JP2023041513A - 光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】入力光を小さい損失で光導波路または光ファイバに導く光デバイスを提供する。【解決手段】光出力要素と光伝搬要素との間に設けられる光デバイスは、第１のレンズ回路および第２のレンズ回路を備える。第１のレンズ回路は、光出力要素の出力光が通過する。第２のレンズ回路は、第１のレンズ回路の出力光を光伝搬要素に導く。Ｆ１１が、光出力要素と第１のレンズ回路との間の距離を表し、Ｆ１２が、第１のレンズ回路と光出力要素の出力光が第１のレンズ回路により集光される点を表す第１のビームウエスト位置との間の距離を表し、Ｆ２１が、第１のビームウエスト位置と第２のレンズ回路との間の距離を表し、Ｆ２２が、第２のレンズ回路と第１のレンズ回路の出力光が第２のレンズ回路により集光される点を表す第２のビームウエスト位置との間の距離を表すときに、Ｆ１１およびＦ２２が互いに等しく、且つ、Ｆ１２およびＦ２１が互いに等しい。【選択図】図４

Description

本発明は、複数のレンズを備える光デバイスに係わる。

光通信モジュールは、多くのケースにおいて、レーザ光源の出力光を光ファイバまたは光導波路に導く光デバイスを備える。このような光デバイスは、光損失が少ないことが要求される。

図１は、レーザ光源の出力光を光ファイバに導く光デバイスの一例を示す。この実施例では、光デバイス１００は、球レンズ１０１および球レンズ１０２を備える。球レンズ１０１および球レンズ１０２は、それぞれ基板１１０の表面に形成された溝に設置される。なお、基板１１０の表面に半導体レーザ光源１１１が実装されている。また、光ファイバ１１２の先端が基板１１０の端部に配置されている。

半導体レーザ光源１１１の出力光は、球レンズ１０１に導かれる。球レンズ１０１の出力光は、球レンズ１０２に導かれる。そして、球レンズ１０２の出力光は、光ファイバ１１２に導かれる。ここで、光デバイス１００は、以下の要件を満たすように設計される。（１）球レンズ１０１は、半導体レーザ光源１１１の出力光をコリメートする。即ち、球レンズ１０１から球レンズ１０２にコリメート光が伝搬する。
（２）球レンズ１０２は、球レンズ１０１から出力されるコリメート光を、光ファイバ１１２の端部に集光する。
この構成により、半導体レーザ光源１１１が光学的に光ファイバ１１２に結合される。

なお、半導体レーザと、この半導体レーザからの出射光をコリメートする第１の球レンズと、このコリメート光を光ファイバに光結合させるための第２の球レンズを備える光モジュールが提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００２－３４１１８９号公報

図１に示す構成では、光軸に対して球レンズ１０１、１０２の位置がずれると、球レンズ１０２の出力光が集光する点が目標位置からシフトしてしまう。例えば、製造誤差に起因して基板１１０の表面に形成される溝の深さが目標値からずれると、球レンズ１０２の出力光が集光する点が、光ファイバ１１２の端面の中心からシフトしてしまう。そうすると、光損失が大きくなり、光通信の品質が悪くなるおそれがある。この問題は、製造誤差に応じて光ファイバ１１２の調芯を行うことで解決または緩和される。ただし、光ファイバ１１２の調芯を行うと、光モジュールの生産性が低くなる。

なお、図１に示す光デバイス１００が半導体レーザ光源１１１の出力光を光導波路に導く場合には、調芯を行うことはできない。この場合、光軸に対して球レンズ１０１、１０２の位置がずれると、光損失の抑制は困難である。

本発明の１つの側面に係わる目的は、製造誤差等に起因してレンズ位置がずれ得る場合であっても、無調芯で入力光を小さい損失で光導波路または光ファイバに導く光デバイスを提供することである。

本発明の１つの態様に係わる光デバイスは、光出力要素と光伝搬要素との間に設けられる。光デバイスは、前記光出力要素の出力光が通過する、１以上のレンズを含む第１のレンズ回路と、前記第１のレンズ回路の出力光を前記光伝搬要素に導く、１以上のレンズを含む第２のレンズ回路と、を備える。Ｆ１１が、前記光出力要素と前記第１のレンズ回路との間の距離を表し、Ｆ１２が、前記第１のレンズ回路と前記光出力要素の出力光が前記第１のレンズ回路により集光される点を表す第１のビームウエスト位置との間の距離を表し、Ｆ２１が、前記第１のビームウエスト位置と前記第２のレンズ回路との間の距離を表し、Ｆ２２が、前記第２のレンズ回路と前記第１のレンズ回路の出力光が前記第２のレンズ回路により集光される点を表す第２のビームウエスト位置との間の距離を表すときに、Ｆ１１およびＦ２２が互いに等しく、且つ、Ｆ１２およびＦ２１が互いに等しい。

上述の態様によれば、製造誤差等に起因してレンズ位置がずれ得る場合であっても、無調芯で入力光を小さい損失で光導波路または光ファイバに導くことができる。

レーザ光源の出力光を光ファイバに導く光デバイスの一例を示す図である。 本発明の実施形態に係わる物体焦点距離および像焦点距離について説明する図である。 本発明の実施形態に係わる光デバイスの一例を示す図である。 本発明に係わる光デバイスの第１の実施例を示す図である。 レンズの焦点距離の定義を説明する図である。 物体焦点距離および像焦点距離の定義を説明する図である。 レンズの位置ずれによる影響を説明する図である。 球レンズの位置ずれによる影響が抑制される理由を説明する図である。 光源から光導波路へのレーザ光の伝搬の一例を示す図である。 第１の実施例に係わる構成による効果の一例を示す図である。 本発明に係わる光デバイスの第２の実施例を示す図である。 第２の実施例に係わる構成による効果の一例を示す図である。 本発明に係わる光デバイスの第３の実施例を示す図である。 本発明に係わる光デバイスの第４の実施例を示す図である。

