JPH0250109A - 入射カプラ付き光導波路装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、光集積回路、又は光集積回路を用いた光学部
品、特に光集積ピックアップ等に用いられる入射カプラ
付き光導波路装置に関する。

従来の技術 従来、この種の入射カプラ付き光導波路装置としては第
１７図に示すようなものがある。これは、’ＡＰＰＬＩ
ＥＤ　ＰＨＹＳＩＣＳ　ＬＥＴＴＥＲ３ＶＯＬＵＭＥ　
１８．　ＮＵＭＢＥＲ１２１５ＪＵＮＥ　１９７１′な
る文献中の“ＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　０ＦＯＰＴＩＣＡＬ
　ＷＡＶＥＧＵＩＤＥＳ　ＩＮ　ＰＨ０ＴＯＲＥＳＩＳ
Ｔ　ＦＩＬＭＳ’において開示されているものである。

即ち、屈折率ｎ５＝１．５１２のガラス基板１上に屈折
率ｒＢ＝１．６１８、厚さｔ４　＝６２００人の光導波
層（コア層）２を形成し、光導波層２の表面一部に厚さ
ｔｇ＝６００Ａ、グレーティングピッチＡ＝６６００人
の一グレーティングカプラ３を形成し、屈折率ｎ（Ｈ，
＝１．ＯＯの空気層（クラッド層）４に接してなる。こ
こに、屈折率はｎｆ’　＞　ｎ　ｓ　＞　ｎ　ｃなる大
小関係に設定されている。

このような構成により、グレーティングカプラ３に角度
θｌで入射した。光が、角度θｄなる回折光として光導
波層２を伝搬するように、グレーティングカプラ３は設
計されている。

ここに、グレーティングカプラの光導波層への結合条件
は、一般に、 λ ｎｐ−８ｉｆｌθ１＝ｎｐ＠ｓｉｎθｄ−ｑ−Ｋ・・・
・・・・・・（１）なる条件式で示される。ただし、ｑ
はｑ＝０．＋１、±２．・・・なる回折の次数である。

この（１）式を変形すると、 となる。

一方、光導波層の導波条件は、固有方程式（ＴＥモード
）より、 ｘ　１−　ｔ　ｆ＝　（ｍ　＋１　）ｙｒ　−ｔａｎ−
’−”　−ｔａｎ−’五γＣｙＳ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）として示
される。式中、ｍは導波モードの次数、ｔｆは光導波層
の膜厚、ｘ　ｆ＝裟工Ｊ　ｎ　ｆ”　−Ｎ　”λ γ。＝旦、／　Ｎ　ｔ−ｎｃ２、ｙｓ＝　”　”ＪＮ”
　　ｎｓ”、λ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
λ等価屈折率Ｎ＝ｎｆ−ｓｉｎθｆ、λは真空中での入
射光の波長である。

発明が解決しようとする問題点 ところが、第１７図に示したような従来方式の場合、（
１）式のｑの値が正の時の結合では、第１８図に示すλ
−θｆ特性図のように、グレーティングカプラ３の特性
ＢＣと光導波層の特性ＤＥとの傾きが逆のため、波長変
動に対する結合効率が変動しやすい。即ち、第１８図に
おいて、最適導波条件λ、−〇ｆ０　が（１）式のｑが
正の整数に対し成立していると（Ａ点）、グし一テイン
タカプラ■３の対波長特性は第１３．図中の特性ＢＣの
ように、回折角θｄに対し右上がりとなっているのに対
し、光導波層１２のｍ次モードに対しては特性ＤＥのよ
うに右下がりとなってしまう。

また、ｍ＝ｏなるＴＥ、モードとして（３）式より得た
等側屈折率Ｎ　＝　１．６８０なる値を、（１）式でｑ
＝ｌ　（を次結合）、Ｎ＝ｎｆ−５ｉｎθｆとして与え
ると、θ１＝３８°４０’にてＴＥ、モードを導波する
。しかし、この場合も第１３図に示した特性例に該当し
、波長安定性のよくないものである。

つまり、波長が変わると光導波層にカップリングしにく
くなる・。

このようなことから、従来は波長の安定したＨｅ−Ｎｅ
レーザ等を光源に用いているものであるが、このような
光源は大型のものであり、光集積回路としての小型なる
特性を活かせない。かといって、光源として小型な半導
体レーザを用いると、波長変動が大きいため、上記の如
く、グレーティングカプラを用いた光導波層への導波光
量の変動が大きい。

このようなことから、波長変動によってカップリング効
率が変動することがなく、光源として小型の半導体レー
ザ等を使用可能な入射カプラ付き光導波路装置が要望さ
れている。

