【発明の詳細な説明】
集積光導波路と光ファイバとの間の結合 技術分野
本発明は、集積光導波路と光ファイバとの間の結合に関する。
背景技術
光ファイバ通信システム、光ファイバに基づいた計器およびデバイスは、精密
なアラインメント、及び集積光学デバイスと光ファイバとの信頼度の高い取り付
けが要求される。
いくつかのアラインメント及び取り付け方法が提案されているが、集積デバイ
スと光ファイバとの間に効率的結合を提供するには、ファイバと集積デバイスの
関連部分とを、しばしば０．５ミクロン以内という、高精度をもってアラインす
ることが必要である。Ｖ形溝内にファイバを位置決めすることは既に提案されて
いるが、この原理に基づく結合は様々な問題に悩まされている。エッチングによ
って形成されたＶ形溝の端面は当該溝の基部に垂直でなく、前記端面は当該溝の
基部に対して傾斜するという事実に起因して特定の問題が起きる。垂直な端面を
提供するために当該溝の端部を横断して鋸により切断するか、或いは、導波路と
ファイバとの間にレンズを挿入することによってこれを克服しようとする試みが
実施されたが、これら両技法は実行が困難であり、複雑さを増加させ、したがっ
て、結合コストを増大させる。
従来の技法に記述済みの結合の大部分は、光ファイバと、例えば、光ファイバ
のコアに類似の屈折率を持つケイ酸リンガラスのようなガラスで形成された導波
路との間の結合である。発明の開示
本発明の第１の態様によれば、集積光導波路と光ファイバとの間の結合を備え
、その集積光導波路は、二酸化シリコン層によって基板から分離され、かつ内部
にリブ導波路が形成されたシリコン層と、光ファイバを受け取るために基板内に
形成され、かつ前記光導波路に対して予め定められた角度に前記光ファイバをア
ラインするように配置されたＶ形溝と、Ｖ形溝の端部に張り出すことにより、前
記リブ導波路の端部がＶ形溝内に配置された光ファイバの端部に密着すように形
成された前記リブ導波路および二酸化シリコンの下部層とからなる。
本発明の第２の態様によれば、上述の結合を形成する方法が提供される。
本発明の更なる態様によれば、上述の結合または上述の方法によって形成され
た結合を用いて集積光導波路を光ファイバへ結合する方法が提供される。
本発明の好ましい特徴は、以下の記述および本明細書の補足的請求の範囲から
明白であるはずである。
図面の簡単な説明
次いで、次に示す添付図面を参照しながら、単に一例として、本発明について
更に記述する。
図１は、本発明による結合の一実施例の概略側面図である。
図２は、図１に示す結合の平面図である。
図３は、図２の線ａ−ａに沿った断面図である。
図４は、シリコン製導波路と光ファイバとの間の好ましいアラインメントを示
す概略図である。
発明を実施するための最良の形態
内部に１つのリブ導波路２が形成されたシリコン層１、二酸化シリコンの下部
絶縁層３、及びシリコンの基板４を有する絶縁体上シリコン型の集積光導波路を
図面に示す。二酸化シリコンの下部層３はシリコンのリブ導波路２よりも屈折率
が低く、その結果、光波をリブ導波路内に拘束する。導波路クラッドを提供する
ために、リブ２上に熱酸化物７の層が形成される。この種の導波路は、例えばエ
ピタキシアル成長法によって増大された厚いシリコンの最上層を有する超大規模
集積（ＶＬＳＩ）電子回路を構成するために主として製造される従来型の絶縁体
上シリコン型ウェーハから便利に形成可能である。
この型の導波路およびその製造方法の更なる詳細については、ＰＣＴ特許明細
書ＷＯ９５／０８７８７、及び、そこに参照済みの他の出版物に提供されている
。
一般に、この種のリブ導波路の幅および高さ（二酸化シリコンの下部層から測
定）は約４ミクロンであり、この種の二酸化シリコン層の厚さは、一般に、約０
．４ミクロンである。光ファイバのコアを有する導波路は、一般に、約９ミクロ
ンの直径を持つように配列され、そのクラッド層を含む全ファイバの直径は一般
に約１２５のミクロンである。もちろん、他の寸法も可能である。一般に、リブ
導波路の寸法は２から１０ミクロンの範囲内であり、光ファイバコアの直径は５
から１０ミクロンの範囲である。
図に示すように、シリコンの基板４にはＶ形溝５が形成される。この種のＶ形
溝は、シリコン内における特有の結晶学的平面に沿って溝の面がエッチングされ
るように、例えばＣｓＯＨのようなＫＯＨ型エッチングを用いて、シリコン内に
高精度で形成可能である。したがって、溝５の深さは、適切なマスキング技法に
よって溝幅を精密に制御することによって正確に決定される。ただし、この種の
溝の特徴は、当該溝は、端面５Ａがシリコン内の結晶学的面によって自己形成さ
れるような垂直端面を持つことなく、図１に示すように、端面５Ａは垂直方向に
対して３５度の角度で傾斜していることである。これは、基板４の表面に形成さ
れた導波路の端部に、溝５内に配置される光ファイバ６の端部を密着させること
ができないことを意味する。
この問題を克服するためには、溝５内に配置される光ファイバ６のコア６Ａの
端部を導波路２の端部に密着させることを可能にするために、リブ導波路２は、
溝５の端面５Ａを超過して突出するように形成される。溝５の深さが約６０ミク
ロンである場合には、したがって、、導波路２の突き出ている部分の長さは約８
０ミクロンとなる。
この種の構造は、異方性腐食剤（例えば、上記の、または、その変形の１つで
あるようなＫＯＨ型エッチング方法）を用いて作成可能である。この場合、一方
においては、当該導波路が溝の端面５Ａ部の上に張り出したまま残るように導波
路を破壊せずに溝の端面５Ａを形成しながら、他方においては、溝５を形成する
と同時に光導波路２の端部をアンダーカットする。これは、二酸化シリコンの絶
縁層３を利用して、基板材料、即ち、シリコンを選択的にエッチングするエッチ
ング方法の使用に依存する。したがって、エッチング過程に際して、シリコンの
導波路２の下側は、二酸化シリコンの層３によって保護される。この過程に際し
て、例えば、プラズマ強化された化学蒸気析出作用により、リブ導波路上に、例
えば、二酸化シリコンの保護層を供給することによって、リブ導波路２の上側面
および側面も同様に保護される。この保護層は、端面を損傷から保護し、エッチ
ング剤がシリコンの導波路を侵すことを防止するように、リブ導波路の端面を保
護するためにも同様に使用できる。保護層は、製作過程における後の方の段階に
おいて除去される。
溝５の端部から突出した状態で残される二酸化シリコン層の幅は、追加的強度
による保護を提供するために、図２に示すように、リブ導波路２の幅より大きい
ことが好ましい。同様に、二酸化シリコン層の幅は、リブ導波路２のどちらの側
においても（図３に示すように）シリコンスラブを支持するために十分であるこ
とが必要である。例えば、リブ導波路２の幅が約４ミクロンである場合には、溝
の端部から突き出た二酸化シリコン層の幅は、少なくとも２０ミクロンでなくて
はならず、なるべく約４０ミクロンであることが好ましい。同様に、二酸化シリ
