JP7356048B2 - 光導波路部品 - Google Patents

Description

本発明は、光通信システムに応用可能であり、フォトダイオード、レーザーダイオード等の光素子を実装する際に用いられる光導波路部品に関する。

近年、光ファイバ伝送の普及に伴い、多数の光機能素子を高密度に集積する技術が求められている。その一つとして、石英系の平面光波回路（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ：以下、ＰＬＣと表記する）が知られている。ＰＬＣは低損失、高信頼性、高い設計自由度といった優れた特徴を有する導波路型光デバイスであり、実際に光通信伝送端における伝送装置には合分波器、分岐・結合器等の機能を集積したＰＬＣが搭載されている。

また、伝送装置内には、ＰＬＣ以外の光デバイスとして、光と電気信号とを変換するフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ：以下、ＰＤと表記する）、レーザーダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：以下、ＬＤと表記する）等の光素子も搭載されている。更に、通信容量の拡大に向けて、光信号処理を行うＰＬＣ等の光導波路と光電変換を行うＰＤ等の光デバイスと、を集積した高機能な光電子集積型デバイスが求められている。

このような集積型光デバイスのプラットフォームとしてＰＬＣは有望である。その周知技術には、ＰＤ及びＰＬＣのチップをハイブリッドに集積した「光導波路部品およびその作製方法」（特許文献１参照）が挙げられる。

特開２００５－７０３６５号公報

この特許文献１では、光導波路の一部の領域に光路変換部としての４５度ミラーを設け、その光導波路上にＰＤを実装している。これにより、光導波路を伝搬する光を４５度ミラーで垂直に光路変換し、ＰＤとの光結合を行う技術を開示している。

このようにＰＬＣとＰＤ等の光素子とを組み合わせて実装する光電子集積型デバイスでは、小型化、回路設計の自由度の面で利点がある。更に、近年では、通信容量を一層拡大させるため、光信号の合分波機能を持たせたＰＬＣにおいて、アレイ化した複数の光素子を低損失となるように結合し、多チャネル化し得る機能が光電子集積型デバイスに求められている。

上述した特許文献１の光電子集積型デバイスにおいて、例えばＰＬＣ及び光素子のそれぞれの光導波路を突き合わせて結合することを想定する。この場合、ＰＬＣの光導波路の材料である石英系ガラスの屈折率が１．５程度であるのに対し、光素子の光導波路に関するＩｎＰ等の化合物半導体、Ｓｉといった材料の屈折率は３以上となり、屈折率が大きく異なっている。

そこで、それぞれの光導波路の材料でシングルモード用導波路を作製した場合、屈折率が高い光素子の光導波路の方が光の閉じ込めが強くなる。このため、光導波路を伝搬する光のモードフィールド径（ＭＦＤ）を比較すると、光素子の方がＰＬＣよりも小さくなっている。

このように、モードフィールド径が異なる光導波路同士を突き合せて結合し、光電子集積型デバイスを構成する場合、モードフィールドのミスマッチによって、光損失が発生し、特性劣化を引き起こすことになる。このため、本来、こうした光損失の問題を対策するため、例えば光素子のモードフィールド径を拡大してミスマッチを減少させ、光損失を抑制する必要がある。

図１は、周知の光電子集積型デバイスをモードフィールド径の異なるコアを持つ光導波路部品１０と光素子２０とを結合して構成する様子を結合前の状態で一部破断して示した斜視図である。

図１を参照すれば、この光電子集積型デバイスにおける光導波路部品１０は、基板１の主面上に光導波路２が備えられる。光導波路２は、積層されたアンダークラッド２ａと、コア３と、オーバークラッド２ｂとを有し、基板１の端面付近に結合される光素子２０との間で信号を入出力可能となっている。光素子２０は、先細りテーパ形状の角板状部３ａ´に直線状に延びた直線角板状部３ｂ´を結合した２重構造のコア３´がクラッド２ｃで覆われて構成される。

光導波路部品１０の光導波路２のコア３と光素子２０のコア３´とは、突き合わせ方向Ｍで光学的に結合される。このため、光素子２０のコア３´には、モードフィールドを拡大するスポットサイズ変換器（ＳＳＣ）としての機能が持たされる。図１に示す例では、光素子２０のコア３´を２重構造とし、光入力側の角板状部３ａ´をテーパ形状としてコア３´の幅を細くし、光導波路２のコア３との光学的結合時の光損失の抑制を図っている。

こうした光損失を抑制する対策には、場合によって、コア３´の幅を太くするためにテーパを設ける構造を採用したり、或いは、コア３´の周囲をＳｉＯ_２で覆うことで２重コアにする構造が採用されることもある。何れにしても、作製工程を比較的複雑化させないで済む範囲とすることが望ましい。しかしながら、こうした光素子２０側のコア３´へのモードフィールド対策では、光損失を十分に低減できるモードフィールドまで拡大するのが困難である場合が多い。

これに対し、ＰＬＣ等の光導波路部品１０側のモードフィールドは、シングルモード条件のコア３の径から小さくしていくと、光の閉じ込めが弱くなり、モードフィールドが拡大する方向に作用する。このため、モードフィールドを小さくすることは一般に困難である。また、光導波路部品１０におけるコア３とクラッド（アンダークラッド２ａ又はオーバークラッド２ｂを示す）との間の屈折率差を大きくし、モードフィールドを小さくする手法も考えられる。この場合、屈折率差を変更すると、光導波路部品１０に含まれる光回路（光導波路２）の特性も変化するため、特性を維持することが困難になってしまう。

