WO2014199831A1 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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    • G02B6/4215—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms the intermediate optical elements being wavelength selective optical elements, e.g. variable wavelength optical modules or wavelength lockers

Definitions

  • the present invention relates to an optical path changing element, an optical path changing element connection structure, a light source device, and an optical mounting device.
  • AOC Active Optical Optical Cable
  • Patent Documents 1 to 6 In order to realize three-dimensional optical mounting, a technique for bending light at 90 degrees and optically connecting optical components is required. Regarding this, there are conventional techniques shown in Patent Documents 1 to 6.
  • Patent Documents 1 to 3 disclose a technique (reflection element) using a polymer waveguide and having a function of converting an optical path by 90 degrees.
  • Patent Document 1 a polymer optical waveguide module having a light emitting element, a lower clad, a core, and an upper clad, having an optical path conversion mirror surface at one end thereof, and a light receiving element for monitoring light from the light emitting element Is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses an optical waveguide film that does not require a microlens by processing it into a 45 ° mirror surface on the end face of the optical waveguide film and directly adhering it to a flat light emitting element such as VECSEL.
  • the core size is about 10 ⁇ m square in the case of a single mode optical waveguide, and 50 to 100 ⁇ m square in the case of a multi mode.
  • the cladding is at least 20 ⁇ m or more in order to maintain mechanical strength.
  • Patent Document 3 discloses an optical waveguide film in which a mirror is formed by forming a metal film on a 45 ° groove processed surface.
  • the cladding thickness is 5 ⁇ m or more, the cladding thickness necessary for light confinement can be secured, and when it is 500 ⁇ m ⁇ or less, the film thickness can be easily controlled uniformly.
  • the thickness of the lower cladding layer is more preferably in the range of 10 to 100 ⁇ m.
  • the core size is about 10 ⁇ m square. For this reason, a coupling loss becomes large in a butt joint.
  • the polymer waveguide has a cladding thickness of at least 5 ⁇ m, so that the beam expands and coupling loss due to mode mismatch increases. Even when the optical path is changed by bending the optical fiber, it is difficult to fix the optical component because the outer peripheral portion is curved.
  • the conditions for total reflection at the interface with air are satisfied, but the refractive index is as low as about 1.5.
  • the rate difference is reversed and the total reflection condition may not be satisfied, and the reflectivity varies greatly.
  • a material with a lower refractive index is required for coating, but it is difficult to select an appropriate material because the SiO2 film cannot be used.
  • An object of the present invention is an optical path changing element for changing an optical path of light oscillated from a light source and making it incident on an optical waveguide element, which can increase and stabilize the coupling efficiency of light from the light source to the optical waveguide element
  • An optical path changing element is provided.
  • the present invention is an optical path changing element that changes the propagation direction of light, Support substrate, A thin layer made of an optical crystal and formed on the support substrate, the first layer having a first main surface on the support substrate side and a second main surface on the opposite side of the support substrate; And a ridge-type optical waveguide defined by at least a pair of ridge grooves formed in a thin layer, the ridge-type optical waveguide having a light incident surface and a reflective surface that reflects light propagating through the ridge-type optical waveguide With The light reflected by the reflecting surface is emitted from the second main surface side through the thin layer.
  • the present invention is a connection structure between the optical path changing element and an optical waveguide element having a channel type optical waveguide, The exit surface of the optical path changing element and the channel type optical waveguide are butt-jointed.
  • the present invention relates to a light source device comprising a light source that oscillates light and the optical path changing element.
  • the optical mounting device is A mounting substrate having a top surface, a bottom surface and a side surface between the top surface and the bottom surface;
  • the optical path changing element fixed to the upper surface of the mounting substrate, It is fixed to the upper surface of the mounting board, and includes a light source that oscillates light, and an optical waveguide element that is fixed to the side surface of the mounting board and has another channel-type optical waveguide
  • the exit surface of the optical path changing element and the channel type optical waveguide are butt-jointed.
