(57)【要約】【課題】小型・高速・安価な１芯双方向伝送を実現するために、光アイソレータ（光サーキュレータ）の機能を有した光素子等を実現する。【解決手段】本発明の光素子は、第１の光導波路１１と、前記第１の光導波路１１と所定の角度を持って光学的に結合する第２の光導波路１２と、前記第２の光導波路１２に所定の角度を持って光学的に結合する第３の光導波路１３を備え、前記第１の光導波路１１と第３の光導波路１３の端近傍の光軸は略平行であることを特徴とする。【選択図】図４
2007225920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一モードの第１の光導波路と、
前記第１の光導波路と所定の角度を持って光学的に結合する、単一モードの第２の光導波路と、
前記第２の光導波路に所定の角度を持って光学的に結合する、単一モードの第３の光導波路を備え、
前記第１の光導波路と第３の光導波路の端近傍の光軸は略平行であることを特徴とする光素子。
【請求項２】
多モードの第１の光導波路と、
前記第１の光導波路と所定の角度を持って光学的に結合する、多モードの第２の光導波路と、
前記第２の光導波路に所定の角度を持って光学的に結合する、単一モードまたは多モードの第３の光導波路を備え、
前記第１、第２、第３の光導波路それぞれにおける最も広い幅をW1、W2、W3とするとき、
W1 ≧ W2 ≧ W3
という関係式を満たし、且つ、前記第１の光導波路と第３の光導波路の端近傍の光軸は略平行であることを特徴とする光素子。
【請求項３】
前記光素子を複数接続したことを特徴とする請求項１または２に記載の光素子。
【請求項４】
前記第１、第２、第３の光導波路のうち少なくとも１つの端面は、略４５゜の反射面であることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の光素子。
【請求項５】
前記反射面は曲面であることを特徴とする請求項４に記載の光素子。
【請求項６】
前記光素子は樹脂により作製することを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の光素子。
【請求項７】
前記第２の光導波路は直線導波路であることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の光素子。
【請求項８】
前記角度に係る分岐角の少なくとも１つは１°以上１０°以下であることを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の光素子。
【請求項９】
光源と、
受光素子と、
請求項１から８の何れかに記載の光素子を有し、
前記第１、第２、第３の光導波路の何れかに光源からの光波を入射させ、他の光導波路の一端から射出させるとともに、当該射出される光導波路の端面と同一の端面に入射してきた光の大部分を、さらに他の光導波路の端面より射出させることを特徴とする光モジュール。
【請求項１０】
前記光源からの光束が入射する光導波路の最も広い幅をWi、前記受光素子へと光束を導く導波路の最も広い幅をWoとするとき、
Wi ≦ Wo
という関係式を満たすことを特徴とする請求項９に記載の光モジュール。
【請求項１１】
前記光源と前記受光素子は同一基板上に実装されていることを特徴とする請求項９に記載の光モジュール。
【請求項１２】
複数の光源と、複数の受光素子と、請求項１から８の何れかに記載の光素子を複数備えたことを特徴とする光モジュール。
【請求項１３】
複数備えた前記光素子は、個々の光素子をある面に対して複数重ね合わせて形成し、且つ、前記個々の光素子は同一形状であることを特徴とする請求項１２に記載の光モジュール。
【請求項１４】
複数備えた前記光素子は、一体で形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の光モジュール。
【請求項１５】
光源と、光変調器と、受光素子と、請求項１から８の何れかに記載の光素子を有していることを特徴とする光モジュール。
【請求項１６】
前記光変調器は、シュタルク効果を利用した電界吸収型光変調器であることを特徴とする請求項１５に記載の光モジュール。
【請求項１７】
前記光変調器は、電気光学効果を利用した導波路型光変調器であることを特徴とする請求項１５に記載の光モジュール。
【請求項１８】
前記光変調器は、電気光学効果を利用した導波路型光変調器であり、且つ、前記光変調器を並列に形成し、各光変調器に対応して前記光素子を有していることを特徴とする請求項１５に記載の光モジュール。
【請求項１９】
請求項１から８の何れかに記載の光素子、又は、請求項９から１８の何れかに記載の光モジュールを用いて情報を伝送する画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光素子、及び光モジュールに関する。特に、導波路型アイソレータを実現する光素子、及びそれを用いた一芯双方向伝送向け光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年オフィスで用いられている複写機、プリンタは高速化・カラー化が進み、扱う画像情報量は飛躍的に上昇している。今日では、その情報量の削減のために画像情報を圧縮して伝送しているが、圧縮による画像データの劣化が問題となっている。また、今後の複写機の更なる高速化や高画質化に対して、今日の電気伝送技術では対応しきれず、ボトルネックになりつつある。上記問題の解決のため、光伝送モジュールを搭載した複写機・プリンタが熱望されている。
【０００３】
光伝送モジュールには半導体レーザが用いられることが多いが、半導体レーザへの反射戻り光があると、半導体レーザの発振が不安定になり、特性が劣化する。この反射戻り光を防止するため、一般に、光アイソレータが用いられる。光アイソレータは、一方からの光は透過させるが、もう一方からの光は遮断する機能を有したものであり、一般的には、ファラデー効果を利用して実現されている。ファラデー効果を利用した光アイソレータの原理を図１に示す。光の伝搬方向に磁化された磁性体３の中を光波が通過するとき、偏光方向が回転する性質があり、磁化ベクトルＭの方向に進む光波は、その偏光方向が時計回りに回転する。また、磁化ベクトルと反対方向に進む光波は、偏光方向が反時計回りに回転する。このとき、偏光方向の回転角が４５゜になるように、磁性体３の長さ及び磁化の大きさを調整しておくと、磁化ベクトルに対して、（ａ）順方向と（ｂ）逆方向に進む光波の間で、偏光方向が９０°異なる。従って、図１のように偏光子２を配置しておくことで、光アイソレータが実現できる。
