JPH11174270A - 光導波路入出力装置 - Google Patents
光導波路入出力装置Info
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- JPH11174270A JPH11174270A JP33847697A JP33847697A JPH11174270A JP H11174270 A JPH11174270 A JP H11174270A JP 33847697 A JP33847697 A JP 33847697A JP 33847697 A JP33847697 A JP 33847697A JP H11174270 A JPH11174270 A JP H11174270A
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- Japan
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- optical waveguide
- optical
- light
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 グレーティングカップラを有し、かつ、光入
出射効率が高く、簡素な構造で製造し易い光導波路入出
力装置を得る。 【解決手段】 光導波路入出力装置１は，基板２，光学
的バッファ層３，光導波層４，入射用グレーティングカ
ップラ１０等で構成されている。光学的バッファ層３の
厚みは、基板側放射光Ｌ２と入射光Ｌの導波光Ｌ１とが
位置Ｂで位相整合するように設定されている。グレーテ
ィングカップラ１０に入射する入射光Ｌは回折され、導
波光Ｌ１と基板側放射光Ｌ２とに分かれる。基板側放射
光Ｌ２は基板２と光学的バッファ層３の界面で反射し、
再びグレーティングカップラ１０に入射する。この基板
側放射光Ｌ２がグレーティングカップラ１０によって再
び回折され、導波光となる。このとき、基板側放射光Ｌ
２と入射光Ｌの導波光Ｌ１とが強め合った状態で光結合
する。
出射効率が高く、簡素な構造で製造し易い光導波路入出
力装置を得る。 【解決手段】 光導波路入出力装置１は，基板２，光学
的バッファ層３，光導波層４，入射用グレーティングカ
ップラ１０等で構成されている。光学的バッファ層３の
厚みは、基板側放射光Ｌ２と入射光Ｌの導波光Ｌ１とが
位置Ｂで位相整合するように設定されている。グレーテ
ィングカップラ１０に入射する入射光Ｌは回折され、導
波光Ｌ１と基板側放射光Ｌ２とに分かれる。基板側放射
光Ｌ２は基板２と光学的バッファ層３の界面で反射し、
再びグレーティングカップラ１０に入射する。この基板
側放射光Ｌ２がグレーティングカップラ１０によって再
び回折され、導波光となる。このとき、基板側放射光Ｌ
２と入射光Ｌの導波光Ｌ１とが強め合った状態で光結合
する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路入出力装
置、特に、光コンピュータの光スイッチや光変調器、光
通信の光スイッチや光分波器や光変調器、レーザビーム
プリンタ・複写機・スキャナ等の光偏向器や光変調器等
に用いられる光導波路入出力装置に関する。
置、特に、光コンピュータの光スイッチや光変調器、光
通信の光スイッチや光分波器や光変調器、レーザビーム
プリンタ・複写機・スキャナ等の光偏向器や光変調器等
に用いられる光導波路入出力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１０に示すように、従来の光導波路入
出力装置４１として、基板４２上に薄膜状の光導波層４
３を設けたものが知られている。そして、光Ｌを光導波
層４３に入射させたり、光導波層４３を進行する導波光
Ｌを外部に出射させるための手段として、グレーティン
グカップラやプリズムカップラが用いられる。特に、グ
レーティングカップラ（図１０において符号４４にて表
示）は小型であり、かつ、安定して安価に加工すること
ができるという特徴をもち、薄膜光導波層４３に光を入
出射させる手段としてよく用いられてきた。基板４２と
しては、例えば、ガラス基板（コーニング社製７０５９
ガラス（商品名）、屈折率：１．５３）が使われ、光導
波層４３としてはＺｎＯ薄膜（屈折率：１．９９６）が
使われる。
出力装置４１として、基板４２上に薄膜状の光導波層４
３を設けたものが知られている。そして、光Ｌを光導波
層４３に入射させたり、光導波層４３を進行する導波光
Ｌを外部に出射させるための手段として、グレーティン
グカップラやプリズムカップラが用いられる。特に、グ
レーティングカップラ（図１０において符号４４にて表
示）は小型であり、かつ、安定して安価に加工すること
ができるという特徴をもち、薄膜光導波層４３に光を入
出射させる手段としてよく用いられてきた。基板４２と
しては、例えば、ガラス基板（コーニング社製７０５９
ガラス（商品名）、屈折率：１．５３）が使われ、光導
波層４３としてはＺｎＯ薄膜（屈折率：１．９９６）が
使われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、グレー
ティングカップラ４４による光結合法は回折現象を利用
するため、図１０に示すように、グレーティングカップ
ラ４４に入射した光Ｌは回折され、光導波層４３を進行
する導波光Ｌ１と基板４２側に漏れる基板側放射光Ｌ２
とに分かれていた。このため、従来の光導波路入出力装
置４１は光入出射効率が低いという問題があった。
ティングカップラ４４による光結合法は回折現象を利用
するため、図１０に示すように、グレーティングカップ
ラ４４に入射した光Ｌは回折され、光導波層４３を進行
