WO2022102053A1 - 光接続構造、光モジュールおよび光接続構造の製造方法 - Google Patents

光接続構造、光モジュールおよび光接続構造の製造方法 Download PDF

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optical
optical fiber
connection structure
groove
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洋平 齊藤
光太 鹿間
昇男 佐藤
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日本電信電話株式会社
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    • G02B6/4206—Optical features

Definitions

  • the present invention relates to an optical connection structure for connecting an optical fiber and an optical element, and a method for manufacturing an optical module and an optical connection structure.
  • Silicon photonics which can produce smaller optical devices than before, is attracting attention in order to increase the capacity of networks and save space in data centers.
  • Non-Patent Document 1 is a processing technique that utilizes the fact that when a Si substrate is etched with an alkaline liquid such as KOH, the shape is determined by the crystal orientation. This method can integrally form a V-groove for positioning an optical fiber on a Si substrate with the accuracy of lithography.
  • the V-groove is formed on the Si substrate by the above-mentioned wet etching, for example, as shown in FIGS. 24A and 24B, the V-groove is formed in the ⁇ 110> direction (X direction in the figure) of the Si (001) substrate.
  • the etching surface hereinafter referred to as "inclined etching surface”
  • A610a having an inclination angle is formed on the side surface thereof, but also the side surface in the ⁇ 1-10> direction (Y direction in the figure) has the same inclination.
  • the etching surface B610b is formed. This tilt angle is determined by the orientation of the crystal (hereinafter referred to as "etching angle").
  • FIG. 25 and 26 show a side sectional view and a sectional view of XXVI-XXVI'of the structure in which the optical fiber is arranged in the V groove of the above-mentioned Si substrate, respectively.
  • the etching surface is inclined, the end surface of the optical fiber cannot be completely brought into close contact with the end surface of the chip and abutted against each other. As a result, a gap is created between the optical fiber and the Si waveguide layer, and a loss due to this gap occurs.
  • an additional process of mechanically and chemically processing the chip with high precision is used. For example, with respect to the inclination of Si, a step of cutting the inclination by dicing in the depth direction of FIG. 25 and a step of cutting the inclined portion of Si by additional etching are required.
  • the optical connection structure according to the present invention is sequentially formed on the substrate, the BOX layer, the first waveguide, the optical waveguide element including the overclad, and the substrate.
  • the optical fiber arranged in the V-groove, the self-formed waveguide arranged between the end face of the optical waveguide element and the end face of the optical fiber, and the clad arranged around the self-formed waveguide are provided.
  • the optical fiber is provided with the end face of the optical fiber facing the end face of the optical waveguide element so that the signal light emitted from the optical fiber is incident on the first waveguide.
  • the formed waveguide is a portion that is cured by irradiation with resin curing light.
  • the method for manufacturing an optical connection structure includes a step of laminating a BOX layer and Si on a substrate in order, a step of processing the Si into a first waveguide, and a step of processing the Si into a first waveguide.
  • the material includes a step of irradiating the material with resin curing light to form a self-formed waveguide and a step of forming a clad around the self-formed waveguide.
  • an optical connection structure capable of connecting an optical fiber to an optical waveguide element or the like arranged on a substrate simply and with low loss.
  • FIG. 1A is a side sectional view of an optical connection structure according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line IB-IB'of the optical connection structure according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side sectional view of the optical connection structure according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a top perspective view of the optical connection structure according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a method of manufacturing an optical connection structure according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a side sectional view of the optical connection structure according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a VI-VI'cross-sectional view of the optical connection structure according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a top perspective view of the optical connection structure according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a side sectional view of the optical connection structure according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a light intensity distribution diagram for explaining the operation of the optical connection structure according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a top perspective view of the optical connection structure according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a top perspective view of an example of the optical connection structure according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a side sectional view of an example of an optical connection structure according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a side sectional view of an optical connection structure according to a modified example of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a side sectional view of an optical connection structure according to a modified example of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a side sectional view of an optical connection structure according to a modified example of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a side sectional view of an optical connection structure according to a modified example of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a top perspective view of the optical connection structure according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a top perspective view of the optical connection structure according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a top perspective view of the optical connection structure according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a side sectional view of an optical connection structure according to a modified example of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a side sectional view of an optical connection structure according
  • FIG. 20 is a top perspective view for explaining the optical connection structure according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is a top perspective view for explaining the optical connection structure according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a top perspective view of an example of the optical connection structure according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a top perspective view for explaining the optical connection structure according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 24A is a top view for explaining a conventional optical connection structure.
  • FIG. 24B is a cross-sectional view taken along the line XXIVB-XXIVB'for explaining a conventional optical connection structure.
  • FIG. 25 is a side sectional view of a conventional optical connection structure.
  • FIG. 26 is a cross-sectional view taken along the line XXVI-XXVI'of the conventional optical connection structure.
  • FIG. 1A and 1B show a schematic cross-sectional view of the optical connection structure 10 according to the first embodiment.
  • 1A is a side view and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line IB-IB'.
  • the optical connection structure 10 includes an optical waveguide element 11, an optical fiber 12, and a self-formed waveguide connection portion (hereinafter referred to as “connection portion”) 13.
  • the optical waveguide element 11 is a silicon photonics (SiPh) element, and is a waveguide composed of a BOX (Buried Oxide) layer 112 and Si as a first waveguide 113 (hereinafter, “Si waveguide”) on a Si substrate 111 in order. It is provided with an overclad 114.
  • SiPh silicon photonics
  • Si waveguide a waveguide composed of a BOX (Buried Oxide) layer 112 and Si as a first waveguide 113 (hereinafter, “Si waveguide”) on a Si substrate 111 in order. It is provided with an overclad 114.
  • V groove 110 having a V-shaped cross section is formed on the Si substrate 111 with both side walls inclined.
  • the direction of the ridgeline at the bottom of the V-groove 110 is referred to as "longitudinal direction of the V-groove".
  • the longitudinal direction of the V-groove is the ⁇ 110> direction or the ⁇ 1-10> direction when a Si substrate having a (001) surface as a surface is used for the substrate.
  • the angle 15 formed by the inclined surface 110a of the V groove 110 with the surface of the substrate 111 is 54.7 °. Further, as shown in FIG. 1A, the angle 15 formed by the inclined surface 110b at the tip of the groove 110 with the surface of the substrate 111 is 54.7 °.
  • the optical fiber 12 is arranged in the V groove 110 formed in the Si substrate 111. Further, as shown in FIG. 1A, the optical fiber 12 is arranged so that the end surface thereof and the surface 11a which is the end surface of the optical waveguide element (chip) face each other. As a result, when the optical connection structure 10 is operated as an element (or a part of the element), the signal light emitted from the optical fiber 12 is incident on the Si waveguide 113.
  • the end face of the optical waveguide element (chip) 11 refers to the end face of the layer including at least the BOX layer 112 and the overclad 114 in the optical waveguide element 11 on the substrate 111.
  • silicon nitride (SiNx) 119 used as a protective mask when forming the V-groove may remain on the surface and end face of the optical waveguide element (chip) 11.
  • the end face of the optical waveguide element (chip) 11 becomes the end face of the layer including silicon nitride (SiNx).
  • this silicon nitride (SiNx) may be gradually etched during wet etching for forming a V-groove, removed depending on the etching conditions, and may not remain on the surface and end face of the optical waveguide element (chip) 11.
  • the self-formed waveguide 131 is formed between the optical waveguide element 11 and the optical fiber 12.
  • the portion where the refractive index is changed by light irradiation becomes the self-formed waveguide (core) 131.
  • a refractive index matching agent is applied between the optical fiber 12 and the optical waveguide element (chip) 11 so as to cover the self-formed waveguide 131.
  • the clad 132 is arranged around the self-forming waveguide 131.
  • the refractive index matching agent 132 may have a refractive index that acts as a clad of the self-formed waveguide 131, and for example, an adhesive may be applied so that the refractive index when cured functions as a clad. .. As a result, stable connection characteristics can be maintained.
  • the optical waveguide element 11 has a width and a thickness of the Si waveguide 113 of 440 nm and 220 nm, respectively, a thickness of the BOX layer 112 of 3 ⁇ m, and a thickness of the overclad 114 portion of about 4 ⁇ m.
  • a photocurable resin is often used as a material for the self-forming waveguide 131
  • a self-forming waveguide is formed by a bulk material such as a crystal whose refractive index changes due to light irradiation.
  • the self-formed waveguide is made of a material that causes a change in the refractive index by light irradiation, the self-formed waveguide can be formed and the same effect can be obtained.
  • the optical fiber 12 and the end face of the optical waveguide element (chip) 11 can be connected by the self-formed waveguide 131, the connection loss due to the gap can be reduced.
  • the connection by the self-formed waveguide 131 does not require additional processing of the chip 11 itself as described later, so that the influence of the gap can be easily reduced.
  • the self-forming waveguide technology is an optical connection technology using a photocurable resin.
  • the self-formed waveguide technique will be described below by taking the case of connecting two optical waveguides as an example.
  • a self-forming waveguide is formed in the light-irradiated portion.
  • the core is sequentially formed from the end surface of the waveguide.
  • a mode field conversion unit 115 connected to the Si waveguide 113 may be arranged in the vicinity of the waveguide end including the waveguide end, and the Si guide thereof may be arranged.
  • the shape of the waveguide 113 does not matter.
  • the mode field conversion unit 115 can increase the mode field diameter of the light that can propagate in the chip 11 at the end of the chip 11, so that the mode field diameter can be increased in the optical fiber 12 or in the self-formed waveguide 131. It is possible to match it with that inside the chip 11 and reduce the connection loss.
  • the mode field conversion unit 115 can be realized by a tapered structure in which the width of the waveguide narrows as it approaches the end of the chip 11, for example, as shown in the top perspective view of FIG.
  • the structure of the mode field conversion unit 115 can be realized by, for example, a structure divided into three, in addition to the structure shown in FIG. 3, but any known mode field conversion unit can be used in this implementation.
  • the mode field conversion shown in the form of can be realized.
  • the material of the BOX layer 112 for example, silicon oxide, is laminated on the Si substrate 111, and Si is laminated on the material.
  • Si is processed into a waveguide using photolithography. At this time, Si in the portion other than the Si waveguide (first waveguide) 113 is removed.
  • an overclad 114 is formed on the Si waveguide (first waveguide) 113 using, for example, silicon oxide as a material.
  • the V-groove 110 is formed. First, the silicon oxide (overclad 114 and BOX layer 112) of the portion forming the V groove 110 is removed by a normal process.
  • a protective mask is made of silicon nitride so as to protect the Si waveguide 113 from an alkaline liquid (KOH aqueous solution or the like) used for anisotropic etching.
  • silicon nitride SiNx
  • SiNx silicon nitride
  • silicon nitride (SiNx) which is a protective mask, remains on the surface and end face of the optical waveguide element (chip) 11.
  • this silicon nitride (SiNx) may be gradually etched during wet etching for V-groove formation, removed depending on the etching conditions, and may not remain on the surface and end face of the optical waveguide element (chip) 11.
  • the end face of the chip 11 is also slightly affected by the etching, and the angle formed by the bottom surface and the end face of the chip 11 is not a perfect right angle as shown in FIG. 1A, but a structure having a slight inclination. There is. However, at this time, if the refractive index of the end face of the chip 11 is sufficiently close to the resin forming the self-formed waveguide 131, the influence of refraction is reduced, so that the light beam emitted from the end face of the chip 11 has the shape of the end face. Go straight almost without being affected by. At this time, since the self-formed waveguide 131 formed by the resin curing light is formed in a substantially linear shape, the shape of the end face by etching does not have a great influence on the operation of the optical connection structure 10 according to the present embodiment.
  • silicon oxide in the portion where the V-groove is formed before forming the silicon nitride on the surface is shown, but the present invention is not limited to this.
