JP2708119B2 - 単一モード光導波装置 - Google Patents
単一モード光導波装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は光通信装置に用いられる光導波装置に関する
ものである。 〔従来の技術とその問題点〕 光導波装置は、光通信において、方向性結合器や位相
変調器や干渉計振幅変調器のような導波装置と、光フア
イバとのいずれにも使用される。 一般に、光導波装置は、導波領域と、この導波領域の
周縁に配置された１つまたは複数個の閉じ込め領域と、
この導波領域に電磁波を結合するための連結部とを有す
る。導波領域の平均屈折率は閉じ込め領域の屈折率より
も大きい。使用中においては、連結部で結合される電磁
波は導波領域に沿つて伝播する。 光通信装置において、信号の損失をできるだけ小さく
することが好ましい。このような装置に使用される導波
装置を設計するさいに、第１にこの装置内での伝播損失
が小さいこと、そして第２にこの装置とそれに連結され
る部品との間の結合損失が小さいことが重要である。伝
播損失が0.1dB/cmのように小さな導波装置は開発されて
いるが、結合損失を小さくするという点ではいろいろと
問題点がある。具体的にいえば、導波装置を光フアイバ
に結合するさいに、いろいろな問題点が生じている。 ２つの導波装置を連結するさいの結合損失を小さくす
るためには、おのおのの装置の接合部における電磁界の
分布がほぼ同じでなければならない。けれども、今日、
通常に使用されている光フアイバの電磁界の分布とほぼ
同じ電磁界の分布をもつた導波装置を製造することは、
極めて難しいことがわかつている。 通常の光フアイバでは、導波領域と閉じ込め領域と
は、屈折率の違いによつてえられている。この屈折率の
違いは、光フアイバの横断面では、円対称にまたは楕円
状に分布している。通信装置において、特に遠距離通信
装置において、現在用いられている大部分の光フアイバ
は単一モードである。この光フアイバは、直径が15μｍ
またはそれ以下の大きな屈折率のコアと、その外側の12
5μｍ程の外径をもつ小さな屈折率のクラツドとで構成
される。これらの光フアイバは、0.8μｍから1.65μｍ
までの範囲の波長の電磁波を伝送するのに用いられ、こ
の光フアイバに沿つて伝播する電磁波は単一横モードで
ある。一般に、ビーム・スポットの寸法は５μｍから15
μｍまでの範囲内にあり、光フアイバ内での屈折率の変
化の分布状況のために、ビームの横断面での形状は、円
対称または楕円状である。（ここで、本明細書において
使われているビーム寸法またはビーム・スポツトの寸法
とは、ビームまたはビーム・スポツト内での電磁界の分
布において1/eになる点間の全幅のことであることを断
つておく。） 光フアイバとは違つて、導波装置は一般に平板状の材
料でつくられる。この場合の屈折率の変化は、曲線に沿
つて分布させるよりも、平面界面に沿つて分布させる方
がはるかに容易である。例えば、半導体導波装置は、基
板の上に、エピタクシヤル成長された材料層の形で製造
することができる。この場合、屈折率の変化は、２つの
直交する方向のおのおのにおいて、つくることができ
る。第１に、異つた屈折率の材料を使うことにより、材
料の層との間の界面に、屈折率の変化をつくることがで
きる。第２に、直交する方向における屈折率の変化は、
材料層の中に段差をつくることによつて、例えば、マス
クを使用してエツチングを行なうことによつてつくられ
た段差により、つくることができる。この段差は空気に
さらされたままであつてもよいし、または予め選定され
た屈折率をもつた適当な材料で埋めてもよい。空気の場
合には、その屈折率は半導体材料の屈折率よりも小さ
い。 導波装置の１つの単純な形のもの、すなわち、半導体
リブ導波装置は、基板と、この基板の上に、エピククシ
ヤルに順次に成長された３つの材料層とで構成される。
この３層は、導波層とその両側に配置された２つの閉じ
込め層であつて、導波層の屈折率は閉じ込め層の屈折率
よりも大きい。閉じ込め層を配置する２次的役割りとし
て、下閉じ込め層は伝播電磁波の基板による吸収を防止
し、上閉じ込め層はこの装置の上面につくられる金属接
触体層による吸収を防止する。上閉じ込め層の厚さの少
なくとも一部分から材料が除去され、そしてまた導波層
の厚さの少なくとも一部分からも材料が除去されて、直
立したリブがつくられる。この時、導波領域は、リブの
中の導波層と、隣接する閉じ込め層領域とで構成され
る。閉じ込めは、導波層と閉じ込め層との間の屈折率の
差と、それと垂直の方向のリブの両側の屈折率の変化と
