JPH0843651A - 光導波路素子 - Google Patents
光導波路素子Info
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- JPH0843651A JPH0843651A JP6183513A JP18351394A JPH0843651A JP H0843651 A JPH0843651 A JP H0843651A JP 6183513 A JP6183513 A JP 6183513A JP 18351394 A JP18351394 A JP 18351394A JP H0843651 A JPH0843651 A JP H0843651A
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- waveguide
- optical waveguide
- optical
- refractive index
- optical coupling
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-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
- G02B6/305—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device and having an integrated mode-size expanding section, e.g. tapered waveguide
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】ＬＤや光ファイバーの光出射面と導波路光入射
面の位置ずれに対する耐性を示し、高効率の光結合を可
能にする光導波路素子を提供すること。 【構成】屈折率ｎclを有するクラッド層上に形成された
屈折率ｎg（ｎg＞ｎcl）を有する第１の光導波路上に、
さらに屈折率ｎcp（ｎcp≧ｎg）を有する第２の光導波
路が形成されている光導波路素子であって；前記第２の
光導波路の断面形状が、前記第１の光導波路との接面か
ら離れるにしたがい膜厚が減少していくテーパ構造を有
し；さらに前記テーパ構造のテーパ角度θが次式： 【数１】θa ＝ ｛９０° − arcsin（ｎeff ／
ｎcp）｝ ／２ （１） 【数２】θ ≦ ２．０ θa
（２） （上式において、ｎeffは、前記第１の光導波路の実効
屈折率である。）を満たす光導波路素子。
面の位置ずれに対する耐性を示し、高効率の光結合を可
能にする光導波路素子を提供すること。 【構成】屈折率ｎclを有するクラッド層上に形成された
屈折率ｎg（ｎg＞ｎcl）を有する第１の光導波路上に、
さらに屈折率ｎcp（ｎcp≧ｎg）を有する第２の光導波
路が形成されている光導波路素子であって；前記第２の
光導波路の断面形状が、前記第１の光導波路との接面か
ら離れるにしたがい膜厚が減少していくテーパ構造を有
し；さらに前記テーパ構造のテーパ角度θが次式： 【数１】θa ＝ ｛９０° − arcsin（ｎeff ／
ｎcp）｝ ／２ （１） 【数２】θ ≦ ２．０ θa
（２） （上式において、ｎeffは、前記第１の光導波路の実効
屈折率である。）を満たす光導波路素子。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光集積化素子の光素子間
の光結合の改善に関するものであり、更に詳しくは、光
集積回路をはじめとする光導波路素子の設計に関するも
のである。
の光結合の改善に関するものであり、更に詳しくは、光
集積回路をはじめとする光導波路素子の設計に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザ（以下「ＬＤ」ともい
う）、光変調素子、フォトダイオード（以下「ＰＤ」と
もいう）などの光素子をひとつの基板上に集積し、各素
子間を光導波路により結合したいわゆる光集積回路は、
光学系の小型軽量化、安定化、高性能化をはかることを
目的とし、次世代の技術として研究が盛んに行われてい
る。このような集積化された光素子を作製する際には、
個々の光素子作製も重要であるが、光素子間の結合は最
も重要な要素であり、光結合効率を高くすることが求め
られている。ところが、従来の光結合では、ＬＤや光フ
ァイバーの光出射面の大きさや形、また屈折率が導波路
素子のそれら（または、光導波路の出射端面のそれら
と、光ファイバー、ＰＤ等の入射端面のそれら）と一致
しないのが一般的で、そのため光結合効率を高めるのは
原理的に困難であった。また、たとえ光ファイバーの光
出射面の大きさ、屈折率に導波路素子のそれらを近づけ
たとしても、空間的に光ファイバーの出射面と導波路の
入射面を精度良く結合させる微調整が必要で、この繁雑
