(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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と、
前記半導体レーザと前記ｚ軸方向で光学的に結合され、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変換光導波路とを、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変換光導波路は、
Ｓｉ基板、
前記Ｓｉ基板の前記ｙ軸及び前記ｚ軸に沿う表面に積層された第１クラッド層、
前記第１クラッド層上に前記ビームスポット変換光導波路の前記入射端から前記出射端に向けて前記ｚ軸沿いに順次並ぶビームスポット拡大光導波路、ビームスポット保持光導波路、並びにビームスポット縮小光導波路、及び
前記第１クラッド層、前記ビームスポット拡大光導波路、前記ビームスポット保持光導波路、並びに前記ビームスポット縮小光導波路を覆う第２クラッド層を備え、
前記ビームスポット拡大光導波路は、前記第１クラッド層上に形成され且つ前記ビームスポット変換光導波路の前記入射端から前記ｚ軸沿いに互いに離されて並ぶ複数の第１コア部で構成され、且つ該第１コア部が該ビームスポット変換光導波路の前記出射端に近付くごとにその前記ｙ軸方向に延在する幅が広げられることにより、該ビームスポット拡大光導波路は該入射端から入射した前記光ビームのスポット径を該ｚ軸に沿う該光ビームの伝搬方向に拡大し、
前記ビームスポット保持光導波路は、前記第１クラッド層上に形成され且つ前記ｚ軸沿いに互いに離されて並ぶ複数の第２コア部で構成され、且つ前記ビームスポット拡大光導波路に光学的に結合されて該ビームスポット拡大光導波路で拡大された前記光ビームのスポット径を該ｚ軸に沿う該光ビームの伝搬方向で一定に保持し、
前記ビームスポット縮小光導波路は、前記第１クラッド層上に形成され且つ前記ｚ軸沿いに互いに離されて並ぶ複数の第３コア部で構成され、且つ前記ビームスポット保持光導波路に光学的に結合され、且つ該第３コア部が該ビームスポット変換光導波路の前記出射端に近付くごとにその前記ｙ軸方向に延在する幅が狭められることにより、該ビームスポット縮小光導波路は該ビームスポット保持光導波路で一定に保持された前記光ビームのスポット径を該ｚ軸に沿う該光ビームの伝搬方向に縮小し、
前記第１コア部、前記第２コア部、及び前記第３コア部の各々は、前記第１クラッド層上に、屈折率ｎ１の第１層、屈折率ｎ２の第２層、…、屈折率ｎｎ−１の第（ｎ−１）層、及び屈折率ｎｎの第ｎ層を前記ｘ軸方向に順次積層して成る積層構造を有し、且つ該屈折率ｎ１，ｎ２，…，ｎｎ−１，ｎｎはｎ（ｎ＋１）／２＞ｎ（ｎ−１）／２＞…＞ｎ２＞ｎ１なる関係とｎ（ｎ＋１）／２＞ｎ（ｎ＋３）／２＞…＞ｎｎ−１＞ｎｎなる関係とを満たし、
前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層の各々の屈折率は、前記第１コア部、前記第２コア部、及び前記第３コア部の各々を成す前記第１層、前記第２層、…、前記第（ｎ−１）層、及び前記第ｎ層の各々の前記屈折率ｎ１，ｎ２，…，ｎｎ−１，ｎｎのいずれよりも小さく、
前記ビームスポット拡大光導波路において前記複数の第１コア部を隔てるギャップ、前記ビームスポット保持光導波路において前記複数の第２コア部を隔てるギャップ、及び前記ビームスポット縮小光導波路において前記複数の第３コア部を隔てるギャップの各々には前記第２クラッド層が充填されていることを特徴とする光伝送モジュール。
【請求項２】
前記複数の第１コア部又は前記複数の第３コア部の少なくとも一方は、前記ｙ軸及び前記ｚ軸に沿うｙ−ｚ断面にて円、又は楕円を呈す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３】
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。
【発明の詳細な説明】
【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】
ここで、この光ビームスポット変換器を説明する。図１０は半導体レーザと光導波路との結合系模式図であり、これにより光ビームの結合効率の求め方について言及する。
【０００４】
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。
【０００５】
【数１】
0003941368.tif 000002
【０００６】
ここで、κは
【０００７】
【数２】
0003941368.tif 000003
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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ものである。
【００１１】
【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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
【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、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軸としたとき、該第一の光導波路もしくは該第二の光導波路のうちの少なくとも一方の光導波路のコア部の屈折率をｘ軸もしくはｙ軸に沿って変化させて構成したものである。
【００１７】
また、前記コア部の中心に屈折率ｎ1の第一の部材を有し、該第一の部材の上下もしくは左右の両側に該第一の部材よりも屈折率の小さい屈折率ｎ2の第二の部材を有するものである。
【００１８】
また、前記光導波路のコア部を屈折率ｎ1の第１のコア、屈折率ｎn-1の第ｎ−１のコア、屈折率ｎnの第ｎのコアを順に積層して構成し、該各部材の屈折率の関係をｎ(n+1)/2＞n(n-1)/2＞・・・＞ｎ2＞ｎ1ならびにｎ(n+1)/2＞n(n+3)/2＞・・・＞ｎn-1＞ｎnとしたものである。
【００１９】
また、Ｚ方向に複数個のコアを配置して前記コア部を構成したものである。
【００２０】
また、前記コア部を構成する少なくとも１個のコアのｙ−ｚ断面が、略円、略楕円またはそれらを近似した形状であるものである。
【００２１】
