JP2689196B2 - 光導波路素子 - Google Patents
光導波路素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光導波路素子、特に詳細
には光導波路に回折格子を備え、導波光をこの回折格子
によって回折させて光導波路外へ出射させるようにした
光導波路素子に関するものである。
には光導波路に回折格子を備え、導波光をこの回折格子
によって回折させて光導波路外へ出射させるようにした
光導波路素子に関するものである。
【０００２】また本発明は、光導波路に回折格子を備
え、外部光をこの回折格子によって回折させて光導波路
内に入射させるようにした光導波路素子に関するもので
ある。
え、外部光をこの回折格子によって回折させて光導波路
内に入射させるようにした光導波路素子に関するもので
ある。
【０００３】
【従来の技術】従来より、基板上に光導波路を形成し、
この光導波路において光を導波モードで伝搬させるよう
にした光導波路素子が種々提供されている。この種の光
導波路素子においては、導波光を光導波路外へ出射させ
るため、あるいは外部光を光導波路内に入射させるため
に、光導波路の表面に形成した回折格子（グレーティン
グカプラ）を利用することが多い。
この光導波路において光を導波モードで伝搬させるよう
にした光導波路素子が種々提供されている。この種の光
導波路素子においては、導波光を光導波路外へ出射させ
るため、あるいは外部光を光導波路内に入射させるため
に、光導波路の表面に形成した回折格子（グレーティン
グカプラ）を利用することが多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この回折格子は、入出
力するビームの品質を劣化させることが少い、光の入出
力を安定して行なえるという長所を有する半面、入出力
効率が低いという問題や、この効率が格子の寸法誤差
（具体的にはピッチ対線幅比の誤差）に応じて敏感に変
動してしまうという問題が認められている。
力するビームの品質を劣化させることが少い、光の入出
力を安定して行なえるという長所を有する半面、入出力
効率が低いという問題や、この効率が格子の寸法誤差
（具体的にはピッチ対線幅比の誤差）に応じて敏感に変
動してしまうという問題が認められている。
【０００５】そこで、光入出力効率を高めるため、回折
格子における結合ビーム本数を実効的に少なくする提案
が従来より種々なされている。例えば、文献Ｊournal
ofthe Ｏptical Ｓociety of Ａmerica（ジャーナ
ル・オブ・ジ・オプティカル・ソサイアティ・オブ・ア
メリカ）のＶol.63,No．11 ｐ1419〜1431には、透明基
板上の光導波路の表面（基板側表面）に回折格子を形成
し、この回折格子において、導波光を空気側および基板
側に回折させ、基板側に回折した−１次回折光を基板表
面の反射層で反射させて、この光と空気側の−１次回折
光とを互いに強め合うように干渉させる構造が示されて
いる。この構造においては、本来の意味では２ビーム結
合であるが、実効的には空気側のみに光が出射するの
で、基板側と空気側にパワーが分配されず、高い結合効
率が実現される。
格子における結合ビーム本数を実効的に少なくする提案
が従来より種々なされている。例えば、文献Ｊournal
ofthe Ｏptical Ｓociety of Ａmerica（ジャーナ
ル・オブ・ジ・オプティカル・ソサイアティ・オブ・ア
メリカ）のＶol.63,No．11 ｐ1419〜1431には、透明基
板上の光導波路の表面（基板側表面）に回折格子を形成
し、この回折格子において、導波光を空気側および基板
側に回折させ、基板側に回折した−１次回折光を基板表
面の反射層で反射させて、この光と空気側の−１次回折
光とを互いに強め合うように干渉させる構造が示されて
いる。この構造においては、本来の意味では２ビーム結
合であるが、実効的には空気側のみに光が出射するの
で、基板側と空気側にパワーが分配されず、高い結合効
率が実現される。
【０００６】しかしこの構造においては、極めて高い結
合効率を得るためには厳密な２ビーム結合条件が必要と
なるので、サブミクロン以下の細さの回折格子が必要に
なり、また回折格子のアスペクト比の制御が厳しくな
る。そのため、回折格子の作成は非常に困難となる。
合効率を得るためには厳密な２ビーム結合条件が必要と
なるので、サブミクロン以下の細さの回折格子が必要に
なり、また回折格子のアスペクト比の制御が厳しくな
る。そのため、回折格子の作成は非常に困難となる。
【０００７】また上記文献では、−１次回折光とともに
−２次回折光が基板および空気側に回折するような場合
についても述べられている。すなわち、基板側に回折し
た−１次回折光を基板表面の反射層で反射させて、この
光と空気側の−１次回折光とを強め合うように干渉させ
るともに、基板側に回折した−２次回折光を基板表面の
反射層で反射させて、この光と空気側の−２次回折光と
を弱め合うように干渉させる構造が示されている。この
構造では、もし反射層が無ければ４ビーム結合で効率は
低いが、反射層が有ればそれにより実効的に空気側の−
１次回折光に高いパワーが分配されるので、高い結合効
率が実現される。
−２次回折光が基板および空気側に回折するような場合
についても述べられている。すなわち、基板側に回折し
た−１次回折光を基板表面の反射層で反射させて、この
光と空気側の−１次回折光とを強め合うように干渉させ
るともに、基板側に回折した−２次回折光を基板表面の
反射層で反射させて、この光と空気側の−２次回折光と
を弱め合うように干渉させる構造が示されている。この
