WO2020166386A1 - レンズ構造体及び光接続構造 - Google Patents

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WO2020166386A1
WO2020166386A1 PCT/JP2020/003697 JP2020003697W WO2020166386A1 WO 2020166386 A1 WO2020166386 A1 WO 2020166386A1 JP 2020003697 W JP2020003697 W JP 2020003697W WO 2020166386 A1 WO2020166386 A1 WO 2020166386A1
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waveguide
lens
optical connection
connection structure
lens structure
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PCT/JP2020/003697
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Inventor
遠藤　潤
光太 鹿間
荒武　淳
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/04—Simple or compound lenses with non-spherical faces with continuous faces that are rotationally symmetrical but deviate from a true sphere, e.g. so called "aspheric" lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/18—Optical objectives specially designed for the purposes specified below with lenses having one or more non-spherical faces, e.g. for reducing geometrical aberration
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a lens structure and an optical connection structure for coupling optical waveguides having different mode field diameters.
  • Non-Patent Document 1 a structure for converting the mode field such as a taper structure or a grating structure is formed in the Si waveguide (see Non-Patent Document 1).
  • the mode field of the Si waveguide may not be sufficiently coupled with the mode field of the optical fiber due to manufacturing variation of the mode field conversion structure such as SSC (Spot-Size Conventer) formed in the Si waveguide.
  • the light wave emitted from the Si waveguide includes a radiation mode traveling in a direction away from the optical axis, and as a result, the coupling efficiency with the fiber deteriorates.
  • FIG. 21A is a cross-sectional view of a conventional optical connection structure having an incomplete conversion structure
  • FIG. 21B is a diagram showing a normalized power distribution
  • E is an electric field
  • the end face of the Si waveguide 300 and the end face of the optical fiber 301 are butted and bonded with an adhesive 302.
  • the distance between the Si waveguide 300 and the optical fiber 301 is 5 ⁇ m.
  • the adhesive 302 plays a role of matching the refractive indexes of the Si waveguide 300 and the optical fiber 301.
  • the z-axis direction is the light propagation direction
  • the y-axis direction is the direction perpendicular to the z-axis direction, and is the thickness direction of the waveguide.
  • FIG. 22 is a diagram showing a representative mode in the fiber plane of the optical connection structure of FIG.
  • 23 is a diagram showing the reference plane position dependence of the coupling efficiency of the optical connection structure of FIG.
  • the z coordinate zref of the reference surface is swept from the vicinity of the fiber end surface along the light propagation direction.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a lens structure and an optical connection structure capable of improving the coupling efficiency between two optical waveguides having different mode field diameters. ..
  • the lens structure of the present invention includes a lens portion having a first refracting surface on the light source side and a second refracting surface on the exit side facing the first refracting surface, and the coordinate in the light propagation direction is z,
  • the coordinate in the height direction perpendicular to the optical axis of the lens portion is y, the size of the lens portion in the height direction is D, and the distance in the light propagation direction from a predetermined origin to the end of the first refracting surface.
  • the first refracting surface is The filling,
  • the second refracting surface is It is characterized by satisfying.
  • one configuration example of the lens structure of the present invention is characterized by further comprising a marker portion formed so as to be joined to at least one of both end portions of the lens portion in a direction perpendicular to the optical axis. It is a thing. Further, one configuration example of the lens structure of the present invention is characterized in that a contrast agent is applied to at least a part of the marker portion. In addition, one configuration example of the lens structure of the present invention includes a substrate and a support body that is formed on the substrate and supports the lens portion so that the lens portion is arranged on the substrate with a space therebetween. It is characterized by further comprising.
  • the optical connection structure of the present invention includes a first waveguide, a second waveguide for receiving light from the first waveguide, an emission surface of the first waveguide, and the second waveguide.
  • the second waveguide has a mode field diameter larger than that of the first waveguide.
  • one configuration example of the optical connection structure of the present invention is characterized in that the space between at least one of the first waveguide and the second waveguide and the lens portion of the lens structure is filled. It is characterized by further comprising a light transmissive member having a refractive index smaller than that of the lens portion. Moreover, in one structural example of the optical connection structure of the present invention, the light transmissive member is a resin adhesive.
  • the lens portion by forming the lens portion into an asymmetrical aspherical shape on both sides, when the lens structure provided with this lens portion is applied to the optical connection structure, the mode field is compared with the conventional optical connection structure. It is possible to improve the coupling efficiency between two optical waveguides having different diameters.
  • the lens structure when the lens structure is applied to the optical connection structure, it is possible to compensate for the incomplete mode field converter of the waveguide on the light source side. Further, in the present invention, the spherical aberration of the lens structure can be improved, and the number of lenses can be reduced to reduce the size of the optical system.
  • a marker portion is provided so as to be joined to at least one of both end portions of the lens portion in a direction perpendicular to the optical axis, and a contrast agent is applied to at least a part of the marker portion, whereby the lens portion It becomes possible to detect the position of.
  • the substrate and the support as the configuration of the lens structure, it becomes possible to fix the lens portion in the gap of the waveguide.
  • a refractive index smaller than the refractive index of the lens portion is filled between at least one of the first waveguide and the second waveguide and the lens portion of the lens structure.
  • FIG. 1 is a sectional view showing the shape of a lens structure according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a ray tracing calculation result when collimated light is incident on the lens structure according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing the collimated light height dependency of the spherical aberration of the lens structure according to the first example of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing the dependence of the numerical aperture on the fiber side on the light source side in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a sectional view showing the shape of a lens structure according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing a ray tracing calculation result when collimated light is made incident on the lens structure according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing the collimated light height dependency of the spherical aberration of the lens structure according to the second example of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing the light source side numerical aperture dependence of the fiber side numerical aperture in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing another shape of the lens structure according to the first and second embodiments of the present invention.
  • FIG. 10 is a sectional view of an optical connection structure according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a sectional view of another optical connection structure according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a sectional view of another optical connection structure according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a sectional view of another optical connection structure according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a sectional view of an optical connection structure according to a third embodiment of the present invention and a diagram showing a standardized power distribution of the optical connection structure.
  • FIG. 15 is a diagram showing a representative mode in the fiber plane of the optical connection structure of FIG.
  • FIG. 16 is a diagram showing the dependence of the coupling efficiency of the optical connection structure of FIG. 14 on the reference plane position.
  • FIG. 17 is a sectional view of an optical connection structure according to a third embodiment of the present invention and a diagram showing a standardized power distribution of the optical connection structure.
  • FIG. 18 is a diagram showing a representative mode in the fiber plane of the optical connection structure of FIG.
  • FIG. 19 is a diagram showing the dependence of the coupling efficiency of the optical connection structure of FIG. 17 on the reference plane position.
  • FIG. 20 is a plan view of an optical connection structure having an array structure according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view of a conventional optical connection structure and a diagram showing a standardized power distribution of the optical connection structure.
  • a lens part having a double-sided asymmetrical aspherical shape for shortening the distance between waveguide connections, a support for fixing the lens part, and a substrate are provided in a gap between two optical waveguides having different mode field diameters.
