JPH08106023A

JPH08106023A - 光導波路カプラ

Info

Publication number: JPH08106023A
Application number: JP24170894A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Okada; 訓明岡田; Koji Minami; 功治南; Hiroyuki Yamamoto; 裕之山本; Yoshio Yoshida; 圭男吉田; Yukio Kurata; 幸夫倉田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1994-10-05
Filing date: 1994-10-05
Publication date: 1996-04-23

Abstract

(57)【要約】【目的】作製が容易で設計通りの光結合率を安定に得
るようにする。【構成】基板１上に、光導波路層２およびギャップ層
３を積層し、更にギャップ層３の上にギャップ層３の一
部を露出させてクラッド層４を積層する。ギャップ層３
の露出部上にガラス板５を入射面が入射光に対して垂直
になるよう配置し、接着層６でギャップ層３に接着固定
する。ギャップ層３およびクラッド層４の屈折率は光導
波路層２より低く、ガラス板５および接着層６の屈折率
は光導波路層２より高くなるよう設定し、ガラス板５と
接着層６との屈折率はほぼ同じようになるよう選ぶ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光導波路に光ビームを
結合させるための光導波路カプラに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、種々の光学系を光集積回路化する
研究が進められている。例えば、光ヘッドの光学系にお
いては、従来、マイクロレンズ、マイクロプリズム等の
バルク系素子が用いられていたが、これら各素子間など
での相互の位置合わせを含む煩雑な製作工程が必要とな
るため、これらの光学系を光導波路を用いて光集積回路
化することが行われている。この光集積回路化が実現す
れば、装置の軽量小型化および製造工程の簡単化等の面
で大幅な改善を期待できる。

【０００３】上述の光導波路に光ビームを結合させる方
法として、プリズムやフォトダイオードアレイを光導波
路層にモノリシックに接合する方法が知られている。特
に、この方法によりプリズムを結合する場合は、光導波
路層上にプリズムを圧着するだけで容易に結合でき、高
い光結合効率を容易に得られる等の利点がある。しか
し、この方法においては、プリズムと光導波路層との間
隔を一定に保つ必要があるが、単にプリズムを圧着する
だけでは構造的に充分な強度が得られず、機械的振動や
ショック等により、結合効率を一定にするのが困難であ
った。

【０００４】そこで、図８に示すような光導波路カプラ
が提案されている（特開平０４−２８９５３１）。この
光導波路カプラは、基板２１上に、光導波路層２３と、
その上に光導波路層２３よりも低い屈折率をもつ第１ギ
ャップ層２５と、開口部２７を有し光導波路層２３より
も低い屈折率をもつ第２ギャップ層２６とが積層されて
おり、光導波路層２３より高い屈折率を持つ誘電体プリ
ズム２９を光導波路層２３より高い屈折率を持つ接着層
２８にて接着して構成されている。この構成では、プリ
ズム２９が光導波路層２３に対し間に第１ギャップ層２
５を介して接着固定されているので、振動、ショック等
に強く、長期にわたって安定な光結合効率が得られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の光導
波路カプラにおいては、高屈折率のプリズム２９を用い
たプリズム結合法にて導波光を励振している。しかし、
プリズム２９は、ガラス材の３面以上を光学研磨して作
製するためコストが高くなり、また、研磨が難しいため
微小なものを作製しにくいという問題があった。また、
上記プリズム２９を固定するための接着層２８は、この
光導波路構造においてギャップ層の一部として機能す
る。このため、接着層２８の層厚は、光結合効率に大き
な影響を与えるので、所望の特性を得ようとすると厳密
に厚み制御をする必要がある。しかしながら、接着層２
８の層厚を制御しつつ、プリズム２９を接着することは
きわめて困難であり、設計通りの光結合効率を安定に得
るのは難しい。