このように、ＰＬＣ等の光導波路部品１０と光素子２０との突き合わせ実装に際して、光素子２０に比較的容易な工程で実現可能なスポットサイズ変換器を用いても、光導波路同士のモードフィールドのミスマッチが発生する。このため、簡便に光損失の低減化を具現し難いという問題がある。そこで、光素子２０のスポットサイズ変換器に更に複雑な構造を採用すれば、更にモードフィールドを拡大できる余地がある。ところが、こうした構造を採用すると、反面的に作製工程が煩雑になってしまうという問題が発生する。従って、係る手法は、簡便に低光損失を具現しようとする観点からすれば、好適な手法と言えない。

要するに、光導波路部品１０をプラットフォームとして、光素子２０を結合するハイブリッド集積により光電子集積型デバイスを構成する場合、低光結合損失で簡便に光導波路同士を結合し得る光導波路部品が現状で具現化されていない。

本発明に係る実施形態は、上記問題点を解決するためになされたものである。本発明に係る実施形態の目的は、光素子を結合してのハイブリッド集積により光電子集積型デバイスを構成するとき、低光結合損失で簡便に光導波路同士を結合し得る光導波路部品を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一態様は、基板の主面上に光導波路が備えられ、当該光導波路は、積層されたアンダークラッドと、コアと、オーバークラッドと、を有すると共に、当該基板の端面付近に結合される光素子との間で信号を入出力可能な光導波路部品であって、基板の水平方向における端面付近の光導波路のコアの両側に、当該基板の垂直方向に対して断面方向でコアよりも深く形成され、当該コアを覆う当該光導波路の延在方向に沿って並設された溝部を有し、溝部を占める媒質の屈折率は、アンダークラッド及びオーバークラッドの屈折率よりも低いことを特徴とする。

上記構成の光導波路部品は、光素子を結合してのハイブリッド集積により光電子集積型デバイスを構成するとき、低光結合損失で簡便に光導波路同士を結合し得るようになる。

周知の光電子集積型デバイスをモードフィールド径の異なるコアを持つ光導波路部品と光素子とを結合して構成する様子を結合前の状態で一部破断して示した斜視図である。 本発明の実施形態１に係る光電子集積型デバイスをモードフィールド径の異なるコアを持つ光導波路部品と光素子とを結合して構成する様子を結合前の状態で一部破断して示した斜視図である。 図２に示す光導波路部品の構造を適用したＰＬＣと光素子の適用例であるＰＤとの光学的結合の様子を示した斜視図である。 図３に示すＰＬＣの光導波路における出口領域側の細部構造を一部破断して示した斜視図である。 図３に示すＰＬＣに光を入力し、光導波路の基板の端面におけるモードフィールド径をチャネル毎に測定した結果を、コアの側面と溝部の側面との距離との対応関係で示した図である。 図３に示すＰＬＣ及びＰＤの結合時に測定されるＰＤのチャネル毎の光電流から受光感度を求め、上記距離に対する光結合損失を算出した結果を示すものである。 本発明の実施形態２に係るＰＬＣと光素子の適用例であるＰＤとの光学的結合の様子を示した斜視図である。 図７に示すＰＬＣの光導波路における出口領域側の細部構造を一部破断して示した斜視図である。 図７に示すＰＬＣに光を入力し、光導波路の基板の端面におけるモードフィールド径をチャネル毎に測定した結果を、出口領域側のコアの幅との対応関係で示した図である。 図７に示すＰＬＣ及びＰＤの結合時に測定されるＰＤのチャネル毎の光電流から受光感度を求め、上記出口領域におけるコアの幅に対する光結合損失を算出した結果を示すものである。

以下、本発明の実施形態に係る光導波路部品について、幾つかの実施形態を挙げ、図面を参照して詳細に説明する。

（実施形態１）
図２は、本発明の実施形態１に係る光電子集積型デバイスをモードフィールド径の異なるコアを持つ光導波路部品１０Ａと光素子２０とを結合して構成する様子を結合前の状態で一部破断して示した斜視図である。

図２を参照すれば、この光電子集積型デバイスにおける光導波路部品１０Ａの場合も、Ｓｉ等による基板１の主面上に光導波路２が備えられる。ここでの光導波路２の場合も、積層されたアンダークラッド２ａと、コア３と、オーバークラッド２ｂと、を有し、基板１の端面付近に結合される光素子２０との間で信号を入出力可能となっている。光素子２０は、図１を参照して説明した構成と同じであり、先細りテーパ形状の角板状部３ａ´に直線状に延びた直線角板状部３ｂ´を結合した２重構造のコア３´がクラッド２ｃで覆われて構成される。

この光導波路部品１０Ａの場合、基板１の水平方向における端面付近の光導波路２のコア３の両側に、基板１の垂直方向に対して断面方向でコア３よりも深い溝部４が、コア３を覆う光導波路２の延在方向に沿って並設されている。但し、これらの溝部４を占める媒質の屈折率は、アンダークラッド２ａ及びオーバークラッド２ｂの屈折率よりも低くなっている。このような媒質は、汎用性の高い空気として良いものである。溝部４は、以下も同様であるが、基板１の主面上の水平方向において、コア３の両側に係るモードフィールドよりも十分幅がある領域で、その底面がコア３よりも基板１の主面との垂直方向で深い領域を示す。

溝部４には、テーパ形状を持たせている。このテーパ形状は、基板１の水平方向における光導波路２のコア３の側面と基板１の光導波路２の両側に設けられた溝部４の側面との距離が基板１の端面の反対方向から端面の方向に向かって小さくなるようにして、形成している。これにより、溝部４は、基板１の端面の反対方向側のテーパ状凹部４ａと基板１の端面の方向に向かって直線状に延在する直線状凹部４ｂとが繋がる形態となっている。また、基板１の端面側の溝部４の直線状凹部４ｂの端部は、壁を持たない切り欠かれた空間となっている。尚、基板１の水平方向における光導波路２のコア３の側面とコア３の両側に設けられた溝部４の側面との距離は、コア３の幅を基準として規定することができる。係る距離は、コア３の延在方向と垂直な方向におけるコア３の幅の１／２以下であり、且つ零よりも大きいことが好ましい。

