略を示す平面図である。図８に示される光変調モジュール１Ｂは、コヒーレント通信向けの光変調モジュールである。光変調モジュール１Ｂは、無変調光ＬＢを位相変調して信号光ＮＢを生成する。なお、無変調光とは、強度一定の連続光である。光変調モジュール１Ｂは、光入出力部５０と、光変調素子８０と、光入出力部５０と光変調素子８０とを光学的に結合する結合光学系と、を備える。光変調素子８０は、直線偏波の無変調光ＬＢから２つの信号光Ｎ３，Ｎ４を生成する。２つの信号光Ｎ３，Ｎ４は、結合光学系において、互いの偏波面が直交するように合波されて、信号光ＮＢとして光入出力部５０に導かれる。信号光ＮＢは、互いに直交する二つの偏波成分としての第１偏波成分及び第２偏波成分を含む。本実施形態において、第１偏波成分はＰ偏波であり、第２偏波成分はＳ偏波である。無変調光ＬＢの偏波面は、第１偏波成分の偏波面と平行である。
光変調素子８０は、例えばＩｎＰ、Ｓｉ等を主な構成材料とする半導体素子である。光変調素子８０は、端面８３（第３端面）と、２つの信号光導出口８１ａ，８１ｂと、１つの無変調光導入口８２とを有する。端面８３には、一方の信号光導出口８１ａ（第１信号光導出口）、無変調光導入口８２、及び他方の信号光導出口８１ｂ（第２信号光導出口）がこの順に並んで設けられている。信号光導出口８１ａと信号光導出口８１ｂとの間隔は、例えば５００μｍである。光変調素子８０は、無変調光導入口８２から入力された無変調光ＬＢを分岐して、一方の信号光Ｎ３（第１信号光）及び他方の信号光Ｎ４（第２信号光）をそれぞれ変調する。信号光導出口８１ａは、変調された信号光Ｎ３を導出する。信号光導出口８１ｂは、変調された信号光Ｎ４を導出する。なお、光変調モジュール１Ｂは、光入出力部５０、結合光学系及び光変調素子８０を収容する筐体（不図示）をさらに備えたコヒーレントモジュールであってもよい。
無変調光ＬＢは、無変調光導入口８２から光変調素子８０に入力される。無変調光ＬＢは、無変調光導入口８２から入力された後、２つの無変調光に分岐される。光変調素子８０は、光変調導波路を含む。光変調導波路は、例えばＩｎＰ基板上に形成された導波路である。光変調導波路は、無変調光ＬＢから分岐された一方の無変調光に、信号光Ｎ３を生成するためのコヒーレント変調を行う。同様に、光変調導波路は、無変調光ＬＢから分岐された他方の無変調光に、信号光Ｎ４を生成するためのコヒーレント変調を行う。すなわち、光変調素子８０は、無変調光ＬＢから二つの信号光Ｎ３，Ｎ４を生成する。光変調素子８０によって生成された信号光Ｎ３，Ｎ４は、それぞれ、信号光導出口８１ａ，８１ｂを介して光変調素子８０から出力される。信号光Ｎ３は、信号光導出口８１ａから出力される。信号光Ｎ４は、信号光導出口８１ｂから出力される。
結合光学系は、光合波素子６０と、レンズアレイ７０と、を含む。レンズアレイ７０は、光合波素子６０と光変調素子８０との間に配置されている。レンズアレイ７０の一方の面は、光合波素子６０と対向し、レンズアレイ７０の他方の面は、光変調素子８０の端面８３と対向している。レンズアレイ７０は、レンズ７１，７２，７３を有する。レンズ７１，７２，７３は、信号光導出口８１ａ、無変調光導入口８２、及び信号光導出口８１ｂの並び方向と同じ方向に沿って、この順に並んでいる。レンズ７１（第４コリメートレンズ）は、信号光Ｎ３の光路上に配置され、信号光Ｎ３を平行化する。レンズ７２は、端面６２から出射される無変調光ＬＢの光路上に配置され、無変調光ＬＢを無変調光導入口８２に集光する。レンズ７３（第５コリメートレンズ）は、信号光Ｎ４の光路上に配置され、信号光Ｎ４を平行化する。
