JP2014035378A - マッハツェンダ型マルチチップモジュールおよびその実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異種材料からなるマルチチップ光デバイスにおける、ギャップによる位相誤差を抑制し、かつ反射戻り光の影響が抑制された低コストかつ簡便に実装可能な光デバイスとその実装方法を提供すること。
【解決手段】２本の導波路のそれぞれに設けられた位相シフタ１０３を備えたシリコン光回路１０１、その両端に接続された第１の方向性結合器１０６ａを備えた石英系ＰＬＣ１０２ａ、および第２の方向性結合器１０６ａを備えた石英系ＰＬＣ１０２ｂの３チップ構成の光スイッチである。シリコン光回路１０１、石英系ＰＬＣ１０２ａ、１０２ｂの入出力ポート付近の各導波路は、基板端面に対して垂直に形成され、伝搬光を基板端面に対して垂直に出射する。また、シリコン光回路１０１、石英系ＰＬＣ１０２ａ、１０２ｂは、石英と同等の屈折率を有する接着剤１０７によってギャップ１０８ａ〜１０８ｄが等しくなるよう接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＲＯＡＤＭ（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）システム用の光スイッチに関するものであり、マッハツェンダ干渉計型マルチチップモジュールとその実装方法に関する。

今日、光通信や光信号処理の高度化に伴い、高機能な光回路の実現が求められている。高機能な動作を実現する手段の１つは、異種材料の導波路を組み合わせた構成にすることである。

図５に、従来のマルチチップ光回路の構成図を示す。この光回路は、ニオブ酸リチウム（ＬＮ：ＬｉＮｂＯ_３）導波路５０１と石英系導波路からなる平面光波回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）５０２ａ、５０２ｂを組み合わせた多値変調器である。

ここでは、位相シフタ５０３部分にのみＬＮ基板に導波路を形成したＬＮ導波路５０１を用い、引き回しのための光導波路には石英系のＰＬＣ５０２ａ、５０２ｂを用いている。電気光学効果を用いた高速変調機能の実績があるＬＮ回路と、パッシブな光導波路として実績のある石英系ＰＬＣとを組み合わせて高機能化や多チャネル化を図っており、今後、このような高機能回路の実用化が進んでいくと予想する。

例えば、光スイッチとしては、シリコン光回路と石英系ＰＬＣを組み合わせた構成が有力である。構成としては、マッハツェンダ型の干渉計型を用い、位相シフタ部分にのみシリコン導波路を用い、他の部分の光導波路には石英系のＰＬＣを用いる。シリコンは石英に比べ約２０倍大きな熱光学係数を有しているため、石英のみで構成された熱光学光スイッチに比べ消費電力を約１／２０に抑えることができる。また、光ファイバ接続部や方向性結合器（カプラー）には石英系ＰＬＣを用いるため、シリコン導波路のみで構成されたスイッチに比べ挿入損失を低減することができる。

図６に、ＬＮ導波路と石英系ＰＬＣを組み合わせてＬＮ−ＰＬＣデバイスとするための実装方法の説明図を示す。ＬＮ−ＰＬＣデバイスでは、それぞれの基板を接続する際、あらかじめ各基板の両端にカプラーのない直線のリファレンス回路６０３を設け、入力ポート（導波路の入力口）から入射した光信号６０８の出力光を大口径ＰＤ６０７で受け、両端のリファレンス回路６０３の出力がそれぞれ最大になる位置で調芯した後、ＵＶ接着剤６０５によりＬＮ導波路６０１と石英系ＰＬＣ６０２とを接合する。

また、ＬＮ導波路６０１と石英系ＰＬＣ６０２との接続部においては、光入射端部や光出射端部などの光導波路端部からの反射戻り光が光源へ与える影響を小さく抑えるために、図５に示すように、上面から見たときに、接続端面に対して導波路を斜めとする斜め入射導波路５０４とすることが一般的である。あるいは、図７に示すように、導波路に対して接続端面を斜め研磨加工して導波路を接続することにより反射を防止する構造を取ることもある。

