JP2004333851A

JP2004333851A - 光結合デバイス

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Publication number: JP2004333851A
Application number: JP2003129345A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Hattori; 哲也服部; Koichiro Yamazaki; 功一朗山▲崎▼; Chie Fukuda; 智恵福田; Morihiro Seki; 守弘関
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-05-07
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】更なる結合損失の低減が可能な光結合デバイスを提供する。
【解決手段】光結合デバイス１０は、全体の概略形状が円柱状であって、当該円柱の第１端側の底面１１が平坦面とされ、当該円柱の第２端側の上面１２に凹部１３が形成されている。底面１１と凹部１３の底部１３ａとの間に導波領域部１４が設けられている。この導波領域部１４は、導波領域部１４以外の周辺部１５の屈折率より高い屈折率を有しており、第１端（底面１１）側から第２端（凹部１３の底部１３ａ）側へ光を導波することが可能であり、また、第２端側から第１端側へ光を導波することが可能である。第１端と第２端との間の光路上の各位置での等価導波領域の断面の最大幅および最小幅の双方が該光路に沿って連続的に変化している。第１端と第２端との間の光路上の各位置での屈折率が該光路に沿って連続的に変化している。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力した光を導波しつつスポットサイズ変換して出力する光結合デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
互いに異種の光導波路を相互に光学的に結合しようとする場合、例えば、平面型光導波路と光ファイバとを光学的に結合しようとする場合、平面型光導波路および光ファイバそれぞれの端面の間にレンズを配置して、一方の端面から出力された光をレンズにより集光し、その集光した光を他方の端面に入力させることで、両者を光結合する。しかし、レンズを用いた光結合に因る結合損失は、１ｄＢ〜３ｄＢ程度であって大きい。
【０００３】
上記のような結合損失を低減する為に光結合デバイスが用いられる。光結合デバイスは、入力した光を導波しつつスポットサイズ変換して出力することができるものであって、例えば、平面型光導波路から出力された光を入力し、その入力した光を導波しつつスポットサイズ変換して出力し、その出力した光を光ファイバに入力させる。
【０００４】
非特許文献１〜３それぞれに記載された光結合デバイスは、平面型光導波路と共通の基板上に形成されて、平面型光導波路と直接に接続されていて、導波路幅が光路に沿って連続的に変化しているものである。このような光結合デバイスは、平面型光導波路と光ファイバとを低損失で光学的に結合させることを意図するものである。
【０００５】
【非特許文献１】
水野隆之、他、「長高ΔＰＬＣにおける狭テーパ構造を用いたスポットサイズ変換」、２００１年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−３−９７
【非特許文献２】
鈴木耕一、他、「高Δ石英光導波路用指数関数型スポットサイズコンバータ」、２００１年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−３−９８
【非特許文献３】
小黒守、他、「ＤＦＢ−ＬＤとＳＳＣ導波路構造を適用した１．２５Ｇｂ／ｓ動作送受信ＰＬＣモジュール」、２００２年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、ＳＣ−２−６
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献１〜３それぞれに記載された光結合デバイスを用いた光結合に因る結合損失は、レンズを用いた光結合に因る結合損失より小さくなり得るものの、更なる結合損失の低減には限界がある。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、更なる結合損失の低減が可能な光結合デバイスを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光結合デバイスは、第１端に入力した光を導波しつつスポットサイズ変換して第２端から出力する光結合デバイスであって、第１端と第２端との間の光路上の各位置での等価導波領域の断面の最大幅および最小幅の双方が光路に沿って連続的に変化しており、光路上の各位置での屈折率が光路に沿って連続的に変化していることを特徴とする。光路上の各位置での等価導波領域の断面形状が円形であるのが好適である。
【０００９】
