JP2860666B2 - 光機能素子 - Google Patents

光機能素子

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JP2860666B2 JP1210069A JP21006989A JP2860666B2 JP 2860666 B2 JP2860666 B2 JP 2860666B2 JP 1210069 A JP1210069 A JP 1210069A JP 21006989 A JP21006989 A JP 21006989A JP 2860666 B2 JP2860666 B2 JP 2860666B2
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健治 河野
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勇 小高
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は光変調や光切換え等を行う光機能素子に関す
るものであり、特に高性能で小形の光通信装置を実現す
るのに有用な光機能素子に関するものである。
(従来技術) 近年、光通信の発展に伴い、光送受信装置,光交換装
置等の光通信装置の高性能,多機能,小形化が求められ
ている。このため、光通信装置に使用されている光デバ
イスも集積化が進んでいる。この集積形光機能素子の1
つとして、量子井戸構造半導体材料を用いたものがあ
る。これらの材料は、量子サイズ効果により大きな電界
吸収効果および電気光学効果を有しているため、高効率
で小形の光デバイスを実現することができる等の利点が
あり、光変調器や光スイッチ等、種々の光機能素子の研
究が進められている。一方、光源としては半導体レーザ
ダイオード(以下LDと記す)が開発されており、種々の
光通信方式に使用されている。
半導体レーザダイオードと、量子井戸構造半導体を用
いた外部光強度変調器および光ファイバとの間の光結合
に関して、従来の構成例を第1図(a)および(b)に
示す。
第1図(a)は変調器中央部の断面図、第1図(b)
は平面図を表わす。半導体レーザ(LD)1の活性層2か
ら出射した光6をレンズ3により変調器の光導波路4の
入射端部5に入射させる。この入射光7のスポットサイ
ズは光導波路入射端部5のスポットサイズとほぼ同じ大
きさにしている。本変調器では、多重量子井戸構造半導
体層として、量子井戸層にInGaAs、バリア層にInAlAsを
使用した場合を示しており、8はp側電極、9はp−In
GaAs層、10はp−InAlAsクラッド層、11は多重量子井戸
層、12はn−InAlAsクラッド層、13はn−InP基板、14
はn側電極である。さらに、変調器の出力側の光導波路
端15からの出射光16はレンズ17により光ファイバ18のコ
ア部19に入射される。
このような変調器では、変調駆動電圧が小さく、しか
も変調動作周波数の上限を大きくするために、多重量子
井戸層11の厚さは通常0.1〜1μm程度になっており、
その時の光導波路4のスポットサイズは〜0.5μm前後
の大きさになっている。一方、LD1および光ファイバ18
のスポットサイズはそれぞれ1μm,5μm程度である。
このため、LD1および光ファイバ18と変調器を直接光結
合させると、それぞれのスポットサイズが大きく異なる
ため、光結合効率が悪くなる欠点があった。また、第1
図に示すように、それぞれの光結合にレンズ3,17を用い
る場合、変調器のスポットサイズが〜0.5μm前後であ
り極めて小さいために、回折の効果によってレンズの収
差の影響を大きく受けて結合効率が良くならない欠点が
あった。
(発明が解決しようとする問題点) 以上のように、従来の光機能素子はLDもしくは光ファ
イバと光変調器間の導波路スポット径の不整合により結
合損失が大きいという欠点があった。従って、高性能な
光通信装置を実現するために半導体レーザダイオードと
の光結合を小形な構成で、しかも低損失で可能とする光
機能素子の開発が求められている。
本発明の目的は、上述した従来の問題点を解決し、光
半導体素子もしくは光ファイバとの間を小形な構成で低
損失に結合できる光機能素子を提供することにある。
(問題点を解決するための手段) このような目的を達成するために、本発明は基板面上
もしくは基板面の近傍に形成された光処理機能を有する
少なくとも1本の光導波路と、前記基板の端面に設けら
れた少なくとも1つの光入出力端と前記導波路を接続す
る入出力光導波路を具備した光機能素子であって、前記
入出力導波路を伝わる光波のスポット径が一様であり、
前記光処理機能を有する導波路を伝わる光波のスポット
径よりも大きくかつ、前記入出力導波路を伝わる光波の
スポット半径が、水平方向と垂直方向との各方向で、前
記光入出力端に入力又は出力する光波のスポット半径と
前記光処理機能を有する導波路を伝わる光波のスポット
半径との積の平方根になるように構成されたことを特徴
とする。