【０００４】
光伝送モジュールは、情報の送信と受信をする必要があり、２本の光ファイバ（光を伝送することができる媒体）で行う２芯のものと、１本の光ファイバで行う１芯双方向のものに大別される。
【０００５】
一芯双方向伝送は、図２、図３に示すように、ハーフミラー４（フィルタ）を用いた光ファイバ５や、Ｙ分岐導波路６を用いて実現されている。このような構成では、受光素子ＰＤへの光の入射と同時に、半導体レーザである光源ＬＤへも戻り光が発生してしまうため、光アイソレータ１を用いて光源ＬＤへの戻り光を遮断する必要がある。さらに、光源ＬＤへの戻り光の分だけ、受光素子ＰＤへの入射光量が減衰してしまい、信号の品質が劣化してしまうという問題点もある。
【０００６】
上記のように、光アイソレータは重要な素子であり、ファラデー効果を用いた光アイソレータが広く用いられるが、ファラデー効果を用いた光アイソレータは高価であり、また、素子自体が大きいため、集積化には向かないといった欠点がある。
【０００７】
ファラデー効果を用いない光アイソレータとして、特許文献１に示すように、多モード干渉導波路と等価屈折率の異なる２本の光導波路を用いた光アイソレータが開示されている。しかし、この光アイソレータは光の遮断効率が悪く（光源側に光が漏れてしまう）、また、波長依存性があり、環境変動に弱い等の様々な問題がある。
【０００８】
特許文献２に示されるように、主導波路の側面に副導波路を光学的に結合させ光アイソレータの実現を目指した双方向光通信器が開示されている（特許文献２の図１参照）。しかし、この方式では、光源からの光を入射させる副導波路が主導波路に対して角度を持っているため、副導波路への光結合が困難であり、またデバイスが大型化してしまう等の欠点がある。さらに、光の遮断効率も悪く（光源側に光が漏れてしまう）、実用上は様々な問題がある。
【０００９】
その他の１芯双方向伝送方式として、２波長を用いた伝送方式が知られている。２波長を用いた伝送方式は、送信側受信側で波長を異ならせているため、２種類の光伝送モジュールが必要になり、コスト、使い勝手の面で、１波長の一芯双方向伝送方式の方が有利である。
【００１０】
今日では、上記の１芯双方向伝送方式（１波長のもの）よりも、送受別々の２芯光伝送方式の方が普及している（２波長を用いた１芯双方向伝送方式は徐々に普及しつつある）。だが２芯の送受別々の光伝送方式は、光ファイバが２本必要であり、コストの面では１波長の１芯双方向伝送方式が有利である。
【００１１】
以上のように、１波長での１芯双方向伝送方式は、他の伝送方式に比べ有利な面を多く備えているのにも関わらず、普及が妨げられている。その要因は、１芯双方向伝送モジュールが高価であるためであり、高価であることの一番の大きな要因は、光アイソレータ（もしくは光サーキュレータ）である。従って、高性能で安価な光アイソレータ（光サーキュレータ）が実現できれば、安価な１芯双方向伝送モジュール（１波長）を実現することができる。安価な１芯双方向伝送モジュールが実現できれば、急速に普及が進む可能性がある。
【００１２】
オフィスにおいて光伝送を普及させるためには、小型・高速（高性能）はもちろんのことながら、必要な光モジュールの個数が非常に多いため、安価でなければ普及は不可能である。オフィスにおいても、１波長での１芯双方向伝送モジュールの実現は必須である。
【特許文献１】特開２００４−１９１９５４号公報
【特許文献２】特開平１１−２７１５４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は上記を顧みてなされたものであり、小型・高速・安価な１芯双方向伝送を実現するために、光アイソレータ（光サーキュレータ）の機能を有した光素子、及び光モジュールを実現し、安価で高速に情報伝送が可能な画像形成装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成する本発明の態様は、単一モードの第１の光導波路と、前記第１の光導波路と所定の角度を持って光学的に結合する、単一モードの第２の光導波路と、前記第２の光導波路に所定の角度を持って光学的に結合する、単一モードの第３の光導波路を備え、前記第１の光導波路と第３の光導波路の端近傍の光軸は略平行であることを特徴とする光素子である。
【００１５】
また、本発明の他の態様は、多モードの第１の光導波路と、前記第１の光導波路と所定の角度を持って光学的に結合する、多モードの第２の光導波路と、前記第２の光導波路に所定の角度を持って光学的に結合する、単一モードまたは多モードの第３の光導波路を備え、前記第１、第２、第３の光導波路それぞれにおける最も広い幅をW1、W2、W3とするとき、
W1 ≧ W2 ≧ W3
という関係式を満たし、且つ、前記第１の光導波路と第３の光導波路の端近傍の光軸は略平行であることを特徴とする光素子である。
【００１６】
上記態様において、前記光素子を複数接続したことを特徴とする。
【００１７】
また、前記第１、第２、第３の単一モード光導波路のうち少なくとも１つの端面は、略４５゜の反射面であることを特徴とし、前記反射面は曲面であることを特徴とする。
【００１８】
また、前記光素子は樹脂により作製することを特徴とする。
【００１９】
また、前記第２の光導波路は直線導波路であることを特徴とする。
【００２０】
また、前記角度に係る分岐角の少なくとも１つは１°以上１０°以下であることを特徴とする。
【００２１】
本発明の他の態様は、光源と、受光素子と、請求項１から８の何れかに記載の光素子を有し、前記第１、第２、第３の光導波路の何れかに光源からの光波を入射させ、他の光導波路の一端から射出させるとともに、当該射出される光導波路の端面と同一の端面に入射してきた光の大部分を、さらに他の光導波路の端面より射出させることを特徴とする光モジュールである。
