JP2019219459A - 平面光波回路及び光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】回路面積や作製工程の増加、特性劣化を伴わずに、簡便、高精度、安定に半導体光素子や光配線部品との光接続が可能な平面光波回路を提供する。【解決手段】平面光波回路１を構成する光機能回路１０の入出力導波路２に近接して、ミラー機能５を有するダミー光導波路９を配置することで、ダミー光導波路９からの反射光強度をモニタしながら、光機能回路１０と半導体光素子、あるいは光配線部品の位置合わせ、固定を簡易に実現できる。また、光接続させる光機能回路１０の入出力導波路２が複数ある場合には、ミラー機能５を有するダミー光導波路９の反射特性（反射率、幅、位置、反射波長）を変化させることで、どの入出力導波路２であるかを特定することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路構造に関する。

広範な光技術応用に伴い、高機能かつ小型な光モジュール（光部品）の需要が高まっている。平面光波回路は、基板上に光導波路を形成することによって種々の光回路を小型に実現することができ、光モジュールの構成部品として用いられている。異なる機能を持つ平面光波回路同士や、平面光波回路と空間位相変調器等の空間光学系部品を集積化することで様々な高機能光モジュールが実現されている。

２つの平面光波回路の導波路同士や平面光波回路の導波路と光ファイバのコア、平面光波回路と発光素子、受光素子を結合する際には、それぞれの光部品の光軸を高精度に合わせる必要がある。非特許文献１で述べられているように、アクティブ実装と呼ばれる従来手法では、基板の端面に存在する導波路のコアの端付近を高倍率カメラ等を用いてモニタリングを行いながら、大まかな位置合わせを行い、その後、接続する片方の導波路から光を入射して、接続部分を経由して他方の光部品へと結合した光強度を測定しながら最も結合率が高くなるように調整を行う。この場合、片方の光部品の導波路に光を入射する際の光軸合わせが必要となり、工程が増えるため光部品同士の接続のコストが大きくなる。また、光軸合わせを行う素子が可視光を導波できない場合やコアが非常に小さい場合は、ＣＣＤカメラ等でモニタリングする際にコアの位置の特定が困難になる。特許文献１のような方法では、コアの両脇をエッチングすることによって導波路コアの位置の特定を容易化する。また、特許文献２の方法では調心用の導波路を別途設けることで、光回路用の導波路にファイバを接続することなく平面光波回路同士の接続を可能にする。

特開平８-３３４６５５号公報 特開２０１２−１６３７６５号公報

三上修著, 「光配線実装技術ハンドブック」ｐ.９２−ｐ.９５,２００８年９月９日

このような背景技術には、次のような問題がある。特許文献１で用いられている方法ではコアの両脇をエッチングする工程が必要となるため、コストの増大を招くという課題を有している。また、特許文献２の方法では平面光波回路上に別途調心用導波路を設けることで面積の増大を引き起こしてしまう他、調心用導波路とその他導波路が交差しないよう構造に制限をかける必要が生じてしまうという課題を有している。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、回路面積や作製コストの増加、特性劣化を伴わずに、簡便、高精度、安定に半導体光素子や光配線部品との光接続が可能な平面光波回路を低コストに実現することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の態様１の平面光波回路は、基板と、前記基板の上にある、コア層とクラッド層を有する光導波路を備えた光機能回路と、前記光機能回路と接続され、前記基板の端面に接続された少なくとも１つの第一の入出力導波路と、を備えた平面光波回路であって、前記第一の入出力導波路が接続された前記基板の端面に少なくとも１つの第二の入出力導波路を備え、前記第二の入出力導波路に前記第二の入出力導波路を伝播した光を反射するミラー構造が設けられ、前記ミラー構造は前記第一の入出力導波路のコアを伝搬する光が結合しないように前記第一の入出力導波路の入出力端から離れた領域に配置されていることを特徴とする。

