JP5338652B2 - Optical coupler - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光結合器に関し、特にグレーティングを備える光結合器に関する。 The present invention relates to an optical coupler, and more particularly to an optical coupler including a grating.
光導波路を用いた光結合技術は様々な場面で利用されている。光結合技術のうち、端面入出力の光結合においては、入出力光のモード径を大きくし過ぎると、入出力光が導波に寄与しない支持基板に触れてしまい、光損失を生じることがある。 Optical coupling technology using optical waveguides is used in various situations. Among optical coupling technologies, in the input / output optical coupling, if the mode diameter of the input / output light is too large, the input / output light may touch the support substrate that does not contribute to the wave guide, resulting in light loss. .
これに対して、面入出力型のグレーティング光結合器(以下、グレーティングカプラと称す。)を用いた光結合の場合は、入出力光のモード径を大きくしても、支持基板に入出力光が触れる割合が増大するという問題は生じない。 On the other hand, in the case of optical coupling using a surface input / output type grating optical coupler (hereinafter referred to as a grating coupler), the input / output light is applied to the support substrate even if the mode diameter of the input / output light is increased. There is no problem that the ratio of touching increases.
このようなグレーティングカプラの利点を生かして、グレーティングカプラと光ファイバを突き合わせ接続(バットジョイント)することが考えられている。具体的な応用例として、非特許文献1には、チップ(基板)の端面から出射される半導体レーザの出力をグレーティングカプラを介してチップの表面側に出力し、チップに接続された光ファイバと光結合する技術が開示されている。また、非特許文献2には、チップに接続された光ファイバからの光を、チップの面方向(面と平行な方向)の細線導波路やリッジ導波路と光結合する技術が開示されている。
Taking advantage of such a grating coupler, it is considered to butt-connect the grating coupler and the optical fiber (butt joint). As a specific application example, Non-Patent
また、通常、基板と垂直方向に光が入出力する条件下においては、スラブ導波路またはグレーティングカプラに入射した光は、基板の表面側だけでなく、裏面側にも光が回折されるため、光結合効率が悪くなる。この問題を解消するために、非特許文献1には、基板の法線方向から僅かに斜めの方向に光を入出力させる技術も開示されている。
Normally, under conditions where light is input and output in a direction perpendicular to the substrate, the light incident on the slab waveguide or the grating coupler is diffracted not only on the front surface side of the substrate but also on the back surface side. The optical coupling efficiency is deteriorated. In order to solve this problem, Non-Patent
一方、特許文献1及び2には、グレーティングカプラ上にプリズムを設置する技術が開示されている。この技術を用いれば、プリズムを介して光を入射することにより、入射光を所定の角度だけ偏向させてグレーティングカプラへ入射することができる。
On the other hand,
しかしながら、光ファイバをグレーティングカプラに突き合わせる場合に、高い光結合効率を得るために、光ファイバを光結合器にできるだけ近接させなければならない。すると、グレーティング上に設置されたプリズムに光ファイバが近づき過ぎてしまうことがある。その結果、傾いたプリズム面上を光ファイバが滑って位置ずれを起こしたり、プリズム上部の突起に光ファイバが接触して壊れてしまったりするという問題が生じていた。 However, when matching an optical fiber with a grating coupler, the optical fiber must be as close as possible to the optical coupler in order to obtain high optical coupling efficiency. Then, the optical fiber may come too close to the prism installed on the grating. As a result, there has been a problem that the optical fiber slides on the inclined prism surface to cause a positional shift, or the optical fiber comes into contact with the protrusion on the prism and breaks.
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、安定して高い光結合効率を実現できる光結合器を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide an optical coupler capable of stably realizing high optical coupling efficiency.