【００２２】
ここで、前記光源からの光束が入射する光導波路の最も広い幅をWi、前記受光素子へと光束を導く導波路の最も広い幅をWoとするとき、
Wi ≦ Wo
という関係式を満たすことを特徴とする。
【００２３】
また、前記光源と前記受光素子は同一基板上に実装されていることを特徴とする。
【００２４】
また、複数の光源と、複数の受光素子と、請求項１から８の何れかに記載の光素子を複数備えたことを特徴とする。特に、複数備えた前記光素子は、個々の光素子をある面に対して複数重ね合わせて形成し、且つ、前記個々の光素子は同一形状であることを特徴とし、また、複数備えた前記光素子は、一体で形成されていることを特徴とする。
【００２５】
また、光源と、光変調器と、受光素子と、請求項１から８の何れかに記載の光素子を有していることを特徴とし、特に、前記光変調器は、シュタルク効果を利用した電界吸収型光変調器であることを特徴とし、また、前記光変調器は、電気光学効果を利用した導波路型光変調器であることを特徴とし、また、前記光変調器は、電気光学効果を利用した導波路型光変調器であり、且つ、前記光変調器を並列に形成し、各光変調器に対応して前記光素子を有していることを特徴とする。
【００２６】
本発明の他の態様は、上記光素子、又は、上記光モジュールを用いて情報を伝送する画像形成装置である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明により、小型・高速・安価な１芯双方向伝送を実現するために、光アイソレータ（光サーキュレータ）の機能を有した光素子、及び光モジュールを実現し、安価で高速に情報伝送が可能な画像形成装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の光素子等を実施するための最良の形態について説明する。説明する際には、本明細書と同時に提出する図面を適宜参照することにする。
【００２９】
図４に、本形態の光素子の実施例を示す。クラッド基板２１の上に、第１、第２、第３の光導波路１１、１２、１３が形成されている。第１の光導波路１１に対して、第２の光導波路１２はある角度を持って光学的に結合されており、第２の光導波路１２に対して、第３の光導波路１３はある角度を持って光学的に結合されている。図４における光導波路は単一モード光導波路である。
【００３０】
また、図４の光素子と光源（ＬＤ）と受光素子（ＰＤ）を用いて１芯双方向光伝送モジュールを構成した実施例を図５に示す。光源（ＬＤ）からの光は、光導波路端面１３ｂに光学的に結合されており、光導波路端面１１ｂからの光は受光素子（ＰＤ）に入射させる。光源（ＬＤ）を直接変調することで、光伝送を行う。光導波路端面１１ａは、光伝送媒体に光学的に結合させる。光伝送媒体としては、SMF（Single Mode Fiber）、POF（Plastic Optical Fiber）、光伝送シート（シート状に作製した樹脂製の光導波路）等を用いることができるが、本形態の光素子と高効率な光結合が可能な、SMFもしくは単一モード導波路で構成された光伝送シートが、本形態に最も好適である。
【００３１】
図４を用いて光アイソレータが実現できる様子を、図６を用いて説明する。図６は、第１の光導波路１１と第２の光導波路１２のみで構成した光素子である。
【００３２】
まず図６（ａ）において、第１の光導波路１１の一端（１１ａ）から伝搬してきた光に対して、第１の光導波路１１の方が、第２の光導波路１２よりも伝搬定数が大きいため、入射光は第１の光導波の方（１１ｂ）を伝搬する。他方、第２の光導波路（１２ｂ）から入射してきた光は、第１の光導波路（１１ａ）を伝搬する（図６（ｂ））。このように、ある角度をもって分岐導波路を形成することで、光アイソレータもしくは光サーキュレータ（一方からの光は透過させるが、もう一方からの光は別の方向へ分離する素子）の機能を有する光素子が実現できる。
【００３３】
この光アイソレータ（光サーキュレータ）と、基板３１に実装したＬＤ、ＰＤ、ＬＤ駆動用のドライバＩＣ３２を用いて、第２の光導波路１２の端面（１２ｂ）へＬＤからの光を入射させ、第１の光導波路の端面（１１ｂ）からの光をＰＤで受光するように構成することで、１芯双方向伝送光モジュールを実現できる（図６（ｃ））。
【００３４】
しかし、図６（ｃ）のような第１と第２の光導波路２本だけで構成した光アイソレータ（光サーキュレータ）では、光の遮断効率が悪く、第１の光導波路の端面（１１ａ）から入射した光の一部が第２の光導波路１２に漏れてしまう。第２の光導波路１２に光が漏れてしまうと、ＬＤへの戻り光が発生して、ＬＤの発振が不安定になり、信号伝送に支障をきたす。このような１芯双方向伝送光モジュールを用いて高速伝送（目安として2.5Gbps以上）を実現するのは不可能である。
【００３５】
そこで、図４に示すように、第２の光導波路１２にある角度を持って光学的に結合する第３の光導波路１３を設けることで、光の遮断効率をあげることができ、第１の光導波路１１の一端１１ａから光を入射させたときの第３の光導波路１３の一端１３ｂへの光の漏れ量を実用上無視できる程度（-20dB程度）まで小さく抑えることができる高性能な光アイソレータ（光サーキュレータ）を実現できる。この光アイソレータ（光サーキュレータ）を用いて１芯双方向伝送光モジュールを構成したときには（図５）、ＬＤへの戻り光が無視でき、高速伝送が可能な１芯双方向伝送光モジュール（＞2.5Gbps）が実現できる。
【００３６】
