WO2024121894A1 - 光素子および光素子の製造方法 - Google Patents

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WO2024121894A1
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optical
optical waveguide
resin curing
light
waveguide
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洋平 齊藤
光太 鹿間
昇男 佐藤
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日本電信電話株式会社
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    • H01S3/0947—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of an organic dye laser

Definitions

  • the present invention relates to optical elements used in optical connections and methods for manufacturing optical elements.
  • Optical communication modules require electrical elements such as amplifiers, switches, and electrical amplification circuits, as well as optical elements such as semiconductor lasers, optical switches, and optical fibers.
  • optical connection process which optically connects each optical element discretely, is important.
  • precise positioning between optical elements is important.
  • general-purpose optical connectors use high-precision parts that keep the optical axis misalignment between waveguide cores to less than 1 ⁇ m.
  • designs and precision parts that take strict tolerances into account are important in the manufacture of optical communications modules.
  • SWW Self-written optical waveguides
  • SWW technology is an optical connection technology that mainly uses photocurable resin, and for example, the cores of a waveguide can be connected by the following process.
  • a photocurable resin is dropped into the gap between two opposing waveguides.
  • signal light is emitted from the core end face of at least one of the waveguides.
  • photocurable resin hardening light light for hardening the photocurable resin
  • the photocurable resin hardens sequentially from the part where the intensity of the irradiated light is high, so that SWWs are formed sequentially from the core end face of each waveguide. As a result, SWWs are always formed on the core end faces.
  • any uncured parts of the photocurable resin are cleaned, and then cladding resin is dripped onto those parts and cured appropriately to complete the optical connection using the SWW.
  • Most of the wavelengths of the resin curing light used to form the SWW are in the wavelength range below visible light. In some cases, wavelengths in the near-infrared range are also used.
  • the SWW is formed while maintaining its core diameter approximately constant.
  • the photocurable resin hardens from the points where the intensity of the resin curing light is high.
  • the intensity distribution of the resin curing light is close to a Gaussian distribution, the resin curing reaction progresses faster toward the center of the distribution.
  • the tip of the SWW becomes lens-shaped.
  • the lens-shaped SWW focuses the resin curing light emitted from the tip of the SWW, progressing the resin curing. This phenomenon is repeated, progressing the formation of the SWW while roughly maintaining the core diameter of the SWW.
  • a SWW can be formed on the chip end surface of SiPh (Silicon Photonics) using visible light.
  • SiPh requires higher positioning accuracy for optical connections compared to optical planar circuits such as quartz-based PLC (Planar lightwave circuit), so using a SWW is effective.
  • the optical waveguide it is necessary for the optical waveguide to be transparent to visible light and light in the communication wavelength band, which is mainly used for resin curing light. Therefore, materials such as SiN and SiON are used as the circuit structure for the SWW, as they are transparent to light from visible light to communication wavelength bands.
  • Non-Patent Document 1 In order to easily emit resin curing light from a waveguide, R-SOLNET (Reflective self-organized lightwave network) that uses reflected light and P-SOLNET (Phosphor SOLNET) that optically excites fluorescent dyes embedded in the waveguide from the outside have been proposed (Non-Patent Document 1).
  • R-SOLNET Reflective self-organized lightwave network
  • P-SOLNET Phosphor SOLNET
  • R-SOLNET In R-SOLNET, a mirror is placed on the core end face of one of the two waveguides to be connected, or formed by sputtering, and resin curing light is irradiated from the other waveguide onto the mirror, providing pseudo bidirectional irradiation. In this way, with R-SOLNET, bidirectional irradiation can be achieved by irradiating resin curing light only from one of the waveguides.
  • P-SOLNET the inside of the waveguide is filled with a fluorescent dye that has a peak in its fluorescent spectrum in the wavelength range of the resin curing light, and the resin curing light is emitted from the waveguide by optically exciting this dye.
  • P-SOLNET can be used when resin curing light cannot be input to a circuit from the outside. For example, it can be used when resin curing light is emitted from an element in a three-dimensionally integrated optical communications device.
  • the resin curing light intensity at the end face of the waveguide where a mirror is placed is determined by the product of three variables: the light intensity P0 emitted from a waveguide where a mirror is not placed, the efficiency ⁇ of the emitted light reaching the mirror accompanied by diffraction spread in space, and the reflectance R of the mirror.
  • the resin curing light is absorbed by the photocurable resin, which has a high absorption coefficient (e.g., the transmittance of a 100 ⁇ m thick sample is 1%). As a result, the hardness of the light reflected from the waveguide on which the mirror is implemented is low.
  • the direction of the Poynting vector of the reflected light will move away from the waveguide core that emitted the light, reducing the effect of the SWW in compensating for the axis misalignment.
  • the intensity of the resin curing light emitted from the waveguide is low. This is because the light emitted by simply optically exciting the fluorescent dye is spontaneous emission light, which has low directivity. In order for the resin curing light to be emitted from the desired optical waveguide, the spontaneous emission light must be coupled to the optical waveguide. However, with spontaneous emission light, which has low directivity, it is difficult to ensure sufficient coupling efficiency to the optical waveguide. Therefore, the intensity of the resin curing light emitted from the waveguide having the fluorescent dye section is low.
  • the intensity of the resin curing light can be increased by increasing the intensity of the external excitation light.
  • the fluorescent dye due to gain saturation of the fluorescent dye, there is a region where the fluorescence intensity gradually stops increasing even if the excitation light intensity is increased.
  • excessively intense excitation light may destroy the dye, or the solvent itself to which the dye has been added may burn and produce bubbles.
  • there is an upper limit to the intensity of excitation light for the fluorescent dye so it is necessary to efficiently convert the excitation light into resin curing light.
  • the optical element of the present invention is an optical element that emits resin curing light to form a self-forming optical waveguide, and includes a resin curing laser, an optical circuit, a first optical waveguide that connects to the resin curing laser, a multiplexing circuit that connects to a second optical waveguide that connects to the optical circuit, and a third optical waveguide that connects the output of the multiplexing circuit to an end face of the optical element.
  • the method for manufacturing an optical element according to the present invention includes the steps of forming an optical waveguide and an upper cladding on a substrate, in that order; forming a groove in a portion including or near the optical waveguide; forming Bragg gratings in the optical waveguide on both ends of the groove; and placing a gain medium in the groove.
  • the present invention provides an optical element and a method for manufacturing an optical element that can emit resin curing light for forming a self-written optical waveguide (SW) with high efficiency.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an optical element according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic top view showing the configuration of an optical element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic top view showing an example of the configuration of the optical element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a schematic top view showing the configuration of a resin curing laser in the optical element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a schematic cross-sectional view taken along line IVB-IVB' showing the configuration of a resin curing laser in the optical element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a resin curing laser in the optical element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining a method of exciting a resin curing laser in the optical element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a method for exciting a resin-curing laser in the optical element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a method for exciting a resin-curing laser in the optical element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram showing an example of the configuration of an optical element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a flow chart for explaining a method for manufacturing an optical element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a top cross-sectional view showing an example of the configuration of an optical element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a resin curing laser in an optical element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a resin curing laser in an optical element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a resin curing laser in an optical element according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a top cross-sectional view showing an example of the configuration of an optical element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a resin curing laser in an optical element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a resin curing laser in an optical element according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a schematic top view showing the configuration of a resin curing laser in an optical element according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the optical element 10 is an optical planar circuit, and includes a resin curing laser 11, an optical circuit 12, and a multiplexing circuit 13, as shown in Fig. 1.
  • the resin curing laser 11 and the optical circuit 12 are each connected to the multiplexing circuit 13 by an optical waveguide 14.
  • the multiplexing circuit 13 and an output end 15 of the optical element 10 are connected to the optical waveguide 14.
  • the resin curing laser 11 is integrated in a groove formed on the surface of the optical element 10, and emits resin curing light when the SWW is formed.
  • the laser refers to a configuration that includes a gain medium inside a resonator formed by mirrors, etc.
  • the optical circuit 12 has signal processing functions such as an optical switch and an optical modulator for the signal light.
  • the multiplexing circuit 13 couples the optical waveguide through which the resin curing light output from the resin curing laser 11 propagates during SWW formation with the optical waveguide through which the signal light output from the optical circuit 12 propagates during optical communication.
  • Figure 2 shows an example of an optical element 10 according to this embodiment.
  • the optical element 10 comprises, in order, a lower clad 101, an optical waveguide 14, an upper clad 102, and an optical circuit 12 (not shown) on a substrate (e.g., a Si substrate, not shown).
  • the upper clad 102 is omitted in the figure.
  • a Y-branch element is used for the multiplexing circuit 13.
