光結合器
【課題】 光信号の複数の伝搬モードによるモード分散を抑え、集積回路素子間の光配線又は光ファイバ通信における伝送容量を向上させる。
【解決手段】 受光素子と、前記受光素子に入力信号光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、前記光結合手段は、光の伝送方向に向かって径が小さくなるコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記入力信号光を前記受光素子に光結合させる。
【解決手段】 受光素子と、前記受光素子に入力信号光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、前記光結合手段は、光の伝送方向に向かって径が小さくなるコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記入力信号光を前記受光素子に光結合させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ通信や光配線の分野で使用される、受光素子を用いた光結合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信の分野において、信号で変調された光信号を電気信号に変換する場合、一般にフォトダイオード（受光素子）を用いた光結合器が用いられる。
【０００３】
また、近年、半導体からなる集積素子の分野では、高速・高密度化への進展が著しく、従来の電気的な配線による相互接続では、信号の遅延、減衰、干渉等により、十分な特性が期待できなくなることが問題となっている。この問題は、ＩＯボトルネックといわれ、これを解決するために光インターコネクション技術が注目されている。光インターコネクション技術は、通信機器相互間や通信機器内のボード間にとどまらず、一つのボード内の集積回路素子間でも行うことが検討されている。従来、ボード内光インターコネクションを実現するための光結合器として、特許文献１に開示されたものは、いわゆる光ピンと呼ばれるものであり、光ファイバを加工した光ピンを回路付光導波路基板に形成された穴に差し込んで使用するものである。この方式では、回路付光導波路基板に沿って導波路を導波してきた信号光を、差し込まれた光ピンの斜面にて反射させ、回路付光導波路基板に垂直な方向に取り出し、プレーナー型(planar type)のフォトダイオードによって受光して電気信号に変換し、又は、回路付光導波路基板に垂直な方向に面発光型レーザ(VCSEL)から出射された信号光を、差し込まれた光ピンの斜面にて反射させ、回路付光導波路基板に沿って導波路を導波させるものである。
【０００４】
【特許文献１】：特開２００４−０８５９１３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
フォトダイオードを用いて光信号を電気信号に変換する場合、信号光に大きなモード分散があると、光源からフォトダイオードへの信号光の到達時間にばらつきを生じ、伝送容量が充分に確保できない場合がある。
【０００６】
特に、基板内の光配線に使用されるマルチモード光導波路では、導波路を伝搬する複数のモードの伝搬角度（コア−クラッド界面での全反射角度）の差によって生じるモード分散により、受光素子への信号到達時間のばらつき（スキュー）が著しくなり、伝送容量が十分に確保できない。
【０００７】
このため、光導波路としてシングルモード光導波路を採用したり、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）のマルチモード光導波路を採用することも考えられる。しかし、前者の場合には発光素子とシングルモード導波路との光結合が難しくなるという難点がある。また、後者についても、屈折率の制御が難しく、構造が複雑にならざるを得ないという難点がある。
【０００８】
また、光ファイバ通信に受光素子を使用する場合にも、同様にモード分散により伝送容量が制限されることは知られている。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決することのできる光結合器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、本第１の発明は、受光素子と、前記受光素子に入力信号光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、前記光結合手段は、光の伝送方向に向かって径が小さくなるコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記入力信号光を前記受光素子に光結合させることを特徴とする光結合器である。
【００１１】
また、本第２の発明は、受光素子と、前記受光素子に入力信号光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、前記光結合手段は、シングルモード光導波路である受光用光伝送路を介して、前記入力信号光を前記受光素子に光結合させることを特徴とする光結合器である。
【００１２】
また、本第３の発明は、受光素子と、マルチモード光導波路と、前記受光素子に前記マルチモード光導波路を伝送する光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、前記光結合手段は、光の伝送方向に向かって径が小さくなるコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記マルチモード光導波路を導波する光を前記受光素子に光結合させることを特徴とする光結合器である。
【００１３】
また、本第４の発明は、受光素子と、マルチモード光導波路と、前記受光素子に前記マルチモード光導波路を伝送する光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、前記光結合手段は、前記マルチモード光導波路の比屈折率差よりも小さい比屈折率差を有するコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記マルチモード光導波路を導波する光を前記受光素子に光結合させることを特徴とする光結合器である。
【００１４】
また、本第５の発明は、受光素子と、マルチモード光導波路と、前記受光素子に前記マルチモード光導波路を伝送する光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、前記光結合手段は、コアと該コアを囲むクラッドとからなるシングルモード光導波路である受光用光伝送路を介して、前記マルチモード光導波路を導波する光を前記受光素子に光結合させることを特徴とする光結合器である。
【００１５】
また、本第６の発明は、上記本第３乃至第５のいずれか１つの発明において、前記マルチモード光導波路を伝搬する光を前記受光素子に向かって反射する反射端面が前記マルチモード光導波路に形成されていることを特徴とする光結合器である。
【００１６】
また、本第７の発明は、上記第６の発明において、前記受光用光伝送路が、前記マルチモード光導波路の前記反射端面によって反射された光が入射されるように配置されていることを特徴とする光結合器である。
【００１７】
また、本第８の発明は、上記本第７の発明において、前記受光用光伝送路が、前記受光素子を搭載する受光素子搭載基板上に固定されていることを特徴とする光結合器である。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成の本第１の発明の構成によれば、前記光結合手段は、光の伝送方向に向かって径が小さくなるコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記入力信号光を前記受光素子に光結合させるものとなっている。このため、受光用光伝送路に入射した入力信号光のうち、基本モードを含む伝搬角度が小さい低次モード光は受光用光伝送路を導波して受光素子に到達するが、該低次モード光以外の伝搬角度が大きい高次モード光は、前記クラッドに放出され、受光素子に到達する強度が低減される。したがって、入力信号光に著しいモード分散が生じている場合であっても、主として基本モードを含む低次モードの光が受光素子により受光されるので、光源から受光素子への信号光の到達時間のばらつきが低減され、伝送容量を向上させることができる。
【００１９】