このとき、第１の光導波路の端面１１ｂと、第３の光導波路の端面１３ｂ付近の光導波路の光軸は略平行になるようにするのが最も良い。この理由はとして、外部との光結合効率の向上、及び実装スペースの低減（ＬＤ駆動用のドライバＩＣ３２）が挙げられる。図６（ｃ）のように第１の光導波路１１の一端１１ｂと、第２の光導波路１２の一端１２ｂが平行でない場合、例えば、ＬＤからの光束を１２ｂに入射させる際、導波路端面に垂直に光を入射させると、光導波路の光軸に対して光束を斜めに入射させることになり、大きな光結合損失が発生してしまう。この結合損失を低減するためには、導波路の端面に対してＬＤを傾け、第２の光導波路１２と平行に光束を入射させる必要がある。このようにＬＤを傾けると、基板３１自体を傾け実装スペースが増大してしまい（ドライバＩＣ３２等を含む）、光モジュールが大型化してしまう。従って、図４のように、第１の光導波路１１の端面１１ｂと、第３の光導波路の端面１３ｂ付近の光導波路の光軸が略平行になるようにすることは、光結合効率の向上、及び、実装スペースの低減による光モジュールの小型化のために、非常に有用である。
【００３７】
なお、図４、図５において、第１、第２、第３の光導波路１１、１２、１３が物理的に接続されている図を示したが、各光導波路は、光学的に結合していれば良いため、必ずしも物理的に接続されている必要はなく、図２３に示すように、第１、第２、第３の光導波路の間が物理的に離れていても良く、その場合でも、本発明と同様の効果が得られる。よって、第１、第２、第３の光導波路１１、１２、１３の間が物理的に離れている場合も本発明の範疇に含まれるものとする。
このような形態を実施することにより、2.5Gbps以上の高速伝送が可能で、且つ小型な1芯双方向光伝送モジュールを実現することができるという効果を奏する。
【００３８】
本形態の１芯双方向伝送モジュールにおいて、ＬＤ（面発光型ＬＤ（VCSEL）が最も好適である。）とＰＤは同一基板上に実装されているのが最も好適である。同一基板上に実装することで、ＬＤ−ＰＤ間の位置精度を向上させることができ、１度のアライメント（ＬＤ、ＰＤが実装された基板と本形態の光素子間）で、光導波路・ＬＤ・ＰＤ間のアライメントが実現でき、実装コストの低減が可能となる。光源からの光を結合させる光導波路が多モード光導波路であれば、アライメントフリーも実現できる。さらに、ＬＤ、ＰＤを別々の基板に実装するときに比べ、空間占有面積（ＬＤ・ＰＤ駆動用のドライバＩＣ等を含む）の低減が実現でき、小型化が可能となる。従って、小型・低コストの１芯双方向伝送モジュールが実現できる。
【００３９】
その際、導波路端面（図４の１１ｂ、１３ｂ）は、４５゜の反射面であることが望ましく、その実施例を図７に示す。光源からの光が光導波路に対して垂直に入射するような構成にすると、光素子における光の伝搬方向がＬＤやＰＤが実装されている基板に対して垂直に配置されることになり（光素子において、光の伝搬方向の長さが最も長い）、光素子の安定性が悪くなり、環境変動や衝撃等による特性の劣化（光の結合効率や、受光効率）を招きやすくなる。更には、光モジュールと光伝送媒体（光ファイバ、光伝送シート等）を接続する際にも、ＬＤやＰＤの基板に対して垂直方向に接続しなければならず、空間占有面積が大きく増大してしまう。そこで、４５゜の反射面とし、光源からの光を一度折り曲げて導波路に入射させる構成とすることで、小型な１芯双方向伝送モジュールが実現できる。図７では、光源（ＬＤ（VCSEL））、受光素子（ＰＤ）、ドライバＩＣ３１が１つの基板上に実装されている。図７では、ＬＤ、ＰＤ、ドライバＩＣ３２を同じ基板３１の面に実装した例を示したが、ドライバＩＣ３２の放熱による熱の伝達防止のために、ドライバＩＣ３２を、ＬＤやＰＤが実装されている面と逆の面に実装する方が望ましい。このような形態を実施することにより、より小型な光モジュールが実現できる。
【００４０】
前記反射面は、図８に示すように曲面形状にすることが本形態に最も好適であり、曲面形状とすることで、光束の集束作用を光素子に付加することができるため、ＬＤからの光束を導波路へ結合するためのレンズ等の光素子が不要となり、部品点数が削減できるばかりでなく、本形態の光素子に光束の集束作用を付加するため、アライメント箇所を減らすことができ（レンズ（集光部）と光導波路との間のアライメントが不要になる）、実装コストの大幅な低減が可能となる。場合によっては、アライメントフリーも可能になる。
【００４１】
上記のように、光アイソレータ（光サーキュレータ）機能、集光機能、光路変換機能等を集積した高機能な光素子を実現することで、部品点数を削減することによる低コスト化が期待できるだけでなく、機能が１つの光素子に集約されていることにより、環境変動での諸特性（光源からの光の光導波路への結合効率、受光効率等）の変動を小さく抑えることができる。
【００４２】
なお、反射面を曲面にして集光作用を持たせた実施例を例に説明したが、曲面を設ける箇所は反射面に限らず、図９のように、反射面以外の箇所に曲面を設けても良い。図９では、本形態の光素子の底面に曲面を設けた実施例を示す。また、上記のこれらの光素子は、樹脂で作製するのが良い。このような形態を実施することにより、アライメント箇所が低減できるため、実装コストの大幅な低減が可能となる。さらに、複数の機能（光アイソレータ（光サーキュレータ）、集光機能、光路変換機能）を１つの光素子に集積しているため、環境変動にも強い光素子が実現できる。
【００４３】
もしも、図４における第２の光導波路１２を曲線導波路で構成した場合には（図１０）、光源（ＬＤ）から光が１１ａに伝搬する際の損失は若干低減できるが、光の遮断特性の悪化を招く、つまり、１１ａから伝搬した光のうち、最終的に１３ｂに到達する光が増えてしまう）。従って、上記光素子における光導波路は直線導波路で構成するのが良く、そうすることで光の遮断特性を向上させることができる。
【００４４】
また、上記光素子における光導波路の分岐角の少なくとも１つは１°以上１０°以下で構成するのが良い。分岐角が１°よりも小さくなると、光の遮断特性が、実用上問題がある程度まで劣化し、分岐角が１０°を超えると、光源からの光が図４の１１ａまで伝搬する際の損失が、許容できない程度まで大きくなってしまうためである。このような形態を実施することにより、許容できる光の損失量で、且つ、実用上問題のない光の遮断効率を実現することができる。
【００４５】
上記の実施例では単一モード光導波路を用いて構成しているが、本形態において最も好適なのは、第１の光導波路１１を多モード光導波路とし、前記第１の光導波路１１に所定の角度を持って光学的に結合する第２の光導波路１２を多モード光導波路とし、前記第２の光導波路１２に所定の角度を持って光学的に結合する第３の光導波路１３を単一モードもしくは多モード光導波路とし、前記第１、第２、第３の光導波路１１、１２、１３それぞれにおける最も広い幅をW1、W2、W3とするとき、以下の式を満足するように光素子を構成するのが良い。
