JP2007047483A - 光回路及びその製造方法並びにレーザ集光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ光を効率よく集光する。
【解決手段】 入射部２３の入射端面には、凸部２３ａが形成されている。レーザ光の速軸方向を含む垂直平面上において、凸部２３ａの断面は半円状に形成されている。したがって、半導体レーザバーから出射されたレーザ光は、速軸方向に大きく広がりながら光回路２０の入射部２３に入射するが、入射部２３に入射する際に速軸方向が大きく屈折する。これにより、半導体レーザバー１０から出射されたレーザ光のほぼすべてが光導波路２２のコア２２ａに入射される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光回路及びその製造方法並びにレーザ集光装置に係り、特に、半導体レーザと光回路との光結合の向上を図った光回路及びその製造方法並びにレーザ集光装置に関する。

光通信システムの大容量化が進む一方で、光デバイスの小型化、高集積化が図られている。光デバイスの小型化及び集積化を実現するために、半導体レーザと光導波路とを同一基板上で光学的に高効率に結合させる必要がある。

そこで、半導体レーザと光導波路とを光学的に高効率に結合するためのレンズを形成して、低コスト化と、温度変化および振動衝撃などに対する高信頼性とを得ることができる光回路およびその製造方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１には、シリコン基板上に形成された石英系光導波路に半導体レーザから出射された放射光を光学的に結合する光回路が記載されている。前記石英系光導波路の端面には、半導体レーザの放射光を受けるためのレンズ機能を有する半球状の露出したコア突出部がある。

上記光回路の製造方法は、石英系光導波路の半導体レーザの放射光を受ける端面部分の上層クラッドおよび下層クラッドを除去しコアを露出してコア突出部を形成する。次いで、このコア突出部を熱によるリフローイングによりレンズ機能を有する半球状に成形する。

また、同一径で複数本の光ファイバを、同一平面位置に互いに間隔をもって平行に配列して保持固定された微小レンズ付き光ファイバアレイ及びその製造方法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）上記光ファイバアレイでは、複数本の光ファイバ端末の軸先端部が、アレイ端部に形成された楔形状の先端稜線と同一直線上に配置され、かつ楔型アレイ端部の先端角度と同一で一体となる傾斜平面を有している。

微小レンズ付き光ファイバアレイの製造方法は、複数本の光ファイバを同一平面位置に互いに間隔をもって平行に配列する保持工程と、前記保持工程で保持固定されたアレイ一体の光ファイバ先端側を研削盤（研削面）に対し所定の角度傾けて、当該アレイ一体の光ファイバのコアを中心に、アレイ先端部分を楔形状とし、それぞれの光ファイバの楔型の頂部を形成する頂部接点が連なる稜線が、同一直線上にのるように両傾斜面を研削する研削工程と、前記研削工程で研削されたアレイ先端の少なくともそれぞれの光ファイバーコア部を、前記研削盤砥石面より柔軟な研磨面を有する研磨盤により研磨して、同一一連の半円筒のレンズ形状とする研磨工程と、を含んでいる。
特開平９−３０４６６４号公報（図３） 特開２００２−３４１１７３号公報（図４）

特許文献１に記載された技術は、光通信に使用されるようなアスペクト比の小さい発光部を有する半導体レーザからの放射光に対しては、コア先端を半球状にすることで十分機能すると考えられる。しかし、半導体レーザバーのようなアスペクト比の極めて大きい発光部からの放射光を入射させるためには、半球状では不十分である。

また、エッチング工程によってコア突出部を形成し、これをリフローイングによって半球状としている製造方法では、光回路材料による制限が極めて大きい。すなわち、まずエッチング工程においては、コアが残り、上下クラッドのみが除去されるような石英系材料の組み合わせを選択する必要がある。

さらに、その選択された石英系材料の組み合わせは、リフローイングによってコアのみが溶融軟化する条件も満たさなければならない。したがって、石英系材料の他、プラスチック、結晶系等多々ある光材料すべてに適用できない問題がある。また、溶融軟化を利用した方法では、形状制御が困難であり、例えば、高効率な非球面形状を実現できない問題もある。

