JP7835286B2 - Optical element, optical integrated element, and method for manufacturing an optical element - Google Patents
Optical element, optical integrated element, and method for manufacturing an optical elementInfo
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Description
本発明は、光素子を接続するための光素子、光集積素子および光素子の製造方法に関する。The present invention relates to an optical element for connecting optical elements, an optical integrated element, and a method for manufacturing optical elements.
光通信ネットワークの進展に伴い光通信デバイスの高機能化、経済化が求められている。光通信デバイスとして、ドライバ、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。With the advancement of optical communication networks, there is a growing demand for more sophisticated and cost-effective optical communication devices. Optical communication devices require electrical elements such as drivers, switches, and electrical amplification circuits, as well as optical elements such as semiconductor lasers, optical switches, and optical fibers.
ここで、それぞれの光素子をディスクリートに接続する光接続工程において、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。そのため、例えば汎用的に用いられている光コネクタなどにおいても、導波路コア間の光軸ずれを1μm以下とする高精度な部品が使用されている。このように、光通信デバイスを製造する上で、厳しい公差を考慮した設計・精密部品が重要となる。In the optical connection process, where each optical element is discretely connected, precise positioning between the optical elements is crucial for achieving low-loss optical connections. Therefore, even in commonly used optical connectors, high-precision components are employed that minimize the optical axis misalignment between waveguide cores to less than 1 μm. Thus, in manufacturing optical communication devices, designs and precision components that consider strict tolerances are essential.
とくに、SiPh(Silicon Photonics)は、光実装の位置決め精度を課題としている。SiPhは半導体材料をコアとした光デバイスであり、超小型かつ経済性の高い光回路を作製可能なだけでなく、電気回路素子との高密度集積も可能である。In particular, SiPh (Silicon Photonics) faces challenges in positioning accuracy during optical packaging. SiPh is an optical device with a semiconductor material core, enabling not only the fabrication of ultra-small and cost-effective optical circuits, but also high-density integration with electrical circuit elements.
しかしながら、SiPhにおいては、従来のPLC(Planar lightwave circuit)に代表される石英系コアのデバイス以上の接続時の位置決め精度や厳しい公差が要求され、光接続の工程負荷が増大することが問題となっている。これは、光のモードフィールド径(Mode field diameter、以下「MFD」という。)が小さいほど光接続時の公差要求が厳しくなるため、微小なMFDをもつ半導体系光回路デバイスであるSiPhの光接続には、より高精度な位置決め技術が必要とされるからである。However, in SiPh, higher positioning accuracy and tighter tolerances are required during connection than in conventional PLC (Planar Lightwave Circuit) devices with silica-based cores, which increases the process load for optical connection. This is because the smaller the mode field diameter (MFD), the stricter the tolerance requirements for optical connection. Therefore, optical connection of SiPh, a semiconductor-based optical circuit device with a minute MFD, requires more precise positioning technology.
一方、MFDを拡大することで、位置決め精度を緩和できる。しかしながら、SiPhにおいては製造時の各層の膜厚が制約され、半導体導波路特有の高屈折率により導波路側壁粗さに起因した高い損失が生じるので、従来のPLCなどに代表される光素子と比較して、一般的な光ファイバと同等の低損失かつ高歩留まりのMFDを得ることは難しい。On the other hand, increasing the MFD size can alleviate the positioning accuracy requirements. However, in SiPh, the film thickness of each layer during manufacturing is limited, and high losses occur due to the roughness of the waveguide sidewalls caused by the high refractive index unique to semiconductor waveguides. Therefore, compared to conventional optical elements such as PLCs, it is difficult to obtain an MFD with low loss and high yield comparable to that of general optical fibers.
そこで、従来の光ファイバの10μm程度のMFDより小さい4μm程度のMFDに光素子(チップ)と光ファイバのMFDを変換する方法が、低損失の光接続に用いられる。しかしながら、この方法を用いた場合、MFDが小さいのでサブミクロン程度の高い位置決め精度が必要とされるため、光接続時の位置決め精度や光部品に求められる公差が厳しくなる。Therefore, a method is used for low-loss optical connections to convert the MFD of an optical element (chip) to an MFD of about 4 μm, which is smaller than the MFD of conventional optical fibers of about 10 μm. However, when using this method, because the MFD is small, high positioning accuracy of the submicron level is required, which makes the positioning accuracy during optical connection and the tolerances required for optical components stricter.
この接続に必要な位置決め精度を緩和できる技術として、自己形成導波路(Self-written waveguide、以下、「SWW」という。)が開示されている(非特許文献1)。As a technique that can alleviate the positioning accuracy required for this connection, a self-written waveguide (hereinafter referred to as "SWW") has been disclosed (Non-Patent Document 1).
本技術は、光硬化性の樹脂を用いた光接続技術であり、以下のように、導波路コアと導波路コアとの間を接続することができる。ここで、少なくとも一方の導波路コア端面からは光通信の信号光として使われる光(以下、「信号光」という。)が出射される。This technology is an optical connection technology using a photocurable resin, and can connect waveguide cores as follows. Here, light used as signal light for optical communication (hereinafter referred to as "signal light") is emitted from at least one end face of the waveguide core.
SWWの形成において、初めに、導波路コア間の間隙に光硬化性樹脂を滴下する。In the formation of the SWW, first, a photocurable resin is dropped into the gap between the waveguide cores.
次に、両方又はいずれか一方の導波路コアから光硬化性樹脂を硬化するための光である樹脂硬化光を照射する。このとき、光硬化性樹脂の特性である光の強度が高い箇所から順次硬化する性質のために、それぞれの導波路コア端面から順次SWWのコア(以下、「SWWコア」という。)が形成される。これにより、導波路コアの端面にSWWコアが形成される。Next, resin curing light, which is light used to cure the photocurable resin, is irradiated from both or one of the waveguide cores. At this time, due to the property of the photocurable resin that it cures sequentially from areas with high light intensity, SWW cores (hereinafter referred to as "SWW cores") are formed sequentially from the end faces of each waveguide core. As a result, SWW cores are formed on the end faces of the waveguide cores.
また、樹脂硬化光の伝搬経路に従ってSWWコアが形成されるので、導波路コア間に光軸ずれが生じても、光軸ずれを補償するようにS字曲げ形状のSWWコアが形成され、低損失な光接続が実現できる。Furthermore, since the SWW core is formed according to the propagation path of the resin-cured light, even if an optical axis misalignment occurs between waveguide cores, an S-shaped SWW core is formed to compensate for the optical axis misalignment, enabling low-loss optical connection.
最後に、必要に応じて、光硬化性樹脂の未硬化部分を洗浄するなど除去した後に、除去後の部分(SWWコア周囲)にクラッド用の樹脂を滴下し適宜硬化させることでSWWのクラッド(以下、「SWWクラッド」という。)を形成して、SWWによる接続は完了する。Finally, if necessary, any uncured portions of the photocurable resin are removed by washing, etc. Then, cladding resin is dropped onto the removed area (around the SWW core) and cured as appropriate to form the SWW cladding (hereinafter referred to as "SWW cladding"), and the SWW connection is completed.
ここで、SWWの形成に用いられる樹脂硬化光の波長は、ほとんどが可視光以下の波長域にある。Here, the wavelength of the resin curing light used to form SWW is mostly in the wavelength range below visible light.
SWWを一定のコア径で形成するためには、樹脂硬化光の光電場強度を所定の閾値より低くし、樹脂硬化光の光強度分布をガウシアン関数に近いものにする必要がある。To form a SWW with a constant core diameter, it is necessary to lower the electric field intensity of the resin curing light below a predetermined threshold and make the light intensity distribution of the resin curing light close to a Gaussian function.
詳細には、光硬化性樹脂は樹脂硬化光の強度が高い部分から硬化するので、樹脂硬化光の強度分布がガウシアン分布に近い場合、その分布の中心部で樹脂硬化反応が速く進行する。その結果、SWWの先端はレンズ形状となる。このレンズ形状のSWW先端により、SWW先端から出射される樹脂硬化光は集光され、樹脂を硬化する。この現象の繰り返しでSWWは形成されるため、ガウシアン関数に近い強度分布の樹脂硬化光により、SWWはそのコア径を概ね一定に保ちながら形成される(非特許文献1)。In detail, since photocurable resins harden from areas with high intensity of resin-curing light, if the intensity distribution of the resin-curing light is close to a Gaussian distribution, the resin-curing reaction proceeds rapidly in the center of that distribution. As a result, the tip of the SWW becomes lens-shaped. This lens-shaped tip of the SWW focuses the resin-curing light emitted from the tip of the SWW, curing the resin. Since the SWW is formed by the repetition of this phenomenon, the SWW is formed while maintaining its core diameter approximately constant by resin-curing light with an intensity distribution close to a Gaussian function (Non-Patent Literature 1).
