JP4712591B2

JP4712591B2 - 光回路モジュール

Info

Publication number: JP4712591B2
Application number: JP2006091972A
Authority: JP
Inventors: 淳一長谷川; 一孝奈良
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: JP2007264470A

Description

本発明は、ＰＬＣ（プレーナ光波回路）と他の光部品とを接合して形成される光回路モジュールに関するものである。

光通信ネットワークの高度化に伴って、基幹系光部品をはじめさまざまな光部品に対するニーズが高まっており、中でもＰＬＣ（プレーナ光波回路）の技術を適用した偏波合成／分離器等の光部品の開発が進められている。ＰＬＣは、構造上設計が容易であり、小型化や量産化等の面でも優れているといった特徴がある。

１例として、ＰＬＣで光カプラを実現した例を図７に示す。図７（ａ）はＰＬＣ１０１の斜視図であり、図７（ｂ）はＰＬＣ１０１の平面図を示している。ＰＬＣ１０１は、基板１０２上にクラッド１０３が載置され、クラッド１０３内を貫通するようにコア１０４が形成されている。図７では、１０４ａと１０４ｂの２本のコアが形成されており、この２つのコアが接合されて光カプラ１０５を形成している。

上記のようにＰＬＣで形成された光部品は、光ファイバや他のＰＬＣ部品、あるいはＰＤやＬＤ等の半導体光素子と接合して用いられる。このようなＰＬＣと他の光部品とを接合して一体化したものを光回路モジュールまたはハイブリッドＰＬＣと呼んでいる。
ＰＬＣと他の光部品を接合して光回路モジュールを形成する目的として、例えば高速化を実現するために必要となる場合がある。例えば、ＰＬＣのみで光スイッチを実現する場合、マッハツェンダ（ＭＺ）干渉計を基本素子として用いることが多い。このＭＺ干渉計はヒータを用いたＴＯ（熱光学）効果を利用してスイッチングを実現していることから、ヒータが安定するまでに時間がかかってしまう。

そのため、従来のＭＺ干渉計を用いた光スイッチでは、必要な高速化が実現できない場合がある。このような場合には、ＰＬＣ上でＭＺ干渉計を実現する代わりに、より高速動作が可能な半導体素子を用いる必要が出てくる。すなわち、ＰＬＣと半導体素子とを接合した光スイッチ（光回路モジュール）を実現する必要がある。

ＰＬＣを用いた光回路モジュールを製造するにあたっては、ＰＬＣと他の光部品とのそれぞれのコア部分の接合をできるだけ低損失で実現する技術が重要となる。このような接合技術のうち、ＰＬＣと半導体光素子のＰＤやＬＤとの接合技術についてはすでに知られている。（特許文献１〜３）

ＰＬＣと接合する他の半導体光素子の例として、例えばＳＯＡ（半導体光増幅器）をハイブリッド集積する技術が知られている。１例として、ＰＬＣをプラットフォームとしてその上にＳＯＡをパッシブアライメントの手法により搭載したものがある。

ＰＬＣと他の光部品とを接合する別の技術として、バットジョイントによる接合技術がある。例えば、ＰＬＣと光ファイバとをバットジョイントで接合する場合、いずれか一方から光を通しながら相互を接触させ、光の漏れ（損失）が小さくなるように位置合わせを行い、損失が最も小さくなる位置でコア以外の部分を接着剤で接着するようにする。

なお、光ファイバの場合にはＰＬＣと接続する先端部を加熱することでＭＦＤ（Mode Field Diameter）を拡げることができ、実質的に該光ファイバのコアがクラッド部分まで拡散したような形になる。光ファイバの場合には、このようなＭＦＤ拡大の現象を利用することができ、ＰＬＣと光ファイバとの接続、あるいは異径の光ファイバ同士の接続に適用できる。
特開２００５−１７３１６２号特開２００５−１４８６４５号特開２００５− ２４５７９号

