WO2019225355A1 - 光接続構造 - Google Patents

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refractive index
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optical
optical connection
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遠藤　潤
光太 鹿間
荒武　淳
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日本電信電話株式会社
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    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/32—Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends

Definitions

  • the present invention relates to an optical connection structure for coupling (connecting) optical waveguides having different mode fields.
  • silicon photonics is known as a technique that meets the high integration of optical components.
  • Silicon photonics uses a waveguide having a higher refractive index difference than conventional silica-based waveguides, and can be bent with a smaller radius and can be integrated with electronic circuits. Since high productivity can be obtained by using manufacturing equipment, research and development has become active as an elemental technology that realizes further miniaturization and cost reduction of optical components.
  • a waveguide (hereinafter also referred to as Si waveguide) is constituted by a core formed of silicon (Si) and a clad formed of quartz (SiO 2 ).
  • Si waveguide is constituted by a core formed of silicon (Si) and a clad formed of quartz (SiO 2 ).
  • FIG. 14 shows an example in which a tapered structure (a shape in which the width of the waveguide is gently narrowed along the light propagation direction) is formed in the Si waveguide as a conventional example (see, for example, Patent Document 1).
  • the taper structure is formed in the Si waveguide 20 so as to monotonously decrease the cross-sectional area of the core along the light propagation direction.
  • the Si waveguide 20 is coupled (connected) to the optical fiber 22 via the adhesive layer 21.
  • members positioned in the light propagation path such as the Si waveguide 20, the adhesive layer 21, and the optical fiber 22 are also referred to as a medium.
  • the mode field diameter of the light guided through the Si waveguide 20 is gradually enlarged from the position before reaching the end face of the Si waveguide 20, as shown in FIG. , Reaches the end face of the Si waveguide 20 and is emitted to the adhesive layer 21.
  • 15A shows the medium distribution.
  • the z-axis indicates the light propagation direction (the direction along the optical axis)
  • the y-axis is the vertical direction
  • the x-axis is The horizontal direction is shown.
  • the mode field distribution of light radiated from the Si waveguide 20 is determined depending on the refractive index of the core and the cladding layer of the Si waveguide 20, the inclination angle of the taper structure, and the refractive index distribution of the adhesive layer 21. In this case, it is desirable that the mode field distribution of the light emitted from the Si waveguide 20 is converted into a plane wave.
  • FIG. 15B shows a state close to a plane wave (radiation angle ( ⁇ a1) is small).
  • the present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to provide an optical connection structure capable of improving the coupling efficiency between optical waveguides having different mode fields. It is in.
  • the present invention provides an optical connection structure (100) for coupling between a first optical waveguide (1) and a second optical waveguide (5) having different mode fields. Boundaries between a plurality of adhesive layers (2, 4) and a plurality of adhesive layers (2, 4) provided along the propagation direction of light from one optical waveguide (1) to the second optical waveguide (5) And a lens structure (3) provided on the surface.
  • the mode structure distribution of the light emitted from the first optical waveguide (1) is brought close to a plane wave by the lens structure (3) provided on the boundary surface of the plurality of adhesive layers (2, 4).
  • the radiation mode light propagating through the cladding layer of the second optical waveguide (5) is reduced, and the coupling efficiency between the first optical waveguide (1) and the second waveguide (5) is improved. It becomes possible to make it.
  • the refractive index of the adhesive layer (2, 4) and the refractive index of the cladding layer of the optical waveguide (1, 5) in contact with the adhesive layer (2, 4) are expressed as follows.
  • the return loss between the connections is determined by setting the refractive index of the adhesive layer (2, 4) and the refractive index of the lens structure (3) in contact with the adhesive layer (2, 4).
  • the distance between the end face of the optical waveguide (1, 5) which is set to be 25 dB or more or between the end face of the lens structure (3) and the optical waveguide (1, 5) close to the lens structure (3) is located between the end faces. If it is set so as to avoid a value close to an integral multiple of the effective half-wavelength of light propagating in the adhesive layer (2, 4), it is possible to suppress excessive resonance that occurs between media having different refractive indexes. It becomes.
  • the plurality of adhesive layers are the first adhesive layer (2), the second adhesive layer (4), and the third adhesive layer (7)
  • the lens structure is the first lens structure ( 3) and the second lens structure (6)
  • the first adhesive layer (2) is provided in contact with the first optical waveguide (1)
  • the third adhesive layer (7) is provided as the second lens structure (6)
  • the first lens structure is provided in contact with the optical waveguide (5)
  • the second adhesive layer (4) is provided in contact with the first adhesive layer (2) and the third adhesive layer (7)
  • the body (3) is provided at the interface between the first adhesive layer (2) and the second adhesive layer (4)
  • the second lens structure (6) is provided between the second adhesive layer (4) and the third adhesive layer. It may be provided on the boundary surface with the adhesive layer (7).
  • the refractive indexes of the first adhesive layer (2), the first lens structure (3), and the second adhesive layer (4) are equal, or the first lens
  • the radius of curvature of the structure (3) is made smaller than the radius of curvature of the second lens structure (6), the refractive index of the first adhesive layer (2) is na1, and the first lens structure (3).
  • Nl1 the second adhesive layer (4) has a refractive index na2
  • the second lens structure (6) has a refractive index nl2
  • the third adhesive layer (7) has a refractive index na3.
  • nl1 ⁇ na1, nl1 ⁇ na2, nl2 ⁇ na2, and nl2 ⁇ na3 are satisfied.
  • the refractive index of the first adhesive layer (2), the second adhesive layer (4), and the third adhesive layer (7) is 1.0 or more and 1.7 or less
  • the refractive index of the body (3) and the second lens structure (6) is set to 1.4 or more and 1.7 or less, or the mode field diameter of the guided light of the first optical waveguide (1) is set to the second
  • the numerical value of the propagation light in the first adhesive layer (2) in contact with the first optical waveguide (1) is made smaller than the mode field diameter of the guided light of the optical waveguide (5), and the second optical waveguide (5) Or larger than the numerical aperture of propagating light in the third adhesive layer (7) in contact with.