(作 用) 本発明による光機能素子は、基板上に形成した光変調
器等の機能を有する少なくとも1つの光導波路と、その
基板端面に設けた光入出力端を接続する入出力光導波路
よりなり、かつ、入力、もしくは出力、もしくは入出力
の光導波路を伝わる光のスポット径が、光処理機能を有
する光導波路を伝わる光のスポット径より大きくなるよ
うに構成されている。
このように、2種類の導波路の光スポット径を異なら
しめる手段としては、例えば(1)導波路の屈折率分布
を異ならしめること、(2)導波路の形状、例えば幅や
深さを異ならしめること等の手段がある。このうち、
(1)の手段は、後述するように、例えば異種材料を半
導体基板上に蒸着もしくはエピタキシャル成長させて導
波路を形成する場合に適用可能である。(2)の手段は
通常用いられるリソグラフィ技術、例えば化学的あるい
は物理的エッチング技術等によって導波路を形成する場
合には適用し易く、種々の導波路基板材料に対して適用
可能である。本発明においては、どのような構造であっ
ても、導波路のスポット径が異なっていれば本発明の目
的は十分に達成できる。
本発明によると、半導体レーザダイオードや光ファイ
バ等の光素子と接続される入出力光導波路の部分では、
光素子の導波路の光スポット径に近いスポット径になる
導波路構造を与え、かつ、それとは独立に、光処理機能
を有する導波路部分では、そこを伝わる光のスポット径
に、光処理機能の効率が最良になるような大きさを与え
る導波路構造にしてあるために、光半導体素子等と直接
結合した場合にも低損失な結合が可能となる。
(実施例) 以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
第2図は本発明による光機能素子の一実施例の構成図
である。従来例と同一構成部分は同一符号をもって表わ
している。20は多重量子井戸構造半導体を利用した光変
調器であり、例えばLDからの出力光6が基板13の端部に
入射端21をもつ入力光導波路22に光結合され、入力光導
波路22は変調器20の導波路4に接続されている。入射端
21と対向する基板の右端部に出射端23をもつ出力導波路
24が導波路4に接続されるように形成されており、そこ
からの出射光16は、例えば光ファイバに直接光結合させ
ている。光変調器20では、導波路4の寸法は、基本的に
は従来の光変調器と同制度の大きさにしてあり、変調駆
動電圧や動作周波数の大きさを考慮して、通常、導波路
幅wは2〜10μm,多重量子井戸層の厚さdは0.1〜1μ
m程度が選ばれる。これに対して、入・出力光導波路で
は、導波路幅wi,w0と、量子井戸層の厚さdi,d0はそれぞ
れのスポットサイズの大きさが、LDあるいは光ファイバ
のスポットサイズと光変調器の導波路のスポットサイズ
の中間の大きさになるように選ばれる。
次に、本発明の原理について説明する。
導波路の寸法と、そのスポットサイズの大きさの関係
は、導波路構成材料の屈折率の大きさにより決まる。例
えば、多重量子井戸層にInGaAs/InAlAsを用いた場合、
光の波長が1.5μm帯の変調器を構成する時、その屈折
率の大きさは約3.44前後になる。第3図(a)(b)は
クラッド層にInAlAsを用いた時、導波路の寸法d,wとス
ポットサイズの大きさの関係をマーカトリィの方法(参
考文献:西原著「光集積回路」オーム社出版p.33)で算
出した例である。第3図から分るように、導波路の寸法
d,wがある特定の寸法で、スポットサイズは極小値にな
り、それより小さくなる場合、あるいは大きくなる場
合、そのスポットサイズは大きくなる傾向を示す。従っ
て、d,wの大きさと、光導波路構成材料の屈折率等を適
当に選定することにより、光導波路のスポットサイズを
適当な大きさにすることができる。なお、スポットサイ
ズを大きくする時、第3図に示すように、d,wを大きく
する(bの領域の大きさ)と、マルチモード導波路にな
るので、単一モード導波路の場合、aの領域のd,wを選
ぶ事により、モード変換による損失を小さくすることが
できる。
一方第3図(a)に示すように、光導波路の水平方向
および垂直方向のスポット半径サイズをwx,wyと表わす
と、スポット半径サイズがwx1,wy1の光導波路Iと、ス
ポット半径サイズがwx2,wy2の光導波路IIとの間の結合
効率ηは近似的に次式の関係で与えられる。
η=4/{(wx1/wx2+wx2/wx1)(wy1/wy2+wy2/wy1)} (1) 式(1)の関係から分かるように、wx1=wx2,wy1=wy2
の時、結合効率はIになり、wx1とwx2,wy1とwy2の大き
さが異なるに従って、結合効率ηは著しく劣化するする
ことになる。
第2図の本発明の実施例において、例えば、スポット
サイズがwLD=1μmのLD、wF=5μmの光ファイバを
光変調器に直接光結合させる場合、光導波路4のスポッ
ト半径サイズが例えばwx=2μm,wy=0.5μmの時は、
入出力導波路のスポット半径サイズwix,wiy,wox,woyをw
ix=(wLD・wx1/21.4μm,wiy=(wLD・wy1/20.