T. Yamada et al., "High-speed optical functional modulators using hybrid assembly technique with silica-based planar lightwave circuits and LiNbO3 devices", 2007 Optical Society of America/IPNRA 2007, ITuC2, 2007

図８に、ＬＮ−ＰＬＣマルチチップデバイスの実装方法をシリコン光回路８０１と石英系ＰＬＣ８０２を組み合わせた光スイッチに適用した場合の説明図を示す。シリコンは屈折率が高いためシリコン光回路８０１のモードフィールド径が小さい。

したがって、シリコン光回路８０１と石英系ＰＬＣ８０２との接続損失は、位置ずれに敏感で、リファレンス回路８０３を用いての調芯では十分な接続精度が得られず、位置ずれにより接続損失が大きくなる。

加えて、図８に示すように、シリコン光回路８０１のポートと石英系ＰＬＣ８０２のポートとが接着剤を介して突き合わされたポート対毎に、異なるギャップ８０９ａ、８０９ｂが生じて位相誤差が発生するという課題があった。そのため、リファレンス回路ではなく、本回路である導波路８０４〜８０６において出力を測定しながら調芯する必要がある。

しかしながら、シリコン光回路８０１と石英系ＰＬＣ８０２との接続の際、カプラー８０６で分岐し位相シフタ８０５へ結合した光は、シリコン光回路８０１の両ポートから大口径ＰＤ８１２に出力されるが、同一面上におけるポート間の間隔が狭いために、各ポートの光信号出力を分別することが難しく、本回路の調芯が困難であるという課題があった。

また、シリコン光回路８０１と石英系ＰＬＣ８０２の間では、図７に示すように反射戻り光の抑制のため端面を斜めにし、導波路を接続している。しかしながら、シリコン−ＰＬＣデバイスでは、シリコンの屈折率が３．５、石英系ＰＬＣの屈折率が１．４５と材料間の屈折率差が大きいため反射戻り光が大きく、端面を斜めにしても反射戻り光の再結合が発生するため、端面の斜め加工に加え、端面に反射防止膜の形成が必要など、プロセスおよび実装が煩雑となる課題があった。

そのため、本回路の光信号をモニタしながらの高精度で低損失な接続が可能な実装方法、および異種材料間の屈折率差が大きい場合の反射戻り光の抑制方法の提案が望まれていた。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、異種材料からなるマルチチップ光デバイスにおける、ギャップによる位相誤差を抑制し、かつ反射戻り光の影響が抑制された低コストかつ簡便に実装可能な光デバイスとその実装方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、方向性結合器を構成する材料Ａからなる第１の導波路を備えた第１の光回路と、位相シフタを備えた材料Ｂからなる第２の導波路を備えた第２の光回路と、方向性結合器を構成する材料Ａからなる第３の導波路を備えた第３の光回路とを結合したマッハツェンダ型マルチチップモジュールであって、前記第１ないし第２の導波路の各々が、光路長が等しく、伝搬光を前記平面光回路の端面に対して垂直に出射する２本の光導波路からなり、前記第１の導波路の２本の光導波路と前記第２の導波路の光導波路とが、同じ厚みの材料Ａと同等の屈折率を有する接着剤によって接合され、前記第２の導波路の２本の光導波路と前記第３の導波路の２本の光導波路とが、同じ厚みの材料Ａと同等の屈折率を有する接着剤によって接合されたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のマッハツェンダ型マルチチップモジュールにおいて、前記材料Ａは石英ガラスであり、前記材料Ｂはシリコンであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、マルチチップモジュールの実装方法であって、前記マルチチップモジュールが、方向性結合器を構成する材料Ａからなる第１の導波路を備えた第１の光回路と、材料Ｂからなる第２の導波路を備えた第２の光回路とを結合したものであり、前記第１および第２の導波路の各々が、光路長が等しく、伝搬光を前記平面光回路の端面に対して垂直に出射する２本の光導波路からなる場合、前記第１の導波路単体で、前記第１の導波路の一方の入力ポートから光を入射し、前記第１の導波路の他方の入力ポートから出射される、前記第１の導波路と空気との界面での反射戻り光のスペクトルの波長依存性を計測し、前記第１の導波路の２本の光導波路と前記第２の導波路の２本の光導波路とを材料Ａと同等の屈折率を有する接着剤によって接合するとき、前記第１の導波路の一方の入力ポートから光を入射し、前記第１の導波路の他方の入力ポートから出射される光のスペクトルを測定し、前記出力光信号の強度が最大、かつ前記第１の導波路単体でのスペクトルの波長依存性が前記反射戻り光のスペクトルの波長依存性に最も近くなるように調芯することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のマルチチップモジュールの実装方法において、前記マルチチップモジュールが、方向性結合器を構成する材料Ａからなる第３の導波路を前記第２の導波路にさらに結合したものであり、前記第３の導波路が、光路長が等しく、伝搬光を前記平面光回路の端面に対して垂直に出射する２本の光導波路からなる場合、前記第３の導波路単体で、前記第３の導波路の一方の入力ポートから光を入射し、前記第３の導波路の他方の入力ポートから出射される、前記第３の導波路と空気との界面での反射戻り光のスペクトルの波長依存性を計測し、前記第２の導波路の２本の光導波路と前記第３の導波路の２本の光導波路とを材料Ａと同等の屈折率を有する接着剤によって接合するとき、前記第３の導波路の一方の入力ポートから入力光信号を入射し、前記第３の導波路の他方の入力ポートから出射される光のスペクトルを測定し、前記出力光信号の強度が最大、かつ前記スペクトルの波長依存性が前記第３の導波路単体での反射戻り光のスペクトルの波長依存性に最も近くなるように調芯することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載のマルチチップモジュールの実装方法において、前記材料Ａは石英ガラスであり、前記材料Ｂはシリコンであることを特徴とする。

