WO2024069887A1 - 導波路と光ファイバを結合する装置、これを用いた量子光回路、及び装置の作製方法 - Google Patents

導波路と光ファイバを結合する装置、これを用いた量子光回路、及び装置の作製方法 Download PDF

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optical
waveguide
fiber
optical waveguide
optical fiber
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PCT/JP2022/036554
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俊樹 岩井
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富士通株式会社
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Publication date
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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
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F3/00—Optical logic elements; Optical bistable devices

Definitions

  • This disclosure relates to a device for coupling a waveguide to an optical fiber, a quantum optical circuit using the same, and a method for fabricating the device.
  • One type of quantum computer is the diamond spin quantum computer, which treats the electron spin, nuclear spin, and photon spin (circularly polarized) in diamond as quantum bits. Photons are also used in quantum communication because of their long information retention time, and are expected to be applied to quantum networks. Nitrogen-vacancy (NV) color centers and silicon-vacancy (SiV) color centers in diamond are known as single-photon sources that emit a single spin or photon. Photons extracted from the color centers are coupled from the diamond waveguide to a single-mode optical fiber and detected by a detector (for example, see Non-Patent Document 1).
  • Non-Patent Document 2 As a method of optical coupling from an optical fiber to an optical waveguide, a configuration is known in which an optical fiber with a tapered tip is brought into contact with an optical waveguide with a tapered tip to couple adiabatically (see, for example, Non-Patent Document 2).
  • a configuration is desired in which multiple optical waveguides and multiple single-mode fibers are connected with high efficiency. In this case, it is desirable to stably hold multiple single-mode fibers together in a fiber array.
  • connection position accuracy 100 nm or less is required.
  • manufacturing accuracy of optical fibers and fiber arrays is about ⁇ 1 ⁇ m, resulting in variation in optical coupling efficiency for each optical fiber.
  • the taper of the optical waveguide and the taper of the optical fiber are simply in contact in a microscopic area, coupling misalignment can easily occur due to external vibrations.
  • a device with improved coupling reliability and a quantum optical circuit using the same are provided.
  • the apparatus comprises: a waveguide chip having a cladding layer and an optical waveguide formed on the cladding layer; an optical fiber optically connected to the optical waveguide; Equipped with the cladding layer has a hollow below a coupling region where the optical waveguide is optically connected to the optical fiber; The optical waveguide contacts the optical fiber at the coupling region and bends in the stacking direction of the waveguide chip within the hollow interior.
  • FIG. 1A and 1B are diagrams showing technical issues in evanescent coupling using a tapered structure.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a waveguide-fiber coupling structure as an example of an apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the bonding area of FIG. 2.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a first variant of the waveguide-fiber coupling structure;
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a second variant of the waveguide-fiber coupling structure;
  • FIG. 13 is a schematic diagram of a third variant of the waveguide-fiber coupling structure.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of a fourth variant of the waveguide-fiber coupling structure.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of a fifth variant of the waveguide-fiber coupling structure.
  • FIG. 1A to 1C are diagrams showing the process for producing a waveguide chip.
  • 1A to 1C are diagrams showing the process for producing a waveguide chip.
  • 1A to 1C are diagrams showing the process for producing a waveguide chip.
  • 1A to 1C are diagrams showing the process for producing a taper at the tip of an optical fiber.
  • 1A to 1C are diagrams showing the process for producing a taper at the tip of an optical fiber.
  • FIG. 1 is a diagram of a stress analysis model of an optical waveguide.
  • FIG. 1 is a diagram showing stress distribution and maximum stress points.
  • 1 is a diagram showing the relationship between the amount of overlap between an optical fiber and a waveguide and the amount of energy propagation.
  • FIG. 13 illustrates energy propagation into a waveguide with different amounts of overlap.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a quantum optical circuit using the device of an embodiment.
  • Figure 1 shows the technical issues in optical coupling using a tapered structure.
  • Figure 1 (A) is a top view, (B) is a cross-sectional view along the optical axis AX of (A), and (C) is a cross-sectional view of (A) taken along the A-A line.
  • the optical axis AX or the propagation direction of light is the X direction
  • the height or stacking direction of the optical waveguide 113 is the Z direction
  • the direction perpendicular to the X direction and the Z direction is the Y direction.
  • the optical waveguide 113 is formed on the cladding layer 112, and the tip of a single-mode optical fiber 120 is brought into contact with the optical waveguide 113 to optically connect the optical waveguide 113 and the optical fiber 120.
  • the optical fiber 120 is held in a V-groove 132 of a fiber holder 130 to stabilize the connection.
  • the optical waveguide 113 has a taper 113t at the end where it is coupled to the optical fiber 120.
  • the optical fiber 120 has a taper 120t at the end where it is coupled to the optical waveguide 113.
  • the cross-sectional areas of the taper 113t of the optical waveguide 113 and the taper 120t of the optical fiber 120 change gradually in the propagation (X) direction, achieving adiabatic coupling.
  • “Adiabatic coupling” is coupling that maintains a single mode and keeps all the power or energy within that mode. In other words, light is coupled between the optical fiber 120 and the optical waveguide 113 while maintaining a particular mode, without loss of power or energy, or the generation of other modes.
  • the optical fiber 120 and the optical waveguide 113 are only lightly in contact with each other at the tapers 120t and 113t.
  • the positional accuracy of the optical waveguide 113 is determined by the processing accuracy of the optical waveguide 113 by the semiconductor process.
  • the manufacturing accuracy of the fiber holding base 130 and the optical fiber 120 is much lower than the processing accuracy of the optical waveguide 113, and there is a variation of several microns in the position of the V groove 132 and the diameter of the optical fiber 120.
  • connection positional accuracy of 100 nm or less is required, but the diameter and the position of the V groove 132 vary for each optical fiber 120 or each fiber holding base 130, and positional deviations of ⁇ x, ⁇ y, and ⁇ z occur in the X direction, Y direction, and Z direction, respectively.
  • positional deviation problems become more pronounced when multiple optical waveguides 113 and multiple optical fibers 120 are connected in parallel.
  • the taper 120t of the optical fiber 120 is only in contact with the taper 113t of the optical waveguide 113, even slight external vibrations can easily cause the contact to come off, resulting in loss of optical coupling.
  • At least one of the alignment accuracy in the connection between the optical waveguide and the optical fiber and the resistance to external vibrations is improved to increase the reliability of the coupling between the waveguide and the optical fiber.
  • a part of the cladding layer supporting the optical waveguide is removed to make a hollow space directly below the coupling region where the optical waveguide and the optical fiber are coupled.
  • the optical waveguide contacts the core of the optical fiber at its coupling end, and the weight of the core causes the optical waveguide to bend in the stacking direction in the hollow space.
  • the coupling area between the optical waveguide and the optical fiber may be coated with an inert gas. In this case, resistance to external vibrations will be improved, further improving the reliability of the coupling.
  • the configuration of a device for coupling a waveguide and an optical fiber is described below with reference to the drawings.
  • the device for coupling a waveguide and an optical fiber is referred to as a "waveguide-fiber coupling structure" for convenience.
  • the following description is intended to embody the technical ideas of this disclosure, and unless otherwise specified, this disclosure is not limited to the following description.
  • elements having the same function or configuration may be given the same reference numerals, and duplicated descriptions may be omitted.
  • the size and positional relationship of each component in each drawing may be exaggerated.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the waveguide-fiber coupling structure 1 of the embodiment.
  • FIG. 2A is a top view
  • FIG. 2B is a cross-sectional view along the optical axis AX.
  • the direction of the optical axis AX is the X direction
  • the height or stacking direction of the optical waveguide is the Z direction
  • the direction perpendicular to the X direction and the Z direction is the Y direction.
  • the waveguide-fiber coupling structure 1 is applied to, for example, a quantum optical circuit, and guides photons emitted from a single photon source to a photodetector.
  • a quantum dot single photon source a complex vacancy center in diamond or Si, or an NV color center can be used.
  • the propagation of photons in the red wavelength band generated by optical excitation in an NV color center in diamond or silicon carbide (SiC) is assumed.
  • the waveguide-fiber coupling structure 1 has a waveguide chip 10 and an optical fiber 20 optically coupled to an optical waveguide 13 formed on the waveguide chip 10.
  • the waveguide chip 10 has a cladding layer 12 formed on a substrate 11, and an optical waveguide 13 formed on the cladding layer 12.
  • the optical fiber 20 is a single mode fiber with an outer diameter of the cladding 22 of 125 ⁇ m, and a diameter of the core 21 of 6 to 9 ⁇ m.
  • the cladding 22 is quartz, and the core 21 is, for example, Ge-doped quartz with germanium (Ge) added to increase the refractive index.
  • the optical waveguide 13 and the core 21 of the optical fiber 20 are optically connected at the coupling region C.
  • the optical waveguide 13 may have a taper 13t that tapers toward the coupling region C.
  • the core 21 of the optical fiber 20 may also have a taper 21t that tapers toward the coupling region C.
  • the taper angle and taper length of the tapers 13t and 21t are controlled so that adiabatic coupling is obtained, that is, so that a single mode is maintained without generating other modes.
  • the substrate 11 is any substrate capable of supporting the cladding layer 12 and the optical waveguide 13.
  • An insulating substrate such as glass, quartz, sapphire, magnesium oxide (MgO), or a semi-insulating substrate such as silicon (Si) or germanium (Ge) without intentionally doped impurities may be used.
  • a plastic substrate such as polycarbonate, polyethylene naphthalate, or acrylic resin may be used.
