WO2021005726A1 - 平面光波回路 - Google Patents

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隼志 阪本
橋本　俊和
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日本電信電話株式会社
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    • G02B2006/12133—Functions
    • G02B2006/12147—Coupler

Definitions

  • the present invention relates to a planar light wave circuit that can be applied to various optical functional components.
  • the optical combiner circuit applied to the visible light source applied to the eyeglass type terminal and the small pico projector is R (red light), G (green light), B.
  • the light of the three primary colors (blue light) is combined.
  • the application of PLC is also being promoted in such a wavelength band of visible light (see, for example, Non-Patent Documents 1 to 3).
  • quartz glass such as SiO 2 is deposited on a flat substrate such as Si by a flame deposition method to form a lower clad layer.
  • a core layer in which Ge is dopant is deposited, and a desired optical waveguide circuit is produced by patterning by photolithography or the like and reactive ion etching processing.
  • quartz glass is deposited as the upper clad layer so as to cover the lower clad layer and the core pattern to complete the process.
  • PLC can be applied to various optical functional parts by utilizing low-loss quartz glass and microfabrication technology.
  • FIG. 1 shows the configuration of an RGB coupler using two directional couplers.
  • the RGB coupler 100 using the PLC has outputs connected to the first to third input waveguides 101 to 103, the first and second directional couplers 104 and 105, and the second input waveguide 102. It is provided with a waveguide 106.
  • the first directional coupler 104 couples the light of ⁇ 2 incident from the first input waveguide 101 to the second input waveguide 102, and the light of ⁇ 1 incident from the second input waveguide 102.
  • the waveguide length, waveguide width, and gaps between the waveguides are designed so that the light is coupled to the first input waveguide 101 and recoupled to the second input waveguide 102.
  • the second directional coupler 105 couples the light of ⁇ 3 incident from the third input waveguide 103 to the second input waveguide 102, and the second input guide in the first directional coupler 104.
  • the waveguide length, waveguide width, and gap between the waveguides are designed so as to transmit the light of ⁇ 1 and ⁇ 2 coupled to the waveguide 102.
  • the first input waveguide 101 has green light G (wavelength ⁇ 2)
  • the second input waveguide 102 has blue light B (wavelength ⁇ 1)
  • the third input waveguide 103 has red light R (wavelength ⁇ 2). ⁇ 3) is incident
  • the three colors of light R, G, and B are combined by the first and second directional couplers 104 and 105 and output from the output waveguide 106.
  • the wavelengths of ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 light having a wavelength of 450 nm, 520 nm, and 638 nm is used, respectively.
  • the PLC constituting the RGB coupler has a glass film having a thickness of about 50 ⁇ m including a core pattern of several ⁇ m squares deposited on a Si substrate having a thickness of 400 to 1000 ⁇ m.
  • the optical combiner circuit applied to a visible light source is required to have a thinner Si substrate. Specifically, a thickness of about 200 ⁇ m or less is required, but when the substrate is made thin, there is a problem that the substrate warps in inverse proportion to the thickness.
  • An object of the present invention is to provide a planar light wave circuit that relaxes stress applied to a substrate and suppresses warpage.
  • one embodiment of the planar lightwave circuit is a planar lightwave circuit in which a glass film is deposited on a substrate, and an optical axis from an input waveguide to an output waveguide.
  • a plurality of grooves are linearly formed in the lateral direction of the substrate.
  • the present invention since a groove is formed in the optical circuit formed on the substrate in order to relieve the stress applied to the substrate, it is possible to suppress the warp.
  • an optical combiner circuit in the visible light band will be described as an example, but it can be applied to various optical functional components using a PLC.
  • FIG. 2 shows a light source with a monitoring function according to the first embodiment of the first embodiment of the present invention.
  • Monitoring function source, R, G, and first to third LD 201 1 to 201 3 respectively outputting colors of the light of B, the RGB coupler 210 of the PLC type, which is optically connected to the RGB coupler 210
  • the first to third PD202 1 to 202 3 are provided.
  • the light incident on the first to third input waveguides 211 1 to 211 3 is branched into two at the first to third branching portions 212 1 to 212 3 , respectively.