本発明は、反射戻り光の影響が無視でき、端面の斜め加工や反射防止膜の形成をせずとも、原理的に反射減衰量を無限大にする効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るマッハツェンダ型マルチチップ光スイッチの回路構成図である。 シリコン−ＰＬＣマルチチップデバイスにおける反射戻り光を示す図である。 石英導波路単体で発生する反射戻り光のスペクトル測定方法の説明図である。 石英導波路とシリコン導波路とを接合した回路で発生する反射戻り光のスペクトル測定方法の説明図である。 従来のマルチチップ光回路の構成図である。 ＬＮ導波路と石英系ＰＬＣを組み合わせてＬＮ−ＰＬＣデバイスとするための実装方法の説明図である。 ＬＮ−ＰＬＣマルチチップデバイスの斜め端面接続の概略図である。 ＬＮ−ＰＬＣマルチチップデバイスの実装方法をシリコン光回路と石英系ＰＬＣを組み合わせた光スイッチに適用した場合の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（構成）
図１に、本発明の一実施形態に係るマッハツェンダ型マルチチップ光スイッチの回路構成図を示す。このマッハツェンダ型マルチチップ光スイッチは、光ファイバ１０９から回路に入力された光信号を所望の出力ポート（導波路の出力口）に出力する機能を有する。

このマッハツェンダ型マルチチップ光スイッチは、２本の導波路のそれぞれに設けられた位相シフタ１０３を備えたシリコン光回路１０１、その両端に接続された第１の方向性結合器１０６ａを備えた石英系ＰＬＣ１０２ａ、および第２の方向性結合器１０６ｂを備えた石英系ＰＬＣ１０２ｂの３チップ構成の光スイッチである。

シリコン光回路１０１、石英系ＰＬＣ１０２ａ、１０２ｂの入出力ポート付近の各導波路は、基板端面に対して垂直に形成され、伝搬光を基板端面に対して垂直に出射する。また、シリコン光回路１０１、石英系ＰＬＣ１０２ａ、１０２ｂは、石英と同等の屈折率を有する接着剤１０７によって、ギャップ１０８ａ、１０８ｂが等しく、ギャップ１０８ｃ、１０８ｄが等しくなるよう接合されている。ギャップ１０８ａ、１０８ｂとギャップ１０８ｃ、１０８ｄは必ずしも等しい必要はない。

