WO2018235381A1 - 光モジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an optical module provided with a substrate type optical waveguide and an optical fiber.
- the invention also relates to a method of manufacturing such an optical module.
- substrate type optical waveguides such as silicon waveguides and indium phosphide waveguides has been energetically advanced. Since these substrate type optical waveguides have a large difference in refractive index between the core and the cladding and a strong light confinement effect, the mode field diameter of the waveguide mode can be suppressed to 1 ⁇ m or less.
- An optical fiber is usually used for light input / output to the substrate type optical waveguide.
- the mode field diameter of the guided mode in the optical fiber is usually larger than the mode field diameter of the guided mode in the substrate type optical waveguide.
- the mode field diameter of the guided mode in a typical silicon waveguide is about 0.2 ⁇ m
- the mode field diameter of the guided mode in a typical single mode fiber is about 10 ⁇ m. Therefore, in the optical module having the substrate type optical waveguide and the optical fiber, the mismatch of the mode field diameter between the substrate type optical waveguide and the optical fiber is eliminated, and the substrate type optical waveguide and the optical fiber are coupled. It is important to improve efficiency.
- a method of eliminating the mismatch of the mode field diameter between the substrate type optical waveguide and the optical fiber a method of increasing the mode field diameter of the waveguide mode in the substrate type optical waveguide in the vicinity of the input / output end face and There is a method of reducing the mode field diameter of the waveguide mode in the vicinity of the exit / incidence end face.
- the former method for example, a technique is known in which the mode field diameter of the waveguide mode is expanded to about 3 ⁇ m to 4 ⁇ m by providing a spot size converter in the vicinity of the input / output end face of the substrate type optical waveguide.
- Another important point is to realize an optical module having a high coupling efficiency between the substrate type optical waveguide and the optical fiber. That is to precisely align the central axis of the core of the substrate type optical waveguide with the central axis of the core of the optical fiber. This is because, even if a slight axial deviation occurs between the core of the substrate type optical waveguide and the core of the optical fiber, the coupling efficiency between the substrate type optical waveguide and the optical fiber is significantly reduced. It is necessary to pay attention to the off-axis caused by the expansion or contraction of the resin for fixing the optical fiber to the substrate type optical waveguide, leading to a decrease in coupling efficiency in use.
- the coupling efficiency ⁇ of the optical fiber and the substrate type optical waveguide is given by the following equation.
- w1 is the spot size of the guided mode near the exit end face of the substrate type optical waveguide
- w2 is the spot size of the guided mode near the entrance end face of the optical fiber.
- z is the distance between the incident end face of the substrate type optical waveguide and the output end face of the optical fiber
- x is the distance between the central axis of the core of the substrate type optical waveguide and the central axis of the core of the optical fiber (hereinafter referred to as It is called “the amount of axis deviation”.
- the x axis is taken parallel to the direction in which the optical fiber can be displaced, and the central axis of the core of the optical fiber is the center of the core of the substrate type optical waveguide
- the axis deviation amount x is positive when it is on the x axis positive direction side with respect to the axis, and the central axis of the optical fiber core is on the x axis negative direction side with respect to the central axis of the core of the substrate type optical waveguide
- the sign of the amount of axis deviation x is negative.
- Patent Document 1 a configuration in which the spot size w1 on the substrate type optical waveguide side is larger than the spot size w2 on the optical fiber side is adopted, or It is general to adopt a configuration in which the spot size w1 is brought close to the spot size w2 on the optical fiber side (see Patent Document 2) and the spot size w1 on the substrate type optical waveguide side is matched to the spot size w2 on the optical fiber side.
- Japanese Patent Publication Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-218626
- the coupling efficiency is also described as “tolerance against misalignment (hereinafter referred to as“ alignment tolerance ”) so that a significant decrease in coupling efficiency does not occur due to the misalignment between the core of the substrate type optical waveguide and the core of the optical fiber. It was desirable to increase the alignment tolerance
- the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to realize an optical module in which the coupling efficiency between a substrate type optical waveguide and an optical fiber is higher than that of the prior art.
- an optical module guides a substrate type optical waveguide, light input to the substrate type optical waveguide, or light output from the substrate type optical waveguide. And a spot size w1 at the end face of the waveguide mode guided through the core of the substrate type optical waveguide, and a spot at the end face of the waveguide mode guided through the core of the optical fiber.
- the spot size ratio w2 / w1 which is the same as in the case of is set to satisfy 1 ⁇ w2 / w1 ⁇ , where ⁇ is a value.
- a manufacturing method guides a substrate type optical waveguide, light input to the substrate type optical waveguide, or light output from the substrate type optical waveguide And a spot size w1 of a waveguide mode guided in the core of the substrate type optical waveguide, and guided in the core of the optical fiber.
- the coupling efficiency ⁇ (0) between the substrate type optical waveguide and the optical fiber when the axis shift amount between the core of the substrate type optical waveguide and the core of the substrate type optical waveguide is zero is the spot size w2 of the waveguide mode
- FIG. 1 shows the structure of the optical module which concerns on one Embodiment of this invention.
- (A) is a top view of the optical module
- (b) is a cross-sectional view of the optical module. It is a side view of the core of a substrate type optical waveguide, and the core of an optical fiber.
- (a) the mode profile of the guided mode guided in the respective cores is described, and in (b), arrows representing the amount of axis deviation x and the distance z between the end faces are also described.
- (A) shows the coupling efficiency ⁇ [dB] as the axis deviation x [ ⁇ m] when the spot size ratio w2 / w1 is 1, 1.2, 1.55, 2, 2.41, 2.8.
- (B) is a graph representing the rate of change d ⁇ / dx (1) [dB / ⁇ m] of the coupling efficiency [[dB] when the amount of axial deviation x is 1 as a function of the spot size ratio w2 / w1.
- (C) is a graph representing the coupling efficiency ⁇ (0) [dB] when the amount of axis deviation x is 0 as a function of the spot size ratio w2 / w1.
- the amount of axial deviation x is 0.
- FIG. 1 is a plan view of the optical module 1
- (b) is a cross-sectional view of the optical module 1 in an AA ′ cross section.
- the X axis positive direction is "up”
- the X axis negative direction is “down”
- the Y axis positive direction is "right”
- the Y axis negative direction is "left”
- Z The positive axial direction is described as "front”
- the negative Z-axis direction is described as “rear”.
- the descriptions of “upper”, “lower”, “right”, “left”, “front” and “rear” are merely used for the sake of convenience to simply describe the structure of the optical module 1. There is no restriction on the arrangement.
- the optical module 1 includes a substrate type optical waveguide 11 and an optical fiber 12.
- the optical fiber 12 is an optical fiber for guiding the input light input to the substrate type optical waveguide 11 or for guiding the output light output from the substrate type optical waveguide 11.
- the substrate type optical waveguide 11 has a core 111 and a recess 112 formed in the substrate.
- a silicon waveguide in which the core 111 and the recess 112 are formed on an SOI (Silicon on Insulator) substrate is used as the substrate type optical waveguide 11.
- the substrate type optical waveguide 11 is such that the two main surfaces (upper surface and lower surface) face the positive X-axis direction and the negative X-axis direction in the illustrated coordinate system, and the four side surfaces are the positive Y-axis direction and the Y-axis It is arranged to face the negative direction as well as the positive Z-axis direction and the negative Z-axis direction.
- the recess 112 is a space formed at the rear end of the upper surface 11U of the substrate type optical waveguide 11 for disposing the front end of the optical fiber 12.
