JP2020064211A

JP2020064211A - 光接続構造

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Publication number: JP2020064211A
Application number: JP2018196692A
Authority: JP
Inventors: 勇介村中; Yusuke Muranaka; 光太鹿間; Kota Shikama; 英隆西; Hidetaka Nishi; 藍柳原; Ai Yanagihara
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-10-18
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2020-04-23
Also published as: US11934010B2; WO2020080196A1; US20220035099A1

Abstract

【課題】光ファイバと光半導体導波路を低損失かつ容易に接続された光接続構造を提供する。【解決手段】本発明は、コアの屈折率が異なる光導波路デバイス１００と光ファイバ１０４とを接続するための光接続構造であって、光導波路デバイス１００の入出射導波路の端面には平面光波回路１０５を用いた光接続部品が接着固定した構造であって、平面光波回路１０５のコアの屈折率の値は、光導波路デバイス１００のコアの屈折率の値と光ファイバ１０４のコアの屈折率の値の間にあり、平面光波回路１０５を介して光導波路デバイス１００と光ファイバ１０４とが光接続されていることを特徴とする。【選択図】図８

Description

本発明は、光ファイバと光導波路とをボード上又はパッケージ内で接続する用途において、挿入される光ファイバの位置決めを担う光部品の接続方法および接続構造に関する。

近年、動画サービスによる個人トラフィック消費の増加や、ＩｏＴ、クラウドサービスなどによる法人トラフィックの増加に伴い、データセンタ内・データセンタ間の通信容量の大幅な拡大が求められている。これを解決するために、従来の電気信号を用いた短距離通信方式に代わり、光通信で用いられる光伝送技術などを用いた光インタコネクション技術の導入が進んでいる。光インタコネクションの代表的な方式においては、プリント基板上に配置されたレーザダイオード（ＬＤ）などの光発光素子とフォトダイオード（ＰＤ）などの光受光素子間を光導波路や光ファイバなどの光伝送媒体を用いて伝送することで信号処理が実現されている。伝送方式などによっては、光発光素子には、光変調素子などが集積又はディスクリートに接続され、さらに電気-光変換を行うドライバなどと接続されることで、光送信機として、プリント基板上に実装されている。同様に、光受光素子には、光処理機などが適宜集積、又はディスクリートに接続され、さらに光-電気変換を行う電気増幅回路などと接続されることで、プリント基板上に光受信機として実装されている。これら光送信機、光受信機を一体化した光送受信機などがパッケージ内やプリント基板上に搭載され、光ファイバなどの光伝送媒体と光学的に接続されることで、光インタコネクションが実現されている。また、トポロジーによっては、光スイッチなどの中継器などを介して実現されている。

上記の光発光素子や光受光素子、光変調素子としては、シリコンやゲルマニウムなどの半導体や、インジウムリン（ＩｎＰ）やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）等に代表されるＩＩＩ-Ｖ族半導体が実用化されており、近年では、これらに光の伝搬機構を有するシリコン光回路やインジウムリン光回路などを集積した光導波路型の光送受信機が発展している。また変調素子としては、半導体のほかに、ニオブ酸リチウムなどの強誘電体系やポリマーなどを用いる場合もある。更に、上記の光発光素子や光受光素子、光変調素子には、石英ガラスなどからなる平面光波回路（ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ: ＰＬＣ、以下ＰＬＣともいう）などからなる光機能素子とも集積されている。光機能素子としてはスプリッタ、波長合分波器、光スイッチ、偏波制御素子、光フィルタなどがある。以降、上記の光の伝搬、導波機構を有する光発光素子、光受光素子、光変調素子、光機能素子、光増幅素子などをまとめて単に、光導波路デバイス（光半導体導波路デバイス）とよぶこととする。

通常、前記光導波路デバイスは、Ｖ溝を形成したガラスなどと一体化された光ファイバアレイと接続されている。前記接続においては、光ファイバの各コアと、光導波路の各コアが低損失で接続することが求められ、これには、サブミクロン単位で光導波路デバイスとファイバとを位置決め（以下、調心とよぶ）・固定することが必要である。従来の光導波路デバイスでは、前記調心を行い、光ファイバアレイと一体化した状態で前記パッケージ内やボード上に搭載されることとなる。しかしながら、光ファイバの取り扱いが煩雑であることから、パッケージ内又はボード上で、光導波路デバイスと光ファイバとを簡易に調心・固定することが求められている。

Ingrid Moerman et. al., "A Review on Fabrication Technologies for the Monolithic Integration of Tapers with III-V Semiconductor Devices," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 1997, vol. 3, no. 6, p. 1308.

