JP4814389B2

JP4814389B2 - 光回路の製造方法

Info

Publication number: JP4814389B2
Application number: JP2010200016A
Authority: JP
Inventors: 元速石井; 直樹大庭; 賢哉鈴木; 真司美野; 淳荒武; 隆之水野; 雅弘柳澤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2027-11-15
Also published as: JP2010271741A

Description

本発明は、光回路に関する。より詳細には、バルク光学部品を含む光信号処理回路の接続方法および接続機構ならびに光回路の製造方法に関する。

光通信ネットワークの高速化、大容量化が進み、波長分割多重（ＷＤＭ：ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送信号の処理に代表されるような光信号処理装置へのニーズも高まっている。例えば、多重化された光信号をノード間で経路切り替えする機能が要請されている。光−電気変換を経ないで、光信号のまま経路変換を行なうことで、光信号処理装置のトランスペアレント化が進められている。

一方、光信号処理装置の小型化・集積化の観点から、導波路型光回路（ＰＬＣ：ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ）の開発研究が進められている。ＰＬＣでは、例えばシリコン基板上に石英ガラスを材料としたコアを形成して１つのチップに多様な機能を集積し、低損失で信頼性の高い光機能デバイスを実現している。さらには、複数のＰＬＣチップと他の光機能部品とを組み合わせた複合的な光信号処理部品（装置）も登場している。

例えば、特許文献１には、ＡＷＧなどを含む導波路型光回路（ＰＬＣ）と液晶素子などの空間変調素子を組み合わせた、光信号処理装置が開示されている。より具体的には、液晶素子を中心として対称に配置されたＰＬＣ、シリンドリカルレンズからなる波長ブロッカをはじめ、波長イコライザ、分散補償器などの検討が進められている。これらの光信号処理装置では、異なる波長を持つ複数の光信号に対して、波長毎に独立して光信号処理を行う。

ＰＬＣを用いた光信号処理装置においては、様々なバルク光学部品とＰＬＣとまたはＰＬＣ同士を光学的に接続する必要がある。一般的に、空間光学系において光学的に接続するにあたっては、光信号が拡がって損失が生じないように光信号を平行光にして光信号の入出力を行なう必要がある。また、そのコリメート光は、バルク光学部品の光学特性に応じて、適切な所定のビーム径としなければならない。このため、例えばコリメートレンズ（シリンドリカルレンズ）などが使用されている。

特開２００２−２５０８２８号公報（第１６頁、１９頁、第２０図、第２７図、第２９Ｄ図など）

P. Chanclou et al, "Focusing and coupling properties of collective micro-optics on fiber ribbons", Optical Engineering, Vol. 39, No.2, pp387-392, 2000

光信号処理装置において空間光学系を構築する場合、装置製造・組み立ての容易さなどの点からＰＬＣおよびバルク光学部品を、またはＰＬＣ同士を、一定の距離だけ離して配置する必要がある。例えば、ＰＬＣの出射端面へ戻る反射光による干渉が発生して装置特性が変動するのを避けるために、ＰＬＣ間に光アイソレータを挿入する必要がある。光アイソレータ自体は１〜数ｍｍ角程度の大きさを持つため、ＰＬＣの出射端から少なくとも１〜数ｍｍ程度は離れた場所で、コリメート光により光結合をさせたいという要請があった。すなわち、一定の距離を離した位置において、コリメート光を生じさせる必要性があった。

図７は、ＰＬＣを用いた従来の光信号処理装置の構成の一部を示す図である。ＰＬＣの基板端面からの出射光をコリメートするために、シリンドリカルレンズを用いる構成を示している。図７の光信号処理装置は、光学調心用基板１０６を基準として、光学部品を順番に調心固定する構造となっている。ＰＬＣ１０１、シリンドリカルレンズ１０２は、例えばステンレス板のような金属板、または金属枠に、かしめまたは低融点ガラス、あるいは半田等により、光学調心用部材１０３ａ、１０３ｂ、１０４に固定されている。ここで光学調心用部材１０３ａと光学調心用部材１０３ｂとは、一体の部材であっても良い。図７では、側面部分はシリンドリカルレンズ１０２が見えるように省略してあり、側面部分にも部材があってもよい。上記のＰＬＣ１０１およびシリンドリカルレンズ１０２は、各々、金属製の台座１０５ａ、１０５ｂに固定されている。台座１０５ａ、１０５ｂは光学調心用基板１０６の上でスライドして平面上の位置を調整することが可能であり、高さおよび向きもある程度調整可能なようなジョイント部が設けられている。図７からわかるように、ＰＬＣと他のバルク光学部品をコリメート光で光結合するためには、複数の部品を組み合わせた堅固な構成が必要となる。上述のように、調整が必要な箇所も多い。光ファイバの端部においてコリメート光を得る方法は、かなり具体的に検討されている。

