JPH0220810A

JPH0220810A - 光結合器

Info

Publication number: JPH0220810A
Application number: JP13523789A
Authority: JP
Inventors: Shigetaro Ogura; 小倉　繁太郎; Hideki Hosoya; 細谷　英樹; Kazuya Matsumoto; 和也松本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-05-29
Filing date: 1989-05-29
Publication date: 1990-01-24
Also published as: JPH043845B2

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】［産業上の利用分野］本発明は光導波路に光波を効率良（結合させるための装
置に関するものである。

［従来の技術］近年集積光回路の利用は光通信系、光データー処理、そ
の細光を利用する各１種システムにおいて大いに関心を
もたれている。集積光回路の利点は小型化、低コスト化
が実現されることである。光回路系の集積化を実現する
だめの装置の１つとして光導波路の利用が考えられるが
、通常光導波路の厚みは伝送処理されるべき光の波長と
同程度の寸法となり、従ってこのような光導波路に効率
良く光を導入することＫかなりの困難さを伴うのが実４
疋である　（くわえてデーター処理をより高速に行える
ようなシステムの開発は急務とされているが、光データ
ー処理をより高速に行うために、集積光回路においてよ
り高い周波数（ＧＨｚ領域）で励起された波動（例えば
表面弾性波）と伝送されるべき光信号との相互作用を利
用することが考えられる。この高周波化に伴う必然の光
導波路の薄層化によって生起される光の導入の困難さは
想像を絶するものがある。）。

従来先導波路の表面を介して光波を結合させるために内
部反射プリズムを用いる方法が知られている。このよう
なプリズム結合は光導波路端部を介して光が導入される
いわゆるＢｕ　ｉｔカップラーよりもずっと有効である
ことがわかっているが、先導波路とプリズムの間に介在
する空気ギャップ層の厚さを光波の％〜届波長の間隔に
安定に保持せねば結合が容易に劣化することが知られて
いる。更にプリズム結合器は相対的に云えばある程度寸
法上小型化することに困難がある。結合器の寸法を減少
させることは集積回路の小型化ひいては低価格化にとっ
て意義の深いものであり、かかる目的のため光導波路内
に体積型ホログラムグレーティングを設けた光結合器が
知られている。これは導波路を横切る方向から入射して
きた光が先導波路内のグレーティングによって反射回折
され、その際適切な入射角を選定することによって回折
光がへ光導波路内に捕獲され、入射角と格子の周期性と
に依存した特定の光導波路のモードを誘起して結合でき
うる。

これらの手法はプリズム結合に較べ空気ギャップ層を介
在する必要がないので−Ｈ光導波路内圧ホログラフイ等
の技術によって形成せしめれば再、４１４整する必要も
なく、プリズム結合と同程度の結合効率を得られる為プ
リズム法より優れていると云えよう。しかしながら光の
利用率を高める為に更に一層の結合効率を実現すること
は常に望まれるところである。一般に光導波路内に形成
せしめた体積型ホログラムではグレーテイング層の厚さ
が充分にとれずしたがってブラッグ回折条件を満足させ
る回折格子結合器を作製することは難しい。前記した如
く高周波を使用して光との相互作用を行う際には、より
高い周波数（数〜数１０　ＧＨｚ　）で素子を作動すれ
ばする稈元導波路の厚さを薄くせねばならず、１μ以下
の光導波路を作らねばならない。従つめて一般に前記光導波路中入体積ホログラムを考えると、
高い結合効率を満足させるホログラムを作製するのは困
難となる。更に詳しく説明するならば体積型ホログラム
による光の回折効率ηは一般に η＝ｆ（Δｎ、　　り、　　１）　）と記述でき、回折効率ηはへ１）＋１）＋ｈの関数とな
る。但しここでΔｎはホログラム材内で生起しえる屈折
率差、ｐは体積ホログラムグレーティングのピッチ、ｈ
はホログラム層の厚さとする。ホトリソグラフィー、電
子線書き込み等によって生起しえる屈折率差Δｎはｔｏ
　　−１０程度であり、又ピッチもホトリングラフィで
は１μ！ｎ程度Ｅ１ろ露光で０．５８ｍ１ホログラフイ
作成による方法でも０．２μｍ程度となり回折効率ｌを
出釆得る限り高めるにはホログラム層の厚さを厚くする
のが最も効果的である。従って前述した外部から光を結
合させるために光導波路内に体積型ホログラムグレーテ
イングヲ設ケる従来法では、光を効率良く導入し結合せ
しめるには光導波路の厚さ（即ちこの場合体積型ホログ
ラムグレーティングの厚さ）を５〜ＩＯμｍ程変に取ら
ねばならないが、しかし一方ｆｌ［４にして光導波路内
を伝播する光波と他の特忙高周波で励起した波動と効率
良く相互作用させるために出来得る限り光導波路を薄く
し〜１μｍ１）以下におさえて作製せねばならない矛盾
に直面する。