コン層の幅も、導波路が最適作動するために十分であることが必要であり、した
がって最小幅は２０ミクロンでなくてはならない。
シリコンの導波路を光ファイバへ接続するこの方法の更なる利点は、接続部の
作成に際して乾式エッチング過程により導波路２の端面を限定することが可能で
あり、したがって導波路２の端部を平坦にするために、手動で端面を磨き、或い
は、鋸によって切断する必要がないことである。
光ファイバ６は、接着剤（図示せず）によって溝５内に固定されることが好ま
しく、或いは、所定の場所にはんだ付け、又は、締付けても差し支えない。また
、導波路２の端部とファイバコア６Ａとの間の界面における屈折率不整合に起因
する損失を減少するために、粘着性またはその他の屈折率整合材料をこの界面に
装備することも可能である。使用する材料の屈折率が光ファイバコア６Ａの屈折
率と整合する場合には、この種材料の使用により、光ファイバコアの端面が非常
に平坦でなくてはならないという必要条件も緩和される。
シリコンの屈折率（ｎ＝３．５）は、例えばケイ酸塩（ｎ＝１．５）のような
他の材料の屈折率と比較してかなり高いので、当該面からの後方反射（Ｒ１）に
よる損失が最小限化されるように、リブ導波路２の端面は導波路の軸に対して垂
直でないことが好ましい。これを図４に示す。即ち、導波路の端面２Ａは当該導
波路の軸に対して約７８．３度の角度をもつ。角度を持った導波路の端面は、乾
式エッチング過程によって形成されることが好ましい。導波路２の端面２Ａが当
該導波路の軸に垂直でなく、シリコンの屈折率と当該面に接触する媒体の屈折率
にはかなり差があるので(屈折率整合化合物の屈折率は、一般に、約１．５であ
り、したがってシリコンの屈折率よりもファイバ光学コアの屈折率に近い)、導
波路２から出る光は、一般に、６ないし７度ほど、かなり屈折する。
ファイバ光学コアの端面は、この界面における反射（Ｒ２）に起因する損失を
減少させるために、この場合にも、ファイバ光軸に垂直であってはならない。た
だし、屈折率整合化合物の屈折率がファイバ光学コアの屈折率と同じである場合
には、この界面においては屈折は起きず、したがって光ファイバの軸は、当該導
波路の端面２Ａから出る光に平行である。
上記の観点から、屈折を考慮し、そして、導波路を離れる光の最大量が光ファ
イバコアに入る（或いは、逆方向）ことを保証するために、導波路と光ファイバ
の軸は、相互に、一般に約６ないし７度だけ傾斜していることが好ましい。
導波路の端面２Ａからの後方反射Ｒ１を減少させるために、窒化シリコンのよ
うな、例えば誘電体化合物による反射防止被覆を、前記端面に施すことが好まし
い。
ファイバが溝５に沿ってリブ導波路２の方へ滑るにつれて光ファイバが導波路
に衝撃を与えることを防止するために、Ｖ形溝の端部に隣接して肩付き部８また
はそに他の止め手段を形成することが好ましい。これは、光ファイバ６からの衝
撃により導波路突出部が破損する事故発生を軽減する。ただし、ファイバの端部
を導波路の端部に密接配置可能であるような配列に設計することも配慮しなけれ
ばならない(５ミクロン以内であることが好ましい)。
上述したように、本デバイスは、二酸化シリコン層を用いてインプラントされ
たシリコンウェーハを有する従来型の絶縁体上シリコンウェーハから作成するこ
とが好ましい。
導波路及びＶ形溝両方の位置は１つの単一マスキング段階によって限定される
ことが好ましい。これにより、両者は相互に自動的にアラインされ、両者の間の
配列を保証するために、それ以上に精密なマスキングは必要としない。
上に述べた結合は、光ファイバが集積シリコン導波路と精密かつ信頼度高くア
ラインされることを可能にする。Ｖ形溝およびアンダカットは、集積デバイスの
製作における適切な段階において形成され、そして、非常に高精度に形成可能で
ある。次に、一旦、ファイバが溝５とかみ合えば、ファイバは導波路２と精密に
アラインされるように当該溝の壁部分によって導かれるので、光ファイバ６は、
例えば、表面設置式のピックアンドプレース機械のような、許容度の低い生産機
械によって溝内に配置することが可能である。
上述の結合は、光ファイバが集積導波路と精密かつ高い信頼度でアラインされ
ることを可能にする。両者の間を効率的に結合するためには、一般に、０．５ミ
クロン未満の範囲内におけるアラインメントが必要とされ(界面における損失が
１ｄＢ以下であるように)、そして、これは、本結合形式において達成可能であ
る。Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the coupling between an integrated optical waveguide and an optical fiber. BACKGROUND OF THE INVENTION Fiber optic communication systems, instruments and devices based on fiber optics require precise alignment and reliable attachment of the integrated optical device to the fiber optic. Although several alignments and mounting methods have been proposed, to provide efficient coupling between the integrated device and the optical fiber, the fiber and associated parts of the integrated device are often less than 0.5 microns. It is necessary to align with high precision. Although positioning a fiber in a V-groove has already been proposed, coupling based on this principle suffers from various problems. Certain problems arise due to the fact that the end face of the V-shaped groove formed by etching is not perpendicular to the base of the groove and the end face is inclined with respect to the base of the groove. Attempts have been made to overcome this by sawing across the end of the groove to provide a vertical end face, or by inserting a lens between the waveguide and the