図８は、従来技術における光ファイバからの光信号をコリメートする方法を示す図である。例えば、非特許文献１に示すようなファイバリボン構成のシングルモードファーバとＧＲＩＮファイバを用いものがあった。シングルモードファイバ１１２とＧＲＩＮファイバ１１０との間にガラス領域１１１を配置しており、シングルモードファイバ１１２のビーム径をＧＲＩＮファイバ１１０の最大有効エリアの大きさに拡大している。

この構成は、異なるファイバ間でビーム径を拡大してコリメート光を得るものであり、ＰＬＣの端面との光結合に直接利用することはできない。また、このような構成では、中間のガラス領域１１１を融着する必要がある。さらに、ＧＲＩＮファイバ端で所望のビームウエスト径を得るためには、予めガラス領域の長さ（Ｌ）およびＧＲＩＮファイバの長さ（ｄ）を高精度に合わせて接続する必要があり、高い加工精度が要求される。また、ファイバのみの構成であるため破損しやすく、ＰＬＣを用いた光回路と共存させるためには補強を目的とした何らかの保持部材が必要となる。

さらに、複数の光信号処理系を含むように多アレイ化をする場合はファイバの本数も多くなり、融着の加工には時間が掛かり、ファイバを保持する保持部材も構造が複雑になるという欠点がある。得られるコリメート光のビームウエスト径も、ＧＲＩＮファイバの最大径に制限される。

以上に述べたように、従来技術のＰＬＣの基板端面からの光信号をコリメートする方法は、構造が複雑で調整に手間が掛かるという問題があった。光信号処理装置の製造・組み立てがし易く、さらに光アイソレータなどの所定の大きさのバルク光学部品を配置できる距離を保ってコリメート化できるような、より簡易な構成の光回路が要請されていた。光信号処理装置の機能が高度化して、多数のＰＬＣやバルク光学部品を光学的に接続するだけでなく、複数の光信号系を含む多アレイ化した構成にも柔軟に適合可能で、コリメート光を効率的に形成できる光回路の実現が望まれていた。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、一定距離を離れた位置において、所望のビームウエスト径のコリメート光を簡易な構成で得ることによって、より複雑で高度な機能をもつ光信号処理装置をより簡単な製造方法で提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、導波路型光回路を含み、空間へ光信号を入出力する光回路を製造する方法において、シリコン基板上に石英を堆積してクラッド層を形成するステップと、前記クラッド層上に、石英を堆積して光導波路コアを形成するステップと、前記光導波路コアを形成し、前記光導波路コア上にさらにクラッド層を形成した後に、前記光導波路コアの光信号伝播方向に垂直に溝を形成するステップであって、前記光導波路コアの終端を除去することにより、前記導波路型光回路の端面から前記光導波路コアの方向に沿って長さＬの位置に前記光導波路コアの新たな終端が形成されるステップと、前記溝に、前記石英を堆積したクラッド層と同等の屈折率を持つ充填材を充たすステップであって、前記端面から前記長さＬの区間を、光導波路コアがないクラッド層によって充たすステップと、前記端面上にレンズを接着して固定するステップとを備える光回路の製造方法であって、前記光導波路コアを伝播する光信号は、前記新たな終端から、長さＬの前記光導波路コアがないクラッド層および前記レンズを通って、空間との間を入出力し、前記長さＬによって、前記レンズの空間側に形成されるビームウエスト位置を調整可能なことを特徴とする光回路の製造方法である。