する導波光Ｌ１と基板４２側に漏れる基板側放射光Ｌ２
とに分かれていた。このため、従来の光導波路入出力装
置４１は光入出射効率が低いという問題があった。
【０００４】そこで、本発明の目的は、グレーティング
カップラを有し、かつ、光入出射効率が高く、簡素な構
造で製造し易い光導波路入出力装置を提供することにあ
る。
カップラを有し、かつ、光入出射効率が高く、簡素な構
造で製造し易い光導波路入出力装置を提供することにあ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段と作用】以上の目的を達成
するため、本発明に係る光導波路入出力装置は、光学的
バッファ層を表面に設けた基板上に光導波層を設けると
共に、光を結合するためのグレーティングカップラを前
記光導波層に設け、前記グレーティングカップラから放
射されかつ前記光学的バッファ層と基板の境界部分で反
射した基板側放射光が、前記グレーティングカップラか
ら放射されかつ前記光導波層を進行する導波光と位相整
合するように、前記光学的バッファ層の厚みを設定した
ことを特徴とする。
するため、本発明に係る光導波路入出力装置は、光学的
バッファ層を表面に設けた基板上に光導波層を設けると
共に、光を結合するためのグレーティングカップラを前
記光導波層に設け、前記グレーティングカップラから放
射されかつ前記光学的バッファ層と基板の境界部分で反
射した基板側放射光が、前記グレーティングカップラか
ら放射されかつ前記光導波層を進行する導波光と位相整
合するように、前記光学的バッファ層の厚みを設定した
ことを特徴とする。
【０００６】より具体的には、光学的バッファ層を表面
に設けた基板上に光導波層を設けると共に、光を結合す
るためのグレーティングカップラを前記光導波層上に設
け、前記グレーティングカップラから放射された基板側
放射光が前記光学的バッファ層と基板の境界部分で反射
すると共に、前記光学的バッファ層の厚みｄbが以下の
条件式 ２ｎc（ｄftanα＋ｄbtanβ）sinθ−（２ｎfｄf／cos
α＋２ｎbｄb／cosβ）＝ｍλ ただし、ｍ＝０，±１，±２，±３，… ｎb：光学的バッファ層の屈折率 ｎf：光導波層の屈折率 ｄf：光導波層の厚み ｎc：光導波層上の媒質の屈折率 λ：光の波長 θ：光が光導波層に入射する際の入射角 α：基板側放射光が光学的バッファ層に入射する際の入
射角 β：基板側放射光が基板に入射する際の入射角 を満足していることを特徴とする。
に設けた基板上に光導波層を設けると共に、光を結合す
るためのグレーティングカップラを前記光導波層上に設
け、前記グレーティングカップラから放射された基板側
放射光が前記光学的バッファ層と基板の境界部分で反射
すると共に、前記光学的バッファ層の厚みｄbが以下の
条件式 ２ｎc（ｄftanα＋ｄbtanβ）sinθ−（２ｎfｄf／cos
α＋２ｎbｄb／cosβ）＝ｍλ ただし、ｍ＝０，±１，±２，±３，… ｎb：光学的バッファ層の屈折率 ｎf：光導波層の屈折率 ｄf：光導波層の厚み ｎc：光導波層上の媒質の屈折率 λ：光の波長 θ：光が光導波層に入射する際の入射角 α：基板側放射光が光学的バッファ層に入射する際の入
射角 β：基板側放射光が基板に入射する際の入射角 を満足していることを特徴とする。
【０００７】あるいは、光学的バッファ層を表面に設け
た基板上に光導波層を設けると共に、光を結合するため
のグレーティングカップラを前記光導波層と前記光学的
バッファ層の界面に設け、前記グレーティングカップラ
から放射された基板側放射光が前記光学的バッファ層と
基板の境界部分で反射すると共に、前記光学的バッファ
層の厚みｄbが以下の条件式 ２ｎc（ｄftanα＋ｄbtanβ）sinθ−ｎbｄb／cosβ＝
ｍλ を満足していることを特徴とする。
た基板上に光導波層を設けると共に、光を結合するため
のグレーティングカップラを前記光導波層と前記光学的
バッファ層の界面に設け、前記グレーティングカップラ
から放射された基板側放射光が前記光学的バッファ層と
基板の境界部分で反射すると共に、前記光学的バッファ
層の厚みｄbが以下の条件式 ２ｎc（ｄftanα＋ｄbtanβ）sinθ−ｎbｄb／cosβ＝
ｍλ を満足していることを特徴とする。
【０００８】以上の構成により、グレーティングカップ
ラに入射した光は回折され、光導波層を進行する導波光
と基板側に漏れる基板側放射光とに分かれる。このうち
基板側放射光は、基板と光学的バッファ層の境界部分で
反射し、再びグレーティングカップラに入射する。この
基板側放射光はグレーティングカップラによって回折さ
れ、導波光として光導波層を進行することになる。この
導波光は、新たにグレーティングカップラに入射した光
の回折光である導波光と光結合すると共に、位相が整合
して強め合うため、光入出射効率がアップする。
ラに入射した光は回折され、光導波層を進行する導波光
と基板側に漏れる基板側放射光とに分かれる。このうち
基板側放射光は、基板と光学的バッファ層の境界部分で
反射し、再びグレーティングカップラに入射する。この
基板側放射光はグレーティングカップラによって回折さ
れ、導波光として光導波層を進行することになる。この
導波光は、新たにグレーティングカップラに入射した光
の回折光である導波光と光結合すると共に、位相が整合
して強め合うため、光入出射効率がアップする。
【０００９】さらに、基板とバッファ層の界面に、光の
反射率を増強する増反射膜を設けることにより、基板側
放射光をより多くグレーティングカップラに入射させる
ことができ、更に光入出射効率がアップする。
反射率を増強する増反射膜を設けることにより、基板側
放射光をより多くグレーティングカップラに入射させる
