JP3941334B2 - 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
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Description
【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５−２４９３３１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１０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２３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＝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。
【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たものである。
【００１６】
また、前記第一の光導波路もしくは前記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ものである。
【００１７】
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軸とした場合、前記第一の光導波路もしくは前記第二の光導波路のうちの少なくとも一方を該ｚ軸方向に光ビームを伝搬するように形成されたコア部を複数個配置し、該コア部の少なくとも一部の幅をｘ軸もしくはｙ軸のいずれか一方についてｚ軸方向に沿って変化させて構成したものである。
【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たものである。
【００１９】
ここで、「ビームスポット径を保持する」とは、第二の光導波路における光ビームの伝搬方向に対するビームスポット径変化率の絶対値が、第一および第三の光導波路における光ビームの伝搬方向に対するそれぞれのビームスポット径変化率の絶対値のいずれよりも小さい関係が成立するものであれば良い。より具体的には、光ビームが１００μｍ伝搬した時の平均屈折率の変化の絶対値が０．０５％未満であるようなものであれば良い。従って、この値以上であれば、ビームスポットを拡大もしくは縮小すると言うことになる。
【００２０】
また、前記第一の光導波路もしくは前記第二の光導波路もしくは前記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ものである。
【００２１】
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軸とした場合、前記第一の光導波路もしくは前記第二の光導波路もしくは前記第三の光導波路のうちの少なくとも一つを該ｚ軸方向に光ビームを伝搬するように形成されたコア部を複数個配置し、該コア部の少なくとも一部の幅をｘ軸もしくはｙ軸のいずれか一方についてｚ軸方向に沿って変化させて構成したものである。
【００２２】
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。
【００２３】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の原理を、図８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８（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８（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８（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、すなわちビームウエスト間距離をＺからＺ’へと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８（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８（ｂ）の構成においても図８（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Ｗ２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８（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９の模式図を用いて以下に説明する。
【００３４】
まず、図９（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。
【００３５】
しかしながら、図９（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。
【００３６】
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−ｎ２）／ｎ１×１００［％］（ｎ１：コア１の屈折率、ｎ２：クラッド２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１２、及びビームスポット縮小光導波路１３により構成した。
【００３８】
本実施例においては、光ビームが伝搬する方向において、コア／クラッド屈折率差を変換することでビームスポット径を拡大もしくは縮小できるように構成した。ここで、コア／クラッド屈折率差とは、光ビームの伝搬方向においてコアとクラッドが交互に形成されている場合に、コアとクラッドとの組み合わせであるセグメントにおける平均屈折率とその周囲に存在するクラッドの屈折率との差を意味するものである。この場合、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。この本実施例で採用した屈折率差変換の手段としてのセグメント型光導波路の概念を以下に説明する。
【００３９】
図７にセグメント型光導波路の模式図を示す。
【００４０】
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、ｎ１をクラッド２の屈折率、ｎ２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’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。
【００４１】
ｎ’＝（１―α）・ｎ１＋α・ｎ２………（１）
従って、このコア１とクラッド２の長さの比αを光の伝搬方向に沿って変えることにより導波路の屈折率が変化させることができることとなる。これが、屈折率差変換の手段としてのセグメント型光導波路の概念である。
