JP3100499B2 - グレーティングカップラーおよびこれを有する光導波路素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光集積回路を初めとす
る各種光デバイスにおける、光導波路部分への光結合を
行うグレーティングカップラーおよびこれを利用した光
導波路素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】グレーティングカップラーは導波路素子
に対し、導波路外部からの入射光を導波路内部の導波光
（導波路を伝搬する光、以下、導波モードという）に結
合させる手段として、従来から多用されている。

【０００３】例えば、図１０に示すような光磁気ディス
クの信号検出用光導波路素子を考える。この場合、グレ
ーティングカップラーはディスクからの反射光をこの光
導波路素子の導波モードに結合させる役割を果たしてい
る、現在、このグレーティングカップラーには、以下に
示す二つの大きな技術上の課題がある。すなわち、 （１）導波路外部から導波路へ入射する光と導波モード
との光結合効率の向上 （２）入射光の波長変動による光結合効率の変動の抑制 という課題である。

【０００４】この内、（１）の光結合効率の向上という
課題については、これまでにも、反射基板を利用する方
法やグレーティングカップラーを導波層の上下に設ける
方法等、様々な方法が提案されている。

【０００５】しかし、これらの方法は（２）の入射光の
波長変動による光結合効率の変動の抑制という課題に対
しては改善効果が小さい。

【０００６】（２）に対する具体的な対策として、入射
光の入射ビーム径を小さくする方法がよく知られてい
る。図１１に、一般的なグレーティングカップラー４０
０の断面を示す。このグレーティングカップラー４００
は基板４１０上に導波層４０１とクラッド層４０２がこ
の順に積層され、クラッド層４０２の表面に格子周期Λ
の結合用グレーティング４０３が形成されている。この
ような構造のグレーティングカップラー４００に入射ビ
ーム径ｗ、波長λの入射光が入射角θ_iで入射した場
合、導波路の実効屈折率をＮとすると、結合可能波長範
囲Δλは、下記式で示される。

【０００７】 △λ＝（−０.８８４・COSθ_i／ｗ）／（ｄＮ／ｄλ−１／Λ）・・・ この方法では使用する光の入射ビーム径ｗとの関係から
結合可能波長範囲△λに限界がある。

【０００８】そこで、波長変動対策用として機能しうる
素子を補助的に利用することで、実質的に波長変動対策
を行う方法が考えられている。この方法について図１２
を用いて説明する。

【０００９】図１２に、グレーティングカップラー５０
０と波長変動補償用素子５０１（以下、単に補償用素子
５０１という）を用いた光結合素子の構成を示す。この
光結合素子のグレーティングカップラー５００は、基板
５０３上に導波層５０４とクラッド層５０５がこの順に
積層されており、クラッド層５０５の表面上に結合用格
子５０６が周期Λ_dで配設されている。補償用素子５０
１はクラッド層５０５表面上に配設角γを成して配設さ
れている。この補償用素子５０１の表面には周期Λ_aで
格子５０２が配設されている。この補償用素子５０１
に、グレーティングカップラー５００に平行な方向か
ら、波長λの光が入射し、１次回析光がグレーティング
カップラー５００に入射角Θで入射すると、これらγ、
Λ_a、λ、Θの間には下記式の関係が成立する。

【００１０】 ｓｉｎγ／λ＋１／Λ_a＝ｃｏｓ（Θ−γ）／λ・・・ 光源に波長変動があると、１次回析光のグレーティング
カップラー５００への入射角Θは上記式を満足するよ
うに変化する。式中、補償用素子５０１の格子周期Λ_a
と補償用素子５０１の配設角γは波長λには関係しな
い。

【００１１】他方、グレーティングカップラー５００に
おいて１次回析光と導波モードとの光結合効率が最大と
なるような１次回析光の入射角、すなわち最適入射角φ
は、導波層５０４の実効屈折率をＮとして、この実効屈
折率Ｎが下記式を満たすような条件の下で変化する。

