JP6291451B2 - 光集積回路型光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、光集積回路型光デバイスに関し、より詳細には、平板基板の表面に光導波路を構成要素として形成される光集積回路を用いた光デバイスに関する。

スマートフォン等を用いたモバイル用インターネットサービス、データセンタに集約したサーバを用いたクラウドコンピュータサービス等の普及により、高品質の動画、音声情報をはじめとする膨大な情報が情報通信ネットワークにより伝送されている。さらに、それらサービスの多様化、拡充、高度化および利用する個人、法人の増加により、情報通信ネットワークを流れる情報量、すなわちネットワークのトラフィック量は、年々、増加しており、既存の情報通信ネットワークの伝送容量を上回ることが予想されている。そこで、通信ネットワークの情報伝送容量を大幅に拡大し、増加するトラフィックに対応できるようにすることが社会的な課題になっている。

従来、情報通信ネットワークの基盤となる光ファイバを伝送媒体とした光通信ネットワークにおいては、光の強度を変調して情報を伝送する光強度変調方式が用いられている。光ファイバ１本あたりの伝送容量を拡大するために、光強度変調方式において、変調速度、すなわちビットレート（１秒間あたりの変調回数）を増加させるだけでなく、波長の異なる複数の光信号を同時に伝送する波長多重伝送方式が導入されている。このような光ファイバ伝送を実現するために、光通信システム装置においては、電気信号を光信号に変換するために光の強度を変調する光変調器、光信号を受信して電気信号に変換する光受信器といった光デバイスが多数、使用されている。

例えば、波長数が４０（４０波長）の波長多重通信伝送方式を実現するための構成例として、送信側に光送信器が４０個、受信側に４０個の光受信器が装備される。このように、大容量の光伝送を実現するためには、光通信システム装置において多数の光デバイスが必要になるため、個々の光デバイスについては、低価格すなわち製造コストが低いことが求められる。例えば、情報通信ネットワークの伝送量容量を、現状の１００倍以上に拡大するために、設備投資の観点からは、光通信システム装置の製造コストを１００倍以上に増大させることは許容されない。

また、光デバイスは、小型であることが望まれる。一般的には、光通信システム装置においては、光デバイスは、プリント基板の上に搭載されるが、光デバイスが小型であれば、１枚のプリント基板への搭載数を多くすることができ、光通信システム装置を小さくすることができる。あるいは、同じ大きさであれば、処理能力を拡大することができる。さらに、光デバイスでは、所定の性能、機能を発揮する上で、信頼性を確保することも求められる。すなわち、温度や湿度の変動、あるいは長期間の使用において、所定の性能、機能を維持しなければならい。

近年、光通信の伝送容量をさらに拡大するために、光の位相、または位相と強度とを２段階以上に変調する多値変調方式を用いて、光信号を伝送するデジタルコヒーレント伝送方式が導入され始めている。このような伝送システムを実現するために、光の位相や強度を高速で多値変調する光変調器、光の位相や偏波を制御し干渉させることにより光の位相情報を強度情報に変換して、光信号を多チャンネルの電気信号に変換する光受信器等の光デバイスが用いられている。これら複雑かつ高度な光信号処理を行う光デバイスでは、一般的には、平板基板上において光導波路を構成要素として形成される平面光集積回路が用いられている。以後、平面光集積回路を単に光集積回路、平板基板とその表面の光集積回路とを合わせたものを光集積回路基板、光集積回路を用いた光デバイスを光集積回路型光デバイスと呼ぶことにする。

従来、石英光導波路を構成要素とした光集積回路が用いられている。しかし、石英光導波路自体では、高速の光強度変調、位相変調、光信号の電気信号への変換等の機能を有していないため、電気光学効果を有する結晶材料、半導体材料を集積する必要がある。また、光導波路の方向を変換するためには、ある程度大きな曲率半径を確保する必要があるため、光回路のレイアウトは比較的大きくなり、集積回路基板の大きさは、１辺が１０ｍｍ以上となる。これに伴い、光デバイスのサイズも比較的大きくなる欠点がある。

一方、インジウムリン（ＩｎＰ）といった半導体をベースとした半導体光集積回路、コアをシリコン、クラッドを石英としたシリコン光導波路により光回路を構成したシリコンフォトニクス光集積回路の研究開発が進展し、実用化の段階に来ている。これらの光集積回路は、光の位相、強度の高速変調、光信号の電気信号への変換等、多様で高度な光信号処理機能を実現することができる。また、光導波路レイアウトの曲率半径を非常に小さくすることができ、結果として、光集積回路基板のサイズを大幅に小さくすることができる。一般的に、光集積回路基板のサイズは、１辺を数ｍｍ程度にすることができる。これにより、光デバイス（光集積回路基板を搭載したパッケージ）のサイズを小さくすることができる。

図１に、従来の半導体またはシリコンフォトニクス光集積回路型光デバイスの構造の一例を示す。光集積回路型光デバイスは、パッケージ（筐体）１１内部に、光集積回路基板１２と電気回路基板１３とを収容し、光集積回路への光の入出力を行うための複数本の光ファイバ１４が光集積回路基板１２に接続されている（例えば、非特許文献１参照）。図１においては、光集積回路基板１２に形成された光集積回路、電気回路基板１３の電気回路の詳細は省略している。光集積回路基板１３をパッケージ１１に収容するのは、プリント基板上への実装、比較的脆弱である光集積回路の保護、光集積回路と電気回路との配線等の都合による。

