JP4146788B2 - Optical waveguide connection module and method for fabricating the same - Google Patents

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Description

本発明は、2つ以上の光導波路基板の端面同士を接続する際に、その接続損失を低減するために光フィールド分布を整合させるコア形状を有する光導波路接続モジュールおよびその導波路作製方法に関する。   The present invention relates to an optical waveguide connection module having a core shape that matches an optical field distribution in order to reduce connection loss when connecting end faces of two or more optical waveguide substrates, and a method for manufacturing the waveguide.

光通信方式の多様化や通信容量の増大に従い、必然的に光信号処理モジュールの高機能化及び大容量化が図られている。そのような光信号処理モジュールの開発には、フォトリソグラフィ技術の適応により均一性及び回路レイアウトの自由度の高い平面型光導波路を適用することが簡便な手段である。中でも、石英系の平面光波回路(Planar Lightwave Circuit:PLC)は材料の整合性から通信用光ファイバとの接続が良好であり、主に基板となるシリコンウェハの大きさに応じて大規模な光回路の展開が容易に達成される。   With the diversification of optical communication systems and the increase in communication capacity, optical signal processing modules are inevitably enhanced in function and capacity. For the development of such an optical signal processing module, it is a simple means to apply a planar optical waveguide having high uniformity and high degree of freedom in circuit layout by adapting photolithography technology. In particular, quartz-based planar lightwave circuits (PLCs) are well connected to communication optical fibers due to material consistency, and large-scale light mainly depends on the size of the silicon wafer that serves as the substrate. Circuit development is easily achieved.

更には、コアを形成するために添加する材料を調整することにより、コアとクラッドとの比屈折率差Δを簡易的に変化させることができ、Δを拡大してコア径を小さくすることにより光回路の最小曲げ半径を小さくして単位面積あたりの光回路集積密度を増大させることが可能である。現在我々が採用しているΔとしては0.3%、0.45%、0.75%、1.5%があるが、例えば、Δ=0.75%の光導波路とΔ=1.5%の光導波路の最小曲げ半径はそれぞれ5mm及び2mmである。従って、Δ=1.5%光導波路を用いた場合には、光回路面積はΔ=0.75%光導波路を用いた場合の1/4程度と大幅に低減可能である。   Furthermore, by adjusting the material added to form the core, the relative refractive index difference Δ between the core and the cladding can be easily changed, and by increasing Δ to reduce the core diameter It is possible to decrease the minimum bending radius of the optical circuit and increase the optical circuit integration density per unit area. There are 0.3%, 0.45%, 0.75%, and 1.5% as Δ that we currently employ. For example, Δ = 0.75% of optical waveguide and Δ = 1.5 The minimum bend radius of the% optical waveguide is 5 mm and 2 mm, respectively. Therefore, when the Δ = 1.5% optical waveguide is used, the optical circuit area can be greatly reduced to about ¼ that when the Δ = 0.75% optical waveguide is used.

一方、光信号処理モジュールの高機能化に関しても石英系PLCを用いることは有効な手段となる。具体的には、結晶光導波路等の別の光導波路基板をPLCの端面に突き合わせて接続する端面接続技術を適用することである。結晶光導波路は、LiNbO(LN:ニオブ酸リチウム)に代表されるように電気光学効果や非線形光学効果、音響光学効果等のPLCでは得がたい特性を有し、端面接続技術により両者の機能を上手く併合することが可能となる。例としては、結晶光導波路として周期分極反転LNを利用した波長変換デバイスを用い、PLC側には合分波器や1bit 遅延線を設け、PLC−LN−PLCの3基板構成による光時分割多重(OTDM)送信モジュールがある(例えば、非特許文献1参照)。このような異なる種類の光導波路基板を接続する技術では、光導波路基板の大きさやポート数に依らずモジュール化が可能であり、端面研磨によるサイズ揺らぎが生じた場合にも全く影響が無く、また、光導波路基板間にファイバを用いて接続する場合と比較してモジュールサイズが小型であり、ポート間の光路長誤差も発生しない等の利点がある。 On the other hand, the use of quartz PLC is also an effective means for enhancing the functionality of the optical signal processing module. Specifically, it is to apply an end face connection technique in which another optical waveguide substrate such as a crystal optical waveguide is connected to the end face of the PLC. The crystal optical waveguide has characteristics that cannot be obtained by PLC such as electro-optic effect, nonlinear optical effect, and acousto-optic effect, as typified by LiNbO 3 (LN: lithium niobate). It becomes possible to merge. As an example, a wavelength conversion device using periodic polarization reversal LN is used as a crystal optical waveguide, and a multiplexer / demultiplexer and a 1-bit delay line are provided on the PLC side. There is an (OTDM) transmission module (see, for example, Non-Patent Document 1). The technology for connecting different types of optical waveguide substrates can be modularized regardless of the size of the optical waveguide substrate and the number of ports, and there is no effect when size fluctuations occur due to end face polishing. Compared to the case where the optical waveguide substrate is connected using a fiber, the module size is small, and there is an advantage that an optical path length error between ports does not occur.

