JP2020085983A - 光接続構造およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多大なコストや製造時間を必要とせずに、光回路の中の光導波路途中に、伝播損失を抑制して光学素子を配置する。【解決手段】第１光導波路１０１と、第２光導波路１０２と、光学素子１０３とを備える。第１光導波路１０１は、一端側に形成された第１光入出射端１０４を備える。また、第２光導波路１０２は、一端側に形成された第２光入出射端１０５を備える。第１光導波路１０１の一端側と第２光導波路１０２の一端側とは、向かい合って配置されている。光学素子１０３は、第１光導波路１０１と第２光導波路１０２との間で、第１光入出射端１０４および第２光入出射端１０５に接して配置されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、光接続構造およびその製造方法に関し、より具体的には、光学素子が集積された光接続構造およびその製造方法に関する。

大容量の光情報を高速、低コストに伝送、処理するためには、光回路における光デバイスの集積化が必要不可欠である。光回路は、基板表面に屈折率の高い部分からなるコアと、コアより屈折率の低いクラッドとからなる光導波路で、複数の光デバイスを接続したものである。この光回路に光デバイスを集積化した光集積回路には、さまざまなデバイスを組み込むことが可能である。

光回路の材料としてはポリマー、石英ガラス、化合物半導体、Ｓｉ、ニオブ酸リチウムなどの強誘電体がある。また、光回路を構成する光導波路には、石英ガラス基板また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があり、主として通信分野において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・化学的安定性が高い、および加工性がよいなどの特徴を有している。また、石英系光ファイバとの整合性がよいため、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、マッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ：Mach-Zehnder Interferometer）、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（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）などの光回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuits）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（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（非特許文献１、非特許文献２非特許文献３参照）。

また、石英系光回路以外にも、近年、Ｓｉ、化合物半導体、強誘電体材料などを用いて、機能を付与したより小型な光回路の開発が進んでいる。光回路に機能性を付与するために、光回路内に溝を設け、設けた溝に薄膜形状の光学素子を挿入する技術がしばしば用いられる。例えば、光回路内の導波光の偏波を制御するために、光導波路が形成された光回路に溝を設け、この溝に所望の位相差を与える波長板を挿入する方法がしばしば用いられる。

例えば、図１８に示すように、Ｓｉ基板３０１に形成された溝３０４に、λ／２波長板３０５を挿入する。Ｓｉ基板３０１上には光回路３０２が、光回路３０２は石英系の光導波路３０３から構成されている。Ｓｉ基板３０１および光回路３０２には、光導波路３０３の導波方向と直交する方向に延在する溝３０４が形成されている。溝３０４は、例えば、幅２０μｍ，深さ１５０μｍ〜２００μｍ程度とされている。このように形成された溝３０４に、光学素子であるλ／２波長板３０５を挿入することで、光回路３０２に機能性を付与する。

λ／２波長板３０５は、例えばポリイミド延伸フィルムにより形成される。ポリイミド延伸フィルムの複屈折率は約０．０５であるため、通信波長帯である１．５μｍの光においては、ポリイミド延伸フィルムは厚さ約１５μｍとすることにより、λ／２波長板として機能する。

Ｓｉ基板３０１上の光導波路３０３は，複屈折を有するため，透過光学特性が偏波依存性を有することがある。上述したように、溝３０４にλ／２波長板３０５を挿入することにより、光導波路３０３の透過光学特性の偏波依存性を補償することが可能となる（特許文献１参照）。

ポリイミド延伸フィルムは一定の偏光方向を持つ。したがって、基板上に複数の光導波路が形成された光導波路アレイにおいて、隣接光導波路に異なる偏光方向を持つ波長板を挿入するには、各光導波路に別々の偏光方向を有する波長板を挿入することになる。

例えば、各々異なる偏光方向を持つ２つの波長板を用いることで、図１９に示すように、偏光ビームスプリッタ４００が構成できる。偏光ビームスプリッタ４００は、導波路型偏光ビームスプリッタであり、基板４０１上に、入力光導波路４０２と、入力光導波路４０２に光学的に接続されたＹ分岐カプラ４０３と、Ｙ分岐カプラ４０３の出力にそれぞれ接続されたＴＥ偏光導波路４０４およびＴＭ偏光導波路４０５とを備える。また、偏光ビームスプリッタ４００は、基板４０１上に、ＴＥ偏光導波路４０４およびＴＭ偏光導波路４０５に接続された２×２ＭＭＩ（Multi mode interference）４０６を備え、２×２ＭＭＩ４０６の出力にそれぞれが接続されたＴＥ偏光出力光導波路４０７およびＴＭ偏光出力光導波路４０８を備える。

偏光ビームスプリッタ４００の上面には、ＴＥ偏光導波路４０４およびＴＭ偏光導波路４０５を横切るように、ＴＥ偏光導波路４０４およびＴＭ偏光導波路４０５の光の導波方向と直交する方向に一定の深さ（具体的には深さ１５０μｍ〜２００μｍ）の溝４１１が形成されている。溝４１１には、ＴＥ偏光導波路４０４を横切るようにλ／４波長板（９０度）４１２が挿入され、ＴＭ偏光導波路４０５を横切るようにλ／４波長板（０度）４１３が挿入されている。溝４１１は、ダイシングにより形成される。

