JP2929481B2 - Optical function element - Google Patents

Optical function element

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JP2929481B2
JP2929481B2 JP4127578A JP12757892A JP2929481B2 JP 2929481 B2 JP2929481 B2 JP 2929481B2 JP 4127578 A JP4127578 A JP 4127578A JP 12757892 A JP12757892 A JP 12757892A JP 2929481 B2 JP2929481 B2 JP 2929481B2
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    • H01S5/4031Edge-emitting structures

Landscapes

  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光機能デバイスの光導
波路を伝わる光波のスポット径を他の光機能デバイスに
低損失で変換する光結合デバイスに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical coupling device for converting a spot diameter of a light wave propagating through an optical waveguide of an optical functional device into another optical functional device with low loss.

【0002】[0002]

【従来の技術】互いに構造の異なった光機能デバイス間
を光結合させる場合、例えば、半導体レーザダイオード
(LD)と単一モードファイバとの間を光結合させる場
合、レーザダイオード素子端面とファイバとを直接突き
合わせて結合(バットジョイント)させると、互いの光
導波路の光波スポットサイズが異なっているので、直接
突き合わる部分の結合損失が問題になる。通常、レーザ
ダイオードの光波スポットサイズ(モード半径:W)は
1μm程度であり、ファイバのスポットサイズは約5μ
mであるので、この結合損失は約10dBになる。そこ
で、レンズによってスポットサイズを変換することによ
って結合損失を低減化する方法が一般にとられる。
2. Description of the Related Art When optically coupling optical functional devices having different structures from each other, for example, when optically coupling between a semiconductor laser diode (LD) and a single mode fiber, the end face of the laser diode element and the fiber are connected. When the butt joints are directly joined to each other, the light waveguide spot sizes of the optical waveguides are different from each other, so that there is a problem of the coupling loss of the directly joined portions. Usually, the light spot size (mode radius: W) of the laser diode is about 1 μm, and the spot size of the fiber is about 5 μm.
m, this coupling loss is about 10 dB. Therefore, a method of reducing the coupling loss by converting the spot size by a lens is generally adopted.

【0003】ここで、複数のレーザダイオードを形成し
た光機能素子とアレーファイバとの間を、1個のレンズ
で光結合させる場合について、従来の光結合構成例を図
1に示す。図1において、804は半導体基板、805
はレーザダイオードの活性領域(光導波路部)、812
はレンズ、806は光ファイバ、807はファイバを一
定の間隔で固定するためのvグルーブ・アレーである。
このような構成においては、レーザダイオードの集積規
模が大きくなるに従って、レンズの収差等の影響により
結合損失が大きくなるために、1個の半導体に集積でき
るレーザダイオードの個数に制限があった。
FIG. 1 shows an example of a conventional optical coupling configuration in which a single lens is used to optically couple an optical function element having a plurality of laser diodes and an array fiber. In FIG. 1, reference numeral 804 denotes a semiconductor substrate;
Denotes an active region (optical waveguide portion) of a laser diode, 812
Is a lens, 806 is an optical fiber, and 807 is a v-groove array for fixing the fiber at regular intervals.
In such a configuration, as the integration scale of the laser diode increases, the coupling loss increases due to the influence of lens aberration and the like, so that the number of laser diodes that can be integrated in one semiconductor is limited.

【0004】また、図2、図3に示すような、テーパ状
の光導波路により光のスポットサイズを変換する光結合
デバイスを、レンズの代りとして用いることにより、レ
ーザダイオードとファイバ間を低損失に光結合させる方
法がある。図2は、このような従来の光結合デバイスの
上面図、図3は同デバイスの断面図である。
Further, by using an optical coupling device for converting the spot size of light with a tapered optical waveguide as shown in FIGS. 2 and 3 in place of a lens, the loss between the laser diode and the fiber can be reduced. There is a method of optical coupling. FIG. 2 is a top view of such a conventional optical coupling device, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the same device.