この光導波路部品１０Ａにおいても、光導波路２のコア３と光素子２０のコア３´とは、突き合わせ方向Ｍで光学的に結合される。このため、光素子２０のコア３´には、図１を参照して説明した場合と同様に、モードフィールドを拡大するスポットサイズ変換器（ＳＳＣ）としての機能が持たされる。図２に示す例においても、光素子２０のコア３´を２重構造とし、光入力側の角板状部３ａ´をテーパ形状としてコア３´の幅を細くし、光導波路２のコア３との光学的結合時の光損失の抑制を図っている。しかしながら、光素子２０側のコア３´へのモードフィールド対策では、上述したように、光損失を十分に低減するモードフィールドまで拡大するのが困難である。

この点について、実施形態１に係る光導波路部品１０Ａでは、基板１の光導波路２のコア３の両側に設けられた溝部４がアンダークラッド２ａ及びオーバークラッド２ｂよりも低い屈折率の媒質で占められている。このため、光導波路２を伝搬する光のモードフィールドを光導波路２で小さくするように調整することができる。これにより、モードフィールドのミスマッチによる光損失を低減することができる。尚、この光導波路部品１０Ａは、ＰＬＣへの適用が好適である。

ところで、モードフィールドをより効果的に縮小させるため、基板１の水平方向における光導波路２のコア３の幅は、光導波路２に接続する光素子２０の光導波路のコア３´の幅よりも小さいことが望ましい。また、上述したように、光導波路２のコア３の側面と、コア３の両側に設けられた溝部４の側面との距離が、片側でコア３の幅の１／２以下であることが望ましい。更に、光導波路２の基板１の垂直方向におけるコア３の高さは、光導波路２に接続する光素子２０の光導波路のコア３´の高さよりも小さいことが望ましい。

ここで、モードフィールドを縮小する際に、光導波路２とその光導波路２に接続する光素子２０の光導波路のそれぞれのモードフィールドにミスマッチがあると、接続部分で光損失が生じてしまう。そこで、基板１の水平方向における光導波路２のコア３の側面と、コア３の両側に設けられた溝部４の側面との距離が、基板１の端面の反対方向から端面方向に向かって小さくなるテーパ形状を導入すれば良い。これにより、基板１の端面の光導波路２に向けてモードフィールドを徐々に変換することができる。このとき、光導波路２のコア３の幅を小さくする場合には、同様にコア３の幅にもテーパ構造を採用し、徐々にコア３の幅を変化させることが望ましい。

一般的に、ＰＬＣの断面構造は、Ｓｉ、ＳｉＯ_２等による基板１の主面上に、ＳｉＯ_２の薄膜が、アンダークラッド２ａとして約２０μｍ、コア３として３～１０μｍ、オーバークラッド２ｂとして約２０μｍ堆積される。基板１の端面領域に形成された光導波路２を光の入出力を行う入出力導波路として想定すれば、基板１の端面におけるモードフィールドで光結合されることになる。基板１の端面において小さいモードフィールドを得るため、入出力導波路の両側に、ＰＬＣの基板１に対して、水平方向における入出力導波路を伝搬する光の進行方向に沿った溝部４を設ける。効果的にモードフィールドを小さくするため、アンダークラッド２ａ及びオーバークラッド２ｂのクラッド材料の屈折率よりも低い空気、樹脂等の媒質によって溝部４の内部が占められることが望ましい。

また、ＰＬＣの基板１に対して垂直方向における溝部４の深さが、コア３の底面の深さよりも深いことが望ましい。これにより、コア３を伝搬する光の基底モードにおける等価屈折率を高めることで、強い光の閉じ込め効果が得られる。その結果として、モードフィールドを小さくすることができるが、特に基板１の水平方向のモードフィールド対して効果的に作用する。このようなモードフィールド調整用の溝部４を設けるためには、溝部４を設ける領域に対してフォトリソグラフィーによるパターニングとドライエッチングとによる手法が用いられる。従って、特殊な工程を要することなく、簡便に実施することが可能である。

更に、入出力導波路部のみに適用される構造であるため、既存のＰＬＣの設計に対して導入するのも容易である。ＰＬＣを対象としての溝部形成工程は、ＰＬＣの熱光学効果を利用した光スイッチにおける断熱溝部形成でも行われるため、断熱溝部の形成とモードフィールド調整用の溝部４との形成とを同時に行うことができる。このような場合には、工程を追加することなく実施することが可能である。例えば、光導波路２は、光回路領域から溝部４の設けられた光結合端面の入出力領域に至る箇所において、コア３の両側に溝部４が無い構造を有する。また、光導波路２は、入出力領域でコア３の両側の溝部４を介してアンダークラッド２ａ及びオーバークラッド２ｂの少なくとも何れかによるクラッドが残る構造を有する場合を好適な例として、挙げられる。

通常、モードフィールドを小さくするには、屈折率の高いコア材料を用いてＰＬＣを作製するか、或いは入出力導波路部に屈折率の高い第２のコア材料を追加して堆積した後、コア形状加工を行う手法が挙げられる。ところが、これらの手法のうち、前者は、光回路の再設計が必要であると同時に、光素子２０以外との信号の入出力に用いられる光ファイバとの光結合損失がモーフィールドのミスマッチにより増加する問題がある。後者は、追加するコア材料の堆積及び加工だけでなく、余分な領域に堆積された第２コア材料の除去をサブミクロン以下の精度で除去する必要もあるため、ＰＬＣの作製工程が複雑化するという問題がある。これに対し、実施形態１の手法では、ＰＬＣの光回路領域の設計を変更することなく導入でき、簡便な作製工程で実現することが可能である。