  • silicon oxide in the portion (opening) where the V groove is formed may be removed by acid solution or dry etching, and then Si may be anisotropically etched with a KOH aqueous solution.
  • optical connection is performed in the process of optical connection by the self-formed waveguide 131.
  • the material of the self-formed waveguide 131 for example, a photocurable resin is dropped (arranged) on the end face of the optical waveguide element (chip) 11 and the surrounding V-groove.
  • the optical fiber 12 is arranged with the V-groove 110 as a positioning structure.
  • the resin on the end face of the chip 11 adheres to the end face of the optical fiber 12, and the optical fiber 12 and the chip 11 It is possible to fill the photocurable resin between the end faces of the fiber optics.
  • the optical fiber 12 runs on the upper part of the overclad 114.
  • the optical fiber 12 is overcladed by arranging the glass lid 14 on the optical fiber 12 and abutting the optical fiber 12 against the optical waveguide element 11 while pressing the optical fiber 12 from above. You can prevent it from riding on 114. At this time, the length of the glass lid 14 may be appropriately set.
  • the resin curing light is emitted from the optical fiber 12.
  • the incident of the resin-cured light on the optical fiber 12 can be easily realized by, for example, an optical connector.
  • the photocurable resin is irradiated with resin-curing light to be photo-cured to form a self-forming waveguide 131.
  • the refractive index matching agent 132 is dropped around the self-formed waveguide 131 to form a clad of the self-formed waveguide 131.
  • the self-formed waveguide 131 and the clad around it may be formed by the following method.
  • This forming method is substantially the same as the above-mentioned manufacturing method, but the self-forming waveguide and the resin used for forming the clad are different.
  • a plurality of (two in the present embodiment) resins are mixed. Each resin is cured by irradiation with light of different wavelengths, and the refractive index after curing is different.
  • the mixed resin is dropped (arranged) on the end face of the optical waveguide element (chip) 11 and the surrounding V-groove.
  • the resin curing light of the other wavelength is irradiated from the outside (mainly above) of the dropped resin to cure the uncured portion to cure the clad portion (the portion of the refractive index matching agent 132 in the above-mentioned production method). Equivalent to).
  • the refractive index of this clad portion is smaller than that of the portion of the self-formed waveguide 131.
  • the self-forming waveguide 131 and the clad 132 can be formed without the need for a step of cleaning the uncured photocurable resin.
  • the optical connection structure 10 according to the present embodiment can be manufactured.
  • FIG. 5 and 6 show a schematic cross-sectional view of the optical connection structure 20 according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a side view and
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI'.
  • the optical connection structure 20 has substantially the same configuration as the optical connection structure 10 according to the first embodiment, but as shown in FIG. 6, the second is so as to cover the Si waveguide (first waveguide) 213. It differs in that the waveguide core 216 is formed. Specifically, the second waveguide core 216 is formed so as to cover the surface and the side surface of the Si waveguide 213.
  • the end face of the optical waveguide element (chip) 21 refers to the end face of the layer including at least the BOX layer 212 and the overclad 214 in the optical waveguide element 21 on the substrate 211.
  • silicon nitride (SiNx) 219 used as a protective mask when forming the V-groove may remain on the surface and end face of the optical waveguide element (chip) 21.
  • the end face of the optical waveguide element (chip) 21 becomes the end face of the layer including silicon nitride (SiNx) 219.
  • the silicon nitride (SiNx) 219 may be gradually etched during wet etching for V-groove formation, removed depending on the etching conditions, and may not remain on the surface and end face of the optical waveguide element (chip) 21.
  • a refractive index matching agent 232 is applied as a clad between the optical fiber 22 and the chip 21 so as to cover the self-formed waveguide 231.
  • the width and thickness of the second waveguide core 216 are 3 ⁇ m, respectively, the width and thickness of the Si waveguide 213 are 440 nm and 220 nm, respectively, and the thickness of the BOX (Buried Oxide) layer 212 is 3 ⁇ m, which is over.
  • the thickness of the 214 portion of the cladding is about 4 ⁇ m.
  • the self-formed waveguide 231 is formed by irradiating the resin curing light not only from the optical fiber 22 but also from the end face of the optical waveguide element (chip) 21.
  • a mode field conversion unit having a structure for changing the mode field diameter of light is connected to the Si waveguide 213, and can be realized from a waveguide having a shape in which the width gradually decreases in the longitudinal direction, for example. ..
  • the mode field conversion unit 215 can be realized with a length of, for example, about 300 ⁇ m.
  • SiON produced by adding nitrogen to silicon oxide may be used.
  • the optical axis shift is caused as shown in FIG. Since the self-forming waveguide 231 having a bent (S-shaped) shape is formed to compensate, it is possible to connect to a low loss.
  • the photo-curable resin used in the self-forming waveguide technology cures sequentially from the part irradiated with the high-intensity resin-curing light.
  • the respective optical axis deviations for example, the direction perpendicular to the longitudinal direction of the V-groove 210 in the horizontal plane and the direction perpendicular to the longitudinal direction of the V-groove 210 in the horizontal plane and Even if the optical fiber 22 is displaced in the direction perpendicular to the surface of the Si substrate 211, a bent (S-shaped) self-formed waveguide 231 is formed so as to compensate for the optical axis displacement. Therefore, it is possible to realize a low-loss optical connection even under an optical axis deviation caused by a processing error of the V-groove 210.
  • the resin curing light emitted from each of the optical fiber 22 and the optical waveguide element (chip) 21 will be described below.
  • the wavelength of the resin curing light is in the visible light range. Since quartz, which is the main material of the optical fiber 22, is transparent to visible light, visible light, that is, resin-cured light can propagate in the optical fiber 22 with low loss.
  • an optical connection by a self-formed waveguide is realized by using a material transparent to visible light as the material of the second waveguide core 216.
  • FIG. 9 shows the numerical calculation result of the normalized electric field amplitude of the propagation mode of this structure.
  • Si waveguide 213, SiON as the second waveguide core 216, and silicon oxide as the overclad 214 and the BOX layer 212 were used in the structure to be calculated.
  • the MODE solution of Lumerical was used for the calculation.
  • the electric field amplitude is normalized by the maximum value of the electric field amplitude in this structure and is shown as a relative light intensity.
  • the shaded area in FIG. 9 indicates a relative light intensity of 0.9 or more, and indicates a part having strong light confinement. As described above, according to this structure, it is possible to confine and propagate light in the transparent portion of the second waveguide core 216.
  • the structure in which the Si waveguide 213 is covered with the second waveguide core 216 in the present embodiment is a structure generally used for adiabatic transfer of light to cores having different cross-sectional areas. It is composed of waveguides having different mode fields and a mode field conversion unit 215 connecting them with low loss.
  • the core width of the light confined in the Si waveguide 213 gradually narrows toward the tip of the mode field conversion unit 215, so that the confinement of the light becomes weaker and the mode field gradually becomes the second guide.
  • the mode field conversion unit 215 has a structure in which the width is tapered as it approaches the end of the second waveguide core 216 shown in FIG. 7, as well as a structure in which the mode field conversion unit 215 is divided into three parts. Many structures are conceivable, but the present invention does not limit the shape.
  • a Y-branch structure 217 provided in the second waveguide core 216 is used.
  • the resin-cured light 27 propagates through the coupled waveguide 218, is coupled to the second waveguide core 216 by the Y-branch structure 217, propagates through the second waveguide core 216, and is emitted from the end face of the optical waveguide element 21. ..
  • this configuration it is possible to realize the emission of the resin-cured light 27 from the end face of the waveguide, which is indispensable for obtaining the effect of compensating for the optical axis deviation by the self-formed waveguide 231.
  • the Y-branch structure 217 is formed in the second waveguide core 216 covering a region other than the mode field conversion unit 215 in the second waveguide core 216 covering the Si waveguide 213.
  • the signal light is input from the optical fiber 22 to the optical waveguide element 21 and transmitted in the optical waveguide from the end face of the optical waveguide element 21, the signal light is sufficiently confined in the Si waveguide 213 after passing through the mode field conversion unit 215.
  • the distance between the Si waveguide 213 and the Y-branched structure 217 is larger than the wavelength of the light, the signal light confined in the Si waveguide 213 is hardly affected by the Y-branched structure 217. In this way, the influence of the Y-branch structure 217 on the mode field conversion effect in the transmission of signal light can be sufficiently suppressed.
  • the optical fiber 28 for incident on the resin-cured light is arranged in the V-groove 210_2.
  • the end face of the optical fiber 28 is arranged so as to face the end face of the optical waveguide element (chip) 21 so that the resin-cured light 27 emitted from the optical fiber 28 is incident (coupled) to the coupled waveguide 218. ..
  • the optical fiber 22 and the resin-cured light incident optical fiber 28 are arranged in the V grooves 210 and 210_2, respectively, and the resin-cured light 27 is incident from the resin-cured light incident optical fiber 28 and the optical fiber 22.
  • the light intensity per unit area of the resin cured light 27 required for the self-formed waveguide 231 is low, and for example, about several tens of ⁇ W is sufficient for a thickness of 3 ⁇ m and a width of 3 ⁇ m of the second waveguide core 216.
  • the output of a commercially available semiconductor laser in the wavelength band of the relatively inexpensive resin-cured light 27 is as large as several mW, sufficient output is sufficient for forming the self-formed waveguide 231 even if there is some loss. Can be secured.
  • any technique may be used as long as it can combine light propagating in a known waveguide such as a multimode interference type coupler or a directional coupler into an arbitrary waveguide.
  • the manufacturing method of this structure will be described.
  • the material of the BOX layer 212 for example, silicon oxide, is laminated on the Si substrate 211, and Si is laminated on the material.
  • Si is processed into a waveguide using photolithography. At this time, Si in the portion other than the Si waveguide (first waveguide) 113 is removed.
  • the material of the second waveguide core 216 for example, SION, is laminated on the Si waveguide 213 so as to cover the Si waveguide 213.
  • the SiON is processed into a waveguide (second waveguide core 216) using ordinary photolithography. At this time, the SION of the portion other than the second waveguide core 216 is removed.
  • an overclad 214 is formed on the second waveguide core 216 so as to cover the second waveguide core 216 by using, for example, silicon oxide as a material.
  • the overclad 214 laminated above the SION waveguide has a convex portion as shown in FIG. Since it is difficult to form a protective film on the side surface of the convex portion, it is also possible to form the protective film after polishing the convex portion to flatten the surface of the overclad 214 by chemical mechanical polishing (CMP) or the like. ..
  • CMP chemical mechanical polishing
  • V-grooves 210 and 210_2 are formed.
  • the silicon oxide (overclad 214 and BOX layer 212) of the portion forming the V grooves 210 and 210_2 is removed by a normal process.
  • a protective mask is made of silicon nitride to protect the Si waveguide 213 and the second waveguide core 216 from an alkaline liquid (KOH aqueous solution, etc.) used for anisotropic etching. do.
  • silicon nitride SiNx
  • SiNx silicon nitride
  • silicon nitride is processed so as to protect a portion other than the portion forming the V-grooves 210 and 210_2 to produce a protective mask.
  • silicon nitride (SiNx) which is a protective mask, remains on the surface and end face of the optical waveguide element (chip) 11.
  • this silicon nitride (SiNx) may be gradually etched during wet etching for V-groove formation, removed depending on the etching conditions, and may not remain on the surface and end face of the optical waveguide element (chip) 11.
  • the self-formed waveguide 231 formed by the resin curing light 27 is formed in a substantially linear shape, the shape of the end face by etching does not significantly affect the operation of the optical connection structure 20 according to the present embodiment. ..
  • silicon oxide in the portion where the V-groove is formed before forming the silicon nitride on the surface is shown, but the present invention is not limited to this.
  • silicon oxide in the portion (opening) where the V groove is formed may be removed by an acid solution or dry etching, and then Si may be anisotropically etched with a KOH aqueous solution.
