JPH05323139A

JPH05323139A - 光結合デバイス

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Publication number: JPH05323139A
Application number: JP4127578A
Authority: JP
Inventors: Osamu Mitomi; 修三冨; Kazuo Kasatani; 和生笠谷; Mitsuru Naganuma; 充永沼
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1992-05-20
Filing date: 1992-05-20
Publication date: 1993-12-07
Anticipated expiration: 2014-08-03
Also published as: JP2929481B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光機能デバイス間の低損失な光結合を実現で
きる光結合デバイスを提供する。【構成】光結合デバイスにおいて光導波路のコア部に
なる半導体層の大きさ、もしくは屈折率をテーパ状に形
成して、他の光機能デバイスと接続する端面部の光導波
路の規格化周波数を適当な大きさに設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光機能デバイスの光導
波路を伝わる光波のスポット径を他の光機能デバイスに
低損失で変換する光結合デバイスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】互いに構造の異なった光機能デバイス間
を光結合させる場合、例えば、半導体レーザダイオード
（ＬＤ）と単一モードファイバとの間を光結合させる場
合、レーザダイオード素子端面とファイバとを直接突き
合わせて結合（バットジョイント）させると、互いの光
導波路の光波スポットサイズが異なっているので、直接
突き合わる部分の結合損失が問題になる。通常、レーザ
ダイオードの光波スポットサイズ（モード半径：Ｗ）は
１μｍ程度であり、ファイバのスポットサイズは約５μ
ｍであるので、この結合損失は約１０ｄＢになる。そこ
で、レンズによってスポットサイズを変換することによ
って結合損失を低減化する方法が一般にとられる。

【０００３】ここで、複数のレーザダイオードを形成し
た光機能素子とアレーファイバとの間を、１個のレンズ
で光結合させる場合について、従来の光結合構成例を図
１に示す。図１において、８０４は半導体基板、８０５
はレーザダイオードの活性領域（光導波路部）、８１２
はレンズ、８０６は光ファイバ、８０７はファイバを一
定の間隔で固定するためのｖグループ・アレーである。
このような構成においては、レーザダイオードの集積規
模が大きくなるに従って、レンズの収差等の影響により
結合損失が大きくなるために、１個の半導体に集積でき
るレーザダイオードの個数に制限があった。

【０００４】また、図２、図３に示すような、テーパ状
の光導波路により光のスポットサイズを変換する光結合
デバイスを、レンズの代りとして用いることにより、レ
ーザダイオードとファイバ間を低損失に光結合させる方
法がある。図２は、このような従来の光結合デバイスの
上面図、図３は同デバイスの断面図である。

【０００５】図４は前記光結合デバイスの動作原理を説
明するための図である。すなわち、図４から分かるよう
に、光導波路のコア層９０８の屈折率Δｎ〔＝（ｎ₁ −
ｎ₂）／ｎ₁ 、ｎ₂ ：クラッド層９０１、９０９の屈折
率、ｎ₁ ：コア層９０８の屈折率〕を、一定の大きさに
固定した場合、コア層９０８の厚さｔ、幅ｗを０から次
第に大きくしていくと、導波光（基本モード光）のスポ
ットサイズＷは、無限大から次第に小さくなり、極小値
をとった後、再び大きくなる関係がある。ここで、厚さ
ｔ、幅ｗが大きくなり過ぎると、多モード導波路にな
り、高次モード変換による損失が大きくなるために、通
常、この領域の寸法は用いられない。この関係を利用し
て、光結合デバイスのコア層９０８の大きさ（ｔ、ｗ）
の設計においては、光入射端側（レーザダイオードとの
結合側）では、レーザダイオード光のスポットサイズ
（約１μｍ）と同程度のスポットサイズＷ_i を与える寸
法（厚みｔ_i 、幅ｗ_i が数１００ｎｍ〜数μｍ）に、光
出射端側では、ファイバのスポットサイズ（約５μｍ）
と同程度の大きさＷ₀ を与える寸法（厚みｔ₀ 、幅ｗ₀
が数１０〜数１００ｎｍ）に設定される。また、コア層
９０８の大きさがテーパ状になる領域の長さＬは、放射
による損失を低減するために、約１００μｍから数ｍｍ
以上の長さに設定される。しかし、光出射端側の寸法ｔ
₀ 、ｗ₀ を小さくして、Ｗ₀ を大きくすると、図５に示
すように、光ファイバの導波光強度分布がほぼガウス分
布形状になっているのに対し、導波路の光強度分布は、
導波路の幅と屈折率差および伝搬光の波長によって決ま
る周知のパラメータである規格化周波数ｖが１より小さ
くなるために、指数関数形状になる。このため、形状の
不整合による結合損失が大きくなる欠点があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、異な
る２つの光機能素子、特に複数のデバイスを集積化した
光機能素子間を低損失で光結合することが可能な光結合
デバイスを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の光結合デバイス
では、光導波路のコア部になる半導体層の大きさ、もし
くは屈折率をテーパ状に形成する。

