JP3153886B2 - 光カプラ - Google Patents
光カプラInfo
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- JP3153886B2 JP3153886B2 JP20638492A JP20638492A JP3153886B2 JP 3153886 B2 JP3153886 B2 JP 3153886B2 JP 20638492 A JP20638492 A JP 20638492A JP 20638492 A JP20638492 A JP 20638492A JP 3153886 B2 JP3153886 B2 JP 3153886B2
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- light
- diffraction grating
- waveguide
- coupler
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- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光を用いた接続、すなわ
ち光カプラに関するものである。
ち光カプラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、電気回路内において、ある回路を
電気的に独立させたい場合、光カップラが用いられてき
た。これは半導体発光素子と受光素子を組み合わせたモ
ジュールで、発光素子と結線された第１の回路に電流が
流れると素子が発光し、その光を受光素子が受光してそ
れと接続する第２の回路に電気的な信号が発生するもの
である。第１の回路と第２の回路は光で接続している
が、電気的には独立となるため、たとえば回路１で発生
した電気的ノイズは回路２には伝わらない。
電気的に独立させたい場合、光カップラが用いられてき
た。これは半導体発光素子と受光素子を組み合わせたモ
ジュールで、発光素子と結線された第１の回路に電流が
流れると素子が発光し、その光を受光素子が受光してそ
れと接続する第２の回路に電気的な信号が発生するもの
である。第１の回路と第２の回路は光で接続している
が、電気的には独立となるため、たとえば回路１で発生
した電気的ノイズは回路２には伝わらない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが従来の光カプ
ラは１対１の光を用いたデータの伝送であり、半導体発
光素子とそれと対抗する受光素子とからなっている。そ
の間、光は空間あるいは発光素子の発光波長に対して透
明な材料を伝搬して受光素子に到達する。このため発光
素子と受光素子間の距離を短くする必要があった。この
距離を長くすると、光源に半導体レーザを用いても出射
光は広がるために損失が大きくなる。
ラは１対１の光を用いたデータの伝送であり、半導体発
光素子とそれと対抗する受光素子とからなっている。そ
の間、光は空間あるいは発光素子の発光波長に対して透
明な材料を伝搬して受光素子に到達する。このため発光
素子と受光素子間の距離を短くする必要があった。この
距離を長くすると、光源に半導体レーザを用いても出射
光は広がるために損失が大きくなる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の光カプラは、基
板上に形成された光導波路において、光導波路内に導波
光に対して放射損失係数が０でない値を持つ２次以上の
回折格子からなる回折格子結合器を有し、該回折格子結
合器の存在する領域内の表面および該領域内の基板裏面
のいずれか一方、もしくは両方に、導波方向と平行に受
光素子アレイが配置され、前記回折格子結合器により出
射した光が、前記受光素子アレイを構成する複数の受光
素子で受光されることを特徴とする。
板上に形成された光導波路において、光導波路内に導波
光に対して放射損失係数が０でない値を持つ２次以上の
回折格子からなる回折格子結合器を有し、該回折格子結
合器の存在する領域内の表面および該領域内の基板裏面
のいずれか一方、もしくは両方に、導波方向と平行に受
