JPH0915435A - Optical coupling device and optical function device - Google Patents
Optical coupling device and optical function deviceInfo
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- JPH0915435A JPH0915435A JP7159500A JP15950095A JPH0915435A JP H0915435 A JPH0915435 A JP H0915435A JP 7159500 A JP7159500 A JP 7159500A JP 15950095 A JP15950095 A JP 15950095A JP H0915435 A JPH0915435 A JP H0915435A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光導波路を伝わる光波
のスポットサイズを低損失で変換する光結合デバイスお
よび光機能デバイスに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical coupling device and an optical functional device for converting the spot size of a light wave propagating through an optical waveguide with low loss.
【０００２】[0002]
【従来の技術】半導体レーザダイオード（ＬＤ）や半導
体光スイッチ等の半導体光導波路デバイスと単一モード
光ファイバとの間を光結合させる場合、デバイス端面と
光ファイバを直接突合せ結合（バットジョイント）させ
ると、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、半導体デバイスの光波のスポットサイズ（モード直
径：Ｗ）は２μｍ程度であり、光ファイバの光波のスポ
ットサイズは約１０μｍ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する方法が一
般にとられる。しかし、複数のレーザダイオード（Ｌ
Ｄ）等を形成した光機能素子とアレイ光ファイバとの間
を、１個のレンズで光結合させる場合、光機能デバイス
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個の半導体基
板に集積できる光機能素子部の個数に制限があった。2. Description of the Related Art When optically coupling a semiconductor optical waveguide device such as a semiconductor laser diode (LD) or a semiconductor optical switch with a single mode optical fiber, the device end face and the optical fiber are directly butted to each other (butt joint). Since the optical waveguide light wave spot sizes are different from each other, the coupling loss of the direct butting portion becomes a problem. Usually, the spot size (mode diameter: W) of the light wave of the semiconductor device is about 2 μm, and the spot size of the light wave of the optical fiber is about 10 μm, so this coupling loss is about 10 dB. Therefore, a method of reducing the coupling loss by converting the spot size with a lens is generally used. However, multiple laser diodes (L
When the optical functional element formed with D) and the array optical fiber are optically coupled with one lens, the coupling loss increases due to the influence of the aberration of the lens as the integration scale of the optical functional device increases. Therefore, there is a limit to the number of optical functional element portions that can be integrated on one semiconductor substrate.
【０００３】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、レンズの代わりとし
て用いることにより、ＬＤとファイバ間を低損失に光結
合させる方法がある。図５は、ＬＤとモノリシック集積
化した従来の光結合デバイスの斜視図、図６はその動作
原理を説明するための特性図である。図５において５０
１は光導波路のコア層、５０２，５０３はクラッド層、
５０５は半導体レーザの活性層である。５１１はテーパ
光導波路部、５１２は半導体レーザ部である。ここに、
５０２はクラッド領域を構成する。図６から分かるよう
に、光導波路のコア層５０１の比屈折率差Δｎ［＝（ｎ
−ｎ1 ）／ｎ1 、ｎ1 ，ｎはそれぞれクラッド層５０
２，５０３、コア層５０１の屈折率］を一定の大きさに
固定した場合、コア層５０１の厚さｔ、もしくは幅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、ｔ，ｗが大きくなり過ぎると多モード光導
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５０１の大きさ
ｔ，ｗの設計においては、光入射端側（ＬＤとの結合
側）では、ＬＤ光のスポットサイズ（約２μｍ）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、光出射端側では、光ファイバ
のスポットサイズ（約１０μｍ）と同程度の大きさＷo
を与える寸法ｔo ，ｗo （＝数１０ｎｍ〜数μｍ）に設
定すればよい。また、コア層５０１の大きさがテーパ状
になるテーパ導波路領域の長さＬは、放射による損失を
低減するために、数１０μｍから数ｍｍ以上の長さに設
定される。このような光結合デバイスにおいて、ＳｉＯ
2 やＬｉＮｂＯ3 等の誘電体材料を用いた光結合デバイ
スは、コア層とクラッド層の比屈折率差Δｎが通常１％
以下であるので、光ファイバと結合をとる光出射端側で
は、コア層の大きさは数ミクロン程度の大きさになる。
しかし、半導体材料を用いた光結合デバイスにおいて
は、そのΔｎが通常数％以上であるので、光出射端部の
コア層の大きさはサブミクロンの大きさになり、このた
めに光出射端部の光波フィールドが指数関数形状にな
る。従って、光波フィールドがガウス分布形状である光
ファイバとの間で原理的に結合損失を生ずる欠点があ
る。図７は、半導体基板５０２と上部半導体層（クラッ
ド層）５０３が光ファイバのスポットサイズｗi より充
分厚い場合の従来例において、光出射端でのコア層幅ｗ
o に対するファイバ結合損失特性を示す。ここでは、コ
ア層厚ｔo は一定（０．１μｍ）としている。すなわ
ち、テーパ光導波路を形成するには、サブミクロンオー
ダの寸法を加工する高度なプロセス技術を要するが、特
に、光ファイバと低結合損失の特性を得るための光出射
端でのコア層の寸法トレランスがサブミクロン以下にな
り、製作性に難点があった。There is a method of optically coupling an LD and a fiber with low loss by using an optical coupling device for converting the spot size of light by a tapered optical waveguide as a substitute for a lens. FIG. 5 is a perspective view of a conventional optical coupling device monolithically integrated with an LD, and FIG. 6 is a characteristic diagram for explaining the operating principle thereof. 50 in FIG.
