JP2013083702A - 光素子及び光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバと導波路の相対位置を容易に決めることができるようにする。
【解決手段】光ファイバ１００の一部には、導波路取付部１０２が形成されている。導波路取付部１０２は、光ファイバ１００の一部を、光ファイバ１００のコア１２０を通る断面で光ファイバ１００の延伸方向に切り欠くことにより、形成されている。導波路取付部１０２には、第１凹部１２２が形成されている。第１凹部１２２は、光ファイバ１００のコア１２０を除去することにより、形成されている。そして、リッジ構造の導波路２２０が、第１凹部１２２に填め込まれている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバと導波路とを結合させた光素子及び光素子の製造方法に関する。

近年、擬似位相整合を用いて波長変換を行う技術が開発されている。擬似位相整合は、強誘電体結晶に分極反転構造を周期的に形成した素子を用いて行われる。擬似位相整合は、例えば導波路に分極反転構造を持たせることにより、行われる。擬似位相整合機能を有する導波路は、例えばリッジ型の構造を有している。

例えば特許文献１では、以下の導波路の製造方法が開示されている。まず、分極反転構造を有する強誘電体結晶を基板に直接接合させる。そして、強誘電体結晶のうち導波路となるべき部分の周囲に溝を形成する。これにより、リッジ型の導波路が作製される。

また特許文献２には、以下の導波路の製造方法が開示されている。まず、分極反転構造を有する強誘電体結晶を基板に接着層を用いて接合させる。そして、強誘電体結晶のうち導波路となるべき部分の周囲に溝を形成する。これにより、リッジ型の導波路が作製される。

特開２００３−１４０２１４号公報 特開２０１１−７５６０４号公報

導波路に入射する光は、光ファイバを用いて導波路に導かれる。このため、光ファイバと導波路とを接合させる必要がある。光ファイバと導波路を接合させる場合、光ファイバと導波路の相対位置を決めるときの作業効率を上げることが望まれる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、光ファイバと導波路の相対位置を容易に決めることができる光素子及び光素子の製造方法を提供することにある。

本発明に係る光素子は、光ファイバと、断面が凸形状であるリッジ構造の導波路とを備えている。光ファイバの一部には、導波路取付部が形成されている。導波路取付部は、光ファイバの一部を、光ファイバのコアを通る断面で光ファイバの延伸方向に切り欠くことにより、形成されている。導波路取付部には、第１凹部が形成されている。第１凹部は、光ファイバのコアを除去することにより、形成されている。そして、導波路のリッジ部が、第１凹部に填め込まれている。

本発明に係る光素子の製造方法は、以下の通りである。まず、光ファイバの端面を、光ファイバのコアを通る断面で光ファイバの延伸方向に切り欠くことにより、導波路取付部を形成する。次いで、導波路取付部に露出した光ファイバのコアを除去することにより、凹部を形成する。次いで、断面が凸形状であるリッジ構造の導波路のリッジ部を、凹部に填めることにより、光ファイバと導波路の間の位置決めを行う。

本発明によれば、光ファイバと導波路を接合させる場合において、光ファイバと導波路の相対位置を、容易に決めることができる。

第１の実施形態に係る光素子の構成を示す断面図である。 第１の実施形態に係る光素子の構成を示す断面図である。 図１及び図２に示した光素子の平面図である。 導波路部材の製造方法の第１例を示す断面図である。 導波路部材の製造方法の第２例を示す断面図である。 図１〜図３に示した光素子の製造方法を説明する図である。 図１〜図３に示した光素子の製造方法を説明する図である。 図１〜図３に示した光素子の製造方法を説明する図である。 図１〜図３に示した光素子の製造方法を説明する図である。 図１〜図３に示した光素子の製造方法を説明する図である。 第２の実施形態に係る光素子の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１及び図２は、第１の実施形態に係る光素子の構成を示す断面図である。図３は、図１及び図２に示した光素子の平面図である。なお、図１は図３のＡ−Ａ´断面図であり、図２は図３のＢ−Ｂ´断面図である。

この光素子は、光ファイバ１００と、リッジ構造の導波路２２０とを備えている。光ファイバ１００の一部には、導波路取付部１０２が形成されている。導波路取付部１０２は、光ファイバ１００の一部を、光ファイバ１００のコア１２０を通る断面で光ファイバ１００の延伸方向（図中左右方向）に切り欠くことにより、形成されている。導波路取付部１０２には、第１凹部１２２（図２）が形成されている。第１凹部１２２は、光ファイバ１００のコア１２０を除去することにより、形成されている。そして、図２に示すように、リッジ構造（ridge type waveguide）の導波路２２０が、第１凹部１２２に填め込まれている。導波路２２０は、断面が凸形状である。導波路２２０は、例えば屈折率が異なる２つの層を積層させ、一方の層のうち導光部となる部分の両脇に溝を形成したものである。この光素子において、光ファイバ１００は、光を導波路２２０に入射する場合（入射部）もあるし、導波路２２０から出射した光を外部に導く場合（出射部）もある。以下、詳細に説明する。

