JP2020086082A - 光接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】光回路に対する光学素子の実装の難易度を上げることなく、光回路の中の光導波路の途中に光学素子を配置するとともに、光導波路の途中に光学素子を配置することによって生じる伝播損失を抑制する。【解決手段】第１光入出射端１０４と光学素子１０３との間に配置された第１集光レンズ１０６ａと、第２光入出射端１０５と光学素子との間に配置された第２集光レンズ１０６ｂとを備える。第１集光レンズおよび第２集光レンズは、第１光入出射端と第２光入出射端とを結ぶ光軸上に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光接続構造に関し、より具体的には、光学素子が集積された光接続構造に関する。

大容量の光情報を高速、低コストに伝送、処理するためには、光回路における光デバイスの集積化が必要不可欠である。光回路は、基板表面に屈折率の高い部分からなるコアと、コアより屈折率の低いクラッドとからなる光導波路で、複数の光デバイスを接続したものである。この光回路に光デバイスを集積化した光集積回路には、さまざまなデバイスを組み込むことが可能である。

光回路の材料としてはポリマー、石英ガラス、化合物半導体、Ｓｉ、ニオブ酸リチウムなどの強誘電体がある。また、光回路を構成する光導波路には、石英ガラス基板またはシリコン基板上に、石英系ガラスを主たる材料として作製される石英系光導波路があり、主として通信分野において実用に供せられている。石英系光回路上の石英系光導波路は、伝播損失が低い、信頼性・化学的安定性が高い、および加工性がよいなどの特徴を有している。また、石英系光ファイバとの整合性がよいため、標準的な通信用石英系光ファイバと接続した場合においても、低損失・高信頼性を有している。

現在、石英系光導波路により構成したＹ分岐パワースプリッタ、マッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ：Mach-Zehnder Interferometer）、ＭＺＩを利用した光スイッチ、およびアレイ導波路型波長合分波器（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）などの光回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuits）の開発が進められている。これらの光回路は、近年、構築が進められつつある波長分割多重（ＷＤＭ）光伝送システムを基盤とした、フォトニックネットワークシステムの重要なキーデバイスとなっている（非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）。

また、石英系光回路以外にも、近年、Ｓｉ、化合物半導体、強誘電体材料などを用いて、より小型な光回路の開発が進んでいる。光回路に機能性を付与するために、光回路内に溝を設け、設けた溝に薄膜形状の光学素子を挿入する技術がしばしば用いられる。例えば、光回路内の導波光の偏波を制御するために、光導波路が形成された光回路に溝を設け、この溝に所望の位相差を与える波長板を挿入する方法がしばしば用いられる。

例えば、図１１に示すように、Ｓｉ基板３０１およびこの上の光回路３０２に形成された溝３０４に、λ／２波長板３０５を挿入する。光回路３０２は石英系の光導波路３０３から構成されている。溝３０４は、光回路３０２からＳｉ基板３０１の一部にかけて形成され、光導波路３０３の導波方向と直交する方向に延在している。溝３０４は、例えば、幅２０μｍ，深さ１５０μｍ〜２００μｍ程度とされている。このように形成された溝３０４に、光学素子であるλ／２波長板３０５を挿入することで、光回路３０２に機能性を付与する。

λ／２波長板３０５は、例えばポリイミド延伸フィルムにより形成される。ポリイミド延伸フィルムの複屈折率は約０．０５であるため、通信波長帯である１．５μｍの光においては、ポリイミド延伸フィルムは厚さ約１５μｍとすることにより、λ／２波長板として機能する。

Ｓｉ基板３０１上の光導波路３０３は，複屈折を有するため，透過光学特性が偏波依存性を有することがある。上述したように、溝３０４にλ／２波長板３０５を挿入することにより、光導波路３０３の透過光学特性の偏波依存性を補償することが可能となる（特許文献１参照）。

ポリイミド延伸フィルムは一定の偏光方向を持つ。したがって、基板上に複数の光導波路が形成された光導波路アレイにおいて、隣接する光導波路に異なる偏光方向を持つ波長板を挿入するには、各光導波路に別々の偏光方向を有する波長板を挿入することになる。

例えば、各々異なる偏光方向を持つ２つの波長板を用いることで、図１２に示すように、偏光ビームスプリッタ４００を構成することができる。偏光ビームスプリッタ４００は、導波路型偏光ビームスプリッタであり、基板４０１上に形成された、入力光導波路４０２と、入力光導波路４０２に光学的に接続されたＹ分岐カプラ４０３と、Ｙ分岐カプラ４０３の出力にそれぞれ接続されたＴＥ偏光導波路４０４およびＴＭ偏光導波路４０５とを備える。また、偏光ビームスプリッタ４００は、基板４０１上に形成された、ＴＥ偏光導波路４０４およびＴＭ偏光導波路４０５に接続された２×２ＭＭＩ（Multi mode interference）４０６を備え、２×２ＭＭＩ４０６の出力にそれぞれが接続されたＴＥ偏光出力光導波路４０７およびＴＭ偏光出力光導波路４０８を備える。

偏光ビームスプリッタ４００の上面には、ＴＥ偏光導波路４０４およびＴＭ偏光導波路４０５を横切るように、ＴＥ偏光導波路４０４およびＴＭ偏光導波路４０５の光の導波方向と直交する方向に、一定の深さ（具体的には深さ１５０μｍ〜２００μｍ）の溝４１１が形成されている。溝４１１は、ダイシングにより形成される。溝４１１には、ＴＥ偏光導波路４０４を横切るようにλ／４波長板（９０度）４１２が挿入され、ＴＭ偏光導波路４０５を横切るようにλ／４波長板（０度）４１３が挿入されている。

