【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、厚膜型スラブレンズとその製造法および厚膜型スラブレンズを用いた光波結合装置に係る。より詳細には、本発明は、主に光通信、センサ分野、あるいは光計測分野において使用される光回路素子であり、特に半導体レーザと光集積回路、あるいは半導体レ−ザと光ファイバとの高効率結合や光ビーム整形に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
先ず、従来技術及び本発明に関連する二乗形屈折率分布媒質中を伝搬する光波の性質を示す。一般に二乗形屈折率分布を有する媒質中を伝搬する光波の振幅分布は周期的に変化し、その１周期は、２πＡｇで表される。ただし、Ａｇはａ／（２Δ）１／２で定義され、Δはニ乗形屈折率分布の最大屈折率と最小屈折率との比屈折率差、ａは屈折率分布幅（コア幅）の半幅を表す。前記振幅分布の１周期とは、言い換えれば光線の蛇行の１周期であり、光強度分布変化の周期の２倍長に相当する。なお、Ａｇの逆数は集束係数と呼ばれてｇなる記号で表されることがある。伝搬する光波の断面内光強度分布のサイズ（拡がり幅）は前記光線の蛇行周期の１／４の長さごと（１／４ピッチ長）、即ちπＡｇ／２長ごとに最大と最小を繰返す性質がある。この１／４ピッチあるいはその奇数倍の長さにおいては、入射する光波のスポットサイズ（ガウス型の光電力分布が最大点の１／ｅ２になる半幅と定義される）ｗｉｎと出射する光波のスポットサイズｗｏｕｔとの間には、文献（K. Shiraishi, A. Ogura, and K. Matsuura, "Spot-size contraction in standard single-mode fibers by use of a GI-fiber tip with a high focusing parameter", IEEE Photonics Technology Letters, vol. 10, no. 12, pp. 1757-1759, 1998.）によれば、光線行列式を用いて、
【数１】
ｗｉｎｗｏｕｔ＝λＡｇ／ｎπ （第１式）
なる関係があることが知られている。ただし、ｎは媒質の屈折率でλは波長である。なお、光線の１／４ピッチ長あるいはその奇数倍の位置では光波の位相分布が平坦になる性質がある。
【０００３】
光通信や光記録などに多く用いられている半導体レーザはその発光面が楕円形状をしており、発光分布の短径方向のスポットサイズは０．５〜１μｍと小さく、長径方向のスポットサイズは短径方向の数倍の大きさがある。一方、光通信に用いられる光ファイバは円形の断面をもつコアを有し、そこを伝搬する光強度分布は円形であり、そのスポットサイズは半導体レーザの発光面形状の短径方向スポットサイズよりもはるかに大きい。例えば波長１．５５μｍ帯用の光ファイバのスポットサイズは５μｍ程度、波長０．９８μｍ用では３μｍ程度である。一般に光の放射角はスポットサイズに反比例する性質があり、スポットサイズをｗ、波長をλとすると放射角（放射の半角）θはθ＝λ／πωとなる。半導体レーザの短径方向のスポットサイズが光ファイバのスポットサイズより大幅に小さいために半導体レーザと光ファイバを直接接続すると大きな接続損失が生ずることになる。これは半導体レーザの短径方向のＮＡ（開口数）に比べて光ファイバのＮＡが小さすぎると言い換えることもできる。
【０００４】
この問題を解決するには、半導体レーザの短径方向のＮＡを小さく、即ち短径方向のスポットサイズを拡大すればよい。一方半導体レーザの長径方向のスポットサイズは一般に２μｍ以上あり、光ファイバのスポットサイズよりは小さいが、比較的低損失で光ファイバに結合することができる。これは、スポットサイズが大きいほど回折光の等位相面の曲率半径が大きいため、半導体レーザから放射した光が回折によりそのスポットサイズが光ファイバのスポットサイズ程度まで拡大した点で光ファイバに結合させれば結合効率が高くなることによる。
【０００５】
問題となるのが半導体レーザの短径方向のスポットサイズである。これを拡大して等位相面を平坦にする方法としてスラブレンズおよびその作製方法が提案されている。例えば文献１（近江、浅原「光通信用スラブレンズ」化学と工業、第３８巻、第１１号，頁８４８−８５０）、文献２（「厚さ方向にのみ屈折率勾配を有するスラブ状レンズの製造法」特公昭６１−５６６１号公報）、文献３（「屈折率勾配を有するガラス体の製造法」特開昭６１−２１１７２号公報、特開昭６１−２１１７３号公報）， 文献４（「屈折率勾配を有するガラス体の製造法」、特公昭６２−７１３１号公報）、 及び文献５（Y. Asahara, H. Sakai, S. Shingaku, S. Ohmi, S. Nakayama, K. Nakagawa, and T. Izumitani, “One-directional gradient-index slab lens”, Applied Optics, Vol. 24, No. 24, December 1985, pp. 4312-4315）等によれば、一つの方向のみに二乗形屈折率分布を有するスラブレンズが提案され、上記文献２には半導体レーザの短径方向の放射光をコリメート（等位相面を平坦化し、平行光を得ること）する方法が開示されている。図１０に、スラブレンズにより半導体レーザからの放射光をコリーメートできることを示したスラブレンズの動作を示し、図１１にこのスラブレンズにより円形断面をもつ光ビームを線状の分布に変換できることを示した動作を示している．。光放射角が一方向にのみ大きいか、又は光放射角が異なる光源からの光をスラブレンズにより平行光に変換したり、あるいは光源からの平行光をスラブレンズにより線状に集光したりする場合が示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術には次の問題があった。第１の問題は、半導体レーザとスラブレンズの二者さらには光ファイバや光集積回路などの平面型光導波路とを含めた三者を一体化し集積化することが不可能なことである。これは従来のスラブレンズでは構造パラメータであるＡｇを小さくすることの重要性が見出されていなかったこと、さらにそのために従来の作製方法ではＡｇを小さくすることが出来なかったことに因る。例えば文献２で開示されている構造の場合、Ａｇは１０，０００μｍ、また同様に文献５では１１，９００μｍである。Ａｇを小さく出来ないのは、比屈折率差が最大でも５．８％であること、およびコアの幅を３ｍｍ程度と大きくせざるを得ないことによる。このため、第１式の右辺は例えば波長が１．５５μｍ、屈折率を１．５としたとき３，０００μｍ２以上になる。従って、スポットサイズが０．５μｍの半導体レーザの短径方向の光ビームを、スポットサイズが５μｍの光ファイバのスポットサイズ程度に変換することは出来なかった。因みにこのとき第１式の左辺は０．５×５＝２．５μｍ２となり、右辺の値とは千倍以上の開きが生じる。このため従来の技術では半導体レーザに近接してスラブレンズを設置し、その出射側に光ファイバあるいは光集積回路などの平面型光導波路を直接接続することは出来なかった。従来の技術では文献２に記載されているように半導体レーザとスラブレンズの間に充分な間隙を設けて半導体レーザからの放射光を回折させ、スポットサイズを大きくした後（即ち回折によりｗｉｎを数ｍｍのサイズに拡大した後）にスラブレンズに入射せざるを得なかった。またスラブレンズの出射側のスポットサイズが大きいためにスラブレンズの出射側でも光ファイバを直接接続することが出来ず、別途集光用のレンズが必要であった。これらの結果、半導体レーザとスラブレンズの二者さらには光ファイバあるいは光集積回路などの平面型光導波路までを含めた三者を一体化・集積化することが不可能であった。