図１〜図３に示すように、光ファイバ１００は、端部が被覆膜１３０から露出している。そしてこの露出している部分に、導波路取付部１０２が設けられている。詳細には、導波路取付部１０２は、光ファイバ１００の端部に設けられている。導波路取付部１０２は、導波路取付部１０２の端部を、コア１２０を通る断面で光ファイバ１００の延伸方向に切り欠くことにより、形成されている。なお、導波路取付部１０２のうち導波路部材２００の端部と対向する部分には、凹部１０４が形成されている。凹部１０４の役割については、光素子の製造方法を説明するときに述べる。

光ファイバ１００のコア１２０は、添加物（例えばＧｅ）を添加することにより、周囲とは屈折率が異なっている。なお、コア１２０は添加物が添加されているため、光ファイバ１００の他の部分とは、特定のエッチング条件においてエッチング選択比が異なっている。

導波路部材２００は、基板２１０のリッジ形成面２０２に導波路２２０を設けた構造を有している。リッジ構造の導波路２２０の断面形状は、例えば四角形（矩形）であるが、半円形であっても良いし、台形であっても良い。基板２１０は、導波路２２０よりも屈折率が低い材料、例えば定比（ストイキメトリー組成）のＬｉＮｂＯ_３により形成されている。図２に示すように、基板２１０の幅は、光ファイバ１００の直径よりも大きい。導波路２２０は、強誘電体結晶により形成されている。ただし導波路２２０は、他の材料、例えば石英ガラス、シリコン、又は化合物半導体により形成されても良い。導波路２２０の幅は、コア１２０の直径よりも小さい。また、基板２１０のうち導波路２２０の両脇には、凹部２１２が形成されている。凹部２１２は、導波路２２０に沿って延伸している。平面視において、凹部２１２のうち導波路２２０とは反対側の側面は、光ファイバ１００よりも外側に位置している。このため、基板２１０は、光ファイバ１００とは接触していない。

導波路２２０を構成する強誘電体結晶は、分極反転構造を周期的に有している。このため、本実施形態に係る光素子は、波長変換デバイスとして機能する。なお、導波路２２０を構成する強誘電体結晶は、例えばＭｇを添加したＬｉＮｂＯ_３であるが、これに限定されない。

図２に示すように、光ファイバ１００及び導波路部材２００は、固定部材３００によって互いに固定されている。固定部材３００は、ファイバが保持される固定面３０２に第２凹部３０４を有している。第２凹部３０４は、断面がＶ字型の溝であり、光ファイバ１００が填め込まれている。第２凹部３０４の断面形状は、例えば直角二等辺三角形などの二等辺三角形である。ただし第２凹部３０４の断面形状は、これに限定されない。固定面３０２のうち第２凹部３０４の両脇に位置する部分は、基板２１０のリッジ形成面２０２に接合している。固定部材３００は、例えば石英ガラスであるが、セラミックスや樹脂であっても良い。

また、図１及び図３に示すように、光素子は押さえ部材４００を備えている。押さえ部材４００は、固定部材３００との間で光ファイバ１００を挟み込んで保持している。押さえ部材４００は、固定部材３００と同様の材料により形成されている。

図４は、導波路部材２００の製造方法の第１例を示す断面図である。まず強誘電体結晶２２２に、分極反転構造を形成する。次いで、図４（ａ）に示すように、基板２１０上に強誘電体結晶２２２を固定する。この固定方法は、例えば直接接合である。この場合、基板２１０に強誘電体結晶２２２を押し付けた状態で、これらを加熱する。なお、基板２１０と強誘電体結晶２２２は、接着剤により互いに固定されても良い。この場合、強誘電体結晶２２２のうち基板２１０に接合する面に接着剤を塗布した後、強誘電体結晶２２２を基板２１０に押し付ける。なお、接着剤の代わりに低融点ガラスを用いても良い。

次いで図４（ｂ）に示すように、強誘電体結晶２２２を必要な厚さまで薄くする。強誘電体結晶２２２を薄くする方法は、機械的な研磨であってもよいし、ドライエッチングであってもよいし、ダイシングソーを用いて強誘電体結晶２２２を側面から削る方法であっても良い。そして、強誘電体結晶２２２のうち他の光学部材（例えば光ファイバ１００）と結合する面を、鏡面研磨する。

