JP2001116944A - 平面光回路に光結合器を付加する方法及び平面光回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光平面回路の光入出射端面に簡易且つ高精度
に光結合器を付加する。 【解決手段】 一般的に石英導波路製造プロセスにより
石英ＰＬＣ１０を形成する。石英ＰＬＣ１０の製造と並
行して、半円筒レンズ２２を製造する。即ち、レンズ雌
型を形成した金属板上に、酸化シリコンゾルを含む有機
液体をスピン・コーティングして薄膜を形成し、３００
゜Ｃで乾燥させた後に、金属板から剥離する。剥離した
薄膜を６５０゜Ｃで焼成する。このようにして得られた
半円筒レンズ２２のフランジ２２ｃをアライメント用微
動台付きのクリップで挟み、半円筒レンズ２２の裏面に
マッチングオイルを塗布して、石英ＰＬＣ１０の端面２
０に仮接着する。その後、クリップに付属する微動台を
操作しながら、レンズ部２２ａの光学的中心軸を石英Ｐ
ＬＣ１０のコア１６の中心付近にアライメントする。最
終的に、レンズ２２の位置が決定した後、コア１６から
横方向に約３ｍｍ離れた両側で、紫外線硬化樹脂を用い
てレンズ２２を石英ＰＬＣ１０の端面２０に固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平面光回路（Ｐｌ
ａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）に光
結合器を付加する方法及び平面光回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信分野では、石英ガラスを主成分と
する平面光回路ＰＬＣ（ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖ
ｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）と半導体導波路素子が広く使用さ
れる。石英ガラスを主成分とする平面光回路（以下、石
英ＰＬＣと略す。）は、光通信に使用される１．３〜
１．５５μｍ帯の赤外光に対して透過率が高く、また、
曲線導波路及び分岐導波路等を比較的容易に形成できる
ので、光通信用デバイスとして広く使用されている。石
英ＰＬＣでは、導波路の曲げ半径を数ｍｍ程度と小さく
できるので、光分岐回路を比較的小さい範囲で形成でき
る。この性質を利用して、数センチ程度の長さで合分波
光回路及び干渉計型導波回路を作成できる。ＰＬＣ型の
合分波回路をファイバ型の合分波回路と比較すると、寸
法が小さく且つ面状であるので、温度変化などに伴う応
力による影響を受けにくく、環境変化に対する安定性が
よい。

【０００３】光通信に用いられている石英光ファイバと
石英ＰＬＣは、同じ材質からなり、屈折率がほぼ等しい
ので、突き合わせ接合により導波路位置を合わせるだけ
で、低損失の光学的結合を実現できる。すなわち、石英
ＰＬＣは、石英光ファイバからなる光通信網との整合性
も極めてよい。特に、光通信システムにおいて今後発展
すると考えられる波長多重化では、石英ＰＬＣを用いた
波長多重分離光回路の重要性は極めて高い。

【０００４】一方、この石英ＰＬＣをレーザダイオード
（ＬＤ）及びフォトダイオードなどの半導体素子とハイ
ブリッド集積化して、新たな機能素子を作り出す試みも
数多く行われている。これらを組み合わせたハイブリッ
ド素子は多くの応用が考えられている。しかし、これら
の半導体素子は、その屈折率が石英の屈折率とは大きく
異なるので、単純に半導体素子と石英ＰＬＣとを突き合
わせて接合すると、大きな反射が発生し、光結合効率は
著しく低くなる。

【０００５】また、ＬＤのように導波路構造を持つ半導
体素子の場合、その導波路の大きさと形状が石英ＰＬＣ
の導波路のそれと大きく異なるので、導波モードの違い
による結合損失も著しい。最近では、半導体素子の端面
にスポットサイズを拡大する領域（スポットサイズコン
バータと呼ばれる。）を設けて、モード損失を低減する
構成が開発されているが、それでも、光結合損失を３ｄ
Ｂ以下に抑えることは困難である。

【０００６】このような問題は、石英ＰＬＣと半導体素
子の組み合せのみに止まらず、ＰＬＣと、これと物理的
に分離された別の素子（外部素子）を光学的に結合する
際に必ず付随する問題である。例えば、ＰＬＣは、石英
ガラス系の材料以外でも形成可能であり、ポリマーを主
成分としたプラスチックＰＬＣなども比較的安価に製造
できる。プラスチックＰＬＣは、各種の光通信技術を応
用した機器に取り入られつつある。このような組合せで
も、光結合損失が大きく、問題になっている。