ことができ、更に光入出射効率がアップする。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る光導波路入出
力装置の実施形態について添付図面を参照して説明す
る。
力装置の実施形態について添付図面を参照して説明す
る。
【００１１】［光導波路入出力装置の概略構成］図１に
示すように、光導波路入出力装置１は、基板２、光学的
バッファ層３、光導波層４、入射用グレーティングカッ
プラ１０及び出射用グレーティングカップラ１１とで構
成されている。基板２の材料としては、例えばＳｉ等が
用いられる。本実施形態では、基板２として（１００）
面カットのＳｉ基板（抵抗率が１〜１０Ωｃｍ）を用い
た。
示すように、光導波路入出力装置１は、基板２、光学的
バッファ層３、光導波層４、入射用グレーティングカッ
プラ１０及び出射用グレーティングカップラ１１とで構
成されている。基板２の材料としては、例えばＳｉ等が
用いられる。本実施形態では、基板２として（１００）
面カットのＳｉ基板（抵抗率が１〜１０Ωｃｍ）を用い
た。
【００１２】Ｓｉ基板２の屈折率ｎsは約４．０であ
り、光導波層４の屈折率ｎf（例えば光導波層としてＺ
ｎＯ薄膜を用いた場合は１．９９６）より高いので、Ｓ
ｉ基板２上に直接に光導波層４を形成しても、光導波層
４は導波層として利用することができない。光導波層４
を進行する導波光ＬがＳｉ基板２に漏れてゆくからであ
る。そのため、屈折率ｎbが光導波層４より低い光学的
バッファ層３を設けて導波光Ｌの漏れを抑えている。光
学的バッファ層３は、本実施形態の場合、屈折率ｎ bが
１．４６のＳｉＯ2からなり、Ｓｉ基板２上に熱酸化法
等の方法により形成される。ただし、バッファ層３はス
パッタリング法，ＣＶＤ法等の方法により形成してもよ
い。
り、光導波層４の屈折率ｎf（例えば光導波層としてＺ
ｎＯ薄膜を用いた場合は１．９９６）より高いので、Ｓ
ｉ基板２上に直接に光導波層４を形成しても、光導波層
４は導波層として利用することができない。光導波層４
を進行する導波光ＬがＳｉ基板２に漏れてゆくからであ
る。そのため、屈折率ｎbが光導波層４より低い光学的
バッファ層３を設けて導波光Ｌの漏れを抑えている。光
学的バッファ層３は、本実施形態の場合、屈折率ｎ bが
１．４６のＳｉＯ2からなり、Ｓｉ基板２上に熱酸化法
等の方法により形成される。ただし、バッファ層３はス
パッタリング法，ＣＶＤ法等の方法により形成してもよ
い。
【００１３】このバッファ層３上に、例えばレーザアブ
レーション法、マグネトロンスパッタリング法、真空蒸
着法、ＣＶＤ法、ゾル−ゲル法等の方法により光導波層
４が形成される。光導波層４の材料としては、例えばカ
ルコゲナイト，ＬｉＮｂＯ3，ＬｉＴａＯ3，ＺｎＯ，Ｎ
ｂ2Ｏ3，Ｔａ2Ｏ3，Ｓｉ3Ｎ4，ＹＩＧ等が使用される。
特に、光導波路入出力装置１を光偏向素子として利用す
る場合は、ＺｎＯやＬｉＮｂＯ3等の圧電性を有する材
料を用いる。本実施形態の場合、光導波層４の材料とし
てＺｎＯを用いた。
レーション法、マグネトロンスパッタリング法、真空蒸
着法、ＣＶＤ法、ゾル−ゲル法等の方法により光導波層
４が形成される。光導波層４の材料としては、例えばカ
ルコゲナイト，ＬｉＮｂＯ3，ＬｉＴａＯ3，ＺｎＯ，Ｎ
ｂ2Ｏ3，Ｔａ2Ｏ3，Ｓｉ3Ｎ4，ＹＩＧ等が使用される。
特に、光導波路入出力装置１を光偏向素子として利用す
る場合は、ＺｎＯやＬｉＮｂＯ3等の圧電性を有する材
料を用いる。本実施形態の場合、光導波層４の材料とし
てＺｎＯを用いた。
【００１４】光導波層４上には、その左右両側部に入射
用グレーティングカップラ１０及び出射用グレーティン
グカップラ１１が配設されている。入射用グレーティン
グカップラ１０は光源から放射された光Ｌを光導波層４
に入射させるためのものである。出射用グレーティング
カップラ１１は光導波層４を進行する導波光Ｌを外部に
出射するためのものである。これらグレーティングカッ
プラ１０，１１の材料としては、例えば光導波層４と同
様の材料が使用される。グレーティングカップラ１０，
１１は電子線描画法，フォトリソグラフィ法，二光束干
渉法等の方法により形成される。本実施形態の場合、電
子線描画でレジストをパターニングした後、リアクティ
ブイオンエッチング装置を用いて光導波層４の上部をエ
ッチングすることにより、グレーティングカップラ１
０，１１を作製した。
用グレーティングカップラ１０及び出射用グレーティン
グカップラ１１が配設されている。入射用グレーティン
グカップラ１０は光源から放射された光Ｌを光導波層４
に入射させるためのものである。出射用グレーティング
カップラ１１は光導波層４を進行する導波光Ｌを外部に
出射するためのものである。これらグレーティングカッ
プラ１０，１１の材料としては、例えば光導波層４と同
様の材料が使用される。グレーティングカップラ１０，
１１は電子線描画法，フォトリソグラフィ法，二光束干
渉法等の方法により形成される。本実施形態の場合、電
子線描画でレジストをパターニングした後、リアクティ
ブイオンエッチング装置を用いて光導波層４の上部をエ
ッチングすることにより、グレーティングカップラ１
０，１１を作製した。
【００１５】［位相整合の説明］以上の構成からなる光
導波路入出力装置１において、図２に示すように、入射
光Ｌが空気側から入射用グレーティングカップラ１０の
位置Ａに入射すると、入射光Ｌは入射用グレーティング
カップラ１０によって回折され、光導波層４を進行する
導波光Ｌ１と基板側放射光Ｌ２に分かれる。このとき、
厳密には高次の回折光が生じるが、図２では省略して表
示していない。基板側放射光Ｌ２は、光導波層４と光学
