JP2005140822A - Optical waveguide and manufacturing method therefor - Google Patents

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俊成 野田
Kazunari Nishihara
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical waveguide of a spot size changeable structure which has high coupling efficiency with an optical fiber, LD, VCSEL, LED, etc., and also to provide the manufacturing method. <P>SOLUTION: The optical waveguide is composed of a lower clad layer 52, a core 55 which has, on this lower clad layer 52, an input section or an output section for connecting to an optical fiber, and an upper clad layer 56 covering this core 55. The light propagating direction of the core 55 continuously varies, with the cross section of the core 55 shaped differently in the input section and the output section of light and also shaped nearly circularly or elliptically. The diameter of the input section or the output section of the core 55 can be formed in roughly the same shape and size as the core diameter of the optical fiber or the diameter of the outgoing light of a light emitting element such as an LD, VCSEL and LED, so that the coupling efficiency with the optical fiber or such light emitting elements can be increased. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は光通信分野において用いられる光導波路およびその製造方法に係り、特にコアの入力部および出力部の断面が略円形または楕円形に形成されたスポットサイズ変換構造の光導波路とその製造方法に関するものである。   The present invention relates to an optical waveguide used in the field of optical communications and a method for manufacturing the same, and more particularly to an optical waveguide having a spot size conversion structure in which a cross section of an input portion and an output portion of a core is formed in a substantially circular or elliptical shape and a manufacturing method thereof. Is.

従来の光導波路の製造工程としては、図６に示すものがある。   A conventional optical waveguide manufacturing process is shown in FIG.

図６（ａ）〜（ｄ）は従来の光導波路の製造工程の一例を示す断面図である。   6A to 6D are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process of a conventional optical waveguide.

まず、光導波路のクラッドに相当するガラス基板１が用意される。ガラス基板１は表面研磨が施されている。次に超硬合金（ＷＣ９５〜８０％、Ｃｏ５〜２０％）の型母材２ａの表面上にＴｉＮで厚さ６μｍの凸状の矩形光導波路パターン２ｂが作製された金型２が用意される。ＴｉＮによる凸状の矩形光導波路パターン２ｂはフォトレジスト・エッチング法とスパッタリング法で作製し、その表面をダイヤモンドパウダーで表面粗さＲmax＝０．０１μｍまで研磨することにより得ることができる。 First, a glass substrate 1 corresponding to the cladding of an optical waveguide is prepared. The glass substrate 1 is subjected to surface polishing. Next, a mold 2 is prepared in which a convex rectangular optical waveguide pattern 2b made of TiN and having a thickness of 6 μm is formed on the surface of a mold base material 2a of cemented carbide (WC 95-80%, Co 5-20%). . The convex rectangular optical waveguide pattern 2b made of TiN can be obtained by a photoresist etching method and a sputtering method, and the surface thereof is polished with diamond powder to a surface roughness R max = 0.01 μm.

そこで、図６（ａ）に示すようにガラス基板１と金型２を成形装置（図示せず）に収納し、これをＮ2ガス中で温度６５０℃まで加熱して軟化させ、ガラス基板１の表面に対して金型２を押圧して冷却することにより、図６（ｂ）に示すように凹状のコアパターンが成形されたガラス基板１を得る。 Therefore, as shown in FIG. 6 (a), the glass substrate 1 and the mold 2 are accommodated in a molding apparatus (not shown), which is heated in N 2 gas to a temperature of 650 ° C. to be softened. By pressing the mold 2 against the surface and cooling, the glass substrate 1 on which the concave core pattern is formed as shown in FIG. 6B is obtained.

このガラス基板１には深さ６μｍの溝３が金型２の凸状パターン２ｂに対応して形成され、その底面は電子顕微鏡にて観察した結果、極めて微細な鏡面仕上りが得られた。   A groove 3 having a depth of 6 μm was formed on the glass substrate 1 corresponding to the convex pattern 2b of the mold 2, and the bottom surface was observed with an electron microscope. As a result, a very fine mirror finish was obtained.

次に、図６（ｃ）に示すようにガラス基板１の溝３を有する表面上にガラス基板１より高い屈折率を有する光学素子材料４をスパッタ法により堆積形成する。   Next, as shown in FIG. 6C, an optical element material 4 having a refractive index higher than that of the glass substrate 1 is deposited on the surface of the glass substrate 1 having the grooves 3 by sputtering.

そして、図６（ｄ）に示すように研磨機（図示せず）を用いて、光学素子材料４を光学素子材料４の溝３以外の部分が除去されるまで研磨することによりコア５が形成される。   Then, as shown in FIG. 6D, a core 5 is formed by polishing the optical element material 4 until a portion other than the groove 3 of the optical element material 4 is removed using a polishing machine (not shown). Is done.

以上の工程により光導波路を作製することができる。   The optical waveguide can be manufactured through the above steps.

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。   As prior art document information related to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.

また、従来のスポットサイズ変換構造の光導波路としては、図７に示すものがある。   FIG. 7 shows a conventional optical waveguide having a spot size conversion structure.

図７は従来のスポットサイズ変換構造の光導波路のコアの概略図である。図７に示すようにコア１１の入出力部１２，１３は、光ファイバと素子とを実装する際に比屈折率差が大きくなるに従って光ファイバとの接続損失が大きくなるため、この接続損失が小さくなるようにコア１１の幅方向及び高さ方向に入出力部１２，１３に向かって広くなるテーパ状のテーパ部１４が形成されている。このテーパ部１４の角度は０．３°から１°の範囲である。上記構成によれば、光導波路の入出力部１２，１３のコア幅及びコア高さが光ファイバのコア径と等しくなり、光導波路のコア断面形状が光ファイバのコア断面形状に近い形となる。これによりモードフィールド径が大きくなり、光ファイバとの接続損失が低減される。   FIG. 7 is a schematic view of a core of an optical waveguide having a conventional spot size conversion structure. As shown in FIG. 7, the input / output units 12 and 13 of the core 11 have a large connection loss with the optical fiber as the relative refractive index difference increases when the optical fiber and the element are mounted. A tapered portion 14 having a taper shape which is widened toward the input / output portions 12 and 13 in the width direction and the height direction of the core 11 is formed so as to be smaller. The angle of the taper portion 14 is in the range of 0.3 ° to 1 °. According to the above configuration, the core width and core height of the input / output portions 12 and 13 of the optical waveguide are equal to the core diameter of the optical fiber, and the core cross-sectional shape of the optical waveguide is close to the core cross-sectional shape of the optical fiber. . This increases the mode field diameter and reduces the connection loss with the optical fiber.

