JPH02213808A

JPH02213808A - 高性能プリズムカプラ

Info

Publication number: JPH02213808A
Application number: JP3577389A
Authority: JP
Inventors: Shigeyoshi Misawa; 成嘉三澤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1989-02-15
Filing date: 1989-02-15
Publication date: 1990-08-24

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、光集積回路、光センサ、光デバイス等のプリ
ズムカップリングに用いられる高性能プリズムカプラに
関する。

従来の技術従来におけるプリズムカプラの例として、Ｉ　ＥＥＥ、
ＪＱＥ、　９月号、１９７０、ｐ、５５７〜ｐ、５７８
に開示されているのもがある。これは、第５図に示すよ
うに、基板１上に高屈折率光導波路層２が形成され、こ
の高屈折率光導波路層２の表面には低屈折率ギャップ調
整層３が形成され、また、この低屈折率ギャップ調整層
３の表面に高屈折率セメント層４が形成され、さらに、
この高屈折率セメント層４の表面には高屈折率プリズム
５が形成された構造となっている。この場合、高屈折率
プリズム５と高屈折率セメント層４との屈折率は同一で
ある。

そして、このように構成されることによって、入射光６
を効率良く反射させるために、高屈折率セメント層４と
低屈折率ギャップ調整層３との境界面Ａにおいて全反射
するような入射角をとる必要がある。また、この時、入
射光６は高屈折率光導波路層２中に発生する導波モード
光８と位相整合をとった場合にはその導波モード光８と
結合し、これにより、その高屈折率光導波路層２中をそ
の導波モード光８が伝搬していく。

発明が解決しようとする課題」二連したようなプリズムカプラの場合、高屈折率プリ
ズム５と高屈折率セメント層４との屈折率は同一となっ
ており、入射光６が高屈折率光導波路層２と結合するた
めには位相整合をとる必要がある。そこで、今、その位
相整合をとるために、高屈折率光導波路層２の導波モー
ド光８の等側屈折率Ｎ、高屈折率セメント層４の屈折率
ｎ３、高屈折率セメント層４と低屈折率ギャップ調整Ｎ
３との境界面Ａに垂直な線と入射光とのなす入射角をθ
、とすると、Ｎ＝ｎ、ｓｉｒ＋＋９３　　　　−　（１）の条件を満
たさなければならず、このためには通常ｎ、はＮよりか
なり大きくとらなければならないという制約を受けるこ
とになる。

この一方で入射を容易にするために入射角０３をなるべ
く小さくしたい要求があり、このためには（１）式にお
いてｎ、はなるべく大きくしなければならない。しかし
、高屈折率セメント層４に用いられる充填性のある一般
的な材料の屈折率は、高くて１．７〜１．８程度であり
特に屈折率の高い材料であるとはいえず、これにより、
ｎ、を大きくとることができないため実際には入射角０
３を小さくすることができず、その結果、入射角に制限
を受は入射を容易にすることができないという問題を生
じることになる。

課題を解決するための手段そこで、このような問題点を解決するために、請求項１
記載の発明では、基板上に光導波路層を形成し、この光
導波路層の表面にギャップ調整層を形成し、このギャッ
プ調整層の表面に高屈折率層を形成し、この高屈折率層
の表面にこの高屈折率層の屈折率よりも屈折率の高い高
屈折率プリズムを形成してなり、前記高屈折率層と前記
ギャップ調整層との間の境界面に発生するエバネツセン
ト波を介して、前記光導波路層の導波モード光が入射光
及び出射光とそれぞれ結合するようにした。

また、請求項２記載の発明では、基板上に光導波路層を
形成し、この光導波路層の表面にギャップ調整層を形成
し、このギャップ調整層の表面に高屈折率層を形成し、
この高屈折率層の表面に反射防止層を形成し、この反射
防止層の表面に前記高屈折率層の屈折率よりも屈折率が
高い高屈折率プリズムを形成してなり、前記高屈折率層
と前記ギャップ調整層との間の境界面に発生するエバネ
ッセント波を介して、前記光導波路層の導波モード光が
入射光及び出射光とそれぞれ結合するようにした。

作用請求項１記載の発明により、高屈折率プリズムの屈折率
を高屈折率層の屈折率よりも高くしているので、高屈折
率層の屈折率に限界がある場合でもさらに人出射角を小
さくすることができ、また、高屈折率プリズムに従来と
同じ屈折率のものを用いた場合にも、高屈折率層の屈折
率を従来のものよりも低くとることができるため高屈折
率層の材料の選択の自由度が大きくなり、これにより、
装置作成の容易化が図れると共に、安価な装置を得るこ
とができる。