  • the coupling efficiency of light from the light source to the optical waveguide element can be increased and stabilized.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing an optical mounting device 1.
  • FIG. It is a schematic diagram which shows the coupling
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a coupling state of a light source 3, an optical path changing element 4 and an optical waveguide element 10.
  • FIG. 3 is a perspective view of an optical path changing element 4.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an optical path changing element 4.
  • FIG. It is a cross-sectional view schematically showing the optical path changing element 4A. It is a perspective view which shows typically other optical mounting devices 1A.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a coupling state of a light source 3, an optical path changing element 4B, and an optical waveguide element 10.
  • FIG. It is a perspective view of the optical path changing element 4B.
  • the optical path changing element of an Example it is a graph which shows the relationship between the angle of a reflective surface, and the reflectance of s polarization
  • the mounting substrate 2 has an upper surface 2a, a bottom surface 2d, and side surfaces 2b and 2c.
  • the upper surface 2a and one side surface 2b are used for mounting.
  • the light source 3 is fixed to the upper surface 2 a of the mounting substrate 2. For example, as shown in FIGS. 2 and 3, light is emitted as indicated by an arrow A from the active layer 3 a of the light source 3.
  • the optical path changing element 4 is fixed to the upper surface 2 a of the mounting substrate 2.
  • the support substrate 5 and the thin layer 6 are joined and integrated with each other.
  • a pair of ridge grooves 7 are formed on the first main surface 6 a on the support substrate side of the thin layer 6, and a ridge-type optical waveguide 8 is formed between the ridge grooves 7.
  • the lower buffer layer 21 is formed on the main surface 6 a of the thin layer 6, and is bonded to the support substrate 5 via the adhesive layer 22.
  • the second main surface 6b opposite to the support substrate 5 of the thin layer 6 is flat, and the buffer layer 20 is formed on the main surface 6b side.
  • the buffer layer 20 itself may function as an antireflection film for the emitted light, or an antireflection film may be provided on the buffer layer 20.
  • the incident surface 4 a of the optical path changing element 4 is flat, and is substantially perpendicular to the top and bottom surfaces of the optical path changing element 4.
  • the exit surface 4b of the optical path changing element 4 is inclined at an angle ⁇ with respect to the bottom surface.
  • the light oscillated from the light source enters the incident surface 8a of the channel-type optical waveguide 8, propagates in the optical waveguide 8 as indicated by arrow B, and is then reflected by the reflecting surface 8b facing the exit surface of the optical path changing element. . Then, the light propagates through the thin layer 6 as indicated by an arrow C, and is emitted as indicated by an arrow C from the emission surface 4c on the bottom side.
  • a Bragg grating 9 is formed in the optical waveguide 8. It is preferable to provide a propagation part without a diffraction grating between the incident surface 8 a of the optical waveguide 8 and the Bragg grating 9. Further, it is preferable to provide a non-reflective layer on the incident surface side 8a and the output surface side 4c of the optical waveguide.
  • the Bragg grating and the light source constitute an external resonator and stabilize the wavelength of the oscillating laser beam. This makes it possible to provide a stable laser light source with a changed optical path.
  • the optical waveguide element 10 is fixed on the side surface 2 b of the mounting substrate 2, and the channel type optical waveguide 11 is formed in the optical waveguide element 10.
  • the incident surface 10a of the optical waveguide element 10 faces the bottom surface of the optical path changing element 4, and the output surface 10b of the optical waveguide element 10 is provided on the opposite side.
  • the exit surface 4 c of the optical path changing element 4 is butt-jointed with the channel type optical waveguide 11 of the optical waveguide element 10, and a gap with a dimension G is provided therebetween.
  • a butt joint refers to a joint structure in which end faces of optical waveguides having different refractive index distributions are brought into contact with each other in the optical axis direction.
