JPH06281824A - 光信号入出力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】少ない数のグレーティング結合器を用いて多数
の光信号の入出力を可能とし、光平面回路の作製誤差お
よび組立誤差に対する許容度を緩和できる光信号入出力
装置を提供することを目的とする。 【構成】基板１０と、基板１０上に配置された輪帯形状
の導波型グレーティング結合器１１と、導波型グレーテ
ィング結合器１１の動径方向に沿って基板１０上に放射
状に配置され、他の光回路との間で導波信号光を入出力
するための複数の三次元光導波路１２と、導波型グレー
ティング結合器１１の輪帯中心部に配置された光吸収体
１３とを有し、三次元光導波路１２に入力された導波信
号光を導波型グレーティング結合器１１によって空間伝
搬光として出力し、導波型グレーティング結合器１１に
空間を隔てて対向する他のグレーティング結合器からの
空間伝搬光を導波信号光として三次元導波路１２に導く
光信号入出力装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光信号入出力装置に係
り、特に光集積回路（ＯＩＣ）や光電子集積回路（ＯＥ
ＩＣ）によって構成される次世代の光信号処理装置や光
情報処理機器において、異なる光平面回路間や光平面回
路と他の光学素子との間の光信号の入出力を空間伝搬光
を用いて行う光信号入出力装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、光平面回路の表面より光信号
を取り出すための素子の一つとして、グレーティング結
合器の研究が行われてきている。グレーティング結合器
を用いて複数の光平面回路間で光信号を入出力するため
の装置としては、例えば特開昭61-144609 号公報に記載
された光結合装置がある。

【０００３】この公知例の光結合装置では、光平面回路
上の３次元光導波路に入力された導波信号光を３次元光
導波路の端部に設けられた直線グレーティングからなる
グレーティング結合器によって空気側または基板側への
空間伝搬光として取り出す。そして、取り出された空間
伝搬光を他の光平面回路の基板上または同一基板の裏面
に設けられた同様のグレーティング結合器によって他の
光平面回路上に導波信号光として結合させる。このよう
にして、異なる光平面回路間での光信号の交換を可能と
している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の技術で
は、光信号の入出力を行う複数の光平面回路が大面積化
したり、あるいは複数チャネルの光信号の入出力を行う
ために光平面回路上に複数のグレーティング結合器を作
製する場合には、異なる光平面回路上のグレーティング
結合器間の相対位置関係を正しく保つ上で、グレーティ
ング結合器を含めた光平面回路の作製誤差および組立誤
差に対する許容度が著しく厳しいものとなる。さらに、
一つの光平面回路上に複数のグレーティング結合器を配
置することは多くの工程を必要とし、コスト高の大きな
要因となる。

【０００５】本発明は、このような従来技術の問題点を
解消するためになされたもので、少ない数のグレーティ
ング結合器を用いて複数チャネルの光信号の入出力を可
能として、光平面回路の作製誤差および組立誤差に対す
る許容度を緩和できる光信号入出力装置を提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明の光信号入出力装置は、基板と、この基板上
に配置された輪帯形状の導波型グレーティング結合器
と、この導波型グレーティング結合器の動径方向に沿っ
て基板上に放射状に配置され、光平面回路上の他の光回
路との間で導波信号光を入出力するための複数の三次元
光導波路と、導波型グレーティング結合器の輪帯中心部
に配置された光吸収体とを具備し、三次元光導波路に入
力された他の光回路からの導波信号光を導波型グレーテ
ィング結合器によって空間伝搬光として出力し、また該
導波型グレーティング結合器に空間を隔てて対向する他
のグレーティング結合器からの空間伝搬光を導波信号光
として三次元導波路に導くようにしたことを特徴とす
る。

【０００７】本発明の好ましい実施態様として、光平面
回路を上記構成の光信号入出力装置を搭載した光平面回
路とその他の光信号処理回路を搭載した光平面回路とに
分割し、これらを共通の回路ベース上にマウントすると
共に、光平面回路の裏面と回路ベースの表面に設けた凸
部と凹部の係合によって位置合わせするようにしてもよ
い。

