(57)【要約】【課題】光導波路間、導波路と他の光学系間等の光結合素子において、高屈折率差光導波路への高効率なレーザ等の光の入出力を与える光結合素子を提供する。【解決手段】基板１上に形成されたコア２とクラッド３からなり、開口数ＮＡ1を与えるコアの端面を有する光導波路と、前記光導波路の光の導波方向と平行ではない光軸を有し、開口数ＮＡ2のレンズからなる光結合素子に、光導波路の開口数ＮＡ1を与える最大受光角度と前記開口数ＮＡ2を与える最大受光角度との和が、９０度以上であり、前記端面近傍に前記レンズの集光位置を有するようにレンズ６を配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に形成されたコアとクラッドを有し、開口数ＮＡ1を与える前記コアの端面を有する光導波路と、前記光導波路の光の導波方向と平行ではない光軸を有し、開口数ＮＡ2のレンズを有する光結合素子であって、
前記光導波路が、前記開口数ＮＡ1を与える最大受光角度と前記開口数ＮＡ2を与える最大受光角度との和が、９０度以上であり、前記端面近傍に前記レンズの集光位置を有するように前記レンズが配置されたことを特徴とする光結合素子。
【請求項２】
前記光導波路の導波方向に対し前記レンズの光軸が略直交することを特徴とする請求項１に記載の光結合素子。
【請求項３】
前記レンズが前記基板を下としたときに前記基板上に設けられた前記光導波路のクラッド上に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光結合素子。
【請求項４】
前記光導波路上で、前記レンズにより集光されるコアの端面近傍に光散乱体を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光結合素子。
【請求項５】
前記光導波路を形成するクラッドが、異なる屈折率を有する複数の部分から構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光結合素子。
【請求項６】
前記光導波路を形成するクラッドの屈折率の複数の部分のうちの少なくとも１つが、連続的に変化する材料から形成されていることを特徴とする請求項５に記載の光結合素子。
【請求項７】
前記光導波路と基板との間に反射領域を設けたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光結合素子。
【請求項８】
前記レンズを有する層の、前記光導波路に接する層又は反対層側に光電変換素子を設けたことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光結合素子。
【請求項９】
前記光導波路のコアが線欠陥構造であり、クラッドがフォトニック結晶配列からなるフォトニック結晶光導波路であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光結合素子。
【請求項１０】
光結合素子が、アレイ構造となることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の光結合素子。
【請求項１１】
光結合素子が、積層されたアレイ構造であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の光結合素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光結合素子に関し、特にコアとクラッドの屈折率差の大きい光導波路を有する高効率な光結合素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光導波路への光結合方式は様々な方式が提案されている。それらは、発光素子や受光素子と光導波路の結合、光導波路同士の結合など様々な場合がある。一般的には、光導波路の導波方向にこれら素子と導波路とを同一直線状に直接接続または媒体を介して接続させるよう配置する。
【０００３】
コアとクラッドからなる光導波路の光伝搬領域の大きさが同程度の光導波路では、光導波路同士のコアの中心軸を一致させ、直接接続しても低損失で結合が可能である。さらに低損失に接続するためには、結合部分を屈折率整合溶剤で満たすことで、直接接続による界面での散乱損失を低減したり、接続部分を融着することで界面での屈折率変化を無くす方法などが採られる。
【０００４】
しかしながら、これらの方法は光導波路のサイズがほぼ同じ光導波路でないと、それぞれの光導波路を伝搬する光のモード形状が異なるために、直接接続では散乱損失が増大してしまう。典型的な例として、ファブリペロー型半導体レーザは、光導波路となっている光活性層部分がサブミクロン幅と極めて薄いため、出射端面でのモード形状は大きく扁平な形状となる。この光を光ファイバへ結合するとき（光ファイバに入力するとき）、レーザ出射端面でのモード形状と光ファイバの伝搬モードの形状は大きく異なるため、直接端面を接続しただけでは結合効率が極めて低くなる。そこで、接続される光導波路同士のモード形状を変換する必要がある。
【０００５】
この変換のひとつの方法として、レンズによるモード変換方法があり、半導体レーザと光ファイバとの間にレンズを設けることで、モード形状を変形させ結合効率を高めることができる。この方式と同様に、光ファイバからの光を受光素子に結合させるときも、レンズを使って集光することにより、結合効率を高めることができる。
【０００６】
このように、出射端面でモード形状が異なると、素子間の光結合効率は大きく劣化してしまうために、モード変換構造が必要になる。
【０００７】
一方、コアとクラッドの屈折率差が大きい光導波路（高屈折率差光導波路）は、その曲率半径をミクロンオーダと小さくすることができ、そのため光配線集積度と配線自由度を劇的に向上させることができる。このような光配線技術を用いると、光集積デバイスを小型化できると期待されている。
【０００８】
しかしながら、この光導波路と、コアとクラッドの屈折率差が小さい従来の導波路（低屈折率差光導波路）とを接続する場合には、光屈折率の場合に比較してコアの断面積が数１０倍と異なるために、接続損失はきわめて大きいと予想される。
