DE19623153A1

DE19623153A1 - Optokoppler und Verfahren zur Herstellung desselben

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Publication number: DE19623153A1
Application number: DE19623153A
Authority: DE
Inventors: Kohji Minami; Kuniaki Okada; Hiroyuki Yamamoto; Yoshio Yoshida; Yukio Kurata
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-06-09
Filing date: 1996-06-10
Publication date: 1996-12-12
Anticipated expiration: 2016-06-11
Also published as: DE19623153B4; JP3098173B2; JPH08334643A; US5652816A

Description

Die Erfindung betrifft einen Optokoppler und ein Verfahren zum Herstellen desselben. Insbesondere betrifft die Erfin dung einen Optokoppler, bei dem ein Lichteintrittsabschnitt zum Einleiten von Eintrittslicht in einen optischen Wellen leiter auf einem Substrat so ausgebildet ist, daß er mono lithisch mit dem optischen Wellenleiter vorliegt.

In den letzten Jahren wurden Techniken betreffend optische Wellenleiter schnell und in großem Umfang auf optische Fa sern, optische, integrierte Aufnahmebauteile usw. angewandt. Verfahren betreffend die Benutzung optischer Wellenleiter zerfallen grob in zwei Kategorien. Die eine Kategorie be trifft das Feld optischer Nachrichtentechnik. Bei diesem Verfahren wird Optokopplung dadurch ausgeführt, daß die End fläche einer Lichtquelle einem optischen Wellenleiter zuge wandt angeordnet wird. Für dieses Optokopplungsverfahren finden sich im Stand der Technik typische Mechanismen zum Einleiten von Licht in eine optische Faser. Die andere Kate gorie betrifft Verfahren zum Eingeben von Licht von außen in einen optischen Wellenleiter über einen Lichteingabeab schnitt wie ein Beugungsgitter, das auf der Oberfläche des optischen Wellenleiters vorhanden ist. Wenn ein optischer Wellenleiter als optischer Aufnehmer verwendet wird, ist eine Lichteingabeeinrichtung (Koppler) wie ein Beugungsgit ter an der Oberfläche des Wellenleiters vorhanden.

Gemäß der Erfindung ist ein Koppler an der Oberfläche eines optischen Wellenleiters vorhanden, über den Licht in den op tischen Wellenleiter eingegeben wird. Für Miniaturisierung optischer Aufnehmerbauteile ist das Verwenden optischer Wel lenleiter eine unabdingbare Technik. Häufig werden als Kopp ler ein Prismenkoppler oder ein Gitterkoppler verwendet. Insbesondere werden häufig Gitterkoppler verwendet, um den Kopplerabschnitt zu integrieren und dünn auszubilden.

Fig. 17 zeigt die Anwendung eines Gitterkopplers bei einem herkömmlichen optischen Aufnehmerbauteil. Wie es in dieser Figur dargestellt ist, enthält ein optisches Aufnehmerbau teil 100 einen Gitterkoppler 109, durch den das optische Aufnehmerbauteil 100 optisch mit einem Aufzeichnungsmedium, z. B. einer optischen Platte 110, gekoppelt wird.

Der Gitterkoppler 109 arbeitet so, daß er durch ein Beu gungsgitter an der Oberfläche des optischen Wellenleiters 102 gebeugtes Licht in diesen optischen Wellenleiter 102 hineinleitet. Der Gitterkoppler 109 und der optische Wellen leiter 102 bilden ein optisches Wellenleiterelement. Beim in Fig. 17 veranschaulichten Beispiel weist der Gitterkoppler 109 des optischen Wellenleiterelements, da das letztere im optischen Aufnehmerbauteil 100 vorhanden ist, um ein magne tooptisches Signal aufzunehmen, ein gekrümmtes Gitter mit der Funktion des Konvergierens von Licht auf die optische Platte 110 auf.

Beim optischen Aufnehmerbauteil 100 fällt von einer Licht quelle (Halbleiterlaser) 101 emittiertes Laserlicht auf den auf einem Substrat 107 ausgebildeten dreidimensionalen opti schen Wellenleiter 102. Das Eintrittslicht läuft durch den optischen Wellenleiter 102 hindurch, wobei es teilweise durch ein Gitter 103 rückgekoppelt wird, das im optischen Wellenleiter 102 vorhanden ist. Dies ermöglicht es, stabili siertes Laserlicht aus dem optischen Wellenleiter 102 als Laserstrahl an einen optischen Stabwellenleiter 105 auszuge ben. Dieser Laserstrahl wird durch eine Gitterlinse 108 kol limiert, er breitet sich durch einen Gitterstrahlteiler 106 aus und wird durch den Gitterkoppler 109 auf die optische Platte 110 gestrahlt.

Das von der optischen Platte 110 reflektierte Licht wird durch den Gitterkoppler 109 kollimiert, durch den Gitter strahlteiler 106 aufgeteilt, durch die Gitterlinse 108 kon vergiert, und es fällt auf Detektoren 104. Die Detektoren 104 erzeugen abhängig von der Menge empfangenen Lichts je weils elektrische Signale.

Wie oben beschrieben, konvergiert der Gitterkoppler 109 am optischen Aufnehmerbauteil 100, wie in Fig. 17 dargestellt, Licht vom Halbleiterlaser 101 auf die optische Platte 110, und er gibt von der optischen Platte 110 reflektiertes Licht in das optische Wellenleiterelement 102 ein.

Jedoch existieren bei Gitterkopplern zahlreiche Schwierig keiten. Z. B. hängt der Wirkungsgrad, mit dem auf einen Git terkoppler auftreffendes Licht in Licht umgesetzt wird, das sich durch einen optischen Wellenleiter ausbreitet (nachfol gend als Kopplungswirkungsgrad bezeichnet) vom Ausmaß ab, mit dem die Phasenanpassungsbedingung zwischen der Lichtaus breitung durch den optischen Wellenleiter und dem durch das Beugungsgitter gebeugten Licht erfüllt ist.

Wenn die Kopplung durch Beugung erster Ordnung erzielt wird, ist die Phasenanpassungsbedingung durch die folgende Glei chung repräsentiert:

N(λ) = sinΘ_i - λ/Λm,

wobei λ die Wellenlänge des Eintrittslichts in Luft ist; N der effektive Brechungsindex ist (ein Wert, der dadurch er halten wird, daß die Phasenkonstante des sich ausbreitenden Lichts durch 2π/λ) geteilt wird; Gi der Einfallswinkel ist (Winkel zwischen der optischen Achse des einfallenden Lichts und der Normalen auf der Oberfläche des optischen Wellenlei ters); und Λ die Gitterteilung ist.

N(λ) ändert sich um ungefähr 10^-4/nm, wenn sich die Wellen länge λ ändert, während λ/Λ eine Änderung von ungefähr 10^-3/nm erfährt, wenn sich die Wellenlänge λ ändert, voraus gesetzt, daß der allgemeine Wert von Λ 1 µm ist. Die Ände rung von λ/Λ ist größer als die von N(λ). Demgemäß ändert sich die Phasenanpassungsbedingung stark hinsichtlich Ände rungen der Wellenlänge des auf einen Optokoppler treffenden Lichts.

Bei als Lichtquellen in optischen Aufnehmerbauteilen verwen deten Halbleiterlasern ändert sich die Laserwellenlänge ab hängig von jedem Laser, und die Laserwellenlänge ändert sich auch abhängig von der Umgebungstemperatur. Daher kann dann, wenn Licht in einen optischen Wellenleiter eingekoppelt wird, kein stabiler Kopplungswirkungsgrad erzielt werden, da Änderungen der Phasenanpassungsbedingung vorliegen.

Um das vorstehend angegebene Problem zu überwinden, wird beim herkömmlichen, in Fig. 17 dargestellten optischen Wel lenleiterelement Laserlicht von der Lichtquelle teilweise an die Lichtquelle zurückgekoppelt, um Änderungen der Wellen länge des Ausgangslichts aus der Lichtquelle zu unterdrüc ken, wodurch der Kopplungswirkungsgrad stabilisiert wird.

Jedoch existiert ein anderes Problem, das zu einer Verringe rung des Kopplungswirkungsgrads führt, zusätzlich zum Pro blem hinsichtlich Wellenlängenänderungen. Beugung wird zum Einleiten von Licht in den optischen Wellenleiter verwendet. Dies bewirkt einen Energieverlust betreffend das Licht, das nicht unter einem Winkel gebeugt wird, der für Kopplung in den optischen Wellenleiter geeignet ist.

Ferner sind dann, wenn ein Gitterkoppler und ein Abschnitt zum Stabilisieren der Wellenlänge des auf den Gitterkoppler treffenden Lichts auf demselben Substrat vorhanden sind, die Verfahren betreffend die Verwendung des optischen Wellenlei terelements beschränkt.

Wenn die vorstehend angegebenen Probleme berücksichtigt wer den, ist es wünschenswert, daß ein Gitterkoppler geschaffen wird, der Änderungen des Kopplungswirkungsgrads aufgrund von Änderungen der Wellenlänge verringern kann und der einen hohen Kopplungswirkungsgrad erzielen kann. In dieser Hin sicht sind Prismenkoppler hervorragend, zur Verwendung bei optischen Wellenleiterelementen.

Genauer gesagt, kann gemäß dem Kopplungsprinzip von Prismen kopplern, wenn Licht auf die Nähe der Kante eines Prismas auftritt (Grenze zwischen einem Abschnitt, in dem das Prisma vorhanden ist, und einem Abschnitt, in dem das Prisma nicht vorhanden ist; d. h. Grenze zwischen dem Prisma und Luft), Licht, das einmal in einen optischen Wellenleiter in einem Abschnitt eingetreten ist, in dem das Prisma vorhanden ist, daran gehindert werden, aus dem Abschnitt auszutreten, in dem das Prisma nicht vorhanden ist. Damit das vorstehend an gegebene Kopplungsprinzip von Prismenkopplern gilt, muß für den Fall, daß der Grundwinkel des Prismas im wesentlichen dem Winkel entspricht, unter dem Licht auf die Oberfläche des optischen Wellenleiters fällt, eine Phasenanpassungsbe dingung erfüllt sein, die durch N(λ) = n_p(λ)sinΘ_i repräsen tiert ist, wobei n_p der Brechungsindex des Prismas ist. Die Änderungsausmaße von N(λ) und n_p(λ) an Luft betreffend die Wellenlänge λ von Eintrittslicht sind einander ziemlich ähn lich. Daher sind die Änderungen der Phasenanpassungsbedin gung hinsichtlich Wellenlängenänderungen kleiner als bei Gitterkopplern, und die Toleranz des Kopplungswirkungsgrads hinsichtlich Wellenlängenänderungen ist größer als bei Git terkopplern.

Fig. 18 zeigt einen herkömmlichen, beispielhaften Prismen koppler, wie er im Dokument JP-A-3-87705 offenbart ist. In dieser Figur ist ein Prisma 115 mit einem dielektrischen Kleber 114 innerhalb eines Prismenkopplers 200 auf einem optischen Wellenleiter 111 befestigt. Der optische Wellen leiter 111 ist auf einem Substrat 118 vorhanden, wobei eine erste Spalteinstellschicht 112 und eine zweite Spaltein stellschicht 113 in dieser Reihenfolge auf dem optischen Wellenleiter 111 liegen. Das Prisma 115 ist über einem Öff nungsabschnitt der zweiten Schalteinstellschicht 113 vorhan den. Im Prismenkoppler 200 fällt Licht 116 in der Nähe der Grenze zwischen dem dielektrischen Kleber 114 und der Spalt einstellschicht 113 ein.

Nun wird das Kopplungsprinzip des Prismenkopplers 200 be schrieben. Die Grenze zwischen dem dielektrischen Kleber 114 und der Spalteinstellschicht 113 im Prismenkoppler 200 ent spricht derjenigen zwischen dem obenangegebenen Prisma und Luft. Licht, das in der Nähe der Grenze durch den dielektri schen Kleber 114 eintritt, wird unter einem Winkel, der grö ßer als der Totalreflexionswinkel ist, in die Oberfläche der Spalteinstellschicht 112 eingegeben. Jedoch läuft das Licht aufgrund einer tunneleffektähnlichen Funktion durch die Spalteinstellschicht 112 und trifft auf die optische Wellen leiterschicht 111. Das in die optische Wellenleiterschicht 111 eintretende Licht wird an der Grenze zwischen dieser und dem Substrat 118 totalreflektiert, es läuft zur Spaltein stellschicht 112 und es trifft auf einen dicken Abschnitt der ersten und zweiten Spalteinstellschichten 112 und 113. Dabei wird das Licht zum Substrat 118 totalreflektiert, ohne durch eine tunneleffektähnliche Funktion beeinflußt zu sein. Aufgrund der Wiederholung der Totalreflexion des Lichts im optischen Wellenleiter 111 breitet sich das Licht durch die sen aus.

Gemäß diesem Prinzip ist die optische Kopplung zwischen dem optischen Wellenleiter und den anderen optischen Systemen durch eine tunneleffektähnliche Funktion von Licht reali siert, das durch eine dünne dielektrische Schicht an die Oberfläche eines optischen Wellenleiters läuft. Daher können Lichtverluste minimiert werden, und im Ergebnis kann der Kopplungswirkungsgrad auf ungefähr 80% erhöht werden.

Wie oben beschrieben, verfügen Prismenkoppler über guten Wirkungsgrad. Jedoch existiert eine Grenze hinsichtlich der Größe an einem optischen Wellenleiter befestigbaren Prismas: die Minimalgröße ist eine Grundfläche von ungefähr 1 mm² und eine Höhe von ungefähr 1 mm. Demgemäß ist die Größe eines optischen Wellenleiterelements mit einem Prisma mit einem optischen Wellenleiter beinahe durch die Größe des Prismas bestimmt. Anders gesagt, ist selbst dann, wenn Eintritts licht mit einem relativ kleinen Strahldurchmesser von z. B. 100 µm oder weniger eingekoppelt wird, ein relativ großes Prisma erforderlich.

Da Prismenkoppler in ihrer Höhenrichtung dicker sind, wird die Integration von Prismenkopplern schlechter als die von Gitterkopplern. Dies bedeutet, daß die Haupteigenschaft eines optischen Wellenleiterelements, wie dünne und schmale Abmessungen, nicht erzielt werden kann.

Ferner ist es schwierig, ein kleines Prisma auf einem opti schen Wellenleiter zu befestigen. Dies führt dazu, daß bei Prismenkopplern der Wert pro Kopplereinheit teurer ist.