【０００７】
なお、従来技術においてはスラブレンズの厚さ（コア幅）を薄くしてＡｇの値を小さくすることは出来なかった。これは、比屈折率差が小さいと光ビームの幅よりスラブレンズのコア幅を小さくしなければならず、光ビームを通過させることができなくなるためである。即ち、従来のスラブレンズでは比屈折率差が最大でも５．８％程度であるため、第１式の右辺の値を２．５μｍ２にするには、Ａｇを７．６μｍ即ちコア幅を５μｍにしなければならず、光ビームの裾の多くの部分がスラブレンズを通過できなくなる。さらには、コア幅を５μｍにすることは従来の作製方法では以下に示す第２の問題もあって不可能であった。
【０００８】
従来技術の第２の問題は、二乗形屈折率分布を形成するためにイオン交換法やモレキュラースタッフィング法と呼ばれる化学的処理手法を用いていたことである。これらの方法における屈折率分布形成はドーパントの拡散過程に基づくため、ホストガラスの僅かな組成揺らぎや拡散中の温度分布の揺らぎにより、高精度で二乗分布を形成することが出来なかった。このため、例えばスラブレンズの中心位置（屈折率の最大位置）に数十μｍ程度のばらつきが生じたりして実用に供すことができなかった。さらには拡散を利用してドーパント分布を制御することによって形成される屈折率分布形状は、原理的に理想的な二乗形分布と異なるという問題があった。また、スラブレンズの作製にはホストガラスの高精度研磨、拡散・化学処理、およびその後の切断と個々のスラブレンズの研磨という煩雑な加工が必要であり、生産性が低いという問題もあった。
【０００９】
本発明は、上記した従来例の有する問題を全て解決することを目的とするものである。
本発明は、半導体レーザとスラブレンズの二者さらには光ファイバや光集積回路などの平面型光導波路とを含めた三者を一体化し集積化することが可能な厚膜型スラブレンズを提供することを目的とする。
本発明は、煩雑な加工が不要であり、量産が可能な厚膜型スラブレンズとその製造法を提供することを目的とする。
本発明は、半導体レーザアレイと、光ファイバアレイないし光集積回路用導波路アレイとの間を一体化・集積化した高効率な光結合装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の厚膜型スラブレンズは、膜状の透明体から成り膜の面内方向には一様な屈折率分布をもち、膜面に垂直な方向にのみニ乗形の屈折率分布を有し、該ニ乗形の屈折率分布の最大屈折率と最小屈折率との比屈折率差をΔ、屈折率分布幅の半幅をａ ［μｍ］としたときにａ／（２Δ）１／２の値が１００μｍ以下となるような条件を満たし、かつ面内を伝搬する光の伝搬方向の長さが光線の蛇行周期の略四分の一あるいはその奇数倍にほぼ等しくなるように構成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の厚膜型スラブレンズの製造法は、上記厚膜型スラブレンズを、基板上にスパッタリング法、あるいは蒸着法、あるいは化学気相堆積法により、屈折率分布が膜面に垂直な方向に対して二乗形を形成せしめるように制御しながら作製することを特徴とする。
本発明の光結合装置は、上記厚膜型スラブレンズを半導体レーザと光ファイバ乃至平面型光導波路との間に介在させたことを特徴とする。
すなわち、本発明は上記の課題に鑑みて行なわれたものであり、半導体レーザと光ファイバあるいは半導体レーザと光導波路との一体化および集積化結合を可能にする技術を提供するものである。
【００１２】
本発明の厚膜型スラブレンズの構成を図１に示す。石英、シリコン、あるいは他の材質の基板の上にスパッタ法、電子ビーム蒸着法あるいは化学気相成長法（ＣＶＤ法）などの薄膜形成技術を用いて、シリコンや他の金属酸化物などの高屈折材料と、石英などの低屈折材料との混合比を変えながら屈折率分布が二乗形となるように堆積する。薄膜形成技術を用いることにより膜厚方向には高精度に制御された屈折率分布を形成でき、コアの中心の（厚さ方向の）位置はｎｍの精度で設定できる。
【００１３】
また、堆積する材料の組合せを種々選ぶことができ、大きな比屈折率差をもたせることもできる。たとえば１．５５μｍ帯では、透明で屈折率が３．５程度と大きな値をもつシリコンと、低屈折材料である石英（屈折率は１．４５）との組合せを選べば５９％、また五酸化タンタル（屈折率２．１）と石英の組合せなら３１％という極めて大きな比屈折率差が得られる。比屈折率差が大きくできるほか、化学的安定性の点から窒化珪素あるいは炭化珪素と石英の組合せも有効である。また、積層厚さを高精度に制御できるためコア幅を数十μｍにすることは容易であり、従来のスラブレンズの厚さの１／１００以下にすることが容易である。なお、基板上に形成されているために、積層厚が数十μｍであっても機械的強度に問題はない。この結果、例えばコア厚を２０μｍとするとＡｇは、シリコンと石英の組合せのとき９．２μｍ、五酸化タンタルと石英の組合せなら１３μｍが得られ、従来の技術で得られていた値の１／１，０００程度にできる。これらにより先に挙げた従来技術の問題１および問題２が解決できる。また、Ａｇが小さくできるため、１／４ピッチ長が短くなり素子長は数十μｍまで小さくできるという特長も生じた。これにより、光の閉じ込め効果のない膜面内方向に対して、光の回折によるスポットサイズの過大な広がりを生じる前にスラブレンズの出射側ファイバや導波路に結合させることができるという効果が生まれる。さらに基板上に堆積した厚膜をダイシングにより切り出せば１枚の厚膜から多数の厚膜型スラブレンズを得ることが出来、量産性にもすぐれた技術を提供できるようになる。
【００１４】
【作用】
本発明の厚膜型スラブレンズによって半導体レーザ端面での光強度分布の短径方向のように微小なスポットサイズを、光ファイバなどの通信路用で用いられる通常のサイズのスポットに変換できることを波動論に基づいて示す。スラブレンズを伝搬する電磁界は、ｘ方向（厚膜の厚さ方向）に関してエルミート−ガウス関数で表される固有モードで展開することができる。スラブレンズへの入射電磁界を波長λ＝１．５５［μｍ］、スポットサイズ０．７［μｍ］のガウス型関数と仮定し、スラブレンズの構造パラメータは、コア半幅ａ＝１９［μｍ］、中心屈折率ｎ０＝３．４３、比屈折率差Δ＝３１［％］、Ａｇ＝２４．３［μｍ］、素子長Ｌ＝３８．２［μｍ］と仮定する。波数をｋとすれば第ｍ次の伝搬モードの位相定数βｍは、
【数２】
で表され、これより最高次導波モード次数は１０３となる。