光素子アレイが配置され、前記回折格子結合器により出
射した光が、前記受光素子アレイを構成する複数の受光
素子で受光されることを特徴とする。
【０００５】本発明の光カプラは、さらに好ましくは前
記受光素子アレイを構成する各受光素子の導波方向の長
さが、光導波路の入射端面から基板内部に行くにつれて
長くなっていることを特徴とする。
記受光素子アレイを構成する各受光素子の導波方向の長
さが、光導波路の入射端面から基板内部に行くにつれて
長くなっていることを特徴とする。
【０００６】本発明では光導波路において、導波路構造
内に回折格子結合器を有し、基板表面あるいは裏面に導
波方向と平行に受光素子（フォトダイオード）アレイを
配置し、回折格子結合器により出射した光を、前記受光
素子で受光する構造を持った光カプラを提供する。半導
体レーザの出射光を導波路に結合すると、導波路上のす
べてのフォトダイオードは光を感じる。ただしこの場合
には入射端に近いフォトダイオードほど受光する光の強
度は大きくなる。たとえば任意のフォトダイオードの出
力を取り出すことで、レーザダイオードの出射光の強度
変調をそのフォトダイオードで受光できる。また出力を
取り出すフォトダイオードを変えることで、光カプラと
してのパスが変わることになる。もちろんこの光接続は
１対１だけではなく、１対多の接続も可能である。
内に回折格子結合器を有し、基板表面あるいは裏面に導
波方向と平行に受光素子（フォトダイオード）アレイを
配置し、回折格子結合器により出射した光を、前記受光
素子で受光する構造を持った光カプラを提供する。半導
体レーザの出射光を導波路に結合すると、導波路上のす
べてのフォトダイオードは光を感じる。ただしこの場合
には入射端に近いフォトダイオードほど受光する光の強
度は大きくなる。たとえば任意のフォトダイオードの出
力を取り出すことで、レーザダイオードの出射光の強度
変調をそのフォトダイオードで受光できる。また出力を
取り出すフォトダイオードを変えることで、光カプラと
してのパスが変わることになる。もちろんこの光接続は
１対１だけではなく、１対多の接続も可能である。
【０００７】本発明では、導波路全域に回折格子を作製
した場合について述べた。ところがフォトダイオードア
レイの各ビット間の回折格子は、すべて導波損失をもた
らす。そこで導波路内部の回折格子結合器を導波方向に
対して一定間隔で一定長さに配置し、各々の回折格子結
合器からの出射光が１対１で対応したフォトダイオード
アレイのビットに受光されるようにするとよい。また入
射端近傍には回折格子結合器のない領域を設け、光源と
フォトダイオード間の距離を長くすることもできる。
した場合について述べた。ところがフォトダイオードア
レイの各ビット間の回折格子は、すべて導波損失をもた
らす。そこで導波路内部の回折格子結合器を導波方向に
対して一定間隔で一定長さに配置し、各々の回折格子結
合器からの出射光が１対１で対応したフォトダイオード
アレイのビットに受光されるようにするとよい。また入
射端近傍には回折格子結合器のない領域を設け、光源と
フォトダイオード間の距離を長くすることもできる。
【０００８】上記いずれの場合も、各フォトダイオード
に到達する光強度、すなわちフォトン数は入射端から遠
ざかるにつれて弱くなる。これを解決する手段としては
以下の２通りの方法あるいはその組み合わせが考えられ
る。１つはフォトダイオードのサイズを入射端から遠ざ
かるにつれて大きくすることである。もう１つの方法は
各回折格子結合器のαＬcを等しくしないものである。
ここでαは回折格子結合器の放射損失係数、Ｌcは回折
格子結合器の長さである。このためには、Ｌcを入射端
から遠ざかるにつれて長くする方法が最も簡単な方法で
あるが、これ以外に、回折格子の深さを入射端から遠ざ
かるにつれて深くしてαを徐々に大きくする方法、導波
路構造を導波方向に対して徐々に変化させる方法などが
考えられる。
に到達する光強度、すなわちフォトン数は入射端から遠
ざかるにつれて弱くなる。これを解決する手段としては
以下の２通りの方法あるいはその組み合わせが考えられ
る。１つはフォトダイオードのサイズを入射端から遠ざ
かるにつれて大きくすることである。もう１つの方法は
