JP2021056362A - 光導波路素子及び光軸調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓｉ導波路に光が完全に閉じ込められている場合でも光軸調整を可能にする。【解決手段】光導波路素子は、支持基板と、光導波路コアと、支持基板上に、光導波路コアを包含して形成されるクラッドとを備えて構成される。光導波路コアには、光軸調整用パターン１００が設けられている。光軸調整用パターンに、プロービングフィルタ部２００と、放射部とを備える。プロービングフィルタ部は、信号光と検証光を含む入力光から、信号光を透過させ、かつ、検証光を抽出する。放射部は、プロービングフィルタ部で抽出された検証光を、プロービングフィルタ部における入力光の伝搬方向に直交する方向であって、光導波路素子の端面に直交する方向に放射する。【選択図】図１

Description

この発明は、光導波路デバイスの特性を評価するのに用いて好適な、光導波路素子及び光軸調整方法に関する。

情報伝達量の増大に伴い、光配線技術が注目されている。光配線技術では、光ファイバや光導波路を伝送媒体とした光デバイスを用いて、情報処理装置内のラック間、ボード間又はチップ間等の情報伝達を光信号で行う。光配線技術を用いることにより、高速信号処理を要する情報処理機器においてボトルネックとなっている、電気配線を用いることによる帯域制限を改善することができる。

光の伝送媒体としてのシリコン（Ｓｉ）は、通信波長域において透明で、かつ導波路コアとして屈折率が高い、という特徴がある。Ｓｉを材料とする光導波路素子（Ｓｉ導波路素子）では、実質的に光の伝送路となる光導波路コアを、Ｓｉを材料として形成する。そして、Ｓｉよりも屈折率の低い例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等を材料としたクラッドで、光導波路コアの周囲を覆う。

Ｓｉの光導波路コアの周囲をＳｉＯ_２のクラッドで覆うことにより構成されるＳｉ導波路では、光導波路コアとクラッドとの比屈折率差が非常に大きく確保される。このため、Ｓｉ導波路の伝搬モードの等価屈折率はクラッドの屈折率から離れた値をとる。この結果、Ｓｉの光導波路コア内部に光を強く閉じ込めることができる。このように、強い閉じ込めができることにより、曲げ導波路の曲率半径、及び、並走する導波路間の最小配線ピッチを数μｍ程度まで抑えることができる。このため、光配線のレイアウトサイズを小さくできる。

また、半導体製造装置を用いた高精度なフォトリソグラフィやエッチング技術によるＳｉ導波路の微細加工が可能である。さらに、イオンドーピングで形成したＰＮ−Ｓｉ領域への電圧印加によるキャリア増幅に伴う屈折率変化（プラズマキャリア効果）を応用した変調器、及び、Ｓｉよりもバンドギャップの狭いゲルマニウム（Ｇｅ）をＳｉ上に選択成長させた受光素子（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）など、多様な機能デバイスを同一基板上にモノリシック的に集積形成でき、大量生産も容易である。このため、Ｓｉ導波路は光モジュールを小型・低コストで実現するためのプラットフォームとして有望視されており、これに関する様々な研究がなされている（例えば特許文献１、非特許文献１又は非特許文献２参照)。

一般に光モジュールの作製工程では、半導体製造工程により光導波路デバイスを基板上に形成した後、基板をダイシングしてチップとして個片化する。個片化されたチップには光導波路デバイス単体の特性を評価するためのＴＥＧ（Ｔｅｓｔ Ｅｌｅｍｅｎｔａｌ Ｇｒｏｕｐ）パターンが形成されたＴＥＧチップや、光モジュールに搭載するための集積デバイスが形成された集積チップがある。

ＴＥＧチップや集積チップについて、光導波路デバイスの光学特性を評価する場合、これらチップに対して両端から光ファイバを突き合わせて、一方の光ファイバは光源に、他方の光ファイバはスペクトルアナライザやパワーメータなどと光学的に接続する。光源から送信された光信号はチップ上の光導波路デバイスを経由してスペクトルアナライザ又はパワーメータで受光されて評価される。

なお、集積チップでは光導波路がＰＤで終端されていることがある。この場合、光源と接続された光ファイバを集積チップの一端に突き合わせ、光源から送信された光信号は、チップ上のＰＤで光電変換されて電圧／電流計などで評価される。例えば、集積チップの偏光特性を評価するための、光信号モニタリングモジュールが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

ここで、Ｓｉ導波路は上述したように光導波路コアとクラッドとの比屈折率差が大きいことに起因し、シングルモード伝送条件を満たすための断面サイズが一辺数百ｎｍオーダと小さい。スポットサイズ変換器（ＳＳＣ：Ｓｐｏｔ Ｓｉｚｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を用いても、拡大できる光のモードフィールド径（ＭＦＤ：Ｍｏｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）はせいぜい３μｍ程度にとどまる。このため、Ｓｉ導波路で構成されるＳｉ光導波路デバイスでは、光軸調整を要する光学特性の評価が、他の光導波路デバイスと比較して難しい。

