JP5772436B2

JP5772436B2 - 光結合器及び光デバイス

Info

Publication number: JP5772436B2
Application number: JP2011205648A
Authority: JP
Inventors: 陽介太縄
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-09-21
Also published as: JP2013068692A

Description

この発明は、光導波路と、この光導波路の導波面から外れて設置された光学素子とを結合させる光結合器に関する。

種々の導波路型の光通信デバイスに、例えば光ファイバ、フォトダイオード（以下ＰＤ）、又はレーザーダイオード（以下ＬＤ）等の光学素子を光学的に結合させるために、例えば平面型の光導波路にグレーティングを形成する構造がある。グレーティングが形成された光導波路では、光導波路の導波面に沿って伝播する光を、導波面から外れた方向へ出射することができる。または、導波面から外れた方向から光導波路へ光を入射することができる。そのため、光導波路と、導波面から外れて設置された光学素子との間で、光の送受信を行うことができる。従って、上述した各光学素子を、光導波路の導波面に沿って設ける必要がない。そのため、光通信デバイスの小型化に有利である。

ここで、グレーティングを利用した構造において、光学素子との結合効率を向上させるために、支持基板の主表面をＡｕ（金）層で被覆し、このＡｕ層上に光導波路を形成した構造が知られている（例えば非特許文献１）。

また、結合効率を向上させる他の構造として、光導波路のグレーティングが形成されている領域を、Ａｕ層で被覆した構造が知られている（例えば特許文献１）。

特開２０１０−４４２９０号公報

"ＣｏｍｐａｃｔａｎｄＨｉｇｈｌｙＥｆｆｉｃｉｅｎｔＧｒａｔｉｎｇＣｏｕｐｌｅｒｓＢｅｔｗｅｅｎＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒａｎｄＮａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃＷａｖｅｇｕｉｄｅｓ" ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒｙ２００７ｐｐ．１５１−１５６

しかしながら、非特許文献１に開示された光導波路を製造するためには、予め支持基板をＡｕで被覆しておく必要がある。そのため、製造プロセスが複雑化する。

また、特許文献１及び非特許文献１に開示された光導波路では、いずれも高価なＡｕを利用するため、製造コストが増大する。

この発明の目的は、平面型の光導波路と、この光導波路の導波面から外れて設置された光学素子とを結合させることができ、従来と比して、容易でかつ安価なコストで製造できる光結合器を提供することにある。

上述の目的の達成を図るため、この発明による光結合器は、光導波路と高屈折率層とを具えている。

光導波路は、支持基板の第１主表面にクラッド及びコアが順次積層されて構成されている。

高屈折率層は、コアの上面上に設けられ、かつ光導波路を伝播する光の等価屈折率よりも屈折率が高く設定されている。また、高屈折率層の、コアの上面に沿った平面形状は、光導波路から高屈折率層に入射する光の伝播方向に沿って幅が拡大するテーパ形状である。さらに、高屈折率層は、コアの上面からの離間距離が、光導波路から高屈折率層に入射する光の伝播方向に沿って連続的に狭まる反射面を有する。

この発明による光結合器では、高屈折率層の反射面で光を反射させることによって、光を光導波路の導波面から外れた方向へ出射することができる。または、光導波路の導波面から外れた方向から、光を光導波路に入射することができる。

そして、この発明による光結合器では、上述した特許文献１及び非特許文献１に係る構造とは異なり、Ａｕ層を必要としない。従って、容易で、かつ安価なコストで製造することができる。

光結合器の斜視図である。（Ａ）は光結合器の平面図である。（Ｂ）及び（Ｃ）は光結合器の端面図である。光結合器の端面図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

図１及び図２を参照して、この発明による光結合器について説明する。図１及び図２は、この発明による光結合器を示す模式図である。図１は、光結合器の斜視図である。また、図２（Ａ）は、光結合器を、支持基板の第１主表面側から見た平面図である。また、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すＩ−Ｉ線で切り取った切り口を示す端面図である。また、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示すＩ−Ｉ線で切り取った切り口を示す端面図であり、光結合部を拡大して示した図である。図２（Ｃ）では、切り口を示すハッチングを省略している。なお、ここでは、一例として、光が光結合器から出射する場合について説明する。

光結合器１０は、支持基板２０と、光導波路３０と、高屈折率層４０とを具えている。

支持基板２０は、例えば単結晶シリコンを材料とした平板状体として構成されている。そして、支持基板２０は、第１主表面２０ａと、この第１主表面２０ａに対向する第２主表面２０ｂを有している。

