JP6566022B2 - 集積プリズム及び集積プリズムの構成方法 - Google Patents

Description

本発明は集積プリズム及び集積プリズムの構成方法に関し、特に、複数の光学部品が一体化された光送信機で用いられる集積プリズム及び集積プリズムの構成方法に関する。

偏波多重４値位相変調（dual polarization-quadrature phase shift keying、以下、「ＤＰ−ＱＰＳＫ変調」という。）は、多値位相変調デジタルコヒーレント伝送技術で利用される変調方式の一つである。ＤＰ−ＱＰＳＫ変調は、スペクトル利用効率が高いため、基幹通信の変調方式として広く採用されている。

図１３は、ＤＰ−ＱＰＳＫ変調が採用された一般的な光送信機９００のブロック図である。図１３では、光送信機９００の光学系に関連する部品のみが記載されている。

光源９０１は、例えば半導体レーザである。光源９０１から出力された連続光は分光器９０２で２分岐される。分岐された連続光は変調器９０３及び９０４において位相変調され、信号光となる。変調器９０３から出力された信号光の偏波面は、１／２波長板（λ／２板）９０５によって９０度回転する。変調器９０４から出射された信号光は、１／２波長板９０５を通過する信号光と位相を合わせるための遅延板９０６を透過する。これらの信号光の偏波は偏波合成器９０７によって合成される。分光器９１３を透過した、合成された信号光は光ファイバ９０８と結合される。

信号光の光強度をモニタするために、信号光の一部が分光器９１１〜９１３によって反射されてモニタＰＤ（photo diode、受光素子）９２１〜９２３と結合される。分光器９１１〜９１３は、反射膜を備えたプリズムである。

図１４は、光送信機９００の光学系を構成する光学部品の具体的な配置を示す図である。光送信機９００で用いられるプリズム及びレンズを含む光学部品は、光モジュール９９０を構成する。図１４に記載された光学部品はいずれも独立した部品であり、個別に実装される。

図１３及び図１４において、同一の機能を持つ要素には同一の参照符号を付した。図１３及び図１４に記載された光学部品の対応は以下の通りである。分光器９０２は、５０％反射プリズム９０２１及び１００％反射プリズム９０２２を備える。変調器９０３は、レンズ９０３１及び９０３３、変調器９０３２を備える。変調器９０４は、レンズ９０４１及び９０４３、変調器９０４２を備える。５％反射プリズム９３１〜９３３は、図１３の分光器９１１〜９１３に対応する。図１３の偏波合成器９０７は、図１４の偏波合成器９０７１及び１００％反射プリズム９０７２を備える。プリズムを透過する光はいずれもコリメート光であり、レンズ９０３１、９０３３、９０４１及び９０４３は、コリメート光を変調器９０３２及び９０４２に結合させるように変換する。

５０％反射プリズム９０２１には、図１３の光源９０１から連続光が入力される。連続光は、５０％反射プリズム９０２１で２分岐され、変調器９０３２及び９０４２で位相変調を受ける。５％反射プリズム９３１及び９３２は、変調器９０３２及び９０４２で変調されたそれぞれの信号光の光パワーの５％を反射してモニタＰＤ９２１及び９２２に導く。偏波合成器９０７１は、５％反射プリズム９３１及び９３２を透過した信号光を結合して、偏波多重光を生成する。５％反射プリズム９３３は、偏波多重された信号光の光パワーの５％を反射してモニタＰＤ９２３に導く。１００％反射プリズム９０２２及び９０７２は、光の向きを変えるために用いられる。５％反射プリズム９３３を透過した偏波多重光は、図１３の光ファイバ９０８と結合される。

本発明に関連して、特許文献１及び２は、光フィルタとプリズムを備える光モジュールの構成を開示している。

特開２００５−２４９９６６号公報（［００３７］段落） 特開平０１−０５７２１４号公報（２ページ）

図１４に示されるように、光モジュール９９０は、多数の光学部品を用いた微小光学（マイクロオプティクス）により実現されている。マイクロオプティクスが採用された光学系の過剰損失を低減するためには、個々の光学部品の光軸を精密に一致させる必要がある。例えば、５０％反射プリズム９０２１と１００％反射プリズム９０２２のそれぞれの実装の際には、両部品の角度ずれによる光軸ずれが光モジュール９９０の光損失に大きく影響する。

図１５及び図１６は、プリズムの光軸調整手順を説明するための図である。図１５及び図１６では、第１のプリズム１３０１及び第２のプリズム１３０２を持つ光学系の光軸調整について説明する。図１５を参照すると、まず、第１のプリズム１３０１の光軸が、信号光の波長を検出可能なカメラを用いて調整される。第１のプリズム１３０１の位置が固定された後、図１６に示すように、第２のプリズム１３０２の光軸が、第１のプリズム１３０１及び第２のプリズム１３０２の反射光をカメラで観察して調整される。この手順は、例えば図１４に示した５０％反射プリズム９０２１及び１００％反射プリズム９０２２の調整に適用される。

図１５及び図１６で説明したように、光モジュール９９０を構成する光学部品の組立ての際には、精密な光軸調整を光学部品毎に繰り返す必要がある。このため、光モジュール９９０において必要となる複雑な光軸調整は、光モジュール９９０の歩留りの低下と高コスト化の原因となっている。

また、多くの光学部品が実装される際の、光学部品の間の物理的あるいは光学的な干渉を避けるために、光モジュール９９０には、搭載される光学部品の実装密度を高くすることが困難であるという課題がある。レンズやプリズムは、個々の寸法は小さい一方で、組立ての際に用いられるマニピュレーターの逃げスペースが部品毎に必要である。これは、光モジュール９９０の小型化を困難なものとする。そして、特許文献１、２は、部品点数が少なく組立て及び小型化が容易な光モジュールを実現するという課題を解決するための技術を開示していない。

（発明の目的）
本発明の目的は、部品点数が少なく組立て及び小型化が容易な光モジュールを実現するための技術を提供することにある。

本発明の集積プリズムは、入力される第１の光の偏波を、入力される第２の光の偏波と直交する偏波を持つ第３の光に変換する、プリズムの外面に形成された偏波回転部と、前記第２及び第３の光の偏波を合成して前記第２及び第３の光を含む第４の光として出力する、前記プリズムの内面に形成された偏波合成部と、を備える。