また、Ｓｉ光導波路デバイスは材料の吸収波長帯域との兼ね合いから、主に通信波長帯域（λ＝１．３１〜１．５５μｍ）での使用が想定されている。光学特性の評価に用いる光信号が赤外光であり、この赤外光が目視で確認できないことも光軸調整の難しさの一因となっている。

図９を参照して、従来のＴＥＧチップの光学特性の評価手順を説明する。

ＴＥＧチップの評価では、図９に示すようにＴＥＧチップに対して、入力側と出力側の２本の光ファイバの光軸調整を行う必要がある。光軸調整は、具体的には、例えば、以下の過程で行われる。

先ず、ＴＥＧチップ１０をサンプルステージ２０上に載置する。そして、ＴＥＧチップ１０に形成された、評価対象となる光導波路デバイス３０を含むＳｉ導波路４０に対して、ＴＥＧチップ１０の上方に設置されたＣＣＤカメラ５０で、ＴＥＧチップ１０及び入力側の光ファイバ６０を見ながら可視的に入力側の光ファイバ６０を、Ｘ−Ｚ平面内で調整する。ここで、Ｘ−Ｚ平面は、ＴＥＧチップ１０の上面に平行な面を指す。また、Ｙ方向は、Ｘ−Ｚ平面に直交する方向、すなわち、ＴＥＧチップ１０の上面に直交する方向を指す。

次に、ＴＥＧチップ１０の上方から赤外線カメラ５５を用いて、Ｓｉ導波路４０からの散乱光強度が最大となるように入力側の光ファイバ６０のＹ方向の位置を調整する。

次に、入力側の光ファイバ６０を固定した状態で、スペクトルアナライザ又はパワーメータの受信強度が最大となるように出力側の光ファイバ６２を、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向について調整する。

特開２０１１−７７１３３号公報 特開２００４−３６１９４８号公報

IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, vol.11, No.1, January/February 2005 p.232-240 IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, vol.12, No.6, November/December 2006 p.1371-1379 「次世代光アクセスシステム（NG-PON2）の標準化動向」NTT 技術ジャーナル 2015.1

図９を参照して説明した従来の光軸調整の方法では、入力側の光ファイバのＹ方向の光軸調整に、赤外線カメラを用いている。

ここで、赤外線カメラでモニタしているものは、Ｓｉ導波路からの散乱光である。この場合、Ｓｉ導波路に光が完全に閉じ込められていれば、本来観測されないものを目安にしているという点に課題がある。また、通信波長帯の光の場合、Ｓｉ導波路からの散乱光は赤外光であり、赤外光の観測には、一台数百万円程度の高額な赤外線カメラが必要となる点も課題である。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、Ｓｉ導波路に光が完全に閉じ込められている場合でも光軸調整が可能となる、光導波路素子と、光軸調整方法を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の光導波路素子は、支持基板と、光導波路コアと、支持基板上に、光導波路コアを包含して形成されるクラッドとを備えて構成される。光導波路コアには、光軸調整用パターンが設けられている。光軸調整用パターンに、プロービングフィルタ部と、放射部とを備える。

プロービングフィルタ部は、信号光と検証光とを含む入力光から、信号光を透過させ、かつ、検証光を抽出する。放射部は、プロービングフィルタ部で抽出された検証光を、プロービングフィルタ部における入力光の伝搬方向に直交する方向であって、当該光導波路素子の端面に直交する方向に放射する。

この発明の光導波路素子の好適実施形態によれば、プロービングフィルタ部は、グレーティングと、モード変換部を備える。グレーティングは、入力光のうち、信号光の波長よりも短波長である検証光の波長にＢｒａｇｇ波長が設定され、かつ、０次モードの成分である検証光を、ｉ（ｉは１以上の整数）次モードに変換して反射する。モード変換部は、グレーティングで反射されたｉ次モードの検証光を、０次モードに変換する。

また、この発明の光導波路素子の好適実施形態によれば、放射部は、プロービングフィルタ部から離れるに従って、幅が連続的に縮小するテーパ部を備える。さらに、放射部は、テーパ部のプロービングフィルタ部とは反対側の端部と光導波路素子の端面に設けられる放射端とを接続する一定幅の延伸部を備えていてもよい。また、テーパ部のプロービングフィルタ部とは反対側の端部の幅は、放射部を伝搬する光の支持基板への移行による伝搬損失を抑え、かつ、放射される検証光の広がり角度を小さくする大きさであるのが良い。

