JP3791394B2

JP3791394B2 - 光導波路基板

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Publication number: JP3791394B2
Application number: JP2001337044A
Authority: JP
Inventors: 秀雄菊地; 純一佐々木; 靖二須田; 三紀雄小田; 光古宇田; 栄北城; 勇三嶋田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2001-11-01
Filing date: 2001-11-01
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2021-11-01
Also published as: JP2003139980A; US6934429B2; US20030142896A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光導波路基板に係り、詳しくは、マルチモード伝送に用いられる光導波路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光を情報の伝送媒体として利用した光通信技術が広く普及してきている。このような光通信技術においては、光信号を伝送するために、基板上に光導波路が形成された光導波路基板が用いられて、光信号は光導波路に沿って伝送される。ここで、光導波路は屈折率の高いコア層の周囲を屈折率の低いクラッド層で包込んだ構造に形成されて、光導波路の一方端面に臨界角以下で入射した光信号は、コア層とクラッド層との境界で全反射を繰り返しながらコア層内に閉じ込められてコア層の長さ方向に沿って進行して、光導波路の他方端面から出射される。このような光伝送を行う場合、多次光の光信号を伝送するマルチモード伝送が行われている。
【０００３】
マルチモード伝送を行う場合、光信号はコア層とクラッド層との境界で大きな角度で全反射を繰り返しながら進行するので、低次モード伝送に比べて単位距離当たりの反射回数が多くなって伝送速度が制約されるので、伝送損失が増大して出射光の出力が低下するという欠点が生ずる。このような欠点を防止するようにした光導波路基板（光信号伝送システム）が、例えば特開２０００−３９５３１号公報に開示されている。同光導波路基板は、光導波路の光信号の入射端面に曲凸面部を形成することにより、図１９（ａ）に示すように、その曲凸面部のレンズ効果で平行光に変換した光信号５１をコア層５２に入射させるようにしたものである。このような光導波路基板によれば、０次モードの光信号のみを平行光として出射させることができるので、出射光の光強度が大きくなって、出力の低下を避けることができるようになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報記載の光導波路基板では、光導波路の入射端面に入射する平行光の入射する方向が傾くと、この傾きに対応した高次モードの光信号が伝送されるようになるので、光信号の伝送特性が変動する、という問題がある。
すなわち、図１９（ｂ）に示すように、平行光である光信号５１がコア層５２の入射端面に角度Ｇだけ傾いて入射したとすると、この角度Ｇの傾きに対応した高次モードの光信号が伝送されるようになるので、その分出射される０次モードの光信号の光強度が小さくなる。このような出射光を光変調あるいは光スイッチング処理する場合には、０次モードの光信号が使用されるが、上述したように０次モードの光信号の光強度が小さくなっているので、光信号の伝送特性が変動するようになる。
【０００５】
この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、光導波路を進行する光信号の伝送特性を安定化することができるようにした光導波路基板を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、基板と、該基板面に形成されて、入射される光束の広がりを略平行光に変えて出射させる光路変換手段と、前記基板上に形成されて前記光路変換手段から出射される光束が入射される光導波路とを備えてなる光導波路基板に係り、前記光路変換手段が、前記光導波路の光束入射端に近接した位置に設置された光透過性の樹脂体と、該樹脂体の下面に形成された平面鏡とからなると共に、前記樹脂体が、前記基板面に対して互いに反対向きの角度をなす態様に形成された２つの曲面であって、前記光束が入射される第１の曲面からなる入射面と、前記光束が出射される第２の曲面からなる出射面とを有してなることを特徴としている。
【０００７】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の光導波路基板に係り、前記基板面に平行な光束が前記第１の曲面から前記樹脂体に入射されると、入射された前記光束が前記樹脂体の前記第１の曲面で屈折し、屈折された光束が、次に、下面の前記平面鏡の鏡面で反射され、反射された光束が、前記第２の曲面に達して屈折されて出射され、出射された光束が、前記光導波路に入射するように、前記第１及び第２の曲面の曲率が設定されていることを特徴徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。説明は、実施例を用いて具体的に行う。
◇第１実施例
