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1. WO2020105412 - 光接続構造およびその製造方法

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明 細 書

発明の名称 光接続構造およびその製造方法

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013  

先行技術文献

特許文献

0014  

非特許文献

0015  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024  

課題を解決するための手段

0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032  

発明の効果

0033  

図面の簡単な説明

0034  

発明を実施するための形態

0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079  

符号の説明

0080  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20  

明 細 書

発明の名称 : 光接続構造およびその製造方法

技術分野

[0001]
 本発明は、光接続構造およびその製造方法に関し、より具体的には、光学素子が集積された光接続構造およびその製造方法に関する。

背景技術

[0002]
 大容量の光情報を高速、低コストに伝送、処理するためには、光回路における光デバイスの集積化が必要不可欠である。光回路は、基板表面に屈折率の高い部分からなるコアと、コアより屈折率の低いクラッドとからなる光導波路で、複数の光デバイスを接続したものである。この光回路に光デバイスを集積化した光集積回路には、さまざまなデバイスを組み込むことが可能である。
[0003]
 光回路の材料としてはポリマー、石英ガラス、化合物半導体、Si、ニオブ酸リチウムなどの強誘電体がある。また、光回路を構成する光導波路には、石英ガラス基板またはシリコン基板上に、石英系ガラスを主たる材料として作製される石英系光導波路があり、主として通信分野において実用に供せられている。石英系光回路上の石英系光導波路は、伝播損失が低い、信頼性・化学的安定性が高い、および加工性がよいなどの特徴を有している。また、石英系光ファイバとの整合性がよいため、標準的な通信用石英系光ファイバと接続した場合においても、低損失・高信頼性を有している。
[0004]
 現在、石英系光導波路により構成したY分岐パワースプリッタ、マッハ・ツェンダ干渉計(MZI:Mach-Zehnder Interferometer)、MZIを利用した光スイッチ、およびアレイ導波路型波長合分波器(AWG:Arrayed Waveguide Grating)などの光回路(PLC:Planar Lightwave Circuits)の開発が進められている。これらの光回路は、近年、構築が進められつつある波長分割多重(WDM)光伝送システムを基盤とした、フォトニックネットワークシステムの重要なキーデバイスとなっている(非特許文献1、非特許文献2非特許文献3参照)。
[0005]
 また、石英系光回路以外にも、近年、Si、化合物半導体、強誘電体材料などを用いて、機能を付与したより小型な光回路の開発が進んでいる。光回路に機能性を付与するために、光回路内に溝を設け、設けた溝に薄膜形状の光学素子を挿入する技術がしばしば用いられる。例えば、光回路内の導波光の偏波を制御するために、光導波路が形成された光回路に溝を設け、この溝に所望の位相差を与える波長板を挿入する方法がしばしば用いられる。
[0006]
 例えば、図18に示すように、Si基板301に形成された溝304に、λ/2波長板305を挿入する。Si基板301上には光回路302が、光回路302は石英系の光導波路303から構成されている。Si基板301および光回路302には、光導波路303の導波方向と直交する方向に延在する溝304が形成されている。溝304は、例えば、幅20μm,深さ150μm~200μm程度とされている。このように形成された溝304に、光学素子であるλ/2波長板305を挿入することで、光回路302に機能性を付与する。
[0007]
 λ/2波長板305は、例えばポリイミド延伸フィルムにより形成される。ポリイミド延伸フィルムの複屈折率は約0.05であるため、通信波長帯である1.5μmの光においては、ポリイミド延伸フィルムは厚さ約15μmとすることにより、λ/2波長板として機能する。
[0008]
 Si基板301上の光導波路303は,複屈折を有するため,透過光学特性が偏波依存性を有することがある。上述したように、溝304にλ/2波長板305を挿入することにより、光導波路303の透過光学特性の偏波依存性を補償することが可能となる(特許文献1参照)。
[0009]
 ポリイミド延伸フィルムは一定の偏光方向を持つ。したがって、基板上に複数の光導波路が形成された光導波路アレイにおいて、隣接光導波路に異なる偏光方向を持つ波長板を挿入するには、各光導波路に別々の偏光方向を有する波長板を挿入することになる。
[0010]
 例えば、各々異なる偏光方向を持つ2つの波長板を用いることで、図19に示すように、偏光ビームスプリッタ400が構成できる。偏光ビームスプリッタ400は、導波路型偏光ビームスプリッタであり、基板401上に、入力光導波路402と、入力光導波路402に光学的に接続されたY分岐カプラ403と、Y分岐カプラ403の出力にそれぞれ接続されたTE偏光導波路404およびTM偏光導波路405とを備える。また、偏光ビームスプリッタ400は、基板401上に、TE偏光導波路404およびTM偏光導波路405に接続された2×2MMI(Multi mode interference)406を備え、2×2MMI406の出力にそれぞれが接続されたTE偏光出力光導波路407およびTM偏光出力光導波路408を備える。
[0011]
 偏光ビームスプリッタ400の上面には、TE偏光導波路404およびTM偏光導波路405を横切るように、TE偏光導波路404およびTM偏光導波路405の光の導波方向と直交する方向に一定の深さ(具体的には深さ150μm~200μm)の溝411が形成されている。溝411には、TE偏光導波路404を横切るようにλ/4波長板(90度)412が挿入され、TM偏光導波路405を横切るようにλ/4波長板(0度)413が挿入されている。溝411は、ダイシングにより形成される。
[0012]
 この偏光ビームスプリッタ400は、Y分岐カプラ403と2×2MMI406との間に、λ/4波長板413と、λ/4波長板412とを挿入し、λ/4波長板413によりTE波を90度進め、λ/4波長板412によりTM波を90度進める。Y分岐カプラ403によって分けられた2つの光の位相を+と-に90°シフトさせて2×2MMI406に入力することにより、TE偏光出力光導波路407にはTE偏光のみ、TM偏光出力光導波路408にはTM偏光のみを出力する(非特許文献1参照)。
[0013]
 上述した導波路型偏光ビームスプリッタは、偏波間の位相差を両アームに挿入された波長板によって付与するため、温度特性に優れた偏波ビームスプリッタを実現できる。波長板以外にも、波長フィルタを挿入することで波長合分波機能を持たせた回路なども存在し、波長多重伝送などに用いられている(特許文献2参照)。