【０００７】このような光結合損失を回避するには、例
えば、ＰＬＣと外部素子の間に光学的レンズ（いわゆ
る、マイクロレンズ）を配置すればよい。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、現状、集光効
果が充分得られるマイクロレンズが存在しないこと、及
び、マイクロレンズをＰＬＣと外部素子の微小な間隙の
最適位置に配置して保持することが非常に困難であるこ
と等の理由から、ＰＬＣと外部素子をレンズにより光学
的に結合した例は、殆ど見あたらない。

【０００９】ＰＬＣ端面を直接加工して、レンズ又はレ
ンズに相当する光学的結合器を形成する方法が一部で検
討されている。しかし、ＰＬＣ端面は高々数平方ｍｍ程
度の平面であり、それを直接加工するには特殊な加工技
法が必要である。特に、レンズのように曲面を有する形
状をＰＬＣ端面に直接加工する実用的な製造方法は、今
のところ見あたらない。

【００１０】そこで、本発明は、光結合器を光平面回路
に一体形成する光結合器付き光平面回路の製造方法を提
示することを目的とする。

【００１１】本発明はまた、簡易に光結合器付き光平面
回路を製造できる方法を提示することを目的とする。

【００１２】本発明はまた、光結合効率の高い光結合器
を光平面回路に一体形成する方法を提示することを目的
とする。

【００１３】本発明はまた、光入出射端面に光結合器を
形成した平面光回路及びその簡易な製造方法を提示する
提示することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る方法は、平
面光回路の光入出射端面に適合する薄膜レンズを作成す
る薄膜レンズ作成ステップと、当該薄膜レンズと当該平
面光回路の光入出射端面との間にマッチング・オイルを
挿入して、当該薄膜レンズを当該光入出射端面に対する
所定位置に配置する位置決めステップと、当該薄膜レン
ズを当該平面光回路の光入出射端面に光硬化樹脂により
固定する固定ステップとからなることを特徴とする。

【００１５】このような構成により、平面光回路の光入
出射端面の所定位置に薄膜レンズを、簡単な操作で精度
良く固定できる。

【００１６】薄膜レンズは例えば、レンズ部分と、当該
レンズ部分の底面から横方向に延びるフランジとを具備
する。そのフランジ部分を微動台付きクリップで把持
し、光入出射端面から出射される光を目安に薄膜レンズ
を光入出射端面に対する所定位置に配置する。光入出射
端面から出射される光を邪魔しない位置で薄膜レンズを
微動台付きクリップで把持できるので、位置決め操作が
容易になる。レンズ部分は、半円筒状、半球状又は、多
角錐状である。

【００１７】薄膜レンズ作成ステップは、好ましくは、
所定液状材料を雛型材に塗布する塗布ステップと、当該
塗布ステップで当該雛型材に塗布された当該所定液状材
料を乾燥させた後、薄膜として当該雛型材から剥離する
剥離ステップと、当該剥離ステップで得られた薄膜を焼
成する焼成ステップとからなる。これにより、所望の形
状のレンズ部分を持つ薄膜レンズを精度よく製造でき、
また、薄い薄膜レンズを形成できる。液状材料は、例え
ば、酸化シリコンゾルまたはポリアミドを含有するもの
が好ましい。これらは、石英ＰＬＣの材料である石英ガ
ラスと屈折率が近似しているからである。

【００１８】本発明に係る平面光回路は、光入出射端面
上に、光導波路を中心とするフレネルレンズ作用の凹凸
を形成したことを特徴とする。これにより、小さなサイ
ズでレンズ作用を持たせることができる。

【００１９】本発明に係る方法は、平面光回路の光入出
射端面上に金属薄膜を付着する薄膜付着ステップと、フ
ォトリソグラフ法により、複数のリング状溝を当該金属
薄膜に形成すると共に、形成された当該リング状溝を介
して当該光入出射端面に同様の、フレネルレンズ作用を
もたらすリング状溝を形成するエッチングステップと、
当該光入出射端面に残る当該金属薄膜を除去する除去ス
テップとからなることを特徴とする。これにより、平面
光回路の光入出射端面上に精度良く且つ小さなサイズで
レンズ作用を持たせることができる。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。