この偏光ビームスプリッタ４００は、Ｙ分岐カプラ４０３と２×２ＭＭＩ４０６との間に、λ／４波長板４１２と、λ／４波長板４１３とを挿入し、λ／４波長板４１２によりＴＭ波を９０度進め、λ／４波長板４１３によりＴＥ波を−９０度進める。Ｙ分岐カプラ４０３によって分けられた２つの光の位相を＋と−に９０°シフトさせて２×２ＭＭＩ４０６に入力することにより、ＴＥ偏光出力光導波路４０７からはＴＥ偏光のみ、ＴＭ偏光出力光導波路４０８からはＴＭ偏光のみが出力される（非特許文献１参照）。

上述した導波路型偏光ビームスプリッタは、偏波間の位相差を両アームに挿入された波長板によって付与するため、温度特性に優れた偏波ビームスプリッタを実現できる。波長板以外にも、波長フィルタを挿入することで波長合分波機能を持たせた回路なども存在し、波長多重伝送などに用いられている（特許文献２参照）。

特許第３５０１２３５号公報 特開平１０−２８２３５０号公報

Y. Hibino, "Arrayed-Waveguide-Grating Multi/Demultiplexers for Photonic Networks", IEEE CIRCUITS & DEVICES, pp. 21-27, 2000. A. Himeno et al., "Silica-Based Planar Lightwave Circuits", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 4, no. 6, pp. 912-924, 1998. M. ABE, "Silica-based waveguide devices for photonic networks", Journal of the Ceramic Society of Japan, vol. 116, no. 10, pp. 1063-1070, 2008. M. Kawachi et al., "Silica waveguides on silicon and their application to integrated-optic components", Optical and Quantum Electronics, vol. 22, pp. 391-416, 1990. Y. Nasu et al., "Temperature insensitive and ultra wideband silica-based dual polarization optical hybrid for coherent receiver with highly symmetrical interferometer design", Optics Express, vol. 19, no. 26, pp. B112-B118, 2011. P. R. West et al., "All-dielectric subwavelength metasurface focusing lens", Optics Express, vol. 22, no. 21, pp. 26212-26221, 2014. P.-I. Dietrich et al., "In situ 3D nanoprinting of free-form coupling elements for hybrid photonic integration", Nature Photonics, vol. 12, pp. 241-247, 2018.

ところで、前述したように、光学素子を配置するために光回路の形成された溝の幅は、光学素子の厚さより大きくされている。これは、光学素子の厚さと一致した溝を形成すること、およびこの溝に光学素子を配置することには、高い精度が要求され、非常に困難なためである。溝の幅を光学素子の厚さより大きくすれば、溝の形成が容易になり、溝に光学素子を配置することも容易となる。

例えば、図１３に示すように、基板５０１と光導波路５０２を含む光回路とに、光導波路５０２の導波方向に垂直な方向に延在し、光導波路５０２を横断する溝５０３が形成されている。溝５０３に、板状の光学素子５０４が配置される。例えば、比較的よく用いられる、ポリイミド波長板より構成される光学素子５０４は、厚さが１５μｍであり、これを配置する溝５０３の幅は、光学素子５０４の厚さより大きい２０μｍ程度としている。したがって、溝５０３の側面と光学素子５０４との間に、例えば、５μｍ分の隙間が形成される。

この場合、溝５０３の部分は、光導波路構造を有していないので、例えば、光導波路５０２を導波して溝５０３側面の光出射端面より出射した光５１１は、回折広がりを伴いながら溝５０３を横切るように伝播するので、伝播損失が発生する。この損失は、光学素子５０４の厚さを考慮した損失よりも大きい。また、隙間の空間を伝播する光５１１が光学素子５０４に入射するときに、フレネル反射による損失も発生する。

従来の技術では、上述した伝播損失およびフレネル反射による損失を低減する目的で、上述した隙間に、光導波路５０２のコア５０２ａおよび光学素子５０４より高い屈折率を持つ屈折率整合材５０５を充填した光接続構造としている。溝５０３の側面と光学素子５０４との間の隙間に屈折率整合材５０５を充填することで、光５１１の回折広がりをある程度抑制することができ、損失を低減することが可能となる。

一方、近年、光回路のサイズ縮小によるコンパクトかつ高機能な光モジュール実現の目的から、コアとクラッドとの屈折率差が大きい光導波路による光回路が注目を集めている。コアとクラッドとの屈折率差が大きい光導波路は、光導波路の導波方向を変える光導波路の曲げの部分の曲率半径を小さくすることが可能であり、光回路をより小さくすることができるという利点がある。この光回路に前述した光学素子を適用することで、光集積回路をより小さくすることができる。例えば、上記光回路に、光学素子として各々異なる偏光方向を持つ２つの波長板を組み合わせることで、偏光ビームスプリッタをより小さくすることができる。

しかしながら、コアとクラッドとの屈折率差が大きい光導波路の場合、上述した溝側面の光導波路端から出射される光の広がり角がより大きな値をとるため、光学素子を配置した溝部における損失が、より大きくなるという欠点がある。コアとクラッドとの屈折率差が大きい光導波路の場合の損失の増大を抑制するために、溝の側面近くの光導波路に導波光のモードフィールド径を拡大するためのスポットサイズ変換器を導入し、モードフィールド径を拡大することによって、回折による損失を低減する技術が用いられる。