先行技術文献

特許文献

[0014]
特許文献1 : 特許第3501235号公報
特許文献2 : 特開平10-282350号公報

非特許文献

[0015]
非特許文献1 : Y. Hibino, "Arrayed-Waveguide-Grating Multi/Demultiplexers for Photonic Networks", IEEE CIRCUITS & DEVICES, pp. 21-27, 2000.
非特許文献2 : A. Himeno et al., "Silica-Based Planar Lightwave Circuits", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 4, no. 6, pp. 912-924, 1998.
非特許文献3 : M. ABE, "Silica-based waveguide devices for photonic networks", Journal of the Ceramic Society of Japan, vol. 116, no. 10, pp. 1063-1070, 2008.
非特許文献4 : M. Kawachi et al., "Silica waveguides on silicon and their application to integrated-optic components", Optical and Quantum Electronics, vol. 22, pp. 391-416, 1990.
非特許文献5 : Y. Nasu et al., "Temperature insensitive and ultra wideband silica-based dual polarization optical hybrid for coherent receiver with highly symmetrical interferometer design", Optics Express, vol. 19, no. 26, pp. B112-B118, 2011.
非特許文献6 : T. M. Monro et al., "Analysis of self-written waveguide experiments", Journal of the Optical Society of America B, Vol. 16, Issue 10, pp. 1680-1685, 1999.
非特許文献7 : N. Lindenmann et al., "Photonic wire bonding: a novel concept for chip-scale interconnects", Optics Express, Vol. 20, Issue 16, pp. 17667-17677, 2012.

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0016]
 ところで、前述したように、光回路に機能性を付与すためには、光回路に形成した溝に光学素子を配置するが、溝の幅を光学素子の厚さより大きくしている。これは、光学素子の厚さと一致した溝を形成すること、およびこの溝に光学素子を配置することには、高い精度が要求され、非常に困難なためである。溝の幅を光学素子の厚さより大きくすれば、溝の形成が容易になり、溝に光学素子を配置することも容易となる。
[0017]
 例えば、図20に示すように、基板501の上に光導波路502が形成された光回路に形成された溝503に、板状の光学素子504を配置する。溝503は、光導波路502の導波方向に垂直に延在し、光導波路502を横断して形成されている。溝503は、例えば,ダイシングやエッチングなどにより形成される。例えば、比較的よく用いられる、ポリイミド波長板より構成される光学素子504は、厚さが15μmであり、これを配置する溝503の幅は20μm程度としている。したがって、溝503の側面と光学素子504との間に、例えば、5μm分の隙間が形成される。
[0018]
 この場合、溝503の部分は、光導波路構造を有していないので、例えば、光導波路502を導波して溝503側面の光出射端より出射した光511は、回折広がりを伴いながら伝播し、伝播損失が発生する。この損失は、光学素子504の厚さを考慮した損失よりも大きい。また、隙間の空間を伝播する光511が光学素子504に入射するときに、フレネル反射による損失も発生する。
[0019]
 従来の技術では、上述した伝播損失およびフレネル反射による損失を低減する目的で、上述した隙間に、光導波路502のコア502aおよび光学素子504より高い屈折率を持つ屈折率整合材505を充填した光接続構造としている。溝503の側面と光学素子504との間の隙間に屈折率整合材505を充填することで、光511の回折広がりをある程度抑制することができ、損失を低減することが可能となる。
[0020]
 一方、近年、光回路のサイズ縮小によるコンパクトかつ高機能な光モジュール実現の目的から、コアとクラッドとの屈折率差が大きい光導波路による光回路が注目を集めている。コアとクラッドとの屈折率差が大きい光導波路は、光導波路の導波方向を変える光導波路の曲げの部分の曲率半径を小さくすることが可能であり、光回路をより小さくすることができるという利点がある。
[0021]
 しかしながら、コアとクラッドとの屈折率差が大きい光導波路の場合、上述した溝側面の光導波路端から出射される光の広がり角がより大きな値をとるため、光学素子を配置した溝部における損失が、より大きくなるという欠点がある。コアとクラッドとの屈折率差が大きい光導波路の場合の損失の増大を抑制するために、溝の側面近くの光導波路に導波光のモードフィールド径を拡大するためのスポットサイズ変換器を導入し、モードフィールド径を拡大することによって、回折による損失を低減する技術が用いられる。
[0022]
 しかし、スポットサイズ変換器自体も低損失にモードフィールド径を変換するためには大きなサイズになることが多いため、前述した小型化のメリットを活かしきれない。また、スポットサイズ変換器によってモードフィールド径が所望の値まで拡大されている箇所に、光学素子を配置する必要があるため、溝の形成精度が必要とされ、光学素子の実装難易度が上昇することなどの欠点も発生する。
[0023]
 これらのように、従来、光学素子が集積する光回路においては、光回路の光導波路の端面と光学素子との間の隙間により、光の伝播損失が発生していた。ここで、光接続を行う両者の間の隙間を無くすために、例えば、押圧による弾性変形を伴う「physical contact」と呼ばれる接続方法が提案されている。また、光接続を行う両者の間の隙間を無くすために、接続面を限りなく平坦に近づけ、ファンデルワールス力によって接続を行う「Optical contact」と呼ばれる接続方法も提案されている。しかしながら、これらの接続技術は、多大なコストと製造時間を有し、また溝のような構造の側面と光学素子の側面との間には適用することが不可能であるという課題が存在した。
[0024]
 本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、多大なコストや製造時間を必要とせずに、光回路の中の光導波路途中に、伝播損失を抑制して光学素子が配置できるようにすることを目的とする。