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献２が知られている。
特開昭６４−０２６８０６号公報 特開２００１−０９１７７２号公報 As prior art document information related to the invention of this application, for example, Patent Document 2 is known.
Japanese Unexamined Patent Publication No. 64-026806 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-99772

しかしながら上記従来の光導波路の製造工程では、光導波路のコアの形状が金型の形状と略等しい形状のものしか作製することができないという問題点を有していた。また、上記従来のスポットサイズ変換構造の光導波路では、コアの断面形状が矩形のため、断面が円形状である光ファイバとの接続損失が大きくなってしまうという問題点を有していた。   However, the conventional optical waveguide manufacturing process has a problem that the core of the optical waveguide can only be manufactured in a shape substantially equal to the shape of the mold. Further, the conventional optical waveguide having the spot size conversion structure has a problem in that since the cross-sectional shape of the core is rectangular, a connection loss with an optical fiber having a circular cross-section is increased.

本発明は光導波路のコアの断面形状が略円形状または楕円形状に等しい光導波路を作製することができ、またコアの入力部または出力部のサイズを光ファイバのコアやＬＤ，ＶＣＳＥＬ，ＬＥＤ等からの出射光の径と略等しい大きさで形成することができるため、光ファイバやＬＤ，ＶＣＳＥＬ，ＬＥＤ等との結合効率が高いスポットサイズ変換構造の光導波路とその製造方法を提供することを目的とするものである。   The present invention can produce an optical waveguide whose cross-sectional shape of the core of the optical waveguide is substantially circular or elliptical, and the size of the input portion or output portion of the core is the same as the core of an optical fiber, LD, VCSEL, LED, etc. It is possible to form an optical waveguide having a spot size conversion structure with high coupling efficiency with an optical fiber, LD, VCSEL, LED, and the like, and a method for manufacturing the same. It is the purpose.

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。   In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration.

本発明の請求項１に記載の発明は、下部クラッド層と、この下部クラッド層上に光ファイバと接続する入力部または出力部を有するコアと、このコアを覆う上部クラッド層とからなり、前記コアの光の伝搬方向が連続的に変化し、前記コアの断面形状が光の入力部と出力部で異なる形状を有し、かつ略円形または楕円形とした光導波路であり、コアの入力部または出力部の径を光ファイバのコア径や、ＬＤ，ＶＣＳＥＬ，ＬＥＤ等の発光素子の出射光の径と略等しい形状、大きさで形成することができるため、光ファイバやＬＤ，ＶＣＳＥＬ，ＬＥＤ等の発光素子との結合効率を高めることができる。   The invention according to claim 1 of the present invention comprises a lower clad layer, a core having an input part or an output part connected to an optical fiber on the lower clad layer, and an upper clad layer covering the core, An optical waveguide in which the propagation direction of light of the core continuously changes, the cross-sectional shape of the core has different shapes at the light input portion and the output portion, and is substantially circular or elliptical, and the input portion of the core Alternatively, since the diameter of the output portion can be formed with a shape and size substantially equal to the core diameter of the optical fiber and the diameter of the emitted light of the light emitting element such as LD, VCSEL, LED, etc., the optical fiber, LD, VCSEL, LED The coupling efficiency with a light emitting element such as can be increased.

請求項２に記載の発明は、コアの硬度を下部クラッド層の硬度よりも大きくした請求項１に記載の光導波路であり、下部クラッド層より高くかつ光導波路のコアの断面形状を円形または楕円形に略等しく容易に加工することができる。   The invention according to claim 2 is the optical waveguide according to claim 1, wherein the hardness of the core is larger than the hardness of the lower cladding layer, and the cross-sectional shape of the core of the optical waveguide is circular or elliptical, which is higher than the lower cladding layer. It can be easily machined approximately equal to the shape.

請求項３に記載の発明は、下部クラッド層に金型を用いて凹状のコアパターンを加熱プレスして成型する工程と、前記凹状のコアパターンに前記下部クラッド層より屈折率および硬度の大きいガラス素材を少なくとも溢れるように充填する工程と、前記凹状のコアパターンに充填したガラス素材を加熱してコアを形成し溢れたガラス素材を除去する工程と、前記下部クラッド層とコアとを覆うように下部クラッド層とほぼ等しい屈折率のガラス素材または樹脂からなる上部クラッド層を形成する工程とからなり、前記金型によりコアの光の伝搬方向に垂直な断面形状が連続的に変化し少なくとも一部に円弧または楕円弧の形状を形成する光導波路の製造方法であり、光導波路のコアの断面形状を接続する光ファイバ、発光素子等のフィールドパターンと同様の形状に製造することができる。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a step of heat-pressing a concave core pattern using a mold for the lower clad layer, and glass having a refractive index and hardness higher than that of the lower clad layer. A step of filling the material so as to overflow, a step of heating the glass material filled in the concave core pattern to form a core and removing the overflowed glass material, and covering the lower cladding layer and the core A step of forming an upper clad layer made of a glass material or a resin having a refractive index substantially equal to that of the lower clad layer, and the die has a cross-sectional shape perpendicular to the light propagation direction of the core continuously changing at least partially. Is a method of manufacturing an optical waveguide in which a circular arc or elliptical arc shape is formed in a field, such as an optical fiber or a light emitting element, which connects the cross-sectional shape of the core of the optical waveguide It can be prepared in the same shape as the turn.