- the recess 112 is a rectangular parallelepiped recess whose upper and rear parts are open and the lower, front, right, and left sides are surrounded by the end face of the substrate type optical waveguide 11, and the upper surface 11 U of the substrate type optical waveguide 11 and the rear It is formed in the angle
- the core 111 is a region formed inside the substrate type optical waveguide 11 for guiding light and has a refractive index higher than that of the other part of the substrate type optical waveguide 11 (for example, a silica film functioning as a clad) (For example, silicon).
- the core 111 is exposed at the end face 11 S of the substrate type optical waveguide 11 located in front of the recess 112.
- the central axis of the core 111 in the vicinity of the end face 11S is orthogonal to the end face 11S.
- the substrate type optical waveguide 11 may be provided with a spot size converter for enlarging the spot size of the guided mode guided in the core 111.
- a spot size converter for enlarging the spot size of the guided mode guided in the core 111.
- the spot size at the end face 11S of the waveguide mode guided by the core 111 can be expanded to, for example, about 3 ⁇ m or 1.5 ⁇ m.
- the path of the core 111 inside the substrate type optical waveguide 11 is arbitrary in the portion of the substrate type optical waveguide 11 not shown in FIG.
- the substrate type optical waveguide 11 may be formed with a functional unit (not shown) that acts on light propagating through the core 111.
- a modulation unit that modulates light propagating in the core 111 may be provided.
- the optical fiber 12 includes a cylindrical core 121 and a cylindrical clad 122 covering the side surface of the core 121.
- a single mode fiber provided with a silica glass core 121 and a cladding 122 is used as the optical fiber 12.
- the core 121 or the cladding 122 is doped with a dopant for making the refractive index of the cladding 122 lower than the refractive index of the core 121, and the input light guided to the optical fiber 12 has this refractive index difference. Is confined in the core 121.
- the core 121 is exposed at the end face 12S of the optical fiber 12.
- the tip of the optical fiber 12 is disposed in the recess 112 of the substrate type optical waveguide 11 so that the core 121 at the end surface 12S of the optical fiber 12 and the core 111 at the end surface 11S of the substrate type optical waveguide 11 face each other. Then, the tip end portion of the optical fiber 12 is fixed to the substrate type optical waveguide 11 by the resin material 13 injected into the concave portion 112 of the substrate type optical waveguide 11. At this time, the central axis of the core 121 near the end face 12S of the optical fiber 12 is parallel to the central axis of the core 111 near the end face 11S of the substrate type optical waveguide 11. The resin material 13 is injected in a biased manner to the rear of the recess 112 so as not to enter between the end face 12S of the optical fiber 12 and the end face 11S of the substrate type optical waveguide 11.
- a spot size converter may be provided to reduce the spot size of the light guided through the core 121.
- Available spot size converters include lensed fibers, green lens fibers, high NA fibers, and the like.
- the spot size at the end face 12S of the waveguide mode guided by the core 121 is the spot size at the end face 11S of the waveguide mode guided by the core 111 of the substrate type optical waveguide 11 It can be reduced to the same extent.
- the resin material 13 is used as a fixing material for fixing the optical fiber 12 to the substrate type optical waveguide 11, but the present invention is not limited to this.
- a fixing material for fixing the optical fiber 12 to the substrate type optical waveguide 11 a fixing material other than resin, for example, solder may be used.
- the resin material 13 is injected into the recess 112 of the substrate type optical waveguide 11, but the present invention is not limited to this. That is, instead of the recess, for example, a V-shaped groove may be formed in the substrate type optical waveguide, and the resin material 13 may be injected into the V-shaped groove.
- the optical fiber 12 is fixed to the substrate type optical waveguide 11 by the fixing material, but the present invention is not limited to this. That is, the optical fiber may be fixed to the substrate type optical waveguide by a fixing method other than the fixing by the fixing material.
- the spot size w1 of the guided mode (for example, the fundamental mode) guided in the core 111 of the substrate type optical waveguide 11 and the guided mode (for example, the fundamental mode) guided in the core 121 of the optical fiber 12 ) Consider the spot size w2.
- the spot size w1 of the waveguide mode guided by the core 111 of the substrate type optical waveguide 11 is the waveguide mode concerned at the end face 11S of the substrate type optical waveguide 11 as shown in FIG.
- the radius of the region where the intensity of the light intensity is 1 / e 2 or more of the peak intensity corresponds to 1 ⁇ 2 of the mode field diameter of the waveguide mode.
- the spot size w2 of the waveguide mode guided in the core 121 of the optical fiber 12 indicates that the intensity of the waveguide mode is peaked at the end face 12S of the optical fiber 12 as shown in FIG. It refers to the radius of the region of 1 / e 2 or more of the intensity, which corresponds to 1 ⁇ 2 of the mode field diameter of the waveguide mode.
- the ratio w 2 / w 1 of the spot size w 2 to the spot size w 1 is referred to as “spot size ratio”.
- the distance from the central axis of the core 111 of the substrate type optical waveguide 11 to the central axis of the core 121 of the optical fiber 12 is referred to as the "axial displacement amount”. Represent. Further, as shown in (b) of FIG. 2, the distance from the end face 11S of the substrate type optical waveguide 11 to the end face 12S of the optical fiber 12 is described as "distance between end faces" and is indicated by the symbol z.
- the sign of the amount of axial deviation x is determined as follows.
- the x axis is parallel to the direction in which the optical fiber 12 can be displaced, and (1) the central axis of the core 121 of the optical fiber 12 is a substrate type light When the center of the core 111 of the waveguide 11 is on the positive side in the x-axis direction, the sign of the amount of axial deviation x is positive, and (2) the center axis of the core 121 of the optical fiber 12 is the core 111 of the substrate type optical waveguide 11 When the x axis is in the negative direction with respect to the central axis of x, the sign of the axis deviation x is negative. The sign of the end face distance z is always positive.
- FIG. 3A shows the core 111 of the substrate type optical waveguide 11 and the optical fiber 12 when the spot size ratio w2 / w1 is 1, 1.2, 1.55, 2, 2.41, and 2.8.
- the coupling efficiency ⁇ [dB] with the core 121 is expressed as a function of the amount of axis deviation x [ ⁇ m].
- the spot size w1 is 1.5 ⁇ m
- the distance z between the end faces is 10 ⁇ m
- the wavelength ⁇ is 1.55 ⁇ m.
- the coupling efficiency ⁇ is maximized when the axial displacement amount x is 0, and the coupling efficiency ⁇ increases as the absolute value
- FIG. 3B is a graph showing the rate of change d ⁇ / dx (1) [dB / ⁇ m] of the coupling efficiency [[dB] when the amount of axial deviation x is 1 as a function of the spot size ratio w2 / w1. It is. Also in this case, the spot size w1 is 1.5 ⁇ m, the distance z between the end faces is 10 ⁇ m, and the wavelength ⁇ is 1.55 ⁇ m. From the graph shown in FIG. 3B, it can be seen that the absolute value
- FIG. 3C is a graph showing the coupling efficiency ⁇ (0) [dB] when the amount of axis deviation x is 0 as a function of the spot size ratio w2 / w1.
- the spot size w1 is 1.5 ⁇ m
- the distance z between the end faces is 10 ⁇ m
- the wavelength ⁇ is 1.55 ⁇ m. From the graph shown in FIG.
- the range “1 ⁇ w2 / w1 ⁇ ” of the spot size ratio w2 / w1 where the coupling efficiency ⁇ (0) when the amount of axis deviation x is 0 is larger than when w2 / w1 1 is )
- the spot sizes w1 and w2 it is preferable to set the spot sizes w1 and w2 so as to satisfy the first condition “1 ⁇ W2 / W1 ⁇ ”.
