JPH0373905A

JPH0373905A - 光機能素子

Info

Publication number: JPH0373905A
Application number: JP21006989A
Authority: JP
Inventors: Osamu Mitomi; 三富　修; Kenji Kono; 健治河野; Koichi Wakita; 脇田　絋一; Isamu Odaka; 勇小高; Takeo Miyazawa; 丈夫宮沢
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1989-08-16
Filing date: 1989-08-16
Publication date: 1991-03-28
Anticipated expiration: 2014-02-24
Also published as: JP2860666B2

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）本発明は光変調や光切換え等を行う光機能素子に関する
ものであり、特に高性能で小形の光通信装置を実現する
のに有用な光機能素子に関するものである。

（従来技術）近年、光通信の発展に伴い、光送受信装置、光交換装置
等の光通信装置の高性能、多機能、小形化が求められて
いる。このため、光通信装置に使用されている光デバイ
スも集積化が進んでいる。

この集積形光機能素子の１つとして、量子井戸構造半導
体材料を用いたものがある。これらの材料は、量子サイ
ズ効果により大きな電界吸収効果および電気光学効果を
有しているため、高効率で小形の光デバイスを実現する
ことができる等の利点があり、光変調器や光スィッチ等
、種々の光機能素子の研究が進められている。一方、光
源としては半導体レーザダイオード（以下ＬＤと記す）
が開発されており、種々の光通信方式に使用されている
。

半導体レーザダイオードと、量子井戸構造半導体を用い
た外部光強度変調器および光ファイバとの間の光結合に
関して、従来の構成例を第１図（ａ）および（ロ）に示
す。

第１図（ａ）は変調器中央部の断面図、第１図（′ｂ）
は平面図を表わす、半導体レーザ（ＬＤ）１の活性層２
から出射した光６をレンズ３により変調器の光導波路４
の入射端部５に入射させる。この入射光７のスポットサ
イズは光導波路入射端部５のスポットサイズとほぼ同じ
大きさにしている。本変調器では、多重量子井戸構造半
導体層として、量子井戸層にＩｎＧａＡｓ、バリア層に
１ｎＡＩＡｓを使用した場合を示しており、８はｐ側電
極、９はｐ　−ＩｎＧａＡｓ層、１０はｐ−ＩｎＡ４２
Ａｓクラッド層、１１は多重量子井戸層、１２はｎ−Ｉ
ｎＡｊ！Ａｓクラッド層、１３はｎ−ＩｎＰ基板、１４
はｎ側電極である。さらに、変調器の出力側の光導波路
端１５からの出射光１６はレンズ１７により光フアイバ
１８のコア部１９に入射される。

このような変調器では、変調駆動電圧が小さく、しかも
変調動作周波数の上限を大きくするために、多重量子井
戸層１１の厚さは通常０．１〜１−程度になっており、
その時の光導波路４のスポットサイズは〜０．５ｎ前後
の大きさになっている。一方、ＬＤＩおよび光フアイバ
１８のスポットサイズはそれぞれ１，１１１１，５Ｊ１
１１程度である。このため、ＬＤＩおよび光フアイバ１
８と変調器を直接光結合させると、それぞれのスポット
サイズが大きく異なるため、光結合効率が悪くなる欠点
があった。また、第１図に示すように、それぞれの光結
合にレンズ３．１７を用いる場合、変調器のスポットサ
イズが〜０．５ｎ前後であり極めて小さいために、回折
の効果によってレンズの収差の影響を大きく受けて結合
効率が良くならない欠点があった。

（発明が解決しようとする問題点）以上のように、従来の光機能素子はＬＤもしくは光ファ
イバと光変調器間の導波路スポット径の不整合により結
合損失が大きいという欠点があった。従って、高性能な
光通信装置を実現するために半導体レーザダイオードと
の光結合を小形な構成で、しかも低損失で可能とする光
機能素子の開発が求められている。

