WO2024013944A1 - 集積型光デバイスおよび集積型光デバイスのアライメント方法 - Google Patents

集積型光デバイスおよび集積型光デバイスのアライメント方法 Download PDF

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WO2024013944A1
WO2024013944A1 PCT/JP2022/027733 JP2022027733W WO2024013944A1 WO 2024013944 A1 WO2024013944 A1 WO 2024013944A1 JP 2022027733 W JP2022027733 W JP 2022027733W WO 2024013944 A1 WO2024013944 A1 WO 2024013944A1
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optical
waveguide
input
core
output
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PCT/JP2022/027733
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English (en)
French (fr)
Inventor
優生 倉田
義弘 小木曽
泰彰 橋詰
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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an integrated optical device that can be applied to an optical communication system, and relates to an optical functional element made of an optical waveguide and an integrated optical device in which the optical functional element is mounted.
  • PLC is a waveguide type optical device that has excellent features such as low loss, high reliability, and high degree of design freedom.
  • the transmission equipment at the optical communication transmission end has functions such as multiplexer/demultiplexer, branch/coupler, etc. Equipped with a PLC that integrates
  • SiP is not as low as PLC in terms of low loss, it is an optical device that has a high degree of freedom in design and can realize even smaller optical circuits with a small waveguide bending radius.
  • the transmission equipment is equipped with optical devices other than PLCs and SiPs, such as photodiodes (hereinafter referred to as PDs) that convert optical and electrical signals, laser diodes (LDs), and optical functional elements such as optical modulators.
  • PDs photodiodes
  • LDs laser diodes
  • optical functional elements such as optical modulators.
  • PLCs photodiodes
  • LDs laser diodes
  • optical functional elements such as optical modulators.
  • Non-Patent Document 1 a method is adopted in which a phase modulator is integrated on an InP chip, a polarization rotator (PR) and a polarization beam combiner (PBC) are integrated on a PLC, and the two chips are optically coupled via a lens. has been done.
  • a phase modulator is integrated on an InP chip
  • PR polarization rotator
  • PBC polarization beam combiner
  • the method of using a PLC as a polarization synthesis chip requires a smaller mounting area compared to the conventional method of constructing polarization synthesis using a spatial optical system, and can simplify optical axis alignment by being integrated into an optical circuit. .
  • This combination of PLC and optical circuit elements such as InP and optical coupling has advantages in terms of device miniaturization and flexibility in designing optical circuits.
  • InP-based materials are Integrated devices including PDs with waveguide structures suitable for wideband use, optical phase modulators with high-speed phase modulation functions, and the like have been developed.
  • the end face of an optical fiber block made of glass to which the optical fiber is fixed is adjusted to be parallel to the end face of the PLC. After that, while inputting light into the optical fiber, align the optical fiber's optical output position with the input waveguide on the PLC end face, and optimize the optical coupling while monitoring the output light from the output waveguide connected to the input waveguide. It is centered by adjusting the position so that it is obtained. Then, while holding the position, a UV curing adhesive is filled between the end face of the optical fiber block and the PLC end face, and is cured and fixed in a short time by irradiating with UV light.
  • FIG. 1 is a diagram showing the optical circuit configuration of a conventional integrated optical device.
  • a phase modulator chip 110 which is an optical functional element, includes an optical input waveguide 111, a first QPSK modulator 112 that phase-modulates the signal light from the optical input waveguide 111, and outputs the phase-modulated signal, and a second QPSK modulator chip 110 that is an optical functional element.
  • a modulation section 113 is provided. It also includes two optical output waveguides 114 and 115 that output the output lights from the first and second QPSK modulators.
  • the polarization Mux chip 120 which is an optical circuit element, includes a signal light input/output waveguide 121, phase modulated light input waveguides 122 and 123, and a polarized light that rotates the TE light of the phase modulated light input waveguide 123 into TM light. It includes a Rotater 124 and a polarized beam combiner 125 that combines the TE light from the phase modulated optical input waveguide 122 and the TM light from the polarized Rotater 124.
  • the signal light input/output waveguide 121 is connected to the optical input waveguide 111 and outputs the input signal light to the optical input waveguide 111.
  • Phase modulated optical input waveguides 122 and 123 are connected to optical output waveguides 114 and 115, respectively.
  • the signal light from the polarized beam combiner 125 is output from the signal light output waveguide 126.
  • the optical input waveguide 111, optical output waveguides 114 and 115 of the phase modulator chip 110 in FIG. To butt-couple and connect, input light into the optical input/output waveguide 121 of the polarization Mux chip 120, and monitor the intensity of the light output from the signal optical output waveguide 126 via the connection end surface. It is necessary to move the position of the phase modulator chip or polarization Mux chip on the XY plane to align the waveguides connected at the connection end faces.
  • the optical input waveguide 111 and the signal optical input waveguide 126 must be connected.
  • the output waveguide 121, the optical output waveguide 114 and the phase modulated optical input waveguide 122, and the optical output waveguide 115 and the phase modulated optical input waveguide 123 are pre-aligned in advance to a rough position where the optical intensity can be confirmed. need to be. Furthermore, since at least two locations (three locations in FIG. 1) are connected on the same connection surface, rotational alignment around the Z-axis (Z-axis rotation) must also be performed with high precision.
  • FIGS. 2 and 3 an input-side alignment through port 215 and an output-side alignment through port 215 are provided near the optical input waveguide 211 and the optical output waveguide 214 of the phase modulator chip 210, which is an optical functional element.
  • a device in which an alignment through port 216 is provided has been proposed.
  • FIG. 2 shows the state of alignment on the output side
  • FIG. 3 shows the state of alignment on the input side.
  • input light is input from the output waveguide 226 of the polarization Mux chip 220, and the polarization Mux chip 220 or the phase modulator chip 210 is operated while monitoring the output light from the output side alignment through port 216.
  • phase modulated light input waveguide 222 of the polarization Mux 220 and the output side alignment through port 216 of the phase modulator chip 210 are aligned.
  • input light 229 is input from the signal light input/output waveguide 221 of the polarization Mux chip 220, and while monitoring the output light 219 from the input side alignment through port 215, the polarization Mux chip 220 or the phase
  • the modulator chip 210 is moved in the XY direction to align the signal light input/output waveguide 221 of the polarized wave Mux 220 and the input-side alignment through port 215 of the phase modulator chip 210.
  • an output-side alignment tap port 411 and an input-side alignment tap port 412 are provided in the phase modulator chip 410, which is an optical functional element, so that the input light input to the polarization Mux chip 420 While monitoring the output light output through each tap port, move the polarization Mux chip 220 or the phase modulator chip 210 in the XY direction to align the input side and the output side, respectively. By doing so, it is possible to confirm the amount of deviation in Z-axis rotation from the position of the fine movement table after alignment, and it is possible to perform Z-axis rotation alignment.
  • optical waveguides are butt-coupled without using lenses. This requires a complicated alignment process and complicated settings, and also poses problems such as hindering miniaturization.
  • the present invention has been made in view of these problems, and provides an optical functional device having an optical waveguide input/output structure and an optical circuit element having an optical waveguide input/output structure for inputting and outputting optical signals between the optical functional element and the optical circuit element.
  • An integrated optical device that can be applied to integration with circuit elements and achieves edge optical coupling with a structure that enables easy alignment when inputting and outputting optical signals between optical functional elements and optical circuit elements through edge connection. The purpose is to provide
  • the present invention is characterized by having the following configuration.
  • an input waveguide or output waveguide for optical signals provided on the end surface of the substrate; a reflectance control body that is provided near the core and forms a region with a different reflectance from the core, cladding, and substrate when light is incident on the end face;
  • An integrated optical device characterized in that an input waveguide or an output waveguide of an optical functional element is butt-coupled and bonded to another waveguide via an end face.
  • (Configuration 2) It is an optical functional element in which an optical waveguide consisting of a core and a cladding is provided on a substrate, and an input waveguide or an output waveguide for optical signals is provided on the end surface of the substrate, and an optical signal input waveguide or output waveguide is provided near the core and transmits light to the end surface.
  • An optical functional element comprising a core, a cladding, a substrate and a reflectance control body that forms regions with different reflectances when the light is incident on the end surface, and an optical circuit element comprising an input waveguide or an output waveguide for connection.
  • the scan position and the reflectance control body of the end face are formed from the position where the light intensity profile of the reflected return light has a peak depending on the cross-sectional shape of the end face.
  • the optical functional element such as an optical modulator having an optical waveguide input/output structure and an optical circuit element having a polarization control circuit
  • the optical functional element is It becomes possible to provide an optical waveguide component that realizes simple and highly efficient optical coupling in order to input and output optical signals between the optical circuit element and the optical circuit element.
  • FIG. 1 shows an optical circuit configuration of an integrated optical device in which an optical functional element and an optical circuit element are connected by a butt-coupling method in a U-shaped folded configuration in which conventional input and output waveguides are arranged on the same end face.
  • FIG. 2 is a diagram showing an optical circuit configuration of an integrated optical device in which alignment through ports are provided near the optical input and optical output waveguides of a conventional optical functional element.
  • FIG. 3 is a diagram showing an optical circuit configuration of an integrated optical device in which alignment through ports are provided near the optical input and optical output waveguides of a conventional optical functional element.
  • FIG. 4 is a diagram showing an optical circuit configuration of an integrated optical device in which a conventional optical functional element is provided with an alignment tap port.
  • FIG. 5 is a diagram showing an optical circuit configuration of an integrated optical device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing an alignment input/output structure of an input/output section of an optical functional element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows the reflected return light intensity profile when the reflected return light intensity is scanned while moving the optical functional element or the optical circuit element of the integrated optical device according to the embodiment of the present invention along the X-axis and the Y-axis.
  • FIG. FIG. 8 is a diagram showing an optical circuit configuration of an integrated optical device according to an example.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the scan position of the connection end face of the alignment input/output structure of the optical functional element of Example 1 and the reflected return light intensity profile corresponding to the scan position.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the scan position of the connection end face of the input/output section of the optical functional element of Comparative Example 1 and the reflected return light intensity profile corresponding to the scan position.
  • FIG. 11 is a diagram showing an input/output structure for alignment according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the scan position of the connection end face of the input/output structure for alignment of the optical functional element of Example 2 and the reflected return light intensity profile corresponding to the scan position.
  • FIG. 13 is a diagram showing an input/output structure for alignment according to the third embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the scan position of the connection end face of the input/output structure for alignment of the optical functional element of Example 3 and the reflected return light intensity profile corresponding to the scan position.
  • FIG. 15 is a diagram showing a boundary scan of the alignment input/output structure according to the third embodiment.
  • FIGS. 5 and 6 An embodiment of the present invention is shown for illustration in FIGS. 5 and 6.
  • an optical circuit element and an input waveguide or an output waveguide for inputting or outputting a signal are placed near one end surface of the substrate constituting the optical functional element.
  • An alignment input/output structure is provided.
  • FIG. 5 shows an optical circuit configuration of an integrated optical device consisting of a phase modulator chip 510, which is an optical functional element of this embodiment, and a polarization Mux chip 520, which is an optical circuit element.
  • the phase modulator chip 510 which is an optical functional element, includes an optical input waveguide 511, a first QPSK modulator 512, and a second QPSK modulator 513, which phase modulate the signal light from the optical input waveguide 511 and output it. Be prepared. It also includes two optical output waveguides 514 and 515 that output the output lights from the first and second QPSK modulators.
  • the polarization Mux chip 520 which is an optical circuit element, includes a signal light input/output waveguide 521, phase modulation light input waveguides 522 and 523, and polarization that rotates the TE light of the phase modulation light input waveguide 523 into TM light.
  • a rotater 524 a polarized beam combiner 525 that combines the TE light of the phase modulated light input waveguide 522 and the TM light from the polarized rotator 124, and a signal light output waveguide 526 that outputs the light from the polarized beam combiner. It is equipped with
  • alignment input/output structures 531 and 532 are provided near the optical input waveguide 511 and the optical output waveguide 514 on the connection end face 530 side, which are the input/output parts of the phase modulator chip 510, respectively. There is.
