JPH05224047A - ハイブリッド光導波路構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 伝搬角の大きな範囲に対応できるハイブリッ
ド光導波路構造を提供することである。 【構成】 ハイブリッド薄膜光導波路構造は，その上に
形成された格子結合器を設けた基板（１０ａ）を有す
る。薄膜導波路フィルム（１４ａ）が基板上に形成され
かつ該薄膜導波路フィルムは格子（１２ａ）に重なるテ
ーパ部分を有している。テーパ導波路フィルムは格子構
造を有する基板上に付着され，この結果波長または入射
角に対しより広いまたはより狭い受取りを行うように設
計されたハイブリッド薄膜導波路結合器が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般的には光導波路に関
しまた詳細には格子結合器を組み込むところの光導波路
構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光源の薄膜光導波路への有効な結合が光
集積光学デバイス上の問題点である。問題点は光の光導
波路との有効な結合を最小の芯合せ労力で維持すること
である。この目的のために格子結合器およびテーパ結合
器が利用されてきた。従来の格子結合器は理論結合効率
を増大するために格子深さの変化を利用してきた。

【０００３】格子結合器は，それが入力結合器として利
用されるかまたは出力結合器として利用されるかに応じ
て，入力ビームを導波路の面上で格子から平坦導波路内
に回折させるかまたは平坦導波路から回折させることに
より光を結合する。格子結合器の主な欠点は，効率的な
結合が波長および／または入射角の狭い範囲にわたって
のみ得られることである。現在の光ダイオードレーザ用
途においては，ビーム拡散および波長の不安定性のため
に格子結合器を利用することが困難である。したがっ
て，格子結合器を使用することが容易でありかつビーム
拡散および波長の不安定性による困難さが解消された光
ダイオードレーザ構造を有することがきわめて望ましい
ことがわかるであろう。

【０００４】テーパ結合器はテーパからフィルム導波路
内へのビームの内部全反射によりフィルム内へまたはフ
ィルムから光を結合する。伝搬ビームのテーパにおける
反射は導波路内の伝搬角を変化させ，これにより入力ビ
ームを導波路内でのモード伝搬角まで変化させるかまた
は導波路内の伝搬モードを変化させることになる。導波
路内で伝搬するモードは導波路／基板境界面における内
部全反射角より小さい角に変化されまたこのときビーム
は基板内へ外部結合される。この結合器の特徴は，導波
路から外部結合されたビームが，１°以下の角度範囲に
しか拡げられない格子入力結合器に比較して１０°以上
の広い角度範囲にわたって拡げられることである。入力
結合器に対する主な問題点はモードマッチングであり，
モードマッチングはビーム拡散および強度分布の間の複
雑な関係のために達成することがきわめて困難である。
出力結合器に対する問題点は，外部結合されたビームが
コリメートされずすなわち鮮明にイメージ化できないの
で，簡単な強度検出以外の機能に対してビームを利用す
ることが困難であるということである。したがって，モ
ードマッチングが達成可能でありかつ外部結合されたビ
ームがコリメートされすなわち鮮明に画像化可能である
ところの構造を有することがきわめて望ましいことがわ
かるであろう。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題点
の１つ以上を克服することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】要約すると，本発明の一
態様によれば，ハイブリッド光導波路構造はその上に形
成された格子を有する基板とおよび基板上に形成されか
つ格子に重なる非線形部分を有する薄膜導波路フィルム
を含む。

【０００７】格子とテーパフィルムとの組合せは光を効
率的に結合するハイブリッド結合器を提供し，この場合
入射角または波長受取りはテーパ構造によって変化され
る。テーパ導波路フィルムは格子構造を有する基板上に
付着され，この結果波長または入射角に対しより広いま
たはより狭い受取りを行うように設計されたハイブリッ
ド薄膜導波路結合器が形成される。結合器は従来の格子
結合器と同様に効率がよくしかも受取り範囲はかなり広
くなる。最大拡げは２°（または１２ｎｍ）の結合半値
全幅（ＦＷＨＭ）である。これはテーパなし構造の受取
り範囲の数倍である。

【０００８】本発明の種々の態様，目的，特徴および利
点は好ましい実施態様に関する以下の詳細説明および特
許請求の範囲を参照することによりまた添付図面を参照
することにより，より明確に理解されかつ評価されよ
う。

【０００９】

【実施例】ここで図面を参照すると，図１および２は本
発明の結合構造を示す。図１は格子１２ａを設けた基板
１０ａを有する結合構造を示す。総体厚さｔＦの導波路
フィルム１４ａが基板１０ａ上に配置されまた被覆媒体
１６ａが導波路フィルム１４ａ上に配置されている。導
波路フィルム１４ａは全体厚さｔＦからフィルム１４ａ
および格子１２ａが隣接する領域における約０の厚さま
でテーパがつけられている。

【００１０】図２は同様に格子１２ｂを設けた基板１０
ｂを有する結合構造を示す。総体厚さｔＦの導波路フィ
ルム１４ｂが基板１０ｂ上に配置されまた被覆媒体１６
ｂが導波路フィルム１４ｂ上に配置されている。導波路
フィルム１４ａは総体厚さｔＦからフィルム１４ｂおよ
び格子１２ｂが隣接する領域における厚さｔＦより大き
い厚さまで増大する。厚さの増大は格子１２ｂの領域に
おいてテーパを形成する。テーパの端部においてフィル
ム１４ｂは均一厚さの他の領域ｔＦを有することが好ま
しい。

【００１１】入射ビーム１８は導波路１４および基板１
０の境界面において格子１２からはね返されて回折され
る。回折されたビームは導波路フィルム１２のテーパ部
分から内部全反射を受ける。テーパは導波路内で伝搬角
を変化させ，したがってテーパ領域を離れたときにはビ
ームは案内されるモードに対する正しい伝搬角で伝搬す
る。

【００１２】テーパは２つの効果を介して格子結合器１
２の角受入れを変化させる。第１の効果は格子から回折
されたビームは回折角に応じてテーパから異なる回数の
はね返しを受ける。はね返しごとに導波路内の伝搬角を
変化させるので，はね返しは入射角による伝搬角の変化
を補償するのに使用可能である。

