JP2005301301A

JP2005301301A - 光結合器

Info

Publication number: JP2005301301A
Application number: JP2005149733A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Shimoda; 毅下田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】比屈折率差が高い光導波路に対して光ファイバ結合損失を小さくでき、製造トレランスが高く、高歩留まりであり、小型で位置トレランスも大きく、基板上の任意の位置に形成可能なスポットサイズ変換機能を有する光結合器を提供する。
【解決手段】クラッド１０１０内の第１コア１０２１及び第２コア１０２２からなる光導波路により方向性結合器が構成され、第１コア１０２１及び第２コア１０２２は光学的に結合され、並列する光導波路の第２コア１０２２同士により近接導波路干渉回路が構成されている。例えば、第１、第２コアの比屈折率差は夫々２％、０．７％である。
【選択図】図１３

Description

本発明は、光通信などに使用され、複数個の光導波路からなるスポットサイズ変換部を有する光結合器に関する。

インターネットの急激な普及にともない、光通信システムの商用化展開が極めて急速に進んでいる。通常の電話回線で１２万回線以上を伝送できる１０Gb/sシステム等が多くの地域で導入されており、情報伝送容量の拡大にあわせて、波長多重（ＷＤＭ）方式によって多重数倍の大容量化を図る方式が既に実用化されるに至っている。このような大容量通信を実現する上で欠くことができないのがＰＬＣ(Planar Lightwave Circuit)と呼ばれる光導波路デバイスである。

ＰＬＣとしては、例えば、ＷＤＭ通信での合分波機能をもつアレイ導波路格子（ＡＷＧ）と、双方向の通信が要求されるアクセス系システムに使用される送受信用回路等がある。これらのＰＬＣデバイスにおいて強く求められているのが素子の小型化である。素子の小型化によりボード内での素子の占有面積を低減することができ、更に１ウェハ当たりの素子収量を増加でき、素子の低コスト化が可能となる。

合波、分波及び分岐等の機能を有する光導波路デバイスの素子サイズは、概略、曲線導波路部分の曲率半径によって制限される。より小さな曲率半径でも低損失な曲線導波路を形成するには、コア層とクラッド層との比屈折率差Δを大きく設定すればよい。例えば、通常石英系の光導波路で採用される比屈折率差Δが０．７％程度の光導波路の場合、曲がり損失を０．１ｄＢ／ｃｍ以内にするには、曲率半径を６ｍｍ以上とする必要があるが、比屈折率差Δを１．５％とすることにより、曲率半径を２ｍｍにすることが可能となる。更には、比屈折率差Δを４％とすることにより、曲率半径を０．５ｍｍにまで短くすることが可能である。

しかし、比屈折率差Δを大きくすることによる弊害もある。一つには、ファイバとの結合損失が増加することである。図１７に示すように、比屈折率差Δを大きくすると、伝搬光のシングルモード条件を満たすために、コア２０２０の断面サイズを小さくする必要があり、それに伴い光ファイバ２６のスポットサイズとの違いによる結合損失が増加してしまい、素子サイズの小型化を図ることはできても、光モジュールとしての損失増加につながってしまう。

別の弊害としては、導波路に間隙がある場合、回折により結合損失が増大することである。例えば、図２０に示すように、導波路の一部に溝を作り、その溝に光素子及び薄膜部材２３５０を挿入するようなハイブリッド実装構造がよく用いられる。薄膜部材２３５０としては、例えば、波長フィルタ板及び波長板等が用いられる。薄膜を実装する以外にも、アサーマル化のために、溝に屈折率温度係数が負となるようなポリマー材を充填するような構造も使用される。スポットサイズが小さい高比屈折率差Δの構造では間隙での回折による光の広がりが大きくなってしまい、導波路−光素子間又は導波路−導波路間の結合損失が増大し、この弊害が極めて大きい。

いずれにしても、素子の小型化を図ることができても、モジュール全体の損失が大きければ、現実的な使用には適さない。従って、小型でかつ低損失な光モジュールを作製するために、導波路の曲線領域を高比屈折率差Δにして曲率半径を低減するとともに、光ファイバ結合部及び導波路間隙付近等のスポットサイズを拡大して、光導波路−光ファイバ間、又は光導波路間隙部での結合損失を小さくするようなスポットサイズコンバータ（以下、ＳＳＣ（Spot Size Converter）と略す）が必要である。しかも、ＳＳＣは、素子端にだけ形成するとは限らないので、ウェハ内の任意の位置に形成可能であることが必要である。