  • the lens portion and the support are made of a photocurable resin. Further, the lens structure has a marker portion for detecting the position of the lens portion.
  • FIG. 1 is a sectional view showing the shape of a lens structure according to the first embodiment of the present invention.
  • the shape of the lens structure 100 is defined in an orthogonal coordinate system, and the propagation direction of light is the z-axis direction, and the plane orthogonal to the z-axis direction is the xy plane.
  • the coordinates of the light source be the origin O and the optical axis of the lens structure 100 be OA.
  • the positive direction of the y-axis is defined as the upward direction and the negative direction is defined as the downward direction (vertical direction).
  • Reference character S in FIG. 1 denotes a waveguide exit surface.
  • the lens structure 100 includes a minute lens portion 105 having a refraction surface 101 (lens surface) on the light source side and a refraction surface 102 (lens surface) on the exit side facing the refraction surface 101, and a height perpendicular to the optical axis OA.
  • the marker portions 107 and 108 are formed so as to be joined to both end portions (upper and lower end portions in this embodiment) of the minute lens portion 105 in the direction.
  • the refracting surface 101 has a convex shape toward the light source side
  • the refracting surface 102 has a convex shape toward the light propagation direction.
  • the microlens portion 105 of the lens structure 100 contributes to light collection, but the marker portions 107 and 108 do not contribute to light collection. That is, the surfaces 106a and 106b of the marker portion 107 perpendicular to the optical axis OA and the surfaces 103a and 103b of the marker portion 108 perpendicular to the optical axis OA are non-refractive surfaces.
  • the length in the z-axis direction of the joint between the microlens portion 105 and the marker portions 107 and 108 is t.
  • the minute lens portion 105 and the marker portions 107 and 108 are made of a photocurable resin material.
  • the refracting surface 102 of the microlens portion 105 satisfy the conditional expressions (2-1) to (2-4).
  • z is the coordinate in the light propagation direction
  • y is the coordinate in the height direction perpendicular to the optical axis OA.
  • D is the y-axis direction of the size of the minute lenses 105 (height)
  • l a is a variable that determines the working distance of the lens structure 100, from the origin O to the end of the refracting surface 101 It is the distance in the z-axis direction.
  • t is the distance in the z-axis direction from the end of the refracting surface 101 to the end of the refracting surface 102.
  • the refracting surface 101 and the refracting surface 102 are asymmetric aspherical functions as specified by the parameter ranges in the equations (1-1) to (1-4) and the equations (2-1) to (2-4). It is represented by. r a1 is the radius of the refracting surface 101 (elliptical surface) in the y-axis direction, and r b1 is the radius of the refracting surface 101 in the z-axis direction. Further, r a2 is the radius of the refracting surface 102 (elliptical surface) in the y-axis direction, and r b2 is the radius of the refracting surface 102 in the z-axis direction.
  • the microlens portion 105 has a basic shape that is rotationally symmetric with respect to the optical axis OA. However, the radius in the x direction and the radius in the y direction are different depending on the in-plane asymmetry of the mode field shape of the light source. It doesn't matter.
  • the parameters are as follows, for example.
  • r a1 125 ⁇ m
  • r b1 467 ⁇ m
  • a l a 68 ⁇ m.
  • D 70 ⁇ m
  • r a2 140 ⁇ m
  • r b2 280 ⁇ m
  • t 15 ⁇ m.
  • FIG. 2 is a diagram showing a ray tracing calculation result when collimated light is incident on the lens structure 100.
  • the height of the collimated light in the y-axis direction from the optical axis OA is set to 0 to 20 ⁇ m.
  • the position of the focal point of the lens structure 100 in the Z-axis direction shown by the ray trace result A is near 125 ⁇ m.
  • FIG. 3 is a diagram showing the collimated light height (corresponding to the mode field radius of the light source) dependency of the spherical aberration of the lens structure 100, which is calculated based on the ray tracing calculation result of FIG.
  • the horizontal axis represents the height of the collimated light in the y-axis direction when the optical axis OA is 0 ⁇ m
  • the vertical axis represents the spherical aberration of the lens structure 100.
  • FIG. 4 is a diagram showing the light source side numerical aperture dependency of the fiber side numerical aperture calculated based on the ray tracing calculation result of FIG.
  • the horizontal axis represents the light source side numerical aperture
  • the vertical axis represents the fiber side numerical aperture.
  • the coupling efficiency is higher than that of the conventional optical connection structure shown in FIG. Can be improved.
  • MFC incomplete mode-field converter
  • the spherical aberration of the lens structure 100 can be improved. Further, in this embodiment, the number of lenses can be reduced by the asymmetrical aspherical shape on both sides of the lens structure 100. As a result, in this embodiment, the size of the optical system can be reduced as compared with the lens coupling system without MFC.
  • FIG. 5 is a sectional view showing the shape of a lens structure according to the second embodiment of the present invention.
  • the lens structure 200 of the present embodiment has a refracting surface 201 (lens surface) that is convex toward the light source side and a refracting surface 202 (lens surface) that is convex toward the light propagation direction.
  • a marker portion 207, 208 formed so as to be joined to both end portions (upper and lower end portions in this embodiment) of the minute lens portion 105 in a direction perpendicular to the optical axis OA. ..
  • the minute lens portion 205 contributes to light collection, but the marker portions 207 and 208 do not contribute to light collection. That is, the surfaces 206a and 206b of the marker portion 207 perpendicular to the optical axis OA and the surfaces 203a and 203b of the marker portion 208 perpendicular to the optical axis OA are non-refractive surfaces. Similar to the lens structure 100, the minute lens portion 205 and the marker portions 207 and 108 are made of a photocurable resin material.
  • the refracting surface 201 satisfies the conditional expressions (1-1) to (1-4).
  • the refracting surface 202 satisfies the conditional expressions (2-1) to (2-4).
  • the parameters are as follows, for example.
  • r a1 94 ⁇ m
  • r b1 353 ⁇ m
  • a l a 52 ⁇ m.
  • D 53 ⁇ m
  • r a2 106 ⁇ m
  • r b2 212 ⁇ m
  • t 15 ⁇ m.
  • the refracting surface 201 is in contact with the adhesive layer 204 (light transmissive member) made of a material having a refractive index smaller than that of the minute lens portion 205.
  • FIG. 6 is a diagram showing a ray tracing calculation result when collimated light is incident on the lens structure 200.
  • the height of the collimated light in the y-axis direction from the optical axis OA is 0 to 15 ⁇ m.
  • the position of the focal point of the lens structure 200 in the Z-axis direction shown by the ray trace result B is near 100 ⁇ m.
  • FIG. 7 is a diagram showing the collimated light height (corresponding to the mode field radius of the light source) dependency of the spherical aberration of the lens structure 200, which is calculated based on the ray tracing calculation result of FIG.
  • the horizontal axis represents the height of the collimated light in the y-axis direction when the optical axis OA is 0 ⁇ m
  • the vertical axis represents the spherical aberration of the lens structure 200.
  • FIG. 8 is a diagram showing the dependence of the numerical aperture on the fiber side on the light source side, calculated based on the ray tracing calculation result of FIG.
