WO2019171933A1 - 光導波路接続構造 - Google Patents

光導波路接続構造 Download PDF

Info

Publication number
WO2019171933A1
WO2019171933A1 PCT/JP2019/005995 JP2019005995W WO2019171933A1 WO 2019171933 A1 WO2019171933 A1 WO 2019171933A1 JP 2019005995 W JP2019005995 W JP 2019005995W WO 2019171933 A1 WO2019171933 A1 WO 2019171933A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical waveguide
core
waveguide
connection structure
optical fiber
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/005995
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
遠藤　潤
荒武　淳
Original Assignee
日本電信電話株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本電信電話株式会社 filed Critical 日本電信電話株式会社
Priority to US16/978,352 priority Critical patent/US11275212B2/en
Publication of WO2019171933A1 publication Critical patent/WO2019171933A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1228—Tapered waveguides, e.g. integrated spot-size transformers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/262—Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
    • G02B6/305—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device and having an integrated mode-size expanding section, e.g. tapered waveguide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/32—Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12035—Materials
    • G02B2006/12061—Silicon
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12083—Constructional arrangements
    • G02B2006/12102—Lens
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12166—Manufacturing methods
    • G02B2006/12195—Tapering

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide connection structure, and more particularly to a mode field conversion technique for converting a mode field diameter of input light and outputting it.
  • silicon photonics uses a waveguide having a higher refractive index difference than a conventional silica-based waveguide, the bending radius can be reduced and integration with an electronic circuit is possible.
  • silicon photonics since a semiconductor manufacturing apparatus similar to an integrated circuit is used, high productivity can be obtained. Because of these advantages, silicon photonics is actively researched and developed as an elemental technology for realizing further miniaturization and cost reduction of optical components.
  • a waveguide is constituted by a core formed of silicon (Si) and a clad formed of silicon dioxide (SiO 2 ). Since it is currently difficult to realize all optical functions with a single Si waveguide, it is essential to combine it with active components such as laser diodes (LDs) and amplifiers, passive components such as photodiodes and optical fibers, etc. Become.
  • active components such as laser diodes (LDs) and amplifiers, passive components such as photodiodes and optical fibers, etc.
  • the mode field of the Si waveguide and the mode field of the waveguide to be coupled are different from each other, in order to couple these waveguides with high efficiency, a structure in which the spot sizes are matched is necessary.
  • Patent Document 1 in an optical connection structure between an Si waveguide and an LD of a compound semiconductor, or a silica-based optical fiber, a core whose shape changes in a tapered shape along the light propagation direction is formed on the substrate.
  • a mode field converter in which a cladding layer is formed so as to surround the core is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a core having a shape in which the width dimension and the thickness dimension are monotonously reduced in an optical connection structure between a Si waveguide and a compound semiconductor LD or a silica-based optical fiber. Discloses a mode field converter having a cladding layer formed to define a thickness dimension of a core.
  • the spot size of the mode field is converted in the process of guiding the tapered core by the waveguide having the tapered core. , Improving the coupling efficiency.
  • a mode field emitted from a Si waveguide having a tapered core is suitable for coupling with an optical fiber due to a manufacturing error of the Si waveguide. It is not necessarily converted into a plane wave as designed. For this reason, the fact that the converted mode field deviates from the plane wave is one of the causes of the deterioration of the coupling efficiency between the Si waveguide and the optical fiber.
  • the present invention has been made in order to solve the above-described problems.
  • An object is to provide a waveguide connection structure.
  • an optical waveguide connection structure is an optical waveguide connection structure in which a first optical waveguide and a second optical waveguide are connected via an adhesive layer
  • the first optical waveguide includes: a first core whose cross-sectional area in a direction perpendicular to the light propagation direction decreases toward the second optical waveguide; and a first clad that covers the first core.
  • the second optical waveguide includes a second core, a second clad covering the second core, and a recess formed on an end surface facing the first optical waveguide.
  • the adhesive layer is filled in a gap between the end surface of the first optical waveguide and the end surface of the second optical waveguide and the concave portion, and the refractive index of the adhesive layer is the refractive index of the second optical waveguide.
  • the refractive index of the second core is larger than that of the second core.
  • the boundary surface between the adhesive layer and the end surface of the second optical waveguide in the recess may form a part of an arbitrary curved surface.
  • the center of curvature of the curved surface is provided closer to the first optical waveguide than the position of the end face of the first optical waveguide facing the second optical waveguide. It may be.
  • the cross-sectional area of the first optical waveguide in the direction perpendicular to the light propagation direction of the first core is the second core of the second optical waveguide. It may be smaller than the cross-sectional area in the direction perpendicular to the light propagation direction.
  • the adhesive layer is formed between the end surface of the Si waveguide and the end surface of the optical fiber in which the recess is formed, the mode field surface emitted from the Si waveguide is made closer to a plane wave.
  • the coupling efficiency between the Si waveguide and the optical fiber can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of an optical waveguide connection structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining an end face of the optical fiber according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a trihedral view showing the medium distribution of the optical waveguide connection structure according to the embodiment of the present invention.
  • Figure 4A is a diagram for explaining the E x power distribution zx plane of the optical waveguide connection structure.
  • Figure 4B is a diagram for explaining the E x power distribution in the yz plane of the optical waveguide connection structure.
  • FIG. 4C is a diagram for explaining the E y power distribution in the zx plane of the optical waveguide connection structure.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of an optical waveguide connection structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining an end face of the optical fiber according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a trihedral view showing the medium distribution of the optical waveguide connection
  • FIG. 4D is a diagram for explaining the E y power distribution in the yz plane of the optical waveguide connection structure.
  • FIG. 5A is a diagram illustrating the power distribution in the xy plane of the optical fiber.
  • FIG. 5B is a diagram for explaining the power distribution in the xy plane of the optical fiber.
  • FIG. 5C is a diagram illustrating the power distribution in the xy plane of the optical fiber.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the dependency of the coupling efficiency on the reference plane position.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between the maximum value of the coupling efficiency and the reference surface position.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the dependency of the coupling efficiency on the reference surface position.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the relationship between the maximum value of the coupling efficiency and the reference surface position.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the polarization dependence of the coupling efficiency.
  • FIG. 11 is a diagram showing a modification of the optical waveguide connection structure according to the present embodiment.
  • FIG. 12 is a schematic plan view of a conventional optical waveguide connection structure.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of an optical waveguide connection structure 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the optical waveguide connection structure 1 according to the present embodiment connects the Si waveguide (first optical waveguide) 100, the optical fiber (second optical waveguide) 120, and the Si waveguide 100 and the optical fiber 120.
  • the optical waveguide connection structure 1 converts the mode field diameter of light input to the Si waveguide 100 and couples it to the optical fiber 120.
