JP2008032931A - Optical coupling element - Google Patents

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篤 坂井
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修一 鈴木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical coupling element that imparts input/output of light such as a highly efficient laser to an optical waveguide with a high refractive index difference, in an optical coupling element between optical waveguides and between a waveguide and other optical systems, for example. <P>SOLUTION: The optical coupling element is composed of an optical waveguide having a core 2 and a clad 3 formed on a substrate 1 and having an end face of the core that provides a numerical aperture NA<SB>1</SB>and a lens having an optical axis not in parallel with the light guide direction of the optical waveguide and having a lens that provides a numerical aperture NA<SB>2</SB>. In this element, the lens 6 is arranged in the manner that the sum of the maximum light receiving angle at which the optical waveguide provides the numerical aperture NA<SB>1</SB>and the similar angle at NA<SB>2</SB>is ≥90° and that the converging position of the lens is in proximity to the end face. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、光結合素子に関し、特にコアとクラッドの屈折率差の大きい光導波路を有する高効率な光結合素子に関する。   The present invention relates to an optical coupling device, and more particularly to a highly efficient optical coupling device having an optical waveguide having a large refractive index difference between a core and a clad.

従来、光導波路への光結合方式は様々な方式が提案されている。それらは、発光素子や受光素子と光導波路の結合、光導波路同士の結合など様々な場合がある。一般的には、光導波路の導波方向にこれら素子と導波路とを同一直線状に直接接続または媒体を介して接続させるよう配置する。   Conventionally, various methods for optical coupling to an optical waveguide have been proposed. There are various cases such as coupling of a light emitting element or a light receiving element and an optical waveguide, coupling of optical waveguides, and the like. In general, these elements and the waveguide are arranged in the same straight line in the waveguide direction of the optical waveguide so as to be directly connected or connected via a medium.

コアとクラッドからなる光導波路の光伝搬領域の大きさが同程度の光導波路では、光導波路同士のコアの中心軸を一致させ、直接接続しても低損失で結合が可能である。さらに低損失に接続するためには、結合部分を屈折率整合溶剤で満たすことで、直接接続による界面での散乱損失を低減したり、接続部分を融着することで界面での屈折率変化を無くす方法などが採られる。   In the case of an optical waveguide having the same size of the light propagation region of the optical waveguide composed of the core and the clad, the optical waveguides can be coupled with low loss even if the central axes of the optical waveguides are aligned and directly connected. In order to connect to a lower loss, the coupling portion is filled with a refractive index matching solvent to reduce scattering loss at the interface due to direct connection, or the connection portion is fused to change the refractive index at the interface. The method to lose is taken.

しかしながら、これらの方法は光導波路のサイズがほぼ同じ光導波路でないと、それぞれの光導波路を伝搬する光のモード形状が異なるために、直接接続では散乱損失が増大してしまう。典型的な例として、ファブリペロー型半導体レーザは、光導波路となっている光活性層部分がサブミクロン幅と極めて薄いため、出射端面でのモード形状は大きく扁平な形状となる。この光を光ファイバへ結合するとき(光ファイバに入力するとき)、レーザ出射端面でのモード形状と光ファイバの伝搬モードの形状は大きく異なるため、直接端面を接続しただけでは結合効率が極めて低くなる。そこで、接続される光導波路同士のモード形状を変換する必要がある。   However, in these methods, unless the optical waveguides have substantially the same size, the mode shape of light propagating through the respective optical waveguides is different, so that scattering loss increases in direct connection. As a typical example, in a Fabry-Perot type semiconductor laser, the photoactive layer portion serving as an optical waveguide is extremely thin with a submicron width, so that the mode shape at the emission end face is large and flat. When this light is coupled to the optical fiber (when it is input to the optical fiber), the mode shape at the laser emission end face and the shape of the propagation mode of the optical fiber are very different, so the coupling efficiency is extremely low just by connecting the end face directly. Become. Therefore, it is necessary to convert the mode shape between the connected optical waveguides.

この変換のひとつの方法として、レンズによるモード変換方法があり、半導体レーザと光ファイバとの間にレンズを設けることで、モード形状を変形させ結合効率を高めることができる。この方式と同様に、光ファイバからの光を受光素子に結合させるときも、レンズを使って集光することにより、結合効率を高めることができる。   One method of this conversion is a mode conversion method using a lens. By providing a lens between the semiconductor laser and the optical fiber, the mode shape can be deformed and the coupling efficiency can be increased. Similarly to this method, when the light from the optical fiber is coupled to the light receiving element, the coupling efficiency can be increased by condensing the light using a lens.

このように、出射端面でモード形状が異なると、素子間の光結合効率は大きく劣化してしまうために、モード変換構造が必要になる。   As described above, when the mode shape is different at the emission end face, the optical coupling efficiency between the elements is greatly deteriorated, so that a mode conversion structure is required.

一方、コアとクラッドの屈折率差が大きい光導波路(高屈折率差光導波路)は、その曲率半径をミクロンオーダと小さくすることができ、そのため光配線集積度と配線自由度を劇的に向上させることができる。このような光配線技術を用いると、光集積デバイスを小型化できると期待されている。   On the other hand, an optical waveguide with a large refractive index difference between the core and the clad (high refractive index difference optical waveguide) can have a radius of curvature as small as a micron, which dramatically improves the optical wiring integration and wiring flexibility. Can be made. When such an optical wiring technology is used, it is expected that the optical integrated device can be miniaturized.

しかしながら、この光導波路と、コアとクラッドの屈折率差が小さい従来の導波路(低屈折率差光導波路)とを接続する場合には、光屈折率の場合に比較してコアの断面積が数10倍と異なるために、接続損失はきわめて大きいと予想される。   However, when this optical waveguide is connected to a conventional waveguide having a small refractive index difference between the core and the clad (low refractive index difference optical waveguide), the cross-sectional area of the core is smaller than that of the optical refractive index. The connection loss is expected to be extremely large because it is different from several tens of times.

このような技術として、光導波路のコアの大きさを徐々に変化させて、モードフィールドサイズを変換して接続する発明が開示されている(例えば特許文献1)。   As such a technique, an invention is disclosed in which the size of the core of the optical waveguide is gradually changed to convert and connect the mode field size (for example, Patent Document 1).

特許文献1では高屈折率差光導波路の先端を徐々に狭める逆テーパ構造にし、逆テーパ部分を低屈折率差光導波路に接続することで、導波モードのスポットサイズを変換する。この構造により、モード形状が大きく異なる低屈折率光導波路と、高屈折率光導波路を低損失で結合することができる(特許文献1の図1、第1の実施形態を参照)。
特開2004−184986号公報
In Patent Document 1, the spot size of the waveguide mode is converted by using a reverse taper structure in which the tip of the high refractive index difference optical waveguide is gradually narrowed and the reverse taper portion is connected to the low refractive index difference optical waveguide. With this structure, the low refractive index optical waveguide and the high refractive index optical waveguide having greatly different mode shapes can be coupled with low loss (see FIG. 1 of Patent Document 1 and the first embodiment).
JP 2004-184986 A

特許文献1に開示された発明では、光ファイバを伝搬してきた光を高屈折率光導波路に結合するのに有効である。しかしながら、光源から出た光を高屈折率差光導波路へ結合する、または、高屈折率差光導波路からの光を受光素子へ結合するためには、段階的に光導波路構造を変化させる必要があり、複雑な光導波路の組合せを必要とする。   The invention disclosed in Patent Document 1 is effective for coupling light propagating through an optical fiber to a high refractive index optical waveguide. However, in order to couple the light emitted from the light source to the high refractive index difference optical waveguide or to couple the light from the high refractive index difference optical waveguide to the light receiving element, it is necessary to change the optical waveguide structure step by step. Yes, it requires complex optical waveguide combinations.

光ファイバを伝搬してきていない光、たとえば空間伝搬光を光導波路へ接続するには、直接光源からの光をレンズで絞り、光導波路とレンズの光軸をそろえて光導波路の端面に入力するのがよいと思われるが、サブミクロンのコア端面にレンズで光を集光するには正確な位置合わせが必要である。さらに、コア端面に光軸を一致させたレンズを形成することによりスポットサイズ変換器を集積させることも可能かとも考えられるが、導波路の端面に、このような構造を作成することは極めて困難である。   To connect light that has not propagated through the optical fiber, for example, spatially propagated light, to the optical waveguide, the light from the direct light source is narrowed by the lens, and the optical axis of the optical waveguide and lens are aligned and input to the end face of the optical waveguide. However, accurate alignment is necessary to collect the light with the lens on the sub-micron core end face. Furthermore, it may be possible to integrate a spot size converter by forming a lens with the optical axis aligned with the core end face, but it is extremely difficult to create such a structure on the end face of the waveguide. It is.

光軸を揃える必要のない光結合方式として、プリズムカップラーによる光結合方法なども低屈折率差光導波路では用いられている。しかしながら、高屈折率差光導波路では、そのコアサイズがサブミクロンであるために、プリズム形状もサイズに合わせて小さくする必要があり、この光導波路に光を結合させるのは極めて困難であるという問題もある。   As an optical coupling method that does not require the optical axes to be aligned, an optical coupling method using a prism coupler is also used in the low refractive index difference optical waveguide. However, since the core size of a high refractive index difference optical waveguide is submicron, it is necessary to reduce the prism shape in accordance with the size, and it is extremely difficult to couple light into this optical waveguide. There is also.

そこで本発明は、上述した課題を解決するために、基板上に形成されたコアとクラッドからなり、開口数NA1を与えるコアの端面を有する光導波路が、開口数NA1を与える最大受光角度と開口数NA2を与える最大受光角度との和が、90度以上であることにより開口数NA1を与えるコアの端面を有する光導波路と、光導波路の端面近傍にレンズの集光位置を有するようにレンズが配置された光結合素子を提供することを目的とする。 Accordingly, in order to solve the above-described problems, the present invention provides a maximum light receiving angle at which an optical waveguide having a core end face that provides a numerical aperture NA 1 and a core formed on a substrate has a numerical aperture NA 1. And the maximum light receiving angle that gives the numerical aperture NA 2 is 90 degrees or more, so that the optical waveguide having the end face of the core that gives the numerical aperture NA 1 and the condensing position of the lens in the vicinity of the end face of the optical waveguide An object of the present invention is to provide an optical coupling element in which a lens is arranged.