  • One of the branched lights is output to the first to third PD202s 1 to 202 3 via the first to third monitoring waveguides 213 1 to 213 3, and the other of the branched lights is combined. It is combined by the wave unit 214 and output to the output waveguide 215.
  • the combiner 214 an optical combiner circuit using the directional coupler shown in FIG. 1 can be used.
  • the first to third input waveguides 211 1 to 211 3 are coupled to the first to third input waveguides 101 to 103 shown in FIG. 1, respectively, and the output waveguide 215 is shown in FIG. It is coupled to the output waveguide 106 shown.
  • the combiner portion 214 is not limited to this, and other waveguide type combiner means (for example, Mach-Zehnder interferometer, mode coupler, etc.) may be used.
  • the first to second branches are formed.
  • the binding properties of the third LD 201 1 to 201 3 and the first to third input waveguide 211 1 to 211 3 can be monitored.
  • the multiplexing characteristics of the multiplexing unit 214 that using the monitoring value of the first to third PD 202 1 to 202 3, to adjust the white balance of the light source Is possible.
  • FIG. 3 shows a light source with a monitoring function according to a second embodiment of the present invention.
  • the light of each color of R, G, and B can be monitored, so that, for example, the deviation from the design value of the RGB coupler is on the short wavelength side (B) due to an error during manufacturing.
  • the long wavelength side (R) are different, the feedback control can be performed individually, so that the white balance can be adjusted accurately.
  • the PD202 is arranged so as to face the emission surface of the LD201, stray light may enter the PD202 and an accurate monitoring value may not be obtained.
  • the stray light is the light that leaked into the RGB coupler 210 because the output of the LD201 could not be coupled to the input waveguide 211, the light that could not be completely combined in the combiner 214, or the leaked light, the combiner 214.
  • the first to third monitoring waveguides 313 1 to 313 3 are used as bent waveguides for 90 ° optical path conversion so that the LD301 and PD302 do not face each other.
  • the light emission direction from the LD301 and the light emission direction from the combiner 314 are substantially perpendicular to the incident direction of the light in the PD 302, it is possible to prevent the stray light from being incident on the PD 302. be able to.
  • the first to third branching portions 312 1 to 312 3 branching, the first to third branching portions 312 1 to 312 3 branching portions 312 1 to 312 3 combine one of the light branches, and the first to third branch portions 312 1 to 312 3 and the other light branched respectively, first to third PD 302 1 to 302 first to third monitoring waveguide 313 1 to 313 3 to be output to the 3 And an output waveguide 315 that outputs the light combined by the combining unit 214.
  • a branch portion for demultiplexing the light into the monitoring waveguide and a combine portion for combining light of each color of R, G, and B are composed of a directional coupler. Therefore, since the RGB coupler has a long length in the optical axis direction from the input waveguide to the output waveguide, the warp in the optical axis direction also becomes large. Therefore, a groove for relaxing the stress applied to the substrate is formed to suppress the warp of the PLC.
  • FIG. 4 shows a light source with a monitoring function according to a third embodiment of the present invention.
  • the configuration of the light source with the monitoring function is the same as that of the second embodiment.
  • the RGB coupler 310 has been rewritten so as to be close to the ratio of the dimensions of the actual waveguide and the dimensions of the optical functional circuit.
  • the stress relaxation grooves 316a and 316b are provided in the optical axis direction from the input waveguide 311 to the output waveguide 315, that is, near the center of the longitudinal direction of the substrate and in the direction perpendicular to the optical axis (short direction of the substrate). There is. Since the stress relaxation groove 316 is provided to alleviate the warp in the longitudinal direction of the substrate, it is ideal if it can be provided over the entire length of the substrate in the lateral direction. However, since it is necessary to avoid circuit elements such as optical waveguides, the circuit elements are divided into a plurality of parts, but it is sufficient if the circuit elements can be provided as long as possible in a straight line.
  • grooves that reach both end surfaces of the substrate in the lateral direction.
  • only one set of the grooves divided into two is linearly formed in the lateral direction of the substrate, but a plurality of sets may be provided depending on the circuit configuration.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the RGB coupler 310 according to the third embodiment.