上記目的を達成するため、本発明の態様２の平面光波回路は、態様１において、前記第一の入出力導波路の片側に、前記ミラー構造が二列に並んでいることを特徴とする。

また、上記目的を達成する本発明の態様３の平面光波回路は、本発明の態様１又は態様２において、前記光機能回路と、前記第一の入出力導波路と、前記ミラー構造が設けられた前記第二の入出力導波路とが、同一のコア層の材質を含むことを特徴とする。

また、上記目的を達成する本発明の態様４の平面光波回路は、本発明の態様１又は態様３において、前記第一の入出力導波路のそれぞれに対して、前記第一の入出力導波路の両側に少なくとも１つずつの前記第二の入出力導波路が配置されることを特徴とする。

また、上記目的を達成する本発明の態様５の平面光波回路は、本発明の態様１から態様４のいずれか一において、前記ミラー構造が、ブラッググレーティングを備えたミラー構造であることを特徴とする。

また、上記目的を達成する本発明の態様６の平面光波回路は、本発明の態様１から態様４のいずれか一において、導波路を切断するように設けられた溝又は前記溝の壁面に誘電体もしくは金属の薄膜を備えたミラー構造であることを特徴とする。

また、上記目的を達成する本発明の態様７の平面光波回路は、本発明の態様１、３、又は５において、前記第一の入出力導波路を少なくとも２つ備え、それぞれの前記第一の入出力導波路に対して、前記第一の入出力導波路の両側に配置された少なくとも２つの前記第二の入出力導波路を備え、それぞれの前記第一の入出力導波路ごとに、前記第二の入出力導波路の幅、本数、反射率、反射波長の少なくとも１つが異なることを特徴とする。

本発明では、第一の入出力導波路が接続された前記基板の端面にミラー構造が接続された第二の入出力導波路を少なくとも１つ備えることによって、スポット状に集光したレーザー光で前記基板の端面を走査した際に、反射光の分布からミラー構造の位置を特定し、ミラー構造の位置から第一の入出力導波路の位置を特定することを可能とする。

また、前記ミラー構造は前記第一の入出力導波路、前記第二の入出力導波路と同一のコア層を加工して形成されるブラッググレーティングであるため追加の工程が不要であり、高精度に作製が可能である。

また、前記第二の入出力導波路を、前記第一の入出力導波路の両側に少なくとも一つずつ作製することにで、端面上に存在する傷、汚れからの反射光と区別しやすくなる。

また、平面光波回路上に溝を形成するプロセスが工程にある場合は、前記ミラー構造は導波路を切断するように形成された溝、又は溝の壁面に誘電体もしくは金属の薄膜を形成したものでも低コストで作製が可能である。

また、前記第一の入出力導波路を少なくとも２つ備え、それぞれの前記第一の入出力導波路に対して、前記第一の入出力導波路の両側に配置された少なくとも２つの前記第二の入出力導波路を備えた平面光波回路について、それぞれの前記第一の入出力導波路ごとに、前記第二の入出力導波路に接続されたミラー構造の幅、本数、反射率、反射波長の少なくとも１つが異なるように作製することで、複数ある第一の入出力導波路を区別することが可能になる。

本発明の実施例１に係る平面光波回路を示す図である。 本発明の実施例２に係る平面光波回路を示す図である。 本発明の実施例３に係る平面光波回路を示す図である。

以下、本発明の平面光波回路の形態について、図を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下に示す実施例の記載内容に限定されず、本明細書等において開示する発明の趣旨から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。また、実施例に係る構成は、適宜組み合わせて実施することが可能である。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を用いている。

[実施例１]
本発明の実施例１に係る平面光波回路を図１に示す。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ’の平面光波回路端面の図、図１(ｃ)、(ｄ)はそれぞれ異なる例のミラー部分の拡大図である。