また、この発明の光軸調整方法は、上述の光導波路素子と、光ファイバとの光軸調整を行う方法であり、以下の過程を備えて構成される。

先ず、第１過程において、光導波路素子の上面側から、光導波路素子の上面を見ながら、光導波路素子と、入力側の光ファイバとの、光導波路素子の上面に平行な面内における位置合わせを行う。次に、第２過程において、光導波路素子の端面に設けられた放射部の放射端に対面させて、赤外線蛍光検体を配置する。次に、第３過程において、入力側の光
ファイバから検証光を含む入力光を入力し、放射部から放射される検証光により、赤外線蛍光検体を発光させ、発光を目安に、光導波路素子と、入力側の光ファイバとの、光導波路素子の上面に直交する方向における位置合わせを行う。

また、この発明の光軸調整方法の好適実施形態によれば、第３過程の後に行われる、第４過程及び第５過程を備える。

第４過程では、光導波路素子の上面側から、光導波路素子の上面を見ながら、光導波路素子と、出力側の光ファイバの、光導波路素子の上面に平行な面内で位置合わせを行う。

第５過程では、出力側の光ファイバに、光強度測定器を接続し、光強度測定器での受信光強度が最大となるように、光導波路素子と、出力側の光ファイバとの、光導波路素子の上面に直交する方向における位置合わせを行う。

この発明の光導波路素子及び光軸調整方法によれば、ＣＣＤカメラなどを用いながら、光導波路素子の上面に平行な平面内で位置調整した後、放射部から放射された検証光の強度をモニタして、光導波路素子の上面に直交する方向の位置合わせを行うことができる。このため、Ｓｉ導波路に光が完全に閉じ込められている場合でも光軸調整が可能となる。また、入力光が赤外光である場合であっても、高価な赤外線カメラを用いることなく光軸調整を行うことができる。

この発明の、光導波路素子の一構成例を示す模式図である。 光導波路素子の概略的端面図である。 光軸調整用パターンが形成されたＴＥＧチップでの光軸調整方法を説明するための模式図である。 光軸調整用パターンを有する集積チップの模式図である。 光軸調整用パターンが形成された集積チップでの光軸調整方法を説明するための模式図である。 グレーティングの透過スペクトル及び反射スペクトルを示す図である。 ＳＳＣにおける放射端幅と放射光角度との関係を示す図である。 ＳＳＣにおける放射端幅と単位長さあたりの伝搬損失の関係を示す図である。 従来のＴＥＧチップの光学特性評価の模式図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

図１及び図２を参照して、この発明の光導波路素子について説明する。図１及び図２は、この発明の光導波路素子の一構成例を示す模式図である。図１は、後述する支持基板及びクラッドを省略し、光導波路コアのみを示している。図２は、図１に示す放射部をＩ−Ｉ線で切り取った概略的端面図である。

光導波路素子５は、支持基板１１０、クラッド１２０、及び、光導波路コア１３０を備える光導波路を基本構造として有している。

支持基板１１０は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体で構成されている。

クラッド１２０は、支持基板１１０上に設けられている。クラッド１２０は、支持基板１１０の上面を被覆し、かつ、光導波路コア１３０を包含して形成されている。クラッド１２０は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を材料として形成されている。

光導波路コア１３０は、クラッド１２０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉを材料として形成されている。その結果、光導波路コア１３０は、光の伝送路として機能し、光導波路コア１３０に入力された光が光導波路コア１３０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。

光導波路素子５は、光軸調整用パターン１００を備えている。光軸調整用パターン１００は、光導波路コア１３０の平面形状に応じて、構成される。ここでは、光導波路コア１３０の平面形状に応じて定まる光路をＳｉ導波路とも称する。

光軸調整用パターン１００は、プロービングフィルタ部２００と、放射部として放射用スポットサイズ変換器（ＳＳＣ）３００とを備えて構成されている。また、設計に応じて、入力側の光ファイバに接続される入力用導波路５１０、プロービングフィルタ部２００とＳＳＣ３００間を接続する引き回し導波路５３０、及び、評価対象の光導波路デバイスに接続される出力用導波路５４０を備える。

この光軸調整用パターン１００を備える光導波路素子５では、プロービングフィルタ部２００によって、入力側の光ファイバを経て入力された光に含まれる検証光を選択的に取り出し、取り出された検証光をＳＳＣ３００から放射する。このＳＳＣ３００から放射された検証光をモニタすることで光軸調整を行う。ここでは、光軸調整用パターン１００を備える光導波路素子５をチップとも称する。上述した光軸調整用パターン１００は、ＴＥＧパターンが形成されたＴＥＧチップや、発光素子（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）やＰＤなどを実装した集積チップなどに形成される。