従来より、ＳＳＣとして、光伝搬方向に対し、ファイバ結合部に近づくに従って導波路幅をテーパ状に大きくしていく方法が知られている。以下、この方法を先広がり型ＳＳＣと呼ぶ。この方法は導波路幅を変えるだけであるため、通常のフォトリソグラフィを用いて作製可能であり、ＳＳＣのない通常の導波路作製と比較して工数の増加は全くない。従って、この方法は量産性が優れた方法といえる。更に、ＳＳＣ長は１ｍｍ以下にすることができるため、ＳＳＣを搭載することによる素子面積の増加はほとんどない。従って、この方法はモジュールの小型化が容易な方法である。

しかしながら、この先広がり型ＳＳＣは、光導波路の幅方向にしかスポットが広がらないため、１％を超えるような高比屈折率差Δの光導波路に対しては、実際には結合損失はあまり低減できない。例えば、コア幅及び高さが３μｍで比屈折率差Δが１．９％の光導波路を例にとると、シングルモードファイバとの結合損失は２．７ｄＢ程度であるが、この方法であると、結合損失を１．５ｄＢ程度までにしか低減できない。

図１８は先広がり型ＳＳＣの欠点を補う方法として、上述とは逆に、導波路幅を導波路端面５に近づくに従ってテーパ状に小さくしていく従来例である。以下、この方法を先すぼみ型ＳＳＣと呼ぶ。この方法は図１７に示す従来例と全く同じ長所を有する上に、光ファイバ２６との結合損失も、先広がり型ＳＳＣと比較して低減可能である。これは伝搬光の閉じ込めが弱まり、スポットが高さ方向にまで広がるためである。例えば、上述の比屈折率差Δが１．９％の光導波路とファイバとの結合損失は０．７ｄＢ程度にまで低減可能であり、実用上有効な方法である。

更に、他の方法として、図１９に示すように、高比屈折率差Δの導波路基板２２１０と光ファイバ２６との間に、その中間の比屈折率差Δ値を有する入出力用導波路基板２２１１を挿入する方法が、例えば、高木ら（２００１年秋電子情報通信学会Ｃ−３−９０）によって提案されている。高比屈折率差Δの導波路基板２２１０と入出力用導波路基板２２１１は出力光をモニタリングしながら位置合わせされ、接着剤により接合される。この方法は比屈折率差Δの変化を２段階にすることにより、直接高比屈折率差Δの導波路基板２２１０と光ファイバ２６を結合する場合と比較してモード不整合を低減し、結合損失の低減を図るものである。光軸ずれによる過剰損失を考慮すると、上記例の結合損失は０．８ｄＢ程度に低減できる。

２００１年秋電子情報通信学会Ｃ−３−９０

上述の如く、先すぼみ型ＳＳＣは、先広がり型ＳＳＣに比べて、結合損失の低減が可能であるが、この方法でも近時の低損失化の要求を十分に満足できる程度に結合損失を低減できる訳ではない。モジュール低損失化のためには結合損失を更に低減する必要がある。先すぼみ型ＳＳＣは、先端の導波路幅を小さくする程、スポットを広げることができる。ところが、導波路幅をある限界値よりも小さくすると、伝搬光は放射モードとなり、結合損失は逆に増大する。従って、結合損失の低減にも限界があるという問題がある。先すぼみ型ＳＳＣの別の問題点は、比屈折率差Δが大きくなるほど高い加工精度が要求され、良品歩留まりが低下することである。ＰＬＣ素子を更に一層小型化するためには、一層高い比屈折率差Δにも対応可能なＳＳＣが必要である。例えば、１．５％以上の比屈折率差Δに適用するには、先すぼみ型ＳＳＣを用いた場合、ＳＳＣ先端の導波路幅を１μｍ以下にまで小さくしなければならない。３％以上の比屈折率差Δに対しては、先端の導波路幅を０．５μｍ以下にする必要がある。このようなサブミクロンのオーダーの加工は、現行の導波路プロセスにおいては歩留まりよく再現することは困難である。

一方、入出力導波路基板２２１１を使用した方法は以下のような問題点がある。先ず、高比屈折率差Δの導波路基板２２１０と入出力導波路基板を接続するのに少なからぬ工数の増大がある。高比屈折率差ΔになるほどＰＬＣ素子接続時に位置ずれに対する許容値（トレランス）は小さくなり、位置合わせが困難になる。また、入出力導波路基板２２１１の分だけ全体の素子サイズが大型化する。更に、このような入出力導波路基板２２１１を用いた構造は光ファイバ接続部のような素子端部以外に使用することはできない。従って、導波路に間隙がある場合に、回折による光の広がりを抑えるように、基板上の任意の位置にＳＳＣを作り込むことは不可能である。