本発明の集積プリズムの構成方法は、入力される第１の光の偏波を、入力される第２の光の偏波と直交する偏波を持つ第３の光に変換する偏波回転部をプリズムの外面に形成し、前記第２及び第３の光の偏波を合成して前記第２及び第３の光を含む第４の光として出力する偏波合成部を、前記プリズムの内面に形成する、ことを特徴とする。

本発明の集積プリズム及び集積プリズムの構成方法は、部品点数が少なく組立て及び小型化が容易な光モジュールを実現する。

第１の実施形態の光モジュール１００の構成を示すブロック図である。 光モジュール１００の具体的な構成を示す模式図である。 光モジュール１００のＡ−Ｂ部の断面図である。 集積プリズム１０４の構成を示す図である。 集積プリズム１０４の製造方法の一例を説明するための図である。 集積プリズム１０３の実装位置の調整方法を説明するための図である。 集積プリズム１０３のコリメート光の位置をカメラでモニタした場合の様子を説明するための図である。 集積プリズム１０３のコリメート光の位置をカメラでモニタした場合の様子を説明するための図である。 集積プリズム１０４の光軸調整方法を説明するための図である。 光モジュール１００の組立手順を示すフローチャートの例である。 第２の実施形態の光モジュール２００の構成を示す模式図である。 第３の実施形態の光モジュール３００の構成を示す模式図である。 ＤＰ−ＱＰＳＫ変調が採用された一般的な光送信機のブロック図である。 光送信機９００の光学系を構成する光学部品の具体的な配置を示す図である。 プリズムの調整手順を説明するための図である。 プリズムの調整手順を説明するための図である。

本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の光モジュール１００の構成を示すブロック図である。光モジュール１００は、光源１０２、集積プリズム１０３及び１０４、変調器１１０及び１１１、モニタＰＤ１１２〜１１４を備える。光モジュール１００は、光源１０２から出力された連続光を変調器１１０及び１１１で変調して信号光を生成し、信号光を光ファイバ１５０に出力する。光源１０２及び光ファイバ１５０は光モジュール１００に含まれていなくてもよい。光モジュール１００のより具体的な構成について以下に説明する。なお、図１以降の各図面において信号に付された矢印は信号の方向の例を示すものであり、信号の方向を限定しない。

図２は光モジュール１００の具体的な構成を示す模式図である。図３は光モジュール１００の図２のＡ−Ｂ部の断面図である。以降の図面において、既出の要素と同一の要素には同一の参照符号を付して、説明は省略した。

光モジュール１００の基板１０１上に、集積プリズム１０３及び１０４を含む光学部品が配列される。基板１０１は光学部品が実装される基板である。基板１０１の上には光学部品の搭載位置を示すマーカ、変調器１１０及び１１１のための電気配線及び位置合わせブロック１２０が製造時に予め形成されている。ただし、図２にはマーカ及び電気配線は図示されていない。基板１０１には、高周波特性や加工精度に優れたセラミックス基板を用いることができる。基板１０１上に、光源１０２、集積プリズム１０３及び１０４、レンズ１０５〜１０９、変調器１１０及び１１１、モニタＰＤ１１２〜１１４が実装される。

レンズ１０５〜１０９は信号光の波長帯に対して透明なガラスで形成されたレンズである。レンズ１０５〜１０９は非球面レンズでもよい。レンズ１０５〜１０９は、各々の光学部品を透過する光を効率よく伝搬させるために用いられる。

光モジュール１００内を伝搬する光の光軸は図２の破線で示される。光学部品の位置関係について、光軸に沿って詳しく説明する。光源１０２は例えば波長可変レーザである。光源１０２の直後に実装されたレンズ１０５は、出力された光をコリメート光に変換する。コリメート光は、直径５００μｍ程度の平行光である。

集積プリズム１０３は、レンズ１０５から出射される連続光の光軸上に、マーカを用いて実装される。集積プリズム１０３の材料には、連続光の波長に対して透明な石英を用いることができる。集積プリズム１０３及び１０４の入出射面には、反射防止膜が形成される。集積プリズム１０３及び１０４の内部の反射面には、所定の反射率（例えば５％、５０％、１００％）を持つミラーが形成される。反射率がほぼ１００％であるミラーは全反射鏡とも呼ばれる。反射率が１００％未満であるミラーは、半透明鏡とも呼ばれる。ミラーは、例えば誘電体多層膜である。

集積プリズム１０３は、透過率及び反射率が５０％である５０％反射ミラー１０３１と、反射率が１００％である１００％反射ミラー１０３２とを備える。５０％反射ミラー１０３１及び１００％反射ミラー１０３２は、レンズ１０５からの入射光に対して４５度の角をなして使用されるように、プリズムの面に形成される。５０％反射ミラー１０３１及び１００％反射ミラー１０３２が形成されたプリズムを貼り合わせることで、集積プリズム１０３が組み立てられる。集積プリズム１０４の構成は、図４を用いて後述する。

集積プリズム１０３から出射されるコリメート光と変調器１１０及び１１１とを結合するために、レンズ１０６及び１０７が配置される。レンズ１０６及びレンズ１０７は、レンズ１０５と同じ部品であり、レンズ１０５とは逆向きに配置される。変調器１１０及び１１１は、連続光を変調して信号光を生成する。変調器１１０及び１１１として、小型で特性に優れるＩｎＰ（indium phosphide、燐化インジウム）光変調器を用いることができる。

変調器１１０及び１１１は、図３に示されるように、予め基板１０１に形成された位置合わせブロック１２０に突き当てることで、基板１０１上に実装される。基板１０１上に実装された変調器１１０及び１１１の連続光の入力部の間隔は、集積プリズム１０３から出射される２本のコリメート光の間隔と等しい。