  • the cladding layer 12 is formed of a material having a lower refractive index than the optical waveguide 13, and for example, a silicon oxide (SiO 2 ) film may be used.
  • the optical waveguide 13 is formed of a material having a higher refractive index than the cladding layer 12 and transparent to visible light including the red wavelength band.
  • a diamond crystal thin film As the optical waveguide 13, a diamond crystal thin film, a sapphire (Al 2 O 3 single crystal) thin film, a silicon nitride (SiN) thin film, an aluminum nitride (AlN) thin film, or the like may be used.
  • a portion of the cladding layer 12 of the waveguide chip 10 is removed to provide a hollow 15 directly below the coupling region C between the optical waveguide 13 and the core 21 of the optical fiber 20.
  • the optical waveguide 13 comes into contact with the tip of the core 21 of the optical fiber 20 at the coupling region C, and the weight of the core 21 causes the hollow 15 to bend in the -Z direction (the stacking direction of the waveguide chip 10).
  • the cladding layer 12 forming the hollow 15 is removed down to the surface of the substrate 11 to clearly show the configuration, but the depth of the hollow 15 need only be deep enough to absorb the bending in the -Z direction of the connection between the optical waveguide 13 and the core 21.
  • the bottom surface 15a of the hollow 15 may be located shallower than the surface of the substrate 11.
  • the waveguide chip 10 may be provided with a fiber guide 123 that guides the core 21 of the optical fiber 20 into the hollow 15.
  • the fiber guide 123 extends from the end face 121 of the waveguide chip 10 to the hollow 15, and guides the tip of the core 21 of the optical fiber 20 to the coupling region C.
  • the fiber guide 123 has a shape that matches the taper 21t of the core 21.
  • the taper 21t is a cone that is long in the optical axis direction, and the fiber guide 123 is a V-groove, rectangular groove, U-groove, or the like that receives the side of the cone.
  • the fiber guide 123 By providing the fiber guide 123, the accuracy of aligning the optical waveguide 13 and the core 21 in the Y direction is improved.
  • the fiber guide 123 is formed by photolithography and etching in the semiconductor process, and its processing accuracy is as high as that of the formation of the optical waveguide 13. Even if there is a variation of about ⁇ 1 ⁇ m in the manufacturing accuracy of the optical fiber 20 and the fabrication accuracy of the fiber holding base 30 that holds the optical fiber 20, the fiber guide 123 can guide the tip of the core 21 into the hollow 15, so that the tips of the optical waveguide 13 and the core 21 can come into contact with each other with high accuracy.
  • Figure 3 is an enlarged view of the coupling region.
  • the optical waveguide 13 and the tip of the core 21 of the optical fiber 20 are in contact over a predetermined distance d.
  • tapers 13t and 21t are provided at the tips of the optical waveguide 13 and core 21, respectively, at least one of the width and height of the optical waveguide 13 gradually decreases continuously toward the tip.
  • Photons propagating through the optical waveguide 13 are coupled to the core 21 by the evanescent field seeping out from the optical waveguide 13.
  • the distance d is designed so that energy propagation in the coupling region C is maximized, that is, so that optical loss is minimized, as described below.
  • the weight of the core 21 of the optical fiber 20 causes both the optical waveguide 13 and the core 21 to bend within the hollow 15, making it easier to align the optical waveguide 13 and the core 21 in the X and Z directions.
  • the fiber guide 123 is formed in the waveguide chip 10, misalignment in the Y direction is also suppressed.
  • the fiber guide 123 may be machined into a shape that corresponds to the inclination of the taper 21t. In this case, by fitting the core 21 to the fiber guide 123, misalignment in not only the Y direction but also the X direction can be suppressed.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a waveguide-fiber coupling structure 1A as a first modified example.
  • FIG. 4A is a top view
  • FIG. 4B is a cross-sectional view along the optical axis AX.
  • the waveguide-fiber coupling structure 1A at least the portions of the optical waveguide 13 and the optical fiber 20 included in the coupling region C are covered with an inert gas coating 18.
  • the entire optical fiber 20 and the optical waveguide 13 including the coupling region C are covered with an inert gas coating 18.
  • the inert gas coating 18 is formed as follows.
  • the entire waveguide-fiber coupling structure 1A is placed in a chamber set to an extremely low temperature of about 4 K ( ⁇ 269° C.).
  • argon (Ar) gas (melting point ⁇ 189° C.) is introduced into the chamber by an electromagnetic valve, and Ar is evaporated onto the surfaces of the optical fiber 20 and the optical waveguide 13 including the coupling region C.
  • the inert gas coating 18 ensures a secure physical bond in the coupling region C, and significantly improves resistance to external vibrations. However, resistance to external vibrations is improved even without the inert gas coating 18, due to the flexible connection in the -Z direction in the coupling region C and the guidance of the core 21 by the fiber guide 123. If the inert gas coating 18 is provided, the waveguide-fiber coupling structure 1A must be used in an environment below -189°C. For example, when using a quantum dot single-photon source, the single-photon source and the waveguide-fiber coupling structure 1A may be housed inside the same cooler. The configuration of Figure 4 further improves the reliability of the coupling between the optical waveguide 13 and the optical fiber 20.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a waveguide-fiber coupling structure 1B, which is a second modified example.
  • FIG. 5A is a top view
  • FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line II of FIG. 5A.
  • a part of the outer circumference of the optical fiber is held together with the taper 21t of the core 21 on the end face 121 side of the waveguide chip 10B.
  • a groove 114 that receives the outer circumference of the clad 22 of the optical fiber 20 is formed on the end face 121 of the waveguide chip 10B, and the groove 114 holds the outer circumference of the optical fiber 20.
  • a fiber guide 123B that communicates with the groove 114 is provided in the clad layer 12 of the waveguide chip 10B.
  • the optical fiber 20 is fixed in the groove 114, and the taper 21t of the core 21 is fitted into the fiber guide 123B. Since the tip face of the clad 22 hits the back of the groove 114 of the waveguide chip 10B, the position of the optical fiber 20 in the X direction is automatically determined.
  • the groove 114 and fiber guide 123B formed in the waveguide chip 10B are formed by a semiconductor process, and have high processing precision.
  • the configuration in FIG. 5 suppresses misalignment of the optical fiber 20 itself relative to the waveguide chip 10B, improving alignment precision in the X and Y directions.
  • the configuration in FIG. 5 may be combined with a fiber holding stand 30. Even if there is variation in precision of molding or machining of the fiber holding stand 30, the groove 114 and fiber guide 123B in the waveguide chip 10B can correct or absorb precision variations of the optical fiber 20 and fiber holding stand 30.
  • the configuration in FIG. 5 further improves the reliability of the coupling between the optical waveguide 13 and the optical fiber 20.
  • ⁇ Third Modification> 6 is a schematic diagram of a waveguide-fiber coupling structure 2 which is a third modified example.
  • a plurality of optical waveguides 13-1, 13-2 are formed on a cladding layer 12C of a waveguide chip 10C.
  • the optical waveguides 13-1 and 13-2 are coupled to corresponding optical fibers 20-1 and 20-2, respectively.
  • the optical fibers 20-1 and 20-2 may be held by a fiber holder 30C to form an optical fiber array.
  • the optical waveguide 13-1 and the optical fiber 20-1 are optically coupled in the coupling region C-1, and the optical waveguide 13-2 and the optical fiber 20-2 are optically coupled in the coupling region C-2.
  • the optical coupling in the coupling regions C-1 and C-2 may be adiabatic coupling.
  • Hollows 15-1 and 15-2 are formed directly below the coupling regions C-1 and C-2.
  • the optical waveguide 13-1 and the optical fiber 20-1 are in contact with each other and bent in the -Z direction, as shown in FIG. 3.
  • the optical waveguide 13-2 and the optical fiber 20-2 are in contact with each other and bent in the -Z direction. This suppresses misalignment of the coupling in the Z direction and the X direction in each of the coupling regions C-1 and C-2.
  • Fiber guides 123-1 and 123-2 may be provided on the end face 121 side of the waveguide chip 10C.
  • the core 21 of the optical fiber 20-1 and the tip of the core 21 of the optical fiber 20-2 are fixed, and misalignment in the Y direction is suppressed.
  • the fiber guides 123-1 and 123-2 are formed in a shape corresponding to the inclination of the taper of the core 21, thereby suppressing misalignment in both the Y direction and the X direction.
  • the guide configuration on the end face 121 side of the waveguide chip 10C may be configured to hold a part of the outer circumference of the optical fiber 20, as shown in FIG. 5. In this case, misalignment of the optical fibers 20-1 and 20-2 themselves with respect to the waveguide chip 10C is suppressed, and the optical fibers 20-1 and 20-2 can be stabilized.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a waveguide-fiber coupling structure 3, which is a fourth modified example.
  • FIG. 7A is a top view
  • FIG. 7B is a cross-sectional view along the optical axis AX.
  • the waveguide-fiber coupling structure 3 has a hollow 15D immediately below the coupling region C between the optical waveguide 13 and the core 21 of the optical fiber 20.
  • the hollow 15D becomes wider toward the end face 121 of the waveguide chip 10D or the coupling region C.
  • the shape or size of the hollow 15D there is no particular limit to the shape or size of the hollow 15D, as long as the tip of the optical waveguide 13 and the tip of the core 21 of the optical fiber 20 (or the taper 21t) can be brought into contact with each other and bent in the -Z direction.