1 is a core layer of an optical waveguide, 502 and 503 are clad layers,
Reference numeral 505 is an active layer of the semiconductor laser. Reference numeral 511 is a tapered optical waveguide portion, and 512 is a semiconductor laser portion. here,
Reference numeral 502 constitutes a cladding region. As can be seen from FIG. 6, the relative refractive index difference Δn [= (n
-N 1 ) / n 1 , n 1 , and n are the cladding layers 50, respectively.
2, 503, the refractive index of the core layer 501] is fixed to a fixed value, and when the thickness t or the width w of the core layer 501 is gradually increased from 0, guided light (fundamental mode light) The spot size W has a relationship that it gradually decreases from an infinite size, reaches a minimum value, and then increases again. Here, if t and w become too large, a multimode optical waveguide is formed, and a loss due to higher-order mode conversion becomes large, so that the size of this region is not usually used. Utilizing this relationship, in designing the sizes t and w of the core layer 501 of the optical coupling device, on the light incident end side (coupling side with the LD), the spot size (about 2 μm) of the LD light is approximately the same. To the dimensions w i and t i (= several 100 nm to several μm) that give the spot size W i of the optical fiber, the size W o of the optical fiber is approximately the same as the spot size (about 10 μm) of the optical fiber.
The dimensions t o and w o (= several 10 nm to several μm) may be set. The length L of the tapered waveguide region in which the size of the core layer 501 is tapered is set to several tens of μm to several mm or more in order to reduce the loss due to radiation. In such an optical coupling device, SiO
An optical coupling device using a dielectric material such as 2 or LiNbO 3 usually has a relative refractive index difference Δn of 1% between the core layer and the cladding layer.
Since it is as follows, the size of the core layer is about several microns on the light emitting end side where it is coupled with the optical fiber.
However, in an optical coupling device using a semiconductor material, Δn is usually several percent or more, so that the size of the core layer at the light emitting end becomes submicron, which is why The light wave field of becomes an exponential shape. Therefore, there is a drawback in principle that a coupling loss occurs between the optical wave field and an optical fiber having a Gaussian distribution shape. FIG. 7 shows the core layer width w at the light emitting end in the conventional example in which the semiconductor substrate 502 and the upper semiconductor layer (cladding layer) 503 are sufficiently thicker than the spot size w i of the optical fiber.
The fiber coupling loss characteristic for o is shown. Here, the core layer thickness t o is constant (0.1 μm). That is, in order to form a tapered optical waveguide, a high-level process technology for processing dimensions on the order of submicrons is required. The tolerance became submicron or less, and there was a problem in manufacturability.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、 スポットサイズの小さな光導波路デバイスとスポッ
トサイズの大きな光導波路デバイスを光結合するため
に、スポットサイズを低損失で変換する光結合デバイス
を提供する、 光結合デバイス半導体光導波路内の指数関数形の光
波フィールド分布を、光ファイバ内のガウス形光波フィ
ールド分布に近い形状に変換し、光波フィールド分布の
相違による結合損失を低減した光結合デバイスを提供す
る、 大きなスポットサイズの光導波路デバイスと接続す
る側のコア層の寸法に関し、製作精度の緩い光結合デバ
イスを提供する、ことにある。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an optical coupling device for converting a spot size with a low loss in order to optically couple an optical waveguide device having a small spot size and an optical waveguide device having a large spot size. Optical coupling device An optical coupling device that converts the exponential lightwave field distribution in a semiconductor optical waveguide into a shape close to the Gaussian lightwave field distribution in an optical fiber and reduces the coupling loss due to the difference in the lightwave field distribution. An object of the present invention is to provide an optical coupling device whose manufacturing accuracy is low with respect to the size of the core layer on the side connected to the optical spot device having a large spot size.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明の光結合デバイス
は、スポットサイズの大きさ光導波路デバイスとスポッ
トサイズの小さな光導波路デバイスとを光結合するため
に用いるものであって、半導体基板と、該半導体基板上
に形成され、光の伝搬方向に形状がテーパ状に変化して
いるコア層と、該半導体基板上に形成され、該コア層を
取り囲むような突起部を有する第１半導体層と、該第１
の半導体層より小さい屈折率を持ち、該第１の半導体層
の上部に配置された第２の半導体層あるいは誘電体層、
空気層等からなる。該第１の半導体層の屈折率は、該コ
ア層よりも小さく、かつ該半導体基板よりも大きく、ま
た、少なくとも該スポットサイズの大きい光導波路デバ
イスとの光結合端面部において、該第１の半導体層の突
起部の厚さ・幅を、該スポットサイズの大きい光導波路
デバイスのスポットサイズの大きさに合わせるように設
定したことを特徴とする。An optical coupling device of the present invention is used for optically coupling an optical waveguide device having a spot size and an optical waveguide device having a small spot size, and a semiconductor substrate, A core layer formed on the semiconductor substrate and having a tapered shape in the light propagation direction; and a first semiconductor layer formed on the semiconductor substrate and having a protrusion surrounding the core layer. , The first
A second semiconductor layer or a dielectric layer having a refractive index smaller than that of the first semiconductor layer and disposed on the first semiconductor layer,
It consists of an air layer. The refractive index of the first semiconductor layer is smaller than that of the core layer and larger than that of the semiconductor substrate, and at least at the optical coupling end face portion with the optical waveguide device having the large spot size, the first semiconductor layer. It is characterized in that the thickness and width of the protrusion of the layer are set so as to match the size of the spot size of the optical waveguide device having the large spot size.