次いで図４（ｃ）に示すように、凹部２１２を、ダイシングソーやドライエッチングにより形成する。これにより、導波路２２０が形成される。

図５は、導波路部材２００の製造方法の第２例を示す断面図である。まず図５（ａ）に示すように、強誘電体結晶２２２を準備する。ついで、強誘電体結晶２２２に、分極反転構造を形成する。

次いで図５（ｂ）に示すように、強誘電体結晶２２２のうち基板２１０となる領域の屈折率を変化させる。これにより、基板２１０が形成される。基板２１０は、例えば強誘電体結晶２２２にプロトン交換処理を行うことにより、形成される。プロトン交換処理は、例えば強誘電体結晶２２２のうち基板２１０となる面を安息香酸などの酸に接触させた状態で、強誘電体結晶２２２をアニール処理することにより、行われる。

次いで図５（ｃ）に示すように、凹部２１２を、ダイシングソーやドライエッチングにより形成する。これにより、導波路２２０が形成される。

図６〜図１０は、図１〜図３に示した光素子の製造方法を説明する図である。これらのうち、図６（ａ），（ｂ）、図７、図８（ａ）、及び図９（ａ）は、図３のＡ−Ａ´断面に対応している。また図８（ｂ）及び図９（ｂ）は、図３のＢ−Ｂ´断面に対応している。また図１０は、図９に示した光ファイバ１００、固定部材３００、及び押さえ部材４００の平面図である。

まず図６（ａ）に示すように、光ファイバ１００の端部から被覆膜１３０を除去する。そして光ファイバ１００の端部を、固定部材３００の第２凹部３０４（図２参照）に填めた後、押さえ部材４００を固定部材３００に固定する。これにより、光ファイバ１００は、固定部材３００と押さえ部材４００の間で固定される。この状態において、光ファイバ１００の端は、固定部材３００及び押さえ部材４００の間から、はみ出ている。

次いで図６（ｂ）に示すように、光ファイバ１００のうち、固定部材３００及び押さえ部材４００の間からはみ出ている部分を、研磨などにより除去する。これにより、光ファイバ１００の端面、固定部材３００の端面、及び押さえ部材４００の端面は同一面となる。

次いで図７に示すように、押さえ部材４００から光ファイバ１００にかけて、光ファイバ１００の延伸方向に対して直交する方向に、ダイシングソーを入り込ませる。これにより、凹部１０４が形成される。凹部１０４の底部は、光ファイバ１００の内部、かつコア１２０より下に位置している。なお、凹部１０４を形成するためのダイシングソーの砥粒は、凹部１０４の側面が鏡面となる程度に細かいほうが好ましい。

次いで図８（ａ），（ｂ）に示すように、光ファイバ１００の上半分及び押さえ部材４００のうち、凹部１０４より端部側に位置する部分を、ダイシングや研磨により除去する。これにより、導波路取付部１０２が形成される。導波路取付部１０２は、平面形状である。ただしこの段階において、コア１２０は一部、例えば半分程度が残っている。

次いで図９（ａ），（ｂ）、及び図１０の平面図に示すように、コア１２０をエッチングにより除去する。これにより、第１凹部１２２が形成される。ここで用いられるエッチング液は、例えばＨＦを含有している。ただし、コア１２０は、ドライエッチングにより除去されても良い。

その後、導波路部材２００を導波路取付部１０２の上に載置する。このとき、導波路部材２００の導波路２２０を第１凹部１２２に填めた状態で、光ファイバ１００に対する導波路部材２００の角度を調節し、導波路２２０と光ファイバ１００の光軸を一致させる。このとき、基板２１０の端面を、光ファイバ１００のうち凹部１０４の側面であった面に接触させても良い。その後、基板２１０のリッジ形成面２０２と固定部材３００の固定面３０２を、接着剤を用いて固定する。このようにして、図１〜図３に示した光素子が、形成される。

以上、本実施形態によれば、光ファイバ１００のコア１２０を除去することにより、第１凹部１２２が形成されている。そして導波路部材２００の導波路２２０を第１凹部１２２に填めることにより、光ファイバ１００と導波路部材２００の相対位置を調節している。従って、光ファイバ１００と導波路２２０の相対位置を、容易に決めることができる。そして、導波路２２０の位置決めを行うときに、リッジ構造の導波路２２０が損傷することを抑制できる。また、光素子の製造工程は複雑にならない。

また、光ファイバ１００は、固定部材３００の固定面３０２に形成された第２凹部３０４に填め込まれている。そして固定部材３００の固定面３０２には、導波路部材２００のリッジ形成面２０２が固定されている。従って、本実施形態に係る光素子を作製した後、導波路部材２００の導波路２２０に力が加わって導波路２２０が損傷することを抑制できる。

