(57)【要約】【課題】光ファイバとの位置合わせが容易であり、かつ、従来の技術と同等の結合効率を有する光結合器を得る。【解決手段】光ファイバからの出射光を出力用光導波路１８へと結合する光結合器１０であって、出射光を受光する受光部１３と、受光部からの光を前記出力用光導波路へ結合するための合波部１６とを備え、受光部は、互いに等しい構造を有する直線状の複数のグレーティング１４，１４，・・・を、等間隔で互いに平行に並列してなる。【選択図】図１
2009157009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバからの出射光を出力用光導波路へと結合する光結合器であって、前記出射光を受光する受光部と、該受光部からの光を前記出力用光導波路へ結合するための合波部とを備え、
前記受光部は、互いに等しい構造を有する直線状の複数のグレーティングを、等間隔で互いに平行に並列してなることを特徴とする光結合器。
【請求項２】
前記合波部は、２分木状に接続された複数のＹ分岐光導波路を備えていて、該２分木の葉のそれぞれに、複数の前記グレーティングの光出射端が一対一の関係で接続されており、該２分木の根に前記出力用光導波路が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光結合器。
【請求項３】
前記２分木は、完全２分木であることを特徴とする請求項２に記載の光結合器。
【請求項４】
前記グレーティング及び前記Ｙ分岐光導波路が、シリコンを材料として形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の光結合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光ファイバから出射される出射光を出力用光導波路に結合するための光結合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバから出射される光を基板に作成された光デバイスに結合するためには、光結合器が用いられる。光結合器としては、ボールレンズを用いる方法や、光ファイバと光導波路とを近接配置することで光学的に結合させる方法などが、古くから用いられてきた。
【０００３】
しかし、これらの方法で実用上十分な光結合効率を得るためには、光ファイバと光導波路との位置合わせ精度を数十ｎｍ以内に収める必要があった。そのため、これらの技術を用いた光結合器の作成には困難が伴った。
【０００４】
そこで、近年、より位置合わせの容易な光結合器が提案されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１に開示された技術は、テーパ導波路を用いて導波路の断面積を大きくすることにより、光ファイバから出射される光の受光面積を大きくするものである。また、非特許文献１に記載された技術は、グレーティングとテーパ導波路とを用いて、光ファイバから出射される光の受光面積を大きくするものである。
【特許文献１】特開２０００−３０４９５５号公報
【非特許文献１】Ｆｒｅｄｅｒｉｋ  Ｖａｎ  Ｌａｅｒｅ，ｅｔ．ａｌ．， “Ｃｏｍｐａｃｔ  ａｎｄ  Ｈｉｇｈｌｙ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｃｏｕｐｌｅｒｓ  Ｂｅｔｗｅｅｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  ａｎｄ  Ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ”，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．１，Ｊａｎ．，２００７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明は、特許文献１及び非特許文献１に開示された構成とは異なる構成で、位置合わせの問題の解決を図ることを目的とする。
【０００７】
本発明者らは、鋭意検討の結果、等しい構造を有する直線状のグレーティングを、平行に並列することにより、光ファイバから出射される光の受光面積を大きできることに想到した。
【０００８】
すなわち、この発明の目的は、光ファイバとの位置合わせが容易であり、かつ、従来の技術と同等の結合効率を有する光結合器を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した目的の達成を図るために、この発明の光結合器は、光ファイバからの出射光を出力用光導波路へと結合するものであり、受光部と合波部とを備えている。
【００１０】
受光部は、出射光を受光する。合波部は、受光部からの光を出力用光導波路へ結合する。
【００１１】
そして、受光部は、互いに等しい構造を有する直線状の複数のグレーティングを、等間隔で互いに平行に並列してなる。
【００１２】
このように構成することにより、受光部は、２種類のグレーティングを含むこととなる。すなわち、１つは、直線状のグレーティングであり、もう１つは、この直線状のグレーティングを格子溝とする面状グレーティングである。
【００１３】
