JP2019095485A - ハイブリッド光回路 - Google Patents

Abstract

【課題】石英系光回路とＰＰＬＮ導波路との接続部の長期的安定性を実現する。【解決手段】石英系光回路１は、ＰＰＬＮ導波路との接続端面１０ａに、光が伝播する導波路が形成された領域１１と光が伝播しない領域１２とを分断するように形成された溝６を有する。石英系光回路１のＰＰＬＮ導波路との接続端面１０ａのうち、光が伝播しない領域１２に設けられた紫外線硬化型接着剤１３により、石英系光回路１の接続端面とこれと向かい合うＰＰＬＮ導波路の接続端面とが接着される。【選択図】 図２

Description

本発明は、ハイブリッド光回路に関し、より詳細には、石英系光回路とＰＰＬＮ導波路とが接合されたハイブリッド光回路に関するものである。

石英系光回路は、石英ガラス基板又はシリコン基板上に、石英系ガラスを主たる材料として作製される石英系光導波路により構成され、実用に供せられている。石英系光回路上の石英系光導波路は、伝播損失が低い、信頼性・安定性が高い、および加工性が良い等の特徴を有している。また、石英系光導波路は、石英系光ファイバとの整合性が良いため、標準的な通信用石英系光ファイバと接続した場合においても、低損失・高信頼性を有している。

現在、石英系光導波路により構成したＹ分岐パワースプリッター、マッハ・ツェンダ干渉計（Mach-Zehnder Interferometer：ＭＺＩ）、ＭＺＩを利用した光スイッチ、およびアレイ導波路型波長合分波器（Arrayed Waveguide Grating：ＡＷＧ）などの光回路（Planar Lightwave Circuits：ＰＬＣ）の開発が進められている。これらの光回路は、近年、構築が進められつつある波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）光伝送システムを基盤とした、フォトニックネットワークシステムの重要なキーデバイスとなっている（例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３および非特許文献４参照）。

周期分極反転ニオブ酸リチウム（Periodically Poled LiNbO₃：ＰＰＬＮ）導波路は、高効率な二次非線形光学効果を有する媒質で、波長変換および光パラメトリック増幅器（Optical parametric amplifier：ＯＰＡ）としての研究開発が進められている。近年は、ＰＰＬＮ導波路の特性向上及び実装技術の進展、並びに励起光を発生させるファイバ光増幅器技術の進展に伴い、通信分野を中心として、ＰＰＬＮ導波路を使用した光デバイスの実用化を視野にいれた研究開発も進められている。特に、ＰＰＬＮ導波路を使用したＯＰＡは、低雑音光増幅器として注目され、実用化に向けた研究開発が加速されている（例えば、非特許文献５、非特許文献６および非特許文献７参照）。

図８は、従来のＰＰＬＮ導波路を使用したＯＰＡの構成を示す概略図である。図８のＯＰＡ１００は、入力光ファイバ１０１および出力光ファイバ１０３が接続されたＯＰＡ用モジュール１１０と、入力光ファイバ１０２および出力光ファイバ１０４が接続された第２高調波光発生（Second Harmonic Generation：ＳＨＧ）用モジュール１２０とを備える。

ＯＰＡ用モジュール１１０内には、光の入力側から順に、コリメートレンズ１１１、ダイクロイックミラー（dichroic mirror）１１２、集光レンズ１１３、ＰＰＬＮ導波路１１４、集光レンズ１１５、ダイクロイックミラー１１６、コリメートレンズ１１７が配置されている。ＳＨＧ用モジュール１２０内には、光の入力側から順に、コリメートレンズ１２１、ダイクロイックミラー１２２、集光レンズ１２３、ＰＰＬＮ導波路１２４、集光レンズ１２５、ダイクロイックミラー１２６、コリメートレンズ１２７が配置されている。ＯＰＡ用モジュール１１０とＳＨＧ用モジュール１２０とは、光ファイバ１０５により接続されている。また、入力光ファイバ１０２とＳＨＧ用モジュール１２０との間に、ＥＤＦＡ（Erbium-Doped Fiber Amplifier）１０６と、ＢＰＦ（Band Pass Filter）１０７とが挿入されている。

ＯＰＡ１００においては、まず、入力光ファイバ１０２からＥＤＦＡ１０６およびＢＰＦ１０７を介して、基本波光がＳＨＧ用モジュール１２０に入射する。基本波光は、コリメートレンズ１２１により平行光に変換され、ダイクロイックミラー１２２を通過した後、集光レンズ１２３により集光され、ＰＰＬＮ導波路１２４に入射する。ＰＰＬＮ導波路１２４において、基本光波は、励起光となる第２高調波光（Second Harmonic light：ＳＨ光）に変換され、ＰＰＬＮ導波路１２４を出射する。このとき、すべての基本波光がＳＨ光に変換されるわけではなく、未変換基本波光も一緒に出射される。ＳＨ光は、集光レンズ１２５により平行光に変換された後、ダイクロイックミラー１２６において基本波光と分離され、光ファイバ１０５を介してＯＰＡ用モジュール１１０に入射する。