  • the mode structure of the light emitted from the first optical waveguide is made close to a plane wave by the lens structure provided on the boundary surface of the plurality of adhesive layers. It is possible to reduce the radiation mode light propagating through the cladding layer of the second optical waveguide and improve the coupling efficiency between the first optical waveguide and the second waveguide.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a first embodiment (Embodiment 1) of an optical connection structure (micro optical body) according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view of a region including the first adhesive layer and the first lens structure in FIG. 1 as viewed from the zx plane and the xy plane.
  • FIG. 3 is a diagram showing the structural parameters of the Si waveguide (SSC) and the optical fiber in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing the structural parameters of the adhesive layer and the lens structure in FIG. 1 (SSC-microfiber structural parameters between optical fibers).
  • FIG. 5 is a diagram illustrating definitions of structural parameters of the SSC and the optical fiber.
  • FIG. 6 is a diagram showing the definition of the structural parameter of the micro optical body between the SSC and the optical fiber (the micro optical body structural parameter between the SSC and the optical fiber).
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the definition of the imaging analysis parameters.
  • FIG. 8 is a diagram showing a design flowchart of the optical waveguide and the micro optical body.
  • FIG. 6 is a diagram showing a result of ray tracing of (a).
  • R2 radius of curvature
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the structure parameter setting index of the micro optical body.
  • FIG. 11 is a diagram showing a waveguide analysis result in the first embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram showing the mode field distribution (x direction) of the optical fiber obtained based on the waveguide analysis in comparison with the conventional example and the first embodiment.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a second embodiment (Embodiment 2) of an optical connection structure (micro optical body) according to the present invention.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing an example (conventional example) in which a taper structure is formed in a Si waveguide.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of a mode field conversion process in the conventional example.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a first embodiment (Embodiment 1) of an optical connection structure according to the present invention.
  • This optical connection structure 100 is a structure corresponding to the adhesive layer 21 shown in FIG. 14, and is a Si waveguide (having a taper structure) in which the cross-sectional area of the core is monotonously decreased along the light propagation direction.
  • Si waveguide Si waveguide 1 and the optical fiber 5.
  • the optical connection structure is referred to as a micro optical body, and the Si waveguide is referred to as SSC.
  • the micro-optical body 100 of the first embodiment is designated as 100A, and the micro-optical body 100 of the second embodiment. Is 100B.
  • Si as the core material of SSC1 is transparent to light having a wavelength of 1.3 to 1.6 ⁇ m.
  • the refractive index of the core of SSC1 is 3.5
  • the clad layer is made of a quartz-based material, is sequentially formed on the same substrate by an etching process, and the refractive index is 1.44.
  • the cross-sectional shape of the core of SSC1 is a rectangle (rectangle), and the length (height) in the y-axis direction (vertical direction) of the rectangle is the core diameter of SSC1, and the core diameter of SSC1 is a constant value.
  • the refractive index of the cladding layer of the optical fiber (quartz optical fiber) 5 is set to 1.44, and the cutoff wavelength is set to 1.5 ⁇ m or 1.3 ⁇ m.
  • the core diameter of the optical fiber 5 is set to 4 ⁇ m in consideration of bending loss reduction.
  • the core and the clad layer of the SSC 1 may be formed of another semiconductor material such as a compound semiconductor, an inorganic material, or an organic material.
  • another semiconductor material such as a compound semiconductor, an inorganic material, or an organic material.
  • a planar lightwave circuit having a rectangular core formed from another inorganic material or organic material may be used.
  • a micro optical body 100A shown in FIG. 1 includes a first adhesive layer 2, a second adhesive layer 4, a third adhesive layer 7, a first lens structure 3, and a second lens structure. 6.
  • the first adhesive layer 2 is provided so as to be in contact with the SSC 1
  • the third adhesive layer 7 is provided so as to be in contact with the optical fiber 5
  • the second adhesive layer 4 is the first adhesive layer 4. The adhesive layer 2 and the third adhesive layer 7 are in contact with each other.
  • the first lens structure 3 is provided on the boundary surface between the first adhesive layer 2 and the second adhesive layer 4, and the second lens structure 6 is provided with the second adhesive layer 4 and the third adhesive layer 4. Is provided on the boundary surface with the adhesive layer 7.
  • the first lens structure 3 and the second lens structure 6 include spherical surfaces on the surfaces of the structures.
  • the refractive index of the first adhesive layer 2, the second adhesive layer 4 and the third adhesive layer 7 is 1.0 or more and 1.7 or less, and the first lens.
  • the refractive indexes of the structure 3 and the second lens structure 6 are 1.4 or more and 1.7 or less.
  • FIG. 2A is a schematic view of a region including the first adhesive layer 2 and the first lens structure 3 as seen from the zx plane (upper surface), and FIG. The schematic diagram which looked at the area
  • FIG. 3 shows the structural parameters of the SSC 1 and the optical fiber 5. Between the SSC 1 and the optical fiber 5, a micro optical body 100A is provided as a matching portion.
  • 3A is a medium distribution diagram viewed from the zx plane (upper surface)
  • FIG. 3B is a medium distribution diagram viewed from the yz plane (side surface)
  • FIG. 3C is an xy plane (front).
  • FIG. FIG. 4 shows the structural parameters of the adhesive layers 2, 4, 7 and the lens structures 3, 6 constituting the micro optical body 100 ⁇ / b> A.
  • the alternate long and short dash line in the figure indicates the central axis of the waveguide core.
  • FIG. 5 shows the definition of the structural parameters of the SSC 1 and the optical fiber 5
  • FIG. 6 shows the definition of the structural parameters of the micro optical body 100A between the SSC 1 and the optical fiber 5
  • FIG. 7 shows the imaging analysis parameters (described later).
  • the definition of The specific value of each parameter is set in accordance with the “optical waveguide and micro-optical body design flowchart” shown in FIG.