半導体またはシリコンフォトニクス光集積回路では、回路自体が非常に小さいために、光集積回路基板１２の端面に近い領域において、光入出力を行うための複数本の光導波路（以下、光入出力用光導波路という）１８のピッチ（隣り合う光導波路同士の間隔）も非常に小さい。例えば、光導波路のピッチは３０μｍ以下に設定できる。これに対して、通常の光ファイバ（クラッド径は１２５μｍ）１４を、複数本並べて整列させると、光ファイバのコアのピッチは、１２５μｍ以下にすることは困難である。光集積回路のレイアウトの設計において、光入出力用光導波路１８のピッチは任意に設定できるが、光ファイバ１４のピッチに合わせて１２５μｍ以上にするためには、光集積回路の中で光導波路のピッチを拡大するための領域が必要になる。従って、光集積回路基板１２の一辺の寸法が大きくなる欠点が生じる。

通常の光ファイバのモードフィールド径（ＭＦＤ）（スポットサイズ）は、波長１．５５μｍにおいて１０μｍ程度である。一方、半導体光導波路あるいはシリコン光導波路でのＭＦＤは、１μｍ前後であり、光集積回路基板の入出力端付近の光導波路に、スポットサイズ変換部を設けたとしても、ＭＦＤは５μｍ程度以下である。光集積回路において、ＭＦＤを１０μｍ程度に拡大できるスポットサイズ変換部も開発されているが、変換部分での導波路の長さが長くなり、光集積回路基板が大きくなってしまう欠点がある。

上述したように、光集積回路基板１２が多少大きくなっても、パッケージ１１を含めた光集積回路型光デバイスのサイズは、さほど拡大することはない。しかしながら、光集積回路の製造において、１枚のウエハから製造できる光集積回路基板の枚数が少なくなり、１つの光集積回路基板あたりの製造コストが上昇するという欠点が生じる。

そこで、ファイバアレイ部１６と変換部１７とから構成される接続部品１５を用いて、複数本の光ファイバ１４と光入出力用光導波路１８との低損失な接続を実現している。ファイバアレイ部１６は、ガラス部材から成り、内部にて光ファイバ１４をアレイ状に整列させて固定している。変換部１７は、ガラス材料なら成り、光ファイバ１４のコアと光入出力用光導波路１８とをそれぞれ接続する複数本のコア部を有する。変換部１７の光ファイバ側では、光ファイバ１４のピッチ（１２５μｍ以上）に合わせて、コア部のピッチは大きく、ＭＦＤも光ファイバのそれに合わせている。変換部１７の光集積回路基板１２側では、光入出力用光導波路１８のピッチに合わせて、コア部のピッチは小さくなっており、ＭＦＤも光入出力用光導波路１８に合わせて小さくなっている。変換部１７は、複数本のコア部を有するガラス部材を加熱しながら引き延ばすことにより、コア部のピッチを小さくし、またコア部を細くすることによりＭＦＤを小さくしている。

接続部品１５は、光集積回路基板１２の端面に対して、光結合を考慮して高精度に位置決めされた状態で接着固定される。光集積回路基板１２は、パッケージ１１の底面に接着固定される。接続部品１５もパッケージ１１に固定される。具体的には、接続部品１５とパッケージ１１の側壁とが交差する部分（以下、固定部という）にて固定される。接続部品１５をパッケージ１１に固定するのは、パッケージ外部の光ファイバ部分において、引っ張り、圧縮、ねじり、曲げ等の外力が加わったとき、その外力が、変換部１７や光集積回路基板１２に伝達するのを防止し、それらを保護するためである。特に、外力が変換部１７に伝わると、光集積回路基板１２と変換部１７との接着固定部が剥離し、光の入出力が損なわれ、致命的な故障となる可能性があるからである。

しかしながら、接続部品１５は、パッケージ１１の長手方向にある程度（数ｍｍ以上）の長さが必要となり、光集積回路基板１２の１辺より長くなることが多い。接続部品１５の長さ、すなわち光ファイバ１４を光集積回路基板１２に接続するのに要する長さ（図１中のＬｃ）は、１０ｍｍ程度を越えることになる。これにより、光集積回路基板１２が小さくても、光集積回路型光デバイスの大きさは、あまり小さくならない。従って、光ファイバの接続に要する長さＬｃを小さくすることが求められている。

また、光集積回路基板１２と接続部品１５とがパッケージに固定されるので、光集積回路型光デバイスが使用される環境温度が変化して、パッケージ１１が膨張または収縮した場合、光集積回路基板１２と接続部品１５との相対的な位置が変動し、両者の接着固定部分が剥離する可能性がある。そこで、パッケージ１１の材料として、熱膨張係数が非常に小さな材料が必要となり、パッケージ１１が高価になる欠点がある。従って、光集積回路型光デバイスが高コストにならないように、パッケージ１１の熱膨張がある程度許容できる廉価なパッケージを使用できることが望まれている。

図２に、従来の半導体またはシリコンフォトニクス光集積回路型光デバイスの構造の他の例を示す。光集積回路型光デバイスは、パッケージ（筐体）２１内部に、光集積回路基板２２と電気回路基板２３とを収容し、光集積回路への光の入出力を行うための複数本の光ファイバ２４が光集積回路基板２２に対して光学的に接続されている（例えば、特許文献１参照）。図２においても、光集積回路基板２２に形成された光集積回路、電気回路基板２３の電気回路の詳細は省略している。