また、上記構成の本第２の発明の構成によれば、前記光結合手段は、シングルモード光導波路である受光用光伝送路を介して、前記入力信号光を前記受光素子に光結合させるものとなっている。このため、受光用光伝送路に入射した入力信号光により、受光用光伝送路のコア内に単一の導波モードのみが誘起され、これが受光素子に到達する。したがって、入力信号光に著しいモード分散が生じている場合であっても、主として基本モードが受光素子により受光されるので、光源から受光素子への信号光の到達時間のばらつきが低減され、伝送容量を向上させることができる。
【００２０】
また、上記構成の本第３の発明の構成によれば、前記光結合手段は、光の伝送方向に向かって径が小さくなるコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記マルチモード光導波路を導波する光を前記受光素子に光結合させるものとなっている。このため、前記マルチモード光導波路を伝搬して受光用光伝送路に入射したマルチモードの入力信号光のうち、基本モードを含む伝搬角度が小さい低次モード光は受光用光伝送路を導波して受光素子に到達するが、該低次モード光以外の伝搬角度が大きい高次モード光は、前記クラッドに放出され、受光素子に到達する強度が低減される。したがって、マルチモード光導波路を導波する光に著しいモード分散が生じていても、基本モードを含む低次モードのみが受光素子により受光されるので、光源から受光素子への信号光の到達時間のばらつきが低減され、伝送容量を向上させることができる。
【００２１】
また、本第４の発明の構成によれば、前記光結合手段は、前記マルチモード光導波路の比屈折率差よりも小さい比屈折率差を有するコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記マルチモード光導波路を導波する光を前記受光素子に光結合させるものとなっている。比屈折率差の小さい光伝送路では、コア−クラッド界面での全反射角度が小さいために誘起されるモードの伝搬角度差が小さくなる。このため、前記マルチモード光導波路を伝搬して受光用光伝送路に到達したマルチモードの入力信号光によって、受光用光伝送路のコアに誘起されるモードは、前記マルチモード光導波路のコア中よりも伝搬角度差が小さいものとなり、これが受光素子に到達する。したがって、マルチモード光導波路を導波する光に著しいモード分散が生じていても、伝搬角度差が小さいモードの光が受光素子により受光されるので、光源から受光素子への信号光の到達時間のばらつきが低減され、伝送容量を向上させることができる。
【００２２】
また、本第５の発明によれば、前記光結合手段は、コアと該コアを囲むクラッドとからなるシングルモード光導波路である受光用光伝送路を介して、前記マルチモード光導波路を導波する光を前記受光素子に光結合させるものとなっている。このため、受光用光伝送路に到達したマルチモードの入力信号光により、受光用光伝送路のコア内に単一の導波モードのみが誘起され、これが受光素子に到達する。したがって、マルチモード光導波路を導波する光に著しいモード分散が生じていても、主として基本モードが受光素子により受光されるので、光源から受光素子への信号光の到達時間のばらつきが低減され、伝送容量を向上させることができる。
【００２３】
また、上記第３乃至第５の発明では、光導波路としてマルチモード光導波路を使用しているので、基板に実装された集積回路素子間の光配線に本発明を適用する場合において、光源である垂直キャビティ型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）等との光結合の容易性を維持しつつ、マルチモード光導波路のモード分散による、信号到達時間のばらつきを低減し、伝送容量を高めることが可能である。
【００２４】
また、本第６の発明の構成では、上記第３乃至第５のいずれか１つの発明において、
前記マルチモード光導波路を伝搬する光を前記受光素子に向かって反射する反射端面が前記マルチモード光導波路に形成されている。このため、マルチモード光導波路内の光の伝搬方向と受光素子に入射する光の光軸とが交差する構成となり、光路を変換することができるので、基板に実装された集積回路素子間の光配線に本発明を適用する場合に適した構成となる。
【００２５】
また、本第７の発明の構成では、上記第６の発明において、前記受光用光伝送路が、前記マルチモード光導波路の前記反射端面によって反射された光が入射されるように配置されている。本第７の発明では、反射端面によって光路を変換された光が受光用光伝送路に入射する構成となるので、基板に実装された集積回路素子間の光配線に本発明を適用する場合に、さらに適した構成となる。
【００２６】
また、本第８の発明の構成では、上記本第７の発明において、
前記受光用光伝送路が、前記受光素子を搭載する受光素子搭載基板上に固定されている。このため、受光素子とマルチモード光導波路との、受光用光伝送路を介した位置あわせが容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（第１の実施形態例）
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施形態例に係る光結合器の断面図を示したものである。本第１の実施形態例に係る光結合器１は、電気配線基板上に実装されたＬＳＩ等の集積回路素子の光配線に用いられる光結合器であって、受光素子２と、受光素子２を配置固定する電気配線基板３と、マルチモード光導波路４と、マルチモード光導波路４を伝搬してきた光を入射し、受光素子２の方に導波する受光用光伝送路5とを有する。
【００２９】
受光素子２は、プレーナ型（面受光型）のもので、受光素子搭載基板６に固定された状態で、受光面が受光用光伝送路５に対向するように電気配線基板３上に配置固定されている。
【００３０】
電気配線基板３は、絶縁層３ａの片面又は両面に所定の導体パターン層３ｂを形成してなるもので、受光素子２を固定する位置に対応する部分に空孔３ｃが形成されている。電気配線基板３としては、絶縁層３ａとしてガラスエポキシのような剛体性の材料を使用したもののほか、ポリイミド等を使用したフレキシブル基板を使用することも可能である。なお、絶縁層３ａは必須のものではなく、たとえばマルチモード光導波路４上に所望の回路パターンを印刷した導体パターン層３ｂのみを備えるようにしてもよい。
【００３１】
マルチモード光導波路４は、電気配線基板３の導体パターン層３ｂに沿って順次積層されたクラッド層４ｂ、コア層４ａ、クラッド層４ｂからなるもので、エポキシ系樹脂からなる有機導波路である。コア層４ａの屈折率がクラッド層４ｂの屈折率よりも大きくなるよう、適宜材料の配合が調整されている。なお、マルチモード光導波路４の材料としては、エポキシ系樹脂のほか、用途に応じてポリイミド系樹脂やアクリル系樹脂等も使用可能である。
【００３２】
マルチモード光導波路４における、電気配線基板３の空孔３ｃに対応する位置には、コア層４ａを伝搬してきた光を受光素子２の方（図１の上方）に反射し、出射部４ｃから出射させるよう、マルチモード光導波路４の光軸に対して４５度の傾きをもつ反射面４ｄが形成され、該反射面４ｄ上には、反射率を高めるためにＡｕ膜が形成されている。
【００３３】
受光用光伝送路５は、エポキシ系樹脂の樹脂から形成されたコア５ａとクラッド５ｂとからなる。受光用光伝送路５は、マルチモード光導波路４を導波し、反射面４ｄで反射して出力部４ｃから出射した信号光がコア５ａに入射するような、電気配線基板３の空孔３ｃ内の位置でマルチモード光導波路４上に固定されている。なお、受光用光伝送路５の材料としては、エポキシ系樹脂に限るものではなく、用途に応じてポリイミド系樹脂やアクリル系樹脂等も使用可能である。
【００３４】
また、受光用光伝送路５のコア５ａの先端部は、上記信号光の伝送方向に向かってその径が小さくなるよう、たとえばテーパー形状となっている。そして、受光素子搭載基板６に固定された受光素子２の受光面は上記受光用伝送路５のコア径の小さい側の端部に対向し、その出射光を受光するように位置合わせされている。この状態で、受光素子搭載基板６は半田７を介して空孔３ｃの周囲にて電気配線基板３の導体パターン層３ｂに固定されている。さらに、受光素子搭載基板６、受光用光伝送路５、半田７、空孔３ｃで囲まれた空隙部には、光透過性樹脂８が充填されている。
【００３５】
なお、受光素子搭載基板６の表面には所定の回路パターンが形成されており、半田７を介して電気配線基板３の導体パターン層３ｂと電気的に接続されている。
【００３６】
上記構成の光結合器は、たとえば次のように作製される。まず第１に、絶縁層３ａの片面又は両面に所定の回路を構成する導体パターン層３ｂを形成した電気配線基板３の一方の面に、エポキシ系樹脂をスピンコートし、クラッド層４ｂ、コア層４ａを形成する。フォトリソグラフィによりコア層４ａをパターニングした後、さらにエポキシ樹脂をスピンコートしてクラッド層４ｂを刑成し、マルチモード光導波路４を完成する。そして、ダイシング加工により、マルチモード光導波路４の所定の位置に斜面（反射面）４ｄを形成し、スパッタリングでＡｕを蒸着する。また、上記所定の位置に対応した電気配線基板３の部分は、レーザ加工及びエッチングにより、空孔３ｃを形成する。かくして、電気配線基板３とマルチモード光導波路４とからなる光回路基板９が構成される。
