JP6871672B2 - 光デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、光通信技術に関し、特に光導波路と光ファイバを光結合する光デバイスに関する。
光通信において、シリコン光導波路は、その中を伝播する伝播光をその外部の光ケーブルに光結合する必要がある。通常、シリコン光導波路のスラブ（ｓｌａｂ）構造内に作られるグレーティング（回折格子）構造が、伝播光を光ファイバのコアに集光するのに用いられている。図１にその光デバイスの概要を示す。
図１では、（ａ）に光デバイス１０の側断面図を示し、（ｂ）に下平面図を示す。光デバイス１０では、シリコン基板１１の上に酸化物層（酸化シリコン、酸化窒化シリコン、又は窒化シリコン）１２が設けられ、酸化物層１２の上にシリコン光導波路１３が形成されている。さらに、シリコン光導波路１３の一方の端にグレーティングカプラ１４が形成されている。グレーティングカプラ１４には、複数の溝が平行に同心円状に設けられている。グレーティングカプラ１４により集光させた光ビームを光ファイバ１６のコア１５に位置合わせして、シリコン光導波路１３と光ファイバ１６との間で光結合が行われる。
特許文献１に、ガラス基板の一方の面に光ファイバをガラス基板に結合させるための光ファイバガイド部を形成し、ガラス基板の他方の面に光ファイバガイド部と中心を一致させてレンズを形成し、ガラス基板を通る光をレンズで光ファイバのコアに集光させることが示されている。
特許文献２に、光導波路が形成されている基板の面に対して光導波路端面を斜めに形成して、斜めの端面で光を反射させ、斜めの端面近傍の光導波路の上にレンズを形成して、斜めの端面で反射した光をレンズで集光させ光素子に導くことが示されている。
光デバイス１０のように、グレーティングカプラ１４により光ビームを集光させて集束光を直に光ファイバ１６のコア１５に位置合わせする構造では、高い光結合効率を達成するために、１マイクロメートルよりもさらに高い精度で光ファイバの位置合わせを行わなければならない。本発明は、そのような高い精度で直に光ファイバを位置合わせする必要のない、光導波路と光ファイバの光結合の実現を目的とする。本発明の目的には、そのような光導波路と光ファイバの光結合を実現する光デバイスの提供が含まれる。
本発明により提供される１実施態様の光デバイスは、光導波路を伝播する伝播光を平行光に変えて出す変換手段と、変換手段から出た平行光を光ファイバのコアに集光するレンズ手段とを含む。
好ましくは、変換手段は、グレーティング手段（光回折格子（グレーティング）による光回折手段）を含み、伝播光を直角に曲げて平行光にする。
好ましくは、グレーティング手段は、複数のＶ溝が平行に設けられ、当該各Ｖ溝の一方の側の面は４５度の傾斜をなす反射面である。
好ましくは、変換手段は、伝播光を反射する４５度の傾斜をなす反射手段と、反射手段で伝播光が反射される地点に焦点を有し、反射手段で反射される反射光を平行光にする他のレンズ手段とを含む。
好ましくは、レンズ手段は、平行光の側に凸レンズ面を有し、光ファイバの側に光ファイバを設ける凹所を有し，当該凹所で光ファイバのコアに平行光が集光するように当該凹所は形成されている。
好ましくは、光導波路は、シリコン薄膜導波路である。
本発明により、高い精度で光ファイバを位置合わせする必要のない、光導波路と光ファイバの光結合が実現される。特に、光ファイバの位置合わせは、１マイクロメートルよりもさらに高い精度は必要でなく、１０マイクロメートル又はそれよりも低い精度まで緩和されて、高い光結合効率を達成することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、記載された実施形態の内容に限定して解釈されるべきではない。なお、実施形態の説明の全体を通じて同じ構成部分乃至構成要素には同じ番号を付している。
図２に、本発明の１実施形態に係る、光導波路と光ファイバを光結合する光デバイス２０を概略的に示す。図２でも、（ａ）に光デバイス２０の側断面図を示し、（ｂ）に下平面図を示す。
光デバイス２０でも、シリコン基板１１の上に酸化物層１２が設けられ、酸化物層１２の上にシリコン光導波路１３が形成されている。しかし、光デバイス２０では、シリコン光導波路１３の一方の端に、シリコン光導波路１３を伝播する伝播光を平行光に変えて出す変換手段として、グレーティング手段２１が形成されている。
グレーティング手段２１は、シリコン光導波路１３を伝播してそこに入る伝播光を、一旦は広げてシリコン基板１１の方へ向かう平行な光ビームの平行光に変えて出す。平行光は、シリコン基板１１を通り、シリコン基板１１を出て光ファイバ１６がある上の方に向かう。
