JPH06174982A - 光結合デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 異なる２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結合することがで
きる小形の光結合デバイスを提供すること。 【構成】 半導体基板131上に、光の伝搬方向に沿って
テーパ形状に形成された第１のコア層132の上に、光の
伝搬方向に沿ってテーパ形状に形成された第２のコア層
133を形成し、かつ第２のコア層133の光の伝搬方向の長
さを第１のコア層132の長さよりも短く形成する。これ
により、コア層を伝搬する光のスポットサイズは、コア
層の大きさの変化に伴って変化すると共に、コア層にお
ける光の閉じ込め状態はこれらの相対的な大きさに基づ
いて変化され、この相対的な大きさを所定値に設定する
ことによりコア層における損失が低減される。 【効果】 低損失な光結合特性を小形に構成することが
でき、デバイスの高集積化を実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

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

【０００２】

【従来の技術】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際、レーザダイオ
ード素子端面とファイバを直接突合せ結合（バットジョ
イント）させた場合、互いの光導波路光波スポットサイ
ズが異なっているために、直接突合せ部の結合損失が問
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５μｍ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
が一般にとられている。

【０００３】複数のレーザダイオード（ＬＤ）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、従来の結合における構成
例を図２に示す。図において、２１は光機能素子で、半
導体基板211上にレーザダイオードの活性領域（光導波
路部）212を形成することにより複数のレーザダイオー
ドが形成されている。２２はレンズ、２３はアレーファ
イバで、ファイバ231、及びファイバ231を一定間隔で固
定するためのＶ−グルーブアレー232からなる。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２２の収差等の影響により結
合損失が大きくなるために、１個の半導体基板211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】この様な、レーザダイオードとファイバ間
の結合損失を低減させる方法として、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２２の代わりとして用
いて、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。

【０００５】図３の(a) は、光結合デバイスの平面断面
図、(b) は側面断面図である。図において、３１、３２
はクラッド層、３３はコア層である。また、図４はコア
層の大きさとスポットサイズの関係を示す図であり、横
軸はコア層３３の大きさ（厚さｔ，幅ｗ）、また縦軸は
スポットサイズをそれぞれ表し、特性曲線における実線
部分は単一モード領域を、また破線部分は多モード領域
をそれぞれ表している。この様な構成において、図４に
示すように、次式で表される光導波路のコア層３３の屈
折率差Δｎを一定の大きさに固定した場合、 Δｎ＝（ｎ2 −ｎ1 ）／ｎ1 （ｎ1 ：クラッド層３１，３２の屈折率、ｎ2 ：コア層
３２の屈折率） コア層３３の厚さｔ及び幅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、無限の大きさ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、コア層３３
の厚さｔ、或は幅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３３の大きさ（厚さ
ｔ，幅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、レーザダイオードの光のスポ
ットサイズ（約１μｍ）と同程度のスポットサイズＷi
を与える寸法ｗi ，ti（＝数１００ｎｍ〜数μｍ）に、
また光出射端側では、ファイバのスポットサイズ（約５
μｍ）と同程度大きさＷo を与える寸法ｔo ，ｗo （＝
数１０〜数１００ｎｍ）にそれぞれ設定される（具体的
設計例については、例えば1992年電子情報通信学会秋季
全国大会誌，C-201,1992を参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来の光結合デバイスにおいては、コア層３３の大き
さがテーパ状になる領域の長さＬは、放射損失を低減す
るために必要な長さに設定されるが、例えば放射損失を
０．１ｄＢ以下に抑えるには約１ｎｍ以上の長さを必要
とする。このため、デバイスの大きさが大きくなる等の
デバイスの高集積化に伴う問題を有していた。

【０００７】本発明の目的は上記の問題点に鑑み、異な
る２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結合することができる小形の光結
合デバイスを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、半導体基板上に形成された光導波層が光の
伝搬方向に沿ってその大きさを徐々に変化させた構造を
有する光結合デバイスにおいて、前記光導波層の上に、
光の伝搬方向に沿ってその大きさを徐々に変化させた第
２の光導波層を有し、かつ該第２の光導波層の光の伝搬
方向の長さが、前記光導波層の長さよりも短く形成され
ている光結合デバイスを提案する。