光導波路３０は、支持基板２０の第１主表面２０ａにクラッド３１及びコア３３が順次積層された、平面型の光導波路として形成されている。

クラッド３１は、支持基板２０の第１主表面２０ａを被覆して形成されている。また、クラッド３１は、例えば酸化シリコンを材料として形成されている。

コア３３は、クラッド３１の上面３１ａ上に、所望の平面形状にパターニングされて形成されている。また、コア３３は、後述する光結合部５０を除く領域（以下、平面導波部）５５では、上面３３ａ及び側面３３ｂが露出し、空気と接している。

また、コア３３は、クラッド３１及び空気よりも高い屈折率を有する例えば単結晶シリコンを材料として形成されている。その結果、コア３３が実質的な光の伝送路として機能し、光導波路３０に入射された光がコア３３の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。なお、図中では、光導波路３０を伝播する光の伝播方向を矢印１００で示してある。また、平面導波部５５を伝播する光を矢印Ｓ１で示してある。

高屈折率層４０は、コア３３の上面３３ａ上に設けられている。そして、高屈折率層４０が形成された領域では、光導波路３０及び高屈折率層４０の積層構造として光結合部５０が構成されている。

高屈折率層４０は、光結合部５０における光導波路３０を伝播する光の等価屈折率よりも屈折率が高い材料で形成されている。すなわち、クラッド３１の屈折率をｎ_１、コア３３の屈折率をｎ_２、高屈折率層４０の屈折率をｎ_３、及び光結合部５０における光の等価屈折率をｎ_ｅｆｆとしたとき、これら各屈折率の関係が、ｎ_１＜ｎ_ｅｆｆ＜ｎ_３＜ｎ_２、ｎ_１＜ｎ_ｅｆｆ＜ｎ_３＝ｎ_２、又はｎ_１＜ｎ_ｅｆｆ＜ｎ_２＜ｎ_３のいずれかの条件を満たす。その結果、光導波路３０を伝播する光は、光結合部５０において、光導波路３０から高屈折率層４０へ入射される（図２（Ｂ）及び（Ｃ）において、高屈折率層４０へ入射された光を矢印Ｓ２で示す）。クラッド３１を酸化シリコンで、及びコア３３を単結晶シリコンでそれぞれ形成してある場合には、上述した条件を満たすために、高屈折率層４０を例えばアモルファスシリコン又は単結晶シリコンで形成することができる。高屈折率層４０をアモルファスシリコンで形成した場合には、各屈折率の関係は、ｎ_１＜ｎ_ｅｆｆ＜ｎ_３＜ｎ_２となる。また、高屈折率層４０を単結晶シリコンで形成した場合には、各屈折率の関係は、ｎ_１＜ｎ_ｅｆｆ＜ｎ_３＝ｎ_２となる。なお、クラッド３１、コア３３、及び高屈折率層４０の各材料は、上述した条件を満たし、かつ光結合器１０に入力される光の波長に対して透明であればよく、任意好適なものを用いることができる。

また、高屈折率層４０は、コア３３の上面３３ａと対向する反射面４０ａを有している。

反射面４０ａは、コア３３の上面３３ａからの離間距離が光の伝播方向１００に沿って連続的に狭まる傾斜面として設計されている。高屈折率層４０へ入射された光Ｓ２は、この反射面４０ａによって反射され、支持基板２０を通過して、支持基板２０の第２主表面２０ｂから出射される（図２（Ｂ）及び（Ｃ）において、反射面４０ａによって反射された光を矢印Ｓ３で示す）。

反射面４０ａは、例えばコア３３の上面３３ａに対して凹型の湾曲面（すなわちレンズ面）、又は平坦面として形成されている。図１及び図２では、反射面４０ａをレンズ面とした構成例を示している。反射面４０ａをレンズ面とした場合には、第２主表面２０ｂから出射される光Ｓ３を集光することができるため、結合効率を向上させることができる。

また、反射面４０ａの曲率半径、又はコア３３の上面３３ａの傾斜角を、高屈折率層４０に入射した光Ｓ２の反射面４０ａに対する入射角（図２（Ｃ）中にθで示す）が臨界角以上となるように設計するのが好ましい。入射角θを臨界角以上に設定することによって、反射面４０ａへ入射する光Ｓ２を全反射させることができる。そのため、光Ｓ２に対する光Ｓ３の光欠損を防止することができ、結合効率を向上させることができる。なお、入射角θは、光Ｓ２の入射点における、反射面４０ａに対する法線４３と、光Ｓ２の光線とがなす角である。

