特開 2024-123676 光デバイス、光送信装置及び光受信装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024123676

(43)【公開日】2024-09-12

(54)【発明の名称】光デバイス、光送信装置及び光受信装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/12 20060101AFI20240905BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20240905BHJP

   G02B 6/30 20060101ALI20240905BHJP

   G02B 6/32 20060101ALI20240905BHJP

【ＦＩ】

G02B6/12

G02B6/42

G02B6/30

G02B6/32

G02B6/12 301

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023031286

(22)【出願日】2023-03-01

(71)【出願人】

【識別番号】309015134

【氏名又は名称】富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】杉山 昌樹

【テーマコード（参考）】

2H137

2H147

【Ｆターム（参考）】

2H137AA01

2H137BA35

2H137BA53

2H137BB02

2H137BB12

2H137BC02

2H137CC01

2H137DB09

2H137DB10

2H137HA00

2H147AA01

2H147AB04

2H147AB05

2H147BB02

2H147BD10

2H147BG06

2H147BG09

2H147BG10

2H147BG14

2H147CC12

2H147EA13A

2H147EA13C

2H147EA14B

2H147GA00

2H147GA26

(57)【要約】

【課題】実装工数を減らしながら、光導波路と光ファイバとの間の結合損失を抑制できる光デバイス等を提供する。
【解決手段】光デバイスは、基板と、前記基板上に形成されたトレンチと、前記基板上に形成され、前記トレンチの第１の側面と接続する光導波路と、前記トレンチ内の前記第１の側面に配置され、前記光導波路と接続するレンズと、を有する。更に、光デバイスは、前記トレンチ内の前記第１の側面と対向する第２の側面に近接したチップ端面に接着剤で固定された光ファイバを有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に形成されたトレンチと、
前記基板上に形成され、前記トレンチの第１の側面と接続する光導波路と、
前記トレンチ内の前記第１の側面に配置され、前記光導波路と接続するレンズと、
前記トレンチ内の前記第１の側面と対向する第２の側面に近接したチップ端面に接着剤で固定された光ファイバと、
を有することを特徴とする光デバイス。

【請求項2】

前記チップ端面は、
前記基板上に形成された第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に形成された第２のクラッド層と、を有し、
前記トレンチは、
前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層を貫通するトレンチで形成することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。

【請求項3】

前記チップ端面は、
前記基板上に形成された第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に形成された第２のクラッド層と、を有し、
前記トレンチは、
前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層を貫通する第１のトレンチと、
前記第１のトレンチの底面にある前記基板に形成された第２のトレンチと、
を有することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。

【請求項4】

前記光導波路は、
前記第１の側面に対して斜めに配置されるように前記基板上に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。

【請求項5】

前記トレンチは、
前記光導波路に対して斜めに配置されるように前記基板上に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。

【請求項6】

前記チップ端面には、
前記光導波路に対して斜めに配置され、前記光ファイバを接合する傾斜面を有する実装トレンチが形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。

【請求項7】

前記チップ端面内の前記傾斜面と、前記光ファイバとの間を接合する前記接着剤の厚みが前記傾斜面に応じて異なることを特徴とする請求項６に記載の光デバイス。

【請求項8】

前記基板は、
前記トレンチの底面、前記第１の側面及び前記第２の側面が形成された部位を切り欠いて基板側トレンチを有することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。

【請求項9】

前記第２の側面は、
前記光導波路を通過する信号光の通過する部位を切り欠いて形成する切欠き部を有することを特徴とする請求項８に記載の光デバイス。

【請求項10】

電気信号に対する信号処理を実行するプロセッサと、
光を発生させる光源と、
前記プロセッサから出力される電気信号を用いて、前記光源から発生する光を変調する光送信器と、を有する光送信装置であって、
前記光送信器内の光デバイスは、
基板と、
前記基板上に形成されたトレンチと、
前記基板上に形成され、前記トレンチの第１の側面と接続する光導波路と、
前記トレンチ内の前記第１の側面に配置され、前記光導波路と接続するレンズと、
前記トレンチ内の前記第１の側面と対向する第２の側面に近接したチップ端面に接着剤で固定された光ファイバと、
を有することを特徴とする光送信装置。