fiber. However, both of these techniques are difficult to implement, increase complexity, and thus increase coupling costs. Most of the coupling described in conventional techniques is in the coupling between the optical fiber and a waveguide formed of glass, such as, for example, phosphor silicate glass, having a refractive index similar to the core of the optical fiber. is there. DISCLOSURE OF THE INVENTION According to a first aspect of the invention, there is provided a coupling between an integrated optical waveguide and an optical fiber, the integrated optical waveguide being separated from the substrate by a silicon dioxide layer and having a rib waveguide therein. A formed silicon layer, a V-shaped groove formed in the substrate for receiving the optical fiber, and arranged to align the optical fiber at a predetermined angle with respect to the optical waveguide; The rib waveguide and the lower layer of silicon dioxide formed so that the end of the rib waveguide is in close contact with the end of the optical fiber disposed in the V-shaped groove by projecting to the end of the groove. Consists of According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of forming a bond as described above. According to a further aspect of the present invention, there is provided a method of coupling an integrated optical waveguide to an optical fiber using the coupling described above or the coupling formed by the method described above. Preferred features of the invention will be apparent from the following description and the appended claims. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will now be further described, merely by way of example, with reference to the accompanying drawings in which: FIG. 1 is a schematic side view of one embodiment of the coupling according to the present invention. FIG. 2 is a plan view of the connection shown in FIG. FIG. 3 is a sectional view taken along the line aa in FIG. FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a preferred alignment between a silicon waveguide and an optical fiber. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A silicon-on-insulator integrated optical waveguide having a silicon layer 1 in which one rib waveguide 2 is formed, a lower insulating layer 3 of silicon dioxide, and a silicon substrate 4 is provided. Shown in the drawing. The lower layer 3 of silicon dioxide has a lower index of refraction than the silicon rib waveguide 2 and consequently constrains light waves within the rib waveguide. A layer of thermal oxide 7 is formed on the ribs 2 to provide a waveguide cladding. Waveguides of this type are manufactured from conventional silicon-on-insulator type wafers, which are primarily manufactured to construct very large scale integrated (VLSI) electronic circuits with a thick silicon top layer augmented, for example, by epitaxial growth. Can be conveniently formed. Further details of this type of waveguide and its method of manufacture are provided in PCT patent specification WO 95/08787 and other publications referenced therein. Typically, the width and height (as measured from the lower layer of silicon dioxide) of such a rib waveguide is about 4 microns, and the thickness of such a silicon dioxide layer is generally about 0. 