  • the Y-branch element couples an optical waveguide through which the resin curing light output from the resin curing laser 11 propagates during SWW formation, and an optical waveguide through which the signal light output from the optical circuit 12 propagates during optical communication.
  • This multiplexing circuit 13 only needs to have the function of coupling light of multiple wavelengths into one optical waveguide.
  • a directional coupler that utilizes mode coupling between adjacent parallel waveguides may be used.
  • the multiplexing circuit 13 of the optical element 10 may include an optical waveguide 14 and another optical waveguide (hereinafter referred to as the "lower layer optical waveguide") 16 below it (in the direction closer to the substrate).
  • the width of the optical waveguide 14 is about 0.8 ⁇ m
  • the width of the lower layer optical waveguide 16 is about 0.35 ⁇ m.
  • the resin curing light output from the resin curing laser 11 propagates through the optical waveguide 14 and enters the multiplexing circuit 13, then propagates through the optical waveguide 14 and is emitted from the end face (emission end) 15 of the optical element 10.
  • the light output from the optical circuit 12 propagates through the lower optical waveguide 16 (dotted line in the figure), enters the multiplexing circuit 13, transitions to and propagates through the upper optical waveguide 14, and is emitted from the end face (emission end) 15 of the optical element 10.
  • the ends of the optically coupled ends of each optical waveguide are tapered.
  • the lower optical waveguide 16 has a waveguide width that decreases toward the end face (output end) 15 of the optical element 10
  • the optical waveguide 14 has a waveguide width that decreases toward the optical circuit 12.
  • the optical transition (optical coupling) in the layer direction due to this tapered structure has a broadband and the same coupling efficiency as a directional coupler.
  • the resin curing laser 11 is integrated into a groove formed on the surface of the upper clad 102 by an etching process or the like, and is connected to the multiplexing circuit 13 via an optical waveguide 14.
  • a gain medium 112 is placed in an optical resonator formed by mirrors (first and second mirrors).
  • the medium that irradiates the resin curing light for forming the SWW is the laser.
  • the resin curing laser 11 outputs high-intensity light with high directivity and high optical field strength in the direction of high gain in the resonator through stimulated emission of light.
  • the resin curing light can be more efficiently coupled to the optical waveguide 14, and higher-power resin curing light can be emitted from the emission end 15.
  • a groove 111 is formed by etching or the like in a portion of the surface of the upper cladding 102 that includes part of the optical waveguide 14.
  • the groove 111 is filled with a dye 112.
  • the length of the groove 111 in the waveguiding direction (x direction in the figure) is about 2000 ⁇ m, and the width is about 100 ⁇ m.
  • Mirrors 114_1 and 114_2 are placed on both ends of the groove 111 filled with the dye 112.
  • the mirrors 114_1 and 114_2 are waveguides (Bragg grating waveguides) in which a Bragg grating is formed on the sidewall of the optical waveguide 14.
  • the mirror 114_1 (on the left side in the figure) on the output side of the resin curing laser 11 is an output coupler, and outputs the resin curing light to the optical waveguide 14.
  • a terminating element 115 is formed, which is a tapered waveguide whose width narrows toward the end (toward the right in the figure).
  • the end of the terminating element 115 is an end face, but it may also be a sharp peak. Light traveling in the tapered shape toward the end gradually leaks out of the waveguide. This makes it possible to suppress instability in laser operation due to unnecessary reflections at points other than the resonator.
  • the dye 112 can be a rhodamine, coumarin, stilbene, or other dye, and can be compatible with an emission wavelength of, for example, about 300 nm to 1300 nm.
  • the dye 112 is selected based on the curing wavelength of the photocurable resin used in the SWW. For example, by using a rhodamine, coumarin, or stilbene dye, a wavelength of about 400 to 650 nm can be selected.
  • the period of the Bragg gratings in mirrors 114_1 and 114_2 is set so that the central wavelength in the resonator roughly matches the central wavelength of the gain spectrum of dye 112.
  • the length of each of mirrors 114_1 and 114_2 is approximately 200 ⁇ m.
  • a gain medium is integrated by filling a groove 111 formed deep into the substrate with a dye 112.
  • the groove 111 is positioned in a portion including the optical waveguide 14.
  • the groove 111 filled with the dye 112 may be formed in the upper cladding 102 to a depth close to the optical waveguide 14.
  • the mode of the light emitted from the dye 112 that couples with the optical waveguide 14 oscillates as a laser within the resonator (between the gratings).
  • the groove 111 may be disposed close to the optical waveguide 14, and it is sufficient that the light emitted from the gain medium (dye) 112 is optically coupled to the optical waveguide 14.
  • the groove 111 is arranged in a portion including the optical waveguide 14 or in the vicinity of the optical waveguide 14 so that the light emitted from the gain medium 112 arranged in the groove 111 is coupled to the optical waveguide 14.
  • the depth of the groove 111 is, for example, 1 to 10 ⁇ m.
  • the excitation light (dotted line in the figure) is focused by lens 1 and irradiated onto the dye (gain medium) 112.
  • the resin curing laser 11 is excited by lateral excitation using excitation light perpendicular to the Poynting vector (travel direction) of the resin curing laser light.
  • Excitation light sources include argon lasers, krypton lasers, YAG lasers, ruby lasers, excimer lasers, etc., and are selected according to the dye 112.
  • a flash lamp 2 may be used as the excitation light source.
  • the dye 112 can be excited over a wide area. However, the intensity of the excitation light is reduced.
  • a multilayer mirror may be disposed on the side of the dye 112 opposite to the side irradiated with the excitation light, i.e., below the bottom surface of the dye 112.
  • the multilayer mirror is disposed on the bottom surface of the groove 111 filled with the dye, or inside the lower clad 101 or substrate (not shown) below the bottom surface.
  • a multilayer structure of Si and a dielectric material such as SiO2 may be formed on a Si substrate.
  • the resin curing laser 11 may be excited by coaxially injecting resin curing light (black arrow in the figure) and resin curing light source excitation light (white arrow in the figure) from a waveguide (e.g., optical fiber) 3 connected to the optical element 10.
  • a waveguide e.g., optical fiber
  • the resin for SWW is irradiated with resin curing light source excitation light together with the resin curing light.
  • the resin curing light source excitation light passes through the resin for SWW and enters the optical waveguide 14 of the optical element 10, propagates through the optical waveguide 14, and excites the resin curing laser 11.
  • the resin curing laser 11 is excited by vertical excitation using excitation light parallel to the Poynting vector (travel direction) of the resin curing laser light, so the optical electric field strength of the excitation light can be increased and the excitation efficiency can be improved.
  • an element e.g., an optical switch, etc.
  • the laser is provided with a mirror 114_1, a control element 116 such as an optical switch, a groove 111 filled with dye, a mirror 114_2, and a termination element 115.
  • a Mach-Zehnder interferometer with a heater or a microring modulator can be integrated within the optical element (optical planar circuit) 10 and used.
  • the resin curing laser 11 can be oscillated as a pulsed laser.
  • the SWW can be formed even when the resin curing laser 11 is in pulsed operation.
  • a Si waveguide, a silica glass waveguide, or a SiN waveguide can be used as the optical waveguide 14
  • a Si waveguide or a silica glass waveguide can be used as the lower optical waveguide 16
  • a silicon oxide material can be used as the upper clad 102 and the lower clad 101
  • silicon or sapphire can be used as the substrate
  • an epoxy, acrylic, or polyimide can be used as the photocurable resin
  • rhodamine 6G or a stilbene can be used as the dye.
  • a structure is used in which a lower clad (SiO 2 ), a Si optical waveguide, and an upper clad (SiO 2 ) are formed in this order on a Si substrate (step S1).
  • a structure in which a Si optical waveguide and an upper clad (SiO 2 ) are formed on a Si substrate may also be used.
  • a PLC with a core width and height of the optical waveguide 14 of about 8 ⁇ m will be described.
  • a groove (approximately 10 ⁇ m wide and 2 mm to 10 mm long) 111 is formed on the PLC surface in the portion that includes the optical waveguide 14 (step S2).
  • Bragg gratings with reflectivities of 90% and 80% are formed on the optical waveguides 14 at both ends of the groove 111 (step S3).
  • rhodamine 6G dissolved in ethyl glycol is filled into the groove 111 as the gain medium (dye) 112 (step S4).
  • the optical element 10 is manufactured.
  • a photocurable resin is dripped onto the end face of the optical element (optical chip) 10.
  • the resin curing laser 11 irradiates the photocurable resin with resin curing light.
  • the uncured parts of the photocurable resin are washed away to complete the formation of the SWW. At this point, other resins may be placed in the gaps that have been created by washing.