特許文献２に記載された技術は、研削工程の研削盤砥石面より柔軟な研磨面を有する研磨盤によって光ファイバコア部を研磨する。この方法では、研磨面に押し当てるだけでは形状がだれてしまい、半円筒状に制御することが難しい。また、楔形状の先端稜線に向かって加重力をかけながら先端稜線を軸としてファイバアレイを左右揺動させる研磨方法についても、研磨接触点であるファイバ先端稜線を回転する研磨盤上に置き、左右揺動支点としながら形状制御することは難しく、レンズ光軸とコア中心部を正確に一致させることも困難である。

さらに、放電による熱溶融成形を利用した方法でも、形状制御が困難であり、例えば、高効率な非球面形状を実現できない問題もある。

本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、レーザ光を効率よく集光できる光回路、その光回路を容易に製造できる光回路の製造方法、その光回路を用いたレーザ集光装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光回路は、基板上に光導波路が形成された光回路であって、前記光導波路は、レーザ光が入射される複数の入射部と、前記各入射部に入射されたレーザ光を合流させる合流部と、前記合流部で合流されたレーザ光を出射する出射部と、を備え、前記入射部の端面には、レーザ光の速軸方向の断面が円弧状又は非球面形状の凸部が形成されている。

レーザ光が伝搬するに従ってレーザ光の速軸方向は広がるので、光導波路の入射部に、レーザ光があまり入射されないことがある。そこで、入射部の端面に、レーザ光の速軸方向の断面が円弧状又は非球面形状の凸部を形成する。これにより、凸部のレンズ作用によって、入射部に入射されたレーザ光のほとんどは大きく屈折して集光しながら光導波路の中を伝搬する。

したがって、上記発明によれば、光導波路の入射部の端面にレーザ光の速軸方向の断面が円弧状又は非球面形状の凸部を形成することによって、高効率にレーザ光を入射して集光することができる。

本発明に係る光回路の製造方法は、外周端面が円弧状又は非球面形状、かつ凹状に形成された成形用円盤状砥石を中心軸に対して回転させ、光導波路が基板上に形成された光回路の入射部の端面を、前記成形用円盤状砥石の外周端面に押圧する。

したがって、上記発明によれば、光導波路が基板上に形成された光回路の入射部の端面を成形用円盤状砥石の外周端面に押圧することによって、入射部を成形すると共に良好な光学面を得ることができる。

本発明に係るレーザ集光装置は、レーザ光が出射される複数の発光点が配列された半導体レーザ装置と、基板上に光導波路が形成された光回路であって、前記光導波路は、前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光が入射される複数の入射部と、前記各入射部に入射されたレーザ光を合流させる合流部と、前記合流部で合流されたレーザ光を出射する出射部と、を有し、前記入射部の端面には、レーザ光の速軸方向の断面が円弧状又は非球面形状の凸部が形成されている光回路と、を備えている。

したがって、上記発明によれば、半導体レーザ装置から出射されたレーザ光を高効率で光回路に入射させることができるので、効率よく集光されたレーザ光を得ることができる。

本発明に係る光回路及びレーザ集光装置は、高効率にレーザ光を光回路に入射させて、集光されたレーザ光を得ることができる。

本発明に係る光回路の製造方法は、光回路の入射部を成形すると共に入射部の良好な光学面を得ることができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ集光装置を示す図である。レーザ集光装置は、複数のレーザ発光点１１を有する半導体レーザバー１０と、半導体レーザバー１０から出射されたレーザ光を所定方向に導光して１つに集光する光回路２０と、を備えている。

半導体レーザバー１０は、一直線上に形成された複数のレーザ発光点１１を有しており、各レーザ発光点１１からレーザ光が出射される。半導体レーザバー１０はフォトプロセスにより製造されており、レーザ発光点１１の位置は正確に規定されている。