課題を解決するための手段

[0025]
 本発明に係る光接続構造は、第1光導波路と、第1光導波路の一端側に形成された第1光入出射端面と、第2光導波路と、第1光導波路の一端側に向かい合う第2光導波路の一端側に形成された第2光入出射端面と、第1光導波路と第2光導波路との間で、第1光入出射端面および第2光入出射端面に接して配置された光学素子とを備え、第1光入出射端面より出射する出射光と第2光入出射端面より出射する出射光とは、互いに結合する状態とされている。
[0026]
 上記光接続構造の一構成例において、第1光導波路のコアおよび第2光導波路のコアは、それぞれ光硬化した樹脂から構成されている。
[0027]
 上記光接続構造の一構成例において、第1光導波路のコアおよび第2光導波路のコアの少なくとも一方は、その断面形状が、光学素子に近づくほど大きくされている。
[0028]
 上記光接続構造の一構成例において、第1光導波路のコアおよび第2光導波路のコアの少なくとも一方は、光学素子の側の先端が、レンズ形状に形成されている。
[0029]
 上記光接続構造の一構成例において、第1光導波路のコアおよび第2光導波路のコアの少なくとも一方は、光学素子の側の先端が、光学素子より離間している。
[0030]
 上記光接続構造の一構成例において、第1光導波路の他端の側に光学的に接続する第3光導波路と、第2光導波路の他端の側に光学的に接続する第4光導波路とをさらに備え、第3光導波路および第4光導波路は、同一の層に形成された光導波路から構成されてこの光導波路に形成された隙間部を挾んで配置され、第1光導波路、光学素子、および第2光導波路は、隙間部に配置されている。
[0031]
 上記光接続構造の一構成例において、第1光導波路の他端の側に光学的に接続する第3光導波路をさらに備え、第2光導波路および第3光導波路は、コアおよびクラッドを備えて同一の層に形成された光導波路から構成されてこの光導波路に形成された隙間部を挾んで配置され、第1光導波路および光学素子は、隙間部に配置されている。
[0032]
 本発明に係る光接続構造の製造方法は、第1光導波路と、第1光導波路の一端側に形成された第1光入出射端面と、第2光導波路と、第1光導波路の一端側に向かい合う第2光導波路の一端側に形成された第2光入出射端面と、第1光導波路と第2光導波路との間で、第1光入出射端面および第2光入出射端面に接して配置された光学素子とを備え、第1光入出射端面より出射する出射光と第2光入出射端面より出射する出射光とは、互いに結合する状態とされている光接続構造の製造方法であって、第1光導波路を形成する領域を挟んで光学素子と離間して配置されている光導波路を、光出射方向を光学素子に向けて離間して配置する第1工程と、光導波路の光出射端と光学素子との間に樹脂を充填して樹脂層を形成する第2工程と、光導波路に入力した光を光出射端より出射することで、出射した光が通過した樹脂層の部分を光硬化させてコアを形成し、コアより構成された第1光導波路を形成する第3工程とを備える。

発明の効果

[0033]
 以上説明したように、本発明によれば、コアによる第1光導波路と第2光導波路との間に、第1光入出射端面および第2光入出射端面に接して光学素子を配置したので、多大なコストや製造時間を必要とせずに、光回路の中の光導波路途中に、伝播損失を抑制して光学素子が配置できるという優れた効果が得られる。