請求項２記載の発明により、高屈折プリズムと高屈折率
層との間に反射防止層を形成したことにより、それら高
屈折率プリズムと高屈折率層との間の屈折率の差から生
じる反射を防止することができ、これにより、高屈折率
層とギャップ調整層との間の境界面に発生するエバネッ
セント波を介して、光導波路層の導波モード光と入射光
及びその導波モード光と出射光とのそれぞれにおける結
合効率を請求項１記載の発明の場合よりも一段と上げる
ことができる。また、高屈折率プリズムの屈折率を高屈
折率層の屈折率よりも高くしているので、高屈折率層の
屈折率に限界がある場合でもさらに入射角及び出射角を
それぞれ小さくすることができ、また、高屈折率プリズ
ムに従来と同じ屈折率のものを用いた場合にも、高屈折
率層の屈折率な従来のものよりも低くとることができる
ため高屈折率層の材料の選択の自由度が大きくなり、こ
れにより、装置作成の容易化が図れると共に、安価な装
置を得ることができる。

実施例まず、請求項２記載の発明の第一の実施例を第１図及び
第２図に基づいて説明する。透明な基板９表面には光導
波路層１０が形成され、この光導波路層１０の表面には
ギャップ調整層１１が形成され、このギャップ調整層１
１の表面には高屈折率層１２が形成され、さらに、この
高屈折率層１２の表面には反射防止層１３を介して、高
屈折率プリズム１４が形成されている。この場合、特に
、前記高屈折率プリズム１４の屈折率の方が前記高屈折
率層１２の屈折率よりも大きく設定されており、また、
前記高屈折率層１２と前記ギャップ調整層１１との間の
境界面Ａに発生するエバネッセント波Ｅｂを介して、前
記光導波路層１０の導波モード光１５が入射光１６及び
出射光１７とそれぞれ結合するように構成されている（
これらの理由については後述する）。なお、基板９と高
屈折率プリズム１４の底面との平行度は、通常の場合完
全にすることは非常に困難であるため、この間のギャッ
プに関しては、高屈折率層１２に弾性体若しくは接着剤
の働きをする物質を用いて充填することにより全体の平
行度を保つようにする。

このような構成において、まず、各層における基本的な
働きについて説明する。第２図において、高屈折率プリ
ズム１４に入射した入射光１６は、反射防止層１３を通
過して高屈折率層１２に入射し、その高屈折率層１２と
ギャップ調整層１１との境界面Ａで反射され、再び、反
射防止層１３、高屈折率プリズム１４を順次通過して空
気中へ出射していく。この場合、その境界面Ａにおいて
、高屈折率層１２からギャップ調整層１１へはみ出した
電磁波（以下、エバネツセント波と呼ぶ）Ｅｂが存在す
る。このエバネツセント波Ｅｂにより光導波路層１０の
導波モード光１５が励起され、入射光１６が光導波路層
１０と結合し、これにより、Ｐ方向へ導波モード光１５
が導波する、いわゆる、入力結合が生じる。一方、光導
波路層１０を導波する導波モード光１５は、ギャップ調
整層１１のエバネッセント波Ｅｂと結合して高屈折率層
１２中に光を励起することになり、これにより、この励
起された光は出射光１７として反射防止層１３、高屈折
率プリズム１４を順次通過して行き空気中に出射する、
いわゆる、出力結合が生じる。

このようにして、高屈折率層１２とギャップ調整層１１
との間の境界面Ａに発生するエバネツセント波Ｅｂを用
いて、光導波路層１０中の導波モード光１５と入射光１
６及びその導波モード光１５と出射光１７がそれぞれ結
合（人力結合、出力結合）するためには、本実施例にお
いて、以下に述べるような条件を満たす必要がある。そ
こで、今、高屈折率プリズム１４から下方の基板９へ向
かう各層の屈折率を順次ｎ、〜ｎ６とし、また、入射光
１６の高屈折率プリズム１４、反射防止層１３、高屈折
率層１２の各層における入射角をそれぞれ０１〜０３と
し、さらに、光導波路層１０中の導波モード光１５の等
側屈折率をＮとし、入射光１６の図示しない光源の波長
をλとし、反射防止層１３の膜厚をｄとする。この時、
本実施例においては、低反射条件として、次式のような
関係を満たすようにする。

ｎ、）ｎ２）ｎ３）ｎ、）Ｎ）ｎ４．ｎ、　　・＝・（
２）ｄ、ｎ、、ｃｏｓθ２＝（（’２ｍ＋１）／４）・
λ−（３）ただし、ｍ＝Ｏ，ｌ、２．３・・・とする。

また、光導波路層１０の導波モード光の等側屈折率Ｎに
関しては、位相整合条件として、Ｎ＝ｎ、５ｉｎｅ、＝
ｎ、ｓｉｎθ２＝ｎ、ｓｉｎθ、−（４）の関係を満た
すようにする。なお、（２）式において、ｎ２はｎｌ　
とｎ３の中間付近の値とする。

