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JP2006350226A - Optical coupler, optical waveguide device and optical waveguide coupling method using the optical coupler - Google Patents

Optical coupler, optical waveguide device and optical waveguide coupling method using the optical coupler Download PDF

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JP2006350226A
JP2006350226A JP2005179524A JP2005179524A JP2006350226A JP 2006350226 A JP2006350226 A JP 2006350226A JP 2005179524 A JP2005179524 A JP 2005179524A JP 2005179524 A JP2005179524 A JP 2005179524A JP 2006350226 A JP2006350226 A JP 2006350226A
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Japan
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optical
refractive index
optical waveguide
coupling device
voltage
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JP2005179524A
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Japanese (ja)
Inventor
Koichiro Kishima
公一朗 木島
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical coupler with which excellent optical coupling between an optical waveguide having a minute cross-sectional area and an external optical component is achieved, an optical waveguide coupling method excellent in optical coupling efficiency and an optical waveguide device. <P>SOLUTION: The optical coupler comprises at least a pair of electrode structure portions 12, 22 and a refractive index modulating portion 20 such as a liquid crystal, whose refractive index distribution is varied according to a voltage gradient caused by voltage application to the electrode structure portions 12, 22, and a phase of incident light is varied in the refractive index modulating portion 20 to optically couple the varied phase light to an external optical portion. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to an optical coupling device that facilitates coupling with an optical waveguide having a minute waveguide cross section such as a silicon optical waveguide, an optical waveguide device using the same, and an optical waveguide coupling method.

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。
In recent years, much research has been conducted on an optical waveguide having a silicon material as a core on a silicon substrate. An optical waveguide made of such a material is called silicon photonics, and is expected to be applied to, for example, a combination with a semiconductor device using a silicon substrate (see, for example, Non-Patent Document 1).
Since the refractive index of silicon material is close to 3.5, an optical waveguide having a silicon material as a core and silicon oxide as a cladding can obtain a very high refractive index difference. Therefore, it is possible to form an optical waveguide having a very small cross section, and it is also possible to form a fine curved optical waveguide having a radius of curvature of about 3 μm. Therefore, the entire optical waveguide can be reduced in size, and its application to various semiconductor devices described above is promising because of its compactness.

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。)。
M. Salib et al., “Silicon Photonics”, Intel Technology Journal, Vol.08, Issue 02, May 10, 2004, pp.143-160
However, the small cross-sectional area of the optical waveguide is problematic in that high alignment accuracy is required when light is incident on the optical waveguide from the outside.
For this reason, for example, a tapered optical waveguide is provided on the end face of the optical waveguide to increase the cross-sectional area of the optical waveguide at the input / output portion of the optical waveguide element (see Non-Patent Document 1 above).
M. Salib et al., “Silicon Photonics”, Intel Technology Journal, Vol.08, Issue 02, May 10, 2004, pp.143-160

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。   By the way, in order to increase the cross-sectional area of the optical waveguide by providing a tapered structure on the end face of the optical waveguide, a tapered portion having a length corresponding to the ratio of the cross-sectional area is required. Therefore, the above-described advantage of downsizing is impaired. For this reason, a method of manufacturing a tapered optical waveguide for the purpose of remarkably relaxing the alignment accuracy is not practical.

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。   In view of the above problems, the present invention is a light capable of excellent optical coupling between an optical waveguide having an optical waveguide with a small cross-sectional area, such as the above-described silicon photonics, and an external optical component. An object of the present invention is to provide a coupling device and thereby provide an optical waveguide device and an optical waveguide coupling method excellent in optical coupling efficiency.

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。
In order to solve the above problems, an optical coupling device according to the present invention has at least a pair of electrode structure portions and a refractive index modulation portion whose refractive index distribution changes corresponding to a voltage gradient caused by voltage application to the electrode structure portions. Thus, the refractive index modulation unit is configured to optically couple to an external optical unit by changing the phase of incident light.
Further, in the optical coupling device of the present invention, the above-described refractive index modulation unit is composed of liquid crystal.