光合波素子６０は、信号光ＮＢの光路上であって、無変調光ＬＢの光路上でもある位置に配置されている。光合波素子６０は、端面６１（第１端面）と端面６１と反対の端面６２（第２端面）とを含む。端面６１，６２は、互いに平行である。端面６１，６２のそれぞれには、例えば反射防止膜が設けられている。本実施形態において、光合波素子６０の形状は、端面６１，６２に直交する方向を長手方向として延びる直方体状である。端面６２は、レンズアレイ７０に対向している。端面６２と端面８３とは、レンズアレイ７０を介して互いに対向している。
上述した光変調素子８０の信号光導出口８１ａは、端面６２における信号光Ｎ３の入射点６０ａと光学的に結合されている。無変調光導入口８２は、端面６２における無変調光ＬＢの出射点６０ｃと光学的に結合されている。信号光導出口８１ｂは、端面６２における信号光Ｎ４の入射点６０ｂと光学的に結合されている。レンズ７１は、信号光Ｎ３を端面６２に向けて平行化している。レンズ７２は、端面６２から出射された無変調光ＬＢを集光している。レンズ７３は、信号光Ｎ４を端面６２に向けて平行化している。
図９は、図８に示された光合波素子６０の斜視図である。光合波素子６０は、端面６１の法線ＬＮ’を光変調素子８０の光軸に対して僅かな角度（例えば２°）だけ傾けた状態で配置されている。信号光Ｎ３，Ｎ４は、上記の僅かな角度の入射角にて端面６２にそれぞれ入射する。
ここで、光合波素子６０は、複屈折材料を含んで構成されており、一例では、複屈折材料のみからなる。複屈折材料は、複屈折性を有する材料である。複屈折材料の具体例としては、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、イットリウムバナデート（ＹＶＯ４）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣｏ３）等が挙げられる。光合波素子６０は、複屈折材料の作用を利用して、入射した信号光Ｎ３，Ｎ４を、偏波面の向きごとに異なる屈折角にて屈折させて出射する。すなわち、光合波素子６０は、Ｐ偏波とＳ偏波とを互いに異なる屈折角にて屈折させる。これにより、光合波素子６０は、信号光Ｎ３，Ｎ４を合波して、Ｐ偏波及びＳ偏波を含む信号光ＮＢを生成する。
図１０は、光合波素子６０による合波を説明するための図である。図１０に示されるように、光合波素子６０は、端面６２から入射した信号光Ｎ３をＰ偏波として、屈折角θ３にて屈折させる。光合波素子６０は、この信号光Ｎ３を方向Ｄ３（第１方向）に沿って直進させ、端面６１から出射する。また、光合波素子６０は、Ｐ偏波として半波長（λ／２）板６４（後述）に入射し、Ｓ偏波に変換された信号光Ｎ４を、屈折角θ４にて屈折させる。屈折角θ４は、屈折角θ３とは合波角δ’だけ異なる。光合波素子６０は、この信号光Ｎ４を、方向Ｄ３に対して傾斜する方向Ｄ４（第２方向）に沿って直進させ、端面６２における信号光Ｎ３と重なる位置から出射する。
信号光Ｎ３，Ｎ４は、距離Ｑだけ離間した状態で端面６２から入射する。距離Ｑは、二つの信号光導出口８１ａ，８１ｂの間隔（ここでは、５００μｍ）と同じである。光合波素子６０の長手方向の長さＳ２は、距離Ｑに基づいて、以下の式（４）から式（６）により設定される。ここで、式（４）は、距離Ｑと長さＳ２との関係を示す。また、式（５）は、光合波素子６０の結晶光学軸Ｃ’とＰ偏波（常光線）とのなす角θｏ’と、光合波素子６０の結晶光学軸Ｃ’とＳ偏波（異常光線）とのなす角θe’との関係を示す。なお、ｎｏは、常光線の屈折率、ｎｅは異常光線の屈折率である。式（５）は、信号光Ｎ３，Ｎ４の合波角δ’と、角度θｏ’，θｅ’との関係を示す。
Figure 2021043347
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図１０には、光合波素子６０の結晶光学軸Ｃ’とＰ偏波とのなす角θｏ’と光合波素子６０の結晶光学軸Ｃ’とＳ偏波とのなす角θｅ’が示されている。結晶光学軸Ｃ’とＰ偏波とのなす角θｏ’が４７°から４９°付近であるときに、合波角δ’が最大となる。そのため、本実施形態において、光合波素子６０としては、その結晶光学軸Ｃ’とＰ偏波の進行方向とのなす角θｏ’が４７°から４９°（例えば４８°）となるものが用いられている。