本発明にかかる光結合器は、第1の光導波路と、第2の光導波路とを光結合させる光結合器であって、基板上に設けられ、前記第2の光導波路と接続されたグレーティングと、前記グレーティングの前記基板とは反対側に設けられ、入射した光の進む方向を変える偏向手段と、前記偏向手段を介して、前記グレーティングと対向して接続される前記第1の光導波路を支持する支持手段と、を備え、前記支持手段は、前記偏向手段の側方に設けられており、前記偏向手段の高さ以上の高さを有するものである。 An optical coupler according to the present invention is an optical coupler that optically couples a first optical waveguide and a second optical waveguide, and is provided on a substrate and connected to the second optical waveguide. And a deflecting unit that is provided on the opposite side of the grating from the substrate and that changes a traveling direction of incident light, and the first optical waveguide connected to the grating via the deflecting unit. Supporting means, and the supporting means is provided on a side of the deflecting means and has a height equal to or higher than the height of the deflecting means.
本発明により、安定して高い光結合効率を実現できる光結合器を提供することができる。 The present invention can provide an optical coupler that can stably realize high optical coupling efficiency.
実施の形態1
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態にかかる光結合器を図1に示す。図1は、光結合器1に第1の光導波路20が接続された状態の断面図である。光結合器1は、偏向手段11、支持手段12、グレーティング13、基板14を備える。光結合器1は、第1の光導波路20(例えば、光ファイバ)と第2の光導波路30とをグレーティング13を介して光結合するための機器である。なお、第2の光導波路30は、グレーティング13と接続されており、上部クラッド15及び下部クラッド16によって挟まれている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. An optical coupler according to this embodiment is shown in FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view of a state in which a first
偏向手段11は、例えば、ポリマにより構成されるプリズム等であり、通過する光を屈折、反射等をさせて、偏向手段11に入射した光の進む方向を変えるものである。なお、偏向手段11のグレーティング13に対向する面111と、当該面とは反対側の面112とがなす角度は、グレーティング13による回折効率を高めるために、10°〜80°であることが好ましい。また、偏向手段11の面111や面112は曲面を有していてもよい。曲面にすることによって、偏向手段11に同時に集光の効果(レンズ効果)を付与することが可能である。
The deflecting
支持手段12は、偏向手段11の側方に配置されている支持構造であり、高さ(基板14に対して垂直方向の長さ)が偏向手段11よりも大きい。また、支持手段12は、偏向手段11の周囲の一部に配置されていてもよいし、偏向手段11の周囲全てを覆うように配置されていてもよい。
The
グレーティング13は、光導波路20からの入射光や、基板14の面方向に配置された第2の光導波路30からの光を回折する。つまり、グレーティング13は、基板14の面方向から入射される光を第1の光導波路20と光結合したり、第1の光導波路20から入射された光を基板14の面方向に位置する第2の光導波路30と光結合したりする。回折の方向は、グレーティング13の周期や、回折する光の偏波方向によって決定される。なお、グレーティング13は、1次元であってもよいし、2方向の光を入射または出射させる光結合を行う場合であれば、2次元のグレーティングであってもよい。
The grating 13 diffracts incident light from the
続いて、第1の光導波路20と第2の光導波路30との光結合について説明する。第1の光導波路20は、偏向手段11を介してグレーティング13に対向して光結合器1に接続される。つまり、第1の光導波路20から出射される光10が、偏向手段11に入射するように、第1の光導波路20は、偏向手段11との位置を合わせて光結合器1に突き合わせ接続される。このとき、支持手段12の高さは、偏向手段11の高さよりも高い。そのため、第1の光導波路20が、偏向手段11に接触することはない。その結果、第1の光導波路20の位置ずれや破損を回避できる。
Subsequently, optical coupling between the first