Außerdem müssen Prismen im Verlauf der Herstellung eines Kopplers einzeln befestigt werden, was Schwierigkeiten be treffend Massenherstellung verursacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kleinen Optokoppler mit hohem Wirkungsgrad sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Optokopplers zu schaffen.

Diese Aufgabe ist hinsichtlich des Optokopplers durch die Lehren der beigefügten Ansprüche 1 und 4 sowie hinsichtlich des Verfahrens durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhän giger Ansprüche.

Beim Optokoppler gemäß Anspruch 1 ist der Lichteintritts abschnitt über die Grenze zwischen einem dünnen und einem dicken Abschnitt der dielektrischen Schicht hinweg, die sich in einem optischen Wellenleiter befindet, vorhanden. Der Lichteintrittsabschnitt verfügt über einen ebenen Bereich, durch den in den optischen Wellenleiter eingeleitetes Ein trittslicht ohne Abdunklung hindurchlaufen kann. Daher kann Licht auf Grundlage des Prinzips eines Prismenkopplers mit einem Kopplungsgrad mit großer Toleranz hinsichtlich Wellen längenänderungen in den optischen Wellenleiter eingekoppelt werden.

Ferner wird der Lichteintrittsabschnitt auf dem optischen Wellenleiter dadurch hergestellt, daß ein transparentes Ma terial mit einem Brechungsindex, der höher als der der di elektrischen Schicht ist, durch Formen hergestellt wird. Da her ist es nicht erforderlich, daß der Lichteintrittsab schnitt gesondert hergestellt wird, wie dies bei einem Pris ma der Fall ist, und der dann auf dem optischen Wellenleiter angebracht wird. Dies führt dazu, daß der Optokoppler ein facher massenhergestellt werden kann.

Beim Optokoppler gemäß Anspruch 2 wird ein Harz als transpa rentes Material für den Lichteintrittsabschnitt verwendet, so daß die Kosten zum Herstellen des Optokopplers verringert werden können.

Beim Optokoppler gemäß Anspruch 3 sind die Größe und die Form des Lichteintrittsabschnitts auf Grundlage der Wellen länge des Eintrittslichts, des Strahldurchmessers in der Strahltaille, des Brechungsindex eines Materials für den Lichteintrittsabschnitt sowie des Eintrittswinkels des Ein trittslichts in bezug auf die Eintrittsfläche des optischen Wellenleiters festgelegt. Daher kann der Lichteintrittsab schnitt so klein wie möglich konzipiert werden.

Der Optokoppler gemäß Anspruch 4 verfügt über ein Substrat, auf dem ein Graben mit einer Reflexionsfläche zum Reflektie ren von Eintrittslicht ausgebildet ist. Ein optischer Wel lenleiter ist über eine dielektrische Schicht auf dem Sub strat so vorhanden, daß die Grenze zwischen einem dünnen und einem dicken Abschnitt der auf dem optischen Wellenleiter ausgebildeten dielektrischen Schicht im Graben des Substrats positioniert ist. Ferner ist der dielektrische Bereich im Graben als Lichteintrittsabschnitt zum Einleiten von Ein trittslicht in den optischen Wellenleiter ausgebildet. Daher kann das optische Einkoppeln in den optischen Wellenleiter auf Grundlage des Prinzips eines Prismenkopplers mit einem Kopplungswirkungsgrad mit hoher Toleranz in bezug auf Wel lenlängenänderungen ausgeführt werden.

Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, da der Lichtein trittsabschnitt zwischen dem Substrat und dem optischen Wel lenleiter vorhanden ist, daß der Lichteintrittsabschnitt ge sondert hergestellt wird, wie es bei einem Prisma der Fall ist, und dann auf dem optischen Wellenleiter angebracht wird. Dies führt dazu, daß der optische Wellenleiter einfa cher massenhergestellt werden kann. Ferner existieren keine von der Oberfläche des optischen Wellenleiters hochstehende Teile. Demgemäß kann der Optokoppler dünner und schmaler als ein solcher hergestellt werden, bei dem ein Lichteintritts abschnitt aus einem Material mit hohem Brechungsindex auf dem optischen Wellenleiter hergestellt wird.

Beim Optokoppler gemäß Anspruch 5 ist zusätzlich zu einer ersten, zweiten und dritten dielektrischen Schicht, die den optischen Wellenleiter bilden, eine vierte dielektrische Schicht auf der dritten dielektrischen Schicht ausgebildet. Daher wird die Differenz der effektiven Brechungsindizes in bezug auf TE- und TM-Licht, das auf den Optokoppler auf trifft, kleiner als dann, wenn die vierte dielektrische Schicht nicht vorhanden ist, und der Kopplungswirkungsgrad von TE- und TM-Licht kann dann, wenn derartige Lichtarten gleichzeitig einfallen, erhöht werden.

Ferner ermöglicht die vierte dielektrische Schicht, daß die Intensitätsverteilung des durch den optischen Wellenleiter laufenden Lichts zur Oberseite desselben hin verlagert wird, im Vergleich mit demjenigen Fall, bei dem die vierte dielek trische Schicht nicht vorhanden ist. Daher kann die Dicke der ersten dielektrischen Schicht, die dazu erforderlich ist, einen Lichtverlust zu verhindern, wie er durch die Rückkopplung von Licht mit dem dielektrischen Bereich verur sacht wird, dünner als dann ausgebildet werden, wenn die vierte dielektrische Schicht nicht vorhanden ist. D. h., daß die Tiefe des im dielektrischen Bereich im Verlauf der Her stellung des Optokopplers auszubildenden Grabens kleiner ge macht werden kann.

Beim Verfahren gemäß Anspruch 6 wird im Verlauf der Herstel lung des vorstehend genannten Optokopplers ein durch UV-Strahlung aushärtbares Harz auf den optischen Wellenleiter mit der ersten, zweiten und dritten dielektrischen Schicht aufgebracht, und das Harz wird dadurch in einer vorbestimm ten Form gehalten, daß ein für UV-Strahlung durchlässiges Rahmenelement mit einem konkaven Abschnitt mit einem ebenen Abschnitt, der der Eintrittsfläche des Lichteintrittsab schnitts entspricht, verwendet wird. In diesem Zustand wird das Harz durch Einstrahlen von UV-Licht ausgehärtet. Daher können Schwierigkeiten überwunden werden, wie sie beim Her stellen von Prismen bestehen, wie solche, die dann entste hen, wenn Prismen auf Prismenkopplern befestigt werden, und solche betreffend Massenherstellung, und es können die Her stellkosten für Optokoppler verringert werden.

Demgemäß ermöglicht es die hier beschriebene Erfindung, die folgenden Vorteile zu erzielen: (1) Schaffen eines Optokopp lers, der einen optischen Kopplungsvorgang zu einem opti schen Wellenleiterelement auf Grundlage eines Prismenkopfs ausführen kann, bei dem der Kopplungswirkungsgrad große To leranz in bezug auf Wellenlängenänderungen aufweist; (2) Schaffen eines dünneren Optokopplers mit besseren Integra tionsmöglichkeiten als ein herkömmlicher Optokoppler und mit leichter Massenherstellbarkeit; und (3) Schaffen eines Verfahrens zum Herstellen eines solchen Optokopplers.

Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden dem Fachmann beim Lesen und Verstehen der folgenden detaillierten Be schreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren deutlich.

Diese und andere Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann beim Lesen und Verstehen der folgenden detaillierten Be schreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren deutlich.

Fig. 1A und 1B veranschaulichen den Aufbau eines erfindungs gemäßen Optokopplers: Fig. 1A ist eine Draufsicht auf einen Optokoppler, wie er beim Beispiel 1 beschrieben ist, und Fig. 1B ist eine Schnittansicht desselben entlang einer Li nie Ib-Ib in Fig. 1A.

Fig. 2A und 2B veranschaulichen das Grundprinzip der Erfin dung: Fig. 2A veranschaulicht ein Verfahren zum Einstellen der Größe eines Prismas, wie für einen Prismenkoppler erfor derlich, und Fig. 2B zeigt ein xy-Koordinatensystem zum Be rechnen der Größe des Prismas.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die eine erste modifizierte Form eines Lichteintrittsabschnitts eines Optokopplers gemäß der Erfindung zeigt, wie er im Beispiel 1 beschrieben ist.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die eine zweite modifizierte Form eines Lichteintrittsabschnitts eines Optokopplers gemäß der Erfindung zeigt, wie er im Beispiel 1 beschrieben ist.

Fig. 5 ist ein Kurvenbild, das die Rückkopplungswirkungs grad-Schichtdicke-Charakteristik des erfindungsgemäßen Opto kopplers gemäß dem Beispiel 1 zeigt.

Fig. 6A, 6B und 6C veranschaulichen ein Verfahren zum Her stellen eines Optokopplers gemäß der Erfindung, spezieller gemäß dem Beispiel 1: die Fig. 6A und 6B sind Schnittansich ten durch den Optokoppler während Schritten zum Herstellen eines optischen Wellenleiters, und Fig. 6C ist eine Drauf sicht auf den in Fig. 6B dargestellten optischen Wellenlei ter.

Die Fig. 7A, 7B und 7C veranschaulichen den Prozeß zum Her stellen eines dielektrischen Bereichs durch Formen von Harz in der Reihenfolge von Schritten eines Verfahrens zum Her stellen des Optokopplers gemäß der Erfindung, wie beim Bei spiel 1 beschrieben: Fig. 7A zeigt einen Zustand, bei dem Harz einem Stempel zugeführt wird; Fig. 7B zeigt einen Zu stand, bei dem der optische Wellenleiter gegen den Stempel gedrückt wird, und Fig. 7C zeigt einen Zustand, bei dem ein durch geformtes Harz gebildeter Lichteintrittsabschnitt vom Stempel entfernt wird.

Fig. 8A, 8B und 8C veranschaulichen den Aufbau des zum Her stellen des erfindungsgemäßen Kopplers, wie er beim Beispiel 1 beschrieben ist, verwendeten Stempels: Fig. 8A ist eine Draufsicht auf eine Formungsfläche des Stempels; Fig. 8B ist eine Ansicht, die den Aufbau entlang einer Linie XIIIb-XIIIb in Fig. 8A zeigt; und Fig. 8C ist eine perspektivische An sicht eines Stempels mit einer Anzahl Harzformungsabschnit ten.

Fig. 9 veranschaulicht ein Berechnungsmodell zum Berechnen der Größe und der Form eines Optokopplers beim Beispiel 1 zur Erfindung, wobei ein xy-Koordinatensystem in die Quer schnittsform eines Optokopplers eingesetzt ist.

Fig. 10A und 10B veranschaulichen den Aufbau eines erfin dungsgemäßen Optokopplers gemäß einem Beispiel 2: Fig. 10A ist eine Schnittansicht durch den Optokoppler, und Fig. 10B zeigt einen Zustand, in dem Eintrittslicht durch den Opto koppler in einen optischen Wellenleiter eingeleitet wird.

Fig. 11A, 11B, 11C und 11D veranschaulichen Schritte zum Formen von Harz bei einem Verfahren zum Herstellen des Opto kopplers gemäß der Erfindung, wie beim Beispiel 2 beschrie ben: Fig. 11A, 11C und 11D sind Schnittansichten durch den Optokoppler während der Herstellschritte, und Fig. 11B ist eine Draufsicht auf den Optokoppler im Herstellverlauf.

Fig. 12A, 12B, 12C, 12D, 12E und 12F veranschaulichen Schritte zum Einbetten einer ersten dielektrischen Schicht in einen Harzformungsabschnitt bei einem Verfahren zum Her stellen des Optokopplers gemäß der Erfindung, wie beim Bei spiel 2 beschrieben: Fig. 12A, 12C, 12D und 12F sind Schnittansichten durch den Optokoppler im Herstellverlauf, und Fig. 12B und 12E sind Draufsichten auf den Optokoppler im Herstellverlauf.

Fig. 13 zeigt ein Berechnungsmodell zum Berechnen der Größe und der Form des erfindungsgemäßen Optokopplers, wie beim Beispiel 2 beschrieben, wobei ein xy-Koordinatensystem in die Querschnittsform des Optokopplers eingesetzt ist.

Fig. 14 ist ein Kurvenbild, das die Strahlungsverlustcharak teristik beim Optokoppler gemäß der Erfindung, wie beim Bei spiel 2 beschrieben, zeigt.

Fig. 15 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Optokopp lers, wie in einem Beispiel 3 beschrieben, und sie veran schaulicht, wie Eintrittslicht durch den Optokoppler in einen optischen Wellenleiter eingeleitet wird.

Fig. 16 ist ein Kurvenbild, das die Strahlungsverlustcharak teristik beim Optokoppler gemäß der Erfindung, wie beim Bei spiel 3 beschrieben, zeigt.

Fig. 17 zeigt den Aufbau eines optischen Aufnehmerbauteils, das mit einem optischen Wellenleiterelement unter Verwendung eines herkömmlichen Gitterkopplers versehen ist.

Fig. 18 zeigt den Aufbau eines herkömmlichen Prismenkopp lers.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen beschrieben.

Fig. 2A zeigt ein Beispiel eines Prismenkopplers, der mit tels auf einem Substrat ausgebildeter dielektrischer Schich ten hergestellt ist. In einem Koppler 200a wird Eintritts licht L_IN mit kleinem Strahldurchmesser durch ein ausrei chend großes Prisma 201 (in der Figur durch ABCO repräsen tiert) in einen optischen Wellenleiter 206 gekoppelt. Der optische Wellenleiter 206 enthält eine erste und eine zweite dielektrische Schicht 204 und 203, die auf dem Substrat 205 ausgebildet sind.

Fig. 2B zeigt einen Abschnitt 201a des Prismas 201 mit mini maler Größe, wie zum Einleiten des Eintrittslichts L_IN in das Prisma 201 erforderlich. Nachfolgend wird dieser Ab schnitt 201a einfach als Minimalabschnitt bezeichnet. Wenn Licht mit einer Strahltaille (d. h. der Position, an der das Eintrittslicht L_IN am meisten fokussiert ist) auf die Ober fläche des optischen Wellenleiters 206 fällt, entspricht dies der Größe des Minimalabschnitts 201a des Prismas 201 (durch A′B′C′O in der Figur repräsentiert) , wie dazu erfor derlich, daß das Eintrittslicht L_IN ohne Eintrittsverdunk lung auf dem Prisma 201 in den optischen Wellenleiter 206 gekoppelt werden kann.

