特許 7159835 光接続構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-17

(45)【発行日】2022-10-25

(54)【発明の名称】光接続構造

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/26 20060101AFI20221018BHJP

   G02B 6/30 20060101ALI20221018BHJP

【ＦＩ】

G02B6/26

G02B6/30

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018232165

(22)【出願日】2018-12-12

(65)【公開番号】P2020095130

(43)【公開日】2020-06-18

【審査請求日】2021-03-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100153006

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 勇三

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 潤

(72)【発明者】

【氏名】鹿間 光太

(72)【発明者】

【氏名】荒武 淳

【審査官】奥村 政人

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／０８３１９１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１８－５３３０３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１８９８７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０９００２１５７（ＵＳ，Ｂ２）

【文献】米国特許第０９０３４２２２（ＵＳ，Ｂ２）

【文献】WILLIAMS et al.，Fabrication of three-dimensional micro-photonic structures on the tip of optical fibers using SU-8，Optics Express，米国，Optical Society of America，2011年10月27日，Vol.19, No.23，pp.22910-22922

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／１２－ ６／１４

Ｇ０２Ｂ ６／２６－ ６／２７

Ｇ０２Ｂ ６／３０－ ６／３４

Ｇ０２Ｂ ６／４２－ ６／４３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

異なるモードフィールドを有する第１の光導波路と第２の光導波路との間を結合する光接続構造において、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間の光の伝搬路に設けられ、前記第１の光導波路から出射され光軸から離れていく方向に伝搬する放射モードの光の一部の進路を変えて、自身を通過する導波モードの光とする光学体
を備え、
前記光学体は、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間に架けられた橋体に少なくとも１つの支持体を介して支持され、
前記光学体および前記支持体は、
光硬化性樹脂から成り、
前記光学体および前記支持体は、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間に形成された中空の領域に設けられ、
前記中空の領域には、
樹脂材料が充填されており、
前記光学体の屈折率は、
前記樹脂材料の屈折率よりも大きく、
前記光学体の一方の端面および他方の端面が前記光軸に垂直である
ことを特徴とする光接続構造。

【請求項2】

請求項１に記載された光接続構造において、
前記光学体は、
前記支持体の一方側の端部に設けられ、
前記支持体の他方側の端部は、
前記橋体に接合されている
ことを特徴とする光接続構造。

【請求項3】

請求項１に記載された光接続構造において
前記支持体は、
前記光学体の光軸に沿って対向して配置された第１の支持体と第２の支持体とから構成され、
前記光学体は、
前記第１の支持体および前記第２の支持体の一方側の端部に設けられ、
前記第１の支持体および前記第２の支持体の他方側の端部は、
前記橋体に接合されている
ことを特徴とする光接続構造。

【請求項4】

請求項１に記載された光接続構造において、
前記支持体は、
２面以上の面を有する立体物とされている
ことを特徴とする光接続構造。

【請求項5】

請求項１～４の何れか１項に記載された光接続構造において、
前記第２の光導波路は、
光ファイバであり、
前記光学体の光軸に垂直な面内における最大幅は、
前記第２の光導波路のコアの直径より小さい
ことを特徴とする光接続構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、異なるモードフィールドを有する光導波路間を結合する光接続構造に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、シリコン基板上に光電子デバイスを一括して集積する技術として、「シリコンフォトニクス」と呼ばれる技術が注目されている。シリコンフォトニクスでは、シリコン（Ｓｉ）から形成されるコアと、石英（ＳｉＯ₂）から形成されるクラッドによって導波路（以下、Ｓｉ導波路ともいう。）を構成している。Ｓｉ導波路の導波光を光ファイバを介して高い結合効率で伝送するには、Ｓｉ導波路のモードフィールドと光ファイバのモードフィールドとを整合させる光接続構造が必要となる。

【0003】

図１１に、異なるモードフィールドを有する光導波路間を結合する従来の光接続構造を例示する。この例では、Ｓｉ導波路１のコア断面積を光の伝搬方向に向かって単調減少させたテーパ構造とし（例えば、非特許文献１参照。）、Ｓｉ導波路１と光ファイバ２とを樹脂接着材料３によって結合させている。この例では、樹脂接着材料３が光接続構造として機能する。以下、樹脂接着材料３を従来の光接続構造１００’とする。