【請求項11】

光を発生させる光源と、
前記光源からの光を用いて受信光を復調する光受信器と、を有する光受信装置であって、
前記光受信器内の光デバイスは、
基板と、
前記基板上に形成されたトレンチと、
前記基板上に形成され、前記トレンチの第１の側面と接続する光導波路と、
前記トレンチ内の前記第１の側面に配置され、前記光導波路と接続するレンズと、
前記トレンチ内の前記第１の側面と対向する第２の側面に近接したチップ端面に接着剤で固定された光ファイバと、
を有することを特徴とする光受信装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光デバイス、光送信装置及び光受信装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、通信容量の増加に伴って、光ファイバ通信の需要が増大している。光ファイバ通信では、例えば、コンピュータで用いられる電気信号を光ファイバに通すための光信号に変換する光デバイスが必要となる。光デバイスは市場の要求に合わせて小型かつ低電力で大容量なものが求められており、それを実現するためにＳｉ基板上に導波路や電極基板を集積させたＳｉＰｈ（Silicon-Photonics）素子が非常に高い注目を集め、日々活発に研究・開発が行われている。ＳｉＰｈの大きな利点は、ＣＭＯＳ製造に用いられる高精細プロセス技術を生かして、多数の要素デバイスから構成される大規模な光集積回路を容易に製造できる点にある。

【0003】

こうした光集積素子（Photonics Integrated Circuit: PIC）を光通信用のモジュールとして実装するには、光集積素子のＳｉ導波路をチップ端面まで引き回し、Ｓｉ導波路と光ファイバとを光学的に接続して光の入出力を行う必要がある。従って、Ｓｉ導波路と光ファイバとの間の接続には低い結合損失と長期的信頼性とが要求されている。

【0004】

図２５は、従来の光デバイス１００の一例を示す平面模式図、図２６は、図２５に示すＪ－Ｊ線の略断面模式図である。光デバイス１００は、光ＩＣチップ１１０と、光ファイバ１２０と、を有し、光ＩＣチップ１１０に光ファイバ１２０を実装するエッジカプラである。光ＩＣチップ１１０は、Ｓｉ基板１１１と、Ｓｉ基板１１１上に積層されたＳｉＯ_２の第１のクラッド層１１２Ａと、第１のクラッド層１１２Ａ上に積層されたＳｉ導波路１１３と、を有する。光ＩＣチップ１１０は、第１のクラッド層１１２Ａ及びＳｉ導波路１１３上を積層するＳｉＯ_２の第２のクラッド層１１２Ｂを有する。第１のクラッド層１１２Ａ及び第２のクラッド層１１２Ｂでクラッド層１１２を形成する。

【0005】

Ｓｉ導波路１１３は、直線導波路１１３Ａと、テーパ導波路１１３Ｂとを有する。直線導波路１１３Ａは、直線状の光導波路である。テーパ導波路１１３Ｂは、上面から見て、直線導波路１１３Ａからチップ端面１１４に向けて徐々に導波路幅を小さくするテーパ形状の光導波路である。

【0006】

光ファイバ１２０は、コア１２１を有し、光ファイバ１２０の先端を接合面１２２としている。そして、光ＩＣチップ１１０のチップ端面１１４では、接着剤１３０を使用して光ファイバ１１０の接合面１２２のコア１２１とＳｉ導波路１１３の端面との間を光結合する。エッジカプラでは、光ファイバ１２０と結合するチップ端面１１４においてＳｉ導波路１１３の導波路幅を小さくすることで光のモードフィールドが大きくできるため、Ｓｉ導波路１１３と光ファイバ１２０との間の結合損失を小さくできる。

【0007】

光ＩＣチップ１１０のチップ端面１１４に光ファイバ１２０を実装する場合、接着剤１３０をチップ端面１１４に塗布し、光ファイバ１２０をＳｉ導波路１１３にアライメントし、接着剤１３０を硬化させて光ファイバ１２０を光ＩＣチップ１１０に固定する。

