JP4146788B2

JP4146788B2 - 光導波路接続モジュールおよびその導波路作製方法

Info

Publication number: JP4146788B2
Application number: JP2003412587A
Authority: JP
Inventors: 貴山田; 元速石井; 幹隆井藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2023-12-10
Also published as: JP2005173162A

Description

本発明は、２つ以上の光導波路基板の端面同士を接続する際に、その接続損失を低減するために光フィールド分布を整合させるコア形状を有する光導波路接続モジュールおよびその導波路作製方法に関する。

光通信方式の多様化や通信容量の増大に従い、必然的に光信号処理モジュールの高機能化及び大容量化が図られている。そのような光信号処理モジュールの開発には、フォトリソグラフィ技術の適応により均一性及び回路レイアウトの自由度の高い平面型光導波路を適用することが簡便な手段である。中でも、石英系の平面光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）は材料の整合性から通信用光ファイバとの接続が良好であり、主に基板となるシリコンウェハの大きさに応じて大規模な光回路の展開が容易に達成される。

更には、コアを形成するために添加する材料を調整することにより、コアとクラッドとの比屈折率差Δを簡易的に変化させることができ、Δを拡大してコア径を小さくすることにより光回路の最小曲げ半径を小さくして単位面積あたりの光回路集積密度を増大させることが可能である。現在我々が採用しているΔとしては０．３％、０．４５％、０．７５％、１．５％があるが、例えば、Δ＝０．７５％の光導波路とΔ＝１．５％の光導波路の最小曲げ半径はそれぞれ５ｍｍ及び２ｍｍである。従って、Δ＝１．５％光導波路を用いた場合には、光回路面積はΔ＝０．７５％光導波路を用いた場合の１／４程度と大幅に低減可能である。

一方、光信号処理モジュールの高機能化に関しても石英系ＰＬＣを用いることは有効な手段となる。具体的には、結晶光導波路等の別の光導波路基板をＰＬＣの端面に突き合わせて接続する端面接続技術を適用することである。結晶光導波路は、ＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ：ニオブ酸リチウム）に代表されるように電気光学効果や非線形光学効果、音響光学効果等のＰＬＣでは得がたい特性を有し、端面接続技術により両者の機能を上手く併合することが可能となる。例としては、結晶光導波路として周期分極反転ＬＮを利用した波長変換デバイスを用い、ＰＬＣ側には合分波器や１bit 遅延線を設け、ＰＬＣ−ＬＮ−ＰＬＣの３基板構成による光時分割多重（ＯＴＤＭ）送信モジュールがある（例えば、非特許文献１参照）。このような異なる種類の光導波路基板を接続する技術では、光導波路基板の大きさやポート数に依らずモジュール化が可能であり、端面研磨によるサイズ揺らぎが生じた場合にも全く影響が無く、また、光導波路基板間にファイバを用いて接続する場合と比較してモジュールサイズが小型であり、ポート間の光路長誤差も発生しない等の利点がある。

しかしながら、光導波路基板同士の端面突き合わせによる接続では結合損失の発生する問題がある。その要因としては、材料の違いにより屈折率の差が生じておこるフレネル反射損失、光フィールド分布の違いによる結合効率の低下や散乱、及び作製誤差による導波路位置の歪や実装の際の位置ズレ等がある。そのうち、フレネル反射については光導波路の材料に応じて端面に無反射膜をコーティングすることにより十分に低減することが可能であり、寸法誤差や位置ズレについては光強度をモニターしながら調心を行なうアクティブアライメント方法を利用することにより解決される。従って、光導波路基板や実装素子の持つ光フィールド分布を整合させることが結合損失を低減する上で重要となる。

単一モードを伝搬させる光導波路の光フィールド分布は、そのコアの作製方法に大きく依存している。一般的なＰＬＣではコアの断面形状は正方形であり、その光フィールド分布はクラッド層に広がりを持つ円形である。その光フィールド分布の大きさは、０．７５％Δ導波路でおよそ８μｍである。一方ＬＮ導波路では、コアはＴｉの熱拡散やプロント交換により作製されるため拡散乗数に依存し、その光フィールド分布は水平方向では左右対称、垂直方向では基板表面から下側に対して偏平した形状となる。現在実用化されているＬＮデバイスの垂直方向の最小値は５μｍ程度である。光軸ズレや角度ズレがない場合、結合効率は光フィールド分布の重なり積分により決定される。