によつてえられる。 このような半導体導波装置をつくのに適した材料は、
ガリウム・ヒ素、ガリウム・アルミニウム・ヒ素、また
はインジウム・リン、およびインジウム・ガラウム・ヒ
素・リンなどのIII−Ｖ族半導体材料である。これらの
いずれの場合にも、これらの材料の中に存在するガリウ
ムおよびアルミニウムの量を変えるといつたよく知られ
ている方法によつて、材料の屈折率の変化を制御するこ
とができる。（ここで、本明細書において用いられる
「上」および「下」という用語は装置の特定の方向を指
すものととられるかも知れないが、これは説明の便宜の
ためのものであつて、上下方向という特定の方向に限定
されるものではないことを断つておく。） 別の形式のリブ導波装置では、リブはその後の成長段
階によつて埋め込むことができる、または、層のおのお
のは異なる屈折率をもつた薄い層の複合体であることが
できる。閉じ込め層は互いに必らずしも同じ屈折率、ま
たは同じ平均屈折率をもつ必要はない。 または、導波装置はニオブ酸リチウムのような誘電体
でつくることもできる。この場合には、導波領域と閉じ
込め領域は違つた方法で製造されるが、やはり、装置内
の事実上平らである面に沿つて、屈折率の変化がつくら
れる。 屈折率が変化する位置を変えることによつて、そして
これらの変化の値を変えることによつて、この装置内を
伝播するビームの性質を制御することができる。前記半
導体リブ導波装置において、異なる層に対して選定され
た材料は、ビームを制御するために、変えることができ
る。 単一横モード・ビームが伝播する装置をうるために、
比較的狭い光閉じ込めを行なつて、伝播を行なわせると
よいことがわかつている。すなわち、電磁波を導波領域
に閉じ込める作用をする屈折率の変化の位置が、互いに
物理的に接近させておくことである。このことにより、
単一横モードがえられるが、またスポツトの寸法も小さ
くなる。ここで、この装置を光フアイバに連結するさい
に、問題点が生ずる。適切な形状の横断面をもつたビー
ムをうることは比較的簡単であるけれども、それと共
に、通常用いられる光フアイバと大きな結合をもつ良好
な連結がえられるために、十分な大きさのスポツト寸法
をうることは簡単ではない。大きさスポツト寸法をうる
ために、比較的広い光閉じ込めを行なうことが提案され
た。すなわち、屈折率が変化する位置を、互いに離れる
ように移動させることである。けれども、この屈折率の
変化する位置を互いに離れるように移動させると、伝送
は多モードになつてしまう。屈折率の変化の値を小さく
することによつて、単一モード伝送を保持することがで
きるが、このために屈折率の変化を非常に小さくするこ
とが要求される傾向があつて、この装置の大量生産が難
しくなる。 〔技術的課題とその解決手段の特徴〕 本発明の１つの目的は、光通信装置に使用するための
単一モード導波装置をうることにあり、この単一モード
導波装置は大きなスポツト寸法をもつように設計するこ
とが可能であつて、従来の装置よりもその製造が格段に
容易なものである。 本発明により、その第１の特徴として、光電磁波を単
一モード光フアイバに結合するための単一モード導波装
置がえられる。この導波装置は導波領域を有しており、
そしてこの導波領域は、互いに直交する２つの方向にお
いて、屈折率の大きな領域とその両側に配置された屈折
率の小さな領域とによつて定められる。互いに直交する
２つの方向のうちの第１の方向においては、屈折率の変
化が大きく、そして広い光閉じ込めがえられる。第２の
方向においては、屈折率の変化は小さく、そして狭い光
閉じ込めがえられる。小さな屈折率の領域が大きな屈折
率の領域よりもずつと広く存在し、それにより使用中の
この装置内を伝播する電磁波が小さな屈折率の領域を越
えて大幅に漏洩することがない。この導波装置のビーム
・スポツトが少ないともほぼ楕円状であるように、装置
が構成される。 この場合、屈折率の大きな変化とは、例えば、少なく
とも0.02を意味するとしてもよい。また、屈折率の小さ
な変化とは、例えば、0.0001と0.01も含めて、0.0001か
ら0.01までの範囲内を意味するとしてもよい。 ここで、広い光閉じ込めとは、屈折率の変化が（0.8W
1−２）と2.3W1も含めて、（0.8W1−２）から2.3W1まで
の範囲内の距離だけ離れていることを意味するとしてよ
い。ここで、W1は２つの方向のおのおのにおけるこの装
置のビーム・スポツトの幅の平均値である。一方、狭い
閉じ込めとは、屈折率の変化がW1を越えない距離だけ離
れていることを意味するとしてよい。 この装置を光フアイバに連結するために、W1は典型的に
は、５μｍと15μｍも含めて、５μｍから15μｍまでの
