JP6543200B2

JP6543200B2 - 光導波路

Info

Publication number: JP6543200B2
Application number: JP2016013717A
Authority: JP
Inventors: 遠藤　潤; 潤遠藤; 黒崎　武志; 武志黒崎
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2019-07-10
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: JP2017134225A

Description

本発明は、光導波路に関し、より詳細には、半導体レーザ素子からの出射光を集光する屈折レンズが一体となったレンズ付きの光導波路に関する。

近年、サイズを縮小した光デバイスの高速伝送化及び低価格化等が停滞してきている。そのため、更なる超高速伝送を実現する切り札として、電気的な信号線路の多チャネル化、多層光配線技術、フォトニック結晶やシリコンフォトニクスに代表される微細な光導波路作製技術の導入が活発に進められている。

図１は、半導体レーザ素子からの出射光が伝搬する光導波路と、半導体レーザ素子からの出射光の集光用の屈折レンズとを含む空間光学系の例を示す図であり、図１（ａ）は空間光学系の斜視透視図であり、図１（ｂ）は空間光学系の側面透視図を示す。空間光学系１００は、半導体レーザ素子１１０と、半導体レーザ素子１１０からの光を集光する屈折レンズ１２０と、半導体レーザ素子１１０からの出射光が伝搬する光導波路１３０とを備える。光導波路１３０は、コア層１３１と、コア層１３１を囲むクラッド層１３２とを備える。ここで、半導体レーザ素子１１０からの出射光は、空間を伝搬する過程でビームが拡散するため、ビームが拡散した状態で光導波路１１０のコア層１３１に入射すると光結合率は低下する。従って、半導体レーザ素子１１０と光導波路１３０の間に屈折レンズ１２０を配置し、半導体レーザ素子１１０からの出射光を集光し、ビーム径をコア層１３１のコア径に整合させた上で、光導波路１３０のコア層１３１入射側端面に結合させる（特許文献１参照）。

特許第３８１９１４３号公報

空間光学系１００は、半導体レーザ素子１１０と光導波路１３０との間の光結合を、屈折レンズ１２０を介して行う構成である。このような空間光学系１００の構成は、半導体レーザ素子１１０と光導波路１３０との間の高い光結合率を得るために、光軸をアクティブ調整する必要があり、工程に時間を要すると共に、光モジュールのサイズ縮小が制限される。

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、光結合系のサイズを縮小し、アクティブ調芯工程の削減が可能な光導波路を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、クラッド層と、前記クラッド層の内部に延びるコア層とを備える光導波路であって、光の入出射側端面に、前記コア層の光の導波方向と垂直の断面において、前記コア層の中心と一致する中心を有し、開口部が円形である、くぼみが形成され、前記くぼみに係合するように取り付けられたレンズと、前記レンズが収納される円筒状の中空部が形成されたレンズホルダであって、前記入出射側端面に固定され、前記入出射側端面が固定される面と対向する面に半導体光素子が固定されるレンズホルダとを備え、前記入出射側端面の前記コア層と前記半導体光素子とが前記レンズを介して光学的に結合されることを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様の光導波路であって、前記レンズと、前記くぼみとの空隙に屈折率整合材が注入されていることを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第１または第２の態様の光導波路であって、前記レンズは、球形レンズであることを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第１または第２の態様の光導波路であって、前記レンズは、凸レンズであることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、光結合系のサイズが縮小されると共に、半導体光素子と光導波路との光結合率及び結合トレランスが、レンズを用いない直接結合と比較して改善される。また、マイクロレンズが光導波路と係合し一体化しているためアクティブ調芯工程の削減が可能となる。