【０００６】また、従来の光導波路カプラにおいては、
前記ギャップ層の層厚が一定であるので、ガウシアンビ
ームの理論励振効率が８０％に限られるという問題もあ
った。さらに、平行光しか結合しないプリズム結合法で
は、発散光、集束光を入射させる場合はレンズが必要で
あり、小型化のためにはそのレンズをプリズム上に形成
することが望ましいが、プリズムは３面の研磨工程があ
るため、その作製は困難であった。同様に、プリズムの
波長分散を打ち消すための回折格子もプリズム上に形成
することが難しかった。また、作製された光導波路カプ
ラは、このような作製の困難性により高コストなものと
なり、また性能に個体差を生じやすく、この製法は大量
生産には適しにくい。また、他の光学素子との集積化も
困難であるといった問題点があった。

【０００７】本発明は、このような従来技術の課題を解
決すべくなされたものであり、作製が容易で設計通りの
光結合効率を安定に得ることのできる光導波路カプラを
提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の光導波路カプラ
は、基板と、該基板上に形成された光導波路層と、該光
導波路層の上に形成され、該光導波路層よりも低い屈折
率をもつギャップ層と、該ギャップ層の上に該ギャップ
層の一部を露出して形成され、該光導波路層より低い屈
折率をもつクラッド層と、該ギャップ層の露出部の上に
傾斜させて配置され、該光導波路層よりも高い屈折率を
もつガラス板と、該ギャップ層の露出部と該ガラス板と
で挟まれた部分に、該ガラス板を接着固定して設けら
れ、該ガラス板とほぼ等しい屈折率をもつ接着層とを具
備し、そのことにより上記目的が達成される。

【０００９】本発明の光導波路カプラは、基板と、該基
板上に形成された光導波路層と、該光導波路層上に、層
厚を光の伝搬方向に向かって徐々に厚くなるよう変化さ
せたテーパ領域と、該テーパ領域を挟む片方の薄い領域
と、もう片方の厚い領域とを有するように形成され、該
光導波路層よりも低い屈折率をもつギャップ層と、該薄
い領域のギャップ層の上に傾斜させて配置され、該光導
波路層よりも高い屈折率をもつガラス板と、該ギャップ
層と該ガラス板とで挟まれた部分に、該ガラス板を接着
固定して設けられ、該ガラス板とほぼ等しい屈折率をも
つ接着層とを具備し、そのことにより上記目的が達成さ
れる。

【００１０】本発明の光導波路カプラにおいて、前記ガ
ラス板の端部をはめ込むための溝を有し、該溝に該ガラ
ス板の端部をはめ込んで該ガラス板が配置されている構
成とすることができる。

【００１１】また、本発明の光導波路カプラにおいて、
前記ガラス板に屈折素子が形成されている構成とするこ
とができる。

【００１２】また、本発明の光導波路カプラにおいて、
前記ガラス板上の屈折素子がイオン交換法により形成さ
れている構成とすることができる。

【００１３】また、本発明の光導波路カプラにおいて、
前記ガラス板に回折格子が形成されている構成とするこ
とができる。

【００１４】

【作用】本発明の光導波路カプラにあっては、屈折率の
ほぼ等しいガラス板および接着層を経た光が光導波路層
に結合される。この構成の場合は、ガラス板の傾きや位
置を調整し接着層により固定すればよく、作製が容易で
設計通りの光結合効率を安定に得ることが可能となる。

【００１５】また、ギャップ層は、スパッタリング等の
薄膜成膜手段により形成できるので、ギャップ層の層厚
制御が容易で、ギャップ層層厚の設計値からのずれに起
因する光結合効率の低下を抑えることができる。また、
ギャップ層の層厚を部分的に制御することによってガウ
シアンビームの励振効率を１００％近くまで引き上げる
ことができる。また、クラッド層の端面をテーパ状にす
ることで、急激な導波路構造の変化に起因する導波光の
散乱を低減することができる。

【００１６】また、はめ込み用の溝を設けた構成とする
場合は、ガラス板の端部を挿入するだけで固定でき、接
着時のガラス板の抑えが不要となり、ガラス板をより安
定に固定できる。またクラッド層の端面とガラス板の位
置合わせも容易となる。

