JP2004191989A - 光源からの出力光を光導波路に結合する光学装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学サブアセンブリ（ＯＳＡ）の種々の部品の精密な位置合わせの困難性を低減するエッジ放出型レーザを有するＯＳＡを提供する。
【解決手段】光源１０４Ａ〜１０４Ｄからの出力光を光導波路１１０Ａ〜１１０Ｄに結合するための光学装置および方法は、一体型のレンズ１２０Ａ〜１２０Ｄを有する光学転向要素１０６を用いることにより、光学装置の複数のコンポーネントを正確に位置合わせすることの困難性を低減する。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般に光ファイバに関し、特に、光源からの出力光を光導波路に結合する光学装置に関する。

半導体レーザは、光ファイバ通信システムにおける光信号発生器として一般に利用されている。半導体レーザによって発生される光信号は、光ファイバのような光導波路を通してそれらの宛先に伝送される。半導体レーザを利用するオプトエレクトロニクス部品の重要な態様は、レーザからの出力光を光ファイバに結合することにある。典型的に半導体レーザは、良好な結合効率を保証するためにレーザからの出力光を光ファイバの露出した端部に集束するように、光学サブアセンブリ（ＯＳＡ）内にレンズとともにパッケージ化されている。したがって半導体レーザ及びレンズは、レーザからの出力光が光ファイバに効率的に伝送されるように、適正に位置合わせされていなければならない。

光ファイバ通信システムに利用される半導体レーザの別個の２つのタイプが存在する。第１のタイプの半導体レーザは、ファブリーペロ（ＦＰ）、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ及び分布ブラッグ反射器型（ＤＢＲ）レーザのようなエッジ放出型レーザを含む。他方のタイプの半導体レーザは、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のような垂直放出型レーザを含む。エッジ放出型及び垂直放出型レーザは、通常エッジ放出型レーザ又は垂直放出型レーザからの出力光がレーザからレンズを通ってかつファイバ（又は光導波路）までのまっすぐな光経路に沿って伝搬するようにパッケージ化されている。したがって垂直放出型レーザを有するＯＳＡは、出力光の伝搬方向がＯＳＡに利用されるレーザのタイプに依存するので、エッジ放出型レーザを有するＯＳＡと容易に交換することができない。しかしながら当初の水平方向から垂直方向に出力光を転向することができるエッジ放出型レーザを有するＯＳＡが開発されており、それによりこのＯＳＡは、垂直放出型レーザを有するＯＳＡと交換することができる。

垂直方向に出力光を伝送することができるエッジ放出型レーザを有する従来のＯＳＡは、４５度のミラー構造又はレンズを含む。エッジ放出型レーザ及びミラーは、レーザからの出力光がミラー構造の反射表面から反射されるように、基板上に取付けられている。したがってレーザからの出力光は、当初の水平方向から垂直方向に再方向付けされる。レンズは、光ファイバの方向に伝搬する再方向付けされた出力光を集束するために、ミラー構造に取付けられている。

出力光を垂直に伝送することができるエッジ放出型レーザを有する従来のＯＳＡに関する問題は、レーザ、ミラー構造及びレンズのようなＯＳＡの種々の要素の精密な位置合わせが、光ファイバへのレーザの適切な結合を達成するのに困難なことである。

この問題を考慮して、ＯＳＡの種々の部品の精密な位置合わせの困難性を低減するエッジ放出型レーザを有するＯＳＡの必要性が存在する。

光源からの出力光を光導波路に結合する光学装置及び方法は、光学装置の複数の部品を精密に位置合わせする困難を低減するために、一体化されたレンズを有する光学転向要素を利用する。光学転向要素は、出力光を当初の方向から変更された方向に再方向付けできるように、エッジ放出型レーザのアレイのような光源のアレイからの出力光を反射するための反射表面を備える。光学転向要素は、さらに再方向付けのために光源のアレイからの出力光を屈折することができる受信表面を備える。受信及び反射表面は、通常のシリコン製造プロセスを利用して形成することができる。