【０００８】

【作用】前記構成の光結合デバイスによれば、他の光機
能素子と接続する端面部の光導波路の規格化周波数を適
当な大きさに設定することができ、これにより、低損失
な光結合を実現可能となる。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例と原理
を詳細に説明する。

【００１０】（実施例１）図６（ａ），（ｂ）は、本発
明による光結合デバイスの実施例を示すものであり、ア
レーレーザダイオード素子とファイバとの間に、本発明
の光結合デバイスを挿入し、低損失に光結合をとる場合
の構成図である。

【００１１】図６の（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図で
あり、１０１は本発明にかかる光結合デバイスの半導体
基板、１０２はスポットサイズ変換導波路、１０３は反
射防止膜、１０４は半導体基板、１０５はレーザダイオ
ード活性層（光導波路部）、１０６は単一モード光ファ
イバ、１０７はｖグループ・アレーである。

【００１２】この構成では、光結合デバイスの光導波路
１０２によって、レーザダイオード１０４の光波スポッ
トサイズから次第に大きさを変換し、光出射端部におい
て適当なサイズに変換している。

【００１３】（実施例２）図７は、本発明の他の実施例
を示すもので、図６に示した光結合デバイスと半導体レ
ーザをモノリシックに集積化した構成の斜視図である。
図８ないし図１１は、本発明の原理を説明するためのグ
ラフである。

【００１４】図７において、２０１はＩｎＰよりなる半
導体基板であり、光導波路のクラッド部になる。２０
２、２０５は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡ
ｌＡｓ等からなるコア層であり、２０２の部分はスポッ
トサイズ変換部、２０５の部分は通常の半導体レーザと
同様の構造を有した発光部（活性層、半導体機能素子
部）である。２０９はＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＰ等よりな
るクラッド層であり、２１１は出射光である。テーパ部
のコア層２０２の幅ｗ、厚さｔは、レーザとの接続部で
は半導体機能素子のスポット形状と同様の大きさを与え
るｗ_i 、ｔ_i に設定される。そして、光出射部では、そ
こに接続される光機能デバイス（例えば、光ファイバ）
との結合損失が小さくなるｗ₀ 、ｔ₀ の大きさに設定さ
れる。コア層、クラッド層の屈折率の大きさは、それぞ
れｎ₁ 、ｎ₂ である。

【００１５】ｎ₁ 、ｎ₂ の大きさは、半導体材料を選ぶ
ことにより任意に設定できる。例えば、クラッド層にＩ
ｎＰを用いた場合、波長λ＝１. ５５μｍ帯の光に対し
ては、ｎ＝３. １６６である。また、ＩｎＧａＡｓＰの
屈折率は、その組成によって、約３. ２から３. ５程度
まで任意の大きさに設定できる。また、コア層として多
重量子井戸層を用い、井戸層、障壁層の材質、厚さを選
択することにより任意に屈折率を設定できる。さらに、
例えば、選択成長マスクやエピタキシャル選択成長技
術、あるいはフォトリソグラフィ技術等を用いることに
より、コア層２０２の屈折率ｎ₁ や導波路寸法（ｗ、
ｔ）の大きさをテーパ状に設定、製作することができ
る。

【００１６】このような構成において、光導波路の出射
部の大きさ（ｗ₀ 、ｔ₀ ）とコア層の屈折率ｎ₁ をパラ
メータにした場合において、光ファイバと直接結合させ
た時の結合損失の計算結果を図８に示す。ここでは、コ
ア形状を円形と仮定し、波長λ＝１. ５５μｍ、クラッ
ド層の屈折率ｎ₂ ＝３. １６６とした。図から分かるよ
うに、コア層の屈折率ｎ₁ の大きさに対して、低損失な
特性を得るためには、最適なコア径ｄ_w の大きさがあ
り、１ｄＢ以下の良好な特性を実現可能なことが分か
る。これらの低結合損失特性を得ることができる導波路
の光スポット形状は、計算によると、前記図５に示した
ような指数関数状になっているが、そのスポット径は光
ファイバのスポット径とは異なった大きさになってい
る。