この例では、ファイバアレイ部品２６と２つのレンズ２７ａ，２７ｂとにより、複数本の光ファイバ２４と光入出力用光導波路２８との低損失な接続を実現している。ファイバアレイ部２６は、ガラス部材から成り、内部にて光ファイバ２４を、所定のピッチ（１２５μｍ以上）でアレイ状に整列させて固定している。レンズ２７ａ，２７ｂは、光ファイバ２４から出射された光信号のスポットサイズを変換し、集光位置におけるピッチを変換している。光集積回路基板２２は、パッケージ２１の底面に接着固定される。ファイバアレイ部２６と２つのレンズ２７ａ，２７ｂともパッケージ２１に固定される。

しかしながら、空間光学的な処理のために、ファイバアレイ部２６から光集積回路基２２までの間隔がある程度必要になり、光ファイバ２４を光集積回路基板２２に接続するのに要する長さ（図２中のＬｃ）は、図１の場合と同様に長くなり、光集積回路基板２２が小さくても、光集積回路型光デバイスの大きさは、あまり小さくならない。

また、光集積回路基板２２、ファイバアレイ部２６、２つのレンズ２７ａ，２７ｂは、相対的な位置変動が殆ど許容されないため、光集積回路型光デバイスが使用される環境温度が変化して、パッケージ２１が膨張または収縮した場合、光ファイバ２６と光入出力用光導波路２８との間の光結合効率が劣化する。そこで、パッケージ２１の材料として、熱膨張係数が非常に小さな材料が必要となり、パッケージ２１が高価になる欠点がある。

特願平３-１９５４８７号公報

Victor I. Kopp & Azriel Z. Genack, Chiral fibres: Adding twist Nature Photonics 5, 470-472 (2011)

従来の光集積回路型光デバイスでは、光集積回路基板の光入出力用光導波路と光ファイバとを接続するために、スポットサイズ変換、ピッチ変換の機能を有するとともに、信頼性を確保することができる。すなわち、光集積回路型光デバイスが使用される環境温度の変動、光ファイバによって伝わる外力等により接続特性が劣化することを防止できる。しかしながら、光集積回路基板とパッケージの側壁との間にある程度の間隔が必要となり、光デバイスの小型化が制限されたり、熱膨張係数が非常に小さく比較的高価な材料でパッケージを作製する必要があり、光デバイスの作製コストが割高になる問題があった。

本発明の目的は、半導体光導波路やシリコン導波路を有する光集積回路型光デバイスにおいて、光集積回路基板と光入出力用光ファイバとの接続に要する寸法を小さくすることにより、小型化された光集積回路型光デバイスを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、半導体光集積回路またはシリコンフォトニクス光集積回路が形成された光集積回路基板を収容するパッケージと、前記光集積回路への光の入出力を行うための複数本の光ファイバとを含む光集積回路型光デバイスにおいて、前記パッケージに固定され、前記複数本の光ファイバを所定のピッチで整列させて固定するファイバ固定部と、前記光集積回路基板の端面に固定され、前記複数本の光ファイバと前記光集積回路の光入出力用光導波路とを光学的に接続する支持部であって、前記支持部が接続されている前記光集積回路基板の端面は、前記ファイバ固定部が固定されている前記パッケージの側壁に平行であり、該側壁に近接しない端面であること、とを備え、前記複数本の光ファイバは、前記ファイバ固定部におけるクラッド径と前記支持部におけるクラッド径とが異なり、前記複数本の光ファイバは、前記光集積回路基板および前記側壁に近接しない端面と対向して収容された電気回路基板の上部に配置され、前記ファイバ固定部におけるピッチと前記支持部におけるピッチとが異なり、前記ファイバ固定部と前記支持部との間で撓むことを特徴とする。

本発明によれば、ファイバ固定部から支持部までの間で、複数本の光ファイバのクラッド径と、ピッチとを変え、ファイバ固定部と支持部との間で撓むことにより、光集積回路基板と光入出力用光ファイバとの接続に要する寸法を小さくすることができ、光集積回路型光デバイスの小型化を図ることが可能となる。

従来の半導体またはシリコンフォトニクス光集積回路型光デバイスの構造の一例を示す図である。 従来の半導体またはシリコンフォトニクス光集積回路型光デバイスの構造の他の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかる光集積回路型光デバイスを示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかる光集積回路型光デバイスを示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかる光集積回路型光デバイスを示す図である。 第３の実施形態にかかる光コネクタを示す図である。 本発明の第４の実施形態にかかる光集積回路型光デバイスを示す図である。 本発明の第５の実施形態にかかる光集積回路型光デバイスを示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図３に、本発明の第１の実施形態にかかる光集積回路型光デバイスを示す。光集積回路型光デバイスは、パッケージ（筐体）３１内部に、光集積回路基板３２と電気回路基板３３とを収容し、光集積回路への光の入出力を行うための複数本の光ファイバ３４が光集積回路基板３２に接続されている。図１においては、光集積回路基板３２に形成された光集積回路、電気回路基板３３の電気回路の詳細は省略している。半導体光集積回路またはシリコンフォトニクス光集積回路からなる光集積回路では、回路自体が非常に小さいために、光集積回路基板３２の端面に近い領域において、光入出力を行うための複数本の光導波路（以下、光入出力用光導波路という）３８は、一部のみ描かれている（以下の実施形態も同じ）。

第１の実施形態の光集積回路は、基板がシリコンからなり、クラッドが石英、コアがシリコンからなるシリコン光導波路（以下、単に光導波路という）を構成要素とした光集積回路である。光導波路のモードフィールド径（スポットサイズ）は、波長１．５５μｍにおいて、１μｍ以下である。光導波路の方向を直角に曲げる場合でも、曲率半径は１００μｍ以下に小さくすることができ、石英系光導波路を構成要素とした光集積回路に比べて、光集積回路のサイズ（基板の一辺のサイズ）や面積を大幅に小さくすることができ、一般的には基板の一辺のサイズは１０ｍｍ以下である。