  • the horizontal axis represents the light source side numerical aperture
  • the vertical axis represents the fiber side numerical aperture.
  • the spherical aberration and the light source side numerical aperture allowable range can be improved as compared with the ball lens having the same diameter.
  • the adhesive layer 204 in contact with the refracting surface 201, when the lens structure 200 is applied to the optical connection structure, the adhesive layer is provided between the waveguide on the light source side and the lens structure 200. Since 204 is arranged, the reflectance between the waveguide on the light source side and the lens structure 200 can be reduced.
  • the adhesive layer 204 in contact with the refracting surface 201 is provided, but an adhesive layer may be provided so as to cover the entire microlens portion 205 as described later, or an adhesive layer in contact with the refracting surface 202. May be provided.
  • the lens structures 100 and 200 of the first and second embodiments if the contrast agent is applied to a part of the surface of the marker parts 107, 108, 207 and 208, the positions of the minute lens parts 105 and 205 will be changed.
  • CT Computer Tomography
  • MRI Magnetic Resonance Imaging
  • FIG. 9 shows a cross-sectional view of the lens structure 100a when the marker portions 107, 108, 207, 208 are not provided.
  • the marker portions 107 and 108 are provided at both ends of the minute lens portion 105 in the direction perpendicular to the optical axis OA, but only one of the both ends of the minute lens portion 105 is provided. You may make it provide a marker part.
  • the marker portions 207 and 208 are provided at both ends of the minute lens portion 205 in the direction perpendicular to the optical axis OA, but only one of the both ends of the minute lens portion 205 is provided. You may make it provide a marker part.
  • the lens structures 100, 100a, 200 described in the first and second embodiments are basically the first waveguide for propagating the guided light from the semiconductor LD (Laser Diode) light source and the first waveguide. It is applied to an optical connection structure for coupling with a second waveguide having a mode field diameter larger than that of the waveguide.
  • a Si waveguide having Si as a core or a waveguide having an InP-based compound semiconductor as a core is used.
  • a silica-based fiber is mainly used as the second waveguide.
  • FIG. 10 is a sectional view of an optical connection structure 901 in which the lens structure of the first embodiment is arranged.
  • the optical connection structure 901 is composed of the first waveguide 3, the second waveguide 4, and the lens structure 1 arranged between the first waveguide 3 and the second waveguide 4. To be done.
  • the lens structure 1 includes the minute lens portion 105 described in the first embodiment, the substrate 6 disposed between the emitting end surface of the first waveguide 3 and the incident end surface of the second waveguide 4, and the minute lens.
  • the support member 2 supports the microlens portion 105 (or the marker portion provided on the microlens portion 105) so that the portions 105 are arranged on the substrate 6 at a distance.
  • the end face of the substrate 6 is in close contact with the respective end faces of the first waveguide 3 and the second waveguide 4.
  • An adhesive for example, is used to fix the substrate 6. That is, one end face of the substrate 6 is adhered to the emission end face of the first waveguide 3, and the other end face of the substrate 6 is adhered to the incident end face of the second waveguide 4.
  • the substrate 6 a material that can control the accuracy in the height direction on the order of submicrons is desirable.
  • the support 2 and the minute lens portion 105 are sequentially formed on the substrate 6 by an optical modeling apparatus.
  • the support 2 is formed of a photocurable resin material like the microlens portion 105.
  • the support 2 preferably has a truncated cone shape whose cross-sectional area increases as it approaches the substrate 6.
  • the space around the microlens portion 105 between the first waveguide 3 and the second waveguide 4 is filled with air or an inert gas.
  • FIG. 11 is a cross section of an optical connection structure 902 in which a resin adhesive 5 (a light transmissive member, which is the adhesive layer 204 of the second embodiment) is filled between the lens structure and the first waveguide 3. It is a figure.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the optical connection structure 903 in which the space around the microlens portion 105 between the first waveguide 3 and the second waveguide 4 is filled with the resin adhesive 5.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the optical connection structure 904 in which the resin adhesive 5 is filled between the lens structure and the second waveguide 4.
  • the lens structures 1a, 1b, 1c of FIGS. 11 to 13 are the microlens portion 205, the substrate 6, and the microlens portion 205 (or the marker portion provided on the microlens portion 205) described in the second embodiment, respectively. ) Is supported by the support 2.
  • the refractive index of the resin adhesive 5 is smaller than the refractive index of the minute lens portion 205. As the difference between the refractive index of the minute lens portion 205 and the refractive index of the resin adhesive 5 becomes smaller, the distance between the first waveguide 3 and the second waveguide 4 must be increased.
  • the origin O described in the first and second embodiments may be set at any point on the optical axis OA in the first waveguide 3. ..
  • the marker portions 107, 108, 207, 208 are not shown, but as described in the first and second embodiments, the minute lens portions 105, 205 have the marker portions 107, 108, 207, 208. It goes without saying that 207 and 208 may be formed.
  • the minute lens portions 105 and 205 are not directly fixed to the support body 2 but are formed so that the marker portions 108 and 208 (or the marker portions 107 and 207) are integrated with the support body 2.
  • the lens units 105 and 205 may be fixed.
  • FIG. 14A is a cross-sectional view (corresponding to FIG. 10) of the optical connection structure 901 of this embodiment, and FIG. 14B is a diagram showing the normalized power distribution
  • E is an electric field
  • the first waveguide 3 is a buried Si waveguide
  • the second waveguide 4 is a silica fiber.
  • the mode field diameter of the 0th-order mode is 4 ⁇ m
  • the core diameter of the second waveguide 4 (quartz fiber) is 10 ⁇ m.
  • the light emitted from the first waveguide 3 is allowed to include a plurality of radiation modes having a numerical aperture of about 0.3 or less.
  • the parameters used in the first embodiment are applied to the lens structure 1. Air (refractive index 1.0) is filled in the space between the first waveguide 3 and the second waveguide 4 and around the microlens portion 105.
  • the propagation wavelength is 1.55 ⁇ m.
  • FIG. 15 is a diagram showing a representative mode in the fiber plane of the optical connection structure 901 calculated based on the waveguide distribution of FIG. 14(b).
  • FIG. 16 is a diagram showing the dependence of the coupling efficiency of the optical connection structure 901 on the reference plane position, which is calculated based on the waveguide distribution of FIG. 14( b ).
  • the z coordinate zref of the reference surface is swept from the vicinity of the fiber end surface along the light propagation direction.
  • FIG. 17A is a cross-sectional view (corresponding to FIG. 11) of the optical connection structure 902 of this embodiment
  • FIG. 17B is a diagram showing the normalized power distribution
  • E is an electric field
  • the first waveguide 3 is a buried Si waveguide and the second waveguide 4 is a silica fiber.
  • the parameters used in the second embodiment are applied to the lens structure 1a.
  • a resin adhesive 5 (refractive index 1.3) is filled between the first waveguide 3 and the minute lens portion 205.
  • FIG. 18 is a diagram showing a representative mode in the fiber plane of the optical connection structure 902 calculated based on the waveguide distribution of FIG. 17(b).