従って、（２）式から（４）式の条件を満足させること
により、特に、高屈折率プリズム１４の屈折率ｎ１　を
高屈折率層１２の屈折率ｎ３　よりも高くすることによ
って、高屈折率層１２に用いられる材料の関係から屈折
率ｎ、におのずと限界がある場合でも入射角（出射角）
を小さくとることが可能となり、これにより、入射角を
従来に比べできるだけ小さくしても位相整合がとれるこ
とがら入射角の自由度が増し、その分入射が容易となる
。また、高屈折率プリズム１４の屈折率ｎ１　　を従来
のものと同一にして入射角を一定とした場合には、高屈
折率層１２の屈折率ｎ３　も従来のものより一層低くと
ることができるため、高屈折率層１２の材料の選択の自
由度を大きくすることができ、これにより、装置の作成
の容易化が図れると共に、装置のコストをより一層低減
させることができる。

さらに、高屈折率プリズム１４と高屈折率層１２との間
に反射防止層１３を形成しているため、高屈折率プリズ
ム１４の屈折率ｎ１　　と高屈折率層１２の屈折率ｎ３
　との差から生じる反射を防止することができ、これに
より、入射光１６の入射結合時又は出射光１７の出射結
合時における各々の結合効率を一段と上げることができ
る。

次に、請求項２記載の発明の第二の実施例を第３図及び
第４図に基づいて説明する。これは、上述した第一の実
施例における反射防止層１３を多層構造にしたものであ
り、その他の構成については何ら変わりはない。

反射防止層１３ａ〜１３ｅは、第４図に示すように、誘
電体多層膜からなっており、高い屈折率ｎｘをもつ層と
低い屈折率ｎｙをもつ層とを交互に重ね合わせた５層構
造により構成したものである。この場合、各層について
は、（３）式の条件を満たす必要があり、しかも、高屈
折率プリズム１４に接する層１．３　ａは高い屈折率ｎ
ｘを満たすものでなければならない。なお、本実施例で
は、５層から構成したが、これに限るものでなく何層重
ねるようにしてもよい。

このように反射防止層１３ａ〜１３ｅを多層構造にする
ことによって、第一の実施例に比べてより一層反射率を
低減することができるため、入射光及び出射光の結合効
率を一段と上げることができる。

次に、請求項１記載の発明の一実施例について説明する
。これは、前述した請求項２記載の発明の第一の実施例
や第二の実施例における反射防止層１３．１３ａ〜１３
ｅが形成されていない場合の例について述べたものであ
り、その他の構成において何ら変わりはない。反射防止
層１３．１３ａ〜１３ｅは、高屈折率プリズム１４と高
屈折率層１２との間に屈折率の差が大きい場合に反射を
防止するために設けられているものであり、この反射防
止層１３．１３ａ〜１３ｅがない場合にはその分反射が
大きくなるが、しかし、入射光］、　６の一部を光導波
路層１０に結合することができることから、本実施例に
おいてはそのような反射防止層１．３．１３ａ〜１．３
　ｅを用いなかったものである。

そこで、本実施例における諸条件としては、前述した（
２）、（４）式にならって、以下に示すような条件にす
る。

ｎ、、’）ｎ３）ｎ、）Ｎ）ｎ、、ｎ、　　・　（５）
また、光導波路層］０の導波モード光の等側屈折率Ｎに
関しては、位相整合条件として、Ｎ　＝　ｎ　、ｓｉｎ
θ、＝ｎ、５ｉｎＯ，−（６）を満たすようにする。

従って、請求項２記載の実施例で述べたように、特に、
高屈折率プリズム１４の屈折率ｎ１　を高屈折率層］２
の屈折率ｎ３よりも高くすることによって、入射角を従
来に比べできるだけ小さくしても位相整合がとれること
から入射角の自由度を増すことができる。また、高屈折
率プリズム１４の屈折率ｎ、を従来のものと同一にして
、入射角を一定とした場合には、高屈折率層１２の屈折
率ｎ３も従来のものより一層低くとることができるため
、高屈折率層１２の材料の選択の自由度を上げることが
できる。

次に、請求項１記載の実施例と請求項２記載の実施例と
に共通する内容として、高屈折率プリズム１４の屈折率
ｎ１　を高屈折率層１２の屈折率ｎ３よりも大きく設定
したことによる利点について述べる。今、（２）、（４
）、（５）、（６）式より、本発明における実施例にお
いては、入射角θ１の範囲は、ｎｓ／　ｎ　＋　＞　ｓｘｎ　ｅ　、＞　ｎ４／　ｎ　
＋　　　・・・（７）となる。

