JP6379090B2 - 光実装デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、光路変更素子、光路変更素子の接続構造、光源デバイスおよび光実装デバイスに関するものである。
情報通信の進展により、データ処理速度が飛躍的に高速化している。データセンターでは、ネットワーク機器やサーバーなどの機器間を光伝送する光インターコネクションが導入されつつあり、そのキーパーツであるアクティブ光ケーブル（AOC: Active Optical Cable）の開発が活発化している。AOC技術を応用した3次元光実装技術は、家庭内のマルチメディア伝送機器や屋内配線への応用や、さらに将来的にはパソコンや携帯電話などの情報通信端末への導入も検討されている。
３次元光実装を実現するためには、光を90度に曲げ、光部品を光学的に接続する技術が要求される。これについては、特許文献１〜６に示す従来技術がある。
特許文献１〜３は、ポリマー導波路を利用し、光路90度変換機能を有した技術（反射素子）が開示されている。
特許文献１では、発光素子、下部クラッド、コア、及び上部クラッドを有し、その一端部に光路変換ミラー面を有し、発光素子からの光をモニターする受光素子を備えた高分子光導波路モジュールが開示されている。
特許文献２には、光導波路フィルムの端面に４５°ミラー面に加工して、VECSELなどの平面型発光素子に直接接着することにより、マイクロレンズが不要の光導波路フィルムが開示されている。コアのサイズについては、シングルモード用の光導波路の場合には10μｍ角程度、マルチモード用の場合には50〜100μｍ角としている。クラッドについては、機械強度を保持するために、少なくとも20μｍ以上としている。
特許文献３には、45°溝加工面に金属膜を形成することによるミラーを形成した光導波路フィルムが開示されている。クラッド厚みについては5μｍ以上であると、光の閉じ込めに必要なクラッド厚さが確保でき、500μｍ 以下であると、膜厚を均一に制御することが容易である。以上の観点から、下部クラッド層 の厚さは、さらに10 〜100μｍ の範囲であることがより好ましい。
光源から出射した光の方向を変化させ、光導波路素子に光学的に結合する場合、光導波路素子の導波路がシングルモード導波路の場合、そのコアサイズが１０μｍ角程度である。このため、バットジョイントでは結合損失が大きくなる。
また、ミラー直下にバットジョイントする場合、ポリマー導波路では、クラッドの厚みが少なくとも５μｍ以上あるために、ビームが拡がってしまいモードミスマッチによる結合損失が大きくなる。光ファイバを屈曲させて光路変更した場合にも、外周部が曲面となるので光部品の固定が難しい。
また、４５°ミラーについて、ポリマー光導波路や光ファイバの場合、空気との界面での全反射条件は成立するが、屈折率が１．５程度と小さいので、結露やごみの付着があると屈折率差が逆転し、全反射条件を満足しなくなることもあり、反射率が大きく変動する。これを防止するためコーティングする場合には、より屈折率が小さい材料が必要だが、SiO2膜が使用不可なので適当な材料を選択するのが難しい。
本発明の課題は、光源から発振した光の光路を変化させて光導波路素子に入射させるための光路変更素子であって、光源から光導波路素子への光の結合効率を高くし、安定させ得るような光路変更素子を提供することである。
本発明は光実装デバイスに係るものである。
本光実装デバイスは、
上面、底面および上面と底面との間の側面を有する実装基板、
前記実装基板の前記上面に固定されている光路変更素子、
前記実装基板の前記上面に固定されており、前記光を発振する光源、および
前記実装基板の前記側面に固定されており、チャンネル型光導波路を有する光導波路素子を備えている。
上面、底面および上面と底面との間の側面を有する実装基板、
前記実装基板の前記上面に固定されている光路変更素子、
前記実装基板の前記上面に固定されており、前記光を発振する光源、および
前記実装基板の前記側面に固定されており、チャンネル型光導波路を有する光導波路素子を備えている。
前記光路変更素子が、
支持基板、