範囲内にあることが要求される。 本発明により、その第２の特徴として、スポツト寸法
W0の事実上円形のビーム、または楕円状のビームの光導
波器に結合するための、単一モード導波装置がえられ
る。この導波装置は、導波領域と閉じ込め領域とを有す
る。導波領域は、第１対の平行平面界面と、第２対の平
行平面界面とを有する。界面がその中にあるこれらの平
面はまた、横断面が長方形の材料の領域を定める。第１
対の界面は、厚さがＴで屈折率がn1の材料の１次層と、
その両側に配置された平均屈折率n2およびn4の材料の上
２次層および下２次層との間の面である。第２対の界面
は、屈折率がn3の材料の２つの領域の間に配置された、
厚さｔの上２次層の領域の両側面によつて少なくとも部
分的に与えられる。これらにおいて、次の条件が適用さ
れる。 （ｉ） （n1−n3）は0.02より大きいか、または等し
い。 （ii） （n1−n4）および（n1−n2）のおのおのが0.01
と0.0001も含めて、0.01から0.0001までの範囲内にあ
る。 （iii） ＴはW0より小さいか、または等しい。 （iv） ｔは（0.8W0−２）と2.3W0も含めて、（0.8W0
−２）から2.3W0までの範囲内にある。 （ｖ） ２次層の厚さは、この装置の使用中に、電磁波
がこれらの層を越えて漏洩しないように十分厚い。 ここで、すべての長さはμｍで与えられている。 本発明による装置は、スポツト寸法が５μｍと15μｍ
も含めて５μｍから15μｍまでの範囲内にある光フアイ
バに連結された時、意外なことに、屈折率の非常に小さ
な変化による光閉じ込めが、２つの直交する方向の両方
向でなく、１つの方向だけで起つているにもかかわら
ず、単一横モードがえられていることがわかつた。した
がつて、屈折率の精密な制御は、従来の装置のように４
つの界面に関してではなく、２つの界面についてだけ実
行すればよいので、この導波装置の製造は簡単になる。 さらに、導波領域が見かけ上大幅に非対称であるにも
かかわらず、ビーム・スポツトはほぼ円対称または楕円
状であり、したがつて、光フアイバとよい整合がえられ
る。 屈折率n3の材料の２つの領域の間に配置された上２次
層の幅ｔの領域は、上２次層内の対向した段差によつて
つくられた直立するリブで構成することができる。この
直立するリブの両側に、屈折率n3の材料が配置される。
または、この段差は上２次層を越えて１次層の中にまで
延長されてもよく、またはさらに下２次層にまで延長さ
れてもよい。 本発明による導波装置は、例えば、金属有機蒸気相エ
ピタキシ（MOVPE）成長段階と、エツチング段階とのよ
うな、標準的な製造技術によつて、半導体材料から製造
することができる。 〔実施例〕 本発明の１つの実施例であるリブ導波装置を、例示の
目的のために、添付図面を参照して説明する。 第１図にリブ導波装置が示されている。この導波装置
は導波層２を有しており、この導波層２の両側に閉じ込
め層、すなわち、バツフア層1,3が配置されている。下
のバツフア層１はその一部分だけが図面に示されている
が、この下のバツフア層１は基板（図示されていない）
の上に配置されている。一方、導波層２と上バツフア層
３は、この装置のリブを構成する。 この装置は、波長λが1.55μｍで、ビームの横断面で
の分布が少なくともほぼガウス形である電磁波を伝送
し、ビーム・スポツトの寸法が10μｍである、光フアイ
バと共に用いられるように設計されている。 下バツフア層１の厚さは12μｍであり、そしてGaAlAs
で構成されていて、その屈折率n2は3.4376である。導波
層２の厚さＴは２μｍであり、そしてGaAsで構成されて
いて、その屈折率n1は3.44である。上バツフア層３の厚
さは８μｍであり、そしてまたGaAlAsで構成されてい
て、その屈折率n4は3.4376である。リブの幅ｔは14μｍ
である。リブの側面とリブの上はいずれも空気であつ
て、その屈折率n3は1.0である。 第２図に示されているように、前記装置は単一モード
・ビームを生ずる。この単一モード・ビームの電磁界の
分布の様子が、ほぼ円対称である等強度線４によつて示
されている。 さらに、前記装置はスポツト寸法が10μｍでガウス形
電界分布をもつ円対称光フアイバに連結される時、結合
効果が87％（0.6dB）であると計算されている。 第１図で説明したリブ導波装置はその側面と上表面と
が空気であるリブを有しているけれども、実際には、こ
のリブを他の材料で埋めることもできる。リブが埋めら
れる場合には、この埋め込まれる材料の屈折率はn3で表
される。 前記装置は具体的な装置の１つであつて、特定の波長