しかしながら、上記従来の接合技術では、以下のような問題があった。
ＰＬＣと他の光部品とを接合する技術の中で、特に半導体光導波路との接合を低損失で実現することがこれまで困難であった。ＰＬＣと半導体光導波路とを例えば上記のバットジョイントで接合しようとした場合、ＰＬＣのコアのＭＦＤと半導体光導波路のＭＦＤとの差が大きいために、この両者を低損失で接合するのが困難であった。

半導体光素子のコアのＭＦＤを拡大する技術はこれまでのところまだ知られておらず、また光ファイバを加熱してそのＭＦＤを拡大する技術を、半導体光素子に適用することは困難であった。

そこで、本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、ＰＬＣと半導体光導波路とが低損失で接合された光回路モジュールを提供することを目的とする。

この発明の第１の態様は、基板上に積層されたクラッド内に１つ以上のコアからなる光導波路を形成した光導波回路と、別のコアを有する光半導体素子を１つ以上備える光半導体回路とを具備し、前記光半導体回路は、前記基板とは別のサブマウント上に前記半導体素子を位置決め固定されることによりなり、前記コアと前記別のコアのそれぞれの端部の間に間隙を設け、前記コアと前記別のコアとが光学的に結合するように前記基板と前記別のサブマウントとを突合せ接合して前記光導波回路と前記光半導体回路とを一体化することを特徴とする光回路モジュールである。

この発明の第２の態様は、前記別のサブマウントは、シリコン製であることを特徴とする光回路モジュールである。

この発明の第３の態様は、前記光導波回路と前記光半導体回路のいずれか一方あるいは両方を２以上具備することを特徴とする光回路モジュールである。

以上説明したように、本発明によればＰＬＣと半導体光導波路とを低損失で接合した光回路モジュールを提供することが可能となる。
本発明の光回路モジュールは、個別に製造された光部品を接合することから、該光回路モジュールの歩留まりを大幅に向上させることができ、製造コストを低減することが可能となる。

また、本発明の光回路モジュールは、光部品の接合をアクティブアライメントの方法を用いて行うことが可能であるから、低損失な接合が可能となる。

図面を参照して本発明の好ましい実施の形態における光回路モジュールの構成について詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

図１は、本発明の光回路モジュールの実施の形態に係る概略構造図である。図１（ａ）は光回路モジュール１の斜視図を示し、図１（ｂ）は光回路モジュール１を上から見た平面図を示している。

本実施形態の光回路モジュール１は、ＰＬＣ２と半導体光導波路３とから構成されており、両者を後述の接合方法で接合している。ＰＬＣ２は、基板４の上にクラッド５を載置した構造としており、クラッド５の内部にはコア６が形成されている。同様に、半導体光導波路３はＳｉサブマウント７の上に載置されており、その内部に導波路８が形成されている。ＰＬＣ２の基板４と半導体光導波路３のＳｉサブマウント７とは、ともにＳｉで形成してよい。

本実施形態の光回路モジュール１は、ＰＬＣ２と半導体光導波路３とをそれぞれ個別に製造し、これを後述の接合方法によって接合して製造することが可能となることから、ＰＬＣ２の歩留まりを大幅に向上させることが可能となる。また、ＰＬＣ２の構造を比較的簡単化することが可能となることから、ＰＬＣ２の製造コストを低減することができる。
次に、図２を用いてＰＬＣ２と半導体光導波路３との接合方法を以下に説明する。まず、半導体光導波路３をＳｉサブマウント７上の正確な位置に載置する。そのために、Ｓｉサブマウント７上には半導体光導波路３の正確な配置位置を示すアライメントマーカー２１を設けている。すなわち、半導体光導波路３はアライメントマーカー２１に正確に一致させてＳｉサブマウント７上に載置する。

半導体光導波路３がＳｉサブマウント７上に正確に載置されると、次にＰＬＣ２と半導体光導波路３との接合を行う。本実施形態では、ＰＬＣ２のコア６と半導体光導波路３の導波路８とを直接接合することは行わず、基板４とＳｉサブマウント７とを接着固定するようにしている。