以上詳細に説明したように、本発明によれば、所定の距離を離れた位置において、所望のビームウエスト径のコリメート光を簡易な構成で得ることができる。多アレイ化にも柔軟に対応可能で、より複雑で高度な機能をもつ光回路および光信号処理装置を、より簡単な製造方法によって提供することができる。

本発明の第１の実施例に係るコリメート光生成光回路の構成図である。ＧＲＩＮレンズの長さとビームウエアウエストまでの距離との関係を示す図である。本発明の第２の実施例に係るコリメート光生成光回路の構成図である。第２の実施例におけるコア端部の形状を説明する図である。本発明の第３の実施例に係るコリメート光生成光回路の構成図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。ＰＬＣを用いた光信号処理装置の構成の一部を示す図である。従来技術における光ファイバからの光信号をコリメートする方法を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の光回路は、ＰＬＣ端面にレンズを接着する構成により、簡易な構成でコリメート光を得ることができる。さらに、端面近傍の導波路コアがないクラッド領域を設けて、ビームウエストの位置を調整できることに特徴がある。

図１は、本発明の第１の実施例に係るコリメート光を生成する光回路の構成図である。図１ａは、本発明の基本的な構成を示しており、ＰＬＣ基板に垂直な方向から見た上面図である。ＰＬＣ１の中央に光導波路のコア２が基板端面Ａまで達している。コア２は、ＰＬＣの表面のクラッド領域の内部にあることに注意されたい。基板端面Ａには、ＧＲＩＮレンズ３が接着剤によって密着して接着されている。図１ａでは、接着層が薄いため、明示的に示されていないことに注意されたい。接着層の厚さは、例えば、１〜２００μｍである。ＧＲＩＮレンズは、一般に、半径方向に屈折率分布をもつ円筒形状のレンズであり、両端（ＡおよびＢ）が平面であってもレンズ作用を持つことを特徴としている。ただし、半径方向に同心円状に変化する屈折率分布によりレンズ作用を持っていれば、必ずしも円筒形状に限られない。

ＰＬＣ１とＧＲＩＮレンズ３を端面で接着する構成とすることにより、従来技術のように複雑なシリンドリカルレンズの保持機構などを必要とすることがない。ＰＬＣとＧＲＩＮレンズとは接着固定され、自立一体となった堅牢な構造と成る。ＧＲＩＮレンズ３の長さをｄとすると、ＧＲＩＮレンズ３の端面ＢからＺｗ離れた場所においてビームウエスト位置１０が生じ、ここでＰＬＣからの信号光のコリメート光を得ることができる。ＧＲＩＮレンズ３とＰＬＣ端面との接着は、紫外線硬化型接着剤、熱硬化型接着剤などを使用できる。

図１ｂは、本発明のコリメート光を生成する光回路の別の実施例の構成を示す図である。本実施例では、ＰＬＣ１の基板端面Ａから長さＬの位置Ｃまでの区間が、コア２を形成をしないクラッド領域６となっている点に特徴がある。この構成により、図１ａの構成の光回路とくらべてビームウエスト１０をＰＬＣ１からより遠い位置とすることができる。ＧＲＩＮレンズ３とＰＬＣ１との間の接着層の厚みを調整することによって、クラッド領域６の長さＬを微調整することもできる。

図２は、ＧＲＩＮレンズの長さとビームウエストまでの距離の関係を示す図である。図１ｂの構成の光回路において、クラッド領域の長さＬ（μｍ）をパラメータとして、横軸にＧＲＩＮレンズの長さｄ（μｍ）を、縦軸にＧＲＩＮレンズの端面Ｂからビームウエストの位置１０までの距離Ｚｗ（μｍ）を示す。ここで、ＧＲＩＮレンズの材料は石英であり、ＧＲＩＮレンズの中心部の屈折率を１．４５、レンズの２乗分布定数を５．８×１０^−３、光の波長を１５３５μmとする。ＰＬＣにおけるコアは、シリコン基板に石英を堆積して形成する。導波路のコア寸法は、８×８μmである。

図１ｂに示した構成の光回路が、ＧＲＩＮレンズのＰＬＣとは反対側においてビームウエストを形成するためには、Ｚｗが正の値となるＧＲＩＮレンズの長さｄの範囲を利用する。例えば、Ｌ＝５００μｍの場合は、ｄ＝６５μｍのときにＺｗ＝１１１２μｍとなる。この時、ビームウエストは、ＰＬＣの出射端面Ａから１１７７μｍの位置に形成される。図２より、Ｌを適切な値に選択することによって、所望のＺｗの長さを得ることができる。