構造では、もし反射層が無ければ４ビーム結合で効率は
低いが、反射層が有ればそれにより実効的に空気側の−
１次回折光に高いパワーが分配されるので、高い結合効
率が実現される。
【０００８】しかしこの構造においても、回折格子周期
の細かさは緩和されるものの１μｍ以下であり、回折格
子の作成は困難である。またこの構造においても、回折
格子のアスペクト比の厳密な制御は難しく、そのために
回折格子と光導波路の結合長の制御が困難になるという
問題、すなわち、出射ビーム径や入力効率のバラツキを
引き起こすという問題がある。
の細かさは緩和されるものの１μｍ以下であり、回折格
子の作成は困難である。またこの構造においても、回折
格子のアスペクト比の厳密な制御は難しく、そのために
回折格子と光導波路の結合長の制御が困難になるという
問題、すなわち、出射ビーム径や入力効率のバラツキを
引き起こすという問題がある。
【０００９】また特開昭60-189709 号公報には、透明基
板上の光導波路の表面（空気側表面）に回折格子を形成
するとともに、この回折格子の上にクラッド層（バッフ
ァ層）を形成し、さらにこのクラッド層の上に反射層を
形成し、回折格子において基板側に回折した回折光と、
クラッド層側に回折してから該クラッド層と反射層の界
面で反射した回折光とを、互いに強め合うように干渉さ
せて基板側に取り出す構造が提案されている。
板上の光導波路の表面（空気側表面）に回折格子を形成
するとともに、この回折格子の上にクラッド層（バッフ
ァ層）を形成し、さらにこのクラッド層の上に反射層を
形成し、回折格子において基板側に回折した回折光と、
クラッド層側に回折してから該クラッド層と反射層の界
面で反射した回折光とを、互いに強め合うように干渉さ
せて基板側に取り出す構造が提案されている。
【００１０】しかしこの構造は、導波光と結合するビー
ムの本数や、利用する回折光の次数を明確に特定するも
のではないので、必ずしも高効率化が達成できるとは限
らないものであった。
ムの本数や、利用する回折光の次数を明確に特定するも
のではないので、必ずしも高効率化が達成できるとは限
らないものであった。
【００１１】本発明は上記のような事情に鑑みてなされ
たものであり、導波光と外部光との結合効率が十分に高
く、回折格子の線幅誤差によりこの結合効率が大きく変
化することがなく、そして作成も容易な光導波路素子を
提供することを目的とするものである。
たものであり、導波光と外部光との結合効率が十分に高
く、回折格子の線幅誤差によりこの結合効率が大きく変
化することがなく、そして作成も容易な光導波路素子を
提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明による第１の光導
波路素子は、光導波路内を伝搬する導波光を光導波路外
に出射させるためのものであり、前述したように透明基
板上の光導波路に、該光導波路内を伝搬する導波光を回
折させて光導波路外に取り出す回折格子が形成されると
ともに、この回折格子の上にクラッド層が形成された導
波路素子において、光導波路、クラッド層、および回折
格子が、−１次回折光が基板側のみに回折するととも
に、それよりも次数の絶対値が大きい高次回折光が基板
側およびクラッド層側に回折し、かつ、クラッド層側に
回折して該クラッド層の光導波路と反対側の界面で反射
した少なくとも１つの高次回折光と、それと同次の基板
側に出射した高次回折光とが互いに弱め合うように構成
されていることを特徴とするものである。
波路素子は、光導波路内を伝搬する導波光を光導波路外
に出射させるためのものであり、前述したように透明基
板上の光導波路に、該光導波路内を伝搬する導波光を回
折させて光導波路外に取り出す回折格子が形成されると
ともに、この回折格子の上にクラッド層が形成された導
波路素子において、光導波路、クラッド層、および回折
格子が、−１次回折光が基板側のみに回折するととも
に、それよりも次数の絶対値が大きい高次回折光が基板
側およびクラッド層側に回折し、かつ、クラッド層側に
回折して該クラッド層の光導波路と反対側の界面で反射
した少なくとも１つの高次回折光と、それと同次の基板
側に出射した高次回折光とが互いに弱め合うように構成
されていることを特徴とするものである。
【００１３】本発明による第２の光導波路素子は、外部
光を光導波路内に入射させるためのものであり、上述し
た第１の光導波路素子が、上記基板側のみに回折した−
１次回折光が辿る光路を外部光が逆向きに辿るように配
置され、この外部光を上記回折格子で回折させて該光導
波路内に入射させるように用いられていることを特徴と
するものである。
光を光導波路内に入射させるためのものであり、上述し
た第１の光導波路素子が、上記基板側のみに回折した−
１次回折光が辿る光路を外部光が逆向きに辿るように配
置され、この外部光を上記回折格子で回折させて該光導
波路内に入射させるように用いられていることを特徴と
するものである。
【００１４】
【作用および発明の効果】上記構成の本発明の第１の光
導波路素子においては、最もパワー分配比が高い−１次
回折光が１方向のみ、つまり基板側のみに取り出される
上、不要な高次回折光が同次のものどうしで互いに弱め
合って抑圧されるから、結合ビーム本数が実効的に少な
くなり、上記−１次回折光のパワー分配比が著しく高め
られて、高効率化が実現される。また、上記の通りであ
るから、電磁場の相反定理により、第２の光導波路素子
においても高効率化が実現されることは自明である。
導波路素子においては、最もパワー分配比が高い−１次
回折光が１方向のみ、つまり基板側のみに取り出される