本発明の目的は、上述した従来の問題点を解決し、光半
導体素子もしくは光ファイバとの間を小形な構成で低損
失に結合できる光機能素子を提供することにある。

（問題点を解決するための手段）このような目的を達成するために、本発明は基板面上も
しくは基板面の近傍に形成された光処理機能を有する少
なくとも１本の光導波路と、前記基板の端面に設けられ
た少なくとも１つの光入出力端と前記導波路を接続する
入出刃先導波路を具備した光機能素子であって、前記入
出力導波路を伝わる光波のスポット径が、前記光処理機
能を有する導波路を伝わる光波のスポット径よりも大き
くなるように構成されたことを特徴とする。

（作　用）本発明による光機能素子は、基板上に形成した光変調器
等の機能を有する少なくとも１つの光導波路と、その基
板端面に設けた光入出力端を接続する入出刃先導波路よ
りなり、かつ、入力、もしくは出力、もしくは入出力の
光導波路を伝わる光のスポット径が、光処理機能を有す
る光導波路を伝わる光のスポット径より大きくなるよう
に構成されている。

このように、２種類の導波路の光スポツト径を異ならし
める手段としては、例えば（１）導波路の屈折率分布を
異ならしめること、（２）導波路の形状、例えば幅や深
さを異ならしめること等の手段がある。このうち、（１
）の手段は、後述するように、例えば異種材料を半導体
基板上に蒸着もしくはエピタキシャル成長させて導波路
を形成する場合に適用可能である。（２）の手段は通常
用いられるリソグラフィ技術、例えば化学的あるいは物
理的エツチング技術等によって導波路を形成する場合に
は適用し易く、種々の導波路基板材料に対して適用可能
である。本発明においては、どのような構造であっても
、導波路のスポット径が異なっていれば本発明の目的は
十分に達成できる。

本発明によると、半導体レーザダイオードや光ファイバ
等の光素子と接続される入出力光導波路の部分では、光
素子の導波路の光スポツト径に近いスポット径になる導
波路構造を与え、かつ、それとは独立に、光処理機能を
有する導波路部分では、そこを伝わる光のスポット径に
、光処理機能の効率が最良になるような大きさを与える
導波路構造にしであるために、光半導体素子等と直接結
合した場合にも低損失な結合が可能となる。

（実施例）以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第２図は本発明による光機能素子の一実施例の構成図で
ある。従来例と同一構成部分は同一符号をもって表わし
ている。２０は多重量子井戸構造半導体を利用した光変
調器であり、例えばＬＤからの出力光６が基板１３の端
部に入射端２１をもつ入力光導波路２２に光結合され、
入力光導波路２２は変調器２０の導波路４に接続されて
いる。入射端２１と対向する基板の右端部に出射端２３
をもつ出力導波路２４が導波路４に接続されるように形
成されており、そこからの出射光１６は、例えば光ファ
イバに直接光結合させている。光変調器２０では、導波
路４の寸法は、基本的には従来の光変調器と同程度の大
きさにしてあり、変調駆動電圧や動作周波数の大きさを
考慮して、通常、導波路幅Ｗは２〜１０−９多重量子井
戸層の厚さｄは０．１〜１ｎ程度が選ばれる。これに対
して、入・出力光導波路では、導波路幅ｗｉ、ｗｏと、
量子井戸層の厚さｄｉ、ｄ。

