JP2017173358A - 光導波路部品およびその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シャドウマスク等を用いずに、モードフィールド径変換用光導波路を有する光導波路部品およびその作製方法を提供すること。【解決手段】超短パルスを発生する超短パルスレーザ１から出力された光波は、適宜アッテネータもしくはシャッター２および光路を変換するミラー３などを介して、対物レンズ４により集光され、光導波路が形成されたウエハ７内に集光される。集光された光波はスポット８を形成し、スポット８においてガラスを変質させる。ウエハ７は、コンピュータなどの制御装置５により制御される自動ステージ６により、移動される。したがって、スポット８はウエハ内で移動する。ウエハ７をスポット８に対して移動させることで、導波路構造を形成することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路部品およびその作製方法に関し、特に、モードフィールド径の異なる光導波路を有する光部品同士を効率的に光結合させるための光導波路部品およびその作製方法に関する。

インターネットなどのデータ通信ネットワークの爆発的な普及により、光通信ネットワークの大容量化の要求が益々強くなっている。このような光通信ネットワーク需要の拡大に対応するため各種の光導波路部品が実用化されている。光導波路を有する光部品においては、光部品の接続部分での損失要因の１つとして、接合する光導波路同士のモードフィールド径の違いがある。

このため、従来、光導波路を用いた光部品では、両者を光結合するために様々なモードフィールド径変換技術が考えられてきた。

図８（ａ）、（ｃ）にモードフィールド径の異なる光導波路部品と光ファイバを示し、図８（ｂ）に従来の一方の端部のモードフィールド径と他方の端部のモードフィールド径が異なるモードフィールド径変換用光導波路部品の構成を示す。図８（ｂ）に示すように、光導波路部品と光ファイバの接続においては、モードフィールド径変換用光導波路部品の光ファイバとの接続端におけるモードフィールド径を、光導波路部品との接続端におけるモードフィールド径に比べて大きくなるようにモードフィールド径変換用光導波路部品の光導波路構造をテーパ状に形成することにより整合させる手法が提示されている（非特許文献１参照）。これは１．５％の比屈折率差をもつ光導波路に、光ファイバとの接続端に向かって基板垂直方向および水平方向に太くなるテーパ構造を形成し、接続損失を１．８ｄＢから０．２ｄＢに低減するとされている。

また、超短パルスレーザを用いたマルチコアファイバ用のファンインファンアウトデバイスも提案されているが、接続に関する詳細な記載は無い（特許文献１）。

米国特許第８２７０７８４号明細書

M. Itoh; T. Saida; Y. Hida; M. Ishii; Y. Inoue; Y. Hibino; A. Sugita, "Large reduction of single mode-fibre coupling loss in 1.5% Δ planar lightwave circuits using spot-size converters,"Electronics Letters, Volume 38, Issue 2, 17 January 2002, p. 72 - 74

しかしながら上述の方法では、後述のように作製工程が煩雑であるという課題がある。

すなわち、基板に対して垂直方向のテーパ構造を形成時するため、予め厚さｈのコア膜層を堆積し、厚膜となるコア部を遮蔽するようにシャドウマスクを設置して、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を施す。つぎに、フォトリソグラフィとＲＩＥによる工程により導波路パターンを形成する。すなわち、従来の方法では異なる２つの作製工程を経る必要がある。

さらに上記の煩雑性に加えて、一枚のウエハ上に複数の光導波路チップを形成する場合、チップの端部に縦テーパ構造を形成するために、シャドウマスクを精密にアライメントして設置する必要があり、光導波路部品の品種が変わるたびにシャドウマスクを準備する必要がある。