さが結局その光導波路素子を高価なものにしていた。
う）、光変調素子、フォトダイオード（以下「ＰＤ」と
もいう）などの光素子をひとつの基板上に集積し、各素
子間を光導波路により結合したいわゆる光集積回路は、
光学系の小型軽量化、安定化、高性能化をはかることを
目的とし、次世代の技術として研究が盛んに行われてい
る。このような集積化された光素子を作製する際には、
個々の光素子作製も重要であるが、光素子間の結合は最
も重要な要素であり、光結合効率を高くすることが求め
られている。ところが、従来の光結合では、ＬＤや光フ
ァイバーの光出射面の大きさや形、また屈折率が導波路
素子のそれら（または、光導波路の出射端面のそれら
と、光ファイバー、ＰＤ等の入射端面のそれら）と一致
しないのが一般的で、そのため光結合効率を高めるのは
原理的に困難であった。また、たとえ光ファイバーの光
出射面の大きさ、屈折率に導波路素子のそれらを近づけ
たとしても、空間的に光ファイバーの出射面と導波路の
入射面を精度良く結合させる微調整が必要で、この繁雑
さが結局その光導波路素子を高価なものにしていた。
【０００３】このような導波路素子に対する光結合効率
の改善のための検討は、Y.Cai,T.Mizumoto,E.Ikegami,
Y.Naito:J.Lightwave Technol.vol.9,No.5,1991,pp577-
583,Y.Cai,T.Mizumoto, Y.Naito:Trans.IEICE.vol.E71,
No.10,1988,pp931-933,特開平４−３０８８０３、特開
平４−２４０８０９、特開昭６３−９４２０５、特開昭
６０−１３３４０８、特開昭６３−１６３４０７、特開
平４−２５５２７０、特開平５−１７３０３６、特開平
５−６３２１６、特開平４−２８３７０４、R.G.Hunspe
rger著、Springer Series in Optical Sciences, Integr
ated Optics: Theory and Technology, Second Edition
(Springer-Verlag 1985) p102, など多数なされている
が、いずれも詳しい解析をしてみると、それら文献に記
載の条件では、高効率の光結合は一般には達成されない
ことがわかる。したがって、特にＬＤや光ファイバーの
光出射面と導波路光入射面の位置ずれに対する耐性を示
す高効率の光結合方法およびその条件は見いだされてい
ないのが現状である。
の改善のための検討は、Y.Cai,T.Mizumoto,E.Ikegami,
Y.Naito:J.Lightwave Technol.vol.9,No.5,1991,pp577-
583,Y.Cai,T.Mizumoto, Y.Naito:Trans.IEICE.vol.E71,
No.10,1988,pp931-933,特開平４−３０８８０３、特開
平４−２４０８０９、特開昭６３−９４２０５、特開昭
６０−１３３４０８、特開昭６３−１６３４０７、特開
平４−２５５２７０、特開平５−１７３０３６、特開平
５−６３２１６、特開平４−２８３７０４、R.G.Hunspe
rger著、Springer Series in Optical Sciences, Integr
ated Optics: Theory and Technology, Second Edition
(Springer-Verlag 1985) p102, など多数なされている
が、いずれも詳しい解析をしてみると、それら文献に記
載の条件では、高効率の光結合は一般には達成されない
ことがわかる。したがって、特にＬＤや光ファイバーの
光出射面と導波路光入射面の位置ずれに対する耐性を示
す高効率の光結合方法およびその条件は見いだされてい
ないのが現状である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の従来技術の問題点を解決し、各素子が本来有する性能
を十分に発揮しうる光結合用導波路素子を提供すること
にある。
の従来技術の問題点を解決し、各素子が本来有する性能
を十分に発揮しうる光結合用導波路素子を提供すること
にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的は、以下に示す
構造を有する本発明の光導波路素子により達成される。
すなわち、本発明は、屈折率ｎclを有するクラッド層上
に形成された屈折率ｎg（ｎg＞ｎcl）を有する第１の光
導波路上に、さらに屈折率ｎcp（ｎcp≧ｎg）を有する
第２の光導波路が形成されている光導波路素子であっ
て；前記第２の光導波路の断面形状が、光導波路の端面
から離れるにしたがい膜厚が減少していくテーパ構造を
有し；さらに前記テーパ構造のテーパ角度θが次式：
構造を有する本発明の光導波路素子により達成される。
すなわち、本発明は、屈折率ｎclを有するクラッド層上