的バッファ層３の界面の位置Ｃを通って、基板２と光学
的バッファ層３の界面の位置Ｅで反射し、光導波層４と
光学的バッファ層３の界面の位置Ｄを通って再び入射用
グレーティングカップラ１０上の位置Ｂに入射する。こ
の基板側放射光Ｌ２が入射用グレーティングカップラ１
０によって再び回折され、導波光となる。この導波光Ｌ
２と、空気側から位置Ｂに入射する入射光Ｌが入射用グ
レーティングカップラ１０によって回折されることによ
って発生した導波光Ｌ１とが、位置Ｂで光結合すると共
に位相整合して強め合うことになる。
導波路入出力装置１において、図２に示すように、入射
光Ｌが空気側から入射用グレーティングカップラ１０の
位置Ａに入射すると、入射光Ｌは入射用グレーティング
カップラ１０によって回折され、光導波層４を進行する
導波光Ｌ１と基板側放射光Ｌ２に分かれる。このとき、
厳密には高次の回折光が生じるが、図２では省略して表
示していない。基板側放射光Ｌ２は、光導波層４と光学
的バッファ層３の界面の位置Ｃを通って、基板２と光学
的バッファ層３の界面の位置Ｅで反射し、光導波層４と
光学的バッファ層３の界面の位置Ｄを通って再び入射用
グレーティングカップラ１０上の位置Ｂに入射する。こ
の基板側放射光Ｌ２が入射用グレーティングカップラ１
０によって再び回折され、導波光となる。この導波光Ｌ
２と、空気側から位置Ｂに入射する入射光Ｌが入射用グ
レーティングカップラ１０によって回折されることによ
って発生した導波光Ｌ１とが、位置Ｂで光結合すると共
に位相整合して強め合うことになる。
【００１６】すなわち、光学的バッファ層３の屈折率及
び厚みをそれぞれｎb，ｄb、光導波層４の屈折率及び厚
みをそれぞれｎf，ｄf、光導波層４の上の媒質の屈折率
をｎ c、入射光Ｌの波長をλ、入射光Ｌが空気側から光
導波層４に入射する際の入射角をθ、基板側放射光Ｌ２
が光導波層４から光学的バッファ層３に入射する際の入
射角をα、基板側放射光Ｌ２が光学的バッファ層３から
基板２に入射する際の入射角をβ、グレーティングカッ
プラ１０，１１の格子周期をΛ、入射光Ｌがグレーティ
ングカップラ１０，１１で回折される際に生じる高調波
の次数をｑ，実効屈折率をＮとすると、位置Ａと位置Ｃ
間の距離｜ＡＣ｜，位置Ｃと位置Ｅ間の距離｜ＣＥ｜，
位置Ｅと位置Ｄ間の距離｜ＥＤ｜，位置Ｄと位置Ｂ間の
距離｜ＤＢ｜及び位置Ｆと位置Ｂ間の距離｜ＦＢ｜は、
それぞれ以下の式で表示される。
び厚みをそれぞれｎb，ｄb、光導波層４の屈折率及び厚
みをそれぞれｎf，ｄf、光導波層４の上の媒質の屈折率
をｎ c、入射光Ｌの波長をλ、入射光Ｌが空気側から光
導波層４に入射する際の入射角をθ、基板側放射光Ｌ２
が光導波層４から光学的バッファ層３に入射する際の入
射角をα、基板側放射光Ｌ２が光学的バッファ層３から
基板２に入射する際の入射角をβ、グレーティングカッ
プラ１０，１１の格子周期をΛ、入射光Ｌがグレーティ
ングカップラ１０，１１で回折される際に生じる高調波
の次数をｑ，実効屈折率をＮとすると、位置Ａと位置Ｃ
間の距離｜ＡＣ｜，位置Ｃと位置Ｅ間の距離｜ＣＥ｜，
位置Ｅと位置Ｄ間の距離｜ＥＤ｜，位置Ｄと位置Ｂ間の
距離｜ＤＢ｜及び位置Ｆと位置Ｂ間の距離｜ＦＢ｜は、
それぞれ以下の式で表示される。
【００１７】 ｜ＡＣ｜＝ｄf／cosα ｜ＣＥ｜＝ｄb／cosβ ｜ＦＢ｜＝２（ｄftanα＋ｄbtanβ）sinθ ｜ＤＢ｜＝｜ＡＣ｜ ｜ＥＤ｜＝｜ＣＥ｜ ただし、sinθ＝Ｎ＋ｑ（λ／Λ） cosα＝｛１−（sinθ／ｎf）2｝1/2 cosβ＝｛１−（sinθ／ｎb）2｝1/2 tanα＝（sinθ／ｎf）／｛１−（sinθ／ｎf）2｝1/2 tanβ＝（sinθ／ｎb）／｛１−（sinθ／ｎb）2｝1/2
【００１８】従って、位置Ａと位置Ｃ間の基板側放射光
Ｌ２の位相差｜ＡＣ｜*、位置Ｃと位置Ｅ間の基板側放
射光Ｌ２の位相差｜ＣＥ｜*、位置Ｅと位置Ｄ間の基板
側放射光Ｌ２の位相差｜ＥＤ｜*、位置Ｄと位置Ｂ間の
基板側放射光Ｌ２の位相差｜ＤＢ｜*及び位置Ｆと位置
Ｂ間の入射光Ｌの位相差｜ＦＢ｜*は、それぞれ以下の
式（１）〜（５）で表示される。
Ｌ２の位相差｜ＡＣ｜*、位置Ｃと位置Ｅ間の基板側放
射光Ｌ２の位相差｜ＣＥ｜*、位置Ｅと位置Ｄ間の基板
側放射光Ｌ２の位相差｜ＥＤ｜*、位置Ｄと位置Ｂ間の
基板側放射光Ｌ２の位相差｜ＤＢ｜*及び位置Ｆと位置
Ｂ間の入射光Ｌの位相差｜ＦＢ｜*は、それぞれ以下の
式（１）〜（５）で表示される。
【００１９】 ｜ＡＣ｜*＝２πｎfｄf／（λcosα） …（１） ｜ＣＥ｜*＝２πｎbｄb／（λcosβ） …（２） ｜ＦＢ｜*＝４πｎc（ｄftanα＋ｄbtanβ）sinθ／λ…（３） ｜ＤＢ｜*＝｜ＡＣ｜* …（４） ｜ＥＤ｜*＝｜ＣＥ｜* …（５）
【００２０】そして、空気側から位置Ｂに入射する入射
光Ｌと基板側放射光Ｌ２が、位置Ｂで位相整合する場合
は、以下の式（６）を満足するときである。 ｜ＦＢ｜*−（｜ＤＢ｜*＋｜ＥＤ｜*＋｜ＣＥ｜*＋｜ＡＣ｜*）＝２ｍπ …（６） ただし、ｍ＝０，±１，±２，±３，…
光Ｌと基板側放射光Ｌ２が、位置Ｂで位相整合する場合
は、以下の式（６）を満足するときである。 ｜ＦＢ｜*−（｜ＤＢ｜*＋｜ＥＤ｜*＋｜ＣＥ｜*＋｜ＡＣ｜*）＝２ｍπ …（６） ただし、ｍ＝０，±１，±２，±３，…
【００２１】｜ＤＢ｜*＝｜ＡＣ｜*、｜ＥＤ｜*＝｜Ｃ
Ｅ｜*であるから、式（６）は、 ｜ＦＢ｜*−２（｜ＣＥ｜*＋｜ＡＣ｜*）＝２ｍπ となる。この式に前記式（１）〜（３）を代入すると、 ４πｎc（ｄftanα＋ｄbtanβ）sinθ／λ−２｛２πｎ
fｄf／（λcosα）＋２πｎbｄb／（λcosβ）｝＝２ｍ