はそれぞれのスポットサイズの大きさが、ＬＤあるいは
光ファイバのスポットサイズと光変調器の導波路のスポ
ットサイズの中間の大きさになるように選ばれる。

次に、本発明の原理について説明する。

導波路の寸法と、そのスポットサイズの大きさの関係は
、導波路構成材料の屈折率の大きさにより決まる０例え
ば、多重量子井戸層にＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｊ！Ａｓを
用いた場合、光の波長が１．５ｎ帯の変調器を構成する
時、その屈折率の大きさは約３．４４前後になる。第３
図（ａ）（ロ）はクラッド層にＩｎＡ　ｊ１！　Ａｓを
用いた時、導波路の寸法ｄ、ｗとスポットサイズの大き
さの関係をマーカットリイの方法（参考文献：西原著「
光集積回路」オーム社出版ｐ、３３）で算出した例であ
る。第３図から分るように、導波路の寸法ｄ、ｗがある
特定の寸法で、スポットサイズは極小値になり、それよ
り小さくなる場合、あるいは大きくなる場合、そのスポ
ットサイズは大きくなる傾向を示す。従って、ｄ、ｗの
大きさと、光導波路構成材料の屈折率等を適当に選定す
ることにより、光導波路のスポットサイズを適当な大き
さにすることができる。なお、スポットサイズを大きく
する時、第３図に示すように、ｄ。

Ｗを大きくする（ｂの領域の大きさ）と、マルチモード
導波路になるので、単一モード導波路の場合、ａの領域
のｄ、ｗを選ぶ事により、モード変換による損失を小さ
くすることができる。

一方策３図（ａ）に示すように、光導波路の水平方向お
よび垂直方向のスポットサイズをｗ、、ｗ。

と表わすと、スポットサイズがＷ□、Ｗ□の光導波路Ｉ
と、スポットサイズがｗｘ！、ｗ□の光導波路■との間
の結合効率ηは近似的に次式の関係で与えられる。

７７＝４／　（（ｗｘ＋／ｗｘｚ＋ｗｘｚ／ｗｘ＋）（
ｗｙ＋／ｗｙｚ＋ｗｙｚ／ｗｙ＋）　）　　（１）式（
１）の関係から分るように、ｗｘｌ＝ｗＸｚ、　ｗｙ、
＝Ｗ□の時、結合効率は１により、ｗｏとｗ　、ｔ。

ｗｙ、とｗｙｔの大きさが異なるに従って、結合効率η
は著しく劣化するすることになる。

第２図の本発明の実施例において、例えば、スポットサ
イズがＷＬＤ＝　１　）ｎｈのＬ　Ｄ、、ＷＦ　＝　５
　Ｊｒｍの光ファイバを光変調器に直接光結合させる場
合、光導波路４のスポットサイズが例えばｗＸ＝２．Ｂ
ｍ。

ｗ、＝Ｑ、５ｎの時は、入出力導波路のスポットサイズ
ＷＩＸ、　　ｗｉ、、　　ｗ、。Ｗｏ、をＷ　１　ｌｌ
””　（Ｗ　Ｌ　Ｂ−Ｗ　Ｘ　）鳳／２二１．４Ｑ、Ｗ
！、＝（ＷＬＤ　０ｗ、）””＝Ｑ、７ｇ、ｗ、、＝（
ｗ、　・ｗＸ）””＝３．２Ｊ１７１１１　Ｗ６ｙ−（
Ｗ　ｙ　’　Ｗ　ｙ）　””＝１．６−程度に選ぶと、
それぞれの結合効率ηは最小になり、入力導波路部２２
ではη１＝−１ｄＢ、出力導波路部２４ではη。！−５
，８ｄＢになる。

従来の光変調器の構成（第１図）において、光変調器と
ＬＤもしくは光ファイバを直接光結合させる場合、それ
ぞれのスポットサイズの大きさが上記の例と同じ場合、
光導波路入射端および出射端での結合効率はそれぞれ−
１，９ｄＢ、　−８，６ｄＢ程度になるのでは、本発明
の実施例では、入出力全体の結合効率は、従来例と比較
して約４ｄＢ改善される事になる。

以上の実施例では、光機能素子の導波路とＬＤあるいは
光ファイバを直接結合させる場合について説明したが、
第１図に示すように、ＬＤあるいは光ファイバと光機能
素子の間にレンズを挿入しても良い。この場合、本発明
の光機能素子の入出力導波路のスポットサイズを光機能
素子部２０の導波路４のスポットサイズより大きくする
ように構成すると、光の回折効果によるレンズ収差の影
響を従来例より低減できるので、低損失な光結合を実現
することができる。又、スポットサイズを大きくするこ
とができるので光結合系の軸ずれトレランスが緩和され
、モジュール化において製作性が改善される。

