JP2016161915A - Optical waveguide device and optical device - Google Patents

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近藤 順悟
Jungo Kondo
順悟 近藤
哲也 江尻
Tetsuya Ejiri
哲也 江尻
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical waveguide device and an optical device that can increase the near field diameter of a light in an optical transmission part of an optical transmission element and can reduce the length of an element of an optical waveguide substrate, in optical coupling of the optical waveguide substrate to another optical transmission element.SOLUTION: An optical waveguide substrate 1 includes: a supporting substrate 15; a clad 14 on the supporting substrate 5; and a core 2 on the clad 14 for propagating lights, having an entrance part 2a for receiving entrance of lights and an exit end surface 2b emitting the propagated lights. The exit end surface 2b of the core 2 has a concave part 5 recessed with respect to an exit-side end surface 14a of the clad 14.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、光導波路素子および光学デバイスに関するものである。   The present invention relates to an optical waveguide element and an optical device.

回折格子を、半導体とは異なる部品とし、外部で共振器を形成する、外部共振器型半導体レーザが開発されている。このタイプのレーザは、波長安定性、温度安定性、制御性がよいレーザとなる。外部共振器は、ファイバ・ブラッグ・グレーティング(FBG)(非特許文献1)や、ボリューム・ホログラム・グレーティング(VHG)(非特許文献2)がある。回折格子を、半導体レーザとは別部材で構成するので、反射率、共振器長を個別に設計できるという特徴があり、電流注入による発熱による温度上昇の影響を受けないので、波長安定性をさらに良くすることができる。また、半導体の屈折率の温度変化が異なるので、共振器長と合わせて設計することにより、温度安定性を高めることができる。   An external resonator type semiconductor laser has been developed in which a diffraction grating is a component different from a semiconductor and a resonator is formed outside. This type of laser is a laser with good wavelength stability, temperature stability, and controllability. The external resonator includes a fiber Bragg grating (FBG) (Non-patent Document 1) and a volume hologram grating (VHG) (Non-patent Document 2). Since the diffraction grating is composed of a separate member from the semiconductor laser, it has the feature that the reflectance and resonator length can be individually designed, and it is not affected by the temperature rise due to heat generation due to current injection. Can be better. Further, since the temperature change of the refractive index of the semiconductor is different, the temperature stability can be improved by designing it together with the resonator length.

特許文献1(特開2002-134833)には、石英ガラス導波路に形成したグレーティングを利用した外部共振器型レーザが開示されている。これは温度コントローラなしで室温が大きく(例えば30℃以上)変化する環境で使える、周波数安定化レーザを提供しようとするものである。また、モードホッピングが抑圧され、かつ発振周波数の温度依存性がない温度無依存レーザを提供することが記載されている。   Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-134833) discloses an external resonator type laser using a grating formed in a quartz glass waveguide. This is to provide a frequency stabilized laser that can be used in an environment where the room temperature changes greatly (for example, 30 ° C. or more) without a temperature controller. Further, it is described that a temperature-independent laser in which mode hopping is suppressed and the oscillation frequency is not temperature-dependent is provided.

こうした外部共振器型の発光装置を更に光導波路素子や光ファイバアレイに結合した光学デバイスには、以下の3つの方式がある。   There are the following three types of optical devices in which such an external resonator type light emitting device is further coupled to an optical waveguide element or an optical fiber array.

方式1では、半導体レーザ内蔵グレーティング素子を光導波路素子と光軸合わせし、接合する(特許文献3)。   In system 1, the grating element with a built-in semiconductor laser is optically aligned with the optical waveguide element and bonded (Patent Document 3).

方式2では、半導体レーザ光源と、グレーティングを内蔵した光導波路素子や光ファイバとを結合し、アライメントする(特許文献4、特許文献5)。   In method 2, a semiconductor laser light source and an optical waveguide element or optical fiber with a built-in grating are coupled and aligned (Patent Documents 4 and 5).

方式3では、半導体レーザ光源と、グレーティング素子と、光導波路素子との三つの部品を光学的に結合する(特許文献6)。   In method 3, three components, a semiconductor laser light source, a grating element, and an optical waveguide element, are optically coupled (Patent Document 6).

しかし、方式3では、サブミクロン精度のアライメントが必要であり、タクトがかかり、製品化が難しい。このため方式1、2のように半導体レーザ、あるいは導波路、ファイバにグレーティングを集積化する技術が提案されている。   However, the method 3 requires submicron alignment, which is tact and difficult to commercialize. For this reason, a technique for integrating a grating in a semiconductor laser, a waveguide, or a fiber has been proposed as in methods 1 and 2.

特開2002-134833JP2002-134833 特願2013−120999Japanese Patent Application No. 2013-120999 米国特許公開 2008/0291951A1US Patent Publication 2008 / 0291951A1 WO 2013−034813WO 2013-034813 特開2000−082864JP 2000-082864 A 特開2002−134833JP2002-134833 特願2014−122161Japanese Patent Application No. 2014-122161

電子情報通信学会論文誌 C‐II Vol.J81, No.7pp.664-665, 1998年7月IEICE Transactions C-II Vol.J81, No.7pp.664-665, July 1998 電子情報通信学会技術研究報告 LQE, 2005年 105巻 52号 pp.17-20IEICE technical report LQE, 2005 Vol. 105, No. 52, pp.17-20 古河電工時報 平成12年1月 第105号 p24-29Furukawa Electric Times, January 2000, Issue 105, p24-29

しかし、半導体レーザをグレーティングにより波長安定化動作するためには、数100nmのグレーティングピッチで、ウエハ内に1nm以下の精度で均一に製造する必要がある。このグレーティングパターンを形成するためには、電子ビーム描画装置、ステッパ、ナノインプリント装置が利用されるが、ウエハの反り、表面凹凸の仕様が厳しい。このため半導体レーザ光源や光導波路にブラッググレーティングを内蔵する場合には、これらの素子形成による反り、凹凸により、グレーティング形成の歩留まりが悪くなる。更に、各素子の微細構造が互いに干渉しあったり、製造プロセスが干渉するために複雑なマスキングが必要になる。これらのことから、方式3のように、三つの部品を個別実装したいという要求がある。   However, in order to stabilize the wavelength of a semiconductor laser using a grating, it is necessary to manufacture the semiconductor laser uniformly with an accuracy of 1 nm or less in a wafer at a grating pitch of several hundred nm. In order to form the grating pattern, an electron beam lithography apparatus, a stepper, and a nanoimprint apparatus are used, but the specifications of the warpage of the wafer and the surface irregularities are severe. For this reason, when a Bragg grating is built in a semiconductor laser light source or an optical waveguide, the yield of the grating formation becomes poor due to warpage and unevenness caused by the formation of these elements. Further, complicated masking is required because the fine structure of each element interferes with each other and the manufacturing process interferes. For these reasons, there is a demand for individually mounting three components as in method 3.

本出願人は、特許文献7記載のように、グレーティング素子と別体の光伝送素子との間での設計を工夫することにより、実装時のトレランスの許容幅を大きくすることを提案した。   As described in Patent Document 7, the present applicant has proposed to increase the tolerance of mounting at the time of mounting by devising the design between the grating element and the separate optical transmission element.

しかし、更に検討を進めると、問題点も生じてきた。すなわち、グレーティング素子の出射部と光伝送素子の入射部との間での光の結合の裕度を向上させるためには、グレーティング素子からの出射光のスポットサイズを大きくする必要がある。一方、ブラッググレーティング内での光のスポットサイズが大きすぎると、グレーティング素子に入射する光のスポットサイズと合わないので、ブラッググレーティングにおける光のスポットサイズはある程度小さくすることが必要である。   However, further investigations have raised problems. That is, in order to improve the tolerance of light coupling between the emission part of the grating element and the incident part of the optical transmission element, it is necessary to increase the spot size of the emitted light from the grating element. On the other hand, if the spot size of the light in the Bragg grating is too large, it does not match the spot size of the light incident on the grating element. Therefore, it is necessary to reduce the spot size of the light in the Bragg grating to some extent.

このため、特許文献7では、本発明者は、グレーティング素子内のリッジ型光導波路幅を、光の伝搬方向に向かって徐々に大きくするような拡大テーパ部分を設けることを提案した。これによって、グレーティング素子の出射部における光導波路幅を拡張するものである。   For this reason, in Patent Document 7, the present inventor has proposed to provide an enlarged taper portion that gradually increases the width of the ridge-type optical waveguide in the grating element in the light propagation direction. As a result, the width of the optical waveguide at the emission part of the grating element is expanded.

