(57)【要約】【課題】光軸調整を簡易にして位置合わせ精度を緩くし、低損失の接続ができる光結合デバイスを提供することを目的とするものである。【解決手段】スポットサイズの異なる光デバイス間を接続する光結合デバイスにおいて、下部クラッド２と、この下部クラッド２の上に形成され光の伝搬方向に形状がテーパ状に変化しているコア１と、下部クラッド２の上に形成されコア１を覆うように構成された上部クラッド３からなり、少なくとも入力または出力端面に集光手段６を設けた光結合デバイスであり、集光手段６によりより多くの光をコア１に入射させることができるため、結合効率を高くできる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スポットサイズの異なる光デバイス間を接続する光結合デバイスにおいて、下部クラッドと、この下部クラッド上に形成され光の伝搬方向に形状がテーパ状に変化しているコアと、前記下部クラッド上に形成され前記コアを覆うように構成された上部クラッドからなり、少なくとも入力または出力端面に集光手段を設けた光結合デバイス。
【請求項２】
集光手段の大きさを少なくともコアの入力または出力の断面積より大きくした請求項１に記載の光結合デバイス。
【請求項３】
集光手段を非球面レンズとした請求項１に記載の光結合デバイス。
【請求項４】
集光手段を回折型レンズとした請求項１に記載の光結合デバイス。
【請求項５】
コアを軟化温度５００℃以下のガラス材料とした請求項１に記載の光結合デバイス。
【請求項６】
テーパ状に変化しているコアを集光手段の端面から所定の間隔に設けた請求項１に記載の光結合デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光デバイスの光信号のスポットサイズを低損失で変換する光結合デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光結合デバイスとしては、図４に示すものがある。
【０００３】
図４は従来の光結合デバイスの構成を示す斜視図である。
【０００４】
ｎ型半導体基板としての下部クラッド２の上に光導波路のコア１を設け、半導体層としての上部クラッド３で覆ってある。コア１の形状は光の伝搬方向にテーパ状に変化しており、上部クラッド３はスポットサイズの大きい光導波路デバイスとの端面側近傍でコア１の直上付近における表面形状、形状、厚さをその光導波路デバイスのスポットサイズの形状に合わせるように設定する。例えば突起部を設ける。入射光４はテーパ状のコア１によりスポットサイズが変換された出射光５となる。
【０００５】
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。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−１５４３５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の光結合デバイスとの光接続においては、入力および出力側の光軸調整が必要となり、高コストになるという問題があった。
【０００８】
また、他の光デバイスとの接続においては、光損失が大きくなってしまうものであった。
【０００９】
そこで本発明は、これらの光軸調整を簡易にして位置合わせ精度を緩くし、低損失での接続ができる光結合デバイスを提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、以下の構成を有するものである。
【００１１】
本発明の請求項１に記載の発明は、スポットサイズの異なる光デバイス間を接続する光結合デバイスにおいて、下部クラッドと、この下部クラッド上に形成され光の伝搬方向に形状がテーパ状に変化しているコアと、前記下部クラッド上に形成され前記コアを覆うように構成された上部クラッドからなり、少なくとも入力または出力端面に集光手段を設けた光結合デバイスであり、集光手段によりより多くの光をコアに入射させることができるため、結合効率を高くできる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、集光手段の大きさを少なくともコアの入力または出力の断面積より大きくした請求項１に記載の光結合デバイスであり、広い範囲の光がコアに集光できる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、集光手段を非球面レンズとした請求項１に記載の光結合デバイスであり、集光手段によりより多くの光をコアに入射させることができるため、結合効率を高くできる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、集光手段を回折型レンズとした請求項１に記載の光結合デバイスであり、集光手段によりより多くの光をコアに入射させることができるため、結合効率を高くできる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、コアを軟化温度５００℃以下のガラス材料とした請求項１に記載の光結合デバイスであり、作製温度を低くできるため、低コスト化が図れる。