  • optical connection is performed in the process of optical connection by the self-formed waveguide 231.
  • a material for the self-formed waveguide 23 for example, a photocurable resin, is dropped (arranged) on the end face of the above-mentioned second waveguide core 216.
  • the V-grooves 210 and 210_2 are used as positioning structures, and the optical fiber 22 and the resin-cured light incident optical fiber 28 are arranged in the V-grooves 210 and 210_2, respectively.
  • the resin on the end face of the chip 21 adheres to the end face of the optical fiber 22, and the optical fiber 22 and the chip 21 It is possible to fill the photocurable resin between the end faces. In this case, it is advisable to use a glass lid or the like as described above.
  • the resin-cured light 27 is emitted from the resin-cured light incident optical fiber 28 and the optical fiber 22.
  • the photocurable resin is irradiated with the resin curing light 27 and photocured to form the self-formed waveguide 231.
  • the refractive index matching agent 232 is dropped around the self-forming waveguide 231 to form a clad portion of the self-forming waveguide 231.
  • the optical fiber 22 and the chip 21 may be bonded to each other by using an adhesive having a refractive index similar to that of the resin for adjusting the refractive index.
  • the self-formed waveguide 231 and the clad around it may be formed by using a plurality of resins as in the first embodiment without cleaning the uncured photocurable resin.
  • the self-formed waveguide 231_2 may be used as a waveguide and may confine light by the difference in refractive index between the core and the cladding, regardless of its shape.
  • a structure in which the cross section gradually expands from the end face of the optical fiber 22 toward the end face of the chip 21 may be used.
  • the self-formed waveguide 231_2 between the waveguides having different core diameters has such a structure.
  • a tapered structure may be formed on the end face portion of the chip 21 on which the resin curing light 27 is incident. Even between the cores of the resin-cured light incident optical fiber 28 and the coupled waveguide 218, a difference in the mode field diameter due to the size of the core and the optical characteristics of the waveguide can be considered.
  • the mode field diameter of the resin-cured light 27 in the chip 21 can be expanded, whereby the light is coupled from the resin-cured light incident optical fiber 28 to the coupled waveguide 218. It is possible to improve efficiency.
  • the end face of the chip 21 in which the V-groove 210 for the optical fiber 22 is formed is formed.
  • the optical fiber 22 may be aligned directly with the end face of the opposite chip 21, and the resin-cured light 27 may be incident on the coupling waveguide 218 and coupled to the second waveguide core 216.
  • the resin curing light 27 is applied laterally (light) as shown in FIG. 15, for example, an end surface other than the end surface of the chip 21 on the opposite side facing the end surface of the chip 21 on which the V groove 210 for the optical fiber 22 is formed. It may be incident from the end face of the chip 21 (which is substantially perpendicular to the end face of the optical waveguide element 21 facing the end face of the fiber 22). In this way, by forming the position where the resin-cured light 27 is incident on the portion other than the end face where the V-groove 210 for the optical fiber 22 is formed, the V-groove 210 for arranging the optical fiber for resin-cured light incident can be formed. It is not necessary to manufacture the fiber, and the connection portion between the optical fiber 22 and the chip 21 can be miniaturized.
  • the interface between the air and the waveguide is provided by a diffraction grating type coupler or a configuration in which the end face of the chip 21 is diagonally polished. Any known method can be applied as long as the resin curing light can be incident from the upper surface of the chip so that total reflection occurs in the optical fiber.
  • the second waveguide core 216 and the Si waveguide 213 are optically coupled in an adiabatic manner and function as a spot size converter. If so, any known form can be applied.
  • the directions in which light propagates through the second waveguide core 216 and the Si waveguide 213 are substantially parallel to each other, and optical coupling is performed. It may be configured to be arranged in such a manner.
  • the V-shaped groove 210 if the anisotropic etching is stopped at the stage before the formation of the V-groove 210, the structure shown in FIG. 16 may be obtained. Even in such a state, if the depth of the Si substrate 211 is sufficiently larger than the radius of the core 221 of the optical fiber 22, it also functions as a positioning structure of the optical fiber 22 and the present invention can be similarly applied. ..
  • the V-shaped groove also includes the groove having the shape of the inclined surfaces and the bottom surface of both side surfaces shown in FIG.
  • FIG. 17 shows the optical connection structure 30 according to the present embodiment.
  • the optical connection structure 30 further includes a groove portion (hereinafter, “” It is referred to as a “resin intrusion prevention groove”) 31.
  • the photocurable resin used for forming the self-formed waveguide 231 has very large light absorption in the curing wavelength band.
  • the curable resin is a liquid before curing
  • the V in which the optical fiber 28 for resin curing light incident in the vicinity is arranged. It may invade the groove 210_1.
  • the liquid curable resin is prevented from entering between the V-groove 210 in which the optical fiber 22 is arranged and the V-groove 210_2 in which the optical fiber 28 for resin curing light incident is arranged.
  • a groove portion (resin intrusion prevention groove) 31 is formed. Even when an excessive amount of curable resin is dropped on the end face of the chip 21, the resin intrusion prevention groove 31 causes the curable resin to flow into the groove portion, thereby suppressing the invasion of the resin into the resin-cured light incident optical fiber 28. can do.
  • the resin intrusion prevention groove 31 can be formed, for example, by a process similar to the process of forming the V groove 210 for arranging the optical fiber 22. In the present embodiment, it is sufficient that the groove is formed, and the present invention does not limit the manufacturing method and shape thereof.
  • the optical connection structure according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the optical connection structure 40 according to the present embodiment has substantially the same configuration and effect as the second embodiment, but differs in the following points.
  • the resin-cured light is simultaneously emitted from a plurality of optical waveguide ends by branching the optical power using the optical circuit structure.
  • a self-formed waveguide (SWW) can be formed in each of a plurality of waveguides at the same time.
  • FIG. 18 shows a perspective view of the upper surface of the optical connection structure 40 according to the present embodiment.
  • the arrows in the figure indicate the positive and negative directions on the X-axis and the Y-axis.
  • the optical connection structure 40 includes an optical waveguide including a plurality of (two in the present embodiment) Si waveguides 413_1, 413_2, a second waveguide core 416_1, 416_2, and a mode field conversion unit 415_1, 415_2. Further, a plurality of optical fibers 42_1 and 42_2 are arranged in the V grooves 410_1 and 410_2 so that their end faces face each other of the optical waveguides, and the connecting portions 43_1 and 43_2 are respectively optical waveguides and optical fibers 42_1 and 42_2. Placed between and. Further, the coupled waveguide 218 coupled to the resin-cured optical input optical fiber 28 arranged in the V-groove 210_2 is branched and connected to each of a plurality of optical waveguides.
  • the resin-cured light 27 input from the resin-cured light input optical fiber 28 to the coupled waveguide 218 is branched by the branch structure 417_2.
  • One of the branched lights is coupled to the second waveguide core 416_2 from the X-side coupled waveguide 218 of the two coupled waveguides 218 and propagates in the X- direction to the optical waveguide. Emitted from the end face.
  • the other light After passing through the branch structure 417_2, the other light propagates in the coupled waveguide 218 in the Y + direction and reaches the crossed structure in which the coupled waveguide 218 and the second waveguide core 416_2 cross each other.
  • the coupled waveguide 218 connects to the second waveguide core 416_2 at the top of the Si waveguide 413_2.
  • excessive loss occurs due to the influence of diffraction and Si in the crossed structure.
  • the light required for optical connection by the self-formed waveguide may be weak, a large effect does not occur if there is some loss.
  • the resin-cured light 27 After passing through this intersecting structure, the resin-cured light 27 further propagates in the Y + direction, is coupled to the second waveguide core 416_1 by the Y branch structure 417_1, propagates in the X ⁇ direction, and is emitted from the end face of the optical waveguide. Ru. It was
  • the resin curing light 27 can be emitted simultaneously from two positions on the end face of the chip 21, it is possible to connect the two places at the same time by a self-forming waveguide. It was
  • the resin cured light 27 can be simultaneously emitted from the two or more waveguide end faces. be. This makes it possible to connect a larger number of waveguides at the same time.
  • FIG. 19 shows a perspective view of the upper surface of the optical connection structure 50 according to the present embodiment.
  • the optical connection structure 50 has a V-groove (hereinafter referred to as “gap expansion groove”) 51 having a width narrower than that of the V-groove 210 for positioning the optical fiber.
  • tapered angle the angle formed with respect to the traveling direction of the tapered light
  • the taper angle is determined by the core diameter between the optical fiber 22 and the waveguide of the optical waveguide element 21 (second waveguide core 216) and the length of the gap.
  • the core diameter of a self-formed waveguide is approximately the core diameter of a waveguide from which light is emitted. Therefore, when connecting between different core diameters, it is possible to form a self-formed waveguide having a taper angle suitable for connecting between the cores by setting the optimum gap length.
  • the height of the core 221 of the optical fiber 22 and the height of the waveguide are matched between the optical fiber core 221 and the end face of the chip 21. It is difficult to control the length of the gap. This is because, in the case of a rectangular opening, the opening width 16 shown in FIG. 1B almost determines both the height of the core 221 of the optical fiber 22 and the length of the gap thereof, as shown below.
  • the "height" means the height from the ridgeline or the bottom surface of the V-groove bottom in the direction perpendicular to the surface of the Si substrate 211.
  • the angle of the inclined etching surface A of the V-groove 210 to be anisotropically etched is constant (54.7 °)
  • the height of the core 221 at the center of the optical fiber 22 in the V-groove 210 is FIG. 1B. As can be seen from, it is determined by the outer diameter of the optical fiber 22 and the opening width 16 of the V-groove 210.
  • the height of the core 221 of the optical fiber 22 is determined by the opening width 16 of the V-groove 210.
  • the optical fiber 22 when the optical fiber 22 is positioned by the V groove 210, the optical fiber 22 is pushed in until the tip of the optical fiber 22 abuts on the inclined etching surface B of the V groove 210.
  • the gap generated at this time is determined by the height of the core 221 of the optical fiber 22 and the inclination angle of the inclined etching surface B of the V groove 210.
  • the height of the core 221 of the optical fiber 22 is determined by the opening width as described above, and the inclination angle of the inclined etching surface B of the V groove 210 is constant (54.7 °). Therefore, the length of the gap between the optical fiber 22 and the waveguide end face in the chip 21 is also largely determined by the opening width 16.
  • both the height of the core 221 of the optical fiber 22 and the length of the gap are determined by the opening width 16, so that the gap is created while aligning the optical fiber core 221 and the optical waveguide 23 of the chip 21. It is difficult to control.
  • the gap in order to control the gap between the waveguides while aligning each of them in the height direction, the gap is continuously connected to the end face of the V-groove 210 for arranging the optical fiber 22. Also forms a narrow gap expansion groove 51.
  • the length of the gap between the end faces of the optical fiber 22 and the chip 21 can be widened in the longitudinal direction of the V groove.
  • the length of the gap can be changed, for example, by changing the layout of the mask for forming the V-groove. This makes it possible to achieve any gap length.
  • the taper angle in the self-formed waveguide having a tapered shape can be reduced, and the excess loss during mode field diameter conversion can be reduced. can do.
  • the V-groove 52 has an opening width wider than the V-groove 210 for arranging the optical fiber 22, the optical fiber 22 can penetrate into the added groove, so that the length of the gap is increased. You lose control. Therefore, it is necessary to add a groove having an opening width narrower than the width of the V groove 210 for arranging the optical fiber 22.
  • this gap may be appropriately set according to the purpose such as the connection characteristics, reliability, and mechanical strength of the self-formed waveguide. For example, it is known that there is a gap dependence in the effect of reducing the connection loss under the axis deviation of the connection by the self-formed waveguide between the waveguides having the optical axis deviation.