【０００９】
このような技術として、光導波路のコアの大きさを徐々に変化させて、モードフィールドサイズを変換して接続する発明が開示されている（例えば特許文献１）。
【００１０】
特許文献１では高屈折率差光導波路の先端を徐々に狭める逆テーパ構造にし、逆テーパ部分を低屈折率差光導波路に接続することで、導波モードのスポットサイズを変換する。この構造により、モード形状が大きく異なる低屈折率光導波路と、高屈折率光導波路を低損失で結合することができる（特許文献１の図１、第１の実施形態を参照）。
【特許文献１】特開２００４−１８４９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に開示された発明では、光ファイバを伝搬してきた光を高屈折率光導波路に結合するのに有効である。しかしながら、光源から出た光を高屈折率差光導波路へ結合する、または、高屈折率差光導波路からの光を受光素子へ結合するためには、段階的に光導波路構造を変化させる必要があり、複雑な光導波路の組合せを必要とする。
【００１２】
光ファイバを伝搬してきていない光、たとえば空間伝搬光を光導波路へ接続するには、直接光源からの光をレンズで絞り、光導波路とレンズの光軸をそろえて光導波路の端面に入力するのがよいと思われるが、サブミクロンのコア端面にレンズで光を集光するには正確な位置合わせが必要である。さらに、コア端面に光軸を一致させたレンズを形成することによりスポットサイズ変換器を集積させることも可能かとも考えられるが、導波路の端面に、このような構造を作成することは極めて困難である。
【００１３】
光軸を揃える必要のない光結合方式として、プリズムカップラーによる光結合方法なども低屈折率差光導波路では用いられている。しかしながら、高屈折率差光導波路では、そのコアサイズがサブミクロンであるために、プリズム形状もサイズに合わせて小さくする必要があり、この光導波路に光を結合させるのは極めて困難であるという問題もある。
【００１４】
そこで本発明は、上述した課題を解決するために、基板上に形成されたコアとクラッドからなり、開口数ＮＡ1を与えるコアの端面を有する光導波路が、開口数ＮＡ1を与える最大受光角度と開口数ＮＡ2を与える最大受光角度との和が、９０度以上であることにより開口数ＮＡ1を与えるコアの端面を有する光導波路と、光導波路の端面近傍にレンズの集光位置を有するようにレンズが配置された光結合素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、基板と、前記基板上に形成されたコアとクラッドを有し、開口数ＮＡ1を与える前記コアの端面を有する光導波路と、前記光導波路の光の導波方向と平行ではない光軸を有し、開口数ＮＡ2のレンズを有する光結合素子であって、前記光導波路が、前記開口数ＮＡ1を与える最大受光角度と前記開口数ＮＡ2を与える最大受光角度との和が、９０度以上であり、前記端面近傍に前記レンズの集光位置を有するように前記レンズが配置された光結合素子であることを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光結合素子において、前記光導波路の導波方向に対し前記レンズの光軸が略直交することを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の光結合素子において、前記レンズが前記基板を下としたときに前記基板上に設けられた前記光導波路のクラッド上に形成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の光結合素子において、前記光導波路上で、前記レンズにより集光されるコアの端面近傍に光散乱体を設けたことを特徴とする。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の光結合素子において、前記光導波路を形成するクラッドが、異なる屈折率を有する複数の部分から構成されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の光結合素子前記において、光導波路を形成するクラッドの屈折率の複数の部分のうちの少なくとも１つが、連続的に変化する材料から形成されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載の光結合素子において、前記光導波路と基板との間に反射領域を設けたことを特徴とする。
【００２２】
請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項に記載の光結合素子において、前記レンズを有する層の、前記光導波路に接する層又は反対層側に光電変換素子を設けたことを特徴とする。
【００２３】
請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の光結合素子において、前記光導波路のコアが線欠陥構造であり、クラッドがフォトニック結晶配列からなるフォトニック結晶光導波路であることを特徴とする。
【００２４】
請求項１０に記載の発明は、請求項１から９のいずれか１項に記載の光結合素子において、前記光結合素子が、アレイ構造となることを特徴とする。
【００２５】
請求項１１に記載の発明は、請求項１から１０のいずれか１項に記載の光結合素子において、前記光結合素子が、積層されたアレイ構造であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、基板上に形成されたコアとクラッドからなり、開口数ＮＡ1を与えるコアの端面を有する光導波路が、開口数ＮＡ1を与える最大受光角度と開口数ＮＡ2を与える最大受光角度との和が、９０度以上であることにより開口数ＮＡ1を与えるコアの端面を有する光導波路と、光導波路の端面近傍にレンズの集光位置を有するようにレンズが配置された光結合素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本実施形態は、上述した実情を考慮してなされたものであって、高屈折率差光導波路への高効率な光の入出力が可能な光結合素子を提供することを目的とする。