図面の簡単な説明

[0034]
[図1] 図1は、本発明の実施の形態1に係る光接続構造の構成を示す断面図である。
[図2] 図2は、本発明の実施の形態1に係る他の光接続構造の構成を示す断面図である。
[図3] 図3は、本発明の実施の形態1に係る他の光接続構造の構成を示す断面図である。
[図4] 図4は、溝内の波長板との間の隙間を屈折率整合材で充填した従来の場合と、図3を用いて説明した本発明の光接続構造を適用した場合との各々における過剰損失を比較した結果を示すグラフである。
[図5] 図5は、溝内の波長板との間の隙間を屈折率整合材で充填した従来の場合と、図3を用いて説明した本発明の光接続構造を適用した場合との各々における過剰損失を比較した結果を示すグラフである。
[図6] 図6は、自己形成導波路における、信号光の透過率から過剰損失の変化を校正した際の、照射時間ごとの過剰損失の変化を示す特性図である。
[図7] 図7は、溝内の波長板との間の隙間を屈折率整合材で充填した従来の場合と、本発明の光接続構造を適用した場合との間の各々における過剰損失を比較した結果を示すグラフである。
[図8] 図8は、本発明の実施の形態1に係る他の光接続構造の構成を示す断面図である。
[図9] 図9は、本発明の実施の形態1に係る他の光接続構造の構成を示す断面図である。
[図10] 図10は、本発明の実施の形態1に係る他の光接続構造の構成を示す断面図である。
[図11] 図11は、本発明の実施の形態2に係る光接続構造の構成を示す断面図である。
[図12] 図12は、本発明の実施の形態3に係る光接続構造の構成を示す断面図である。
[図13] 図13は、本発明の実施の形態4に係る光接続構造の構成を示す断面図である。
[図14] 図14は、本発明の実施の形態4に係る他の光接続構造の構成を示す断面図である。
[図15] 図15は、本発明における光接続構造の適用例となる光回路の構成例を示す構成図である。
[図16] 図16は、光接続構造に光学素子として波長板を用いた光の挿入損失の波長依存性を示す特性図である。
[図17] 図17は、光導波路の途中に設けた溝に波長板を配置する光接続構造に、本発明を適用した場合と適用しない場合の各々における過剰損失を比較した結果を示すグラフである。
[図18] 図18は、従来の光接続構造を示す斜視図である。
[図19] 図19は、波長板を用いた光回路の一例を示す平面図である。
[図20] 図20は、従来の光接続構造を示す断面図である。