  • there is no optical waveguide opening on the emission surface 4c but the light reflected by the reflection surface 8b propagates and emits a thin layer for a short distance while maintaining the beam shape, so the shape of the light beam is For this reason, a butt joint is established.
  • the light propagating in the channel type optical waveguide (ridge optical waveguide) defined by the ridge groove in the thin layer provided on the support substrate is converted into the thin layer end face. And is emitted from the bottom side of the thin layer.
  • the ridge-type channel optical waveguide formed in the thin layer can strengthen the confinement and there is no scattering on the surface of the optical waveguide. It is possible to prevent a decrease in the coupling efficiency due to scattering of.
  • the light emitted from the bottom surface of the optical path changing element can be coupled to a separate optical waveguide element by the butt joint method, high coupling efficiency can be realized with a small number of parts without requiring a lens. .
  • the polarization of the light source can be maintained, and it can be coupled to the optical waveguide element while maintaining high polarization crosstalk.
  • the Bragg grating 9 may be formed on the first main surface 6a side where the ridge groove of the thin layer 6 is provided, or may be formed on the flat second main surface 6b.
  • the Bragg grating is preferably formed on the flat second main surface side (in this example, the side opposite to the support substrate 5). That is, by forming the ridge groove 7 and the Bragg grating 9 on the main surface on the opposite side of the thin layer, variation in the shapes of the Bragg grating and the ridge groove can be further reduced.
  • the thin layer 6 is provided on the support substrate 5.
  • a pair of ridge grooves 7 are formed on the second main surface 6 b side of the thin layer 6, and a ridge type optical waveguide 8 is formed between the ridge grooves 7.
  • the lower buffer layer 21 is formed on the first main surface 6 a of the thin layer 6 on the support substrate side, and is bonded to the support substrate 5 via the adhesive layer 22.
  • an upper buffer layer 20 is formed on the second main surface 6b of the thin layer 6 having the ridge groove.
  • the upper buffer layer may function as an antireflection film for the emitted light, or an antireflection film may be formed on the upper buffer layer.
  • the Bragg grating 9 may be formed on the second main surface 6b side where the ridge groove of the thin layer 6 is provided, or may be formed on the flat first main surface 6a.
  • the Bragg grating is preferably formed on the flat first main surface side (the support substrate 5 side in this example). That is, by forming the ridge groove 7 and the Bragg grating 9 on the opposite surface of the thin layer, the shape variation of the Bragg grating and the ridge groove can be further reduced.
  • the air layer can directly contact the grating.
  • the difference in refractive index can be increased without the presence of a grating groove, and the reflectance can be increased with a short grating length.
  • the non-reflective film is formed only on the optical path portion of the emitted light.
  • an antireflection film (AR coating) on the incident surface 8a of the optical waveguide. Further, it is preferable that an antireflective film (AR coating) is also formed on the exit surface 6b side.
  • the buffer layer substantially functions as a clad for the optical waveguide, and may function as a non-reflective film for the emitted light.
  • the non-reflective film for the emitted light may be formed by being formed on the buffer layer on the emission surface 6b side.
  • the buffer layer is preferably 5 ⁇ m or less from the viewpoint that the spot size of the reflected light does not expand. From this viewpoint, the optical path may not have a buffer layer.
  • the mounting device 1A shown in FIGS. 7 to 10 is similar to the device shown in FIGS. 1 to 6, except that no Bragg grating is formed in the ridge type optical waveguide of the optical path changing element.
  • the mounting substrate 2 has an upper surface 2a, a bottom surface 2d, and side surfaces 2b and 2c.
  • a light source 3 is fixed to the upper surface 2 a of the mounting substrate 2. For example, as shown in FIGS. 8 and 9, light is emitted as indicated by an arrow A from the active layer 3 a of the light source 3.
  • the optical path changing element 4B is fixed to the upper surface 2a of the mounting substrate 2.
  • the support substrate 5 and the thin layer 6 are joined and integrated with each other.