【００２８】
より具体的には、第１から第３の実施形態の課題は、高屈折率差光導波路の導波方向と、レンズの光軸が一致していない光学系において、レンズを適切に配置することにより、高効率に光結合ができる高屈折率差光導波路を与える光結合素子を提供することを目的とする。
【００２９】
第４から第７の実施形態の課題は、高屈折率差光導波路のコアまたはクラッドに簡単な構造を設けることで、より高効率な光結合素子を提供することを目的とする。
【００３０】
第８の本発明の実施形態は、光電変換素子と集積可能な光結合素子を提供することを目的とする。
【００３１】
第９の本発明の実施形態は、フォトニック結晶光導波路との光結合素子を提供することを目的とする。
【００３２】
第１０、１１の実施形態の課題は、光結合素子アレイ構造を提供することを目的とする
【００３３】
第１から３の課題は、高屈折率差光導波路に端面を形成し、その開口数とレンズの開口数を与える最大受光角の和が９０°以上となる屈折率差を与える光導波路と、レンズを配置することで解決される。
【００３４】
第４から７の課題は、高屈折率差光導波路に光散乱体を設けたり、複数の材料からなるクラッドを設けたり、連続的な屈折率変化を持たせたクラッドを設けたり、クラッドに反射領域を設けることで解決される。
【００３５】
第８の課題は、レンズに対して、光電変換素子を光導波路とは反対側に配置することで解決される。
【００３６】
第９の課題は、フォトニック結晶光導波路に端面を形成し、レンズの集光位置を端面付近にすることで解決される。
【００３７】
第１０、１１の課題は、光結合素子を平面配置または積層構造とすることで解決される。
【００３８】
以下、図面を参照して、本発明の光結合素子の実施形態を詳細に説明する。
【００３９】
［第１〜２実施形態］
第１、第２の実施形態の光結合素子について、図１、図２を参照しながら説明する。
【００４０】
図１は第１の実施形態を示す図であり、（ａ）は光結合素子の上面図であり、（ｂ）は光結合素子の側面図であり、（ｃ）は光結合素子の正面図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）の直線Ａ−Ｂでの断面図である。
【００４１】
（高屈折率差光導波路と比屈折率差）
図１（ｂ）に示す基板１上にコア２とクラッド３からなる光導波路４が形成され、コア２は端面５を持つ。コア２とクラッド３の屈折率差は、以下で述べるようなＮＡが極めて大きくなる屈折率差を採る導波路であることが特徴である。コア２とクラッド３の屈折率差の大きさを示す指数として、比屈折率差Δを用いる。コア２の屈折率をｎ1、クラッド３の屈折率をｎ2としたときに、比屈折率差Δ[％]は、Δ[％]＝[（ｎ12−ｎ22）/２ｎ12]×１００で定義される。
【００４２】
高屈折率差光導波路は、この比屈折率差が５％以上であることが好ましく、より好ましくは１０％以上の光導波路のことを指す。このような光導波路は、たとえばシリコンをコア２とし二酸化シリコンをクラッド３とした光導波路であれば、光通信帯赤外波長に対してシリコンの屈折率が３．５、二酸化シリコンの屈折率が１．４５であることから、比屈折率差が約４１％となり、極めて大きな値をとる。また、ニオブ酸リチウムのような光学結晶をコア２として、二酸化シリコンをクラッド３とした光導波路を形成するのであれば、ニオブ酸リチウムの屈折率を２．２、二酸化シリコンの屈折率を１．４５としたときには、比屈折率差が２８％となり、１０％以上の大きな値を持つ構成となる。
【００４３】
（高屈折率差光導波路の特徴：NAに関して）
一般的に、コア２の屈折率をｎ1、クラッド３の屈折率をｎ2としたときに、光導波路の開口数ＮＡ1は、NA1= sqrt(n12−n22)  （＝(n12−n22) 1/2）・・・（１）で定義できる。つまり、屈折率ｎ3から導波路に入力される場合の最大受光角θmaxにより開口数NA1は、NA1=ｎ3sinθmaxで定義されるが、この最大受光角θmaxで入力された光は、導波路内で進行していくためには、臨界角をθcとするとスネルの法則から、ｎ1sin（90°−θc）(=ｎ1cosθc)=ｎ2sin90°＝ｎ2（ここでｎ1およびｎ2は、それぞれコア２およびクラッド３の屈折率を表す。）となり、sinθc= sqrt(1−n22/ n12)が求まる。よって、光導波路の開口数NA1は、上記式から、NA1＝ｎ3sinθmax＝ｎ1sinθc  より、sinθcを代入するとNA1＝n1sqrt(1−n22/ n12) となり、上記の（１）式が得られる。
【００４４】
このように導波路の開口数はコア２とクラッド３の屈折率によって決定される値である。
【００４５】
ここで、一般的に用いられる光ファイバのような光導波路（低屈折率差光導波路）と、本発明の特徴である高屈折率差光導波路に対して、導波路から空気への光が放射された場合の開口数を考える。
【００４６】
低屈折率差導波路の代表的な光導波路として、石英系光導波路があるが、この導波路の開口数は、コアの屈折率を１．４５、クラッドの屈折率を１．４４としたときに、比屈折率差は約０．７％、開口数は約０．１７と、それぞれの定義式から算出できる。このとき、開口数から算出される最大受光角度は約１７°となり、ほぼ光の導波方向と平行に光が出射されていくことがわかる。
【００４７】
一方、高屈折率差光導波路としてシリコンをコアに持ち、二酸化シリコンをクラッドにもつ光導波路を考えると、コアの屈折率を１．５、クラッドの屈折率を１．４５とすれば、開口数は約３．２と極めて大きな値となる。また、コアをニオブ酸リチウムのような光学結晶（屈折率２．２）とし、クラッドを二酸化シリコン（屈折率１．４５）とした場合では、開口数は１．６５となる。
【００４８】
このように開口数が１以上となることは、光の最大受光角θ1が９０°以上の大きな放射角をもつことを意味する。つまり、光導波路を伝搬してきた光は、その導波方向と略垂直方向へ放射されることとなる。これは、端面での屈折率差が大きいために端面まできた光が端面で反射されて上部へ放射していると考えることもできる。
【００４９】