【０００６】このような構成をとることにより、コア層
の周りを比較的屈折率の高い第１の半導体層で取り囲
み、該第１の半導体層の外側に比較的屈折率の低いクラ
ッド層（半導体基板、第２の半導体層、誘電体、空気
層）が配されることになり、コア層と第１の半導体層と
の光閉じ込め構造、第１の半導体層の突起部とその外側
のクラッド層との光閉じ込め構造、というように二重の
光閉じ込め構造を形成することになる。With such a structure, the core layer is surrounded by the first semiconductor layer having a relatively high refractive index, and the clad layer (semiconductor layer having a relatively low refractive index is provided outside the first semiconductor layer. (A substrate, a second semiconductor layer, a dielectric, an air layer) are arranged, and an optical confinement structure between the core layer and the first semiconductor layer, a protrusion of the first semiconductor layer and a clad layer outside thereof And a light confinement structure, which will form a double light confinement structure.
【０００７】[0007]
【作用】 光の伝搬方向に形状がテーパ状に変化しているコア
層により、スポットサイズが変換される。コア層の寸法
が大きいときには、光がコア層に強く閉じ込められて光
波フィールド分布が広がらないため、周囲のクラッド構
造の影響をほとんど受けず、スポットサイズが小さい。
逆にコア層の寸法が小さくなると、光のコア層への閉じ
込めが弱くなり、光波フィールド分布が広がるため、ス
ポットサイズが大きくなる。コア層の寸法が光の伝搬方
向にテーパ状に変化すると、光のコア層への閉じ込めの
強さが徐々に変化し、その結果スポットサイズが変換さ
れる。[Advantages] The spot size is converted by the core layer whose shape is tapered in the light propagation direction. When the size of the core layer is large, the light is strongly confined in the core layer and the light wave field distribution does not spread, so that it is hardly affected by the surrounding cladding structure and the spot size is small.
On the contrary, when the size of the core layer is reduced, the light is less confined in the core layer and the light wave field distribution is widened, so that the spot size is increased. As the dimensions of the core layer taper in the direction of light propagation, the strength of light confinement in the core layer gradually changes, resulting in a change in spot size.
【０００８】 少なくとも、スポットサイズが大きい
光導波路部において、コア層の周りに比較的屈折率の高
い第１の半導体層を配し、その外側に比較的屈折率の低
い半導体基板、第２の半導体層または空気層等の誘電体
を配しているため、光波フィールド分布形状の変換が行
える。コア層寸法が比較的大きいところではスポットサ
イズは小さくなっており、その光波フィールド分布は、
コア層の寸法・形状にのみほぼ規定される。しかし、コ
ア層寸法が小さくなってスポットサイズが大きくなると
ころでは、コア層の閉じ込めが弱くなり、光波フィール
ド分布はコア層と第１の半導体層との閉じ込め構造、お
よび第１の半導体層の突起部近傍と、その外側の比較的
低い屈折率の半導体基板、第２の半導体層または空気層
等の閉じ込め構造に規定される。このために、第１の半
導体層の突起部の寸法を、大きいスポットサイズの光導
波路デバイスのスポットサイズの大きさに設定すれば、
その光波フィールド分布はガウス分布形に近づく。At least in the optical waveguide portion having a large spot size, the first semiconductor layer having a relatively high refractive index is arranged around the core layer, and the semiconductor substrate having the relatively low refractive index and the second semiconductor layer are provided outside the first semiconductor layer. Since a dielectric such as a layer or an air layer is arranged, the light wave field distribution shape can be converted. The spot size is small where the core layer size is relatively large, and its lightwave field distribution is
It is almost specified only by the size and shape of the core layer. However, when the size of the core layer is small and the spot size is large, the confinement of the core layer is weak, and the light wave field distribution has a confinement structure between the core layer and the first semiconductor layer and a protrusion of the first semiconductor layer. It is defined by a confinement structure such as a semiconductor substrate, a second semiconductor layer or an air layer having a relatively low refractive index in the vicinity of the portion and outside thereof. Therefore, if the size of the protrusion of the first semiconductor layer is set to the size of the spot size of the optical waveguide device having a large spot size,
The light wave field distribution approaches a Gaussian distribution.
【０００９】 大きなスポットサイズ側の光波フィー
ルド分布がコア層を取り囲む第１のクラッド層の寸法・
形状に強く依存するために、コア層寸法の製作精度の緩
い光結合デバイスとなる。The light field distribution on the large spot size side has a dimension of the first cladding layer that surrounds the core layer.
Since it strongly depends on the shape, the optical coupling device has a loose manufacturing accuracy of the core layer size.
【００１０】[0010]
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例と原理
・効果を詳細に説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The embodiments of the present invention and the principles and effects thereof will be described in detail below with reference to the drawings.
