JPH0359605A - Ｔｅ‐ｔｍモード分離用光導波路及びその製造方法 - 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、偏光検出可能な光検出器、例えば光磁気ディ
スクにおける信号読取り用の光ピツクアップ等において
用いられるＴＥ−ＴＭモード分離用光導波路及びその製
造方法に関する。

従来の技術 偏光検出方法については、従来から種々のものが発表さ
れている。この内、導波光のＴＥモードとＴＭモードと
の分離については、論文等による研究室レベルでの原理
的な発表は多いが、具体的応用例に即した発表は非常に
少ない。しかし、例を挙げると、次のようなものがある
。

例えば、昭和６３年電子情報通信学会春季全国大会にお
ける論文集中のＣ−４２１ｒ多層薄膜構造のＴＥ、ＴＭ
モードの伝搬特性の計算・実験」（９１−１２６）（文
献ｌ）によれば、各層が波長に比べ十分に薄い屈折率の
異なる２つの薄膜を交互に積層させた構造の光導波路で
は分離性がよいことから、具体的に、Ｓｉｎ、／Ｔｉｅ
、を交互に積層させた多層超薄膜回路とすることにより
、ＴＥモードとＴＭモードとにかなりの屈折率差が生じ
たことが確認されている。

また、昭和６２年春第３３回応用物理学会全国大会にお
ける手積集中の２９ｐ−ＺＥ−１４１多層薄膜構造の複
屈折」　（文献２）によれば、多重量子井戸構造を有す
る光導波路デバイスにおいて、特に複屈折性に関する考
察・解析として、複屈折が障壁層と井戸層の屈折率差の
２乗に比例し、両者の膜厚が等しいときに最大となるこ
とが示されている。

即ち、これらの文献１，２による方法は、光導波路層の
膜厚が薄い場合における等偏屈折率の違いを利用するも
のである。

一方、「光集積回路（オーム社発行、西原浩他著）」（
文献３）中のｐ１９〜２１及びｐ２６９〜２７２によれ
ば、金属クラッドの伝搬損失の違いを利用して、ＴＥモ
ードとＴＭモードとを分離することが示されている。

発明が解決しようとする課題 しかし、文献１．２のような等偏屈折率の違いを利用す
る方法の場合、等偏屈折率の等しいことを利用してＴＥ
モードとＴＭモードとを同一条件で結合させるのに不利
である。

また、文献３のような金属クラッドによる方法は、基本
的には、吸収損の差を利用したものであり、損失が大で
、効率の悪いものである。

課題を解決するための手段 基板上に２つの領域部分に分離されＴＥ−ＴＭモード分
離用の結合部分で互いに接する２つの光導波路を持つＴ
Ｅ−ＴＭモード分離用光導波路において、一方の光導波
路を均質構造とし、他方の光導波路を多層構造とした。

また、このようなＴＥ−ＴＭモード分離用光導波路の製
造方法としては、基板上全面に多層構造の光導波路を形
成した後、この光導波路の一部の領域に対して均質化処
理を施して均質構造の光導波路部分を形成するようにし
た。

作用 均質構造の光導波路においては、ＴＥ、ＴＭ両モードの
等偏屈折率を等しくできる。つまり、結合においては等
偏屈折率が等しいという光導波路の縮退の条件を利用し
、光の処理、特に光導波路への入射カップリングを行わ
せることができる。

そして、ＴＥ、ＴＭモードの分離を行うために、多層構
造の光導波路側へ効率よく結合導波させることができ、
結合した多層構造の光導波路側では両モードの等偏屈折
率の違いによりモード分離させることができる。

このような光導波路デバイスは、基板上に全面的に多層
構造の光導波路を形成した後、その一部の領域部分に対
して均質化処理を施すことにより、容易に製造でき、か
つ、２つの光導波路の結合部分に切目のないものとなる
。