図２は、本発明の実施形態に係わる物体焦点距離および像焦点距離について説明する図である。なお、図２において、レンズ系は、１または複数のレンズを備える。

図２（ａ）に示すケースでは、点Ｐ１から出射される光がレンズ系によりコリメートされている。この場合、点Ｐ１とレンズ系との間の距離が焦点距離と呼ばれる。

図２（ｂ）に示すケースでは、点Ｐ２から光が出射される。ここで、点Ｐ２とレンズ系との間の距離は、図２（ａ）に示す点Ｐ１とレンズ系との間の距離よりも小さい。そうすると、レンズ系から出射される光は、点Ｐ３において集光する。この場合、以下の記載において、レンズ系と点Ｐ３との間の距離を像焦点距離と呼ぶことがある。すなわち、像焦点距離は、レンズ系への入射光がそのレンズ系により集光されるとき、レンズ系と集光点との間の距離を表す。なお、レンズ系への入射光がそのレンズ系により集光されるとき、その集光点（すなわち、光のモードフィールド径が最小化される点）は、ビームウエスト位置と呼ばれることがある。この場合、像焦点距離は、レンズ系への入射光がそのレンズ系により集光されるとき、レンズ系とビームウエスト位置との間の距離を表す。

物体焦点距離は、光の出射点とレンズ系との間の距離を表す。たとえば、図２（ｂ）に示すケースでは、点Ｐ２とレンズ系との間の距離が物体焦点距離に相当する。図２（ａ）に示すケースでは、点Ｐ１とレンズ系との間の距離が物体焦点距離に相当する。なお、図２（ａ）に示すケースでは、物体焦点距離は焦点距離と同じである。

図３は、本発明の実施形態に係わる光デバイスの一例を示す。本発明の実施形態に係わる光デバイス１０は、光出力要素２１と光伝搬要素２２との間に設けられる。光出力要素２１は、例えば、レーザ光を生成するレーザ光源である。ただし、光出力要素２１は、レーザ光源に限定されるものではなく、光導波路または光ファイバであってもよい。光伝搬要素２２は、例えば、光導波路または光ファイバにより実現される。

光デバイス１０は、第１のレンズ回路１１および第２のレンズ回路１２を備える。第１のレンズ回路１１は、１または複数のレンズを含み、光出力要素２１の出力光を第２のレンズ回路１２に導く。第２のレンズ回路１２は、１または複数のレンズを含み、第１のレンズ回路１１の出力光を光伝搬要素２２に導く。すなわち、光出力要素２１の出力光は、第１のレンズ回路１１および第２のレンズ回路１２により光伝搬要素２２に導かれる。

光デバイス１０は、「Ｆ１１＝Ｆ２２」且つ「Ｆ１２＝Ｆ２１」を満足するように構成される。Ｆ１１は、第１のレンズ回路１１の物体焦点距離を表す。具体的には、物体焦点距離Ｆ１１は、光出力要素２１と第１のレンズ回路１１との間の距離を表す。Ｆ１２は、第１のレンズ回路１１の像焦点距離を表す。具体的には、像焦点距離Ｆ１２は、第１のレンズ回路１１と光出力要素２１の出力光が第１のレンズ回路１１により集光される点を表すビームウエスト位置ＢＷ１との間の距離を表す。ビームウエスト位置は、図２（ｂ）を参照して説明したように、レンズ系の出力光のモードフィールド径が最小になる位置を表す。

第１のレンズ回路１１から出力されるレーザ光は、ビームウエスト位置ＢＷ１において集光した後、モードフィールド径を拡大しながら第２のレンズ回路１２に入射される。よって、第２のレンズ回路１２が図２（ｂ）に示すレンズ系である場合、ビームウエスト位置ＢＷ１は点Ｐ２に相当する。ビームウエスト位置ＢＷ１と第２のレンズ回路１２との間の距離は、第２のレンズ回路１２の物体焦点距離Ｆ２１を表す。なお、第１のレンズ回路１１と第２のレンズ回路１２との間の間隔は、Ｆ１２＋Ｆ２１である。Ｆ２２は、第２のレンズ回路１２の像焦点距離を表す。具体的には、像焦点距離Ｆ２２は、第２のレンズ回路１２と第１のレンズ回路１１の出力光が第２のレンズ回路１２により集光される点を表すビームウエスト位置ＢＷ２との間の距離を表す。

＜第１の実施例＞
図４は、本発明に係わる光デバイスの第１の実施例を示す。第１の実施例においては、光デバイス１０は、図４（ａ）に示すように、球レンズ１および球レンズ２を備える。球レンズ１は、図３に示す第１のレンズ回路１１に対応する。すなわち、図３に示す第１のレンズ回路１１は、第１の実施例では、球レンズ１により実現される。また、球レンズ２は、図３に示す第２のレンズ回路１２に対応する。すなわち、図３に示す第２のレンズ回路１２は、第１の実施例では、球レンズ２により実現される。

図４（ｂ）は、光デバイス１０が実装される基板１１０を上方から見た図である。ただし、図４（ｂ）においては、レンズ１、２は省略されている。そして、図４（ａ）は、図４（ｂ）に示すＡ－Ａ断面に相当する。

光デバイス１０は、基板１１０の表面に実装される。基板１１０は、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン基板である。そして、球レンズ１および球レンズ２は、それぞれ基板１１０の表面に形成された溝１１４および溝１１５を利用して実装される。溝１１４、１１５は、それぞれ、例えば、Ｖ溝により実現される。