上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、基板と、前記基板上に形成されたコアとクラッドを有し、開口数NA1を与える前記コアの端面を有する光導波路と、前記光導波路の光の導波方向と平行ではない光軸を有し、開口数NA2のレンズを有する光結合素子であって、前記光導波路が、前記開口数NA1を与える最大受光角度と前記開口数NA2を与える最大受光角度との和が、90度以上であり、前記端面近傍に前記レンズの集光位置を有するように前記レンズが配置された光結合素子であることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, an invention according to claim 1 includes a substrate, an optical waveguide having a core and a clad formed on the substrate, and having an end face of the core that provides a numerical aperture NA 1. An optical coupling element having an optical axis that is not parallel to the light guiding direction of the light in the optical waveguide and having a lens with a numerical aperture NA 2 , wherein the optical waveguide has a maximum light receiving angle that gives the numerical aperture NA 1 And the maximum light receiving angle that gives the numerical aperture NA 2 is 90 degrees or more, and the optical coupling element has the lens arranged so that the condensing position of the lens is in the vicinity of the end face. And

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の光結合素子において、前記光導波路の導波方向に対し前記レンズの光軸が略直交することを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the optical coupling element according to the first aspect, the optical axis of the lens is substantially orthogonal to the waveguide direction of the optical waveguide.

請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の光結合素子において、前記レンズが前記基板を下としたときに前記基板上に設けられた前記光導波路のクラッド上に形成されていることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the optical coupling element according to the first or second aspect, the lens is formed on a clad of the optical waveguide provided on the substrate when the substrate is the lower side. It is characterized by being.

請求項4に記載の発明は、請求項1から3のいずれか1項に記載の光結合素子において、前記光導波路上で、前記レンズにより集光されるコアの端面近傍に光散乱体を設けたことを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the optical coupling element according to any one of the first to third aspects, a light scatterer is provided in the vicinity of the end face of the core condensed by the lens on the optical waveguide. It is characterized by that.

請求項5に記載の発明は、請求項1から4のいずれか1項に記載の光結合素子において、前記光導波路を形成するクラッドが、異なる屈折率を有する複数の部分から構成されていることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the optical coupling element according to any one of the first to fourth aspects, the clad forming the optical waveguide is composed of a plurality of portions having different refractive indexes. It is characterized by.

請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の光結合素子前記において、光導波路を形成するクラッドの屈折率の複数の部分のうちの少なくとも1つが、連続的に変化する材料から形成されていることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the optical coupling element according to the fifth aspect, at least one of the plurality of refractive index portions of the clad forming the optical waveguide is formed of a continuously changing material. It is characterized by.

請求項7に記載の発明は、請求項1から6のいずれか1項に記載の光結合素子において、前記光導波路と基板との間に反射領域を設けたことを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in the optical coupling element according to any one of the first to sixth aspects, a reflective region is provided between the optical waveguide and the substrate.

請求項8に記載の発明は、請求項1から7のいずれか1項に記載の光結合素子において、前記レンズを有する層の、前記光導波路に接する層又は反対層側に光電変換素子を設けたことを特徴とする。   The invention according to claim 8 is the optical coupling element according to any one of claims 1 to 7, wherein a photoelectric conversion element is provided on the layer having the lens on the side of the optical waveguide or on the side opposite to the optical waveguide. It is characterized by that.

請求項9に記載の発明は、請求項1から8のいずれか1項に記載の光結合素子において、前記光導波路のコアが線欠陥構造であり、クラッドがフォトニック結晶配列からなるフォトニック結晶光導波路であることを特徴とする。   The invention according to claim 9 is the photonic crystal according to any one of claims 1 to 8, wherein the core of the optical waveguide has a line defect structure and the cladding has a photonic crystal array. It is an optical waveguide.

請求項10に記載の発明は、請求項1から9のいずれか1項に記載の光結合素子において、前記光結合素子が、アレイ構造となることを特徴とする。   According to a tenth aspect of the present invention, in the optical coupling element according to any one of the first to ninth aspects, the optical coupling element has an array structure.

請求項11に記載の発明は、請求項1から10のいずれか1項に記載の光結合素子において、前記光結合素子が、積層されたアレイ構造であることを特徴とする。   According to an eleventh aspect of the present invention, in the optical coupling element according to any one of the first to tenth aspects, the optical coupling element has a stacked array structure.

本発明によれば、基板上に形成されたコアとクラッドからなり、開口数NA1を与えるコアの端面を有する光導波路が、開口数NA1を与える最大受光角度と開口数NA2を与える最大受光角度との和が、90度以上であることにより開口数NA1を与えるコアの端面を有する光導波路と、光導波路の端面近傍にレンズの集光位置を有するようにレンズが配置された光結合素子を提供することができる。 Up according to the present invention consists of a core and a clad formed on a substrate, an optical waveguide having an end face of the core to provide a numerical aperture NA 1 is, giving the maximum light receiving angle and the numerical aperture NA 2 which gives the numerical aperture NA 1 An optical waveguide having an end face of the core that gives a numerical aperture NA 1 when the sum of the light receiving angles is 90 degrees or more, and light in which the lens is disposed so that the condensing position of the lens is in the vicinity of the end face of the optical waveguide A coupling element can be provided.

本実施形態は、上述した実情を考慮してなされたものであって、高屈折率差光導波路への高効率な光の入出力が可能な光結合素子を提供することを目的とする。   The present embodiment has been made in consideration of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide an optical coupling element capable of inputting and outputting light with high efficiency to and from a high refractive index difference optical waveguide.

より具体的には、第1から第3の実施形態の課題は、高屈折率差光導波路の導波方向と、レンズの光軸が一致していない光学系において、レンズを適切に配置することにより、高効率に光結合ができる高屈折率差光導波路を与える光結合素子を提供することを目的とする。   More specifically, the problem of the first to third embodiments is to appropriately arrange the lens in an optical system in which the waveguide direction of the high refractive index difference optical waveguide and the optical axis of the lens do not coincide with each other. Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical coupling element that provides a high refractive index difference optical waveguide capable of optical coupling with high efficiency.

第4から第7の実施形態の課題は、高屈折率差光導波路のコアまたはクラッドに簡単な構造を設けることで、より高効率な光結合素子を提供することを目的とする。   An object of the fourth to seventh embodiments is to provide a more efficient optical coupling element by providing a simple structure in the core or cladding of the high refractive index difference optical waveguide.

第8の本発明の実施形態は、光電変換素子と集積可能な光結合素子を提供することを目的とする。   An object of an eighth aspect of the present invention is to provide an optical coupling element that can be integrated with a photoelectric conversion element.

第9の本発明の実施形態は、フォトニック結晶光導波路との光結合素子を提供することを目的とする。   The ninth embodiment of the present invention aims to provide an optical coupling element with a photonic crystal optical waveguide.

第10、11の実施形態の課題は、光結合素子アレイ構造を提供することを目的とする   An object of the tenth and eleventh embodiments is to provide an optical coupling element array structure

第1から3の課題は、高屈折率差光導波路に端面を形成し、その開口数とレンズの開口数を与える最大受光角の和が90°以上となる屈折率差を与える光導波路と、レンズを配置することで解決される。   The first to third problems are: an optical waveguide that forms an end surface in a high refractive index difference optical waveguide, and that provides a refractive index difference in which the sum of the numerical aperture and the maximum acceptance angle that gives the numerical aperture of the lens is 90 ° or more; This can be solved by placing a lens.

第4から7の課題は、高屈折率差光導波路に光散乱体を設けたり、複数の材料からなるクラッドを設けたり、連続的な屈折率変化を持たせたクラッドを設けたり、クラッドに反射領域を設けることで解決される。   The fourth to seventh problems are to provide a light scatterer in a high refractive index difference optical waveguide, to provide a clad made of a plurality of materials, to provide a clad having a continuous refractive index change, or to reflect on the clad It is solved by providing a region.

第8の課題は、レンズに対して、光電変換素子を光導波路とは反対側に配置することで解決される。   The eighth problem is solved by disposing the photoelectric conversion element on the side opposite to the optical waveguide with respect to the lens.

第9の課題は、フォトニック結晶光導波路に端面を形成し、レンズの集光位置を端面付近にすることで解決される。   The ninth problem is solved by forming an end face in the photonic crystal optical waveguide and making the condensing position of the lens near the end face.

第10、11の課題は、光結合素子を平面配置または積層構造とすることで解決される。   The tenth and eleventh problems are solved by arranging the optical coupling element in a planar arrangement or a laminated structure.

以下、図面を参照して、本発明の光結合素子の実施形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of an optical coupling element of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[第1〜2実施形態]
第1、第2の実施形態の光結合素子について、図1、図2を参照しながら説明する。
[First and Second Embodiments]
The optical coupling elements of the first and second embodiments will be described with reference to FIGS.

図1は第1の実施形態を示す図であり、(a)は光結合素子の上面図であり、(b)は光結合素子の側面図であり、(c)は光結合素子の正面図である。図1(a)は、図1(b)の直線A−Bでの断面図である。   1A and 1B are views showing a first embodiment, wherein FIG. 1A is a top view of an optical coupling element, FIG. 1B is a side view of the optical coupling element, and FIG. 1C is a front view of the optical coupling element. It is. Fig.1 (a) is sectional drawing in the straight line AB of FIG.1 (b).

(高屈折率差光導波路と比屈折率差)
図1(b)に示す基板1上にコア2とクラッド3からなる光導波路4が形成され、コア2は端面5を持つ。コア2とクラッド3の屈折率差は、以下で述べるようなNAが極めて大きくなる屈折率差を採る導波路であることが特徴である。コア2とクラッド3の屈折率差の大きさを示す指数として、比屈折率差Δを用いる。コア2の屈折率をn1、クラッド3の屈折率をn2としたときに、比屈折率差Δ[%]は、Δ[%]=[(n1 2−n2 2)/2n1 2]×100で定義される。
(High refractive index difference optical waveguide and relative refractive index difference)
An optical waveguide 4 including a core 2 and a clad 3 is formed on a substrate 1 shown in FIG. 1B, and the core 2 has an end face 5. The difference in refractive index between the core 2 and the clad 3 is a waveguide that takes a refractive index difference where the NA becomes extremely large as described below. The relative refractive index difference Δ is used as an index indicating the magnitude of the refractive index difference between the core 2 and the clad 3. When the refractive index of the core 2 is n 1 and the refractive index of the cladding 3 is n 2 , the relative refractive index difference Δ [%] is Δ [%] = [(n 1 2 −n 2 2 ) / 2n 1 2 ] defined by x100.