【0008】

しかしながら、エッジカプラ内のＳｉ導波路１１３の導波路幅を小さくしても、Ｓｉ導波路１１３のモードフィールドは光ファイバ１２０のモードフィールドに比べて小さい。従って、モードフィールドのミスマッチにより、Ｓｉ導波路１１３と光ファイバ１２０のコア１２１との間で結合損失が発生する。

【0009】

そこで、Ｓｉ導波路と光ファイバのコアとの間の結合損失を小さくすべく、Ｓｉ導波路と光ファイバとの間にレンズが配置された光デバイスが知られている。図２７は、従来の光デバイス２００の一例を示す平面模式図、図２８は、図２７に示すＫ－Ｋ線の略断面模式図である。光デバイス２００は、光ＩＣチップ２１０と、光ファイバ２２０と、を有し、光ＩＣチップ２１０に光ファイバ２２０を実装するエッジカプラである。

【0010】

光ＩＣチップ２１０は、Ｓｉ基板２１１と、第１のクラッド層２１２Ａと、Ｓｉ導波路２１３と、第２のクラッド層２１２Ｂとを有する。第１のクラッド層２１２Ａ及び第２のクラッド層２１２Ｂでクラッド層２１２を形成する。Ｓｉ導波路２１３は、直線導波路２１３Ａと、テーパ導波路２１３Ｂとを有する。直線導波路２１３Ａは、直線状の光導波路である。テーパ導波路２１３Ｂは、直線導波路２１３Ａからチップ端面２１４に向けて導波路幅を徐々に小さくする光導波路である。Ｓｉ導波路２１３のチップ端面２１４には、レンズ２１５を配置する。チップ端面１１４にレンズ２１５を配置する方法としては、チップ端面１１４に感光性レジストを塗布し、３Ｄプリンタを用いてレンズ２１５を形成する。

【0011】

光デバイス２００は、レンズ２１５を用いて、Ｓｉ導波路２１３のモードフィールドと光ファイバ２２０のコア２２１のモードフィールドとをマッチングさせることで、結合損失を抑制できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開２０２０－１７３４０８号公報

【特許文献2】特開２０１５－２２２２４号公報

【特許文献3】米国特許出願公開第２０１６／０２４６００４号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

しかしながら、光デバイス２００では、Ｓｉ導波路２１３のチップ端面２１４にレンズ２１５を配置したので、チップ端面２１４に対して光ファイバ２２０を離して実装する必要がある。従って、サブマウント上に光ファイバ２２０を固定する機構が別途必要となるため、従来の光デバイス１００に比較して実装工数が多くなる。

【0014】

そこで、このような事態に対処すべく、Ｓｉ導波路２１３と光ファイバ２２０との間の結合損失を抑制しながら、光ＩＣチップ２１０に対して光ファイバ２２０を実装する際の実装工数を減らすことができる光デバイスが求められている。

【0015】

一つの側面では、実装工数を減らしながら、光導波路と光ファイバとの間の結合損失を抑制できる光デバイス等を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0016】

一つの態様の光デバイスは、基板と、前記基板上に形成されたトレンチと、前記基板上に形成され、前記トレンチの第１の側面と接続する光導波路と、前記トレンチ内の前記第１の側面に配置され、前記光導波路と接続するレンズと、を有する。更に、光デバイスは、前記トレンチ内の前記第１の側面と対向する第２の側面に近接したチップ端面に接着剤で固定された光ファイバを有する。

【発明の効果】

【0017】

一つの側面によれば、実装工数を減らしながら、光導波路と光ファイバとの間の結合損失を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、実施例１の光デバイスの一例を示す平面模式図である。