図１は、この発明の第１実施例である光導波路基板の構成を示す側面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視断面図、図３は図２のＢ−Ｂ矢視断面図、図４は同光導波路基板の動作の原理を説明するための図、図５は同光導波路基板の凹面鏡の設計方法を概略的に示す図、図６は同光導波路基板の動作を説明するための図である。
この例の光導波路基板１０は、図１乃至図３に示すように、光源１と、基板２上に形成されて光源１からの入射光の光路を基板２面に垂直方向から水平方向に変換し光束を集光する光路変換手段３と、基板２上に形成されて光路変換手段３から光束が入射されてマルチモード伝送を行う光導波路４とから構成されている。ここで、光源１は例えばレーザダイオード、シングルモード光ファイバー等が用いられ、基板２は内部に銅等から成る配線パターン５が形成されたガラスエポキシ基板、セラミック基板あるいはシリコン基板等が用いられ、光路変換手段３は例えば樹脂体が用いられてこの表面は回転楕円体面１２に形成され、また回転楕円体面１２の曲面には金属めっきにより凹面鏡９が形成され、光導波路４は屈折率の高いコア層６の周囲を屈折率の低いクラッド層７で包込んだ例えば有機樹脂から成る構造が用いられて接着剤８によって基板２上に形成されている。符号１３は楕円体の焦点位置、符号１１Ａは光束の入射位置である。
【００２１】
光導波路４は、予め有機樹脂から成るコア層６の周囲を有機樹脂から成るクラッド層７で包込んだ構造を用意して、これを接着剤８で基板２に固定して形成する。あるいは、基板２上に有機樹脂から成る下クラッド層を接着剤８により固定した後、この下クラッド層上に有機樹脂から成るコア層６を固定し、さらにこのコア層６を包込むように有機樹脂から成る上クラッド層で覆うことにより形成する。あるいは、光導波路４は、コア層６及びクラッド層７として石英ガラスを用いて形成したものを接着剤８により基板１上に固定してもよく、さらには光ファイバを用いてこれを接着剤８により基板１上に固定してもよい。
【００２２】
光路変換手段３の凹面鏡９は、光源１からの入射光を反射する反射面として作用して、基板２面に垂直方向に入射してきた光を水平方向に変換させて光束を集光する。光反射面として作用する凹面鏡９は、球面の一部、回転楕円体面の一部あるいは非球面の一部となっている。凹面鏡９を構成する金属めっき材料としては、例えば銅、ニッケル、金等が用いられて、適宜組み合わされて形成される。
【００２３】
次に、この例の光導波路基板の構成について、より詳細に説明する。
（１）光源１としては、例えばレーザダイオードを用いて、直径ｄ＝１０μｍの領域からレーザ光束を発光して、その発光位置にビームウエストを存在させるようにする。
（２）光導波路４としては、マルチモード伝送用のものを用いて、そのコア層６の厚さｔ＝５０μｍとする。
【００２４】
ここで、光の伝送モードは以下のように計算される。
光導波路４の伝送モードは、光がコア層６の軸線に対して入射角θにて光導波路４のコア層６に入射され、臨界角θＣ以下で全反射を繰り返しながら伝送していく過程で、コア層６の長さ方向Ｘの位相変化の和が２πｍ（但し、次数ｍ＝０、１、２、…）となる条件で形成される。
臨界角θＣは、次式で与えられる。
θＣ＝（π／２）−［ｓｉｎ^-1（ｎ２／ｎ１）］≒（ｓｉｎ^-1（２△）^1/2）
但し、△：比屈折率差
ｎ１：コア層の屈折率
ｎ２：クラッド層の屈折率
△＝（ｎ１²−ｎ２²）／（２・ｎ１²）≒（ｎ１−ｎ２）／ｎ１
【００２５】
また、真空中の伝送定数Ｋ＝２π／λの光が媒体中を、光軸に垂直方向に一往復するときの全位相変化量ＣＨは、次式で与えられる。
ＣＨ＝（ｔ・ｎ１・Ｋ・ｓｉｎθ＋Ψｇ）・２
但し：ｔ：コア層の厚さ
λ：真空中の光の波長
Ψｇ：グースーヘンシェンシフト
【００２６】
ここで、伝送モードの次数がｍの場合に光が伝送する場合の入射角度θは、次式で計算される。
（ｔ・ｎ１・Ｋ・ｓｉｎθ＋Ψｇ）・２＝２πｍ
すなわち、入射角度θに対して、次式１が成立する。
（πｍ−Ψｇ）／（ｔ・ｎ１・Ｋ）＝ｓｉｎθ …（式１）
また、上記グースーヘンシェンシフトΨｇは、次式で与えられる。なお、Ψｇはθ≧θＣのとき０であり、θ＝０のとき−πである。
電界方向が入射面に平行なＰ偏光に対しては、
ｔａｎ（Ψｇ／２）＝
−［（ｃｏｓθ）²・（ｎ１／ｎ２）⁴−（ｎ１／ｎ２）²］^1/2／ｓｉｎθ
電界方向が入射面に垂直なＳ偏光に対しては、

ここで、ｎ１とｎ２との屈折率差が小さければ、Ｓ偏光とＰ偏光とでほとんど違いがなくなる。
【００２７】
Ｓ偏光において、式１にグースーヘンシェンシフトの式を代入すると、次式が与えられる。
ｔａｎ（ｔ・ｎ１・Ｋ・ｓｉｎθ／２−πｍ／２）＝［（２△）／（ｓｉｎθ）²−１］^1/2
このように、光波は任意の伝送角をとることができず、上式を満足するとびとびの伝送角の光のみが伝送可能となる。上式から、
ξ＝ｓｉｎθ／（２△）^1/2（但し、（０≦ξ≦１））、及び
ｖ＝ｔ・ｎ１・Ｋ・（２△）^1/2／２、とおくと、次式が得られる。
ｖ＝（ｃｏｓ^-1ξ＋ｍπ／２）／ξ
ここで、光導波路がシングルモードであるための条件は、ｍ＝０だけの解がある場合である。この条件としては、
ｖ＜π／２
となることである。したがって、近似的にシングルモードが伝送する条件の次式が得られる。
λ／（２・ｎ１・ｔ）＞（２△）^1/2＝ｓｉｎθＣ
これから、ｎ１＝１．５として、一例としてλ＝１μｍ、ｔ＝５０μｍを代入すると、上式からシングルモードを伝送するに、△＜０．００００２２が必要になるが、実際にこのような微小の屈折率の調整を行うことは困難であり、一般に△＝０．００３が光導波路で用いられているｎ１とｎ２との比屈折率差である。そのため、△＝０．００３とする。上述のように、コア層の厚さｔ＝５０μｍである場合にはマルチモード伝送となる。
