JP6539216B2

JP6539216B2 - Optical waveguide

Info

Publication number: JP6539216B2
Application number: JP2016013728A
Authority: JP
Inventors: 遠藤　潤; 潤遠藤; 黒崎　武志; 武志黒崎
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: JP2017134228A

Description

本発明は、光導波路に関し、より詳細には、半導体レーザ素子からの出射光を集光する屈折レンズが一体となったレンズ付きの光導波路に関する。 The present invention relates to an optical waveguide, and more particularly, to an optical waveguide with a lens integrated with a refractive lens that condenses light emitted from a semiconductor laser device.

近年、サイズを縮小した光デバイスの高速伝送化及び低価格化等が停滞してきている。そのため、光デバイスの更なる超高速伝送を実現する切り札として、電気的な信号線路の多チャネル化、多層光配線技術、フォトニック結晶やシリコンフォトニクスに代表される微細な光導波路作製技術の導入が活発に進められている。 In recent years, high-speed transmission and price reduction of optical devices of reduced size have stagnated. Therefore, introduction of fine optical waveguide manufacturing technology represented by multi-channel electrical signal line, multilayer optical wiring technology, photonic crystal and silicon photonics as a trump card to realize further ultra high speed transmission of optical devices It is actively promoted.

図１は、半導体レーザ素子からの出射光が伝搬する光導波路と、半導体レーザ素子からの出射光の集光用の屈折レンズとを含む空間光学系の例を示す図であり、図１（ａ）は空間光学系の斜視透視図であり、図１（ｂ）は空間光学系の側面透視図を示す。空間光学系１００は、半導体レーザ素子１１０と、半導体レーザ素子１１０からの出射光が伝搬する光導波路１２０とを備える。光導波路１２０は、基板１２１と、基板１２１上に形成されたクラッド層１２２と、クラッド層１２２内を貫通するコア層１２３と、半導体レーザ素子１１０からの出射光を集光する屈折レンズ１２４とを備える。基板１２１は、半導体レーザ素子１１０と独立しており、光の導波方向に溝が形成されている。溝には屈折レンズ１２４が配置され、半導体レーザ素子１１０と屈折レンズ１２４の光軸を一致させて最適な光結合を得る。ここで、半導体レーザ素子１１０からの出射光は、空間を伝搬する過程でビームが拡散するため、ビームが拡散した状態で光導波路１２０に入射すると光結合率は低下する。従って、半導体レーザ素子１１０と光導波路１２０の間に屈折レンズ１２４を配置し、半導体レーザ素子１１０からの出射光を集光し、ビーム径をコア層１２３のコア径に整合させた上で、光導波路１２０のコア層１２３入射側端面に結合させる（特許文献１参照）。 FIG. 1 is a view showing an example of a space optical system including an optical waveguide through which light emitted from a semiconductor laser device propagates, and a refractive lens for condensing the light emitted from the semiconductor laser device. Is a perspective perspective view of the space optical system, and FIG. 1 (b) shows a side perspective view of the space optical system. The space optical system 100 includes a semiconductor laser device 110 and an optical waveguide 120 through which light emitted from the semiconductor laser device 110 propagates. The optical waveguide 120 includes a substrate 121, a cladding layer 122 formed on the substrate 121, a core layer 123 penetrating the inside of the cladding layer 122, and a refractive lens 124 for condensing light emitted from the semiconductor laser device 110. Prepare. The substrate 121 is independent of the semiconductor laser device 110, and a groove is formed in the light waveguide direction. A refractive lens 124 is disposed in the groove, and the optical axes of the semiconductor laser element 110 and the refractive lens 124 are aligned to obtain an optimal light coupling. Here, the light emitted from the semiconductor laser device 110 is diffused in the process of propagating in space, so that the light coupling rate is lowered when the light is incident on the optical waveguide 120 in the diffused state. Therefore, the refractive lens 124 is disposed between the semiconductor laser device 110 and the optical waveguide 120, and the light emitted from the semiconductor laser device 110 is condensed to match the beam diameter to the core diameter of the core layer 123. It is coupled to the incident side end face of the core layer 123 of the waveguide 120 (see Patent Document 1).