光学結晶からなり、前記支持基板上に形成された薄層であって、前記支持基板側の第一の主面と、前記支持基板とは反対側の第二の主面とを有する、厚さ０．５〜８μｍの薄層、
前記薄層に形成されている少なくとも一対のリッジ溝によって区画されるリッジ型光導波路であって、前記光の入射面および前記リッジ型光導波路を伝搬してきた光を反射する反射面を有するリッジ型光導波路、および
前記リッジ型光導波路に形成されたブラッググレーティングを備えている。
支持基板、
光学結晶からなり、前記支持基板上に形成された薄層であって、前記支持基板側の第一の主面と、前記支持基板とは反対側の第二の主面とを有する、厚さ０．５〜８μｍの薄層、
前記薄層に形成されている少なくとも一対のリッジ溝によって区画されるリッジ型光導波路であって、前記光の入射面および前記リッジ型光導波路を伝搬してきた光を反射する反射面を有するリッジ型光導波路、および
前記リッジ型光導波路に形成されたブラッググレーティングを備えている。
そして、前記リッジ溝が前記薄層の前記第一の主面側に設けられており、前記ブラッググレーティングと光源とが外部共振器を構成し、前記光路変更素子の前記第二の主面側の出射面と前記チャンネル型光導波路とがバットジョイントされており、前記反射面で反射された前記光を前記薄層を通して前記出射面から出射させ、前記チャンネル型光導波路に入射させる。
本発明によれば、光源から発振した光の光路を変化させて光導波路素子に入射させるための光路変更素子において、光源から光導波路素子への光の結合効率を高くし、安定させ得る。
最初に図面を参照しつつ、本発明の光実装デバイスの具体的構造を例示し、次いで種々の実施形態について述べる。
図１に示すように、実装基板２は、上面２ａ、底面２ｄ、および側面２ｂ、２ｃを有する。本実施形態では、上面２ａおよび一つの側面２ｂを実装に使用する。
実装基板２の上面２ａには光源３が固定されている。例えば、図２、図３に示すように、光源３の活性層３ａから、矢印Ａのように光が出射する。
また、実装基板２の上面２ａには、光路変更素子４が固定されている。光路変更素子では、図４、図５に示すように、支持基板５と薄層６とが互いに接合、一体化している。薄層６の支持基板側の第一の主面６ａに例えば一対のリッジ溝７が形成されており、リッジ溝７の間にリッジ型の光導波路８が形成されている。本例では、薄層６の主面６ａ上に下側バッファ層２１が形成されており、かつ支持基板５に対して接着層２２を介して接合されている。一方、薄層６の支持基板５と反対側の第二の主面６ｂは平坦であり、主面６ｂ側にバッファ層２０が形成されている。この場合、バッファ層２０それ自体が出射光に対する無反射防止膜として機能してもよく、また、バッファ層２０の上に無反射防止膜を設けても良い。
光路変更素子４の入射面４ａは平坦であり、また光路変更素子４の上面や底面に対して略垂直をなしている。一方、光路変更素子４の出射面４ｂは、底面に対して角度θ傾斜している。光源から発振した光は、チャンネル型光導波路８の入射面８ａに入射し、光導波路８内を矢印Ｂのように伝搬した後、光路変更素子の出射面に面する反射面８ｂによって反射される。そして、矢印Ｃのように薄層６内を伝搬し、底面側の出射面４ｃから矢印Ｃのように出射する。
本例では、光導波路８内に、ブラッググレーティング９が形成されている。光導波路８の入射面８ａとブラッググレーティング９との間には、回折格子のない伝搬部を設けることが好ましい。また、光導波路の入射面側８ａ、出射面側４ｃにはそれぞれ無反射層を設けることが好ましい。このブラッググレーティングと光源とによって、外部共振器を構成し、発振するレーザ光の波長を安定化させる。これによって、光路の変更された安定なレーザ光源を提供することが可能になる。
また、本例では、図１に示すように、実装基板２の側面２ｂ上に光導波路素子１０が固定されており、光導波路素子１０内にチャンネル型光導波路１１が形成されている。そして、光導波路素子１０の入射面１０ａが光路変更素子４の底面と対向しており、光導波路素子１０の出射面１０ｂが反対側に設けられている。