半導体レーザ素子からの出射光の集光用の屈折レンズとを含む空間光学系の例を示す図であり、（ａ）は空間光学系の斜視透視図であり、（ｂ）は空間光学系の側面透視図を示す。本発明の一実施形態にかかる光導波路を示す斜視透視図である。図２の光導波路と半導体レーザ素子との位置関係を示す図である。図２のマイクロレンズを光導波路の入射側端面に係合させる工程を示す図であり、（ａ）は各工程における光導波路の斜視透視図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´における断面図を示す。図２のマイクロレンズを光導波路の入射側端面に係合させる工程を示す図であり、（ａ）は各工程における光導波路の斜視透視図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´における断面図を示す。図２のマイクロレンズを光導波路の入射側端面に係合させる工程を示す図であり、（ａ）は各工程における光導波路の斜視透視図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´における断面図を示す。図２のマイクロレンズを光導波路の入射側端面に係合させる工程を示す図であり、（ａ）は各工程における光導波路の斜視透視図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´における断面図を示す。図２のマイクロレンズを光導波路の入射側端面に係合させる工程を示す図であり、（ａ）は各工程における光導波路の斜視透視図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´における断面図を示す。図２のマイクロレンズを光導波路の入射側端面に係合させる工程を示す図であり、（ａ）は各工程における光導波路の斜視透視図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´における断面図を示す。図２のマイクロレンズを光導波路の入射側端面に係合させる工程を示す図であり、（ａ）は各工程における光導波路の斜視透視図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´における断面図を示す。

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。

図２は、本発明の一実施形態にかかる光導波路を示す斜視透視図である。図２の光導波路２００は、下部クラッド層２０１と、下部クラッド層２０１上に形成された上部クラッド層２０２と、上部クラッド層２０２内のコア層２０３とを備える。また、光導波路２００は、半導体レーザ素子からの光を集光するレンズ構造体であるマイクロレンズ２１１と、マイクロレンズ２１１を支持する支持層２１２と、マイクロレンズ２１１を固定するマイクロレンズホルダ２１３とを備える。

コア層２０３は、上部クラッド層２０２内を水平方向に貫通するように形成されている。光導波路２００の入射側端面、すなわちコア層２０３及び上部クラッド層２０２の端面は、コア層２０３の端面及び上部クラッド層２０２の端面のコア層２０３周辺が、上部クラッド層２０２の入射側端面から１段くぼんでいる。くぼみはマイクロレンズ係合部を形成し、マイクロレンズ２１１が浅く嵌まるように係合する。マイクロレンズ係合部の開口部は円形であり、深さはマイクロレンズ２１１を透過した光がコア層２０３内を伝搬できるように、コア層２０３の入射側端面への光の入射角が臨界角以下になるような位置に調整される。本実施形態において、マイクロレンズ２１１は、球形レンズを用いているが、少なくとも一部に球面を有するレンズであれば、球形以外のレンズ（例えば凸レンズ）でも良い。マイクロレンズホルダ２１３には、マイクロレンズ２１１が収納される円筒状の中空部が形成される。下部クラッド層２０１、上部クラッド層２０２及びコア層２０３の材料は石英ガラスである。また、コア層２０３はさらに屈折率を増大させる添加物が含まれている。

図３は、図２の光導波路２００と半導体レーザ素子との位置関係を示す図である。マイクロレンズ２１１は、半導体レーザ素子３０１の出射側端面とコア層２０３との間に配置され、マイクロレンズ２１１の中心が、コア層２０３の光の導波方向の中心線及び半導体レーザ素子３０１の光軸上に配置される。

ここで、半導体レーザ素子３０１の出射光の広がり角をθ、マイクロレンズ２１１の中心と半導体レーザ素子３０１の出射面との距離をＬ、マイクロレンズ２１１の直径をＤ、焦点距離をＦとする。本実施形態において、光導波路の構造寸法を、下部クラッド層厚３００μｍ、上部クラッド層厚１００μｍ、コア層厚１μｍ、コア層幅２μｍ、マイクロレンズ係合部の深さ７５μｍとすると、θ＝４０ｄｅｇＣ、Ｄ＝３００μｍ、Ｆ＝２２５μｍとすれば、半導体レーザ素子３０１の出射光を、光導波路２００のコア層２０３の入射側端面に結合できる。