特開２００８−０８３３５５号公報Japanese Patent Application Publication No. 2008-083355

空間光学系１００は、半導体レーザ素子１１０と光導波路１２０との間の光結合を、屈折レンズ１２４を介して行う構成である。このような空間光学系１００の構成は、半導体レーザ素子１１０と光導波路１２０との間の高い光結合率を得るために、拡散したビームを屈折レンズ１２４により集光し、光導波路１２０のコア層１２３の入射側端面に結合させなければならない。そのため、レンズと半導体光素子の距離に依存して光モジュールのサイズが制限される。 The space optical system 100 is configured to perform optical coupling between the semiconductor laser element 110 and the optical waveguide 120 via the refractive lens 124. Such a configuration of the space optical system 100 condenses the diffused beam by the refractive lens 124 in order to obtain a high optical coupling ratio between the semiconductor laser device 110 and the optical waveguide 120, and the core layer of the optical waveguide 120 It must be coupled to the incident end face of 123. Therefore, the size of the optical module is limited depending on the distance between the lens and the semiconductor optical device.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光導波路とレンズ間の距離を短縮し光モジュールのサイズを縮小した光導波路を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an optical waveguide in which the distance between the optical waveguide and the lens is shortened to reduce the size of the optical module.

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、光導波路であって、クラッド層と、前記クラッド層の内部に延びるコア層とを備える光導波路であって、光の入出射側端面の前記クラッド層の一部が突出している、光導波路と、突出している前記クラッド層の一部に取り付けられ、前記光の入出射側端面の前記コア層および前記クラッド層の突出していない部分との間に空隙部を形成する、第１のレンズ構造体と、前記光の入出射側端面の前記コア層および前記クラッド層の突出していない部分に取り付けられ、前記第１のレンズ構造体の透過光をさらに集光する第２のレンズ構造体とを備えることを特徴とする。 In order to achieve such an object, a first aspect of the present invention is an optical waveguide, comprising: a cladding layer; and a core layer extending to the inside of the cladding layer, in which light is input. A portion of the cladding layer on the light emitting side end face is attached to the optical waveguide and a part of the protruding clad layer, and the core layer and the clad layer on the light emitting side end face are projected A first lens structure forming an air gap between the first lens structure and the non-protruding portion of the core layer and the cladding layer of the end face on the light entrance / exit side of the light; And a second lens structure for further collecting light transmitted through the body.

また、本発明の第２の態様は、第１の態様の光導波路であって、前記第１のレンズ構造体と、前記光の入出射側端面の前記コア層および前記クラッド層の突出していない部分との間の前記空隙部に屈折率整合材が注入されていることを特徴とする。 A second aspect of the present invention is the optical waveguide according to the first aspect, wherein the first lens structure, and the core layer and the cladding layer on the light emitting and receiving end face do not protrude. A refractive index matching material is injected into the void portion between the portions.

また、本発明の第３の態様は、第１または第２の態様の光導波路であって、前記第１のレンズ構造体は、前記光導波路の水平方向の光を集光するシリンドリカルレンズであることを特徴とする。 A third aspect of the present invention is the optical waveguide according to the first or second aspect, wherein the first lens structure is a cylindrical lens that condenses light in the horizontal direction of the optical waveguide. It is characterized by

また、本発明の第４の態様は、第３の態様の光導波路であって、前記第２のレンズ構造体は、回折レンズであることを特徴とする。 A fourth aspect of the present invention is the optical waveguide according to the third aspect, wherein the second lens structure is a diffractive lens.

また、本発明の第５の態様は、第３の態様の光導波路であって、前記第２のレンズ構造体は、モードフィールド面内に屈折率分布を有し、前記光導波路の垂直方向の光を集光するグリンレンズであることを特徴とする。 A fifth aspect of the present invention is the optical waveguide according to the third aspect, wherein the second lens structure has a refractive index distribution in a mode field plane, and the second lens structure is perpendicular to the optical waveguide. It is characterized by being a grin lens which condenses light.

また、本発明の第６の態様は、第１乃至第５のいずれか１つの態様の光導波路であって、前記クラッド層及び前記コア層は石英ガラスにより構成されることを特徴とする。 A sixth aspect of the present invention is the optical waveguide according to any one of the first to fifth aspects, wherein the cladding layer and the core layer are made of quartz glass.