【００２８】
しかしながら、この場合にも、大きな広がり角度の光の成分が存在しなければ、シングルモードのみ伝送することができる。シングルモードの光伝送が可能な光束の真空中の広がり半角Ω１の限界は、以下の式で計算される。
Ω１＝λ／（２ｔ）
光束がこの角度（Ω１）の広がり半角以下の成分だけならば、シングルモード伝送になる。一例として波長λ＝１μｍにして、光導波路のコア層の厚さｔ＝５０μｍに設定すると、この場合は、Ω１＝０．６度＝０．０１ｒａｄ（ｒａｄｉａｎ）になる。
【００２９】
光導波路に入射する光束の真空中の広がり半角（Ω）をλ／（２ｔ）以上に設定すると、より高次モードの光も伝送する。伝送可能なモード範囲がｍ次までの光束の広がり半角（Ω２）は、次式２で表される。
Ω２＝（ｍ＋１）λ／（２ｔ） …（式２）
【００３０】
図５は、Ｘ方向に沿って進み、Ｘ＝０の位置で最小のビーム径に絞り込まれるレーザ光束１１を示す図である。このレーザ光束１１の真空中での座標位置（Ｘ、Ｚ）での光強度Ｉの分布は、以下の式で表される。

この式で、ｄは最小ビーム径と呼ばれる。光束が最小に絞り込れるＸ＝０の位置（ビームウエストの位置）で、Ｚ＝ｄ／２の位置における光強度Ｉは、Ｚ＝０の位置における光強度のｅｘｐ（−２）の比で弱くなる。また、この最小ビーム径ｄの範囲内の光エネルギーは９５％程度である。上式は、Ｚが十分に大きい位置では、以下の式で表される。
Ｉ∝ｅｘｐ［−２｛（πｄ／（２λ））・Ｚ／Ｘ｝²］／Ｘ²
この式で、以下の式３の光成分の広がり角Ω３を満たす位置の光強度は、同じＸの値でＸ＝０となる光束の中心位置の光強度に対してｅｘｐ（−２）の比で弱くなる。
Ω３＝Ｚ／Ｘ＝（２λ／（πｄ）） …（式３）
この位置までの光束の直径（Ｚ・２）がビームの直径として定義される。
また、レーザ光の強度の角度分布は、Ω３＝Ｚ／Ｘの関数として表される。
ここで、レーザ光の広がり角度範囲はΩ３程度のガウス分布であり、また、０次光の広がり角度範囲は角度の範囲がΩ１程度のガウス分布である。
【００３１】
光導波路に入射レーザ光束の中心軸が０次光の中心軸の方向から偏向する角度ずれＣがある場合に、レーザ光束が０次光に光エネルギーを供給する量は、入射光の角度分布と０次光の角度分布の積の積分に比例するとして計算する。その結果、伝送光に角度ずれＣがある場合の０次光の光量のバラツキＲは、以下の式で表わされる。
Ｒ＝１−ｅｘｐ（−２・Ｃ²／（Ω１²＋Ω３²））
また、光が角度Ω２で光導波路の光軸から傾いて伝送する成分を有する場合は、光の伝送時間のバラツキＢは、以下の式で表わされる。
Ｂ＝（１／ｃｏｓ（Ω３）−１）
先に、Ω１＝０．６度と計算したが、その場合に、光束方向の角度づれＣが０．６度程度ある場合に、Ω３の値による光量割合と、光伝送速度を計算し、以下の表１に示す。また、式２により、その広がり半角Ω２の光束が光導波路中に伝送可能なモードの次数を計算して併記する。
【００３２】
【表１】

【００３３】
表１から明らかなように、光導波路に入射させるレーザ光束の広がり半角Ω３が１．２度以上で２．４度以下の光束が、０次光のバラツキ（Ｒ）を少なくできる。また、伝送時間のバラツキ（Ｂ）も０．１％以下であるため、略４０ｃｍの寸法の基板に略４０ｃｍの長さの光導波路で屈折率が略１．５の光導波路に光を伝送する場合、伝送時間が略２ｎ秒で略０．１％が２ｐ秒以内のバラツキに留まるので、略５０ＧＨｚまでのパルス信号を伝送することができ、伝送時間のバラツキが少なくなる。このため、広がり半角（Ω３）は略２．４度以内に制限することが好ましい。この発明では、この範囲の広がり角度のレーザ光束をコア層の厚さｔが５０μｍのマルチモード光導波路に入射させる。この場合に、０次モードから３次モード以内の光伝送を行う。また、コア層の厚さｔが１００μｍの場合の計算結果を表２に示す。
【００３４】
【表２】

【００３５】
表２から明らかなように、この場合も、光導波路へ入射させるレーザ光束の広がり角度（Ω３）を１．２度から２．４度の範囲に設定することが好ましい。また、コア層の厚さｔが１００μｍの場合は、Ω１＝０．３度になるが、光路の角度ずれＣが０．６以下の場合、例えばＣが０．３度以内にできる場合は、光導波路へ入射させるレーザ光束の広がり角度Ω３は０．６度から１．２度の範囲に設定し、０次光のバラツキＲを３３％から１１％以内に抑えることもできる。この場合は、レーザ光束の広がり角度Ω３は０．６度から１．２度の範囲に設定することが好ましい。
【００３６】
０次光のバラツキＲが少ないために好ましい条件は、次式のように表わされる。
Ω３≧（５Ｃ²−Ω１²）^1/2
上式から明らかなように、光導波路において、光路の角度ずれＣが０次モードの広がり半角Ω１以上ある場合に、光導波路へ入射させるレーザ光束の広がり半角Ω３を角度ずれＣの範囲の２倍以上の角度とすることが望ましい。
【００３７】
（３）凹面鏡は、回転楕円体の曲面の凹面に金属めっきにより鏡面を形成した凹面鏡を用いる。
前述したように、光路変換手段３の凹面鏡９は、回転楕円体面１２の焦点位置１３から発した光が凹面鏡９の鏡面で反射し、略直角に進路を変えるように反射面を設計する。以下、図４を参照して、凹面鏡９の設計について具体的に説明する。
回転楕円体面１２の長径＝２ａ、回転楕円体面１２の短径＝２ｂとすると、焦点位置１３は、回転楕円体面１２の中心から（ａ²−ｂ²）^1/2の位置にある。
この凹面鏡９から焦点位置１３までの距離は、
Ｌｅ１＝［２（ａ²−ｂ²−ａ（ａ²−２ｂ²）^1/2）］^1/2 …（式５）
Ｌｅ２＝［２（ａ²−ｂ²＋ａ（ａ²−２ｂ²）^1/2）］^1/2