半導体レーザ光源１１１は、基板１１０の表面に実装され、所定の波長のレーザ光を出力する。なお、半導体レーザ光源１１１は、図３に示す光出力要素２１の一例である。また、基板１１０の表面に光導波路１１３が形成されている。光導波路１１３は、この実施例では、ＳｉＯ２層とＢＯＸ（Buried Oxide）層との間に形成される。なお、光導波路１１３は、図３に示す光伝搬要素２２に対応する。

基板１１０の表面において、光デバイス１０は、半導体レーザ光源１１１により生成されるレーザ光が球レンズ１および球レンズ２により光導波路１１３に導かれるように構成される。具体的には、半導体レーザ光源１１１により生成されるレーザ光は、球レンズ１に入射される。球レンズ１の出力光は、球レンズ２に導かれる。球レンズ２の出力光は、光導波路１１３に導かれる。ここで、基板１１０の表面に対して、半導体レーザ光源１１１の出射端面および光導波路１１３の端面の高さが一致しているものとする。また、半導体レーザ光源１１１により生成されるレーザ光の光軸が球レンズ１の中心および球レンズ２の中心を通過するように設計されている。

半導体レーザ光源１１１により生成されるレーザ光は、基板１１０の表面に平行に伝搬する。図４においては、レーザ光はＸ方向に伝搬する。このとき、このレーザ光の光軸と基板１１０の表面との間隔が小さいと、基板１１０の表面での散乱または反射により、レーザ光の品質が低下する。そこで、この実施例では、図４（ｂ）に示すように、基板１１０の表面においてレーザ光の伝搬経路に沿って溝１１６、１１７、１１８が形成される。なお、溝１１４～１１８は、図４（ｂ）においては、斜線領域で表されている。

具体的には、半導体レーザ光源１１１が実装される領域と球レンズ１が実装される領域との間に溝１１６が形成される。球レンズ１が実装される領域と球レンズ２が実装される領域との間に溝１１７が形成される。球レンズ２が実装される領域と光導波路１１３との間に溝１１８が形成される。したがって、半導体レーザ光源１１１と光導波路１１３との間で散乱および／または吸収が抑制され、レーザ光の品質の低下を抑制できる。

光デバイス１０は、図３を参照して説明したように、「Ｆ１１＝Ｆ２２」且つ「Ｆ１２＝Ｆ２１」を満足するように構成される。なお、図４に示す第１の実施例では、Ｆ１１、Ｆ１２、Ｆ２１、Ｆ２２は以下の通りである。

Ｆ１１は、球レンズ１の物体焦点距離を表す。物体焦点距離は、光の出射点Ｐとレンズとの間の距離を表す。出射点Ｐ（図２では、Ｐ１またはＰ２）は、レンズへの入射光が出射される点を表す。よって、球レンズ１に対する出射点Ｐは、半導体レーザ光源１１１である。したがって、物体焦点距離Ｆ１１は、半導体レーザ光源１１１の出射端面と球レンズ１との間の距離を表す。なお、物体焦点距離Ｆ１１として任意の値を設定することができる。Ｆ１２は、球レンズ１の像焦点距離を表す。像焦点距離は、出射点Ｐから出射される光がレンズにより集光される点とそのレンズとの間の距離を表す。したがって、像焦点距離Ｆ１２は、球レンズ１と半導体レーザ光源１１１の出力光に対する球レンズ１のビームウエスト位置（以下、ビームウエスト位置ＢＷ１）との間の距離を表す。ビームウエスト位置ＢＷ１は、半導体レーザ光源１１１の出力光が球レンズ１により集光される点を表す。なお、像焦点距離は、物体焦点距離、レンズの形状、およびレンズの材料（即ち、屈折率）に対して一意に定まる。

Ｆ２１は、球レンズ２の物体焦点距離を表す。ここで、球レンズ２には、ビームウエスト位置ＢＷ１を光源とする光が入射される。すなわち、球レンズ２に対する出射点Ｐはビームウエスト位置ＢＷ１である。したがって、物体焦点距離Ｆ２１は、ビームウエスト位置ＢＷ１と球レンズ２との間の距離を表す。Ｆ２２は、球レンズ２の像焦点距離を表す。像焦点距離Ｆ２２は、球レンズ２と球レンズ１の出力光に対する球レンズ２のビームウエスト位置（以下、ビームウエスト位置ＢＷ２）との間の距離を表す。ビームウエスト位置ＢＷ２は、球レンズ１の出力光が球レンズ２により集光される点を表す。なお、この実施例では、基板１１０の表面において、光導波路１１３の端面がビームウエスト位置ＢＷ２に配置される。

ここで、レンズの焦点距離、物体焦点距離、及び像焦点距離の定義を説明する。まず、図５は、レンズの焦点距離の定義を説明する図である。焦点距離は、この実施例では、レンズに入射するコリメート光が集光する点（すなわち、焦点）とそのレンズとの間の距離を表す。具体的には、焦点距離は、図５（ａ）に示すように、レンズの中心と焦点との間の距離を表す。但し、以下の記載では、図５（ｂ）に示すように、レンズの表面（レンズを通過する光が出射される面）と焦点との間の距離を焦点距離と呼ぶことがある。レンズの表面と集光点との間の距離は、バックフォーカス（ＢＦＬ：Back Focal Length）と呼ばれることがある。なお、図５（ｂ）に示す焦点距離に球レンズの半径を加算すると、図５（ａ）に示す焦点距離が得られる。

図６は、物体焦点距離および像焦点距離の定義を説明する図である。物体焦点距離は、光の出射点Ｐとレンズとの間の距離を表す。出射点Ｐは、レンズに入射される光が出射される点を表す。例えば、図４に示す光デバイス１０においては、球レンズ１に対する出射点Ｐは半導体レーザ光源１１１であり、球レンズ２に対する出射点Ｐはビームウエスト位置ＢＷ１である。像焦点距離は、出射点Ｐから出射される光がレンズにより集光される点とそのレンズとの間の距離を表す。

