JPH04134306A - 楕円マイクロレンズ付導波型光デバイス - 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、導波路型の光デバイスの入出力導波路の端面
に、外部の受発光素子と高効率な結合を可能とする楕円
マイクロレンズを装荷した楕円マイクロレンズ付導波型
光デバイスに関する。

〈従来の技術〉 従来の導波型光デバイスは種々の機能のものがあるが入
出力部はいずれも光ファイバであった。

このため、−枚の基板に複数の機能を小型に集積するメ
リットはあったが、外部の受光素子や発光素子との結合
はファイバカプラと同様に光ファイバを介していた。

従って、受発光素子や電気回路と集積する場合にはファ
イバの余長処理が必要であったが、ファイバが取扱いに
（り、場所をとる欠点が避４すられなかった。

最近この問題の優れた解決策として、導波路基板に外部
結合用のマイクロレンズを装荷した導波型光デバイスが
報告されている。詳しくは、本発明者らが発表した１９
９０年７月のオプトエレクトロニクスコンファレンス’
　９０　（ＯＥＣ９０）のダイジェスト１３Ｄ２−２を
参照されたい。

これは導波型の方向性結合器の基板に円形マイクロレン
ズを実装したものであり、使用目的により様々な条件の
ビーム変換（例えば、光ビームの集光や平行ビーム化）
が可能となる。この報告ではイオン交換導波路とイオン
交換による平板マイクロレンズを使用していた。

〈発明の解決しようとする問題点〉 しかし、この円形マイクロレンズ付導波型光デバイスに
は次のような欠点があった。

イオン交換で単一モード光導波路を作る場合に、２段熱
イオン交換法を使用すると埋込み導波路を比較的簡単に
作製することができるが、その導波路の固有モードの近
視野像はやや楕円形であった。

また、２段電界印加イオン交換法を使用しても固有モー
ドが楕円形になることがよく生じた。この時に、円形の
レンズでビーム変換すると、固有モードの短軸と長軸方
向とでは変換後のビームのビームウェイスト位置および
スポットサイズが異なる問題点があった。

このため、変換後のビームを円形の受光素子、あるいは
円形のレンズが集積された受光素子で受光すると、水平
方向と垂直方向の結合特性、即ち結合効率や位置ずらし
特性に差異がでる問題があった。

この問題は、波動光学的な取扱いが必要なビームに特有
の問題である。即ち、ガウスビームを考えるとそのビー
ム変換および伝搬特性はビーム寸法に依存するためであ
る。

前記の学会ダイジェストでは、ビーム半径が水平方向と
垂直方向でそれぞれ５．９μｍと４．　０μｍであるよ
うな固有モードのレンズによるビーム変換と空間伝搬が
扱われている。入力ファイバから波長１．５５μｍの光
を入力した場合の、平板マイクロレンズから約１１００
μｍ離れた有効径６０μｍのフォトダイオードへの過剰
損失は、全体で１．４ｄＢであった。この損失には固有
モードが円形でないためビーム変換後のビームの変換と
伝搬が水平方向と垂直方向で異なることによるレンズ結
合損失的０．５ｄＢが含まれていた。

このため、固有モードが水平と垂直方向に異なるビーム
半径を持ってい４楕円形の導波路に対して、ビーム変換
と同時にその補正をするマイクロレンズが装荷された導
波型光デバイスが望まれていた。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明は、上記欠点を解決するもので、導波型光デバイ
スの導波路にその楕円形の固有モードに対応した２つの
異なるレンズ半径を持つ楕円マイクロレンズを装荷する
ものである。

なお、本明細書中において、　「円形レンズ」とはレン
ズ集光特性が軸対称のレンズであること、「楕円レンズ
」とはレンズ集光特性が非点収差をもつ非軸対称のレン
ズであることを意味し、外形が円形もしくは楕円形であ
ることを必ずしも意味するものではない。

本発明では、マイクロレンズとして使用した平板マイク
ロレンズには次の様な長所がある。

即ち、このレンズは、回折限界に近い低収差なレンズ特
性を持ち、複数のレンズ間の相対位置精度が高く、入出
力面が平面であり他の光部品との結合が極めて容易であ
り、製造が簡単であるため低コストである等である。

楕円形のマイクロレンズを形成するには、ガラス基板に
対するイオン交換の工程の前に、イオン交換制御膜に楕
円形の開口をフォトリソグラフィとエツチングで設けて
おけばよい。

次に、楕円マイクロレンズのパラメータの設ｎ１につい
て説明する。

導波路の固有モードのビームが水平方向と垂直方向で異
なるビーム半径を持つ楕円形ガウシアンビームであると
仮定し、ここで以下のように記号を決める。

レンズに入射するビームのスポットサイズ：ＷＯ （スポットサイズはビームウェイストにおける強度が１
／ｅ２となるビーム半径） 入射ビームのビームウェイストからレンズまでの距離：
ｄ レンズの焦点距離 ：ｆ レンズからの距離 レンズでビーム変換されたビームのビーム半径：ｗ　（
ｚ） レンズでビーム変換されたビームのスポットサイズ　：
Ｗ レンズから出射ビームのビームウェイストまでの距離：
ｄ２ レンズからの距離Ｚとは、レンズの主平面からの距離を
意味する。また、ガウシアンビームの水平方向（基板の
面に平行な方向）と垂直方向（基板の法線方向）を区別
するため、添字のＨと■を必要に応じて付けることとす
る。