実施例 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

まず、第１図により本実施例のモード分離用光導波路デ
バイスの概略構成及び分離作用を示す。

基本的には、基板１上に斜め結合面２にて接する状態で
２つの領域部分に分離された光導波路３゜４をコア層と
して形成してなるが、本実施例では、導波光５の入射側
に位置する一方の光導波路３は全体的に均質構造のもの
として屈折率ｎ１１．膜厚りに形成され（３層型均質光
導波路）、他方の光導波路４は基板厚さ方向に屈折率ｎ
１．膜厚ａの層と屈折率ｎ３．　膜厚すの層とが周期的
に重ねられた多層構造のものとして膜厚ｔに形成されて
いる（多層型光導波路）。

このような構成において、均質構造の光導波路３側から
導波光５を入射させる。この時、導波光５を、ＴＥ、７
Ｍモードの縮退した、若しくはそれに近い状態（即ち、
等偏屈折率が非常に近い値であり、これは、導波路の膜
厚が厚いため導波路の材料の屈折率に対してＴＥ、ＴＭ
両モードの屈折率が近い状態を意味する）のものとする
。すると、光導波路３を導波し、多層構造の光導波路４
に入射する際に、ＴＥモードと７Ｍモードとの縮退が解
ける。この時、斜め結合面２を経て光導波路４に入射す
るため、屈折角が異なり、ＴＥモード光６と７Ｍモード
光７とに分離できることになる。

これは、多層構造によりＴＥ、ＴＭ両モードの感じる導
波路の屈折率が異なるためであり、導波路の膜厚ｔを厚
くしても、最終的に、両モードの等偏屈折率の収束する
屈折率は、この両モードの感じる導波路の屈折率までと
なる。

ここに、両モードの感じる屈折率ｎＴ、Ｌ、ｎＴＭは、
例えば前述したように２種類の屈折率ｎ、、ｎ、の材料
を各々膜厚ａ。

ｂにて周期的に重ねて構成し た場合であって、ａ　＋　ｂ　＝Ａ（λ（ただし、λは
波長）とした時、 となり、ｎｔＩ！＞ｎｒＭとなる。

第１図の均質なる等方性の光導波路３の場合、ｎｔａ＝
ｎＴＭとなり、しかも、膜厚りが波長λの２倍程度以上
の厚さになると、ＴＥ、ＴＭ両モードの導波路伝搬時の
屈折率（＝等価屈折率ｎｅｔＥ＊ｎ８７Ｍ）は、これら
の屈折率に近い値をとるため、等しくなる。

これに対し、（１）式や（２）式で特質が表されるよう
な多層構造の光導波路４では、ＴＥ、７Ｍモードの等偏
屈折率ｎ　ｅｒ、Ｌ、　　ｎ　８ＴＭが、各々ｎ　ＴＥ
。

ｎｔｖに収束するため、膜厚りを厚くしても異なる値と
なることが判る。

例えば、文献ｌに準じて、多層構造につき、屈折率ｎ、
＝１．４７のＳｉｎ、層（膜厚ａ）と、屈折率ｎ、＝２
．４９のＴ　ｉ　Ｏ，層（膜厚ｂ）とを。

膜厚比ａ　：　ｂ＝３　：　４とし、ａ十り＝Ａが波長
λ＝０，６３２８）＋ｍに対して十分に小さい０．０３
５μｍとした時には、上記の近似が成立し、ｎＴＩＩ＃
２．１１．ｎＴ、＝１，８６となる。膜厚が厚くなる（
つまり、ピッチＡの層数が増える）と、等偏屈折率はＴ
Ｅ、ＴＭ両モードとも、各々これらの値に収束する。

つまり、本発明における「多層構造」とは、伝搬層＝コ
ア層全休炉多層構造であって、コア層全体で光を導波さ
せるものをいう。従って、多層構造をなす屈折率ｎｌ＃
ｎｌの材料の膜厚ａ、ｂは、導波光５の波長λに対して
十分に薄いこと（即ち、各層単独では導波できない程度
に薄いこと）が、（１）（２）式の成立する条件である
。