また、樹脂硬化光の強度を増加すると、樹脂の硬化速度(=モノマの重合速度)が一定の強度で飽和する。この飽和がすべてのビーム断面にわたって発生するとき、重合速度はビーム断面積にわたってほぼ一定となる。その結果、SWWの先端はレンズ形状にならず、樹脂硬化光の伝搬方向に対してSWWのコア径が徐々に増加するテーパ形状のSWWが形成される。したがって、一定のコア径のSWWを形成するためには、樹脂硬化光の強度は樹脂に依存する所定の閾値よりも低い必要がある。Furthermore, increasing the intensity of the resin curing light causes the resin curing rate (= monomer polymerization rate) to saturate at a certain intensity. When this saturation occurs across the entire beam cross-section, the polymerization rate becomes almost constant across the beam cross-sectional area. As a result, the tip of the SWW does not become lens-shaped, and a tapered SWW is formed in which the core diameter of the SWW gradually increases with respect to the propagation direction of the resin curing light. Therefore, in order to form an SWW with a constant core diameter, the intensity of the resin curing light must be lower than a predetermined threshold that depends on the resin.
SWW技術は、コア間の接続損失の要因であるコア間の間隙や光軸ずれにかかわらず、軸ずれ補償効果を有し、低損失な接続が実現できる。そこで、SWWによる光接続技術は、光接続における公差要求を緩和でき、簡易な光集積や高歩留まりかつ低損失な実装を実現できる。SWW technology offers axial misalignment compensation regardless of the gap between cores and optical axis misalignment, which are factors in connection loss between cores, enabling low-loss connections. Therefore, SWW-based optical connection technology can relax tolerance requirements in optical connections, enabling simple optical integration and high-yield, low-loss implementation.
SWWは、公知の特定の導波路構造を用いて、SiPhチップ端面に樹脂硬化光(可視光)により形成される。このとき、導波路構造は、樹脂硬化光の波長帯の可視光および通信波長帯の長波帯の光に対して透明である必要がある。ここで、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なので、SWW用の導波路構造に用いられる。SWWs are formed on the end face of a SiPh chip using resin-curing light (visible light) with a known specific waveguide structure. In this case, the waveguide structure must be transparent to visible light (the wavelength band of the resin-curing light) and long-wavelength light (the communication wavelength band). Materials such as SiN and SiON are transparent to light from the visible light to the communication wavelength band, and are therefore used for the waveguide structure of SWWs.
従来のSWW形成のための光素子40は、図10A、Bに示すように、SOI(Silicon-on-insulator)基板(図示せず)の上に、順に、下部クラッド42、導波路コア43が形成され、導波路コア43が上部クラッド44に覆われている。ここで、上部クラッド44と下部クラッド42は酸化シリコンによって構成され、導波路コア43はSiNによって構成される。導波路コア43はSiONによって構成されてもよい。In a conventional optical element 40 for SWW formation, as shown in Figures 10A and 10B, a lower cladding 42 and a waveguide core 43 are formed in order on an SOI (Silicon-on-insulator) substrate (not shown), with the waveguide core 43 covered by an upper cladding 44. Here, the upper cladding 44 and lower cladding 42 are made of silicon oxide, and the waveguide core 43 is made of SiN. The waveguide core 43 may also be made of SiON.
導波路コア43は、光素子40の端部(図10A中、矢印x方向)へ向かうほど幅が減少し、SSC(Spot-size converter)としてMFDを拡大する機能を有する。これにより、光素子40の端面のMFDを、接続する他の光素子(図示せず)に合わせて拡大し、光素子40と他の光素子との間の光接続損失を低減できる。The waveguide core 43 decreases in width towards the end of the optical element 40 (in the direction of the arrow x in Figure 10A), and has the function of expanding the MFD as a Spot-size converter (SSC). This expands the MFD at the end face of the optical element 40 to match other optical elements (not shown) to which it is connected, thereby reducing the optical connection loss between the optical element 40 and other optical elements.
しかしながら、従来の光素子40を用いてSWWを形成すると、光素子40の端面とSWWとの境界を信号光が伝搬する際に接続損失が生じるという問題があった。詳細を以下に説明する。However, when forming a SW using a conventional optical element 40, there was a problem in that connection loss occurred when the signal light propagated along the boundary between the end face of the optical element 40 and the SW. The details are explained below.
図11A、Bに、従来の光素子における信号光と樹脂硬化光それぞれの態様の計算結果を示す。x座標は光の伝搬方向(図10A中、矢印x方向)、y座標は光の伝搬方向に対して垂直方向を示す(図10A中、矢印y方向)。ここで、図11A、B中、計算に用いた導波路構造431を細実線で示す。Figures 11A and 11B show the calculation results for the signal light and resin curing light in a conventional optical element. The x-coordinate indicates the direction of light propagation (arrow x direction in Figure 10A), and the y-coordinate indicates the direction perpendicular to the direction of light propagation (arrow y direction in Figure 10A). Here, in Figures 11A and 11B, the waveguide structure 431 used in the calculation is shown by a thin solid line.
計算は、2次元導波路構造についてFDTD法(製品名:「ANSYS Lumerical FDTD」)により行った。The calculations were performed on a two-dimensional waveguide structure using the FDTD method (product name: "ANSIS Lumerical FDTD").
また、導波路構造はテーパ形状のSiNで構成され、一方の端部(基端)の幅が800nmで他方の端部(先端)の幅が100nm、テーパ構造の長さは350μmとした。導波路構造以外の部分は、酸化シリコンで構成されるものとした。Furthermore, the waveguide structure was composed of tapered SiN, with one end (base) having a width of 800 nm and the other end (tip) having a width of 100 nm, and the length of the tapered structure being 350 μm. The parts other than the waveguide structure were composed of silicon oxide.
また、計算に用いた構造では、テーパ構造の基端に一定幅(幅800nm)で長さ10μmの導波路を有し、先端に一定幅(幅100nm)で長さ20μmの導波路を有する。この一定幅の導波路では、信号光および樹脂硬化光はMFDを変化させずに伝搬する。Furthermore, the structure used in the calculations has a waveguide with a constant width (800 nm) and a length of 10 μm at the base end of the tapered structure, and a waveguide with a constant width (100 nm) and a length of 20 μm at the tip. In this waveguide of constant width, the signal light and resin curing light propagate without changing the MFD.
また、光源を導波路構造の中心軸上で、導波路構造の基端から導波路内に1μmの位置(図11Aの座標でx=1μm、y=0μmの位置)に配置して、光源からの出射光が導波路断面に対する基底の伝搬モードで伝搬するとして計算した。Furthermore, the light source was positioned on the central axis of the waveguide structure, 1 μm from the base end of the waveguide structure into the waveguide (at x = 1 μm, y = 0 μm in the coordinates of Figure 11A), and calculations were performed assuming that the light emitted from the light source propagates in the base propagation mode relative to the waveguide cross-section.
また、信号光の波長を1550nm、樹脂硬化光の波長を532nmとした。Furthermore, the wavelength of the signal light was set to 1550 nm, and the wavelength of the resin curing light was set to 532 nm.
信号光では、図11Aに示すように、導波路を伝搬するにともないMFDが徐々に拡大して、導波路から漏れ出す。In the case of signal light, as shown in Figure 11A, the MFD gradually expands as it propagates through the waveguide and leaks out of the waveguide.
一方、樹脂硬化光は、図11Bに示すように、導波路全域で閉じ込められている。これは、信号光よりも樹脂硬化光の波長が短いためである。On the other hand, the resin curing light is confined throughout the entire waveguide, as shown in Figure 11B. This is because the wavelength of the resin curing light is shorter than that of the signal light.
従来の光素子では、信号光(長波長の光)に対して、テーパ構造を有するSSCにおいて先端の導波路を細くして、導波路から徐々に信号光を染み出させMFDを拡大させる。このとき、テーパ先端の導波路のコアのサイズは、信号光が導波路内の伝搬モードとして存在できるコアサイズよりも小さい。In conventional optical elements, for signal light (long-wavelength light), the waveguide at the tip of a tapered SSC is narrowed, allowing the signal light to gradually leak out of the waveguide and expanding the MFD. In this case, the core size of the waveguide at the tapered tip is smaller than the core size in which the signal light can exist as a propagation mode within the waveguide.
