JPH01225905A - 光導波路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 コアと基板間にコアよりも低屈折率の第１クラッド層と
、コアと同じ媒質の第２クラッド層の組（１組あるいは
それ以上）からなる共振反射クランドを設け、広い波長
範囲からなるあらゆる偏光状態の光を低損失で導波する
実質的な単一モードの先導波路である。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、半導体などの高屈折率の基板上に形成される
平板型誘電体の先導波路に関するものであり、特に光集
積回路に有用な先導波路に関する。

〔従来の技術と本発明が解決しようとする課題〕近年、
光通信や光電子機器が急速かつ広範な発展を遂げ、従来
の発光・受光素子や伝送路（光）。

アイバ）のみで構成された単純なシステムばかりでな（
、変調器、アイソレータ、光スィッチ、分岐・結合器１
分波・合波器といった様々な光回路を付加した高機能シ
ステムが要求されるようになりつつある。

しかしながら、このようなシステムに用いられる光回路
は、現状では微小レンズやプリズム等の個別素子の組み
合わせで構成されており、高精度な光軸合わせを含む組
み立て工程に膨大な手間と人手を要するため、将来に予
想される大量需要をまかなうのは困難と考えられる。

このような問題を克服するためには、多（の光機能素子
を一体集積化して一括大量生産を可能にする光集積回路
技術が必要不可欠である。中でも発光・受光素子や電子
回路との集積化が可能な半導体基板光集積回路の開発は
、急を要する課題である。

しかしながら光集積回路の基本となる光導波路として、
従来のコアとクラッドの屈折率差を用いた全反射型先導
波路を半導体基板上に製作する場合、コア内への光閉じ
込めか弱いため、光の電磁界の一部がクラッドへしみだ
し、高屈折率半導体基板へ放射されて高損失となる。第
４図はこのような全反射型先導波路の例であり、１１は
半導体などの高屈折率の基板、　１２はクラフト層、１
３はコア層、１４は屈折率分布、１５は導波光の界分布
、１６の黒塗り部分は基板内にしみ込んだ放射損失光を
表している。

このような放射損失光を減少させるには、クラ１．ド層
１２を厚（しなければならず、製作上の難点がある。ま
た、コアとクラフト間の微小な屈折率差を制御する必要
があり、さらに先導波路自体では何の光制御機能も持た
ないなどの問題があった。

これらの問題を解決するため、新しく共振反射型光導波
路（通称ＡＲＲＯＷ）が提案されている。

第５図はこれを図示したもので５１７は高屈折率ｎ、の
半導体基板、　１８は屈折率ｎｌ＋厚さｄ、の第１クラ
ツド層、１９は屈折率ｎｚ厚さｄ２の第２クラツド層、
　２０は屈折率ｎ、厚さｄ、の誘電体コア層、２１は屈
折率分布、２２は導波光の界分布を表す。各屈折率間に
は次のような関係がある。ただし＋　　ｎＯはコア上部
の媒質（通常は空気）の屈折率である。

ｎｃ　＞ｎ、、ｎ、＞ｎｃ、ｎ、＞ｎ、。

ｎ（≧ｎ、、　　ｎ２＜ｎｓ この第５図の共振反射型光導波路は、５ｉＯｚなどの比
較的低い屈折率を有する誘電体コア層２０と半導体基板
１７の間のクラッド層に、高屈折率の第１クラッド層１
８と低屈折率の第２クラッド層１９からなる厚さ２μｍ
程度の干渉反射クランドを用い、干渉反射の高反射率（
９９，９％以上）特性を利用して光を導波する。そして
、高次モードは基本モードに比べて放射損失が著しく大
きいので、実質的に単一モード導波路が実現できる。

第５図の共振反射型先導波路は、１）広い波長範囲で低
損失、２）クラッド層が薄（（従来の１／２以下）かつ
低損失を得るための膜厚許容幅が広いので製作し易い、
３）光ファイバとの高効率結合に適する厚膜コアでも実
質的に単一モード導波路が可能、４）半導体光素子、電
子回路との集積化が可能１等の光集積回路用導波路に適
した多（の特長を有する。