上、不要な高次回折光が同次のものどうしで互いに弱め
合って抑圧されるから、結合ビーム本数が実効的に少な
くなり、上記−１次回折光のパワー分配比が著しく高め
られて、高効率化が実現される。また、上記の通りであ
るから、電磁場の相反定理により、第２の光導波路素子
においても高効率化が実現されることは自明である。
【００１５】なお上記高次回折光すなわち−２次、−３
次、−４次、……の回折光のうちで、特にパワー分配比
が高いのは−２次回折光と−３次回折光であるから、上
述した高効率化の効果をより顕著に得るためには、クラ
ッド層側および基板側に回折した−２次回折光どうし、
および／または同様の−３次回折光どうしが（勿論、最
も望ましくは双方である）互いに弱め合うようにするの
が望ましい。
次、−４次、……の回折光のうちで、特にパワー分配比
が高いのは−２次回折光と−３次回折光であるから、上
述した高効率化の効果をより顕著に得るためには、クラ
ッド層側および基板側に回折した−２次回折光どうし、
および／または同様の−３次回折光どうしが（勿論、最
も望ましくは双方である）互いに弱め合うようにするの
が望ましい。
【００１６】また、前述したように外部光と導波光との
結合効率が回折格子のピッチ対線幅比に対して敏感に上
下してしまうという問題は、このピッチ対線幅比が設計
値から外れると、その誤差増大にともなって−２次や−
４次の偶数次の高次回折光の回折効率が増大し、そのた
めに−１次回折光の回折効率が低下することに起因して
いる。そこで本発明の光導波路素子を、これら偶数次の
高次回折光が抑圧されるように形成しておけば、−１次
回折光の回折効率がこれら偶数次の高次回折光の回折効
率によって左右される程度が基本的に低くなる。したが
って、回折格子のピッチ対線幅比が設計値から外れて
も、その際の−１次回折光の回折効率低下は比較的小さ
く抑えられるようになる。
結合効率が回折格子のピッチ対線幅比に対して敏感に上
下してしまうという問題は、このピッチ対線幅比が設計
値から外れると、その誤差増大にともなって−２次や−
４次の偶数次の高次回折光の回折効率が増大し、そのた
めに−１次回折光の回折効率が低下することに起因して
いる。そこで本発明の光導波路素子を、これら偶数次の
高次回折光が抑圧されるように形成しておけば、−１次
回折光の回折効率がこれら偶数次の高次回折光の回折効
率によって左右される程度が基本的に低くなる。したが
って、回折格子のピッチ対線幅比が設計値から外れて
も、その際の−１次回折光の回折効率低下は比較的小さ
く抑えられるようになる。
【００１７】そして上記第１の光導波路素子は、実際の
構成は多ビーム結合を果たすように形成されているから
回折格子周期が粗く、そのため、２ビーム結合を果たす
場合ほど厳密なビーム結合条件が必要とはならず、回折
格子は比較的容易に作成され得る。それによりこの光導
波路素子は、作成が容易なものとなる。この点は、第２
の光導波路素子に関しても同様である。
構成は多ビーム結合を果たすように形成されているから
回折格子周期が粗く、そのため、２ビーム結合を果たす
場合ほど厳密なビーム結合条件が必要とはならず、回折
格子は比較的容易に作成され得る。それによりこの光導
波路素子は、作成が容易なものとなる。この点は、第２
の光導波路素子に関しても同様である。
【００１８】
【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を
詳細に説明する。図１は本発明の一実施例による光導波
路素子を示すものであり、図２はその光出射用回折格子
の部分を拡大して示している。この光導波路素子は一例
として、ＥＯ（電気光学）スイッチを構成するものであ
り、ＬｉＮｂＯ3 からなる基板10上にプロトン交換によ
る薄膜光導波路11が形成され、この光導波路11の上に光
入射用の線状回折格子（Ｌinear Ｇrating Ｃoupler：
以下ＬＧＣと称する）12と、光出射用ＬＧＣ13とが形成
され、光入射用ＬＧＣ12上にはクラッド層14が、光出射
用ＬＧＣ13上にはクラッド層15が形成されてなる。そし
てＬＧＣ12とＬＧＣ13との間において光導波路11の上に
は、導波光の光路を切り換えてＬＧＣ13からの出射を制
御するＥＯグレーティング16が配設されている。
詳細に説明する。図１は本発明の一実施例による光導波
路素子を示すものであり、図２はその光出射用回折格子
の部分を拡大して示している。この光導波路素子は一例
として、ＥＯ（電気光学）スイッチを構成するものであ
り、ＬｉＮｂＯ3 からなる基板10上にプロトン交換によ
る薄膜光導波路11が形成され、この光導波路11の上に光
入射用の線状回折格子（Ｌinear Ｇrating Ｃoupler：
以下ＬＧＣと称する）12と、光出射用ＬＧＣ13とが形成
され、光入射用ＬＧＣ12上にはクラッド層14が、光出射
用ＬＧＣ13上にはクラッド層15が形成されてなる。そし
てＬＧＣ12とＬＧＣ13との間において光導波路11の上に
は、導波光の光路を切り換えてＬＧＣ13からの出射を制
御するＥＯグレーティング16が配設されている。
【００１９】上記ＬＧＣ12とＬＧＣ13は、電子ビーム描
画により形成したレジストパターン上にＲＦスパッター
法によりＺｎＳｅを製膜し、次いでリフトオフして作成
されたものである。またクラッド層14とクラッド層15
は、それぞれＬＧＣ12とＬＧＣ13の上にＲＦスパッター
法によりＨｆＯ2 （酸化ハフニウム）を所定の厚さに製
膜して作成されたものである。一方基板10の一端面10ａ
は外部光であるＨｅ−Ｎｅレーザ光20を入射させるた
め、そして基板10の他端面10ｂは光出射用ＬＧＣ13で回