一方、樹脂硬化光(短波長の光)は、より小さいコアでもコア内に伝搬モードとして閉じ込められる。その結果、樹脂硬化光は、図11Bに示すように、SSCとして機能するサイズの導波路においてコアから染み出すことなく導波路内を伝搬する。On the other hand, resin curing light (short-wavelength light) is confined as a propagation mode within the core, even in smaller cores. As a result, as shown in Figure 11B, the resin curing light propagates within the waveguide without leaking out of the core in a waveguide of a size that functions as a SSC.
このように、樹脂硬化光が光素子の導波路を伝搬するとき、樹脂硬化光の強度が高い部分から硬化してSWWが形成されるので、図12に示すように、光素子40の端面にテーパ構造で細くなった導波路コア43の幅と同程度の幅を有するSWWコア461が形成される。また、引き続き、SWWコア461の周辺にSWWクラッド462が形成される。Thus, when the resin curing light propagates through the waveguide of the optical element, the resin hardens from the areas with higher intensity of the curing light, forming the SW. As shown in Figure 12, an SW core 461 having a width approximately the same as the width of the tapered waveguide core 43 is formed on the end face of the optical element 40. Subsequently, an SW cladding 462 is formed around the SW core 461.
一方で、信号光は、図11Aに示すように、テーパ構造によってMFDが拡大され、導波路のコアの幅よりも大きいMFDを有する。その結果、光素子内を伝搬する信号光において、SWWに接続する際に損失が発生する。On the other hand, as shown in Figure 11A, the signal light has an expanded MFD due to its tapered structure, resulting in an MFD larger than the width of the waveguide core. As a result, loss occurs in the signal light propagating within the optical element when it is connected to the SW.
通常、SiPh等のシングルモード導波路の場合、光学的に異なる導波路間を遷移する光の接続損失は、それぞれの導波路の伝搬モードのMFDの差によって決まる。また、MFDは、導波路のコアとクラッドとの屈折率差に若干影響を受けるが、伝搬する導波路のコアと同程度の大きさである。Typically, in the case of single-mode waveguides such as SiPh, the connection loss of light transitioning between optically different waveguides is determined by the difference in the MFD (Multi-Functional Diode) of the propagation modes of each waveguide. While the MFD is slightly affected by the refractive index difference between the waveguide core and cladding, it is generally of a similar magnitude to that of the waveguide core during propagation.
SWW46において、図12に示すように、SWWコア461を伝搬する信号光の伝搬モードのMFDは、SWWコア461の直径と同程度である。一方、光素子40の端面の信号光のMFDは、導波路コア43よりも大きい。このように、信号光において、SWWコア461でのMFDと導波路コア43でのMFDとが異なるため、それぞれの導波路間での接続損失が発生する。In SWW46, as shown in Figure 12, the MFD of the propagation mode of the signal light propagating through the SWW core 461 is approximately the same as the diameter of the SWW core 461. On the other hand, the MFD of the signal light at the end face of the optical element 40 is greater than that of the waveguide core 43. Thus, because the MFD at the SWW core 461 and the MFD at the waveguide core 43 are different for the signal light, connection losses occur between the respective waveguides.
以上のように、従来の光素子端面に向かって導波路が細くなるSSCを有する光素子に対して、SWWを可視光により形成すると、可視光と信号光との差異に起因する接続損失が発生する。これにより、従来の光素子を用いてSWWを形成し光接続した光通信デバイスにおいては、接続損失が発生するという問題があった。As described above, when a SWW is formed using visible light in an optical element having an SSC where the waveguide narrows towards the end face of the conventional optical element, connection loss occurs due to the difference between visible light and signal light. As a result, optical communication devices that use conventional optical elements to form an SWW and connect them optically have the problem of connection loss.
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、他の光素子と、光硬化性樹脂において樹脂硬化光の照射により硬化される部分である自己形成導波路を介して接続し、順に、基板と、第1のクラッドと、前記第1のクラッドの屈折率より高い屈折率を有し、信号光と前記樹脂硬化光とが伝搬する導波路コアと、前記導波路コアの屈折率より低い屈折率を有する第2のクラッドとを備える光素子であって、前記導波路コアの前記自己形成導波路と接続する側の先端が、前記第2のクラッドの端面で前記信号光のモードフィールド径と前記樹脂硬化光のモードフィールド径とが同程度になるように、前記第2のクラッドの端面と離れた位置に配置され、前記導波路コアの前記自己形成導波路と接続する側の先端と、前記第2のクラッドの端面との間に、前記第2のクラッドが配置されることを特徴とする。 To solve the problems described above, the optical element according to the present invention is connected to another optical element via a self-formed waveguide, which is a portion of a photocurable resin that is cured by irradiation with resin curing light, and comprises, in order, a substrate, a first cladding, a waveguide core having a refractive index higher than that of the first cladding and through which signal light and the resin curing light propagate, and a second cladding having a refractive index lower than that of the waveguide core , wherein the tip of the waveguide core that connects to the self-formed waveguide is positioned away from the end face of the second cladding such that the mode field diameter of the signal light and the mode field diameter of the resin curing light are approximately the same at the end face of the second cladding, and the second cladding is positioned between the tip of the waveguide core that connects to the self-formed waveguide and the end face of the second cladding.
また、本発明に係る光素子の製造方法は、他の光素子と、光硬化性樹脂において樹脂硬化光の照射により硬化される部分である自己形成導波路を介して接続し、基板と、第1のクラッドと、前記第1のクラッドの屈折率より高い屈折率を有し、信号光と前記樹脂硬化光とが伝搬する導波路コアと、前記導波路コアの屈折率より低い屈折率を有する第2のクラッドとを備える光素子の製造方法であって、前記導波路コアと前記第1のクラッドと前記第2のクラッドそれぞれの構造を決定し、前記信号光と前記樹脂硬化光の波長を決定する工程と、前記構造において、前記導波路コアを伝搬し出射する前記信号光と前記樹脂硬化光それぞれのモードフィールド径を計算する工程と、前記導波路コアから出射する、前記信号光と前記樹脂硬化光それぞれのモードフィールド径が同程度である位置を、前記第2のクラッドの端面の位置に決定する工程と、前記基板の上に、順に、前記第1のクラッドの材料と、前記導波路コアの材料を堆積する工程と、前記構造と、前記第2のクラッドの端面の位置とに基づき、前記導波路コアの材料を前記導波路コアに加工する工程と、前記導波路コアを覆うように、前記第2のクラッドを形成する工程とを備える。 Furthermore, the present invention relates to a method for manufacturing an optical element, which is connected to another optical element via a self-formed waveguide that is a portion of a photocurable resin that is cured by irradiation with resin curing light , and comprises a substrate, a first cladding, a waveguide core having a refractive index higher than that of the first cladding and through which signal light and the resin curing light propagate, and a second cladding having a refractive index lower than that of the waveguide core, comprising the steps of determining the structure of the waveguide core, the first cladding, and the second cladding, determining the wavelengths of the signal light and the resin curing light, and in the structure, the waveguide The method comprises the steps of: calculating the mode field diameters of the signal light and the resin curing light propagating and emitting from the waveguide core; determining the position of the end face of the second cladding at which the mode field diameters of the signal light and the resin curing light emitting from the waveguide core are approximately the same; depositing the material of the first cladding and the material of the waveguide core on the substrate in order; processing the material of the waveguide core into the waveguide core based on the structure and the position of the end face of the second cladding; and forming the second cladding so as to cover the waveguide core.
本発明によれば、信号光の自己形成導波路(SWW)との接続損失を低減できる光素子を提供できる。According to the present invention, it is possible to provide an optical element that can reduce connection losses with a self-forming waveguide (SWW) of signal light.
<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5Bを参照して説明する。<First Embodiment>
An optical element according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to Figures 1 to 5B.
<光素子の構成>
本実施の形態に係る光素子は、図1A~Cに示すように、順に、基板11と、第1のクラッド12と、導波路コア13と、第2のクラッド14とを備える。<Configuration of the optical element>
As shown in Figures 1A to C, the optical element according to this embodiment comprises, in order, a substrate 11, a first cladding 12, a waveguide core 13, and a second cladding 14.
基板11は、Si基板である。The substrate 11 is a Si substrate.
第1のクラッド12は、酸化シリコン(SiO2)である。 The first cladding 12 is silicon oxide ( SiO₂ ).
導波路コア13は、窒化シリコンであり、第1のクラッド12上に配置される。導波路コア13は、導波路コア13の先端(自己形成導波路が形成される側の先端)131に向けて細くなるテーパ形状を有する。ここで、例えば、導波路コア13の長さは350μmであり、幅は800nmから100nmまで変化する。また、導波路コア13は、SiONによって構成されてもよい。The waveguide core 13 is made of silicon nitride and is placed on the first cladding 12. The waveguide core 13 has a tapered shape that narrows towards the tip 131 of the waveguide core 13 (the tip on which the self-forming waveguide is formed). Here, for example, the length of the waveguide core 13 is 350 μm, and the width varies from 800 nm to 100 nm. The waveguide core 13 may also be made of SiON.