高屈折率差光導波路は、この比屈折率差が5%以上であることが好ましく、より好ましくは10%以上の光導波路のことを指す。このような光導波路は、たとえばシリコンをコア2とし二酸化シリコンをクラッド3とした光導波路であれば、光通信帯赤外波長に対してシリコンの屈折率が3.5、二酸化シリコンの屈折率が1.45であることから、比屈折率差が約41%となり、極めて大きな値をとる。また、ニオブ酸リチウムのような光学結晶をコア2として、二酸化シリコンをクラッド3とした光導波路を形成するのであれば、ニオブ酸リチウムの屈折率を2.2、二酸化シリコンの屈折率を1.45としたときには、比屈折率差が28%となり、10%以上の大きな値を持つ構成となる。   The high refractive index difference optical waveguide preferably has a relative refractive index difference of 5% or more, more preferably 10% or more. If such an optical waveguide is, for example, an optical waveguide having silicon as the core 2 and silicon dioxide as the cladding 3, the refractive index of silicon is 3.5 and the refractive index of silicon dioxide is relative to the infrared wavelength of the optical communication band. Since it is 1.45, the relative refractive index difference is about 41%, which is a very large value. If an optical waveguide having an optical crystal such as lithium niobate as the core 2 and silicon dioxide as the cladding 3 is formed, the refractive index of lithium niobate is 2.2 and the refractive index of silicon dioxide is 1. When 45 is set, the relative refractive index difference is 28%, and a large value of 10% or more is obtained.

(高屈折率差光導波路の特徴:NAに関して)
一般的に、コア2の屈折率をn1、クラッド3の屈折率をn2としたときに、光導波路の開口数NA1は、NA1= sqrt(n1 2−n2 2) (=(n1 2−n2 2) 1/2)・・・(1)で定義できる。つまり、屈折率n3から導波路に入力される場合の最大受光角θmaxにより開口数NA1は、NA1=n3sinθmaxで定義されるが、この最大受光角θmaxで入力された光は、導波路内で進行していくためには、臨界角をθcとするとスネルの法則から、n1sin(90°−θc)(=n1cosθc)=n2sin90°=n2(ここでn1およびn2は、それぞれコア2およびクラッド3の屈折率を表す。)となり、sinθc= sqrt(1−n2 2/ n1 2)が求まる。よって、光導波路の開口数NA1は、上記式から、NA1=n3sinθmax=n1sinθc より、sinθcを代入するとNA1=n1sqrt(1−n2 2/ n1 2) となり、上記の(1)式が得られる。
(Characteristics of high refractive index difference optical waveguide: NA)
Generally, when the refractive index of the core 2 is n 1 and the refractive index of the cladding 3 is n 2 , the numerical aperture NA 1 of the optical waveguide is NA 1 = sqrt (n 1 2 −n 2 2 ) (= (n 1 2 −n 2 2 ) 1/2 ) (1). That is, the numerical aperture NA 1 the maximum acceptance angle theta max when inputted from the refractive index n 3 in the waveguide is defined by NA 1 = n 3 sin [theta max, entered at this maximum acceptance angle theta max light, to progresses in the waveguide from Snell's law when the critical angle and θ c, n 1 sin (90 ° -θ c) (= n 1 cosθ c) = n 2 sin90 ° = n 2 (where n 1 and n 2 represent the refractive indexes of the core 2 and the clad 3, respectively), and sin θ c = sqrt (1−n 2 2 / n 1 2 ) is obtained. Therefore, the numerical aperture of the optical waveguide NA 1 from the above equation, NA 1 = n 3 sinθ max = n 1 than sin [theta c, and substituting sinθ c NA 1 = n 1 sqrt (1-n 2 2 / n 1 2 Thus, the above equation (1) is obtained.

このように導波路の開口数はコア2とクラッド3の屈折率によって決定される値である。   Thus, the numerical aperture of the waveguide is a value determined by the refractive indexes of the core 2 and the clad 3.

ここで、一般的に用いられる光ファイバのような光導波路(低屈折率差光導波路)と、本発明の特徴である高屈折率差光導波路に対して、導波路から空気への光が放射された場合の開口数を考える。   Here, light from the waveguide to the air is radiated with respect to a generally used optical waveguide such as an optical fiber (low refractive index difference optical waveguide) and a high refractive index difference optical waveguide that is a feature of the present invention. Consider the numerical aperture if

低屈折率差導波路の代表的な光導波路として、石英系光導波路があるが、この導波路の開口数は、コアの屈折率を1.45、クラッドの屈折率を1.44としたときに、比屈折率差は約0.7%、開口数は約0.17と、それぞれの定義式から算出できる。このとき、開口数から算出される最大受光角度は約17°となり、ほぼ光の導波方向と平行に光が出射されていくことがわかる。   As a typical optical waveguide of the low refractive index difference waveguide, there is a quartz optical waveguide. The numerical aperture of this waveguide is when the refractive index of the core is 1.45 and the refractive index of the cladding is 1.44. Further, the relative refractive index difference is about 0.7% and the numerical aperture is about 0.17, which can be calculated from the respective definition equations. At this time, the maximum light receiving angle calculated from the numerical aperture is about 17 °, and it can be seen that light is emitted substantially parallel to the light guiding direction.

一方、高屈折率差光導波路としてシリコンをコアに持ち、二酸化シリコンをクラッドにもつ光導波路を考えると、コアの屈折率を1.5、クラッドの屈折率を1.45とすれば、開口数は約3.2と極めて大きな値となる。また、コアをニオブ酸リチウムのような光学結晶(屈折率2.2)とし、クラッドを二酸化シリコン(屈折率1.45)とした場合では、開口数は1.65となる。   On the other hand, when considering an optical waveguide having silicon as a core and silicon dioxide as a cladding as a high refractive index difference optical waveguide, if the refractive index of the core is 1.5 and the refractive index of the cladding is 1.45, the numerical aperture Is a very large value of about 3.2. When the core is an optical crystal such as lithium niobate (refractive index 2.2) and the cladding is silicon dioxide (refractive index 1.45), the numerical aperture is 1.65.

このように開口数が1以上となることは、光の最大受光角θ1が90°以上の大きな放射角をもつことを意味する。つまり、光導波路を伝搬してきた光は、その導波方向と略垂直方向へ放射されることとなる。これは、端面での屈折率差が大きいために端面まできた光が端面で反射されて上部へ放射していると考えることもできる。 The numerical aperture of 1 or more in this way means that the maximum light receiving angle θ 1 of light has a large radiation angle of 90 ° or more. That is, the light propagating through the optical waveguide is emitted in a direction substantially perpendicular to the waveguide direction. This can be considered that the light reaching the end face is reflected by the end face and radiates upward because the difference in refractive index at the end face is large.

このような光導波路の導波方向(z方向)と平行方向ではない方向に光軸を持つレンズ6が、レンズ層7に形成されている。レンズ層に形成されたレンズは開口数NA2を有するレンズが形成されている。この開口数NA2は最大受光角度をθ2としたときに、NA2=n3 sin((2)で定義される値である。ここで、n3は媒質の屈折率であり、図1では、光導波路がある側の媒質の屈折率である。なおレンズ層のレンズ以外の屈折率n3とクラッドの屈折率n2とは同じ値であるとして説明するが、異なる場合にはスネルの法則に従って、次式n3sinθ2=n2sin(90°−θ1)(ただし、θ1およびθ2は図1参照。)で導かれる。 A lens 6 having an optical axis in a direction not parallel to the waveguide direction (z direction) of the optical waveguide is formed on the lens layer 7. The lens formed in the lens layer lens having a numerical aperture NA 2 is formed. The numerical aperture NA 2 is the maximum receiving angle is taken as theta 2, is a value defined by NA 2 = n 3 sin (( 2). Here, n 3 is the refractive index of the medium, FIG. 1 In the following description, the refractive index of the medium on the side where the optical waveguide is present is assumed to be the same value as the refractive index n 3 of the lens layer other than the lens and the refractive index n 2 of the cladding. According to the law, it is derived by the following equation: n 3 sin θ 2 = n 2 sin (90 ° −θ 1 ) (however, θ 1 and θ 2 are shown in FIG. 1).

図1ではレンズ6の光軸は、光導波路の導波方向(z方向)と垂直方向(x方向)であるが、必ずしも図1に示したように垂直である必要はない。たとえば図2(a)に示すように傾いている構造であっても良く、本発明はレンズの光軸と導波路の導波方向とが平行でないことが特徴であるので、導波方向とレンズの光軸のなす角が0°よりもおおきな値であれば良い。しかしながら本発明の効果をいかすためには、75°以上が好ましく90°近傍であることがより好ましい。   In FIG. 1, the optical axis of the lens 6 is in the direction perpendicular to the waveguide direction (z direction) of the optical waveguide (z direction), but is not necessarily perpendicular as shown in FIG. For example, as shown in FIG. 2A, the structure may be inclined, and the present invention is characterized in that the optical axis of the lens and the waveguide direction of the waveguide are not parallel. The angle formed by the optical axis may be a value larger than 0 °. However, in order to take advantage of the effects of the present invention, it is preferably 75 ° or more and more preferably in the vicinity of 90 °.

図2(a)に示す例では、レンズ6の光軸が傾いている例を示したが、図2(b)では、端面が90°でない例を示す。光導波路のコアには端面5がx軸に対して角度を有するように形成されていて、図4ではその端面の形状が直角ではないことが特徴である。図4では角度をつけることで斜めにしている。   In the example shown in FIG. 2A, an example in which the optical axis of the lens 6 is tilted is shown, but in FIG. 2B, an example in which the end face is not 90 ° is shown. The core of the optical waveguide is characterized in that the end face 5 is formed so as to have an angle with respect to the x axis, and the shape of the end face is not a right angle in FIG. In FIG. 4, the angle is set to be oblique.

コアの端面5の形状が斜めであると、光はより多くレンズ側に出射させることができる。コア端面からの放射角度に対する光の放射量は、必ずしも垂直方向が最大とは限らないので、このような形状にすることによりコアを伝搬してきた光は端面で上部への放射量が大きくなる。   When the shape of the end face 5 of the core is oblique, more light can be emitted to the lens side. Since the amount of light emitted with respect to the radiation angle from the end face of the core is not necessarily the maximum in the vertical direction, the light that has propagated through the core by such a shape increases the amount of light emitted upward at the end face.

このような斜めの端面の構造は、光導波路のコアを形成するときのエッチングにより調整可能である。たとえば、リソグラフィーとドライエッチングにより、コアを形成するときに端面でのレジストの厚みを調整することにより、エッチング時のエッチング量の差が生じ、この差を利用して斜めの端面を製造するエッチングが可能となる。   Such a structure of the oblique end face can be adjusted by etching when forming the core of the optical waveguide. For example, by adjusting the thickness of the resist at the end face when forming the core by lithography and dry etching, a difference in the etching amount at the time of etching occurs, and etching for manufacturing an oblique end face using this difference is performed. It becomes possible.