この偏光ビームスプリッタ４００は、Ｙ分岐カプラ４０３と２×２ＭＭＩ４０６との間に、λ／４波長板４１３と、λ／４波長板４１２とを挿入し、λ／４波長板４１３によりＴＥ波を９０度進め、λ／４波長板４１２によりＴＭ波を９０度進める。Ｙ分岐カプラ４０３によって分けられた２つの光の位相を＋と−に９０°シフトさせて２×２ＭＭＩ４０６に入力することにより、ＴＥ偏光出力光導波路４０７にはＴＥ偏光のみ、ＴＭ偏光出力光導波路４０８にはＴＭ偏光のみを出力する（非特許文献１参照）。

上述した導波路型偏光ビームスプリッタは、偏波間の位相差を両アームに挿入された波長板によって付与するため、温度特性に優れた偏波ビームスプリッタを実現できる。波長板以外にも、波長フィルタを挿入することで波長合分波機能を持たせた回路なども存在し、波長多重伝送などに用いられている（特許文献２参照）。

特許第３５０１２３５号公報 特開平１０−２８２３５０号公報

Y. Hibino, "Arrayed-Waveguide-Grating Multi/Demultiplexers for Photonic Networks", IEEE CIRCUITS & DEVICES, pp. 21-27, 2000. A. Himeno et al., "Silica-Based Planar Lightwave Circuits", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 4, no. 6, pp. 912-924, 1998. M. ABE, "Silica-based waveguide devices for photonic networks", Journal of the Ceramic Society of Japan, vol. 116, no. 10, pp. 1063-1070, 2008. M. Kawachi et al., "Silica waveguides on silicon and their application to integrated-optic components", Optical and Quantum Electronics, vol. 22, pp. 391-416, 1990. Y. Nasu et al., "Temperature insensitive and ultra wideband silica-based dual polarization optical hybrid for coherent receiver with highly symmetrical interferometer design", Optics Express, vol. 19, no. 26, pp. B112-B118, 2011. T. M. Monro et al., "Analysis of self-written waveguide experiments", Journal of the Optical Society of America B, Vol. 16, Issue 10, pp. 1680-1685, 1999. N. Lindenmann et al., "Photonic wire bonding: a novel concept for chip-scale interconnects", Optics Express, Vol. 20, Issue 16, pp. 17667-17677, 2012.

ところで、前述したように、光回路に機能性を付与すためには、光回路に形成した溝に光学素子を配置するが、溝の幅を光学素子の厚さより大きくしている。これは、光学素子の厚さと一致した溝を形成すること、およびこの溝に光学素子を配置することには、高い精度が要求され、非常に困難なためである。溝の幅を光学素子の厚さより大きくすれば、溝の形成が容易になり、溝に光学素子を配置することも容易となる。

例えば、図２０に示すように、基板５０１の上に光導波路５０２が形成された光回路に形成された溝５０３に、板状の光学素子５０４を配置する。溝５０３は、光導波路５０２の導波方向に垂直に延在し、光導波路５０２を横断して形成されている。溝５０３は、例えば，ダイシングやエッチングなどにより形成される。例えば、比較的よく用いられる、ポリイミド波長板より構成される光学素子５０４は、厚さが１５μｍであり、これを配置する溝５０３の幅は２０μｍ程度としている。したがって、溝５０３の側面と光学素子５０４との間に、例えば、５μｍ分の隙間が形成される。

この場合、溝５０３の部分は、光導波路構造を有していないので、例えば、光導波路５０２を導波して溝５０３側面の光出射端より出射した光５１１は、回折広がりを伴いながら伝播し、伝播損失が発生する。この損失は、光学素子５０４の厚さを考慮した損失よりも大きい。また、隙間の空間を伝播する光５１１が光学素子５０４に入射するときに、フレネル反射による損失も発生する。

従来の技術では、上述した伝播損失およびフレネル反射による損失を低減する目的で、上述した隙間に、光導波路５０２のコア５０２ａおよび光学素子５０４より高い屈折率を持つ屈折率整合材５０５を充填した光接続構造としている。溝５０３の側面と光学素子５０４との間の隙間に屈折率整合材５０５を充填することで、光５１１の回折広がりをある程度抑制することができ、損失を低減することが可能となる。

一方、近年、光回路のサイズ縮小によるコンパクトかつ高機能な光モジュール実現の目的から、コアとクラッドとの屈折率差が大きい光導波路による光回路が注目を集めている。コアとクラッドとの屈折率差が大きい光導波路は、光導波路の導波方向を変える光導波路の曲げの部分の曲率半径を小さくすることが可能であり、光回路をより小さくすることができるという利点がある。

しかしながら、コアとクラッドとの屈折率差が大きい光導波路の場合、上述した溝側面の光導波路端から出射される光の広がり角がより大きな値をとるため、光学素子を配置した溝部における損失が、より大きくなるという欠点がある。コアとクラッドとの屈折率差が大きい光導波路の場合の損失の増大を抑制するために、溝の側面近くの光導波路に導波光のモードフィールド径を拡大するためのスポットサイズ変換器を導入し、モードフィールド径を拡大することによって、回折による損失を低減する技術が用いられる。

しかし、スポットサイズ変換器自体も低損失にモードフィールド径を変換するためには大きなサイズになることが多いため、前述した小型化のメリットを活かしきれない。また、スポットサイズ変換器によってモードフィールド径が所望の値まで拡大されている箇所に、光学素子を配置する必要があるため、溝の形成精度が必要とされ、光学素子の実装難易度が上昇することなどの欠点も発生する。