【００１３】第２の効果ははね返しにより誘導された変
動が入射結合角を変化させることである。このように設
計されるとき，これは格子の角分散の値を低下させ，こ
れにより入射角の変化による回折角の変化を減少させる
ことが可能である。

【００１４】テーパにより受入れ拡げを最適化するため
に，ここで図１においてテーパの格子結合器に与える影
響を考えてみよう。以下の説明は，テーパ角αの符号を
逆にすることにより図２の受入れ狭め形状にも適用可能
である。テーパ角αは図示のように格子１２および基板
１０に対する導波路フィルム１４のテーパ部分の上り傾
斜または下り傾斜の角である。角αはテーパの端部付近
の格子領域においてフィルム厚さｔＦが減少するときは
正でありまたテーパの端部付近の格子領域においてフィ
ルム厚さｔＦが増大するときは負である。

【００１５】図１を参照すると，最終伝搬角Θｐはたと
えば光線追跡プログラムを用いて空気からの入射角Θｉ
の関数として導波路内で計算される。これは，導波路モ
ードのみが伝搬角の固定範囲をサポートするので，理論
受入範囲の評価を可能にする。光線追跡法は無限小のビ
ーム直径を推定し，このビーム直径がテーパ領域の端部
からＤｔのテーパ距離における格子の端縁から回折され
る。

【００１６】図１−５を参照すると，角αの線形テーパ
の回折ビームに与える影響が図１に示されている。基板
法線に対して角Θｄで回折されたビームはテーパにより
角Θｄ＋αでテーパ境界面に入射する。反射角は入射角
に等しいと仮定して，反射ビームは基板法線に対しΘｄ
＋２αの角で基板境界面に入射するであろう。伝搬角の
この２αの増大はテーパ面からの反射ごとに発生するで
あろう。ｎをテーパ面からのはね返し回数とすると，最
終結果は２αｎの変動となる。テーパ距離Ｄｔは回折格
子の端縁からテーパの端部までの距離である。テーパに
よる変動はテーパからのはね返し回数によって異なり，
テーパ距離を長くするとテーパはね返し回数は多くな
る。テーパ距離の最大限界はテーパプロフィルによって
決定される。図３に示すように，テーパ長さＺｏはテー
パの全長である。これは前記の角αに対し幾何学的に次
の関係を有し， Ｚｏ＝ｔＦ／ｔａｎ（α） （１） ここでｔＦは導波路フィルムの厚さである。ビームの有
限サイズを無視すると，最大テーパ距離ＤｔはＺｏであ
る。したがって線形テーパの影響は，テーパ長さＺｏと
テーパ距離Ｄｔとによって記述される。式（１）は線形
テーパに対するものであるが，他のテーパプロフィルに
対してもαの平均値を決定することが用いられる。

【００１７】形成されたテーパが線形ではなかったの
で，３つの異なるテーパプロフィルが検討された。実験
により，真空蒸着において陰影により形成されたテーパ
が余弦関数に類似のテーパプロフィルを有することがわ
かった（図４）。浸漬コーティング法により形成された
テーパがテーパ断面の厚さにおいて低減指数関数に類似
することがわかった（図５）。各プロフィルに対する位
置Ｚの関数としての導波路フィルム厚さｔＦはテーパ長
さＺｏによって異なる。これらの異なるプロフィルに対
するＺｏの決定が許容される最大テーパ距離Ｄｔを考慮
してなされる。

【００１８】可能な入射角範囲は回折ビームが導波路フ
ィルム内にとどまるという要求によって決定される。回
折ビームの角は一般的な格子回折の式で計算可能であ
る。

【００１９】 ｎ_iｓｉｎ（Θｉ）＋ｎ_dｓｉｎ（Θｄ）＝ｍλ／ｄ （２） ここでΘｉは入射角，Θｄは回折角，ｍは正の整数，λ
は回折ビームの波長，ｄは回折格子の周期，またｎ_iお
よびｎ_dは入射媒体および回折媒体のそれぞれの屈折率
である。これらの変数が図１に示されており，ここでΘ
ｉ′′は基板内における入射角，また屈折率ｎ_iおよび
ｎ_dはこの場合における入射および反射がフィルム内で
行われるので各々ｎ_fに等しい。回折ビームが導波路フ
ィルム内にとどまるためには，式（２）に対し実の解が
存在しなければならない（たとえばΘｄ≦９０°）。Θ
ｄ＝９０°を式（２）に代入すると，結果は回折が行わ
れるための最大入射角Θｉ′′となる。最大入射角はフ
ィルムと基板との境界面（たとえば格子が基板モード内
に結合している）において内部全反射がもはや発生しな
いところの回折角により決定される。境界面に対する臨
界角Θｃは次のとおりである。

【００２０】 Θｃ＝ａｓｉｎ（ｎ_s／ｎ_f） （３） Θｃを式（２）内のΘｄに代入すると，回折ビームが導
波路フィルム内に拘束されてとどまるところの最大入射
角を求めることができる。

【００２１】空気中の測定可能な入射角と格子における
限界入射角との間の関係が決定可能である。格子上に入
射するビームをテーパ面まで逆に追跡することにより，
フィルム内部への入射角Θｒは次式で表すことができる
ことがわかる。

【００２２】 Θｒ＝Θｉ′′＋α （４） テーパ境界面におけるビームはスネルの法則により屈折
を受けている。

【００２３】 ｓｉｎ（Θｉ′）＝（ｎ_f／ｎ_o）ｓｉｎ（Θｒ） （５） ここでｎ_oおよびｎ_fは図１に示す媒体の屈折率でありま
たΘｉ′はテーパ法線に対する入射角である。基板法線
に対する入射角Θｉへの変換は次の式で表される。

【００２４】 Θｉ＝Θｉ′−α （６） 被覆媒体における入射角Θｉのフィルム内における入射
角Θｉ′′に対する関係は式（４）−（６）の組合せに
より与えられる。これが式（２）および（３）と組み合
わされて与えられた空気入射角Θｉに対する最初の屈折
角Θｄを見いだすことができる。