  • the difference in refractive index between the gain medium (dye) 112 and the optical waveguide 14 is sufficient to cause light reflection between the gain medium (dye) 112 and the optical waveguide 14, this reflection can be used to form a resonator, making it unnecessary to place a mirror such as a Bragg grating waveguide.
  • the optical element according to this embodiment can emit laser light as resin curing light, so that the resin curing light can be emitted with high efficiency, and a self-forming optical waveguide (SWW) can be formed.
  • SWW self-forming optical waveguide
  • a gain material doped fiber 212 is disposed in a groove 111 formed in the same manner as in the first embodiment as a gain medium of a resin curing laser 21.
  • the gain material doped fiber 212 has a core 212_1 and a cladding 212_2, and the core 212_1 is doped with a gain material such as erbium or ytterbium.
  • the core 212_1 of the gain material doped fiber 212 and the optical waveguide 14 are positioned so that they are optically connected.
  • excitation light can be incident on the gain material doped fiber 212 to cause laser oscillation.
  • excitation light can be incident on the gain material doped fiber 212 from an external optical fiber or the like (not shown) to excite the core 212_1 of the gain material doped fiber 212 to emit light.
  • This emitted light is resonated by the Bragg grating waveguides arranged on both ends of the groove 111 to cause laser oscillation.
  • Q-switch operation can be performed using an optical switch or the like.
  • the gain material doped fiber 212 may be cleaved at 45 degrees to its optical axis to form a mirror 212_3 by total reflection.
  • the dashed arrow in the figure indicates the optical path along which the pump light couples to the optical fiber. This allows the pump light from the outside (from above in the figure) to be reflected by the mirror 212_3 and enter the core 212_1 of the gain material doped fiber 212.
  • the surface facing the bottom surface of the groove 111 may be inclined so as to reflect the excitation light incident on the gain material doped fiber 212 from the top surface of the optical element 20 and cause it to enter the core 212_1 of the gain material doped fiber 212, forming a mirror 212_3.
  • the gain material doped fiber 212 (the right side surface in FIG. 13) 111_1 parallel to the end face (side surface) of the groove 111 with which the gain material doped fiber 212 contacts. This increases the contact area between the side surface 111_1 of the groove 111 and the side surface of the gain material doped fiber 212, allowing the gain material doped fiber 212 to be stored in the groove 111 more stably.
  • the gain material doped fiber 212 is placed (mated) in the groove 111, so that light is emitted from the gain material doped fiber 212 into space (the gap between the end face of the core 212_1 of the gain material doped fiber 212 and the end face of the optical waveguide 14 of the optical element 20), and then coupled to the optical waveguide 14 of the optical element 20.
  • space the gap between the end face of the core 212_1 of the gain material doped fiber 212 and the end face of the optical waveguide 14 of the optical element 20
  • Fresnel reflections and the like occur due to the refractive index difference with air, and coupling losses may occur due to resonances and reflections that were not anticipated during design.
  • a resin or another adhesive may be dropped as a refractive index matching agent into the groove, at least between the end face of the core 212_1 of the gain material doped fiber 212 and the end face of the optical waveguide 14 of the optical element 20.
  • the end face of the core 212_1 of the gain material doped fiber 212 and the end face of the optical waveguide 14 of the optical element 20 may be inclined with respect to the light guiding direction.
  • a groove formed in the optical element 20 may be formed in a direction inclined from the perpendicular direction to the surface of the optical element 20.
  • coupling loss may be suppressed by forming an anti-reflection coating on the end face of the core 212_1 of the gain material doped fiber 212 and the end face of the optical waveguide 14 of the optical element 20.
  • the gap (space) between the end face of the core 212_1 of the gain material doped fiber 212 and the end face of the optical waveguide 14 of the optical element 20 may be utilized.
  • a resonator may be formed using the air in this space and Fresnel reflection by the end face of the gain material doped fiber 212 to generate laser oscillation.
  • the end face of the gain material doped fiber 212 may be mirrored by sputtering or the like to form a resonator and generate laser oscillation.
  • the gain material doped fiber 212 for example, when a resin that hardens in the near infrared is used as the photocurable resin for the SWW, an erbium or ytterbium doped optical fiber may be used.
  • erbium-doped fiber when excited with light of 980 nm wavelength, it emits light in the green wavelength band due to upconversion. This allows a SWW to be formed using a laser in the green wavelength band.
  • the grooves on the Si substrate may be formed by anisotropic etching using KOH (potassium hydroxide) or the like to form a V-groove structure.
  • the angle of the V-groove on the Si substrate processed with KOH is determined with high precision, so the depth of the V-groove is determined with high precision by the width of the opening used to form the groove.
  • the position and width of the opening are determined with high precision on the order of nanometers (nm) using lithography, etc.
  • a V-groove can be formed in the Si substrate with its position and depth determined with high precision, and the gain material doped fiber 212 and the optical waveguide 14 can be positioned and arranged in the V-groove with high precision.
  • the angle of the V-groove determined by anisotropic etching may be made to coincide with the angle at which the gain material doped fiber 212 is angle cleaved, allowing the gain material doped fiber 212 to be stored in the groove 111 more stably.
  • an erbium-doped fiber (fiber length is about 0.5 mm to several cm, laser wavelength is 532 nm) is used as the gain material-doped fiber 212 .
  • Bragg gratings with reflectances of 90% and 80% for a wavelength of 532 nm are formed in the optical waveguide 14 on both ends of the groove 111.
  • a refractive index matching agent is dripped into the groove 111, and then the erbium-doped fiber 212 is placed (mated).
  • the optical element 20 is manufactured.
  • the optical element according to this embodiment can emit laser light as resin curing light, so that the resin curing light can be emitted with high efficiency, and a self-forming optical waveguide (SWW) can be formed.
  • SWW self-forming optical waveguide
  • a solid gain medium 312 for laser is arranged (mated) in a groove 111 formed in the optical element (optical planar circuit) 30 as a gain medium for a resin curing laser 31.
  • Examples of the solid-state gain medium 312 include a laser crystal and a gain medium made of a ceramic material.
  • excitation light is applied from the outside to the solid-state gain medium 312, exciting the solid-state gain medium 312 and causing it to oscillate resin curing light.
  • This resin curing light is applied to the SWW resin to form the SWW.
  • Multiple (at least two) grooves may be formed in the optical waveguide 14 in the optical element 30, with a gain medium in one groove and a nonlinear crystal in the other groove.
  • harmonics can be generated within the resonator. Harmonic generation within the resonator enables nonlinear wavelength conversion close to the theoretical limit, since the optical electric field strength within the resonator is high.
  • the emission wavelength of the medium can be converted to visible light, forming a resonator with visible light as its central wavelength, and high-output resin curing light can be emitted.
  • a semiconductor laser 412 is disposed as a resin curing laser 41 in a groove 111 formed in the optical element (optical planar circuit) 40, and a wire 6 is disposed for supplying power to the semiconductor laser 412.
  • a wire 6 is disposed for supplying power to the semiconductor laser 412.
  • power supplied by the wire 6
  • other electrical mounting such as flip chip mounting may also be used.
  • resin curing light is coupled from a resin curing laser (semiconductor laser) 412 into the optical waveguide 14 of the optical element (optical planar circuit) 40, and the resin curing light forms a SWW.
  • resin curing laser semiconductor laser
  • the semiconductor laser 412 is excited by current injection, but it may also be optically excited.
  • the configuration using current injection can simplify the manufacturing process compared to the configuration using optical excitation. This is because electrical implementation does not require the high precision (one order of magnitude higher than electrical implementation) required for constructing an optical system for excitation light.
  • the optical element according to this embodiment can emit laser light as resin curing light, so that the resin curing light can be emitted with high efficiency, and a self-forming optical waveguide (SWW) can be formed.
  • SWW self-forming optical waveguide
  • a microring waveguide 513_3 is disposed in a groove 511, and two optical waveguides 513_1 and 513_2 are disposed so as to be optically coupled to the microring waveguide 513_3.
  • the groove 511 is filled with a gain medium 512, for example, a dye.
  • the diameter of the microring waveguide 513_3 is about 25 ⁇ m.
  • excitation light (indicated by the white arrow in the figure) is propagated through one optical waveguide, 513_1, which is optically coupled to the microring waveguide 513_3.
  • the excitation light incident on the microring waveguide 513_3 excites the gain medium 512 and causes it to emit light.
  • the emitted light is optically coupled to the microring waveguide 513_3, resonates, and generates laser oscillation.