【００１１】図１は、本発明の一実施例による光結合デ
バイスを示す。図１（Ａ）は斜視図、図１（Ｂ）は光出
射端部の断面図である。図において、１０１は屈折率が
ｎcの光導波路のコア層、１０２は屈折率がｎs のｎ+形
半導体基板である。１０３は屈折率がｎp のｎ- もしく
はｉ（ノンドープ：真性）もしくはｐ形半導体層であ
り、１０３ａはコア層１０１直上付近で盛り上がった形
状の突起部である。さらに、半導体層１０３の上部に
は、例えばＳｉＯ2 や空気等の低い屈折率（：ｎa （＜
ｎp ））の誘電体、もしくは半導体や金属、金属コンタ
クト層等が配置されている。半導体層１０３は半導体基
板１０２より屈折率が大きい半導体層であり、１０２，
１０３の各半導体層１０２，１０３とその上部とが光導
波路のクラッド領域になる。１０８は出射光、１０９は
入射光である。図中の各半導体層の屈折率の大きさは、
ｎc ＞ｎp ＞ｎs ，ｎa の関係を持たせてある。コア層
１０１の断面の大きさは、光導波路のスポットサイズ
が、光入射端側では半導体レーザや光変調器あるいは光
スイッチ等の光機能デバイス導波路光すなわち入射光１
０９のスポットサイズに合わせるように設定され、出射
端側に向かうにつれて徐々に変化させ、光出射端部では
接続される光機能デバイス（例えば光ファイバ）のスポ
ットサイズと同程度のスポットサイズを与える寸法に設
定している。光出射端部のコアの幅，厚さをそれぞれｗ
i ，ｔi と表す。半導体層１０３の突起部１０３ａの厚
さｔ21は、光ファイバの導波光スポットの半径と同程度
の大きさに設定され、またその幅ｗ21は光ファイバ導波
光スポットの直径と同程度の大きさに設定される。半導
体基板１０２と上部誘電体のクラッド領域（：第２クラ
ッド領域）に対して、この半導体層１０３の突起部１０
３ａは弱い光閉じ込め効果を有するサブクラッド領
域（：第１クラッド領域）になる。本構成において、光
入射端側では、光閉じ込めが強い光導波路構造になって
いるので、その光学的特性は従来の場合とほとんど変わ
らないので、入射端部のコア層寸法ｗi ，ｔi は図５の
従来例とほぼ同じ大きさに設定される。光導波路長Ｌ
は、伝搬光がそれぞれの領域での定常導波モードに近い
状態になるように、充分長く設定され、通常、数１０μ
ｍから数ｍｍの長さにすれば、本発明の効果が得られ
る。また、光出射端部のコア層寸法ｗi ，ｔi について
は、図７で示す設計例と同様に、光ファイバの結合損失
が小さくなる大きさに設定すればよい。ただし、必要以
上に寸法を小さくすると、光波フィールド強度のピーク
位置がコア層１０１からずれて、半導体層１０３の突起
部１０３ａの中央付近に移る。この場合、テーパ光導波
路でのスポットサイズ変換に伴う放射損失が増大するの
で、この効果を考慮して設定すればよい。FIG. 1 shows an optical coupling device according to an embodiment of the present invention. 1A is a perspective view, and FIG. 1B is a cross-sectional view of a light emitting end portion. In the figure, 101 is a core layer of an optical waveguide having a refractive index n c , and 102 is an n + type semiconductor substrate having a refractive index n s . Reference numeral 103 is an n − or i (non-doped: intrinsic) or p-type semiconductor layer having a refractive index of n p , and 103 a is a protrusion having a swelled shape in the vicinity of just above the core layer 101. Furthermore, the upper portion of the semiconductor layer 103, for example, SiO 2 or lower refractive index of air, etc. (: n a (<
n p )) dielectric, semiconductor, metal, metal contact layer, etc. are arranged. The semiconductor layer 103 is a semiconductor layer having a refractive index larger than that of the semiconductor substrate 102.
The semiconductor layers 102 and 103 of 103 and the upper portion thereof become the cladding region of the optical waveguide. Reference numeral 108 is outgoing light, and 109 is incident light. The magnitude of the refractive index of each semiconductor layer in the figure is
The relationships of n c > n p > n s and n a are given. The cross-sectional size of the core layer 101 is such that the spot size of the optical waveguide is such that on the light incident end side, the optical functional device waveguide light such as a semiconductor laser, an optical modulator, or an optical switch, that is, the incident light 1
The spot size is set so as to match the spot size of 09, and is gradually changed toward the emission end side, and at the light emission end portion, a spot size similar to that of the connected optical functional device (for example, optical fiber) is given. Is set to. The width and thickness of the core at the light emitting end are respectively w
Denote by i and t i . The thickness t 21 of the protruding portion 103a of the semiconductor layer 103 is set to have the same size as the radius of the guided light spot of the optical fiber, and the width w 21 thereof has the same size as the diameter of the optical fiber guided light spot. Is set to With respect to the semiconductor substrate 102 and the cladding region (: second cladding region) of the upper dielectric, the protrusion 10 of the semiconductor layer 103 is formed.
3a becomes a sub-cladding region (: first cladding region) having a weak optical confinement effect. In this configuration, since the optical waveguide structure has strong optical confinement on the light incident end side, its optical characteristics are almost the same as those in the conventional case. Therefore, the core layer dimensions w i and t i at the incident end are The size is set to be almost the same as that of the conventional example of FIG. Optical waveguide length L
Is set long enough so that the propagating light is in a state close to the stationary guided mode in each region.