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。
Furthermore, the optical waveguide device of the present invention includes an optical waveguide portion, a condenser lens, and an optical coupling device, and uses the optical coupling device of the above-described configuration of the present invention as the optical coupling device. That is, this optical coupling device includes at least a pair of electrode structure portions and a refractive index modulation portion whose refractive index distribution changes corresponding to a voltage gradient caused by voltage application to the electrode structure portions. The input / output light to the optical waveguide unit is optically coupled to the external optical unit by changing the phase of the incident light in the unit.
In the optical waveguide coupling method of the present invention, a voltage gradient is generated by applying a voltage to change the phase of incident light, and the condensing position by the condensing lens is adjusted to optically couple with the optical waveguide.

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。   As described above, the optical coupling device of the present invention has a refractive index modulation section made of liquid crystal or the like whose refractive index distribution changes corresponding to the voltage gradient. With this configuration, when a voltage gradient is generated by applying a voltage from the electrode structure unit to the refractive index modulation unit and the refractive index distribution is changed, the phase of incident light passing through the refractive index modulation unit is changed. It is possible to produce an inclination in the equiphase wavefront. Therefore, when the light whose phase has changed is condensed by the condensing lens, the condensing spot position is shifted corresponding to the inclination of the equiphase wavefront. That is, according to the optical coupling device of the present invention, the focused spot position can be adjusted by voltage application. Thereby, input / output light to an optical waveguide or the like having a small cross-sectional area can be easily optically coupled to an external optical unit.

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。
As described above, according to the optical coupling device of the present invention, optical coupling to a region having a relatively small cross-sectional area can be performed satisfactorily and easily.
In the optical coupling device of the present invention, a thin and practical optical coupling device can be provided by using liquid crystal as the refractive index modulation unit.
Furthermore, according to the optical waveguide device and the optical waveguide coupling method of the present invention, it is possible to provide an optical waveguide device and an optical waveguide coupling method that are easy in optical alignment and excellent in optical coupling efficiency.

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。
Examples of the best mode for carrying out the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following examples.
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of an embodiment of an optical waveguide device using an optical coupling device according to the present invention. In this example, when the light L is input / output to / from the optical waveguide portion 1 by the condenser lens 2, an example is shown in which the optical coupling device 10 having the configuration of the present invention is used. By changing the phase of the light incident on the condenser lens 2 in the optical coupling device 10 having a refractive index modulation unit such as a liquid crystal, the position of the light spot condensed on the end face of the optical waveguide unit 1 is adjusted, and the light A state where the light is efficiently incident on the waveguide portion 1 is shown. In addition to these configurations, the optical waveguide device can be combined with various light source devices and various devices such as a semiconductor device including a light receiving unit.

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。
Next, the principle of the optical waveguide coupling method using the optical coupling device of the present invention will be described with reference to FIGS.
When a liquid crystal such as a nematic liquid crystal material is used as the refractive index modulation unit, the refractive index of the liquid crystal changes according to the applied voltage, and the phase distribution of light transmitted through the liquid crystal is adjusted by the voltage distribution applied to the liquid crystal. Is done. When a liquid crystal material is used, it is advantageous for reducing the thickness of the device and has an advantage that it can be configured at a relatively low cost.
As shown in FIG. 2, when no voltage is applied to the optical coupling device 10, the incident light Li such as a laser does not change its phase distribution even if it passes through the optical coupling device 10, and is indicated by a solid line p. The equiphase wavefront is not inclined even after equalization, and a condensing spot is formed at a spot position on the optical axis c by the condenser lens 2.