【００１５】
入射電磁界φがスラブレンズの各固有モードψｍを励振する際、その振幅係数ａｍは固有モード関数の直交関係を用いて
【数３】
により求めることが出来る。入射電磁界と各導波モードとの結合係数ηｍおよび基本モードから第ｍ次モードまでの結合係数の総和値を求めた結果を図２に示す。これより入射電磁界はスラブレンズの伝搬モードの基本モードから第１０次のモードまでによってほぼ１００％展開できることが分かる。各固有モードに分配された入射電磁界成分が、１／４ｐｉｔｃｈ長（Ｌ）伝搬した後に再合成した時の合成電磁界Φは次式で表される。
【数４】
【００１６】
得られた合成電磁界分布を第３図に示す。振幅分布はガウス型となり、出射スポットサイズは５．０［μｍ］となり、目的としたスポットサイズに変換できることが確認された。このように本発明によれば、０．７［μｍ］の微小な入射スポットサイズを光ファイバなどのスポットサイズである５．０［μｍ］に変換できる。なお、光波は可逆なので、５．０［μｍ］のスポットサイズを０．７［μｍ］に変換することも可能である。
【００１７】
これらの機能が初めて達成できるようになったのは、本発明のスラブレンズの構造パラメータの特徴にある。先ず、ａ／（２Δ）１／２で定義されるＡｇの値としては、第１式よりＡｇｗｉｎｗｏｕｔｎπ／λとなり、仮に波長１．５５μｍ、屈折率を３．５（シリコンを仮定）、ｗｉｎ＝０．７μｍ、ｗｏｕｔ＝５μｍとすれば、Ａｇは２５μｍでなければならない。これに対して先に挙げた文献１〜文献６などに記載されている従来のスラブレンズの場合には、Ａｇは約１０，０００μｍである。即ちこのような大きなＡｇの値では０．７μｍと５μｍとのスポットサイズをスラブレンズにより直接変換することは不可能であった。本発明では膜型のスラブレンズにすることによって、Ａｇの値を従来の約１／４００以下にもでき、小さなスポットサイズ同士の変換が初めて可能になるという顕著な効果が生まれた。かかる効果はＡｇが１００μｍ以下で生じ、５０μｍ以下が好ましく、３０μｍ以下がより好ましい。
【００１８】
なお、スラブレンズの素子長に関しては、第１式が成立するのは光線の蛇行周期の１／４ｐｉｔｃｈ長（Ｌ）か、あるいはその奇数倍のときである。因みにＬの偶数倍のときには、スラブレンズの出力のスポットサイズは入射側のスポットサイズに戻ってしまうため、スポットサイズの変換効果が無い。またＬの整数倍以外の素子長では出射端での光波の波面が平坦ではなくなるため、出力側におかれたファイバ等への結合効率が低下する。ただし、スラブレンズの出射端から僅かに離れた点にビームウエストを設定したい場合には、Ｌあるいはその奇数倍の長さよりも僅かに長くするのが望ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図４は本発明の厚膜型スラブレンズを厚膜から切り出すときの様子を模式的に示したものである。基板上にスパッタ法、電子ビーム蒸着法、ＣＶＤ法などにより二乗形の屈折率分布を有する厚膜を形成したのち、素子長がほぼ１／４ピッチあるはその奇数倍長になるようにダイシングソーなどにより切り出すことによりスラブレンズを多数得ることができる。こうして得られた厚膜型スラブレンズを、半導体レーザアレイと光ファイバ（あるいは光集積回路の光導波路アレイ）の間に挿入すれば、一括して光結合系が形成できる。
【００２０】
膜厚は薄いほど作製が簡単ではある。しかし、半導体レーザの光をコリメートしたときに、その光ビームが充分通過できるだけの厚さを有することが必要である。このコリメート光のビーム幅がファイバや光導波路の基本モードの幅に等しい状態が最も効率的な結合が得られる。従って膜厚は、ファイバや導波路のコア直径よりも数倍大きいことが望ましい。Ａｇ即ちａ／（２Δ）１／２はスラブレンズの膜厚と比屈折率差で決まるため、第１式よりこのＡｇの値がｗｉｎｗｏｕｔｎπ／λに等しくなるような条件でスラブレンズのコア幅２ａ（即ち膜厚）と比屈折率差Δを決める必要がある。例えば、シリコンと石英の組合せを考えて最大Δ＝５９％とすると、Ａｇが２５μｍのとき、膜厚は５４μｍになる。従ってスポットサイズが０．７μｍの光ビームを５μｍのスポットサイズ（ビーム直径は１０μｍ）に拡大してもビーム直径は膜厚より充分小さいので問題はない。なお、スラブレンズのコア幅２ａをビーム幅１０μｍまで小さくし、Δが５９％と大きい場合には、Ａｇは４．６μｍとなり５μｍ以下の値になる。
【００２１】
なお、第４図に示すように素子の間に厚膜型スラブレンズを挿入する際には、スラブレンズの入・出射の片端あるいは両端での端面反射による半導体レーザへの反射戻り光を抑止するために、スラブレンズの入射あるいは出射あるいは入・出射両端面を光路に対して斜めに加工したり、あるいはスラブレンズを光路に対して斜めに挿入することが望ましい。なお、生産性の観点からはスラブレンズを光路に対して斜めに挿入する方法がより望ましい。
【００２２】
図５は図４で示した方法により作製された結合系を横方向から見たときの様子を示している。スラブレンズは厚さ（ｘ方向の厚み）が正確に堆積されて作製されていること、およびｙ方向には一様な屈折率分布をしているため、半導体レーザに対して光軸あわせを必要とせずにスラブレンズを設置することが可能である。この点は煩雑で高精度を要求される従来の結合系の組立てと比べて際立った特長である。
【００２３】
図６は本発明の厚膜型スラブレンズを半導体レーザと光ファイバ（あるいは光集積回路の導波路）との結合に用いた時の光ビームの伝搬の様子を示す。厚膜型スラブレンズへの入射スポットサイズは半導体レーザの発光面の短径方向（厚膜スラブレンズの膜厚方向）のスポットサイズにほぼ等しく、このスポットサイズと出射スポットサイズおよびスラブレンズのＡｇとは第１式を満たすように構成されている。一方、厚膜型スラブレンズには厚膜面内方向には集光作用が無いため、半導体レーザの発光面の長径方向のスポットサイズはスラブレンズを通過する際に僅かに回折を生じながら伝搬する。この結果、スラブレンズの出射端面ではほぼ円形に近い光強度分布が得られ、光ファイバや光集積回路の導波路に高効率で結合することができる。
【００２４】
図７は本発明の厚膜型スラブレンズ用の厚膜を堆積する方法の例を示したものである。高周波スパッタリングによりシリコンをターゲットとしてスパッタリングする際に、スパッタリングガスとしてアルゴンに酸素を加え、その酸素の混合比を変えることにより厚膜の組成をアモルファスシリコンから石英まで組成をかえることができ、大きな比屈折率差をもつスラブレンズを作製できる。なお、シリコンは波長が１μｍ以下では吸収損失が大きくなるため、波長１μｍ以下の用途には五酸化タンタルと石英の組合せか、あるいは酸化チタンと石英との組合せが望ましい。これらの組成を連続的あるいは段階的に変えることにより二乗形屈折率分布を形成できる。これらの組合せを用いて成膜するには、例えば図８に示すように材質の異なるターゲットＡとターゲットＢを用意し、基板をそれぞれのターゲット近くに交互に移動させ、それらのターゲット材料付近での堆積時間を制御することにより混合比を変えることが可能である。ターゲットとしては例えばタンタルとシリコンのターゲットを用意し、酸素ガスを加えたリアクティブスパッタリングによりそれらの酸化物を基板上に任意の組成比で堆積することができる。なお、これらの材料の堆積はスパッタリングに限るものではなく、電子ビーム蒸着やＣＶＤなどの薄膜堆積法を利用することができる。