本発明の実施例による装置は、基板、エッジ放出型光源、及び光学要素を含む。エッジ放出型光源は、光学要素とともに基板上に配置されている。エッジ放出型光源は、当初の方向に沿って出力光を発生するように構成されている。光学要素は、出力光を光学要素内に伝送するように、エッジ放出型光源からの出力光を受信するための第１の表面を有する。さらに光学要素は、当初の方向から変更された方向に出力光を再方向付けするように、出力光を内部反射するための第２の表面を有する。さらに光学要素は第３の表面を有し、第３の表面は、その上に、出力光が第３の表面を通って伝送されるときに出力光を光学的に操作するためのレンズを備える。

光源からの出力光を導波路に結合する方法は、当初の方向に沿って伝搬する光源からの出力光を光学要素内に伝送するステップと、光学要素内において当初の方向から変更された方向に出力光を再方向付けするステップと、変更された方向に沿って伝搬する出力光を光学要素から導波路に向けて放出するステップと、を含む。出力光を放出するステップは、導波路内へ出力光を光学的に操作するステップを含む。

本発明のその他の態様及び利点は、本発明の基本方式の例として図示した添付の図面に関連して行なわれる次の詳細な説明から明らかになるであろう。

図１及び図２によれば、本発明の実施例による光学サブアセンブリ（ＯＳＡ）１００が示されている。ＯＳＡ１００は、エッジ放出型レーザ１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ及び１０４Ｄのアレイ１０２、及び補助取付け基板１０８に取付けられた光学転向要素１０６を含む。光学転向要素１０６は、図１に示すように、例えば光ファイバ１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ及び１１０Ｄである光導波路に向けて、横向き方向から垂直方向にエッジ放出型レーザからの出力光を再方向付けするために利用される。ここにおいて横向き方向は、補助取付け基板の上側表面に対して平行な方向として、例えば図１に示すＸ方向として定義される。ここにおいて垂直方向は、横向き方向に対して垂直な方向として、すなわち図１に示すＺ方向として定義される。したがって、ＯＳＡ１００は、垂直放出型レーザを有する従来のＯＳＡと互換性があり、そのような従来のＯＳＡと交換することができる。

ＯＳＡ１００のエッジ放出型レーザ１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ及び１０４Ｄのアレイ１０２は、変調された出力光を発生するように構成されており、これらの出力光は、光信号として光ファイバ１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ及び１１０Ｄを通して伝送される。エッジ放出型レーザのアレイは、４つのエッジ放出型レーザを含むものとして、図１に示されている。したがってエッジ放出型レーザの図示したアレイは、４チャネルレーザアレイである。しかしながらエッジ放出型レーザのアレイは、それよりも少ない又はそれよりも多いエッジ放出型レーザを含んでいてもよい。例としてレーザアレイは、１２個のエッジ放出型レーザを含むことができる。本実施例において、アレイ内に含まれるエッジ放出型レーザは、ファブリーペロ・レーザである。しかしながらエッジ放出型レーザは、分布ブラッグ反射器型（ＤＢＲ）レーザのようなその他のタイプのエッジ放出型レーザであってもよい。エッジ放出型レーザは、電気接続部１１２を介してレーザに接続された回路（図示せず）によって駆動される。エッジ放出型レーザのアレイは、光学転向要素１０６に隣接して、例えばシリコンからなる補助取付け部１０８に取付けられている。別の実施例において、ＯＳＡ１００は、エッジ放出型レーザのアレイの代わりに単一のエッジ放出型レーザを含むことができる。