問題点を解決するための手段 グレーティングカプラと光導波層とを設け、定の光を前
記グレーティングカプラを介して光導波層に結合導波さ
せる入射カプラ付き光導波路装置において、グレーティ
ングと光導波層との各々の固有の性質に着目し、グレー
ティングカプラの光導波層への光の回折角の波長変化に
対する変化方向と、光導波層の導波条件を満たすときの
全反射角度の波長変化に対する変化方向とを同□じ方向
とする。

作用 グレーティングカプラと光導波層各々の固有の性質に着
目すると、グレーティングカプラの光導波層への光の回
折角の波長変化に対する変化方向が、光導波層の導波条
件を満たすときの全反射角度の波長変化に対する変化方
向と同じ方向であるので、入射光に波長変動があっても
カップリング効率が変動することがなく、例えば光源に
小型の半導体レーザ等を用いることが可能となる。

実施例 以下、本発明の第一の実施例を第１図ないし第４図に基
づいて説明する。

まず、屈折率ｎｓの基板１１上には屈折率ｎｆ（ただし
、ｎｒ＞ｎｓ）の光導波層１２が形成され、その表面の
一部にはグレーティングカプラ１３が形成されている。

１４は屈折率ｎｃ＝ｎｃ。の空気クラッド層である。ま
た、前記グレーティングカプラ１３上には光導波層１２
の屈折率ｎｆ・より大なる屈折率ｎｐを持つ高屈折率の
プリズム（又は高屈折率層）１５が装荷されている。即
ち、グレーティングカプラ１３付近で考えると、プリズ
ム１５の存在により、ｎｐ＞ｎｆ＞ｎｓなる屈折率の大
小関係が成立する。

このような構成において、基本的には波長λ＝λ。の光
がグレーティングカプラ１３に入射角度θｉで入射した
場合に、光導波層１２の導波条件を満たし当該光が導波
するように設定されている。

＼ そして、入射光の波長がΔλだけ変化、即ち、λ′＝λ
。＋Δλとなった場合の、グレーティングカプラ１３部
分の様子を第２図に示し、光導波層１２の様子を第３図
に示す。

この場合も、一般的なグレーティングカプラ１３の光導
波層２への結合条件は、前述した（１）式ないしは変形
してなる（２）式による。ｑ＜Ｏの場合において、λ＝
λ′〉λ。どなった時、回折角θｄ′はＯｆｏより小さ
くなる。

また、光導波層１２の導波条件は、固有方程式（ＴＥモ
ード）より、前述した（３）式による。この固有方程式
において、λ＝λ′〉λ。なる波長変動があると、回折
角θｄは小さいほうへ移動する。

この場合の、グレーティングカプラ１３と光導波層１２
とにおける波長変動と回折角ｏｆとの関係は、第４図に
示す如くなる。即ち、最適導波条件λ。−０ｆｆｉが（
１）式のｑが負の整数に対し成立していると（Ａ点）、
グレーティングカプラ１３の対波長特性は第４図中の特
性ＢＣのように、回折角θｄに対し右下がりとなる。ま
た、光導波層１２のｍ次モードに対して同様に、第４図
中に示す特性ＤＥのように右下がりとなる。

これは、本実施例のように光導波層１２上にこれよりも
高屈折率のクラッド層又はプリズム１５を用い、かつ、
ｑ＜Ｏなる整数を与えた時にｏｆ〉Ｏとなるときの固有
の性質である。即ち、本実施例ではグレーティングカプ
ラ１３の光導波層１２への光の入射角の波長変化に対す
る変化方向を、この光導波層１２の導波条件における角
度波長変化に対する変化方向と同じ方向となるように構
成してなる。この条件を数式的に示すと、入射の際の条
件は、回折角Ｏｆは、ｎ＝ｍａＸ（ｎｏ＋　　ｎｓ）な
るｎに対し θ（＞ｓｔｎ”（）　　　　　　・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・（４）ｎｆ なる条件を満足する必要がある。また、グレーティング
カプラ１３の条件式においてｑ＜Ｏの整数で、かつ、回
折角θｄは、第１図中の矢印方向にｅｄ＞Ｏとならなけ
ればならない。即ち、λ ｎｃ−５ｊｎθＬ　＝　ｎｆ−ｓｉｎθｆ−ｑＸ・・・
（５）である。

この結果、第１２図に示した従来方式（ｎｆ＞ｎｓ＞ｎ
ｃ）では、第１３図に示したように、グレーティングカ
プラのｅｄの対λ特性が、通常は特性ＢＣの如く右上り
となってθｆとの差が同じΔλの変化に対し大きくなり
、入射光の導波条件が著しく変化してしまう波長依存性
を持つが、本実施例によれば波長変動の影響によりカッ
プリング効率が変動するようなことはなくなる。

