JP7211235B2

JP7211235B2 - 光接続構造

Info

Publication number: JP7211235B2
Application number: JP2019076828A
Authority: JP
Inventors: 潤遠藤; 光太鹿間; 淳荒武
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2039-04-15
Also published as: JP2020173407A; US20220057580A1; US11934011B2; WO2020213410A1

Description

本発明は、光接続構造に関し、特に、入力された光のモードフィールド径を変換して出力するモードフィールド変換技術に関する。

同一基板上に光電子デバイスを一括して集積する技術として、シリコンフォトニクスと呼ばれる技術が注目されている。シリコンフォトニクスでは、シリコン（Ｓｉ）から形成されるコアと、石英（ＳｉＯ₂）から形成されるクラッドによって導波路（Ｓｉ導波路と呼ぶ）を構成している。Ｓｉ導波路の導波光を、光ファイバを介して高い結合効率で伝送するには、Ｓｉ導波路のモードフィールドと光ファイバのモードフィールドとを整合させる光接続構造が必要となる。

異なるモードフィールドを有する光導波路間を結合する従来の光接続構造を例示する。例えば、図３に示す光接続構造３００は、導波路３１０のコア３１１の断面積を光の伝搬方向（ｚ軸）に向かって単調減少させた逆テーパ構造とし、接着層３３０を介して導波路３１０と光ファイバ３２０とを光学的に結合させる（特許文献１参照）。

特許文献１に記載された従来の光接続構造３００では、逆テーパ構造のコア３１１の周囲にコア３１２が形成され、コア３１２内にフィールドが満たされ、モードフィールド径が変換される。一般には、複数の高次モードが変換後に混在する。また、導波路３１０の端面からの出射光に含まれる放射モードは、モードフィールドの拡大により、低減されているが、完全に抑制される訳ではない。

一方、レンズによって導波路からの出射光を集光し、ファイバに結合するレンズ光学系は、放射モードを含めて、ファイバコア内に入射させることができ、基本モードで伝搬させることも可能である。一般に、放射モードと高次モードとを完全に抑制するレンズ結合系は、レンズ高や光路長が長くなり、光接続構造の全体サイズが大きくなる傾向がある（特許文献２参照）。そのため、外径が数百μｍ以内の微小レンズによって高結合効率化とサイズ低減を図る方法が提案されている（特許文献３参照）。

微小レンズを形成する光接続構造の形態としては、Ｓｉ基板に異方性エッチング加工されたガイド溝に微小レンズを搭載する構造（特許文献４参照）や、微小レンズを導波路間の接着領域に挿入する構造が提案されている（特許文献３参照）。

特開２０１２－８３４４６号公報特開２０１０－２７８２０１号公報特開２００３－２７０４８２号公報特開２００３－２５５１９４号公報

しかしながら、微小レンズを搭載するためのガイド溝を、異方性エッチングによって基板加工する工程において、導波路に損傷を与える可能性がある。損傷を回避するために、別加工で基板に溝を形成した場合、工程数が増大し生産性が低下するという問題が生ずる。そのため、導波路間を高効率に結合するための集光機能を有する光学系を高精度に構成し、かつ、生産性の高い光接続構造を提供することが困難であった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、導波路間を高効率に結合することができ、かつ、生産性の高い光接続構造を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る光接続構造は、基板と、前記基板の一の面である上面に形成され、第１端面を有する第１導波路と、前記第１端面と向かい合う第２端面を有する第２導波路と、前記基板の前記第２導波路側の端部からさらに前記第２導波路側に延在するテラスと、前記テラスの上面に配設されて、前記第１端面と前記第２端面とを結ぶ光軸上に配置された、光を集光するレンズからなる光学素子と、前記テラスの前記第２導波路側の端面と、前記第２端面とを接着する接着層と、を備え、前記テラスの前記端面は、前記光学素子よりも前記第２導波路側に位置して前記第２導波路の前記第２端面に前記接着層を介して直接接着されている。

また、本発明に係る光接続構造において、前記第１端面と前記第２端面との間に前記光学素子を覆う、前記光学素子の屈折率よりも小さい屈折率を有する材料から形成された接続層をさらに備えていてもよい。