ＯＰＡ用モジュール１１０には、入力光ファイバ１０１から信号光が入射する。入射した信号光は、コリメートレンズ１１１により平行光に変換され、ダイクロイックミラー１１２において、光ファイバ１０５からのＳＨ光と合波され、集光レンズ１１３により集光され、ＰＰＬＮ導波路１１４に入射する。ＰＰＬＮ導波路１１４において、信号光はＳＨ光とのパラメトリック効果により増幅されて、ＰＰＬＮ導波路１１４を出射する。このとき、全てのＳＨ光が信号光増幅に寄与するわけではなく、ＳＨ光の一部も、増幅された信号光と共にＰＰＬＮ導波路１１４から出射する。ＰＰＬＮ導波路１１４からの出射光は、コリメートレンズ１１５により平行光に変換され、ダイクロイックミラー１１６により未変換ＳＨ光と増幅された信号光とに分波される。信号光は、コリメートレンズ１１７により集光され、ＯＰＡ用モジュール１１０を出射して出力光ファイバ１０３に入射する。

通信分野等における実用化を想定した場合に、ＯＰＡは、光ファイバによる入出力形態での実装モジュール化が必須又は好ましいため、光ファイバ入出力を想定したモジュール化実装の検討が進められている。一方で、ＯＰＡは、励起光発生用のＳＨＧ用モジュールおよびＯＰＡ用モジュール等のＰＰＬＮモジュールを実装するにあたり、コリメートレンズ、ダイクロイックミラーおよび集光レンズ等の素子を個々に設置・調整（アライメント）する必要がある。こうしたアセンブリは、量産性を低くし、コストを高くするという課題を有している。

これらの課題は、石英系ＰＬＣとの複合化を図ることで、解決が可能である。従来の石英系ＰＬＣでは、ファイバ接続にあたり、ファイバブロックを用い、紫外線硬化型接着剤によって固定する方法が用いられるのが一般的となっている。このような固定方法が採用される理由は、紫外線硬化型接着剤が、熱硬化型接着剤の様に広範な領域を加熱することを必要とせず、接着部に局所的に紫外線を照射することにより硬化させることができることから、光軸の調芯工程との整合性が高く、全体として高精度で高い信頼性を有した形で接続実装を可能とするからである。

しかしながら、高強度の７８０ｎｍ〜８００ｎｍ帯の光や、更にそれより短波長で、高強度の光が、紫外線硬化樹脂で接続された端面を透過する場合、時間が経過するに従って紫外線硬化樹脂が劣化するという問題があった。この問題は、光の波長が短い方が、例えば４００ｎｍといった波長の方がより顕著であり、また光強度が強ければ強いほど顕著となる。

ＰＰＬＮ導波路を用いたパラメトリック増幅を用いる応用分野では、基本波光と信号光に１．５μ帯光を用い、励起光（ＳＨ光）に０．７８μｍ帯光を用いることが多く、また量子光情報処理の応用分野では、基本波光と信号光に８００ｎｍ帯光を用い、励起光（ＳＨ光）に４００ｎｍ帯光を用いることがある。このため、ＰＰＬＮ−ＰＬＣハイブリッド光回路の応用範囲の拡大を図るためには、従来の紫外線硬化型接着剤に依らない、もしくは光が通る経路上に従来の紫外線硬化型樹脂が無い接続手法が望まれる。

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本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、石英系光回路と二次非線形導波路（ＰＰＬＮ導波路）とを備えたハイブリッド光回路において、石英系光回路と二次非線形導波路との接続部の長期的安定性を実現することを目的とする。

本発明のハイブリッド光回路は、石英系ガラスを主たる材料として形成された第１の導波路を含む石英系光回路と、周期分極反転構造を有する二次非線形光学材料からなり、基本波光の第２高調波光を発生させる第２の導波路と、前記第２高調波光を励起光として用いて信号光のパラメトリック増幅を行う第３の導波路とを含む二次非線形導波路とを備え、前記石英系光回路は、前記二次非線形導波路との接続端面に、光が伝播する前記第１の導波路が形成された領域と光が伝播しない領域とを分断するように形成された溝を有することを特徴とするものである。

また、本発明のハイブリッド光回路の１構成例において、前記石英系光回路の溝は、前記二次非線形導波路との接続端面のうち、光が伝播する前記第１の導波路が形成された領域とその両側の前記光が伝播しない領域とを分断するように少なくとも２箇所形成され、前記石英系光回路の前記二次非線形導波路との接続端面のうち、前記光が伝播しない領域に設けられた接着剤により、前記石英系光回路の接続端面とこれと向かい合う前記二次非線形導波路の接続端面とが接着されていることを特徴とするものである。
また、本発明のハイブリッド光回路の１構成例において、前記石英系光回路の前記二次非線形導波路との接続端面のうち、光が伝播する前記第１の導波路が形成された領域と前記二次非線形導波路の接続端面との間隙に、高耐光性屈折率整合性樹脂が充填されていることを特徴とするものである。
また、本発明のハイブリッド光回路の１構成例において、前記石英系光回路の前記二次非線形導波路との接続端面のうち、光が伝播する前記第１の導波路が形成された領域と前記二次非線形導波路の接続端面とに反射防止膜コートがなされていることを特徴とするものである。

また、本発明のハイブリッド光回路は、石英系ガラスを主たる材料として形成された第１の導波路を含む石英系光回路と、周期分極反転構造を有する二次非線形光学材料からなり、基本波光の第２高調波光を発生させる第２の導波路と、前記第２高調波光を励起光として用いて信号光のパラメトリック増幅を行う第３の導波路とを含む二次非線形導波路と、前記石英系光回路と前記二次非線形導波路とを光ファイバを介して接続するファイバアレイブロックとを備え、前記ファイバアレイブロックは、前記石英系光回路との接続端面および前記二次非線形導波路との接続端面のそれぞれに、光が伝播する前記光ファイバが配置された領域と光が伝播しない領域とを分断するように形成された溝を有することを特徴とするものである。