4 microns. Waveguides having an optical fiber core are typically arranged to have a diameter of about 9 microns, and the total fiber diameter, including its cladding layer, is typically about 125 microns. Of course, other dimensions are possible. Generally, the dimensions of the rib waveguide are in the range of 2 to 10 microns and the diameter of the optical fiber core is in the range of 5 to 10 microns. As shown in the figure, a V-shaped groove 5 is formed in a silicon substrate 4. This type of V-groove can be formed with high precision in silicon using, for example, a KOH-type etch such as CsOH so that the face of the groove is etched along a characteristic crystallographic plane in silicon. It is. Therefore, the depth of the groove 5 is accurately determined by precisely controlling the groove width by an appropriate masking technique. However, a feature of this type of groove is that the groove does not have a vertical end face such that the end face 5A is self-formed by a crystallographic plane in silicon, and as shown in FIG. Is inclined at an angle of 35 degrees. This means that the end of the optical fiber 6 arranged in the groove 5 cannot be brought into close contact with the end of the waveguide formed on the surface of the substrate 4. To overcome this problem, the rib waveguide 2 is provided with a groove to allow the end of the core 6A of the optical fiber 6 disposed in the groove 5 to be in close contact with the end of the waveguide 2. 5 is formed so as to protrude beyond the end face 5A. If the depth of the groove 5 is about 60 microns, then the length of the protruding part of the waveguide 2 will be about 80 microns. This type of structure can be created using an anisotropic corrosive (e.g., a KOH-type etching method as described above or one of its variants). In this case, on the one hand, while forming the end face 5A of the groove without destroying the waveguide so that the waveguide remains over the end face 5A of the groove, on the other hand, the groove 5 is formed. At the same time, the end of the optical waveguide 2 is undercut. This relies on the use of an etching method that selectively etches the substrate material, ie silicon, using the insulating layer 3 of silicon dioxide. Thus, during the etching process, the underside of the silicon waveguide 2 is protected by the layer 3 of silicon dioxide. During this process, the upper and side surfaces of the rib waveguide 2 are likewise protected, for example by supplying a protective layer of silicon dioxide on the rib waveguide, for example by means of plasma-enhanced chemical vapor deposition. . This protective layer can likewise be used to protect the end faces of the rib waveguide, so as to protect the end faces from damage and prevent the etchant from attacking the silicon waveguide. The protective layer is removed at a later stage in the