第2のクラッド14は、酸化シリコンであり、導波路コア13を覆うように配置される。The second cladding 14 is made of silicon oxide and is arranged to cover the waveguide core 13.
導波路コア13は、第2のクラッド14の端面141の近傍に配置されない。すなわち、導波路コア13の先端131の端面と、第2のクラッド14の端面141との間に間隙(以下、「MFD制御用間隙」という。)15を有し、その間隔には第2のクラッド14が配置される。The waveguide core 13 is not positioned near the end face 141 of the second cladding 14. That is, there is a gap (hereinafter referred to as the "MFD control gap") 15 between the end face 131 of the waveguide core 13 and the end face 141 of the second cladding 14, and the second cladding 14 is positioned in this gap.
本実施の形態では、導波路コア13がテーパ形状を有する例を示したが、これに限らない。導波路コア13が、先端131に一定幅の導波路132を有してもよい。例えば、導波路コア13は、図2に示すように、図中点線133より導波路コア13の先端131側において一定幅の形状であり、反対側においてテーパ形状でもよい。ここで、導波路コア13の一定幅の導波路132では、信号光および樹脂硬化光はMFDを変化させずに伝搬する。In this embodiment, an example is shown in which the waveguide core 13 has a tapered shape, but it is not limited to this. The waveguide core 13 may have a waveguide 132 of a constant width at its tip 131. For example, as shown in Figure 2, the waveguide core 13 may have a shape of a constant width on the tip 131 side of the waveguide core 13 from the dotted line 133 in the figure, and a tapered shape on the opposite side. In this case, in the waveguide 132 of the waveguide core 13 with a constant width, the signal light and resin curing light propagate without changing the MFD.
<光集積素子の構成>
本実施の形態に係る光集積素子1では、図3A、Bに示すように、光素子10が、SWW16を介して、他の光素子10_2と接続する。<Configuration of an optical integrated element>
In the optical integrated element 1 according to this embodiment, as shown in Figures 3A and 3B, the optical element 10 is connected to other optical elements 10_2 via SWW 16.
SWW16は、SWWコア161の周囲にSWWクラッド162を有する。SWW16 has an SWW cladding 162 around an SWW core 161.
他の光素子10_2は、導波路素子や光ファイバ等であり、例えば、基板11_2と、第1のクラッド12_2と、導波路コア13_2と、第2のクラッド14_2とを備える。Other optical elements 10_2 include waveguide elements and optical fibers, and for example, they comprise a substrate 11_2, a first cladding 12_2, a waveguide core 13_2, and a second cladding 14_2.
光素子10の導波路コア13を伝搬する光は、SWWコア161を介して、他の光素子10_2の導波路コア13_2と光学的に結合する。Light propagating through the waveguide core 13 of the optical element 10 is optically coupled with the waveguide core 13_2 of another optical element 10_2 via the SWW core 161.
次に、本実施の形態に係る光素子におけるMFD制御用間隙15について、計算結果を基に、図4A~Cを参照して説明する。Next, the MFD control gap 15 in the optical element according to this embodiment will be described based on the calculation results with reference to Figures 4A to 4C.
図4Aに、計算に用いた導波路構造の模式図を示す。Figure 4A shows a schematic diagram of the waveguide structure used in the calculations.
導波路(図中、斜線部)はSiNで構成され、基端側の一定幅(幅800nm)の導波路(x=0~xT1)と、テーパ形状の導波路(x=xT1~xT2)と、先端側の一定幅(幅100nm)の導波路(x=xT2~xL)とから構成される。テーパ形状の導波路では、基端(x=xT1)の幅を800nm、先端(x=xT2)の幅を100nm、長さ(x=xT1~xT2)を350μmとした。ここで、基端側の一定幅の導波路の長さ(x=0~xT1)を10μm、先端側の一定幅の導波路の長さ(x=xT2~xL)を20μmとした。このように、導波路全体の長さ(x=0~xL)は380μmである。 The waveguide (shaded area in the figure) is made of SiN and consists of a waveguide with a constant width (width 800 nm) at the base end (x=0 to xT1 ), a tapered waveguide (x= xT1 to xT2 ), and a waveguide with a constant width (width 100 nm) at the tip end (x= xT2 to xL ). In the tapered waveguide, the width at the base end (x= xT1 ) is 800 nm, the width at the tip end (x= xT2 ) is 100 nm, and the length (x= xT1 to xT2 ) is 350 μm. Here, the length of the waveguide with a constant width at the base end (x=0 to xT1 ) is 10 μm, and the length of the waveguide with a constant width at the tip end (x= xT2 to xL ) is 20 μm. Thus, the total length of the waveguide (x = 0 to x L ) is 380 μm.
導波路の先端から外部の領域(x=xL~x1)を含めて、導波路構造以外の部分は、酸化シリコンで構成される。 The portion of the waveguide structure other than the waveguide itself, including the region outside the waveguide tip (x = x L to x 1 ), is composed of silicon oxide.
また、光源を導波路構造の中心軸C上で、基端から内側に1μmの位置(xR=1μm)に配置して、光源からの出射光が導波路断面に対する基底の伝搬モードで伝搬するとして計算した。 Furthermore, the light source was positioned 1 μm inward from the base end on the central axis C of the waveguide structure (x R = 1 μm), and calculations were performed assuming that the light emitted from the light source propagates in the base propagation mode relative to the waveguide cross-section.
計算は、2次元導波路構造について有限差分時間領域法(FDTD:Finite Difference Time Domain Method)法(製品名:「ANSYS Lumerical FDTD」)により行った。計算には、FDTD法以外に、固有モード展開(EME:Eigenmode Exansion)法を用いてもよい。The calculations were performed on a two-dimensional waveguide structure using the Finite Difference Time Domain Method (FDTD) (product name: "ANSIS Lumerical FDTD"). In addition to the FDTD method, the Eigenmode Expansion (EME) method may also be used for the calculations.
伝搬する光(信号光と樹脂硬化光)の基底モードについて、信号光の波長を1550nm、樹脂硬化光の波長を532nmとして計算した。The ground modes of the propagating light (signal light and resin curing light) were calculated using a signal light wavelength of 1550 nm and a resin curing light wavelength of 532 nm.
信号光と樹脂硬化光それぞれについて、伝搬方向における各座標xでの光の強度分布を示す関数f(y)に対してガウシアンフィッティングを行うことにより、各x座標におけるMFDを計算した。ここで、yは、伝搬方向(x方向)に垂直方向を示す(図中、矢印y)。For both the signal light and the resin curing light, the MFD at each x-coordinate was calculated by performing a Gaussian fitting on the function f(y), which represents the intensity distribution of the light at each x-coordinate in the propagation direction. Here, y represents the direction perpendicular to the propagation direction (x-direction) (arrow y in the figure).
図4B、Cに、信号光と樹脂硬化光それぞれの伝搬方向でのMFDの計算結果を示す。図4Aに、導波路の基端から外部の領域(x=0~x1=0μm~400μm)において、位置(座標)xでの信号光と樹脂硬化光それぞれのビーム径を示す。また、図4Bに、x=350μm~400μmの領域での拡大図を示す。 Figures 4B and 4C show the calculated MFD results for the propagation direction of the signal light and resin curing light, respectively. Figure 4A shows the beam diameters of the signal light and resin curing light at position (coordinate) x in the region from the base end of the waveguide to the outside (x = 0 to x¹ = 0 μm to 400 μm). Figure 4B shows a magnified view in the region x = 350 μm to 400 μm.
図4A、Bに示すように、信号光は、導波路のSSCを伝搬するにしたがい、そのMFDが拡大して、導波路の先端(x=380μm)から出射される。出射された信号光はクラッド(酸化シリコン)を伝搬するにしたがいそのMFDが拡大する。As shown in Figures 4A and 4B, as the signal light propagates through the SSC of the waveguide, its MFD expands and it is emitted from the tip of the waveguide (x = 380 μm). As the emitted signal light propagates through the cladding (silicon oxide), its MFD expands.
一方、樹脂硬化光はSSC内を伝搬するにしたがい、そのMFDは徐々に減少して、導波路の先端(x=380μm)から出射される。出射された樹脂硬化光はクラッド(酸化シリコン)を伝搬するにしたがいそのMFDが拡大する。On the other hand, as the resin curing light propagates within the SSC, its MFD gradually decreases and is emitted from the tip of the waveguide (x = 380 μm). As the emitted resin curing light propagates through the cladding (silicon oxide), its MFD increases.
