JP3032647B2 - 光導波路素子 - Google Patents

光導波路素子

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光導波路素子におい
て、異なる実効屈折率を有する光導波路を持続損失なく
接続する光導波路素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】当初、光通信分野で注目された光集積化
技術は、方向性結合器の原理を用いた光スイッチング素
子等の形で実用化された。しかし、現在では光集積化技
術は光通信分野にとどまらず光コンピューティングなど
様々な分野に利用されている。中でも、光スイッチング
素子に用いられる光導波路についてはレンズ，プリズ
ム，ミラーなどの従来の微小光学部品を代用できる、と
いう特徴があり、小型軽量化の進む光ピックアップ装置
への利用も検討されてきた。さらに、光磁気信号を検出
するためには偏光分離を行う必要があり、平板光導波路
を用いた偏光分離素子も提案されている。
【０００３】さて、このような偏光分離素子は二つの異
なる平板光導波路を単に接続しただけでは接続面には、
反射のため、接続損失が生じることになる。従って二つ
の異なる平板光導波路間で光を伝搬させる場合、接続損
失なく２つの平板光導波路間を接続する技術が必要とな
り、以下に示すような方法が採用されている。
【０００４】図６（ａ）に示すように基板１０３上に厚
さｄ101の層１０１と厚さｔ102の層１０２との二層から
なる導波層を持つ単一モード平板光導波路１０５と、光
導波路１０７は基板１０３上に厚さｄ104の導波層１０
４を持つ単一モード平板光導波路１０７を直接接合させ
た場合、図６（ｂ）に示すように光導波路１０５からコ
ヒーコヒーレントな平行光が入射したとき、全ての光が
光導波路１０７への透過光Ｔとなるわけではなく、光導
波路５での光の強度分布Ｉinと光導波路１０７での光の
強度分布Ｉoutが一致しないことから、一部は面Ｃで反
射され、反射光Ｒが光導波路１０５に戻ることになって
いた。
【０００５】この点を解決するために，図３（ａ）に示
すように傾きｔ102／ｌ106が１／１０以下であるテーパ
１０６を接続部として用いている。図３（ｂ）に示すよ
うに、テーパ部の実効屈折率ＮはＺ方向に徐々に変化す
るため、テーパ１０６に入射した光の強度分布Ｉinは徐
々に変化して光導波路１０７の強度分布Ｉoutに一致す
るため光のほぼ全透過が実現できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】２つの異なる実効屈折
率Ｎ1，Ｎ2（Ｎ1＞Ｎ2）を有する単一モード平板光導波
路間をテーパを用いて接続しようとする場合、テーパ部
の作製が重要な要素となる。しかし、テーパを半導体プ
ロセスにおけるドライエッチング法により作製しようと
した場合、傾きの緩やかなテーパができない、という問
題がある。これは図４を用いて説明すると、基板４３に
目的の場所にレジスト４１をつけることによりイオンビ
ームが直接かからない部分以外のところは全て削られる
ことになり、図のようにビームを斜めに当てることでテ
ーパが形成される。しかし、被加工材料４２に当てるビ
ームの入射角θｉでテーパの傾きが決まるために、ビー
ムを真横に近い方向から入射すること、すなわち、θｉ
をあまり大きくすることができないことから、あまり緩
やかな傾きのテーパは作製ができなかった。
【０００７】またウェットエッチングでテーパを作製す
る場合、図５を用いて説明すると被加工材料４２をエッ
チング液で溶かしてこれを作製する。被加工材料４２は
エッチング液により溶けていくが、レジスト４１を塗っ
たところではエッチング液がレジストの下にまわり込む
形で図５（ｂ）の，，の順に溶解が進んでいくこ
とになり、適当なところでエッチングをやめればテーパ
ができる。
【０００８】ここでテーパの形状、例えば傾斜はエッチ
速度（被加工材料が溶解されていく速度）で決まるもの
であるが、エッチ速度はエッチング液濃度や温度によっ
て変化する。またエッチング液は被加工材料と化学反応
することでこれを溶かしていくため、反応による濃度変
化が生じる。このためにエッチング液の濃度を一定にす
るのは難しい。またエッチング液の温度についても、エ
ッチング液内の温度分布を一定にすることは難しい。
【０００９】本発明は光導波路素子において上記方法で
は困難であった異なる実効屈折率を有する光導波路間の
接続部に、ある所定の屈折率と長さを持つ単一モード平
板光導波路を介在させることによって接続損失なく光の