  • the hollow 15D By making the hollow 15D wider toward the tip of the optical waveguide 13 and narrower toward the rear end of the hollow, the spacing between the optical fibers can be narrowed when multiple optical fibers are mounted, enabling high-density optical input and output.
  • the planar shape of hollow 15D in the XY plane is not limited to a triangle surrounded by straight lines as in FIG. 7, but may be a shape that expands in an exponential curve toward coupling region C.
  • Fig. 8 is a schematic diagram of a waveguide-fiber coupling structure 4 which is a fifth modified example.
  • the waveguide-fiber coupling structure 4 is an extension of the waveguide-fiber coupling structure 3 of Fig. 7 to a plurality of arrays.
  • a plurality of optical waveguides 13-1 and 13-2 are formed in a waveguide chip 10E.
  • the optical waveguides 13-1 and 13-2 are coupled to corresponding optical fibers 20-1 and 20-2.
  • the optical fibers 20-1 and 20-2 may be held by a fiber holder 30E to form a fiber array.
  • the optical waveguide 13-1 and the optical fiber 20-1 are optically coupled at the coupling region C-1, and the optical waveguide 13-2 and the optical fiber 20-2 are optically coupled at the coupling region C-2.
  • Hollows 15E-1 and 15E-2 are formed directly below the coupling regions C-1 and C-2.
  • the optical waveguide 13-1 and the optical fiber 20-1 come into contact and are deflected in the -Z direction.
  • the optical waveguide 13-2 and the optical fiber 20-2 come into contact and are deflected in the -Z direction. This allows positional deviations in the Z and X directions to be absorbed in the coupling regions C-1 and C-2, respectively.
  • the shape of the hollows 15E-1 and 15E-2 narrows the space between the optical fibers 20-1 and 20-2, enabling high-density optical input and output.
  • fiber guides 123-1 and 123-2 are provided on the waveguide chip 10E, the positions of the core of optical fiber 20-1 and the core of optical fiber 20-2 are fixed, and misalignment in the Y direction is also suppressed.
  • the tip of the core of optical fiber 20 has a taper 21t, fiber guides 123-1 and 123-2 are formed according to the inclination of the taper of the core, thereby suppressing misalignment in both the Y direction and the X direction.
  • FIGS. 9A to 9D are diagrams showing the steps of manufacturing a waveguide chip.
  • the waveguide chip 10B shown in FIG. 5 is manufactured as a waveguide chip.
  • a substrate 11 for the waveguide chip is prepared, and a cladding layer 12 and a core layer 23 are formed on the entire surface.
  • the substrate 11 is any substrate capable of supporting the cladding layer 12 and the core layer 23.
  • An Si substrate is used as an example.
  • the cladding layer 12 is formed of a material having a lower refractive index than the core layer 23, and may be SiO2, magnesium fluoride ( MgF2 ), calcium fluoride ( CaF2 ), or the like.
  • the cladding layer 12 of SiO2 is formed.
  • a Si substrate with a thermal oxide film may be used.
  • a core layer 23 is formed on the cladding layer 12.
  • the core layer 23 is formed of a material having a higher refractive index than the cladding layer 12 and being transparent to the wavelength of the photon to be detected.
  • a material having a higher refractive index than SiO2 and transparent to visible light is used, such as diamond, sapphire ( Al2O3 single crystal), SiN, AlN, etc.
  • a single crystal thin film of Al2O3 having a thickness of several hundred nanometers is formed as a core layer 23 on the cladding layer 12 of SiO2 by vapor phase growth in a high vacuum or reduced pressure vapor phase growth.
  • the core layer 23 is processed to form the optical waveguide 13.
  • (A) is a cross-sectional view along the optical axis (X-axis), and (B) is a cross-sectional view taken along the line II-II of (A).
  • the core layer 23 is covered with an electron beam resist, and a resist mask in the shape of the optical waveguide 13 is formed by electron beam exposure and development.
  • the core layer 23 (see Figure 9A) is etched using the resist mask as a protective film to form the optical waveguide 13.
  • an optical waveguide 13 with a thickness of 200 nm and a width of 800 nm is formed. If a taper 13t is to be provided at the tip of the optical waveguide 13, the optical waveguide 13 is etched at this stage so that at least one of the width and height of the optical waveguide 13 decreases continuously and gradually toward the tip.
  • a groove 114 for holding the fiber and a fiber guide 123 are formed.
  • (A) is a cross-sectional view along the optical axis (X-axis), and
  • (B) is a cross-sectional view taken along III-III of (A).
  • Electron beam resist is applied to the entire surface of the substrate on which the optical waveguide 13 is formed.
  • a resist mask is formed by electron beam exposure and development, which exposes only the area where the groove 114 is to be formed, and the groove 114 is formed by etching.
  • the groove 14 may be formed by ordinary photolithography and etching. The resist mask is then removed, new electron beam resist is applied, and the fiber guide 123 is formed by the same process.
  • the hollow 15 is formed.
  • a mask covering the entire surface except the region where the hollow 15 is to be formed is formed by photolithography, and the cladding layer 12 in a predetermined range is etched and removed by vaporized hydrofluoric acid.
  • Si is easily etched by fluorine atoms, but Al is not easily etched by fluorine atoms.
  • the etching selectivity of hydrofluoric acid gas to SiO 2 and Al 2 O 3 is large, and the cladding layer 12 of SiO 2 can be removed without almost eroding the optical waveguide 13 formed of a single crystal thin film of Al 2 O 3.
  • Hydrofluoric acid gas is a reactive gas, and isotropic dry etching is possible.
  • the hollow 15 is formed over a predetermined region directly below the optical waveguide 13.
  • the bottom surface 15a of the hollow 15 reaches the surface of the substrate 11, but since it is sufficient to secure a space for the optical waveguide 13 and the core 21 of the optical fiber 20 to bend in the -Z direction, it is not necessary for the bottom surface 15a of the hollow 15 to reach the surface of the substrate 11.
  • the depth of the hollow 15 can be designed appropriately.
  • FIG. 10A and 10B show the process of forming a taper 21t at the tip of the optical fiber 20.
  • FIG. 10A (A) is a top view, and (B) is a cross-sectional view taken along the line A-A of (A).
  • the tip surfaces of the optical fibers 20-1 and 20-2 are aligned, and the optical fibers 20-1 and 20-2 are placed in the V-groove 32 of the fiber holder 30, fixed with resin 34, and covered with a cover 135.
  • the cover 135 is provided to facilitate handling during tip processing of the optical fibers 20-1 and 20-2, and may be removed after the taper is formed.
  • the tips of optical fibers 20-1 and 20-2 protruding from fiber holder 30 are immersed in a hydrofluoric acid solution and gradually pulled up. Due to the difference in dissolution rate between the core and cladding of the optical fiber in the hydrofluoric acid solution, the cladding is removed preferentially. Also, the longer the time the core tip is immersed in the hydrofluoric acid solution, the thinner it becomes.
  • the taper angle of the core tip is controlled by the pulling speed of optical fiber 20, the hydrofluoric acid concentration in the solution, etc. This wet etching forms tapers 21t on each of optical fibers 20-1 and 20-2.
  • the optical fibers 20-1 and 20-2 on which the tapers 21t are formed are connected to the optical waveguides 13-1 and 13-2 (see FIG. 6) on the waveguide chip.
  • the array of the optical fibers 20-1 and 20-2 fixed to the fiber holder 30 is placed on a piezo stage with a three-axis actuator, and the tapers 21t are guided to the fiber guide 123 of the waveguide chip. While observing the microscope image and optical loss by irradiating test light, the tips of the tapers 21t of the optical fibers 20-1 and 20-2 are overlapped with the optical waveguides 13-1 and 13-2 floating above the hollow 15, and the position at which the optical loss is minimized is determined.
  • the optical waveguides 13-1 and 13-2 are bent downward (in the ⁇ Z direction) inside the hollow 15 while maintaining contact with the optical fibers 20-1 and 20-2. This method results in a waveguide-fiber coupling structure with improved coupling reliability.
  • ⁇ Analysis of coupling between optical waveguide and optical fiber> 11 shows a stress analysis model of the optical waveguide 13 protruding from the hollow 15 of the waveguide chip 10.
  • a 2 ⁇ m thick SiO 2 cladding layer 12 is provided on a Si substrate 11, and a sapphire optical waveguide 13 having a width of 800 nm and a thickness of 200 nm is provided on the cladding layer 12.
  • Figure 12 shows the stress distribution and the maximum stress point.
  • a maximum stress of 150 MPa is applied in the -Z direction.
  • the maximum stress point MX is the contact point between the upper end of the cladding layer 12 that forms the hollow 15 and the optical waveguide 13.
  • the breaking stress of sapphire, the material of the optical waveguide 13, is approximately 170 MPa.
  • the optical waveguide 13 can bend within the hollow 15 if the amount of bending is 0.1 ⁇ m/20 ⁇ m or less.
  • the length of the optical waveguide 13 that protrudes into the hollow 15 due to an adiabatic change in cross-sectional area is 200 ⁇ m, it can bend 1 ⁇ m in the -Z direction.
  • the optical waveguide 13 itself may change in shape to a tapered shape before reaching the hollow 15.
  • the entire length of the taper of the optical waveguide 13 may be 1 mm, of which 400 ⁇ m may protrude into the hollow 15.
  • Figure 13 shows the relationship between the overlap amount ( ⁇ m) of the optical fiber and the waveguide in the coupling region C and the amount of energy propagation.
  • the energy propagation amount on the vertical axis is the relative energy propagation amount when the input is set to 1.