しかし、リッジ型光導波路幅を徐々に大きくするテーパ部を設けた場合、出射部で所望の光スポットサイズ(水平方向のニアフィールド径)を得るためには、実際にはかなりの素子長が必要になった。これは光導波路コア内での光の広がり方に限界があるためである。この結果、グレーティング素子の素子長が長くなるという問題があった。   However, when a tapered part that gradually increases the width of the ridge-type optical waveguide is provided, in order to obtain a desired light spot size (horizontal near-field diameter) at the output part, a considerable element length is actually required. Became. This is because there is a limit to how light spreads within the optical waveguide core. As a result, there is a problem that the element length of the grating element becomes long.

本発明の課題は、光導波路基板を別体の光伝送素子に対して光学結合するのに際して、光導波路基板の素子長を短くできるようにし、光伝送素子への光挿入損失を低減することである。   An object of the present invention is to reduce the optical insertion loss to an optical transmission element by enabling the optical waveguide board to be shortened when optically coupling the optical waveguide board to a separate optical transmission element. is there.

本発明は、支持基板、
支持基板上に設けられたクラッド、および
このクラッド上に設けられ、光を伝搬させるためのコアであって、光が入射する入射部および伝搬光を出射する出射端面を有するコアを備えている光導波路基板であって、
コアの前記出射端面にクラッドの出射側端面に対して凹んだ凹部が形成されていることを特徴とする。
The present invention provides a support substrate,
A clad provided on a support substrate, and an optical core provided on the clad and having a core for propagating light, the core having an incident part where light enters and an output end face from which propagated light is emitted A waveguide substrate,
A concave portion that is recessed with respect to the outgoing side end face of the cladding is formed on the outgoing end face of the core.

また、本発明は、前記光導波路基板と光伝送素子とを備える光学デバイスであって、
光伝送素子が、コアの出射端面からの出射光が入射する入射部を有する光伝送部を備えていることを特徴とする。
The present invention is an optical device comprising the optical waveguide substrate and an optical transmission element,
The optical transmission element includes an optical transmission unit having an incident part on which outgoing light from the outgoing end face of the core is incident.

本発明者は、光導波路基板を別体の光伝送素子に対して光学結合するのに際して、光導波路基板の素子長を短くする方法を検討した。   The inventor studied a method for shortening the element length of the optical waveguide substrate when optically coupling the optical waveguide substrate to a separate optical transmission element.

この過程で、チャネル型光導波路のコアの出射端面と光伝送部との間の間隔を大きくすることで、コアからの出射光を横方向に拡散させ、光伝送部材に入射するときのモードフィールド径を広げることも想到した。しかし、この場合には、光伝送部材に入射するときに各部分の光の位相がズレるために、光伝送部材への光の挿入損失が大きくなる。   In this process, the space between the output end face of the core of the channel-type optical waveguide and the optical transmission unit is increased to diffuse the outgoing light from the core in the lateral direction and enter the optical transmission member. I also thought about expanding the diameter. However, in this case, the phase of the light of each part is shifted when entering the optical transmission member, so that the insertion loss of the light into the optical transmission member increases.

このため、本発明者は、チャネル型光導波路のコアの出射端面に、
クラッドの出射側端面に対して凹んだ凹部を形成することを想到した。これによって、光伝送部材に入射するときに各部分の光の位相を合わせることでき、これによって光伝送部材への光の挿入損失を低減することが可能になった。
For this reason, the present inventor, on the output end face of the core of the channel type optical waveguide,
It was conceived to form a recessed portion that was recessed with respect to the emission side end face of the cladding. As a result, the phase of the light of each part can be matched when entering the optical transmission member, and this makes it possible to reduce the insertion loss of light into the optical transmission member.

本発明の光導波路基板1および光伝送部材6を示す模式的平面図である。1 is a schematic plan view showing an optical waveguide substrate 1 and an optical transmission member 6 of the present invention. 図1の光導波路基板1を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the optical waveguide board | substrate 1 of FIG. (a)、(b)、(c)は、それぞれ、光導波路基板1、1A、1Bを模式的に示す横断面図である。(A), (b), (c) is a cross-sectional view schematically showing the optical waveguide substrate 1, 1A, 1B, respectively. (a)、(b)、(c)は、それぞれ、光導波路基板1C、1D、1Eを模式的に示す横断面図である。(A), (b), (c) is a cross-sectional view schematically showing the optical waveguide substrates 1C, 1D, and 1E, respectively. (a)、(b)は、それぞれ、光導波路基板1F、1Gを模式的に示す横断面図である。(A), (b) is a cross-sectional view which shows typically the optical waveguide substrates 1F and 1G, respectively. 光導波路基板1Hを模式的に示す横断面図である。It is a cross-sectional view schematically showing the optical waveguide substrate 1H. いわゆるハイメサ型の光導波路を模式的に示す横断面図である。It is a cross-sectional view schematically showing a so-called high mesa type optical waveguide. 光源素子、グレーティング素子および光伝送部材の結合構造を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the coupling structure of a light source element, a grating element, and an optical transmission member. 光源素子、グレーティング素子および光伝送部材の結合構造を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the coupling structure of a light source element, a grating element, and an optical transmission member. 光源素子、グレーティング素子および光伝送部材の結合構造を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the coupling structure of a light source element, a grating element, and an optical transmission member. 光源素子、グレーティング素子および光伝送部材の結合構造を模式的に示す側面図である。It is a side view which shows typically the coupling structure of a light source element, a grating element, and an optical transmission member. 実施例における計算条件を示す図である。It is a figure which shows the calculation conditions in an Example. 光の広がり実験の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the spreading experiment of light.

本発明の光導波路基板は、グレーティング素子の他、光フィルタ、偏光素子、光変調器、光アイソレータに好適に利用できる。   The optical waveguide substrate of the present invention can be suitably used for optical filters, polarizing elements, optical modulators, and optical isolators in addition to grating elements.

図1は、本発明の実施形態に係る光導波路基板1と光伝送部材6との結合構造を示し、図2は光導波路基板1の斜視図である。   FIG. 1 shows a coupling structure of an optical waveguide substrate 1 and an optical transmission member 6 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view of the optical waveguide substrate 1.

本例の光導波路基板1においては、支持基板15上にアンダークラッド層14が形成されており、クラッド層14上に光学材料層16が形成されている。光学材料層には、一対のリッジ溝3が形成されており、リッジ溝3の間にリッジ型光導波路のコア2が形成されている。各リッジ溝3の下には肉薄部13が形成されており、各リッジ溝3の外側にはそれぞれ延在部4が形成されている。2aは光の入射部であり、2bは光の出射端面である。   In the optical waveguide substrate 1 of this example, an under cladding layer 14 is formed on a support substrate 15, and an optical material layer 16 is formed on the cladding layer 14. A pair of ridge grooves 3 are formed in the optical material layer, and a core 2 of a ridge type optical waveguide is formed between the ridge grooves 3. A thin portion 13 is formed under each ridge groove 3, and an extending portion 4 is formed outside each ridge groove 3. 2a is a light incident part, and 2b is a light emitting end face.

一方、本例では光伝送部材6を設置し、光導波路基板1の出射端面に対して所定間隔をおいて対向させている。光伝送部材6には光伝送部7が形成されており、光伝送部7の入射部7aがコア2の出射端面2bに対向している。本例では、光伝送部7が、一対のリッジ溝8によって成形されており、各リッジ溝8の外側に延在部9が形成されている。   On the other hand, in this example, the optical transmission member 6 is installed and is opposed to the emission end face of the optical waveguide substrate 1 with a predetermined interval. An optical transmission part 7 is formed on the optical transmission member 6, and an incident part 7 a of the optical transmission part 7 faces the emission end face 2 b of the core 2. In this example, the optical transmission part 7 is formed by a pair of ridge grooves 8, and an extension part 9 is formed outside each ridge groove 8.

そして、本例では、コア2の出射端面2bにおける幅Woutが光伝送部7の入射部7aにおける幅よりも小さくなっている。この状態でコア2の出射端面2bから光11を出射させると、光11が空間伝搬しながら拡散し、光伝送部7の入射部7aに入射する。 In this example, the width W out at the exit end surface 2 b of the core 2 is smaller than the width at the incident portion 7 a of the optical transmission unit 7. In this state, when the light 11 is emitted from the emission end face 2 b of the core 2, the light 11 is diffused while being spatially propagated and is incident on the incident portion 7 a of the optical transmission unit 7.