また、本発明に係る光接続構造において、前記テラスの前記光軸に沿った長さは、前記接続層に形成される前記光学素子を含む光学系の光路長に対応する長さであってもよい。

また、本発明に係る光接続構造において、前記テラスの表面は、前記基板の前記第１導波路が形成されている前記一の面よりも低くてもよい。

また、本発明に係る光接続構造において、前記光学素子は、光硬化性樹脂材料から構成されていてもよい。

また、本発明に係る光接続構造において、前記光学素子は複数設けられていてもよい。

本発明によれば、一の面に第１導波路が形成されている基板の第２導波路側の端部からさらに第２導波路側に延在するテラスを有し、光学素子がテラスに配設されて、光軸上に配置されているので、導波路間を高効率に結合することができ、かつ、生産性の高い光接続構造を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態係る光接続構造の断面模式図である。図２は、本発明の第２の実施の形態に係る光接続構造の断面模式図である。図３は、従来例の光接続構造の平面模式図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図１および図２を参照して詳細に説明する。各図について共通する構成要素には、同一の符号が付されている。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光接続構造１の断面模式図である。本実施の形態に係る光接続構造１は、テラス部１０１を有する導波路基板（基板）１００と、Ｓｉ導波路（第１導波路）１１０と、光ファイバ（第２導波路）１３０と、Ｓｉ導波路１１０の端面（第１端面）と光ファイバ１３０の端面（第２端面）との間に配設されたレンズ（光学素子）１４１を有する接続層１４０とを備える。
光接続構造１は、Ｓｉ導波路１１０に入力される光のモードフィールド径を変換して光ファイバ１３０に結合させる。

以下において、図１を含む各図に示すｘ、ｙ、ｚ軸は互いに直交し、鉛直方向をｙ軸、水平方向をｘ軸、光の伝搬方向、すなわち光軸に沿った方向をｚ軸とする。
また、本実施の形態では、Ｓｉ導波路１１０から光が入力されて光ファイバ１３０へ伝搬される場合について説明する。

はじめに、本実施の形態に係る光接続構造１の概要を説明する。
本実施の形態に係る光接続構造１は、Ｓｉ導波路１１０が表面に形成された導波路基板１００の光ファイバ１３０側の端部に、Ｓｉ導波路１１０の出射端面の位置よりも光ファイバ１３０側に延在するテラス部（テラス）１０１が形成されている。このテラス部１０１の表面１０２にはレンズ１４１が配設される。また、レンズ１４１は、光軸（ｚ軸）上に配置される。

テラス部１０１の光ファイバ１３０側の端面１０３は、Ｓｉ導波路１１０を伝搬する光の光軸と直交する平坦面に形成され、接着層１５０を介して光ファイバ１３０の端面と接合する。テラス部１０１の表面１０２と、Ｓｉ導波路１１０の出射端面と光ファイバ１３０の端面とで形成される空間には、レンズ１４１を覆うように充填剤１４２が充填されて、接続層１４０が形成されている。接続層１４０は、Ｓｉ導波路１１０の出射端面と向かい合う光ファイバ１３０の端面との間にあって、光接続構造１における光学系を構成する。

このように、本実施の形態に係る光接続構造１は、テラス部１０１に配設され、光軸上に配置されたレンズ１４１によってＳｉ導波路１１０からの出射光を集光し、光ファイバ１３０に結合する。

以下、本実施の形態に係る光接続構造１の各構成要素について説明する。
導波路基板１００は、板状に形成されている。導波路基板１００は、Ｓｉ材料によって形成される。導波路基板１００の表面の一部（一の面）には、Ｓｉ導波路１１０が形成されている。また導波路基板１００の裏面は平坦に形成されている。

テラス部１０１は、導波路基板１００の光ファイバ１３０側の端部に形成され、Ｓｉ導波路１１０の端面と光ファイバ１３０の端面とを結んだ光軸方向のＳｉ導波路１１０の端面の位置よりも光ファイバ１３０側に延在している。テラス部１０１の表面１０２は、Ｓｉ導波路１１０が形成されている面よりも低い位置となるように形成されている。すなわち、テラス部１０１の厚さ（ｙ軸）は、Ｓｉ導波路１１０が形成されている領域における導波路基板１００の厚さよりも薄い。テラス部１０１の光ファイバ１３０側の端面１０３は光軸に直交する平坦な面を有し、接着層１５０を介して光ファイバ１３０と接続する。

テラス部１０１は、例えば、Ｓｉ導波路１１０の光軸（ｚ軸）と光軸に直交するｘ軸と（ｘｚ平面）に平行な平坦面に形成された表面１０２を有する。テラス部１０１の表面１０２にはレンズ１４１が配設されている。テラス部１０１の光軸方向の長さは、後述するレンズ１４１を含む接続層１４０に形成された光学系の構成に応じた長さとすることができる。