しかしながら、光導波路基板同士の端面突き合わせによる接続では結合損失の発生する問題がある。その要因としては、材料の違いにより屈折率の差が生じておこるフレネル反射損失、光フィールド分布の違いによる結合効率の低下や散乱、及び作製誤差による導波路位置の歪や実装の際の位置ズレ等がある。そのうち、フレネル反射については光導波路の材料に応じて端面に無反射膜をコーティングすることにより十分に低減することが可能であり、寸法誤差や位置ズレについては光強度をモニターしながら調心を行なうアクティブアライメント方法を利用することにより解決される。従って、光導波路基板や実装素子の持つ光フィールド分布を整合させることが結合損失を低減する上で重要となる。   However, there is a problem in that coupling loss occurs in connection by end face butting between optical waveguide substrates. The factors include Fresnel reflection loss caused by the difference in refractive index due to the difference in materials, coupling efficiency decrease and scattering due to the difference in optical field distribution, distortion of the waveguide position due to manufacturing errors, and misalignment during mounting. Etc. Of these, Fresnel reflection can be sufficiently reduced by coating a non-reflective film on the end surface according to the material of the optical waveguide, and dimensional errors and positional deviations are aligned while monitoring the light intensity. It is solved by using an active alignment method. Therefore, matching the optical field distribution of the optical waveguide substrate and the mounting element is important in reducing the coupling loss.

単一モードを伝搬させる光導波路の光フィールド分布は、そのコアの作製方法に大きく依存している。一般的なPLCではコアの断面形状は正方形であり、その光フィールド分布はクラッド層に広がりを持つ円形である。その光フィールド分布の大きさは、0.75%Δ導波路でおよそ8μmである。一方LN導波路では、コアはTiの熱拡散やプロント交換により作製されるため拡散乗数に依存し、その光フィールド分布は水平方向では左右対称、垂直方向では基板表面から下側に対して偏平した形状となる。現在実用化されているLNデバイスの垂直方向の最小値は5μm程度である。光軸ズレや角度ズレがない場合、結合効率は光フィールド分布の重なり積分により決定される。   The optical field distribution of an optical waveguide that propagates a single mode largely depends on the manufacturing method of the core. In a general PLC, the cross-sectional shape of the core is a square, and the optical field distribution is a circle having a spread in the cladding layer. The magnitude of the optical field distribution is approximately 8 μm with a 0.75% Δ waveguide. On the other hand, in the LN waveguide, the core is manufactured by thermal diffusion of Ti and / or exchange of the protons, so that it depends on the diffusion multiplier, and its light field distribution is symmetrical in the horizontal direction and flat in the vertical direction from the substrate surface to the lower side. It becomes a shape. The minimum value in the vertical direction of LN devices currently in practical use is about 5 μm. When there is no optical axis shift or angle shift, the coupling efficiency is determined by the overlap integration of the optical field distribution.

図6に従来の方法によるPLCとLN光導波路の接続の様子を示す。同図において、61はLNデバイス、62はLN光導波路基板、63はLN光導波路、64はPLC,65はPLCのSi基板、66はPLCのクラッド層、および67はPLCコアであり、PLCコア67とLN光導波路63とが結合する位置でPLC64とLN光導波路基板62を突き合わせにより端面接続している。69はLNの光フィールド分布、70,71はPLCの光フィールド分布、および72は光軸である。   FIG. 6 shows how the PLC and the LN optical waveguide are connected by a conventional method. In this figure, 61 is an LN device, 62 is an LN optical waveguide substrate, 63 is an LN optical waveguide, 64 is a PLC, 65 is a PLC Si substrate, 66 is a cladding layer of PLC, and 67 is a PLC core. The end faces of the PLC 64 and the LN optical waveguide substrate 62 are connected to each other at a position where the 67 and the LN optical waveguide 63 are coupled. 69 is an LN optical field distribution, 70 and 71 are PLC optical field distributions, and 72 is an optical axis.

汎用的な0.75%Δ−PLC64とINデバイス61との結合損失は約1dB程度となる。例として述べたPLC64とLN光導波路基板62を突き合わせにより端面接続する際には、両者の光フィールド分布を整合させることが結合損失を低減する上で重要となる。   The coupling loss between the general-purpose 0.75% Δ-PLC 64 and the IN device 61 is about 1 dB. When the end faces of the PLC 64 and the LN optical waveguide substrate 62 described as examples are connected to each other by matching, it is important to match the optical field distribution of both to reduce the coupling loss.