折した光を基板10外に出射させるため、各々65゜の角度
で斜めに研磨されている。
画により形成したレジストパターン上にＲＦスパッター
法によりＺｎＳｅを製膜し、次いでリフトオフして作成
されたものである。またクラッド層14とクラッド層15
は、それぞれＬＧＣ12とＬＧＣ13の上にＲＦスパッター
法によりＨｆＯ2 （酸化ハフニウム）を所定の厚さに製
膜して作成されたものである。一方基板10の一端面10ａ
は外部光であるＨｅ−Ｎｅレーザ光20を入射させるた
め、そして基板10の他端面10ｂは光出射用ＬＧＣ13で回
折した光を基板10外に出射させるため、各々65゜の角度
で斜めに研磨されている。
【００２０】端面10ａを通して基板10内に入射し、光導
波路11越しにＬＧＣ12の部分に入射した外部光20は、こ
のＬＧＣ12において回折し、光導波路11内に入射して導
波光20’となる。なおＬＧＣ12については後に詳述す
る。
波路11越しにＬＧＣ12の部分に入射した外部光20は、こ
のＬＧＣ12において回折し、光導波路11内に入射して導
波光20’となる。なおＬＧＣ12については後に詳述す
る。
【００２１】導波モードで図中右方向に伝搬する導波光
20’は、光出射用ＬＧＣ13において基板10側およびクラ
ッド層15側に回折する。本実施例では、光出射用ＬＧＣ
13において−１次回折光21が基板10側のみに回折すると
ともに、それよりも次数の絶対値が大きい高次回折光す
なわち−２次、−３次、−４次、……の回折光は基板10
側およびクラッド層15側に回折するように光導波路11の
実効屈折率Ｎ、クラッド層15の屈折率ｎc 、およびＬＧ
Ｃ13の周期Λが設定されている。なお図１では−１次回
折光21のみを示し、図２では−１次回折光21、−２次回
折光22ａ、22ｂおよび−３次回折光23ａ、23ｂのみを示
してある。
20’は、光出射用ＬＧＣ13において基板10側およびクラ
ッド層15側に回折する。本実施例では、光出射用ＬＧＣ
13において−１次回折光21が基板10側のみに回折すると
ともに、それよりも次数の絶対値が大きい高次回折光す
なわち−２次、−３次、−４次、……の回折光は基板10
側およびクラッド層15側に回折するように光導波路11の
実効屈折率Ｎ、クラッド層15の屈折率ｎc 、およびＬＧ
Ｃ13の周期Λが設定されている。なお図１では−１次回
折光21のみを示し、図２では−１次回折光21、−２次回
折光22ａ、22ｂおよび−３次回折光23ａ、23ｂのみを示
してある。
【００２２】ここで、導波光20’を上述のように回折さ
せるための条件を示す。導波光20’の波長（真空中のも
の）をλとすると、−１次回折光21が基板10側のみに回
折するための条件は、ｎc ＜Ｎ−λ／Λであり、−２次
回折光が基板10側およびクラッド層15側に回折するため
の条件は、Ｎ−２λ／Λ＜ｎc である。この後者の条件
が満たされれば、−３次、−４次、……の高次回折光も
すべて−２次回折光と同様に基板10側およびクラッド層
15側に回折するから、結局、導波光20’を上述のように
回折させるための条件は、 Ｎ−２λ／Λ＜ｎc ＜Ｎ−λ／Λ ………(1) となる。
せるための条件を示す。導波光20’の波長（真空中のも
の）をλとすると、−１次回折光21が基板10側のみに回
折するための条件は、ｎc ＜Ｎ−λ／Λであり、−２次
回折光が基板10側およびクラッド層15側に回折するため
の条件は、Ｎ−２λ／Λ＜ｎc である。この後者の条件
が満たされれば、−３次、−４次、……の高次回折光も
すべて−２次回折光と同様に基板10側およびクラッド層
15側に回折するから、結局、導波光20’を上述のように
回折させるための条件は、 Ｎ−２λ／Λ＜ｎc ＜Ｎ−λ／Λ ………(1) となる。
【００２３】光出射用ＬＧＣ13によりクラッド層15側に
回折した−２次回折光22ａは、このクラッド層15と空気
との界面15ａで全反射する。本実施例の光導波路素子に
おいては、こうして基板10側に折り返した−２次回折光
22ａと、光出射用ＬＧＣ13により直接基板10側に回折し
た−２次回折光22ｂとが互いに弱め合うように干渉す
る。同様に、クラッド層15側に回折して界面15ａで全反
射した−３次回折光23ａと、直接基板10側に回折した−
３次回折光23ｂも互いに弱め合うように干渉する。以
下、このようにして−２次回折光および−３次回折光を
抑圧するための条件を説明する。
回折した−２次回折光22ａは、このクラッド層15と空気
との界面15ａで全反射する。本実施例の光導波路素子に
おいては、こうして基板10側に折り返した−２次回折光
22ａと、光出射用ＬＧＣ13により直接基板10側に回折し
た−２次回折光22ｂとが互いに弱め合うように干渉す
る。同様に、クラッド層15側に回折して界面15ａで全反
射した−３次回折光23ａと、直接基板10側に回折した−
３次回折光23ｂも互いに弱め合うように干渉する。以
下、このようにして−２次回折光および−３次回折光を
抑圧するための条件を説明する。
【００２４】まず、−２次回折光に関して説明する。な
お以下では、導波光20’が光導波路11をＴＥモードで導
波するものとする。クラッド層側−２次回折光22ａの回
折角をθc2、基板側−２次回折光22ｂの回折角をθs2と
し、これら両−２次回折光22ａ、22ｂ間の位相進行量の
差を求める。クラッド層15側に回折し界面15ａで全反射
した後基板10側へ出射する−２次回折光22ａの位相進行
量φA は、クラッド層15の屈折率と厚さをそれぞれ
ｎc 、ｔc 、光導波路11の屈折率と厚さをそれぞれ
ｎf 、ｔf 、全反射して折り返す−２次回折光22ａのＬ
ＧＣ13における回折角をθf2とし、またｋ＝２π／λ、