プロービングフィルタ部２００は、グレーティング２１０とモードフィルタ２２０とを有している。グレーティング２１０は、Ｓｉ導波路に周期的に屈折率変調領域が形成されて構成されている。グレーティング２１０は、特定の波長（Ｂｒａｇｇ波長）の光に対して、伝搬する基本モード（０次モード）光をｉ次モード（ｉ＞０））光に変換して反射させる。ここで、グレーティング２１０はＢｒａｇｇ波長よりも長波長の光信号に対してはオールスルー(全透過)の特性を持っており、後段の光導波路デバイスには光学的な影響を及ぼさないという特徴がある。このため、実際の評価対象となる光導波路デバイスの動作波長帯域よりもやや短波長にグレーティング２１０のＢｒａｇｇ波長を設定することが好ましい。

モードフィルタ２２０は、メイン導波路２２１とサブ導波路２２２とを備えて構成されている。メイン導波路２２１とサブ導波路２２２とは、互いに光の結合が可能な程度に離間して並列配置されている。メイン導波路２２１を伝搬するｉ次モード光は、サブ導波路２２２を伝搬する基本モード光へと変換されて経路が切り替わる。

ｉ＝１として、プロービングフィルタ部２００の動作を説明する。

グレーティング２１０と、モードフィルタ２２０が備えるメイン導波路２２１とは光学的に接続されている。信号光及び検証光を含む入力光は、入力用導波路５１０からモードフィルタ２２０のメイン導波路に入力される。メイン導波路２２１を伝播する入力光は、
グレーティング２１０に送られる。入力光のうち、グレーティング２１０のＢｒａｇｇ波長よりも長波長の基本モードの成分である信号光は、グレーティング２１０を透過する。一方、入力光のうち、Ｂｒａｇｇ波長よりも短波長の基本モードの成分である検証光は、グレーティング２１０で１次モード光に変換されて反射される。グレーティング２１０で反射された１次モードの検証光は、モードフィルタ２２０が備えるメイン導波路２２１を伝搬する間に基本モード光へと変換されて、モードフィルタ２２０が備えるサブ導波路２２２に移る。サブ導波路２２２は、ＳＳＣ３００に光学的に接続されている。

ＳＳＣ３００は、光導波路コアの幅寸法が光の伝搬方向に沿って連続的に縮小するテーパ部３１０を有している。テーパ部３１０のプロービングフィルタ部２００と接続される側の幅は、プロービングフィルタ部２００とＳＳＣ３００との間を光学的に接続する導波路（引き回し導波路）５３０の幅となっている。また、テーパ部３１０の、プロービングフィルタ部２００とは反対側の幅（終端幅）は、Ｓｉ導波路を伝搬する固有モードが存在出来ないほど小さい。すなわち、テーパ部３１０の終端幅は、モードカットオフ条件を満たしている。

テーパ部３１０の終端側には、一定幅の延伸部３２０が接続されているのが良い。延伸部３２０の幅は、テーパ部３１０の終端幅と同じである。延伸部３２０は、光導波路素子５の端面（チップ端）まで延伸している。延伸部３２０を設けると、チップ個片化の際の切り出し位置の誤差を吸収できる。ここで、ＳＳＣ３００のチップ端における幅を放射端幅とも称する。放射端幅と終端幅とは同じ大きさである。

ＳＳＣ３００は、プロービングフィルタ部２００で選択的に取り出された検証光を放射端から光導波路素子５（チップ）外に放射する。このＳＳＣ３００から放射された検証光（放射光とも称する。）は、検体に照射される。検体として、赤外光が照射されると照射された部分において可視光を発光する、赤外線蛍光検体（フォスファーカード）を用いることができる。ここでは、検体としてフォスファーカードを用いる例を説明する。

ＳＳＣ３００の放射端幅が大きくなるほど、ＳＳＣ３００からの放射光の広がり角度（ＦＦＰ角度：Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）が大きくなる。ＳＳＣ３００からの放射光のＦＦＰ角度が広いと、放射光を検出するフォスファーカードで受ける面は大きくなる。この場合、強度が分散してしまうため、単位面積あたりの発光強度が弱くなる。また、フォスファーカードには最小検出感度が存在する。このため、入力側の光ファイバと光軸調整用パターン１００の入力用導波路５１０との光軸がほぼ完全に一致していないとフォスファーカードが感光せず、光軸調整が難しくなる。すなわち放射光のＦＦＰ角度が狭い方が、フォスファーカードを局所的に強く照射できるため好ましい。

一方、ＳＳＣ３００の放射端幅を小さくしすぎると、ＳＳＣ３００を伝送する光のモードフィールド径（ＭＦＤ）が広がりすぎるという問題が浮き上がる。光導波路素子５には、図２に示すように光導波路コア１３０の下部には有限な距離だけ離れて支持基板１１０が存在する。このため、広がりすぎた光は支持基板１１０へ移行し、伝送損失の原因となる。