ここで、本例では、コア2の出射端面2bがクラッドの端面14aに比べて凹んでおり、凹部5を形成している。これによって、光11が光伝送部7の入射部7aに到達したときの位相のズレを低減し、光伝送部材への光挿入損失を低減することができる。矢印Aは、光伝送部内での伝搬光の光電解分布を示す。   Here, in this example, the exit end face 2b of the core 2 is recessed as compared with the end face 14a of the cladding, and the recess 5 is formed. Thereby, the phase shift when the light 11 reaches the incident part 7a of the optical transmission part 7 can be reduced, and the optical insertion loss to the optical transmission member can be reduced. An arrow A indicates a photoelectrolytic distribution of propagating light in the optical transmission unit.

好適な実施形態においては、図1に示すように、凹部5の輪郭が湾曲線を形成している。この場合、支持基板と反対側の光導波路基板の主面1aから光導波路基板を観察するものとする。これによって、光伝送部の入射部に到達するときの光の位相差を更に低減できる。   In a preferred embodiment, as shown in FIG. 1, the contour of the recess 5 forms a curved line. In this case, the optical waveguide substrate is observed from the main surface 1a of the optical waveguide substrate opposite to the support substrate. Thereby, the phase difference of the light when reaching the incident part of the optical transmission part can be further reduced.

更に好適な実施形態においては、支持基板と反対側の光導波路基板の主面から光導波路基板を観察したとき、凹部5の輪郭が弧状をなしている。特に好ましくは凹部5の輪郭が円弧状をなす。   In a more preferred embodiment, when the optical waveguide substrate is observed from the main surface of the optical waveguide substrate opposite to the support substrate, the contour of the recess 5 is arcuate. Particularly preferably, the contour of the recess 5 is arcuate.

基準面であるクラッド14の出射側端面14aからみた時の凹部5の深さHは、光導波路基板と光伝送基板との間隔やモードフィールド径に依存する。しかし、Wout/Hは、例えば1〜50であることが好ましく、5〜30であることが更に好ましい。 The depth H of the recess 5 when viewed from the emission side end face 14a of the clad 14 as the reference surface depends on the distance between the optical waveguide substrate and the optical transmission substrate and the mode field diameter. However, W out / H is preferably 1 to 50, for example, and more preferably 5 to 30.

また、凹部5の輪郭の曲率半径は、Wout/2〜100×Woutであることが好ましく、3×Wout〜15×Woutであることが更に好ましい。具体的に、Woutが3μmとした場合に、9〜45μmであることが好ましい。 The curvature radius of the contour of the recess 5 is preferably W out / 2 to 100 × W out , and more preferably 3 × W out to 15 × W out . Specifically, when W out is 3 μm, it is preferably 9 to 45 μm.

以下、光導波路の断面構造について例示する。
図3(a)に示す光導波路基板1では、支持基板15上にアンダークラッド層14を介して光学材料層16が形成されている。光学材料層16には例えば一対のリッジ溝3が形成されており、リッジ溝3の間にリッジ型の光導波路コア2が形成されている。アンダークラッド層14および雰囲気がクラッドとして機能する。コアの両側に肉薄部13が形成されており、各リッジ溝の外側に延在部4が形成されている。本例ではリッジ溝がアンダークラッド層まで到達しておらず、肉薄部13を残している。
Hereinafter, the cross-sectional structure of the optical waveguide will be exemplified.
In the optical waveguide substrate 1 shown in FIG. 3A, an optical material layer 16 is formed on a support substrate 15 with an under cladding layer 14 interposed. For example, a pair of ridge grooves 3 are formed in the optical material layer 16, and a ridge-type optical waveguide core 2 is formed between the ridge grooves 3. The under cladding layer 14 and the atmosphere function as a cladding. Thin portions 13 are formed on both sides of the core, and extending portions 4 are formed outside the ridge grooves. In this example, the ridge groove does not reach the under cladding layer, and the thin portion 13 remains.

この場合、ブラッググレーティングは光学材料層の平坦面側に形成していてもよく、リッジ溝側に形成していてもよい。ブラッググレーティングおよびリッジ溝の形状ばらつきを低減するという観点では、ブラッググレーティングを平坦面側に形成することによって、ブラッググレーティングとリッジ溝とを光学材料層の反対側に設けることが好ましい。   In this case, the Bragg grating may be formed on the flat surface side of the optical material layer, or may be formed on the ridge groove side. From the viewpoint of reducing variations in the shapes of the Bragg grating and the ridge groove, it is preferable to provide the Bragg grating and the ridge groove on the opposite side of the optical material layer by forming the Bragg grating on the flat surface side.

図3(b)の光導波路基板1Aでは、光学材料層16上に、クラッドとして機能するオーバークラッド層20を形成している。   In the optical waveguide substrate 1 </ b> A of FIG. 3B, an over clad layer 20 that functions as a clad is formed on the optical material layer 16.

また、図3(c)の光導波路基板1Bでは、支持基板15上にアンダークラッド層14を介して光学材料層16が形成されている。光学材料層16には例えば一対のリッジ溝3が形成されており、リッジ溝の間にリッジ型の光導波路コア2が形成されている。本例ではリッジ溝がアンダークラッド層側に形成されている。そして、光学材料層16上にオーバークラッド層20が形成されている。
アンダークラッド層と支持基板との間には接着層を設けることができる。
In the optical waveguide substrate 1B of FIG. 3C, the optical material layer 16 is formed on the support substrate 15 with the under cladding layer 14 interposed. For example, a pair of ridge grooves 3 are formed in the optical material layer 16, and a ridge-type optical waveguide core 2 is formed between the ridge grooves. In this example, a ridge groove is formed on the under cladding layer side. An over clad layer 20 is formed on the optical material layer 16.
An adhesive layer can be provided between the undercladding layer and the support substrate.

リッジ型光導波路において、リッジ溝の下にある光学材料を除去してしまうことで、ストライプ状の細長いコアを形成することもできる。この場合には、リッジ型光導波路が、光学材料からなる細長いコアからなり、コアの横断面が凸図形をなしている。このコアの周りには、アンダークラッド、オーバークラッドおよび構造によっては空気層が存在している。   In the ridge-type optical waveguide, the strip-shaped elongated core can be formed by removing the optical material under the ridge groove. In this case, the ridge-type optical waveguide is composed of an elongated core made of an optical material, and the cross section of the core forms a convex figure. There is an air layer around the core, depending on the underclad, overclad, and structure.

凸図形とは、コアの横断面の外側輪郭線の任意の二点を結ぶ線分が、コアの横断面の外側輪郭線の内側に位置することを意味する。このような図形としては、三角形、四角形、六角形、八角形などの多角形、円形、楕円形などを例示できる。四角形としては、特に、上辺と下辺と一対の側面を有する四角形が好ましく、台形が特に好ましい。   The convex figure means that a line segment connecting any two points of the outer contour line of the core cross section is located inside the outer contour line of the core cross section. Examples of such figures include triangles, quadrangles, hexagons, octagons, and other polygons, circles, ellipses, and the like. As the quadrangle, a quadrangle having an upper side, a lower side and a pair of side surfaces is particularly preferable, and a trapezoid is particularly preferable.

図4(a)の光導波路基板1Cでは、支持基板15上にアンダークラッド層14が形成されており、アンダークラッド層14上にコア22が形成されている。コアの横断面(光伝搬方向と垂直な方向の断面)形状は台形であり、光導波路は細長く伸びている。本例では、コア22の上側面22aが下側面22bよりも狭くなっている。   In the optical waveguide substrate 1 </ b> C of FIG. 4A, the under cladding layer 14 is formed on the support substrate 15, and the core 22 is formed on the under cladding layer 14. The cross section of the core (cross section in the direction perpendicular to the light propagation direction) has a trapezoidal shape, and the optical waveguide extends elongated. In this example, the upper side surface 22a of the core 22 is narrower than the lower side surface 22b.

図4(b)の光導波路基板1Dでは、支持基板15上にクラッド層23が形成されており、クラッド層23内にコア22が埋設されている。コア22の横断面(光伝搬方向と垂直な方向の断面)形状は台形であり、コアは細長く伸びている。本例では、コア22の上側面22aが下側面22bよりも狭くなっている。クラッド層23は、コア22上のオーバークラッド23b、アンダークラッド23aおよびコア22の側面を被覆する側面クラッド23cを含む。   In the optical waveguide substrate 1 </ b> D of FIG. 4B, a clad layer 23 is formed on the support substrate 15, and a core 22 is embedded in the clad layer 23. The core 22 has a trapezoidal transverse cross section (cross section perpendicular to the light propagation direction), and the core extends elongated. In this example, the upper side surface 22a of the core 22 is narrower than the lower side surface 22b. The clad layer 23 includes an over clad 23 b on the core 22, an under clad 23 a, and a side clad 23 c that covers the side surfaces of the core 22.