【００３７】
一方、受光用光伝送路５は、図２に示すように、型枠１０の内部にクラッド５ｂとなる樹脂材を充填し、これが未硬化の状態でテーパー状の先端部を有する型材１１を押し込み、クラッド樹脂を硬化させ、クラッド５ｂを形成する。そして、型材１１を除去し、コアとなる樹脂材を充填して硬化させ、コア５ａを形成する。しかるのち、型枠１０を除去することにより、受光用光伝送路５を得る。
【００３８】
このようにして得られた受光用光伝送路５を、コア径の小さい方の端部が上部となるように電気配線基板３の空孔３ｃ内に配置し、マルチモード光導波路４に光を入射させながら、反射面４ｄで反射され出力部４ｃから出力される光がコア５ａに入射するように位置合わせして接着剤等により固定する。
【００３９】
次に、受光素子２を受光素子搭載基板６に固定し、受光素子搭載基板を半田（半田ボール）７を介して受光面を受光用光伝送路５のコア５ａの端部に対向するように配置し、加熱して半田ボールを溶融・凝固させることによって、受光素子２を固定する。
【００４０】
最後に、半田７の隙間から、受光素子搭載基板６、受光用光伝送路５、半田７、空孔３ｃで囲まれた空隙部に光透過性樹脂８を注入し、固化させる。
【００４１】
以上のように構成された本第１の実施形態に係る光結合器において、不図示の面発光型半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）からマルチモード光導波路に光結合し、伝搬する信号光１２は、マルチモード光導波路内を複数のモードで伝搬する。これら複数のモードは、コア層４ａとクラッド層４ｂとの界面で異なった角度での全反射を繰り返しながら伝搬するため、光源たる半導体レーザ素子から受光素子にまで到達するのに要する時間がそれぞれ異なる。
【００４２】
このようなマルチモード信号光１２は、反射面４ｄにて反射し、出力部４ｃから受光用光伝送路に結合する。このとき、受光用光伝送路のコア５ａの先端部は、光の進行方向に向かってコア径が小さくなるテーパー形状となっているので、伝搬光のうち、高次モードの光１２ｂは、図１に示すようにクラッドに放射され、主として基本モードを含む伝搬角度が小さい低次モードの光１２ａがコア５ａを導波伝搬して他端に到達し、受光素子２に入射する。このため、伝搬角度が大きいためにコアとクラッドとの間でより多くの全反射を繰り返して伝搬する高次モード光１２ｂが受光素子に到達する強度が低減されるので、光源たる半導体レーザ素子から受光素子にまで到達するのに要する時間のモードによるばらつきが低減されることになる。よって、伝送容量を向上させることができる。
【００４３】
なお、受光用光伝送路５のコア５ａの形状としては、図１又は図２のようなものとしたが、図３に示すように、光の伝送方向に向かって径が減少し、その先端に、シングルモード伝送路部分５ａ１を有するものとしてもよい。このような構成によれば、受光用光伝送路５を介して基本モードの光を受光素子に到達させ、基本モード以外の高次モードの到達強度を低くすることができるので、より好ましい。
【００４４】
なお、図４は、本第１の実施形態例の第１の変形例に係る光結合器１’を示したものである。上記第１の実施形態例では、受光用光伝送路５は、電気配線基板３の空孔３ｃに露出したマルチモード光導波路４上に固定されている。これに対し、図４に示す第１の変形例では、受光用光伝送路5が、受光素子２を埋め込むように受光素子搭載基板６上に一体化されている。このような構成は、受光素子とマルチモード光伝送路との位置あわせ作業が簡略化されるという利点を有する。
【００４５】
また、図５は、本第１の実施形態例の第２の変形例に係る光結合器１’’を示したものである。上記第１の実施形態例では、電気配線基板３は、マルチモード光導波路４の上側において一つの絶縁層３ａの両面に導体パターン層３ｂ、３ｂを形成したものであったが、図５に示す第２の変形例では、電気配線基板３は、マルチモード光導波路４の上側に複数の絶縁層３ａと所定の導体パターン層３ｂとが交互に積層されるとともに、マルチモード光導波路４の下方にも絶縁層３ａと導体パターン層３ｂとを有している。これにより、複雑な電気回路パターンを形成している。その結果、電気配線基板３は、第１の実施形態における電気配線基板（図１）よりも、マルチモード光導波路４の上側の領域において厚くなっている。本発明では、マルチモード光導波路４を導波し、反射面４ｄで受光素子２の方に反射した光が、受光用光伝送路５を介して受光素子の方に導波されるので、本第２の変形例のように、マルチモード光導波路４の出力部４ｃから受光素子２までの距離が大きくならざるを得ない場合であっても、基本モードを含む低次モードの光を、効率よく受光素子２に導くことができる。
【００４６】
（第２の実施形態例）
本発明の第２の実施形態例を、図６を用いて説明する。なお、第１の実施形態例と同一機能を有する各構成部については同一符号を付して示し、その重複説明は省略する。
【００４７】
図６は、本発明の第２の実施形態例に係る光結合器２０を示したものである。本第２の実施形態例が第１の実施形態例と異なる特徴的部分は、受光用伝送路として、マルチモード光導波路４の比屈折率差よりも小さな比屈折率差を有する受光用光伝送路１３を有する点にある。なお、図６に示されているように、受光用光伝送路１３のコア１３ａは、光の進行方向に沿って一様な径を有している。
【００４８】
受光用光伝送路１３とマルチモード光導波路４とは、そのコアサイズはほぼ同一であるが、受光用光伝送路１３の比屈折率差がマルチモード光導波路４のものよりも小さい点で異なっている。このため、受光用光伝送路１３では、コア１３ａとクラッド１３ｂとの界面における全反射可能角度が小さくなるので、本第２の実施形態例における受光用光伝送路１３のコア１３ａを導波可能なモードの伝搬角度は、マルチモード光導波路４のコア層４ａを導波するモードの伝搬角度の範囲でも小さいものに限定される。したがって、マルチモード光導波路４を導波し、反射面４ｄで反射され、出力部４ｃから出射する光により、受光用光伝送路１３には、マルチモード光導波路４ａを導波していたモードの伝搬角度の範囲の中でも、特に小さいモードが誘起される。このモードの光が、受光素子２に到達する。よって、マルチモード光導波路４のコア４ａとクラッド４ｂとの間でより多くの全反射を繰り返して伝搬する伝搬角度が大きな高次モード光１２ｂが受光素子２に到達する強度が低減されるので、光源たる不図示の半導体レーザ素子から受光素子２にまで到達するのに要する時間のモードによるばらつきが低減されることになる。したがって、本第２の実施形態例による光結合器を用いて、伝送容量を向上させることができる。
【００４９】
（第３の実施形態例）
本発明の第３の実施形態例を、図７を用いて説明する。なお、第１の実施形態例と同一機能を有する各構成部については同一符号を付して示し、その重複説明は省略する。
【００５０】
図７は、本発明の第３の実施形態例に係る光結合器３０を示したものである。本第３の実施形態例が第１の実施形態例と異なる特徴的部分は、受光用伝送路として、シングルモード光導波路である受光用光伝送路１３を有する点にある。シングルモード光導波路は、コア１３ａのサイズを、基本モード以外の高次モードがカットオフとなるようなサイズに選択することによって実現できることは周知の事項である。
【００５１】
本第３の実施形態例では、受光用光伝送路１４は、使用する光の波長に対してシングルモード導波路であるため、マルチモード光導波路４を導波し、反射面４ｄで反射され、出力部４ｃから出射する光により、受光用光伝送路１４のコア１４ａには、基本モードのみが誘起され、主としてこの基本モードの光が受光素子２に到達する。このため、光源たる不図示の半導体レーザ素子から受光素子２にまで到達するのに要する時間のモードによるばらつきが低減されることになる。したがって、本第３の実施形態例による光結合器を用いて、伝送容量を向上させることができる。
【００５２】
（第４の実施形態例）
本発明の第４の実施形態例を、図８を用いて説明する。図８は、本発明の第４の実施形態例に係る光結合器４０を示したものである。
【００５３】