各回折格子結合器のαＬcを等しくしないものである。
ここでαは回折格子結合器の放射損失係数、Ｌcは回折
格子結合器の長さである。このためには、Ｌcを入射端
から遠ざかるにつれて長くする方法が最も簡単な方法で
あるが、これ以外に、回折格子の深さを入射端から遠ざ
かるにつれて深くしてαを徐々に大きくする方法、導波
路構造を導波方向に対して徐々に変化させる方法などが
考えられる。
【０００９】
【作用】光導波路内に設けた回折格子は出射結合器とし
て作用し、光信号をそれぞれのフォトダイオードに分配
する。
て作用し、光信号をそれぞれのフォトダイオードに分配
する。
【００１０】
【実施例】以下、本発明を図面を用いて詳細に説明す
る。図１は本発明の光カプラの製造工程を説明するため
の斜視図である。図２は、本発明の実施例で示した光導
波路内の光強度分布の計算結果を示すグラフである。図
３は、本発明の光カプラの断面模式図である。図４は、
フォトダイオードからの信号を取り出すために用いた電
気回路を説明するための図である。図５は、本発明の光
カプラの製造工程の中で、工程の一部の回折格子の製造
工程を説明するための斜視図である。
る。図１は本発明の光カプラの製造工程を説明するため
の斜視図である。図２は、本発明の実施例で示した光導
波路内の光強度分布の計算結果を示すグラフである。図
３は、本発明の光カプラの断面模式図である。図４は、
フォトダイオードからの信号を取り出すために用いた電
気回路を説明するための図である。図５は、本発明の光
カプラの製造工程の中で、工程の一部の回折格子の製造
工程を説明するための斜視図である。
【００１１】図１（ａ）または図５（ａ）に示すよう
に、石英ガラス基板１にＣＶＤでＧｅＯ2膜２を厚み
０．５μｍで成膜し、導波層（導波路）とした。図５
（ｂ）に示すように、後工程のエッチングマスクとして
用いるＣｒ膜２０をスパッタ法でＧｅＯ2膜２上に成膜
した。図５（ｃ）に示すように、その上に干渉露光法に
より周期０．５μｍのフォトレジストの回折格子パター
ン２１を形成した。このパターン２１をマスクとしてＣ
ｒ膜２０をウエットエッチングし、図５（ｄ）に示すよ
うに、Ｃｒ膜を格子状に加工した。図５（ｅ）に示すよ
うに、この格子状のＣｒ膜をマスクとしてＣＦ4ガスに
よる反応性イオンエッチング技術（ＲＩＥ）で深さ０．
１５μｍの回折格子３をＧｅＯ2膜２上に形成した。図
１（ｂ）に示すように、格子状のＣｒ膜を除去した後、
図１（ｃ）に示すように、横方向の光の閉じ込めのため
に導波層の一部をリブ構造４となし、幅５μｍを残し
て、深さ０．２μｍエッチングした。図１（ｄ）に示す
ように、再びＣＶＤ法により厚み１μｍのＳｉＯ2クラ
ッド層５を成膜した。このようにして作製した光導波路
において、導波路内の回折格子は出射結合器（回折格子
結合器）として作用する。すなわち導波路を伝搬する光
は導波路内の回折格子によって回折され、導波路外へ出
射する。本光導波路内の導波光の光強度分布を計算した
結果を図２に示す。この計算では石英ガラス基板１、Ｇ
ｅＯ2膜２、およびＣＶＤＳｉＯ2クラッド層５の屈折率
をそれぞれ１．４６０、１．６０３、１．４５０とし、
導波光の真空中での波長を７８０ｎｍとした。この導波
路はシングルモードで基本波の等価屈折率は１．５３０
になる。回折格子を導波路に設けると導波光は回折格子
によって回折され、 ｓｉｎθ＝Ｎ−ｍλ／Λ を満たす角度θの方向に出射する。ここでＮは導波路の
等価屈折率、λは入射光の真空中における波長、Λは回
折格子の周期である。またｍは回折次数と呼ばれ、 −１＜Ｎ−ｍλ／Λ＜１ を満足する整数である。本実施例の場合、ｍ＝１のとき
のみ上式が成立し、放射される光は基板の垂線に対して
−１．２３゜の角度を持つ。この際の放射損失係数、す
なわち回折効率は表面側に２５．７ｃｍ-1、基板側に２
５．４ｃｍ-1となった。したがって、トータルで５１．
１ｃｍ-1の放射損失になる。図１（ｅ）に示すように、
最後にアモルファスシリコンのｐｉｎフォトダイオード
６のアレイを導波路上に作製した。図３に示すように、
フォトダイオードアレイの各ビットは長さ５０μｍ、そ
れぞれの間隔は２０μｍとした。ｎ番目のフォトダイオ
ードで受光する光強度Ｉは、入射光強度Ｉ0で規格化す
