JPH11174271A - 光導波路入出力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 格子幅及び格子間隔の広いグレーティングカ
ップラを有し、かつ、入出力光結合効率が高い光導波路
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、グレーティングカップラ
１０等で構成されている。グレーティングカップラ１０
によってｑ次回折光が入出力光結合するとき、光導波層
４の実効屈折率をＮとし、光導波層４が接する光学的バ
ッファ層３の屈折率をｎ_bとし、光導波層４が接する空
気の屈折率をｎ_cとし、光の自由空間での波長をλとす
ると、グレーティングカップラ１０の格子ピッチΛ及び
デューティ比ａが、以下の三つの条件式を満足してい
る。 ａ（ｑ＋１）＝ｍ （ｍ＝±１，±２，±３…） ｜｛Ｎ＋（ｑ＋２）λ／Λ｝／ｎ_b｜＞１ ｜（Ｎ＋ｑλ／Λ）／ｎ_c｜＜１

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。

【０００２】

【従来の技術】従来より、基板上に薄膜状の光導波層を
設けた光導波路入出力装置が知られている。光導波層を
進行する光（以下、導波光という）は光導波層に形成さ
れた出射用グレーティングカップラで回折させて出射光
として取り出される。また、入射光は光導波層に形成さ
れた入射用グレーティングカップラを介して光導波層に
入射し、導波光とされる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の光導
波路入出力装置においては、−１次回折光を利用するグ
レーティングカップラが使用されていた。−１次回折光
による入出力光結合効率が極めて高いからである。この
ため、例えば基板がＳｉＯ₂（屈折率１．４６）で、そ
の上に設けた光導波層がＺｎＯ（屈折率１．９９）で、
光導波層と接するのが空気（屈折率１．００）になって
いる入出力装置に対して、波長が６３２．８ｎｍの光ビ
ームの場合（光源としてＨｅ−Ｎｅレーザを用いた場
合）、グレーティングカップラの格子ピッチを０．６μ
ｍに設定する必要があり、デューティ比を０．５とする
と、グレーティングカップラの格子幅や格子間隔は０．
３μｍと非常に狭くなる。従って、設計通りにグレーテ
ィングカップラを加工することが困難であり、また、加
工の再現性もよくないという問題があった。

【０００４】そこで、本発明の目的は、格子幅及び格子
間隔の広いグレーティングカップラを有し、かつ、入出
力光結合効率が高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】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、グレーティン
グカップラによってｑ次回折光が入出力光結合すると
き、光導波層の実効屈折率をＮとし、光導波層が接する
基板側媒質の屈折率をｎ（ｓ）とし、光導波層が接する
空気側媒質の屈折率をｎ（ｃ）とし、光の自由空間での
波長をλとすると、前記グレーティングカップラの格子
ピッチΛ及びデューティ比ａが、以下の三つの条件式を
満足していることを特徴とする。

【０００６】 ａ（ｑ＋１）＝ｍ （ｍ＝±１，±２，±３…） ｜｛Ｎ＋（ｑ＋２）λ／Λ｝／ｎ（ｓ）｜＞１ ｜（Ｎ＋ｑλ／Λ）／ｎ（ｃ）｜＜１

【０００７】具体的には、グレーティングカップラによ
って−３次回折光が入出力光結合するとき、前記グレー
ティングカップラの格子ピッチΛ及びデューティ比ａ
が、以下の三つの条件式を満足している。 ａ＝１／２ ｜（Ｎ−λ／Λ）／ｎ（ｓ）｜＞１ ｜（Ｎ−３λ／Λ）／ｎ（ｃ）｜＜１

【０００８】また、グレーティングカップラによって−
４次回折光が入出力光結合するとき、前記グレーティン
グカップラの格子ピッチΛ及びデューティ比ａが、以下
の三つの条件式を満足している。 ａ＝１／３ 又は ２／３ ｜（Ｎ−２λ／Λ）／ｎ（ｓ）｜＞１ ｜（Ｎ−４λ／Λ）／ｎ（ｃ）｜＜１

【０００９】ここに、光導波層が接する基板側媒質の屈
折率ｎ（ｓ）としては、例えば基板の屈折率、あるい
は、基板と光導波層との界面に設けられる光学的バッフ
ァ層の屈折率が用いられる。また、光導波層が接する空
気側媒質の屈折率ｎ（ｃ）としては、例えば空気の屈折
率が用いられる。

【００１０】

【作用】以上の構成により、高い入出力光結合効率を確
保した状態で、グレーティングカップラの格子ピッチを
長くすることができ、格子幅及び格子間隔が広くなる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る光導波路入出
力装置の実施の形態について添付図面を参照して説明す
る。