次に第２図に示す本発明の実施例の光機能素子の形成法
について、第４図を用いて説明する。

第４図（ａ）に示すように、従来の光変調器等の光機能
素子に用いられるような量子井戸構造半導体層を有する
半導体基板上に、入出力導波路および光変調器用導波路
の形状に合わせて、エツチング用マスクパターン２５を
、フォトリソグラフィー技術により形成する。次に、ケ
ミカルエ・ンチングあるいはドライエツチング等により
、光導波路部分以外の半導体層を除去する。さらに、第
４図０）に示すように、光変調器用光導波路部のみにマ
スクパターン２６を形成し、同様の方法により、入出力
導波路部を必要な厚さだけエツチングする。この時、入
出力導波路２２．２４の厚さｄｔ、ｄｏが異なる場合は
、入力もしくは出力導波路部に必要に応じて再度マスク
パターンを形成し、必要な厚さのｄｉとｄｏをエツチン
グにより実現すれば良い。

第５図は本発明による他の実施例である。ここでは、光
変調器２０と入出力導波路２２．２４との間に光スポツ
トサイズを徐々に変換させるための変換導波路２７．２
８を形成している。この場合、第２図に示す本発明の実
施例と比較すると、光スポツトサイズの変換を、テーパ
状の導波路２７．２８によって実現しているため、この
変換時の損失を小さくすることができる特長がある。ま
た、入出力導波路２２．２４にＬＤもしくは光ファイバ
を直接光結合させる場合、ｄｉ＋ＷｉとｄＯ＋Ｗ＋１を
適当な大きさに選ぶことにより、低損失な光結合をとる
ことができる。

第６図は本発明による他の実施例であり、光機能素子中
央部の断面部あ表わす、この場合、入出力導波路と接続
される変換導波路２９．３０を、例えば半導体結晶面選
択エツチング等の方法により厚さをテーバ状に形成させ
た場合であり、スポットサイズ変換損失を小さくするこ
とができる特長がある。また、入出力導波路２２．２４
、もしくは変換導波路２９．３０の上に、例えばＳｉＯ
□やＳｉＮ、　Ａ　ｊ！　、Ｏｓ等の誘電体や半導体あ
るいは多重量子井戸層半導体等を用いたクラッド層３１
を形成することにより、光導波路のスポット形状を調整
することができ、また導波路寸法の凹凸による放射損失
を低減させることができるので、低損失な光機能素子を
実現できる特長がある。

第７図は本発明による他の実施例であり、半導体基板１
３上にＬＤＩと光機能素子をモノリシックに形成した場
合である。この場合も、入出力導波路２２．２４により
光スポツトサイズを適当な大きさにしているので低損失
な光機能素子を実現することができる。

以上で説明した本発明の実施例では、入出力導波路もし
くは変換導波路を、エツチング等により適当な寸法にす
ることにより、最適な光スポツトサイズを実現する構成
について説明したが、これらの導波路を光機能素子部の
導波路に対して異種材料により形成する場合、あるいは
多重量子井戸構造半導体層を熱処理等の方法により混晶
化して導波路構成材料の屈折率の大きさを適当な大きさ
に設定することにより光のスポットサイズを変換しても
、本発明と同様の効果が得られるのは自明である（参考
文献：　Ｔ、　Ｍｉｙａｚａｗａ　ｅｔ　ａｌ、　Ｊ、
Ｊ、Ａ、Ｐ、＋ｖｏ１．２８．　ｎｏ、５．　ＰＰ、Ｌ
７３０．１９８９）。また、量子井戸層としてＩｎＧａ
Ａｓ以外に、ＩｎＧａＡｓ　ＰあるいはＩｎＧａＡ　Ａ
Ａｓ、　ＧａＡｓ、　ＧａＳｂ等の材料を用いてもよい
。光機能素子として変調器の場合を以上で説明したが、
光スポットや光偏波制御器など、多重量子井戸構造半導
体あるいはバルク半導体等を用いた同種の光デバイスに
本発明を適用すれば同様の効果を得ることができる。