また、本発明のハイブリッド光回路の１構成例において、前記ファイバアレイブロックの溝は、前記二次非線形導波路との接続端面のうち、光が伝播する前記光ファイバが配置された領域とその両側の前記光が伝播しない領域とを分断するように少なくとも２箇所形成されると共に、前記石英系光回路との接続端面のうち、光が伝播する前記光ファイバが配置された領域とその両側の前記光が伝播しない領域とを分断するように少なくとも２箇所形成され、前記ファイバアレイブロックの前記二次非線形導波路との接続端面のうち、前記光が伝播しない領域に設けられた接着剤により、前記ファイバアレイブロックの接続端面とこれと向かい合う前記二次非線形導波路の接続端面とが接着され、前記ファイバアレイブロックの前記石英系光回路との接続端面のうち、前記光が伝播しない領域に設けられた接着剤により、前記ファイバアレイブロックの接続端面とこれと向かい合う前記石英系光回路の接続端面とが接着されていることを特徴とするものである。
また、本発明のハイブリッド光回路の１構成例において、前記ファイバアレイブロックの前記二次非線形導波路との接続端面のうち、光が伝播する前記光ファイバが配置された領域と前記二次非線形導波路の接続端面との間隙、および前記ファイバアレイブロックの前記石英系光回路との接続端面のうち、光が伝播する前記光ファイバが配置された領域と前記石英系光回路の接続端面との間隙に、高耐光性屈折率整合性樹脂が充填されていることを特徴とするものである。
また、本発明のハイブリッド光回路の１構成例において、前記接着剤は、紫外線硬化型接着剤である。

本発明によれば、石英系光回路の二次非線形導波路との接続端面に、光が伝播する第１の導波路が形成された領域と光が伝播しない領域とを分断するように溝を設けることにより、接着剤の塗り分けを実現することができ、光が伝播しない領域に接着剤を塗布して石英系光回路と二次非線形導波路とを接着すれば、接続端面の光が伝播する領域に接着剤が無い構造を実現することができるので、石英系光回路と二次非線形導波路との接続部の長期的安定性を実現することができる。また、本発明では、石英系光回路内の第１の導波路と方向性結合器とによって石英系光回路内で信号光と第２高調波光との合波を行うようにすれば、二次非線形導波路にダイクロイックミラー等の部品を設けることを不要とし、ハイブリッド光回路の部品点数の削減を図ることができる。また、石英系光回路内で信号光と第２高調波光との合波を行うようにすれば、コリメート用レンズ、ダイクロイックミラー等の設置調整のアセンブリに係る工程を削減することができ、量産性を高め、製造コストの低減を図ることができ、ハイブリッド光回路を安価に製造することができる。

また、本発明では、石英系光回路の二次非線形導波路との接続端面のうち、光が伝播する第１の導波路が形成された領域と二次非線形導波路の接続端面との間隙に、高耐光性屈折率整合性樹脂を充填することにより、石英系光回路と二次非線形導波路の間隙で反射が発生することを抑制することができる。

また、本発明では、石英系光回路の二次非線形導波路との接続端面のうち、光が伝播する第１の導波路が形成された領域と二次非線形導波路の接続端面とに反射防止膜コートを施すことにより、石英系光回路と二次非線形導波路の間隙で反射が発生することを抑制することができる。

また、本発明では、ファイバアレイブロックの石英系光回路との接続端面および二次非線形導波路との接続端面のそれぞれに、光が伝播する光ファイバが配置された領域と光が伝播しない領域とを分断するように溝を設けることにより、接着剤の塗り分けを実現することができ、光が伝播しない領域に接着剤を塗布してファイバアレイブロックと二次非線形導波路とを接着すると共に、ファイバアレイブロックと石英系光回路とを接着すれば、接続端面の光が伝播する領域に接着剤が無い構造を実現することができるので、石英系光回路と二次非線形導波路との接続部の長期的安定性を実現することができる。

また、本発明では、ファイバアレイブロックの二次非線形導波路との接続端面のうち、光が伝播する光ファイバが配置された領域と二次非線形導波路の接続端面との間隙、およびファイバアレイブロックの石英系光回路との接続端面のうち、光が伝播する光ファイバが配置された領域と石英系光回路の接続端面との間隙に、高耐光性屈折率整合性樹脂を充填することにより、ファイバアレイブロックと二次非線形導波路の間隙およびファイバアレイブロックと石英系光回路の間隙で反射が発生することを抑制することができる。

図１は、本発明の第１の実施例に係るハイブリッド光回路の構成を示す斜視図である。 図２は、本発明の第１の実施例に係る石英系光回路のＰＰＬＮ導波路との接続端面を拡大した斜視図である。 図３は、本発明の第１の実施例に係る石英系光回路の構成を示す平面図である。 図４は、本発明の第１の実施例において光パラメトリック増幅の利得評価を行う系の概略図である。 図５は、本発明の第１の実施例に係るハイブリッド光回路における小信号利得の時間経過に対する安定性を評価した結果を示す図である。 図６は、本発明の第２の実施例に係るファイバアレイブロックの構成を示す斜視図である。 図７は、本発明の第２の実施例に係るハイブリッド光回路の構成を示す斜視図である。 図８は、従来のＰＰＬＮ導波路を使用した光パラメトリック増幅器の構成を示す概略図である。