If the length is from m to several mm, the effect of the present invention can be obtained. Further, the core layer dimensions w i and t i at the light emitting end may be set to a size that reduces the coupling loss of the optical fiber, as in the design example shown in FIG. However, if the dimension is made smaller than necessary, the peak position of the light wave field intensity shifts from the core layer 101 and moves to the vicinity of the center of the protrusion 103a of the semiconductor layer 103. In this case, since the radiation loss due to the spot size conversion in the tapered optical waveguide increases, it may be set in consideration of this effect.
【００１２】図２は、本発明による光結合デバイスの他
の一実施例であり、光ファイバ結合側光出射端部の断面
図である。この場合、コア２０１の真下の半導体基板２
０２は高さｔ22のリッジ２０２ａを有するリッジ形状に
構成されている。また半導体層２０３の厚さｔ2 はリッ
ジ高さｔ22と同程度もしくはｔ2 ＜ｔ22の関係に設定
し、突起部の幅ｗ21と厚さｔ21＋ｔ22の大きさは光ファ
イバ導波光スポットの直径と同程度の大きさにしてい
る。従って、第１クラッド領域として、突起部付近のコ
ア周辺でコアを中心とした軸対称に近い形状に設定して
いる。FIG. 2 shows another embodiment of the optical coupling device according to the present invention, which is a sectional view of the light emitting end of the optical fiber coupling side. In this case, the semiconductor substrate 2 directly below the core 201
02 is configured to ridge having a ridge 202a of the height t 22. The thickness t 2 of the semiconductor layer 203 is set to the same level as the ridge height t 22 or the relationship of t 2 <t 22. The width w 21 of the protrusion and the thickness t 21 + t 22 are the same as those of the optical fiber guide. The size is approximately the same as the diameter of the wave light spot. Therefore, the first clad region is set to have an axially symmetric shape around the core near the protrusion.
【００１３】図３は、本発明による光結合デバイスの他
の一実施例であり、半導体基板３０２上に半導体レーザ
と本光結合デバイスをモノリシック集積化した場合を示
す。図３（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は光出射端部の断面
図、（Ｃ）は半導体レーザ部の断面図である。ここで、
３０１はテーパ光導波路部のコア層、３０２はｎ+ 形半
導体基板、３０３はノンドープＩｎＰ層、３０３ａはそ
の突起部、３０４はｐ形ＩｎＰ層、３０５は半導体レー
ザの活性層、３０６はキャップ層、３０７は電極、３１
１はテーパ光導波路部、３１２は半導体レーザ部であ
る。この場合、半導体層のエピタキシャル成長における
成長膜形状の結晶方位依存性を利用することで半導体層
３０３の突起部３０２ａを形成できる。例えば、本実施
例の場合、（１００）面の半導体基板３０２を用い、光
導波路（光の導波方向）を結晶軸＜１１０＞方向にとる
ことで、突起部３０２ａの傾斜面が（１１１）面となる
ような突起が形成される。FIG. 3 shows another embodiment of the optical coupling device according to the present invention, showing a case where a semiconductor laser and the present optical coupling device are monolithically integrated on a semiconductor substrate 302. 3A is a perspective view, FIG. 3B is a sectional view of a light emitting end portion, and FIG. 3C is a sectional view of a semiconductor laser portion. here,
301 is a core layer of the tapered optical waveguide portion, 302 is an n + type semiconductor substrate, 303 is a non-doped InP layer, 303a is a protrusion thereof, 304 is a p type InP layer, 305 is an active layer of a semiconductor laser, 306 is a cap layer, 307 is an electrode, 31
Reference numeral 1 is a tapered optical waveguide portion, and 312 is a semiconductor laser portion. In this case, the protrusion 302a of the semiconductor layer 303 can be formed by utilizing the crystal orientation dependence of the growth film shape in the epitaxial growth of the semiconductor layer. For example, in the case of the present embodiment, by using the (100) plane semiconductor substrate 302 and setting the optical waveguide (light guiding direction) in the crystal axis <110> direction, the inclined surface of the protrusion 302a becomes (111). A protrusion that becomes a surface is formed.
【００１４】以下、本発明の原理・効果を具体的に説明
する。The principle and effect of the present invention will be specifically described below.