界面15ａで全反射したときのグースヘンシェンシフトを
φg とすると、 φA ＝２ｎc ｋｔc ／ cosθc2＋ｎf ｋｔf ／ cosθf2−２φg ただし、
お以下では、導波光20’が光導波路11をＴＥモードで導
波するものとする。クラッド層側−２次回折光22ａの回
折角をθc2、基板側−２次回折光22ｂの回折角をθs2と
し、これら両−２次回折光22ａ、22ｂ間の位相進行量の
差を求める。クラッド層15側に回折し界面15ａで全反射
した後基板10側へ出射する−２次回折光22ａの位相進行
量φA は、クラッド層15の屈折率と厚さをそれぞれ
ｎc 、ｔc 、光導波路11の屈折率と厚さをそれぞれ
ｎf 、ｔf 、全反射して折り返す−２次回折光22ａのＬ
ＧＣ13における回折角をθf2とし、またｋ＝２π／λ、
界面15ａで全反射したときのグースヘンシェンシフトを
φg とすると、 φA ＝２ｎc ｋｔc ／ cosθc2＋ｎf ｋｔf ／ cosθf2−２φg ただし、
【００２５】
【数１】
【００２６】となる。一方、直接基板10側へ回折した−
２次回折光22ｂの位相進行量φB は、 φB ＝２ｎc ｋｔc sin2 θc2／ cosθc2＋ｎf ｋｔf ／ cosθf2 で与えられる。全反射した後基板10側へ出射した−２次
回折光22ａと、−２次回折光22ｂの位相差を（２ｍ＋
１）πとすればそれらが抑圧されるから、 とすればよく、したがって求める条件は、 ２ｎc ｋｔc cosθc2−２φg ＝（２ｍ＋１）π ……(2) となる。
２次回折光22ｂの位相進行量φB は、 φB ＝２ｎc ｋｔc sin2 θc2／ cosθc2＋ｎf ｋｔf ／ cosθf2 で与えられる。全反射した後基板10側へ出射した−２次
回折光22ａと、−２次回折光22ｂの位相差を（２ｍ＋
１）πとすればそれらが抑圧されるから、 とすればよく、したがって求める条件は、 ２ｎc ｋｔc cosθc2−２φg ＝（２ｍ＋１）π ……(2) となる。
【００２７】次に、−３次回折光を抑圧するための条件
は、−２次回折光の場合と同様にして、 ２ｎc ｋｔc cosθc3−２φg ’＝（２ｍ’＋１）π ……(3) となる。ただし、φg ’は−３次回折光のグースヘンシ
ェンシフトであり、
は、−２次回折光の場合と同様にして、 ２ｎc ｋｔc cosθc3−２φg ’＝（２ｍ’＋１）π ……(3) となる。ただし、φg ’は−３次回折光のグースヘンシ
ェンシフトであり、
【００２８】
【数２】
【００２９】である。またｍ’は整数、そしてθc3はク
ラッド層側−３次回折光23ａの回折角である。
ラッド層側−３次回折光23ａの回折角である。
【００３０】外部光20の波長λに対して、以上説明した
(1) 、(2) および(3) の条件を満足するように光導波路
11の実効屈折率Ｎ、クラッド層15の屈折率ｎc と厚さｔ
c 、およびＬＧＣ13の周期Λを設定すれば、−２次回折
光と−３次回折光が抑圧され、したがって−１次回折光
21のパワー分配比すなわち回折効率が高くなる。
(1) 、(2) および(3) の条件を満足するように光導波路
11の実効屈折率Ｎ、クラッド層15の屈折率ｎc と厚さｔ
c 、およびＬＧＣ13の周期Λを設定すれば、−２次回折
光と−３次回折光が抑圧され、したがって−１次回折光
21のパワー分配比すなわち回折効率が高くなる。
【００３１】次に具体的な数値例について説明する。ま
ず、本実施例では、
ず、本実施例では、
【００３２】
【表１】
【００３３】とされている。ただし光導波路の屈折率分
布は、ステップ型に近似した。また前記(1) 式より、 λ／（Ｎ−ｎc ）＜ Λ ＜２λ／（Ｎ−ｎc ） ………(4) そして−３次回折光23ａが界面15ａで全反射する（その
とき当然−２次回折光22ａも全反射する）条件から、 ３λ／（Ｎ−１）＜Λ ………(5) である。上記（表１）に示したパラメータでの式(4) お
よび(5) の条件を図３に示す。この条件から、クラッド
層屈折率ｎc が大きいほど強結合になることを考慮し
て、 の範囲で高効率条件式(2) 、(3) を満たすＬＧＣ周期
Λ、クラッド層屈折率ｎc、およびクラッド層厚さｔc
を求める。その結果を図４に示す。ここで、タイプＡは
式(2) 、(3) で各々ｍ＝１、ｍ’＝２としたときの高効
率条件であり、一方タイプＢは同じく式(2) 、(3) で各
々ｍ＝０、ｍ’＝１としたときの高効率条件である。こ
れらタイプＡ、Ｂの高効率条件におけるＬＧＣ周期Λと
クラッド層屈折率ｎc との関係は、図３に示す通り、式
(4) および(5) の条件を満たす範囲内に存在している。
布は、ステップ型に近似した。また前記(1) 式より、 λ／（Ｎ−ｎc ）＜ Λ ＜２λ／（Ｎ−ｎc ） ………(4) そして−３次回折光23ａが界面15ａで全反射する（その
とき当然−２次回折光22ａも全反射する）条件から、 ３λ／（Ｎ−１）＜Λ ………(5) である。上記（表１）に示したパラメータでの式(4) お
よび(5) の条件を図３に示す。この条件から、クラッド
層屈折率ｎc が大きいほど強結合になることを考慮し
て、 の範囲で高効率条件式(2) 、(3) を満たすＬＧＣ周期
Λ、クラッド層屈折率ｎc、およびクラッド層厚さｔc
を求める。その結果を図４に示す。ここで、タイプＡは
式(2) 、(3) で各々ｍ＝１、ｍ’＝２としたときの高効
率条件であり、一方タイプＢは同じく式(2) 、(3) で各
々ｍ＝０、ｍ’＝１としたときの高効率条件である。こ
れらタイプＡ、Ｂの高効率条件におけるＬＧＣ周期Λと
クラッド層屈折率ｎc との関係は、図３に示す通り、式
(4) および(5) の条件を満たす範囲内に存在している。