これらのように、従来、光学素子が集積する光回路においては、光回路の光導波路の端面と光学素子との間の隙間により、光の伝播損失が発生していた。ここで、光接続を行う両者の間の隙間を無くすために、例えば、押圧による弾性変形を伴う「physical contact」と呼ばれる接続方法が提案されている。また、光接続を行う両者の間の隙間を無くすために、接続面を限りなく平坦に近づけ、ファンデルワールス力によって接続を行う「Optical contact」と呼ばれる接続方法も提案されている。しかしながら、これらの接続技術は、多大なコストと製造時間を有し、また溝のような構造の側面と光学素子の側面との間には適用することが不可能であるという課題が存在した。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、多大なコストや製造時間を必要とせずに、光回路の中の光導波路途中に、伝播損失を抑制して光学素子が配置できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光接続構造は、第１光導波路と、第１光導波路の一端側に形成された第１光入出射端面と、第２光導波路と、第１光導波路の一端側に向かい合う第２光導波路の一端側に形成された第２光入出射端面と、第１光導波路と第２光導波路との間で、第１光入出射端面および第２光入出射端面に接して配置された光学素子とを備え、第１光入出射端面より出射する出射光と第２光入出射端面より出射する出射光とは、互いに結合する状態とされている。

上記光接続構造の一構成例において、第１光導波路のコアおよび第２光導波路のコアは、それぞれ光硬化した樹脂から構成されている。

上記光接続構造の一構成例において、第１光導波路のコアおよび第２光導波路のコアの少なくとも一方は、その断面形状が、光学素子に近づくほど大きくされている。

上記光接続構造の一構成例において、第１光導波路のコアおよび第２光導波路のコアの少なくとも一方は、光学素子の側の先端が、レンズ形状に形成されている。

上記光接続構造の一構成例において、第１光導波路のコアおよび第２光導波路のコアの少なくとも一方は、光学素子の側の先端が、光学素子より離間している。

上記光接続構造の一構成例において、第１光導波路の他端の側に光学的に接続する第３光導波路と、第２光導波路の他端の側に光学的に接続する第４光導波路とをさらに備え、第３光導波路および第４光導波路は、同一の層に形成された光導波路から構成されてこの光導波路に形成された隙間部を挾んで配置され、第１光導波路、光学素子、および第２光導波路は、隙間部に配置されている。

上記光接続構造の一構成例において、第１光導波路の他端の側に光学的に接続する第３光導波路をさらに備え、第２光導波路および第３光導波路は、コアおよびクラッドを備えて同一の層に形成された光導波路から構成されてこの光導波路に形成された隙間部を挾んで配置され、第１光導波路および光学素子は、隙間部に配置されている。

本発明に係る光接続構造の製造方法は、第１光導波路と、第１光導波路の一端側に形成された第１光入出射端面と、第２光導波路と、第１光導波路の一端側に向かい合う第２光導波路の一端側に形成された第２光入出射端面と、第１光導波路と第２光導波路との間で、第１光入出射端面および第２光入出射端面に接して配置された光学素子とを備え、第１光入出射端面より出射する出射光と第２光入出射端面より出射する出射光とは、互いに結合する状態とされている光接続構造の製造方法であって、第１光導波路を形成する領域を挟んで光学素子と離間して配置されている光導波路を、光出射方向を光学素子に向けて離間して配置する第１工程と、光導波路の光出射端と光学素子との間に樹脂を充填して樹脂層を形成する第２工程と、光導波路に入力した光を光出射端より出射することで、出射した光が通過した樹脂層の部分を光硬化させてコアを形成し、コアより構成された第１光導波路を形成する第３工程とを備える。

以上説明したように、本発明によれば、コアによる第１光導波路と第２光導波路との間に、第１光入出射端面および第２光入出射端面に接して光学素子を配置したので、多大なコストや製造時間を必要とせずに、光回路の中の光導波路途中に、伝播損失を抑制して光学素子が配置できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る光接続構造の構成を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る他の光接続構造の構成を示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る他の光接続構造の構成を示す断面図である。 図４は、溝内の波長板との間の隙間を屈折率整合材で充填した従来の場合と、図３を用いて説明した本発明の光接続構造を適用した場合との各々における過剰損失を比較した結果を示すグラフである。 図５は、溝内の波長板との間の隙間を屈折率整合材で充填した従来の場合と、図３を用いて説明した本発明の光接続構造を適用した場合との各々における過剰損失を比較した結果を示すグラフである。 図６は、自己形成導波路における、信号光の透過率から過剰損失の変化を校正した際の、照射時間ごとの過剰損失の変化を示す特性図である。 図７は、溝内の波長板との間の隙間を屈折率整合材で充填した従来の場合と、本発明の光接続構造を適用した場合との間の各々における過剰損失を比較した結果を示すグラフである。 図８は、本発明の実施の形態１に係る他の光接続構造の構成を示す断面図である。 図９は、本発明の実施の形態１に係る他の光接続構造の構成を示す断面図である。 図１０は、本発明の実施の形態１に係る他の光接続構造の構成を示す断面図である。 図１１は、本発明の実施の形態２に係る光接続構造の構成を示す断面図である。 図１２は、本発明の実施の形態３に係る光接続構造の構成を示す断面図である。 図１３は、本発明の実施の形態４に係る光接続構造の構成を示す断面図である。 図１４は、本発明の実施の形態４に係る他の光接続構造の構成を示す断面図である。 図１５は、本発明における光接続構造の適用例となる光回路の構成例を示す構成図である。 図１６は、光接続構造に光学素子として波長板を用いた光の挿入損失の波長依存性を示す特性図である。 図１７は、光導波路の途中に設けた溝に波長板を配置する光接続構造に、本発明を適用した場合と適用しない場合の各々における過剰損失を比較した結果を示すグラフである。 図１８は、従来の光接続構造を示す斜視図である。 図１９は、波長板を用いた光回路の一例を示す平面図である。 図２０は、従来の光接続構造を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る光接続構造について説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１に係る光接続構造について、図１を参照して説明する。この光接続構造は、第１光導波路１０１と、第２光導波路１０２と、光学素子１０３とを備える。