  • FIG. 6(a) is a top view of the alignment input/output structure 600 (531 or 532 in FIG. 5) of this embodiment provided in the input/output section of the optical functional element.
  • b) is a diagram of the alignment input/output structure 600 of this embodiment viewed from the connection end surface side.
  • the alignment input/output structure of the present embodiment has a connection end surface 530 side of the substrate of the optical functional element, when light is incident on the connection end surface.
  • Reflectance control bodies 610 and 611 are provided near the core 602 to form regions having different reflectances from the core 602, cladding, and substrate.
  • the procedure for aligning the optical functional element of this embodiment and the input/output waveguide for connecting the optical circuit element (polarization Mux chip 520) via the connection end face is as follows.
  • a circulator 541, a coupler, etc. are arranged in the signal light input/output waveguide 521 of the polarization Mux chip 520, which is an optical circuit element, to branch the reflected return light and connect it to the optical functional element or optical circuit element. , scan the reflected return light intensity while moving along the X or Y axis. At this time, the intensity of the reflected return light from the end face provided with the alignment input/output structure including the reflectance control body changes depending on the structure.
  • the polarization Mux chip 520 are arranged in the signal light output waveguide 526 of the polarization Mux chip 520 to branch the reflected return light and direct the optical functional element or optical circuit element to the X-axis or Y-axis. Scan the reflected return light intensity while moving along the line.
  • FIG. 7 is a diagram showing the reflected return light intensity profile when the reflected return light intensity is scanned while moving the optical functional element or the optical circuit element along the X-axis and the Y-axis, as described above.
  • FIG. 7(a) is a diagram showing an X-direction scan, in which lines AA', BB', and C-C' are scanned along the X-axis from the input/output waveguide of the optical circuit element. The reflected return light intensity profile when scanning with moving light is shown.
  • FIG. 7(b) is a diagram showing Y-direction scanning, in which light from the input/output waveguide of the optical circuit element is moved along the Y-axis on the DD' line and the EE' line. The reflected return light intensity profile scanned by the camera is shown.
  • the profile of the reflected return light intensity reflects the structure of the end face including the reflectance control body, and in particular, the area containing the reflectance control body was scanned. In this case, the intensity of the reflected return light increases. As a result, the contrast of the reflected return light intensity at the boundary between the reflectance control body and other parts increases, so the presence of the reflectance control body allows you to easily determine which position on the connection end face the scan location corresponds to. can be easily estimated.
  • the input/output waveguide of the optical functional element equipped with the alignment input/output structure of this embodiment and the input/output waveguide of the optical circuit element are aligned in advance, including the Z-axis rotation, and the input/output is butt-coupled.
  • the waveguides can be aligned to a position that is centered enough to allow light to be transmitted between the waveguides. Thereafter, as shown in FIG. 1, it is possible to continuously move to more precise alignment, which is performed while inputting signal light and monitoring output light. In this manner, in this embodiment, as shown in FIGS. 2 to 4, it is possible to perform highly accurate alignment with a simple configuration and procedure without separately preparing an alignment port or the like.
  • the input/output waveguide of the optical functional element has a U-shaped folded configuration in which the optical input waveguide 511 and the optical output waveguide 514 are on the same connection end surface 530 side. It may be a configuration.
  • the folded configuration may be U-shaped or may have any other shape, and may form a path through which light input to the optical input waveguide is output from the optical output waveguide.
  • the input or output waveguides of the optical functional element may be located on different end faces, or only one of the input or output waveguides of the optical functional element may be provided with an output structure for alignment.
  • the alignment output structure of this embodiment it is also possible to perform only alignment for butt-connecting either the input or output waveguide of an optical functional element to the waveguide of an optical circuit element.
  • the waveguide that is butt-coupled with the input/output waveguide of the optical functional element may be a waveguide included in an optical element other than an optical circuit, and the waveguide may be not only a waveguide formed on a substrate but also an optical fiber or the like.
  • the optical functional element is provided with a reflectance control body near the core of the input/output waveguide as an input/output structure for alignment. Then, the light from the input/output waveguide of the optical circuit element is irradiated onto the connection end face of the optical functional element where the reflectance control body is provided, and the intensity profile of the reflected return light with an intensity corresponding to the reflectance of the irradiation position is created.
  • the profile of the returned light intensity is used, there is no need to separately provide an alignment port or the like in the optical functional element, unlike the conventional examples shown in FIGS. 2 to 4.
  • the positions of the waveguides to be butt-coupled are determined in advance by inputting the signal light. This makes it possible to perform pre-alignment to a position where more precise alignment can be performed while monitoring the output.
  • a PLC has a cross-sectional structure in which a thin film of SiO 2 is deposited on a substrate of Si or SiO 2 to a thickness of approximately 20 ⁇ m as an under cladding, a thickness of 3 to 10 ⁇ m as a core, and a thickness of approximately 20 ⁇ m as an over cladding.
  • the optical circuit element targeted by the present invention is assumed to be a PLC formed on a Si substrate of such size.
  • Si photonics optical circuit elements have a structure in which several micrometers of SiO 2 is deposited on a Si substrate as an SOI layer as an undercladding, several hundred nanometers of Si as a core, and several micrometers of SiO2 as an overcladding. Assuming what you have.
  • optical functional devices that use InP as a substrate generally have an InP substrate as an under cladding, a compound semiconductor of several hundred nanometers thick as a core, InP as an over cladding, SiN or SiO 2 as a passivation layer, and electrodes and electrodes on the front and back surfaces. It has a structure with a metal pattern.
  • the optical functional element targeted by the present invention is also assumed to be based on an InP substrate of such size.
  • the waveguides formed on the end faces of the substrates of optical functional elements and optical circuit elements having such a structure and size are assumed to be input/output waveguides for inputting and outputting optical signals. , the waveguides need to be optically coupled to each other with an alignment accuracy of about 1/10 of the mode field at the end face.
  • the reflectance control body of the alignment input/output structure of the present embodiment described above is, for example, a cladding (including an undercladding and an overcladding) on both sides of a core that constitutes an input/output waveguide on a connecting end surface of an optical functional element. It can be formed by providing a groove in a portion consisting of passivation. The reflectance can be controlled by filling the groove with a material that has a different refractive index than the substrate, core, and cladding. It is desirable that the depth of the groove is not too far away from the bottom surface of the core so that the core position can be easily determined from the intensity profile of the reflected return light.
  • the depth of the groove be approximately twice the distance from the substrate surface to the bottom surface of the core.
  • the width of the groove (dimension in the It is desirable that the distance be approximately the same as the distance in the X direction to the side end surface. It is desirable that the distance in the X direction between the core center and the core side wall surface of the groove be as small as possible without affecting the mode field of the core so that the core position can be easily determined from the intensity profile of the reflected return light.
  • the grooves be arranged symmetrically with respect to the core.
  • An anti-reflection film is generally provided on the connection end face of the optical functional element to which the optical circuit element is connected to reduce the return light due to end face reflection.
  • This anti-reflection film is designed to match the refractive index of the core, cladding, and fixing adhesive used on the connection end surface, so the intensity of reflected return light from the portion of the connection end surface that corresponds to the core and cladding is is small.
  • the refractive index of the reflectance control body is significantly different from that of the core and cladding, the intensity of the reflected return light from the part corresponding to the reflectance control body is greater than that of the part corresponding to the core and cladding. .
  • the part where the intensity of reflected return light from the position of the reflectance control body is large can be used as a landmark, so in order to estimate the core position from the profile of the intensity of reflected return light, reflectance control is applied near the core. It is desirable to provide a body.
  • the reflectance control body can be easily formed by, for example, forming a groove in the cladding and filling the groove with a resin having a refractive index of about 1.5.
  • the difference in refractive index between the resin and the core or cladding is small, by forming only the groove without filling the groove with resin, the wall surface of the groove will reflect due to the difference in refractive index between the groove end face and the air.
  • the adhesive may be filled between the connecting end surfaces for alignment.
  • the groove may be filled with the adhesive used to fix the connection end surface, making it impossible to function as a reflection control section.
  • the reflectance control body is formed of only grooves, it is desirable that the wall surface of the groove on the side of the connecting end surface, which becomes the reflective surface, be formed parallel to the connecting end surface.
  • the reflected return light intensity profile on the input side and the output side is acquired, and the reflected return light intensity profile is By estimating the position of each core, it is possible to adjust the Z-axis rotation shift in advance.
  • reflection near the input/output waveguide is used as an input/output structure for alignment of the optical functional elements.
  • the reflected return light profile from the end face has a large contrast in the intensity of reflected light at the boundary of the end face structure, making it easy to estimate the core position without providing an alignment port. It becomes possible to perform alignment efficiently in butt coupling, and it becomes possible to provide an integrated optical device made by simple butt optical coupling.
  • Embodiment 1 describes an optical circuit element constituted by an SiP chip equipped with optical waveguides for inputting and outputting signal light and corresponding input/output optical waveguides for butt coupling, and input/output for butt coupling of the optical circuit element.
  • This is an integrated optical device composed of an optical functional element composed of an InP chip having an input/output structure for alignment including an input/output waveguide for optical signals butt-coupled with an optical waveguide.
  • FIG. 5 An example of such an integrated optical device is an integrated optical modulation device shown in FIG. 5 as an embodiment of the present invention.
  • This integrated optical modulation device consists of a phase modulation waveguide that changes the phase of light using an electrical signal and an optical waveguide for butt coupling.
  • the U-shaped optical waveguide arrangement allows the input and output waveguides for optical signals to be connected to one end surface.
  • a light modulation element placed in is used as an optical functional element.
  • the light input to the input waveguide of the optical circuit element is optically coupled to the optical modulation element side via the butt-coupling section, and then converted into a phase-modulated optical signal by the phase modulation waveguide, and then sent back to the butt-coupling section.
  • the polarization After being optically coupled to an optical circuit element via a polarization rotator and a polarization beam combiner, the polarization is combined and output.
  • connection test device we will use an optical functional element consisting of a U-shaped folded waveguide obtained by removing the phase modulation part from such an integrated optical modulation device, a polarization rotator, and a polarization beam combiner.
  • An integrated optical device was constructed using an optical circuit element equipped with the removed signal light input/output waveguide and the butt-coupling input/output waveguide. Then, the alignment of the butt-coupled optical functional element and the optical circuit element of this integrated optical device is carried out as Example 1, which includes an input/output structure for alignment including a reflectance control body, and as a comparative example, This was done by creating a model without a reflectance controller and measuring the intensity profile of the reflected light from the connection end face.
  • FIG. 8 is a diagram showing optical circuit configurations of integrated optical devices of Example 1 and Comparative Example 1.
  • the optical circuit element 820 has a platform size of 2.5 mm in length, 2.0 mm in width, and 0.6295 mm in thickness.
  • This is a Si photonics chip in which a Si core and a 1.5 ⁇ m thick SiO 2 overcladding are formed on a 0.625 mm thick Si substrate.
  • the input/output of signal light to the optical circuit element 820 is performed from one long side, and the opposite long side is connected to the optical functional element.
  • the connection end face is polished for connection with the optical functional element.
  • the optical circuit element 820 is provided with a signal light input waveguide 821, a signal light output waveguide 822, and a butt coupling input waveguide 823 and a butt coupling output waveguide 824 as input/output waveguides for butt coupling. It is being
  • S-shaped waveguide structures 825, 826 are provided between the signal light input waveguide 821 and the butt-coupling input waveguide 823, and between the signal light output waveguide 822 and the butt-coupling output waveguide 824. are provided for each.
  • This S-shaped optical waveguide structure allows the optical axis of the signal light input waveguide 821 and the butt-coupling input waveguide 823, and the optical axis of the signal light output waveguide 822 and the butt-coupling output waveguide 824. The lights are offset to prevent stray light.
  • the optical functional element 810 which is butt-coupled to the optical circuit element 820 has a size of 2.5 mm in length, 4.0 mm in width, and a substrate thickness of 0.25 mm, with an InP substrate as an underclad, a width of 2.0 ⁇ m, and a thickness of 0.