【００１２】［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Ｓｉ基板を
用いた。

【００１３】Ｓｉ基板２の屈折率ｎ_sは約４．０であ
り、光導波層４の屈折率ｎ_f（例えば光導波層としてＺ
ｎＯ薄膜を用いた場合は１．９９）より高いので、Ｓｉ
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法等により形成してもよい。

【００１４】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を光偏向器として利用する
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。

【００１５】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。

【００１６】［グレーティングカップラの変換効率（分
配比）］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（空気側放射光）Ｌ１と基
板側放射光Ｌ２に分かれる。このとき、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。

【００１７】グレーティングカップラ１０，１１の全長
をＷとしたときの、ｑ次回折光がｉ（＝ｃ：空気側、
ｓ：基板側）へ放射される際のパワー変換は、以下の式
（１）及び（２）で与えられる。式（１）及び式（２）
中のＰ_q ⁽ⁱ⁾は、グレーティングカップラ１０，１１の全
長Ｗを無限大にしたときの変換効率（分配比）を表す。 Ｐ_q ⁽ⁱ⁾（Ｗ）＝Ｐ_q ⁽ⁱ⁾｛１−ｅｘｐ（−２α_rＷ）｝ …（１） Ｐ_q ⁽ⁱ⁾＝Ｐ_q ⁽ⁱ⁾（∞）＝α_q ⁽ⁱ⁾／Σα_q ⁽ⁱ⁾ …（２） ただし、α_r＝Σ（α_q ^(c)＋α_q ^(s)）

【００１８】また、α_q ⁽ⁱ⁾は放射損失係数と称されるも
のであり、図３に示すように、グレーティングカップラ
１０，１１の溝の深さｈと相関関係がある。すなわち、
放射損失係数α_q ⁽ⁱ⁾は、単調増加領域（図３において矢
印Ａで表示されている領域）において、以下の式（３）
及び式（４）にて表される。

【数１】

【００１９】さらに、放射損失係数α_q ⁽ⁱ⁾は、飽和領域
（図３において矢印Ｂで表示している領域）において、
以下の式（５）及び式（６）にて表される。

【数２】

【００２０】ここに、ｎ_fは光導波層４の屈折率、ｎ_bは
光学的バッファ層３の屈折率、ｎ_sは基板２の屈折率、
ｎ_cは光導波層４が接する空気側媒質（本実施形態では
空気）の屈折率、λは入射光Ｌの自由空間での波長、Λ
はグレーティングカップラ１０，１１の格子ピッチであ
る。そして、Ｎは光導波層４の実効屈折率であり、光導
波層４の膜厚をＴとし以下の固有値方程式（７）を解く
ことで求まる。なお、式（７）中において、１／γ_cは
導波光Ｌ１の空気側への浸み出し距離、１／γ_bは導波
光Ｌの光学的バッファ層３への浸み出し距離を意味す
る。

【００２１】 ｋ_XＴ＝（ｍ＋１）π−tan^-1（ｋ_x／γ_b）−tan^-1（ｋ_x／γ_c） …（７） ただし、ｍ＝０，１，２，… ｋ_x＝ｋ（ｎ_f ²−Ｎ²）^1/2 γ_c＝ｋ（Ｎ²−ｎ_c ²）^1/2 γ_b＝ｋ（Ｎ²−ｎ_b ²）^1/2 ｋ＝２π／λ

【００２２】また、ｎ_gcはグレーティングカップラ１
０，１１部分の比誘電率の平均値、Δε_qはグレーティ
ングカップラ１０，１１部分の比誘電率のｑ次フーリエ
成分振幅であり、以下の式（８）及び式（９）にて表さ
れる。 ｎ_gc ²＝ａｎ_g ²＋（１−ａ）ｎ_c ² …（８） Δε_q＝（ｎ_g ²−ｎ_c ²）｛sin（ｑａπ）／ｑπ｝，ｑ≠０ …（９） ただし、ｎ_g：グレーティングカップラの屈折率 ａ：グレーティングカップラのデューティ比

【００２３】さらに、Ｔ_eは等価導波層厚みであり、以
下の式（１０）及び式（１１）にて表される。

【数３】

【００２４】さらに、Λ_a ^qは飽和領域（図３において矢
印Ｂで表示している領域）の変動の周期であり、以下の
式（１２）で定義される。 （２π／λ）｛ｎ_gc ²−（Ｎ＋ｑλ／Λ）²｝^1/2＝２π／Λ_a ^q …（１２）