光集積回路のサイズを小さくできることに伴い、光集積回路基板３２の端面の光入出力用光導波路３８の互いの間隔（ピッチ）も５０μｍ以下と小さくできる。ここで、光入出力用光導波路３８のピッチは、例えば、光ファイバ３４のピッチに合わせて、８０μｍ〜１２５μｍに設定することも可能であるが、光集積回路の中で光導波路のピッチを拡大するための領域が必要になり、光集積回路基板のサイズがその分大きくなる。光集積回路基板が多少大きくなっても、光集積回路型光デバイス全体の大きさは余り変わらないが、１枚のウエハから製造される光集積回路基板の個数が減少するため、光集積回路基板の製造コストが増加する欠点が生じる。

第１の実施形態では、変換ファイバ３５、ファイバ固定部３６、および支持部３７を用いて、複数本の光ファイバ３４と光入出力用光導波路３８との低損失な接続を実現している。ファイバ固定部３６は、外形が立方体のガラス部材から成り、内部にて光ファイバ３４をアレイ状に所定のピッチで整列させて固定している。ファイバ固定部３６は、パッケージ３１の側壁に固定されている。光ファイバ３４は、ファイバ固定部３６の端面から光集積回路基板３２側は、変換ファイバ３５となり、支持部３７に接続される。支持部３７は、外形が立方体のガラス部材から成り、内部にて変換ファイバ３５をアレイ状に所定のピッチで整列させて固定している。支持部３７の光集積回路基板３２側の端面と、変換ファイバ３５の端面とは同一の面となっている。変換ファイバ３５のピッチと光入出力用光導波路３８のピッチとはほぼ同一であり、変換ファイバ３５と光入出力用光導波路３８の中心軸がほぼ一致した状態で、支持部３７は、光集積回路基板３２の端面に紫外線硬化型接着剤を用いて接着固定されている。このようにして、変換ファイバ３５を介して光ファイバ３４と光入出力用光導波路３８とを光学的に接続する。

光ファイバ３４とファイバ固定部３６に固定されている光ファイバは、クラッド径は７０μｍ以上（例えば、８０μｍまたは１２５μｍ）である。変換ファイバ３５は、ファイバ固定部３６から支持部３７に向かって、クラッド径は５０μｍ以下（例えば、３０μｍ）と細くなるように加工されている。従って、支持部３７の光集積回路基板３２の端面において、変換ファイバ３５のピッチは、５０μｍ以下（例えば３０μｍ）に設定することができる。

ファイバ固定部３６においては、例えば、クラッド径が８０μｍであっても、被覆の外形はそれ以上に大きいので、１１０μｍ以上のピッチで整列している。光ファイバ３４をファイバ固定部３６でパッケージ３１に固定するのは、パッケージ外部の光ファイバ部分において、引っ張り、圧縮、ねじり、曲げ等の外力が加わったとき、その外力が、支持部３７や光集積回路基板３２に伝達するのを防止し、それらを保護するためである。特に、外力が支持部３７に伝わると、光集積回路基板３２の破損や歪み、光集積回路基板３２と支持部３７との位置ずれ等が発生し、光集積回路型光デバイスとしての特性が劣化し、または動作不良を引き起こす可能性があるためである。

変換ファイバ３５のファイバ固定部３６の端面から支持部３７の端面までの長さは２ｍｍ以上あり、被覆がない状態である。この領域では、光ファイバのピッチは、１１０μｍ以上から５０μｍ以下に変換されるため、被覆のない光ファイバが撓んでいることから、撓み部３９と呼ぶことにする。なお、光集積回路型光デバイスの製造時におけるパッケージ内の実装作業において、変換ファイバに傷をつけたり、変換ファイバが破断しないように、被覆を施す場合もある。

光集積回路基板３２の入出力端付近の光入出力用光導波路３８には、スポットサイズ変換器（ＳＳＣ）が備えられ、変換ファイバ３５に対向した光導波路端でのモードフィールド径（ＭＦＤ）は、波長１．５５μｍにて１０μｍ程度になっている。ただし、ＭＦＤを１０μｍ程度に大きく拡大するＳＳＣを形成するために、光集積回路基板３２のサイズが若干大きくなっており、また光集積回路の作製において、ＳＳＣを形成するための工程が追加されて、製造コストが高くなっている。

また、光集積回路基板３２とファイバ固定部３６とがパッケージ３１に固定されるので、光集積回路型光デバイスが使用される環境温度が変化して、パッケージ３１の膨張や収縮に伴い、ファイバ固定部３６と支持部３７との相対的な位置が変動する。熱膨張係数の低いパッケージ材料を使用すれば、この位置変動を小さくすることができるが、パッケージは比較的高価になる。第１の実施形態では、撓み部３９において変換ファイバ３５が撓む（湾曲する）ことができるので、ファイバ固定部３６と支持部３７との相対的位置変動をある程度許容することができ、熱膨張係数の高い比較的廉価なパッケージ材料を用いることができる。また、パッケージ３１は、高い剛性（外力による歪みが小さい）を有する必要がなく、パッケージ３１の底面、側壁、蓋の肉厚を薄くすることができ、パッケージサイズの削減、低コスト化を図ることができる。