また、ドライエッチング自体のエッチング条件を調整することにより側面を斜めに形成することができる技術を応用することにより、斜めの端面を形成することも可能である。また、端面だけを露出して他の部分を保護し、異方性のウェットエッチングすると、斜めの端面を形成することができる。   In addition, it is possible to form an oblique end surface by applying a technique capable of forming the side surface obliquely by adjusting the etching conditions of the dry etching itself. Further, when the end face is exposed to protect other portions and anisotropic wet etching is performed, an oblique end face can be formed.

本発明の光結合素子に使用されるレンズの形状は球面両凸レンズが主であるが、平凸レンズ、凸メニスカスレンズ、場合によっては凹レンズでも良く、さらに、非球面レンズであってもよい。また、フォトニック結晶のスーパーレンズ効果を利用した多重反射によるレンズ効果(集光または発散する性能)をもつ素子でも良く、用途に応じたレンズを用いることができる。ただし、このときのNA2は、屈折光学系に換算した開口数とする。 The shape of the lens used in the optical coupling element of the present invention is mainly a spherical biconvex lens, but may be a planoconvex lens, a convex meniscus lens, or a concave lens depending on the case, and may be an aspherical lens. In addition, an element having a lens effect (condensing or diverging performance) by multiple reflection using the super lens effect of a photonic crystal may be used, and a lens according to the application can be used. However, NA 2 at this time is a numerical aperture converted to a refractive optical system.

ここで、高屈折率差光導波路のNAが極めて大きいことから、光導波路のNAを与える最大受光角θ1と、レンズのNAを与える最大受光角θ2との間に、下記式θ1> 90°−θ2・・・(1)が成立する光結合素子を構成することも可能である。通常の低屈折率光導波路であれば、式(1)が成り立つ受光角を与えることができないために、レンズの光軸と光導波路の中心軸をほぼ平行にする必要があったが、高屈折率差光導波路であれば、レンズの集光位置が光導波路の端面近傍であれば、本発明のような構造にすることで、光導波路を伝搬してきた光を受光することが可能である。またこれとは逆に、レンズで集光した光を光導波路に結合させることも可能である。 Here, since the NA of the high refractive index difference optical waveguide is extremely large, the following formula θ 1 > is set between the maximum light receiving angle θ 1 that gives the NA of the optical waveguide and the maximum light receiving angle θ 2 that gives the NA of the lens. It is also possible to configure an optical coupling element that satisfies 90 ° −θ 2 (1). In the case of a normal low refractive index optical waveguide, it is necessary to make the optical axis of the lens and the central axis of the optical waveguide substantially parallel because the light receiving angle that satisfies the formula (1) cannot be given. In the case of a rate difference optical waveguide, if the condensing position of the lens is in the vicinity of the end face of the optical waveguide, the light propagating through the optical waveguide can be received by using the structure of the present invention. Conversely, it is also possible to couple the light collected by the lens to the optical waveguide.

例えば、レンズ6として開口数NAが0.25であるレンズを用いると、その最大受光角は14.5°となるので、導波路のNAを与える最大受光角は75.5度以上であれば、レンズにより光を受光することが可能である。これは光の導波方向(光の進行方向)に対して、レンズを略垂直に配置した場合であり、レンズの光軸がコアのない方向に傾いていれば導波路の角度はその分減少する。   For example, when a lens having a numerical aperture NA of 0.25 is used as the lens 6, the maximum light receiving angle is 14.5 °. Therefore, if the maximum light receiving angle giving the NA of the waveguide is 75.5 degrees or more. It is possible to receive light with a lens. This is the case where the lens is arranged substantially perpendicular to the light guiding direction (light traveling direction). If the optical axis of the lens is tilted in the direction without the core, the angle of the waveguide decreases accordingly. To do.

このような最大受光角を与える光導波路は、例えば、屈折率3.5のシリコンをコアとしたときに、クラッドの屈折率を3.36とすることで、最大受光角を75°以上にすることが可能である。また、コアの屈折率が2.0としたときには、クラッドの屈折率を1.75以下にすることで、端面を形成しただけで直角方向への光放射を受光することができる。レンズの開口数NAが大きければ、導波路からの光をより多く受光することが可能となるので、レンズの開口数NAは大きいことが好ましい。この構造では、光の入力と出力との配置の関係は可逆的であることから、レンズ側から導波路へ光を結合する構成とすることも可能である。   An optical waveguide that gives such a maximum acceptance angle has a maximum acceptance angle of 75 ° or more by setting the refractive index of the clad to 3.36 when silicon having a refractive index of 3.5 is used as a core, for example. It is possible. Further, when the refractive index of the core is 2.0, by setting the refractive index of the cladding to 1.75 or less, it is possible to receive light emission in a right angle direction only by forming the end face. If the numerical aperture NA of the lens is large, more light from the waveguide can be received. Therefore, it is preferable that the numerical aperture NA of the lens is large. In this structure, since the relationship between the arrangement of light input and output is reversible, it is possible to adopt a configuration in which light is coupled from the lens side to the waveguide.

本実施形態は、高屈折率差光導波路に特有の光放射を利用した光結合素子である。このため通常の低屈折率差光導波路では、光の導波方向と垂直方向に光を放射するためには、導波路自体に複雑な構造付加が必要であった。これに対し本発明の光結合素子に使用される高屈折率差導波路は、端面を形成しただけで導波方向と垂直方向への光放射を実現可能としている。さらに、本発明のこのような構成を採用することによって、より多くの光を結合させることが可能となる。   The present embodiment is an optical coupling element that utilizes light radiation unique to a high refractive index difference optical waveguide. Therefore, in a normal low refractive index difference optical waveguide, in order to emit light in a direction perpendicular to the light guiding direction, a complicated structure needs to be added to the waveguide itself. On the other hand, the high refractive index difference waveguide used in the optical coupling element of the present invention can realize light emission in the direction perpendicular to the waveguide direction only by forming the end face. Furthermore, by adopting such a configuration of the present invention, it becomes possible to combine more light.

[第3実施形態]
本実施形態の光結合素子の第3の実施形態における構成例を図3に示す。図3は図1(b)と同様、側面図を示す。その他の上面図および正面図はそれぞれ図1(a)および(c)と同様であるので省略した。また図1と同じ要素は、同じ番号(符番)を付している。これは他の実施形態も同様である。
[Third Embodiment]
FIG. 3 shows a configuration example of the optical coupling element of the present embodiment in the third embodiment. FIG. 3 is a side view similar to FIG. The other top view and front view are the same as FIGS. 1 (a) and 1 (c), and are omitted. The same elements as those in FIG. 1 are given the same numbers (symbols). The same applies to other embodiments.

基板1上にコア2とクラッド3からなる高屈折率差光導波路4が形成されている。コア2には端面5が形成されており、光導波路はこの端面が終端または始まり(開始端)となっている。またクラッド3上にレンズ6が形成され、このレンズ6の集光位置がコア2の端面5上あるいは近傍にあるように、レンズ6の屈折率とクラッド3の膜厚が調整されている。図3では、レンズ6が形成されている部分を媒質7で埋めることにより、レンズ層としている。レンズ層は、クラッドと接しているレンズ以外の部分がレンズよりも屈折率の小さい媒質で構成されていれば良い。たとえばレンズ以外のレンズ層は、最も屈折率の低い空気層を採ることができ、これはレンズが空気に露出している構造であると言い換えることができる。   A high refractive index difference optical waveguide 4 including a core 2 and a clad 3 is formed on a substrate 1. An end face 5 is formed on the core 2, and the end face of the optical waveguide is terminated or started (starting end). The lens 6 is formed on the clad 3, and the refractive index of the lens 6 and the film thickness of the clad 3 are adjusted so that the condensing position of the lens 6 is on or near the end face 5 of the core 2. In FIG. 3, a lens layer is formed by filling a portion where the lens 6 is formed with a medium 7. The lens layer only needs to be formed of a medium having a refractive index smaller than that of the lens except for the lens in contact with the cladding. For example, the lens layer other than the lens can adopt an air layer having the lowest refractive index, which can be paraphrased as a structure in which the lens is exposed to the air.

クラッドの膜厚は成膜条件を調節することで比較的容易に調整可能であり、また成膜はナノメータサイズで膜厚の調整可能であり、高精度に膜厚規制したクラッドを構成可能である。さらに、クラッド3上へのレンズ6は、レンズ材質を成膜した後に、リソグラフィーとドライエッチングにより形成する方法を採用することができる。また、インクジェットを用い媒質を印刷して、レンズ形状にすることも可能である。本実施形態では、図1に示す構造と比較して、より形成するのが容易である。   The film thickness of the clad can be adjusted relatively easily by adjusting the film formation conditions, and the film thickness can be adjusted with a nanometer size, and a clad with a highly accurate film thickness can be configured. . Further, the lens 6 on the clad 3 can be formed by forming a lens material by lithography and dry etching. It is also possible to print a medium using an ink jet to form a lens shape. In this embodiment, it is easier to form compared to the structure shown in FIG.

[第4実施形態]
第4実施形態の光結合素子について、その構成例を図4に示す。図4は前記実施形態と同様に側面図を示す。またその他は第3実施形態と同様に、図1の上面図および正面図と同様であるので、説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
A configuration example of the optical coupling element of the fourth embodiment is shown in FIG. FIG. 4 shows a side view similar to the above embodiment. Others are the same as those in the top view and the front view of FIG.

基板上1に光導波路2が形成され、レンズ6が構成されているレンズ層を設けてある。光導波路のコア2は端面5を有し、レンズの集光位置をコア端面5上またはその近傍に設置する。ここで、端面5近傍は、端面のみでなく、レンズにより集光されたビームスポットサイズ内にコアの端面が含まれる領域の端面以外の領域も指す意味である。   An optical waveguide 2 is formed on a substrate 1 and a lens layer in which a lens 6 is configured is provided. The core 2 of the optical waveguide has an end face 5, and the condensing position of the lens is set on or near the core end face 5. Here, the vicinity of the end surface 5 means not only the end surface but also a region other than the end surface of the region where the end surface of the core is included in the beam spot size collected by the lens.

このコア端面近傍に、光を散乱させる光散乱体8を形成する。この光散乱体により、コアとクラッド界面での全反射により導波路内に閉じ込められている光をコア外のレンズ側に放射させたり、あるいはレンズ側から導波路内に光を入射させることができる。このような構造を形成することで、レンズへの光の結合効率あるいはレンズ側から導波路への光の結合効率を向上させることができる。   A light scatterer 8 that scatters light is formed in the vicinity of the core end face. With this light scatterer, the light confined in the waveguide by total reflection at the interface between the core and the clad can be emitted to the lens side outside the core, or the light can enter the waveguide from the lens side. . By forming such a structure, the light coupling efficiency to the lens or the light coupling efficiency from the lens side to the waveguide can be improved.