また５この共振反射型先導波路の導波損失は強い偏光方
向依存性、波長依存性をもつので、偏光器（偏光フィル
タ）、光分波器等への応用が可能である。

しかしながら、このような偏光方向および波長に対する
強い依存性は、単に光を４波させる場合には、常に好ま
しい特性であるとは限らない。導波路に偏光依存性があ
ると、その偏光方向成分のみが低損失で４波され、他の
直交する偏光方向成分は放射損失となってしまうため、
入射する光の偏光方向を制御する必要がある。また、波
長依存性があると広範囲な波長の光を多重化して導波さ
せることができないなど様々な制約が生じてしまう。

本発明は、先に述べた共振反射型先導波路に劣らない特
長を有し、しかも導波損失の偏波依存性。

波長依存性が小さく、広範囲の光集積回路への適応が可
能な、平板型単一モードの光導波路を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、コア層と基板との間に、第１クラッド層と第
２クラッド層を設けた構造とするが、コア層に接する第
１クラッド層の屈折率をコア層よりも低クシ、第２クラ
ッド層の屈折率は第１クラッド層よりも高くするもので
ある。これにより。

コア層を伝播する光の一部を第１クラッド層によ；　　
　　　　　　　り全反射させ、また一部第１クラッド層
にしみ込んだ光は第２クラッド層によって干渉反射され
るようにする。

第１図に本発明の原理を示す。図において、１は屈折率
ｎ、の半導体基板、２は屈折率ｎ、厚さｄ、の第１クラ
ツド層、３は屈折率ｎ２厚さｄ２の第２クラツド層、４
は屈折率ｎ、厚さｄｃのコア層、５は屈折率分布、６は
導波光の界分布を表す。また各層の屈折率間には次のよ
うな関係がある。

ｎ（＞　ｎｏ　＋　ｎｒ　＜ｎｃ　＋　ｒｌ＋　＜ｎｚ
　＋ｎ（≧ｎｚ、　　ｎ、＜ｎｚ 〔作　用〕 本発明による光導波路は、従来の共振反射型先導波路と
類似の構造をもつ。基板には半導体などの高屈折率材料
を用い、コア層と基板の間に２層１組の干渉反射クラフ
トを挟んで、その非常に高い反射率を利用して光を導波
する。しかし従来の共振反射型先導波路の場合には、第
１クラフト層はコア層より屈折率の高い媒質９例えば５
ｉ（ｎ＋＝３．５）あるいはＴ　ｉ　０ｚ（ｎｔ＝２．
３）などを用いているため、干渉反射クラフトによって
生じる反射は２つのクラッド層の間圧折率差によって生
しる単純な干渉反射である。

これに対して本発明の光導波路では、第１クラッド層の
屈折率が、コア層及び第２クラッド層よりも小さい。し
たがって、光はコア層と第１クラッド層の境界で一部全
反射するが、一部しみ出した光が第２クラッド層の中で
干渉を起こす。そして各層を最適膜厚に設定し、基本モ
ードと高次モードの損失差を大きくとることで、実質的
な単一モードが得られる。

本発明の先導波路は、低損失で、光閉じ込めが強（、光
ファイバとの高効率結合が可能である。

また半導体素子との集積化が可能であるなど、共振反射
型光導波路と同様の特長をもち、さらに４波損失の偏波
依存性が共振反射型光導波路の１／１０以下と小さくで
きるとともに９広い波長範囲の光に対して低損失の特性
が得られる。

〔実施例〕

第２図に実施例として波長で規格化した第１クラフト層
の厚さｄｌに対する各モードの導波損失特性を計算結果
により示す。図の横軸は波長で規格化した第１クラッド
層の厚さｄｓ’（”ｄ＋／λ）であり、縦軸は波長で規
格化した損失のα（ｄＢ・λ／ｍ）である。