この光結合デバイスは、第１端に光学的に接続された第１光導波路と、第２端に光学的に接続された第２光導波路とを、光結合することができる。第１端と第２端との間の光路上の各位置での等価導波領域の断面の最大幅および最小幅の双方が光路に沿って連続的に変化しており、光路上の各位置での屈折率が光路に沿って連続的に変化していることにより、第１光導波路と第２光導波路との光結合の損失を小さくすることができる。なお、第１光導波路および第２光導波路それぞれは、例えば、光ファイバ、平面型光導波路、半導体発光素子および半導体受光素子などである。
【００１０】
本発明に係る光結合デバイスは、光路上に回折格子が形成されているのが好適である。この場合、第１端側と第２端側との間の光結合の際に、光路上に形成された回折格子の作用により、所定の透過スペクトルで光を透過させることができ、例えば、ノイズ光を遮断することができる。
【００１１】
本発明に係る光結合デバイスは、第１端側および第２端側の双方または何れか一方が平坦面とされており、その平坦面の一部に光入出射端が設けられているのが好適である。この場合、例えば、平面型光導波路と光結合デバイスとの光学的接続が容易となる。
【００１２】
本発明に係る光結合デバイスは、第１端側および第２端側の双方または何れか一方に凹部が形成されており、その凹部の底部に光入出射端が設けられているのが好適である。また、凹部の断面形状が円形であり、凹部の底部が平坦であるのが好適である。この場合、例えば、光ファイバを凹部に挿入することができ、光ファイバと光結合デバイスとの光学的接続が容易となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致しない。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る光結合デバイス１０の斜視図である。図２は、本実施形態に係る光結合デバイス１０の断面図である。光結合デバイス１０の全体の概略形状は円柱状であって、図２は、当該円柱の中心軸Ｃを含む面で光結合デバイス１０を切断したときの断面を示している。
【００１５】
光結合デバイス１０は、当該円柱の第１端側の底面１１が平坦面とされ、当該円柱の第２端側の上面１２に凹部１３が形成されている。この凹部１３の断面（当該円柱の中心軸Ｃに垂直な断面）の形状が一定径の円形であり、凹部１３の底部１３ａが平坦である。凹部１３は、光ファイバの端部を挿入し得る内径を有しており、光ファイバの外径（一般には１２５μｍ）に５０μｍを加えた値以下であるのが好適である。
【００１６】
底面１１と凹部１３の底部１３ａとの間に導波領域部１４が設けられている。この導波領域部１４は、導波領域部１４以外の周辺部１５の屈折率より高い屈折率を有しており、第１端（底面１１）側から第２端（凹部１３の底部１３ａ）側へ光を導波することが可能であり、また、第２端側から第１端側へ光を導波することが可能である。
【００１７】
第１端と第２端との間の光路上の各位置での等価導波領域の断面の最大幅および最小幅の双方が該光路に沿って連続的に変化している。ここで、等価導波領域は、導波領域部１４を導波する光のエネルギが導波領域部１４近傍の周辺部１５にも存在することを考慮して導波光の実質的な導波領域を表すものであり、光ファイバにおけるモードフィールドに相当するものである。具体的には導波領域部１４は円錐台形状であり、この場合、等価導波領域の断面は円形状であって最大幅と最小幅とが互いに等しく、第１端と第２端との間の光路上の各位置での等価導波領域の断面の径が該光路に沿って連続的に変化している。
【００１８】
第１端と第２端との間の光路上の各位置での屈折率が該光路に沿って連続的に変化している。この屈折率の変化は、光路に沿って導波領域部１４の材料の組成を変化させることで可能である。
【００１９】
光結合デバイス１０の導波領域部１４および周辺部１５それぞれは、石英ガラスまたは半導体からなり、屈折率調整の為に組成が相違している。例えば、光結合デバイス１０が石英ガラスからなる場合、Ｇｅ元素、Ｔｉ元素、Ｐ元素、Ｂ元素、Ｎ元素、Ｆ元素およびＡｌ元素などの添加物が導波領域部１４または周辺部１５に添加される。また、例えば、導波領域部１４がＧａＡｓであって周辺部１５がＡｌＧａＡｓであり、導波領域部１４がＧａＩｎＡｓＰであって周辺部１５がＩｎＰであり、導波領域部１４がＧａＮＡｓであって周辺部１５がＧａＡｓであり、或いは、導波領域部１４がＧａＩｎＮＡｓであって周辺部１５がＧａＡｓである。なお、周辺部１５のうち導波領域部１４の周囲の部位は透明であることが望ましいが、周辺部１５の他の部位は、透明でなくてもよく、例として挙げた上記の材料以外の材料からなっていてもよい。
【００２０】
図３は、本実施形態に係る光結合デバイス１０の使用例の説明図である。この図に示される使用例では、光結合デバイス１０は、平面型光導波路８０および光ファイバ９０とともに用いられる。
【００２１】