また、本発明の第７の態様は、第１乃至第５のいずれか１つの態様の光導波路であって、前記クラッド層及び前記コア層は半導体光素子により構成されることを特徴とする。 A seventh aspect of the present invention is the optical waveguide according to any one of the first to fifth aspects, wherein the cladding layer and the core layer are formed of a semiconductor optical device.

光導波路とレンズ間の距離を短縮し光モジュールのサイズを縮小すると共に、波長に依存した光学特性の補正や光源のビーム形状制御を可能とし、光結合率を改善させる効果が得られる。 While shortening the distance between the optical waveguide and the lens to reduce the size of the optical module, it is possible to correct the wavelength-dependent optical characteristics and control the beam shape of the light source, and to obtain the effect of improving the light coupling rate.

従来の導波路とレンズを含む光学系を示す構成図。The block diagram which shows the optical system containing the conventional waveguide and lens. 本発明の第１の実施形態にかかる光導波路を示す構成図であり、（ａ）は光導波路の中心軸を通る水平方向の断面図であり、（ｂ）は光導波路の中心軸を通る水平方向の断面図を示し、（ｃ）は光導波路の光入出射端面側の正面透視図を示す。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a block diagram which shows the optical waveguide concerning the 1st Embodiment of this invention, (a) is sectional drawing of the horizontal direction which passes along the central axis of an optical waveguide, (b) is horizontal passing through the central axis of an optical waveguide. Sectional drawing of direction is shown, (c) shows the front perspective view by the side of the light-incidence / emission side of an optical waveguide. 本発明の第２の実施形態にかかる光導波路を示す構成図であり、（ａ）は光導波路の中心軸を通る水平方向の断面図であり、（ｂ）は光導波路の中心軸を通る水平方向の断面図を示し、（ｃ）は光導波路の光入出射端面側の正面透視図を示す。It is a block diagram which shows the optical waveguide concerning the 2nd Embodiment of this invention, (a) is sectional drawing of the horizontal direction which passes along the central axis of an optical waveguide, (b) is horizontal passing through the central axis of an optical waveguide. Sectional drawing of direction is shown, (c) shows the front perspective view by the side of the light-incidence / emission side of an optical waveguide.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

［第１の実施形態］
図２は、本発明の第１の実施形態にかかる光導波路２００を示す構成図であり、図２（ａ）は光導波路２００の中心軸を通る水平方向の断面図であり、図２（ｂ）は光導波路２００の中心軸を通る垂直方向の断面図を示し、図２（ｃ）は光導波路２００の光入出射端面側の正面透視図を示す。図２の光導波路２００は、下部クラッド層２０１と、下部クラッド層２０１上のコア層２０２と、下部クラッド層２０１及びコア層２０２上の上部クラッド層２０３とを備える。また、光導波路２００は、半導体レーザ素子からの光を集光する第１のレンズ構造体であるシリンドリカルレンズ２１１と、シリンドリカルレンズ２１１における収差を補正する第２のレンズ構造体である回折レンズ２１２と、シリンドリカルレンズ２１１と回折レンズ２１２との空間を埋める屈折率整合材２１３とを備える。下部クラッド層２０１の入射側端面の下側の一部は突出しており、突出部分には、シリンドリカルレンズ２１１が接着される。そのため、下部クラッド層２０１の一部の入射側端面、及びコア層２０２並びに上部クラッド層２０３の入射側端面と、シリンドリカルレンズ２１１との間には空間が生じ、屈折率整合材２１３が充填されている。 First Embodiment
FIG. 2 is a block diagram showing the optical waveguide 200 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 (a) is a horizontal sectional view passing through the central axis of the optical waveguide 200. 2 shows a cross-sectional view in the vertical direction passing through the central axis of the optical waveguide 200, and FIG. 2 (c) shows a front transparent view on the light incident / exit end side of the optical waveguide 200. The optical waveguide 200 of FIG. 2 includes a lower cladding layer 201, a core layer 202 on the lower cladding layer 201, and an upper cladding layer 203 on the lower cladding layer 201 and the core layer 202. Further, the optical waveguide 200 includes a cylindrical lens 211 which is a first lens structure which condenses light from the semiconductor laser element, and a diffractive lens 212 which is a second lens structure which corrects an aberration in the cylindrical lens 211. And a refractive index matching material 213 that fills the space between the cylindrical lens 211 and the diffractive lens 212. A part of the lower side of the incident side end face of the lower cladding layer 201 protrudes, and the cylindrical lens 211 is bonded to the protruding portion. Therefore, a space is generated between a part of the incident side end face of the lower cladding layer 201, and the incident side end faces of the core layer 202 and the upper cladding layer 203, and the cylindrical lens 211, and the refractive index matching material 213 is filled. There is.

