JPH09258062A

JPH09258062A - 光結合器及びその製造方法

Info

Publication number: JPH09258062A
Application number: JP7078296A
Authority: JP
Inventors: Koji Minami; 功治南; Noriaki Okada; 訓明岡田; 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: 1996-03-26
Filing date: 1996-03-26
Publication date: 1997-10-03
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: JP3200007B2; DE19712529A1

Abstract

(57)【要約】【課題】光導波路素子に一体的に形成される光結合器
において、光導波路素子に積層される膜の厚さを増加さ
せることなく再結合による結合効率の低下を防ぎ、安定
した結合効率を確保する。【解決手段】基板上に形成される第１及び第２誘電体
層を少なくとも含む光導波路構造の表面に、光入射手段
を接着剤で接着して、光結合器を構成する。このとき、
接着部を構成する接着剤を、接着部の屈折率ｎ_b、第１
誘電体層の屈折率ｎ₁、及び第２誘電体層の屈折率ｎ₂の
間にｎ_b＞ｎ₁＞ｎ₂なる関係が成立するように選択す
る。接着部は光導波路構造の表面に交わるエッジ面を有
し、エッジ面と該光導波路構造の表面との交線は直線で
ある。また、光入射手段はエッジ面から光導波路構造に
おける光の進行方向に向かって長さＰ_Lだけ突出してお
り、突出部と光導波路構造の表面との間にはエッジ面の
高さに等しい所定の高さ以上の空気ギャップが設けられ
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路素子へ光
を入力するために使用される光結合器、及びその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光導波路素子への光入力に使用される光
結合器としては、例えば、プリズムを光導波路に押し付
け密着させて構成されるプリズムカプラがある。プリズ
ムカプラでは、プリズムが有る部分と無い部分との境界
（以後、プリズムの「エッジ」と称する）付近に光を入
射する際に、プリズムの有る部分でプリズムと光導波路
との間の空気ギャップをトンネル効果的に通過して光導
波路に入射した光が、基板側で反射された後にはプリズ
ムが存在しないために光導波路の外に出られず、光導波
路の内部を伝搬していくという現象を利用する。

【０００３】プリズムカプラでは、入射光の波長変化に
対する許容性が大きい反面で、プリズムカプラと光導波
路とを一体化することが難しい。そこで、従来では、プ
リズムを光導波路の上に接着剤で接着してプリズムカプ
ラを形成している。

【０００４】図１２（ａ）〜（ｃ）は、特開平４−１５
９５０３号公報に記載されているプリズムカプラの構成
を示す断面図である。

【０００５】図１２（ａ）の構成では、基板２０１の上
に光導波路の導波層２０２を形成し、さらにその上に、
導波層２０２よりも屈折率の低い等価ギャップ層２０３
を形成する。そして、等価ギャップ層２０３の上に、接
着剤２０５によってプリズム２０４を接着している。こ
の場合、プリズム２０４に入射した光（不図示）は、接
着部２０５からトンネル効果的に等価ギャップ層２０３
を透過して導波層２０２に入り、導波層２０２の中を伝
搬する。

【０００６】また、図１２（ｂ）の構成では、図１２
（ａ）の構成において、接着部２０５の端部に誘電体薄
膜による遮光層２０７を形成している。また、図１２
（ｃ）の構成では、同じく図１２（ａ）の構成におい
て、金属薄膜による遮光層２０６を等価ギャップ層２０
３の上に形成している。これらの遮光層２０７及び２０
６は、適切な大きさの開口部２１１及び２１２を有して
いる。それぞれの構成において、プリズム２０４に入射
した光２０９は、接着部２０５からトンネル効果的に等
価ギャップ層２０３を透過して導波層２０２に入り、導
波層２０２の中を伝搬する。

【０００７】一方、図１３は、特開平４−２８９５３１
号公報に開示されている、光導波路素子に一体化された
プリズムカプラの構成である。このプリズムカプラで
は、誘電体膜（第２ギャップ層）３０５により、光３０
８が入射する部分に直線的なエッジ３０９を形成してい
る。また、この第２ギャップ層３０５は、光導波路から
の光の再結合、すなわちプリズムから光導波路に結合し
た光が再びプリズム側に出ていくことを抑制する機能も
有する。

【０００８】図１３のプリズムカプラに含まれる光導波
路は、以下のように形成される。すなわち、基板３０１
としてＳｉ基板を使用し、その表面にＳｉＯ₂層をバッ
ファ層３０２として形成する。バッファ層３０２の上に
は、ＳｉＯＮ層をコア層３０３として形成する。さら
に、コア層３０３の上には、それぞれがＳｉＯ₂からな
る第１ギャップ層３０４及び第２ギャップ層３０５を形
成する。これによって、光導波路が構成される。また、
第２ギャップ層３０５を設けないことによって形成され
た溝に光硬化性の接着剤３０６を注入して、この接着剤
３０６によって高屈折率のフリントガラスからできたプ
リズム３０７を光導波路に接着している。

【０００９】次に、このように構成されるプリズムカプ
ラの結合原理は以下の通りである。プリズム３０７に入
射した光３０８は、第２ギャップ層３０５の無い部分で
第１ギャップ層３０４をトンネル効果的に透過して、コ
ア層３０３に入る。コア層３０３に入った光は、バッフ
ァ層３０２とコア層３０３との境界で反射された後に、
光導波路の表面方向に再び進む。しかし、今度は第２ギ
ャップ層３０５があるためにコア層３０３の上に存在す
る膜の厚さが相対的に大きくなり、光がコア層３０３の
外へ透過できない。この結果、光は光導波路のコア層３
０３の中を伝搬していき、光の再結合が小さくなる。

【００１０】なお、基板３０１の所定の箇所には、フォ
トダイオード３１０が設けられている。フォトダイオー
ド３１０の上では、バッファ層３０２に溝が設けられて
いて、コア層３０３が基板３０１に直接に接している。
コア層３０３の内部を伝搬してきた光は、この部分を通
ってフォトダイオード３１０に導かれる。

【００１１】第１ギャップ層３０４と第２ギャップ層３
０５との階段状構造は、これらの層を形成するＳｉＯ₂
を所定の箇所で第２ギャップ層３０５の厚さの分だけエ
ッチングで掘り込んで第１ギャップ層３０４の厚さを決
め、これによって、第２ギャップ層３０５の有る部分と
無い部分との境界を形成する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】図１２（ａ）の構成で
は、接着部２０５のエッジ部分が直線的ではないので、
入射光のスポット（光導波路２０２の上で入射方向が長
径となる楕円状になる）の長径方向の入射位置（エッジ
からスポットの中心までの距離で定める）を最適にしよ
うとしても、結合効率（入射光から光導波路の内部の導
波光への変換効率）が短径方向の位置に応じて変化して
しまう。従って、結合効率が最大になる光の入射位置を
正確に定めることが困難である。ある位置に光の入射位
置を定めても、必ずしも最大結合効率を得ることができ
ない。

【００１３】エッジ面の交線の直線性への要求は、入射
ビームスポットの長径に対して相対的に決まるものであ
る。例えば、約１０μｍの長径を有する入射ビームスポ
ットを持つ入射ビームに対しては、±２．５μｍの位置
ずれで最大効率の９０％まで結合効率が低下する。この
ことから、ここでの直線とは、小さい入射ビームに対し
ても直線とみなせるような直線性、すなわち、フォトリ
ソグラフィーで得られるような直線性を有する直線のこ
とである。具体的には、直線の度合いで、中心線からの
ずれが±０．５μｍ程度以下の直線性を有する直線を意
味する。