図６に従来の方法によるＰＬＣとＬＮ光導波路の接続の様子を示す。同図において、６１はＬＮデバイス、６２はＬＮ光導波路基板、６３はＬＮ光導波路、６４はＰＬＣ，６５はＰＬＣのＳｉ基板、６６はＰＬＣのクラッド層、および６７はＰＬＣコアであり、ＰＬＣコア６７とＬＮ光導波路６３とが結合する位置でＰＬＣ６４とＬＮ光導波路基板６２を突き合わせにより端面接続している。６９はＬＮの光フィールド分布、７０，７１はＰＬＣの光フィールド分布、および７２は光軸である。

汎用的な０．７５％Δ−ＰＬＣ６４とＩＮデバイス６１との結合損失は約１ｄＢ程度となる。例として述べたＰＬＣ６４とＬＮ光導波路基板６２を突き合わせにより端面接続する際には、両者の光フィールド分布を整合させることが結合損失を低減する上で重要となる。

ＬＮ光導波路６３は図６に示すように偏平な光フィールド分布６９を示し、一般的に光ファイバと比較してそのモードフィールド径（ＭＦＤ）は小さい。この点に着目して、ＰＬＣと様々なＬＮデバイスとを低損失に接続するために、光閉じ込めの強い１．５％Δ−ＰＬＣを採用し、ＬＮとの接続部には、図７に示すような、横テーパ構造によるスポットサイズ変換（spot-size converter：ＳＳＣ）構造を適用した光導波路接続モジュールが提案されている（非特許文献２参照）。なお、関連技術として、シングル光ファイバとＰＬＣとの接続に縦側面テーパ構造によるＳＳＣ構造を採用したものも提案されている（非特許文献３参照）。

図７は、接続部に横テーパ構造を採用したＰＬＣとＬＮ光導波路との突き合わせ接続の形態を示す。一般的にＬＮ光導波路では、基板表面上に回路レイアウトに沿って堆積したＴｉを熱によりＬＮ基板内部に拡散させる方法や、安息香酸等の溶液に浸して過熱したＬＮ基板６２中のＬｉと溶液中のＨ^＋とを交換する方法によりコア（ＬＮ光導波路）６３が形成される。従って、ＬＮデバイス６１の光フィールド分布６９は、水平方向には光軸に対して左右対称であり、垂直方向ではＬＮ基板に対するＴｉやＨ^＋の拡散定数と拡散時間で決まる偏平した形状となり、光軸は基板表面付近にある。一方、ＰＬＣ６４側ではＰＬＣコア６７の横テーパ構造６８の効果により、その光フィールド分布７０は水平方向に広い楕円形となり、またその垂直方向は、比屈折率差ΔやＰＬＣコア６７のコア厚を調整することにより接続するＬＮデバイスの光フィールド分布に整合させることが可能である。

図８にＰＬＣの光フィールド分布のΔ及びコアサイズ依存性を示す。図８により、０．７５％−Δと１．５％−Δでは、光閉じ込め効果に大きな差があり、光フィールド分布径の最小値５μｍ程度のＬＮデバイスに対応させるには１．５％−ΔのＰＬＣが適していることが分かる。また、ＰＬＣコア６７のコアサイズを拡大することによりＭＦＤを任意の大きさに調整可能であることが分かる。

山田貴他、"ＰＬＣ−ＰＰＬＮ端面接続を用いた１６０Ｇbit/s ＯＴＤＭ−ＭＵＸモジュール"、２００２年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−３−２２、Ｐ．１２２山田貴他、"１．５％ΔＰＬＣ−ＰＰＬＮ接続を用いたＯＴＤＭ−ＭＵＸモジュール"、２００３年電子通信学会エレクトロニクスソサエティ大会、Ｃ−３−９８、Ｐ．２３１ M. Itoh et., "Large reduction of single mode-fiber coupling loss in 1.5 % Δ planar lightwave circuits using spot-size converters" ELECTRONICS LETTERS 17th January 2002 Vol.38 No.2 pp.72-73