一般的に、クラッド径が５０μｍ以下に小さい光ファイバは、クラッド径が８０μｍや１２５μｍの光ファイバと比較して、同じ曲げ半径でも、曲げたときの反作用（曲げるのに要する力）が小さい。また、断面方向における最大引っ張り応力が小さくなるために、曲げにより破断する可能性は小さくなる。従って、変換ファイバ３５は、撓み部３９の長さが同じである前提において、撓み部３９においてクラッド径が８０μｍまたは１２５μｍである場合と比較して、湾曲による反作用で接続部品にかかる力は小さく、ファイバが破断する可能性も低い。言い換えれば、支持部３７にかかる力の許容値、ファイバの破断確率が同じであるならば、撓み部３９の長さを短くすることができる。すなわち、光ファイバ３４を光集積回路基板３２に接続するのに要する長さ（図３中のＬｃ）を短くすることができる。

撓み部３９の長さが２〜３ｍｍと短い場合、かつクラッド径が８０μｍまたは１２５μｍと大きい光ファイバを選択すると、支持部３７とファイバ固定部３６との相対的な位置変動に合わせて光ファイバは撓むことができる。しかし、撓み部３９での光ファイバの剛性は高く、その弾性力により、支持部３７にある程度の力が作用し、接続の信頼性を低下させる。一方、クラッド径が５０μｍ以下と細い変換ファイバ３５は、ファイバの弾性力は小さく、支持部３７にかかる力は小さくなる。撓み部３９においてクラッド径が小さく、光ファイバを湾曲されることが容易であるから、撓み部３９の長さが短くても、光ファイバのピッチを１１０μｍ以上から５０μｍ以下に変換することができる。

変換ファイバ３５は、先端付近の数ｍｍのみクラッド径が５０μｍ以下で、それ以外の部分は８０μｍまたは１２５μｍとなる光ファイバが必要となる。このような光ファイバは、光ファイバ３４の先端付近をフッ酸等によるエッチングにより加工する方法、または変換ファイバ３５となるクラッド径が小さい光ファイバを、光ファイバ３４に融着接続にする方法（第２の実施形態を参照）により作製することができる。なお、パッケージ３１の外部においても、光ファイバ３４のクラッド径を５０μｍ以下とすることも考えられるが、光ファイバの機械的強度が不十分で、破断する確率が高くなる。

第１の実施形態の光集積回路は、基板がシリコンからなり、クラッドが石英、コアがシリコンからなるシリコン光導波路を構成要素とし、光導波路のモードフィールド径は２μｍ以下である。光集積回路基板の端面の光入出力用光導波路にはスポットサイズ変換機能が付与され、光入出力用光導波路の端面でのモードフィールド径は、波長１．５５μｍにおいて１０μｍ程度に拡大される。光集積回路への光の入出力を行うための光ファイバのクラッド径は８０μｍまたは１２５μｍであり、光入出力用光導波路の端面では、互いの間隔（ピッチ）も５０μｍ以下と小さくできる。

第１の実施形態においては、光ファイバをパッケージに固定して、機械的信頼性を確保する場合でも、光集積回路においてピッチを拡大するための領域を不要とし、光ファイバと光集積回路基板との接続に要する長さＬｃを短くできることにより、パッケージサイズの小型化を図ることができる。さらに、廉価なパッケージ材料を使用することができるので、光集積回路型光デバイスの製造コストを下げることができる。光ファイバをパッケージに固定する部分において機密封止が必要となる場合でも、上記の効果を享受できることは明らかである。

第１の実施形態の図１においては、光ファイバの本数を４本としているが、本発明はこれに限らない。ファイバ固定部は、光ファイバをパッケージに固定する機能だけでなく、パッケージにより機密封止を行う場合には、光ファイバの周囲の隙間を無くし、空気の流動を防止する機能も持つ。第１の実施形態では、コアがシリコンからなるシリコン光導波路を構成要素とする光集積回路を用いたが、ＩｎＰやＧａＡｓ等の材料を用いた半導体光導波路を構成要素とする光集積回路を用いることもできる。

第１の実施形態では、光入出力用光導波路の間隔、およびファイバ固定部における光ファイバの間隔は等間隔としているが、これに限らない。例えば、光ファイバの間隔は等間隔であるが、複数本の光入出力用光導波路において、互いの間隔が３０μｍと４０μｍとなる配列を混在させることもできる。

［第２の実施形態］
図４（ａ）に、本発明の第２の実施形態にかかる光集積回路型光デバイスを示す。光集積回路型光デバイスは、パッケージ（筐体）４１内部に、光集積回路基板４２と電気回路基板４３とを収容し、光集積回路への光の入出力を行うための複数本の光ファイバ４４が光集積回路基板４２に接続されている。第１の実施形態と同様に、第２の実施形態においても、変換ファイバ４５、ファイバ固定部４６、および支持部４７を用いて、複数本の光ファイバ４４と光入出力用光導波路４８との低損失な接続を実現している。

光ファイバ４４は、クラッド径は７０μｍ以上（例えば、８０μｍまたは１２５μｍ）であり、コアとクラッドとの比屈折率差が０．５％以下の低Δの光ファイバである。光ファイバ４４は、波長１．５５μｍにおけるモードフィールド径（ＭＦＤ）が１０μｍ程度の通常のシングルモードファイバである。変換ファイバ４５は、ファイバ固定部４６から支持部４７に向かって、クラッド径は５０μｍ以下（例えば、３０μｍ）と細くなるように加工されている。光集積回路基板４２の入出力端付近の光入出力用光導波路４８には、スポットサイズ変換器（ＳＳＣ）が備えられ、変換ファイバ４５に対向した光導波路端でのモードフィールド径（ＭＦＤ）は、波長１．５５μｍにて５μｍ程度であり、第１の実施形態と比較すると小さくなっている。