π 従って、以下の式（７）が得られる。 ２ｎc（ｄftanα＋ｄbtanβ）sinθ−（２ｎfｄf／cosα＋２ｎbｄb／cosβ） ＝ｍλ …（７）
Ｅ｜*であるから、式（６）は、 ｜ＦＢ｜*−２（｜ＣＥ｜*＋｜ＡＣ｜*）＝２ｍπ となる。この式に前記式（１）〜（３）を代入すると、 ４πｎc（ｄftanα＋ｄbtanβ）sinθ／λ−２｛２πｎ
fｄf／（λcosα）＋２πｎbｄb／（λcosβ）｝＝２ｍ
π 従って、以下の式（７）が得られる。 ２ｎc（ｄftanα＋ｄbtanβ）sinθ−（２ｎfｄf／cosα＋２ｎbｄb／cosβ） ＝ｍλ …（７）
【００２２】こうして得られた位相整合条件式（７）を
満足するように、光学的バッファ層３の厚みｄbを決定
することにより、基板側放射光Ｌ２と空気側から位置Ｂ
に入射する入射光Ｌの導波光Ｌ１とが強め合うので、光
導波路入出力装置１の光入出射効率をアップさせること
ができる。
満足するように、光学的バッファ層３の厚みｄbを決定
することにより、基板側放射光Ｌ２と空気側から位置Ｂ
に入射する入射光Ｌの導波光Ｌ１とが強め合うので、光
導波路入出力装置１の光入出射効率をアップさせること
ができる。
【００２３】この場合、グレーティングカップラ１０，
１１の形状や光導波層４の厚みｄfによっても光入出射
効率をアップさせることができる。しかし、これらグレ
ーティングカップラ１０，１１の形状や光導波層４の厚
みｄfは、入射光Ｌの径や表面弾性波の励振効率等の外
的要因によって厳しく規定されるため、所望の形状や厚
みに設定することができないことが多い。一方、光学的
バッファ層３の厚みｄ bにはこのような外的要因がな
く、所望の厚みに容易に設定することができる。
１１の形状や光導波層４の厚みｄfによっても光入出射
効率をアップさせることができる。しかし、これらグレ
ーティングカップラ１０，１１の形状や光導波層４の厚
みｄfは、入射光Ｌの径や表面弾性波の励振効率等の外
的要因によって厳しく規定されるため、所望の形状や厚
みに設定することができないことが多い。一方、光学的
バッファ層３の厚みｄ bにはこのような外的要因がな
く、所望の厚みに容易に設定することができる。
【００２４】さらに、具体的数値を用いて説明する。光
導波層４上の媒質を空気（ｎc＝１）とし、ＳｉＯ2から
なる光学的バッファ層３（ｎb＝１．４６）の厚みｄfを
１．７μｍとし、グレーティングカップラ１０，１１の
格子周期Λを０．６μｍとし、入射光Ｌとして波長λが
６３２．８ｎｍ（光源としてＨｅ−Ｎｅレーザを用いた
場合）でかつ０次モードのＴＥ波を用い、実効屈折率Ｎ
を１．９８８６、高調波の次数をｑ＝−１としたとき、
光導波路入出力装置１の入射用グレーティングカップラ
１０に入射する入射光強度と、出射用グレーティングカ
ップラ１１から出射する出射光強度との比（光入出射効
率）を測定した。そして、この測定値を使って、従来の
光導波路入出力装置４１（図１０参照）の光入出射効率
を１としたときの相対効率を算出した。算出結果を図３
の実線１５にて表示している。なお、相対効率を算出す
る際に、光導波損失の影響を考慮に入れている。
導波層４上の媒質を空気（ｎc＝１）とし、ＳｉＯ2から
なる光学的バッファ層３（ｎb＝１．４６）の厚みｄfを
１．７μｍとし、グレーティングカップラ１０，１１の
格子周期Λを０．６μｍとし、入射光Ｌとして波長λが
６３２．８ｎｍ（光源としてＨｅ−Ｎｅレーザを用いた
場合）でかつ０次モードのＴＥ波を用い、実効屈折率Ｎ
を１．９８８６、高調波の次数をｑ＝−１としたとき、
光導波路入出力装置１の入射用グレーティングカップラ
１０に入射する入射光強度と、出射用グレーティングカ
ップラ１１から出射する出射光強度との比（光入出射効
率）を測定した。そして、この測定値を使って、従来の
光導波路入出力装置４１（図１０参照）の光入出射効率
を１としたときの相対効率を算出した。算出結果を図３
の実線１５にて表示している。なお、相対効率を算出す
る際に、光導波損失の影響を考慮に入れている。
【００２５】一方、前記位相整合条件式（７）から、光
入出射効率が大きくなる光学的バッファ層３の厚みｄb
を算出する。 sinθ＝Ｎ＋ｑ（λ／Λ）＝０．９３３９ cosα＝｛１−（sinθ／ｎf）2｝1/2＝０．８８３８ cosβ＝｛１−（sinθ／ｎb）2｝1/2＝０．７６８７ tanα＝（sinθ／ｎf）／｛１−（sinθ／ｎf）2｝1/2＝０．５２８４ tanβ＝（sinθ／ｎb）／｛１−（sinθ／ｎb）2｝1/2＝０．８３２１ であるから、これらの値を前記位相整合条件式（７）に
代入すると、 2×（1.7×0.5284＋ｄb×0.8321）×0.9339−（2×1.99
6×1.7／0.8838＋2×1.46×ｎb／0.7687）＝0.6328ｍ となる。この式を計算すると、 −6.000−2.244ｄb＝0.6328ｍ ｄb＝−0.282ｍ−2.674 となる。この１次関係式から、ｍとｄbの関係は、 ｍ＝−１１のとき、ｄb＝０．４２８μｍ ｍ＝−１２のとき、ｄb＝０．７１μｍ ｍ＝−１３のとき、ｄb＝０．９９２μｍ となる。
入出射効率が大きくなる光学的バッファ層３の厚みｄb
を算出する。 sinθ＝Ｎ＋ｑ（λ／Λ）＝０．９３３９ cosα＝｛１−（sinθ／ｎf）2｝1/2＝０．８８３８ cosβ＝｛１−（sinθ／ｎb）2｝1/2＝０．７６８７ tanα＝（sinθ／ｎf）／｛１−（sinθ／ｎf）2｝1/2＝０．５２８４ tanβ＝（sinθ／ｎb）／｛１−（sinθ／ｎb）2｝1/2＝０．８３２１ であるから、これらの値を前記位相整合条件式（７）に
代入すると、 2×（1.7×0.5284＋ｄb×0.8321）×0.9339−（2×1.99
