JP3006666B2 - 光結合デバイスおよび光結合方法 - Google Patents
光結合デバイスおよび光結合方法Info
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- JP3006666B2 JP3006666B2 JP3854895A JP3854895A JP3006666B2 JP 3006666 B2 JP3006666 B2 JP 3006666B2 JP 3854895 A JP3854895 A JP 3854895A JP 3854895 A JP3854895 A JP 3854895A JP 3006666 B2 JP3006666 B2 JP 3006666B2
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- optical
- optical coupling
- optical waveguide
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- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光導波路を伝わる光波
のスポットサイズを低損失で変換する光結合デバイスお
よび光結合方法に関するものである。
のスポットサイズを低損失で変換する光結合デバイスお
よび光結合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザダイオード（ＬＤ）や半導
体光スイッチ等の半導体光導波路デバイスと単一モード
光ファイバとの間を光結合させる場合、デバイス端面と
光ファイバを直接突合せ結合（バットジョイント）させ
ると、互いの光導波路光波スポットサイズが異なってい
るために、直接突合せ部の結合損失が問題になる。通
常、半導体光導波路デバイスの光波スポットサイズ（モ
ード直径：Ｗ）は２μｍ程度であり、光ファイバのスポ
ットサイズは約１０μｍ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する方法が一
般にとられる。
体光スイッチ等の半導体光導波路デバイスと単一モード
光ファイバとの間を光結合させる場合、デバイス端面と
光ファイバを直接突合せ結合（バットジョイント）させ
ると、互いの光導波路光波スポットサイズが異なってい
るために、直接突合せ部の結合損失が問題になる。通
常、半導体光導波路デバイスの光波スポットサイズ（モ
ード直径：Ｗ）は２μｍ程度であり、光ファイバのスポ
ットサイズは約１０μｍ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する方法が一
般にとられる。
【０００３】複数のレーザダイオード（ＬＤ）等を形成
した光機能素子とアレー光ファイバとの間を、１個のレ
ンズで光結合させる場合について、従来の構成例を図１
０に示す。図１０において、１０００は光機能デバイ
ス、１００２は半導体基板、１００１はＬＤの活性領域
（光導波路のコア）、１００９はレンズ、１０１０は光
ファイバ、１０１１は光ファイバを一定間隔で固定する
ためのＶグループアレーである。このような構成におい
ては、光機能デバイス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個の半導体基板に集積できる光機能素子部の
個数に制限があった。
した光機能素子とアレー光ファイバとの間を、１個のレ
ンズで光結合させる場合について、従来の構成例を図１
０に示す。図１０において、１０００は光機能デバイ
ス、１００２は半導体基板、１００１はＬＤの活性領域
（光導波路のコア）、１００９はレンズ、１０１０は光
ファイバ、１０１１は光ファイバを一定間隔で固定する
ためのＶグループアレーである。このような構成におい
ては、光機能デバイス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個の半導体基板に集積できる光機能素子部の
個数に制限があった。
【０００４】図１１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、レンズの代わりとして用いることにより、ＬＤと光
ファイバ間を低損失に光結合させる方法がある。図１１
（ａ）は、従来の光結合デバイスの上面図、（ｂ）は断
面図、図１２は動作原理を説明するための特性図であ
る。すなわち、図１２から分かるように、光導波路のコ
ア１１０１の比屈折率差Δｎ［＝（ｎ−ｎ1 ）／ｎ1 、
ｎ1 ，ｎはそれぞれクラッド層１１０２，１１０６、コ
ア層１１０１の屈折率］を一定の大きさに固定した場
合、コア１１０１の厚さｔ、もしくは幅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、無限の大きさ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、
ｔ，ｗが大きくなり過ぎると多モード光導波路になり、
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１１０１の大きさｔ，ｗの設計に
おいては、光入射端側（ＬＤとの結合側）では、ＬＤ光
１１０８のスポットサイズ（約２μｍ）と同程度のスポ
ットサイズＷi を与える寸法ｗi ，ｔi （＝数１００ｎ
ｍ〜数μｍ）に、光出射端側では、光ファイバのスポッ
トサイズ（約１０μｍ）と同程度の大きさＷ0 を与える
寸法ｔ0 ，ｗ0 （＝数１０ｎｍ〜数μｍ）に設定すれば
よい。また、コア１１０１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、数１
０μｍから数ｍｍ以上の長さに設定される。このような
光結合デバイスにおいて、ＳｉＯ2 やＬｉＮｂＯ3 等の
誘電体材料を用いた光結合デバイスは、コア部とクラッ
ド部の比屈折率差Δｎが通常１％以下であるので、光フ
ァイバと結合をとる光出射端側では、コアの大きさは数
ミクロン程度の大きさになる。しかし、半導体材料を用
いた光結合デバイスにおいては、そのΔｎが通常数％以
上であるので、光出射端部のコアの大きさはサブミクロ
ンの大きさになり、このために光出射端部の光波フィー
ルドが指数関数形状になる。従って、光波フィールドが
ガウス分布形状である光ファイバとの間で光波フィール
ドの相違による結合損失を生ずる欠点がある。図１３
は、半導体基板１１０２と上部半導体層１１０６が光フ
ァイバのスポットサイズＷf より充分厚い場合を従来例
において、光出射端でのコア幅ｗ0 に対する光ファイバ
結合損失特性を示す。ここでは、コア厚ｔ0 は一定
（０．１μｍ）としている。すなわち、テーパ導波路を
形成するには、サブミクロンオーダの寸法を加工する高
度なプロセス技術を要するが、特に、光ファイバと低結
合損失の特性を得るための光出射端でのコアの寸法トレ
ランスがサブミクロン以下になり、製作性に難点があっ
た。
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、レンズの代わりとして用いることにより、ＬＤと光
ファイバ間を低損失に光結合させる方法がある。図１１
（ａ）は、従来の光結合デバイスの上面図、（ｂ）は断
面図、図１２は動作原理を説明するための特性図であ
る。すなわち、図１２から分かるように、光導波路のコ
ア１１０１の比屈折率差Δｎ［＝（ｎ−ｎ1 ）／ｎ1 、
ｎ1 ，ｎはそれぞれクラッド層１１０２，１１０６、コ
ア層１１０１の屈折率］を一定の大きさに固定した場
合、コア１１０１の厚さｔ、もしくは幅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、無限の大きさ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、
ｔ，ｗが大きくなり過ぎると多モード光導波路になり、
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１１０１の大きさｔ，ｗの設計に
おいては、光入射端側（ＬＤとの結合側）では、ＬＤ光