また、図1に示すように、支持手段12が第1の光導波路20のコア200に触れない構造とすることにより、支持手段12とコア200との接触に起因する破損も回避できる。なお、第1の光導波路20と偏向手段11との間の部分には、真空若しくは空気等のガス、または偏向手段よりも屈折率が小さい媒質が充填されている。
Further, as shown in FIG. 1, by causing the support means 12 not to touch the
第1の光導波路20が光結合器1に接続されると、第1の光導波路20から出射された光10は、偏向手段11によって偏向される。そのため、グレーティング13に対して垂直方向から一定角度傾いて光10がグレーティング13に入射される。
When the first
そして、グレーティング13に入射された光10は回折され、基板14内部の第2の光導波路30へと出射される。以上により、第1の光導波路20と第2の光導波路30が光結合される。なお、図1の矢印方向と反対方向に光10を結合させてもよい。つまり、第2の光導波路30からグレーティング13に光10を入射し、グレーティング13によって面方向に光10を回折させることにより、第1の光導波路20と第2の光導波路を光結合させてもよい。
The light 10 incident on the
グレーティング13の動作として、光導波路20から入射された光が回折される角度が、波長に大きく依存することがある。逆方向の光入射でも同様に、入力する光10の波長によって、基板14の面方向の光の回折角度が変化することがある。そのため、光結合器の構成にもしグレーティングのみを用いていれば、互いに固定された角度で配置される第1の光導波路20との間で、効率的な光結合が限られた波長帯域に制限されてしまっていた。
As an operation of the grating 13, the angle at which the light incident from the
しかし、本発明の構成によれば、偏向手段11の偏向角にグレーティング13とは逆の波長依存性を持たせ、グレーティング13の角度依存性を打ち消すことができる。このようにすると、高い光結合効率を保ったまま、波長に依らず、基板14の法線方向に常に光を入出力させることができる。その結果、光結合器1に第1の光導波路20を接続させる際に、光結合効率の向上のために所定の角度傾けて突き合わせる必要が無いだけでなく、広い波長帯域で、常に基板14に対して垂直に接続させることができる。
However, according to the configuration of the present invention, the deflection angle of the deflection means 11 can have a wavelength dependency opposite to that of the grating 13, and the angle dependency of the grating 13 can be canceled out. In this way, it is possible to always input and output light in the normal direction of the
このような動作が利用できるのは、指示手段12の効果によって、グレーティング13と偏向手段11と光導波路20とが非常に接近して配置されるからである。もし、十分に接近していなければ、グレーティング13の波長に依存する入出力光は、位置ずれによって、偏向手段11で出射や入射ができなくなる。同様に、偏向手段11の波長に依存する入出力光は、位置ずれによって、第1の光導波路20で出射や入射ができなくなる。
Such an operation can be used because the grating 13, the deflecting
このように、本実施の形態によれば、支持手段12の高さが偏向手段11の高さよりも高いため、第1の光導波路20を光結合器1に接続する際に、第1の光導波路20の端面が偏向手段11に接触することがない。そのため、第1の光導波路20を十分に偏向手段11やグレーティング13に接近させることが可能となり、互いの位置ずれを回避できる。すなわち、安定した光結合効率を実現できる。また、第1の光導波路20と偏向手段11との接触に起因する破損も防止できる。
Thus, according to the present embodiment, since the height of the support means 12 is higher than the height of the deflecting means 11, the first
本実施の形態によって、別の問題も解決される。すなわち、従来技術のように光結合させるべき第1の光導波路20を偏向手段11から一定の距離だけ離して固定しようとすると、その一定の距離を測る測定器や第1の光導波路20を懸架して固定するための装置が必要になる。その結果、光結合器の製造コストが増大し、光結合器全体の構造が大型化、複雑化してしまう。
Another problem is solved by this embodiment. That is, when the first
一方、本発明にかかる光結合器1の構成によれば、支持手段12上に第1の光導波路20を接触させるだけで、偏向手段11から一定距離をあけて接続することができる。その結果、一定距離を測るための測定器や第1の光導波路20を懸架するための装置を必要とせず、光結合器1の製造コストの削減を図ることができる。また、光結合器の大型化、複雑化も抑制できる。
On the other hand, according to the configuration of the