光散乱体はコア上にパターニングで形成した構造であっても良いし、シリカ球などの散乱物質を散布しても良く、さらに、フォトニック結晶パターンを形成して上部への光取り出し効率を高めたり、またはその反対にレンズから導波路への光抽入効率を高める方法でも良く、さらに、クラッドに構造体を形成した構造でも良い。   The light scatterer may have a structure formed by patterning on the core, or may be scattered with a scattering material such as silica sphere. Furthermore, a photonic crystal pattern is formed to increase the light extraction efficiency to the top. Or, conversely, a method of increasing the light extraction efficiency from the lens to the waveguide may be used, and a structure in which a structure is formed in the cladding may be used.

[第5実施形態]
第5実施形態の光結合素子について、図5を用いて説明する。
[Fifth Embodiment]
The optical coupling element of 5th Embodiment is demonstrated using FIG.

基板1上に光導波路層2が形成され、その上にレンズ6が形成されているレンズ層が配置されている。光導波路はコア4と、下部クラッド9と、上部クラッド10から形成されている。コア4には端面5があり、端面5は上部クラッド10で覆われている。下部クラッド9は、上部クラッド10を基準にしてレンズ6が形成されている面と反対側に形成されている。上部クラッド10と下部クラッド9は、コア2の屈折率よりも低い材料であり、これら2つのクラッドは屈折率の異なる材料から形成されている。   An optical waveguide layer 2 is formed on the substrate 1, and a lens layer on which a lens 6 is formed is disposed thereon. The optical waveguide is formed of a core 4, a lower clad 9, and an upper clad 10. The core 4 has an end face 5, and the end face 5 is covered with an upper clad 10. The lower clad 9 is formed on the side opposite to the surface on which the lens 6 is formed with respect to the upper clad 10. The upper clad 10 and the lower clad 9 are materials lower than the refractive index of the core 2, and these two clads are formed of materials having different refractive indexes.

このようにクラッド4に屈折率差を設けることで、端面5から放射された光とレンズ6との結合効率を高めることが可能である。つまり、端面5から放射された光で、レンズ6と反対側の方向に出射する光は、上部クラッド10と下部クラッド9との間に屈折率差があるので、これら2つのクラッド界面で反射されて上部クラッドからレンズ側へ放射されることになる。このような界面を形成することにより、上部への放射効率を増加させ、レンズ6への光結合効率が増大する。   Thus, by providing the clad 4 with a refractive index difference, it is possible to increase the coupling efficiency between the light emitted from the end face 5 and the lens 6. That is, the light emitted from the end face 5 and emitted in the direction opposite to the lens 6 has a refractive index difference between the upper cladding 10 and the lower cladding 9, and is reflected by the interface between the two claddings. The light is emitted from the upper clad to the lens side. By forming such an interface, the radiation efficiency to the upper part is increased, and the optical coupling efficiency to the lens 6 is increased.

このような形状(層構成)は、成膜材料を変えることで製作可能である。つまり、光導波路を形成するには、成膜装置により下部クラッド層9を形成し、コア層2を形成してリソグラフィーによりパターニングする。そのあと、異なる材料により上部クラッド10を層状に形成することで製作できる。異なる材料を成膜することは、スパッタリング装置などにより、スパッタなどを行って得られる。同じ材料でも、ドーピングして屈折率を調整することができ、これもクラッド部分の成膜を調整することで可能となる。   Such a shape (layer configuration) can be manufactured by changing the film forming material. That is, in order to form an optical waveguide, the lower cladding layer 9 is formed by a film forming apparatus, the core layer 2 is formed, and patterning is performed by lithography. Thereafter, the upper clad 10 can be formed in layers by using different materials. Forming films of different materials can be obtained by sputtering using a sputtering apparatus or the like. Even with the same material, the refractive index can be adjusted by doping, and this can also be achieved by adjusting the film formation of the cladding portion.

[第6実施形態]
本発明の光結合素子の第6実施形態について、その構成例を図6に示す。
[Sixth Embodiment]
A configuration example of the sixth embodiment of the optical coupling element of the present invention is shown in FIG.

図5と同様に上部クラッド10と下部クラッド9が形成され、コア3を覆っている。この2つの上部または下部クラッドの少なくともどちらか(すなわち、上部あるいは下部もしくは、これら両方)の屈折率が連続的に変化していることを特徴としている。図6では、このうち下部クラッドが徐々に屈折率が低くなっている場合を示した構成とした例により説明する。このような構造にすることで、光はレンズ側へ反射され、レンズでの光結合効率を増大させることができる。   Similar to FIG. 5, an upper clad 10 and a lower clad 9 are formed and cover the core 3. It is characterized in that the refractive index of at least one of the two upper and lower clads (that is, the upper and / or lower or both) continuously changes. FIG. 6 illustrates an example in which the lower cladding has a configuration in which the refractive index gradually decreases. With such a structure, the light is reflected to the lens side, and the optical coupling efficiency at the lens can be increased.

このような屈折率が連続的に変化する層は、屈折率分布光導波路と同様な方法で形成することができる。例えば、ガラスやプラスチック層を基板上に設け、屈折率を変化させるドーパントを選択拡散させたり、また、紫外線により屈折率変化を起こすことが可能な材料を基板上に形成し、紫外線の照射量と照射時間を調整することにより、連続的に屈折率を変化させた下部クラッド層(上部クラッド)を形成することによって屈折率を連続的に変化させて形成することができる。   Such a layer whose refractive index continuously changes can be formed by a method similar to that for a gradient index optical waveguide. For example, a glass or plastic layer is provided on a substrate, a dopant that changes the refractive index is selectively diffused, or a material capable of causing a refractive index change by ultraviolet rays is formed on the substrate. By adjusting the irradiation time, the refractive index can be continuously changed by forming the lower clad layer (upper clad) having the refractive index continuously changed.

[第7実施形態]
本発明の光結合素子の第7実施形態について、その構成例を図7に示す。
[Seventh Embodiment]
A configuration example of the seventh embodiment of the optical coupling element of the present invention is shown in FIG.

図7(a)に示す構成例では、基板1と、コア2とクラッド3からなる光導波路層4との間に光反射層11が形成されている。光導波路層4を基準にして基板と反対側の面側にレンズが形成されているレンズ層12を設けてある。光導波路のコア2には端面5が形成され、光導波路から放射される光や端面に入射される光は、大きなNAのためにレンズの光軸が導波路の導波方向と垂直方向であっても、光と結合することができる。   In the configuration example shown in FIG. 7A, the light reflecting layer 11 is formed between the substrate 1 and the optical waveguide layer 4 composed of the core 2 and the clad 3. A lens layer 12 in which a lens is formed on the surface opposite to the substrate with respect to the optical waveguide layer 4 is provided. An end face 5 is formed on the core 2 of the optical waveguide, and the light emitted from the optical waveguide and the light incident on the end face have a large NA, and the optical axis of the lens is perpendicular to the waveguide direction of the waveguide. Even it can be combined with light.

このような構造であると、端面で放射された光は、レンズと反対側へも放射される。このため、光反射層11をレンズ層と反対側に形成してレンズと反対側へ散乱した光を、レンズ側へ反射させる構造とし、この構造を採用することによって、反射された光が再びレンズへ結合させることができるので、光結合効率を増大させることができる。図7(a)で示す例では反射層はコア2から離れた位置に構成されているが、コア2に近接した位置であっても良く、さらに、光導波路全面に構成されずに、端面付近に光反射するエリア(光反射部)を設ければ良い。   With such a structure, the light emitted from the end face is also emitted to the side opposite to the lens. For this reason, the light reflecting layer 11 is formed on the side opposite to the lens layer, and the light scattered to the side opposite to the lens is reflected to the lens side. By adopting this structure, the reflected light is again reflected in the lens. The light coupling efficiency can be increased. In the example shown in FIG. 7A, the reflective layer is configured at a position away from the core 2, but may be positioned close to the core 2, and is not formed on the entire surface of the optical waveguide, but near the end surface. An area for reflecting light (light reflecting portion) may be provided.

図7(a)では、光反射層11は基板とレンズ層との間に形成されている例を示している。本実施形態では、レンズ層7と光反射層11が光導波路層4を挟んで構成されていれば良く、基板1の位置はレンズ形成層7側にあっても良い。図7(b)では、図7(a)において、光導波路4がコア2と、屈折率が異なる下部クラッド9と上部クラッド10から形成されている実施形態5に例示されているような非対称クラッド構造である構成例を採用している。この構成による誘電体との界面での反射を組み合わせて、レンズ層7と反対側の光散乱を抑え、光導波路との結合を増大させることができる。   FIG. 7A shows an example in which the light reflecting layer 11 is formed between the substrate and the lens layer. In the present embodiment, the lens layer 7 and the light reflecting layer 11 may be configured with the optical waveguide layer 4 interposed therebetween, and the position of the substrate 1 may be on the lens forming layer 7 side. 7B, the asymmetric cladding as illustrated in the fifth embodiment in which the optical waveguide 4 is formed of the core 2, the lower cladding 9 and the upper cladding 10 having different refractive indexes in FIG. 7A. The example of a structure which is a structure is employ | adopted. By combining the reflection at the interface with the dielectric according to this configuration, light scattering on the side opposite to the lens layer 7 can be suppressed, and the coupling with the optical waveguide can be increased.

本実施形態で採用されている光反射層(光反射部)11は、金属、多層膜、フォトニック結晶構造などから選択することができ、光導波路を伝搬する光の波長に対して高い反射率を持つ反射層であれば良い。   The light reflecting layer (light reflecting portion) 11 employed in the present embodiment can be selected from a metal, a multilayer film, a photonic crystal structure, and the like, and has a high reflectance with respect to the wavelength of light propagating through the optical waveguide. Any reflective layer having a thickness may be used.

[第8実施形態]
本発明の光結合素子の第8実施形態について、その例を図8に示す。
[Eighth Embodiment]
An example of the eighth embodiment of the optical coupling element of the present invention is shown in FIG.

図8(a)に示す構成例では、基板1上に光導波路4が形成され、その上にレンズ6が形成されたレンズ層7が形成されている。このレンズ層7を挟んで光導波路層4と反対側に、光電変換層14が形成されている。この光電変換層14には光電変換素子13が形成されている。光電変換素子13は、光を電気信号に変換する素子であり、発光素子または受光素子のことを指す。発光素子としては、レーザダイオード、LED(light emitting diode)、VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)などの素子で、また、受光素子としては、PD(Photo detector)やAPD(avalanche photo diode)やCCD(charge coupled device)といった素子である。これらの素子は無機材料や有機材料で構成され、半導体構造を形成している。   In the configuration example shown in FIG. 8A, the optical waveguide 4 is formed on the substrate 1, and the lens layer 7 on which the lens 6 is formed is formed thereon. A photoelectric conversion layer 14 is formed on the side opposite to the optical waveguide layer 4 with the lens layer 7 interposed therebetween. A photoelectric conversion element 13 is formed on the photoelectric conversion layer 14. The photoelectric conversion element 13 is an element that converts light into an electric signal, and indicates a light emitting element or a light receiving element. The light emitting element is an element such as a laser diode, LED (light emitting diode) or VCSEL (vertical cavity surface emitting laser), and the light receiving element is a PD (Photo detector), APD (avalanche photo diode) or CCD ( charge coupled device). These elements are made of an inorganic material or an organic material, and form a semiconductor structure.