このような光導波路の導波方向（ｚ方向）と平行方向ではない方向に光軸を持つレンズ６が、レンズ層７に形成されている。レンズ層に形成されたレンズは開口数ＮＡ2を有するレンズが形成されている。この開口数ＮＡ2は最大受光角度をθ2としたときに、NA2=ｎ3 sin((2)で定義される値である。ここで、ｎ3は媒質の屈折率であり、図１では、光導波路がある側の媒質の屈折率である。なおレンズ層のレンズ以外の屈折率ｎ3とクラッドの屈折率ｎ2とは同じ値であるとして説明するが、異なる場合にはスネルの法則に従って、次式ｎ3sinθ2＝ｎ2sin（90°−θ1）（ただし、θ1およびθ2は図１参照。）で導かれる。
【００５０】
図１ではレンズ６の光軸は、光導波路の導波方向（ｚ方向）と垂直方向（ｘ方向）であるが、必ずしも図１に示したように垂直である必要はない。たとえば図２（ａ）に示すように傾いている構造であっても良く、本発明はレンズの光軸と導波路の導波方向とが平行でないことが特徴であるので、導波方向とレンズの光軸のなす角が０°よりもおおきな値であれば良い。しかしながら本発明の効果をいかすためには、７５°以上が好ましく９０°近傍であることがより好ましい。
【００５１】
図２（ａ）に示す例では、レンズ６の光軸が傾いている例を示したが、図２（ｂ）では、端面が９０°でない例を示す。光導波路のコアには端面５がｘ軸に対して角度を有するように形成されていて、図４ではその端面の形状が直角ではないことが特徴である。図４では角度をつけることで斜めにしている。
【００５２】
コアの端面５の形状が斜めであると、光はより多くレンズ側に出射させることができる。コア端面からの放射角度に対する光の放射量は、必ずしも垂直方向が最大とは限らないので、このような形状にすることによりコアを伝搬してきた光は端面で上部への放射量が大きくなる。
【００５３】
このような斜めの端面の構造は、光導波路のコアを形成するときのエッチングにより調整可能である。たとえば、リソグラフィーとドライエッチングにより、コアを形成するときに端面でのレジストの厚みを調整することにより、エッチング時のエッチング量の差が生じ、この差を利用して斜めの端面を製造するエッチングが可能となる。
【００５４】
また、ドライエッチング自体のエッチング条件を調整することにより側面を斜めに形成することができる技術を応用することにより、斜めの端面を形成することも可能である。また、端面だけを露出して他の部分を保護し、異方性のウェットエッチングすると、斜めの端面を形成することができる。
【００５５】
本発明の光結合素子に使用されるレンズの形状は球面両凸レンズが主であるが、平凸レンズ、凸メニスカスレンズ、場合によっては凹レンズでも良く、さらに、非球面レンズであってもよい。また、フォトニック結晶のスーパーレンズ効果を利用した多重反射によるレンズ効果（集光または発散する性能）をもつ素子でも良く、用途に応じたレンズを用いることができる。ただし、このときのＮＡ2は、屈折光学系に換算した開口数とする。
【００５６】
ここで、高屈折率差光導波路のＮＡが極めて大きいことから、光導波路のＮＡを与える最大受光角θ1と、レンズのＮＡを与える最大受光角θ2との間に、下記式θ1> 90°−θ2・・・（１）が成立する光結合素子を構成することも可能である。通常の低屈折率光導波路であれば、式（１）が成り立つ受光角を与えることができないために、レンズの光軸と光導波路の中心軸をほぼ平行にする必要があったが、高屈折率差光導波路であれば、レンズの集光位置が光導波路の端面近傍であれば、本発明のような構造にすることで、光導波路を伝搬してきた光を受光することが可能である。またこれとは逆に、レンズで集光した光を光導波路に結合させることも可能である。
【００５７】
例えば、レンズ６として開口数ＮＡが０．２５であるレンズを用いると、その最大受光角は１４．５°となるので、導波路のＮＡを与える最大受光角は７５．５度以上であれば、レンズにより光を受光することが可能である。これは光の導波方向（光の進行方向）に対して、レンズを略垂直に配置した場合であり、レンズの光軸がコアのない方向に傾いていれば導波路の角度はその分減少する。
【００５８】
このような最大受光角を与える光導波路は、例えば、屈折率３．５のシリコンをコアとしたときに、クラッドの屈折率を３．３６とすることで、最大受光角を７５°以上にすることが可能である。また、コアの屈折率が２．０としたときには、クラッドの屈折率を１．７５以下にすることで、端面を形成しただけで直角方向への光放射を受光することができる。レンズの開口数ＮＡが大きければ、導波路からの光をより多く受光することが可能となるので、レンズの開口数ＮＡは大きいことが好ましい。この構造では、光の入力と出力との配置の関係は可逆的であることから、レンズ側から導波路へ光を結合する構成とすることも可能である。
【００５９】
本実施形態は、高屈折率差光導波路に特有の光放射を利用した光結合素子である。このため通常の低屈折率差光導波路では、光の導波方向と垂直方向に光を放射するためには、導波路自体に複雑な構造付加が必要であった。これに対し本発明の光結合素子に使用される高屈折率差導波路は、端面を形成しただけで導波方向と垂直方向への光放射を実現可能としている。さらに、本発明のこのような構成を採用することによって、より多くの光を結合させることが可能となる。
【００６０】
［第３実施形態］
本実施形態の光結合素子の第３の実施形態における構成例を図３に示す。図３は図１（ｂ）と同様、側面図を示す。その他の上面図および正面図はそれぞれ図１（ａ）および（ｃ）と同様であるので省略した。また図１と同じ要素は、同じ番号（符番）を付している。これは他の実施形態も同様である。
【００６１】
基板１上にコア２とクラッド３からなる高屈折率差光導波路４が形成されている。コア２には端面５が形成されており、光導波路はこの端面が終端または始まり（開始端）となっている。またクラッド３上にレンズ６が形成され、このレンズ６の集光位置がコア２の端面５上あるいは近傍にあるように、レンズ６の屈折率とクラッド３の膜厚が調整されている。図３では、レンズ６が形成されている部分を媒質７で埋めることにより、レンズ層としている。レンズ層は、クラッドと接しているレンズ以外の部分がレンズよりも屈折率の小さい媒質で構成されていれば良い。たとえばレンズ以外のレンズ層は、最も屈折率の低い空気層を採ることができ、これはレンズが空気に露出している構造であると言い換えることができる。