変調器１１０及び１１１の後方（すなわち、信号光の出射側）にはレンズ１０８及び１０９が配置される。レンズ１０８及び１０９は、変調器１１０及び１１１から出射された信号光をコリメート光に変換する。レンズ１０８及び１０９に、レンズ１０５〜１０７と同一の部品を使用することで、レンズの取り違えを防止できる。過剰損失が許容される場合には、レンズ１０５〜１０９の筐体を基板１０１と接するように配置することで、レンズ１０５〜１０９の、基板１０１の表面と垂直方向の光軸調整を省略してもよい。

図２において、レンズ１０８及び１０９の後方には、集積プリズム１０４が配置される。図４は、集積プリズム１０４の構成を示す図である。集積プリズム１０４は、１／２波長板１４１、光遅延板１４２、５％反射ミラー１４３、９５％反射ミラー１４４、偏波合成器１４５がプリズムを用いて一体に集積された光学部品である。偏波合成器１４５は、入力されたＴＥ（transverse electric）光の５％を透過し、９５％を反射するとともに、入力されたＴＭ（transverse magnetic）光の５％を反射し、９５％を透過する。集積プリズム１０４が備える５％反射ミラー１４３、９５％反射ミラー１４４及び偏波合成器１４５として、誘電体多層膜が用いられてもよい。

１／２波長板１４１及び光遅延板１４２へは、信号光が垂直に入射する。５％反射ミラー１４３、９５％反射ミラー１４４及び偏波合成器１４５は、レンズ１０８及び１０９から入射するコリメート光に対して４５度の角をなして使用されるように、プリズムの面に形成される。これらの反射ミラー及び偏波合成器１４５が表面に形成されたプリズムと、１／２波長板１４１及び光遅延板１４２とを貼り合わせることで、集積プリズム１０４が組み立てられる。１／２波長板１４１及び光遅延板１４２へ入射する信号光の光軸の間隔は、集積プリズム１０３から出射される２本の連続光の間隔及び変調器の１１０及び１１１から出射される信号光の光軸間隔と等しい。

集積プリズム１０４から信号光が出射される出射部は４つある。図４において、第１の出射部１４６は変調器１１０の出力光パワーのモニタ出力であり、第２の出射部１４７は変調器１１１の出力光パワーのモニタ出力である。第３の出射部１４８は偏波合成後の信号光の光パワーのモニタ出力であり、第４の出射部１４９は偏波合成された信号光の出力である。図２に示されるように、３箇所のモニタ出力、すなわち第１〜第３の出射部１４６、１４７、１４８の光軸上にはモニタＰＤ１１２、１１４、１１３が配置され、それぞれの光パワーを独立に測定できる。第４の出射部１４９の光軸上には、信号光を光ファイバ１５０に結合させるためのレンズが実装されてもよい。

図５は、集積プリズム１０４の製造方法の一例を説明するための図である。図５に示すように、集積プリズム１０４は、図４に示した５％反射ミラー１４３、９５％反射ミラー１４４、偏波合成器１４５が挟み込まれた硝材から製造される。集積プリズム１０４は、貼り合わせられた硝材を図５に示す破線に沿って切断することで、特別な加工を必要とせず、一般的なプリズムとほぼ同様の手順で容易に製造される。

次に、図２を参照して光モジュール１００の製造手順について説明する。まず、基板１０１上のマーカ（図示されない）に従って光源１０２が基板１０１上に搭載される。この時、設計上の光軸の位置と光源１０２の光軸の位置とが一致することが望ましい。しかし、光源１０２の光軸の位置は後に実装されるレンズ１０５によって補正できる。このため、光源１０２は設計値とのずれが１００μｍ以下程度の精度で実装できればよい。一般に、このような光モジュールで光学部品の実装に用いられる組立装置は１μｍ以下の実装精度を有する。従って、光源１０２は充分な精度で実装できる。

続いてレンズ１０５が実装される。レンズ１０５は、光源１０２が出力する連続光をコリメート光に変換する。レンズ１０５の光軸調整の際には、光源１０２からの出射光を検知できるカメラ（例えば、赤外カメラ）が光軸上に配置される。カメラを光軸方向に移動させても連続光の位置とコリメート光のビーム径が変化しないような位置にレンズを調整することで、光源１０２に対するレンズ１０５の位置が決定される。その後、レンズ１０５は紫外線硬化樹脂等によって基板１０１上に接着固定される。

次に集積プリズム１０３の実装について説明する。図６は、集積プリズム１０３の実装位置の調整方法を説明するための図である。まず、集積プリズム１０３は、基板１０１上に形成されたマーカに合わせて位置合わせされる。レンズ１０５から出射される光はコリメート光であるため、集積プリズム１０３の位置が図６の左右方向に多少ずれた場合でも、連続光の光パワーの過剰損失は大きく増加しない。しかし、集積プリズム１０３の位置が図６の上下方向に大きくずれた場合には、コリメート光に「けられ」が発生し、そのため信号光の光パワーに過剰損失が生じる恐れがある。また、集積プリズム１０３が、設計上の位置に対して回転して実装された場合には、角度ずれにより、集積プリズム１０３と変調器１１０及び１１１との結合に過剰損失が発生する。

このため、図６に示されるように、集積プリズム１０３からの出射光を、出射光を検出可能なカメラを用いて観察することで、集積プリズム１０３の実装位置が調整される。最初に、集積プリズム１０３の回転方向の位置決めが行われる。具体的には、カメラを集積プリズム１０３からの出射光と平行な方向に動かしても出射光のスポット位置が変化しないように集積プリズム１０３の位置が調整される。これにより、集積プリズム１０３の角度（回転方向）が正確に決定される。

次に、集積プリズム１０３の、図６の上下方向の位置決めが行われる。図７及び図８は、集積プリズム１０３から出射されるコリメート光の位置をカメラでモニタした様子を説明するための図である。図７及び図８の左側は集積プリズム１０３の上面図であり、コリメート光の光軸は矢印の付いた一点鎖線で示される。図７及び図８の右側には、集積プリズム１０３を出力側からカメラで観察した場合のコリメート光の断面が模式的に丸印で示される。集積プリズム１０３の図面の上下方向の位置は、図７に示すようにプリズムに挟み込まれた反射膜の中央にコリメート光が入射するように調整される。