導波路基板１００のテラス部１０１は、公知の半導体製造プロセスによって形成することができる。さらに、導波路基板１００、Ｓｉ導波路１１０、および後述するブロック１２０の光ファイバ１３０側の端面を、例えば、切削加工することによって光軸（ｚ軸）に直交する平坦な面に形成し、テラス部１０１を形成してもよい。また、切削されたテラス部１０１の表面１０２および端面１０３を研磨してもよい。

Ｓｉ導波路１１０は、コア１１１と、コア１１１を覆う下部クラッド１１２および上部クラッド１１３とを備える。Ｓｉ導波路１１０は、光接続構造１における光の入射側の導波路基板１００の表面の領域に配設されている。すなわち、Ｓｉ導波路１１０は、導波路基板１００の一部の表面の領域に形成される。図１に示すように、例えば、コア１１１、下部クラッド１１２、および上部クラッド１１３は、光ファイバ１３０に向かって、一定の形状となるように形成してもよい。Ｓｉ導波路１１０の光の出射側の端面は、光軸に直交する平坦面を有する。

コア１１１は、Ｓｉを材料として形成することができる。下部クラッド１１２および上部クラッド１１３は、ＳｉＯ₂を材料として形成することができる。

Ｓｉ導波路１１０の上部クラッド１１３の表面に、光接続構造１の高さを調整するダミーブロックとしてブロック１２０が設けられる。ブロック１２０は、光軸に沿った長さがＳｉ導波路１１０の光軸に沿った長さと一致する。また、ブロック１２０の厚さ（ｙ軸）は、導波路基板１００およびＳｉ導波路１１０を含む導波路のｙ軸方向の高さが所望の高さ、例えば、光ファイバ１３０のｙ軸方向の高さと一致する厚さに形成される。ブロック１２０は、石英系材料または樹脂材料から形成される。ブロック１２０の熱膨張係数は、Ｓｉ導波路１１０の上部クラッド１１３の熱膨張係数と近い値の材料を用いてもよい。

光ファイバ１３０は、コア１３１と、コア１３１を覆って形成されるクラッド１３２とを備える。光ファイバ１３０には、例えば、石英系材料が用いられるが、石英系材料だけでなく、他の無機材料、または有機材料（例えば、ポリマー）によって形成されてもよい。

コア１３１は、光ファイバ１３０の中心部に設けられ、Ｓｉ導波路１１０によってモードフィールドが変換された光を伝搬する。なお、コア１３１は、円形断面を有する場合に限られず、例えば、平面光波回路のように矩形状であってもよい。クラッド１３２は、コア１３１の外周面を覆うように形成されている。

接続層１４０は、導波路基板１００の端部に形成されたテラス部１０１の表面の、Ｓｉ導波路１１０の端面と光ファイバ１３０の端面との間に形成されている。接続層１４０は、光接続構造１における光学系を構成する。

レンズ１４１は、テラス部１０１の表面１０２に配設され、光軸上に配置される。レンズ１４１は、Ｓｉ導波路１１０を伝搬する光フィールドの光路を制御する。Ｓｉ導波路１１０のコア１１１の端部を伝搬する光は、レンズ１４１で集光されて光ファイバ１３０に結合する。

レンズ１４１は、例えば、両凸球面レンズ構造、または非球面レンズ構造を有する。また、レンズ１４１は、例えば、テラス部１０１の表面１０２に立設された支持部１４１ａによって支持される。レンズ１４１において、光の集光に寄与する部分の高さｌ３（以下、レンズ高ｌ３という。）は、例えば約１００μｍとすることができる。図１に示すように、レンズ１４１の主点ｐ１、ｐ１’は、光軸に一致するように支持部１４１ａの高さが調整されて配置される。

接続層１４０に形成される光学系の光路長は、図１に示すように、Ｓｉ導波路１１０の出射端面から主点ｐ１までの距離である物体距離ｌ１、光ファイバ１３０側の主点ｐ１’から像までの距離である像距離ｌ２、およびレンズ１４１の主点ｐ１、ｐ１’間の距離の和で表される。

本実施の形態では、Ｓｉ導波路１１０の出射端面と光ファイバ１３０の端面との距離は、上記光路長に概ね等しく、例えば数百μｍとすることができる。また、テラス部１０１の光軸に沿った長さについても、同様の長さとすることができる。これにより、レンズ１４１を光軸に沿ったＳｉ導波路１１０の端面と光ファイバ１３０の端面との間における正確な位置に形成することができる。