図２の光導波路２００は、まず、下部クラッド層２０１として機能する石英ガラス基板上にコア層２０２を形成する。コア層２０２は、屈折率を増大させる添加物を含む。さらにコア層２０２上に上部クラッド層２０３を形成する。ここで、本実施形態において、コア層２０２の厚さは１０μｍ、幅は１００μｍとする。 In the optical waveguide 200 of FIG. 2, first, the core layer 202 is formed on a quartz glass substrate which functions as the lower cladding layer 201. The core layer 202 contains an additive that increases the refractive index. Furthermore, the upper cladding layer 203 is formed on the core layer 202. Here, in the present embodiment, the core layer 202 has a thickness of 10 μm and a width of 100 μm.

次に、下部クラッド層２０１、コア層２０２及び上部クラッド層２０３の入射側端面から、下部クラッド層２０１の端面の下側の一部を残して、光導波路内部に向かって一定の深さまで微細加工によって切削する。本実施形態において、切削する領域の深さｄは、３０μｍとする。 Next, from the incident side end face of the lower cladding layer 201, the core layer 202, and the upper cladding layer 203, a part of the lower side of the end face of the lower cladding layer 201 is left, and microfabrication is performed to a certain depth toward the inside of the optical waveguide. Cut by. In the present embodiment, the depth d of the cutting area is 30 μm.

切削領域に回折レンズ２１２を配置する。配置は、回折レンズ２１２の中心がコア層２０２の光の導波方向と直交する方向の断面中心と一致するように配置する。回折レンズ２１２は、屈折率整合材２１３を接着材として用いて固定される。本実施形態において、回折レンズ２１２の直径は７０μｍとする。光導波路の出射側端面において、前記切削領域の下部における面と接触するように、シリンドリカルレンズ２１１を配置する。シリンドリカルレンズ２１１は、円柱構造体の側面の一部を切り出した形状を有する。ベースとなる円柱の径は、受光面の位置に応じて設定される。シリンドリカルレンズ２１１と回折レンズ２１２との間の空隙を埋めるように、屈折率整合材２１３を注入し、両レンズ間の屈折率の差分によって生ずる光結合率の低下を低減する。回折レンズは、同心円状の複数の輪帯を有し、光の回折を利用して光の集光や発散を行うレンズで、回折レンズ２１２の設置により、後段のシリンドリカルレンズ２１１における収差を補正可能とし、光結合率を改善する効果が得られる。 The diffractive lens 212 is placed in the cutting area. The arrangement is such that the center of the diffractive lens 212 coincides with the cross-sectional center of the core layer 202 in the direction orthogonal to the light waveguide direction. The diffractive lens 212 is fixed using the refractive index matching material 213 as an adhesive. In the present embodiment, the diameter of the diffractive lens 212 is 70 μm. The cylindrical lens 211 is disposed so as to be in contact with the surface in the lower part of the cutting region at the emission side end face of the optical waveguide. The cylindrical lens 211 has a shape obtained by cutting out a part of the side surface of the cylindrical structure. The diameter of the cylinder serving as the base is set in accordance with the position of the light receiving surface. The refractive index matching material 213 is injected so as to fill the air gap between the cylindrical lens 211 and the diffractive lens 212, and the decrease in light coupling rate caused by the difference in refractive index between both lenses is reduced. The diffractive lens has a plurality of concentric annular zones, and is a lens that condenses or diverges light using light diffraction. By installing the diffractive lens 212, aberration in the cylindrical lens 211 at the subsequent stage can be corrected. The effect of improving the light coupling rate can be obtained.