１１０８のスポットサイズ（約２μｍ）と同程度のスポ
ットサイズＷi を与える寸法ｗi ，ｔi （＝数１００ｎ
ｍ〜数μｍ）に、光出射端側では、光ファイバのスポッ
トサイズ（約１０μｍ）と同程度の大きさＷ0 を与える
寸法ｔ0 ，ｗ0 （＝数１０ｎｍ〜数μｍ）に設定すれば
よい。また、コア１１０１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、数１
０μｍから数ｍｍ以上の長さに設定される。このような
光結合デバイスにおいて、ＳｉＯ2 やＬｉＮｂＯ3 等の
誘電体材料を用いた光結合デバイスは、コア部とクラッ
ド部の比屈折率差Δｎが通常１％以下であるので、光フ
ァイバと結合をとる光出射端側では、コアの大きさは数
ミクロン程度の大きさになる。しかし、半導体材料を用
いた光結合デバイスにおいては、そのΔｎが通常数％以
上であるので、光出射端部のコアの大きさはサブミクロ
ンの大きさになり、このために光出射端部の光波フィー
ルドが指数関数形状になる。従って、光波フィールドが
ガウス分布形状である光ファイバとの間で光波フィール
ドの相違による結合損失を生ずる欠点がある。図１３
は、半導体基板１１０２と上部半導体層１１０６が光フ
ァイバのスポットサイズＷf より充分厚い場合を従来例
において、光出射端でのコア幅ｗ0 に対する光ファイバ
結合損失特性を示す。ここでは、コア厚ｔ0 は一定
（０．１μｍ）としている。すなわち、テーパ導波路を
形成するには、サブミクロンオーダの寸法を加工する高
度なプロセス技術を要するが、特に、光ファイバと低結
合損失の特性を得るための光出射端でのコアの寸法トレ
ランスがサブミクロン以下になり、製作性に難点があっ
た。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、 スポットサイズの小さな光導波路デバイスとスポット
サイズの大きな光導波路デバイスを光結合するために、
スポットサイズを低損失で変換する光結合デバイスおよ
び光結合方法を提供すること、 半導体光導波路内の指数関数形の光波フィールド分布
を、光ファイバ内のガウス形光波フィールド分布に近い
形状に変換し、光波フィールド分布形状の相違による結
合損失を低減する光結合デバイスおよび光結合方法を提
供すること、 大きなスポットサイズの光導波路デバイスと接続する
側のコアの寸法に関し、製作精度の緩い光結合デバイス
および光結合方法を提供することにある。
サイズの大きな光導波路デバイスを光結合するために、
スポットサイズを低損失で変換する光結合デバイスおよ
び光結合方法を提供すること、 半導体光導波路内の指数関数形の光波フィールド分布
を、光ファイバ内のガウス形光波フィールド分布に近い
形状に変換し、光波フィールド分布形状の相違による結
合損失を低減する光結合デバイスおよび光結合方法を提
供すること、 大きなスポットサイズの光導波路デバイスと接続する
側のコアの寸法に関し、製作精度の緩い光結合デバイス
および光結合方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の解決手段
に従う光結合デバイスは、相対的にスポットサイズの大
きな光導波路デバイスと、相対的にスポットサイズの小
さな光導波路デバイスとを結合する光結合デバイスにお
いて、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、光
の伝搬方向に形状がテーパ状に変化しているコアと、前
記半導体基板上に形成され、前記コアを取り囲むように
構成された第１のクラッド層とを備え、前記第１のクラ
ッド層の屈折率が、前記コアよりも小さく、かつ前記半
導体基板よりも大きく、少なくとも前記スポットサイズ
の大きい光導波路デバイスとの光結合端面側近傍におい
て、前記第１のクラッド層の厚さを、前記光結合端面の
スポットサイズが前記スポットサイズの大きい光導波路
デバイスのスポットサイズの大きさに合うように設定し
たことを特徴とする。
に従う光結合デバイスは、相対的にスポットサイズの大
きな光導波路デバイスと、相対的にスポットサイズの小
さな光導波路デバイスとを結合する光結合デバイスにお
いて、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、光
の伝搬方向に形状がテーパ状に変化しているコアと、前
記半導体基板上に形成され、前記コアを取り囲むように
構成された第１のクラッド層とを備え、前記第１のクラ
ッド層の屈折率が、前記コアよりも小さく、かつ前記半
導体基板よりも大きく、少なくとも前記スポットサイズ
の大きい光導波路デバイスとの光結合端面側近傍におい
て、前記第１のクラッド層の厚さを、前記光結合端面の
スポットサイズが前記スポットサイズの大きい光導波路
デバイスのスポットサイズの大きさに合うように設定し
たことを特徴とする。
【０００７】本発明の第２の解決手段に従う光結合デバ
イスは、上述の第１の解決手段に従う光結合デバイスに
おいて、少なくとも前記スポットサイズの大きい光導波
路デバイスとの光結合端面側近傍において、前記コアの
両脇に、前記第１のクラッド層を介して、前記第１のク
ラッド層よりも小さい屈折率を持つ第２のクラッド層を
配したことを特徴とする。
イスは、上述の第１の解決手段に従う光結合デバイスに
おいて、少なくとも前記スポットサイズの大きい光導波
路デバイスとの光結合端面側近傍において、前記コアの
両脇に、前記第１のクラッド層を介して、前記第１のク
ラッド層よりも小さい屈折率を持つ第２のクラッド層を
配したことを特徴とする。
【０００８】本発明の第３の解決手段に従う光結合デバ
イスは、上述の第２の解決手段に従う光結合デバイスに
おいて、少なくとも前記スポットサイズの大きい光導波
路デバイスとの光結合端面側近傍において、前記２つの
第２のクラッド層の間隔を、前記光結合端面のスポット
サイズが前記スポットサイズの大きい光導波路デバイス
のスポットサイズの大きさに合うように設定したことを
特徴とする。
イスは、上述の第２の解決手段に従う光結合デバイスに
おいて、少なくとも前記スポットサイズの大きい光導波
路デバイスとの光結合端面側近傍において、前記２つの
第２のクラッド層の間隔を、前記光結合端面のスポット
サイズが前記スポットサイズの大きい光導波路デバイス
のスポットサイズの大きさに合うように設定したことを
特徴とする。
【０００９】本発明の第４の解決手段に従う光結合デバ
イスは、上述の第１，第２または第３の解決手段に従う
光結合デバイスにおいて、前記第１のクラッド層の上
に、前記第１のクラッド層よりも小さな屈折率を持つ第
３のクラッド層を配したことを特徴とする。
イスは、上述の第１，第２または第３の解決手段に従う
光結合デバイスにおいて、前記第１のクラッド層の上
に、前記第１のクラッド層よりも小さな屈折率を持つ第
３のクラッド層を配したことを特徴とする。
【００１０】本発明の第５の解決手段に従う光結合デバ
イスは、上述の第２，第３または第４の解決手段に従う
光結合デバイスにおいて、前記第２のクラッド層をｎ+
形半導体で構成したことを特徴とする。
イスは、上述の第２，第３または第４の解決手段に従う
光結合デバイスにおいて、前記第２のクラッド層をｎ+
形半導体で構成したことを特徴とする。
【００１１】本発明の第６の解決手段に従う光結合デバ
イスは、上述の第４または第５の解決手段に従う光結合
デバイスにおいて、少なくとも前記半導体基板もしくは
前記第３のクラッド層をｎ+ 形半導体で構成したことを
特徴とする。
イスは、上述の第４または第５の解決手段に従う光結合
デバイスにおいて、少なくとも前記半導体基板もしくは
前記第３のクラッド層をｎ+ 形半導体で構成したことを
特徴とする。
【００１２】本発明の第７の解決手段に従う光結合デバ
イスは、相対的にスポットサイズの大きな光導波路デバ
イスと、相対的にスポットサイズの小さな光導波路デバ
イスとを結合する光結合デバイスにおいて、半導体基板
と、前記半導体基板上に形成され、光の伝搬方向に形状
がテーパ状に変化しているコアと、前記半導体基板上に
形成され、前記コアを取り囲むように構成されたクラッ
ド層と、光波フィールド分布形状を前記スポットサイズ