  • a pair of ridge grooves 7 are formed in the thin layer, and a ridge-type optical waveguide 8 is formed between the ridge grooves 7.
  • the structure of the cross section of the optical path changing element may be as shown in FIG. 5 or as shown in FIG.
  • the incident surface 4a of the optical path changing element 4B is flat, and is substantially perpendicular to the top and bottom surfaces of the optical path changing element 4B.
  • the exit surface 4b of the optical path changing element 4B is inclined at an angle ⁇ with respect to the bottom surface.
  • the light oscillated from the light source enters the incident surface 8a of the channel-type optical waveguide 8, propagates in the optical waveguide 8 as indicated by arrow B, and is then reflected by the reflecting surface 8b facing the exit surface of the optical path changing element. . Then, the light propagates through the thin layer 6 as indicated by an arrow C, and is emitted as indicated by an arrow C from the emission surface 4c on the bottom side.
  • the optical waveguide device 10 is fixed on the side surface 2 b of the mounting substrate 2, and the channel type optical waveguide 1 is formed in the optical waveguide device 10.
  • the incident surface 10a of the optical waveguide element 10 is opposed to the bottom surface of the optical path changing element 4B, and the output surface 10b of the optical waveguide element 10 is provided on the opposite side.
  • the exit surface 4c of the optical path changing element 4B is butt-jointed with the channel-type optical waveguide 11 of the optical waveguide element 10, and a gap with a dimension G is provided therebetween. .
  • the thickness of the thin layer is preferably 8 ⁇ m or less, more preferably 5 ⁇ m or less, from the viewpoint of the coupling efficiency of the optical waveguide element to the channel type optical waveguide.
  • the thickness of the thin layer is preferably 0.5 ⁇ m or more because it reduces the propagation loss of the optical waveguide.
  • the optical crystal forming the thin layer preferably has a refractive index of 1.9 or more, and more preferably has a refractive index of 1.95 or more, from the viewpoint of tolerance of reflectance.
  • the optical crystal forming the thin layer are gallium arsenide, lithium niobate single crystal, tantalum oxide, zinc oxide, and alumina oxide. Further, by making the optical crystal birefringent, the polarization plane of the laser light can be maintained. Further, the thin layer can be formed by bonding by bonding, but can also be formed by sputtering, vapor deposition, or film formation by CVD on a support substrate.
  • one or more metal elements selected from the group consisting of magnesium (Mg), zinc (Zn), scandium (Sc), and indium (In) are used to further improve the optical damage resistance of the optical waveguide.
  • magnesium is particularly preferable.
  • the crystal can contain a rare earth element as a doping component.
  • the rare earth element Nd, Er, Tm, Ho, Dy, and Pr are particularly preferable.
  • the buffer layer may have a multilayer structure of metal films such as Ti, Pt, Ni, and Cr.
  • a ridge-type optical waveguide is obtained by physically processing and molding an optical crystal by, for example, machining or laser processing.
  • a laser with a highly reliable GaAs-based or InP-based material is suitable.
  • a GaAs laser that oscillates near a wavelength of 1064 nm is used. Since GaAs-based and InP-based lasers have high reliability, a light source such as a one-dimensionally arranged laser array can be realized. It may be a super luminescence diode or a semiconductor optical amplifier (SOA).
  • SOA semiconductor optical amplifier
  • the material and wavelength of the active layer can be selected as appropriate.
  • the Bragg grating can be formed by physical or chemical etching as follows.
  • a metal film such as Ni or Ti is formed on a high refractive index substrate, and windows are periodically formed by photolithography to form an etching mask. Thereafter, periodic grating grooves are formed by a dry etching apparatus such as reactive ion etching. Finally, it can be formed by removing the metal mask.
  • the material of the adhesive layer may be an inorganic adhesive, an organic adhesive, or a combination of an inorganic adhesive and an organic adhesive.
  • the specific material of the support substrate is not particularly limited, and examples thereof include glass such as lithium niobate, lithium tantalate, and quartz glass, quartz, and Si.