図８に戻り、光合波素子６０は、さらに、端面６１から入射した無変調光ＬＢを、信号光Ｎ３と同じ角度（すなわち、図１０に示す屈折角θ３）にて屈折させる。光合波素子６０は、無変調光ＬＢを信号光Ｎ３と真逆の方向（すなわち、図３に示す方向Ｄ３と真逆の方向）に沿って直進させて端面６２から出射する。無変調光ＬＢは、信号光Ｎ３，Ｎ４の端面６２への入射角と同じ入射角にて端面６１に入射する。光合波素子６０は、端面６１から入射した無変調光ＬＢを、入射角と同じ角度の出射角にて端面６２から出射する。無変調光ＬＢは、端面６２における信号光Ｎ３の入射点６０ａと信号光Ｎ４の入射点６０ｂとの間から出射される。端面６２における無変調光ＬＢの出射点６０ｃは、例えば、入射点６０ａと入射点６０ｂとの中点に位置する。
また、端面６２から入射した信号光Ｎ４をＳ偏波とするために、光合波素子６０には、半波長（λ／２）板６４が設けられている。λ／２板６４は、平板状の複屈折材料（例えば、水晶）によって構成され得る。図８に示されるように、λ／２板６４は、端面６２のうち、信号光Ｎ４の入射点６０ｂを含む一部の領域に設けられている。なお、当該一部の領域は、信号光Ｎ３の入射点６０ａ及び無変調光ＬＢの出射点６０ｃを含まない領域である。信号光Ｎ４は、λ／２板６４を通過して光合波素子６０に入射する。λ／２板６４は、信号光Ｎ４の偏波面を９０°回転させる。これにより、λ／２板６４を通過した信号光Ｎ４の偏波面は、信号光Ｎ３の偏波面及び無変調光ＬＢの偏波面と直交する（図９参照）。
光入出力部５０は、光ファイバ５１，５２と、レンズアレイ５３と、を有する。レンズアレイ５３は、光合波素子６０の端面６１と対向している。レンズアレイ５３は、レンズ５３ａとレンズ５３ｂ（第３コリメートレンズ）とを有する。レンズ５３ａ，５３ｂは、端面６１における信号光ＮＢの出射点と無変調光ＬＢの入射点との並び方向と同じ方向に並んでいる。レンズ５３ａは、端面６１における信号光ＮＢの出射点と光学的に結合されている。レンズ５３ｂは、端面６１における無変調光ＬＢの入射点と光学的に結合されている。レンズ５３ａは、端面６１から出射された信号光ＮＢを集光する。レンズ５３ｂは、端面６１に向けて無変調光ＬＢを平行化する。
光ファイバ５１は、単一モードファイバであって、信号光ＮＢを伝搬する。光ファイバ５２は、偏光保持ファイバであって、Ｐ偏波の無変調光ＬＢを伝搬する。光ファイバ５１，５２は、レンズ５３ａ，５３ｂの並び方向と同じ方向に沿って並んで配置されている。光ファイバ５１，５２は、互いに同じ方向（並び方向に交差する方向）に沿って延在している。光ファイバ５１の光軸と光ファイバ５２の光軸とは互いに平行である。レンズアレイ５３は、光ファイバ５１，５２の延在方向の一方側に位置し、光ファイバ５１の端面及び光ファイバ５２の端面の両方と対向している。レンズ５３ａは、光ファイバ５１の端面に向けて信号光ＮＢを集光する。レンズ５３ｂは、光ファイバ５２の端面から出力される無変調光ＬＢを平行化する。
以上のようにして、光合波素子６０によって合波された信号光Ｎ３，Ｎ４は、Ｐ偏波及びＳ偏波を含む信号光ＮＢとして、レンズアレイ５３のレンズ５３ａを介して光ファイバ５１に入力され、光変調モジュール１Ｂの外部に伝搬される。このように構成された光変調モジュール１Ｂは、光入出力部５０及び結合光学系（すなわち、光合波素子６０及びレンズアレイ７０）として、第１実施形態に係る光受信モジュール１Ａが備える光入力部１０及び結合光学系（すなわち、光分岐素子２０及びレンズアレイ３０）を備えていてもよい。換言すると、光変調モジュール１Ｂは、光変調素子８０を光ハイブリッド素子４０に代えることにより光受信モジュール１Ａとして機能する。更に換言すると、光の伝搬方向を変えることにより、光分岐素子２０を光合波素子６０として機能させることができ、光合波素子６０を光分岐素子２０として機能させることができる。