に形成された屈折率ｎg（ｎg＞ｎcl）を有する第１の光
導波路上に、さらに屈折率ｎcp（ｎcp≧ｎg）を有する
第２の光導波路が形成されている光導波路素子であっ
て；前記第２の光導波路の断面形状が、光導波路の端面
から離れるにしたがい膜厚が減少していくテーパ構造を
有し；さらに前記テーパ構造のテーパ角度θが次式：
【数３】 θa ＝ ｛９０° − arcsin（ｎeff ／ｎcp）｝ ／２ （１）
【数４】 θ ≦ ２．０ θa （２） （上式において、ｎeffは、前記第１の光導波路の実効
屈折率である。）を満たす光導波路素子を提供するもの
である。本明細書において、テーパ角度θとは、図１に
示されるように厚み方向のテーパ構造におけるテーパ角
度を意味する。
屈折率である。）を満たす光導波路素子を提供するもの
である。本明細書において、テーパ角度θとは、図１に
示されるように厚み方向のテーパ構造におけるテーパ角
度を意味する。
【０００６】以下、前述の第１の光導波路を主導波路、
第２の光導波路を光結合用導波路と呼ぶことにする。テ
ーパ形状をもつ光結合用導波路において、入射光はテー
パ部内でジグザグに反射を繰り返し、そのたびに反射角
度を大きくして徐々に主導波路内に結合されていくと考
えられているが、これは必ずしも正しくない。シングル
モード光導波路では位相整合を満たす入射角度は基本的
にひとつしか存在しない（ただし、許容幅は存在す
る）。反射角度はテーパ角度θの２、４、６…倍にな
り、このうちのひとつが光導波路の位相整合条件をみた
す入射角度に一致したときに結合される。逆にいえば、
多数回反射した光は主導波路内に結合されない確率の方
が高く、さらにテーパ角度θに特に限定条件がなくてそ
れが位相整合条件を満たさないときは結合されにくい。
特に、テーパ角度が（１）式で与えられるθaの２倍よ
りも大きくなると、結合効率は極めて低下する。
第２の光導波路を光結合用導波路と呼ぶことにする。テ
ーパ形状をもつ光結合用導波路において、入射光はテー
パ部内でジグザグに反射を繰り返し、そのたびに反射角
度を大きくして徐々に主導波路内に結合されていくと考
えられているが、これは必ずしも正しくない。シングル
モード光導波路では位相整合を満たす入射角度は基本的
にひとつしか存在しない（ただし、許容幅は存在す
る）。反射角度はテーパ角度θの２、４、６…倍にな
り、このうちのひとつが光導波路の位相整合条件をみた
す入射角度に一致したときに結合される。逆にいえば、
多数回反射した光は主導波路内に結合されない確率の方
が高く、さらにテーパ角度θに特に限定条件がなくてそ
れが位相整合条件を満たさないときは結合されにくい。
特に、テーパ角度が（１）式で与えられるθaの２倍よ
りも大きくなると、結合効率は極めて低下する。
【０００７】本発明では、光結合用導波路に入射した光
波をテーパ部で１回反射させ、主導波路に結合させるこ
とを意図している。本発明の光導波路素子の設計のため
に必要となる条件は、与えられた主導波路の実効屈折率
ｎeff、および光結合用導波路の屈折率ｎcpである。主
導波路の実効屈折率ｎeffは、一般に数値計算により得
られる。具体的な計算方法は、たとえば、岡本勝就著
「光導波路の基礎」（コロナ社、１９９２）などに述べ
られている。一般に同一のｎg、ｎclであれば、スラブ
導波路における導波層の厚み、チャネル型導波路におけ
る導波チャネルの大きさが大きいほどｎeffは大きくな
り、さらに大きいところでは高次モードが生じ、高次モ
ードのｎeffは低次モードのｎeffより小さくなる。ま
た、同一のスラブ導波路における導波層の厚み、チャネ
ル型導波路における導波チャネルの大きさであれば、ｎ
g 2 − ｎcl 2 が大きいほどｎeffは大きくなり、さら
に大きいところでは高次モードが生じる。
波をテーパ部で１回反射させ、主導波路に結合させるこ
とを意図している。本発明の光導波路素子の設計のため
に必要となる条件は、与えられた主導波路の実効屈折率
ｎeff、および光結合用導波路の屈折率ｎcpである。主
導波路の実効屈折率ｎeffは、一般に数値計算により得
られる。具体的な計算方法は、たとえば、岡本勝就著
「光導波路の基礎」（コロナ社、１９９２）などに述べ
られている。一般に同一のｎg、ｎclであれば、スラブ
導波路における導波層の厚み、チャネル型導波路におけ
る導波チャネルの大きさが大きいほどｎeffは大きくな
り、さらに大きいところでは高次モードが生じ、高次モ
ードのｎeffは低次モードのｎeffより小さくなる。ま
た、同一のスラブ導波路における導波層の厚み、チャネ
ル型導波路における導波チャネルの大きさであれば、ｎ
g 2 − ｎcl 2 が大きいほどｎeffは大きくなり、さら
に大きいところでは高次モードが生じる。
【０００８】本発明の光導波路素子の主導波路には下部
クラッド層が設けられている。この下部クラッド層の下