【００６２】
クラッドの膜厚は成膜条件を調節することで比較的容易に調整可能であり、また成膜はナノメータサイズで膜厚の調整可能であり、高精度に膜厚規制したクラッドを構成可能である。さらに、クラッド３上へのレンズ６は、レンズ材質を成膜した後に、リソグラフィーとドライエッチングにより形成する方法を採用することができる。また、インクジェットを用い媒質を印刷して、レンズ形状にすることも可能である。本実施形態では、図１に示す構造と比較して、より形成するのが容易である。
【００６３】
［第４実施形態］
第４実施形態の光結合素子について、その構成例を図４に示す。図４は前記実施形態と同様に側面図を示す。またその他は第３実施形態と同様に、図１の上面図および正面図と同様であるので、説明を省略する。
【００６４】
基板上１に光導波路２が形成され、レンズ６が構成されているレンズ層を設けてある。光導波路のコア２は端面５を有し、レンズの集光位置をコア端面５上またはその近傍に設置する。ここで、端面５近傍は、端面のみでなく、レンズにより集光されたビームスポットサイズ内にコアの端面が含まれる領域の端面以外の領域も指す意味である。
【００６５】
このコア端面近傍に、光を散乱させる光散乱体８を形成する。この光散乱体により、コアとクラッド界面での全反射により導波路内に閉じ込められている光をコア外のレンズ側に放射させたり、あるいはレンズ側から導波路内に光を入射させることができる。このような構造を形成することで、レンズへの光の結合効率あるいはレンズ側から導波路への光の結合効率を向上させることができる。
【００６６】
光散乱体はコア上にパターニングで形成した構造であっても良いし、シリカ球などの散乱物質を散布しても良く、さらに、フォトニック結晶パターンを形成して上部への光取り出し効率を高めたり、またはその反対にレンズから導波路への光抽入効率を高める方法でも良く、さらに、クラッドに構造体を形成した構造でも良い。
【００６７】
［第５実施形態］
第５実施形態の光結合素子について、図５を用いて説明する。
【００６８】
基板１上に光導波路層２が形成され、その上にレンズ６が形成されているレンズ層が配置されている。光導波路はコア４と、下部クラッド９と、上部クラッド１０から形成されている。コア４には端面５があり、端面５は上部クラッド１０で覆われている。下部クラッド９は、上部クラッド１０を基準にしてレンズ６が形成されている面と反対側に形成されている。上部クラッド１０と下部クラッド９は、コア２の屈折率よりも低い材料であり、これら２つのクラッドは屈折率の異なる材料から形成されている。
【００６９】
このようにクラッド４に屈折率差を設けることで、端面５から放射された光とレンズ６との結合効率を高めることが可能である。つまり、端面５から放射された光で、レンズ６と反対側の方向に出射する光は、上部クラッド１０と下部クラッド９との間に屈折率差があるので、これら２つのクラッド界面で反射されて上部クラッドからレンズ側へ放射されることになる。このような界面を形成することにより、上部への放射効率を増加させ、レンズ６への光結合効率が増大する。
【００７０】
このような形状（層構成）は、成膜材料を変えることで製作可能である。つまり、光導波路を形成するには、成膜装置により下部クラッド層９を形成し、コア層２を形成してリソグラフィーによりパターニングする。そのあと、異なる材料により上部クラッド１０を層状に形成することで製作できる。異なる材料を成膜することは、スパッタリング装置などにより、スパッタなどを行って得られる。同じ材料でも、ドーピングして屈折率を調整することができ、これもクラッド部分の成膜を調整することで可能となる。
【００７１】
［第６実施形態］
本発明の光結合素子の第６実施形態について、その構成例を図６に示す。
【００７２】
図５と同様に上部クラッド１０と下部クラッド９が形成され、コア３を覆っている。この２つの上部または下部クラッドの少なくともどちらか（すなわち、上部あるいは下部もしくは、これら両方）の屈折率が連続的に変化していることを特徴としている。図６では、このうち下部クラッドが徐々に屈折率が低くなっている場合を示した構成とした例により説明する。このような構造にすることで、光はレンズ側へ反射され、レンズでの光結合効率を増大させることができる。
【００７３】
このような屈折率が連続的に変化する層は、屈折率分布光導波路と同様な方法で形成することができる。例えば、ガラスやプラスチック層を基板上に設け、屈折率を変化させるドーパントを選択拡散させたり、また、紫外線により屈折率変化を起こすことが可能な材料を基板上に形成し、紫外線の照射量と照射時間を調整することにより、連続的に屈折率を変化させた下部クラッド層（上部クラッド）を形成することによって屈折率を連続的に変化させて形成することができる。
【００７４】
［第７実施形態］
本発明の光結合素子の第７実施形態について、その構成例を図７に示す。
【００７５】
図７（ａ）に示す構成例では、基板１と、コア２とクラッド３からなる光導波路層４との間に光反射層１１が形成されている。光導波路層４を基準にして基板と反対側の面側にレンズが形成されているレンズ層１２を設けてある。光導波路のコア２には端面５が形成され、光導波路から放射される光や端面に入射される光は、大きなＮＡのためにレンズの光軸が導波路の導波方向と垂直方向であっても、光と結合することができる。
【００７６】
このような構造であると、端面で放射された光は、レンズと反対側へも放射される。このため、光反射層１１をレンズ層と反対側に形成してレンズと反対側へ散乱した光を、レンズ側へ反射させる構造とし、この構造を採用することによって、反射された光が再びレンズへ結合させることができるので、光結合効率を増大させることができる。図７（ａ）で示す例では反射層はコア２から離れた位置に構成されているが、コア２に近接した位置であっても良く、さらに、光導波路全面に構成されずに、端面付近に光反射するエリア（光反射部）を設ければ良い。
【００７７】