【図2】図２は、図１に示すＡ－Ａ線の略断面模式図である。

【図3】図３は、実施例２の光デバイスの一例を示す平面模式図である。

【図4】図４は、図３に示すＢ－Ｂ線の略断面模式図である。

【図5】図５は、光デバイスで発生する反射光の一例を示す説明図である。

【図6】図６は、実施例３の光デバイスの一例を示す平面模式図である。

【図7】図７は、図６に示すＣ－Ｃ線の略断面模式図である。

【図8】図８は、光デバイスで発生する反射光の一例を示す説明図である。

【図9】図９は、実施例４の光デバイスの一例を示す平面模式図である。

【図10】図１０は、図９に示すＤ－Ｄ線の略断面模式図である。

【図11】図１１は、光デバイスで発生する反射光の一例を示す説明図である。

【図12】図１２は、実施例５の光デバイスの一例を示す平面模式図である。

【図13】図１３は、図１２に示すＥ－Ｅ線の略断面模式図である。

【図14】図１４は、光デバイスで発生する反射光の一例を示す説明図である。

【図15】図１５は、実施例６の光デバイスの一例を示す平面模式図である。

【図16】図１６は、図１５に示すＦ－Ｆ線の略断面模式図である。

【図17】図１７は、光デバイスで発生する反射光の一例を示す説明図である。

【図18】図１８は、実施例７の光デバイスの一例を示す平面模式図である。

【図19】図１９は、図１８に示すＧ－Ｇ線の略断面模式図である。

【図20】図２０は、光デバイスで発生する反射光の一例を示す説明図である。

【図21】図２１は、実施例８の光デバイスの一例を示す平面模式図である。

【図22】図２２は、図２１に示すＨ－Ｈ線の略断面模式図である。

【図23】図２３は、光デバイスで発生する反射光の一例を示す説明図である。

【図24】図２４は、本実施例の光通信装置の一例を示す説明図である。

【図25】図２５は、従来の光デバイスの一例を示す平面模式図である。

【図26】図２６は、図２５に示すＪ－Ｊ線の略断面模式図である。

【図27】図２７は、従来の光デバイスの一例を示す平面模式図である。

【図28】図２８は、図２７に示すＫ－Ｋ線の略断面模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図面に基づいて、本願の開示する光デバイス等の実施例を詳細に説明する。尚、本実施例により、開示技術が限定されるものではない。また、以下に示す各実施例は、矛盾を起こさない範囲で適宜組み合わせても良い。

【実施例0020】

図１は、実施例１の光デバイス１の一例を示す平面模式図、図２は、図１に示すＡ－Ａ線の断面模式図である。図１に示す光デバイス１は、光ＩＣチップ１０と、光ファイバ２０とを有し、接着剤３０を用いて、光ＩＣチップ１０に対して光ファイバ２０を実装するエッジカプラである。

【0021】

光ＩＣチップ１０は、Ｓｉ基板１１と、Ｓｉ基板１１上に積層されたＳｉＯ_２の第１のクラッド層１２Ａと、第１のクラッド層１２Ａ上に積層されたＳｉ導波路１３と、を有する。光ＩＣチップ１０は、Ｓｉ導波路１３及び第１のクラッド層１２Ａ上に積層されたＳｉＯ_２の第２のクラッド層１２Ｂを有する。第１のクラッド層１２Ａ及び第２のクラッド層１２Ｂでクラッド層１２を形成する。

【0022】

光ＩＣチップ１０は、Ｓｉ基板１１上に形成されたトレンチ１５と、トレンチ１５の第１の側面４１と、トレンチ１５内に配置され、Ｓｉ導波路１３の端面に形成されたレンズ１６と、を有する。トレンチ１５は、第１のクラッド層１２Ａ及び第２のクラッド層１２Ｂを表裏に貫通するトレンチで形成する。トレンチ１５は、Ｓｉ導波路１３の端面と接続する第１の側面４１と、第１の側面４１と対向する第２の側面４２とを有する。レンズ１６は、トレンチ１５内の第１の側面４１にあるＳｉ導波路１３の端面に感光性レジストを塗布して形成する。

【0023】

光ＩＣチップ１０は、トレンチ１５の第１の側面４１と対向する第２の側面４２に近接したチップ端面１４を有する。第２の側面４２に近接するチップ端面１４は、光ファイバ２０のコア２１と接着剤３０で接合する接合面である。