【００２５】結合の効果は光線追跡法を用いて評価され
た。この結果は図６−８において異なる結合構造に対す
る角分散曲線Θｐ対Θｉとして表されており，ここでΘ
ｐは伝搬角である。テーパ内における伝搬角はテーパか
らのはね返しごとに２αだけ増大され；ここでαは非線
形テーパに対するＺの関数である。光線追跡プログラム
はビームがテーパ領域を横断した後の導波路内における
最終伝搬角Θｐを計算する。式（２）−（６）を用いた
この計算がトラップされた回折ビームを有する入射角の
範囲に対して行われた。

【００２６】Ｚｏ＝１０００μｍおよびＤｔ＝２５０，
５００および７５０μｍを有する余弦テーパに対する結
果が図６に示されている。テーパなし，Ｄｔ＝０，の結
果も比較のための示されている。テーパによる角変動は
伝搬角を増大させ，これにより所定のΘｐを得るのに必
要なΘｉを低減させることができる。テーパ距離Ｄｔを
増大すると，所定の入射角に対する伝搬角がさらに増大
する。

【００２７】図７に示すように，Ｄｔ＝３００μｍおよ
びＺｏ＝４００，６００および１２００μｍを有する余
弦プロフィルに対して分散の結果が計算された。テーパ
長さＺｏを増大すると与えられた入射角に対する伝搬角
は減少する。図６および７を比較すると，問題となるの
はＤｔまたはＺｏの大きさではなくむしろテーパ比Ｄｔ
／Ｚｏである。図６におけるＤｔ＝５００μｍの線を図
７におけるＺｏ＝６００μｍの線と比較することにより
このことがわかる。これらの２つのテーパはＤｔ／Ｚｏ
＝０．５の比を有し，テーパ長さが異なるにもかかわら
ずΘｐとΘｉとの関係は同一である。定性的には，テー
パ比は本質的に，テーパ内において伝搬角を変動させる
のに使用されるテーパの割合とみなしてよい。

【００２８】図８を参照すると，伝搬角に与える異なる
テーパプロフィルの効果が示されている。テーパなしの
場合のΘｐ対Θｉのプロットが示されており，同様に各
々テーパ比Ｄｔ／Ｚｏ＝０．５を有する線形，余弦およ
び指数関数テーパに対するプロットも示されている。テ
ーパ比は任意の与えられたプロフィルに対する変動を説
明するものであるが，変動量はまたプロフィルそれ自身
にも依存している。テーパのどの部分が使用されるかに
応じてテーパ角αの平均値はプロフィルとともに異なる
ので，この依存性が存在するのである。したがって，Ｚ
の関数であるαがテーパ上の入力位置と導波路の始点と
の間で高い平均値を有するとき，テーパ変動が大きくな
ってくる。

【００２９】ここで図９を参照すると，計算される異な
るプロフィルに対して，テーパ位置の関数として計算さ
れた正規化テーパ角が示されている。指数関数プロフィ
ルはＺ／Ｚｏ＝０．５において最小の値を有するが，Ｚ
／Ｚｏ＝０．５および０の間のαの平均値は線形および
余弦プロフィルに対する値より大きい。したがって図８
から予想されるように，指数関数プロフィルは最も大き
いテーパ変動を示す。いくつかのプロフィルは同じテー
パ比においても異なるテーパ変動を示すが，テーパ比を
変化させると任意のテーパプロフィルを用いて同等のテ
ーパ変動および受入れ拡げを達成させることができる。
プロフィル形状は設計の際に考慮されなければならない
が，任意の形成しやすいプロフィル形状が適用可能であ
る。

【００３０】テーパ構造を最適化するために，テーパ変
動から得られる受入れ拡げを計算する必要がある。すべ
ての角拡げの結果は格子回折式（２）に与えられたΘｉ
とλとの間の格子に関する関係を用いて波長拡げの結果
として置き換えることができる。テーパによる受入れ拡
げを決定するために，従来の格子結合器の受入が既知で
なければならない。格子結合器に対する入射角Θｉの関
数として測定された結合効率Ｅが図１０に示されてい
る。式（２）を用いて，Θｉは導波路内におけるモード
伝搬角Θｐに変換される。レーザビームの有限サイズお
よび拡散が拡げを僅かながらも増大させるので，伝搬角
の範囲は理論単一伝搬角よりも広くなる。伝搬角の依存
性が使用される特定ビーム（１ｍｍコリメーテッドビー
ム）に対する導波路構造の特性的な受入であることおよ
びその依存性が光線を導波路内に導くのに使用される結
合器のタイプに依存しないことを仮定している。次にＥ
対Θｐの曲線が与えられた導波路およびレーザビームに
対して一定とみなされるので，Ｅ対Θｉ曲線内の角拡げ
は結合入射角における結合器の角分散ｄΘｐ／ｄΘｉを
減少することによって達成されなければならない。結合
器の角分散の減少が図６および７に対するΘｐ対Θｉの
光線追跡結果内に示されている。

【００３１】図１１は種々のテーパ比に対するΘｐ対Θ
ｉのプロットである受入れ拡げへの変換を示す。図１１
の上に本質的モード幅のプロットが重ねられている。効
率プロットを角分散曲線上に重ねることにより，異なる
テーパ比に対する入射角の拡げが示されている。最適テ
ーパ比Ｄｔ／Ｚｏ＝０．５７を超えるテーパ変動が本質
的伝搬角とマッチすることができない最終伝搬角を与え
る。最大拡げは，結合されるモードに対する伝搬角にお
ける最小角分散を有するテーパにおいて発生する。これ
は基板モードの付近の許容入射角における最小値におい
て発生する。ハイブリッド結合器の拡げ効果を説明する
変数は結合角における角分散（ｄΘｐ／ｄΘｉ）Θｐ＝
Θｍであり，以下これを結合器分散と呼ぶ。角分散曲線
は問題となる角度範囲にわたりほぼ線形をなしているの
で，図１１は異なる結合器構造を比較するためのメリッ
トの正確な数字を与える。