【００１７】また、ガラス板にレンズを形成する構成と
する場合は、集束光、発散光との結合が可能になり、光
ファイバとの結合もできる。この場合、マイクロ凸レン
ズはイオン交換法により容易に形成できる。

【００１８】また、ガラス板に回折格子を形成する構成
とする場合は、カプラの結合波長範囲を拡大することが
できる。

【００１９】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図面に基づいて具
体的に説明する。

【００２０】（第１実施例）図１は、第１実施例に係る
光導波路カプラを示す正面断面図である。この光導波路
カプラは、基板１上に光導波路層２が形成され、この光
導波路層２上に光導波路層２より低い屈折率をもつギャ
ップ層３が積層されている。このギャップ層３上には、
光導波路層２より低い屈折率をもつクラッド層４が、ギ
ャップ層３の一部を露出して積層されている。

【００２１】ギャップ層３の露出部の上には、光導波路
層２より高い屈折率をもち両面を光学研磨されたガラス
板５が、入射光７に対し入射面が垂直になる傾斜状態
で、ガラス板５と屈折率がほぼ等しい接着層６にて接着
固定されている。接着層６は、クラッド層４とガラス板
５との間にあるギャップ層３の露出部を覆うように厚く
盛られており、ギャップ層３の露出部とガラス板５とで
挟まれた部分に設けられている。入射光７はガラス板
５、接着層６を通過して光導波路層２に結合する。次
に、この光導波路カプラの動作原理について説明する。

【００２２】入射光７は、ガラス板５および接着層６を
通過し、ギャップ層３の露出部からクラッド層４の端面
部付近にわたる領域に入射する。その入射した光は、ギ
ャップ層３を介して光導波路層２に結合し、光導波路層
２を伝搬していく。このとき、クラッド層４の層厚が十
分に厚いと、ギャップ層３の露出部の下方で結合した導
波光は接着層６に漏れないため、導波光を閉じ込めて伝
搬させることができる。

【００２３】上記クラッド層４は、ギャップ層３と同じ
屈折率を持つ材料、またはギャップ層３より低い屈折率
をもつ材料で構成する。クラッド層４の屈折率がギャッ
プ層３より低い場合、導波光を閉じ込める効果が強くな
るためクラッド層４の層厚をより薄くできる。また、接
着層６は光学的に透明な接着剤を用いる。光硬化型接着
剤または紫外線硬化型接着剤を使用すれば、ガラス板の
傾き、位置を調整した後に、光または紫外線を照射する
だけで接着できる。

【００２４】次に、本実施例の光導波路カプラの具体的
な構成例について述べる。

【００２５】上記ガラス板５の屈折率をｎｐ、接着部６
の屈折率をｎｂ、クラッド層４の屈折率をｎｃ、ギャッ
プ層３の屈折率をｎｇ、光導波路層２の屈折率をｎｆと
すると、ｎｐ，ｎｂ＞ｎｆ＞ｎｇ，ｎｃの関係を満たす
ように形成されている。

【００２６】ここで、具体的数値を以下のように設定す
ると、幅１ｍｍ、入射角７４度で入射されたガウシアン
ビームの約８０％が光導波路に結合して伝搬していく。

【００２７】レーザ波長：７８０ｎｍガラス板５：ＳＫ５（ｎｐ＝１．５８２）接着層６：紫外線硬化型接着剤（ｎｂ＝１．５７
９）クラッド層４：厚み１μｍのＳｉＯ₂スパッタ膜（ｎｃ
＝１．４４）ギャップ層３：厚み０．５μｍのＳｉＯ₂スパッタ膜
（ｎｇ＝１．４４）光導波路層２：厚み０．６μｍのコーニング＃７０５９
（ｎｆ＝１．５４）以上説明した本実施例に係る光導波路カプラにおいて
は、以下の効果がある。従来のプリズムを用いた光導波
路カプラは、少なくとも３面を光学研磨する必要のある
プリズムを用いており高コストなものとなる。これに対
し、本発明による場合には、安価なガラス板と接着剤を
用いているので、プリズムを用いるのに比べてはるかに
低コストに光導波路カプラを作製できる。