にはさらに基板が設けられていてもよく、また下部クラ
ッド層自体が基板としての役割を兼ね備えていてもよ
い。また、光結合用導波路には上部クラッド層が設けら
れていてもよい。さらに主導波路の種類は特に制限され
ず、例えばスラブ型光導波路やチャネル型光導波路を用
いることができる。
クラッド層が設けられている。この下部クラッド層の下
にはさらに基板が設けられていてもよく、また下部クラ
ッド層自体が基板としての役割を兼ね備えていてもよ
い。また、光結合用導波路には上部クラッド層が設けら
れていてもよい。さらに主導波路の種類は特に制限され
ず、例えばスラブ型光導波路やチャネル型光導波路を用
いることができる。
【０００９】本発明は、導波層、クラッド材、光結合用
導波路等の材料を限定するものではなく、本技術分野に
おいて通常用いられているものを使用することができ
る。主導波路における導波層とクラッド材材料との組み
合わせとして代表的なものとして、コーニングTM７０５
９とパイレックスTMガラスとの組み合わせ；Ａｇ+、Ｔ
ｌ+、Ｋ+等の無機イオンを拡散させたガラスと拡散させ
ないガラスとの組み合わせ；Ｔｉ+、Ｈ+、Ｎｂ+、Ｃｕ
++等を拡散させたＬｉＮｂＯ3とＬｉＮｂＯ3との組み合
わせ；Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5またはこれらとＳｉＯ2の混
合物とガラスまたはＳｉＯ2との組み合わせ；ポリウレ
タン、エポキシ、ポリメチルメタクリレート、ポリカー
ボネート、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアミド、フ
ォトポリマー等のポリマーとガラスとの組み合わせ等の
種々の組み合わせを挙げることができる。
導波路等の材料を限定するものではなく、本技術分野に
おいて通常用いられているものを使用することができ
る。主導波路における導波層とクラッド材材料との組み
合わせとして代表的なものとして、コーニングTM７０５
９とパイレックスTMガラスとの組み合わせ；Ａｇ+、Ｔ
ｌ+、Ｋ+等の無機イオンを拡散させたガラスと拡散させ
ないガラスとの組み合わせ；Ｔｉ+、Ｈ+、Ｎｂ+、Ｃｕ
++等を拡散させたＬｉＮｂＯ3とＬｉＮｂＯ3との組み合
わせ；Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5またはこれらとＳｉＯ2の混
合物とガラスまたはＳｉＯ2との組み合わせ；ポリウレ
タン、エポキシ、ポリメチルメタクリレート、ポリカー
ボネート、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアミド、フ
ォトポリマー等のポリマーとガラスとの組み合わせ等の
種々の組み合わせを挙げることができる。
【００１０】本発明はまた、主導波路、光結合用導波路
の作製方法を限定するものでもない。主導波路の作製方
法は、例えばガラスを材料とする場合は火炎堆積法、ス
パッタリング法、イオン拡散法；ＬｉＮｂＯ3を材料と
する場合はイオン拡散法；ポリマーを材料とする場合は
スピンコーティング法；特にチャネル型導波路の場合に
は通常のリソグラフィー法を組み合わせることができ
る。また、テーパ型の光結合用導波路の作製方法として
は、特願平６−１２６５２９に記載のティザ方式により
濃淡をつけたフォトマスクを用い、フォトポリマーを露
光硬化し、現像によりテーパ形状を得る方法；はじめに
フィルム状の光結合用導波路材料をコーティングし、さ
らにフォトレジストをコーティングし、これを前述の濃
淡のついたフォトマスクを用い露光し、まずフォトレジ
ストにテーパ形状を施し、エッチングにより目的の形状
を得る方法等種々の方法が可能である。
の作製方法を限定するものでもない。主導波路の作製方
法は、例えばガラスを材料とする場合は火炎堆積法、ス
パッタリング法、イオン拡散法；ＬｉＮｂＯ3を材料と
する場合はイオン拡散法；ポリマーを材料とする場合は
スピンコーティング法；特にチャネル型導波路の場合に
は通常のリソグラフィー法を組み合わせることができ
る。また、テーパ型の光結合用導波路の作製方法として
は、特願平６−１２６５２９に記載のティザ方式により
濃淡をつけたフォトマスクを用い、フォトポリマーを露
光硬化し、現像によりテーパ形状を得る方法；はじめに
フィルム状の光結合用導波路材料をコーティングし、さ
らにフォトレジストをコーティングし、これを前述の濃
淡のついたフォトマスクを用い露光し、まずフォトレジ
ストにテーパ形状を施し、エッチングにより目的の形状
を得る方法等種々の方法が可能である。
【００１１】また、本発明の光導波路素子は、主導波路
への入射のみならず、主導波路からの出射にも応用でき
る。ただし、出射に用いる場合は、図２のように主導波
路の導波層、導波チャネルにテーパ形状を施す必要があ
る。さらに、双方向の光結合が必要な場合には、図３や