【００１４】これに対して図１２（ｂ）或いは（ｃ）に
示す構成では、遮光層２０７及び２０６を設けることに
よって接着部２０５に直線的なエッジを形成している。
しかし、例えば図１２（ｃ）の構成では、導波層２０２
と遮光層（金属薄膜）２０６との間には等価ギャップ層
２０３が存在するだけであるので、導波層２０２を伝搬
する光が金属薄膜２０６によって吸収されて次第に減衰
し、結合効率が実質的に低下する。

【００１５】また、図１３のプリズムカプラの構成で
は、導波層であるコア層３０３と接着剤３０６との間に
存在している第１ギャップ層３０４及び第２ギャップ層
３０５の屈折率とコア層３０３の屈折率との差が、比較
的小さい。第２ギャップ層３０５を設けることによっ
て、第２ギャップ層３０５の上に存在してコア層３０３
よりも高い屈折率を有する高屈折率領域（具体的には、
接着剤３０６及びプリズム３０７）によるコア層３０３
の内部の導波光への影響を抑制して、コア層３０３を中
心とする光導波路に一旦入った光がその外部に出にくい
状態になっている。しかし、導波光のパワーが集中する
コア層３０３と高屈折率領域とは、第２ギャップ層３０
５によっても完全に分離されていない。従って、高屈折
率領域が光の入射位置から光の伝搬方向にはみ出す分だ
け、再結合による光の損失が発生する。この再結合は、
理論的には、第２ギャップ層３０５の厚さを十分に厚く
することによって完全に除去可能である。しかし、第２
ギャップ層３０５を厚くすると、膜応力の増加、或いは
光結合器が一体化される光導波路素子の特性の変化な
ど、好ましくない影響をもたらすことがある。

【００１６】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであって、その目的は、（１）光導波路素子
に積層される膜の厚さを増加させることなく再結合によ
る結合効率の低下を防ぎ、安定した結合効率を有する光
結合器を提供すること、及び、（２）そのような光結合
器の製造方法を提供すること、である。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の光結合器は、基
板と、該基板の上に積層された光導波路構造であって、
少なくとも該基板上に積層された第１誘電体層と該第１
誘電体層の上に積層された第２誘電体層とを含む、光導
波路構造と、該光導波路構造の上に設置された光入射手
段と、該光入射手段を該光導波路構造に接着する接着部
と、を備える光結合器であって、該接着部の屈折率
ｎ_b、該第１誘電体層の屈折率ｎ₁、及び該第２誘電体層
の屈折率ｎ₂の間には、ｎ_b＞ｎ₁＞ｎ₂なる関係が成立
し、該接着部は該光導波路構造の表面と交わるエッジ面
を有し、該エッジ面と該光導波路構造の表面との交線は
直線であって、該光入射手段は、該エッジ面から該光導
波路構造における光の進行方向に向かって長さＰ_Lだけ
突出しており、該突出部と該光導波路構造の表面との間
には該エッジ面の高さに等しい所定の高さ以上の空気ギ
ャップが設けられており、そのことによって上記目的が
達成される。

【００１８】好ましくは、前記エッジ面の高さｈは、空
気の屈折率ｎ_a、前記基板の屈折率ｎ_s、前記接着部の屈
折率ｎ_b、前記第１誘電体層の屈折率ｎ₁、前記第２誘電
体層の屈折率ｎ₂、該第１誘電体層の厚さｔ、該第２誘
電体層の厚さｕ、前記光入力手段の前記突出部の長さＰ
_Lに対して、以下の関係式（１）及び（２）を満たすよ
うに設定されている（但し、関係式（１）のα_rはｈの
関数であって、ＴＥ光及びＴＭ光それぞれに対する関係
式（２）の方程式の虚数解の虚部のうちで絶対値の大き
いほうである）。

【００１９】

【数３】

【００２０】

【数４】

【００２１】好ましくは、ＴＥ光に対する実効屈折率と
ＴＭ光に対する実効屈折率とが実質的に等しい。例え
ば、前記基板の屈折率ｎ_s＝約１．４４、前記接着部の
屈折率ｎ_b＝約１．５７、前記第１誘電体層の屈折率ｎ₁
＝約１．５３、前記第２誘電体層の屈折率ｎ₂＝約１．
４３、該第１誘電体層の厚さｔ＝約５７０ｎｍ、及び該
第２誘電体層の厚さｕ＝約１００ｎｍである。

【００２２】ある実施形態では、前記光入射手段がプリ
ズムである。

【００２３】他の実施形態では、前記光入射手段が前記
基板に所定の角度で接着された誘電体板である。

【００２４】好ましくは、前記光入射手段の屈折率と前
記接着部の屈折率とが実質的に等しい。

【００２５】本発明の他の局面によれば、上記のような
構成を有する光結合器の製造方法が提供される。該方法
は、前記基板の上に前記光導波路構造を形成する工程
と、該光導波路構造の表面にフォトレジストを塗布する
工程と、該フォトレジストに溝を形成する工程と、該フ
ォトレジストの上に前記光入射手段を配置して、接着剤
で該光入射手段を該光導波路構造に接着固定する工程
と、該フォトレジストを除去する工程と、を包含してお
り、そのことによって上記目的が達成される。

【００２６】好ましくは、前記接着剤が光硬化性の接着
剤である。

【００２７】ある実施形態では、前記光入射手段がプリ
ズムであって、前記接着固定工程は、前記溝の上に該プ
リズムを配置する工程と、該溝に前記接着剤を注入して
該プリズムを前記光導波路構造に接着固定する工程と、
をさらに包含する。

【００２８】他の実施形態では、前記光入射手段が誘電
体板であって、前記接着固定工程は、該誘電体板を前記
光導波路構造の表面に対して所定の角度をなすように保
持する工程と、前記溝を覆うように前記接着剤を供給し
て該誘電体板を該光導波路構造に接着固定する工程と、
をさらに包含する。

【００２９】また、好ましくは、前記フォトレジストに
溝を形成する工程は、該溝の形成の後処理としてＲＩＥ
処理（酸素プラズマ処理）を行う工程をさらに包含す
る。

【００３０】以下、作用について説明する。

【００３１】以上の構成を有する本発明の光結合器は、
光導波路構造を有する光導波路素子に一体的に形成され
る。このとき、接着部を構成する接着剤が光導波路構造
と光入射手段（すなわち、プリズム或いは誘電体板）と
を接着すると同時に、接着部に形成されたエッジ面が結
合機能を果たす。これによって、光導波路構造に含まれ
る第２誘電体層の厚さを増やすことなく、光結合器を光
導波路素子にその機能を妨げずに一体化することができ
て、膜応力の増加などの問題点の発生も回避できる。

【００３２】また、接着部のエッジ面の光導波路構造表
面（例えば、第２誘電体層表面）からの高さを適切に設
定することによって、第２誘電体層の上方に位置してい
て第１誘電体層よりも高い屈折率を有する領域（プリズ
ムや接着部）を、光導波路構造から完全に分離できる。
これによって、再結合に起因する損失を根本的に除去で
きて、光導波路素子に光結合器を一体化する際に、光導
波路の厚さを増すことなく再結合を低減することができ
る。