小型の光結合器が実現できることによって、電気信号の入出力部などの他の入出力構造体と接近させて配置することができる。例えば、図2に示すように、図1に示した光結合器1を、さらにボンディングワイヤ17の近傍に配置した構成としてもよい。このようにすることで、光と電気の入出力部を高密度に配置することができる。
Since a small-sized optical coupler can be realized, it can be disposed close to other input / output structures such as an input / output unit for electric signals. For example, as shown in FIG. 2, the
実施の形態2
本発明にかかる実施の形態2について説明する。図3に示した光結合器2は、光結合器1の構成に加えて、誘導手段21をさらに備える。なお、その他の構成については光結合器1と同様であるので、説明を省略する。
Embodiment 2
A second embodiment according to the present invention will be described. The optical coupler 2 shown in FIG. 3 further includes guiding means 21 in addition to the configuration of the
誘導手段21は、第1の光導波路20の径の幅とほぼ等しい距離をあけて、支持手段12上に立設されている。誘導手段21は、図3に示すように、偏向手段11を囲むように配置されているため、誘導手段21の内部に第1の光導波路20を差し込むことによって、適切な位置に第1の光導波路20を誘導し、光結合器2に接続させる。
The guide means 21 is erected on the support means 12 with a distance substantially equal to the width of the diameter of the first
このように、本実施の形態によれば、誘導手段21に合わせて第1の光導波路20を差し込むだけで、容易に第1の光導波路20と偏向手段11との位置関係を高精度で合わせることができる。そのため、製造過程において、位置調整にかかるコストや労力を減らすことができる。なお、図3に示すように、差込口の部分を広くすることにより、第1の光導波路20の差し込みが容易となる。
As described above, according to the present embodiment, the positional relationship between the first
また、偏向手段11と、支持手段12と、誘導手段21とを一体として製造することが好ましい。一体として製造することにより、偏向手段11と誘導手段21との位置関係が製造段階で固定されるため、位置精度をさらに向上させることができる。 Moreover, it is preferable to manufacture the deflection | deviation means 11, the support means 12, and the guidance means 21 integrally. Since the positional relationship between the deflecting means 11 and the guiding means 21 is fixed at the manufacturing stage, the positional accuracy can be further improved.
実施の形態3
本発明にかかる実施の形態3について説明する。図4に示した光結合器3の構成は、アレーファイバに適用する場合の構成である。すなわち、複数の第1の光導波路20が束になって光結合器3に接続される場合の構成である。光結合器3は、複数の光結合器1が連なった構成となっている。なお、その他の構成については光結合器1と同様であるので、説明を省略する。
A third embodiment according to the present invention will be described. The configuration of the
第1の光導波路20と光結合器3との接続も、実施の形態1における説明と同様である。図4においては、左側に位置する2つの第1の光導波路20(201、202)は、光結合器3に光10を入射している。一方、右側に位置する2つの第1の光導波路20(203、204)には、光結合器3から出射された光10が入射されている。
The connection between the first
このように、本実施の形態にかかる光結合器3の構成によって、ファイバアレイと光結合する場合にも本発明を適用することができる。また、上述したように、光結合器3の入出射光10が、基板14と実質的に垂直方向となるように、偏向手段11の角度を調整することにより、グレーティング13及び第2の光導波路30の向きに関わらず、基板14に対して実質的に垂直方向に光10を入出力することができる。そのため、第1の光導波路20も基板14に対して実質的に垂直方向に接続可能である。その結果、ファイバアレイを傾ける向きを考慮する必要がないので、第1の光導波路20を密に接続することができ、光回路の設計上の自由度が制限されない。
As described above, the present invention can also be applied to the case where the
実施の形態4
本発明にかかる実施の形態4について説明する。図5に示した光結合器4の構成は、インターポウザーに取り付ける場合の構成である。インターポウザー40は、第1の光導波路20、レンズ41を備えている。インターポウザー40内には第1の光導波路20(205〜208)が設けられている。なお、光結合器4の構成は、図4に示した光結合器3の構成と同様であるため、説明を省略する。また、半田ボール50は、フリップチップボンディングに用いられる。