［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態にかかる光導波路３００を示す構成図であり、図３（ａ）は光導波路３００の中心軸を通る水平方向の断面図であり、図３（ｂ）は光導波路３００の中心軸を通る垂直方向の断面図を示し、図３（ｃ）は光導波路３００の光入出射端面側の正面透視図を示す。図３の光導波路３００は、下部クラッド層３０１と、下部クラッド層３０１上のコア層３０２と、下部クラッド層３０１及びコア層３０２上の上部クラッド層３０３とを備える。また、光導波路３００は、半導体レーザ素子からのビーム形状を制御する第１のレンズ構造体であるシリンドリカルレンズ３１１と、シリンドリカルレンズ３１１を透過したビーム形状をさらに制御する第２のレンズ構造体であるグリンレンズ３１２と、シリンドリカルレンズ３１１と回折レンズ３１２との空間を埋める屈折率整合材３１３とを備える。下部クラッド層３０１の入射側端面の下側の一部は突出しており、突出部分には、シリンドリカルレンズ３１１が接着される。そのため、下部クラッド層３０１の一部の入射側端面、及びコア層３０２並びに上部クラッド層３０３の入射側端面と、シリンドリカルレンズ３１１との間には空間が生じ、グリンレンズ３１２が配置され、屈折率整合材３１３が充填されている。 Second Embodiment
FIG. 3 is a block diagram showing an optical waveguide 300 according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 3 (a) is a sectional view in the horizontal direction passing through the central axis of the optical waveguide 300. ) Shows a cross-sectional view in the vertical direction passing through the central axis of the optical waveguide 300, and FIG. 3 (c) shows a front transparent view on the light incident / exit end side of the optical waveguide 300. The optical waveguide 300 of FIG. 3 includes a lower cladding layer 301, a core layer 302 on the lower cladding layer 301, and an upper cladding layer 303 on the lower cladding layer 301 and the core layer 302. The optical waveguide 300 is a cylindrical lens 311 which is a first lens structure for controlling the beam shape from the semiconductor laser element, and a second lens structure which further controls the beam shape transmitted through the cylindrical lens 311. A green lens 312 and a refractive index matching material 313 filling the space between the cylindrical lens 311 and the diffractive lens 312 are provided. A part of the lower side of the incident side end face of the lower cladding layer 301 protrudes, and the cylindrical lens 311 is bonded to the protruding portion. Therefore, a space is generated between the incident side end face of a part of the lower cladding layer 301, the incident side end face of the core layer 302 and the upper cladding layer 303, and the cylindrical lens 311, and the grin lens 312 is disposed. The alignment material 313 is filled.

図３の光導波路３００は、まず、下部クラッド層３０１として機能する石英ガラス基板上にコア層３０２を形成する。コア層３０２は、屈折率を増大させる添加物を含む。さらにコア層３０２上に上部クラッド層３０３を形成する。 In the optical waveguide 300 of FIG. 3, first, the core layer 302 is formed on a quartz glass substrate which functions as the lower cladding layer 301. The core layer 302 contains an additive that increases the refractive index. Furthermore, the upper cladding layer 303 is formed on the core layer 302.

次に、下部クラッド層３０１、コア層３０２及び上部クラッド層３０３の入射側端面から、下部クラッド層３０１の端面の下側の一部を残して、光導波路内部に向かって一定の深さまで微細加工によって切削する。 Next, from the incident side end faces of the lower cladding layer 301, the core layer 302 and the upper cladding layer 303, micro processing is performed to a certain depth toward the inside of the optical waveguide, leaving a part under the end face of the lower cladding layer 301. Cut by.