図６（ａ）に示す定義では、球レンズの中心を基準として物体焦点距離および像焦点距離が設定される。この場合、デバイス１０の構成を表すパラメータＦ１１、Ｆ１２、Ｆ２１、Ｆ２２は以下の通りである。

物体焦点距離Ｆ１１は、半導体レーザ光源１１１の出射端面と球レンズ１の中心との間の距離を表す。像焦点距離Ｆ１２は、球レンズ１の中心と半導体レーザ光源１１１の出力光が球レンズ１により集光される点を表すビームウエスト位置ＢＷ１との間の距離を表す。物体焦点距離Ｆ２１は、ビームウエスト位置ＢＷ１と球レンズ２の中心との間の距離を表す。像焦点距離Ｆ２２は、球レンズ２の中心と球レンズ１の出力光が球レンズ２により集光される点を表すビームウエスト位置ＢＷ２との間の距離を表す。

図６（ｂ）に示す定義では、レンズの表面を基準として物体焦点距離および像焦点距離が設定される。このケースでは、デバイス１０の構成を表すパラメータＦ１１、Ｆ１２、Ｆ２１、Ｆ２２は以下の通りである。

物体焦点距離Ｆ１１は、半導体レーザ光源１１１の出射端面と、半導体レーザ光源１１１の出力光が入射する球レンズ１の表面との間の距離を表す。像焦点距離Ｆ１２は、半導体レーザ光源１１１から球レンズ２に向かう光が出射する球レンズ１の表面と、半導体レーザ光源１１１の出力光が球レンズ１により集光される点を表すビームウエスト位置ＢＷ１との間の距離を表す。物体焦点距離Ｆ２１は、ビームウエスト位置ＢＷ１と、球レンズ１の出力光が入射する球レンズ２の表面との間の距離を表す。像焦点距離Ｆ２２は、球レンズ１から光導波路１１３に向かう光が出射する球レンズ２の表面と、球レンズ１の出力光が球レンズ２により集光される点を表すビームウエスト位置ＢＷ２との間の距離を表す。

デバイス１０の構成を表すパラメータＦ１１、Ｆ１２、Ｆ２１、Ｆ２２は、図６（ａ）に示す定義で設定してもよいし、図６（ｂ）に示す定義で設定してもよい。図６（ａ）に示す定義で設定されるパラメータＦ１１、Ｆ１２は、それぞれ、図６（ｂ）に示す定義で設定されるパラメータＦ１１、Ｆ１２に球レンズ１の半径を加算することで得られる。同様に、図６（ａ）に示す定義で設定されるパラメータＦ２１、Ｆ２２は、それぞれ、図６（ｂ）に示す定義で設定されるパラメータＦ２１、Ｆ２２に球レンズ１の半径を加算することで得られる。

上記構成によれば、半導体レーザ光源１１１により生成されるレーザ光は、球レンズ１により球レンズ２に導かれる。このとき、このレーザ光は、ビームウエスト位置ＢＷ１においていったん集光し、その後、モードフィールド径は広がっていく。そして、球レンズ２は、このレーザ光を光導波路１１３の端面に集光させる。

次に、光デバイス１０の設計例を示す。なお、以下の記載では、物体焦点距離および像焦点距離は、図６（ｂ）に示すように、球レンズの表面を基準として設定されるものとする。

半導体レーザ光源１１１は、半導体レーザ光源１１１および光導波路１１３の光軸の高さが互いに一致するように、基板１１０の表面にフェイスダウンで実装される。具体的には、例えば、基板１１０の表面の所定の位置にＡｕＳｎ半田が設けられ、Ａｕ電極を備える半導体レーザ光源１１１をＡｕＳｎ半田上にフリップチップボンディングすることで、半導体レーザ光源１１１が基板１１０上に実装される。半導体レーザ光源１１１により生成されるレーザ光の波長は１．３μｍである。半導体レーザ光源１１１の出力側にスポットサイズ変換器を設けることにより、モードフィールド径が３μｍに拡大されている。これにより、モードミスマッチが抑制される。

球レンズ１、２の材質は、波長１．３μｍに対して屈折率１．９８を有するＬＡＳＦ３５である。球レンズ１、２の直径は、５００μｍである。球レンズ１、２の表面には、反射防止（ＡＲ：Anti-Reflection）コーティングが施されている。

半導体レーザ光源１１１の出射端面と球レンズ１との間の距離（すなわち、球レンズ１の物体焦点距離Ｆ１１）は２５３μｍである。ここで、第１の実施例では、Ｆ１１＝Ｆ２２である。よって、球レンズ２と光導波路１１３の端面との間の距離（すなわち、球レンズ２の像焦点距離Ｆ２２）も２５３μｍである。また、球レンズ１と球レンズ２との間の間隔（球レンズ１のレンズ表面と球レンズ２のレンズ表面との間のキャップ幅）は５０６μｍである。ここで、第１の実施例では、Ｆ１２＝Ｆ２１である。したがって、球レンズ１の像焦点距離Ｆ１２および球レンズ２の物体焦点距離Ｆ２１は、それぞれ２５３μｍである。なお、物体焦点距離および像焦点距離が図６（ａ）に示すように球レンズの中心を基準として設定されるときは、Ｆ１１＝Ｆ１２＝Ｆ２１＝Ｆ２２＝５０３μｍとなる。

ところで、基板１１０の表面に球レンズ１、２を精度よく配置できないことがある。例えば、製造ばらつきに起因して、球レンズ１、２を保持するための溝１１４、１１５の深さが設計値からずれることがある。この場合、半導体レーザ光源１１１から光導波路１１３に向かうレーザ光が伝搬する経路が変わってしまう。