【００３４】このように定まるクラッド層屈折率ｎc の
範囲に基づいて、本実施例ではクラッド層15として前述
の通りＨｆＯ2 スパッター膜（λ＝632.8 ｎｍに対する
ｎc＝1.91）が選択されている。この場合の高効率条件
は、以下の通りである。
範囲に基づいて、本実施例ではクラッド層15として前述
の通りＨｆＯ2 スパッター膜（λ＝632.8 ｎｍに対する
ｎc＝1.91）が選択されている。この場合の高効率条件
は、以下の通りである。
【００３５】
【表２】
【００３６】次に、上記構成のうちタイプＡの作用、効
果について説明する。まずコンピュータによるシミュレ
ーション結果を示す。解析はフロッケの定理に基づく空
間高調波展開法を用い、−１次回折効率Ｐ1 、−２次回
折効率Ｐ2 および−３次回折効率Ｐ3 と、放射損失係数
αとを求めた。
果について説明する。まずコンピュータによるシミュレ
ーション結果を示す。解析はフロッケの定理に基づく空
間高調波展開法を用い、−１次回折効率Ｐ1 、−２次回
折効率Ｐ2 および−３次回折効率Ｐ3 と、放射損失係数
αとを求めた。
【００３７】(a) クラッド厚さへの依存性 −１次回折効率Ｐ1 、−２次回折効率Ｐ2 および−３次
回折効率Ｐ3 と放射損失係数αの、クラッド層厚さｔc
への依存性をシミュレーションした結果を図５に示す。
タイプＡにおけるクラッド層厚さｔc ＝ 0.73 μｍのと
き、−２次回折効率Ｐ2 および−３次回折効率Ｐ3 が極
端に低下し、−１次回折効率Ｐ1 がほぼ99％にもなるこ
とが示されており、先に述べたようにして導出された高
効率条件が正しいことが確認された。
回折効率Ｐ3 と放射損失係数αの、クラッド層厚さｔc
への依存性をシミュレーションした結果を図５に示す。
タイプＡにおけるクラッド層厚さｔc ＝ 0.73 μｍのと
き、−２次回折効率Ｐ2 および−３次回折効率Ｐ3 が極
端に低下し、−１次回折効率Ｐ1 がほぼ99％にもなるこ
とが示されており、先に述べたようにして導出された高
効率条件が正しいことが確認された。
【００３８】(b) ＬＧＣピッチ対線幅比への依存性 −１次回折効率Ｐ1 と放射損失係数αの、ＬＧＣピッチ
対線幅比Ｒへの依存性をシミュレーションした結果を図
６に示す。なおＬＧＣピッチ＝線幅＋間隔である。図示
されているように、ピッチ対線幅比Ｒが3.5 〜6.5 程度
の範囲で変動しても、高い−１次回折効率Ｐ1 が確保さ
れ得る。これは、先に説明した通り、偶数次の−２次回
折光が抑圧されることにより得られる効果である。した
がってこの光導波路素子は、回折格子の作成精度が大巾
に緩和され、容易に形成され得るものとなる。
対線幅比Ｒへの依存性をシミュレーションした結果を図
６に示す。なおＬＧＣピッチ＝線幅＋間隔である。図示
されているように、ピッチ対線幅比Ｒが3.5 〜6.5 程度
の範囲で変動しても、高い−１次回折効率Ｐ1 が確保さ
れ得る。これは、先に説明した通り、偶数次の−２次回
折光が抑圧されることにより得られる効果である。した
がってこの光導波路素子は、回折格子の作成精度が大巾
に緩和され、容易に形成され得るものとなる。
【００３９】(c) ＬＧＣ高さへの依存性 −１次回折効率Ｐ1 と放射損失係数αの、ＬＧＣ13の高
さｔg への依存性をシミュレーションした結果を図７に
示す。この場合、クラッド層15が無いものについても調
べた。図示されている通りクラッド層15があるものは、
クラッド層15が無いものと比べて放射損失係数αが約３
倍程度まで高くなり、強結合化が実現されることが判
る。
さｔg への依存性をシミュレーションした結果を図７に
示す。この場合、クラッド層15が無いものについても調
べた。図示されている通りクラッド層15があるものは、
クラッド層15が無いものと比べて放射損失係数αが約３
倍程度まで高くなり、強結合化が実現されることが判
る。
【００４０】さらに、クラッド層15が無い場合は、強結
合化のためにＬＧＣ13をあまりに高くすると−１次回折
効率Ｐ1 が低下するが、クラッド層15が有る場合は、Ｌ
ＧＣ13を高くしてもこのような効率低下を招かないこと
が判る。こうして効率低下が防止されれば、特願平2-14
8397号明細書に示されるようなＬＧＣ13の高さｔg の制
御による入出力光のガウスビーム化が、効率を犠牲にせ
ずに実現可能となる。
合化のためにＬＧＣ13をあまりに高くすると−１次回折
効率Ｐ1 が低下するが、クラッド層15が有る場合は、Ｌ
ＧＣ13を高くしてもこのような効率低下を招かないこと
が判る。こうして効率低下が防止されれば、特願平2-14
8397号明細書に示されるようなＬＧＣ13の高さｔg の制
御による入出力光のガウスビーム化が、効率を犠牲にせ
ずに実現可能となる。
【００４１】次に、図１および図２に示した実際の光導
波路素子について、−１次回折効率Ｐ1 を測定した結果
を説明する。
波路素子について、−１次回折効率Ｐ1 を測定した結果
を説明する。
【００４２】(a) クラッド厚さへの依存性 −１次回折効率Ｐ1 とクラッド層厚さｔc との関係を測
定した結果を図８に示す。図示の通り、最適クラッド層
厚さｔc ＝0.73μｍにて−１次回折効率Ｐ1 ＝94％が得
られている。
定した結果を図８に示す。図示の通り、最適クラッド層
厚さｔc ＝0.73μｍにて−１次回折効率Ｐ1 ＝94％が得
られている。
【００４３】(b) ＬＧＣピッチ対線幅比への依存性 −１次回折効率Ｐ1 とＬＧＣピッチ対線幅比Ｒとの関係
を測定した結果を図９に示す。図示の通り、クラッド層
厚さｔc を最適値の0.73μｍに設定すると、ＬＧＣピッ