ここで、ビームウエストにおけるスポットサイズとビームウエストの位置との関係を検討すれば、ガウシアンビームの拡がり角θは、次式で表すことができる。

ここで、λおよびω_０は、それぞれガウシアンビームの波長およびビームウエストの位置におけるスポットサイズである。式（１）からビームウエスト位置におけるスポットサイズを大きくすることによって、ビームの拡がり角θを小さくできることがわかる。すなわち、レンズの場合は、ビームウエスト位置におけるスポットサイズを大きく設計することによって、コリメート長を長くすることができる。しかし、図８に示した従来のファイバ型の従来技術では、ファイバの外径が一般に１２５μｍ程度であるため、コリメート長を１０ｃｍ以上にすることは不可能であった。
しかしながら、本発明によればＰＬＣの出射端面に外径が１ｍｍ程度のＧＲＩＮレンズを接続することも可能であるため、ＰＬＣのクラッド領域の厚さを１００μｍ以上にすることによって、コリメート長を１０ｃｍ以上とすることも可能となる。したがって、本発明はＰＬＣを含む光信号処理装置などの適用に限られず、長いコリメート長を必要とするファイバコリメータなどにも応用が可能である。

図２からわかるように、本発明の光回路によれば、ＰＬＣの出射端面の近傍をコアではないクラッド領域６とし、その長さＬおよびＧＲＩＮレンズ３の長さｄを選択することによって、所望の位置にビームウエスト位置１０を設定することができる。先にも述べたように、ＧＲＩＮレンズとＰＬＣとの間の接着層の厚みを調整することによって、クラッド領域６の長さＬを微調整することもできる。

図３は、本発明の第２の実施例に係るコリメート光を生成する光回路の構成図である。本実施例では、ＰＬＣ１上に形成される導波路コア２の終端部に充填材が入れられた溝５を形成している点に特徴がある。コア２を形成した後に溝５を作成することによって、コア作成プロセス中にコア端部に生じる変形の影響を防ぐことができる。

図４は、第２の実施例におけるコア先端部の形状を説明する図である。図４ａは、第１の実施例の場合のコア端部の形状を示す図である。コア作成プロセスにおけるエッチング加工において、およびコアを埋め込むためのクラッド層の堆積時において、コア先端部のクラッドとの境界部分の形状は丸く鈍って変形する。この変形の程度は予測不可能であり、かつ避けることは難しい。コア先端部の変形により、出射光の強度分布がガウス分布から乱され、さらには出射方向が定まらないために、端面に接続したレンズと効率的に結合することができなくなる。すなわち、レンズから出射した光を効率よく集光することができなくなる。また、先端部の変形によって意図しないレンズ効果を生じるため、光信号処理の特性に設計値とのずれが生じる場合がある。

そこで、コアを形成して上側のクラッド層を堆積させた後に、エッチング加工、ＮＣ加工などによってコアの変形部を含んでクラッド層を除去するように溝５を形成することで、図４ｂに示したようにコア先端部形状の変形の影響を防ぐことができる。溝５を形成した後は、充填剤によって溝５内部を充たす。充填剤としては、クラッド（石英）と同じ程度の屈折率であればよい良いので、屈折率が１．３〜１．６程度の樹脂であって、経時変化しないものを使用できる。本実施例の構成によれば、先端部の変形によって意図しないレンズ効果を生じるために、光信号処理の特性に設計値とのずれが発生することもなく、光回路の再現性を高めることができる。