【００４２】
図１に示す光モジュールにおいては、このセグメント型光導波路の概念が適用されており、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。
【００４３】
すなわち、クラッド２の屈折率ｎ１がコア１の屈折率ｎ２より小さくなるような材料を用いているので、セグメント長を一定にして、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。
【００４４】
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。
【００４５】
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１９〜１０μｍくらいの範囲とすることが望ましい。
【００４６】
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０．０５〜０．２％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。
【００４７】
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。例えば、単一モードのみを伝搬させる場合は、セグメントの平均屈折率をｎ’、クラッドの屈折率をｎ２、平均屈折率とクラッド屈折率との差をΔｎ’＝（ｎ’−ｎ２）／ｎ’とすると、ｙ軸方向の幅Ｗｙは
【００４８】
【数３】
【００４９】
（Ｖｃ＝２．４０４８、カットオフＶ値）にて表される不等式を満たすようにすればよい。
【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、上記構造による光ビームのビームスポット径の変換の形態を光伝搬法（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ、ＢＰＭ）によるシミュレーションを用いて計算した。但し、コア１の屈折率ｎ２＝１.４６４１６、クラッド２の屈折率ｎ１＝１.４５７６、波長λ＝１．３１μｍとした。また、ビームスポット変換光導波路２１に繋がる光導波路２２の断面は６．５μｍ角の正方形とした。
【００５２】
そのシミュレーション結果を図５に示す。図５は、光導波路２２側から入射した光ビーム３がビームスポット変換光導波路１１、１２、１３によりビームスポット形状を変換する形態であり、（ａ）はビームスポット変換光導波路の入口での形状、すなわち光導波路２２を伝搬するビームスポット形状である。次に、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との接続部でのビームスポットを（ｂ）に示すが、ビームスポット径が拡大されているのが分かる。次に、（ｃ）にビームスポット保持光導波路１２とビームスポット径拡大光導波路１１との接続部でのビームスポット形状を示す。（ｂ）の形状がおおよそ保持されているのが分かる。最後に、ビームスポット拡大光導波路端部１１の前方のビームスポットを（ｄ）に示す。
【００５３】
このシミュレーション結果からも明らかなように、（ｄ）は（ａ）よりも小さいビームスポット径を示しており、ビームスポット変換光導波路２１により、ビームスポット径が変換されていることが分かる。
【００５４】
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。
【００５５】
まず、Ｓi基板３１を用意する（工程（ａ））。
【００５６】
次に、Ｓi基板３１の上に第１クラッド層３２とコア層３３を、原料を酸水素炎中で加熱加水分解して得られるガラス微粒子として堆積する（工程（ｂ））。但し、コア層３３は酸化チタンや酸化ゲルマニウム等のドーパント濃度を高くしてある。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。そして、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））。
【００５７】
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を同時に行う。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 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））。
【００５８】
その後、コア層３３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。
【００５９】
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。
【００６０】
本発明の他の実施例を図２を用いて説明する。
【００６１】
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。
【００６２】
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。また、当然のことながら結合効率は従来に比べて向上する。
【００６３】
図６に実施例１、実施例２に示したビームスポット径変換光導波路による半導体レーザと光導波路との結合効率並びにトレランスを示すグラフに示す。また、比較例としてビームスポット径変換光導波路が存在しない場合の結果も併せて示した。なお、これは図５同様に、光伝搬法（Ｂｅａｍ ＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ、ＢＰＭ）によるシミュレーションを用いて計算した結果である。
【００６４】
図から明らかなように、実施例１および実施例２の構造を用いれば結合効率が向上することが分かる。また、光軸垂直方向ずれに対するトレランスについても、軸ずれ量が２μｍにおいても従来例よりも高い結合効率を示しておりトレランスが維持されていることが分かる。この結果は、図９に示した原理からも理解できる。
【００６５】
次に、本発明の他の実施例を図３を用いて説明する。
【００６６】
本実施例では、前述の実施例におけるビームスポット拡大光導波路１１に関して、ビームスポット変換法としてコア断面積を光の伝搬方向に沿って変化させる方法を適用した。これは、図２に示すビームスポット変換光導波路２１に適用した例であるが、当然のことながら、図１に示すものにも適用できる。
【００６７】
本実施例によるビームスポット拡大光導波路１１においては、コアは光の伝搬方向に沿って断面積が変化していく、いわゆるテーパ形状とした。但し、テーパ形状となっているのは、ｙ軸方向、すなわち基板表面に平行な軸方向のみで、ｘ軸方向は一定となっている。
【００６８】