レンズ１４１は、例えば、光硬化性樹脂材料から形成される。具体的には、シート状の板にレンズ面を形成することができる。この場合、支持部１４１ａは、シート状の板の一部によって構成される。また、支持部１４１ａとレンズ１４１を一体的に形成してもよい。また、レンズ１４１をテラス部１０１と一体的に形成してもよい。レンズ１４１の材料として用いられる光硬化性樹脂の熱膨張係数は、導波路基板１００の熱膨張係数と近い材料を用いることができる。

充填剤１４２は、レンズ１４１を覆うように接続層１４０に充填される。充填剤１４２は、レンズ１４１の屈折率より小さい屈折率を有し、例えば、樹脂材料を用いることができる。また、空気を充填剤１４２として用いてもよい。あるいは、不揮発性ガスを充填剤１４２として用いてもよい。充填剤１４２として樹脂接着剤などが用いられた場合であっても、上述したブロック１２０の端面が壁となり、充填剤１４２が流出することが防止される。充填剤１４２を用いることにより、Ｓｉ導波路１１０の出射端面と、微小なレンズ１４１と、光ファイバ１３０の端面との間の反射率を低減することができる。

上記の構成を有する接続層１４０は、Ｓｉ導波路１１０のコア１１１の端面から出射する光を集光し、その光のモードフィールドを変換する。レンズ１４１によってＳｉ導波路１１０を伝搬する光のモードフィールドは、光ファイバ１３０の固有モードと高効率に結合することができる。

接着層１５０は、導波路基板１００の光ファイバ１３０側の端面である、テラス部１０１の端面１０３と光ファイバ１３０の端面とを接着する。接着層１５０は、例えば、エポキシ系やアクリル系の材料を用いることができる。

以上説明したように、第１の実施の形態に係る光接続構造１によれば、導波路基板１００の光ファイバ１３０側の端部に、Ｓｉ導波路１１０の出射端面の位置よりも光ファイバ１３０側に延在したテラス部１０１が形成される。テラス部１０１の表面１０２にレンズ１４１が配設されて、レンズ１４１は光軸上に配置される。そのため、レンズ１４１をＳｉ導波路１１０の出射端面と光ファイバ１３０の端面との間の光軸上の正確な位置に配置することができる。

その結果として、集光機能を有する微小なレンズ１４１を高精度に構成し、Ｓｉ導波路１１０と光ファイバ１３０との導波路間を高効率に結合することができる。

また、Ｓｉ導波路１１０の製造過程で形成される導波路基板１００の段差面をテラス部１０１として利用することも可能であり、より簡易かつ確実にレンズ１４１を形成することができる。さらに、レンズ１４１を導波路基板１００と一体形成工程で構成することもできるので、より生産性の高い光接続構造１を提供することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、上述した第１の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１の実施の形態では、接続層１４０に１つのレンズ１４１を備える場合について説明した。これに対し、第２の実施の形態は、複数のレンズ１４１、１４３が設けられる。以下、第１の実施の形態と異なる構成を中心に説明する。

図２は、第２の実施の形態に係る光接続構造１の断面模式図である。本実施の形態に係る光接続構造１は、第１の実施の形態と同様に、テラス部１０１を有する導波路基板１００、Ｓｉ導波路１１０、ブロック１２０、光ファイバ１３０、接続層１４０、および接着層１５０を備える。

接続層１４０は、複数のレンズ１４１、１４３を備える。
レンズ１４１、１４３は、光軸に沿って互いに離間してテラス部１０１の表面１０２に配設されている。レンズ１４１、１４３は、それぞれ支持部１４１ａ、１４３ａに支持されて光軸上に設けられる。レンズ１４１、１４３としては、両凸球面レンズ、または非球面レンズを用いることができる。

複数のレンズ１４１、１４３を含む接続層１４０に形成される光学系の構成に基づいて、Ｓｉ導波路１１０の端面と、光ファイバ１３０の端面との距離を定めることができる。より詳細には、複数のレンズ１４１、１４３および充填剤１４２を含む光学系の光路長は、物体距離ｌ１と、像距離ｌ２と、レンズ１４１の主点ｐ１’とレンズ１４３の主点ｐ２間の距離との和で表される。Ｓｉ導波路１１０の出射端面と光ファイバ１３０の端面との距離はこの光学系の光路長と概ね等しい距離とすることができる。

ここで、物体距離ｌ１は、図２に示すように、レンズ１４１のＳｉ導波路１１０側の主点ｐ１とＳｉ導波路１１０の出射端面との距離である。また、像距離ｌ２は、レンズ１４３の光ファイバ１３０側の主点ｐ２’と光ファイバ１３０の端面との距離である。Ｓｉ導波路１１０の出射端面と光ファイバ１３０の端面との距離として、例えば、数百μｍとすることができる。