【０００９】

【作用】本発明によれば、半導体基板上に形成され、光
の伝搬方向に沿ってその大きさが徐々に変化する光導波
層、例えばテーパ形状に形成された光導波層の上に、光
の伝搬方向に沿ってその大きさが徐々に変化する第２の
光導波層、例えば前記光導波層と同様にテーパ形状に形
成された第２の光導波層が設けられ、かつ該第２の光導
波層の光の伝搬方向の長さは前記光導波層の長さよりも
短く形成される。これにより、前記光導波層及び第２の
光導波層を伝搬する光のスポットサイズは、前記光導波
層及び第２の光導波層の大きさの変化に伴って変化する
と共に、前記光導波層及び第２の光導波層における光の
閉じ込め状態は前記光導波層に対する第２の光導波層の
相対的な大きさに基づいて変化され、この相対的な大き
さを所定値に設定することにより前記光導波層及び第２
の光導波層における損失が低減される。

【００１０】

【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。図１は本発明の第１の実施例におけ
る結合例を示す構成図、図５は第１の実施例の光結合デ
バイスを示す構成図、図６は本発明の原理を説明するた
めの図である。

【００１１】図１の(a)(b)は、アレーレーザダイオード
素子１１とアレーファイバ１２の間に、本発明の光結合
デバイス１３を挿入して低損失に光結合をとる場合の構
成図である。図１の(a) は上面図、(b) は概略側面断面
図である。アレーレーザダイオード素子１１は、半導体
基板111上にレーザダイオードの活性領域（光導波路
部）112を形成することにより構成され、アレーファイ
バ１２はファイバ121と、ファイバ121を一定間隔で固定
するためのＶ−グルーブアレー122によって構成されて
いる。

【００１２】また、光結合デバイス１３は、半導体基板
131、半導体基板131上に形成された第１のコア層132、
第１のコア層132上に形成された第２のコア層133、これ
らの上面を覆うクラッド層134、及び前後端のそれぞれ
に形成された反射防止膜135によって構成されている。
この構成では、光結合デバイス１３の第１及び第２のコ
ア層132,133 によってレーザダイオードの光波スポット
サイズから次第に大きさを変換し、光出射端部において
光波スポットサイズを所定のサイズに変換している。

【００１３】即ち、図５の(a) は第１の実施例の光結合
デバイス１３の要部を示す上面図、(b) はその中心部の
側面断面図であり、半導体基板131 は例えばInP 等で構
成され、屈折率ｎ1 を有する。また、第１のコア層132
はスポットサイズ変換用導波路をなし、例えばInGaAsP
によって形成され、第２のコア層133 は例えばInGaAs或
はInGaAsPによって形成される。また、半導体クラッド
層134 は例えばInP によって形成される。これら半導体
基板131 、第１及び第２のコア層132,133 及びクラッド
層134 の屈折率の大きさは、それぞれｎ1 、ｎ2 、ｎ3
、ｎ4 であり、ｎ1 ，ｎ4 ＜ｎ2 ，ｎ3 の関係に設定
されている。１５はレーザダイオードからの入射光の進
行方向、１６は単一モード光ファイバ側の拡大された出
射光の進行方向である。

【００１４】図中の一端側領域Ａの光導波路部ではレー
ザダイオードの光波スポットサイズとほぼ同じ大きさの
モードサイズを有しており、他端側領域Ｃではファイバ
と直接光結合させた場合に低損失な結合特性を得る拡大
されたモードサイズになるように、コア層132、133の寸
法（幅ｗ，厚さｔ）と屈折率ｎの大きさがそれぞれ設定
されている。中間の領域Ｂではコア層132の幅ｗがテー
パ状に形成されており、第１のコア層132 のテーパ長さ
はＬ1 である。第２のコア層133 のテーパー部は第１の
コア層132のテーパ部の途中まで形成されており、その
長さはＬ2 に設定される。