【0005】図4は前記光結合デバイスの動作原理を説
明するための図である。すなわち、図4から分かるよう
に、光導波路のコア層908の規格化屈折率差Δn〔=
(n1 −n2 )/n1 、n2 :クラッド層901、90
9の屈折率、n1 :コア層908の屈折率〕を、一定の
大きさに固定した場合、コア層908の厚さt、幅wを
0から次第に大きくしていくと、導波光(基本モード
光)のスポットサイズWは、無限大から次第に小さくな
り、極小値をとった後、再び大きくなる関係がある。こ
こで、厚さt、幅wが大きくなり過ぎると、多モード導
波路になり、高次モード変換による損失が大きくなるた
めに、通常、この領域の寸法は用いられない。この関係
を利用して、光結合デバイスのコア層908の大きさ
(t、w)の設計においては、光入射端側(レーザダイ
オードとの結合側)では、レーザダイオード光のスポッ
トサイズ(約1μm)と同程度のスポットサイズWi
与える寸法(厚みti 、幅wi が数100nm〜数μ
m)に、光出射端側では、ファイバのスポットサイズ
(約5μm)と同程度の大きさW0 を与える寸法(厚み
0、幅w0 が10nm〜10000nm)に設定され
る。また、コア層908の大きさがテーパ状になる領域
の長さLは、放射による損失を低減するために、約10
0μmから数mm以上の長さに設定される。しかし、光
出射端側の寸法t0 もしくはw0 を小さくして、W0
大きくすると、図5に示すように、光ファイバの導波光
強度分布がほぼガウス分布形状になっているのに対し、
導波路の光強度分布は、導波路の幅と屈折率差および伝
搬光の波長によって決まる周知のパラメータである規格
化周波数vが1より小さくなるために、指数関数形状に
なる。このため、形状の不整合による結合損失が大きく
なる欠点があった。
FIG. 4 is a diagram for explaining the operation principle of the optical coupling device. That is, as can be seen from FIG. 4, the normalized refractive index difference Δn [= of the core layer 908 of the optical waveguide.
(N 1 −n 2 ) / n 1 , n 2 : cladding layers 901, 90
9 and n 1 : refractive index of the core layer 908] are fixed to a certain size, and when the thickness t and the width w of the core layer 908 are gradually increased from 0, the guided light (basic The spot size W of the (mode light) gradually decreases from infinity, takes a minimum value, and then increases again. Here, if the thickness t and the width w are too large, the waveguide becomes a multimode waveguide, and the loss due to higher-order mode conversion increases. Therefore, the dimensions of this region are not usually used. Utilizing this relationship, in designing the size (t, w) of the core layer 908 of the optical coupling device, the spot size (about 1 μm) of the laser diode light on the light incident end side (coupling side with the laser diode) ) sized to give the same degree of spot size W i (thickness t i, width w i is the number 100nm~ number μ
m), the dimensions (thickness t 0 and width w 0 are 10 nm to 10000 nm) that give a size W 0 similar to the spot size (about 5 μm) of the fiber on the light emitting end side are set. In addition, the length L of the region where the size of the core layer 908 is tapered is about 10 to reduce radiation loss.
The length is set from 0 μm to several mm or more. However, when the dimension t 0 or w 0 on the light emitting end side is reduced and W 0 is increased, the guided light intensity distribution of the optical fiber has an almost Gaussian distribution shape as shown in FIG. ,
The light intensity distribution of the waveguide has an exponential shape because the normalized frequency v, which is a well-known parameter determined by the waveguide width, the refractive index difference, and the wavelength of the propagating light, is smaller than 1. For this reason, there was a disadvantage that the coupling loss due to the shape mismatch was increased.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、異な
る2つの光機能デバイス、特に複数のデバイスを集積化
した光機能デバイス間を低損失で光結合することが可能
な光結合デバイスと、光機能デバイスの光結合方法と、
この光結合により一体化されて得られる光機能素子と、
を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an optical coupling device capable of low-loss optical coupling between two different optical functional devices, particularly an optical functional device in which a plurality of devices are integrated. An optical coupling method for an optical functional device;
An optical functional element obtained by being integrated by this optical coupling;
Is to provide.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明の光機能素子は、
単一モード光ファイバもしくは単一モード光導波路部品
に光学的に結合する光入出力半導体導波路と半導体光機
能素子部とが同一基板上に形成された光機能素子であっ
て、該光入出力半導体導波路を構成する光導波路層が、
該基板上の少なくとも一部において、少なくともその大
きさまたは屈折率を光伝搬方向に沿って変化させ、これ
により該光入出力半導体導波路の入出力端部の規格化周
波数の大きさが0.6から1.0の範囲に設定される。
The optical functional device according to the present invention comprises:
A single-mode optical fiber or a single-mode optical waveguide component ; an optical functional element in which an optical input / output semiconductor waveguide and a semiconductor optical functional element unit optically coupled to a single-mode optical waveguide component are formed on the same substrate; An optical waveguide layer constituting the optical input / output semiconductor waveguide,
In at least a part of the substrate, at least the size or the refractive index is changed along the light propagation direction, so that the magnitude of the normalized frequency at the input / output end of the optical input / output semiconductor waveguide is 0. It is set in the range of 6 to 1.0.