【００１２】ｓｉｎφ＋λ／Λ_d＝Ｎ・・・ この最適入射角φの変化の方向は入射角Θの変化の方向
と一致している。従って光源に波長変動があった場合で
も、導波層５０４を導波モードが伝送するエネルギーの
低下を防ぐように補償用素子５０１を設計できる。具体
的には、補償用素子５０１の配設角γ、補償用素子５０
１の格子周期Λ_aの最適値は、設計波長λ_d近傍におい
て、波長λの変化によってグレーティングカップラー５
００への１次回析光の入射角Θが変化する割合と最適入
射角φが変化する割合とが等しいという条件を示す下記
式、および設計波長λ_dにおけるグレーティングカッ
プラー５００への１次回析光の入射角Θと最適入射角φ
とが等しいという条件を示す下記式を解くことによっ
て得られる。

【００１３】 λ＝λ_dにおいて ｄΘ／ｄλ＝ｄφ／ｄλ・・・ Θ（λ_d）＝φ（λ_d）＝Θ_d・・・ Θ_dは設計入射角である。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記した、図１２に示
す方法を用いて、光源の波長変動対策を行おうとする場
合、グレーティングカップラーの他に波長変動補償用素
子が別途必要となり、装置の小型化が図れない。また、
この波長変動補償用素子への入射角は精度良く定める必
要があり、装置構成に手間がかかる。

【００１５】本発明は、光結合効率の向上が図られてい
るとともに、入射光の光源の波長変動対策が、波長変動
補償用素子を用いず単独で行える構成を有するグレーテ
ィングカップラーとこれを備えた光導波路素子を提供す
ることを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明のグレーティング
カップラーは、異なる伝搬定数を持つ複数の導波光が伝
搬するグレーティングカップラーであって、基板上に、
複数の導波層と、該導波層に光を閉じ込める光閉じ込め
層とが交互に形成され、該基板、該導波層、該光閉じ込
め層のいずれか一つの表面にグレーティングが設けられ
ており、そのことにより上記目的が達成される。

【００１７】ある実施例では、前記導波層に外部から入
射する光の最大波長をλ_max、該光の波長変動範囲をΔ
λ_org、該光の入射角をθ_i、該グレーティングの格子周
期をΛ、該導波層に励起される全モード数をＭ、ｍ次
（ｍ＝０、１、２、・・・、Ｍ−１）の導波モードの結
合中心波長をλ_mとした場合に、該ｍ次の導波モードの
実効屈折率Ｎ_mがＮ_m＝ｓｉｎθ_i＋λ_m／Λおよびλ_m＝
λ_max−（２ｍ＋１）・（Δλ_org／２・Ｍ）を満足する
ように該導波層および前記隔離層の各層厚を定める。

【００１８】本発明の光導波路素子は、一つの導波層か
らなる光導波路部と接続される光導波路素子であって、
上記のグレーティングカップラーと、該グレーティング
カップラーと該一つの導波層からなる光導波路部とが接
続できるよう、該グレーティングカップラーの前記複数
の導波層の内の一つの導波層を除いた残りの導波層が、
層に沿って傾斜を成すことによって形成された接続部と
を有し、そのことにより上記目的が達成される。

【００１９】

【作用】上記のような構成によれば、多層導波層を有す
るグレーティングカップラーの各層の導波光が近接した
実効屈折率を持つ。

【００２０】単一導波層の光導波路部と本発明に係るグ
レーティングカップラーとの接続が、このグレーティン
グカップラーのテーパ形状の層構造を有する接続部によ
って接続される。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を示す。本実施例によ
って本発明が限定されるものではない。

【００２２】（実施例１）本発明においては、任意のモ
ード数Ｍの導波路でグレーティングカップラーを構成す
ることが可能であるが、実施例１においてはグレーティ
ングカップラーが３モードの導波路を有する場合につい
て説明する。図１に本実施例１の３モード多層グレーテ
ィングカップラーの構造を示す。

【００２３】このグレーティングカップラーは、基板７
上に三つの導波層２、４、６を有する。三つの導波層
２、４、６の内、最も伝搬定数の大きな導波モードが伝
搬し、伝送されるエネルギーが最も集中する導波層が主
導波層４である。この主導波層４を挟む二つの導波層を
副導波層２、６と呼ぶ。これらの各導波層２、４、６の
間は中間層３、５でしきられている。副導波層２の上部
にはクラッド層１が形成されている。このクラッド層１
の上に、結合用グレーティング８が形成されている。各
層６、５、４、３、２、１は基板７の上にスパッタリン
グ等の薄膜形成法により積層形成されるが、結合用グレ
ーティング８の位置はクラッド層１の表面に限らず、導
波路中のどの層の上に形成してもよい。副導波層２は主
導波層４と同じないしは、これより高い屈折率を持つ材
料で形成する。中間層３、５は主導波層４より低い屈折
率を持つ材料で形成する。この中間層３、５は隣接する
導波層との境界において光線光学的には光がこの境界で
全反射し、主導波層や副導波層との間のモードの相互作
用を封じる働きをする。このように、本実施例１のグレ
ーティングカップラーは高屈折率層と低屈折率層との繰
り返しの積層構造を含む。