以上説明した光変調モジュール１Ｂの作用効果について説明する。第２実施形態に係る光変調モジュール１Ｂにおいては、光合波素子６０が複屈折材料によって形成されている。これにより、当該光合波素子６０の端面６２に別々に入射した信号光Ｎ３，Ｎ４は、各偏波成分の屈折角の差を利用して互いに異なる屈折角にて屈折され、端面６１において合波される。このとき、端面６２から入射した信号光Ｎ３，Ｎ４は、それぞれ、反射することなく直進して、端面６１から信号光ＮＢとして出射される。したがって、端面６１からの信号光ＮＢの出射角は、信号光Ｎ３，Ｎ４の端面６２への各入射角と同じとなる。このため、仮に、製造誤差により、端面６１，６２が平行でない場合であっても、端面６１から信号光ＮＢとして出射される際、信号光Ｎ３の光路及び信号光Ｎ４の光路は、設計値に対して互い同じ角度だけずれることとなる。また、別の製造誤差により、結晶光学軸Ｃ’とＰ偏波の進行方向とのなす角θｏ’が上述した範囲からずれた場合であっても、端面６１から信号光ＮＢとして出射される際、信号光Ｎ３の光路及び信号光Ｎ４の光路は、互いに平行な状態で端面６１における出射点のみが設計値に対してそれぞれずれることとなる。これにより、信号光Ｎ３及び信号光Ｎ４のうちの一方のみの角度が設計値から大きくずれることが回避される。したがって信号光ＮＢとして出射される信号光Ｎ３，Ｎ４の間に結合効率差が生じることを抑制できる。
また、図１１及び図１２は、光合波素子６０の実装角度がずれた状態における光路を説明する図である。図１１においては、実装誤差がゼロである状態を二点鎖線にて示している。図１１に示されるように、仮に、光合波素子６０において、実装誤差により、回転ずれΔθ４が発生し、信号光Ｎ３と光ファイバ５１との間に軸ずれΔＸ’が生じるとともに、信号光Ｎ４と光ファイバ５１との間に軸ずれΔＹ’が生じた場合であっても信号光Ｎ３，Ｎ４のビーム間隔が設計値から変動しにくい。図１２に示されるように、設計値に対する信号光Ｎ３，Ｎ４のビーム間隔の変動としては、僅かな平行ずれΔａ’（ここでは、軸ずれΔＸ’と軸ずれΔＹ’との差）が発生するに過ぎない。なお、図１２は、光合波素子６０と光ファイバ５１との光軸調整により、平行ずれΔａ’を信号光Ｎ３，Ｎ４に対して均等に割り振った状態（信号光Ｎ３と光ファイバ５１の光軸との間、及び信号光Ｎ４と光ファイバ５１の光軸との間に、それぞれ、平行軸ずれΔａ／２’が発生した状態）を示している。
上述したように、第２実施形態に係る光変調モジュール１Ｂによれば、仮に光合波素子６０の実装角度がずれた場合にも、信号光ＮＢとして出射される信号光Ｎ３，Ｎ４のビーム間隔が設計値から変動しにくい。このため、光ファイバ５１に対する信号光Ｎ３，Ｎ４の平行軸ずれΔａ’／２がそれぞれ抑制される。以上により、光合波素子６０によって合波された信号光ＮＢにおいて、信号光Ｎ３，Ｎ４の間の結合効率を均一化し、かつ高い結合効率を実現することが可能となる。
第２実施形態において、光変調モジュール１Ｂは、無変調光ＬＢを端面６１に向けて平行化するレンズ５３ｂと、信号光Ｎ３，Ｎ４を端面６２に向けてそれぞれ平行化するレンズ７１，７３と、をさらに備えている。これにより、平行光としての信号光Ｎ３，Ｎ４及び無変調光ＬＢを光合波素子６０に伝搬させることができる。
第２実施形態に係る光変調モジュール１Ｂにおいて、端面６２のうち信号光Ｎ４の入射点６０ｂを含む領域には、信号光Ｎ４の位相を９０°変換するλ／２板６４が設けられている。これにより、光合波素子６０を通過する信号光Ｎ４の偏波面を信号光Ｎ３の偏波面に直交させることができる。