ここに、第一の実施例構成の具体例を説明する。

まず、Ｓｉ等の基板ｌｌ上にクラッド層としてＳｉｏ、
膜を０．５８ｍ以上の厚さに熱酸化形成する。ついで、
ＣＶＤ法により膜厚ｔ　１＝Ｏ１１７８４ｍ、屈折率ｒ
Ｂ　＝１．６０の５ｉＯＮ膜を形成し光導波層１２とす
る。この際、より実際的にはグレーティングカブラ１３
分だけその部分の厚さを厚く形成しく例えば、０．２５
μｍ）、レジストを使い、二光束干渉法又は電子線描画
法によりパターニングした後、エツチングによりピッチ
Δ；２．０μｍ、　光導波層１２部分の膜厚ｔ　ｆ＝０
．１７８ｘｍとなるように、グレーティングカプラ１３
を形成する。ついで、グレーティングカブラ１３上に、
屈折率ｎｐ＝２．０なる高屈折率の層（プリズム１５）
を紫外線硬化樹脂を用いて接着固定する。

このような構成の下、第４図に示した特性ＣＢのグレー
ティングカプラ１３の回折角θｄと、３層構造の導波路
の０次モード（ＴＥ、モード）の伝搬時の特性ＤＥなる
角度ｏｆとは、第１表のようになる。

つづいて、本発明の第二の実施例を第５図ないし第７図
により説明する。前記実施例で示した部分と同一部分は
同一符号を用いて示す。本実施例は、第１図に示した導
波路構造及び基本思想の下に、ＴＥモードでの最適構成
条件を示すものである。

まず、前記実施例による第１図のグレーティングカプラ
付き光導波路構造について更に回折導波状況につき、検
討する。グレーティングカブラ１３部分の様子を抽出す
ると第５図（第２図と同じ）のようになる。即ち、屈折
率ｎｆの光導波層１２と屈折率ｎｐのプリズム１５との
間にグレーティングカプラ１３が存在し、このグレーテ
ィングカプラ１３に入射角θｌで入射した光は、後述す
るように、ｎｐ＞ｎｆなる条件下に角度θｄ力方向回折
する光を一１次光（ｑ＝−１）としている（回折の条件
式は前述した（１）式による）。ちなみに、角度θｒ力
方向回折する光は０次光（ｑ＝ｏ）である。

また、第３図と同様に全反射を繰返す光導波路部分を抽
出すると、第６図のようになり、基板１１と光導波層１
２と屈折率ｎｃなる空気クラッド層１４との３層構造か
らなる。導波条件を満たす光は、全反射角θｆで全反射
を繰返しながら伝搬していく。この伝搬条件は、前述し
た固有方程式（ＴＥモード）である（３′）式を解くこ
とにより得られる。

このような構成において、（１）式の回折条件式は、仮
に、ｎｐ（ｎｆとして構成した条件下では波長λが大き
くなると回折角θｄも大きくなる特性を示すが、屈折率
の大小関係を前記実施例のようにｎＰ＞ｎｆ＞ｎｓ、ｎ
ｃとした条件下では波長λが大きくなると回折角θｄが
逆に小さくなる特性を示す。また、光導波層１２中を伝
わる光の全反射角θｒは波長λが大きくなっても常に小
となる。

このような様子を第７図により説明する。まず、第７図
（ａ）のλ−ｏｆ特性図はｎｐ（ｒＢなる条件下での、
グレーティングカプラ１３の特性ＢＣと光導波層１２の
特性ＤＥとを示す。これは、第１８図の場合に相当する
。ここに、波長λ。において結合するように設計するに
は、（３）式により得られた全反射角ｏｆを回折角θｄ
に等しいとおき、（１）式を解くと、結合条件が得られ
、Ａ点においてｏｆ＝θｄとなっているので、このＡ点
において入射光は光導波層１２中に伝搬していく。

しかし、ｎｐ（ｎｆの条件の下で結合する場合、前述し
たように、波長の僅かな変化によってｏｆ。

θｄの傾き方向の違いにより、ｏｒ、θｄの差が大きく
なり、波長変動の影響を受けやすい。

このような点を改良したのが、前記実施例の思想に基づ
く第７図（ｂ）に示すλ−Ｏｆ特性図であり、第４図に
相当する。即ち、ｎｐ＞ｒＢなる条件下で、（１）式に
おけるｑをｑ＜Ｏとすれば、波長λが大きくなった時に
は回折角θｄが小さくなる。