【００３３】また、光結合器を構成する各部分の膜の厚
さや屈折率を適切に設定することによって、ＴＥ光及び
ＴＭ光に対する結合効率をほぼ等しくすることができ
る。さらに、接着部の屈折率と光入射手段（プリズム或
いは誘電体板）の屈折率とを等しくすることで、これら
の界面での反射率を最小にすることができる。また、プ
リズムを用いる場合には、プリズムと光導波路との間に
存在する接着剤の厚さが薄いために接着剤が薄膜のよう
に作用して引き起こされる多重反射を、ほぼ完全に除去
できる。

【００３４】また、本発明の光結合器の製造方法では、
光結合機能を果たす接着部のエッジ面は、フォトレジス
トで形成した溝の形状を転写するかたちで形成され、ま
たその高さはフォトレジストの厚さで決定される。従っ
て、フォトレジストを厚くすれば、光導波路構造（第２
誘電体層）表面からの接着部のエッジ面の高さとして、
再結合の影響を完全に除去できるだけの高さを確保する
ことができる。

【００３５】接着剤として光硬化性のものを使用すれ
ば、製造時間を短縮できるとともに、接着剤の固化過程
における光入射手段（プリズム或いは誘電体板）の位置
ずれが抑制されて、結合効率の低下防止に貢献する。ま
た、誘電体板はプリズムよりも加工が容易であるため
に、誘電体板を用いて光結合器を構成すれば、プリズム
を用いる場合に比べて製造コストの削減を図ることがで
きる。

【００３６】さらに、光入射手段（プリズム或いは誘電
体板）を光導波路表面に接着する前に、溝形成工程の後
処理として、溝の形成プロセスで光導波路の表面に生じ
たレジスト現像液の有機残さの除去や光導波路表面の変
質層の除去のためのＲＩＥ処理（酸素プラズマ処理）を
行えば、光入射手段を光導波路に接着する際の接着力が
高まる。

【００３７】

【発明の実施の形態】

（第１の実施形態）図１は、本発明の第１の実施形態に
おける光結合器１００の構成を示す断面図である。

【００３８】図１の光結合器１００では、基板３の上に
第１誘電体層１及び第２誘電体層２が積層されて、光導
波路６が構成されている。第２誘電体層２の上には、プ
リズム４が、結合用のエッジ面７が形成された接着部５
を介して接着されている。ここで、接着部５となる接着
剤は透明であることが好ましい。接着部５のエッジ面７
は光導波路６の表面に交わっており、エッジ面７と光導
波路６の表面との交線は直線である。プリズム４は、エ
ッジ面７から光導波路６における光の進行方向に向かっ
てある長さだけ突出しており、突出部と光導波路６の表
面との間には、エッジ面７の高さに等しい所定の高さ以
上の空気ギャップが設けられている。

【００３９】図１の構成では、プリズム４を光導波路６
に接着して光結合器１００が構成されているが、このう
ちのプリズム４は、入射光を空気中から、導波路６より
も高い屈折率を有する領域に導く役割を果たしている。
これに対して、実際に光の結合に関係しているのは、接
着部５のエッジ面７である。その光の結合原理を、以下
に説明する。プリズム４の中から接着部５のエッジ面７
の付近に達した入射光は、接着部５と第２誘電体層２と
の境界に全反射の入射角で入射するにもかかわらず、第
２誘電体層２をトンネル効果的に透過して第１誘電体層
１に入る。しかし、光は、基板３には透過せずに、基板
３と第１誘電体層１との境界で全反射されて、光導波路
６の表面方向に向かう。しかし、今度は第１誘電体層１
の上に第２誘電体層２に接する接着部５が存在しないの
で、基板３の方向に全反射される。以後は、このような
全反射を光導波路６の上下の境界で繰り返しながら、光
は光導波路６の内部を伝搬していく。

【００４０】以下に、図１の光結合器１００の構成材料
について説明する。

【００４１】基板３は、光結合器１００が一体的に形成
される光導波路素子の用途によって、その構成材料を適
切に選択する。具体的には、ガラス基板のような単なる
誘電体基板が使用できることに加えて、受光素子と一体
化した光導波路素子に対する光結合器として用いる場合
には、Ｓｉ基板の上に誘電体層が形成されている基板を
使用することができる。誘電体層としては、ＳｉＯ
₂層、リンドープけい酸ガラス（ＰＳＧ）層、或いはス
ピンコート可能なガラス材料（ＳＯＧ）層などを形成す
る。

【００４２】第１誘電体層１の構成材料は、光結合器１
００が一体的に形成される光導波路素子の導波層の材料
に依存して変わるが、導波層の構成材料として知られて
いるＳｉＯＮ、或いはコーニング社製の＃７０５９ガラ
スなどを使用することができる。本実施形態では、コー
ニング社製の＃７０５９ガラスを第１誘電体層１として
用いる。

【００４３】また、第２誘電体層２の構成材料には、第
１誘電体層１よりも低い屈折率を有する材料を使用す
る。例えば、上記のように第１誘電体層１としてコーニ
ング社製の＃７０５９ガラスを使用する場合には、Ｓｉ
Ｏ₂やＳＯＧを用いる。

【００４４】図２（ａ）及び（ｂ）、ならびに図３を参
照して、図１に示す光結合器１００を、図２（ａ）及び
（ｂ）に上面図及び断面図を示す光導波路素子に一体化
して形成した構成を説明する。光結合器１００は、図２
（ａ）に「Ａ」として示す領域に、形成される。なお、
以下の説明では、プリズム１０４、接着部１０５、第１
誘電体層１０１、第２誘電体層１０２、及び基板１０３
（但し、基板３が、Ｓｉ等の半導体基板や金属基板の表
面に誘電体層を形成した基板である場合には、その誘電
体層）の屈折率を、それぞれｎ_p、ｎ_b、ｎ₁、ｎ₂、及び
ｎ_sとする。

【００４５】この光導波路素子は、図２（ａ）の上面図
に模式的に示すように、同時に入射して伝搬してきたＴ
Ｅ光及びＴＭ光の２種類の偏光を偏光分離部１０９でそ
れぞれに分離し、その後に異なるフォトダイオード１０
８ａ及び１０８ｂで受光する構成になっている。また、
この光導波路素子では、図２（ｂ）の断面図に示すよう
に、フォトダイオード１０８（図２（ａ）の１０８ａ及
び１０８ｂを総称的に示す）を形成したＳｉ基板１１１
の表面に誘電体層１１０を形成した基板１０３を用いて
いる。基板１０３の表面上であって偏光分離部１０９に
相当する箇所には、テーパ状の端部を有する高さ約８０
ｎｍのＴａ₂Ｏ₅層１０９ａが形成されている。さらに、
それらの最表面には、導波層としてコーニング社製の＃
７０５９ガラス層１０１（屈折率ｎ₁＝約１．５３）を
厚さ約５７０ｎｍに積層する。これによって、光導波路
１０６が構成される。上記の構成において、Ｓｉ基板１
１１の表面の誘電体層１１０としては、屈折率ｎ_s＝約
１．４４のＳｉＯ₂層を設ける。なお、上記の屈折率の
値は、いずれも波長７８０ｎｍの光に対する測定値であ
る。