  • the x, y, and z axes shown in each drawing including FIG. 1 are orthogonal to each other, the vertical direction is the y axis, the horizontal direction is the x axis, and the light propagation direction, that is, the direction along the optical axis is the z axis. To do. In the present embodiment, a case where light is input from the Si waveguide 100 and propagated to the optical fiber 120 will be described.
  • the optical waveguide connection structure 1 according to the present embodiment the Si waveguide 100 and the optical fiber 120 are optically connected via an adhesive layer 130 having a lens structure.
  • the adhesive layer 130B is filled between the end face of the Si waveguide 100 and the flat end face of the optical fiber 120, and no lens structure is formed.
  • the optical waveguide connection structure 1 according to the present embodiment is characterized in that it includes the adhesive layer 130 having a lens structure.
  • the Si waveguide 100 includes a core (first core) 101 and a clad (first clad) 105 covering the core 101.
  • the core 101 is formed in a tapered shape toward the optical fiber 120.
  • the core 101 has a core end portion 102 provided on the light input side, a taper portion 103, and a core end portion 104 provided on the optical fiber 120 side.
  • the tapered portion 103 is formed in a tapered shape in which a cross-sectional area in the x-axis direction perpendicular to the light propagation direction (z-axis) decreases monotonously toward the optical fiber 120.
  • the taper portion 103 is formed such that the core diameter in the x-axis direction monotonously decreases along the light propagation direction (z-axis), and the core diameter in the y-axis direction is a constant value.
  • the tapered portion 103 may be formed such that the core diameter in the y-axis direction monotonously decreases along the light propagation direction (z-axis), similarly to the core diameter in the x-axis direction.
  • the core end portions 102 and 104 extend from the end surfaces a and b perpendicular to the z-axis direction of the tapered portion 103 in opposite directions along the z-axis direction. More specifically, the core end portion 102 is continuously formed from the end surface a of the tapered portion 103 opposite to the optical fiber 120 to the end surface of the Si waveguide 100 on the light input side. The core end portion 104 is continuously formed from the end surface b on the optical fiber 120 side of the tapered portion 103 to the end surface of the Si waveguide 100 on the optical fiber 120 side.
  • one end of the core end portion 102 is optically connected to the end surface a opposite to the optical fiber 120 side of the taper portion 103. Further, one end of the core end portion 104 is optically connected to the end surface b of the taper portion 103 on the optical fiber 120 side.
  • the other end of the core end portion 104 is opposed to the fiber core (second core) 121 of the optical fiber 120 through an adhesive layer 130 described later.
  • the core end portions 102 and 104 have a constant cross-sectional shape in the x-axis direction along the light propagation direction (z-axis).
  • the core end portions 102 and 104 are formed in a rectangular parallelepiped shape.
  • the core end portions 102 and 104 are formed so as to maintain a constant shape along the z-axis direction at least in a plan view.
  • the core 101 generally has a light propagation direction (z-axis).
  • the core diameter in the x-axis direction may be tapered along the taper.
  • the cross-sectional area in the direction perpendicular to the light propagation direction (z-axis) of the core 101 is smaller than the cross-sectional area in the direction perpendicular to the light propagation direction (z-axis) of the fiber core 121 of the optical fiber 120 described later. .
  • the core 101 having the core end portions 102 and 104 and the tapered portion 103 is made of Si material.
  • the size of the core 101 is constant at 0.5 to 0.07 [ ⁇ m] in the x-axis direction and 0.2 [ ⁇ m] in the y-axis direction.
  • the refractive index of the core 101 is 3.5. Since Si is transparent to light having a wavelength of 1.3 to 1.6 [ ⁇ m], the wavelength of light input to the core 101 is 1.55 [ ⁇ m] in the present embodiment.
  • the clad 105 is formed so as to cover the core 101.
  • the clad 105 is formed from a quartz-based material.
  • the refractive index of the clad 105 is 1.44.
  • the core 101 and the clad 105 included in the Si waveguide 100 are sequentially formed on the same substrate by a known deposition technique, photolithography technique, and etching technique.
  • the optical fiber 120 is connected to the Si waveguide 100 via the adhesive layer 130.
  • the optical fiber 120 includes a fiber core 121 and a fiber clad (second clad) 122 that covers the fiber core 121.
  • a spherical recess 123 is formed on the end surface of the optical fiber 120 on the Si waveguide 100 side. Details of the recess 123 will be described later.
  • a quartz-based material is used for the optical fiber 120, but the optical fiber 120 may be formed of not only a quartz-based material but also other inorganic materials or organic materials (for example, polymers). In the present embodiment, 1.5 [ ⁇ m] is used as the cutoff wavelength of the optical fiber 120.
  • the fiber core 121 is provided at the center of the optical fiber 120 and propagates light whose mode field has been converted by the Si waveguide 100.
  • the core diameter c in the x-axis direction of the fiber core 121 is 4 [ ⁇ m] in consideration of bending loss reduction.
  • the fiber core 121 is not limited to a circular cross section as shown in FIG. 1 and may be rectangular like a planar lightwave circuit, for example.
  • the fiber clad 122 is formed so as to cover the outer peripheral surface of the fiber core 121.
  • As the refractive index of the fiber cladding 122 for example, 1.44 is used.
  • the adhesive layer 130 optically connects the optical fiber 120 and the Si waveguide 100.
  • the adhesive layer 130 is filled in a gap g between the end face of the tapered core 101 included in the Si waveguide 100 and the end face of the optical fiber 120 and a recess 123 formed in the end face of the optical fiber 120 described later.
  • the adhesive layer 130 forms a lens portion 131 that is convex in the light propagation direction along the end face of the optical fiber 120. Therefore, the light propagating through the core end portion 104 of the Si waveguide 100 is coupled to the optical fiber 120 through the adhesive layer 130 in which the lens portion 131 is formed.
  • the distance g between the end face of the Si waveguide 100 filled with the adhesive layer 130 and the end face of the optical fiber 120 is, for example, 3 [ ⁇ m].
  • a material of the adhesive layer 130 for example, an epoxy resin or an acrylic resin is used.
  • the adhesive layer 130 has a refractive index with respect to a wavelength of 1.55 [ ⁇ m] higher than the refractive index of the fiber core 121 of the optical fiber 120, for example, a range of 1.5 to 1.7.
  • the adhesive layer 130 has a transmittance of 90% or more for a wavelength of 1.55 [ ⁇ m], a thermal expansion coefficient of 4 ⁇ 10 ⁇ 5 / ° C. or less, and a curing shrinkage of 2% or less. Furthermore, the viscosity coefficient of the adhesive layer 130 can be adjusted within a range of about 100 to 1000 cP.
  • the spherical recess 123 on the end face of the optical fiber 120 is formed by dry etching or the like.
  • a mask 140 such as a metal film is formed on the end face of the optical fiber 120, and the end face of the optical fiber 120 is processed by isotropic plasma etching with ions 150 or the like using an etching apparatus.
  • a spherical recess 123 is formed.
  • the shape of the portion of the mask 140 through which the ions 150 pass is a circle having a diameter similar to that of the fiber core 121, as shown in FIGS.
  • the x coordinate and the y coordinate of the center coordinates of the recess 123 are located at the geometric center of gravity of the cross-sectional shape of the core 101 of the Si waveguide 100, and the z coordinate is the boundary surface between the adhesive layer 130 and the Si waveguide 100.
  • the radius of curvature of the recess 123 may be a value larger than the width g ′ of the adhesive layer 130 in the z-axis direction. Therefore, the center of curvature of the curved surface constituting the recess 123 is provided closer to the Si waveguide 100 than the position of the end face of the Si waveguide 100 facing the optical fiber 120.
  • the radius of curvature of the recess 123 is about the diameter of the fiber core 121 of the optical fiber 120, for example, 3.8 [ ⁇ m].
  • the recess 123 is not limited to a spherical shape, and may be formed such that the boundary surface between the adhesive layer 130 and the end face of the optical fiber 120 is a curved surface of an arbitrary rotating body such as an ellipse or a paraboloid. . This makes it possible to adjust the coupling efficiency of the propagating light with respect to the horizontal polarization and the vertical polarization.
  • the mode field diameter of light guided through the tapered core 101 of the Si waveguide 100 is gradually increased from the position before reaching the tip of the tapered core 101. It reaches the end face of the waveguide 100 and is emitted to the adhesive layer 130 region.
  • the mode field distribution radiated from the end face of the Si waveguide 100 depends on the refractive index of the core 101 and the clad 105 of the Si waveguide 100, the inclination angle of the taper structure of the core 101, and the refractive index distribution of the adhesive layer 130. It is determined.
  • the mode field distribution radiated from the Si waveguide 100 is converted into a plane wave.