  • the laser light is generated by the ring resonator configuration, optically couples to the other optical waveguide 513_2, propagates through the other optical waveguide 513_2 as resin curing light (black arrow in the figure), and is irradiated onto the SWW resin. As a result, the SWW is formed.
  • the transmission wavelength of the microring waveguide 513_3 can be shifted by mounting a heater or the like on the microring waveguide.
  • the transmission wavelength can be shifted by injecting a current into the heater so that the transmission spectrum of the ring resonator overlaps with the gain spectrum of the gain medium, improving the yield of resin curing lasers.
  • the optical element according to this embodiment can emit laser light as resin curing light, so that the resin curing light can be emitted with high efficiency, and a self-forming optical waveguide (SWW) can be formed.
  • SWW self-forming optical waveguide
  • the resonator is ring-shaped, it can be used in layouts where it is not possible to place the long linear resonators of the other embodiments.
  • a portion of the microring waveguide (the portion optically coupled to the optical waveguide) is not included within the groove, but this is not limiting.
  • the entire microring waveguide may be included within the groove filled with dye.
  • the entire microring waveguide and a portion of the optical waveguide may be included within the groove filled with dye. In this way, it is sufficient that the gain medium is disposed around at least a portion of the microring waveguide.
  • an optical waveguide e.g., Si
  • a lower clad e.g., SiO 2
  • a substrate e.g., Si
  • An optical waveguide e.g., Si
  • a substrate e.g., a glass substrate
  • the present invention relates to optical elements used to connect optical elements together, and can be applied to optical communication modules and optical communication networks.

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Abstract

本発明の光素子（１０）は、自己形成光導波路を形成するための樹脂硬化光を出射する光素子であって、樹脂硬化用レーザ（１１）と、光回路（１２）と、樹脂硬化用レーザと接続する第１の光導波路と、光回路と接続する第２の光導波路とが接続する合波回路（１３）と、合波回路の出力と光素子の端面とを接続する第３の光導波路とを備える。　これにより、本発明は、自己形成光導波路を形成するための樹脂硬化光を高効率で出射できる光素子を提供できる。

Description

光素子および光素子の製造方法
　本発明は、光接続に用いる光素子および光素子の製造方法に関する。
　光通信ネットワークの進展に伴い光通信モジュールの高機能化と経済化が求められている。光通信モジュールでは、アンプ、スイッチ、電気増幅回路などの電気素子や半導体レーザ、光スイッチ、光ファイバなどの光素子が必要となる。
　光通信モジュールの製造において、それぞれの光素子をディスクリートに光接続する光接続工程が重要である。低損失な光接続の実現には、光素子間の精密な位置決めが重要である。例えば、汎用的な光コネクタなどにおいて、導波路のコア間の光軸ずれを１μｍ以下とする高精度の部品が用いられる。このように、光通信用モジュールの製造では厳しい公差を考慮した設計・精密部品が重要である。
　光素子間の接続に必要な位置決め精度を緩和できる技術として、自己形成光導波路（Ｓｅｌｆ－ｗｒｉｔｔｅｎ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ、ＳＷＷ）がある。以下、「ＳＷＷ」は、光誘起の屈折率変化により形成された導波路のコアであり、「ＳＷＷコア」ともいう。
　ＳＷＷ技術は、主に光硬化性の樹脂を用いた光接続技術であり、例えば、以下の工程により導波路のコア間を接続できる。
　まず、対向する２つの導波路間の間隙に光硬化性樹脂を滴下する。ここで、少なくとも一方の導波路のコア端面から光通信時に信号光が出射される。
　次に、上記の導波路のうちいずれか一方又は両方の導波路のコアから光硬化性樹脂を硬化するための光（以下、「樹脂硬化光」という。）を照射する。このとき、光硬化性樹脂が照射光の強度が高い箇所から順次硬化するため、それぞれの導波路のコア端面から順次ＳＷＷが形成される。その結果、コア端面にＳＷＷが必ず形成される。
　このとき、両方のコア端面から樹脂硬化光を出射することにより、コア間に光軸ずれが存在しても光軸ずれを補償するように曲げを有するＳＷＷが形成され、低損失な光接続が実現できる。このとき、ＳＷＷは照射光の強度が高い箇所から順次形成されるため、２つの導波路のコア端面から出射される樹脂硬化光強度は同程度であることが望ましい。
　最後に、必要に応じて光硬化性樹脂の未硬化部分の洗浄などを施した後に、その部分にクラッド用の樹脂を滴下し、適宜硬化させて、ＳＷＷによる光接続は完了する。ＳＷＷの形成に用いられる樹脂硬化光の波長のほとんどが可視光以下の波長域である。その他、近赤外光の波長域が用いられる場合もある。
　樹脂硬化光の光電場強度が所定の閾値よりも低く、樹脂硬化光の光強度分布がガウシアン関数に近い場合、ＳＷＷはそのコア径をおよそ一定に維持しながら形成される。光硬化性樹脂は樹脂硬化光の強度が高い箇所から硬化する。樹脂硬化光の強度分布がガウシアン分布に近い場合、その分布の中心部ほど樹脂硬化反応が早く進行する。その結果、ＳＷＷの先端はレンズ形状となる。レンズ形状のＳＷＷにより、ＳＷＷ先端から出射される樹脂硬化光が集光して樹脂硬化が進行する。この現象が繰り返されて、ＳＷＷのコア径をおおよそ保ちながらＳＷＷの形成が進行する。
　公知の所定の回路構造を用いることにより、ＳｉＰｈ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ）のチップ端面に可視光によりＳＷＷを形成できる。ＳｉＰｈは、石英系ＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ　ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ）等の光平面回路と比較して光接続により高い位置決め精度を必要とするため、ＳＷＷを用いることが有効である。このとき、光導波路が、主に樹脂硬化光に用いられる可視光および通信波長帯の光に対して透明であることが必要である。そこで、ＳｉＮやＳｉＯＮなどの材料が、可視光から通信波長帯の光に対して透明であるので、ＳＷＷ用の回路構造として用いられる。
　ＳＷＷの形成において、如何にして樹脂硬化光を対象の導波路から出射するかが重要である。例えば、対象が光ファイバである場合は、コネクタ等の他の導波路を簡易かつ低損失に接続する技術が確立されているので、ピグテイルファイバ付の樹脂硬化光光源により簡易に樹脂硬化光を出射できる。しかしながら、ＰＬＣやＳｉＰｈにおいては、光ファイバと比較して、コネクタ等を用いて簡易に着脱可能かつ低損失に接続できる方法が確立されていないので、光接続にＳＷＷを適用することは困難である。
　導波路から簡易に樹脂硬化光を出射するために、反射光を用いるＲ－ＳＯＬＮＥＴ（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ　ｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉｚｅｄ　ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ）や導波路内に埋め込まれた蛍光色素を外部から光励起するＰ－ＳＯＬＮＥＴ（Ｐｈｏｓｐｈｏｒ　ＳＯＬＮＥＴ）が提案されている（非特許文献１）。
　Ｒ－ＳＯＬＮＥＴにおいては、接続対象の２つの導波路のうち、一方のコア端面にミラーを配置又はスパッタリング等により形成し、他方の導波路から樹脂硬化光をミラーに照射することにより擬似的に双方向から照射する。このように、Ｒ－ＳＯＬＮＥＴでは、一方の導波路からの樹脂硬化光の照射のみにより双方向照射を実現できる。
　Ｐ－ＳＯＬＮＥＴにおいては、導波路内部に樹脂硬化光の波長域に蛍光スペクトルのピークを有する蛍光色素を充填し、この色素を光励起することにより樹脂硬化光を導波路から出射する。Ｐ－ＳＯＬＮＥＴは、外部から回路に対して樹脂硬化光を入射できないときに適用できる。例えば、３次元的に集積された光通信用デバイス内の素子から樹脂硬化光を出射するときに適用できる。
Tetsuzo Yoshimura,"Self-Organized Three-Dimensional Optical Circuits and Molecular Layer Deposition for Optical Interconnects, Solar Cells, and Cancer Therapy", Optical Devices in Communication and Computation, IntechOpen, 2012, p.81-p.106.
