JP6649843B2 - 光回路 - Google Patents
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Description
本発明は、光ファイバとの接続を有するＳｉフォトニクス光波回路を含む光回路に関する。
現在、Ｓｉフォトニクス素子を用いた光モジュール、例えば、光変調器、光受信機、両者を組み合わせたコヒーレント光サブアッセンブリ（ＣＯＳＡ）等の開発が盛んに行われている。Ｓｉフォトニクス素子は、半導体として広く使用され、シリコン酸化膜やポリマーに比べ屈折率が非常に大きいシリコンをコア材料に用いた微小な光導波路を作製した光波回路からなる。このＳｉコアからなる光導波路は、従来ＰＬＣより比屈折率が１０倍以上高く、モードフィールド径（Ｍｏｄｅ ｆｉｅｌｄ ｄｉａｍｅｔｅｒ：ＭＦＤ）は１／１０以下でミクロンオーダの閉じ込めが強く、最小曲げ半径が小さい（〜５μｍ）。そのためＳｉフォトニクス素子自体が、従来光デバイスに比べ超小型の特徴があり、従来以上に、小型高密度な光トランシーバ等の光モジュールの実現が期待されている。
そのＳｉフォトニクス素子、小型光部品は、ＬＤモジュール等、他の光ファイバピグテールモジュールと組み合わせ用いられることが多く、個々のモジュールのみならず、各モジュールを、光ファイバ等で接続し組み合わせて実装するサブボード、あるいはそれらを収容するケース、例えばＣＦＰ２等のサイズに制約のあるケースの、全体の小型化が求められている。
Ｓｉフォトニクス素子の光導波路のＳｉコアは、ＳｉＯ2膜により形成されたコアより細く、サブミクロンオーダー角である。このような細い光導波路は、通常の光ファイバとそのまま接続すると光結合損失が大きいので、光導波路端から出射される光のモードフィールド径を拡大する必要がある。
即ち、Ｓｉフォト回路内は曲率半径５μｍ程度で集積されて機能の高密度化が進み、光ファイバや電気回路の多アレイ化が進んでいる一方で、光ファイバの曲率は例えば１５ｍｍ程度であり、Ｓｉフォトニクス光波回路を小型すると共に、外部光ファイバの取り回し部も含むモジュール群も同様に小型にする必要がある。
図１１に、従来のＳｉフォトニクス素子の典型例を示す。同一のボード１１０１に２つのパッケージモジュール１１０２、１１０５が実装されている。ここではＳｉフォトニクス光波回路１１０３は２０ｍｍ角であり、３０ｍｍ角のパッケージモジュール１１０２に実装されている。そしてＳｉフォトニクス光波回路１１０３から図右側で、固定した光ファイバ２心フェレール（８×１０ｍｍ）１１０４で固定された光ファイバアレイ１１０６と接続している。Ｓｉフォトニクス光波回路１１０３の２心の光導波路を光ファイバアレイ１１０６と接続する手段としては、レンズを介してＹＡＧ溶接で光ファイバフェルールを固定する方法や、メタルコートした光ファイバを半田固定する方法等がある。
Jaime Cardenas, "High Coupling Efficiency Etched Facet Tapers in Silicon Waveguides," IEEE Photon. Lett., Vol.26, p.2380, 2014.