このような構成により、光導波路から出た光信号を電気信号に変換する、またはその逆の動作を行う素子を一体化することができる。   With such a configuration, it is possible to integrate an element that converts an optical signal output from the optical waveguide into an electric signal or vice versa.

また、図8(b)のように基板に半導体材料を用いて、その部分に光電変換素子を形成しておき、レンズ層、光導波路層と積層することで、光電変換素子と光導波路の集積化が可能となる。半導体基板を用いれば、電子回路との接続(結合)も可能であり、集積回路同士の光インターコネクションに、このような構造を用いることができ、簡単な構造で高効率な光結合素子が構成可能である。   Further, as shown in FIG. 8B, a semiconductor material is used for the substrate, a photoelectric conversion element is formed in that portion, and the lens layer and the optical waveguide layer are laminated, thereby integrating the photoelectric conversion element and the optical waveguide. Can be realized. If a semiconductor substrate is used, connection (coupling) with an electronic circuit is possible, and such a structure can be used for optical interconnection between integrated circuits, and a highly efficient optical coupling element is configured with a simple structure. Is possible.

[第9実施形態]
本発明の第9実施形態について、その例を図9に示す。
[Ninth Embodiment]
An example of the ninth embodiment of the present invention is shown in FIG.

図9(a)は側面図であり、(b)は(a)のC−C線上の横方向断面図である。   FIG. 9A is a side view, and FIG. 9B is a lateral cross-sectional view taken along the line CC in FIG.

図9(a)は、図1(b)の側面図と同じ構成をしているが、直線C−Cでの断面図を表している図9(a)で示されるように、光導波路にスラブ型のフォトニック結晶線欠陥光導波路を用いている。この導波路は、薄膜15上に円孔で構成されるフォトニック結晶配列部14を形成し、光が伝搬する部分はフォトニック結晶配列が存在しない線欠陥15で構成された構造となっている。つまり、コア2が線欠陥部分17で、クラッドがフォトニック結晶配列16となっている導波路である。なお導波路層のコア2の端部まではフォトニック結晶配列部14がコアを取り囲むように少なくとも構成されているまたクラッドを構成する部分の残りの部分はフォトニック結晶配列部14で構成されていてもよく、前記した実施形態のクラッド層と同様の構成であってもよい。   FIG. 9A has the same configuration as the side view of FIG. 1B, but as shown in FIG. 9A showing a cross-sectional view along the line C-C, an optical waveguide is formed. A slab type photonic crystal line defect optical waveguide is used. This waveguide has a structure in which a photonic crystal array portion 14 composed of circular holes is formed on a thin film 15, and a portion where light propagates is composed of a line defect 15 having no photonic crystal array. . That is, it is a waveguide in which the core 2 is the line defect portion 17 and the cladding is the photonic crystal array 16. The photonic crystal array part 14 is at least configured to surround the core up to the end of the core 2 of the waveguide layer, and the remaining part of the cladding is configured with the photonic crystal array part 14. Alternatively, the same configuration as the cladding layer of the above-described embodiment may be used.

フォトニック結晶とは光の周波数程度の誘電体周期構造を人工的に形成した結晶であり、光子に対するバンド構造が形成され、フォトニックバンドギャップと呼ばれる光の透過特性を抑制することができる。   A photonic crystal is a crystal in which a dielectric periodic structure having an optical frequency is artificially formed. A band structure for photons is formed, and light transmission characteristics called a photonic band gap can be suppressed.

図9では、このフォトニック結晶16の強力な光閉じ込め効果を光導波路のクラッド3として用いることで、大きな屈折率差を有する光導波路と同等の効果を出現させることができる。光導波路としては、コア2を3次元的に光閉じ込め構造や上下の閉じ込めを全反射で実現する擬似3次元的な閉じ込めが可能となる。図9では、後者の擬似3次元的な光閉じ込めを実現する構造である。   In FIG. 9, by using the strong optical confinement effect of the photonic crystal 16 as the cladding 3 of the optical waveguide, the same effect as that of the optical waveguide having a large refractive index difference can be exhibited. As the optical waveguide, the core 2 can be quasi-three-dimensionally confined to realize the optical confinement structure in three dimensions and the upper and lower confinement by total reflection. FIG. 9 shows a structure for realizing the latter pseudo three-dimensional optical confinement.

このフォトニック結晶導波路は、屈折率差が大きく違う層を3層積層し、コア2が形成される層にフォトニック結晶が形成されているので、上下閉じ込めは高屈折率差光導波路と同じ構造を用いている。また端面5を形成し、その部分が集光位置とするレンズ6を形成することで、これまでの記述と同様な効果を得ることができる。つまり、光導波路のNAはこれまでの光導波路と同様に大きな値が得られるので、このNAを与える角度と、レンズのNAが与える角度の和が90°以上となることで、高効率な光結合の達成が可能である。   In this photonic crystal waveguide, three layers having significantly different refractive index differences are stacked, and the photonic crystal is formed in the layer where the core 2 is formed. Therefore, the upper and lower confinement is the same as the high refractive index difference optical waveguide. The structure is used. Further, by forming the end face 5 and forming the lens 6 whose portion is the light collecting position, the same effect as described above can be obtained. In other words, the NA of the optical waveguide can be as large as that of the conventional optical waveguide. Therefore, the sum of the angle given by the NA and the angle given by the NA of the lens is 90 ° or more, so that highly efficient light can be obtained. Achieving a bond is possible.

[第10実施形態]
(光結合素子アレイ構造)
本発明の光結合素子(アレイ構造)の第10実施形態について、その例を図10に示す。図10(a)は上面図を示し、(b)は側面図を示す。
[Tenth embodiment]
(Optical coupling element array structure)
An example of the tenth embodiment of the optical coupling element (array structure) of the present invention is shown in FIG. FIG. 10A shows a top view, and FIG. 10B shows a side view.

レンズ層7にはレンズ6群が、光導波路層4上に形成されている。光導波路層にはコア2とクラッド3からなる光導波路4が形成されていて、端面5を複数有している。光導波路4のコア2は、同一平面上に形成されており、クラッド2は共通材質(同一材質)でできている。レンズ6の集光位置がコアの端面5の近傍となるようにレンズを形成し、それぞれのレンズ6が結合するように(換言すればレンズ結合部位を有して)配置されている。ここでは、レンズ6が密集しているのに対して、光導波路の端面5を各レンズの集光位置に配置している構造としている。   In the lens layer 7, a group of lenses 6 is formed on the optical waveguide layer 4. An optical waveguide 4 composed of a core 2 and a clad 3 is formed in the optical waveguide layer, and has a plurality of end faces 5. The core 2 of the optical waveguide 4 is formed on the same plane, and the clad 2 is made of a common material (same material). The lenses 6 are formed so that the condensing position of the lens 6 is in the vicinity of the end face 5 of the core, and the lenses 6 are arranged so as to be coupled (in other words, having a lens coupling portion). Here, the lenses 6 are densely arranged, whereas the end face 5 of the optical waveguide is arranged at the condensing position of each lens.

このような構造にすることで、各光導波路を伝送してきた光が一箇所に集中して出力される光結合素子の組を複数有する構造が形成可能となる。また、光のビーム半径を広げることで、光導波路へ入力することも同時に可能となる。さらに、光導波路は高屈折率差光導波路であるので、ミクロンオーダの曲率半径を有することが可能であるから、高密度にレンズを集積しても、自由な光結合素子配線を形成可能である。また、強力な光閉じ込めが可能であるため、それぞれの光導波路をコアの10倍程度の幅で離しておけば、相互作用せずに光を結合させることができる。   By adopting such a structure, it is possible to form a structure having a plurality of sets of optical coupling elements that output the light transmitted through each optical waveguide in a concentrated manner. Further, by expanding the beam radius of light, it is possible to input to the optical waveguide at the same time. Further, since the optical waveguide is a high refractive index difference optical waveguide, it can have a radius of curvature on the order of microns, so that it is possible to form a free optical coupling element wiring even if lenses are integrated at high density. . In addition, since strong optical confinement is possible, if the respective optical waveguides are separated by about 10 times the width of the core, light can be coupled without interaction.

たとえば、比屈折率差20%程度の光導波路であれば、そのコア断面の大きさは、シングルモード動作であると、一辺が1μm程度のサイズとなる。マイクロレンズ6でレンズを構成したときのレンズ半径を10μmで集積化しても相互作用しない十分な距離に離間させて配置することが可能である。なお本実施形態において、複数の導波路構造を有するアレイ構造では、導波路のクラッド部がコア2部の上部10と下部9との屈折率が実施形態5または6のように異なっていたり、また、導波路と基板との間に反射層(反射部)が設けられている実施形態7に示す構成を有していてもよく、またレンズ層7(のレンズ6)が第3実施形態の構成を採用してもよい。   For example, in the case of an optical waveguide having a relative refractive index difference of about 20%, the size of the core cross section is about 1 μm on a side when in single mode operation. It is possible to arrange them at a sufficient distance so as not to interact even if they are integrated with a lens radius of 10 μm when the lenses are constituted by the microlenses 6. In the present embodiment, in an array structure having a plurality of waveguide structures, the refractive index of the upper portion 10 and the lower portion 9 of the core 2 portion of the waveguide cladding portion is different as in the fifth or sixth embodiment, or The structure shown in the seventh embodiment in which a reflective layer (reflecting part) is provided between the waveguide and the substrate may be provided, and the lens layer 7 (the lens 6) is the structure of the third embodiment. May be adopted.

また、第8実施形態と同様に、導波路4とレンズ6と光電変換部(受光素子または発光素子とレンズと導波路)の組、さらに反射部と導波路とレンズと光電変換部とを有する組、導波路とレンズの組の中から選択される少なくとも1つの組を1種または2種以上組み合わせたアレイ構造としたり、これらの導波路4を実施形態4〜6または9のいずれかを選択してアレイ構造とすることもできる。   Similarly to the eighth embodiment, a set of a waveguide 4, a lens 6, and a photoelectric conversion unit (a light receiving element or a light emitting element, a lens and a waveguide), and a reflection unit, a waveguide, a lens, and a photoelectric conversion unit are included. An array structure in which at least one set selected from a set, a set of a waveguide and a lens is combined, or a combination of two or more types is selected, or the waveguide 4 is selected from any of Embodiments 4 to 6 or 9. Thus, an array structure can be formed.