- ⁇ is a spot size ratio at which the coupling efficiency ⁇ (0) takes a maximum value when the amount of axis deviation x is zero.
- the spot size ratios ⁇ and ⁇ appearing under these conditions can be expressed as a function of the spot size w1 and the end face distance z. Hereinafter, this point will be described.
- the vertical axis the end face distance z is 10 ⁇ m, and the wavelength ⁇ is 1.55 ⁇ m. From (a) of FIG.
- the wavelength ⁇ is 1.55 ⁇ m.
- the lower region of the graph representing the spot size ratio ⁇ is a region satisfying the first condition described above, and the graph representing the spot size ratio ⁇ and the spot size ratio ⁇
- the area between the graph and the area is the area that satisfies the second condition described above.
- the wavelength ⁇ is 1.55 ⁇ m.
- the lower region of the graph representing the spot size ratio ⁇ is a region satisfying the first condition described above, and is sandwiched between the graph representing the spot size ratio ⁇ and the graph representing the spot size ratio ⁇ Is the area that satisfies the second condition described above.
- the coefficient a viewed as a function of z can be linearly approximated as shown in FIG. 5 (a).
- the coefficient b viewed as a function of z can be linearly approximated as shown in (b) of FIG.
- the coefficient a viewed as a function of z can be linearly approximated as shown in (a) of FIG.
- the coefficient b viewed as a function of z can be linearly approximated as shown in (b) of FIG.
- the coefficient c viewed as a function of z can be linearly approximated as shown in FIG. 6 (c).
- the coefficient d viewed as a function of z can be linearly approximated as shown in (d) of FIG.
- the coefficient e viewed as a function of z can be linearly approximated as shown in (e) of FIG.
- the spot size ratio ⁇ at which the coupling efficiency ⁇ (0) takes the maximum value when the amount of axis deviation x is 0 can be approximately expressed as follows.
- ⁇ (0.0023z + 0.0465) w1 4 -(0.0284 z + 0.533) w1 3 + (0.133z + 2.2245) w1 2 -(0.3008z + 3.9465) w1 + (0.295z + 3.4045).
- FIG. 7 is a graph showing the maximum value of the coupling efficiency increase as a function of the spot size w1.
- the spot size w1 is preferably 3 ⁇ m or less, and more preferably 2 ⁇ m or less.
- the coupling efficiency increase can be 0.001 dB or more, and if the spot size w1 is 2 ⁇ m or less, the coupling efficiency increase can be 0.01 dB or more , It can be seen from FIG.
- the optical module (1) includes a substrate type optical waveguide (11), light input to the substrate type optical waveguide (11), or light output from the substrate type optical waveguide (11).
- the spot size w2 at the end face (12S) of the waveguide mode guided through the core (121) of 12) is the core (111) of the substrate type optical waveguide (11) and the core (121) of the optical fiber (12).
- the spot size w1 and the spot size w2 are set to ⁇ ⁇ w2 / w1 where the spot size ratio w2 / w1 at which the coupling efficiency ⁇ (0) takes the maximum value is ⁇ . It is preferable that it is set to satisfy ⁇ .
- the spot size w1 and the spot size w2 are set to satisfy 1 ⁇ w2 / w1 ⁇ 1.662 ⁇ w1 ⁇ 3.554 + 1. preferable.
- the substrate type optical waveguide when the distance between the end faces of the substrate type optical waveguide and the optical fiber is about 5 ⁇ m, the substrate type optical waveguide has a larger coupling efficiency ⁇ (0) when the amount of axis deviation is 0 than in the conventional Can be realized.
- the spot size w1 and the spot size w2 is, 0.058w1 4 -0.668w1 3 + 2.829w1 2 -5.268w1 + 4.706 ⁇ w2 / w1 ⁇ 1.662 It is preferably set to satisfy xw1-3.554 + 1.
- the coupling efficiency ⁇ (0) when the amount of axis deviation is 0 is larger than that in the conventional case and the axis A substrate type optical waveguide having a large misalignment tolerance can be realized.
- the spot size w1 and the spot size w2 are set to satisfy 1 ⁇ w2 / w1 ⁇ 4.195 ⁇ w1 ⁇ 3.168 +1. preferable.
- the substrate-type optical waveguide when the distance between the end faces of the substrate-type optical waveguide and the optical fiber is about 10 ⁇ m, the substrate-type optical waveguide has a larger coupling efficiency ⁇ (0) when the amount of axis deviation is 0 than in the prior art. Can be realized.
- the spot size w1 and the spot size w2 are: 0.070 w1 4 -0.827 w1 3 +3.646 w1 2 -7.229 w1 + 6.614 ⁇ w 2 / w 1 ⁇ 4.195 It is preferably set to satisfy xw1-3.168 +1.
- the coupling efficiency ⁇ (0) when the amount of axis deviation is 0 is larger than that in the conventional case and the axis A substrate type optical waveguide having a large misalignment tolerance can be realized.
- the spot size w1 and the spot size w2 are set to satisfy 1 ⁇ w2 / w1 ⁇ 9.253 ⁇ w1 ⁇ 2.733 +1. preferable.
- the substrate-type optical waveguide when the distance between the end faces of the substrate-type optical waveguide and the optical fiber is about 20 ⁇ m, the substrate-type optical waveguide has a larger coupling efficiency ⁇ (0) when the amount of axis deviation is 0 than in the prior art. Can be realized.
- the spot size w1 and the spot size w2 is, 0.093w1 4 -1.097w1 3 + 4.855w1 2 -9.872w1 + 9.217 ⁇ w2 / w1 ⁇ 9.253 It is preferably set to satisfy xw1-2.733 +1.
- the coupling efficiency ⁇ (0) when the amount of axis deviation is 0 is larger than that in the conventional case and the axis A substrate type optical waveguide having a large misalignment tolerance can be realized.
- the spot size w1 and the spot size w2 are 1 ⁇ where the distance between the end faces of the substrate type optical waveguide (11) and the optical fiber (12) is z. It is preferable that w2 / w1 ⁇ (0.506z ⁇ 0.867) ⁇ w1 (0.0531z ⁇ 3.7715) +1 is set.
- the spot size w1 and the spot size w2 is, (0.0023z + 0.0465) w1 4 - (0.0284z + 0.533) w1 3 + (0.133z + 2.2245 ) w1 2 - (set so as to satisfy the 0.3008z + 3.9465) w1 + (0.295z + 3.4045) ⁇ w2 / w1 ⁇ (0.506z-0.867) ⁇ w1 (0.0531z-3.7715) +1 Is preferred.
- the spot size w1 is preferably 3 ⁇ m or less.
- the amount of increase in coupling efficiency can be made sufficiently large.
- the manufacturing method according to the present embodiment guides the substrate type optical waveguide (11), the light input to the substrate type optical waveguide (11), or the light output from the substrate type optical waveguide (11)
- the spot size w1 of the waveguide mode guided in the core (111) of the substrate type optical waveguide (11) is defined by the core (111) of the substrate type optical waveguide (11) and the core (121) of the optical fiber (12)
- the above manufacturing method it is possible to manufacture a substrate type optical waveguide in which the coupling efficiency ⁇ (0) when the amount of axis deviation is 0 is larger than that in the prior art (when the spot size ratio w2 / w1 is 1 or less). it can.
- the spot size w1 and the spot size w2 are set, and the spot size ratio w2 / w1 at which the coupling efficiency ⁇ (0) takes the maximum value is ⁇ It is preferable to set to satisfy w2 / w1 ⁇ .