上述のように、２つ以上の異なる光導波路基板を用いて導波路端面を突き合わせて接続する際には、一般的に両者の光フィールド分布が異なるため結合効率が低下し損失が発生する。特にＬＮ光導波路基板では、ＬＮ光導波路基板はそのコア形成方法のために光フィールド分布は基板方向で大きく偏平しているため、円形な光フィールド分布を有するＰＬＣを突き合わせると大きな結合損失が発生する。この結合損失は、非線形光学効果を利用するＬＮデバイスにおいては、その出力特性が入射光強度に依存するため大きな影響を及ぼすことになる。

一方、このような結合損失を低減する目的で提案された図７に示す横テーパ構造によるスポットサイズ変換構造を適用した光導波路接続モジュールは、ＬＮ導波路の光フィールド分布は偏平といっても上下方向に非対称であるため、ＰＬＣ側でＬＮ導波路に近い光フィールドを実現するのが実際上容易でなかった。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、異なる２つ以上の光導波路基板を突き合わせ接続した光信号処理モジュールにおいて、光導波路基板間の光フィールド分布の不整合が要因で発生する結合損失を低減する効果をよりいっそう高めることを簡易な作製工程で可能にした、ＰＬＣ側の接続部のコア形状とその作製方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の光導波路接続モジュールは、光フィールド分布の形状が異なる２つ以上の光導波路基板の端面同士を接続してなる光導波路接続モジュールの上記端面部分において、一方の光導波路基板のコア部の端部に、楕円状上下非対称の他方の光フィールド分布と整合させるためにコア厚断面内方向で幅の異なる段階形状の断面凸型形状のスポットサイズ変換構造を形成しており、かつ前記光導波路接続モジュールを構成する前記一方の光導波路基板が、石英系平面光波回路であり、該石英系平面光波回路に接続される光導波路基板が拡散型コア構造を有する結晶光導波路であることを特徴とする。

ここで、上記スポットサイズ変換構造は、平面方向でテーパ形状であり、コア厚断面方向で幅の異なる段階形状であることを特徴とすることができる。

また、上記結晶光導波路はＬｉＮｂＯ_３基板を用いた光導波路であることを特徴とすることができる。

上記目的を達成するために、本発明の導波路作製方法は、光導波路接続モジュールを構成する上記石英系平面光波回路のコアを形成する際に、そのコアの断面形状が凸状となるように、そのコアに対してエッチング幅の異なる２段階エッチングを行なうことを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明の導波路作製方法の他の態様は、光導波路接続モジュールを構成する上記石英系平面光波回路のコアを形成する際に、下部クラッド層に対してエッチングを行なうことにより凸型部が掘られた下部クラッド層上の全体に、コア層を堆積し、その後、垂直方向下側に凸型のコアパターンを形成するためのエッチングをそのコア層に対して行うことにより上記コアを作製することを特徴とする。

上記のように、本発明は、２つ以上の異なる光導波路基板（主にＰＬＣとＬＮ光導波路デバイス）の端面を突き合わせて接続する光信号処理モジュールにおいて、光導波路基板の光フィールド分布を互いに整合させるように、ＰＬＣ側に凸型コア構造のスポットサイズ変換構造を用いたので、結合損失を大幅に低減することができる。

特に、ＬＮ導波路の光フィールド分布は偏平であるといっても上下方向に非対称であるため、本発明のように、凸型の方が各辺の長さを調整することにより、ＬＮ導波路に近い光フィールド分布を実現でき、より容易に結合損失の低減効果が得られる。

以下に、図面を参照して本発明の最良の実施の形態について詳述する。ただし、本発明はこれら実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内での形状や数値の変更、材料の置換、周知技術の付加による設計変更などは本発明に含まれる。

（第１の実施形態）
光軸ズレ及び放射角度ズレが無い場合のＰＬＣとＬＮ光導波路デバイスとの結合損失（Coupling Loss）は、ガウシアンビームの結合により、以下の式のように表せる。

ここで、ωｘ、ωｙはＰＬＣの水平方向及び垂直方向の光フィールド分布径であり、σｘ、σｙ_１、σｙ_２はＬＮ光導波路の水平方向、垂直方向上側及び下側の光フィールド分布径である。従って、結合損失が最小となるのは、光フィールド分布の水平方向が両者で一致し、垂直方向では、ＬＮデバイス側の偏平率が小さいときである。実際に、前述の図７に示す構造の横テーパを採用した１．５％−ΔＰＬＣとＬＮ光導波路デバイスとの結合損失を測定したところ、その値は０．３ｄＢ程度であった。従って、従来構造の０．７５％−ΔＰＬＣ従来との結合損失と比較して、約０．７ｄＢ低減されている。