1.55μｍの電磁波の円形ビーム・スポツトを生ずるとい
う特定の特性をもつた光フアイバと共に動作するように
設計されたものである。けれども、実際には、この導波
装置はいろいろな特性の光導波器と連結するようにする
ことができる。 導波装置を、水平軸方向の寸法がWoxで、垂直軸方向
の寸法がWoy（これらの平均値がWo）である楕円状ビー
ム・スポツトをもつ導波器に連結するものとする。Wox
およびWoyは次の範囲内にあるものとする。 および 次の記号を用いるとする。 n1＝１次層の屈折率、 n2＝下２次層の屈折率、 n3＝リブの両側の材料の屈折率（前記実施例では、こ
の両側の材料は空気）、 n4＝上２次層の屈折率、 t ＝リブの幅、 T ＝１次層の厚さ、 λ＝関与する電磁波の波長。 この導波装置の設計は、本発明の範囲内において、次の
設計条件内で変更することができる。 （ｉ） Ｔを次の式に従つて選定する。 （ii） n1とn2を次の式に従つて選定する。 （iii） n3を次の式に従つて選定する。（iv） n4を次の式に従つて選定する。 （ｖ） ｔを次の式に従つて選定する。 および 閉じ込め層1,3の厚さは、この導波装置を使用するさい
に、伝播するビームから電磁波が閉じ込め層1,3を越え
て漏洩しないように、十分に厚くなければならない。例
えば、閉じ込め層1,3のおのおのの厚さは少なくとも2/3
Woに等しくするとよい。 このことから、２つの閉じ込め層1,3の屈折率は必ら
ずしも等しくなくてもよいことがわかるであろう。 前記設計条件の範囲内において設計された導波装置に
より、本質的に、１つの軸に沿つての屈折率の小さな違
いであつて、狭い領域に光学的閉じ込めがえられること
と、垂直な軸に沿つての屈折率の大きな違いでもつて、
広い領域に光学的閉じ込めがえられることとが、組み合
わせてえられる。意外なことに、垂直軸に沿つての屈折
率の差がより大きくそして広い閉じ込めであるにもかか
わらず、単一横モード伝播がえられる。 本発明の実施例による導波装置は、位相変調器のよう
な第２装置を光フアイバに連結するさいの端部部品とし
て用いることができる。このように用いた場合、利点が
えられる。それは、第２装置が要求するパラメータと、
光フアイバと良好な結合がえられるために必要なパラメ
ータとが相容れないことがあるからである。 装置の電磁界の分布は、装置の長さ方向に沿つてのも
のよりも、導波領域の端部部分におけるものが重要であ
ることがわかるであろう。それは、他の光学部品と連結
する部分が、導波装置の端部部分であるからである。 導波装置と光フアイバとの間の連結について主として
説明してきたけれども、光フアイバと類似のビーム特性
をもつた部品と連結する場合にも適用でき、部品それ自
身は光フアイバでなくてもよい。本発明による導波装置
は、もちろん、このような部品に対しても適切に使用す
ることができる。 〔発明の効果〕 本発明により、光フアイバと連結するさいに連結損失
が小さく、かつ、製造が容易な導波装置がえられる。２
つの直交する方向において、広い光閉じ込めと狭い閉じ
込めを行ない、それにより電磁界の分布が円対称または
楕円状になり、光フアイバの円形電磁界分布とよい整合
をうることができ、したがつて、連結のさいの連結損失
が小さい。また、光閉じ込めのための屈折率の差の精密
な制御は１つの方向についてのみ行なえばよいので、容
易にこの導波装置を製造することができる。
ものである。 〔従来の技術とその問題点〕 光導波装置は、光通信において、方向性結合器や位相
変調器や干渉計振幅変調器のような導波装置と、光フア
イバとのいずれにも使用される。 一般に、光導波装置は、導波領域と、この導波領域の
周縁に配置された１つまたは複数個の閉じ込め領域と、
この導波領域に電磁波を結合するための連結部とを有す
る。導波領域の平均屈折率は閉じ込め領域の屈折率より
も大きい。使用中においては、連結部で結合される電磁
波は導波領域に沿つて伝播する。 光通信装置において、信号の損失をできるだけ小さく
することが好ましい。このような装置に使用される導波
装置を設計するさいに、第１にこの装置内での伝播損失
が小さいこと、そして第２にこの装置とそれに連結され
る部品との間の結合損失が小さいことが重要である。伝
播損失が0.1dB/cmのように小さな導波装置は開発されて
いるが、結合損失を小さくするという点ではいろいろと
問題点がある。具体的にいえば、導波装置を光フアイバ
に結合するさいに、いろいろな問題点が生じている。 ２つの導波装置を連結するさいの結合損失を小さくす
るためには、おのおのの装置の接合部における電磁界の
分布がほぼ同じでなければならない。けれども、今日、