LN光導波路63は図6に示すように偏平な光フィールド分布69を示し、一般的に光ファイバと比較してそのモードフィールド径(MFD)は小さい。この点に着目して、PLCと様々なLNデバイスとを低損失に接続するために、光閉じ込めの強い1.5%Δ−PLCを採用し、LNとの接続部には、図7に示すような、横テーパ構造によるスポットサイズ変換(spot-size converter:SSC)構造を適用した光導波路接続モジュールが提案されている(非特許文献2参照)。なお、関連技術として、シングル光ファイバとPLCとの接続に縦側面テーパ構造によるSSC構造を採用したものも提案されている(非特許文献3参照)。   The LN optical waveguide 63 exhibits a flat light field distribution 69 as shown in FIG. 6, and generally has a mode field diameter (MFD) smaller than that of an optical fiber. Focusing on this point, in order to connect the PLC and various LN devices with low loss, 1.5% Δ-PLC with strong optical confinement is adopted, and the connection portion with the LN is shown in FIG. An optical waveguide connection module to which such a spot-size converter (SSC) structure using a lateral taper structure is applied has been proposed (see Non-Patent Document 2). As a related technique, there has been proposed a technique in which an SSC structure using a vertical side taper structure is used to connect a single optical fiber and a PLC (see Non-Patent Document 3).

図7は、接続部に横テーパ構造を採用したPLCとLN光導波路との突き合わせ接続の形態を示す。一般的にLN光導波路では、基板表面上に回路レイアウトに沿って堆積したTiを熱によりLN基板内部に拡散させる方法や、安息香酸等の溶液に浸して過熱したLN基板62中のLiと溶液中のHとを交換する方法によりコア(LN光導波路)63が形成される。従って、LNデバイス61の光フィールド分布69は、水平方向には光軸に対して左右対称であり、垂直方向ではLN基板に対するTiやHの拡散定数と拡散時間で決まる偏平した形状となり、光軸は基板表面付近にある。一方、PLC64側ではPLCコア67の横テーパ構造68の効果により、その光フィールド分布70は水平方向に広い楕円形となり、またその垂直方向は、比屈折率差ΔやPLCコア67のコア厚を調整することにより接続するLNデバイスの光フィールド分布に整合させることが可能である。 FIG. 7 shows a form of a butt connection between a PLC and a LN optical waveguide that employ a lateral taper structure in the connection portion. In general, in an LN optical waveguide, Ti deposited on the surface of the substrate along the circuit layout is diffused into the LN substrate by heat, or Li and the solution in the LN substrate 62 overheated by immersing in a solution of benzoic acid or the like. A core (LN optical waveguide) 63 is formed by a method of exchanging H + therein. Accordingly, the light field distribution 69 of the LN device 61 is symmetrical with respect to the optical axis in the horizontal direction, and has a flat shape determined by the diffusion constant and diffusion time of Ti and H + with respect to the LN substrate in the vertical direction. The axis is near the substrate surface. On the other hand, on the PLC 64 side, due to the effect of the lateral taper structure 68 of the PLC core 67, the optical field distribution 70 becomes a wide elliptical shape in the horizontal direction. By adjusting, it is possible to match the optical field distribution of the connected LN device.

図8にPLCの光フィールド分布のΔ及びコアサイズ依存性を示す。図8により、0.75%−Δと1.5%−Δでは、光閉じ込め効果に大きな差があり、光フィールド分布径の最小値5μm程度のLNデバイスに対応させるには1.5%−ΔのPLCが適していることが分かる。また、PLCコア67のコアサイズを拡大することによりMFDを任意の大きさに調整可能であることが分かる。   FIG. 8 shows the dependency of the optical field distribution of PLC on Δ and core size. According to FIG. 8, there is a large difference in the optical confinement effect between 0.75% -Δ and 1.5% -Δ, and 1.5%- It can be seen that the Δ PLC is suitable. It can also be seen that the MFD can be adjusted to an arbitrary size by increasing the core size of the PLC core 67.

山田貴 他、“PLC−PPLN端面接続を用いた160Gbit/s OTDM−MUXモジュール”、2002年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、C−3−22、P.122Takashi Yamada et al., “160 Gbit / s OTDM-MUX Module Using PLC-PPLN End Connection”, 2002 IEICE Electronics Society Conference, C-3-22, p. 122 山田貴 他、“1.5%ΔPLC−PPLN接続を用いたOTDM−MUXモジュール“、2003年電子通信学会エレクトロニクスソサエティ大会、C−3−98、P.231Takashi Yamada et al., “OTDM-MUX Module Using 1.5% ΔPLC-PPLN Connection”, 2003 Electronics Society Conference of the Institute of Electronics and Communication Engineers, C-3-98, p. 231 M. Itoh et., ”Large reduction of single mode-fiber coupling loss in 1.5 % Δ planar lightwave circuits using spot-size converters” ELECTRONICS LETTERS 17th January 2002 Vol.38 No.2 pp.72-73M. Itoh et., “Large reduction of single mode-fiber coupling loss in 1.5% Δ planar lightwave circuits using spot-size converters” ELECTRONICS LETTERS 17th January 2002 Vol.38 No.2 pp.72-73