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。
In contrast, FIG. 3 shows how the phase of light changes when a voltage is applied to the refractive index modulation section of the optical coupling device 10. In FIG. 3, parts corresponding to those in FIG. For example, a voltage is applied to the refractive index modulation unit made of liquid crystal so as to generate a voltage gradient in one direction within a plane orthogonal to the optical axis, for example, a direction indicated by an arrow a in FIG. At this time, the refractive index of the refractive index modulator such as liquid crystal has a distribution in the direction indicated by the arrow a.
Corresponding to this refractive index distribution, the phase distribution of the light Lo after passing through the optical coupling device 10 has a phase difference d due to the optical path difference caused by the refractive index difference of the liquid crystal, and the equiphase wavefront p ′ It will incline with respect to an axis | shaft along the direction shown by the arrow a.
Then, the light of the tilted equiphase wavefront p ′ is shifted by, for example, δ from the optical axis c according to the tilt of the equiphase wavefront p ′ at the spot position collected by the condenser lens 2.
Accordingly, by appropriately selecting the magnitude of the voltage applied to the refractive index modulation unit of the optical coupling device 10 and the direction in which the voltage gradient is generated, the spot position condensed by the condenser lens 2 is shifted to an arbitrary position. You can see that
Note that the refractive index modulation unit may be configured using a ferroelectric crystal such as LiNbO 3 in addition to the liquid crystal material, and the phase of light may be changed by an electro-optic effect. It goes without saying that other materials that cause a change in refractive index corresponding to a voltage gradient can also be used.

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。
4 and 5 are diagrams showing a schematic plan configuration of an electrode structure portion of an embodiment of the optical coupling device according to the present invention.
In this example, by providing two pairs of electrode structures, voltage gradients are generated in two directions in a plane orthogonal to the optical axis, and the focused spot position can be adjusted two-dimensionally. Is.

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。   First, as shown in FIG. 4, a pair of electrodes, that is, in this case, a metal or other low-resistance material is formed on a substrate 11 made of one glass or the like along two opposite sides of the substrate 11. The low resistance conductive portions 13A and 13B are formed in a shape extending in parallel with each other in the direction indicated by the arrow y in FIG. 4 (left and right in FIG. 4). These are connected by a planar high-resistance conductive portion 14 made of thin-film ITO (indium-tin composite oxide) or the like to constitute the first electrode structure portion 12. In this case, when a voltage is applied from the terminals 13a and 13b of the low resistance conductive portions 13A and 13B, a voltage gradient is generated in the direction indicated by the arrow x (up and down in FIG. 4). In FIG. 4, a circular region D indicated by hatching indicates a region through which the light beam passes.

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。   On the other hand, as shown in FIG. 5, on the other substrate 21 made of glass or the like, a second electrode structure portion that generates a voltage gradient in a direction orthogonal to the first electrode structure portion 12 shown in FIG. 22 is provided. That is, in this case, the low-resistance conductive films 23A and 23B extending in the direction indicated by the arrow x in FIG. The low resistance conductive films 23A and 23B are connected by a planar high resistance conductive film 24 made of ITO or the like to form the second electrode structure portion 22. In the illustrated example, in order to derive the terminals 23a and 23b of the low resistance conductive films 23A and 23B, the low resistance conductive films 23A and 23A are arranged in the direction indicated by the arrow y orthogonal to the direction indicated by the arrow x. The example which extended 23B is shown. Also in FIG. 5, a circular region D indicated by hatching indicates a region through which the light beam passes.

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。   An example of the waveform of the voltage applied to the low resistance conductive films 13A and 13B on one substrate 11 shown in FIG. 4 is shown in FIGS. In this example, the input signal is an AC waveform, and an AC voltage with an amplitude V1 is applied from the terminal 13a as shown in FIG. 6, and an AC voltage with an amplitude V2 is applied from the terminal 13b as shown in FIG. As described above, the reason why the AC voltage is applied is that, when a liquid crystal material is used as the refractive index modulation unit, the liquid crystal material is damaged when a DC (direct current) voltage is applied to the liquid crystal material. For example, if the thickness of the liquid crystal layer is about 10 μm, the refractive index of the liquid crystal material can be adjusted according to the amplitude of the applied voltage without being affected by the frequency of the AC waveform by applying a voltage of about 500 Hz to 1000 Hz. It is known that the refractive index is constant.