全透過を実現することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、同一基板上に
積層された光導波路素子において、２つの異なる構造の
単一モード平板光導波路間に、前記２つの異なる構造の
単一モード平板光導波路の実効屈折率をＮ１、Ｎ２（Ｎ
１≠Ｎ２）とすると、実効屈折率（Ｎ´）が、
【数１】 を満たすように、各層の屈折率をもとに、各層の厚さを
決定した構造を有する単一モード平板光導波路の接続部
を、波長λの光が実効屈折率Ｎ１の光導波路から実効屈
折率Ｎ´の接続部に入射角θｉで入射するとき、接続部
の長さｌが
【数２】 を満たすように介在させたことを特徴とする光導波路素
子である。
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【作用】上記のように、同一基板上に積層された光導波
路素子において、２つの異なる構造の単一モード平板光
導波路間に、前記２つの異なる構造の単一モード平板光
導波路の実効屈折率をＮ１、Ｎ２（Ｎ１≠Ｎ２）とする
と、実効屈折率（Ｎ´）が、
【数１】 を満たすように、各層の屈折率をもとに、各層の厚さを
決定した構造を有する単一モード平板光導波路の接続部
を、波長λの光が実効屈折率Ｎ１の光導波路から実効屈
折率Ｎ´の接続部に入射角θｉで入射するとき、接続部
の長さｌが
【数２】 を満たすように介在させたので、入射時の反射波を解消
させることにより、接続損失を無くし、光の全透過を実
現できる。
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【実施例１】本発明の一実施例として、一基板上で、二
層からなる導波層を持つ単一モード平板光導波路と導波
層を持つ接続用単一モード平板光導波路で接続する場合
について、図１を用いて説明する。
【００２１】図１（ａ）において光導波路５は層１，層
２の２層からなる導波層と基板３からなる単一モード平
板光導波路であり、光導波路７は導波層４と基板３から
なる単一モード平板光導波路である。
【００２２】また、光導波路を伝搬する光は、平行光で
あり、図１（ｂ）が示すように光導波路５から光導波路
７へ伝搬し、接続部６には角度θｉで入射する。さらに
光導波路５，７が単一モード平板光導波路であるため
に、それぞれの光導波路に伝搬する光に固有の実効屈折
率Ｎ5，Ｎ7が決定される。
【００２３】接続部６で２つの光導波路５，７を接続す
るとき、面Ａ及び面Ｂから反射波ＲA，ＲBが発生する
が、これらの反射波は接続部６の実効屈折率Ｎ6及び長
さｌ6を
【００２４】
【数３】
【００２５】
【数４】
【００２６】（但し、λは自由空間の光の波長）となる
ように定めることにより打ち消し合う。従って実質的に
接続による光導波路５への反射波が無くなる。すなわ
ち、光導波路５から光導波路７へ光は全透過することに
なる。なお、接続部の実効屈折率Ｎ6は層８及び層９の
厚さｄ6及びｔ6を適宜選ぶことにより所望の値に定める
ことができる。
【００２７】以下に具体的な一例を示す。光導波路５，
７及び接続部６の基板３をＳｉＯ2（屈折率ｎ4＝１．４
５８）とし、光導波路５の層１，接続部６の層８，光導
波路７の導波層４を屈折率ｎ2＝１．５３のガラス（例
えばコーニング社の＃７０５９）とし、光導波路５の層
２，接続部６の層９をＴｉＯ2（屈折率ｎ3＝２．３）と
した場合で、ｄ5＝ｄ7＝３８０（ｎｍ），ｔ5＝９０
（ｎｍ）の場合を考える。ここでＴＭ波が伝搬する場合
を考えると、光導波路５及び７の実効屈折率Ｎ5，Ｎ7は
Ｎ5＝１．５６８６，Ｎ7＝１．４５８１である。従っ
て、接続部６の実効屈折率Ｎ6は数３からＮ6＝１．５１
２３となり、このためには例えばｄ6＝３８０（ｎ
ｍ），ｔ6＝５８（ｎｍ）とする必要がある。さらに、
例えば波長λが７８０（ｎｍ）の光が入射角θｉ＝０°
で入射する場合、接続部６の長さｌ6を１２９（ｎｍ）
とすることで、光導波路５から光導波路７への光の全透
過が実現できる。
【００２８】なお、光導波路５及び光導波路７，接続部
６での導波層は何層からなるものでもよい。さらに、２
つの偏波方向の異なる光により構成された光が入射する
場合、入射角θｉを適当な値に選ぶことで一方の偏波方
向を持つ光のみを選択透過させることができる。
【００２９】（実施例２）本発明の他の実施例につい
て、図２を用いて説明する。一基板上で３層からなる導
波層を持つ単一モード平板光導波路と１層の導波層を持
つ単一モード平板光導波路とを２層からなる導波層を持
つ単一モード平板光導波路で接続する光導波路構造であ
る。その側面図を図２（ａ）に示す。ここで光導波路１
