JP5104568B2

JP5104568B2 - 導光板および光モジュール

Info

Publication number: JP5104568B2
Application number: JP2008153457A
Authority: JP
Inventors: 久佳森; 勉浜田; 岳洋新津; 純二岡田
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2008-06-11
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2028-06-11
Also published as: JP2009300617A

Description

本発明は、導光板および光モジュールに関する。

光信号の授受を１本の光導波路を介して行う１芯双方向光モジュールにおいては、光モジュールから光信号を送出する場合には外部伝送媒体を光モジュール内の発光素子と結合する必要があり、外部伝送媒体から光信号を受ける場合には光モジュール内の受光素子を外部伝送媒体と結合する必要がある。このような構成を実現するために、例えばＹ分岐形状またはそれと類似形状の光導波路を用いて光モジュール内の発光素子および受光素子と外部伝送媒体との結合を行うことが知られている。

例えば、特許文献１には、光ファイバと光学的に結合し、光ファイバから入射した光を受光素子に導く主導波路と、主導波路における光軸方向に対する側部にて主導波路と光学的に結合し、発光素子から出射された光を主導波路を介して光ファイバに導く副導波路とを有する双方向光通信器が開示されている。特許文献２には、一端が共通送受信ポートとなり他端が受信ポートとなる、双方向に信号光を導波し得る直線状に伸びた第１の導波路と、前記受信ポート側の前記第１の導波路に対し鋭角で一端が結合され他端が送信ポートとなる、前記第１の導波路に向けて信号光を導波する第２の導波路とを有する光導波路が開示されている。特許文献３には、導波路基板に分岐した径の異なる導波路を形成し、太い側の導波路の一端に受光素子を取り付け、他端に光ファイバを接続するとともに、細い側の導波路に発光素子を取り付けた光受動部品が開示されている。
特開平１１−２７１５４８号公報特開２００４−２６４３３９号公報特開昭６２−２５１７０７号公報

本発明の目的は、双方向に光信号を伝達する光導波路を複数設けて多ビット化を図る場合に、この種の光導波路を有する装置を単純に組み合わせたものと比べ、小型の導光板および光モジュールを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、以下の導光板および光モジュールを提供する。
（１）並列配置された複数の第一の光導波路と、前記第一の光導波路の途中から分岐して別の１つまたは複数の前記第一の光導波路を横切って延びる第二の光導波路とを備えた導光板。
（２）前記第二の光導波路が複数の前記第一の光導波路を横切る場合に、前記第二の光導波路の幅が、前記第一の光導波路を横切る毎に段階的に狭くされる上記（１）記載の導光板。
（３）前記第二の光導波路を分岐する前記第一の光導波路とそれに隣接する別の前記第一の光導波路との間の前記第二の光導波路に光反射傾斜面を備えた上記（１）または（２）記載の導光板。
（４）前記第二の光導波路を分岐する前記第一の光導波路と前記光反射傾斜面との間の前記第二の光導波路の幅が、前記光反射傾斜面と前記隣接する別の前記第一の光導波路との間の前記第二の光導波路の幅より広くされる上記（３）記載の導光板。
（５）前記光反射傾斜面が全反射傾斜面である上記（３）または（４）記載の導光板。
（６）前記第二の光導波路が前記第一の光導波路を横切ることにより形成される前記第一の光導波路と第二の光導波路の交差部の屈折率が、前記第一および第二の光導波路の屈折率より大きくされる上記（１）〜（５）のいずれかに記載の導光板。
（７）前記第二の光導波路を分岐する前記第一の光導波路の分岐部の屈折率が、前記第一および第二の光導波路の屈折率より大きくされる上記（１）〜（６）のいずれかに記載の導光板。
（８）前記第二の光導波路が前記第一の光導波路を垂直に横切る上記（１）〜（７）のいずれかに記載の導光板。
（９）上記（１）〜（８）のいずれかに記載の導光板と、前記導光板の第一の光導波路の一方の端部に光学的に結合される受光素子と、前記導光板の第二の光導波路の分岐側とは反対側の端部に光学的に結合される発光素子とを備えた光モジュール。
（１０）前記第一の光導波路の一方の端部および前記第二の光導波路の分岐側とは反対側の端部の少なくとも一方が光反射傾斜面を有し、前記光反射傾斜面を介して対応する前記受光素子および前記発光素子の少なくとも一方に光学的に結合される上記（９）記載の光モジュール。