  • This is an InP chip with a compound semiconductor core of .3 ⁇ m and InP deposited as an over cladding with a thickness of 2.0 ⁇ m.
  • An optical input waveguide 811 and an optical output waveguide 812 are provided on one of the short sides of the optical functional element 810 as input/output waveguides to be butt-coupled with the input/output waveguide for butt-coupling of the optical circuit element.
  • the input/output waveguide composed of an optical input waveguide 811 and an optical output waveguide 812 is U-shaped, and an optical signal is propagated from the optical input waveguide 811 to the optical output waveguide 812.
  • Aligning input/output structures 831 and 832 are provided near the optical input waveguide 811 and the optical output waveguide 812 on the connection end surface 830, which is one end surface of the optical functional element 810. As shown in FIG.
  • the alignment input/output structures 831 and 832 have reflectance control consisting of grooves 904 and 905 filled with resin with a refractive index of 1.5 on both sides of each waveguide.
  • a body is provided. This reflectance control body forms a region having a different reflectance from the core 902, cladding, and substrate when light is incident on the connection end surface.
  • the groove is formed 2 ⁇ m deeper than the bottom surface of the core 902, and the distance from the center of the core to the groove wall is 3 ⁇ m, and the groove width is 2 ⁇ m. Note that the dimensions of each part described above for the optical functional element and the optical circuit element are shown for illustrative purposes, and may be other than these.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the scan position of the connection end face of the alignment input/output structure of the optical functional element of Example 1 and the reflected return light intensity profile corresponding to the scan position.
  • FIG. 9(a) shows the X scan
  • FIG. 9(b) shows the Y scan.
  • FIGS. 9(a) and 9(b) show alignment guides provided near the optical input waveguide 821 and the optical output waveguide 822, which are the input/output waveguides of the optical functional element of Example 1.
  • the structure and each scan position of input/output structures 831 and 832 as seen from the connection end surface side are shown.
  • resin is filled on both sides of the core 902 of a waveguide region 903 consisting of a core 902 and a cladding layer surrounding the core 902 that constitutes the light propagating region of the input/output waveguide.
  • a reflectance control body consisting of grooves 904 and 905 is formed. The grooves 904 and 905 are formed similarly to the reflectance control body of the alignment output structure of the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the scan position of the connection end face of the input/output section of the optical functional element of Comparative Example 1 and the reflected return light intensity profile corresponding to the scan position.
  • Comparative Example 1 is an integrated circuit device in which an optical functional element and an optical circuit element having the same structure as Example 1 are connected, and a reflectance controller is not provided.
  • FIGS. 10A and 10B show scan positions and reflected return light intensity profiles corresponding to the scan positions for X scan and Y scan, respectively.
  • the lower structural diagrams in FIGS. 10(a) and 10(b) show the structure of the optical functional element of Comparative Example 1 viewed from the connection end surface side near the optical input waveguide and optical output waveguide. .
  • reflectance control bodies are not formed on both sides of the core 1002.
  • the intensity of reflected return light is high in the region where the reflectance control body is formed. Therefore, in the reflected return light intensity profile of the X scan in FIG. 9(a), two peaks corresponding to the reflectance control body occur in the reflected return light intensity profile BB' when scanning on the BB' line. There is. Since the scan positions of these two peaks are associated with the position of the reflectance control body, the position of the reflectance control body can be estimated based on the return light intensity profile. From the relationship between the scan position and the core 902, grooves 904, and 905 shown in the figure below, it can be estimated that the core is located between the scan positions of the two peaks corresponding to the position of the reflectance control body.
  • the position of the reflectance control body can be estimated. From the positional relationship between the core 902 and the groove 904 shown in the structural diagram, it can be estimated that the core is located at the center of the peak of the reflected return light intensity profile DD'.
  • Example 1 the position of the core is estimated based on the position of the reflectance control body estimated using the reflected return light intensity profile of the connection end surface of the optical functional element. Then, based on the estimated core position, pre-alignment is performed by correcting the positional deviation of the input and output waveguides for butt-coupling of the optical circuit element, which are butt-coupled to the input waveguide and output waveguide of the optical functional element, respectively. complete.
  • the Z-axis rotation shift can be determined based on the relationship between the core position and the scan coordinate estimated from the reflected return light intensity profiles on the input waveguide side and the output waveguide side, respectively.
  • the optical functional device of the comparative example is not provided with an alignment input/output structure including a reflectance control body, even if the reflected return light intensity profile is obtained using the same method as in Example 1, Also, the reflected return light intensity profile BB' scanned on the line BB' of the return light intensity profile of the X scan in FIG. 10(a) and the reflected return light intensity profile CC' scanned on the line CC' are approximately It will be the same.
  • connection end face of the optical functional element is provided with an antireflection film as described above, and the reflectance of the connection end face is smaller than that of air, and the intensity of reflected return light changes at the boundary between the overcladding and air. Therefore, the core position can be roughly estimated by estimating that the scan position in the Y direction where the reflected return light intensity changes is the boundary position between the overcladding and air and using it as a reference. However, the difference in the intensity of the reflected return light between air and overcladding is small, and the intensity of the reflected return light gradually changes, making it difficult to accurately estimate the core position.
  • the connection adhesive used to fix the connection end surfaces of the optical functional element and the optical circuit element is often not introduced. In that case, the reflectance of the connection end face equipped with an antireflection film designed on the premise of the presence of a connection adhesive is high, and the difference in the intensity of reflected return light between air and overcladding becomes small.
  • the optical functional element provided with the input/output structure for alignment including the reflectance control body and input/output waveguide of Example 1 is used to butt-couple the input/output waveguide of the optical circuit element.
  • pre-alignment can be easily performed based on the relationship between the core position estimated based on the reflected return light intensity profile and the scan coordinates, and pre-alignment can be performed with high accuracy without providing an alignment port. This makes it possible to provide an integrated optical device made by simple butt optical coupling.
  • Example 2 is a combination of an optical circuit element constituted by an SiP chip equipped with the same signal light input and output optical waveguides as in Example 1 and corresponding input/output optical waveguides for butt coupling;
  • This is an integrated optical device made up of an optical functional element made up of an InP chip with an alignment input/output structure including an input/output optical waveguide for coupling and an input/output optical waveguide for butt-coupled optical signals.
  • long reflectance control bodies are formed in parallel along the light propagation direction of the waveguide on both sides of the core of the waveguide.
  • a reflectance control body composed of a plurality of different grooves was provided.
  • the structure, size, etc. of the optical circuit element and optical functional element of the integrated optical device of Example 2 are the same as in Example 1 except for the reflectance control body.
  • FIG. 11 is a diagram showing the alignment input/output structure of the second embodiment.
  • FIG. 11(a) is a diagram of the alignment input/output structure 1100 viewed from above
  • FIG. 11(b) is a diagram of the alignment input/output structure 1100 viewed from the connection end surface side.
  • the alignment input/output structure of Example 2 is configured by waveguide regions on both sides of the core 1102 of a waveguide region 1103 consisting of a core 1102 and a cladding layer surrounding the core 1102, which constitute a region for propagating light.
  • the reflectance control body is provided with a plurality of grooves formed in parallel along the light propagation direction of the waveguide.
  • each of the three grooves has a different width in a direction parallel to the upper surface of the substrate and the connection end surface (X direction in the figure).
  • the bottom of each groove is 2 ⁇ m deeper than the bottom of the core 1102, the distance from the center of the core to the wall on the core side of each groove is 2 ⁇ m, and the length in the Z direction is 1.5 ⁇ m. .
  • the width of each groove is 2 ⁇ m, 4 ⁇ m, and 6 ⁇ m from the side closest to the end surface, respectively. Note that the dimensions of each part described above for the optical functional element and the optical circuit element of the integrated optical device of Example 2 are shown for illustrative purposes, and may be other than these.
  • Each groove is formed at a position away from the connection end surface (offset from the connection end surface), and none of the grooves is formed to reach the end surface. Since the groove constituting the reflectance control body of Example 2 is not filled with resin as in Example 1, an interface between the substrate material and air is formed on the wall surface of the groove.
  • the wall surface of each groove on the side closer to the connection end surface serves as a reflective surface, and the light irradiated onto the connection end surface is reflected by the wall surface of this groove and becomes reflected return light. It is desirable that the wall surface of each groove constituting the reflective surface on the side closer to the connection end surface is formed parallel to the connection end surface.
  • the input/output section end face includes a reflectance control body 1120 consisting of a region 1110, a region 1111, and a region 1112 with different reflectances, and a reflectance controller 1120 with a different reflectance.
  • Reflectance control bodies 1121 each consisting of a region 1113, a region 1114, and a region 1115 that are different from each other are formed.
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the scan position of the connection end face of the alignment input/output structure of the optical functional element of Example 2 and the reflected return light intensity profile corresponding to the scan position.
  • FIG. 12 shows a reflected return light intensity profile of Example 2 obtained by the same method as Example 1.
  • FIG. 12(a) shows the X scan
  • FIG. 12(b) shows the Y scan. From the reflected return light intensity profile in FIG. 12(a), it can be estimated that in Example 2 as well as in Example 1, there is a core between the two peaks of BB' in the reflected return light intensity profile of the X scan. . From the reflected return light intensity profile of FIG. 12(b), it can be estimated that the core is located at the center of the peak of DD' in the reflected return light intensity profile of the scan in the Y direction.
  • the reflectance control body of Example 2 three regions with different reflectances are formed, and the region 1110 near the core and the region 1113 have the highest reflectance, the region 1111, the region 1114, The area becomes smaller in the order of area 1112 and area 1115.
  • each region is scanned in turn, so looking at the reflected return light intensity profile BB', it is seen that the direction from the estimated core center to the outside is The profile is such that the intensity of the reflected return light rises steeply as it goes toward the target, and then gradually falls in a step-like manner.
  • Example 1 the two peaks of the X-scan reflected return light intensity profile both have a symmetrical shape. Therefore, if the reflected return light intensity is obtained at the first scan position, and then the reflected return light intensity obtained while sliding the scan position to the right decreases, the scan position is approaching the core (the left peak It is not possible to determine whether it is located at a position corresponding to the peak position) or far away (located at a position corresponding to the peak position on the left). For this reason, in the first embodiment, it is necessary to largely slide the scan position to obtain and confirm the reflected return light intensity profile, and it takes time to confirm the scan position.
  • Example 2 the reflected return light intensity is acquired at the first scan position, and if the reflected return light intensity acquired after that while sliding the scan position to the right suddenly decreases, the scan The position can be determined to be close to the core (corresponding to the peak on the left). If the reflected return light intensity gradually decreases step by step, it can be determined that the scanning position is moving away from the core (located at a position corresponding to the peak on the right).
  • Each of the grooves constituting the reflectance control body of Example 2 is formed at a position away from the connection end surface (offset from the connection end surface), and none of the grooves is formed to reach the end surface. There is. For this reason, the groove of Example 2 has a structure in which adhesive such as an ultraviolet curing resin used for fixing the connection end surface is difficult to flow into the groove. As described above, when an ultraviolet curing resin or the like is used as the adhesive for the connecting end surfaces, alignment may be performed after filling the space between the connecting end surfaces with the adhesive in advance.
  • the optical functional element provided with the alignment input/output structure including the reflectance control body and the input/output waveguide of Example 2 the profile of the reflected return light is measured when it is butt-coupled with the optical circuit element. This makes it possible to perform pre-alignment with high precision without providing an alignment port, and it is possible to provide an integrated optical device that is made by simple butt optical coupling.
  • Example 3 is a combination of an optical circuit element constituted by an SiP chip equipped with the same signal light input and output optical waveguides as in Example 1 and corresponding input/output optical waveguides for butt coupling, and an optical circuit element that is butt-coupled.
  • This is an integrated optical device composed of an optical functional element composed of an InP chip having an input/output structure for alignment including an input/output optical waveguide for coupling and an input/output waveguide for butt coupling.
  • the reflectance control body of the alignment input/output structure of the first embodiment instead of the reflectance control body of the alignment input/output structure of the first embodiment, grooves having a plurality of bottom surfaces with different depths are formed on both sides of the core of the input/output waveguide. A reflectance control body was provided.