  • a negative overlap amount value indicates a state in which the optical waveguide and the core of the optical fiber are not in contact, but the light that exits the core propagates through the air and couples to the optical waveguide.
  • the overlap amount between the optical waveguide 13 and the optical fiber 20 is 0 ⁇ m or more and 90 ⁇ m or less, preferably 0 ⁇ m or more and 70 ⁇ m or less.
  • the overlap amount is 0 ⁇ m to 60 ⁇ m, preferably 5 ⁇ m to 60 ⁇ m, and more preferably 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the tip of the optical fiber core 21 bends together with the optical waveguide 13 into the hollow 15 following the displacement of the optical waveguide 13, maintaining contact between the optical waveguide 13 and the optical fiber 20, and obtaining the desired optical coupling.
  • Figure 14 shows the energy propagation when the overlap amounts are (1), (2), and (3) in Figure 13.
  • the overlap amount (1) is 100 ⁇ m
  • the overlap amount (2) is 10 ⁇ m
  • the overlap amount (3) is -50 ⁇ m.
  • the amount of energy propagation from the optical fiber to the waveguide is the largest when the overlap amount is (2), and decreases in the order of (1) and (3).
  • light can be coupled even if the waveguide and the optical fiber are not in contact. It is not the case that the more the contact amount between the waveguide and the optical fiber, the better; there is a contact length that is suitable for energy propagation, i.e., optical coupling.
  • the preferred contact length is greater than 0 ⁇ m and less than 60 ⁇ m, and preferably greater than 5 ⁇ m and less than 60 ⁇ m.
  • ⁇ Quantum Optical Circuits> 15 is a schematic diagram of a quantum optical circuit 100 using a waveguide-fiber coupling structure 5 according to an embodiment.
  • the waveguide-fiber coupling structure 5 may have any of the configurations shown in FIGS. 2 to 8, or a combination thereof.
  • four optical waveguides 13-1, 13-2, 13-3, and 13-4 are formed in the waveguide chip 10, and are connected to four single-mode optical fibers 20-1, 20-2, 20-3, and 20-4 (collectively referred to as "optical fibers 20" as appropriate) by the waveguide-fiber coupling structure 5.
  • the waveguide-fiber coupling structure 5 has hollows 15-1, 15-2, 15-3, and 15-4 (collectively referred to as “hollows 15" as appropriate), and in each hollow 15, the tip of the optical waveguide 13 and the tip of the optical fiber 20 are in contact.
  • the end of the waveguide chip 10 opposite the waveguide-fiber coupling structure 5 is connected to a photon source 40.
  • the photon source 40 has independent single-photon sources 41-1, 41-2, 41-3, and 41-4 (collectively referred to as “single-photon sources 41" as appropriate).
  • Single photon sources 41-1, 41-2, 41-3, and 41-4 are, for example, NV color centers formed at appropriate intervals in diamond. NV color centers may be formed by irradiating a diamond crystal thin film containing a predetermined concentration of N impurity with heavy ions such as xenon (Xe) to displace carbon (C) elements and form atomic vacancies. Photons generated by single photon sources 41 travel through the corresponding optical waveguides 13.
  • the waveguide chip 10 may be formed with a gate that manipulates one quantum bit (giving a predetermined rotation) or a gate that acts on two quantum bits.
  • detector 45 is a detector in which organic chiral molecules are introduced into an inorganic material such as a halogenated perovskite, and directly detects right-handed and left-handed polarized photons.
  • the outputs of detectors 45-1, 45-2, 45-3, and 45-4 may be converted into voltage signals and input to a general-purpose information processing device.
  • the tips of the corresponding optical waveguides and optical fibers overlap each other and bend in the -Z direction while maintaining contact, so that misalignment of the coupling in the Z and X directions can be suppressed.
  • the waveguide chip 10 is provided with a fiber guide that guides the tip of the core of the optical fiber 20, misalignment in the Y direction between the optical waveguide 13 and the optical fiber 20 is also suppressed. Since the reliability of the coupling is improved in each of the coupling regions C-1 to C-4, the reliability of the operation of the quantum optical circuit 100 is improved.
  • the optical waveguide 13 and the optical fiber 20 are coated with an inert gas at least in the coupling regions C-1 to C-4, the resistance to external vibrations is further improved, and the reliability of the quantum optical circuit 100 is further improved.