ＯＳＡ１００の光学転向要素１０６は、出力光を反射しかつ／又は屈折することによって、横向き方向、例えばＸ方向から垂直方向、すなわちＺ方向に、エッジ放出型レーザ１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ及び１０４Ｄの出力光を再方向付けするように構成されている。したがって光学転向要素は、それぞれのエッジ放出型レーザからの出力光の光軸をほぼ９０度だけ転向することができる。加えて光学転向要素は、エッジ放出型レーザからの出力光がそれぞれの光ファイバ１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ及び１１０Ｄに適切に伝送されるように、それぞれのエッジ放出型レーザからの出力光を集束するように構成されている。光学転向要素は、受信表面１１４（図１に示す）、反射表面１１６（図２に示す）及び集束表面１１８（図１及び図２に示す）を含む。受信表面は、エッジ放出型レーザからの出力光が光学転向要素に伝送される表面である。後に説明するように、受信表面は、出力光が光学転向要素に伝送されるとき、出力光を屈折するような角度をなしていることができる。反射表面は、出力光を光ファイバに向けて反射するようにミラーとして動作する。集束表面は、反射された出力光が光学転向要素から放出される表面である。

図３に示すように、光学転向要素１０６の受信及び反射表面１１４及び１１６は、Ｘ軸に関して角度をなしている。図３は、エッジ放出型レーザ１０４Ａ、光学転向要素１０６、補助取付け部１０８及び光ファイバ１１０Ａに沿ったＯＳＡ１００の横断面図を示している。受信及び反射表面は、図３に示すように、エッジ放出型レーザ１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ及び１０４Ｄからのそれぞれの出力光が受信表面によって屈折され、その後、反射表面からそれぞれの光ファイバ１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ及び１１０Ｄに向かって反射されるように角度をなしている。光学転向要素１０６は、その受信表面がエッジ放出型レーザ１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ及び１０４Ｄの光放出エッジにきわめて近接しているように、補助取付け部１０８に取付けられている。

光学転向要素１０６の集束表面１１８は、Ｘ軸に対して実質的に平行である。前記のように、集束表面は、反射された出力光が要素から光ファイバに向かって放出される表面である。集束表面は、レンズ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ及び１２０Ｄを含み、これらのレンズは、集束表面上に形成されている。したがってレンズは、構造上光学転向要素内に一体化されている。光学転向要素のこれらのレンズは、対応するエッジ放出型レーザ１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ及び１０４Ｄからの出力光を別々に操作し、これらの出力光は、反射表面１１６によってそれぞれの光ファイバ１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ及び１１０Ｄの露出した端部に反射されている。レンズの表面は、エッチングした又は鋳型の屈折又は回折表面として製造することができる。レンズは、光学転向要素から放出された出力光が集束、平行、又は発散して伝搬するように設計することができる。レンズは、１つ又は複数の出力光がレンズから軸を外れて伝搬するように設計することもできる。本実施例において、レンズのピッチは、０．２５ｍｍである。しかしながらレンズのピッチは、それよりも短くても長くてもよい。図１及び図２に示すように、光学転向要素は４つのレンズを含み、これらのレンズは、アレイ１０２の４つのエッジ放出型レーザに対応している。したがって光学転向要素内に含まれるレンズの数は、ＯＳＡ１００内に利用されているエッジ放出型レーザの数に依存している。レンズは屈折及び反射表面とともに、すなわち受信及び反射表面１１４及び１１６とともに、光学転向要素に形成されるので、ＯＳＡ１００は、出力光を垂直に放出することができるエッジ放出型レーザを有するある種の従来のＯＳＡの場合のように、３つの部品（レーザ、ミラー構造及びレンズ）ではなく、２つの部品（レーザアレイ１０２及び光学転向要素１０６）の位置合わせだけしか必要としない。