  • the mode field distribution is not necessarily converted into a plane wave as designed due to a manufacturing error of a structural parameter. . Therefore, in the optical waveguide connection structure 1 according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, a medium having the lens part 131 is formed in the region of the adhesive layer 130, and the emitted light from the Si waveguide 100 approaches a plane wave. It is converted as follows.
  • the calculation of the electromagnetic field guided through the optical waveguide connection structure 1 was performed by a three-dimensional time domain difference (FDTD) method. Further, it is assumed that the electromagnetic wave propagates from the Si waveguide 100 toward the optical fiber 120.
  • FDTD three-dimensional time domain difference
  • FIG. 4A and 4B show the E x power distribution [dB] on the zx plane and the yz plane when horizontal polarization (x polarization: Ex mode) is incident on the Si waveguide 100.
  • FIG. As shown in (a) and (b) of FIG. 4A and (a) and (b) of FIG. 4B, the horizontally polarized wave incident on the Si waveguide 100 propagates through the Si waveguide 100 in the fundamental mode. As the cross-sectional area of the tapered core 101 decreases along the propagation direction, the mode field diameter is converted to increase and reaches the boundary with the adhesive layer 130.
  • the electromagnetic field propagates as a radiation mode and reaches the end face of the optical fiber 120.
  • the mode field is a mixture of a radiation mode and a waveguide mode.
  • the radiation mode diffuses as it propagates, and when it propagates several meters, only the waveguide mode remains.
  • the path of the wave vector directed toward the outside of the core 101 is changed toward the center of the core 101 by the lens portion 131 that is formed in the adhesive layer 130 and is convex in the light propagation direction.
  • the electromagnetic wave is in a state closer to a plane wave immediately after being emitted from the Si waveguide 100 at the end face of the optical fiber 120.
  • FIG. 4C and 4D show the E y power distribution [dB] on the zx plane and the yz plane when vertical polarization (y polarization: E y mode) is incident on the Si waveguide 100.
  • the electromagnetic wave is generated by the lens portion 131 formed in the adhesive layer 130 as in the case of the Ex mode.
  • the end face of the optical fiber 120 is in a state closer to a plane wave immediately after being emitted from the Si waveguide 100.
  • FIG. 5A shows an eigenmode (LP 01 mode) in the xy plane of the optical fiber 120.
  • Figure 5B shows an example of a power distribution of E x mode xy plane of the optical fiber 120.
  • FIG. 5C shows an example of the power distribution in the E y mode on the xy plane of the optical fiber 120.
  • the coupling efficiency ⁇ in the optical waveguide connection structure 1, the optical fiber 120 after setting the vertical reference plane to the optical axis, the the E x mode or E y mode distribution in its reference plane phi 1, LP 01 mode ⁇ 2 is obtained by the following equation (1).
  • FIG. 6 shows the coupling efficiency obtained for the x-polarized wave input by sweeping the coordinates at which the reference plane and the optical axis intersect within the range of the region after propagation in the adhesive layer 130.
  • the horizontal axis indicates the z coordinate position of the reference surface, and the vertical axis indicates the coupling efficiency.
  • a curve indicated by a solid line indicates the coupling efficiency of the optical waveguide connection structure 1 according to the present embodiment having the lens portion 131 in the adhesive layer 130.
  • a curve indicated by a broken line indicates the coupling efficiency of the conventional optical waveguide connection structure 1B (FIG. 12) in which the adhesive layer 130 does not have the lens portion 131.
  • the electromagnetic wave propagates as a transverse wave along the z direction, and the value of the coupling efficiency changes periodically depending on the position of the reference surface. It can be seen that the coupling efficiency of the optical waveguide connection structure 1 having the lens portion 131 in the adhesive layer 130 is improved as compared with the coupling efficiency in the conventional optical waveguide connection structure 1B.
  • FIG. 7 shows the result of plotting the position of the reference plane and the maximum value of the coupling efficiency corresponding to the position.
  • the horizontal axis represents the z coordinate position of the reference surface
  • the vertical axis represents the coupling efficiency.
  • the value shown by a round point has shown the maximum value of the coupling efficiency of the optical waveguide connection structure 1 which has the lens part 131 in the contact bonding layer 130 which concerns on this Embodiment.
  • the value of the square point indicates the maximum value of the coupling efficiency of the optical waveguide connection structure 1B of the conventional example that does not have the lens portion 131.
  • the coupling efficiency is the conventional optical waveguide connection structure 1B (FIG. 12). It can be seen that it is improved compared to.
  • FIG. 8 and FIG. 9 the coupling efficiency calculated similarly for the y-polarized wave input is shown.
  • the solid line in FIG. 8 shows the coupling efficiency of the optical waveguide connection structure 1 according to the present embodiment
  • the broken line shows the coupling efficiency of the conventional optical waveguide connection structure 1B (FIG. 12).
  • FIG. 8 it can be seen that the coupling efficiency of the optical waveguide connection structure 1 having the lens portion 131 is improved as compared with the optical waveguide connection structure 1B of the conventional example even with respect to the y polarization input.
  • FIG. 9 shows the result of plotting the position of the reference plane at the y polarization input and the maximum value of the coupling efficiency corresponding to the position.
  • a value indicated by a round dot in FIG. 9 indicates the maximum value of the coupling efficiency of the optical waveguide connection structure 1 having the lens portion 131 in the adhesive layer 130 according to the present embodiment.
  • the value of the square point indicates the maximum value of the coupling efficiency of the optical waveguide connection structure 1B of the conventional example that does not have the lens portion 131.
  • the coupling efficiency of the optical waveguide connection structure 1 having the lens portion 131 is improved as compared with the optical waveguide connection structure 1B of the conventional example.
  • the coupling efficiency of the optical waveguide connection structure 1 can be improved by forming the lens portion 131 in the adhesive layer 130 for both the x polarization input and the y polarization input. .
  • FIG. 10 shows the result of plotting the difference in coupling efficiency between the x polarization input and the y polarization input, that is, the polarization dependence of the coupling efficiency.
  • the value indicated by a round dot indicates the difference in coupling efficiency of the optical waveguide connection structure 1 having the lens portion 131 in the adhesive layer 130 according to the present embodiment.
  • the values of the square points indicate the difference in coupling efficiency of the conventional optical waveguide connection structure 1B that does not have the lens portion 131.
  • the polarization dependence of the optical waveguide connection structure 1 according to the present embodiment also improves the polarization dependence of the coupling efficiency as compared with the optical waveguide connection structure 1B of the conventional example. I understand that.
  • the adhesive layer 130 is filled between the end surface of the Si waveguide 100 and the end surface of the optical fiber 120 in which the recess 123 is formed. Since the lens portion 131 is formed, the mode field surface emitted from the Si waveguide 100 can be made closer to a plane wave. As a result, the coupling efficiency between the Si waveguide 100 and the optical fiber 120 can be improved.
  • an optical waveguide connection structure 1a includes an Si waveguide 100a formed in an array, an optical fiber 120a, each Si waveguide 100a, and an optical fiber 120a. And an adhesive layer 130a having a lens portion 131a formed by filling the gap.
  • optical waveguide connection structure 1a in an array configuration, a plurality of arrays of optical waveguide connection structures 1a capable of mode field conversion with improved coupling efficiency can be realized.
  • the core 101 and the clad 105 of the Si waveguide 100 are formed of Si material.
  • the material of the core 101 and the clad 105 is not limited to Si. Or any other semiconductor material, inorganic material, and organic material.
  • the case where the mode field diameter of light propagating from the Si waveguide 100 toward the optical fiber 120 is converted has been described.
  • the optical fiber 120 toward the Si waveguide 100 is described. You may employ
  • SYMBOLS 1, 1a Optical-waveguide connection structure, 100, 100a ... Si waveguide, 101 ... Core, 102, 104 ... Core edge part, 103 ... Tapered part, 105 ... Cladding, 120, 120a ... Optical fiber, 121 ... Fiber core, 122: Fiber cladding, 123: Recess, 130: Adhesive layer, 131: Lens part, 140: Mask, 150: Ion.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