つまり、第７図（ａ）の場合にあっては、ｏｆ＝θｄ、
かつ、ｄ／３１／ｄλくＯｌかつ、ｄθｄ／ｄλ〉０で
あるのに対し、第７図（ｂ）ではｏｒ＝θｄ、かつ、ｄ
θｆ／ｄλくＯｌかつ、ｄθｄ／ｄλくＯとなっている
。これにより、波長変動に対する。ｆとθｄの差を小さ
くできることは、前記実施例で記載した通りである。

このような構成及び条件下に、光導波層１２へのグレー
ティングカプラ１５による入射カップリングを行い、波
長依存性を減少させたとしても、グレーティングカプラ
１５による回折角θｄと光導波層１２の全反射角Ｏｆと
の波長変化に対する変動が第７図（ｂ）に示すように大
きく異なる場合には、十分な効果が期待できない。

しかして、本実施例ではこのような点に鑑み、ＴＥモー
ドについて、最適な構成条件を見い出したものである。

第７図（Ｃ）（ｄ’）はそのλ−Ｏｆ特性の一例を示す
ものである。即ち、導波条件を満たすＡ点において、前
述の場合と同様に、ｏｆ＝θｄとするが、更に、このＡ
点における各々の特性ＢＣ及びＥＤの傾きが等しい、即
ち、ま見し＝限土　　・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・（６）ｄ　λ　　　　ｄ　λ となる条件で構成した場合である。つまり、傾きの方向
を一致させるだけでなく、Ａ点での傾きを同じとしたも
のである。第７図（Ｃ）にあっては、特性ＢＣが特性Ｄ
Ｅに内接（又は、括弧書きで示すように特性ＤＥが特性
ＢＣに内接）することによりこの条件を満たす場合を示
す。第７図（ｄ）にあってはＡ点で交叉する場合におい
てこの条件を満たす例を示す。何れも、上記条件式に従
いＡ点の傾きが一致することで、波長λ。近傍における
角度ｏｆ、θｄの変化の仕方もほぼ一致し、その差の小
さいものとなり、導波光量の波長依存性の非常に小さな
ものとなる。

このような最適構成のための条件について、数式を用い
て、更に詳細に説明する。まず、第１図の構成において
示した基板１１の屈折率ｎｓ、光導波Ｎ１２の屈折率ｎ
ｆ、プリズム１５の屈折率ｎｐ、それ以外の空気クラッ
ド層１４の屈折率ｎｃにつき、その大小関係を、 ｎｐ＞ｎｆ＞ｎｓ＋　　ｎｃ　　　　・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・（７）とする。この時、入射
光の波数ベクトルβは、入射光の波長をλとすると。

β＝２π／λ　　　　　　・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・（８）で示される。そこで、この波数
ベクトルを用いて空気クラッド層１４、光導波層１２及
び基板１１の各々の伝搬定数γＣ２χｒ、γＳを示すと
、Ｘｆ”βＪｎｆ”−Ｎ２＝ｎｒβｃｏｓθｆ−・−＝
−（１０）γＳ＝βＪ　Ｎ　２−ｎｓ２　　　　　・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１１）とな
る。ここに、Ｎは等側屈折率であり、前述したようにＮ
＝ｎｆ−ｓｉｎθｆで示される。

この時、第１図の構成中の３層導波路部分、即ち第６図
における固有方程式は、ＴＥモードに対しては前述した
（３）式で表される。この（３）式から波長λについて
の全反射角ｏｆの導関数ｄＯｆ／ｄλを求めると、 ＝二吋二屓−・ＣＯＳθｆ　　・・・・・・・・・・・
・・・（１２）λＮＴｅ となる。但し、Ｔｅは等価膜厚を示し、γＣ＝βＪＮ’
　　ｎＣ”　　　　　　・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・（９）である。

一方、第１図の構成中のグレーティングカプラ１３部分
、即ち第５図における回折条件式は、前述した（１）式
により示される。この（１）式から波長λについての回
折角θｄの導関数ｄθｄ／ｄλを求めると、 となる。

ここに、ｄθｐ／ｄλくＯであるので、ｄθｄ／ｄλく
Ｏとすれば、第７図（ｂ）〜（ｄ）に示すように特性Ｂ
Ｃと特性ＥＤとがともに同じ負の傾きとなり、ｏｆとθ
ｄとの差は波長λの変化に対して小さくなる。しかし、
第７図（ｂ）の場合には、前述したように、入射最適条
件時の°波長λ。に対して波長が±Δλ変化した時の両
者の差は大きくなってしまう。即ち、第７図（ｂ）にお
いて、特性ＢＣをグレーティングカプラ１３の波長変化
に対するθｄの変化、特性ＤＥを光導波層１２中の全反
射角ｏｆの波長変化に対する変化とすると、Ａ点での波
長λ。においてはｏｆ＝θｄであるので入射光λは導波
できる。しかし、僅かに波長がずれるだけでｏｒとθｄ
との差は大きくなる。