  • FIG. 9A, FIG. 9B, and FIG. 9C are diagrams showing the relationship between the imaging characteristics of the micro-optical body and typical structural parameters.
  • the structure of the micro-optical body 100A is incorporated in the design flowchart shown in FIG. This is estimated by the image formation analysis process (step S102) and the result is shown.
  • FIG. 9A shows the case where the refractive index nl1 of the first lens structure 3 is 1.50, 1.60, 1.70
  • FIG. 9B shows that the layer length La2 of the second adhesive layer 4 is 3 ⁇ m, 5 ⁇ m. , 7 ⁇ m
  • FIG. 9C shows a combination of the thickness tl2 of the second lens structure 6 and the radius of curvature R2 (Rl2, Rr2) (3.0 ⁇ m, 5.0 ⁇ m), (2.0 ⁇ m, 6 .5 ⁇ m) and (3.0 ⁇ m, 6.5 ⁇ m), the results of ray tracing are shown respectively.
  • R2 radius of curvature
  • the refractive index na1 of the first adhesive layer 2 is 1.50
  • the refractive index nl1, the thickness tl1 and the radius of curvature R1 (Rl1, Rr1) of the first lens structure 3 are set. 1.70, 2.0 ⁇ m and 6.0 ⁇ m, respectively
  • the refractive index na2 of the second adhesive layer 4 is 1.0
  • the refractive index nl2, the thickness tl1 and the radius of curvature R2 of the second lens structure 6 ( Rl2, Rr2) are 1.60, 2.0 ⁇ m, 6.5 ⁇ m, respectively
  • the refractive index na3 of the third adhesive layer 7 is 1.60.
  • the layer lengths La1, La2, and La3 of the first adhesive layer 2, the second adhesive layer 4, and the third adhesive layer 7 are arbitrary depending on the allowable coupling tolerance in the x, y, and z directions. And is variable between about 3 ⁇ m and 200 ⁇ m. Further, an acrylic or epoxy resin material or a quartz glass material is applied to the first adhesive layer 2, the second adhesive layer 4, and the third adhesive layer 7. When the refractive index na2 is 1.0, the second adhesive layer 4 is filled with a gas such as air in addition to the resin material or the glass material.
  • the minimum numerical aperture on the SSC1 side (minimum numerical aperture of the propagation light in the first adhesive layer 2 in contact with SSC1) NA1
  • the maximum numerical aperture on the optical fiber 5 side (the first numerical aperture in contact with the optical fiber 5).
  • NA2 the maximum numerical aperture of propagating light in the adhesive layer 7
  • NA2 the maximum value hvmax of the image height hv imaged on the end face of the optical fiber 5
  • the resonance generated between the lens structures 3 and 6 and the optical waveguide (SSC1, optical fiber 5) is predicted, and the parameters are adjusted. For this, the following method is applied.
  • the refractive index of the adhesive layer and the refractive index of the cladding layer of the optical waveguide in contact with the adhesive layer are matched.
  • Matching in this case means that the return loss between connections is set to be 25 dB or more.
  • the refractive index na1 of the first adhesive layer 2 and the refractive index n2_st of the cladding layer of the SSC 1 in contact with the first adhesive layer 2 are matched, or the refractive index na3 of the third adhesive layer 7
  • the refractive index n2_fi of the cladding layer of the optical fiber 5 in contact with the adhesive layer 7 is matched.
  • the refractive index na1 of the first adhesive layer 2 and the refractive index n2_st of the cladding layer of SSC1 are matched, for example, the refractive index na1 of the first adhesive layer 2 and the cladding layer of SSC1
  • the refractive index n2_st is made equal. That is, in Embodiment 1, since the refractive index n2_st of the cladding layer of SSC1 is 1.44, the refractive index na1 of the first adhesive layer 2 is 1.44.
  • the second method matches the refractive index of the adhesive layer with the refractive index of the lens structure in contact with the adhesive layer. Matching in this case means that the return loss between connections is set to be 25 dB or more.
  • the refractive index na1 of the first adhesive layer 2 and the refractive index nl1 of the first lens structure 3 in contact with the first adhesive layer 2 are matched, or the refractive index na2 of the second adhesive layer 4
  • the refractive index nl1 of the first lens structure 3 in contact with the second adhesive layer 4 and the refractive index nl2 of the second lens structure 6 are matched, or the refractive index na3 of the third adhesive layer 7;
  • the refractive index nl2 of the second lens structure 6 in contact with the third adhesive layer 7 is matched.
  • the refractive index na1 of the first adhesive layer 2, the refractive index nl1 of the first lens structure 3, and the refractive index na2 of the second adhesive layer 4 are matched, for example, the first The refractive index na1 of the adhesive layer 2, the refractive index nl1 of the first lens structure 3, and the refractive index na2 of the second adhesive layer 4 are made equal.
  • the refractive index na3 of the third adhesive layer 7 preferably satisfies nl1 ⁇ na1, nl1 ⁇ na2, nl2 ⁇ na2, and nl2 ⁇ na3.
  • the distance (shortest distance) between the end face of the first lens structure 3 and the end face of the SSC 1 adjacent to the first lens structure 3 is the first adhesion located between the end faces. It is set so as to avoid a value near an integral multiple of the effective half wavelength of light propagating in the layer 2.
  • the distance WD between the first lens structure 3 and the end face of the SSC 1 is set to 1.05 ⁇ eff * (m ⁇ 1) / 2 ⁇ WD ⁇ 0.95 ⁇ eff * m / 2 ( ⁇ eff : effective wavelength, m : Integer).
  • ⁇ eff 0.52 ⁇ m
  • step S104 single mode guided light having a wavelength of 1.55 ⁇ m is incident on SSC1, and the time domain finite difference is obtained.
  • An electromagnetic field analysis is performed by the (FDTD) method (step S105).
  • FIG. 11 shows a result (waveguide analysis result) of the electromagnetic field analysis performed by the FDTD method.
  • 11A shows the medium distribution in the zx plane
  • FIG. 11B shows the power distribution in the zx plane.