発明を実施するための形態

[0035]
 以下、本発明の実施の形態に係る光接続構造について説明する。
[0036]
[実施の形態1]
 はじめに、本発明の実施の形態1に係る光接続構造について、図1を参照して説明する。この光接続構造は、第1光導波路101と、第2光導波路102と、光学素子103とを備える。
[0037]
 第1光導波路101は、一端側に形成された第1光入出射端面104を備える。第1光入出射端面104は、第1光導波路101の一端側における第1光導波路101の内部と外部との境界面である。第1光導波路101の他端より導波してきた光は、第1光入出射端面104より外部に放射されることになる。また、第2光導波路102は、一端側に形成された第2光入出射端面105を備える。第2光入出射端面105は、第2光導波路102の一端側における第2光導波路102の内部と外部との境界面である。第2光導波路102の他端より導波してきた光は、第2光入出射端面105より外部に放射されることになる。
[0038]
 また、第1光導波路101の一端側と第2光導波路102の一端側とは、向かい合って配置されている。また、第1光入出射端面104より出射する出射光と第2光入出射端面105より出射する出射光とは、互いに結合する状態とされている。例えば、第1光入出射端面104より出射する出射光の光軸と第2光入出射端面105より出射する出射光の光軸とは、互いに交差する。また、光学素子103は、第1光導波路101と第2光導波路102との間で、第1光入出射端面104および第2光入出射端面105に接して配置されている。
[0039]
 第1光導波路101は、第1コア106a、第1下部クラッド107a、および第1上部クラッド108aから構成されている。第2光導波路102は、第2コア106b、第2下部クラッド107b、および第2上部クラッド108bから構成されている。また、第1光導波路101は、基板111aの上に形成され、第2光導波路102は、基板111bの上に形成されている。第1光導波路101および第2光導波路102により光接続構造が構成されている。また、第1コア106aおよび第2コア106bは、光硬化した樹脂から構成されている。また、光学素子103は、板状の素子であり、例えば、λ/2波長板である。
[0040]
 例えば、図2に示すように、第1光導波路101および第2光導波路102は、同一の基板111の上に形成されている。基板111の上に形成されている1つの光導波路を、溝(隙間部)112で分断することで、第1光導波路101および第2光導波路102が形成されている。溝112は、上記光導波路の導波方向に垂直にこの光導波路を分断して基板111に形成されている。また、溝112は、向かい合う側面が互いに平行に形成されている。
[0041]
 この場合、基板111に形成された溝112の向かい合う2つの側面で、第1光入出射端面104と第2光入出射端面105とが面と向かい合って配置される。また、第1光入出射端面104より出射する出射光の光軸と第2光入出射端面105より出射する出射光の光軸とは、同じ線の上に配置される。
[0042]
 また、例えば、図3に示すように、第1光導波路101,光学素子103,および第2光導波路102は、同一の基板141に形成された溝(隙間部)142の中に形成されている。基板141の上には、第3光導波路131および第4光導波路132が形成されている。基板141の上で同一の層に形成された光導波路を、溝142で分断することで、第3光導波路131および第4光導波路132が形成されている。この光導波路は、基板141の上に形成された光回路を構成している。溝142は、上記光導波路の導波方向に垂直にこの光導波路を分断して基板141に形成されている。また、溝142は、向かい合う側面が互いに平行に形成されている。
[0043]
 また、第3光導波路131は、第3コア136a、第3下部クラッド137a、および第3上部クラッド138aから構成されている。第4光導波路132は、第4コア136b、第4下部クラッド137b、および第4上部クラッド138bから構成されている。
[0044]
 第3光導波路131の光学素子103側の光入出射端面に第1光導波路101が光接続している。第3光導波路131の光学素子103側の光入出射端面で、第3コア136aに連続して第1コア106aが配置されている。また、第4光導波路132の光学素子103側の光入出射端面に第2光導波路102が光接続している。第4光導波路132の光学素子103側の光入出射端面で、第4コア136bに連続して第2コア106bが配置されている。
[0045]
 また、第3光導波路131が配置されている側の溝142の側面と、光学素子103との間の第1コア106aの下の領域を充填するように、第1下部クラッド107aが形成されている。同様に、第4光導波路132が配置されている側の溝142の側面と、光学素子103との間の第2コア106bの下の領域を充填するように、第2下部クラッド107bが形成されている。
[0046]
 図3を用いて説明した光接続構造では、第3光導波路131および第4光導波路132の導波方向(光軸方向)の溝142の幅よりも薄い板厚の光学素子103が、溝142に配置されている。また、光学素子103と溝142の側面との間に、第1光導波路101および第2光導波路102が配置され、光学素子103は、第1光入出射端面104および第2光入出射端面105に接している。
[0047]
 したがって、信号光が回折広がりを引き起こす領域は、光学素子103の幅に限定され、図20を用いて説明した光接続構造の場合よりも、損失は小さくなる。
[0048]
 なお、第1コア106aと、第1下部クラッド107aおよび第1上部クラッド108aとの間の屈折率差は、第3コア136aと、第3下部クラッド137aおよび第3上部クラッド138aとの間の屈折率差と同等の値とする。これにより、モードフィールド径の差による、第3光導波路131と第1光導波路101との間の結合損失を低く設定することができる。
[0049]
 同様に、第2コア106bと、第2下部クラッド107bおよび第2上部クラッド108bとの間の屈折率差は、第4コア136bと、第4下部クラッド137bおよび第4上部クラッド138bとの間の屈折率差と同等の値とする。これにより、モードフィールド径の差による、第4光導波路132と第2光導波路102との相の間の結合損失を低く設定することができる。
[0050]
 次に、図3を用いて説明した光接続構造を、図19を用いて説明した光回路(偏光ビームスプリッタ)に適用した場合の効果について説明する。光回路は、コアとクラッドとの比屈折率差が1.5%の光導波路から構成されている。また、光学素子は、板厚15μmの波長板[λ/4波長板(90度)、λ/4波長板(0度)]であり、これを幅20μmの溝に配置(挿入)する。溝内の波長板との間の隙間を屈折率整合材で充填した従来の場合と、図3を用いて説明した本発明の光接続構造を適用した場合との、各々における過剰損失(入力光パワーに対する出力光パワーの損失)を比較した。これらの比較の結果を図4に示す。図4に示すように、本発明により、過剰損失がおよそ0.4dB低減していることがわかる。
[0051]
 次に、光回路が、コアとクラッドとの比屈折率差が5%の光導波路から構成されている場合について、上述同様の比較をした結果を図5に示す。図5に示すように、本発明により、過剰損失がおよそ1.2dB低減していることがわかる。
[0052]
 次に、本発明の実施の形態1に係る光接続構造の製造方法について説明する。この製造方法は、前述した実施の形態1における光接続構造を製造する方法である。