第１光導波路１０１は、一端側に形成された第１光入出射端面１０４を備える。第１光入出射端面１０４は、第１光導波路１０１の一端側における第１光導波路１０１の内部と外部との境界面である。第１光導波路１０１の他端より導波してきた光は、第１光入出射端面１０４より外部に放射されることになる。また、第２光導波路１０２は、一端側に形成された第２光入出射端面１０５を備える。第２光入出射端面１０５は、第２光導波路１０２の一端側における第２光導波路１０２の内部と外部との境界面である。第２光導波路１０２の他端より導波してきた光は、第２光入出射端面１０５より外部に放射されることになる。

また、第１光導波路１０１の一端側と第２光導波路１０２の一端側とは、向かい合って配置されている。また、第１光入出射端面１０４より出射する出射光と第２光入出射端面１０５より出射する出射光とは、互いに結合する状態とされている。例えば、第１光入出射端面１０４より出射する出射光の光軸と第２光入出射端面１０５より出射する出射光の光軸とは、互いに交差する。また、光学素子１０３は、第１光導波路１０１と第２光導波路１０２との間で、第１光入出射端面１０４および第２光入出射端面１０５に接して配置されている。

第１光導波路１０１は、第１コア１０６ａ、第１下部クラッド１０７ａ、および第１上部クラッド１０８ａから構成されている。第２光導波路１０２は、第２コア１０６ｂ、第２下部クラッド１０７ｂ、および第２上部クラッド１０８ｂから構成されている。また、第１光導波路１０１は、基板１１１ａの上に形成され、第２光導波路１０２は、基板１１１ｂの上に形成されている。第１光導波路１０１および第２光導波路１０２により光接続構造が構成されている。また、第１コア１０６ａおよび第２コア１０６ｂは、光硬化した樹脂から構成されている。また、光学素子１０３は、板状の素子であり、例えば、λ／２波長板である。

例えば、図２に示すように、第１光導波路１０１および第２光導波路１０２は、同一の基板１１１の上に形成されている。基板１１１の上に形成されている１つの光導波路を、溝（隙間部）１１２で分断することで、第１光導波路１０１および第２光導波路１０２が形成されている。溝１１２は、上記光導波路の導波方向に垂直にこの光導波路を分断して基板１１１に形成されている。また、溝１１２は、向かい合う側面が互いに平行に形成されている。

この場合、基板１１１に形成された溝１１２の向かい合う２つの側面で、第１光入出射端面１０４と第２光入出射端面１０５とが面と向かい合って配置される。また、第１光入出射端面１０４より出射する出射光の光軸と第２光入出射端面１０５より出射する出射光の光軸とは、同じ線の上に配置される。

また、例えば、図３に示すように、第１光導波路１０１，光学素子１０３，および第２光導波路１０２は、同一の基板１４１に形成された溝（隙間部）１４２の中に形成されている。基板１４１の上には、第３光導波路１３１および第４光導波路１３２が形成されている。基板１４１の上で同一の層に形成された光導波路を、溝１４２で分断することで、第３光導波路１３１および第４光導波路１３２が形成されている。この光導波路は、基板１４１の上に形成された光回路を構成している。溝１４２は、上記光導波路の導波方向に垂直にこの光導波路を分断して基板１４１に形成されている。また、溝１４２は、向かい合う側面が互いに平行に形成されている。

また、第３光導波路１３１は、第３コア１３６ａ、第３下部クラッド１３７ａ、および第３上部クラッド１３８ａから構成されている。第４光導波路１３２は、第４コア１３６ｂ、第４下部クラッド１３７ｂ、および第４上部クラッド１３８ｂから構成されている。

第３光導波路１３１の光学素子１０３側の光入出射端面に第１光導波路１０１が光接続している。第３光導波路１３１の光学素子１０３側の光入出射端面で、第３コア１３６ａに連続して第１コア１０６ａが配置されている。また、第４光導波路１３２の光学素子１０３側の光入出射端面に第２光導波路１０２が光接続している。第４光導波路１３２の光学素子１０３側の光入出射端面で、第４コア１３６ｂに連続して第２コア１０６ｂが配置されている。

また、第３光導波路１３１が配置されている側の溝１４２の側面と、光学素子１０３との間の第１コア１０６ａの下の領域を充填するように、第１下部クラッド１０７ａが形成されている。同様に、第４光導波路１３２が配置されている側の溝１４２の側面と、光学素子１０３との間の第２コア１０６ｂの下の領域を充填するように、第２下部クラッド１０７ｂが形成されている。