図３は、上述した光導波路部品１０Ａの構造を適用したＰＬＣ１００Ａと光素子２０の適用例であるＰＤ６との光学的結合の様子を示した斜視図である。このＰＬＣ１００Ａは、Ｓｉによる基板１の主面上に下記の規格による光導波路２を形成した石英系で構成される。即ち、光導波路２の規格として、サイズが縦５ｍｍ、横１０ｍｍであり、コア３の径が４．５μｍ、コア３の上面からみたオーバークラッド２ｂの膜厚を１５．５μｍ、コア３の下面のアンダークラッド２ａの膜厚を２０μｍとする。また、コア３とアンダークラッド２ａ及びオーバークラッド２ｂとの屈折率差が２．０％の光導波路２であるとする場合を例示できる。

このＰＬＣ１００Ａにおける光導波路２では、光入力を基板１の短辺側に設けられた図３中の手前側の入口領域Ｅ１から行い、光出力を入口領域Ｅ１と反対側の短辺側に形成される図３中の奥側の出口領域Ｅ２から行う。光導波路２は、４チャネルのコア３が２５０μｍピッチで設けられ、それぞれ入口領域Ｅ１側から総計８個の溝部４０が形成される部分付近に至るまでの間のコア３をＳ字型部とする構造が採用されている。これにより、コア３は、溝部４０が延在する方向に沿って、それらの間隔に位置される直線部とＳ字型部とが結合された構造となっている。また、ここでの溝部４０の構造は、図２を参照して説明した光導波路部品１０Ａの溝部４の構造の場合とは細部が相違している。図３に示す溝部４０は、光出力側の基板１の端面まで貫通せずに端面からオフセットした箇所まで形成されている。

図４は、図３に示すＰＬＣ１００Ａの光導波路２における出口領域Ｅ２側の細部構造を一部破断して示した斜視図である。図４を参照すれば、コア３の直線部の両側に設けられた溝部４０は、コア３の光出力の方向に沿って、基板１の端面に向けて５００μｍの全長として、出口領域Ｅ２となる基板１の端面の壁部から５μｍの箇所まで形成されている。即ち、出口領域Ｅ２となる基板１の端面を貫通せずに壁部を有する構造になっている。尚、基板１の端面は、チップ端と呼ばれても良い。

即ち、この溝部４０の場合も、テーパ状凹部４０ａ及び直線状凹部４０ｂを有する形状であり、それぞれ２５０μｍの長さで形成されている。即ち、溝部４０において、出口領域Ｅ２側の基板１の端面と反対側方向のテーパ状凹部４０ａは、出口領域Ｅ２側の基板１の端面側の直線状凹部４０ｂの箇所から２５０μｍ離れた箇所に至るまで形成されている。但し、これらのテーパ状凹部４０ａ及び直線状凹部４０ｂの寸法形状は、あくまでも一例であり、任意に変更することが可能である。

更に、溝部４０の出口領域Ｅ２側では、コア３の側面と直線状凹部４０ｂの側面との距離ｄを一定としている。但し、このコア３の側面と直線状凹部４０ｂの側面との距離ｄは、図３に示すように複数のコア３が設けられる場合には、コア３毎に変更することが可能である。また、基板１の端面の反対側方向に向け、コア３の側面とテーパ状凹部４０ａの側面との距離ｄが次第に大きくなるように、溝部４０のテーパ状凹部４０ａのテーパ構造を設定している。このコア３の側面とテーパ状凹部４０ａの側面との距離ｄは、基板１の端面の反対側方向におけるテーパ状凹部４０ａの端部で最大値を示す１０μｍとなっている。これにより、溝部４０の形状は、テーパ状凹部４０ａ及び直線状凹部４０ｂが繋がって形成され、基板１の端面と反対側で最も隔てられたテーパ状凹部４０ａの端部で幅が最小となっている。尚、溝部４０の直線状凹部４０ｂにおける幅Ｗは、５０μｍとしている。

そこで、図３に示す４チャネル分のコア３について、出口領域Ｅ２のコア３の側面と溝部４０の直線状凹部４０ｂの側面の距離ｄをそれぞれ０μｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍとした。この溝部４０は、ドライエッチングにより深さがコア３よりも深くなるように形成される。溝部４０の作製方法で作用効果が限定されるものではないが、ドライエッチングにより溝部４０を作製すれば、高精度で、且つ自由度の高いレイアウトが可能となる。上述した光導波路部品１０Ａに設けた溝部４及びＰＬＣ１００Ａに設けた溝部４０の何れについても、特記しない限り、空気が充填されているとみなして構わない。

このような構造のＰＬＣ１００Ａに突き合わせ結合するＰＤ６は、光導波路にスポットサイズ変換器が設けられる。図３を参照して、具体的に説明すれば、光強度分布の強度が１／ｅ^２となる全幅のモードフィールド径がチップの垂直方向及び水平方向に対してそれぞれ３μｍとなるコア３´が光入力用とされ、光電変換部３ｃ´に結合される。スポットサイズ変換器を介してコア３´に入力された光は、ＰＤ６の光導波路を伝搬し、光電変換部３ｃ´で電気信号に変換される。尚、光結合損失を除いたＰＤ６の単体での受光感度は波長１．５５μｍで１．０Ａ／Ｗである。