しかし、スポットサイズ変換器自体も低損失にモードフィールド径を変換するためには大きなサイズになることが多いため、前述した小型化のメリットを活かしきれない。また、スポットサイズ変換器によってモードフィールド径が所望の値まで拡大されている箇所に、光学素子を配置する必要があるため、溝の形成精度が必要とされ、光学素子の実装難易度が上昇することなどの欠点も発生する。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光回路に対する光学素子の実装の難易度を上げることなく、光回路の中の光導波路の途中に光学素子を配置するとともに、光導波路の途中に光学素子を配置することによって生じる伝播損失を抑制することを目的とする。

本発明に係る光接続構造は、一端側に形成された第１光入出射端面を有する第１光導波路と、一端側に形成されて、第１光導波路の第１光入出射端面と向かい合う第２光入出射端面を有する第２光導波路と、第１光入出射端面と光入出射端面との間に配置された光学素子と、第１光入出射端面と光学素子との間、および第２光入出射端面と光学素子との間の少なくとも一方に配置された集光レンズとを備え、集光レンズは、第１光入出射端面と第２光入出射端面とを結ぶ光軸上に配置されている。

上記光接続構造の一構成例において、第１光入出射端面と光学素子との間、および第２光入出射端面と光学素子との間の少なくとも一方を充填し、集光レンズの屈折率とは異なる屈折率を有する樹脂層を備え、集光レンズは樹脂層に埋め込まれて形成されている。

上記光接続構造の一構成例において、その一の面上に第１光導波路および第２光導波路が形成された基板と、基板の上に形成されて集光レンズを支持する支持部とをさらに備える。

上記接続構造の一構成例において、集光レンズは、光硬化した樹脂から構成されている。

上記光接続構造の一構成例において、第１光入出射端面と光学素子との間、および第２光入出射端面と光学素子との間の少なくとも一方を充填する樹脂層とを備え、樹脂層は、その内部に空間を含み、この空間を規定する、光学素子の側に凸とされた主凸面を有し、主凸面は、光軸の上に配置されて集光レンズの一部を構成する。

上記光接続構造の一構成例において、樹脂層は、さらに空間を規定するとともに、光軸の上で主凸面に向かい合い、主凸面に向かって凸とされた副凸面を規定する。

上記光接続構造の一構成例において、樹脂層は、光硬化した樹脂から構成されている。

上記光接続構造の一構成例において、第１光導波路および第２光導波路は、同一の層に形成された光導波路から構成されて光導波路に形成された隙間を挾んで配置され、光学素子は、隙間に配置されている。

以上説明したように、本発明によれば、第１光入出射端面と光学素子との間、および第２光入出射端面と光学素子との間の少なくとも一方に集光レンズを配置したので、光回路に対する光学素子の実装の難易度を上げることなく、光回路の中の光導波路の途中に光学素子を配置するとともに、光導波路の途中に光学素子を配置することによって生じる伝播損失を抑制することができるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る光接続構造の構成を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る他の光接続構造の構成を示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態２に係る光接続構造の構成を示す断面図である。 図４は、本発明の実施の形態２に係る他の光接続構造の構成を示す断面図である。 図５は、本発明の実施の形態２に係る他の光接続構造の構成を示す断面図である。 図６は、本発明の実施の形態３に係る光接続構造の構成を示す断面図である。 図７は、本発明の実施の形態３に係る他の光接続構造の構成を示す断面図である。 図８は、本発明の実施の形態３に係る他の光接続構造の構成を示す断面図である。 図９は、本発明の実施の形態３に係る他の光接続構造の一部構成を示す断面図である。 図１０は、本発明における光接続構造の適用例となる光回路の構成例を示す構成図である。 図１１は、従来の光接続構造を示す斜視図である。 図１２は、波長板を用いた光回路の一例を示す平面図である。 図１３は、従来の光接続構造を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る光接続構造について説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１に係る光接続構造について、図１を参照して説明する。この光接続構造は、第１光導波路１０１と、第２光導波路１０２と、光学素子１０３とを備える。

第１光導波路１０１は、一端側に形成された第１光入出射端面１０４を有する。第１光入出射端面１０４は、第１光導波路１０１の一端側における第１光導波路１０１の内部と外部との境界面である。第１光導波路１０１の他端より導波してきた光は、第１光入出射端面１０４より外部に放射されることになる。また、第２光導波路１０２は、一端側に形成されて第１光導波路の第１光入出射端面と向かい合う第２光入出射端面１０５を有する。第２光入出射端面１０５は、第２光導波路１０２の一端側における第２光導波路１０２の内部と外部との境界面である。第２光導波路１０２の他端より導波してきた光は、第２光入出射端面１０５より外部に放射されることになる。

第１光導波路１０１は、第１コア１０８ａ、第１下部クラッド１０９ａ、および第１上部クラッド１１０ａから構成されている。第２光導波路１０２は、第２コア１０８ｂ、第２下部クラッド１０９ｂ、および第２上部クラッド１１０ｂから構成されている。また、第１光導波路１０１、第２光導波路１０２は、基板１１１の上に形成されている。基板１１１の上の同一の層に形成されている１つの光導波路を、溝（隙間）１１２で分断することで、第１光導波路１０１および第２光導波路１０２が形成されている。溝１１２は、上記光導波路の導波方向に垂直にこの光導波路を分断して基板１１１に形成されている。また、溝１１２は、向かい合う側面が互いに平行に形成されている。

基板１１１に形成された溝１１２の向かい合う２つの側面で、第１光入出射端面１０４と第２光入出射端面１０５とが面と向かい合って配置される。また、第１光入出射端面１０４より出射する出射光の光軸と第２光入出射端面１０５より出射する出射光の光軸とは、同じ線の上に配置される。