光発光素子や光受光素子の実現には光半導体材料の利用は不可欠であり、光インタコネクションの実現には、光半導体導波路と光ファイバやその他光導波路デバイスとの接続が重要となる。高い屈折率を有する半導体を用いた光半導体導波路は一般的に、コアとクラッドの間に高い屈折率差をつけた強い光閉じ込めを利用して、小さい曲げ半径にもかかわらず低損失な導波路を実現し、小型な光回路が実現可能である。しかし、コア−クラッド間に高い屈折率差をつけた光半導体導波路は、一般的な光ファイバと比べてモードサイズが小さく、光結合の際に大きな結合損失を発生させる。

低損失な光結合を実現すためには、先球ファイバや高い開口数（ＮＡ：Numerical Aperture、以下ＮＡとする）ファイバなどを用いて、光ファイバのスポット径を光半導体導波路に近づける手法が提案されている。光ファイバと光半導体導波路をアライメントし、最適な位置とすれば（以下、光学調心とよぶ）低損失な光結合は可能となるが、アライメントの際のトレランスは非常に狭く、パッケージ内又はボード上での光学調心は非常に困難である。

一方で非特許文献１に記載のように、光半導体導波路のモードサイズを光ファイバのモードサイズに近づけるため、光導波路の入出射端面にスポットサイズ変換器（Ｓｐｏｔ-ＳｉｚｅＣｏｎｖｅｒｔｅｒ: ＳＳＣ、以下、ＳＳＣとする）を導入することでモードサイズを拡大するなどの対策が検討されている。様々な形態によって実現されたＳＳＣにより、光半導体導波路のスポット径を拡大する技術は実現されているが、導波路のコアの屈折率に大きな差のある光半導体と光ファイバとを接続するにはまだ不十分な点も多く、光結合の際の損失の要因となっている。

また、前記光導波路デバイスは、様々な機能を集積したデバイスが求められているため、入出射導波路の本数は多く、複数の導波路を一括に接続する技術も必要となる。パッケージ内又はボード上で光導波路デバイスと光ファイバとを接続するには上記複数の光学調心も課題であり、アライメントの際のトレランスの大きさは重要なポイントとなる。

本発明は上記課題に鑑み、パッケージ内又はボード上で光ファイバと光半導体導波路を低損失かつ容易に接続された光接続構造を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、コアの屈折率が異なる光導波路デバイスと光ファイバとを接続するための光接続構造であって、前記光導波路デバイスの入出射導波路の端面には平面光波回路を用いた光接続部品が接着固定した構造であって、前記平面光波回路のコアの屈折率の値は、前記光導波路デバイスのコアの屈折率の値と前記光ファイバのコアの屈折率の値の間にあり、前記平面光波回路を介して前記光導波路デバイスと前記光ファイバとが接続されていることを特徴とする。

平面光波回路を介して光導波路デバイスと光ファイバとが接続され、平面光波回路のコアの屈折率の値は、光導波路デバイスのコアの屈折率の値と光ファイバのコアの屈折率の値の間に設定されているので、光ファイバと光半導体導波路とを低損失かつ容易に接続することができる。

本発明の実施形態１の光接続構造の一部である光導波路デバイスを示す図である。本発明の実施形態１に係る光導波路デバイスとその光接続構造を示す図である。光導波路のコア、ＰＬＣのコア、及び光ファイバのコアのサイズの比較例を示す図である。ＰＬＣを介して光導波路デバイスと光ファイバとの光結合を行うことを示す図である。ＰＬＣと接続した光導波路デバイスが実装されていることを示す図である。ＰＬＣを介して光ファイバと接続した光導波路デバイスが実装されていることを示す図である。ＰＬＣを介して光導波路デバイスと光ファイバとの光接続していることを示す図である。本発明の実施形態２に係る光導波路デバイスとその光接続構造を示す図である。光ファイバガイド部品の断面を示す図である。本発明の実施形態２に係る光導波路デバイスとその光接続構造を示す図である。本発明の実施形態３に係る光導波路デバイスとその光接続構造を示す図である。ＳＳＣの代表例を示す図である。