  • the inert gas coating 18 can be applied to all of the above-described waveguide-fiber coupling structures, and the fiber guide configuration of FIG. 5 can be applied to all of the above-described waveguide-fiber coupling structures.
  • the waveguide-fiber coupling configuration and quantum optical circuit of the embodiment can be applied to quantum computing, quantum information communication, quantum optics, cryptography, etc.
  • Waveguide-fiber coupling structure 10A-10E, 10B 11 Substrate 12 Cladding layer 13, 13-1, 13-2, 13-3, 13-4 Optical waveguide 13t Taper 15, 15-1, 15-2, 15-3, 15-4 Hollow 18 Coating 20, 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 Optical fiber 21 Core 21t Taper 22 Cladding 23 Core layer 30, 30, 30C, 30D, 30E Fiber holder 40 Photon source 41-1, 41-2, 41-3, 41-4 Single photon source 45-1, 45-2, 45-3, 45-4 Detector 100 Quantum optical circuit 114 Groove 123, 123B Fiber guide AX Optical axis C, C-1, C-2, C-3, C-4 binding region

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Abstract

導波路と光ファイバの結合の信頼性の向上した装置を提供する。装置は、クラッド層（１２）と前記クラッド層（１２）の上に形成された光導波路（１３）とを有する導波路チップ（１０）と、前記光導波路（１３）と光学的に接続される光ファイバ（２０）と、を備え、前記クラッド層（１２）は、前記光導波路（１３）が前記光ファイバ（２０）に光学的に接続される結合領域（Ｃ）の下に中空（１５）を有し、前記光導波路（１３）は、前記結合領域（Ｃ）で前記光ファイバ（２０）に接触し、前記中空（１５）の内部で前記導波路チップ（１０）の積層方向にたわむ。

Description

導波路と光ファイバを結合する装置、これを用いた量子光回路、及び装置の作製方法
　本開示は、導波路と光ファイバを結合する装置、これを用いた量子光回路、及び装置の作製方法に関する。
　量子コンピューティングの発展と実用化に向けて、多くの研究がなされている。量子コンピュータの一つに、ダイヤモンド中の電子スピン、核スピン、及び光子のスピン（円偏光）を量子ビットとして扱うダイヤモンドスピン方式の量子コンピュータがある。光子は情報保持時間が長いことから量子通信にも用いられ、量子ネットワークへの適用が期待されている。単一のスピンまたは光子を放出する単一光子源として、ダイヤモンド中の窒素‐空孔（ＮＶ）カラーセンター、シリコン‐空孔（ＳｉＶ）カラーセンター等が知られている。カラーセンターから取り出された光子は、ダイヤモンド導波路からシングルモード光ファイバに結合され、検出器で検出される（たとえば、非特許文献１参照）。
　光ファイバから光導波路への光結合として、先端がテーパ状に細くなった光ファイバと先端がテーパ状に細くなった光導波路とを接触させて、断熱的に結合する構成が知られている（たとえば、非特許文献２参照）。複数の量子ビットで演算するためには、複数の光導波路と複数のシングルモードファイバを高効率で接続する構成が望まれる。この場合、複数のシングルモードファイバをファイバアレイで一括して、安定的に保持することが望ましい。
特開平２－３１０５０７号公報 特開平９－０６１７６９号公報 特開平９－０６１６７４号公報
SCIENCE Vol. 354, Issue 6314, pp. 847-850 (2016) Optica Vol. 2, Issue 2, pp. 70-75 (2015)
　先端がテーパ状の光導波路と先端がテーパ状の光ファイバとを結合する場合、１００ｎｍ以下の接続位置精度が求められる。これに対し、光ファイバやファイバアレイの製造精度は±１μｍ程度であるため、光ファイバごとに光結合効率のばらつきが生じる。また、光導波路のテーパと光ファイバのテーパは微細な領域で単に接触しているだけなので、外部振動により容易に結合ずれが起きる。本開示の一つの側面では、結合の信頼性を向上した装置と、これを用いた量子光回路を提供する。
　一実施形態における装置は、
　クラッド層と、前記クラッド層の上に形成された光導波路とを有する導波路チップと、
　前記光導波路と光学的に接続される光ファイバと、
を備え、
　前記クラッド層は、前記光導波路が前記光ファイバに光学的に接続される結合領域の下に中空を有し、
　前記光導波路は、前記結合領域で前記光ファイバに接触し、前記中空の内部で前記導波路チップの積層方向にたわむ。
　結合の信頼性を向上した装置と、これを用いた量子光回路が実現される。
テーパ構造を用いたエバネッセント結合における技術課題を示す図である。 実施形態の装置の一例である導波路‐ファイバ結合構造の模式図である。 図２の結合領域の拡大図である。 導波路‐ファイバ結合構造の第１の変形例の模式図である。 導波路‐ファイバ結合構造の第２の変形例の模式図である。 導波路‐ファイバ結合構造の第３の変形例の模式図である。 導波路‐ファイバ結合構造の第４の変形例の模式図である。 導波路‐ファイバ結合構造の第５の変形例の模式図である。 導波路チップの作製工程図である。 導波路チップの作製工程図である。 導波路チップの作製工程図である。 導波路チップの作製工程図である。 光ファイバ先端のテーパの作製工程図である。 光ファイバ先端のテーパの作製工程図である。 光導波路の応力解析モデルの図である。 応力分布と最大応力点を示す図である。 光ファイバと導波路の重なり量とエネルギー伝搬量の関係を示す図である。 異なる重なり量での導波路へのエネルギー伝搬を示す図である。 実施形態の装置を用いた量子光回路の模式図である。
　図１は、テーパ構造を用いた光結合における技術課題を示す。図１の（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）の光軸ＡＸに沿った断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＡ－Ａ断面図である。図１の座標系で、光軸ＡＸまたは光の伝搬方向をＸ方向、光導波路１１３の高さまたは積層方向をＺ方向、Ｘ方向とＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。クラッド層１１２の上に光導波路１１３が形成されており、光導波路１１３にシングルモードの光ファイバ１２０の先端を接触させて、光導波路１１３と光ファイバ１２０を光学的に接続する。光ファイバ１２０は、接続の安定化のためにファイバ保持台１３０のＶ溝１３２に保持されている。
　光導波路１１３は、光ファイバ１２０と結合される端部にテーパ１１３ｔを有する。光ファイバ１２０は、光導波路１１３と結合される端部にテーパ１２０ｔを有する。光導波路１１３のテーパ１１３ｔと光ファイバ１２０のテーパ１２０ｔの断面積は、伝搬（Ｘ）方向に緩やかに変化し、断熱的な結合を実現する。「断熱的な結合」とは、単一のモードを維持し、かつすべてのパワーまたはエネルギーをそのモード内に維持する結合である。換言すると、パワーまたはエネルギーの損失なしに、または他のモードを発生させずに、特定のモードを維持して光ファイバ１２０と光導波路１１３の間で光が結合される。
　光ファイバ１２０と光導波路１１３は、テーパ１２０ｔとテーパ１１３ｔで軽く接触しているだけである。光導波路１１３の位置精度は、半導体プロセスによる光導波路１１３の加工精度で決まる。一方、ファイバ保持台１３０や光ファイバ１２０の製造精度は、光導波路１１３の加工精度よりもはるかに低く、Ｖ溝１３２の位置や光ファイバ１２０の径に、数ミクロンのばらつきが存在する。テーパ構造を用いた断熱的な結合では、１００ｎｍ以下の接続位置精度が求められるが、光ファイバ１２０ごとに、あるいはファイバ保持台１３０ごとに、直径やＶ溝１３２の位置がばらつき、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のそれぞれで、Δｘ、Δｙ、Δｚの位置ずれが生じる。このような位置ずれの問題は、複数の光導波路１１３と複数の光ファイバ１２０を並列して接続する場合に、より顕著になる。さらに、光ファイバ１２０のテーパ１２０ｔは光導波路１１３のテーパ１１３ｔに接触しているだけなので、わずかな外部振動で容易に接触が外れ、光結合が損なわれる。
　実施形態では、光導波路と光ファイバの接続における位置合わせ精度と、外部振動に対する耐性の少なくとも一方を向上して、導波路と光ファイバとの結合の信頼性を高める。これを実現するために、光導波路を支持するクラッド層の一部を除去して、光導波路と光ファイバが結合される結合領域の直下を中空にする。光導波路はその結合端で光ファイバのコアと接触し、コアの重みで中空の中で積層方向にたわむ。光導波路と光ファイバとの光軸方向の接触距離を最適化することで、光導波路がたわんでも、光ファイバのコアは撓みに追従し、光結合が維持される。中空内での光導波路と光ファイバコアのたわみにより、高さ（Ｚ）方向と光軸（Ｘ）方向の位置合わせのマージンが大きくなる。
　光導波路が形成された導波路チップに、光ファイバの先端を中空内へ案内するファイバガイドを設ける場合は、Ｘ方向とＹ方向の位置合わせ精度が向上する。光導波路と光ファイバの結合領域に不活性ガスのコーティングを施してもよい。この場合、外部振動に対する耐性が向上し、結合の信頼性がさらに向上する。
　以下で図面を参照して、導波路と光ファイバを結合する装置の構成を説明する。実施形態では、導波路と光ファイバを結合する装置を、便宜上「導波路-ファイバ結合構造」と呼ぶ。以下の説明は、本開示の技術思想を具現化するためのものであり、特段の断りがない限り、本開示を以下の記載に限定するものではない。各図面で、同一の機能または構成を有する要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略する場合がある。発明の理解を容易にするために、各図における各構成要素のサイズや位置関係は誇張して描かれている場合がある。