図８は、集積プリズム１０３が、正しい位置よりも図面の下方にある場合を示す。５０％反射ミラー１０３１と及び１００％反射ミラー１０３２は互いに平行に位置する。このため、図７と比較して図面の上下方向に集積プリズム１０３の位置ずれが生じている場合には、出射される２つのコリメート光は図８に示すように同一の方向に移動する。従って、集積プリズム１０３の位置調整は、集積プリズム１０３から出射される２本のコリメート光の一方に対してのみ行えばよい。この調整により図７の上下方向の光軸の位置を、設計値とのずれが５０μｍ以下となるように正確に調整できる。

次に変調器１１０及び１１１を予め基板１０１上に搭載された位置合わせブロック１２０に突き当てて実装する。そのため変調器１１０及び１１１は精密な光軸調整を必要とせずに所定の位置に実装される。

レンズ１０６〜１０９を用いた光軸調整が行われるため、変調器１１０及び１１１の光軸調整の際には、光変調器の図面の左右方向の位置に大きい精度は求められない。しかし、変調器１１０及び１１１の図面の上下方向の位置ずれは、変調器１１０及び１１１に入射する連続光の光パワーの過剰損失に影響を与える場合がある。また、変調器１１０及び１１１の角度ずれが変調器１１０及び１１１のＮＡ（numerical aperture、開口率）の範囲内であれば光パワーの過剰損失は大きく増加しない。そして、変調器１１０及び１１１のそれぞれにおいて、連続光の入射点と信号等の出射点との間に図面の上下方向の位置ずれがなければ、変調器１１０及び１１１の角度ずれは生じていない。

従って、変調器１１０及び１１１の位置ずれ及び角度ずれによる過剰損失を低減するためには、変調器１１０及び１１１の図面の上下方向の位置ずれを抑制することが重要である。本実施形態においては、変調器１１０及び１１１の図面の上下方向の実装精度は、位置合わせブロック１２０によって充分な精度を持つ。このため、集積プリズム１０３の位置ずれが、変調器１１０及び１１１の前方（連続光の入射側）の光軸ずれの主たる要因となる。しかし、上述のように集積プリズム１０３の実装精度は５０μｍ程度であり、さらに、１００μｍ程度の集積プリズム１０３の位置ずれは、次のレンズ実装工程で補正できる。このため、本実施形態においては、集積プリズム１０３と、変調器１１０及び１１１とは、光学的に低損失で結合される。

変調器１１０及び１１１の実装後に、変調器１１０及び１１１の前後のレンズ１０６〜１０９が実装される。初めに変調器１１０及び１１１の入射側のレンズ１０６及び１０７が実装される。レンズ１０６及び１０７は、光源１０２からの連続光の光パワーが変調器１１０及び１１１に最も強く結合される位置に調整される。このため、レンズ１０６及び１０７の光軸調整の際には、変調器１１０及び１１１から出射される光の光パワーを、変調器１１０及び１１１の出力側にＰＤを仮に配置して測定してもよい。あるいは、変調器１１０及び１１１が導波路内の光パワーをモニタする機能を備える場合には、その機能を利用してもよい。レンズ１０６及び１０７は、変調器１１０及び１１１に対する結合効率が最も高い位置で、例えば紫外線硬化樹脂によって接着固定される。

レンズ１０６及び１０７の位置を調整することで集積プリズム１０３から出射された連続光と変調器１１０及び１１１との間の光軸ずれが補正される。集積プリズム１０３から出射された連続光と、変調器１１０及び１１１との間の光軸のずれが１００μｍ程度以下であれば、過剰損失が充分に低い状態で、光源１０２からの連続光を変調器１１０及び１１１に結合させることができる。

レンズ１０８及び１０９は、変調器１１０及び１１１から出力された信号光をコリメート光に変換して、それぞれを集積プリズム１０４が備える１／２波長板１４１及び光遅延板１４２に入射させる。レンズ１０８及び１０９は、光源１０２の直後のレンズ１０５と同様の手順によりカメラを用いてコリメート光をモニタすることによって位置決めされ、紫外線硬化樹脂により基板１０１上に接着固定される。

続いて、集積プリズム１０４の調整方法について説明する。図９は、集積プリズム１０４の光軸調整方法を説明するための図である。変調器１１１からの出射光は、光遅延板１４２を透過した後、９５％反射ミラー１４４及び偏波合成器１４５で反射される。その結果、変調器１１１の出射光の光軸は平行移動する。一方、変調器１１０の出射光は、集積プリズム１０４においてスネルの法則によりわずかに平行移動するが、実質的にはほとんど移動しない。そこで、図９に示すように、変調器１１１からのみ信号光を出射させ、この信号光を赤外カメラによってモニタすることで、集積プリズム１０４の角度調整を行うことができる。集積プリズム１０４に入射する２本のコリメート光の相対的な位置関係は、図７及び図８に示した集積プリズム１０３から出射される２本のコリメート光と同様に考えることができる。このため、集積プリズム１０４においても、集積プリズム１０３の光軸調整と同様に、カメラを用いてコリメート光をモニタすることで平面内の光軸調整が可能である。

なお、レンズ１０８及び１０９で生成されるコリメート光の直径はモニタＰＤ１１２〜１１４の受光径に対して充分に大きい。このため、モニタＰＤ１１２〜１１４の実装位置には高い精度は必要とされない。従って、モニタＰＤ１１２〜１１４の実装は比較的容易である。

図１０は、以上に説明した本実施形態の光モジュール１００の組立手順を示すフローチャートの例である。図１０のステップＳ１１では、基板１０１上のマーカに従って光源１０２が基板１０１上に搭載される。ステップＳ１２では、カメラを用いてレンズ１０５の位置が調整される。ステップＳ１３では、カメラを用いて集積プリズム１０３の位置が調整される。ステップＳ１４では、変調器１１０及び１１１が位置合わせブロック１２０に突き当てられる。ステップＳ１５では、変調器１１０及び１１１への入射光の強度をモニタすることでレンズ１０６及び１０７の位置が調整される。ステップＳ１６では、カメラを用いてレンズ１０８及び１０９の位置が調整される。カメラを用いてステップＳ１７では、集積プリズム１０４の位置が調整される。ステップＳ１８では、モニタＰＤ１１２〜１１４が実装される。