以下、本発明の光接続構造の形態について、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形態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、異なる実施形態に係る構成は、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様の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

[実施形態１]
本発明の実施形態１について図面を用いて説明する。図１に示すように、光導波路デバイス１００には光軸に１次元の導波路アレイを有し、送信器アレイ１０１や受信器アレイ１０２等を１チップに集積した構造とする。例えば、光発光素子としては、ＩｎＰからなる分布帰還レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）が複数個用意され、それらがシリコン導波路やガラス導波路などに別途光学接続された集積発光素子としてもよいし、また、Ｓｉ基板上に前記ＤＦＢ−ＬＤアレイを貼り合わせて、Ｓｉ導波路と集積された発光素子としてもよいし、Ｓｉ基板上にＩｎＰ材料などを貼り合わせて、レーザ層を形成し、さらにＳｉ導波路やＳｉ酸化物（酸化シリコンや、シリコン酸窒化膜）などによる導波路を集積した集積発光素子としてもよい。受光素子についても同様に、背景に記載のようにインジウムガリウムヒ素やゲルマニウムなどからなるＰＤを発光素子の例と同様に貼り合わせ技術や別の導波路デバイスと別途光学接続して集積した集積型受光素子としてもよい。また、発光素子には、適宜外部変調素子を別途接続してもよいし、又は同一材料上に集積してもよい。例えば、Ｓｉ導波路と熱光学スイッチや電気光学スイッチからなる変調素子や、ＩｎＰ導波路と熱光学スイッチや電気光学スイッチからなる変調素子、ＬＮなどの強誘電体からなる変調素子と集積してもよいし、その変調素子機能や、電界吸収効果などの直接変調機能を発光素子上に直接集積・形成してもよい。図では、変調素子は省略する。また具体的な光導波路のレイアウトについては当然それに限定されるものではない。なお、背景で記述したような光導波路デバイスであれば当然上記に限られるものではない。

図２に本発明の実施形態１に係る光導波路デバイス１００とその光接続構造を示す。Ｓｉ基板上のＳｉを導波路のコアとし、ＳｉＯ₂を導波路のクラッドとした光導波路をベースとした構造を想定する。光導波路デバイス１００の端面の導波路アレイからは、調心用導波路１０３ｂ以外の光導波路である入出射導波路１０３ａを送信器アレイ１０１や受信器アレイ１０２へと接続し、導波路アレイの端面には、ＰＬＣ１０５が接着固定されている。上記チップを電子ボード１０８上などで電気的に接続することで、光インタコネクション用の送受信器を構成する。また、ＰＬＣ１０５のもう一つの端面に光ファイバアレイを接続することで光ファイバと光導波路との光結合を実現する。なお、前述したように光導波路デバイス１００上の発光素子、受光素子、光変調素子、光機能素子、及び光増幅素子については、そのチャンネル数、構成、材料、集積方法などはいずれの方法を用いてもよい。

ＰＬＣ１０５にはドーパント濃度を高めたコアを採用し、例えば、光導波路デバイス１００のＳｉの光導波路のコアの屈折率とＰＬＣ１０５を介して入出射導波路１０３ａと接続される光ファイバの屈折率との間となる屈折率を有するコアを採用することで、段階的な光接続を行い低損失な光結合を実現する。

図３に光導波路のコア１０３、ＰＬＣのコア１０５ａ、及び光ファイバのコア１０４ａのサイズの概略比較例を示す。

ＰＬＣ１０５のアレイ導波路の端面では、Ｓｉ導波路に比べて屈折率が低いＮＡとなるため、接続が容易となる。また、Ｓｉ導波路およびＰＬＣ１０５の入出力にＳＳＣ１０６を導入することで、光学調心の際にアライメントのトレランスが広くなり接続が容易となる。