図７（ａ）では、光反射層１１は基板とレンズ層との間に形成されている例を示している。本実施形態では、レンズ層７と光反射層１１が光導波路層４を挟んで構成されていれば良く、基板１の位置はレンズ形成層７側にあっても良い。図７（ｂ）では、図７（ａ）において、光導波路４がコア２と、屈折率が異なる下部クラッド９と上部クラッド１０から形成されている実施形態５に例示されているような非対称クラッド構造である構成例を採用している。この構成による誘電体との界面での反射を組み合わせて、レンズ層７と反対側の光散乱を抑え、光導波路との結合を増大させることができる。
【００７８】
本実施形態で採用されている光反射層（光反射部）１１は、金属、多層膜、フォトニック結晶構造などから選択することができ、光導波路を伝搬する光の波長に対して高い反射率を持つ反射層であれば良い。
【００７９】
［第８実施形態］
本発明の光結合素子の第８実施形態について、その例を図８に示す。
【００８０】
図８（ａ）に示す構成例では、基板１上に光導波路４が形成され、その上にレンズ６が形成されたレンズ層７が形成されている。このレンズ層７を挟んで光導波路層４と反対側に、光電変換層１４が形成されている。この光電変換層１４には光電変換素子１３が形成されている。光電変換素子１３は、光を電気信号に変換する素子であり、発光素子または受光素子のことを指す。発光素子としては、レーザダイオード、ＬＥＤ（light emitting diode）、ＶＣＳＥＬ（vertical cavity surface emitting laser）などの素子で、また、受光素子としては、ＰＤ(Photo detector)やＡＰＤ(avalanche photo diode)やＣＣＤ(charge coupled device)といった素子である。これらの素子は無機材料や有機材料で構成され、半導体構造を形成している。
【００８１】
このような構成により、光導波路から出た光信号を電気信号に変換する、またはその逆の動作を行う素子を一体化することができる。
【００８２】
また、図８（ｂ）のように基板に半導体材料を用いて、その部分に光電変換素子を形成しておき、レンズ層、光導波路層と積層することで、光電変換素子と光導波路の集積化が可能となる。半導体基板を用いれば、電子回路との接続（結合）も可能であり、集積回路同士の光インターコネクションに、このような構造を用いることができ、簡単な構造で高効率な光結合素子が構成可能である。
【００８３】
［第９実施形態］
本発明の第９実施形態について、その例を図９に示す。
【００８４】
図９（ａ）は側面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線上の横方向断面図である。
【００８５】
図９（ａ）は、図１（ｂ）の側面図と同じ構成をしているが、直線Ｃ−Ｃでの断面図を表している図９（ａ）で示されるように、光導波路にスラブ型のフォトニック結晶線欠陥光導波路を用いている。この導波路は、薄膜１５上に円孔で構成されるフォトニック結晶配列部１４を形成し、光が伝搬する部分はフォトニック結晶配列が存在しない線欠陥１５で構成された構造となっている。つまり、コア２が線欠陥部分１７で、クラッドがフォトニック結晶配列１６となっている導波路である。なお導波路層のコア２の端部まではフォトニック結晶配列部１４がコアを取り囲むように少なくとも構成されているまたクラッドを構成する部分の残りの部分はフォトニック結晶配列部１４で構成されていてもよく、前記した実施形態のクラッド層と同様の構成であってもよい。
【００８６】
フォトニック結晶とは光の周波数程度の誘電体周期構造を人工的に形成した結晶であり、光子に対するバンド構造が形成され、フォトニックバンドギャップと呼ばれる光の透過特性を抑制することができる。
【００８７】
図９では、このフォトニック結晶１６の強力な光閉じ込め効果を光導波路のクラッド３として用いることで、大きな屈折率差を有する光導波路と同等の効果を出現させることができる。光導波路としては、コア２を３次元的に光閉じ込め構造や上下の閉じ込めを全反射で実現する擬似３次元的な閉じ込めが可能となる。図９では、後者の擬似３次元的な光閉じ込めを実現する構造である。
【００８８】
このフォトニック結晶導波路は、屈折率差が大きく違う層を３層積層し、コア２が形成される層にフォトニック結晶が形成されているので、上下閉じ込めは高屈折率差光導波路と同じ構造を用いている。また端面５を形成し、その部分が集光位置とするレンズ６を形成することで、これまでの記述と同様な効果を得ることができる。つまり、光導波路のＮＡはこれまでの光導波路と同様に大きな値が得られるので、このNAを与える角度と、レンズのNAが与える角度の和が９０°以上となることで、高効率な光結合の達成が可能である。
【００８９】
［第１０実施形態］
（光結合素子アレイ構造）
本発明の光結合素子（アレイ構造）の第１０実施形態について、その例を図１０に示す。図１０（ａ）は上面図を示し、（ｂ）は側面図を示す。
【００９０】
レンズ層７にはレンズ６群が、光導波路層４上に形成されている。光導波路層にはコア２とクラッド３からなる光導波路４が形成されていて、端面５を複数有している。光導波路４のコア２は、同一平面上に形成されており、クラッド２は共通材質（同一材質）でできている。レンズ６の集光位置がコアの端面５の近傍となるようにレンズを形成し、それぞれのレンズ６が結合するように（換言すればレンズ結合部位を有して）配置されている。ここでは、レンズ６が密集しているのに対して、光導波路の端面５を各レンズの集光位置に配置している構造としている。
【００９１】
このような構造にすることで、各光導波路を伝送してきた光が一箇所に集中して出力される光結合素子の組を複数有する構造が形成可能となる。また、光のビーム半径を広げることで、光導波路へ入力することも同時に可能となる。さらに、光導波路は高屈折率差光導波路であるので、ミクロンオーダの曲率半径を有することが可能であるから、高密度にレンズを集積しても、自由な光結合素子配線を形成可能である。また、強力な光閉じ込めが可能であるため、それぞれの光導波路をコアの１０倍程度の幅で離しておけば、相互作用せずに光を結合させることができる。