A fourth embodiment according to the present invention will be described. The structure of the
インターポウザー40と光結合器4との接続について説明する。それぞれの第1の光導波路20の端部にミラー210を備えており、第1の光導波路205、206を伝搬してきた光10は、ミラー210により基板14に対して垂直に反射されて、光結合器4に入射される。また、光結合器4から出射された光10は、ミラー210により基板14に対して平行に反射されて、第1の光導波路207、208に入射される。
The connection between the
このとき、図5に示すように、インターポウザー40と光結合器4とを近接させる。本発明においては、支持手段12とインターポウザー40及びレンズ41とが接触するが、偏向手段11とインターポウザー40及びレンズ41との間には一定の距離があいている。そのため、偏向手段11や、偏向手段11と対向するインターポウザー40及びレンズ41の光入出力面が傷付くことがない。
At this time, as shown in FIG. 5, the
ここで、インターポウザー40の下側に位置する第1の光導波路206、208は、第1の光導波路205、207に比べて光結合器4との距離が大きい。そのため、第1の光導波路206のミラー210により反射された光10は、長い距離を伝搬して光結合器4に入射することになる。その結果、ミラー210で反射された後の光10のビーム径が広がって大きくなり過ぎてしまい、偏向手段11の入射面から外れた光は損失となってしまう。このような損失を防ぐために、レンズ41が設けられている。
Here, the first
以上のように、本実施の形態にかかる光結合器4の構成によって、インターポウザー40内に設けられた第1の光導波路20との光結合の場合であっても、光結合器として用いることができる。勿論、支持手段12が設けられているので、安定した光結合効率の実現及び破損等の防止、コスト削減を図ることができる。
As described above, the configuration of the
ここで、図4及び図5に示した光結合器3及び4の製造方法の一例について、簡単に説明する。図6〜図8は、本発明にかかる光結合器の製造工程を示す図である。まず、グレーティング上にポリマを塗布する(図6参照)。次に、ナノインプリント等によって型押しを行う(図7参照)。そして、エッチバックを用いて光結合器以外の部分に残ったポリマを除去する(図8参照)。以上のような工程によって、本発明にかかる光結合器を容易に製造することができる。
Here, an example of a manufacturing method of the
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
1〜4 光結合器
10 光
11 偏向手段
12 支持手段
13 グレーティング
14 基板
15 上部クラッド
16 下部クラッド
17 ボンディングワイヤ
20 201〜208 第1の光導波路
21 誘導手段
30 第2の光導波路
40 インターポウザー
41 レンズ
50 半田ボール
200 コア
210 ミラー
1-4
Claims (6)
基板上に設けられ、前記第2の光導波路と接続されたグレーティングと、
前記グレーティングの前記基板とは反対側に設けられ、入射した光の進む方向を変える偏向手段と、
前記偏向手段を介して、前記グレーティングと対向して接続される前記第1の光導波路を支持する支持手段と、
を備え、
前記支持手段は、前記偏向手段の側方に設けられており、前記偏向手段の高さ以上の高さを有し、
前記偏向手段は、前記グレーティングからの回折光を、前記基板に対して実質的に垂直方向に入出射させる光結合器。 An optical coupler that optically couples a first optical waveguide and a second optical waveguide,
A grating provided on the substrate and connected to the second optical waveguide;
A deflecting means that is provided on the opposite side of the grating from the substrate and changes the direction in which the incident light travels;
Support means for supporting the first optical waveguide connected to the grating via the deflection means;
With
Said support means is provided on the side of the deflecting means, have a height above the height of said deflecting means,
The deflecting unit is an optical coupler that causes diffracted light from the grating to enter and exit in a direction substantially perpendicular to the substrate .
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