  • a glass film 402 is deposited on the Si substrate 401, and an optical wave circuit is formed by an embedded waveguide in which cores 403a to 403c are formed therein.
  • the thickness of the Si substrate 401 is reduced to 200 ⁇ m, and the thickness of the glass film 402 is 50 ⁇ m.
  • the stress relaxation groove 316 is formed so as to reach the Si substrate 401 by removing the glass film 402 by patterning and etching processing by photolithography or the like.
  • the stress relaxation groove 316 has a depth at which the glass film 402 is removed, but since the effect of reducing the warp is proportional to the depth, the depth may be set so that a part of the Si substrate 401 is removed. If the required reduction effect can be obtained, the depth may be set so that only a part of the glass film 402 is removed.
  • FIG. 6 shows a method of forming a groove in the RGB coupler of the present embodiment.
  • a plurality of optical functional parts made of PLC are collectively manufactured on a wafer. Therefore, in a state where a plurality of RGB couplers 502 are formed on the wafer 501, the stress relaxation grooves 316 (dotted line portion in FIG. 5) shown in FIG. 5 are simultaneously formed.
  • stress relaxation grooves reaching both end faces in the lateral direction of the substrate on which the RGB coupler is formed can be continuously formed.
  • An optical combiner circuit using a directional coupler has been described as an example, but if it is applied to a planar light wave circuit such as an optical filter using a multi-stage Mach-Zehnder interferometer, where the difference between the longitudinal direction and the lateral direction of the substrate is large, the same applies. The effect can be obtained. Further, in the case of a plane light wave circuit having a small difference between the longitudinal direction and the lateral direction of the substrate and a large substrate size such as an optical duplexer using an array waveguide grid, stress relaxation is performed in both the longitudinal direction and the lateral direction. A groove may be provided.

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Abstract