請求項１に係る導光板によれば、双方向に光信号を伝達する光導波路を複数設けて多ビット化を図る場合に、この種の光導波路を有する装置を単純に組み合わせたものと比べ、小型の導光板を提供することができる。
請求項２に係る導光板によれば、第二の光導波路に入り込んだ迷光を外部へ段階的に逃がすことができ、発光素子側への迷光の流入を低減することができる。
請求項３に係る導光板によれば、第一の光導波路および第二の光導波路にそれぞれ受光素子および発光素子を光学的に結合する場合に、受光素子および発光素子を近接することなく配置することができ、素子間の電気的なクロストークを低減することができる。
請求項４に係る導光板によれば、第二の光導波路に入り込んだ迷光を外部へ逃がすことができ、発光素子側への迷光の流入を低減することができる。
請求項５に係る導光板によれば、本構成を有していない場合に比較して、発光素子からの光を第一の光導波路側へ効率よく伝達することができる。
請求項６に係る導光板によれば、本構成を有していない場合に比較して、第一の光導波路から第二の光導波路に入り込む迷光を低減することができる。
請求項７に係る導光板によれば、本構成を有していない場合に比較して、第一の光導波路から第二の光導波路に入り込む迷光を低減することができる。
請求項８に係る導光板によれば、本構成を有していない場合に比較して、小型で高品質の導光板を提供することができる。
請求項９に係る光モジュールによれば、双方向に光信号を伝達する光導波路を複数設けて多ビット化を図る場合に、この種の光導波路を有する装置を単純に組み合わせたものと比べ、より小型の光モジュールを提供することができる。
請求項１０に係る光モジュールによれば、受光素子または発光素子の配置を導光板に対して平面的に行うことができる。

図１は本発明に係る導光板を備えた光モジュールの一実施例を示す概略図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’断面図、（ｃ）は第一の光導波路の一方の端部の断面図、（ｄ）は第二の光導波路の分岐側とは反対側の端部の断面図である。本実施例では、４ｃｈ（４ビット）の１芯双方向光モジュールを示す。

導光板１０は、並列配置された４つの第一の光導波路１と、第一の光導波路１の途中の分岐部３から分岐して別の１つまたは複数の第一の光導波路１を横切って延びる第二の光導波路２とを備える。図示のように、第二の光導波路２を分岐する第一の光導波路１とそれに隣接する別の第一の光導波路１との間の第二の光導波路２には光反射傾斜面４を備える。光反射傾斜面４は、好適には全反射傾斜面であり、さらに好適には４５度全反射傾斜面（ミラー面）である。本実施例では、第二の光導波路２が第一の光導波路１を垂直に横切るように構成されるが、これは必須ではなく、例えば第二の光導波路２が第一の光導波路１を斜めに横切るように構成してもよい。また、第一の光導波路１の一方の端部には光反射傾斜面５を備える。また、第二の光導波路２の分岐側とは反対側の端部には光反射傾斜面６を備える。光反射傾斜面５，６は、好適には全反射傾斜面であり、さらに好適には４５度全反射傾斜面（ミラー面）である。

導光板１０は、図１（ｂ）に示すように、３層からなる。層Ａは第一の光導波路（コア）１を含む層であり、層Ｂ（クラッド）と層Ｃ（クラッド）に挟まれている。このような導光板は例えば次のようにして作製される。すなわち、所望の光導波路（コア）パターンに対応したフォトマスクを用いてベースとなる樹脂フィルム（層Ａ）をＵＶ光で露光し、光導波路（コア）パターン部分の屈折率を変化させる（大きくする）方法（フォトブリーチング法）で形成可能である。その後、変化させたパターン部分の屈折率を熱処理により固定させる。次に、光導波路（コア）パターンを形成した樹脂フィルム（層Ａ）の上下にクラッドとなる樹脂フィルム（層Ｂ、層Ｃ）を貼り合わせ、所望の形状に切り出して、導光板を作製する。また、光反射傾斜面４，５，６は、例えば既知のレーザ加工法により形成することができる。光反射傾斜面４は、例えばレーザ加工で導光板１０に空けられた開口部９の面を用いることができる。開口部９は空気で満たされるため、クラッドとしての機能を有する。