【００４６】図３は、上記のような構成を有する光導波
路素子の領域Ａ（図２（ａ）参照）に、図１の光結合器
１００を形成した構成を示す断面図である。この場合に
は、＃７０５９ガラス層１０１が図１の構成における第
１誘電体層１として機能し、さらにその上に、図１の第
２誘電体層２として機能する屈折率ｎ₂＝約１．４３を
有するＳｉＯ₂層１０２を形成する。さらにその後に、
接着部１０５を介してプリズム１０４を第２誘電体層１
０２の上に形成して、光結合器１００を形成する。な
お、第２誘電体層（ＳｉＯ₂層）１０２の屈折率値ｎ
₂は、第１誘電体層１０１、プリズム１０４及び接着部
１０５の屈折率値ｎ₁、ｎ_p及びｎ_bの値よりも小さい。

【００４７】プリズム１０４の屈折率ｎ_pは、ｎ₁、ｎ₂
及びｎ_sの値よりも大きい必要がある。特に、プリズム
１０４と接着部１０５との界面での光の反射を抑制する
ためには、接着部１０５の屈折率ｎ_bと同じか或いはそ
れに近い値であることが望ましい。例えば、プリズム１
０４と接着部１０５との間の界面への光の入射角をθ_bi
とし、プリズム１０４と接着部１０５との間の界面での
反射率を所望の値Ｒ以下に抑制するためには、接着部１
０５の屈折率ｎ_bを、以下の２つの条件式を満たすよう
に設定する必要がある。

【００４８】

【数５】

【００４９】

【数６】

【００５０】例えば、プリズム１０４を屈折率ｎ_p＝約
１．５７の材料（例えば硝材ＬＦ５）で形成する場合に
は、プリズム１０４と接着部１０５との間の界面での反
射をほぼ０にするためには、プリズム１０４の屈折率ｎ
_p＝約１．５７に近い屈折率ｎ_bを有するＵＶ硬化型の接
着剤によって接着部１０５を形成する。具体的には、ロ
ックタイト社製のＬＸ−２３１０Ｃを用いることができ
る。

【００５１】次に、第２誘電体層１０２の厚さの設定方
法を説明する。

【００５２】本実施形態のプリズムカプラで、ＴＥ偏光
に対する結合効率とＴＭ偏光に対する結合効率とをほぼ
等しくし、且つ最大値にできるだけ近付けるためには、
ＴＥ光に対する最適入射角θ_TEとＴＭ光に対する最適入
射角θ_TMとをほぼ等しくするように、光結合器１００を
構成する。ここで、ＴＥ光及びＴＭ光に対する実効屈折
率Ｎ_TE及びＮ_TM（光導波路における各モードの位相定数
を波数ｋ_o＝２π／λ（λは波長）で除した値）を用い
て、

【００５３】

【数７】

【００５４】

【数８】

【００５５】なる関係式を考慮すれば、θ_TEとθ_TMとを
ほぼ等しくする条件はＮ_TE≒Ｎ_TMとなる。

【００５６】実効屈折率Ｎ_TE及びＮ_TMは、空気、接着部
１０５、第１誘電体層１０１、第２誘電体層１０２、及
び基板１０３の屈折率をそれぞれｎ_a、ｎ_b、ｎ₁、ｎ₂、
及びｎ_sとし、第１誘電体層１０１及び第２誘電体層１
０２の厚さをそれぞれｔ及びｕとし、接着部１０５のエ
ッジ面の第２誘電体１０２の表面からの高さをｈとした
ときに、下記の関係式（２）に含まれる方程式の複素解
β_TE及びβ_TMの実部として求めることができる。

【００５７】

【数９】

【００５８】上記の関係式（２）における方程式で、光
が入射する部分ではｈ＝０である。光結合器１００を構
成する各部分の屈折率や膜の厚さが、それぞれｎ_a＝
１．０、ｎ_b＝約１．５７、ｎ₁＝約１．５３、ｎ₂＝約
１．４３、ｎ_s＝約１．４４、及びｔ＝約５７０ｎｍで
あるとき、ｕ＝約１００ｎｍとして上記方程式の解を求
めると、Ｎ_TE＝１．４８５２及びＮ_TM＝１．４８４２
であって、Ｎ_TE≒Ｎ_TMが満たされる。従って、光結合
器１００を構成する各部分の厚さや屈折率の値を、上記
のように設定すればよい。

【００５９】次に、プリズム１０４の形状を説明する。

【００６０】プリズム１０４として台形プリズムを使用
する場合には、図３に示すプリズム１０４の底角φを、
以下に示す角度θ_opにおよそ等しくすることによって、
ＴＥ偏光及びＴＭ偏光のそれぞれの最適な入射方向に対
してプリズム１０４の斜面がほぼ垂直になり、両偏光に
対する結合効率をほぼ等しく且つ最大値に近付けること
ができる。

【００６１】

【数１０】

【００６２】先に求まったＮ_TE＝１．４８５２及びＮ_TM
＝１．４８４２について、上式よりθ_op＝約７１゜とな
る。従って、プリズム１０４の底角は約７１゜とする。
このような形状の設定に加えて、プリズム１０４の表面
に無反射コーティングを施すことによって、プリズム１
０４の入射面での反射率をさらに低減できる。

【００６３】なお、プリズムの形状は、光の入射方向に
対して反射による損失が最も小さくなるように定めれば
よい。例えば、図１の形状の他に、図４に示す光結合器
１５０のように、入射光を面で一旦全反射させてから光
導波路に入射させる形状を有するプリズム４ａであって
もよい。なお、図４で、図１と同じ構成要素には同じ参
照番号を付しており、その説明は省略する。

【００６４】次に、接着部１０５のエッジ面の第２誘電
体層１０２の表面からの高さｈの決定方法を、図５を参
照して説明する。

【００６５】本実施形態の光結合器１００でも、エッジ
面の高さｈが十分でないと、光導波路６の上に高さｈだ
け離れて存在しているプリズム４などの高屈折率領域に
向けて、図５に示すように光導波路６を伝搬する導波光
が透過（再結合）して、結合効率が低下する。これよ
り、図５に示す光の入射位置からプリズム４がはみ出し
ている長さをＰ_Lとし、ＴＥ及びＴＭ両偏光に対する放
射係数（先述の方程式の複素解β_TE及びβ_TMの虚部）の
うちで絶対値が大きい方をα_r（ｈの関数）としたとき
に、接着部５のエッジ面の光導波路６（具体的には、第
２誘電体層）の表面からの高さｈは、次式を満たすこと
が望ましい。

【００６６】

【数１１】

【００６７】図６（ａ）〜（ｃ）は、光の波長を７８０
ｎｍとし、基板１０３の屈折率が約１．４４、第１誘電
体層１０１の屈折率が約１．５３、第２誘電体層１０２
の屈折率が約１．４３である光導波路１０６にプリズム
１０４を接着した場合における、接着部１０５における
エッジ面の高さｈと規格化伝送パワーとの関係を示すグ
ラフである。ここで、規格化伝送パワーとは、再結合損
失による結合効率の最大結合効率からの低下分（上式の
左辺に相当）を示すものである。図６（ａ）〜（ｃ）の
縦軸は、１ｍｍ伝搬時（Ｐ_L＝１ｍｍ）の規格化伝送パ
ワーであって、この値が１に近いほど、再結合による結
合効率の低下が小さいことになる。なお、図６（ａ）、
（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれプリズムの屈折率ｎ_pが
１．５８，１．５７及び１．５６の場合のグラフであ
る。但し、接着部１０５の屈折率はプリズムの屈折率に
ほぼ等しいとする。また、図６（ａ）〜（ｃ）の各グラ
フで、はＴＥ偏光入射で第１誘電体層１０１の厚さが
約１００ｎｍである場合、はＴＥ偏光入射で第１誘電
体層１０１の厚さが約５０ｎｍである場合、はＴＭ偏
光入射で第１誘電体層１０１の厚さが約１００ｎｍであ
る場合、はＴＭ偏光入射で第１誘電体層１０１の厚さ
が約５０ｎｍである場合のデータを示す。