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Abstract
基板型光導波路と光ファイバとの結合効率が従来よりも高い光モジュールを実現する。基板型光導波路(11)のコア(111)を導波される導波モードの端面におけるスポットサイズw1、及び、光ファイバ(12)のコア(121)を導波される導波モードの端面におけるスポットサイズw2を、基板型光導波路(11)のコア(111)と光ファイバ(12)のコア(121)との軸ずれ量が0のときの基板型光導波路(11)と光ファイバ(12)との結合効率η(0)がw2/w1=1の場合と同じになるスポットサイズ比w2/w1をαとして、1<w2/w1<αを満たすように設定する。
Description
本発明は、基板型光導波路と光ファイバとを備えた光モジュールに関する。また、そのような光モジュールを製造する製造方法に関する。
近年、シリコン導波路やリン化インジウム導波路などの基板型光導波路の開発が精力的に進められている。これらの基板型光導波路は、コア-クラッド間の屈折率差が大きく、光の閉じ込め効果が強いため、導波モードのモードフィールド径を1μm以下に抑えることができる。
基板型光導波路に対する光の入出力には、通常、光ファイバが用いられる。ところが、光ファイバにおける導波モードのモードフィールド径は、通常、基板型光導波路における導波モードのモードフィールド径よりも大きい。例えば、典型的なシリコン導波路における導波モードのモードフィールド径が約0.2μmであるのに対して、典型的なシングルモードファイバにおける導波モードのモードフィールド径は約10μmである。このため、基板型光導波路と光ファイバとを備えた光モジュールにおいては、基板型光導波路と光ファイバとの間のモードフィールド径の不整合を解消し、基板型光導波路と光ファイバとの結合効率を向上させることが重要になる。
基板型光導波路と光ファイバとの間のモードフィールド径の不整合を解消する手法としては、基板型光導波路における導波モードのモードフィールド径を入出射端面近傍において大きくする手法と、光ファイバにおける導波モードのモードフィールド径を出入射端面近傍において小さくする手法とが挙げられる。前者の手法に関しては、例えば、基板型光導波路の入出射端面近傍にスポットサイズ変換器を設けることにより、導波モードのモードフィールド径を3μm~4μm程度に拡大する技術が知られている。また、後者の手法に関しては、例えば、光ファイバの出入射端面をレンズ加工することにより、導波モードのモードフィールド径を縮小する技術が知られている。これらの技術を併用することにより、基板型光導波路と光ファイバとの結合効率を向上させることができる。
基板型光導波路と光ファイバとの結合効率が高い光モジュールを実現するためには、もうひとつ重要な点がある。それは、基板型光導波路のコアの中心軸と光ファイバのコアの中心軸とを精度良く一致させることである。なぜなら、基板型光導波路のコアと光ファイバのコアと間に僅かでも軸ずれが生じると、基板型光導波路と光ファイバとの結合効率が著しく低下するからである。光ファイバを基板型光導波路に固定するための樹脂の膨張又は収縮に伴う軸ずれは、使用時の結合効率の低下を招来するため、注意を払う必要がある。
光ファイバから出射され基板型光導波路に入射する光が波長λのガウシアンビームであると仮定すると、光ファイバと基板型光導波路の結合効率ηは、下記の式により与えられる。下記の式において、w1は、基板型光導波路の出射端面近傍における導波モードのスポットサイズであり、w2は、光ファイバの入射端面近傍における導波モードのスポットサイズである。また、zは、基板型光導波路の入射端面と光ファイバの出射端面との距離であり、xは、基板型光導波路のコアの中心軸と光ファイバのコアの中心軸との距離(以下、「軸ずれ量」という)である。ここでは、基板型光導波路のコアの中心軸と直交する方向のうち、光ファイバが変位し得る方向と平行にx軸を取り、光ファイバのコアの中心軸が基板型光導波路のコアの中心軸よりもx軸正方向側にあるとき、軸ずれ量xの符号を正とし、光ファイバのコアの中心軸が基板型光導波路のコアの中心軸よりもx軸負方向側にあるとき、軸ずれ量xの符号を負としている。
λ=1.55μm、w1=w2=1.5μm、z=5μmのとき、上記の式により与えられる軸ずれ量xと結合効率ηとの関係を表すグラフを図8に示す。図8に示すグラフによれば、基板型光導波路のコアと光ファイバのコアと間に1μm程度の軸ずれが生じると、基板型光導波路と光ファイバとの結合効率ηが2dB程度低下することが分かる。
なお、従来の光モジュールにおいては、基板型光導波路側のスポットサイズw1を光ファイバ側のスポットサイズw2よりも大きくする構成(特許文献1参照)を採用するか、又は、基板型光導波路側のスポットサイズw1を光ファイバ側のスポットサイズw2に近づけ(特許文献2参照)、基板型光導波路側のスポットサイズw1を光ファイバ側のスポットサイズw2に一致させる構成を採用することが一般的であった。
しかしながら、従来の光モジュールにおいては、基板光導波路と光ファイバとの結合効率を向上させる余地が残されていた。また、基板型光導波路のコアと光ファイバのコアとの軸ずれに起因して大幅の結合効率の低下が生じないよう、結合効率に関して軸ずれに対するトレランス(以下、「軸ずれトレランス」とも記載する)を大きくすることが望まれていた。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板型光導波路と光ファイバとの結合効率が従来よりも高い光モジュールを実現することにある。
上記の目的を達成するために、本発明の一態様に係る光モジュールは、基板型光導波路と、上記基板型光導波路に入力する光、又は、上記基板型光導波路から出力された光を導波する光ファイバと、を備え、上記基板型光導波路のコアを導波される導波モードの端面におけるスポットサイズw1、及び、上記光ファイバのコアを導波される導波モードの端面におけるスポットサイズw2は、上記基板型光導波路のコアと上記光ファイバのコアとの軸ずれ量が0のときの上記基板型光導波路と上記光ファイバとの結合効率η(0)がw2/w1=1の場合と同じになるスポットサイズ比w2/w1をαとして、1<w2/w1<αを満たすように設定されている、ことを特徴とする。
上記の目的を達成するために、本発明の一態様に係る製造方法は、基板型光導波路と、上記基板型光導波路に入力する光、又は、上記基板型光導波路から出力された光を導波する光ファイバと、を備えた光モジュールを製造する製造方法において、上記基板型光導波路のコアを導波される導波モードのスポットサイズw1、及び、上記光ファイバのコアを導波される導波モードのスポットサイズw2を、上記基板型光導波路のコアと上記光ファイバのコアとの軸ずれ量が0のときの上記基板型光導波路と上記光ファイバとの結合効率η(0)がw2/w1=1の場合と同じになるスポットサイズ比w2/w1をαとして、1<w2/w1<αを満たすように設定する設定工程を含んでいる、ことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、軸ずれ量が0のときの結合効率η(0)が従来よりも大きい基板型光導波路を実現することができる。
〔光モジュールの構成〕
本発明の一実施形態に係る光モジュール1の構成について、図1を参照して説明する。図1において、(a)は、光モジュール1の平面図であり、(b)は、AA’断面における光モジュール1の断面図である。なお、以下の説明においては、図示した座標系においてX軸正方向を「上」、X軸負方向を「下」、Y軸正方向を「右」、Y軸負方向を「左」、Z軸正方向を「前」、Z軸負方向を「後」と記載する。ただし、「上」「下」「右」「左」「前」「後」の記載は、光モジュール1の構造を簡潔に説明するために便宜的に用いているに過ぎず、光モジュール1の配置に何ら制約を加えるものではない。
本発明の一実施形態に係る光モジュール1の構成について、図1を参照して説明する。図1において、(a)は、光モジュール1の平面図であり、(b)は、AA’断面における光モジュール1の断面図である。なお、以下の説明においては、図示した座標系においてX軸正方向を「上」、X軸負方向を「下」、Y軸正方向を「右」、Y軸負方向を「左」、Z軸正方向を「前」、Z軸負方向を「後」と記載する。ただし、「上」「下」「右」「左」「前」「後」の記載は、光モジュール1の構造を簡潔に説明するために便宜的に用いているに過ぎず、光モジュール1の配置に何ら制約を加えるものではない。