上記の通り、ＰＬＣ２のコア６と半導体光導波路３の導波路８とを直接接合しないで両者の間に間隙を設け、基板４とＳｉサブマウント７とのみ接着固定するようにしたことにより、ＰＬＣ２と半導体光導波路３との接合をアクティブアライメントの方法で接合させることが容易となる。

すなわち、たとえばＰＬＣ２のコア６から半導体光導波路３の導波路８に向けて光を照射させながらアクティブアライメントを行う場合、該光が導波路８に入射する状態を前記間隙部分で確認することができ、前記光が導波路８に最も効率よく入射するよう、ＰＬＣ２と半導体光導波路３との相対位置を調整して基板４とＳｉサブマウント７とを接着固定することができる。

本実施形態の光回路モジュール１は、上記のようなアクティブアライメントの方法によって、ＰＬＣ２のコア６と半導体光導波路３の導波路８との相対位置を正確に調整することが可能なことから、ＰＬＣ２と半導体光導波路３との間の光損失を低減化することが可能となる。

本発明の光回路モジュールの別の実施形態を図３に示す。本実施形態は、半導体光導波路３１が図１に示す半導体光導波路３に比較して小さく、そのため半導体光導波路３１を載置するＳｉサブマウント３２も小さくした例である。本実施形態では、半導体光導波路３１及びＳｉサブマウント３２が小さいことから、Ｓｉサブマウント３２上に設けるアライメントマーカー３３を１つとすることができる。

図１に示すＳｉサブマウント７では、載置する半導体光導波路３が比較的大きいことから、アライメントマーカーを２つ設けていた。これは、半導体光導波路３をＳｉサブマウント７上に正確に配置するためである。これに対し、半導体光導波路３１が小さい場合には、アライメントマーカー３３が１つであっても、半導体光導波路３１を正確に配置することができる。

本発明の光回路モジュールのさらに別の実施形態を図４に示す。図４に示す光回路モジュール４１は、ＰＬＣ４２と半導体光導波路４３、及びＳＯＡ４４を接合して光スイッチを形成したものである。本実施形態では、ＰＬＣ４２で方向性結合器を実現しており、半導体光導波路４３では位相シフタを実現している。

ＰＬＣ４２と半導体光導波路４３とを組み合わせ、半導体光導波路４３で位相をコントロールすることによって光スイッチ４５を実現している。また、ＳＯＡ４４は、光スイッチ４５でスイッチングされた光を増幅して出力させるようにしたゲートスイッチとして機能する。

上記の通りＰＬＣ４２と半導体光導波路４３及びＳＯＡ４４とを接合して形成された光スイッチは、従来のＴＯ効果（ＭＺ干渉計）を利用したＰＬＣスイッチに比べて、スイッチング速度を大幅に高速化することが可能となる。
本実施形態では、ＰＬＣ４２と半導体光導波路４３またはＳＯＡ４４とを接合しており、それぞれの接合には、上記のアクティブアライメントによる方法を用いている。本発明によれば、ＰＬＣと２種類以上の光半導体素子を接合してより高度な光回路モジュールを形成することも容易である。

本発明の光回路モジュールのさらに別の実施形態を図５に示す。図５は、光回路モジュール５１の断面の一部を示す断面図である。同図において、光回路モジュール５１は、基板５３とクラッド５４とコア５５とから構成されたＰＬＣ５２と、Ｓｉサブマウント５７上に載置された半導体光導波路５６とを接合して形成されている。

本実施形態の光回路モジュール５１では、コア５５の出口部５８において、コア５５の断面が凸状に形成されている。コア５５の断面を凸状に形成することで、コア５５から出射される光を集光して半導体光導波路５６の導波路５９に入射させることができる。これにより、コア５５から導波路５９に入射させるときの光損失を大幅に低減することが可能となる。