【００２５】
以下に、具体的な実施例を示す。
高屈折率差が得られるようにシリコンと石英の組合せを用いた。堆積には高周波マグネトロンスパッタ法を用い、４インチ径の結晶シリコンをターゲットとして用いた。スパッタガスにはアルゴンに水素を５％加えた混合ガスを用い、スパッタ中に加える酸素ガスの量により堆積膜の組成を変化させて屈折率を変化させ、二乗形分布を形成した。水素を添加する理由は、シリコンの堆積膜の未結合手を終端させて光吸収の発生を抑えるためである。堆積膜の組成は、ａ−ＳｉＯγ：Ｈ（水素化アモルファスシリコン酸化膜）となり、添加する酸素の量によってγを変化させることができる。アルゴンと水素の混合ガス流量を３０ｓｃｃｍとし、高周波電力は３００Ｗを印加した。屈折率分布が膜厚方向に二乗形になるように酸素の添加量を１．５９〜６．９６％の範囲で変化させながら堆積することにより比屈折率差３１％、コア幅３８［μｍ］のスラブレンズ用厚膜を堆積した。該厚膜を幅４０［μｍ］に切断することにより素子長が４０［μｍ］の厚膜型スラブレンズを得た。
【００２６】
光波の可逆性を利用して、半導体レーザのスポットサイズを５μｍに拡大する代わりに、波長１．５５［μｍ］においてスポットサイズが５．４［μｍ］の単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）の光強度分布を厚膜型スラブレンズで縮小できることを確かめた。図９に厚膜型スラブレンズを透過した後の光強度分布を、スラブレンズのレンズ作用のあるｘ方向（厚膜の厚さ方向）とレンズ作用の無いｙ方向（面内方向）について示した。また、ＳＭＦの端面での光強度分布即ち入射光強度分布も併せて示してある。ｘ方向には集束効果があり、５μｍのスポットサイズが１．６μｍに縮小されている。ｙ方向はレンズ作用が無いために回折によりスポットサイズが７．２μｍに拡がっている。これにより本発明の厚膜型スラブレンズの動作が確認できた。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の効果は上述した説明から明らかになるが、その代表的なものとしては以下の事柄が挙げられる。
請求項１に記載された本発明によれば、半導体レーザのように一方向にのみ１μｍ以下の小さなスポットサイズを有する光強度分布を、他の集光レンズ等を必要とせずに標準的な光ファイバあるいは光集積回路用導波路のスポットサイズに拡大することが可能になる。特に、Ａｇが小さくできるため、１／４ピッチ長が短くなり素子長は数十μｍまで小さくできるという特長が生じた。これにより、光の閉じ込め効果のない膜面内方向に対して、光の回折によるスポットサイズの過大な広がりが生じる前にスラブレンズの出射側ファイバや導波路に結合させることができるという効果が生まれた。これにより、半導体レーザと光ファイバあるいは光集積回路用導波路を一体集積化することが可能になった。さらに基板上に堆積した厚膜をダイシングにより切り出せば１枚の厚膜から多数の厚膜型スラブレンズを得ることが出来、量産性にもすぐれた技術を提供できる。
請求項２に記載された本発明によれば、スラブレンズの比屈折率差を５０％程度まで大きくすることが可能になり、請求項１に記載された効果を有するスラブレンズの形成が容易になる。
請求項３に記載された本発明によれば、二乗形屈折率分布を膜厚方向にｎｍのオーダーの精度で形成することが可能になる。
請求項４に記載された本発明によれば半導体レーザアレイと、光ファイバアレイあるいは光集積回路用導波路アレイとの間を一体化・集積化した高効率な結合系を提供できる。
【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の厚膜型スラブレンズの構造を表す図である。
【図２】スポットサイズが０．７μｍのガウス型光ビームが入射したときの厚膜型スラブレンズの各モードへの結合係数と、それらの総和値を示す図である。
【図３】厚膜型スラブレンズを伝搬する前のスポットサイズが０．７μｍのガウス型光ビームの振幅分布と、同レンズを伝搬した後のスポットサイズが５μｍのガウス型光ビームの振幅分布を表す図である。
【図４】基板上に厚膜を堆積し、ダイシングによって切り出し、半導体レーザと光導波路あるいは光ファイバの間に挿入して一体型の光波結合系を構成する方法を表す模式図である。
【図５】図４で示された結合系を横方向から見たときの様子を示す説明図である。
【図６】半導体レーザと光ファイバあるいは光導波路との結合に厚膜型スラブレンズを用いたときの光ビームの伝搬の様子を示す説明図である。
【図７】厚膜型スラブレンズを高周波スパッタ法により、アモルファスシリコン酸化膜を用いて作製するときの方法を示す説明図である。
【図８】厚膜型スラブレンズを二つのターゲットを用いたスパッタ法により作製するときの方法を示す説明図である。
【図９】アモルファスシリコン酸化膜を用いて厚膜型スラブレンズを作製し、５μｍと１．６μｍとのスポットサイズ変換ができることを示した実施例の説明図である。
【図１０】スラブレンズにより半導体レーザからの放射光をコリーメートできることを示した特公昭６１−５６６１号公報に記載された従来のスラブレンズの動作を表す説明図である。
【図１１】スラブレンズにより円形断面をもつ光ビームを線状の分布に変換できることを示した特開昭６１−５６６１号公報に記載された従来のスラブレンズの動作を表す説明図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 厚膜型スラブレンズ
３ 半導体レーザ
４ 光導波路又は光ファイバ[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a thick film slab lens, a manufacturing method thereof, and a light wave coupling device using the thick film slab lens. More specifically, the present invention is an optical circuit element mainly used in the optical communication, sensor field, or optical measurement field. In particular, the present invention is a high-performance semiconductor laser and an optical integrated circuit or a semiconductor laser and an optical fiber. It relates to efficient coupling and light beam shaping.