Wie es in Fig. 2B dargestellt ist, werden Parameter zum De finieren des Profils eines Eintrittslichtstrahls und der Größe des Minimalabschnitts 201a des Prismas 201 bestimmt. Ein xy-Koordinatensystem, das als Ursprung den Überkreu zungspunkt der optischen Achse des Eintrittslichts mit der Oberfläche des optischen Wellenleiters aufweist, wird so festgelegt, daß die x-Achse mit der optischen Achse überein stimmt. Das Profil des Eintrittslichtstrahls im Minimalab schnitt 201a des Prismas 201, das der Kurve B′O in Fig. 2B entspricht, ist durch y = ρw₀/2·{1 + (4λx/n_pw₀²)²}1/2 repräsentiert, wobei w₀ der Strahldurchmesser des Eintritts lichtstrahls in der Strahltaille ist (d. h. der Strahldurch messer eines Abschnitts, an dem die Intensitätsverteilung einen Wert erhält, der durch Multiplizieren des Maximalwerts mit 1/e² oder mehr erhalten wird); λ die Wellenlänge des Eintrittslichtstrahls ist; Θ_i der Einfallswinkel in bezug auf den Minimalabschnitt 201a des Prismas 201 ist; und n_p der Brechungsindex des Prismas 201 ist. Eine gerade Linie, die durch den Ursprung des xy-Koordinatensystems läuft und parallel zur Oberfläche des optischen Wellenleiters 206 ist, ist mit y = x/tanΘ_i repräsentiert.

Mit diesen Gleichungen werden die Bedingungen, die die Größe des Minimalabschnitts 201a des Prismas 201 bestimmen, wie folgt repräsentiert:

B < ρw₀/{cos²Θ_i - (4ρ²λ²sin²Θ_i/n_p²π²w₀²)}^1/2 . . . (1)

H < ρw₀sinΘ_i/{1 - (4ρ²λ²tan²Θ_i/n_p²π²w₀²)}^1/2 . . . (2)

α = Θ_i . . . (3)

Θ_i = sin^-1{(N_TE + N_TM)/2n_p} . . . (4)

ρ = {-ln(0.18)}^1/2 . . . (5)

wobei ρ ein Koeffizient ist, der den Strahldurchmesser pw₀ regelt, in dem 99% oder mehr Energie des Eintrittslichts enthalten sind; und N_TE und N_TM im Ausdruck (4) die effekti ven Brechungsindizes von TE- bzw. TM-Licht sind. In den Fig. 2A und 2B ist TE-Licht solches Licht, dessen Schwingungs richtung rechtwinklig zur Zeichnungsfläche verläuft, und TM-Licht ist Licht, dessen Schwingungsrichtung rechtwinklig zur Lichteintrittsrichtung verläuft.

Nachfolgend wird der in Fig. 3 dargestellte Optokoppler be schrieben. Dieser Prismenkoppler verfügt über einen opti schen Wellenleiter 6 mit einem Substrat 5, eine erste di elektrische Schicht 4, die auf dem Substrat 5 ausgebildet ist, eine zweite dielektrische Schicht 3 mit einem Bre chungsindex, der kleiner als der der ersten dielektrischen Schicht 4 ist, und eine dritte dielektrische Schicht 2, die auf einem Teil der zweiten dielektrischen Schicht 3 ausge bildet ist und einen Brechungsindex aufweist, der kleiner als der der zweiten dielektrischen Schicht 3 oder gleich groß wie dieser ist. Auf dem optischen Wellenleiter 6 ist ein Lichteintrittsabschnitt 11a vorhanden, der aus einem Material mit hohem Brechungsindex wie einem Harz besteht und der über eine Eintrittsfläche verfügt.

Wenn beim obigen Aufbau Licht in der Nähe der Grenze zwi schen dem Abschnitt, in dem die dritte dielektrische Schicht 2 vorhanden ist und einem Abschnitt, in dem die dritte di elektrische Schicht 2 nicht vorhanden ist, durch den Licht eintrittsabschnitt 11a im Abschnitt, in dem die dritte di elektrische Schicht 2 nicht vorhanden ist, einfällt, durch läuft das Licht die zweite dielektrische Schicht 3 aufgrund einer tunneleffektähnlichen Funktion und trifft auf die er ste dielektrische Schicht 4. Das auf diese erste dielektri sche Schicht 4 treffende Licht wird an der Grenzfläche zwi schen dem Substrat 5 und der ersten dielektrischen Schicht 4 reflektiert und kehrt zur zweiten dielektrischen Schicht 3 zurück. In demjenigen Abschnitt, in dem die dritte dielek trische Schicht 2 vorhanden ist, läuft das Licht nicht durch dieselbe, um zur Seite des Lichteintrittsabschnitts 11a zu rückzukehren. Demgemäß läuft das Licht durch den optischen Wellenleiter 6 und wird auf Grundlage des Kopplungsprinzips eines Prismenkopplers in diesen eingekoppelt.

Die Minimalgröße des Lichteintrittsabschnitts 11a, wie er forderlich, um Licht ohne Abdunklung in den optischen Wel lenleiter 6 einzuleiten, wird so bestimmt, daß eine Bedin gung erfüllt ist, die auf ähnliche Weise wie beim in den Fig. 2A und 2B dargestellten Prisma 201 erhalten wird. Diese Bedingung wird später anhand von Beispielen beschrieben. Demgemäß kann die Dicke des Optokopplers entsprechend dem Durchmesser w₀ des eintreffenden Strahls gering gemacht wer den.

Ferner ist beim obigen Aufbau der Lichteintrittsabschnitt 11a lediglich auf dem Wellenleiter 6 mit einem Material mit hohem Brechungsindex ausgebildet. Daher besteht keine Schwierigkeit, ein Prisma am optischen Wellenleiter 6 zu be festigen. Als Material mit hohem Brechungsindex kann billi ges Harz verwendet werden, was zu einer Kostenverringerung betreffend die Herstellung des Optokopplers führt.

Wenn Harz (UV-härtbares Harz usw.) als Material mit hohem Brechungsindex verwendet wird, kann eine Formungstechnik wie ein 2P-Verfahren im Verlauf der Herstellung des Lichtein trittsabschnitts verwendet werden. Daher können Lichtein trittsabschnitte (optische Kopplungsabschnitte) gleichzeitig auf mehreren auf dem selben Substrat ausgebildeten opti schen Wellenleitern hergestellt werden, wodurch eine Anzahl optische Wellenleiterelemente erhalten wird.

Alternativ wird gemäß der Erfindung ein tiefer Graben mit einer Reflexionsfläche zum Reflektieren von Eintrittslicht auf einem Substrat hergestellt, und eine Schicht aus einem Material mit einem Brechungsindex höher als dem des Sub stratmaterials wird auf dem Substrat so hergestellt, daß der tiefe Graben mit der Schicht aufgefüllt wird. Dann wird ein flacher Graben zum Ausführen einer Funktion, die derjenigen der Kante eines Prismas in einem Prismenkoppler entspricht, so hergestellt, daß das Ende des flachen Grabens im tiefen Graben liegt. Eine erste dielektrische Schicht wird im fla chen Graben vergraben. Eine zweite dielektrische Schicht und eine dritte dielektrische Schicht werden auf der Schicht mit hohem Brechungsindex, in der die erste dielektrische Schicht vergraben ist, hergestellt, wodurch ein Optokoppler ausge bildet wird. Hierbei bilden die erste bis dritte dielektri sche Schicht einen optischen Wellenleiter, und die Refle xionsfläche des tiefen Grabens und die Schicht mit hohem Brechungsindex, wie im tiefen Graben vergraben, bilden einen Lichteintrittsabschnitt zum Einleiten von Eintrittslicht in den optischen Wellenleiter. Bei einem Optokoppler mit diesem Aufbau existieren keine Vorsprünge an der Oberfläche des optischen Wellenleiters. Daher kann dieser optische Wellen leiter dünner und schmaler als ein solcher hergestellt wer den, bei dem der Lichteintrittsabschnitt aus einem Material mit hohem Brechungsindex auf dem optischen Wellenleiter aus gebildet ist.

Beim Optokoppler mit dem obigen Aufbau wird Eintrittslicht auf Grundlage des Kopplungsprinzips eines Prismenkopplers in den optischen Wellenleiter eingekoppelt. Genauer gesagt, wird das von der obenangegebenen dritten dielektrischen Schicht einfallende Licht an der Reflexionsfläche des tiefen Grabens reflektiert, und es fällt dann in der Nähe der Gren ze zwischen der ersten dielektrischen Schicht und der Schicht mit hohem Brechungsindex von der Seite des Substrats her auf die zweite dielektrische Schicht. Das einfallende Licht durchläuft die zweite dielektrische Schicht mittels einer tunneleffektähnlichen Funktion, und es fällt auf die dritte dielektrische Schicht. Dann läuft das von der Grenze zwischen der dritten dielektrischen Schicht und Luft reflek tierte Licht zur zweiten dielektrischen Schicht, während es sich von der Reflexionsfläche entfernt. In einem Abschnitt, der von der Reflexionsfläche weiter entfernt ist als der Eintrittspunkt, zeigt sich keine tunneleffektähnliche Funk tion, da die dielektrische Schicht unter der dritten dielek trischen Schicht dick ist. Demgemäß läuft das Licht durch die dritte dielektrische Schicht, wodurch ein optischer Kopplungsvorgang ausgeführt wird.

Ferner wird durch Bereitstellen einer vierten dielektrischen Schicht auf der vorstehend angegebenen dritten dielektri schen Schicht, die den optischen Wellenleiter bildet, die Differenz der effektiven Brechungsindizes betreffend den Eintritt von TE- und TM-Licht kleiner als ohne die vierte dielektrische Schicht. So wächst der Kopplungswirkungsgrad bei gleichzeitigem Eintritt von TE- und TM-Licht an.

Noch ferner ermöglicht die vierte dielektrische Schicht, daß die Intensitätsverteilung des durch den optischen Wellenlei ter laufenden Lichts zur Oberseite desselben hin verlagert wird, im Vergleich mit dem Aufbau ohne vierte dielektrische Schicht. Daher kann die Dicke der ersten dielektrischen Schicht, wie zum Verhindern von Lichtverlusten aufgrund op tischer Rückkopplung zum dielektrischen Bereich erforder lich, kleiner als im Fall ohne vierte dielektrische Schicht ausgebildet werden. Anders gesagt, kann die Tiefe des im di elektrischen Bereich im Verlauf der Herstellung eines Opto kopplers ausgebildeten Grabens kleiner gemacht werden.

Nachfolgend wird die Erfindung durch veranschaulichende Bei spiele beschrieben.

Beispiel 1

Die Fig. 1A und 1B veranschaulichen einen erfindungsgemäßen Optokoppler. Fig. 1A ist eine Draufsicht auf den Optokoppler und Fig. 1B ist eine Schnittansicht durch denselben entlang der Linie Ib-Ib in Fig. 1A. Der Optokoppler 100a umfaßt einen optischen Wellenleiter 6 und einen auf diesem ausge bildeten Lichteintrittsabschnitt 1 zum Einleiten von Ein trittslicht L_IN in den optischen Wellenleiter 6.

Der optische Wellenleiter 6 umfaßt ein Substrat 5, eine er ste, auf dem Substrat 5 ausgebildete dielektrische Schicht 4 und eine zweite dielektrische Schicht 3, die auf der ersten dielektrischen Schicht ausgebildet ist und einen kleineren Brechungsindex als die erste dielektrische Schicht 4 auf weist. Eine dritte dielektrische Schicht 2 ist in einem Teil der zweiten dielektrischen Schicht 3 ausgebildet, und sie verfügt über einen Brechungsindex, der kleiner ist als der der zweiten dielektrischen Schicht 3 oder gleich groß.

Der Lichteintrittsabschnitt 1 besteht aus einem transparen ten Material mit einem Brechungsindex, der größer als der der dielektrischen Schichten 2, 3 und 4 ist. Der Lichtein trittsabschnitt 1 ist so positioniert, daß er sich von der Oberfläche der zweiten dielektrischen Schicht 3 zur Oberflä che der dritten dielektrischen Schicht 2 erstreckt, wie es in Fig. 1B dargestellt ist. Der Lichteintrittsabschnitt 1 verfügt über einen ebenen Abschnitt 1a, der als Eintritts fläche fungiert, durch die Licht auf den optischen Wellen leiter 6 fällt und die eine Größe hat, die es ermöglicht, daß das Eintrittslicht ohne Abdunklung in den optischen Wel lenleiter 6 eingeleitet wird.

Nachfolgend wird ein spezielles Beispiel für den Aufbau eines Optokopplers durch Veranschaulichen eines Falls be schrieben, bei dem ein Lichtstrahl mit einem Strahldurchmes ser w₀ von 3,76 µm in der Strahltaille auf den Optokoppler 100a fällt. Der Strahldurchmesser w₀ eines Lichtstrahls in der Strahltaille bezeichnet den Strahldurchmesser, wie er dann erhalten wird, wenn paralleles Licht mit der Wellenlän ge λ von 780 nm mit einer Linse mit einer numerischen Aper tur (NA) von 0,17 und einem Pupillenradius, der dem Strahl durchmesser des Eintrittslichts entspricht, konvergiert wird.

Beim vorliegenden Beispiel wird ein thermisch oxidiertes Si-Substrat mit einer SiO₂-Schicht als Substrat 5 verwendet. Auf diesem Si-Substrat 5 werden eine Glasschicht aus #7059 (Dicke = 570 nm; hergestellt von Corning) und eine SiO₂- Schicht (Dicke = 100 nm) als erste und zweite dielektrische Schicht 4 und 3 hergestellt, und die dritte dielektrische Schicht 2, die ebenfalls aus SiO₂ besteht, wird auf der zweiten dielektrischen Schicht 3 hergestellt, wodurch der optische Wellenleiter 6 aufgebaut ist.

Die dritte dielektrische Schicht 2 ist ein Hauptabschnitt des Optokopplers 100a für den optischen Kopplungsvorgang.

Die dritte dielektrische Schicht 2 ist in einem Teil (d. h. dem durch XYX′Y′ in der Draufsicht von Fig. 1A umschlossenen Teil) der zweiten dielektrischen Schicht 3 des optischen Wellenleiters 6 ausgebildet. Hierbei ist die Länge XY größer als ρw₀, wodurch es ermöglicht ist, daß das gesamte Ein trittslicht L_IN hindurchlaufen kann.