図4(c)の光導波路基板1Eでは、支持基板15上にクラッド層23が形成されており、クラッド層23内にコア22Aが埋設されている。コア22Aの横断面(光伝搬方向と垂直な方向の断面)形状は台形であり、コアは細長く伸びている。本例では、コア22Aの下側面22bが上側面22aよりも狭くなっている。23bはオーバークラッドであり、23aはアンダークラッドである。   In the optical waveguide substrate 1 </ b> E of FIG. 4C, the cladding layer 23 is formed on the support substrate 15, and the core 22 </ b> A is embedded in the cladding layer 23. The cross section of the core 22A (the cross section in the direction perpendicular to the light propagation direction) is trapezoidal, and the core extends elongated. In this example, the lower side surface 22b of the core 22A is narrower than the upper side surface 22a. 23b is an overclad, and 23a is an underclad.

図5(a)の光導波路基板1Fでは、支持基板15上にアンダークラッド層14が形成されており、アンダークラッド層14上にコア22が形成されている。そして、コア22が、別のクラッド24によって包含され、埋設されている。クラッド24は、オーバークラッド24aおよび側面クラッド24bからなる。本例では、コア22の上側面22aが下側面22bよりも狭くなっている。   In the optical waveguide substrate 1 </ b> F of FIG. 5A, the under cladding layer 14 is formed on the support substrate 15, and the core 22 is formed on the under cladding layer 14. The core 22 is included and buried by another clad 24. The clad 24 includes an over clad 24a and a side clad 24b. In this example, the upper side surface 22a of the core 22 is narrower than the lower side surface 22b.

図5(b)の光導波路基板1Gでは、支持基板15上にアンダークラッド層14が形成されており、アンダークラッド層14上にコア22Aが形成されている。そして、コア22Aが、別のクラッド層24によって包含され、埋設されている。クラッド層24は、オーバークラッド24aおよび側面クラッド24bからなる。本例では、コア24Aの下側面24bが上側面24aよりも狭くなっている。   In the optical waveguide substrate 1 </ b> G of FIG. 5B, the under cladding layer 14 is formed on the support substrate 15, and the core 22 </ b> A is formed on the under cladding layer 14. The core 22 </ b> A is included and buried by another cladding layer 24. The clad layer 24 includes an over clad 24a and a side clad 24b. In this example, the lower side surface 24b of the core 24A is narrower than the upper side surface 24a.

更に図6に示すような形態の光導波路基板1Hも利用可能である。すなわち、支持基板15上にアンダークラッド層14が形成されており、アンダークラッド層14上にコア22が形成されている。そして、コア22の両側に溝28が形成されており、各溝28の外側にそれぞれ延在部4が形成されている。本例では、リッジ溝がアンダークラッド層14まで切り込まれており、溝下の肉薄部は残留していない。   Furthermore, an optical waveguide substrate 1H having a form as shown in FIG. 6 can also be used. That is, the under cladding layer 14 is formed on the support substrate 15, and the core 22 is formed on the under cladding layer 14. And the groove | channel 28 is formed in the both sides of the core 22, and the extension part 4 is formed in the outer side of each groove | channel 28, respectively. In this example, the ridge groove is cut to the under cladding layer 14, and the thin portion below the groove does not remain.

光導波路の形状については、図7に示すように、ハイメサ構造といわれるものであってもよい。この構造62は、支持基板61の上にアンダークラッド層63を形成し、その上にコア64を形成し、その上にオーバークラッド層65を形成したものである。   The shape of the optical waveguide may be a high mesa structure as shown in FIG. In this structure 62, an under cladding layer 63 is formed on a support substrate 61, a core 64 is formed thereon, and an over cladding layer 65 is formed thereon.

なお、光導波路コアの幅Wは、コアを伝搬方向に対して垂直な横断面で切って得られる横断面図において、幅の最小値とする。また、Tは、コアの厚さとする。 The width W of the optical waveguide core is the minimum value of the width in a cross-sectional view obtained by cutting the core with a cross section perpendicular to the propagation direction. T s is the thickness of the core.

コアの屈折率は1.8以上が好ましく、1.9以上が更に好ましい。またコアの材質としては、Ta、ZnO、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、酸化アルミニウム(Al)、TiOが好ましい。 The refractive index of the core is preferably 1.8 or more, and more preferably 1.9 or more. The core material is preferably Ta 2 O 5 , ZnO, lithium niobate, lithium tantalate, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or TiO 2 .

コアは、アンダークラッド上に薄膜形成法によって成膜して形成してもよい。こうした薄膜形成法としては、スパッタ、蒸着、CVDを例示できる。   The core may be formed by forming a film on the undercladding by a thin film forming method. Examples of such a thin film forming method include sputtering, vapor deposition, and CVD.

アンダークラッド、オーバークラッドは、光導波路コアのクラッドとして機能する。この観点からは、アンダークラッドの屈折率は、コアの屈折率よりも低いことが好ましく、その屈折率差は0.2以上が好ましく、0.4以上が更に好ましい。   The under clad and over clad function as the clad of the optical waveguide core. From this viewpoint, the refractive index of the underclad is preferably lower than the refractive index of the core, and the refractive index difference is preferably 0.2 or more, and more preferably 0.4 or more.

こうした観点からは、アンダークラッド、オーバークラッドの材質は、SiO、酸化アルミニウム(Al)、ポリイミド、MgFを例示できる。 From such a viewpoint, examples of the material of the under clad and the over clad include SiO 2 , aluminum oxide (Al 2 O 3 ), polyimide, and MgF.

支持基板の具体的材質は特に限定されず,ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Siなどを例示することができる。   The specific material of the support substrate is not particularly limited, and examples thereof include glass such as lithium niobate, lithium tantalate, and quartz glass, quartz, and Si.

本発明の光学デバイスは、本発明の光導波路基板と光伝送素子とを備えており、光伝送素子が、コアの出射端面からの出射光が入射する入射部を有する光伝送部を備えている。   The optical device of the present invention includes the optical waveguide substrate of the present invention and an optical transmission element, and the optical transmission element includes an optical transmission unit having an incident part on which light emitted from the exit end face of the core is incident. .

図8〜図10は、それぞれ、本発明に係る光学デバイスに係るものである。また、図11は、図9の光学デバイスの側面図である。   8 to 10 each relate to an optical device according to the present invention. FIG. 11 is a side view of the optical device of FIG.

図8に模式的に示す光学デバイスは、半導体レーザ光を発振する光源37と、グレーティング素子31と、光伝送素子40とを備えている。本例では、光伝送素子40として光導波路素子を使用しているが、光伝送素子の光導波路を光ファイバに変更できる。   The optical device schematically shown in FIG. 8 includes a light source 37 that oscillates semiconductor laser light, a grating element 31, and an optical transmission element 40. In this example, an optical waveguide element is used as the optical transmission element 40, but the optical waveguide of the optical transmission element can be changed to an optical fiber.

光源37とグレーティング素子31とは、図示しない共通基板上に実装されていてよい。また、グレーティング素子31と光伝送素子40は、図示しない共通基板上に実装されていてよい。   The light source 37 and the grating element 31 may be mounted on a common substrate (not shown). Further, the grating element 31 and the optical transmission element 40 may be mounted on a common substrate (not shown).

光源37は、半導体レーザ光を発振する活性層38を備えている。活性層38の外側端面38aには反射膜を設けることもできる。活性層38のグレーティング素子側の端面38bには、無反射膜または反射膜を形成することもできる。   The light source 37 includes an active layer 38 that oscillates semiconductor laser light. A reflective film may be provided on the outer end face 38 a of the active layer 38. A non-reflective film or a reflective film may be formed on the end surface 38b of the active layer 38 on the grating element side.

グレーティング素子31の光学材料層44には光導波路35が形成されている。光導波路35は、回折格子のない入射側伝搬部33、ブラッググレーティングの設けられたグレーティング部32および回折格子のない出射側伝搬部34を備えている。出射側伝搬部34は、グレーティング部32に隣接する定幅部34a、コア幅が徐々に拡大するテーパ部34b、および一定幅の出射部34cを備えている。入射側伝搬部33、グレーティング部32におけるコア幅はWin、Wgrであり、出射部34cにおけるコア幅はWoutである。 An optical waveguide 35 is formed in the optical material layer 44 of the grating element 31. The optical waveguide 35 includes an incident side propagation part 33 without a diffraction grating, a grating part 32 provided with a Bragg grating, and an output side propagation part 34 without a diffraction grating. The emission side propagation part 34 includes a constant width part 34a adjacent to the grating part 32, a tapered part 34b in which the core width gradually increases, and an emission part 34c having a constant width. The core widths at the incident side propagation part 33 and the grating part 32 are W in and W gr , and the core width at the emission part 34 c is W out .