  • the width W2 of the gap expansion groove 51 is smaller than the width W1 of the V groove 210 for arranging the optical fiber 22, and the width of the waveguide on the end surface of the chip 21 (hereinafter, “the waveguide on the end surface”). If it is larger than W3, the effect obtained is the same, and the shape of the opening does not matter.
  • the waveguide width W3 on the end face is the mode field diameter of light on the end face of the chip.
  • the width W3 is larger than the width W2
  • the width of the self-formed waveguide formed is almost determined by the width 2, so that the self-formed waveguide having a diameter substantially equal to the diameter of the optical waveguide core is formed. Cannot be done, and connection loss increases.
  • the photocurable resin is dropped into the narrow gap expansion groove 51 to form the self-forming waveguide, so that the width of the self-forming waveguide is set to the gap expansion groove.
  • the width of 51 it is narrower than the width W1 of the V-groove 210 for arranging the optical fiber 22 and wider than the width W3 of the waveguide on the end surface of the chip 21.
  • the width of the self-formed waveguide is formed to increase from the width W3 of the waveguide at the end face of the chip 21 to the width W1 of the V-groove 210 for arranging the optical fiber 22.
  • the self-formed waveguide can be formed with a constant width.
  • a groove portion (hereinafter referred to as “flow path groove”) 53 is further provided on the side surface of the gap expansion groove.
  • flow path groove 53 a configuration in which the longitudinal direction thereof is perpendicular to the longitudinal direction of the gap expansion groove 51 is shown. Since this groove can be used as a flow path for dropping the resin, dropping the uncured resin cleaning solution, and the like, the resin can be easily dropped from above the chip 21.
  • the gap expansion groove 51 and the flow path groove 53 can obtain the same effect in the invention regardless of the shape as long as the gap between the end faces of the optical fiber 22 and the chip 21 can be secured.
  • a groove that can be produced by dry etching or the like may be used instead of the V groove.
  • the shape 54 of the continuous portion of the V-grooves having two different sizes is smooth due to the orientation of the crystals on the etched surface being displaced due to the etching conditions such as the etching time. It may have a shape with a continuous portion. However, as shown in FIG. 23, the same effect can be obtained as long as the groove having a small opening width has a shape that can secure a gap between the waveguide and the optical fiber 22, regardless of the shape. not.
  • the optical module 60 includes an optical connection structure, an optical circuit, and an electronic circuit according to the first to fifth embodiments.
  • the optical signal input via the optical connection structure is optically processed by an optical circuit, converted into an electric signal by a photodiode in an electronic circuit, and processed such as calculation.
  • the optical module 60 may not be provided with an optical circuit and may be directly connected to an electronic circuit from an optical connection structure.
  • the optical module 60 can integrate an optical waveguide element having an optical connection structure, an optical circuit, and an electronic circuit on the same substrate.
  • the material used in the embodiment of the present invention is an example, and is not limited to this.
  • a dielectric, resin, or the like may be used in addition to semiconductors such as InP and GaAs as the material of the waveguide in the optical waveguide element.
  • a resin material, a semiconductor, or the like may be used in addition to a dielectric such as SiOx.
  • a material in which the refractive index of the core (waveguide) covered by the second waveguide core is higher than that of the second waveguide core, and the refractive index of the second waveguide core is higher than that of the overclad portion. If so, this structure does not limit the material.
  • a material such as SiC or glass may be used for the substrate in addition to Si.
  • the substrate may be any as long as the V-groove can be formed by etching.
  • the present invention relates to an optical connection structure for connecting an optical fiber and an optical element, an optical module, and a method for manufacturing an optical connection structure, and can be applied to devices and systems such as optical communication.
  • Optical connection structure 11
  • Optical waveguide element 110
  • V-groove 111
  • Substrate 112
  • BOX layer 113
  • First waveguide 114
  • Overclad 12
  • Optical fiber 131
  • Self-formed waveguide 132 Clad

Abstract

本発明の光接続構造（１０）は、順に、基板（１１１）と、ＢＯＸ層（１１２）と、第１導波路（１１３）と、オーバークラッド（１１４）とを備える光導波路素子（１１）と、基板（１１１）に形成されたＶ溝（１１０）に配置される光ファイバ（１２）と、光導波路素子（１１）の端面と光ファイバ（１２）の端面との間に配置される自己形成導波路（１３１）と、自己形成導波路（１３１）の周囲に配置されるクラッド（１３２）とを備え、光ファイバ（１２）が、光ファイバ（１２）から出射される信号光が導波路（１１３）に入射されるように、光ファイバ（１２）の端面が光導波路素子（１１）の端面に対向して配置され、自己形成導波路（１３１）が、樹脂硬化光の照射により硬化されている部分である。　これにより、本発明の光接続構造は、光ファイバを基板上に配置される光導波路素子などに簡易、低損失で接続できる。

Description

光接続構造、光モジュールおよび光接続構造の製造方法
　本発明は、光ファイバと光素子の接続における光接続構造、光モジュールおよび光接続構造の製造方法に関する。
　ネットワークの大容量化やデータセンタ内における省スペース化に向け、従来よりも小型な光デバイスを作製可能なシリコンフォトニクス（ＳｉＰｈ）が注目されている。
　近年、高精度な位置決めが必要とされるＳｉＰｈの光接続の簡易化のため、チップのＳｉ基板上にＶ溝を形成し、その構造を位置決め構造として光ファイバをＳｉＰｈのチップ端面に配置する方法が注目されている（非特許文献１）。この手法は、Ｓｉ基板にＫＯＨのようなアルカリ性の液体でエッチングを施した際、結晶方位によって決まった形状になることを利用した加工技術である。この手法はリソグラフィの精度で、光ファイバの位置決め用のＶ溝をＳｉ基板上に一体形成することが可能である。
　これにより、従来のチップと光ファイバ間を接続する際に必要であった、大型の調心装置において光の結合効率をモニタしながら光ファイバアレイを調心するアクティブアライメントを省略することが可能である。そのため、本技術によって光接続部の工程の簡易化による低コスト化などが期待できる。