ここでＳｉフォトニクス光波回路１１０３の光導波路は右側辺に垂直であり、光ファイバアレイ１１０６も右側辺に対して垂直に接続されているため、光ファイバアレイ１１０６が右側光モジュール１１０５と接触する。また、通常、放熱等でパッケージモジュール１１０２、１１０５の基板面に対して垂直方向には光ファイバを通すための空間はなく、パッケージモジュールと光ファイバとは重ねられない。そのため、光ファイバを図のようにパッケージモジュール１１０５の周囲を通すためには、光ファイバの曲率１５ｍｍも考慮して、パッケージモジュール１１０２、１１０５は一定距離離してレイアウトする必要がある。レイアウトの一例では、パッケージモジュール１１０２、１１０５間は２７ｍｍ以上の間隔を空ける必要があった。
このように、従来、Ｓｉフォトニクス光波回路を含むモジュールに光ファイバを接続する場合、モジュール間の間隙がモジュールサイズと同程度に大きく、これらモジュールを小型にレイアウトできないという課題があった。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光ファイバアレイとの接続を有する、高密度に実装可能な光回路を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明は、光回路であって、ＳｉコアおよびＳｉＯ2クラッドからなる光導波路を有するＳｉフォトニクス光波回路であって、前記光導波路は、出射端面において前記出射端面に垂直な方向に対して斜め傾け角度を有し、前記光導波路の前記出射端面における中心は、前記Ｓｉフォトニクス光波回路の前記出射端面を含む側面の中心よりも前記光導波路が傾いている方向にシフトしている、Ｓｉフォトニクス光波回路と、前記光導波路と同じ斜め傾け角度で光ファイバアレイを固定する光ファイバブロックと、を備えたことを特徴する。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の光回路において、前記Ｓｉフォトニクス光波回路の前記光導波路の出射端面は、前記Ｓｉフォトニクス光波回路の実装面に対して垂直であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光回路において、前記Ｓｉフォトニクス光波回路の前記光導波路は、複数の光導波路が平行に配置された光導波路アレイであることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光回路において、前記Ｓｉフォトニクス光波回路の前記光導波路は、前記Ｓｉコアの幅が前記出射端面に向けて細くなるテーパ部からなるスポットサイズ拡大部を含むことを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光回路において、前記斜め傾け角度は、５度以上５０度以下であることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の光回路において、前記Ｓｉフォトニクス光波回路の前記光導波路は、前記Ｓｉコアの幅が前記出射端面に向けて細くなるテーパ部の先端に幅が一定な導波路を備えることを特徴とする。
本発明では、光ファイバアレイとの接続を有する光回路を高密度に実装することが可能になる。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係る光回路の構成を示す。本実施形態では、図１１の構成と同様に、ボード１０１に２つの３０ｍｍ角のパッケージモジュール１０２、１０５が実装され、パッケージモジュール１０２に実装された２０ｍｍ角のＳｉフォトニクス光波回路１０３の光導波路と光ファイバブロック（１５×１０ｍｍ）１０４に固定された光ファイバアレイ１０６とが接続されている。また、Ｓｉフォトニクス光波回路１０３の光導波路の出射端面は、ボード１０１とパッケージモジュール１０２が接する面であるパッケージモジュール１０２の実装面、又は、パッケージモジュール１０２とＳｉフォトニクス光波回路１０３とが接するＳｉフォトニクス光波回路１０３の実装面に対して垂直である。ここで中心導波路、又は両端の光導波路間の中心の端面上の位置は、従来例との比較のため、図１１の構成と同様にパッケージモジュール１０２の出射端面にあたる右側辺の中心（上下から１５ｍｍの点）とした。