また、光結合部５０では、コア３３及び高屈折率層４０の平面形状を、光の伝播方向１００に沿って幅が拡大するテーパ形状とすることができる。そして、このテーパ形状における幅を調節することによって、第２主表面２０ｂから出射される光Ｓ３の光界分布を調節することができる。

第２主表面２０ｂから出射された光Ｓ３は、受光素子７０に受光される。受光素子７０は、光Ｓ３の光路と交わる位置に位置決めされて第２主表面２０ｂ側に設けられている。受光素子７０として、例えばＰＤを用いることができる。

また、光Ｓ３が第２主表面２０ｂにおいて反射するのを防止するために、第２主表面２０ｂの、光Ｓ３の光路と交わる位置に反射防止膜６０を形成するのが好ましい。

反射防止膜６０は、例えば単結晶シリコンと酸化シリコンとを交互に複数積層した多層膜とすることができる。

なお、上述した例では、光Ｓ３を受光素子７０によって受光する構成について説明したが、受光素子７０の位置に例えば光ファイバを設置し、光ファイバに光Ｓ３を入射させることもできる。

また、ここでは、光導波路３０を伝播する光を、第２主表面２０ｂから出射する場合について説明したが、光の伝播経路は可逆であるため、第２主表面２０ｂから光結合器１０へ入射した光を、光導波路３０へ入射することもできる。

図３は、光を光結合器１０へ入射する場合の構成例を説明する図であり、図２（Ｂ）に対応する端面図である。

第２主表面２０ｂから光結合器１０に光を入射する場合には、支持基板２０の第２主表面２０ｂ側に、第２主表面２０ｂへ入射する光を発光する発光素子８０を設ける。発光素子８０は、上述した受光素子７０に対応する位置に設置される。発光素子８０として、例えばＬＤを用いることができる。

発光素子８０が発光した光は、第２主表面２０ｂから、支持基板２０を通過して、光結合部５０の高屈折率層４０に入射される（図３において、高屈折率層４０に入射される光を矢印Ｓ４で示す）。

既に説明したように、光結合部５０では、コア３３及び高屈折率層４０の平面形状がテーパ形状となっている。このテーパ形状における幅を、光Ｓ４の光界分布に対応して調節することによって、高屈折率層４０に入射される光Ｓ４の光欠損を抑制することできる。

高屈折率層４０に入射された光Ｓ４は、反射面４０ａによって反射される（図３において、反射面４０ａによって反射された光を矢印Ｓ５で示す）。

反射面４０ａによって反射された光Ｓ５は、高屈折率層４０から光導波路３０に入射される（図３において、光導波路３０に入射された光を矢印Ｓ６で示す）。

なお、上述した例では、発光素子８０から発光された光Ｓ５を第２主表面２０ｂへ入射する構成について説明したが、発光素子８０の位置に例えば光ファイバを設置し、光ファイバからの光Ｓ５を第２主表面２０ｂへ入射することもできる。

図１〜３を参照して説明した光結合器１０は、周知のＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することによって製造することができる。

すなわち、まず、支持基板層、酸化シリコン層、及び単結晶シリコン層（ＳＯＩ層）が順次積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する。ここで、支持基板層を研磨することによって、予め厚さを調節しておくことができる。

次に、例えば周知のエッチング技術を用いて、ＳＯＩ層を所望のコア３３の平面形状にパターニングする。このパターニングされたＳＯＩ層をコア３３とする。その結果、支持基板２０としての支持基板層上に、クラッド３１としての酸化シリコン層、及びコア３３が積層されて構成された光導波路３０を形成することができる。

次に、例えば周知のスパッタ法又はエピタキシャル成長法を用いて、コア３３の上面３３ａに高屈折率層４０の材料層を形成する。

次に、周知のエッチング技術を用いて、材料層をパターニングする。このパターニングにおいて、上述した反射面４０ａに対応した傾斜面を有するレジストマスクを用いることによって、傾斜面である反射面４０ａを有する高屈折率層４０を形成することができる。なお、傾斜面を有するレジストマスクは、グレースケールの露光マスクを用いてレジストを露光することによって作成することができる。

このように、光結合器１０は、周知のＳＯＩ基板を利用することによって、容易に製造することができる。

以上説明したように、光結合器１０では、光結合部５０において、高屈折率層４０の反射面４０ａで光Ｓ２を反射させることによって、平面導波部５５における光導波路３０の導波面から外れた方向へ、光を出射することができる。または、平面導波部５５における導波面から外れた方向から、光を光導波路に入射することができる。