このように基板１０１上に構成された光モジュール１００は、筐体に収められる。集積プリズム１０４は、偏波合成された信号光を出力する。偏波合成された信号光を光ファイバ１５０に結合するように接続することで、ＤＰ−ＱＰＳＫ変調が用いられる光通信装置に光モジュール１００を組み込むことができる。

（光モジュールの機能）
第１の実施形態の光モジュール１００の機能について図２を参照して説明する。光源１０２から出射された連続光はレンズ１０５によりコリメート光に変換され、集積プリズム１０３に入射する。集積プリズム１０３が備える５０％反射ミラー１０３１と１００％反射ミラー１０３２とは、レンズ１０５により生成されたコリメート光に対して４５度の角度をなす。５０％反射ミラー１０３１と１００％反射ミラー１０３２とを組み合わせることにより、レンズ１０５で生成されたコリメート光は、ほぼ等しい光パワーを持つ平行な２本のコリメート光に分岐される。分岐された２本のコリメート光はレンズ１０６及び１０７で集光され、それぞれ変調器１１０及び１１１と結合する。変調器１１０及び１１１は光モジュール１００の外部に実装された、図示されないドライバ回路からの電気信号によって駆動される。変調器１１０及び１１１は、レンズ１０６及び１０７から入射した連続光に対して位相変調を行い、２つの信号光を生成する。変調器１１０及び１１１は、それぞれ異なる電気信号により連続光をＱＰＳＫ変調してもよい。ただし、変調器１１０及び１１１の変調方式はＱＰＳＫに限定されない。変調器１１０及び１１１が生成した信号光は、それぞれレンズ１０８及び１０９によって再びコリメート光に変換され、集積プリズム１０４へ出力される。

変調器１１０から出射された信号光の偏波は、集積プリズム１０４が備える１／２波長板１４１により９０度回転する。光源１０２からは、ＴＥ（transverse electric）モードでの連続光が出力される。このため、１／２波長板１４１に入射したＴＥモードの信号光は、偏波回転によってＴＭ（transverse magnetic）モードの信号光となる。ＴＭモードとなった信号光は５％反射ミラー１４３によって光パワーの５％が第１の出射部１４６から出射されてモニタＰＤ１１２と結合し、光パワーの９５％は５％反射ミラー１４３を透過して偏波合成器１４５に入射する。

一方、変調器１１１から出射された信号光は、集積プリズム１０４が備える光遅延板１４２によって遅延量が調整される。光遅延板１４２の遅延量は、変調器１１０から出射された信号光の位相と変調器１１１から出射された信号光の位相とが、偏波合成器１４５の出力において一致するように設定される。位相が調整された信号光は、９５％反射ミラー１４４によって光パワーの５％が第２の出射部１４７から出射されてモニタＰＤ１１４と結合し、光パワーの９５％は偏波合成器１４５へ到達する。

偏波合成器１４５はＴＭモードの光パワーの９５％を透過し、５％を反射する。また、偏波合成器１４５はＴＥモードの光パワーの５％を透過し、９５％を反射する。従って、偏波合成器１４５において、１／２波長板１４１を透過したＴＭモードの信号光の光パワーの９５％と、光遅延板１４２を透過したＴＥモードの信号光の光パワーの９５％の光とが合波される。合波された光は、第４の出射部１４９から光モジュール１００の外部へ出力される。この光は、光ファイバと結合される。ＴＥモードの信号光の位相は光遅延板１４２によって調整されているため、ＴＥモードの信号光とＴＭモードの信号光との位相は一致している。また、偏波合成器１４５で合波された信号光の光パワーの５％は、合波された信号光の光パワーをモニタするために第３の出射部１４８からモニタＰＤ１１３へ出力される。このようにして、光モジュール１００は、ＤＰ−ＱＰＳＫ変調された信号光を生成できる。

以上説明したように、第１の実施形態の光モジュール１００は、変調器１１０及び１１１の前後に配置されたプリズムをそれぞれ１つに集約することにより、光軸調整に必要な手順を大幅に減らすことができる。変調器１１０及び１１１の入力側では１個の集積プリズム１０３の調整を行うだけで、プリズムで分岐される２本のコリメート光の光軸調整を同時に実施できる。変調器１１０及び１１１の出力側も同様に、１個の集積プリズム１０４を調整することで、変調器１１０及び１１１から出射される信号光から変換された２本のコリメート光の光軸調整を同時に実施できる。その結果、光モジュールの組立工数は大幅に低減される。さらに、光学部品を集積プリズム１０３及び１０４として集積化することで、光モジュール１００を構成する部品点数を減らすことができるため、光学部品の実装時に必要なクリアランスを低減でき、光モジュールの小型化を実現できる。

すなわち、第１の実施形態の光モジュール１００は、組立てが容易であるという効果を奏する。その理由は、一般的な光モジュールでは多数のプリズム毎に光軸調整が必要であったのに対して、光モジュール１００は、集積プリズム単位の光軸調整により、光軸調整の工程が短縮できるからである。

また、光モジュール１００は、調整が必要な光軸が一方向のみであるため、１台のカメラを方向を変えることなく光軸調整に使用することで、生産設備が簡略化されるという効果も奏する。

さらに、第１の実施形態の光モジュール１００は、部品点数が少なく、小型化も容易であるという効果を奏する。

その理由は、反射ミラーや偏波合成器を集積化した集積プリズムを光学部品として用いているからである。そして、集積プリズム１０３及び１０４を用いることで、組立て装置の逃げや光軸調整時のクリアランスの確保、あるいは、プリズム固定時の接着剤の流出の懸念といった、複数の光学部品を実装する際の課題が低減される。例えば、第１の実施形態の光モジュール１００は、光学部品の間隔をコリメート光の直径程度まで近づけることも可能となる。

（第１の実施形態の変形例）
部品点数が少なく組立て及び小型化が容易であるという第１の実施形態の効果は、以下に記載する第１の実施形態の光モジュール１００の変形例によっても得られる。図１及び図２を参照し、光モジュール１００の変形例に関連する要素の参照番号を括弧内に示して説明する。光モジュールの変形例は、分岐部（１０３）と、光変調器（１１０及び１１１）と、集積プリズム（１０４）と、を備える。