W1 ≧ W2 ≧ W3
上記光素子の実施例を図１１に示す。
【００４６】
さらに、図１１の光素子と光源（面発光型ＬＤ（VCSEL）が最も好適である）と受光素子（ＰＤ）を用いて１芯双方向光伝送モジュールを構成した実施例を図１２に示す。図１２では、図４と同様に、光源（ＬＤ）からの光は、光導波路端面１３ｂに光学的に結合されており、光導波路端面１１ｂからの光は受光素子（ＰＤ）に入射させる。光源（ＬＤ）を直接変調することで、光伝送を行う。光導波路端面１１ａは、光伝送媒体に光学的に結合させる。光伝送媒体としては、SMF（Single Mode Fiber）、POF（Plastic Optical Fiber）、光伝送シート（シート状に作製した樹脂製の光導波路）等を用いることができるが、POFもしくは多モード光導波路で構成された光伝送シートが、本形態に最も好適である。その理由については後述する。
【００４７】
図１１において、W1 > W2 > W3とするのが良く、更に、W1 > 1.1W2、W2 > 1.1W3を満足するのが、本形態に最も好適であるが、W1=W2=W3（このときW1,W2,W3は全て多モード光導波路）とすることも可能である。図１１、図１２のような構成にするメリットについて、図１３を用いて説明する。図１３は図１１の光素子の第１の光導波路１１と第２の光導波路１２のみで構成したものである。図１３において第１の光導波路の最も広い幅W1と、第２の光導波路の最も広い幅W2において、W1 > W2（第１の光導波路１１、第２の光導波路１２ともに多モード光導波路）であるとして説明する。
【００４８】
前述のように、図６のような導波路構成のみでも、光導波路１１の端面１１ａから伝搬する光に対して、光導波路１１、１２の間で伝搬定数の違いを誘起することができ、光アイソレータ（光サーキュレータ）として機能するが、図１３の実施例において、W1 > W2（第１の光導波路１１、第２の光導波路１２ともに多モード光導波路）であるために、第１の光導波路１１の一端１１ａからの光が、第２の光導波路１２へ漏れる光を更に低減することができ、図４の実施例の導波路構造に起因する光アイソレータ（光サーキュレータ）としての機能を増大することができる。従って、図１１の実施例の光素子は、図４の光素子よりも更に高性能な（光の遮断効率が良い、つまり、１１ａから伝搬してきた光のうち最終的に１３ｂに到達する光が少ない）光アイソレータ（光サーキュレータ）が実現できる。
【００４９】
第３の光導波路は単一モード光導波路でも多モード光導波路でもどちらでも可能であるが、多モード導波路にすることで、外部との光結合においてアライメントフリーが実現できるため、本形態に好適である。図１２のような光モジュールを構成したときには、光源と受光素子が実装された基板と、本形態の光素子間のアライメントフリーが実現できるため、実装コストの低減が図れるだけでなく、環境変動に対する特性（光源と光素子間の結合効率、受光素子での受光効率等）の変動を小さく抑えることが可能となり、環境変動に強い光モジュールが実現できる。
【００５０】
図１２の１芯双方向光伝送モジュールを用いて、オフィスや家庭内での光伝送を実現するための最も重要な要求として、信号伝送媒体（SMF（Single Mode Fiber）、POF（Plastic Optical Fiber）、光伝送シート（シート状に作製された光導波路））の取り扱い容易性、及び低コストが挙げられる。幹線系で広く用いられる石英系のSMF（Single Mode Fiber）は曲げ特性が非常に悪く（曲げに対する損失が大きい）、取り扱いに大きな注意を要する。また、SMFはコア径が非常に小さいため（10μm程度）、光ファイバの脱着時の損失防止のために非常に高精度なフェルール等の部品を用いる必要があり、低コストへの大きな足かせとなっている。上記の要求を満たす手段として、曲げ特性が良く且つコア径が大きく且つ低コストなPOF（Plastic Optical Fiber）や光伝送シートを用いるのが、本形態に最も好適である。さらには、光伝送シートは電気ボード間の短い距離（30cm程度まで）の光伝送媒体として適しており、POFは機器間の接続のような比較的長い距離（30cmから1km程度まで）の光伝送媒体として適している。それ以上の長い距離の光伝送媒体としては、SMFが適している。
【００５１】
上記POF（通常、多モードで光が導波する）や光伝送シート（多モード光導波路で構成されたもの）に対応した光伝送モジュールとしては、図１１、図１２において、第１の光導波路を多モード光導波路とするのが本形態に最も好適である。単一モード導波路とすると、導波路端面１１ａからの射出光のＮＡが、POFや光伝送シートのコア径に対して大きすぎて、POFや光伝送シートに入射する際に結合損失が発生する。多モード光導波路とすることで、導波路の径（幅）を大きくすることができるため、POFや光伝送シートへ入射させたときの損失が小さい。その様子を図１４に示す。
【００５２】
なお、図１１、図１２において、第１、第２、第３の光導波路１１、１２、１３が物理的に接続されている図を示したが、各光導波路は、光学的に結合していれば良いため、必ずしも物理的に接続されている必要はなく、図２４に示すように、第１、第２、第３の光導波路１１、１２、１３の間が物理的に離れていても良く、その場合でも、本発明と同様の効果が得られる。よって、第１、第２、第３の光導波路１１、１２、１３の間が物理的に離れている場合も本発明の範疇に含まれるものとする。
このような形態を実施することにより、2.5Gbps以上の高速伝送が可能で、且つ小型なで１芯双方向光伝送モジュールを実現することができる。さらには、アライメントフリーを実現できるため、低コストであり、且つ、環境変動にも強い１芯双方向光伝送モジュールを実現することができる。
【００５３】