　＜基本構成＞
　図２は、実施形態の導波路‐ファイバ結合構造１の模式図である。図２の（Ａ）は上面図、（Ｂ）は光軸ＡＸに沿った断面図である。図１と同様に、光軸ＡＸの方向をＸ方向、光導波路の高さまたは積層方向をＺ方向、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。導波路‐ファイバ結合構造１は、たとえば量子光回路に適用され、単一光子源から出射された光子を光検出器に導く。単一光子源として、量子ドット単一光子源、ダイヤモンドやＳｉ中の複合空孔センターやＮＶカラーセンターを用いることができる。実施形態では、ダイヤモンドや炭化シリコン（ＳｉＣ）中のＮＶカラーセンターで、光励起により発生した赤色波長帯の光子の伝搬を想定する。
　導波路‐ファイバ結合構造１は、導波路チップ１０と、導波路チップ１０に形成された光導波路１３に光学的に結合される光ファイバ２０とを有する。導波路チップ１０は、基板１１の上に形成されたクラッド層１２と、クラッド層１２の上に形成された光導波路１３を有する。光ファイバ２０は、クラッド２２の外径が１２５μｍのシングルモードファイバであり、コア２１の径は６～９μｍである。クラッド２２は石英、コア２１は、たとえばゲルマニウム（Ｇｅ）を添加して屈折率を高めたＧｅ添加石英である。
　光導波路１３と光ファイバ２０のコア２１は、結合領域Ｃで光学的に接続されている。光導波路１３は結合領域Ｃに向かって先細りになるテーパ１３ｔを有していてもよい。光ファイバ２０のコア２１も、結合領域Ｃに向かって先細りになるテーパ２１ｔを有していてもよい。この場合、テーパ１３ｔとテーパ２１ｔは断熱的な結合が得られるように、すなわち、他のモードを発生させずに単一のモードが維持されるように、テーパ角とテーパ長が制御されている。
　基板１１は、クラッド層１２と光導波路１３を支持できる任意の基板である。ガラス、石英、サファイア、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの絶縁性基板や、意図的な不純物添加がなされていないシリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの半絶縁性基板を用いてもよい。あるいは、ポリカーボネート、ポリエチレンナフタレート、アクリル系樹脂等のプラスチック基板を用いてもよい。クラッド層１２は、光導波路１３よりも屈折率の低い材料で形成されており、たとえばシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜を用いることができる。光導波路１３は、クラッド層１２よりも屈折率が高く、かつ、赤色波長帯を含む可視光に透明な材料で形成されている。光導波路１３として、ダイヤモンド結晶薄膜、サファイア（Ａｌ２Ｏ３単結晶）薄膜、窒化シリコン（ＳｉＮ）薄膜、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜等を用いることができる。
　導波路チップ１０のクラッド層１２の一部が除去されて、光導波路１３と光ファイバ２０のコア２１との結合領域Ｃの直下に、中空１５が設けられている。光導波路１３は、結合領域Ｃで光ファイバ２０のコア２１の先端と接触し、コア２１の重みにより中空１５の内部で－Ｚ方向（導波路チップ１０の積層方向）にたわむ。図２では、構成をわかりやすく示すために、中空１５を形成するクラッド層１２は基板１１の表面まで除去されているが、中空１５の深さは、光導波路１３とコア２１の接続部の－Ｚ方向へのたわみを吸収できる深さであればよい。中空１５の底面１５ａは、基板１１の表面よりも浅い位置にあってもよい。結合領域Ｃで光導波路１３と光ファイバ２０のコア２１を重ね合わせて、光導波路１３をコア２１とともに中空１５の中にたわませることで、Ｚ方向とＸ方向の位置ずれ、または結合ずれを抑制することができる。
　導波路チップ１０に、光ファイバ２０のコア２１を中空１５に案内するファイバガイド１２３が設けられてもよい。ファイバガイド１２３は、導波路チップ１０の端面１２１から中空１５まで延びて、光ファイバ２０のコア２１の先端を結合領域Ｃへと案内する。コア２１にテーパ２１ｔが設けられているときは、ファイバガイド１２３はコア２１のテーパ２１ｔに整合する形状を有している。テーパ２１ｔは光軸方向に長い円錐形であり、ファイバガイド１２３は、円錐の側面を受け取るＶ溝、矩形溝、Ｕ溝等である。
　ファイバガイド１２３を設けることで、光導波路１３とコア２１とのＹ方向の位置合わせ精度が向上する。ファイバガイド１２３は、半導体プロセスのフォトリソグラフィとエッチングで形成され、その加工精度は光導波路１３の形成と同程度に高い。光ファイバ２０の製造精度や、光ファイバ２０を保持するファイバ保持台３０の作製精度に±１μｍ程度のばらつきがあっても、ファイバガイド１２３でコア２１の先端を中空１５内へ案内することで、光導波路１３とコア２１の先端同士を高精度に接触させることができる。
　図３は、結合領域の拡大図である。結合領域Ｃで、光導波路１３と、光ファイバ２０のコア２１の先端が、所定の距離ｄにわたって接触している。光導波路１３とコア２１の先端部にそれぞれテーパ１３ｔとテーパ２１ｔが設けられている場合は、光導波路１３の幅と高さの少なくとも一方が、先端に向かって連続して緩やかに減少する。光導波路１３を伝搬した光子は、光導波路１３から染み出すエバネッセント場により、コア２１へと結合する。距離ｄは、後述するように、結合領域Ｃでのエネルギー伝搬が最も大きくなるように、すなわち、光損失が最小となるように設計されている。
　上述したとおり、光ファイバ２０のコア２１の重みにより、光導波路１３とコア２１がともに中空１５内にたわむことで、光導波路１３とコア２１のＸ方向とＺ方向の位置合わせが容易になる。導波路チップ１０にファイバガイド１２３が形成されているときは、Ｙ方向への位置ずれも抑制される。コア２１にテーパ２１ｔが設けられている場合は、ファイバガイド１２３を、テーパ２１ｔの傾きに応じた形状に加工してもよい。この場合、コア２１をファイバガイド１２３にフィットさせることで、Ｙ方向だけではなく、Ｘ方向の位置ずれも抑制できる。
　＜第１の変形例＞
　図４は、第１の変形例である導波路‐ファイバ結合構造１Ａの模式図である。図４の（Ａ）は上面図、（Ｂ）は光軸ＡＸに沿った断面図である。導波路‐ファイバ結合構造１Ａでは、光導波路１３と光ファイバ２０のうち、少なくとも結合領域Ｃに含まれる部分が、不活性ガスのコーティング１８で覆われている。図４の例では、結合領域Ｃを含む光ファイバ２０と光導波路１３の全体が、不活性ガスのコーティング１８で覆われている。不活性ガスのコーティング１８は、以下のようにして形成される。導波路‐ファイバ結合構造１Ａの全体を、４Ｋ（－２６９℃）程度の極低温に設定されたチャンバー内に配置する。電磁弁でチャンバー内に、たとえば、アルゴン（Ａｒ）ガス（融点－１８９℃）を導入することで、結合領域Ｃを含む光ファイバ２０と光導波路１３の表面にＡｒを蒸着する。
　不活性ガスのコーティング１８により、結合領域Ｃでの物理的な接合が確実になり、外部振動に対する耐性が格段に向上する。もっとも、結合領域Ｃでの－Ｚ方向へのたわみ接続と、ファイバガイド１２３によるコア２１の案内により、不活性ガスのコーティング１８がなくても、外部振動に対する耐性は向上している。不活性ガスのコーティング１８を設ける場合は、導波路‐ファイバ結合構造１Ａを－１８９℃よりも低い環境で使用しなければならない。たとえば、量子ドット単一光子源を用いる場合に、単一光子源と導波路‐ファイバ結合構造１Ａを同じ冷却器の内部に収容して用いてもよい。図４の構成で、光導波路１３と光ファイバ２０の結合の信頼性がさらに向上する。
　＜第２の変形例＞
　図５は、第２の変形例である導波路‐ファイバ結合構造１Ｂの模式図である。図５の（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ－Ｉラインに沿った断面図である。導波路‐ファイバ結合構造１Ｂでは、導波路チップ１０Ｂの端面１２１側で、コア２１のテーパ２１ｔとともに、光ファイバの外周の一部を保持する。導波路チップ１０Ｂの端面１２１に、光ファイバ２０のクラッド２２の外周を受け取る溝１１４を形成して、溝１１４で光ファイバ２０の外周を保持する。溝１１４と連通するファイバガイド１２３Ｂを、導波路チップ１０Ｂのクラッド層１２に設ける。光ファイバ２０を溝１１４に固定し、コア２１のテーパ２１ｔをファイバガイド１２３Ｂにフィットさせる。クラッド２２の先端面が、導波路チップ１０Ｂの溝１１４の奥に突き当たるので、光ファイバ２０のＸ方向の位置が自動的に決まる。
　導波路チップ１０Ｂに形成される溝１１４やファイバガイド１２３Ｂは、半導体プロセスで形成され、加工精度は高い。図５の構成により、導波路チップ１０Ｂに対する光ファイバ２０自体の位置ズレが抑制され、Ｘ方向とＹ方向の位置合わせ精度が向上する。図５の構成に、ファイバ保持台３０を組み合わせてもよい。ファイバ保持台３０にモールディングや機械加工の精度ばらつきがあっても、導波路チップ１０Ｂの溝１１４とファイバガイド１２３Ｂにより、光ファイバ２０やファイバ保持台３０の精度ばらつきを補正または吸収することができる。図５の構成で、光導波路１３と光ファイバ２０の結合の信頼性がさらに向上する。
　＜第３の変形例＞
　図６は、第３の変形例である導波路‐ファイバ結合構造２の模式図である。導波路‐ファイバ結合構造２では、導波路チップ１０Ｃのクラッド層１２Ｃの上に、複数の光導波路１３－１、１３－２が形成されている。光導波路１３－１と１３－２は、それぞれ対応する光ファイバ２０－１と２０－２に結合される。光ファイバ２０－１と２０－２は、ファイバ保持台３０Ｃに保持されて、光ファイバアレイが構成されてもよい。
　光導波路１３－１と光ファイバ２０－１は、結合領域Ｃ－１で光結合され、光導波路１３－２と光ファイバ２０－２は、結合領域Ｃ－２で光結合される。結合領域Ｃ－１及びＣ－２での光結合は、断熱的な結合であってもよい。結合領域Ｃ－１とＣ－２の直下に、中空１５－１と１５－２が形成されている。中空１５－１において、光導波路１３－１と光ファイバ２０－１は、図３に示したように、互いに接触して－Ｚ方向にたわんでいる。中空１５－２において、光導波路１３－２と光ファイバ２０－２は、互いに接触して－Ｚ方向にたわんでいる。これにより、結合領域Ｃ－１とＣ－２のそれぞれで、Ｚ方向とＸ方向の結合ずれが抑制される。