【0004】

なお、図１１において、ｚ軸は光の伝搬方向（光軸に沿った方向）を示し、ｙ軸は鉛直方向、ｘ軸は水平方向を示している。また、Ｓｉ導波路１はコア（Ｓｉ導波路コア）１－１とクラッド（Ｓｉ導波路クラッド）１－２とから構成され、光ファイバ２はコア（ファイバコア）２－１とクラッド（ファイバクラッド）２－２とから構成されている。Ｓｉ導波路１において、Ｓｉ導波路コア１－１は、その断面積を光の伝搬方向に向かって単調減少させたテーパ構造とされている。また、Ｓｉ導波路１の光軸と光ファイバ２の光軸とは、一致するように位置調整されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【文献】Yin Xiaojie, “Design and Simulation Analysis of Spot-Size Converter in Silicon-On-Insulator”, CLEO/Pacific Rim 2009

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、図１１に示した従来の光接続構造１００’では、テーパ構造とされたＳｉ導波路コア１－１の先端の作製ばらつき等により、Ｓｉ導波路１のモードフィールドと光ファイバ２のモードフィールドとが十分に結合しない場合がある。

【0007】

図１２に、図１１におけるＳｉ導波路１と光ファイバ２との間の導波分布を例示する。図１２（ａ）はｙ軸方向から見た規格化電力分布を示し、図１２（ｂ）は導波解析を基に得られた光ファイバ面内のモードフィールド分布（実線）を示している。図１２に示すように、Ｓｉ導波路１の端面から出射される光は、光軸から離れていく方向に伝搬する放射モードの光を多く含む。このため、テーパ構造とされたＳｉ導波路コア１－１の先端の作製ばらつき等により、結果として光ファイバ２との結合効率が低下する。この例において、結合効率ＣＥは、－１．４ｄＢまで低下している。

【0008】

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、異なるモードフィールドを有する光導波路間の結合効率を向上させることができる光接続構造を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

このような目的を達成するために本発明は、異なるモードフィールドを有する第１の光導波路（１）と第２の光導波路（２）との間を結合する光接続構造（１００）において、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間の光の伝搬路に設けられ、前記第１の光導波路から出射され光軸から離れていく方向に伝搬する放射モードの光の一部の進路を変えて、自身を通過する導波モードの光とする光学体（１０）を備え、前記光学体は、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間に架けられた橋体（８）に少なくとも１つの支持体（１１）を介して支持され、前記光学体および前記支持体は、光硬化性樹脂から成り、前記光学体および前記支持体は、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間に形成された中空の領域（９）に設けられ、前記中空の領域には、樹脂材料が充填されており、前記光学体の屈折率は、前記樹脂材料の屈折率よりも大きく、前記光学体の一方の端面および他方の端面が前記光軸に垂直であることを特徴とする。

【0010】

本発明において、光学体は、第１の光導波路から出射され光軸から離れていく方向に伝搬する放射モードの光の一部の進路を変えて、自身を通過する導波モードの光とする。これにより、第２の光導波路に入射される導波モードの光が増え、第１の光導波路と第２の光導波路との間の結合効率が向上する。

【0011】

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。

【発明の効果】

【0012】

以上説明したように、本発明によれば、第１の光導波路と第２の光導波路との間の光の伝搬路に、第１の光導波路から出射され光軸から離れていく方向に伝搬する放射モードの光の一部の進路を変えて、自身を通過する導波モードの光とする光学体を設けるようにしたので、第２の光導波路に入射される導波モードの光を増やすようにして、異なるモードフィールドを有する光導波路間の結合効率を向上させることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本発明の実施の形態に係る光接続構造を示す模式図である。

【図2】図２は、この光接続構造を用いたＳｉ導波路と光ファイバとの間の導波分布を例示する図である。

【図3】図３は、アレイ状に配置された複数の光学体から光学体を構成した例を示す図である。

【図4】図４は、支持体を曲面状とした例を示す図である。

【図5】図５は、支持体の下面に光学体を接合するようにした例を示す図である。

【図6】図６は、トラス構造の支持体を設けるようにした例を示す斜視図である。

【図7】図７は、錐台状とされた支持体を設けるようにした例を示す図である。

【図8】図８は、錐台状とされた支持体の下面中央部に空隙（凹部）を設けるようにした例を示す図である。

【図9】図９は、支持体を円柱状の立体物とした例を示す図である。

【図10】図１０は、支持体を山状の立体物とした例を示す図である。

【図11】従来の光接続構造を例示する図である。

【図12】従来の光接続構造におけるＳｉ導波路と光ファイバとの間の導波分布を例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

【0015】

図１は本発明の実施の形態に係る光接続構造を示す模式図であり、図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＩｂ－Ｉｂ線断面図である。図１において、図１１を参照して説明した構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、図１において、矢印２０１で示される方向を上方向、矢印２０２で示される方向を下方向とする。