Ｓｉ導波路から出射されるモードフィールド面をより平面波に近づけて、Ｓｉ導波路と光ファイバとの結合効率を向上させた光導波路接続構造を提供することを目的とする。　Ｓｉ導波路１００と、光ファイバ１２０とが接着層１３０を介して接続される光導波路接続構造１であって、Ｓｉ導波路１００は、光の伝搬方向に垂直な方向の断面積が光ファイバ１２０に向かって減少するコア１０１と、コア１０１を覆うクラッド１０５とを有し、光ファイバ１２０は、ファイバコア１２１と、ファイバコア１２１を覆うファイバクラッド１２２と、Ｓｉ導波路１００と対向する側の端面に形成された凹部１２３とを有し、接着層１３０は、Ｓｉ導波路１００の端面と光ファイバ１２０の端面との間隙ｇおよび凹部１２３に充填され、接着層１３０の屈折率は、光ファイバ１２０のファイバコア１２１の屈折率より大きい。

Description

光導波路接続構造
　本発明は、光導波路接続構造に関し、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。
　近年、光通信における情報伝送量の急速な増加に伴い、光部品の高集積化に対する要求が高まっている。光部品の高集積化を実現する技術として、シリコンを材料として光集積回路を作るシリコンフォトニクスが知られている。
　シリコンフォトニクスでは、従来の石英系導波路と比較して高屈折率差を有する導波路を用いるため、屈曲半径を小さくすることができ、電子回路との集積化が可能である。また、シリコンフォトニクスにおいては、集積回路と同様の半導体製造装置が利用されるため、高い生産性が得られる。このような利点から、シリコンフォトニクスは、光部品の更なる小型化および低コスト化を実現する要素技術として、その研究開発が活発に行われている。
　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、二酸化珪素（ＳｉＯ2）から形成されるクラッドとによって導波路を構成する。Ｓｉ導波路単体では、すべての光機能を実現することは現状困難であるため、レーザダイオード（ＬＤ）や増幅器等の能動部品、フォトダイオードや光ファイバ等の受動部品等と結合することが不可欠となる。
　また、Ｓｉ導波路のモードフィールドと、結合対象の導波路のモードフィールドはそれぞれ異なるため、これらの導波路を高効率で結合するためには、そのスポットサイズを整合させる構造が必要である。
　そこで、特許文献１は、Ｓｉ導波路と化合物半導体のＬＤ、または石英系光ファイバとの光接続構造において、光の伝搬方向に沿って形状がテーパ状に変化したコアが基板上に形成され、そのコアを取り囲むようにクラッド層が形成されたモードフィールド変換器を開示している。
　また、特許文献２は、Ｓｉ導波路と化合物半導体のＬＤ、または石英系光ファイバとの光接続構造において、基板上に形成され、幅寸法および厚み寸法それぞれが単調に減少する形状を有するコアと、コアの厚み寸法を規定するように形成されたクラッド層とを有するモードフィールド変換器を開示している。
　このように、特許文献１、２に記載のモードフィールド変換器では、テーパ状に形成されたコアを有する導波路により、モードフィールドのスポットサイズをテーパ状のコアを導波させる過程で変換して、結合効率を向上させている。
特開平８－２３４０６２号公報 特開２００５－７０５５７号公報
　しかし、特許文献１および特許文献２に記載された技術では、テーパ状のコアを有するＳｉ導波路から出射されたモードフィールドは、Ｓｉ導波路の製造誤差などにより、光ファイバとの結合に適した設計通りの平面波に変換されているとは限らない。そのため、変換されたモードフィールドが平面波から乖離してしまうことがＳｉ導波路と光ファイバとの結合効率の劣化の原因の一つとなっていた。
　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、Ｓｉ導波路から出射されるモードフィールド面をより平面波に近づけて、Ｓｉ導波路と光ファイバとの結合効率を向上させた光導波路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、本発明に係る光導波路接続構造は、第１の光導波路と、第２の光導波路とが接着層を介して接続される光導波路接続構造であって、前記第１の光導波路は、光の伝搬方向に垂直な方向の断面積が前記第２の光導波路に向かって減少する第１のコアと、前記第１のコアを覆う第１のクラッドと、を有し、前記第２の光導波路は、第２のコアと、前記第２のコアを覆う第２のクラッドと、前記第１の光導波路と対向する側の端面に形成された凹部と、を有し、前記接着層は、前記第１の光導波路の端面と前記第２の光導波路の端面との間隙および前記凹部に充填され、前記接着層の屈折率は、前記第２の光導波路の前記第２のコアの屈折率より大きいことを特徴とする。
　また、本発明に係る光導波路接続構造において、前記凹部における、前記接着層と前記第２の光導波路の端面との境界面は、任意の曲面の一部を形成してもよい。
　また、本発明に係る光導波路接続構造において、前記曲面の曲率中心は、前記第２の光導波路に対向する前記第１の光導波路の端面の位置よりも前記第１の光導波路側に設けられていてもよい。
　また、本発明に係る光導波路接続構造において、前記第１の光導波路の前記第１のコアの光の伝搬方向に垂直な方向の断面積は、前記第２の光導波路の前記第２のコアの光の伝搬方向に垂直な方向の断面積より小さくてもよい。
　本発明によれば、Ｓｉ導波路の端面と、凹部が形成された光ファイバの端面との間に接着層が形成されるので、Ｓｉ導波路から出射されるモードフィールド面をより平面波に近づけて、Ｓｉ導波路と光ファイバとの結合効率を向上させることができる。