【００２５】［グレーティングカップラの格子ピッチ及
びデューティ比の設定］次に、グレーティングカップラ
１０，１１の格子ピッチΛ及びデューティ比ａの設定に
ついて説明する。グレーティングカップラ１０，１１に
よってｑ次回折光を入出力光結合するとき、ｑ次回折光
の分配比Ｐ_q ⁽ⁱ⁾を大きくさせるため、他の次数の回折光
が発生しない条件を求める必要がある。ここに、ｑ次よ
り高次の回折光が有する分配比Ｐ _q ⁽ⁱ⁾は、ｑ次回折光が
有する分配比Ｐ_q ⁽ⁱ⁾と比較して小さく実用上無視するこ
とができる。従って、ｑ次より低次の回折光（ｑがマイ
ナスの場合、（ｑ＋１）次回折光や（ｑ＋２）次回折光
が低次の回折となる）が生じない条件を求めればよい。
また、光導波層４が接する基板側媒質（即ち光学的バッ
ファ層３）の屈折率ｎ_bは、光導波層４が接する空気側
媒質（即ち空気）の屈折率ｎ_cより高いので、導波光
（空気側放射光）Ｌ１が発生すれば、基板側放射光Ｌ２
は必ず発生する（しかしながら、逆は必ずしも成立しな
い）。そして、基板側放射光Ｌ２が発生しなければ、導
波光（空気側放射光）Ｌ１は必ず発生しない（しかしな
がら、逆は必ずしも成立しない）。

【００２６】以上のことから、ｑがマイナスの場合、グ
レーティングカップラ１０，１１によってｑ次回折光を
入出力光結合するとき、ｑ次より低次の回折光である
（ｑ＋１）次回折光が生じない条件は、前記式（９）で
表されたグレーティングカップラ１０，１１部分の比誘
電率の（ｑ＋１）次フーリエ成分振幅Δε_q+1が零にな
るときである。従って、（ｑ＋１）次回折光が生じない
条件は、以下の条件式（１３）を満足するときとなる。 Δε_q+1＝（ｎ_g ²−ｎ_c ²）［sin｛（ｑ＋１）＋ａπ｝／（ｑ＋１）π］＝０ sin｛（ｑ＋１）ａπ｝＝０ （ｑ＋１）ａ＝ｍ （ｍ＝±１，±２，±３，…） …（１３）

【００２７】また、図２に示された構造の光導波路入出
力装置１において、ｚ方向に伝搬定数β₀＝Ｎｋ（＞
０）をもつ導波光Ｌ１が光導波層４を伝搬すると、この
導波光Ｌ１に付随してｚ方向に伝搬定数β_q＝β₀＋ｑＫ
（ｑ＝０，±１，±２，…）をもつ高次光が生じる。高
次光のうち｜β_q｜＜ｎ_cｋを満足する次数ｑの高次光が
存在する場合は、この高次光は以下の式（１４）で決ま
る伝搬角θ_q ^(c)の空気側回折光（導波光）となる。 ｎ_cｋ×sinθ_q ^(c)＝β_q＝Ｎｋ＋ｑＫ …（１４）

【００２８】また、高次光のうち｜β_q｜＜ｎ_bｋを満足
する次数ｑの高次光が存在する場合は、この高次光は以
下の式（１５）で決まる伝搬角θ_q ^(s)の基板側回折光と
なる。 ｎ_bｋ×sinθ_q ^(s)＝β_q＝Ｎｋ＋ｑＫ …（１５） 従って、式（１４）より、空気側ｑ次回折光が発生する
ときは、以下の条件式（１６）を満足するときとなる。 ｜（Ｎｋ＋ｑＫ）／ｎ_cｋ｜＜１ …（１６） 同様にして、式（１５）より、基板側ｑ次回折光が発生
するときは、以下の条件式（１６）’を満足するときと
なる。 ｜（Ｎｋ＋ｑＫ）／ｎ_bｋ｜＜１ …（１６）’

【００２９】さらに、ｋ＝２π／λ，Ｋ＝２π／Λとす
ると、 ｜（Ｎ＋ｑλ／Λ）／ｎ_c｜＜１ ｜（Ｎ＋ｑλ／Λ）／ｎ_b｜＜１ となる。従って、（ｑ＋２）次の基板側放射光が発生し
ない条件は、 ｜｛Ｎ＋（ｑ＋２）λ／Λ｝／ｎ_b｜＞１ …（１
７） となり、ｑ次空気側放射光（導波光）が発生する条件
は、 ｜（Ｎ＋ｑλ／Λ）／ｎ_c｜＜１ …（１８） となる。

【００３０】こうして、グレーティングカップラ１０，
１１によってｑ次回折光が入出力光結合するとき、得ら
れた条件式（１３）、（１７）及び（１８）から、格子
幅及び格子間隔が広くかつ入出力光結合効率が高いグレ
ーティングカップラ１０，１１の格子ピッチΛとデュー
ティ比ａを求めることができる。すなわち、条件式（１
３）からグレーティングカップラ１０，１１のデューテ
ィ比ａを求めることができ、条件式（１７）及び（１
８）からグレーティングカップラ１０，１１の格子ピッ
チΛを求めることができる。