以上の各実施形態は、本開示に係る光モジュールの一実施形態について説明したものである。本開示に係る光モジュールは、上述した各実施形態を任意に変更したものとすることができる。
例えば、第１実施形態においては、光分岐素子２０が複屈折材料のみから構成された例について説明したが、光分岐素子２０のうち信号光ＮＡ及び局発光ＬＡが通過する部分のみが複屈折材料のみによって構成されていてもよい。また、第２実施形態においては、光合波素子６０が、複屈折材料のみから構成された例について説明したが、光合波素子６０のうち信号光Ｎ３，Ｎ４及び無変調光ＬＢが通過する部分のみが、複屈折材料のみによって構成されていてもよい。
また、本開示を、第１実施形態に係る光受信モジュール１Ａと、第２実施形態に係る光変調モジュール１Ｂと、を備える光モジュール（例えば、トランシーバ）に適用してもよい。
１Ａ，１Ｘ 光受信モジュール
１０ 光入力部
１１，１２ 光ファイバ
１３ レンズアレイ
１３ａ レンズ（第１コリメートレンズ）
１３ｂ レンズ（第２コリメートレンズ）
２０，２０Ｘ 光分岐素子
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 出射点
２１，２１Ｘ 端面（第１端面）
２２，２２Ｘ 端面（第２端面）
２４ 半波長（λ／２）板
２５Ｘ 誘電体多層膜
２６Ｘ 反射膜
３０ レンズアレイ
３１，３２，３３ レンズ
４０ 光ハイブリッド素子
４１ａ 信号光導入口（第１信号光導入口）
４１ｂ 信号光導入口（第２信号光導入口）
４２ 局発光導入口
４３ 端面（第３端面）
Ｃ 結晶光学軸
Ｄ１ 方向（第１方向）
Ｄ２ 方向（第２方向）
ＬＡ 局発光
ＬＮ 法線
Ｎ１ 信号光（第１信号光）
Ｎ２ 信号光（第２信号光）
ＮＡ 信号光
Ｐ 分岐量
δ 分岐角
θｏ，θｅ 角
θ１，θ２ 屈折角
Δθ１〜Δθ３ ずれ角
Δθ４ 回転ずれ
ΔＸ，ΔＹ 軸ずれ
Δａ 平行ずれ
１Ｂ 光変調モジュール
５０ 光入出力部
５１，５２ 光ファイバ
５３ レンズアレイ
５３ａ レンズ
５３ｂ レンズ（第３コリメートレンズ）
６０ 光合波素子
６０ａ，６０ｂ 入射点
６０ｃ 出射点
６１ 端面（第１端面）
６２ 端面（第２端面）
６４ 半波長（λ／２）板
７０ レンズアレイ
７１ レンズ（第４コリメートレンズ）
７３ レンズ（第５コリメートレンズ）
７２ レンズ
８０ 光変調素子
８１ａ 信号光導出口（第１信号光導出口）
８１ｂ 信号光導出口（第２信号光導出口）
８２ 無変調光導入口
８３ 端面（第３端面）
Ｃ’ 結晶光学軸
Ｄ３ 方向（第１方向）
Ｄ４ 方向（第２方向）
ＬＢ 無変調光
ＬＮ’ 法線
Ｎ３ 信号光（第１信号光）
Ｎ４ 信号光（第２信号光）
ＮＢ 信号光
Ｑ 距離
δ’ 合波角
θｏ’，θｅ’ 角
θ３，θ４ 屈折角
ΔＸ’，ΔＹ’ 軸ずれ
Δａ’ 平行ずれ

Claims (8)

  1. 偏波面が互いに直交する第１偏波成分及び第２偏波成分を含む信号光を、前記第１偏波としての第１信号光と前記第２偏波としての第２信号光とに偏波分離する光分岐素子と、
    前記第１信号光及び前記第２信号光をそれぞれ局発光と干渉させる光ハイブリッド素子と、を備え、
    前記光分岐素子は、
    複屈折材料を含んで構成されており、
    第１端面と、前記第１端面と反対の第２端面と、を有し、
    前記第１端面から入射した前記信号光のうちの前記第１偏波成分を、前記第１信号光として第１方向に沿って直進させて、前記第２端面から出射し、
    前記第１端面から入射した前記信号光のうちの前記第２偏波成分を、前記第２信号光として前記第１方向に対して傾斜する第２方向に沿って直進させて、前記第２端面から出射し、
    前記第１偏波成分の偏波面に平行な偏波面にて前記第１端面から入射した前記局発光を、前記第１方向に沿って直進させて、前記第２端面における前記第１信号光の出射点と前記第２信号光の出射点との間から出射し、