【０００８】また、上記構成の光信号入出力装置におい
て、導波型グレーティング結合器または三次元光導波路
の層を三次非線形光学定数の十分大きな材料、すなわち
光カー効果の大きな材料により作製することで、入力導
波信号光の強度に応じて光カー効果を介して導波型グレ
ーティング結合器または三次元光導波路の層の屈折率を
変化させて、導波型グレーティング結合器における導波
信号光から空間伝搬光への結合効率を変化させることに
よって、光平面回路から自由空間への出力信号光強度を
変調したり、あるいはスイッチングするようにしてもよ
い。

【０００９】さらに、上記構成の光信号入出力装置にお
いて、導波型グレーティング結合器または三次元光導波
路の層を一次電気光学係数の十分に大きな材料、すなわ
ちポッケルス効果の大きな材料により作製すると共に、
導波型グレーティング結合器および三次元光導波路の層
を挟んで設けた電極間に適当な電圧を印加することによ
って、ポッケルス効果を介して導波型グレーティング結
合器または三次元光導波路の層の屈折率を変化させて、
光回路から自由空間への出力信号光の光強度を変調した
り、出力信号光をスイッチングするような機能を持たせ
ることも可能である。

【００１０】

【作用】上記構成の光信号入出力装置では、周囲の光回
路からの導波信号光が三次元光導波路に入力され、導波
型グレーティング結合器によって空間伝搬光となる。こ
の空間伝搬光は、導波型グレーティング結合器に空間を
隔てて対向する他の同様の構成の導波型グレーティング
結合器によって導波信号光に戻され、そのグレーティン
グ結合器に結合された他の三次元光導波路に導かれる。
このとき、三次元光導波路に入力された導波信号光のう
ち光空間伝搬光に結合できなかった光エネルギーは、導
波型グレーティング結合器の輪帯中心部に設けられた光
吸収体によって吸収されるので、三次元光導波路からの
漏れ光が他の三次元光導波路に結合して他の光回路に伝
搬することによるクロストークが発生することはない。

【００１１】一方、光信号入出力装置の導波型グレーテ
ィング結合器に空間を隔てて対向する他の導波型グレー
ティング結合器からの空間伝搬光は、光信号入出力装置
の導波型グレーティング結合器により導波信号光となっ
て、三次元導波路から出力される。この場合において
も、光吸収体の作用によってクロストークの発生は防止
される。

【００１２】このように本発明の光信号入出力装置は、
一つの輪帯形状の導波型グレーティング結合器を用いて
複数チャネルの光信号の入出力が可能となる。従って、
光信号の入出力を行う複数の光平面回路が大面積化した
り、複数の光信号の入出力を行う場合でも、光平面回路
の作製誤差および組立誤差に対する許容度が厳しくなる
ことはなく、導波型グレーティング結合器が少なくて済
み、工程数が減少することと相まって製造コストが大幅
に低減される。

【００１３】また、組立調整の許容度が高いことによ
り、光信号の入出力端の部分のみが正確に位置決めされ
ていれば、上述のように光平面回路を光信号入出力装置
およびその他の光信号処理回路をそれぞれ搭載した光平
面回路に分割し、これらを共通の回路ベース上で光平面
回路の裏面と回路ベースの表面に設けた凸部と凹部の係
合によって位置合わせして実装することにより、表面で
光信号の入出力を行う大面積の光平面回路を容易に実現
することができる。