図１２は、ＳＳＣの代表例である。この図で示すように、テーパ形状で単純にコア１２０１の幅を広げたもの（図１２（ａ））や、コア１２０２の幅を狭めた埋め込み構造によりクラッドへの漏れを広げたもの（図１２（ｂ））など、モードを拡大する方向のＳＳＣであればどのような構造でも適用可能である。さらに、光ファイバにおいても通常のコア径を持つ光ファイバに替えて、高ＮＡの光ファイバを採用することで、より導波路のモード変換が容易となる。シングルモードの場合、ＰＬＣ１０５に接続する光ファイバ１０４のコアには１０μｍよりも小さいコア径を有する部分を有していてもよい。

光導波路デバイス１００と光ファイバ１０４との光結合を行う過程に関して図を用いて説明する。まず、図４に示すように光導波路デバイス１００とＰＬＣ１０５を位置決めし固定するため、光ファイバアレイを用いて調心用導波路１０７に光を挿入し、光学調心を行う。図５に示すように光の結合損失が最も小さくなる位置で調心を完了し、光導波路デバイス１００とＰＬＣ１０５とを接着固定する。

その後、図６に示すようにパッケージ１０９又は電子ボード１０８上に実装したのち、ＰＬＣ１０５と光ファイバ１０４の光接続を行う。この際にも調心用導波路１０７を用いて光学調心を行い、光の結合損失が最も小さくなる位置で光ファイバ１０４を有する光ファイバアレイとＰＬＣ１０５を接着固定する。

以上の工程により、コアの屈折率が異なる光導波路デバイス１００と光ファイバ１０４とを接続するための光接続構造であって、光導波路デバイス１００の入出射導波路１０３ａの端面にはＰＬＣ１０５を用いた光接続部品を接着固定した構造であって、ＰＬＣ１０５のコアの屈折率の値は、光導波路デバイス１００のコアの屈折率の値と光ファイバ１０４のコアの屈折率の値の間にあり、ＰＬＣ１０５を介して光導波路デバイス１００と光ファイバ１０４とが光接続されている光接続構造が得られる。

上記の通り、図７に示すように、光導波路デバイス１００の光導波路とＰＬＣ１０５の接続、およびＰＬＣ１０５と光ファイバ１０４の接続を段階的に行うことで、接続する光導波路間の屈折率差を低減し光結合損失の低減の効果が得られる。また、光導波路又は電子ボード１０８上で光ファイバ１０４と光接続する際には、ＰＬＣ１０５と光ファイバ１０４との接続となるため、光半導体導波路に比べて光学調心の際のトレランスを拡大することができ、光接続が容易となる。

[実施形態２]
本発明の実施形態２に係る光導波路デバイス１００とその光接続構造を図８に示す。実施形態１と基本形態は同じであるが、光ファイバアレイの接続方法を変更する。

実施形態１と同様に光導波路デバイス１００とＰＬＣ１０５を接着固定したのち、パッケージ１０９又は電子ボード１０８上で光ファイバ接続を容易に行うため、光ファイバガイド部品１１０をあらかじめＰＬＣ１０５のもう一つの端面に接着固定する。

光ファイバガイド部品１１０は、図９に記載のように、Ｖ字形状の溝ａ９０１ａ，Ｖ字形状の溝ｂ９０１ｂなどのＶ字形状の溝９０１を形成した基板９０２の部品と、それを抑える平板のリッド（蓋）９０３の部品と、穴径を制御するためのダミーファイバ１０４ｂ及び、基板９０２の部品とリッド９０３の部品とを一体化するための接着層９０４からなる。これを図１０のように、ＰＬＣ１０５を介して光導波路デバイス１００と接着剤などにより一体化している。光ファイバガイド部品１１０をあらかじめＰＬＣ１０５に接続することで、パッケージ１０９又は電子ボード１０８上で光接続を行う際、光ファイバガイド部品１１０のガイド孔１００１に光ファイバ１０４を挿入するだけで光導波路デバイス１００の入出射導波路１０３ａと光ファイバ１０４との接続が行えるため、より容易に光接続が可能となる。