図１は、本発明の実施の形態係る光導波路接続構造の平面模式図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る光ファイバの端面を説明する図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る光導波路接続構造の媒体分布を示す三面図である。 図４Ａは、光導波路接続構造のｚｘ面内のＥx電力分布を説明する図である。 図４Ｂは、光導波路接続構造のｙｚ面内のＥx電力分布を説明する図である。 図４Ｃは、光導波路接続構造のｚｘ面内のＥy電力分布を説明する図である。 図４Ｄは、光導波路接続構造のｙｚ面内のＥy電力分布を説明する図である。 図５Ａは、光ファイバのｘｙ面内の電力分布を説明する図である。 図５Ｂは、光ファイバのｘｙ面内の電力分布を説明する図である。 図５Ｃは、光ファイバのｘｙ面内の電力分布を説明する図である。 図６は、結合効率の参照面位置の依存性を説明する図である。 図７は、結合効率の極大値と参照面位置との関係を説明する図である。 図８は、結合効率の参照面位置の依存性を説明する図である。 図９は、結合効率の極大値と参照面位置との関係を説明する図である。 図１０は、結合効率の偏波依存性を説明する図である。 図１１は、本実施の形態に係る光導波路接続構造の変形例を示す図である。 図１２は、従来の光導波路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から図１２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。
　［実施の形態］
　図１は、本発明の実施の形態に係る光導波路接続構造１の平面模式図である。本実施の形態に係る光導波路接続構造１は、Ｓｉ導波路（第１の光導波路）１００と、光ファイバ（第２の光導波路）１２０と、Ｓｉ導波路１００と光ファイバ１２０とを接続する接着層１３０とを備える。
　光導波路接続構造１は、Ｓｉ導波路１００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１２０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１００から光が入力されて光ファイバ１２０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導波路接続構造１の概要を説明する。
　本実施の形態に係る光導波路接続構造１は、Ｓｉ導波路１００と光ファイバ１２０とが、レンズ構造を有する接着層１３０を介して光学的に接続されている。一方、図１２に示す従来例の光導波路接続構造１Ｂは、Ｓｉ導波路１００の端面と光ファイバ１２０の平坦な端面との間に接着層１３０Ｂが充填され、レンズ構造は形成されていない。このように、本実施の形態に係る光導波路接続構造１はレンズ構造を有する接着層１３０を備える点において特徴を有する。
　以下、本実施の形態に係る光導波路接続構造１の各構成要素について説明する。
　Ｓｉ導波路１００は、コア（第１のコア）１０１と、コア１０１を覆うクラッド（第１のクラッド）１０５とを備える。
　コア１０１は、光ファイバ１２０に向かってテーパ状に形成されている。
　より詳細には、コア１０１は、光の入力側に設けられたコア端部１０２、テーパ部１０３、および光ファイバ１２０側に設けられたコア端部１０４を有する。
　テーパ部１０３は、光の伝搬方向（ｚ軸）に垂直なｘ軸方向の断面積が光ファイバ１２０に向かって単調減少するテーパ状に形成されている。テーパ部１０３は、例えば、ｘ軸方向のコア径が、光の伝搬方向（ｚ軸）に沿って単調減少するように形成され、ｙ軸方向のコア径は一定値とする。なお、テーパ部１０３は、ｘ軸方向のコア径と同様に、ｙ軸方向のコア径が光の伝搬方向（ｚ軸）に沿って単調減少するように形成されてもよい。
　コア端部１０２、１０４は、テーパ部１０３のｚ軸方向に垂直な端面ａ、ｂからｚ軸方向に沿って互いに反対方向に延在する。より詳細には、コア端部１０２は、テーパ部１０３の光ファイバ１２０とは反対側の端面ａからＳｉ導波路１００における光の入力側の端面まで連続して形成されている。また、コア端部１０４は、テーパ部１０３の光ファイバ１２０側の端面ｂから光ファイバ１２０側におけるＳｉ導波路１００の端面まで連続して形成されている。
　すなわち、コア端部１０２の一端は、テーパ部１０３の光ファイバ１２０側とは反対の端面ａと光学的に接続されている。また、コア端部１０４の一端は、テーパ部１０３の光ファイバ１２０側の端面ｂと光学的に接続されている。
　また、コア端部１０４の他端は、後述する接着層１３０を介して光ファイバ１２０のファイバコア（第２のコア）１２１と対向している。
　コア端部１０２、１０４は、例えば、光の伝搬方向（ｚ軸）に沿って、ｘ軸方向の断面形状が一定に維持される。例えば、コア端部１０２、１０４は直方体形状に形成される。
　別の例として、コア端部１０２、１０４は、少なくとも平面視でｚ軸方向に沿って一定形状を維持するように形成され、例えば、コア１０１が全体として、光の伝搬方向（ｚ軸）に沿ってｘ軸方向のコア径が単調減少するテーパ状に形成されていてもよい。
　なお、コア１０１の光の伝搬方向（ｚ軸）に垂直な方向の断面積は、後述する光ファイバ１２０が有するファイバコア１２１の光の伝搬方向（ｚ軸）に垂直な方向の断面積より小さい。
　コア端部１０２、１０４およびテーパ部１０３を有するコア１０１は、Ｓｉ材料によって形成される。また、コア１０１のサイズは、ｘ軸方向が０．５～０．０７［μｍ］、ｙ軸方向が０．２［μｍ］と一定とする。コア１０１の屈折率は、３．５とする。なお、Ｓｉは、波長１．３～１．６［μｍ］の光に対して透明であるので、本実施の形態ではコア１０１に入力される光の波長を１．５５［μｍ］とする。
　クラッド１０５は、コア１０１を覆うように形成されている。クラッド１０５は、石英系材料から形成される。本実施の形態では、クラッド１０５の屈折率を１．４４とする。
　Ｓｉ導波路１００に含まれるコア１０１およびクラッド１０５は、同一基板上に公知の堆積技術、フォトリソグラフィ技術、およびエッチング技術により順次形成される。
　光ファイバ１２０は、接着層１３０を介してＳｉ導波路１００に接続されている。光ファイバ１２０は、ファイバコア１２１と、ファイバコア１２１を覆うファイバクラッド（第２のクラッド）１２２とを備える。また、光ファイバ１２０のＳｉ導波路１００側の端面には球欠状の凹部１２３が形成されている。なお、凹部１２３の詳細については後述する。
　光ファイバ１２０には、例えば、石英系材料が用いられるが、光ファイバ１２０は、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。本実施の形態では、光ファイバ１２０のカットオフ波長として、１．５［μｍ］が用いられる。
　ファイバコア１２１は、光ファイバ１２０の中心部に設けられ、Ｓｉ導波路１００によってモードフィールドが変換された光を伝搬する。本実施の形態では、ファイバコア１２１のｘ軸方向のコア径ｃは、曲げ損失低減を考慮して４［μｍ］を用いる。