図７は、レンズの位置ずれによる影響を説明する図である。この例では、光源ＬＤと光導波路との間に１個の球レンズが設けられている。この球レンズは、光源ＬＤにより生成されるレーザ光を光導波路に導く。また、この球レンズは、図示しないが、図４に示す溝１１４または１１５と同様の溝により保持されているものとする。なお、図７は、光源ＬＤから光導波路に伝搬するレーザ光の光軸を示している。

図７（ａ）に示すケースでは、球レンズが目標位置に精度よく実装されている。この場合、光源ＬＤにより生成されるレーザ光は、球レンズの中心を通過し、目標点（即ち、光導波路の端面の中心）に導かれる。

図７（ｂ）に示すケースでは、球レンズを保持するための溝が設計値より深くなっている。この場合、光源ＬＤにより生成されるレーザ光の光軸に対して、球レンズの高さ位置が目標位置よりも低くなる。図７（ｂ）では、球レンズの位置がＹ軸方向において目標位置からシフトしている。なお、図７（ｂ）に示す破線の円は、目標位置に設置された球レンズを示している。そして、球レンズの位置がシフトすると、光源ＬＤから球レンズへの入射角が変化するので、光源ＬＤにより生成されるレーザ光の伝搬方向が変わる。この結果、光導波路に到達するレーザ光の位置は、目標点からシフトしてしまう。

図８は、本発明の実施形態において球レンズの位置ずれによる影響が抑制される理由を説明する図である。この例では、光デバイス１０を構成する球レンズ１、２は、図４に示すように、それぞれ溝１１４、１１５に保持されている。なお、図８では、光源ＬＤから光導波路に伝搬するレーザ光の光軸を示している。

図８（ａ）に示すケースでは、球レンズ１、２がそれぞれ目標位置に精度よく実装されている。この場合、光源ＬＤにより生成されるレーザ光は、球レンズ１および球レンズ２により目標点（すなわち、光導波路の端面の中心）に導かれる。

図８（ｂ）に示すケースでは、球レンズ１、２を保持するための溝１１４、１１５がそれぞれ設計値より深くなっている。ここで、溝１１４、１１５は、同一の工程で形成される。このため、溝１１４、１１５の深さの誤差は、互いに同じである。すなわち、球レンズ１、２の位置ずれの量および方向は、互いに同じである。

球レンズ１の位置がシフトすると、光源ＬＤから球レンズ１への入射角が変化する。このため、レンズの位置ずれが発生していないケースに対して、球レンズ１から出射されるレーザ光の伝搬方向が変わる。そうすると、球レンズ２への入射角も変化する。ただし、球レンズ１への入射角の変化の方向と球レンズ２への入射角の変化の方向とは互いに反対である。よって、レーザ光が球レンズ１を通過するときに発生する伝搬方向の変化と、そのレーザ光が球レンズ２を通過するときに発生する伝搬方向の変化とが相殺する。すなわち、球レンズ１において発生する伝搬方向の誤差は、球レンズ２において補正される。これに加えて、光デバイス１０は、Ｆ１１＝Ｆ２２、且つ、Ｆ１２＝Ｆ２１を満足するように設計されている。したがって、球レンズ１および球レンズ２を介して伝搬するレーザ光は、目標点（すなわち、光導波路の端面の中心）に導かれる。

図９は、光源ＬＤから光導波路へのレーザ光の伝搬の一例を示す。図９（ａ）および図９（ｂ）は、それぞれ、図８（ａ）および図８（ｂ）に対応する。すなわち、図９（ａ）は、球レンズ１、２がそれぞれ目標位置に精度よく実装されているときのレーザ光の伝搬を示す。図９（ｂ）は、球レンズ１、２がそれぞれ基板１１０の表面に垂直な方向において目標位置からずれているときのレーザ光の伝搬を示す。このように、本発明の第１の実施例の構成によれば、球レンズ１、２の位置ずれが発生しても、球レンズ１および球レンズ２を介して伝搬するレーザ光は、目標点（すなわち、光導波路の端面の中心）に導かれる。

図１０は、本発明の第１の実施例に係わる構成による効果の一例を示す。なお、グラフの横軸は、基板１１０の表面に垂直な方向におけるレンズの位置のずれを表す。縦軸は、光源と光導波路との間の結合損失を表す。

光源ＬＤと光導波路との間に１個の球レンズが設けられるケース（即ち、図７に示すケース）においては、破線で示すように、球レンズの高さ位置が目標位置から僅かにシフトするだけで、大きな結合損失が発生する。具体的には、球レンズの高さ位置が目標位置から０．５μｍシフトしたときに、１．９ｄＢの結合損失が発生している。なお、球レンズの直径は５００μｍであり、球レンズの屈折率は１．９８である。

これに対して、本発明の第１の実施例に係わる構成によれば、実線で示すように、球レンズ１、２の高さ位置が目標位置からシフトしても、結合損失は小さい。具体的には、球レンズ１、２の高さ位置が目標位置から４μｍシフトしたときの結合損失は０．１ｄＢである。ここで、シリコン基板の異方性エッチングで溝１１４、１１５を形成する場合、その溝の深さの誤差を４μｍ以下の抑えることは十分に可能である。なお、球レンズ１、２の直径は５００μｍであり、球レンズ１、２の屈折率は１．９８である。更に、球レンズの表面を基準として物体焦点距離および像焦点距離が設定される場合、Ｆ１１、Ｆ１２、Ｆ２１、Ｆ２２は２５３μｍである。