【0008】[0008]

【作用】前記構成の光結合デバイスによれば、他の光機
能素子と接続する端面部の光導波路の規格化周波数を適
当な大きさに設定することができ、これにより、低損失
な光結合を実現可能となる。
According to the optical coupling device having the above-mentioned structure, the normalized frequency of the optical waveguide at the end face to be connected to another optical functional element can be set to an appropriate value, thereby achieving low-loss optical coupling. Can be realized.

【0009】[0009]

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例と原理
を詳細に説明する。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention;

【0010】(実施例1)図6(a),(b)は、本発
明による光結合デバイスの実施例を示すものであり、ア
レーレーザダイオード素子とファイバとの間に、本発明
の光結合デバイスを挿入し、低損失に光結合をとる場合
の構成図である。
(Embodiment 1) FIGS. 6A and 6B show an embodiment of an optical coupling device according to the present invention. An optical coupling device according to the present invention is provided between an array laser diode element and a fiber. It is a block diagram in the case of inserting a device and performing optical coupling with low loss.

【0011】図6の(a)は上面図、(b)は断面図で
あり、101は本発明にかかる光結合デバイスの半導体
基板、102はスポットサイズ変換導波路、103は反
射防止膜、104は半導体基板、105はレーザダイオ
ード活性層(光導波路部)、106は単一モード光ファ
イバ、107はvグルーブ・アレーである。
FIG. 6A is a top view, FIG. 6B is a sectional view, 101 is a semiconductor substrate of the optical coupling device according to the present invention, 102 is a spot size conversion waveguide, 103 is an antireflection film, 104 Is a semiconductor substrate, 105 is a laser diode active layer (optical waveguide section), 106 is a single mode optical fiber, and 107 is a v-groove array.

【0012】この構成では、光結合デバイスの光導波路
102によって、レーザダイオード104の光波スポッ
トサイズから次第に大きさを変換し、光出射端部におい
て適当なサイズに変換している。
In this configuration, the size of the light spot of the laser diode 104 is gradually converted by the optical waveguide 102 of the optical coupling device, and is converted to an appropriate size at the light emitting end.

【0013】(実施例2)図7は、本発明の他の実施例
を示すもので、図6に示した光結合デバイスと半導体レ
ーザをモノリシックに集積化した構成の斜視図である。
図8ないし図11は、本発明の原理を説明するためのグ
ラフである。
(Embodiment 2) FIG. 7 shows another embodiment of the present invention, and is a perspective view of a structure in which the optical coupling device and the semiconductor laser shown in FIG. 6 are monolithically integrated.
8 to 11 are graphs for explaining the principle of the present invention.