ＰＬＣ１００ＡとＰＤ６との突き合わせ結合では、ＰＬＣ１００Ａのコア３の出力領域Ｅ２から出力された光に対し、ＰＤ６の受光感度が最大になるように、ＰＬＣ１００Ａの光導波路２とＰＤ６の光導波路との位置をアライメントする。そして、ＰＬＣ１００Ａのコア３とアンダークラッド２ａ及びオーバークラッド２ｂとの屈折率に近い赤外領域で透明な樹脂をＰＬＣ１００Ａ及びＰＤ６間に充填する。そして、樹脂の硬化による固着・固定を行う。このようにして、光電子集積型デバイスを構成することができる。但し、ＰＤ６の光導波路となる端面には、充填する樹脂の屈折率に対応した反射防止膜を設けることが好ましい。

ＰＬＣ１００Ａ及びＰＤ６の結合により、４チャネルの集積型受光デバイスが構成される。ＰＬＣ１００Ａの光導波路２の入口領域Ｅ１に入力された光は、４チャネル分のコア３を通って出口領域Ｅ２から突き合わせ結合部に伝搬される。そして、この突き合わせ結合部を介してＰＤ６側の光導波路で光結合された後、コア３´を通ってそれぞれの光電変換部３ｃ´で光電変換され、電気信号として出力される。

ところで、ＰＬＣ１００Ａ及びＰＤ６間の固着・固定用として、接続部分に光学接着剤を導入し、ＰＬＣ１００Ａ及びＰＤ６間の機械的な接着と屈折率差の整合とを図ることも可能である。この際に、コア３の両側の溝部４０が基板１の端面まで貫通していれば、溝部４０の内部に光学接着剤が流れ込むことにより、アンダークラッド２ａ及びオーバークラッド２ｂと溝部４０とを占める媒質との屈折率差が減少してしまうことが考えられる。この結果、モードフィールド縮小の効果が十分に働かない可能性がある。

そこで、光学接着剤が溝部４０の内部に流れ込まないように、ＰＤ６との接続前にアンダークラッド２ａ及びオーバークラッド２ｂよりも低い屈折率の媒質を予め溝部４０の内部に導入しておくことが有効である。図４を参照して説明した例では、コア３の両側の溝部４０の直線状凹部４０ｂが基板１の端面まで貫通せず、基板１の端面からオフセットした箇所まで形成される壁部を持つ構造としている。これにより、光学接着剤の流れ込みを防止し、屈折率差の減少を防止する構造を得ている。

尚、上述したＰＬＣ１００Ａ及びＰＤ６の結合では、使用する波長帯に応じて透明な樹脂を用いることが一般的であるが、実施形態１の作用効果はそれに依存するものでない。例えば、光導波路同士をアライメントした後、ＹＡＧレーザ等を用いて端面同士を融着する手法を採用すれば、溝部４０の内部に樹脂が入り込む可能性を除去し、安定した光結合構造を形成することが可能である。

図５は、ＰＬＣ１００Ａに光を入力し、光導波路２の基板１の端面におけるモードフィールド径[μｍ］をチャネル毎に測定した結果を、コア３の側面と溝部４０の側面との距離ｄ[μｍ］との対応関係で示した図である。尚、ここではＰＬＣ１００Ａに対し、波長１．５５μｍの光をファイバで入力し、従来の溝部無しの場合を含めた結果を得たものとする。

図５からは、溝部無しの場合、基板１の垂直方向及び水平方向のモードフィールド径は約４．８μｍとなっていることが判る。これに対し、光導波路２の出口領域Ｅ２側に溝部４０を設けた場合、コア３の側面と溝部４０の直線状凹部４０ｂの側面との距離ｄが３μｍから２μｍの間で水平方向のモードフィールド径が僅かに小さくなることが判った。更に、距離ｄを低減して０μｍとしたとき、垂直方向におけるモードフィールド径はほぼ一定のままであるが、水平方向におけるモードフィールド径は約３．６μｍと大幅に小さくできることが判った。この距離ｄ＝０μｍでの水平方向におけるモードフィールド径約３．６μｍは、ＰＤ６の光導波路のコア３´のモードフィールド径へと近付けられる値である。

図６は、ＰＬＣ１００Ａ及びＰＤ６の結合時に測定されるＰＤ６のチャネル毎の光電流から受光感度を求め、上記距離ｄ[μｍ］に対する光結合損失Ｌоｓｓ［ｄＢ]を算出した結果を示すものである。尚、ここでは、ＰＤ６の単体の受光感度から距離ｄ[μｍ］に対する光結合損失Ｌоｓｓ［ｄＢ]を算出した結果を、従来の溝部無しの場合を含めて得たとする。

図６からは、溝部無しの場合、１ｄＢ弱の光結合損失が生じていることが判る。これに対し、光導波路２の出口領域Ｅ２側に溝部４０を設けた場合、コア３の側面と溝部４０の直線状凹部４０ｂの側面との距離ｄ＝３μｍ～２μｍの間で僅かに光結合損失が減少し、更に距離ｄを低減して０μｍとしたとき、約０．５ｄＢまで光結合損失を低減できることが判る。このような溝部４０の構造は、図１に示したような従来の溝部無しの光導波路２にそのまま導入することが可能であり、光導波路２におけるモードフィールド径を、複雑な構造を導入することなく簡便に小さくできることを示す。

以上の結果からは、ＰＬＣ１００Ａ及びＰＤ６の結合時にモードフィールド径が小さい光導波路のＰＤ６への突き合わせ結合を実施しても、光結合損失を低減できることが判った。即ち、実施形態１に係る光導波路部品１０Ａと光素子２０との結合時における光結合損失の低減効果、更には光導波路部品１０Ａを適用したＰＬＣ１００Ａ及びＰＤ６の結合時における光結合損失の低減効果を確認できた。従って、実施形態１に係る光導波路部品１０Ａは、光素子２０を結合してのハイブリッド集積により光電子集積型デバイスを構成するとき、低光結合損失で簡便に光導波路同士を結合し得る。このため、より低光損失が要求される光デバイスへの適用が有効になる。