[0002]
[Prior art]
First, the properties of the light wave propagating in the square type gradient index medium related to the prior art and the present invention will be described. In general, the amplitude distribution of a light wave propagating through a medium having a square type refractive index distribution changes periodically, and one period is 2πA. g It is represented by However, A g Is a / (2Δ) 1/2 Δ represents a relative refractive index difference between the maximum refractive index and the minimum refractive index of the square-type refractive index distribution, and a represents a half width of the refractive index distribution width (core width). In other words, one period of the amplitude distribution is one period of meandering of the light beam, and corresponds to twice the period of the light intensity distribution change. A g The reciprocal of may be referred to as a focusing factor and represented by the symbol g. The size (spreading width) of the light intensity distribution in the cross section of the propagating light wave is every 1/4 length (1/4 pitch length) of the meandering period of the light beam, that is, πA. g / 2 It has the property of repeating the maximum and minimum every 2 lengths. At this 1/4 pitch or an odd multiple thereof, the incident light spot size (Gaussian optical power distribution is 1 / e of the maximum point). 2 Defined as half width) in And the spot size w of the emitted light wave out In the literature (K. Shiraishi, A. Ogura, and K. Matsuura, "Spot-size contraction in standard single-mode fibers by use of a GI-fiber tip with a high focusing parameter", IEEE Photonics Technology Letters, vol. 10, no. 12, pp. 1757-1759, 1998.)
[Expression 1]
w in w out = ΛA g / Nπ (Formula 1)
It is known that there is a relationship. Where n is the refractive index of the medium and λ is the wavelength. It should be noted that there is a property that the phase distribution of the light wave becomes flat at a position of 1/4 pitch length of the light beam or an odd multiple thereof.
[0003]
Semiconductor lasers frequently used for optical communication and optical recording have an elliptical light emitting surface, the minor axis direction spot size of the emission distribution is as small as 0.5 to 1 μm, and the major axis spot size is There are several times the size of the minor axis direction. On the other hand, an optical fiber used for optical communication has a core having a circular cross section, the light intensity distribution propagating therethrough is circular, and its spot size is smaller than the short-axis direction spot size of the light emitting surface shape of the semiconductor laser. Much bigger. For example, the spot size of the optical fiber for the wavelength 1.55 μm band is about 5 μm, and for the wavelength 0.98 μm is about 3 μm. In general, the radiation angle of light has a property inversely proportional to the spot size. When the spot size is w and the wavelength is λ, the radiation angle (half angle of radiation) θ is θ = λ / πω. Since the spot size in the minor axis direction of the semiconductor laser is significantly smaller than the spot size of the optical fiber, a large connection loss occurs when the semiconductor laser and the optical fiber are directly connected. In other words, the NA of the optical fiber is too small compared to the NA (numerical aperture) in the minor axis direction of the semiconductor laser.
[0004]
In order to solve this problem, the NA in the minor axis direction of the semiconductor laser may be reduced, that is, the spot size in the minor axis direction may be increased. On the other hand, the spot size in the major axis direction of the semiconductor laser is generally 2 μm or more, which is smaller than the spot size of the optical fiber, but can be coupled to the optical fiber with a relatively low loss. This is because the larger the spot size is, the larger the radius of curvature of the isophase surface of the diffracted light is, so that the light emitted from the semiconductor laser is coupled to the optical fiber at the point where the spot size is expanded to the spot size of the optical fiber by diffraction. If so, the coupling efficiency is increased.
[0005]
The problem is the spot size in the minor axis direction of the semiconductor laser. As a method for enlarging this and flattening the equiphase surface, a slab lens and a method for manufacturing the slab lens have been proposed. For example, Reference 1 (Omi, Asahara “Slab Lens for Optical Communication” Chemistry and Industry, Vol. 38, No. 11, pp. 848-850), Reference 2 (“slab-like lens having a refractive index gradient only in the thickness direction” Production method "Japanese Patent Publication No. Sho 61-5661), Reference 3 (" Production method of glass body having refractive index gradient ", Japanese Patent Laid-Open Publication Nos. 61-21172, 61-21173), Reference 4 (" Manufacturing method of glass body having refractive index gradient ", Japanese Examined Patent Publication No. 62-7131), and Reference 5 (Y. Asahara, H. Sakai, S. Shingaku, S. Ohmi, S. Nakayama, K. Nakagawa, and According to T. Izumitani, “One-directional gradient-index slab lens”, Applied Optics, Vol. 24, No. 24, December 1985, pp. 4312-4315) A slab lens is proposed, and the above-mentioned document 2 describes collimation (equivalence) of the emitted light in the minor axis direction of the semiconductor laser. A method of flattening phase faces and obtaining parallel light) is disclosed. FIG. 10 shows the operation of the slab lens showing that the slab lens can collimate the emitted light from the semiconductor laser, and FIG. 11 shows that this slab lens can convert a light beam having a circular cross section into a linear distribution. The operation is shown. . Converts light from light sources that have a large light emission angle only in one direction or different light emission angles into parallel light using a slab lens, or condenses parallel light from a light source into a linear shape using a slab lens. The case is shown.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The prior art has the following problems. The first problem is that it is impossible to integrate and integrate the semiconductor laser and the slab lens, and the three including the optical fiber and the planar optical waveguide such as an optical integrated circuit. This is the structural parameter A in the conventional slab lens. g The importance of reducing the size was not found, and for that reason, in the conventional manufacturing method, A g This is because it was not possible to make it smaller. For example, in the case of the structure disclosed in Document 2, A g Is 10,000 μm, and similarly, it is 11,900 μm in Reference 5. A g Cannot be reduced because the relative refractive index difference is at most 5.8% and the width of the core must be increased to about 3 mm. Therefore, the right side of the first formula is 3,000 μm, for example, when the wavelength is 1.55 μm and the refractive index is 1.5. 2 That's it. Therefore, the light beam in the minor axis direction of a semiconductor laser having a spot size of 0.5 μm could not be converted to the spot size of an optical fiber having a spot size of 5 μm. At this time, the left side of the first equation is 0.5 × 5 = 2.5 μm. 2 Thus, the opening on the right side is a thousand times or more. For this reason, in the prior art, it was impossible to install a slab lens in the vicinity of the semiconductor laser and directly connect a planar optical waveguide such as an optical fiber or an optical integrated circuit to the emission side. In the prior art, as described in Document 2, a sufficient gap is provided between the semiconductor laser and the slab lens to diffract the emitted light from the semiconductor laser and increase the spot size (that is, w by diffraction). in After being enlarged to a size of several millimeters), it had to be incident on the slab lens. Further, since the spot size on the exit side of the slab lens is large, an optical fiber cannot be directly connected on the exit side of the slab lens, and a separate condensing lens is required. As a result, it was impossible to integrate and integrate the semiconductor laser and the slab lens as well as the three including the optical fiber or the planar optical waveguide such as an optical integrated circuit.