　しかしながら、従来のＲ－ＳＯＬＮＥＴおよびＰ－ＳＯＬＮＥＴにおいては、導波路端面から出射される樹脂硬化光の出力を十分に確保することが困難であった。その結果、２つの導波路から出射される光の強度が非対称になるため、従来の双方向照射と比較して軸ずれを補償することが困難であった。
　Ｒ－ＳＯＬＮＥＴにおいて、ミラーを配置した導波路端面の樹脂硬化光強度は、ミラーが配置されない導波路から出射される光強度Ｐ０と、出射光が空間で回折拡がりを伴ってミラーへ到達する効率ηと、ミラーの反射率Ｒの３つの変数の積で決定される。
　ここで、ηを十分に高くすることは困難である。これは、光回折による損失に加えて、樹脂硬化光が、高い吸収係数（例えば１００μｍ厚のサンプルの透過率が１％）を有する光硬化性樹脂で吸収されるからである。その結果、ミラーが実装された導波路から反射される光の硬度が低くなる。
　また、接続導波路間に光軸ずれがある場合、反射光のポインティングベクトルの方向が、光を出射した導波路コアから離れるため、ＳＷＷによる軸ずれ補償効果が低くなる。
　Ｐ－ＳＯＬＮＥＴにおいても、導波路から出射される樹脂硬化光の強度は低い。これは、蛍光色素を単に光励起することにより発生する発光は、自然放出光であり指向性が低いことに起因する。所望の光導波路から樹脂硬化光が出射されるためには、光導波路に自然放出光が結合される必要がある。しかしながら、指向性の低い自然放出光では、光導波路への十分な結合効率を確保することは困難である。したがって、蛍光色素部を有する導波路から出射される樹脂硬化光の強度は低い。
　また、Ｐ－ＳＯＬＮＥＴにおいて外部からの励起光強度を増加することで、樹脂硬化光の強度を増加できる。しかしながら、蛍光色素の利得飽和のため励起光強度を増加しても次第に蛍光強度が増加しなくなる領域がある。また、過剰に強度が高い励起光により色素が破壊される場合や、色素を添加した溶媒自体に焼け気泡が発生する場合がある。このように、蛍光色素に対する励起光の強度には上限があるので、励起光を効率よく樹脂硬化光に変換することが必要になる。
　上述したような課題を解決するために、本発明に係る光素子は、自己形成光導波路を形成するための樹脂硬化光を出射する光素子であって、樹脂硬化用レーザと、光回路と、前記樹脂硬化用レーザと接続する第１の光導波路と、前記光回路と接続する第２の光導波路とが接続する合波回路と、前記合波回路の出力と前記光素子の端面とを接続する第３の光導波路とを備える。
　また、本発明に係る光素子の製造方法は、基板上に、順に、光導波路と、上部クラッドとを形成する工程と、前記光導波路を含む部分又は近傍に、溝を形成する工程と、前記溝の両端の光導波路にブラッググレーティングを形成する工程と、利得媒質を前記溝に配置する工程とを備える。
　本発明によれば、自己形成光導波路（ＳＷＷ）を形成するための樹脂硬化光を高効率で出射できる光素子および光素子の製造方法を提供できる。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光素子の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係る光素子の構成を示す上面概要図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係る光素子の構成の一例を示す上面概要図である。 図４Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る光素子における樹脂硬化用レーザの構成を示す上面概要図である。 図４Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る光素子における樹脂硬化用レーザの構成を示すＩＶＢ－ＩＶＢ’断面概要図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係る光素子における樹脂硬化用レーザの構成の一例を示す断面概要図である。 図６は、本発明の第１の実施の形態に係る光素子における樹脂硬化用レーザの励起方法を説明するための断面概要図である。 図７は、本発明の第１の実施の形態に係る光素子における樹脂硬化用レーザの励起方法の一例を説明するための断面概要図である。 図８は、本発明の第１の実施の形態に係る光素子における樹脂硬化用レーザの励起方法の一例を説明するための断面概要図である。 図９は、本発明の第１の実施の形態に係る光素子の構成の一例を示すブロック図である。 図１０は、本発明の第１の実施の形態に係る光素子の製造方法を説明するためのフローチャート図である。 図１１は、本発明の第１の実施の形態に係る光素子の構成の一例を示す上面断面図である。 図１２は、本発明の第２の実施の形態に係る光素子における樹脂硬化用レーザの構成を示す断面概要図である。 図１３は、本発明の第２の実施の形態に係る光素子における樹脂硬化用レーザの構成の一例を示す断面概要図である。 図１４は、本発明の第３の実施の形態に係る光素子における樹脂硬化用レーザの構成を示す断面概要図である。 図１５は、本発明の第４の実施の形態に係る光素子における樹脂硬化用レーザの構成を示す断面概要図である。 図１６は、本発明の第４の実施の形態に係る光素子における樹脂硬化用レーザの構成を示す上面概要図である。
＜第１の実施の形態＞
　本発明の第１の実施の形態に係る光素子について、図１～図１１を参照して説明する。
＜光素子の構成＞
　本実施の形態に係る光素子１０は、光平面回路であって、図１に示すように、樹脂硬化用レーザ１１と、光回路１２と、合波回路１３とを備える。樹脂硬化用レーザ１１と光回路１２それぞれと合波回路１３とが光導波路１４で接続される。また、合波回路１３と光素子１０の出射端部１５が光導波路１４で接続される。
　樹脂硬化用レーザ１１は、光素子１０の表面に形成される溝に集積され、ＳＷＷ形成時に樹脂硬化光を出射する。ここで、レーザとは、ミラーなどによって構成された共振器内部に利得媒質を含む構成をいう。
　光回路１２は、光素子１０が光通信デバイスとして動作するときに、信号光に対して光スイッチ、光変調器などの信号処理機能を有する。
　合波回路１３は、ＳＷＷ形成時に樹脂硬化用レーザ１１から出力される樹脂硬化光が伝搬する光導波路と、光通信時に光回路１２から出力される信号光が伝搬する光導波路とを結合する。
　図２に、本実施の形態に係る光素子１０の一例を示す。光素子１０は基板（例えば、Ｓｉ基板、図示せず）上に、順に、下部クラッド１０１と、光導波路１４と、上部クラッド１０２と、光回路１２（図示せず）とを備える。図中、上部クラッド１０２は省略される。
　合波回路１３には、一例としてＹ分岐素子を用いる。Ｙ分岐素子によってＳＷＷ形成時に樹脂硬化用レーザ１１から出力される樹脂硬化光が伝搬する光導波路と、光通信時に光回路１２から出力される信号光が伝搬する光導波路とが結合される。この合波回路１３は、複数の波長の光を一つの光導波路に結合する機能を有すればよい。例えば、近接した並行導波路間のモード結合を利用した方向性結合器を用いてもよい。
　Ｙ分岐素子において分岐部で光が空間を伝搬する。その結果、光通信時に信号光において合波回路１３で損失が生じる。この損失は、方向性結合器の設計により抑制できる。
　また、光素子１０の合波回路１３は、図３に示すように、光導波路１４とその下層（より基板に近い方向）に他の光導波路（以下、「下層光導波路」という。）１６を備えてもよい。ここで、光導波路１４の幅は０．８μｍ程度であり、下層光導波路１６の幅は、０．３５μｍ程度である。
　光素子１０では、樹脂硬化用レーザ１１から出力される樹脂硬化光が、光導波路１４を伝搬して合波回路１３に入力した後、光導波路１４を伝搬して、光素子１０端面（出射端部）１５から出射される。
　光素子１０では、光回路１２から出力された光が、下層光導波路１６（図中点線）を伝搬して合波回路１３に入力して、上層の光導波路１４へと遷移して伝搬して、光素子１０端面（出射端部）１５から出射される。
　光導波路１４と下層光導波路１６との層方向（図中、ｚ方向）の間隔を０．１３μｍ程度に拡大することにより、それぞれを伝搬する光の相互作用を抑制できる。この間隔の拡大による光導波路１４と下層光導波路１６との間の光結合の低下を補償するために、それぞれの光導波路で光結合する端部をテーパ形状にする。例えば、図３では、下層光導波路１６は光素子１０端面（出射端部）１５に向かって導波路幅が減少し、光導波路１４は光回路１２に向かって導波路幅が減少する。このテーパ構造による層方向の光遷移（光結合）は、方向性結合器と比較して、広帯域で同程度の結合効率を有する。