となる。また、図４において、座標（ｘ、ｙ）は、次のように表される。
ｘ＝−ａ（ａ²−２ｂ²）^1/2／（ａ²−ｂ²）^1/2
ｙ＝−ｂ²／（ａ²−ｂ²）^1/2
また、この凹面鏡９により形成される像の拡大率Ｌは、次式で表わされる。
Ｌ＝［（ａ²−ｂ²＋ａ（ａ²−２ｂ²）^1/2］／ｂ²
【００３８】
一方、光束の広がり角度Ω２はその逆に、その比で小さくなる。また、常に、ａ／ｂ＝２^1/2とする必要がある。一方、拡大率Ｌによりａ／ｂは、次式で表わされる。
ａ／ｂ＝（１＋Ｌ）／（２Ｌ）^1/2
【００３９】
この発明においては、光導波路４のコア層６に入射させる光束は、コア層の厚さｔの領域で制限され平行光束が干渉により生ずる光束の広がり角度の２倍から４倍の広がり角度の光束を入射させる。このための条件として、光源の直径ｄｅは、式３を用いると、次式で表わされる。
Ｌ＝ｄ／ｄｅ＝［４／（ｍ＋１）π］ｔ／ｄｅ
また、凹面鏡の光束が投影される寸法は、光線の光軸に垂直な方向の寸法Ｗは、式３に光源の直径ｄｅを代入し、得られたビーム半角Ωに式５の距離を掛け算してその値を２倍すれば、光量が１／ｅ²までの、光束の範囲の直径（Ｗ）が得られる。寸法Ｗは次式で表わされる。
Ｗ＝（ｄｅ²＋ｄａ²） …（式６）
ｄａ＝４λ／（πｄｅ）・Ｌｅ１（式７）
【００４０】
ここで、具体例として、光導波路のコア層の厚さｔ＝５０μｍ、光源の直径ｄｅ）＝１０μｍ、そして、包含する光伝送モードの次数ｍ＝３とする場合は、式４から、光導波路内に投影するレーザ光束のビーム直径はコア層の厚さｔの３２％に、すなわち１６μｍにする必要がある。こうするための拡大率は、Ｌ＝１．６倍となる。
この場合、（ａ／ｂ）＝１．４５と計算される。すなわち、凹面鏡は長径が短径の１．４５倍の回転楕円体面とした凹面鏡を用いる必要がある。また、この場合には、式５及び式７から、
Ｌｅ１＝１．１ｂ（Ｌｅ２＝１．８ｂ）
ｄａ＝１．４λｂ／ｄｅ
となる。
ここで、ｄｅ＝１０μｍ、λ＝０．８５μｍ、ｂ＝０．４ｍｍ（ａ＝０．５８ｍｍ）とすると、凹面鏡から光源までの高さＬｅ１＝０．４４ｍｍとなり、また、ｄａ＝４８μｍとなる。
【００４１】
以上により、式６から、凹面鏡の光線の光軸に垂直な方向に必要とする寸法Ｗは、Ｗ＝４９μｍと計算され、凹面鏡の寸法は縦、横及び高さ寸法がそれぞれ４９μｍ以上の寸法が必要となり、略１００μｍの寸法があればこの凹面鏡を収納できる十分な大きさとなる。
また、この場合に、凹面鏡面の真上に距離Ｌｅ１＝０．４４ｍｍの位置、すなわち回転楕円体面の第１の焦点位置に発光源を設ける。このとき、光束は凹面鏡で垂直方向に反射され、凹面鏡面から水平方向の距離Ｌｅ２＝０．７２ｍｍの位置、すなわち、回転楕円体面の第２の焦点位置に光束が集光する。この場合は、この凹面鏡の焦点距離は０．２７ｍｍである。
その第２の焦点位置でのビーム直径ｄ＝１６μｍである。この光束のビーム径は、凹面鏡位置で４９μｍであり、それが焦点位置Ｌｅ２で１６μｍに絞り込まれる。光導波路のコア層の厚さｔは５０μｍあり、その間のどの位置の光束のビーム径よりも大きいため、光導波路の光束入射端は、その間のどの位置に設けてもよい。凹面鏡と光導波路の位置合わせを容易にするため、凹面鏡の近くに光導波路の光束入射端を設ける。
【００４２】
また、発光素子に発光光束の方向を偏向する面発光素子を用い、光導波路へ入射する光路の光導波路の０次光の方向からずれ角度Ｃを少なく調整するようにし、凹面鏡により光導波路へ集光する光の入射方向を調整するようにすることが好ましい。そうすれば、光路のずれ角度Ｃを小さく調整することができるため、光導波路への入射光の広がり角度Ω３をより小さく設計でき、光導波路へ入射する光線のモード数を少なくできるからである。
また、図２に示したように、複数の平行する光導波路に対応し複数の凹面鏡が一体になった凹面鏡を用い、複数の光源からの光をそれぞれに対応した凹面鏡で折り返し、複数の平行する光導波路に導く場合には、以下のように設計する。
【００４３】
すなわち、図２に示したように、光導波路４の入射端面での反射光が光路を逆戻りすることを防ぐため、平行する光導波路４の入射端面を光導波路４のコア層６のパターンの光路に垂直方向から角度δ＝８度程度傾けるようにする。一方、光導波路４の入射端面は複数の凹面鏡９の並びの方向に平行にし複数の凹面鏡９と光導波路４との位置を合わせる。光導波路４の光路方向に光を導くため、入射端面に垂直方向から１２度傾いた光線を光導波路４の入射端面に入射する。
このように、１２度の傾きがある光線は、凹面鏡群の鏡面の回転楕円体面１２の軸の向きを１２度傾けて必要な光線の方向に向けることで実現できる。あるいは、凹面鏡９の回転楕円体面１２の軸方向は凹面鏡群の並びの方向に垂直に設定し、一方、その凹面鏡９に入射させる光線の位置を、凹面鏡９の入射側の焦点位置からずらすことで、凹面鏡９からの出射光の方向の凹面鏡９の光軸から１２度傾けて出射させるようにしてもよい。
【００４４】
このようにこの例の構成によれば、光導波路４の入射端面に垂直な方向から１２度の傾きで入射した光はその入射面で屈折し入射端面に垂直な方向から８度傾きのコア層６のパターンの光軸方向に進むので、その光路方向を、光導波路４のコアパターンの方向とすることができる。この入射端面は入射光に対して垂直ではないため、この入射面からの反射光が光路を逆行するのを防止することができる。