通常に使用されている光フアイバの電磁界の分布とほぼ
同じ電磁界の分布をもつた導波装置を製造することは、
極めて難しいことがわかつている。 通常の光フアイバでは、導波領域と閉じ込め領域と
は、屈折率の違いによつてえられている。この屈折率の
違いは、光フアイバの横断面では、円対称にまたは楕円
状に分布している。通信装置において、特に遠距離通信
装置において、現在用いられている大部分の光フアイバ
は単一モードである。この光フアイバは、直径が15μｍ
またはそれ以下の大きな屈折率のコアと、その外側の12
5μｍ程の外径をもつ小さな屈折率のクラツドとで構成
される。これらの光フアイバは、0.8μｍから1.65μｍ
までの範囲の波長の電磁波を伝送するのに用いられ、こ
の光フアイバに沿つて伝播する電磁波は単一横モードで
ある。一般に、ビーム・スポットの寸法は５μｍから15
μｍまでの範囲内にあり、光フアイバ内での屈折率の変
化の分布状況のために、ビームの横断面での形状は、円
対称または楕円状である。（ここで、本明細書において
使われているビーム寸法またはビーム・スポツトの寸法
とは、ビームまたはビーム・スポツト内での電磁界の分
布において1/eになる点間の全幅のことであることを断
つておく。） 光フアイバとは違つて、導波装置は一般に平板状の材
料でつくられる。この場合の屈折率の変化は、曲線に沿
つて分布させるよりも、平面界面に沿つて分布させる方
がはるかに容易である。例えば、半導体導波装置は、基
板の上に、エピタクシヤル成長された材料層の形で製造
することができる。この場合、屈折率の変化は、２つの
直交する方向のおのおのにおいて、つくることができ
る。第１に、異つた屈折率の材料を使うことにより、材
料の層との間の界面に、屈折率の変化をつくることがで
きる。第２に、直交する方向における屈折率の変化は、
材料層の中に段差をつくることによつて、例えば、マス
クを使用してエツチングを行なうことによつてつくられ
た段差により、つくることができる。この段差は空気に
さらされたままであつてもよいし、または予め選定され
た屈折率をもつた適当な材料で埋めてもよい。空気の場
合には、その屈折率は半導体材料の屈折率よりも小さ
い。 導波装置の１つの単純な形のもの、すなわち、半導体
リブ導波装置は、基板と、この基板の上に、エピククシ
ヤルに順次に成長された３つの材料層とで構成される。
この３層は、導波層とその両側に配置された２つの閉じ
込め層であつて、導波層の屈折率は閉じ込め層の屈折率
よりも大きい。閉じ込め層を配置する２次的役割りとし
て、下閉じ込め層は伝播電磁波の基板による吸収を防止
し、上閉じ込め層はこの装置の上面につくられる金属接
触体層による吸収を防止する。上閉じ込め層の厚さの少
なくとも一部分から材料が除去され、そしてまた導波層
の厚さの少なくとも一部分からも材料が除去されて、直
立したリブがつくられる。この時、導波領域は、リブの
中の導波層と、隣接する閉じ込め層領域とで構成され
る。閉じ込めは、導波層と閉じ込め層との間の屈折率の
差と、それと垂直の方向のリブの両側の屈折率の変化と
によつてえられる。 このような半導体導波装置をつくのに適した材料は、
ガリウム・ヒ素、ガリウム・アルミニウム・ヒ素、また
はインジウム・リン、およびインジウム・ガラウム・ヒ
素・リンなどのIII−Ｖ族半導体材料である。これらの
いずれの場合にも、これらの材料の中に存在するガリウ
ムおよびアルミニウムの量を変えるといつたよく知られ
ている方法によつて、材料の屈折率の変化を制御するこ
とができる。（ここで、本明細書において用いられる
「上」および「下」という用語は装置の特定の方向を指
すものととられるかも知れないが、これは説明の便宜の
ためのものであつて、上下方向という特定の方向に限定
されるものではないことを断つておく。） 別の形式のリブ導波装置では、リブはその後の成長段
階によつて埋め込むことができる、または、層のおのお
のは異なる屈折率をもつた薄い層の複合体であることが
できる。閉じ込め層は互いに必らずしも同じ屈折率、ま
たは同じ平均屈折率をもつ必要はない。 または、導波装置はニオブ酸リチウムのような誘電体
でつくることもできる。この場合には、導波領域と閉じ
込め領域は違つた方法で製造されるが、やはり、装置内
の事実上平らである面に沿つて、屈折率の変化がつくら
れる。 屈折率が変化する位置を変えることによつて、そして
これらの変化の値を変えることによつて、この装置内を
伝播するビームの性質を制御することができる。前記半
導体リブ導波装置において、異なる層に対して選定され
た材料は、ビームを制御するために、変えることができ