ると Ｉ／Ｉ0＝ｅｘｐ［−（ｎ−１）α（Ｌ＋ｄ）］×［１
−ｅｘｐ（−αsＬ）］ と表すことができる。ここでαは全放射損失係数、αs
は表面側への放射損失係数、Ｌはフォトダイオードの長
さ、ｄはフォトダイオードの間隔である。なお放射損失
係数以外の導波損失は無視している。これを用いるとフ
ォトダイオードに入射する光の強度は、ｎ＝１で入射光
の強度の１２％、ｎ＝２で８％、ｎ＝３で６％、ｎ＝４
で４％、ｎ＝５で３％、そしてｎ＝１０では０．４７％
になる。図３に示すように、光接続を確認するために、
出力１０ｍＷの７８０ｎｍ半導体レーザ７からの出射光
を導波路に結合した。各フォトダイオードからのデータ
の取り出しは、等価的に図４に示す回路で行った。フォ
トダイオードからデータをサンプリングするときには電
界効果トランジスタ（ＦＥＴ）８をｏｎ、ＦＥＴ９をｏ
ｆｆとして信号取り出し電極１０間の電流をモニタし
た。一方、データをモニタしないときにはＦＥＴ８をｏ
ｆｆ、ＦＥＴ９をｏｎにし、フォトダイオードの両端を
短絡してキャリアの蓄積を防いだ。なお、ＦＥＴ８のド
ライブは制御電極１２のバイアス値で制御し、ＦＥＴ９
はそのバイアスをインバータ１１で反転したバイアスで
ドライブした。それぞれのフォトダイオードからの出力
比はほぼ先の計算通り、ｎ＝１で１２％、ｎ＝２で８
％、ｎ＝３で６％、ｎ＝４で４％、ｎ＝５で３％であっ
た。
に、石英ガラス基板１にＣＶＤでＧｅＯ2膜２を厚み
０．５μｍで成膜し、導波層（導波路）とした。図５
（ｂ）に示すように、後工程のエッチングマスクとして
用いるＣｒ膜２０をスパッタ法でＧｅＯ2膜２上に成膜
した。図５（ｃ）に示すように、その上に干渉露光法に
より周期０．５μｍのフォトレジストの回折格子パター
ン２１を形成した。このパターン２１をマスクとしてＣ
ｒ膜２０をウエットエッチングし、図５（ｄ）に示すよ
うに、Ｃｒ膜を格子状に加工した。図５（ｅ）に示すよ
うに、この格子状のＣｒ膜をマスクとしてＣＦ4ガスに
よる反応性イオンエッチング技術（ＲＩＥ）で深さ０．
１５μｍの回折格子３をＧｅＯ2膜２上に形成した。図
１（ｂ）に示すように、格子状のＣｒ膜を除去した後、
図１（ｃ）に示すように、横方向の光の閉じ込めのため
に導波層の一部をリブ構造４となし、幅５μｍを残し
て、深さ０．２μｍエッチングした。図１（ｄ）に示す
ように、再びＣＶＤ法により厚み１μｍのＳｉＯ2クラ
ッド層５を成膜した。このようにして作製した光導波路
において、導波路内の回折格子は出射結合器（回折格子
結合器）として作用する。すなわち導波路を伝搬する光
は導波路内の回折格子によって回折され、導波路外へ出
射する。本光導波路内の導波光の光強度分布を計算した
結果を図２に示す。この計算では石英ガラス基板１、Ｇ
ｅＯ2膜２、およびＣＶＤＳｉＯ2クラッド層５の屈折率
をそれぞれ１．４６０、１．６０３、１．４５０とし、
導波光の真空中での波長を７８０ｎｍとした。この導波
路はシングルモードで基本波の等価屈折率は１．５３０
になる。回折格子を導波路に設けると導波光は回折格子
によって回折され、 ｓｉｎθ＝Ｎ−ｍλ／Λ を満たす角度θの方向に出射する。ここでＮは導波路の
等価屈折率、λは入射光の真空中における波長、Λは回
折格子の周期である。またｍは回折次数と呼ばれ、 −１＜Ｎ−ｍλ／Λ＜１ を満足する整数である。本実施例の場合、ｍ＝１のとき
のみ上式が成立し、放射される光は基板の垂線に対して
−１．２３゜の角度を持つ。この際の放射損失係数、す
なわち回折効率は表面側に２５．７ｃｍ-1、基板側に２
５．４ｃｍ-1となった。したがって、トータルで５１．
１ｃｍ-1の放射損失になる。図１（ｅ）に示すように、
最後にアモルファスシリコンのｐｉｎフォトダイオード
６のアレイを導波路上に作製した。図３に示すように、
フォトダイオードアレイの各ビットは長さ５０μｍ、そ
れぞれの間隔は２０μｍとした。ｎ番目のフォトダイオ
ードで受光する光強度Ｉは、入射光強度Ｉ0で規格化す
ると Ｉ／Ｉ0＝ｅｘｐ［−（ｎ−１）α（Ｌ＋ｄ）］×［１
−ｅｘｐ（−αsＬ）］ と表すことができる。ここでαは全放射損失係数、αs
は表面側への放射損失係数、Ｌはフォトダイオードの長