【0014】図7において、201はInPよりなる半
導体基板であり、光導波路のクラッド部になる。20
2、205は、InGaAs、InGaAsP、InA
lAs等からなるコア層であり、202の部分はスポッ
トサイズ変換部、205の部分は通常の半導体レーザと
同様の構造を有した発光部(活性層、半導体機能素子
部)である。209はInGaAsP、InP等よりな
るクラッド層であり、211は出射光である。テーパ部
のコア層202の幅w、厚さtは、レーザとの接続部で
は半導体機能素子のスポット形状と同様の大きさを与え
るwi 、ti に設定される。そして、光出射部では、そ
こに接続される光機能デバイス(例えば、光ファイバ)
との結合損失が小さくなるw0 、t0 の大きさに設定さ
れる。コア層、クラッド層の屈折率の大きさは、それぞ
れn1 、n2 である。
In FIG. 7, reference numeral 201 denotes a semiconductor substrate made of InP, which serves as a clad of an optical waveguide. 20
2, 205 are InGaAs, InGaAsP, InA
A portion 202 is a spot size conversion portion, and a portion 205 is a light emitting portion (active layer, semiconductor functional element portion) having the same structure as a normal semiconductor laser. Reference numeral 209 denotes a cladding layer made of InGaAsP, InP or the like, and 211 denotes outgoing light. The width w and the thickness t of the core layer 202 in the tapered portion are set to w i and t i that give the same size as the spot shape of the semiconductor functional element at the connection with the laser. Then, in the light emitting portion, an optical functional device (for example, an optical fiber) connected thereto
Are set to w 0 and t 0 at which the coupling loss with respect to is small. The magnitudes of the refractive indexes of the core layer and the cladding layer are n 1 and n 2 , respectively.

【0015】n1 、n2 の大きさは、半導体材料を選ぶ
ことにより任意に設定できる。例えば、クラッド層にI
nPを用いた場合、波長λ=1. 55μm帯の光に対し
ては、n=3. 166である。また、InGaAsPの
屈折率は、その組成によって、約3. 2から3. 5程度
まで任意の大きさに設定できる。また、コア層として多
重量子井戸層を用い、井戸層、障壁層の材質、厚さを選
択することにより任意に屈折率を設定できる。さらに、
例えば、選択成長マスクやエピタキシャル選択成長技
術、あるいはフォトリソグラフィ技術等を用いることに
より、コア層202の屈折率n1 や導波路寸法(w、
t)の大きさをテーパ状に設定、製作することができ
る。
The magnitudes of n 1 and n 2 can be arbitrarily set by selecting a semiconductor material. For example, I
When nP is used, n = 3.166 for light in the wavelength λ = 1.55 μm band. Further, the refractive index of InGaAsP can be set to any value from about 3.2 to about 3.5 depending on its composition. The refractive index can be arbitrarily set by using a multiple quantum well layer as the core layer and selecting the materials and thicknesses of the well layer and the barrier layer. further,
For example, by using a selective growth mask, an epitaxial selective growth technique, a photolithography technique, or the like, the refractive index n 1 of the core layer 202 and the waveguide dimensions (w,
The size of t) can be set and manufactured in a tapered shape.

【0016】このような構成において、光導波路の出射
部の大きさ(w0 、t0 )とコア層の屈折率n1 をパラ
メータにした場合において、光ファイバと直接結合させ
た時の結合損失の計算結果を図8に示す。ここでは、コ
ア形状を円形と仮定し、波長λ=1. 55μm、クラッ
ド層の屈折率n2 =3. 166とした。図から分かるよ
うに、コア層の屈折率n1 の大きさに対して、低損失な
特性を得るためには、最適なコア径dw の大きさがあ
り、1dB以下の良好な特性を実現可能なことが分か
る。これらの低結合損失特性を得ることができる導波路
の光スポット形状は、計算によると、前記図5に示した
ような指数関数状になっているが、そのスポット径は光
ファイバのスポット径とは異なった大きさになってい
る。
In such a configuration, when the size (w 0 , t 0 ) of the output portion of the optical waveguide and the refractive index n 1 of the core layer are used as parameters, the coupling loss when directly coupling to the optical fiber is used. 8 shows the calculation results. Here, it is assumed that the core has a circular shape, the wavelength λ is 1.55 μm, and the refractive index n 2 of the cladding layer is 3.166. As can be seen from the figure, in order to obtain low loss characteristics with respect to the refractive index n 1 of the core layer, there is an optimum core diameter d w , and good characteristics of 1 dB or less are realized. We see what is possible. According to calculations, the light spot shape of the waveguide from which these low coupling loss characteristics can be obtained has an exponential function shape as shown in FIG. 5, but the spot diameter is equal to the spot diameter of the optical fiber. Are of different sizes.