以上、光ファイバ等、導波路よりスポットサイズが大きい素子との結合損失を低減するためのＳＳＣの必要性とその問題点について述べた。一方、導波路よりもスポットサイズが小さい素子との結合を行うケースもある。このような場合、結合損失を低減するためには、上述とは逆に、導波路端面近傍でのスポットサイズを縮小するようなＳＳＣも必要となる。このようなＳＳＣは従来あまり考えられていなかった。

この他にも、高比屈折率差Δ化による問題点が顕在化してきている。例えば、方向性結合器等の近接導波路による光干渉回路においては、高比屈折率差Δの導波路を用いると、結合長が極めて長くなり、その結果、素子サイズが増大してしまうという別の問題点もあった。高比屈折率差Δ化した場合、同じ結合長を得るためには、方向性結合器の導波路間ギャップを小さくしなければならないが、最小ギャップはパターニングの精度によって制限されているため、結合長を増大せざるを得ない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、高比屈折率差Δの導波路に対して、従来の先細り型ＳＳＣよりも光ファイバとの結合損失を小さくでき、製造トレランスが高く、高歩留まりであり、入出力導波路基板を用いた方法に比べて小型で位置トレランスも大きく、基板接続工程がない１素子内蔵型のＳＳＣを有する光結合器を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、導波路間に間隙があるような場合にも適用可能であり、基板上の任意の位置に形成可能なＳＳＣを有する光結合器を提供することにある。

更に、本発明の更に他の目的は、導波路よりもスポットサイズが小さい光素子との結合損失を低減するため、スポットサイズを縮小可能なＳＳＣを有する光結合器を提供することにある。

更にまた、本発明の更に他の目的は、更に、高比屈折率差Δの導波路に対して、近接導波路干渉回路の素子の増大化を抑えるためのＳＳＣを有する光導波路を提供することを目的とする。

本発明に係る光結合器は、コア及びクラッドからなる複数個の光導波路が相互に光学的に結合するよう形成され、更に並列する光導波路のコアとの間で近接導波路干渉回路を構成する光結合器において、前記干渉回路を含む領域にて前記光学的に結合する光導波路はそのコアの比屈折率差が相互に異なるものであることを特徴とする。

好適には、前記異なる比屈折率差を有する複数の光導波路において、比屈折率差の小さい光導波路のコアの厚さが、比屈折率差の大きい光導波路のコアの厚さよりも厚いことを特徴とする。

更に好適には、前記異なる比屈折率差を有する複数の光導波路の結合部において、少なくとも一方のコアの結合面が基板に垂直な方向に対して斜めに形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、高比屈折率差Δの導波路に対して従来よりも光ファイバ結合損失を小さくでき、製造トレランスが高く、高歩留まりであり、小型で位置トレランスも大きく、１素子内蔵型で、基板上の任意の位置に形成可能なスポットサイズ拡大機能を有する光結合器とその製造方法を得ることができる。また、本発明による光結合器を用いれば、比屈折率差Δを広範囲にわたって増加しても、結合損失はほとんど増加しない。また、本発明による光結合器を用いれば導波路の一部に薄膜等を実装した導波路回路において、回折による損失の増加をおこすことなく、高比屈折率差Δの導波路回路を形成することが可能である。また、本発明により導波路よりもスポットサイズが小さい光素子に対して結合損失を低減できるスポットサイズ縮小機能を有する光結合器とその製造方法を得ることができる。更に、本発明による光結合を用いれば、導波路回路の一部を低比屈折率差Δの導波路に置き換えることが可能であり、方向性結合器等の素子サイズを低減することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の第１実施例に係る光結合器を示す上面図である。基板（図示せず）上に、コア及びクラッドからなる複数個（ｎ個）の第１光導波路１１、第２光導波路１２、・・・第（ｎ−１）光導波路１３、及び第ｎ光導波路１４が形成されており、最終光導波路１４の光出射端面が導波路端面５（光結合器の光出射端面）となっている。

第１光導波路１１は第１クラッド１１１と第１コア１１２とを有し、第２光導波路１２は第２クラッド１２１と第２コア１２２とを有し、第（ｎ−１）光導波路１３は第（ｎ−１）クラッド１３１と第（ｎ−１）コア１３２とを有し、第ｎ光導波路１４は第ｎクラッド１４１と第ｎコア１４２とを有する。

これらの光導波路１１乃至１４は、相互に光学的に結合するように、基板上に配列されている。なお、導波路端面５から遠いものから順に、第１、第２、・・・第（ｎ−１）、第ｎ番目の光導波路と名付ける。このｎ種類の光導波路は、コアとクラッドとの比屈折率差Δが相互に異なり、夫々Δ(1)、Δ(2)、・・・、Δ(n-1)、Δ(n)とする。図中のグラフに示すとおり、比屈折率差Δは導波路端面５に近づくに従い、順次、段階的に小さくなるように、即ち、Δ(1)＞Δ(2)＞、・・・、＞Δ(n-1)＞Δ(n)となるように配列されている。