本実施例において、光学転向要素１０６はシリコンから製造される。しかしながら光学転向要素は、射出成形プラスチック、プレスガラス、サファイア、ＩＩＩ−Ｖ材料、又はＩＩ−ＶＩ材料のようなその他の類似した透明な材料から作ることができる。シリコンから製造することに加えて、光学転向要素は、受信及び反射表面１１４及び１１６が、図３に示すように、それぞれＸ軸からほぼ４９．５及び５９．９度の角度をなすように製造されている。したがって受信表面及び補助取付け部１０８の上側表面は、４９．５度の角度をなしている。同様に反射表面及び補助取付け部の上側表面は、５９．９度の角度をなしている。加えて受信表面及び反射表面は、７０．６度の角度をなしている。このような受信及び反射表面を有する光学転向要素は、シリコンウエーハの湿式エッチングによって製造することができ、その間にエッチング液は、角度をなす受信及び反射表面を形成するようにウエーハの部分を除去するために、シリコンウエーハの表面に選択的に加えることができる。シリコンウエーハの結晶配向のために、７０．６度の角度をなす受信及び反射表面は、シリコンウエーハの異方性エッチングによって形成することができる。それ故に本実施例において、光学転向要素の構成は、精密な結晶学的な表面を製造するために、通常のシリコン製造プロセス、すなわち湿式エッチングプロセスを利用することを可能にし、これらの表面は、光学転向要素の受信及び反射表面として使われる。受信及び反射表面が、本実施例においてそれぞれＸ軸からほぼ４９．５及び５９．９度の角度をなすとはいえ、これらの表面は、受信された光をレンズ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ及び１２０Ｄに向かって屈折しかつ反射するために、種々の角度に配向することができる。しかしながら受信及び反射表面は、シリコン湿式エッチングプロセスの利点を取得するために、ほぼ７０．６度である角度を形成するようにする必要がある。

動作において、電気制御信号は、１つ又は複数のレーザを活性化するために、電気接続部１１２を介してアレイ１０２のエッジ放出型レーザ１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ及び１０４Ｄに選択的に加えられる。活性化されたそれぞれのエッジ放出型レーザは、その後、その光放出エッジから光学転向要素１０６の受信表面１１４に向かって横向き方向に沿って出力光を放出する。出力光は、受信表面を通って光学転向要素内に、要素の反射表面１１６に向けて進行する。本実施例において、出力光は、受信表面の角度のため、受信表面によって屈折させられる。その後、出力光は、出力光の光軸が当初の横向き方向から垂直方向に要素の集束表面１１８に向かって再方向付けされるように、反射表面から反射される。したがって出力光は、光学転向要素の受信及び反射表面によってほぼ９０度だけ転向させられる。

その後、反射した出力光は、光学転向要素１０６の集束表面１１８におけるレンズ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ及び１２０Ｄの１つを通って進行し、これらのレンズは、出力光が生じるエッジ放出型レーザ１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ及び１０４Ｄに対応している。したがって出力光は、レンズを通って、レンズ及び対応するエッジ放出型レーザに位置合わせされている光ファイバ１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ及び１１０Ｄのうちの１つに向かって、光学転向要素から放出される。レンズは、出力光を、この光が効率的に光ファイバ内に伝送されるように集束する。このようにして、それぞれの活性化されたエッジ放出型レーザからの出力光は、そのエッジ放出型レーザに位置合わせされた光ファイバ内に伝送される。

ＯＳＡ１００の光学転向要素１０６が、光線追跡解析を用いて解析された。その結果は、光学転向要素が、適切な反射防止コーティングにより、著しく効率的であり得ることを示した。光線追跡解析は、エッジ放出型レーザ１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ及び１０４Ｄから光ファイバ１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ及び１１０Ｄまで、９５パーセントを超える総合光学効率を示した。光学効率は、光ファイバ内への損失又は回折非効率性のための損失を含まない。