ここで、樹脂硬化光では、MFDが信号光よりも急激に拡大する。これは、上述の通り、波長が短い光の方が、波長が長い光より伝搬する際の単位伝搬距離あたりのビームの拡がりが大きいためである。Here, with resin curing light, the MFD expands more rapidly than with signal light. This is because, as mentioned above, shorter wavelength light spreads more per unit propagation distance than longer wavelength light.
その結果、図4A、Bに示すように、伝搬する信号光と樹脂硬化光それぞれのビーム径が、所定の位置(座標x’、ここではx’=384μm)で一致する。As a result, as shown in Figures 4A and 4B, the beam diameters of the propagating signal light and the resin curing light coincide at a predetermined position (coordinate x', in this case x' = 384 μm).
そこで、所定の位置(座標x’)を光素子の出射端面として、この端面からSWWを形成すれば、出射端面における樹脂硬化光のMFDとほぼ同等のSWWのサイズと、信号光のMFDがほぼ一致する。Therefore, if a predetermined position (coordinate x') is used as the output end face of the optical element, and a SW is formed from this end face, the size of the SW at the output end face will be approximately the same as the MFD of the resin curing light, and the MFD of the signal light will be approximately the same.
すなわち、光素子10におけるMFD制御用間隙15をxL~x’の長さ(ここでは、4μm)に設定することにより、光素子10から出射する信号光のMFDがSWWのサイズと同程度となるので、信号光の接続損失が低減される。 In other words, by setting the MFD control gap 15 in the optical element 10 to a length of x L to x' (here, 4 μm), the MFD of the signal light emitted from the optical element 10 becomes approximately the same size as the SWW, thereby reducing the signal light connection loss.
このように、本実施の形態に係る光素子10では、光素子10の出射端面101において信号光と樹脂硬化光それぞれのビーム径が同程度になるようにMFD制御用間隙15を設定することにより、信号光と樹脂硬化光の波長の差異に起因する信号光のSWWに対する接続損失を低減できる。Thus, in the optical element 10 according to this embodiment, by setting the MFD control gap 15 so that the beam diameters of the signal light and the resin curing light are approximately the same at the output end face 101 of the optical element 10, the connection loss of the signal light to the SWW caused by the difference in wavelength between the signal light and the resin curing light can be reduced.
ここで、ビーム径が同程度である範囲は、ビーム径が同じであることを含み、例えば、1~2μm程度の差がある場合も含む。光素子とSWWと間での信号光の接続損失が光通信等における信号光の伝搬に支障が生じない程度の範囲であればよい。Here, the range where the beam diameters are similar includes cases where the beam diameters are the same, and also includes cases where there is a difference of, for example, 1 to 2 μm. It is sufficient if the connection loss of the signal light between the optical element and the SW does not hinder the propagation of the signal light in optical communication, etc.
本実施の形態では、2次元導波路構造における計算結果を示したが、3次元導波路構造においても、FDTD法(製品名:「ANSYS Lumerical FDTD」)により、同様に計算できる。導波路コア構造(2μm以下の厚さ)と、信号光の波長と、樹脂硬化光の波長とを変化させて計算した結果、伝搬する信号光と樹脂硬化光それぞれのビーム径が、所定の位置(MFD制御用間隙:1~20μmに相当)で一致する結果が得られる。In this embodiment, calculation results for a two-dimensional waveguide structure are shown, but similar calculations can be performed for a three-dimensional waveguide structure using the FDTD method (product name: "ANSIS Lumérical FDTD"). By varying the waveguide core structure (thickness of 2 μm or less), the wavelength of the signal light, and the wavelength of the resin curing light, calculations were performed, and the results showed that the beam diameters of the propagating signal light and the resin curing light coincided at a predetermined position (MFD control gap: corresponding to 1 to 20 μm).
<光素子の製造方法>
本実施の形態に係る光素子の製造方法を、図5を参照して説明する。<Manufacturing method for optical elements>
A method for manufacturing an optical element according to this embodiment will be described with reference to Figure 5.
まず、光素子におけるMFD制御用間隙15を決定する。First, the MFD control gap 15 in the optical element is determined.
初めに、導波路コア13と第1および第2のクラッド12、14の構造を決定する。また、信号光と樹脂硬化光の波長を決定する(ステップS1)。First, the structures of the waveguide core 13 and the first and second claddings 12 and 14 are determined. Also, the wavelengths of the signal light and the resin curing light are determined (step S1).
次に、決定された構造において、導波路コア13を伝搬し出射する信号光と樹脂硬化光それぞれのMFD径を計算する(ステップS2)。Next, in the determined structure, the MFD diameters of the signal light and resin curing light propagating through and emitting from the waveguide core 13 are calculated (step S2).
次に、導波路コア13から出射する、信号光と樹脂硬化光それぞれのMFD径が同程度である位置を、前記第2のクラッドの端面の位置に決定する。すなわち、MFD制御用間隙15を決定する(ステップS3)。Next, the position on the end face of the second cladding is determined such that the MFD diameters of the signal light and the resin curing light emitted from the waveguide core 13 are approximately the same. That is, the MFD control gap 15 is determined (step S3).
次に、上記計算結果に基づき、光素子を製造する。Next, based on the above calculation results, the optical element is manufactured.
まず、基板の上に下部クラッド(第1のクラッド)12の材料を堆積する。引き続き、下部クラッド(第1のクラッド)12の上に、導波路コア13の材料を堆積する(ステップS4)。ここで、基板の材料としてはSi、下部クラッドの材料としてはSiO2、導波路コア13の材料としてはSiNxなどを用いることができる。 First, the material for the lower cladding (first cladding) 12 is deposited on the substrate. Subsequently, the material for the waveguide core 13 is deposited on top of the lower cladding (first cladding) 12 (step S4). Here, Si can be used as the substrate material, SiO2 as the material for the lower cladding, and SiNx as the material for the waveguide core 13.
次に、フォトリソグラフィを用いて、SiNxを導波路コア13に加工する(ステップS5)。フォトリソグラフィに用いるマスクパタンは、計算により得られた導波路コア13の形状とMFD制御用間隙15を基に作製される。 Next, SiNx is fabricated into the waveguide core 13 using photolithography (step S5). The mask pattern used for photolithography is fabricated based on the shape of the waveguide core 13 and the MFD control gap 15 obtained by calculation.
最後に、導波路コア13を覆うように、上部クラッド(第2のクラッド)14を形成する(ステップS6)。上部クラッド(第2のクラッド)14の材料に、例えばSiO2を用いる。 Finally, an upper cladding (second cladding) 14 is formed to cover the waveguide core 13 (step S6). For example, SiO2 is used as the material for the upper cladding (second cladding) 14.
<光集積素子の製造方法>
本実施の形態に係る光素子10と、他の光素子(導波路素子)10_2とがSWW16を介して接続される光集積素子1の製造方法の一例を、以下に説明する。<Manufacturing method for optically integrated devices>
An example of a method for manufacturing an optical integrated element 1 in which the optical element 10 according to this embodiment and another optical element (waveguide element) 10_2 are connected via SWW16 will be described below.
初めに、光素子10の端面101と他の光素子(導波路素子)10_2の端面を対向させて、所定の間隔をもって配置する。First, the end face 101 of the optical element 10 and the end face of the other optical element (waveguide element) 10_2 are placed facing each other with a predetermined distance between them.
次に、SWW材料(光硬化性樹脂)を、光素子の第2のクラッド14の端面141と他の光素子(導波路素子)10_2の端面との間に充填(滴下)する。ここで、粘性が高い光硬化性樹脂を用いることにより、光硬化性樹脂を保持できる。Next, SWW material (photocurable resin) is filled (dropped) between the end face 141 of the second cladding 14 of the optical element and the end face of the other optical element (waveguide element) 10_2. By using a photocurable resin with high viscosity, the photocurable resin can be held in place.
次に、樹脂硬化光を、導波路コア13に伝搬させ導波路コア13の先端131から出射させ、さらに第2のクラッド14に伝搬させ第2のクラッド14の端面141から出射させる。Next, the resin curing light is propagated to the waveguide core 13 and emitted from the tip 131 of the waveguide core 13, and then propagated to the second cladding 14 and emitted from the end face 141 of the second cladding 14.
引き続き、樹脂硬化光を光硬化性樹脂に照射する。その結果、光硬化性樹脂において樹脂硬化光が照射した領域が硬化して、SWWコア161になる。Next, the resin curing light is irradiated onto the photocurable resin. As a result, the area of the photocurable resin irradiated with the resin curing light hardens and becomes the SWW core 161.