また、前記コアの幅を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、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、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軸としたとき、該第一の光導波路もしくは該第二の光導波路もしくは該第三の光導波路のうちの少なくとも一つの光導波路のコア部の屈折率をｘ軸もしくはｙ軸に沿って変化させて構成したものである。
【００２３】
また、前記コア部の中心に屈折率ｎ1の第一の部材を有し、該第一の部材の上下もしくは左右の両側に該第一の部材よりも屈折率の小さい屈折率ｎ2の第二の部材を有するものである。
【００２４】
また、前記光導波路のコア部を屈折率ｎ1の第１のコア、屈折率ｎn-1の第ｎ−１のコア、屈折率ｎnの第ｎのコアを順に積層して構成し、該各部材の屈折率の関係をｎ(n+1)/2＞n(n-1)/2＞・・・＞ｎ2＞ｎ1ならびにｎ(n+1)/2＞n(n+3)/2＞・・・＞ｎn-1＞ｎnとしたものである。
【００２５】
また、Ｚ方向に複数個のコアを配置して前記コア部を構成したものである。
【００２６】
また、前記コア部を構成する少なくとも１個のコアのｙ−ｚ断面が、略円、略楕円またはそれらを近似した形状であるものである。
【００２７】
また、前記コアの幅を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ことを特徴とする請求項１０または１１記載の光伝送モジュール。
【００２８】
また、以上説明した構成において、Ｚ方向における前記コアとコアとの間には前記コア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。
【００２９】
【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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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）。
【００３４】
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Ｚ‘を従来に比べて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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
この原理を図９の模式図を用いて以下に説明する。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
図１は、そのビームスポット径変換光導波路２１の具体的な構成例である。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。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。
【００４３】
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、３は光導波路を伝搬する光ビームである。ここでコア１は屈折率の異なる複数の部材により構成されている。具体的には、基板表面に垂直な軸、すなわちｘ軸に沿って、第１のコア４１、第２のコア４２、第３のコア４３の順に積層された構造となっている。第１のコア４３の屈折率ｎ１、第２のコアの屈折率ｎ２、第３のコアの屈折率ｎ３、ならびにクラッド２の屈折率ｎ０は、ｎ２＞ｎ１＞ｎ０、ｎ２＞ｎ３＞ｎ０の関係になっている。コアの中央部を構成する第２のコア４２の屈折率ｎ２とクラッドの屈折率ｎ０との間には、例えば、Δｎ＝（ｎ２−ｎ０）／ｎ２×１００［％］としたとき、Δｎが０．２〜０．５％の範囲が望ましい。また、本実施例では、ｎ１＝ｎ３、即ち第１のコア４１と第３のコア４２を同じ部材としている。これにより材料コストや製造工程の煩雑さを低減することができる。
【００４４】
本実施例では、コアの積層数を３（部材の数は２）としたが、積層数ｎは奇数であればこれ以上の数でも構わない。但し、各コア層を第１のコア（屈折率ｎ1）、第２のコア（屈折率ｎ2）、・・・第ｎ−１のコア（屈折率ｎn-1）、第ｎのコア（屈折率ｎn）と表し、コア部を第１のコア、第２のコア、・・・、第ｎ−１のコア、第ｎのコアの順に積層した構成とした場合、各屈折率はｎ(n+1)/2＞n(n-1)/2＞・・・＞ｎ2＞ｎ1ならびにｎ(n+1)/2＞n(n+3)/2＞・・・＞ｎn-1＞ｎnの関係を満たすことが条件である。また、屈折率及び各コア層の寸法は、コア中央を軸とした線対称である方がビームの集束により効果的であり、望ましい。
【００４５】
このようにコアの屈折率を中央から離れるに従い小さくすることで、コアの外側を通るビームほど伝送速度が速くなりビームをコアの中央部付近に集束させることができる。これにより図１におけるＸ方向、すなわち積層方向に対するトレランスを向上させることができる。
【００４６】
さらに、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。
【００４７】
図７にセグメント型光導波路の模式図を示す。
【００４８】
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、ｎ０をクラッド２の屈折率、ｎ１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ｎ１’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。
【００４９】
ｎ１’＝（１―α）・ｎ０＋α・ｎ１………（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。
【００５０】
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。
【００５１】
すなわち、セグメント周期を一定にして、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。
【００５２】
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。
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
これによって、前述の図８に示した原理に基づき、Ｘ方向（積層方向）のみならず、Ｙ方向に対するトレランスを向上させることができる。また、結合効率を向上させることもできる。
【００５７】
なお、あらゆる方向への軸ずれに対してトレランス拡大をさらに高める場合は、コアの積層方向はセグメントの幅を変化させる軸でない方が望ましい。
【００５８】