［第１の実施例］
以下、図面を参照しながら本発明の実施例について詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施例に係るハイブリッド光回路の構成を示す斜視図である。ハイブリッド光回路は、石英系光回路１と、石英系光回路１に直接接合されたＰＰＬＮ導波路２（二次非線形導波路）とを備える。

石英系光回路１は、Ｓｉ基板上に石英系ガラスを主たる材料として形成されたコア層とクラッド層とからなる導波路（不図示）を備えている。
ＰＰＬＮ導波路２は、少なくとも一部に周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウム（二次非線形光学材料）を主たる材料とするＯＰＡ用ＰＰＬＮ導波路２００（第３の導波路）と、同じく周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウムを主たる材料とするＳＨＧ用ＰＰＬＮ導波路２０１（第２の導波路）とを含む。

石英系光回路１を作製するため、Ｓｉ基板上に、熱酸化膜層に加え、火炎堆積法（flame hydrolysis deposition：ＦＨＤ）を用いてアンダークラッド層を形成し、アンダークラッド層上に、導波路のコア層となるＳｉＯ₂−ＧｅＯ₂ガラス層を堆積する。このＳｉＯ₂−ＧｅＯ₂ガラス層上に導波路パターンの加工マスク層を形成した後、フォトリソグラフィー技術を用いて、露光および導波路パターン化を行い、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、コアガラス層を加工してパターン化する。

コア層のパターン化加工後、残留加工マスク層を除去し、再び火炎堆積法を用いて、オーバークラッドとなるガラス層を堆積して、埋め込み型導波路を有する石英系光回路を作製する。このような石英系光回路の作製方法は、周知の技術である。なお、本実施例において、石英系光回路内の導波路の、クラッド層に対するコア層の比屈折率差（Δ）は、約２％に設定する。アンダークラッド層の厚さは、２０μｍとする。コア層の断面寸法は、約３μｍ×３μｍとした。

以上のような石英系光回路をウエハからチップ状に切り出して、石英系光回路１を完成させる。
一方、ＰＰＬＮ導波路２は、直接接合とエッチングを用いて作製することができる。具体的には、Ｚｎを添加したＬｉＮｂＯ₃の基板をコア層として、このＬｉＮｂＯ₃基板に先に分極反転を施し、この周期分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ₃基板とクラッド層となるＬｉＴａＯ₃基板とを直接接合し、その後ＬｉＮｂＯ₃基板を薄膜化して、ダイシングにより横方向の閉じ込めを行いリッジ型の光導波路構造とする（例えば非特許文献５参照）。上記のとおり、ＰＰＬＮ導波路２内には、光パラメトリック増幅用のＰＰＬＮ導波路２００（図８のＰＰＬＮ導波路１１４に相当）と波長変換用のＰＰＬＮ導波路２０１（図８のＰＰＬＮ導波路１２４に相当）とが設けられている。

次に、石英系光回路１を加工してＰＰＬＮ導波路２と接合する方法について説明する。
図２は、図１の石英系光回路１のＰＰＬＮ導波路２との接続端面を拡大した斜視図である。上記のようにチップ状に加工した石英系光回路１の上面と下面に、加工時の補強材として、パイレックス（登録商標）の厚板を張り付け、ＰＰＬＮ導波路２と接続する側の端面１０ａの所望の位置、具体的には、石英系光回路１の接続端面１０ａのうち、光が伝播する導波路が形成された領域１１とその両側の光が伝播しない領域１２とを分断するように、接続端面１０ａから光回路内側に向かう溝６を石英系光回路１の厚さ方向に沿って２箇所形成した。この溝６の形成には、今回、ダイシングソーを用いた。

次に、補強材として用いたパイレックス板を石英系光回路１から取り外し、研磨時及び接続時の補強となるヤトイガラス製の補強硝材５ａを、その端面が接続端面１０ａと面一になるように石英系光回路１の上面と下面に接着剤で貼り付けると共に、同じくヤトイガラス製の補強硝材５ｂを、その端面が接続端面１０ａと反対側の石英系光回路１の接続端面１０ｂと面一になるように石英系光回路１の上面と下面に接着剤で貼り付け、端面１０ａ，１０ｂの研磨を行った。

このとき、接続端面１０ａ側の補強硝材５ａの端面には、端面１０ａに形成された溝６と同じ間隔、同じ幅の溝７を２箇所形成しておき、溝６と溝７の位置が一致するように、補強硝材５ａを石英系光回路１の上面と下面に貼り付けた。

石英系光回路１の接続端面１０ａの研磨後、接続端面１０ａのうち、溝６，７の外側の、光が伝播しない領域１２に紫外線硬化型接着剤１３を塗布し、接続端面１０ａとＰＰＬＮ導波路２の接続端面とを向かい合わせる。そして、石英系光回路１の導波路とＰＰＬＮ導波路２との光軸調整後、紫外線硬化型接着剤１３に紫外線を照射し、石英系光回路１とＰＰＬＮ導波路２とを接合した。

本実施例では、溝６，７を設けたことにより、石英系光回路１の接続端面１０ａを、導波路が形成された領域１１とその両側の光が伝播しない領域１２とに分断しているので、領域１２に塗布した紫外線硬化型接着剤１３が領域１１まで食み出すことはない。
この接続端面１０ａの領域１１とＰＰＬＮ導波路２の接続端面との間には、紫外線硬化型接着剤１３の厚さ分の僅かな間隙がある。そこで、紫外線硬化型接着剤１３の硬化後、この間隙に高耐光性屈折率整合性樹脂１４を充填することにより、石英系光回路１とＰＰＬＮ導波路２の間隙で反射が発生することを抑制した。