[0007]
In the prior art, the thickness of the slab lens (core width) is reduced to A g The value of could not be reduced. This is because if the relative refractive index difference is small, the core width of the slab lens must be made smaller than the width of the light beam, and the light beam cannot pass therethrough. That is, in the conventional slab lens, since the relative refractive index difference is about 5.8% at the maximum, the value on the right side of the first formula is 2.5 μm. 2 A g 7.6 μm, that is, the core width must be 5 μm, and many parts of the bottom of the light beam cannot pass through the slab lens. Furthermore, it has been impossible to make the core width 5 μm by the conventional manufacturing method due to the following second problem.
[0008]
The second problem of the prior art is that a chemical processing method called an ion exchange method or a molecular stuffing method is used to form a square type refractive index profile. Since the refractive index distribution formation in these methods is based on the diffusion process of the dopant, the square distribution could not be formed with high accuracy due to slight composition fluctuation of the host glass and fluctuation of the temperature distribution during diffusion. For this reason, for example, the center position (maximum refractive index position) of the slab lens has a variation of about several tens of μm and cannot be put to practical use. Furthermore, there is a problem that the refractive index profile formed by controlling the dopant distribution using diffusion is different from the ideal square distribution in principle. In addition, the production of the slab lens requires complicated processing such as high-precision polishing of the host glass, diffusion / chemical treatment, and subsequent cutting and polishing of the individual slab lenses, resulting in low productivity.
[0009]
The object of the present invention is to solve all of the problems of the conventional examples described above.
The present invention provides a thick film slab lens capable of integrating and integrating the semiconductor laser and the slab lens, as well as the three including a planar optical waveguide such as an optical fiber and an optical integrated circuit. For the purpose.
An object of the present invention is to provide a thick film slab lens that does not require complicated processing and can be mass-produced, and a method for manufacturing the same.
An object of the present invention is to provide a highly efficient optical coupling device in which a semiconductor laser array and an optical fiber array or a waveguide array for an optical integrated circuit are integrated and integrated.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The thick film slab lens of the present invention is made of a film-like transparent body, has a uniform refractive index distribution in the in-plane direction of the film, and has a squared refractive index distribution only in the direction perpendicular to the film surface. When the relative refractive index difference between the maximum refractive index and the minimum refractive index of the square refractive index distribution is Δ and the half width of the refractive index distribution width is a [μm], a / (2Δ) 1/2 And the length of the propagation direction of the light propagating in the plane is substantially equal to one quarter of the meandering period of the light beam or an odd multiple thereof. It is characterized by being.
[0011]
The method for producing a thick film slab lens according to the present invention is such that the above-mentioned thick film slab lens is formed on a substrate by sputtering, vapor deposition, or chemical vapor deposition so that the refractive index distribution is perpendicular to the film surface. On the other hand, it is produced while being controlled so as to form a square shape.
The optical coupling device of the present invention is characterized in that the thick film slab lens is interposed between a semiconductor laser and an optical fiber or a planar optical waveguide.
That is, the present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a technique that enables integration and integrated coupling of a semiconductor laser and an optical fiber or a semiconductor laser and an optical waveguide.
[0012]
The structure of the thick film slab lens of the present invention is shown in FIG. High refraction of silicon and other metal oxides using a thin film formation technique such as sputtering, electron beam evaporation, or chemical vapor deposition (CVD) on a quartz, silicon, or other material substrate The material is deposited so that the refractive index distribution has a square shape while changing the mixing ratio of the material and a low refractive material such as quartz. By using a thin film formation technique, a refractive index distribution controlled with high accuracy can be formed in the film thickness direction, and the position (in the thickness direction) of the center of the core can be set with an accuracy of nm.
[0013]
Further, various combinations of materials to be deposited can be selected, and a large relative refractive index difference can be provided. For example, in the 1.55 μm band, 59% is obtained by selecting a combination of transparent silicon having a large refractive index of about 3.5 and quartz, which is a low refractive material (refractive index is 1.45). If tantalum (refractive index 2.1) and quartz are combined, an extremely large relative refractive index difference of 31% can be obtained. In addition to a large relative refractive index difference, silicon nitride or a combination of silicon carbide and quartz is also effective from the viewpoint of chemical stability. Further, since the laminated thickness can be controlled with high accuracy, it is easy to make the core width several tens of μm, and it is easy to make it 1/100 or less of the thickness of the conventional slab lens. In addition, since it is formed on the substrate, there is no problem in mechanical strength even if the laminated thickness is several tens of μm. As a result, for example, if the core thickness is 20 μm, A g Is 9.2 μm for the combination of silicon and quartz, and 13 μm for the combination of tantalum pentoxide and quartz, which can be about 1 / 1,000 of the value obtained in the prior art. These can solve the above-mentioned problems 1 and 2 of the prior art. Further, since Ag can be reduced, the 1/4 pitch length is shortened, and the element length can be reduced to several tens of μm. As a result, an effect can be obtained in which it can be coupled to the exit side fiber or waveguide of the slab lens before the spot size is excessively widened due to light diffraction in the in-plane direction without light confinement effect. . Furthermore, if the thick film deposited on the substrate is cut out by dicing, a large number of thick film slab lenses can be obtained from a single thick film, and a technique excellent in mass productivity can be provided.