  • FIG. 19 is a diagram showing the dependence of the coupling efficiency of the optical connection structure 902 on the reference plane position, which is calculated based on the waveguide distribution of FIG. 17(b).
  • the z coordinate zref of the reference surface is swept from the vicinity of the fiber end surface along the light propagation direction.
  • the first waveguide 3 and the second waveguide 4 are formed. It can be seen that the binding efficiency of is greater than -1.0 dB.
  • the radiation mode suppressing effect and the coupling efficiency are slightly deteriorated as compared with the optical connection structure 901.
  • the reflection between the first waveguide 3 and the minute lens portion 205 is achieved by the refractive index matching between the first waveguide 3 and the minute lens portion 205 by the resin adhesive 5. The rate can be reduced.
  • the filling form of the resin adhesive 5 is different from that of the optical connection structures 901 and 902, but the radiation mode suppressing effect and the coupling efficiency are the same as those of the conventional optical connection shown in FIG. Better than structure.
  • the reflectance reducing effect is obtained between the first waveguide 3 and the minute lens portion 205 and between the minute lens portion 205 and the second waveguide 4.
  • a reflectance reducing effect can be obtained between the minute lens portion 205 and the second waveguide 4.
  • the lens structure can be selected according to the imperfectness of the MFC of the first waveguide 3. The characteristics of can be selected.
  • an optical connection structure composed of one first waveguide 3, one lens structure, and one second waveguide 4 is described, but the first waveguide is described.
  • the present invention may be applied to an optical connection structure in which the waveguide and the second waveguide are each a waveguide array.
  • FIG. 20 is a plan view of an optical connection structure having an array structure.
  • the waveguide array 3d has a plurality of first waveguides 3 arranged side by side along the x-axis.
  • the waveguide array 4d has a plurality of second waveguides 4 arranged side by side along the x-axis.
  • the lens structure 1d has a plurality of minute lens portions 105 arranged side by side along the x-axis.
  • the method of fixing the microlens portion 105 is as described in this embodiment.
  • the plurality of minute lens units 105 are arranged side by side, but the plurality of minute lens units 205 may be arranged side by side.
  • the resin adhesive 5 may be appropriately filled between at least one of the waveguide array 3d and the waveguide array 4d and the minute lens portion 205.
  • the present invention can be applied to a technique for coupling optical waveguides having different mode field diameters.

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Abstract

モードフィールド径が異なる２つの光導波路間の結合効率を向上させる。 レンズ構造体１００は、光源側の屈折面１０１とこの屈折面１０１と向かい合う出射側の屈折面１０２とを有する、両面非対称非球面形状の微小レンズ部１０５と、光軸ＯＡと垂直な方向の微小レンズ部１０５の両端部と接合するように形成されたマーカー部１０７，１０８とを備える。

Description

レンズ構造体及び光接続構造
　本発明は、異なるモードフィールド径を有する光導波路間を結合するためのレンズ構造体及び光接続構造に関するものである。
　シリコン（Ｓｉ）基板上に光電子デバイスを一括して集積するＳｉフォトニクスが注目されている。このＳｉフォトニクスにおいては、光電子デバイスを構成するＳｉ導波路と光ファイバとのモードフィールドを高効率に結合する光接続技術が求められている。Ｓｉ導波路と光ファイバのそれぞれのモードフィールド径が大きく異なるため、テーパ構造やグレーティング構造等の、モードフィールドを変換する構造がＳｉ導波路に形成される（非特許文献１参照）。