このように、本発明の第１の実施例に係わる光デバイス１０は、Ｆ１１＝Ｆ２２およびＦ１２＝Ｆ２１を満足するように、光出力要素（図４では、半導体レーザ光源１１１）と光伝搬要素（図４では、光導波路１１３）との間に２個の球レンズ１、２を備える。よって、基板１１０の表面に垂直な方向において球レンズ１、２の位置が目標位置からずれた場合であっても、球レンズ１において生じるレーザ光の伝搬方向の誤差は球レンズ２において補正される。したがって、基板の製造誤差等に起因してレンズ位置がずれ得る場合であっても、小さい損失で入力光を光導波路に導くことができる。

なお、光デバイスが２個の球レンズを備える構成であっても、Ｆ１１＝Ｆ２２およびＦ１２＝Ｆ２１を満足しない場合には、レンズ位置がずれたときにレーザ光は目的点に集光しない。例えば、図１に示す構成において、基板１１０の表面に垂直な方向において球レンズ１０１、１０２の位置が目標位置からずれると、球レンズ１０１は入力光をコリメートすることができない。この結果、球レンズ１０２の出力光は、光ファイバ１１２の端面に集光しなくなる。すなわち、球レンズ１０２の出力光が集光する点は、光ファイバ１１２の端面からずれてしまう。

＜第１の実施例のバリエーション＞
上述した実施例では、球レンズ１、２それぞれに対して、物体焦点距離および像焦点距離が互いに同じであるが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、図４に示す光デバイス１０において、球レンズ１の物体焦点距離Ｆ１１（すなわち、半導体レーザ光源１１１の出射端面から球レンズ１の入射面までの距離）が３６１μｍ、球レンズ１の像焦点距離Ｆ１２（すなわち、球レンズ１の出射面からビームウエスト位置ＢＷ１までの距離）が１８０．５μｍ、球レンズ２の物体焦点距離Ｆ２１（すなわち、ビームウエスト位置ＢＷ１から球レンズ２の入射面までの距離）が１８０．５μｍ、球レンズ２の像焦点距離Ｆ２２（すなわち、球レンズ２の出射面から光導波路１１３の端面までの距離）が３６１μｍであってもよい。この場合、球レンズ１により像が２分の１に縮小されるが、球レンズ２により像が２倍に拡大される。したがって、光導波路１１３に入力されるレーザ光のモードフィールド径は変化しない。同様に、球レンズ１により像が２倍に拡大された後、球レンズ２により２分の１に縮小される構成であっても、光導波路１１３に入力されるレーザ光のモード径は変化しない。さらに、物体焦点距離と像焦点距離との比は、任意に決めることができる。すなわち、球レンズ１による倍率と球レンズ２による倍率との積が１になる場合には、任意の組合せ（例えば、３および１／３）であっても、光導波路１１３に入力されるレーザ光のモードフィールド径は変化しない。

上述した実施例では、球レンズ１、２の直径が互いに同じであり、且つ、球レンズ１、２の材料が互いに同じであるが、本発明はこの構成に限定されるものではない。即ち、図４に示すＦ１１、Ｆ１２、Ｆ２１、Ｆ２２が上述した関係を満足する限り、球レンズ１、２の直径および材料を任意に変更してもよい。

上述した実施例では、第１のレンズ回路１１および第２のレンズ回路１２としてそれぞれ球レンズが実装されるが、本発明はこの構成に限定されるものではない。たとえば、球レンズの代わりに平凸レンズが実装されるようにしてもよい。なお、平凸レンズは、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）等で形成した溝を利用して保持されるようにしてもよい。また、複数の光源と複数の光導波路とを結合する光デバイスにおいては、第１のレンズ回路１１および第２のレンズ回路１２をそれぞれ平凸レンズのアレイで構成すれば、光モジュールの製造工程を削減することができる。

図４に示す例では、光デバイス１０は半導体レーザ光源１１１により生成されるレーザ光を光導波路１１３に導くが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、光デバイス１０は、光源により生成されるレーザ光を光ファイバに導いてもよい。また、光デバイス１０は、光導波路または光ファイバの端面から出射される光を、他の光導波路または他の光ファイバに導いてもよい。

なお、光デバイス１０がレーザ光を光ファイバに導く場合、レンズの位置ずれが発生しても、レーザ光は光ファイバのコアの中心に精度よく導かれる。よって、光ファイバの調芯を行わなくても、結合損失の小さい光伝送を実現できる。この結果、光ファイバの調芯工程が不要になり、光モジュールの製造効率が向上する。

＜第２の実施例＞
第１の実施例では、第１のレンズ回路１１および第２のレンズ回路がそれぞれ１個の球レンズにより構成されている。これに対して、第２の実施例では、第１のレンズ回路１１および第２のレンズ回路がそれぞれ２の球レンズにより構成される。

図１１は、本発明に係わる光デバイスの第２の実施例を示す。第２の実施例では、光デバイス１０は、図１１（ａ）に示すように、球レンズ１Ａ～１Ｂおよび球レンズ２Ａ～２Ｂから構成される。球レンズ１Ａ～１Ｂは、図３に示す第１のレンズ回路１１に対応し、球レンズ２Ａ～２Ｂは、図３に示す第２のレンズ回路１２に対応する。

図１１（ｂ）は、光デバイス１０が実装される基板１１０を上方から見た図である。ただし、図１１（ｂ）においては、レンズ１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂは省略されている。そして、図１１（ａ）は、図１１（ｂ）に示すＡ－Ａ断面に相当する。

球レンズ１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂは、ぞれぞれ、溝１１４ａ、１１４ｂ、１１５ａ、１１５ｂにより保持される。溝１１４ａ、１１４ｂ、１１５ａ、１１５ｂは、基板１１０の表面に形成されるＶ溝である。基板１１０の表面には、図１１（ｂ）に示すように、溝１１６～１２０がさらに形成される。溝１１６～１１８は、図４（ｂ）および図１１（ｂ）において実質的に同じである。溝１１９は、球レンズ１Ａ、１Ｂ間の光の伝搬経路に沿って形成され、溝１２０は、球レンズ２Ａ、２Ｂ間の光の伝搬経路に沿って形成される。