今、第３図に示すようにプリズムカップラ８（屈折率ｎ
ｐ）を用いた場合には、導波光５がＴＥ、ＴＭ両モード
を同時に入射するには、等偏屈折率ｎｅｔ　Ｅ　＊　ｎ
　ｅＴＭが等しく　（つまり、縮退している）なってい
るほうが都合がよい。これは、プリズムカップラ８によ
る結合が等偏屈折率によるためであり、 ｎｅｘ＝ｎｐｓｉｎＯｉ　　（ｘ＝ＴＥ、ＴＭ）となる
入射角θｉで、屈折率ｎｐのプリズムカップラ８により
導波結合できることからも容易に理解し得る。なお、Ｓ
偏光がＴＥモード、ｐ偏光がＴＭ−ドとして結合・導波
しやすい。

これを実現するには、ＴＥ、ＴＭ両モードの等偏屈折率
が縮退する単純な構造の光導波路、即ち均質な光導波路
３において膜厚りが十分に厚い（通常、波長λの約２倍
以上）とき、等偏屈折率ｎｅｘは一致し、かつ、材料の
屈折率にほぼ等しくなる。第４図（ａ）は光導波路３に
ついての膜厚ｔに対する等偏屈折率の変化の様子を示す
ものである。ｎｓは基板ｌの屈折率である。

ところで、均質構造の光導波路３と多層構造の光導波路
４とが斜め結合面２により切目なく接している場合、散
乱して導波路外へ抜けてしまう光を少なくすることがで
きる。このような構造を持つ光導波路デバイスを容易に
製造する方法の一つとして、本実施例では、第２図に示
すような方法とした。

まず、第２図（ａ）に示すように基板ｌを用意し、この
基板１上全面に同図（ｂ）に示すように多層構造の光導
波路９を形成する。この光導波路９は屈折率がｎｌｌ　
ｎｍ（ただし、ｎｌ＜ｎｍ）なる材料を各々膜厚ａ、ｂ
として、１周期Ａ＝　ａ　＋　ｂ［ｐｍ］にて膜厚ｔ＝
ｋＡ　（ｋは周期数）となるように成膜して多層構造と
したものである。

次に、同図（ｃ）に示すように、光導波路９の一部の領
域に対してこの光導波路９に吸収され得る波長のレーザ
光等の光照射１０又は熱処理等により、境界１１部分を
形成する。この光照射１０等の処理が、多層構造の光導
波路９に対する均質化処理（アニール処理）であり、均
質化処理された領域部分が、第７図（ａ）に示す状態か
ら同図（ｂ）に示すように均質化された構造となり、こ
の部分が光導波路３となり、処理されなかった残りの領
域部分が多層構造の光導波路４部分となって、第１図に
示すようなデバイスとなる。このようにして、光導波路
３と光導波路４とが斜め結合面２（＝境界１１）にて切
目なく接合するものとなる。

ここに、光導波路９を形成する場合の材料としては、第
６図に示すような２つの材料に対して中間領域があり、
組成比によって屈折率が変化するものが望ましい。第６
図は組成比（体積）−比誘電率特性を示すもので、ｍ、
、　ｍ、は純物質を示し、ｍ＋　＋　ｍｓ間で組成比が
変化する。また、比誘電率ε１．ε１は各々屈折率ｎ、
、　ｎ、の２乗、即ちｎ。

ｎ、″に対応する。また、比誘電率が第６図に示すよう
に組成比に比例する場合であれば、均質化処理により均
質となったとき、 ｎ、、＝Ｊ　（ａ　ε、＋ｂｇ、）／　（ａ＋ｂ）−（
３）となり、材料の屈折率が求めやすい。かつ、屈折率
がｎ　Ｔ＋！＝　ｎｌ　ｓという関係になるため、光導
波路３と光導波路４との等偏屈折率がほぼ一致すること
になり、ＴＥモードに対しては何も影響を与えず、ＴＭ
モードにのみ影響を与える光導波路となる。このため、
第１図に示すように、導波光５中、ＴＥモード６はほぼ
直進し、ＴＭモード７のみ屈折し分離される。