本形態の光素子は、複数接続して用いても良い。その実施例を図１５に示す。図１５では図４の実施例の光素子を２つ接続している。図１５では、第３の光導波路１３と第４の光導波路１４（図４の光素子の第１の光導波路１１に対応）を光学的に接続している。第５の光導波路１５、第６の光導波路１６は、それぞれ図４の光素子の第２の光導波路１２、第３の光導波路１３に対応している。本形態の光素子を複数接続して用いることで、光の遮断効率を高めることができる（１１ａから伝搬した光量に対して、最終的に１６ｂに漏れる光量を減少させることができる）。図１５を用いて１芯双方向光伝送モジュールを構成する際には、１１ｂに受光素子（ＰＤ）、１６ｂに光源（ＬＤ）を配置するのが良い。
【００５４】
図４の実施例の光素子を複数接続して用いることで、上記のように光の遮断効率を高めることができるだけでなく、導波路の分岐角を１°から１０°の範囲で少なくすることができるため、光の遮断効率を悪化させることなくＬＤからの光が１１ａまで伝搬する際の損失を低減することができる。
このような形態を実施することにより、光遮断効率を高めることができ、光アイソレータ（光サーキュレータ）としての機能を高めることができる。さらには、光導波路の分岐角を小さくすることができ、光の損失を低減することができる。
【００５５】
本形態の光素子、光源、受光素子を複数備えることで、更に高速・大容量の光伝送が可能となる。その実施例を図１６に示す。図１６では、本形態の光素子（光モジュール）を４つ用いている（４チャンネル光伝送）。図１６では、外部との光伝送に必要な光伝送媒体（光ファイバ（SMF（Single Mode Fiber）、POF（Plastic Optical Fiber）等）や光伝送シート（シート状に作製した樹脂製の光導波路）等）は４本であるが、本発明の光素子（光アイソレータ（光サーキュレータ））を用いなければ、光伝送媒体は８本必要になる。このように、多チャンネル光伝送時には低減できる光伝送媒体の個数が多くなり、光ファイバのコスト低減でだけでなく、光ファイバ束の総重量や束の太さを低減でき、取り扱いが容易になるため、本形態の光素子（光モジュール）を用いるメリットは大きい。
【００５６】
図１６における実施例のように、複数の光素子を用いる場合、図１７に示すように、ある面に対して複数の光素子を重ね合わせて構成するのが最も好適である。その際、量産性の向上による低コスト化のために、個々の光素子は同一形状であるのが望ましい。さらに、位置決め用の凸部４１及び凹部４２も合わせて形成しておくのが好適であり、光素子間の位置決めが容易で且つ高精度になる。
【００５７】
また、樹脂で作製する場合には、素子の体積を小さくした方が素子内部の均質になり、高精度な光素子が実現できる。従って、個々の同一の光素子を複数作製し、後で重ね合わせことが本形態に最も好適である。
このような形態を実施することにより、量産性を向上させることができ、低コスト化が実現できるだけでなく、素子内部を均質にすることができ、高精度な光素子を実現できる。
【００５８】
しかし、個々の光素子を作製するときに比べて、作製時間を長めにとれば、図１７のように重ね合わせるのではなく、樹脂により一体で成形しても、高精度な光素子を得ることができる。上記では、光源としてＬＤを用いた実施例を用いて説明したが、ＬＥＤを用いることも可能である。光源にＬＥＤを用いるときには、前述の図１０のような、第１、第２、第３の光導波路１１、１２、１３を多モード導波路で構成した光素子を用いるのが最も好適である。
【００５９】
上記は、光源を直接変調する光モジュールの実施例を説明したが、直接変調では10Gbps程度の変調が限界であり、さらなる高速伝送を実現するためには、電界吸収型光変調器（EA変調器）や電気光学効果を利用した導波路型光変調器（例えばマハツェンダ型光変調器）等の間接変調器（光源はCW点灯）を使用するのが良く、１チャンネルあたり（１本の光伝送媒体あたり）10Gbps以上の速度で光伝送が可能となる。本形態の光素子は、間接変調器を用いた光モジュールに対しても適用できる。よって、１チャンネルあたり10Gbps以上の高速伝送が可能となる。
【００６０】
まず、電界吸収型変調器の動作原理について説明する。電界吸収型変調器では、量子閉じ込めシュタルク効果を利用して変調動作を行っている。この量子閉じ込めシュタルク効果について、図１８を用いて説明する。図１８（ａ）に示すように、電界無印加時における量子井戸層の電子及びホールは、量子井戸層内に閉じ込められており、量子井戸層内における離散的な量子準位の波動関数は、量子井戸の中心に対して対称な形となっている。図１８におけるAc、Avはそれぞれ電子、ホールの波動関数（存在確率）を表す。次に、図１８（ｂ）に示すように、量子井戸層に対して垂直方向に電界を印加すると、量子井戸層の波動関数が変化し、電子の波動関数のピークは中心よりも左側に、ホールの波動関数のピークは中心よりも右側に変化する。このとき、伝導体の量子準位は相対的に下がり、価電子帯の量子準位は相対的に上昇するため、電界印加とともにバンドギャップEgは減少する。従って、ある波長λ1において、電界無印加時と電界印加時において、バンドギャップの変化に伴う吸収係数の変化を発生させることができ、光変調が可能となる。
電界吸収型光変調器からの射出光を本形態の光素子における第３の光導波路１３の端面１３ｂに入射させることで、１芯双方向光伝送モジュールを実現できる。よって、１チャンネルあたり10Gbps以上の高速伝送が可能となる。
【００６１】
次に電気光学効果を利用した導波路型光変調器の動作原理について説明する。電界を印加することにより屈折率を変化させることができる「電気光学効果」が一般に知られている。この電気光学効果は物質に依存し、電気光学効果を利用して光強度変調器を構成した場合には、電気光学効果が大きい物質ほど高効率な光強度変調器が可能である。
【００６２】
電気光学効果が高い物質としては、リチウムナイオベート（LiNbO3）、リチウムタンタレート（LiTaO3）、KTN（KTa1-xNbxO3）等に代表される強誘電結晶が挙げられる。その他に、多重量子井戸構造の半導体や、有機材料であるDAST、PMMAに色素をドープしたものも、高い電気光学効果を有している。