図１（ａ）に示すように平面光波回路１は、基板と、前記基板の上にあるコア（層）２とクラッド（層）４を有する光導波路を備えた光機能回路１０と、光機能回路１０と接続され、前記基板の端面に接続された少なくとも１つの第一の入出力導波路と、を備えた平面光波回路であって、第一の入出力導波路が接続された前記基板の端面に少なくとも１つのダミーとして機能する第二の入出力導波路９を備え、前記第二の入出力導波路９に前記第二の入出力導波路を伝搬した光を反射するミラー構造５が設けられ、前記ミラー構造５は前記第一の入出力導波路のコア２を伝搬する光が結合しないように第一の入出力導波路の入出力端３から離れた領域に配置されている。第一の入出力導波路、第二の入出力導波路９、第一の入出力導波路と接続する光機能回路１０、光機能回路１０と接続する導波路は、誘電率の異なる材質で構成されるコア２の材料とそれを覆うクラッド４の材料を備えている。コア２と同じ材質で構成され、同じ工程で形成されるミラー構造５から成り立っている。上記の誘電率の異なる材質とは、例えば、ホウ素、フッ素、燐、ゲルマニウムといった不純物が添加された石英ガラスと純粋石英ガラスといったものが挙げられる。図１(ｂ)に示すように、ミラー構造５はコア２と同じ層に形成され、かつ導波路の端面Ａ-Ａ’に配置されている。図１(ｃ)は、例として、構造体６を３個並べたものになっている。このグレーティング型ミラー構造はコア２を伝搬する光が結合しないように第一の入出力導波路の入出力端３から十分離れた領域に配置する必要がある。本実施例では、例えばコアの材料とクラッドの材料の比屈折率差がΔ＝０．３％の場合、第一の入出力導波路の入出力端から２０μm離れた位置にグレーティング型ミラーを配置することができる。また、グレーティング型ミラー構造５はコア２を作製する際に同時に作製可能であるため追加の作製工程を必要とせず、低コストに作製可能である。この平面光波回路について、基板の端面Ａ-Ａ’をスポット状に集光したレーザー光で走査することによって反射光強度分布を得ることができる。この時、構造体６のｚ軸方向の幅dとレーザー光の波長λが以下の式１を満たす場合、ミラー構造５からの反射強度が大きくなる。

mλ=2dsinθ・・・（式１）
m: 任意の整数
λ: 参照光の波長
d: 構造体６のｚ軸方向の幅、構造体６間の幅
θ: 参照光の視斜角
よって反射強度分布から基板の端面上に設けたミラー構造５の位置が特定できる。また、設計の時点でミラー構造５とコア２の位置関係は決まっているために、ミラー構造５の位置からコア２の入出力端３の位置もおのずと判明する。

判明したコア２の入出力端３の位置に平面光波回路と発光素子、受光素子、平面光波回路、その他光機能部品の光軸とを多軸ステージを用いて位置合わせを行うことによって、接続が可能である。

上記、ミラー構造はグレーティングミラーに限定するものではなく、上記グレーティング型ミラーが配置された位置に、図１(ｄ)に示すようにエッチングによって作製された溝構造や、溝構造の壁面（Ａ-Ａ’を含む端面から遠い面）にアルミニウム、金、クロム、ニッケル、チタン、白金及びこれらの混合物のような金属膜を蒸着してミラーとしたものを配置しても良い。

以上の方法は、導波路のコア２への光入射が必要ない点、調心用導波路を設ける必要がない点、追加の作製工程が不要な点で従来手法とは全く異なっており、よってその他従来手法と比較して、回路面積の増加を伴わず、かつ、低コストで平面光波回路と光機能部品との接続を可能にする。

本実施例では、石英系導波路の場合について説明したが、ポリマー導波路やＬｉＮｂＯ_３導波路、ケイ素、ガリウム、ヒ素、アルミニウム、インジウムといった半導体導波路等を用いることもできる。

ミラー構造が設けられた第二の入出力導波路９を、コア２を伝搬する光が結合しないように第一の入出力導波路の入出力端３から離れた領域に配置するように最低２列並べることで、ミラー構造と端面にある傷からの反射光を区別することができる。第二の出力導波路の個数を増やすほど、反射光の位置の規則性が明白になり、端面の傷や汚れからの光の反射と見分けやすくなる。ただし、傷や汚れからの光の反射を考慮しない場合は、第二の入出力導波路は一列でもよい。すなわち、第二の入出力導波路は、第一の入出力導波路の両側に設けても、片側に設けてもよい。