【００１５】図４は、図１の実施例の光結合デバイスの
効果を説明するための図であり、光出射端部におけるコ
ア層１０１の幅ｗi と光ファイバ結合損失との関係を、
有限要素法を用いたスカラー波近似解析によって求めた
計算例である。ここでは、波長λ＝１．３μｍ帯用で、
スポット直径ｗf ＝８μｍの光ファイバに結合させ、コ
ア層１０１として吸収端が１．１μｍ組成のＩｎＧａＡ
ｓＰを用い、半導体層１０２にｎ+ 形ＩｎＰ基板、半導
体層１０３にノンドープＩｎＰを用いている。コア層１
０１の厚さはｔ1 ＝０．１２，０．１０，０．０８μｍ
一定とし、半導体層１０３の突起部１０３ａの寸法をｔ
2 ＝２μｍ、ｔ21＝４μｍ、ｗ21＝８μｍと設定した。
すなわち、図４において、ｗ1 が充分広い状態から徐々
に狭くしていくと、結合損失は徐々に小さくなり、最低
値に近づく傾向を示すことが分かる。従来例（図７）で
は、コア層の厚さｔ1 をある一定値に固定した時、最小
の光ファイバ結合損失を与える最適コア幅ｗo のトレラ
ンスが小さく、その最適値より僅かにずれるだけで、結
合損失が著しく大きくなる関係がある。これに対して、
図４から分かるように、本発明によると、ｗ1 が最適値
より多少ずれても、結合損失はそれほど大きくはなら
ず、幅ｗ1 のトレランスが緩和されることが分かる。し
かも、テーパ長Ｌを従来例と同じにするとテーパ部での
スポットサイズ変換に伴う放射損失を低減でき、放射損
失を同じ大きさにするとテーパ長Ｌを短縮化できる。こ
れらの効果は、半導体層１０３の突起部（第１クラッド
領域）１０３ａで光閉じ込め効果があるために生ずる。
さらに、図２の実施例では、第１クラッド領域がコア層
を中心とした軸対称構造に近い形状になるので、円形の
光波フィールド形状をもつ光ファイバとの結合損失を低
減することができる。光導波路伝搬光の光波フィールド
分布強度のピーク位置が、本光結合デバイス内の光入射
端から光出射端までのどの場所においてもコア中にある
ことが望ましく、しかも、その分布がどの場所において
もコア層を中心とした軸対称形状になるように、コア
層、各クラッドの構造・材質を設定すれば、そのときの
放射損失を極めて小さくできる。なお、図１の実施例の
光結合デバイスにおいて半導体基板１０２と半導体層１
０３を同じ材質（ｎp ＝ｎs ）で構成した場合も、本発
明の効果を得ることができる。FIG. 4 is a diagram for explaining the effect of the optical coupling device of the embodiment of FIG. 1, and shows the relationship between the width w i of the core layer 101 at the light emitting end and the optical fiber coupling loss.
It is a calculation example obtained by a scalar wave approximation analysis using the finite element method. Here, for the wavelength λ = 1.3 μm band,
The core layer 101 was coupled to an optical fiber having a spot diameter w f = 8 μm, and the core layer 101 had an absorption edge of InGaA of 1.1 μm composition.
sP is used, an n + -type InP substrate is used for the semiconductor layer 102, and undoped InP is used for the semiconductor layer 103. Core layer 1
The thickness of 01 is t 1 = 0.12,0.10,0.08 μm
The size of the protrusion 103a of the semiconductor layer 103 is set to be constant and t
2 = 2 μm, t 21 = 4 μm, and w 21 = 8 μm.
That is, in FIG. 4, it can be seen that when w 1 is gradually widened from a sufficiently wide state, the coupling loss gradually becomes smaller and tends to approach the minimum value. In the conventional example (FIG. 7), when the thickness t 1 of the core layer is fixed to a certain constant value, the tolerance of the optimum core width w o that gives the minimum optical fiber coupling loss is small, and only slightly deviates from the optimum value. Therefore, there is a relation that the coupling loss becomes significantly large. On the contrary,
As can be seen from FIG. 4, according to the present invention, even if w 1 is slightly deviated from the optimum value, the coupling loss does not become so large and the tolerance of the width w 1 is relaxed. Moreover, if the taper length L is the same as that of the conventional example, the radiation loss accompanying the spot size conversion at the taper portion can be reduced, and if the radiation loss is the same, the taper length L can be shortened. These effects occur because the projection portion (first cladding region) 103a of the semiconductor layer 103 has a light confinement effect.
Further, in the embodiment of FIG. 2, the first cladding region has a shape close to an axially symmetric structure centered on the core layer, so that it is possible to reduce the coupling loss with the optical fiber having a circular light wave field shape. It is desirable that the peak position of the intensity of the light wave field distribution of the light propagated in the optical waveguide is in the core at any position from the light incident end to the light emitting end in the present optical coupling device, and the distribution is also at any position. If the structure and material of the core layer and each clad are set so that the core layer has an axially symmetric shape, the radiation loss at that time can be made extremely small. The semiconductor substrate 102 and the semiconductor layer 1 in the optical coupling device of the embodiment shown in FIG.
Even when 03 is made of the same material (n p = n s ), the effect of the present invention can be obtained.
【００１６】本発明による光結合デバイスの第１クラッ
ド領域の大きさは、光ファイバと結合させる場合は、光
ファイバのモードフィールドが円形であるので、図２に
示すようにｗ21とｔ21＋ｔ22をほぼ同じ大きさに設定し
ている。しかし、光波フィールド形状が例えば楕円状の
ような縦横比が異なる形状、あるいは歪んだ形状の場
合、その形状に合わせるように第１クラッド領域の断面
形状を設定すればよい。The size of the first cladding region of the optical coupling device according to the present invention is w 21 and t 21 + t as shown in FIG. 2 because the mode field of the optical fiber is circular when coupled with the optical fiber. 22 is set to almost the same size. However, when the light wave field shape is a shape having a different aspect ratio, such as an elliptical shape, or a distorted shape, the cross-sectional shape of the first cladding region may be set to match the shape.