    前記光ハイブリッド素子は、
    前記第２端面に対向して配置された第３端面と、
    前記第２端面における前記第１信号光の出射点と光学的に結合された第１信号光導入口と、
    前記第２端面における前記局発光の出射点と光学的に結合された局発光導入口と、
    前記第２端面における前記第２信号光の出射点と光学的に結合された第２信号光導入口と、を有し、
    前記第３端面には、前記第１信号光導入口、前記局発光導入口、及び前記第２信号光導入口がこの順に並んで設けられている、光モジュール。
  2. 前記信号光を前記第１端面に向けて平行化する第１コリメートレンズと、
    前記局発光を前記第１端面に向けて平行化する第２コリメートレンズと、をさらに備える、請求項１に記載の光モジュール。
  3. 前記光分岐素子の形状は、前記第１端面に直交する方向を長手方向として延びる直方体状である、請求項１又は請求項２に記載の光モジュール。
  4. 前記第２端面のうち前記第２信号光の出射点を含む領域には、半波長板が設けられている、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光モジュール。
  5. 直線偏波の無変調光から第１信号光及び第２信号光を生成する光変調素子と、
    互いの偏波面が直交するように前記第１信号光及び前記第２信号光を合波して、前記第１信号光としての第１偏波成分と前記第２信号光としての第２偏波成分とを含む信号光を生成する光合波素子と、を備え、
    前記光合波素子は、
    複屈折材料を含んで構成されており、
    第１端面と、前記第１端面と反対の第２端面と、を有し、
    前記第２端面から入射した前記第１信号光を、前記第１偏波成分として第１方向に沿って直進させて第１端面から出射し、
    前記第２端面から入射した前記第２信号光を、前記第２偏波成分として前記第１方向に対して傾斜する第２方向に沿って直進させて、前記第１端面における前記第１信号光と重なる位置から出射し、
    前記第１偏波成分の偏波面に平行な偏波面にて前記第１端面から入射した前記無変調光を、前記第１方向に沿って直進させて、前記第２端面における前記第１信号光の入射点と前記第２信号光の入射点との間から出射し、
    前記光変調素子は、
    前記第２端面に対向して配置された第３端面と、
    前記第２端面における前記第１信号光の入射点と光学的に結合され、前記第１信号光を導出する第１信号光導出口と、
    前記第２端面における前記無変調光の出射点と光学的に結合された無変調光導入口と、
    前記第２端面における前記第２信号光の入射点と光学的に結合され、前記第２信号光を導出する第２信号光導出口と、を有し、
    前記第３端面には、前記第１信号光導出口、前記無変調光導入口、及び前記第２信号光導出口がこの順に並んで設けられている、光モジュール。
  6. 前記無変調光を前記第１端面に向けて平行化する第３コリメートレンズと、
    前記第１信号光を前記第２端面に向けて平行化する第４コリメートレンズと、
    前記第２信号光を前記第２端面に向けて平行化する第５コリメートレンズと、をさらに備える、請求項５に記載の光モジュール。
  7. 前記光合波素子の形状は、前記第１端面に直交する方向を長手方向として延びる直方体状である、請求項５又は請求項６に記載の光モジュール。
  8. 前記第２端面のうち前記第２信号光の入射点を含む領域には、半波長板が設けられている、請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の光モジュール。

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