このマルチモード光導波路に入射した平行光束１４は、図６に示すように、マルチモード光導波路の光の伝送モードのうち、主にｍ＝０の０次モードから、ｍ＝３の３次モードの光成分を含み、モードの数が少ないため、シングルモードに近い光信号の伝送が行われる。それゆえ、光信号を高速で伝送することができるようになる。また、ｍ＝０〜３の伝送モード、すなわち０次モードよりも高いモードを包含するように光の角度成分に広がりがあるため、光の方向のずれがある場合でも、光の角度成分の広がりの範囲が０次モードの方向から１次モードの方向までを含み、光導波路への入射光の向きのずれが生じた場合も０次モードの光強度が大きく変動することがなくなる。
したがって、光導波路を進行する光信号の伝送特性を安定化することができるようになる。
【００４５】
◇第２実施例
図７は、この発明の第２実施例である光導波路基板の構成を示す側面図、図８は図７のＣ−Ｃ矢視断面図である。この第２実施例の光導波路基板の構成が、上述の第１実施例のそれと大きく異なるところは、光導波路のコア層の入射面を接着剤で被覆するようにした点である。この例の光導波路基板１５は、図７及び図８に示すように、光路変換手段３は、樹脂体１６の曲面に金属膜から成る凹面鏡９が形成され、凹面鏡９は他の樹脂体１８により覆われ、樹脂体１８の上面は基板２面に対して５乃至２０度傾けられている。これは、光源１からの光が樹脂体１８の表面で反射して光源１に逆戻りするのを防止するためである。また、光路変換手段３の樹脂体１８と光導波路４との間の空間にはコア層６と略同じ屈折率の接着剤１９が充填されている。このように光導波路４の入射面を接着剤１９で被覆することにより、光の表面反射がなくなるので、光導波路４の入射面を光路に垂直方向から傾ける必要がなくなる。すなわち、第１実施例の図２で示したように、角度（δ）の設定は不要になる。
【００４６】
上述したように、凹面鏡９を２つの樹脂体１６、１８の間に埋め込むように形成するので、凹面鏡９の強度を確保するために金属膜をめっきで形成しないで、蒸着で形成しても、損傷から保護されるので、低コストで曲面鏡を形成することもできる。また、この例では、凹面鏡９で反射することで集光して光導波路４内に出射する光の広がり角度としては、第１実施例と略同様に、複数の光伝送モードを伝達する広がり角度を持たせるようにする。なお、図７及び図８において、図１及び図２の構成部分と対応する各部には、同一の番号を付してその説明を省略する。
【００４７】
このように、この例の構成によっても、第１実施例において述べたのと略同様の効果を得ることができる。
加えて、この例の構成によれば、光導波路のコア層の入射面が接着剤で被覆されて表面反射が防止されているため、光導波路の入射面を光路に垂直方向から傾ける必要がなくなる。
【００４８】
◇第３実施例
図９は、この発明の第３実施例である光導波路基板の構成を示す側面図、図１０は図９のＤ−Ｄ矢視断面図、図１１は同光導波路基板の主要部の構成を概略的に示す図である。この第３実施例の光導波路基板の構成が、上述の第１実施例のそれと大きく異なるところは、光路変換手段が光路を折り返す鏡面を平面とし、複数の並列な光路変換手段を一体に設置する場合に、それらの光路変換手段に共通する面で折り返し鏡を形成し、各光束を凸の球面の表面を有する樹脂体を通過させるようにし、かつ、光束をその凸の球面の中心位置からずらした位置を通過させ、それにより光束を、複数の光路変換手段の並びの方向に入射面を有する光導波路群の入射面に垂直な方向から傾けた光導波路群に入射させるようにした点である。
この例の光導波路基板２０は、図９及び図１０に示すように、光導波路４は、そのコア層６がクラッド層７よりも略０．３％屈折率が高く設定して形成されている。また、光路変換手段３は、光導波路４に近接配置された樹脂体２１が形成され、樹脂体２１の光導波路４側の表面は複数の平行する光導波路４に対応する複数の球面２２に形成され、樹脂体２１には光源１からの光を反射する平面鏡２３が形成されて、この平面鏡２３は複数の光導波路４に共通の１つの面にされている。球面２２は球面レンズを構成している。平面鏡２３は樹脂体２１に蒸着された金属膜により形成され、この平面鏡２３は充填樹脂体２４により被覆されている。また、樹脂体２１の上面は基板２面に対して８乃至２０度傾けられている。これは、光源１からの光が樹脂体２１の表面で反射して光源１に逆戻りするのを防止するためである。樹脂体２１の上部には、樹脂体２１の高さを光導波路４の上面を基準に合わせる突き当て部２５を有している。この突き当て部２５は、樹脂体２１と光導波路４との間の空間を上側から覆う構造にする。
【００４９】
樹脂体２１を基板２上に設置し、基板２上方の光源１の光束１１を樹脂体２１に入射させ、その光束を平面鏡２３で折り返して、最後に球面２２の出射面で屈折させて光導波路４に導く。その樹脂体２１が集光して光導波路４内に出射する光の広がり角度としては、第１実施例の略同様に、２あるいは３の光伝送モードを伝達する広がり角度を持たせる。また、図１０に示すように、光導波路４の入射端面は、光導波路４のコア層６の光路に垂直な面から略８度傾けた面を形成する。そして、光導波路４の入射端面に入射させる光は、光導波路４の入射端面の垂直方向から略１２度傾けて入射させる。また、この複数の光導波路４の入射端面に垂直方向に樹脂体２１の球面２２の光軸１７を向ける。
【００５０】
図１１は、図１０の球面２２から構成される球面レンズの部分を示す図である。以下、図１１を参照して詳細に説明する。まず、樹脂体２１内の光束は、その球面レンズの光軸に平行に、光軸位置からは変位させた光路を進ませ、球面レンズの中心から、光軸からＹ方向に角度ε＝２２度の位置で樹脂体２１の外に出射させるようにする。樹脂体２１の屈折率は、例えば１．５とする。この場合は、樹脂体２１から出射した光束はレンズ面で屈折されるためレンズの光軸から略１２度傾いて出射される。その光束を光導波路４の端面に照射して、コア層６の光路に導入する。