請求項４に記載の発明は、コアを形成する工程を下部クラッド層の上面の研磨と前記コアの上部を丸くする研磨で構成する請求項３に記載の光導波路の製造方法であり、光導波路のコアの断面形状を接続する光ファイバ、発光素子等のフィールドパターンと同様の形状に製造することができる。   The invention according to claim 4 is the method of manufacturing an optical waveguide according to claim 3, wherein the step of forming the core comprises polishing the upper surface of the lower cladding layer and polishing to round the upper portion of the core. It can be manufactured in the same shape as the field pattern of an optical fiber, a light emitting element or the like that connects the cross sectional shapes of the cores.

請求項５に記載の発明は、コアの上面を下部クラッド層の表面より高くなるように形成する請求項３に記載の光導波路の製造方法であり、光導波路のコアの断面形状を接続する光ファイバ、発光素子等のフィールドパターンと同様の形状に製造することができる。   The invention according to claim 5 is the method for manufacturing an optical waveguide according to claim 3, wherein the upper surface of the core is formed to be higher than the surface of the lower cladding layer, and the light for connecting the cross-sectional shape of the core of the optical waveguide. It can be manufactured in the same shape as the field pattern of a fiber, a light emitting element or the like.

請求項６に記載の発明は、加熱を真空中で行う請求項３に記載の光導波路の製造方法であり、光導波路のコアへの気泡の混入を防止することができる。   The invention described in claim 6 is the method of manufacturing an optical waveguide according to claim 3, wherein heating is performed in vacuum, and mixing of bubbles into the core of the optical waveguide can be prevented.

請求項７に記載の発明は、ガラス素材をスパッタ法により凹状のコアパターンに充填する請求項３に記載の光導波路の製造方法であり、光導波路のコア材として軟化点が高いガラス材料を用いることができるため、上部クラッド層の形成においてコアへの影響を低減することができる。   The invention according to claim 7 is the method of manufacturing an optical waveguide according to claim 3, wherein a glass material is filled into a concave core pattern by sputtering, and a glass material having a high softening point is used as the core material of the optical waveguide. Therefore, the influence on the core can be reduced in forming the upper cladding layer.

請求項８に記載の発明は、上部クラッド層をスパッタ法、ＣＶＤ法、プレス成型または粉末状に粉砕したガラス素材を塗布して加熱する方法のいずれか１つにより形成する請求項３に記載の光導波路の製造方法であり、光導波路の上部クラッド層を第３のガラス素材で容易に形成することができる。   The invention according to claim 8 is formed by any one of a sputtering method, a CVD method, press molding, or a method of applying and heating a glass material pulverized into a powder form. This is an optical waveguide manufacturing method, and the upper cladding layer of the optical waveguide can be easily formed of the third glass material.

請求項９に記載の発明は、上部クラッド層に樹脂を用いてスピンコート法または滴下法のいずれか１つにより形成する請求項３に記載の光導波路の製造方法であり、光導波路の上部クラッド層を樹脂で形成することができるため、低コスト化が図れる。   The invention according to claim 9 is the method of manufacturing an optical waveguide according to claim 3, wherein the upper cladding layer is formed by using one of a spin coating method and a dropping method using a resin, and the upper cladding layer of the optical waveguide is formed. Since the layer can be formed of a resin, the cost can be reduced.

本発明は、下部クラッド層と、この下部クラッド層上に光ファイバと接続する入力部または出力部を有するコアと、このコアを覆う上部クラッド層とからなり、前記コアの光の伝搬方向に垂直な断面形状が連続的に変化し、かつ光の入力部と出力部で異なる形状を有し、前記コアの断面形状が略円形または楕円形とした光導波路であり、これにより、コアの入力部または出力部の径を光ファイバのコア径や、ＬＤ，ＶＣＳＥＬ，ＬＥＤ等の発光素子の出射光の径と略等しい形状、大きさで形成することができるため、光ファイバやＬＤ，ＶＣＳＥＬ，ＬＥＤ等の発光素子との結合効率を高めることができる。   The present invention comprises a lower clad layer, a core having an input part or an output part connected to an optical fiber on the lower clad layer, and an upper clad layer covering the core, and perpendicular to the light propagation direction of the core. An optical waveguide having a continuously changing cross-sectional shape and having different shapes at a light input portion and an output portion, and wherein the cross-sectional shape of the core is substantially circular or elliptical. Alternatively, since the diameter of the output portion can be formed with a shape and size substantially equal to the core diameter of the optical fiber and the diameter of the emitted light of the light emitting element such as LD, VCSEL, LED, etc., the optical fiber, LD, VCSEL, LED The coupling efficiency with a light emitting element such as can be increased.

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

（実施の形態１）
図１（ａ）〜（ｅ）は本発明の実施の形態１における光導波路の製造工程の一例を示す断面図、図２は本発明の実施の形態１における金型の一例を示す斜視図、図３（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施の形態１における金型の形状を示す断面図である。 (Embodiment 1)
1A to 1E are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process of an optical waveguide according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing an example of a mold according to Embodiment 1 of the present invention. FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views showing the shape of the mold in the first embodiment of the present invention.

図１（ａ）〜（ｅ）、図２に示すように４１は金型の凸形状のコアパターン、４２および４３は光の入力部または出力部、４４は金型基材、５１は金型、５２は下部クラッド層、５３は凹状のコアパターン、５４はコア層、５５はコア、５６は上部クラッド層である。   As shown in FIGS. 1A to 1E and FIG. 2, 41 is a convex core pattern of a mold, 42 and 43 are light input portions or output portions, 44 is a mold base material, and 51 is a mold. , 52 is a lower cladding layer, 53 is a concave core pattern, 54 is a core layer, 55 is a core, and 56 is an upper cladding layer.