光モジュール1は、図1に示すように、基板型光導波路11と、光ファイバ12とを備えている。光ファイバ12は、基板型光導波路11に入力される入力光を導波するための、又は、基板型光導波路11から出力される出力光を導波するための光ファイバである。
基板型光導波路11は、基板にコア111及び凹部112を形成したものである。本実施形態においては、SOI(Silicon on Insulator)基板にコア111及び凹部112を形成したシリコン導波路を基板型光導波路11とて用いる。基板型光導波路11は、図示した座標系において、2つの主面(上面及び下面)がX軸正方向及びX軸負方向を向くように、かつ、4つの側面がY軸正方向及びY軸負方向並びにZ軸正方向及びZ軸負方向を向くように配置される。
凹部112は、基板型光導波路11の上面11Uの後端に形成された、光ファイバ12の先端部を配置するための空間である。凹部112は、上方及び後方が開放され、下方、前方、右方、及び左方が基板型光導波路11の端面により囲まれた直方体状の凹部であり、基板型光導波路11の上面11Uと後側面11Bとが交わる角に形成されている。
コア111は、基板型光導波路11の内部に形成された、光を導波するための領域であり、基板型光導波路11の他の部分(例えば、クラッドとして機能するシリカ膜)よりも屈折率の高い材料(例えば、シリコン)により構成されている。コア111は、凹部112の前方に位置する基板型光導波路11の端面11Sにおいて露出している。この端面11Sの近傍におけるコア111の中心軸は、この端面11Sに直交している。
なお、基板型光導波路11においては、コア111を導波される導波モードのスポットサイズを拡大するスポットサイズ変換器が設けられていてもよい。スポットサイズ変換器を設けた場合、コア111を導波される導波モードの端面11Sにおけるスポットサイズを、例えば、3μm又は1.5μm程度にまで拡大することができる。また、基板型光導波路11の内部におけるコア111の経路は、基板型光導波路11の図1に示されていない部分において任意である。基板型光導波路11には、コア111を伝播する光に作用する不図示の機能部が形成されていてもよい。例えば、コア111を伝播する光を変調する変調する変調部が設けられていてもよい。
光ファイバ12は、円柱状のコア121と、コア121の側面を覆う円筒状のクラッド122とを備えている。本実施形態においては、シリカガラス製のコア121及びクラッド122を備えたシングルモードファイバを光ファイバ12として用いる。なお、コア121又はクラッド122には、クラッド122の屈折率をコア121の屈折率よりも低くするためのドーパントが添加されており、光ファイバ12に導波される入力光は、この屈折率差によりコア121に閉じ込められる。コア121は、光ファイバ12の端面12Sにおいて露出している。
光ファイバ12の先端部は、光ファイバ12の端面12Sにおけるコア121と基板型光導波路11の端面11Sにおけるコア111とが対向するように、基板型光導波路11の凹部112に配置される。そして、光ファイバ12の先端部は、基板型光導波路11の凹部112に注入された樹脂材13によって基板型光導波路11に固定される。このとき、光ファイバ12の端面12Sの近傍におけるコア121の中心軸は、基板型光導波路11の端面11Sの近傍におけるコア111の中心軸と平行になる。なお、樹脂材13は、光ファイバ12の端面12Sと基板型光導波路11の端面11Sとの間に進入しないよう、凹部112の後方に偏って注入されている。
なお、光ファイバ12においては、コア121を導波される光のスポットサイズを縮小するスポットサイズ変換器が設けられていてもよい。利用可能なスポットサイズ変換器としては、レンズドファイバ、グリンレンズファイバ、高NAファイバなどが挙げられる。スポットサイズ変換器を設けた場合、コア121を導波される導波モードの端面12Sにおけるスポットサイズを、基板型光導波路11のコア111を導波される導波モードの端面11Sにおけるスポットサイズと同程度にまで縮小することができる。また、本実施形態においては、光ファイバ12を基板型光導波路11に固定するための固定材として樹脂材13を用いているが、本発明は、これに限定されない。すなわち、光ファイバ12を基板型光導波路11に固定するための固定材として、樹脂以外の固定材、例えば半田を用いてもよい。また、本実施形態においては、基板型光導波路11の凹部112に樹脂材13を注入するが、本発明は、これに限定されない。すなわち、凹部に代えて例えばV字状の溝を基板型光導波路に形成し、V字状の溝に樹脂材13を注入してもよい。また、本実施形態においては、光ファイバ12を固定材によって基板型光導波路11に固定しているが、本発明は、これに限定されない。すなわち、固定材による固定以外の固定方法で光ファイバを基板型光導波路に固定してもよい。
〔スポットサイズの設定〕
以下、基板型光導波路11のコア111を導波される導波モード(例えば、基本モード)のスポットサイズw1、及び、光ファイバ12のコア121を導波される導波モード(例えば、基本モード)スポットサイズw2について検討する。ここで、基板型光導波路11のコア111を導波される導波モードのスポットサイズw1とは、図2の(a)に示すように、基板型光導波路11の端面11Sにおいて当該導波モードの強度がピーク強度の1/e2以上となる領域の半径のことを指し、当該導波モードのモードフィールド径の1/2に相当する。同様に、光ファイバ12のコア121を導波される導波モードのスポットサイズw2とは、図2の(a)に示すように、光ファイバ12の端面12Sにおいて当該導波モードの強度がピーク強度の1/e2以上となる領域の半径のことを指し、当該導波モードのモードフィールド径の1/2に相当する。スポットサイズw1に対するスポットサイズw2の比w2/w1のことを、「スポットサイズ比」と記載する。
以下、基板型光導波路11のコア111を導波される導波モード(例えば、基本モード)のスポットサイズw1、及び、光ファイバ12のコア121を導波される導波モード(例えば、基本モード)スポットサイズw2について検討する。ここで、基板型光導波路11のコア111を導波される導波モードのスポットサイズw1とは、図2の(a)に示すように、基板型光導波路11の端面11Sにおいて当該導波モードの強度がピーク強度の1/e2以上となる領域の半径のことを指し、当該導波モードのモードフィールド径の1/2に相当する。同様に、光ファイバ12のコア121を導波される導波モードのスポットサイズw2とは、図2の(a)に示すように、光ファイバ12の端面12Sにおいて当該導波モードの強度がピーク強度の1/e2以上となる領域の半径のことを指し、当該導波モードのモードフィールド径の1/2に相当する。スポットサイズw1に対するスポットサイズw2の比w2/w1のことを、「スポットサイズ比」と記載する。
なお、図2の(b)に示すように、基板型光導波路11のコア111の中心軸から光ファイバ12のコア121の中心軸までの距離を「軸ずれ量」と記載し、記号xで表す。また、図2の(b)に示すように、基板型光導波路11の端面11Sから光ファイバ12の端面12Sまでの距離を「端面間距離」と記載し、記号zで表す。なお、軸ずれ量xの符号は、以下のように定める。すなわち、光ファイバ12のコア121の中心軸と直交する方向のうち、光ファイバ12が変位し得る方向と平行にx軸を取り、(1)光ファイバ12のコア121の中心軸が基板型光導波路11のコア111の中心軸よりもx軸正方向側にあるとき、軸ずれ量xの符号を正とし、(2)光ファイバ12のコア121の中心軸が基板型光導波路11のコア111の中心軸よりもx軸負方向側にあるとき、軸ずれ量xの符号を負とする。端面間距離zの符号は、常に正である。
図3の(a)は、スポットサイズ比w2/w1が1,1.2,1.55,2,2.41,2.8の場合について、基板型光導波路11のコア111と光ファイバ12のコア121との結合効率η[dB]を軸ずれ量x[μm]の関数として表したグラフである。ここでは、スポットサイズw1を1.5μmとし、端面間距離zを10μmとし、波長λを1.55μmとしている。図3の(a)に示すグラフからは、いずれの場合においても、軸ずれ量xが0のとき結合効率ηが最大となり、軸ずれ量xの絶対値|x|が大きくなるほど、結合効率ηが減少することが見て取れる。この傾向は、スポットサイズw1及び端面間距離zに依らず成り立つ。
図3の(b)は、軸ずれ量xが1のときの結合効率η[dB]の変化率dη/dx(1)[dB/μm]をスポットサイズ比w2/w1の関数として表したグラフである。ここでも、スポットサイズw1を1.5μmとし、端面間距離zを10μmとし、波長λを1.55μmとしている。図3の(b)に示すグラフからは、w2/w1が大きくなるほど、dη/dx(1)の絶対値|dη/dx(1)|が減少することが見て取れる。これは、w2/w1を大きくなるほど、軸ずれトレランス(結合効率ηに関する軸ずれ量xのトレランス)が大きくなることを意味する。