一方、従来例（第５図参照）では、ｎ、　＝　ｎ３、θ
１＝θ、であることから、（７）式は、５ｉｒｌ　、＞
　ｎ４／　ｎ、　　　　　　・＝　（８）となる。ただ
し、この（８）式においては、ｎ、は高屈折率セメント
層４の屈折率を示し、ｎ４は低屈折率ギャップ層３の屈
折率を示す。

ここで、（４）、（６）式の条件よりＮが一定の場合、
（７）、（８）式を比較すると、ｎ　、　）　ｎ　３の
関係からｅｌ＜ｅ、となる。このため、ｎ４が一定なら
ば、（７）式の０１　の方を（８）式の０３よりも小さ
くすることができることがわかる。このことは、本実施
例の方が従来例に比べて入射角の下限をより小さくする
ことができることを意味するものである。

なお、この場合、従来例においてもｎ３を大きくするこ
とができればＯ２を小さくすることができないわけでは
ないが、しかし、従来例のような構造においてそれを実
現するためには高屈折率セメント層４に接着性のある材
料を用いてｎ３を高くする必要があり、これを行うため
には材料的に見合うものが少なく現実に作成するには非
常に困難なことである。

発明の効果請求項１記載の発明では、高屈折率プリズムの屈折率を
高屈折率層の屈折率よりも高くしているので、高屈折率
層の屈折率に限界がある場合でもさらに入射角及び出射
角をそれぞれ小さくすることができ、また、高屈折率プ
リズムに従来と同じ屈折率のものを用いた場合にも、高
屈折率層の屈折率を従来のものよりも低くとる二とがで
きるためその分高屈折率層の材料の選択の自由度が大き
くなり、これにより、装置作成の容易化が図れると共に
、安価な装置を得ることができるものである。

また、請求項２記載の発明では、高屈折プリズムと高屈
折率層との間に反射防止層を形成したことにより、それ
ら高屈折率プリズムと高屈折率層との間の屈折率の差か
ら生じる反射を防止することができ、これにより、高屈
折率層とギヤツブ調整層との間の境界面に発生するエバ
ネッセント波を介して、光導波路層の導波モード光と入
射光及びその導波モード光と出射光とのそれぞれにおけ
る結合効率を一段と上げることができる。また、高屈折
率プリズムの屈折率を高屈折率層の屈折率よりも高くし
ているので、高屈折率層の屈折率に限界がある場合でも
さらに入射角及び出射角をそれぞれ小さくすることがで
き、また、高屈折率プリズムに従来と同じ屈折率のもの
を用いた場合には、高屈折率層の屈折率を従来のものよ
りも低くとることができるためその全高屈折率層の材料
の選択の自由度が大きくなり、これにより、装置作成の
容易化が図れると共に安価な装置を得ることができるも
のである。

機側面図、第３図は請求項２記載の発明の第二の実施例
を示す機側面図、第４図はその一部を拡大して示す機側
面図、第５図は従来例を示す機側面図である。

９・・・基板、１０・・・光導波路層、１１・・キャッ
プ調整層、１２・・・高屈折率層、１３・・反射防止層
、１４・・・高屈折率プリズム、１５・・導波モード光
、１６・・・入射光、１７・・・出射光、Δ・・・境界
面、Ｅｂ・エバネッセント波、ｎ３　・・・高屈折率層
の屈折率比　願　人　　　　株式会社　リ　コ

【図面の簡単な説明】

Claims

【特許請求の範囲】１、基板上に形成された光導波路層と、この光導波路層
の表面に形成されたギャップ調整層と、このギャップ調
整層の表面に形成された高屈折率層と、この高屈折率層
の屈折率よりも屈折率が高くその高屈折率層の表面に形
成された高屈折率プリズムとよりなり、前記高屈折率層
と前記ギャップ調整層との間の境界面に発生するエバネ
ッセント波を介して、前記光導波路層の導波モード光が
入射光及び出射光とそれぞれ結合するように形成したこ
とを特徴とする高性能プリズムカプラ。２、基板上に形成された光導波路層と、この光導波路層
の表面に形成されたギャップ調整層と、このギャップ調
整層の表面に形成された高屈折率層と、この高屈折率層
の表面に形成された反射防止層と、前記高屈折率層の屈
折率よりも屈折率が高く前記反射防止層の表面に形成さ
れた高屈折率プリズムとよりなり、前記高屈折率層と前
記ギャップ調整層との間の境界面に発生するエバネッセ
ント波を介して、前記光導波路層の導波モード光が入射
光及び出射光とそれぞれ結合するように形成したことを
特徴とする高性能プリズムカプラ。