【００６８】図６（ａ）〜（ｃ）に示されるように、接
着部の屈折率が変化しても、接着部のエッジ面の高さｈ
が約０．６μｍ以上であれば、再結合を完全に抑制して
結合効率の低下を抑えることができる。

【００６９】次に、図３における光入力部（光結合器を
作成する部分）の光導波路を光導波路５２として、図７
（ａ）〜（ｇ）を参照して本実施形態における光結合器
の製造方法を説明する。

【００７０】まず、図７（ａ）に示すように、光導波路
５２の上に、フォトレジスト５１を塗布する。ここで、
フォトレジスト５１の厚さｗは、エッジ面の高さｈに対
応する。先に述べたようにエッジ面の高さｈが約０．６
μｍ以上であれば、再結合による結合効率の低下をほぼ
なくすことができる。従って、フォトレジスト５１の厚
さｗも、少なくとも約０．６μｍ以上とする必要があ
る。但し、接着剤の屈折率は周辺温度など様々な条件で
変化するので、プリズム５４と光導波路５２との間の接
着剤が薄膜として機能しないように、接着部のエッジ面
の高さｈを決定するフォトレジスト５１の厚さｗは、
０．６μｍよりも十分に厚くすることが好ましい。ここ
で、プリズム５４と光導波路５２との間の接着剤が薄膜
として機能しない条件とは、多重反射を抑制できるよう
にフォトレジスト５１の厚さｗを定めることであって、
ビーム径Ｌを基準にしてその範囲の多重反射を除去すれ
ば、その影響はほぼ完全に除去できる。従って、多重反
射の影響を考慮したフォトレジスト５１の厚さｗ、すな
わちエッジ面の高さｈの設定条件は、

【００７１】

【数１２】

【００７２】である。

【００７３】次に、図７（ｂ）の断面図及び図７（ｃ）
の上面図に示すように、フォトレジスト５１をパターニ
ングして、接着剤注入用の溝５３を形成する。この際、
プリズム５４を接着する前に、溝５３の形成工程の後処
理として、溝５３の形成プロセスで光導波路５２の表面
に生じたレジスト現像液の有機残さの除去や光導波路５
２の表面の変質層の除去のためのＲＩＥ処理（酸素プラ
ズマ処理）を行うことが好ましい。これによって、プリ
ズム５４を光導波路５２に接着する際の接着力が高ま
る。

【００７４】続いて、図７（ｄ）の断面図及び図７
（ｅ）の上面図に示すように、プリズム５４の位置を、
そのエッジＢがフォトレジスト５１の上の溝５３のエッ
ジＣに平行になるように、位置調整装置５７を用いて調
整する。調整後には、調整された位置に調整装置５７で
保持したまま、光導波路５２の上に塗布されたフォトレ
ジスト５１にプリズム５４を押し付ける。このとき、図
７（ｄ）に示すように溝５３をまたぐようにプリズム５
４を設置すると、プリズム５４がフォトレジスト５１の
表面と２ヶ所で接することになるために、光導波路５２
の表面とプリズム５４の底面との平行度がよくなる。そ
の結果、光結合器への結合効率が最大になる最適入射角
で光が入射したときに、入射面での反射が最小になるよ
うに決定されているプリズム５４の底角の、光導波路５
２の表面と入射角とがなす角度からのずれを最小に抑え
ることができる。これによって、光結合器への入射角が
最適入射角からずれることによる結合効率の低下を抑制
することができる。なお、プリズム５４の固定の際に光
導波路５２の表面にプリズム５４を押さえ付けることに
よって、上記の効果を増すことができる。

【００７５】続いて、図７（ｆ）に示すように、溝５３
にＵＶ硬化性など光硬化性の接着剤５５を注入する。そ
して、ＵＶ光などの光照射を行って接着剤５５を固化
し、プリズム５４を固定する。ここで、使用する接着剤
５５は光硬化性以外のものであってもよいが、光硬化性
接着剤を使用すれば、固定に要する時間が短くなり、固
定時のプリズム５４の位置ずれなどに起因する結合効率
の低下を低減することができる。なお、接着剤５５とフ
ォトレジスト５１との選択は、両者がお互いに接した際
に化学的に安定する組み合わせを選ぶ。例えば、接着剤
５５にロックタイト社製のＬＸ−２３１０Ｃを用いる場
合には、フォトレジスト５１としては東京応化（株）製
のポジ型フォトレジストＰＭＥＲを選べばよい。

【００７６】プリズム５４を固定した後で、図７（ｇ）
に示すようにフォトレジスト５１を除去する。ここで、
接着剤５５と光導波路５２との間に挟まれた部分のフォ
トレジスト５１の除去は、接着剤５５と光導波路５２と
の間のギャップが広いほど早く進む。従って、この部分
のフォトレジスト５１の除去を容易にするためには、フ
ォトレジスト５１を厚く塗布することが好ましい。例え
ば、粘性の高いフォトレジスト５１を厚く塗布する。具
体的には、東京応化（株）製のポジ型フォトレジストＰ
ＭＥＲを約１５μｍずつ重ねて塗布し、合計の厚さｗを
約３０μｍとする（一層を塗布した後にベークして次層
を重ね塗りする）。この結果、光結合器の接着部５５の
エッジ面５６の高さｈは、約３０μｍとなる。

【００７７】上記の各工程を経て、フォトレジスト５１
の溝形状を転写したかたちで、プリズム５４のエッジに
相当するエッジ面５６が接着剤５５によって形成され
る。ここで、エッジ面５６と光導波路５２の表面との交
線は直線である。

【００７８】フォトレジスト５１のエッジ面５６は、エ
ッジ面５６の高さｈを規定する際には、光導波路５２の
表面に対して９０゜で交わるとしているが、これは必ず
しも９０゜にする必要はない。例えば、この角度は、図
８（ａ）に示す光結合器１７０のように、レジストの露
光や現像の際の条件により９０゜よりも小さい角度（図
８（ａ）では７０゜）になり得る。この場合には、光結
合器１７０の接着部５５のエッジ面５６が、光導波路５
２の表面に対して約７０゜の角度をなす。このようにエ
ッジ面５６が光導波路５２の表面に対して傾斜していて
も、傾斜している部分では伝搬長が短いことから、光結
合器の結合効率の低下はない。また、傾斜方向が逆であ
っても、同様に問題は生じない。

【００７９】なお、製造過程において、プリズム５４と
フォトレジスト５１とを完全に密着させることは困難で
あるので、フォトレジスト５１とプリズム５４との間の
隙間に接着剤が回り込んで、フォトレジスト５１の除去
後の最終的な形状が図８（ｂ）のような形状になること
がある。しかし、図８（ｂ）の光結合器１８０では、再
結合に関わるプリズム５４の一部分が接着剤に置き換え
られただけであって、接着剤とプリズムとの屈折率の差
が小さければ、光結合器の特性が大きく変化することは
ない。さらに、接着部５５のエッジ面５６の高さｈが十
分に高ければ、不都合は発生しない。なお、図８（ｂ）
の光結合器１８０におけるエッジ面５６の高さｈは、図
中に示す通りである。