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。   A pair of substrates 11 and 12 having the structure shown in FIGS. 4 and 5 is deposited with the electrode structure portions 12 and 22 facing each other and sandwiching a refractive index modulation portion made of, for example, a liquid crystal material, A coupling device can be constructed. FIG. 8A shows a schematic side view of the optical coupling device having such a configuration as viewed from the direction indicated by the arrow b in FIGS. 4 and 5. Here, the case where the AC voltages having the waveforms shown in FIGS. 6 and 7 are respectively applied to the terminals 13a and 13b on the substrate 11 and the terminals 23a and 23b on the other substrate 21 are grounded (to 0V). Think. FIG. 8B and FIG. 8C show the voltage gradient and refractive index distribution in the refractive index modulation unit 20 in the plane of the side surface shown in FIG. 8A at this time. As shown in FIG. 8B, a linear voltage gradient is formed between both terminals 13a and 13b sandwiching the high-resistance conductive film, and as shown in FIG. 8C, the refractive index n changes, that is, the optical path length nd changes. I understand that That is, the refractive index changes so as to have a gradient according to the magnitude of each applied voltage difference V1-V2 between the terminals 13a and 13b. That is, since the refractive index modulation part such as a liquid crystal material has a refractive index gradient corresponding to the magnitude of V1-V2, the phase of the light transmitted through this optical coupling device is the magnitude of V1-V2. It will have a corresponding phase gradient.

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。   FIG. 9 shows how the phase of the light transmitted through the optical coupling device changes in this case. The equiphase wavefront p ′ of the light transmitted through the optical coupling device 20 is adjusted depending on the voltages V1 and V2. Therefore, when the transmitted light is condensed by the condensing lens, the condensing spot position moves in accordance with the inclination of the equiphase wavefront, so that the light applied to the optical coupling device is condensed with good accuracy. The spot position can be adjusted. In FIG. 9, parts corresponding to those in FIG.

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。
In the above example, an example in which a voltage is applied only to the terminals 13a and 13b of the first electrode structure 12 formed on one substrate 11 to adjust the focused spot position is shown. It is also possible to apply a voltage to the terminals 23a and 23b of the second electrode structure part 22 formed in the above to move the spot in the direction of the voltage gradient generated by the second electrode structure part 22. An example of the waveform of the voltage applied to the terminal 23a is shown in FIG. When such an AC voltage is applied to the terminal 23a and the terminal 23b is grounded, for example, a voltage gradient is generated between the terminals 23a and 23b, thereby changing the refractive index of the refractive index modulation unit such as a liquid crystal material, thereby reducing the optical path length. It is possible to change and move the focused spot in the direction of the voltage gradient.
Note that the movement of the spot in this direction is a phenomenon that occurs regardless of whether the voltages V1 and V2 applied to the terminals 13a and 13b are equal or not. Therefore, the direction of the terminals 13a and 13b Independently, the spot movement in the direction of the terminals 23a and 23b can be performed.

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。   Further, in this case, assuming that the refractive index modulation unit 20 such as a liquid crystal material has a threshold voltage Vth that causes a change in refractive index, the values of the smaller amplitudes of the voltages V1 and V2 applied to the first electrode structure unit 12 are The difference between the voltages V3 and V4 applied to the other second electrode structure 22 and the larger value of the amplitude needs to be Vth or more. By selecting the voltages V1 to V4 in this way, the equiphase wavefront of the light beam transmitted through the refractive index modulation unit such as a liquid crystal material can be changed linearly with respect to the voltage difference of the input voltage.