S. Fathololoumi, et al. "1.6 Tbps Silicon Photonics Integrated Circuit for Co-Packaged Optical-IO Switch Applications." Optical Fiber Communication Conference. Optical Society of America, 2020.
　しかしながら、上述の技術においては、そのエッチング方法に起因した以下の問題が存在する。通常、光ファイバとチップ端面を光接続し、それぞれのコア内を伝搬する光を低損失に伝搬させるためには、それぞれのコアを精密に位置合わせしながら、突き合わせる必要がある。
　一方、上述のウェットエッチングによってＳｉ基板にＶ溝を形成する場合、例えば、図２４Ａ、Ｂに示すように、Ｓｉ（００１）基板の＜１１０＞方向（図中Ｘ方向）にＶ溝を形成する場合、その側面に傾斜角度を有するエッチング面（以下、「傾斜エッチング面」という。）Ａ６１０ａが形成されるだけでなく、＜１－１０＞方向（図中Ｙ方向）の側面にも同様の傾斜エッチング面Ｂ６１０ｂが形成される。この傾斜角度は、結晶の方位によって決まる角度（以下「エッチング角度」という。）
　図２５、図２６それぞれに、上述のＳｉ基板のＶ溝に光ファイバを配置した構造の側面断面図、ＸＸＶＩ－ＸＸＶＩ’断面図を示す。図２５に示す通り、エッチング面が傾斜しているので、光ファイバの端面をチップ端面に完全に密着させて突き合わせることはできない。その結果、光ファイバとＳｉ導波路層との間にギャップが生じるので、このギャップに起因する損失が発生する。このギャップを回避するためにチップを機械的、化学的に高精度に加工する追加工程が用いられる。例えば、Ｓｉの傾斜に対して、図２５の奥行き方向にダイシングを行うことで傾斜を削る工程や、追加のエッチングによりＳｉの傾斜の部分を削る工程が必要となる。
　このように、従来の方法の場合、光ファイバを突き合わせるための追加工程が発生するため、製造工程、コストの増加や、ダイシングなどによるチッピングに起因するチップの歩留まりの低下などが問題であった。
　上述したような課題を解決するために、本発明に係る光接続構造は、順に、基板と、ＢＯＸ層と、第１導波路と、オーバークラッドとを備える光導波路素子と、前記基板に形成されたＶ溝に配置される光ファイバと、前記光導波路素子の端面と前記光ファイバの端面との間に配置される自己形成導波路と、前記自己形成導波路の周囲に配置されるクラッドとを備え、前記光ファイバが、当該光ファイバから出射される信号光が前記第１導波路に入射されるように、当該光ファイバの端面が前記光導波路素子の端面に対向して配置され、前記自己形成導波路が、樹脂硬化光の照射により硬化されている部分であることを特徴とする。
　また、本発明に係る光接続構造の製造方法は、基板上に、順に、ＢＯＸ層、Ｓｉを積層する工程と、前記Ｓｉを第１導波路に加工する工程と、前記第１導波路上に、オーバークラッドを形成する工程と、前記基板にＶ溝を形成する工程と、光導波路素子の端面に自己形成導波路の材料を配置する工程と、前記Ｖ溝に光ファイバを配置する工程と、前記材料に樹脂硬化光を照射して自己形成導波路を形成する工程と、前記自己形成導波路の周囲にクラッドを形成する工程とを備える。
　本発明によれば、光ファイバを基板上に配置される光導波路素子などに簡易、低損失で接続できる光接続構造を提供できる。
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る光接続構造の側面断面図である。 図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る光接続構造のＩＢ－ＩＢ’断面図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係る光接続構造の側面断面図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係る光接続構造の上面透視図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係る光接続構造の作製方法を説明するための図である。 図５は、本発明の第２の実施の形態に係る光接続構造の側面断面図である。 図６は、本発明の第２の実施の形態に係る光接続構造のＶＩ－ＶＩ’断面図である。 図７は、本発明の第２の実施の形態に係る光接続構造の上面透視図である。 図８は、本発明の第２の実施の形態に係る光接続構造の側面断面図である。 図９は、本発明の第２の実施の形態に係る光接続構造の動作を説明するための光強度分布図である。 図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る光接続構造の上面透視図である。 図１１は、本発明の第２の実施の形態に係る光接続構造の一例の上面透視図である。 図１２は、本発明の第２の実施の形態に係る光接続構造の一例の側面断面図である。 図１３は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る光接続構造の側面断面図である。 図１４は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る光接続構造の側面断面図である。 図１５は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る光接続構造の側面断面図である。 図１６は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る光接続構造の側面断面図である。 図１７は、本発明の第３の実施の形態に係る光接続構造の上面透視図である。 図１８は、本発明の第４の実施の形態に係る光接続構造の上面透視図である。 図１９は、本発明の第５の実施の形態に係る光接続構造の上面透視図である。 図２０は、本発明の第５の実施の形態に係る光接続構造を説明するための上面透視図である。 図２１は、本発明の第５の実施の形態に係る光接続構造を説明するための上面透視図である。 図２２は、本発明の第５の実施の形態に係る光接続構造の一例の上面透視図である。 図２３は、本発明の第５の実施の形態に係る光接続構造を説明するための上面透視図である。 図２４Ａは、従来の光接続構造を説明するための上面図である。 図２４Ｂは、従来の光接続構造を説明するためのＸＸＩＶＢ－ＸＸＩＶＢ’断面図である。 図２５は、従来の光接続構造の側面断面図である。 図２６は、従来の光接続構造のＸＸＶＩ－ＸＸＶＩ’断面図である。
＜第１の実施の形態＞
　本発明の第１の実施の形態に係る光接続構造を、図１Ａ～図４を参照して説明する。
＜光接続構造の構成＞
　図１Ａ、Ｂに、第１の実施の形態に係る光接続構造１０の断面概要図を示す。図１Ａは側面図であり、図１ＢはＩＢ－ＩＢ’断面図である。
　光接続構造１０は、光導波路素子１１と、光ファイバ１２と、自己形成導波路接続部（以下、「接続部」という。）１３とを備える。
　光導波路素子１１は、シリコンフォトニクス（ＳｉＰｈ）素子であり、Ｓｉ基板１１１上に、順にＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ　Ｏｘｉｄｅ）層１１２と、第１導波路１１３としてＳｉからなる導波路（以下、「Ｓｉ導波路」という。）と、オーバークラッド１１４を備える。
　Ｓｉ基板１１１に、両側壁が傾斜して断面がＶ字形状になる溝（以下、「Ｖ溝」という。）１１０が形成される。以下、Ｖ溝１１０の底の稜線の方向を「Ｖ溝の長手方向」という。Ｖ溝の長手方向は、基板に（００１）面を表面とするＳｉ基板を用いる場合、＜１１０＞方向または＜１－１０＞方向である。
　図１Ｂに示すように、Ｖ溝１１０の傾斜面１１０ａが基板１１１表面となす角度１５は、５４．７°である。また、図１Ａに示すように、溝１１０の先端での傾斜面１１０ｂが基板１１１表面となす角度１５は、５４．７°である。
　光ファイバ１２は、図１Ｂに示すように、Ｓｉ基板１１１に形成されたＶ溝１１０に配置される。また、光ファイバ１２は、図１Ａに示すように、その端面と光導波路素子（チップ）の端面である面１１ａとが対向するように配置される。その結果、光接続構造１０を素子（又は素子の１部）として動作させるときに、光ファイバ１２から出射される信号光がＳｉ導波路１１３に入射する。以下、光導波路素子（チップ）１１の端面は、基板１１１上の光導波路素子１１において、少なくともＢＯＸ層１１２とオーバークラッド１１４とを含む層の端面をいう。
　ここで、後述のように、図１Ａに示すように、Ｖ溝の形成時に保護マスクとして用いる窒化シリコン（ＳｉＮｘ）１１９が光導波路素子（チップ）１１の表面と端面に残存する場合がある。この場合には、光導波路素子（チップ）１１の端面は、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）も含む層の端面になる。また、この窒化シリコン（ＳｉＮｘ）は、Ｖ溝形成のためのウェットエッチング時に徐々にエッチングされ、エッチング条件によっては除去されて、光導波路素子（チップ）１１の表面と端面に残存しない場合も有る。
　接続部１３において、自己形成導波路１３１は、光導波路素子１１と光ファイバ１２の間に形成される。自己形成導波路１３１では、光照射により屈折率が変化した部分が自己形成導波路（コア）１３１になる。
　また、自己形成導波路１３１のクラッド１３２として、自己形成導波路１３１を覆うように、光ファイバ１２と光導波路素子（チップ）１１との間に屈折率整合剤が塗布される。その結果、自己形成導波路１３１の周囲にクラッド１３２が配置される。
　また、屈折率整合剤１３２は、自己形成導波路１３１のクラッドとして働くような屈折率であればよく、例えば、硬化した際の屈折率がクラッドとして機能するような接着剤を塗布してもよい。これにより、安定した接続特性が保持できる。
　光導波路素子１１は、一例として、Ｓｉ導波路１１３の幅と厚みはそれぞれ４４０ｎｍと２２０ｎｍ、ＢＯＸ層１１２の厚みは３μｍ、オーバークラッド１１４部の厚みは４μｍ程度である。
　また、自己形成導波路１３１の材料としては光硬化性樹脂がよく用いられるが、例えば光照射によって屈折率変化を起こす結晶のようなバルク材料による自己形成導波路の形成も報告されている。このように、自己形成導波路は光照射によって屈折率変化を引き起こす材料によって構成されていれば、自己形成導波路を形成することができ、同様の効果が得られる。
　本発明によって、光ファイバ１２と光導波路素子（チップ）１１の端面との間を自己形成導波路１３１によって接続することができるため、ギャップに起因した接続損失を低減することができる。加えて、自己形成導波路１３１による接続は、後述のようにチップ１１自体の追加加工を必要としないため、簡易にギャップの影響を低減可能である。
　自己形成導波路技術は、光硬化性の樹脂を用いた光接続技術である。自己形成導波路技術について、以下に、２本の光導波路を接続する場合を例として説明する。
　まず、２本の導波路間に光硬化性樹脂を滴下する。
　次に、一方の導波路から光硬化性樹脂を硬化するための光である樹脂硬化光を光硬化性樹脂に照射することで、光照射した部分に自己形成導波路が形成される。このとき、光硬化性樹脂の特性である光の強度が高い箇所から順次硬化するために、導波路端面から順次コアが形成される。
　これにより、必ずコアの端面に自己形成導波路が形成される。本技術は、光を閉じ込める導波路をギャップ（空隙）間に形成することが可能であるため、ギャップを有する導波路間を低損失に接続することが可能である。
　自己形成導波路１３１の作製において、図２に示すように、導波路端部を含む導波路端部近傍にＳｉ導波路１１３に接続するモードフィールド変換部１１５を配置してもよく、そのＳｉ導波路１１３の形状を問わない。この場合、モードフィールド変換部１１５により、チップ１１の端部におけるチップ１１内を伝搬できる光のモードフィールド径を拡大することができるので、光ファイバ１２内や自己形成導波路１３１におけるモードフィールド径とチップ１１内部のそれとを整合させ、接続損失を低減させることが可能である。
　モードフィールド変換部１１５は、例えば図３の上面透視図に示すように、チップ１１の端部に近づくにしたがって、その導波路の幅が狭くなるテーパ構造により実現できる。なお、モードフィールド変換部１１５の構造は図３の構造以外にも、例えば３つ又に分かれた構造などによっても実現可能であるが、公知のモードフィールド変換部であれば、どの構造でも本実施の形態で示すモードフィールド変換を実現できる。
＜光接続構造１０の製造方法＞
　光接続構造１０の製造方法を、以下に説明する。
　まず、Ｓｉ基板１１１上に、ＢＯＸ層１１２の材料、例えば酸化シリコンを積層し、その上にＳｉを積層する。
　次に、フォトリソグラフィを用いてＳｉを導波路に加工する。このとき、Ｓｉ導波路（第１導波路）１１３以外の部分のＳｉが除去される。