本発明の第４の実施形態に係る光結合器４０は、受光素子搭載基板６に搭載された受光素子２と、受光素子２を埋め込むように受光素子搭載基板６上に一体化された受光用光伝送路１５と、受光用光伝送路１５に接続されたマルチモード光ファイバ（マルチモード光導波路）１６とからなる。本第４の実施形態例では、受光用光伝送路１５は、第１の実施形態例における受光用光伝送路５と同様、コア１５ａの径が、信号光の伝送方向に向かって小さくなるよう、たとえばテーパー形状となっている。また、本第４の実施形態例では、受光用光伝送路１５とマルチモード光ファイバ１６とは、光透過性の接着剤樹脂１７によって、コア１６ａと１５ａとが調芯された状態で直接接合されている。
【００５４】
以上のように構成された本第４の実施形態例に係る光結合器４０では、不図示の光源（半導体レーザ素子など）からマルチモード光ファイバ１６に光結合し、伝搬する信号光１２は、マルチモード光ファイバ１６内を複数のモードで伝搬する。これら複数のモードは、コア１６ａとクラッド１６ｂとの界面で異なった角度での全反射を繰り返しながら伝搬するため、光源たる半導体レーザ素子等から受光素子にまで到達するのに要する時間がそれぞれ異なる。
【００５５】
このようなマルチモード光１２が受光用光伝送路１５に結合するとき、受光用光伝送路１５のコア１５ａの先端部は、光の進行方向に向かってコア径が小さくなるテーパー形状となっているので、伝搬光のうち、高次モードの光１２ｂは、図８に示すようにクラッドに放射され、主として基本モードを含む低次モードの光１２ａがコア１５ａを導波伝搬して受光素子２に入射する。このため、コアとクラッドとの間でより多くの全反射を繰り返して伝搬する高次モード光１２ｂが受光素子に到達する強度が低減されるので、光源から受光素子にまで到達するのに要する時間のモードによるばらつきが低減されることになる。よって、伝送容量を向上させることができる。
【００５６】
なお、光の伝送方向に向かって径が減少するコア１５ａを有する受光用光伝送路１５に代えて、第２の実施形態例で用いた受光用光伝送路１３のように比屈折率差がマルチモード光ファイバ１６のものよりも小さい受光用光伝送路を使用してもよいし、第３の実施形態例で用いた受光用光伝送路１４のようにシングルモード光導波路である受光用光伝送路を使用してもよい。
【００５７】
（第５の実施形態例）
本発明の第５の実施形態例を、図９を用いて説明する。図９は、本発明の第５の実施形態例に係る光結合器５０を示したものである。
【００５８】
本発明の第５の実施形態に係る光結合器５０は、光ファイバ通信に用いられるものであって、受光素子搭載基板５１に搭載された受光素子２と、受光素子２を埋め込むように受光素子搭載基板５１上に一体化された受光用光伝送路１８と、受光素子搭載基板５１を支持するベース５３と、信号光１２を通過させる窓部５５を有するケース５４と、受光素子搭載基板５１とベース５３とを貫通して外部に導出されたリードピン５２とを有する。受光用光伝送路１８は、第１の実施形態例における受光用光伝送路５と同様、コア１８ａの径が、信号光の伝送方向に向かって小さくなるよう、たとえばテーパー形状となっている。窓部５５を有するケース５４は、ベース５３の周縁部において溶接固定されて受光素子５２を気密に封止している。なお、外部に導出されたリードピン５２は受光素子２に電気的に接続されている。
【００５９】
本第５の実施形態例において、外部から種々のモードで伝搬してきた信号光が、受光用光伝送路１８に入射すると、入射した光のうち、高次モードの光はクラッド１８ｂに放出され、主として基本モードを含む低次モードの光がコア１８ａを伝搬して受光素子２に到達する。したがって、不図示の光源から受光素子にまで到達するのに要する時間のモード、伝搬経路によるばらつきが低減されることになる。よって、伝送容量を向上させることができる。
【００６０】
なお、光の伝送方向に向かって径が減少するコア１５ａを有する受光用光伝送路１５に代えて、第３の実施形態例で用いた受光用光伝送路１４のようにシングルモードファイバである受光用光伝送路を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の光結合器の第１の実施形態例を示す模式図である。
【図２】受光用光伝送路の作製プロセスを示す図である。
【図３】受光用光伝送路５の別の構成を示す図である。
【図４】本発明の光結合器の第１の実施形態例の第１の変形例を示す模式図である。
【図５】本発明の光結合器の第１の実施形態例の第２の変形例を示す模式図である。
【図６】本発明の光結合器の第２の実施形態例を示す模式図である。
【図７】本発明の光結合器の第３の実施形態例を示す模式図である。
【図８】本発明の光結合器の第４の実施形態例を示す模式図である。
【図９】本発明の光結合器の第５の実施形態例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６２】
１，１’，１’’ 光結合器
２ 受光素子
３ 電気配線基板
３ａ 絶縁層
３ｂ 導体パターン層
３ｃ 空孔
４ マルチモード光導波路
４ａ コア層
４ｂ クラッド層
４ｃ 出力部
４ｄ 反射面
５ 受光用光伝送路
５ａ コア
５ａ１ シングルモード光伝送路部分
５ｂ クラッド
６ 受光素子搭載基板
７ 半田
８ 光透過性樹脂
９ 光回路基板
１０ 型枠
１１ 型材
１２ 信号光
１２ａ 基本モードを含む低次モード光
１２ｂ 高次モード光
１３ 受光用光伝送路
１３ａ コア
１３ｂ クラッド
１４ 受光用光伝送路
１４ａ コア
１４ｂ クラッド
１５ 受光用光伝送路
１５ａ コア
１５ｂ クラッド
１６ マルチモード光ファイバ
１６ａ コア
１６ｂ クラッド
１７ 光透過性接着剤樹脂
１８ 受光用光伝送路
１８ａ コア
１８ｂ クラッド
２０ 光結合器
３０ 光結合器
４０ 光結合器
５０ 光結合器
５１ 受光素子搭載基板
５２ リードピン
５３ ベース
５４ ケース
５５ 窓部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ通信や光配線の分野で使用される、受光素子を用いた光結合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信の分野において、信号で変調された光信号を電気信号に変換する場合、一般にフォトダイオード（受光素子）を用いた光結合器が用いられる。
【０００３】
また、近年、半導体からなる集積素子の分野では、高速・高密度化への進展が著しく、従来の電気的な配線による相互接続では、信号の遅延、減衰、干渉等により、十分な特性が期待できなくなることが問題となっている。この問題は、ＩＯボトルネックといわれ、これを解決するために光インターコネクション技術が注目されている。光インターコネクション技術は、通信機器相互間や通信機器内のボード間にとどまらず、一つのボード内の集積回路素子間でも行うことが検討されている。従来、ボード内光インターコネクションを実現するための光結合器として、特許文献１に開示されたものは、いわゆる光ピンと呼ばれるものであり、光ファイバを加工した光ピンを回路付光導波路基板に形成された穴に差し込んで使用するものである。この方式では、回路付光導波路基板に沿って導波路を導波してきた信号光を、差し込まれた光ピンの斜面にて反射させ、回路付光導波路基板に垂直な方向に取り出し、プレーナー型(planar type)のフォトダイオードによって受光して電気信号に変換し、又は、回路付光導波路基板に垂直な方向に面発光型レーザ(VCSEL)から出射された信号光を、差し込まれた光ピンの斜面にて反射させ、回路付光導波路基板に沿って導波路を導波させるものである。
【０００４】
【特許文献１】：特開２００４−０８５９１３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
フォトダイオードを用いて光信号を電気信号に変換する場合、信号光に大きなモード分散があると、光源からフォトダイオードへの信号光の到達時間にばらつきを生じ、伝送容量が充分に確保できない場合がある。
【０００６】
特に、基板内の光配線に使用されるマルチモード光導波路では、導波路を伝搬する複数のモードの伝搬角度（コア−クラッド界面での全反射角度）の差によって生じるモード分散により、受光素子への信号到達時間のばらつき（スキュー）が著しくなり、伝送容量が十分に確保できない。
【０００７】
このため、光導波路としてシングルモード光導波路を採用したり、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）のマルチモード光導波路を採用することも考えられる。しかし、前者の場合には発光素子とシングルモード導波路との光結合が難しくなるという難点がある。また、後者についても、屈折率の制御が難しく、構造が複雑にならざるを得ないという難点がある。
【０００８】