  • the reflectance of the non-reflective layer must be less than or equal to the grating reflectivity.
  • a film laminated with an oxide such as silicon dioxide or tantalum pentoxide, or metal is also used. Is possible.
  • each end face of the light source, the optical path changing element, and the optical waveguide element may be cut obliquely in order to suppress end face reflection.
  • the thin layer and the support substrate are bonded and fixed in the above example, but may be directly bonded.
  • the angle ⁇ with respect to the bottom surface of the reflecting surface is usually 45 °, so that the light is bent at a right angle.
  • ⁇ can be selected from 42 to 48 °, for example.
  • the processing method for providing an angle to the reflection surface of the ridge-type optical waveguide may be polishing or processing by dicing or a micro grinder.
  • the configuration of the optical waveguide element is not particularly limited as long as the channel type optical waveguide is formed.
  • the optical waveguide element may be a monolithic substrate, for example, but preferably includes a support substrate and a thin layer made of an optical crystal bonded on the support substrate, and a channel-type optical waveguide is included in the thin layer. Is formed.
  • the channel type optical waveguide is preferably a ridge type optical waveguide, but may be a diffusion type optical waveguide.
  • the size G of the gap between the exit surface of the optical path changing element and the entrance surface of the channel type optical waveguide of the optical waveguide element is preferably 1 ⁇ m or more, and preferably 9 ⁇ m or less, depending on the design.
  • Example A The devices shown in FIGS. 1 to 4 and FIG. 5 were produced. Specifically, in order to form a y-axis propagating optical waveguide in a z-plate MgO-doped lithium niobate crystal, an excimer laser was used to form a groove with a width Wm of 3 ⁇ m and a Tr of 1 ⁇ m to form an optical waveguide. Further, an SiO2 film was formed to a thickness of 0.5 [mu] m by a sputtering apparatus, and the optical waveguide forming surface was bonded using a black LN substrate as a support substrate.
  • the black LN substrate side was attached to a polishing surface plate, and the back surface of the LN substrate on which the optical waveguide was formed was precisely polished to a thickness Ts of 2 ⁇ m. Then, it was removed from the surface plate, and an AR coating was formed on the entire polished surface.
  • the chip was cut so that the element size was 1 mm wide and 3 mm long.
  • the reflectance was 100% for both p-polarized light (TM wave) and s-polarized light (TE wave) when measured with a semiconductor laser having a wavelength of 800 nm. Moreover, the polarization crosstalk was 20 dB or more, and no deterioration due to reflection was observed.
  • a module shown in FIGS. 1 to 4 was manufactured by optically aligning an 800 nm wavelength semiconductor laser and a spot size 3 ⁇ 2 ⁇ m optical waveguide element.
  • An optical waveguide element was disposed directly under the mirror, and the gap G with the reflection waveguide was 3 ⁇ m. As a result of measuring the coupling efficiency after mounting, it was about 80%.
  • the coupling efficiency is about 80%. Therefore, it was confirmed that the present invention can be combined with an excess loss of 5% or less.
  • the coupling efficiency was measured by changing the gap G with the optical waveguide directly under the mirror.
  • Table 1 shows the loss fluctuation when the temperature is changed from -20 ° C to 70 ° C after mounting.
  • a butt joint can be achieved with high coupling efficiency over a wide gap range.
  • Example B In Example A, as shown in FIG. 6, the flat main surface 6a side without a thin ridge groove was used as the bonding surface. Other than this, an optical path changing element and an optical mounting device were produced in the same manner as in Example A, and evaluated in the same manner as in Example A. The results are shown in Table 2.
  • Example A a ridge waveguide was not formed. Instead, a channel type optical waveguide was formed by a titanium diffusion method. The channel type optical waveguide side was used as the bonding surface. Other than this, an optical path changing element and an optical mounting device were produced in the same manner as in Example A, and evaluated in the same manner as in Example A.