　樹脂硬化用レーザ１１は、エッチングプロセスなどによって上部クラッド１０２の表面に形成された溝に集積され、光導波路１４を介して合波回路１３に接続される。
　樹脂硬化用レーザ１１は、ミラー（第１のミラーと第２のミラー）によって構成された光共振器内に、利得媒質１１２が配置される。このように、光素子１０において、ＳＷＷ形成用に樹脂硬化光を照射する媒体がレーザである。樹脂硬化用レーザ１１は、光の誘導放出により、高い強度の光を共振器内の利得が高い方向に対して高い指向性かつ高い光電場強度で出力する。その結果、より効率的に樹脂硬化光を光導波路１４に結合でき、より高出力な樹脂硬化光を出射端部１５から出射できる。
＜樹脂硬化用レーザの構成＞
　以下に、樹脂硬化用レーザ１１の詳細な構成を、図４Ａ、図４Ｂを参照して説明する。
　上部クラッド１０２の表面において、光導波路１４の一部を含む部分に、エッチング等により溝１１１が形成される。この溝１１１に色素１１２が充填される。例えば、溝１１１の導波方向（図中、ｘ方向）の長さは２０００μｍ程度であり、幅は１００μｍ程度である。
　また、色素１１２が充填された溝１１１の両端にミラー１１４＿１、１１４＿２が配置される。ミラー１１４＿１、１１４＿２は、光導波路１４の側壁にブラッググレーティングが形成された導波路（ブラッググレーティング導波路）である。
　樹脂硬化用レーザ１１の出力側のミラー１１４＿１（図中左側）がアウトプットカプラであり、樹脂硬化光を光導波路１４に出力する。
　光導波路１４の終端では、終端素子１１５として、終端に向かって（図中、右に向かって）幅が狭くなるテーパ形状の導波路が形成される。ここで、終端素子１１５の終端は端面であるが、尖った峰であってもよい。終端に向かってテーパ形状を進行する光は、徐々に導波路から漏れ出す。これにより、共振器以外の箇所での不要な反射によるレーザ動作の不安定化を抑制できる。
　色素１１２には、ローダミン、クマリン、スチルベン系等の色素を用いることができ、例えば、３００ｎｍ～１３００ｎｍ程度の発光波長に対応できる。色素１１２は、ＳＷＷに用いる光硬化性樹脂の硬化波長によって選択される。例えば、ローダミン系、クマリン系、又はスチルベン系を用いることにより４００～６５０ｎｍ程度で波長を選択できる。
　また、ミラー１１４＿１、１１４＿２において、ブラッググレーティングの周期は、共振器内の中心波長と色素１１２の利得スペクトルの中心波長とがおおよそ一致するように設定される。ミラー１１４＿１、１１４＿２それぞれの長さは２００μｍ程度である。
　樹脂硬化用レーザ１１において、図４Ｂに示すように、基板内までの深さに形成された溝１１１に色素１１２を充填することにより、利得媒質を集積する。ここで、溝１１１は光導波路１４を含む部分に配置される。
　また、色素１１２を充填する溝１１１は、図５に示すように、上部クラッド１０２内において光導波路１４の近傍までの深さで形成されてもよい。この場合は、色素１１２から発せられた光のうち、光導波路１４に結合する光のモードが、共振器内（グレーティング間）でレーザ発振する。このように、溝１１１は光導波路１４の近傍に配置されてもよく、利得媒質（色素）１１２から発せられた光が光導波路１４に光結合されればよい。
　このように、溝１１１に配置された利得媒質１１２からの発光が光導波路１４に結合するように、溝１１１が光導波路１４を含む部分又は光導波路１４の近傍に配置される。ここで、例えば、溝１１１の深さは１～１０μｍである。
＜樹脂硬化用レーザの励起方法＞
　以下に、樹脂硬化用レーザ１１の励起方法の一例について、図６を参照して説明する。
　図６に示すように、励起光（図中点線）をレンズ１で集光し、色素（利得媒質）１１２に照射する。このように、樹脂硬化用レーザ光のポインティングベクトル（進行方向）と垂直な方向の励起光を用いる横方向励起によって、樹脂硬化用レーザ１１を励起する。
　励起光源には、アルゴンレーザ、クリプトンレーザ、ＹＡＧレーザ、ルビーレーザ、エキシマレーザ等があり、色素１１２に合わせて選択する。
　また、図７に示すように、励起光源にフラッシュランプ２を用いてもよい。この構成では、広い領域で色素１１２を励起できる。その反面、励起光の強度が低下する。
　樹脂硬化用レーザ１１の励起方法に用いる構成として、色素１１２において、励起光が照射される反対側すなわち色素１１２の底面の下方に、多層膜ミラーを配置してもよい。例えば、多層膜ミラーは、色素が充填される溝１１１の底面やその底面の下方の下部クラッド１０１や基板（図示せず）の内部に配置される。例えば、Ｓｉ基板に、ＳｉとＳｉＯ２等の誘電体との多層構造を形成してもよい。
　これにより、色素に照射された励起光の一部が透過して、多層膜ミラーで反射されて色素を励起できる。その結果、励起効率を向上できる。とくに、励起強度が低い構成（例えば、図７に示す構成）においては、励起強度を向上できるので有効である。
　樹脂硬化用レーザ１１の励起方法の他の一例として、図８に示すように、光素子１０と接続する導波路（例えば、光ファイバ）３から、樹脂硬化光（図中黒矢印）、と樹脂硬化光源励起光（図中白矢印）を同軸で入射して、樹脂硬化用レーザ１１を励起してもよい。
　この励起方法では、樹脂硬化光とともに樹脂硬化光源励起光がＳＷＷ用樹脂に照射される。樹脂硬化光源励起光は、ＳＷＷ用樹脂を透過して光素子１０の光導波路１４に入射し、光導波路１４を伝搬して、樹脂硬化用レーザ１１を励起する。
　このように、樹脂硬化用レーザ光のポインティングベクトル（進行方向）と平行方向の励起光を用いて縦方向励起で樹脂硬化用レーザ１１を励起するので、励起光の光電場強度を増加でき、励起効率を向上できる。
　本実施の形態における樹脂硬化用レーザ１１において、図９に示すように、共振器内に共振器内損失を制御する素子（例えば、光スイッチ等）を配置することにより、Ｑスイッチ動作させてもよい。詳細には、導波方向に順に、ミラー１１４＿１と、光スイッチ等の制御素子１１６と、色素が充填された溝１１１と、ミラー１１４＿２と、終端素子１１５とを備える。
　光スイッチ１１６として、ヒータを伴ったマッハツェンダ干渉計やマイクロリング変調器等を光素子（光平面回路）１０内に集積して用いることができる。
　これにより、励起光源のパルスレーザ発振光の強度を増加でき、樹脂硬化用レーザ１１をパルスレーザ発振させることができる。ここで、樹脂硬化用レーザ１１がパルス動作でもＳＷＷを形成できる。
　本発明の実施の形態で、例えば、光導波路１４としてＳｉ導波路や石英系ガラス導波路やＳｉＮ導波路、下層光導波路１６としてＳｉ導波路や石英系ガラス導波路、上部クラッド１０２や下部クラッド１０１として酸化シリコン系材料、基板としてシリコンやサファイア、光硬化性の樹脂としてエポキシ系やアクリル系やポリイミド系、色素としてローダミン６Ｇやスチルベン系などを用いることができる。
＜光素子の製造方法＞
　本実施の形態に係る光素子１０の製造方法の一例を、図１０を参照して説明する。
　初めに、Ｓｉ基板上に、順に、下部クラッド（ＳｉＯ２）と、Ｓｉ光導波路と、上部クラッド（ＳｉＯ２）とが形成された構造を用いる（工程Ｓ１）。ここで、Ｓｉ基板上に、Ｓｉ光導波路と、上部クラッド（ＳｉＯ２）とが形成された構造を用いてもよい。例えば、光導波路１４のコアの幅、高さが８μｍ程度のＰＬＣを用いる場合について説明する。
　次に、ＰＬＣ表面の光導波路１４を含む部分に、溝（幅が１０μｍ程度、長さが２ｍｍ～１０ｍｍ程度）１１１を形成する（工程Ｓ２）。
　次に、この溝１１１の両端の光導波路１４に反射率をそれぞれ９０％と８０％（反射率の低い方を樹脂硬化光の出力側とする）とするブラッググレーティングを形成する（工程Ｓ３）。
　最後に、利得媒質（色素）１１２として、エチルグリコールに溶かしたローダミン６Ｇを溝１１１に充填する（工程Ｓ４）。
　このように、光素子１０が製造される。
　光素子１０における色素１１２が充填された溝１１１に、外部から５３２ｎｍ波長の光をレンズで集光し照射して、樹脂硬化光をレーザ発振させる。このとき、パルス光により励起すると、ＣＷ光による励起よりも低平均出力で発振させることができる。この樹脂硬化光を用いて、以下のように、光素子１９の端面にＳＷＷを形成できる。
　初めに、光素子（光チップ）１０の端面に光硬化性樹脂を滴下する。
　次に、樹脂硬化用レーザ１１から光硬化性樹脂に樹脂硬化光を照射する。