【００１７】以上では、動作波長が１．３μｍ帯で、コ
ア層の材質として１．１μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ、各
半導体層にＩｎＰを用いた場合を示したが、動作波長や
接続される光ファイバのスポットサイズに合わせて、光
導波路の材質・寸法を設定すれば、本発明の効果を得る
ことができるのは明白である。また、各半導体層の屈折
率ｎが均一の材料を用いた場合を説明したが、例えば多
重量子井戸（ＭＱＷ）層を用いて、井戸層、障壁層の材
質・厚さを選択することにより任意にその実効的屈折率
を設定できるので、同様に本発明の効果を得ることが可
能である。また、各半導体層を異なる複数の材質の半導
体層で構成してもよい。In the above, the case where the operating wavelength is 1.3 μm band and the core layer is made of InGaAsP having a composition of 1.1 μm and InP is used for each semiconductor layer is shown. Obviously, the effects of the present invention can be obtained by setting the material and size of the optical waveguide according to the spot size. Further, although the case where the material having the uniform refractive index n of each semiconductor layer is used has been described, for example, a multiple quantum well (MQW) layer is used, and the material and thickness of the well layer and the barrier layer are selected to be arbitrary. Since the effective refractive index can be set to, the effect of the present invention can be similarly obtained. Further, each semiconductor layer may be composed of semiconductor layers made of a plurality of different materials.
【００１８】以上の例では、光出射端側のコア層の寸法
ｗ1 ，ｔ1 を光入射端側のコア層の寸法ｗi ，ｔi より
小さくしてスポットサイズを拡大し光ファイバのスポッ
トサイズに合わせる場合について説明したが、例えばｗ
1 は光ファイバのそれと同程度の大きさにして、ｔ1 を
極端に薄くした導波路を構成してスポットサイズを変換
しても良い。本発明は、半導体デバイス以外に、例えば
ＳｉＯ2 等のガラス材料、あるいは有機材料等を利用し
た光デバイスに適用できることは自明である。In the above example, the dimensions w 1 and t 1 of the core layer on the light emitting end side are made smaller than the dimensions w i and t i of the core layer on the light incident end side to enlarge the spot size to increase the spot size of the optical fiber. I explained how to fit the size. For example, w
The spot size may be converted by constructing a waveguide in which t 1 is extremely thin and 1 is set to a size approximately the same as that of the optical fiber. It is obvious that the present invention can be applied to an optical device using a glass material such as SiO 2 or an organic material in addition to the semiconductor device.
【００１９】本光結合デバイスは半導体材料で構成でき
るので、例えば、半導体レーザや光変調器、ＬＤアン
プ、光スイッチ等の光機能デバイスの光入出射端部に、
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ことが可能である。この場合、半
導体基板上に、光機能デバイスの導波路を形成する時
に、本光結合デバイス用導波路を同時に形成する、ある
いは光機能デバイス部を形成した後、互いの導波路を直
接突き合わせるように本光結合デバイス用導波路を形成
しても良い。Since the present optical coupling device can be made of a semiconductor material, for example, a light input / output end portion of an optical functional device such as a semiconductor laser, an optical modulator, an LD amplifier or an optical switch,
It is possible to realize an optical device in which the present coupling device is monolithically integrated on the same substrate. In this case, when the waveguide of the optical functional device is formed on the semiconductor substrate, the optical coupling device waveguide is formed at the same time, or after the optical functional device portion is formed, the optical waveguides are directly butted to each other. Alternatively, the waveguide for the present optical coupling device may be formed.
【００２０】以上では、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デバイ
ス、あるいはガラス光導波路デバイスなどあらゆる光導
波路デバイスとの接続部に対しても、それらの光導波路
のスポットサイズに合わせるように本発明による光結合
デバイス導波路の材質、寸法あるいは形状を設定すれ
ば、低結合損失の特性を実現できる。また、以上では半
導体レーザ光を光ファイバに結合させる場合について説
明したが、逆に光ファイバから伝送されて来た光を、ス
ポットサイズの小さな光機能デバイスに光結合をとる場
合も本発明による光結合デバイスが有効なことは自明で
ある。In the above description, the case of connecting an optical fiber has been described. However, in addition to this, even if the optical fiber is connected to any other optical waveguide device such as another semiconductor optical waveguide device or a glass optical waveguide device, those optical fibers are also connected. If the material, size, or shape of the optical coupling device waveguide according to the present invention is set so as to match the spot size of the waveguide, the characteristics of low coupling loss can be realized. Further, although the case where the semiconductor laser light is coupled to the optical fiber has been described above, conversely, when the light transmitted from the optical fiber is optically coupled to the optical functional device having a small spot size, the light according to the present invention is used. It is self-evident that the coupling device is valid.
【００２１】[0021]
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、スポ
ットサイズ変換用の光導波路コア層の周辺に第１クラッ
ド領域を介してさらに低屈折率の領域を配置することに
より、光波フィールド分布をガウス分布形状に近い形状
にしているために、低損失な特性を得ると共にコアの製
作精度を緩くした光結合デバイスが実現可能である。As described above, according to the present invention, the light wave field distribution is improved by arranging a region having a lower refractive index around the optical waveguide core layer for spot size conversion through the first cladding region. Since the shape is close to the Gaussian distribution shape, it is possible to realize an optical coupling device in which the characteristics of low loss are obtained and the manufacturing accuracy of the core is loosened.
【図１】本発明の一実施例による光結合デバイスを示
し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は光出射端部の断面図であ
る。1A and 1B show an optical coupling device according to an embodiment of the present invention, FIG. 1A is a perspective view, and FIG. 1B is a sectional view of a light emitting end portion.
