光結合装置とこれを用いた光導波路装置及び光導波路結合方法

【課題】微小な断面積の光導波路を有する光導波路と、外部の光学部品との良好な光結合が可能な光結合装置を提供し、光結合効率に優れた光導波路結合方法及び光導波路装置を提供する。
【解決手段】少なくとも一対の電極構造部１２，２２と、この電極構造部１２，２２への電圧印加による電圧勾配に対応して屈折率分布が変化する液晶等の屈折率変調部２０を有して成り、この屈折率変調部２０において、入射光の位相を変化させて外部の光学部に光学的に結合させる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン光導波路などの微小な導波路断面を有する光導波路との結合を容易にする光結合装置とこれを用いた光導波路装置及び光導波路結合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコン基板上にシリコン材料をコアとする光導波路の研究が多くなされている。このような材料の光導波路はシリコン・フォトニクス（Silicon Photonics）と呼ばれ、例えばシリコン基板を用いた半導体装置との組み合わせなどへの応用が見込まれている（例えば非特許文献１参照。）。
シリコン材料は、屈折率が３．５近くあるため、シリコン材料をコアとし、酸化シリコンをクラッドとする光導波路は、極めて高い屈折率差が得られる。このため、非常に小さな断面の光導波路を形成することが可能であり、３μｍ程度の曲率半径の微細な曲線状の光導波路も形成することができる。したがって、光導波路全体を小型化でき、そのコンパクト性から上述した各種半導体装置への応用などが有望視されている。
【０００３】
しかしながら、光導波路の断面積が小さいということは、外部から光導波路に光を入射させる際に高い位置合わせ精度が要求されてしまうことが問題となる。
このため、例えば光導波路の端面にテーパ状光導波路を設け、光導波路素子の入出力部分の光導波路の断面積を大きくするなどの検討もなされている（上記非特許文献１参照。）。
【非特許文献１】M. Salib et al., “Silicon Photonics”, Intel Technology Journal, Vol.08, Issue 02, May 10, 2004, pp.143-160
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、光導波路端面にテーパ状の構造を設けて光導波路の断面積を広げるためには、断面積の比率に応じた長さのテーパ部分が必要となる。したがって、上述した小型化の優位性を損なうこととなる。このため、位置合わせ精度を格段に緩めることを目的としてテーパ状光導波路を作製する方法は、現実的ではない。
【０００５】
以上の問題に鑑みて、本発明は、上述したシリコン・フォトニクスに代表されるような、微小な断面積の光導波路を有する光導波路と、外部の光学部品との良好な光結合が可能な光結合装置を提供し、これにより光結合効率に優れた光導波路装置及び光導波路結合方法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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明による光結合装置は、少なくとも一対の電極構造部と、この電極構造部への電圧印加による電圧勾配に対応して屈折率分布が変化する屈折率変調部を有して成り、屈折率変調部において、入射光の位相を変化させて外部の光学部に光学的に結合させる構成とする。
また、本発明の光結合装置は、上述の屈折率変調部を液晶より構成する。
【０００７】
更に、本発明の光導波路装置は、光導波路部と、集光レンズと、光結合装置とを有し、光結合装置として上述の本発明構成の光結合装置を用いる構成とする。すなわち、この光結合装置は、少なくとも一対の電極構造部と、この電極構造部への電圧印加による電圧勾配に対応して屈折率分布が変化する屈折率変調部を有して成り、屈折率変調部において、入射光の位相を変化させて光導波路部への入出力光を外部の光学部に光学的に結合させる構成とする。
また、本発明の光導波路結合方法は、電圧印加により、電圧勾配を生じさせて入射光の位相を変化させ、集光レンズによる集光位置を調整して光導波路と光学的に結合する。
【０００８】