【００２８】また、従来のプリズムを用いた光導波路カ
プラにおいては、プリズムは微小なものになるほど研磨
加工が難しいため、プリズムを含めた光導波路素子の小
型化が困難であった。これに対し、本発明による場合に
は、微小なガラス板であっても、表、裏の２面を光学研
磨した後に、細かく切断するだけで作製できるので、素
子の小型化が容易である。

【００２９】さらに、次の効果もある。一般に、入射光
の光導波路層への光結合効率は、入射光ビームのサイズ
と光導波路構造とにより決まる。特に、入射光ビームの
サイズと光導波路層の層厚とが決まっている場合は、光
結合効率はギャップ層の層厚の影響を大きく受ける。こ
のため、従来の光導波路カプラにおいては、安定かつ高
効率に導波光を励振しようとすると、プリスムと光導波
路層との間に存在するギャップ層の層厚の精密な制御が
必要で、このギャップ層が通常空気や接着剤で構成され
ているため、その制御が困難であった。これに対し、本
発明による場合には、ギャップ層がスパッタリング、真
空蒸着、ＣＶＤ等の薄膜成膜技術で形成できるため、屈
折率、層厚の制御が容易で、屈折率、層厚の設計値から
のずれに起因する光結合効率の低下を抑えることがで
き、設計通りの光結合効率を得ることができる。

【００３０】（第２実施例）図２は、第２実施例に係る
光導波路カプラを示す正面断面図である。なお、図１と
同一部分には同一の番号を附している。

【００３１】この光導波路カプラは、基板１にガラス板
５をはめ込む溝８が形成され、その溝８に端部をはめ込
んだガラス板５が接着固定されている。このような構成
にした場合は、ガラス板５をより安定に固定でき、接着
固定時の抑えも不要となる。また、溝８を、その傾きと
位置とを精密に調整して形成し、また、ガラス板５以外
の他の幾つかの素子を取付けるための溝も同様に形成す
れば、ガラス板５や他の素子の傾きと位置調整が不要と
なるため大量生産に適する。

【００３２】（第３実施例）本実施例は、入射光が発散
光または集束光である場合に好適な例である。

【００３３】図３（ａ）および（ｂ）の各々は、第３実
施例に係る光導波路カプラを示す正面断面図である。な
お、図１と同一部分には同一の番号を附している。

【００３４】図３（ａ）では、片面に凸レンズ９ａを備
えたガラス板５を使用している。図３（ｂ）では、片面
に凹レンズ９ｂを備えたガラス板５を使用している。こ
のようなガラス板を使用する場合は、第１、第２実施例
の場合では本質的にはプリズム結合法である、両面が平
坦なガラス板を使用する故に平行光しか結合し得なかっ
たのに対し、発散光、集束光を平行光に変換でき、発散
光、集束光の結合も可能となる。

【００３５】なお、第３実施例においては以下の効果が
ある。すなわち、従来のプリズムを用いた光導波路カプ
ラの場合は、３面の研磨工程を必要とするためプリズム
にレンズを形成することは作製工程上困難であった。こ
れに対し、本発明では、平板のガラス板にレンズを、例
えばフォトリソグラフィとエッチング技術とにより作製
すればよく、ガラス板を用いているため、その作製は比
較的容易である。

【００３６】（第４実施例）本実施例は、光ファイバを
介して光を入射させる場合である。

【００３７】図４は、第４実施例に係る光導波路カプラ
を示す正面断面図である。なお、図１と同一部分には同
一の番号を附している。この光導波路カプラは、光ファ
イバ１０と、凸レンズ９ａを備えたガラス板５とを組み
合わせている。この組合せによって、光ファイバ１０か
らの出射光７を光導波路層２に結合させることもでき
る。また、レンズアレイを用いれば多数本の光ファイバ
を光導波路に結合することができる。