要するに、実施形態１に係る光導波路部品１０Ａでは、光導波路２のコア３の両側にコア３よりも深い溝部４が、コア３を覆う光導波路２の延在する方向に沿って並設されている。そして、これらの溝部４を占める媒質の屈折率をアンダークラッド２ａ及びオーバークラッド２ｂの屈折率よりも低くし、等価的にコア３とアンダークラッド２ａ及びオーバークラッド２ｂとの間の屈折率差を大きくしている。これにより、光導波路２のコア３を伝搬する光の閉じ込めを強くすることが可能となり、伝搬する光のモードフィールドを小さくする方向に調整を行うことができる。この結果、上記作用効果を奏するようになる。

（実施形態２）
図７は、本発明の実施形態２に係るＰＬＣ１００Ｂと光素子２０の適用例であるＰＤ６´との光学的結合の様子を示した斜視図である。このＰＬＣ１００Ｂは、ＰＬＣ１００Ａと比べ、光導波路２´の多重構造のコア３″のチャネル数、溝部４´の総数が増設され、光導波路２´と基板１の端面との成す角度θを傾けて設定した点が相違している。即ち、このＰＬＣ１００Ｂでは、光導波路２´の多重構造のコア３″が５チャネル分、溝部４´の総計が１０個に増設され、光導波路２´のコア３″と基板１の端面との成す角度θが９０度を基準とした場合、８度傾いて設定される。また、ＰＤ６´の光入力用とする光導波路も、同じ傾きで設定されている。

このＰＬＣ１００Ｂにおける溝部４´の構造は、図４を参照して説明した溝部４０の構造とは細部が相違しており、全長７５０μｍで光出力側の基板１の端面まで貫通しており、壁部を持たない構造となっている。但し、溝部４´の形状は、テーパ状凹部４ａ´及び直線状凹部４ｂ´が繋がって形成され、基板１の端面と反対側の最も隔てられたテーパ状凹部４ａ´の端部で幅が最小となっている点は同じである。尚、ここでも基板１の水平方向における光導波路２´のコア３″の側面とコア３″の両側に設けられた溝部４´の側面との距離は、コア３″の幅に基づいて規定することができる。係る距離についても、コア３″の延在方向と垂直な方向におけるコア３″の幅の１／２以下であり、且つ零よりも大きいことが好ましい。

図８は、図７に示すＰＬＣ１００Ｂの光導波路２´における出口領域Ｅ２側の細部構造を一部破断して示した斜視図である。この溝部４´の場合も、テーパ状凹部４ａ´及び直線状凹部４ｂ´を有する形状であり、直線状凹部４ｂ´が２５０μｍ、テーパ状凹部４ａ´が５００μｍの長さで形成され、クラッド材料の屈折率よりも低い空気で満たされている。但し、これらのテーパ状凹部４ａ´及び直線状凹部４ｂ´の寸法形状は、あくまでも一例であり、任意に変更することが可能である。

更に、多重構造のコア３″は、コア３のＳ字型部から延びて端部となる直線部分の箇所に２重構造を成すテーパ形状の角板状部３ａ″と直線角板状部３ｂ″とを結合した３重構造として構成される。コア３″の直線角板状部３ｂ″の側面と溝部４´の直線状凹部４ｂ´の側面との距離ｄは、一定の１．５μｍにしている。尚、溝部４´の直線状凹部４ｂ´における幅Ｗは、５０μｍとしている。ここで、コア３″の側面に存在するオーバークラッド２ｂをエッチングすれば、溝部４´の幅Ｗが規定されない構造についても具現し得る。しかし、ＰＤ６´との突き合せ結合を行う際にコア３″を含む光結合端面が接触により破損することを防ぐ役割を考慮すれば、光結合端面でコア３″の両側に溝部４´を介してクラッドが残る構造とする方が望ましい。この光導波路２´も、光回路領域から溝部４´の設けられた光結合端面の入出力領域に至る箇所において、コア３″の両側に溝部４´が無い構造を有し、且つ入出力領域でコア３″の両側の溝部４´を介してクラッドが残る構造を有する。要するに、光導波路２´の光回路領域は、必要な部分だけに溝部４´が設けられ、全ての領域のコア３″の両側に溝部４´が設けられる訳ではない。この点については、実施形態１に係る光導波路２についても同様である。

また、基板１の端面の反対側方向に向け、コア３″の直線角板状部３ｂ″及び角板状部３ａ″の側面と溝部４´のテーパ状凹部４ａ´の側面との距離ｄが次第に大きくなるように、溝部４´のテーパ状凹部４ａ´のテーパ構造を設定している。このコア３″の側面と溝部４´のテーパ状凹部４ａ´の側面との距離ｄは、基板１の端面の反対側方向におけるテーパ状凹部４ａ´の端部で最大値を示す１０μｍとなっている。

更に、溝部４´のテーパ状凹部４ａ´の領域範囲内で、基板１の水平方向におけるコア３″の幅についても、直線角板状部３ｂ″の一定の幅４．５μｍから直線角板状部３ｂ″に結合される角板状部３ａ″にテーパ構造を採用している。即ち、角板状部３ａ″では、直線角板状部３ｂ″との結合箇所へ向けて、次第に小さくなるようにテーパ構造を採用している。