  • FIG. 12 shows the conventional mode (example shown in FIG. 14) and the first embodiment (example shown in FIG. 1) regarding the mode field distribution (x direction) of the optical fiber 5 obtained based on the waveguide analysis. Are shown in comparison.
  • the conventional example FIG. 12A
  • the radiation mode in the fiber cladding layer is significant.
  • the first embodiment FIG. 12B
  • the radiation mode light is reduced, and the value of the coupling efficiency CE calculated from the overlap integral is also improved.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a second embodiment (Embodiment 2) of an optical connection structure according to the present invention.
  • This optical connection structure (micro-optical body) 100 ⁇ / b> B is composed of a first adhesive layer 2, a second adhesive layer 4, and a lens structure 3.
  • the first adhesive layer 2 is provided so as to be in contact with the SSC 1, and the second adhesive layer 4 is provided so as to be in contact with the optical fiber 5.
  • the lens structure 3 is provided on the boundary surface between the first adhesive layer 2 and the second adhesive layer 4.
  • the lens structure 3 includes a spherical surface on the surface of the structure.
  • the core diameter of the optical fiber 5 is 10 ⁇ m, and the cutoff wavelength is 1.3 ⁇ m or 1.5 ⁇ m.
  • the refractive index na1 of the first adhesive layer 2 is 1.0.
  • the lens structure 3 is formed of a spherical surface, and has a radius of curvature R1 (Rl1, Rr1) of 8 ⁇ m or more, a thickness of 2 ⁇ m to 3 ⁇ m, and a refractive index nl1 of 1.5 to 1.7.
  • the refractive index na2 of the second adhesive layer 4 and the refractive index nl1 of the lens structure 3 are set so that the return loss between the connections is 25 dB or more.
  • the refractive index n2_fi of the cladding layer of the optical fiber 5 and the refractive index na2 of the second adhesive layer 4 are set so that the return loss between the connections is 25 dB or more.
  • the coupling tolerance in the xy (horizontal and vertical) direction is smaller than that of the micro-optical body 100A of the first embodiment.
  • the same effect as the micro optical body 100A of the first embodiment can be obtained with respect to the coupling efficiency.
  • SYMBOLS 1 Si waveguide (SSC), 2 ... 1st contact bonding layer, 3 ... 1st lens structure, 4 ... 2nd contact bonding layer, 5 ... Optical fiber, 6 ... 2nd lens structure, 7 ... Third adhesive layer, 100 (100A, 100B)... Optical connection structure (micro optical body).

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Abstract