上述したように、本発明の光結合装置においては、電圧勾配に対応して屈折率分布が変化する液晶等より成る屈折率変調部を有するものである。このような構成とすることにより、屈折率変調部に電極構造部から電圧を印加して電圧勾配を生じさせ、屈折率分布を変化させると、この屈折率変調部を通過する入射光の位相が変化して、等位相波面に傾きを生じさせることができる。したがって、この位相の変化した光を集光レンズにより集光すると、その集光スポット位置は、等位相波面の傾きに対応して、シフトすることとなる。すなわち本発明の光結合装置によれば、集光スポット位置を電圧印加により調整することができる。これにより、断面積の小さい光導波路等への入出力光を、外部の光学部と容易に光学的に結合することができる。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明の光結合装置によれば、断面積の比較的小さい領域への光学的な結合を良好に、また容易に行うことができる。
また、本発明の光結合装置において、屈折率変調部として液晶を用いることにより、薄型で、実用的な光結合装置を提供することができる。
更に、本発明の光導波路装置及び光導波路結合方法によれば、光学的な位置合わせが容易で光結合効率に優れた光導波装置及び光導波路結合方法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】
【００１０】
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
図１に本発明による光結合装置を用いた光導波路装置の一実施形態例の概略構成図を示す。この例では、光導波路部１に対して、集光レンズ２により光Ｌの入出力を行う場合に、本発明構成の光結合装置１０を用いて構成した例を示す。集光レンズ２に入射する光の位相を液晶等の屈折率変調部を有する光結合装置１０において変化させることにより、光導波路部１の端面に集光される光スポットの位置を調整し、光導波路部１に効率的に入射させた状態を示している。なお、光導波路装置としては、これらの構成に加えて、各種の光源装置や、例えば受光部を含む半導体装置などの各種の装置と組み合わせることが可能である。
【００１１】
次に、図２及び３を用いて、本発明の光結合装置を用いた光導波路結合方法の原理を説明する。
屈折率変調部として、例えばネマチック液晶材料等の液晶を用いる場合、印加される電圧に応じて液晶の屈折率が変化し、液晶を透過する光の位相分布が液晶に印加される電圧分布により調整される。液晶材料を用いる場合、装置の薄型化に有利であり、また比較的安価なコストで構成できるという利点がある。
図２に示すように、光結合装置１０に電圧が印加されていない場合は、レーザ等の入射光Ｌｉは、光結合装置１０を透過してもその位相分布に変化はなく、実線ｐで示す等位相波面は等化後も傾斜せず、集光レンズ２により光軸ｃ上のスポット位置に集光スポットを形成する。
【００１２】
これに対し、光結合装置１０の屈折率変調部に電圧を印加した場合の光の位相が変化した様子を図３に示す。図３において、図２と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。例えば液晶より成る屈折率変調部に、光軸と直交する面内においてある一方向、例えば図３中の矢印ａで示す方向に電圧勾配を生じるように電圧を印加する。このとき、液晶等の屈折率変調部の屈折率は、矢印ａで示す方向に分布を生じる。
この屈折率分布に対応して、光結合装置１０を透過した後の光Ｌｏの位相分布は、液晶の屈折率差に起因する光路差により、位相差ｄが生じ、等位相波面ｐ´が光軸に対し、矢印ａで示す方向に沿って傾斜することとなる。
そして、この傾斜した等位相波面ｐ´の光は、集光レンズ２により集光されるスポット位置が、等位相波面ｐ´の傾斜に応じて例えば光軸ｃからδだけシフトすることとなる。
したがって、光結合装置１０の屈折率変調部に印加する電圧の大きさと、電圧勾配を生じさせる方向を適切に選定することによって、集光レンズ２により集光されるスポット位置を任意の位置にシフトさせることができることがわかる。
なお、屈折率変調部としては、液晶材料の他、例えばＬｉＮｂＯ_３などの強誘電性結晶を用いて構成し、電気光学効果により光の位相を変化させることも可能である。また、その他の電圧勾配に対応する屈折率変化を生じる材料を用いることもできることはいうまでもない。
【００１３】
図４及び図５は、本発明による光結合装置の一実施形態例の電極構造部の概略平面構成を示す図である。
この例においては、一対の電極構造部を２組設けることによって、光軸と直交する面内において２方向に電圧勾配を生じさせ、２次元的に集光スポット位置を調整することを可能とするものである。
【００１４】