【００１４】さらに、導波型グレーティング結合器また
は三次元光導波路に三次非線形光学材料または一次電気
光学材料を用い、入力光信号の強度変化による光カー効
果や電圧印加によるポッケルス効果を利用して、導波型
グレーティング結合器または三次元光導波路の屈折率を
変えることで、導波信号光から空間伝搬光への結合効率
を変化させることが可能となり、光信号入出力装置に光
強度変調器や光スイッチの機能を持たせることも可能と
なる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【００１６】（第１の実施例）図１（ａ）（ｂ）は、本
発明の第１の実施例に係る光信号入出力装置の構成を示
す斜視図とＡ−Ａ矢視断面図である。同図において、基
板１０は例えば石英ガラスやＳｉＯ₂ 装荷のシリコンに
より作製され、この例では正八角形状に形成されてい
る。この基板１０の中央部に、例えば窒化シリコン（Ｓ
ｉ₃ Ｎ₄ ）からなる輪帯形状の導波型グレーティング結
合器１１が配置されている。なお、導波型グレーティン
グ結合器１１は基板１０上の導波路層に装荷された、例
えばＳｉ₃Ｎ₄ の層をエッチングすることによって輪帯
形状に加工して形成される。

【００１７】また、導波型グレーティング結合器１１の
下部に位置して、回路基板１０に埋め込まれる形でグレ
ーティング結合器１１の動径方向に沿って放射状に、例
えばＧｅ，ＴｉをドープしたＳｉＯ₂ からなる複数（こ
の例では８本）の三次元光導波路１２が設けられてい
る。三次元光導波路１２は、基板１０の各辺に位置する
一端が光信号入出力端となっており、この光信号入出力
端に他の光回路からの光信号を入力したり、逆に光信号
入出力端から光信号を他の光回路へ出力するように構成
されている。そして、グレーティング結合器１１の輪帯
中心部に位置して光吸収体１３が基板１０に埋め込み形
成されている。

【００１８】次に、本実施例の光信号入出力装置の動作
を説明する。

【００１９】図１の光信号入出力装置の周囲には、図示
しない他の光平面回路が配置されており、それらの光平
面回路からの導波信号光が三次元光導波路１２に光信号
入出力端より入力される。三次元光導波路１２に入力さ
れた導波信号光は、導波型グレーティング結合器１１に
よって空間伝搬光１４として回路基板１０の表面に直角
な方向に放射される。放射された空間伝搬光１４は、導
波型グレーティング結合器１１に空間を隔てて対向する
同様の構成の他の導波型グレーティング結合器（図示せ
ず）に結合され、その導波型グレーティング結合器に結
合された三次元光導波路の光信号入出力端から、導波信
号光として他の光平面回路へ出力される。

【００２０】ここで、導波型グレーティング結合器１１
に入力された導波信号光のうち、空間伝搬光１４に結合
されなかった光エネルギーは、導波型グレーティング結
合器１１の輪帯中心部に設けられた光吸収体１３で吸収
される。これによって、三次元光導波路１２からの漏れ
光が近傍の三次元光導波路１２に結合して他の光回路に
伝搬する、いわゆるクロストークの発生を極力抑えるこ
とができる。

【００２１】このように構成された光信号入出力装置で
は、三次元光導波路１２が動径方向に沿って放射状に多
数配置されるため、一つの光信号入出力装置で複数チャ
ネルの導波信号光入出力を処理することが可能である。
従って、導波型グレーティング結合器１１の数を少なく
でき、大面積の光平面回路あるいは複数の光信号入出力
を持つ光平面回路の作製誤差および組立誤差に対する許
容度を高くすることができる。

【００２２】（第２の実施例）図２は、本発明の第２の
実施例として図１の光信号入出力装置を大規模光回路に
適用した実施例を示す図である。本実施例においては、
回路ベース２０上に図１の構成の光信号入出力装置を搭
載した光平面回路２１と、光信号処理回路を搭載した光
平面回路２２がマウントされる。回路ベース２０の表面
には、断面形状が三角形の案内用凸部２３が縦横に形成
されている。一方、光平面回路２１，２２の裏面には、
回路ベース２０上の案内用凸部２３に合致する形状の凹
部、すなわち案内用Ｖ字溝２４が化学エッチングなどの
手法により形成されている。