この図示したテーパ形状を用いることで、ビームスポット径はｘ軸・ｙ軸両方向に拡大・縮小することができるが、これは、光の伝搬方向に沿ってコア断面積を縮小させると、ある程度まではビームスポット径は小さくなり、さらに小さくするとコアへの光の閉じ込めが弱くなり、ビームスポット径は拡大するからである。従って、ビームスポット拡大光導波路１１におけるテーパの度合いを調整することで、所定のビームスポット径に拡大させることができる。
【００６９】
このような形態で形成されたビームスポット変換光導波路であっても、結合効率を変換できる。従って、前述の実施例と同様に結合効率を向上させ、かつ軸ずれに対するトレランスを維持することができる。
なお、これら以外の屈折率差を変換する方法としては屈折率の異なる材料を用いる方法が考えられる。この場合コアとクラッドに加えて新たに別の材料を形成する（異なる屈折率を持つ部分を形成する）プロセスを導入する必要がある。
【００７０】
【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の実施の形態例によるビームスポット径の変化を表す図である。
【図６】本発明に係るビームスポット変換光導波路の第１の実施の形態例、第２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７】セグメント型光導波路を表す模式図である。
【図８】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９】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１０】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、３３…コア層、３４…第二クラッド層
【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５−２４９３３１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１０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２３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
【０００６】
【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。
【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たものである。
【００１６】
また、前記第一の光導波路もしくは前記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ものである。
【００１７】
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軸とした場合、前記第一の光導波路もしくは前記第二の光導波路のうちの少なくとも一方を該ｚ軸方向に光ビームを伝搬するように形成されたコア部を複数個配置し、該コア部の少なくとも一部の幅をｘ軸もしくはｙ軸のいずれか一方についてｚ軸方向に沿って変化させて構成したものである。
【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たものである。
【００１９】
ここで、「ビームスポット径を保持する」とは、第二の光導波路における光ビームの伝搬方向に対するビームスポット径変化率の絶対値が、第一および第三の光導波路における光ビームの伝搬方向に対するそれぞれのビームスポット径変化率の絶対値のいずれよりも小さい関係が成立するものであれば良い。より具体的には、光ビームが１００μｍ伝搬した時の平均屈折率の変化の絶対値が０．０５％未満であるようなものであれば良い。従って、この値以上であれば、ビームスポットを拡大もしくは縮小すると言うことになる。
【００２０】
また、前記第一の光導波路もしくは前記第二の光導波路もしくは前記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ものである。
【００２１】
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軸とした場合、前記第一の光導波路もしくは前記第二の光導波路もしくは前記第三の光導波路のうちの少なくとも一つを該ｚ軸方向に光ビームを伝搬するように形成されたコア部を複数個配置し、該コア部の少なくとも一部の幅をｘ軸もしくはｙ軸のいずれか一方についてｚ軸方向に沿って変化させて構成したものである。
【００２２】
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。
【００２３】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の原理を、図８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８（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８（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８（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、すなわちビームウエスト間距離をＺからＺ’へと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８（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８（ｂ）の構成においても図８（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Ｗ２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８（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９の模式図を用いて以下に説明する。
【００３４】
まず、図９（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。
【００３５】
しかしながら、図９（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。
【００３６】
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−ｎ２）／ｎ１×１００［％］（ｎ１：コア１の屈折率、ｎ２：クラッド２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１２、及びビームスポット縮小光導波路１３により構成した。