分岐部（１０３）は、半透明鏡（１０３１）及び全反射鏡（１０３２）を備える。半透明鏡（１０３１）は、入力光を所定の比率で分岐させ、一方の入力光を出力する。全反射鏡（１０３２）は、半透明鏡（１０３１）で分岐された他方の入力光が、半透明鏡（１０３１）から出力された一方の入力光と平行に出力されるように配置される。全反射鏡（１０３２）は、入射した光をほぼ全て反射する。

光変調器（１１０及び１１１）は、分岐部（１０３）から入射された一方及び他方の入力光をそれぞれ変調して、第１の光及び第２の光を生成して出力する。

集積プリズム（１０４）は、偏波回転部（１４１）及び偏波合成部（１４５）を備える。偏波回転部（１４１）は、一方の入力光に対応する第１の光の偏波を、他方の入力光に対応する第２の光の偏波と直交する偏波を持つ第３の光に変換する。偏波回転部（１４１）は、プリズムの外面に形成される。偏波合成部（１４５）は、第２及び第３の光を偏波合成して第４の光として出力する。偏波合成部（１４５）は、プリズムの貼り合わせ面（すなわち、プリズムの内面）に形成される。

このような構成を備える光モジュールでは、分岐部及び集積プリズムを単位とする光軸調整により、光軸調整の工程が短縮される。また、光モジュール１００の上述の変形例は、反射鏡や偏波合成器を集積化した分岐部や集積プリズムを用いることで、複数の光学部品やプリズムを実装する際の課題が軽減される。その結果、光モジュール１００の上述の変形例は、部品点数が少なく組立て及び小型化が容易であるという効果を奏する。

（第２の実施形態）
図１１は、本発明の第２の実施形態の光モジュール２００の構成を示す模式図である。光モジュール２００の、第１の実施形態の光モジュール１００との相違は、１００％反射ミラー２０１を備えることと、集積プリズム１０４に代えて集積プリズム２０４を備えることである。集積プリズム２０４は、偏波合成器２４５の仕様が異なること以外は集積プリズム１０４と同様の構成を備える。光モジュール２００のそれ以外の構成は、光モジュール１００と同様である。図１０において、図２と同一の要素には同一の参照符号を付して、説明は省略する。

図１１は、光源１０２からの出射光の光軸と変調器１１０を通過する光の光軸が同一軸上にない構成を示す。図１１に示す光モジュール２００では、光源１０２から出射された連続光は、１００％反射ミラー２０１で反射され、集積プリズム１０３へは図２とは異なる方向から入射される。また、本実施形態の集積プリズム１０４で用いられる偏波合成器２４５は、ＴＥモードの光パワーの９５％を透過し、５％を反射する。また、偏波合成器２４５は、ＴＭモードの光パワーの５％を透過し、９５％を反射する。その結果、光モジュール１００とは異なり、光モジュール２００からは、図面の上方に信号光の光パワーの９５％が出力される。

このような構成を備える第２の実施形態の光モジュール２００は、第１の実施形態の光モジュール１００と同様に、組立て及び小型化が容易であるという効果を奏する。さらに、光モジュール２００は、連続光及び信号光の光路を変更することにより、光モジュール２００の、変調器１１０及び１１１の光軸と平行な方向（図１１の左右方向）の寸法を抑えることが可能となる。

また、偏波合成器２４５に代えて第１の実施形態の光モジュールと同様の仕様の偏波合成器１４５を用い、１／２波長板１４１と光遅延板１４２との位置を入れ替えても、集積プリズム２０４は同様の動作を行うことができる。

（第３の実施形態）
図１２は、本発明の第３の実施形態の光モジュール３００の構成を示す模式図である。光モジュール３００の、図２に示した第１の実施形態の光モジュール１００との相違は、集積プリズム１０３、変調器１１０及び１１１に相当する機能が、１チップの集積光導波路３０１によって実現されている点である。図１２において、第１の実施形態の光モジュール１００と共通の要素には同一の参照符号及び名称を付して、説明は省略する。

集積光導波路３０１は、分岐光導波路３０２及び変調器３０３を備える。レンズ３０４は、光源１０２から出射された連続光を、分岐光導波路３０２と結合させる。レンズ３０４の光軸調整は、変調器３０３のそれぞれの出力側から出射される光パワーが最大かつ均等になることを目標に行われる。分岐光導波路３０２は、入力された連続光を、所定の比率（たとえば１：１の光パワー比）で２分岐させる。分岐光導波路３０２で２分岐された光は、変調器３０３に入力される。変調器３０３は、並列に配置された２台の光変調器である。変調器３０３の材料には、例えばＩｎＰが用いられる。しかし、分岐光導波路３０２を含め、集積光導波路３０１の材料は限定されない。変調器３０３は、分岐光導波路３０２で分岐された光をそれぞれ独立に変調して、集積プリズム１０４に出力する。変調器３０３の変調方式は、例えばＱＰＳＫであるがこれには限定されない。

このような構成を備える光モジュール３００は、分岐光導波路３０２及び変調器３０３が一体化されて、１チップの集積光導波路３０１として形成されている。このため、光モジュール３００では、第１の実施形態の光モジュール１００における集積プリズム１０３、レンズ１０６及び１０７の光軸調整が不要となる。

加えて、光モジュール３００は、第１の実施形態の光モジュール１００と比較して、光軸調整の工程がさらに短縮される。その理由は、連続光を分岐する分岐光導波路３０２と変調器３０３とが集積化されているからである。また、光モジュール３００は、光学部品の集積化により、第１及び第２の実施形態と同様に、複数の光学部品を実装する際の課題も軽減される。その結果、光モジュール３００も、部品点数が少なく光モジュールの組立て及び小型化が容易であるという効果を奏する。

なお、集積光導波路３０１の図面の上下方向の位置合わせを行うための位置合わせブロックが、基板１０１上に設けられてもよい。また、光源１０２をも集積光導波路３０１に集積することで、さらなる光軸調整の工程の短縮や光モジュール３００の小型化が可能である。さらに、光モジュール３００は、集積プリズム１０４に代えて、第２の実施形態で説明した集積プリズム２０４を備えてもよい。