【００３１】数値を用いて、より具体的に説明する。入
射光ＬとしてＴＥ波の０次モードのレーザ光（波長λが
０．６７μｍ）を使用し、ＺｎＯ（ｎ_f＝１．９９）か
らなる光導波層４の膜厚Ｔを１．６μｍに設定した場
合、前記固有値方程式（７）を解くことにより、実効屈
折率Ｎは１．９８となる。そこで、これらの数値と、空
気の屈折率ｎ_c＝１．０と、ＳｉＯ₂からなる光学的バッ
ファ層３の屈折率ｎ_b＝１．４６とを条件式（１７）及
び（１８）に代入して、ｉ（＝ｃ：空気側、ｓ：基板
側）へ放射するｑ次回折光（ｑ＝−１〜−５）が生ずる
格子ピッチΛの範囲を算出した。図４は算出結果を示す
グラフである。

【００３２】グラフより、−３次回折光を発生させるグ
レーティングカップラ１０，１１の格子ピッチΛを選択
すれば、グレーティングカップラ１０，１１を容易に加
工することができることがわかる。しかし、−３次回折
光を発生させるグレーティングカップラ１０，１１の格
子ピッチΛの範囲の一部分は、−３次より低次の−２次
回折光を発生させる格子ピッチΛの範囲と重複してい
る。−２次回折光が発生すると、−３次回折光の分配比
Ｐ_-3 ^(c)が小さくなる。従って、−３次回折光は発生す
るが、−２次回折光は発生しない格子ピッチΛのグレー
ティングカップラ１０，１１に設定する必要がある。

【００３３】そこで、前記条件式（１３）に、ｑ＝−３
を代入すると共に、０＜ａ＜１を考慮して、デューティ
比ａをａ＝１／２＝０．５とすることにより、−２次回
折光が存在しなくなる。従って、図３より、格子ピッチ
Λを１．２９μｍ＜Λ＜２．０５μｍの範囲に設定すれ
ば、ｉ（＝ｃ：空気側、ｓ：基板側）へ放射する−３次
以上の回折光しか発生しないことになる。そして、−３
次より高次の回折光の分配比は小さいので実用上無視す
ることができる。

【００３４】さらに、図５は前記式（２）を用いてｑ次
（ｑ＝−１〜−５）の空気側回折光（導波光）の分配比
Ｐ_q ^(c)を算出した結果をグラフ化したものである。領域
Ｅ１には、分配比Ｐ_-1 ^(c)の大きい−１次空気側回折光
が発生しているが、格子ピッチΛが０．６μｍ程度であ
り、グレーティングカップラ１０，１１の加工が困難で
ある。領域Ｅ２には−３次空気側回折光が発生している
が、−１次基板側回折光も発生しているので、−３次空
気側回折光の分配比Ｐ_-3 ^(c)が小さい。一方、領域Ｅ３
には−３次空気側回折光が発生しており、しかも、−３
次より高次の基板側及び空気側回折光しか発生しないの
で、−３次空気側回折光の分配比Ｐ_-3 ^{(c )}は大きい。こ
のように、分配比Ｐ_q ^(c)だけを考えると、−１次回折光
や−２次回折光を利用したいが、その場合にはグレーテ
ィングカップラ１０，１１の格子ピッチΛが小さくなり
加工が困難となる。また、他の次数の回折光が存在しな
い領域を見つけるのも難しい。そこで、−３次回折光を
使うのが最も望ましいことになる。

【００３５】こうして、グレーティングカップラ１０，
１１によって−３次回折光を入出力光結合させる場合、
前記式（１３）、（１７）及び（１８）にｑ＝−３を代
入することにより求められる、以下の条件式 ａ＝１／２ ｜（Ｎ−λ／Λ）／ｎ_b｜＞１ ｜（Ｎ−３λ／Λ）／ｎ_c｜＜１ を満足するように、グレーティングカップラ１０，１１
の格子ピッチΛ及びデューティ比ａを設定することによ
り、格子ピッチΛが大きく（１．２９μｍ＜Λ＜２．０
５μｍ）、加工が容易で、しかも、入出力光結合効率の
高いグレーティングカップラ１０，１１を得ることがで
きる。

【００３６】図６は、−３次回折光の分配比Ｐ_-3 ^(c)が
デューティ比ａに依存する様子を示したものである。図
６において、実線１５は格子ピッチΛが１．９０μｍの
ときの分配比、点線１６は格子ピッチΛが１．７５μｍ
のときの分配比を表示している。いずれのときも、分配
比Ｐ_-3 ^(c)はデューティ比ａが略０．５のときに最大値
となる。