また、実施の形態１の光接続構造は、第１光入出射端面１０４と光学素子１０３との間に配置された第１集光レンズ１０６ａと、第２光入出射端面１０５と光学素子１０３との間に配置された第２集光レンズ１０６ｂとを備える。第１集光レンズ１０６ａおよび第２集光レンズ１０６ｂは、第１光入出射端面１０４と第２光入出射端面１０５とを結ぶ光軸上に配置されている。第１集光レンズ１０６ａおよび第２集光レンズ１０６ｂは、いわゆる凸レンズの形状とされている。第１集光レンズ１０６ａおよび第２集光レンズ１０６ｂは、光硬化した樹脂から構成できる。

また、実施の形態１の光接続構造は、第１光入出射端面１０４と光学素子１０３との間を充填する第１樹脂層１０７ａと、第２光入出射端面１０５と光学素子１０３との間を充填する第２樹脂層１０７ｂとを備える。第１集光レンズ１０６ａは、第１樹脂層１０７ａに埋め込まれて形成され、第２集光レンズ１０６ｂは、第２樹脂層１０７ｂに埋め込まれて形成されている。

第１樹脂層１０７ａは、第１集光レンズ１０６ａとは異なる屈折率の材料から構成されている。また、第２樹脂層１０７ｂは、第２集光レンズ１０６ｂとは異なる屈折率の材料から構成されている。実施の形態１では、第１樹脂層１０７ａは、第１集光レンズ１０６ａより屈折率が低い材料から構成されている。また、第２樹脂層１０７ｂは、第２集光レンズ１０６ｂより屈折率が低い材料から構成されている。この場合、第１集光レンズ１０６ａ、第２集光レンズ１０６ｂは、いわゆる凸レンズである。第１樹脂層１０７ａおよび第２樹脂層１０７ｂは、光硬化した樹脂から構成できる。また、光学素子１０３は、板状の素子であり、例えば、λ／２波長板である。また、光学素子１０３は、波長フィルタとすることもできる。光学素子１０３は、波長フィルタとすれば、光接続構造により、例えば１．３μｍの光と１．５μｍの光を分波することができる。

実施の形態１によれば、第１光導波路１０１を導波して第１光入出射端面１０４より出射した光は、回折広がりを伴いながら光学素子１０３に向けて第１樹脂層１０７ａを伝播する。この回折広がりを伴いながら第１樹脂層１０７ａを伝播する光は、第１集光レンズ１０６ａで集光され、回折広がりが抑制される。この結果、第１集光レンズ１０６ａを通過した光は、伝播損失が抑制されて光学素子１０３に入射する。

また、第１光導波路１０１を導波して第１光入出射端面１０４より出射して光学素子１０３に入射し、光学素子１０３を出射した光も、回折広がりを伴いながら第２光入出射端面１０５に向けて第２樹脂層１０７ｂを伝播する。この回折広がりを伴いながら第２樹脂層１０７ｂを伝播する光は、第２集光レンズ１０６ｂで集光され、回折広がりが抑制される。この結果、第２集光レンズ１０６ｂを通過した光は、伝播損失が抑制されて第２光入出射端面１０５より第１光導波路１０１に入射する。

以上に説明したように、実施の形態１によれば、第１光入出射端面１０４と光学素子１０３との間に第１集光レンズ１０６ａを配置し、第２光入出射端面１０５と光学素子１０３との間に第２集光レンズ１０６ｂを配置したので、光回路の中の光導波路途中に、伝播損失を抑制して光学素子１０３が配置できるようになる。

ところで、第１集光レンズ１０６ａ、第２集光レンズ１０６ｂは、溝１１２の溝幅に併せて伝播損失の最も高い抑制効果が得られる焦点距離となるように、形状や構成する材料を適宜に設定する。レンズの形状は、球状、凹凸形状とすることができる。また、レンズは、シリンドリカルレンズとしてもよく、光硬化性の樹脂を用いたフォトニック結晶やメタサーフェース（非特許文献６参照）でもよい。第１集光レンズ１０６ａ、第２集光レンズ１０６ｂは、光を集光、あるいは平行光にし、回折広がりによる過剰損失を減少させることが可能なレンズ構成であればよい。

ところで、図１を用いて説明した光接続構造では、溝１１２の底に光学素子１０３が接する状態としているが、これに限るものではなく、図２に示すように、溝１１２の底より離間して光学素子１０３を配置してもよい。この場合、第１光入出射端面１０４と光学素子１０３との間、および第２光入出射端面１０５と光学素子１０３との間を、溝１１２の底と光学素子１０３の下面との間を介して一体に形成された樹脂層１０７で充填する構成とすることができる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る光接続構造について、図３を参照して説明する。この光接続構造は、前述した実施の形態１の光接続構造に、第１支持部１１３ａ，第２支持部１１３ｂをさらに備える。

第１支持部１１３ａは、基板１１１の溝１１２の底面上に形成され、第１集光レンズ１０６ａを支持する。また、第２支持部１１３ｂは、基板１１１の溝１１２の底面上に形成され、第２集光レンズ１０６ｂを支持する。第１支持部１１３ａ、第２支持部１１３ｂは、後述する光接続構造の第１集光レンズ１０６ａ，第２集光レンズ１０６ｂの製造過程で用いられる。また、実施の形態２では、溝１１２の中央部に、さらに溝１１２ａを形成し、溝１１２ａに光学素子１０３の底部を嵌合させている。溝１１２ａは、後述する光接続構造の製造の途中において、溝１１２の中に光学素子１０３を安定して配置するために用いる。