（第４の実施形態）
第４の実施形態として、第２の集積プリズムの最小構成について説明する。図４の対応する参照符号を括弧内に示す。最小構成の第２の集積プリズムは、偏波回転部（１４１）と、偏波合成部（１４５）とを備える。偏波回転部（１４１）は、入力される第１の光の偏波を、入力される第２の光の偏波と直交する偏波を持つ第３の光に変換する。偏波合成部（１４５）は、第２及び第３の光を偏波合成して、第２及び第３の光を含む第４の光として出力する。偏波回転部（１４１）は、プリズムの外面に形成される。偏波合成部（１４５）は、プリズムの内面に形成される。

上述した偏波回転部及び偏波合成部は、それぞれ、図４の１／２波長板１４１及び偏波合成器１４５に対応する。このような１／２波長板１４１及び偏波合成器１４５のみを備える最小構成の集積プリズムによっても、光学部品の一体化により、光学部品を実装する際の課題が軽減される。すなわち、部品点数が少なく組立て及び小型化が容易な光モジュールを実現するという効果は、図４に示す１／２波長板１４１及び偏波合成器１４５のみを備える集積プリズムによっても得られる。

（各実施形態の他の変形例）
以下は、各実施形態の光モジュールあるいは集積プリズムの構成に応じて適用可能な変形例である。

変調器１１０、１１１及び３０３の数は３個以上であってもよい。その場合には集積プリズムの反射ミラーの反射率あるいは分岐光導波路の分岐数等を変調器の数に合わせて調整すればよい。３つ以上の変調器を搭載することで、変調方式が異なる信号光を混在させることが可能となる。

光源１０２は基板１０１上に実装されなくともよい。光源１０２を基板１０１と分離することで、変調器１１０、１１１及び３０３に対する光源１０２の発熱の影響を回避できる。

光源１０２と集積プリズム１０３とは、先端にレンズを備える光ファイバで接続されていてもよい。光ファイバの先に接続されたレンズは、コリメートされた連続光を出力する。基板１０１上の光学部品は、予め別の光源を用いて組み立てられ、パッケージに搭載された時に、当該光ファイバによって光源１０２と接続される。本変形例では、光源１０２とそれ以外の光学部品とを独立して組み立てることができるので、光源を含む光モジュール１００及び２００の総合的な歩留りが向上する。

さらに、光源１０２を光モジュール１００、２００又は３００の外部に配置し、基板１０１上に光源１０２の代わりに半導体光増幅器を実装してもよい。半導体光増幅器を実装することで、光源１０２の出力を低く抑えることができる。

各実施形態では、反射ミラーあるいは偏波合成器の透過率あるいは反射率を、５％、５０％、９５％、１００％と例示した。しかし、各実施形態の光モジュールの動作上許容されれば、反射ミラー及び偏波合成器の透過率及び反射率は正確にこれらの値に一致していなくともよい。また、反射ミラー及び偏波合成器へのコリメート光の入射角も、光パワーの過剰損失が許容されれば正確に４５度でなくともよい。さらに、各光学部品の寸法や実装位置には、光軸調整により過剰損失を許容範囲内に収めることができる範囲の誤差があってもよい。

なお、本発明の実施形態は以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限定されない。

（付記１）
入力される第１の光の偏波を、入力される第２の光の偏波と直交する偏波を持つ第３の光に変換する、プリズムの外面に形成された偏波回転部と、
前記第２及び第３の光の偏波を合成して前記第２及び第３の光を含む第４の光として出力する、前記プリズムの内面に形成された偏波合成部と、
を備える集積プリズム。

（付記２）
前記集積プリズムは、前記第２の光、前記第３の光及び前記第４の光の一部をそれぞれ分岐して出力する第１の分岐部、第２の分岐部及び第３の分岐部を前記プリズムの内面に備え、前記第１乃至第３の分岐部で分岐された光の一方は、それぞれ異なる受光素子に入力される、付記１に記載された集積プリズム。

（付記３）
前記偏波合成部は、前記第２及び第３の光に対して略４５度の角をなし、
前記第１の分岐部は前記第２の光に対して略４５度の角をなす半透明鏡であり、
前記第２の分岐部は前記第３の光に対して略４５度の角をなす半透明鏡であり、
前記第３の分岐部は前記第４の光に対して略４５度の角をなす半透明鏡であり、
前記第１乃至第３の分岐部は、前記集積プリズムを構成する前記プリズムのそれぞれ異なる面に形成される、付記２に記載された集積プリズム。

（付記４）
前記偏波合成部の偏波毎の反射率及び透過率を所定の値に設定することで、前記偏波合成部を前記第３の分岐部として機能させる、付記３に記載された集積プリズム。

（付記５）
前記第４の光において前記第２の光と前記第３の光との位相が一致するように前記第２の光の遅延量を設定する光遅延部を前記プリズムの外面に備える、付記１乃至４のいずれかに記載された集積プリズム。

（付記６）
入力光を所定の比率で分岐させる第４の分岐部と、
前記第４の分岐部で分岐された一方の前記入力光及び他方の前記入力光をそれぞれ変調する光変調器と、
付記１乃至５のいずれかに記載された集積プリズムと、を備え、
前記光変調器は、前記一方の入力光を変調した光を前記第１の光として前記集積プリズムへ出力し、前記他方の入力光を変調した光を前記第２の光として前記集積プリズムへ出力する、光モジュール。

（付記７）
前記第４の分岐部は、前記入力光を前記所定の比率で分岐させ前記一方の入力光及び前記他方の入力光を生成する半透明鏡と、前記他方の入力光が前記一方の入力光と平行に出力されるように配置された全反射鏡と、を備え、
前記一方及び他方の入力光を生成する半透明鏡及び前記全反射鏡は、前記入力光に対して略４５度の角をなすプリズムのそれぞれ異なる面に形成される、付記６に記載された光モジュール。

（付記８）
前記第４の分岐部、前記光変調器及び前記集積プリズムは、位置合わせブロックを備える基板上に配置され、前記第４の分岐部から前記光変調器へ入射する光の光軸と垂直な方向に対する前記光変調器の位置は、前記光変調器を前記位置合わせブロックと接するように定められる、付記６又は７に記載された光モジュール。