fabrication process. The width of the silicon dioxide layer left protruding from the end of the groove 5 is preferably larger than the width of the rib waveguide 2, as shown in FIG. 2, to provide additional strength protection. Similarly, the width of the silicon dioxide layer needs to be sufficient to support the silicon slab on either side of the rib waveguide 2 (as shown in FIG. 3). For example, if the width of the rib waveguide 2 is about 4 microns, the width of the silicon dioxide layer protruding from the end of the groove must be at least 20 microns, preferably about 40 microns. preferable. Similarly, the width of the silicon dioxide layer needs to be sufficient for the waveguide to operate optimally, so the minimum width must be 20 microns. A further advantage of this method of connecting a silicon waveguide to an optical fiber is that it is possible to define the end face of the waveguide 2 by a dry etching process in making the connection, thus flattening the end of the waveguide 2. To eliminate the need to manually polish or saw with an edge. The optical fiber 6 is preferably fixed in the groove 5 by an adhesive (not shown), or may be soldered or tightened at a predetermined location. Adhesive or other index matching material can also be provided at the interface between the end of the waveguide 2 and the fiber core 6A to reduce losses due to index mismatch at the interface. It is. If the refractive index of the material used matches the refractive index of the optical fiber core 6A, the use of such a material also relaxes the requirement that the end face of the optical fiber core must be very flat. Since the refractive index of silicon (n = 3.5) is much higher than that of other materials such as silicates (n = 1.5), for example, the back reflection (R1) from that surface Preferably, the end face of the rib waveguide 2 is not perpendicular to the axis of the waveguide so that losses due to are minimized. This is shown in FIG. That is, the end face 2A of the waveguide has an angle of about 78.3 degrees with respect to the axis of the waveguide. Preferably, the end face of the angled waveguide is formed by a dry etching process. Since the end face 2A of the waveguide 2 is not perpendicular to the axis of the waveguide, there is a considerable difference between the refractive index of silicon and the refractive index of the medium in contact with the surface (the refractive index of the index matching compound is generally The light exiting waveguide 2 is typically significantly refracted, such as by 6 to 7 degrees, (approximately 1.5, and thus closer to the index of the fiber optic core than silicon). Again, the end face of the fiber optic core must not be perpendicular to the fiber optic axis in order to reduce losses due to reflection (R2) at this interface. However, if the refractive index of the index matching compound is the same as the refractive index of the fiber optic core, no refraction will occur at this interface, and the axis of the optical fiber will be confined to the light exiting from the end