【００１７】これらの導波路において、その規格化周波
数（規格化導波路幅）ｖ〔＝ｋ・ｎ₁ ・ｄ_w ・（２Δ）
^1/2 ／２、ｋ＝２π／λ、Δ＝（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）／２
ｎ₁ ²〕と、ファイバとの結合損失の関係、およびパラメ
ータｖと規格化等価屈折率ｂ〔＝（ｎ² −ｎ₂ ²）／（ｎ
₁ ²−ｎ₂ ²）、ｎ：導波路の等価屈折率〕との関係の計算
結果を図９、図１０に示す。

【００１８】図９より、規格化周波数ｖの大きさを０.
７〜０. ８程度にした時、低結合損失の特性を得られ、
ｎ₁ が小さくなる程、最適な規格化周波数ｖの大きさは
やや大きくなり、しかも低損失特性を得るための規格化
周波数ｖの製作許容偏差量も緩くなる傾向があることが
分かる。実用上、上記規格化周波数ｖは、０．６〜１．
０であれば、良好な結合特性が得られる。

【００１９】この時、規格化等価屈折率ｂの大きさとし
ては、図１０より、０. ００１〜０. ０１程度の大きさ
にすれば良いことが分かる。

【００２０】これらの結果より、光結合デバイスが光フ
ァイバと低損失に結合するには、互いの光スポット径を
合わせるのではなく、デバイスの導波路の規格化周波数
ｖを最適な値になるように、材質・構造を設計すれば良
いことが分かる。

【００２１】なお、通常、光デバイスに用いられる単一
モード半導体導波路や光ファイバは、光の閉じ込めを強
くするために、規格化周波数ｖが約２程度の構造になっ
ている。

【００２２】図８、図９では、クラッド層としてＩｎＰ
（ｎ₂ ＝３. １６６）を用いた場合について述べたが、
ｎ₂ が大きくなる程、低結合損失特性を与える最適な規
格化周波数ｖは小さい値になる傾向があることを計算よ
り確かめている。したがって、使用する材料・材質に合
わせて最適な規格化周波数ｖを設定すれば良い。

【００２３】以上の計算では、導波路形状が円形の場合
を示したが、通常、製作できる導波路は、図７に示すよ
うな方形、あるいは台形、三角形等の形状になる。この
ような場合、ｎ₁ 、ｎ₂ が等しい時、コアの断面積を同
じ大きさにすると、円形の場合と同様の特性が得られる
ことを有限要素法や差分法等の計算で確認できる。例え
ば、ｎ₁ ＝３. ３、ｎ₂ ＝３. １６６、ｗ₀ ＝０. ４μ
ｍ、ｔ₀ ＝０. ３μｍの方形の場合について計算した導
波路の光強度分布を、図１１に示す。この場合、円形の
導波路（ｄ_w ≒０. ４μｍ）の特性と同じになり、光フ
ァイバと低損失な光結合ができる。

【００２４】図７の実施例において、半導体基板２０１
とクラッド層２０９にＩｎＰを用いるとともに、コア層
２０２にＩｎＧａＡｓＰ（ｎ₁ ＝３. ３）を用い、レー
ザ部は通常のレーザダイオード構造（ｗ_i ＝２μｍ、ｔ
_i ＝０. ３μｍ）とし、テーパ導波路の出射部では、ｗ
₀ ＝０. ４μｍ、ｔ₀ ＝０. ３μｍとした場合の実験結
果を、図１２および図１３に示す。図１２の（ａ），
（ｂ），（ｃ）は、導波路２０２からの出射光２１１の
近視野像であり、スポット径は約１０μｍ程度の大きさ
になっていることが分かる。

【００２５】また、図１３は、出射光２１１を光ファイ
バと結合させた時、光ファイバの光軸と垂直方向の軸ず
れ許容特性を示す。図から、実験結果は計算とよく一致
しており、ほぼファイバ同士の許容特性と同様の結果が
得られている。この時の光結合デバイスの全挿入損失
（テーパ導波路の伝搬損失、ファイバとの結合損失を含
む）は、３ｄＢ以下の低損失な特性を得ることができ
た。

【００２６】以上の説明では、ＩｎＰ基板上にスポット
サイズ変換用導波層を形成する場合について説明した
が、他の半導体材料、例えば、ＧａＡｓ系に対しても同
様に製作できることは明らかである。