加えて、コア３″のテーパ構造を採用した角板状部３ａ″から直線角板状部３ｂ″にかけてのコア３″の基板１の垂直方向における高さｈ１を３μｍとしている。この高さｈ１は、図８中に示される２重構造に結合されるコア３の高さｈ＝４．５μｍよりも低く設定される。また、高さｈ１は、ＰＤ６´のコア３´の高さよりも小さいことが望ましい。係る２段の高さを有するコア″の３重構造は、通常高さｈのコア３を形成した後、２重構造を成す角板状部３ａ″のテーパ構造と直線角板状部３ｂ″とを形成する領域以外をマスクしてドライエッチングする工程を追加すれば形成できる。これは追加工程を要するものの、直線角板状部３ｂ″周囲のアンダークラッド２ｂも同時にエッチングされるため、その後の溝部４´を形成する際のドライエッチングにおけるエッチング時間を短縮できるという副次的な効果をもたらす。

その他、ＰＬＣ１００Ｂでは、コア３″の結合界面からの反射戻り光を抑制するため、光導波路２´のコア３″と基板１の端面との成す角度θ（基準９０度）＝８度として、傾いた設定にした。そして、図７に示す５チャネル分のコア３″について、出口領域Ｅ２側のコア３″の直線角板状部３ｂ″の幅を２～４μｍとして設定した。

このような構造のＰＬＣ１００Ｂに突き合わせ結合するＰＤ６´は、８度傾いた光導波路にスポットサイズ変換器が設けられる。図７を参照して、具体的に説明すれば、光強度分布の強度が１／ｅ^２となる全幅のモードフィールド径がチップの垂直方向及び水平方向に対してそれぞれ３μｍとなるコア３´が光入力用とされ、光電変換部３ｃ´に結合される。スポットサイズ変換器を介してコア３´に入力された光は、ＰＤ６´の８度傾いた光導波路を伝搬し、光電変換部３ｃ´で電気信号に変換される。尚、光結合損失を除いたＰＤ６´の単体での受光感度は波長１．５５μｍで１．０Ａ／Ｗである。

ＰＬＣ１００Ｂに対するＰＤ６´の突き合わせ結合に先立って、ＰＬＣ１００Ｂの出口領域Ｅ２側のコア３″の直線角板状部３ｂ″の側面の溝部４´にシリコーン樹脂を充填する。これにより固着・硬化させた後、ダイシング、研磨等によって、接続面を形成する。ＰＤ６´の突き合わせ結合は、ＰＬＣ１００Ｂのコア３″の直線角板状部３ｂ″から出力される光に対し、ＰＤ６´の受光感度が最大になるように、ＰＬＣ１００Ｂの光導波路２´とＰＤ６´の光導波路との位置をアライメントする。そして、ＰＬＣ１００Ｂのコア３″とアンダークラッド２ａ及びオーバークラッド２ｂとの屈折率に近い赤外領域で透明な樹脂をＰＬＣ１００Ｂ及びＰＤ６´間に充填する。そして、樹脂の硬化による固着・固定を行う。このようにして、光電子集積型デバイスを構成することができる。但し、ここでも、ＰＤ６´の光導波路となる端面には、充填する樹脂の屈折率に対応した反射防止膜を設けることが好ましい。

樹脂による固定後に樹脂を外せば、溝部４´内に樹脂が入り込むことを抑制しつつ、固定を行うことができる。ここでは、シリコーン樹脂を用いて、固定後に外す場合を例示できる。但し、アンダークラッド２ａ及びオーバークラッド２ｂよりも屈折率の低い樹脂を用いて溝部４´を充填した場合には、固定後に樹脂を外さなくても良い。

実施形態２に係るＰＬＣ１００Ｂでは、充填する樹脂による光導波路２´のコア３″の汚染を防ぐため、コア３″が露出しないように出口領域Ｅ２側のコア３″の直線角板状部３ｂ″と溝部４´との間の距離ｄを１．５μｍとした。尚、コア３″が露出する構造は、水分等の影響によりコア３″の屈折率が変動し、特性劣化を引き起こす虞がある。このため、信頼性上の観点から、コア３″の直線角板状部３ｂ″と溝部４´との間の距離ｄを零にしないことが望ましい。こうした構造とするためには、予めコア３″側面にクラッドが残るように溝部４´を形成する手法、溝部４´の形成後にＣＶＤ法、スパッタ法等によりＳｉＯ_２等の材料で表面保護膜を形成する手法等を適用させることができる。

図９は、ＰＬＣ１００Ｂに光を入力し、光導波路２´の基板１の端面におけるモードフィールド径[μｍ］をチャネル毎に測定した結果を、出口領域Ｅ２側のコア３の幅[μｍ］との対応関係で示した図である。尚、ここではＰＬＣ１００Ｂに対し、波長１．５５μｍの光をファイバで入力したものとする。

図９からは、基板１の垂直方向におけるモードフィールド径は、３重構造のコア３″の２重構造部の高さｈ１を３μｍとしたことにより、コア３の高さｈの４．５μｍのときから小さくなり、約４．０μｍとなったことが判る。また、コア３″の幅の減少に対し、基板１の垂直方向におけるモードフィールド径は、３．９μｍから４．１μｍまで僅かに大きくなった。これに対し、基板１の水平方向のモードフィールド径は、４．４μｍから３．２μｍまで大幅に小さくなった。こうした結果から、ＰＬＣ１００Ｂでは、溝部無しの場合と比較して、水平方向及び垂直方向のモードフィールド径が小さくなり、ＰＤ６´の光入力用の光導波路のモードフィールド径に近付けられることが判った。