　最後に、必要に応じて光硬化性の樹脂の未硬化の部分を洗浄して、ＳＷＷの形成を完了する。ここで、洗浄によって空隙となった箇所に適宜他の樹脂を配置してもよい。
　このように、光素子１０の端面にＳＷＷを形成する。これにより、図１１に示すように、ＳＷＷ４を備える光素子が製造される。
　また、利得媒質（色素）１１２と光導波路１４の屈折率差が、利得媒質（色素）１１２と光導波路１４の間で光の反射を生じさせる程度である場合、この反射により共振器を構成できるので、ブラッググレーティング導波路等のミラーを配置しなくてもよい。
　本実施の形態に係る光素子によれば、樹脂硬化光としてレーザ光を出射できるので、樹脂硬化光を高効率で出射でき、自己形成光導波路（ＳＷＷ）を形成できる。
＜第２の実施の形態＞
　本発明の第２の実施の形態に係る光素子について、図１２～図１３を参照して説明する。
＜光素子の構成＞
　本実施の形態に係る光素子２０は、図１２に示すように、第１の実施の形態と同様に形成された溝１１１に、樹脂硬化用レーザ２１の利得媒質として、利得材料添加ファイバ２１２が配置される。利得材料添加ファイバ２１２は、コア２１２＿１とクラッド２１２＿２を有し、コア２１２＿１にエルビウムやイットリビウム等の利得材料が添加されている。
　光素子２０では、利得材料添加ファイバ２１２のコア２１２＿１と光導波路１４が光学的に光接続される位置に配置されている。
　その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
　光素子２０では、第１の実施の形態と同様に、利得材料添加ファイバ２１２に励起光を入射してレーザ発振させることができる。例えば、外部の光ファイバ等（図示せず）から励起光を利得材料添加ファイバ２１２に入射して、利得材料添加ファイバ２１２のコア２１２＿１を励起して発光させる。この発光を、溝１１１の両端に配置されたブラッググレーティング導波路によって共振させて、レーザ発振させる。また、光スイッチ等を用いてＱスイッチ動作させてもよい。
　また、図１３に示すように、利得材料添加ファイバ２１２をその光軸に対して４５度にクリーブし、全反射によるミラー２１２＿３を形成してもよい。図中破線矢印は、励起光の光ファイバに結合する光路を示す。これにより、外部（図中、上方）からの励起光をミラー２１２＿３で反射させて、利得材料添加ファイバ２１２のコア２１２＿１へ入射できる。
　このように、利得材料添加ファイバ２１２において、溝１１１の底面と対向する面が、利得材料添加ファイバ２１２に光素子２０の上面から入射する励起光を反射して、利得材料添加ファイバ２１２のコア２１２＿１に入射するように傾斜され、ミラー２１２＿３が形成されてもよい。
　ここで、利得材料添加ファイバ２１２の側面の一部（図１３において右の側面）１１１＿１を、利得材料添加ファイバ２１２が接する溝１１１の端面（側面）と平行とすることが望ましい。これにより、溝１１１の側面１１１＿１と利得材料添加ファイバ２１２の側面との接触面積が増加するため、より安定に利得材料添加ファイバ２１２を溝１１１に収納できる。
　本実施の形態では、利得材料添加ファイバ２１２を溝１１１に配置（篏合）するので、利得材料添加ファイバ２１２から光が空間（利得材料添加ファイバ２１２のコア２１２＿１の端面と光素子２０の光導波路１４の端面との間の間隙）に出射された後、光素子２０の光導波路１４に結合する。その結果、空気との屈折率差によるフレネル反射等が生じ、設計時に想定されなかった共振や反射による結合損失が生じることがある。
　この結合損失を抑制するため、屈折率整合剤として樹脂や別の接着剤などを溝内、少なくとも利得材料添加ファイバ２１２のコア２１２＿１の端面と光素子２０の光導波路１４の端面との間に滴下してもよい。
　また、上記の共振や反射による結合損失を抑制するために、光の導波方向に対して、利得材料添加ファイバ２１２のコア２１２＿１の端面と光素子２０の光導波路１４の端面が傾斜する構成としてもよい。例えば、光素子２０に形成する溝を、光素子２０表面に対して垂直方向から傾斜する方向で形成してもよい。この傾斜した溝に利得材料添加ファイバ２１２を配置した構成では、利得材料添加ファイバ２１２のコア２１２＿１の端面又は光素子２０の光導波路１４の端面で反射した光が、光素子２０の光導波路１４に結合しないので、結合損失を抑制できる。
　また、利得材料添加ファイバ２１２のコア２１２＿１の端面および光素子２０の光導波路１４の端面に、反射防止膜を形成することにより、結合損失を抑制してもよい。
　本実施の形態では、利得材料添加ファイバ２１２のコア２１２＿１の端面と光素子２０の光導波路１４の端面との間の間隙（空間）を利用してもよい。この空間での空気と利得材料添加ファイバ２１２の端面によるフレネル反射を用いて、共振器を構成してレーザ発振させてもよい。
　また、利得材料添加ファイバ２１２の端面をスパッタリングなどによりミラー化することで、共振器を構成してレーザ発振させてもよい。
　利得材料添加ファイバ２１２としては、例えば、ＳＷＷ用の光硬化性樹脂に近赤外で硬化する樹脂を用いる場合に、エルビウム又はイットリビウム添加光ファイバを用いてもよい。
　また、エルビウム添加ファイバは９８０ｎｍ波長の光で励起されるとき、アップコンバージョンにより緑色の波長帯で発光する。これにより、緑色の波長帯のレーザを用いてＳＷＷを形成してもよい。
　本実施の形態では、利得材料添加ファイバ２１２のコア２１２＿１と光導波路１４のコアの位置を高精度で配置することが重要である。そこで、Ｓｉ基板上の溝を、ＫＯＨ（水酸化カリウム）等を用いた異方性エッチングによって形成し、Ｖ溝構造としてもよい。
　ＫＯＨにより加工されるＳｉ基板上のＶ溝の角度は高精度に決まるため、溝を形成するための開口の幅によってＶ溝の深さが高精度で決まる。また、開口の位置および幅は、リソグラフィ等によりナノメータ（ｎｍ）オーダの高精度で決まる。
　そこで、Ｓｉ基板にＶ溝をその位置および深さを高精度で決めて形成でき、利得材料添加ファイバ２１２と光導波路１４とをＶ溝に高精度で位置決めして配置できる。
　また、図１３に示す構成で、異方性エッチングにより決まるＶ溝の角度と、利得材料添加ファイバ２１２をアングルクリーブする角度を一致させてもよい、これにより、より安定に利得材料添加ファイバ２１２を溝１１１に格納できる。
＜光素子の製造方法＞
　本実施の形態に係る光素子２０の製造方法において、例えば、利得材料添加ファイバ２１２にエルビウム添加ファイバ（ファイバ長さが０．５ｍｍ～数ｃｍ程度、レーザ波長が５３２ｎｍ）を用いる。
　ＰＬＣに溝１１１を形成した後に、溝１１１の両端の光導波路１４に、５３２ｎｍの波長に対してそれぞれ反射率を９０％と８０％（反射率の低い方を樹脂硬化光の出力側とする）とするブラッググレーティングを形成する。
　次に、溝１１１に屈折率整合剤を滴下した後に、エルビウム添加ファイバ２１２を配置（篏合）する。
　その他の製造工程は、第１の実施の形態と同様である。
　このように、光素子２０が製造される。
　エルビウム添加ファイバに９８０ｎｍ波長の励起光を外部の励起光源（半導体レーザ）から照射して、樹脂硬化光（波長が５３２ｎｍ）を発光させる。この樹脂硬化光をＳＷＷ用樹脂に照射し、ＳＷＷを形成できる。
　本実施の形態に係る光素子によれば、樹脂硬化光としてレーザ光を出射できるので、樹脂硬化光を高効率で出射でき、自己形成光導波路（ＳＷＷ）を形成できる。
＜第３の実施の形態＞
　本発明の第３の実施の形態に係る光素子について、図１４を参照して説明する。
＜光素子の構成＞
　本実施の形態に係る光素子３０は、図１４に示すように、光素子（光平面回路）３０に形成された溝１１１に、樹脂硬化用レーザ３１の利得媒質として、レーザ用の固体の利得媒質３１２が配置（篏合）される。
　固体の利得媒質３１２としては、レーザ結晶や、セラミック材料による利得媒質等が挙げられる。
　光素子３０では、外部から励起光を固体の利得媒質３１２に照射して、固体の利得媒質３１２を励起して、樹脂硬化光を発振させる。この樹脂硬化光をＳＷＷ用樹脂に照射してＳＷＷを形成する。
　その他の構成、製造方法、樹脂硬化用レーザの励起方法などは、第１および第２の実施の形態と同様である。
　光素子３０における光導波路１４に、複数（少なくとも２つ）の溝を形成して、一方の溝に利得媒質、他方の溝に非線形結晶を配置してもよい。この構成により、共振器内で高調波を発生できる。共振器内の高調波発生は、共振器内の光電場強度が高いため、理論限界に近い非線形による波長変換を可能にする。そこで、媒質の発光波長を可視光に波長変換して、可視光を中心波長としてもつ共振器を構成でき、高出力の樹脂硬化光を出射できる。