　導波路チップ１０Ｃの端面１２１の側に、ファイバガイド１２３－１と１２３－２が設けられてもよい。この場合、光ファイバ２０－１のコア２１と、光ファイバ２０－２のコア２１の先端部が固定され、Ｙ方向の位置ずれが抑制される。光ファイバ２０のコア２１の先端がテーパになっている場合は、ファイバガイド１２３－１と１２３－２を、コア２１のテーパの傾きに応じた形状に形成することで、Ｙ方向とＸ方向の双方の位置ずれが抑制される。導波路チップ１０Ｃの端面１２１側のガイド構成を、図５のように、光ファイバ２０の外周の一部を保持する構成にしてもよい。この場合は、導波路チップ１０Ｃに対する光ファイバ２０－１、２０－２自体の位置ずれを抑制するとともに、光ファイバ２０－１、２０－２を安定化できる。
　＜第４の変形例＞
　図７は、第４の変形例である導波路‐ファイバ結合構造３の模式図である。図７の（Ａ）は上面図、（Ｂ）は光軸ＡＸに沿った断面図である。導波路‐ファイバ結合構造３は、光導波路１３と光ファイバ２０のコア２１との結合領域Ｃの直下に中空１５Ｄを有する。中空１５Ｄは、導波路チップ１０Ｄの端面１２１、あるいは結合領域Ｃに向かうほど広くなっている。中空１５Ｄは、光導波路１３の先端と光ファイバ２０のコア２１の先端（またはテーパ２１ｔ）を接触させて－Ｚ方向にたわませることができれば、その形状やサイズに特段の制限はない。中空１５Ｄが光導波路１３の先端に向かうほど広く、中空の後端に向かうほど狭くすることで、複数の光ファイバを実装するときに光ファイバの間隔を狭くして高密度な光入出力が可能になる。
　Ｘ－Ｙ面内での中空１５Ｄの平面形状は、図７のような直線で囲まれた三角形に限定されず、指数関数的な曲線で結合領域Ｃに向かって拡がる形状であってもよい。結合領域Ｃの全体が中空１５Ｄ内で－Ｚ方向にたわむことでＺ方向とＸ方向への結合ずれが抑制され、導波路‐ファイバ結合構造３の結合の信頼性が向上する。
　＜第５の変形例＞
　図８は、第５の変形例である導波路‐ファイバ結合構造４の模式図である。導波路‐ファイバ結合構造４は、図７の導波路‐ファイバ結合構造３を、複数の配列に拡張した構成である。導波路チップ１０Ｅには、複数の光導波路１３－１、及び１３－２が形成されている。光導波路１３－１、及び１３－２を、対応する光ファイバ２０－１、及び２０－２に結合する。光ファイバ２０－１と２０－２は、ファイバ保持台３０Ｅに保持されて、ファイバアレイが構成されてもよい。
　光導波路１３－１と光ファイバ２０－１は結合領域Ｃ－１で光学的に結合され、光導波路１３－２と光ファイバ２０－２は結合領域Ｃ－２で光学的に結合される。結合領域Ｃ－１とＣ－２の直下に、中空１５Ｅ－１と１５Ｅ－２が形成されている。中空１５Ｅ－１で、光導波路１３－１と光ファイバ２０－１は接触し、－Ｚ方向にたわんでいる。中空１５Ｅ－２において、光導波路１３－２と光ファイバ２０－２は接触し、－Ｚ方向にたわんでいる。これにより、結合領域Ｃ－１とＣ－２のそれぞれで、Ｚ方向とＸ方向の位置ずれが吸収される。中空１５Ｅ－１と１５Ｅ－２の形状により、光ファイバ２０－１と２０－２の間隔を狭くして、高密度の光入出力が可能になる。導波路チップ１０Ｅにファイバガイド１２３－１と１２３－２が設けられる場合は、光ファイバ２０－１のコアと、光ファイバ２０－２のコアの位置が固定され、Ｙ方向の位置ずれも抑制される。光ファイバ２０のコアの先端にテーパ２１ｔを有する場合は、コアのテーパの傾きに応じたファイバガイド１２３－１と１２３－２を形成することで、Ｙ方向とＸ方向の双方の位置ずれが抑制される。
　＜導波路チップの作製＞
　図９Ａから図９Ｄは、導波路チップの作製工程図である。導波路チップして、たとえば図５の導波路チップ１０Ｂを作製する。図９Ａで、導波路チップ用の基板１１を用意し、全面にクラッド層１２とコア層２３を形成する。基板１１は、クラッド層１２とコア層２３の支持できる任意の基板である。一例としてＳｉ基板を用いる。クラッド層１２は、コア層２３よりも屈折率の低い材料で形成されており、ＳｉＯ２、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）等を用いてもよい。この例ではＳｉＯ２のクラッド層１２を形成する。ＳｉＯ２のクラッド層１２を形成する際に、熱酸化膜付きのＳｉ基板を用いてもよい。クラッド層１２の上に、コア層２３を形成する。コア層２３は、クラッド層１２よりも屈折率が高く、かつ、検出対象である光子の波長に透明な材料で形成される。この例では、ＳｉＯ２よりも屈折率が高く、かつ可視光に透明な材料が用いられ、ダイヤモンド、サファイア（Ａｌ２Ｏ３単結晶）、ＳｉＮ、ＡｌＮ等が用いられる。一例として、高真空での気相成長または減圧気相成長により、ＳｉＯ２のクラッド層１２の上に厚さ数百ナノメートルのＡｌ２Ｏ３単結晶薄膜をコア層２３として形成する。
　図９Ｂで、コア層２３を加工して光導波路１３を形成する。（Ａ）は光軸（Ｘ軸）に沿った断面図、（Ｂ）は（Ａ）のII－II断面図である。コア層２３を覆って、全面に電子ビーム用レジストを塗布し、電子ビーム露光と現像により、光導波路１３の形状のレジストマスクを形成する。レジストマスクを保護膜としてコア層２３（図９Ａ参照）をエッチングすることで、光導波路１３が形成される。一例として、厚さ２００ｎｍ、幅８００ｎｍの光導波路１３を形成する。光導波路１３の先端にテーパ１３ｔを設ける場合は、この段階で、光導波路１３の幅と高さの少なくとも一方が先端に向かって連続的、かつ緩やかに減少するようにエッチングする。
　図９Ｃでファイバ保持用の溝１１４とファイバガイド１２３を形成する。（Ａ）は光軸（Ｘ軸）に沿った断面図、（Ｂ）は（Ａ）のIII－III断面図である。参考として、後の組み立て工程でセットされる光ファイバ２０の輪郭を破線で示す。光導波路１３が形成された基板表面の全面に電子ビーム用レジストを塗布する。電子ビーム露光と現像により、溝１１４が形成される領域だけが露出するレジストマスクを形成し、エッチングにより溝１１４を形成する。電子ビーム露光に替えて、通常のフォトリソグラフィとエッチングにより溝１４を形成してもよい。その後、レジストマスクをいったん除去し、新たな電子線ビーム用のレジストを塗布し、同様の工程で、ファイバガイド１２３を形成する。
　図９Ｄで、中空１５を形成する。中空１５を形成する領域を除いて全面を覆うマスクをフォトリソグラフィで形成し、気化フッ酸により、所定の範囲のクラッド層１２をエッチング除去する。Ｓｉはフッ素原子により容易にエッチングされるが、Ａｌはフッ素原子によりエッチングされにくい。ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３に対するフッ酸ガスのエッチング選択比は大きく、Ａｌ２Ｏ３の単結晶薄膜で形成された光導波路１３をほとんど侵食せずに、ＳｉＯ２のクラッド層１２を除去できる。フッ酸ガスは反応性のガスであり、等方性のドライエッチングが可能である。これにより、光導波路１３の直下の所定の領域にわたって、中空１５が形成される。図９Ｄでは、中空１５の底面１５ａは基板１１の表面に達しているが、光導波路１３と光ファイバ２０のコア２１が－Ｚ方向にたわむ空間が確保されればよいので、中空１５の底面１５ａは基板１１の表面に達している必要はない。中空１５の深さは適宜設計可能である。
　＜光ファイバ先端のテーパの形成＞
　図１０Ａと図１０Ｂは、光ファイバ２０の先端のテーパ２１ｔの形成工程を示す。図１０Ａの（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ－Ａ断面図である。光ファイバ２０－１、２０－２の先端面を揃えて、光ファイバ２０－１と２０－２をファイバ保持台３０のＶ溝３２に配置し、樹脂３４で固定して、カバー１３５をかぶせる。カバー１３５は、光ファイバ２０－１、２０－２の先端加工時のハンドリングを容易にするためのものであり、テーパの形成後に取り外されてもよい。
　図１０Ｂで、ファイバ保持台３０から突出している光ファイバ２０－１と２０－２の先端部をフッ酸溶液に浸漬し、徐々に引き上げる。フッ酸溶液に対する光ファイバのコアとクラッドの溶解速度の違いにより、クラッドが優先的に除去される。また、フッ酸溶液中への浸漬時間が長いコアの先端ほど細くなる。コア先端のテーパ角は、光ファイバ２０の引き上げ速度、溶液中のフッ酸濃度等により制御される。このウェットエッチングで、光ファイバ２０－１と２０－２のそれぞれにテーパ２１ｔが形成される。
　＜光導波路と光ファイバの結合＞
　テーパ２１ｔが形成された光ファイバ２０－１と２０－２を、導波路チップ上の光導波路１３－１と１３－２（図６参照）に接続する。ファイバ保持台３０に固定された光ファイバ２０－１と２０－２の配列を、３軸アクチュエータのあるピエゾステージに乗せ、テーパ２１ｔを導波路チップのファイバガイド１２３に案内する。テスト光を入射して顕微鏡像と光損失を観察しながら、光ファイバ２０－１と２０－２のテーパ２１ｔの先端を、中空１５の上に浮いている光導波路１３－１と１３－２に重ね合わせ、光損失が最小になる位置を決定する。光ファイバ２０－１と２０－２のテーパ２１ｔが、光導波路１３－１と１３－２に重なることで、光導波路１３－１と１３－２は、光ファイバ２０－１と２０－２との接触を維持したまま、中空１５の内部で下方（－Ｚ方向）にたわむ。この方法により、結合の信頼性が向上した導波路‐ファイバ結合構造が得られる。
　このように、
（ａ）基板上に形成されたクラッド層の上に光導波路を形成し、
（ｂ）前記光導波路の下方の前記クラッド層の一部を除去して前記光導波路の下に中空を形成し、
（ｃ）前記中空に延びる前記光導波路の先端に光ファイバのコアを接触させて、前記中空の内部で前記光導波路と前記コアを光導波路の積層方向にたわませる、
ことで、光導波路と光ファイバの間で少なくともＺ方向とＸ方向の結合ずれが抑制され、光導波路と光ファイバとの結合の信頼性が向上する。
　＜光導波路と光ファイバの結合の解析＞
　図１１は、導波路チップ１０の中空１５から突出する光導波路１３の応力解析モデルを示す。モデルでは、Ｓｉの基板１１の上に厚さ２μｍのＳｉＯ２のクラッド層１２が設けられ、クラッド層１２の上に、幅８００ｎｍ、厚さ２００ｎｍのサファイアの光導波路１３が設けられる。中空１５に突き出す光導波路１３の長さＬを２０μｍとし、光導波路１３の先端が０．１μｍ下方に変位（ΔＺ＝０．１μｍ）したときの応力を調べる。
　図１２は、応力分布と最大応力点を示す。図１１のモデルで２０μｍ突出した光導波路１３が０．１μｍ下方（－Ｚ方向）に変位した場合、－Ｚ方向に最大１５０ＭＰａの応力がかかる。最大応力点ＭＸは、中空１５を形成するクラッド層１２の上端と光導波路１３との接点である。