また、光ファイバ通信に受光素子を使用する場合にも、同様にモード分散により伝送容量が制限されることは知られている。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決することのできる光結合器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、本第１の発明は、受光素子と、前記受光素子に入力信号光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、前記光結合手段は、光の伝送方向に向かって径が小さくなるコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記入力信号光を前記受光素子に光結合させることを特徴とする光結合器である。
【００１１】
また、本第２の発明は、受光素子と、前記受光素子に入力信号光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、前記光結合手段は、シングルモード光導波路である受光用光伝送路を介して、前記入力信号光を前記受光素子に光結合させることを特徴とする光結合器である。
【００１２】
また、本第３の発明は、受光素子と、マルチモード光導波路と、前記受光素子に前記マルチモード光導波路を伝送する光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、前記光結合手段は、光の伝送方向に向かって径が小さくなるコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記マルチモード光導波路を導波する光を前記受光素子に光結合させることを特徴とする光結合器である。
【００１３】
また、本第４の発明は、受光素子と、マルチモード光導波路と、前記受光素子に前記マルチモード光導波路を伝送する光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、前記光結合手段は、前記マルチモード光導波路の比屈折率差よりも小さい比屈折率差を有するコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記マルチモード光導波路を導波する光を前記受光素子に光結合させることを特徴とする光結合器である。
【００１４】
また、本第５の発明は、受光素子と、マルチモード光導波路と、前記受光素子に前記マルチモード光導波路を伝送する光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、前記光結合手段は、コアと該コアを囲むクラッドとからなるシングルモード光導波路である受光用光伝送路を介して、前記マルチモード光導波路を導波する光を前記受光素子に光結合させることを特徴とする光結合器である。
【００１５】
また、本第６の発明は、上記本第３乃至第５のいずれか１つの発明において、前記マルチモード光導波路を伝搬する光を前記受光素子に向かって反射する反射端面が前記マルチモード光導波路に形成されていることを特徴とする光結合器である。
【００１６】
また、本第７の発明は、上記第６の発明において、前記受光用光伝送路が、前記マルチモード光導波路の前記反射端面によって反射された光が入射されるように配置されていることを特徴とする光結合器である。
【００１７】
また、本第８の発明は、上記本第７の発明において、前記受光用光伝送路が、前記受光素子を搭載する受光素子搭載基板上に固定されていることを特徴とする光結合器である。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成の本第１の発明の構成によれば、前記光結合手段は、光の伝送方向に向かって径が小さくなるコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記入力信号光を前記受光素子に光結合させるものとなっている。このため、受光用光伝送路に入射した入力信号光のうち、基本モードを含む伝搬角度が小さい低次モード光は受光用光伝送路を導波して受光素子に到達するが、該低次モード光以外の伝搬角度が大きい高次モード光は、前記クラッドに放出され、受光素子に到達する強度が低減される。したがって、入力信号光に著しいモード分散が生じている場合であっても、主として基本モードを含む低次モードの光が受光素子により受光されるので、光源から受光素子への信号光の到達時間のばらつきが低減され、伝送容量を向上させることができる。
【００１９】
また、上記構成の本第２の発明の構成によれば、前記光結合手段は、シングルモード光導波路である受光用光伝送路を介して、前記入力信号光を前記受光素子に光結合させるものとなっている。このため、受光用光伝送路に入射した入力信号光により、受光用光伝送路のコア内に単一の導波モードのみが誘起され、これが受光素子に到達する。したがって、入力信号光に著しいモード分散が生じている場合であっても、主として基本モードが受光素子により受光されるので、光源から受光素子への信号光の到達時間のばらつきが低減され、伝送容量を向上させることができる。
【００２０】
また、上記構成の本第３の発明の構成によれば、前記光結合手段は、光の伝送方向に向かって径が小さくなるコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記マルチモード光導波路を導波する光を前記受光素子に光結合させるものとなっている。このため、前記マルチモード光導波路を伝搬して受光用光伝送路に入射したマルチモードの入力信号光のうち、基本モードを含む伝搬角度が小さい低次モード光は受光用光伝送路を導波して受光素子に到達するが、該低次モード光以外の伝搬角度が大きい高次モード光は、前記クラッドに放出され、受光素子に到達する強度が低減される。したがって、マルチモード光導波路を導波する光に著しいモード分散が生じていても、基本モードを含む低次モードのみが受光素子により受光されるので、光源から受光素子への信号光の到達時間のばらつきが低減され、伝送容量を向上させることができる。
【００２１】
また、本第４の発明の構成によれば、前記光結合手段は、前記マルチモード光導波路の比屈折率差よりも小さい比屈折率差を有するコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記マルチモード光導波路を導波する光を前記受光素子に光結合させるものとなっている。比屈折率差の小さい光伝送路では、コア−クラッド界面での全反射角度が小さいために誘起されるモードの伝搬角度差が小さくなる。このため、前記マルチモード光導波路を伝搬して受光用光伝送路に到達したマルチモードの入力信号光によって、受光用光伝送路のコアに誘起されるモードは、前記マルチモード光導波路のコア中よりも伝搬角度差が小さいものとなり、これが受光素子に到達する。したがって、マルチモード光導波路を導波する光に著しいモード分散が生じていても、伝搬角度差が小さいモードの光が受光素子により受光されるので、光源から受光素子への信号光の到達時間のばらつきが低減され、伝送容量を向上させることができる。
【００２２】
また、本第５の発明によれば、前記光結合手段は、コアと該コアを囲むクラッドとからなるシングルモード光導波路である受光用光伝送路を介して、前記マルチモード光導波路を導波する光を前記受光素子に光結合させるものとなっている。このため、受光用光伝送路に到達したマルチモードの入力信号光により、受光用光伝送路のコア内に単一の導波モードのみが誘起され、これが受光素子に到達する。したがって、マルチモード光導波路を導波する光に著しいモード分散が生じていても、主として基本モードが受光素子により受光されるので、光源から受光素子への信号光の到達時間のばらつきが低減され、伝送容量を向上させることができる。
【００２３】
また、上記第３乃至第５の発明では、光導波路としてマルチモード光導波路を使用しているので、基板に実装された集積回路素子間の光配線に本発明を適用する場合において、光源である垂直キャビティ型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）等との光結合の容易性を維持しつつ、マルチモード光導波路のモード分散による、信号到達時間のばらつきを低減し、伝送容量を高めることが可能である。
【００２４】
また、本第６の発明の構成では、上記第３乃至第５のいずれか１つの発明において、
前記マルチモード光導波路を伝搬する光を前記受光素子に向かって反射する反射端面が前記マルチモード光導波路に形成されている。このため、マルチモード光導波路内の光の伝搬方向と受光素子に入射する光の光軸とが交差する構成となり、光路を変換することができるので、基板に実装された集積回路素子間の光配線に本発明を適用する場合に適した構成となる。