図３を用いて説明した光接続構造では、第３光導波路１３１および第４光導波路１３２の導波方向（光軸方向）の溝１４２の幅よりも薄い板厚の光学素子１０３が、溝１４２に配置されている。また、光学素子１０３と溝１４２の側面との間に、第１光導波路１０１および第２光導波路１０２が配置され、光学素子１０３は、第１光入出射端面１０４および第２光入出射端面１０５に接している。

したがって、信号光が回折広がりを引き起こす領域は、光学素子１０３の幅に限定され、図２０を用いて説明した光接続構造の場合よりも、損失は小さくなる。

なお、第１コア１０６ａと、第１下部クラッド１０７ａおよび第１上部クラッド１０８ａとの間の屈折率差は、第３コア１３６ａと、第３下部クラッド１３７ａおよび第３上部クラッド１３８ａとの間の屈折率差と同等の値とする。これにより、モードフィールド径の差による、第３光導波路１３１と第１光導波路１０１との間の結合損失を低く設定することができる。

同様に、第２コア１０６ｂと、第２下部クラッド１０７ｂおよび第２上部クラッド１０８ｂとの間の屈折率差は、第４コア１３６ｂと、第４下部クラッド１３７ｂおよび第４上部クラッド１３８ｂとの間の屈折率差と同等の値とする。これにより、モードフィールド径の差による、第４光導波路１３２と第２光導波路１０２との相の間の結合損失を低く設定することができる。

次に、図３を用いて説明した光接続構造を、図１９を用いて説明した光回路（偏光ビームスプリッタ）に適用した場合の効果について説明する。光回路は、コアとクラッドとの比屈折率差が１．５％の光導波路から構成されている。また、光学素子は、板厚１５μｍの波長板［λ／４波長板（９０度）、λ／４波長板（０度）］であり、これを幅２０μｍの溝に配置（挿入）する。溝内の波長板との間の隙間を屈折率整合材で充填した従来の場合と、図３を用いて説明した本発明の光接続構造を適用した場合との、各々における過剰損失（入力光パワーに対する出力光パワーの損失）を比較した。これらの比較の結果を図４に示す。図４に示すように、本発明により、過剰損失がおよそ０．４ｄＢ低減していることがわかる。

次に、光回路が、コアとクラッドとの比屈折率差が５％の光導波路から構成されている場合について、上述同様の比較をした結果を図５に示す。図５に示すように、本発明により、過剰損失がおよそ１．２ｄＢ低減していることがわかる。

次に、本発明の実施の形態１に係る光接続構造の製造方法について説明する。この製造方法は、前述した実施の形態１における光接続構造を製造する方法である。

まず、光回路を構成する光導波路を、光出射方向を光学素子に向けて離間して配置する（第１工程）。例えば、図３を用いて説明した溝１４２は、第３光導波路１３１および第４光導波路１３２となる光導波路による光導波路が形成されている基板１４１に、ダイシングやエッチングなどによって形成する。次に、形成した溝１４２に光学素子１０３を配置することで、第３光導波路１３１と第４光導波路１３２の各々の光出射方向を、光学素子１０３に向けて離間して配置する。この状態では、第１光導波路１０１および第２光導波路１０２は形成されておらず、溝１４２の向かい合う側面と光学素子１０３との間には、空間が形成されている。

次に、第３光導波路１３１の光出射端と光学素子１０３との間に樹脂を充填して樹脂層を形成する（第２工程）。第３光導波路１３１は、第１光導波路１０１を形成する領域を挟んで光学素子１０３と離間して配置されている光導波路である。例えば、上述した溝１４２の向かい合う側面と光学素子１０３との間の空間に、樹脂を充填して樹脂層を形成する。樹脂は、よく知られたアクリル系の光硬化性樹脂を用いることができる。

次に、第３光導波路１３１に入力した光を光学素子１０３の側の光出射端より出射することで、出射した光（露光光）が通過した樹脂層の部分を硬化させて第１コア１０６ａを形成し、第１コア１０６ａより構成された第１光導波路１０１を形成する（第３工程）。このようにして形成される第１コア１０６ａによる第１光導波路１０１は、光硬化性樹脂を用いた自己形成導波路と呼ばれる（非特許文献６参照）。例えば、半導体レーザより出射した波長４０５ｎｍ帯，出力５ｍＷの光を、光ファイバを介して第３光導波路１３１に入力し、第３光導波路１３１より出射することで、出射したビーム光の光跡の部分における樹脂層が光硬化し、第１コア１０６ａとなる。第２コア１０６ｂについても同様である。第４光導波路１３２に入力した光を光学素子１０３の側の光出射端より出射することで、出射した光が導波した樹脂層の部分を硬化させて第２コア１０６ｂを形成する。

なお、光学素子１０３が、樹脂硬化光に対して透明な材料であった場合には、両導波路からの入射は必要なく、第３光導波路１３１または第４光導波路１３２の片方向からの光入射で、第１コア１０６ａおよび第２コア１０６ｂを形成することも可能である。

