JP2007316100A

JP2007316100A - 光軸変換素子およびその作製方法

Info

Publication number: JP2007316100A
Application number: JP2006142300A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Sakaguchi; 茂樹坂口; Hidetoshi Nanai; 秀寿七井
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】受発光素子と光導波路との光結合を光軸変換を含む光結合素子において、光結合損失とチャンネル間のクロストークを低減し、かつ、製造コストを低減した光軸変換素子の製造方法が知られていない。
【解決手段】光学的に透明な平面基板の片側表面に光軸が基板表面と垂直になるように２次元状に配列されたレンズアレイを有しており、かつ、レンズアレイが形成された表面が実質的に平滑である平面基板であって、少なくとも、基板の裏面において、レンズアレイを構成する各レンズの光軸を基板表面と平行になるような反射面を溝加工によって形成する工程と反射面が形成された基板を所定の大きさにチップ化する工程とによって作製されることを特徴とする、光軸変換素子の作製方法。及びその作製方法によって作製された光軸変換素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、光インターコネクションに不可欠となる低損失な光軸変換素子であって、簡便で製造コストを低減する光軸変換素子の製造方法に関する。

光インターコネクションは、装置間、ボード間、チップ間等の光信号伝送に対する技術であり、その伝送距離はそれぞれ１０ｍ、１ｍ、０．１ｍ程度の光信号伝送技術であり、高速大容量のデータを送受信する技術である。応用分野は、コンピュータや光通信の分野であるが、伝送速度の高速化によって従来の銅配線では高周波数化による損失の増加や多チャンネル化によるクロストークの増加等による信号伝送速度制限を克服する技術として実用化が進められている（例えば、非特許文献１参照）。

装置間等の光インターコネクションは、既に普及しているが、信号処理速度の高速化に対してボード間（いわゆるバックプレーン）や同一ボード上にあるチップ間の光インターコネクションの開発が不可欠となっており、開発が活発に進められている。

このような光インターコネクションは、複数の光導波路チャンネルに両端に受発光素子を組み合わせて光リンクを構成するものである。光リンクを低コストで作製することねらって、受発光素子には、VCSEL（面発光レーザ）や面受光型のPDが、光導波路には、伝送距離に応じて、多モード型光ファイバ或いは樹脂製光導波路等が用いられる。光導波路と受発光素子を光結合するためには、光軸を変換する部品が不可欠であり、これには光導波路端面に４５度の角度を有する反射ミラーを用いる方法が開発されている。

図３に、従来の光導波路端面に形成した４５度ミラーを用いたVCSELに対する光軸変換方法を示す。光導波路６において、端面７に形成された４５度ミラーによって、VCSEL５が光結合されるものを模式的に示したものである。

また、垂直導波路を具備した光軸変換素子が開発されている（非特許文献２参照）。垂直導波路を具備することにより、VCSELと光導波路の結合損失やクロストークが大幅に改善され、10Gb/s/ch以上の並列伝送が可能となっている。
Laser Focus World，July 2005，pp.93 T.Tanaka et al. Photonics West，January 21-26, 2007, San Jose, California, 6216-12

前述した図３に示す、従来の光導波路端面に形成した４５度ミラーを用いたVCSELに対する光軸変換方法は、VCSELから出射したレーザ光は１０度程度の広がり角を有するため、反射面位置におけるレーザ光の広がりと反射面の投影面積が大きく異なることから、光導波路コア６ａに対する光結合損失が大きく、また、隣接チャンネルに対しては迷光となってクロストークが大きくなり、並列高速伝送には十分な光学特性が得られない。

また、垂直導波路を具備した光軸変換素子の場合は、VCSELと光導波路の結合損失やクロストークが改善され、光学特性は優れているが、垂直導波路を形成するため製造プロセスが複雑となる課題がある。

本発明は、光通信などに利用される光軸変換素子において、光学的に透明な平面基板の片側表面に光軸が基板表面と垂直になるように２次元状に配列されたレンズアレイを有しており、かつ、レンズアレイが形成された表面が実質的に平滑である平面基板であって、少なくとも、基板の裏面において、レンズアレイを構成する各レンズの光軸を基板表面と平行になるような反射面を溝加工によって形成する工程と反射面が形成された基板を所定の大きさにチップ化する工程とによって作製されることを特徴とする、光軸変換素子の作製方法である。

また、上記の作製方法によって作製された光軸変換素子である。

本発明によれば、受発光素子と光導波路との光結合を光軸変換を含む光結合素子において、光結合損失とチャンネル間のクロストークを低減し、かつ、製造コストを低減した光軸変換素子とその作製方法を提供できる。

本発明は、光学的に透明な平面基板において、その片側表面に光軸が基板表面と垂直になるように２次元状に配列されたレンズアレイを有しており、かつ、レンズアレイが形成された表面が実質的に平滑である平面基板であって、少なくとも、基板の裏面において、レンズアレイを構成する各レンズの光軸を基板表面と平行になるような反射面を溝加工によって形成する工程と反射面が形成された基板を所定の大きさにチップ化する工程とによって作製されることを最も主要な特徴とする。従来技術とは、レンズ形成面が平滑であり、また、光軸変換用ミラー面が基板状態のままで形成できることが異なる。