最後に、未硬化の光硬化性樹脂を除去した後に、その周囲にSWWクラッド162を形成する。Finally, after removing the uncured photocurable resin, a SWW cladding 162 is formed around it.
その結果、本実施の形態に係る光素子10と他の光素子(導波路素子)10_2とが、SWW16を介して光接続して、光集積素子1が製造される(図3A、B)。As a result, the optical element 10 according to this embodiment and another optical element (waveguide element) 10_2 are optically connected via the SWW 16 to manufacture the optical integrated element 1 (Figures 3A, B).
本実施の形態に係る光集積素子では、SWW16においてコア161の屈折率がクラッド162の屈折率より高ければ導波路として機能する。そこで、SWWコア161の周囲は、例えば空気でもよく、SWWクラッドを備えなくてもよい。この場合、上述の光集積素子の製造方法における最後の工程で、SWWクラッドを形成しなくてもよい。In the optical integrated element according to this embodiment, the SWW 16 functions as a waveguide if the refractive index of the core 161 is higher than the refractive index of the cladding 162. Therefore, the area around the SWW core 161 may be, for example, air, and an SWW cladding may not be provided. In this case, the SWW cladding may not be formed in the final step of the manufacturing method of the optical integrated element described above.
<効果>
本実施の形態に係る光素子によれば、SWWのサイズと信号光のMFDとを同程度にできるので、光素子の導波路とSWWとの間での信号光の接続損失を低減できる。<Effects>
According to the optical element of this embodiment, the size of the SW and the MFD of the signal light can be made to be approximately the same, thereby reducing the connection loss of the signal light between the waveguide of the optical element and the SW.
実際のSWWを伝搬する信号光のMFDは、SWWのクラッドとコアの屈折率差によって影響を受ける。そこで、信号光のMFDとSWW内の信号光の伝搬モードが一致するようにSWWのクラッドの屈折率を調整し、SWWと光素子(チップ)の端面との境界で発生する損失を低減してもよい。The MFD of the signal light propagating through an actual SW is affected by the difference in refractive index between the SW cladding and core. Therefore, the refractive index of the SW cladding may be adjusted so that the MFD of the signal light matches the propagation mode of the signal light within the SW, thereby reducing losses that occur at the boundary between the SW and the end face of the optical element (chip).
また、SWWのコア径は、樹脂硬化光の強度に若干依存する。そこで、樹脂硬化光の強度の変化により光素子からSWWへと遷移する信号光の損失を低減できる。Furthermore, the core diameter of the SWW depends somewhat on the intensity of the resin curing light. Therefore, the loss of signal light transitioning from the optical element to the SWW can be reduced by changing the intensity of the resin curing light.
ここで、所定の樹脂硬化光の強度以上でのみ、SWWを形成できる。一方、樹脂硬化光の強度が高すぎると、樹脂の発熱により気泡が生じるのでSWWの形成に悪影響が生じる。そこで、SWWの形成に悪影響が生じる樹脂硬化光の強度より低い強度でSWWを形成する必要がある。Here, SWW can only be formed at an intensity of resin curing light above a predetermined level. On the other hand, if the intensity of the resin curing light is too high, bubbles will form due to the heat generated by the resin, which will adversely affect SWW formation. Therefore, it is necessary to form the SWW at an intensity of resin curing light lower than the intensity that adversely affects SWW formation.
また、本実施の形態では、MFD制御用間隙15の長さを制御する必要がある。最適なMFD制御用間隙15の値は、光素子の設計時に数値計算などにより事前に決定できる。その設計値を基に、作製した光素子(チップ)のMFD制御用間隙15の調整のために、光素子にダイシングマーカとともに研磨用のマークを導波路パタンなどにより作製するとよい。これにより、光学顕微鏡などで研磨用マークを確認しながら光素子の端面を研磨して、MFD制御用間隙15の長さを効率よく制御できる。Furthermore, in this embodiment, it is necessary to control the length of the MFD control gap 15. The optimal value for the MFD control gap 15 can be determined in advance by numerical calculation or the like during the design of the optical element. Based on that design value, polishing marks can be made on the optical element (chip) along with dicing markers using waveguide patterns or the like to adjust the MFD control gap 15 of the fabricated optical element (chip). This allows for efficient control of the length of the MFD control gap 15 by polishing the end face of the optical element while checking the polishing marks with an optical microscope or the like.
また、本実施の形態に係る光素子によれば、製造工程における歩留まりの向上でき、導波路損失を低減できる。Furthermore, the optical element according to this embodiment can improve yield in the manufacturing process and reduce waveguide loss.
詳細には、従来の光素子では、MFDを拡大するために先端の幅を細くする必要がある。しかしながら、導波路の幅が細くなると、製造プロセスにおける導波路幅の制御が困難になるとともに、導波路の側壁粗さによる光損失が増加する。In more detail, conventional optical elements require narrowing the tip width to enlarge the MFD. However, narrowing the waveguide width makes it difficult to control the waveguide width during the manufacturing process, and also increases optical loss due to the roughness of the waveguide sidewalls.
一方、本実施の形態に係る光素子では、樹脂硬化光のみならず信号光もMFD制御用間隙を伝搬するときにMFDが拡大する。したがって、光素子の導波路の先端の幅(SSCの幅)を、通常の光素子における導波路の先端の幅より広く設定しても、光素子の端面におけるMFDを同等にできる。On the other hand, in the optical element according to this embodiment, the MFD expands when not only resin curing light but also signal light propagates through the MFD control gap. Therefore, even if the width of the waveguide tip of the optical element (width of SSC) is set wider than the width of the waveguide tip in a normal optical element, the MFD at the end face of the optical element can be made equivalent.
このように、本実施の形態に係る光素子によれば、導波路の幅を広く設定できるので、製造工程における歩留まりを向上でき、製造される導波路の側壁粗さによる光損失を低減できる。Thus, with the optical element according to this embodiment, the waveguide width can be set to be wider, which improves the yield in the manufacturing process and reduces optical loss due to the roughness of the side walls of the manufactured waveguide.
本実施の形態では、光素子におけるMFD制御用間隙の長さを4μmに設定する例を示したが、MFD制御用間隙の長さは導波路コアの形状、信号光および樹脂硬化光の波長に依存する。例えば、信号光の波長が1550nm、樹脂硬化光の波長が532nmのときに、導波路コアのテーパ構造の長さが200~500μm、基端の幅が500~1000nm、先端の幅が50~200nmの範囲において、MFD制御用間隙の長さは2~10μmである。また、導波路コアのテーパ構造の長さが350μm以上、基端の幅が500~1000nm、先端の幅が500nm以下、導波路コアの厚さが2μm以下のときに、信号光の波長が1250~1350nm、樹脂硬化光の波長が385~1550nmの範囲において、MFD制御用間隙の長さは1~150μmである。In this embodiment, an example is shown in which the length of the MFD control gap in the optical element is set to 4 μm. However, the length of the MFD control gap depends on the shape of the waveguide core, the wavelength of the signal light, and the wavelength of the resin curing light. For example, when the wavelength of the signal light is 1550 nm and the wavelength of the resin curing light is 532 nm, the length of the MFD control gap is 2 to 10 μm when the length of the tapered structure of the waveguide core is 200 to 500 μm, the width of the base end is 500 to 1000 nm, and the width of the tip is 50 to 200 nm. Also, when the length of the tapered structure of the waveguide core is 350 μm or more, the width of the base end is 500 to 1000 nm, the width of the tip is 500 nm or less, and the thickness of the waveguide core is 2 μm or less, the length of the MFD control gap is 1 to 150 μm when the wavelength of the signal light is 1250 to 1350 nm and the wavelength of the resin curing light is 385 to 1550 nm.
<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6A~図7Bを参照して説明する。<Second Embodiment>
A second embodiment of the present invention, an optical element, will be described with reference to Figures 6A to 7B.
<光素子の構成>
本実施の形態に係る光素子20では、図6A、Bに示すように、第1のクラッド12と第2のクラッド14との端面121、141が、基板11の端面111よりも内側(導波路コア13の先端131側)に位置する。すなわち、光素子20の端部は段を有し、段の表面が基板11の表面である。以下、この領域21を、「SWW領域」という。その他の構成は、第1の実施の形態と同様である。<Configuration of the optical element>
In the optical element 20 according to this embodiment, as shown in Figures 6A and 6B, the end faces 121 and 141 of the first cladding 12 and the second cladding 14 are located inward from the end face 111 of the substrate 11 (towards the tip 131 of the waveguide core 13). That is, the end of the optical element 20 has a step, and the surface of the step is the surface of the substrate 11. Hereinafter, this region 21 will be referred to as the "SWW region". The other configurations are the same as in the first embodiment.