本実施例の光モジュールは、第一の光導波路１の一方の端部に光学的に結合される受光素子１１と、第二の光導波路の分岐側とは反対側の端部に光学的に結合される発光素子１２とを備える。受光素子１１は受光素子支持体７に支持され、発光素子１２は発光素子支持体８に支持される。第一の光導波路１の一方の端部は、図１（ｃ）に示すように、光反射傾斜面５を介して受光素子１１と光学的に結合される。第二の光導波路２の分岐側とは反対側の端部は、図１（ｄ）に示すように、光反射傾斜面６を介して発光素子１２と光学的に結合される。本実施例では、光導波路を光反射傾斜面を介して受光素子や発光素子に光学的に結合する構成としたが、これは必須ではなく、たとえば光反射傾斜面がなく光導波路を直接受光素子や発光素子と光学的に結合させてもよい。受光素子１１は電気配線１５を介して増幅回路１３に接続され、発光素子１２は電気配線１６を介して駆動回路１４に接続される。

図２は、図１のａ部の拡大図である。外部より入射した光２１は分岐部３を介して大半が第一の光導波路１により光２２として受光素子側へ導かれるが、分岐部３の分岐形状のため、外部より入射した光２１の一部が迷光２３となって第二の導波路２を通して第一の光導波路１を横切って発光素子側へ漏れる。

図３は、図１のｂ部の拡大図である。本実施例では、上記対策として、図３に示すように、第二の光導波路２が複数の第一の光導波路１を横切る場合に、第二の光導波路２の幅が、第一の光導波路１を横切る毎にｗ１、ｗ２、ｗ３、ｗ４へと段階的に狭くされる（ｗ１＞ｗ２＞ｗ３＞ｗ４）。一方、発光素子１２からの出射光の広がり角を２０°、第二の導波路２が第一の導波路１と交差する幅をｘとすると、図３における各導波路の幅は以下の関係式とすることにより、発光素子１２からの光を第二の導波路２を介して対応する分岐部３を有する第一の光導波路１に伝達することができる。
ｗ３＝ｘ×ｔａｎ１０×２＋ｗ４
ｗ２＝ｘ×ｔａｎ１０×２＋ｗ３
ｗ１＝ｘ×ｔａｎ１０×２＋ｗ２
ここで、ｗ４＝１０μｍとすると、ｗ３＝３２．６μｍ、ｗ２＝５０．２μｍ、ｗ１＝６２．８μｍとなる。本実施例では、第二の光導波路の幅を段階的に狭くしたが、これは必須ではなく、たとえば同じ幅でもよい。

同様の理由で、図４に示すように、第二の光導波路２を分岐する第一の光導波路１と光反射傾斜面４との間の第二の光導波路２の幅ｗ５が、隣接する別の第一の光導波路１と光反射傾斜面４との間の第二の光導波路の幅ｗ１より広くされる（ｗ５＞ｗ１）。本実施例では、ｗ５＞ｗ１としたが、これは必須ではなく、たとえば同じ幅でもよい。

図５は本発明に係る導光板を備えた光モジュールの他の実施例を示す概略図である。本実施例は、第二の光導波路２を分岐する第一の光導波路１の分岐部３の屈折率が、第一および第二の光導波路１，２の屈折率より大きくされる点、また第二の光導波路２が第一の光導波路１を横切ることにより形成される第一の光導波路１と第二の光導波路２の交差部５１の屈折率が、第一および第二の光導波路１，２の屈折率より大きくされる点が、上述した図１の実施例と異なり、その他の点では図１の実施例と同様である。以下、本実施例が図１の実施例と異なる点について詳述する。

図６は、図５の分岐部３の拡大図である。第一の光導波路１の途中の分岐部３から第二の光導波路２が分岐する。ここで、分岐部３の屈折率ｎ１は、第一および第二の光導波路１，２の屈折率ｎ２より大きくされる。一方、第一および第二の光導波路１，２を囲む領域の屈折率ｎ３は、第一および第二の光導波路１，２の屈折率ｎ２より小さく、クラッドとして機能する。すなわち、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３である。具体的には、例えば、ｎ１＝１．５６，ｎ２＝１．５２，ｎ３＝１．４９とされる。シミュレーション結果によれば、外部からの第一の導波路１に入射した光は屈折率を大きくした分岐部３を介して１００％直進する。

図７は、図５の交差部５１の拡大図である。図示のように、分岐した第二の光導波路２は光反射傾斜面４により経路が変更され、第一の光導波路１と交差する。この交差部５１の屈折率ｎ１は、第一および第二の光導波路１，２の屈折率ｎ２より大きくされる。一方、第一および第二の光導波路１，２を囲む領域の屈折率ｎ３は、第一および第二の光導波路１，２の屈折率ｎ２より小さく、クラッドとして機能する。また、光反射傾斜面４を形成する開口部９は例えば空気層であり、この場合、その屈折率ｎ４は、ｎ１，ｎ２，ｎ３よりも小さい。すなわち、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３＞ｎ４である。具体的には、例えば、ｎ１＝１．５６，ｎ２＝１．５２，ｎ３＝１．４９，ｎ４＝１とされる。シミュレーション結果によれば、外部からの第一の導波路１に入射した光は屈折率を大きくした交差部５１を介して１００％直進する。