図3の(c)は、軸ずれ量xが0のときの結合効率η(0)[dB]をスポットサイズ比w2/w1の関数として表したグラフである。図3の(c)に示すグラフにおいては、各スポットサイズ比w2/w1における結合効率η(0)からw2/w1=1における結合効率η(0)を減じた差分値(結合効率上昇量)を縦軸としている。ここでも、スポットサイズw1を1.5μmとし、端面間距離zを10μmとし、波長λを1.55μmとしている。図3の(c)に示すグラフからは、w2/w1=2.41のとき、η(0)がw2/w1=1のときと同じになり、1<w2/w1<2.41のとき、η(0)がw2/w1=1のときよりも大きくなることが見て取れる。そして、w2/w1=1.55のとき、η(0)が最大値を取り、η(0)がw2/w1=1のときよりも大きくなるスポットサイズ比w2/w1の範囲「1<w2/w1<2.41」は、軸ずれトレランスが相対的に小さい第1の範囲「1<w2/w1<1.55」と、軸ずれトレランスが相対的に大きい第2の範囲「1.55<w2/w1<2.41」とに二分されることが見て取れる。
図3の(c)から得られた上記の知見は、以下のように一般化することができる。すなわち、第1に、軸ずれ量xが0のときの結合効率η(0)がw2/w1=1の場合と同じになるスポットサイズ比αが存在する。そして、1<w2/w1<αであるとき、軸ずれ量xが0のときの結合効率η(0)がw2/w1=1のときよりも大きくなる。第2に、軸ずれ量xが0のときの結合効率η(0)が最大値を取るスポットサイズ比βが存在する。そして、軸ずれ量xが0のときの結合効率η(0)がw2/w1=1のときよりも大きくなるスポットサイズ比w2/w1の範囲「1<w2/w1<α」は、(1)軸ずれトレランスが相対的に小さい第1の範囲「1<w2/w1<β」と、(2)軸ずれトレランスが相対的に大きい第2の範囲「β<w2/w1<α」とに二分される。
したがって、本実施形態に係る光モジュール1においては、第1の条件「1<W2/W1<α」を満たすようにスポットサイズw1,w2を設定することが好ましい。ここで、αは、軸ずれ量xが0のときの結合効率η(0)がw2/w1=1の場合と同じになるスポットサイズ比w2/w1である。これにより、軸ずれ量xが0のときの結合効率η(0)がw2/w1=1のときよりも大きい光モジュール1を実現することができる。
また、本実施形態に係る光モジュール1においては、第2の条件「β<W2/W1<α」を満たすようにスポットサイズw1,w2を設定することが更に好ましい。ここで、βは、軸ずれ量xが0のときの結合効率η(0)が最大値を取るスポットサイズ比である。これにより、軸ずれ量xが0のときの結合効率η(0)がw2/w1=1のときよりも大きく、かつ、軸ずれトレランスが大きい係る光モジュール1を実現することができる。
これらの条件に現れるスポットサイズ比α,βは、スポットサイズw1及び端面間距離zの関数として表すことができる。以下、この点について説明する。
図4の(a)は、z=10、w1=0.8,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0の場合について、軸ずれ量xが0のときの結合効率η(0)[dB]をスポットサイズ比w2/w1の関数として表したグラフである。図4の(a)に示すグラフにおいては、各スポットサイズ比w2/w1における結合効率η(0)からw2/w1=1における結合効率η(0)を減じた差分値(結合効率上昇量)を縦軸としている。ここでは、端面間距離zを10μmとし、波長λを1.55μmとしている。図4の(a)からは、スポットサイズw1が大きくなるほど、軸ずれ量xが0のときの結合効率η(0)がw2/w1=1の場合と同じになるスポットサイズ比αが次第に小さくなることが見て取れる。また、スポットサイズw1が大きくなるほど、軸ずれ量xが0のときの結合効率η(0)が最大値を取るスポットサイズ比βが次第に小さくなることが見て取れる。なお、図4の(a)において、黒塗りの円形マークは、スポットサイズαを示し、白塗りの菱形マークは、スポットサイズβを示す。
図4の(b)は、z=10の場合について、軸ずれ量xが0のときの結合効率η(0)がw2/w1=1の場合と同じになるスポットサイズ比α、及び、軸ずれ量xが0のときの結合効率η(0)が最大値を取るスポットサイズ比βをw1の関数として表したグラフである。ここでも、波長λを1.55μmとしている。図4の(b)に示すグラフにおいて、スポットサイズ比αを表すグラフの下側の領域が上述した第1の条件を満たす領域であり、スポットサイズ比αを表すグラフとスポットサイズ比βを表すグラフとに挟まれた領域が上述した第2の条件を満たす領域である。
図4の(c)は、z=5,10,20の場合について、軸ずれ量xが0のときの結合効率η(0)がw2/w1=1の場合と同じになるスポットサイズ比α、及び、軸ずれ量xが0のときの結合効率η(0)が最大値を取るスポットサイズ比βをw1の関数として表したグラフである。ここでも、波長λを1.55μmとしている。何れの場合についても、スポットサイズ比αを表すグラフの下側の領域が上述した第1の条件を満たす領域であり、スポットサイズ比αを表すグラフとスポットサイズ比βを表すグラフとに挟まれた領域が上述した第2の条件を満たす領域である。
図4の(c)に示すスポットサイズ比αのグラフは、曲線α=a×w1b+1を用いて良く近似することができる。z=5,10,20の場合について、二乗誤差を最小にする係数a,bを求めると、下記の表1のようになる。
そして、zの関数として見た係数aは、図5の(a)に示すように、線形近似することができる。二乗誤差を最小にする近似直線は、a=0.506z-0.867である。また、zの関数として見た係数bは、図5の(b)に示すように、線形近似することができる。二乗誤差を最小にする近似直線は、b=0.0531z-3.7715である。
したがって、軸ずれ量xが0のときの結合効率η(0)がw2/w1=1の場合と同じになるスポットサイズ比αは、近似的に以下のように表せる。
z=5の場合:
α=1.662×w1-3.554+1。
α=1.662×w1-3.554+1。
z=10の場合:
α=4.195×w1-3.168+1。
α=4.195×w1-3.168+1。
z=20の場合:
α=9.253×w1-2.733+1。
α=9.253×w1-2.733+1。
一般の場合:
α=(0.506z-0.867)×w1(0.0531z-3.7715)+1。
α=(0.506z-0.867)×w1(0.0531z-3.7715)+1。
同様に、図4の(c)に示すスポットサイズ比βのグラフは、曲線β=aw14+bw13+cw12+dw1+eを用いて良く近似することができる。z=5,10,20の場合について、二乗誤差を最小にする係数a,b,c,d,eを求めると、下記の表2に示す結果が得られる。
そして、zの関数として見た係数aは、図6の(a)に示すように、線形近似することができる。二乗誤差を最小にする近似直線は、a=0.0023z+0.0465である。また、zの関数として見た係数bは、図6の(b)に示すように、線形近似することができる。二乗誤差を最小にする近似直線は、b=-0.0284z+0.533である。また、zの関数として見た係数cは、図6の(c)に示すように、線形近似することができる。二乗誤差を最小にする近似直線は、c=0.133z+2.2245である。また、zの関数として見た係数dは、図6の(d)に示すように、線形近似することができる。二乗誤差を最小にする近似直線は、d=-0.3008z-3.9465である。また、zの関数として見た係数eは、図6の(e)に示すように、線形近似することができる。二乗誤差を最小にする近似直線は、e=0.295z+3.4045である。
したがって、軸ずれ量xが0のときの結合効率η(0)が最大値を取るスポットサイズ比βは、近似的に以下のように表せる。
z=5の場合:
β=0.058w14-0.668w13+2.829w12-5.268w1+4.706。
β=0.058w14-0.668w13+2.829w12-5.268w1+4.706。
z=10の場合:
β=0.070w14-0.827w13+3.646w12-7.229w1+6.614。
β=0.070w14-0.827w13+3.646w12-7.229w1+6.614。