金型基材４４にはＷＣ−Ｃｏ等からなる超硬合金、コアパターン４１にはＷＣ−Ｃｏ，ＴｉＮ，Ｎｉ−Ｐ等からなる合金を用いることが望ましい。光の入力部または出力部４２，４３の形状は半円形または半楕円形を含む。   It is desirable to use a cemented carbide made of WC—Co or the like for the mold base 44 and an alloy made of WC—Co, TiN, Ni—P or the like for the core pattern 41. The shape of the light input or output units 42 and 43 includes a semicircular shape or a semielliptical shape.

以下、本発明のスポットサイズ変換構造の光導波路の製造工程の一例について説明する。   Hereinafter, an example of the manufacturing process of the optical waveguide having the spot size conversion structure of the present invention will be described.

図３（ｂ）に示すように金型５１の上に形成された凸形状のコアパターン４１のＣ−Ｃ’断面の形状は短辺６μｍ、長辺１５μｍの長方形の短辺上に直径６μｍの半球が形成されたような形状である。また図３（ｃ）に示すように金型５１の上に形成された凸形状のコアパターン４１のＤ−Ｄ’断面の形状は短辺１０μｍ、長辺１５μｍの長方形の短辺上に直径１０μｍの半球が形成されたような形状である。   As shown in FIG. 3B, the shape of the CC ′ cross section of the convex core pattern 41 formed on the mold 51 is 6 μm in diameter on the short side of a rectangle having a short side of 6 μm and a long side of 15 μm. The shape is like a hemisphere. Further, as shown in FIG. 3C, the shape of the DD ′ cross section of the convex core pattern 41 formed on the mold 51 is 10 μm in diameter on the short side of a rectangle having a short side of 10 μm and a long side of 15 μm. The shape is such that a hemisphere is formed.

下部クラッド層５２は金型５１での成型性を考慮し、軟化点が６００℃程度以下の第１のガラス材料を用いる。このような金型５１と下部クラッド層５２とをプレス成型機（図示せず）に収納し、これをＮ2ガス中で下部クラッド層５２に用いる第１のガラス材料の軟化点以上に加熱する。 The lower cladding layer 52 is made of a first glass material having a softening point of about 600 ° C. or less in consideration of moldability in the mold 51. Such a mold 51 and the lower clad layer 52 are accommodated in a press molding machine (not shown), and this is heated above the softening point of the first glass material used for the lower clad layer 52 in N 2 gas. .

そして、図１（ａ）のように金型５１を下部クラッド層５２に押圧または金型５１の自重により下部クラッド層５２にコアパターン５３を形成して冷却することにより図１（ｂ）に示すように凹状のコアパターン５３を成型した下部クラッド層５２が得られる。   Then, as shown in FIG. 1A, the mold 51 is pressed against the lower clad layer 52 or the core pattern 53 is formed on the lower clad layer 52 by the dead weight of the mold 51, and then cooled, as shown in FIG. Thus, the lower clad layer 52 obtained by molding the concave core pattern 53 is obtained.

次に、本発明の実施の形態１において、コア材は屈折率が下部クラッド層５２よりも高く、かつ軟化点が４５０℃程度以下であり、硬度が下部クラッド層５２よりも大きい第２のガラス材料を用いる。このような第２のガラス材料を粉末状に粉砕したものを凹状のコアパターン５３を成型した下部クラッド層５２の上に塗布する。その際、凹状のコアパターン５３以外に溢れるように充分に粉末状の第２のガラス材料が塗布されるようにする。   Next, in the first embodiment of the present invention, the core material has a refractive index higher than that of the lower cladding layer 52, a softening point of about 450 ° C. or less, and a second glass whose hardness is higher than that of the lower cladding layer 52. Use materials. A powder obtained by pulverizing the second glass material is applied onto the lower cladding layer 52 formed with the concave core pattern 53. At this time, the second glass material in a powder form is applied sufficiently so as to overflow other than the concave core pattern 53.

そして、この第２のガラス材料が塗布された下部クラッド層５２を温度５００℃程度に加熱して第２のガラス材料を軟化させ、図１（ｃ）に示すようにコアパターン５３内および下部クラッド層５２の上にコア層５４が形成される。なお、この加熱工程を真空中で行うことによりコア層５４の内部の気泡の除去を促進することができる。   Then, the lower clad layer 52 coated with the second glass material is heated to a temperature of about 500 ° C. to soften the second glass material, and as shown in FIG. A core layer 54 is formed on the layer 52. The removal of bubbles inside the core layer 54 can be promoted by performing this heating step in a vacuum.

次に、コア層５４が形成された下部クラッド層５２を研磨機（図示せず）を用いて、凹状のコアパターン５３から溢れ出たコア層５４を除去し、さらに表面から約１０〜１５μｍの深さまで下部クラッド層５２を除去する。ここでコア層５４の硬度は下部クラッド層５２の硬度よりも大きいため、コア層５４の形状は下部クラッド層５２の表面に対して上に凸形状になる。したがって、図１（ｄ）に示すように断面形状が略円形または楕円形に等しいコア５５を形成することができる。   Next, the lower clad layer 52 on which the core layer 54 is formed is removed by using a polishing machine (not shown), and the core layer 54 overflowing from the concave core pattern 53 is removed, and about 10 to 15 μm from the surface. The lower cladding layer 52 is removed to the depth. Here, since the hardness of the core layer 54 is larger than the hardness of the lower cladding layer 52, the shape of the core layer 54 is convex upward with respect to the surface of the lower cladding layer 52. Accordingly, as shown in FIG. 1D, a core 55 having a cross-sectional shape that is substantially circular or elliptical can be formed.