この点について、さらに詳細に説明する。第４図（ａ）
に均質構造の光導波路３、同図（ｂ）に多層構造の光導
波路４の、膜厚ｔに対する等偏屈折率ｎｅｒｔｔ＋　ｎ
ｅｔ＋＋＋の変化の様子を示す。膜厚ｔが薄く、等偏屈
折率が基板ｌ　（又は、クラッド層中の屈折率の高い方
）の屈折率ｎｓに等しくなった時、導波しなくなる（カ
ットオフ）。また、等偏屈折率はＴＥ、７Ｍ各々のモー
ドの感じる材料の屈折率（光導波路３の場合はｎｌ、、
光導波路４の場合はｎＴＥ＊　ｎＴＭ）を上限としてい
る。従って、光導波路３の場合は膜厚乞が十分に厚いと
き、ｎｅｔＥ＝ｎ　ｅＴＭ　二〇＋　＊　となる。また
、光導波路４の場合も膜厚りが十分に厚いときにｎｅｔ
ｔ＝　ｎＴｉ、　ｎｅ７Ｍ＝ｎＴＭとなる。即ち、多層
の場合は収束する等偏屈折率が異なる。

今、アニール前（多層構造であり、異方性を示す）屈折
率分布が第５図に示すようなとき、アニール後（均質化
構造であり、等方性を示す）は、ＴＥ、７Ｍ各々のモー
ドの感じる平均化屈折率ｎ　ＴＥ、　ｎ　ＴＭは、ｎｌ
ｌ　ｎｌの間の値となる。特に、材料の組成比が第６図
に示したように比誘電率に対し比例関係にあるときは、
ｎｉ”＝＝εｉ　（ｉ＝ＴＥ、ＴＭ）として、 ε＋＊＝（ａε、十ｂε、）／（ａ＋ｂ）・・・・・・
（４）となる。即ち、（３）式と同様であり、ｎｌ　ｍ
　＝　ｎ　ＴＥとなる。よって、前述したように光導波
路３，４の斜め結合面２前後で、ＴＥモードの等偏屈折
率は影響を受けず、境界を感じないまま導波する。

一方、７Ｍモードは等偏屈折率が低くなるため、斜め結
合面２に入射した場合、ＴＥモードより大きく屈折する
。特に、前述したようにｎ＋　ｓ　＝　ｎ　Ｔ　Ｉ＋な
る特別の条件下ではＴＭモード７のみ斜め結合面２で屈
折し、ＴＥモード６はそのまま直進導波することになる
。

このように、本実施例によれば、均質な光導波路３側で
はＴＥ、ＴＭ各モードの等偏屈折率が等しいことを利用
し、第３図に例示するように、例えばプリズムカップラ
８により両モードを同時にこの光導波路３に結合させて
おき、多層構造の光導波路４側でＴＥ、ＴＭ各モードの
等偏屈折率の違いによりモード分離できるものである。

なお、光導波路３に対する結合としては、プリズムカッ
プラ８に限らず、グレーティングカップラやパッドカッ
プリング法などによるものでもよい。また、光導波路３
，４間の結合面としても、本実施例のような斜め結合面
２に限らず、例えば導波光５に対して直交する面として
形成しておき、光導波路４側でグレーティングやモード
インデックス型素子を取付けるようにしても、斜め結合
面２の場合と同様にモード分離可能となる。さらには、
全反射型光導波路ミラーにより屈折率差の大きくとれる
ＴＥモードのみを反射させ、７Ｍモードを放射又は透過
させるようにしてもよい。