石英系ＰＬＣ１０２ａの２本の入力導波路１０４から入射した光は、第１の方向性結合器１０６ａで合分波され、シリコン光回路１０１の２本の導波路のそれぞれに設けられた位相シフタ１０３に導波される。位相シフタ１０３であるシリコン導波路を伝搬した光は、石英系ＰＬＣ１０２ｂの第２の方向性結合器１０６ｂで合分波されて２本の出力導波路１０５から光ファイバ１１０に出射される。

尚、図１では図示していないが、位相シフタ１０３はシリコン導波路上部に薄膜ヒータを装荷した構成である。

ここで、図２に、シリコン−ＰＬＣマルチチップデバイスにおける反射戻り光を示す。方向性結合器２０４ａを構成する光路長が等しい２本の導波路からなる、第２の導波路端面へ結合する第１の導波路と、位相シフタ２０３を構成する第２の導波路との界面付近で発生する反射戻り光２０６ａ、２０６ｂについて考える。

石英系ＰＬＣ２０２ａの第１の導波路とシリコン光回路２０１の第２の導波路間のギャップが両ポート対で等しければ、入力ポート１（２０８）から光を入射した場合、方向性結合器２０４ａで分岐されシリコン導波路２０１の端面と接着剤との界面で反射した光は全て再び元の導波路に結合し、石英系ＰＬＣ２０２ａの導波路間でその位相差が０となるため、反射戻り光は第１の導波路の入力ポート２（２０９）のみから出力される。

従って、方向性結合器２０４ａを構成する２本の導波路長が等しく、石英系ＰＬＣ２０２ａの第１の導波路とシリコン光回路２０１の第２の導波路間のギャップが両ポート対で等しければ、反射戻り光の影響が無視でき、端面の斜め加工や反射防止膜の形成をせずとも、原理的に反射減衰量を無限大にすることが可能である。

また同様に、方向性結合器２０４ａを構成する２本の導波路長に加え、位相シフタ２０３を構成する２本の導波路長が等しい場合、位相シフタ２０３を構成する第２の導波路と第２の導波路と第３の導波路を接続する接着剤界面で発生する反射戻り光２０６ｃ、２０６ｄについて考える。

入力ポート１から光を入射した場合、方向性結合器２０４ａで分岐され位相シフタ２０３であるシリコン導波路を伝搬し、接着剤と第２の導波路との界面で反射した光は全て再び元の導波路に結合し、第２の導波路の導波路間でその位相差が０となるため、反射戻り光は第１の導波路の入力ポート２にのみ出力される。

従って、方向性結合器２０４ａを構成する２本の導波路長に加え、第１の導波路と第２の導波路間のギャップが両ポートで等しく、位相シフタ２０３を構成する２本の導波路長が等しければ、反射戻り光の影響が無視でき、端面の斜め加工や反射防止膜の形成をせずとも、原理的に反射減衰量を無限大にすることが可能である。

ここで、第１の導波路と第２の導波路の接続時、および第２の導波路と第３の導波路の接続時、基板と基板のギャップは第１、第３の導波路（石英系導波路）と同等の屈折率を有する接着剤で満たされており、接着剤の厚みに等しい。このため接着剤と第１、第３の導波路との界面での反射は抑制され、生じる反射は接着材と第２の導波路との界面において主に生じる。

再び図１を参照して、本実施形態の回路の動作原理を説明する。

入力導波路に入射した光信号は、石英系ＰＬＣ１０２ａの第１の導波路の方向性結合器１０６ａにおいて２つの導波路に分岐され、シリコン光回路１０１の第２の導波路のアーム導波路に結合する。次に、シリコン光回路１０１の導波路上部に薄膜ヒータを装荷したシリコンからなる位相シフタ１０３において、それぞれ光信号に所望の位相差が与えられ、石英系ＰＬＣ１０２ｂの第３の導波路の方向性結合器１０６ｂで合波される。あたえられた位相差から、方向性結合器１０６ｂの２本の出力導波路のいずれかから出力させることができる。