このように、放射端幅が小さいと、ＦＦＰ角度が狭くなるという利点がある一方、伝搬損失が大きくなるという欠点がある。逆に、放射端幅が大きいと、伝搬損失が小さくなるという利点がある一方で、ＦＦＰ角度が広くなるという欠点がある。このため、伝搬損失が少なく、かつ、可能な限りＦＦＰ角度が小さくなるように放射端幅を設定することが好ましい。

ＳＳＣ３００からの放射光の、フォスファーカードでの視認、及び、光軸調整を容易に
するために、ＳＳＣ３００からの放射光は、チップの端面（側面）に対して直交する方向に放射されるのが良い。すなわち、ＳＳＣ３００は、チップの側面に対して直交する方向に延在して形成されるのが良い。

また、ＳＳＣ３００は、プロービングフィルタ部２００の光の伝搬方向と直交する方向に延在して設けるのが良い。これは、プロービングフィルタ部２００の光の伝搬方向に接続される、入力側の光ファイバや出力側の光ファイバが、フォスファーカードを配置する際の邪魔になるからである。また、ＳＳＣ３００をプロービングフィルタ部２００の出力側に設けると、入力側の光ファイバと光軸調整用パターン１００の入力用導波路５１０との光軸が合っていない段階では、ファイバからの漏れ光強度が強いため、それをフォスファーカードが受光し光軸調整の妨げとなるからである。

図３を参照して、この光軸調整用パターンを利用した光軸調整の手順について説明する。図３は、光軸調整用パターンが形成されたＴＥＧチップでの光軸調整方法を説明するための模式図である。以下、図１を適宜参照して説明する。

先ず、第１過程において、ＴＥＧチップ１０の上方に設置されたＣＣＤカメラ５０でＴＥＧチップ１０を上面側から見ながら、ＴＥＧチップ１０に対して、入力側の光ファイバ６０をＸ−Ｚ平面内で位置合わせを行う。ここで、Ｘ−Ｚ平面は、ＴＥＧチップ１０の上面に平行な面を指す。また、Ｙ方向は、Ｘ−Ｚ平面に直交する方向、すなわち、ＴＥＧチップ１０の上面に直交する方向を指す。

次に、第２過程において、ＳＳＣ３００の放射端に対面する位置にフォスファーカード４００を設置する。

次に、第３過程において、光源で生成された送信信号光がＴＥＧチップ１０の光軸調整用パターン１００に入力される。送信信号光のうち、プロービングフィルタ部２００のＢｒａｇｇ波長である検証光が、プロービングフィルタ部２００で取り出され、ＳＳＣ３００に送られる。ＳＳＣ３００に送られた検証光は、放射端から放射されて放射光としてフォスファーカード４００に照射される。この結果、フォスファーカード４００が発光するため、この発光（図３中、Ａで示す。）を目安に入力側の光ファイバ６０のＹ方向の位置、すなわち高さを調整することが可能となる。このようにして、ＴＥＧチップ１０に対して入力側の光ファイバ６０の光軸調整（調芯）が可能となる。

その後、第４過程において、ＴＥＧチップ１０の上面側から、ＴＥＧチップ１０の上面を見ながら、ＴＥＧチップ１０と、出力側の光ファイバ６２との、ＴＥＧチップ１０の上面に平行な面内における位置合わせを行う。この第４過程は、第１過程と同様に行われる。

次に、第５過程において、出力側の光ファイバ６２に光強度測定器を接続し、光強度測定器での受信光強度が最大となるように、ＴＥＧチップ１０と出力側の光ファイバ６２との、ＴＥＧチップ１０の上面に直交する方向における位置合わせを行う。光強度測定器として、例えば、スペクトルアナライザ又はパワーメータを用いることができる。

このようにして、ＴＥＧチップ１０と出力側の光ファイバ６２の光軸調整が、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向について行われる。

上述の光軸調整手法では、Ｓｉ導波路からの散乱光を頼りにする従来の赤外線カメラを用いた方法と比べて、一度Ｓｉ導波路を通過してチップ端面から放射される光を直接観測している点で調芯の精度が高いといえる。また、従来必要であった、高額でかつ比較的大
きく設置場所を選ぶ赤外線カメラが不要となる。このため従来の光軸調整方法に比べて簡易にＴＥＧチップの評価が可能となる。

次に、図４及び図５を参照して、集積チップの評価を行う例を説明する。図４は、光軸調整用パターンが形成された集積チップの構成例を説明するための模式図である。図５は、光軸調整用パターンが形成された集積チップでの光軸調整方法を説明するための模式図である。

ここでは、集積チップ１１として、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）システムに用いられる、ＷＤＭ用チップの例を説明する。