上述のように、2つ以上の異なる光導波路基板を用いて導波路端面を突き合わせて接続する際には、一般的に両者の光フィールド分布が異なるため結合効率が低下し損失が発生する。特にLN光導波路基板では、LN光導波路基板はそのコア形成方法のために光フィールド分布は基板方向で大きく偏平しているため、円形な光フィールド分布を有するPLCを突き合わせると大きな結合損失が発生する。この結合損失は、非線形光学効果を利用するLNデバイスにおいては、その出力特性が入射光強度に依存するため大きな影響を及ぼすことになる。   As described above, when two or more different optical waveguide substrates are used to connect the waveguide end faces to each other, the optical field distributions of the two are generally different, so that the coupling efficiency is reduced and a loss occurs. In particular, in the LN optical waveguide substrate, the optical field distribution of the LN optical waveguide substrate is largely flat in the substrate direction due to the core formation method, so that a large coupling loss occurs when matching PLCs having a circular optical field distribution. To do. This coupling loss has a great influence on the LN device using the nonlinear optical effect because its output characteristic depends on the incident light intensity.

一方、このような結合損失を低減する目的で提案された図7に示す横テーパ構造によるスポットサイズ変換構造を適用した光導波路接続モジュールは、LN導波路の光フィールド分布は偏平といっても上下方向に非対称であるため、PLC側でLN導波路に近い光フィールドを実現するのが実際上容易でなかった。   On the other hand, the optical waveguide connection module to which the spot size conversion structure based on the lateral taper structure shown in FIG. 7 proposed for the purpose of reducing the coupling loss is applied, the optical field distribution of the LN waveguide is flat and low. Since the direction is asymmetrical, it has been practically difficult to realize an optical field close to the LN waveguide on the PLC side.

本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、異なる2つ以上の光導波路基板を突き合わせ接続した光信号処理モジュールにおいて、光導波路基板間の光フィールド分布の不整合が要因で発生する結合損失を低減する効果をよりいっそう高めることを簡易な作製工程で可能にした、PLC側の接続部のコア形状とその作製方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and in an optical signal processing module in which two or more different optical waveguide substrates are butt-connected, coupling caused by mismatching of the optical field distribution between the optical waveguide substrates. It is an object of the present invention to provide a core shape of a connecting portion on the PLC side and a manufacturing method thereof, which can further enhance the effect of reducing loss by a simple manufacturing process.

上記目的を達成するために、本発明の光導波路接続モジュールは、光フィールド分布の形状が異なる2つ以上の光導波路基板の端面同士を接続してなる光導波路接続モジュールの上記端面部分において、一方の光導波路基板のコア部の端部に、楕円状上下非対称の他方の光フィールド分布と整合させるためにコア厚断面内方向で幅の異なる段階形状の断面凸型形状のスポットサイズ変換構造を形成しており、かつ前記光導波路接続モジュールを構成する前記一方の光導波路基板が、石英系平面光波回路であり、該石英系平面光波回路に接続される光導波路基板が拡散型コア構造を有する結晶光導波路であることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an optical waveguide connection module according to the present invention includes an optical waveguide connection module in which the end surfaces of two or more optical waveguide substrates having different optical field distribution shapes are connected to each other. In order to match the elliptical vertical asymmetric other light field distribution at the end of the core part of the optical waveguide substrate, a spot size conversion structure with a convex cross-sectional shape with different widths in the core thickness cross-section direction is formed And the one optical waveguide substrate constituting the optical waveguide connection module is a quartz-based planar lightwave circuit, and the optical waveguide substrate connected to the quartz-based planar lightwave circuit has a diffusion core structure. characterized in that it is an optical waveguide.

ここで、上記スポットサイズ変換構造は、平面方向でテーパ形状であり、コア厚断面方向で幅の異なる段階形状であることを特徴とすることができる。   Here, the spot size conversion structure may have a tapered shape in the planar direction and a stepped shape having a different width in the core thickness cross-sectional direction.

また、上記結晶光導波路はLiNbO基板を用いた光導波路であることを特徴とすることができる。 The crystal optical waveguide may be an optical waveguide using a LiNbO 3 substrate.

上記目的を達成するために、本発明の導波路作製方法は、光導波路接続モジュールを構成する上記石英系平面光波回路のコアを形成する際に、そのコアの断面形状が凸状となるように、そのコアに対してエッチング幅の異なる2段階エッチングを行なうことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the waveguide fabrication method of the present invention is such that when the core of the silica-based planar lightwave circuit constituting the optical waveguide connection module is formed, the cross-sectional shape of the core becomes convex. The core is subjected to two-stage etching with different etching widths.