特開昭６３−９４２０５に記載されているように、光結
合用導波路、主導波路の導波層、導波チャネルの両方に
テーパ形状を施す必要がある。ただし、いずれの場合に
も、テーパ角度θに関して、（１）および（２）式を満
たしていなければならない。図１中のＬ1で示される光
結合用導波路のスラブ型部分の長さは限定されるもので
はなく、Ｌ1＝０であってもよい。
への入射のみならず、主導波路からの出射にも応用でき
る。ただし、出射に用いる場合は、図２のように主導波
路の導波層、導波チャネルにテーパ形状を施す必要があ
る。さらに、双方向の光結合が必要な場合には、図３や
特開昭６３−９４２０５に記載されているように、光結
合用導波路、主導波路の導波層、導波チャネルの両方に
テーパ形状を施す必要がある。ただし、いずれの場合に
も、テーパ角度θに関して、（１）および（２）式を満
たしていなければならない。図１中のＬ1で示される光
結合用導波路のスラブ型部分の長さは限定されるもので
はなく、Ｌ1＝０であってもよい。
【００１２】
【実施例】以下に実施例および試験例をもってさらに詳
しく本発明を説明する。
しく本発明を説明する。
【００１３】［実施例１］図１に示す光導波路素子を、
以下に示す手順でそれぞれ作製した。
以下に示す手順でそれぞれ作製した。
【００１４】メタクリル酸メチル（ＭＭＡ）とメタクリ
ル酸グリシジル（ＧＭＡ）をモル比３対７でテトラヒド
ロキシフラン（ＴＨＦ）中に溶解し、モノマー濃度が約
１０重量％の溶液を調製した。これに、反応開始剤とし
て２，２’アゾビス（イソブチロニトリル）（ＡＩＢ
Ｎ）を上記モノマーに対し約２モル％加え、窒素雰囲気
下７０℃で約５時間反応させた。その後、生成したポリ
マーをメタノールおよびＴＨＦで再沈することによって
精製した。得られたポリマーをトルエンに溶解し、過剰
量の桂皮酸を加えて、１１０℃で約５時間反応させた。
更に、トルエンを除去し、酢酸エチルと炭酸水素ナトリ
ウム飽和水溶液を用いて得られたポリマーを精製した。
溶媒を除去した後、ポリマーと光重合開始剤２，２−ジ
メトキシフェニルアセトフェノン（ＤＭＰＡ）をシクロ
ヘキサノン中に溶解した（以後これを「ポリマー溶液
Ａ」と呼ぶ）。
ル酸グリシジル（ＧＭＡ）をモル比３対７でテトラヒド
ロキシフラン（ＴＨＦ）中に溶解し、モノマー濃度が約
１０重量％の溶液を調製した。これに、反応開始剤とし
て２，２’アゾビス（イソブチロニトリル）（ＡＩＢ
Ｎ）を上記モノマーに対し約２モル％加え、窒素雰囲気
下７０℃で約５時間反応させた。その後、生成したポリ
マーをメタノールおよびＴＨＦで再沈することによって
精製した。得られたポリマーをトルエンに溶解し、過剰
量の桂皮酸を加えて、１１０℃で約５時間反応させた。
更に、トルエンを除去し、酢酸エチルと炭酸水素ナトリ
ウム飽和水溶液を用いて得られたポリマーを精製した。
溶媒を除去した後、ポリマーと光重合開始剤２，２−ジ
メトキシフェニルアセトフェノン（ＤＭＰＡ）をシクロ
ヘキサノン中に溶解した（以後これを「ポリマー溶液
Ａ」と呼ぶ）。
【００１５】石英系イオン交換光導波路をスピンコート
し、ホットプレート上で溶媒を蒸発させた。テーパ状光
結合用導波路となる部分がドットにより濃淡をつけてあ
るフォトマスクを用いて露光し、未露光の部分をメタノ
ールとＮ−メチル−２−ピロリドンの混合溶液で現像し
た。この上にさらにポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭ
Ａ）のシクロヘキサノン溶液をスピンコートし、ホット
プレートで溶媒を蒸発させ、クラッド層を形成した。
し、ホットプレート上で溶媒を蒸発させた。テーパ状光
結合用導波路となる部分がドットにより濃淡をつけてあ
るフォトマスクを用いて露光し、未露光の部分をメタノ
ールとＮ−メチル−２−ピロリドンの混合溶液で現像し
た。この上にさらにポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭ
Ａ）のシクロヘキサノン溶液をスピンコートし、ホット
プレートで溶媒を蒸発させ、クラッド層を形成した。
【００１６】このようにして得られた光導波路素子に、
単一モードファイバからの１．３μｍの光を結合した。
その結果、結合の位置ずれに対する耐性が増し、結合効
率が向上しているのが確認された。
単一モードファイバからの１．３μｍの光を結合した。
その結果、結合の位置ずれに対する耐性が増し、結合効
率が向上しているのが確認された。
【００１７】［試験例１］入射光の位置ずれによる影響
を検討するために、以下の試験を行った。
を検討するために、以下の試験を行った。
【００１８】（１）本発明の光導波路素子に対する検討 図１における基板１の屈折率ｎclが１．５４２、導波層
２の屈折率ｎgが１．５５０（これらの値は、波長１．
３２μｍにおけるフッ素化ポリイミドや、色素をわずか