（発明の効果）以上で説明したように、本発明による光機能素子は、半
導体レーザダイオードや光ファイバ等の光素子と接続さ
れる入出刃先導波路の部分では、光半導体あるいは光フ
ァイバの導波路の光スポツト径に近いスポット径になる
導波路構造を与え、かつ、それとは独立に、光処理機能
を有する導波路部分では、そこを伝わる光のスポット径
を、導波路伝播損失や光ファイバとの結合損失が小さく
、しかも光処理機能の効率が最良になるような大きさを
与える導波路構造にしであるために、光半導体素子と直
接接合させた場合でも低損失な結合が可能となり高効率
・小形の光通信装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は従来例の構成を示す断面図及び平
面図、第２図は本発明による光機能素子の構成例を示す
斜視図、第３図（ａ）（ｂ）は本発明の詳細な説明する
ための特性図、第４図（ａ）（ｂ）（Ｃ）は本発明によ
る光機能素子の製作法を説明するための斜視図、第５図
、第６図及び第７図は本発明による光機能素子の他の実
施例の構成図を示す斜視図及び断面図である。１・・・半導体レーザダイオード（ＬＤ）、　２・・・
ＬＤの導波路（活性Ｎ）、　３・・・レンズ、４・・・
光変調器の導波路、　５・・・光入射端部、６・・・Ｌ
Ｄ出射光、　７・・・入射光、　８・・・ｐ側電極、　
　９−・−ｐ　−ＩｎＧａＡｓ層、　１０”−ｐ　−Ｉ
ｎＡ　Ｉ　Ａｓクラッド層、　１１・・・多重量子井戸
構造半導体層、１２・”　ｎ　−ＩｎＡ　Ｉ！　Ａｓク
ラッド層、１３−　ｎ　−Ｉｎ　Ｐ基板、１４・・・ｎ
側電極、　１５・・・光出射端、　１６・・・出射光、
１７・・・レンズ、　１日・・・光ファイバ、　１９・
・・光ファイバの導波路（コア部）、　２０・・・光変
調器、２１・・・光入射端、　２２・・・入力光導波路
、　２３・・・光出射端、　２４・・・出力光導波路、
　２５．２６・・・マスクパターン、　２７・・・入力
変換光導波路、　２８・・・出力変換光導波路、　２９
・・・入力変換光導波路、３０・・・出力変換光導波路
、　３１・・・クラッド層、３２・・・反射防止膜。給１図（ｂ）￥１２図蛸３図ｔｕｔ）井ｒ４ｑ厚：！ｄ（μｍ）（ａ）今う！ＬＨＦ楊Ｗ＋Ｐｍ）納４図（Ｃ）Ｇ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板面上もしくは基板面の近傍に形成された光処
理機能を有する少なくとも１本の光導波路と、前記基板
の端面に設けられた少なくとも１つの光入出力端と前記
導波路を接続する入出力光導波路を具備した光機能素子
であって、前記入出力導波路を伝わる光波のスポット径
が、前記光処理機能を有する導波路を伝わる光波のスポ
ット径よりも大きくなるように構成されたことを特徴と
する光機能素子。
（２）前記入出力光導波路を伝わる光波のスポット径が
、前記光入出力端に結合される光半導体素子もしくは光
ファイバのスポット径とほぼ等しくなるように構成され
ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光
機能素子。
（３）前記入出力光導波路は、前記光処理機能を有する
光導波路に対しコア部を小さくすることによりスポット
径が大きく形成されていることを特徴とする特許請求の
範囲第１項または第２項記載の光機能素子。
（４）前記スポット径は、前記入出力光導波路と前記光
処理機能を有する光導波路の境界で徐々に変化している
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項の
いずれかに記載の光機能素子。