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、テーパ状に変化しているコアを集光手段の端面から所定の間隔に設けた請求項１に記載の光結合デバイスであり、集光手段により集光した光をテーパ状に変化しているコアに入射させることができるため、さらに結合効率が高くできると共に光軸調整を容易にすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施の形態における光結合デバイスについて図を用いて説明する。
【００１８】
図１は本発明の光結合デバイスの側面における断面図、図２（ａ）〜（ｃ）は本発明の光結合デバイスの上面における断面図である。
【００１９】
下部クラッド２はＳｉＯ２からなるシリカガラスや各種ガラスである。ここで各種ガラスはアルカリ元素成分、アルカリ土類元素成分、または希土類元素成分の少なくとも一つの元素を含有するガラスである。あるいはフッ素クラウン系ガラスのように多種のアルカリ元素成分とフッ素などの成分を含むものである。
【００２０】
また、下部クラッド２の材料としてポリイミド系、エポキシ系、アクリル系などのポリマーなども考えられる。なお下部クラッド２の下部に基板（図示せず）を有する場合がある。この基板はＳｉや各種ガラスを用いて形成される。基板と下部クラッド２の熱膨張係数が異なる場合、熱応力を生じてクラックや剥離が発生することがあるため両者の熱膨張係数は近い方が望ましく等しいものが良い。なお基板がＳｉの場合、このＳｉを酸化させてＳｉＯ２を形成し、このＳｉＯ２を下部クラッド２とする場合もある。基板と下部クラッド２が同じ材料であっても良い。
【００２１】
コア１はＳｉＯ２からなるシリカガラスや各種ガラスを用いて形成され、下部クラッド２よりも僅かに屈折率が大きい材料で構成される。なおコア１の材料として、ポリイミド系、エポキシ系、アクリル系などのポリマーも考えられる。下部クラッド２を上記のポリマーで形成した場合、コア１も同系のポリマーを選択すると信頼性や密着性の観点から好ましい。また光の伝搬方向にテーパ状に変化するコア１の形状は直線的または関数的な曲線に変化する場合がある。
【００２２】
下部クラッド２の上にコア１を覆うように上部クラッド３を形成し、光結合デバイスを形成する。上部クラッド３の材料はＳｉＯ２からなるシリカガラスや各種ガラス、あるいはポリイミド系、エポキシ系、アクリル系などのポリマーが考えられる。また集光手段６として上部クラッド３およびコア１の端面に凸型または回折型などのレンズを形成する。
【００２３】
以上のように下部クラッド２、コア１、上部クラッド３の材料には各種ガラスやポリマーが考えられる。各種ガラスを用いると信頼性の観点等で好ましい。またポリマーを用いると低コスト化が図れ好ましい。なおＳｉＯ２からなるシリカガラス系の材料はその屈折率や熱膨張係数といった材料の物性値はシリカガラスの値によりほぼ決定されている。
【００２４】
近年、コア１の物性値を変える場合があるが、そのためにアルカリ元素成分、アルカリ土類元素成分、または希土類元素成分などの元素を含有する多成分ガラスなどの各種ガラスを用いて、光結合デバイスを形成することが提案されている。
【００２５】
多成分ガラスで光結合デバイスのコア１を形成するとガラス組成を適当に変化させることができ、屈折率、熱膨張係数、あるいはガラス転移温度といったガラスの物性値をより広い範囲で変化させることができる。
【００２６】
図２（ａ）に示すように、光結合デバイスの端面にコア１の断面積より大きい集光手段６としてレンズを形成する場合、例えば機械加工によって行う方法や熱プレスによる方法などがある。通常のＳｉＯ２からなるシリカガラスに熱を加えることにより軟化させて加工する場合には１８００℃以上の高温が必要になる。一方、コア１のガラスの軟化温度を低くすればガラスに熱を加えることにより軟化させて加工する場合に低い温度で加工することができる。さらにフッ素クラウンガラスなどのように軟化温度を５００℃以下にできるものもある。このようなガラスを用いることにより作製温度を下げることができ、低コスト化が図れる。
【００２７】
コア１のガラスは少なくともＳｉＯ２とＢ２Ｏ３とを含有し、ＮａＯ２またはＫ２Ｏを含むガラスであれば作製温度はＳｉＯ２からなるシリカガラスよりもかなり低くすることができる。フッ素を含有させるとさらに作製温度を下げることができ、軟化温度が５００℃以下のガラスにすることができる。なおコア１はポリイミドやアクリルなどの有機高分子を用いても良く、この場合も作製温度を下げることができる。