【００３８】（第５実施例）本実施例は、マイクロ凸レ
ンズを用いる場合である。

【００３９】図５は、マイクロ凸レンズ９を使用した第
５実施例の光導波路カプラを示す正面断面図である。な
お、図１と同一部分には同一の番号を附している。この
マイクロ凸レンズ９は、イオン交換法により作製でき
る。具体的には、ガラス板５に金属マスクを蒸着後、フ
ォトリソグラフィにより金属マスクに開口窓を開け、こ
の状態のガラス板５を溶融塩に浸してイオン交換を行
う。これにより、容易に精度よく微小なレンズが形成で
きる。

【００４０】（第６実施例）本実施例は、回折格子がガ
ラス板に備わった場合である。

【００４１】図６は、第６実施例に係る光導波路カプラ
を示す正面断面図である。なお、図１と同一部分には同
一の番号を附している。この光導波路カプラは、ガラス
板５上にグレーティング（回折格子）１１を設け、その
一次回折光を光導波路層２に結合させる構成となってい
る。

【００４２】本実施例による場合には、次のような効果
がある。すなわち、従来の光導波路カプラではプリズム
と光導波路との色分散が異なるため、ある特定の波長の
入射光しか結合しない。これに対し、本実施例による場
合は、グレーティング１１による一次回折光を光導波路
層２に結合させるので、接着層６と光導波路層２との色
分散の差を打ち消すことが可能となり、結合できる光の
波長範囲を拡大することができる。また、本実施例によ
る場合には、平板のガラス板５を用いているため、従来
の光導波路カプラのようにプリズム上に形成するのに比
べて作製が容易である。

【００４３】（第７実施例）本実施例は、クラッド層の
形成を省略した場合である。

【００４４】図７は、第７実施例に係る光導波路カプラ
を示す正面断面図である。この光導波路カプラは、基板
１の上に形成された光導波路層２の上に、光導波路層２
より低い屈折率をもつギャップ層３が積層されている。
このギャップ層３は、その層厚が一定ではなく、薄い領
域と厚い領域があり、その間のテーパ領域が光の伝搬方
向に向かって層厚が徐々に厚くなっている。以後、ギャ
ップ層３の薄い領域を光結合領域、厚い領域を光伝搬領
域と呼ぶ。

【００４５】上記光結合領域のギャップ層３の上には、
光導波路層２より高い屈折率をもち、両面を光学研磨さ
れたガラス板５が、入射光７に対し入射面が垂直になっ
た傾斜状態で、ガラス板５と屈折率がほぼ等しい接着層
６にて接着固定されている。接着層６はギャップ層３の
テーパ領域からガラス板５までの光結合領域部分を覆う
ように厚く盛られており、ギャップ層３の薄い領域とガ
ラス板５とで挟まれた部分に設けられている。入射光７
は、ガラス板５および接着剤６を通過し、光結合領域と
光伝搬領域の境界のテーパ領域で光導波路層３に結合す
るよう入射する。

【００４６】このように構成された本実施例の光導波路
カプラにあっては、ギャップ層３が光の伝搬方向に向か
って層厚が徐々に厚くなっているテーパ領域を有するの
で、以下のような効果がある。すなわち、ギャップ層３
の層厚が一定であると、ガウシアンビームの理論励振効
率は約８０％に限られるが、導波光の伝搬方向に沿って
ギャップ層３の層厚を徐々に厚くし、層厚の最適化を行
うことよって、入射光と導波光とのビームプロファイル
の整合が図れる。これにより、ガウシアンビームの励振
効率を引き上げることができる。この時、光伝搬領域の
ギャップ層３は導波光が上部に放射されないよう十分に
厚くする。

【００４７】なお、上述した第１〜第６実施例におい
て、ギャップ層３が露出している側にある、クラッド層
４の端面を、テーパ状とし、かつ、テーパ形状の最適化
を行うことによっても、同様の効果でガウシアンビーム
の励振効率を引き上げることができる。

【００４８】このクラッド層４の端面に設けるテーパ部
や、ギャップ層３に設けるテーパ領域は、シャドウマス
クスパッタ法あるいはウェットエッチング法により形成
できる。