図１に、本発明の実施形態１に係る光回路の構成を示す。本実施形態では、図１１の構成と同様に、ボード１０１に２つの３０ｍｍ角のパッケージモジュール１０２、１０５が実装され、パッケージモジュール１０２に実装された２０ｍｍ角のＳｉフォトニクス光波回路１０３の光導波路と光ファイバブロック（１５×１０ｍｍ）１０４に固定された光ファイバアレイ１０６とが接続されている。また、Ｓｉフォトニクス光波回路１０３の光導波路の出射端面は、ボード１０１とパッケージモジュール１０２が接する面であるパッケージモジュール１０２の実装面、又は、パッケージモジュール１０２とＳｉフォトニクス光波回路１０３とが接するＳｉフォトニクス光波回路１０３の実装面に対して垂直である。ここで中心導波路、又は両端の光導波路間の中心の端面上の位置は、従来例との比較のため、図１１の構成と同様にパッケージモジュール１０２の出射端面にあたる右側辺の中心（上下から１５ｍｍの点）とした。
一方、本実施形態では、Ｓｉフォトニクス光波回路１０３の光導波路を右側端面に垂直な方向から、適当な角度、例えば２０度傾けている。そして、光ファイバブロック１０４も、各光ファイバをＳｉフォトニクス光波回路１０３と接続する端面に垂直な方向から２０度傾けて固定している。
後述のように、ここでＳｉフォトニクス光波回路１０３の光導波路は端面でＭＦＤを拡大し、光ファイバと同じフィールド径にしている。そのため、Ｓｉフォトニクス光波回路１０３の光導波路と光ファイバは、接続端面に垂直な方向から同一傾け角度を有し、同一直線上での接続が可能である。このようなＳｉフォトニクス光波回路１０３、光ファイバブロック１０４を用いることにより、パッケージモジュール１０２、１０５間のパッケージ間のギャップは１６ｍｍと、図１１に示す従来例の２７ｍｍに比べ大幅に低減でき、パッケージモジュール長３０ｍｍの約半分に低減することができる。
（実施形態２）
図２に、本発明の実施形態２に係る光回路の構成を示す。本実施形態では、実施形態１と同様に、シャーシ２０１に２つの３０ｍｍ角のパッケージモジュール２０２、２０５が実装され、パッケージモジュール２０２に実装された２０ｍｍ角のＳｉフォトニクス光波回路２０３の光導波路と光ファイバブロック（１５×１０ｍｍ）２０４に固定された光ファイバアレイ２０６とが接続されている。
図２に、本発明の実施形態２に係る光回路の構成を示す。本実施形態では、実施形態１と同様に、シャーシ２０１に２つの３０ｍｍ角のパッケージモジュール２０２、２０５が実装され、パッケージモジュール２０２に実装された２０ｍｍ角のＳｉフォトニクス光波回路２０３の光導波路と光ファイバブロック（１５×１０ｍｍ）２０４に固定された光ファイバアレイ２０６とが接続されている。
実施形態２では、Ｓｉフォトニクス光波回路の光導波路位置をパッケージモジュール中央付近から光導波路を傾けた側（図上側）にシフトさせることによって、実施形態１の構成よりもさらにパッケージ間のギャップを狭くしている。図２に示すように、Ｓｉフォトニクス光波回路２０３の中心導波路を、パッケージモジュール２０２の出射端面にあたる右側辺の中心から図上側に５ｍｍシフトさせ、光ファイバブロック２０４も同様に図上側に５ｍｍシフトさせた。これにより、パッケージモジュール２０２、２０５間は１６ｍｍから１１ｍｍに短縮できる。
図３に、図２の構成を２つ同一シャーシ３０１上に実装した構成を示す。このように、本発明の光回路を用いることにより、より高密度な実装が可能になる。
ここで図４（ａ）に、Ｓｉフォトニクス光波回路の光導波路と光ファイバブロックの接続部を示し、図４（ｂ）に、斜め傾け角度θに対するモジュール間隔を示す。図４（ｂ）の結果は、光導波路および光ファイバの斜め傾け角度をθ、光導波路出射位置の点線からの距離をＸとし、光ファイバの最小曲げ半径を１５ｍｍとして計算によって求めた。光ファイバが最小曲げ半径をもつのは、モジュール間ギャップを最小化するため、少なくとも、光ファイバブロックからのびて最初の２箇所の曲げである、パッケージモジュール間の曲げにおいてである。図１に示す構成はＸ＝０ｍｍ、θ＝２０度に対応し、図２に示す構成はＸ＝５ｍｍ、θ＝２０度に対応する。
ここで実際のボードや１００Ｇｂ／ｓ伝送用の光トランシーバ規格の一つである第２世代のＣＦＰ２（幅４１．５ｍｍ×長さ１０６ｍｍ×高さ１２．４ｍｍ）といったシャーシにモジュールを納めるには、１ｍｍでもボードサイズを低減するよう要請されることもある。図４（ｂ）に示す通り、パッケージモジュールの中心位置（Ｘ＝０ｍｍ）からシフトし、光導波路出射位置のシフト方向と同一方向に光導波路を傾けた場合に光モジュール間隔を低減することが可能である。さらに、５度以上に光導波路を傾けることが小型化のためにはより好適である。
一方、５０度以上、光導波路が傾いていると、接着層厚の変動等により光軸ズレにつながるリスクがある。
そのため、光導波路角度については、５度から５０度傾けることにより、光モジュール間のモジュール間隔を狭めることができ、高密度ボードを作製するのにより有利である。