【００２４】図２に上記に示した図１のグレーティング
カップラーの具体的構成を示す。各構成要素に附した番
号は図１の場合と同様である。

【００２５】本実施例１のグレーティングカップラーの
主導波層４は無アルカリガラス（例えばコーニング社製
♯７０５９ガラス）で形成され、副導波層２、６はＴａ
₂Ｏ₅（五酸化タンタル）で形成されている。クラッド層
１と二つの中間層３、５および基板７はそれぞれＳｉＯ
₂（酸化シリコン）で形成されている。

【００２６】ここで本発明のグレーティングカップラー
の光結合原理を説明する。本発明においては、導波層を
多層モードにし、各導波層の実効屈折率が近接した値を
もつようにする。そのことによって入射光がどんな波長
の入射光であってもいずれかの導波モードに結合させよ
うとするものである。図３に各導波層の実効屈折率が近
接した値をもつようにするための構成を示す。

【００２７】図３において、Δλ_orgは入射光の波長変
動範囲、λ_max、λ_minはそれぞれ波長変動範囲の最大波
長と最小波長である。この波長変動範囲Δλ_orgをモー
ド数Ｍで等分したのが結合可能波長範囲Δλである。Ｍ
個のモードのｍ次（ｍ＝０、１、・・・、Ｍ−１）の結
合中心波長λ_mを図３のように結合可能波長範囲Δλの
中心で定義する。このような構成においてｍ次導波モー
ドの結合中心波長λ_mを最大波長λ_max、次数ｍ、結合可
能波長範囲Δλおよび全モード数Ｍで表すと下記式の
ようになる。

【００２８】 λ_m＝λ_max−（２ｍ＋１）・（Δλ_org／２・Ｍ）・・・ 他方、θ_iを入射光のグレーティングカップラーへの入
射角、Λをグレーティングカップラーの格子周期とし
て、ｍ次のモードの実効屈折率Ｎ_mは下記式で設定さ
れる。

【００２９】Ｎ_m＝ｓｉｎθ_i＋λ_m／Λ・・・ さて、上記のような本発明の光結合原理に基づいて、各
層の層厚は以下のようにして決定される。

【００３０】層厚と各層の材料の屈折率とは各層の電界
成分で関連付けられる。このための詳細な理論式につい
ての説明は本発明の主眼ではないのでここでは省略する
が、この層厚（層方向の距離）と各層の材料の屈折率を
変数にもつ各層の電界成分を表す理論式に、下記表１の
各層の材料の屈折率を代入し、各層の電界成分を各層厚
で表す。本実施例１のグレーティングカップラーを構成
する上記各層の材料の設計波長λ_d＝７８０ｎｍにおけ
る屈折率を表１に示す。屈折率の波長分散特性は設計の
結果には大きく影響せず、ここでは示していない。

【００３１】

【表１】

【００３２】そして、上記各層の電界成分を表す理論式
から、各電界成分の層の境界における値（電界成分の境
界値）が等しいという条件から、層厚を変数に含む各層
の導波モードの伝搬定数β_mが求まる。この伝搬定数β_m
を波数ｋ₀＝２π／λ₀（λ₀は真空中における光の波
長）で規格化した実効屈折率Ｎ_m'＝β_m／ｋ₀の値と前記
式および式で定められる実効屈折率Ｎ_mの値とが近
接するようにして各層の層厚を決定する。

【００３３】また、それぞれの導波モードＴＥ_mについ
て、各導波モードＴＥ_mの結合可能波長範囲Δλがおよ
そΔλ_org／Ｍになるように式から入射ビーム径ｗを
定める。このことにより、波長変動範囲Δλ_orgで全て
の導波モードＴＥ_mと入射光との光結合効率がほぼ一定
の値になる。