図３、図４に示すように、光路変更素子４の出射面４ｃは、光導波路素子１０のチャンネル型光導波路１１とバットジョイントされており、両者の間に寸法Ｇの空隙が設けられている。バットジョイントとは、屈折率分布の異なる光導波路の端面同士を光軸方向に突き合わせて接合するジョイント構造をいう。本例では、出射面４ｃに開口する光導波路はないが、反射面８ｂで反射された光はそのままビーム形を保持しつつ薄層を短い距離だけ伝搬して出射するので、光ビームの形は保持されており、このためバットジョイントが成り立つ。
本発明では、上述の実施形態のように、支持基板上に設けられた薄層内でリッジ溝によって輪郭づけられたチャンネル型光導波路（リッジ光導波路）内を伝搬してきた光を、薄層端面で反射させ、薄層の底面側から出射させる。このとき、薄層内に形成されたリッジ型のチャンネル型光導波路は、拡散光導波路と異なり、閉じ込めを強くすることができ光導波路表面での散乱がなく、このため光路変更素子の反射面での散乱による結合効率低下を防止できる。更に、光路変更素子の底面から出射させた光を、バットジョイント方式で別体の光導波路素子に結合することができるので、レンズを必要とせず少ない部品点数で、高い結合効率を実現可能である。また薄層を複屈折率材料にすることで光源の偏光を維持することができ、高い偏光クロストークを保持した状態で光導波路素子に結合できる。
図５の例において、ブラッググレーティング９は、薄層６のリッジ溝のある第一の主面６ａ側に形成してよく、あるいは、平坦な第二の主面６ｂに形成してもよい。ブラッググレーティングは、平坦な第二の主面側（本例では支持基板５とは反対側）に形成することが好ましい。すなわち、リッジ溝７とブラッググレーティング９とを、薄層の反対側の主面に形成することによって、ブラッググレーティングおよびリッジ溝の形状ばらつきを更に低減できる。
また、図６に示す参考例の素子４Ａにおいても、支持基板５上に薄層６が設けられている。薄層６の第二の主面６ｂ側に例えば一対のリッジ溝７が形成されており、リッジ溝７の間にリッジ型の光導波路８が形成されている。本例では、薄層６の支持基板側の第一の主面６ａ上に下側バッファ層２１が形成されており、かつ支持基板５に対して接着層２２を介して接合されている。一方、薄層６のリッジ溝のある第二の主面６ｂには上側バッファ層２０が形成されている。この場合、上側バッファ層は、出射光に対して無反射防止膜としても機能してもよく、あるいは、上側バッファ層の上に無反射防止膜を形成してもよい。
図６の例において、ブラッググレーティング９は、薄層６のリッジ溝のある第二の主面６ｂ側に形成してよく、あるいは、平坦な第一の主面６ａに形成してもよい。ブラッググレーティングは、平坦な第一の主面側（本例では支持基板５側）に形成することが好ましい。すなわち、リッジ溝７とブラッググレーティング９とを、薄層の反対側の面に形成することによって、ブラッググレーティングおよびリッジ溝の形状ばらつきを更に低減できる。
また、上側バッファ層２０がない場合には、空気層が直接グレーティングに接することができる。これによりグレーティング溝が有る無しで屈折率差を大きくすることができ、短いグレーティング長で反射率を大きくすることができる。この場合、出射光が光路部分のみに無反射膜を形成することが好ましい。
また、光路変更素子において、光導波路の入射面８ａには無反射膜（ＡＲコート）を形成することが好ましい。また、出射面６ｂ側にも無反射膜（ＡＲコート）が形成されることが好ましい。バッファ層は、実質的に光導波路に対してクラッドとして機能しており、出射光に対しては無反射膜として機能していてもよい。出射光に対する無反射膜については、出射面６ｂ側にバッファ層の上に成膜して形成してもよい。バッファ層は、反射光のスポットサイズが拡がらないという観点で５μｍ以下が好ましい。この観点で光路にはバッファ層はなくてもよい。
図７〜図１０に示す実装デバイス１Ａは、図１〜図６のデバイスと類似のものであるが、ただし、光路変更素子のリッジ型光導波路内にブラッググレーティングを形成していないものである。
図７に示すように、実装基板２は、上面２ａ、底面２ｄ、および側面２ｂ、２ｃを有する。実装基板２の上面２ａには光源３が固定されている。例えば、図８、図９に示すように、光源３の活性層３ａから、矢印Ａのように光が出射する。