グレーティング素子31の出射側端面に対向するように光伝送部材40が設置されている。光伝送部材40には光導波路41が形成されている。光導波路41は、一定幅の入射部41a、光導波路幅が徐々に縮小するテーパ部41bおよび一定幅の出射部41cを備えている。42は入射面であり、43は出射面である。   An optical transmission member 40 is installed so as to face the emission-side end face of the grating element 31. An optical waveguide 41 is formed in the optical transmission member 40. The optical waveguide 41 includes an incident portion 41a having a constant width, a tapered portion 41b in which the width of the optical waveguide is gradually reduced, and an emitting portion 41c having a constant width. Reference numeral 42 denotes an entrance surface, and 43 denotes an exit surface.

本例では、グレーティング素子31のコアの出射端面35bにおける幅Woutが、ブラッググレーティングにおける光導波路コアの幅Wgr、入射部におけるコア幅Winよりも大きくなっている。また、グレーティング素子31のコアの出射端面35bにおけるモードフィールドパターンの水平方向のニアフィールド径Boutが、入射部における水平方向のニアフィールド径Binよりも大きくなっている。 In this example, the width W out of the exit end face 35b of the core of the grating element 31, the width W gr of optical waveguide core in a Bragg grating is larger than the core width W in the entrance section. The horizontal direction of the near field diameter B out of the mode field pattern at the output end face 35b of the core of the grating element 31 is larger than the horizontal direction of the near-field diameter B in the entrance portion.

更に、本例では、光伝送部41の出射部41cにおける水平方向のニアフィールド径Doutが、入射部41aにおける水平方向のニアフィールド径Dinよりも小さくなっている。これとともに、光伝送部41aにおける水平方向のニアフィールド径Dinが、グレーティング素子31の出射部34cにおける水平方向のニアフィールド径Boutよりも大きくなっている。 Further, in this embodiment, the horizontal direction of the near-field diameter D out at the exit portion 41c of the optical transmission section 41 is smaller than the horizontal direction of the near-field diameter D in the incident portion 41a. At the same time, the horizontal near-field diameter D in in the optical transmission section 41a is larger than the horizontal near-field diameter B out in the emission section 34c of the grating element 31.

図9のデバイスにおいては、光源素子37、グレーティング素子31Aおよび光伝送部材40Aが光学的に結合されている。本例では、グレーティング素子31Aの光学材料層44には光導波路35Aが形成されている。光導波路35Aは、回折格子のない入射側伝搬部33A、グレーティング部32および回折格子のない出射側伝搬部34Aを備えている。入射側伝搬部33Aは、一定幅の入射部33a、コア幅が徐々に縮小するテーパ部33bおよび一定幅の定幅部33cを備えている。また、出射側伝搬部34Aは、グレーティング部32に隣接する定幅部34aおよびコア幅Wが徐々に拡大するテーパ部34dを備えている。入射部33aにおけるコア幅はWinであり、グレーティング素子32におけるコア幅はWgrであり、出射部34dにおけるコア幅の最大値はWoutである。 In the device of FIG. 9, the light source element 37, the grating element 31A, and the optical transmission member 40A are optically coupled. In this example, an optical waveguide 35A is formed in the optical material layer 44 of the grating element 31A. The optical waveguide 35A includes an incident side propagation part 33A without a diffraction grating, a grating part 32, and an emission side propagation part 34A without a diffraction grating. The incident side propagation part 33A includes an incident part 33a having a constant width, a tapered part 33b in which the core width is gradually reduced, and a constant width part 33c having a constant width. Also, exit side propagating portion 34A is of constant width portion 34a and the core width W m adjacent to the grating portion 32 is provided with a tapered portion 34d which gradually expanded. The core width in the incident portion 33a is W in, the core width in the grating element 32 is W gr, the maximum value of the core width at the exit portion 34d is W out.

光伝送部材40Aには光導波路41Aが形成されている。光導波路41Aは、一定幅の入射部41a、光導波路幅が徐々に縮小するテーパ部41bおよび一定幅の出射部41cを備えている。   An optical waveguide 41A is formed in the optical transmission member 40A. The optical waveguide 41A includes an incident portion 41a having a constant width, a tapered portion 41b in which the width of the optical waveguide is gradually reduced, and an emitting portion 41c having a constant width.

本例では、グレーティング素子31Aのコアの出射端面35bにおける幅Woutが、ブラッググレーティングにおける光導波路コアの幅Wgrよりも大きくなっている。更に、本例では、光伝送部41Aの出射部41cにおける水方向のニアフィールド径Doutが、入射部41aにおける水平方向のニアフィールド径Dinよりも小さくなっている。これとともに、光伝送部41aにおける水平方向のニアフィールド径Dinが、グレーティング素子31Aの出射部34dにおける水平方向のニアフィールド径よりも大きくなっている。 In this example, the width W out of the output end face 35b of the core of the grating element 31A is larger than the width W gr of the optical waveguide core in the Bragg grating. Further, in this embodiment, a near field diameter D out of the water-direction at the output section 41c of optical transmission section 41A is smaller than the horizontal direction of the near-field diameter D in the incident portion 41a. At the same time, the horizontal near-field diameter D in in the optical transmission section 41a is larger than the horizontal near-field diameter in the emission section 34d of the grating element 31A.

図10のデバイスにおいては、光源素子37、グレーティング素子31Bおよび光伝送部材40Bが光学的に結合されている。本例では、グレーティング素子31Bの光学材料層44には光導波路35Bが形成されている。光導波路35Bは、回折格子のない入射側伝搬部33、グレーティング部32および回折格子のない出射側伝搬部34Bを備えている。出射側伝搬部34Bは、グレーティング部32に隣接する定幅部34a、コア幅が徐々に縮小するテーパ部34eおよび一定幅の定幅部34fを備えている。入射部33aにおけるコア幅はWinであり、グレーティング素子32におけるコア幅はWgrであり、出射端面35bにおけるコア幅はWoutである。 In the device of FIG. 10, the light source element 37, the grating element 31B, and the optical transmission member 40B are optically coupled. In this example, an optical waveguide 35B is formed in the optical material layer 44 of the grating element 31B. The optical waveguide 35B includes an incident side propagation part 33 without a diffraction grating, a grating part 32, and an output side propagation part 34B without a diffraction grating. The emission side propagation part 34B includes a constant width part 34a adjacent to the grating part 32, a tapered part 34e in which the core width gradually decreases, and a constant width part 34f having a constant width. The core width in the incident portion 33a is W in, the core width in the grating element 32 is W gr, core width at the exit end face 35b is W out.

光伝送部材40Bには光導波路41Bが形成されている。光導波路41Bは、一定幅の入射部41a、光導波路幅が徐々に縮小するテーパ部41bおよび一定幅の出射部41cを備えている。   An optical waveguide 41B is formed in the optical transmission member 40B. The optical waveguide 41B includes an incident portion 41a having a constant width, a tapered portion 41b in which the optical waveguide width is gradually reduced, and an emitting portion 41c having a constant width.

本例では、グレーティング素子31Bのコアの出射端面35bにおける幅Woutが、ブラッググレーティングにおける光導波路コアの幅Wgrよりも小さくなっている。更に、本例では、光伝送部41Bの出射部41cにおける水平方向のニアフィールド径Doutが、入射部41aにおける水平方向のニアフィールド径Dinよりも小さくなっている。これとともに、光伝送部41aにおける水平方向のニアフィールド径Dinが、グレーティング素子31Bの出射部34dにおける水平方向のニアフィールド径Boutよりも大きくなっている。 In this example, the width W out of the output end face 35b of the core of the grating element 31B is smaller than the width W gr of the optical waveguide core in the Bragg grating. Further, in this embodiment, the horizontal direction of the near-field diameter D out at the exit portion 41c of the optical transmission section 41B is smaller than the horizontal direction of the near-field diameter D in the incident portion 41a. At the same time, the horizontal near-field diameter D in in the optical transmission section 41a is larger than the horizontal near-field diameter B out in the emission section 34d of the grating element 31B.