【００３４】すなわち、各導波モードＴＥ_mの結合中心
波長λ_mの境界が重なるので、境界においても各導波モ
ードＴＥ_mの光結合効率の低下はほとんど生じない。

【００３５】例えば、本実施例１の３モード多層構造の
グレーティングカップラーにおいて、その格子周期Λを
１μｍとし、結合中心波長λ_m＝７８０ｎｍの光が入射
角θ_i＝４７゜で入射した場合を考える。導波モード
は、電界の向きが基板に平行な偏光面を持つＴＥ_mモー
ド（Ｍ＝３、ｍ＝０、１、２）とし、Δλ_orgを２０ｎ
ｍとする。ＴＥ₀、ＴＥ₁、ＴＥ₂モードそれぞれの実効
屈折率Ｎ₀、Ｎ₁、Ｎ₂を前記式および式に基づいて
設定するとＮ₀＝１.５１９、Ｎ₁＝１.５１１、Ｎ₂＝１.
５０５という値になる。この実効屈折率Ｎ₀、Ｎ₁、Ｎ₂
の値に、各層の電界成分を表す理論式から求まるＮ₀'、
Ｎ₁'、Ｎ₂'の値が近い値になるように各層の層厚を決定
する。

【００３６】この結果、本実施例１のグレーティングカ
ップラーにおいては、副導波層２の層厚ｔ₁＝６４ｎ
ｍ、副導波層６の層厚ｔ₂＝６０ｎｍ、主導波層４の層
厚ｈ₁＝６００ｎｍ、中間層３、５の層厚ｄ₂、ｄ₃はと
もに６５０ｎｍ、クラッド層１の層厚ｄ₁＝７００ｎｍ
となる。

【００３７】また、結合可能波長範囲ΔλをおよそΔλ
_org／３＝２０ｎｍ／３（≒６.６ｎｍ）とするのに必要
な入射ビーム径ｗは式から７１μｍとなる。

【００３８】さて、グレーティングカップラーでは入射
光の波長λ、格子周期Λ、導波路への入射角θ_iによっ
て、下記式で定義される結合最適値Ｎ_BEST（入射光が
導波路内部の導波モードに最も効率良く結合する実効屈
折率）が決まる。

【００３９】Ｎ_BEST＝ｓｉｎθ_i−λ／Λ・・・ 図４に式で示される結合最適値Ｎ_BESTの直線と本実施
例１の３モード多層構造のグレーティングカップラーに
伝搬し得る三つのモードＴＥ₀、ＴＥ₁、およびＴＥ₂の
実効屈折率Ｎ₀、Ｎ₁、Ｎ₂の波長特性線を示す。各導波
モードＴＥ₀、ＴＥ₁、およびＴＥ₂は、結合最適値Ｎ
_BESTの直線とそれぞれの波長特性線とが交差する位置の
波長λを中心に±Δλ／２の範囲の波長の入射光と結合
する。

【００４０】ここで、式を用いて、それぞれのモード
の結合可能波長範囲Δλが近接するように入射ビーム径
ｗを定めれば、波長変動により結合最適値Ｎ_BESTが変動
しても、グレーティングカップラーではいずれかの導波
モードが励起され、この励起された導波モードと結合可
能な入射光の波長範囲は実質的にグレーティングカップ
ラーに励起されるモード数倍、つまり、本実施例１の３
モード多層グレーティングカップラー（Ｍ＝３）におい
ては、３・（±Δλ／２）となる。

【００４１】いま、導波層の上面のみに格子を形成し、
この格子に入射ビーム径ｗが６４μｍの光が入射する場
合を考える。この場合、従来型のグレーティングカップ
ラーにおいては、結合可能波長範囲Δλが式からおよ
そ±３.４ｎｍと求められる。

【００４２】本実施例１のグレーティングカップラーで
は、図４に示した実効屈折率の波長特性から理解される
ように、入射光と導波モードとの結合可能波長範囲Δλ
は従来型のおよそ３倍になる。

【００４３】なお、本実施例１の積層構造においてクラ
ッド層１は基板７と同じ材料のＳｉＯ₂（酸化シリコ
ン）で形成したが、このことにより、導波路の積層方向
の構造的対称性が増し、このことだけでも構造的に対称
の位置にあるＴＥ₁とＴＥ₂モードの実効屈折率Ｎ₁、Ｎ₂
の差を小さくできる。従って、ＴＥ₀モードをＴＥ₁とＴ
Ｅ₂モードのいずれかのモードに近づけるだけで、三つ
のモードの実効屈折率の値を接近させることができる。