平面型光導波路８０は、基板上にアンダークラッド領域８２，コア領域８１およびオーバークラッド領域８３が順に形成されたものである。コア領域８１は、アンダークラッド領域８２およびオーバークラッド領域８３より高屈折率であり、断面形状が矩形であって、チャネル型の光導波路を構成している。コア領域８１は端面まで達しており、その端面は平坦である。その平面型光導波路８０の平坦な端面は、光結合デバイス１０の平坦な底面１１に対向していて、平面型光導波路８０のコア領域８１と光結合デバイス１０の導波領域部１４との間で光結合される。光結合デバイス１０の底面１１での等価導波領域の断面の形状および寸法は、平面型光導波路８０の端面での等価導波領域と略等しく設定されており、光結合デバイス１０の底面１１での導波領域部１４の屈折率は、平面型光導波路８０のコア領域８１と略等しく設定されている。
【００２２】
光ファイバ９０は、光軸中心を含むコア領域９１と、このコア領域９１を取り囲むクラッド領域９２とを有する。コア領域９１は、クラッド領域９２より高屈折率であり、断面形状が円形であって、光導波路を構成している。コア領域９１は端面まで達しており、その端面は平坦である。また、クラッド領域９２の断面形状は円形である。光ファイバ９０の端部は、光結合デバイス１０の上面１２側の凹部１３に挿入されていて、光ファイバ９０のコア領域９１と光結合デバイス１０の導波領域部１４との間で光結合される。光結合デバイス１０の凹部１３の底部１３ａでの等価導波領域の断面の形状および寸法は、光ファイバ９０の端部での等価導波領域と略等しく設定されており、光結合デバイス１０の凹部１３の底部１３ａでの導波領域部１４の屈折率は、光ファイバ９０のコア領域９１と略等しく設定されている。
【００２３】
このように光結合デバイス１０，平面型光導波路８０および光ファイバ９０が配置されることで、平面型光導波路８０のコア領域８１を伝搬してきた光は、その端面から出射されて、光結合デバイス１０の導波領域部１４に入射し、この導波領域部１４を導波した後に、導波領域部１４から出射されて、光ファイバ９０のコア領域９１に入射する。逆に、光ファイバ９０のコア領域９１を伝搬してきた光は、その端面から出射されて、光結合デバイス１０の導波領域部１４に入射し、この導波領域部１４を導波した後に、導波領域部１４から出射されて、平面型光導波路８０のコア領域８１に入射する。
【００２４】
光結合デバイス１０の導波領域部１４における光路上の各位置での等価導波領域の断面が光路に沿って連続的に変化しているので、光が導波領域部１４を導波するに従って光のスポットサイズが連続的に変化する。また、光結合デバイス１０と平面型光導波路８０との間の光結合位置では、各々の側のモードフィールドの形状が互いに近似しており、各々の側の屈折率が互いに近似しているから、光結合に因る損失が小さい。光結合デバイス１０と光ファイバ９０との間の光結合でも、各々の側のモードフィールドの形状が互いに近似しており、各々の側の屈折率が互いに近似しているから、光結合に因る損失が小さい。したがって、光結合デバイス１０は、平面型光導波路８０と光ファイバ９０とを低損失で光結合することができる。
【００２５】
平面型光導波路８０および光ファイバ９０とともに用いられる場合、光結合デバイス１０の各部の寸法の具体例は以下のとおりである。平面型光導波路８０のコア領域８１の断面寸法が３μｍ×３μｍである場合、光結合デバイス１０の底面１１での導波領域部１４の断面寸法は３μｍφである。光結合デバイス１０の底面１１での導波領域部１４の屈折率は、平面型光導波路８０のコア領域８１と略等しく１．５０１０である。光ファイバ９０のコア領域９１の断面寸法が８μｍφである場合、光結合デバイス１０の凹部１３の底部１３ａでの導波領域部１４の断面寸法は８μｍφである。光結合デバイス１０の凹部１３の底部１３ａでの導波領域部１４の屈折率は、光ファイバ９０のコア領域９１と略等しく１．４５７０である。導波領域部１４の光路に沿った長さは３００μｍ〜５００μｍである。凹部１３の内径は１３０μｍφである。光結合デバイス１０と平面型光導波路８０との間の光結合、および、光結合デバイス１０と光ファイバ９０との間の光結合それぞれで、損失が０．１ｄＢ以下であり、偏波依存損失が０．０５ｄＢ以下である。
【００２６】
なお、導波領域部１４の光路上に回折格子が形成されているのも好適である。この場合、光結合デバイス１０と平面型光導波路８０との間の光結合、および、光結合デバイス１０と光ファイバ９０との間の光結合それぞれの際に、導波領域部１４の光路上に形成された回折格子の作用により、所定の透過スペクトルで光を透過させることができ、例えば、ノイズ光を遮断することができる。
【００２７】
図４は、他の実施形態に係る光結合デバイス２０の斜視図である。この図に示される光結合デバイス２０は、既述した光結合デバイス１０において凹部１３を設けずに複数の導波領域部１４を設けたものに相当する。すなわち、この光結合デバイス２０は、平板２１の一方の面から他方の面へ貫いて導波領域部２４_１〜２４_４が設けられている。導波領域部２４_１〜２４_４それぞれは、円錐台形状であり、屈折率が連続的に変化している。また、導波領域部２４_１〜２４_４それぞれの屈折率は、その周囲の周辺部２５の屈折率より高い。
【００２８】