【0017】これらの導波路において、その規格化周波
数(規格化導波路幅)v〔=k・n1 ・dw ・(2Δ)
1/2 /2、k=2π/λ、Δ=(n1 2−n2 2)/2
1 2〕と、ファイバとの結合損失の関係、およびパラメ
ータvと規格化等価屈折率b〔=(n2 −n2 2)/(n
1 2−n2 2)、n:導波路の等価屈折率〕との関係の計算
結果を図9、図10に示す。
In these waveguides, their normalized frequency (normalized waveguide width) v [= kn 1 d w (2Δ)
1/2 / 2, k = 2π / λ, Δ = (n 1 2 -n 2 2) / 2
and n 1 2], the relationship of coupling loss between the fiber and the parameter v and the normalized equivalent refractive index b [= (n 2 -n 2 2) / (n
1 2 -n 2 2), n : 9, shown in Figure 10 the calculation results of the relationship between the effective refractive index of the waveguide].

【0018】図9より、規格化周波数vの大きさを0.
7〜0. 8程度にした時、低結合損失の特性を得られ、
1 が小さくなる程、最適な規格化周波数vの大きさは
やや大きくなり、しかも低損失特性を得るための規格化
周波数vの製作許容偏差量も緩くなる傾向があることが
分かる。実用上、上記規格化周波数vは、0.6〜1.
であれば、良好な結合特性が得られる。
FIG. 9 shows that the magnitude of the normalized frequency v is set to 0.
When it is set to about 7 to 0.8, characteristics of low coupling loss can be obtained,
It can be seen that the smaller the value of n 1, the larger the optimum normalized frequency v becomes, and the more the manufacturing tolerance of the normalized frequency v for obtaining low loss characteristics tends to become loose. In practice, the normalized frequency v is 0.6 to 1.
If it is 2 , good bonding characteristics can be obtained.

【0019】この時、規格化等価屈折率bの大きさとし
ては、図10より、0. 0001〜0. 1程度の大きさ
にすれば良いことが分かる。
At this time, it is understood from FIG. 10 that the magnitude of the normalized equivalent refractive index b should be about 0.0001 to 0.1 .

【0020】これらの結果より、光結合デバイスが光フ
ァイバと低損失に結合するには、互いの光スポット径を
合わせるのではなく、デバイスの導波路の規格化周波数
vを最適な値になるように、材質・構造を設計すれば良
いことが分かる。
From these results, in order for the optical coupling device to couple with the optical fiber with low loss, the normalized frequency v of the waveguide of the device is set to an optimum value instead of adjusting the light spot diameter of each other. Next, it is understood that the material and structure should be designed.

【0021】なお、通常、光デバイスに用いられる単一
モード半導体導波路や光ファイバは、光の閉じ込めを強
くするために、規格化周波数vが約2程度の構造になっ
ている。
Normally, a single mode semiconductor waveguide or an optical fiber used for an optical device has a structure having a normalized frequency v of about 2 in order to strengthen light confinement.

【0022】図8、図9では、クラッド層としてInP
(n2 =3. 166)を用いた場合について述べたが、
2 が大きくなる程、低結合損失特性を与える最適な規
格化周波数vは小さい値になる傾向があることを計算よ
り確かめている。したがって、使用する材料・材質に合
わせて最適な規格化周波数vを設定すれば良い。
FIGS. 8 and 9 show InP as a cladding layer.
(N 2 = 3.166) has been described,
It has been confirmed by calculation that the larger the value of n 2, the smaller the optimum normalized frequency v that gives low coupling loss characteristics. Therefore, the optimum normalized frequency v may be set according to the material to be used.