以下、実施の形態２における光接続構造の製造方法について説明する。光接続構造の製造方法はいくつか存在するが、１つの方法として２光子吸収を用いた光３Ｄ造形技術（非特許文献７参照）がある。光３Ｄ造形技術は、光硬化性の樹脂を、集光したレーザー光を照射することで局所的に光硬化させ、光硬化した樹脂でレンズや光導波路などの構造を３次元的に作製する技術である。

光３Ｄ造形技術によれば、レンズを配置する箇所でレンズが形成できる。このため、別途に形成したレンズを後から組み込む製造方法に比較し、アクティブアライメントなどを必要とせず、微細な箇所にレンズを組み込む手間や、組み込むときに発生する組み込み箇所周囲への損傷などが回避できるという利点がある。なお、アクティブアライメントは、例えば、第１光導波路１０１に光を入射し、第１光入出射端面１０４と第２光入出射端面１０５との間に光を伝搬させ、第２光導波路１０２から出力される光の強度変化を観察することで、第１光入出射端面１０４と第２光入出射端面１０５との間の部品位置を決定する位置合わせの技術である。

また、２光子吸収を用いた場合は、レンズを形成するための光硬化樹脂を透過する（吸収されない）比較的長い波長の光によって、光硬化樹脂を硬化させることが可能であり、レンズとする箇所以外の光硬化が抑制できる。また、２光子吸収による光硬化に必要な光の出力は数ｍＷ程度でも十分なため、光学的損傷を与えることなくレンズの構造を作製することも容易である。また、現在市販されている光３Ｄ造形装置は、作製できる構造の分解能が１μｍ以下と非常に小さく、非特許文献７に開示されている微小光学系の形成に用いられており、非常に小さい領域に微小なレンズを作製できる。

まず、基板１１１に、ダイシングやエッチングなどによって溝１１２を形成する。溝１１２を形成した後、さらに、溝１１２ａを形成する。溝１１２ａは、以下に説明するように、板状の光学素子１０３が倒れることを防ぐために形成する。

溝１１２に光学素子１０３を挿入し、第１樹脂層１０７ａ、第２樹脂層１０７ｂを形成していない段階では、光学素子１０３が倒れる可能性がある。後述するように、溝１１２と光学素子１０３との間に第１集光レンズ１０６ａ，第２集光レンズ１０６ｂを形成し、この後、第１樹脂層１０７ａ、第２樹脂層１０７ｂを形成する。第１樹脂層１０７ａ、第２樹脂層１０７ｂを形成する前に、光学素子１０３が倒れると、第１集光レンズ１０６ａ，第２集光レンズ１０６ｂを破損する可能性がある。これに対し、溝１１２ａを形成し、溝１１２ａに光学素子１０３の底部を嵌めておけば、光学素子１０３が倒れることが防止できるようになる。

また、第１光導波路１０１，第２光導波路１０２が形成されている光導波路層の上で、治具などを用いて光学素子１０３を支持しておくこともできる。治具は、第１集光レンズ１０６ａ，第２集光レンズ１０６ｂを形成し、第１樹脂層１０７ａ、第２樹脂層１０７ｂを形成した後で取り外す。

次に、光３Ｄ造形に用いる光硬化性樹脂液を、光学素子１０３を配置した溝１１２の内部、言い換えると、第１樹脂層１０７ａ、第２樹脂層１０７ｂを形成する領域に導入する。光硬化性樹脂は、例えば、アクリル系の樹脂を用いることができる。なお、予め、第１集光レンズ１０６ａ，第２集光レンズ１０６ｂを形成する箇所を決定するための、位置合わせマークを、例えば、第１光導波路１０１，第２光導波路１０２の上面に形成しておく。例えば、第１光導波路１０１の上面に形成した位置合わせマークと、第１集光レンズ１０６ａの形成箇所との相対的な位置関係が既知であれば、位置合わせマークを基準に、基板１１１の平面方向における第１集光レンズ１０６ａの形成箇所が決定できる。位置合わせマークは、よく知られたフォトリソグラフィ技術、およびエッチング技術により、第１光導波路１０１，第２光導波路１０２の上面に形成しておく。

また、第１集光レンズ１０６ａ，第２集光レンズ１０６ｂを形成する箇所の決定は、光３Ｄ造形を実施する光３Ｄ造形装置の界面検出機能を用いることでも実施できる。光３Ｄ造形装置は、一般に、屈折率の差を測定して界面を検出し、検出した界面の位置を基準として露光の光を照射する位置を決定する機能を備えている。

例えば、溝１１２の深さ方向において、溝１１２の底面の位置や、第１光導波路１０１の上面の位置が、上述した界面検出機能により検出できる。第１光導波路１０１の第１下部クラッド１０９ａの厚さや、第１コア１０８ａの断面の寸法（直径）などは既知であるため、検出した溝１１２の底面の位置より、第１光入出射端面１０４より出射する出射光の光軸の、溝１１２の深さ方向の位置が決定できる。第１集光レンズ１０６ａは、第１光入出射端面１０４より出射する出射光の光軸上に配置するため、光軸の溝１１２の深さ方向の位置が分かれば、深さ方向における第１集光レンズ１０６ａの形成位置が決定できる。

また、溝１１２の側面において、第１下部クラッド１０９ａ、第２下部クラッド１０９ｂと、第１コア１０８ａとの間の屈折率差により、これらの界面位置が、基板１１１の平面方向の中で決定できる。基板１１１の平面方向における上記界面位置を基準とすることでも、基板１１１の平面方向における第１集光レンズ１０６ａの形成箇所が決定できる。