[実施例２]
本発明の実施例２に係る平面光波回路を図２に示す。

実施例１では単数のコア２が平面光波回路１に形成されているが、本実施例では図２(ａ)に示されているように複数のコア２ａと２ｂが同じ平面光波回路１にある。

平面光波回路１の端面Ｂ-Ｂ’を示す図２（ｂ)のように、コア２ａの入出力端３ａのｘ軸上の両脇に実施例１と同様にグレーティング型ミラー構造５が配置されており、コア２ｂの入出力端３ｂについては実施例１と同様のグレーティング型ミラー構造５がｘ軸上に２つ並んで配置された構造をとっている。入出力端３ａを有する第一の入出力導波路の両側には、一列の第二の入出力導波路９aが設けられ、入出力端３ｂを有する第一の入出力導波路の両側に、二列の第二の入出力導波路９aが設けられている。すなわち、ミラー構造５が二列に並んでいる。入出力端３aを有する第一の入出力導波路は、導波路を備えた光機能回路１０aと接続し、入出力端３bを有する第一入出力の導波路は、光機能回路１０ｂと接続する。

この場合、平面光波回路の端面Ｂ-Ｂ’の反射光強度分布を取得するとコア２ａの入出力端３ａのｘ軸上の両脇には反射強度のピークが１つずつ存在し、コア２ｂの入出力端３ｂのｘ軸上の両脇に２つずつピークが存在する様子を観察できる。この反射光ピークの分布の違いによってコア２ａとコア２ｂを区別することが可能になる。本実施例は一つの平面光波回路の端面に複数の発光素子、受光素子、光機能部品を別々に接続する際に非常に有用である。

また、本実施例では一つの平面光波回路上に２つの第一の入出力導波路の入出力端３ａ、３ｂが存在する例を取り扱ったが、導波路の入出力端の個数は２つに限定するものではなく、ミラー構造の数を導波路の入出力端ごとに変えることで、２つ以上の導波路の入出力端を持つ導波路にも本発明を適用できる。第二の入出力導波路は片側だけ又は複数設けてもよい。

[実施例３]
実施例２で示した複数の導波路を区別するその他の方法を本実施例で示す。入出力端３ａ，３ｂを有する第一の入出力導波路の両側の第二の入出力導波路９a〜ｄのミラー構造の長さや数が異なる例を示す。入出力端３ａを有する第一の入出力導波路の両側には第二の入出力導波路９aが設けられ、第一の入出力導波路に備わるコア２ａは光機能回路１０ａと接続する。入出力端３ｂを有する第一の入出力導波路の両側には第二の入出力導波路９ｂが設けられ、第一の入出力導波路に備わるコア２ｂは光機能回路１０ｂと接続する。入出力端３ｃを有する第一の入出力導波路の両側には第二の入出力導波路９ｃが設けられ、コア２ｃは光機能回路１０ｃと接続する。入出力端３ｄを有する第一の入出力導波路の両側には第二の入出力導波路９ｄが設けられ、第一の入出力導波路に備わるコア２ｄは光機能回路１０ｄと接続する。

図３（ａ）に示すように、第二の入出力導波路９ａ、９ｂに設けられたグレーティング型ミラー構造５ａ、５ｂのようにｘ軸方向の長さを変えることで、反射強度分布についてグレーティング型ミラー構造５ａ、５ｂからの反射光のピーク形状が変わる。

図３(ａ)の場合、グレーティング型ミラー構造５ａのほうがグレーティング型ミラー構造５ｂよりもｘ軸方向の幅が小さくなる。反射強度のピーク形状の違いからミラー構造５ａと５ｂを区別することができるため、複数ある導波路の入出力端３ａと３ｂを区別することができる。