図６に、光伝搬法（Ｂｅａｍ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ、ＢＰＭ）による本実施例の導波路とＬＤとの結合効率の計算結果を示す。ここで、第１のコア４１及び第３のコア４３の屈折率ｎ１１＝ｎ１３＝１．４６２０、第２のコア４２の屈折率ｎ１２＝１．４６４１５９２、クラッドの屈折率ｎ０＝１．４５７６とした。また、通常の光導波路２２における第１のコア４１及び第３のコア４３の断面形状は６．５×０．９μｍとし、第２のコア４２は６．５μｍ角とした。図から明らかなように、従来技術に比べｘ軸、ｙ軸いずれの方向にも軸ずれ時の結合効率が大きい、即ちトレランスが拡大されていることが分かる。
【００５９】
なお、本実施例に示す通常の光導波路２２のコアは、その全ての箇所で屈折率の異なる部材の積層構造をとることとなる。従って、各コア層の屈折率及び断面の寸法を決定する際には、通常の導波路部２２における光の伝搬モードに留意する必要がある。例えば、単一モードで伝送させる場合には、高次のモードが発生しないようにモード解析によりチェックを行わなければならない。
【００６０】
次に、図５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。
【００６１】
まず、Ｓi基板３１を用意する（工程（ａ））。
【００６２】
次に、Ｓi基板３１の上に第１クラッド層３２を堆積し、さらにこの上に第１のコア層４１、第２のコア層４２、ならびに第３のコア層４３を積層し、コア層３３を形成する（工程（ｂ））。第１のコア層４１、第２のコア層４２、ならびに第３のコア層４３は、屈折率が所望の関係を満たすよう酸化チタンや酸化ゲルマニウム等のドーパント濃度を調整している。この後、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））。  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。
【００６３】
続いて、第１のコア層４１、第２のコア層４２、ならびに第３のコア層４３を一括して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））。
【００６４】
その後、コア層の最も屈折率の小さい部材（ここでは第１のコア層及び第３のコア層）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。
【００６５】
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。
【００６６】
本発明の他の実施例を図２を用いて説明する。
【００６７】
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３層の積層コアとし、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。
【００６８】
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。
【００６９】
次に、本発明の他の実施例を図３を用いて説明する。
【００７０】
本実施例では、図１の実施例と同様ビームスポット拡大光導波路１１、ビームスポット保持光導波路１２、ならびにビームスポット縮小光導波路１３により構成されているが、ビームスポット拡大光導波路１１およびビームスポット縮小光導波路１３のｙ−ｚ平面が円形状をなしているのが異なる点である。３層の積層コアとしていること、ビームスポット保持光導波路１２はセグメント形状であることは図１と同一である。
【００７１】
セグメント形光導波路がセグメント群全体でレンズ機能を持たせるのに対し、略円筒形状からなるコアを複数個備えたビームスポット径変換光導波路は、セグメント単体をレンズとみなした、レンズの集合体として機能する。ビームスポット拡大光導波路１１では、ビームスポット径を拡大しつつ、凸レンズ作用によりその拡大幅を制御し、光ビームがほぼ平行光によるようコントロールする。すなわち、略円筒形状のコアを用いて光ビームが際限なく拡がるのを抑制する。図３では同一直径の円形形状のコアを複数個配置しているが、伝搬する光ビームのビーム径は拡大するので前段のコアの直径以上のものを配置してもよい。光ビームスポット変換器長を短くする観点に立てば、徐々に直径が大きくなるようにコアを配置することが好ましい。
【００７２】
ビームスポット縮小光導波路１３では、やはり略円筒形状のコアを複数個備えており、その凸レンズ作用によりビームスポット保持光導波路１２からの光ビームを縮小して光導波路２２の有するビームスポット径に近づくように構成される。図３では同一直径の円形形状のコアを複数個配置しているが、ビーム径の縮小を許容しているので前段のコアの直径以下のものを配置してもよい。
【００７３】
以上のように構成することで、図１に示す実施例と同様、ｘ軸、ｙ軸いずれの方向の軸ずれに対してもトレランスの拡大が可能である。なお、結合効率を改善する観点からすると、ビームスポット径保持部のない構成であっても良い。
【００７４】
次に、本発明の他の実施例を図４を用いて説明する。
【００７５】
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。コアは、前記２つの実施例と同様３層の積層構造としている。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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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、図１に示す実施例と同様、ｘ軸、ｙ軸いずれの方向の軸ずれに対してもトレランスの拡大が実現できる。
【００７９】
【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４の実施の形態例を示す鳥瞰図である。
【図５】本発明に係るビームスポット変換光導波路の第１の実施の形態例の製造工程を示す断面図である。
【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、４１…第１のコア層、４２…第２のコア層、４３…第３のコア層
【図１】
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【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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