face 2A of the waveguide. Parallel. In view of the above, the axes of the waveguide and the optical fiber are mutually reciprocated to account for refraction and to ensure that the maximum amount of light leaving the waveguide enters the optical fiber core (or in the opposite direction). Preferably, it is generally inclined about 6 to 7 degrees. In order to reduce the back reflection R1 from the end face 2A of the waveguide, it is preferred to apply an anti-reflection coating on the end face, for example with a dielectric compound, such as silicon nitride. To prevent the optical fiber from impacting the waveguide as the fiber slides along the groove 5 toward the rib waveguide 2, a shoulder 8 or other adjacent to the end of the V-groove is used. Is preferably formed. This reduces the occurrence of an accident in which the waveguide protrusion is damaged by an impact from the optical fiber 6. However, care must also be taken to design the end of the fiber so that it can be placed closely to the end of the waveguide (preferably within 5 microns). As mentioned above, the device is preferably made from a conventional silicon-on-insulator wafer having a silicon wafer implanted with a silicon dioxide layer. Preferably, the position of both the waveguide and the V-groove is limited by one single masking step. This allows the two to be automatically aligned with each other and requires no more precise masking to ensure alignment between the two. The coupling described above allows the optical fiber to be precisely and reliably aligned with the integrated silicon waveguide. V-grooves and undercuts are formed at appropriate stages in the fabrication of integrated devices and can be formed with very high precision. Next, once the fiber meshes with the groove 5, the fiber is guided by the wall portion of the groove so as to be precisely aligned with the waveguide 2, so that the optical fiber 6 is, for example, a surface-mounted pick-and- It can be placed in the groove by a less tolerant production machine, such as a place machine. The coupling described above allows the optical fiber to be precisely and reliably aligned with the integrated waveguide. Efficient coupling between the two generally requires alignment in the range of less than 0.5 microns (so that the loss at the interface is less than 1 dB), and this Can be achieved.
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フロントページの続き
(72)発明者 リックマン，アンドリュー，ジョージ
イギリス国，エスエヌ８ ３ビージー，ウ
ィルトシャー，マールボラー，セイブメイ
ク フォレスト，セント カサリンズ ロ
ッジ（番地なし)
(72)発明者 モーリス，ロビン，ジェレミー，リチャー
ド
イギリス国，オーエックス４ １イーエ
ス，オックスフォード，ヘンリー ストリ
ート 43
(72)発明者 ドレーク，ジョン，ポール
イギリス国，オーエックス11 １エージェ
ー，オックスフォードシャー，アビングド
ン，ウィンターボーン ロード 19────────────────────────────────────────────────── ───
Continuation of front page
(72) Rickman, Andrew, George
United Kingdom, NS8 3G, C
Siltshire, Marlborer, Savemay
Qu Forest, St. Catharines
Judge (no address)
(72) Inventor Maurice, Robin, Jeremy, Richard
Do
Ox 4 1 ye, UK
Su, Oxford, Henry Stori
Port 43
(72) Inventor Drake, John, Paul
Ox11 1 Eje, UK
ー, Oxfordshire, Abingd
, Winterbourne Road 19