【００２３】大規模光平面回路を組み立てる際には、ま
ず回路ベース２０上に光信号入出力装置を有する光平面
回路２１を精密にマウントし、その後、信号処理回路を
有する光平面回路２２をマウントする。その際、回路ベ
ース２０上の案内用凸部２３に光平面回路２１，２２の
裏面の案内用Ｖ字溝２４を係合させることにより、光平
面回路２１と光平面回路２２間の位置合わせが正確に行
われる。すなわち、光平面回路２１における三次元光導
波路の光信号入出力端と、光平面回路２２における三次
元光導波路の光信号入出力端とが正対するように配置さ
れる。

【００２４】前述したように、第１の実施例の光信号入
出力装置は導波信号光を空間伝搬光に変換するための導
波型グレーティング結合器の数を非常に少なくできるか
ら、光信号入出力チャネル数が多くなったり、回路面積
が大きくなったりしても、組立調整の許容度は高い。従
って、第２の実施例のように光平面回路全体を第１の実
施例で説明した光信号入出力装置のみを搭載した光平面
回路２１と、その他の光信号処理回路を搭載した光平面
回路２２とに分割し、回路ベース２０上に前者の光平面
回路２１を精密にマウントしてから、後者の光平面回路
２２をマウントするようにすれば、作製する個々の光平
面回路２１，２２のサイズを小さくすることができる。

【００２５】光平面回路の製造装置群の規模や歩留まり
の点から、一枚の大規模光平面回路を作製するよりも、
本実施例のように小型の光平面回路を多数作製する方が
コストは低く抑えられる。また、このようにして作製さ
れた光平面回路の一部は汎用光平面回路として他の大規
模光平面回路に転用することも可能である。

【００２６】（第３の実施例）第１の実施例と同様の構
成において、導波型グレーティング結合器１１または三
次元光導波路１２の層を三次非線形定数の十分に大きな
材料、すなわち光カー効果の大きな材料により作製する
と、入力の光信号強度に応じて光カー効果を介して導波
型グレーティング結合器１１または三次元光導波路１２
の層の屈折率が変化する（非線形屈折率）。屈折率が変
わると、導波型グレーティング結合器１１または三次元
光導波路１２の伝搬定数が変化し、同時に導波型グレー
ティング結合器１１における導波信号光から空間伝搬光
への結合効率も変化する。

【００２７】このように入力光信号強度に応じた導波型
グレーティング結合器１１または三次元光導波路１２を
形成する非線形材料の屈折率が変化することを利用し
て、本実施例では三次元光導波路１２を介して導波型グ
レーティング結合器１１に入力される導波信号光の光強
度を制御する。これによって、光平面回路から自由空間
への出力光信号の光強度を変調したり、あるいは出力光
信号をスイッチングするような機能を持った光信号入出
力装置を実現することができる。

【００２８】（第４の実施例）図３（ａ）（ｂ）は、本
発明の第４の実施例に係る光信号入出力装置の構成を示
す平面図と断面図であり、図１と同一部分に同一の参照
符号を付している。同図において、基板１０上に輪帯形
状の導波型グレーティング結合器１１が配置され、この
導波型グレーティング結合器１１の下部に位置して、回
路基板１０に埋め込まれる形でグレーティング結合器１
１の動径方向に沿って放射状に複数の三次元光導波路１
２が設けられ、さらにグレーティング結合器１１の輪帯
中心部に位置して、光吸収体１３が基板１０に埋め込み
形成されている点は、図１に示した第１の実施例と同様
である。

【００２９】そして、本実施例では導波型グレーティン
グ結合器１１上を覆うようにバッファ層１５が設けら
れ、このバッファ層１５上に三次元光導波路１２上に位
置して透明導電材料からなる電極１６が形成されてい
る。一方、基板１０の裏面にもバッファ層１５上の電極
１６と対向する位置に、電極１７が形成されている。

【００３０】本実施例においては、導波型グレーティン
グ結合器１１または三次元光導波路１２を一次電気光学
係数の十分に大きな材料、すなわちポッケルス効果の大
きな材料で作製すると共に、導波型グレーティング結合
器１１および三次元光導波路１２の層を挟んでバッファ
層１５あるいは基板１０を介して上下に電極１６，１７
を形成する。