このように、光デバイス１０が実装される基板１１０の表面において、半導体レーザ光源１１１と光導波路１１３との間の光路に沿って溝１１６～１２０が形成される。したがって、半導体レーザ光源１１１と光導波路１１３との間で散乱および／または吸収が抑制され、レーザ光の品質の低下を抑制できる。

上記構成の光デバイス１０において、半導体レーザ光源１１１により生成されるレーザ光は、球レンズ１Ａ、球レンズ１Ｂ、球レンズ２Ａ、球レンズ２Ｂを通過して光導波路１１３に導かれる。具体的には、球レンズ１Ａは、半導体レーザ光源１１１により生成されるレーザ光を球レンズ１Ｂに導く。球レンズ１Ｂは、球レンズ１Ａの出力光を球レンズ２Ａに導く。球レンズ２Ａは、球レンズ１Ｂの出力光を球レンズ２Ｂに導く。球レンズ２Ｂは、球レンズ２Ａの出力光を光導波路１１３に導く。ここで、光デバイス１０は、半導体レーザ光源１１１から光導波路１１３に伝搬するレーザ光の光軸が各球レンズ１Ａ、球レンズ１Ｂ、球レンズ２Ａ、球レンズ２Ｂの中心を通過するように設計されている。但し、製造誤差などにより、基板１１０の表面に垂直な方向において球レンズ１Ａ、球レンズ１Ｂ、球レンズ２Ａ、球レンズ２Ｂの位置が目標位置からずれることがある。

球レンズ１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂの形状および材料は互いに同じである。すなわち、球レンズ１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂの焦点距離ｆは互いに同じである。例えば、各球レンズ１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂの焦点距離ｆは、２．７μｍである。なお、この例では、焦点距離ｆは、図５（ｂ）に示すように、球レンズに入射するコリメート光が集光する点とその球レンズの表面との間の距離を表す。

第２の実施例においては、図１１（ａ）に示すように、第１のレンズ回路１１の物体焦点距離Ｆ１１は、半導体レーザ光源１１１の出射端面と球レンズ１Ａとの間の距離を表す。第１のレンズ回路１１の像焦点距離Ｆ１２は、球レンズ１Ｂとビームウエスト位置ＢＷ１との間の距離を表す。ビームウエスト位置ＢＷ１は、球レンズ１Ｂの出力光が集光する点を表す。第２のレンズ回路１２の物体焦点距離Ｆ２１は、ビームウエスト位置ＢＷ１と球レンズ２Ａとの間の距離を表す。第２のレンズ回路１２の像焦点距離Ｆ２２は、球レンズ２Ｂとビームウエスト位置ＢＷ２との間の距離を表す。ビームウエスト位置ＢＷ２は、球レンズ２Ｂの出力光が集光する点を表す。

そして、光デバイス１０は、Ｆ１１＝Ｆ２２およびＦ１２＝Ｆ２１を満足するように設計される。具体的には、球レンズ１Ａの焦点距離がｆ１ａ、球レンズ１Ｂの焦点距離がｆ１ｂ、球レンズ２Ａの焦点距離がｆ２ａ、球レンズ２Ｂの焦点距離がｆ２ｂであるとき、Ｆ１１＝ｆ１ａ、Ｆ１２＋Ｆ２１＝ｆ１ｂ＋ｆ２ａ、Ｆ２２＝ｆ２ｂ、ｆ１ａ＝ｆ２ｂ、ｆ１ｂ＝ｆ２ａを満足するように光デバイス１０が設計される。この実施例では、球レンズ１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂの焦点距離（ｆ１ａ、ｆ１ｂ、ｆ２ａ、ｆ２ｂ）が互いに同じであり、上記条件は満たされている。

この場合、半導体レーザ光源１１１により生成されるレーザ光は、球レンズ１Ａによりコリメートされる。即ち、球レンズ１Ａから球レンズ１Ｂにコリメート光が伝搬する。球レンズ１Ａ、１Ｂ間の間隔は、特に限定されるものではないが、１００μｍである。そして、球レンズ１Ｂは、入力光を球レンズ２Ａに導く。

球レンズ１Ｂ、２Ａ間の間隔は、Ｆ１２＋Ｆ２１であり、球レンズ１Ｂの焦点距離および球レンズ２Ａの焦点距離の和である。即ち、球レンズ１Ｂ、２Ａ間の間隔は、５．４μｍである。そして、球レンズ１Ｂの出力光は、ビームウエスト位置ＢＷ１において集光した後、モードフィールド径を拡大しながら球レンズ２Ａに入射する。よって、球レンズ２Ａから球レンズ２Ｂにコリメート光が伝搬する。球レンズ２Ａ、２Ｂ間の間隔は、特に限定されるものではないが、１００μｍである。そして、球レンズ２Ｂは、入力光を光導波路１１３に導く。

上記構成において、製造誤差等により基板１１０の表面に対して垂直な方向において球レンズ１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂの位置が目標位置からずれると、半導体レーザ光源１１１により生成されるレーザ光の伝搬経路が変化する。ただし、第１のレンズ回路１１において発生する伝搬経路の誤差は、第２のレンズ回路１２において補正される。よって、球レンズ１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂの位置が目標位置からずれた場合であっても、レーザ光は、光導波路１１３の端面において目標点に集光される。

図１２は、本発明の第２の実施例に係わる構成による効果の一例を示す。尚、光源ＬＤと光導波路との間に１個の球レンズが設けられるケース（即ち、図７に示すケース）は、図１０および図１２において同じである。