  • the structure, size, etc. of the optical circuit element and optical functional element of the integrated optical device of Example 3 are the same as those of Example 1 except for the reflectance controller.
  • FIG. 13 is a diagram showing the alignment input/output structure of the third embodiment.
  • FIG. 13(a) is a diagram of the alignment input/output structure 1300 viewed from above
  • FIG. 13(b) is a diagram of the alignment input/output structure 1300 viewed from the connection end surface side.
  • the alignment input/output structure of the third embodiment has a reflectance structure formed by grooves 1310 on both sides of the core 1302 of a waveguide region 1303 consisting of a core 1302 and a cladding layer surrounding the core 1302 constituting a region for propagating light.
  • a reflectance control body 1340 composed of a control body 1330 and a groove 1320 is provided. This reflectance control body forms a region whose reflectance is different from that of the core, cladding, and substrate when light is incident on the connection end surface.
  • the grooves 1310 on both sides of the waveguide have two bottom surfaces 1311 and 1312 of different depths, and the groove 1320 has two bottom surfaces 1321 and 1312 of different depths. 1322.
  • the distance from the center of the core to the wall surface on the core side of the groove is 2 ⁇ m, and the length of the groove is 5 ⁇ m.
  • the bottom surfaces of the grooves 1310 and 1320 are composed of a surface deeper by 2 ⁇ m than the bottom surface of the core and a surface deeper by 6 ⁇ m from the bottom surface of the core, and the bottom surfaces at each depth are each formed with a width of 2 ⁇ m. ing. Note that the dimensions of each part described above for the optical functional element and the optical circuit element of the integrated optical device of Example 3 are shown for illustrative purposes, and may be other than these.
  • FIG. 14 shows the scan position of the connection end face of the input/output structure for alignment of the optical functional element of Example 3 and the reflected return light intensity profile corresponding to the scan position.
  • a reflected return light intensity profile was obtained by the same method as in Example 1.
  • 14(a) shows the reflected return light intensity profile of the X scan of Example 3
  • FIG. 14(b) shows the reflected return light intensity profile of the Y scan of Example 3.
  • Example 3 since the reflectance control body of Example 3 is constituted by a groove having two bottom surfaces with different depths, as shown in FIG. 14(a), the reflected return light intensity of the X scan is In the profile, two peaks are respectively generated in the reflected return light intensity profile BB' scanned on line BB' and the reflected return light intensity profile CC' scanned on line CC'. Therefore, in Example 3, as in Example 1, it can be estimated that a core exists between the two peaks of the reflected return light intensity profiles BB' and CC'. It can also be seen that the scan position of the narrow reflected return light intensity profile between the peaks is a scan position close to the core corresponding to the B-B' line.
  • the reflected return light intensity profile of the Y scan is the difference in peak width between the reflected return light intensity profile DD' scanned on the line DD' and the reflected return light intensity profile EE' scanned on the line E-E'. From this, it can be estimated that the core is located at the center of the EE' peak with a narrow peak width. In this way, according to the third embodiment as well, the core position can be estimated using the reflected return light intensity profile in the same way as in the first embodiment.
  • the grooves constituting the reflectance control body are configured to have bottom surfaces with a plurality of depths, the shape of the reflectance control body when viewed from the end surface is stepped. There is. Therefore, in Example 3, while acquiring the reflected return light intensity, the optical functional element or the optical circuit element is shifted in the XY direction and scanned, and the boundary where the reflected return light intensity changes greatly is found and traced.
  • the core position can also be estimated by scanning.
  • the portion where the reflected return light intensity changes greatly is the boundary between the reflectance control bodies 1330, 1340 and the cladding, as shown by the dotted line AA' in FIG. and the boundary portion of the upper surface of the cladding portion including the core 1302 between the reflectance control body 1330 and the reflectance control body 1340. Therefore, if you sequentially trace the parts where the reflected return light intensity changes greatly on the connection end surface of the alignment input/output structure, you will trace the dotted line AA' including the boundary of the reflectance control body as shown in FIG. I can do it.
  • Example 3 is a reflectance control body having a characteristic cross-sectional shape with two or more steps due to a plurality of bottom surfaces having different depths, so when the reflectance control body has a rectangular shape like Example 1 or Example 2, It has the following advantages compared to: Even if there are other reflective structures on the chip, the shape of the reflectance control body is distinctive, so this can be used as a clue to confirm that the part scanned separately from other reflective structures is the reflectance control body. Become. In addition, when tracing a boundary portion where the reflected return light intensity changes greatly, it is easier to estimate which part of the reflectance control body is being traced than in the case of a rectangular shape such as in Examples 1 and 2. Become.
  • the core position is not only estimated by repeating the X scan and Y scan as in Example 1, but also the intensity of the reflected return light is increased by the boundary scan.