7μm,wox=(wF・wx1/23.2μm,woy=(wF・wy1/2
1.6μm程度に選ぶと、それぞれの結合効率ηは最小
になり、入力導波路部22ではη−1dB,出力導波路部
24ではη−5.8dBになる。
従来の光変調器の構成(第1図)において、光変調器
とLDもしくは光ファイバを直接光結合させる場合、それ
ぞれのスポットサイズの大きさが上記の例と同じ場合、
光導波路入射端および出射端での結合効率はそれぞれ−
1.9dB,−8.6dB程度になるので、本発明の実施例では、
入出力全体の結合効率は、従来例と比較して約4dB改善
される事になる。
以上の実施例では、光機能素子の導波路とLDあるいは
光ファイバを直接結合させる場合について説明したが、
第1図に示すように、LDあるいは光ファイバと光機能素
子の間にレンズを挿入しても良い。この場合、本発明の
光機能素子の入出力導波路のスポットサイズを光機能素
子部20の導波路4のスポットサイズより大きくするよう
に構成すると、光の回折効果によるレンズ収差の影響を
従来例より低減できるので、低損失な光結合を実現する
ことができる。又、スポットサイズを大きくすることが
できるので光結合形の軸ずれトレランスが緩和され、モ
ジュール化において製作性が改善される。
次に第2図に示す本発明の実施例の光機能素子の形成
法について、第4図を用いて説明する。
第4図(a)に示すように、従来の光変調器等の光機
能素子に用いられるような量子井戸構造半導体層を有す
る半導体基板上に、入出力導波路および光変調器用導波
路の形状に合わせて、エッチング用マスクパターン25
を、フォトリソグラフィー技術により形成する。次に、
ケミカルエッチングあるいはドライエッチング等によ
り、光導波路部分以外の半導体層を除去する。さらに、
第4図(b)に示すように、光変調器用光導波路のみに
マスクパターン26を形成し、同様の方法により、入出力
導波路部を必要な厚さだけエッチングする。この時、入
出力導波路22,24の厚さdi,d0が異なる場合は、入力もし
くは出力導波路部に必要に応じて再度マスクパターンを
形成し、必要な厚さのdiとd0をエッチングにより実現す
れば良い。
本発明において量子井戸層としてInGaAs以外に、InGa
AsPあるいはInGaAlAs,GaAs,GaSb等の材料を用いてもよ
い。光機能素子として変調器の場合を以上で説明した
が、光スポットや光偏波制御器など、多重量子井戸構造
半導体あるいはバルク半導体等を用いた同種の光デバイ
スに本発明を適用すれば同様の効果を得ることができ
る。
(発明の効果) 以上で説明したように、本発明による光機能素子は、
光処理機能を有する導波路部分では、そこを伝わる光の
スポット径を、導波路伝播損失や光ファイバとの結合損
失が小さく、しかも光処理機能の効率が最良になるよう
な大きさを与える導波路構造にしてあるために、光半導
体素子と直接結合させた場合でも低損失な結合が可能と
なり高効率・小形の光通信装置を実現することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)(b)は従来例の構成を示す断面図及び平
面図、第2図は本発明による光機能素子の構成例を示す
斜視図、第3図(a)(b)は本発明の原理を説明する
ための特性図、第4図(a)(b)(c)は本発明によ
る光機能素子の製作法を説明するための斜視図である。 1……半導体レーザダイオード(LD)、2……LDの導波
路(活性層)、3……レンズ、4……光変調器の導波
路、5……光入射端部、6……LD出射光、7……入射
光、8……p側電極、9……p−InGaAs層、10……p−
InAlAsクラッド層、11……多重量子井戸構造半導体層、
12……n−InAlAsクラッド層、13……n−InP基板、14
……n側電極、15……光出射端、16……出射光、17……
レンズ、18……光ファイバ、19……光ファイバの導波路
(コア部)、20……光変調器、21……光入射端、22……
入力光導波路、23……光出射端、24……出力光導波路、
25,26……マスクパターン。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小高 勇 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 宮沢 丈夫 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 昭52−67344(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02B 6/12

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板面上もしくは基板面の近傍に形成され
    た光処理機能を有する少なくとも1本の光導波路と、前
    記基板の端面に設けられた少なくとも1つの光入出力端
    と前記導波路を接続する入出力光導波路を具備した光機
    能素子であって、前記入出力導波路を伝わる光波のスポ
    ット径が一様であり、前記光処理機能を有する導波路を
    伝わる光波のスポット径よりも大きくかつ、前記入出力
    導波路を伝わる光波のスポット半径が、水平方向と垂直
    方向との各方向で、前記光入出力端に入力又は出力する
    光波のスポット半径と前記光処理機能を有する導波路を
    伝わる光波のスポット半径との積の平方根になるように
    構成されたことを特徴とする光機能素子。
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