変換後のビーム半径はｗ（２）は光線行列の積を計算し
て、次の式（１）で表される。

ｗ（ｚ）＝ｗｏ（（Ｚ−１）”＋　（１−（Ｄ−１）・
（Ｚ−１＞　）　２／Ｆ２）　””　　　　・・・・・
・式（１）ただし、Ｚ＝ｚ／ｆ Ｄ　＝　ｄ　、／　ｆ Ｆ＝（πｗ　ｏ”／λ）／ｆ１　λ は波長である。

さて、一般にある位置２で水平方向と垂直方向のビーム
半径Ｗ。（ｚ）、ｗｖ（ｚ）を等しくある値Ｗにするに
は、式（１）に”’＋　　ｄ　Ｉｔ　　Ｆ＋　　ＶＶを
代入してそれぞれ水平方向と垂直方向のレンズ焦点距離
ｆ８、ｆｖを求めればよい。

この場合、得られたｆ。、　　ｆｖの組が１つの楕円レ
ンズで同時に実現できる値であるように選ぶことが必要
である。

さらに一つの特解としては、ｗｘ（ｚ）とｗ　ｖ　（ｚ
　）のビームウェイスト位置が一致するように設計する
ことができる。

この場合は以下に示す式（２ａ　−ｂ　）の方程式を解
けば、ｆＭ＋ｆＶの組が得られる。

Ｄ２１１＝　（ＦＨ”−ＤＨ（１−Ｄｌｌ）　）　／　
（Ｆｌｌ”＋（１−Ｄ　、）　２）　　　　　　、、、
、、、式（２ａ）Ｄ２ｖ＝　　（Ｆｖ’−Ｄｖ（１−Ｄ
ｖ））　　／　　（Ｆｖ’＋（１−Ｄ　Ｖ）　２）　　
　　　　、、、、、、式（２ｂ）Ｄ　２ｏ＝　Ｄ　２ｖ
、、、、、、式（２ｃ）ただし　Ｄ２＝ｄ２／ｆ 次にこの所定のｆを満たす平板マイクロレンズのレンズ
半径ａは、おおよそ次の式（３）で計算される。

ａ＝ＡＸｆ ・・・・・・式（３） ここに、Ａはガラス基板の種類やイオン交換の条件に依
存する定数である。ガラス基板として、アルカリ類の１
価イオンを含むボロシリケートガラスの場合には、レン
ズの特性が良く有効開口数が太き（なるようなＡ値は大
体、Ａ＝０．３８〜０．４５の範囲である。

く作用〉 出力導波路からの楕円形の固有モードの出射光はビーム
変換しほぼ円形となる。

さらに、ある位置で円形の受光素子やファイバで受光す
る場合に、その位置で水平方向と垂直方向のスポットサ
イズがほぼ等しい円形なビームウェイストとなるように
することができる。

〈実施例〉 次に、図面を参照して本発明の詳細な説明する。第１図
は本発明にかかる楕円レンズ付導波型光デバイスの一実
施例を示す斜視図、第２図は第１図の例で使用した平板
マイクロレンズ板をレンズ側からみた正面図である。

基板１０は、イオン交換による導波路作製に適したボロ
シリケート系ガラス基板である。基板１０に２段熱イオ
ン交換法で、第１図に示すようなパターンからなる方向
性結合器１００の単一モード導波路を形成した。

方向性結合器１００は、波長１．５５μｍで結合長が１
７２相当の５０：５０分岐特性を有する。

１１．１２は入力導波路、１３．１４は方向性結合器部
、１５．１６は出力導波路である。導波路の固有モード
のスポットサイズＷ。ＨｌＷｏｖはそれぞれ５．９μｍ
と４．０μｍであった。

入力導波路１１．１２は入力端部で間隔２５０μｍの平
行導波路であり、２本の偏波保存ファイバ２１．２２を
間隔２５０μｍで配列したファイバアレイ２０が接続さ
れている。偏波保存ファイバ２１．２２の主軸は水平方
向と垂直方向にほぼ一致している。

出力導波路１５．１６は出力端部で間隔２５０μｍの平
行導波路である。基板１０の側縁に露出する出力導波路
１５．１６端部には、平板マイクロレンズ板３０が光学
接着剤で接着固定されている。

平板マイクロレンズ板３０の厚みは６９５μｍで、水平
方向の焦点距離が３６０μｍ１　垂直方向の焦点距離が
３３５μｍで中心間隔が２５０μｍの第１、第２楕円マ
イクロレンズ３Ｌ３２からなるレンズアレイが形成され
ている。