上述したことにより、第１集光レンズ１０６ａ，第２集光レンズ１０６ｂを形成する座標を決定した後は、光学素子１０３と溝１１２の側面との間に充填されている光硬化性樹脂液の決定した座標の位置に光を照射し、第１集光レンズ１０６ａ，第２集光レンズ１０６ｂを形成する。光３Ｄ造形においては、一方向、例えば、溝１１２の底面の側から上方にかけて、徐々に所定の構造を形成する。このため、第１集光レンズ１０６ａ，第２集光レンズ１０６ｂを光３Ｄ造形すると、光３Ｄ造形した第１集光レンズ１０６ａ，第２集光レンズ１０６ｂが、光硬化性樹脂液の中に浮いている状態となる。光硬化した第１集光レンズ１０６ａ，第２集光レンズ１０６ｂは、未硬化の光硬化性樹脂液より密度が高いため、光硬化性樹脂液の中を沈降し、所定の形成箇所からずれることになる。

このため、第１集光レンズ１０６ａ，第２集光レンズ１０６ｂの光３Ｄ造形においては、第１支持部１１３ａ，第２支持部１１３ｂを先に形成し、この上に第１集光レンズ１０６ａ，第２集光レンズ１０６ｂを形成する。第１支持部１１３ａ，第２支持部１１３ｂを形成しておくことで、第１集光レンズ１０６ａ，第２集光レンズ１０６ｂが、光硬化性樹脂液の中で沈降することが防げ、第１集光レンズ１０６ａ，第２集光レンズ１０６ｂを、設計した位置（座標）に固定することができる。

なお、これらの光３Ｄ造形において、図４に示すように、第１支持部１１３ａ，第２支持部１１３ｂを形成するよりも前に、溝１１２の底部で光学素子１０３を固定する固定部１１４を形成することも可能である。光硬化性樹脂液を光３Ｄ造形により光硬化させて固定部１１４を形成しておくことで、後述する未硬化の光硬化性樹脂液を除去するときに、光学素子１０３が倒れることが防止できる。また、固定部１１４を形成する場合、図３を用いて説明した溝１１２ａを備える必要は無い。

ところで、光３Ｄ造形により第１集光レンズ１０６ａ，第２集光レンズ１０６ｂを形成する場合、露光の光は、基板１１１の上方から溝１１２の底部への方向に照射することになる。光３Ｄ造形では、レンズ形成位置に光を集光させるため、これより手前では、光のビーム径がより大きい状態である。このため、集光位置より上側にある光学素子１０３の上端部により、露光のための光の一部がかかる場合がある。光学素子１０３の周囲は空気であり、光学素子１０３と周囲の空気との間には屈折率差があるため、上述したように露光のための光の一部が、光路の途中で光学素子１０３の上端部にかかると、集光点がずれるシャドウイングが発生する可能性がある。

この問題は、例えば、溝１１２の内部より上方に突出している光学素子１０３の部分を、光学素子１０３と同等の屈折率を持つ樹脂、もしくは屈折率整合材を用いることで、露光の光が通る光路上の全域で、屈折率差が発生する箇所を無くすことで解消する。次に、第１支持部１１３ａ，第２支持部１１３ｂおよび第１集光レンズ１０６ａ，第２集光レンズ１０６ｂを光３Ｄ造形した後、エタノールなどの溶剤を用い、未硬化の光硬化性樹脂液を溶解除去する。

次に、第２支持部１１３ｂおよび第１集光レンズ１０６ａ，第２集光レンズ１０６ｂが形成されている光学素子１０３と溝１１２の側面の間に、所定の樹脂液を供給して充填し、充填した樹脂液を硬化させることで、第１樹脂層１０７ａ、第２樹脂層１０７ｂを形成する。この樹脂液は、例えば、光硬化性の樹脂から構成することができる。また、この樹脂液は、熱硬化性の樹脂から構成することもできる。

上述した実施の形態２における光接続構造と、従来構造との比較を実施した結果について説明する。光接続構造は、溝１１２の幅を１００μｍとし、光学素子として厚さ１５μｍのポリイミド波長板を用いた。また、第１光導波路１０１、第２光導波路１０２は、コアとクラッドとの比屈折率差が１．５％の石英系光導波路とし、波長１．５５ミクロンの光を用いた。従来の構造としては、光学素子１０３と溝１１２の側面の間を、屈折率製造剤で充填した。従来の構造では、約３ｄＢの損失が発生するが、実施の形態２によれば、約０．５ｄＢ程度まで過剰損失を低下させることができた。

ところで、図５に示すように、第１光導波路１０１と光学素子１０３との間には、第１集光レンズ１０６ａを形成し、第２光導波路１０２の側では、光学素子１０３と第２光入出射端面１０５とが接する状態とすることも可能である。この場合、図１，図３を用いて説明した第２集光レンズ１０６ｂ、第２樹脂層１０７ｂは、形成しない。なお、第２光導波路１０２と光学素子１０３との間には、第２集光レンズ１０６ｂを形成し、第１光導波路１０１の側では、光学素子１０３と第１光入出射端面１０４とが接する状態とすることも可能である。

このようにすることで、光接続構造の製造過程で、溝１１２に光学素子１０３を導入するとき、溝１１２のいずれか一方の側面に光学素子１０３を当接させて配置することができ、溝１１２内で光学素子１０３が倒れることが抑制できるようになる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について、図６を参照して説明する。この光接続構造は、前述した実施の形態１の光接続構造の第１集光レンズ１０６ａ、第２集光レンズ１０６ｂを、第１樹脂層１０７ａ、第２樹脂層１０７ｂの内部に含む第１空間１２７ａ、第２空間１２７ｂを規定する、光学素子１０３の側に凸とされた第１主凸面１２８ａ、第２主凸面１２８ｂにより構成した第１集光レンズ１２６ａ、第２集光レンズ１２６ｂとしている。