[実施形態３]
本発明の実施形態３に係る光導波路デバイス１００とその光接続構造を図１１に示す。実施形態２と基本形態は同じであるが、ＰＬＣ１０５を用いた光回路において、入出力の導波路ピッチを変更することで、接続する各光デバイスの最適な構造に合わせることが可能となる。その光接続構造は、光ファイバを基板の溝に設けた光ファイバアレイを備え、光導波路デバイス１００の入出射導波路１０３ａのピッチと光ファイバ１０４のピッチとを調整するためのＰＬＣ１０５を備え、ＰＬＣは複数のコアを有し、複数のコアの長手方向及び長さが異なることにより、入出射導波路１０３ａのピッチと光ファイバ１０４のピッチとが設定されることを特徴とする光接続構造である。その光接続構造は、入出射導波路１０３ａのピッチは、光ファイバ１０４のピッチよりも狭いという特徴を有している。その光接続構造の作製の際に、光ファイバ１０４の外側のダミーファイバ１０４ｂを利用することができる。

例えば、光半導体導波路デバイスでは、導波路のコアの屈折率が高いため、小さな面積で回路を形成でき、峡ピッチで出力導波路アレイを作製することが望ましいが、市販の光ファイバはクラッド径が規定されているため、光ファイバアレイの峡ピッチ化には限界がある。光ファイバアレイのピッチに合わせて光半導体導波路アレイのピッチを拡張する必要があるが、光半導体導波路は伝搬損失が比較的大きいものが多く、損失が増大するため好ましくない。

本実施形態では、導波路アレイのピッチ変更をＰＬＣで行うため、具体的には、導波路内の複数のコアを有し、前記複数のコアの長手方向の長さと方向とを異ならせることにより、低い伝搬損失で実現できるため、低損失な光結合が得られるという効果を有する。

本発明は、光部品に光ファイバを接続するための光接続部品に関する技術に適用することができる。

１００光導波路デバイス, １０１送信器アレイ, １０２受信器アレイ, １０３光導波路のコア, １０３ａ入出射導波路（光導波路）, １０３ｂ調心用導波路, １０４光ファイバ, １０４ａファイバのコア, １０４ｂダミーファイバ, １０４ｃダミーファイバ, １０５ＰＬＣ, １０５ａＰＬＣのコア, １０６ＳＳＣ, １０７調心用導波路, １０８電子ボード, １０９パッケージ, １１０光ファイバガイド部品, ９０１溝, ９０１ａ溝ａ, ９０１ｂ溝ｂ, ９０２基板, ９０３リッド, ９０４接着層, １００１ガイド孔, １２０１コア, １２０２コア

Claims

コアの屈折率が異なる光導波路デバイスと光ファイバとを接続するための光接続構造であって、
前記光導波路デバイスの入出射導波路の端面には平面光波回路を用いた光接続部品が接着固定した構造であって、
前記平面光波回路のコアの屈折率の値は、前記光導波路デバイスのコアの屈折率の値と前記光ファイバのコアの屈折率の値の間にあり、
前記平面光波回路を介して前記光導波路デバイスと前記光ファイバとが光接続されていることを特徴とする光接続構造。
前記平面光波回路の入出射導波路の端面にはスポットサイズ変換器を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光接続構造。
前記光導波路デバイスの入出射導波路の端面にはスポットサイズ変換器を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光接続構造。
シングルモードの場合、前記平面光波回路に接続する前記光ファイバのコアには１０μｍよりも小さいコア径を有する部分を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光接続構造。
前記平面光波回路の入出射端面のうち前記光導波路デバイスに接着固定されていない端面に、前記光ファイバを位置決めするためのガイド孔を備えた光ファイバガイド部品が接着固定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光接続構造。
前記光ファイバを基板の溝に設けた光ファイバアレイを備え、
前記光導波路デバイスの入出射導波路のピッチと前記光ファイバのピッチとを調整するための前記平面光波回路を備え、
前記平面光波回路は複数の前記コアを有し、
当該複数のコアの長手方向及び長さが異なることにより、前記入出射導波路のピッチと前記光ファイバのピッチとが設定されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光接続構造。
前記入出射導波路のピッチは、前記光ファイバのピッチよりも狭いことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光接続構造。