【0016】

図１において、Ｓｉ導波路１と光ファイバ２とは、Ｓｉ導波路１の光軸と光ファイバ２の光軸とが一致するように位置調整されたうえ、導波路固定用基台４とＶ溝等を有する光軸調整用基台５とにそれぞれ固定されている。

【0017】

Ｓｉ導波路１の上面、すなわちＳｉ導波路クラッド１－２の上面にはブロック６が接合され、光ファイバ２の上面、すなわちファイバクラッド２－２の上面にはブロック７が接合されている。さらに、ブロック６とブロック７の上面には板状の橋体８の下面の一部が接合されて、ブロック６とブロック７との間に橋体８が架け渡されている。

【0018】

なお、ブロック６，７の材料は、熱膨張係数が小さい導波路固定用接着剤が望ましい。このブロック６，７が橋体８の固定と支持を担う。ブロック６，７の厚みは、橋体８が水平に支持されるように、かつ、後述する光学体１０の光軸とＳｉ導波路１の光軸と光ファイバ２の光軸とが一致するように、調整される。例えば、橋体８の材料は、熱伝導性の高い材料（例えば、シリコン）とすることができる。

【0019】

また、Ｓｉ導波路１の端面と光ファイバ２の端面との間には、Ｓｉ導波路１と導波路固定用基台４とブロック６と光ファイバ２と光軸調整用基台５とブロック７と橋体８とで囲まれる中空の領域（以下、「中空領域」と呼ぶ。）９が形成されており、この中空領域９内にコアとして作用する光学体１０が設けられている。

【0020】

光学体１０は、直方体の形状を有し、Ｓｉ導波路１と光ファイバ２との間に架けられた橋体８に、支持体１１を介して支持されている。光学体１０および支持体１１は、光硬化性樹脂から成り、一体化された部材とされている。この例では、ブロック６とブロック７との間に架けられる橋体８を基板として、光造形装置を用いて作製されている。また、中空領域９には、エポキシ系またはアクリル系の樹脂接着材料３が充填されている。

【0021】

なお、光学体１０は、光学体１０の光軸とＳｉ導波路１の光軸と光ファイバ２の光軸とが一致するように、橋体８に支持体１１を介して支持されている。また、この例において、光学体１０のｚ方向の長さは２．５μｍ、ｘ方向の長さ（幅）は２．０μｍ、ｙ方向の長さ（高さ）は２．０μｍとされているものとする。また、中空領域９のｚ方向の長さは３μｍとされ、光学体１０の屈折率ｎ１は、樹脂接着材料３の屈折率ｎ２より大きく、ｎ１＝１．７、ｎ２＝１．５とされているものとする。

【0022】

支持体１１は、光学体１０の光軸に沿って対向して配置された第１の支持体１１－１と第２の支持体１１－２とから構成されている。第１の支持体１１－１および第２の支持体１１－２は平板状とされており、第１の支持体１１－１および第２の支持体１１－２の一方側の端部に（最下部）に光学体１０が形成され、第１の支持体１１－１および第２の支持体１１－２の他方側の端部（最上部）が橋体８に接合されている。

【0023】

第１の支持体１１－１と第２の支持体１１－２との間隔は、橋体８から光学体１０に向かうにつれ狭められている。第１の支持体１１－１と第２の支持体１１－２との光学体１０との接続位置における間隔は、光学体１０のｘ方向の幅以下とされている。第１の支持体１１－１および第２の支持体１１－２のｚ方向の長さは、光学体１０のｚ方向の長さより小さいことが望ましい。また、平板状とされた第１の支持体１１－１および第２の支持体１１－２の厚さは、伝搬波長以下であることが望ましい。

【0024】

このＳｉ導波路１と光ファイバ２との接続構造において、橋体８にその一方側の端部が接合された支持体１１と、この支持体１１の他方側の端部に形成された光学体１０と、この光学体１０と支持体１１とが設けられた中空領域９と、この中空領域９に充填された樹脂接着材料３とによって、本実施の形態に係る光接続構造１００が構成されている。

【0025】

なお、Ｓｉ導波路１は、そのコア断面積を光の伝搬方向に向かって単調減少させたテーパ構造とされているものとするが、コア断面積を一定とした構造とされていてもよい。また、Ｓｉ導波路コア１－１の光軸に直交する断面の形状は長方形で、その出射端面のｙ方向の長さ（高さ）は０．２μｍ、ｘ方向の長さ（幅）は０．５μｍとされているものとする。また、光ファイバ２のファイバコア２－１は、入射端面付近で細径化され、その直径は４μｍとされているものとする。また、伝搬波長は１．５５μｍとする。