【００６３】
電気光学効果を利用した導波路型光変調器の一例として、マハツェンダ型光変調器を図１９に示す。導波路を伝搬してきた入射光は、Ｙ分岐導波路により２分岐され、別々の導波路を通過した後に合流する構成となっている。ここで、２本の導波路の光路長が同一だとすると、電極に電圧を印加しなければ、２本の導波路からの光に位相差が発生しないため、出力側の導波路から光が出力される（図１９（ａ））。次に、信号電極にある電圧V1を印加すると、導波路に電界が印加され、電気光学効果によって導波路の屈折率が変化する。従って、２本の導波路を通過する光に位相差が生じ、位相差がπラジアンになるような電圧V1を印加すると、出力側の導波路では干渉により光が打ち消しあって、出力側の導波路から光は出射されない（２本の導波路からの光は放射光となる）（図１９（ｂ））。従って、電極に印加する電圧によって、出力側の導波路から射出される光の変調が可能となる。
【００６４】
分岐導波路として、Ｙ分岐導波路を例に説明したが、Ｙ分岐導波路に限定されるものではなく、方向性結合器を用いて分岐しても良い。
【００６５】
マハツェンダ型光変調器からの射出光を本形態の光素子における第３の光導波路１３の端面１３ｂに入射させることで、１芯双方向光伝送モジュールを実現できる。よって、１チャンネルあたり10Gbps以上の高速伝送が可能となる。
【００６６】
上記の導波路型光変調器を図２０（ａ）に示すように複数並べることも可能である。複数並べることにより、更なる高速伝送にも対応できる。図２０では、単一の光源を4つに分岐し、それぞれの光を独立に変調している。図２０（ｂ）に、本形態の光素子と組み合わせた光モジュールの実施例を示す（但し、図の煩雑を避けるため、受光素子（ＰＤ）は図示していない）。この構成により、１チャンネルあたり10Gbps以上の高速伝送が可能となる。
【００６７】
図２１に本形態の光モジュールを搭載した画像形成装置を示す。本画像形成装置はフルカラー画像をプリント出力する画像形成装置であり、装置内に各色に相当する４つの感光体２０Ｙ、２０Ｍ、２０Ｃ、２０Ｋ（以下、符号に対する添字Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋを適宜付け、Ｙ：イエロー、Ｍ：マゼンダ、Ｃ：シアン、Ｋ：ブラックの色に対応する部分として区別するものとする）が並設されたタンデム型のカラー画像形成装置である。
【００６８】
装置上部から順に光走査装置１０５、現像装置１０６、感光体１０３、中間転写ベルト２１、定着装置１１４、給紙カセット１１１がレイアウトされている。なお、スキャナ装置（図示しない）は光走査装置１０５の上部または分離して別配置されている。
【００６９】
中間転写ベルト２１には各色に対応した感光体２０Ｙ、２０Ｍ、２０Ｃ、２０Ｋが並列順に等間隔で配設されている。感光体２０Ｙ、２０Ｍ、２０Ｃ、２０Ｋは同一径に形成されたもので、その周囲には電子写真プロセスに従い部材が順に配設されている。感光体２０Ｙを例に説明すると、帯電チャージャ（図示しない）、光走査装置１０５から画像情報に基づいて出射されたレーザビームＬＹ、現像装置１０６Ｙ、転写チャージャ（図示しない）、クリーニング装置（図示しない）等が順に配設されている。他の感光体２０Ｍ、２０Ｃ、２０Ｋに対しても同様である。即ち、本実施の形態では、感光体２０Ｙ、２０Ｍ、２０Ｃ、２０Ｋを各色毎に設定された被走査面とするものであり、各々に対して光走査装置１０５からレーザビームＬＹ、ＬＭ，ＬＣ、ＬＫが各々に対応するように設けられている。
【００７０】
帯電チャージャにより一様に帯電された感光体２０Ｙは、矢印Ａ方向に回転することによってレーザビームＬＹを副走査し、感光体２０Ｙ上に静電潜像が形成される。また、光走査装置１０５によるレーザビームＬＹの照射位置よりも感光体の回転方向下流側には、感光体２０Ｙにトナーを供給する現像器１０６Ｙが配設され、イエローのトナーが供給される。現像器１０６Ｙから供給されたトナーは、静電潜像が形成された部分に付着し、トナー像が形成される。同様に感光体２０Ｙ、２０Ｍ、２０Ｃ、２０Ｋには、それぞれＭ、Ｙ、Ｋの単色トナー像が形成される。各感光体２０Ｙの現像器１０６Ｙの配設位置よりもさらに回転方向下流側には、中間転写ベルト２１が配置されている。中間転写ベルト２１は、複数のローラ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃに巻付けられ、図示しないモータの駆動により矢印Ｂ方向に移動搬送されるようになっている。この搬送により、中間転写ベルト２１は順に感光体２０Ｙ、２０Ｍ、２０Ｃ、２０Ｋに移動されるようになっている。中間転写ベルト２１は感光体２０Ｙ、２０Ｍ、２０Ｃ、２０Ｋで現像された各々単色画像を順次重ねあわせて転写し、中間転写ベルト２１上にカラー画像を形成するようになっている。その後、給紙トレイ１１１から転写紙が矢印Ｃ方向に搬送されカラー画像が転写される。カラー画像が形成された転写紙は、定着器１１４により定着処理後、フルカラー画像として排紙される。
【００７１】
本形態の光モジュールは、上記画像形成装置の画像を読取るスキャナ部（図２１には図示していない）のスキャナコントロール部と画像形成装置全体を制御するシステムコントロール部の各々の基板に接続し実装される。また、システムコントロール部と画像処理部の各々基板にも実装され、樹脂製の光ファイバや樹脂製の光導波路シートからなる光伝送媒体で接続される。画像形成装置内は光導波路シート、画像形成装置間は光ファイバで接続することが好適である。樹脂製の光ファイバは石英製に比べて屈曲性に優れているため、最小曲率半径も小さく装置内に配置された各ユニット間や隣接したコントロール基板間のような狭い空間を接続するときにレイアウトの制約が無く好適である。また、樹脂製の光導波路シートの場合、屈曲性は光ファイバよりも一層優れるので、特に画像形成装置内のコントロール基板間のような基板面に対して垂直方向に近接した(10cm以下)狭い距離を接続する場合に好適である。
【００７２】