<光集積素子の構成>
本実施の形態に係る光集積素子2では、図7A、Bに示すように、光素子20と他の光素子10_2とが、SWW16を介して接続される。このように、第1のクラッド12の端面121と、第2のクラッド14の端面141と、基板11の上面と、前記他の光素子10_2の端面とに囲まれる領域、すなわちSWW領域21に、SWW16が形成される。<Configuration of an optical integrated element>
In the optical integrated element 2 according to this embodiment, as shown in Figures 7A and 7B, the optical element 20 and the other optical element 10_2 are connected via the SWW 16. Thus, the SWW 16 is formed in the region enclosed by the end face 121 of the first cladding 12, the end face 141 of the second cladding 14, the upper surface of the substrate 11, and the end face of the other optical element 10_2, i.e., the SWW region 21.
本実施の形態に係る光素子20のSWW領域21は、例えばウェハプロセスにより作製したマスクパタンによって、SWW領域21以外の領域を保護し、エッチングを施すことにより作製できる。このマスクパタンは、ウェハプロセスに用いられるような高精度(1μm以下)な位置決め技術によって作製される。The SWW region 21 of the optical element 20 according to this embodiment can be fabricated by protecting the region other than the SWW region 21 with a mask pattern fabricated by a wafer process, for example, and then etching it. This mask pattern is fabricated using a high-precision (1 μm or less) positioning technique used in wafer processes.
したがって、第1の実施の形態におけるダイシングやマーカによる加工よりも、高精度にMFD制御用間隙15を制御でき、より高歩留まりでMFDを制御できる。Therefore, the gap 15 for MFD control can be controlled with higher precision than dicing or marker processing in the first embodiment, and the MFD can be controlled with a higher yield.
また、本実施の形態に係る光素子20のSWW領域21における基板11の表面上で、光素子10の端面101(第1のクラッド12の端面121と第2のクラッド14の端面141)と、接続する他の光素子10_2の端面との間の空隙に、SWW材料(樹脂)を充填できる。Furthermore, on the surface of the substrate 11 in the SWW region 21 of the optical element 20 according to this embodiment, the gap between the end face 101 of the optical element 10 (the end face 121 of the first cladding 12 and the end face 141 of the second cladding 14) and the end face of the other optical element 10_2 to be connected can be filled with SWW material (resin).
これにより、SWW領域を有さない構造と比較して、SWW16の形成時にSWW材料(樹脂)を光素子20の端面と他の光素子10_2の端面との間の空隙に、容易に充填して保持できる。As a result, compared to structures without an SWW region, the SWW material (resin) can be easily filled and held in the gap between the end face of the optical element 20 and the end face of the other optical element 10_2 during the formation of the SWW 16.
本実施の形態では、SWW領域における段の位置を基板の表面とする例を示したが、基板内部に位置してもよく、第1のクラッド内部に位置してもよい。In this embodiment, an example is shown where the position of the step in the SWW region is on the surface of the substrate, but it may also be located inside the substrate or inside the first cladding.
<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8、9を参照して説明する。<Third Embodiment>
A third embodiment of the present invention, an optical element, will be described with reference to Figures 8 and 9.
<光素子の構成>
本実施の形態に係る光素子30は、図8に示すように、樹脂硬化光に対して機能するモードフィルタ31を、導波路コア13の基端側(先端131の反対側)に有する。ここで、モードフィルタ31は、導波路コア13に配置されればよい。<Configuration of the optical element>
As shown in Figure 8, the optical element 30 according to this embodiment has a mode filter 31 that functions with respect to resin curing light on the base end side (opposite the tip end 131) of the waveguide core 13. Here, the mode filter 31 can be placed on the waveguide core 13.
また、本実施の形態に係る光集積素子3では、光素子30が、SWW16を介して、他の光素子(図示せず)と接続する。Furthermore, in the optical integrated element 3 according to this embodiment, the optical element 30 is connected to other optical elements (not shown) via the SWW 16.
モードフィルタ31は、例えば、図9に示すように、ブラッググレーティングの幅変調構造を導波路コア13の両方の側面に備える。グレーティングの構成は、例えば、導波路の幅は800nmであり、グレーティングの深さは45nmである。グレーティング周期が320nm、デューティ比(周期に対する凸部の長さの比率)が0.5である。The mode filter 31 includes, for example, a width modulation structure of a Bragg grating on both sides of the waveguide core 13, as shown in Figure 9. The grating configuration is, for example, such as a waveguide width of 800 nm and a grating depth of 45 nm. The grating period is 320 nm and the duty cycle (ratio of the length of the protrusion to the period) is 0.5.
<効果>
第1の実施の形態に係る光素子10では、SWWを形成する際、樹脂硬化光におけるマルチモード化の影響により、SWWの形成条件に悪影響を及ぼすことがある。<Effects>
In the optical element 10 according to the first embodiment, when forming the SWW, the multimode effect of the resin curing light may adversely affect the conditions for forming the SWW.
光素子10の構造は、SiPhなどに用いられる構造であり、導波路コア13は信号光に対してシングルモード条件である。そのため、信号光より波長の短い樹脂硬化光に対して導波路コア13はマルチモード導波路として振る舞う。The structure of the optical element 10 is the same as that used in SiPh and the like, and the waveguide core 13 is single-mode under signal light conditions. Therefore, the waveguide core 13 behaves as a multimode waveguide with respect to resin curing light, which has a shorter wavelength than the signal light.
マルチモード導波路の場合、光素子(チップ)の端部から複数の横モードの光が出射される。この場合、シングルモードの樹脂硬化光のみが伝搬する場合と比べて、異なるモードの樹脂硬化光が伝搬する。In the case of a multimode waveguide, multiple transverse modes of light are emitted from the edge of the optical element (chip). In this case, resin curing light of different modes propagates, compared to the case where only single-mode resin curing light propagates.
その結果、シングルモードのみの場合のMFD制御用間隙の長さと、マルチモードの場合のMFD制御用間隙の長さは異なる。したがって、シングルモードで設計した値に基づいてMFD制御用間隙を形成しても、マルチモードの樹脂硬化光によりSWWが形成されるので、SWWのサイズを信号光のMFDに一致させることができず、信号光の接続損失を低減できない。As a result, the length of the MFD control gap differs between single-mode and multi-mode applications. Therefore, even if the MFD control gap is formed based on the value designed for single-mode, the SWW is formed by the multi-mode resin curing light, making it impossible to match the size of the SWW to the MFD of the signal light, and thus preventing a reduction in the signal light connection loss.
また、製造誤差によって生じる導波路側壁の粗さや屈折率分布の違いなどの摂動により、マルチモード導波路における横モードの発生具合などには変化が発生する。したがって、マルチモード導波路においてMFD制御用間隙を高歩留まりで制御することは困難である。Furthermore, perturbations such as differences in the roughness of the waveguide sidewalls and refractive index distribution caused by manufacturing errors can alter the generation of transverse modes in multimode waveguides. Therefore, it is difficult to control the MFD control gap with high yield in multimode waveguides.
さらに、SWWを形成する上では、単峰のガウシアン分布の強度分布を有する樹脂硬化光の方が、一定のコア径で成長する長尺(mm程度)のSWWを形成できる。そこで、長尺のSWWを形成するためには、樹脂硬化光のマルチモード化を抑制する必要がある。Furthermore, when forming SWWs, resin curing light with a unimodal Gaussian intensity distribution allows for the formation of long SWWs (approximately mm in length) that grow with a constant core diameter. Therefore, in order to form long SWWs, it is necessary to suppress the multimode nature of the resin curing light.
一方、本実施の形態に係る光素子では、モードフィルタを用いることで、マルチモード化の影響を抑制できる。On the other hand, in the optical element according to this embodiment, the effects of multimode amplification can be suppressed by using a mode filter.
本実施の形態に係る光素子では、導波路コア13を伝搬する樹脂硬化光の高次の横モードは、モードフィルタにより強い散乱を受ける。これにより、導波路コア13の出射端面における樹脂硬化光の光強度をガウシアン分布またはガウシアン分布に近いものにすること(シングルモード化)ができる。In the optical element according to this embodiment, the higher-order transverse modes of the resin-cured light propagating through the waveguide core 13 are strongly scattered by the mode filter. This makes it possible to make the light intensity of the resin-cured light at the exit end face of the waveguide core 13 a Gaussian distribution or close to a Gaussian distribution (single-mode emission).