この点、Ａ点において少なくともｏｆ、θｄの傾きが一
致する条件を与えれば、第７図（Ｃ）（ｄ）のようにＡ
点近傍でのｏｆとθｄとの差を小さくすることができる
。

そこで、回折の次数ｑをｑ＜Ｏｌ特にｑ＝−１とし、 止ｌ仁＝丈見〔、カッ、ｏｆ＝θｄ・・・・・・（１５
）ｄ　λ　　　　ｄ　λ とおくと、グレーティングカプラ１３のピッチΔは、 となる。この（１６）式で得られたピッチ八に対して（
１）式より入射角θ１は、 １より、判別式 このように得られた式に即して構成した第二の実施例構
成の具体例を説明する。まず、各屈折率ｎＳ＋　　ｎＰ
＋　　ｎＰ＋　　ｎＣをｎ３　　＝１．４６、ｎｆ＝１
．８５、ｎｐ＝２．ｏｏ、ｎｃ　＝ｔ、ｏｏとし、ｔｆ
＝０．３０　ｍｇｍ）、λ＝０．７９０　（μｍ）とし
た時を例にとり説明する。

まず、（３）式の固有方程式により、 Ｎ　　＝１．６７７６４６ Ｔｅ　＝０．５４５４８９４　Ｃμｍ）ｏｆ＝６５．０
７１６６　（ｄｅｇ） ＝　１．１３５７１５　（ｒａｄ） となる。これらの値を用いて（１６）式よりグレーティ
ングカプラ１３のピッチ八を求めると、Δ＝３．９６３
５７４　［μＩ〕 となる。また、（１７）式より、この時の入射角ｏｉを
求めると、 θ１　＝６９．７９７９２　（ｄｅｇｌが得られる。

この時の波長に対するθｒ−θｄを具体的に与えると、
第２表のようになる。

第２表 この１ｏｆ−〇ｄ１の大きさは、導波する光の放射に関
係するので、小さい程よい。しかし、上記第２表に示す
ように１０−３オ一ダ以下程度であれば、波長変動によ
る導波光の損失、即ち、導波光量の変動が非常に小さい
ので、光集積回路を構成する上で大変好ましいものとな
る。

一方、グレーティングカプラ１３のピッチＡをΔ＝２．
５　Ｃμｍ〕とした時には、入射角θｌは（１７）式％
式％（） となる。この場合の回折角θｄは、ｏｆ　（変化なし）
との比較において、第３表のようになる。

第３表 外れた場合には、ｅｆ−Ｏｄの差がかなり大きくなり、
波長変動に伴う導波光量の変動も大きなものとなる。し
かし、目的とする入射結合条件（入射角ａｉ、高屈折り
ラッド層＝プリズム１５の屈折率ｎｐ等）を、第２表か
ら僅かに外れた場合でも一定の許容幅を持たせ、設計例
で示した条件を参考に、 ｏｆ＝θｄ　（λ＝λ。において）、かつ、・・・・・
・・・・・・・・・・・・・（１９）のような条件を選
んで設計するのが望ましい。その場合、所望の波長変動
の許容幅Δλに対する角度差許容量へ〇を決め、 このように、本実施例による最適構成条件から・・・・
・・・・・・・・・・・・・・（２０）となるように、
３層導波路構造やグレーティングカプラ１３の条件を選
んでやればよい。

また、本発明の第三の実施例を説明する。本実施例は、
前記実施例によるＴＥモードでの最適構成条件に代えて
、ＴＭモードでの最適構成条件を示すものであり、基本
的には前記実施例に準するものであり、図面もそのまま
用いるものとする。

まず、ＴＭモードに対しての３層導波路では、その固有
方程式として（３）式に代えて、次の（２１）式が用い
られる点が大きな違いである。

にｆ’ｔｆ ＝　（ｍ　＋ｌ　）　ｙｃ　−ｔａｎ−’　（”）”　
（五）”　−ｃａｎ−’　（”）”　（”）”ｎｆ　　
　ｙＣｎｆ　　　７Ｓ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２１）この（
２１）式から波長λについてのｏｆの導関数ｄｅｆ／ｄ
λを求めると、 ｑｃ　−（”−）”＋（不一）′−１ ｎｆ　　　　　ｎｃ 二−工仁」４・ＣＯ３θｆ　・・・・・・・・・・・・
（２２）λＮＴｍ となる。但し、ＴｍはＴＥモードの等価膜厚Ｔｅ（（１
３）式参照）に相当するＴＭモードの等価膜厚を示し、 である。