6×1.7／0.8838＋2×1.46×ｎb／0.7687）＝0.6328ｍ となる。この式を計算すると、 −6.000−2.244ｄb＝0.6328ｍ ｄb＝−0.282ｍ−2.674 となる。この１次関係式から、ｍとｄbの関係は、 ｍ＝−１１のとき、ｄb＝０．４２８μｍ ｍ＝−１２のとき、ｄb＝０．７１μｍ ｍ＝−１３のとき、ｄb＝０．９９２μｍ となる。
【００２６】従って、位相整合条件式（７）からは、光
学的バッファ層３の厚みｄbを０．４２８μｍ，０．７
１μｍ，０．９９２μｍに設定したときに、光入出射効
率が高くなることがわかる。この結果は、図３に示した
測定結果（実線１５参照）と一致している。このよう
に、基板２と光学的バッファ層３の境界部分での基板側
放射光Ｌ２の反射と位相整合を用いることにより、光入
出射効率をアップさせることができる。
学的バッファ層３の厚みｄbを０．４２８μｍ，０．７
１μｍ，０．９９２μｍに設定したときに、光入出射効
率が高くなることがわかる。この結果は、図３に示した
測定結果（実線１５参照）と一致している。このよう
に、基板２と光学的バッファ層３の境界部分での基板側
放射光Ｌ２の反射と位相整合を用いることにより、光入
出射効率をアップさせることができる。
【００２７】［増反射膜の説明］図１に示されている構
成の光導波路入出力装置１の場合、ＳｉＯ2の光学的バ
ッファ層３からＳｉ基板２に入射する際の基板側放射光
Ｌ２の入射角βは３９．７度になる。そして、光学的バ
ッファ層３とＳｉ基板２の境界部分での反射率は、図４
において実線２１に示すように、基板側放射光Ｌ２の波
長λが６３２．８ｎｍのときには約３０％になる。
成の光導波路入出力装置１の場合、ＳｉＯ2の光学的バ
ッファ層３からＳｉ基板２に入射する際の基板側放射光
Ｌ２の入射角βは３９．７度になる。そして、光学的バ
ッファ層３とＳｉ基板２の境界部分での反射率は、図４
において実線２１に示すように、基板側放射光Ｌ２の波
長λが６３２．８ｎｍのときには約３０％になる。
【００２８】そこで、図５に示すように、光の反射率を
増強する増反射膜２１を光学的バッファ層３とＳｉ基板
２の界面に設け、光入出射効率をさらにアップすること
について説明する。増反射膜２１は、光学的バッファ層
３の屈折率ｎbより低い屈折率ｎrを有している。具体的
には、例えば、増反射膜２１として、屈折率ｎr1が１．
３８５のＭｇＦ2膜を用い、膜厚ｄr1を以下の条件式を
満足するように設定する。
増強する増反射膜２１を光学的バッファ層３とＳｉ基板
２の界面に設け、光入出射効率をさらにアップすること
について説明する。増反射膜２１は、光学的バッファ層
３の屈折率ｎbより低い屈折率ｎrを有している。具体的
には、例えば、増反射膜２１として、屈折率ｎr1が１．
３８５のＭｇＦ2膜を用い、膜厚ｄr1を以下の条件式を
満足するように設定する。
【００２９】ｎr1・ｄr1／λ0＝０．４５ ただし、λ0＝５００ｎｍ このとき、光学的バッファ層３とＳｉ基板２の境界部分
での反射率は、図４において点線２２に示すように、約
３５％（λ＝６３２．８ｎｍ）になる。
での反射率は、図４において点線２２に示すように、約
３５％（λ＝６３２．８ｎｍ）になる。
【００３０】また、増反射膜を多層化してもよい。例え
ば、図６に示すように、３層構造の増反射膜２２を光学
的バッファ層３とＳｉ基板２の界面に設けてもよい。増
反射膜２２は、ＺｒＯ2＋ＴｉＯ2（メルク社製の薄膜材
料）を薄膜化したＺｒＯ2＋ＴｉＯ2膜２２ｂを間にして
ＭｇＦ2膜２２ａ，２２ｃを上下に積層したものであ
る。ＺｒＯ2＋ＴｉＯ2は屈折率ｎr2が２．０５０であ
る。本実施形態の場合、ＺｒＯ2＋ＴｉＯ2膜２２ｂの膜
厚ｄr3及びＭｇＦ2膜２２ａ，２２ｃの膜厚ｄr2，ｄr4
はそれぞれ以下の条件式を満足するように設定する。
ば、図６に示すように、３層構造の増反射膜２２を光学
的バッファ層３とＳｉ基板２の界面に設けてもよい。増
反射膜２２は、ＺｒＯ2＋ＴｉＯ2（メルク社製の薄膜材
料）を薄膜化したＺｒＯ2＋ＴｉＯ2膜２２ｂを間にして
ＭｇＦ2膜２２ａ，２２ｃを上下に積層したものであ
る。ＺｒＯ2＋ＴｉＯ2は屈折率ｎr2が２．０５０であ
る。本実施形態の場合、ＺｒＯ2＋ＴｉＯ2膜２２ｂの膜
厚ｄr3及びＭｇＦ2膜２２ａ，２２ｃの膜厚ｄr2，ｄr4
はそれぞれ以下の条件式を満足するように設定する。
【００３１】ｎr1・ｄr2／λ0＝０．４０ ｎr2・ｄr3／λ0＝０．４０ ｎr1・ｄr4／λ0＝０．４０ このとき、光学的バッファ層３とＳｉ基板２の境界部分
での反射率は、図７において実線２３に示すように、約
７０％（λ＝６３２．８ｎｍ）になる。
での反射率は、図７において実線２３に示すように、約
７０％（λ＝６３２．８ｎｍ）になる。
【００３２】さらに、図８に示すように、５層構造の増
反射膜２５を光学的バッファ層３とＳｉ基板２の界面に
設けてもよい。この増反射膜２５は、ＺｒＯ2＋ＴｉＯ2
膜２５ｂ，２５ｄとＭｇＦ2膜２５ａ，２５ｃ，２５ｅ
を交互に積層したものである。本実施形態の場合、Ｚｒ
Ｏ2＋ＴｉＯ2膜２５ｂ，２５ｄの厚膜ｄr6，ｄr8及びＭ
ｇＦ2膜２５ａ，２５ｃ，２５ｅの膜厚ｄr5，ｄr7，ｄ
r9はそれぞれ以下の条件式を満足するように設定する。
反射膜２５を光学的バッファ層３とＳｉ基板２の界面に
設けてもよい。この増反射膜２５は、ＺｒＯ2＋ＴｉＯ2
膜２５ｂ，２５ｄとＭｇＦ2膜２５ａ，２５ｃ，２５ｅ
を交互に積層したものである。本実施形態の場合、Ｚｒ
Ｏ2＋ＴｉＯ2膜２５ｂ，２５ｄの厚膜ｄr6，ｄr8及びＭ
ｇＦ2膜２５ａ，２５ｃ，２５ｅの膜厚ｄr5，ｄr7，ｄ
r9はそれぞれ以下の条件式を満足するように設定する。