Beim Optokoppler 100a des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der Lichteintrittsabschnitt 1 so auf dem optischen Wel lenleiter 6 hergestellt, daß er die Grenze zwischen einem Abschnitt, in dem die dritte dielektrische Schicht 2 vorhan den ist, und einem Abschnitt, in dem die dritte dielektri sche Schicht 2 nicht vorhanden ist, überdeckt. Der Lichtein trittsabschnitt 1 ist unter Verwendung eines transparenten Harzes als Material mit einem Brechungsindex über dem der dritten dielektrischen Schicht 2 mit der in Fig. 1B darge stellten Form geformt.

Es wird angenommen, daß die Wellenlänge λ des auf den Opto koppler 100a treffendenden Lichts 780 nm ist, der Brechungs index der SiO₂-Schicht des thermisch oxidierten Substrats 5 den Wert 1,44 hat, das die erste dielektrische Schicht 4 bildende Glas #7059 den Brechungsindex 1,53 hat und die für die zweite und dritte dielektrische Schicht 3 und 2 verwen dete SiO₂-Schicht den Brechungsindex 1,43 hat. Daher wird als Material zum Herstellen des Lichteintrittsabschnitts 1 ein Harz mit einem Brechungsindex über dem dieser Brechungs indizes ausgewählt. Zum Beispiel wird im vorliegenden Fall ein Harz mit dem Brechungsindex n_q von 1,57 verwendet.

Die Dicke der Glasschicht 4 aus #7059 und der SiO₂-Schicht 3 werden so bestimmt, daß der Kopplungswirkungsgrad maximal wird, wenn ein Lichtstrahl (Wellenlänge λ = 780 nm) mit einem Strahldurchmesser w₀ von 3,76 µm in der Strahltaille auf den Optokoppler auftrifft.

Genauer gesagt, wird die Dicke wie folgt bestimmt.

a) Die effektiven Brechungsindizes im Optokoppler hinsicht lich TE- und TM-Licht werden aus Ausdrücken erhalten, die die Bedingungen definieren, die an den Grenzen der jeweili gen Schichten für das elektrische oder magnetische Feld er füllt sein müssen. Hierbei sind die effektiven Brechungsin dizes komplexe Zahlen, und es sind Funktionen der Dicke der Glasschicht 4 aus #7059 und der SiO₂-Schicht 3.
b) Es werden eine Feldverteilung h(x) für das Eintritts licht in der Eintrittslicht-Laufrichtung (mit x repräsen tiert) innerhalb des optischen Wellenleiters sowie eine Feldverteilung f(x) für den Optokoppler in Eintrittslicht laufrichtung erhalten. Hierbei sind h(x) und f(x) durch die folgenden Gleichungen gegeben: h(x) = exp{-x²/(w₀/cosΘ_i)²}
f(x) = exp(-K_TEk₀x),wobei der Eintrittswinkel Θ_i des auf die Oberfläche des op tischen Wellenleiters 6 fallenden Lichts aus den reellen Teilen N_TE und N_TM der effektiven Brechungsindizes für TE-bzw. TM-Licht unter Verwendung von Θ_i = sin^-1{(N_TE+N_TM)/2n_q} erhalten wird; w₀ der Strahldurchmesser des Eintrittslichts ist und K_TE und K_TM die Imaginärteile der effektiven Bre chungsindizes sind. h(x) und f(x) sind auch Funktionen der Dicke der Glasschicht (erste dielektrische Schicht) 4 aus #7059 sowie der Dicke der SiO₂-Schicht (zweite dielektrische Schicht) 3. Hierbei hat k₀ den Wert 2π/λ, und K_TE ist eine Funktion der Dicke der ersten dielektrischen Schicht 4 und der zweiten dielektrischen Schicht 3.
c) Der Kopplungskoeffizient η wird unter Verwendung der folgenden Gleichung erhalten: η = ∫|h(x)f(x)|dx/{∫|f(x)²|dx·∫|h(x)²|dx}.

Wenn w₀ bestimmt ist, werden die Dicken der Glasschicht 4 aus #7059 und der SiO₂-Schicht 3 dadurch ermittelt, daß die vorstehend angegebenen Vorgänge (a) bis (c) so wiederholt werden, daß der Kopplungswirkungsgrad maximal wird.

Wenn für die dritte dielektrische Schicht 2 eine SiO₂- Schicht verwendet wird, hängt die Dicke dieser SiO₂-Schicht von Änderungen der Eigenschaften des Rückkopplungswirkungs grads in bezug auf die Dicke der dritten dielektrischen Schicht, wie in Fig. 5 dargestellt, ab. Die Rückkopplung be trifft einen Effekt, gemäß dem auf den optischen Wellenlei ter 6 einfallendes Licht von diesem dann ausgegeben wird, wenn ein Teil des Lichteintrittsabschnitts 1 auf der dielek trischen Schicht 2 liegt, wie es in Fig. 1B dargestellt ist. Der Rückkopplungswirkungsgrad in Fig. 5 ist als Verhältnis aus dem Licht, das auf den optischen Wellenleiter 6 auftraf, und dem Licht, das bei der Ausbreitung aus ihm austritt, de finiert, wobei angenommen ist, daß die Länge des dielektri schen Abschnitts auf der dielektrischen Schicht (L_P in Fig. 1B) den Wert 0,1 mm hat. Die Dicke der SiO₂-Schicht (dritte dielektrische Schicht 2), wie sie zum Einstellen des Rück kopplungswirkungsgrads auf einen kleineren Wert als 1% er forderlich ist, wird zu 1,18 µm oder mehr bestimmt; beim vorliegenden Beispiel ist die Dicke zu 1,2 µm bestimmt.

Nachfolgend wird die Funktion des Optokopplers des vorlie genden Beispiels beschrieben.

Wie oben beschrieben, kann beim obenangegebenen Aufbau Licht in den optischen Wellenleiter 6 eingeleitet werden. D. h., daß der Optokoppler auf demselben Prinzip wie ein Prismen koppler arbeitet.

Licht, das auf die Grenze zwischen dem Lichteintrittsab schnitt 1 auf der zweiten dielektrischen Schicht 3 und der dritten dielektrischen Schicht 2 vom Lichteintrittsabschnitt 1 her auftrifft, durchläuft die zweite dielektrische Schicht 3 durch eine tunneleffektähnliche Funktion und fällt auf die erste dielektrische Schicht 4. Wenn das Licht die Grenze zwischen der ersten dielektrischen Schicht 4 und dem Sub strat 5 erreicht, wird das Licht dort totalreflektiert. Da nach läuft das Licht zur zweiten dielektrischen Schicht 3 und fällt unter einem Winkel, der der Totalreflexionsbedin gung genügt, auf die Grenze zwischen der ersten dielektri schen Schicht 4 und der zweiten dielektrischen Schicht 3. Anders gesagt, zeigt sich in diesem Abschnitt keine tunnel effektähnliche Funktion, da auf der zweiten dielektrischen Schicht 3 die dritte dielektrische Schicht 2 liegt, weswegen das Licht totalreflektiert wird. Danach wird das Licht wie derholt totalreflektiert, wodurch es im optischen Wellenlei ter 6 läuft.

Für den auf dem optischen Wellenleiter 6 ausgebildeten Lichteintrittsabschnitt 1 besteht keine Beschränkung auf Trapezoidform mit schrägen rechten und linken Seiten, wie in Fig. 1B dargestellt. Der Lichteintrittsabschnitt 1 kann mit Prismenform des Lichteintrittsabschnitts 11a (Fig. 3) vor liegen, wobei eine der Seiten rechtwinklig auf der Grund fläche steht, oder mit der Prismenform des Lichteintrittsab schnitts 11b (Fig. 4) mit einer ebenen Fläche 11b₁ (mit AB in Fig. 4 gekennzeichnete Fläche), die mindestens der Ein trittsfläche von Licht entspricht. Die Form des Lichtein trittsabschnitts 1 beeinflußt das Funktionsvermögen des Optokopplers nicht.

Die Materialien für das Substrat 5, die erste dielektrische Schicht 4 und die zweite dielektrische Schicht 3, die den optischen Wellenleiter 6 bilden, sind nicht auf die obenan gegebenen beschränkt. Z. B. kann für das Substrat 5 Quarz glas verwendet werden, und für die dielektrische Schicht 4 kann eine SiON-Schicht verwendet werden. Was jedoch Absorp tionsverluste betrifft, ist ein Si-Substrat mit einer darauf ausgebildeten SiO₂-Schicht für das Substrat 5 bevorzugt, und für die erste dielektrische Schicht 4 ist hinsichtlich der Stabilität des Belichtungsindex das Glas #7059 bevorzugt.

Für die zweite dielektrische Schicht 3 kann auch PSG (Phos phorsilikatglas, das durch CVD als Film hergestellt werden kann), SOG (Glas, das durch eine Schleuderbeschichtungsvor richtung aufgetragen und durch Heizen ausgehärtet werden kann) usw. verwendet werden. Jedoch beeinflußt die Dicke der zweiten dielektrischen Schicht 3 den optimalen Strahldurch messer des Eintrittslichts stark, so daß eine SiO₂-Schicht hinsichtlich der Steuerbarkeit der Dicke der zweiten dielek trischen Schicht 3 bevorzugt ist.

Ferner können für die dritte dielektrische Schicht 2 Mate rialien mit einem Brechungsindex verwendet werden, der dem der zweiten dielektrischen Schicht 3 entspricht oder kleiner ist. Jedoch besteht beim vorliegenden Beispiel die dritte dielektrische Schicht 2 ebenfalls aus SiO₂ mit dem Bre chungsindex der SiO₂-Schicht der zweiten dielektrischen Schicht 3, um Reflexion an der Grenze zwischen der zweiten dielektrischen Schicht 3 und der dritten dielektrischen Schicht 2 zu vermeiden.

Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen des in den Fig. 1A und 1B dargestellten Optokopplers beschrieben.

Die Fig. 6A und 6B sowie die Fig. 7A bis 7C sind Schnittan sichten, die Schritte eines Herstellverfahrens für den Opto koppler veranschaulichen. Fig. 6C ist eine Draufsicht, die der Schnittansicht von Fig. 6B entspricht. Die Fig. 8A und BB veranschaulichen ein Formungselement (nachfolgend als Stempel bezeichnet), das zum Herstellen des Optokopplers verwendet wird. Fig. 6A zeigt eine Formungsfläche des Stem pels, und Fig. 6B zeigt den Aufbau des Stempels im Quer schnitt.

Wie es in Fig. 6A dargestellt ist, werden die erste dielek trische Schicht 4 und die zweite dielektrische Schicht 3 in dieser Reihenfolge auf dem Substrat 5 hergestellt, um den optischen Wellenleiterkörper 7 auszubilden. Dann wird eine SiO₂-Schicht als dritte dielektrische Schicht 2 in einem Teil (durch XYX′Y′ in Fig. 1A umrandeter Teil) des optischen Wellenleiterkörpers 7 hergestellt, um den optischen Wellen leiter 6 auszubilden (Fig. 6B).

Dann wird ein Lichteintrittsabschnitt mit gewünschter Form mittels Harz hergestellt. Während dieses Schritts wird eine Formungstechnik verwendet. Als Formungstechnik können ver schiedene Verfahren wie Spritzgießen und Extrusionsformen verwendet werden. Beim vorliegenden Beispiel wird ein 2P-Verfahren verwendet, das dahingehend von Vorteil ist, daß es die Oberflächengenauigkeit für die Lichteintrittsfläche ver bessert.

Nachfolgend wird das 2P-Verfahren beschrieben.

Als Formungswerkzeug wird ein Stempel 8 (der auch als Ma sterform bezeichnet wird) verwendet, wie in den Fig. 8A und 8B dargestellt. Der Stempel 8 verfügt über einen Graben 9 mit gewünschter Form im Schnitt. Wie es in den Fig. 8A und 8B dargestellt ist, ist der Stempel 8 so konzipiert, daß er über zwei Schrägen 9a und 9b verfügt, die der Seitenform des Lichteintrittsabschnitts 1 in Fig. 1B entsprechen. Dies, da mit der hergestellte Optokoppler leicht dem Stempel 8 ent nommen werden kann.

Die Fig. 7A bis 7C veranschaulichen einen speziellen Ablauf beim 2P-Verfahren. Wie es in Fig. 7A dargestellt ist, wird UV-härtbares Harz 10 zum Formen des Lichteintrittsabschnitts 1 dem Graben 9 im Stempel 8 und dessen Umgebung zugeführt. Der optische Wellenleiter 6 wird so gegen den Stempel 8 ge drückt, daß das UV-härtbare Harz 10 die Grenze XY zwischen einem Abschnitt, an dem die SiO₂-Schicht (die dritte dielek trische Schicht 2) vorhanden ist, und einem Abschnitt, an dem die SiO₂-Schicht nicht vorhanden ist, überdeckt. Dann werden der optische Wellenleiter 6 und der Stempel 8 mit UV-Licht bestrahlt, wie es in Fig. 7B dargestellt ist. Nach Aushärtung durch die Einstrahlung von UV-Licht wird das UV-härtbare Harz 10 vom Stempel 8 gelöst, wie es in Fig. 7C dargestellt ist, wodurch der Optokoppler 10a mit dem Licht eintrittsabschnitt 1 mit gewünschter Form hergestellt ist.

Das in Fig. 7B dargestellte Verfahren zum Einstrahlen von UV-Licht und das Material für den Stempel 8 können leicht abhängig davon variiert werden, was als Substrat 5 des opti schen Wellenleiters 6 verwendet wird. Dies wird wie folgt beschrieben:

1. Wenn ein Glassubstrat verwendet wird:
- Wenn ein Stempel aus Glas verwendet wird, wird UV-Licht L₁₀ auf den optischen Wellenleiter 6 gestrahlt, und UV-Licht L₂₀ wird auf den Stempel 8 gestrahlt, wie es in Fig. 7B dar gestellt ist. Wenn ein aus Metall bestehender Stempel ver wendet wird, wird UV-Licht L₁₀ nur auf den optischen Wellen leiter 6 gestrahlt. Die Bestrahlungszeit mit UV-Licht ist dann kürzer, wenn ein aus Glas bestehender Stempel verwendet wird, als dann, wenn ein aus Metall bestehender Stempel ver wendet wird.
2. Wenn ein Si-Substrat mit einer durch thermische Oxidation der Oberfläche desselben erhaltenen SiO₂-Schicht verwendet wird:
- Es kann nur ein Glasstempel (Glasmasterform) verwendet werden. Es ist nur Einstrahlung von UV-Licht L₂₀ auf den Stempel möglich.