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、シャドウマスク等を用いずに、モードフィールド径変換用光導波路を有する光導波路部品およびその作製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、本発明は、少なくとも第１および第２のモードフィールド径を有する光導波路を含む光導波路部品であって、前記光導波路の少なくとも前記第１のモードフィールド径から前記第２のモードフィールド径までのコアとクラッドは同一材料からなり、前記コアは前記クラッドよりも高い屈折率を有する領域を含み、前記コアの前記第１のモードフィールド径を有する領域から前記第２のモードフィールド径を有する領域まで前記高い屈折率を有する領域の屈折率及び断面積の少なくとも一方が連続的に変化していることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光導波路部品において、前記光導波路部品の少なくとも前記第１のモードフィールド径から前記第２のモードフィールド径までのコアとクラッドは誘電体材料からなることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、基板中に少なくとも第１および第２のモードフィールド径を有する光導波路を含む光導波路部品の作製方法であって、前記基板中にレーザ光を照射するステップと、前記基板に対する前記レーザ光の照射位置を連続的に変化させながら移動させて前記第１のモードフィールド径から前記第２のモードフィールド径に連続的に変化する光導波路を形成するステップと、を有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に記載の光導波路部品の作製方法において、前記第１および第２のモードフィールド径に応じて、前記レーザ光の照射位置の移動速度、前記レーザ光のパルス幅、前記レーザ光の平均強度、前記レーザ光の繰り返し周波数を設定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に記載の光導波路部品の作製方法において、前記光導波路を形成するステップにおいて、前記基板に対する前記レーザ光の照射位置を第１の速度から第２の速度に連続的に変化させながら移動させて前記第１のモードフィールド径から前記第２のモードフィールド径に連続的に変化する光導波路を形成することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の光導波路部品の作製方法において、前記第２の速度は前記第１の速度よりも速く、前記第１のモードフィールド径は前記第２のモードフィールド径よりも小さいことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項３又は４に記載の光導波路部品の作製方法において、前記光導波路を形成するステップにおいて、前記基板に対する前記レーザ光の強度を第１の強度から第２の強度に連続的に変化させながら移動させて前記第１のモードフィールド径から前記第２のモードフィールド径に連続的に変化する光導波路を形成することを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の光導波路部品の作製方法において、前記第２の強度は前記第１の強度よりも弱く、前記第１のモードフィールド径は前記第２のモードフィールド径よりも小さいことを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項３乃至８のいずれかに記載の光導波路部品の作製方法において、前記基板は、誘電体材料からなることを特徴とする。

本発明は、従来技術として開示されているモードフィールド径変換技術に要していた煩雑な製造工程および品種ごとに必要な生産財であるシャドウマスク等を用いずに、より簡便な方法でモードフィールド径変換器を作製可能にする。

本発明の光導波路部品の作製方法の概要を説明する図である。 超短パルスレーザを用いて作製した導波路のモードフィールド径とウエハ７の相対移動速度依存性を示す図である。 本発明の実施形態１に係るモードフィールド径変換用光導波路部品の作製方法を示す図である。 本発明の実施形態１に係る光導波路作製時の導波路位置に対する基板９の移動速度の変化を示す図である。 本発明の実施形態１に係るモードフィールド径変換用光導波路部品を介して、光ファイバと光導波路部品を接続した構成を示す図である。 本発明の実施形態２に係るモードフィールド径変換光導波路を有する光導波路部品の構成を示す図である。 モードフィールド径変換用光導波路１７を介して、光導波路部品１５を光ファイバ１１に接続した構成を示す図である。 （ａ）、（ｃ）はモードフィールド径の異なる光導波路部品と光ファイバを示す図であり、（ｂ）は従来の一方の端部のモードフィールド径と他方の端部のモードフィールド径が異なるモードフィールド径変換用光導波路部品の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１に、本発明の光導波路部品の作製方法の概要を説明する図を示す。超短パルスを発生する超短パルスレーザ１から出力された光波は、適宜アッテネータもしくはシャッター２および光路を変換するミラー３などを介して、対物レンズ４により集光され、光導波路が形成されたウエハ７内に集光される。集光された光波はスポット８を形成し、スポット８においてガラスを変質させる。ウエハ７は、コンピュータなどの制御装置５により制御される自動ステージ６により、移動される。したがって、スポット８はウエハ内で移動する。

このスポット８によるウエハ７の変質は、超短パルスの波長、平均強度、パルス幅、繰り返し周波数、ウエハ７の移動速度、ウエハ７の材料等により、アブレーションによるボイドの発生、屈折率変化などの効果に分類される。これら超短パルスレーザとウエハの条件（波長、平均強度、パルス幅、繰り返し周波数、ウエハの移動速度、ウエハ材料）を調整することで、屈折率変化を誘起するモードに設定する。

特に、繰り返し周波数が高い場合は、熱の蓄積によるウエハ（基板）材料の急激な膨張と、急冷による硬化収縮によりスポット８の近傍に材料の粗密ができ、屈折率の高い部分と低い部分が形成されることが知られている。したがって、ウエハ７をスポット８に対して移動させることで、導波路構造を形成することができる。