曲がり導波路等のデバイスの主要部分は、主に比屈折率差Δが最も高い第１光導波路１１によって構成され、第２〜第ｎ光導波路１２乃至１４は導波路端面５の近傍に形成される。図１中には各光導波路において、光導波路中を伝搬する光のモードフィールドを表す概略図も示してある。伝搬光のスポットサイズは高比屈折率差Δの光導波路では小さいが、低比屈折率差Δの光導波路側に伝搬するに従い、順次拡大される。

このように構成された本実施例の光結合器は、導波路端面５の付近で第１光導波路１１よりもスポットサイズが大きい光部品６と光導波路を低損失で結合する場合か、又は導波路端面５から自由伝搬ビームが放射されるような場合に適する。

図２は本発明の第２の実施例に係る光結合器の上面図である。この構成は第１の実施例とは全く逆で、比屈折率差Δは導波路端面５に近づくに従い、順次、段階的に大きくなるように、即ち、Δ(1)＜Δ(2)＜、・・・、＜Δ(n-1)＜Δ(n)となるように配列されている。図２に示すように、第１光導波路１５（第１クラッド１５１，第１コア１５２），第２光導波路１６（第２クラッド１６１、第２コア１６２），第（ｎ−１）光導波路１７（第（ｎ−１）クラッド１７１、第（ｎ−１）コア１７２）及び第ｎ光導波路１８（第ｎクラッド１８１、第ｎコア１８２）が、基板上に相互に光学的に結合するように配置されており、最終光導波路１８の光出射面が導波路端面５となっている。

このように構成された第２実施例の光結合器においては、伝搬光のスポットサイズは低比屈折率差Δの光導波路１５では大きく、導波路端面５側の高比屈折率差Δの光導波路１８側に伝搬するに従い、順次縮小される。このため、本実施例の光結合器は、第１光導波路１５よりもスポットサイズが小さい光部品１６と光導波路を低損失で結合する場合に適する。

以上のように、本発明は、光導波路と光部品との結合等のように、そのスポットサイズに大きなミスマッチがある場合に、１つ以上の両者の中間の比屈折率差Δを有する光導波路を、比屈折率差Δが大きい順又は小さい順に並べ、この光導波路と同一基板上に集積して、低損失でスポットサイズの拡大又は縮小を行うものである。

図１５は本発明による光結合器を用いて高比屈折率差Δの光導波路とシングルモードファイバとの結合損失をビーム伝搬法を用いてシミュレーションした結果を示す。同図において、横軸は伝搬方向の切断位置Ｚ、縦軸は結合損失である。この結合損失は、高比屈折率差Δの導波路と低比屈折率差Δの導波路との結合損失と、光ファイバとの結合損失の和である。高比屈折率差Δの導波路のテーパの起点をｚ＝０とし、伝搬方向に進むに従い、Ｚは増加する。第一の実施例の場合Ｚ＝２ｍｍで光ファイバと結合する。Ｚ＝０、即ちＳＳＣが何もないときの結合損失は２．７ｄＢであるのに対し、Ｚ＝１ｍｍの手前までに約１ｄＢにまで減少する。これは高比屈折率差Δの導波路の先すぼみ型ＳＳＣの効果である。Ｚ＝１ｍｍで低比屈折率差Δの導波路に結合し、そこでは結合損失は約０．５ｄＢにまで減少する。この高比屈折率差Δの導波路とファイバの中間の比屈折率差Δの存在により、モードミスマッチは低減する。更に、低比屈折率差Δの導波路の先広がり型ＳＳＣにより結合損失は約０．３ｄＢまで減少することが分かる。以上により、本発明に係るＳＳＣを用いた光導波路により、光ファイバとの結合損失は２．７ｄＢから０．３ｄＢにまで低減できることが分かった。従って、従来の先すぼみ型ＳＳＣによる結合損失の最低値０．７ｄＢよりも大幅に結合損失を低減できる。

図１６は本発明によるＳＳＣを用いた光導波路と従来の先すぼみ型ＳＳＣの光ファイバ結合損失を比較した図である。同図に示されるように、本発明によるＳＳＣでは比屈折率差Δが０．６５％〜４％と極めて大きな値にいたるまでほとんど結合損失の増加は見られず、比屈折率差Δが４．０％の場合においても、０．４ｄＢという低い値である。一方、従来の先すぼみ型ＳＳＣでは、比屈折率差Δが０．６５％の場合は、本発明による光導波路とほとんど同じであるものの、比屈折率差Δの増加に伴い、急激に増加し、比屈折率差Δが４％の場合においては、２ｄＢを超えてしまうことが分かる。従って、本発明に係るＳＳＣを用いた光導波路は、極めて広い比屈折率差Δの範囲に対して、結合損失の低減に有効である。