図１、図２に、本発明によるＰＬＣ側の接続部に、導波路幅の異なるテーパ構造を垂直方向に対して重ねた構造、すなわち凸型コア形状を採用した、光導波路接続モジュールの形態を示す。図１は垂直方向上側に凸の場合であり、図２は下側に凸の場合である。

ＰＬＣコア１０７の凸型コア構造１０８が、図１に示すように、上側に凸の場合は、ＰＬＣ１０４またはＬＮデバイス１０１のいずれか片方の光導波路基板１０５，１０２を上下逆にして接続している。一方、その凸型コア構造１０８が、図２に示すように、下側に凸の場合は、ＰＬＣ１０４およびＬＮデバイス１０１とも両光導波路基板１０５，１０２が同一方向で接続している。

ＰＬＣ１０４のクラッド層１０６内に形成された凸型コア構造１０８は、ＬＮ光導波路１０３と接続する端面およびその近傍の断面が逆Ｔ字型、またはＴ字型の形状を有し、この断面形状が所定の長さだけ延在した後、その凸部分がＰＬＣコア１０７のコア幅となるまでテーパ形状で拡大している。この形状のため、ＰＬＣ１０４の横テーパ部の光フィールド分布１１０はＬＮデバイス１０１の光フィールド分布１０９と同一形状となり、ＰＬＣ１０４の展開部の光フィールド分布１１１は円形となる。

図３の（ａ）に、凸型コアを採用したＰＬＣ１０４に対する、光フィールド分布の三次元ＢＰＭ（Beam Propagation Method;ビーム伝播法）シミュレーション結果の一例を示す。また、図３の（ｂ）に，解析に用いた出射端部のコア形状を併記する。これより、凸型形状を反映して偏平な光フィールド分布が得られていることが確認される。本構造を採用したＰＬＣ１０４とＬＮデバイス１０１との結合損失は限りなく０に近づく。

ＬＮデバイス１０１側において、偏平な光フィールド分布を改善するようなコア形状を作製することは、異質な種類の膜の体積や拡散物質の多様化等、一般的に作製工程が複雑化する。また、例えばＬＮデバイス１０１が変調器であれば、印加する電界にも影響が生じる可能性がある。従って、ＰＬＣ１０４側の光フィールド分布をＬＮデバイス１０１に整合させる方が簡易であり、その作製工程も、通常の作製工程と比較して、後述のようにエッチング工程が１工程増えるだけに抑えることが可能である。

また、ＬＮ導波路の光フィールド分布は偏平であるといっても上下方向に非対称であるため、本発明のように、凸型の方が各辺の長さを調整することにより、ＬＮ導波路に近い光フィールド分布を実現できる。

図４に、図１に示したような垂直方向上側に凸型のコアを作製する工程の概略を示す。始めにＰＬＣ１０４のＳｉ基板１０５上に下部クラッド層１１３を堆積し、続いてコア層１１４を堆積する（図４（ａ））。次に、凸型コアの上側を残すようにテーパ部エッチングマスク４０１を形成し、このテーパ部エッチングマスク４０１を用いてエッチングすることにより、コアの一部及びコア以外の部分を所望の高さだけ除去して凸型部１１５を得る（図４（ｂ））。更に、導波路パターン用エッチングマスク４０２を用いて、通常のＰＬＣ作製工程と同様に、コア全体を回路レイアウトに沿うようにエッチングして目的の形状（垂直方向上側に凸型）のコア１０７を形成する（図４（ｃ））。最後に、上部クラッド層１０６をコア部１０７が所望の深さに埋もれるまで堆積する（図４（ｄ））。