【００９２】
たとえば、比屈折率差２０％程度の光導波路であれば、そのコア断面の大きさは、シングルモード動作であると、一辺が１μｍ程度のサイズとなる。マイクロレンズ６でレンズを構成したときのレンズ半径を１０μｍで集積化しても相互作用しない十分な距離に離間させて配置することが可能である。なお本実施形態において、複数の導波路構造を有するアレイ構造では、導波路のクラッド部がコア２部の上部１０と下部９との屈折率が実施形態５または６のように異なっていたり、また、導波路と基板との間に反射層（反射部）が設けられている実施形態７に示す構成を有していてもよく、またレンズ層７（のレンズ６）が第３実施形態の構成を採用してもよい。
【００９３】
また、第８実施形態と同様に、導波路４とレンズ６と光電変換部（受光素子または発光素子とレンズと導波路）の組、さらに反射部と導波路とレンズと光電変換部とを有する組、導波路とレンズの組の中から選択される少なくとも１つの組を１種または２種以上組み合わせたアレイ構造としたり、これらの導波路４を実施形態４〜６または９のいずれかを選択してアレイ構造とすることもできる。
【００９４】
さらにたとえばレンズ層７を実施形態９に示す導波路で採用したフォトニック結晶を用いてレンズを形成するようにすることもできる。
【００９５】
［第１１実施形態］
第１１実施形態の光結合素子（アレイ構造）について、その例を図１１（ａ）〜（ｂ）に示す。
【００９６】
図１１(ａ)に示すように、基板１上に層状に複数の光導波路３−１、３−２、３−３・・・が形成され、その上部にレンズ６が形成されているレンズ層７を設けてある。ここでは、代表的に積層されている光導波路の層数が３層であるが、層数は２層以上であればよく、レンズ層数は制限されない。それぞれの導波路層に形成されている光導波路のコアには端面５−１、５−２、５−３・・・が形成されており、その各端面にレンズの集光位置があるように、対応する各レンズ６１、６２、６３、・・・をそれぞれ配置している。
【００９７】
厚さ方向の幅は、高屈折率差光導波路であると１μｍ程度であるので、３層程度であれば、レンズの形状がほぼ同じでも集光点の位置ズレはカバーできる。また、より光結合効率を増大させるには、レンズの焦点距離が同じであると集光効率が低下するので、レンズの焦点位置を、レンズの曲率半径や屈折率を調整することで焦点位置を調整することにより、高効率で光を結合できる。
【００９８】
また、図１１（ｂ）のように同じレンズ６−１の位置を調整して、焦点位置を合わせる構成とすることもできる。この図２示す構成のアレイ構造の製造方法は、コア２とクラッド３を基板上に形成した後にレンズ６−１を形成し、クラッド材料で埋めこみ再びコアを形成しクラッド材料で埋め込むというプロセスを繰り返えして階段状に形成することで積層構造を形成可能である。
【００９９】
さらに、深さ方向の結合効率を増大させるために図のようにカップリングレンズ６−２を組み合わせた構造であっても良い。図１１（ｂ）のような構造であれば、レンズ６−１とカップリングレンズ６−２間の光を平行光とすることができるので、結合効率を増加させることができる。
【０１００】
なお本実施形態のアレイ構造でも、導波路を構成するクラッド層を異なる屈折率の上部と下部に構成した第５実施形態のような構成にしたり、このような上部と下部の少なくとも１つを連続の屈折率となる第６実施形態のような構成にしたり、各コアの端部５−１、５−２、・・・の少なくとも１つの終端近傍に光散乱部８を設けた第４実施形態のような構成にしたり、基板と第１の導波路層の間、あるいは各導波路層の間の少なくとも光軸との交差する部分を含むエリアに光反射部を設ける第７実施形態のような構成にしたり、レンズ層７の上に光電変換層を形成する第８実施形態のような構成にできる。
【０１０１】
さらに、導波路層の少なくとも１つを第９実施形態のような構成にしたり、適宜、構成することも本発明の光結合素子アレイ構造は構成することができる。なおこれらの構造は、前記したあるいは後述する製造方法により製造することができる。
【０１０２】
（製造方法）
以下に製造方法の一例を示す。ここでは、図１の構造の製作方法を示す。
【０１０３】
まず、基板を用意する。基板としては、石英ガラス、シリコンなどの表面が平坦な基板を用意する。基板はニオブ酸リチウムのような光学結晶でもよく、ＰＬＺＴ｛（Pb,La）（Zr,Ti）O3｝のようなセラミックスでも良い。
【０１０４】
次に、このような基板上に光導波路を形成するにあたり、まず、基板上にクラッド材料を成膜する。この成膜には蒸着、スパッタリング、ＰＶＤ、ＣＶＤなどの行うことのできる成膜装置を用いて、ガラス（SiO2）などを形成する。
【０１０５】
クラッドを形成した後にコアを形成する。コアとなる材料をクラッドと同様な方法で成膜する方法を採用するか、またはクラッドを形成した基板を研磨等により平坦化してコア材料基板を接合し、研磨などにより薄膜化する方法も採用することができる。さらに、イオンを注入して加熱し注入界面から剥離する方法を取ることもできる。これらの方法により、サブミクロンから数ミクロンの厚みをもつコア層が形成される。
【０１０６】
この薄膜上へ、リソグラフィーとエッチングによってコアパターンを形成する。リソグラフィーには、フォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー、レーザ光リソグラフィーなどの方法を採用することができる。さらにナノインプリント技術を用いることも可能である。高屈折率差光導波路のコアのサイズは、伝搬させる光の波長程度でよいので、１ミクロン前後の大きさとなり、これらのリソグラフィーを用いることでパターニング可能である。
【０１０７】
コア形成後、形成されたコアパターンを覆うようにクラッド材料を再び成膜し成膜された基板を平坦化してから、レンズ層を形成する。レンズ層はレンズの材料となる層を形成した後に、リソグラフィーとエッチングによりレンズ部分を形成する。このとき、コア端面とレンズの位置合わせも同時に行う。位置合わせは１００ｎｍから数ミクロン程度の位置精度であるが、これは、パターニング技術で十分に実現可能な精度である。