一方、グレーティングカプラ１３部分、即ち第５図にお
ける回折条件式は、ＴＭモードにあっても、前述した（
１）式又は次の（２４）式により示される。

に対し、 この（２４）式から波長λについての回折角Ｏｄの導関
数ｄＯｄ／ｄλ　を求めると、（１４）式と同じとなる
。

しかして、本実施例の７Ｍモードにあっても、前記実施
例に準じて、（２２）式及び（１４）式の条件下に、θ
ｆ＝θｄ１かつ、ｄθｆ／ｄλ＝ｄθｄ／ｄλを満たす
ように（つまり、（１５）式を満たすように）構成すれ
ば、７Ｍモードに対する最適構成となる。

そこで、７Ｍモードについても、ｑ＜０１特にｑ＝−１
とし、（１５）式の条件を設定すると、グレーティング
カプラ１３のピッチΔは、（１６）式に準じ、 となる。入射角θＩは（１７）式となる。判別式につい
ても、（１８）式が適用される。

このように得られた式に即して構成した第三の実施例構
成の具体例を説明する。まず、各屈折率ｎＳ、ｎｆ、ｎ
Ｐｌ　ｎｃをｎｓ　　＝１．４６、ｎ　ｆ＝　１．８５
、ｎｐ　＝２．０Ｏ１ｎｃ　：ｔ、ｏｏとし、ｔｆ＝０
．３０　（ａｍ）、λ＝０．７９０　［μｍ〕とした時
を例にとり説明する。

また、ＴＭ、モードでｍ±０、ｑ＝−１凍結合であると
する。まず、（２１）式の固有方程式により、ＴＭ、モ
ードに対して Ｎ　　＝１．６０１６０５ Ｔｍ　＝０．５９１４５７１　（μｍ１１）ｏｆ＝５９
．９６６４４　（ｄｅｇｌ ＝１．０４６６１９　［ｒａｄ］ となる。これらの値を用いて（２５）式よりグレーティ
ングカプラ１３のピッチ八を求めると、Ａ＝２．９０９
５１４　Ｃａｍ） となる。また、（１７）式より、この時の入射角θｌを
求めると、 θ１　＝６９．４８２３１　［ｄｅｇ］が得られる。

つまり、第１図構成において、グレーティングカプラ１
３のピッチをＡ　＝　２．９０９５１４［μｌ］とし、
かつ１．θ１：約６９．４８度で入射させれば、対波長
安定性のよい入射カップリングが可能となる。

この時の波長に対する。ｆ−θｄを具体的に与えると、
第４表のようになる。

第４表 ＡをＡ＝２．０Ｃμｍ〕とした時には、入射角θｉは（
１７）式より、 θ１　＝８６．６６１１０　（ｄｅｇ）となる。この場
合の回折角θｄは、ｏｆ　（変化なし）との比較におい
て、第５表のようになる。

第５表 この　ｏｆ−θｄ　の大きさは、導波する光の放射に関
係するので、小さい程よい。しかし、上記第４表に示す
ように１０−２オ一ダ以下程度であれば、実用的な半導
体レーザの波長変動、ロットのばらつきに対しても、十
分、実用に耐え得る程度に導波光量の変動が非常に小さ
いので、光集積回路を構成する上で大変好ましいものと
なる。

ちなみに、グレーティングカプラ１３のピッチこのよう
に、本実施例による最適構成条件から外れた場合には、
７Ｍモードの場合にも、ｏｆ−θｄの差がかなり大きく
なる。しかし、目的とする入射結合条件（入射角θｌ、
高屈折りラッド層＝プリズム１５の屈折率ｎｐ等）を、
第４表から僅かに外れた場合でも一定の許容幅を持たせ
、設針側で示した条件を参考に、前述した（１９）式の
ような条件を選んで設計するのが望ましい。

つづいて、本発明の第四の実施例を第８図により説明す
る。本実施例は、グレーティングカプラ１３上の高屈折
層への入射を容易とするため、高屈折層として入射用の
斜面を有するプリズム状のクラッド層２５を設けたもの
である。このようなりラッドＮ２５を泪いることにより
、外部から半導体レーザ光等を入射させやすくなる。

また、本発明の第五の実施例を第９図により説明する。

本実施例は、グレーティングカプラ１３とクラッド層２
５との間に空気層１４ａを介在させたものである。これ
により、高屈折率層なるクラッド層２５に入射角θ■で
入射した光は、空気層１４ａによる間隙を越えてグレー
ティングカプラ１３により光導波層１２に入っていくこ
とになる。