［発明が解決しようとしている課題］一方、特開昭４７−５７４５号公報においては、導波路
上に体積型ホログラムグレーティングを形成して成る光
結合器が提案されている。

しかしながら、このような光結合器では、外部から直接
光を導入しているので、空気の伝搬定数と導波路の伝搬
定数を整合させる為、グレーティングのピッチを小さく
する必要があった。

そして、ホログラムを作成する感材には分解能に限界が
ある為、このようにピッチの小さいグレーティングを作
成しようとすると、回折効率が落ち、強いては導波路へ
の結合効率が低下する問題点があった。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、コン
パクトで、且つ、結合効率の高い光結合器を提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］本発明の上記目的は、基板の一面に形成された導波路上
に、体積型ホログラムが形成されて成る光結合器におい
て、前記体積型ホログラムの上に、前記基板を介して入
射した光を反射して前記導波路に結合させる為の反射層
を設けることによって達成される。

［実施例］第１図は、本発明の実施例を示す図である。

本発明の光結合器においては、導波路１）の光の入射面
とは反対側の面上に光導波路より低い屈折率をもつ層１
２に接して置かれた反射体積型ホログラム３３によって
可干渉性光が光導波路内へと結合せしめられる。この反
射体積型ホログラムは、透過体積型ホログラムとその上
の金属反射層４３からなる。入射光は光導波路１）と低
屈折率層１２を通過した後グレーティング１４及び金属
反射層斗３によって反射回折され入射光の入射角如何に
よって１つ又はそれ以上の回折の次数で反射光の一部が
光導波路内に捕獲される。このようにして捕獲された光
は光導波路の縦方向内で一定の伝播定数をもち、入射光
の入射角とグレーティングの周期性とに特に依存して、
特定の光導波路のモードを誘起して結合する。

第１図で１６は０．６３２８μｍの可干渉性の出力光を
持つヘリウム、ネオンレーザ−の如キ光源である。もち
ろん任意の他の光源を用いることができるのであって、
ここに述べたのは単に一例を示すためだけに具体的な光
源を示しただけである。もし必要な場合には光を集束す
るためにレンズ系１５が用いられても良い。任意の適当
な透明なたとえばアルミナ（Ａｚ、０３）の如き光導波
路物質より形成される光導波路１）は結合されるべき光
の波長では適当なガラス基板ＩＯ上に装置されている。

光導波路１）と基板１０とはその屈折率がｎ２　）　ｎ
ｌ　）　ｎｌ　　なる関係を満足するように選ばれるこ
とが望ましい。ただしここに０２は光導波路１）の屈折
率、ｎｌは基板１０の屈折率、そしてｎｌは外界（空気
）の屈折率である。

第１図の装置の透過体積型ホログラム１３は基板ｉｏ上
に形成せしめられた光導波路ｌｌ上に低屈折率層１２を
介して装着されている。この低屈折率層１２の屈折率は
導波路１）及びホログラム１３より低い。透過体積ホロ
グラム１３は第２図に図示したようにホログラフィ−法
によって、たとえばＰＶＫ（ポリビニルカルノくゾール
）２３内に平面波の物体光１８および平面波の参照光１
９をプリズム２０を介して入射させ作成する。その際屈
折率分布としてのグレーティング１４が形成される。ホ
ログラム用感材であるＰＶＫ（ポリビニルカルバゾール
）２３はＰＶＫのクロルペンゼ／溶液にＣＩ、の同溶液
を加えれば塗工可能なゲル状となり、塗工は表面出しを
したガラス基板１０に光導波路１）としてｋｅ、Ｏ，を
０５μｍ蒸着又はスノぐツタリングにより形成した後、
さらに低屈折率層１２を０．１μｍの厚さに蒸着した後
にスピナーを用いてｌｏｏｏｒｐｍ、１Ｏｓｃｃの条件
で行った、ホログラム材としてのＩ’ＶＫの膜厚は１．
５μｍ〜１０．０μｍの範囲で実施したが本実施例の場
合、作成したホログラムグレーティングからの回折効率
を高めるためには５〜ｌＯμｍが最も好ましかった。Ｐ
ＶＫのホログラム感材としての性能は分光感変域〜５４
０ｎｍ、感度＞　４０　ｍ　Ｊ　７ｃｍ２（λ＝０．４
８８μｍ）、最大回折効率８３．１％。