Die Breite T_w des Grabens 9 im Stempel 8 wird vorzugsweise so eingestellt, daß das UV-härtbare Harz 10 in der Mitte der dritten dielektrischen Schicht 2 endet, wenn der optische Wellenleiter 6 gegen den Stempel 8 gedrückt wird, wie es in Fig. 7B dargestellt ist. Daher wird, wenn das UV-härtbare Harz 10 den Abschnitt erreicht, in dem die dritte dielektri sche Schicht 2 nicht vorhanden ist, verhindert, daß Licht verluste in diesem Abschnitt aufgrund einer Rückkopplung auftreten (d. h. aufgrund der Ausgabe von Licht aus dem op tischen Wellenleiter 6).

Dann, wenn Lichteintrittsabschnitte gleichzeitig auf mehre ren optischen Wellenleitern auf einem Substrat hergestellt werden, um gleichzeitig eine Anzahl von Optokopplern herzu stellen, können Optokoppler dadurch gleichzeitig geschaffen werden, daß ein Stempel 18 mit der erforderlichen Anzahl darin ausgebildeter identischer Gräben 19, wie in Fig. 8C dargestellt, entsprechend dem in den Fig. 7A bis 7C veran schaulichten Ablauf verwendet wird.

Schließlich wird ein spezielles Beispiel für die Form des Lichteintrittsabschnitts beim vorliegenden Beispiel be schrieben.

Beim vorliegenden Beispiel wird ein UV-härtbares Methacrylat (Brechungsindex n_q = 1,57) für den Lichteintrittsabschnitt 1 verwendet, und dieser wird auf dem optischen Wellenleiter 6 hergestellt. So erhalten die effektiven Brechungsindizes N_TE und N_TM für TE- bzw. TM-Licht die Werte 1,4852 bzw. 1,4842, wenn angenommen wird, daß die Wellenlänge λ des Eintritts lichts 780 nm ist. Hierbei umfaßt der optische Wellenleiter 6 ein Si-Substrat mit einer durch thermische Oxidation auf der Oberfläche desselben hergestellten SiO₂-Schicht (Bre chungsindex = 1,44), die erste dielektrische Schicht 4 aus dem Glas #7059 (Brechungsindex = 1,53; Dicke = 570 nm), die zweite dielektrische Schicht 3 aus SiO₂ (Brechungsindex = 1,43; Dicke = 100 nm) und die dritte dielektrische Schicht 2 (Dicke 1,2 µm).

Wenn ein Lichteintrittsabschnitt 1 der in den Fig. 1A und 1B dargestellten Form durch Harz (Brechungsindex n_q) herge stellt wird, wird angenommen, daß eine Harzschicht 1b mit bestimmter Dicke an der zweiten dielektrischen Schicht 3 an haftet. Wenn angenommen wird, daß die Dicke der anhaftenden Harzschicht 1b den Wert 1 hat, können in diesem Fall die Gleichungen (1) und (2) unter Verwendung des Modells in Fig. 9 so umgeschrieben werden, wie dies unten angegeben ist. Beim Modell von Fig. 9 entspricht die Form des Lichtein trittsabschnitts derjenigen des Lichteintrittsabschnitts 11a (Fig. 3) mit einer Seite rechtwinklig auf der Grundseite, wobei der Ursprung eines xy-Koordinatensystems an einen Punkt gelegt ist, an dem die optische Achse des Eintritts lichts die Fläche der zweiten dielektrischen Schicht 3 schneidet, wobei die x-Achse mit der optischen Achse des Eintrittslichts zusammenfällt.

B < x₁/sinΘ_i - l/tanΘ_i + L/2 . . . (6)

H < 2y₁sinΘ_i + l . . . (7)

L = ρw₀/[cosΘ_i{1-(4ρ²λ²tan²Θ_i/n_q²π²w₀²)}^1/2] . . . (8)

x₁ = {-b₁ + (b₁²-a₁c₁)^1/2}/a₁ . . . (9)

y₁ = x₁/tanΘ_i - l/sinΘ_i . . . (10)

a₁ = 1/tan²Θ_i - 4λ²ρ²/n_q²π²w₀² . . . (11-a)

b₁ = -l/sinΘ_icosΘ_i . . . (11-b)

c₁ = l²/sin²Θ_i - w₀²ρ²/4 . . . (11-c).

Wenn die effektiven Brechungsindizes N_TE und N_TM in die Gleichung (4) eingesetzt werden, erhält der Eintrittswinkel Θ_i den Wert 71°. Damit wird die Schräge α der Eintrittsflä che als Θ_i (d. h. 71°) bestimmt, damit das Reflexionsvermö gen an der Eintrittsfläche minimal ist.

Wenn angenommen wird, daß die Dicke der an der Oberfläche des optischen Wellenleiters 6 anhaftenden Harzschicht 1b den Wert 3 µµ aufweist, werden aus den Gleichungen (6) und (7) die Werte B < 200,4 µm und H < 116,1 µm erhalten.

Demgemäß wird beim vorliegenden Beispiel der aus einem auf dem optischen Wellenleiter 6 vorhandenen Harz hergestellte Lichteintrittsabschnitt 1 so ausgebildet, daß er im Schnitt die in den Fig. 1A und 1B dargestellte Form aufweist, mit einer Neigung α von 71° der Eintrittsfläche, einer Grundsei te B von 201 µm und einer Höhe H von 117 µm.

Wie oben beschrieben, umfaßt der optische Wellenleiter 6 beim vorliegenden Beispiel das Substrat 5, die auf diesem hergestellte erste dielektrische Schicht 4, die auf dieser hergestellte zweite dielektrische Schicht 3 mit einem Bre chungsindex, der kleiner als der der ersten dielektrischen Schicht 4 ist, und die auf einem Teil der zweiten dielektri schen Schicht 3 hergestellte dritte dielektrische Schicht 2 mit einem Brechungsindex, der dem der zweiten dielektrischen Schicht 3 entspricht. Der Lichteintrittsabschnitt 1 aus einem Material mit einem Brechungsindex über dem der zugehö rigen dielektrischen Schicht ist so auf dem optischen Wel lenleiter 6 angeordnet, daß er die Grenze zwischen einem Ab schnitt, in dem die dritte dielektrische Schicht 2 vorhanden ist, und einem Abschnitt, in dem die dritte dielektrische Schicht 2 nicht vorhanden ist, überdeckt. Aufgrund dieses Aufbaus kann Licht auf Grundlage des Kopplungsprinzips eines Prismenkopplers in den optischen Wellenleiter 6 eingekoppelt werden.

Darüber hinaus kann dann, wenn der Abstand B von der Grenze zwischen dem Lichteintrittsabschnitt 1 und der dritten di elektrischen Schicht 2 zu einem unteren Abschnitt der Ein trittsfläche 1a des Lichteintrittsabschnitts 1 sowie die für die Eintrittsfläche 1a erforderliche Höhe aus den Ausdrücken (6) und (7) bestimmt werden, um die Form des Lichteintritts abschnitts 1 zu bestimmen, die Dicke des optischen Kopplers einschließlich des optischen Wellenleiters 6 und des Licht eintrittsabschnitts 1 in Übereinstimmung mit dem Durchmesser w₀ des Eintrittsstrahls klein gemacht werden.

Ferner wird der Lichteintrittsabschnitt 1 lediglich aus einem Material mit hohem Brechungsindex so auf dem optischen Wellenleiter 6 hergestellt, daß er eine gewünschte Form auf weist. Daher ist es einfacher als im Fall des Anbringens eines Prismas an einen optischen Wellenleiter, einen Opto koppler herzustellen. Als Material mit höherem Brechungsin dex kann ein billiges Harz verwendet werden, was zu einer Verringerung der Herstellkosten eines Optokopplers führt.

Ferner kann, wenn ein Harz (z. B. ein UV-härtbares Harz) als Material mit hohem Brechungsindex verwendet wird, eine For mungstechnik wie ein 2P-Verfahren im Herstellverlauf eines Optokopplers verwendet werden. Demgemäß können mehrere Opto koppler gleichzeitig auf einem Substrat mit mehreren darauf ausgebildeten identischen optischen Wellenleitern herge stellt werden, wenn mehrere identische Gräben in einem For mungsstempel ausgebildet sind.

Beispiel 2

Die Fig. 10A und 10B veranschaulichen ein anderes Ausfüh rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Optokopplers. Fig. 10A ist eine Schnittansicht durch den Optokoppler, und Fig. 10B zeigt einen vergrößerten Lichteintrittsabschnitt desselben.

Gemäß diesen Figuren enthält ein Optokoppler 100b ein Sub strat 31, das mit einem Graben 32 mit einer Reflexionsfläche 32a zum Reflektieren von Eintrittslicht und einem dielektri schen Bereich 33 versehen ist, der so auf dem Substrat 31 ausgebildet ist, daß er den Graben 32 auffüllt. Der Opto koppler 100b enthält ferner eine erste dielektrische Schicht 38, die so auf der Oberfläche des dielektrischen Bereichs 33 ausgebildet ist, daß ihr Ende über dem Graben 32 liegt, eine zweite dielektrische Schicht 39, die auf dem dielektrischen Bereich 33 und der ersten dielektrischen Schicht 38 ausge bildet ist, und eine dritte dielektrische Schicht 40, die auf der zweiten dielektrischen Schicht 39 ausgebildet ist. Die erste, zweite und dritte dielektrische Schicht 38, 39 und 40 bilden einen optischen Wellenleiter 36, und die Re flexionsfläche 32a des Grabens 32 sowie der dielektrische Bereich 33 im Graben 32 bilden einen Lichteintrittsabschnitt 21 zum Einleiten von Eintrittslicht in den optischen Wellen leiter 26.

Als Substrat 31 ist ein Si-Substrat 31a mit einem darauf ausgebildeten Al-Reflexionsfilm 31b verwendet. Der Graben 32 ist auf der Oberfläche des Al-Reflexionsfilms 31b herge stellt. Der Brechungsindex n₁ der ersten dielektrischen Schicht 38, der Brechungsindex n_q des dielektrischen Be reichs 33, der Brechungsindex n₂ der zweiten dielektrischen Schicht 39 und der Brechungsindex n₃ der dritten dielektri schen Schicht 40 sind so eingestellt, daß der Brechungsindex n_q höher als die Brechungsindizes n₁, n₂ und n₃ ist und daß die Bedingungen n₁ n₂ und n₂ < n₃ erfüllt sind.

Beim Optokoppler 100b dieses Beispiels wird Eintrittslicht in den optischen Wellenleiter 26 eingekoppelt, und es brei tet sich in diesem dem Prinzip eines Prismenkopplers folgend fort.

Das auf die Oberfläche der dritten dielektrischen Schicht 40 fallende Licht läuft, wie es in Fig. 10B dargestellt ist, durch diese dritte dielektrische Schicht 40, die zweite di elektrische Schicht 39 und den dielektrischen Bereich 33. Dann wird das Licht an der Reflexionsfläche 32a des Al-Re flexionsfilms 31b reflektiert, und es trifft in der Nähe der Grenze zwischen der ersten dielektrischen Schicht 38 und dem dielektrischen Bereich 33 auf die zweite dielektrische Schicht 39. Das Licht trifft unter einem Winkel auf die zweite dielektrische Schicht 39, der dem Reflexionswinkel in bezug auf die untere Seite der zweiten dielektrischen Schicht 39 entspricht oder größer ist als dieser, und durch läuft mittels einer tunneleffektähnlichen Funktion durch die zweite dielektrische Schicht 39 und fällt auf die dritte di elektrische Schicht 40.

Dann wird das Licht an der Grenze zwischen der dritten di elektrischen Schicht 40 und Luft totalreflektiert und läuft zur zweiten dielektrischen Schicht 39. Jedoch kann das Licht aufgrund des Vorliegens der zweiten dielektrischen Schicht 39 und der dicken ersten dielektrischen Schicht 38 zwischen dem dielektrischen Bereich 33 und der dritten dielektrischen Schicht 40 nicht durch die erste dielektrische Schicht 38 laufen, sondern es wird zur dritten dielektrischen Schicht 40 totalreflektiert. Danach läuft das Licht durch die dritte dielektrische Schicht 40, während es diese Totalreflexion wiederholt.

Nachfolgend wird zum detaillierteren Beschreiben des Aufbaus des Optokopplers 100b dieses Beispiels ein Verfahren zum Herstellen des Optokopplers 100b in den Fig. 10A und 10B un ter Bezugnahme auf die Fig. 11a und 11D beschrieben.

Als erstes wird der Graben 32 auf dem mit einem Metallfilm, wie einem Al-Film, versehenen Substrat 31 ausgebildet, wie in Fig. 11A dargestellt. Der Graben 32 wird in einem Bereich des Substrats 31 hergestellt, der in der Draufsicht von Fig. 11B durch ABCD gekennzeichnet ist.

Danach wird der dielektrische Bereich 33 auf dem Substrat 31 hergestellt. Dieser dielektrische Bereich 33 kann unter Ver wendung eines 2P-Verfahrens mittels eines UV-härtbaren Har zes hergestellt werden. Genauer gesagt, wird der Graben 32 mit UV-härtbarem Harz aufgefüllt (Fig. 11C), ein Glasstempel 34 wird gegen das Substrat 31 gedrückt (Fig. 11D), und das Harz wird durch Einstrahlen von UV-Licht gehärtet.

Beim in den Fig. 10A und 10B dargestellten Optokoppler 100b wird, um für die optische Kopplungsfunktion eines Prismen kopplers zu sorgen, der dielektrische Bereich (UV-härtbarer Bereich) 33 eingeätzt, um einen Graben 37 zu bilden, und die erste dielektrische Schicht 38 wird so hergestellt, daß sie den Graben 37 auffüllt. Unter Bezugnahme auf die Fig. 12A bis 12F wird ein Verfahren zum Herstellen der ersten dielek trischen Schicht 38 beschrieben. Die Fig. 12A, 12C, 12D und 12F sind Schnittansichten, und die Fig. 12B und 12E sind den Fig. 12A und 12D entsprechende Draufsichten.

Wie es in Fig. 12A dargestellt ist, wird ein Metallfilm 35 als Maske zum selektiven Ätzen des dielektrischen Bereichs 33 zum Herstellen eines Grabens, in dem die erste dielektri sche Schicht 38 vergraben wird, auf dem dielektrischen Be reich 33 hergestellt. Später wird beschrieben, wie der End abschnitt für ein Öffnungsfenster 35a des Metallfilms 35 (Abschnitt EF in Fig. 12B) bestimmt wird.

Danach wird, wie es in Fig. 12C dargestellt ist, der Graben 37 mit gewünschter Tiefe t durch Ätzen in einem Abschnitt ausgebildet, der dem Öffnungsfenster 35a des Metallfilms 35 entspricht. Danach wird, wie es in den Fig. 12D und 12E dar gestellt ist, die erste dielektrische Schicht 38 mit der Dicke t im Graben 37 hergestellt. Dann wird der Metallfilm 35 entfernt (Fig. 12F).