【００３７】また、同じ構成の光導波路入出力装置１に
おいて、入射光として波長λが０．７８μｍのレーザ光
（０次モードのＴＥ波）を使用した場合は、前記固有値
方程式（７）を解くことにより、実効屈折率Ｎは、１．
９７７６８８となる。そこで、条件式（１７）及び（１
８）より、ｉ（＝ｃ：空気側、ｓ：基板側）へ放射する
ｑ次回折光（ｑ＝−１〜−５）が存在する格子ピッチΛ
の範囲を算出した。図７は算出結果を示すグラフであ
る。グラフより、−３次回折光は発生するが、−２次回
折光は発生しない格子ピッチのグレーティングカップラ
１０，１１に設定する必要があるので、前記条件式（１
３）にｑ＝−３を代入してデューティ比ａを０．５にす
る。こうして、図７より格子ピッチΛを１．５０７μｍ
＜Λ＜２．３９３μｍの範囲に設定すれば、−３次以上
の回折光しか発生せず、格子ピッチΛが大きく、加工が
容易で、しかも、入出力光結合効率の高いグレーティン
グカップラ１０，１１を得ることができる。

【００３８】［光導波路入出力装置の変形例］光導波路
入出力装置において、光学的バッファ層は必ずしも必要
なものではなく、図８に示すように、基板２２としてＳ
ｉＯ₂基板（ｎ_s＝１．４６）を用いた場合には、ＳｉＯ
₂基板２２上にＺｎＯからなる光導波層４（ｎ_f＝１．９
９）を直接設けることができる。この場合、前記条件式
（１３），（１７）及び（１８）は、ｎ_bをｎ_sに置き換
えるだけでよく、それぞれ以下の条件式（１３）’，
（１７）’及び（１８）’となる。 （ｑ＋１）ａ＝ｍ （ｍ±１，±２，±３，…） …（１３）’ ｜｛Ｎ＋（ｑ＋２）λ／Λ｝／ｎ_s｜＞１ …（１７）’ ｜（Ｎ＋ｑλ／Λ）／ｎ_c｜＜１ …（１８）’

【００３９】従って、入射光ＬとしてＴＥ波の０次モー
ドのレーザ光（波長λが０．６７μｍ）を使用し、光導
波層４の膜厚Ｔを１．６μｍに設定した場合は、条件式
（１７）’及び（１８）’を用いて、ｑ次回折光（ｑ＝
−１〜−５）が発生するグレーティングカップラ１０，
１１の格子ピッチΛの範囲を算出すると、図９に示され
たグラフのようになる。グラフより、−４次回折光を発
生させるグレーティングカップラ１０，１１の格子ピッ
チΛを選択すれば、グレーティングカップラ１０，１１
を容易に加工することができることがわかる。

【００４０】しかし、−４次回折光を発生させるグレー
ティングカップラ１０，１１の格子ピッチΛの範囲の一
部分は、−４次より低次の−３次回折光を発生させる格
子ピッチΛの範囲と重複している。−３次回折光が発生
すると、−４次回折光の分配比Ｐ_-4 ^(c)が小さくなる。
従って、−４次回折光は発生するが、−３次回折光は発
生しない格子ピッチΛのグレーティングカップラ１０，
１１に設定する必要がある。そこで、前記条件式（１
３）’に、ｑ＝−４を代入すると共に、０＜ａ＜１を考
慮して、デューティ比ａをａ＝１／３、又はａ＝２／３
とする。これにより、−３次回折光が存在しなくなり、
図９より、格子ピッチΛを２．５８μｍ＜Λ＜２．７３
μｍの範囲に設定すれば、ｉ（＝ｃ：空気側、ｓ：基板
側）へ放射する−４次以上の回折光しか発生しないこと
になる。

【００４１】こうして、グレーティングカップラ１０，
１１によって−４次回折光を入出力光結合させる場合、
前記式（１３）、（１７）及び（１８）にｑ＝−４を代
入することにより求められる、以下の条件式 ａ＝１／３ 又は ２／３ ｜（Ｎ−２λ／Λ）／ｎ_b｜＞１ ｜（Ｎ−４λ／Λ）／ｎ_c｜＜１ を満足するように、グレーティングカップラ１０，１１
の格子ピッチΛ及びデューティ比ａを設定することによ
り、格子ピッチΛが大きく（２．５８μｍ＜Λ＜２．７
３μｍ）、加工が容易で、しかも、入出力光結合効率の
高いグレーティングカップラ１０，１１を得ることがで
きる。

【００４２】図１０は、前記式（２）を用いて−４次回
折光の分配比Ｐ_-4 ^(c)を算出し、分配比Ｐ_-4 ^(c)がデュー
ティ比ａに依存する様子を示したものである。図１０に
おいて、実線２５は格子ピッチΛが２．６５μｍのとき
の分配比を表示している。分配比Ｐ_-4 ^(c)はデューティ
比ａが略０．３３と０．６６のときに最大値となる。