（付記９）
前記第４の分岐部は、前記入力光を前記所定の比率で分岐させ前記一方の入力光及び前記他方の入力光を生成する分岐光導波路であり、前記第４の分岐部と前記光変調器とが光導波路素子に一体化されて集積されていることを特徴とする、付記６に記載された光モジュール。

（付記１０）
前記入力光を生成する光源をさらに備える、付記６乃至９のいずれかに記載された光モジュール。

（付記１１）
付記６乃至１０のいずれかに記載された光モジュールが組み込まれた光通信装置。

（付記１２）
入力される第１の光の偏波を、入力される第２の光の偏波と直交する偏波を持つ第３の光に変換する偏波回転部をプリズムの外面に形成し、
前記第２及び第３の光の偏波を合成して前記第２及び第３の光を含む第４の光として出力する偏波合成部を、前記プリズムの内面に形成する、
ことを特徴とする集積プリズムの構成方法。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記の実施形態に限定されない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２０１５年２月２５日に出願された日本出願特願２０１５−０３４８０８を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００、２００、３００ 光モジュール
１０１ 基板
１０２、９０１ 光源
１０３、１０４、２０４ 集積プリズム
１０３１ ５０％反射ミラー
１０３２、２０１ １００％反射ミラー
１０５〜１０９、３０４ レンズ
１１０、１１１、３０３、９０３、９０４、９０３２、９０４２ 変調器
１１２〜１１４、９２１〜９２３ モニタＰＤ
１２０ 位置合わせブロック
１３０１ 第１のプリズム
１３０２ 第２のプリズム
１４１、９０５ １／２波長板
１４２ 光遅延板
１４３ ５％反射ミラー
１４４ ９５％反射ミラー
１４５、２４５、９０７、９０７１ 偏波合成器
１４６ 第１の出射部
１４７ 第２の出射部
１４８ 第３の出射部
１４９ 第４の出射部
１５０、９０８ 光ファイバ
３０１ 集積光導波路
３０２ 分岐光導波路
９０２、９１１〜９１３ 分光器
９０２１ ５０％反射プリズム
９０２２、９０７２ １００％反射プリズム
９０３１、９０３３、９０４１、９０４３ レンズ
９０６ 遅延板
９３１〜９３３ ５％反射プリズム

Claims (10)

1. 入力される第１の光の偏波を、入力される第２の光の偏波と直交する偏波を持つ第３の光に変換する、プリズムの外面に形成された偏波回転部、並びに
   前記第２及び第３の光の偏波を合成して前記第２及び第３の光を含む第４の光を分岐して出力する、前記プリズムの内面に形成された半透明鏡である偏波合成部、を備え、
   前記偏波合成部は、前記第４の光を分岐した光の一方を受光素子に出力する集積プリズムと、
   前記受光素子と、を含む光モジュール。
2. 前記集積プリズムは、前記第２の光及び前記第３の光の一部をそれぞれ分岐して出力する第１の分岐部及び第２の分岐部を前記プリズムの内面に備え、前記第１の分岐部及び第２の分岐部で分岐された光の一方は、それぞれ異なる受光素子に入力される、請求項１に記載された光モジュール。
3. 前記偏波合成部は、前記第２の光、前記第３の光及び前記第４の光に対して略４５度の角をなし、
   前記第１の分岐部は前記第２の光に対して略４５度の角をなす半透明鏡であり、
   前記第２の分岐部は前記第３の光に対して略４５度の角をなす半透明鏡であり、
   前記偏波合成部、前記第１の分岐部及び前記第２の分岐部は、前記集積プリズムを構成する前記プリズムのそれぞれ異なる面に形成される、請求項２に記載された光モジュール。
4. 前記偏波合成部は、偏波毎の反射率及び透過率が所定の値に設定されている請求項３に記載された光モジュール。
5. 前記第４の光において前記第２の光と前記第３の光との位相が一致するように前記第２の光の遅延量を設定する光遅延部を前記プリズムの外面に備える、請求項１乃至４のいずれかに記載された光モジュール。
6. 入力光を所定の比率で分岐させる第３の分岐部と、
   前記第３の分岐部で分岐された一方の前記入力光及び他方の前記入力光をそれぞれ変調する光変調器と、を備え、
   前記光変調器は、前記一方の入力光を変調した光を前記第１の光として前記集積プリズムへ出力し、前記他方の入力光を変調した光を前記第２の光として前記集積プリズムへ出力する、請求項１から５の何れか１項に記載された光モジュール。
7. 前記第３の分岐部は、前記入力光を前記所定の比率で分岐させ前記一方の入力光及び前記他方の入力光を生成する半透明鏡と、前記他方の入力光が前記一方の入力光と平行に出力されるように配置された全反射鏡と、を備え、
   前記一方及び他方の入力光を生成する半透明鏡及び前記全反射鏡は、前記入力光に対して略４５度の角をなすプリズムのそれぞれ異なる面に形成される、請求項６に記載された光モジュール。
8. 前記第３の分岐部、前記光変調器及び前記集積プリズムは、位置合わせブロックを備える基板上に配置され、前記第３の分岐部から前記光変調器へ入射する光の光軸と垂直な方向に対する前記光変調器の位置は、前記光変調器を前記位置合わせブロックと接するように定められる、請求項６又は７に記載された光モジュール。
9. 前記第３の分岐部は、前記入力光を前記所定の比率で分岐させ前記一方の入力光及び前記他方の入力光を生成する分岐光導波路であり、前記第３の分岐部と前記光変調器とが光導波路素子に一体化されて集積されていることを特徴とする、請求項６に記載された光モジュール。
10. 入力される第１の光の偏波を、入力される第２の光の偏波と直交する偏波を持つ第３の光に変換する偏波回転部をプリズムの外面に形成し、
    前記第２及び第３の光の偏波を合成して前記第２及び第３の光を含む第４の光を分岐して前記第４の光を分岐した光の一方を受光素子に出力する半透明鏡である偏波合成部を、前記プリズムの内面に形成する、
    ことを特徴とする集積プリズムの構成方法。

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