本実施例では、高耐光性屈折率整合性樹脂１４を充填したが、石英系光回路１の接続端面１０ａとＰＰＬＮ導波路２の接続端面の両端面に反射防止多層膜コート（ＡＲコート）を行うことにより、高耐光性屈折率整合性樹脂１４と同様の効果を得ることができる。

ＰＰＬＮ導波路２と光ファイバ４ａとの接続、石英系光回路１と光ファイバ４ｂとの接続についても同様である。具体的には、光ファイバ４ａを固定するためのファイバブロック３ａのＰＰＬＮ導波路２との接続端面のうち、光が伝播する光ファイバ４ａが配置された領域とその両側の光が伝播しない領域とを分断するように、溝８ａをファイバブロック３ａの厚さ方向に沿って２箇所形成した。そして、ファイバブロック３ａの接続端面のうち、溝８ａの外側の、光が伝播しない領域に紫外線硬化型接着剤を塗布し、この接続端面とＰＰＬＮ導波路２の接続端面とを向かい合わせる。そして、光ファイバ４ａとＰＰＬＮ導波路２との光軸調整後、紫外線硬化型接着剤に紫外線を照射し、ファイバブロック３ａとＰＰＬＮ導波路２とを接着する。また、ファイバブロック３ａの接続端面の、光が伝播する光ファイバ４ａが配置された領域とＰＰＬＮ導波路２の接続端面との間隙に高耐光性屈折率整合性樹脂を充填した。

同様に、光ファイバ４ｂを固定するためのファイバブロック３ｂの石英系光回路１との接続端面のうち、光が伝播する光ファイバ４ｂが配置された領域とその両側の光が伝播しない領域とを分断するように、溝８ｂをファイバブロック３ｂの厚さ方向に沿って２箇所形成した。そして、ファイバブロック３ｂの接続端面のうち、溝８ｂの外側の、光が伝播しない領域に紫外線硬化型接着剤を塗布し、この接続端面と石英系光回路１の接続端面とを向かい合わせる。そして、光ファイバ４ｂと石英系光回路１の導波路との光軸調整後、紫外線硬化型接着剤に紫外線を照射し、ファイバブロック３ｂと石英系光回路１とを接着する。また、ファイバブロック３ｂの接続端面の、光が伝播する光ファイバ４ｂが配置された領域と石英系光回路１の接続端面との間隙に高耐光性屈折率整合性樹脂を充填した。

図３は、図１の石英系光回路１の構成を示す平面図である。図３の３１〜３６は光が入出射するポートである。図３の石英系光回路１の導波路パターンでは、ＰＰＬＮ導波路２との接続端面１０ａのポート３６より、高強度の未変換基本波光（本実施例では、１．５μｍ帯光）と第２高調波光（ＳＨ光、０．７８μｍ帯光）が入射する。ポート３６に入射した光は、導波路３７を伝播した後、方向性結合器（directional coupler：ＤＣ）３８に入射する。この方向性結合器３８に入射した光のうち、基本波光（１．５μｍ光）は方向性結合器３８のクロスポートから導波路３９に出力され、ＳＨ光は方向性結合器３８のスルーポート（Through port）から導波路４０に出力されるように設計した。

導波路４０に設ける曲部４８の半径Ｒは約２ｍｍとした。導波路４０を伝播するＳＨ光は、方向性結合器４１に入射する。方向性結合器４１に入射した光のうち、ＳＨ光は方向性結合器４１のスルーポートから導波路４２に出力され、方向性結合器４５に入射し、基本波光は方向性結合器４１のクロスポートから導波路４３に出力される。

一方、ファイバブロック３ｂとの接続端面１０ｂのポート３１より信号光（本実施例では、１．５μｍ光）が入射する。信号光は、導波路４４を伝播した後、方向性結合器４５に入射する。方向性結合器４５において信号光とＳＨ光とが合波され、合波された信号光とＳＨ光とが同じパラメトリック増幅用のＰＰＬＮ導波路２のポートに結合するようにレイアウトした。すなわち、信号光とＳＨ光の合波光は、方向性結合器４５から導波路４７に出力され、ＰＰＬＮ導波路２との接続端面１０ａのポート３５に出力される。出力ポート３５を、導波路４０の曲部４８からの長波長光の放射光が主に進む方向と反対側の端面１０ａに配置することにより、迷光の信号光ポートへの結合が低減されるようにした。

ＰＰＬＮ導波路２内では、波長変換用のＰＰＬＮ導波路により基本波光がＳＨ光に変換され、また光パラメトリック増幅用のＰＰＬＮ導波路においてＳＨ光が励起光（Ｐｕｍｐ光）として作用し、信号光がパラメトリック増幅される。
前述のとおり、溝６は、ＰＰＬＮ導波路２との接続端面１０ａのポート３４，３５，３６（導波路４６，４７，３７）の外側に設けてある。

図４は、図１〜図３に示したハイブリッド光回路を用いた光パラメトリック増幅の利得評価を行う系の概略図である。光源には、外部共振器型波長可変半導体レーザー（１．５５μｍ帯）５０を用いた。ファイバカプラ５１は、外部共振器型波長可変半導体レーザー５０の出力光を２系統に分岐させる。分岐させた２系統の光のうち、一方を信号光とし、他方をパラメトリック増幅の励起光となるＳＨＧ光の基本波光とした。