第１の接着層２をＳＳＣ１に接するようにして設ける。第２の接着層４を光ファイバ５に接するようにして設ける。第１の接着層２と第２の接着層４との境界面にレンズ構造体３を設ける。接着層（２，４）の屈折率と、この接着層（２，４）に接する光導波路（１，５）のクラッド層の屈折率を、接続間の反射減衰量が２５ｄＢ以上となるように設定したり、接着層（２，４）の屈折率と、この接着層（２，４）に接するレンズ構造体（３）の屈折率を、接続間の反射減衰量が２５ｄＢ以上となるように設定したり、レンズ構造体（３）の端面と、このレンズ構造体（３）に近接する光導波路（１，５）の端面間の距離を、その端面間に位置する接着層（２，４）内を伝搬する光の実効半波長の整数倍の近傍値を避けるように設定したりする。本発明によって、異なるモードフィールドを有する光導波路間の結合効率を向上させることができる。

Description

光接続構造
　本発明は、異なるモードフィールドを有する光導波路間を結合（接続）する光接続構造に関する。
　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。この光部品の高集積化に応える技術として、「シリコンフォトニクス」と呼ばれる技術が知られている。
　シリコンフォトニクスは、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ており、屈曲半径を小さくできることや、電子回路との集積化が可能で、集積回路と同様の半導体製造装置を利用し、高い生産性が得られることから、光部品の更なる小型化・低コスト化を実現する要素技術として研究開発が活発化している。
　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（以下、Ｓｉ導波路ともいう。）を構成している。Ｓｉ導波路の導波光を、光ファイバを介し、高い結合効率で伝送する場合、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構造が必要である。
　図１４に、従来例として、Ｓｉ導波路にテーパ構造（光の伝搬方向に沿って導波路の幅を緩やかに狭めた形状）を形成した例を示す（例えば、特許文献１参照）。この例では、光の伝搬方向に沿って、コアの断面積を単調減少させるようにして、Ｓｉ導波路２０にテーパ構造を形成している。このＳｉ導波路２０は、接着層２１を介して、光ファイバ２２に結合（接続）されている。以下、Ｓｉ導波路２０や接着層２１，光ファイバ２２などの光の伝搬路に位置する部材を媒体ともいう。
　図１４に示した例において、Ｓｉ導波路２０を導波する光のモードフィールド径は、図１５の（ｂ）に示すように、Ｓｉ導波路２０の端面に達する前の位置から徐々に拡大され、Ｓｉ導波路２０の端面に到達し、接着層２１に放射される。なお、図１５の（ａ）は媒体分布を示しており、図１４，図１５において、ｚ軸は光の伝搬方向（光軸に沿った方向）を示し、ｙ軸は鉛直方向、ｘ軸は水平方向を示している。
　Ｓｉ導波路２０から放射される光のモードフィールド分布は、Ｓｉ導波路２０のコアとクラッド層の屈折率およびテーパ構造の傾斜角、および接着層２１の屈折率分布に依存して決定される。この場合、Ｓｉ導波路２０から放射された光の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。図１５の（ｂ）は平面波に近い状態（放射角（θa1）小）を示している。
特開平１１－５２１６８号公報
　しかしながら、図１４に示した例では、構造パラメータの製造誤差等により、図１５の（ｃ）に示す様に、理想的な平面波から乖離してしまうことがある（放射角（θa1）大）。この平面波の乖離がＳｉ導波路２０と光ファイバ２２との間の結合効率の低下の原因の一つになる。
　本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、異なるモードフィールドを有する光導波路間の結合効率を向上させることが可能な光接続構造を提供することにある。
　このような目的を達成するために本発明は、異なるモードフィールドを有する第１の光導波路（１）と第２の光導波路（５）との間を結合する光接続構造（１００）において、第１の光導波路（１）から第２の光導波路（５）への光の伝搬方向に沿って設けられた複数の接着層（２，４）と、複数の接着層（２，４）の境界面に設けられたレンズ構造体（３）とを備えることを特徴とする。
　本発明では、複数の接着層（２，４）の境界面に設けられたレンズ構造体（３）によって、第１の光導波路（１）から放射された光のモードフィールド分布を平面波に近づけるようにして、第２の光導波路（５）のクラッド層を伝搬する放射モードの光を低減し、第１の光導波路（１）と第２の導波路（５）との間の結合効率を向上させることが可能となる。
　本発明において、例えば、接着層（２，４）の屈折率と、この接着層（２，４）に接する光導波路（１，５）のクラッド層の屈折率を、接続間の反射減衰量が２５ｄＢ以上となるように設定したり、接着層（２，４）の屈折率と、この接着層（２，４）に接するレンズ構造体（３）の屈折率を、接続間の反射減衰量が２５ｄＢ以上となるように設定したり、レンズ構造体（３）の端面と、このレンズ構造体（３）に近接する光導波路（１，５）の端面間の距離を、その端面間に位置する接着層（２，４）内を伝搬する光の実効半波長の整数倍の近傍値を避けるように設定したりすると、異なる屈折率を有する媒体間に発生する過剰な共振を抑制することが可能となる。
　また、本発明において、複数の接着層を第１の接着層（２）と第２の接着層（４）と第３の接着層（７）とし、レンズ構造体を第１のレンズ構造体（３）と第２のレンズ構造体（６）とし、第１の接着層（２）を第１の光導波路（１）に接するようにして設け、第３の接着層（７）を第２の光導波路（５）に接するようにして設け、第２の接着層（４）を第１の接着層（２）および第３の接着層（７）に接するようにして設け、第１のレンズ構造体（３）を第１の接着層（２）と第２の接着層（４）との境界面に設け、第２のレンズ構造体（６）を第２の接着層（４）と第３の接着層（７）との境界面に設けるようにしてもよい。
　このような構造とする場合、例えば、第１の接着層（２）と第１のレンズ構造体（３）と第２の接着層（４）の屈折率をそれぞれ等しくしたり、第１のレンズ構造体（３）の曲率半径を第２のレンズ構造体（６）の曲率半径よりも小さくしたり、第１の接着層（２）の屈折率をｎa1、第１のレンズ構造体（３）の屈折率をｎl1、第２の接着層（４）の屈折率をｎa2、第２のレンズ構造体（６）の屈折率をｎl2、第３の接着層（７）の屈折率をｎa3とした時、ｎl1≧ｎa1、ｎl1≧ｎa2、ｎl2≧ｎa2、且つｎl2≧ｎa3を満たすようにしたりする。