図３に、回折格子構造３０としてグレーティング手段２１に設けられたＶ溝の部分断面図を示す。図１のグレーティングカプラ１４と同様に、複数のＶ溝は平行に同心円状に設けられている。各Ｖ溝では、光の回折効率の向上および指向性の向上のために、一方の側の微細面３１は概ね基板面２１に対し４５度の傾斜を持ち、もう一方の側の微細面３２はできるだけ垂直になるように形成されている。また、微細面３１には、反射面とするために金、銀、アルミニウムなどの金属膜３３が形成されている。
図２に戻って、シリコン基板１１を出た平行光は、平行光を光ファイバ１６のコア１５に集光するレンズ手段として設けられているレンズ２２の凸レンズ面２３に当たる。平行光が当たる凸レンズ面２３は、レンズ２２内で平行光が集光して焦点を結ぶように形成されている。
レンズ２２では、凸レンズ面２３と反対側に、光ファイバ１６を設ける凹所２４が形成されている。凹所２４は、その中心にレンズ２２内で集光される平行光が焦点を結ぶように形成されている。光ファイバ１６のコア１５は凹所２４の中心に位置する。従って、光ファイバ１６を凹所２４に設けると、光ファイバの位置合わせは行われる。
図１の光デバイス１０のように、グレーティングカプラ１４により集光させて集束光を直に光ファイバ１６のコア１５に位置合わせする構造に比べて、図２の光デバイス２０のように、グレーティング手段２１により平行にした平行光を光ファイバ１６のコア１５にレンズ２２を介して位置合わせする構造は、高い精度で直に光ファイバを位置合わせする必要がない。レンズ２２の凸レンズ面２３および凹所２４は、例えばモールド成型などにより高い精度で製造できるので、光デバイス２０は、高い光結合効率を達成する。
図４に、本発明の他の実施形態に係る、光導波路と光ファイバを光結合する光デバイス４０を概略的に示す。図４では光デバイス４０の側断面図だけを示す。
光デバイス４０でも、シリコン基板１１の上に酸化物層１２が設けられ、酸化物層１２の上にシリコン光導波路１３が形成されている。しかし、光デバイス４０では、シリコン光導波路１３の一方の端に、シリコン光導波路１３を伝播する伝播光を平行光に変えて出す変換手段として、グレーティング手段２１に代えて、酸化物層１２の上には、シリコン光導波路１３の延長部分４１と延長部分４１の一端で伝播光を反射する４５度の傾斜をなす反射板４２が設けられ、さらに、酸化物層１２とは反対側のシリコン基板１１の上には、反射板４２で伝播光が反射される地点に焦点を有し、反射板４２で反射される反射光を平行光にするレンズ４３が設けられている。
レンズ４３は、それが設けられているシリコン基板１１と反対側に凸レンズ面４４を有する。反射板４２で反射された反射光は、レンズ４３内を広がって凸レンズ面４４に達し、凸レンズ面４４から出て平行光になる。
レンズ４３の凸レンズ面４４を出た平行光は、図２の光デバイス２０と同様に、平行光を光ファイバ１６のコア１５に集光するレンズ手段として設けられているレンズ２２の凸レンズ面２３に当たる。光デバイス４０も、光デバイス２０と同様に、レンズ２２により、高い精度で直に光ファイバを位置合わせする必要がない。また、レンズ４３の凸レンズ面４４も、例えばモールド成型などにより高い精度で製造できるので、光デバイス４０も、高い光結合効率を達成する。
図２および図４では、光がシリコン光導波路１３から出て光ファイバ１６に入る通信の光結合が示されているが、光デバイス２０および４０は、光が光ファイバ１６から出てシリコン光導波路１３に入る通信の光結合でも使用することができ、高い光結合効率を達成する。
以上、実施態様を用いて本発明の説明をしたが、本発明の技術的範囲は実施態様について記載した範囲には限定されない。実施態様に種々の変更又は改良を加えることが可能であり、そのような変更又は改良を加えた態様も当然に本発明の技術的範囲に含まれる。
１０、２０、４０ 光デバイス
１５ コア
１６ 光ファイバ
２１ グレーティング手段
２２、４３ レンズ
２３、４４ 凸レンズ面
２４ 凹所
４２ 反射板
１５ コア
１６ 光ファイバ
２１ グレーティング手段
２２、４３ レンズ
２３、４４ 凸レンズ面
２４ 凹所
４２ 反射板
Claims (2)
- シリコン基板の上に形成されたシリコン薄膜導波路を伝播する伝播光を、前記シリコン基板の方へ直角に曲げて、前記シリコン基板を通る平行光に変え、前記シリコン基板の前記シリコン薄膜導波路が形成された側とは反対側より前記シリコン基板から出すグレーティング手段と、
前記グレーティング手段により前記シリコン基板の前記反対側から前記シリコン基板を出た前記平行光を光ファイバのコアに集光するレンズ手段と、
を含み、
前記グレーティング手段は、複数のＶ溝が平行に設けられ、当該各Ｖ溝の一方の側の面は４５度の傾斜をなす反射面である、
光デバイス。 - 前記レンズ手段は、前記平行光の側に凸レンズ面を有し、前記光ファイバの側に前記光ファイバを設ける凹所を有し，当該凹所で前記光ファイバのコアに前記平行光が集光するように当該凹所は形成されている、請求項１に記載の光デバイス。
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