光回路２０は、平板基板２１上に熊手型の光導波路２２が形成されたものである。光導波路２２は、半導体レーザバー１０のレーザ発光点１１と同数及び同間隔で配置された複数の入射部２３と、各入射部２３に入射されたレーザ光を１つに合流する合流部２４と、合流部２４から平面基板２１の端部側にレーザ光を伝送して外部に出射する出射部２５と、を有している。

光回路２０は、例えば、Ｓｉを平板基板２１、石英系材料を光導波路２２とした石英ＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）である。なお、本発明は、これに限定されるものではなく、ポリイミドやＰＭＭＡ等の高分子や、ＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃等の結晶材料を用いてもよい。

光導波路２２は、半導体レーザバー１０と同様にフォトプロセスにより製造されている。したがって、光導波路２２の入射部２３が半導体レーザバー１０のレーザ発光点１１の間隔に一致するように製造することによって、入射部２３とレーザ発光点１１と一致させて配置するのは容易に可能である。また、本実施形態では、光導波路２０として熊手型を例示したが、その他、Ｙ分岐型やテーパ型などを用いてもよい。

光導波路２２の断面の大きさは特に限定されるものではいが、本実施形態では、入射部２３は幅１００μｍ、高さ２０μｍ、出射部２５は幅３００μｍ、高さ２０μｍである。これにより、効率よく、合波用光回路を形成することができる。

図２は、光導波路２２の入射部２３の垂直平面上の断面図である。なお、光導波路２２は、レーザ光が伝搬するコア２２ａ、上部クラッド２２ｂ及び刊行物クラッド２２ｃで構成されている。

同図に示すように、入射部２３の入射端面には、凸部２３ａが形成されている。レーザ光の速軸方向を含む垂直平面上において、本実施の形態では凸部２３ａの断面は半円状に形成されているが、これに限らず円弧状に形成されてもよい。

凸部２３ａの光軸（凸部２３ａの頂点を通る中心軸）は、光導波路２２のコア２２ａに一致しており、各凸部２３ａの形状は平板基板２１の全幅に渡って一様である。これにより、入射部２３の凸部２３ａには、レーザ光の速軸方向に対してレンズと同様の作用が生じる。

したがって、半導体レーザバー１０から出射されたレーザ光は、速軸方向（上下方向）に大きく広がりながら光回路２０の入射部２３に入射するが、入射部２３に入射する際に速軸方向が大きく屈折する。これにより、半導体レーザバー１０から出射されたレーザ光のほぼすべてが光導波路２２のコアに入射される。よって、光軸調整をするための光部品が不要になり、容易に光軸調整が可能である。

光回路２０の光導波路２２の凸部２３ａは、次のように、円盤状砥石の外周端面に形成された凹部を光回路２０の端面に押しつけることで作成される。

図３乃至図５は、光回路２０の製造過程を示す（Ａ）平面図及び（Ｂ）断面図である。最初に、先端が所望の半円形状の凸部になるように刃部２を成形する。本実施形態では、図３に示すように、円盤形砥石１をその中心軸に対して回転及び上下動させながら、所望の形状になるように刃部２を研削する。これにより、凸部刃部３が形成される。

次に、図４に示すように、中心軸に対して回転及び上下動する円盤状砥石４の外周端面に凸部刃部３の半円状凸部３ａを押し当てる。これにより、円盤状砥石４の外周端面には、凸型刃部３の半円状凸部３ａと相反な形状の凹部４ａが形成される。凹部を形成する方法としては、その他、円盤状砥石４の外周端面を直接加工してもよい。

そして、図５に示すように、円盤状砥石４と光回路２０を同一平面上に配置し、円盤状砥石４をその中心軸に対して回転及び上下動させながら、光回路２０の入射部２３の入射端面をその円盤状砥石４の凹部４ａに押し当てる。これにより、所望の形状の凸部２３ａが形成される。また、円盤状砥石４の研磨効果により、同時に凸部２３ａ上に良好な光学面が得られる。