ブラッググレーティングにおける光導波路コアの幅は、半導体レーザ光源との結合効率を高めるために、レーザのニアフィールドパターンと同等になるように設定する。半導体レーザのニアフィールドの水平方向の大きさは、例えば2μmから7μmになっていることがある。この場合、光導波路コアの幅は2μmから7μmに設定している。   The width of the optical waveguide core in the Bragg grating is set to be equal to the near-field pattern of the laser in order to increase the coupling efficiency with the semiconductor laser light source. The horizontal size of the near field of the semiconductor laser may be 2 μm to 7 μm, for example. In this case, the width of the optical waveguide core is set to 2 μm to 7 μm.

好適な実施形態においては、光伝送部の入射部における水平方向のニアフィールド径Dinが、コアの出射端面におけるコアの水平方向のニアフィールド径Boutよりも大きい。本発明の光導波路基板においては、光伝送部材の入射部に到達する前に出射光を十分に拡散できるので、本発明を特に有利に適用できる。 In a preferred embodiment, the horizontal near-field diameter D in at the entrance of the optical transmission section is larger than the horizontal near-field diameter B out at the exit end face of the core. In the optical waveguide substrate of the present invention, since the emitted light can be sufficiently diffused before reaching the incident portion of the light transmission member, the present invention can be applied particularly advantageously.

また、本発明の光導波路基板においては、光導波路の出射端面における光導波路コア幅Woutを相対的に大きくすることによって、出射端面における光ビームのモードフィールドのニアフィールド径(水平方向)Boutを大きくすることができる。この結果、グレーティング素子から出射する光ビーム密度を下げ、この出射光が光伝送素子に結合する際の水平方向の寸法の裕度を向上させることができる。これによって、グレーティング素子と光伝送素子とを光学的に組み付ける際の生産性が著しく向上する。 In the optical waveguide substrate of the present invention, by relatively increasing the optical waveguide core width W out at the output end face of the optical waveguide, the near-field diameter of the mode field of the light beam at the output end face (horizontal direction) B out Can be increased. As a result, the density of the light beam emitted from the grating element can be lowered, and the tolerance of the horizontal dimension when the emitted light is coupled to the optical transmission element can be improved. This significantly improves the productivity when the grating element and the optical transmission element are optically assembled.

ただし、光伝送部の入射部におけるニアフィールド径Dinを大きくしてアライメント時の光軸ズレに対する裕度を向上させた場合、光伝送素子から外部に出射するときのニアフィールド径が大きくなりすぎることがある。この場合には、本例のように、よりニアフィールド径Doutの小さい出射部を設けることができる。この場合、入射部と出射部との間に、ニアフィールド径が徐々に小さくなるテーパ部を設けることが、損失低減の観点からは好ましい。 However, if by increasing the near-field diameter D in improving the margin for the optical axis deviation during alignment at the entrance portion of the optical transmission unit, the near field diameter when exiting from the optical transmission element to the outside too large Sometimes. In this case, as in this example, an emission part having a smaller near field diameter Dout can be provided. In this case, it is preferable from the viewpoint of loss reduction to provide a taper portion where the near field diameter gradually decreases between the incident portion and the emission portion.

本発明の光導波路基板の出射端面におけるニアフィールド径(水平方向)Boutは、5μm以上が好ましく、7μm以上が更に好ましく、10μm以上が最もよい。また、Boutは、20μm以下が好ましい。 Near field diameter (horizontal direction) B out at the output end face of the optical waveguide substrate of the present invention is preferably at least 5 [mu] m, more preferably not less than 7 [mu] m, the best least 10 [mu] m. Further, B out is preferably 20 μm or less.

本発明の観点からは、光伝送部におけるニアフィールド径(水平方向)Dinは、5μm以上が好ましく、7μm以上が更に好ましい。
in/Boutは、本発明の光導波路素子からの出射光を光伝送素子に結合させるという観点からは、1.1以上が好ましく、1.2以上が更に好ましい。
From the viewpoint of the present invention, the near field diameter (horizontal direction) D in in the optical transmission section is preferably 5 μm or more, and more preferably 7 μm or more.
D in / B out is preferably 1.1 or more, and more preferably 1.2 or more, from the viewpoint of coupling the light emitted from the optical waveguide device of the present invention to the optical transmission device.

好適な実施形態においては、光伝送部の入射部の幅が前記コアの前記出射端面の幅Woutの1.2倍以上であり、1.3倍以上であることが更に好ましい。 In a preferred embodiment, the width of the incident part of the optical transmission part is 1.2 times or more and 1.3 times or more of the width W out of the exit end face of the core.

光伝送部の入射部とコアの出射端面との距離G(図1、8、9、10)は0.1μm以上、3μm以下であるが、これによってコアの出射端面から出射した光ビームの拡散を促進することもできる。この観点からは、光伝送部の入射部とコアの出射端面との距離を3μm以上とすることが更に好ましい。また、光伝送部の入射部とコアの出射端面との距離が大きすぎると、かえって光挿入損失が増加する傾向があるので、この観点からは、光伝送部の入射部とコアの出射端面との距離は20μm以下であることが好ましい。   The distance G (FIGS. 1, 8, 9, and 10) between the incident part of the optical transmission part and the exit end face of the core is 0.1 μm or more and 3 μm or less. This allows the diffusion of the light beam emitted from the exit end face of the core. Can also be promoted. From this viewpoint, it is more preferable that the distance between the incident part of the optical transmission part and the exit end face of the core is 3 μm or more. Also, if the distance between the incident part of the optical transmission unit and the exit end face of the core is too large, the optical insertion loss tends to increase.From this point of view, the incident part of the optical transmission part and the exit end face of the core Is preferably 20 μm or less.

レーザ光の水平方向、垂直方向のニアフィールド径は、以下のようにして測定する。   The near field diameter of the laser beam in the horizontal and vertical directions is measured as follows.

レーザ光の光強度分布を測定して、その強度分布が最大値(通常はコアの中心部分に相当)に対して1/e2(eは自然対数の底: 2.71828)になるところの幅のことを、一般的に、ニアフィールド径と定義する。レーザ光の場合、ニアフィールドはレーザ素子の水平方向と垂直方向で大きさが異なるために、それぞれ定義する。光ファイバのように同心円である場合には直径として定義される。
光強度分布の測定は、一般的に近赤外カメラを利用したビームプロファイル測定やナイフエッジによる光強度測定によりレーザ光のスポットの光強度分布を得ることができる。
Measure the light intensity distribution of the laser beam and measure the width where the intensity distribution is 1 / e 2 (e is the base of natural logarithm: 2.71828) with respect to the maximum value (usually equivalent to the center of the core). This is generally defined as the near field diameter. In the case of laser light, the near field is defined because the size differs in the horizontal and vertical directions of the laser element. When it is concentric like an optical fiber, it is defined as a diameter.
In the measurement of the light intensity distribution, the light intensity distribution of the laser light spot can be generally obtained by beam profile measurement using a near-infrared camera or light intensity measurement using a knife edge.

光源としては、高い信頼性を有するGaAs系やInP系材料によるレーザが好適である。本願構造の応用として、例えば、非線形光学素子を利用して第2高調波である緑色レーザを発振させる場合は、波長1064nm付近で発振するGaAs系のレーザを用いることになる。GaAs系やInP系のレーザは信頼性が高いため、一次元状に配列したレーザアレイ等の光源も実現可能である。スーパールミネッセンスダイオードや半導体光アンプ(SOA)であってもよい。また、活性層の材質や波長も適宜選択できる。   As the light source, a laser with a highly reliable GaAs or InP material is suitable. As an application of the structure of the present application, for example, when a green laser that is the second harmonic is oscillated using a nonlinear optical element, a GaAs laser that oscillates near a wavelength of 1064 nm is used. Since GaAs-based and InP-based lasers have high reliability, a light source such as a one-dimensionally arranged laser array can be realized. It may be a super luminescence diode or a semiconductor optical amplifier (SOA). In addition, the material and wavelength of the active layer can be selected as appropriate.

なお、半導体レーザとグレーティング素子との組み合わせでパワー安定化を行う方法は、下記に開示されている。
(非特許文献3: 古河電工時報 平成12年1月 第105号 p24-29)
Note that a method for stabilizing power by a combination of a semiconductor laser and a grating element is disclosed below.
(Non-Patent Document 3: Furukawa Electric Times, January 2000, No. 105, p24-29)

光導波路は、例えば外周刃による切削加工やレーザアブレーション加工することによって物理的に加工し、成形することによって得られる。   The optical waveguide is obtained by, for example, physical processing and molding by cutting with an outer peripheral blade or laser ablation.