の大きい光導波路デバイス内の光波フィールド分布形状
に近似した形状に変換する部分とを備えてなり、前記変
換する部分は、少なくとも前記スポットサイズの大きい
光導波路デバイスとの光結合端面側近傍における前記ク
ラッド層の部分であって、前記光結合端面のスポットサ
イズが前記スポットサイズの大きい光導波路デバイスの
スポットサイズの大きさに合う厚さを有する部分を含ん
でなることを特徴とする。
イスは、相対的にスポットサイズの大きな光導波路デバ
イスと、相対的にスポットサイズの小さな光導波路デバ
イスとを結合する光結合デバイスにおいて、半導体基板
と、前記半導体基板上に形成され、光の伝搬方向に形状
がテーパ状に変化しているコアと、前記半導体基板上に
形成され、前記コアを取り囲むように構成されたクラッ
ド層と、光波フィールド分布形状を前記スポットサイズ
の大きい光導波路デバイス内の光波フィールド分布形状
に近似した形状に変換する部分とを備えてなり、前記変
換する部分は、少なくとも前記スポットサイズの大きい
光導波路デバイスとの光結合端面側近傍における前記ク
ラッド層の部分であって、前記光結合端面のスポットサ
イズが前記スポットサイズの大きい光導波路デバイスの
スポットサイズの大きさに合う厚さを有する部分を含ん
でなることを特徴とする。
【００１３】本発明の第８の解決手段に従う光結合デバ
イスは、上述の第７の解決手段に従う光結合デバイスに
おいて、前記スポットサイズの大きい光導波路デバイス
内の光波フィールド分布がガウス形光波フィールド分布
であることを特徴とする。
イスは、上述の第７の解決手段に従う光結合デバイスに
おいて、前記スポットサイズの大きい光導波路デバイス
内の光波フィールド分布がガウス形光波フィールド分布
であることを特徴とする。
【００１４】本発明の第９の解決手段に従う光結合方法
は、相対的にスポットサイズの大きな光導波路デバイス
と、相対的にスポットサイズの小さな光導波路デバイス
とを光結合デバイスを用いて結合する光結合方法におい
て、光結合デバイス内を伝搬する光の光波フィールド分
布形状を、前記スポットサイズの大きい光導波路デバイ
ス内の光波フィールド分布形状に近似した形状に変換す
る光波フィールド分布形状変換工程を含み、前記光波フ
ィールド分布形状の変換は、前記光結合デバイスの少な
くとも前記スポットサイズの大きな光導波路デバイスと
の光結合端面側近傍において、前記スポットサイズの大
きい光導波路デバイスのスポットサイズの大きさに合う
厚さを有するクラッドに取り囲まれたコア部分を通して
光を伝搬させることにより行うことを特徴とする。
は、相対的にスポットサイズの大きな光導波路デバイス
と、相対的にスポットサイズの小さな光導波路デバイス
とを光結合デバイスを用いて結合する光結合方法におい
て、光結合デバイス内を伝搬する光の光波フィールド分
布形状を、前記スポットサイズの大きい光導波路デバイ
ス内の光波フィールド分布形状に近似した形状に変換す
る光波フィールド分布形状変換工程を含み、前記光波フ
ィールド分布形状の変換は、前記光結合デバイスの少な
くとも前記スポットサイズの大きな光導波路デバイスと
の光結合端面側近傍において、前記スポットサイズの大
きい光導波路デバイスのスポットサイズの大きさに合う
厚さを有するクラッドに取り囲まれたコア部分を通して
光を伝搬させることにより行うことを特徴とする。
【００１５】本発明の第１０の解決手段に従う光結合方
法は、上述の第９の解決手段に従う光結合方法におい
て、前記スポットサイズの大きい光導波路デバイス内の
光波フィールド分布がガウス形光波フィールド分布であ
ることを特徴とする。
法は、上述の第９の解決手段に従う光結合方法におい
て、前記スポットサイズの大きい光導波路デバイス内の
光波フィールド分布がガウス形光波フィールド分布であ
ることを特徴とする。
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【作用】このような構成をとることにより、コアの周り
を比較的屈折率の高い第１のクラッド層で取り囲み、該
第１のクラッド層の外側に比較的屈折率の低いクラッド
層（半導体基板、第２のクラッド層、第３のクラッド
層、空気層）が配されることになり、コアと第１のクラ
ッド層との光閉じ込め構造、第１のクラッド層とその外
側のクラッド層との光閉じ込め構造、というように二重
の光閉じ込め構造を形成することになる。
を比較的屈折率の高い第１のクラッド層で取り囲み、該
第１のクラッド層の外側に比較的屈折率の低いクラッド
層（半導体基板、第２のクラッド層、第３のクラッド
層、空気層）が配されることになり、コアと第１のクラ
ッド層との光閉じ込め構造、第１のクラッド層とその外
側のクラッド層との光閉じ込め構造、というように二重
の光閉じ込め構造を形成することになる。
【００１９】光の伝搬方向に形状がテーパ状に変化して
いるコアにより、スポットサイズが変換される。コアの
寸法が大きいときには、光がコアに強く閉じ込められて
フィールド分布が広がらないため、周囲のクラッド構造
の影響をほとんど受けず、スポットサイズが小さい。逆
にコアの寸法が小さくなると、光のコアへの閉じ込めが
弱くなり、光波フィールド分布が広がるため、スポット
サイズが大きくなる。コアの寸法が光の伝搬方向にテー
パ状に変化すると、光のコアへの閉じ込めの強さが徐々
に変化し、その結果スポットサイズが変換される。
いるコアにより、スポットサイズが変換される。コアの
寸法が大きいときには、光がコアに強く閉じ込められて
フィールド分布が広がらないため、周囲のクラッド構造
の影響をほとんど受けず、スポットサイズが小さい。逆
にコアの寸法が小さくなると、光のコアへの閉じ込めが
弱くなり、光波フィールド分布が広がるため、スポット
サイズが大きくなる。コアの寸法が光の伝搬方向にテー
パ状に変化すると、光のコアへの閉じ込めの強さが徐々
に変化し、その結果スポットサイズが変換される。
【００２０】少なくとも、光のスポットサイズが大きい
光導波路デバイスとの光結合端面の近傍において、コア
の周りに比較的屈折率の高い第１のクラッド層を配し、
その外側に比較的屈折率の低い半導体基板、第２のクラ
ッド層、第３のクラッド層または空気層を配しているた
め、光波フィールド分布形状の変換が行える。コア寸法
が比較的大きいところではスポットサイズは小さくなっ
ており、その光波フィールド分布は、コアの寸法・形状
にのみほぼ規定される。しかし、コア寸法が小さくなっ
てスポットサイズが大きくなるところでは、コアの閉じ
込めが弱くなり、光波フィールド分布はコアと第１のク
ラッド層との閉じ込め構造、および第１のクラッド層
と、その外側の比較的低い屈折率の半導体基板、第２の
クラッド層、第３のクラッド層または空気層の閉じ込め
構造に規定される。このために、第１のクラッド層の寸
法を、大きいスポットサイズの光導波路デバイスのスポ
ットサイズの大きさの程度に設定すれば、その光波フィ
ールド分布はガウス形分布に近づく。
光導波路デバイスとの光結合端面の近傍において、コア
の周りに比較的屈折率の高い第１のクラッド層を配し、
その外側に比較的屈折率の低い半導体基板、第２のクラ
ッド層、第３のクラッド層または空気層を配しているた
め、光波フィールド分布形状の変換が行える。コア寸法
が比較的大きいところではスポットサイズは小さくなっ
ており、その光波フィールド分布は、コアの寸法・形状
にのみほぼ規定される。しかし、コア寸法が小さくなっ
てスポットサイズが大きくなるところでは、コアの閉じ
込めが弱くなり、光波フィールド分布はコアと第１のク
ラッド層との閉じ込め構造、および第１のクラッド層
と、その外側の比較的低い屈折率の半導体基板、第２の
クラッド層、第３のクラッド層または空気層の閉じ込め
構造に規定される。このために、第１のクラッド層の寸
法を、大きいスポットサイズの光導波路デバイスのスポ
ットサイズの大きさの程度に設定すれば、その光波フィ
ールド分布はガウス形分布に近づく。
【００２１】大きなスポットサイズ側の光波フィールド
分布がコアを取り囲む第１のクラッド層の寸法・形状に
強く依存するために、コア寸法の製作精度の緩い光結合
デバイスとなる。
分布がコアを取り囲む第１のクラッド層の寸法・形状に