【００４３】以上説明した結果を実施例１〜４として表
１にまとめた。比較のために、−１次及び−２次回折光
を利用したグレーティングカップラの結果を従来例１〜
３として併せて記載している。−１次及び−２次回折光
を利用した場合は変換効率（分配比）が高いが、格子ピ
ッチΛが小さくなりグレーティングカップラの加工が困
難である。表１中において、出射光の変換効率の実測値
は、導波光を基準とした場合の出射光への変換割合を実
測した値である。

【００４４】

【表１】

【００４５】［グレーティングカップラの形成方法］次
に、グレーティングカップラ１０，１１の形成方法につ
いて電子線描画法を例にして説明する。ただし、電子線
描画法の他にフォトリソグラフ法や二光束干渉法等の方
法によってグレーティングカップラ１０，１１を形成し
てもよいことは言うまでもない。

【００４６】図１１に示すように、基板２の表面に光学
的バッファ層３，光導波層４，アルミニウム薄膜５，感
光性樹脂からなるレジスト膜６を順に形成する。次に、
レジスト膜６の上方から電子線をレジスト膜６に照射し
て所望の部分を硬化させた後、図１２に示すように、現
像して未硬化部分のレジスト膜６を除去してパターニン
グする。

【００４７】次に、図１３に示すように、レジスト膜６
から露出した部分のアルミニウム薄膜５をリアクティブ
イオンエッチング装置を用いてエッチングする。この
後、図１４に示すように、硬化したレジスト膜６を除去
する。次に、アルミニウム薄膜５から露出した部分の光
導波層４をリアクティブイオンエッチング装置を用いて
所定の深さだけエッチングして、図１５に示すように、
所望の形状のグレーティングカップラ１０，１１を形成
する。この後、残っているアルミニウム薄膜５をエッチ
ングして除去する。

【００４８】［光導波路入出力装置の応用例］次に、光
導波路入出力装置を磁気光学効果変調器として使用した
場合について、図１６を参照して説明する。磁気光学効
果変調器３１は、基板３２上に薄膜状の磁性体光導波層
３３を設けている。基板３２には、例えばＧＧＧ（Ｇｄ
₃Ｇａ₅Ｏ₁₂）基板が用いられる。磁性体光導波層３３に
は、例えば、ガリウムをスカンジウムに置換したＹＩＧ
基板が用いられる。磁性体光導波層３３の磁化容易方向
は膜面に対して平行である。

【００４９】ところで、薄膜状の磁性体光導波層３３内
を進行するＴＥ波の導波光Ｌの伝搬定数とＴＭ波の導波
光Ｌの伝搬定数は、一般に異なる値となる。そこで、高
効率のＴＥ−ＴＭモード変換を行うためには、位相整合
を行う必要がある。この位相整合の手段として、磁性体
光導波層３３上の中央部に、ミアンダライン状の薄膜電
極３６が設けられている。この電極３６に高周波電源３
７から高周波信号電流を供給し、磁性体光導波層３３内
に周期磁界Ｈａを発生させて、ＴＥ波とＴＭ波の導波光
Ｌの伝搬定数差を補償している。また、高周波信号電流
が零の場合の磁性体光導波層３３の磁化方向を安定化さ
せるため、周期磁界Ｈａに重畳して導波光伝搬方向に対
して４５゜の方向に一様な直流バイアス磁界Ｈｂを印加
している。

【００５０】さらに、磁性体光導波層３３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３４及び出
射用グレーティングカップラ３５が配設されている。こ
れらのグレーティングカップラ３４，３５は、前記条件
式（１３）’，（１７）’及び（１８）’を満足してい
る。

【００５１】以上の構成の磁気光学効果変調器３１にお
いて、例えば、入射用グレーティングカップラ３４から
入射したＴＭ波の光Ｌは、磁性体光導波層３３内を進行
しながら、その一部がＴＥ波に変換される。そして、出
射用グレーティングカップラ３５からＴＥ波とＴＭ波の
光Ｌが相互に出射角を異ならせて出射される。

【００５２】次に、光導波路入出力装置を、導波光の次
数を変換することができる次数変換器として使用した場
合について、図１７を参照して説明する。次数変換器４
１は、ＬｉＮｂＯ₃等の圧電体基板４２上の右側部にア
ルミニウム反射膜４３を介して、ガラス等からなる薄膜
状の光導波層４４を設けている。光導波層４４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４５及
び出射用グレーティングカップラ４６が配設されてい
る。これらのグレーティングカップラ４５，４６は、前
記条件式（１３），（１７）及び（１８）を満足してい
る。