詳細なメカニズムは現段階では不明であるが、受光部が２種類のグレーティングを有することにより、光結合器への結合効率を従来と同程度まで高めることができる。
【００１４】
上述の光結合器において、合波部は、２分木状に接続された複数のＹ分岐光導波路を備えていて、２分木の葉のそれぞれに、複数のグレーティングの光出射端が一対一の関係で接続されており、２分木の根に出力用光導波路が接続されていることが好ましい。
【００１５】
また、上述の光結合器において、２分木が完全２分木であることが好ましい。
【００１６】
また、上述の光結合器において、グレーティング及びＹ分岐光導波路が、シリコンを材料として形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
等しい構造を有する直線状のグレーティングを、平行に並列しているので、グレーティングの配置本数、長さなどを調整することにより、所望の受光面積を有する光結合器を得ることができる。よって、光ファイバと光結合器との位置合わせを容易に行うことができる。
【００１８】
また、詳しくは後述するが、この光結合器は、従来技術と同等程度の光結合効率を有している。
【００１９】
また、この光結合器は、例えばシリコンを材料として、従来周知のフォトリソグラフィ技術で作成することができるので、樹脂を用いる従来技術よりも製作が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示したものにすぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施の形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。
【００２１】
以下、図１を参照して、この発明の実施の形態の光結合器について説明する。図１（Ａ）は、光結合器の構造を概略的に示す平面図である。ただし、図１（Ａ）中、所要の領域を強調して示すために、断面図ではないが、領域を区別するためにハッチングを施して示してある。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）を、Ｙ方向から見た光結合器の構造を概略的に示す側面図である。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った切断面の切断端面図である。
【００２２】
ここで、以下の説明で用いる座標系について説明する。図１において、まず、基板１２を実質的に直方体形状とする。基板１２の光を受光する側から合波して出力する側への第１主面に沿った方向をＸ方向と称する。また、基板１２の第１主面１２ａに沿い、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向と称する。また、基板１２の第１主面１２ａに垂直な方向をＺ方向と称する。
【００２３】
図１を参照すると、光結合器１０は、基板１２の第１主面１２ａ側に形成されており、受光部１３と合波部１６とを備えている。
【００２４】
基板１２は、いわゆるＳＯＩ基板（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）とする。すなわち、基板１２は、一例として、約６２０μｍの厚み（Ｚ方向の長さ）の下層シリコン層１２ｂと、約１μｍの厚みのシリコン酸化膜１２ｃと、約０．３μｍの厚みの上層シリコン層１２ｄとがこの順序で積み重なった積層構造を有している。
【００２５】
そして、後述するように、上層シリコン層１２ｄを従来周知のフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、光結合器１０が形成されている。
【００２６】
受光部１３は、直線状に延在する複数のグレーティング１４，１４，・・・を備えている。これらのグレーティング１４，１４は、互いに構造が等しく、互いに平行に並列されている。よって、それぞれのグレーティング１４は、隣接グレーティング同士の凸部が揃うとともに、格子溝も揃って配列されている。
【００２７】
グレーティング１４，１４，・・・・は、透過型のブレーズド格子である。グレーティング１４は、厚みｄ（Ｚ方向の長さ）を、好ましくは、例えば約３００ｎｍとし、幅Ｗ（Ｙ方向の長さ）を、好ましくは、例えば３００ｎｍとし、及び長さＬ（Ｘ方向の長さ）を、好ましくは、例えば約２９μｍとする。また、グレーティング１４の格子溝の周期を、好ましくは、例えば約５８０ｎｍとし、格子溝の凹部の深さを、好ましくは、例えば約４５ｎｍとし、及びデューティー比を、好ましくは、例えば約５０とする。したがって、グレーティング１４の格子ベクトルＫ１はＸ方向に平行である。
【００２８】
受光部１３は、好ましくは、例えば８本のグレーティング１４，１４・・・で構成されている。これらのグレーティング１４，１４，・・・は、Ｙ方向に関して格子溝の位相を揃えて配置されている。
【００２９】
また、これらのグレーティング１４，１４，・・・において、隣り合った２本のグレーティング１４及び１４の間の間隔は、好ましくは、例えば約６００ｎｍで一定とする。
【００３０】
グレーティング１４，１４，・・・の、出力用光導波路１８側の端部は、それぞれ光出射端１４ａ，１４ａ，・・・とされており、後述する合波部１６のＹ分岐光導波路２０，２０，・・・に一対一の関係で一体に接続されている。