図２に、超短パルスレーザを用いて作製した光導波路のモードフィールド径とウエハ７に対するスポット８の相対移動速度との関係を示す。ここで形成された光導波路は、ウエハ７の材料としてソーダライムガラス（旭硝子社製 クラリティア）を用い、中心波長が８００ｎｍのチタンサファイアレーザを用いて形成した。チタンサファイアレーザの繰り返し周波数は２ＭＨｚに、パルス幅は１４０ｆｓ、平均強度は１２０ｍＷに設定した。

このような条件では、図２に示される通り、移動速度を５００μｍ／ｓとした場合には８μｍ程度のモードフィールド径が得られ、移動速度を５０００μｍ／ｓとした場合には２４μｍ程度のモードフィールド径が得られる。このことから、移動速度が遅いほどモードフィールド径は小さくなり、移動速度が速いほどモードフィールド径は大きくなる。

（実施形態１）
実施形態１では、光ファイバと比屈折率差の大きい光導波路部品との低損失な接続に関して説明する。

図３に、本発明の実施形態１に係るモードフィールド径変換用光導波路部品の作製方法を示す。図３において、基板９の内部に超短パルスレーザからの光パルスを、対物レンズ４を用いて集光する。基板９を矢印の方向に移動させることにより、集光スポット８が基板９に対して相対的に移動し、スポット８の軌跡に沿って、モードフィールド径変換用光導波路１０が形成される。尚、図３にモードフィールド径変換用光導波路１０として破線で示す円筒状のものは、モードフィールド径を示すものである。

モードフィールド径変換用光導波路１０は、超短パルスレーザからの光パルスが、多光子吸収により熱エネルギーに変換され、レーザ光が集光した領域の近傍において、基板材料がアニールされる。スポット８の移動とともに、アニールされた基板材料がクエンチ（急冷）されることで、材料に粗密が発生し、屈折率変化を誘起する。上述のメカニズムによりモードフィールド径変換用光導波路１０が形成される。したがって、基板９の移動速度を変化させることで、形成される導波路の性質を調整することができる。ここでは、基板９の移動速度を徐々に変化させることで形成される光導波路１０が有するモードフィールド径を徐々に変化させる。

本実施形態１では、基板９としてソーダライムガラス（旭硝子社製 クラリティア）を用いたが、誘電体であれば、それ以外のガラス、たとえば、石英やボロシリケートガラス、ＢＫ７などの光学ガラスや、ニオブ酸リチウム、ＹＶＯ４などの結晶材料や、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などの有機、ポリマー材料を用いても良い。これらの材料を用いても、超短パルス光のパラメータ（繰り返し周波数、波長、パルス幅等）を最適化することで導波路形成は可能である。

本実施形態１では、中心波長が８００ｎｍのチタンサファイアレーザを、繰り返し周波数は２ＭＨｚ、パルス幅は１４０ｆｓ、平均強度は１２０ｍＷに設定して、スポット８を速度５００μｍ／ｓから７５０μｍ／ｓまで変化させてモードフィールド径変換用光導波路１０を形成した。導波路長Ｌは１０００μｍとした。

図４に、本発明の実施形態１に係る光導波路作製時の導波路位置に対する基板９の移動速度の変化を示す。導波路の初端から２００μｍの領域では基板９は一定速度５００μｍ／ｓで移動させたのち、位置２００μｍから位置８００μｍの位置まで、移動速度を線形に７５０μｍ／ｓまで変化させ、８００μｍから１０００μｍまでは一定速度７５０μｍ／ｓで移動させた。

尚、０〜２００μｍおよび８００〜１０００μｍまで等速で移動させることで、基板９の光ファイバおよび光導波路部品との接続端面を切り出し、研磨等の加工をする際の削り代を確保することを可能とした。また、ここでは速度変化を線形に行ったが、連続的変化であれば正弦波状の変化やシグモイド関数状の変化等としても構わない。重要なことは、モードフィールド径が連続的に変化するように、ボイドの密度の変化を連続的に変化させることであり、そのためにスポット８の基板９に対する速度変化を連続的に変化させることである。