[0014]
[Action]
The thick-film slab lens of the present invention is capable of converting a small spot size such as the minor axis direction of the light intensity distribution at the end face of the semiconductor laser into a spot of a normal size used for a communication path such as an optical fiber. Based on the theory. The electromagnetic field propagating through the slab lens can be developed in an eigenmode represented by a Hermite-Gauss function with respect to the x direction (thickness direction of the thick film). Assuming that the incident electromagnetic field to the slab lens is a Gaussian function having a wavelength λ = 1.55 [μm] and a spot size of 0.7 [μm], the structural parameter of the slab lens is the core half width a = 19 [μm], Central refractive index n 0 = 3.43, relative refractive index difference Δ = 31 [%], A g = 24.3 [μm] and the element length L = 38.2 [μm]. If the wave number is k, the phase constant β of the mth order propagation mode m Is
[Expression 2]
From this, the highest order waveguide mode order is 103.
[0015]
The incident electromagnetic field φ is the eigenmode ψ of the slab lens. m The amplitude coefficient a m Using the orthogonal relation of the eigenmode function
[Equation 3]
Can be obtained. Coupling coefficient η between incident electromagnetic field and each guided mode m FIG. 2 shows the result of calculating the sum of the coupling coefficients from the fundamental mode to the m-th mode. From this, it can be seen that the incident electromagnetic field can be developed almost 100% from the basic mode to the tenth mode of the propagation mode of the slab lens. The combined electromagnetic field Φ when the incident electromagnetic field component distributed to each eigenmode is recombined after propagating by ¼ pitch length (L) is expressed by the following equation.
[Expression 4]
[0016]
FIG. 3 shows the resultant electromagnetic field distribution. The amplitude distribution was Gaussian and the exit spot size was 5.0 [μm], confirming that it could be converted to the intended spot size. As described above, according to the present invention, a small incident spot size of 0.7 [μm] can be converted to 5.0 [μm] which is a spot size of an optical fiber or the like. Since the light wave is reversible, the spot size of 5.0 [μm] can be converted to 0.7 [μm].
[0017]
These functions can be achieved for the first time due to the characteristics of the structural parameters of the slab lens of the present invention. First, a / (2Δ) 1/2 As the value of Ag defined by g w in w out nπ / λ, a wavelength of 1.55 μm, a refractive index of 3.5 (assuming silicon), w in = 0.7 μm, w out = 5 μm, A g Must be 25 μm. On the other hand, in the case of the conventional slab lens described in Documents 1 to 6 mentioned above, A g Is about 10,000 μm. That is, such a large A g It was impossible to directly convert 0.7 μm and 5 μm spot sizes with a slab lens. In the present invention, by using a film-type slab lens, A g The value of can be reduced to about 1/400 or less of the conventional value, and a remarkable effect that conversion between small spot sizes becomes possible for the first time has been born. This effect is A g Occurs at 100 μm or less, preferably 50 μm or less, and more preferably 30 μm or less.
[0018]
Regarding the element length of the slab lens, the first formula is established when the length is 1/4 pitch length (L) of the meandering period of the light beam or an odd multiple thereof. Incidentally, when L is an even multiple, the spot size of the output of the slab lens returns to the spot size on the incident side, so there is no spot size conversion effect. Further, when the element length is other than an integral multiple of L, the wavefront of the light wave at the output end is not flat, and the coupling efficiency to the fiber or the like placed on the output side is lowered. However, when it is desired to set the beam waist at a point slightly away from the exit end of the slab lens, it is desirable that the length be slightly longer than L or an odd multiple thereof.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 4 schematically shows a state where the thick film slab lens of the present invention is cut out from the thick film. After a thick film having a square-shaped refractive index profile is formed on the substrate by sputtering, electron beam evaporation, CVD, etc., the dicing saw has an element length of approximately ¼ pitch or an odd multiple thereof. A large number of slab lenses can be obtained by cutting them out. If the thick film slab lens thus obtained is inserted between a semiconductor laser array and an optical fiber (or an optical waveguide array of an optical integrated circuit), an optical coupling system can be formed collectively.
[0020]
The thinner the film thickness, the easier the production. However, when the light of the semiconductor laser is collimated, it is necessary to have a thickness that allows the light beam to pass sufficiently. The most efficient coupling can be obtained when the beam width of the collimated light is equal to the width of the fundamental mode of the fiber or optical waveguide. Therefore, it is desirable that the film thickness be several times larger than the core diameter of the fiber or waveguide. A g That is, a / (2Δ) 1/2 Is determined by the thickness of the slab lens and the relative refractive index difference. g Value is w in w out It is necessary to determine the core width 2a (that is, the film thickness) and the relative refractive index difference Δ of the slab lens under the condition of being equal to nπ / λ. For example, considering the combination of silicon and quartz and assuming a maximum Δ = 59%, the film thickness is 54 μm when Ag is 25 μm. Therefore, even if a light beam having a spot size of 0.7 μm is expanded to a spot size of 5 μm (beam diameter is 10 μm), there is no problem because the beam diameter is sufficiently smaller than the film thickness. When the core width 2a of the slab lens is reduced to a beam width of 10 μm and Δ is as large as 59%, Ag is 4.6 μm, which is 5 μm or less.
[0021]
As shown in FIG. 4, when a thick-film slab lens is inserted between the elements, the reflected return light to the semiconductor laser due to end-face reflection at one or both ends of the slab lens at the entrance and exit is suppressed. Therefore, it is desirable to process the incident or exit of the slab lens or both end faces of the entrance / exit obliquely with respect to the optical path, or insert the slab lens obliquely with respect to the optical path. From the viewpoint of productivity, a method of inserting the slab lens obliquely with respect to the optical path is more desirable.
[0022]
FIG. 5 shows a state in which the coupled system produced by the method shown in FIG. 4 is viewed from the lateral direction. The slab lens is manufactured by accurately depositing the thickness (thickness in the x direction) and has a uniform refractive index distribution in the y direction. It is possible to install a slab lens without doing. This is an outstanding feature compared to the conventional assembly of complex systems that are complicated and require high precision.