【００４４】（実施例２）実施例２においては、前記実
施例１で示したグレーティングカップラーのクラッド層
より大きい屈折率を有する材料でクラッド層を形成した
構造を採用する。屈折率の大きい材料で層を形成する
と、膜厚が薄くてもモード上は同じ効果が得られ、従っ
て、積層時間の短縮を図ることができる。ただし、クラ
ッド層を基板材と異なる材料で形成すると、前記実施例
１の項で述べた構造的対称性がくずれるので、クラッド
層は一層ではなく、内部に面した側に基板と同じ材料の
ＳｉＯ₂を用いた層を形成して基板との対称性を保ち、
この上にＳｉＯ₂より屈折率の大きいＴａ₂Ｏ₅の層を形
成する二層構造とする。二層にしてもクラッド層の部分
については全体として膜厚を薄くすることができるの
で、積層時間の短縮をはかることができる。

【００４５】図５に本実施例２に係るグレーティングカ
ップラーの断面を示す。このグレーティングカップラー
はＳｉＯ₂の基板１８上に、層厚ｔ₁₇のＴａ₂Ｏ₅からな
る副導波層１７、層厚ｄ₁₆のＳｉＯ₂からなる中間層１
６、層厚ｈ₁₅の♯７０５９ガラスからなる主導波層１
５、層厚ｄ₁₄のＳｉＯ₂からなる中間層１４、および層
厚ｔ_{1 3}のＴａ₂Ｏ₅からなる副導波層１３がこの順で積層
された多層導波路が形成され、この多層導波路層の最上
層の副導波層１３の上に、層厚ｔ₁₂のＳｉＯ₂からなる
第１クラッド層１２、層厚ｔ₁₁のＴａ₂Ｏ₅からなる第２
クラッド層１１がこの順で積層された２層構造のクラッ
ド層が形成されている。

【００４６】そして、結合用グレーティング１９が第２
クラッド層１１の上に形成されている。

【００４７】上記した図５の構造において、入射角θ_i
＝４７.１゜、格子周期Λ＝１μｍとし、結合可能波長
範囲Δλ＝±１０ｎｍを実現するために、三つのモード
ＴＥ₀、ＴＥ₁、ＴＥ₂それぞれの実効屈折率Ｎ₀、Ｎ₁、
Ｎ₂の値を１.５２０、１.５１３、１.５０５と設定し、
実施例１で示したのと同様の要領で各実効屈折率Ｎ₀、
Ｎ₁、Ｎ₂の値に基づいて各層の層厚を最適化した結果、
副導波層１７の層厚ｔ₁₇＝６０ｎｍ、主導波層１５の層
厚ｈ₁₅＝５５０ｎｍ、副導波層１３の層厚ｔ₁₃＝６４ｎ
ｍとなる。中間層１６、１４の層厚ｄ₁₆、ｄ₁₄はともに
７００ｎｍ、第１クラッド層１２の層厚ｄ₁₂は３００ｎ
ｍ、第２クラッド層１１の層厚ｔ₁₁は６０ｎｍとなる。

【００４８】本実施例２のグレーティングカップラーの
構造によれば、クラッド層全体（第１および第２のクラ
ッド層の二層）の厚さ（ｔ₁₁＋ｄ₁₂）が実施例１の場合
のほぼ半分の３６０ｎｍですみ、結合可能波長範囲Δλ
については実施例１と同じ効果を奏しつつ、積層時間が
短縮できる。

【００４９】（実施例３）実施例３においては、多層導
波路（多モード）を有するグレーティングカップラーに
おいて、副導波層の材料、及び膜厚が異なり、従って、
導波路内の層に垂直な方向の導波モードの電界分布が非
対称となるような構造を有するグレーティングカップラ
ーを取り挙げる。そして、非対称構造であっても、前記
実施例で実現できた効果が実現されることを示す。

【００５０】本実施例３のグレーティングカップラーの
作製手順においては、先述の実施例２の対称構造のグレ
ーティングカップラーで設定された最適層厚を基に、層
の積層順序だけを変えて非対称構造を実現したものを初
期条件とする。