基本波光は、Ｅｒ添加ファイバ光増幅器５２により概ね＋３０ｄＢｍ増幅された後、光ファイバ４ａを伝播してＰＰＬＮ導波路２に入射し、ＰＰＬＮ導波路２内でＳＨ光に変換される。
一方、信号光は、ファイバカプラ５３を通過した後、光ファイバ４ｂを伝播して石英系光回路１に入射する。ファイバカプラ５３を設けた理由は、信号光の一部を取り出して、信号光の強度をフォトディテクター５４を用いて測定するためである。

上記のとおり、ＰＰＬＮ導波路２からのＳＨ光と未変換の基本波光とは石英系光回路１のポート３６に入射し、信号光は石英系光回路１のポート３１に入射する。図３で説明した石英系光回路１での処理により、未変換の基本波光が除去され、信号光とＳＨ光とが合波されて、この合波光が石英系光回路１のポート３５からＰＰＬＮ導波路２に入射する。ＰＰＬＮ導波路２において、信号光はＳＨ光とのパラメトリック効果により増幅されて、ＰＰＬＮ導波路２を出射する。図４の構成では、増幅された信号光の強度を測定するために、フォトディテクター５５が設けられている。

本実施例で用いたＰＰＬＮ−ＰＬＣハイブリッド光回路では、＋３０ｄＢｍの増幅された基本波光入力に対し、信号光の増幅率は、＋１１ｄＢであった。
図５は、本実施例のハイブリッド光回路の小信号利得の時間経過に対する安定性を評価した結果を示している。図５の縦軸は利得、横軸は時間である。ここでは、パラメトリック増幅の励起光の元となる基本波光の強度を、＋３０ｄＢｍで一定とした。図５の５８は本実施例のハイブリッド光回路の小信号利得（増幅率）を示している。図５によれば、外部共振器型波長可変半導体レーザー５０の光出力開始から２０００時間経過後も、小信号利得が安定して約１１ｄＢが得られていることが分かる。

参考として、本実施例のように溝６，７，８ａ，８ｂを設けずに、石英系光回路１とＰＰＬＮ導波路２との接続端面、ＰＰＬＮ導波路２と光ファイバ４ａとの接続端面、石英系光回路１と光ファイバ４ｂとの接続端面のそれぞれについて、接続端面全面に紫外光硬化型着接着材を塗り、石英系光回路１とＰＰＬＮ導波路２とを接着し、ＰＰＬＮ導波路２と光ファイバ４ａとを接着し、石英系光回路１と光ファイバ４ｂとを接着したハイブリッド光回路の小信号利得の特性を図５の５９で示す。このハイブリッド光回路では、外部共振器型波長可変半導体レーザー５０の光出力開始から１５００時間が経過したときに小信号利得の減少が現れ、２０００時間経過後には小信号利得が９．１ｄＢに劣化した。この劣化は、紫外光硬化型着接着材による接続部の劣化に起因するものと推定される。

以上のように、本実施例によれば、石英系光回路１のＰＰＬＮ導波路２との接続端面１０ａに溝６を設け、溝６の外側の光が伝播しない領域１２に紫外線硬化型接着剤１３を塗布して石英系光回路１とＰＰＬＮ導波路２とを接着することにより、接続端面１０ａの光が伝播する領域１１に紫外線硬化型接着剤１３が無い構造を実現することができるので、長時間経過した後においても、変わらぬ安定した利得特性を得ることができる。同様に、本実施例では、ファイバブロック３ａのＰＰＬＮ導波路２との接続端面、ファイバブロック３ｂの石英系光回路１との接続端面のそれぞれに溝８ａ，８ｂを設け、溝８ａ，８ｂの外側の光が伝播しない領域に紫外線硬化型接着剤を塗布して、ファイバブロック３ａとＰＰＬＮ導波路２とを接着する共にファイバブロック３ｂと石英系光回路１とを接着するので、光が伝播する光ファイバ４ａ，４ｂが配置された領域に紫外線硬化型接着剤が無い構造を実現することができる。

また、本実施例では、石英系光回路１に導波路３７，３９，４０，４２〜４４，４６，４７（第１の導波路）と方向性結合器３８，４１，４５とを設け、石英系光回路１内で信号光とＳＨ光の合波を行うことにより、ＰＰＬＮ導波路２にダイクロイックミラー等の部品を設けることを不要とし、ハイブリッド光回路の部品点数の削減を図ることができる。また、本実施例では、コリメート用レンズ、ダイクロイックミラー等の設置調整のアセンブリに係る工程を削減することができ、量産性を高め、製造コストの低減を図ることができ、ハイブリッド光回路を安価に製造することができる。

［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。本実施例では、Ｖ溝に光ファイバを並べたファイバアレイブロックを第１の実施例のファイバブロック３ａ，３ｂと同様に作製し、このファイバアレイブロックを用いて石英系光回路とＰＰＬＮ導波路とを接続する。

図６は、本実施例に係るファイバアレイブロックの構成を示す斜視図である。ファイバアレイブロック１５では、Ｖ溝基板１６上に光ファイバ１７を配置し、Ｖ溝基板１６と例えばヤトイガラス製の補強硝材１８ａ，１８ｂで光ファイバ１７を挟むようにして、Ｖ溝基板１６と補強硝材１８ａ，１８ｂとの間に接着剤を充填して硬化させることにより、光ファイバ１７を固定する。