図６（Ａ）は、光回路２０のコア２０ａと凸部２３ａの中心軸（光軸）を一致させるための位置決めを説明する平面図であり、同図（Ｂ）はその断面図である。

まず、光回路２０の入射部２３側の円盤状砥石４上に、顕微鏡５を設置する。次に、光回路２０の出射部２５に光を入射させる。これにより、光回路２０の光導波路２２のコア２２ａを通った光は、合流部２４で分岐して、入射部２３から出射される。このとき、入射部２３から出射される光を顕微鏡５で観察することによって、入射部２３のコアの形状と、各凸部２３ａの稜線が明確に分かる。

図７は、光回路のコアの中心と稜線とを示す図である。ここにいう稜線とは、各凸部２３ａの頂点を結んだ線をいう。そこで、顕微鏡により入射部２３のコアの中心位置と凸部２３ａの稜線位置とを測定する。これらの位置にずれがあるときは、ずれ量がなくなるように円盤状砥石４と光回路２０の相対位置を補正して、再度、凸部２３ａを円盤状砥石２で研磨する。これにより、凸部２３ａの稜線位置を光導波路２２のコア２２ａの中心位置に容易に合わせることができる。

この方法によれば、形状成形と研磨を同時に行うことができるので、工程が簡単であり、また光回路２０の全幅に渡って一様な形状を得ることができる。さらに、円盤状砥石４の外周端部に形成する凹部４ａの形状を任意にすることができるので、入射部２３の端面を円弧状にする他に、非球面形状にすることもできる。また、光回路２０に適した砥石を選択したり、加工条件等を容易に変更したりできるので、光回路２０による制限がほとんどない。

例えば、石英ＰＬＣのような硬質材料の場合、予め円弧状に荒加工しておいてから、円盤状砥石４で加工した方が良好な形状を得ることができる。プラスチック材料の場合、補助的に円盤状砥石４や光回路２０を加熱しながら加工することによって、より良好な形状を得ることもできる。さらに、円盤状砥石４の凹部４ａに研磨液を流しながら加工することで、凸部２３ａの光学面上を向上させることもできる。研磨液は水であってもよい。

図８は、凸部２３ａの曲率半径と光導波路２２のコア２２ａへのレーザ光入射光率を理論的に示した図である。同図によると、曲率半径１２μｍよりも小さい場合に、入射光率が最も高くなることが示されている。これより、本実施形態では、凸部２３ａの曲率半径を１２μｍとするが、これ以外の曲率半径であってもよい。

図９は、光回路２０の他の実施の形態を示す要部断面図である。光導波路２２の入射部２３の端面には、同図に示すように、非球面状に形成された非球面凸部２３ｂが設けられている。これにより、半導体レーザバー１０から出射されたレーザ光のほぼすべてが光導波路２２に入射されることに加え、光導波路２２の入射部２３の端面が、単純な半円状凸部の場合に生じる収差の影響を回避することができる。このことから、速軸方向に大きく広がった半導体レーザバー１０からの出射光は、非球面凸部２３ｂを通過することで、光導波路２２内ではほぼ完全な平行光とすることができる。従って、より低損失に光導波路２２内を伝搬させることができる。

以上のように、レーザ集光装置は、光回路２０の入射部２３の入射端面に、レーザ光の速軸方向の断面が円弧状又は非球面状の凸部を形成することによって、半導体レーザバー１０の各レーザ発光点１１から出射されたレーザ光を、光回路２０の各入射部２３に高効率に集光することができる。これにより、レーザ光を集光するためのレンズ等の光学部品が不要となり、部品点数を削減することができる。また、容易に光軸を調整することもできる。

光回路２０の製造方法は、入射部２３の凸部２３ａを成形する工程と光学表面を得る工程とを同時に行うことができるので製造工程数を少なくすることができる。また、光回路２０の各入射部２３を同時に成形することができるので、各入射部２３のコアの全幅をすべて一様な円弧状又は非球面上にすることができる。