　また、例えば、第１の接着層（２）、第２の接着層（４）および第３の接着層（７）の屈折率を、１．０以上１．７以下とし、第１のレンズ構造体（３）および第２のレンズ構造体（６）の屈折率を、１．４以上１．７以下としたり、第１の光導波路（１）の導波光のモードフィールド径を、第２の光導波路（５）の導波光のモードフィールド径より小さくし、第１の光導波路（１）に接する第１の接着層（２）における伝搬光の開口数を、第２の光導波路（５）に接する第３の接着層（７）における伝搬光の開口数より大きくしたりする。
　なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。
　以上説明したように、本発明によれば、複数の接着層の境界面に設けられたレンズ構造体によって、第１の光導波路から放射された光のモードフィールド分布を平面波に近づけるようにして、第２の光導波路のクラッド層を伝搬する放射モードの光を低減し、第１の光導波路と第２の導波路との間の結合効率を向上させることが可能となる。
図１は、本発明に係る光接続構造（微小光学体）の第１の実施の形態（実施の形態１）を示す模式図である。 図２は、図１における第１の接着層と第１のレンズ構造体を含む領域をｚｘ面およびｘｙ面から見た模式図である。 図３は、図１におけるＳｉ導波路（ＳＳＣ）と光ファイバの構造パラメータを示す図である。 図４は、図１における接着層およびレンズ構造体の構造パラメータ（ＳＳＣ－光ファイバ間の微小光学体構造パラメータ）を示す図である。 図５は、ＳＳＣと光ファイバの構造パラメータの定義を示す図である。 図６は、ＳＳＣと光ファイバとの間の微小光学体の構造パラメータ（ＳＳＣ－光ファイバ間の微小光学体構造パラメータ）の定義を示す図である。 図７は、結像解析パラメータの定義を示す図である。 図８は、光導波路と微小光学体の設計フローチャートを示す図である。 図９Ａは、微小光学体の結像特性と代表的な構造パラメータの関係（第１のレンズ構造体の屈折率ｎl1（＝ｖａｒ）を、１．５０、１．６０、１．７０とした場合の光線追跡の結果）を示す図である。 図９Ｂは、微小光学体の結像特性と代表的な構造パラメータの関係（第２の接着層の層長Ｌa2（＝ｖａｒ）を３μｍ、５μｍ、７μｍとした場合の光線追跡の結果）を示す図である。 図９Ｃは、微小光学体の結像特性と代表的な構造パラメータの関係（第２のレンズ構造体の厚さｔl2と曲率半径Ｒ２（Ｒl2，Ｒr2）との組（＝（ｖａｒ１，ｖａｒ２））を（３．０μｍ，５．０μｍ）、（２．０μｍ，６．５μｍ）、（３．０μｍ，６．５μｍ）とした場合の光線追跡の結果）を示す図である。 図１０は、微小光学体の構造パラメータ設定指標の例を示す図である。 図１１は、実施の形態１における導波解析結果を示す図である。 図１２は、導波解析を基に得られた光ファイバのモードフィールド分布（ｘ方向）を従来例と実施の形態１とを比較して示す図である。 図１３は、本発明に係る光接続構造（微小光学体）の第２の実施の形態（実施の形態２）を示す模式図である。 図１４は、Ｓｉ導波路にテーパ構造を形成した例（従来例）を示す模式図である。 図１５は、従来例におけるモードフィールド変換過程の例を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
〔実施の形態１〕
　図１は本発明に係る光接続構造の第１の実施の形態（実施の形態１）を示す模式図である。この光接続構造１００は、図１４に示した接着層２１に相当する部分の構造であり、光の伝搬方向に沿ってコアの断面積を単調減少させるようにしたＳｉ導波路（テーパ構造を有するＳｉ導波路）１と光ファイバ５との間に設けられている。
　以下、光接続構造を微小光学体と呼び、Ｓｉ導波路をＳＳＣと呼ぶ。また、後述する実施の形態２の光接続構造（微小光学体）１００（図１３）と区別するために、実施の形態１の微小光学体１００を１００Ａとし、実施の形態２の微小光学体１００を１００Ｂとする。
　また、図１や図１３に示した構成において、ＳＳＣ１のコア材料であるＳｉは、波長１．３～１．６μｍの光に対して透明であるとする。また、ＳＳＣ１のコアの屈折率は、３．５とし、クラッド層は石英系材料から成り、同一基板上にエッチング工程によって順次形成され、その屈折率は１．４４であるとする。また、ＳＳＣ１のコアの断面形状は、矩形（長方形）であり、当該矩形でのｙ軸方向（鉛直方向）の長さ（高さ）をＳＳＣ１のコア径とし、このＳＳＣ１のコア径は一定値であるとする。
　また、図１や図１３に示した構成において、光ファイバ（石英系光ファイバ）５のクラッド層の屈折率は１．４４、カットオフ波長は１．５μｍまたは１．３μｍに設定されているものとする。また、光ファイバ５のコア径は、曲げ損失低減を考慮し、コア径４μｍとしている。
　なお、ＳＳＣ１のコアおよびクラッド層は、化合物半導体等、他の半導体材料、無機材料、有機材料から形成されても構わない。また、光ファイバ５の代わりに、他の無機材料または有機材料から形成された矩形状のコアを有する平面光波回路を用いても構わない。
　図１に示した微小光学体１００Ａは、第１の接着層２と、第２の接着層４と、第３の接着層７と、第１のレンズ構造体３と、第２のレンズ構造体６とから構成されている。
　この微小光学体１００Ａにおいて、第１の接着層２はＳＳＣ１に接するようにして設けられ、第３の接着層７は光ファイバ５に接するようにして設けられ、第２の接着層４は第１の接着層２および第３の接着層７に接するようにして設けられている。
　また、第１のレンズ構造体３は第１の接着層２と第２の接着層４との境界面に設けられており、第２のレンズ構造体６は第２の接着層４と第３の接着層７との境界面に設けられている。第１のレンズ構造体３および第２のレンズ構造体６は該構造体の表面に球面を含む。
　また、この微小光学体１００Ａにおいて、第１の接着層２、第２の接着層４および第３の接着層７の屈折率は、１．０以上１．７以下であって、第１のレンズ構造体３および第２のレンズ構造体６の屈折率は、１．４以上１．７以下とされている。
　図２（ａ）に第１の接着層２と第１のレンズ構造体３を含む領域をｚｘ面（上面）から見た模式図を、図２（ｂ）に第１の接着層２と第１のレンズ構造体３を含む領域をｘｙ面（正面）から見た模式図を示す。
　図３に、ＳＳＣ１と光ファイバ５の構造パラメータを示す。ＳＳＣ１と光ファイバ５との間に微小光学体１００Ａが整合部として設けられている。図３の（ａ）はｚｘ面（上面）から見た媒体分布図、図３の（ｂ）はｙｚ面（側面）から見た媒体分布図、図３の（ｃ）はｘｙ面（正面）から見た媒体分布図である。図４に、微小光学体１００Ａを構成する接着層２，４，７およびレンズ構造体３，６の構造パラメータを示す。図中の一点鎖線は、導波路コアの中心軸を示す。