【００２７】また、光導波路材料として半導体材料を中
心に説明したが、ポリマー等の有機材料や石英等のガラ
ス材料を、光導波路材料として用いても、本発明を適用
できることは言うまでもない。

【００２８】また、以上の説明では、光導波路のクラッ
ド部になる基板材料とクラッド層の材質を同じにした場
合について説明したが、これらに異なった材料を組み合
せて非対称構造の導波路構成にしても、上記実施例と同
様の原理を利用できる。

【００２９】さらに、以上の説明では、光ファイバを接
続する場合について説明したが、この他に、他の半導体
光導波路部品、あるいはガラス導波路部品など、あらゆ
る光導波路部品との接続部に対しても、それら導波路の
光強度分布に合わせるように、本発明による光結合デバ
イス導波路の規格化周波数の大きさを設定すれば、低結
合損失の特性を実現できることも明らかである。

【００３０】本発明の光結合デバイスは、半導体材料よ
り構成されるので、例えば、半導体レーザやレーザダイ
オードアンプ、光スイッチ等の光機能素子の光入出射端
部に、本発明の光結合デバイスを同一基板上にモノリシ
ックに集積化した光デバイスを実現することも可能であ
る。この場合、半導体基板上に、光機能素子導波路を形
成する時に、本発明の光結合用導波路を同時に形成する
か、あるいは光機能素子部を形成した後、互いの導波路
を直接突き合わせるように光結合用テーパ導波路を形成
しても良い。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、光導
波路のコア部の大きさ、もしくは屈折率をテーパ状に形
成し、他の光機能素子と接続する端面部の光導波路の規
格化周波数を適当な大きさに設定することにより、低損
失な光結合を可能としている。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の光結合方法を示した平面構成図である。

【図２】従来の光結合デバイスの平面構成図である。

【図３】従来の光結合デバイスの側断面図である。

【図４】従来の光結合デバイスにおけるコアの大きさと
スポットサイズとの関係を示すグラフである。

【図５】従来の光結合デバイスの動作原理を示したグラ
フである。

【図６】本発明の一実施例を示すもので、（ａ）は本発
明の光結合デバイスの上面図であり、（ｂ）は同断面図
である。

【図７】本発明の他の実施例を示すもので、本発明の光
結合デバイスの斜視図である。

【図８】本発明の光結合デバイスの動作原理を説明する
ためのもので、テーパ導波路の出射端部の構造と光ファ
イバ結合損失との関係を示したグラフである。

【図９】本発明の光結合デバイスの動作原理を説明する
ためのもので、導波路の規格化周波数と、光ファイバの
結合損失との関係を示したグラフである。

【図１０】本発明の光結合デバイスの動作原理を説明す
るためのもので、導波路の規格化周波数と、光ファイバ
の規格化等価屈折率との関係を示したグラフである。

【図１１】方形導波路の光強度分布を示したグラフであ
る。

【図１２】本発明の光結合デバイスの光強度特性を示す
もので、（ａ）は光強度等高線を示すグラフであり、
（ｂ）は（ａ）図の線１に沿う光強度分布を示すグラフ
であり、（ｃ）は（ａ）図の線２に沿う光強度分布を示
すグラフである。

【図１３】本発明の光結合デバイスにおける軸ずれ量に
対する結合損失変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１０１半導体基板１０２スポットサイズ変換導波路１０３反射防止膜１０４半導体基板１０５レーザダイオード活性層１０６光ファイバ１０７ｖグループ・アレー２０１半導体基板２０２スポットサイズ変換導波路２０９クラッド層２１１出射光８０４半導体基板８０６光ファイバ８０７ｖグループ・アレー８１２レンズ９０１半導体基板９０８コア層９０９クラッド層９１０入射光９１１出射光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに異なった構造の光機能デバイスを
低損失で光結合する光結合デバイスであって、基板上に少なくとも一本の光導波路が形成され、該光導
波路を構成する光導波層が少なくともその大きさまたは
屈折率をその光伝搬方向に沿って変化され、これにより
該光導波層の接続端部の規格化周波数が低光結合損失を
もたらす値に設定されていることを特徴とする光結合デ
バイス。
【請求項２】接続する一方の光機能デバイスが光ファ
イバであり、該光ファイバ側の前記光導波層の接続端部
の規格化周波数の大きさが０. ６から１. ０の範囲に設
定されていることを特徴とする請求項１に記載の光結合
デバイス。