【００１５】以下、本発明の原理を説明する。図３(a)
，(b) に示す従来のスポットサイズ変換用テーパ導波
路においては、図４から分かるように、そのコア寸法
（厚さｔ，幅ｗ）を小さくすると、スポットサイズは厚
さｔ，幅ｗが小さくなるに従って急激に大きくなる傾向
がある。従って、テーパ長さを固定した場合、テーパ部
の放射損失を小さくするには、導波路（コア層）が閉じ
込めの強い（スポットサイズが比較的小さい、あるいは
コア寸法が比較的大きい）状態では相対的に速やかにコ
ア寸法を変化させ、閉じ込めの弱い（スポットサイズが
比較的大きい）状態では相対的に緩やかに変化させれば
良い。この事から、図５に示す第１の実施例では第２の
コア層133 のテーパ長さＬ2 を全テーパ長さＬ1 より短
くすることによって、閉じ込めの強い領域Ａ付近で実効
的なコア寸法を相対的に速やかに変化させることによ
り、テーパ部の放射損失を小さくしている。

【００１６】図６は、本発明の効果を確認するために、
図中に示す２次元導波路（スラブ導波路）モデルに対し
て、テーパに起因する放射モード電力の、テーパ部の長
さＬ1 に対する依存性を固有モード結合法（電子情報通
信学会論文誌vol.J63-C,NO.2,pp.104-111,1980参照）に
より計算した一例を示す。ここでは、テーパ長さの比Ｌ
2 ／Ｌ1 をパラメータにしており、この比を１、3/4、1
/2、1/3としたときの特性を示している。さらに、参考
として従来の単層コアタイプの計算例も合わせて示し
た。

【００１７】計算で使用したパラメータは、通常の半導
体レーザ（波長λ＝１．５５μｍ帯）を考慮して、第１
のコア層132は屈折率ｎ2 ＝３．３，一端側の幅ｗ11＝
０．１２μｍ，他端側の幅ｗ13＝０．０５μｍに設定
し、第２のコア層133は屈折率ｎ3 ＝３．４５，一端側
の幅ｗ21＝０．１μｍに、また半導体基板131 及びクラ
ッド層134 は屈折率ｎ3 ＝ｎ4 ＝３．１７（InP)にそれ
ぞれ設定した。尚、図中の放射損失特性は、実際の３次
元テーパ導波路の場合の概算値である。図から分かるよ
うに、本発明によると、テーパ長さＬ1 を従来と同程度
にすると放射損失を小さくできる。一方、放射損失を例
えば０．１ｄＢとすると、テーパ長さＬ1を従来の約
１．５ｍｍから０．７ｍｍ以下にでき、コンパクトな光
結合デバイスが実現できることが分かる。

【００１８】図７は本発明による光結合デバイスの第２
の実施例の要部を示す構成図であり、図７(a) は上面
図、(b) は中心部の側面断面図である。図において、70
1は半導体基板、702は第１のコア層、703は第２のコア
層、704はクラッド層、である。第２の実施例では、第
１及び第２のコア層702，703の厚さｔをテーパ状にして
スポットサイズを変換しており、これによっても第１の
実施例と同様の効果を得ることができる。

【００１９】本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、一端側の領域Ａもしくは他端側の領
域Ｃに半導体レーザやＬＤアンプ、光スイッチ等の光機
能素子を形成し、本結合デバイスを同一基板上にモノリ
シック集積化した光デバイスを実現する事も可能であ
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、本光結合用導波路を同時に形成したり、或
は光機能素子部を形成した後、互いの導波路を直接突合
わせるように光結合用テーパ導波路を形成しても良い。
また、図５及び図７に示す領域Ａ，Ｂにおいて、第２の
コア層133,703をレーザダイオード（ＬＤ）の活性層と
し、第１のコア層132,702をレーザダイオード（ＬＤ）
のガイド層として構成しても良い。