【0023】以上の計算では、導波路形状が円形の場合
を示したが、通常、製作できる導波路は、図7に示すよ
うな方形、あるいは台形、三角形等の形状になる。この
ような場合、n1 、n2 が等しい時、コアの断面積を同
じ大きさにすると、円形の場合と同様の特性が得られる
ことを有限要素法や差分法等の計算で確認できる。例え
ば、n1 =3. 3、n2 =3. 166、w0 =0. 4μ
m、t0 =0. 3μmの方形の場合について計算した導
波路の光強度分布を、図11に示す。この場合、円形の
導波路(dw ≒0. 4μm)の特性と同じになり、光フ
ァイバと低損失な光結合ができる。以後、導波路形状が
円形以外の導波路についても、コアの断面積が同じであ
る円形導波路の規格化周波数をもって、その導波路の規
格化周波数とする。
In the above calculation, the case where the shape of the waveguide is circular is shown, but usually, the waveguide that can be manufactured has a shape such as a square, a trapezoid, or a triangle as shown in FIG. In such a case, when n 1 and n 2 are equal to each other, it can be confirmed by calculation using the finite element method, the difference method, or the like that if the core has the same cross-sectional area, the same characteristics as in the case of the circular shape can be obtained. For example, n 1 = 3.3, n 2 = 3.166, w 0 = 0.4 μ
FIG. 11 shows the light intensity distribution of the waveguide calculated for a square having m and t 0 = 0.3 μm. In this case, the characteristics are the same as those of the circular waveguide (d w ≒ 0.4 μm), and low-loss optical coupling with the optical fiber can be achieved. After that, the waveguide shape
The waveguides other than circular have the same core cross-sectional area.
The standardized frequency of a circular waveguide
And the rated frequency.

【0024】図7の実施例において、半導体基板201
とクラッド層209にInPを用いるとともに、コア層
202にInGaAsP(n1 =3. 3)を用い、レー
ザ部は通常のレーザダイオード構造(wi =2μm、t
i =0. 3μm)とし、テーパ導波路の出射部では、w
0 =0. 4μm、t0 =0. 3μmとした場合の実験結
果を、図12および図13に示す。図12の(a),
(b),(c)は、導波路202からの出射光211の
近視野像であり、スポット径は約10μm程度の大きさ
になっていることが分かる。
In the embodiment shown in FIG.
And with use of InP cladding layer 209, InGaAsP core layer 202 (n 1 = 3. 3 ) using a laser unit is normally laser diode structure (w i = 2μm, t
i = 0.3 μm), and at the exit of the tapered waveguide, w
0 = 0. 4 [mu] m, the experimental results when the t 0 = 0. 3μm, shown in FIGS. 12 and 13. (A) of FIG.
(B) and (c) are near-field images of the light 211 emitted from the waveguide 202, and it can be seen that the spot diameter is about 10 μm.

【0025】また、図13は、出射光211を光ファイ
バと結合させた時、光ファイバの光軸と垂直方向の軸ず
れ許容特性を示す。図から、実験結果は計算とよく一致
しており、ほぼファイバ同士の許容特性と同様の結果が
得られている。この時の光結合デバイスの全挿入損失
(テーパ導波路の伝搬損失、ファイバとの結合損失を含
む)は、3dB以下の低損失な特性を得ることができ
た。
FIG. 13 shows allowable axis deviation characteristics in a direction perpendicular to the optical axis of the optical fiber when the emitted light 211 is coupled to the optical fiber. From the figure, the experimental results are in good agreement with the calculations, and almost the same results as the allowable characteristics between fibers are obtained. At this time, the total insertion loss (including the propagation loss of the tapered waveguide and the coupling loss with the fiber) of the optical coupling device could be a low loss characteristic of 3 dB or less.

【0026】以上の説明では、InP基板上にスポット
サイズ変換用導波層を形成する場合について説明した
が、他の半導体材料、例えば、GaAs系に対しても同
様に製作できることは明らかである。
In the above description, the case where the waveguide layer for spot size conversion is formed on the InP substrate has been described. However, it is obvious that other semiconductor materials, for example, GaAs-based materials can be similarly manufactured.

【0027】また、光導波路材料として半導体材料を中
心に説明したが、ポリマー等の有機材料や石英等のガラ
ス材料を、光導波路材料として用いても、本発明を適用
できることは言うまでもない。
Although the semiconductor waveguide material has been mainly described as an optical waveguide material, it is needless to say that the present invention can be applied even when an organic material such as a polymer or a glass material such as quartz is used as the optical waveguide material.