  • the optical functional element provided with the alignment input/output structure including the reflectance control body and the input/output waveguide of Example 3 the profile of the reflected return light is measured when it is butt-coupled with the optical circuit element. This makes it possible to perform pre-alignment with high precision without providing an alignment port, and it is possible to provide an integrated optical device that is made by simple butt optical coupling.
  • the present invention can be used in integrated optical devices applicable to optical communication systems.
  • the present invention relates to an integrated optical device in which an input/output waveguide of an optical functional element consisting of an optical waveguide and an input/output waveguide of an optical circuit element are butt-coupled by alignment and bonding.

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Abstract

基板上にコアとクラッドからなる光導波路が設けられた光機能素子において、前記基板の端面に設けられた光信号の入力導波路または出力導波路と、前記コアの近傍に設けられ、前記端面に対して光を入射した際に前記コア、前記クラッドおよび前記基板と反射率の異なる領域を形成する反射率制御体とを備え、前記光機能素子の前記入力導波路または前記出力導波路が、前記端面を介して別の導波路と突合せ結合されて接着されていることを特徴とする集積型光デバイス。

Description

集積型光デバイスおよび集積型光デバイスのアライメント方法
　本発明は、光通信システムに応用可能な集積型光デバイスに関し、光導波路からなる光機能素子と光機能素子を実装した集積型光デバイスに関する。
　近年、光ファイバ伝送の普及に伴い、多数の光回路を高密度に集積する技術が求められており、その一つとして、石英系平面光波回路（以下、ＰＬＣ）やシリコンフォトニクスによる光回路（ＳｉＰ）が知られている。ＰＬＣは低損失、高信頼性、高い設計自由度といった優れた特徴を有する導波路型光デバイスであり、実際に光通信伝送端における伝送装置には合分波器、分岐・結合器等の機能を集積したＰＬＣが搭載されている。ＳｉＰは低損失性ではＰＬＣに及ばないものの、高い設計自由度を有し、小さい導波路曲げ半径によってさらに小型の光回路が実現可能な光デバイスである。また、伝送装置内にはＰＬＣやＳｉＰ以外の光デバイスとして、光と電気の信号を変換するフォトダイオード（以下ＰＤ）や、レーザーダイオード（ＬＤ）、あるいは光変調器などの光機能素子も搭載されている。さらなる通信容量の拡大に向けて、光信号処理を行うＰＬＣ等の光導波路と、ＩｎＰ系（インジウムリン系）の材料により構成された高速な光電変換を行うＰＤ等の光デバイスを集積した高機能な光電子集積型デバイスが求められている。
　このような集積型光デバイスのプラットフォームとしてＰＬＣやＳｉＰは有望であり、ＩｎＰ光変調器チップとＰＬＣチップをハイブリッドに集積した集積型光デバイスが提案されている（非特許文献１）。非特許文献１の例では、位相変調器をＩｎＰチップ上、偏波ローテータ（ＰＲ）と偏波ビームコンバイナ（ＰＢＣ）をＰＬＣ上に集積し、レンズを介して両チップを光結合する方法が採用されている。ＰＬＣを偏波合成チップとして用いる方法は、従来の偏波合成を空間光学系で構築する方法と比較して実装面積が小さく、光回路に集積されることで光軸合わせを簡略化可能である。このようなＰＬＣとＩｎＰ等の光回路素子を組み合わせて光結合する形態はデバイスの小型化、および光回路の設計自由度の面で利点があり、通信容量の拡大に向けて、ＩｎＰ系材料による広帯域化に適した導波路構造を有するＰＤや、高速な位相変調機能を有する光位相変調器等を含む集積デバイスが開発されている。さらに近年では更なる小型化に向けて、レンズを介すことなく光回路素子同士を直接接続した集積型光デバイスが求められるようになってきている。
　ＰＬＣとＩｎＰ系の光機能素子とをレンズを介することなく、それぞれの入出力導波路を突き合わせて結合する方法について説明する。
　例えば、光ファイバとＰＬＣの突合せ接続では、まず、光ファイバを固定したガラスからなる光ファイバブロックの端面とＰＬＣ端面とを平行に調整する。その後、光ファイバに光を入力しながら光ファイバの光出力位置をＰＬＣ端面の入力導波路に合わせ、その入力導波路と接続されている出力導波路からの出力光をモニタしながら最適な光結合が得られるように位置調整することで調心される。そして、その位置を保持して、光ファイバブロックの端面とＰＬＣ端面の間にＵＶ硬化接着剤を充填し、ＵＶ光で照射することによって短時間のうちに硬化させて固定する。
　このような突合せ結合方法を用いて、ＰＬＣの光回路をプラットフォームとしたＳｉまたはＩｎＰからなる光機能素子の集積、あるいはＳｉＰを光回路プラットフォームとしたＩｎＰからなる光機能素子との集積が実現できれば、より小型な集積型光デバイスを提供することが可能になる。しかしながら、例えば図１のように入出力導波路が同じ端面に配置されるコの字の折り返し構成の光機能素子と光回路素子との接続をこのような突合せ結合方法を用いて行う場合には、つぎのような問題があった。
　図１は、従来の集積型光デバイスの光回路構成を示す図である。図１において、光機能素子である位相変調器チップ１１０は、光入力導波路１１１と光入力導波路１１１からの信号光を位相変調して出力する第１のＱＰＳＫ変調部１１２、第２のＱＰＳＫ変調部１１３を備える。また、第１および第２のＱＰＳＫ変調部からの出力光を出力する２つの光出力導波路１１４および１１５を備えている。光回路素子である偏波Ｍｕｘチップ１２０は、信号光入出力導波路１２１と、位相変調光入力導波路１２２および１２３と、位相変調光入力導波路１２３のＴＥ光をＴＭ光に回転させる偏波Ｒｏｔａｔｅｒ１２４と、位相変調光入力導波路１２２のＴＥ光と偏波Ｒｏｔａｔｅｒ１２４からのＴＭ光とを合波する偏波ビームコンバイナ１２５とを備える。信号光入出力導波路１２１は、光入力導波路１１１と接続され、入力された信号光を光入力導波路１１１に出力する。位相変調光入力導波路１２２および１２３は、それぞれ光出力導波路１１４および１１５に接続される。偏波ビームコンバイナ１２５からの信号光は、信号光出力導波路１２６から出力される。
　図１の位相変調器チップ１１０の光入力導波路１１１，光出力導波路１１４および１１５と、偏波Ｍｕｘチップ１２０の信号光入出力導波路１２１と、位相変調光入力導波路１２２および１２３とを突合せ結合して接続するには、偏波Ｍｕｘチップ１２０の光入出力導波路１２１に光を入力し、接続端面を経由して信号光出力導波路１２６から出力する光の強度をモニタしながら、位相変調器チップまたは偏波Ｍｕｘチップの位置をＸ－Ｙ平面上で動かして、接続端面において接続される導波路同士を調心する必要がある。
　このような信号光入出力導波路１２１を介して入力された光信号が信号光出力導波路１２６へ伝搬して出力される光強度をモニタするには、少なくとも光入力導波路１１１と信号光入出力導波路１２１、光出力導波路１１４と位相変調光入力導波路１２２、および光出力導波路１１５と位相変調光入力導波路１２３が、光強度を確認できる程度の大まかな位置まであらかじめプリアライメントされている必要がある。また、同じ接続面で少なくとも２か所（図１では３か所）が接続されるため、Ｚ軸を中心とした回転（Ｚ軸回転）のアライメントも精度よく行なわなければならない。しかしながら、通常、このような調心作業は、上面からの観察のみで接続端面（Ｘ－Ｙ平面）での位置調整が行なわれることから、Ｚ軸回転を完全に合わせるのは困難である。このため、図１の位相変調器チップのような折り返し構成の光機能素子との接続では、Ｚ軸回転の微調整を何度も繰り返して徐々にアライメントすることが必要であった。このように、端面接続によってレンズ等の空間光学系を省いた小型の集積を実現するためには、複雑なアライメント工程が必要となるという問題があった。
　そこで、図２および図３のように、光機能素子である位相変調器チップ２１０の光入力導波路２１１と光出力導波路２１４の近傍に、それぞれ、入力側調心用スルーポート２１５および出力側調心用スルーポート２１６を設けるようにしたものが提案されていた。図２は出力側調心を、図３は入力側調心の状態を示している。図２では、偏波Ｍｕｘチップ２２０の出力導波路２２６より入力光を入力し、出力側調心用スルーポート２１６からの出力光をモニタしながら偏波Ｍｕｘチップ２２０または、位相変調器チップ２１０をＸ－Ｙ方向に移動させて、偏波Ｍｕｘ２２０の位相変調光入力導波路２２２と位相変調器チップ２１０の出力側調心用スルーポート２１６との調心を行なっている。図３では、偏波Ｍｕｘチップ２２０の信号光入出力導波路２２１より入力光２２９を入力し、入力側調心用スルーポート２１５からの出力光２１９をモニタしながら偏波Ｍｕｘチップ２２０または、位相変調器チップ２１０をＸ－Ｙ方向に移動させて、偏波Ｍｕｘ２２０の信号光入出力導波路２２１と位相変調器チップ２１０の入力側調心用スルーポート２１５との調心を行なっている。入力側調心と出力側調心をそれぞれ行うことで、それぞれの調心後の微動台の位置や移動量からＺ軸回転がどの程度ずれているかを確認する。このようにすることにより、Ｚ軸回転のアライメントを簡単に合わせることができ、何度も微調整することなく光機能素子と光回路素子の入出力導波路同士をアライメントする工程に移ることができる。
　また、図４のように、光機能素子である位相変調器チップ４１０に出力側調心用タップポート４１１および入力側調心用タップポート４１２を設け、偏波Ｍｕｘチップ４２０に入力された入力光が各タップポートを介して出力される出力光をモニタしながら、偏波Ｍｕｘチップ２２０または、位相変調器チップ２１０をＸ－Ｙ方向に移動させて、入力側調心と出力側調心をそれぞれ行うことによっても調心後の微動台位置からＺ軸回転のずれ量を確認でき、Ｚ軸回転のアライメントを行うことができる。
　しかし、図２ないし４に示した光機能素子に調心用スルーポートやタップポートを設けて調心する場合、スルーポートやタップポートの出力光の出射位置に光ファイバやＰＤを別途配置し、出力光をモニタしてアライメントする必要がある。また、入力側調心と出力側調心の切り替えや光ファイバやＰＤの設置など、アライメント用のセッティングが煩雑化する問題がある。そして、スルーポートやタップポート用の光導波路回路を光機能素子内に配置する必要があり、小型化の妨げになるという問題もあった。さらに図４のように、調心用のタップポートを設ける場合は、信号光の一部をタップして調心することから、信号光経路から見ると損失増になるという問題もある。
　このように、従来、ＰＬＣやＳｉＰをプラットフォームとし、偏波制御回路などを集積した光回路素子と光変調器などの光機能素子とのハイブリッド集積において、光導波路同士をレンズを介することなく突合せ結合するには、複雑なアライメント工程や煩雑なセッティングを必要とし、また小型化の妨げになるなどの問題があった。
E. Yamada et al., "112-Gb/s InP DP-QPSK modulator integrated with a silica-PLC polarization multiplexing circuit", Proc. Opt. Fiber Commun. Conf. Expo. Nat. Fiber Opt. Eng. Conf., Mar. 2012.
　本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、光導波路入出力構造を有する光機能素子と、光回路素子との間で光信号を入出力する光導波路入出力構造を有する光回路素子との集積に適用可能で、端面接続によって光機能素子と光回路素子間で光信号入出力を行う際に、簡便なアライメントを可能にする構造により端面光結合を実現した集積型光デバイスを提供することを目的とする。
　本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。
　（構成１）
　基板上にコアとクラッドからなる光導波路が設けられた光機能素子において、
　基板の端面に設けられた光信号の入力導波路または出力導波路と、
　コアの近傍に設けられ、端面に対して光を入射した際にコア、クラッドおよび基板と反射率の異なる領域を形成する反射率制御体とを備え、
　光機能素子の入力導波路または出力導波路が、端面を介して別の導波路と突合せ結合されて接着されていることを特徴とする集積型光デバイス。
　（構成２）
　基板上にコアとクラッドからなる光導波路が設けられた光機能素子であって
　基板の端面に設けられた光信号の入力導波路または出力導波路と
　コアの近傍に設けられ、端面に対して光を入射した際にコア、クラッドおよび基板と反射率の異なる領域を形成する反射率制御体とを備えた光機能素子と、接続用の入力導波路または出力導波路を備える光回路素子とを端面を介した突合せ結合するための調心において、
　光回路素子の光入力に配置したサーキュレータまたはカプラにより分岐された反射戻り光の光強度をモニタし、
　光機能素子または光回路素子を移動させながらスキャンすることで、端面の断面形状に応じた反射戻り光の光強度のプロファイルのピークとなる位置から、スキャン位置と端面の反射率制御体が形成する反射率の異なる領域との位置の対応を推定して調心することを特徴とする集積型光デバイスのアライメント方法。