上記目的を達成するために、本発明の導波路作製方法の他の態様は、光導波路接続モジュールを構成する上記石英系平面光波回路のコアを形成する際に、下部クラッド層に対してエッチングを行なうことにより凸型部が掘られた下部クラッド層上の全体に、コア層を堆積し、その後、垂直方向下側に凸型のコアパターンを形成するためのエッチングをそのコア層に対して行うことにより上記コアを作製することを特徴とする。
In order to achieve the above object, another aspect of the waveguide fabrication method of the present invention is to etch the lower clad layer when forming the core of the silica-based planar lightwave circuit constituting the optical waveguide connection module. A core layer is deposited on the entire lower cladding layer where the convex portion has been dug, and then etching is performed on the core layer to form a convex core pattern on the lower side in the vertical direction. In this way, the core is manufactured.

上記のように、本発明は、2つ以上の異なる光導波路基板(主にPLCとLN光導波路デバイス)の端面を突き合わせて接続する光信号処理モジュールにおいて、光導波路基板の光フィールド分布を互いに整合させるように、PLC側に凸型コア構造のスポットサイズ変換構造を用いたので、結合損失を大幅に低減することができる。   As described above, in the optical signal processing module in which the end faces of two or more different optical waveguide substrates (mainly PLC and LN optical waveguide device) are connected to each other, the present invention matches the optical field distributions of the optical waveguide substrates with each other. As described above, since the spot size conversion structure having a convex core structure is used on the PLC side, the coupling loss can be greatly reduced.

特に、LN導波路の光フィールド分布は偏平であるといっても上下方向に非対称であるため、本発明のように、凸型の方が各辺の長さを調整することにより、LN導波路に近い光フィールド分布を実現でき、より容易に結合損失の低減効果が得られる。   In particular, even if the optical field distribution of the LN waveguide is flat, it is asymmetric in the vertical direction. Therefore, as in the present invention, by adjusting the length of each side, the LN waveguide can be adjusted by adjusting the length of each side. An optical field distribution close to can be realized, and the effect of reducing the coupling loss can be obtained more easily.

以下に、図面を参照して本発明の最良の実施の形態について詳述する。ただし、本発明はこれら実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内での形状や数値の変更、材料の置換、周知技術の付加による設計変更などは本発明に含まれる。   The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments, and changes in shape and numerical values within the scope described in the claims, replacement of materials, design changes by addition of well-known techniques, etc. include.

(第1の実施形態)
光軸ズレ及び放射角度ズレが無い場合のPLCとLN光導波路デバイスとの結合損失(Coupling Loss)は、ガウシアンビームの結合により、以下の式のように表せる。
(First embodiment)
Coupling loss between the PLC and the LN optical waveguide device when there is no optical axis deviation and radiation angle deviation can be expressed by the following equation by coupling of Gaussian beams.

Figure 0004146788
Figure 0004146788

ここで、ωx、ωyはPLCの水平方向及び垂直方向の光フィールド分布径であり、σx、σy、σyはLN光導波路の水平方向、垂直方向上側及び下側の光フィールド分布径である。従って、結合損失が最小となるのは、光フィールド分布の水平方向が両者で一致し、垂直方向では、LNデバイス側の偏平率が小さいときである。実際に、前述の図7に示す構造の横テーパを採用した1.5%−ΔPLCとLN光導波路デバイスとの結合損失を測定したところ、その値は0.3dB程度であった。従って、従来構造の0.75%−ΔPLC従来との結合損失と比較して、約0.7dB低減されている。 Here, ωx and ωy are optical field distribution diameters in the horizontal direction and vertical direction of the PLC, and σx, σy 1 and σy 2 are optical field distribution diameters in the horizontal direction, vertical direction upper side and lower side of the LN optical waveguide. . Therefore, the coupling loss is minimized when the horizontal direction of the optical field distribution is the same in both cases and the flatness on the LN device side is small in the vertical direction. Actually, when the coupling loss between the 1.5% -ΔPLC employing the lateral taper having the structure shown in FIG. 7 and the LN optical waveguide device was measured, the value was about 0.3 dB. Therefore, it is reduced by about 0.7 dB compared to the coupling loss of the conventional structure of 0.75% -ΔPLC.

図1、図2に、本発明によるPLC側の接続部に、導波路幅の異なるテーパ構造を垂直方向に対して重ねた構造、すなわち凸型コア形状を採用した、光導波路接続モジュールの形態を示す。図1は垂直方向上側に凸の場合であり、図2は下側に凸の場合である。   FIG. 1 and FIG. 2 show a configuration of an optical waveguide connection module that employs a structure in which tapered structures having different waveguide widths are stacked in the vertical direction on the PLC side connection portion according to the present invention, that is, a convex core shape. Show. FIG. 1 shows a case where the projection is upward in the vertical direction, and FIG. 2 shows a case where the projection is downward.