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。
Next, each example of the optical waveguide part in which the optical coupling device of the present invention can be used is shown in the schematic sectional configuration diagram of FIGS. 11 to 13 and the schematic configuration diagram of FIG. Each example shows a configuration example of the above-described silicon photonics type optical waveguide portion.
FIG. 11 shows a so-called ridge-type optical waveguide in which a SiO 2 portion 42 and a Si portion 43 having a lower refractive index are stacked on a Si portion 41, and a position corresponding to the waveguide of the Si portion 43 is a convex portion 43a. A waveguide part is shown.
Further, FIG. 12 shows an optical waveguide portion in which a SiO 2 portion 44 and a Si portion 45 are further formed on the Si portion 43 having the convex portion 43a, and a so-called SIMOX (Separation by Implanted Oxygen) type can be formed. Each example of a strip type optical waveguide part having a so-called silicon wire optical waveguide in which a SiO 2 part 4 is laminated on a Si part 41 and a line-like Si part 43 is formed thereon is shown.
FIG. 14 shows an inverse tapered optical waveguide type optical waveguide portion in which a tapered portion 43t is formed at the end portion of the Si portion 43 of the silicon wire optical waveguide, that is, the light input / output portion. In this case, the emitted light has a shape in which the light beam spreads outward from the tip of the taper portion 43t, as indicated by a broken line arrow Ld. By combining with the optical coupling device of the configuration of the present invention, more efficient coupling is possible, and by making the spot adjustable, the distance from the tip of the tapered portion 43t to the end face of the optical waveguide portion can be reduced. Is also possible.

このように、Si及びSiO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。
Thus, when an optical waveguide unit using Si and SiO 2 is provided in the optical waveguide device of the present invention, light can be coupled without impairing coupling efficiency even if the area of the optical coupling end face is extremely small. .
That is, in the optical coupling device of the present invention, it is possible to adjust the focal spot position with good accuracy, so that it is possible to form a fine waveguide pattern in various optical waveguides including such a silicon photonics type optical waveguide, In the case of using a silicon photonics type waveguide, an optical waveguide device that can be combined with various semiconductor devices using a Si substrate can be easily assembled and manufactured.

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。
Next, as an example, the result of studying the amount of movement of the spot when a liquid crystal material is used as the refractive index adjusting unit will be described.
FIG. 15 shows the relationship between the numerical aperture NA of the condenser lens and the spot size when laser light having a wavelength of 1550 nm is used as incident light. 16 and 17 show the relationship of the amount of movement of the spot position according to the phase difference amount with respect to the numerical aperture NA of the condenser lens. In FIG. 16, one scale on the vertical axis is 1 μm, and in FIG. 17, one scale on the vertical axis is 0.2 μm.
From these results, in the optical coupling device according to the present invention, when a liquid crystal material is used as the refractive index adjusting unit, for example, in an optical system using a condensing lens having a numerical aperture NA of about 0.4, a collection with a diameter of about 5 μm is used. It can be seen that the light spot can be moved by about 5 μm, and in the optical system using a condensing lens having a numerical aperture NA of about 0.8, a condensing spot having a diameter of about 2 μm can be moved by about 2 μm.
As described above, even in an optical system having a very high numerical aperture NA of 0.8, the spot position can be moved by about 2 μm. It shows that the coupling with an external optical component such as a condenser lens can be set to an optimum value, that is, with a desired coupling efficiency.

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。   In the above-described embodiment, the example of adjusting the position of the light beam incident on the optical waveguide portion from the condensing lens is shown in the optical coupling device. It is also possible to adjust the position of the condensing spot by adjusting the phase of a light beam such as a laser beam that is arranged between the lens and the optical waveguide portion and is condensed.

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。
8 and FIG. 9 shows an example in which one liquid crystal layer is provided as the refractive index adjustment unit of the optical coupling device. Since an unpolarized liquid crystal material is not easy to produce at this time, in this example, it is necessary to provide a polarizing optical system in which the alignment direction of the liquid crystal material matches the polarization direction of incident light.
On the other hand, when the optical coupling device is configured by using two liquid crystal layers having the same voltage change characteristics and orthogonal orientation directions as the liquid crystal material, the same voltage is applied to the light in the deflection direction in all directions. The phase of transmitted light can be adjusted by changing the refractive index by generating a gradient. That is, in this case, depolarization can be performed when the focused spot is moved.