また、実装基板２の上面２ａには、光路変更素子４Ｂが固定されている。光路変更素子では、図９、図１０に示すように、支持基板５と薄層６とが互いに接合、一体化している。薄層に例えば一対のリッジ溝７が形成されており、リッジ溝７の間にリッジ型の光導波路８が形成されている。
なお、光路変更素子の横断面の構造は、図５に示すものであってよく、図６に示すものであってよい。
光路変更素子４Ｂの入射面４ａは平坦であり、また光路変更素子４Ｂの上面や底面に対して略垂直をなしている。一方、光路変更素子４Ｂの出射面４ｂは、底面に対して角度θ傾斜している。光源から発振した光は、チャンネル型光導波路８の入射面８ａに入射し、光導波路８内を矢印Ｂのように伝搬した後、光路変更素子の出射面に面する反射面８ｂによって反射される。そして、矢印Ｃのように薄層６内を伝搬し、底面側の出射面４ｃから矢印Ｃのように出射する。
本例においても、前述した理由から、光路の変更された安定なレーザ光源を提供することが可能になる。
また、本例では、図７に示すように、実装基板２の側面２ｂ上に光導波路素子１０が固定されており、光導波路素子１０内にチャンネル型光導波路１が形成されている。そして、光導波路素子１０の入射面１０ａが光路変更素子４Ｂの底面と対向しており、光導波路素子１０の出射面１０ｂが反対側に設けられている。
図９、図１０に示すように、光路変更素子４Ｂの出射面４ｃは、光導波路素子１０のチャンネル型光導波路１１とバットジョイントされており、両者の間に寸法Ｇの空隙が設けられている。
薄層の厚さは、光導波路素子のチャンネル型光導波路に対する結合効率の観点から、８μｍ以下とするが、５μｍ以下が更に好ましい。また、光導波路の伝搬損失を低減するという理由から、薄層の厚さは０．５μｍ以上とする。
薄層を形成する光学結晶は、反射率の裕度の観点からは、屈折率１．９以上のものが好ましく、屈折率１．９５以上のものが更に好ましい。
薄層を形成する光学結晶の好適例は、ガリウム砒素、ニオブ酸リチウム単結晶、酸化タンタル、酸化亜鉛、酸化アルミナである。また、この光学結晶を複屈折性とすることによって、レーザ光の偏波面を保持できる。
また、薄層は、接合による貼り合わせによって形成することもできるが、支持基板上にスパッタ、蒸着、ＣＶＤによる成膜にて形成することも可能である。
また、薄層は、接合による貼り合わせによって形成することもできるが、支持基板上にスパッタ、蒸着、ＣＶＤによる成膜にて形成することも可能である。
薄層中には、光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させてもよく、この場合、マグネシウムが特に好ましい。また結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。
光路変更素子の反射面には、反射膜を設ける必要はないが、反射膜を設けても良い。
こうした反射膜としては、以下を例示できる。すなわち、金、アルミなどの金属膜がよい。またこれらの金属の密着性を上げるためバッファ層として、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒなどの金属膜の多層構造としてもよい。
リッジ型の光導波路は、光学結晶を加工、例えば機械加工やレーザ加工することによって物理的に加工し、成形することによって得られる。
光源としては、高い信頼性を有するＧａＡｓ系やＩｎＰ系材料によるレーザが好適である。本願構造の応用として、例えば、非線形光学素子を利用して第２高調波である緑色レーザを発振させる場合は、波長１０６４ｎｍ付近で発振するＧａＡｓ系のレーザを用いることになる。ＧａＡｓ系やＩｎＰ系のレーザは信頼性が高いため、一次元状に配列したレーザアレイ等の光源も実現可能である。スーパールミネッセンスダイオードや半導体光アンプ（ＳＯＡ）であってもよい。また、活性層の材質や波長も適宜選択できる。
ブラッググレーティングは以下のようにして物理的、あるいは化学的なエッチングにより形成することができる。