【００３３】ｎr1・ｄr5／λ0＝０．３９ ｎr2・ｄr6／λ0＝０．３９ ｎr1・ｄr7／λ0＝０．３９ ｎr2・ｄr8／λ0＝０．３９ ｎr1・ｄr9／λ0＝０．３９ このとき、光学的バッファ層３とＳｉ基板２の境界部分
での反射率は、図７において点線２４に示すように、約
９０％（λ＝６３２．８ｎｍ）になる。そして、このと
きの相対効率は、図３中の一点鎖線１７にて表示された
特性になり、位相整合による効率向上の効果がより発揮
されることがわかる。これらの増反射膜２１，２２，２
５は、Ｓｉ基板２上にＣＶＤ法、スパッタリング法、真
空蒸着法等の方法により形成される。
での反射率は、図７において点線２４に示すように、約
９０％（λ＝６３２．８ｎｍ）になる。そして、このと
きの相対効率は、図３中の一点鎖線１７にて表示された
特性になり、位相整合による効率向上の効果がより発揮
されることがわかる。これらの増反射膜２１，２２，２
５は、Ｓｉ基板２上にＣＶＤ法、スパッタリング法、真
空蒸着法等の方法により形成される。
【００３４】［他の実施の形態］なお、本発明に係る光
導波路入出力装置は前記実施形態に限定するものではな
く、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
図９に示すように、グレーティングカップラ１０，１１
は、光導波層４と光学的バッファ層３の界面に設けられ
てもよい。この場合の位相整合条件式は以下の式（８）
である。
導波路入出力装置は前記実施形態に限定するものではな
く、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
図９に示すように、グレーティングカップラ１０，１１
は、光導波層４と光学的バッファ層３の界面に設けられ
てもよい。この場合の位相整合条件式は以下の式（８）
である。
【００３５】 （｜ＦＢ｜*＋｜ＤＢ｜*）−（｜ＥＤ｜*＋｜ＣＥ｜*＋｜ＡＣ｜*）＝２ｍπ …（８） ただし、ｍ＝０，±１，±２，±３，… ｜ＤＢ｜*＝｜ＡＣ｜*、｜ＥＤ｜*＝｜ＣＥ｜*であるか
ら、式（８）は、 ｜ＦＢ｜*−２｜ＣＥ｜*＝２ｍπ となる。さらに、前記式（２）及び式（３）を用いて、 ｛４πｎc（ｄftanα＋ｄbtanβ）sinθ｝／λ−（２πｎbｄb）／（λcosβ ）＝２ｍπ ２ｎc（ｄftanα＋ｄbtanβ）sinθ−ｎbｄb／cosβ＝ｍλ…（９）
ら、式（８）は、 ｜ＦＢ｜*−２｜ＣＥ｜*＝２ｍπ となる。さらに、前記式（２）及び式（３）を用いて、 ｛４πｎc（ｄftanα＋ｄbtanβ）sinθ｝／λ−（２πｎbｄb）／（λcosβ ）＝２ｍπ ２ｎc（ｄftanα＋ｄbtanβ）sinθ−ｎbｄb／cosβ＝ｍλ…（９）
【００３６】また、保護膜として、低屈折率であるＳｉ
Ｏ2膜等を、グレーティングカップラを被覆するよう
に、光導波層４上に設けてもよい。この場合、光導波層
上の媒質はＳｉＯ2膜等となるので、位相整合条件式
（７），（９）のｎcにはＳｉＯ2等の屈折率を代入する
ことになる。また、グレーティングカップラの周期格子
は必ずしも矩形断面を有する必要はなく、断面形状は任
意である。
Ｏ2膜等を、グレーティングカップラを被覆するよう
に、光導波層４上に設けてもよい。この場合、光導波層
上の媒質はＳｉＯ2膜等となるので、位相整合条件式
（７），（９）のｎcにはＳｉＯ2等の屈折率を代入する
ことになる。また、グレーティングカップラの周期格子
は必ずしも矩形断面を有する必要はなく、断面形状は任
意である。
【００３７】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、光学的バッファ層の膜厚を調整するだけで、光
入出射効率をアップさせることができ、グレーティング
カップラを有し、かつ、光入出射効率が高く簡素な構造
で製造し易い光導波路入出力装置を得ることができる。
また、基板とバッファ層の界面に、増反射膜を設けるこ
とにより、更に光入出射効率をアップさせることができ
る。
よれば、光学的バッファ層の膜厚を調整するだけで、光
入出射効率をアップさせることができ、グレーティング
カップラを有し、かつ、光入出射効率が高く簡素な構造
で製造し易い光導波路入出力装置を得ることができる。
また、基板とバッファ層の界面に、増反射膜を設けるこ
とにより、更に光入出射効率をアップさせることができ
る。
【図１】本発明に係る光導波路入出力装置の一実施形態
を示す外観斜視図。
を示す外観斜視図。
【図２】位相整合を説明するための光路図。
【図３】相対効率を示すグラフ。
【図４】光学的バッファ層と基板の境界部分の反射率を
示すグラフ。
示すグラフ。
【図５】光学的バッファ層と基板の境界部分に増反射膜
を設けた状態を示す説明図。
を設けた状態を示す説明図。
【図６】光学的バッファ層と基板の境界部分に別の増反
射膜を設けた状態を示す説明図。
射膜を設けた状態を示す説明図。
【図７】光学的バッファ層と基板の境界部分の反射率を
示すグラフ。
示すグラフ。
【図８】光学的バッファ層と基板の境界部分にさらに別
の増反射膜を設けた状態を示す説明図。
の増反射膜を設けた状態を示す説明図。
【図９】グレーティングカップラを光導波層と光学的バ
ッファ層の界面に設けたときの、位相整合を説明するた
めの光路図。
ッファ層の界面に設けたときの、位相整合を説明するた
めの光路図。
【図１０】従来例を説明するための光路図。
１…光導波路入出力装置 ２…基板 ３…光学的バッファ層 ４…光導波層 １０，１１…グレーティングカップラ ２１，２２，２５…増反射膜 Ｌ…入射光 Ｌ１…導波光 Ｌ２…基板側放射光
Claims (5)
- 【請求項１】 光学的バッファ層を表面に設けた基板上
に光導波層を設けると共に、光を結合するためのグレー