なお、第１０図に示すように、空気層１４ａに代えて、
屈折率ｎｃ、なる低屈折率層２６を間隙に詰めるように
してもよい。即ち、基板ｌｌ上に光導波層１２を厚さｔ
４に作製した後、その上にグレーティングカプラ１３を
作り、更にその上にクラッド層２５を載せる時に、グレ
ーティングカプラＩ３との間に低屈折率層２６を充填す
ればよい。

このような構成によれば、クラッド層２５を第９図のよ
うに載せるだけでなく、接着により光導波層１２上に固
定できる。

更に、本発明の第六の実施例を第１１図により説明する
。本実施例は、光導波層１２の導波条件に合う次数の結
合波を効率よく回折させるために体積ホログラム型のグ
レーティングカプラ２３を用いたものである。具体的に
は、前述した実施例では光導波層１２の表面にグレーテ
ィングカプラ１３を直接作成したものに対し、体積位相
型格子としたものである。

一般に、（１）式の条件を満たす回折は、複数となって
しまう（今の場合、導波させる光が（１）式においてｑ
＝＝ｌとしているが、それ以外でも回折光がある）。そ
こで、本実施例のように体積位相型のグレーティングカ
プラ２３を用いることにより、特定の次数（例えばｑ＝
−１）の方向θｒがブラッグ条件を満たすように設定さ
れる。このように構成することにより、より高い結合効
率の入射カップリングとし得る。

ここに、体積位相型のグレーティングカプラ２３として
は、Ａｓ２５．等が適当であり、二光束干渉法や電子ビ
ーム法等により作成される。

また、このグレーティングカプラ２３を屈折率分布型グ
レーティングとして構成してもよい。この場合の作製の
具体例を例示すると、例えば基板１１を屈折率ｎ５＝１
．４６なるＳｉＯ，Ｊｉ、光導波層１２を屈折率ｎ　ｆ
＝　１．８５、厚さｔｆ＝０．３０μｍのＳｉ０層とし
、グレーティングカプラ２３にはＡｓ、Ｓ、を用い、こ
れを非常に薄く作製して電子ビーム法によりピッチΔ＝
２．９０９５１４μｍのグレーティングをパターニング
して屈折率分布型グレーティングが作られる。その上の
クラッド層２５には屈折率ｎｐ　＝２．ＯＯなる高屈折
率ガラスが用いられる。

さらに、本発明の第七の実施例を第１２図により説明す
る。本実施例は、クラッド層として、グレーテイングカ
プラ１３対応部分は屈折率ｎｐなる高屈折層３５ａとし
、それ以外の光導波層１２上は屈折率ｎ（Ｈなる低屈折
１３５ｂとしたものである。これにより、空気層でない
クラッド層の場合にも対応できる。

具体的には、高屈折層３５ａ以外の部分には、光導波層
１２の屈折率ｎｆより小さい屈折率ｎｃの低屈折層３５
ｂを設けるものである。作成方法としては、グレーティ
ングカプラ１３以外の光導波Ｎ　ｌ　２上に低屈折Ｍ３
５ｂを設けてから、全面的に堆積させて高屈折層３５ａ
を形成すればよい。

二二に、低屈折層３５ｂが充分厚い場合には３層導波路
構造として扱うことができ、（３）式を適用できる。

また、本発明の第への実施例を第１３図により説明する
。本実施例は、第三の実施例の場合と同様に、導波させ
る光を効率よく回折させるため、ブレーズ化（鋸歯状化
）してなるグレーティングカプラ３３としたものである
。

さらに、本発明の第九の実施例を第１４図及び第１５図
により説明する。前述した第一〜五の実施例は入射カッ
プリング例であるが１本実施例は出射カップリングを考
慮したものである。ここでは、グレーティングカプラ１
３に相当するグレーティングカプラ４３が光導波層１２
上に形成され。

その上にプリズム１５に相当するプリズム（または、高
屈折層）４５（屈折率ｎｐ）が装荷されている。まず、
（１）式に示した入射カップリング条件式に対し、出射
カップリング条件式はλ ｎＰ＋Ｓｉｎθ０＝ｎｆ＠Ｓｉｎθｆ−ｑＸ　・・・・
・・・・・（２６）で示される。ここに、θ０は出射角
で、θｆとともに角度の向きの定義は入射の場合と逆と
する。いま、θｄ岬θｆで、波長λによる全反射角ｏｆ
の変化は入射カップリング時の回折角θｄの変化とほぼ
同じであるから、（１）式における回折角θｄを（２６
）式におけるｏｆに置換えることができる。従って、波
長変動による導波路中の全反射角度ｏｆの変化は出射時
にキャンセルされ、ピッチ八が入射時のグレーティング
と同じであれば、θ１＝００＝一定 （但し、θｌとθｆは角の定義の向きは逆）となる。つ
まり、前述したように、ある波長の変動範囲でθｄ岬θ
ｆであれば、同一ピッチの入・出射カップリングによっ
て、人・出射角θｌ、θ０は波長に依存せず、しかも、
光量変化も少ないものとなる。