図１は、本発明を説明する図であって、基板１、レンズ２ａ〜２ｄ、ミラー３、光軸変換素子４からなる。図２は、光軸変換素子４に発光素子５を実装した場合の光線追跡を示した図である。

本発明による光軸変換素子の作製方法を示すと、ミラー形成工程において、レンズ形成表面に対してその裏面においてＶ溝を形成する。続いてＶ溝面に反射物質を被覆してミラー３を形成する。Ｖ溝は、表面に形成されたレンズ列２ａ〜２ｄに対して所定の位置とし、ミラー３となるＶ溝側面は、基板１表面に対して垂直なレンズ列２ａ〜２ｄの光軸８が基板表面に対して平行となるように側面の角度、通常は４５度、に設定する。

チップ化工程では、２点鎖線で示した位置で基板を切断し、短冊状とする。さらに、必要チャンネル数を含む位置で短冊を切断して目的の光軸変換素子４とする。光軸８は、１点鎖線で示すように、基板表面に対して垂直から基板表面に平行となるように変換されている。

図２は、発光素子５を実装した場合の光線追跡を示しているが、発光素子５の高さ、レンズの開口数、チップ寸法（幅や高さ）を調整することにより、集光位置等は任意に調整することができる。また、VCSEL等の発光素子を実装し、基板表面との間の空間をアンダーフィルで満たしても良い。この場合、レンズの実効的開口数は減少するもののVCSELからの放射角は小さくなるため、光線軌跡には多くの変化はないだけでなく、反射量が減衰することから結合効率は向上する。

以下、実施例により説明する。

基板１は、大きさが１００×１００ｍｍ、厚さ０．７５ｍｍのガラス製で、その表面にピッチ０．２５ｍｍでレンズが形成された市販のものを用いた。レンズ２は、イオン交換によって形成されたもので、開口数は０．２である。

基板１裏面において、９０度の開き角でＶ溝を切削により形成した。溝表面は、平滑性を高めるため、＃１５００の砥石で軽く研磨した。続いて、Ｖ溝側面に金をスパッタでほぼ０．２μｍの厚さに被覆してミラー３とした。

さらに、レンズ列とミラー３を含む位置で切断し、短冊状とした。短冊は、レンズ２を１２個を含む位置で切断し、光軸変換素子４とした。素子寸法は、長さ×幅×厚さが約４×１×０．７５ｍｍである。洗浄後、得られた光軸変換素子チップは、基板１枚から総数約２０００個であった。

得られたチップの中から２０個を任意に取り出し、損失を測定した。測定は、レンズ面と出射端面においてコア径５０μｍにグレーデッド型光ファイバを突き当て、突き当て面にマッチング液を滴下し、波長０．８５μｍのレーザ光を入射して測定した。各チップにおいて、１チャンネルおきに６チャンネルの損失と隣接チャンネル間のクロストークを測定した。損失の平均値は、０．８ｄＢ、クロストークの平均値は、３４ｄＢであった。

本実施例では、ミラーとなるＶ溝に対して後処理を施していないが、反射膜を形成後樹脂等でＶ溝を埋め込むことによって反射膜の保護が図れる。また、ミラー形成は各チャンネルが一次元配列となるよう形成したが、ミラー形成位置を調節することにより、チャンネル配列を、例えば、２×１２のような２次元配列とすることも容易であることは言うまでもない。

基板１には、イオン交換によってレンズアレイが形成されたガラス基板が市販されていることから用いたが、使用波長が可視光領域であればアクリルやポリカーボネート、シリコーン等の樹脂材料も使用可能である。また、波長１μｍ以上の長波長領域では、シリコン等の半導体も使用できる。樹脂材料ではエンボス加工等により簡単にレンズアレイは形成できる。シリコン材料では、グレースケールエッチィング等でレンズアレイは容易に形成できる。また、シリコンでは、回折光学素子によるレンズ形成も容易である。

本発明は、光通信分野における通信システムはもちろん、評価・測定など光伝送の応用分野にも利用できるものである。

本発明の実施例を説明する図である。本発明による光軸変換素子に対して発光素子を実装した場合の光線追跡を示す図である。光導波路端面に形成した４５度ミラーを用いたＶＣＳＥＬに対する従来の光軸変換方法を示す図である。

符号の説明

１基板
２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄレンズ
３ミラー
４光軸変換素子
５発光素子
６光導波路
６ａ光導波路コア
７端面ミラー
８光軸
９光線

Claims

受発光素子および光導波路を光結合させる際に利用される光軸変換素子において、光学的に透明な平面基板の片側表面に光軸が基板表面と垂直になるように２次元状に配列されたレンズアレイを有しており、かつ、レンズアレイが形成された表面が実質的に平滑である平面基板であって、少なくとも、基板の裏面において、レンズアレイを構成する各レンズの光軸を基板表面と平行になるような反射面を溝加工によって形成する工程と反射面が形成された基板を所定の大きさにチップ化する工程とによって作製されることを特徴とする、光軸変換素子の作製方法。
請求項１の作製方法によって作製された光軸変換素子。