【００５１】そして、この初期条件の層厚を補正最適化
するという手順をとる。この最適化は、Ｔａ₂Ｏ₅層の厚
さ、主導波層の厚さはそのままで、これらの層間に介在
する層の膜厚のみを調整するものである。

【００５２】図６に本実施例３に係るグレーティングカ
ップラーの断面を示す。このグレーティングカップラー
はＳｉＯ₂で形成された基板２８の上に、層厚ｈ₂₇の♯
７０５９ガラスからなる主導波層２７、層厚ｄ₂₆のＳｉ
Ｏ₂からなる中間層２６、層厚ｔ₂₅のＴａ₂Ｏ₅からなる
副導波層２５、層厚ｄ₂₄のＳｉＯ₂からなる中間層２
４、および層厚ｔ₂₃のＴａ₂Ｏ₅からなる副導波層２３が
この順で積層された多層導波路が形成されている。この
多層導波路の最上層の副導波層２３の上に、層厚ｄ₂₂の
ＳｉＯ₂からなる第１クラッド層２２、層厚ｔ₂₁のＴａ₂
Ｏ₅からなる第２クラッド層２１がこの順で積層された
２層構造のクラッド層が形成されている。各層厚は主導
波層２７の層厚ｈ₂₇＝５５０ｎｍ、副導波層２５の層厚
ｔ₂₅＝６４ｎｍ、副導波層２３の層厚ｔ₂₃＝６０ｎｍ、
中間層２６の層厚ｄ₂₆＝７００ｎｍ、中間層２４の層厚
ｄ₂₄＝８００ｎｍ、第１クラッド層２２の層厚ｄ₂₂＝３
００ｎｍ、第２クラッド層２１の層厚ｔ₂₁＝６０ｎｍで
ある。第２クラッド層１１の上に結合用グレーティング
２９が形成されている。この結合用グレーティング２９
格子周期Λは実施例２と同じく１μｍである。

【００５３】本実施例３のこのグレーティングカップラ
ーの積層構造を前記実施例２と比較すると、基板２８の
材料とクラッド層（第１、第２）の構成が実施例２と同
様であり、導波層、中間層の積層順が異なっている。

【００５４】このような積層構造を有する本実施例３の
構造において、各層厚と各層の電界成分の理論式から求
めた三つのモードＴＥ₀、ＴＥ₁、ＴＥ₂それぞれの実効
屈折率Ｎ'₀、Ｎ'₁、Ｎ'₂の値は１.５１９、１.５１２、
１.５０２となる。

【００５５】本実施例３のこの構造のグレーティングカ
ップラーに対し、入射角θi＝４７°で光を入射させる
と実施例２のグレーティングカップラーと同様の結合可
能波長範囲Δλ＝±１０ｎｍが実現できた。

【００５６】本実施例３で示したように、本発明の多層
グレーティングカップラーは導波路の構造の対称性（導
波路内の基板に垂直な方向の電界分布が対称性を持
つ）、非対称性に関係なく、結合効率の拡大が図れる。

【００５７】（実施例４）グレーティングカップラー
は、導波路のＴＥモード（電界の向きが基板に平行な偏
光面を持つ光）、ＴＭモード（電界の向きが基板に垂直
な偏光面を持つ光）の双方が、入射光との結合において
波長変動の影響を受けにくい構造を必要とする場合があ
る。実施例４では、このような効果を奏する構造を有す
るグレーティングカップラーを採用する。図７に本実施
例４のグレーティングカップラーの断面を示す。

【００５８】本実施例４のグレーティングカップラーは
副導波層の材料としてＴａ₂Ｏ₅ではなく、主導波層と同
じ＃７０５９ガラスを用いた多層導波路を有する。図に
示すように、ＳｉＯ₂で形成された基板３７の上に、層
厚ｈ₃₆の＃７０５９ガラスから成る副導波層３６、層厚
ｄ₃₅のＳｉＯ₂から成る中間層３５、層厚ｈ₃₄の＃７０
５９ガラスから成る主導波層３４、層厚ｄ₃₃のＳｉＯ₂
から成る中間層３３、層厚ｈ₃₂の＃７０５９ガラスから
成る副導波層３２、層厚ｄ₃₁のＳｉＯ₂から成るクラッ
ド層３１がこの順に積層形成されている。格子周期Λは
１μｍである。この構造において導波層３６の層厚ｈ₃₆
を３８０ｎｍ、導波層３４の層厚ｈ₃₄＝４３０ｎｍ、導
波層３２の層厚ｈ₃₂＝３８０ｎｍ、中間層３５、３６の
層厚ｄ₃₅、ｄ₃₆はそれぞれ６００ｎｍ、クラッド層３１
の層厚ｄ₃₁＝２００ｎｍとし、電界成分の理論式から算
出したＴＥモードの各実効屈折率Ｎ'_E0、Ｎ'_E1、Ｎ'_E2
はそれぞれ１.５０２、１.４９１、１.４８１となり、
ＴＭモードの各実効屈折率Ｎ'_M0、Ｎ'_{M 1}、Ｎ'_M2は１.４
９６、１.４８５、１.４７１となった。