　本実施の形態に係る光素子によれば、樹脂硬化光としてレーザ光を出射できるので、樹脂硬化光を高効率で出射でき、自己形成光導波路（ＳＷＷ）を形成できる。
＜第４の実施の形態＞
　本発明の第４の実施の形態に係る光素子について、図１５を参照して説明する。
＜光素子の構成＞
　本実施の形態に係る光素子４０は、図１５に示すように、光素子（光平面回路）４０に形成された溝１１１に、樹脂硬化用レーザ４１として、半導体レーザ４１２を配置され、半導体レーザ４１２に電力を供給するためのワイヤ６が配置される。ここで、ワイヤ６により電力供給する例を示したが、フリップチップ実装等の他の電気実装でもよい。
　その他の構成、製造方法などは、第１～第３の実施の形態と同様である。但し、光素子４０では、溝１１１に配置された半導体レーザ４１２よりレーザ光が出射されるので、必ずしも溝１１１の両端又はいずれか一方の端にグレーティング導波路を配置する必要はない。
　本実施の形態では、第１～第３の実施の形態と同様に、樹脂硬化用レーザ（半導体レーザ）４１２から光素子（光平面回路）４０の光導波路１４内に樹脂硬化光を結合し、樹脂硬化光でＳＷＷを形成する。
　ここで、半導体レーザ４１２は、電流注入により励起する例を示したが、光励起でもよい。ここで、電流注入による構成の方が、光励起による構成より作製工程を簡略化できる。これは、電気実装では、励起光用の光学系の構築に要する高い精度（電気実装の場合より１桁以上高い）を必要としないからである。
　本実施の形態に係る光素子によれば、樹脂硬化光としてレーザ光を出射できるので、樹脂硬化光を高効率で出射でき、自己形成光導波路（ＳＷＷ）を形成できる。
＜第５の実施の形態＞
　本発明の第５の実施の形態に係る光素子について、図１６を参照して説明する。
＜光素子の構成＞
　本実施の形態に係る光素子５０の樹脂硬化用レーザ５１において、図１６に示すように、溝５１１にマイクロリング導波路５１３＿３が配置され、２本の光導波路５１３＿１、５１３＿２がマイクロリング導波路５１３＿３に光結合できるように配置される。また、溝５１１に、利得媒質５１２、例えば色素が充填されている。
　ここで、マイクロリング導波路５１３＿３の直径は２５μｍ程度である。
　その他の構成、樹脂硬化用レーザの励起方法などは、第１～第４の実施の形態と同様である。但し、光素子５０では、溝１１１に配置されたリング共振器によりレーザ光が出射されるので、必ずしも光導波路５１３＿１、５１３＿２にグレーティングを配置する必要はない。
　２本の光導波路５１３＿１、５１３＿２のうち、一方の光導波路５１３＿１に励起光（図中、白矢印）を伝搬させ、マイクロリング導波路５１３＿３に光結合させる。マイクロリング導波路５１３＿３に入射した励起光により、利得媒質５１２が励起され発光する。発光した光はマイクロリング導波路５１３＿３に光結合し、共振し、レーザ発振が生じる。
　このように、リング共振器の構成でレーザ光が生成され、他方の光導波路５１３＿２に光結合し、樹脂硬化光（図中、黒矢印）として他方の光導波路５１３＿２を伝搬し、ＳＷＷ用樹脂に照射される。その結果、ＳＷＷが形成される。
　本実施の形態では、マイクロリング導波路にヒータ等を実装することにより、マイクロリング導波路５１３＿３の透過波長をシフトできる。透過波長をシフトさせ、リング共振器（マイクロリング導波路の透過スペクトルと利得媒質の利得スペクトルが重なるようにすれば、容易にレーザ発振できる。例えば、製造工程における光導波路構造や屈折率の誤差によって透過波長がずれたときに、ヒータへの電流注入により透過波長をシフトさせて、リング共振器の透過スペクトルと利得媒質の利得スペクトルが重なるようにできるため、樹脂硬化用レーザの歩留まりを向上できる。
　本実施の形態に係る光素子によれば、樹脂硬化光としてレーザ光を出射できるので、樹脂硬化光を高効率で出射でき、自己形成光導波路（ＳＷＷ）を形成できる。
　また、共振器の構成がリング形状であるので、他の実施の形態における直線形状の長い共振器が配置できないレイアウトの場合に適用できる。
　本実施の形態では、マイクロリング導波路の一部（光導波路と光結合する部分）が溝内に含まれない例を示したが、これに限らない。マイクロリング導波路全体が、色素が充填された溝内に含まれてもよい。また、マイクロリング導波路全体と光導波路の一部が、色素が充填された溝内に含まれてもよい。このように、マイクロリング導波路の少なくとも１部の周囲に利得媒質が配置されればよい。
　本発明の実施の形態では、基板（例えば、Ｓｉ）上の下部クラッド（例えば、ＳｉＯ２）上に光導波路（例えば、Ｓｉ）が配置される例を示したが、これに限らない。基板（例えば、ガラス基板）上に光導波路（例えば、Ｓｉ）が配置されてもよい。
　本発明の実施の形態では、光素子の構成、製造方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。光素子の機能を発揮し効果を奏するものであればよい。
　本発明は、光素子間の接続に用いる光素子に関するものであって、光通信モジュールや光通信ネットワークに適用することができる。
１０　光素子
１１　樹脂硬化用レーザ
１２　光回路
１３　合波回路
１４　光導波路

Claims (8)

  1. 　自己形成光導波路を形成するための樹脂硬化光を出射する光素子であって、
    　樹脂硬化用レーザと、
    　光回路と、
    　前記樹脂硬化用レーザと接続する第１の光導波路と、前記光回路と接続する第２の光導波路とが接続する合波回路と、
    　前記合波回路の出力と前記光素子の端面とを接続する第３の光導波路と
    　を備える光素子。
  2. 　前記樹脂硬化用レーザが、前記樹脂硬化光の出射側から順に、
    　前記第１の光導波路と結合するように配置された第１のミラーと、
    　利得媒質と、
    　第２のミラーと、
    　前記樹脂硬化光の出射側と反対側に向けて幅が狭くなる前記第１の光導波路を有する終端素子と
    　を備える
    　請求項１に記載の光素子。
  3. 　前記第１のミラーと前記利得媒質との間に、光制御素子を備え、
    　前記樹脂硬化用レーザがＱスイッチ動作する
    　ことを特徴とする請求項２に記載の光素子。
  4. 　前記利得媒質が、利得材料添加ファイバであって、
    　前記利得材料添加ファイバが、前記第１の光導波路を含む溝に配置され、
    　前記利得材料添加ファイバにおいて、前記溝の底面と対向する面が、前記利得材料添加ファイバに前記光素子の上面から入射する励起光を反射して、前記利得材料添加ファイバのコアに入射するように傾斜されている
    　ことを特徴とする請求項２に記載の光素子。
  5. 　前記樹脂硬化用レーザが、
    　前記第１の光導波路と光結合するマイクロリング導波路と、
    　前記マイクロリング導波路と光結合する他の光導波路と
    　を備え、
    　前記マイクロリング導波路の少なくとも１部の周囲に利得媒質が配置され、
    　前記他の光導波路を介して、前記利得媒質を励起する光が前記マイクロリング導波路に光結合する
    　ことを特徴とする請求項１に記載の光素子。
  6. 　前記合波回路において、
    　前記第１の光導波路を前記第３の光導波路とが接続し、
    　前記第３の光導波路の下方に、前記第２の光導波路が配置され、
    　前記第３の光導波路の前記第２の光導波路の側の端部が、前記第２の光導波路に向かって狭くなり、
    　前記第２の光導波路の前記第３の光導波路の側の端部が、前記第３の光導波路に向かって狭くなる
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光素子。
  7. 　前記樹脂硬化光が出射する端面に、前記自己形成光導波路を備える
    　請求項１又は２に記載の光素子。
  8. 　基板上に、順に、光導波路と、上部クラッドとを形成する工程と、
    　前記光導波路を含む部分又は近傍に、溝を形成する工程と、
    　前記溝の両端の前記光導波路にブラッググレーティングを形成する工程と、
    　利得媒質を前記溝に配置する工程と
    　を備える光素子の製造方法。
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