さ、ｄはフォトダイオードの間隔である。なお放射損失
係数以外の導波損失は無視している。これを用いるとフ
ォトダイオードに入射する光の強度は、ｎ＝１で入射光
の強度の１２％、ｎ＝２で８％、ｎ＝３で６％、ｎ＝４
で４％、ｎ＝５で３％、そしてｎ＝１０では０．４７％
になる。図３に示すように、光接続を確認するために、
出力１０ｍＷの７８０ｎｍ半導体レーザ７からの出射光
を導波路に結合した。各フォトダイオードからのデータ
の取り出しは、等価的に図４に示す回路で行った。フォ
トダイオードからデータをサンプリングするときには電
界効果トランジスタ（ＦＥＴ）８をｏｎ、ＦＥＴ９をｏ
ｆｆとして信号取り出し電極１０間の電流をモニタし
た。一方、データをモニタしないときにはＦＥＴ８をｏ
ｆｆ、ＦＥＴ９をｏｎにし、フォトダイオードの両端を
短絡してキャリアの蓄積を防いだ。なお、ＦＥＴ８のド
ライブは制御電極１２のバイアス値で制御し、ＦＥＴ９
はそのバイアスをインバータ１１で反転したバイアスで
ドライブした。それぞれのフォトダイオードからの出力
比はほぼ先の計算通り、ｎ＝１で１２％、ｎ＝２で８
％、ｎ＝３で６％、ｎ＝４で４％、ｎ＝５で３％であっ
た。
【００１２】上記実施例では回折格子結合器から表面方
向に出射した光のみを受光している。ところが回折格子
結合器からは基板側にも光が出射するので、この光を有
効に利用するために、基板裏面あるいは導波路と基板間
に多層膜反射鏡を挿入し、基板側に出射した光を表面方
向に反射させてフォトダイオードで効率よく受光させる
こともできる。あるいは基板側にもフォトダイオードア
レイを設置することで、受光素子数を上記実施例の場合
の２倍に増すことも可能である。
向に出射した光のみを受光している。ところが回折格子
結合器からは基板側にも光が出射するので、この光を有
効に利用するために、基板裏面あるいは導波路と基板間
に多層膜反射鏡を挿入し、基板側に出射した光を表面方
向に反射させてフォトダイオードで効率よく受光させる
こともできる。あるいは基板側にもフォトダイオードア
レイを設置することで、受光素子数を上記実施例の場合
の２倍に増すことも可能である。
【００１３】
【発明の効果】本発明によると１対多のデータ転送が可
能な光カプラが実現できる。また発光素子とフォトダイ
オード間の距離を任意に設定できる。
能な光カプラが実現できる。また発光素子とフォトダイ
オード間の距離を任意に設定できる。
【図１】本発明の光カプラの製造工程を説明するための
斜視図である。
斜視図である。
【図２】本発明の実施例で示した光導波路内の光強度分
布の計算結果を示すグラフである。
布の計算結果を示すグラフである。
【図３】本発明の光カプラの断面模式図である。
【図４】フォトダイオードからの信号を取り出すために
用いた電気回路を説明するための図である。
用いた電気回路を説明するための図である。
【図５】本発明の光カプラの製造工程の中で、工程の一
部の回折格子の製造工程を説明するための斜視図であ
る。
部の回折格子の製造工程を説明するための斜視図であ
る。
１ 石英ガラス基板 ２ ＧｅＯ2膜 ３ 回折格子 ４ リブ構造 ５ ＳｉＯ2クラッド層 ６ フォトダイオード ７ 半導体レーザ ８、９ ＦＥＴ １０ 信号取り出し電極 １１ インバータ １２ 制御電極 ２０ Ｃｒ膜 ２１ フォトレジストの回折格子パターン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/14 G02B 6/26 - 6/35 G02B 6/42 - 6/43
Claims (2)
- 【請求項１】 基板上に形成された光導波路において、
光導波路内に導波光に対して放射損失係数が０でない値
を持つ２次以上の回折格子からなる回折格子結合器を有
し、該回折格子結合器の存在する領域内の表面および該
領域内の基板裏面のいずれか一方、もしくは両方に、導
波方向と平行に受光素子アレイが配置され、前記回折格
子結合器により出射した光が、前記受光素子アレイを構
成する複数の受光素子で受光されることを特徴とする光
カプラ。 - 【請求項２】 前記受光素子アレイを構成する各受光素
子の導波方向の長さが、光導波路の入射端面から基板内
部に行くにつれて長くなっていることを特徴とする請求