なお、溝（隙間部）のいずれか一方の側面に光学素子が接触している状態とすることも可能である。この場合、第１光導波路の一端側の第１光入出射端面に光学素子が接し、第１光導波路の他端側に光学的に接続する第３光導波路を備える構成となる。また、第２光入出射端面が光学素子に接する第２光導波路と、上記第３光導波路とが、コアおよびクラッドを備えて同一の層に形成された光導波路から構成され、この光導波路に形成された溝（隙間部）を挾んで配置されるものとなる。溝は、上記光導波路を分断して形成されている。また、この溝に、第１光導波路および光学素子が配置されるものとなる。

ところで、光接続構造の作製に当たり、光学素子が、溝のいずれか一方の光導波路端面（側面）に密着しているか、あるいはどちらにも密着していないのかを判別するのは、容易ではない。このため、治具あるいはピンセットなどを用い、光学素子を溝の一方の側面に押しつけ、他方の面との間の隙間に樹脂（光硬化性樹脂）を投入して充填し、他方の面の光導波路よりビーム光（露光光）を照射してコアを形成してもよい。この場合、溝内において、両導波路端面からの樹脂硬化のためのビーム光の出射を得る必要がないため、作業上好ましい。

また、前述した自己形成導波路（コア）を形成する工程において、露光のための光に信号光を合はして一方の光導波路から出射させ、他方の光導波路から出射される信号光を観察しながら、自己形成導波路を形成することが好ましい。自己形成導波路は、樹脂を硬化させる光の出射端面から順次成長していくため、所望の長さの自己形成導波路部が形成されるまで、光の出射を継続する必要性がある。自己形成導波路の長さが５μｍの場合、顕微鏡などを用いた観察では、自己形成導波路が必要な長さに形成されていることを確認することは困難である。これに対し、上述した信号光を観察し、信号光の出力が最大になるまで樹脂硬化のための光の出射を継続させれば、所望の長さに自己形成導波路部が形成されていることが間接的に確認できる。

また、光導波路に自己形成導波路を最低損失で接続するためには、任意の照射パワーに合わせて最適な照射時間を設定する必要があり、このためにも前述した信号光を用いる形成技術により信号光（の透過率）をモニタすることで、最適な自己形成導波路の形成を行う必要がある。信号光の透過率から過剰損失の変化を校正した際の、照射時間ごとの過剰損失の変化を図６に示す。光導波路におけるコアとクラッドとの比屈折率者、１．５％である。図４に示した結果のように、過剰損失がおよそ０．４ｄＢ回復していることがわかる。また、図６に示すように、徐々に損失が増大していることもわかる。

また、自己形成導波路を用いる場合、コアの形成に用いた樹脂（光硬化性樹脂）の、光が照射されていない部分をクラッドとすることができる。また、光が照射されていない未硬化部を、溶剤などを用いて溶解除去し、除去した領域に、クラッドとして用いることができる、コアより低屈折率の樹脂を流し込んで充填してクラッドとしてもよい。

また、光硬化した樹脂から構成するコアは、例えば、光３Ｄ造形技術（非特許文献７）による描画技術を用いて形成することも可能である。光３Ｄ造形技術により、光硬化した樹脂から構成するコアを形成しても、前述同様に、光接続構造における損失低減効果を得ることができる。

ところで、厚さ１５μｍの光学素子を、幅２０μｍの溝内に配置する作業は容易ではなく、熟練した作業者による作業でも、不良品発生によるリワークも含め相応の工程時間を要することになる。これに対し、溝の幅が１００μｍ程度であれば、より容易に厚さ１５μｍの光学素子を配置することができる。本発明によれば、光学素子が配置される溝の幅が拡大しても、伝播損失が抑制できる。

例えば、図１９を用いて説明した偏光ビームスプリッタにおいて、λ／４波長板を配置する溝の幅を１００μｍとした構成について、本発明の光接続構造を適用した場合の効果について例示する。光回路は、コアとクラッドとの比屈折率差が１．５％の光導波路から構成されている。また、光学素子は、板厚１５μｍの波長板［λ／４波長板（９０度）、λ／４波長板（０度）］であり、これを幅１００μｍの溝に配置（挿入）する。溝内の波長板との間の隙間を屈折率整合材で充填した従来の場合と、本発明の光接続構造を適用した場合との、各々における過剰損失を比較した結果を図７に示す。図７に示すように、厚さ１５μｍの光学素子が配置される溝の幅が１００μｍの場合、従来では３ｄＢと大きな回折損失が発生するが、本発明により０．２ｄＢ程度まで損失を低減させることが可能である。

ところで、図３を用いて説明した光接続構造では、溝１４２の底に光学素子１０３が接する状態としているが、これに限るものではなく、図８に示すように、溝１４２の底より離間して光学素子１０３を配置してもよい。この場合、第１光導波路１０１および第２光導波路１０２の下部クラッドを、溝１４２の底と光学素子１０３の下面との間を介して一体に形成された樹脂層１０７から構成することができる。

ところで、図９に示すように、第１光導波路１０１，第２光導波路１０２の第１上部クラッド１０８ａ’，第２上部クラッド１０８ｂ’の断面形状（厚さ）が、光学素子１０３に近づくほど小さくなる構成とすることが可能である。また、図１０に示すように、第１光導波路１０１，第２光導波路１０２の第１上部クラッド１０８ａ”，第２上部クラッド１０８ｂ”の断面形状（厚さ）が、光学素子１０３に近づくほど大きくなる構成とすることも可能である。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る光接続構造について、図１１を参照して説明する。この光接続構造は、第１光導波路１０１と、第２光導波路１０２と、光学素子１０３とを備える。また、第１光導波路１０１，光学素子１０３，および第２光導波路１０２は、同一の基板１４１に形成された溝１４２の中に形成されている。基板１４１の上には、第３光導波路１３１および第４光導波路１３２が形成されている。これらの構成は、図３を用いて説明した光接続構造と同様である。