透過率８５、ＩＸ、解像力）　３４００　ｅｅｉｅ／’
ｍであった。プリズム２０とＰＶＫ２３の間にはホログ
ラムを作成するうえで好都合なＰＶＫ２３よりわずか大
きい屈折率をもつ媒質２１（たとえばα−ヨードナフタ
リン）をマツチング材として使用してもよい。マツチン
グは本来、感材１３、ガラス基板ＩＯ、プリズム２０、
吸収板３の屈折率を等しく設定すると共に、感材１３と
プリズム２０、吸収板３の間の境界において反射散乱を
生せしめないように同じ屈折率の液浸液を境界に設ける
ものである。ここでは体積型ホログラム作成に０．４８
８μ盲１）のアルゴンレーザーを使用した。

第２図でホログラムを形成する際にホログラム材として
の媒体ＫＰＶＫを使用したがもちろん他のホログラム材
を用いることができるのであって、ここで述べたのは単
に一例を示すために具体的にホログラム材としてのＰＶ
Ｋを示しただけである。他の具体的な体積型ホログラム
結合器の具体的な例として基板ｉｏとしてＬｉＮｂ０．
　にオブ酸リチウム）を採用してこの上にＴｉ拡散によ
って形成した光導波路ｌｌ上にＭｇ＆　（フッ化マグネ
シウム）の低屈折率、１ｉ　１２を介してホログラム材
として特にＡｓ、Ｓ、（三硫化砒素）を使用しても差し
つかえない。この場合光導波路としてＬｉＮｂ０１上に
蒸着したＴｉ膜を熱拡散により形成した光導波路は光伝
播損失がｌＶ！２０ｓ光導波路より大幅忙小さく　０．
５　ｄＢ／ｃｍ程度の値をもつことが知られており、本
発明の目的忙は一層有効である。

ｆ＆様にして作成された体積型ホログラムグレーティン
グは、第１図物嗜＃目畔＃岳にお１グる光導波路１）及
び基板１０に垂直な法線４に対して角度９を成し、ピッ
チｐの周期をもつ。第１図において基板ＩＯとしてＢ　
Ｋ　７ガラス（ｎ。

＝１．５２）、光導波路１）として厚さ０．５１ｔ　ｍ
に蒸着したｋｌｔｏｓ　（ｎｚ　＝　１．６３　）、低
屈折率層１２としてＭｇＦ２（ｎ、＝１．３８　）　、
　　ホログラム材１３としてＰ　ＶＫ　（ｎ＝１．６４
　）　　を使用し法線４の方向から０．６３２８μｍの
ヘリウムネオンレーザ−を入射させて光を光導波路１）
に結合捕獲するだめの法線４に対するグレーティング１
４の傾き角ψおよびブラッグ条件を満足するピッチｐを
求める。光結合の理論よりホログラム１３と低屈折率層
１２との境界面に光束が入射する角度ｙをＹ＝７４．６
６８８に設定すればホログラムから回折した波長λの光
は先導波路１）に結合される。この時、ホログラム媒体
の屈折率’Ｓ＋ピッチｐおよびグレーティング１４の法
線４に対する頌き角ψとの間には λ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　λ＝２ｐｓｉｎψ　　　　”’　■）＝　２ｎ、　ｓ
ｉｎ　９）の関係があり、ｑ＝Ｙ／２　＝　３７．３３
４４　、ｎ５＝１．６４　。

λ−０．６３２８μｍを代入すると、ｐ＝０．３１８１
　μｍの値を得る。本実施例において第２図に図示した
如く、ホログラフィ−法によって体積型ホログラムを形
成せしめれば、所望のホログラムグレーティング結合器
を得ることができ、得られたホログラフィグレーティン
グ結合器は光導波路１）の厚さに依存せず任意の厚さを
選ぶことが可能で、従って数μから数１０μｍ１望まし
くは５μｍから１０μｍの厚さに形成でき高い回折効率
ηをもたしめることが可能である。