このとき重要なのは、方向性結合器１０６ａを構成する２本の導波路、位相シフタ1０３を構成する２本の導波路、方向性結合器１０６ｂを構成する２本の導波路の光路長がそれぞれ等しく、石英系ＰＬＣ１０２ａとシリコン光回路１０１の両ポート対におけるギャップ、シリコン光回路１０１と石英系ＰＬＣ１０２ｂの両ポート対におけるギャップがそれぞれ等しいことである。

（実装方法）
方向性結合器を含むマルチチップモジュールの実装方法とその効果について、シリコン−ＰＬＣマルチチップ光スイッチをもとに説明する。

石英系ＰＬＣの第１の導波路とシリコン光回路の第２の導波路の接続の際、信号光を第１の導波路の入力ポート１から入射し、第１の導波路の入力ポート２から出力される信号光のスペクトルをモニタする。

ここで、図３に、石英導波路単体で発生する反射戻り光のスペクトル測定方法を示す。事前に第１の導波路単体で入力ポート１（３０４）から光３０７を入射し、石英と空気の界面で反射された光３０３ａ、３０３ｂの内、入力ポート２（３０５）から出射される光３０３ｃのスペクトルをスペクトルアナライザ３０９でモニタし、スペクトルの波長依存性を計測する。

図４に、石英導波路とシリコン導波路とを接合した回路で発生する反射戻り光のスペクトル測定方法を示す。石英系ＰＬＣの第１の導波路とシリコン光回路の第２の導波路の接続の際は、ギャップは第１の導波路を構成する部材である石英と同等の屈折率を有する接着剤４０５で満たしておき、第１の導波路の入力ポート１（４０７）から光４１０を入射し、第１の導波路と第２の導波路を接着している接着剤と第２の導波路のシリコンとの界面で反射された光４０６ａ、４０６ｂ、および第２の導波路のシリコンと空気との界面で反射された光４０６ｃ、４０６ｄの内、入力ポート２（４０８）から出射される光４０６ｅのスペクトルをスペクトルアナライザ４１１でモニタ、スペクトルの波長依存性を計測する。

ここで、光出力が最大かつ、スペクトルの波長依存性が石英基板単体で計測したスペクトルと最も近くなるよう調芯することで、基板間のギャップは等しくなり、第１の導波路と第２の導波路における反射戻り光はすべて第１の導波路の入力ポート２から出力され、ポート対間のギャップの差異に起因する位相誤差も解消される。

次に、第１の導波路と第２の導波路を上記のように接続したチップに、さらに石英系ＰＬＣの第３の導波路を接続する方法について説明する。

第３の導波路接続時も同様に、事前に石英系ＰＬＣの第３の導波路単体で入力ポート１から光を入射し、石英と空気の界面で反射された光のスペクトルを入力ポート２でモニタし、計測されたスペクトルの波長依存性を使用する。

第３の導波路と第２の導波路の接続の際は、ギャップは第３の導波路を構成する部材である石英と同等の屈折率を有する接着剤で満たしておき、第３の導波路の入力ポート１から光を入射し、第２の導波路と第３の導波路を接着している接着剤と第２の導波路のシリコンとの界面、および第２の導波路のシリコンと第１の導波路と第２の導波路を接着している接着剤との界面で反射された光のスペクトルを第３の導波路の入力ポート２でモニタする。

ここで、光出力が最大かつ、スペクトルの波長依存性が石英基板単体で計測したスペクトルと最も近くなるよう第２の導波路と第３の導波路を調芯することで、基板間のギャップは等しくなり、第２の導波路と第３の導波路における反射戻り光はすべて第３の導波路の入力ポート２から出力され、ポート対間のギャップの差異に起因する位相誤差も解消される。

１０１、２０１、４０１ シリコン光回路
１０２、２０２、３０１、５０２ 石英系ＰＬＣ
１０３、２０３、４０３、５０３、８０５ 位相シフタ
１０４ 入力導波路
１０５ 出力導波路
１０６、２０４、３０２、４０４ 方向性結合器
１０７、２０５、４０５、５０５、６０５、８１０ 接着剤
１０８ ギャップ
１０９、２０７、３０６、４０９、５０６、６０６、８１１ 光ファイバ
２０６、３０３、４０６ 反射戻り光
２０８、２０９、３０４、３０５、４０７、４０８、８０７、８０８ ポート
２１０、３０７、４１０、６０８、８１３ 入射光
３０９、４１１ スペクトルアナライザ
５０１ ＬＮ導波路
５０４ 斜め入射導波路
６０３、８０３ リファレンス回路
６０４、８０４ 本回路
６０７、８１２ 大口径ＰＤ
６０９、８１４ 出射光