【図２】本発明の他の一実施例による光結合デバイスの
光出射端部を示す断面図である。FIG. 2 is a sectional view showing a light emitting end of an optical coupling device according to another embodiment of the present invention.
【図３】本発明の他の一実施例による光結合デバイスを
示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は光出射端部の断面図、
および（Ｃ）は半導体レーザ部の断面図である。FIG. 3 shows an optical coupling device according to another embodiment of the present invention, (A) is a perspective view, (B) is a sectional view of a light emitting end,
6C and 6C are cross-sectional views of the semiconductor laser section.
【図４】本発明の動作原理・効果を説明するための説明
図である。FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the operation principle and effect of the present invention.
【図５】従来の光結合デバイスの構成例を示す斜視図で
ある。FIG. 5 is a perspective view showing a configuration example of a conventional optical coupling device.
【図６】スポットサイズ変換の原理を説明するための説
明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the principle of spot size conversion.
【図７】従来の光結合デバイスの特性図である。FIG. 7 is a characteristic diagram of a conventional optical coupling device.
１０１，２０１，３０１，５０１ 光導波路のコア層 １０２，２０２，３０２，５０２ クラッド領域を構成
するｎ+ 形半導体基板 １０３，２０３，３０３，５０３ 第１クラッド領域の
一部を構成するｎ- もしくはｉもしくはｐ形半導体層 １０３ａ 突起部 １０８，３０８，５０８ 出射光 １０９ 入射光 ２０２ａ リッジ ３０３ａ 突起部 ３０４ ｐ形ＩｎＰ層 ３０５，５０５ 半導体レーザの活性層 ３０６ キャップ層 ３０７ 電極 ３１１ テーパ光導波路部 ３１２ 半導体レーザ部 ５１１ テーパ光導波路部 ５１２ 半導体レーザ部101, 201, 301, 501 Core layer of optical waveguide 102, 202, 302, 502 n + type semiconductor substrate 103, 203, 303, 503 forming a cladding region n − or i forming a part of a first cladding region Alternatively, p-type semiconductor layer 103a protrusions 108, 308, 508 emitted light 109 incident light 202a ridge 303a protrusions 304 p-type InP layer 305, 505 semiconductor laser active layer 306 cap layer 307 electrode 311 taper optical waveguide portion 312 semiconductor laser portion 511 Tapered optical waveguide section 512 Semiconductor laser section
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 須崎 泰正 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 界 義久 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Yasumasa Susaki 1-1-6 Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Nihon Telegraph and Telephone Corp. (72) Yoshihisa KAI 1-1-6 Uchiyuki-cho, Chiyoda-ku, Tokyo Nippon Telegraph and Telephone Corporation
Claims (4)
光導波路デバイスよりスポットサイズの小さい第２の光
導波路デバイスとを結合する光結合デバイスにおいて、 少なくとも、半導体基板と、該半導体基板上に形成さ
れ、光の伝搬方向に形状がテーパ状に変化しているコア
層と、該半導体基板上に形成され、該コア層を取り囲む
ように構成された第１のクラッド層から成り、 少なくとも前記第１の光導波路デバイスとの光結合端面
側近傍において、前記コア層の直上付近の前記第１のク
ラッド層の表面形状、厚さを、前記第１の光導波路デバ
イスのスポットサイズの形状、大きさに合わせるように
設定したことを特徴とする光結合デバイス。1. An optical coupling device for coupling a first optical waveguide device and a second optical waveguide device having a spot size smaller than that of the first optical waveguide device, comprising at least a semiconductor substrate and on the semiconductor substrate. And a first clad layer formed on the semiconductor substrate and surrounding the core layer, the core layer being formed on the semiconductor substrate and having a tapered shape in the light propagation direction. In the vicinity of the optical coupling end face side with the first optical waveguide device, the surface shape and thickness of the first cladding layer in the vicinity of immediately above the core layer are set to the shape and size of the spot size of the first optical waveguide device. An optical coupling device characterized by being set according to the height.
率が、前記コア層よりも小さく、かつ前記半導体基板よ
りも大きく設定したことを特徴とする請求項１記載の光
結合デバイス。2. The optical coupling device according to claim 1, wherein the refractive index of at least the first cladding layer is set smaller than that of the core layer and larger than that of the semiconductor substrate.
光導波路デバイスとの光結合端面側近傍において、前記
コア層の直下付近の前記半導体基板をリッジ形状とした
ことを特徴とする請求項２記載の光結合デバイス。3. The optical coupling according to claim 2, wherein at least near the optical coupling end face side with the optical waveguide device having the large spot size, the semiconductor substrate in the vicinity immediately below the core layer has a ridge shape. device.
おいて、請求項１ないし３のいずれかに記載の光結合デ
バイスが、前記入出力導波路として集積化されているこ
とを特徴とする光機能デバイス。4. An optical function device having an input / output optical waveguide, wherein the optical coupling device according to claim 1 is integrated as the input / output waveguide. device.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7159500A JPH0915435A (en) | 1995-06-26 | 1995-06-26 | Optical coupling device and optical function device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7159500A JPH0915435A (en) | 1995-06-26 | 1995-06-26 | Optical coupling device and optical function device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0915435A true JPH0915435A (en) | 1997-01-17 |
Family
ID=15695131
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7159500A Pending JPH0915435A (en) | 1995-06-26 | 1995-06-26 | Optical coupling device and optical function device |
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| Country | Link |
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