先ず、図４に示すように、一方のガラス等より成る基板１１の上に、この基板１１の相対向する２辺に沿って一対の電極、すなわちこの場合、金属又はその他の低抵抗材料より成る低抵抗導電部１３Ａ及び１３Ｂを、図４中矢印ｙで示す（図４において左右の）方向に互いに平行に延長する形状として形成する。そして、これらの間を薄膜ＩＴＯ（インジウム−スズ複合酸化物）等より成る面状の高抵抗導電部１４で接続し、第１の電極構造部１２を構成する。この場合、低抵抗導電部１３Ａ及び１３Ｂの各端子１３ａ及び１３ｂから電圧を印加すると、矢印ｘで示す（図４において上下の）方向に電圧勾配が生じる。図４において、斜線を付して示す円形の領域Ｄは、光束が通過する領域を示す。
【００１５】
一方、図５に示すように、ガラス等より成る他方の基板２１の上には、図４に示す第１の電極構造部１２とは直交する方向に電圧勾配を生じさせる第２の電極構造部２２を設ける。すなわちこの場合、図５において矢印ｘで示す方向に延長する互いに平行な低抵抗導電膜２３Ａ及び２３Ｂを設ける。そして、この低抵抗導電膜２３Ａ及び２３Ｂの間を、ＩＴＯ等より成る面状の高抵抗導電膜２４で接続して、第２の電極構造部２２を構成する。なお、図示の例においては、これらの低抵抗導電膜２３Ａ及び２３Ｂの端子２３ａ及び２３ｂを導出するために、矢印ｘで示す方向と直交する矢印ｙで示す方向に、各低抵抗導電膜２３Ａ及び２３Ｂを延在させた例を示す。図５においても、斜線を付して示す円形の領域Ｄは、光束が通過する領域を示す。
【００１６】
図４に示す一方の基板１１上の低抵抗導電膜１３Ａ及び１３Ｂに印加する電圧の波形の一例を図６及び図７に示す。この例においては、入力信号を交流波形とした場合を示し、端子１３ａから図６に示すように振幅Ｖ１の交流電圧、端子１３ｂから図７に示すように振幅Ｖ２の交流電圧を印加する。このように、交流電圧を印加する理由は、屈折率変調部として液晶材料を用いる場合、液晶材料にＤＣ（直流）電圧を印加すると液晶材料が損傷を受けてしまうためである。例えば、液晶層の厚さが１０μｍ程度であれば、通常５００Ｈｚから１０００Ｈｚ程度の電圧を印加することにより、液晶材料の屈折率は交流波形の周波数に影響されることなく印加電圧の振幅に応じた一定の屈折率となることが知られている。
【００１７】
前述の図４及び図５に示す構成の一対の基板１１及び１２を、各電極構造部１２及び２２を対向させた状態で、例えば液晶材料より成る屈折率変調部を挟んで被着し、光結合装置を構成することができる。このような構成の光結合装置の、図４及び図５において矢印ｂで示す方向からみた概略側面構成図を図８Ａに示す。ここで、基板１１上の端子１３ａ及び１３ｂに対して、図６及び図７で示す波形の交流電圧をそれぞれ印加し、他方の基板２１上の端子２３ａ及び２３ｂを接地（０Ｖと）する場合を考える。このときの、図８Ａで示す側面の面内における屈折率変調部２０内の電圧勾配及び屈折率分布を図８Ｂ及び図８Ｃにそれぞれ示す。図８Ｂに示すように、高抵抗導電膜を挟む両端子１３ａ及び１３ｂ間において線形の電圧勾配となり、これに対応して図８Ｃに示すように、屈折率ｎが変化、すなわち光路長ｎｄが変化することがわかる。すなわち、端子１３ａ及び１３ｂ間に、各印加電圧の差Ｖ１−Ｖ２の大きさに応じた勾配を有するように屈折率が変化する。つまり、液晶材料等の屈折率変調部が、Ｖ１−Ｖ２の大きさに応じた屈折率勾配を有することになるので、この光結合装置を透過する光の位相は、Ｖ１−Ｖ２の大きさに応じた位相勾配を有することになる。
【００１８】
この場合の、光結合装置を透過する光の位相の変化する様子を図９に示す。光結合装置２０を透過した光の等位相波面ｐ´は、電圧Ｖ１及びＶ２に依存して調整されることとなる。したがって、透過後の光を集光レンズによって集光すると、その集光スポット位置が、等位相波面の傾きに対応して移動するので、光結合装置に印加する電圧により、良好に精度良く集光スポット位置を調整することができることとなる。図９において、図３と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００１９】
以上の例では、一方の基板１１上に形成した第１の電極構造部１２の端子１３ａ及び１３ｂのみに電圧を印加して集光スポット位置を調整する例を示したが、他方の基板２１上に形成した第２の電極構造部２２の端子２３ａ及び２３ｂにも電圧を印加して、この第２の電極構造部２２により生じさせる電圧勾配の方向へスポットを移動させることも可能である。この端子２３ａに印加する電圧の波形の一例を、図１０に示す。このような交流電圧を端子２３ａに印加し、端子２３ｂを例えば接地すると、端子２３ａ及び２３ｂ間に電圧勾配が生じ、これにより液晶材料等の屈折率変調部の屈折率が変化して光路長を変化させ、電圧勾配方向へ集光スポットを移動することができる。