図５（ａ）に、Ｓｉフォトニクス光波回路の光導波路と光ファイバブロックの接続部を示し、図５（ｂ）に、光ファイバの最小曲げ半径を５ｍｍとした場合の斜め傾け角度θに対するモジュール間隔を示す。この場合も、光ファイバが最小曲げ半径をもつは、モジュール間ギャップを最小化するため、少なくとも、光ファイバブロックからのびて最初の２箇所の曲げである、パッケージモジュール間の曲げにおいてであり、最小曲げ半径が１５ｍｍの場合と同様の効果が得られる。
＜スポットサイズ変換部＞
図６（ａ）に、Ｓｉフォトニクス光波回路の光導波路アレイの拡大図を示す。また、図６（ｂ）にＳｉフォトニクス光波回路の光導波路アレイの断面図を示す。Ｓｉ基板４０１上にＳｉコア４０２、ＳｉＯ2クラッド４０３からなる光導波路が形成されており、各光導波路幅は、５００ｎｍ、テーパ部長は１００μｍ、テーパ部の先端の幅は約１６０ｎｍである（非特許文献１参照）。このスポットサイズ変換部により、出射端面付近でＭＦＤは、５．０μｍに広がる。
図６（ａ）に、Ｓｉフォトニクス光波回路の光導波路アレイの拡大図を示す。また、図６（ｂ）にＳｉフォトニクス光波回路の光導波路アレイの断面図を示す。Ｓｉ基板４０１上にＳｉコア４０２、ＳｉＯ2クラッド４０３からなる光導波路が形成されており、各光導波路幅は、５００ｎｍ、テーパ部長は１００μｍ、テーパ部の先端の幅は約１６０ｎｍである（非特許文献１参照）。このスポットサイズ変換部により、出射端面付近でＭＦＤは、５．０μｍに広がる。
尚、このスポットサイズ変換部は、図７（ａ）のように先端にガラス（ここでは６μｍ厚ガラス）があってもよいし、研磨、あるいはダイシング等の手段で加工して図７（ｂ）のような形状でもよい。
但し、図７（ｂ）のような構造の場合、加工位置のばらつきにより、端面位置にばらつきが生じると、それに伴ってテーパ先端幅にもばらつきが生じて、出射ＭＦＤがばらつくリスクがある。そこで、図８（ａ）に示すようにテーパ先端に幅が一定な構造を設ける。このような構造では、幅が一定な構造部分において研磨等の加工をすれば、右側からの削り深さにばらつきがあっても、加工後の出射端面における光導波路の幅は一定になる。この構造では、加工位置にばらつきがあってもＭＦＤが設計値からずれない、スポットサイズ拡大が可能である。
従来のこのような形状のスポットサイズ拡大部は、空間のレンズ結合に限ったものは提案されているが、光導波路毎に調心等が必要になるため、光導波路アレイに対してこのような構造を適用するのは容易ではなく、製造コストも高くなる（非特許文献１参照）。
それに対して実施形態１に記載した、ＵＶ接着固定を用いた方法は、石英系光導波路でも数十心までの商品を製造した実績があり、低コストで高信頼である。
＜Ｓｉフォトニクス光波回路−光ファイバ、斜め導波路、反射防止効果＞
このスポットサイズ拡大の効果は、反射損失を高くして有害な反射戻り光を抑える効果もある。図９に、スポットサイズがほとんど拡大されていないＭＦＤ：１．０μｍのＳｉ光導波路と、ＭＦＤ：５．０μｍのＳｉフォトニクス光波回路の光導波路との反射損失の光導波路角度依存性を示す。図９に示す結果は、単純に、入射、反射ビームの、Ｓｉフォトニクス光波回路の光導波路と接着剤との手前界面の反射（ガウス結合）で計算し、それに垂直のフレネル反射をｄＢ加算した。
このスポットサイズ拡大の効果は、反射損失を高くして有害な反射戻り光を抑える効果もある。図９に、スポットサイズがほとんど拡大されていないＭＦＤ：１．０μｍのＳｉ光導波路と、ＭＦＤ：５．０μｍのＳｉフォトニクス光波回路の光導波路との反射損失の光導波路角度依存性を示す。図９に示す結果は、単純に、入射、反射ビームの、Ｓｉフォトニクス光波回路の光導波路と接着剤との手前界面の反射（ガウス結合）で計算し、それに垂直のフレネル反射をｄＢ加算した。
計算条件は、波長１．５５μｍ、Ｓｉフォトニクス光波回路の光導波路の出射部での等価屈折率１．４５５とした。これは反射の計算で、斜め傾き角度が５度で反射損が３０ｄＢ以上になると仮定して決めた値である。また、ＵＶ接着剤の屈折率は１．４５、Ｓｉフォト出射のＭＦＤは５．０μｍ（スポットサイズ２．５μｍ）とした。
このようにＭＦＤを拡大すると反射損が増大する。通常３０ｄＢ以上が望ましいため、導波路角度は５度以上が必要である。
このような端面の反射防止には、反射防止膜（ＡＲ膜）も用いられるが、屈折率と膜厚を厳密に制御した多層膜形成であり、コストと時間を要する。加えて、波長依存性もあるため、使用波長帯に合わせた薄膜を形成する必要がある。これに対し、本発明の斜め導波路の方法は、レンズレスで、かつアレイ一括接続が可能でありながら、低コストで波長依存性のない優れた反射防止効果を奏する。