【００３２】以下の実験は屈折率ｎ_s＝１．４６を有す
る水晶の基板と屈折率ｎ_o＝１．０を有する空気の被覆
媒体とを用いた。フィルムの屈折率ｎ_fおよび格子の周
期ｄは最適化するための変数として残された。

【００３３】結合器の受入幅を最大にするためには，結
合器の角分散ｄΘｐ／ｄΘｉが最小にされるべきであ
る。図１１の以前の光線追跡結果は，任意のテーパ比に
対する最小分散が，基板モードに対する結合角が最小入
射角である付近で発生することを示している。さらに，
最小入射角で結合する結合器に対しては，分散はテーパ
比の増大とともに減少する。最小の入射角およびより高
いテーパ比Ｄｔ／Ｚｏにおいて結合を得るために，導波
路の本質的モード伝搬角Θｍが最大にされるべきであ
る。本質的モード伝搬角は導波路厚さｔＦに比例するの
で，分散を最小にするために導波路厚さは最大にすべき
である。ＴＥ単一モード導波路に対する本質的モード伝
搬角を最大にするために，導波路の厚さがＴＥ１モード
のカットオフ厚さとなるようにとられたが，このＴＥ１
モードのカットオフ厚さは１つのモードのみを維持して
いる間の最大許容導波路厚さである。

【００３４】図１２−１４を参照すると，ＴＥ１モード
に対するカットオフ厚さが１．５ないし２．５の間のフ
ィルム屈折率に対して計算された。次にカットオフ厚
さ，被覆，基板およびフィルムの屈折率，および波長を
用いて有効屈折率ｎ_effが計算された。有効屈折率およ
びフィルムの屈折率は，フィルムの屈折率の範囲に対し
て導波路内のモード伝搬角Θｍ＝ｓｉｎ^-1（ｎ_eff／
ｎ_f）を計算するのに使用された（図１３）。角分散計
算のために１．７，２．０および２．３のフィルム屈折
率が選択された。次に光線追跡プログラムを用いてテー
パ比Ｄｔ／Ｚｏの関数として結合器分散（ｄΘｐ／ｄΘ
ｉ）Θｐ＝Θｍが計算された。これらの結合器分散の３
つの異なるフィルム屈折率に対する機能が図１４に示さ
れている。図１４から，フィルム屈折率が大きくなると
角分散が低減ししたがって結合器の角受入れを広げるこ
とがわかる。相対拡げはここでは，最適テーパ比Ｄｔ／
Ｚｏ＝０．５７に対する結合器分散（ｄΘｐ／ｄΘｉ）
Θｐ＝ΘｍのゼロテーパＤｔ／Ｚｏ＝０に対する結合器
分散に対する比として定義される。フィルム屈折率２．
３は最も大きい相対拡げ約４．３Ｘを示し，これに対し
ｎ_f＝２．０に対しては４．０Ｘでありまたｎ_f＝１．７
に対しては３．５Ｘである。したがって，フィルムの屈
折率が大きくなればなるほど角受入れは広くなってく
る。

【００３５】図１５を参照すると，実験で利用可能であ
るｄ＝０．３２μｍおよび０．３６μｍの２つ格子周期
に対しても結合器分散が計算された。図１５においてこ
れらの周期に対し結合器分散対テーパ比がプロットされ
ている。一般的に，分散は格子周期とともに低下する。
格子周期の減少は結合器回折効率に影響を与えることに
なる。したがって，受入を広げるために格子周期を減少
させるときは効率の損失も考慮されなければならない。
格子のテーパ結合器に対する効率を最適化するためにな
にも試みは行われなかったが，実験で測定された効率は
テーパ格子結合器と通常の格子結合器とに対して同じで
あった。テーパ結合器効率に対して格子を最適化するた
めに，従来の格子結合器設計に対して追加の考慮が行わ
れる。１つの考慮は，結合器の入射角がテーパにより変
動されることである。第２の考慮は結合器のポイントに
おける有効屈折率が均一導波路内よりも低いことであ
る。第３の考慮はｎ_effが伝搬距離とともに変化するこ
とである。これらの追加の考慮を行うことにより，テー
パ格子結合器および従来の格子結合器のいずれに対して
も最大理論結合効率は同じであることが期待される。

【００３６】再び図１−５を参照すると，光線追跡計算
の弱点は，テーパ内における干渉の可能性が無視できな
いことである。ビームが導波路のテーパ部分から出たと
きに初めてビームはそのモード伝搬角に到達するので，
テーパ領域内ではビームはまだモード伝搬角では伝搬し
ていない。その結果，この領域内において伝搬中の往復
移相ずれが波長の整数に等しくなくなってくる。これは
テーパ領域における干渉の可能性を可能にするものであ
る。伝搬領域においては波のベクトル方向はテーパによ
るはね返しごとに２αだけ変化されるので，干渉は発生
しない。２αの変化が十分に大きい場合には干渉は発生
しない。

【００３７】テーパによりもたらされる角変動は連続的
ではなくむしろテーパ内における反射回数の離散形関数
である。これのΘｐ対Θｉ曲線に対する影響は，一般形
状は光線追跡法により予想されたものと同じであるが，
局部的には曲線は不連続であるということである。図１
１に示すように，本質的モード幅と交差する曲線の各連
続的セグメントは結合効率に寄与する。総括結合は各連
続セクションからの寄与の和である。連続分布を得るた
めに合計された効率曲線をそれらが識別できないように
たたみこむことが必要である。これはテーパ角αを最小
にすることによって達成される。伝搬角の変化は単一テ
ーパはね返しに対して２αであるので，大きさは本質的
モード幅よりかなり小さい値すなわち２α＜＜０．５°
に制限されるべきである（図１０参照）。

【００３８】２αが小さい場合には，テーパからの反射
の回数が異なる結合ビームの異なる部分間で干渉が発生
することがある。しかしながらわれわれの実験では，こ
の兆候はテーパ角０．００７°までは認められなかっ
た。