【００５１】
ここで、球面レンズの曲率半径（ｎ）を１４０μｍとして、Ｙ方向では直径２００μｍの凸部を成す球面部を樹脂体２１から突出させる。基板２面方向（Ｚ方向）では、幅が略１００μｍで球面の切片を形成する。また、この球面レンズの曲面の形状はレンズの収差を補正した非球面に形成してもよい。
光源１からこの球面レンズの面までの距離を略０．４４ｍｍに設定すると、第１実施例と略同様に、レーザ光束は球面レンズ部分で略５０μｍのビーム径となる。そして、そのレーザ光が光導波路４の入射端面に照射される。
【００５２】
上述したように、光導波路４側の樹脂体２１表面を球面２２としたので、この樹脂体２１表面で反射する光線が光路を逆行するのを防止することができる。また、複数の平行する光導波路４の入射面を光導波路４の光軸１７に垂直な面から傾けることで光導波路４の入射端で反射する光線が光路を逆行するのを防止することができる。その際に、樹脂体２１の出射面に形成した球面２２から構成される球面レンズの光軸位置から平行移動した光を出射させることで、光束の出射方向を光軸から傾けることができる。これにより、複数の光導波路４に対し樹脂体２１が同じように光束を出射すると同時に、光導波路４の入射端面からの反射光に光路を逆戻りさせることがなくなる。
【００５３】
このように、この例の構成によっても、第１実施例において述べたのと略同様の効果を得ることができる。
加えて、この例の構成によれば、光導波路の入射端で反射する光線が光路を逆行するのを防止することができる。
【００５４】
◇第４実施例
図１２は、この発明の第４実施例である光導波路基板の構成を示す側面図、図１３は図１２のＥ−Ｅ矢視断面図、図１４は同光導波路基板の主要部の構成を概略的に示す図である。この第４実施例の光導波路基板の構成が、上述の第１実施例のそれと大きく異なるところは、樹脂体の上面に球面レンズを設置し、その球面レンズに光束が入射する位置を球面レンズの光軸からずらした位置に設定した点と、前述の第２実施例と同様に、樹脂体と光導波路との間に光導波路のコア層と略同じ屈折率の接着剤を充填することができるようにした点である。
この例の光導波路基板３０は、図１２及び図１３に示すように、光導波路４は、そのコア層６がクラッド層７よりも略０．３％屈折率が高く設定して形成されている。また、光路変換手段３は、光導波路４に近接配置された樹脂体２６が形成され、樹脂体２６の上面は複数の平行する光導波路４に対応する複数の球面２７に形成され、樹脂体２６には光源１からの光を反射する平面鏡２３が形成されて、この平面鏡２３は複数の光導波路４に共通の１つの面にされている。球面２７は球面レンズを構成している。平面鏡２３は樹脂体２６に蒸着された金属膜により形成され、この平面鏡２３は充填樹脂体２４により被覆されている。
【００５５】
樹脂体２６を基板２上に設置し、基板２上方の光源１の光束を樹脂体２６に入射させ、その光束を平面鏡２３で折り返して、最後に球面２７の出射面で屈折させて光導波路４に導く。その樹脂体２６が集光して光導波路４内に出射する光の広がり角度としては、第１実施例の略同様に、２あるいは３の光伝送モードを伝達する広がり角度を持たせる。また、図１３に示すように、光導波路４の入射端面は、光導波路４のコア層６の光路に垂直な面から略８度傾けた面を形成する。そして、光導波路４の入射端面に入射させる光は、光導波路４の入射端面の垂直方向から略１２度傾けて入射させる。
【００５６】
図１４は、図１３の樹脂体２６を正面から見たＹＺ断面における球面２７から構成される球面レンズの部分を示す図である。以下、図１４を参照して詳細に説明する。まず、球面２７が平面から角度ε＝２４度の傾きを成す部分に光源１から出射された光束１１を入射させる。樹脂体２６の屈折率は、例えば１．５とする。
この場合、光束１１は球面２７で屈折し、樹脂体２６中にＺ軸方向からＹ方向に略８．３度傾いた方向に進む。この光束を平面鏡２３で略垂直に反射させると、反射した光束１１はＸ軸方向からＹ方向に略８．３度傾いた方向に進む。この光束１１は樹脂体２６の出射面から外に出射すると、Ｘ軸方向からＹ軸方向に略１２．５度傾いて進む。この光束１１を光導波路４の入射面に導く。
【００５７】
ここで、球面レンズの曲率半径（ｎ）を１４０μｍとして、Ｙ方向では直径２００μｍの凸部を成す球面部を樹脂体２６から突出させる。基板２面方向（Ｘ方向）では、幅が略１００μｍで球面の切片を形成する。また、この球面レンズの曲面の形状はレンズの収差を補正した非球面に形成してもよい。
また、樹脂体２６と光導波路４との間に第２実施例と略同様に、樹脂体２６と光導波路４のコア層６と略同じ屈折率の接着剤を充填することも可能である。
【００５８】
上述したように、樹脂体２６の上面を球面２７から構成される球面レンズに設定し、そこに光束１１が入射する面を光源１からの光束１１の方向の垂直な面から略２４度傾けたため、樹脂体２６表面で反射した光束１１が光源１に逆戻りするのを防止することができる。
【００５９】
このように、この例の構成によっても、第１実施例において述べたのと略同様の効果を得ることができる。
加えて、この例の構成によれば、樹脂体表面で反射した光束が光源に逆戻りするのを防止することができる。
【００６０】
◇第５実施例
図１５は、この発明の第５実施例である光導波路基板の構成を示す側面図、図１６は同光導波路基板の主要部の構成を概略的に示す図である。この第５実施例の光導波路基板の構成が、上述の第１実施例のそれと大きく異なるところは、樹脂体と平面鏡の構造を単純化するようにした点である。