る。 単一横モード・ビームが伝播する装置をうるために、
比較的狭い光閉じ込めを行なつて、伝播を行なわせると
よいことがわかつている。すなわち、電磁波を導波領域
に閉じ込める作用をする屈折率の変化の位置が、互いに
物理的に接近させておくことである。このことにより、
単一横モードがえられるが、またスポツトの寸法も小さ
くなる。ここで、この装置を光フアイバに連結するさい
に、問題点が生ずる。適切な形状の横断面をもつたビー
ムをうることは比較的簡単であるけれども、それと共
に、通常用いられる光フアイバと大きな結合をもつ良好
な連結がえられるために、十分な大きさのスポツト寸法
をうることは簡単ではない。大きさスポツト寸法をうる
ために、比較的広い光閉じ込めを行なうことが提案され
た。すなわち、屈折率が変化する位置を、互いに離れる
ように移動させることである。けれども、この屈折率の
変化する位置を互いに離れるように移動させると、伝送
は多モードになつてしまう。屈折率の変化の値を小さく
することによつて、単一モード伝送を保持することがで
きるが、このために屈折率の変化を非常に小さくするこ
とが要求される傾向があつて、この装置の大量生産が難
しくなる。 〔技術的課題とその解決手段の特徴〕 本発明の１つの目的は、光通信装置に使用するための
単一モード導波装置をうることにあり、この単一モード
導波装置は大きなスポツト寸法をもつように設計するこ
とが可能であつて、従来の装置よりもその製造が格段に
容易なものである。 本発明により、その第１の特徴として、光電磁波を単
一モード光フアイバに結合するための単一モード導波装
置がえられる。この導波装置は導波領域を有しており、
そしてこの導波領域は、互いに直交する２つの方向にお
いて、屈折率の大きな領域とその両側に配置された屈折
率の小さな領域とによつて定められる。互いに直交する
２つの方向のうちの第１の方向においては、屈折率の変
化が大きく、そして広い光閉じ込めがえられる。第２の
方向においては、屈折率の変化は小さく、そして狭い光
閉じ込めがえられる。小さな屈折率の領域が大きな屈折
率の領域よりもずつと広く存在し、それにより使用中の
この装置内を伝播する電磁波が小さな屈折率の領域を越
えて大幅に漏洩することがない。この導波装置のビーム
・スポツトが少ないともほぼ楕円状であるように、装置
が構成される。 この場合、屈折率の大きな変化とは、例えば、少なく
とも0.02を意味するとしてもよい。また、屈折率の小さ
な変化とは、例えば、0.0001と0.01も含めて、0.0001か
ら0.01までの範囲内を意味するとしてもよい。 ここで、広い光閉じ込めとは、屈折率の変化が（0.8W
1−２）と2.3W1も含めて、（0.8W1−２）から2.3W1まで
の範囲内の距離だけ離れていることを意味するとしてよ
い。ここで、W1は２つの方向のおのおのにおけるこの装
置のビーム・スポツトの幅の平均値である。一方、狭い
閉じ込めとは、屈折率の変化がW1を越えない距離だけ離
れていることを意味するとしてよい。 この装置を光フアイバに連結するために、W1は典型的に
は、５μｍと15μｍも含めて、５μｍから15μｍまでの
範囲内にあることが要求される。 本発明により、その第２の特徴として、スポツト寸法
W0の事実上円形のビーム、または楕円状のビームの光導
波器に結合するための、単一モード導波装置がえられ
る。この導波装置は、導波領域と閉じ込め領域とを有す
る。導波領域は、第１対の平行平面界面と、第２対の平
行平面界面とを有する。界面がその中にあるこれらの平
面はまた、横断面が長方形の材料の領域を定める。第１
対の界面は、厚さがＴで屈折率がn1の材料の１次層と、
その両側に配置された平均屈折率n2およびn4の材料の上
２次層および下２次層との間の面である。第２対の界面
は、屈折率がn3の材料の２つの領域の間に配置された、
厚さｔの上２次層の領域の両側面によつて少なくとも部
分的に与えられる。これらにおいて、次の条件が適用さ
れる。 （ｉ） （n1−n3）は0.02より大きいか、または等し
い。 （ii） （n1−n4）および（n1−n2）のおのおのが0.01
と0.0001も含めて、0.01から0.0001までの範囲内にあ
る。 （iii） ＴはW0より小さいか、または等しい。 （iv） ｔは（0.8W0−２）と2.3W0も含めて、（0.8W0
−２）から2.3W0までの範囲内にある。 （ｖ） ２次層の厚さは、この装置の使用中に、電磁波
がこれらの層を越えて漏洩しないように十分厚い。 ここで、すべての長さはμｍで与えられている。 本発明による装置は、スポツト寸法が５μｍと15μｍ