具体例として、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属膜を高屈折率基板に成膜し、フォトリソグラフィーにより周期的に窓を形成しエッチング用マスクを形成する。その後、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング装置で周期的なグレーティング溝を形成する。最後に金属マスクを除去することにより形成できる。
具体例として、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属膜を高屈折率基板に成膜し、フォトリソグラフィーにより周期的に窓を形成しエッチング用マスクを形成する。その後、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング装置で周期的なグレーティング溝を形成する。最後に金属マスクを除去することにより形成できる。
接着層の材質は、無機接着剤であってよく、有機接着剤であってよく、無機接着剤と有機接着剤との組み合わせであってよい。
支持基体の具体的材質は特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Siなどを例示することができる。
無反射層の反射率は、グレーティング反射率以下である必要があり、無反射層に成膜する膜材としては、二酸化珪素、五酸化タンタルなどの酸化物で積層した膜や、金属類も使用可能である。
また、光源、光路変更素子、光導波路素子の各端面は、それぞれ、端面反射を抑制するために斜めカットしていてもよい。また、薄層と支持基板の接合は、上述の例では接着固定だが、直接接合でもよい。
光路変更素子中のリッジ型光導波路において、反射面の底面に対する角度θは、通常４５°とすることによって、光を直角に曲げる。しかし、これに限定されるものではない。θは、例えば４２〜４８°で選択可能である。
また、リッジ型光導波路の反射面に角度を付けるための加工法は、研磨でもダイシングやマイクログラインダーによる加工でもよい。
光導波路素子の構成は、チャンネル型光導波路が形成されている限り、特に限定されない。光導波路素子は例えば一体物の基板であってよいが、好ましくは、支持基板と、この支持基板上に接合された光学結晶からなる薄層を備えており、薄層内にチャンネル型光導波路が形成されている。このチャンネル型光導波路は、リッジ型光導波路が好ましいが、拡散型光導波路でもよい。
光路変更素子の出射面と光導波路素子のチャンネル型光導波路の入射面との間の間隙の大きさＧは、設計によるが、1μｍ以上が好ましく、９μｍ以下が好ましい。
（実施例Ａ）
図１〜図４、および図５に示すデバイスを作製した。
具体的には、ｚ板MgOドープのニオブ酸リチウム結晶にｙ軸伝搬の光導波路を形成するために、エキシマレーザにてグレーティング部に幅Wm３μｍ、Tr１μｍの溝加工し光導波路を形成した。さらにスパッタ装置にてSiO2膜を0.5μｍ成膜し、支持基板としてブラックＬＮ基板を使用して光導波路形成面を接着した。
図１〜図４、および図５に示すデバイスを作製した。
具体的には、ｚ板MgOドープのニオブ酸リチウム結晶にｙ軸伝搬の光導波路を形成するために、エキシマレーザにてグレーティング部に幅Wm３μｍ、Tr１μｍの溝加工し光導波路を形成した。さらにスパッタ装置にてSiO2膜を0.5μｍ成膜し、支持基板としてブラックＬＮ基板を使用して光導波路形成面を接着した。
次に、ブラックＬＮ基板側を研磨定盤に貼り付け、光導波路を形成したＬＮ基板の裏面を精密研磨して２μｍの厚みＴｓとした。その後、定盤からはずし、研磨した面を全面にARコートを成膜した。
その後、ダイシング装置にてバー状に切断し、片端面を垂直に光学研磨し、反対端面は45°に光学研磨し、垂直研磨端面に0.1％以下のARコートを形成した。最後にチップ切断して素子サイズは幅1mm、長さ3mmとした。
光路反射素子の特性を評価するために、波長800nmの半導体レーザで測定したところp偏光（TM波）、s偏光（TE波）とも100％の反射率を確認した。また、偏光クロストークは20dB以上あり反射による劣化は見られなかった。