一般的に、ＭＦＤを１０μｍ程度に拡大するスポットサイズ変換器と比較して、５μｍ程度までしか拡大しないスポットサイズ変換器は、構造が簡単であり、作製の負荷が小さい。すなわち、光集積回路の作製コストが小さい。変換ファイバ４５は、パッケージ４１の内部において、クラッド径は５０μｍ以下で、かつコアとクラッドとの比屈折率差が１．５％以上と高Δの光ファイバである。波長１．５５μｍにおいてシングルモードを維持するために、変換ファイバ４５は、コア径が５μｍ以下と小さく、ＭＦＤも５μｍ程度になっている。これにより、光入出力用光導波路４８との光結合効率を高くすることができる。言い換えれば、接続損失が小さい。

図４（ｂ）は、ファイバ固定部４６の内部の一部を拡大した図である。光ファイバ４４の被覆のない接続部分４４ａと高Δの細径ファイバである変換ファイバ４５の接続部分４５ａとが融着接続されている。接続部分４４ａと接続部分４５ａとを融着する際に、融着部分の近辺と接続部分４５ａとを加熱することにより、変換ファイバ４５のコアのドーパント（ゲルマニウム等）をクラッドの方へ拡散させることにより、コアを拡大し、スポットサイズ変換の機能を付与する。これにより、光ファイバ４４と変換ファイバ４５との間を低損失で光を伝搬させることができる。一般的に、融着接続した部分および加熱した部分は、熱により機械的強度が劣化する（曲げや引っ張りにより破断し易い）。そこで、これら部分をファイバ固定部４６に収容することにより、光ファイバの破断の発生を防止することができる。

ファイバ固定部４６と支持部４７との間の光ファイバの撓み部４９では、変換ファイバ４５が高Δであるため、光ファイバの曲げ半径が小さくても、曲げ損失は小さくなる。これにより、光ファイバのピッチの変換のために曲げ半径が小さくなっても、またはファイバ固定部４６と支持部４７との相対的な位置変動により、光ファイバが撓み、曲げ半径が小さくなっても、曲げ損失は小さくすることができる。

第２の実施形態の光集積回路は、光入出力用光導波路４８に設けられたスポットサイズ変換機能は、波長１．５５μｍにてＭＦＤを５μｍ程度しか拡大できないが、変換ファイバによって光ファイバのピッチの変換とモードフィールド径の変換が可能である。従って、光集積回路の作製工程は、比較的簡単となり、他の光回路の作製工程と共有することができるので、光集積回路の製造コストを抑えることができる。結果として、光集積回路型光デバイスの製造コストを下げることができる。

［第３の実施形態］
図５に、本発明の第３の実施形態にかかる光集積回路型光デバイスを示す。光集積回路型光デバイスは、パッケージ（筐体）５１内部に、光集積回路基板５２と電気回路基板５３とを収容し、光集積回路への光の入出力を行うための複数本の光ファイバ５４が光集積回路基板５２に接続されている。第１の実施形態と同様に、第３の実施形態においても、変換ファイバ５５、ファイバ固定部５６、および支持部５７を用いて、複数本の光ファイバ５４と光入出力用光導波路５８との低損失な接続を実現している。

光ファイバ５４は、クラッド径は７０μｍ以上（例えば、８０μｍまたは１２５μｍ）である。変換ファイバ５５は、ファイバ固定部５６から支持部５７に向かって、クラッド径は５０μｍ以下（例えば、３０μｍ）と細くなるように加工されている。変換ファイバ５５は、光ファイバ５４の先端付近を、フッ化水素水等を用いてエッチングすることにより作製している。

光ファイバのクラッド径は１２５μｍが一般的であるが、プリント基板上での光ファイバ配線には、クラッド径が８０μｍの光ファイバが用いられる。これは、同じ曲げ半径でも、破断する確率が低く、曲げるための反作用が小さい（剛性が低く）からである。このような光ファイバを取り扱うのは、光伝送システム装置の製造における作業者のみであるから、細くて破断し易くても製造上の問題点とはならない。変換ファイバ５５は、光ファイバ５４と一体的に形成されており、両者のつなぎ目が無い。これにより、両方の光ファイバの境界において、光の伝搬損失は殆ど発生しない。

第３の実施形態にかかる光集積回路型光デバイスには４本の光ファイバが接続されており、２本の光ファイバについては、パッケージの外部において、先端付近に光コネクタのフェルール６１が取り付けられている。第３の実施形態では、パッケージの外部の光ファイバおよび光コネクタも光集積回路型光デバイスの一部と見なし、光集積回路基板や電気回路を含むパッケージは、光集積回路型光デバイスの本体と見なす。

図６に、第３の実施形態にかかる光コネクタを示す。光コネクタのフェルール６１は、ジルコニア製の円筒形の部材から成るジルコニア部６２と、金属製のフランジ部６３とから構成されている。ここで、光ファイバ５４は、変換ファイバ５５と同様に高Δ（１．５％以上）の光ファイバであり、フェルール６１のジルコニア部６２においては、ＭＦＤが１０μｍ程度（波長１．５５μｍ）の低Δ（０．５％以下）の光ファイバとなっている。

光ファイバ５４は、被覆５４ａとともに、内径が０．２５ｍｍ程度以上のフランジ部６３に挿入され、フランジ部６３とジルコニア部６２の一部との間に充填された接着剤６４により固定されている。フランジ部６３の内部において、高Δの光ファイバのコア５４ｂと低Δの光ファイバのコア５４ｃとを融着接続している。この融着接続部５４ｄによりコアを拡大し、スポットサイズ変換の機能を付与する。融着接続部５４ｄをフェルール６１に収容することにより、融着接続部５４ｄを保護している。