この例の光導波路基板３５は、図１５に示すように、光路変換手段３は、光導波路４に近接配置された樹脂体２８が形成され、樹脂体２８の上面２８Ａは基板２面から角度α傾けられ、樹脂体２８の下面には光源１からの光を反射する平面鏡２３が形成され、樹脂体２８の光出射面はレンズの軸が基板２面から傾けられた球面２９から構成された球面レンズが形成されている。このように球面レンズを形成することにより、球面レンズの面は、基板２面上にオーバーハングが存在しないように工夫されている。このようにする理由は、樹脂体２８を型で成型する際に、型からの剥離を容易にするためである。
【００６１】
その樹脂体２８の各面が基板２面に対して成す角度は、基板２面に垂直方向の光が樹脂体２８に入ると、（１）光線が樹脂体２８の上面２８Ａで屈折し、（２）樹脂体２８の下面の平面鏡２３の鏡面で上方に反射し、（３）その光線が樹脂体２８の上面２８Ａで全反射して側方に進み、（４）その光が球面２９から構成される球面レンズで屈折されて出射される。その出射方向が基板２面に平行な方向になる。そのように、各面の傾き角度を定める。また、出射面に形成した球面レンズで光を集光するようにする。
【００６２】
図１６は、図１５の樹脂体２８を拡大して示す図である。以下、図１６を参照して詳細に説明する。樹脂体２８の屈折率（ｎ）を、略１．５として、樹脂体２８の出射部の球面レンズの曲率半径（ｒ）を１４０μｍとする。樹脂体２８の球面の曲率中心点（Ｏ）は平面鏡２３の鏡面より下側に設定する。ここでは、曲率中心点（Ｏ）を鏡面の高さと同じに設定する。また、光導波路４のコア層６に入射する光線位置を鏡面の位置の上方の高さ（ｈ）を略５０μｍに設定する。これによって、球面の曲率中心点（Ｏ）と出射点（Ｅ）とを結ぶ線が基板２面と成す角度（α）は、ａｒｃｓｉｎ（ｈ／ｒ）＝２１度（＝０．３６７ｒａｄ）になる。また、樹脂体２８内から出射点（Ｅ）まで向かう光線が基板２面から成す角度（δ）はａｒｃｓｉｎ（ｈ／ｒ）−ａｒｃｓｉｎ（ｈ／ｎｒ）＝７．１度となる。そして、樹脂体２８内で平行に上下に進む光は樹脂体２８の外で、ｒ・ｃｏｓ（δ）／（ｎ−１）の位置に焦点を結び、平行に左右に進む光は樹脂体２８の外の他の距離の位置に焦点を結ぶ。それらの焦点位置は樹脂体２８から略ｒ／（ｎ−１）＝２８０ｍｍの位置にある。
【００６３】
一方、樹脂体２８への入射面が基板２面と成す角度（β）が与えられると、樹脂体２８の下の鏡面で反射し樹脂体２８の上面で全反射して進む光線は基板２面から成す角度（δ）＝３β−ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎβ／ｎ）−π／２（ｒａｄ）となり、これが７．１度＝０．１２４ｒａｄになるには、β＝４１度となる。曲率中心点（Ｏ）が樹脂体２８への入射面上にある特殊な場合には、その入射面が出射部の球面と交差する最上位置（Ｆ）は鏡面の上方の高さ９１μｍの位置にある。光源からこの球面位置までの距離を略０．４４ｍｍに設定すると、レーザ光束１１は球面部分から略７７０ｍｍ先の位置で収束され、集光位置１３でのビーム直径は略１８μｍに絞り込まれ、第１実施例と略同様な光束変換を行うことができる。
【００６４】
このように、この例の構成によっても、第１実施例において述べたのと略同様の効果を得ることができる。
加えて、この例の構成によれば、樹脂体と平面鏡の構造が単純化されるので、製造が容易になる。
【００６５】
◇第６実施例
図１７は、この発明の第６実施例である光導波路基板の構成を示す側面図である。この第６実施例の光導波路基板の構成が、上述の第１実施例のそれと大きく異なるところは、光源からの光束が基板面に平行に入射する場合に対応し、かつ、樹脂体の構造を単純化するようにした点である。
この例の光導波路基板４０は、図１７に示すように、光路変換手段３は、光導波路４に近接配置されたピラミッド状の樹脂体３１が形成され、樹脂体３１は光源１側及び光導波路４側にそれぞれ曲面３２、３３が形成されて、曲面３２が光源１からの光を入射する一方、曲面３３が樹脂体３１の下面の平面鏡２３で反射された光を光導波路４に出射するように構成されている。
【００６６】
光源１からの光は曲面３１に入射すると、平面鏡２３で反射され、さらに曲面３３で屈折されて基板２面に平行な光となって出射されて、光導波路４に入射される。このようなピラミッド状の樹脂体３１は、型などを利用して容易に形成できるので、光束集光機能を有する光導波路基板を容易に形成することができる。
【００６７】
このように、この例の構成によっても、第１実施例において述べたのと略同様の効果を得ることができる。
加えて、この例の構成によれば、樹脂体の構造が単純化されるので、製造が容易になる。
【００６８】
◇第７実施例
図１８は、この発明の第７実施例である光導波路基板の構成を示す側面図である。この第７実施例の光導波路基板の構成が、上述の第１実施例のそれと大きく異なるところは、光路変換手段の焦点距離よりも十分大きな焦点距離の光路調整板を光源と光路変換手段との間に設置し、その光路調整板の位置を基板面に平行に移動可能にして光束位置を微調整できるようにした点である。
この例の光導波路基板４５は、図１８に示すように、光路変換手段３を構成する凹面鏡３７と光源１との間に、基板２面に平行に移動可能となるように設置された光路調整板３６を備えている。この光路調整板３６は、まず光源１を凹面鏡３７を固定した基板２に位置合わせして設置した後に、光源１と凹面鏡３７との間に設置する。
【００６９】
光路調整板３６は、基板２上の設置位置を微調整することにより、光導波路４に入射する光路の光導波路４の０次光の方向からずれ角（Ｃ）を少なくなるように調整し、凹面鏡３７により光導波路４へ集光する光の入射方向を調整することで光路のずれ角（Ｃ）を小さく調整し、光導波路４への入射光の広がり角度をより小さく設計し、光導波路に入射する光線のモード数を少なくする。