【００２５】
また、本第７の発明の構成では、上記第６の発明において、前記受光用光伝送路が、前記マルチモード光導波路の前記反射端面によって反射された光が入射されるように配置されている。本第７の発明では、反射端面によって光路を変換された光が受光用光伝送路に入射する構成となるので、基板に実装された集積回路素子間の光配線に本発明を適用する場合に、さらに適した構成となる。
【００２６】
また、本第８の発明の構成では、上記本第７の発明において、
前記受光用光伝送路が、前記受光素子を搭載する受光素子搭載基板上に固定されている。このため、受光素子とマルチモード光導波路との、受光用光伝送路を介した位置あわせが容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（第１の実施形態例）
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施形態例に係る光結合器の断面図を示したものである。本第１の実施形態例に係る光結合器１は、電気配線基板上に実装されたＬＳＩ等の集積回路素子の光配線に用いられる光結合器であって、受光素子２と、受光素子２を配置固定する電気配線基板３と、マルチモード光導波路４と、マルチモード光導波路４を伝搬してきた光を入射し、受光素子２の方に導波する受光用光伝送路5とを有する。
【００２９】
受光素子２は、プレーナ型（面受光型）のもので、受光素子搭載基板６に固定された状態で、受光面が受光用光伝送路５に対向するように電気配線基板３上に配置固定されている。
【００３０】
電気配線基板３は、絶縁層３ａの片面又は両面に所定の導体パターン層３ｂを形成してなるもので、受光素子２を固定する位置に対応する部分に空孔３ｃが形成されている。電気配線基板３としては、絶縁層３ａとしてガラスエポキシのような剛体性の材料を使用したもののほか、ポリイミド等を使用したフレキシブル基板を使用することも可能である。なお、絶縁層３ａは必須のものではなく、たとえばマルチモード光導波路４上に所望の回路パターンを印刷した導体パターン層３ｂのみを備えるようにしてもよい。
【００３１】
マルチモード光導波路４は、電気配線基板３の導体パターン層３ｂに沿って順次積層されたクラッド層４ｂ、コア層４ａ、クラッド層４ｂからなるもので、エポキシ系樹脂からなる有機導波路である。コア層４ａの屈折率がクラッド層４ｂの屈折率よりも大きくなるよう、適宜材料の配合が調整されている。なお、マルチモード光導波路４の材料としては、エポキシ系樹脂のほか、用途に応じてポリイミド系樹脂やアクリル系樹脂等も使用可能である。
【００３２】
マルチモード光導波路４における、電気配線基板３の空孔３ｃに対応する位置には、コア層４ａを伝搬してきた光を受光素子２の方（図１の上方）に反射し、出射部４ｃから出射させるよう、マルチモード光導波路４の光軸に対して４５度の傾きをもつ反射面４ｄが形成され、該反射面４ｄ上には、反射率を高めるためにＡｕ膜が形成されている。
【００３３】
受光用光伝送路５は、エポキシ系樹脂の樹脂から形成されたコア５ａとクラッド５ｂとからなる。受光用光伝送路５は、マルチモード光導波路４を導波し、反射面４ｄで反射して出力部４ｃから出射した信号光がコア５ａに入射するような、電気配線基板３の空孔３ｃ内の位置でマルチモード光導波路４上に固定されている。なお、受光用光伝送路５の材料としては、エポキシ系樹脂に限るものではなく、用途に応じてポリイミド系樹脂やアクリル系樹脂等も使用可能である。
【００３４】
また、受光用光伝送路５のコア５ａの先端部は、上記信号光の伝送方向に向かってその径が小さくなるよう、たとえばテーパー形状となっている。そして、受光素子搭載基板６に固定された受光素子２の受光面は上記受光用伝送路５のコア径の小さい側の端部に対向し、その出射光を受光するように位置合わせされている。この状態で、受光素子搭載基板６は半田７を介して空孔３ｃの周囲にて電気配線基板３の導体パターン層３ｂに固定されている。さらに、受光素子搭載基板６、受光用光伝送路５、半田７、空孔３ｃで囲まれた空隙部には、光透過性樹脂８が充填されている。
【００３５】
なお、受光素子搭載基板６の表面には所定の回路パターンが形成されており、半田７を介して電気配線基板３の導体パターン層３ｂと電気的に接続されている。
【００３６】
上記構成の光結合器は、たとえば次のように作製される。まず第１に、絶縁層３ａの片面又は両面に所定の回路を構成する導体パターン層３ｂを形成した電気配線基板３の一方の面に、エポキシ系樹脂をスピンコートし、クラッド層４ｂ、コア層４ａを形成する。フォトリソグラフィによりコア層４ａをパターニングした後、さらにエポキシ樹脂をスピンコートしてクラッド層４ｂを刑成し、マルチモード光導波路４を完成する。そして、ダイシング加工により、マルチモード光導波路４の所定の位置に斜面（反射面）４ｄを形成し、スパッタリングでＡｕを蒸着する。また、上記所定の位置に対応した電気配線基板３の部分は、レーザ加工及びエッチングにより、空孔３ｃを形成する。かくして、電気配線基板３とマルチモード光導波路４とからなる光回路基板９が構成される。
【００３７】
一方、受光用光伝送路５は、図２に示すように、型枠１０の内部にクラッド５ｂとなる樹脂材を充填し、これが未硬化の状態でテーパー状の先端部を有する型材１１を押し込み、クラッド樹脂を硬化させ、クラッド５ｂを形成する。そして、型材１１を除去し、コアとなる樹脂材を充填して硬化させ、コア５ａを形成する。しかるのち、型枠１０を除去することにより、受光用光伝送路５を得る。
【００３８】
このようにして得られた受光用光伝送路５を、コア径の小さい方の端部が上部となるように電気配線基板３の空孔３ｃ内に配置し、マルチモード光導波路４に光を入射させながら、反射面４ｄで反射され出力部４ｃから出力される光がコア５ａに入射するように位置合わせして接着剤等により固定する。
【００３９】
次に、受光素子２を受光素子搭載基板６に固定し、受光素子搭載基板を半田（半田ボール）７を介して受光面を受光用光伝送路５のコア５ａの端部に対向するように配置し、加熱して半田ボールを溶融・凝固させることによって、受光素子２を固定する。
【００４０】
最後に、半田７の隙間から、受光素子搭載基板６、受光用光伝送路５、半田７、空孔３ｃで囲まれた空隙部に光透過性樹脂８を注入し、固化させる。
【００４１】
以上のように構成された本第１の実施形態に係る光結合器において、不図示の面発光型半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）からマルチモード光導波路に光結合し、伝搬する信号光１２は、マルチモード光導波路内を複数のモードで伝搬する。これら複数のモードは、コア層４ａとクラッド層４ｂとの界面で異なった角度での全反射を繰り返しながら伝搬するため、光源たる半導体レーザ素子から受光素子にまで到達するのに要する時間がそれぞれ異なる。
【００４２】
このようなマルチモード信号光１２は、反射面４ｄにて反射し、出力部４ｃから受光用光伝送路に結合する。このとき、受光用光伝送路のコア５ａの先端部は、光の進行方向に向かってコア径が小さくなるテーパー形状となっているので、伝搬光のうち、高次モードの光１２ｂは、図１に示すようにクラッドに放射され、主として基本モードを含む伝搬角度が小さい低次モードの光１２ａがコア５ａを導波伝搬して他端に到達し、受光素子２に入射する。このため、伝搬角度が大きいためにコアとクラッドとの間でより多くの全反射を繰り返して伝搬する高次モード光１２ｂが受光素子に到達する強度が低減されるので、光源たる半導体レーザ素子から受光素子にまで到達するのに要する時間のモードによるばらつきが低減されることになる。よって、伝送容量を向上させることができる。
【００４３】
なお、受光用光伝送路５のコア５ａの形状としては、図１又は図２のようなものとしたが、図３に示すように、光の伝送方向に向かって径が減少し、その先端に、シングルモード伝送路部分５ａ１を有するものとしてもよい。このような構成によれば、受光用光伝送路５を介して基本モードの光を受光素子に到達させ、基本モード以外の高次モードの到達強度を低くすることができるので、より好ましい。
【００４４】
なお、図４は、本第１の実施形態例の第１の変形例に係る光結合器１’を示したものである。上記第１の実施形態例では、受光用光伝送路５は、電気配線基板３の空孔３ｃに露出したマルチモード光導波路４上に固定されている。これに対し、図４に示す第１の変形例では、受光用光伝送路5が、受光素子２を埋め込むように受光素子搭載基板６上に一体化されている。このような構成は、受光素子とマルチモード光伝送路との位置あわせ作業が簡略化されるという利点を有する。
【００４５】