強く依存するために、コア寸法の製作精度の緩い光結合
デバイスとなる。
【００２２】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例と原理
・効果を詳細に説明する。
・効果を詳細に説明する。
【００２３】図１は、本発明による光結合デバイスの一
実施例の斜視図を示す。１０１は屈折率がｎc の光導波
路のコア層、１０２は屈折率がｎs のｎ形半導体基板で
ある。１０３は第１のクラッド層としての半導体層であ
り、屈折率がｎp のｎ- もしくはｉ（ノンドープ：真
性）もしくはｐ形半導体層で構成される。さらに、半導
体層１０３の上部には、例えばＳｉＯ2 や空気等の低い
屈折率（：ｎa （＜ｎp））の誘電体（不図示）、もし
くは金属や金属コンタクト層等（不図示）が配置されて
いる。半導体層１０３は半導体基板１０２を構成する半
導体層より屈折率が大きい半導体層であり、各半導体層
１０２，１０３とその上部が光導波路のクラッド領域に
なる。１０７は出射光である。図中の各半導体層の屈折
率の大きさは、ｎc ＞ｎp ＞ｎs ，ｎa の関係を持たせ
てある。コア層１０１の断面の大きさは、光導波路のス
ポットサイズが、光入射端側では半導体レーザや光変調
器あるいは光スイッチ等の光機能デバイスのスポットサ
イズに合わせるように設定され、出射端側に向かうにつ
れて徐々に変化させ、光出射端部では接続される光機能
デバイス（例えば光ファイバ）のスポットサイズと同程
度のスポットサイズを与える寸法に設定している。光出
射端部のコアの幅，厚さをそれぞれｗ1 ，ｔ1と表す。
半導体層１０３の厚さｔ2 は、光ファイバのスポットサ
イズと同程度の大きさに設定され、この層はサブクラッ
ド領域（第１クラッド領域）になる。本構成において、
光入射端側では、光閉じ込めが強い導波路構造になって
いるので、その光学的特性は従来の場合とほとんど変わ
らないので、入射端部のコア寸法ｗ1 ，ｔ1 は図１１の
従来例とほぼ同じ大きさに設定される。導波路長Ｌは、
伝搬光がそれぞれの領域での定常導波モードに近い状態
になるように、充分長く設定され、通常、数１０μｍか
ら数ｍｍの長さにすれば、本発明の効果が得られる。ま
た、光出射端部のコア寸法ｗ1 ，ｔ1 については、図８
で示す設計例と同様に、光ファイバとの結合損失が小さ
くなる大きさに設定すればよい。ただし、必要以上に寸
法を小さくすると、光波フィールド強度のピーク位置が
コア１０１から外れて、半導体層１０３の中央付近に移
る。この場合、テーパ導波路でのスポットサイズ変換に
伴う放射損失が増大するので、この効果を考慮して設定
すればよい。
実施例の斜視図を示す。１０１は屈折率がｎc の光導波
路のコア層、１０２は屈折率がｎs のｎ形半導体基板で
ある。１０３は第１のクラッド層としての半導体層であ
り、屈折率がｎp のｎ- もしくはｉ（ノンドープ：真
性）もしくはｐ形半導体層で構成される。さらに、半導
体層１０３の上部には、例えばＳｉＯ2 や空気等の低い
屈折率（：ｎa （＜ｎp））の誘電体（不図示）、もし
くは金属や金属コンタクト層等（不図示）が配置されて
いる。半導体層１０３は半導体基板１０２を構成する半
導体層より屈折率が大きい半導体層であり、各半導体層
１０２，１０３とその上部が光導波路のクラッド領域に
なる。１０７は出射光である。図中の各半導体層の屈折
率の大きさは、ｎc ＞ｎp ＞ｎs ，ｎa の関係を持たせ
てある。コア層１０１の断面の大きさは、光導波路のス
ポットサイズが、光入射端側では半導体レーザや光変調
器あるいは光スイッチ等の光機能デバイスのスポットサ
イズに合わせるように設定され、出射端側に向かうにつ
れて徐々に変化させ、光出射端部では接続される光機能
デバイス（例えば光ファイバ）のスポットサイズと同程
度のスポットサイズを与える寸法に設定している。光出
射端部のコアの幅，厚さをそれぞれｗ1 ，ｔ1と表す。
半導体層１０３の厚さｔ2 は、光ファイバのスポットサ
イズと同程度の大きさに設定され、この層はサブクラッ
ド領域（第１クラッド領域）になる。本構成において、
光入射端側では、光閉じ込めが強い導波路構造になって
いるので、その光学的特性は従来の場合とほとんど変わ
らないので、入射端部のコア寸法ｗ1 ，ｔ1 は図１１の
従来例とほぼ同じ大きさに設定される。導波路長Ｌは、
伝搬光がそれぞれの領域での定常導波モードに近い状態
になるように、充分長く設定され、通常、数１０μｍか
ら数ｍｍの長さにすれば、本発明の効果が得られる。ま
た、光出射端部のコア寸法ｗ1 ，ｔ1 については、図８
で示す設計例と同様に、光ファイバとの結合損失が小さ
くなる大きさに設定すればよい。ただし、必要以上に寸
法を小さくすると、光波フィールド強度のピーク位置が
コア１０１から外れて、半導体層１０３の中央付近に移
る。この場合、テーパ導波路でのスポットサイズ変換に
伴う放射損失が増大するので、この効果を考慮して設定
すればよい。
【００２４】図２は、本発明による光結合デバイスの他
の実施例の光ファイバ結合側光出射端部の断面図であ
る。コア２０１は厚さｔ21の半導体層２０３（屈折率：
ｎp1）と厚さｔ22の半導体層２０４（ｎp2）で囲まれる
ように配置され、さらに、上部は屈折率ｎn のｎ+ 形半
導体層もしくは誘電体層２０５で覆われている。この場
合、各半導体の屈折率は、ｎc ＞ｎp1，ｎp2＞ｎs ，ｎ
n の関係があり、半導体層２０３，２０４が第１クラッ
ド領域に、半導体基板２０２と上部半導体層としての低
屈折率の半導体層２０５が第２クラッド領域になる。
の実施例の光ファイバ結合側光出射端部の断面図であ
る。コア２０１は厚さｔ21の半導体層２０３（屈折率：
ｎp1）と厚さｔ22の半導体層２０４（ｎp2）で囲まれる
ように配置され、さらに、上部は屈折率ｎn のｎ+ 形半
導体層もしくは誘電体層２０５で覆われている。この場
合、各半導体の屈折率は、ｎc ＞ｎp1，ｎp2＞ｎs ，ｎ
n の関係があり、半導体層２０３，２０４が第１クラッ
ド領域に、半導体基板２０２と上部半導体層としての低
屈折率の半導体層２０５が第２クラッド領域になる。
【００２５】図３は、本発明による光結合デバイスの他
の実施例の光出射端部の断面図である。この場合、コア
３０１は厚さｔ21の半導体層３０３（屈折率：ｎp1）と
厚さｔ22の半導体層３０４（ｎp2）で囲まれるように配
置され、低屈折率の半導体層３０５が第１クラッド領域
の半導体層３０３，３０４の両脇に間隔ｗ2 で配置され
る。さらに、上部は屈折率ｎn のｎ+ 形変動体層もしく
は誘電体層（不図示）で覆われていてもよい。各半導体
の屈折率は、ｎc ＞ｎp1，ｎp2＞ｎs ，ｎn ，ｎa の関
係を持たせてあり、半導体層３０３，３０４が第１クラ
ッド領域を、半導体基板３０２、側部半導体層３０５、
半導体層３０３上部の誘電体（不図示）（または空気）
が第２クラッド領域を構成する。
の実施例の光出射端部の断面図である。この場合、コア
３０１は厚さｔ21の半導体層３０３（屈折率：ｎp1）と
厚さｔ22の半導体層３０４（ｎp2）で囲まれるように配
置され、低屈折率の半導体層３０５が第１クラッド領域
の半導体層３０３，３０４の両脇に間隔ｗ2 で配置され
る。さらに、上部は屈折率ｎn のｎ+ 形変動体層もしく
は誘電体層（不図示）で覆われていてもよい。各半導体
の屈折率は、ｎc ＞ｎp1，ｎp2＞ｎs ，ｎn ，ｎa の関
係を持たせてあり、半導体層３０３，３０４が第１クラ
ッド領域を、半導体基板３０２、側部半導体層３０５、
半導体層３０３上部の誘電体（不図示）（または空気）
が第２クラッド領域を構成する。
【００２６】図４は、本発明による光結合デバイスの他
の実施例を示す図であり、図４（ａ）は斜視図、（ｂ）
は光ファイバ結合側光出射端部の断面図である。４０１
は屈折率がｎc の光導波路のコア層、４０２は屈折率が
ｎs の半導体基板である。４０３は屈折率がｎp の半導
体層である。さらに、半導体層４０３の上部には、Ｓｉ
Ｏ2 や空気等の低い屈折率（ｎa ）の誘電体、もしくは
ｎ+ 形半導体や金属を配置してもよい。４０５は半導体
層４０３より屈折率（ｎn ）が小さい半導体層である。
図中の各半導体層の屈折率の大きさは、ｎc ＞ｎP ＞ｎ