【００３１】ここで、電極１６，１７は例えば少なくと
も使用波長に対して透明な導電性材料、例えばＩＴＯ等
により形成される。なお、基板１０の裏面上の電極１７
は、基板１０の裏面側から空間伝搬光を取り出さない場
合には、使用波長に対して不透明のものでもよい。

【００３２】このように構成された光信号入出力装置に
おいて、電極１６，１７間に適当な電圧を印加すると、
ポッケルス効果によって導波型グレーティング結合器１
１または三次元光導波路１２の層の屈折率が変化する。
これによって導波型グレーティング結合器１１または三
次元光導波路１２の伝搬定数が変化するので、導波型グ
レーティング結合器１１における導波光から空間伝搬光
への結合効率も変化する。従って、本実施例によると電
極１６，１７間への印加電圧を制御することによって、
光平面回路から自由空間への出力信号光の光強度を変調
したり、あるいは出力信号光をスイッチングするような
機能を持った光信号入出力装置を実現することができ
る。

【００３３】なお、電極１５，１６の形状は導波型グレ
ーティング結合器１１または三次元光導波路１２の層の
屈折率を一括して制御できるように例えば連続した円形
形状としてもよいし、図３（ａ）に示すように放射状に
分割した形状として、導波型グレーティング結合器１１
または三次元光導波路１２の層の屈折率を個々の導波路
（チャネル）単位で独立に制御できるようにしてもよ
い。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光信号入
出力装置によれば一つの輪帯形状の導波型グレーティン
グ結合器を用いて複数の光信号の入出力が可能となるた
め、光信号の入出力を行う複数の光平面回路が大面積化
したり、複数の光信号の入出力を行う場合でも、光平面
回路の作製誤差および組立誤差に対する許容度を緩和で
きるとともに、導波型グレーティング結合器が少なくて
済むため、製造コストを大幅に引き下げることができ
る。

【００３５】また、組立および調整の許容度が高いこと
を利用して、光平面回路を光信号入出力装置およびその
他の光信号処理回路をそれぞれ搭載した光平面回路に分
割することで、個々の光平面回路を小さくすることがで
きるため、これらを共通の回路ベース上で凸部と凹部の
係合によって位置合わせして実装することにより、大面
積の光平面回路が容易に実現可能となる。

【００３６】さらに、導波型グレーティング結合器また
は三次元光導波路に三次非線形光学材料または電気光学
材料といったいわゆる機能性材料を用いることで、光信
号入出力装置に光強度変調器や光スイッチとしての機能
を併せ持たせることが可能となり、導波型グレーティン
グ結合器という小型素子をさらに多機能・高機能化する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る光信号入出力装置の構
成を示す斜視図および断面図

【図２】本発明による光信号入出力装置を用いた大規模
光平面回路の構成とその組立法を説明するための図

【図３】本発明の他の実施例に係る光信号入出力装置の
平面図および断面図

【符号の説明】

１０…基板 １１…導波型グレー
ティング結合器 １２…三次元光導波路 １３…光吸収体 １４…空間伝搬光 １５…バッファ層 １６…電極 １７…電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、 この基板上に配置された輪帯形状の導波型グレーティン
   グ結合器と、 この導波型グレーティング結合器の動径方向に沿って前
   記基板上に放射状に配置され、他の光回路との間で導波
   信号光を入出力するための複数の三次元光導波路と、 前記導波型グレーティング結合器の輪帯中心部に配置さ
   れた光吸収体とを具備し、 前記三次元光導波路に入力された他の光回路からの導波
   信号光を前記導波型グレーティング結合器によって空間
   伝搬光として出力し、また該導波型グレーティング結合
   器に空間を隔てて対向する他のグレーティング結合器か
   らの空間伝搬光を導波信号光として前記三次元導波路に
   導くようにしたことを特徴とする光信号入出力装置。