図５は、更に他の実施形態に係る光結合デバイス３０の斜視図である。この図に示される光結合デバイス３０は、既述した光結合デバイス１０において２つの凹部１３を設けて各々の凹部１３に対応して導波領域部１４を設けたものに相当する。すなわち、この光結合デバイス３０は、平板３１の一方の面に２つの凹部３３_１，３３_２が設けられ、凹部３３_１の底部から平板３１の他方の面へ貫いて導波領域部３４_１が設けられ、凹部３３_２の底部から平板３１の他方の面へ貫いて導波領域部３４_２が設けられている。導波領域部３４_１，３４_２それぞれは、円錐台形状であり、屈折率が連続的に変化している。また、導波領域部３４_１，３４_２それぞれの屈折率は、その周囲の周辺部３５の屈折率より高い。
【００２９】
次に、本実施形態に係る光結合デバイスの製造方法について説明する。図６は、光結合デバイス３０の製造工程の説明図である。先ず、一方の面に酸化膜４２が形成された基板４１を用意する（同図（ａ））。その酸化膜４２の上に膜４３を形成する（同図（ｂ））。この膜４３の形成に際しては、例えばＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が用いられ、膜の厚み方向に組成が変化するように、供給ガスの組成を変化させる。
【００３０】
続いて、この膜４３に対して所定のパターンでエッチングを行って円錐台形状の島状部４３_１，４３_２を残し（同図（ｃ））、これら島状部４３_１，４３_２の周囲を埋めるように埋め込み層４４を形成する（同図（ｄ））。このエッチングに際しては例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法が用いられ、埋め込み層４４の形成に際しては例えばＣＶＤ法が用いられる。更に、両面アライナを行ない（同図（ｅ））、基板４１および酸化膜４２それぞれに所定のパターンでエッチングを行って凹部４５_１，４５_２を形成する（同図（ｆ），（ｇ））。
【００３１】
図６（ｇ）に示された構成の各要素と、図５に示された光結合デバイス３０の各要素との関係は、以下のとおりである。島状部４３_１，４３_２は、光結合デバイス３０の導波領域部３４_１，３４_２に対応する。基板４１，酸化膜４２および埋め込み層４４は、光結合デバイス３０の周辺部３５に対応する。また、凹部４５_１，４５_２は、光結合デバイス３０の凹部３３_１，３３_２に対応する。
【００３２】
また、図６（ｇ）に示された構成の各要素の組成の例は以下のとおりである。基板４１はシリコンである。酸化膜４２は石英ガラスである。島状部４３_１，４３_２は石英ガラスである。また、埋め込み層４４は石英ガラスである。
【００３３】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。導波領域部１４，２４_１〜２４_４および３４_１，３４_２それぞれの形状は、上記実施形態では円錐台としたが、これに限られるものではなく、例えば、一方の側では楕円や矩形であってもよい。また、光結合デバイスが光結合する対象は、上記実施形態では光ファイバや平面型光導波路としたが、これに限られるものではなく、例えば、レーザダイオードなどの半導体発光素子であってもよいし、フォトダイオードなどの半導体受光素子であってもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、更なる結合損失の低減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る光結合デバイス１０の斜視図である。
【図２】本実施形態に係る光結合デバイス１０の断面図である。
【図３】本実施形態に係る光結合デバイス１０の使用例の説明図である。
【図４】他の実施形態に係る光結合デバイス２０の斜視図である。
【図５】更に他の実施形態に係る光結合デバイス３０の斜視図である。
【図６】光結合デバイス３０の製造工程の説明図である。
【符号の説明】
１０…光結合デバイス、１１…底面、１２…上面、１３…凹部、１３ａ…凹部の底部、１４…導波領域部、１５…周辺部、８０…平面型光導波路、８１…コア領域、８２，８３…クラッド領域、９０…光ファイバ、９１…コア領域、９２…クラッド領域。

Claims

第１端に入力した光を導波しつつスポットサイズ変換して第２端から出力する光結合デバイスであって、
前記第１端と前記第２端との間の光路上の各位置での等価導波領域の断面の最大幅および最小幅の双方が前記光路に沿って連続的に変化しており、
前記光路上の各位置での屈折率が前記光路に沿って連続的に変化している、
ことを特徴とする光結合デバイス。
前記光路上の各位置での等価導波領域の断面形状が円形であることを特徴とする請求項１記載の光結合デバイス。
前記光路上に回折格子が形成されていることを特徴とする請求項１記載の光結合デバイス。
前記第１端側および前記第２端側の双方または何れか一方が平坦面とされており、その平坦面の一部に光入出射端が設けられている、ことを特徴とする請求項１記載の光結合デバイス。
前記第１端側および前記第２端側の双方または何れか一方に凹部が形成されており、その凹部の底部に光入出射端が設けられている、ことを特徴とする請求項１記載の光結合デバイス。
前記凹部の断面形状が円形であり、前記凹部の底部が平坦である、ことを特徴とする請求項５記載の光結合デバイス。