図１０は、ＰＬＣ１００Ｂ及びＰＤ６´の結合時に測定されるＰＤ６´のチャネル毎の光電流から受光感度を求め、上記出口領域Ｅ２におけるコア３″の幅に対する光結合損失Ｌоｓｓ［ｄＢ]を算出した結果を示すものである。尚、ここではＰＤ６の単体の受光感度から光結合損失Ｌоｓｓ［ｄＢ]を算出した結果を得たものとする。

図１０からは、コア３″の幅４μｍでは０．９ｄＢ程あった光結合損失が、コア３″の幅を２．５μｍ以下とすることで、０．７ｄＢ以下まで低減させられることが判った。実施形態１では、コア３の側面と溝部４０の直線状凹部４０ｂの側面との距離ｄが１μｍでも０．８ｄＢ程度までの光結合損失の低減であったのに対し、実施形態２の構造を適用すれば、更に光結合損失を低減させることができる。即ち、実施形態２の構造の特徴は、コア３″の側面が外環境に晒されないように、コア３″及び溝部４´間に薄いクラッドが設けられた構造である。

実施形態２の構造による光結合損失の効果は、ＰＬＣ１００Ｂの光導波路２´のコア３″の多重構造における高さ変更によるモードフィールド径の変換損失の低減（約０．５ｄＢ）を含んでいる。この損失を低減する光導波路２´の構造（コア３″の多重構造）を導入することにより、更に光結合損失を低減させることができる。これらの結果より、実施形態２に係る光結合損失の低減効果を確認できた。

更に、実施形態２の構造による光結合損失の効果は、光導波路２´の多重構造のコア３″の結合に伴う反射戻り光の発生防止を含んでいる。即ち、使用する各部の材料、光導波路２´の設計の違いにより、光導波路部品と光素子との間には屈折率差が生じる。特に、屈折率界面で発生する反射の影響、突き合わせ結合では光結合距離が短いため、通信用デバイスとして好ましくない反射戻り光が発生し易い。これは、屈折率界面で反射した光が光導波路部品に戻る際に、その一部が光導波路２´に結合することで発生する。反射戻り光は、光信号の伝送品質に大きく影響することから、特に光導波路部品を光通信システムに適用する場合、３０～４０ｄＢ以上損失させることが求められる。この反射戻り光を低減するため、実施形態２の構造では、基板１の端面の垂直方向に対する光導波路２´の角度θを８度にしている。尚、上述した角度θは、８度以上であれば良いが、あくまでも多重構造のコア３″の結合に伴う反射戻り光の発生防止を意図するものであり、必要以上に過度な傾斜を示すものではない。

以上に説明したように、実施形態２に係るＰＬＣ１００Ｂでは、実施形態１で説明した構成に加え、光導波路２´の多重構造のコア３″における高さ変更、基板１の端面の垂直方向に対する光導波路２´の傾斜角設定を導入している。この結果、光導波路を有する光素子を結合してのハイブリッド集積により光電子集積型デバイスを構成するとき、実施形態１の場合よりも低光結合損失で簡便に光導波路同士を結合できる。従って、より低光損失が要求される光デバイスへの適用が一層有効になる。

Claims (4)

1. 基板の主面上に光導波路が備えられ、当該光導波路は、積層されたアンダークラッドと、コアと、オーバークラッドと、を有すると共に、当該基板の端面付近に結合される光素子との間で信号を入出力可能な光導波路部品であって、
   前記基板の水平方向における前記端面付近の前記光導波路の前記コアの両側に、当該基板の垂直方向に対して断面方向で前記コアよりも深く形成され、当該コアを覆う当該光導波路の延在方向に沿って並設された溝部を有し、
   前記溝部を占める媒質の屈折率は、前記アンダークラッド及び前記オーバークラッドの屈折率よりも低く、
   前記基板の水平方向における前記光導波路の前記コアの側面と当該コアの両側に設けられた前記溝部の側面との距離が、当該コアの延在方向と垂直な方向における当該コアの幅の１／２以下であり、且つ零よりも大きく、
   前記基板の前記光導波路の両側に設けられた前記溝部は、当該基板の端面まで貫通せずに当該端面からオフセットした箇所まで形成され、壁を有することを特徴とする光導波路部品。
2. 基板の主面上に光導波路が備えられ、当該光導波路は、積層されたアンダークラッドと、コアと、オーバークラッドと、を有すると共に、当該基板の端面付近に結合される光素子との間で信号を入出力可能な光導波路部品であって、
   前記基板の水平方向における前記端面付近の前記光導波路の前記コアの両側に、当該基板の垂直方向に対して断面方向で前記コアよりも深く形成され、当該コアを覆う当該光導波路の延在方向に沿って並設された溝部を有し、
   前記溝部を占める媒質の屈折率は、前記アンダークラッド及び前記オーバークラッドの屈折率よりも低く、
   前記基板の水平方向における前記光導波路の前記コアの側面と当該コアの両側に設けられた前記溝部の側面との距離が、当該コアの延在方向と垂直な方向における当該コアの幅の１／２以下であり、且つ零よりも大きく、
   前記光導波路は、光回路領域から前記溝部の設けられた光結合端面の入出力領域に至る箇所において、前記コアの両側に当該溝部が無い構造を有し、且つ当該入出力領域で当該コアの両側の当該溝部を介して前記アンダークラッド及び前記オーバークラッドの少なくとも何れかによるクラッドが残る構造を有することを特徴とする光導波路部品。
3. 前記基板の水平方向における前記光導波路の前記コアの側面と当該コアの両側に設けられた前記溝部の側面との距離が、当該基板の端面の反対方向から当該端面の方向に向かって小さくなるように、当該溝部にテーパ形状を持たせた
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路部品。
4. 前記基板の水平方向における前記光導波路と当該基板の端面との成す角度が９０度を基準とした場合、８度以上傾いている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光導波路部品。

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