そして、図１（ｅ）に示すように、コア５５を形成した下部クラッド層５２の上にスパッタ法を用いて第３のガラス材料からなる上部クラッド層５６を形成する。スパッタ法は高軟化点のガラス材料でも低温で成膜できるという特徴を持つ。そこで第３のガラス材料としては屈折率が下部クラッド層５２に略等しいものであれば良く、第１のガラス材料をそのまま用いても良い。   Then, as shown in FIG. 1E, an upper clad layer 56 made of a third glass material is formed on the lower clad layer 52 on which the core 55 is formed by using a sputtering method. The sputtering method is characterized in that a glass material having a high softening point can be formed at a low temperature. Therefore, the third glass material only needs to have a refractive index substantially equal to that of the lower cladding layer 52, and the first glass material may be used as it is.

以上の製造工程により、例えば直径６μｍの光導波路のコアと直径１０μｍのシングルモード光ファイバに用いることができるスポットサイズ変換構造の光導波路を製造することができる。   Through the above manufacturing process, an optical waveguide having a spot size conversion structure that can be used for, for example, a core of an optical waveguide having a diameter of 6 μm and a single mode optical fiber having a diameter of 10 μm can be manufactured.

なお、スパッタ法を用いて下部クラッド層５２の上にコア層５４を形成しても良い。この場合は第２のガラス素材として、軟化点の高い材料でも用いることが可能になるという利点がある。また被成膜材料である下部クラッド層５２にＲＦバイアスを印加しながら成膜を行うことにより、凹状のコアパターン５３へのスパッタ粒子の埋め込み性を向上させることができる。   Note that the core layer 54 may be formed on the lower cladding layer 52 by sputtering. In this case, there is an advantage that even a material having a high softening point can be used as the second glass material. Further, by performing film formation while applying an RF bias to the lower clad layer 52 which is a film formation material, it is possible to improve the embedding property of sputtered particles in the concave core pattern 53.

また、スパッタ法を用いて第３のガラス素材からなる上部クラッド層５６を形成したが、ＣＶＤ法、プレス成型法等の方法を用いても良い。   Further, although the upper clad layer 56 made of the third glass material is formed by the sputtering method, a method such as a CVD method or a press molding method may be used.

さらに、上部クラッド層５６に第３のガラス素材を用いたが、本発明においてはこれに限ることはなく、第２のクラッド層５６として樹脂を用いても良い。例えばフッ素化ポリイミド等を用いることができる。   Furthermore, although the third glass material is used for the upper clad layer 56, the present invention is not limited to this, and a resin may be used as the second clad layer 56. For example, fluorinated polyimide can be used.

フッ素化ポリイミドを用いた場合、スピンコート法または滴下法を用いて下部クラッド層５２の上に形成することができる。   When fluorinated polyimide is used, it can be formed on the lower clad layer 52 by spin coating or dropping.

なお、上部クラッド層５６に樹脂としてフッ素化ポリイミドを例にして説明したが、本材料に限るものではなく、ＰＭＭＡや感光性ポリシラン等の様々な樹脂を用いることができる。   In addition, although the fluorinated polyimide was demonstrated to the upper clad layer 56 as an example to resin, it is not restricted to this material, Various resin, such as PMMA and photosensitive polysilane, can be used.

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における一心双方向光送受信モジュールの構成を示す概略図である。 (Embodiment 2)
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the single-fiber bidirectional optical transceiver module according to Embodiment 2 of the present invention.

図４に示すように２１はクラッド層、２２はコア、２３ａ，２３ｂはスポットサイズ変換部、２４は溝、２５は波長選択フィルタ、２６はシングルモード光ファイバ、２７はＬＤ、２８はＰＤ、２９は基板、３０は光分岐部である。   As shown in FIG. 4, 21 is a cladding layer, 22 is a core, 23a and 23b are spot size converters, 24 is a groove, 25 is a wavelength selection filter, 26 is a single mode optical fiber, 27 is an LD, 28 is a PD, 29 Is a substrate, and 30 is a light branching portion.

この一心双方向光送受信モジュールの機能を簡単に説明する。   The function of this single fiber bidirectional optical transceiver module will be briefly described.

まず、光ファイバ２６から出射された波長１．５５μｍ帯の光信号はスポットサイズ変換部２３ａを介してコア２２を伝搬し、光分岐部３０に挿入された波長選択フィルタ２５を透過してＰＤ２８に入射し、電気信号に変換される。一方発光素子としてのＬＤ２７から出射された波長１．３μｍ帯の光信号はスポットサイズ変換部２３ｂを介してコア２２を伝搬し、波長選択フィルタ２５により反射して光分岐部３０を介して光ファイバ２６が接続されたコア２２を伝搬し、スポットサイズ変換部２３ａを通して光ファイバ２６に入射され伝搬する。   First, an optical signal having a wavelength of 1.55 μm emitted from the optical fiber 26 propagates through the core 22 via the spot size conversion unit 23a, passes through the wavelength selection filter 25 inserted in the optical branching unit 30, and passes to the PD 28. Incident light is converted into an electrical signal. On the other hand, the 1.3 μm wavelength optical signal emitted from the LD 27 serving as a light emitting element propagates through the core 22 via the spot size conversion unit 23 b, is reflected by the wavelength selection filter 25, and passes through the optical branching unit 30. 26 propagates through the core 22 connected to the optical fiber 26 through the spot size converter 23a.