【００２８】
なお、コア１の断面は必ずしも矩形でなくて良く、台形などでも良い。またコア１は複数本形成しても良い。
【００２９】
上部クラッド３はコア１よりも僅かに屈折率が小さい材料である。上部クラッド３は下部クラッド２と同じ材料でも良い。コア１の屈折率は下部クラッド２の屈折率および上部クラッド３の屈折率よりも大きく、この屈折率の差によって光がコア１に閉じ込められ光伝搬が可能になる。
【００３０】
コア１の両端には光入力部の端面および光出力部の端面がある。光入力部の端面に集光手段６を備えることにより、広範囲の光が集光でき結合効率が高くできると共に光軸調整が簡素化できる。集光手段６に例えば光結合デバイスの光入力部の端面を加工して凸レンズなどの非球面レンズや回折レンズを形成すれば収差を小さくすることができる。
【００３１】
非球面レンズや回折レンズの形状を形成するには、例えば機械加工によって行なう方法や熱プレスによる方法などがある。また集光手段６を備える方法についてはレンズを形成する方法の他に例えば屈折率分布を形成する方法がある。屈折率分布を形成するにはイオン交換などの方法がある。
【００３２】
図２（ａ），（ｂ）に示すように、光入力部の端面は集光手段６を有するように凸レンズまたは回折レンズを備えている。この凸レンズはコア１の断面積より大きい。そしてコア１の光入力部の断面形状と光出力部の断面形状がそれぞれ異なることによって光結合デバイスの光入力部および光出力部でのそれぞれの光のスポットサイズを変化させることができる。すなわち光結合デバイスに接続されている光デバイスあるいは光通路などと適切な光のスポットサイズに合わせることができると共に広い範囲の間隔に対応できる。これによって光デバイスからの光信号を外部に出力するための光接続において光軸調整が簡易にでき、低コスト化が図れる。また図２（ｃ）に示すように、光結合デバイスの端面に集光手段６を設け、この集光手段６により集光した光を端面から所定の間隔にコア１を配置することにより、さらに結合効率を高めることができる。
【００３３】
次に、光結合デバイスの光入力部および光出力部の光のスポットサイズの変化について、図を用いて説明する。
【００３４】
図３は、本発明の光結合デバイススポットサイズを示す説明図である。図３（ａ）に示すように、光入力部の端面とその周辺のクラッドの部分をあわせて集光手段６として凸レンズを形成している。図３（ｂ）に示すように、光入力部の端面において、スポットサイズは凸レンズによって集光され、コア１に閉じ込められる。その際、スポットサイズの大きさが変化し、光出力部の端面で小さくなり、結果として出力部に接続される光デバイス（図示せず）のスポットサイズに変化して結合効率が高くなる。
【００３５】
コア１は光入力部と光出力部を結ぶ光通路の役割を果たすわけであるが、コア１において、その断面の形状は変化しないほうが好ましい。すなわち任意の２箇所の断面が互いに相似形状であると良い。例えば光入力部の断面と光出力部の断面と光通路の断面の形状はいずれも四角形であるようにすると良い。この場合設計が容易になるという観点でも好ましい。
【００３６】
設計例として、例えば光入力部の断面と光出力部の断面は断面積が４倍以上異なるようにすると、スポットサイズの変換もその断面積が４倍以上異なるようにでき、光入力部の断面積は３００μｍ２以上７００μｍ２以下、光出力部の断面積は５０μｍ２以上１２０μｍ２以下であるようにした例もある。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように本発明は、スポットサイズの異なる光デバイス間を接続する光結合デバイスにおいて、下部クラッドと、この下部クラッド上に形成され光の伝搬方向に形状がテーパ状に変化しているコアと、前記下部クラッド上に形成され前記コアを覆うように構成された上部クラッドからなり、少なくとも入力または出力端面に集光手段を設けた光結合デバイスであり、集光手段によりより多くの光をコアに入射させることができるため、結合効率を高くできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光結合デバイスの側面における断面図
【図２】（ａ）〜（ｃ）本発明の光結合デバイスの上面における断面図
【図３】（ａ），（ｂ）本発明の光結合デバイススポットサイズを示す説明図
【図４】従来の光結合デバイスの構成を示す斜視図
【符号の説明】
１  コア
２  下部クラッド
３  上部クラッド
４  入射光
５  出射光
６  集光手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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