　本発明によれば、光導波路入出力構造を有する光変調器等の光機能素子と、偏波制御回路を有する光回路素子との集積において、それぞれの導波路同士の突合せ結合により、光機能素子と光回路素子間で光信号を入出力するために、簡便で高効率な光結合を実現する光導波路部品を提供することが可能となる。
図１は、従来の入出力導波路が同じ端面に配置されるコの字の折り返し構成の光機能素子と光回路素子とが突合せ結合方法により接続された集積型光デバイスの光回路構成を示す図である。 図２は、従来の光機能素子の光入力および光出力導波路の近傍に、それぞれ調心用スルーポートを設けた集積型光デバイスの光回路構成を示す図である。 図３は、従来の光機能素子の光入力および光出力導波路の近傍に、それぞれ調心用スルーポートを設けた集積型光デバイスの光回路構成を示す図である。 図４は、従来の光機能素子に調心用タップポートを設けた集積型光デバイスの光回路構成を示す図である。 図５は、本発明の実施形態に係る集積型光デバイスの光回路構成を示す図である。 図６は、本発明の実施形態に係る光機能素子の入出力部の調心用入出力構造を示す図である。 図７は、本発明の実施形態に係る集積型光デバイスの光機能素子または光回路素子をX軸、Y軸に沿って移動させながら反射戻り光強度をスキャンした際の反射戻り光強度プロファイルを示す図である。 図８は、実施例等に係る集積型光デバイスの光回路構成を示す図である。 図９は、実施例１の光機能素子の調心用入出力構造の接続端面のスキャン位置とスキャン位置に対応する反射戻り光強度プロファイルの関係を示す図である。 図１０は、比較例１の光機能素子の入出力部の接続端面のスキャン位置とスキャン位置に対応する反射戻り光強度プロファイルの関係を示す図である。 図１１は、実施例２の調心用入出力構造を示す図である。 図１２は、実施例２の光機能素子の調心用入出力構造の接続端面のスキャン位置とスキャン位置に対応する反射戻り光強度プロファイルの関係を示す図である。 図１３は、実施例３の調心用入出力構造を示す図である。 図１４は、実施例３の光機能素子の調心用入出力構造の接続端面のスキャン位置とスキャン位置に対応する反射戻り光強度プロファイルの関係を示す図である。 図１５は、実施例３の調心用入出力構造の境界スキャンを示す図である。
　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。
　図５および図６に、本発明の一実施形態を例示のために示している。
　この実施形態では、基板上に光導波路が設けられた光機能素子において、光機能素子を構成する基板のひとつの端面付近に、光回路素子と信号を入力または出力する入力導波路または出力導波路を含む調心用入出力構造が設けられている。
　図５には、本実施形態の光機能素子である位相変調器チップ５１０と、光回路素子である偏波Ｍｕｘチップ５２０からなる集積型光デバイスの光回路構成が示されている。
　光機能素子である位相変調器チップ５１０は、光入力導波路５１１と光入力導波路５１１からの信号光を位相変調して出力する第１のＱＰＳＫ変調部５１２、第２のＱＰＳＫ変調部５１３を備える。また、第１および第２のＱＰＳＫ変調部からの出力光を出力する２つの光出力導波路５１４および５１５を備えている。光回路素子である偏波Ｍｕｘチップ５２０は、信号光入出力導波路５２１と、位相変調光入力導波路５２２および５２３と、位相変調光入力導波路５２３のＴＥ光をＴＭ光に回転させる偏波Ｒｏｔａｔｅｒ５２４と、位相変調光入力導波路５２２のＴＥ光と偏波Ｒｏｔａｔｅｒ１２４からのＴＭ光とを合波する偏波ビームコンバイナ５２５と、偏波ビームコンバイナからの光を出力する信号光出力導波路５２６とを備えている。
　本実施形態は、位相変調器チップ５１０の入出力部である接続端面５３０側の光入力導波路５１１、および、光出力導波路５１４付近に、それぞれ調心用入出力構造５３１、５３２を設けている。
　図６（ａ）は、光機能素子の入出力部に設けられた本実施形態の調心用入出力構造６００（図５の５３１，または５３２）を上から見た図であり、図６（ｂ）は、本実施形態の調心用入出力構造６００を接続端面側から見た図である。本実施形態の調心用入出力構造は、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すとおり、光機能素子の基板の接続端面５３０側には、当該接続端面に光を入射した際にコア６０２、クラッドおよび基板とは、反射率が異なる領域を形成する反射率制御体６１０、６１１がコア６０２の近傍に設けられている。本実施形態の光機能素子と光回路素子（偏波Ｍｕｘチップ５２０）の接続用の入出力導波路との接続端面を介した調心の手順はつぎのとおりである。図５に示すように、光回路素子である偏波Ｍｕｘチップ５２０の信号光入出力導波路５２１にサーキュレータ５４１やカプラ等を配置して反射戻り光を分岐し、光機能素子または光回路素子を、Ｘ軸またはＹ軸に沿って移動させながら反射戻り光強度をスキャンする。この際、反射率制御体を含む調心用入出力構造を備えた端面からの反射戻り光の強度が、その構造に応じて変化する。また、同様に、偏波Ｍｕｘチップ５２０の信号光出力導波路５２６にサーキュレータ５４２やカプラ等を配置して、反射戻り光を分岐し、光機能素子または光回路素子を、Ｘ軸またはＹ軸に沿って移動させながら反射戻り光強度をスキャンする。
　図７は、上記のように、光機能素子または光回路素子をＸ軸、Ｙ軸に沿って移動させながら反射戻り光強度をスキャンした際の反射戻り光強度プロファイルを示す図である。図７（ａ）はＸ方向スキャンを示す図であり、Ａ－Ａ’線、Ｂ－Ｂ’線、およびＣ－Ｃ’線上をＸ軸に沿って、光回路素子の入出力導波路からの光を移動させてスキャンした際の反射戻り光強度プロファイルが示されている。
　また、図７（ｂ）は、Ｙ方向スキャンを示す図であり、Ｄ－Ｄ’線およびＥ－Ｅ’線上をＹ軸にそって、光回路素子の入出力導波路からの光を移動させてスキャンした反射戻り光強度プロファイルが示されている。
　図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、反射戻り光強度のプロファイルは、反射率制御体を備える端面の構造を反映しており、特に反射率制御体を含むエリアをスキャンした際に反射戻り光強度が大きくなる。この結果、反射率制御体とそれ以外の部分との境界の反射戻り光強度のコントラストが上がるため、反射率制御体があることにより、スキャン箇所が接続端面のどの位置に対応しているのかを容易に推定することができる。
　したがって、本実施形態の調心用入出力構造を備えた光機能素子の入出力導波路と光回路素子の入出力導波路とを、あらかじめＺ軸回転のアライメントを含め、突合せ結合される入出力導波路間で光が伝達できる程度に調心された位置に合わせておくことができる。その後、図１のように信号光を入力し出力光をモニタしながら行う、より精密な調心へ連続して移ることができる。このように、本実施形態では、図２ないし図４のように、調心用ポート等を別途用意することなく、簡便な構成と手順で精度の高い調心をすることが可能になる。なお、この実施形態では、光機能素子の入出力導波路は、光入力導波路５１１、および光出力導波路５１４が同じ接続端面５３０側にあるコの字の折り返し構成であるが、それ以外の構成であってもよい。例えば、折り返し構成は、Ｕの字であってもよいし、それ以外の形状であってもよく、光入力導波路に入力された光が、光出力導波路から出力する経路が形成されていればよい。また、光機能素子の入力または出力導波路が異なる端面にあってもよいし、光機能素子の入力または出力導波路のいずれか一方のみに調心用出力構造を備えるようにしてもよい。また、本実施形態の調心用出力構造を利用して、光機能素子の入力または出力導波路のいずれか一方を光回路素子の導波路と突合せ接続するための調心のみを行うこともできる。さらに、本実施形態では、光機能素子の入出力導波路と光回路素子の入出力導波路とを突合せ結合させる場合について説明したが、光機能素子の入出力導波路と突合せ結合される導波路は、光回路以外の光素子が備える導波路であってもよいし、導波路は、基板上に形成されている導波路だけでなく、光ファイバ等であってもよい。
　以上説明したように、本発明の実施形態では、光機能素子に調心用入出力構造として、入出力導波路のコア近傍に反射率制御体が設けられている。そして、光回路素子の入出力導波路からの光が反射率制御体が設けられている光機能素子の接続端面へ照射され、照射位置の反射率に対応した強度の反射戻り光の強度プロファイルを用いることにより、端面形状およびコアの位置の推定を容易になし得る。また、この実施形態では、戻り光強度のプロファイルを利用することから、図２ないし図４の従来例のように、調心用のポート等を別途光機能素子に設ける必要がない。
　そして、この実施形態の調心用入出力構造を備える光機能素子の入出力導波路へ導波路を突合せ結合する場合においては、予め、突合せ結合される導波路同士の位置を、信号光を入力し出力をモニタしながら行う、より精密な調心を実施可能な位置にプリアライメントすることが可能になる。
　また、本実施形態の調心用入出力構造を備えた光機能素子の接続においては、精密な調心に先立って、あらかじめＸ－Ｙ方向だけでなく、Ｚ軸を中心とした回転アライメントを含めておおまかな位置合わせがされている。したがって、その後の精密な調心において、微調整が不要となることから、調心時間を短縮することも可能になる。
　一般的にＰＬＣは、ＳｉやＳｉＯ２の基板上に、ＳｉＯ２の薄膜が、アンダークラッドとして約２０μｍ、コアとして３～１０μｍ、オーバークラッドとして約２０μｍ堆積されている断面構造を備えている。本発明が対象とする光回路素子としては、このようなサイズのＳｉ基板上の形成されたＰＬＣを想定している。また、Ｓｉフォトニクスの光回路素子では、Ｓｉ基板上に、アンダークラッドとしてＳＯＩ層をなすＳｉＯ２が数μｍ、コアとしてＳｉが数百ｎｍ、オーバークラッドとして、ＳｉＯ２が数μｍ堆積された構造を備えているものを想定している。さらに、一般にＩｎＰを基板とする光機能素子は、ＩｎＰ基板をアンダークラッドとして、コアとして化合物半導体が数百ｎｍ、オーバークラッドとしてＩｎＰやパッシベーションとしてＳｉＮあるいはＳｉＯ２が堆積され、表面や裏面に電極となる金属パターンが設けられた構造を備えている。本発明が対象とする光機能素子もこのようなサイズのＩｎＰ基板をベースとした光機能素子を想定している。本発明においては、このような構造と大きさの光機能素子および光回路素子の基板の端面に形成された導波路を、光信号の入出力を行う入出力導波路として想定していることから、導波路同士は端面におけるモードフィールドの１／１０程度の位置合わせ精度をもって光結合される必要がある。
　上述した本実施形態の調心用入出力構造の反射率制御体は、たとえば、光機能素子の接続端面の入出力導波路を構成するコアの両脇のクラッド（アンダークラッドおよびオーバークラッドを含む）やパッシベーションからなる部分に溝を設けることで形成できる。その溝には、基板、コアおよびクラッドとは屈折率が異なる材料を充填することで反射率を制御することができる。溝の深さは反射戻り光の強度プロファイルからコア位置を判別しやすいよう、コアの底面から離れすぎないようにすることが望ましい。例えば、溝の深さは、基板表面からコアの底面までの距離の２倍程度とすることが望ましい。また、溝の幅（Ｘ方向の寸法）は、反射戻り光の強度変化を生じさせる大きさであれば良いが、大きすぎるとスキャンに時間を要することになることから、コア中心から溝のコア側端面までのＸ方向の距離と同じ程度が望ましい。コア中心と溝のコア側壁面までのＸ方向の距離は、反射戻り光の強度プロファイルからコア位置を判別しやすいように、コアのモードフィールドに影響を与えない範囲でできるだけ小さくすることが望ましい。さらに、コア位置の推定を容易とするために、溝は、コアに対して左右対称に配置されていることが望ましい。
　光回路素子が接続される光機能素子の接続端面には、一般に端面反射による戻り光を低減するための反射防止膜が設けられている。この反射防止膜は、コアおよびクラッドや、接続端面に用いられる固定用の接着剤の屈折率に合わせて設計されているから、接続端面のコアやクラッドに対応する部分からの反射戻り光の強度は小さい。一方で、反射率制御体の屈折率はコアやクラッドとは大きく異なっているため、反射率制御体に対応する部分からの反射戻り光の強度は、コアやクラッドに対応する部分よりも大きくなる。このように、反射率制御体の位置からの反射戻り光強度の大きい部分を目印にすることができるので、反射戻り光強度のプロファイルから、コア位置を推定するために、コア近傍に反射率制御体を設けることが望ましい。上述したように、反射率制御体は、例えば、クラッドに溝を形成し、溝を屈折率１．５程度の樹脂で充填することで簡便に形成することが可能である。一方で樹脂とコアやクラッドの屈折率の差が小さい場合には、溝に樹脂を充填せず、溝のみを形成することにより、溝端面と空気との屈折率差により、溝の壁面を反射面とし、反射率制御体として機能させるようにすることもできる。接続端面の接着剤として紫外線硬化樹脂などを用いる場合、接続端面の間に接着剤を充填して調心する場合がある。この時、溝を接続端面まで形成すると、接続端面の固定に用いる接着剤などで溝が埋まってしまい、反射制御部としての機能を果たすことができなくなることがある。このようなことが生じないようにするために、溝のみで形成する場合には、接続端面から、溝をオフセットさせて形成することが望ましい。また、反射率制御体を溝のみで形成する場合には、反射面となる接続端面側の溝の壁面は、接続端面と平行に形成することが望ましい。
　本実施形態では、光機能素子の入出力部が同じ接続面にあるコの字型の導波路レイアウトにおいても、入力側および出力側それぞれの反射戻り光強度プロファイルを取得し、反射戻り光強度プロファイルにより、それぞれのコア位置を推定することでＺ軸回転のずれをあらかじめ調整することが可能になる。