【００３１】
グレーティング１４，１４，・・・は、上層シリコン層１２ｄ、すなわちシリコンを材料として形成されている。
【００３２】
また、グレーティング１４，１４，・・・を互いに平行に並置することにより、個々のグレーティング１４，１４，・・・の全体で、格子溝の凸部とする面状グレーティング１５を形成していることが分かる。
【００３３】
より詳細には、面状グレーティング１５は、隣接するグレーティング１４及び１４の間の間隔を格子溝の凹部としており、格子ベクトルＫ２はＹ方向に平行である。グレーティング１４の幅が３００ｎｍであり、及び隣接するグレーティング１４及び１４の間の間隔が６００ｎｍであることから、面状グレーティング１５は、格子溝の周期が９００ｎｍであり、デューティー比が３３．３（＝３００／９００×１００）であることが分かる。
【００３４】
つまり、受光部１３は、格子ベクトルＫ１及びＫ２が互いに直交する２種類のグレーティングを備えている。１つは、格子ベクトルＫ１がＸ方向に平行なグレーティング１４，１４，・・・であり、及びもう一つが、格子ベクトルＫ２がＹ方向に平行な面状グレーティング１５である。
【００３５】
合波部１６は、２分木状に接続された複数のＹ分岐光導波路を備えていて、２分木の葉のそれぞれに、複数のグレーティングの光出射端が一対一の関係で接続されており、２分木の根に出力用光導波路１８が接続されている。
【００３６】
なお、この実施の形態においては、２分木が完全２分木である場合について説明するが、２分木は完全２分木である必要はない。２分木の節点の一部から延びる枝が、出力用光導波路１８に接続されておらず、他の出力用光導波路に接続されていてもよい。
【００３７】
ここで、図２を参照して、完全２分木について簡単に説明する。図２は、完全２分木の説明に供する概念図である。
【００３８】
完全２分木Ｃ−ｔｒｅｅとは、計算機科学の分野において使用されるデータ構造を表わす用語であるが、この概念を光導波路にも適用して、分岐光導波路の構成と作用を説明できる。
【００３９】
完全２分木とは、２分木の一種である。２分木とは、図２に示すように、合流することなく枝分かれしていく構造の中で、各節点ｎｏｄｅから分岐する枝Ｂの数が２本である構造のことを示す。
【００４０】
２分木において、分岐元の節点ｎｏｄｅのことを親Ｐと言い、分岐先の節点ｎｏｄｅのことを子Ｃという（図２の破線で囲んだ部分参照）。親Ｐからは、２本の枝Ｂ及びＢが伸び、これらの枝Ｂ及びＢのそれぞれに子Ｃが接続される。
【００４１】
特に、親Ｐが存在しない節点ｎｏｄｅのことを根Ｒｔといい、子Ｐが存在しない節点ｎｏｄｅのことを葉Ｒｆと言う。また、根Ｒｔから葉Ｒｆに至るまでに通過する枝Ｂの数を葉の深さＤと言う。さらに、葉Ｒｆ以外の節点ｎｏｄｅのことを内部節点ｎと言う。
【００４２】
完全２分木とは、内部節点ｎの全てが２個の子Ｃを持ち、葉の深さＤが全て等しいような２分木のことを示す。
【００４３】
例えば、図２は、各葉Ｒｆの深さＤが３であり、したがって、葉Ｒｆの総数が８の完全２分木Ｃ−ｔｒｅｅを表わしている。
【００４４】
再び図１を参照すると、合波部１６は、合計７個のＹ分岐光導波路２０，２０，・・・が完全２分木Ｃ−ｔｒｅｅ状に互いに接続されることで形成されている。
【００４５】
より詳細には、Ｙ分岐光導波路２０，２０，・・・の分岐点２０ａ，２０ａ，・・・を完全２分木Ｃ−ｔｒｅｅの節点ｎｏｄｅ（図２参照）と考えた場合に、根Ｒｔに対応するＹ分岐光導波路２０，２０，・・・には、出力用光導波路１８が接続されている。また、葉Ｒｆに対応するＹ分岐光導波路２０，２０，・・・のそれぞれには、グレーティング１４，１４，・・・の光出射端１４ａ，１４ａ，・・・が接続されている。
【００４６】
これらのＹ分岐光導波路２０，２０，・・・は、全て相似形とされている。より詳細には、Ｙ分岐光導波路２０，２０，・・・は、断面の幅を、好ましくは、例えば約３００ｎｍとし、断面の高さを、好ましくは、例えば約３００ｎｍとする。また、Ｙ分岐の分岐角度θは、設計に応じて好適な値を選択できる。また、全てのＹ分岐光導波路２０，２０，・・・は、上層シリコン層１２ｄ、すなわちシリコンを材料として形成されている。
【００４７】
その結果、個々のグレーティング１４，１４，・・・から合波部１６へと出射され、出力用光導波路１８に至るまでの光の光路長は全て等しい。よって、出力用光導波路１８において、光は同位相で合波されることとなる。
【００４８】
次に、光結合器１０の製造方法の一実施形態について、簡単に説明する。
【００４９】
（１）基板１２としては、例えばＰ（リン）を拡散することにより抵抗率が１０Ωｃｍに調整された６インチのＳＯＩ基板を用いる。
【００５０】
（２）次に、基板１２の第１主面に、アナログタイプのポジ型ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ）レジスト膜を、約０．５μｍの厚みでスピンコートにより塗布する。
【００５１】
（３）そして、ＥＢ描画装置を用いて、レジスト膜の露光を行う。この際、グレーティング１４，１４，・・・の格子溝の凹凸に合わせて、電子線の照射量を変化させる。その後、レジスト膜を公知の方法で現像することにより、グレーティング１４，１４，・・・の格子溝、及び、合波部１６の立体構造を有するレジストパターンを、基板１２の上層シリコン層１２ｄ上に作成する。