図５は、本発明の第３の実施例に係るコリメート光を生成する光回路の構成図である。本発明の光回路は、複数の信号処理系を含むアレイ化された構成に対して、特に有効である。図５に示した光回路は、図１ｂに示した光回路をＰＬＣの複数の導波路コアに対して形成し、アレイ化構成としたものである。コアの先端部に溝を形成して第２の実施例と同様な構成としても良い。多アレイ化は、ＰＬＣ上の導波路コアの本数を増やすことで簡単に実現することができる。図８に示した従来技術において、光ファイバの本数が増えるとともに融着作業などの製作工程が複雑になることと比較すれば、本光回路は、ＰＬＣの端面に必要数だけＧＲＩＮレンズを接着すれば良いので、製作工程ははるかに簡単である。また、従来技術において、多アレイ化時に光信号系の数が多くなるため組み立て調整時間が増加したり、シリンドリカルレンズ等の保持部材の構造が複雑になるなどの問題点があった。図５に示した本発明の光回路構成により、これらの問題を大幅に改善することができる。

図６は、本発明の光回路の他の実施例を示す構成図である。図６ａは、本発明のアレイ化した光回路を持つＰＬＣを２つ対向させて、光結合させた実施例である。２つのＰＬＣ１ａ、１ｂは、それぞれ機能回路部１１ａ、１１ｂおよびアレイ化されたＧＲＩＮレンズ３ａ、３ｂを持ち、ＧＲＩＮレンズ同士を対向させて２つのＰＬＣ１ａ、１ｂを光結合させることができる。本発明の光回路により、従来技術のシリンドリカルレンズを用いた構成と比べて、非常に簡単なコリメータアレイを構成することができる。図６ｂは、本発明の光回路を持つＰＬＣとＰＤアレイを接続した実施例である。ＰＬＣ１ａは、機能回路部１１ａおよびアレイ化されたＧＲＩＮレンズ３ａを持ち、ＰＤアレイ１３の各々の受光素子とＧＲＩＮレンズアレイ３ａを対向させて光結合させることができる。上記のＰＬＣ１ａ、１ｂは、導波路群１２ａ、１２ｂによりさらに他のＰＬＣまたは光信号処理装置の外部などと、光ファイバ等によって接続される。

上述のように、本発明の光回路によれば、ＰＬＣ上の導波路に、光カップラ、分岐回路、波長合分波器、光スイッチなどのさまざまな高機能素子を簡単に光結合させ、集積化した光信号処理装置を実現可能である。さらに、本発明によれば、ＰＬＣの出射端面から所定の距離の位置において、所望のビームウエスト径のコリメート光を簡易な構成で得ることができる。より複雑で高度な機能をもつ光信号処理装置をより簡単な製造方法で提供することができる。

本発明は、光通信に使用される光信号処理装置への利用ができる。波長ブロッカをはじめ、波長イコライザ、分散補償器などへの応用が可能である。

１、１ａ、１ｂ、１０１ＰＬＣ回路
２、１２ａ、１２ｂ導波路
３、３ａ、３ｂＧＲＩＮレンズ
４、１００、１１２光ファイバ
５溝
６クラッド領域
１０ビームウエスト位置
１３ＰＤアレイ
１０２シリンドリカルレンズ
１０３ａ、１０３ｂ、１０４光学調心用部材
１０５ａ、１０５ｂ台座
１０６光学調心用基板
１１１ガラス領域
１１２ＧＲＩＮファイバ

Claims

導波路型光回路を含み、空間へ光信号を入出力する光回路を製造する方法において、
シリコン基板上に石英を堆積してクラッド層を形成するステップと、
前記クラッド層上に、石英を堆積して光導波路コアを形成するステップと、
前記光導波路コアを形成し、前記光導波路コア上にさらにクラッド層を形成した後に、前記光導波路コアの光信号伝播方向に垂直に溝を形成するステップであって、前記光導波路コアの終端を除去することにより、前記導波路型光回路の端面から前記光導波路コアの方向に沿って長さＬの位置に前記光導波路コアの新たな終端が形成されるステップと、
前記溝に、前記石英を堆積したクラッド層と同等の屈折率を持つ充填材を充たすステップであって、前記端面から前記長さＬの区間を、光導波路コアがないクラッド層によって充たすステップと、
前記端面上にレンズを接着して固定するステップと
を備える光回路の製造方法であって、
前記光導波路コアを伝播する光信号は、前記新たな終端から、長さＬの前記光導波路コアがないクラッド層および前記レンズを通って、空間との間を入出力し、前記長さＬによって、前記レンズの空間側に形成されるビームウエスト位置を調整可能なことを特徴とする光回路の製造方法。