　なお、ファイバコア１２１は、図１に示すような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。
　ファイバクラッド１２２は、ファイバコア１２１の外周面を覆うように形成されている。ファイバクラッド１２２の屈折率としては、例えば、１．４４が用いられる。
　接着層１３０は、光ファイバ１２０とＳｉ導波路１００とを光学的に接続する。接着層１３０は、Ｓｉ導波路１００が有するテーパ状のコア１０１の先端側における端面と光ファイバ１２０の端面との間隙ｇおよび後述する光ファイバ１２０の端面に形成された凹部１２３に充填される。
　これにより、接着層１３０は、光ファイバ１２０の端面に沿って光の伝搬方向に凸なレンズ部１３１を形成する。したがって、Ｓｉ導波路１００のコア端部１０４を伝搬する光は、レンズ部１３１が形成されている接着層１３０を介して光ファイバ１２０に結合する。
　接着層１３０が充填されるＳｉ導波路１００の端面と光ファイバ１２０の端面との間隙ｇの距離は、例えば、３［μｍ］とする。
　接着層１３０の材料としては、例えば、エポキシ系またはアクリル系の樹脂を使用する。また、接着層１３０は、波長１．５５［μｍ］に対する屈折率が光ファイバ１２０のファイバコア１２１の屈折率より高い値、例えば、１．５～１．７の範囲とする。
　また、接着層１３０は、波長１．５５［μｍ］に対する透過率が９０％以上、熱拡張係数が４×１０-5／℃以下、硬化収縮率が２％以下とする。さらに、接着層１３０の粘性係数は１００～１０００ｃＰ程度の範囲内で調整可能とする。
　次に、接着層１３０にレンズ部１３１を設けるための、光ファイバ１２０の端面における球欠状の凹部１２３の形成方法について図２を参照して説明する。
　図２の（ａ）および（ｂ）に示すように、光ファイバ１２０の端面の球欠状の凹部１２３は、ドライエッチングなどにより形成される。
　より詳細には、金属膜などのマスク１４０を光ファイバ１２０の端面に作製し、エッチング装置を用いてイオン１５０などにより、等方性のプラズマエッチングすることで、光ファイバ１２０の端面を加工し、球欠状の凹部１２３を形成する。
　マスク１４０のイオン１５０通過部分の形状は、図２の（ａ）および（ｂ）に示すように、直径がファイバコア１２１と同程度の円形とする。なお、本実施の形態では、接着層１３０と、光ファイバ１２０の端面に形成された凹部１２３との境界面が球面に近似されるとする。
　この場合、凹部１２３の中心座標のｘ座標とｙ座標は、Ｓｉ導波路１００のコア１０１の断面形状の幾何学的重心に位置し、ｚ座標は、接着層１３０とＳｉ導波路１００の境界面上に位置する。また、凹部１２３の曲率半径は、接着層１３０のｚ軸方向の幅ｇ’よりも大きい値を用いればよい。したがって、凹部１２３を構成する曲面の曲率中心は、光ファイバ１２０に対向するＳｉ導波路１００の端面の位置よりも、Ｓｉ導波路１００側に設けられる。
　本実施の形態では、凹部１２３の曲率半径は、光ファイバ１２０のファイバコア１２１の直径程度、例えば３．８［μｍ］とする。
　なお、凹部１２３は球欠状に限定されず、接着層１３０と光ファイバ１２０の端面との境界面が、楕円面や放物面などの任意の回転体の曲面となるように形成すればよい。これにより、伝搬する光の水平偏波と垂直偏波に対する結合効率の調整が可能となる。
　次に、上述した構成を有する光導波路接続構造１における、光の伝搬およびモードフィールドの変換について説明する。
　光導波路接続構造１において、Ｓｉ導波路１００のテーパ状に形成されたコア１０１を導波する光のモードフィールド径は、テーパ状のコア１０１の先端部に達する前の位置から徐々に拡大されＳｉ導波路１００の端面に到達し、接着層１３０領域に放射される。
　Ｓｉ導波路１００の端面から放射されるモードフィールド分布は、Ｓｉ導波路１００のコア１０１とクラッド１０５の屈折率およびコア１０１のテーパ構造の傾斜角、および接着層１３０の屈折率分布に依存して決定される。
　前述したように、Ｓｉ導波路１００から放射されたモードフィールド分布は、平面波に変換されていることが望ましいが、構造パラメータの製造誤差等により、設計通りの平面波に変換されているとは限らない。したがって、本実施の形態に係る光導波路接続構造１では、図１に示すように、レンズ部１３１を有する媒体を接着層１３０の領域に形成し、Ｓｉ導波路１００からの放射光を平面波に近づくように変換している。
　以下、上述した構成を有する光導波路接続構造１における、モードフィールドの変換について図３から図５Ｃを用いてより詳細に説明する。
　まず、図３の（ａ）に示す光導波路接続構造１の平面図、（ｂ）に示す側面図、および（ｃ）に示す右側面図に対応する、電磁界の電力分布の計算結果について説明する。
　なお、光導波路接続構造１を導波する電磁界の計算は、３次元の時間領域差分（ＦＤＴＤ）法により行った。また、電磁波は、Ｓｉ導波路１００から光ファイバ１２０に向かって伝搬するものとする。
　図４Ａおよび図４Ｂは、水平偏波（ｘ偏波：Ｅxモード）をＳｉ導波路１００に入射した場合のｚｘ面およびｙｚ面のＥx電力分布［ｄＢ］を示している。図４Ａの（ａ）、（ｂ）および図４Ｂの（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｓｉ導波路１００に入射した水平偏波は、Ｓｉ導波路１００を基本モードで伝搬する。テーパ状のコア１０１の断面積が伝搬方向に沿って減少するにしたがって、モードフィールド径が拡大するように変換され、接着層１３０との境界に到達する。
　接着層１３０では、電磁界は放射モードとして伝搬し、光ファイバ１２０の端面に到達する。光ファイバ１２０に入射した直後では、モードフィールドは、放射モードと導波モードとが混合している。さらに、光ファイバ１２０において、放射モードは伝搬するにしたがって拡散し、数ｍ伝搬すると、導波モードだけが残る。
　より詳細には、接着層１３０に形成された光の伝搬方向に凸なレンズ部１３１によって、コア１０１の外側に向いている波数ベクトルは、コア１０１の中心に向かうように経路が変わる。これにより、電磁波は、光ファイバ１２０の端面において、Ｓｉ導波路１００から出射された直後から、より平面波に近い状態となる。