本発明の光回路モジュールのさらに別の実施形態を図６に示す。図６（ａ）は、本実施形態の光回路モジュール６１を示す斜視図である。光回路モジュール６１は、ＤＰＳＫ（Differential Phase Shift Keying）方式で信号伝送を行う超高速伝送システムにおいて、受信側でＤＰＳＫ復号化するのに必要な１bit遅延器として用いられるものである。
光回路モジュール６１は、ＰＬＣ６２を用いて形成されたＭＺ（Mach-Zehnder）干渉計６３に、ＰＤ（Photo-Diode）６４を接合させて形成されている。本実施形態の光回路モジュール６１によれば、受信信号をＭＺ干渉計６３で１bit遅延させた後、ＰＤ６４でバランス検波することができる。

本実施形態の光回路モジュール６１との比較のために、従来の１bit遅延器を図６（ｂ）に示す。従来の１bit遅延器を用いたＤＰＳＫ復号化は、例えば１０GHzの伝送速度の場合、受信側ではＭＺ干渉計６６を用いて１bit（この場合は１０GHz）遅延させた後、ＰＤ６７でバランス検波を行うことでＳ／Ｎ比を３ｄＢ程度改善するようにしていた。この際、ＭＺ干渉計６６からＰＤ６７までの距離（光路長）を正確に一致させておく必要がある。

これに対し、本実施形態の光回路モジュール６１で実現される１bit遅延器は、ＰＤ６４を接合する位置をアクティブアライメントの方法で正確に位置決めし、これを上記の接合方法でＰＬＣに接合させている。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る光回路モジュールの一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における光回路モジュールの細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

図１は、本発明の光回路モジュールの実施形態を示す概略構造図である。図１（ａ）は光回路モジュールの斜視図を示し、図１（ｂ）は光回路モジュールを上から見た平面図を示す。図２は、本発明の光回路モジュールのＰＬＣと半導体光導波路との接合方法を説明するための斜視図である。図３は、本発明の光回路モジュールの別の実施形態を示す斜視図である。図４は、本発明の光回路モジュールのさらに別の実施形態である光スイッチを示す平面図である。図５は、本発明の光回路モジュールのさらに別の実施形態を示す断面図である。図６は、本発明の光回路モジュールのさらに別の実施形態を示す斜視図である。図７は、ＰＬＣで光カプラを形成した従来例を示す図である。図６（ａ）は、斜視図、（ｂ）は平面図を示す。

符号の説明

１、４１、５１、６１・・・光回路モジュール
２、４２、５２、６２、１０１・・・ＰＬＣ
３、３１、４３、５６・・・半導体光導波路
４、５３、１０２・・・基板
５、５４、１０３・・・クラッド
６、５５、１０４・・・コア
７、３２、５７・・・Ｓｉサブマウント
８・・・導波路
２１、３３・・・アライメントマーカー
４４・・・ＳＯＡ
４５・・・光スイッチ
５８・・・コア出口部
５９・・・導波路
６３、６６・・・ＭＺ干渉計
６４，６７・・・ＰＤ
６８・・・可変位相シフタ
１０５・・・光カプラ

Claims

基板上に積層されたクラッド内に１つ以上のコアからなる光導波路を形成した光導波回路と、
別のコアを有する光半導体素子を１つ以上備える光半導体回路とを具備し、
前記光半導体回路は、前記基板とは別のサブマウント上に前記半導体素子を位置決め固定されることによりなり、
前記コアと前記別のコアのそれぞれの端部の間に間隙を設け、前記コアと前記別のコアとが光学的に結合するように前記基板と前記別のサブマウントとを突合せ接合して前記光導波回路と前記光半導体回路とを一体化する
ことを特徴とする光回路モジュール。
前記別のサブマウントは、シリコン製である
ことを特徴とする請求項１に記載の光回路モジュール。
前記光導波回路と前記光半導体回路のいずれか一方あるいは両方を２以上具備する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光回路モジュール。