Die zweite dielektrische Schicht 39 und die dritte dielek trische Schicht 40 werden in dieser Reihenfolge auf der er sten dielektrischen Schicht 38 hergestellt, wodurch der in den Fig. 10A und 10B dargestellte Optokoppler 100b herge stellt wird.

Beim Optokoppler 100b in den Fig. 10A und 10B sind der Bre chungsindex n₁ der ersten dielektrischen Schicht 38, der Brechungsindex n_q des dielektrischen Bereichs 33, der Bre chungsindex n₂ der zweiten dielektrischen Schicht 39 sowie der Brechungsindex n₃ der dritten dielektrischen Schicht 40 so eingestellt, daß der Brechungsindex n_q höher als die Bre chungsindizes n₁, n₂ und n₃ ist und daß die Bedingungen n₁ n₂ und n₂ < n₃ gelten.

Die Form des in der Oberfläche des Substrats 31 ausgebilde ten Grabens 32 ist durch die Dicke l eines Abschnitts des dielektrischen Bereichs 33, der nicht auf dem Graben 32 liegt (Fig. 10B) und die Position des Grabens 37 festgelegt, der in einem Teil des dielektrischen Bereichs 33 ausgebildet ist, um die erste dielektrische Schicht 38 aufzunehmen.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf Fig. 13 Bedingungen betreffend die Form des in der Oberfläche des Substrats 31 hergestellten Grabens 32 sowie die Position des im dielek trischen Bereich hergestellten Grabens 37 beschrieben.

Fig. 13 zeigt den optischen Pfad von Licht L_IN, wie es auf den in Fig. 10B dargestellten Optokoppler 100b fällt. Fig. 13 zeigt ein xy-Koordinatensystem, das in Fig. 10B so gelegt ist, daß sein Ursprung mit dem Eintrittspunkt von Eintritts licht hinsichtlich des Lichteintrittsabschnitts zusammen fällt, wobei die x-Achse mit der optischen Achse des Ein trittslichts zusammenfällt. Aus Fig. 10B ist erkennbar, daß zum Vermeiden von Wechselwirkungen zwischen dem Eintritts licht und dem von der Reflexionsfläche 32a des Grabens 32 reflektierten Licht die folgende Ungleichung erfüllt sein sollte:

J-R < M (12)

Wenn die Beziehung zwischen dem Eintrittslicht, dem Graben 32 an der Oberfläche des Substrats 31 und dem Graben 37 im dielektrischen Bereich 33 so repräsentiert wird, wie in Fig. 13 dargestellt, ist ersichtlich, daß ein in Fig. 10B darge stellter Abstand R dem Abstand zwischen zwei Punkten S und U in Fig. 13 entspricht. Der Ausdruck (12) wird durch den Strahldurchmesser w₀ und die Wellenlänge λ des Eintritts lichts an der Position P festgelegt, an der die optische Achse des Eintrittslichts die Fläche des dielektrischen Be reichs 33 durchsetzt; den Brechungsindex n_q des dielektri schen Bereichs 33; den Ausbreitungsabstand E von Licht aus gehend von der Reflexionsfläche 32a zum Eintrittspunkt; den Eintrittswinkel Θ_i in bezug auf die Oberfläche des dielek trischen Bereichs 33 und den Eintrittswinkel Θ in bezug auf den optischen Wellenleiter.

Der Weg E ist durch die Dicke l des Abschnitts des dielek trischen Bereichs 33, in dem der Graben 32 nicht ausgebildet ist, wie in Fig. 10B dargestellt, bestimmt, und die Neigung ω der Reflexionsfläche 32a ist durch die folgende Gleichung gegeben:

ω = 0,5 (Θ - Θ_i) (13)

Der Weg E kann dadurch bestimmt werden, daß der Überkreu zungspunkt V (ψ, ϑ) einer Linie y = -tanκ(x + E), die eine in Fig. 13 dargestellte gerade Linie NW repräsentiert, und einer Kurve y = (ρw₀/2)·{1 + (4λx/n_qπw₀²)²}^1/2, die die Oberkantenlinie eines Lichtstrahls in der Zeichnungsfläche repräsentiert, ermittelt wird. Der Weg E kann durch die fol genden Ausdrücke (14) bis (17) sowie (18a) bis (18c) reprä sentiert werden:

(-ξ/tanΘ - ζ)sinΘ <l . . . (14)

ξ = {-b₁ - (b₁² - a₁c₁)^1/2}/a₁ . . . (15)

ζ = -tanκ(x + E) . . . (16)

κ = π/2 - Θ + ω . . . (17)

a₁ = tan²κ - 4ρ²λ²/n_q²π²w₀² . . . (18a)

b₁ = Etan²κ . . . (18b)

c₁ = E²tan²κ - ρ²w₀²/4 . . . (18c).

Um J in der Gleichung (12) zu bestimmen, wird die Koordinate eines Punkts P (x₂, y₂) im xy-Koordinatensystem von Fig. 13 ermittelt. Der Punkt P ist der Überkreuzungspunkt zwischen einer geraden Linie y = -x/tanΘ, die die Grenze zwischen dem dielektrischen Bereich 33 und der zweiten dielektrischen Schicht 39 repräsentiert, und einer geraden Linie y = tanϕ(x + E) (ϕ = Θ_i′ + Θ), die den Eintrittspunkt P auf der zweiten dielektrischen Schicht 39 mit einem Eintrittspunkt W auf der Reflexionsfläche 32a verbindet. So kann die Koordi nate des Punkts P als Lösung dieser simultanen Gleichungen erhalten werden:

x₂ = -Etanϕ·(tanϕ + 1/tanΘ)^-1 (19)

y₂ = x₂/tanΘ (20).

Aus Fig. 13 wird J gemäß der folgenden Gleichung erhalten:

J = (x₂² + y₂²) (21).

Der Abstand M wird aus der Koordinate Q (x₃, y₃) des Über kreuzungspunkts Q zwischen einer geraden Linie y = -x/tanΘ, die die Grenze zwischen dem dielektrischen Bereich 33 und der zweiten dielektrischen Schicht 39 repräsentiert, und einer Kurve y = (ρw₀/2)·(1 + (4λx/n_qπw₀²)²}^1/2, die die Oberkantenlinie eines Lichtstrahls in der Zeichnungsebene repräsentiert, erhalten:

x₃ = (-ρw₀/2)/{(1/tan²Θ) - (4ρ²λ²/n_q²π²w₀²)}^1/2 (22)

y₃= x₃/tanΘ (23).

Der Weg M im Ausdruck (12) ist wie folgt gegeben:

M = |x₃(1 + 1/tan²Θ)| (24).

Da dies dem Wert |SU| entspricht, kann der Weg R im Ausdruck (12) aus den Koordinaten der Punkte S und R erhalten werden.

Der Punkt S ist der Überkreuzungspunkt zwischen einer gera den Linie y = -tanΦ(x + G), die durch Umfalten der Grenze zwischen dem dielektrischen Bereich 33 und der zweiten di elektrischen Schicht 39 in solcher Weise, daß sie linear symmetrisch in bezug auf eine Kantenlinie der Reflexions fläche ist, erhalten wird, und einer Kurve y = (-ρw₀/2). {1 + (4λx/n_qπw₀²)²}^1/2, die die Unterkantenlinie eines Lichtstrahls in der Zeichnungsebene repräsentiert.

Hierbei entspricht G der Summe aus dem Weg E und dem Weg F und ist durch die folgende Gleichung repräsentiert:

G = (1 + cosΘ/cosΘ_i′)E (25).

Wenn angenommen wird, daß die Koordinate des Punkts S die Koordinate S (α, β) ist, sind α und β wie folgt repräsen tiert:

α = {-b₂ - (b₂² - a₂c₂)^1/2}/a₂ . . . (26)

β = -tanΦ (α + G) . . . (27)

Φ = π/2 + 2ω - Θ . . . (28)

a₂ = tan²Φ - 4λ²ρ²/n_q²π²w₀² . . . (29-a)

b₂ = Gtan²Φ . . . (29-b)

c₂= G²tan²Φ - ρ²w₀²/4 . . . (29-c).

Da die Koordinate des Punkts U die Koordinate (-G, 0) ist, wird der Weg R wie folgt erhalten:

R = |SU| = {(α + G)² + β²}^1/2 (30).

Wenn Φ = π/2 [rad], d. h. 90°, gilt, sind die Koordinate S (α, β) des Punkts S und der Weg R wie folgt gegeben:

α = -G . . . (31)

β = (-ρw₀/2)·{1 + (4λα/n_qπw₀²)²}^1/2 . . . (32)

R = |β| . . . (33).

Der Laufweg E von der Reflexionsfläche zum Eintrittspunkt kann aus den Ausdrücken (12), (21), (24), (30) oder (33) bestimmt werden.

Ferner kann die Bedingung für die Tiefe des Grabens 32 aus dem Wert des Wegs E erhalten werden. Diese Bedingung kann dadurch ermittelt werden, daß der Überkreuzungspunkt T (γ· δ) zwischen der geraden Linie NO: y = -tanκ(x + E) und der Kurve y = (-ρw₀/2)·{1 + (4λx/n_qπw₀²)²}^1/2, die die Unterkan tenlinie eines Lichtstrahls in der Zeichnungsebene repräsen tiert, erhalten wird. Unter der Annahme, daß die Tiefe des Grabens 32 in der Oberfläche des Substrats 31 den Wert D hat, ist D wie folgt repräsentiert.

D EcosΘ - l + {(γ + E)² + δ²}^1/2sinω . . . (34)

γ = {-b₁ - (b₁² - a₁c₁)^1/2}/a₁ . . . (35)

δ = -tanκ(γ + E) . . . (36).

Der Weg K in Fig. 13, d. h. der Weg zwischen der Kante (durch die Linie AB in Fig. 12B repräsentiert) des Grabens 32 in der Oberfläche des Substrats 31 in Fig. 12A und der Kante (durch die Linie EF in Fig. 12B repräsentiert) des im dielektrischen Bereich 33 ausgebildeten Grabens 37, wie zum Auffüllen des Grabens 32 vorhanden, kann aus den folgenden Ausdrücken bestimmt werden:

K = E₀sinΘ - {(γ₀ + E₀)² + δ₀²}^1/2cosω + x_m . . . (37)

γ₀ = {-b₁₀ - (b₁₀² - a₁₀c₁₀)^1/2/a₁₀ . . . (38)

δ₀ = -tanκ(γ₀ + E₀) . . . (39)

a₁₀ = tan²κ - 4ρ²λ²/n_q²π²w₀² . . . (40-a)

b₁₀ = E₀tan²κ . . . (40-b)

c₁₀ = E₀²tan²κ - ρ²w₀²/4 . . . (40-c).

wobei D₀ die Tiefe des Grabens 32 ist, wie dann ermittelt, wenn der Ausdruck (34) die Gleichheitsbedingung erfüllt; E₀ der Ausbreitungsweg von der Reflexionsfläche 32a zum Ein trittspunkt O ist; die Koordinate des Überkreuzungspunkts T den Wert (γ₀, δ₀) hat und x_m der Weg zwischen der Kante der ersten dielektrischen Schicht 38 und dem Eintrittspunkt O ist.

Der Wert von K kann auch durch den folgenden Ausdruck be stimmt werden:

K = E₀sinΘ - {(γ₀ + E₀)² + δ₀²}^1/2cosω + x_m
- (D₁ - D₀)/tanω . . . (41)

wobei E₀ der Ausbreitungsweg von der Reflexionsfläche 32a zum Eintrittspunkt O ist und D₁ eine Tiefe ist, die unter diesen Bedingungen den Ausdruck (34) erfüllt.

Gemäß dem Ausdruck (37) besteht die Wirkung, daß der in Fig. 11A dargestellte Graben 32 im Verlauf der Herstellung eines Optokopplers so flach wie möglich ausgebildet werden kann. Gemäß dem Ausdruck (41) kann der Graben 37 leicht mit dem Graben 32 ausgerichtet werden, obwohl der Graben 37, in dem die erste dielektrische Schicht 38 vergraben ist, und der Graben 32 mit der Reflexionsfläche 32a tief sind.

Nachfolgend wird ein spezielles Beispiel für den obenangege benen Optokoppler beschrieben.

Es existiert keine spezielle Beschränkung hinsichtlich des Aufbaus des Substrats 31 des in den Fig. 10A und 10B darge stellten Optokopplers 100b. Es kann jedes Substrat wie ein Metallsubstrat oder ein Substrat mit einem darauf herge stellten metallischen Reflexionsfilm verwendet werden, so lange ein Reflexionsfilm ausgebildet werden kann. Substrate mit hohem Reflexionsvermögen ihrer Oberflächen sind bevor zugt. Beim vorliegenden Beispiel ist ein Si-Substrat 31a mit einem darauf hergestellten Al-Film 31b verwendet, und der Graben 32 ist in der Oberfläche des Al-Films 31b auf dem Si-Substrat 31a ausgebildet. Ferner existiert keine spezielle Beschränkung hinsichtlich des dielektrischen Bereichs 33, solange er der Bedingung hinsichtlich des Brechungsindex ge nügt. Beim vorliegenden Beispiel ist UV-härtbares Methacry latharz verwendet (Brechungsindex n_q = 1,57; Wellenlänge λ = 780 nm).

Der optische Wellenleiter 26 wird durch die erste dielektri sche Schicht 38, die zweite dielektrische Schicht 39 und die dritte dielektrische Schicht 40 gebildet. Für die erste di elektrische Schicht 38 kann PSG, SOG oder dergleichen ebenso wie SiO₂ (n₁ = 1,43; Wellenlänge λ = 780 nm) verwendet wer den; jedoch ist beim vorliegenden Beispiel SiO₂ verwendet. Wegen der Beziehung zwischen den Brechungsindizes der jewei ligen dielektrischen Schichten wird für die zweite dielek trische Schicht 39 SiO₂ (n₂= 1,43; Wellenlänge λ = 780 nm) verwendet. Für die dritte dielektrische Schicht 40 kann das Glas #7059, SiON oder dergleichen verwendet werden; jedoch ist beim vorliegenden Beispiel das Glas #7059 (n₃ = 1,53; Wellenlänge λ = 780 nm) verwendet.