５は層１０，１１，１２の３層からなる導波層と基板１
３で構成され、光導波路１７は導波層１８と基板１３で
構成されている。また接続部１６は層１９，２０の２層
と基板１３で構成される。また光は図２（ｂ）が示すよ
うに、接続部１６に入射角θｉで入射する。
【００３０】光導波路１５，及び１７の実効屈折率
Ｎ15，Ｎ17であるとき、光の全透過原理は実施例１と同
じであり、接続部１６の実効屈折率Ｎ16及び長さｌ16に
必要な条件は
【００３１】
【数５】
【００３２】
【数６】
【００３３】である。また、この光導波路素子は基板上
に屈折率ｎ12で厚さｄ12の層を形成し、さらに、この上
に屈折率ｎ11で厚さｔ11の層を接続部１６と光導波路１
５の部分の上に形成し、さらに光導波路１５の部分の上
に屈折率ｎ10で厚さｔ10の層を形成することで作製でき
ることから、リフトオフ等を製造方法として採用するこ
とが可能である。さらに、２つの偏波方向の異なる光に
より構成された光が入射する場合、入射角θｉを適当な
値に選ぶことで一方の偏波方向を持つ光のみを選択透過
させることができる。
【００３４】
【発明の効果】以上のように本発明によれば光導波路素
子において、異なる実効屈折率を有する２つの単一モー
ド平板光導波路間を光が接続損失なく、ほぼ全透過を可
能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す側面図（ａ）、及び平
面図（ｂ）である。
【図２】本発明の一実施例を示す側面図（ａ）、及び平
面図（ｂ）である。
【図３】従来のテーパによる光導波路接続を示す図
（ａ）及びテーパにおける実効屈折率のＺ方向の変化を
示す図（ｂ）である。
【図４】従来においてドライエッチング法によるテーパ
の作製課程図である。
【図５】従来においてウェットエッチング法によるテー
パの作製課程図である。
【図６】従来の突き合わせによる光導波路接続を示す側
面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１，２，４，１０，１１，１２，１９，２０，１０１，
１０２，１０４ 導波層 ３，１３，１０３ 基板 ５，６，７，１５，１６，１７，１０５，１０６，１０
７ 光導波路 ８，９ 接続部導波層 ４１ レジスト ４２ 被加工材料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 裕之 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 吉田 圭男 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 倉田 幸夫 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−17708（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−273428（ＪＰ，Ａ) 櫛田孝司著 共立物理学講座11 光物 理学 初版６刷 共立出版株式会社 1991年３月15日発行 第50−52頁 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/14

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 同一基板上に積層された光導波路素子に
    おいて、 ２つの異なる構造の単一モード平板光導波路間に、 前記２つの異なる構造の単一モード平板光導波路の実効
    屈折率をＮ１、Ｎ２（Ｎ１≠Ｎ２）とすると、 実効屈折率（Ｎ´）が、 【数１】 を満たすように、 各層の屈折率をもとに、各層の厚さを決定した構造を有
    する単一モード平板光導波路の接続部を、 波長λの光が実効屈折率Ｎ１の光導波路から実効屈折率
    Ｎ´の接続部に入射角θｉで入射するとき、接続部の長
    さｌが 【数２】 を満たすように介在させたことを特徴とする光導波路素
    子。
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EP93306691A EP0585102B1 (en) 1992-08-25 1993-08-24 An optical device having two optical waveguides connected and a method of producing the same
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