【００５３】圧電体基板４２上の左側部には、インター
デジタルトランスデューサ４７が設けられている。この
トランスデューサ４７に、図示しない高周波電源から高
周波信号を供給すると、光導波層４４内を進行する導波
光Ｌの進行方向と同じ方向（図１７中矢印ａ方向）に伝
搬する表面弾性波４８が圧電体基板４２励起される。こ
の表面弾性波４８が光導波層４４内を進行する導波光Ｌ
と音響光学相互作用することにより、その一部を次数の
異なる導波光Ｌに変換させることができる。

【００５４】以上の構成の次数変換器４１において、例
えば、入射用グレーティングカップラ４５に３次のＴＥ
波の入射光Ｌを入射角θ₃で入射させると、出射用グレ
ーティングカップラ４６から、出射角θ₁で１次のＴＥ
波の出射光Ｌが出射されると共に、出射角θ₃で３次の
ＴＥ波の出射光Ｌが出射される。そこで、これら出射光
Ｌを１次光のみを透過させるフィルタ（図示せず）を通
過させることにより、次数変換器とすることができる。

【００５５】次に、光導波路入出力装置を、ＴＥ波−Ｔ
Ｍ波変換器として使用した場合について、図１８を参照
して説明する。ＴＥ波−ＴＭ波変換器５１は、Ｙ面をカ
ットしたＬｉＮｂＯ₃からなる圧電体基板５２の所定の
部分にＴｉを拡散させて形成したチャンネル光導波層５
２ａを有している。チャンネル光導波層５２ａ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５４及
び出射用グレーティングカップラ５５が配設されてい
る。これらのグレーティングカップラ５４，５５は前記
条件式（１３）’，（１７）’及び（１８）’を満足し
ている。

【００５６】さらに、チャンネル光導波層５２ａ上に
は、その中央部左寄りの位置に一対のインターデジタル
トランスデューサ５７，５８が設けられている。トラン
スデューサ５７に、図示しない高周波電源から高周波信
号を供給すると、光導波層５２ａ内を進行する導波光Ｌ
の進行方向と同じ方向（図１８中矢印ａ方向）に伝搬す
る表面弾性波５９が光導波層５２ａに励起される。この
表面弾性波５９が光導波層５２ａ内を進行するＴＥ波の
導波光Ｌと音響光学相互作用することにより、その一部
をＴＭ波の導波光Ｌに変換させることができる。なお、
トランスデューサ５８は不要な表面弾性波を吸収するた
めのものである。

【００５７】チャンネル光導波層５２ａ上の中央部右寄
りの位置には、Ｚ面をカットしたＬｉＮｂＯ₃板５６が
配設されている。このＬＩＮｂＯ₃板５６はポラライザ
として機能し、ＴＥ波の導波光Ｌを遮断し、ＴＭ波の導
波光Ｌを通過させる。そして、ＴＭ波の導波光Ｌのみが
出射用グレーティングカップラ５５から出射される。

【００５８】さらに、光導波路入出力装置を、光偏向器
として使用した場合について、図１９を参照して説明す
る。光偏向器６１は、ＬｉＮｂＯ₃等の圧電体基板６２
上にＡｓ₂Ｓ₃等の薄膜状の光導波層６３を設けている。
光導波層６３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６４及び出射用グレーティングカップラ
６５が配設されている。これらのグレーティングカップ
ラ６４，６５は、前記条件式（１３）’，（１７）’及
び（１８）’を満足している。

【００５９】圧電体基板６２上の中央部手前側及び奥側
には、それぞれインターデジタルトランスデューサ６
６，６７が設けられている。トランスデューサ６６に、
図示しない高周波電源から高周波信号を供給すると、光
導波層６３内を進行する導波光Ｌの進行方向と略直交す
る方向（図１９中矢印ａ方向）に伝搬する表面弾性波６
８が圧電体基板６２上に励起される。トランスデューサ
６７は不要な表面弾性波を吸収するためのものである。

【００６０】以上の構成からなる光偏向器６１におい
て、光源から放射された光ビームＬは、入射用グレーテ
ィングカップラ６４を介して光導波層６３内を進行す
る。この導波光Ｌを表面弾性波６８が横切ると、導波光
Ｌと表面弾性波６８が音響光学相互作用し、導波光Ｌが
偏向させられる。偏向させられた導波光Ｌは、出射用グ
レーティングカップラ６５を介して出射される。なお、
光偏向器は、前記実施形態の他に、ガラス基板等の非圧
電体基板上に、ＺｎＯ等からなる圧電体の薄膜状光導波
層を設ける構造であってもよい。この場合、インターデ
ジタルトランスデューサは、薄膜状光導波層の上面ある
いは、薄膜状光導波層と非圧電体基板の界面に形成され
る。