次に、図１に示す第１実施例を４段の光導波路２１，２２，２３，２４に更に具体化した第３実施例について図３を参照して説明する。図３はこの第３の実施例に係る光結合器を示す上面図である。基板上に第１〜第４光導波路の４種類の光導波路を形成した。図中のグラフに示すように導波路端面５に近づくに従い、各光導波路の比屈折率差Δは、例えば、Δ(1)＝２％、Δ(2)＝１．５％、Δ(3)＝１．０％、Δ(4)＝０．５％と段階的に減少するように配列されている。

第２乃至第４の各光導波路２１乃至２４は、夫々、例えば、長さが500μｍ、コアは幅、厚さとも３μｍである。基板には例えばシリコン基板を使用し、クラッド２１１等には、上下とも、例えばＢＰＳＧ膜（厚さ１０μｍ）を使用し、コア２１２等にはＧＰＳＧ膜を使用する。これらのクラッド及びコアの成膜には常圧ＣＶＤ法を使用することができる。

第１〜第４光導波路まで導波路毎に比屈折率が異なるクラッド及びコアを用いた。波長１．５５μｍでの比屈折率は例えば次のとおりである。即ち、第１クラッド２１１から第４クラッド２４１まで順に、比屈折率が１．４４５、１．４７２、１．４５２、１．４６０であり、第１コア２１２から第４コア２４２まで順に、比屈折率が１．４７４、１．４７２、１．４６７、１．４６７である。なお、比屈折率差Δが上述のものであれば、特にコア及びクラッドの比屈折率自体は問わない。また、コアの幅も比屈折率差Δに応じて変化しても構わない。

上述の数値条件を有する第３実施例の光結合器の場合、光ファイバ２６との結合損失は第１の光導波路２１と直接結合した場合の２．７ｄＢから０．５ｄＢにまで改善される。

図４は本発明の第４実施例に係る光結合器を示す上面図である。この第４実施例が図３に示す第３実施例と相違する点は、第１〜第４光導波路において、クラッドは全て同一膜を用い、コアのみ屈折率を変えた点である。その他の構成及び材料は第１の実施例と同じである。屈折率は、例えば、クラッド３１が１．４４５、第１コア３２１が１．４７４、第２コア３２２が１．４６７、第３コア３２３が１．４６０、第４コア３２４が１．４５２である。

ＣＶＤ法などではこのようにクラッド３１を一括して成膜した方が容易である。結合損失は、大略、比屈折率差Δのみで決定されるので、本第４実施例の場合も、上記数値条件で、結合損失は０．５ｄＢが得られる。

図５は本発明の第５の実施例を示す光結合器の上面図である。図３に示す第３の実施例との違いは、第１〜第４光導波路において、コア４２は全て同一膜を用い、クラッドのみ屈折率を変えた点である。即ち、屈折率は、例えば、コア４２が１．４７５、第１クラッド４１１が１．４４６、第２クラッド４１２が１．４５３、第３クラッド４１３が１．４６０、第４クラッド４１４が１．４６８である。その他の構成は上記第３実施例と同じである。

本第５実施例の場合、各導波路間でのコア４２の連結部がなくなるため、それに伴う過剰損失を低減できる。従って、上記数値条件の場合、結合損失は０．４ｄＢが得られた。

図６は第６の実施例を示す光結合器の上面図である。図３に示す第３実施例との違いは、第１〜第４各導波路のいずれか一つ以上のコアの一部又は全てにおいて、コア幅を変化させ、コアに幅方向のテーパ形状を与え、ＳＳＣ機能を高めた点である。テーパはスポットサイズが広がる方向であれば、先すぼみ型でも先広がり型でも構わない。

本第６実施例において、図中に示す各導波路の始点と終点の幅、w10,w11,w20,w21,w30,w31,w40,w41は、例えば、夫々３μｍ、１．６μｍ、２μｍ、４μｍ、４μｍ、５μｍ、８μｍである。この数値条件において、全て直線テーパを用い、各テーパの長さを５００μｍとし、その他の寸法は第４の実施例と同じにした場合、結合損失は０．３ｄＢが得られた。