に付加させたフッ素化ポリイミドの屈折率の典型的な値
である）、導波層２の厚みが４μｍである図１のスラブ
型の主導波路部分（導波層）のＴＥモードには、図４に
示すようにＴＥ０モードとＴＥ１モードが存在し、ＴＥ
０モードの実効屈折率ｎeffは１．５４７と求められ
る。本素子の光結合用導波路部分の屈折率ｎcpを１．５
５０としたため、θaは（１）式により１．７８５６°
と計算される（テーパ角θもこれと一致させた）。光結
合用導波路の入射面の厚みＴを４０μｍとすると、光結
合用導波路の長さＬは１２８３μｍとなる。この光導波
路素子について、入射光ビームの幅を１０μｍとし、そ
の入射位置を図１のｂの位置（光結合用導波路と主導波
路との境界より、光結合用導波路側へ１０μｍの位置）
として、詳しいビーム伝搬の様子をビーム伝搬法（ＢＰ
Ｍ）により計算したところ、図５に示す結果が得られた
（以下に示す種々の光導波路素子に対する検討でも、図
５に類する結果がそれぞれ得られたが、本明細書では特
にこれらを図示しないことにする）。
２の屈折率ｎgが１．５５０（これらの値は、波長１．
３２μｍにおけるフッ素化ポリイミドや、色素をわずか
に付加させたフッ素化ポリイミドの屈折率の典型的な値
である）、導波層２の厚みが４μｍである図１のスラブ
型の主導波路部分（導波層）のＴＥモードには、図４に
示すようにＴＥ０モードとＴＥ１モードが存在し、ＴＥ
０モードの実効屈折率ｎeffは１．５４７と求められ
る。本素子の光結合用導波路部分の屈折率ｎcpを１．５
５０としたため、θaは（１）式により１．７８５６°
と計算される（テーパ角θもこれと一致させた）。光結
合用導波路の入射面の厚みＴを４０μｍとすると、光結
合用導波路の長さＬは１２８３μｍとなる。この光導波
路素子について、入射光ビームの幅を１０μｍとし、そ
の入射位置を図１のｂの位置（光結合用導波路と主導波
路との境界より、光結合用導波路側へ１０μｍの位置）
として、詳しいビーム伝搬の様子をビーム伝搬法（ＢＰ
Ｍ）により計算したところ、図５に示す結果が得られた
（以下に示す種々の光導波路素子に対する検討でも、図
５に類する結果がそれぞれ得られたが、本明細書では特
にこれらを図示しないことにする）。
【００１９】上記と同一の条件で入射位置を、図１の
ａ、ｃ、ｄの位置（光結合用導波路と主導波路との境界
より、光結合用導波路側へそれぞれ０、２０、３０μｍ
の位置）に変えて、同様の計算を実施した。また、
ｎcp、θ、Ｌを以下の表に示す値に変えた光導波路素子
も作製し、ａ〜ｄの位置から入射させた場合についても
検討した。各々の素子について計算された、結合損失お
よび結合に起因する導波損失を以下の表にまとめて示し
た。
ａ、ｃ、ｄの位置（光結合用導波路と主導波路との境界
より、光結合用導波路側へそれぞれ０、２０、３０μｍ
の位置）に変えて、同様の計算を実施した。また、
ｎcp、θ、Ｌを以下の表に示す値に変えた光導波路素子
も作製し、ａ〜ｄの位置から入射させた場合についても
検討した。各々の素子について計算された、結合損失お
よび結合に起因する導波損失を以下の表にまとめて示し
た。
【００２０】
【表１】番号 ｎcp θ Ｌ（μｍ） 入射位置 損失（ｄＢ） １ １．５５０ １．７８５６° １２８３ ａ ９．９１６ ２ １．５５０ １．７８５６° １２８３ ｂ ３．６７３ ３ １．５５０ １．７８５６° １２８３ ｃ ４．４６７ ４ １．５５０ １．７８５６° １２８３ ｄ ９．２００ ５ １．５６０ ３．７０２４° ６１８．１ ａ １４．４３０ ６ １．５６０ ３．７０２４° ６１８．１ ｂ ３．８７５ ７ １．５６０ ３．７０２４° ６１８．１ ｃ ３．５９２ ８ １．５６０ ３．７０２４° ６１８．１ ｄ １９．１１８ （２）対照用光導波路素子に対する検討 光結合用導波路を形成せず主導波路のみを有する対照用
光導波路素子を用いて、光ファイバーの位置ずれに関す
る影響を検討し、本発明の光導波路素子と比較した。
光導波路素子を用いて、光ファイバーの位置ずれに関す
る影響を検討し、本発明の光導波路素子と比較した。
【００２１】図６に示す光導波路素子において、基板１
の屈折率を１．５４２、導波層２の屈折率を１．５５
０、導波層２の厚みを４μｍとしたとき、このスラブ型
の主導波路部分の実効屈折率ｎeffは図４から１．５４
７となる。入射光ビームの幅を１０μｍ、入射位置を導
波層２の中心から以下の表に示す距離だけ上部クラッド
側へずらして、詳しいビーム伝搬の様子を計算した。各
々の場合の結合損失および結合に起因する導波損失は以
下の表に示す通りであった。
の屈折率を１．５４２、導波層２の屈折率を１．５５
０、導波層２の厚みを４μｍとしたとき、このスラブ型
の主導波路部分の実効屈折率ｎeffは図４から１．５４
７となる。入射光ビームの幅を１０μｍ、入射位置を導
波層２の中心から以下の表に示す距離だけ上部クラッド