図４〜図１０は、図２のマイクロレンズ２１１を光導波路２００の入射側端面に係合させる工程を示す図であり、図４（ａ）〜図１０（ａ）は各工程における光導波路２００の斜視透視図を示し、図４（ｂ）〜図１０（ｂ）は図４（ａ）〜図１０（ａ）のＡ−Ａ´における断面図を示す。

図４（ａ）及び（ｂ）は、マイクロレンズ２１１を係合させる前の光導波路２００の形態である。まず、下部クラッド層２０１、上部クラッド層２０２、コア層２０３及び支持層２１２から構成される光導波路の入射側端面に、レジスト膜４０１を形成する（図５（ａ）及び（ｂ））。

次に、露光工程によりレジスト膜４０１にレジストパタン４０２を形成する（図６（ａ）及び（ｂ））。レジストパタン４０２は、形状を円形とし、レジストパタン４０２の中心とコア層２０３の光の導波方向断面中心が一致するように形成される。

酸・アルカリ等の化学溶液により、ウェットエッチ工程を行い、レジストパタン４０２の部分にマイクロレンズ係合部４０３を形成する（図７（ａ）及び（ｂ））。マイクロレンズ係合部４０３の深さは、ウェットエッチ工程における化学溶液と、下部クラッド層２０１、上部クラッド層２０２、コア層２０３及び支持層２１２から構成される光導波路の端面との反応時間によって制御される。

マイクロレンズ２１１とマイクロレンズ係合部４０３との空隙を埋めるように、マイクロレンズ係合部４０３内に屈折率整合材４０４を注入し、マイクロレンズ２１１を、下部クラッド層２０１、上部クラッド層２０２、コア層２０３及び支持層２１２から構成される光導波路の端面に接合する（図８（ａ）及び（ｂ））。

下部クラッド層２０１、上部クラッド層２０２、コア層２０３及び支持層２１２から構成される光導波路の端面に、マイクロレンズホルダ２１２を接合する。この際、マイクロレンズホルダ２１３のホルダー内部に形成された中空部に、マイクロレンズホルダ２１２が収納されるように配置する。固定する際は、マイクロレンズ２１１とホルダー内部に形成された中空部内の隙間に、接着剤４０５を注入して固定する（図９（ａ）及び（ｂ））。

最後に、半導体レーザ素子３０１を適切な位置に配置する（図１０（ａ）及び（ｂ））。

なお、本実施形態において、マイクロレンズ２１１を設置するのは光導波路２００の入射側端面としているが、光導波路２００の出射側端面にマイクロレンズ２１１を設置しても良い。

１００空間光学系
１１０、３０１半導体レーザ素子
１２０屈折レンズ
１３０、２００光導波路
２０１下部クラッド層
２０２上部クラッド層
２０３コア層
２１１マイクロレンズ
２１２支持層
２１３マイクロレンズホルダ
４０１レジスト膜
４０２レジストパタン
４０３マイクロレンズ係合部
４０４屈折率整合材
４０５接着剤

Claims

クラッド層と、前記クラッド層の内部に延びるコア層とを備える光導波路であって、
光の入出射側端面に、前記コア層の光の導波方向と垂直の断面において、前記コア層の中心と一致する中心を有し、開口部が円形である、くぼみが形成され、
前記くぼみに係合するように取り付けられたレンズと、
前記レンズが収納される円筒状の中空部が形成されたレンズホルダであって、前記入出射側端面に固定され、前記入出射側端面が固定される面と対向する面に半導体光素子が固定されるレンズホルダとを備え、
前記入出射側端面の前記コア層と前記半導体光素子とが前記レンズを介して光学的に結合されることを特徴とする光導波路。
前記レンズと、前記くぼみとの空隙に屈折率整合材が注入されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
前記レンズは、球形レンズ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。
前記レンズは、凸レンズ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。