　光導波路１３の材料であるサファイアの破断応力は約１７０ＭＰａである。サファイア導波路を用いる場合、たわみ量が０．１μｍ／２０μｍ以下であれば、光導波路１３を中空１５内でたわませることができる。たとえは、断面積が断熱的に変化して中空１５内に突出する光導波路１３の長さが２００μｍの場合、－Ｚ方向に１μｍたわませることができる。光導波路１３自体は、中空１５にいたる前の段階からテーパ状に形状が変化していてもよい。たとえば、光導波路１３のテーパ全体の長さを１ｍｍとし、そのうち４００μｍが中空１５内に突出していてもよい。
　図１３は、結合領域Ｃでの光ファイバと導波路の重なり量（μｍ）とエネルギー伝搬量の関係を示す。縦軸のエネルギー伝搬量は、入力を１としたときの相対的なエネルギー伝搬量である。最大応力点ＭＸから２００μｍの長さＬで、中空１５内に突出する光導波路１３に、テーパの長さが４００μｍの光ファイバから光を入射する構成を考える。Ｘ方向から延びる光ファイバ２０のテーパの先端が中空１５内で光導波路１３と接触する長さを重なり量（μｍ）とする。重なり量がマイナスの値は、光導波路と光ファイバのコアは接触していないが、コアを出射した光は空気中を伝搬して光導波路に結合する状態を示す。エネルギー伝搬量が０．０４以上を許容範囲とすると、光導波路１３と光ファイバ２０との重なり量は０μｍ以上９０μｍ以下、好ましくは０μｍ以上７０μｍ以下である。エネルギー伝搬量０・０６以上を達成するときは、重なり量は０μｍ以上６０μｍ以下、好ましくは５μｍ以上６０μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以上５０μｍ以下である。この重なり量の範囲で、光導波路１３が中空１５内で－Ｚ方向に撓むと、光ファイバのコア２１の先端は光導波路１３の変位に追従して光導波路１３とともに中空１５内にたわみ、光導波路１３と光ファイバ２０の接触が維持され、かつ所望の光結合が得られる。
　図１４は、図１３の重なり量（１）、（２）、（３）のときのエネルギー伝搬を示す。重なり量（１）は１００μｍ、重なり量（２）は１０μｍ、重なり量（３）は－５０μｍである。光ファイバから導波路へのエネルギー伝搬量は、重なり量（２）のときに最も大きく、（１）、（３）の順で低下する。図１３からもわかるように、導波路と光ファイバが接触していなくても光は結合する。導波路と光ファイバの接触量が多ければよいというわけではなく、エネルギー伝搬、すなわち光結合に適した接触長さがある。シミュレーションの結果から、好ましい接触長さ（重なり量）は、０μｍより大きく６０μｍ以下、好ましくは５μｍ以上６０μｍ以下である。
　＜量子光回路＞
　図１５は、実施形態の導波路‐ファイバ結合構造５を用いた量子光回路１００の模式図である。導波路‐ファイバ結合構造５は、図２から図８に示したいずれの構成、あるいはそれらの組み合わせを用いてもよい。この例では、導波路チップ１０に４つの光導波路１３－１、１３－２、１３－３、及び１３－４（適宜、「光導波路１３」と総称する）が形成されており、導波路‐ファイバ結合構造５により、４本のシングルモードの光ファイバ２０－１、２０－２、２０－３、及び２０－４（適宜、「光ファイバ２０」と総称する）に接続されている。
　導波路‐ファイバ結合構造５に、中空１５－１、１５－２、１５－３、及び１５－４（適宜、「中空１５」と総称する）が形成されており、それぞれの中空１５で、光導波路１３の先端と光ファイバ２０の先端が接触している。導波路チップ１０の導波路‐ファイバ結合構造５と反対側の端部は、光子源４０に接続されている。光子源４０は、それぞれ独立した単一光子源４１－１、４１－２、４１－３、及び４１－４（適宜、「単一光子源４１」と総称する）を有する。
　単一光子源４１－１、４１－２、４１－３、及び４１－４は、たとえば、ダイヤモンド中に適切な間隔で形成されたＮＶカラーセンターである。ＮＶカラーセンターは、所定濃度でＮ不純物を含むダイヤモンド結晶薄膜に、キセノン（Ｘｅ）等の重イオンを照射して炭素（Ｃ）元素をはじき出して原子空孔を形成することで形成されてもよい。単一光子源４１で生成された光子は、対応する光導波路１３を移動する。導波路チップ１０に、１個の量子ビットを操る（所定の回転を与える）ゲートや、２個の量子ビットに作用するゲートが形成されていてもよい。
　光導波路１３を移動し、導波路‐ファイバ結合構造５で対応する光ファイバ２０に結合された光子の状態は、検出器で検出される。光ファイバ２０－１、２０－２、２０－３、及び２０－４の、導波路‐ファイバ結合構造５と反対側の端部は検出器４５－１、４５－２、４５－３、及び４５－４（適宜、「検出器４５」と総称する。検出器４５は、たとえばハロゲン化ペロブスカイト等の無機材料に有機キラル分子を導入した検出器であり、光子の右回り偏光、左回り偏光を直接検出する。検出器４５－１、４５－２、４５－３、及び４５－４の出力は、電圧信号に変換されて汎用の情報処理装置に入力されてもよい。
　導波路‐ファイバ結合構造５の中空１５－１～１５－４の各々で、対応する光導波路と光ファイバの先端が互いに重なり合って接触を維持したまま－Ｚ方向に撓むので、Ｚ方向とＸ方向の結合ずれを抑制することができる。導波路チップ１０に光ファイバ２０のコアの先端を案内するファイバガイドが設けられている場合は、光導波路１３と光ファイバ２０のＹ方向の位置ずれも抑制される。結合領域Ｃ－１～Ｃ－４の各々で結合の信頼性が向上するので、量子光回路１００の動作の信頼性が向上する。
　少なくとも結合領域Ｃ－１～Ｃ－４で、光導波路１３と光ファイバ２０に不活性ガスのコーティングを施す場合は、外部振動に対する耐性がさらに向上に、量子光回路１００の信頼性がさらに向上する。
　以上、特定の構成例に基づいて実施形態を説明したが、本開示は上述した実施形態に限定されない。上述した実施形態と変形例の２つ以上を互いに組み合わせてもよい。上述したすべての導波路‐ファイバ結合構造に、不活性ガスのコーティング１８が適用可能であるし、上述したすべての導波路‐ファイバ結合構造に、図５のファイバガイド構成が適用可能である。実施形態の導波路‐ファイバ結合構成と量子光回路は、量子コンピューティング、量子情報通信、量子光学、暗号通信等に適用可能である。
　１、１Ａ、１Ｂ、２～５　導波路‐ファイバ結合構造
　１０、１０Ａ～１０Ｅ、１０Ｂ
　１１　基板
　１２　クラッド層
　１３、１３－１、１３－２、１３－３、１３－４　光導波路
　１３ｔ　テーパ
　１５、１５－１、１５－２、１５－３、１５－４　中空
　１８　コーティング
　２０、２０－１、２０－２、２０－３、２０－４　光ファイバ
　２１　コア
　２１ｔ　テーパ
　２２　クラッド
　２３　コア層
　３０、３０、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ　ファイバ保持台
　４０　光子源
　４１－１、４１－２、４１－３、４１－４　単一光子源
　４５－１、４５－２、４５－３、４５－４　検出器
　１００　量子光回路
　１１４　溝
　１２３、１２３Ｂ　ファイバガイド
　ＡＸ　光軸
　Ｃ、Ｃ－１、Ｃ－２、Ｃ－３、Ｃ－４　結合領域

Claims (15)

  1. 　クラッド層と前記クラッド層の上に形成された光導波路とを有する導波路チップと、
    　前記光導波路と光学的に接続される光ファイバと、
    を備え、
    　前記クラッド層は、前記光導波路が前記光ファイバに光学的に接続される結合領域の下に中空を有し、
    　前記光導波路は、前記結合領域で前記光ファイバに接触し、前記中空の内部で前記導波路チップの積層方向にたわむ、
    装置。
  2. 　前記光導波路は前記結合領域に向かって細くなる第１テーパ部を有し、
    　前記光ファイバは前記結合領域に向かって細くなる第２テーパ部を有し、
    　前記中空の内部で前記第１テーパ部に前記第２テーパ部が重なっている、
    請求項１に記載の装置。
  3. 　前記第１テーパ部と前記第２テーパ部は、光軸方向に０μｍより大きく６０μｍ以下の長さで接触している、
    請求項２に記載の装置。
  4. 　前記光導波路は、可視光に対して透明、かつ前記クラッド層よりも屈折率の高い材料で形成されている、
    請求項１に記載の装置。
  5. 　前記光導波路は、サファイア、ダイヤモンド、窒化シリコン、または窒化アルミニウムで形成されている、
    請求項４に記載の装置。
  6. 　前記導波路チップは、前記光ファイバの前記第２テーパ部を前記中空に案内するファイバガイドを有する、
    請求項２に記載の装置。
  7. 　前記導波路チップは、前記ファイバガイドに連通して、前記第２テーパ部から延びる前記光ファイバの外周を受け取る溝を有する、
    請求項６に記載の装置。
  8. 　前記光導波路と前記光ファイバの少なくとも前記結合領域は不活性ガスでコーティングされている、
    請求項１に記載の装置。
  9. 　前記中空の幅は、前記光ファイバが導入される側に向かって広くなっている、
    請求項１に記載の装置。
  10. 　前記光ファイバはシングルモードファイバである
    請求項１に記載の装置。
  11. 　前記光導波路を保持するファイバ保持台、
    を有する、請求項１に記載の装置。
  12. 　前記導波路チップに複数の光導波路が形成されており、
    　前記複数の光導波路の各々に複数の光ファイバの各々が接続され、
    　互いに接続される前記光導波路と前記光ファイバの組ごとに前記中空が設けられている、
    請求項１に記載の装置。
  13. 　前記複数の光ファイバの配列を保持するファイバ保持台、
    を有する請求項１２に記載の装置。
  14. 　クラッド層の上に形成された光導波路と光ファイバとを有する装置と、
    　前記光導波路に光学的に接続される単一光子源と、
    　前記光ファイバに接続されて光子の状態を検出する検出器と、
    を備え、
    　前記装置は、前記光導波路が前記光ファイバに光学的に接続される結合領域の下に中空を有し、前記光導波路は、前記結合領域で前記光ファイバに接触し、前記中空の内部で前記光導波路の積層方向にたわむ、
    量子光回路。
  15. 　基板上に形成されたクラッド層の上に光導波路を形成し、
    　前記光導波路の下方の前記クラッド層の一部を除去して前記光導波路の下に中空を形成し、
    　前記中空に延びる前記光導波路に光ファイバを接触させて、前記中空の内部で前記光導波路と前記光ファイバを前記光導波路の積層方向にたわませる、
    装置の作製方法。
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