マイクロレンズ３１．３２の長袖半径と短軸半径は、そ
れぞれ７４μｍと６９μｍである。これらの半径は式（
３）において、Ａ＝０．４１とじたものになっている。

上記の楕円マイクロレンズ付導波型光デバイスに、波長
１．５５μｍの光を偏波保存ファイバ２１から入力させ
ると、入力導波路１１に入った後、方向性結合器部１３
．１４により５０：５０の分岐比で分岐し出力導波路１
５．１６から等しいパワーで出射する。これらの出力は
楕円マイクロレンズ３１．３２でビーム変換され外部へ
出射する。

偏波保存ファイバ２２から入力させると、同様に５０：
５０の等しいパワーでマイクロレンズ３１゜３２からビ
ーム変換され出射する。

第３図に平板マイクロレンズ板３０の後のビーム伝搬の
状態を示す。距離Ｚにおけるビーム半径Ｗ　（Ｚ）の測
定値をプロットしたものである。この図は楕円マイクロ
レンズ３１．３２のいずれの場合でも、また偏波保存フ
ァイバ２１．２２のいずれの場合でも同じであり、また
出射光が水平方向の偏光と垂直方向の偏光のいずれとな
る場合でもほぼ同じであった。

出射後のビームは距離１２５０μｍにおいて水平方向の
ビーム径は１８μｍ１　垂直方向のビーム径は１２μｍ
となった。測定データは図中の実線で示された式（１）
による理論曲線によく合っている。

実施例において、出射ビームを図面に示されていないモ
ノリンツクレンズ付ツインフォトダイオードで受光した
ところ、偏波保存ファイバ２１２２からツインフォトダ
イオードアレイまでのトータルな過剰損失は０．９５ｄ
Ｂであった。

以上に説明して実施例では、微小マイクロレンズとして
イオン交換による平板マイクロレンズを用したが、球面
上のガラス表面における屈折を利用する球面レンズであ
ってもよい。

ただし、マイクロレンズとして平板マイクロレンズを使
用すると次の様な長所がある。

即ち、このレンズは、回折限界に近い低収差なレンズ特
性を持ち、複数のレンズ間の相対位置精度が高（、入出
力面が平面であり他の光部品との結合が極めて容易であ
り、製造が簡単であるため低コストである等である。

楕円形のマイクロレンズをガラス基板に形成するには、
イオン交換の工程の前に、イオン交換制御膜に楕円形の
開口をフォトリソグラフィとエツチングで形成しておけ
ばよい。

また、実施例では出力導波路のポート数は２個であった
が、方向性結合器を集積した１×Ｎ分岐などの場合には
レンズを２個以上とした適用の場合が有り得る。

〈発明の効果〉 以上説明した通り、本発明によれば、基板内に形成され
た導波路からなる導波型光デバイスの出力導波路からの
楕円形の固有モードの出射光をビーム変換し、ある位置
でほぼ円形となるようすることができる。

さらに、ある位置で円形の受光素子やファイバで受光す
る場合に適するように、その位置で水平方向と垂直方向
のスポットサイズがほぼ等しい円形なビームウェイスト
となるようにすることができる。

従って、光導波型デバイスと受光素子または発光素子を
集積する光エレクトロニクス回路を非常にコンパクトに
実現することができる。

実施例のデバイスはコヒーレントヘテロゲインパランス
ト受信機のフロントエンド（信号光と局部発振光を混合
するパイハイブリッド）として使用された。この場合、
レンズと受光素子などとの距離はおよそ１〜２ｍｍとれ
るので、フォトダイオードをキャップでハーメチックシ
ールできるので、信頼性を向上させることが出来る。ま
た、例えば偏光分離素子（偏光プリズムや複屈折結晶板
）などの光部品を間に挿入することができる。

１１．１２・・・・・・・・入力導波路１３．１４・・
・・・・・・方向性結合器部１５．１６・・・・・・・
・出力導波路２０・・・・・・・・ファイバアレイ ２１．２２・・・・・・・・偏波保存ファイバ３０・・
・・・・・・平板マイクロレンズ板３１．３２・・・・
・・・・楕円マイクロレンズ４１．４２・・・・・・・
・出射ビーム。

１００・・・・・・・・方向性結合器 である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す斜視図、第２図は第１
図の装置に用いた平板マイクロレンズ板をレンズ側から
見た正面図、第３図は最適化した楕円マイクロレンズに
おけるビーム半径Ｗ　（Ｚ）と距離２の関係を示す図で
ある。 図において、 １０・・・・・・・・基板 第１図 第２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板に形成した導波路の少なくとも一方の入出力
   端面に、１つ以上の楕円マイクロレンズを配置して成る
   楕円マイクロレンズ付導波型光デバイス。
2. （２）前記楕円マイクロレンズが屈折率分布型レンズで
   ある請求項１記載の楕円マイクロレンズ付導波型光デバ
   イス。
3. （３）前記楕円マイクロレンズは、ガラス基板に対する
   イオン交換で形成されたものである請求項１または２に
   記載の楕円マイクロレンズ付導波型光デバイス。