さらにたとえばレンズ層7を実施形態9に示す導波路で採用したフォトニック結晶を用いてレンズを形成するようにすることもできる。   Further, for example, the lens layer 7 can be formed using a photonic crystal employed in the waveguide shown in the ninth embodiment.

[第11実施形態]
第11実施形態の光結合素子(アレイ構造)について、その例を図11(a)〜(b)に示す。
[Eleventh embodiment]
Examples of the optical coupling element (array structure) of the eleventh embodiment are shown in FIGS.

図11(a)に示すように、基板1上に層状に複数の光導波路3−1、3−2、3−3・・・が形成され、その上部にレンズ6が形成されているレンズ層7を設けてある。ここでは、代表的に積層されている光導波路の層数が3層であるが、層数は2層以上であればよく、レンズ層数は制限されない。それぞれの導波路層に形成されている光導波路のコアには端面5−1、5−2、5−3・・・が形成されており、その各端面にレンズの集光位置があるように、対応する各レンズ61、62、63、・・・をそれぞれ配置している。   As shown in FIG. 11A, a lens layer in which a plurality of optical waveguides 3-1, 3-2, 3-3... Are formed on a substrate 1 in a layered manner, and a lens 6 is formed thereon. 7 is provided. Here, the number of optical waveguides that are typically laminated is three, but the number of layers may be two or more, and the number of lens layers is not limited. The end faces 5-1, 5-2, 5-3,... Are formed on the cores of the optical waveguides formed in the respective waveguide layers so that the condensing position of the lens is on each end face. , Corresponding lenses 61, 62, 63,.

厚さ方向の幅は、高屈折率差光導波路であると1μm程度であるので、3層程度であれば、レンズの形状がほぼ同じでも集光点の位置ズレはカバーできる。また、より光結合効率を増大させるには、レンズの焦点距離が同じであると集光効率が低下するので、レンズの焦点位置を、レンズの曲率半径や屈折率を調整することで焦点位置を調整することにより、高効率で光を結合できる。   The width in the thickness direction is about 1 μm in the case of a high refractive index difference optical waveguide, so if it is about three layers, the misalignment of the condensing point can be covered even if the shape of the lens is substantially the same. In order to further increase the optical coupling efficiency, the condensing efficiency decreases when the focal length of the lens is the same, so the focal position of the lens is adjusted by adjusting the radius of curvature and refractive index of the lens. By adjusting, light can be coupled with high efficiency.

また、図11(b)のように同じレンズ6−1の位置を調整して、焦点位置を合わせる構成とすることもできる。この図2示す構成のアレイ構造の製造方法は、コア2とクラッド3を基板上に形成した後にレンズ6−1を形成し、クラッド材料で埋めこみ再びコアを形成しクラッド材料で埋め込むというプロセスを繰り返えして階段状に形成することで積層構造を形成可能である。   Further, as shown in FIG. 11B, the focal position can be adjusted by adjusting the position of the same lens 6-1. The manufacturing method of the array structure shown in FIG. 2 repeats the process of forming the lens 6-1 after forming the core 2 and the clad 3 on the substrate, embedding with the clad material, forming the core again, and embedding with the clad material. It is possible to form a laminated structure by returning and forming it stepwise.

さらに、深さ方向の結合効率を増大させるために図のようにカップリングレンズ6−2を組み合わせた構造であっても良い。図11(b)のような構造であれば、レンズ6−1とカップリングレンズ6−2間の光を平行光とすることができるので、結合効率を増加させることができる。   Furthermore, in order to increase the coupling efficiency in the depth direction, a structure in which a coupling lens 6-2 is combined as shown in the figure may be used. With the structure as shown in FIG. 11B, the light between the lens 6-1 and the coupling lens 6-2 can be converted into parallel light, so that the coupling efficiency can be increased.

なお本実施形態のアレイ構造でも、導波路を構成するクラッド層を異なる屈折率の上部と下部に構成した第5実施形態のような構成にしたり、このような上部と下部の少なくとも1つを連続の屈折率となる第6実施形態のような構成にしたり、各コアの端部5−1、5−2、・・・の少なくとも1つの終端近傍に光散乱部8を設けた第4実施形態のような構成にしたり、基板と第1の導波路層の間、あるいは各導波路層の間の少なくとも光軸との交差する部分を含むエリアに光反射部を設ける第7実施形態のような構成にしたり、レンズ層7の上に光電変換層を形成する第8実施形態のような構成にできる。   Even in the array structure of this embodiment, the clad layer constituting the waveguide is configured as in the fifth embodiment in which the upper and lower portions of different refractive indexes are formed, or at least one of the upper and lower portions is continuously provided. In the fourth embodiment, the light scattering portion 8 is provided in the vicinity of at least one end of each of the end portions 5-1, 5-2,. As in the seventh embodiment, a light reflecting portion is provided in an area including a portion between the substrate and the first waveguide layer or at least a portion where each optical waveguide layer intersects with the optical axis. It can be configured as in the eighth embodiment in which the photoelectric conversion layer is formed on the lens layer 7.

さらに、導波路層の少なくとも1つを第9実施形態のような構成にしたり、適宜、構成することも本発明の光結合素子アレイ構造は構成することができる。なおこれらの構造は、前記したあるいは後述する製造方法により製造することができる。   Furthermore, the optical coupling element array structure of the present invention can also be configured by configuring at least one of the waveguide layers as in the ninth embodiment or appropriately configuring it. These structures can be manufactured by the manufacturing method described above or described later.

(製造方法)
以下に製造方法の一例を示す。ここでは、図1の構造の製作方法を示す。
(Production method)
An example of a manufacturing method is shown below. Here, a manufacturing method of the structure of FIG. 1 is shown.

まず、基板を用意する。基板としては、石英ガラス、シリコンなどの表面が平坦な基板を用意する。基板はニオブ酸リチウムのような光学結晶でもよく、PLZT{(Pb,La)(Zr,Ti)O3}のようなセラミックスでも良い。 First, a substrate is prepared. As the substrate, a substrate having a flat surface such as quartz glass or silicon is prepared. The substrate may be an optical crystal such as lithium niobate or a ceramic such as PLZT {(Pb, La) (Zr, Ti) O 3 }.

次に、このような基板上に光導波路を形成するにあたり、まず、基板上にクラッド材料を成膜する。この成膜には蒸着、スパッタリング、PVD、CVDなどの行うことのできる成膜装置を用いて、ガラス(SiO2)などを形成する。 Next, in forming an optical waveguide on such a substrate, first, a cladding material is formed on the substrate. For this film formation, glass (SiO 2 ) or the like is formed using a film forming apparatus capable of performing vapor deposition, sputtering, PVD, CVD, or the like.

クラッドを形成した後にコアを形成する。コアとなる材料をクラッドと同様な方法で成膜する方法を採用するか、またはクラッドを形成した基板を研磨等により平坦化してコア材料基板を接合し、研磨などにより薄膜化する方法も採用することができる。さらに、イオンを注入して加熱し注入界面から剥離する方法を取ることもできる。これらの方法により、サブミクロンから数ミクロンの厚みをもつコア層が形成される。   After forming the clad, the core is formed. The method of forming the core material in the same manner as the cladding is adopted, or the substrate on which the cladding is formed is flattened by polishing or the like, and the core material substrate is joined and thinned by polishing or the like. be able to. Furthermore, it is also possible to take a method in which ions are implanted, heated, and separated from the implantation interface. By these methods, a core layer having a thickness of submicron to several microns is formed.

この薄膜上へ、リソグラフィーとエッチングによってコアパターンを形成する。リソグラフィーには、フォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー、レーザ光リソグラフィーなどの方法を採用することができる。さらにナノインプリント技術を用いることも可能である。高屈折率差光導波路のコアのサイズは、伝搬させる光の波長程度でよいので、1ミクロン前後の大きさとなり、これらのリソグラフィーを用いることでパターニング可能である。   A core pattern is formed on the thin film by lithography and etching. For lithography, methods such as photolithography, electron beam lithography, and laser beam lithography can be employed. Furthermore, it is possible to use nanoimprint technology. The size of the core of the high refractive index difference optical waveguide may be about the wavelength of the light to be propagated, so that the size is about 1 micron and can be patterned by using these lithography techniques.

コア形成後、形成されたコアパターンを覆うようにクラッド材料を再び成膜し成膜された基板を平坦化してから、レンズ層を形成する。レンズ層はレンズの材料となる層を形成した後に、リソグラフィーとエッチングによりレンズ部分を形成する。このとき、コア端面とレンズの位置合わせも同時に行う。位置合わせは100nmから数ミクロン程度の位置精度であるが、これは、パターニング技術で十分に実現可能な精度である。   After the core is formed, a clad material is formed again so as to cover the formed core pattern, and the formed substrate is flattened, and then a lens layer is formed. After the lens layer is formed as a lens material, a lens portion is formed by lithography and etching. At this time, alignment of the core end face and the lens is also performed at the same time. The alignment has a positional accuracy of about 100 nm to several microns, which can be sufficiently realized by patterning technology.

最終的にはレンズを埋め込むことにより光結合素子構造が完成する。レンズの形成には、溶剤をインクジェット技術により塗布することで、マイクロレンズとする方法も用いることができる。その他、光拡散素子、反射部(反射層)などは前記したようにして形成し、パターン化して形成することができる。   Finally, the optical coupling element structure is completed by embedding a lens. For forming the lens, a method of forming a microlens by applying a solvent by an inkjet technique can also be used. In addition, the light diffusing element, the reflective portion (reflective layer), and the like can be formed and patterned as described above.