[0053]
 まず、光回路を構成する光導波路を、光出射方向を光学素子に向けて離間して配置する(第1工程)。例えば、図3を用いて説明した溝142は、第3光導波路131および第4光導波路132となる光導波路による光導波路が形成されている基板141に、ダイシングやエッチングなどによって形成する。次に、形成した溝142に光学素子103を配置することで、第3光導波路131と第4光導波路132の各々の光出射方向を、光学素子103に向けて離間して配置する。この状態では、第1光導波路101および第2光導波路102は形成されておらず、溝142の向かい合う側面と光学素子103との間には、空間が形成されている。
[0054]
 次に、第3光導波路131の光出射端と光学素子103との間に樹脂を充填して樹脂層を形成する(第2工程)。第3光導波路131は、第1光導波路101を形成する領域を挟んで光学素子103と離間して配置されている光導波路である。例えば、上述した溝142の向かい合う側面と光学素子103との間の空間に、樹脂を充填して樹脂層を形成する。樹脂は、よく知られたアクリル系の光硬化性樹脂を用いることができる。
[0055]
 次に、第3光導波路131に入力した光を光学素子103の側の光出射端より出射することで、出射した光(露光光)が通過した樹脂層の部分を硬化させて第1コア106aを形成し、第1コア106aより構成された第1光導波路101を形成する(第3工程)。このようにして形成される第1コア106aによる第1光導波路101は、光硬化性樹脂を用いた自己形成導波路と呼ばれる(非特許文献6参照)。例えば、半導体レーザより出射した波長405nm帯,出力5mWの光を、光ファイバを介して第3光導波路131に入力し、第3光導波路131より出射することで、出射したビーム光の光跡の部分における樹脂層が光硬化し、第1コア106aとなる。第2コア106bについても同様である。第4光導波路132に入力した光を光学素子103の側の光出射端より出射することで、出射した光が導波した樹脂層の部分を硬化させて第2コア106bを形成する。
[0056]
 なお、光学素子103が、樹脂硬化光に対して透明な材料であった場合には、両導波路からの入射は必要なく、第3光導波路131または第4光導波路132の片方向からの光入射で、第1コア106aおよび第2コア106bを形成することも可能である。
[0057]
 なお、溝(隙間部)のいずれか一方の側面に光学素子が接触している状態とすることも可能である。この場合、第1光導波路の一端側の第1光入出射端面に光学素子が接し、第1光導波路の他端側に光学的に接続する第3光導波路を備える構成となる。また、第2光入出射端面が光学素子に接する第2光導波路と、上記第3光導波路とが、コアおよびクラッドを備えて同一の層に形成された光導波路から構成され、この光導波路に形成された溝(隙間部)を挾んで配置されるものとなる。溝は、上記光導波路を分断して形成されている。また、この溝に、第1光導波路および光学素子が配置されるものとなる。
[0058]
 ところで、光接続構造の作製に当たり、光学素子が、溝のいずれか一方の光導波路端面(側面)に密着しているか、あるいはどちらにも密着していないのかを判別するのは、容易ではない。このため、治具あるいはピンセットなどを用い、光学素子を溝の一方の側面に押しつけ、他方の面との間の隙間に樹脂(光硬化性樹脂)を投入して充填し、他方の面の光導波路よりビーム光(露光光)を照射してコアを形成してもよい。この場合、溝内において、両導波路端面からの樹脂硬化のためのビーム光の出射を得る必要がないため、作業上好ましい。
[0059]
 また、前述した自己形成導波路(コア)を形成する工程において、露光のための光に信号光を合はして一方の光導波路から出射させ、他方の光導波路から出射される信号光を観察しながら、自己形成導波路を形成することが好ましい。自己形成導波路は、樹脂を硬化させる光の出射端面から順次成長していくため、所望の長さの自己形成導波路部が形成されるまで、光の出射を継続する必要性がある。自己形成導波路の長さが5μmの場合、顕微鏡などを用いた観察では、自己形成導波路が必要な長さに形成されていることを確認することは困難である。これに対し、上述した信号光を観察し、信号光の出力が最大になるまで樹脂硬化のための光の出射を継続させれば、所望の長さに自己形成導波路部が形成されていることが間接的に確認できる。
[0060]
 また、光導波路に自己形成導波路を最低損失で接続するためには、任意の照射パワーに合わせて最適な照射時間を設定する必要があり、このためにも前述した信号光を用いる形成技術により信号光(の透過率)をモニタすることで、最適な自己形成導波路の形成を行う必要がある。信号光の透過率から過剰損失の変化を校正した際の、照射時間ごとの過剰損失の変化を図6に示す。光導波路におけるコアとクラッドとの比屈折率者、1.5%である。図4に示した結果のように、過剰損失がおよそ0.4dB回復していることがわかる。また、図6に示すように、徐々に損失が増大していることもわかる。
[0061]
 また、自己形成導波路を用いる場合、コアの形成に用いた樹脂(光硬化性樹脂)の、光が照射されていない部分をクラッドとすることができる。また、光が照射されていない未硬化部を、溶剤などを用いて溶解除去し、除去した領域に、クラッドとして用いることができる、コアより低屈折率の樹脂を流し込んで充填してクラッドとしてもよい。
[0062]
 また、光硬化した樹脂から構成するコアは、例えば、光3D造形技術(非特許文献7)による描画技術を用いて形成することも可能である。光3D造形技術により、光硬化した樹脂から構成するコアを形成しても、前述同様に、光接続構造における損失低減効果を得ることができる。
[0063]
 ところで、厚さ15μmの光学素子を、幅20μmの溝内に配置する作業は容易ではなく、熟練した作業者による作業でも、不良品発生によるリワークも含め相応の工程時間を要することになる。これに対し、溝の幅が100μm程度であれば、より容易に厚さ15μmの光学素子を配置することができる。本発明によれば、光学素子が配置される溝の幅が拡大しても、伝播損失が抑制できる。
[0064]
 例えば、図19を用いて説明した偏光ビームスプリッタにおいて、λ/4波長板を配置する溝の幅を100μmとした構成について、本発明の光接続構造を適用した場合の効果について例示する。光回路は、コアとクラッドとの比屈折率差が1.5%の光導波路から構成されている。また、光学素子は、板厚15μmの波長板[λ/4波長板(90度)、λ/4波長板(0度)]であり、これを幅100μmの溝に配置(挿入)する。溝内の波長板との間の隙間を屈折率整合材で充填した従来の場合と、本発明の光接続構造を適用した場合との、各々における過剰損失を比較した結果を図7に示す。図7に示すように、厚さ15μmの光学素子が配置される溝の幅が100μmの場合、従来では3dBと大きな回折損失が発生するが、本発明により0.2dB程度まで損失を低減させることが可能である。
[0065]
 ところで、図3を用いて説明した光接続構造では、溝142の底に光学素子103が接する状態としているが、これに限るものではなく、図8に示すように、溝142の底より離間して光学素子103を配置してもよい。この場合、第1光導波路101および第2光導波路102の下部クラッドを、溝142の底と光学素子103の下面との間を介して一体に形成された樹脂層107から構成することができる。
[0066]