基板にかかる応力を緩和して、反りを抑制した平面光波回路を提供する。基板上にガラス膜が堆積された平面光波回路であって、入力導波路から出力導波路までの光軸方向を前記基板の長手方向としたとき、前記基板の短手方向に、複数の溝が直線状に形成されている。

Description

平面光波回路
　本発明は、様々な光機能部品に適用することができる平面光波回路に関する。
　近年、高速・大容量の情報通信技術として発達した光通信においては、能動素子である受発光素子のみならず、受動素子である光合波器など様々な光機能部品が開発されている。これら光機能部品を搭載する光回路は、小型化、低価格化が必須であることから、バルク部品による空間光学系ではなく、石英系平面光波回路（Planar lightwave circuit：ＰＬＣ）が適用されている。
　また、上述した情報通信用の波長帯だけではなく、眼鏡型端末、小型のピコプロジェクタに適用する可視光光源に適用される光合波回路は、Ｒ（赤色光）、Ｇ（緑色光）、Ｂ（青色光）の３原色の光を合波する。このような可視光の波長帯においても、ＰＬＣの適用が進められている（例えば、非特許文献１～３参照）。
　ＰＬＣの作製方法は、Ｓｉなどの平面状の基板上に、ＳｉＯ２などの石英系ガラスを火炎堆積法により堆積し、下部クラッド層とする。次に、Ｇｅをドーパントしたコア層を堆積し、フォトリソグラフィなどによるパターニング、反応性イオンエッチング加工により、所望の光導波路回路を作製する。最後、下部クラッド層とコアパターンを覆うように上部クラッド層として石英系ガラスを堆積して完成する。低損失な石英系ガラスと微細加工技術を生かして、ＰＬＣを様々な光機能部品に適用することができる。
　図１に、２つの方向性結合器を用いたＲＧＢカプラの構成を示す。ＰＬＣを用いたＲＧＢカプラ１００は、第１～第３の入力導波路１０１～１０３と、第１、第２の方向性結合器１０４，１０５と、第２の入力導波路１０２と接続された出力導波路１０６とを備えている。
　第１の方向性結合器１０４は、第１の入力導波路１０１から入射されたλ２の光を第２の入力導波路１０２に結合し、第２の入力導波路１０２から入射されたλ１の光を第１の入力導波路１０１に結合して第２の入力導波路１０２へと再び結合するように導波路長、導波路幅および導波路間のギャップが設計されている。第２の方向性結合器１０５は、第３の入力導波路１０３から入射されたλ３の光を第２の入力導波路１０２に結合し、第１の方向性結合器１０４において第２の入力導波路１０２に結合されたλ１及びλ２の光を透過するように導波路長、導波路幅及び導波路間のギャップが設計されている。
　例えば、第１の入力導波路１０１には緑色光Ｇ（波長λ２）、第２の入力導波路１０２には青色光Ｂ（波長λ１）、第３の入力導波路１０３には赤色光Ｒ（波長λ３）を入射し、３色の光Ｒ、Ｇ、Ｂが第１、第２の方向性結合器１０４，１０５によって合波されて出力導波路１０６から出力される。λ１、λ２、λ３の波長としては、それぞれ４５０ｎｍ、５２０ｎｍ、６３８ｎｍの光が用いられる。
A. Nakao, R. Morimoto, Y. Kato, Y. Kakinoki, K. Ogawa and T. Katsuyama, "Integrated waveguide-type red-green-blue beam combiners for compact projection-type displays", Optics Communications 3２０ (2014) 45-48 Y. Hibino, "Arrayed-Waveguide-Grating Multi/Demultiplexers for Photonic Networks," IEEE CIRCUITS & DEVICES, Nov., 2000, pp.21-27 A. Himeno, et al., "Silica-Based Planar Lightwave Circuits," J. Sel. Top. Q.E., vol. 4, 1998, pp.913-924
　ＲＧＢカプラを構成するＰＬＣは、厚さ４００～１０００μｍのＳｉ基板上に、数μｍ角のコアパターンを含む厚さ５０μｍ程度のガラス膜が堆積されている。光機能部品のさらなる小型化のために、可視光光源に適用される光合波回路は、Ｓｉ基板の薄型化が求められている。具体的には、厚さ２００μｍ程度以下が求められているが、基板を薄くすると、厚さに反比例して基板が反ってしまうという問題があった。
　本発明の目的は、基板にかかる応力を緩和して、反りを抑制した平面光波回路を提供することにある。
　本発明は、このような目的を達成するために、平面光波回路の一実施態様は、基板上にガラス膜が堆積された平面光波回路であって、入力導波路から出力導波路までの光軸方向を前記基板の長手方向としたとき、前記基板の短手方向に、複数の溝が直線状に形成されていることを特徴とする。
　本発明によれば、基板上に形成された光回路に、基板にかかる応力を緩和するため溝を形成したので、反りを抑制することが可能となる。