図７は本発明の第７の実施例を示す光結合器の側面断面図である。第４の実施例に加え、光伝播方向の厚さも変化させたものである。基板５３上に下クラッド５１１及び上クラッド５１２を導波路端面５側に向けて段階的に薄くなるように形成し、第１コア５２１、第２コア５２２、第３コア５２３及び第４コア５２４を段階的に厚くなるように形成し、光導波路全体の厚さを均一にしたものである。この場合に、上クラッド５１２と下クラッド５１１の屈折率ｎ（０）は同一である。また、第１乃至第４コアと、上クラッド５１２及び下クラッド５１１との比屈折率差Δは、第１コア５２１の方が第４コア５２４より大きく、逆に、第１乃至第４コアの膜厚は、比屈折率差Δが小さいほど、厚くする。

例えば、各コアの膜厚t1,t2,t3,t4を夫々３μｍ、４．５μｍ、５μｍ、６μｍとする。各導波路内での膜厚は一定である。その他の構成は、第６の実施例と同じである。その結果、この数値条件において、結合損失は０．２ｄＢにまで低減された。

図８は第８の実施例を示す光結合器の側断面図である。この第８実施例は、第７実施例に加え、各コア連結部の少なくとも一ヶ所に間隙を与え、なおかつ、コア連結面に基板垂直方向に対して傾斜を与えたものである。全連結部（３ヶ所）に対して行うことが望ましいが、一ヶ所でもよい。これは複数のコアを成膜及びエッチングする際に重なった部分に発生する突起状の残留膜を除去する効果と、傾斜によって伝搬光の反射による戻りを低減する効果がある。

例えば、３ヶ所の連結部に対して間隙ｇ１＝ｇ２＝ｇ３＝１．５μｍとし、コア連結面の傾斜角θは８０度とした場合、損失は０．２ｄＢ、反射光クロストークが−３０ｄＢから−５０ｄＢに低減される。間隙ｇは狭すぎると、残留膜が除去できず、広すぎると過剰損失となる。本発明者の評価によると、間隙ｇは０．５〜５μｍ、傾斜角は７５〜８８度が適切であることが分かった。

図９は本発明の第９の実施例に係る光結合器を示す図であり、（ａ）が上面図、（ｂ）が側面断面図、（ｃ）がコアとクラッドの屈折率分布である。上述の各実施例では、比屈折率差Δが異なる４つの導波路を用いた例を示してきた。ここで問題となるのが、導波路数を増やせば増やすほどモードミスマッチは低減するが、プロセス工数が増加する点である。可能な限り少ないステップで作製可能であることが望まれる。

本発明者は２つ導波路（n=2）を用いた構造で低損失化できる条件をシミュレーションと実験により導出した。クラッドには上下とも屈折率１．４５０のＢＰＳＧを用いた。成膜には常圧ＣＶＤ法を用いた。第１コアには屈折率１．４８０のＳｉＯＮを用いた。第２コアには屈折率１．４６２のＳｉＯＮを用いた。比屈折率差Δは第１及び第２導波路で夫々２％及び０．８％である。第１コアは、先すぼみ型ＳＳＣを用い、厚さt1、幅w10とも３．０μｍ、ＳＳＣの先端の幅w11は１．４μｍとした。第２コアは先広がりＳＳＣを用い、厚さ５．５μｍ、始点の幅w20が５．５μｍ、導波路端面５近傍での幅w21は１０μｍとした。第１コアと第２コアの連結部のギャップｇは２μｍとし、コア連結面の傾斜角θは両コアとも８０度とした。以上により結合損失０．２８ｄＢが得られた。

本実施例では、第1コアの先すぼみ型ＳＳＣ先端幅を１．４μｍとした。通常の先すぼみ型ＳＳＣのみ使用時では先端幅を０．９μｍにしても結合損失が０．７ｄＢ程度までしか得られない。本発明者の評価によると幅１．２μｍ以上であればほとんど歩留まりは問題なくなる。本発明による光結合器を用いることにより、プロセス再現上、非常に安定した領域を使用でき、その上大幅な損失低減が実現できる。

図１０は本発明の第１０実施例を示す光結合回路の側面断面図である。導波路の一部にダイシングにより溝を形成し、この溝に半波長板を挿入し、接着剤で固定する。同図に示すように、溝の前後に第９の実施例の光結合器を形成する。半波長板内では伝搬光は閉じ込めがない自由伝搬となる。図２０に示す従来の構成では、回折が大きく、間隙３０μｍに対して過剰損失が１．５ｄＢだったのに対し、本第１０実施例の光結合器においては、溝の前後のスポットサイズが拡大され、過剰損失は０．３ｄＢに減少した。なお、同様の光結合回路として、例えば、溝にポリマーを充填した構造も同様に自由伝搬となるが、同様に低損失化可能である。