第１の実施例の石英系光回路１と同様に、Ｖ溝基板１６のＰＰＬＮ導波路との接続端面１９ａのうち、光が伝播する光ファイバ１７が配置された領域２０とその両側の光が伝播しない領域２１とを分断するように、接続端面１９ａからＶ溝基板１６の内側に向かう溝２２ａをＶ溝基板１６の厚さ方向に沿って２箇所形成した。同様に、Ｖ溝基板１６の石英系光回路との接続端面１９ｂのうち、光が伝播する光ファイバ１７が配置された領域とその両側の光が伝播しない領域とを分断するように、接続端面１ｂａからＶ溝基板１６の内側に向かう溝２２ｂをＶ溝基板１６の厚さ方向に沿って２箇所形成した。

また、上記のようにヤトイガラス製の補強硝材１８ａ，１８ｂを、その端面が接続端面１９ａ，１９ｂと面一になるようにＶ溝基板１６の上面に接着剤で貼り付けると共に、同じくヤトイガラス製の補強硝材１８ｃ，１８ｄを、その端面が接続端面１９ａ，１９ｂと面一になるようにＶ溝基板１６の下面に接着剤で貼り付けた。

このとき、補強硝材１８ａ，１８ｃの端面には、接続端面１９ａに形成された溝２２ａと同じ間隔、同じ幅の溝２３ａを２箇所形成しておき、溝２２ａと溝２３ａの位置が一致するように、補強硝材１８ａ，１８ｃをＶ溝基板１６の上面と下面に貼り付けた。同様に、補強硝材１８ｂ，１８ｄの端面には、接続端面１９ｂに形成された溝２２ｂと同じ間隔、同じ幅の溝２３ｂを２箇所形成し、溝２２ｂと溝２３ｂの位置が一致するように、補強硝材１８ｂ，１８ｄをＶ溝基板１６の上面と下面に貼り付けた。

図７は、本実施例に係るハイブリッド光回路の構成を示す斜視図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。
ＰＰＬＮ導波路２とファイバブロック３ａ，３ｂの構成、ＰＰＬＮ導波路２とファイバブロック３ａ（光ファイバ４ａ）との接続方法、石英系光回路１ａとファイバブロック３ｂ（光ファイバ４ｂ）との接続方法は、第１の実施例で説明したとおりである。本実施例の石英系光回路１ａは、ＰＰＬＮ導波路２側の接続端面に第１の実施例で説明した溝６が無い点のみ石英系光回路１と異なる。

ファイバアレイブロック１５とＰＰＬＮ導波路２との接続のため、ファイバアレイブロック１５のＰＰＬＮ導波路２との接続端面１９ａのうち、溝２２ａ，２３ａの外側の、光が伝播しない領域２１に紫外線硬化型接着剤２４を塗布し、接続端面１９ａとＰＰＬＮ導波路２の接続端面とを向かい合わせる。そして、光ファイバ１７とＰＰＬＮ導波路２との光軸調整後、紫外線硬化型接着剤２４に紫外線を照射し、ファイバアレイブロック１５とＰＰＬＮ導波路２とを接着する。この接続端面１９ａの、光が伝播する光ファイバ１７が配置された領域２０とＰＰＬＮ導波路２の接続端面との間には、紫外線硬化型接着剤２４の厚さ分の僅かな間隙がある。そこで、紫外線硬化型接着剤２４の硬化後、この間隙に高耐光性屈折率整合性樹脂２５を充填することにより、ファイバアレイブロック１５とＰＰＬＮ導波路２の間隙で反射が発生することを抑制する。

同様に、ファイバアレイブロック１５と石英系光回路１ａとの接続のため、ファイバアレイブロック１５の石英系光回路１ａとの接続端面１９ｂのうち、溝２２ｂ，２３ｂの外側の、光が伝播しない領域に紫外線硬化型接着剤を塗布し、接続端面１９ｂと石英系光回路１ａの接続端面とを向かい合わせる。そして、光ファイバ１７と石英系光回路１ａの導波路との光軸調整後、紫外線硬化型接着剤に紫外線を照射し、ファイバアレイブロック１５と石英系光回路１ａとを接着する。この接続端面１９ｂの、光が伝播する光ファイバ１７が配置された領域と石英系光回路１ａの接続端面との間には、僅かな間隙がある。紫外線硬化型接着剤の硬化後、この間隙に高耐光性屈折率整合性樹脂を充填することにより、ファイバアレイブロック１５と石英系光回路１ａの間隙で反射が発生することを抑制する。

本実施例では、溝２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂを設けたことにより、ファイバアレイブロック１５の接続端面１９ａ，１９ｂを、光が伝播する光ファイバ１７が配置された領域と光が伝播しない領域とに分断しているので、光が伝播しない領域に塗布した紫外線硬化型接着剤が、光が伝播する光ファイバ１７が配置された領域まで食み出すことはない。

本実施例では、ファイバアレイブロック１５を用いることにより、石英系光回路１ａ及びＰＰＬＮ導波路２には、付加的加工を必要とせず、従来のチップの形態で、ハイブリッド光回路を実現することができる。
石英系光回路１ａに付加工程を要しない作製方法は、種々の石英系ＰＬＣとのハイブリッド光回路を作製する量産時に、特に生産効率を高め、且つ、溝作製部を石英系ＰＬＣに設ける必要がないことから、設計自由度を制限しないという利点を有している。