基板２９の上にクラッド層２１が形成され、このクラッド層２１の上に断面が略円形のコア２２が形成されている。このコア２２には光分岐部３０が形成されており、この光分岐部３０は低損失かつ構造が単純なＹ分岐を用いて構成されている。さらにこの光分岐部３０の近傍にはコア２２と交差して溝２４が形成されており、溝２４には波長選択フィルタ２５が挿入されている。コア２２の非分岐側の出力部にはＰＤ２８が結合されている。またコア２２の分岐側の一方は入力部として用いられ、端部にはスポットサイズ変換部２３ｂが形成されておりＬＤ２７と結合されている。コア２２の分岐側の他方は入力出力部として用いられ、端部にはスポットサイズ変換部２３ａが形成されており、シングルモード光ファイバ２６と結合されている。なおＬＤ２７およびＰＤ２８には、これらを駆動するための電気回路（図示せず）が近接して配置される。   A clad layer 21 is formed on a substrate 29, and a core 22 having a substantially circular cross section is formed on the clad layer 21. An optical branching portion 30 is formed in the core 22, and the optical branching portion 30 is configured by using a Y branch having a low loss and a simple structure. Further, a groove 24 is formed in the vicinity of the light branching portion 30 so as to intersect the core 22, and a wavelength selection filter 25 is inserted into the groove 24. The PD 28 is coupled to the output portion of the core 22 on the non-branching side. Further, one of the branch sides of the core 22 is used as an input unit, and a spot size conversion unit 23b is formed at an end thereof and coupled to the LD 27. The other side of the branch side of the core 22 is used as an input / output unit, and a spot size conversion unit 23 a is formed at the end, which is coupled to the single mode optical fiber 26. It should be noted that an electric circuit (not shown) for driving the LD 27 and the PD 28 is disposed close to the LD 27 and the PD 28.

光導波路の小型化のためにクラッド層２１とコア２２の屈折率差を大きくした場合、コア２２の径の小型化が可能となるが、コア２２とシングルモード光ファイバ２６とのスポットサイズの不整合が増大する。例えばクラッド層２１とコア２２の屈折率差を０．６％とすると、コア２２の径は６μｍとなるのに対してシングルモード光ファイバ２６のコア径は約１０μｍであるため、コア２２とシングルモード光ファイバ２６との結合損失は約２．０ｄＢと非常に大きくなってしまう。   When the refractive index difference between the cladding layer 21 and the core 22 is increased to reduce the size of the optical waveguide, the diameter of the core 22 can be reduced. However, the spot size between the core 22 and the single mode optical fiber 26 is not reduced. Matching increases. For example, if the refractive index difference between the cladding layer 21 and the core 22 is 0.6%, the diameter of the core 22 is 6 μm, whereas the core diameter of the single mode optical fiber 26 is about 10 μm. The coupling loss with the mode optical fiber 26 is as large as about 2.0 dB.

そこで、本発明ではコア２２の断面形状が円形に略等しいスポットサイズ変換部２３ａを用いてシングルモード光ファイバ２６と結合した。例えば一方のコア２２の端部の径を約６μｍ、他方のコア２２の端部の径を約１０μｍとしたスポットサイズ変換部２３ａを用いて結合した結果、結合損失は約０．５ｄＢとなり損失を大きく低減することができた。従来のスポットサイズ変換部として断面形状が矩形のものを用いて結合した場合、結合損失は約１．０ｄＢであった。   Therefore, in the present invention, the core 22 is coupled to the single mode optical fiber 26 using the spot size conversion portion 23a whose cross-sectional shape is substantially equal to a circle. For example, as a result of coupling using the spot size conversion unit 23a in which the diameter of the end of one core 22 is about 6 μm and the diameter of the other core 22 is about 10 μm, the coupling loss is about 0.5 dB. It was possible to greatly reduce. When coupling was performed using a rectangular spot size converter having a rectangular cross-sectional shape, the coupling loss was about 1.0 dB.

また、ＬＤ２７の出射光は一般的に楕円偏波面となる。そのため従来はＬＤ２７と光導波路はレンズを用いて結合を行っていた。本発明ではＬＤ２７とコア２２の結合にスポットサイズ変換部２３ｂを用いた。例えば一方の端部を略楕円形に加工して長軸方向の長さを約４．５μｍ、短軸方向の長さを約３．４μｍとし、他方の端部を直径略６μｍの円形状に加工したスポットサイズ変換部２３ｂを用いて結合を行ったところ、結合損失は３ｄＢと非常に小さくなった。   The light emitted from the LD 27 generally has an elliptical polarization plane. Therefore, conventionally, the LD 27 and the optical waveguide are coupled using a lens. In the present invention, the spot size conversion unit 23 b is used for coupling the LD 27 and the core 22. For example, one end is processed into a substantially oval shape so that the length in the major axis direction is about 4.5 μm, the length in the minor axis direction is about 3.4 μm, and the other end is circular with a diameter of about 6 μm. When coupling was performed using the processed spot size conversion portion 23b, the coupling loss was as very small as 3 dB.

（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３におけるＬＮ（ＬｉＮｂＯ3）光変調器の構成を示す概略図である。 (Embodiment 3)
FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration of an LN (LiNbO 3 ) optical modulator according to the third embodiment of the present invention.

図５に示すように３１はクラッド層、３２はコア、３３ａ，３３ｂはスポットサイズ変換部、３４はＬＤ、３５は電極、３６はシングルモード光ファイバ、３７は基板、３８ａ，３８ｂは光分岐部である。   As shown in FIG. 5, 31 is a cladding layer, 32 is a core, 33a and 33b are spot size conversion units, 34 is an LD, 35 is an electrode, 36 is a single mode optical fiber, 37 is a substrate, and 38a and 38b are optical branching units. It is.

このＬＮ光変調器の機能を簡単に説明する。   The function of this LN optical modulator will be briefly described.