ＷＤＭ用チップである集積チップ１１には、入力インタフェースとしての入出力用ＳＳＣ６００、ＷＤＭフィルタ６１０、ＬＤ６２０及びＰＤ６３０が集積されている。

入出力用ＳＳＣ６００は、伝送用の光ファイバとの入出力に用いられる。ＷＤＭフィルタ６１０は、波長により経路を切り分ける。ＬＤ６２０で生成された送信光信号は、ＷＤＭフィルタ６１０及び入出力用ＳＳＣ６００を経て送信される。一方、入出力ＳＳＣ６００に入力された受信光信号は、ＷＤＭフィルタ６１０を経てＰＤ６３０に送られ受信される。

光軸調整用パターン１００は、入出力用ＳＳＣ６００とＷＤＭフィルタ６１０の間に配置される。光軸調整は、上述したＴＥＧチップと同様に第１過程から第３過程により行われる。このとき、光軸調整用パターン１００のプロービングフィルタ部２００が備えるグレーティング２１０については、ＷＤＭ通信で用いられる最短波長の光信号よりも短波長にＢｒａｇｇ波長が設定される。

その後、ＰＤ６３０にプローブ針を落とし、ＰＤ６３０で光電変換された電流値を電流/電圧計６７０でモニタするなどして、光導波路デバイスの光学特性を評価する。

従来の集積チップの評価では、まず光源と接続された入力側の光ファイバを、集積チップの上方に設置されたＣＣＤカメラを見ながら集積チップに対してＸ−Ｚ方向に可視的に調整し、高さ（Ｙ）方向の位置合わせはＰＤにプローブ針を落とし、ＰＤで光電変換された電流値を電流/電圧計でモニタしながらＹ方向調芯をする。この従来の評価では常に電流／電圧計に表示される光電変換値を目で追っている必要がある。このため、光ファイバと集積チップとのＹ方向の位置が合っていることが直感的（視覚的）には分かりにくい。

これに対して、この発明の光軸調整用パターン１００を備える集積チップ１１では、ファイバのＹ方向の調芯時に、ＴＥＧチップ１０と同様に赤外線検体（フォスファーカード）４００の発光の様子を見ながらＹ方向の位置合わせが可能となる。このため、直感的（視覚的）に集積チップ１１と入力側の光ファイバ６０の光軸が一致したことが確認できる。この結果、集積チップ１１の評価に関わるファイバの調芯スループットを向上させることが可能となる。

以上説明したように、この発明の光軸調整用パターンを備える光導波路素子及び光軸調整方法によれば、ＴＥＧチップの光学特性評価時、又は、光モジュール組み立てにおける集積チップとファイバとの光軸調整において、従来の調芯システムで必要であった赤外線カメラを用いることなく、入手が容易なフォスファーカードにより直感的に光ファイバと集積チップとの光軸が一致したことを確認することができる。この結果、光モジュール組み立てに関わる実装工程を簡略化することが出来る。

ここでは、ＴＥＧチップとして、信号光が光導波路デバイスを経て出力される例を説明し、集積チップとして、信号光がＰＤで終端される例を説明したがこれに限定されない。ＴＥＧチップとして、ＰＤの特性評価を行う場合もある。この場合は、図４及び５を参照して説明した光軸調整方法を行えばよい。また、集積チップとして、信号光が光導波路デバイスを経て出力される場合もある。この場合は、図３を参照して説明した光軸調整方法を行えばよい。

（実施例）
この発明に係る、光軸調整用パターンを備える光導波路素子の一例として、ＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ Ｔｏ Ｔｈｅ Ｈｏｍｅ）などに代表されるＴＷＤＭ（Ｔｍｉｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）−ＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）システムに用いる場合の構成例を説明する。ここで、ＴＷＤＭ−ＰＯＮシステムは、加入者アクセスネットワークとしてＩＴＵ−Ｔにより標準化が進められている。

ＴＷＤＭ−ＰＯＮでは、加入者端末（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ ＮｅｔｗｏｒｋＵｎｉｔ）から通信基地局（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ）への上り信号として、１５２４〜１５４４ｎｍの波長帯域が割り当てられている。また、ＯＬＴからＯＮＵへの下り信号として、１５９６〜１６０４ｎｍの波長帯域が割り当てられている。さらに、上り信号及び下り信号のそれぞれに、５０〜２００ＧＨｚの周波数間隔で４チャネル分の波長信号が重畳される（例えば、非特許文献３参照）。

ここで、ＴＷＤＭ−ＰＯＮにおける最短波長は１５２４ｎｍであるため、プロービングフィルタ部２００が備えるグレーティング２１０のＢｒａｇｇ波長を、１５２４ｎｍよりも短波長に設定すればよい。