従来の２つの方向性結合器を用いたＲＧＢカプラの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかるモニタリング機能付き光源を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかるモニタリング機能付き光源を示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかるモニタリング機能付き光源を示す図である。 第３の実施形態にかかるＲＧＢカプラの断面図である。 第３の実施形態にかかるＲＧＢカプラに溝を形成する方法を示す図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態では、可視光帯域の光合波回路を例に説明するが、ＰＬＣを用いた様々な光機能部品に適用することができる。
　　［第１の実施形態］
　図２に、本発明の第１の実施形態の実施例１にかかるモニタリング機能付き光源を示す。モニタリング機能付き光源は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の光をそれぞれ出力する第１～第３のＬＤ２０１1～２０１3と、ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ２１０と、ＲＧＢカプラ２１０に光学的に接続された第１～第３のＰＤ２０２1～２０２3とを備えている。
　ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ２１０は、第１～第３のＬＤ２０１1～２０１3と光学的に接続された第１～第３の入力導波路２１１1～２１１3と、導波路を伝搬する光を２分岐する第１～第３の分岐部２１２1～２１２3と、第１～第３の分岐部２１２1～２１２3でそれぞれ分岐された一方の光を合波する合波部２１４と、第１～第３の分岐部２１２1～２１２3でそれぞれ分岐された他方の光を、第１～第３のＰＤ２０２1～２０２3に出力する第１～第３のモニタリング用導波路２１３１～２１３3と、合波部２１４で合波された光を出力する出力導波路２１５とを含む。
　ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ２１０において、第１～第３の入力導波路２１１1～２１１3にそれぞれ入射した光は、第１～第３の分岐部２１２1～２１２3でそれぞれ２分岐される。分岐された光の一方は、第１～第３のモニタリング用導波路２１３１～２１３3を介して第１～第３のＰＤ２０２1～２０２3に出力され、分岐された光の他方は、合波部２１４で合波されて出力導波路２１５に出力される。
　合波部２１４としては、図１に示した方向性結合器を用いた光合波回路を用いることができる。この場合、第１～第３の入力導波路２１１1～２１１3が、それぞれ、図１に示す第１～第３の入力導波路１０１～１０３に結合し、出力導波路２１５が、図１に示す出力導波路１０６に結合する。しかしながら、合波部２１４としては、これに限定されず、導波路型の他の合波手段（例えば、マッハツェンダ干渉計、モードカプラなど）を用いてもよい。
　図２に示したように、第１～第３の入力導波路２１１1～２１１3を伝搬する光を、第１～第３の分岐部２１２1～２１２3でそれぞれ分岐した場合、第１～第３のＬＤ２０１1～２０１3と第１～第３の入力導波路２１１1～２１１3との結合特性をモニタリングすることができる。加えて、事前に、合波部２１４の合波特性を把握しておくことにより、第１～第３のＰＤ２０２1～２０２3のモニタリング値を用いて、光源としてのホワイトバランスを調整することが可能である。
　　［第２の実施形態］
　図３に、本発明の第２の実施形態にかかるモニタリング機能付き光源を示す。第１の実施形態によれば、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の光を、それぞれモニタリングすることができるので、例えば、ＲＧＢカプラの設計値からの偏差が、製造時の誤差により短波長側（Ｂ）と長波長側（Ｒ）とで異なる場合であっても、個別にフィードバック制御が可能なので、精度よくホワイトバランスを調整することができる。しかしながら、ＬＤ２０１の出射面と対向するようにＰＤ２０２を配置すると、ＰＤ２０２に迷光が入射してしまい、正確なモニタリング値が取れない可能性がある。迷光とは、ＬＤ２０１の出力が入力導波路２１１に結合できずに、ＲＧＢカプラ２１０内部に漏れ出した光、合波部２１４において合波し切れなかった光または漏れ出した光、合波部２１４の捨てポートを介してＲＧＢカプラ２１０内部に漏れ出した光などである。
　そこで、第２の実施形態では、ＬＤ３０１とＰＤ３０２が対向しないように、第１～第３のモニタリング用導波路３１３１～３１３3を、９０°の光路変換用の曲げ導波路とした。ＬＤ３０１からの光の出射方向および合波部３１４からの光の出射方向が、ＰＤ３０２における光の入射方向に対して概ね垂直となるように構成することにより、迷光がＰＤ３０２に入射することを回避することができる。
　ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ３１０は、第１～第３のＬＤ３０１1～３０１3と光学的に接続された第１～第３の入力導波路３１１1～３１１3と、導波路を伝搬する光を２分岐する第１～第３の分岐部３１２1～３１２3と、第１～第３の分岐部３１２1～３１２3でそれぞれ分岐された一方の光を合波する合波部３１４と、第１～第３の分岐部３１２1～３１２3でそれぞれ分岐された他方の光を、第１～第３のＰＤ３０２1～３０２3に出力する第１～第３のモニタリング用導波路３１３１～３１３3と、合波部２１４で合波された光を出力する出力導波路３１５とを含む。
　　［第３の実施形態］
　上述したモニタリング機能付き光源は、モニタリング用導波路に分波するための分岐部、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の光を合波する合波部は、方向性結合器で構成されている。従って、ＲＧＢカプラは、入力導波路から出力導波路までの光軸方向の長さが長くなるので、光軸方向の反りも大きくなる。そこで、基板にかかる応力を緩和する溝を形成して、ＰＬＣの反りを抑制する。
　図４に、本発明の第３の実施形態にかかるモニタリング機能付き光源を示す。モニタリング機能付き光源の構成は、第２の実施形態に同じである。ＲＧＢカプラ３１０は、実際の導波路の寸法、光機能回路の寸法の比に近くなるように書き改めている。
　応力緩和溝３１６ａ，３１６ｂは、入力導波路３１１から出力導波路３１５までの光軸方向、すなわち基板の長手方向の中央付近に、光軸と垂直な方向（基板の短手方向）に設けられている。応力緩和溝３１６は、基板の長手方向の反りを緩和するために設けるので、基板の短手方向の全長にわたって設けることができれば理想的である。しかしながら、光導波路などの回路要素を避ける必要があるので、複数に分割して設けることになるが、直線状になるべく長く設けることができればよい。また、基板の短手方向の両端面にそれぞれ達する溝を形成することが好ましい。第３の実施形態では、基板の短手方向に、２つに分割された溝が直線状に１組だけ形成されているが、回路構成に応じて複数組設けてもよい。
　図５は、第３の実施形態にかかるＲＧＢカプラ３１０の断面図である。Ｓｉ基板４０１上に、ガラス膜４０２が堆積され、その内部にコア４０３ａ～４０３ｃが形成された埋め込み導波路によって光合波回路が形成されている。Ｓｉ基板４０１の厚さは２００μｍに薄型化されており、ガラス膜４０２の厚さは５０μｍである。応力緩和溝３１６は、フォトリソグラフィなどによるパターニングとエッチング加工により、ガラス膜４０２を取り除き、Ｓｉ基板４０１に達するように形成されている。
　なお、応力緩和溝３１６は、ガラス膜４０２が取り除かれる深さとしたが、反りを低減する効果は、深さに比例するので、Ｓｉ基板４０１の一部を取り除いた深さにしてもよい。必要な低減効果を得られるのならば、ガラス膜４０２の一部を取り除いただけの深さにしてもよい。
　図６に、本実施形態のＲＧＢカプラに溝を形成する方法を示す。ＰＬＣからなる光機能部品は、一般的にウエハ上に一括して複数の光機能部品を作製する。そこで、ウエハ５０１上に複数のＲＧＢカプラ５０２を形成した状態において、図５に示した応力緩和溝３１６（図５の点線の部分）を同時に形成する。ウエハ５０１上で溝を形成することにより、ＲＧＢカプラが形成された基板の短手方向の両端面に達する応力緩和溝を、連続して形成することができる。
　　（その他の実施例）
　方向性結合器を用いた光合波回路を例に説明したが、多段マッハツェンダ干渉計を用いた光フィルタなど、基板の長手方向と短手方向の差が大きい平面光波回路に適用すれば、同様の効果を得ることができる。また、アレイ導波路格子を用いた光合分波器など、基板の長手方向と短手方向の差が小さく、基板サイズの大きい平面光波回路であれば、長手方向と短手方向の両方向に応力緩和溝を設けてもよい。
　１００，２１０，３１０　ＲＧＢカプラ
　１０１～１０３，２１１，３１１　入力導波路
　１０４，１０５　方向性結合器
　１０６，２１５，３１５　出力導波路
　２０１，３０１　ＬＤ
　２０２，３０２　フォトダイオード（ＰＤ）
　２１２，３１２　分岐部
　２１３，３１３　モニタリング用導波路
　２１４，３１４　合波部
　３１６　応力緩和溝
　４０１　基板
　４０２　クラッド
　４０３　コア

Claims (4)

  1. 　基板上にガラス膜が堆積された平面光波回路であって、
    　入力導波路から出力導波路までの光軸方向を前記基板の長手方向としたとき、前記基板の短手方向に、複数の溝が直線状に形成されていることを特徴とする平面光波回路。
  2. 　前記複数の溝は、前記ガラス膜が取り除かれ、前記基板に達する溝であることを特徴とする請求項１に記載の平面光波回路。
  3. 　前記複数の溝の２つは、前記基板の短手方向の両端面にそれぞれ達することを特徴とする請求項１または２に記載の平面光波回路。
  4. 　前記複数の溝が直線状に形成された１組の溝が、複数組形成されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の平面光波回路。
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