＜Ｓｉフォトニクス光波回路−光ファイバ、ＳＳＣ拡大、損失低減効果＞
図１０に、Ｓｉフォトニクス光波回路の光導波路のスポットサイズ拡大による結合損失低減効果を示す。計算条件は、波長１．５５μｍ、Ｓｉフォトニクス光波回路の光導波路スポットサイズ２．５μｍ、光ファイバスポットサイズ４．０μｍ（ＤＳＦファイバ典型値）、Ｓｉフォトニクス光波回路−光ファイバ間の間隔は１０μｍとした。このようにスポットサイズを拡大することにより、結合損失を大幅に低減することができる。
図１０に、Ｓｉフォトニクス光波回路の光導波路のスポットサイズ拡大による結合損失低減効果を示す。計算条件は、波長１．５５μｍ、Ｓｉフォトニクス光波回路の光導波路スポットサイズ２．５μｍ、光ファイバスポットサイズ４．０μｍ（ＤＳＦファイバ典型値）、Ｓｉフォトニクス光波回路−光ファイバ間の間隔は１０μｍとした。このようにスポットサイズを拡大することにより、結合損失を大幅に低減することができる。
１０１ ボード
１０２、１０５ パッケージモジュール
１０３ Ｓｉフォトニクス光波回路
１０４ 光ファイバブロック
１０６ 光ファイバアレイ
２０１、３０１−１、３０２−２ シャーシ
２０２、２０５、３０２−１、３０２−２、３０５−１、３０５−２ パッケージモジュール
２０３、３０３−１、３０３−２ Ｓｉフォトニクス光波回路
２０４、３０４−１、３０４−２ 光ファイバブロック
２０６、３０６−１、３０６−２ 光ファイバアレイ
４０１ Ｓｉ基板
４０２ Ｓｉコア
４０３ ＳｉＯ2クラッド
１１０１ ボード
１１０２、１１０５ パッケージモジュール
１１０３ Ｓｉフォトニクス光波回路
１１０４ 光ファイバブロック
１１０６ 光ファイバアレイ
１０２、１０５ パッケージモジュール
１０３ Ｓｉフォトニクス光波回路
１０４ 光ファイバブロック
１０６ 光ファイバアレイ
２０１、３０１−１、３０２−２ シャーシ
２０２、２０５、３０２−１、３０２−２、３０５−１、３０５−２ パッケージモジュール
２０３、３０３−１、３０３−２ Ｓｉフォトニクス光波回路
２０４、３０４−１、３０４−２ 光ファイバブロック
２０６、３０６−１、３０６−２ 光ファイバアレイ
４０１ Ｓｉ基板
４０２ Ｓｉコア
４０３ ＳｉＯ2クラッド
１１０１ ボード
１１０２、１１０５ パッケージモジュール
１１０３ Ｓｉフォトニクス光波回路
１１０４ 光ファイバブロック
１１０６ 光ファイバアレイ
Claims (6)
- ＳｉコアおよびＳｉＯ2クラッドからなる光導波路を有するＳｉフォトニクス光波回路であって、前記光導波路は、出射端面において前記出射端面に垂直な方向に対して斜め傾け角度を有している、Ｓｉフォトニクス光波回路と、
前記光導波路と同じ斜め傾け角度で光ファイバアレイを固定する光ファイバブロックと、
を備え、
前記光導波路の前記出射端面における中心は、前記Ｓｉフォトニクス光波回路の前記出射端面を含む側面の中心よりも前記光導波路が傾いている方向にシフトしている光モジュールであって、
前記光ファイバアレイは、前記Ｓｉフォトニクス光波回路を搭載している前記光モジュールと、同一ボード上で前記出射端面を含む側面と対向して配置された別のモジュールとの間で、当該別のモジュールと重ならないよう曲げられていることを特徴とする光モジュール。 - 前記Ｓｉフォトニクス光波回路の前記光導波路の出射端面は、前記Ｓｉフォトニクス光波回路の実装面に対して垂直であることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
- 前記Ｓｉフォトニクス光波回路の前記光導波路は、複数の光導波路が平行に配置された光導波路アレイであることを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。
- 前記Ｓｉフォトニクス光波回路の前記光導波路は、前記Ｓｉコアの幅が前記出射端面に向けて細くなるテーパ部からなるスポットサイズ拡大部を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光モジュール。
- 前記斜め傾け角度は、５度以上５０度以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光モジュール。
- 前記Ｓｉフォトニクス光波回路の前記光導波路は、前記Ｓｉコアの幅が前記出射端面に向けて細くなるテーパ部の先端に幅が一定な導波路を備えることを特徴とする請求項４または５に記載の光モジュール。
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