　次に、Ｓｉ導波路（第１導波路）１１３上に、オーバークラッド１１４を、材料に例えば酸化シリコンを用いて、形成する。
　次に、Ｖ溝１１０の形成を行う。まず、Ｖ溝１１０を形成する部分の酸化シリコン（オーバークラッド１１４とＢＯＸ層１１２）を通常のプロセスで除去する。
　次に、Ｖ溝形成においては、異方性エッチングを行う際に用いるアルカリ性の液体（ＫＯＨ水溶液等）からＳｉ導波路１１３を保護するような保護マスクを窒化シリコンにより作製する。例えば、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）を表面全面に形成した後に、Ｖ溝１１０を形成する部分以外の部分を保護するように窒化シリコンを加工して、保護マスクを作製する。
　次に、ＫＯＨ水溶液により、異方性エッチングを施し、Ｖ溝１１０を形成する。このＶ溝形成の工程の結果、保護マスクである窒化シリコン（ＳｉＮｘ）は光導波路素子（チップ）１１の表面と端面に残存する。または、この窒化シリコン（ＳｉＮｘ）は、Ｖ溝形成のためのウェットエッチング時に徐々にエッチングされ、エッチング条件によっては除去されて、光導波路素子（チップ）１１の表面と端面に残存しない場合も有る。
　このとき、エッチング条件次第では、チップ１１の端面も若干エッチングによる影響を受け、チップ１１の底面と端面がなす角度は、図１Ａに示すような完全な直角ではなく多少傾斜を有する構造になることがある。しかし、このとき自己形成導波路１３１を形成する樹脂とチップ１１の端面の屈折率が十分に近ければ、屈折による影響が低減されるため、チップ１１の端面から出射される光線はその端面の形状の影響を受けずにほぼ直進する。このとき、樹脂硬化光によって形成される自己形成導波路１３１は略直線状に形成されるので、エッチングによる端面の形状は本実施の形態に係る光接続構造１０の動作に大きな影響を及ぼさない。
　本実施の形態では、窒化シリコンを表面に形成する前にＶ溝を形成する部分の酸化シリコンを除去する例を示したが、これに限らない。例えば、窒化シリコン保護マスクを形成後に、Ｖ溝を形成する部分（開口部）における酸化シリコンを酸溶液またはドライエッチングで除去した後に、ＳｉをＫＯＨ水溶液により、異方性エッチングしてもよい。
　次に、自己形成導波路１３１による光接続の工程で光接続を行う。まず、光導波路素子（チップ）１１の端面及び周囲のＶ溝に、自己形成導波路１３１の材料、例えば光硬化性樹脂を滴下（配置）する。
　次に、Ｖ溝１１０を位置決め構造として、光ファイバ１２を配置する。このとき、Ｖ溝１１０に沿わせながら、光ファイバ１２をＶ溝１１０の端面に接するまで移動させることで、チップ１１の端面の樹脂が光ファイバ１２の端面に付着し、光ファイバ１２とチップ１１の端面の間に光硬化性樹脂を充填することが可能にある。
　なお、図１Ａからわかるように、Ｓｉ基板１１１の傾斜面１１０ｂのため、光ファイバ１２を光導波路素子１１に突き当てる方向に移動させる際に、光ファイバ１２がオーバークラッド１１４の上部に乗り上げてしまう可能性がある。そのため、例えば図４に示すように、ガラスリッド１４を光ファイバ１２上に配置し、光ファイバ１２を上方から押さえつけながら光ファイバ１２を光導波路素子１１に突き当てることによって、光ファイバ１２がオーバークラッド１１４上に乗り上げないようにすることができる。このとき、ガラスリッド１４の長さは適宜設定すればよい。
　次に、光ファイバ１２から樹脂硬化光を出射する。ここで、樹脂硬化光の光ファイバ１２への入射は、例えば光コネクタなどにより容易に実現可能である。これにより、光硬化性樹脂に樹脂硬化光を照射して光硬化させ、自己形成導波路１３１を形成する。
　次に、エタノールなどの洗浄液によって、未硬化の光硬化性樹脂を洗い流す。
　最後に、屈折率整合剤１３２を自己形成導波路１３１の周囲に滴下することで、自己形成導波路１３１のクラッドを形成する。
　または、自己形成導波路１３１とその周囲のクラッドを以下の方法で形成してもよい。この形成方法は、上述の作製方法と略同様であるが、自己形成導波路とクラッドの形成に用いる樹脂が異なる。
　本形成方法では、まず、複数（本実施の形態では２つ）の樹脂を混合する。それぞれの樹脂は、異なる波長の光の照射により硬化し、硬化後の屈折率が異なる。
　次に、混合した樹脂を、光導波路素子（チップ）１１の端面及び周囲のＶ溝に滴下（配置）する。
　次に、光ファイバ１２の位置の調整後、一方の波長の樹脂硬化光を、光ファイバ１２の端面から照射して自己形成導波路１３１の部分を硬化する。
　最後に、他方の波長の樹脂硬化光を、滴下した樹脂の外部（主に上方）から照射して未硬化の部分を硬化させてクラッドの部分（上述の作製方法における屈折率整合剤１３２の部分に相当）を形成する。このクラッド部分の屈折率は、自己形成導波路１３１の部分の屈折率より小さい。
　この形成方法によれば、未硬化の光硬化性樹脂を洗浄する工程を必要とせずに、自己形成導波路１３１とクラッド１３２を形成できる。
　以上の通り、本実施の形態に係る光接続構造１０を製造できる。
＜第２の実施の形態＞
　本発明の第２の実施の形態に係る光接続構造を図５～図１６を参照して説明する。
＜光接続構造２０の構成＞
　図５、図６に、本実施の形態に係る光接続構造２０の断面概要図を示す。図５は側面図であり、図６はＶＩ－ＶＩ’断面図である。
　光接続構造２０は、第１の実施の形態に係る光接続構造１０と略同様の構成を有するが、図６に示すように、Ｓｉ導波路（第１導波路）２１３を覆うように第２導波路コア２１６が形成されている点で異なる。具体的には、Ｓｉ導波路２１３の表面と側面を覆うように第２導波路コア２１６が形成される。
　以下、光導波路素子（チップ）２１の端面は、基板２１１上の光導波路素子２１において、少なくともＢＯＸ層２１２とオーバークラッド２１４とを含む層の端面をいう。
　ここで、図５に示すように、Ｖ溝の形成時に保護マスクとして用いる窒化シリコン（ＳｉＮｘ）２１９が光導波路素子（チップ）２１の表面と端面に残存する場合がある。この場合には、光導波路素子（チップ）２１の端面は、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）２１９も含む層の端面になる。また、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）２１９は、Ｖ溝形成のためのウェットエッチング時に徐々にエッチングされ、エッチング条件によっては除去されて、光導波路素子（チップ）２１の表面と端面に残存しない場合も有る。
　また、自己形成導波路２３１を覆うように、光ファイバ２２とチップ２１間に、クラッドとして屈折率整合剤２３２が塗布されている。
　また、それぞれの寸法の例は、第２導波路コア２１６の幅、厚みはそれぞれ３μｍ、Ｓｉ導波路２１３の幅と厚みはそれぞれ４４０ｎｍと２２０ｎｍ、ＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ　Ｏｘｉｄｅ）層２１２の厚みは３μｍ、オーバークラッド２１４部の厚みは４μｍ程度である。
　本実施の形態では、第１の実施の形態と異なり、樹脂硬化光を光ファイバ２２だけでなく、光導波路素子（チップ）２１の端面からも照射して、自己形成導波路２３１を形成する。
　これにより、自己形成導波路２３１がもつ、ギャップだけでなく導波路間の光軸ずれ（図５において紙面奥行き方向、または基板２１１表面に対する垂直方向でのそれぞれのコア中心のずれ）があっても低損失に接続可能な効果を発生することが可能になる。これにより形成されたＶ溝に加工誤差が発生し、光ファイバ２２とチップ２１の端面との間光軸ずれがあっても、低損失に接続することが可能である。
　また、本接続構造の上面透視図を図７に示す。Ｓｉ導波路２１３には、光のモードフィールド径を変化させる構造であるモードフィールド変換部が連結されており、例えば長手方向にわたり少しずつ幅が細くなっていく形状の導波路から実現することができる。このとき、モードフィールド変換部２１５は、例えばおよそ３００μｍ程度の長さで実現できる。
　本構造を構成する材料としては、例えば第２の導波路コア２１６としては、酸化シリコンに窒素を加えることで作製されるＳｉＯＮなどを用いてもよい。
　また、光ファイバ２２と光導波路素子（チップ）２１両方から樹脂硬化光を出射することにより、それぞれの導波路間に光軸ずれが生じる場合に、図８に示すように、この光軸ずれを補償するような屈曲（Ｓ字）形状の自己形成導波路２３１が形成されるので、低損失に接続することが可能である。
　自己形成導波路技術に用いられる光硬化性の樹脂は、強度の高い樹脂硬化光が照射される部分から順次硬化する。その結果、本実施の形態において光ファイバ２２と光導波路素子（チップ）２１両方から樹脂硬化光が出射される場合、それぞれの光軸ずれ、例えば水平面におけるＶ溝２１０の長手方向に垂直な方向およびＳｉ基板２１１の表面に垂直な方向での光ファイバ２２の位置ずれが生じても、その光軸ずれを補償するような屈曲（Ｓ字）形状の自己形成導波路２３１が形成される。したがって、Ｖ溝２１０の加工誤差などに起因する光軸ずれ下でも低損失な光接続を実現することが可能である。
　以下に、光ファイバ２２と光導波路素子（チップ）２１それぞれから出射される樹脂硬化光について説明する。樹脂硬化光の波長は可視光域にある。光ファイバ２２の主な材料である石英は可視光に対して透明であるため、光ファイバ２２内を可視光すなわち樹脂硬化光は低損失に伝搬可能である。
　一方で、Ｓｉなどの半導体系導波路は可視光域で強い吸収を有するので、その材料吸収損失により、導波路端面からの樹脂硬化光の出射を得ることは難しい。そこで、本実施の形態では、第２導波路コア２１６の材料として可視光に対して透明な材料を用いることで、自己形成導波路による光接続を実現する。
　本構造において、第２導波路コア２１６の領域を可視光が十分に低損失で伝搬することが可能である。図９に、本構造の伝搬モードの規格化された電界振幅の数値計算結果を示す。計算する構造に、Ｓｉ導波路２１３と、第２導波路コア２１６としてＳｉＯＮと、オーバークラッド２１４およびＢＯＸ層２１２として酸化シリコンを用いた。計算にはＬｕｍｅｒｉｃａｌ社のＭＯＤＥ　ｓｏｌｕｔｉｏｎを用いた。
　また、電界振幅は、本構造における電界振幅の最大値で規格化され、相対光強度として示される。図９における斜線部は相対光強度が０．９以上を示し、光閉じ込めの強い部分を示す。このように、本構造によれば、透明である第２導波路コア２１６の部分に光を閉じ込め、かつ伝播させることが可能である。
　また、本実施の形態におけるＳｉ導波路２１３が第２導波路コア２１６で覆われた構造は、異なる断面積を持つコアに断熱的に光を遷移させる用途で、一般的に用いられている構造であり、異なるモードフィールドをもつ導波路間と、それらを低損失につなぐモードフィールド変換部２１５によって構成される。
　本構造において、Ｓｉ導波路２１３に閉じ込められた光は、モードフィールド変換部２１５の先端に向かうにしたがいコア幅が徐々に狭くなるので、光の閉じ込めが弱くなり、徐々にモードフィールドが第２導波路コア２１６内へと拡大する過程を経た後に、第２導波路コア２１６内を伝搬する光のモードへと遷移しその内部を伝搬する。なお、モードフィールド変換部２１５は、図７に示す第２導波路コア２１６の端に近づくにつれて幅が先細っていくような単純なテーパ構造以外にも、３つ又に分かれたような構造など多くの構造が考えられるが、本発明はその形状を限定するものではない。
　また、本構造で自己形成導波路による光接続を行うためには、第２導波路コア２１６の端面から樹脂硬化光を出射する必要がある。そこで、例えば図１０に示すように、第２導波路コア２１６に設けられるＹ分岐構造２１７を用いる。樹脂硬化光２７は、結合導波路２１８を伝搬して、Ｙ分岐構造２１７で第２導波路コア２１６に結合され、第２導波路コア２１６を伝搬して光導波路素子２１の端面から出射される。この構成により、自己形成導波路２３１による光軸ずれの補償効果を得るうえで必要不可欠な導波路端面からの樹脂硬化光２７の出射を実現することができる。
　ここで、Ｙ分岐構造２１７は、Ｓｉ導波路２１３を覆う第２導波路コア２１６において、モードフィールド変換部２１５以外の領域を覆う第２導波路コア２１６に形成されることが望ましい。信号光が光ファイバ２２から光導波路素子２１に入力され、光導波路素子２１の端面から光導波路内を伝送するときに、信号光はモードフィールド変換部２１５通過後にＳｉ導波路２１３内に十分に閉じ込められている。その結果、Ｓｉ導波路２１３とＹ分岐構造２１７間の距離が光の波長以上に離れているため、Ｓｉ導波路２１３に閉じ込められている信号光がＹ分岐構造２１７の影響をほとんど受けない。このように、信号光の伝送におけるモードフィールド変換効果にＹ分岐構造２１７が与える影響を十分抑制することができる。