　図５にＳＳＣ１と光ファイバ５の構造パラメータの定義を示し、図６にＳＳＣ１と光ファイバ５との間の微小光学体１００Ａの構造パラメータの定義を示し、図７に結像解析パラメータ（後述）の定義を示す。各パラメータの具体的な値は、図８に示す「光導波路と微小光学体の設計フローチャート」に従って設定する。
　図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃは、微小光学体の結像特性と代表的な構造パラメータの関係を示す図であり、微小光学体１００Ａの構造を、図８に示した設計フローチャートに組み込まれた結像解析プロセス（ステップＳ１０２）によって見積り、その結果を示したものである。
　図９Ａは、第１のレンズ構造体３の屈折率ｎl1を、１．５０、１．６０、１．７０とした場合、図９Ｂは、第２の接着層４の層長Ｌa2を３μｍ、５μｍ、７μｍとした場合、図９Ｃは、第２のレンズ構造体６の厚さｔl2と曲率半径Ｒ２（Ｒl2，Ｒr2）との組を（３．０μｍ，５．０μｍ）、（２．０μｍ，６．５μｍ）、（３．０μｍ，６．５μｍ）とした場合の光線追跡の結果をそれぞれ示す。
　本実施の形態を代表する構造として、第１の接着層２の屈折率ｎa1を１．５０、第１のレンズ構造体３の屈折率ｎl1、厚さｔl1および曲率半径Ｒ1（Ｒl1，Ｒr1）を、それぞれ１．７０、２．０μｍ、６．０μｍとし、第２の接着層４の屈折率ｎa2を１．０、第２のレンズ構造体６の屈折率ｎl2、厚さｔl1および曲率半径Ｒ２（Ｒl２，Ｒr２）を、それぞれ１．６０、２．０μｍ、６．５μｍ、第３の接着層７の屈折率ｎa3を１．６０とする。また、第１の接着層２と第２の接着層４と第３の接着層７の層長Ｌa1，Ｌa2，Ｌa3は、ｘ，ｙ，ｚ方向に対して許容される結合トレランスに応じて任意に設定し、３μｍ～２００μｍ程度の間で可変とする。また、第１の接着層２，第２の接着層４，第３の接着層７には、アクリル系またはエポキシ系の樹脂材料、または石英系ガラス材料を適用する。なお、第２の接着層４は、その屈折率ｎa2を１．０とする場合、上記樹脂材料またはガラス材料の他に、空気等の気体で充填する。
　上記パラメータの設定においては、ＳＳＣ１側の最小開口数（ＳＳＣ１に接する第１の接着層２における伝搬光の最小開口数）ＮA1による制約、光ファイバ５側の最大開口数（光ファイバ５に接する第３の接着層７における伝搬光の最大開口数）ＮA2による制約、および光ファイバ５の端面に結像する像高ｈvの最大値ｈvmaxを同時に満たさなくてはならない。
　図１０（ａ）に示す第２のレンズ構造体６の屈折率ｎl2と光ファイバ５側の開口数（受光開口数）ＮAt（左軸）および像高ｈv（右軸）との関係、および、図１０（ｂ）に示す第２の接着層４の層長Ｌa2と光ファイバ５側の開口数（受光開口数）ＮAt（左軸）および像高ｈv（右軸）との関係を、微小光学体１００Ａの構造パラメータ設定指標の一つとする。実施の形態１では、ＮA1＝０．５２、ＮA2＝０．３２、ｈvmax＝１．５μｍとする。
　更に、上記結像解析（ステップＳ１０２）によって設定されたパラメータをベースとして、各レンズ構造体３，６と光導波路（ＳＳＣ１，光ファイバ５）間において発生する共振を予測し、パラメータを調整する。これには、以下の方法を適用する。
　第１の方法は、接着層の屈折率と、その接着層に接する光導波路のクラッド層の屈折率を整合させる。この場合の整合とは、接続間の反射減衰量が２５ｄＢ以上となるように設定することを意味する。例えば、第１の接着層２の屈折率ｎa1と、この第１の接着層２に接するＳＳＣ１のクラッド層の屈折率ｎ2_stを整合させたり、第３の接着層７の屈折率ｎa3と、この第３の接着層７に接する光ファイバ５のクラッド層の屈折率ｎ2_fiを整合させたりする。
　この第１の方法において、第１の接着層２の屈折率ｎa1とＳＳＣ１のクラッド層の屈折率ｎ2_stとを整合させる場合、例えば、第１の接着層２の屈折率ｎa1とＳＳＣ１のクラッド層の屈折率ｎ2_stとを等しくする。すなわち、実施の形態１において、ＳＳＣ１のクラッド層の屈折率ｎ2_stは１．４４であるので、第１の接着層２の屈折率ｎa1を１．４４とする。
　第２の方法は、接着層の屈折率と、その接着層に接するレンズ構造体の屈折率を整合させる。この場合の整合とは、接続間の反射減衰量が２５ｄＢ以上となるように設定することを意味する。例えば、第１の接着層２の屈折率ｎa1と、この第１の接着層２に接する第１のレンズ構造体３の屈折率ｎl1を整合させたり、第２の接着層４の屈折率ｎa2と、この第２の接着層４に接する第１のレンズ構造体３の屈折率ｎl1および第２のレンズ構造体６の屈折率ｎl2を整合させたり、第３の接着層７の屈折率ｎa3と、この第３の接着層７に接する第２のレンズ構造体６の屈折率ｎl2を整合させたりする。
　この第２の方法において、第１の接着層２の屈折率ｎa1と第１のレンズ構造体３の屈折率ｎl1と第２の接着層４の屈折率ｎa2とを整合させる場合、例えば、第１の接着層２の屈折率ｎa1と第１のレンズ構造体３の屈折率ｎl1と第２の接着層４の屈折率ｎa2とを等しくする。
　なお、第１の接着層２の屈折率ｎa1と、第１のレンズ構造体３の屈折率ｎl1と、第２の接着層４の屈折率ｎa2と、第２のレンズ構造体６の屈折率ｎl2と、第３の接着層７の屈折率ｎa3とは、ｎl1≧ｎa1、ｎl1≧ｎa2、ｎl2≧ｎa2、且つｎl2≧ｎa3を満たしていることが望ましい。
　第３の方法は、第１のレンズ構造体３の端面と、この第１のレンズ構造体３に近接するＳＳＣ１の端面間の距離（最短距離）を、その端面間に位置する第１の接着層２内を伝搬する光の実効半波長の整数倍の近傍値を避けるように設定する。
　例えば、第１のレンズ構造体３とＳＳＣ１の端面間の距離ＷＤを、１．０５λeff *（ｍ－１）／２＜ＷＤ＜０．９５λeff *ｍ／２（λeff：実効波長、ｍ：整数）を満たす様に設定する。具体例は、λeff＝０．５２μｍ、ｍ＝７の場合で、ＷＤ＝３．３μｍとする。
　上記した第１，第２，第３のいずれの方法においても、異なる屈折率を有する媒体間に発生する過剰な共振を抑制する効果が得られる。
　図８に示した設計フローチャートにより（ステップＳ１０１～Ｓ１０３の繰り返し）、最終的に設定された構造パラメータにおいて（ステップＳ１０４）、波長１．５５μｍのシングルモード導波光をＳＳＣ１に入射し、時間領域有限差分（ＦＤＴＤ）法による電磁界解析を実行する（ステップＳ１０５）。