更に、ファイバアレイブロック１５において用いる光ファイバ１７としてＧＩファイバを用い、ファイバアレイブロック１５を適当な長さにすることにより、ＧＲＩＮレンズと同様の効果を得ることができ、ＰＰＬＮ導波路２と石英系光回路１ａの導波路との間に開口数（ＮＡ）の差があっても、損失を低減して接続することが可能となる。

本発明は、石英系光回路とＰＰＬＮ導波路とを接合する技術に適用することができる。

１…石英系光回路、２，２００，２０１…ＰＰＬＮ導波路、３ａ，３ｂ…ファイバブロック、４ａ，４ｂ，１７…光ファイバ、５ａ，５ｂ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ…補強硝材、６，７，８ａ，８ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ…溝、１０ａ，１０ｂ，１９ａ，１９ｂ…接続端面、１３，２４…紫外線硬化型接着剤、１４，２５…高耐光性屈折率整合性樹脂、１５…ファイバアレイブロック、１６…Ｖ溝基板、３１〜３６…ポート、３７，３９，４０，４２，４３，４４，４６，４７…導波路、３８，４１，４５…方向性結合器、５０…外部共振器型波長可変半導体レーザー、５１，５３…ファイバカプラ、５２…Ｅｒ添加ファイバ光増幅器、５４，５５…フォトディテクター。

Claims (8)

1. 石英系ガラスを主たる材料として形成された第１の導波路を含む石英系光回路と、
   周期分極反転構造を有する二次非線形光学材料からなり、基本波光の第２高調波光を発生させる第２の導波路と、前記第２高調波光を励起光として用いて信号光のパラメトリック増幅を行う第３の導波路とを含む二次非線形導波路とを備え、
   前記石英系光回路は、前記二次非線形導波路との接続端面に、光が伝播する前記第１の導波路が形成された領域と光が伝播しない領域とを分断するように形成された溝を有することを特徴とするハイブリッド光回路。
2. 請求項１記載のハイブリッド光回路において、
   前記石英系光回路の溝は、前記二次非線形導波路との接続端面のうち、光が伝播する前記第１の導波路が形成された領域とその両側の前記光が伝播しない領域とを分断するように少なくとも２箇所形成され、
   前記石英系光回路の前記二次非線形導波路との接続端面のうち、前記光が伝播しない領域に設けられた接着剤により、前記石英系光回路の接続端面とこれと向かい合う前記二次非線形導波路の接続端面とが接着されていることを特徴とするハイブリッド光回路。
3. 請求項１または２記載のハイブリッド光回路において、
   前記石英系光回路の前記二次非線形導波路との接続端面のうち、光が伝播する前記第１の導波路が形成された領域と前記二次非線形導波路の接続端面との間隙に、高耐光性屈折率整合性樹脂が充填されていることを特徴とするハイブリッド光回路。
4. 請求項１または２記載のハイブリッド光回路において、
   前記石英系光回路の前記二次非線形導波路との接続端面のうち、光が伝播する前記第１の導波路が形成された領域と前記二次非線形導波路の接続端面とに反射防止膜コートがなされていることを特徴とするハイブリッド光回路。
5. 石英系ガラスを主たる材料として形成された第１の導波路を含む石英系光回路と、
   周期分極反転構造を有する二次非線形光学材料からなり、基本波光の第２高調波光を発生させる第２の導波路と、前記第２高調波光を励起光として用いて信号光のパラメトリック増幅を行う第３の導波路とを含む二次非線形導波路と、
   前記石英系光回路と前記二次非線形導波路とを光ファイバを介して接続するファイバアレイブロックとを備え、
   前記ファイバアレイブロックは、前記石英系光回路との接続端面および前記二次非線形導波路との接続端面のそれぞれに、光が伝播する前記光ファイバが配置された領域と光が伝播しない領域とを分断するように形成された溝を有することを特徴とするハイブリッド光回路。
6. 請求項５記載のハイブリッド光回路において、
   前記ファイバアレイブロックの溝は、前記二次非線形導波路との接続端面のうち、光が伝播する前記光ファイバが配置された領域とその両側の前記光が伝播しない領域とを分断するように少なくとも２箇所形成されると共に、前記石英系光回路との接続端面のうち、光が伝播する前記光ファイバが配置された領域とその両側の前記光が伝播しない領域とを分断するように少なくとも２箇所形成され、
   前記ファイバアレイブロックの前記二次非線形導波路との接続端面のうち、前記光が伝播しない領域に設けられた接着剤により、前記ファイバアレイブロックの接続端面とこれと向かい合う前記二次非線形導波路の接続端面とが接着され、前記ファイバアレイブロックの前記石英系光回路との接続端面のうち、前記光が伝播しない領域に設けられた接着剤により、前記ファイバアレイブロックの接続端面とこれと向かい合う前記石英系光回路の接続端面とが接着されていることを特徴とするハイブリッド光回路。
7. 請求項５または６記載のハイブリッド光回路において、
   前記ファイバアレイブロックの前記二次非線形導波路との接続端面のうち、光が伝播する前記光ファイバが配置された領域と前記二次非線形導波路の接続端面との間隙、および前記ファイバアレイブロックの前記石英系光回路との接続端面のうち、光が伝播する前記光ファイバが配置された領域と前記石英系光回路の接続端面との間隙に、高耐光性屈折率整合性樹脂が充填されていることを特徴とするハイブリッド光回路。
8. 請求項２または６記載のハイブリッド光回路において、
   前記接着剤は、紫外線硬化型接着剤であることを特徴とするハイブリッド光回路。