（第２の実施形態）
図１１は、第２の実施形態に係る光素子の構成を示す断面図であり、第１の実施形態における図２（Ｂ−Ｂ´断面図）に対応している。本実施形態に係る光素子は、複数の光ファイバ１００を、互いに異なる導波路２２０に接続した構成を有している。

複数の導波路２２０は一つの導波路部材２００に形成されている。それぞれの導波路２２０の構造及び製造方法は、第１の実施形態に示したとおりである。

また、複数の光ファイバ１００は、一つの固定部材３００に保持されている。固定部材３００の固定面３０２には、複数の第２凹部３０４が形成されている。複数の第２凹部３０４のそれぞれには、光ファイバ１００が填め込まれている。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、光ファイバ１００及び導波路２２０を、容易かつ安価にアレイ化することができる。また、アレイ化の際においても、リッジ構造の導波路２２０が損傷することを抑制できる。

（実施例）
図５に示した方法で導波路部材２００を製造した。導波路２２０にはＭｇを添加したＬｉＮｂＯ_３を使用し、基板２１０には石英ガラスを使用した。凹部２１２は、ダイシングにより形成した。また、導波路２２０には分極反転構造を形成した。この分極反転構造には、赤外光（波長が１０６４ｎｍ）を、ＳＨＧ（second harmonic generation）によって波長変換するための周期を持たせた。

光ファイバ１００には、シングルモード光ファイバを用いた。さらに詳細には、光ファイバ１００には、カットオフ波長が９８０ｎｍの偏波保持光ファイバを用いた。第１凹部１２２は、光ファイバ１００を、１０％のＨＦ水溶液に１５分間湿潤させることにより、形成された。

さらに、導波路部材２００と固定部材３００の固定には、紫外線硬化型の接着剤を使用した。

このようにして形成された光素子は、赤外光を、ＳＨＧによって良好に波長変換した。このため、この光素子が、レーザ光源装置の波長変換デバイスとして使用可能であることが示された。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１００ 光ファイバ
１０２ 導波路取付部
１０４ 凹部
１２０ コア
１２２ 第１凹部
１３０ 被覆膜
２００ 導波路部材
２０２ リッジ形成面
２１０ 基板
２１２ 凹部
２２０ 導波路
２２２ 強誘電体結晶
３００ 固定部材
３０２ 固定面
３０４ 第２凹部
４００ 押さえ部材

Claims (10)

1. 光ファイバと、
   前記光ファイバの一部を、前記光ファイバのコアを通る断面で前記光ファイバの延伸方向に切り欠くことにより形成された導波路取付部と、
   前記導波路取付部に形成され、前記コアを除去することにより形成された第１凹部と、
   前記導波路取付部に取り付けられ、断面が凸形状であるリッジ構造の導波路と、
   を備え、
   前記導波路のリッジ部が、前記第１凹部に填め込まれている光素子。
2. 請求項１に記載の光素子において、
   前記導波路取付部は、前記光ファイバの端部に設けられている光素子。
3. 請求項１又は２に記載の光素子において、
   前記光ファイバと前記導波路とを互いに固定する固定部材を備える光素子。
4. 請求項３に記載の光素子において、
   前記導波路は、基板上に設けられており、
   平面視において、前記基板の幅は前記光ファイバの直径よりも大きく、
   前記固定部材は、
   前記基板のうち前記導波路が形成されている面に固定される固定面と、
   前記固定面に設けられ、前記光ファイバが填め込まれる第２凹部と、
   を備える光素子。
5. 請求項４に記載の光素子において、
   前記導波路は、前記基板に直接接合されている光素子。
6. 請求項４に記載の光素子において、
   前記導波路は、接着層を用いて前記基板に接合されている光素子。
7. 請求項４に記載の光素子において、
   前記導波路及び前記基板は、一つの基材を用いて形成されており、
   前記導波路及び前記基板の一方は、前記基材の屈折率を変更することにより形成されている光素子。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の光素子において、
   前記導波路は、強誘電体結晶により形成されており、
   前記強誘電体結晶は、分極反転構造を有する光素子。
9. 光ファイバの端面を、前記光ファイバのコアを通る断面で前記光ファイバの延伸方向に切り欠くことにより導波路取付部を形成し、
   前記導波路取付部に露出した前記コアを除去することにより、凹部を形成し、
   断面が凸形状であるリッジ構造の導波路のリッジ部を、前記凹部に填めることにより、前記光ファイバと前記導波路の間の位置決めを行う、光素子の製造方法。
10. 請求項９に記載の光素子の製造方法において、
    前記コアはエッチングにより除去される、光素子の製造方法。

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