図２２にコントロール基板に本形態の光モジュールを実装し、画像形成装置内および画像形成装置間を光伝送媒体で接続した実施例を示す。画像形成装置内は、画像データ入力手段を構成するスキャナコントロール部６１とシステムコントロール部６２が本形態の光モジュール６０と樹脂製の光導波路シート６４を介して接続されている。同様に、画像データ出力手段を構成する画像処理部６３をシステムコントロール部６２と樹脂製の光導波路シート６５を介して接続されている。光モジュールの送信側はスキャナコントロール部６２から入力された画像情報の電気信号に応じた光信号に変換し、受信側はシステムコントロール部６２に通信された光信号を電気信号に変換する。光伝送媒体は電磁ノイズの保護などが必要なく、また細いケーブルですむので装置内の２ｍ以上のレイアウトにも好適である。
【００７３】
さらに、他の画像形成装置と光ファイバ６６で接続することで画像処理部の画像データを画像形成装置の画像処理部６７と連結して、２倍のプリント速度を可能にする画像形成装置システムとすることができる（複数連結すれば複数倍のプリント速度が可能である。光による伝送なので、距離、連結する台数に制限が無く拡張性が高い）。本形態では伝送媒体として光ファイバ６６にて画像形成装置間を接続している。電気ケーブルによる接続では、10Gbpsの高速伝送しようとすると電磁ノイズの放射により他の機器を誤動作させたり、逆に他の機器からの電磁ノイズを受けて伝送エラーが発生し、画像形成装置のプリント速度や画像が劣化するとともに、伝送距離も最大で2mまであり、画像形成装置としての拡張性が低いという問題がある。画像形成装置間を接続する距離は１００ｍまで伝送品質が劣化なく確保する必要性に対して、電気ケーブルによる伝送では対応できない。
【００７４】
また、電気ケーブルによるシリアル伝送では、伝送に差動伝送方法を使用するため、１つの信号を送るのに正負反転した２系統の伝送信号を一組とし、接地線も含めると少なくとも４本の配線が必要となるが、光伝送では差動伝送する必要がないので伝送線（伝送媒体）は１本で良く、画像形成装置の画像データ伝送線の本数を大幅に減らすことができる。
【００７５】
本形態の光モジュールと光伝送媒体により、電磁ノイズに対して強く伝送品質が劣化することなく、また、画像データ伝送線の本数を電気ケーブルに対して大幅に減らすことができるので画像情報を高速で送信することが可能となり、高速かつ高画質な画像形成装置が達成できる。
【００７６】
また、電気伝送では信号の減衰が大きいため、比較的長い距離を伝送させるためには、大きな振幅で信号を送る必要があるため、消費電力が大きい。一方、光伝送は長距離伝送に非常に適しているため、小さな振幅でも長距離伝送が可能となり、消費電力を小さく抑えることができ、環境負荷を低減できる。
【００７７】
なお、上述した形態は本発明の光素子等を実施するための最良の形態であるが、かかる形態に限定する必要は無い。従って、本発明の要旨を変更しない範囲においてその実施形式を種々変形することは可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】光アイソレータの構成を図示したものである。
【図２】ハーフミラーを用いた光伝送モジュールの構成を図示したものである。
【図３】Ｙ分岐導波路を用いた光伝送モジュールの構成を図示したものである。
【図４】本形態の光素子の構成を図示したものである。
【図５】本形態の１芯双方向光伝送モジュールの構成を図示したものである。
【図６】第１の光導波路１１と第２の光導波路１２のみで構成した光素子を図示したものである。
【図７】導波路端面が４５゜の反射面である光伝送モジュールの構成を図示したものである。
【図８】反射面を曲面形状にした光素子の構成を図示したものである。
【図９】底面を曲面形状にした光素子の構成を図示したものである。
【図１０】曲線導波路を有する光素子の構成を図示したものである。
【図１１】光導波路の幅を調節した光素子の構成を図示したものである。
【図１２】図１１の光素子を用いた１芯双方向光伝送モジュールの構成を図示したものである。
【図１３】図１１の光素子の第１の光導波路１１と第２の光導波路１２のみで構成したものである。
【図１４】（ａ）単一モード光導波路の場合と、（ｂ）多モード光導波路の場合の結合損失の違いを図示したものである。
【図１５】本形態の光素子を複数接続した構成を図示したものである。
【図１６】本形態の光素子、光源、受光素子を複数備えた構成を図示したものである。
【図１７】本形態の複数の光素子を重ね合わせた構成を図示したものである。
【図１８】量子閉じ込めシュタルク効果について図示したものである。
【図１９】マハツェンダ型光変調器の構成を図示したものである。
【図２０】導波路型光変調器を複数並べた構成を図示したものである。
【図２１】本形態の光モジュールを搭載した画像形成装置の構成を図示したものである。
【図２２】画像形成装置内および画像形成装置間を光伝送媒体で接続した構成を図示したものである。
【図２３】本形態の１芯双方向光伝送モジュールのうち、光導波路が物理的に離れたものの構成を図示したものである。
【図２４】本形態の１芯双方向光伝送モジュールのうち、光導波路が物理的に離れたものの構成を図示したものである。
【符号の説明】
【００７９】
１    光アイソレータ
２    偏光子
３    磁性体
４    ハーフミラー
５    光ファイバ
６    Ｙ分岐導波路
１１    第１の光導波路
１２    第２の光導波路
１３    第３の光導波路
１４    第４の光導波路
１５    第５の光導波路
１６    第６の光導波路
２１    クラッド基板
３１    基板
３２    ドライバＩＣ
４１    凸部
４２    凹部
６０    光モジュール
６１    スキャナコントロール部
６２    システムコントロール部
６３    画像処理部
６４    光導波路シート
６５    光導波路シート
６６    光ファイバ
６７    画像処理部
【図１】
2007225920.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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