また、図５は、本第１の実施形態例の第２の変形例に係る光結合器１’’を示したものである。上記第１の実施形態例では、電気配線基板３は、マルチモード光導波路４の上側において一つの絶縁層３ａの両面に導体パターン層３ｂ、３ｂを形成したものであったが、図５に示す第２の変形例では、電気配線基板３は、マルチモード光導波路４の上側に複数の絶縁層３ａと所定の導体パターン層３ｂとが交互に積層されるとともに、マルチモード光導波路４の下方にも絶縁層３ａと導体パターン層３ｂとを有している。これにより、複雑な電気回路パターンを形成している。その結果、電気配線基板３は、第１の実施形態における電気配線基板（図１）よりも、マルチモード光導波路４の上側の領域において厚くなっている。本発明では、マルチモード光導波路４を導波し、反射面４ｄで受光素子２の方に反射した光が、受光用光伝送路５を介して受光素子の方に導波されるので、本第２の変形例のように、マルチモード光導波路４の出力部４ｃから受光素子２までの距離が大きくならざるを得ない場合であっても、基本モードを含む低次モードの光を、効率よく受光素子２に導くことができる。
【００４６】
（第２の実施形態例）
本発明の第２の実施形態例を、図６を用いて説明する。なお、第１の実施形態例と同一機能を有する各構成部については同一符号を付して示し、その重複説明は省略する。
【００４７】
図６は、本発明の第２の実施形態例に係る光結合器２０を示したものである。本第２の実施形態例が第１の実施形態例と異なる特徴的部分は、受光用伝送路として、マルチモード光導波路４の比屈折率差よりも小さな比屈折率差を有する受光用光伝送路１３を有する点にある。なお、図６に示されているように、受光用光伝送路１３のコア１３ａは、光の進行方向に沿って一様な径を有している。
【００４８】
受光用光伝送路１３とマルチモード光導波路４とは、そのコアサイズはほぼ同一であるが、受光用光伝送路１３の比屈折率差がマルチモード光導波路４のものよりも小さい点で異なっている。このため、受光用光伝送路１３では、コア１３ａとクラッド１３ｂとの界面における全反射可能角度が小さくなるので、本第２の実施形態例における受光用光伝送路１３のコア１３ａを導波可能なモードの伝搬角度は、マルチモード光導波路４のコア層４ａを導波するモードの伝搬角度の範囲でも小さいものに限定される。したがって、マルチモード光導波路４を導波し、反射面４ｄで反射され、出力部４ｃから出射する光により、受光用光伝送路１３には、マルチモード光導波路４ａを導波していたモードの伝搬角度の範囲の中でも、特に小さいモードが誘起される。このモードの光が、受光素子２に到達する。よって、マルチモード光導波路４のコア４ａとクラッド４ｂとの間でより多くの全反射を繰り返して伝搬する伝搬角度が大きな高次モード光１２ｂが受光素子２に到達する強度が低減されるので、光源たる不図示の半導体レーザ素子から受光素子２にまで到達するのに要する時間のモードによるばらつきが低減されることになる。したがって、本第２の実施形態例による光結合器を用いて、伝送容量を向上させることができる。
【００４９】
（第３の実施形態例）
本発明の第３の実施形態例を、図７を用いて説明する。なお、第１の実施形態例と同一機能を有する各構成部については同一符号を付して示し、その重複説明は省略する。
【００５０】
図７は、本発明の第３の実施形態例に係る光結合器３０を示したものである。本第３の実施形態例が第１の実施形態例と異なる特徴的部分は、受光用伝送路として、シングルモード光導波路である受光用光伝送路１３を有する点にある。シングルモード光導波路は、コア１３ａのサイズを、基本モード以外の高次モードがカットオフとなるようなサイズに選択することによって実現できることは周知の事項である。
【００５１】
本第３の実施形態例では、受光用光伝送路１４は、使用する光の波長に対してシングルモード導波路であるため、マルチモード光導波路４を導波し、反射面４ｄで反射され、出力部４ｃから出射する光により、受光用光伝送路１４のコア１４ａには、基本モードのみが誘起され、主としてこの基本モードの光が受光素子２に到達する。このため、光源たる不図示の半導体レーザ素子から受光素子２にまで到達するのに要する時間のモードによるばらつきが低減されることになる。したがって、本第３の実施形態例による光結合器を用いて、伝送容量を向上させることができる。
【００５２】
（第４の実施形態例）
本発明の第４の実施形態例を、図８を用いて説明する。図８は、本発明の第４の実施形態例に係る光結合器４０を示したものである。
【００５３】
本発明の第４の実施形態に係る光結合器４０は、受光素子搭載基板６に搭載された受光素子２と、受光素子２を埋め込むように受光素子搭載基板６上に一体化された受光用光伝送路１５と、受光用光伝送路１５に接続されたマルチモード光ファイバ（マルチモード光導波路）１６とからなる。本第４の実施形態例では、受光用光伝送路１５は、第１の実施形態例における受光用光伝送路５と同様、コア１５ａの径が、信号光の伝送方向に向かって小さくなるよう、たとえばテーパー形状となっている。また、本第４の実施形態例では、受光用光伝送路１５とマルチモード光ファイバ１６とは、光透過性の接着剤樹脂１７によって、コア１６ａと１５ａとが調芯された状態で直接接合されている。
【００５４】
以上のように構成された本第４の実施形態例に係る光結合器４０では、不図示の光源（半導体レーザ素子など）からマルチモード光ファイバ１６に光結合し、伝搬する信号光１２は、マルチモード光ファイバ１６内を複数のモードで伝搬する。これら複数のモードは、コア１６ａとクラッド１６ｂとの界面で異なった角度での全反射を繰り返しながら伝搬するため、光源たる半導体レーザ素子等から受光素子にまで到達するのに要する時間がそれぞれ異なる。
【００５５】
このようなマルチモード光１２が受光用光伝送路１５に結合するとき、受光用光伝送路１５のコア１５ａの先端部は、光の進行方向に向かってコア径が小さくなるテーパー形状となっているので、伝搬光のうち、高次モードの光１２ｂは、図８に示すようにクラッドに放射され、主として基本モードを含む低次モードの光１２ａがコア１５ａを導波伝搬して受光素子２に入射する。このため、コアとクラッドとの間でより多くの全反射を繰り返して伝搬する高次モード光１２ｂが受光素子に到達する強度が低減されるので、光源から受光素子にまで到達するのに要する時間のモードによるばらつきが低減されることになる。よって、伝送容量を向上させることができる。
【００５６】
なお、光の伝送方向に向かって径が減少するコア１５ａを有する受光用光伝送路１５に代えて、第２の実施形態例で用いた受光用光伝送路１３のように比屈折率差がマルチモード光ファイバ１６のものよりも小さい受光用光伝送路を使用してもよいし、第３の実施形態例で用いた受光用光伝送路１４のようにシングルモード光導波路である受光用光伝送路を使用してもよい。
【００５７】
（第５の実施形態例）
本発明の第５の実施形態例を、図９を用いて説明する。図９は、本発明の第５の実施形態例に係る光結合器５０を示したものである。
【００５８】
本発明の第５の実施形態に係る光結合器５０は、光ファイバ通信に用いられるものであって、受光素子搭載基板５１に搭載された受光素子２と、受光素子２を埋め込むように受光素子搭載基板５１上に一体化された受光用光伝送路１８と、受光素子搭載基板５１を支持するベース５３と、信号光１２を通過させる窓部５５を有するケース５４と、受光素子搭載基板５１とベース５３とを貫通して外部に導出されたリードピン５２とを有する。受光用光伝送路１８は、第１の実施形態例における受光用光伝送路５と同様、コア１８ａの径が、信号光の伝送方向に向かって小さくなるよう、たとえばテーパー形状となっている。窓部５５を有するケース５４は、ベース５３の周縁部において溶接固定されて受光素子５２を気密に封止している。なお、外部に導出されたリードピン５２は受光素子２に電気的に接続されている。
【００５９】
本第５の実施形態例において、外部から種々のモードで伝搬してきた信号光が、受光用光伝送路１８に入射すると、入射した光のうち、高次モードの光はクラッド１８ｂに放出され、主として基本モードを含む低次モードの光がコア１８ａを伝搬して受光素子２に到達する。したがって、不図示の光源から受光素子にまで到達するのに要する時間のモード、伝搬経路によるばらつきが低減されることになる。よって、伝送容量を向上させることができる。
【００６０】
なお、光の伝送方向に向かって径が減少するコア１５ａを有する受光用光伝送路１５に代えて、第３の実施形態例で用いた受光用光伝送路１４のようにシングルモードファイバである受光用光伝送路を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の光結合器の第１の実施形態例を示す模式図である。