【００２１】図１は、本発明の一実施例の斜視図、図２
は、図１のＡ−Ａ線から見た断面図をそれぞれ示す。

【００２２】石英ＰＬＣ１０は、シリコン基板１２上
に、下部石英ガラスクラッド１４、コア１６及び上部石
英ガラスクラッド１８を積層した構造からなる。コア１
６は、周知の石英導波路形成プロセスにより断面を矩形
状に形成されている。コア１６は例えば、チタンドープ
の石英ガラスからなる。石英ＰＬＣ１０の端面２０に、
断面が半円状の半円筒レンズ２２を付着させてある。半
円筒レンズ２２は、半円筒のレンズ部分２２ａと、石英
ＰＬＣ１０の端面２０に接着できるように横方向に延び
るフランジ２２ｂ，２２ｃを具備する。半円筒レンズ２
２は、酸化シリコンからなる。

【００２３】シリコン基板１２の厚さは１ｍｍ、基板１
２とコア１６との間のクラッド１４の厚み、及び、コア
１６の上部のクラッド１８の厚味は共に２５μｍ、コア
１６の断面形状は、６μｍ角の正方形である。石英クラ
ッド１４，１８の屈折率は約１．４５であり、コア１６
の屈折率は、石英ガラスクラッド１４，１８の屈折率に
対して約０．８％大きい。

【００２４】図３は、本実施例の製造プロセスのフロー
チャートを示す。図３を参照して、本実施例の製造方法
を説明する。

【００２５】石英ＰＬＣ１０の形成には、一般的に石英
導波路製造プロセスを利用できる。即ち、プラズマＣＶ
Ｄ法によりシリコン基板１２上に下部クラッド層１４と
なる酸化シリコンを堆積し、更にその上に、スパッタ法
により、コア１６を形成するチタンドープ酸化シリコン
を堆積する（Ｓ１）。ホトリソグラフ法により、チタン
ドープ酸化シリコン層を所望の導波路形状にエッチング
する（Ｓ２）。その後、下部石英ガラスクラッド層１４
及びコア１６の上に、プラズマＣＶＤ法により上部クラ
ッド層１８となる酸化シリコンを堆積する（Ｓ３）。こ
れにより、石英ＰＬＣ１０が完成する。

【００２６】石英ＰＬＣ１０の製造と並行して、半円筒
レンズ２２を製造する。即ち、レンズ雌型が形成された
金属板上に、酸化シリコンゾルを含む有機液体をスピン
・コーティングし、その金属板上に図４に示すように薄
膜を形成する（Ｓ４）。図４は、金属板２４上に塗布さ
れた酸化シリコン薄膜２６の断面図を示す。このような
薄膜を形成する方法として、引き上げ法を採用してもよ
い。その薄膜はこの時点で、半円筒レンズ２２の形状に
なっている。薄膜を、金属板２４に付着した状態で３０
０゜Ｃで乾燥させた後、金属板２４から剥離する（Ｓ
５）。剥離した薄膜を６５０゜Ｃで焼成する（Ｓ６）。
これにより、薄膜状の酸化シリコンレンズからなる半円
筒レンズ２２ができ上がる。

【００２７】このように個別に形成された石英ＰＬＣ１
０と半円筒レンズ２２を以下のような方法で接着する。
すなわち、図５に示すように、得られた半円筒レンズ２
２のフランジ２２ｃをアライメント用微動台付きのクリ
ップ３０で挟んだ状態で、半円筒レンズ２２の裏面にマ
ッチングオイルを塗布して、半円筒レンズ２２を石英Ｐ
ＬＣ１０の端面２０に仮接着する（Ｓ７）。その後、ク
リップ３０に付属する微動台を操作しながら、レンズ部
２２ａの光学的中心軸を石英ＰＬＣ１０のコア１６の中
心付近にアライメントする（Ｓ８）。具体的には、アラ
イメント用にコア１６から所定波長の光を出射させ、そ
の、半円レンズ２２を透過した光をモニタカメラで観察
しながら、レンズ部２２ａをコア１６に対して位置決め
する。

【００２８】最終的に、レンズ２２の位置が決定した
後、コア１６から横方向に約３ｍｍ離れた両側で、紫外
線硬化樹脂を用いてレンズ２２を石英ＰＬＣ１０の端面
２０に固定する（Ｓ９）。

【００２９】半円筒レンズ２２は、レンズ部２２ａを除
く部分、即ち、フランジ２２ｂ，２２ｃの部分の厚さが
約１０μｍである。半円筒レンズ２２の屈折率は１．４
６であり、石英ＰＬＣ１０の材料である石英ガラスとほ
ぼ等しい。レンズ部２２ａの断面形状は、図２に例示し
たように半円形又は半楕円形であり、図２の紙面に垂直
な方向には一様である。半導体レーザ及び半導体増幅器
などの半導体導波路素子の多くは、導波路の形状がかな
り扁平である。このような扁平な導波路の出射光（又は
入射光）は厚味方向にかなり広がるが、半円筒レンズ２
２を用いることで、この広がりを小さくすることがで
き、高い結合効率で、外部の光学素子、例えば光ファイ
バと光結合することができる。