【0026】

図２に、この光接続構造１００を用いたＳｉ導波路１と光ファイバ２との間の導波分布を例示する。図２（ａ）はｙ軸方向から見た規格化電力分布を示し、図２（ｂ）は導波解析を基に得られた光ファイバ面内のモードフィールド分布（実線）を示している。

【0027】

本実施の形態に係る光接続構造１００では、Ｓｉ導波路１と光ファイバ２との間の光の伝搬路に設けられている光学体１０によって、Ｓｉ導波路１から出射され光軸から離れていく方向に伝搬する放射モードの光の一部の進路が変えられて、光学体１０自身を通過する導波モードの光とされる。これにより、光ファイバ２に入射される導波モードの光が増え、Ｓｉ導波路１と光ファイバ２との間の結合効率が向上する。この例では、図２（ｂ）に示すように、ファイバ面内のモードフィールド分布が整形され、結合効率ＣＥが－０．０６９ｄＢまで改善された。すなわち、従来の光接続構造１００’では、結合効率ＣＥが－１．４ｄＢ（図１２）であったのに対し、本実施の形態に係る光接続構造１００では－０．０６９ｄＢまで改善された。

【0028】

なお、上述した実施の形態では、光学体１０を直方体の形状としたが、６面体などとしてもよく、光ファイバ２に向かって光軸に垂直な面の面積が減少するような形状としても構わない。また、図３に示すように、光学体１０をｘｙ方向にアレイ状に配置された複数の光学体１０ａから構成されるものとしてもよい。また、図４に示すように、支持体１１－１，１１－２を平板状ではなく、曲面状としてもよい。また、図５に示すように、支持体１１を支持体１１－１と支持体１１－２とを一体的につなぐ平板状の底面１１－３を有する構造とし、この支持体１１の底面１１－３に光学体１０を接合するようにしてもよい。なお、図３，図４，図５および後述する図７，図９，図１０は、それぞれ図１（ｂ）に対応する図である。

【0029】

また、図６に示すように、支持体１１の代わりに、トラス構造（部材同士を三角形につなぎ合わせた構造形式）の支持体１２を設けるようにしてもよい。また、図７に示すように、支持体１１の代わりに、錐台状とされた支持体１３を設け、この支持体１３の下面に光学体１０を接合するようにしてもよい。なお、図７に示した例において、支持体１３の下面にはｚ方向に貫かれた空隙１３ａが形成されており、この空隙１３ａの下側に光学体１０が接合されている。また、空隙１３ａには樹脂接着材料３が充填されている。

【0030】

また、図８に示すように、錐台状とされた支持体１３の下面中央部に空隙（凹部）１３ｂを設け、この空隙１３ｂの下側に光学体１０を接合するようにしてもよい。なお、図８（ａ）は支持体１３をｚ方向からみた図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）におけるVIIIｂ－VIIIｂ線断面図である。この図では、空隙１３ｂに樹脂接着材料３を充填しているが、必ずしも空隙１３ｂに樹脂接着材料３を充填しなくてもよい。すなわち、光学体１０の上部をただの空間としてもよい。

【0031】

図８に示したように、空隙１３ｂがｚ方向に貫かれた空隙でない場合、Ｓｉ導波路１から出射され光軸から離れていく方向に伝搬する放射モードの光は支持体１３を通過して空隙１３ｂに進入し、その一部が進路を変えられて、光学体１０自身を通過する導波モードの光とされる。空隙１３ｂがない場合には、その進路は変えられず、光学体１０自身を通過する導波モードの光とはならない。このため、光学体１０の上部に、空隙１３ｂを設ける必要がある。

【0032】

また、図７に示した例では、支持体１３を錐台状としたが、支持体１３は２面以上の面を有する立体物であればよく、図９に示すような円柱状の立体物としたり、図１０に示すような山状の立体物としたりしても構わない。また、上述した実施の形態では、中空領域９に樹脂接着材料３を充填するようにしたが、必ずしも中空領域９に樹脂接着材料３を充填しなくてもよい。

【0033】

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

【符号の説明】

【0034】

１…Ｓｉ導波路、１－１…Ｓｉ導波路コア、１－２…Ｓｉ導波路クラッド、２…光ファイバ、２－１…ファイバコア、２－２…ファイバクラッド、３…樹脂接着材料、４…導波路固定用基台、５…光軸調整用基台、６，７…ブロック、８…橋体、９…中空領域、１０…光学体、１１，１２，１３…支持体、１３ａ，１３ｂ…空隙。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】