【図２】受光用光伝送路の作製プロセスを示す図である。
【図３】受光用光伝送路５の別の構成を示す図である。
【図４】本発明の光結合器の第１の実施形態例の第１の変形例を示す模式図である。
【図５】本発明の光結合器の第１の実施形態例の第２の変形例を示す模式図である。
【図６】本発明の光結合器の第２の実施形態例を示す模式図である。
【図７】本発明の光結合器の第３の実施形態例を示す模式図である。
【図８】本発明の光結合器の第４の実施形態例を示す模式図である。
【図９】本発明の光結合器の第５の実施形態例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６２】
１，１’，１’’ 光結合器
２ 受光素子
３ 電気配線基板
３ａ 絶縁層
３ｂ 導体パターン層
３ｃ 空孔
４ マルチモード光導波路
４ａ コア層
４ｂ クラッド層
４ｃ 出力部
４ｄ 反射面
５ 受光用光伝送路
５ａ コア
５ａ１ シングルモード光伝送路部分
５ｂ クラッド
６ 受光素子搭載基板
７ 半田
８ 光透過性樹脂
９ 光回路基板
１０ 型枠
１１ 型材
１２ 信号光
１２ａ 基本モードを含む低次モード光
１２ｂ 高次モード光
１３ 受光用光伝送路
１３ａ コア
１３ｂ クラッド
１４ 受光用光伝送路
１４ａ コア
１４ｂ クラッド
１５ 受光用光伝送路
１５ａ コア
１５ｂ クラッド
１６ マルチモード光ファイバ
１６ａ コア
１６ｂ クラッド
１７ 光透過性接着剤樹脂
１８ 受光用光伝送路
１８ａ コア
１８ｂ クラッド
２０ 光結合器
３０ 光結合器
４０ 光結合器
５０ 光結合器
５１ 受光素子搭載基板
５２ リードピン
５３ ベース
５４ ケース
５５ 窓部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光素子と、
前記受光素子に入力信号光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、
前記光結合手段は、
光の伝送方向に向かって径が小さくなるコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記入力信号光を前記受光素子に光結合させること
を特徴とする光結合器。
【請求項２】
受光素子と、
前記受光素子に入力信号光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、
前記光結合手段は、
伝送される光の波長に対してシングルモードとなる受光用光伝送路を介して、前記入力信号光を前記受光素子に光結合させること
を特徴とする光結合器。
【請求項３】
受光素子と、
マルチモード光導波路と、
前記受光素子に前記マルチモード光導波路を伝送する光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、
前記光結合手段は、
光の伝送方向に向かって径が小さくなるコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記マルチモード光導波路を導波する光を前記受光素子に光結合させること
を特徴とする光結合器。
【請求項４】
受光素子と、
マルチモード光導波路と、
前記受光素子に前記マルチモード光導波路を伝送する光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、
前記光結合手段は、
前記マルチモード光導波路の比屈折率差よりも小さい比屈折率差を有するコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記マルチモード光導波路を導波する光を前記受光素子に光結合させること
を特徴とする光結合器。
【請求項５】
受光素子と、
マルチモード光導波路と、
前記受光素子に前記マルチモード光導波路を伝送する光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、
前記光結合手段は、
コアと該コアを囲むクラッドとからなるシングルモード光導波路である受光用光伝送路を介して、前記マルチモード光導波路を導波する光を前記受光素子に光結合させること
を特徴とする光結合器。
【請求項６】
前記マルチモード光導波路を伝搬する光を前記受光素子に向かって反射する反射端面が前記マルチモード光導波路に形成されていることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか１つに記載の光結合器。
【請求項７】
前記受光用光伝送路が、前記マルチモード光導波路の前記反射端面によって反射された光が入射されるように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光結合器。
【請求項８】
前記受光用光伝送路が、前記受光素子を搭載する受光素子搭載基板上に固定されていることを特徴とする請求項７に記載の光結合器。
【請求項１】
受光素子と、
前記受光素子に入力信号光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、
前記光結合手段は、
光の伝送方向に向かって径が小さくなるコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記入力信号光を前記受光素子に光結合させること
を特徴とする光結合器。
【請求項２】
受光素子と、
前記受光素子に入力信号光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、
前記光結合手段は、
伝送される光の波長に対してシングルモードとなる受光用光伝送路を介して、前記入力信号光を前記受光素子に光結合させること
を特徴とする光結合器。
【請求項３】
受光素子と、
マルチモード光導波路と、
前記受光素子に前記マルチモード光導波路を伝送する光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、
前記光結合手段は、
光の伝送方向に向かって径が小さくなるコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記マルチモード光導波路を導波する光を前記受光素子に光結合させること
を特徴とする光結合器。
【請求項４】
受光素子と、
マルチモード光導波路と、
前記受光素子に前記マルチモード光導波路を伝送する光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、
前記光結合手段は、
前記マルチモード光導波路の比屈折率差よりも小さい比屈折率差を有するコアと該コアを囲むクラッドとからなる受光用光伝送路を介して、前記マルチモード光導波路を導波する光を前記受光素子に光結合させること
を特徴とする光結合器。
【請求項５】
受光素子と、
マルチモード光導波路と、
前記受光素子に前記マルチモード光導波路を伝送する光を結合させる光結合手段を有する光結合器であって、
前記光結合手段は、
コアと該コアを囲むクラッドとからなるシングルモード光導波路である受光用光伝送路を介して、前記マルチモード光導波路を導波する光を前記受光素子に光結合させること
を特徴とする光結合器。
【請求項６】
前記マルチモード光導波路を伝搬する光を前記受光素子に向かって反射する反射端面が前記マルチモード光導波路に形成されていることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか１つに記載の光結合器。
【請求項７】
前記受光用光伝送路が、前記マルチモード光導波路の前記反射端面によって反射された光が入射されるように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光結合器。
【請求項８】
前記受光用光伝送路が、前記受光素子を搭載する受光素子搭載基板上に固定されていることを特徴とする請求項７に記載の光結合器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−１５２０６４（Ｐ２００８−１５２０６４Ａ）
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４０７１１（Ｐ２００６−３４０７１１）
【出願日】平成１８年１２月１９日（２００６．１２．１９）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１９日（２００６．１２．１９）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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