第１空間１２７ａ、第２空間１２７ｂは、第１光入出射端面１０４と第２光入出射端面１０５とを結ぶ光軸上に配置されている。第１空間１２７ａ、第２空間１２７ｂを規定する、第１主凸面１２８ａ、第２主凸面１２８ｂにより、第１集光レンズ１２６ａ、第２集光レンズ１２６ｂの機能を発現させている。例えば、第１空間１２７ａ、第２空間１２７ｂは、対抗する２つの面が溝１１２の側面に平行な略直方体を基本的な形状とし、この直方体の形状の光学素子１０３の側に面する面に第１主凸面１２８ａ、第２主凸面１２８ｂを形成した形状である。

実施の形態３では、光硬化性樹脂液を、第１樹脂層１０７ａ、第２樹脂層１０７ｂを形成する領域に導入し、導入した光硬化性樹脂液の第１空間１２７ａ、第２空間１２７ｂ以外の領域を硬化させ、未硬化の領域を除去すれば、第１集光レンズ１２６ａ、第２集光レンズ１２６ｂが形成できる。光硬化性樹脂液の第１空間１２７ａ、第２空間１２７ｂ以外の領域の硬化は、前述した光３Ｄ造形技術により実施すればよい。

また、図７に示すように、第１空間１２７ａ、第２空間１２７ｂに、第１樹脂層１０７ａ、第２樹脂層１０７ｂの上面で外方に連通する第１開口１２９ａ、第２開口１２９ｂを備える構造とすれば、未硬化の領域の除去は、第１開口１２９ａ、第２開口１２９ｂを介して行うことができる。

実施の形態３によれば、第１集光レンズ１２６ａ、第２集光レンズ１２６ｂを形成した段階で、第１樹脂層１０７ａ、第２樹脂層１０７ｂが形成されているので、溝１１２内で光学素子１０３が倒れることで、第１集光レンズ１２６ａ、第２集光レンズ１２６ｂに損傷を与えることがない。

ところで、前述したシャドウイングの影響などにより、例えば、溝１１２の側面近傍では、光３Ｄ造形技術により光硬化性樹脂液を十分に光硬化させることが困難な場合がある。この場合、光３Ｄ造形技術では、十分に光硬化させることができない領域は、別途に露光の光（紫外線）を照射して光硬化させる。また、光硬化性樹脂液が、熱により硬化を促進させることができる場合、光３Ｄ造形技術では十分に光硬化させることができない領域を、加熱により完全に硬化させることもできる。

また、実施の形態３によれば、第１集光レンズ１２６ａ、第２集光レンズ１２６ｂとする第１空間１２７ａ、第２空間１２７ｂ以外の第１樹脂層１０７ａ、第２樹脂層１０７ｂは、硬化しているために機械的安定性が高い。このため、第１空間１２７ａ、第２空間１２７ｂを形成するために、溶液を用いた未硬化部の溶解除去を繰り返しても、構造に変形を与えるなどのダメ―ジが少ない。

このため、例えば、一度形成した第１空間１２７ａ、第２空間１２７ｂに、再度、光硬化性樹脂液を導入し、再度、光硬化性樹脂液により第１主凸面１２８ａ、第２主凸面１２８ｂの形状を調整することが容易である。第１主凸面１２８ａ、第２主凸面１２８ｂの形状を調整することで、回折広がりによる過剰損失の低減効果が調整できる。

このような、第１主凸面１２８ａ、第２主凸面１２８ｂの形状調整は、例えば、第１光導波路１０１の側から第２光導波路１０２の側に導波させ、第２光導波路１０２の出射側から出力される光の強度変化を観測しながら行えばよい。観測される光の強度が最も高くなる状態が、第１集光レンズ１２６ａ、第２集光レンズ１２６ｂとする第１主凸面１２８ａ、第２主凸面１２８ｂの最適な形状である。

実施の形態３では、樹脂を硬化させて第１樹脂層１０７ａ、第２樹脂層１０７ｂを形成したときに、硬化における収縮による設計値からの形状のずれや、硬化した樹脂の不均一性などに起因する設計値からの形状のずれを、後から補正することが可能である。このため、実施の形態３によれば、光接続構造の製造歩留まりを向上させることも可能である。

また、図８に示すように、第１光導波路１０１と光学素子１０３との間には、第１集光レンズ１２６ａ’を形成し、第２光導波路１０２の側では、光学素子１０３と第２光入出射端面１０５とが接する状態とすることも可能である。この場合、図６を用いて説明した第２集光レンズ１２６ｂ、第２樹脂層１０７ｂは、形成しない。また、この場合、第１樹脂層１０７ａが、第１空間１２７ａを規定するとともに、光軸の上で第１主凸面１２８ａに向かい合い、第１主凸面１２８ａに向かって凸とされた第１副凸面１２８ａ’を規定するようにしてもよい。

また、図９に示すように、第１樹脂層１０７ａと第２樹脂層１０７ｂとの間に、光学素子１０３を配置する嵌合溝１３０を備える状態で、第１集光レンズ１２６ａ、第２集光レンズ１２６ｂとする第１空間１２７ａ、第２空間１２７ｂを形成し、この後で、嵌合溝１３０に光学素子１０３を差し込んでもよい。嵌合溝１３０を構成する第１樹脂層１０７ａ、第２樹脂層１０７ｂの側面においては、硬化を不十分な状態としておけば、この部分は弾性変形可能であり、光学素子１０３の挿入が容易である。光学素子１０３を挿入した後、硬化が不十分な領域を、完全に硬化させる。