図１１は本発明の第１１実施例を示す光結合器の上面図である。基板上に第１〜第４光導波路の４種類の光導波路を形成した。図中のグラフに示すように導波路端面５に近づくに従い、各導波路のΔは、例えば、Δ(1)＝０．７％、Δ(2)＝１．２％、Δ(3)＝１．７％、Δ(4)＝２．２％と段階的に増加するように構成する。第２〜第４の各導波路は、夫々、例えば、長さは500μｍ、コアは幅及び厚さがいずれも３μｍである。基板にはシリコン、クラッドには上下ともＢＰＳＧ膜１０μｍ、コアにはＧＰＳＧ膜を用いた。成膜には常圧ＣＶＤ法を用いた。第１〜第４光導波路まで同一のクラッド及び導波路毎に異なる屈折率のコアを用いた。波長１．５５μｍでの屈折率は、クラッドが１．４４５、第１コアが１．４５５、第２コアが１．４６３、第３コアが１．４７０、第４コアが１．４７７である。なお、比屈折率差Δが上記のものを用いれば、特にコア及びクラッドの屈折率は問わない。勿論、クラッドを導波路毎に別々の膜にしても構わない。また、コアの幅もΔに応じて変化しても構わない。導波路端面５の近傍にて半導体光素子７６と端面間距離５μｍで光学的に結合させた。半導体光素子としては本実施例ではスポットサイズ変換半導体光アンプ素子を用いた。素子との結合損失は第１の導波路と直接結合した場合の３．０ｄＢから１．２ｄＢにまで改善された。

図１２は本発明の第１２実施例を示す光結合器の上面図である。本第１２実施例が第１１実施例と異なるのは、第１〜第４の各導波路に端面５に向かって狭めるような幅方向のテーパを付けていることである。導波路端面付近では、例えば、幅が２μｍである。これにより、結合損失は０．９ｄＢにまで改善される。

以上、本発明による光結合器を用いれば、スポットサイズを縮小も容易に可能であり、導波路よりスポットサイズの小さい半導体光素子との結合損失の低減も可能である。なお、第１１及び第１２の実施例では、第７の実施例で示したのと同様に、比屈折率差Δによって膜厚を変えることにより、即ち、比屈折率差Δが低いときは厚く、高いときは薄くすると、スポットサイズ変換の効果が高い。

図１３は本発明の第１３実施例を示す光導波路の上面図である。クラッド１０１０内の第１コア１０２１及び第２コア１０２２からなる光導波路により方向性結合器が構成されている。第１コア１０２１及び第２コア１０２２は光学的に結合され、並列する光導波路の第２コア１０２２同士により近接導波路干渉回路が構成されている。

例えば、第１コア１０２１は屈折率１．４８０、幅及び厚さが２．５μｍのＳｉＯＮを使用し、第２コア１０２２には屈折率１．４６０、幅及び厚さが５．５μｍのＢＰＳＧを使用する。例えば、クラッド１０１０は上下とも１．４５０とする。従って、第１、第２コアの比屈折率差はそれぞれ２％、０．７％である。第１コアと第２コアの連結部は第９の実施例に示す構造と同じにした。

通常のフォトリソグラフィにおいては高精度で安定して再現できる近接導波路間ギャップは２μｍ程度である。従って、方向性結合器を作製するにはこれ以下にギャップを低減することは避けざるを得ない。このときの完全結合長は第１コアのみで構成すると５ｍｍもの長さになる。しかし、本第１３実施例においては、上記数値条件で、５００μｍに低減することが可能となる。

図１４（ａ）乃至（ｅ）は本発明の第１４の実施例を示す光結合器の製造方法を工程順に示す側面断面図である。図１４（ａ）に示すように、基板１１１０上に、例えば、下クラッド１１２１としてＢＰＳＧを１０μｍ及び第１コア層１１３１としてＳｉＯＮを３μｍの厚さに成膜する。成膜には例えばプラズマＣＶＤ法を使用する。この他に、ＦＨＤ法、ＣＶＤ法、スパッタリング法等が適用できる。

次いで、図１４（ｂ）に示すように、第２コア１１３４を形成する領域の余分な第１コア層１１３１をエッチングにより除去する。エッチングの深さは例えば４．２５μｍである。

次いで、図１４（ｃ）に示すように、第２コア層１１３２を例えば５．５μｍ成膜する。

次いで、図１４（ｄ）に示すように、第１コア層１１３１の上部に成膜された余分な第２コア層１１３２を除去する。上記余分な第２コア層１１３２の除去には、通常のフォトリソグラフィ及びリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）が適用できる。余分な第２コア層１１３２の除去の際には、第１コア層１１３１との境界部分にある程度間隙を設けることで、凸状の残留膜が残らず、良好な形状となることが分かった。但し、あまり空隙を広くすると、伝搬光の過剰損失が増加する。本発明者の評価によりこの間隙は０．５〜５μｍが適切であることが分かった。また、好適には、余分な高比屈折率差Δの導波路のコア膜及び低比屈折率差Δの導波路のコア膜のいずれか又は両方の除去の際には、基板垂直方向に対して斜めにエッチングしてエッチング面を形成するとよい。これは境界部での伝搬光の反射を低減するためである。以上により２つの導波路の厚さ方向は中心位置が一致するようになる。位置精度はエッチング深さ精度及び成膜時の膜厚精度に依存するが、両者ともに通常±３％程度以下の精度が容易に得られるため、軸ずれは高々０．２μｍ程度である。