Nun wird der folgende Fall betrachtet: Ein Lichtstrahl mit einem Strahldurchmesser w₀ von 3,76 µm in der Strahltaille trifft so auf, daß der Brennpunkt so liegt, wie es in Fig. 10B dargestellt ist. Wenn in diesem Fall die Dicke der als zweite dielektrische Schicht 39 dienenden SiO₂-Schicht auf 200 nm eingestellt ist und diejenige der als dritte dielek trische Schicht 40 wirkenden Schicht aus dem Glas #7059 auf 570 nm eingestellt ist, erhalten die effektiven Brechungs indizes N_TE und N_TM für TE- bzw. TM-Licht im Optokoppler 100b die Werte 1,4607 bzw. 1,4696. Ferner wird die Dicke t der ersten dielektrischen Schicht 38 so bestimmt, daß Ab strahlungsverluste beschränkt sind (d. h. das Verhältnis von Licht, das während der Ausbreitung im Substrat 31 aus dem Optokoppler austritt). Wenn z. B. die optischen Wellenlei terlänge 1 mm beträgt, hat die Dicke t eine solche Beziehung zu den Abstrahlungsverlusten, wie es in Fig. 14 dargestellt ist. Beim vorliegenden Beispiel ist die Dicke t auf 2 µm eingestellt, so daß die Abstrahlungsverluste weniger als 1% betragen, wenn die Länge des optischen Wellenleiters 1 mm ist.

Wenn der optische Wellenleiter 26 dadurch aufgebaut wird, daß die Parameter so wie oben beschrieben eingestellt wer den, wird der Winkel ω der Reflexionsfläche 32a des direkt im Substrat 31 ausgebildeten Grabens 32 wie folgt erhalten:
Der Eintrittswinkel Θ in bezug auf den optischen Wellenlei ter 26 ist durch die folgende Gleichung bestimmt:

Θ = sin^-1{(N_TE + N_TM)/2n_q} (42)

weswegen Θ den Wert 68,9° erhält. Wenn Θ_i′ zu 0° angenommen wird, ergibt sich aus dem Ausdruck (13) für den Winkel ω der Reflexionsfläche 32a in bezug auf das Substrat 31 der Wert 34,45°.

Der Graben 32 an der Oberfläche des Substrats 31 ist mit dem dielektrischen Bereich 33 aus UV-härtbarem Harz aufgefüllt, und die Dicke l der Harzschicht über der Oberfläche des Sub strats 31 sei mit 3 µm angenommen. Die Tiefe D des Grabens 32 wird auf Grundlage des Strahldurchmessers w₀ am Konver genzpunkt des Eintrittswinkels Θ (= 68,9°) in bezug auf den optischen Wellenleiter 26 und Θ_i′ (= 0°) bestimmt.

Aus den Ausdrücken (12), (21), (24) und (30) ergibt sich für den Laufweg E des Lichts von der Reflexionsfläche 32a zum Eintrittpunkt O der Wert 10,9 µm oder mehr. Wenn der Laufweg E auf 11 µm eingestellt wird, ist es aus dem Ausdruck (34) erforderlich, daß die Tiefe D des Grabens 2,78 µm oder mehr beträgt.

Beim vorliegenden Beispiel ist der Winkel der Reflexionsflä che 32a in bezug auf die Oberfläche des Substrats 31 auf 35,45° eingestellt, und die Tiefe D ist auf 3 µm einge stellt. Der Weg K zwischen der Kante der Unterfläche des Grabens 32 in der Oberfläche des Substrats 31, wie in Fig. 12C dargestellt, und der Kante (Kante der ersten dielektri schen Schicht 38 in Fig. 10A) des im dielektrischen Bereich 33 ausgebildeten Grabens 37, ist durch den Ausdruck (41) zu 11,3 µm bestimmt, um den Graben 32 aufzufüllen. Hierbei wird der Weg K unter der Bedingung erhalten, daß der Weg x_m zwi schen dem Eintrittspunkt und der Kante der ersten dielektri schen Schicht 38 in Fig. 10A den Wert 4 µm aufweist.

Wie oben beschrieben, wird beim Beispiel 2 der Graben 32 mit der Reflexionsfläche 32a zum Reflektieren von Eintrittslicht im Substrat 31 hergestellt, und ein Material (für den di elektrischen Bereich 33) mit höherem Brechungsindex als dem des Substrats 31 wird so hergestellt, daß er den Graben 32 auffüllt. Danach wird der Graben 37 im dielektrischen Be reich 33 mit höherem Brechungsindex hergestellt, um für eine Funktion zu sorgen, die der Kante eines Prismas in einem Prismenkoppler entspricht. Dann wird der Graben 37 mit der ersten dielektrischen Schicht 38 aufgefüllt, und die zweite dielektrische Schicht 39 und die dritte dielektrische Schicht 40 werden in dieser Reihenfolge auf dem dielektri schen Bereich 33 hergestellt, in dem die erste dielektrische Schicht 38 vergraben ist. Daher kann Licht unter Verwendung des Kopplungsprinzips eines Prismenkopplers in den optischen Wellenleiter 26 eingekoppelt werden. Ferner kann, da an der Oberfläche des optischen Wellenleiters 26 keine Vorsprünge existieren, der Optokoppler dünner und schmaler als dann hergestellt werden, wenn ein Lichteintrittsabschnitt mit ge wünschter Form durch Harz auf dem optischen Wellenleiterele ment hergestellt wird.

Beispiel 3

Fig. 15 veranschaulicht ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Optokopplers. Gemäß dieser Figur ist eine vierte dielektrische Schicht 61 auf der dritten dielek trischen Schicht im Optokoppler 100b des Beispiels 2 ausge bildet. Das optische Kopplungsprinzip beim optischen Koppler 100c beruht ebenfalls auf dem Kopplungsprinzip eines Pris menkopplers, ähnlich wie beim Beispiel 2. Ein Substrat 51, ein dielektrischer Bereich 53 sowie eine erste bis dritte dielektrische Schicht 58 bis 60 im Optokoppler 100c entspre chen dem Substrat 31, dem dielektrischen Bereich 33 bzw. der ersten bis dritten dielektrischen Schicht 38 bis 40 beim Optokoppler 100b des Beispiels 2.

Nun wird der Aufbau des Optokopplers 100c detaillierter be schrieben. Das Substrat 51 im Optokoppler 100c ist ein Si-Substrat 51a, auf dem ein Al-Reflexionsfilm 51b ausgebildet ist. In einer Oberfläche des Al-Reflexionsfilms 51b ist ein Graben 52 mit einer Reflexionsfläche 52a vorhanden. Der Gra ben 52 ist mit dem auf dem Al-Reflexionsfilm 51b hergestell ten dielektrischen Bereich 33 aufgefüllt. Die erste bis vierte dielektrische Schicht 58 bis 61 bilden einen opti schen Wellenleiter 36, und die Reflexionsfläche 52a des Gra bens 52 und der dielektrische Bereich 53 im Graben 52 bilden einen Lichteintrittsabschnitt 30 zum Einleiten von Licht in den optischen Wellenleiter 36.

Ein der Prismenkante eines Prismenkopplers entsprechender Graben 57 ist im dielektrischen Bereich 53 ausgebildet, und die erste dielektrische Schicht 58 ist so ausgebildet, daß sie den Graben 57 auffüllt. Die zweite, dritte und vierte dielektrische Schicht 59, 60 und 61 sind in dieser Reihen folge auf dem dielektrischen Bereich 53 (einschließlich der ersten dielektrischen Schicht 58) hergestellt, und sie wei sen eine ebene Oberfläche auf, da die erste dielektrische Schicht 58 aufgefüllt ist.

Für die erste dielektrische Schicht 58 können PSD, SOG oder dergleichen wie auch SiO₂ (n₁ = 1,43; Wellenlänge λ = 780 nm) verwendet werden; jedoch ist beim vorliegenden Bei spiel SiO₂ verwendet. Wegen der Beziehung hinsichtlich der Brechungsindizes der jeweiligen dielektrischen Schichten ist für die in Fig. 15 dargestellte zweite dielektrische Schicht 59 SiO₂ (n₂ = 1, 13947 00070 552 001000280000000200012000285911383600040 0002019623153 00004 1382843; Wellenlänge λ = 780 nm) verwendet. Für die dritte dielektrische Schicht 60 kann das Glas #7059, SiO₂ oder dergleichen verwendet werden; jedoch ist beim vor liegenden Beispiel das Glas #7059 (n₃ = 1,53; Wellenlänge λ = 780 nm) verwendet. Für den dielektrischen Bereich 53 ist UV-härtbares Methacrylatharz (Brechungsindex n_q = 1,57; Wel lenlänge λ = 780 nm) verwendet.

Die vierte dielektrische Schicht 61 hat die Wirkung einer Verringerung der Asymmetrie hinsichtlich der Brechungsindex verteilung in der Dickenrichtung des optischen Wellenlei ters. Wenn die untere und obere Schicht benachbart zur drit ten dielektrischen Schicht 60, durch die sich das Licht hauptsächlich ausbreitet, identisch sind, ist die Symmetrie der Brechungsindexverteilung hoch. Daher stimmt der Bre chungsindex n₄ vorzugsweise mit dem Brechungsindex n₂ der zweiten dielektrischen Schicht 59 überein. Beim vorliegenden Beispiel ist SiO₂ (n₄ = 1,43; Wellenlänge λ = 780 nm) ver wendet.

Nun wird der folgende Fall betrachtet: Licht mit einem Strahldurchmesser w₀ von 3,76 µm am Konvergenzpunkt trifft so auf, daß sein Brennpunkt an der Position O in Fig. 15 liegt. Wenn UV-härtbares Harz (n_q = 1,57; Wellenlänge λ = 780 nm) für den den Graben 52 in der Oberfläche des Sub strats 51 auffüllenden dielektrischen Bereich 53 verwendet wird, wird eine als zweite dielektrische Schicht 59 dienende SiO₂-Schicht auf 100 nm eingestellt, eine als dritte dielek trische Schicht 60 dienende Schicht aus dem Glas #7059 wird auf 570 nm eingestellt, und eine als vierte dielektrische Schicht 61 dienende SiO₂-Schicht wird auf 1 µm eingestellt, so daß der Kopplungswirkungsgrad für TE- und TM-Licht am höchsten ist.

Ferner wird die Dicke t′ der ersten dielektrischen Schicht 58 so bestimmt, daß die Abstrahlungsverluste beschränkt sind (d. h. der Anteil des aus dem Optokoppler austretenden Lichts, während sich dieses zum Substrat 51 ausbreitet). Wenn z. B. die Länge des optischen Wellenleiters 1 mm ist, weist die Dicke t′ eine Beziehung zu den Abstrahlungsverlu sten auf, wie sie in Fig. 16 dargestellt ist. Beim vorlie genden Beispiel ist die Dicke t′ auf 1,6 µm eingestellt, wo durch die Abstrahlungsverluste weniger als 1% betragen, wenn der optische Wellenleiter eine Länge von 1 mm aufweist.

Die Form des an der Oberfläche des Substrats 51 im Optokopp ler 100c dieses Beispiels auszubildenden Grabens 52 kann auf ähnliche Weise wie beim Beispiel 2 (siehe Fig. 13) bestimmt werden. Als erstes wird der Winkel ω zwischen der Refle xionsfläche 52a und dem Graben 52 erhalten.

Beim vorliegenden Beispiel weisen die effektiven Brechungs indizes N_TE und N_TM für TE- und TM-Licht im optischen Wel lenleiter 36, wie er durch die erste dielektrische Schicht 58, die zweite dielektrische Schicht 59, die dritte dielek trische Schicht 60 und die vierte dielektrische Schicht 61 gebildet wird, die Werte 1,4839 bzw. 1,4827 auf. In diesem Fall ist die Differenz der effektiven Brechungsindizes hin sichtlich des TE- und des TM-Lichts kleiner als beim Bei spiel 2. Der Grund hierfür ist der folgende: Die Symmetrie der Brechungsindexverteilung ist hoch, da die Brechungsindi zes der oberen und der unteren SiO₂-Schicht, die benachbart zur Schicht 60 (dritte dielektrische Schicht) aus dem Glas #7059, durch die sich das Licht hauptsächlich ausbreitet, liegen, einander gleich sind. Ferner sind die optimalen Ein trittswinkel Θ_TE und Θ_TM (Eintrittswinkel, die den höchsten Kopplungswirkungsgrad ermöglichen) für das TE- und das TM-Licht durch Θ_TE = sin^-1(N_TE/n_q) bzw. Θ_TM = sin^-1(N_TM/n_q) be stimmt. Daher können die Kopplungswirkungsgrade für TE- und TM-Licht dann erhöht werden, wenn TE- und TM-Licht gleich zeitig in den optischen Wellenleiter eingekoppelt werden.

Im Optokoppler 100c ist der Eintrittswinkel Θ in bezug auf den optischen Wellenleiter 36 durch den Ausdruck (41) be stimmt; daher erhält Θ den Wert 70,8°. Wenn Θ_i′ zu 0° ange nommen wird, ergibt sich aus dem Ausdruck (13) für den Win kel ω der Reflexionsfläche 52a in bezug auf die Oberfläche des Substrats 51 der Wert 35,4°.

Der Graben 52 in der Oberfläche des Substrats 51 ist mit dem dielektrischen Bereich 53 aus UV-härtbarem Harz aufgefüllt, und die Dicke 1 der Harzschicht über der Oberfläche des Sub strats 51 ist mit 3 µm angenommen. Die Tiefe D des Grabens 52 ist auf Grundlage des Strahldurchmessers w₀ in der Strahltaille, des Eintrittswinkels Θ (= 70,8°) in bezug auf den optischen Wellenleiter 36 und Θ_i′ (= 0°) bestimmt.

Aus den Ausdrücken (12), (21), (24) und (30) ergibt sich für den Laufweg E des Lichts von der Reflexionsfläche 52a zum Eintrittspunkt O der Wert 11,6 µm oder mehr. Wenn der Lauf weg E auf 12 µm eingestellt wird, ist es gemäß dem Ausdruck (34) erforderlich, daß die Tiefe D des Grabens 52 den Wert 2,78 µm oder mehr hat.

Beim vorliegenden Beispiel ist der Winkel der Reflexionsflä che 52a in bezug auf die Oberfläche des Substrats 51 auf 35,4° eingestellt, und die Tiefe D ist auf 3 µm eingestellt.

Im Optokoppler 100c ist der Weg K zwischen der Kante des Grabens 52 im Substrat 51, wie in Fig. 15 dargestellt, und der Kante des im dielektrischen Bereich 53 ausgebildeten Grabens 57 mit solcher Ausgestaltung, daß der Graben 52 aufgefüllt ist, durch den Ausdruck (41) zu 12,4 µm (D₀ = 2,87 µm) bestimmt. Hierbei wird der Weg K unter der Bedin gung erhalten, daß der Weg x_m zwischen dem Eintrittspunkt O und der Kante der ersten dielektrischen Schicht 58 in Fig. 15 den Wert 4 µm hat.