　このＦＤＴＤ法による電磁界解析を、ステップＳ１０６において結合効率または透過特性の目標値を満たすまで、結像特性を再計算しながら（ステップＳ１０７）、繰り返す。このＦＤＴＤ法による電磁界解析を実行した結果（導波解析結果）を図１１に示す。図１１の（ａ）はｚｘ面内における媒体分布を示し、図１１の（ｂ）はｚｘ面内における電力分布を示す。
　図１２に、導波解析を基に得られた光ファイバ５のモードフィールド分布（ｘ方向）について、従来例（図１４に示した例）と実施の形態１（図１に示した例）とを比較して示す。従来例（図１２（ａ））においては、ファイバクラッド層における放射モードが顕著である。一方、実施の形態１（図１２（ｂ））においては、放射モードの光が低減され、重なり積分から算出した結合効率ＣＥの値も改善されている。
〔実施の形態２〕
　図１３は、本発明に係る光接続構造の第２の実施の形態（実施の形態２）を示す模式図である。この光接続構造（微小光学体）１００Ｂは、第１の接着層２と、第２の接着層４と、レンズ構造体３とから構成されていている。
　この微小光学体１００Ｂにおいて、第１の接着層２はＳＳＣ１に接するようにして設けられ、第２の接着層４は光ファイバ５に接するようにして設けられている。また、レンズ構造体３は第１の接着層２と第２の接着層４との境界面に設けられている。レンズ構造体３は該構造体の表面に球面を含む。
　この微小光学体１００Ｂでは、光ファイバ５のコア径を１０μｍとし、カットオフ波長を１．３μｍまたは１．５μｍとしている。また、第１の接着層２の屈折率ｎa1を１．０としている。レンズ構造体３は球面から形成され、曲率半径Ｒ１（Ｒl1，Ｒr1）を８μｍ以上、厚さ２μｍ～３μｍ、屈折率ｎl1を１．５～１．７としている。
　また、この微小光学体１００Ｂにおいて、第２の接着層４の屈折率ｎa2と、レンズ構造体３の屈折率ｎl1は、接続間の反射減衰量が２５ｄＢ以上となるように設定している。または、光ファイバ５のクラッド層の屈折率ｎ2_fiと、第２の接着層４の屈折率ｎa2は、接続間の反射減衰量が２５ｄＢ以上となるように設定している。
　この実施の形態２の微小光学体１００Ｂでは、ｘｙ（水平鉛直）方向の結合トレランスが、実施形態１の微小光学体１００Ａよりも小さくなる。また、平面波に近い状態で光ファイバ５に光が入射されるため、結合効率については、実施形態１の微小光学体１００Ａと同様の効果が得られる。
〔実施の形態の拡張〕
　以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
　１…Ｓｉ導波路（ＳＳＣ）、２…第１の接着層、３…第１のレンズ構造体、４…第２の接着層、５…光ファイバ、６…第２のレンズ構造体、７…第３の接着層、１００（１００Ａ，１００Ｂ）…光接続構造（微小光学体）。

Claims (8)

  1. 　異なるモードフィールドを有する第１の光導波路と第２の光導波路との間を結合する光接続構造において、
    　前記第１の光導波路から前記第２の光導波路への光の伝搬方向に沿って設けられた複数の接着層と、
    　前記複数の接着層の境界面に設けられたレンズ構造体と
    　を備えることを特徴とする光接続構造。
  2. 　請求項１に記載された光接続構造において、
    　前記接着層の屈折率と、この接着層に接する前記光導波路のクラッド層の屈折率が、接続間の反射減衰量が２５ｄＢ以上となるように設定されている
    　ことを特徴とする光接続構造。
  3. 　請求項１に記載された光接続構造において、
    　前記接着層の屈折率と、この接着層に接する前記レンズ構造体の屈折率が、接続間の反射減衰量が２５ｄＢ以上となるように設定されている
    　ことを特徴とする光接続構造。
  4. 　請求項１に記載された光接続構造において、
    　前記レンズ構造体の端面と、このレンズ構造体に近接する前記光導波路の端面間の距離が、その端面間に位置する前記接着層内を伝搬する光の実効半波長の整数倍の近傍値を避けるように設定されている
    　ことを特徴とする光接続構造。
  5. 　請求項１～４の何れか１項に記載された光接続構造において、
    　前記複数の接着層として、
    　第１の接着層と第２の接着層と第３の接着層とを備え、
    　前記レンズ構造体として、
    　第１のレンズ構造体と第２のレンズ構造体とを備え、
    　前記第１の接着層は、
    　前記第１の光導波路に接するようにして設けられ、
    　前記第３の接着層は、
    　前記第２の光導波路に接するようにして設けられ、
    　前記第２の接着層は、
    　前記第１の接着層および第３の接着層に接するようにして設けられ、
    　前記第１のレンズ構造体は、
    　前記第１の接着層と前記第２の接着層との境界面に設けられ、
    　前記第２のレンズ構造体は、
    　前記第２の接着層と前記第３の接着層との境界面に設けられている
    　ことを特徴とする光接続構造。
  6. 　請求項５に記載された光接続構造において、
    　前記第１の接着層と前記第１のレンズ構造体と前記第２の接着層の屈折率がそれぞれ等しい
    　ことを特徴とする光接続構造。
  7. 　請求項５に記載された光接続構造において、
    　前記第１のレンズ構造体および前記第２のレンズ構造体は、
    　当該構造体の表面に球面を含み、
    　前記第１のレンズ構造体の曲率半径は、
    　前記第２のレンズ構造体の曲率半径よりも小さい
    　ことを特徴とする光接続構造。
  8. 　請求項５に記載された光接続構造において、
    　前記第１の接着層の屈折率、前記第１のレンズ構造体の屈折率、前記第２の接着層の屈折率、前記第２のレンズ構造体の屈折率、前記第３の接着層の屈折率は、
    　前記第１の接着層の屈折率をｎa1、前記第１のレンズ構造体の屈折率をｎl1、前記第２の接着層の屈折率をｎa2、前記第２のレンズ構造体の屈折率をｎl2、前記第３の接着層の屈折率をｎa3とした時、ｎl1≧ｎa1、ｎl1≧ｎa2、ｎl2≧ｎa2、且つｎl2≧ｎa3を満たしている
    　ことを特徴とする光接続構造。
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