　図４Ｃおよび図４Ｄは、垂直偏波（ｙ偏波：Ｅyモード）をＳｉ導波路１００に入射した場合のｚｘ面およびｙｚ面のＥy電力分布［ｄＢ］を示している。図４Ａの（ａ）、（ｂ）および図４Ｂの（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｅxモードの場合と同様に、接着層１３０に形成されたレンズ部１３１によって、電磁波は、光ファイバ１２０の端面において、Ｓｉ導波路１００から出射された直後から、より平面波に近い状態となっている。
　図５Ａは、光ファイバ１２０のｘｙ面内の固有モード（ＬＰ01モード）を示している。図５Ｂは、光ファイバ１２０のｘｙ面のＥxモードの電力分布の一例を示している。また、図５Ｃは、光ファイバ１２０のｘｙ面のＥyモードの電力分布の一例を示している。
　光導波路接続構造１における結合効率ηは、光ファイバ１２０の光軸に垂直な参照面を設定したうえで、その参照面内に分布するＥxモードまたはＥyモードをφ1、ＬＰ01モードをφ2として、次式（１）により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上式（１）において、ｘはｘ軸方向の長さ、ｙはｙ軸方向の長さを示す。
　次に、参照面と光軸が交差する座標を、接着層１３０での伝搬後の領域の範囲内で掃引して、ｘ偏波入力に対して求めた結合効率を図６に示す。
　図６の横軸は、参照面のｚ座標位置を示し、縦軸は結合効率を示している。また、実線で示す曲線は、接着層１３０にレンズ部１３１を有する本実施の形態に係る光導波路接続構造１の結合効率を示している。破線で示す曲線は、接着層１３０にレンズ部１３１を有さない、従来例の光導波路接続構造１Ｂ（図１２）の結合効率を示している。
　図６に示すように、電磁波は横波としてｚ方向に沿って伝搬し、結合効率の値はいずれも参照面の位置によって周期的に変化していることがわかる。接着層１３０にレンズ部１３１を有する光導波路接続構造１の結合効率は、従来例の光導波路接続構造１Ｂにおける結合効率と比較して向上していることがわかる。
　次に、参照面の位置と、その位置に対応する結合効率の極大値をプロットした結果を図７に示す。図７において横軸は参照面のｚ座標位置を示し、縦軸は結合効率を示している。また、丸い点で示す値は、本実施の形態に係る接着層１３０にレンズ部１３１を有する光導波路接続構造１の結合効率の極大値を示している。四角い点の値は、レンズ部１３１を有さない従来例の光導波路接続構造１Ｂの結合効率の極大値を示している。
　図７に示すように、本実施の形態の光導波路接続構造１では、接着層１３０に形成されたレンズ部１３１の上述した効果により、結合効率が従来例の光導波路接続構造１Ｂ（図１２）と比較して改善されていることがわかる。
　次に、図８および図９において、ｙ偏波入力に対して同様に計算した結合効率を示す。
　図８の実線は、本実施の形態に係る光導波路接続構造１の結合効率を示し、破線は従来例の光導波路接続構造１Ｂ（図１２）の結合効率を示している。図８に示すように、ｙ偏波入力に対してもレンズ部１３１を有する光導波路接続構造１の結合効率は、従来例の光導波路接続構造１Ｂと比較して改善されていることがわかる。
　次に、図９において、ｙ偏波入力における参照面の位置とその位置に対応する結合効率の極大値をプロットした結果を示す。図９の丸い点で示す値は、本実施の形態に係る接着層１３０にレンズ部１３１を有する光導波路接続構造１の結合効率の極大値を示している。四角い点の値は、レンズ部１３１を有さない従来例の光導波路接続構造１Ｂの結合効率の極大値を示している。
　ｙ偏波入力の場合にも、レンズ部１３１を有する光導波路接続構造１の結合効率は、従来例の光導波路接続構造１Ｂと比較して改善されていることがわかる。
　以上、図６から図９に示したように、ｘ偏波入力およびｙ偏波入力ともに、接着層１３０にレンズ部１３１を形成することで光導波路接続構造１の結合効率を改善することができる。
　次に、ｘ偏波入力とｙ偏波入力に対する結合効率の差分、すなわち結合効率の偏波依存性をプロットした結果を図１０に示す。図１０において、丸い点で示す値は、本実施の形態に係る接着層１３０にレンズ部１３１を有する光導波路接続構造１の結合効率の差分を示している。四角い点の値は、レンズ部１３１を有さない従来例の光導波路接続構造１Ｂの結合効率の差分を示している。
　図１０に示すように、結合効率の偏波依存性についても、本実施の形態に係る光導波路接続構造１の偏波依存性は、従来例の光導波路接続構造１Ｂと比較して改善していることがわかる。
　以上説明したように、本実施の形態に係る光導波路接続構造１によれば、Ｓｉ導波路１００の端面と、凹部１２３が形成された光ファイバ１２０の端面との間に接着層１３０が充填され、レンズ部１３１が形成されるので、Ｓｉ導波路１００から出射されるモードフィールド面をより平面波に近づけることができる。その結果として、Ｓｉ導波路１００と光ファイバ１２０との結合効率を向上させることができる。
　［変形例］
　次に、本実施の形態の変形例について図１１を参照して説明する。
　図１１に示すように、本実施の形態の変形例に係る光導波路接続構造１ａは、アレイ状に形成されたＳｉ導波路１００ａと、光ファイバ１２０ａと、各Ｓｉ導波路１００ａと光ファイバ１２０ａとの間を充填して形成されるレンズ部１３１ａを有する接着層１３０ａとを備える。
　このように、光導波路接続構造１ａをアレイ状の構成とすることで、結合効率が向上したモードフィールド変換が可能な、複数配列の光導波路接続構造１ａを実現できる。
　以上、本発明の光導波路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。
　なお、説明した実施の形態では、Ｓｉ導波路１００のコア１０１およびクラッド１０５は、Ｓｉ材料によって形成される場合について説明したが、コア１０１およびクラッド１０５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。
　また、説明した実施の形態では、Ｓｉ導波路１００から光ファイバ１２０に向かって伝搬する光のモードフィールド径を変換する構造を有する場合について説明したが、光ファイバ１２０からＳｉ導波路１００に向かって導波させる構成を採用してもよい。
　１、１ａ…光導波路接続構造、１００、１００ａ…Ｓｉ導波路、１０１…コア、１０２、１０４…コア端部、１０３…テーパ部、１０５…クラッド、１２０、１２０ａ…光ファイバ、１２１…ファイバコア、１２２…ファイバクラッド、１２３…凹部、１３０…接着層、１３１…レンズ部、１４０…マスク、１５０…イオン。