【００８０】なお、図８（ａ）及び（ｂ）で、図７
（ａ）〜（ｇ）と同じ構成要素には同じ参照番号を付し
ており、その詳細な説明はここでは省略する。

【００８１】次に、本実施形態における光結合器の結合
効率を説明する。

【００８２】ビームスポットの長径（図３のＬ）が約１
０μｍとなる入射光を、最適入射角（図３での入射角θ
_iがθ_opに一致する）で、接着部５５のエッジから約４
μｍ離れた位置に入射ビームの中心が位置するように入
射した場合の結合効率は、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光のそれ
ぞれに対して約８０％になる。なお、結合効率は、先述
の方程式の複素解β_TE及びβ_TMの虚部α_rに対して、exp
（−ｋ_oα_rｘ）で表される光導波路上のｘ方向の界分布
（ｘ方向は、光導波路に垂直な、光の進行方向）と、入
射光のｘ方向のガウス分布形状の重なり積分で求めるこ
とができる。

【００８３】（第２の実施形態）図９は、本発明の第２
の実施形態における光結合器２００の構成を示す断面図
である。

【００８４】図９の光結合器２００では、基板１３の上
に第１誘電体層１１及び第２誘電体層１２が積層され
て、光導波路１６が構成されている。第２誘電体層１２
の上には、誘電体板１４が、結合用のエッジ面１７が形
成された接着部１５を介して接着されている。ここで、
接着部１５となる接着剤は、透明であることが好まし
い。接着部１５のエッジ面１７は光導波路１６の表面に
交わっており、エッジ面１７と光導波路１６の表面との
交線は直線である。接着部１５は、エッジ面１７から光
導波路１６における光の進行方向に向かってある長さだ
け突出しており、突出部と光導波路１６の表面との間に
は、エッジ面１７の高さに等しい所定の高さ以上の空気
ギャップが設けられている。

【００８５】誘電体板１４は、光結合器２００における
ＴＥ光及びＴＭ光の実効屈折率Ｎ_TE及びＮ_TMから決定さ
れる光結合器２００の入射角θ_OPで規定される入射方向
に垂直になるように、すなわち、誘電体板１４が光導波
路１６の表面に対してなす角度φが入射角θ_OPにほぼ等
しくなるように、その位置が調整されて配置されてい
る。位置の調整後には、誘電体板１４は、前述のように
接着剤１５で光導波路１６に接着される。

【００８６】誘電体板１４の中から接着部１５を透過し
て接着部１５のエッジ面１７の付近に達した入射光は、
接着部１５と第２誘電体層１２との境界に入射し、さら
に第２誘電体層１２をトンネル効果的に透過して第１誘
電体層１１に入る。光は、基板１３には透過せずに、基
板１３と第１誘電体層１１との境界で全反射されて、光
導波路１６の表面方向に向かう。しかし、今度は光導波
路１６の上に第２誘電体層１２に接する接着部１５が存
在しないので、光は基板１３の方向に全反射される。以
後は、このような全反射を光導波層１６の上下の境界で
繰り返しながら、光は光導波層１６の内部を伝搬してい
く。

【００８７】以下に、図９の光結合器２００の構成材料
について説明する。

【００８８】基板１３は、光結合器２００を形成する光
導波路素子の用途によって、その構成材料を適切に選択
する。具体的には、ガラス基板のような単なる誘電体基
板が使用できることに加えて、受光素子と一体化した光
導波路素子に対する光結合器として用いる場合には、Ｓ
ｉ基板の上に誘電体層が形成されている基板を使用する
ことができる。誘電体層としては、ＳｉＯ₂層、リンド
ープけい酸ガラス（ＰＳＧ）層、或いはスピンコート可
能なガラス材料（ＳＯＧ）層などを形成する。

【００８９】本実施形態では、表面に屈折率ｎ_s＝約
１．４４のＳｉＯ₂層を形成した基板１３を使用する。

【００９０】第１誘電体層１１の構成材料は、光結合器
２００が一体的に形成される光導波路素子の導波層の材
料に依存して変わるが、導波層の構成材料として知られ
ているＳｉＯＮ、或いはコーニング社製の＃７０５９ガ
ラスなどを使用することができる。本実施形態では、屈
折率ｎ₁＝約１．５３のコーニング社製の＃７０５９ガ
ラスを第１誘電体層１１として用いる。また、第１誘電
体層１１の厚さｔは約５７０ｎｍとする。

【００９１】また、第２誘電体層１２の構成材料には、
第１誘電体層１１よりも低い屈折率を有する材料を使用
する。例えば、上記のように第１誘電体層１１としてコ
ーニング社製の＃７０５９ガラスを使用する場合には、
ＳｉＯ₂やＳＯＧを用いる。

【００９２】図１０を参照して、図９に示す光結合器２
００を、図２（ａ）及び（ｂ）に上面図及び断面図を示
した光導波路素子に一体化して形成した構成を説明す
る。図１０は、光導波路素子の領域Ａ（図２（ａ）参
照）に、図９の光結合器２００を形成した構成を示す断
面図である。なお、光導波路素子の構成は第１の実施形
態で説明した通りであり、同じ構成要素には同じ参照番
号を付しているので、ここではその詳細な説明を省略す
る。

【００９３】次に、第２誘電体層１０２の厚さの設定方
法を説明する。

【００９４】本実施形態のプリズムカプラでも、第１の
実施形態においてと同様に、ＴＥ偏光に対する結合効率
とＴＭ偏光に対する結合効率とをほぼ等しくし且つ最大
値にできるだけ近付けるために、ＴＥ光に対する最適入
射角θ_TEとＴＭ光に対する最適入射角θ_TMとをほぼ等し
くするように、光結合器２００を構成する。先述のよう
に、この目的の達成のためには、ＴＥ光及びＴＭ光に対
する実効屈折率Ｎ_TE及びＮ_TMについてＮ_TE≒Ｎ_TMが成立
するように、第２誘電体層１０２の厚さを決定する。例
えば、第２誘電体層１０２を屈折率ｎ₂＝約１．４３で
あるＳｉＯ₂層を用いて形成し、接着剤１５としてロッ
クタイト社製のＵＶ硬化性接着剤ＬＸ−２３１０Ｃを用
いて光結合器２００を構成するときには、第２誘電体層
１０２の厚さｕを約１００ｎｍとする。

【００９５】このとき、第１の実施形態においてと同様
に、Ｎ_TE＝１．４８５２及びＮ_TM＝１．４８４２であっ
てＮ_TE≒Ｎ_TMが満たされる。また、このとき、光結合
器２００への最適入射角θ_opは約７１゜になるから、誘
電体板１１４は、光が最適入射角で入射した際に誘電体
板１１４の表面での反射が最小になるように、光導波路
の表面に対して約７１゜傾けて位置調整し、接着剤１１
５で接着する。このような設定に加えて、誘電体板１１
４の表面に無反射コーティングを施すことによって、誘
電体板１１４の入射面での反射率をさらに低減できる。

【００９６】接着部１１５のエッジ面の第２誘電体層１
０２の表面からの高さｈは、第１の実施形態においてと
同様にして決定される。具体的には、光の波長を７８０
ｎｍとし、基板１０３の屈折率が約１．４４、第１誘電
体層１０１の屈折率が約１．５３、第２誘電体層１０２
の屈折率が約１．４３、接着部１１５の屈折率が約１．
５７であり、第１及び第２誘電体層１０１及び１０２の
厚さｔ及びｕがそれぞれｔ＝約５７０ｎｍ且つｕ＝約１
００ｎｍであるので、接着部１１５のエッジ面の高さｈ
が約０．６μｍ以上であれば、再結合を完全に抑制して
結合効率の低下を抑えることができる。