上記の作製条件において、作製した導波路は基板９の移動速度が５００μｍ／ｓの側で７μｍのモードフィールド径を有し、７５０μｍ／ｓの側で１０μｍのモードフィールド径を有する。したがって、移動速度５００μｍ／ｓ側は比屈折率差が１．５％の光導波路のモードフィールド径とほぼ一致し、移動速度７５０μｍ／ｓ側は通常のシングルモードファイバのモードフィールド径とほぼ一致する。

図５に、本発明の実施形態１に係るモードフィールド径変換用光導波路部品の構成を示す。このモードフィールド径変換用光導波路部品は、超短パルスレーザで作製した光導波路を光ファイバ１１と小さなモードフィールド径を有する光導波路部品１３との接続時のモードフィールド径変換器として使用する。光ファイバ１１と光導波路部品１３との間に基板９を挿入し、各部品のコアまたはモードフィールド径（光ファイバコア１２、モードフィールド径変換用光導波路１０のモードフィールド径、光導波路部品のコア１４）の位置が一致するように設置する。各部品間は、光学接着剤等を用いて接続する。図５のように、本実施形態１で説明した超短パルスレーザによるモードフィールド径変換用光導波路１０を有する基板９を設置することで、モードフィールド径変換用光導波路１０を光波が伝搬するにしたがって、光波のモードフィールド径は断熱的に、すなわちほぼ損失なく変化し、光導波路部品のコア１４と光ファイバコア１２の間の低損失な接続が実現できる。

ここでは、基板９の移動速度を変化させることで形成される光波のモードフィールド径を変化させる方法を示したが、モードフィールド径の変化はこの移動速度に限らず、超短パルスの繰り返し周波数や平均強度、もしくはパルス幅を変化させることによって変化させても構わない。例えば、基板９に対する超短パルスレーザの強度を第１の強度から第２の強度に連続的に変化させながら移動させることにより、第１のモードフィールド径から第２のモードフィールド径に連続的に変化する光導波路を形成してもよい。このとき、第２の強度が第１の強度よりも弱い場合、第１のモードフィールド径は第２のモードフィールド径よりも小さくなる。

（実施形態２）
実施形態１では、超短パルスレーザにより形成したモードフィールド径変換用光導波路１０を光ファイバ１１と光導波路部品１３の間に挿入する方法を示した。実施形態１の方法は、最適なモードフィールド径変換用光導波路部品（９および１０）を個別に用意する必要があるが、同部品の歩留まり等の観点から好ましい。すなわち、モードフィールド径変換用光導波路部品を個別に検査することが可能であるため、特性のよい部品を選別することが可能である。

一方で、図６に示す実施形態２のように、光導波路部品１５に予め超短パルスレーザによりモードフィールド径変換部を形成することでも同様の光学性能を実現することが可能である。

図６に、本発明の実施形態２に係るモードフィールド径変換用光導波路を有する光導波路部品の構成を示す。導波路コア１６は光導波路部品１５の端面から光導波路部品１５の中程まで形成されており、導波路コア１６の一方の端部は光導波路部品１５の内部に位置している。このような光導波路部品１５に対して、導波路コア１６の光導波路部品１５の内部に位置する端部から光ファイバが接続される位置まで超短パルスレーザを照射することにより、モードフィールド径変換用光導波路１７を形成する。尚、図６にモードフィールド径変換用光導波路１７として破線で示す円筒状のものは、モードフィールド径を示すものである。

光導波路部品１５としては、シリコン基板や石英基板上に形成された石英系光導波路や、ポリマー導波路、ニオブ酸リチウムなどの結晶材料を用いることができる。図６に示される通り、スポット８を光導波路コア１６の光導波路部品１５の内部に位置する端部直近に配置し、その位置から光導波路部品１５の光ファイバが接続される端面まで、実施形態１で説明した方法と同様の手順でモードフィールド径変換用光導波路１７を形成する。

図７に、モードフィールド径変換用光導波路１７を介して、光導波路部品１５を光ファイバ１１に接続した構成を示す。実施形態１の場合と同様に、光ファイバ１１と光導波路部品１５は、光学接着剤等を用いて接着する。

本実施形態２の方法では、実施形態１に示した構成と異なり、モードフィールド径変換用の部品点数が削減されるため、作製工程および接続工程が簡便となるという利点を有する。