ここで示す例では、グレーティング２１０のＢｒａｇｇ波長をＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏波の１５００−１５２０ｎｍとして設計した。図６は、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｎｔｉａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）シミュレーションにより得られた、グレーティング２１０の透過スペクトル及び反射スペクトルを示す図である。図６は、横軸に波長［単位：μｍ］をとって示し、縦軸にグレーティング２１０の透過光及び反射光の出力強度［単位：ｄＢ］をとって示している。

ここで、入力光はＴＥ偏波及びＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏波の基本モード光としている。図６中、ＴＥ偏波の１次モードの反射光を実線Ｉで示し、ＴＥ偏波の基本モードの透過光を破線ＩＩで示している。

ここで光軸調整用パターン１００の厚さを０．２μｍとした。また、プロービングフィルタ部２００のグレーティング２１０については、グレーティング周期を０．３７μｍとし、０．５２μｍ幅の直線状の光導波路コアに対し、左右への光導波路コアの突出量を０．１μｍとした。なお、左右への突出は、反対称となるように、グレーティング周期の１／２だけずらして設けている。

また、モードフィルタ２２０については、メイン導波路２２１のグレーティング２１０側の端部の幅を０．５８μｍ、反対側の端部の幅を０．４６μｍとし、サブ導波路の２２２のＳＳＣ３００側の端部の幅を０．３μｍ、反対側の端部の幅を０．１μｍとした。また、メイン導波路２２１及びサブ導波路２２２の長さを８０μｍとし、平均間隔を０．３μｍとした。

図６に示されるように、設計波長１．５−１．５２μｍにおいてＴＥ偏波の基本モードが１次モードに変化して反射され、かつ、１．５２μｍ以上の長波長光は全て透過することが確認できる。なお、ＴＥ偏波の１次モード反射光の強度がピークで０ｄＢにならないのは、ＦＤＴＤシミュレーション時の計算機の容量制限のため、計算上のグレーティングの長さを十分に確保できなかったことにある。ＦＤＴＤシミュレーションでは、グレーティングの長さを２００μｍ程度として計算しているが、実際にはグレーティング２１０の長さを大きくとることでピーク強度の損失を減らし、反射光の強度をピークで０ｄＢ又はこれにより近い値にできると考えられる。ＴＥ偏波の１次モード反射光はグレーティングに接続されたモードフィルタ２２０によりサブ導波路２２２の基本モード光へと遷移し検証光として放射用ＳＳＣ３００へと送り出される。

また、図示は省略しているが、直交するＴＭ偏波に対しても基本モード光は全透過特性を示している。

次に、ＳＳＣ３００の実施例について解説する。図７は、ＢＰＭ（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）シミュレーションに基づいて、放射端幅Ｗｔｉｐと放射光（ＦＦＰ）角度との関係を計算した結果を示す図である。図７では、横軸に放射端幅Ｗｔｉｐ［単位：ｎｍ］をとって示し、縦軸に、ＦＦＰ角度［単位：ｄｅｇｒｅｅ］をとって示している。なお、Ｓｉ導波路コアの厚みは一般的なＳＯＩ（Ｓｉ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板と同等な厚みとして２２０ｎｍとしている。縦軸のＦＦＰ角度としては、放射光の電解分布のピーク強度の１／ｅ全幅値で定義している。図８中の実線ＩはＸ方向（幅方向）、破線ＩＩはＹ方向（厚み方向）のＦＦＰ角度をそれぞれ示している。

また、図８は、ＢＰＭ（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）シミュレーションに基づいて、導波路長さ１ｃｍあたりの伝搬損失を示す図である。図８では、横軸に放射端幅Ｗｔｉｐ［単位：ｎｍ］をとって示し、縦軸に、伝搬損失［単位：ｄＢ／ｃｍ］をとって示している。

ここでは、Ｓｉ導波路コア下部にクラッドを挟んで３μｍの位置に支持基板（Ｓｉ）が存在するものとしている。

図８に示されるように、放射端幅Ｗｔｉｐが大きくなるほどＦＦＰ角度が大きくなる傾向がみられる。ＦＦＰ角度が広いとフォスファーカードで受ける面は大きくなるが、強度が分散するため、単位面積あたりの発光強度が弱くなってしまう。フォスファーカードには最小検出感度が存在するため、光源側ファイバとＳｉ導波路との光軸がほぼ完全に一致していないとフォスファーカードが感光しない。従って、ＦＦＰ角度が大きいと調芯が難しくなってしまう。すなわち放射角度は小さいほうが検体エリアを局所的に強く照射できるため好ましい。

一方、図８に示されるように放射端幅Ｗｔｉｐが小さくなると伝搬損失が大きくなるという問題が浮き上がる。これは、放射端幅Ｗｔｉｐが小さくなると、ＭＦＤが大きくなり、広がりすぎた光は支持基板へ移行するためである。