　しかしながら、Ｓｉ導波路に形成されたＳＳＣ（Spot-Size Conventer）などのモードフィールド変換構造の作製ばらつき等により、Ｓｉ導波路のモードフィールドが光ファイバのモードフィールドと十分に結合しない場合がある。Ｓｉ導波路を出射した光波は、光軸から離れる方向に進行する放射モードを含み、結果としてファイバとの結合効率が劣化する。
　図２１の（ａ）は不完全な変換構造を有する従来の光接続構造の断面図、図２１の（ｂ）は従来の光接続構造の規格化電力分布｜Ｅ｜２を示す図である（Ｅは電界）。図２１の（ａ）の光接続構造は、Ｓｉ導波路３００の端面と光ファイバ３０１の端面とを突き合わせて接着剤３０２により接着したものである。図２１の（ａ）の例では、Ｓｉ導波路３００と光ファイバ３０１の間隔を５μｍとしている。接着剤３０２は、Ｓｉ導波路３００と光ファイバ３０１の屈折率を整合させる役割を果たしている。図２１のｚ軸方向は光の伝搬方向、ｙ軸方向はｚ軸方向と垂直な方向であり、導波路の厚さ方向である。
　図２２は、図２１の光接続構造のファイバ面内の代表モードを示す図である。図２２の３０３は参照面のｚ座標ｚｒｅｆ＝６４μｍにおける伝搬モードの光強度分布を示し、３０４はｚｒｅｆ＝６４μｍにおける０次固有モードの光強度分布を示している。
　図２３は、図２１の光接続構造の結合効率の参照面位置依存性を示す図である。ここでは、参照面のｚ座標ｚｒｅｆを、ファイバ端面近傍から光伝搬方向に沿って掃引している。
　図２３によると、ファイバ端面（ｚｒｅｆが凡そ２２μｍの位置）から光伝搬方向に約５０μｍ離れた位置（ｚｒｅｆ＝７０μｍ）迄の範囲において、Ｓｉ導波路３００と光ファイバ３０１との結合効率が－４ｄＢから－３ｄＢ程度であり、結合効率が劣化していることが分かる。
Yin Xiaojie，Wu Yuanda，Hu Xiongwei，"Design and Simulation Analysis of Spot-Size Converter in Silicon-On-Insulator"，CLEO/Pacific Rim 2009
　本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、モードフィールド径が異なる２つの光導波路間の結合効率を向上させることができるレンズ構造体及び光接続構造を提供することを目的とする。
　本発明のレンズ構造体は、光源側の第１の屈折面とこの第１の屈折面と向かい合う出射側の第２の屈折面とを有するレンズ部を備え、光伝搬方向の座標をｚ、前記レンズ部の光軸と垂直な高さ方向の座標をｙ、前記高さ方向のレンズ部の大きさをＤ、所定の原点から前記第１の屈折面の端部までの前記光伝搬方向の距離をｌａ、前記第１の屈折面の端部から前記第２の屈折面の端部までの前記光伝搬方向の距離をｔ、前記第１の屈折面の前記高さ方向の半径をｒａ１、前記第１の屈折面の前記光伝搬方向の半径をｒｂ１、前記第２の屈折面の前記高さ方向の半径をｒａ２、前記第２の屈折面の前記光伝搬方向の半径をｒｂ２としたとき、
　前記第１の屈折面は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 を満たし、
　前記第２の屈折面は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 を満たすことを特徴とするものである。
　また、本発明のレンズ構造体の１構成例は、前記光軸と垂直な方向の前記レンズ部の両端部のうち少なくとも一方と接合するように形成されたマーカー部をさらに備えることを特徴とするものである。
　また、本発明のレンズ構造体の１構成例は、前記マーカー部の少なくとも一部に造影剤が塗布されていることを特徴とするものである。
　また、本発明のレンズ構造体の１構成例は、基板と、前記基板上に形成され、前記レンズ部が前記基板の上に離間して配置されるように前記レンズ部を支える支持体とをさらに備えることを特徴とするものである。
　また、本発明の光接続構造は、第１の導波路と、この第１の導波路からの光を受光する第２の導波路と、前記第１の導波路の出射面と前記第２の導波路の入射面との間に配置されたレンズ構造体とを備え、前記レンズ構造体の基板の一方の端面は前記第１の導波路の出射端面と接し、前記基板の他方の端面は前記第２の導波路の入射端面と接することを特徴とするものである。
　また、本発明の光接続構造の１構成例において、前記第２の導波路は、前記第１の導波路より大きなモードフィールド径を有する。
　また、本発明の光接続構造の１構成例は、前記第１の導波路と前記第２の導波路のうちの少なくとも一方と、前記レンズ構造体のレンズ部との間に充填された、前記レンズ部の屈折率よりも小さい屈折率を有する光透過性の部材をさらに備えることを特徴とするものである。
　また、本発明の光接続構造の１構成例において、前記光透過性の部材は、樹脂接着剤である。
　本発明によれば、レンズ部を両面非対称非球面形状とすることにより、このレンズ部を備えたレンズ構造体を光接続構造に適用した場合に、従来の光接続構造と比較して、モードフィールド径が異なる２つの光導波路間の結合効率を向上させることができる。本発明では、光接続構造にレンズ構造体を適用した場合に、光源側の導波路の不完全なモードフィールド変換器を補償することができる。また、本発明では、レンズ構造体の球面収差を改善することができ、さらにレンズ枚数を低減して光学系サイズを低減することができる。
　また、本発明では、光軸と垂直な方向のレンズ部の両端部のうち少なくとも一方と接合するようにマーカー部を設け、そのマーカー部の少なくとも一部に造影剤を塗布することにより、レンズ部の位置を検出することが可能となる。
　また、本発明では、レンズ構造体の構成として基板と支持体とを設けることにより、導波路の間隙中にレンズ部を固定することが可能となる。
　また、本発明では、第１の導波路と第２の導波路のうちの少なくとも一方と、レンズ構造体のレンズ部との間に充填された、レンズ部の屈折率よりも小さい屈折率を有する光透過性の部材を設けることにより、第１の導波路と第２の導波路のうちの少なくとも一方と、レンズ部との間の反射率を低減することができる。
図１は、本発明の第１の実施例に係るレンズ構造体の形状を示す断面図である。 図２は、本発明の第１の実施例に係るレンズ構造体にコリメート光を入射させた場合の光線追跡計算結果を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施例に係るレンズ構造体の球面収差のコリメート光高さ依存性を示す図である。 図４は、本発明の第１の実施例におけるファイバ側開口数の光源側開口数依存性を示す図である。 図５は、本発明の第２の実施例に係るレンズ構造体の形状を示す断面図である。 図６は、本発明の第２の実施例に係るレンズ構造体にコリメート光を入射させた場合の光線追跡計算結果を示す図である。 図７は、本発明の第２の実施例に係るレンズ構造体の球面収差のコリメート光高さ依存性を示す図である。 図８は、本発明の第２の実施例におけるファイバ側開口数の光源側開口数依存性を示す図である。 図９は、本発明の第１、第２の実施例に係るレンズ構造体の別の形状を示す断面図である。 図１０は、本発明の第３の実施例に係る光接続構造の断面図である。 図１１は、本発明の第３の実施例に係る別の光接続構造の断面図である。 図１２は、本発明の第３の実施例に係る別の光接続構造の断面図である。 図１３は、本発明の第３の実施例に係る別の光接続構造の断面図である。 図１４は、本発明の第３の実施例に係る光接続構造の断面図および光接続構造の規格化電力分布を示す図である。 図１５は、図１４の光接続構造のファイバ面内の代表モードを示す図である。 図１６は、図１４の光接続構造の結合効率の参照面位置依存性を示す図である。 図１７は、本発明の第３の実施例に係る光接続構造の断面図および光接続構造の規格化電力分布を示す図である。 図１８は、図１７の光接続構造のファイバ面内の代表モードを示す図である。 図１９は、図１７の光接続構造の結合効率の参照面位置依存性を示す図である。 図２０は、本発明の第３の実施例に係るアレイ構造の光接続構造の平面図である。 図２１は、従来の光接続構造の断面図および光接続構造の規格化電力分布を示す図である。 図２２は、図２１の光接続構造のファイバ面内の代表モードを示す図である。 図２３は、図２１の光接続構造の結合効率の参照面位置依存性を示す図である。