も含めて５μｍから15μｍまでの範囲内にある光フアイ
バに連結された時、意外なことに、屈折率の非常に小さ
な変化による光閉じ込めが、２つの直交する方向の両方
向でなく、１つの方向だけで起つているにもかかわら
ず、単一横モードがえられていることがわかつた。した
がつて、屈折率の精密な制御は、従来の装置のように４
つの界面に関してではなく、２つの界面についてだけ実
行すればよいので、この導波装置の製造は簡単になる。 さらに、導波領域が見かけ上大幅に非対称であるにも
かかわらず、ビーム・スポツトはほぼ円対称または楕円
状であり、したがつて、光フアイバとよい整合がえられ
る。 屈折率n3の材料の２つの領域の間に配置された上２次
層の幅ｔの領域は、上２次層内の対向した段差によつて
つくられた直立するリブで構成することができる。この
直立するリブの両側に、屈折率n3の材料が配置される。
または、この段差は上２次層を越えて１次層の中にまで
延長されてもよく、またはさらに下２次層にまで延長さ
れてもよい。 本発明による導波装置は、例えば、金属有機蒸気相エ
ピタキシ（MOVPE）成長段階と、エツチング段階とのよ
うな、標準的な製造技術によつて、半導体材料から製造
することができる。 〔実施例〕 本発明の１つの実施例であるリブ導波装置を、例示の
目的のために、添付図面を参照して説明する。 第１図にリブ導波装置が示されている。この導波装置
は導波層２を有しており、この導波層２の両側に閉じ込
め層、すなわち、バツフア層1,3が配置されている。下
のバツフア層１はその一部分だけが図面に示されている
が、この下のバツフア層１は基板（図示されていない）
の上に配置されている。一方、導波層２と上バツフア層
３は、この装置のリブを構成する。 この装置は、波長λが1.55μｍで、ビームの横断面で
の分布が少なくともほぼガウス形である電磁波を伝送
し、ビーム・スポツトの寸法が10μｍである、光フアイ
バと共に用いられるように設計されている。 下バツフア層１の厚さは12μｍであり、そしてGaAlAs
で構成されていて、その屈折率n2は3.4376である。導波
層２の厚さＴは２μｍであり、そしてGaAsで構成されて
いて、その屈折率n1は3.44である。上バツフア層３の厚
さは８μｍであり、そしてまたGaAlAsで構成されてい
て、その屈折率n4は3.4376である。リブの幅ｔは14μｍ
である。リブの側面とリブの上はいずれも空気であつ
て、その屈折率n3は1.0である。 第２図に示されているように、前記装置は単一モード
・ビームを生ずる。この単一モード・ビームの電磁界の
分布の様子が、ほぼ円対称である等強度線４によつて示
されている。 さらに、前記装置はスポツト寸法が10μｍでガウス形
電界分布をもつ円対称光フアイバに連結される時、結合
効果が87％（0.6dB）であると計算されている。 第１図で説明したリブ導波装置はその側面と上表面と
が空気であるリブを有しているけれども、実際には、こ
のリブを他の材料で埋めることもできる。リブが埋めら
れる場合には、この埋め込まれる材料の屈折率はn3で表
される。 前記装置は具体的な装置の１つであつて、特定の波長
1.55μｍの電磁波の円形ビーム・スポツトを生ずるとい
う特定の特性をもつた光フアイバと共に動作するように
設計されたものである。けれども、実際には、この導波
装置はいろいろな特性の光導波器と連結するようにする
ことができる。 導波装置を、水平軸方向の寸法がWoxで、垂直軸方向
の寸法がWoy（これらの平均値がWo）である楕円状ビー
ム・スポツトをもつ導波器に連結するものとする。Wox
およびWoyは次の範囲内にあるものとする。 および 次の記号を用いるとする。 n1＝１次層の屈折率、 n2＝下２次層の屈折率、 n3＝リブの両側の材料の屈折率（前記実施例では、こ
の両側の材料は空気）、 n4＝上２次層の屈折率、 t ＝リブの幅、 T ＝１次層の厚さ、 λ＝関与する電磁波の波長。 この導波装置の設計は、本発明の範囲内において、次の
設計条件内で変更することができる。 （ｉ） Ｔを次の式に従つて選定する。 （ii） n1とn2を次の式に従つて選定する。 （iii） n3を次の式に従つて選定する。（iv） n4を次の式に従つて選定する。 （ｖ） ｔを次の式に従つて選定する。 および 閉じ込め層1,3の厚さは、この導波装置を使用するさい
に、伝播するビームから電磁波が閉じ込め層1,3を越え
て漏洩しないように、十分に厚くなければならない。例
えば、閉じ込め層1,3のおのおのの厚さは少なくとも2/3
Woに等しくするとよい。 このことから、２つの閉じ込め層1,3の屈折率は必ら