PLCコア107の凸型コア構造108が、図1に示すように、上側に凸の場合は、PLC104またはLNデバイス101のいずれか片方の光導波路基板105,102を上下逆にして接続している。一方、その凸型コア構造108が、図2に示すように、下側に凸の場合は、PLC104およびLNデバイス101とも両光導波路基板105,102が同一方向で接続している。   If the convex core structure 108 of the PLC core 107 is convex upward as shown in FIG. 1, the optical waveguide substrates 105 and 102 of either one of the PLC 104 or the LN device 101 are connected upside down. . On the other hand, when the convex core structure 108 is convex downward as shown in FIG. 2, both the optical waveguide substrates 105 and 102 are connected in the same direction to the PLC 104 and the LN device 101.

PLC104のクラッド層106内に形成された凸型コア構造108は、LN光導波路103と接続する端面およびその近傍の断面が逆T字型、またはT字型の形状を有し、この断面形状が所定の長さだけ延在した後、その凸部分がPLCコア107のコア幅となるまでテーパ形状で拡大している。この形状のため、PLC104の横テーパ部の光フィールド分布110はLNデバイス101の光フィールド分布109と同一形状となり、PLC104の展開部の光フィールド分布111は円形となる。   The convex core structure 108 formed in the cladding layer 106 of the PLC 104 has an end face connected to the LN optical waveguide 103 and a cross section in the vicinity thereof having an inverted T shape or T shape, and this cross sectional shape is After extending by a predetermined length, the convex portion is expanded in a tapered shape until the convex portion reaches the core width of the PLC core 107. Due to this shape, the light field distribution 110 of the laterally tapered portion of the PLC 104 has the same shape as the light field distribution 109 of the LN device 101, and the light field distribution 111 of the developed portion of the PLC 104 is circular.

図3の(a)に、凸型コアを採用したPLC104に対する、光フィールド分布の三次元BPM(Beam Propagation Method;ビーム伝播法)シミュレーション結果の一例を示す。また、図3の(b)に,解析に用いた出射端部のコア形状を併記する。これより、凸型形状を反映して偏平な光フィールド分布が得られていることが確認される。本構造を採用したPLC104とLNデバイス101との結合損失は限りなく0に近づく。   FIG. 3A shows an example of a three-dimensional BPM (Beam Propagation Method) simulation result of the optical field distribution for the PLC 104 employing a convex core. FIG. 3B also shows the core shape of the emission end used in the analysis. This confirms that a flat light field distribution is obtained reflecting the convex shape. The coupling loss between the PLC 104 adopting this structure and the LN device 101 approaches zero as much as possible.

LNデバイス101側において、偏平な光フィールド分布を改善するようなコア形状を作製することは、異質な種類の膜の体積や拡散物質の多様化等、一般的に作製工程が複雑化する。また、例えばLNデバイス101が変調器であれば、印加する電界にも影響が生じる可能性がある。従って、PLC104側の光フィールド分布をLNデバイス101に整合させる方が簡易であり、その作製工程も、通常の作製工程と比較して、後述のようにエッチング工程が1工程増えるだけに抑えることが可能である。   On the LN device 101 side, producing a core shape that improves the flat light field distribution generally complicates the production process, such as the volume of different types of films and the diversification of diffusion materials. For example, if the LN device 101 is a modulator, the applied electric field may be affected. Therefore, it is easier to match the optical field distribution on the PLC 104 side with the LN device 101, and the manufacturing process is also suppressed to an additional etching process, as will be described later, as compared to a normal manufacturing process. Is possible.

また、LN導波路の光フィールド分布は偏平であるといっても上下方向に非対称であるため、本発明のように、凸型の方が各辺の長さを調整することにより、LN導波路に近い光フィールド分布を実現できる。   Also, even if the optical field distribution of the LN waveguide is flat, it is asymmetric in the vertical direction. Therefore, as in the present invention, by adjusting the length of each side, the LN waveguide can be adjusted by adjusting the length of each side. An optical field distribution close to can be realized.