Beim Beispiel 3 hat der Optokoppler 100c einen Aufbau, bei dem die vierte dielektrische Schicht ferner auf der beim Op tokoppler 100b des Beispiels 2 vorhandenen dritten dielek trischen Schicht ausgebildet ist. Daher wird, zusätzlich zu den Wirkungen beim Beispiel 2, die Differenz der effektiven Brechungsindizes für TE- und TM-Licht kleiner als dann, wenn die vierte dielektrische Schicht nicht vorhanden ist. Dar über hinaus können die Kopplungswirkungsgrade für TE- und TM-Licht dann erhöht werden, wenn diese Lichtarten gleich zeitig in den optischen Wellenleiter eingekoppelt werden. Ferner ermöglicht es die vierte dielektrische Schicht, daß die Intensitätsverteilung des sich im optischen Wellenleiter ausbreitenden Lichts zur Oberseite des optischen Wellenlei ters hin verlagert wird, im Vergleich mit dem Fall, bei dem die vierte dielektrische Schicht nicht vorhanden ist. Daher kann die Dicke der ersten dielektrischen Schicht, wie sie dazu erforderlich ist, daß durch Rückkopplung von Licht in den dielektrischen Bereich hervorgerufene Lichtverluste ver hindert werden, dünner als dann gemacht werden, wenn die vierte dielektrische Schicht nicht vorhanden ist. D. h., daß die Tiefe des im dielektrischen Bereich im Verlauf der Her stellung des Optokopplers auszubildenden Grabens kleiner ge macht werden kann.

Wie oben beschrieben, ist beim erfindungsgemäßen Optokoppler gemäß Anspruch 1 ein Lichteintrittsabschnitt über die Grenze zwischen einem dünnen Abschnitt und einem dicken Abschnitt einer dielektrischen Schicht in einem optischen Wellenleiter vorhanden. Der Lichteintrittsabschnitt verfügt über einen ebenen Bereich, durch den in den optischen Wellenleiter ein geführtes Eintrittslicht ohne Reflexion hindurchlaufen kann. Daher kann Licht auf Grundlage des Prinzips eines Prismen kopplers mit einem Kopplungswirkungsgrad mit großer Toleranz hinsichtlich Wellenlängenänderungen in den optischen Wellen leiter eingekoppelt werden.

Darüber hinaus wird der Lichteintrittsabschnitt durch Formen eines transparenten Materials mit einem Brechungsindex über dem der dielektrischen Schicht auf dem optischen Wellenlei ter ausgebildet. Daher ist es nicht erforderlich, daß der Lichteintrittsabschnitt gesondert hergestellt wird wie bei einem Prisma, das auf dem optischen Wellenleiter angeordnet wird. Dies führt zu einem Optokoppler, der einfacher massen hergestellt werden kann.

Außerdem kann die Verwendung eines transparenten Materials zum Herstellen des Lichteintrittsabschnitts beim obenangege benen Optokoppler die Herstellkosten verringern. Darüber hinaus werden die Größe und die Form des Lichteintrittsab schnitts auf Grundlage der Wellenlänge des Eintrittslichts, des Strahldurchmessers in der Strahltaille, des Brechungs index des Materials für den Lichteintrittsabschnitt und des Eintrittswinkels des Eintrittslichts in bezug auf die Ein trittsfläche des optischen Wellenleiters bestimmt. Daher kann der Lichteintrittsabschnitt so klein wie möglich konzi piert werden. Anders gesagt, kann die Dicke des Optokopplers entsprechend dem Strahldurchmesser dadurch klein gemacht werden, daß die folgenden Werte bestimmt werden: Weg von der Grenze zwischen dem den Lichteintrittsabschnitt bildenden dielektrischen Bereich und der dritten dielektrischen Schicht bis zum unteren Abschnitt der Eintrittsfläche des Lichteintrittsabschnitts, Höhe der Eintrittsfläche und Form des dielektrischen Bereichs.

Ferner verfügt der erfindungsgemäße Optokoppler über ein Substrat, in dem ein Graben mit einer Reflexionsfläche zum Reflektieren von Eintrittslicht ausgebildet ist. Im Substrat ist über eine dielektrische Schicht ein optischer Wellenlei ter auf solche Weise ausgebildet, daß die Grenze zwischen einem dünnen Abschnitt und einem dicken Abschnitt der den optischen Wellenleiter bildenden dielektrischen Schicht im Graben des Substrats liegt. Ferner ist der dielektrische Be reich im Graben als Lichteintrittsabschnitt zum Einführen von Eintrittslicht in den optischen Wellenleiter ausgebil det. Daher kann das optische Einkoppeln in den optischen Wellenleiter auf Grundlage des Prinzips eines Prismenkopp lers mit einem Kopplungswirkungsgrad mit großer Toleranz in bezug auf Wellenänderungen ausgeführt werden.

Außerdem ist es nicht erforderlich, da der Lichteintrittsab schnitt zwischen dem Substrat und dem optischen Wellenleiter vorhanden ist, daß der Lichteintrittsabschnitt gesondert als Prisma hergestellt wird, das auf dem optischen Wellenleiter angebracht wird. Dies führt zu einem Optokoppler, der einfa cher massenhergestellt werden kann.

Ferner existieren keine Vorsprünge an der Oberfläche des optischen Wellenleiters, da der Lichteintrittsabschnitt zwi schen dem Substrat und dem optischen Wellenleiter vorhanden ist. Demgemäß kann der Optokoppler dünner und schmaler im Vergleich mit einem solchen hergestellt werden, bei dem ein Lichteintrittsabschnitt aus einem Material mit hohem Bre chungsindex auf dem optischen Wellenleiter ausgebildet wird.

Bei einem erfindungsgemäßen Optokoppler kann zusätzlich zu einer ersten, zweiten und dritten dielektrischen Schicht, die den optischen Wellenleiter bilden, eine vierte dielek trische Schicht auf der dritten dielektrischen Schicht vor handen sein. Dadurch wird die Differenz zwischen den effek tiven Brechungsindizes betreffend den Eintritt von TE- und TM-Licht in den Optokoppler kleiner als dann, wenn die vier te dielektrische Schicht nicht vorhanden ist, und der Kopp lungswirkungsgrad für diese Lichtarten, wenn sie gleichzei tig auftreffen, kann erhöht werden.

Ferner ermöglicht es die vierte dielektrische Schicht, die Intensitätsverteilung des durch den optischen Wellenleiter laufenden Lichts zur Oberseite des optischen Wellenleiters hin zu verschieben, im Vergleich mit dem Fall, bei dem die vierte dielektrische Schicht nicht vorhanden ist. Daher kann die Dicke der ersten dielektrischen Schicht, wie sie vorhan den ist, um durch das Rückkoppeln von Licht in den dielek trischen Bereich hervorgerufene Lichtverluste zu verhindern, im Vergleich zum Fall, bei dem die vierte dielektrische Schicht nicht vorhanden ist, geringer ausgebildet werden. D. h., daß die Tiefe des Grabens, wie er im Verlauf der Her stellung des Optokopplers im dielektrischen Bereich auszu bilden ist, kleiner gemacht werden kann.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Optokopplers wird im Verlauf der Herstellung des obenangege benen Optokopplers ein UV-härtbares Harz auf den optischen Wellenleiter mit der ersten, zweiten und dritten dielektri schen Schicht aufgebracht, und das Harz wird dadurch in einer vorbestimmten Form gehalten, daß ein UV-durchlässiges Rahmenelement mit einem konkaven Abschnitt verwendet wird, mit einem flachen Abschnitt, der der Eintrittsfläche des Lichteintrittsabschnitts entspricht. Unter diesen Bedingun gen wird das Harz durch Einstrahlen von UV-Licht gehärtet. Daher können Schwierigkeiten überwunden werden, wie sie beim Herstellen von Prismen vorliegen, wie dann, wenn Prismen an Prismenkopplern befestigt werden, oder dann, wenn es um Mas senherstellung geht.

Claims

1. Optokoppler (100a), gekennzeichnet durch:

- einen optischen Wellenleiter (6) mit einem Substrat (5), einer auf diesem ausgebildeten ersten dielektrischen Schicht (4), einer auf dieser ausgebildeten zweiten dielektrischen Schicht (3) mit einem Brechungsindex, der kleiner als der der ersten dielektrischen Schicht ist, und einer dritten dielektrischen Schicht (2), die auf einem Teil der zweiten dielektrischen Schicht ausgebildet ist und einen Brechungs index aufweist, der demjenigen der zweiten dielektrischen Schicht entspricht oder kleiner ist; und
- einen Lichteintrittsabschnitt (1) aus einem transparenten Material mit einem Brechungsindex, der größer als derjenige jeder der dielektrischen Schichten ist, wobei dieser Licht eintrittsabschnitt auf dem optischen Wellenleiter ausgebil det ist und konvergiertes Eintrittslicht in ihn einleitet;
- wobei der Lichteintrittsabschnitt über eine Oberfläche der zweiten dielektrischen Schicht und eine Oberfläche der drit ten dielektrischen Schicht hinweg ausgebildet ist und als Lichteintrittsfläche einen ebenen Abschnitt mit einer Größe aufweist, die es ermöglicht, daß das in den optischen Wel lenleiter eingeleitete Eintrittslicht ohne Abdunklung hin durchdringt.

2. Optokoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichteintrittsabschnitt (1) aus einem Teil mit einer Harzschicht mit einem Brechungsindex über demjenigen jeder der dielektrischen Schichten besteht, wobei die Harzschicht über der gesamten Fläche der zweiten dielektrischen Schicht (3) und der dritten dielektrischen Schicht (2) des optischen Wellenleiters (6) ausgebildet ist.

3. Optokoppler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- ein Winkel α zwischen der Lichteintrittsfläche des Licht eintrittsabschnitts (1) und der Lichteintrittsfläche des op tischen Wellenleiters (6) dem Eintrittswinkel Θ_i von Licht in bezug auf die Lichteintrittsfläche des optischen Wellen leiters entspricht;
- die Grenze zwischen einem Abschnitt der Oberfläche der zweiten dielektrischen Schicht (3) in Kontakt mit dem Licht eintrittsabschnitt und einem Abschnitt der Oberfläche der zweiten dielektrischen Schicht (3) in Kontakt mit der drit ten dielektrischen Schicht parallel zum unteren Ende der Lichteintrittsfläche des Lichteintrittsabschnitts verläuft; und
- der Abstand B zwischen dem unteren Ende der Lichtein trittsfläche des optischen Wellenleiters (6) und der Grenze, die Höhe H des oberen Endes der Lichteintrittsfläche des Lichteintrittsabschnitts über der Oberfläche der zweiten di elektrischen Schicht, der Strahldurchmesser w₀ des Ein trittslichts in der Strahltaille und die Dicke 1 eines ande ren Abschnitts der Harzschicht als dem Lichteintrittsab schnitt den folgenden Beziehungen genügen: B < x₁/sinΘ_i - l/tanΘ_i + L/2H < 2y₁sinΘ_i + lL = ρw₀/[cosΘ_i{1-(4ρ²λ²tan²Θ_i/n_p²π²w₀²)}^1/2]x₁ = {-b₁ + (b₁² - a₁c₁)^1/2}/a₁y₁ = x₁/tanΘ_i - l/sinΘ_ia₁ = 1/tan²Θ_i - 4λ²ρ²/n_p²π²w₀²b₁ = -l/sinΘ_icosΘ_ic₁ = l²/sin²Θ_i - w₀²ρ²/4ρ = {-ln (0.18)}^1/2wobei n_p der Brechungsindex der Harzschicht ist, λ die Wel lenlänge des Eintrittslichts ist und p ein Koeffizient ist, der den Strahldurchmesser pw₀ festlegt, der mindestens 99% der Energie des Eintrittslichts enthält.

4. Optokoppler (100b), gekennzeichnet durch:

- ein Substrat (31), in dem ein Graben (32) mit einer Ein trittslicht reflektierenden Fläche (32a) ausgebildet ist;
- einen dielektrischen Bereich (33), der so auf dem Substrat ausgebildet ist, daß er den Graben auffüllt;
- eine erste dielektrische Schicht (38), die auf einer Flä che des dielektrischen Bereichs so ausgebildet ist, daß ihr einer Endabschnitt im Graben liegt;
- eine zweite dielektrische Schicht (39), die auf dem di elektrischen Bereich und der ersten dielektrischen Schicht ausgebildet ist; und
- eine dritte dielektrische Schicht (40), die auf der zwei ten dielektrischen Schicht ausgebildet ist;
- wobei die erste dielektrische Schicht, die zweite dielek trische Schicht und die dritte dielektrische Schicht einen optischen Wellenleiter (26) bilden und die Reflexionsfläche des Grabens und der dielektrische Bereich im Graben einen Lichteintrittsabschnitt zum Einleiten von Eintrittslicht in den optischen Wellenleiter bilden; und
- wobei der Brechungsindex n₁ der ersten dielektrischen Schicht, der Brechungsindex n_q des dielektrischen Bereichs, der Brechungsindex n₂ der zweiten dielektrischen Schicht und der Brechungsindex n₃ der dritten dielektrischen Schicht die Bedingung n₁ n₂, n₂ < n₃ erfüllen und der Brechungsindex n_q höher als jeder der Brechungsindizes n₁, n₂ und n₃ ist.

5. Optokoppler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dritten dielektrischen Schicht (60) eine vierte dielektrische Schicht (61) ausgebildet ist, deren Brechungs index n₄ der Beziehung n₄ < n₃ genügt, und wobei der Bre chungsindex n_q höher als der Brechungsindex n₄ ist.

6. Verfahren zum Herstellen des Optokopplers nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Auftragen eines UV-härtbaren Harzes auf den optischen Wel lenleiter (6) auf der ersten dielektrischen Schicht (4) , der zweiten dielektrischen Schicht (3) und der dritten dielek trischen Schicht (2); und
- Einstrahlen von UV-Licht auf das Harz auf dem optischen Wellenleiter, während das Harz unter Verwendung eines UV-lichtdurchlässigen Rahmenelements in vorbestimmter Form ge halten wird, wobei dieses Rahmenelement über einen konkaven Abschnitt mit einem ebenen Bereich verfügt, der der Licht eintrittsfläche des Lichteintrittsabschnitts (1) entspricht.