【００５２】
（４）続いて、平行平板型のＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｃｈｔｉｎｇ）装置を用いて、レジストパターンの立体形状を上層シリコン層１２ｄに転写する。ここで、エッチングガスとしては、例えばＳＦ６を用いる。さらに、レジストパターンと上層シリコン層１２ｄとのエッチング選択比の調整のために、酸素をエッチングガスに添加している。酸素の添加量は、レジストパターンと上層シリコン層１２ｄとのエッチング選択比が１：１となるように調整する。
【００５３】
（５）最後に、不要なレジストを除去して光結合器１０が完成する。
【００５４】
次に、光結合器１０の動作について図３に示したシミュレーションを用いて説明する。図３は、シミュレーションの条件を概略的に示す模式図である。
【００５５】
シミュレーションでは、受光部２２として、受光部１３（図１）においてグレーティング１４の本数を３２本に増やしたものを用いた。
【００５６】
ところで、グレーティング１４の幅Ｗが３００ｎｍであり、隣接する２本のグレーティング１４及び１４間の間隔が６００ｎｍであるので、Ｙ方向に関する受光部の長さは、約２８μｍとなる。よって、受光部２２は、Ｙ方向の長さが２８μｍ及びＸ方向の長さが２９μｍの矩形状の領域に延在する。
【００５７】
また、グレーティング１４の本数が３２本に増加したことにより、Ｙ分岐光導波路２０，２０，・・・の総数は３１個に増加する。合波部２２の全長（光出射端１４ａから出力用光導波路１８までのＸ方向の距離）は、約３０μｍとなる。
【００５８】
シミュレーションは、図３に示すように、コア径が５μｍの光ファイバ２４を受光部２２の上空、約３μｍの位置に固定し、波長１．３１μｍ及び出力１０ｍＷのレーザ光を入射角約８９°で、出射光として受光部２２に向けて照射した。そして、出力用光導波路１８の正面に配置したパワーメータ２６により、光結合器１０に結合された光の出力を測定し、結合効率を求めた。その結果、光結合器１０の結合効率は約６０％であり、従来技術（約７０％：非特許文献１）と同等の結合効率が得られた。
【００５９】
このように、この実施の形態の光結合器１０において従来技術と同等程度の結合効率が得られた理由は、現段階では推測の域を出ないが、恐らく、受光部１３が、２種類のグレーティング（グレーティング１４，１４，・・・及び面状グレーティング１５）を含んでいることが関係していると思われる。
【００６０】
この実施の形態の光結合器１０は、従来技術よりもより簡単な構造で、従来技術と同程度の結合効率が得られる。より詳細には、従来技術では、結合効率を高めるために、屈折率と膜厚とを厳密に調整した樹脂を用いたり（特許文献１参照）、高い加工精度が要求されるテーパ導波路を作成したり（非特許文献１参照）する必要があった。しかし、この実施の形態の光結合器１０は、構成要素の全てがシリコン製であるため、半導体プロセスで用いられるフォトリソグラフィ技術により簡単に作成することができる。それにもかかわらず、この光結合器１０は、従来技術とほぼ同等の結合効率を有している。
【００６１】
また、この実施の形態の光結合器１０は、グレーティング１４，１４，・・・の本数及び長さＬを調整することにより、容易に受光部１３の受光面積を大きくすることができる。したがって、光ファイバとの位置合わせを容易に行うことができる。
【００６２】
また、この実施の形態の光結合器１０は、受光部１３が、格子ベクトルＫ１及びＫ２が直交する、グレーティング１４，１４，・・・と、面状グレーティング１５の２種類のグレーティングを有している。詳細なメカニズムは不明ながら、これらの２種類のグレーティングの相互作用により、結合効率を高めることができる。
【００６３】
なお、この実施の形態においては、グレーティング１４が、ブレーズド格子の場合について説明した。しかし、グレーティング１４は、屈折率変調型格子であっても同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】（Ａ）は、光結合器の構造を概略的に示す平面図である。（Ｂ）は、図１（Ａ）を、Ｙ方向から見た光結合器の構造を概略的に示す側面図である。（Ｃ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った切断面の切断端面図である。
【図２】完全２分木の説明に供する概念図である。
【図３】シミュレーションの条件を概略的に示す模式図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０  光結合器
１２  基板
１２ａ  第１主面
１２ｂ  下層シリコン層
１２ｃ  シリコン酸化膜
１２ｄ  上層シリコン層
１３，２２  受光部
１４  グレーティング
１４ａ  光出射端
１５  面状グレーティング
１６  合波部
１８  出力用光導波路
２０  Ｙ分岐光導波路
２４  光ファイバ
２６  パワーメータ
【図２】
2009157009.tif 000003
【図３】
2009157009.tif 000004
【図１】
2009157009.tif 000005