z=20の場合:
β=0.093w14-1.097w13+4.855w12-9.872w1+9.217。
β=0.093w14-1.097w13+4.855w12-9.872w1+9.217。
一般の場合:
β=(0.0023z+0.0465)w14
-(0.0284z+0.533)w13
+(0.133z+2.2245)w12
-(0.3008z+3.9465)w1
+(0.295z+3.4045)。
β=(0.0023z+0.0465)w14
-(0.0284z+0.533)w13
+(0.133z+2.2245)w12
-(0.3008z+3.9465)w1
+(0.295z+3.4045)。
最後に、結合効率上昇量の最大値とスポットサイズw1との関係について、図7を参照して説明する。図7は、結合効率上昇量の最大値をスポットサイズw1の関数として表したグラフである。図7において、(a)は、z=5μmの場合のグラフであり、(b)は、z=10μmの場合のグラフであり、(c)は、z=20の場合のグラフである。
スポットサイズw1は、3μm以下であることが好ましく、2μm以下であることが更に好ましい。z=5μmの場合、スポットサイズw1が3μm以下であれば、結合効率上昇量を0.001dB以上にでき、スポットサイズw1が2μm以下であれば、結合効率上昇量を0.01dB以上にできることが、図3の(a)から分かる。また、z=10μmの場合、スポットサイズw1が3μm以下であれば、結合効率上昇量を0.01dB以上にでき、スポットサイズw1が2μm以下であれば、結合効率上昇量を0.1dB以上にできることが、図3の(b)から分かる。また、z=20μmの場合、スポットサイズw1が3μm以下であれば、結合効率上昇量を0.1dB以上にでき、スポットサイズw1が2μm以下であれば、結合効率上昇量を1dB以上にできることが、図3の(c)から分かる。
〔まとめ〕
本実施形態に係る光モジュール(1)は、基板型光導波路(11)と、上記基板型光導波路(11)に入力する光、又は、上記基板型光導波路(11)から出力された光を導波する光ファイバ(12)と、を備え、上記基板型光導波路(11)のコア(111)を導波される導波モードの端面(11S)におけるスポットサイズw1、及び、上記光ファイバ(12)のコア(121)を導波される導波モードの端面(12S)におけるスポットサイズw2は、上記基板型光導波路(11)のコア(111)と上記光ファイバ(12)のコア(121)との軸ずれ量が0のときの上記基板型光導波路(11)と上記光ファイバ(12)との結合効率η(0)がw2/w1=1の場合と同じになるスポットサイズ比w2/w1をαとして、1<w2/w1<αを満たすように設定されている、ことを特徴とする。
本実施形態に係る光モジュール(1)は、基板型光導波路(11)と、上記基板型光導波路(11)に入力する光、又は、上記基板型光導波路(11)から出力された光を導波する光ファイバ(12)と、を備え、上記基板型光導波路(11)のコア(111)を導波される導波モードの端面(11S)におけるスポットサイズw1、及び、上記光ファイバ(12)のコア(121)を導波される導波モードの端面(12S)におけるスポットサイズw2は、上記基板型光導波路(11)のコア(111)と上記光ファイバ(12)のコア(121)との軸ずれ量が0のときの上記基板型光導波路(11)と上記光ファイバ(12)との結合効率η(0)がw2/w1=1の場合と同じになるスポットサイズ比w2/w1をαとして、1<w2/w1<αを満たすように設定されている、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、軸ずれ量が0のときの結合効率η(0)が従来(スポットサイズ比w2/w1が1以下である場合)よりも大きい基板型光導波路を実現することができる。
本実施形態に係る光モジュール(1)において、上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2は、上記結合効率η(0)が最大値を取るスポットサイズ比w2/w1をβとして、β<w2/w1<αを満たすように設定されている、ことが好ましい。
上記の構成によれば、軸ずれ量が0のときの結合効率η(0)が従来よりも大きく、かつ、軸ずれトレランスが大きい基板型光導波路を実現することができる。
本実施形態に係る光モジュール(1)において、上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2は、1<w2/w1<1.662×w1-3.554+1を満たすように設定されている、ことが好ましい。
上記の構成によれば、基板型光導波路と光ファイバとの端面間距離が5μm程度である場合に、軸ずれ量が0のときの結合効率η(0)が従来よりも大きい基板型光導波路を実現することができる。
本実施形態に係る光モジュール(1)において、上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2は、0.058w14-0.668w13+2.829w12-5.268w1+4.706<w2/w1<1.662×w1-3.554+1を満たすように設定されている、ことが好ましい。
上記の構成によれば、基板型光導波路と光ファイバとの端面間距離が5μm程度である場合に、軸ずれ量が0のときの結合効率η(0)が従来よりも大きく、かつ、軸ずれトレランスが大きい基板型光導波路を実現することができる。
本実施形態に係る光モジュール(1)において、上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2は、1<w2/w1<4.195×w1-3.168+1を満たすように設定されている、ことが好ましい。
上記の構成によれば、基板型光導波路と光ファイバとの端面間距離が10μm程度である場合に、軸ずれ量が0のときの結合効率η(0)が従来よりも大きい基板型光導波路を実現することができる。
本実施形態に係る光モジュール(1)において、上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2は、0.070w14-0.827w13+3.646w12-7.229w1+6.614<w2/w1<4.195×w1-3.168+1を満たすように設定されている、ことが好ましい。
上記の構成によれば、基板型光導波路と光ファイバとの端面間距離が10μm程度である場合に、軸ずれ量が0のときの結合効率η(0)が従来よりも大きく、かつ、軸ずれトレランスが大きい基板型光導波路を実現することができる。
本実施形態に係る光モジュール(1)において、上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2は、1<w2/w1<9.253×w1-2.733+1を満たすように設定されている、ことが好ましい。
上記の構成によれば、基板型光導波路と光ファイバとの端面間距離が20μm程度である場合に、軸ずれ量が0のときの結合効率η(0)が従来よりも大きい基板型光導波路を実現することができる。
本実施形態に係る光モジュール(1)において、上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2は、0.093w14-1.097w13+4.855w12-9.872w1+9.217<w2/w1<9.253×w1-2.733+1を満たすように設定されている、ことが好ましい。
上記の構成によれば、基板型光導波路と光ファイバとの端面間距離が20μm程度である場合に、軸ずれ量が0のときの結合効率η(0)が従来よりも大きく、かつ、軸ずれトレランスが大きい基板型光導波路を実現することができる。
本実施形態に係る光モジュール(1)においては、上記基板型光導波路(11)と上記光ファイバ(12)との端面間距離をzとして、上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2は、1<w2/w1<(0.506z-0.867)×w1(0.0531z-3.7715)+1を満たすように設定されている、ことが好ましい。
上記の構成によれば、軸ずれ量が0のときの結合効率η(0)が従来(スポットサイズ比w2/w1が1以下である場合)よりも大きい基板型光導波路を実現することができる。
本実施形態に係る光モジュール(1)においては、上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2は、(0.0023z+0.0465)w14-(0.0284z+0.533)w13+(0.133z+2.2245)w12-(0.3008z+3.9465)w1+(0.295z+3.4045)<w2/w1<(0.506z-0.867)×w1(0.0531z-3.7715)+1を満たすように設定されている、ことが好ましい。