　このように基板上に設けられた光信号処理を行う光機能素子と光回路素子をハイブリッド集積した集積型光デバイスにおいて、光機能素子の調心用入出力構造として入出力導波路の近傍に反射率制御体を設ける工夫により、端面からの反射戻り光プロファイルは、端面構造境界部での反射光強度のコントラストが大きくなるため、調心用ポートを設けずとも、コア位置の推定が容易となり、突合せ結合において効率よく位置合わせすることが可能になり、簡便な突合せ光結合によりなされた集積型光デバイスを提供することが可能となる。
　実施例１は、信号光入力用および出力用光導波路とそれに対応する突合せ結合用の入出力光導波路を備えたＳｉＰチップにより構成される光回路素子と、光回路素子の突合せ結合用の入出力光導波路と突合せ結合する光信号の入出力導波路を含む調心用入出力構造を備えたＩｎＰチップにより構成される光機能素子で構成される集積型光デバイスである。
　このような集積型光デバイスの例としては、本発明の一実施形態として図５に示した集積型光変調デバイスがある。この集積型光変調デバイスは、電気信号により光の位相を変化させる位相変調導波路と突合せ結合用光導波路で構成され、コの字型の光導波路配置により光信号の入出力導波路が片側端面に配置された光変調素子を光機能素子として用いる。光回路素子の入力導波路に入力された光は、突合せ結合部を介して光変調素子側に光結合されたのち、位相変調導波路により位相変調された光信号へ変換され、ふたたび突合せ結合部を介して光回路素子に光結合されたのち、偏波ローテータと偏波ビームコンバイナにより偏波合成されて出力される。
　ここでは、接続テスト用デバイスとして、このような集積型光変調デバイスから位相変調部を除いたコの字型の折り返し導波路により構成される光機能素子と、偏波ローテータ、偏波ビームコンバイナを除いた信号光入出力導波路と突合せ結合用入出力導波路を備えた光回路素子による集積型光デバイスを構成した。そして、この集積型光デバイスの光機能素子と光回路素子の突合せ結合の調心を、実施例１として、反射率制御体を含む調心用入出力構造を備えたものと、比較例として、反射率制御体のないものを作成して、それらの接続端面からの反射戻り光強度のプロファイルを測定することにより行った。
　図８は、実施例１と比較例１の集積型光デバイスの光回路構成を示す図である。光回路素子８２０は、プラットフォームとして、サイズが縦２．５ｍｍ、横２．０ｍｍ、厚みが０．６２９５ｍｍで、膜厚３．０μｍのＳｉＯ２アンダークラッドと膜厚０．２２μｍで幅０．５μｍのＳｉコア、膜厚１．５μｍのＳｉＯ２オーバークラッドが、板厚０．６２５ｍｍのＳｉ基板上に形成されているＳｉフォトニクスチップである。
　光回路素子８２０の信号光の入出力は片方の長辺側から行い、反対の長辺側を光機能素子と接続する。光機能素子との接続のため、接続端面は研磨されている。光回路素子８２０には、信号光入力導波路８２１および信号光出力導波路８２２と、突合せ結合用の入出力導波路として、突合せ結合用入力導波路８２３および突合せ結合用出力導波路８２４とが設けられている。
　また、信号光入力導波路８２１と突合せ結合用入力導波路８２３との間、信号光出力導波路８２２と突合せ結合用出力導波路８２４との間には、Ｓ字型の導波路構造８２５，８２６がそれぞれ設けられている。このＳ字型の光導波路構造により、信号光入力用導波路８２１と突合せ結合用入力導波路８２３との光軸、および信号光出力用導波路８２２と突合せ結合用出力導波路８２４との光軸がずらされており、迷光などを防止することができる。
　光回路素子８２０に対して突合せ結合する光機能素子８１０は、サイズが縦２．５ｍｍ、横４．０ｍｍ、基板厚０．２５ｍｍで、ＩｎＰ基板をアンダークラッドとし、幅２．０μｍ、厚さ０．３μｍの化合物半導体コア、およびオーバークラッドとしてＩｎＰが膜厚２．０μｍで堆積されているＩｎＰチップである。
　光機能素子８１０の短辺側の一方に光回路素子の突合せ結合用入出力導波路と突合せ結合される入出力導波路として、光入力導波路８１１と光出力導波路８１２が設けられている。光入力導波路８１１と光出力導波路８１２から構成されている入出力導波路はコの字型であり、光入力導波路８１１から光出力導波路８１２に光信号が伝搬される。光機能素子８１０の一方の端面である接続端面８３０の光入力導波路８１１と光出力導波路８１２の近傍には、調心用入出力構造８３１および８３２が設けられている。図９に示すように、調心用入出力構造８３１および８３２には、それぞれの導波路の両脇に、屈折率１．５の樹脂で充填された溝９０４および９０５で構成される反射率制御体が設けられている。この反射率制御体は、接続端面に光を入射した際にコア９０２、クラッドおよび基板とは、反射率が異なる領域を形成する。溝はコア９０２の底面に対してさらに２μｍ深く形成され、コア中心から溝壁面までは３μｍ、溝幅は２μｍとなっている。なお、光機能素子および光回路素子について上述した各部の寸法は、例示のために示すものであって、これ以外であってもよい。
　図９は、実施例1の光機能素子の調心用入出力構造の接続端面のスキャン位置とスキャン位置に対応する反射戻り光強度プロファイルの関係を示す図である。図９（ａ）は、Ｘスキャンについて、図９（ｂ）は、Ｙスキャンについて示されている。
　図９（ａ）および図９（ｂ）の下の図は、実施例１の光機能素子の入出力導波路である光入力導波路８２１および光出力導波路８２２の近傍に設けられる調心用入出力構造８３１および８３２の接続端面側から見た構造と各スキャン位置が示されている。
　実施例２の調心用入出力構造には、入出力導波路の光を伝搬する領域を構成するコア９０２とその周囲のクラッド層からなる導波路領域９０３のコア９０２の両脇に樹脂が充填された溝９０４および９０５からなる反射率制御体が形成されている。この溝９０４および９０５は、図６に示した実施形態の調心用出力構造の反射率制御体と同様に形成されている。
　図１０は、比較例１の光機能素子の入出力部の接続端面のスキャン位置とスキャン位置に対応する反射戻り光強度プロファイルの関係を示す図である。この比較例１は、実施例１との比較のために、実施例１と同じ構造の光機能素子と光回路素子を接続した集積回路デバイスであって、反射率制御体を設けていない。図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、図９と同様に、それぞれＸスキャンとＹスキャンについてのスキャン位置とスキャン位置に対応した反射戻り光強度プロファイルを示している。図１０（ａ）および図１０（ｂ）の下側の構造図は、比較例１の光機能素子の光入力導波路および光出力導波路の近傍の接続端面側から見た構造を示している。図１０（ａ）および図１０（ｂ）では、コア１００２の両脇に反射率制御体が形成されていない。
（プリアライメントのための反射戻り光強度プロファイルの取得）
　つぎに、この実施例１を用いて、光機能素子の入出力導波路と光回路素子の導波路との突合せ結合のために行うプリアライメントを実行する方法について説明する。この実施例１の集積回路デバイスにおいて、入力側のプリアライメントのために、図８に示すように、光回路素子８２０の信号光入力導波路８２１からサーキュレータ８４１を介して波長１．５５μｍの光を入力し、反射戻り光強度を取得しながら光回路素子をＸ、Ｙ方向にスキャンし、光機能素子の入力側の接続端面からの反射戻り光強度プロファイルを取得した。同様に出力側のプリアライメントのために、光回路素子の信号光出力導波路８２２からサーキュレータ８４２を介して光を入力して、反射戻り光強度を取得することで光機能素子の出力側の接続端面の反射戻り光強度プロファイルも取得した。
　実施例１の光機能素子では、反射率制御体が形成されている領域での反射戻り光強度が大きい。そのため、図９（ａ）のＸスキャンの反射戻り光強度プロファイルでは、Ｂ－Ｂ’線上をスキャンした際の反射戻り光強度プロファイルＢＢ’に反射率制御体に対応する２つのピークが発生している。この２つのピークのスキャン位置と反射率制御体の位置が対応付けられることから、戻り光強度プロファイルによって、反射率制御体の位置が推定できる。そして、下の図に示したスキャン位置とコア９０２、溝９０４、９０５との関係から、反射率制御体の位置に対応する２つのピークのスキャン位置の間にコアがあることが推定できる。つぎに、図９（ｂ）のＹスキャンの戻り光強度プロファイルを見ると、Ｄ－Ｄ’線上をスキャンした際の反射戻り光強度プロファイルＤＤ’には、反射率制御体に対応する１つのピークが発生している。このピークのスキャン位置と反射率制御体の位置が対応付けられることから、反射率制御体の位置が推定できる。そして、構造図に示すコア９０２と溝９０４の位置関係から、反射戻り光強度プロファイルＤＤ´のピーク中央にコアがあることを推定できる。
　実施例１では、光機能素子の接続端面の反射戻り光強度プロファイルを用いて推定した反射率制御体の位置に基づいてコアの位置を推定する。そして、推定したコアの位置に基づいて、光機能素子の入力導波路および出力導波路にそれぞれ突合せ結合される光回路素子の突合せ結合用の入出力導波路の位置ずれを修正することでプリアライメントを完了する。このとき、入力導波路側および出力導波路側の反射戻り光強度プロファイルからそれぞれ推定されたコア位置とスキャン座標との関係に基づいて、Ｚ軸回転のずれを求めることができる。
　これに対して、比較例の光機能素子は、反射率制御体を備える調心用入出力構造が設けられていないため、実施例１と同様の方法で、反射戻り光強度プロファイルを取得したとしても、図１０（ａ）のＸスキャンの戻り光強度プロファイルのＢ－Ｂ’線上をスキャンした反射戻り光強度プロファイルＢＢ’とＣ－Ｃ’線上をスキャンした反射戻り光強度プロファイルＣＣ’は、ほぼ同じとなる。したがって、反射率制御体を欠く比較例１では、実施例１のようにＸ方向スキャンの反射戻り光強度プロファイルによっては、Ｘスキャンが端面のどの位置（Ｂ－Ｂ’線上なのか、Ｃ－Ｃ’線上なのか）で行われたのかを判別することができない。また、実施例１のように反射戻り光強度プロファイルにピークがないのでコア位置を推定することができない。また、図１０（ｂ）のＹスキャンの戻り光強度プロファイルによっても、同様にＤ－Ｄ’線上をスキャンした反射戻り光強度プロファイルＤＤ’と、Ｅ－Ｅ’線上をスキャンした反射戻り光強度プロファイルＥＥ’はほぼ同じとなる。したがって、Ｙスキャンの戻り光強度プロファイルによっても、Ｙスキャンが端面のどの位置（Ｄ－Ｄ’線上なのか、Ｅ－Ｅ’線上なのか）で行われたのかを判別することができない。なお、光機能素子の接続端面には上述したように反射防止膜が設けられており、接続端面の反射率は空気よりも小さく、オーバークラッドと空気の境界で反射戻り光強度は変わる。したがって、反射戻り光強度が変化するＹ方向のスキャン位置をオーバークラッドと空気との境界位置であると推定し基準にすることでコア位置を大まかに推定することはできる。しかしながら、空気とオーバークラッドとでは反射戻り光強度の差は小さく、しかも、反射戻り光の強度は、徐々に変化するため、コア位置を正確に推定することはむつかしい。特に、プリアライメントの段階では、光機能素子と光回路素子の接続端面を固定する際に用いる接続用接着剤は導入されていないことが多い。その場合には、接続用接着剤の存在を前提として設計される反射防止膜を備える接続端面の反射率は高くなっており、空気とオーバークラッドで反射戻り光強度の差は小さくなる。
　以上のように、実施例１の反射率制御体と入出力導波路を含む調心用入出力構造を設けた光機能素子を用いて、光回路素子の入出力導波路とを突合せ結合した集積回路デバイスを構成すれば、反射戻り光強度プロファイルに基づいて推定したコア位置とスキャン座標との関係によりプリアライメントを簡便に行うことができ、調心用ポートを設けることなく、精度よくプリアライメントすることが可能となり、簡便な突合せ光結合によりなされた集積型光デバイスを提供できる。
　実施例２は、実施例１と同じ信号光入力用および出力用光導波路とそれに対応する突合せ結合用の入出用光導波路を備えたＳｉＰチップにより構成される光回路素子と、光回路素子の突合せ結合用の入出力用光導波路と突合せ結合する光信号の入出力光導波路を含む調心用入出力構造を備えたＩｎＰチップにより構成される光機能素子で構成される集積型光デバイスである。本実施例２では、実施例１の調心用入出力構造の反射率制御体に代えて、導波路のコアの両脇に導波路の光伝搬方向に沿って並んで形成された長さの異なる複数の溝で構成される反射率制御体を設けた。実施例２の集積型光デバイスの光回路素子と光機能素子の構造やサイズ等は、反射率制御体を除き、実施例１と同じである。
　図１１は、実施例２の調心用入出力構造を示す図である。図１１（ａ）は、調心用入出力構造１１００を上から見た図、図１１（ｂ）は、調心用入出力構造１１００を接続端面側から見た図である。実施例２の調心用入出力構造は、光を伝搬する領域を構成するコア１１０２とその周囲のクラッド層からなる導波路領域１１０３のコア１１０２の両脇に、それぞれ導波路領域により構成される導波路の光伝搬方向に沿って並んで形成された複数個ずつの溝で構成される反射率制御体を備えている。図１１に例示のために示す調心用入出力構造では、導波路のコアの両脇に、それぞれ３つずつ、溝１１０４，溝１１０５，溝１１０６および溝１１０７、溝１１０８、溝１１０９が形成されており、各３つの溝の基板の上面および接続端面に平行な方向（図のＸ方向）の寸法である幅がそれぞれ異なっている。それぞれの溝は、底面がコア１１０２の底面に対してさらに２μｍ深く形成され、コア中心から各溝のコア側の壁面までの距離は２μｍ、Ｚ方向の寸法である長さは１．５μｍである。各溝の幅は、それぞれ、端面に近い方から２μｍ、４μｍ、６μｍとなっている。なお、実施例２の集積型光デバイスの光機能素子および光回路素子について上述した各部の寸法は、例示のために示すものであって、これ以外であってもよい。