s ，ｎn ，ｎaの関係がある。半導体層４０３のクラッ
ド部（第１クラッド領域）の大きさｗ2，ｔ2 は、光フ
ァイバのスポットサイズと同程度の大きさに設定され
る。半導体層４０３の下部および上部の厚さをそれぞれ
ｔp1，ｔp2、半導体層４０５の厚さをｔn と表す。ｔn
＝ｔ2 −（ｔp1＋ｔp2）である。
の実施例を示す図であり、図４（ａ）は斜視図、（ｂ）
は光ファイバ結合側光出射端部の断面図である。４０１
は屈折率がｎc の光導波路のコア層、４０２は屈折率が
ｎs の半導体基板である。４０３は屈折率がｎp の半導
体層である。さらに、半導体層４０３の上部には、Ｓｉ
Ｏ2 や空気等の低い屈折率（ｎa ）の誘電体、もしくは
ｎ+ 形半導体や金属を配置してもよい。４０５は半導体
層４０３より屈折率（ｎn ）が小さい半導体層である。
図中の各半導体層の屈折率の大きさは、ｎc ＞ｎP ＞ｎ
s ，ｎn ，ｎaの関係がある。半導体層４０３のクラッ
ド部（第１クラッド領域）の大きさｗ2，ｔ2 は、光フ
ァイバのスポットサイズと同程度の大きさに設定され
る。半導体層４０３の下部および上部の厚さをそれぞれ
ｔp1，ｔp2、半導体層４０５の厚さをｔn と表す。ｔn
＝ｔ2 −（ｔp1＋ｔp2）である。
【００２７】図５は、本発明による光結合デバイスの他
の一実施例の光出射端部の断面図であり、図４の発明の
一具体例を示す。５０１はＩｎＧａＡｓＰ等で構成され
る光導波路のコア層であり、５０２はｎ形ＩｎＰ基板、
５０３はｐ形ＩｎＰ層である。５０５はｎ+ 形ＩｎＰ層
であり、高濃度のｎ形不純物を注入してあるために、い
わゆるプラズマ効果によって、その屈折率が相対的に小
さくなっている。また、ｎ+ 形ＩｎＰ層の断面形状はコ
ア層５０１に対向する端部がテーパ状に形成されコア層
５０１を中心に軸対称構造に近い構造となっている。こ
の場合、第１クラッド領域の実効幅ｗ2 は半導体層５０
５の間隔や形状、屈折率の大きさで決まる。ｐ形半導体
層５０３、ｎ+ 形半導体層５０５は、半導体レーザで通
常用いられるｐｎ接合埋め込み層と同様に、例えばＭＯ
−ＣＶＤ法等のエピタキシャル成長技術によって形成す
ることができる。
の一実施例の光出射端部の断面図であり、図４の発明の
一具体例を示す。５０１はＩｎＧａＡｓＰ等で構成され
る光導波路のコア層であり、５０２はｎ形ＩｎＰ基板、
５０３はｐ形ＩｎＰ層である。５０５はｎ+ 形ＩｎＰ層
であり、高濃度のｎ形不純物を注入してあるために、い
わゆるプラズマ効果によって、その屈折率が相対的に小
さくなっている。また、ｎ+ 形ＩｎＰ層の断面形状はコ
ア層５０１に対向する端部がテーパ状に形成されコア層
５０１を中心に軸対称構造に近い構造となっている。こ
の場合、第１クラッド領域の実効幅ｗ2 は半導体層５０
５の間隔や形状、屈折率の大きさで決まる。ｐ形半導体
層５０３、ｎ+ 形半導体層５０５は、半導体レーザで通
常用いられるｐｎ接合埋め込み層と同様に、例えばＭＯ
−ＣＶＤ法等のエピタキシャル成長技術によって形成す
ることができる。
【００２８】図６は、図１の実施例の効果を説明するた
めの図であり、光出射端部における第１クラッド領域の
半導体層としての半導体層１０３の厚さｔ2 と光ファイ
バ結合損失との関係を、有限要素法を用いたスカラー波
近似解析によって求めた計算例である。ここでは、波長
λ＝１．３μｍ帯用で、スポット直径ｗf ＝６，８，１
０μｍの光ファイバに結合させ、コア１０１として吸収
端が１．１μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰを用い、１０２に
ｎ形ＩｎＰ基板、半導体層１０３にノンドープＩｎＰを
用いている。コア寸法はｔ1 ＝０．１μｍ一定として、
幅ｗ1 を最適値に設定した場合の特性例である。すなわ
ち、図６において、ｔ2 が充分厚い状態から薄くしてい
くと、結合損失は徐々に小さくなり、最低値をとった
後、再び増加傾向を示すことが分かる。図中の破線部は
最適コア幅が０．５μｍ以下になり、コアの閉じ込め効
果が弱くなって、放射損失が著しく大きくなる領域であ
る。図６から、結合される光ファイバスポットの半径に
合わせるように厚さｔ2 を設定すれば低損失の光結合特
性が得られることが分かる。
めの図であり、光出射端部における第１クラッド領域の
半導体層としての半導体層１０３の厚さｔ2 と光ファイ
バ結合損失との関係を、有限要素法を用いたスカラー波
近似解析によって求めた計算例である。ここでは、波長
λ＝１．３μｍ帯用で、スポット直径ｗf ＝６，８，１
０μｍの光ファイバに結合させ、コア１０１として吸収
端が１．１μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰを用い、１０２に
ｎ形ＩｎＰ基板、半導体層１０３にノンドープＩｎＰを
用いている。コア寸法はｔ1 ＝０．１μｍ一定として、
幅ｗ1 を最適値に設定した場合の特性例である。すなわ
ち、図６において、ｔ2 が充分厚い状態から薄くしてい
くと、結合損失は徐々に小さくなり、最低値をとった
後、再び増加傾向を示すことが分かる。図中の破線部は
最適コア幅が０．５μｍ以下になり、コアの閉じ込め効
果が弱くなって、放射損失が著しく大きくなる領域であ
る。図６から、結合される光ファイバスポットの半径に
合わせるように厚さｔ2 を設定すれば低損失の光結合特
性が得られることが分かる。
【００２９】図７は、図４の実施例において、光出射端
部のコア４０１の寸法と半導体層４０３の厚さを一定値
（ｔ1 ＝０．１μｍ、ｗ1 ＝１．２μｍ、ｔp1＝ｔp2＝
１μｍ）に固定したとき、第１クラッド領域幅ｗ2 （ｔ
n ＝ｗ2 −ｗ1 ）と光ファイバ結合損失との関係を示
す。ここで、光ファイバの光波フィールド分布が円形の
軸対称形状になっているので、本発明の光結合デバイス
出射端部では、第１クラッド領域の形状が、コア４０１
を中心として円形にできる限り近い構造が望ましい。従
って、第１クラッドの大きさは、ｗ2 とｔ2 とがほぼ等
しくなるようにｔn の厚さを設定している。図７におい
て、半導体層４０５として、（ａ）ではノンドープＩｎ
Ｐ（半導体層４０３との非屈折率差Δｎ＝０）、（ｂ）
ではｎ形ＩｎＰ（Δｎ＝０．１％）、（ｃ）ではｎ+ 形
ＩｎＰ（Δｎ＝０．６％）を用いた場合を示す。すなわ
ち、図７（ａ）は図２の実施例（ｔ21＝ｔ22）の場合に
相当する。図７より、光ファイバ結合損失を最小にする
最適の値の幅ｗ2 、厚さｔ2があり、Δｎが大きくなる
程、最小結合損失が低減することが分かる。これは、低
屈折率の材料を第１クラッドを介してコア４０１の周囲
に配置することによって、光導波路の第１クラッド領域
で光閉じ込め効果が生ずるために、図１３の従来例と比
較して、その光波フィールドが光ファイバの光波フィー
ルド形状により近い状態になるためである。なお、Δｎ
が〜１％以上の場合、この低減効果は飽和する。また、
本発明によるこの閉じ込め効果によって、光スポットサ
イズが変換されるときに生ずる放射損失も抑制されるの
で、低損失な光結合デバイスが実現できる。特に、導波
路伝搬光の光波フィールド分布強度のピーク位置が、本
光結合デバイス内の光入射端から光出射端までのどの場
所においてもコア中にあることが望ましい。しかも、そ
の分布がどの場所においてもコアを中心とした軸対称形
状になるように、コア、各クラッド構造・材質を設定す
れば、そのときの放射損失を極めて小さくできる。
部のコア４０１の寸法と半導体層４０３の厚さを一定値
（ｔ1 ＝０．１μｍ、ｗ1 ＝１．２μｍ、ｔp1＝ｔp2＝
１μｍ）に固定したとき、第１クラッド領域幅ｗ2 （ｔ
n ＝ｗ2 −ｗ1 ）と光ファイバ結合損失との関係を示
す。ここで、光ファイバの光波フィールド分布が円形の
軸対称形状になっているので、本発明の光結合デバイス
出射端部では、第１クラッド領域の形状が、コア４０１
を中心として円形にできる限り近い構造が望ましい。従
って、第１クラッドの大きさは、ｗ2 とｔ2 とがほぼ等
しくなるようにｔn の厚さを設定している。図７におい
て、半導体層４０５として、（ａ）ではノンドープＩｎ
Ｐ（半導体層４０３との非屈折率差Δｎ＝０）、（ｂ）
ではｎ形ＩｎＰ（Δｎ＝０．１％）、（ｃ）ではｎ+ 形