切削領域に、第１の実施形態における回折レンズ２１２に替えて、モードフィールド面内に屈折率分布を有する円筒形状のグリンレンズ３１２を配置する。配置は、グリンレンズ３１２の中心線がコア層３０２の光の導波方向と直交する方向の断面中心と一致するように配置する。グリンレンズ３１２は、屈折率整合材３１３を接着材として用いて固定される。本実施形態において、グリンレンズ３１２の直径は３０μｍとする。光導波路の出射側端面において、前記切削領域の下部における面と接触するように、シリンドリカルレンズ３１１を配置する。シリンドリカルレンズ３１１とグリンレンズ３１２との間の空隙を埋めるように、屈折率整合材３１３を注入し、両レンズ間の屈折率の差分によって生ずる光結合率の低下を低減する。グリンレンズ３１２とシリンドリカルレンズ３１１とを縦続に配置することで、ビーム形状を基板垂直方向と水平方向に対して独立に制御し、光結合率を改善する効果が得られる。 In the cutting area, in place of the diffractive lens 212 in the first embodiment, a cylindrical grin lens 312 having a refractive index distribution is disposed in the mode field plane. The arrangement is such that the center line of the green lens 312 coincides with the cross-sectional center of the core layer 302 in the direction orthogonal to the light guiding direction of light. The green lens 312 is fixed using the refractive index matching material 313 as an adhesive. In the present embodiment, the diameter of the grin lens 312 is 30 μm. The cylindrical lens 311 is disposed so as to be in contact with the surface in the lower part of the cutting region at the emission side end face of the optical waveguide. The refractive index matching material 313 is injected so as to fill the air gap between the cylindrical lens 311 and the grin lens 312, and the decrease in light coupling rate caused by the difference in refractive index between both lenses is reduced. By arranging the green lens 312 and the cylindrical lens 311 in cascade, it is possible to independently control the beam shape in the vertical direction and the horizontal direction of the substrate and to improve the light coupling ratio.

なお、上記各実施形態においては、光導波路として石英ガラスを用いているが、半導体を光導波路として用いても構わない。また、上記各実施形態において、レンズの配置は入射側端面としているが、出射側端面に本実施形態のレンズを配置しても良い。 In each of the above embodiments, quartz glass is used as the optical waveguide, but a semiconductor may be used as the optical waveguide. Further, in each of the above embodiments, the arrangement of the lenses is on the incident side end face, but the lens of the present embodiment may be arranged on the output side end face.

１００空間光学系
１１０半導体レーザ素子
１２０、２００、３００光導波路
１２１基板
１２２、２０１、２０３、３０１、３０３クラッド層
１２３、２０２、３０２コア層
１２４屈折レンズ
２１１、３１１シリンドリカルレンズ
２１２回折レンズ
２１３、３１３屈折率整合材
３１２グリンレンズ Reference Signs List 100 space optical system 110 semiconductor laser element 120, 200, 300 optical waveguide 121 substrate 122, 201, 203, 301, 303 cladding layer 123, 202, 302 core layer 124 refractive lens 211, 311 cylindrical lens 212 diffractive lens 213, 313 refractive Rate matching material 312 green lens

Claims

An optical waveguide, comprising: a cladding layer; and a core layer extending inside the cladding layer, wherein a part of the cladding layer on the light emitting and receiving side end face protrudes;
A first portion attached to a part of the protruding cladding layer to form an air gap between the non-projecting part of the cladding layer and the core layer of the light incident side and / or the light emitting side end face; A lens structure,
Providing a second lens structure attached to the non-projecting part of the core layer and the cladding layer of the light incident / emission side end face and further condensing the transmitted light of the first lens structure; Optical waveguides characterized by

Wherein the first lens structure, and wherein the refractive index matching material in the gap portion between the core layer and protruding portion not of the cladding layer of the incident and exit side end surface of the light is injected The optical waveguide according to claim 1.

The optical waveguide according to claim 1, wherein the first lens structure is a cylindrical lens that condenses light in the horizontal direction of the optical waveguide.

The optical waveguide according to claim 3, wherein the second lens structure is a diffractive lens.

The optical waveguide according to claim 3, wherein the second lens structure is a grin lens having a refractive index distribution in a mode field plane and condensing light in the vertical direction of the optical waveguide. .

The optical waveguide according to any one of claims 1 to 5, wherein the cladding layer and the core layer are made of quartz glass.

The optical waveguide according to any one of claims 1 to 5, wherein the cladding layer and the core layer are formed of a semiconductor optical device.