ずしも等しくなくてもよいことがわかるであろう。 前記設計条件の範囲内において設計された導波装置に
より、本質的に、１つの軸に沿つての屈折率の小さな違
いであつて、狭い領域に光学的閉じ込めがえられること
と、垂直な軸に沿つての屈折率の大きな違いでもつて、
広い領域に光学的閉じ込めがえられることとが、組み合
わせてえられる。意外なことに、垂直軸に沿つての屈折
率の差がより大きくそして広い閉じ込めであるにもかか
わらず、単一横モード伝播がえられる。 本発明の実施例による導波装置は、位相変調器のよう
な第２装置を光フアイバに連結するさいの端部部品とし
て用いることができる。このように用いた場合、利点が
えられる。それは、第２装置が要求するパラメータと、
光フアイバと良好な結合がえられるために必要なパラメ
ータとが相容れないことがあるからである。 装置の電磁界の分布は、装置の長さ方向に沿つてのも
のよりも、導波領域の端部部分におけるものが重要であ
ることがわかるであろう。それは、他の光学部品と連結
する部分が、導波装置の端部部分であるからである。 導波装置と光フアイバとの間の連結について主として
説明してきたけれども、光フアイバと類似のビーム特性
をもつた部品と連結する場合にも適用でき、部品それ自
身は光フアイバでなくてもよい。本発明による導波装置
は、もちろん、このような部品に対しても適切に使用す
ることができる。 〔発明の効果〕 本発明により、光フアイバと連結するさいに連結損失
が小さく、かつ、製造が容易な導波装置がえられる。２
つの直交する方向において、広い光閉じ込めと狭い閉じ
込めを行ない、それにより電磁界の分布が円対称または
楕円状になり、光フアイバの円形電磁界分布とよい整合
をうることができ、したがつて、連結のさいの連結損失
が小さい。また、光閉じ込めのための屈折率の差の精密
な制御は１つの方向についてのみ行なえばよいので、容
易にこの導波装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は装置の横断面図、
第２図はこの装置の電磁界の分布図。
〔記号の説明〕
２……導波領域
1,3……閉じ込め領域
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 マイクル ジエイ アダムス
イギリス国サフオーク，アイピー４ ２
デイ−エツチ，イプスウイツチ，クライ
ストチヤーチ ストリート，ベバーリイ
コート，12
(56)参考文献 特開 昭52−45296（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−88909（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．直交する２つの軸に沿って平均寸法W0の楕円状ビー
ム・スポットをもつ単一モード光導波器に波長λの電磁
波を結合するための単一モード半導体導波装置であっ
て、細長い導波領域と閉じ込め領域とを有し、前記導波
領域が事実上平行平面であるそれぞれ１対の第１の界面
と第２の界面とによって定められ、 前記界面がその中にある前記平面が長方形の横断面をも
つ材料領域を定め、前記第１の界面間の厚さがＴでかつ
屈折率がn1の材料から成る１次層と前記１次層の両側に
配置された平均屈折率n4およびn2の材料から成る上２次
層および下２次層とで定められ、前記第２の界面間の幅
がｔである前記１次層の領域と前記上２次層の領域、お
よび前記１次層と前記上２次層の両側に配置された屈折
率n3の材料から成る領域とによって少なくとも部分的に
定められ、次の設計条件、 （ｉ）（n1−n3）≧0.02 （ii）（n1−n4）および（n1−n2）のおのおのが0.01と
0.0001も含めて、0.01から0.0001までの範囲内にある、 （iii）使用中の前記装置内を伝播する電磁波が前記２
次層を越えて漏洩しないような厚さを前記２次層がもつ
こと、 が適用される、前記単一モード半導体導波装置。 ２．特許請求の範囲第１項において、 Ｔ≦W0 の設計条件が適用される、前記単一モード半導体導波装
置。 ３．特許請求の範囲１項または第２項のいずれかにおい
て、すべての長さがμｍで与えられるとして、ｔが、
（0.8W0−２）と2.3W0も含めて、（0.8W0−２）から2.3
W0までの範囲内にある、前記単一モード半導体導波装
置。 ４．特許請求の範囲第２項または第３項のいずれかにお
いて、前記W0が５μｍと15μｍ も含めて５μｍから15μｍまでの範囲内にある、前記単
一モード半導体導波装置。
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