［発明の概要］
　本発明では、モードフィールド径が異なる２つの光導波路の間隙内に、導波路接続間距離を短くする両面非対称非球面形状のレンズ部と、そのレンズ部を固定するための支持体と、基板とを備えたレンズ構造体を形成する。レンズ部と支持体とは、光硬化性樹脂から形成される。さらに、レンズ構造体は、レンズ部の位置を検出するためのマーカー部を有する。
［第１の実施例］
　以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施例に係るレンズ構造体の形状を示す断面図である。図１では、レンズ構造体１００の形状を直交座標系において定義しており、光の伝搬方向をｚ軸方向、ｚ軸方向と直交する面をｘｙ面とする。光源の座標を原点Ｏ、レンズ構造体１００の光軸をＯＡとする。また図中においてｙ軸の正の方向を上方向、負の方向を下方向（鉛直方向）と定義する。図１のＳは導波路出射面を示す。
　レンズ構造体１００は、光源側の屈折面１０１（レンズ面）とこの屈折面１０１と向かい合う出射側の屈折面１０２（レンズ面）とを有する微小レンズ部１０５と、光軸ＯＡと垂直な高さ方向の微小レンズ部１０５の両端部（本実施例では上下端部）と接合するように形成されたマーカー部１０７，１０８とから構成される。屈折面１０１は、光源側に向かって凸の形状をしており、屈折面１０２は、光の伝搬方向に向かって凸の形状をしている。
　レンズ構造体１００の微小レンズ部１０５は集光に寄与するが、マーカー部１０７，１０８は集光に寄与しない。すなわち、マーカー部１０７の、光軸ＯＡと垂直な面１０６ａ，１０６ｂ、およびマーカー部１０８の、光軸ＯＡと垂直な面１０３ａ，１０３ｂは、非屈折面となっている。
　微小レンズ部１０５とマーカー部１０７，１０８との接合部のｚ軸方向の長さはｔである。微小レンズ部１０５とマーカー部１０７，１０８とは、光硬化性樹脂材料から形成される。
　微小レンズ部１０５の屈折面１０１は、式（１－１）～式（１－４）の条件式を満たすことが望ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　また、微小レンズ部１０５の屈折面１０２は、式（２－１）～式（２－４）の条件式を満たすことが望ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　ｚは光伝搬方向の座標、ｙは光軸ＯＡと垂直な高さ方向の座標である。また、Ｄは微小レンズ部１０５のｙ軸方向の大きさ（高さ）であり、ｌａはレンズ構造体１００の作動距離を決定する変数であり、原点Ｏから屈折面１０１の端部までのｚ軸方向の距離である。ｔは屈折面１０１の端部から屈折面１０２の端部までのｚ軸方向の距離である。
　屈折面１０１と屈折面１０２は、式（１－１）～式（１－４）、式（２－１）～式（２－４）においてパラメータ範囲を指定したように、非対称な非球面関数で表される。ｒａ１は屈折面１０１（楕円面）のｙ軸方向の半径、ｒｂ１は屈折面１０１のｚ軸方向の半径である。また、ｒａ２は屈折面１０２（楕円面）のｙ軸方向の半径、ｒｂ２は屈折面１０２のｚ軸方向の半径である。
　微小レンズ部１０５は、光軸ＯＡに対して回転対称な形態を基本形とするが、光源のモードフィールド形状の面内非対称性に応じて、ｘ方向の半径とｙ方向の半径が異なる形態であっても構わない。
　レンズ構造体１００における形状関数（式（１－１）～式（１－４）、式（２－１）～式（２－４））において、パラメータは例えば下記のとおりである。まず、屈折面１０１については、Ｄ＝７０μｍ、ｒａ１＝１２５μｍ、ｒｂ１＝４６７μｍ、ｌａ＝６８μｍである。屈折面１０２については、Ｄ＝７０μｍ、ｒａ２＝１４０μｍ、ｒｂ２＝２８０μｍ、ｔ＝１５μｍである。
　図２は、レンズ構造体１００にコリメート光を入射させた場合の光線追跡計算結果を示す図である。ここでは、コリメート光の、光軸ＯＡからのｙ軸方向の高さを０～２０μｍとしている。光線追跡結果Ａが示す、レンズ構造体１００の焦点のＺ軸方向の位置は１２５μｍ近傍である。
　図３は、図２の光線追跡計算結果を基に算出した、レンズ構造体１００の球面収差のコリメート光高さ（光源のモードフィールド半径に相当）依存性を示す図である。図３において、横軸は光軸ＯＡを０μｍとしたときのコリメート光のｙ軸方向の高さ、縦軸はレンズ構造体１００の球面収差を示す。
　図４は、図２の光線追跡計算結果を基に算出した、ファイバ側開口数の光源側開口数依存性を示す図である。図４において、横軸は光源側開口数、縦軸はファイバ側開口数を示す。
　このように、本実施例のレンズ構造体１００では、同径のボールレンズと比較して、球面収差および光源側開口数許容範囲を改善することができる。
　本実施例では、下記の実施例で説明するように、光接続構造にレンズ構造体１００を適用した場合に、図２１の（ａ）に示した従来の光接続構造と比較して、結合効率を改善することができる。本実施例では、光接続構造にレンズ構造体１００を適用した場合に、光源側の導波路の不完全なモードフィールド変換器（ＭＦＣ：Mode-Field Converter）を補償することができる。
　また、本実施例では、レンズ構造体１００の球面収差を改善することができる。さらに、本実施例では、レンズ構造体１００の両面非対称非球面形状によりレンズ枚数を低減することができる。その結果、本実施例では、ＭＦＣが無いレンズ結合系と比較して、光学系サイズを低減することができる。
［第２の実施例］
　次に、本発明の第２の実施例について説明する。図５は、本発明の第２の実施例に係るレンズ構造体の形状を示す断面図である。本実施例のレンズ構造体２００は、レンズ構造体１００と同様に、光源側に向かって凸の屈折面２０１（レンズ面）と光の伝搬方向に向かって凸の屈折面２０２（レンズ面）とを有する微小レンズ部２０５と、光軸ＯＡと垂直な方向の微小レンズ部１０５の両端部（本実施例では上下端部）と接合するように形成されたマーカー部２０７，２０８とから構成される。
　レンズ構造体１００と同様に、微小レンズ部２０５は集光に寄与するが、マーカー部２０７，２０８は集光に寄与しない。すなわち、マーカー部２０７の、光軸ＯＡと垂直な面２０６ａ，２０６ｂ、およびマーカー部２０８の、光軸ＯＡと垂直な面２０３ａ，２０３ｂは、非屈折面となっている。レンズ構造体１００と同様に、微小レンズ部２０５とマーカー部２０７，１０８とは、光硬化性樹脂材料から形成される。
　屈折面１０１と同様に、屈折面２０１は、式（１－１）～式（１－４）の条件式を満たす。屈折面１０２と同様に、屈折面２０２は、式（２－１）～式（２－４）の条件式を満たす。
　レンズ構造体２００における形状関数（式（１－１）～式（１－４）、式（２－１）～式（２－４））において、パラメータは例えば下記のとおりである。まず、屈折面２０１については、Ｄ＝５３μｍ、ｒａ１＝９４μｍ、ｒｂ１＝３５３μｍ、ｌａ＝５２μｍである。屈折面２０２については、Ｄ＝５３μｍ、ｒａ２＝１０６μｍ、ｒｂ２＝２１２μｍ、ｔ＝１５μｍである。
　屈折面２０１は、微小レンズ部２０５の屈折率よりも小さい屈折率の材料からなる接着層２０４（光透過性の部材）と接している。