チ対線幅比Ｒが3.5 〜6.5 程度の範囲で変動しても高い
−１次回折効率Ｐ1 が確保され得る。これは前述のシミ
ュレーション結果と整合している。一方、クラッド層15
を設けない場合は、ＬＧＣピッチ対線幅比Ｒが変動する
と−１次回折効率Ｐ1 が大きく変動することも示されて
いる。
を測定した結果を図９に示す。図示の通り、クラッド層
厚さｔc を最適値の0.73μｍに設定すると、ＬＧＣピッ
チ対線幅比Ｒが3.5 〜6.5 程度の範囲で変動しても高い
−１次回折効率Ｐ1 が確保され得る。これは前述のシミ
ュレーション結果と整合している。一方、クラッド層15
を設けない場合は、ＬＧＣピッチ対線幅比Ｒが変動する
と−１次回折効率Ｐ1 が大きく変動することも示されて
いる。
【００４４】次に、光入射用ＬＧＣ12について説明す
る。この光入射用ＬＧＣ12およびクラッド層14は、以上
説明した光出射用ＬＧＣ13およびクラッド層15と全く同
様に形成されたものである。そして光導波路素子は、図
１に示されるのと反対方向に導波光20’を伝搬させてＬ
ＧＣ12から基板10側に−１次回折光を取り出したときに
該−１次回折光が辿る光路を、外部光20が逆向きに辿る
ように配置されている。こうすることにより、ＬＧＣ12
による光入力においても高効率化が実現され得ること
は、電磁場の相反定理により自明である。
る。この光入射用ＬＧＣ12およびクラッド層14は、以上
説明した光出射用ＬＧＣ13およびクラッド層15と全く同
様に形成されたものである。そして光導波路素子は、図
１に示されるのと反対方向に導波光20’を伝搬させてＬ
ＧＣ12から基板10側に−１次回折光を取り出したときに
該−１次回折光が辿る光路を、外部光20が逆向きに辿る
ように配置されている。こうすることにより、ＬＧＣ12
による光入力においても高効率化が実現され得ること
は、電磁場の相反定理により自明である。
【００４５】以上、導波光20’がＴＥモードで導波する
場合について説明したが、導波光20’がＴＭモードで導
波する場合は、（数１）式を
場合について説明したが、導波光20’がＴＭモードで導
波する場合は、（数１）式を
【００４６】
【数３】
【００４７】と変え、（数２）式を
【００４８】
【数４】
【００４９】と変えればよい。
【００５０】また上記実施例ではクラッド層15の空気と
の界面15ａで高次回折光を全反射させるようにしている
が、この界面15ａで高い反射率が確保されるならば、特
に全反射させる必要はない。なおこのようにして高次回
折光を全反射させない場合、−２次回折光22ａが界面15
ａで反射する際の位相シフト量はグースヘンシェンシフ
トφg ではなく、ＴＥモード導波ならば０（ゼロ）、Ｔ
Ｍモード導波ならば−πとなる。さらに、界面15ａの外
側の空気の代りに金属や誘電体多層膜等を存在させて、
そこで高次回折光を反射させても構わない。
の界面15ａで高次回折光を全反射させるようにしている
が、この界面15ａで高い反射率が確保されるならば、特
に全反射させる必要はない。なおこのようにして高次回
折光を全反射させない場合、−２次回折光22ａが界面15
ａで反射する際の位相シフト量はグースヘンシェンシフ
トφg ではなく、ＴＥモード導波ならば０（ゼロ）、Ｔ
Ｍモード導波ならば−πとなる。さらに、界面15ａの外
側の空気の代りに金属や誘電体多層膜等を存在させて、
そこで高次回折光を反射させても構わない。
【００５１】さらに上記実施例では、光導波路11の表面
に凸形のＬＧＣ13を設けているが、このＬＧＣ13は図１
０に示すように凹形のものとされてもよいし、図１１に
示すように光導波路11の基板10側に形成されてもよい
し、さらには図１２に示すように、光導波路11中に周期
的な屈折率変化を与えて形成されてもよい。これは光入
射用ＬＧＣ12についても同様である。
に凸形のＬＧＣ13を設けているが、このＬＧＣ13は図１
０に示すように凹形のものとされてもよいし、図１１に
示すように光導波路11の基板10側に形成されてもよい
し、さらには図１２に示すように、光導波路11中に周期
的な屈折率変化を与えて形成されてもよい。これは光入
射用ＬＧＣ12についても同様である。
【００５２】また、前述したような方法でクラッド層15
を作成すると、その界面15ａは平滑にはならず、ＬＧＣ
13の凹凸に対応した凹凸を有することが多い。そのよう
な凹凸が形成されてしまっても、−１次回折光21の回折
効率は２％程度低下するだけであり、実用上はさほど問
題とならない。
を作成すると、その界面15ａは平滑にはならず、ＬＧＣ
13の凹凸に対応した凹凸を有することが多い。そのよう
な凹凸が形成されてしまっても、−１次回折光21の回折
効率は２％程度低下するだけであり、実用上はさほど問
題とならない。
【００５３】また本実施例の光導波路素子においては、
クラッド層15の端部が外側に向かって次第に低くなる形
状とされているので、導波光20’がこのクラッド層端部
（具体的には図２中で左側のもの）近傍の光導波路11の
部分を通過する際に散乱してしまうことが防止され、よ
って導波光20’の伝搬損失が低く抑えられるようにな
る。
クラッド層15の端部が外側に向かって次第に低くなる形
状とされているので、導波光20’がこのクラッド層端部
（具体的には図２中で左側のもの）近傍の光導波路11の
部分を通過する際に散乱してしまうことが防止され、よ
って導波光20’の伝搬損失が低く抑えられるようにな
る。
【００５４】なお、以上の説明では、２次元（スラブ）
光導波路について述べたが、本発明は３次元光導波路に
対しても適用可能であり、その場合も同様に光入出力の
高効率化が実現され得る。
光導波路について述べたが、本発明は３次元光導波路に