【００６１】［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。
例えば、グレーティングカップラ及び光導波層の保護膜
として、低屈折率であるＳｉＯ₂膜を光導波層上に設け
てもよい。この場合、光導波層が接する空気側媒質はＳ
ｉＯ₂膜となり、前記式（１８）の屈折率ｎ_cにはＳｉＯ
₂膜の屈折率が用いられる。

【００６２】また、グレーティングカップラの各回折格
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。そして、グレーティングカップラは必ずし
も光導波層の上面に設ける必要はなく、光導波層と光学
的バッファ層の界面に設けてもよい。

【００６３】

【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、高い入出力光結合効率を確保した状態で、グレ
ーティングカップラの格子ピッチを長くすることができ
る。従って、格子幅及び格子間隔を広くすることがで
き、設計通りにグレーティングカップラを加工すること
ができ、また、再現性良く容易にグレーティングカップ
ラを形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光導波路入出力装置の概略構成を
示す斜視図。

【図２】グレーティングカップラ部分の拡大図。

【図３】放射損失係数とグレーティングカップラの溝の
深さの関係を示すグラフ。

【図４】ｑ次回折光とグレーティングカップラの格子ピ
ッチの関係を示すグラフ。

【図５】ｑ次回折光の分配比と格子ピッチの関係を示す
グラフ。

【図６】−３次回折光の分配比とデューティ比の関係を
示すグラフ。

【図７】ｑ次回折光とグレーティングカップラの格子ピ
ッチの関係を示す別のグラフ。

【図８】別のグレーティングカップラ部分の拡大図。

【図９】ｑ次回折光と図８に示したグレーティングカッ
プラの格子ピッチの関係を示すグラフ。

【図１０】−４次回折光の分配比とデューティ比の関係
を示すグラフ。

【図１１】グレーティングカップラの形成方法を示す説
明図。

【図１２】図１１に続く形成工程を示す説明図。

【図１３】図１２に続く形成工程を示す説明図。

【図１４】図１３に続く形成工程を示す説明図。

【図１５】図１４に続く形成工程を示す説明図。

【図１６】磁気光学効果変調器を示す斜視図。

【図１７】次数変換器を示す斜視図。

【図１８】ＴＥ波−ＴＭ波変換器を示す斜視図。

【図１９】光偏向器を示す斜視図。

【符号の説明】

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 ２２…基板 ３１…磁気光学効果変調器 ３２…基板 ３３…磁性体光導波層 ３４，３５…グレーティングカップラ ４１…次数変換器 ４２…基板 ４３…アルミニウム反射膜 ４４…光導波層 ４５，４６…グレーティングカップラ ５１…ＴＥ波−ＴＭ波変換器 ５２…基板 ５２ａ…チャンネル光導波層 ５４，５５…グレーティングカップラ ６１…光偏向器 ６２…基板 ６３…光導波層 ６４，６５…グレーティングカップラ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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
   に設けた光導波路入出力装置において、 前記グレーティングカップラによってｑ次回折光が入出
   力光結合するとき、前記光導波層の実効屈折率をＮと
   し、前記光導波層が接する基板側媒質の屈折率をｎ
   （ｓ）とし、前記光導波層が接する空気側媒質の屈折率
   をｎ（ｃ）とし、光の自由空間での波長をλとすると、
   前記グレーティングカップラの格子ピッチΛ及びデュー
   ティ比ａが以下の三つの条件式 ａ（ｑ＋１）＝ｍ （ｍ＝±１，±２，±３…） ｜｛Ｎ＋（ｑ＋２）λ／Λ｝／ｎ（ｓ）｜＞１ ｜（Ｎ＋ｑλ／Λ）／ｎ（ｃ）｜＜１ を満足していることを特徴とする光導波路入出力装置。
2. 【請求項２】 前記グレーティングカップラによって−
   ３次回折光が入出力光結合するとき、前記グレーティン
   グカップラの格子ピッチΛ及びデューティ比ａが以下の
   三つの条件式 ａ＝１／２ ｜（Ｎ−λ／Λ）／ｎ（ｓ）｜＞１ ｜（Ｎ−３λ／Λ）／ｎ（ｃ）｜＜１ を満足していることを特徴とする請求項１記載の光導波
   路入出力装置。
3. 【請求項３】 前記グレーティングカップラによって−
   ４次回折光が入出力光結合するとき、前記グレーティン
   グカップラの格子ピッチΛ及びデューティ比ａが以下の
   三つの条件式 ａ＝１／３ 又は ２／３ ｜（Ｎ−２λ／Λ）／ｎ（ｓ）｜＞１ ｜（Ｎ−４λ／Λ）／ｎ（ｃ）｜＜１ を満足していることを特徴とする請求項１記載の光導波
   路入出力装置。