　図６は、レンズ構造体２００にコリメート光を入射させた場合の光線追跡計算結果を示す図である。ここでは、コリメート光の、光軸ＯＡからのｙ軸方向の高さを０～１５μｍとしている。光線追跡結果Ｂが示す、レンズ構造体２００の焦点のＺ軸方向の位置は１００μｍ近傍である。
　図７は、図６の光線追跡計算結果を基に算出した、レンズ構造体２００の球面収差のコリメート光高さ（光源のモードフィールド半径に相当）依存性を示す図である。図７において、横軸は光軸ＯＡを０μｍとしたときのコリメート光のｙ軸方向の高さ、縦軸はレンズ構造体２００の球面収差を示す。
　図８は、図６の光線追跡計算結果を基に算出した、ファイバ側開口数の光源側開口数依存性を示す図である。図８において、横軸は光源側開口数、縦軸はファイバ側開口数を示す。
　第１の実施例と同様に、本実施例のレンズ構造体２００では、同径のボールレンズと比較して、球面収差および光源側開口数許容範囲を改善することができる。
　また、本実施例では、屈折面２０１と接する接着層２０４を設けることにより、光接続構造にレンズ構造体２００を適用した場合に、光源側の導波路とレンズ構造体２００との間に接着層２０４が配置されることになり、光源側の導波路とレンズ構造体２００と間の反射率を低減することができる。
　図５の例では、屈折面２０１と接する接着層２０４を設けているが、後述のように微小レンズ部２０５の全体を覆うように接着層を設けてもよいし、屈折面２０２と接する接着層を設けてもよい。
　なお、第１、第２の実施例のレンズ構造体１００，２００において、マーカー部１０７，１０８，２０７，２０８の表面の一部に造影剤を塗布すれば、微小レンズ部１０５，２０５の位置を、コンピュータ断層撮影（ＣＴ：Computed Tomography）や磁気共鳴画像（ＭＲＩ：Magnetic Resonance Imaging）によって検出することができる。その結果、熱衝撃が大きい（急激な温度変化がある）環境や湿熱環境等の負荷環境に設置した後のレンズ構造体１００，２００の位置ずれを評価することができる。
　ただし、マーカー部１０７，１０８，２０７，２０８は、本発明において必須の構成要件ではない。マーカー部１０７，１０８，２０７，２０８を設けない場合のレンズ構造体１００ａの断面図を図９に示す。
　また、第１の実施例では、光軸ＯＡと垂直な方向の微小レンズ部１０５の両端部にマーカー部１０７，１０８を設けているが、微小レンズ部１０５の両端部のうちどちらか一方のみにマーカー部を設けるようにしてもよい。同様に、第２の実施例において、光軸ＯＡと垂直な方向の微小レンズ部２０５の両端部にマーカー部２０７，２０８を設けているが、微小レンズ部２０５の両端部のうちどちらか一方のみにマーカー部を設けるようにしてもよい。
［第３の実施例］
　次に、本発明の第３の実施例について説明する。第１、第２の実施例で説明したレンズ構造体１００，１００ａ，２００は、基本的には、半導体ＬＤ（Laser Diode）光源からの導波光を伝搬する第１の導波路と、第１の導波路より大きなモードフィールド径を有する第２の導波路とを結合する光接続構造に適用される。第１の導波路としては、ＳｉをコアとするＳｉ導波路や、ＩｎＰ系等の化合物半導体をコアとする導波路を用いる。第２の導波路としては、主に石英系ファイバを用いる。
　図１０は、第１の実施例のレンズ構造体が配置される光接続構造９０１の断面図である。光接続構造９０１は、第１の導波路３と、第２の導波路４と、第１の導波路３と第２の導波路４との間に配設されたレンズ構造体１とから構成される。
　レンズ構造体１は、第１の実施例で説明した微小レンズ部１０５と、第１の導波路３の出射端面と第２の導波路４の入射端面間に配置された基板６と、微小レンズ部１０５が基板６の上に離間して配置されるように微小レンズ部１０５（または微小レンズ部１０５に設けられるマーカー部）を支える支持体２とから構成される。
　基板６の端面は、第１の導波路３と第２の導波路４のそれぞれの端面と密着している。基板６の固定には、例えば接着剤が使用される。つまり、基板６の一方の端面は第１の導波路３の出射端面と接着され、基板６の他方の端面は第２の導波路４の入射端面と接着されている。基板６としては、高さ方向の精度をサブミクロンオーダーで制御できる材料が望ましい。このような基板６の材料としては、例えばＳｉ基板があるが、精度に応じてガラス基板を用いても構わない。
　この基板６を造形基板として、光造形装置によって、支持体２と微小レンズ部１０５とを基板６上に順に形成する。支持体２は、微小レンズ部１０５と同様に光硬化性樹脂材料から形成される。支持体２は、微小レンズ部１０５を強固に固定するため、基板６に近づくに従って断面積が増加する錐台の形状を有することが望ましい。第１の導波路３と第２の導波路４との間の、微小レンズ部１０５の周囲の空間には、空気や不活性ガスを充填する。
　本実施例の光接続構造の別の例を図１１～図１３に示す。図１１は、レンズ構造体と第１の導波路３との間に樹脂接着剤５（光透過性の部材であり、第２の実施例の接着層２０４）を充填した光接続構造９０２の断面図である。図１２は、第１の導波路３と第２の導波路４との間の、微小レンズ部１０５の周囲の空間に樹脂接着剤５を充填した光接続構造９０３の断面図である。図１３は、レンズ構造体と第２の導波路４との間に樹脂接着剤５を充填した光接続構造９０４の断面図である。
　図１１～図１３のレンズ構造体１ａ，１ｂ，１ｃは、それぞれ第２の実施例で説明した微小レンズ部２０５と、基板６と、微小レンズ部２０５（または微小レンズ部２０５に設けられるマーカー部）を支える支持体２とから構成される。
　第２の実施例で説明したとおり、樹脂接着剤５の屈折率は、微小レンズ部２０５の屈折率よりも小さい。微小レンズ部２０５の屈折率と樹脂接着剤５の屈折率との差が小さくなるに従い、第１の導波路３と第２の導波路４の接続間距離を長くとる必要がある。
　なお、レンズ構造体１，１ａ～１ｃの設計に際して、第１、第２の実施例で説明した原点Ｏは、第１の導波路３中の光軸ＯＡ上の任意の点に設定すればよい。
　また、図１０～図１３では、マーカー部１０７，１０８，２０７，２０８を記載していないが、第１、第２の実施例で説明したとおり微小レンズ部１０５，２０５にマーカー部１０７，１０８，２０７，２０８を形成してもよいことは言うまでもない。
　また、微小レンズ部１０５，２０５を直接、支持体２によって固定するのではなく、マーカー部１０８，２０８（またはマーカー部１０７，２０７）が支持体２と一体になるように形成することで、微小レンズ部１０５，２０５を固定してもよい。
　図１４の（ａ）は本実施例の光接続構造９０１の断面図（図１０に相当）、図１４の（ｂ）は光接続構造９０１の規格化電力分布｜Ｅ｜２を示す図である（Ｅは電界）。図１４の例では、第１の導波路３を埋め込み型Ｓｉ導波路とし、第２の導波路４を石英系ファイバとしている。第１の導波路３からの出射光において、その０次モードのモードフィールド直径を４μｍとし、第２の導波路４（石英系ファイバ）のコアの直径を１０μｍとしている。
　また、第１の導波路３からの出射光が、開口数に換算して０．３程度以下の複数の放射モードを含むことを許容している。レンズ構造体１には、第１の実施例で用いたパラメータを適用している。第１の導波路３と第２の導波路４との間の、微小レンズ部１０５の周囲の空間には、空気（屈折率１．０）が充填されている。伝搬波長は、１．５５μｍである。
　図１５は、図１４の（ｂ）の導波分布を基に算出した、光接続構造９０１のファイバ面内の代表モードを示す図である。図１５の９０５は参照面のｚ座標ｚｒｅｆ＝２９２μｍにおける伝搬モードの光強度分布を示し、９０６はｚｒｅｆ＝２９２μｍにおける０次固有モードの光強度分布を示している。