ＩｎＰ（Δｎ＝０．６％）を用いた場合を示す。すなわ
ち、図７（ａ）は図２の実施例（ｔ21＝ｔ22）の場合に
相当する。図７より、光ファイバ結合損失を最小にする
最適の値の幅ｗ2 、厚さｔ2があり、Δｎが大きくなる
程、最小結合損失が低減することが分かる。これは、低
屈折率の材料を第１クラッドを介してコア４０１の周囲
に配置することによって、光導波路の第１クラッド領域
で光閉じ込め効果が生ずるために、図１３の従来例と比
較して、その光波フィールドが光ファイバの光波フィー
ルド形状により近い状態になるためである。なお、Δｎ
が〜１％以上の場合、この低減効果は飽和する。また、
本発明によるこの閉じ込め効果によって、光スポットサ
イズが変換されるときに生ずる放射損失も抑制されるの
で、低損失な光結合デバイスが実現できる。特に、導波
路伝搬光の光波フィールド分布強度のピーク位置が、本
光結合デバイス内の光入射端から光出射端までのどの場
所においてもコア中にあることが望ましい。しかも、そ
の分布がどの場所においてもコアを中心とした軸対称形
状になるように、コア、各クラッド構造・材質を設定す
れば、そのときの放射損失を極めて小さくできる。
【００３０】本発明による光結合デバイスの第１クラッ
ド領域の大きさは、光ファイバと結合させる場合は、光
ファイバのモードフィールドが円形であるので、図４に
示すようにｗ2 とｔ2 をほぼ同じ大きさに設定してい
る。しかし、光波フィールド形状が例えば楕円状のよう
な縦横比が異なる形状、あるいは歪んだ形状の場合、そ
の形状に合わせるように第１クラッド領域のｗ2 ，ｔ2
を設定する、あるいは断面形状を合わせるように設定す
ればよい。
ド領域の大きさは、光ファイバと結合させる場合は、光
ファイバのモードフィールドが円形であるので、図４に
示すようにｗ2 とｔ2 をほぼ同じ大きさに設定してい
る。しかし、光波フィールド形状が例えば楕円状のよう
な縦横比が異なる形状、あるいは歪んだ形状の場合、そ
の形状に合わせるように第１クラッド領域のｗ2 ，ｔ2
を設定する、あるいは断面形状を合わせるように設定す
ればよい。
【００３１】図８は、図５の実施例の効果を説明するた
めの図であり、光出射端部におけるコア幅ｗ1 と光ファ
イバ結合損失との関係を示す。ここでは、光ファイバの
スポットサイズはｗf ＝８μｍ、ｉもしくはｐ形半導体
層５０３の上部およびｎ+ 形半導体層５０５の厚さはｔ
p2＝４．５μｍ、ｔn ＝０．６μｍ一定で、コア厚ｔ1
をパラメータにして、半導体層５０３の下部の厚さｔp1
がｔp1＝０．８、１．６、２．４μｍの場合の特性をそ
れぞれ図８（ａ），（ｂ），（ｃ）に示している。従来
例（図１３）では、コアの厚さｔ1 をある一定値に固定
した時、最小の光ファイバ結合損失を与える最適コア幅
ｗ1 のトレランスが小さく、その最適値よりわずかにず
れるだけで、結合損失が著しく大きくなる関係がある。
これに対して、図８から分かるように、本発明による
と、ｗ1 が最適値より多少ずれても、結合損失はそれま
で大きくはならず、ｔp1が大きい（０．８→２．４μ
ｍ）程この幅ｗ1 のトレランスが緩和されることが分か
る。しかも、ｔp1が大きくなる程、コア幅が最適値に設
定された時の最小結合損失は小さく（１→０．４ｄＢ）
なる。ただし、ｔp1を必要以上に大きくすると、図４の
実施例と同様に、結合損失は増大するので、ｔp1の大き
さは最適値がある。
めの図であり、光出射端部におけるコア幅ｗ1 と光ファ
イバ結合損失との関係を示す。ここでは、光ファイバの
スポットサイズはｗf ＝８μｍ、ｉもしくはｐ形半導体
層５０３の上部およびｎ+ 形半導体層５０５の厚さはｔ
p2＝４．５μｍ、ｔn ＝０．６μｍ一定で、コア厚ｔ1
をパラメータにして、半導体層５０３の下部の厚さｔp1
がｔp1＝０．８、１．６、２．４μｍの場合の特性をそ
れぞれ図８（ａ），（ｂ），（ｃ）に示している。従来
例（図１３）では、コアの厚さｔ1 をある一定値に固定
した時、最小の光ファイバ結合損失を与える最適コア幅
ｗ1 のトレランスが小さく、その最適値よりわずかにず
れるだけで、結合損失が著しく大きくなる関係がある。
これに対して、図８から分かるように、本発明による
と、ｗ1 が最適値より多少ずれても、結合損失はそれま
で大きくはならず、ｔp1が大きい（０．８→２．４μ
ｍ）程この幅ｗ1 のトレランスが緩和されることが分か
る。しかも、ｔp1が大きくなる程、コア幅が最適値に設
定された時の最小結合損失は小さく（１→０．４ｄＢ）
なる。ただし、ｔp1を必要以上に大きくすると、図４の
実施例と同様に、結合損失は増大するので、ｔp1の大き
さは最適値がある。
【００３２】図９は、本発明による光結合デバイスの他
の実施例の斜視図である。ここでは、光出射端部の第１
クラッド領域の大きさｗ2 ，ｔ2 は、以上で説明した場
合と同様に設定され、本光結合デバイス内では、その大
きさｗ2 ，ｔ2 をテーパ状に構成している。本発明で
は、光入射端部でコア寸法が比較的大きく、しかもコア
９０１とクラッド９０３，９０５との非屈折率差が大き
いので、そこでの光導波路の光波フィールド分布は、コ
アに強く閉じ込められており、クラッド構造にほとんど
影響を受けずに、コア形状にほぼ規定される。従って、
伝搬光のスポットサイズが比較的小さい部分でのクラッ
ド領域の構造は任意に設定できる。また、ここでは、光
出射端部付近において、側部半導体層９０５をコア９０
１の左右斜め上部を覆うように構成しているので、第２
のクラッド層の半導体基板９０２と半導体層９０５に囲
まれた半導体層９０３の第１のクラッド領域が、コア９
０１を中心とした軸対称構造に近い形状になるので、円
形の光波フィールド形状を持つ光ファイバと低損失な光
結合が可能になる。
の実施例の斜視図である。ここでは、光出射端部の第１
クラッド領域の大きさｗ2 ，ｔ2 は、以上で説明した場
合と同様に設定され、本光結合デバイス内では、その大
きさｗ2 ，ｔ2 をテーパ状に構成している。本発明で
は、光入射端部でコア寸法が比較的大きく、しかもコア
９０１とクラッド９０３，９０５との非屈折率差が大き
いので、そこでの光導波路の光波フィールド分布は、コ
アに強く閉じ込められており、クラッド構造にほとんど
影響を受けずに、コア形状にほぼ規定される。従って、
伝搬光のスポットサイズが比較的小さい部分でのクラッ
ド領域の構造は任意に設定できる。また、ここでは、光
出射端部付近において、側部半導体層９０５をコア９０
１の左右斜め上部を覆うように構成しているので、第２
のクラッド層の半導体基板９０２と半導体層９０５に囲
まれた半導体層９０３の第１のクラッド領域が、コア９
０１を中心とした軸対称構造に近い形状になるので、円
形の光波フィールド形状を持つ光ファイバと低損失な光
結合が可能になる。
【００３３】以上の実施例では、動作波長が１．３μｍ
帯で、コア層材質として１．１μｍ組成のＩｎＧａＡｓ
Ｐ、各半導体層にＩｎＰを用いた場合を示したが、動作
波長や接続される光ファイバのスポットサイズに合わせ
て、導波路の材質・寸法を設定すれば、本発明の効果を
得ることができるのは自明である。また、各半導体層の
屈折率ｎが均一の材料を用いた場合を説明したが、例え
ば多重量子井戸層を用いて、井戸層、隔壁層の材質・厚
さを選択することにより任意にその実効的屈折率を設定
できるので、同様に本発明の効果を得ることが可能であ
る。また、第３のクラッド層の外側に屈折率の逓減する
クラッド層を順次設けることができる。このようにする
と、さらにガウス形光波フィールド分布の近似性を高め
ることができる。
帯で、コア層材質として１．１μｍ組成のＩｎＧａＡｓ
Ｐ、各半導体層にＩｎＰを用いた場合を示したが、動作
波長や接続される光ファイバのスポットサイズに合わせ
て、導波路の材質・寸法を設定すれば、本発明の効果を
得ることができるのは自明である。また、各半導体層の
屈折率ｎが均一の材料を用いた場合を説明したが、例え
ば多重量子井戸層を用いて、井戸層、隔壁層の材質・厚
さを選択することにより任意にその実効的屈折率を設定
できるので、同様に本発明の効果を得ることが可能であ
る。また、第３のクラッド層の外側に屈折率の逓減する