なお、ファイバ固定部５６とフェルール６１との間に融着接続部を設け、融着接続部に被覆をコーティングする構成も考えられるが、光集積回路型光デバイスがプリント基板に実装された際、プリント基板上での光ファイバ配線のレイアウトにおいて、融着接続部が曲げによって破断する確率が高くなる。

本実施形態では、パッケージ５１からフェルール６１までの光ファイバ５４は、高Δであり、曲げ半径が小さくても、曲げ損失を小さくできるため、光集積回路型光デバイスをプリント基板に実装した際、プリント基板上での光ファイバの配線レイアウトにおいて、曲げ半径を小さくすることができる、言い換えれば、配線レイアウトの自由度が高くなる。

以上のように、（１）光集積回路基板５２の光入出力用光導波路５８と変換ファイバ５５との間、（２）変換ファイバ５５と光ファイバ５４との間、（３）光ファイバ５４と光コネクタを介して接続される伝送路の光ファイバとの間における相互の光の伝搬において、発生する損失を小さくすることができる。その結果、光集積回路の光入出力用光導波路と伝送路の光ファイバとの間での損失を小さくすることができる。

光集積回路型光デバイスに接続された４本の光ファイバのうち、残りの２本の光ファイバについては、先端にフェルールは取り付けられていない。これらの光ファイバは、別の光デバイスの高Δの光入出力用光ファイバに対して融着接続される。

第３の実施形態では、光コネクタのフェルールを例に説明したが、光レセプタのフェルール、光ファイバアレイ用の接続部品等を適用することもできる。

第３の実施形態によれば、光集積回路型光デバイスをプリント基板に実装し、光集積回路型光デバイスに付属する光ファイバをプリント基板上で配線する場合、配線レイアウトの曲げ半径を小さくすることができ、配線レイアウトの自由度が向上する。配線レイアウトの曲げ半径が比較的大きな場合、配線レイアウトと他の光デバイスの位置が重なり、そのデバイスの実装位置が制限される場合がある。

［第４の実施形態］
図７に、本発明の第４の実施形態にかかる光集積回路型光デバイスを示す。光集積回路型光デバイスは、パッケージ（筐体）７１内部に、光集積回路基板７２と電気回路基板７３とを収容し、光集積回路への光の入出力を行うための複数本の光ファイバ７４が光集積回路基板７２に接続されている。第１の実施形態と同様に、第４の実施形態においても、変換ファイバ７５、ファイバ固定部７６、および支持部７７を用いて、複数本の光ファイバ７４と光入出力用光導波路７８との低損失な接続を実現している。

一般的には、光集積回路基板７２は、平面形状が概ね四角形と見なせる。また、パッケージ７１の平面形状も概ね四角形であり、その四周囲には側壁がある。光集積回路基板７２において、光入出力用光導波路７８への光の入出力を行うための端面、すなわち支持部７７を接続する端面は４面存在し、上記四角形の一辺が１つの端面に相当する。同様に、パッケージの側壁も４面存在し、上記四角形の一辺が１つの側壁に相当する。第１〜３の実施形態においては、光集積回路基板の支持部が装着される端面は、４つの端面の内、ファイバ固定部が設けられたパッケージの側壁に近い端面にあった。

第４の実施形態では、支持部７７を接続する端面は、ファイバ固定部７６が設けられた側壁に近接しない端面、すなわち、ファイバ固定部７６の側壁に平行であるが、側壁から離れた位置の端面である。支持部７７は、この端面の隅、すなわち光集積回路基板７２の角（この端面と、この端面に直角の端面との交差点）に近い位置に配置される。一方、ファイバ固定部７６は、側壁の角に近い位置に配置される。支持部７７とファイバ固定部７６との相対位置関係は、光ファイバ７４の光軸に対して直角の方向にシフトして配置されている。図７を参照すると、支持部７７は紙面の下側、ファイバ固定部７６は紙面の上側にシフトした位置に配置されている。

このような構成により、ファイバ固定部７６と支持部７７との間の変換ファイバ７５は、Ｕ字またはＪ字を描くようにして配置される。第１〜３の実施形態の場合と比較して、光ファイバの曲げ半径を大きくすることができる。変換ファイバ７５は、クラッド径は５０μｍ以下と細く、高Δの光ファイバであるので、破断確率は比較的低く、曲げ損失は比較的小さく、曲げるための光ファイバの弾性力は比較的小さい。

変換ファイバ７５の配線レイアウトは、電気回路基板７３および光集積回路基板７２の上部を通過する。従って、光集積回路基板７２の占める空間と変換ファイバ７５の配線レイアウトの空間とを共有することになる。これにより、変換ファイバ７５の配線レイアウトを確保するために、パッケージ７１のサイズを増加させる必要がなくなる。また、光集積回路基板７２と、ファイバ固定部７６が設けられた側壁とを近接させることができる。第１〜３の実施形態の場合と比較して、変換ファイバ７５の撓み部を光集積回路上に配置することになり、光ファイバと光集積回路基板との接続に要する長さＬｃを短くすることができ、パッケージサイズを縮小することができる。

さらに、ファイバ固定部７６と支持部７７との間の変換ファイバ７５は比較的長いので、温度変動によるパッケージの収縮、膨張に伴うファイバ固定部７６と支持部７７との相対的な位置変動の許容値を大きくすることができ、廉価なパッケージ材料を使用することができる。また、パッケージに対する光集積回路基板の実装の位置誤差の許容値を大きくすることができ、光集積回路型光デバイス作製コストの削減に繋がる。なお、変換ファイバ７５は、被覆が無くクラッドが露出しているため、振動等によりファイバ同士が接触し擦れることにより光ファイバが破断することが懸念される場合は、硬化後でも比較的柔らかい樹脂を光ファイバに塗布するなどして、被覆をしておく。