なおこの方向へのスポットの移動は、端子１３ａ及び１３ｂに印加されている電圧Ｖ１、Ｖ２が等しい場合であっても、等しくない場合であっても生じる現象であるので、端子１３ａ及び１３ｂの方向とは独立して端子２３ａ及び２３ｂの方向のスポット移動を行うことができる。
【００２０】
また、この場合、液晶材料等の屈折率変調部２０が屈折率変化を生じるしきい値電圧Ｖｔｈとすると、第1の電極構造部１２に印加する電圧Ｖ１及びＶ２の振幅の小さい方の値と、他方の第２の電極構造部２２に印加する電圧Ｖ３及びＶ４の振幅の大きい方の値との差が、Ｖｔｈ以上である必要がある。このように各電圧Ｖ１〜Ｖ４を選定することによって、液晶材料等の屈折率変調部を透過した光束の等位相波面を、入力電圧の電圧差に対してリニアに変化させることができることとなる。
【００２１】
次に、本発明の光結合装置を利用可能な光導波路部の各例を図１１〜図１３の概略断面構成図及び図１４の概略構成図にそれぞれ示す。各例ともに、前述のシリコン・フォトニクス型の光導波路部の構成例を示す。
図１１は、Ｓｉ部４１上に、これより低屈折率のＳｉＯ_２部４２及びＳｉ部４３が積層され、Ｓｉ部４３の導波路と対応する位置が凸部４３ａとされるいわゆるリッジ型の光導波路部を示す。
また、図１２は、凸部４３ａを有するＳｉ部４３上に更にＳｉＯ_２部４４及びＳｉ部４５が形成され、いわゆるＳＩＭＯＸ（Separation by Implanted Oxygen）型の形成が可能な光導波路部、図１３は、Ｓｉ部４１上にＳｉＯ_２部４が積層され、この上にライン状のＳｉ部４３が形成されたいわゆるシリコンワイヤー光導波路を有するストリップ型の光導波路部の各例を示す。
図１４は、シリコンワイヤー光導波路のＳｉ部４３の端部、すなわち光の入出力部分にテーパ部４３ｔが形成されたインバーステーパ光導波路型の光導波路部を示す。この場合、出射光は破線矢印Ｌｄで示すように、テーパ部４３ｔの先端から外側に向かって光束が広がる形状となる。本発明構成の光結合装置と組み合わせることによって、より効率の良い結合が可能であり、また、スポット調整可能とすることにより、テーパ部４３ｔの先端から光導波路部の端面までの距離を縮小することも可能である。
【００２２】
このように、Ｓｉ及びＳｉＯ_２を用いた光導波路部を本発明の光導波路装置に設ける場合、その光結合端面の面積を極めて小さくても、結合効率を損なうことなく光を結合させることができる。
すなわち、本発明の光結合装置において集光スポット位置を精度良く良好に調整できるため、このようなシリコン・フォトニクス型光導波路を含め各種の光導波路において微細な導波路パターンの形成が可能であり、またシリコン・フォトニクス型導波路を用いる場合は、Ｓｉ基板を用いた各種の半導体装置との組み合わせが可能な光導波路装置を、容易に組み立て、製造することができることとなる。
【００２３】
次に、一例として液晶材料を屈折率調整部として用いた場合のスポットの移動量について検討した結果を説明する。
図１５は、入射光として、波長１５５０ｎｍのレーザ光を用いた場合の集光レンズの開口数ＮＡとスポットサイズの関係を示す。図１６及び図１７は、集光レンズの開口数ＮＡに対する位相差量に応じたスポット位置の移動量の関係を示す。なお、図１６においては、縦軸の１目盛は１μｍ、図１７においては縦軸の１目盛は０．２μｍである。
これらの結果より、本発明による光結合装置において、屈折率調整部として液晶材料を用いる場合は、例えば、開口数ＮＡが０．４程度の集光レンズを用いた光学系では５μｍ径程度の集光スポットを５μｍ程度移動させることができ、開口数ＮＡが０．８程度の集光レンズを用いた光学系では、２μｍ径程度の集光スポットを２μｍ程度移動させることができることがわかる。
このように、開口数ＮＡが０．８と極めて高い光学系においても、そのスポット位置を２μｍ程度移動させることができるということは、サブミクロンオーダーの実装精度を要求しなくても、光導波路と集光レンズ等の外部の光学部品との結合を最適値に、すなわち所望の結合効率をもって構成することができることを示している。
【００２４】
なお、前述の実施形態例においては、光結合装置を、集光レンズから光導波路部に入射させる光束の位置調整を行っている例を示したが、本発明構成の光結合装置を、集光レンズと光導波路部との間に配置し、集光されているレーザ等の光束の位相を調整し、集光スポットの位置を調整することも可能である。
【００２５】