本発明の第２の実施例に係わる構成によれば、実線で示すように、球レンズ１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂの高さ位置が目標位置からシフトしても、結合損失は小さい。具体的には、球レンズの高さ位置が目標位置から１０μｍシフトしたときの結合損失は０．２ｄＢである。すなわち、第２の実施例の構成によれば、第１の実施例と比較して、レンズの位置ずれに対するトレランスがさらに大きくなる。

＜第３の実施例＞
図１３は、本発明に係わる光デバイスの第３の実施例を示す。第３の実施例に係わる光デバイス１０は、図４に示す構成に加えて、光アイソレータ３を備える。光アイソレータ３の表面は、ＡＲコーティングが施されている。そして、光アイソレータ３は、半導体レーザ光源１１１と光導波路１１３との間の任意の位置に設けられる。図１３に示す実施例では、球レンズ１と球レンズ２との間に光アイソレータ３が実装されている。この構成によれば、光デバイス１０から半導体レーザ光源１１１に戻る光雑音成分が抑圧される。したがって、半導体レーザ光源１１１の動作が安定する。

＜第４の実施例＞
図１４は、本発明に係わる光デバイスの第４の実施例を示す。第４の実施例に係わる光デバイス１０は、図１１に示す構成に加えて、光アイソレータ３を備える。光アイソレータ３の表面は、ＡＲコーティングが施されている。そして、光アイソレータ３は、半導体レーザ光源１１１と光導波路１１３との間の任意の位置に設けられる。図１４に示す実施例では、光アイソレータ３は、球レンズ１Ａと球レンズ１Ｂとの間に実装されている。この構成によれば、光デバイス１０から半導体レーザ光源１１１に戻る光雑音成分が抑圧される。したがって、半導体レーザ光源１１１の動作が安定する。

１、１Ａ、１Ｂ 球レンズ
２、２Ａ、２Ｂ 球レンズ
３ 光アイソレータ
１０ 光デバイス
１１ 第１のレンズ回路
１２ 第２のレンズ回路
２１ 光出力要素
２２ 光伝搬要素
１１０ 基板
１１１ 半導体レーザ光源
１１２ 光ファイバ
１１３ 光導波路
１１４～１１８ 溝
１１４ａ、１１４ｂ、１１５ａ、１１５ｂ 溝
１１９、１２０ 溝

Claims (9)

1. 光出力要素と光伝搬要素との間に設けられる光デバイスであって、
   前記光出力要素の出力光が通過する、１以上のレンズを含む第１のレンズ回路と、
   前記第１のレンズ回路の出力光を前記光伝搬要素に導く、１以上のレンズを含む第２のレンズ回路と、を備え、
   Ｆ１１が、前記光出力要素と前記第１のレンズ回路との間の距離を表し、
   Ｆ１２が、前記第１のレンズ回路と前記光出力要素の出力光が前記第１のレンズ回路により集光される点を表す第１のビームウエスト位置との間の距離を表し、
   Ｆ２１が、前記第１のビームウエスト位置と前記第２のレンズ回路との間の距離を表し、
   Ｆ２２が、前記第２のレンズ回路と前記第１のレンズ回路の出力光が前記第２のレンズ回路により集光される点を表す第２のビームウエスト位置との間の距離を表すときに、
   Ｆ１１およびＦ２２が互いに等しく、且つ、Ｆ１２およびＦ２１が互いに等しい
   ことを特徴とする光デバイス。
2. 前記第１のレンズ回路は、第１のレンズから構成され、
   前記第２のレンズ回路は、第２のレンズから構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記第１のレンズの形状および材料は、前記第２のレンズの形状および材料と同じである
   ことを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
4. 前記第１のレンズおよび前記第２のレンズは、それぞれ、球レンズまたは平凸レンズである
   ことを特徴とする請求項３に記載の光デバイス。
5. 前記第１のレンズおよび前記第２のレンズは、それぞれ、前記光デバイスが実装される基板の表面に形成される溝に保持される
   ことを特徴とする請求項２～４のいずれか１つに記載の光デバイス。
6. 前記第１のレンズ回路は、第１のレンズおよび第２のレンズから構成され、
   前記第２のレンズ回路は、第３のレンズおよび第４のレンズから構成され、
   前記第１のレンズは、前記光出力要素の出力光を前記第２のレンズに導き、
   前記第２のレンズは、前記第１のレンズの出力光を前記第３のレンズに導き、
   前記第３のレンズは、前記第２のレンズの出力光を前記第４のレンズに導き、
   前記第４のレンズは、前記第３のレンズの出力光を前記光伝搬要素に導き、
   前記第１のレンズの焦点距離がｆ１、前記第２のレンズの焦点距離がｆ２、前記第３のレンズの焦点距離がｆ３、前記第４のレンズの焦点距離がｆ４であるときに、Ｆ１１＝ｆ１、Ｆ１２＋Ｆ２１＝ｆ２＋ｆ３、Ｆ２２＝ｆ４、ｆ１＝ｆ４、およびｆ２＝ｆ３を満足する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
7. 前記光出力要素は、光源、光導波路、または光ファイバであり、
   前記光伝搬要素は、光導波路または光ファイバである
   ことを特徴とする請求項１～６のいずれか１つに記載の光デバイス。
8. 前記光出力要素と前記光伝搬要素との間に光アイソレータをさらに備える
   ことを特徴とする請求項１～７のいずれか１つに記載の光デバイス。
9. 前記光デバイスが実装される基板の表面において、前記光出力要素と前記光伝搬要素との間の光路に沿って溝が形成されている
   ことを特徴とする請求項１～８のいずれか１つに記載の光デバイス。

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