Claims (5)

1. 方向性結合器を構成する材料Ａからなる第１の導波路を備えた第１の光回路と、位相シフタを構成する材料Ｂからなる第２の導波路を備えた第２の導波路と、方向性結合器を構成する材料Ａからなる第３の導波路を備えた第３の光回路とを結合したマッハツェンダ型マルチチップモジュールであって、
   前記第１ないし第２の導波路の各々が、光路長が等しく、伝搬光を前記平面光回路の端面に対して垂直に出射する２本の光導波路からなり、
   前記第１の導波路の２本の光導波路と前記第２の導波路の光導波路とが、同じ厚みの材料Ａと同等の屈折率を有する接着剤によって接合され、
   前記第２の導波路の２本の光導波路と前記第３の導波路の２本の光導波路とが、同じ厚みの材料Ａと同等の屈折率を有する接着剤によって接合されたことを特徴とするマッハツェンダ型マルチチップモジュール。
2. 前記材料Ａは石英ガラスであり、前記材料Ｂはシリコンであることを特徴とする請求項１に記載のマッハツェンダ型マルチチップモジュール。
3. マルチチップモジュールの実装方法であって、
   前記マルチチップモジュールが、方向性結合器を構成する材料Ａからなる第１の導波路を備えた第１の光回路と、材料Ｂからなる第２の導波路を備えた第２の光回路とを結合したものであり、前記第１および第２の導波路の各々が、光路長が等しく、伝搬光を前記平面光回路の端面に対して垂直に出射する２本の光導波路からなる場合、
   前記第１の導波路単体で、前記第１の導波路の一方の入力ポートから光を入射し、前記第１の導波路の他方の入力ポートから出射される、前記第１の導波路と空気との界面での反射戻り光のスペクトルの波長依存性を計測し、
   前記第１の導波路の２本の光導波路と前記第２の導波路の２本の光導波路とを材料Ａと同等の屈折率を有する接着剤によって接合するとき、前記第１の導波路の一方の入力ポートから光を入射し、前記第１の導波路の他方の入力ポートから出射される光のスペクトルを測定し、前記出力光信号の強度が最大、かつ前記スペクトルの波長依存性が前記第１の導波路単体での反射戻り光のスペクトルの波長依存性に最も近くなるように調芯することを特徴とするマルチチップモジュールの実装方法。
4. 前記マルチチップモジュールが、方向性結合器を構成する材料Ａからなる第３の導波路を前記第２の導波路にさらに結合したものであり、前記第３の導波路が、光路長が等しく、伝搬光を前記平面光回路の端面に対して垂直に出射する２本の光導波路からなる場合、
   前記第３の導波路単体で、前記第３の導波路の一方の入力ポートから光を入射し、前記第３の導波路の他方の入力ポートから出射される、前記第３の導波路と空気との界面での反射戻り光のスペクトルの波長依存性を計測し、
   前記第２の導波路の２本の光導波路と前記第３の導波路の２本の光導波路とを材料Ａと同等の屈折率を有する接着剤によって接合するとき、前記第３の導波路の一方の入力ポートから入力光信号を入射し、前記第３の導波路の他方の入力ポートから出射される光のスペクトルを測定し、前記出力光信号の強度が最大、かつ前記スペクトルの波長依存性が前記第３の導波路単体での反射戻り光のスペクトルの波長依存性に最も近くなるように調芯することを特徴とする請求項３に記載のマルチチップモジュールの実装方法。
5. 前記材料Ａは石英ガラスであり、前記材料Ｂはシリコンであることを特徴とする請求項３又は４に記載のマルチチップモジュールの実装方法。

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