また、上述した特許文献１及び非特許文献１に係る構造とは異なり、Ａｕ層を形成せず、かつ周知のＳＯＩ基板を利用することによって製造することができる。従って、製造が容易であり、また、安価なコストで製造することができる。

ここで、発明者らは、光結合器１０の特性を評価するために、ＦＤＴＤ（ＦｉｎｉｔｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ）法を用いてシミュレーションを行った。

このシミュレーションでは、光結合器１０が送受信する光の波長を１．５μｍとした。また、図２（Ａ）及び（Ｂ）の構成例に示す各構成要素の寸法を以下のように設定した。すなわち、支持基板２０の厚さＨ１を５０μｍ、クラッド３１の厚さＨ２を２．１μｍ、コア３３の厚さＨ３を０．３μｍ、及び反射面４０ａとコア３３の上面３３ａとの最大離間距離Ｈ４を３．３μｍとした。また、光の伝播方向１００に沿った光結合部５０の長さＬ１を９．６μｍとした。また、支持基板２０及びコア３３を単結晶シリコン（屈折率：３．５２）、クラッド３１を酸化シリコン（屈折率：１．４４）、及び高屈折率層４０をアモルファスシリコン（屈折率：３．４８）でそれぞれ構成した。また、反射面４０ａを、曲率半径が２７μｍの湾曲面とした。

まず、光を光結合器１０から出射する構成例（図２（Ｂ））の結合効率として、平面導波部５５を伝播する光Ｓ１に対する、第２主表面２０ｂから出射される光Ｓ３の強度の割合を計算した。その結果、光Ｓ１に対する光Ｓ３の強度は約９０％となった。

次に、光を光結合器１０へ入射する構成例（図３）の結合効率として、高屈折率層４０に入射される光Ｓ４に対する、光導波路３０に入射された光Ｓ６の強度の割合を計算した。なお、直径５μｍのコアを有する光ファイバから、光Ｓ４を光結合器１０へ入射する場合について計算した。その結果、光Ｓ４に対する光Ｓ６の強度は約７０％となった。

ここで、例えば特許文献１では、上述したグレーティング及びＡｕ層を利用した構造によって、６０％の結合効率が得られることが開示されている。従って、上述したシミュレーションから、この発明による光結合器１０では、特許文献１に係る構造と比して、より優れた結合効率を得られることが明らかとなった。

１０：光結合器
２０：支持基板
２０ａ：第１主表面
２０ｂ：第２主表面
３０：光導波路
３１：クラッド
３３：コア
４０：高屈折率層
４０ａ：反射面
５０：光結合部
５５：平面導波部
６０：反射防止膜
７０：受光素子
８０：発光素子

Claims

支持基板の第１主表面にクラッド及びコアが順次積層されて構成された光導波路と、
前記コアの上面上に設けられ、かつ前記光導波路を伝播する光の等価屈折率よりも屈折率が高い高屈折率層と
を具え、
前記高屈折率層の、前記コアの上面に沿った平面形状は、前記光導波路から前記高屈折率層に入射する光の伝播方向に沿って幅が拡大するテーパ形状であり、
前記高屈折率層は、前記コアの上面からの離間距離が、前記伝播方向に沿って連続的に狭まる反射面を有する
ことを特徴とする光結合器。
前記光導波路から前記高屈折率層に入射した光は、前記反射面によって反射され、前記支持基板を通過して、該支持基板の前記第１主表面と対向する第２主表面から出射され、
及び前記支持基板の前記第１主表面と対向する前記第２主表面から、該支持基板を通過して前記高屈折率層に入射する光は、前記反射面によって反射され、前記高屈折率層から前記光導波路に入射される
ことを特徴とする請求項１に記載の光結合器。
前記光導波路から前記高屈折率層に入射した光の、前記反射面に対する入射角が臨界角以上である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光結合器。
前記反射面は、前記コアの上面に対して凹型の湾曲面である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光結合器。
前記クラッドは、酸化シリコンを材料として形成され、
前記コアは、単結晶シリコンを材料として形成され、
前記高屈折率層は、アモルファスシリコン又は単結晶シリコンを材料として形成されている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光結合器。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の光結合器の、前記支持基板の前記第１主表面と対向する前記第２主表面側に、該第２主表面から出射される光を受光する受光素子が設けられている
ことを特徴とする光デバイス。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の光結合器の、前記支持基板の前記第１主表面と対向する前記第２主表面側に、該第２主表面へ入射する光を発光する発光素子が設けられている
ことを特徴とする光デバイス。