【００４９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば以下
のような効果がある。

【００５０】（１）高価で加工が難しいプリズムの代わ
りにガラス板と接着剤を用いることができるので、はる
かに安価で生産性に優れた光導波路カプラが形成でき
る。また小型化が容易である。さらにギャップ層の制御
が容易であるため、安定に高い光結合効率を得ることが
できる。

【００５１】（２）ギャップ層の層厚を部分部分で最適
に制御することでガウシアンビームの励振効率を１００
％近くまで引き上げることができる。

【００５２】（３）溝を作製し、その溝にガラス板を差
し込むことで、ガラス板をより安定に固定できる。この
とき、幾つかの素子の溝を精密に位置決めして作製すれ
ば、ガラス板を含む種々の素子間の位置調整は不要とな
るため、生産性がよい。

【００５３】（４）ガラス板にレンズを形成することに
よって発散光、集束光の結合が可能となり、その形成が
容易である。

【００５４】（５）ガラス板に形成する凸レンズはイオ
ン交換法により容易に作製できる。（６）ガラス板に回折格子を形成する場合はガラス板の
波長分散を打ち消すことができ、またその形成は従来の
プリズム上に形成する場合よりも容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例に係る光導波路カプラを示す正面断
面図である。

【図２】第２実施例に係る光導波路カプラを示す正面断
面図である。

【図３】第３実施例に係る光導波路カプラを示す正面断
面図である。

【図４】第４実施例に係る光導波路カプラを示す正面断
面図である。

【図５】第５実施例に係る光導波路カプラを示す正面断
面図である。

【図６】第６実施例に係る光導波路カプラを示す正面断
面図である。

【図７】第７実施例に係る光導波路カプラを示す正面断
面図である。

【図８】従来の光導波路カプラを示す正面断面図であ
る。

【符号の説明】

１基板２光導波路層３ギャップ層４クラッド層５ガラス板６接着層７入射光８溝９ａ、９ｂレンズ１０光ファイバ１１回折格子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉田圭男大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者倉田幸夫大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、該基板上に形成された光導波路層と、該光導波路層の上に形成され、該光導波路層よりも低い
屈折率をもつギャップ層と、該ギャップ層の上に該ギャップ層の一部を露出して形成
され、該光導波路層より低い屈折率をもつクラッド層
と、該ギャップ層の露出部の上に傾斜させて配置され、該光
導波路層よりも高い屈折率をもつガラス板と、該ギャップ層の露出部と該ガラス板とで挟まれた部分
に、該ガラス板を接着固定して設けられ、該ガラス板と
ほぼ等しい屈折率をもつ接着層とを具備する光導波路カ
プラ。
【請求項２】基板と、該基板上に形成された光導波路層と、該光導波路層上に、層厚を光の伝搬方向に向かって徐々
に厚くなるよう変化させたテーパ領域と、該テーパ領域
を挟む片方の薄い領域と、もう片方の厚い領域とを有す
るように形成され、該光導波路層よりも低い屈折率をも
つギャップ層と、該薄い領域のギャップ層の上に傾斜させて配置され、該
光導波路層よりも高い屈折率をもつガラス板と、該ギャップ層と該ガラス板とで挟まれた部分に、該ガラ
ス板を接着固定して設けられ、該ガラス板とほぼ等しい
屈折率をもつ接着層とを具備する光導波路カプラ。
【請求項３】前記ガラス板の端部をはめ込むための溝
を有し、該溝に該ガラス板の端部をはめ込んで該ガラス
板が配置されている請求項１または２記載の光導波路カ
プラ。
【請求項４】前記ガラス板に屈折素子が形成されてい
る請求項１または２記載の光導波路カプラ。
【請求項５】前記ガラス板上の屈折素子がイオン交換
法により形成されている請求項４記載の光導波路カプ
ラ。
【請求項６】前記ガラス板に回折格子が形成されてい
る請求項１または２記載の光導波路カプラ。