【００７０】
光路調整板３６は、片面の曲率半径が略１．４ｍｍ、直径が略４００μｍ、厚さが略１４μｍから成る凸部を成す凸レンズ状に形成される。この凸レンズの焦点距離は略２．８ｍｍであり、凹面鏡３７の焦点距離が実施例１程度の略０．２７ｍｍであるのに比して、略１０倍の値を有している。したがって、この光路調整板３６を光導波路４面上を移動させることで位置を調整すれば、光導波路４のコア層６に入射する光束の方向を微調整し、光束の光導波路４への入射方向の狂いを少なくすることができる。このように、光路を微調整した後に光路調整板３６を基板４に固定する。
また、光導波路４のコア層６のパターンの断面の寸法が７μｍのシングルモードの光導波路の場合に対しても、光路調整板３６により光束の方向を調整することで、コア層のパターンの断面に光束を位置合わせすることができる。
【００７１】
このように、この例の構成によっても、第１実施例において述べたのと略同様の効果を得ることができる。
加えて、この例の構成によれば、光路調整板を光路の方向調整に用いたことで光路を微調整できるので、光束を光導波路のコア層に正確に導くことができ、特に光導波路がマルチモード光導波路である場合のみならず、シングルモードの光導波路に対して適用しても有効となる。
【００７２】
以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更などがあってもこの発明に含まれる。例えば、各実施例では光路変換手段及び光導波路を基板上に形成する例で説明したが、光路変換手段及び光導波路は基板内に埋め込むように形成してもよい。また、基板は内部に配線パターンが必ずしも形成されている必要はない。また、光路変換手段を樹脂体により構成する例について説明したが、樹脂体に限らず光透過性を有しているものであれば、絶縁材料全般を用いることができる。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の光導波路基板の構成によれば、マルチモード光導波路の光の伝送モードのうち、ｍ＝０の０次モードから、ｍ＝３の３次モードの光成分のみを含むので、モードの数が少ないため、シングルモードに近い光信号の伝送が行われ、光信号を高速で伝送することができるようになる。したがって、光導波路を進行する光信号の伝送特性を安定化することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例である光導波路基板の構成を示す側面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】図２のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図４】同光導波路基板の動作の原理を説明するための図である。
【図５】同光導波路基板の凹面鏡の設計方法を概略的に示す図である。
【図６】同光導波路基板の動作を説明するための図である。
【図７】この発明の第２実施例である光導波路基板の構成を示す側面図である。
【図８】図７のＣ−Ｃ矢視断面図である。
【図９】この発明の第３実施例である光導波路基板の構成を示す側面図である。
【図１０】図９のＤ−Ｄ矢視断面図である。
【図１１】同光導波路基板の主要部の構成を概略的に示す図である。
【図１２】この発明の第４実施例である光導波路基板の構成を示す側面図である。
【図１３】図１２のＥ−Ｅ矢視断面図である。
【図１４】同光導波路基板の主要部の構成を概略的に示す図である。
【図１５】この発明の第５実施例である光導波路基板の構成を示す側面図である。
【図１６】同光導波路基板の主要部の構成を概略的に示す図である。
【図１７】この発明の第６実施例である光導波路基板の構成を示す側面図である。
【図１８】この発明の第７実施例である光導波路基板の構成を示す側面図である。
【図１９】従来の光導波路基板の欠点を説明する図である。
【符号の説明】
１光源
２基板
３光路変換手段
４光導波路
５配線パターン
６コア層
７クラッド層
８接着剤
９、３７凹面鏡
１０、１５、２０、３０、３５、４０、４５光導波路基板
１１レーザ光束
１１Ａ光束の入射位置
１２回転楕円体面
１３回転体の焦点位置
１４平行光束
１６、１８、２１、２６、２８、３１樹脂体
２２、２９球面
２３、２７平面鏡
２４充填樹脂体
２５突き当て部
３２、３３曲面
３６光路調整板

Claims

基板と、該基板面に形成されて、入射される光束の広がりを略平行光に変えて出射させる光路変換手段と、前記基板上に形成されて前記光路変換手段から出射される光束が入射される光導波路とを備えてなる光導波路基板であって、
前記光路変換手段は、
前記光導波路の光束入射端に近接した位置に設置された光透過性の樹脂体と、
該樹脂体の下面に形成された平面鏡とからなると共に、
前記樹脂体は、前記基板面に対して互いに反対向きの角度をなす態様に形成された２つの曲面であって、前記光束が入射される第１の曲面からなる入射面と、前記光束が出射される第２の曲面からなる出射面とを有してなることを特徴とする光導波路基板。
前記基板面に平行な光束が前記第１の曲面から前記樹脂体に入射されると、入射された前記光束が前記樹脂体の前記第１の曲面で屈折し、屈折された光束が、次に、下面の前記平面鏡の鏡面で反射され、反射された光束が、前記第２の曲面に達して屈折されて出射され、出射された光束が、前記光導波路に入射するように、前記第１及び第２の曲面の曲率が設定されていることを特徴とする請求項１記載の光導波路基板。