ここでコア層と第２クラッド層には、導波路材料として
よく用いられるＣ　７０５９ガラス　（ｎ２＝１．５４
）　、第１クラフト層にはＳ　ｉ　０２（ｎ　ｌ　＝１
．４６）を仮定した。またｎｚ　＝３．８５．　　ｎｃ
　＝１．５４とし。

規格化コア厚ｄｃ’　　（”ｄｃ／λ）を６．３とした
とき、ｄｓ’＝０．４で、ＴＥ、ＴＭとも基本モードの
損失が波長０．６３３μｍに対して１ｄＢ／ｃｍ以下、
高次モードの損失が１ＯｄＢ／ｃｍ以上の実用的な単一
モードが得られる。

一般的に、基本モードのＴＥ波とＴＭ波との間の損失差
は数倍程度と小さ（、これに対して基本モードのＴＥ波
と高次モードのＴＥ波あるいは高次モードのＴＭ波との
間の損失差は２桁以上得られるので、実質的な単一モー
ドによる導波路が実現できる。

また、損失ａ　、ｌに対して単調減少するため、共振反
射型先導波路のように第１クラッド層の屈折率で最低損
失が制限されることがなく、どの様な損失値にも設定可
能である。したがって、どのような波長の光に対しても
、第１クラフト層の厚さ次第で低損失の導波路が得られ
ることになる。

第３図に、第２図の場合と同じ条件でｄ　１’　＝０．
４としたときのＴＥＮ本モードの光パワー分布を示す。

共振反射型先導波路の場合と同様に、コア内の光閉じ込
めが掻めて強いことがわかる。

次に製作例を示す。

波長０．６３３μｍに対して、　　Ｃ７０５９ガラスの
コア層を厚さ４μｍ、ｓｉｏ、の第１クラフト層を厚さ
０．３μｍ　、　Ｃ７０５９ガラスの第２クラッド層を
厚さ２μｍとした。製作には高周波スパッタを用い。

各層を連続形成した。

Ｈｅ−Ｎｅレーザ光（λ＝　０．６３３μｍ）を用いて
測定したところ、導波光の近視野像から単一モードが確
認された。また、このときの導波損失の測定結果を、第
２図中に○・印で示す。ＴＥモードで０．５ｄ　Ｂ／ｃ
＋ｍ、　　ＴＭモードで０．７　ｄ　Ｂ　／ｃｔａの低
損失特性が得られた。

〔発明の効果〕

本発明の先導波路によれば、広い波長範囲の。

どのような偏光状態の光に対しても低損失に、かつ基本
モードと高次モード間の損失差を太き（とって実質的に
単一モードで光を導波することができる。また本発明の
先導波路と、従来の共振反射型光導波路とを組み合わせ
ることで、各種の半導体基板上モノリシック光集積回路
の構成が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、第２図は本発明の１実施
例による光導波路の導波損失特性図、第３図は本発明の
１実施例によるＴＥｉ本モードの光パワー分布図、第４
図は従来の全反射型光導波路の説明図、第５図は従来の
共振反射型光導波路の説明図である。 第１図中。 に基板（ｎ、） ２：第１クラッド層（ｎ＋　、ｄｔ） ３：第２クラッド層（ｎ２．ｄ２） ４：コア層（ｎｃ、ｄｃ） ５：屈折率分布 ６：導波光の界分布

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体等の高屈折率材料からなる基板（１）と、光を導
   波する誘電体材料からなるコア層（４）と、コア層（４
   ）および基板（１）の中間に設けた第１クラッド層（２
   ）および第２クラッド層（３）からなる干渉反射クラッ
   ドとをそなえ、 第１クラッド層（２）の屈折率を、コア層（４）および
   第２クラッド層（３）のいずれの屈折率よりも低くした
   ことを特徴とする光導波路。