次に、全てのコアの幅方向のパターニングを一括してフォトリソグラフィ及びＲＩＥを用いて行う。一括したパターニングなので２つのコアの幅方向の軸ずれは全くない。

最後に、図１４（ｅ）に示すように、上クラッド１１２２を成膜し、第１コア１１３３及び第２コア１１３４を上クラッド１１２２と下クラッド１１２１との間に埋め込んで、光結合器が完成する。

以上は２種類のコアを形成する場合の例を説明したが、さらに多種類のコアを形成する場合は、コアの幅方向のパターニングの前に余分な膜の除去及び成膜行程を繰り返せばよい。なお、上述の各使用材料、膜厚、成膜方法、エッチング方法等は、全て一例であり、本発明による製造方法を使用する限り、自由に選ぶことができる。

本発明の第１の実施例に係る光結合器を示す上面図である。本発明の第２の実施例に係る光結合器を示す上面図である。本発明の第３の実施例に係る光結合器を示す上面図である。本発明の第４の実施例に係る光結合器を示す上面図である。本発明の第５の実施例に係る光結合器を示す上面図である。本発明の第６の実施例に係る光結合器を示す上面図である。本発明の第７の実施例に係る光結合器を示す側面断面図である。本発明の第８の実施例に係る光結合器を示す側面断面図である。（ａ）乃至（ｃ）は夫々本発明の第９の実施例に係る光結合器を示す上面図、側面断面図及び屈折率を示す図である。本発明の第１０の実施例に係る光結合器を示す側面断面図である。本発明の第１１の実施例に係る光結合器を示す上面図である。本発明の第１２の実施例に係る光結合器を示す上面図である。本発明の第１３の実施例に係る光導波路を示す上面図である。本発明の実施例に係る光結合器の製造方法を工程順に示す断面図である。本発明の光結合器による光ファイバ結合損失を表すグラフ図である。本発明及び従来の光結合器の光ファイバ結合損失を比較するグラフ図である。従来の光結合器を示す上面図である。従来の光結合器を示す上面図である。従来の光結合器を示す上面図である。従来の光結合回路を示す上面図である。

符号の説明

11,15,21,71,81：第１光導波路
111,151,211,411,711,811：第１クラッド
112,152,212,321,521,621,921,712,812,1021,1133,2220,2320：第１コア
12,16,22,72,82：第２光導波路
121,161,221,412,721,821,：第２クラッド
122,162,222,322,522,622,922,722,822,1022,1134,2221：第２コア
13,17：第（ｎ−１）光導波路
131,171：第（ｎ−１）クラッド
132,172：第（ｎ−１）コア
14,18：第ｎ光導波路
141,181：第ｎクラッド
142,182：第ｎコア
23,73,83：第３光導波路
231,413,731,831：第３クラッド
232,323,523,732,832 ：第３コア
24,84：第４光導波路
241,414,741,841：第４クラッド
242,324,524,742,842：第４コア
5,94,2340：光導波路端面
6,16：光部品
26：光ファイバ
31,51,61,1010,2010,2110：クラッド
41,621,2010,2020,2120：コア
511,611,911,1121,2310：下クラッド
512,612,912,1122,2311：上クラッド
53,93,2210, 1110,1030,2330：基板
95：薄膜部材
76：半導体光素子
1131：第１コア層
1132：第２コア層
2230,2231：SSC
2211：入出力導波路基板
96,2360：ビーム光
2350：薄膜部材

Claims

コア及びクラッドからなる複数個の光導波路が相互に光学的に結合するよう形成され、更に並列する光導波路のコアとの間で近接導波路干渉回路を構成する光結合器において、前記干渉回路を含む領域にて前記光学的に結合する光導波路はそのコアの比屈折率差が相互に異なるものであることを特徴とする光結合器。
前記異なる比屈折率差を有する複数の光導波路において、比屈折率差の小さい光導波路のコアの厚さが、比屈折率差の大きい光導波路のコアの厚さよりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の光結合器。
前記異なる比屈折率差を有する複数の光導波路の結合部において少なくとも一方のコアの結合面が基板に垂直な方向に対して斜めに形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光結合器。