テラス部１０１の光軸に沿った長さについても、Ｓｉ導波路１１０の出射端面と光ファイバ１３０の端面との距離と同様の距離を用いることができる。

また、レンズ１４１、１４３のレンズ高ｌ３、ｌ４が等しいレンズを用いることもでき、例えば、レンズ高ｌ３、ｌ４として約１００μｍを用いることができる。レンズ１４１、１４３は、例えば、光硬化性樹脂材料で形成することができる。また、接続層１４０の充填剤１４２は、レンズ１４１、１４３の屈折率よりも小さい屈折率を有する樹脂材料で形成される。充填剤１４２として空気を用いてもよい。

以上説明したように、第２の実施の形態に係る光接続構造１によれば、複数のレンズ１４１、１４３をテラス部１０１の表面１０２に光軸上に配設するので、集光機能がより高くなり、Ｓｉ導波路１１０と光ファイバ１３０との導波路間をより高効率に結合することができる。

なお、上述した実施の形態では、２つのレンズ１４１、１４３を用いる場合を例示して説明したが、レンズの数は、３つ以上であってもよい。

以上、本発明の光接続構造における実施の形態について説明したが、本発明は説明した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。

例えば、説明した実施の形態では、テラス部１０１は、導波路基板１００においてＳｉ導波路１１０が形成されている領域の厚さ（ｙ軸方向）に対して、テラス部１０１の厚さがより薄い場合を例示して説明した。しかし、テラス部１０１の厚さはＳｉ導波路１１０が形成されている領域の厚さと同じまたはより厚く形成されていてもよい。

また、テラス部１０１の厚さは、Ｓｉ導波路１１０の出射端面側から光ファイバ１３０の端面に向かって一定である場合を例示して説明した。しかし、テラス部１０１の厚さは一定である場合に限られない。例えば、Ｓｉ導波路１１０の出射端面側から徐々に光ファイバ１３０の端面に向かって薄くなるように形成されていてもよい。

なお、説明した実施の形態では、Ｓｉ導波路１１０のコア１１１、および導波路基板１００は、Ｓｉ材料によって形成される場合について説明したが、これらの材料はＳｉに限られず、例えば、化合物半導体など、その他の半導体材料、無機材料、および有機材料のいずれかによって形成されてもよい。

１…光接続構造、１００…導波路基板、１０１…テラス部、１０２…表面、１０３…端面、１１０…Ｓｉ導波路、１１１…コア、１１２…下部クラッド、１１３…上部クラッド、１２０…ブロック、１３０…光ファイバ、１３１…コア、１３２…クラッド、１４０…接続層、１４１…レンズ、１４１ａ…支持部、１４２…充填剤、１５０…接着層、ｐ１，ｐ１’…主点、ｌ１…物体距離、ｌ２…像距離、ｌ３…レンズ高。

Claims

基板と、
前記基板の一の面である上面に形成され、第１端面を有する第１導波路と、
前記第１端面と向かい合う第２端面を有する第２導波路と、
前記基板の前記第２導波路側の端部からさらに前記第２導波路側に延在するテラスと、
前記テラスの上面に配設されて、前記第１端面と前記第２端面とを結ぶ光軸上に配置された、光を集光するレンズからなる光学素子と、
前記テラスの前記第２導波路側の端面と、前記第２端面とを接着する接着層と、を備え、
前記テラスの前記端面は、前記光学素子よりも前記第２導波路側に位置して前記第２導波路の前記第２端面に前記接着層を介して直接接着されている、
光接続構造。
請求項１に記載の光接続構造において、
前記第１端面と前記第２端面との間に前記光学素子を覆う、前記光学素子の屈折率よりも小さい屈折率を有する材料から形成された接続層をさらに備える
ことを特徴とする光接続構造。
請求項２に記載の光接続構造において、
前記テラスの前記光軸に沿った長さは、前記接続層に形成される前記光学素子を含む光学系の光路長に対応する長さである
ことを特徴とする光接続構造。
請求項１から３のいずれか１項に記載の光接続構造において、
前記テラスの表面は、前記基板の前記第１導波路が形成されている前記一の面よりも低い
ことを特徴とする光接続構造。
請求項１から４のいずれか１項に記載の光接続構造において、
前記光学素子は、光硬化性樹脂材料から構成されている
ことを特徴とする光接続構造。
請求項１から５のいずれか１項に記載の光接続構造において、
前記光学素子は複数設けられている
ことを特徴とする光接続構造。