【００３９】格子は研磨された水晶基板上に形成され
た。基板はフォトレジストで被覆され，空間フィルタが
かけられたＨｅＣｄ（λ＝０．４４１６μｍ）ビームで
露出されかつ現場モニタ法を用いて現像された。得られ
たフォトレジスト格子は次に反応性イオンでエッチング
されて水晶内に１２０ｎｍの深さを形成した。フォトレ
ジストは次に除去されて基板が完全にクリーニングされ
た。

【００４０】テーパフィルムは２つの異なる方法で製作
された。第１の方法はへき開シリコンウェーハにより陰
影がつけられた電子ビーム真空蒸着であった。第２の方
法はポリカーボネートまたはエトキシドチタンの有機溶
液の可変速度浸漬コーティングであった。

【００４１】電子ビーム蒸着フィルムは硫化亜鉛ＺｎＳ
で製作された。このフィルムは２．３の高い屈折率，蒸
発の容易さおよび１ｎｍ／秒より遅い速度で蒸着するこ
とから得られる４ｄＢ／ｃｍより小さい光学損失のため
に選ばれたのである。ＺｎＳフィルム厚さは１９０ｎｍ
であり，２０５ｎｍの水晶上のＺｎＳのためのＴＥ１カ
ットオフ厚さよりも僅かに小さかった。シリコンウェー
ハのへき開端縁は基板と蒸着源との間に置かれた。基板
と陰影化ウェーハとの間の距離は希望するテーパ長さに
応じて２ｃｍから１０ｃｍまで変化された。陰影化ウェ
ーハが基板から離れれば離れるほどテーパは長くなりか
つ浅くなる。

【００４２】第１のサンプルは１０ｃｍの距離から陰影
化されて，１９０ｎｍの全フィルム厚さからゼロ厚さま
で１６００μｍのテーパ長さを形成した。線形テーパに
対してはこれらの寸法は０．００７°のαに対応する。
しかしながら，テーパをプロフィル計で測定すると，プ
ロフィルがより余弦曲線に近いことがわかった（図１
６）。サンプルがへき開されまた格子溝内にフィルムが
いかに完全に充填されているかを調べるためにテーパの
断面をのぞくのに走査形電子顕微鏡が使用された。観察
された第１の領域はフィルム厚さがほぼゼロであるテー
パの端部であった。入力結合器位置におけるテーパ面の
粗さを調べるために，格子の結合端縁の領域がのぞかれ
た。格子溝ははじめの格子プロフィルと比較して入力結
合位置におけるテーパ上でよりゆるやかであった。

【００４３】第２のＺｎＳサンプル上の導波路は２００
ｎｍで第１の導波路より厚くまたウェーハの陰影化距離
は２ｃｍに短縮された。その結果得られたテーパ距離は
１００μｍに減少され，これは線形テーパ角α≒０．１
°に相当した。

【００４４】第３のサンプルには有機溶液の可変速度浸
漬コーティングによる第２の方法が用いられた。第３の
サンプルはポリカーボネート内で水晶基板を浸漬コーテ
ィングして形成された。基板はポリカーボネートをブロ
モベンゼン内に溶解した溶液内に浸漬された。次に基板
は約１００μｍ／秒の一定速度でゆっくり引き上げられ
て４００ｎｍの厚さを与えた。適当な位置において引上
げ速度が４００μｍ／秒に増大された。引上げ速度を速
くすると約２１０ｎｍのフィルム厚さを形成し，４００
ｎｍからの変化は約１０００μｍの範囲にわたって発生
し，これは線形テーパ角α＝０．０１とに対応したが，
プロフィルは線形テーパであるよりもむしろ指数関数テ
ーパに類似していることがわかった。

【００４５】図１７−２１を参照すると，１次のリトロ
ー角の測定によりサンプル格子周期はすべて０．３６μ
ｍであることが確認された。サンプルは２つの格子を設
けるように製作され，各々テーパがつけられた格子と均
一導波路領域の下のテーパなしの格子とを有していた。
テーパなしの格子に対するλ＝０．６３２８μｍにおけ
る結合効率は入射角の関数として測定され，導波路内の
モードの伝搬角が計算された。テーパは，各格子上でテ
ーパ比のある範囲に対する結合特性が測定可能なように
結合器格子の端縁に対するテーパ位置が格子の横方向に
わたって変化するように製作された。

【００４６】最も浅いテーパを有する第１のサンプルは
格子全体から結合を支持した（たとえばＤｔ／Ｚｏ比が
モードに対して許容される最大値を超えなかった）。受
入れ範囲Ｅ対Θｉが格子の端縁に沿って４点で測定さ
れ，その得られた効率曲線が図１８に示されている。最
もきついテーパを有する第２のＺｎＳサンプルは一方の
端縁においてのみテーパ内に結合を支持した（図２
０）。テーパの位置決めのために，ポリカーボネートサ
ンプルが最小のテーパ比に対応する位置においてテーパ
内に結合している（図２１）。

【００４７】すべてのサンプルの効率曲線が，計算から
予想されたようにテーパなしのケースに対するより小さ
い結合角に変動された。サンプルによる受入れ拡げは計
算により予測されたテーパ角への依存性と一致した。第
１のサンプルはα＝０．００７°の相当線形テーパ角を
有した。これは１つの反射により導入された角変動が
０．０１４°であることを示し，この角度は約０．５°
の本質的モード幅のＦＷＨＭよりかなり小さかった（図
１０）。この理由で，中心が０．０１４°離れたたいて
いの０．５°幅効率曲線のコンボリューションは基本的
に連続である。したがって図１８に示す効率曲線は光線
追跡計算から予想されたように連続的に拡げられてい
る。

【００４８】図１１に示すようなモデル結果を有するテ
ーパ付およびテーパなしの測定結合角を組み合わせるこ
とにより対応のテーパ比の計算が可能である。第１のサ
ンプルに対しては４つの測定点は１３．２°，１１．６
°，８．２°および４．１°でありまたテーパなし結合
角は１９．５°であった。対応するテーパ比はそれぞれ
０．３２０，０．３６５，０．４１５および０．４５６
と計算される。次に，テーパなしのＥ対Θｐの受入れ曲
線（図１０）を各測定に対する予測受入れ曲線に変換す
るのに対応するΘｐ対Θｉの関係が用いられる。これら
の計算曲線が図１８に示されている。