ブラッググレーティングは以下のようにして物理的、あるいは化学的なエッチングにより形成することができる。
具体例として、Ni、Tiなどの金属膜を高屈折率基板に成膜し、フォトリソグラフィーにより周期的に窓を形成しエッチング用マスクを形成する。その後、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング装置で周期的なグレーティング溝を形成する。最後に金属マスクを除去することにより形成できる。
The Bragg grating can be formed by physical or chemical etching as follows.
As a specific example, a metal film such as Ni or Ti is formed on a high refractive index substrate, and windows are periodically formed by photolithography to form an etching mask. Thereafter, periodic grating grooves are formed by a dry etching apparatus such as reactive ion etching. Finally, it can be formed by removing the metal mask.

光伝送素子は、光導波路素子であってよく、光ファイバアレイであってよい。この光伝送素子は、第二高調波発生素子などの高調波発生素子であってよく、また光変調素子、偏光素子、光増幅器、光遅延素子、光メモリ、等の光制御素子であってよい。   The optical transmission element may be an optical waveguide element or an optical fiber array. The optical transmission element may be a harmonic generation element such as a second harmonic generation element, or may be a light control element such as an optical modulation element, a polarization element, an optical amplifier, an optical delay element, or an optical memory.

(実施例1)
図1、図2、図3(b)を参照しつつ説明した光導波路基板を作製した。
具体的には、石英からなる支持基板15にスパッタ装置にてアンダークラッド層14になるSiO層を1μm成膜し、その上にTaを1.2μm成膜して、厚さTrが1.2μmの光学材料層を形成した。
Example 1
The optical waveguide substrate described with reference to FIGS. 1, 2, and 3B was produced.
Specifically, a SiO 2 layer to be the under-cladding layer 14 is formed on the support substrate 15 made of quartz by a sputtering apparatus, and a Ta 2 O 5 film is formed thereon to a thickness of 1.2 μm. An optical material layer of 1.2 μm was formed.

次に、光学材料層上にCrを成膜して、レジストを塗布した後にEB描画装置により光導波路パターンを作製した。その後、このCrパターンをマスクにしてフッ素系の反応性イオンエッチングにより、幅W3μm、溝深さ0.6μmのリッジ導波路を形成した。さらに、オーバークラッド層20となるSiO層を0.5μmスパッタにて形成した。 Next, Cr was formed on the optical material layer, and after applying a resist, an optical waveguide pattern was prepared by an EB drawing apparatus. Thereafter, a ridge waveguide having a width W of 3 μm and a groove depth of 0.6 μm was formed by fluorine-based reactive ion etching using the Cr pattern as a mask. Further, an SiO 2 layer to be the over clad layer 20 was formed by 0.5 μm sputtering.

また、光導波路の出射部に凹みを形成するために、再度基板にCrを成膜して、レジストを塗布してEB露光にて導波路幅の中心を基点にして、幅4μm、凹み量0.3μmのパターンを形成した。その後、同様にフッ素系反応性イオンエッチングによりオーバークラッド層と光学材料層とをエッチングした。   In addition, in order to form a dent in the exit portion of the optical waveguide, Cr is again formed on the substrate, a resist is applied, and a width of 4 μm and a dent amount of 0 are set based on the center of the waveguide width by EB exposure. A pattern of 3 μm was formed. Thereafter, the over cladding layer and the optical material layer were similarly etched by fluorine-based reactive ion etching.

最後に、ダイシング装置にて複数個の素子を横並びにしたバー状に切断し、入射側と出射側の端面を光学研磨した。このとき、出射端面にある凹み部を削り無くさないように0〜+3μm手前で終端するように制御して加工した。また両端面に0.1%のARコートを形成しチップ切断を行い、図1、図2に示すような光導波路素子を作製した。素子サイズは幅1mm×長さ10mmとした。   Finally, a plurality of elements were cut side by side with a dicing apparatus, and the end surfaces on the incident side and the emission side were optically polished. At this time, it was controlled and processed so as to be terminated before 0 to +3 μm so as not to remove the dent on the exit end face. Further, 0.1% AR coating was formed on both end faces, and the chip was cut to produce an optical waveguide device as shown in FIGS. The element size was 1 mm wide x 10 mm long.

凹部5は、導波路幅の中心線上に中心をもち、半径20μmの円弧形状としている。これによって、導波路の端面から0.3μm凹ませている。   The recess 5 has an arc shape with a center on the center line of the waveguide width and a radius of 20 μm. Thereby, it is recessed by 0.3 μm from the end face of the waveguide.

本素子について、波長830nmの半導体レーザを使用して光挿入損失と水平方向のスポット形状の広がりを測定した。スポット形状の水平方向の広がりは、以下のように測定した。すなわち、図12に示すように、光導波路の出射端面から20μm離れた位置に、水平方向のニアフィールドパターン1μm(リッジ幅1μm)の受光側の光導波路を設置し、この光導波路に入射した光の光強度を測定した。そして、受光側の光導波路を水平方向に0.2μmづつシフトさせながら、各シフト位置ごとに光強度の測定を繰り返した。これによって光の拡がり特性を測定した。   About this element, the optical insertion loss and the spread of the spot shape in the horizontal direction were measured using a semiconductor laser with a wavelength of 830 nm. The spread of the spot shape in the horizontal direction was measured as follows. That is, as shown in FIG. 12, a light receiving side optical waveguide having a horizontal near-field pattern of 1 μm (ridge width 1 μm) is placed at a position 20 μm away from the emission end face of the optical waveguide, and the light incident on this optical waveguide The light intensity of was measured. Then, the light intensity measurement was repeated for each shift position while the optical waveguide on the light receiving side was shifted by 0.2 μm in the horizontal direction. In this way, the light spreading characteristics were measured.

ここで、光の拡がり幅は、前記拡がり特性において光強度の最大値から1/e低下する水平方向の位置の幅と定義した。
この結果、光挿入損失は1.0dBであり、広がり幅は15.2μmと大きかった。
Here, the light spreading width was defined as the width of the horizontal position where 1 / e 2 lowers from the maximum value of the light intensity in the spreading characteristic.
As a result, the optical insertion loss was 1.0 dB, and the spread width was as large as 15.2 μm.

(実施例2)
実施例1と同じようにして光導波路基板を作製した。
具体的には、石英からなる支持基板15にスパッタ装置にてアンダークラッド層14になるSiO層を1μm成膜し、その上にTaを1.2μm成膜して光学材料層を形成した。
(Example 2)
An optical waveguide substrate was fabricated in the same manner as in Example 1.
Specifically, a SiO 2 layer to be an under cladding layer 14 is formed on a support substrate 15 made of quartz by a sputtering apparatus, and a Ta 2 O 5 film is formed thereon to a thickness of 1.2 μm to form an optical material layer. Formed.

次に、光学材料層上にCrを成膜して、レジストを塗布した後にEB描画装置により光導波路パターンを作製した。その後、このCrパターンをマスクにしてフッ素系の反応性イオンエッチングにより、幅W3μm、溝深さ0.6μmのリッジ導波路を形成した。   Next, Cr was formed on the optical material layer, and after applying a resist, an optical waveguide pattern was prepared by an EB drawing apparatus. Thereafter, a ridge waveguide having a width W of 3 μm and a groove depth of 0.6 μm was formed by fluorine-based reactive ion etching using the Cr pattern as a mask.

また、光導波路の出射端面に凹みを形成するために、再度基板にCrを成膜して、レジストを塗布してEB露光にて導波路幅の中心を基点にして幅4μm、凹み量0.3μmのパターンを形成した。その後、同様にフッ素系反応性イオンエッチングにより光学材料層をエッチングした。その後で、SiOからなるオーバークラッド層を光学材料層を覆うように2μm成膜した。 Further, in order to form a dent on the exit end face of the optical waveguide, Cr is again formed on the substrate, a resist is applied, and a width of 4 μm with the center of the waveguide width as a base point by EB exposure is obtained. A 3 μm pattern was formed. Thereafter, the optical material layer was similarly etched by fluorine-based reactive ion etching. Thereafter, an overcladding layer made of SiO 2 was formed to a thickness of 2 μm so as to cover the optical material layer.

最後に、ダイシング装置にて複数個の素子を横並びにしたバー状に切断し、入射側と出射側の端面を光学研磨した。このとき、出射端面にある凹部を削り無くさないように0〜+3μm手前で終端するように制御して加工した。また両端面に0.1%のARコートを形成しチップ切断を行い、光導波路基板を作製した。素子サイズは幅1mm×長さ10mmとした。   Finally, a plurality of elements were cut side by side with a dicing apparatus, and the end surfaces on the incident side and the emission side were optically polished. At this time, it was controlled and processed so as to be terminated before 0 to +3 μm so as not to scrape the concave portion on the emission end face. Further, 0.1% AR coating was formed on both end faces, and the chip was cut to produce an optical waveguide substrate. The element size was 1 mm wide x 10 mm long.