対しても適用可能であり、その場合も同様に光入出力の
高効率化が実現され得る。
【図１】本発明の一実施例による光導波路素子の概略側
面図
面図
【図２】図１の光導波路素子の要部を拡大して示す側面
図
図
【図３】本発明の光導波路素子における高効率条件の範
囲例を示すグラフ
囲例を示すグラフ
【図４】クラッド層屈折率ｎc に対する、回折格子周期
Λおよびクラッド層厚さｔc の関係の一例を示すグラフ
Λおよびクラッド層厚さｔc の関係の一例を示すグラフ
【図５】クラッド層屈折率ｎc に対する、−１次回折効
率Ｐ1 および放射損失係数αの関係の一例を示すグラフ
率Ｐ1 および放射損失係数αの関係の一例を示すグラフ
【図６】回折格子のピッチ対線幅比Ｒに対する、−１次
回折効率Ｐ1 および放射損失係数αの関係の一例を示す
グラフ
回折効率Ｐ1 および放射損失係数αの関係の一例を示す
グラフ
【図７】回折格子の高さｔg に対する、−１次回折効率
Ｐ1 および放射損失係数αの関係の一例を示すグラフ
Ｐ1 および放射損失係数αの関係の一例を示すグラフ
【図８】クラッド層高さｔc と−１次回折効率Ｐ1 との
関係の一例を、回折格子のピッチ対線幅比Ｒ毎に示すグ
ラフ
関係の一例を、回折格子のピッチ対線幅比Ｒ毎に示すグ
ラフ
【図９】回折格子のピッチ対線幅比Ｒと−１次回折効率
Ｐ1 との関係の一例を、クラッド層高さｔc 毎に示すグ
ラフ
Ｐ1 との関係の一例を、クラッド層高さｔc 毎に示すグ
ラフ
【図１０】本発明の光導波路素子における回折格子の別
の例を示す概略側面図
の例を示す概略側面図
【図１１】本発明の光導波路素子における回折格子のさ
らに別の例を示す概略側面図
らに別の例を示す概略側面図
【図１２】本発明の光導波路素子における回折格子のさ
らに別の例を示す概略側面図
らに別の例を示す概略側面図
10 基板 11 光導波路 12 光入射用ＬＧＣ 13 光出射用ＬＧＣ 14、15 クラッド層
Claims (4)
- 【請求項１】 透明基板上の光導波路に、該光導波路内
を伝搬する導波光を回折させて光導波路外に取り出す回
折格子が形成されるとともに、この回折格子の上にクラ
ッド層が形成された導波路素子において、 前記光導波路、クラッド層、および回折格子が、 −１次回折光が基板側のみに回折するとともに、それよ
りも次数の絶対値が大きい高次回折光が基板側およびク
ラッド層側に回折し、かつ、 クラッド層側に回折して該クラッド層の光導波路と反対
側の界面で反射した少なくとも１つの高次回折光と、そ
れと同次の基板側に出射した高次回折光とが互いに弱め
合うように構成されていることを特徴とする光導波路素
子。 - 【請求項２】 請求項１記載の光導波路素子が、前記基
板側のみに回折した−１次回折光が辿る光路を外部光が
逆向きに辿るように配置され、この外部光を前記回折格
子で回折させて該光導波路内に入射させるように用いら
れていることを特徴とする光導波路素子。 - 【請求項３】 前記弱め合う高次回折光が、−２次およ
び／または−３次回折光であることを特徴とする請求項
１または２記載の光導波路素子。 - 【請求項４】 前記弱め合う高次回折光に、偶数次の高
次回折光が含まれることを特徴とする請求項１から３い
ずれか１項記載の光導波路素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP639392A JP2689196B2 (ja) | 1992-01-17 | 1992-01-17 | 光導波路素子 |
| US08/284,283 US5436991A (en) | 1992-01-11 | 1994-08-02 | Optical waveguide device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP639392A JP2689196B2 (ja) | 1992-01-17 | 1992-01-17 | 光導波路素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05188229A JPH05188229A (ja) | 1993-07-30 |
| JP2689196B2 true JP2689196B2 (ja) | 1997-12-10 |
Family
ID=11637126
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP639392A Expired - Fee Related JP2689196B2 (ja) | 1992-01-11 | 1992-01-17 | 光導波路素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2689196B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08313743A (ja) * | 1995-05-17 | 1996-11-29 | Nec Corp | 光入出力結合器及びその製造方法 |
-
1992
- 1992-01-17 JP JP639392A patent/JP2689196B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05188229A (ja) | 1993-07-30 |
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Legal Events
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