　また、本構造において樹脂硬化光２７を出射するためには、光導波路素子（チップ）２１の外部から樹脂硬化光２７をＳｉ基板２１１上の光導波路に結合する必要がある。そこで、例えば図１１に示すように、樹脂硬化光入射用の光ファイバ２８をＶ溝２１０＿２に配置する。ここで、光ファイバ２８から出射する樹脂硬化光２７が、結合導波路２１８に入射（結合）するように、光ファイバ２８の端面を、光導波路素子（チップ）２１の端面に対向させて配置する。このように、光ファイバ２２と樹脂硬化光入射用光ファイバ２８をＶ溝２１０、２１０＿２それぞれに配置し、樹脂硬化光入射用光ファイバ２８と光ファイバ２２から樹脂硬化光２７を入射する。
　このとき、図１１のように、結合導波路２１８の曲げ導波路によってＹ分岐構造２１７へと光を伝搬させることにより、チップ２１の端面から樹脂硬化光２７を出射することが可能になる。
　本構造において、樹脂硬化光入射用ファイバ２８とチップ２１の端面にも、ギャップが存在する。これにより、樹脂硬化光２７の入射時にも光の回折に起因した損失が存在する。しかし、自己形成導波路２３１に必要な樹脂硬化光２７の単位面積当たりの光強度は低く、例えば第２導波路コア２１６の厚さ３μｍ、幅３μｍに対しては数十μＷ程度で十分であり、また市販の比較的安価の樹脂硬化光２７の波長帯の半導体レーザの出力は数ｍＷと十分に大きいため、多少の損失があっても自己形成導波路２３１を形成する上で十分な出力を確保することができる。なお、Ｙ分岐でなくとも、多モード干渉型の結合器、方向性結合器などの公知のある導波路を伝搬している光を任意の導波路内に結合可能な技術であればよい。
＜光接続構造２０の製造方法＞
　次に、本構造の製法について説明を行う。まず、Ｓｉ基板２１１上に、ＢＯＸ層２１２の材料、例えば酸化シリコンを積層し、その上にＳｉを積層する。
　次に、フォトリソグラフィを用いてＳｉを導波路に加工する。このとき、Ｓｉ導波路（第１導波路）１１３以外の部分のＳｉが除去される。
　次に、Ｓｉ導波路２１３上に、Ｓｉ導波路２１３を覆うように、第２導波路コア２１６の材料、例えばＳｉＯＮを積層する。
　次に、通常のフォトリソグラフィを用いてＳｉＯＮを導波路（第２導波路コア２１６）に加工する。このとき、第２導波路コア２１６以外の部分のＳｉＯＮが除去される。
　次に、第２導波路コア２１６上に、第２導波路コア２１６を覆うように、オーバークラッド２１４を、材料に例えば酸化シリコンを用いて、形成する。
　このとき、ＳｉＯＮ導波路の上方に積層されるオーバークラッド２１４は、図６のように凸部を有する。この凸部の側面での保護膜の成膜は困難であるので、化学機械研磨（ＣＭＰ）などにより、凸部を研磨してオーバークラッド２１４表面を平坦にした後に保護膜を形成することもできる。
　次に、Ｖ溝２１０、２１０＿２の形成を行う。まず、Ｖ溝２１０、２１０＿２を形成する部分の酸化シリコン（オーバークラッド２１４とＢＯＸ層２１２）を通常のプロセスで除去する。
　次に、Ｖ溝形成においては、異方性エッチングを行う際に用いるアルカリ性の液体（ＫＯＨ水溶液等）からＳｉ導波路２１３および第２導波路コア２１６を保護するような保護マスクを窒化シリコンにより作製する。例えば、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）を表面全面に形成した後に、Ｖ溝２１０、２１０＿２を形成する部分以外の部分を保護するように窒化シリコンを加工して、保護マスクを作製する。
　次に、ＫＯＨ水溶液により、異方性エッチングを施し、Ｖ溝２１０、２１０＿２を形成する。このＶ溝形成の工程の結果、保護マスクである窒化シリコン（ＳｉＮｘ）は光導波路素子（チップ）１１の表面と端面に残存する。または、この窒化シリコン（ＳｉＮｘ）は、Ｖ溝形成のためのウェットエッチング時に徐々にエッチングされ、エッチング条件によっては除去されて、光導波路素子（チップ）１１の表面と端面に残存しない場合も有る。
　このとき、樹脂硬化光２７によって形成される自己形成導波路２３１は略直線状に形成されるので、エッチングによる端面の形状は本実施の形態に係る光接続構造２０の動作に大きな影響を及ぼさない。
　本実施の形態では、窒化シリコンを表面に形成する前にＶ溝を形成する部分の酸化シリコンを除去する例を示したが、これに限らない。例えば、窒化シリコン保護マスクを形成後に、Ｖ溝を形成する部分（開口部）における酸化シリコンを酸溶液またはドライエッチングで除去した後に、ＳｉをＫＯＨ水溶液により、異方性エッチングしてもよい。
　次に、自己形成導波路２３１による光接続の工程で光接続を行う。まず、前述の第２導波路コア２１６の端面に、自己形成導波路２３１の材料、例えば光硬化性樹脂を滴下（配置）する。
　次に、Ｖ溝２１０、２１０＿２を位置決め構造として、それぞれのＶ溝２１０、２１０＿２に光ファイバ２２、樹脂硬化光入射用光ファイバ２８を配置する。このとき、Ｖ溝２１０に沿わせながら、光ファイバ２２をＶ溝２１０の端面に接するまで動かすことで、チップ２１の端面の樹脂が光ファイバ２２の端面に付着し、光ファイバ２２とチップ２１の端面の間に光硬化性樹脂を充填することが可能である。このときは、前述のようにガラスリッドなどを使うとよい。
　次に、樹脂硬化光入射用光ファイバ２８と光ファイバ２２から樹脂硬化光２７を出射する。これにより、光硬化性樹脂に樹脂硬化光２７を照射して光硬化させ、自己形成導波路２３１を形成する。
　次に、エタノールなどの洗浄液によって、未硬化の光硬化性樹脂を洗い流す。
　最後に、屈折率整合剤２３２を自己形成導波路２３１の周囲に滴下することで、自己形成導波路２３１のクラッド部を形成する。このとき、屈折率整合用の樹脂として、それと同程度の屈折率を持つ接着剤をもちいて、光ファイバ２２とチップ２１を接着してもよい。
　ここで、自己形成導波路２３１とその周囲のクラッドを、第１の実施の形態と同様に、複数の樹脂を用いて、未硬化の光硬化性樹脂を洗浄することなく形成してもよい。
＜第２の実施の形態の変形例＞
　本実施の形態の変形例に係る光接続構造を説明する。
　まず、本構造において、自己形成導波路２３１＿２は導波路としてコアとクラッドの屈折率差により光を閉じ込めればよく、その形状を問わない。例えば、図１２に示すように、光ファイバ２２端面からチップ２１の端面に向かって徐々に断面が拡がっている構造でもよい。コア径が異なる導波路間における自己形成導波路２３１＿２は、このような構造になる。この構造の場合、自己形成導波路２３１＿２によって光のモードフィールドを変換することが可能である。これにより、光ファイバ２２のコア２２１とチップ２１の端面の導波路のコア間のモードフィールドの差に起因する、接続損失を補償することが可能である。
　また、図１３に示すように、自己形成導波路２３１を入射するためのＵ字の結合導波路２１８において、樹脂硬化光２７を入射するチップ２１の端面部にテーパ構造を作製してもよい。樹脂硬化光入射用光ファイバ２８と結合導波路２１８のコア間においても、そのコアの大きさや導波路の光学特性に起因したモードフィールド径の差が考えられる。図１３に示す構造を作製することにより、チップ２１内における樹脂硬化光２７のモードフィールド径を拡大することができ、これにより樹脂硬化光入射用光ファイバ２８から結合導波路２１８への光の結合効率を改善することが可能である。
　また、樹脂硬化光２７の入力方法について、Ｖ溝２１０＿２を利用した方法以外にも、図１４に示すように、チップ２１において、光ファイバ２２用のＶ溝２１０が形成されたチップ２１の端面に対向する反対側のチップ２１の端面に直接光ファイバ２２を調心して、樹脂硬化光２７を結合導波路２１８に入射して、第２導波路コア２１６に結合させてもよい。
　また、樹脂硬化光２７を、光ファイバ２２用のＶ溝２１０が形成されたチップ２１の端面に対向する反対側のチップ２１の端面以外の端面、例えば図１５に示すように、側方（光ファイバ２２の端面と対向する光導波路素子２１の端面と略垂直）のチップ２１の端面から入射してもよい。このように、樹脂硬化光２７を入射する位置を、光ファイバ２２用のＶ溝２１０が形成された端面以外の部分に作製することで、樹脂硬化光入射用光ファイバ配置用のＶ溝２１０を作製する必要がなくなり、光ファイバ２２とチップ２１間の接続部の小型化が実現できる。
　また、光ファイバ２２を光導波路素子（チップ）２１の側面（端面）から接続するのではなく、回折格子型結合器やチップ２１の端面を斜めに研磨する構成等により、空気と導波路の界面に全反射が生じるようにして、チップ上面から樹脂硬化光を入射できる方法であれば、公知のいずれの手法も適用できる。
　また、第２導波路コア２１６内にＳｉ導波路２１３がある構成を例に示したが、第２導波路コア２１６とＳｉ導波路２１３が断熱的に光結合し、スポットサイズコンバータとして機能するものであれば、公知のいずれの形態も適用できる。例えば、Ｓｉ導波路２１３の上面に第２導波路コア２１６が配置された導波路など、第２導波路コア２１６とＳｉ導波路２１３それぞれを光が伝播する方向が略平行であり、光結合するように配置される構成としてもよい。
　また、Ｖ溝２１０の形状については、異方性エッチングをＶ溝２１０の形成前の段階で止めると、図１６に示す構造になる可能性がある。このような状態でも、Ｓｉ基板２１１の深さが光ファイバ２２のコア２２１の半径よりも十分に大きければ、同様に光ファイバ２２の位置決め構造として機能し、また本発明も同様に適用可能である。本発明の実施の形態においては、図１６に示す両側面の傾斜面と底面からなる形状の溝もＶ字溝に含む。
＜第３の実施の形態＞
　本発明の第３の実施の形態に係る光接続構造を、図１７を参照して説明する。
＜光接続構造３０の構成＞
　図１７に、本実施の形態に係る光接続構造３０を示す。
　光接続構造３０は、第２の実施の形態における光ファイバ２２が配置されるＶ溝２１０と樹脂硬化光入射用光ファイバ２８が配置されるＶ溝２１０＿２との間に、さらに溝部（以下、「樹脂侵入防止溝」という。）３１を備える。
　第２の実施の形態において、自己形成導波路２３１の形成に用いる光硬化性の樹脂は、硬化波長帯において光吸収が非常に大きい。
　一方、硬化性樹脂は、硬化前は液体であるので、光ファイバ２２をＶ溝２１０に配置する際に硬化性樹脂を滴下するときに、近傍の樹脂硬化光入射用光ファイバ２８を配置するＶ溝２１０＿２に侵入する場合がある。
　この場合、樹脂硬化光入射用光ファイバ２８とチップ２１の端面との間に硬化性樹脂が侵入すると、樹脂硬化光入射用光ファイバ２８から第２導波路コア２１６に入射される樹脂硬化光２７が、硬化性樹脂により吸収損失を受け、結果的に自己形成導波路２３１の形成に必要な出力が得られない可能性がある。
　そこで、本実施の形態においては、光ファイバ２２が配置されるＶ溝２１０と樹脂硬化光入射用光ファイバ２８が配置されるＶ溝２１０＿２との間に、液状の硬化性樹脂の侵入を防止する溝部（樹脂侵入防止溝）３１を形成する。樹脂侵入防止溝３１により、過剰な量の硬化性樹脂をチップ２１の端面に滴下した際においても、硬化性樹脂が溝部に流れ込むため、樹脂硬化光入射用光ファイバ２８への樹脂の侵入を抑制することができる。
　樹脂侵入防止溝３１は、例えば光ファイバ２２を配置するためのＶ溝２１０を形成するプロセスと同様のプロセスによって、形成することが可能である。本実施の形態においては、溝が形成されておればよく、本発明はその作製方法や形状を限定するものではない。
＜第４の実施の形態＞
　本発明の第４の実施の形態に係る光接続構造を、図１８を参照して説明する。本実施の形態に係る光接続構造４０は、第２の実施の形態と略同様の構成と効果を有するが、以下の点で異なる。
　光接続構造４０では、樹脂硬化光の入力箇所が一箇所であるにもかかわらず、光回路構造を利用し光パワーを分岐することにより、複数の光導波路端から同時に樹脂硬化光を出射し、それぞれ複数の導波路に同時に自己形成導波路（ＳＷＷ）を形成できる。
＜光接続構造４０の構成＞
　図１８に、本実施の形態に係る光接続構造４０の上面透視図を示す。ここで、図中矢印でＸ軸、Ｙ軸における正負の方向を示す。
　光接続構造４０は、複数（本実施の形態では２本）のＳｉ導波路４１３＿１、４１３＿２と第２導波路コア４１６＿１、４１６＿２とモードフィールド変換部４１５＿１、４１５＿２を備える光導波路を備える。さらに、複数の光ファイバ４２＿１、４２＿２が、その端面が光導波路それぞれの端面に対向するように、Ｖ溝４１０＿１、４１０＿２に配置され、接続部４３＿１、４３＿２がそれぞれの光導波路と光ファイバ４２＿１、４２＿２との間に配置される。さらに、Ｖ溝２１０＿２に配置された樹脂硬化光入力用光ファイバ２８に結合する結合導波路２１８が、分岐して、それぞれ複数の光導波路に接続する。
　光接続構造４０では、まず、樹脂硬化光入力用光ファイバ２８から結合導波路２１８に入力された樹脂硬化光２７が、分岐構造４１７＿２によって分岐される。分岐された光のうち一方の光は、２本の結合導波路２１８のうちＸ－側の結合導波路２１８より第２導波路コア４１６＿２に結合され、Ｘ－方向に伝搬して、光導波路の端面から出射される。
　他方の光は、分岐構造４１７＿２を通過後、Ｙ＋方向に結合導波路２１８を伝搬し、結合導波路２１８と第２導波路コア４１６＿２とが十字交差する交差構造へと到達する。この交差構造において、結合導波路２１８が、Ｓｉ導波路４１３＿２の上部で第２導波路コア４１６＿２と接続する。この交差構造では、交差構造における回折やＳｉの影響による過剰損失が発生する。しかし、前述の通り、自己形成導波路による光接続に必要な光は弱くてもよいため、多少の損失であれば大きな影響は発生しない。