【００４９】第２のＺｎＳサンプルはα＝０．１°の相
当線形テーパ角を有した。この結果導波路内におけるテ
ーパのはね返しごとの伝搬角の変化は０．２°であっ
た。これは導波路内の伝搬に対するＥ対ΘｐのＦＷＨＭ
が約０．２°であることに等しい（図１９）。得られた
効率曲線は中心から０．２°離れた０．２°の効率曲線
のコンボリューションであり，したがって２α離れた距
離において極大を有して振動することが予想されよう。
極大間の距離が測定されかつ平均が求められ，得られた
２αの平均値は０．２３５°であった。これはプロフィ
ル計により測定された値α≒０．１°に一致する。

【００５０】第２のＺｎＳサンプルにおいて示された結
合角の変動は基板モードのオンセットの付近である。結
合効率は基板モードのオンセットの前で完全に減少する
ように見え，したがってテーパ比は基板モードが干渉を
起こすほど大きくはないように思われる。これはテーパ
比が０．５７より僅かに小さいことを暗示している。第
３のサンプルにより示された結合変動は，導波路内の伝
搬角がカットオフから遠いところにあっても，最適値よ
り大きいテーパ比を有する結合の影響が基板モード内に
結合しようとすることを示している。このサンプルにお
いては，結合角は全体で４°だけ変動され，これはこの
構造において基板モードが干渉するように伝搬角を変動
させるのに十分である。図１８−２１の効率曲線はま
た，他のサンプルにおいて見いだされた拡げ傾向もまた
屈折率の小さいフィルムに対しても有効であったことを
示している。

【００５１】波長受入れ拡げは上記の角受入れ拡げに対
応することが予想される。角受入れから波長受入れへの
変換が Δλ＝ｄ・ｃｏｓΘｉΔΘ で与えられ，ここでΔΘは入射角における結合ＦＷＨＭ
変化でありまたΔλは波長における結合ＦＷＨＭ変化で
ある。Ｄｔ／Ｚｏ＝０．４５６，ｄ＝０．３６μｍ，Θ
ｉ＝４°およびΔΘ＝２°の図１８の実験ケースに対し
ては，予測されるΔλは１２．５ｎｍとなるであろう。
これは数ｎｍのオーダーの波長不安定性を有するダイオ
ードレーザに適した高い効率の導波路結合器である。結
合器はまた単一蒸着法で容易に製作され，他の格子結合
器色消し法とは異なりそれは芯合せのための追加の部品
を有していない。

【００５２】格子結合器の角受入れを増大する能力は集
積光学における多くの応用に対しきわめて有用である。
たとえば格子結合器に対する芯合せの面倒さが少なくな
りまたレーザダイオード応用に対して波長受入れが広く
なる。さらに格子／テーパ薄膜結合器は与えられたフィ
ルムに対する結合角を変動させるようなその他の今まで
可能でなかった用途も有している。たとえば，最適化さ
れたテーパは第１のＺｎＳサンプルの結合角を３５°以
上も変動させることができた。したがって格子の周期ま
たはフィルムの厚さを変化させることなく結合角を変動
させることができる。

【００５３】結合角の変動は希望する結合モードに対す
る干渉とは反対方向の基板モードの干渉を防止するのに
有効である。この問題は屈折率の高いフィルムにおいて
発生し，この場合結合角は正の方向で大きくなり，した
がってそれは反対方向における基板モードのオンセット
を通過し，これにより結合効率を低減させかつおそらく
は他の不利な影響を発生させるであろう。この問題は，
逆転基板モードの結合角以下の結合角のテーパ変動によ
って回避される。

【００５４】出力結合器と同じ形状の格子／テーパ結合
器組合せを用いることにより，テーパの向きに応じて出
力ビームを分光的に分散または収斂することができる
（拡げまたは狭めに類似する）。結合器受入れを修正す
るためにテーパを使用することは格子結合器に限定され
ず；テーパは同様にプリズム結合器の受入れを拡げたり
または狭めたりするのにも使用可能である。

【００５５】ここで広範囲にわたり格子結合器の受入れ
の調節を可能にするテーパ構造が提供されたことがわか
るであろう。テーパにおける通過距離の投影テーパ長さ
に対する比Ｄｔ／Ｚｏがテーパ最適化のためのパラメー
タとして示されてきた。このような結合器を設計すると
き定性的テーパプロフィルが考慮されなければならない
が，もし適切な寸法であれば任意の形状を用いることが
できる。テーパ距離Ｚｏは連続的に拡げられた効率曲線
を可能にするために長く保持すべきである（たとえばα
を小さく保持すべきである）。

【００５６】許容される最大受入れ拡げ（または狭め）
はフィルムの屈折率が高くまた格子の周期が小さいとき
に発生する。水晶上のＺｎＳの実験サンプルに対して
は，最大相対拡げはテーパなし格子構造の拡げの４．３
倍である。１つのサンプルに対しては，２°の結合ＦＷ
ＨＭが示された。これは光線追跡計算により予測された
拡げと一致する。逆に，結合器の角受入れは対応する量
（上記のサンプルにおいては−４．３）だけ狭めること
ができる。実験的角受入れ拡げは１２．５ｎｍの波長拡
げ（ＦＷＨＭ）に相当した。これは芯合せまたは製作の
むずかしさが最も少ないところの格子結合器を色消し化
するための実際的な方法である。

【００５７】格子結合器を使用することが容易でありか
つビーム発散および波長不安定性を伴う困難さが除去さ
れるところの光ダイオードレーザ構造が提供されたこと
がわかるであろう。この構造においてはモードマッチン
グが達成されかつ外部結合されたビームがコリメートさ
れすなわちはっきりとイメージ化可能である。