本実施の形態に係る光素子におけるモードフィルタは、導波路コア13を伝搬する樹脂硬化光の最低次の横モード以外に対して、大きな損失を与えることができる。したがって、製造誤差により樹脂硬化光がマルチモード化しても、高歩留まりで最低次の横モードのみを導波路コア13の先端131から出射できる。すなわち、光強度がコア中心で高く、コアの側面に向かうに従い減少する分布を有する樹脂硬化光を出射させる光素子を提供できる。The mode filter in the optical element according to this embodiment can impose a large loss on all modes except the lowest-order transverse mode of the resin curing light propagating through the waveguide core 13. Therefore, even if the resin curing light becomes multimode due to manufacturing errors, only the lowest-order transverse mode can be emitted from the tip 131 of the waveguide core 13 with a high yield. In other words, it is possible to provide an optical element that emits resin curing light having a distribution in which the light intensity is high at the center of the core and decreases towards the sides of the core.
本実施の形態に係る光素子によれば、第1の実施の形態の効果に加えて、樹脂硬化光の光強度分布をガウシアン分布またはガウシアン分布に近いものにできるので、高精度でSWWを形成でき、長尺かつ一定コア直径の形状で低損失のSWWコアを形成することができる。したがって、光素子の導波路とSWWとの間での信号光の接続損失を、さらに低減できる。According to the optical element of this embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the light intensity distribution of the resin curing light can be made to be a Gaussian distribution or close to a Gaussian distribution, so that a SW can be formed with high precision, and a low-loss SW core can be formed in a long shape with a constant core diameter. Therefore, the connection loss of signal light between the waveguide of the optical element and the SW can be further reduced.
本実施の形態では、モードフィルタとして、グレーティングが導波路コアの側面に形成される例を示したが、導波路コアの上面に形成されてもよい。In this embodiment, an example is shown where the grating is formed on the side surface of the waveguide core as a mode filter, but it may also be formed on the top surface of the waveguide core.
また、導波路コア12の材料以外の材料のグレーティング、例えばアルミニウム(Al)等の金属からなる金属回折格子(グレーティング)を用いてもよい。Furthermore, a grating made of a material other than the waveguide core 12, such as a metal diffraction grating made of aluminum (Al), may also be used.
また、グレーティングにおいて、凹凸は周期的に配置されなくてもよく、凹凸がランダムに配置され、導波路幅がランダムに変調される構成でもよい。また、凹凸形状でなく、波形の形状でもよい。Furthermore, in the grating, the bumps and dips do not have to be arranged periodically; the bumps and dips may be arranged randomly, and the waveguide width may be randomly modulated. Also, instead of bumps and dips, the shape may be a waveform.
また、モードフィルタとして、曲げ導波路を用いてもよい。曲げ導波路では伝搬する光の高次モードの放射損失が大きいので、マルチモード化を抑制できる。その他、導波路を伝搬する樹脂硬化光のマルチモード化を抑制する構造を用いてもよい。Alternatively, a bent waveguide may be used as a mode filter. In a bent waveguide, the radiation loss of higher-order modes of the propagating light is large, so multimode propagation can be suppressed. In addition, a structure that suppresses multimode propagation of resin-cured light propagating through the waveguide may be used.
本発明の実施の形態に係る光素子は、樹脂硬化光に対して透明な材料で構成される光導波路が基板上に形成された構造に適用できる。例えば、平面光波回路(PLC: planar lightwave circuit)に対して適用できる。The optical element according to the embodiment of the present invention can be applied to a structure in which an optical waveguide made of a material transparent to resin-cured light is formed on a substrate. For example, it can be applied to a planar lightwave circuit (PLC).
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。In the embodiments of the present invention, examples of the structure, dimensions, materials, etc., of each component in the configuration and manufacturing method of the optical element are shown, but the invention is not limited to these examples. Any configuration that allows the optical element to perform its function and produce the desired effect is acceptable.
本発明は、光素子を接続するための光素子、光集積素子および光素子の製造方法に関するものであり、光通信デバイス、光通信ネットワークシステムに適用することができる。The present invention relates to an optical element for connecting optical elements, an optical integrated element, and a method for manufacturing an optical element, and can be applied to optical communication devices and optical communication network systems.
10 光素子
10_2 他の光素子
11 基板
12 第1のクラッド
13 導波路コア
131 導波路コアの先端が、
14 第2のクラッド
141 第2のクラッドの端面
16 自己形成導波路10 Optical element 10_2 Other optical element 11 Substrate 12 First cladding 13 Waveguide core 131 The tip of the waveguide core,
14 Second cladding 141 End face of the second cladding 16 Self-forming waveguide
Claims (6)
前記導波路コアの前記自己形成導波路と接続する側の先端が、前記第2のクラッドの端面で前記信号光のモードフィールド径と前記樹脂硬化光のモードフィールド径とが同程度になるように、前記第2のクラッドの端面と離れた位置に配置され、
前記導波路コアの前記自己形成導波路と接続する側の先端と、前記第2のクラッドの端面との間に、前記第2のクラッドが配置される
ことを特徴とする光素子。 An optical element connected to another optical element via a self-formed waveguide , which is a portion of a photocurable resin that is cured by irradiation with resin curing light, comprising, in order, a substrate, a first cladding, a waveguide core having a refractive index higher than that of the first cladding and through which signal light and the resin curing light propagate, and a second cladding having a refractive index lower than that of the waveguide core ,
The tip of the waveguide core that connects to the self-forming waveguide is positioned away from the end face of the second cladding such that the mode field diameter of the signal light and the mode field diameter of the resin curing light are approximately the same at the end face of the second cladding.
An optical element characterized in that the second cladding is positioned between the tip of the waveguide core that connects to the self-forming waveguide and the end face of the second cladding.
前記第1のクラッドの端面と、前記第2のクラッドの端面と、前記基板の上面と、前記他の光素子の端面とに囲まれる領域に、前記自己形成導波路が形成される
ことを特徴とする請求項1に記載の光素子。 The end face of the first cladding and the end face of the second cladding are located on the tip side of the waveguide core relative to the end face of the substrate.
The optical element according to claim 1, characterized in that the self-forming waveguide is formed in a region surrounded by the end face of the first cladding, the end face of the second cladding, the upper surface of the substrate, and the end face of the other optical element.
ことを特徴とする請求項1に記載の光素子。 The optical element according to claim 1, characterized in that the waveguide core includes a mode filter.
ことを特徴とする請求項1に記載の光素子。 The optical element according to claim 1, characterized in that the waveguide core includes a mode-field conversion unit.
前記自己形成導波路を介して接続される前記他の光素子と
を備える光集積素子。 The optical element according to claim 1,
An optical integrated element comprising the other optical elements connected via the self-forming waveguide.
前記導波路コアと前記第1のクラッドと前記第2のクラッドそれぞれの構造を決定し、前記信号光と前記樹脂硬化光の波長を決定する工程と、
前記構造において、前記導波路コアを伝搬し出射する前記信号光と前記樹脂硬化光それぞれのモードフィールド径を計算する工程と、
前記導波路コアから出射する、前記信号光と前記樹脂硬化光それぞれのモードフィールド径が同程度である位置を、前記第2のクラッドの端面の位置に決定する工程と、
前記基板の上に、順に、前記第1のクラッドの材料と、前記導波路コアの材料を堆積する工程と、
前記構造と、前記第2のクラッドの端面の位置とに基づき、前記導波路コアの材料を前記導波路コアに加工する工程と、
前記導波路コアを覆うように、前記第2のクラッドを形成する工程と
を備える光素子の製造方法。 A method for manufacturing an optical element, comprising a substrate, a first cladding, a waveguide core having a refractive index higher than that of the first cladding and through which signal light and the resin curing light propagate, and a second cladding having a refractive index lower than that of the waveguide core, wherein the optical element is connected to another optical element via a self-formed waveguide, which is a portion of a photocurable resin that is cured by irradiation with resin curing light, and the optical element comprises a substrate, a first cladding, a waveguide core having a refractive index higher than that of the first cladding and through which signal light and the resin curing light propagate,
The steps include determining the structure of the waveguide core, the first cladding, and the second cladding, and determining the wavelengths of the signal light and the resin curing light,
In the above structure, the steps include calculating the mode field diameters of the signal light and the resin curing light propagating through the waveguide core and being emitted,
A step of determining the position on the end face of the second cladding where the mode field diameters of the signal light and the resin curing light emitted from the waveguide core are approximately the same,
The process involves sequentially depositing the material for the first cladding and the material for the waveguide core onto the substrate,
A step of processing the material for the waveguide core into the waveguide core based on the above structure and the position of the end face of the second cladding,
A method for manufacturing an optical element, comprising the step of forming the second cladding so as to cover the waveguide core.
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