側へずらして、詳しいビーム伝搬の様子を計算した。各
々の場合の結合損失および結合に起因する導波損失は以
下の表に示す通りであった。
【００２２】
【表２】 番号 中心からのずれ（μｍ） 損失（ｄＢ） ９ ０ ０．６２８ １０ ２ １．５３２ １１ ４ ４．１０２ １２ ６ ８．０２０ １３ ８ １１．９３４ 以上の試験結果を図７にまとめて示した。このグラフか
ら、本発明の光導波路素子は入射光の位置ずれが大きく
ても損失が小さいことが明らかになった。
ら、本発明の光導波路素子は入射光の位置ずれが大きく
ても損失が小さいことが明らかになった。
【００２３】［試験例２］テーパ形状の作製精度の影響
を確認するために、テーパ角度θと導波損失の関係につ
いて検討した。
を確認するために、テーパ角度θと導波損失の関係につ
いて検討した。
【００２４】試験例１（１）と同一の条件でテーパ角度
θを変えたときに導波損失がどのように変化するかを検
討した。図１のＴは４０μｍに固定し、Ｌの長さを変え
ることによってテーパ角度θを変化させた。入射光ビー
ムの幅を１０μｍ、入射位置を図１のｂの位置にして、
詳しいビーム伝搬の様子を計算した。結果は、以下の表
に示す通りであった。
θを変えたときに導波損失がどのように変化するかを検
討した。図１のＴは４０μｍに固定し、Ｌの長さを変え
ることによってテーパ角度θを変化させた。入射光ビー
ムの幅を１０μｍ、入射位置を図１のｂの位置にして、
詳しいビーム伝搬の様子を計算した。結果は、以下の表
に示す通りであった。
【００２５】
【表３】 番号 θ／θａ θ Ｌ（μｍ） 導波損失（ｄＢ） １４ ０．３ ０．５° ４５８５ ３．６８９ １５ ０．８ １．４２８５° １６０４ ４．０５４ １６ ０．９ １．６０７０° １４２６ ４．３２７ １７ １．１ １．９６４２° １１６６ ４．２９１ １８ １．２ ２．１４２７° １０６９ ４．１３１ １９ １．４ ２．５° ９１６ ４．０９９ ２０ １．６８ ３．０° ７６３ ５．２７２ ２１ １．９６ ３．５° ６５３ ６．９１６ ２２ ２．２ ４．０° ５７２ ７．９５１ ２３ ２．５ ４．５° ５０８ ８．７５９ ２４ ２．８ ５．０° ４５７ ９．６５８ 以上の試験結果をまとめて図８に示した。このグラフか
ら、テーパ角度θが大きいほど損失は大きくなり、特に
θがθaの２倍以上になると受容しえない程度の損失を
招くことが明らかになった。
ら、テーパ角度θが大きいほど損失は大きくなり、特に
θがθaの２倍以上になると受容しえない程度の損失を
招くことが明らかになった。
【００２６】
【発明の効果】本発明の光導波路素子は、ＬＤや光ファ
イバーの光出射面と導波路光入射面の位置ずれに対する
耐性を示し、高効率の光結合を可能にする点で優れてい
る。
イバーの光出射面と導波路光入射面の位置ずれに対する
耐性を示し、高効率の光結合を可能にする点で優れてい
る。
【図１】入射用光結合用導波路および主導波路を有する
本発明の光導波路素子を表す図である。
本発明の光導波路素子を表す図である。
【図２】出射用光結合用導波路および主導波路を有する
本発明の光導波路素子を表す図である。
本発明の光導波路素子を表す図である。
【図３】双方向光結合用導波路および主導波路を有する
本発明の光導波路素子を表す図である。
本発明の光導波路素子を表す図である。
【図４】主導波路に関するモード分散曲線を表す図であ
る。
る。
【図５】ビーム伝送法計算の結果を表す図である。
【図６】端面結合している従来の光導波路素子を表す図
である。
である。
【図７】光結合の位置ずれに対する損失を表すグラフで
ある。 Ａ：試験番号９−１３（光結合用導波路がない場合） Ｂ：試験番号１−４ Ｃ：試験番号５−８
ある。 Ａ：試験番号９−１３（光結合用導波路がない場合） Ｂ：試験番号１−４ Ｃ：試験番号５−８
【図８】テーパ角度に対する損失を表すグラフである。
１…基板（下部クラッド） ２…導波層（主導波路） ３…光結合用導波路 ４…上部クラッド ５…光ファイバー
Claims (1)
- 【請求項１】屈折率ｎclを有するクラッド層上に形成さ
れた屈折率ｎg（ｎg＞ｎcl）を有する第１の光導波路上
に、さらに屈折率ｎcp（ｎcp≧ｎg）を有する第２の光
導波路が形成されている光導波路素子であって、 前記第２の光導波路の断面形状が、光導波路の端面から
離れるにしたがい膜厚が減少していくテーパ構造を有
し、 さらに前記テーパ構造のテーパ角度θが次式： 【数１】 θa ＝ ｛９０° − arcsin（ｎeff ／ｎcp）｝ ／２ （１） 【数２】 θ ≦ ２．０ θa （２） （上式において、ｎeffは、前記第１の光導波路の実効
屈折率である。）を満たす光導波路素子。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6183513A JPH0843651A (ja) | 1994-08-04 | 1994-08-04 | 光導波路素子 |