【００５９】このような構造のグレーティングカップラ
ーにおいて、ＴＥモードに対し、結合中心波長λ_m＝７
８０ｎｍの光を入射角θ_i＝４６°で入射させたときの
結合可能波長範囲Δλは±１２ｎｍとなった。また、Ｔ
Ｍモードに対して結合中心波長λ_m＝７８０ｎｍの光を
入射角θ_i＝４５°で入射させたときには、７６７ｎｍ
から７９２ｎｍの範囲の波長（結合可能波長範囲Δλ＝
２５ｎｍでほぼλ＝７８０ｎｍ±１２ｎｍ）にわたって
導波モードとの結合が実現できた。

【００６０】このように、本発明は導波路のＴＥモード
とＴＭモードの双方において、入射光の波長変動の影響
を受けにくい多層グレーティングカップラーを提供でき
る。 （実施例５）実施例５においては本発明の多層グレーテ
ィングカップラーを、入射光と導波路の導波モードとを
結合させる光導波路素子に用いた例を説明する。本実施
例５においては、最も利用分野の広い単一モード光導波
路（導波路を伝搬し得るモードが基本モードのみ）に光
結合を行わせる光導波路素子を取り挙げるが、実施にあ
たっては、これに限定されるものではなく、多モード光
導波路にも適用可能である。この単一モードの光導波路
に光を結合させる多層グレーティングカップラーとして
は、実施例１で取り挙げた図２のものを例にとる。単一
モード光導波路素子はＳｉＯ₂基板、＃７０５９ガラス
導波層、ＳｉＯ₂クラッド層がこの順に積層して形成さ
れた構成のものとする。

【００６１】図８に、本実施例５に係る光導波路素子の
断面を示す。この光導波路素子は、図に示すように、基
板２００上に、この基板２００面に沿ってカップラー部
２０１、接続部２０２および単一モード光導波路部２０
３がこの順に並置されている。カップラー部２０１は実
施例１で取り挙げた図２の場合と同じ構造を有し、接続
部２０２は、基板２００上に形成された副導波層２０４
がカップラー部２０１との接続面での層厚を最大とし、
隣接する単一モード光導波路部２０３との境界面で層厚
が０となる形状のテーパーを有する。この副導波層２０
４上に形成された中間層２０５、主導波層２０６および
中間層２０７は、上記のテーパーに沿って、カップラー
部２０１との接合部での層厚のままで、単一モード光導
波路部２０３に達している。中間層２０７の上に形成さ
れたもう一つの副導波層２０８はカップラー部２０１と
の接合面での層厚を最大とし、隣接する単一モード光導
波路部２０３との境界面で層厚が０となる形状のテーパ
ーを有する。副導波層２０８上に形成されたクラッド層
２０９はこの副導波層２０８に沿って、カップラー部２
０１との接合部での層厚のままで、単一モード光導波路
部２０３に達している。

【００６２】接続部２０２の副導波層２０４、２０８が
上記のように断面が導波方向にテーパーをなす形状を有
するので、この光導波路素子は、多モードのカップラー
部２０１が単一モード光導波路部２０３に形状的に接続
可能となっている。

【００６３】カップラー部２０１で励起された各導波モ
ードはテーパ状接続部２０２を通ることで単一モード光
導波路部２０３の導波モードに変換される。これは、屈
折率の大きい副導波層２０４、２０８が接続部２０２に
おいて、導波方向に沿って徐々に薄くなるため、副導波
層２０４、２０８の導波モードが持つエネルギーの一部
の閉じ込め効果が徐々に失われることによるものであ
る。こうして、最終的には多モードのカップラー部２０
１の各層で励起された導波モードがすべて単一モード導
波路部２０３側の基本モードに変換される。