 ところで、図9に示すように、第1光導波路101,第2光導波路102の第1上部クラッド108a’,第2上部クラッド108b’の断面形状(厚さ)が、光学素子103に近づくほど小さくなる構成とすることが可能である。また、図10に示すように、第1光導波路101,第2光導波路102の第1上部クラッド108a”,第2上部クラッド108b”の断面形状(厚さ)が、光学素子103に近づくほど大きくなる構成とすることも可能である。
[0067]
[実施の形態2]
 次に、本発明の実施の形態2に係る光接続構造について、図11を参照して説明する。この光接続構造は、第1光導波路101と、第2光導波路102と、光学素子103とを備える。また、第1光導波路101,光学素子103,および第2光導波路102は、同一の基板141に形成された溝142の中に形成されている。基板141の上には、第3光導波路131および第4光導波路132が形成されている。これらの構成は、図3を用いて説明した光接続構造と同様である。
[0068]
 実施の形態2の光接続構造は、第1光導波路101の第1コア106a’の断面形状が、光学素子103に近づくほど大きくされている。また、実施の形態2の光接続構造は、第2光導波路102の第2コア106b’の断面形状が、光学素子103に近づくほど大きくされている。これらのように光学素子103に近づくほどコアの径を徐々に拡大することで、第1光導波路101,第2光導波路102における光のモードフィールド径が拡大され、第1光導波路101,第2光導波路102から出射される光の広がり角を小さくすることが可能になる。これにより、光学素子103の内部における回折広がりも抑制できるようなり、前述した実施の形態1に比較してさらなる低損失化が実現できる。
[0069]
[実施の形態3]
 次に、本発明の実施の形態3に係る光接続構造について、図12を参照して説明する。この光接続構造は、第1光導波路101と、第2光導波路102と、光学素子103とを備える。また、第1光導波路101,光学素子103,および第2光導波路102は、同一の基板141に形成された溝142の中に形成されている。基板141の上には、第3光導波路131および第4光導波路132が形成されている。これらの構成は、図3を用いて説明した光接続構造と同様である。
[0070]
 実施の形態3の光接続構造は、第1光導波路101の第1コア106aの光学素子103の側の先端が、光学素子103より離間している。言い換えると、第1コア106aの光学素子103の側の先端が、光学素子103に接している第1光入出射端面104より第1光導波路101の導波方向内側に後退している。また、実施の形態3の光接続構造は、第2光導波路102の第2コア106bの光学素子103の側の先端が、光学素子103より離間している。言い換えると、第2コア106bの光学素子103の側の先端が、光学素子103に接している第2光入出射端面105より第2光導波路102の導波方向内側に後退している。これらのように、第1コア106a,第2コア106bの先端が、光学素子103より離間していても、前述した実施の形態1と同様の効果が得られる。
[0071]
[実施の形態4]
 次に、本発明の実施の形態4に係る光接続構造について、図13を参照して説明する。この光接続構造は、第1光導波路101と、第2光導波路102と、光学素子103とを備える。また、第1光導波路101,光学素子103,および第2光導波路102は、同一の基板141に形成された溝142の中に形成されている。基板141の上には、第3光導波路131および第4光導波路132が形成されている。これらの構成は、図3を用いて説明した光接続構造と同様である。
[0072]
 実施の形態4の光接続構造は、第1光導波路101の第1コア106aの光学素子103の側の先端が、レンズ(凸レンズ)形状109aを有している。また、実施の形態4の光接続構造は、第2光導波路102の第2コア106bの光学素子103の側の先端が、レンズ(凸レンズ)形状109aを有している。これらのように、第1コア106a,第2コア106bの先端が、レンズ形状109a,109bを有していることで、第1光導波路101,第2光導波路102から光学素子103の側に出射される光は集光される。このため、光学素子103の内部における回折損失も抑制できるようになり、前述した実施の形態1に比較して、さらに低損失な光接続構造とすることができる。
[0073]
 第1光導波路101の第1コア106aおよび第2光導波路102の第2コア106bの各々の先端のレンズ形状は、例えば、前述した自己形成導波路や光3D造形などの製造方法により形成することができる。なお、第1コア106a,第2コア106bの先端部のレンズ形状109a,レンズ形状109bを、光学素子103より離間させることも可能である。例えば、図14に示すように、第3光導波路131および第4光導波路132の光学素子103側の光出射端に、光学素子103の側に向けて凸としたレンズ形状の第1コア161a,第2コア161bとして設けることも可能である。この場合、第1コア161a,第2コア161bを埋め込み、溝142の向かい合う側面と光学素子103との間を充填するように、クラッド113a,クラッド113bが設けられる。
[0074]
 次に、上述した本発明における光接続構造の適用例について図15を参照して説明する。本発明の光接続構造は、波長フィルタを集積した回路をアレイ化した波長多重通信用の光回路に適用可能である。この光回路は、基板201の上に形成され入力光導波路202に入力される光が、光スプリッタ203により、複数の光導波路204に分岐される。また、基板201の所定箇所には、光導波路204の導波方向に垂直に延在する溝205が形成されている。溝205により、複数の光導波路204は分断されている。
[0075]
 また、溝205には、複数の光導波路204の各々に対応して波長フィルタ206が設けられている。また、溝205において、波長フィルタ206と溝205の各々の側面との間に、第1光導波路207,第2光導波路208が形成されている。第1光導波路207,第2光導波路208の波長フィルタ206の側の光入出射端面は、第1光導波路207に接している。このように第1光導波路207,第2光導波路208を設けることで、光導波路204の間に伝播損失を抑制して波長フィルタ206を配置することができ、波長クロストークが低減できる。
[0076]
 上述では、光学素子として波長フィルタを適用した場合を例示したが、光学素子として、波長板の与える遅延が板長手方向に対して周期的に変化するくし形波長板を適用することも可能である。また、光学素子として磁気光学材料が適用可能である。磁気光学材料を光学素子として用いることで、光アイソレータなどの光回路が実現できる。
[0077]
 次に、光学素子として波長板を用いた光の挿入損失の波長依存性について、図16を用いて説明する。図16に示すように、光導波路の途中に設けた溝に光学素子として波長板を配置することで、波長フィルタ効果を持つ光回路が実現できる。このような光回路の波長板(光学素子)を配置する溝部に、本発明の光接続構造を適用することで、図17示すように、適用しない従来に比較し、溝部における過剰損失が0.1dBほど回復する。
[0078]
 以上に説明したように、本発明によれば、光硬化した樹脂から構成したコアによる第1光導波路と第2光導波路との間に、第1光入出射端面および第2光入出射端面に接して光学素子を配置したので、多大なコストや製造時間を必要とせずに、光回路の中の光導波路途中に、伝播損失を抑制して光学素子が配置できるようになる。
[0079]
 なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