項１に記載の光カプラ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20638492A JP3153886B2 (ja) | 1992-08-03 | 1992-08-03 | 光カプラ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20638492A JP3153886B2 (ja) | 1992-08-03 | 1992-08-03 | 光カプラ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0651144A JPH0651144A (ja) | 1994-02-25 |
| JP3153886B2 true JP3153886B2 (ja) | 2001-04-09 |
Family
ID=16522453
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20638492A Expired - Fee Related JP3153886B2 (ja) | 1992-08-03 | 1992-08-03 | 光カプラ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3153886B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150168647A1 (en) * | 2012-07-30 | 2015-06-18 | Di Liang | Compact photonic platforms |
| CN107765375A (zh) * | 2017-11-21 | 2018-03-06 | 南京大学 | 基于双层光栅的芯片‑光纤垂直耦合结构 |
| US10209445B2 (en) | 2012-07-30 | 2019-02-19 | Hewlett Packard Enterprise Development Lp | Method of fabricating a compact photonics platform |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8050525B2 (en) * | 2006-10-11 | 2011-11-01 | Futurewei Technologies, Inc. | Method and system for grating taps for monitoring a DWDM transmitter array integrated on a PLC platform |
| JP5317198B2 (ja) * | 2009-08-21 | 2013-10-16 | 国立大学法人東京工業大学 | グレーティング結合器 |
| US8064745B2 (en) | 2009-11-24 | 2011-11-22 | Corning Incorporated | Planar waveguide and optical fiber coupling |
| JP6127079B2 (ja) * | 2015-02-24 | 2017-05-10 | 沖電気工業株式会社 | 光波長フィルタ |
| WO2019171806A1 (ja) | 2018-03-09 | 2019-09-12 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 光デバイスおよび光検出システム |
| CN108345062A (zh) * | 2018-05-07 | 2018-07-31 | 太若科技(北京)有限公司 | 波导组件和显示装置 |
-
1992
- 1992-08-03 JP JP20638492A patent/JP3153886B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH0651144A (ja) | 1994-02-25 |
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