【0028】また、以上の説明では、光導波路のクラッ
ド部になる基板材料とクラッド層の材質を同じにした場
合について説明したが、これらに異なった材料を組み合
せて非対称構造の導波路構成にしても、上記実施例と同
様の原理を利用できる。
In the above description, the case where the material of the cladding layer and the material of the cladding layer of the optical waveguide are the same is described. However, these materials are combined with each other to form an asymmetric waveguide structure. Also, the same principle as in the above embodiment can be used.

【0029】さらに、以上の説明では、光ファイバを接
続する場合について説明したが、この他に、他の半導体
光導波路部品、あるいはガラス導波路部品など、あらゆ
る光導波路部品との接続部に対しても、それら導波路の
光強度分布に合わせるように、本発明による光結合デバ
イス導波路の規格化周波数の大きさを設定すれば、低結
合損失の特性を実現できることも明らかである。
Further, in the above description, the case where the optical fiber is connected has been described. In addition to the above, the connection portion with any optical waveguide component such as another semiconductor optical waveguide component or a glass waveguide component may be used. However, if the normalized frequency of the optical coupling device waveguide according to the present invention is set so as to match the light intensity distribution of those waveguides, it is apparent that the characteristics of low coupling loss can be realized.

【0030】本発明の光結合デバイスは、半導体材料よ
り構成されるので、例えば、半導体レーザやレーザダイ
オードアンプ、光スイッチ等の光機能素子の光入出射端
部に、本発明の光結合デバイスを同一基板上にモノリシ
ックに集積化した光デバイスを実現することも可能であ
る。この場合、半導体基板上に、光機能素子導波路を形
成する時に、本発明の光結合用導波路を同時に形成する
か、あるいは光機能素子部を形成した後、互いの導波路
を直接突き合わせるように光結合用テーパ導波路を形成
しても良い。
Since the optical coupling device of the present invention is made of a semiconductor material, the optical coupling device of the present invention is connected to the light input / output end of an optical functional element such as a semiconductor laser, a laser diode amplifier, or an optical switch. It is also possible to realize an optical device monolithically integrated on the same substrate. In this case, when forming the optical functional device waveguide on the semiconductor substrate, the optical coupling waveguide of the present invention is formed at the same time, or after forming the optical functional device portion, the waveguides are directly butted against each other. As described above, a tapered waveguide for optical coupling may be formed.

【0031】[0031]

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、光導
波路のコア部の大きさ、もしくは屈折率をテーパ状に形
成し、他の光機能素子と接続する端面部の光導波路の規
格化周波数を適当な大きさに設定することにより、低損
失な光結合を可能としている。
As described above, according to the present invention, the size or the refractive index of the core portion of the optical waveguide is formed in a tapered shape, and the standardization of the optical waveguide at the end face portion connected to another optical functional element is performed. By setting the frequency to an appropriate value, low-loss optical coupling is enabled.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】従来の光結合方法を示した平面構成図である。FIG. 1 is a plan view showing a conventional optical coupling method.

【図2】従来の光結合デバイスの平面構成図である。FIG. 2 is a plan view of a conventional optical coupling device.

【図3】従来の光結合デバイスの側断面図である。FIG. 3 is a side sectional view of a conventional optical coupling device.

【図4】従来の光結合デバイスにおけるコアの大きさと
スポットサイズとの関係を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a core size and a spot size in a conventional optical coupling device.

【図5】従来の光結合デバイスの動作原理を示したグラ
フである。
FIG. 5 is a graph showing the operation principle of a conventional optical coupling device.

【図6】本発明の一実施例を示すもので、(a)は本発
明の光結合デバイスの上面図であり、(b)は同断面図
である。
FIGS. 6A and 6B show an embodiment of the present invention, wherein FIG. 6A is a top view of the optical coupling device of the present invention, and FIG.

【図7】本発明の他の実施例を示すもので、本発明の光
結合デバイスの斜視図である。
FIG. 7 shows another embodiment of the present invention, and is a perspective view of the optical coupling device of the present invention.

【図8】本発明の光結合デバイスの動作原理を説明する
ためのもので、テーパ導波路の出射端部の構造と光ファ
イバ結合損失との関係を示したグラフである。
FIG. 8 is a graph for explaining the operation principle of the optical coupling device of the present invention, and is a graph showing the relationship between the structure of the output end of the tapered waveguide and the coupling loss of the optical fiber.