[0023]
FIG. 6 shows a state of light beam propagation when the thick film slab lens of the present invention is used for coupling a semiconductor laser and an optical fiber (or a waveguide of an optical integrated circuit). The incident spot size to the thick film type slab lens is substantially equal to the spot size in the minor axis direction (thickness direction of the thick film slab lens) of the light emitting surface of the semiconductor laser. g Is configured to satisfy the first equation. On the other hand, since the thick film slab lens has no light condensing action in the in-plane direction, the spot size in the major axis direction of the light emitting surface of the semiconductor laser propagates while slightly diffracting when passing through the slab lens. . As a result, a light intensity distribution that is almost circular is obtained on the exit end face of the slab lens, and can be coupled with high efficiency to a waveguide of an optical fiber or an optical integrated circuit.
[0024]
FIG. 7 shows an example of a method for depositing a thick film for the thick film type slab lens of the present invention. When sputtering using silicon as a target by high-frequency sputtering, oxygen can be added to argon as the sputtering gas, and the composition of the thick film can be changed from amorphous silicon to quartz by changing the mixing ratio of the oxygen. A slab lens with a rate difference can be produced. Silicon has a large absorption loss when the wavelength is 1 μm or less. Therefore, a combination of tantalum pentoxide and quartz or a combination of titanium oxide and quartz is desirable for applications where the wavelength is 1 μm or less. A square refractive index profile can be formed by changing these compositions continuously or stepwise. In order to form a film using these combinations, for example, as shown in FIG. 8, target A and target B of different materials are prepared, the substrate is moved alternately to the vicinity of each target, and in the vicinity of the target material. It is possible to change the mixing ratio by controlling the deposition time. As targets, for example, tantalum and silicon targets are prepared, and these oxides can be deposited on the substrate at an arbitrary composition ratio by reactive sputtering to which oxygen gas is added. The deposition of these materials is not limited to sputtering, and thin film deposition methods such as electron beam evaporation and CVD can be used.
[0025]
Specific examples are shown below.
A combination of silicon and quartz was used so as to obtain a high refractive index difference. High frequency magnetron sputtering was used for deposition, and crystalline silicon having a diameter of 4 inches was used as a target. As the sputtering gas, a mixed gas in which 5% of hydrogen was added to argon was used, and the refractive index was changed by changing the composition of the deposited film according to the amount of oxygen gas added during sputtering, thereby forming a square distribution. The reason for adding hydrogen is to suppress the occurrence of light absorption by terminating dangling bonds in the deposited silicon film. The composition of the deposited film is a-SiO γ : H (hydrogenated amorphous silicon oxide film), and γ can be changed depending on the amount of oxygen to be added. The mixed gas flow rate of argon and hydrogen was 30 sccm, and the high frequency power was 300 W. By depositing while changing the addition amount of oxygen in the range of 1.59 to 6.96% so that the refractive index distribution becomes square in the film thickness direction, the relative refractive index difference is 31% and the core width is 38 [μm]. A thick film for a slab lens was deposited. The thick film was cut into a width of 40 [μm] to obtain a thick film slab lens having an element length of 40 [μm].
[0026]
Instead of expanding the spot size of the semiconductor laser to 5 μm by utilizing the reversibility of the light wave, the light of a single mode optical fiber (SMF) having a spot size of 5.4 μm at a wavelength of 1.55 [μm] It was confirmed that the intensity distribution could be reduced with a thick film slab lens. FIG. 9 shows the light intensity distribution after passing through the thick film type slab lens in the x direction (thick film thickness direction) with the lens action of the slab lens and the y direction (in-plane direction) without the lens action. . Further, the light intensity distribution at the end face of the SMF, that is, the incident light intensity distribution is also shown. There is a focusing effect in the x direction, and the 5 μm spot size is reduced to 1.6 μm. Since there is no lens action in the y direction, the spot size is expanded to 7.2 μm by diffraction. This confirmed the operation of the thick film slab lens of the present invention.
[0027]
【The invention's effect】
The effects of the present invention will become apparent from the above description, and typical examples include the following.
According to the first aspect of the present invention, a light intensity distribution having a small spot size of 1 μm or less only in one direction as in a semiconductor laser can be obtained by using a standard light without requiring another condenser lens or the like. It becomes possible to expand to the spot size of a fiber or a waveguide for an optical integrated circuit. In particular, A g Therefore, the 1/4 pitch length is shortened and the element length can be reduced to several tens of μm. As a result, it is possible to couple to the exit side fiber or waveguide of the slab lens before the spot size is excessively widened due to light diffraction in the in-plane direction where there is no light confinement effect. It was. As a result, the semiconductor laser and the optical fiber or the waveguide for the optical integrated circuit can be integrated. Furthermore, if a thick film deposited on a substrate is cut out by dicing, a large number of thick film slab lenses can be obtained from a single thick film, and a technique excellent in mass productivity can be provided.
According to the second aspect of the present invention, the relative refractive index difference of the slab lens can be increased to about 50%, and the slab lens having the effect described in the first aspect can be easily formed. Become.
According to the third aspect of the present invention, it is possible to form a square-type refractive index distribution in the film thickness direction with an accuracy of the order of nm.
According to the present invention described in claim 4, it is possible to provide a highly efficient coupling system in which a semiconductor laser array and an optical fiber array or a waveguide array for an optical integrated circuit are integrated and integrated.
[0028]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the structure of a thick film slab lens of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a coupling coefficient to each mode of a thick film slab lens when a Gaussian light beam having a spot size of 0.7 μm is incident, and a total value thereof.
FIG. 3 shows the amplitude distribution of a Gaussian light beam with a spot size of 0.7 μm before propagating through a thick film slab lens and the amplitude distribution of a Gaussian light beam with a spot size of 5 μm after propagating through the lens. FIG.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a method of depositing a thick film on a substrate, cutting it out by dicing, and inserting it between a semiconductor laser and an optical waveguide or an optical fiber to form an integrated lightwave coupling system.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a state when the coupling system shown in FIG. 4 is viewed from the lateral direction;
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a state of propagation of a light beam when a thick film slab lens is used for coupling between a semiconductor laser and an optical fiber or an optical waveguide.
FIG. 7 is an explanatory view showing a method for producing a thick film type slab lens by using an amorphous silicon oxide film by a high frequency sputtering method.
FIG. 8 is an explanatory view showing a method for producing a thick film slab lens by a sputtering method using two targets.
FIG. 9 is an explanatory diagram of an embodiment showing that a thick film slab lens is manufactured using an amorphous silicon oxide film and spot size conversion between 5 μm and 1.6 μm can be performed.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the operation of a conventional slab lens described in Japanese Patent Publication No. 61-5661, which shows that radiation emitted from a semiconductor laser can be collimated by a slab lens.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the operation of a conventional slab lens described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-5661 showing that a light beam having a circular cross section can be converted into a linear distribution by a slab lens.
[Explanation of symbols]
1 Substrate
2 Thick film slab lens
3 Semiconductor laser
4 Optical waveguide or optical fiber