ティングカップラを前記光導波層に設け、前記グレーテ
ィングカップラから放射されかつ前記光学的バッファ層
と基板の境界部分で反射した基板側放射光が、前記グレ
ーティングカップラから放射されかつ前記光導波層を進
行する導波光と位相整合するように、前記光学的バッフ
ァ層の厚みを設定したことを特徴とする光導波路入出力
装置。 - 【請求項２】 光学的バッファ層を表面に設けた基板上
に光導波層を設けると共に、光を結合するためのグレー
ティングカップラを前記光導波層上に設け、前記グレー
ティングカップラから放射された基板側放射光が前記光
学的バッファ層と基板の境界部分で反射すると共に、前
記光学的バッファ層の厚みｄbが以下の条件式 ２ｎc（ｄftanα＋ｄbtanβ）sinθ−（２ｎfｄf／cos
α＋２ｎbｄb／cosβ）＝ｍλ ただし、ｍ＝０，±１，±２，±３，… ｎb：光学的バッファ層の屈折率 ｎf：光導波層の屈折率 ｄf：光導波層の厚み ｎc：光導波層上の媒質の屈折率 λ：光の波長 θ：光が光導波層に入射する際の入射角 α：基板側放射光が光学的バッファ層に入射する際の入
射角 β：基板側放射光が基板に入射する際の入射角 を満足していることを特徴とする光導波路入出力装置。 - 【請求項３】 光学的バッファ層を表面に設けた基板上
に光導波層を設けると共に、光を結合するためのグレー
ティングカップラを前記光導波層と前記光学的バッファ
層の界面に設け、前記グレーティングカップラから放射
された基板側放射光が前記光学的バッファ層と基板の境
界部分で反射すると共に、前記光学的バッファ層の厚み
ｄbが以下の条件式 ２ｎc（ｄftanα＋ｄbtanβ）sinθ−ｎbｄb／cosβ＝
ｍλ ただし、ｍ＝０，±１，±２，±３，… ｎb：光学的バッファ層の屈折率 ｄf：光導波層の厚み ｎc：光導波層上の媒質の屈折率 λ：光の波長 θ：光が光導波層に入射する際の入射角 α：基板側放射光が光学的バッファ層に入射する際の入
射角 β：基板側放射光が基板側に入射する際の入射角 を満足していることを特徴とする光導波路入出力装置。 - 【請求項４】 前記基板と前記バッファ層の界面に、光
の反射率を増強する増反射膜を設けたことを特徴とする
請求項１、請求項２又は請求項３記載の光導波路入出力
装置。 - 【請求項５】 前記基板と前記バッファ層の界面に、光
の反射率を増強する多層膜からなる増反射膜を設けたこ
とを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の
光導波路入出力装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33847697A JPH11174270A (ja) | 1997-12-09 | 1997-12-09 | 光導波路入出力装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33847697A JPH11174270A (ja) | 1997-12-09 | 1997-12-09 | 光導波路入出力装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11174270A true JPH11174270A (ja) | 1999-07-02 |
Family
ID=18318526
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33847697A Pending JPH11174270A (ja) | 1997-12-09 | 1997-12-09 | 光導波路入出力装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11174270A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109343243A (zh) * | 2018-11-16 | 2019-02-15 | 京东方科技集团股份有限公司 | 光调制装置、单通道光谱检测系统 |
| JP2019185037A (ja) * | 2018-03-30 | 2019-10-24 | 中強光電股▲ふん▼有限公司 | 光導波装置及び表示器 |
| CN111226157A (zh) * | 2017-10-13 | 2020-06-02 | 康宁股份有限公司 | 用于增强现实系统的基于波导的光学系统和方法 |
-
1997
- 1997-12-09 JP JP33847697A patent/JPH11174270A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111226157A (zh) * | 2017-10-13 | 2020-06-02 | 康宁股份有限公司 | 用于增强现实系统的基于波导的光学系统和方法 |
| JP2019185037A (ja) * | 2018-03-30 | 2019-10-24 | 中強光電股▲ふん▼有限公司 | 光導波装置及び表示器 |
| CN109343243A (zh) * | 2018-11-16 | 2019-02-15 | 京东方科技集团股份有限公司 | 光调制装置、单通道光谱检测系统 |
| US11360365B2 (en) | 2018-11-16 | 2022-06-14 | Boe Technology Group Co., Ltd. | Light modulation device and single-channel spectrum detection system |
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