ところで、第１光入出射端面と光学素子との間、および第２光入出射端面と光学素子との間の少なくとも一方を充填する樹脂層の内部に空間を形成し、集光レンズとして用いる場合、空間に、樹脂層とは異なる材料（液体、樹脂）を充填し、空間に充填した材料により集光レンズを構成することも可能である。例えば、空間が、光学素子の側に凸とされた主凸面で規定される場合、樹脂より低い屈折率の材料を充填する。一方、樹脂層より高い屈折率の樹脂を空間に充填する場合、空間を、光学素子の側に凹とされた凹面で規定するものとする。この場合、得られる集光レンズは、図１を用いて説明した集光レンズと同様である。

次に、上述した本発明における光接続構造の適用例について図１０を参照して説明する。本発明の光接続構造は、波長フィルタを集積した回路をアレイ化した波長多重通信用の光回路に適用可能である。この光回路は、基板２０１の上に形成され入力光導波路２０２に入力される光が、光スプリッタ２０３により、複数の光導波路２０４に分岐される。また、基板２０１の所定箇所には、光導波路２０４の導波方向に垂直に延在する溝２０５が形成されている。溝２０５により、複数の光導波路２０４は分断されている。

また、溝２０５には、複数の光導波路２０４の各々に対応して波長フィルタ２０６が設けられている。また、溝２０５において、波長フィルタ２０６と溝２０５の各々の側面との間に、第１光導波路２０７，第２光導波路２０８が形成されている。第１光導波路２０７，第２光導波路２０８の波長フィルタ２０６の側の光入出射端面は、第１光導波路２０７に接している。このように第１光導波路２０７，第２光導波路２０８を設けることで、光導波路２０４の間に伝播損失を抑制して波長フィルタ２０６を配置することができ、波長クロストークが低減できる。

また、光学素子には、波長板の与える遅延が板長手方向に対して周期的に変化するくし形波長板を適用することができる。光学素子として磁気光学材料が適用可能である。磁気光学材料を光学素子として用いることで、光アイソレータなどの光回路が実現できる。

以上に説明したように、本発明によれば、第１光入出射端面と光学素子との間、および第２光入出射端面と光学素子との間の少なくとも一方に集光レンズを配置したので、光回路に対する光学素子の実装の難易度を上げることなく、光回路の中の光導波路の途中に光学素子を配置するとともに、光導波路の途中に光学素子を配置することによって生じる伝播損失が抑制できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…第１光導波路、１０２…第２光導波路、１０３…光学素子、１０４…第１光入出射端面、１０５…第２光入出射端面、１０６ａ…第１集光レンズ、１０６ｂ…第２集光レンズ、１０７ａ…第１樹脂層、１０７ｂ…第２樹脂層、１０８ａ…第１コア、１０８ｂ…第２コア、１０９ａ…第１下部クラッド、１０９ｂ…第２下部クラッド、１１１…基板、１１２…溝（隙間）。

Claims (8)

1. 一端側に形成された第１光入出射端面を有する第１光導波路と、
   一端側に形成されて、前記第１光導波路の前記第１光入出射端面と向かい合う第２光入出射端面を有する第２光導波路と、
   前記第１光入出射端面と前記光入出射端面との間に配置された光学素子と、
   前記第１光入出射端面と前記光学素子との間、および前記第２光入出射端面と前記光学素子との間の少なくとも一方に配置された集光レンズと
   を備え、
   前記集光レンズは、前記第１光入出射端面と前記第２光入出射端面とを結ぶ光軸上に配置されていることを特徴とする光接続構造。
2. 請求項１記載の光接続構造において、
   前記第１光入出射端面と前記光学素子との間、および前記第２光入出射端面と前記光学素子との間の少なくとも一方を充填し、前記集光レンズの屈折率とは異なる屈折率を有する樹脂層を備え、
   前記集光レンズは前記樹脂層に埋め込まれて形成されている
   ことを特徴とする光接続構造。
3. 請求項１または２記載の光接続構造において、
   その一の面上に前記第１光導波路および前記第２光導波路が形成された基板と、
   前記基板の上に形成されて前記集光レンズを支持する支持部と
   をさらに備えることを特徴とする光接続構造。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光接続構造において、
   前記集光レンズは、光硬化した樹脂から構成されていることを特徴とする光接続構造。
5. 請求項１記載の光接続構造において、
   前記第１光入出射端面と前記光学素子との間、および前記第２光入出射端面と前記光学素子との間の少なくとも一方を充填する樹脂層と
   を備え、
   前記樹脂層は、
   その内部に空間を含み、この空間を規定する、前記光学素子の側に凸とされた主凸面を有し、
   前記主凸面は、前記光軸の上に配置されて前記集光レンズの一部を構成する
   ことを特徴とする光接続構造。
6. 請求項５記載の光接続構造において、
   前記樹脂層は、さらに
   前記空間を規定するとともに、前記光軸の上で前記主凸面に向かい合い、前記主凸面に向かって凸とされた副凸面を規定する
   ことを特徴とする光接続構造。
7. 請求項５または６記載の光接続構造において、
   前記樹脂層は、光硬化した樹脂から構成されていることを特徴とする光接続構造。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の光接続構造において、
   前記第１光導波路および前記第２光導波路は、同一の層に形成された光導波路から構成されて、前記第１光入出射端面と前記第２光入出射端面とが前記光導波路に形成された隙間を挾んで向かい合うように配置され、
   前記光学素子は、前記隙間内に配置されている
   ことを特徴とする光接続構造。