そこで、このような出射カップリングと第一の実施例で
示した入射カップリングとを組合せることにより、例え
ば第１５図のような入・出射導波路デバイスを構成でき
る。即ち、基板１１（屈折率ｎｓ）上に光導波層１２（
屈折率ｎｆ）があり。

その表面に同一ピッチ八で上記の如き条件を満たす入射
用のグレーティングカプラ１３と出射用のグレーティン
グカプラ４３とが形成され、各々に高屈折率層１５．４
５（屈折率ｎｐ）が装荷されている。

そして、高屈折率層１５からグレーティングカプラ１３
より角度θｌ　（第１５図中、矢印角度方向を正とする
）で入射し、波長λのわずかな変動に対し、θｄ＃ｏｆ
で導波光量は変化せずに右側、即ち出射側のグレーティ
ングカプラ４３へ進む。

このグレーティングカプラ４３ではグレーティングカプ
ラ１３と同一ピッチのため、全反射角ｏｒの変動も同じ
であり、出射角θ０　（第１５図中、矢印角度方向を正
とするものであり、入射カップリング時の方向定義とは
逆）で、高屈折率層４５へ出射する。

ここに、光導波層１２において、（３）式を満たしてい
るとき、波長λに対する全反射角ｏｆの変動は、出射カ
ップリング時の出射角θ０を固定した場合の（２６）式
における全反射角ｏｒの対波長変動を、入射カップリ−
フグ時と同様に選ぶことができる。つまり、第１５図に
示したように入射カップリング時にグレーティングカプ
ラを使わない場合であっても、導波路の伝搬条件を満た
している限り、波長λに変動があっても、出射角θ０を
変化させることなく、一定にすることが可能である。

例えば、第１６図に示すように、光ファイバ４６による
端面カップリングを用いてもよい。即ち、光ファイバ４
６により光導波層１２に対し端面カップリングを行い、
Ｎ＝ｎｆ−ｓｉｎθｆなる角度ｏｆで伝搬している。こ
のとき、前述の場合と同様に、（５）式におけるｏｆは
、波長変動に対して、（３）式におけるθｆと同一方向
に変化するので、出射角θ０が変化せず、安定した出射
が可能となる。

なお、何れの実施例でも、基板１１が薄い場合には、導
波モードの計算の際、（３）式ではなく、４層導波路と
して扱う必要がある。

発明の効果 本発明は、上述したようにグレーティングカプラと光導
波層部々の固有の性質に着目し、波長安定性を得るとい
う考えの下に、グレーティングカプラの光導波層への光
の回折角の波長変化に対する変化方向を、光導波層の導
波条件を満たすときの全反射角度の波長変化に対する変
化方向と同じ方向としたので、入射光に波長変動があっ
てもカップリング効率が変動することがなく、例えば光
源に小型の半導体レーザ等を用いることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す概略断面図、第２
図はそのグレーティングカプラ部の様子を示す説明図、
第３図は光導波層部の様子を示す説明図、第４図はえ−
ｏｒ及びλ−θｄ特性図、第５図は本発明の第二及び第
三の実施例のグレーティングカプラ部の様子を示す説明
図、第６図は光導波層部の様子を示す説明図、第７図は
各種ケースのλ−Ｏｆ及びλ−θｄ特性図、第８図は本
発明の第四の実施例を示す概略断面図、第９図は本発明
の第五の実施例を示す概略断面図、第１０図は変形例を
示す概略断面図、第１１図は本発明の第六の実施例を示
す概略断面図、第１２図は本発明の第七の実施例を示す
概略断面図、第１３図は本発明の第への実施例を示す概
略断面図、第１４図は本発明の第九の実施例を示す概略
断面図、第１５図はその人・出射デバイス構成例を示す
概略断面図、第１６図は変形例を示す概略断面図、第１
７図は従来例を示す概略断面図、第１８図はそのλ−Ｏ
ｒ及びλ−Ｏｄ特性図である。 １２・・・光導波層、１３，２３．３３・・・グレーテ
ィングカプラ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. グレーテイングカプラと光導波層とを設け、一定の光を
   前記グレーテイングカプラを介して前記光導波層に結合
   導波させる入射カプラ付き光導波路装置において、前記
   グレーテイングカプラの前記光導波層への光の回折角の
   波長変化に対する変化方向を、前記光導波層の導波条件
   を満たすときの全反射角度の波長変化に対する変化方向
   と同じ方向としたことを特徴とする入射カプラ付き光導
   波路装置。