【0024】

光ファイバ２０を光ＩＣチップ１０に実装する場合、光ＩＣチップ１０のチップ端面１４に接着剤３０を塗布し、光ファイバ２０のコア２１とＳｉ導波路１３とのアライメントを確保しながら、接着剤３０を硬化させる。その結果、接着剤３０を用いて光ファイバ２０を光ＩＣチップ１０に対して固定する。

【0025】

実施例１の光デバイス１は、Ｓｉ基板１１上に形成されたトレンチ１５と、Ｓｉ基板１１上に形成され、トレンチ１５の第１の側面４１と接続するＳｉ導波路１３と、トレンチ１５内に配置され、Ｓｉ導波路１３の端面に形成されたレンズ１６と、を有する。更に、光デバイス１は、トレンチ１５内の第１の側面４１と対向する第２の側面４２に近接したチップ端面１４に接着剤３０で光ファイバ２０を固定する。その結果、レンズ１６による光の結合と、接着剤３０による光ファイバ２０と光ＩＣチップ１０との固定とが両立できるので、実装の工数を減らしながら、光ファイバ２０とＳｉ導波路１３との間の結合損失を抑制できる。

【0026】

尚、実施例１の光デバイス１内のトレンチ１５の底面はＳｉ基板１１の面で構成する場合を例示したが、トレンチ１５内で光のモードが広がるため、Ｓｉ基板１１による光の吸収によって結合損失が増加してしまう。そこで、このような事態に対処する実施の形態につき、実施例２として以下に説明する。

【実施例0027】

図３は、実施例２の光デバイス１Ａの一例を示す平面模式図、図４は、図３に示すＢ－Ｂ線の略断面模式図である。尚、実施例１の光デバイス１と同一の構成には同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。実施例２の光デバイス１Ａと実施例１の光デバイス１とが異なるところは、トレンチ１５をＳｉ基板１１の表面で有底孔とする代わりに、Ｓｉ基板１１の表面にも第２のトレンチ１１Ａを形成してトレンチ１５Ａの深さを深くした点にある。

【0028】

トレンチ１５Ａは、第１のクラッド層１２Ａ及び第２のクラッド層１２Ｂを表裏に貫通する第１のトレンチ１５Ａ１と、Ｓｉ基板１１の表面に形成され、第１のトレンチ１５Ａ１と連通する第２のトレンチ１１Ａとを有する。トレンチ１５Ａは、図２に示すトレンチ１５に比較して深さを深くしている。

【0029】

光ＩＣチップ１０は、クラッド層１２内に形成された第１のトレンチ１５Ａ１と、Ｓｉ基板１１に形成された第２のトレンチ１１Ａとが連通するトレンチ１５Ａを有する構造にした。

【0030】

実施例２の光デバイス１Ａでは、トレンチ１５Ａ内のＳｉ基板１１上に第２のトレンチ１１Ａを配置したので、光のモードがＳｉ基板１１で吸収しないため、結合損失を低減できる。

【0031】

図５は、光デバイス１Ａで発生する反射光の一例を示す説明図である。光デバイス１Ａでは、光ファイバ２０のコア２１とＳｉ導波路１３とが直線状にアライメントを確保している。そして、光ファイバ２０とＳｉ導波路１３との間は、接合面２２、接着剤３０、チップ端面１４、第２の側面４２、トレンチ１５Ａ、レンズ１６、第１の側面４１を配置している。Ｓｉ導波路１３から光ファイバ２０に光が通過した場合を想定する。光は、Ｓｉ導波路１３、第１の側面４１、レンズ１６、トレンチ１５、第２の側面４２、チップ端面１４、接着剤３０、接合面２２を通じて光ファイバ２０のコア２１に入射する。

【0032】

しかしながら、例えば、接合面２２と接着剤３０との間、接着剤３０とチップ端面１４との間、第２の側面４２、レンズ１６と第１の側面４１との間で通過する光に対する反射光が発生し、反射光がＳｉ導波路１３に戻ることで光損失が増大することも考えられる。そこで、このような反射光の影響を抑制できる実施の形態につき、実施例３として以下に説明する。