【図9】本発明の光結合デバイスの動作原理を説明する
ためのもので、導波路の規格化周波数と、光ファイバの
結合損失との関係を示したグラフである。
FIG. 9 is a graph for explaining the operation principle of the optical coupling device of the present invention, and is a graph showing the relationship between the normalized frequency of the waveguide and the coupling loss of the optical fiber.

【図10】本発明の光結合デバイスの動作原理を説明す
るためのもので、導波路の規格化周波数と、光ファイバ
の規格化等価屈折率との関係を示したグラフである。
FIG. 10 is a graph for explaining the operation principle of the optical coupling device of the present invention, and is a graph showing a relationship between a normalized frequency of a waveguide and a normalized equivalent refractive index of an optical fiber.

【図11】方形導波路の光強度分布を示したグラフであ
る。
FIG. 11 is a graph showing a light intensity distribution of a rectangular waveguide.

【図12】本発明の光結合デバイスの光強度特性を示す
もので、(a)は光強度等高線を示すグラフであり、
(b)は(a)図の線1に沿う光強度分布を示すグラフ
であり、(c)は(a)図の線2に沿う光強度分布を示
すグラフである。
FIG. 12 is a graph showing light intensity characteristics of the optical coupling device of the present invention, in which (a) is a graph showing light intensity contours;
(B) is a graph showing a light intensity distribution along a line 1 in (a), and (c) is a graph showing a light intensity distribution along a line 2 in (a).

【図13】本発明の光結合デバイスにおける軸ずれ量に
対する結合損失変化を示すグラフである。
FIG. 13 is a graph showing a change in coupling loss with respect to the amount of axial deviation in the optical coupling device of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 半導体基板 102 スポットサイズ変換導波路 103 反射防止膜 104 半導体基板 105 レーザダイオード活性層 106 光ファイバ 107 vグルーブ・アレー 201 半導体基板 202 スポットサイズ変換導波路 209 クラッド層 211 出射光 804 半導体基板 806 光ファイバ 807 vグルーブ・アレー 812 レンズ 901 半導体基板 908 コア層 909 クラッド層 910 入射光 911 出射光 Reference Signs List 101 semiconductor substrate 102 spot size conversion waveguide 103 antireflection film 104 semiconductor substrate 105 laser diode active layer 106 optical fiber 107 v groove array 201 semiconductor substrate 202 spot size conversion waveguide 209 clad layer 211 outgoing light 804 semiconductor substrate 806 optical fiber 807 v-groove array 812 lens 901 semiconductor substrate 908 core layer 909 cladding layer 910 incident light 911 outgoing light

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永沼 充 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61−232406(JP,A) 特開 平1−288802(JP,A) 特開 平2−195309(JP,A) ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Mitsuru Naganuma 1-6, Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Nippon Telegraph and Telephone Corporation (56) References JP-A-61-232406 (JP, A) JP-A-Hei 1-288802 (JP, A) JP-A-2-195309 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】単一モード光ファイバもしくは単一モード
光導波路部品に光学的に結合する光入出力半導体導波路
と半導体光機能素子部とが同一基板上に形成された光機
能素子であって、 該光入出力半導体導波路を構成する光導波路層が、該基
板上の少なくとも一部において、少なくともその大きさ
または屈折率を光伝搬方向に沿って変化させ、これによ
り該光入出力半導体導波路の入出力端部の規格化周波数
の大きさが0.6から1.0の範囲に設定されているこ
とを特徴とする光機能素子。
1. A single mode optical fiber or single mode
An optical functional element in which an optical input / output semiconductor waveguide optically coupled to an optical waveguide component and a semiconductor optical functional element section are formed on the same substrate, and an optical waveguide layer forming the optical input / output semiconductor waveguide. In at least a part of the substrate, at least its size or refractive index is changed along the light propagation direction, whereby the magnitude of the normalized frequency of the input / output end of the optical input / output semiconductor waveguide is reduced. An optical functional device, wherein the optical functional device is set in a range of 0.6 to 1.0.
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