なお、図１１に、反射面と出射面との角度θと反射率とのシミュレーション結果を示す。
次に、この光導波路反射素子を使用して、波長800nm半導体レーザとスポットサイズ3×2μｍ光導波路素子を光学調芯して図１〜４に示すモジュールを作製した。ミラー直下には、光導波路素子を配置し、反射導波路とのギャップGは3μｍであった。実装後に結合効率を測定した結果、８０％程度となった。
前述と同様の光源と光導波路素子とを直接に、光路変換素子を介することなしにバットジョイントした場合には、結合効率は ８０ ％程度である。従って、本発明により、５％以下の過剰損失で結合できることを確認した。
上の実施例において、ミラー直下の光導波路とのギャップGを変えて、結合効率を測定した。また、実装後に高温漕の中に入れ、温度を−20℃から70℃まで変化させたときの損失変動を表１に示す。
表からわかるように、本発明によれば、広いギャップ範囲にわたって、高い結合効率でバットジョイントが可能になった。
（参考例Ｂ）
実施例Ａにおいて、図６に示すように、薄層のリッジ溝のない平坦な主面６ａ側を接合面とした。これ以外は実施例Ａと同様にして光路変更素子および光実装デバイスを作製し、実施例Ａと同様に評価した。この結果を表２に示す。
実施例Ａにおいて、図６に示すように、薄層のリッジ溝のない平坦な主面６ａ側を接合面とした。これ以外は実施例Ａと同様にして光路変更素子および光実装デバイスを作製し、実施例Ａと同様に評価した。この結果を表２に示す。
（比較例）
実施例Ａにおいて、リッジ導波路を形成せず、その変わりに、チタン拡散法によってチャンネル型光導波路を形成した。チャンネル型光導波路側を接合面とした。これ以外は実施例Ａと同様にして光路変更素子および光実装デバイスを作製し、実施例Ａと同様に評価した。バットジョイントの間隙Ｇは３μｍとした。この結果、結合効率は５０％であり、温度変動は１ｄＢであった。拡散導波路は、屈折率差が小さいために光の閉じ込め効果が弱く、スポットサイズを小さくすることが困難であった。
実施例Ａにおいて、リッジ導波路を形成せず、その変わりに、チタン拡散法によってチャンネル型光導波路を形成した。チャンネル型光導波路側を接合面とした。これ以外は実施例Ａと同様にして光路変更素子および光実装デバイスを作製し、実施例Ａと同様に評価した。バットジョイントの間隙Ｇは３μｍとした。この結果、結合効率は５０％であり、温度変動は１ｄＢであった。拡散導波路は、屈折率差が小さいために光の閉じ込め効果が弱く、スポットサイズを小さくすることが困難であった。
Claims (3)
- 上面、底面および上面と底面との間の側面を有する実装基板、
前記実装基板の前記上面に固定されている光路変更素子、
前記実装基板の前記上面に固定されており、光を発振する光源、および
前記実装基板の前記側面に固定されており、チャンネル型光導波路を有する光導波路素子を備えている光実装デバイスであって、
前記光路変更素子が、
支持基板、
光学結晶からなり、前記支持基板上に形成された薄層であって、前記支持基板側の第一の主面と、前記支持基板とは反対側の第二の主面とを有する、厚さ０．５〜８μｍの薄層、
前記薄層に形成されている少なくとも一対のリッジ溝によって区画されるリッジ型光導波路であって、前記光の入射面および前記リッジ型光導波路を伝搬してきた光を反射する反射面を有するリッジ型光導波路、および
前記リッジ型光導波路に形成されたブラッググレーティングを備えており、
前記リッジ溝が前記薄層の前記第一の主面側に設けられており、
前記ブラッググレーティングと光源とが外部共振器を構成し、
前記光路変更素子の前記第二の主面側の出射面と前記チャンネル型光導波路とがバットジョイントされており、
前記反射面で反射された前記光を前記薄層を通して前記出射面から出射させ、前記チャンネル型光導波路に入射させることを特徴とする、光実装デバイス。 - 前記光学結晶の屈折率が１．９以上であることを特徴とする、請求項１記載のデバイス。
- 前記光学結晶が複屈折性であることを特徴とする、請求項１または２記載のデバイス。
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