【００３８】
本実施例においては、光ビームが伝搬する方向において、コア／クラッド屈折率差を変換することでビームスポット径を拡大もしくは縮小できるように構成した。ここで、コア／クラッド屈折率差とは、光ビームの伝搬方向においてコアとクラッドが交互に形成されている場合に、コアとクラッドとの組み合わせであるセグメントにおける平均屈折率とその周囲に存在するクラッドの屈折率との差を意味するものである。この場合、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。この本実施例で採用した屈折率差変換の手段としてのセグメント型光導波路の概念を以下に説明する。
【００３９】
図７にセグメント型光導波路の模式図を示す。
【００４０】
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、ｎ１をクラッド２の屈折率、ｎ２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’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。
【００４１】
ｎ’＝（１―α）・ｎ１＋α・ｎ２………（１）
従って、このコア１とクラッド２の長さの比αを光の伝搬方向に沿って変えることにより導波路の屈折率が変化させることができることとなる。これが、屈折率差変換の手段としてのセグメント型光導波路の概念である。
【００４２】
図１に示す光モジュールにおいては、このセグメント型光導波路の概念が適用されており、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。
【００４３】
すなわち、クラッド２の屈折率ｎ１がコア１の屈折率ｎ２より小さくなるような材料を用いているので、セグメント長を一定にして、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。
【００４４】
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。
【００４５】
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１９〜１０μｍくらいの範囲とすることが望ましい。
【００４６】
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０．０５〜０．２％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。
【００４７】
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。例えば、単一モードのみを伝搬させる場合は、セグメントの平均屈折率をｎ’、クラッドの屈折率をｎ２、平均屈折率とクラッド屈折率との差をΔｎ’＝（ｎ’−ｎ２）／ｎ’とすると、ｙ軸方向の幅Ｗｙは
【００４８】
【数３】
（Ｖｃ＝２．４０４８、カットオフＶ値）にて表される不等式を満たすようにすればよい。
【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、上記構造による光ビームのビームスポット径の変換の形態を光伝搬法（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ、ＢＰＭ）によるシミュレーションを用いて計算した。但し、コア１の屈折率ｎ２＝１.４６４１６、クラッド２の屈折率ｎ１＝１.４５７６、波長λ＝１．３１μｍとした。また、ビームスポット変換光導波路２１に繋がる光導波路２２の断面は６．５μｍ角の正方形とした。
【００５２】
そのシミュレーション結果を図５に示す。図５は、光導波路２２側から入射した光ビーム３がビームスポット変換光導波路１１、１２、１３によりビームスポット形状を変換する形態であり、（ａ）はビームスポット変換光導波路の入口での形状、すなわち光導波路２２を伝搬するビームスポット形状である。次に、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との接続部でのビームスポットを（ｂ）に示すが、ビームスポット径が拡大されているのが分かる。次に、（ｃ）にビームスポット保持光導波路１２とビームスポット径拡大光導波路１１との接続部でのビームスポット形状を示す。（ｂ）の形状がおおよそ保持されているのが分かる。最後に、ビームスポット拡大光導波路端部１１の前方のビームスポットを（ｄ）に示す。
【００５３】
このシミュレーション結果からも明らかなように、（ｄ）は（ａ）よりも小さいビームスポット径を示しており、ビームスポット変換光導波路２１により、ビームスポット径が変換されていることが分かる。
【００５４】
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。
【００５５】
まず、Ｓi基板３１を用意する（工程（ａ））。
【００５６】
次に、Ｓi基板３１の上に第１クラッド層３２とコア層３３を、原料を酸水素炎中で加熱加水分解して得られるガラス微粒子として堆積する（工程（ｂ））。但し、コア層３３は酸化チタンや酸化ゲルマニウム等のドーパント濃度を高くしてある。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。そして、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））。
【００５７】
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を同時に行う。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 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））。
【００５８】
その後、コア層３３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。
【００５９】
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。
【００６０】
本発明の他の実施例を図２を用いて説明する。
【００６１】
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。
【００６２】
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。また、当然のことながら結合効率は従来に比べて向上する。
【００６３】