上記の構成によれば、軸ずれ量が0のときの結合効率η(0)が従来よりも大きく、かつ、軸ずれトレランスが大きい基板型光導波路を実現することができる。
本実施形態に係る光モジュール(1)において、上記スポットサイズw1は、3μm以下である、ことが好ましい。
上記の構成によれば、結合効率上昇量を十分に大きくすることができる。
本実施形態に係る製造方法は、基板型光導波路(11)と、上記基板型光導波路(11)に入力する光、又は、上記基板型光導波路(11)から出力された光を導波する光ファイバ(12)と、を備えた光モジュール(1)を製造する製造方法において、上記基板型光導波路(11)のコア(111)を導波される導波モードのスポットサイズw1、及び、上記光ファイバ(12)のコア(121)を導波される導波モードのスポットサイズw2を、上記基板型光導波路(11)のコア(111)と上記光ファイバ(12)のコア(121)との軸ずれ量が0のときの上記基板型光導波路(11)と上記光ファイバ(12)との結合効率η(0)がw2/w1=1の場合と同じになるスポットサイズ比w2/w1をαとして、1<w2/w1<αを満たすように設定する設定工程を含んでいる、ことを特徴とする。
上記の製造方法によれば、軸ずれ量が0のときの結合効率η(0)が従来(スポットサイズ比w2/w1が1以下である場合)よりも大きい基板型光導波路を製造することができる。
本実施形態に係る製造方法においては、上記設定工程において、上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2を、上記結合効率η(0)が最大値を取るスポットサイズ比w2/w1をβとして、β<w2/w1<αを満たすように設定する、ことが好ましい。
上記の製造方法によれば、軸ずれ量が0のときの結合効率η(0)が従来よりも大きく、かつ、軸ずれトレランスが大きい基板型光導波路を製造することができる。
〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。また、上述した実施形態に示した設定方法に従ってスポットサイズw1,w2を設定する設定工程を含む光モジュールの製造方法についても、本発明の範疇に含まれる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。また、上述した実施形態に示した設定方法に従ってスポットサイズw1,w2を設定する設定工程を含む光モジュールの製造方法についても、本発明の範疇に含まれる。
1 光モジュール
11 基板型光導波路
111 コア
112 凹部
12 光ファイバ
121 コア
122 クラッド
x 軸ずれ量
z 端面間距離
w1 スポットサイズ(基板型光導波路)
w2 スポットサイズ(光ファイバ)
11 基板型光導波路
111 コア
112 凹部
12 光ファイバ
121 コア
122 クラッド
x 軸ずれ量
z 端面間距離
w1 スポットサイズ(基板型光導波路)
w2 スポットサイズ(光ファイバ)
Claims (13)
- 基板型光導波路と、
上記基板型光導波路に入力する光、又は、上記基板型光導波路から出力された光を導波する光ファイバと、を備え、
上記基板型光導波路のコアを導波される導波モードの端面におけるスポットサイズw1、及び、上記光ファイバのコアを導波される導波モードの端面におけるスポットサイズw2は、上記基板型光導波路のコアと上記光ファイバのコアとの軸ずれ量が0のときの上記基板型光導波路と上記光ファイバとの結合効率η(0)がw2/w1=1の場合と同じになるスポットサイズ比w2/w1をαとして、1<w2/w1<αを満たすように設定されている、
ことを特徴とする光モジュール。 - 上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2は、上記結合効率η(0)が最大値を取るスポットサイズ比w2/w1をβとして、β<w2/w1<αを満たすように設定されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。 - 上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2は、1<w2/w1<1.662×w1-3.554+1を満たすように設定されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。 - 上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2は、0.058w14-0.668w13+2.829w12-5.268w1+4.706<w2/w1<1.662×w1-3.554+1を満たすように設定されている、
ことを特徴とする請求項3に記載の光モジュール。 - 上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2は、1<w2/w1<4.195×w1-3.168+1を満たすように設定されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。 - 上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2は、0.070w14-0.827w13+3.646w12-7.229w1+6.614<w2/w1<4.195×w1-3.168+1を満たすように設定されている、
ことを特徴とする請求項5に記載の光モジュール。 - 上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2は、1<w2/w1<9.253×w1-2.733+1を満たすように設定されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。 - 上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2は、0.093w14-1.097w13+4.855w12-9.872w1+9.217<w2/w1<9.253×w1-2.733+1を満たすように設定されている、
ことを特徴とする請求項7に記載の光モジュール。 - 上記基板型光導波路と上記光ファイバとの端面間距離をzとして、
上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2は、1<w2/w1<(0.506z-0.867)×w1(0.0531z-3.7715)+1を満たすように設定されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。 - 上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2は、(0.0023z+0.0465)w14-(0.0284z+0.533)w13+(0.133z+2.2245)w12-(0.3008z+3.9465)w1+(0.295z+3.4045)<w2/w1<(0.506z-0.867)×w1(0.0531z-3.7715)+1を満たすように設定されている、
ことを特徴とする請求項9に記載の光モジュール。 - 上記スポットサイズw1は、3μm以下である、
ことを特徴とする請求項1~10の何れか1項に記載の光モジュール。 - 基板型光導波路と、上記基板型光導波路に入力する光、又は、上記基板型光導波路から出力された光を導波する光ファイバと、を備えた光モジュールを製造する製造方法において、
上記基板型光導波路のコアを導波される導波モードの端面におけるスポットサイズw1、及び、上記光ファイバのコアを導波される導波モードの端面におけるスポットサイズw2を、上記基板型光導波路のコアと上記光ファイバのコアとの軸ずれ量が0のときの上記基板型光導波路と上記光ファイバとの結合効率η(0)がw2/w1=1の場合と同じになるスポットサイズ比w2/w1をαとして、1<w2/w1<αを満たすように設定する設定工程を含んでいる、
ことを特徴とする製造方法。 - 上記設定工程において、上記スポットサイズw1及び上記スポットサイズw2を、上記結合効率η(0)が最大値を取るスポットサイズ比w2/w1をβとして、β<w2/w1<αを満たすように設定する、
ことを特徴とする請求項12に記載の製造方法。
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