また、光導波路をなす材料としては、前述したＳ　ｉＯ
＊　（ｎ　Ｉ＝１　、４６　）　、Ｔ　ｔ　Ｏ＊　（ｎ
　ｓ　＝２　。

３）の組合せに限らず、例えば、Ｓ　ｉ　Ｏ，とＳｉ。

Ｎ４（ｎ、＝２．０２）との組合せや、アニール処理容
易な材料、例えば各種ガラス材料の組合せの他、有機材
料等を用いる各種の組合せが可能である。よって、製造
する上で、材料の任意性、選択幅が大きいものである。

また、多層構造についても、屈折率ｎｌ　ｌ　ｎ　ｍの
２種類の材料層を周期的に重ねる構造のものに限らない
。例えば、屈折率ｎＩＩ　ｎｍｅ　ｎ、の３種類の材料
層を各々ａ、ｂ、ｃなる膜厚のものとして周期的に重ね
るとか、或いは、任意の屈折率の材料を任意の種類だけ
、任意の膜厚で重ねるようにしてもよい。この場合、（
１）式は成立しないものの、前述した場合と同様にＴＥ
、７Ｍ両モードで等偏屈折率に差が出るので支障ない。

もっとも、アニール時の拡散速度を考慮すると、多層構
造の各層の膜厚が薄い程、アニール時に容易に均質化し
やすくなる。よって、（１）（２）式が、より厳密に成
立するためには、ａ、ｂ（λのように薄いことが必要で
ある。

さらに、本実施例の光導波路デバイスを製造する方法と
しては、第２図により説明した方法の他に、例えば、半
導体超格子（非常に薄い多層構造）にイオン注入又はイ
オン拡散により、無秩序化することで光導波路３となる
均質構造としてもよい。

この場合、残された半導体超格子領域部分がそのまま多
層構造の光導波路４となる。

発明の効果 本発明は、上述したように互いに結合面で接する２つの
光導波路を、均質構造のものと、多層構造のものとした
ので、均質構造の光導波路にあってはＴＥ、７Ｍ両モー
ドの等偏屈折率を等しくさせることができ、よって、等
偏屈折率が等しいという光導波路の縮退の条件を利用し
て、ＴＥ、７Ｍ両モードを効率よく、多層構造の光導波
路へ結合導波させることができ、導波した多層構造の光
導波路においてはＴＥ、７Ｍ両モードの等偏屈折率が異
なることにより、損失の少ないＴＥ、ＴＭモード分離を
行わせることができ、さらには、このような光導波路デ
バイスは、基板上に全面的に多層構造の光導波路を形成
した後、その一部の領域部分に対して均質化処理を施す
ことにより、２つの光導波路の結合部分に切目がなく結
合損失の少ない構造のものとして、容易に製造できる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すもので、第１図は外観斜
視図、第２図はその製造方法を工程順に示す斜視図、第
３図はプリズムカップラを含めて示す断面構造図、第４
図は各々の光導波路の膜厚−等価屈折率特性図、第５図
は多層構造に対するアニール前の膜厚−屈折率特性図、
第６図は多層構造の組成比−比誘電率特性図、第７図は
アニール前後の光導波路を示す断面構造図である。 ｌ・・・基板、２・・・結合部分、３・・・均質構造の
光導波路、４・・・多層構造の光導波路、９・・・全面
的な多層構造の光導波路、１０・・・均質化処理出　願
　人　　　株式会社　　　リ　コ　−」 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に２つの領域部分に分離されＴＥ−ＴＭモー
   ド分離用の結合部分で互いに接する２つの光導波路を持
   つＴＥ−ＴＭモード分離用光導波路において、一方の光
   導波路を均質構造とし、他方の光導波路を多層構造とし
   たことを特徴とするＴＥ−ＴＭモード分離用光導波路。 ２、基板上全面に多層構造の光導波路を形成した後、こ
   の光導波路の一部の領域に対して均質化処理を施して均
   質構造の光導波路部分を形成するようにしたことを特徴
   とするＴＥ−ＴＭモード分離用光導波路の製造方法。