また、図８及び図９において説明した実施形態例においては、光結合装置の屈折率調整部として１つの液晶層を有する例を示す。無偏光の液晶材料は作製が現時点では容易でないので、この例では、液晶材料の配向方向を、入射する光の偏光方向に一致させた偏光光学系とすることが必要となる。
一方、液晶材料として、電圧変化特性が同じであり、配向方向が直交する２面の液晶層を用いて光結合装置を構成する場合は、全方向の偏向方向の光に対して、同様の電圧勾配を生じさせることにより屈折率を変化させて透過光の位相を調整することができる。すなわちこの場合、集光スポットの移動にあたって、無偏光化することができる。
【００２６】
以上説明したように、本発明によれば、集光レンズのスポットを、機械的に動く部品を用いることなく移動させることができるので、集光レンズの実装工程において、その実装精度を緩和することができるとともに、実装後にその集光レンズあるいは光源の位置が移動してしまった場合においても、そのスポットの移動量が本発明の光結合装置による移動可能範囲内であれば、スポット位置のずれを回復できることとなる。したがって、実装工程の制度緩和による低コスト化、製造コスト及び装置コストの低減化を図ることができ、光導波路装置の使用条件を緩和させることも可能である。
【００２７】
なお、本発明による光結合装置及び光導波路装置は、以上説明した各実施形態例に限定されるものではなく、光学部品の配置や材料、構成等において、本発明構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による光導波路装置の一実施形態例の概略構成図である。
【図２】本発明による光導波路結合方法の原理の説明図である。
【図３】本発明による光導波路結合方法の原理の説明図である。
【図４】本発明による光結合装置の一実施形態例の要部の概略平面構成図である。
【図５】本発明による光結合装置の一実施形態例の要部の概略平面構成図である。
【図６】本発明による光結合装置に印加する電圧の波形の一例を示す図である。
【図７】本発明による光結合装置に印加する電圧の波形の一例を示す図である。
【図８】Ａは本発明による光結合装置の一実施形態例の概略側面構成図である。Ｂは本発明の光結合装置に生じさせる電圧勾配の一例を示す図である。Ｃは本発明の光結合装置における屈折率分布の一例を示す図である。
【図９】本発明による光結合装置の一実施形態例における光の位相変化を示す図である。
【図１０】本発明による光結合装置に印加する電圧の波形の一例を示す図である。
【図１１】光導波路部の一例の概略断面構成図である。
【図１２】光導波路部の一例の概略断面構成図である。
【図１３】光導波路部の一例の概略断面構成図である。
【図１４】光導波路部の一例の概略構成図である。
【図１５】集光レンズの開口数に対するスポット径の関係を示す図である。
【図１６】集光レンズの開口数に対するビームシフト量の関係を示す図である。
【図１７】集光レンズの開口数に対するビームシフト量の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１．光導波路部、２．集光レンズ、１０．光結合装置、１１．基板、１２．第１の電極構造部、１３Ａ．低抵抗導電部、１３Ｂ．低抵抗導電部、１４．高抵抗導電部、２１．基板、２２．第２の電極構造部、２３Ａ．低抵抗導電部、２３Ｂ．低抵抗導電部、２４．高抵抗導電部

【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一対の電極構造部と、
前記電極構造部への電圧印加による電圧勾配に対応して屈折率分布が変化する屈折率変調部を有して成り、
前記屈折率変調部において、入射光の位相を変化させて外部の光学部に光学的に結合させる
ことを特徴とする光結合装置。
【請求項２】
前記屈折率変調部が、液晶より成る
ことを特徴とする請求項１記載の光結合装置。
【請求項３】
前記電極構造部が、第１及び第２の電極構造部より成り、
少なくとも２方向に上記入射光の位相を変化させる
ことを特徴とする請求項１記載の光結合装置。
【請求項４】
光導波路部と、集光レンズと、光結合装置とを有し、
前記光結合装置は、少なくとも一対の電極構造部と、
前記電極構造部への電圧印加による電圧勾配に対応して屈折率分布が変化する屈折率変調部を有して成り、
前記屈折率変調部において、入射光の位相を変化させて前記光導波路部への入出力光を外部の光学部に光学的に結合させる
ことを特徴とする光導波路装置。
【請求項５】
電圧印加により、電圧勾配を生じさせて入射光の位相を変化させ、
集光レンズによる集光位置を調整して光導波路と光学的に結合する
ことを特徴とする光導波路結合方法。

【図１】