クラッド層を順次設けることができる。このようにする
と、さらにガウス形光波フィールド分布の近似性を高め
ることができる。
【００３４】また、以上の実施例では、光出射端側のコ
アの寸法ｗ1 ，ｔ1 を光入射端側のコアの寸法ｗ1 ，ｔ
1 より小さくしてスポットサイズを拡大し光ファイバの
スポットサイズに合わせる場合について説明したが、例
えばｗ1 は光ファイバのそれと同等にして、ｔ1 を極端
に薄くした導波路を構成してスポットサイズを変換して
も良い。本発明は、半導体デバイス以外に、例えばＳｉ
Ｏ2 等のガラス材料、あるいは有機材料等を利用した光
デバイスに適用できることは自明である。
アの寸法ｗ1 ，ｔ1 を光入射端側のコアの寸法ｗ1 ，ｔ
1 より小さくしてスポットサイズを拡大し光ファイバの
スポットサイズに合わせる場合について説明したが、例
えばｗ1 は光ファイバのそれと同等にして、ｔ1 を極端
に薄くした導波路を構成してスポットサイズを変換して
も良い。本発明は、半導体デバイス以外に、例えばＳｉ
Ｏ2 等のガラス材料、あるいは有機材料等を利用した光
デバイスに適用できることは自明である。
【００３５】本光結合デバイスは半導体材料で構成でき
るので、例えば、半導体レーザや光変調器、ＬＤアン
プ、光スイッチ等の光機能デバイスの光入射端部に、本
光結合デバイスを同一基板上にモノリシック集積化した
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、光機能デバイスの導波路を形成する時
に、本光結合デバイス用導波路を同時に形成する、ある
いは光機能デバイス部を形成した後、互いの導波路を直
接突合せるように本光結合デバイス用導波路を形成して
も良い。
るので、例えば、半導体レーザや光変調器、ＬＤアン
プ、光スイッチ等の光機能デバイスの光入射端部に、本
光結合デバイスを同一基板上にモノリシック集積化した
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、光機能デバイスの導波路を形成する時
に、本光結合デバイス用導波路を同時に形成する、ある
いは光機能デバイス部を形成した後、互いの導波路を直
接突合せるように本光結合デバイス用導波路を形成して
も良い。
【００３６】以上の実施例では、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
路デバイス、あるいはガラス導波路デバイスなどあらゆ
る光導波路デバイスとの接続部に対しても、それら導波
路の光スポットサイズ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材質，寸法を設定すれば、低結合
損失の特性を実現できる。また、以上では半導体レーザ
光を光ファイバに結合させる場合について説明したが、
逆に光ファイバから伝送されて来た光を、スポットサイ
ズの小さな光機能デバイスに光結合をとる場合も本発明
による光結合デバイスが有効なことは自明である。
場合について説明したが、この他に、他の半導体光導波
路デバイス、あるいはガラス導波路デバイスなどあらゆ
る光導波路デバイスとの接続部に対しても、それら導波
路の光スポットサイズ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材質，寸法を設定すれば、低結合
損失の特性を実現できる。また、以上では半導体レーザ
光を光ファイバに結合させる場合について説明したが、
逆に光ファイバから伝送されて来た光を、スポットサイ
ズの小さな光機能デバイスに光結合をとる場合も本発明
による光結合デバイスが有効なことは自明である。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、スポ
ットサイズ変換用の光導波路コア部の周辺に第１クラッ
ド領域を介してさらに低屈折率の領域を配置することに
より、光波フィールド分布をガウス形に近い形状にして
いるために、低損失な特性を得ると共にコアの製作精度
を緩くした光結合デバイスが実現可能である。
ットサイズ変換用の光導波路コア部の周辺に第１クラッ
ド領域を介してさらに低屈折率の領域を配置することに
より、光波フィールド分布をガウス形に近い形状にして
いるために、低損失な特性を得ると共にコアの製作精度
を緩くした光結合デバイスが実現可能である。
【図１】本発明による光結合デバイスの一実施例を示す
斜視図である。
斜視図である。
【図２】本発明による光結合デバイスの他の実施例の光
出射端部を示す断面図である。
出射端部を示す断面図である。
【図３】本発明による光結合デバイスの他の実施例の光
出射端部を示す断面図である。
出射端部を示す断面図である。
【図４】本発明による光結合デバイスの他の実施例を示
す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図５】本発明による光結合デバイスの他の実施例の光
出射端部を示す断面図である。
出射端部を示す断面図である。
【図６】本発明の動作原理・効果を説明するための線図
である。
である。
【図７】（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ本発明の動
作原理・効果を説明するための線図である。
作原理・効果を説明するための線図である。
【図８】本発明の動作原理・効果を説明するための線図
である。
である。
【図９】本発明による光結合デバイスの他の実施例を示
す斜視図である。
す斜視図である。
【図１０】従来の光結合デバイスの構成例を示す模式的
断面図である。
断面図である。
【図１１】従来の光結合デバイスの構成例を示す図であ
り、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
り、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図１２】光スポットサイズ変換の原理を説明するため
の線図である。
の線図である。
【図１３】従来の光結合デバイスの特性図である。
１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，９０１，１
００１，１１０１ コア １０２，２０２，３０２，４０２，５０２，９０２，１
００２，１１０２ 半導体基板 １０３，２０３，３０３，４０３，５０３，９０３ 第
１クラッド領域を構成する半導体層 １０７，４０７，９０７，１００７，１１０７ 出射光 １０８，４０８，９０８，１１０８ 入射光 ２０４，３０４ 第１クラッド領域を構成する半導体層 ２０５，３０５，４０５，５０５，９０５ 第２クラッ
ド領域を構成する低屈折率半導体層 １０００ 半導体光機能デバイス １００６，１１０６ クラッド層 １００９ レンズ １０１０ 光ファイバ １０１１ Ｖ−グループアレー
００１，１１０１ コア １０２，２０２，３０２，４０２，５０２，９０２，１
００２，１１０２ 半導体基板 １０３，２０３，３０３，４０３，５０３，９０３ 第
１クラッド領域を構成する半導体層 １０７，４０７，９０７，１００７，１１０７ 出射光 １０８，４０８，９０８，１１０８ 入射光 ２０４，３０４ 第１クラッド領域を構成する半導体層 ２０５，３０５，４０５，５０５，９０５ 第２クラッ
ド領域を構成する低屈折率半導体層 １０００ 半導体光機能デバイス １００６，１１０６ クラッド層 １００９ レンズ １０１０ 光ファイバ １０１１ Ｖ−グループアレー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 界 義久 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 須崎 泰正 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 平５−323139（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/138 G02B 6/26 - 6/43
Claims (10)
- 【請求項１】 相対的にスポットサイズの大きな光導波
路デバイスと、相対的にスポットサイズの小さな光導波