ＬＮは電圧（電界）を加えると媒質の屈折率が変化する電気光学効果を持つ材質である。屈折率が変化すると光路長も変化するため、そこを通過する光の位相変化に換算される。つまり本発明のＬＮ光変調器においては電極３５に電圧Ｖ＝Ｖ0を印加した場合、光分岐部３８ａから光分岐部３８ｂへ到達する二つの光導波路を通過する光には位相差が生じていないので、この二つの光はそのまま足し算となり、信号は“１”となる。一方、電極３５に電圧Ｖ＝Ｖ1を印加した場合に、光分岐部３８ａから光分岐部３８ｂへ到達する二つの光導波路を通過する光は、位相が１８０°異なる。したがって光の波は互いに打ち消し合って出力は“０”となる。つまり、光分岐部３８ｂから出射する光はコア２２を伝搬せず、放散する光となる。 LN is a material having an electro-optic effect in which the refractive index of the medium changes when a voltage (electric field) is applied. When the refractive index changes, the optical path length also changes, so that it is converted into a phase change of light passing therethrough. That is, in the LN optical modulator of the present invention, when the voltage V = V 0 is applied to the electrode 35, there is a phase difference in the light passing through the two optical waveguides that reach the optical branching portion 38b from the optical branching portion 38a. Therefore, the two lights are added as they are, and the signal is “1”. On the other hand, when the voltage V = V 1 is applied to the electrode 35, the light passing through the two optical waveguides reaching the light branching portion 38 b from the light branching portion 38 a has a phase difference of 180 °. Therefore, the light waves cancel each other and the output becomes “0”. That is, the light emitted from the light branching portion 38b does not propagate through the core 22 but becomes diffused light.

基板３７の上にＬＮからなるクラッド層３１が形成され、クラッド層３１の上にＴｉ熱拡散によりコア３２が形成されている。コア３２には二ヶ所の光分岐部３８ａ，３８ｂが形成されており、この光分岐部３８ａ，３８ｂは低損失かつ構造が単純なＹ分岐を用いて構成されている。またこの光分岐部３８ａ，３８ｂにより二つに分岐されたコア３２に電圧を印加するために、電極３５が設置されている。コア３２の入出力部にはそれぞれスポットサイズ変換部３３ａ，３３ｂが設けられ、入力部側にはＬＤ３４、出力部側にはシングルモード光ファイバ３６が結合されている。   A clad layer 31 made of LN is formed on a substrate 37, and a core 32 is formed on the clad layer 31 by Ti thermal diffusion. Two optical branch portions 38a and 38b are formed in the core 32. The optical branch portions 38a and 38b are configured by using a Y branch having a low loss and a simple structure. In addition, an electrode 35 is provided to apply a voltage to the core 32 branched into two by the light branching portions 38a and 38b. Spot size converters 33a and 33b are provided in the input / output section of the core 32, respectively, and an LD 34 is coupled to the input section side and a single mode optical fiber 36 is coupled to the output section side.

ＬＮからなる光導波路のコア３２の径は約４μｍである。そのためシングルモード光ファイバ３６とのスポットサイズ不整合が増大する。そこで、本発明のスポットサイズ変換部３３ａを用いて、コア３２とシングルモード光ファイバ３６の結合を行った結果、結合損失は約０．７ｄＢとなり、スポットサイズ変換部３３ａを用いなかった場合と比較して、結合損失を約２ｄＢ低減することができた。   The diameter of the core 32 of the optical waveguide made of LN is about 4 μm. Therefore, the spot size mismatch with the single mode optical fiber 36 increases. Therefore, as a result of coupling the core 32 and the single mode optical fiber 36 using the spot size conversion unit 33a of the present invention, the coupling loss is about 0.7 dB, which is compared with the case where the spot size conversion unit 33a is not used. Thus, the coupling loss can be reduced by about 2 dB.

また、ＬＤ３４とコア３２の結合においてもスポットサイズ変換部３３ｂを用いた。例えば一方の端を略楕円形に加工し、長軸を約４．０μｍ、短軸を約３．４μｍとし、他方の端を直径略４μｍの円形状に加工したスポットサイズ変換部３３ｂを用いて結合を行った結果、結合損失は３．３ｄＢと非常に小さくなった。   In addition, the spot size conversion unit 33b is used for coupling the LD 34 and the core 32. For example, by using a spot size conversion unit 33b in which one end is processed into a substantially elliptic shape, the major axis is approximately 4.0 μm, the minor axis is approximately 3.4 μm, and the other end is processed into a circular shape having a diameter of approximately 4 μm. As a result of the coupling, the coupling loss was as small as 3.3 dB.

本発明にかかる光導波路とその製造方法は、光導波路のコアの断面形状が略円形状または楕円形状に等しい光導波路を製造することができ、またコアの入力部または出力部の径を光ファイバのコア径やＬＤ，ＶＣＳＥＬ，ＬＥＤ等の発光素子からの出射光の径と略等しい大きさで形成することが可能になり、光ファイバやＬＤ，ＶＣＳＥＬ，ＬＥＤ等の発光素子との結合効率が高いスポットサイズ変換構造の光導波路およびその製造方法を提供することができるという効果を有し、一心双方向光送受信モジュール、光変調器、ＡＷＧ、カップラー等に有用である。   The optical waveguide and the manufacturing method thereof according to the present invention can manufacture an optical waveguide having a substantially circular or elliptical cross-sectional shape of the core of the optical waveguide, and the diameter of the input portion or the output portion of the core is an optical fiber. Can be formed with a size substantially equal to the diameter of the light emitted from the light emitting element such as LD, VCSEL, LED, etc., and the coupling efficiency with the light emitting element such as optical fiber, LD, VCSEL, LED, etc. It has the effect of providing an optical waveguide having a high spot size conversion structure and a method for manufacturing the same, and is useful for a single-fiber bidirectional optical transceiver module, optical modulator, AWG, coupler, and the like.