１つの実施例によるエッジ放出型レーザからの出力光を光導波路に結合する方法を、図４を引用して説明する。ステップ４０２において、出力光は、出力光がレーザのエッジから当初の方向に放出されるように、エッジ放出型レーザにおいて発生される。次にステップ４０４において、出力光は、光学転向要素の受信表面を通って光学転向要素内に伝送される。ステップ４０６において、出力光は、当初の方向から、当初の方向に対してほぼ垂直をなすことができる変更された方向に再方向付けされる。本実施例において、出力光は、光学転向要素の２つの表面を利用して、出力光を屈折しかつ反射することの両方によって再方向付けされる。次にステップ４０８において、再方向付けされた出力光は、光学転向要素から光学転向要素の集束表面を通って、光ファイバでもよい光導波路に向かって放出される。ステップ４０８の間、再方向付けされた出力光はまた、集束表面上に形成されたレンズによって光導波路内に光学的に操作される。別の実施例において、追加的なエッジ放出型レーザからの追加的な出力光は、同じ光学転向要素を利用して同様に追加的な光導波路に結合することができる。これらの実施例において、光学転向要素は、光学転向要素から放出される追加的な出力光を光学的に操作するために、集束表面上に形成された追加的なレンズを含む。

本発明の特定の実施例を説明しかつ図解したとはいえ、本発明はこのように説明されかつ図解された部品の特定の形成又は配列に制限されるものではない。本発明の権利範囲は、これに添付した特許請求の範囲及びそれらの均等物によって定義されるものである。

本発明の実施例による光学サブアセンブリ（ＯＳＡ）の第１の斜視図である。 図１のＯＳＡの第２の斜視図である。 図１のＯＳＡの断面図である。 本発明の実施例によりエッジ放出型レーザからの出力光を光導波路に結合する方法のプロセスフローチャートである。

符号の説明

１００：ＯＳＡ
１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ、１０４Ｄ：光源
１０６：光学転向要素
１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ：導波路
１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄ：レンズ

Claims (10)

1. 光源からの出力光を導波路に結合する装置であって、
   前記出力光が光学要素内に伝送されるように前記光源からの前記出力光を受信するための第１の表面と、前記出力光を当初の方向から前記導波路に向かう変更された方向に再方向付けするように、前記出力光を内部反射するための第２の表面と、前記出力光を前記導波路に伝送するように、前記変更された方向に沿って伝搬する前記出力光を光学的に操作するためのレンズが形成された第３の表面と、を有する光学要素を備えている装置。
2. 前記出力光が、前記第１の表面を通って伝送されかつ前記第２の表面から反射された後に、ほぼ９０度だけ再方向付けされるように、前記第２の表面が、前記当初の方向に対して平行な横軸に対して角度をなしている、請求項１に記載の装置。
3. 前記出力光が、前記第１の表面によって屈折されかつ前記第２の表面から反射された後に、ほぼ９０度だけ再方向付けされるように、前記第１の表面が前記横軸に対して角度をなしている、請求項２に記載の装置。
4. 前記第１及び第２の表面がほぼ７０度の角度をなすように、前記第１及び第２の表面が相対的に角度をなしている、請求項３に記載の装置。
5. 前記第１及び第２の表面が、湿式エッチングプロセスを利用して異方性に形成されている、請求項４に記載の装置。
6. 光源からの出力光を導波路に結合する方法であって、
   当初の方向に沿って伝搬する光源からの出力光を光学要素内に伝送するステップと、
   前記光学要素内において前記当初の方向から変更された方向へと前記出力光を再方向付けするステップと、
   前記変更された方向に沿って伝搬する前記出力光を前記光学要素から前記導波路に向けて放出するステップであって、前記導波路内へ前記出力光を光学的に操作することを含む、ステップと、
   を含む方法。
7. エッジ放出型レーザを含む前記光源において前記出力光を発生するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記出力光を再方向付けするステップが、前記光学要素の反射表面から前記変更された方向に、前記光学要素内において伝搬する前記出力光を反射するステップを含む、請求項６又は７に記載の方法。
9. 前記出力光を再方向付けするステップが、前記光学要素により屈折されかつ反射された後に、ほぼ９０度だけ前記出力光を再方向付けするように、前記光学要素の屈折表面において前記出力光を屈折するステップを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記出力光を光学的に操作するステップが、前記光学要素の表面に形成されたレンズを用いて、前記出力光を光学的に操作するステップを含む、請求項６、７、８、又は９に記載の方法。
    

Images