【００３０】本実施例では、レンズの形成に雛型を用い
ているので、レンズ部２２ａの形状の自由度が極めて高
い。すなわち、レンズ形状は雛型から剥離できる形状で
あれば、いかなる形状でもよい。レンズ部２２ａの形状
を石英ＰＬＣ１０の導波路形状とは完全に独立して決定
できるので、設計の自由度は、ＰＬＣ端面を直接加工す
る従来例とは比較にならないほど大きくなっている。更
に、レンズ２２にフランジ２２ｂ，２２ｃを予め設けて
おくことで、レンズ部２２ａから離れた、位置決め用の
光線の邪魔にならない位置でレンズ２２を保持して、石
英ＰＬＣ１０に対して位置決めすることができる。これ
により、石英ＰＬＣ１０のコア１６と半円筒レンズ２２
のレンズ部２２ａとの位置決め作業と、石英ＰＬＣ１０
の端面２０への半円筒レンズ２２の接着作業が容易にな
る。

【００３１】半円筒レンズ２２の代わりに、レンズ部分
を半球状、半紡錘状、又は、任意の多角錐形状であって
もよいことは明らかである。レンズの材料も、酸化シリ
コン以外にポリイミドを使用できる。図６は、レンズ部
分を半球状にした変更例の斜視図を示し、図７は、図６
のＢ−Ｂ線から見た断面図、図８は、図６のＣ−Ｃ線か
ら見た断面図をそれぞれ示す。図１に示す実施例と同じ
構成要素には同じ符号を付してある。

【００３２】半球状レンズ４０は、その中央部分に、半
回転楕円体の形状をしたレンズ部４０ａを具備し、レン
ズ部４０ａの周囲には、石英ＰＬＣ１０の端面２０に接
着できるように横方向に延びるフランジ４０ｂを具備す
る。半球状レンズ４０は、ここでは、ポリイミドからな
る。

【００３３】酸化シリコンの代わりにポリイミドを使用
する場合、ポリアミド酸を含む溶液を材料とすること
と、焼成温度が３５０゜Ｃと比較的低い温度でよくなる
点が図３に示す製造プロセスと異なる。製造プロセスの
その他の点は、図３に示した例と同じである。

【００３４】実際に試作した例では、レンズ４０のフラ
ンジ４０ｂの厚さは１２μｍ、レンズ４０の屈折率は
１．５５であり、石英ＰＬＣ１０の材料である石英の屈
折率とほぼ等しい。

【００３５】レンズ部４０ａを半回転楕円体とすること
で、コア１６の厚さ方向のみならず、幅方向についても
レンズ作用を持たせることができる。コア１６の互いに
直交する２つの横方向（厚さと幅）についてレンズ４０
を精密に位置合わせることで、外部の光素子との間で高
効率な光結合を実現できる。

【００３６】レンズ部４０ａをフレネルレンズとしても
よいことは明らかである。

【００３７】また、上記各実施例では、石英ＰＬＣ１０
の端面２０にレンズを外的に付加したが、石英ＰＬＣの
端面を加工して、レンズを付加しても良い。図９は、そ
の実施例の斜視図を示し、図１０は、図９のＤ−Ｄ線か
ら見た断面図を示す。図１に示す実施例と同じ構成要素
には同じ符号を付してある。

【００３８】この実施例では、石英ＰＬＣ１０の端面２
０を加工してフレネルゾーンプレートからなるレンズ５
０を形成する。具体的には、一般的な石英ＰＬＣの製造
工程で石英ＰＬＣ１０を形成した後、端面２０にタング
ステン薄膜を電子ビーム蒸着法で堆積する。そのタング
ステン薄膜に、ホトリソグラフ法でコア１６の中心付近
を中心としたフレネルゾーンを描き、リアクティブイオ
ンエッチング法で図１０に示すように円形の凹みを形成
する。最後に、残ったタングステン薄膜をエッチングに
より除去する。