【００５８】本発明は特定の実施態様について説明され
てきたが，本発明から逸脱することなく種々の変更態様
が可能でありまた好ましい実施態様の要素に対して相当
品を代用可能であることが当業者には明らかであろう。
たとえば，テーパは厚さ変化として考えられているが，
それは屈折率の変化としてもよい。さらに，本発明の基
本的な教示から逸脱することなく特定の状況および材料
を本発明の教示に適合させるように多くの修正態様が可
能であろう。

【００５９】本発明はテーパフィルムおよび格子結合器
の特定の組合せに関して説明されてきたが，テーパによ
る増大された角受入れならびに格子結合器の特性である
高い効率および容易な入力ビーム芯合せを有するハイブ
リッド結合器を得ることができる。さらに結合器の受入
れを減少させることが望ましい応用に対しては，テーパ
の位置決めをいろいろ変えることにより受入れを減少す
るのにも使用可能である。

【００６０】上記の説明から明らかなように，本発明の
ある態様は図示の実施例の特定の詳細に限定されず，し
たがって当業者に他の修正態様および応用が可能である
ことは明らかである。したがって特許請求の範囲は，本
発明の真の精神および範囲から逸脱しない限りのすべて
の修正態様および応用を包含するものであるとみなされ
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】格子結合器の受入れを拡げるためにテーパ薄膜
結合器にハイブリッド格子を用いた，本発明により構成
された光導波路構造の好ましい実施態様の略断面図であ
る。

【図２】格子結合器の受入れを狭めるためにテーパ薄膜
結合器にハイブリッド格子を用いた，図１に類似の光導
波路構造の他の好ましい実施態様の略断面図である。

【図３】線形プロフィルに対してＤｔおよびＺｏのパラ
メータの定義を用いて光線追跡計算を行うのに使用され
た線形プロフィルを示す光導波路構造の略断面図であ
る。

【図４】余弦プロフィルに対してＤｔおよびＺｏのパラ
メータの定義を用いて光線追跡計算を行うのに使用され
た余弦プロフィルを示す図３に類似の光導波路構造の略
断面図である。

【図５】指数関数プロフィルに対してＤｔおよびＺｏの
パラメータの定義を用いて光線追跡計算を行うのに使用
された指数関数プロフィルを示す図３に類似の光導波路
構造の略断面図である。

【図６】λ＝０．６３２８μｍ，ｄ＝０．３６μｍ，ｎ
₀＝１．０，ｎ_s＝１．４６，ｎ_f＝２．３およびｔＦ＝
０．２０μｍを有する余弦プロフィルに対して光線追跡
から求めたΘｐ対Θｉの関係を示しかつ長さＺｏ＝１０
００μｍの与えられたテーパに対してＤｔ＝２５０，５
００および７５０μｍとしたときのＤｔとの関係を示す
線図である。

【図７】λ＝０．６３２８μｍ，ｄ＝０．３６μｍ，ｎ
₀＝１．０，ｎ_s＝１．４６，ｎ_f＝２．３およびｔＦ＝
０．２０μｍを有する余弦プロフィルに対して光線追跡
から求めた図６に類似のΘｐ対Θｉの関係を示すが，Ｄ
ｔ＝３００μｍの一定テーパ入力位置に対してＺｏ＝４
００，６００および１０００μｍとしたときのＺｏとの
関係を示す線図である。

【図８】λ＝０．６３２８μｍ，ｄ＝０．３６μｍ，ｎ
₀＝１．０，ｎ_s＝１．４６，ｎ_f＝２．３およびｔＦ＝
０．２０μｍと仮定して一定テーパ比Ｄｔ／Ｚｏを有す
る線形，余弦および指数関数プロフィルに対して光線追
跡から求めたΘｐ対Θｉの関係を示す線図である。

【図９】Ｄｔ／Ｚｏ＝０．５の入力位置が示されかつ左
方向すなわちＺ／Ｚｏ＝０の方向へ導波路内を伝搬する
ところの，図８の線形，余弦および指数関数曲線に対し
てテーパ位置の関数として正規化されたテーパ勾配ｄ
（ｔ／ｔ_f）／ｄ（Ｚ／Ｚｏ）を示した線図である。

【図１０】水晶上の０．２μｍＺｎＳフィルムに対して
実験的に測定された相対結合効率Ｅ対入射角Θｉの関係
を示した線図である。

【図１１】図１０からのＥ対Θｐの関係が伝搬角の軸上
に重ねられた，テーパ格子薄膜結合器に対してテーパ比
を変化させたときの計算分散関係Θｐ対Θｉの関係を示
す線図である。

【図１２】λ＝０．６３２８μｍを有する水晶（ｎ＝
１．４６）上のフィルムに対して，ＴＥ１モード対フィ
ルム屈折率ｎ_fに対する計算カットオフ厚さを示す線図
である。

【図１３】図１２に示した有効屈折率結果を用いて，水
晶（ｎ＝１．４６およびλ＝０．６２３８μｍ）上のフ
ィルムに対するフィルムの屈折率の関数としてのＴＥ０
単一モード導波路の最大伝搬角を示す線図である。

【図１４】異なるフィルムの受入れ拡げ能力を比較する
ために示した，異なるフィルム屈折率（ｎ_f＝１．７，
２．０および２．３）を用いてテーパ比の関数として入
射結合角における結合器の計算角分散ｄΘｐ／ｄΘｉを
示した線図である。

【図１５】異なる格子周期（ｄ＝０．３８，０．３６お
よび０．３２μｍ）に対してテーパ比Ｄｔ／Ｚｏの関数
として示した結合器の角分散ｄΘｐ／ｄΘｉを示した線
図である。

【図１６】テーパ上の位置の関数として真空蒸着により
製作されたテーパのプロフィル計により測定されたフィ
ルム厚さを示す線図である。

【図１７】同一導波路上にテーパ格子およびテーパなし
格子の両方が形成されて製作されたサンプルの形状図で
ある。

【図１８】第１のＺｎＳサンプルに対して入射角Θｉの
関数として結合効率Ｅを示した線図である。

【図１９】テーパなし格子のＥ対Θｉ特性に対して図１
８のきわめてテーパのきついＺｎＳサンプルの結合効率
特性を示した線図である。

【図２０】テーパ比０．５５におけるテーパ格子のＥ対
Θｉ特性に対して，図１９に類似の図１８のきわめてテ
ーパのきついＺｎＳサンプルの結合効率特性を示す線図
である。