符号の説明

[0080]
 101…第1光導波路、102…第2光導波路、103…光学素子、104…第1光入出射端面、105…第2光入出射端面、106a…第1コア、106b…第2コア、107a…第1下部クラッド、107b…第2下部クラッド、108a…第1上部クラッド、108b…第2上部クラッド、111a…基板、111b…基板。

請求の範囲

[請求項1]
 第1光導波路と、
 前記第1光導波路の一端側に形成された第1光入出射端面と、
 第2光導波路と、
 前記第1光導波路の一端側に向かい合う前記第2光導波路の一端側に形成された第2光入出射端面と、
 前記第1光導波路と前記第2光導波路との間で、前記第1光入出射端面および前記第2光入出射端面に接して配置された光学素子と
 を備え、
 前記第1光入出射端面より出射する出射光と前記第2光入出射端面より出射する出射光とは、互いに結合する状態とされていることを特徴とする光接続構造。
[請求項2]
 請求項1記載の光接続構造において、
 前記第1光導波路のコアおよび前記第2光導波路のコアは、それぞれ光硬化した樹脂から構成されていることを特徴とする光接続構造。
[請求項3]
 請求項1または2記載の光接続構造において、
 前記第1光導波路のコアおよび前記第2光導波路のコアの少なくとも一方は、その断面形状が、前記光学素子に近づくほど大きくされていることを特徴とする光接続構造。
[請求項4]
 請求項1または2記載の光接続構造において、
 前記第1光導波路のコアおよび前記第2光導波路のコアの少なくとも一方は、前記光学素子の側の先端が、レンズ形状に形成されている特徴とする光接続構造。
[請求項5]
 請求項1~4のいずれか1項に記載の光接続構造において、
 前記第1光導波路のコアおよび前記第2光導波路のコアの少なくとも一方は、前記光学素子の側の先端が、前記光学素子より離間していることを特徴とする光接続構造。
[請求項6]
 請求項1~5のいずれか1項に記載の光接続構造において、
 前記第1光導波路の他端の側に光学的に接続する第3光導波路と、
 前記第2光導波路の他端の側に光学的に接続する第4光導波路と
 をさらに備え、
 前記第3光導波路および前記第4光導波路は、同一の層に形成された光導波路から構成されて前記光導波路に形成された隙間部を挾んで配置され、
 前記第1光導波路、前記光学素子、および前記第2光導波路は、前記隙間部に配置されている
 ことを特徴とする光接続構造。
[請求項7]
 請求項1~5のいずれか1項に記載の光接続構造において、
 前記第1光導波路の他端の側に光学的に接続する第3光導波路をさらに備え、
 前記第2光導波路および前記第3光導波路は、コアおよびクラッドを備えて同一の層に形成された光導波路から構成されて前記光導波路に形成された隙間部を挾んで配置され、
 前記第1光導波路および前記光学素子は、前記隙間部に配置されている
 ことを特徴とする光接続構造。
[請求項8]
 第1光導波路と、
 前記第1光導波路の一端側に形成された第1光入出射端面と、
 第2光導波路と、
 前記第1光導波路の一端側に向かい合う前記第2光導波路の一端側に形成された第2光入出射端面と、
 前記第1光導波路と前記第2光導波路との間で、前記第1光入出射端面および前記第2光入出射端面に接して配置された光学素子と
 を備え、
 前記第1光入出射端面より出射する出射光と前記第2光入出射端面より出射する出射光とは、互いに結合する状態とされている光接続構造の製造方法であって、
 前記第1光導波路を形成する領域を挟んで前記光学素子と離間して配置されている光導波路を光出射方向を前記光学素子に向けて離間して配置する第1工程と、
 前記光導波路の光出射端と前記光学素子との間に樹脂を充填して樹脂層を形成する第2工程と、
 前記光導波路に入力した光を前記光出射端より出射することで、出射した光が通過した前記樹脂層の部分を光硬化させてコアを形成し、前記コアより構成された前記第1光導波路を形成する第3工程と
 を備えることを特徴とする光接続構造の製造方法。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]

[ 図 13]

[ 図 14]

[ 図 15]

[ 図 16]

[ 図 17]

[ 図 18]

[ 図 19]

[ 図 20]