　この交差構造を通過した後に、樹脂硬化光２７はさらにＹ＋方向に伝搬し、Ｙ分岐構造４１７＿１により第２導波路コア４１６＿１に結合され、Ｘ－方向に伝搬して、光導波路の端面から出射される。　
　以上により、チップ２１の端面の２箇所の位置から同時に樹脂硬化光２７を出射することができるため、２か所を同時に自己形成導波路により接続することが可能である。　
　なお、本実施の形態においては、２つの導波路端面からの出射のみであるが、分岐構造と交差構造を組み合わせることで、２つ以上の導波路端面から同時に樹脂硬化光２７の出射も可能である。これにより、さらに多数の導波路の同時接続も可能である。
＜第５の実施の形態＞
　本発明の第５の実施の形態に係る光接続構造を、図１９～図２３を参照して説明する。
＜光接続構造５０の構成＞
　図１９に、本実施の形態に係る光接続構造５０の上面透視図を示す。光接続構造５０は、光ファイバの位置決め用のＶ溝２１０に連続して、それよりも幅の狭いＶ溝（以下、「ギャップ拡張溝」という。）５１を有する。
　図１２に示すテーパ形状の自己形成導波路を作製する際は、ギャップの長さを制御する必要がある。光のモードフィールド径を、自己形成導波路のテーパ状の導波路で変換する場合、テーパ形状の光の進行方向に対してなす角度（以下、「テーパ角」という。）を十分に小さくすることにより、モードフィールド径変換時の過剰損失を十分に小さくすることができる。
　テーパ角は、光ファイバ２２と光導波路素子２１の導波路（第２導波路コア２１６）とのコア径と、ギャップの長さによって決まる。一般的に、自己形成導波路のコア径は、光が出射される導波路のおおよそコア径大になることが知られている。したがって、異なるコア径間の接続の際には、最適なギャップ長さに設定することで、そのコア間を接続するのに適したテーパ角を有する自己形成導波路を形成することができる。
　しかし、矩形の開口部のＶ溝（例えば、図２４Ａ）を形成する場合、光ファイバ２２のコア２２１の高さと導波路の高さを合わせながら、光ファイバコア２２１とチップ２１の端面との間のギャップの長さを制御するのは難しい。これは、矩形の開口部の場合、以下の通り、図１Ｂに示す開口幅１６によって、光ファイバ２２のコア２２１の高さと、そのギャップの長さの両方がほとんど決まるためである。ここで、「高さ」とは、Ｓｉ基板２１１表面に垂直な方向でＶ溝底の稜線又は底面からの高さをいう。
　まず、異方性エッチングされるＶ溝２１０の傾斜エッチング面Ａの角度は一定（５４．７°）であるため、Ｖ溝２１０における光ファイバ２２の中心にあるコア２２１の高さは、図１Ｂからわかるように、その光ファイバ２２の外径とＶ溝２１０の開口幅１６によって決まる。
　ここで、汎用的な光ファイバの外径はほとんど決まっているため、光ファイバ２２のコア２２１の高さはＶ溝２１０の開口幅１６によって決まる。
　また、図１Ａに示すように、光ファイバ２２をＶ溝２１０によって位置決めする際、光ファイバ２２の先端がＶ溝２１０の傾斜エッチング面Ｂに突き当たるまで押し込む。このときに生じるギャップは、光ファイバ２２のコア２２１の高さと、Ｖ溝２１０の傾斜エッチング面Ｂの傾斜角度によって決まる。光ファイバ２２のコア２２１の高さは、前述の通り開口幅によって決まり、Ｖ溝２１０の傾斜エッチング面Ｂの傾斜角度は一定（５４．７°）である。したがって、光ファイバ２２とチップ２１内の導波路端面の間のギャップの長さも、その開口幅１６によってほとんど決まる。
　このように、光ファイバ２２のコア２２１の高さとギャップの長さとの両方が、開口幅１６によって決まってしまうため、光ファイバコア２２１とチップ２１の光導波路２３の位置合わせをしながら、ギャップを制御することは困難である。
　そこで、本実施の形態においては、それぞれの高さ方向の位置合わせをしながら導波路間のギャップを制御するため、光ファイバ２２を配置するためのＶ溝２１０の端面に連続して、それよりも幅が狭いギャップ拡張溝５１を形成する。
　図１９に示すように、幅が狭いギャップ拡張溝５１を配置することにより、光ファイバ２２とチップ２１の端面間のギャップの長さを、Ｖ溝の長手方向に広げることができる。ギャップの長さは、例えばＶ溝形成用のマスクのレイアウトを変えることで、変更可能である。これにより、任意のギャップの長さを実現することが可能になる。
　このように、本実施の形態によれば、ギャップの長さを任意に制御することができるので、テーパ形状の自己形成導波路におけるテーパ角を小さくでき、モードフィールド径変換時の過剰損失を低減することができる。
　なお、図２０に示すように、光ファイバ２２を配置するためのＶ溝２１０より広い開口幅のＶ溝５２にすると、追加した溝に光ファイバ２２が侵入可能になるため、ギャップの長さを制御できなくなる。よって、光ファイバ２２を配置するためのＶ溝２１０の幅よりも狭い開口幅の溝を追加する必要がある。
　なお、このギャップは、自己形成導波路の接続特性や信頼性、機械的強度など目的に応じて適宜設定すればよい。例えば、光軸ずれがある導波路間における、自己形成導波路による接続についても、その軸ずれ下で接続損失の低減効果にはギャップ依存性があることが知られている。
　図２１に示すように、ギャップ拡張溝５１の幅Ｗ２が、光ファイバ２２配置用のＶ溝２１０の幅Ｗ１よりも小さく、チップ２１の端面の導波路の幅（以下、「端面の導波路の幅」という。）Ｗ３よりも大きければ、得られる効果は同じであり、その開口部の形状は問わない。ここで、端面の導波路幅Ｗ３は、チップ端面における光のモードフィールド直径である。
　ここで、幅Ｗ２よりも幅Ｗ３が大きいとき、形成される自己形成導波路の幅が、ほとんど幅２によって決まるため、光導波路コア径と略同等の径を有する自己形成導波路を形成することができず、接続損失が増大する。
　この構造を用いて自己形成導波路を形成する場合、幅が狭いギャップ拡張溝５１に光硬化樹脂が滴下されて自己形成導波路が形成されるので、自己形成導波路の幅は、ギャップ拡張溝５１の幅に従い、光ファイバ２２配置用のＶ溝２１０の幅Ｗ１よりも狭くチップ２１の端面の導波路の幅Ｗ３よりも広くなる。実際には、自己形成導波路の幅は、チップ２１の端面の導波路の幅Ｗ３から光ファイバ２２配置用のＶ溝２１０の幅Ｗ１まで増加するように形成される。または、自己形成導波路の幅を一定として形成することもできる。
　また、図２２に示す構造では、ギャップ拡張溝の側面に、さらに溝部（以下、「流路用溝」という。）５３を備える。この流路用溝５３の配置の一例として、その長手方向をギャップ拡張溝５１の長手方向に垂直な方向とする構成を示す。この溝部を、樹脂の滴下や未硬化の樹脂洗浄用の溶液の滴下などを行うための流路とすることができるため、チップ２１上方からの樹脂の滴下が容易になる。
　なお、ギャップ拡張溝５１や流路用溝５３は、光ファイバ２２とチップ２１との端面の間のギャップを確保可能な形状であれば、その形状を問わず発明上同様の効果を得ることができる。例えばＶ溝ではなく、ドライエッチングなどで作製できるような溝でもよい。
　また、図２３に示すように、２つの大きさが異なるＶ溝の連続部の形状５４は、エッチング時間のようなエッチングの条件により、エッチングされた面の結晶の方位が崩れたことによる、滑らかな連続部をもつ形状になることもある。しかし、図２３に示すように、開口幅が小さい溝が導波路間と光ファイバ２２の間のギャップを確保することができる形状であれば、同様の効果を得ることができ、その形状を問わない。
＜第６の実施の形態＞
　本発明の第６の実施の形態に係る光モジュール６０を説明する。光モジュール６０は、第１～５の実施の形態に係る光接続構造と、光回路と、電子回路とを備える。光接続構造を介して入力される光信号は、光回路で光処理され、電子回路においてフォトダイオードで電気信号に変換され演算等の処理がなされる。ここで、光モジュール６０は、光回路を備えず、光接続構造から直接電子回路に接続される構成でもよい。また、光モジュール６０は、光接続構造の光導波路素子と光回路と電子回路を同一の基板上に集積することができる。
　本発明の実施の形態において用いた材料は一例であり、これに限らない。光導波路素子における導波路の材料には、Ｓｉ以外にもＩｎＰ、ＧａＡｓなどの半導体の他に誘電体、樹脂などを用いてもよい。第２導波路コアとしてはＳｉＯｘ等の誘電体の他に樹脂材料や半導体などを用いてもよい。ここで、第２の導波路コアに覆われているコア（導波路）の屈折率が第２導波路コアより屈折率が高く、第２導波路コアはオーバークラッド部より屈折率が高くなる材料であれば、本構造はその材料を限定するものではない。また、基板には、Ｓｉ以外にもＳｉＣやガラスなどの材料を用いてもよい。ここで、基板は、エッチングによりＶ溝が形成できるものであればよい。
　本発明の実施の形態では、光接続構造の構成、製造方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。光接続構造の機能を発揮し効果を奏するものであればよい。
　本発明は、光ファイバと光素子とを接続する光接続構造、光モジュールおよび光接続構造の製造方法に関するものであり、光通信等の機器・システムに適用することができる。
１０　光接続構造
１１　光導波路素子
１１０　Ｖ溝
１１１　基板
１１２　ＢＯＸ層
１１３　第１導波路
１１４　オーバークラッド
１２　光ファイバ
１３１　自己形成導波路
１３２　クラッド

Claims (11)

  1. 　順に、基板と、ＢＯＸ層と、第１導波路と、オーバークラッドとを備える光導波路素子と、
    　前記基板に形成されたＶ溝に配置される光ファイバと、
    　前記光導波路素子の端面と前記光ファイバの端面との間に配置される自己形成導波路と、
    　前記自己形成導波路の周囲に配置されるクラッドとを備え、
    　前記光ファイバが、当該光ファイバから出射される信号光が前記第１導波路に入射されるように、当該光ファイバの端面が前記光導波路素子の端面に対向して配置され、
    　前記自己形成導波路が、樹脂硬化光の照射により硬化されている部分であることを特徴とする光接続構造。
  2. 　前記オーバークラッドの上に窒化シリコンを備える
    　ことを特徴とする請求項１に記載の光接続構造。
  3. 　前記第１導波路と光結合するように配置される第２導波路コアを備え、
    　前記第１導波路と前記第２導波路コアそれぞれを光が伝播する方向が略平行である
    　ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光接続構造。
  4. 　前記光導波路素子のいずれかの端面に配置される樹脂硬化光入射用光ファイバと、
    　前記樹脂硬化光入射用光ファイバから前記樹脂硬化光が入射される結合導波路と、
    　前記第２導波路コアと前記結合導波路とが接続する分岐構造とを備える
    　ことを特徴とする請求項３に記載の光接続構造。
  5. 　前記光導波路素子の同一の端面に配置される前記光ファイバと前記樹脂硬化光入射用光ファイバと、
    　前記光ファイバと前記樹脂硬化光入射用光ファイバとの間に侵入防止溝とを備える
    　ことを特徴とする請求項４に記載の光接続構造。
  6. 　複数の前記光ファイバと、複数の前記第１導波路と、複数の前記第２導波路コアとを備え、
    　前記結合導波路が分岐され、それぞれの前記第２導波路コアに接続する
    　ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の光接続構造。
  7. 　前記光ファイバが配置されるＶ溝の端面に、当該Ｖ溝の幅より狭く、端面の光のモードフィールド直径より広い幅を有するギャップ拡張溝を備える
    　ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光接続構造。
  8. 　前記ギャップ拡張溝に接続する流路用溝を備える
    　ことを特徴とする請求項７に記載の光接続構造。
  9. 　請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の光接続構造と、電子回路とを備える光モジュール。
  10. 　基板上に、順に、ＢＯＸ層、Ｓｉを積層する工程と、
    　前記Ｓｉを第１導波路に加工する工程と、
    　オーバークラッドを形成する工程と、
    　前記基板にＶ溝を形成する工程と、
    　光導波路素子の端面に自己形成導波路の材料を配置する工程と、
    　前記Ｖ溝に光ファイバを配置する工程と、
    　前記材料に樹脂硬化光を照射して自己形成導波路を形成する工程と、
    　前記自己形成導波路の周囲にクラッドを形成する工程と
    　を備える光接続構造の製造方法。
  11. 　第２導波路コアを形成する工程
    　を備える請求項１０に記載の光接続構造の製造方法。
    　
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