本実施形態によれば、光軸上にない高屈折率差光導波路とレンズの光学系において、高屈折率差光導波路とレンズを配置することにより、従来の光導波路では不可能であった方向への光結合を実現できる光結合素子を提供できる。レンズをコアの上面に形成することで、より簡便に光結合素子を形成することができる。さらに、光導波路のコアまたはクラッドに光散乱体を設けることで、結合効率を向上させることができる。クラッドを複数の材料で形成したり、屈折率を連続的に変化させたり、さらに反射領域を設けることによって、レンズとは反対側にもれた光をレンズへ結合させることができる。また、光電変換素子を集積化することにより、素子の高機能化を実現することができる。アレイ化することにより、複数の光信号を一度に検出できたり、ビームスポットのサイズを広げた光を一度に複数の光導波路へ結合させることが可能となるなどの効果をもつ。   According to the present embodiment, in the optical system of the high refractive index difference optical waveguide and the lens that is not on the optical axis, by arranging the high refractive index difference optical waveguide and the lens, a direction that is impossible with the conventional optical waveguide An optical coupling element capable of realizing optical coupling to can be provided. By forming the lens on the upper surface of the core, the optical coupling element can be formed more easily. Furthermore, coupling efficiency can be improved by providing a light scatterer in the core or clad of the optical waveguide. By forming the clad from a plurality of materials, changing the refractive index continuously, and further providing a reflection region, it is possible to couple light that has come to the opposite side of the lens to the lens. Further, by integrating the photoelectric conversion elements, it is possible to realize high functionality of the elements. By forming an array, it is possible to detect a plurality of optical signals at a time, and to combine light with an expanded beam spot size into a plurality of optical waveguides at a time.

この技術を用いることで、素子の小型化を実現することができ、レーザプリンター用の光書き込み構造、光ディスク用の光ピックアップ、光伝送用の光集積回路などに応用が可能である。   By using this technique, it is possible to reduce the size of the element, and it can be applied to an optical writing structure for a laser printer, an optical pickup for an optical disk, an optical integrated circuit for optical transmission, and the like.

本実施形態の高屈折率差光結合素子の構成を示す図であり、(a)は上面図であり、(b)はコアを含む面での断面構成を示す側面断面図(正面図)であり、(c)は(b)の光軸を含む線の前面断面図である。It is a figure which shows the structure of the high refractive index difference optical coupling element of this embodiment, (a) is a top view, (b) is side sectional drawing (front view) which shows the cross-sectional structure in the surface containing a core. (C) is a front sectional view of a line including the optical axis of (b). 本実施形態の光結合素子の構成を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図(正面図)であり、(a)は光軸と導波路の導波方向とが平行でない場合を示し、(b)は導波路の端面が90°でない場合を示す光結合素子の構成を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing (front view) which shows the cross-sectional structure in the surface containing the core which shows the structure of the optical coupling element of this embodiment, (a) shows the case where an optical axis and the waveguide direction of a waveguide are not parallel. FIG. 4B is a side cross-sectional view showing the configuration of the optical coupling element when the end face of the waveguide is not 90 °. 本実施形態の光結合素子の構成を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図(正面図)であり、レンズを被覆する材料が低い屈折率のものであってもよい場合の光結合素子を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing (front view) which shows the cross-sectional structure in the surface containing the core which shows the structure of the optical coupling element of this embodiment, and the light in case the material which coat | covers a lens may have a low refractive index It is side surface sectional drawing which shows a coupling element. 本実施形態の光結合素子の構成を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図(正面図)であり、コア端面に光散乱体を有する場合の光結合素子の側面断面図である。It is side surface sectional drawing (front view) which shows the cross-sectional structure in the surface containing the core which shows the structure of the optical coupling element of this embodiment, and is a side surface sectional view of an optical coupling element in the case of having a light-scattering body in a core end surface. . 本実施形態の光結合素子の構成を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図(正面図)であり、下部クラッドが低屈折率の場合の光結合素子の側面断面図である。It is side surface sectional drawing (front view) which shows the cross-sectional structure in the surface containing the core which shows the structure of the optical coupling element of this embodiment, and is a side sectional view of the optical coupling element in case a lower clad has a low refractive index. 本実施形態の光結合素子の構成を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図(正面図)であり、導波路を構成するクラッドの上部クラッド又は下部クラッドの屈折率が連続的に変化する場合の光結合素子の側面断面図である。It is side surface sectional drawing (front view) which shows the cross-sectional structure in the surface containing the core which shows the structure of the optical coupling element of this embodiment, and the refractive index of the upper clad of the clad which comprises a waveguide, or the lower clad is continuous It is side surface sectional drawing of the optical coupling element in the case of changing. 本実施形態の光結合素子の構成を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図(正面図)であり、基板に光反射層(または光反射部)が設置された層構成を含む場合の光結合素子の側面断面図である。It is side surface sectional drawing (front view) which shows the cross-sectional structure in the surface containing the core which shows the structure of the optical coupling element of this embodiment, and includes the layer structure by which the light reflection layer (or light reflection part) was installed in the board | substrate. It is side surface sectional drawing of the optical coupling element in a case. 本実施形態の光結合素子の構成を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図(正面図)であり、光電変換素子が設置された層構成を含む場合の光結合素子の断面図である。It is side surface sectional drawing (front view) which shows the cross-sectional structure in the surface containing the core which shows the structure of the optical coupling element of this embodiment, and sectional drawing of the optical coupling element in the case of including the layer structure in which the photoelectric conversion element was installed It is. (a)は本実施形態の光結合素子の構成を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図(正面図)であり、フォトニック結晶で光閉じ込め効果を利用した結合素子の断面図であり、(b)は(a)のC−C線で横方向に切断したコアを含む部分の横断面図である。(a) is side surface sectional drawing (front view) which shows the cross-sectional structure in the surface containing the core which shows the structure of the optical coupling element of this embodiment, and is sectional drawing of the coupling element using the optical confinement effect with the photonic crystal (B) is a cross-sectional view of a portion including a core cut in the horizontal direction along line CC in (a). 本実施形態の高屈折率差光結合素子のアレイ構造の構成例を示す図であり、(a)は上面図であり、(b)は本発明の光結合素子アレイ構造の構成を示すコアを含む面での断面構成を示す、レンズ群を形成した結合素子の側面断面図である。It is a figure which shows the structural example of the array structure of the high refractive index difference optical coupling element of this embodiment, (a) is a top view, (b) is a core which shows the structure of the optical coupling element array structure of this invention. It is side surface sectional drawing of the coupling element which formed the lens group which shows the cross-sectional structure in the surface to include. 本実施形態の高屈折率差光結合素子のアレイ構造(レンズ群と複数の光導波路を設置した結合素子アレイ構造)の断面図であり、(a)はその一例を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図(正面図)であり、(b)は他の一例を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図(正面図)である。It is sectional drawing of the array structure (coupling element array structure which installed the lens group and several optical waveguide) of the high refractive index difference optical coupling element of this embodiment, (a) is in the surface containing the core which shows the example It is side surface sectional drawing (front view) which shows a cross-sectional structure, (b) is side surface sectional drawing (front view) which shows the cross-sectional structure in the surface containing the core which shows another example.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 コア
3 クラッド
4、4−1、4−2、4−3 光導波路層
5、5−1、5−2、5−3 端面
6、61、62、63 レンズ
6−2 カップリングレンズ
7 レンズ層
8 光散乱体
9 下部クラッド
10 上部クラッド
11 光反射層
12 光電変換素子
13 光電変換層
14 フォトニック結晶配列部
15 線欠陥
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Core 3 Clad 4, 4-1, 4-2, 4-3 Optical waveguide layer 5, 5-1, 5-2, 5-3 End face 6, 61, 62, 63 Lens 6-2 Coupling lens 7 Lens layer 8 Light scatterer 9 Lower clad 10 Upper clad 11 Light reflecting layer 12 Photoelectric conversion element 13 Photoelectric conversion layer 14 Photonic crystal array part 15 Line defect

Claims (11)

基板と、前記基板上に形成されたコアとクラッドを有し、開口数NA1を与える前記コアの端面を有する光導波路と、前記光導波路の光の導波方向と平行ではない光軸を有し、開口数NA2のレンズを有する光結合素子であって、
前記光導波路が、前記開口数NA1を与える最大受光角度と前記開口数NA2を与える最大受光角度との和が、90度以上であり、前記端面近傍に前記レンズの集光位置を有するように前記レンズが配置されたことを特徴とする光結合素子。
Yes: a substrate having a core and a clad formed on said substrate, an optical waveguide having an end face of said core to provide a numerical aperture NA 1, the optical axis is not parallel to the light propagation direction of said optical waveguide An optical coupling element having a lens with a numerical aperture NA 2 ,
The optical waveguide has a sum of a maximum light receiving angle that gives the numerical aperture NA 1 and a maximum light receiving angle that gives the numerical aperture NA 2 is 90 degrees or more, and has the condensing position of the lens in the vicinity of the end face. An optical coupling element characterized in that the lens is arranged on the optical coupling element.
前記光導波路の導波方向に対し前記レンズの光軸が略直交することを特徴とする請求項1に記載の光結合素子。   The optical coupling element according to claim 1, wherein an optical axis of the lens is substantially orthogonal to a waveguide direction of the optical waveguide. 前記レンズが前記基板を下としたときに前記基板上に設けられた前記光導波路のクラッド上に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光結合素子。   3. The optical coupling element according to claim 1, wherein the lens is formed on a clad of the optical waveguide provided on the substrate when the substrate is faced down. 4. 前記光導波路上で、前記レンズにより集光されるコアの端面近傍に光散乱体を設けたことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光結合素子。   4. The optical coupling element according to claim 1, wherein a light scatterer is provided in the vicinity of an end face of the core condensed by the lens on the optical waveguide. 5. 前記光導波路を形成するクラッドが、異なる屈折率を有する複数の部分から構成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の光結合素子。   5. The optical coupling element according to claim 1, wherein the clad forming the optical waveguide is composed of a plurality of portions having different refractive indexes. 前記光導波路を形成するクラッドの屈折率の複数の部分のうちの少なくとも1つが、連続的に変化する材料から形成されていることを特徴とする請求項5に記載の光結合素子。   6. The optical coupling element according to claim 5, wherein at least one of a plurality of refractive index portions of the clad forming the optical waveguide is made of a continuously changing material. 前記光導波路と基板との間に反射領域を設けたことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の光結合素子。   The optical coupling element according to claim 1, wherein a reflective region is provided between the optical waveguide and the substrate. 前記レンズを有する層の、前記光導波路に接する層又は反対層側に光電変換素子を設けたことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の光結合素子。   8. The optical coupling element according to claim 1, wherein a photoelectric conversion element is provided on a layer having the lens on a side in contact with the optical waveguide or on an opposite layer side. 前記光導波路のコアが線欠陥構造であり、クラッドがフォトニック結晶配列からなるフォトニック結晶光導波路であることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の光結合素子。   9. The optical coupling element according to claim 1, wherein the core of the optical waveguide has a line defect structure, and the cladding is a photonic crystal optical waveguide having a photonic crystal array. 光結合素子が、アレイ構造となることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の光結合素子。   The optical coupling element according to claim 1, wherein the optical coupling element has an array structure. 光結合素子が、積層されたアレイ構造であることを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の光結合素子。   The optical coupling element according to any one of claims 1 to 10, wherein the optical coupling element has a stacked array structure.
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