実施の形態２の光接続構造は、第１光導波路１０１の第１コア１０６ａ’の断面形状が、光学素子１０３に近づくほど大きくされている。また、実施の形態２の光接続構造は、第２光導波路１０２の第２コア１０６ｂ’の断面形状が、光学素子１０３に近づくほど大きくされている。これらのように光学素子１０３に近づくほどコアの径を徐々に拡大することで、第１光導波路１０１，第２光導波路１０２における光のモードフィールド径が拡大され、第１光導波路１０１，第２光導波路１０２から出射される光の広がり角を小さくすることが可能になる。これにより、光学素子１０３の内部における回折広がりも抑制できるようなり、前述した実施の形態１に比較してさらなる低損失化が実現できる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３に係る光接続構造について、図１２を参照して説明する。この光接続構造は、第１光導波路１０１と、第２光導波路１０２と、光学素子１０３とを備える。また、第１光導波路１０１，光学素子１０３，および第２光導波路１０２は、同一の基板１４１に形成された溝１４２の中に形成されている。基板１４１の上には、第３光導波路１３１および第４光導波路１３２が形成されている。これらの構成は、図３を用いて説明した光接続構造と同様である。

実施の形態３の光接続構造は、第１光導波路１０１の第１コア１０６ａの光学素子１０３の側の先端が、光学素子１０３より離間している。言い換えると、第１コア１０６ａの光学素子１０３の側の先端が、光学素子１０３に接している第１光入出射端面１０４より第１光導波路１０１の導波方向内側に後退している。また、実施の形態３の光接続構造は、第２光導波路１０２の第２コア１０６ｂの光学素子１０３の側の先端が、光学素子１０３より離間している。言い換えると、第２コア１０６ｂの光学素子１０３の側の先端が、光学素子１０３に接している第２光入出射端面１０５より第２光導波路１０２の導波方向内側に後退している。これらのように、第１コア１０６ａ，第２コア１０６ｂの先端が、光学素子１０３より離間していても、前述した実施の形態１と同様の効果が得られる。

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４に係る光接続構造について、図１３を参照して説明する。この光接続構造は、第１光導波路１０１と、第２光導波路１０２と、光学素子１０３とを備える。また、第１光導波路１０１，光学素子１０３，および第２光導波路１０２は、同一の基板１４１に形成された溝１４２の中に形成されている。基板１４１の上には、第３光導波路１３１および第４光導波路１３２が形成されている。これらの構成は、図３を用いて説明した光接続構造と同様である。

実施の形態４の光接続構造は、第１光導波路１０１の第１コア１０６ａの光学素子１０３の側の先端が、レンズ（凸レンズ）形状１０９ａを有している。また、実施の形態４の光接続構造は、第２光導波路１０２の第２コア１０６ｂの光学素子１０３の側の先端が、レンズ（凸レンズ）形状１０９ａを有している。これらのように、第１コア１０６ａ，第２コア１０６ｂの先端が、レンズ形状１０９ａ，１０９ｂを有していることで、第１光導波路１０１，第２光導波路１０２から光学素子１０３の側に出射される光は集光される。このため、光学素子１０３の内部における回折損失も抑制できるようになり、前述した実施の形態１に比較して、さらに低損失な光接続構造とすることができる。

第１光導波路１０１の第１コア１０６ａおよび第２光導波路１０２の第２コア１０６ｂの各々の先端のレンズ形状は、例えば、前述した自己形成導波路や光３Ｄ造形などの製造方法により形成することができる。なお、第１コア１０６ａ，第２コア１０６ｂの先端部のレンズ形状１０９ａ，レンズ形状１０９ｂを、光学素子１０３より離間させることも可能である。例えば、図１４に示すように、第３光導波路１３１および第４光導波路１３２の光学素子１０３側の光出射端に、光学素子１０３の側に向けて凸としたレンズ形状の第１コア１６１ａ，第２コア１６１ｂとして設けることも可能である。この場合、第１コア１６１ａ，第２コア１６１ｂを埋め込み、溝１４２の向かい合う側面と光学素子１０３との間を充填するように、クラッド１１３ａ，クラッド１１３ｂが設けられる。

次に、上述した本発明における光接続構造の適用例について図１５を参照して説明する。本発明の光接続構造は、波長フィルタを集積した回路をアレイ化した波長多重通信用の光回路に適用可能である。この光回路は、基板２０１の上に形成され入力光導波路２０２に入力される光が、光スプリッタ２０３により、複数の光導波路２０４に分岐される。また、基板２０１の所定箇所には、光導波路２０４の導波方向に垂直に延在する溝２０５が形成されている。溝２０５により、複数の光導波路２０４は分断されている。