【００２０】図８は本発明による光結合デバイスの第３
の実施例の要部を示す構成図で、レーザダイオードとス
ポットサイズ変換部をモノリシック集積化した例であ
り、図８(a) は上面図、(b) は中心部の側面断面図であ
る。図において、801は半導体基板、802は第１のコア
層、803は第２のコア層、804はクラッド層、である。第
３の実施例では、一端側の領域Ａ及び中間領域Ｂの第２
コア層803をＬＤ活性層とし、一端側領域Ａの第１のコ
ア層802の幅を広く形成することによって、レーザ部の
導波路伝搬損失を低減し、高性能なＬＤ特性を実現する
ことができた。

【００２１】以上説明した第１乃至第３の実施例におい
ては、第１及び第２のコア層の屈折率ｎ2 ，ｎ3 の大き
さは半導体材料を選ぶ事により任意に設定できる。例え
ば、波長λ＝１．５５μｍ帯の光に対して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事により、導
波路の屈折率ｎ2 ，ｎ3 や寸法ｗ，ｔの大きさをテーパ
状に設定・製作することができる。

【００２２】また、第１乃至第３の実施例では、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系や、あ
るいはSiO2等のガラス導波路に対しても同様の効果を得
ることができる。

【００２３】さらに、第１乃至第３の実施例では、光導
波路のクラッド部になる半導体基板の材料とクラッド層
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わせて非対象構造の導波路を構成
しても良いし、第１のコア層及び第２のコア層の数を複
数として構成したり、或は第１及び第２のコア層を同一
材質にしてテーパ部領域Ｂの途中でその厚さｔもしくは
幅ｗを変えて、その形状を図５、図７、図８に示す第１
乃至第３の実施例の形状と同じにしても良い。また、コ
ア層のテーパ形状として、直線状だけでなく、指数関数
或は放物線等の曲線形状にしても本発明の効果を得る事
ができる。

【００２４】さらにまた、第１乃至第３の実施例では、
レーザダイオードと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寸法、屈折
率の大きさを設定すれば、低結合損失の特性を実現でき
る事は明白である。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
導波層及び第２の光導波層を伝搬する光のスポットサイ
ズは、前記光導波層及び第２の光導波層の大きさの変化
に伴って変化すると共に、前記光導波層及び第２の光導
波層における光の閉じ込め状態は前記光導波層に対する
第２の光導波層の相対的な大きさに基づいて変化され、
この相対的な大きさを所定値に設定することにより前記
光導波層及び第２の光導波層における損失が低減される
ので、低損失な光結合特性を小形に構成することがで
き、デバイスの高集積化を実現することができるという
非常に優れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光結合デバイスの第１の実施例に
おける結合例を示す構成図

【図２】従来の光結合方法を示す構成図

【図３】従来の光結合デバイスの一例を示す構成図

【図４】従来の光結合デバイスの動作原理を説明する図

【図５】本発明による光結合デバイスの第１の実施例の
要部を示す構成図

【図６】第１の実施例の動作原理を説明するためのテー
パ導波路の長さと放射損失との関係を示す図

【図７】本発明による光結合デバイスの第２の実施例の
要部を示す構成図

【図８】本発明による光結合デバイスの第３の実施例の
要部を示す構成図

【符号の説明】

１１…アレーレーザダイオード素子、111…半導体基
板、112…活性領域、１２…アレーファイバ、121…ファ
イバ、122…Ｖ−グルーブアレー、１３…光結合デバイ
ス、131，701，801…半導体基板、132，702，802…第１
のコア層、133，703，803…第２のコア層、134，704，8
04…クラッド層、135 …反射防止膜、１５，…入射光進
行方向、１６，…出射光進行方向。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に形成された光導波層が光
   の伝搬方向に沿ってその大きさを徐々に変化させた構造
   を有する光結合デバイスにおいて、 前記光導波層の上に、光の伝搬方向に沿ってその大きさ
   を徐々に変化させた第２の光導波層を有し、かつ該第２
   の光導波層の光の伝搬方向の長さが、前記光導波層の長
   さよりも短く形成されている、 ことを特徴とする光結合デバイス。