実施例1と同じようにして本例の光導波路基板の光挿入損失と水平方向のスポット形状の広がりを測定した。
この結果、光挿入損失は1.2dBであり、広がり幅は15.1μmであった。
In the same manner as in Example 1, the optical insertion loss and the spread of the spot shape in the horizontal direction of the optical waveguide substrate of this example were measured.
As a result, the optical insertion loss was 1.2 dB, and the spread width was 15.1 μm.

(実施例3)
図1、図2および図6を参照しつつ説明した光導波路基板を作製した。
具体的には、実施例1と同じように、石英からなる支持基板15にスパッタ装置にてアンダークラッド層になるSiO層を1μm成膜し、またその上にTaを1.2μm成膜して光学材料層を形成した。
(Example 3)
The optical waveguide substrate described with reference to FIGS. 1, 2, and 6 was produced.
Specifically, in the same manner as in Example 1, a SiO 2 layer serving as an under-cladding layer is formed on a support substrate 15 made of quartz by a sputtering apparatus, and Ta 2 O 5 is formed thereon with a thickness of 1.2 μm. An optical material layer was formed by forming a film.

次に、光学材料層上にCrを成膜して、レジストを塗布した後にEB描画装置により光導波路パターンを作製した。その後、このCrパターンをマスクにしてフッ素系の反応性イオンエッチングにより、幅3μm、溝深さ1.2μmのリッジ導波路を形成した。さらにSiOからなるオーバークラッド層を0.5μmスパッタにて形成した。 Next, Cr was formed on the optical material layer, and after applying a resist, an optical waveguide pattern was prepared by an EB drawing apparatus. Thereafter, a ridge waveguide having a width of 3 μm and a groove depth of 1.2 μm was formed by fluorine-based reactive ion etching using the Cr pattern as a mask. Further, an over clad layer made of SiO 2 was formed by 0.5 μm sputtering.

また、光導波路の出射部に凹みを形成するために再度基板にCrを成膜して、レジストを塗布してEB露光にて導波路幅の中心を基点にして幅4μm、凹み量0.3μmのパターンを形成した。その後、同様にフッ素系反応性イオンエッチングによりオーバークラッド層と光学材料層をエッチングした。   Further, in order to form a dent in the light emitting portion of the optical waveguide, a Cr film is formed again on the substrate, a resist is applied, and a width of 4 μm and a dent amount of 0.3 μm are obtained from the center of the waveguide width by EB exposure. Pattern was formed. Thereafter, the over clad layer and the optical material layer were similarly etched by fluorine-based reactive ion etching.

最後に、ダイシング装置にて複数個の素子を横並びにしたバー状に切断し、入射側と出射側の端面を光学研磨した。このとき、出射端面にある凹み部を削り無くさないように0〜+3μm手前で終端するように制御して加工した。また両端面に0.1%のARコートを形成しチップ切断を行い、光導波路素子を作製した。素子サイズは幅1mm×長さ10mmとした。   Finally, a plurality of elements were cut side by side with a dicing apparatus, and the end surfaces on the incident side and the emission side were optically polished. At this time, it was controlled and processed so as to be terminated before 0 to +3 μm so as not to remove the dent on the exit end face. Further, 0.1% AR coating was formed on both end faces, and the chip was cut to produce an optical waveguide device. The element size was 1 mm wide x 10 mm long.

次いで、実施例1と同じようにして本光導波路基板の光挿入損失と水平方向のスポット形状の広がりを測定した。
この結果、光挿入損失は1.0dBであり、広がり幅は15.1μmである。
Next, in the same manner as in Example 1, the optical insertion loss and the spread of the spot shape in the horizontal direction of the optical waveguide substrate were measured.
As a result, the optical insertion loss is 1.0 dB and the spreading width is 15.1 μm.

(比較例1)
実施例1と同様にして光導波路基板を作製した。
ただし、本例では、光導波路コアの出射端面に凹部を形成せず、出射端面を平坦とした。
(Comparative Example 1)
An optical waveguide substrate was produced in the same manner as in Example 1.
However, in this example, the recess is not formed on the exit end face of the optical waveguide core, and the exit end face is flat.

実施例1と同じようにして本光導波路基板の光挿入損失と水平方向のスポット形状の広がりを測定した。
この結果、光挿入損失は1.0dBであり、広がり幅は6μmである。
In the same manner as in Example 1, the optical insertion loss of the optical waveguide substrate and the spread of the spot shape in the horizontal direction were measured.
As a result, the optical insertion loss is 1.0 dB and the spread width is 6 μm.

(モードプロファイルの計算結果)
図13は、凹部の深さHを変更したときの、コアの出射端面から20μm先のモードプロファイルを計算した結果を示す。凹部の深さHを大きくすると、水平方向のモードサイズが大きくなることがわかった。
(Mode profile calculation result)
FIG. 13 shows the result of calculating a mode profile 20 μm ahead from the exit end face of the core when the depth H of the recess is changed. It was found that when the depth H of the concave portion is increased, the mode size in the horizontal direction is increased.

Claims (10)

支持基板、
前記支持基板上に設けられたクラッド、および
このクラッド上に設けられ、光を伝搬させるためのコアであって、前記光が入射する入射部および伝搬光を出射する出射端面を有するコアを備えている光導波路基板であって、
前記コアの前記出射端面に前記クラッドの出射側端面に対して凹んだ凹部が形成されていることを特徴とする、光導波路基板。
Support substrate,
A clad provided on the support substrate, and a core for propagating light provided on the clad, the core having an incident part on which the light is incident and an exit end face for emitting the propagating light. An optical waveguide substrate,
An optical waveguide substrate, wherein a concave portion recessed with respect to an output side end surface of the clad is formed on the output end surface of the core.
前記光導波路基板を前記支持基板と反対側の主面からみたとき、前記凹部の輪郭が湾曲線を形成していることを特徴とする、請求項1記載の光導波路基板。   The optical waveguide substrate according to claim 1, wherein when the optical waveguide substrate is viewed from a main surface opposite to the support substrate, the contour of the concave portion forms a curved line. 前記光導波路基板を前記支持基板と反対側の主面からみたとき、前記凹部の輪郭が弧状であることを特徴とする、請求項2記載の光導波路基板。   The optical waveguide substrate according to claim 2, wherein when the optical waveguide substrate is viewed from a main surface opposite to the support substrate, an outline of the concave portion is an arc shape. 前記コアが、少なくとも一対のリッジ溝によって成形されたリッジ部からなることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一つの請求項に記載の光導波路基板。   The optical waveguide substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein the core includes a ridge portion formed by at least a pair of ridge grooves. 前記コアの横断面が凸図形をなしていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一つの請求項に記載の光導波路基板。   The optical waveguide substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein a cross section of the core has a convex shape. ブラッググレーティングを備えるグレーティング素子であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一つの請求項に記載の光導波路基板。   It is a grating element provided with a Bragg grating, The optical waveguide board | substrate as described in any one of Claims 1-5 characterized by the above-mentioned. 請求項1〜6のいずれか一つの請求項に記載の光導波路基板と光伝送素子とを備える光学デバイスであって、
前記光伝送素子が、前記コアの前記出射端面からの出射光が入射する入射部を有する光伝送部を備えていることを特徴とする、光学デバイス。
An optical device comprising the optical waveguide substrate according to any one of claims 1 to 6 and an optical transmission element,
The optical device, wherein the optical transmission element includes an optical transmission part having an incident part on which outgoing light from the outgoing end face of the core is incident.
前記光伝送部の前記入射部における水平方向のニアフィールド径が、前記コアの前記出射端面における前記コアの水平方向のニアフィールド径よりも大きいことを特徴とする、請求項7記載の光学デバイス。   The optical device according to claim 7, wherein a horizontal near-field diameter at the incident portion of the optical transmission unit is larger than a horizontal near-field diameter of the core at the emission end face of the core. 前記光伝送部の前記入射部と前記コアの前記出射端面との距離が3μm以上であることを特徴とする、請求項7または8記載の光学デバイス。   9. The optical device according to claim 7, wherein a distance between the incident part of the light transmission part and the emission end face of the core is 3 μm or more. 前記光伝送部の前記入射部の幅が前記出射端面における前記コアの幅の1.2倍以上であることを特徴とする、請求項7〜9のいずれか一つの請求項に記載の光学デバイス。
10. The optical device according to claim 7, wherein a width of the incident portion of the light transmission portion is 1.2 times or more a width of the core at the emission end face. .
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