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。   As described above, according to the present invention, since the spot of the condenser lens can be moved without using mechanically moving parts, the mounting accuracy of the condenser lens can be reduced in the mounting process. In addition, even when the position of the condenser lens or the light source has moved after mounting, if the amount of movement of the spot is within the movable range by the optical coupling device of the present invention, the deviation of the spot position is reduced. You will be able to recover. Therefore, it is possible to reduce the cost by reducing the system of the mounting process, to reduce the manufacturing cost and the device cost, and it is also possible to relax the use conditions of the optical waveguide device.

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。   The optical coupling device and the optical waveguide device according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various arrangements, materials, configurations, etc. of optical components are possible without departing from the configuration of the present invention. Needless to say, modifications and changes are possible.

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。1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of an optical waveguide device according to the present invention. 本発明による光導波路結合方法の原理の説明図である。It is explanatory drawing of the principle of the optical waveguide coupling method by this invention. 本発明による光導波路結合方法の原理の説明図である。It is explanatory drawing of the principle of the optical waveguide coupling method by this invention. 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。It is a schematic plane block diagram of the principal part of one embodiment of the optical coupling device by this invention. 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。It is a schematic plane block diagram of the principal part of one embodiment of the optical coupling device by this invention. 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。It is a figure which shows an example of the waveform of the voltage applied to the optical coupling device by this invention. 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。It is a figure which shows an example of the waveform of the voltage applied to the optical coupling device by this invention. 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。A is a schematic side view of an embodiment of an optical coupling device according to the present invention. B is a figure which shows an example of the voltage gradient produced in the optical coupling device of this invention. C is a figure which shows an example of the refractive index distribution in the optical coupling device of this invention. 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。It is a figure which shows the phase change of the light in one Example of the optical coupling device by this invention. 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。It is a figure which shows an example of the waveform of the voltage applied to the optical coupling device by this invention. 光導波路部の一例の概略断面構成図である。It is a schematic sectional block diagram of an example of an optical waveguide part. 光導波路部の一例の概略断面構成図である。It is a schematic sectional block diagram of an example of an optical waveguide part. 光導波路部の一例の概略断面構成図である。It is a schematic sectional block diagram of an example of an optical waveguide part. 光導波路部の一例の概略構成図である。It is a schematic block diagram of an example of an optical waveguide part. 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。It is a figure which shows the relationship of the spot diameter with respect to the numerical aperture of a condensing lens. 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。It is a figure which shows the relationship of the beam shift amount with respect to the numerical aperture of a condensing lens. 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。It is a figure which shows the relationship of the beam shift amount with respect to the numerical aperture of a condensing lens.

符号の説明Explanation of symbols

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   1. 1. Optical waveguide part Condensing lens, 10. 10. optical coupling device; Substrate, 12. 1st electrode structure part, 13A. Low resistance conductive part, 13B. Low resistance conductive part, 14. High resistance conductive portion, 21. Substrate, 22. Second electrode structure, 23A. Low resistance conductive part, 23B. Low resistance conductive portion, 24. High resistance conductive part

Claims (5)

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。
At least a pair of electrode structures;
Comprising a refractive index modulation section in which a refractive index distribution changes corresponding to a voltage gradient caused by voltage application to the electrode structure section,
An optical coupling device characterized in that, in the refractive index modulation section, the phase of incident light is changed and optically coupled to an external optical section.
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。
The optical coupling device according to claim 1, wherein the refractive index modulation unit is made of liquid crystal.
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。
The electrode structure comprises first and second electrode structures;
The optical coupling device according to claim 1, wherein the phase of the incident light is changed in at least two directions.
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。
An optical waveguide unit, a condenser lens, and an optical coupling device;
The optical coupling device includes at least a pair of electrode structures;
Comprising a refractive index modulation section in which a refractive index distribution changes corresponding to a voltage gradient caused by voltage application to the electrode structure section,
An optical waveguide device characterized in that, in the refractive index modulation section, the phase of incident light is changed to optically couple input / output light to / from the optical waveguide section to an external optical section.
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。
Applying voltage causes a voltage gradient to change the phase of the incident light,
An optical waveguide coupling method characterized by adjusting a condensing position by a condensing lens and optically coupling with an optical waveguide.
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