さらに、上記光回路２０の製造方法は、円盤状砥石の外周端面に形成する凹部を容易に変更できるので、入射部２３を円弧状のみならず、非球面状、その他の様々な形状に成形することができる。また、光回路２０の材料に応じて円盤状砥石の材質や加工条件を選択できるので、光回路２０の種類によらず光回路２０の入射部２３を形成することができる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で設計変更されたものにも適用可能である。例えば、半導体レーザバー１０の代わりに、発光点が１つだけの半導体レーザ装置を用いてもよいし、また面発光レーザアレイを用いてもよいのは勿論である。

図１０は、レーザ集光装置の他の実施の形態を示す図である。上記レーザ集光装置は、上述した半導体レーザバー１０及び光回路２０に加えて、光回路２０から出射されたレーザ光を導光する光ファイバ３０を備えている。光回路２０の出射部２５の出射端面には、同図に示すように、レーザ光の速軸方向の断面が円弧状又は非球面形状の凸部が形成されている。これにより、光回路２０と光ファイバ３０の光結合を高効率に行うことができる。

本発明の実施の形態に係るレーザ集光装置である。 光導波路の入射部の垂直平面上の断面図である。 レーザ集光装置の製造過程を示す（Ａ）平面図及び（Ｂ）断面図である。 レーザ集光装置の製造過程を示す（Ａ）平面図及び（Ｂ）断面図である。 レーザ集光装置の製造過程を示す（Ａ）平面図及び（Ｂ）断面図である。 （Ａ）は、光回路のコアと入射部の凸部の中心軸を一致させるための位置決めを説明する平面図であり、（Ｂ）はその断面図である。 光回路のコアの中心と稜線とを示す図である。 凸部の曲率半径と光導波路のコアへのレーザ光入射光率を理論的に示した図である。 光回路の他の実施の形態を示す要部断面図である。 レーザ集光装置の他の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１０ 半導体レーザバー
１１ レーザ発光点
２０ 光回路
２１ 平板基板
２２ 光導波路
２３ 入射部
２３ａ 凸部
２３ｂ 非球面凸部
２４ 合流部
２５ 出射部
３０ 光ファイバ

Claims (6)

1. 基板上に光導波路が形成された光回路であって、
   前記光導波路は、レーザ光が入射される複数の入射部と、前記各入射部に入射されたレーザ光を合流させる合流部と、前記合流部で合流されたレーザ光を出射する出射部と、を備え、
   前記入射部の端面には、レーザ光の速軸方向の断面が円弧状又は非球面形状の凸部が形成されている
   光回路。
2. 外周端面が円弧状又は非球面形状、かつ凹状に形成された成形用円盤状砥石を中心軸に対して回転させ、
   光導波路が基板上に形成された光回路の入射部の端面を、前記成形用円盤状砥石の外周端面に押圧する
   光回路の製造方法。
3. 先端部が円弧状又は非球面形状、かつ凸状に形成された刃具を円盤状砥石の外周端面に押圧することにより前記成形用円盤状砥石を製造する
   請求項２に記載の光回路の製造方法。
4. 前記光回路の出射部に光を入射させ、
   前記光回路の入射部から出射された光の位置と、前記光回路の入射部の端面に形成された凸部の稜線の位置と、に基づいて、前記凸部の形状のずれ量を補正する
   請求項２または請求項３に記載の光回路の製造方法。
5. レーザ光が出射される複数の発光点が配列された半導体レーザ装置と、
   基板上に光導波路が形成された光回路であって、前記光導波路は、前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光が入射される複数の入射部と、前記各入射部に入射されたレーザ光を合流させる合流部と、前記合流部で合流されたレーザ光を出射する出射部と、を有し、前記入射部の端面には、レーザ光の速軸方向の断面が円弧状又は非球面形状の凸部が形成されている光回路と、
   を備えたレーザ集光装置。
6. 前記光回路の出射部から出射されたレーザ光を導光する光ファイバを更に備え、
   前記光回路の出射部の端面には、レーザ光の速軸方向の断面が円弧状又は非球面形状の凸部が形成されている
   請求項５に記載のレーザ集光装置。

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