【００６４】（実施例６）実施例６においては、カップ
ラー部３０１に、先述の実施例３で取り挙げた図６に示
す、非対称構造の多モードグレーティングカップラーを
用いた光導波路素子を採用する。図９に本実施例６に係
る光導波路素子示す。本実施例６の素子においては、カ
ップラー部３０１と単一モード導波路部３０３との接続
に、３層のテーパ状の高屈折率層を含むテーパ状接続部
３０２を用いている。本実施例６においても、高屈折率
の副導波層３０４、３０５、３０６をテーパ状に薄く形
成することにより、先述の実施例５の場合と同様な原理
によって、副導波層３０４、３０５、３０６の導波モー
ドの持つエネルギーの一部を閉じ込める効果が弱まり、
単一モード導波路部３０３における基本モードへの変換
が可能となる。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のグレーテ
ィングカップラーにおいては、カップラー部が多層構造
を有し、各導波層の実効屈折率が近接した値を有するの
で、入射光が設定変動波長内のどんな波長であっても、
導波路のいずれかの導波モードにこれを結合させること
ができる。すなわち、光源の波長変動によって光結合効
率が変動（低下）しない。

【００６６】また、任意のモード数が得られるので、入
射ビーム径が同じでも、多層構造を利用しないグレーテ
ィングカップラーのモード数倍の波長変動許容幅が得ら
れる。 このような本発明のグレーティングカップラー
を用いれば、他の素子を使わず、グレーティングカップ
ラー部分単独で波長変動対策が行えるので、光結合機能
を有する光導波路素子の小型化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るグレーティングカップラーの原理
を示すための断面図。

【図２】本実施例１に係るグレーティングカップラーの
断面図。

【図３】本発明の光結合原理を示す図。

【図４】実効屈折率と波長との関係（実効屈折率の波長
特性）を示す図。

【図５】本実施例２に係るグレーティングカップラーの
断面図。

【図６】本実施例３に係るグレーティングカップラーの
断面図。

【図７】本実施例４に係るグレーティングカップラーの
断面図。

【図８】本実施例５に係るグレーティングカップラーの
断面図。

【図９】本実施例６に係るグレーティングカップラーの
断面図。

【図１０】光磁気ディスクの信号検出用光導波路素子の
斜視図。

【図１１】一般的なグレーティングカップラーの一例を
示す図。

【図１２】補償用素子とグレーティングカップラーとの
組合せで構成された光導波路素子の断面図。

【符号の説明】

１ クラッド層 ２、６ 副導波層 ３、５ 中間層 ４ 主導波層 ７ 基板 ８ 結合用グレーティング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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63−96605（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/34 G02B 6/122

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 異なる伝搬定数を持つ複数の導波光が伝
   搬するグレーティングカップラーであって、 基板上に、複数の導波層と、該導波層に光を閉じ込める
   光閉じ込め層とが交互に形成され、該基板、該導波層、
   該光閉じ込め層のいずれか一つの表面にグレーティング
   が設けられたグレーティングカップラー。
2. 【請求項２】 前記導波層に外部から入射する光の最大
   波長をλ_max、該光の波長変動範囲をΔλ_org、該光の入
   射角をθ_i、該グレーティングの格子周期をΛ、該導波
   層に励起される全モード数をＭ、ｍ次（ｍ＝０、１、
   ２、・・・、Ｍ−１）の導波モードの結合中心波長をλ
   _mとした場合に、該ｍ次の導波モードの実効屈折率Ｎ_mが
   Ｎ_m＝ｓｉｎθ_i＋λ_m／Λおよびλ_m＝λ_max−（２ｍ＋
   １）・（Δλ_org／２・Ｍ）を満足するように該導波層
   および前記隔離層の各層厚が定められた請求項１に記載
   のグレーティングカップラー。
3. 【請求項３】 一つの導波層からなる光導波路部と接続
   される光導波路素子であって、 請求項１または２のいずれかに記載のグレーティングカ
   ップラーと、 該グレーティングカップラーと該一つの導波層からなる
   光導波路部とが接続できるよう、該グレーティングカッ
   プラーの前記複数の導波層の内の一つの導波層を除いた
   残りの導波層が、層に沿って傾斜を成すことによって形
   成された接続部とを有する光導波路素子。