（ａ）〜（ｅ）本発明の実施の形態１における光導波路の製造工程の一例を示す断面図(A)-(e) Sectional drawing which shows an example of the manufacturing process of the optical waveguide in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態１における金型の一例を示す斜視図The perspective view which shows an example of the metal mold | die in Embodiment 1 of this invention. （ａ）〜（ｃ）本発明の実施の形態１における金型の形状を示す断面図(A)-(c) Sectional drawing which shows the shape of the metal mold | die in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態２における一心双方向光送受信モジュールの構成を示す概略図Schematic which shows the structure of the single fiber bidirectional | two-way optical transmission / reception module in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態３におけるＬＮ（ＬｉＮｂＯ3）光変調器の構成を示す概略図Schematic diagram showing the configuration of a LN (LiNbO 3) optical modulator according to the third embodiment of the present invention （ａ）〜（ｄ）従来の光導波路の製造工程の一例を示す断面図(A)-(d) Sectional drawing which shows an example of the manufacturing process of the conventional optical waveguide 従来のスポットサイズ変換構造の光導波路のコアの概略図Schematic diagram of core of optical waveguide with conventional spot size conversion structure

符号の説明Explanation of symbols

２１ クラッド層
２２ コア
２３ａ，２３ｂ スポットサイズ変換部
２４ 溝
２５ 波長選択フィルタ
２６ シングルモード光ファイバ
２７ ＬＤ
２８ ＰＤ
２９ 基板
３０ 光分岐部
３１ クラッド層
３２ コア
３３ａ，３３ｂ スポットサイズ変換部
３４ ＬＤ
３５ 電極
３６ シングルモード光ファイバ
３７ 基板
３８ａ，３８ｂ 光分岐部
４１ コアパターン
４２，４３ 光の入力部または出力部
４４ 金型基材
５１ 金型
５２ 下部クラッド層
５３ 凹状のコアパターン
５４ コア層
５５ コア
５６ 上部クラッド層 21 Clad layer 22 Core 23a, 23b Spot size converter 24 Groove 25 Wavelength selection filter 26 Single mode optical fiber 27 LD
28 PD
29 Substrate 30 Optical branching section 31 Cladding layer 32 Core 33a, 33b Spot size conversion section 34 LD
35 Electrode 36 Single mode optical fiber 37 Substrate 38a, 38b Optical branching part 41 Core pattern 42, 43 Light input part or output part 44 Mold base 51 Mold 52 Lower clad layer 53 Concave core pattern 54 Core layer 55 Core 56 Upper cladding layer

Claims (9)

下部クラッド層と、この下部クラッド層上に光ファイバと接続する入力部または出力部を有するコアと、このコアを覆う上部クラッド層とからなり、前記コアの光の伝搬方向が連続的に変化し、前記コアの断面形状が光の入力部と出力部で異なる形状を有し、かつ略円形または楕円形とした光導波路。 It consists of a lower clad layer, a core having an input part or an output part connected to the optical fiber on the lower clad layer, and an upper clad layer covering the core. The light propagation direction of the core changes continuously. The optical waveguide has a shape in which the cross-sectional shape of the core is different between the light input portion and the light output portion, and is substantially circular or elliptical. コアの硬度を下部クラッド層の硬度よりも大きくした請求項１に記載の光導波路。 The optical waveguide according to claim 1, wherein the hardness of the core is greater than the hardness of the lower cladding layer. 下部クラッド層に金型を用いて凹状のコアパターンを加熱プレスして成型する工程と、前記凹状のコアパターンに前記下部クラッド層より屈折率および硬度の大きいガラス素材を少なくとも溢れるように充填する工程と、前記凹状のコアパターンに充填したガラス素材を加熱してコアを形成し溢れたガラス素材を除去する工程と、前記下部クラッド層とコアとを覆うように下部クラッド層とほぼ等しい屈折率のガラス素材または樹脂からなる上部クラッド層を形成する工程とからなり、前記金型によりコアの光の伝搬方向が連続的に変化し、断面形状が少なくとも一部に円弧または楕円弧の形状を形成する光導波路の製造方法。 A step of heat-pressing a concave core pattern using a mold for the lower clad layer, and a step of filling the concave core pattern with a glass material having a higher refractive index and hardness than the lower clad layer so as to overflow. Heating the glass material filled in the concave core pattern to form a core and removing the overflowed glass material, and having a refractive index substantially equal to that of the lower cladding layer so as to cover the lower cladding layer and the core. A step of forming an upper clad layer made of a glass material or a resin, wherein the light propagation direction of the core is continuously changed by the mold, and the cross-sectional shape forms an arc or elliptical arc shape at least partially. A method for manufacturing a waveguide. コアを形成する工程を下部クラッド層の上面の研磨と前記コアの上部を丸くする研磨で構成する請求項３に記載の光導波路の製造方法。 4. The method of manufacturing an optical waveguide according to claim 3, wherein the step of forming the core comprises polishing the upper surface of the lower cladding layer and polishing to round the upper portion of the core. コアの上面を下部クラッド層の表面より高くなるように形成した請求項３に記載の光導波路の製造方法。 The method for manufacturing an optical waveguide according to claim 3, wherein the upper surface of the core is formed to be higher than the surface of the lower cladding layer. 加熱を真空中で行う請求項３に記載の光導波路の製造方法。 The method for manufacturing an optical waveguide according to claim 3, wherein the heating is performed in a vacuum. ガラス素材をスパッタ法により凹状のコアパターンに充填する請求項３に記載の光導波路の製造方法。 4. The method of manufacturing an optical waveguide according to claim 3, wherein the glass material is filled into the concave core pattern by a sputtering method. 上部クラッド層をスパッタ法、ＣＶＤ法、プレス成型または粉末状に粉砕したガラス素材を塗布して加熱する方法のいずれか１つにより形成する請求項３に記載の光導波路の製造方法。 4. The method of manufacturing an optical waveguide according to claim 3, wherein the upper cladding layer is formed by any one of a sputtering method, a CVD method, press molding, or a method of applying and heating a glass material pulverized into a powder form. 上部クラッド層に樹脂を用いてスピンコート法または滴下法のいずれか１つにより形成する請求項３に記載の光導波路の製造方法。 The method for manufacturing an optical waveguide according to claim 3, wherein the upper cladding layer is formed by using a resin by any one of a spin coating method and a dropping method.
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