また、実施形態１および２では、小さなモードフィールド径を有する側から大きなモードフィールド径を有する側へ導波路を形成する例を示したが、逆に大きなモードフィールド径を有する側から小さなモードフィールド径を有する側へ形成しても構わないことは明らかである。

加えて、超短パルスレーザによるモードフィールド径変換のための光導波路を光導波路部品１５に形成する例を示したが、光ファイバ側に作製しても構わない。

さらに、光導波路部品の比屈折率差が大きく、モードフィールド径が光ファイバのモードフィールド径に比べて小さい場合を示したが、大小関係は逆でも構わない。

加えて、ここでは一本の光導波路と、一本の光ファイバの接続の例を示したが、多芯の光導波路と多芯の光ファイバとの接続にも適用できることは明らかである。

さらに、ここでは光導波路と光ファイバの接続の例を示したが、異なるモードフィールド径を有する光導波路間、もしくは光ファイバ間の接続に対しても適用可能である。

さらに、複数のコアを有するマルチコアファイバ間の接続やマルチコアファイバと光導波路部品間の接続に対して適用しても構わない。

１ 超短パルスレーザ
２ アッテネータもしくはシャッター
３ ミラー
４ 対物レンズ
５ 制御装置
６ 自動ステージ
７ ウエハ
８ スポット
９ 基板
１０ モードフィールド径変換用光導波路
１１ 光ファイバ
１２ 光ファイバコア
１３ 光導波路部品
１４ 光導波路部品のコア
１５ 光導波路部品
１６ 光導波路部品のコア
１７ モードフィールド径変換用光導波路

Claims (9)

1. 少なくとも第１および第２のモードフィールド径を有する光導波路を含む光導波路部品であって、
   前記光導波路の少なくとも前記第１のモードフィールド径から前記第２のモードフィールド径までのコアとクラッドは同一材料からなり、前記コアは前記クラッドよりも高い屈折率を有する領域を含み、前記コアの前記第１のモードフィールド径を有する領域から前記第２のモードフィールド径を有する領域まで前記高い屈折率を有する領域の屈折率及び断面積の少なくとも一方が連続的に変化していることを特徴とする光導波路部品。
2. 前記光導波路部品の少なくとも前記第１のモードフィールド径から前記第２のモードフィールド径までのコアとクラッドは誘電体材料からなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路部品。
3. 基板中に少なくとも第１および第２のモードフィールド径を有する光導波路を含む光導波路部品の作製方法であって、
   前記基板中にレーザ光を照射するステップと、
   前記基板に対する前記レーザ光の照射位置を連続的に変化させながら移動させて前記第１のモードフィールド径から前記第２のモードフィールド径に連続的に変化する光導波路を形成するステップと、
   を有することを特徴とする光導波路部品の作製方法。
4. 前記第１および第２のモードフィールド径に応じて、前記レーザ光の照射位置の移動速度、前記レーザ光のパルス幅、前記レーザ光の平均強度、前記レーザ光の繰り返し周波数を設定することを特徴とする請求項３に記載の光導波路部品の作製方法。
5. 前記光導波路を形成するステップにおいて、前記基板に対する前記レーザ光の照射位置を第１の速度から第２の速度に連続的に変化させながら移動させて前記第１のモードフィールド径から前記第２のモードフィールド径に連続的に変化する光導波路を形成することを特徴とする請求項３又は４に記載の光導波路部品の作製方法。
6. 前記第２の速度は前記第１の速度よりも速く、前記第１のモードフィールド径は前記第２のモードフィールド径よりも小さいことを特徴とする請求項５に記載の光導波路部品の作製方法。
7. 前記光導波路を形成するステップにおいて、前記基板に対する前記レーザ光の強度を第１の強度から第２の強度に連続的に変化させながら移動させて前記第１のモードフィールド径から前記第２のモードフィールド径に連続的に変化する光導波路を形成することを特徴とする請求項３又は４に記載の光導波路部品の作製方法。
8. 前記第２の強度は前記第１の強度よりも弱く、前記第１のモードフィールド径は前記第２のモードフィールド径よりも小さいことを特徴とする請求項７に記載の光導波路部品の作製方法。
9. 前記基板は、誘電体材料からなることを特徴とする請求項３乃至８のいずれかに記載の光導波路部品の作製方法。