【００９７】さらに、接着部１１５と誘電体板１１４と
の屈折率の差は小さい方が好ましい。例えば、接着部１
１５と誘電体板１１４との境界での反射率を所定の値Ｒ
以下にするためには、誘電体板１１４にほぼ垂直に光が
入射していることから、接着部１１５を形成する接着剤
の屈折率ｎ_bと誘電体板１１４の屈折率ｎ_pとを、

【００９８】

【数１３】

【００９９】なる関係が成立するように設定する。

【０１００】例えば、接着剤としてロックタイト社のＬ
Ｘ−２３１０Ｃを使用する場合には、その屈折率が約
１．５７であるので、反射率Ｒを最小にするためには、
誘電体板１１４として屈折率が約１．５７である材料を
使用することが好ましい。なお、誘電体板の加工はプリ
ズム加工よりも容易であるので、図９に示す本実施形態
の光結合器２００は、図１に示した第１の実施形態の光
結合器１００よりも低コストで製造できる。

【０１０１】次に、図１０における光入力部（光結合器
を作成する部分）の光導波路を光導波路５２として、図
１１（ａ）〜（ｆ）を参照して本実施形態における光結
合器の製造方法を説明する。

【０１０２】まず、図１１（ａ）に示すように、光導波
路５２の上に、フォトレジスト５１を塗布する。ここ
で、フォトレジスト５１の厚さｗは、エッジ面の高さｈ
に対応する。先に述べたようにエッジ面の高さｈが約
０．６μｍ以上であれば、再結合による結合効率の低下
をほぼなくすことができる。従って、フォトレジスト５
１の厚さｗも、少なくとも約０．６μｍ以上とする必要
がある。但し、接着剤の屈折率は周辺温度など様々な条
件で変化するので、接着剤が薄膜として機能しないよう
に、接着部のエッジ面の高さｈを決定するフォトレジス
ト５１の厚さｗは、０．６μｍよりも十分に厚くするこ
とが好ましい。

【０１０３】次に、図１１（ｂ）の断面図に示すよう
に、フォトレジスト５１をパターニングして、接着剤注
入用の溝５３を形成する。この際、誘電体板６１を接着
する前に、溝５３の形成工程の後処理として、溝５３の
形成プロセスで光導波路５２の表面に生じたレジスト現
像液の有機残さの除去や光導波路５２の表面の変質層の
除去のためのＲＩＥ処理（酸素プラズマ処理）を行うこ
とが好ましい。これによって、誘電体板６１を光導波路
５２に接着する際の接着力が高まる。

【０１０４】続いて、図１１（ｃ）の断面図及び図１１
（ｄ）の上面図に示すように、誘電体板６１の位置を、
そのエッジＢ’がフォトレジスト５１の上の溝５３のエ
ッジＣ’に平行になるように、位置調整装置６２を用い
て調整する。調整後には、調整された位置に調整装置６
２で保持したまま、光導波路５２の上に塗布されたフォ
トレジスト５１の表面に誘電体板６１を置く。この状態
で、溝５３を覆うように光硬化性（例えばＵＶ硬化性）
接着剤６３を注入して、誘電体板６１を接着する。

【０１０５】続いて、図１１（ｅ）に示すように、ＵＶ
光などの光照射を行って接着剤６３を固化し、誘電体板
６１を固定する。ここで、使用する接着剤６３は光硬化
性以外のものであってもよいが、光硬化性接着剤を使用
すれば、固定に要する時間が短くなり、固定時の誘電体
板６１の位置ずれなどに起因する結合効率の低下を低減
することができる。なお、接着剤６３とフォトレジスト
５１との選択は、接着剤がフォトレジストを溶かさない
こと、及びＵＶ光照射によって接着剤６３の固化以外の
変化（例えば、両者の境界での気体の発生、など）が起
こらないことを条件に、両者がお互いに接した際に化学
的に安定する組み合わせを選ぶ。例えば、接着剤６３に
ロックタイト社製のＬＸ−２３１０Ｃを用いる場合に
は、フォトレジスト５１としては東京応化（株）製のポ
ジ型フォトレジストＰＭＥＲを選べばよい。

【０１０６】誘電体板６１を固定した後で、図１１
（ｆ）に示すようにフォトレジスト５１を除去する。こ
こで、接着剤６３と光導波路５２との間に挟まれた部分
のフォトレジスト５１の除去は、接着剤６３と光導波路
５２との間のギャップが広いほど早く進む。従って、こ
の部分のフォトレジスト５１の除去を容易にするために
は、フォトレジスト５１を厚く塗布することが好まし
い。例えば、粘性の高いフォトレジスト５１を厚く塗布
する。具体的には、東京応化（株）製のポジ型フォトレ
ジストＰＭＥＲを約１５μｍずつ重ねて塗布し、合計の
厚さｗを約３０μｍとする（一層を塗布した後にベーク
して次層を重ね塗りする）。この結果、光結合器の接着
部６３のエッジ面６４の高さｈは、約３０μｍとなる。

【０１０７】上記の各工程を経て、フォトレジスト５１
の溝形状を転写したかたちで、エッジ面６４が接着部６
３に形成される。ここで、エッジ面６４と光導波路５２
の表面との交線は直線である。

【０１０８】フォトレジスト５１のエッジ面６４は、光
導波路５２の表面に対して必ずしも９０゜にする必要は
ない。エッジ面６４が光導波路５２の表面に対して傾斜
していても、光結合器の結合効率が低下することはな
い。

【０１０９】なお、本実施形態における光結合器でも、
ビームスポットの長径（図１０のＬ）が約１０μｍとな
る入射光を、最適入射角（図１０での入射角θ₁がθ_op
に一致する）で、接着部のエッジ面から約４μｍ離れた
位置に入射ビームの中心が来るように入射した場合の結
合効率は、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光のそれぞれに対して約
８０％になる。

【０１１０】

【発明の効果】以上のように、本発明の光結合器では、
接着剤が光導波路と光入射手段（プリズム或いは誘電体
板）とを接着すると同時に、接着剤に形成されたエッジ
面によって結合機能を果たす。これによって、第２誘電
体層の厚さを増やすことなく、光導波路素子の機能を妨
げずに一体化することができて、膜応力の増加などの問
題点の発生も回避できる。

【０１１１】また、接着部のエッジ面の第２誘電体層表
面からの高さを適切に設定することによって、第２誘電
体層の上方に位置していて第１誘電体層よりも高い屈折
率を有する領域（プリズムや接着剤）を、光導波路から
完全に分離できる。これによって、再結合に起因する損
失を根本的に除去できて、光導波路素子に光結合器を一
体化する際に、光導波路の厚さを増すことなく再結合を
低減することができる。

【０１１２】また、光結合器を構成する各部分の膜の厚
さや屈折率を適切に設定することによって、ＴＥ光及び
ＴＭ光に対する結合効率をほぼ等しくすることができ
る。さらに、接着剤の屈折率とプリズム或いは誘電体板
の屈折率とを等しくすることで、これらの界面での反射
率を最小にすることができる。また、プリズムを用いる
場合には、プリズムと光導波路との間に存在する接着剤
の厚さが薄いために接着剤が薄膜のように作用して引き
起こされる多重反射を、ほぼ完全に除去できる。