分岐部３または交差部５１の屈折率ｎ１を第一および第二の光導波路１，２の屈折率ｎ２よりも大きくする方法は、例えば次のとおりである。まず、図１の導光板を作製する過程で、上述のように光導波路（コア）パターン部分の屈折率が大きくされるが、本例では、その後さらに分岐部３または交差部５１のパターンに対応したフォトマスクを用いて分岐部３または交差部５１のパターン部分をＵＶ光で露光し、分岐部３または交差部５１のパターン部分の屈折率を大きくする。続いて分岐部３または交差部５１のパターン部分の屈折率を熱処理により固定させ、あとは図１の場合と同様に上下にクラッドとなる樹脂フィルムを貼り合わせ、所望の形状に切り出すことで作製可能である。

図８は、交差部５１の屈折率を第一および第二の光導波路１，２の屈折率と同じにした場合に、第二の光導波路が第一の光導波路に交差する角度を代えて求めた、入射光に対する交差部を通過する光の効率および損失の一例を示す図である。図９は、それをグラフ化した図である。

本発明に係る導光板を備えた光モジュールの一実施例を示す概略図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’断面図、（ｃ）は第一の光導波路の一方の端部の断面図、（ｄ）は第二の光導波路の分岐側とは反対側の端部の断面図である。図１のａ部の拡大図である。図１のｂ部の拡大図である。第二の光導波路を分岐する第一の光導波路と光反射傾斜面との間の第二の光導波路の幅が、隣接する別の第一の光導波路と光反射傾斜面との間の第二の光導波路の幅より広くされることを説明するための図である。本発明に係る導光板を備えた光モジュールの他の実施例を示す概略図である。図５の分岐部３の拡大図である。図５の交差部５１の拡大図である。交差部の屈折率を第一および第二の光導波路の屈折率と同じにした場合に、第二の光導波路が第一の光導波路に交差する角度を代えて求めた、入射光に対する交差部を通過する光の効率および損失の一例を示す図である。図８をグラフ化した図である。

符号の説明

１第一の光導波路
２第二の光導波路
３分岐部
４，５，６光反射傾斜面
７受光素子支持体
８発光素子支持体
９開口部
１０導光板
１１受光素子
１２発光素子
１３増幅回路
１４駆動回路
１５，１６電気配線

Claims

並列配置された複数の第一の光導波路と、前記第一の光導波路の途中から分岐して別の１つまたは複数の前記第一の光導波路を横切って延びる第二の光導波路とを備え、前記第二の光導波路が複数の前記第一の光導波路を横切る場合に、前記第二の光導波路の幅が、前記第一の光導波路を横切る毎に段階的に狭くされ、前記第二の光導波路を分岐する前記第一の光導波路とそれに隣接する別の前記第一の光導波路との間の前記第二の光導波路に光反射傾斜面を備え、前記第二の光導波路を分岐する前記第一の光導波路と前記光反射傾斜面との間の前記第二の光導波路の幅が、前記光反射傾斜面と前記隣接する別の前記第一の光導波路との間の前記第二の光導波路の幅より広くされる、導光板。
前記光反射傾斜面が全反射傾斜面である請求項１記載の導光板。
前記第二の光導波路が前記第一の光導波路を横切ることにより形成される前記第一の光導波路と第二の光導波路の交差部の屈折率が、前記第一および第二の光導波路の屈折率より大きくされる請求項１または２記載の導光板。
前記第二の光導波路を分岐する前記第一の光導波路の分岐部の屈折率が、前記第一および第二の光導波路の屈折率より大きくされる請求項１〜３のいずれかに記載の導光板。
前記第二の光導波路が前記第一の光導波路を垂直に横切る請求項１〜４のいずれかに記載の導光板。
請求項１〜５のいずれかに記載の導光板と、前記導光板の第一の光導波路の一方の端部に光学的に結合される受光素子と、前記導光板の第二の光導波路の分岐側とは反対側の端部に光学的に結合される発光素子とを備えた光モジュール。
前記第一の光導波路の一方の端部および前記第二の光導波路の分岐側とは反対側の端部の少なくとも一方が光反射傾斜面を有し、前記光反射傾斜面を介して対応する前記受光素子および前記発光素子の少なくとも一方に光学的に結合される請求項６記載の光モジュール。