【０１０８】
最終的にはレンズを埋め込むことにより光結合素子構造が完成する。レンズの形成には、溶剤をインクジェット技術により塗布することで、マイクロレンズとする方法も用いることができる。その他、光拡散素子、反射部（反射層）などは前記したようにして形成し、パターン化して形成することができる。
【０１０９】
本実施形態によれば、光軸上にない高屈折率差光導波路とレンズの光学系において、高屈折率差光導波路とレンズを配置することにより、従来の光導波路では不可能であった方向への光結合を実現できる光結合素子を提供できる。レンズをコアの上面に形成することで、より簡便に光結合素子を形成することができる。さらに、光導波路のコアまたはクラッドに光散乱体を設けることで、結合効率を向上させることができる。クラッドを複数の材料で形成したり、屈折率を連続的に変化させたり、さらに反射領域を設けることによって、レンズとは反対側にもれた光をレンズへ結合させることができる。また、光電変換素子を集積化することにより、素子の高機能化を実現することができる。アレイ化することにより、複数の光信号を一度に検出できたり、ビームスポットのサイズを広げた光を一度に複数の光導波路へ結合させることが可能となるなどの効果をもつ。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
この技術を用いることで、素子の小型化を実現することができ、レーザプリンター用の光書き込み構造、光ディスク用の光ピックアップ、光伝送用の光集積回路などに応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】本実施形態の高屈折率差光結合素子の構成を示す図であり、(ａ)は上面図であり、（ｂ）はコアを含む面での断面構成を示す側面断面図（正面図）であり、（ｃ）は（ｂ）の光軸を含む線の前面断面図である。
【図２】本実施形態の光結合素子の構成を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図（正面図）であり、(ａ)は光軸と導波路の導波方向とが平行でない場合を示し、（ｂ）は導波路の端面が９０°でない場合を示す光結合素子の構成を示す側面断面図である。
【図３】本実施形態の光結合素子の構成を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図（正面図）であり、レンズを被覆する材料が低い屈折率のものであってもよい場合の光結合素子を示す側面断面図である。
【図４】本実施形態の光結合素子の構成を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図（正面図）であり、コア端面に光散乱体を有する場合の光結合素子の側面断面図である。
【図５】本実施形態の光結合素子の構成を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図（正面図）であり、下部クラッドが低屈折率の場合の光結合素子の側面断面図である。
【図６】本実施形態の光結合素子の構成を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図（正面図）であり、導波路を構成するクラッドの上部クラッド又は下部クラッドの屈折率が連続的に変化する場合の光結合素子の側面断面図である。
【図７】本実施形態の光結合素子の構成を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図（正面図）であり、基板に光反射層（または光反射部）が設置された層構成を含む場合の光結合素子の側面断面図である。
【図８】本実施形態の光結合素子の構成を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図（正面図）であり、光電変換素子が設置された層構成を含む場合の光結合素子の断面図である。
【図９】(ａ)は本実施形態の光結合素子の構成を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図（正面図）であり、フォトニック結晶で光閉じ込め効果を利用した結合素子の断面図であり、（ｂ）は(ａ)のＣ−Ｃ線で横方向に切断したコアを含む部分の横断面図である。
【図１０】本実施形態の高屈折率差光結合素子のアレイ構造の構成例を示す図であり、(ａ)は上面図であり、（ｂ）は本発明の光結合素子アレイ構造の構成を示すコアを含む面での断面構成を示す、レンズ群を形成した結合素子の側面断面図である。
【図１１】本実施形態の高屈折率差光結合素子のアレイ構造（レンズ群と複数の光導波路を設置した結合素子アレイ構造）の断面図であり、(ａ)はその一例を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図（正面図）であり、（ｂ）は他の一例を示すコアを含む面での断面構成を示す側面断面図（正面図）である。
【符号の説明】
【０１１２】
１    基板
２    コア
３    クラッド
４、４−１、４−２、４−３    光導波路層
５、５−１、５−２、５−３    端面
６、６１、６２、６３    レンズ
６−２    カップリングレンズ
７    レンズ層
８    光散乱体
９    下部クラッド
１０    上部クラッド
１１    光反射層
１２    光電変換素子
１３    光電変換層
１４    フォトニック結晶配列部
１５    線欠陥
【図１】
2008032931.tif 000003
【図２】
2008032931.tif 000004
【図３】
2008032931.tif 000005
【図４】
2008032931.tif 000006
【図５】
2008032931.tif 000007
【図６】
2008032931.tif 000008
【図７】
2008032931.tif 000009
【図８】
2008032931.tif 000010
【図９】
2008032931.tif 000011
【図１０】
2008032931.tif 000012
【図１１】
2008032931.tif 000013