　各溝は、いずれも接続端面から離れた位置に形成されており（接続端面よりオフセットされ）、いずれの溝も端面に至らないように形成されている。実施例２の反射率制御体を構成する溝には、実施例１のように樹脂は充填されてないことから、溝の壁面には、基板材料と空気の界面が形成される。各溝の接続端面に近い側の溝の壁面が反射面となり接続端面に照射された光が、この溝の壁面で反射して反射戻り光となる。反射面を構成する各溝の接続端面に近い側の壁面は、接続端面と平行に形成されていることが望ましい。溝の位置が接続端面から近い方が、接続端面と反射面が近いため反射戻り光強度は大きくなり、溝の位置が接続端面から遠い方が反射戻り光強度は小さくなる。そのため、図１１（ｂ）に示すように、入出力部端面には、コアの両脇に、反射率がそれぞれ異なる領域１１１０、領域１１１１、領域１１１２からなる反射率制御体１１２０、および反射率がそれぞれ異なる領域１１１３、領域１１１４、領域１１１５からなる反射率制御体１１２１がそれぞれ形成される。
　図１２は、実施例２の光機能素子の調心用入出力構造の接続端面のスキャン位置とスキャン位置に対応する反射戻り光強度プロファイルの関係を示す図である。図１２では、実施例１と同様の方法で取得した実施例２の反射戻り光強度プロファイルを示している。図１２（ａ）は、Ｘスキャンについて、図１２（ｂ）は、Ｙスキャンについてのものが示されている。図１２（ａ）の反射戻り光強度プロファイルから、実施例２によっても実施例１と同様に、Ｘスキャンの反射戻り光強度プロファイルのＢＢ’の２つのピークの間にコアがあることが推定できる。図１２（ｂ）の反射戻り光強度プロファイルから、Ｙ方向のスキャンの反射戻り光強度プロファイルの、ＤＤ’のピークの中央にコアがあることを推定できる。
　上述したように、実施例２の反射率制御体は、３つの反射率が異なる領域が形成されており、コアに近い領域１１１０、および領域１１１３の反射率が最も大きく、領域１１１１および領域１１１４、領域１１１２および領域１１１５の順に小さくなっている。
　図１２（ａ）のＸスキャンのＢ－Ｂ’線上をスキャンした場合は、各領域上を順番にスキャンしていくことから、反射戻り光強度プロファイルＢＢ’を見ると、推定コア中心から外側に向かうにしたがって反射戻り光強度が急峻に上がったのち、階段状に徐々に下がっていくプロファイルとなっている。この反射戻り光強度プロファイルの２つのピークの形状を利用することにより、実施例２では、実施例１に比べてスキャン位置を把握することがより容易になる。
　実施例１では、Ｘスキャンの反射戻り光強度プロファイルの２つのピークは、いずれも左右対称の形状である。そのため、最初のスキャン位置において反射戻り光強度を取得し、その後に右方向へスキャン位置をスライドさせながら取得した反射戻り光強度が小さくなった場合、スキャン位置がコアに近づいている（左側のピークに対応する位置にある）のか、離れている（左側のピーク位置に対応する位置にある）のかを判断することができない。このため、実施例１では、スキャン位置を大きくスライドさせて反射戻り光強度プロファイルを取得して確認する必要があり、スキャン位置の確認に時間を要する。
　これに対して、実施例２では、最初のスキャン位置において反射戻り光強度を取得し、その後に右方向へスキャン位置をスライドさせながら取得した反射戻り光強度が急激に小さくなった場合は、スキャン位置はコアに近づいている（左側のピークに対応する位置にある）と判断できる。そして、反射戻り光強度が段階的に徐々に小さくなっていく場合は、スキャン位置がコアから離れていっている（右側のピークに対応する位置にある）と判断できる。
　本実施例２の反射率制御体を構成する各溝は、いずれも接続端面から離れた位置に形成されており（接続端面よりオフセットされ）、いずれの溝も端面に至らないように形成されている。このため、実施例２の溝には、接続端面の固定に用いられる紫外線硬化樹脂などの接着剤が溝に流入しにくい構造になっている。上述したように、接続端面の接着剤として紫外線硬化樹脂などを用いる場合、接続端面の間に接着剤を予め充填してから調心することがある。このような場合であっても、溝内に接着剤が流入し、溝の端面と溝内部の媒質との屈折率差が小さくなる結果、明確な反射戻り光プロファイルが得られなくなることを防止することができる。
　以上のように、実施例２の反射率制御体と入出力導波路を含む調心用入出力構造を設けた光機能素子により、光回路素子との突合せ結合において反射戻り光のプロファイルを測定することで、調心用ポートを設けることなく、精度よくプリアライメントすることが可能となり、簡便な突合せ光結合によりなされた集積型光デバイスを提供できる。
　実施例３は、実施例１と同じ信号光入力用および出力用光導波路とそれに対応する突合せ結合用の入出力光導波路を備えたＳｉＰチップにより構成される光回路素子と、光回路素子の突合せ結合用の入出力光導波路と突合せ結合する入出力導波路を含む調心用入出力構造を備えたＩｎＰチップにより構成される光機能素子で構成される集積型光デバイスである。本実施例３では、実施例１の調心用入出力構造の反射率制御体に代えて、入出力導波路のコアの両脇に、深さが異なる複数の底面を有する溝で構成される反射率制御体を設けた。実施例３の集積型光デバイスの光回路素子と光機能素子の構造やサイズ等は、反射率制御体を除き、実施例１と同じである。
　図１３は、実施例３の調心用入出力構造を示す図である。図１３（ａ）は、調心用入出力構造１３００を上から見た図、図１３（ｂ）は、調心用入出力構造１３００を接続端面側から見た図である。
　実施例３の調心用入出力構造は、光を伝搬する領域を構成するコア１３０２とその周囲のクラッド層からなる導波路領域１３０３のコア１３０２の両脇に、溝１３１０で構成される反射率制御体１３３０および溝１３２０で構成される反射率制御体１３４０を備えている。この反射率制御体は、接続端面に光を入射した際にコア、クラッドおよび基板とは、反射率が異なる領域を形成する。
　図１３に例示のために示す調心用入出力構造は、導波路の両脇の溝１３１０が２つの異なる深さの底面１３１１，１３１２を、溝１３２０が、２つの異なる深さの底面１３２１，１３２２を備えている。それぞれの溝１３１０および１３２０は、コア中心から溝のコア側の壁面までの距離は２μｍ、溝の長さは５μｍである。また、溝１３１０および１３２０の底面はコアの底面に対してさらに２μｍ深い面と、コア底面に対してさらに６μｍ深い面とから構成されており、各深さの底面は、それぞれ幅２μｍで形成されている。なお、実施例３の集積型光デバイスの光機能素子および光回路素子について上述した各部の寸法は、例示のために示すものであって、これ以外であってもよい。
　図１４は、実施例３の光機能素子の調心用入出力構造の接続端面のスキャン位置とスキャン位置に対応する反射戻り光強度プロファイルを示している。実施例３においても実施例１と同様の方法により、反射戻り光強度プロファイルを取得した。図１４（ａ）は、実施例３のＸスキャンの反射戻り光強度プロファイルが、図１４（ｂ）には、実施例３のＹスキャンの反射戻り光強度プロファイルが示されている。
　上述したように、実施例３の反射率制御体は、深さの異なる２つの底面を備える溝により構成されていることから、図１４（ａ）に示すように、Ｘスキャンの反射戻り光強度プロファイルには、Ｂ－Ｂ’線上をスキャンした反射戻り光強度プロファイルＢＢ’および、Ｃ－Ｃ’線上をスキャンした反射戻り光強度プロファイルＣＣ’にそれぞれ２つのピークが生じている。したがって、実施例３でも実施例１と同様に、反射戻り光強度プロファイルＢＢ’とＣＣ’の２ピークの間にコアがあることが推定できる。またピーク間の狭い反射戻り光強度プロファイルのスキャン位置が、Ｂ－Ｂ’線上に対応するコアに近いスキャン位置であることがわかる 。そして、Ｙスキャンの反射戻り光強度プロファイルは、Ｄ－Ｄ’線上をスキャンした反射戻り光強度プロファイルＤＤ’と、Ｅ－Ｅ’線上をスキャンした反射戻り光強度プロファイルＥＥ’とのピーク幅の違いから、ピーク幅の狭いＥＥ’のピークの中央にコアがあることが推定できる。このように、実施例３によっても、反射戻り光強度プロファイルを用いたコア位置の推定を実施例１と同じように行うことができる。
　さらに、この実施例３は、反射率制御体を構成する溝を複数の深さの底面を有するように構成したことから、端面から見た反射率制御体の形状は、それぞれ階段状となっている。したがって、実施例３においては、反射戻り光強度を取得しながら、光機能素子または光回路素子をＸ－Ｙ方向にずらしてスキャンし、反射戻り光強度が大きく変化する部分を見つけ出してトレースする境界スキャンによっても、コア位置を推定することできる。
　以下、図１５を参照して、この境界スキャンについて具体的に説明する。実施例３の調心用入出力構造１３００において、反射戻り光強度が大きく変化する部分は、図１５のＡ－Ａ’の点線で示している、反射率制御体１３３０、１３４０とクラッドとの境界部分および反射率制御体１３３０と反射率制御体１３４０の間のコア１３０２を含むクラッド部分の上面の境界部分のいずれかである。したがって、調心用入出力構造の接続端面において、反射戻り光強度が大きく変化する部分を順次トレースすると、図１５のように反射率制御体の境界を含むＡ－Ａ’示す点線をトレースすることができる。この反射戻り光強度が大きく変化する境界部分をトレースした結果から、調心用入出力構造の断面形状とスキャン座標との位置関係を対応付けることが可能となり、その位置関係からコア位置を推定することができる。
　実施例３は、深さの異なる複数の底面により２以上の段差を備える特徴的な断面形状を備える反射率制御体であることから、実施例１や実施例２のような矩形状である場合と比較してつぎのような利点を備える。チップ上にほかの反射構造があった場合でも、反射率制御体の形状が特徴的であることから、ほかの反射構造と区別してスキャンした部分が反射率制御体であることを確認する手がかりとなる。また、反射戻り光強度が大きく変化する境界部分のトレース中において、反射率制御体のどの部分をトレースしているのかを実施例１や実施例２のような矩形状よりも容易に推定可能となる。
　このように、実施例３の反射率制御体を用いる場合には、実施例１のようなＸスキャンおよびＹスキャンを繰り返してコア位置を推定するだけでなく、境界スキャンにより反射戻り光強度が大きく変化する境界を１回だけトレースして辿ることで断面形状を推定し、それによりコア位置を推定可能である。
　以上のように、実施例３の反射率制御体と入出力導波路を含む調心用入出力構造を設けた光機能素子により、光回路素子との突合せ結合において反射戻り光のプロファイルを測定することで、調心用ポートを設けることなく、精度よくプリアライメントすることが可能となり、簡便な突合せ光結合によりなされた集積型光デバイスを提供できる。
　本発明は、光通信システムに応用可能な集積型光デバイスに利用することができる。特に、光導波路からなる光機能素子の入出力導波路と光回路素子の入出力導波路とを調心して接着することで突合せ結合されている集積型光デバイスに関する。

Claims (8)

  1. 　基板上にコアとクラッドからなる光導波路が設けられた光機能素子において、
    　前記基板の端面に設けられた光信号の入力導波路または出力導波路と、
    　前記コアの近傍に設けられ、前記端面に対して光を入射した際に前記コア、前記クラッドおよび前記基板と反射率の異なる領域を形成する反射率制御体とを備え、
    　前記光機能素子の前記入力導波路または前記出力導波路が、前記端面を介して別の導波路と突合せ結合されて接着されていることを特徴とする集積型光デバイス。
  2. 　前記入力導波路から入力された光が前記出力導波路から出力される経路が配置され、
    前記入力導波路および前記出力導波路が前記端面に設けられ、
    前記端面を介して前記光機能素子への信号光の入出力が行われる
    ことを特徴とする請求項１記載の集積型光デバイス。
  3. 　前記光機能素子の前記基板がＳｉあるいはＩｎＰであり、
    　前記別の導波路がＳｉ基板上に設けられている
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の集積型光デバイス。
  4. 　前記反射率制御体として、前記コアの両脇に前記コアの底面以上の深さを有する溝がそれぞれ設けられ、各前記溝が、前記コア、前記クラッド、および前記基板と異なる屈折率を有する樹脂で充填されていることを特徴とする請求項１または２に記載の集積型光デバイス。
  5. 　前記反射率制御体として、前記コアの両脇に前記コアの底面以上の深さを有する溝がそれぞれ設けられ、各前記溝が前記端面に達することなく形成されており、各前記溝の前記端面側の壁面は、前記端面と平行に形成されている
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の集積型光デバイス。
  6. 　前記反射率制御体として、前記コアの両脇に前記溝がそれぞれ２つ以上設けられ
    ている
    ことを特徴とする請求項５に記載の集積型光デバイス。
  7. 　前記反射率制御体として、前記コアの両脇に前記コアの底面以上の深さを有する溝がそれぞれ設けられ、各前記溝が、深さの異なる複数の底面を有する
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の集積型光デバイス。
  8. 　基板上にコアとクラッドからなる光導波路が設けられた光機能素子であって、
    　前記基板の端面に設けられた光信号の入力導波路または出力導波路と、
    　前記コアの近傍に設けられ、前記端面に対して光を入射した際に前記コア、前記クラッドおよび前記基板と反射率の異なる領域を形成する反射率制御体とを備えた光機能素子と、
    接続用の入力導波路または出力導波路を備える光回路素子とを前記端面を介した突合せ結合するための調心において、
    　前記光回路素子の光入力に配置したサーキュレータまたはカプラにより分岐された反射戻り光の光強度をモニタし、
    　前記光機能素子または前記光回路素子を移動させながらスキャンすることで、前記端面の断面形状に応じた前記反射戻り光の光強度のプロファイルのピークとなる位置から、スキャン位置と前記端面の反射率制御体が形成する前記反射率の異なる領域との位置の対応を推定して調心する
    ことを特徴とする集積型光デバイスのアライメント方法。
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