　図１６は、図１４の（ｂ）の導波分布を基に算出した、光接続構造９０１の結合効率の参照面位置依存性を示す図である。ここでは、参照面のｚ座標ｚｒｅｆを、ファイバ端面近傍から光伝搬方向に沿って掃引している。
　図１６によると、ファイバ端面の近傍（ｚｒｅｆが２５０μｍの位置）から光伝搬方向に約５０μｍ離れた位置（ｚｒｅｆ＝３００μｍ）迄の範囲において、第１の導波路３と第２の導波路４との結合効率が－０．５ｄＢ以上であることが分かる。本実施例の光接続構造９０１によれば、図２１の（ａ）に示した従来の光接続構造と比較して、第２の導波路４内の伝搬における放射モードを抑制することができるので、第１の導波路３と第２の導波路４との結合効率を改善することができる。
　図１７の（ａ）は本実施例の光接続構造９０２の断面図（図１１に相当）、図１７の（ｂ）は光接続構造９０２の規格化電力分布｜Ｅ｜２を示す図である（Ｅは電界）。図１７の例では、図１４の場合と同じく、第１の導波路３を埋め込み型Ｓｉ導波路とし、第２の導波路４を石英系ファイバとしている。レンズ構造体１ａには、第２の実施例で用いたパラメータを適用している。第１の導波路３と微小レンズ部２０５との間には、樹脂接着剤５（屈折率１．３）が充填されている。
　図１８は、図１７の（ｂ）の導波分布を基に算出した、光接続構造９０２のファイバ面内の代表モードを示す図である。図１８の９０７は参照面のｚ座標ｚｒｅｆ＝２８５μｍにおける伝搬モードの光強度分布を示し、９０８はｚｒｅｆ＝２８５μｍにおける０次固有モードの光強度分布を示している。
　図１９は、図１７の（ｂ）の導波分布を基に算出した、光接続構造９０２の結合効率の参照面位置依存性を示す図である。ここでは、参照面のｚ座標ｚｒｅｆを、ファイバ端面近傍から光伝搬方向に沿って掃引している。
　図１９によると、ファイバ端面の近傍（ｚｒｅｆが２５０μｍの位置）から光伝搬方向に約５０μｍ離れた位置（ｚｒｅｆ＝３００μｍ）迄の範囲において、第１の導波路３と第２の導波路４との結合効率が－１．０ｄＢ以上であることが分かる。本実施例の光接続構造９０２では、光接続構造９０１と比較して、放射モード抑制効果と結合効率とが少し劣化する。一方、光接続構造９０２では、第１の導波路３と微小レンズ部２０５との間の樹脂接着剤５による屈折率整合化によって、第１の導波路３と微小レンズ部２０５との間の反射率を低減することができる。
　光接続構造９０３，９０４の場合、樹脂接着剤５の充填形態が光接続構造９０１，９０２と異なるが、放射モード抑制効果と結合効率とは、図２１の（ａ）に示した従来の光接続構造よりも改善される。光接続構造９０３おいては、第１の導波路３と微小レンズ部２０５との間、および微小レンズ部２０５と第２の導波路４との間において反射率低減効果が得られる。また、光接続構造９０４おいては、微小レンズ部２０５と第２の導波路４との間において反射率低減効果が得られる。
　以上のように、本実施例では、レンズ構造体の形状と樹脂接着剤５の充填形態によって光線追跡特性を選択可能なので、第１の導波路３のＭＦＣの不完全性に応じてレンズ構造体の特性を選択可能である。
　なお、本実施例では、１個の第１の導波路３と１個のレンズ構造体と１個の第２の導波路４とからなる光接続構造について説明しているが、第１の導波路と第２の導波路とがそれぞれ導波路アレイである光接続構造に本発明を適用してもよい。
　図２０は、アレイ構造の光接続構造の平面図である。図２０に示すように、導波路アレイ３ｄは、複数の第１の導波路３をｘ軸に沿って並べて配置したものである。同様に、導波路アレイ４ｄは、複数の第２の導波路４をｘ軸に沿って並べて配置したものである。
　レンズ構造体１ｄは、複数の微小レンズ部１０５をｘ軸に沿って並べて配置したものである。微小レンズ部１０５の固定方法は本実施例で説明したとおりである。
　図２０の例では、複数の微小レンズ部１０５を並べて配置しているが、複数の微小レンズ部２０５を並べて配置してもよい。そして、導波路アレイ３ｄと導波路アレイ４ｄのうちの少なくとも一方と、微小レンズ部２０５との間に樹脂接着剤５を適宜充填してもよいことは言うまでもない。
　本発明は、異なるモードフィールド径を有する光導波路間を結合する技術に適用することができる。
　１，１ａ～１ｄ，１００，１００ａ，２００…レンズ構造体、２…支持体、３…第１の導波路、３ｄ，４ｄ…導波路アレイ、４…第２の導波路、５…樹脂接着剤、６…基板、１０１，１０２，２０１，２０２…屈折面、１０３ａ，１０３ｂ，１０６ａ，１０６ｂ，２０３ａ，２０３ｂ，２０６ａ，２０６ｂ…非屈折面、１０５，２０５…微小レンズ部、１０７，１０８，２０７，２０８…マーカー部、２０４…接着層、９０１～９０４…光接続構造。

Claims (8)

  1. 　光源側の第１の屈折面とこの第１の屈折面と向かい合う出射側の第２の屈折面とを有するレンズ部を備え、
    　光伝搬方向の座標をｚ、前記レンズ部の光軸と垂直な高さ方向の座標をｙ、前記高さ方向のレンズ部の大きさをＤ、所定の原点から前記第１の屈折面の端部までの前記光伝搬方向の距離をｌａ、前記第１の屈折面の端部から前記第２の屈折面の端部までの前記光伝搬方向の距離をｔ、前記第１の屈折面の前記高さ方向の半径をｒａ１、前記第１の屈折面の前記光伝搬方向の半径をｒｂ１、前記第２の屈折面の前記高さ方向の半径をｒａ２、前記第２の屈折面の前記光伝搬方向の半径をｒｂ２としたとき、
    　前記第１の屈折面は、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     を満たし、
    　前記第２の屈折面は、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     を満たすことを特徴とするレンズ構造体。
  2. 　請求項１記載のレンズ構造体において、
    　前記光軸と垂直な方向の前記レンズ部の両端部のうち少なくとも一方と接合するように形成されたマーカー部をさらに備えることを特徴とするレンズ構造体。
  3. 　請求項２記載のレンズ構造体において、
    　前記マーカー部の少なくとも一部に造影剤が塗布されていることを特徴とするレンズ構造体。
  4. 　請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレンズ構造体において、
    　基板と、
    　前記基板上に形成され、前記レンズ部が前記基板の上に離間して配置されるように前記レンズ部を支える支持体とをさらに備えることを特徴とするレンズ構造体。
  5. 　第１の導波路と、
    　この第１の導波路からの光を受光する第２の導波路と、
    　前記第１の導波路の出射面と前記第２の導波路の入射面との間に配置された、請求項４記載のレンズ構造体とを備え、
    　前記レンズ構造体の基板の一方の端面は前記第１の導波路の出射端面と接し、前記基板の他方の端面は前記第２の導波路の入射端面と接することを特徴とする光接続構造。
  6. 　請求項５記載の光接続構造において、
    　前記第２の導波路は、前記第１の導波路より大きなモードフィールド径を有することを特徴とする光接続構造。
  7. 　請求項５または６記載の光接続構造において、
    　前記第１の導波路と前記第２の導波路のうちの少なくとも一方と、前記レンズ構造体のレンズ部との間に充填された、前記レンズ部の屈折率よりも小さい屈折率を有する光透過性の部材をさらに備えることを特徴とする光接続構造。
  8. 　請求項７記載の光接続構造において、
    　前記光透過性の部材は、樹脂接着剤であることを特徴とする光接続構造。
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