路デバイスとを結合する光結合デバイスにおいて、 半導体基板と、 前記半導体基板上に形成され、光の伝搬方向に形状がテ
ーパ状に変化しているコアと、 前記半導体基板上に形成され、前記コアを取り囲むよう
に構成された第１のクラッド層とを備え、 前記第１のクラッド層の屈折率が、前記コアよりも小さ
く、かつ前記半導体基板よりも大きく、 少なくとも前記スポットサイズの大きい光導波路デバイ
スの光結合端面側近傍において、前記第１のクラッド層
の厚さを、前記光結合端面のスポットサイズが前記スポ
ットサイズの大きい光導波路デバイスのスポットサイズ
の大きさに合うように設定したことを特徴とする光結合
デバイス。 - 【請求項２】 少なくとも前記スポットサイズの大きい
光導波路デバイスとの光結合端面側近傍において、前記
コアの両脇に、前記第１のクラッド層を介して、前記第
１のクラッド層よりも小さい屈折率を持つ第２のクラッ
ド層を配したことを特徴とする請求項１に記載の光結合
デバイス。 - 【請求項３】 少なくとも前記スポットサイズの大きい
光導波路デバイスとの光結合端面側近傍において、前記
２つの第２のクラッド層の間隔を、前記光結合端面のス
ポットサイズが前記スポットサイズの大きい光導波路デ
バイスのスポットサイズの大きさに合うように設定した
ことを特徴とする請求項２に記載の光結合デバイス。 - 【請求項４】 前記第１のクラッド層の上に、前記第１
のクラッド層よりも小さな屈折率を持つ第３のクラッド
層を配したことを特徴とする請求項１，２または３に記
載の光結合デバイス。 - 【請求項５】 前記第２のクラッド層をｎ+形半導体で
構成したことを特徴とする請求項２，３または４に記載
の光結合デバイス。 - 【請求項６】 少なくとも前記半導体基板もしくは前記
第３のクラッド層をｎ+形半導体で構成したことを特徴
とする請求項４または５に記載の光結合デバイス。 - 【請求項７】 相対的にスポットサイズの大きな光導波
路デバイスと、相対的にスポットサイズの小さな光導波
路デバイスとを結合する光結合デバイスにおいて、 半導体基板と、 前記半導体基板上に形成され、光の伝搬方向に形状がテ
ーパ状に変化しているコアと、 前記半導体基板上に形成され、前記コアを取り囲むよう
に構成されたクラッド層と、 光波フィールド分布形状を前記スポットサイズの大きい
光導波路デバイス内の光波フィールド分布形状に近似し
た形状に変換する部分とを備えてなり、 前記変換する部分は、少なくとも前記スポットサイズの
大きい光導波路デバイスとの光結合端面側近傍における
前記クラッド層の部分であって、前記光結合端面のスポ
ットサイズが前記スポットサイズの大きい光導波路デバ
イスのスポットサイズの大きさに合う厚さを有する部分
を含んでなることを特徴とする光結合デバイス。 - 【請求項８】 前記スポットサイズの大きい光導波路デ
バイス内の光波フィールド分布がガウス形光波フィール
ド分布であることを特徴とする請求項７に記載の光結合
デバイス。 - 【請求項９】 相対的にスポットサイズの大きな光導波
路デバイスと、相対的にスポットサイズの小さな光導波
路デバイスとを光結合デバイスを用いて結合する光結合
方法において、 光結合デバイス内を伝搬する光の光波フィールド分布形
状を、前記スポットサイズの大きい光導波路デバイス内
の光波フィールド分布形状に近似した形状に変換する光
波フィールド分布形状変換工程を含み、 前記光波フィールド分布形状の変換は、前記光結合デバ
イスの少なくとも前 記スポットサイズの大きな光導波路
デバイスとの光結合端面側近傍において、前記スポット
サイズの大きい光導波路デバイスのスポットサイズの大
きさに合う厚さを有するクラッドに取り囲まれたコア部
分を通して光を伝搬させることにより行うことを特徴と
する光結合方法。 - 【請求項１０】 前記スポットサイズの大きい光導波路
デバイス内の光波フィールド分布がガウス形光波フィー
ルド分布であることを特徴とする請求項９に記載の光結
合方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3854895A JP3006666B2 (ja) | 1995-02-27 | 1995-02-27 | 光結合デバイスおよび光結合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3854895A JP3006666B2 (ja) | 1995-02-27 | 1995-02-27 | 光結合デバイスおよび光結合方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08234062A JPH08234062A (ja) | 1996-09-13 |
| JP3006666B2 true JP3006666B2 (ja) | 2000-02-07 |
Family
ID=12528352
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3854895A Expired - Lifetime JP3006666B2 (ja) | 1995-02-27 | 1995-02-27 | 光結合デバイスおよび光結合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3006666B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0915435A (ja) * | 1995-06-26 | 1997-01-17 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光結合デバイスおよび光機能デバイス |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3456166B2 (ja) | 1999-06-23 | 2003-10-14 | 日本電気株式会社 | フォトニック結晶を用いた光結合素子および光結合方法 |
| KR100397320B1 (ko) * | 2000-10-05 | 2003-09-06 | 주식회사 에이티아이 | 광 모드 크기 변환기 |
| JP2005268298A (ja) * | 2004-03-16 | 2005-09-29 | Anritsu Corp | 半導体レーザ |
| JP2005331967A (ja) * | 2005-06-24 | 2005-12-02 | Fujitsu Ltd | 光結合装置 |
| JP5416003B2 (ja) * | 2010-03-19 | 2014-02-12 | 古河電気工業株式会社 | 半導体光導波路素子、半導体光導波路アレイ素子、およびその製造方法 |
| CN106338800B (zh) * | 2016-10-31 | 2018-06-12 | 华中科技大学 | 一种用于光纤与芯片间光信号传输的水平耦合器 |
| JP6927094B2 (ja) | 2018-03-09 | 2021-08-25 | 日本電信電話株式会社 | 光導波路接続構造 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2929481B2 (ja) * | 1992-05-20 | 1999-08-03 | 日本電信電話株式会社 | 光機能素子 |
-
1995
- 1995-02-27 JP JP3854895A patent/JP3006666B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0915435A (ja) * | 1995-06-26 | 1997-01-17 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光結合デバイスおよび光機能デバイス |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08234062A (ja) | 1996-09-13 |
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