［第５の実施形態］
図８に、本発明の第５の実施形態にかかる光集積回路型光デバイスを示す。光集積回路型光デバイスは、パッケージ（筐体）８１内部に、光集積回路基板８２と電気回路基板８３とを収容し、光集積回路への光の入出力を行うための複数本の光ファイバ８４が光集積回路基板８２に接続されている。第１の実施形態と同様に、第５の実施形態においても、変換ファイバ８５、ファイバ固定部８６、および支持部８７を用いて、複数本の光ファイバ８４と光入出力用光導波路８８との低損失な接続を実現している。

第４の実施形態と比較すると、支持部８７を接続する光集積回路基板８２の端面の位置が異なる。支持部８７が接続される端面は、ファイバ固定部８６が設けられた側壁に対して直交する端面である。光集積回路基板８２の光入出力用光導波路８８と、支持部８７に内挿された変換ファイバ８５の光軸の方向は、基板端面の長手方向（辺の方向）に対して１０°以上、具体的には４５°だけ傾き、光集積回路の表面に対して平行である。ファイバ固定部８６は、パッケージ８１の側壁に設けられ、支持部８７と離れた位置に配置される。ファイバ固定部８６と支持部８７との間の変換ファイバ８５は、Ｕ字またはＪ字を大きく曲げるようにして配置される。

変換ファイバ８５の配線レイアウトは、光集積回路基板８２の占める空間と共有することになる。これにより、変換ファイバ８５の配線レイアウトを確保するために、パッケージ８１のサイズを増加させる必要がなくなる。また、光集積回路基板８２と、ファイバ固定部８６が設けられた側壁とを近接させることができる。変換ファイバ８５の撓み部を光集積回路上に配置することになり、光ファイバと光集積回路基板との接続に要する長さＬｃを短くすることができ、パッケージサイズを縮小することができる。

光集積回路基板８２の光集積回路と電気回路基板８３との間には、電気配線（ワイヤボンディング）が施される。第５の実施形態では、この電気配線と変換ファイバ８５とが干渉しないように、配線レイアウトを設定することができる。また、変換ファイバ８５は、被覆が無くクラッドが露出しているため、第４の実施形態と同様に、振動等によりファイバ同士が接触し擦れることにより光ファイバが破断することが懸念される場合は、硬化後でも比較的柔らかい樹脂を光ファイバに塗布するなどして、被覆をしておく。

１１，２１，３１，４１，５１，７１，８１ パッケージ（筐体）
１２，２２，３２，４２，５２，７２，８２ 光集積回路基板
１３，２３，３３，４３，５３，７３，８３ 電気回路基板
１４，２４，３４，４４，５４，７４，８４ 光ファイバ
１５ 接続部品
１６，２６ ファイバアレイ部
１７ 変換部
１８，２８，３８，４８，５８，７８，８８ 光入出力用光導波路
２５，３５，４５，５５，７５，８５ 変換ファイバ
２７ レンズ
３６，４６，５６，７６，８６ ファイバ固定部
３７，４７，５７，７７，８７ 支持部
３９，４９，５９ 撓み部
６１ フェルール
６２ ジルコニア部
６３ フランジ部
６４ 接着剤

Claims (5)

1. 半導体光集積回路またはシリコンフォトニクス光集積回路が形成された光集積回路基板を収容するパッケージと、前記光集積回路への光の入出力を行うための複数本の光ファイバとを含む光集積回路型光デバイスにおいて、
   前記パッケージに固定され、前記複数本の光ファイバを所定のピッチで整列させて固定するファイバ固定部と、
   前記光集積回路基板の端面に固定され、前記複数本の光ファイバと前記光集積回路の光入出力用光導波路とを光学的に接続する支持部であって、前記支持部が接続されている前記光集積回路基板の端面は、前記ファイバ固定部が固定されている前記パッケージの側壁に平行であり、該側壁に近接しない端面であること、とを備え、
   前記複数本の光ファイバは、前記ファイバ固定部におけるクラッド径と前記支持部におけるクラッド径とが異なり、前記ファイバ固定部におけるピッチと前記支持部におけるピッチとが異なり、前記複数本の光ファイバは、前記光集積回路基板および前記側壁に近接しない端面と対向して収容された電気回路基板の上部に配置され、前記ファイバ固定部と前記支持部との間で撓むことを特徴とする光集積回路型光デバイス。
2. 前記複数本の光ファイバの各々は、コアとクラッドの比屈折率差が０．５％以下の光ファイバであり、前記ファイバ固定部から前記支持部までの間の比屈折率差が１．５％以上となるように加工されていることを特徴とする請求項１に記載の光集積回路型光デバイス。
3. 前記複数本の光ファイバの各々は、コアとクラッドの比屈折率差が１．５％以上の光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の光集積回路型光デバイス。
4. 前記複数本の光ファイバは、前記ファイバ固定部におけるクラッド径が７０μｍ以上でありピッチが１１０μｍ以上であり、前記支持部におけるクラッド径が５０μｍ以下でありピッチは５０μｍ以下であり、前記ファイバ固定部から前記支持部までの長さが２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光集積回路型光デバイス。
5. 前記ファイバ固定部が固定されている前記パッケージの側壁の位置と、前記支持部が接続されている前記側壁に近接しない端面における位置との相対位置関係は、前記ファイバ固定部における光軸に対して直角の方向にシフトして配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光集積回路型光デバイス。

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