| EP95111816A EP0695958A1 (en) | 1994-08-04 | 1995-07-27 | Tapered waveguide for optical coupling |
| US08/510,390 US5568579A (en) | 1994-08-04 | 1995-08-02 | Waveguide coupling device including tapered waveguide with a particular tapered angle to reduce coupling loss |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6183513A JPH0843651A (ja) | 1994-08-04 | 1994-08-04 | 光導波路素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0843651A true JPH0843651A (ja) | 1996-02-16 |
Family
ID=16137163
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6183513A Pending JPH0843651A (ja) | 1994-08-04 | 1994-08-04 | 光導波路素子 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5568579A (ja) |
| EP (1) | EP0695958A1 (ja) |
| JP (1) | JPH0843651A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001330763A (ja) * | 2000-03-15 | 2001-11-30 | Hoya Corp | 集光部品並びにこれを用いた光源モジュール、レーザー装置及び光信号増幅装置 |
| US6735366B2 (en) | 1999-12-21 | 2004-05-11 | Nec Corporation | Optical waveguide module |
| KR100433900B1 (ko) * | 2002-06-18 | 2004-06-04 | 삼성전자주식회사 | 다항식 커브 테이퍼형 도파로 및 이를 이용한 광소자 |
| JP2006508398A (ja) * | 2002-11-27 | 2006-03-09 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | 三次元相互接続のための光ビア |
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| DE19637396A1 (de) * | 1996-09-13 | 1998-03-19 | Siemens Ag | Koppelanordnung zum Aneinanderkoppeln von Wellenleitern |
| SE509171C2 (sv) * | 1997-03-03 | 1998-12-14 | Ericsson Telefon Ab L M | Optisk vågledare |
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| DE19909482A1 (de) | 1999-03-04 | 2000-09-07 | Bosch Gmbh Robert | Piezoelektrischer Aktor |
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1994
- 1994-08-04 JP JP6183513A patent/JPH0843651A/ja active Pending
-
1995
- 1995-07-27 EP EP95111816A patent/EP0695958A1/en not_active Withdrawn
- 1995-08-02 US US08/510,390 patent/US5568579A/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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| US5568579A (en) | 1996-10-22 |
| EP0695958A1 (en) | 1996-02-07 |
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