図4に、図1に示したような垂直方向上側に凸型のコアを作製する工程の概略を示す。始めにPLC104のSi基板105上に下部クラッド層113を堆積し、続いてコア層114を堆積する(図4(a))。次に、凸型コアの上側を残すようにテーパ部エッチングマスク401を形成し、このテーパ部エッチングマスク401を用いてエッチングすることにより、コアの一部及びコア以外の部分を所望の高さだけ除去して凸型部115を得る(図4(b))。更に、導波路パターン用エッチングマスク402を用いて、通常のPLC作製工程と同様に、コア全体を回路レイアウトに沿うようにエッチングして目的の形状(垂直方向上側に凸型)のコア107を形成する(図4(c))。最後に、上部クラッド層106をコア部107が所望の深さに埋もれるまで堆積する(図4(d))。   FIG. 4 shows an outline of a process for producing a convex core on the upper side in the vertical direction as shown in FIG. First, the lower clad layer 113 is deposited on the Si substrate 105 of the PLC 104, and then the core layer 114 is deposited (FIG. 4A). Next, a taper portion etching mask 401 is formed so as to leave the upper side of the convex core, and etching is performed using the taper portion etching mask 401, so that a part of the core and a portion other than the core have a desired height. The convex part 115 is obtained by removing (FIG. 4B). Further, using the waveguide pattern etching mask 402, the core 107 having the desired shape (convex shape upward in the vertical direction) is formed by etching the entire core along the circuit layout in the same manner as in a normal PLC manufacturing process. (FIG. 4C). Finally, the upper clad layer 106 is deposited until the core portion 107 is buried at a desired depth (FIG. 4D).

図5に、図2に示したような垂直方向下側に凸型のコアを作製する工程の概略を示す。始めにPLC104のSi基板105上に下部クラッド層113を堆積する。この際、通常必要な各部クラッド層よりも凸形状の突き出る部分を考慮し、数μmだけ厚く堆積する(図5(a))。次に、凸型コアの上側形状と回路レイアウトから成るテーパ部エッチングマスク501を用いてエッチングすることにより、下部クラッド層113上にそれらを所望の深さだけ掘り込んでいく(図5(b))。続いて、凸型部116が掘られた下部クラッド層113条の全体にコア層114を体積する(図5(c))。その後、凸型コアの下側形状と回路レイアウトからなる導波路パターンエッチングマスク502を用いてエッチングすることにより、目的の形状(垂直方向下側に凸型)のコアパターン107を形成する(図5(d))。最後に、上部クラッド層106をコア部107が所望の深さに埋もれるまで堆積する(図5(e))。   FIG. 5 shows an outline of a process for producing a convex core on the lower side in the vertical direction as shown in FIG. First, the lower clad layer 113 is deposited on the Si substrate 105 of the PLC 104. At this time, in consideration of the protruding portion protruding from the respective clad layers that are usually required, the deposit is thickened by several μm (FIG. 5A). Next, by etching using the taper portion etching mask 501 composed of the upper shape of the convex core and the circuit layout, they are dug into the lower cladding layer 113 to a desired depth (FIG. 5B). ). Subsequently, the core layer 114 is volumed over the entire lower clad layer 113 in which the convex portion 116 is dug (FIG. 5C). Thereafter, etching is performed using a waveguide pattern etching mask 502 having a lower shape of the convex core and a circuit layout, thereby forming a core pattern 107 having a target shape (convex shape on the lower side in the vertical direction) (FIG. 5). (D)). Finally, the upper clad layer 106 is deposited until the core portion 107 is buried at a desired depth (FIG. 5E).

図4、図5に示したように、凸型コアを有するPLCは、通常の作製工程と比較して、エッチング工程が1回追加されるだけの簡単な作製工程により作製可能である。   As shown in FIGS. 4 and 5, a PLC having a convex core can be manufactured by a simple manufacturing process in which an etching process is added once compared to a normal manufacturing process.

本発明の一実施形態における、垂直方向上側に凸型形状を有するPLCとLN光導波路とを結合した様子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a mode that PLC and LN optical waveguide which have convex shape in the perpendicular direction upper side in one Embodiment of this invention were couple | bonded. 本発明の一実施形態における、垂直方向下側に凸型形状を有するPLCとLN光導波路とを結合した様子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a mode that PLC and LN optical waveguide which have convex shape in the perpendicular direction lower side in one Embodiment of this invention were couple | bonded. (a)は凸型コアを採用したPLCに対する、光フィールド分布の三次元BPMシミュレーション結果の一例を示す特性図であり、(b)はその凸型コアの出射端の形状を示す図である。(A) is a characteristic figure which shows an example of the three-dimensional BPM simulation result of light field distribution with respect to PLC which employ | adopted the convex core, (b) is a figure which shows the shape of the output end of the convex core. (a)〜(d)は本発明の一実施形態における、垂直方向上側に凸型形状を有するPLCの作製工程の概略を示す工程図である。(A)-(d) is process drawing which shows the outline of the manufacturing process of PLC which has convex shape in the orthogonal | vertical direction upper side in one Embodiment of this invention. (a)〜(e)本発明の一実施形態における、垂直方向下側に凸型形状を有するPLCの作製工程の概略を示す工程図である。(A)-(e) It is process drawing which shows the outline of the manufacturing process of PLC which has convex shape in the perpendicular direction lower side in one Embodiment of this invention. 従来のPLCとLN光導波路とを結合した様子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a mode that the conventional PLC and the LN optical waveguide were couple | bonded. 横テーパ構造を有するPLCとLN光導波路とを結合した様子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a mode that PLC which has a horizontal taper structure, and the LN optical waveguide were couple | bonded. PLCの光フィールド分布径のコアサイズ及びΔ依存性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the core size and (DELTA) dependence of the optical field distribution diameter of PLC.