【００３９】本実施例のようなフレネルゾーンプレート
によるレンズ５０では、集光効率が通常のレンズと比較
して若干低くなるものの、比較的簡便な方法で、光学結
合器を石英ＰＬＣ１０の端面２０に形成できる。石英Ｐ
ＬＣの端面を直接加工し、曲面を有する複雑なレンズ形
状を正確に形成することは非常に困難であるが、本実施
例のようなフレネルゾーンプレートの場合には、端面２
０に同心円（又は同心楕円）形状で、高さ２μｍ足らず
の断面矩形の凹みを形成するだけでよいので、従来例よ
り格段に製造が容易である。また、先に図示した実施例
で必要であった薄膜状レンズとコアとのアライメントの
手順が不要になる。

【００４０】

【発明の効果】以上の説明から容易に理解できるよう
に、本発明によれば、外部素子との光学的結合効率が高
いＰＬＣを、比較的容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例の斜視図である。

【図２】 図１のＡ−Ａ線から見た断面図である。

【図３】 図１に示す実施例の製造プロセスのフローチ
ャートである。

【図４】 レンズ２２の製造途中の断面図である。

【図５】 石英ＰＬＣ１０に対するレンズ２２の位置決
めの様子を示す斜視図である。

【図６】 本発明の第２実施例の斜視図である。

【図７】 図６のＢ−Ｂ線から見た断面図である。

【図８】 図６のＣ−Ｃ線から見た断面図である。

【図９】 本発明の第３実施例の斜視図である。

【図１０】 図９のＤ−Ｄ線から見た断面図である。

【符号の説明】

１０：石英ＰＬＣ １２：シリコン基板 １４：下部石英ガラスクラッド １６：コア １８：上部石英ガラスクラッド ２０：石英ＰＬＣ１０の端面 ２２：半円筒レンズ ２２ａ：半円筒のレンズ部分 ２２ｂ，２２ｃ：フランジ２２ｂ，２２ｃ ３０：アライメント用微動台付きのクリップ ４０：半球状レンズ ４０ａ：レンズ部 ４０ｂ：フランジ ５０：レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA23 CA12 DA02 DA05 DA17 2H047 KA03 KA15 MA05 PA24 QA04 TA43

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平面光回路の光入出射端面に適合する薄
   膜レンズを作成する薄膜レンズ作成ステップと、 当該薄膜レンズと当該平面光回路の光入出射端面との間
   にマッチング・オイルを挿入して、当該薄膜レンズを当
   該光入出射端面に対する所定位置に配置する位置決めス
   テップと、 当該薄膜レンズを当該平面光回路の光入出射端面に光硬
   化樹脂により固定する固定ステップとからなることを特
   徴とする平面光回路に光結合器を付加する方法。
2. 【請求項２】 当該薄膜レンズが、レンズ部分と、当該
   レンズ部分の底面から横方向に延びるフランジとを具備
   する請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 当該位置決めステップでは、当該薄膜レ
   ンズのフランジ部分を微動台付きクリップで把持し、当
   該光入出射端面から出射される光を目安に当該薄膜レン
   ズを当該光入出射端面に対する当該所定位置に配置する
   請求項２に記載の方法。
4. 【請求項４】 当該レンズ部分が半円筒状レンズからな
   る請求項２又は３に記載の方法。
5. 【請求項５】 当該レンズ部分が半球状レンズからなる
   請求項２又は３に記載の方法。
6. 【請求項６】 当該薄膜レンズ作成ステップが、 所定液状材料を雛型材に塗布する塗布ステップと、当該
   塗布ステップで当該雛型材に塗布された当該所定液状材
   料を乾燥させた後、薄膜として当該雛型材から剥離する
   剥離ステップと、 当該剥離ステップで得られた薄膜を焼成する焼成ステッ
   プとからなる請求項１に記載の方法。
7. 【請求項７】 当該液状材料が、酸化シリコンゾルを含
   有する請求項６に記載の方法。
8. 【請求項８】 当該液状材料が、ポリアミドを含有する
   請求項６に記載の方法。
9. 【請求項９】 光入出射端面上に、光導波路を中心とす
   るフレネルレンズ作用の凹凸を形成したことを特徴とす
   る平面光回路。
10. 【請求項１０】 平面光回路の光入出射端面上に金属薄
    膜を付着する薄膜付着ステップと、 フォトリソグラフ法により、複数のリング状溝を当該金
    属薄膜に形成すると共に、形成された当該リング状溝を
    介して当該光入出射端面に同様の、フレネルレンズ作用
    をもたらすリング状溝を形成するエッチングステップ
    と、 当該光入出射端面に残る当該金属薄膜を除去する除去ス
    テップとからなる平面光回路に光結合器を付加する方
    法。
11. 【請求項１１】 当該金属薄膜がタングステンからなる
    請求項１０に記載の方法。