Claims (4)

  1. 　第１の光導波路と、第２の光導波路とが接着層を介して接続される光導波路接続構造であって、
    　前記第１の光導波路は、
    　光の伝搬方向に垂直な方向の断面積が前記第２の光導波路に向かって減少する第１のコアと、
    　前記第１のコアを覆う第１のクラッドと、
    　を有し、
    　前記第２の光導波路は、
    　第２のコアと、
    　前記第２のコアを覆う第２のクラッドと、
    　前記第１の光導波路と対向する側の端面に形成された凹部と、
    　を有し、
    　前記接着層は、前記第１の光導波路の端面と前記第２の光導波路の端面との間隙および前記凹部に充填され、
    　前記接着層の屈折率は、前記第２の光導波路の前記第２のコアの屈折率より大きい
    　ことを特徴とする光導波路接続構造。
  2. 　請求項１に記載の光導波路接続構造において、
    　前記凹部における、前記接着層と前記第２の光導波路の端面との境界面は、任意の曲面の一部を形成することを特徴とする光導波路接続構造。
  3. 　請求項２に記載の光導波路接続構造において、
    　前記曲面の曲率中心は、前記第２の光導波路に対向する前記第１の光導波路の端面の位置よりも前記第１の光導波路側に設けられていることを特徴とする光導波路接続構造。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光導波路接続構造において、
    　前記第１の光導波路の前記第１のコアの光の伝搬方向に垂直な方向の断面積は、前記第２の光導波路の前記第２のコアの光の伝搬方向に垂直な方向の断面積より小さいことを特徴とする光導波路接続構造。
PCT/JP2019/005995 2018-03-09 2019-02-19 光導波路接続構造 WO2019171933A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/978,352 US11275212B2 (en) 2018-03-09 2019-02-19 Optical waveguide connection structure

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018-042734 2018-03-09
JP2018042734A JP6927094B2 (ja) 2018-03-09 2018-03-09 光導波路接続構造

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019171933A1 true WO2019171933A1 (ja) 2019-09-12

Family

ID=67845649

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2019/005995 WO2019171933A1 (ja) 2018-03-09 2019-02-19 光導波路接続構造

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11275212B2 (ja)
JP (1) JP6927094B2 (ja)
WO (1) WO2019171933A1 (ja)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001350037A (ja) * 2000-04-05 2001-12-21 Canon Inc レンズ部付プラスチック光ファイバ、光ファイバ結合器、その接続構造、及び接続方法
JP2016151651A (ja) * 2015-02-17 2016-08-22 住友電気工業株式会社 光ファイバ及び光伝送システム
WO2016151813A1 (ja) * 2015-03-25 2016-09-29 オリンパス株式会社 光伝送モジュールおよび内視鏡
US20180067273A1 (en) * 2015-05-29 2018-03-08 Corning Optical Communications LLC Planar tapered waveguide coupling elements and optical couplings for photonic circuits

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04130405A (ja) * 1990-09-21 1992-05-01 Kyocera Corp 光導波路と光ファイバの接続装置
JP3006666B2 (ja) 1995-02-27 2000-02-07 日本電信電話株式会社 光結合デバイスおよび光結合方法
JP2001035037A (ja) 1999-07-23 2001-02-09 Sanyo Electric Co Ltd 光ピックアップ装置
JP2002196179A (ja) * 2000-10-17 2002-07-10 Ngk Insulators Ltd ファイバアレイ及びその製造方法並びにファイバアレイを用いた光デバイス
JP4195992B2 (ja) 2003-08-26 2008-12-17 パナソニック電工株式会社 スポットサイズ変換器の製造方法
WO2010059050A1 (en) * 2008-11-24 2010-05-27 Vu University, Part Of "Vereniging Vu-Windesheim" Optical fiber, method of preparation thereof and device
US9664858B2 (en) * 2012-12-20 2017-05-30 Intel Corporation Optical photonic circuit coupling

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001350037A (ja) * 2000-04-05 2001-12-21 Canon Inc レンズ部付プラスチック光ファイバ、光ファイバ結合器、その接続構造、及び接続方法
JP2016151651A (ja) * 2015-02-17 2016-08-22 住友電気工業株式会社 光ファイバ及び光伝送システム
WO2016151813A1 (ja) * 2015-03-25 2016-09-29 オリンパス株式会社 光伝送モジュールおよび内視鏡
US20180067273A1 (en) * 2015-05-29 2018-03-08 Corning Optical Communications LLC Planar tapered waveguide coupling elements and optical couplings for photonic circuits

Also Published As

Publication number Publication date
US20210003782A1 (en) 2021-01-07
JP6927094B2 (ja) 2021-08-25
JP2019158992A (ja) 2019-09-19
US11275212B2 (en) 2022-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10649147B2 (en) Optical module
EP3296783A1 (en) Integrated photonics waveguide grating coupler
US9297956B2 (en) Optical device, optical transmitter, optical receiver, optical transceiver, and method of manufacturing optical device
WO2016172970A1 (zh) 一种偏振旋转器及光信号处理方法
WO2020213410A1 (ja) 光接続構造
US6813404B2 (en) Integrated optical module
JP2017173710A (ja) 光ファイバ搭載光集積回路装置
WO2021143910A1 (zh) 一种光发端器件、光发端器件的制备方法及光通信设备
JP2011022345A (ja) スポットサイズ変換光導波路部を有する光学素子
WO2019171933A1 (ja) 光導波路接続構造
JP4146788B2 (ja) 光導波路接続モジュールおよびその導波路作製方法
JP2008176145A (ja) 平面光波回路
JP2000214340A (ja) 光導波路、光ビ―ムスポット変換器、および光伝送モジュ―ル
JP7009962B2 (ja) モードフィールド変換器の設計方法
JP7014048B2 (ja) 光接続構造
JPH0743552A (ja) 半導体レーザダイオード結合用光導波路素子及びそれを用いた導波路型モジュール
JP6478907B2 (ja) 端面光結合型シリコン光集積回路
JP2017134228A (ja) 光導波路
WO2018235381A1 (ja) 光モジュール及びその製造方法
JP2004170716A (ja) 光回路部材、光電気混載基板、光伝送モジュール、および光回路部材の製造方法
WO2022102053A1 (ja) 光接続構造、光モジュールおよび光接続構造の製造方法
JP3898448B2 (ja) 光集積回路基板
JP3898457B2 (ja) 光集積回路基板
CN118330811A (zh) 光学器件、光学发送器装置和光学接收器装置
CN118169872A (zh) 低损耗三维传输波导的自由轨迹生成方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19763262

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19763262

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1