従って、Ｓｉ導波路コアと支持基板との距離を考慮し、伝搬損失が少なくかつ、可能な限りＦＦＰ角度が小さくなるように放射端幅Ｗｔｉｐを設定することが好ましい。図７及び図８に示される例によれば、ＳＳＣの放射端幅Ｗｔｉｐの最適値として１６０-１８０ｎｍ付近に設定することができる。

５ 光導波路素子
１０ ＴＥＧチップ
１１ 集積チップ
２０ サンプルステージ
３０ 光導波路デバイス
４０ Ｓｉ導波路
５０ ＣＣＤカメラ
５５ 赤外線カメラ
６０、６２ 光ファイバ
１００ 光軸調整用パターン
２００ プロービングフィルタ部
２１０ グレーティング
２２０ モードフィルタ
２２１ メイン導波路
２２２ サブ導波路
３００ ＳＳＣ
３１０ テーパ部
３２０ 延伸部
４００ フォスファーカード
５１０ 入力用導波路
５３０ 引き回し導波路
５４０ 出力用導波路
６００ 入出力用ＳＳＣ
６１０ ＷＤＭフィルタ
６２０ ＬＤ
６３０ ＰＤ
６７０ 電流／電圧計

また、この発明の光導波路素子の好適実施形態によれば、放射部は、プロービングフィルタ部から離れるに従って、幅が連続的に縮小するテーパ部を備える。さらに、放射部は、テーパ部のプロービングフィルタ部とは反対側の端部と光導波路素子の端面に設けられる放射端とを接続する一定幅の延伸部を備えていてもよい。

Claims (7)

1. 支持基板と、
   光導波路コアと、
   前記支持基板上に、前記光導波路コアを包含して形成されるクラッドと
   を備える光導波路素子であって、
   前記光導波路コアには、光軸調整用パターンが設けられており、
   前記光軸調整用パターンに、
   信号光と検証光とを含む入力光から、前記信号光を透過させ、かつ、前記検証光を抽出するプロービングフィルタ部と、
   前記プロービングフィルタ部で抽出された前記検証光を、前記プロービングフィルタ部における前記入力光の伝搬方向に直交する方向であって、当該光導波路素子の端面に直交する方向に放射する放射部と
   を備えることを特徴とする光導波路素子。
2. 前記プロービングフィルタ部は、
   前記入力光のうち、前記信号光の波長より短波長である前記検証光の波長にＢｒａｇｇ波長が設定され、かつ、０次モードの成分である前記検証光を、ｉ（ｉは１以上の整数）次モードに変換して反射するグレーティングと、
   前記グレーティングで反射された前記ｉ次モードの検証光を、０次モードに変換するモード変換部と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記放射部は、
   前記プロービングフィルタ部から離れるに従って、幅が連続的に縮小するテーパ部
   を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路素子。
4. 前記放射部は、
   前記テーパ部の前記プロービングフィルタ部とは反対側の端部と前記光導波路素子の端面に設けられる放射端とを接続する一定幅の延伸部
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の光導波路素子。
5. 前記テーパ部の前記プロービングフィルタ部とは反対側の端部の幅は、前記放射部を伝搬する光の前記支持基板への移行による伝搬損失を抑え、かつ、前記放射部から放射される前記検証光の広がり角度を小さくする大きさである
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の光導波路素子。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の光導波路素子と、光ファイバとの光軸調整を行うにあたり、
   前記光導波路素子の上面側から、前記光導波路素子の上面を見ながら、前記光導波路素子と、入力側の光ファイバとの、前記光導波路素子の上面に平行な面内における位置合わせを行う、第１過程と、
   前記光導波路素子の端面に設けられた前記放射部の放射端に対面させて、赤外線蛍光検体を配置する第２過程と、
   前記入力側の光ファイバから検証光を含む入力光を入力し、前記放射部から放射される前記検証光により、前記赤外線蛍光検体を発光させ、前記発光を目安に、前記光導波路素子と、前記入力側の光ファイバとの、前記光導波路素子の上面に直交する方向における位置合わせを行う、第３過程と
   を備えることを特徴とする光軸調整方法。
7. 前記第３過程の後に行われる、
   前記光導波路素子の上面側から、前記光導波路素子の上面を見ながら、前記光導波路素子と、出力側の光ファイバとの、前記光導波路素子の上面に平行な面内における位置合わせを行う、第４過程と、
   前記出力側の光ファイバに、光強度測定器を接続し、前記光強度測定器での受信光強度が最大となるように、前記光導波路素子と前記出力側の光ファイバとの、前記光導波路素子の上面に直交する方向における位置合わせを行う、第５過程と
   を備える
   ことを特徴とする請求項６に記載の光軸調整方法。
   
   

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