図５に、図２に示したような垂直方向下側に凸型のコアを作製する工程の概略を示す。始めにＰＬＣ１０４のＳｉ基板１０５上に下部クラッド層１１３を堆積する。この際、通常必要な各部クラッド層よりも凸形状の突き出る部分を考慮し、数μｍだけ厚く堆積する（図５（ａ））。次に、凸型コアの上側形状と回路レイアウトから成るテーパ部エッチングマスク５０１を用いてエッチングすることにより、下部クラッド層１１３上にそれらを所望の深さだけ掘り込んでいく（図５（ｂ））。続いて、凸型部１１６が掘られた下部クラッド層１１３条の全体にコア層１１４を体積する（図５（ｃ））。その後、凸型コアの下側形状と回路レイアウトからなる導波路パターンエッチングマスク５０２を用いてエッチングすることにより、目的の形状（垂直方向下側に凸型）のコアパターン１０７を形成する（図５（ｄ））。最後に、上部クラッド層１０６をコア部１０７が所望の深さに埋もれるまで堆積する（図５（ｅ））。

図４、図５に示したように、凸型コアを有するＰＬＣは、通常の作製工程と比較して、エッチング工程が１回追加されるだけの簡単な作製工程により作製可能である。

本発明の一実施形態における、垂直方向上側に凸型形状を有するＰＬＣとＬＮ光導波路とを結合した様子を示す斜視図である。本発明の一実施形態における、垂直方向下側に凸型形状を有するＰＬＣとＬＮ光導波路とを結合した様子を示す斜視図である。（ａ）は凸型コアを採用したＰＬＣに対する、光フィールド分布の三次元ＢＰＭシミュレーション結果の一例を示す特性図であり、（ｂ）はその凸型コアの出射端の形状を示す図である。（ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施形態における、垂直方向上側に凸型形状を有するＰＬＣの作製工程の概略を示す工程図である。（ａ）〜（ｅ）本発明の一実施形態における、垂直方向下側に凸型形状を有するＰＬＣの作製工程の概略を示す工程図である。従来のＰＬＣとＬＮ光導波路とを結合した様子を示す斜視図である。横テーパ構造を有するＰＬＣとＬＮ光導波路とを結合した様子を示す斜視図である。ＰＬＣの光フィールド分布径のコアサイズ及びΔ依存性を示す特性図である。

符号の説明

１０１ＬＮデバイス
１０２ＬＮ基板（ＬＮデバイスの光導波路基板）
１０３ＬＮ光導波路
１０４ＰＬＣ
１０５Ｓｉ基板（ＰＬＣの光導波路基板）
１０６クラッド層
１０７ＰＬＣコア
１０８凸型コア構造
１０９ＬＮデバイスの光フィールド分布
１１０ＰＬＣの横テーパ部の光フィールド分布
１１１ＰＬＣの展開部の光フィールド分布
１１２光軸
１１３下部クラッド層
１１４コア層
１１５凸型部
１１６凸型部
４０１テーパ部エッチングマスク
４０２導波路パターン用エッチングマスク
５０１テーパ部エッチングマスク
５０２導波路パターン用エッチングマスク

Claims

光フィールド分布の形状が異なる２つ以上の光導波路基板の端面同士を接続してなる光導波路接続モジュールの前記端面部分において、一方の光導波路基板のコア部の端部に、楕円状上下非対称の他方の光フィールド分布と整合させるためにコア厚断面内方向で幅の異なる段階形状の断面凸型形状のスポットサイズ変換構造を形成しており、かつ
前記光導波路接続モジュールを構成する前記一方の光導波路基板が、石英系平面光波回路であり、該石英系平面光波回路に接続される光導波路基板が拡散型コア構造を有する結晶光導波路であることを特徴とする光導波路接続モジュール。
前記スポットサイズ変換構造は、平面方向でテーパ形状であり、コア厚断面方向で幅の異なる段階形状であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路接続モジュール。
前記結晶光導波路はＬｉＮｂＯ_３基板を用いた光導波路であることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路接続モジュール。
請求項１または２に記載の光導波路接続モジュールを構成する前記石英系平面光波回路のコアを形成する際に、該コアの断面形状が凸状となるように、該コアに対してエッチング幅の異なる２段階エッチングを行なうことを特徴とする導波路作製方法。
請求項１または２に記載の光導波路接続モジュールを構成する前記石英系平面光波回路のコアを形成する際に、下部クラッド層に対してエッチングを行なうことにより凸型部が掘られた下部クラッド層上の全体に、コア層を堆積し、その後、垂直方向下側に凸型のコアパターンを形成するためのエッチングを該コア層に対して行うことにより前記コアを作製することを特徴とする導波路作製方法。