符号の説明Explanation of symbols

101 LNデバイス
102 LN基板(LNデバイスの光導波路基板)
103 LN光導波路
104 PLC
105 Si基板(PLCの光導波路基板)
106 クラッド層
107 PLCコア
108 凸型コア構造
109 LNデバイスの光フィールド分布
110 PLCの横テーパ部の光フィールド分布
111 PLCの展開部の光フィールド分布
112 光軸
113 下部クラッド層
114 コア層
115 凸型部
116 凸型部
401 テーパ部エッチングマスク
402 導波路パターン用エッチングマスク
501 テーパ部エッチングマスク
502 導波路パターン用エッチングマスク
101 LN device 102 LN substrate (optical waveguide substrate of LN device)
103 LN optical waveguide 104 PLC
105 Si substrate (PLC optical waveguide substrate)
106 Cladding layer 107 PLC core 108 Convex core structure 109 Optical field distribution of LN device 110 Optical field distribution of laterally tapered portion of PLC 111 Optical field distribution of developed portion of PLC 112 Optical axis 113 Lower cladding layer 114 Core layer 115 Convex type Part 116 convex part 401 taper part etching mask 402 waveguide pattern etching mask 501 taper part etching mask 502 waveguide pattern etching mask

Claims (5)

光フィールド分布の形状が異なる2つ以上の光導波路基板の端面同士を接続してなる光導波路接続モジュールの前記端面部分において、一方の光導波路基板のコア部の端部に、楕円状上下非対称の他方の光フィールド分布と整合させるためにコア厚断面内方向で幅の異なる段階形状の断面凸型形状のスポットサイズ変換構造を形成しており、かつ
前記光導波路接続モジュールを構成する前記一方の光導波路基板が、石英系平面光波回路であり、該石英系平面光波回路に接続される光導波路基板が拡散型コア構造を有する結晶光導波路であることを特徴とする光導波路接続モジュール。
In the end face portion of the optical waveguide connection module the shape of the light field distribution formed by connecting the end faces of the two or more different optical waveguide substrate, an end portion of the core portion of one of the optical waveguide substrate, the elliptical Asymmetric Forming a spot-size conversion structure having a convex cross-sectional shape with a step shape having a different width in the core thickness cross-section in order to match the other light field distribution ; and
The one optical waveguide substrate constituting the optical waveguide connection module is a silica-based planar lightwave circuit, and the optical waveguide substrate connected to the silica-based planar lightwave circuit is a crystal optical waveguide having a diffusion core structure An optical waveguide connection module.
前記スポットサイズ変換構造は、平面方向でテーパ形状であり、コア厚断面方向で幅の異なる段階形状であることを特徴とする請求項1に記載の光導波路接続モジュール。   2. The optical waveguide connection module according to claim 1, wherein the spot size conversion structure has a tapered shape in a planar direction and a stepped shape having different widths in a core thickness cross-sectional direction. 前記結晶光導波路はLiNbO基板を用いた光導波路であることを特徴とする請求項1または2に記載の光導波路接続モジュール。 An optical waveguide connection module according to claim 1 or 2, wherein the crystal optical waveguide is characterized in that an optical waveguide using a LiNbO 3 substrate. 請求項1または2に記載の光導波路接続モジュールを構成する前記石英系平面光波回路のコアを形成する際に、該コアの断面形状が凸状となるように、該コアに対してエッチング幅の異なる2段階エッチングを行なうことを特徴とする導波路作製方法。 When forming the core of the silica-based planar lightwave circuit constituting the optical waveguide connection module according to claim 1 or 2 , the etching width of the core is such that the cross-sectional shape of the core is convex. A method for producing a waveguide, characterized in that different two-stage etching is performed. 請求項1または2に記載の光導波路接続モジュールを構成する前記石英系平面光波回路のコアを形成する際に、下部クラッド層に対してエッチングを行なうことにより凸型部が掘られた下部クラッド層上の全体に、コア層を堆積し、その後、垂直方向下側に凸型のコアパターンを形成するためのエッチングを該コア層に対して行うことにより前記コアを作製することを特徴とする導波路作製方法。 3. A lower clad layer in which a convex portion is dug by etching the lower clad layer when forming a core of the silica-based planar lightwave circuit constituting the optical waveguide connection module according to claim 1 A core layer is deposited on the entire upper surface, and then the core is fabricated by performing etching on the core layer to form a convex core pattern on the lower side in the vertical direction. Waveguide manufacturing method.
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