ホログラム材としてＡｓ２５３（ｎ、＝　２．５２　）
、低屈折率層１２としてＭｇＦ、　（ｎ４＝１．３８　
）一基板１０および光導波路１）としてそれぞれＬｉＮ
ｂ０．　（ｎｓ　＝２．２０）およびＴｉ拡散ＬｉＮｂ
Ｏ５（ｎ、　＝　２．２２　）の構成の場合、全く同様
にして法線４との傾き角ψ＝３０．７８５６．　ｙ＝６
１．５７１２．ｐ＝０．２４５３μｍの値を得る。

ｇ３図に示した従来の内部反射プリズムの結合器と第１
図に示した本発明による体積型ホログラムグレーティン
グ結合器を比較すると本発明の新規さを更によく理解で
きる。即ち、第４図におけるエアーギャップ層が第１図
の低屈折率層１２に対応する。従って従来のプリズム結
合器使用の際に生じるエアギャップ層を一定間隔に保持
する条件も結合器を作成する際に任意にかつ低屈折率層
１２の厚さを蒸着によって自由に選定して一旦作成すれ
ばギャップ層の厚さを結合面全面にわたって固定化でき
る。これは従来のプリズム結合器では考えられない調整
の必要が一切不必要な新規の結合器を提供するものであ
る。

一方、第４図に示しだプリズム結合器７の光導波路１）
に垂直な端面２７は効率のよい光結合の為には正しく垂
直に保持される必要があるが、本発明の実施例の如く厚
いホログラムを用いる場合も第１図尖＃＃＝＃に示した
ホログラムグレーティング結合器１３及び低屈折率層１
２にわたる光導波路１）と垂直な端面を出来得るかぎり
垂直になるよう作製せしむる事が望ましい。それを実施
する為には適切なるマスクを用いて０．又はＯＦ４又は
これらの混合ガス中においてプラズマエッチしてＰＶＫ
のホログラム材およびＭｇＦ、の低屈折率層を除去せし
めればよい。

又ホログラム材としてＡｓ、Ｓ、を使用する際にはさら
に通常のケミカルエツチング法も適用できる。この際に
はまずＡｓ、Ｓ、　　のホログラム材上にホトレジスト
層をスピナーなどによシホログラム材１３上に装着せし
め露光し通常のケミカルエッチを実施すれば良い。か様
にして体積型ホログラム１３及び低屈折率層１２に、光
導波路１）と垂直な端面１７を形成せしめた後、ホトレ
ジスト層は化学的に除去され第１図会桔囃４巷に示すよ
うな端面１７を得る。その結果これら実施例の光結合器
における結合効率は高まる［発明の効果］以上説明したように本発明は、従来の光結合器において
、体積型ホログラムの上に反射層を設けて、基板を介し
て光を導波路に結合するようにしたので、グレーティン
グのピッチが大きくて済み、結合効率を向上させる効果
を有する。

また、基板側から光を入射させている為、収束光を導入
する場合には、基板裏面における光束径がホログラムに
入射する部分における光束径より大きく、基板裏面につ
いた傷、ゴミ等が、光束に及ぼす影響が小さいという効
果もある。

更に、反射層によって、ホログラムで回折されなかった
光束が、基板と反対側に通り抜けて迷光となるのを防止
出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光結合器を示す図、第２図
は体積型ホログラムグレーティングの作成を説明する図
、第３図は従来のプリズム結合器を説明する図である。図中、１０・・・基板％　ｌｌ・・・光導波路、１２・
・・低屈折率層、１３・・・ホログラム材、１４・・・
ホログラムグレーティング、１５・・・集光レンズ、１
６・・・光源、２３・・金属反射層、１８・・・物体光
、１９・・・参照光、２０・・プリズム、２１・・・液
浸液、１７・・・端面、７・・・プリズム、８・・・エ
ア・ギャップ層、も５団

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板の一面に形成された導波路上に、体積型ホロ
グラムが形成されて成る光結合器において、前記体積型ホログラムの上に、前記基板を介して入射し
た光を反射して前記導波路に結合させる為の反射層を設
けたことを特徴とする光結合器。