また、溝２０５には、複数の光導波路２０４の各々に対応して波長フィルタ２０６が設けられている。また、溝２０５において、波長フィルタ２０６と溝２０５の各々の側面との間に、第１光導波路２０７，第２光導波路２０８が形成されている。第１光導波路２０７，第２光導波路２０８の波長フィルタ２０６の側の光入出射端面は、第１光導波路２０７に接している。このように第１光導波路２０７，第２光導波路２０８を設けることで、光導波路２０４の間に伝播損失を抑制して波長フィルタ２０６を配置することができ、波長クロストークが低減できる。

上述では、光学素子として波長フィルタを適用した場合を例示したが、光学素子として、波長板の与える遅延が板長手方向に対して周期的に変化するくし形波長板を適用することも可能である。また、光学素子として磁気光学材料が適用可能である。磁気光学材料を光学素子として用いることで、光アイソレータなどの光回路が実現できる。

次に、光学素子として波長板を用いた光の挿入損失の波長依存性について、図１６を用いて説明する。図１６に示すように、光導波路の途中に設けた溝に光学素子として波長板を配置することで、波長フィルタ効果を持つ光回路が実現できる。このような光回路の波長板（光学素子）を配置する溝部に、本発明の光接続構造を適用することで、図１７示すように、適用しない従来に比較し、溝部における過剰損失が０．１ｄＢほど回復する。

以上に説明したように、本発明によれば、光硬化した樹脂から構成したコアによる第１光導波路と第２光導波路との間に、第１光入出射端面および第２光入出射端面に接して光学素子を配置したので、多大なコストや製造時間を必要とせずに、光回路の中の光導波路途中に、伝播損失を抑制して光学素子が配置できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…第１光導波路、１０２…第２光導波路、１０３…光学素子、１０４…第１光入出射端面、１０５…第２光入出射端面、１０６ａ…第１コア、１０６ｂ…第２コア、１０７ａ…第１下部クラッド、１０７ｂ…第２下部クラッド、１０８ａ…第１上部クラッド、１０８ｂ…第２上部クラッド、１１１ａ…基板、１１１ｂ…基板。

Claims (8)

1. 第１光導波路と、
   前記第１光導波路の一端側に形成された第１光入出射端面と、
   第２光導波路と、
   前記第１光導波路の一端側に向かい合う前記第２光導波路の一端側に形成された第２光入出射端面と、
   前記第１光導波路と前記第２光導波路との間で、前記第１光入出射端面および前記第２光入出射端面に接して配置された光学素子と
   を備え、
   前記第１光入出射端面より出射する出射光と前記第２光入出射端面より出射する出射光とは、互いに結合する状態とされていることを特徴とする光接続構造。
2. 請求項１記載の光接続構造において、
   前記第１光導波路のコアおよび前記第２光導波路のコアは、それぞれ光硬化した樹脂から構成されていることを特徴とする光接続構造。
3. 請求項１または２記載の光接続構造において、
   前記第１光導波路のコアおよび前記第２光導波路のコアの少なくとも一方は、その断面形状が、前記光学素子に近づくほど大きくされていることを特徴とする光接続構造。
4. 請求項１または２記載の光接続構造において、
   前記第１光導波路のコアおよび前記第２光導波路のコアの少なくとも一方は、前記光学素子の側の先端が、レンズ形状に形成されている特徴とする光接続構造。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の光接続構造において、
   前記第１光導波路のコアおよび前記第２光導波路のコアの少なくとも一方は、前記光学素子の側の先端が、前記光学素子より離間していることを特徴とする光接続構造。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の光接続構造において、
   前記第１光導波路の他端の側に光学的に接続する第３光導波路と、
   前記第２光導波路の他端の側に光学的に接続する第４光導波路と
   をさらに備え、
   前記第３光導波路および前記第４光導波路は、同一の層に形成された光導波路から構成されて前記光導波路に形成された隙間部を挾んで配置され、
   前記第１光導波路、前記光学素子、および前記第２光導波路は、前記隙間部に配置されている
   ことを特徴とする光接続構造。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の光接続構造において、
   前記第１光導波路の他端の側に光学的に接続する第３光導波路をさらに備え、
   前記第２光導波路および前記第３光導波路は、コアおよびクラッドを備えて同一の層に形成された光導波路から構成されて前記光導波路に形成された隙間部を挾んで配置され、
   前記第１光導波路および前記光学素子は、前記隙間部に配置されている
   ことを特徴とする光接続構造。
8. 第１光導波路と、
   前記第１光導波路の一端側に形成された第１光入出射端面と、
   第２光導波路と、
   前記第１光導波路の一端側に向かい合う前記第２光導波路の一端側に形成された第２光入出射端面と、
   前記第１光導波路と前記第２光導波路との間で、前記第１光入出射端面および前記第２光入出射端面に接して配置された光学素子と
   を備え、
   前記第１光入出射端面より出射する出射光と前記第２光入出射端面より出射する出射光とは、互いに結合する状態とされている光接続構造の製造方法であって、
   前記第１光導波路を形成する領域を挟んで前記光学素子と離間して配置されている光導波路を光出射方向を前記光学素子に向けて離間して配置する第１工程と、
   前記光導波路の光出射端と前記光学素子との間に樹脂を充填して樹脂層を形成する第２工程と、
   前記光導波路に入力した光を前記光出射端より出射することで、出射した光が通過した前記樹脂層の部分を光硬化させてコアを形成し、前記コアより構成された前記第１光導波路を形成する第３工程と
   を備えることを特徴とする光接続構造の製造方法。