  • the gap G of the butt joint was 3 ⁇ m. As a result, the coupling efficiency was 50%, and the temperature fluctuation was 1 dB. Since the diffusion waveguide has a small difference in refractive index, the light confinement effect is weak, and it is difficult to reduce the spot size.

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Abstract

光路変更素子４は、支持基板５、光学結晶からなり、前記支持基板上に形成された薄層６であって、前記支持基板側の第一の主面６ａと、前記支持基板とは反対側の第二の主面６ｂとを有する薄層、および薄層６に形成されている少なくとも一対のリッジ溝７によって区画されるリッジ型光導波路８であって、光の入射面８ａおよび光導波路８を伝搬してきた光を反射する反射面８ｂを有するリッジ型光導波路を備える。反射面で反射された光を薄層を通して表面から出射させる。

Description

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
　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。
特開2006-011210 特開2006-017885 特開2012-150242 特開平04-24610 特開平05-34526 特願2008-276657
　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、光の伝搬方向を変更する光路変更素子であって、
　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薄層、および
　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、光の入射面および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を備えており、
　反射面で反射された光を薄層を通して前記第二の主面側から出射させることを特徴とする。
　また、本発明は、前記光路変更素子と、チャンネル型光導波路を有する光導波路素子との接続構造であって、
　光路変更素子の出射面とチャンネル型光導波路とがバットジョイントされていることを特徴とする。
　また、本発明は、光を発振する光源、および前記光路変更素子を備えていることを特徴とする、光源デバイスに係るものである。
　また、本発明に係る光実装デバイスは、
　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、
　実装基板の上面に固定されている、前記光路変更素子、
　実装基板の上面に固定されており、光を発振する光源、および
　実装基板の側面に固定されており、他のチャンネル型光導波路を有する光導波路素子を備えており、
　光路変更素子の出射面とチャンネル型光導波路とがバットジョイントされていることを特徴とする。
　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。
光実装デバイス１を模式的に示す斜視図である。 光源３および光路変更素子４の結合状態を示す模式図である。 光源３、光路変更素子４および光導波路素子１０の結合状態を示す模式図である。 光路変更素子４の斜視図である。 光路変更素子４を模式的に示す横断面図である。 光路変更素子４Ａを模式的に示す横断面図である。 他の光実装デバイス１Ａを模式的に示す斜視図である。 光源３および光路変更素子４Ｂの結合状態を示す模式図である。 光源３、光路変更素子４Ｂおよび光導波路素子１０の結合状態を示す模式図である。 光路変更素子４Ｂの斜視図である。 実施例の光路変更素子において、反射面の角度とｓ偏光およびｐ偏向の反射率との関係を示すグラフである。
　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以下が好ましく、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以上が好ましい。
　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。
　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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
 
　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。
（実施例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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  
 
（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。

Claims (8)

  1. 　光の伝搬方向を変更する光路変更素子であって、
    　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薄層、および
    　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を備えており、
    　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第二の主面側から出射させることを特徴とする、光路変更素子。
  2. 　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記載の素子。
  3. 　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記載の素子。
  4. 　前記リッジ型光導波路にブラッググレーティングが形成されており、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することを特徴とする、請求項１～３のいずれか一つの請求項に記載の素子。
  5. 　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いることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一つの請求項に記載の素子。
  6. 　請求項１～５のいずれか一つの請求項に記載の光路変更素子と、チャンネル型光導波路を有する光導波路素子との接続構造であって、
    　前記光路変更素子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いることを特徴とする、接続構造。
  7. 　前記光を発振する光源、および請求項１～５のいずれか一つの請求項に記載の光路変更素子を備えていることを特徴とする、光源デバイス。
  8. 　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、請求項１～５のいずれか一つの請求項に記載の光路変更素子、
    　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おり、
    　前記光路変更素子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いることを特徴とする、光実装デバイス。
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