図６に実施例１、実施例２に示したビームスポット径変換光導波路による半導体レーザと光導波路との結合効率並びにトレランスを示すグラフに示す。また、比較例としてビームスポット径変換光導波路が存在しない場合の結果も併せて示した。なお、これは図５同様に、光伝搬法（Ｂｅａｍ ＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ、ＢＰＭ）によるシミュレーションを用いて計算した結果である。
【００６４】
図から明らかなように、実施例１および実施例２の構造を用いれば結合効率が向上することが分かる。また、光軸垂直方向ずれに対するトレランスについても、軸ずれ量が２μｍにおいても従来例よりも高い結合効率を示しておりトレランスが維持されていることが分かる。この結果は、図９に示した原理からも理解できる。
【００６５】
次に、本発明の他の実施例を図３を用いて説明する。
【００６６】
本実施例では、前述の実施例におけるビームスポット拡大光導波路１１に関して、ビームスポット変換法としてコア断面積を光の伝搬方向に沿って変化させる方法を適用した。これは、図２に示すビームスポット変換光導波路２１に適用した例であるが、当然のことながら、図１に示すものにも適用できる。
【００６７】
本実施例によるビームスポット拡大光導波路１１においては、コアは光の伝搬方向に沿って断面積が変化していく、いわゆるテーパ形状とした。但し、テーパ形状となっているのは、ｙ軸方向、すなわち基板表面に平行な軸方向のみで、ｘ軸方向は一定となっている。
【００６８】
この図示したテーパ形状を用いることで、ビームスポット径はｘ軸・ｙ軸両方向に拡大・縮小することができるが、これは、光の伝搬方向に沿ってコア断面積を縮小させると、ある程度まではビームスポット径は小さくなり、さらに小さくするとコアへの光の閉じ込めが弱くなり、ビームスポット径は拡大するからである。従って、ビームスポット拡大光導波路１１におけるテーパの度合いを調整することで、所定のビームスポット径に拡大させることができる。
【００６９】
このような形態で形成されたビームスポット変換光導波路であっても、結合効率を変換できる。従って、前述の実施例と同様に結合効率を向上させ、かつ軸ずれに対するトレランスを維持することができる。
なお、これら以外の屈折率差を変換する方法としては屈折率の異なる材料を用いる方法が考えられる。この場合コアとクラッドに加えて新たに別の材料を形成する（異なる屈折率を持つ部分を形成する）プロセスを導入する必要がある。
【００７０】
【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の実施の形態例によるビームスポット径の変化を表す図である。
【図６】本発明に係るビームスポット変換光導波路の第１の実施の形態例、第２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７】セグメント型光導波路を表す模式図である。
【図８】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９】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１０】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、３３…コア層、３４…第二クラッド層
Claims (3)
- 光ビームの伝搬方向である光軸をｚ軸、該ｚ軸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軸として構成される光伝送モジュールであって、
光ビームを前記ｚ軸方向に放射する半導体レーザ、及び
前記半導体レーザと前記ｚ軸方向に距離Ｚを隔てて光学的に結合され、前記光ビームが入射される入射端から該光ビームが出射される出射端に向けて、該光ビームのスポット径を該ｚ軸に沿って制御するビームスポット径変換導波路を、前記ｙ軸及び該ｚ軸に沿うｙ−ｚ面上に夫々搭載して成り、
前記ビームスポット径変換導波路には、その前記入射端から前記出射端に向けて、該ビームスポット径変換導波路に入射した前記光ビームのスポット径を拡大するビームスポット径拡大導波路、該ビームスポット径拡大導波路で拡大された光ビームのスポット径を一定に保つビームスポット保持導波路、及び該ビームスポット保持導波路で一定に保たれた光ビームのスポット径を縮小するビームスポット径縮小導波路が、Ｓｉ基板の前記ｙ軸及び前記ｚ軸に沿う面上に該ｚ軸沿いにこの順に集積されて配置され、
前記ビームスポット径拡大導波路、前記ビームスポット保持導波路、及び前記ビームスポット径縮小導波路の各々は、前記ビームスポット径変換導波路が形成された前記Ｓｉ基板の前記面上に前記ｚ軸に沿って並べられた複数のコアと、該面上で該コアを囲み且つ該コア間を隔てる該コアより屈折率の低いクラッドから成り、
前記ビームスポット径変換導波路は、前記Ｓｉ基板の前記面上において、前記ビームスポット径縮小導波路と前記出射端で光学的に結合し且つ前記入射端の反対側へ延在する前記コアの一つとこれを囲む前記クラッドからなる光導波路とともに集積され、
前記コアの一つとこれに隣接する該コアの他の一つとを隔てるクラッドとで成る１周期のセグメントの前記ｚ軸方向に沿う長さ：Ｌに対する該一つのコアの長さの比：αは、前記ビームスポット径拡大導波路にて該ビームスポット径変換導波路の前記入射端から前記ビームスポット保持導波路に向けて単調減少し、該ビームスポット保持導波路にて一定に保たれ、前記ビームスポット径縮小導波路にて該ビームスポット保持導波路から該ビームスポット径変換導波路の前記出射端に向けて単調増加し、
前記ｙ軸方向に延びる前記複数のコアの幅は、前記ビームスポット径拡大導波路にて該ビームスポット径変換導波路の前記入射端から前記ビームスポット保持導波路に向けて前記セグメント毎に広がり、前記ビームスポット径縮小導波路にて該ビームスポット保持導波路から該ビームスポット径変換導波路の前記出射端に向けて該セグメント毎に狭まり、
前記ビームスポット径変換導波路は、前記光導波路からこれに伝搬される光のビームスポット径を、該ビームスポット径変換導波路と前記半導体レーザとの間で且つ該半導体レーザから前記Ｚより短いＺ’だけ離れた位置において該半導体レーザのビームスポット径とほぼ等しくなるように縮小する
ことを特徴とする光伝送モジュール。 - 前記ビームスポット径拡大導波路及び前記ビームスポット径縮小導波路における前記１周期のセグメントの長さ：Ｌは一定であることを特徴とする請求項１記載の光伝送モジュール。
- 請求項１又は請求項２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。
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