【０１１３】また、本発明の光結合器の製造方法では、
光結合機能を果たす接着部のエッジ面は、フォトレジス
トで形成した溝の形状を転写するかたちで形成され、ま
たその高さはフォトレジストの厚さで決定される。従っ
て、フォトレジストを厚くすれば、第２誘電体層表面か
らの接着部のエッジ面の高さとして、再結合の影響を完
全に除去できるだけの高さを確保することができる。

【０１１４】接着剤として光硬化性のものを使用すれ
ば、製造時間を短縮できるとともに、接着剤の固化過程
におけるプリズム或いは誘電体板の位置ずれが抑制され
て、結合効率の低下防止に貢献する。また、誘電体板は
プリズムよりも加工が容易であるために、誘電体板を用
いて光結合器を構成すれば、プリズムを用いる場合に比
べて製造コストの削減を図ることができる。

【０１１５】さらに、プリズム或いは誘電体板を光導波
路表面に接着する前に、溝形成工程の後処理として、溝
の形成プロセスで光導波路の表面に生じたレジスト現像
液の有機残さの除去や光導波路表面の変質層の除去のた
めのＲＩＥ処理（酸素プラズマ処理）を行えば、プリズ
ム或いは誘電体板を光入射手段を光導波路に接着する際
の接着力が高まる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態における光結合器の構
成を示す断面図である。

【図２】（ａ）及び（ｂ）は、図１の光結合器が一体的
に形成される光導波路素子の構成を示す上面図及び断面
図である。

【図３】図１の光結合器と図２の光導波路素子とを一体
的に形成した構成を示す断面図である。

【図４】本発明の第１の実施形態における光結合器の他
の構成を示す断面図である。

【図５】図１の光結合器の断面図である。

【図６】（ａ）〜（ｃ）は、図１の光結合器における接
合部のエッジ面の高さと規格化伝送パワーとの関係を示
すグラフである。

【図７】（ａ）〜（ｇ）は、図１の光結合器の製造工程
を示す断面図及び上面図である。

【図８】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態
における光結合器の他の構成を示す断面図である。

【図９】本発明の第２の実施形態における光結合器の構
成を示す断面図である。

【図１０】図９の光結合器を光導波路素子に一体的に形
成した構成を示す断面図である。

【図１１】（ａ）〜（ｆ）は、図９の光結合器の製造工
程を示す断面図及び上面図である。

【図１２】（ａ）〜（ｃ）は、従来の光結合器の構成を
それぞれ示す断面図である。

【図１３】従来の光結合器の他の構成を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１、１１第１誘電体層２、１２第２誘電体層３、１３基板４，４ａプリズム５、１５接着部６、１６光導波路７、１７エッジ面１４誘電体板５１フォトレジスト５２光導波路５３溝５４プリズム５５、６３接着部５６、６４エッジ面５７、６２位置調整装置６１誘電体板１０１第１誘電体層１０２第２誘電体層１０３基板１０４プリズム１０５、１１５接着部１０６光導波路１０８、１０８ａ、１０８ｂフォトダイオード１０９偏光分離部１０９ａＴａ₂Ｏ₅層１１０誘電体層１１１Ｓｉ基板１１４誘電体板

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、該基板の上に積層された光導波路構造であって、少なく
とも該基板上に積層された第１誘電体層と該第１誘電体
層の上に積層された第２誘電体層とを含む、光導波路構
造と、該光導波路構造の上に設置された光入射手段と、該光入射手段を該光導波路構造に接着する接着部と、を備える光結合器であって、該接着部の屈折率ｎ_b、該第１誘電体層の屈折率ｎ₁、及
び該第２誘電体層の屈折率ｎ₂の間には、ｎ_b＞ｎ₁＞ｎ₂
なる関係が成立し、該接着部は該光導波路構造の表面と交わるエッジ面を有
し、該エッジ面と該光導波路構造の表面との交線は直線
であって、該光入射手段は、該エッジ面から該光導波路構造におけ
る光の進行方向に向かって長さＰ_Lだけ突出しており、
該突出部と該光導波路構造の表面との間には該エッジ面
の高さに等しい所定の高さ以上の空気ギャップが設けら
れている、光結合器。
【請求項２】前記エッジ面の高さｈは、空気の屈折率
ｎ_a、前記基板の屈折率ｎ_s、前記接着部の屈折率ｎ_b、
前記第１誘電体層の屈折率ｎ₁、前記第２誘電体層の屈
折率ｎ₂、該第１誘電体層の厚さｔ、該第２誘電体層の
厚さｕ、前記光入力手段の前記突出部の長さＰ_Lに対し
て、以下の関係式（１）及び（２）を満たすように設定
されている（但し、関係式（１）のα_rはｈの関数であ
って、ＴＥ光及びＴＭ光それぞれに対する関係式（２）
の方程式の虚数解の虚部のうちで絶対値の大きいほうで
ある）、請求項１に記載の光結合器。【数１】【数２】
【請求項３】ＴＥ光に対する実効屈折率とＴＭ光に対
する実効屈折率とが実質的に等しい、請求項１または２
に記載の光結合器。
【請求項４】前記基板の屈折率ｎ_s＝約１．４４、前
記接着部の屈折率ｎ_b＝約１．５７、前記第１誘電体層
の屈折率ｎ₁＝約１．５３、前記第２誘電体層の屈折率
ｎ₂＝約１．４３、該第１誘電体層の厚さｔ＝約５７０
ｎｍ、及び該第２誘電体層の厚さｕ＝約１００ｎｍであ
る、請求項３に記載の光結合器。
【請求項５】前記光入射手段がプリズムである、請求
項１〜４のいずれかに記載の光結合器。
【請求項６】前記光入射手段が前記基板に所定の角度
で接着された誘電体板である、請求項１〜４のいずれか
に記載の光結合器。
【請求項７】前記光入射手段の屈折率と前記接着部の
屈折率とが実質的に等しい、請求項１〜６のいずれかに
記載の光結合器。
【請求項８】請求項１〜４のいずれかに記載の光結合
器の製造方法であって、該方法は、前記基板の上に前記光導波路構造を形成する工程と、該光導波路構造の表面にフォトレジストを塗布する工程
と、該フォトレジストに溝を形成する工程と、該フォトレジストの上に前記光入射手段を配置して、接
着剤で該光入射手段を該光導波路構造に接着固定する工
程と、該フォトレジストを除去する工程と、を包含する、製造
方法。
【請求項９】前記接着剤が光硬化性の接着剤である、
請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】前記光入射手段がプリズムであって、
前記接着固定工程は、前記溝の上に該プリズムを配置す
る工程と、該溝に前記接着剤を注入して該プリズムを前
記光導波路構造に接着固定する工程と、をさらに包含す
る、請求項８または９に記載の製造方法。
【請求項１１】前記光入射手段が誘電体板であって、
前記接着固定工程は、該誘電体板を前記光導波路構造の
表面に対して所定の角度をなすように保持する工程と、
前記溝を覆うように前記接着剤を供給して該誘電体板を
該光導波路構造に接着固定する工程と、をさらに包含す
る、請求項８または９に記載の製造方法。
【請求項１２】前記フォトレジストに溝を形成する工
程は、該溝の形成の後処理としてＲＩＥ処理（酸素プラ
ズマ処理）を行う工程をさらに包含する、請求項８〜１
１のいずれかに記載の製造方法。