【図２１】ポリカーボネートフィルムを用いて製作され
たテーパ結合器に対する結合効率特性を示す線図であ
る。

【符号の説明】

１０ａ，１０ｂ 基板 １２ａ，１２ｂ 格子 １４ａ，１４ｂ 導波路フィルム １６ａ，１６ｂ 被覆媒体 １８ａ，１８ｂ 入射ビーム Θｉ 入射角 Θｐ 伝搬角 α テーパ角 Ｄｔ テーパ距離 ｔＦ フィルムの総体厚さ Ｚｏ テーパ長さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ムール・チャンド・グプタ アメリカ合衆国ニューヨーク州14580，ウ エブスター，ハイタワー・ウェイ 787

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 その上に形成された格子を有する基板
   と；および前記基板上に形成されかつ前記格子に重なる
   非線形部分を有する薄膜導波路フィルムと；を含むハイ
   ブリッド光導波路構造。
2. 【請求項２】 前記非線形部分がテーパプロフィルを有
   する請求項１のハイブリッド光導波路構造。
3. 【請求項３】 前記非線形部分が余弦プロフィルを有す
   る請求項１のハイブリッド光導波路構造。
4. 【請求項４】 前記非線形部分が指数関数プロフィルを
   有する請求項１のハイブリッド光導波路構造。
5. 【請求項５】 前記構造が線形端部部分および非線形端
   部部分を有し，前記格子が前記非線形端部部分上に配置
   されており；および前記導波路フィルムの前記非線形部
   分が，前記格子に重なりかつ前記構造の前記非線形端部
   部分付近で減少するプロフィルを形成する；請求項１の
   ハイブリッド光導波路構造。
6. 【請求項６】 前記構造が線形端部部分および非線形端
   部部分を有し，前記格子が前記非線形端部部分上に配置
   されており；および前記導波路フィルムの前記非線形部
   分が，前記格子に重なりかつ前記構造の前記非線形端部
   部分付近で増大するプロフィルを形成する；請求項１の
   ハイブリッド光導波路構造。
7. 【請求項７】 非線形導波路フィルム部分の角αが，導
   波路フィルムの非線形部分の格子および基板に対する上
   昇傾斜または下降傾斜の角度である請求項１のハイブリ
   ッド光導波路構造。
8. 【請求項８】 角αが，フィルムプロフィルが導波路フ
   ィルムの非線形部分の端部付近の格子領域において減少
   するとき正である請求項７のハイブリッド光導波路構
   造。
9. 【請求項９】 角αが，フィルムプロフィルが導波路フ
   ィルムの非線形部分の端部付近の格子領域において増大
   するとき負である請求項７のハイブリッド光導波路構
   造。
10. 【請求項１０】 基板法線に対し角Θｄで回折される回
    折ビームへの角αの影響が，回折ビームが導波路フィル
    ムの非線形部分のために伝搬角Θｄ＋αにて導波路フィ
    ルム面に入射することである請求項７のハイブリッド光
    導波路構造。
11. 【請求項１１】 回折ビームが導波路フィルム面から反
    射されまた反射ビームが基板法線に対し伝搬角Θｄ＋２
    αにて基板に入射する請求項１０のハイブリッド光導波
    路構造。
12. 【請求項１２】 導波路フィルム面から反射されるごと
    に伝搬角が２αだけ増加する請求項１１のハイブリッド
    光導波路構造。
13. 【請求項１３】 反射の最終の結果が２αｎの伝搬角の
    変動であり，ここでｎがフィルム面における反射回数で
    ある請求項１１のハイブリッド光導波路構造。
14. 【請求項１４】 導波路フィルムの非線形部分の長さＺ
    ｏが Ｚｏ＝ｔＦ／ｔａｎ（α） により規定されるαに関係し，ここでｔＦが導波路フィ
    ルム厚さである請求項７のハイブリッド光導波路構造。
15. 【請求項１５】 入射ビームが導波路フィルムと基板と
    の境界面において格子から回折され，回折ビームが導波
    路フィルムの非線形部分から内部全反射を受け；および
    非線形部分が，導波路フィルム内で回折されたビームの
    伝搬角を，非線形部分を離れたときに回折ビームが案内
    されるモードに対して正しい伝搬角で進行するように変
    化させる；請求項７のハイブリッド光導波路構造。
16. 【請求項１６】 導波路の非線形部分が，ビームを格子
    から回折させることにより，導波路フィルムからのはね
    返し回数だけ格子の角受取りを変化させ，ここではね返
    しごとに導波路フィルム内における伝搬角が変化させら
    れる請求項１５のハイブリッド光導波路構造。
17. 【請求項１７】 はね返しが入射角による伝搬角内の変
    化を補償する請求項１６のハイブリッド光導波路構造。
18. 【請求項１８】 導波路フィルムの非線形部分が，はね
    返しにより誘導された格子入射角の変動により格子角の
    受取りを変化させる請求項１６のハイブリッド光導波路
    構造。
19. 【請求項１９】 はね返しにより誘導された格子入射角
    の変動により格子の角受取りを変化させることが格子の
    角分散の値を低減させかつ入射角の変化による回折角の
    変化を減少させる請求項１８のハイブリッド光導波路構
    造。
20. 【請求項２０】 導波路フィルムが無機材料である請求
    項１のハイブリッド光導波路構造。
21. 【請求項２１】 導波路フィルムが硫化亜鉛である請求
    項１のハイブリッド光導波路構造。
22. 【請求項２２】 導波路フィルムが有機材料である請求
    項１のハイブリッド光導波路構造。
23. 【請求項２３】 導波路フィルムがポリカーボネートで
    ある請求項１のハイブリッド光導波路構造。