その他、図３(ｂ)に示すようにミラー構造５を構成する構造体６のｚ軸上の数をグレーティング型ミラー構造ごとに変えることで反射強度に差を出すことができる。

図３（ｂ）の場合、構造体６の数の違いから第二の入出力導波路９ｄに設けられたグレーティング型ミラー構造５ｄのほうが第二の入出力導波路９ｃに設けられたグレーティング型ミラー構造５ｃよりも反射光強度が大きくなる。反射強度の違いからミラー構造５ｃと５ｄを区別できるため、複数ある導波路の入出力端３ｃと３ｄを区別することができる。たとえばグレーティング型ミラー構造５ｃの反射強度をグレーティング型ミラー構造５ｄの反射強度と比較して倍や半分にすることでグレーティング型ミラー構造５ｃとグレーティング型ミラー構造５ｄとを区別を行うことができる。

少なくとも２つの第二の入出力導波路９a〜ｄを備え、かつ、それぞれの第一の入出力導波路ごとに、第二の入出力導波路９a〜９ｄの幅、本数、反射率、反射波長の少なくとも１つが異なるようにすることにより、複数ある第一の入出力導波路を区別することが可能にできる。

[実施例４]
実施例１から実施例３のいずれかに記載の平面光波回路に、第一の入出力導波路に対して、光ファイバ、レーザー、フォトダイオード、及び光変調器のうちいずれかが光結合するように接続されて、光デバイスを得ることができる。

本発明は、光導波路構造に適用することができる。

１ 平面光波回路
２, ２ａ, ２ｂ, ２ｃ, ２ｄ コア
３, ３ａ, ３ｂ, ３ｃ, ３ｄ 導波路の入出力端
４ クラッド
５ ミラー構造
５ａ， ５ｂ, ５ｃ, ５ｄ グレーティング型ミラー構造
６ グレーティング型ミラー構造を構成する構造体
７ 溝構造
８ 溝構造の壁面
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ 第二の入出力導波路
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 光機能回路

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板の上にある、コア層とクラッド層を有する光導波路を備えた光機能回路と、
   前記光機能回路と接続され、前記基板の端面に接続された少なくとも１つの第一の入出力導波路と、
   を備えた平面光波回路であって、
   前記第一の入出力導波路が接続された前記基板の端面に少なくとも１つの第二の入出力導波路を備え、
   前記第二の入出力導波路に前記第二の入出力導波路を伝搬した光を反射するミラー構造が設けられ、
   前記ミラー構造は前記第一の入出力導波路のコアを伝搬する光が結合しないように前記第一の入出力導波路の入出力端から離れた領域に配置されている
   ことを特徴とする平面光波回路。
2. 前記第一の入出力導波路の片側に、前記ミラー構造が二列に並んでいることを特徴とする請求項１に記載の平面光波回路。
3. 前記光機能回路と、前記第一の入出力導波路と、前記ミラー構造が設けられた前記第二の入出力導波路と、が、同一のコア層の材質を含む
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の平面光波回路。
4. 前記第一の入出力導波路のそれぞれに対して、前記第一の入出力導波路の両側に少なくとも１つずつの前記第二の入出力導波路が配置される
   ことを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の平面光波回路。
5. 前記ミラー構造が、ブラッググレーティングを備えたミラー構造である
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の平面光波回路。
6. 前記ミラー構造が、導波路を切断するように設けられた又は前記溝の壁面に誘電体もしくは金属の薄膜を備えたミラー構造であること
   を特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の平面光波回路。
7. 前記第一の入出力導波路を少なくとも２つ備え、
   それぞれの前記第一の入出力導波路に対して、前記第一の入出力導波路の両側に配置された少なくとも２つの前記第二の入出力導波路を備え、
   それぞれの前記第一の入出力導波路ごとに、前記第二の入出力導波路の幅、本数、反射率、及び反射波長の少なくとも1つが異なること
   を特徴とする請求項１、請求項３、又は請求項５に記載の平面光波回路。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の平面光波回路を備え、前記第一の入出力導波路に対して、光ファイバ、レーザー、フォトダイオード、及び光変調器のうちいずれかが光結合するように接続されていることを特徴とする光デバイス。

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