JPS60188911A - 光結合器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は光偏向器や光変調器などの機能素子を実現する
だめの光集積回路素子に関し、特に入出力光結合器に関
する。

〔従来技術〕

従来、光集積回路を構成する光導波路に外部から光を導
入したり導波路中を伝播する光を導波路外へと導出した
シする方法として、プリズムカップラーや研摩した導波
路端面から直接光を導波路内に導入するバットカップラ
ー等が知られている。

シリｔムカ、７°ラーは構成が最も簡単であるが、ｆ　
リズムは高価で且つ結合させる際にプリズムを導波路に
押しつけるための治具等が光集積回路素子から突出し、
素子を小型化且つ低価格化するための大きな障害となっ
ている。一方、バットカップリングによシ光を直接導波
路端面に導入するには、入射光を導波路端面にサブミク
ロンオーダーの精度で設定する必要があり、極めて昼価
なＸ。

ｙ、ｚ３軸微調可能な移動回転ステージの使用が不可避
である。また、薄い基板端面の研摩は極めて困難且つ高
コストである。従って、プリズム力、ｆラー同様小型低
価格の素子の実現は困難であるＯ かかる困難を克服する手段として平面型グレーティング
を利用した光結合器が提案されている［：　ＭｅＬｅ　
Ｄａｋｓｓ　ｅｔａａｌｓ＋　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙ
ｓｉｃｍＬｅｔｔ＠ｒｓ　１６（１２）ｅ５２３（１９
７０）：Ｇｒａｔｉｎｇ　ＣｏｕｐｌｅｒＦｏｒ　Ｅｆ
ｆｉｃｉｅｎｔ　Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　０ｐｔ
ｉｃａｌ　Ｇｖｉｄ＠ｄＷａｖｅｓ　ｉｎ　Ｔｈ１ｎ　
Ｆｉｌｎ＋ｓ　）。このグレーティング型光結合器は一
般にグレーティングカップラーと呼ばれる。

第１図に上記グレーティングカッグラ−の代表的な従来
例の概略断面図を示す。

第１図（ａ）においては、基板１１０表面上に光導波路
１２が形成されており、該導波路１２の表面上にたとえ
ば誘電体からなるグリ、ド１３を装荷することによって
グレーティングが形成されている。

第１図（ｂ）においては、基板１１の表面上にスパッタ
リング等の方法により感光性材料からなる光導波路１４
を形成し該光導波路１４の一部を露光せしめて屈折率を
変化させ体積型のグレーティング１５が形成されている
。

第１図（ｅ）においては、基板１１の表面上に光導波路
１２が形成されており、該導波路１２０表面上にたとえ
ばレジストや金属等からなる格子状のマスクを形成して
たとえばイオンミリング等の食刻技術を用いて導波路１
２を格子状に食刻した後にマスクを除去することにより
グレーティング１６が形成されている。

以上の如きグレーティングカッシラーによれば、素子の
安定性、平面性及び低コスト性を実現でき、このカップ
ラーは現在のところ光機能素子の入出力光結合器として
最も優れた方式であるといえる。

ところが、導波光伝搬方向の屈折率変化が正弦的もしく
は矩形的である様なグレーティングの構造では、第２図
に示される如く、導波路１２を伝搬した導波光２１はグ
レーティング２２により回折せしめられて空気中へと出
射する（光２３）と同時に基板１１側へも出射する（光
２４）。このため他の損失が全くない場合であっても回
折効率、結合効率は約２分の１に低下する。ここで、導
波光から１次回折光への結合効率が他の高次回折光への
結合効率に比べ２桁以上大きいという事実に基づき、高
次回折光の影響を無視し１次回折光のみに注目すると、
１次回折光が空気中と基板中との双方に出射することな
く基板側のみに出射する条件は次の様になる。

λ ｎｄ−１〉７〉ｎｄ−ｎ・・・・・・・・・（１）また
は ｎｄ＋ｎ＞７〉ｎｄ＋１・・・・・・・・・（２）ここ
で、λ：レーザ光の波長 ｎｄ：心波器の屈折率 ｎ：基板の屈折率 Ａニゲレーティングのピッチ たとえばＴＩ拡散ＮｉＮｂＯ３導波路中をＮｅ　−Ｎｏ
レーザ光を伝搬させた場合を考えると、ｎａ＝２．２１
−ｎ　＝　２．２、λ＝　０．６３２８ｐｍであるから
、上Ｕ己（ＩＸ（２）式は次の様になる。

０．５２μｍ　（Ａ　（６３μｍ　・・・・・・・・・
　（１つまたは ０．１４　μｍ　〈　Δ　く　０．２μｍ　・・・　・
・・・・・　（２つ（２′）式の条件はグレーティング
の最小株子ピッチヲ０．２μｍｎ以下にすることを要求
するものである。

ところが、この様なグレーティングを形成するためには
その線幅ｉ　０．１μｍ以下にしなければならず・この
様な小さな線幅は現在のところ電子ビーム描画法やレー
ザ光を利用したホログラフィック露光法を用いてもその
実現は著しく困難であり、まして量産性の高いフォトマ
スク利用露光法ではこの様な線幅は到底望むべくもない
。そこで、上記（１５式の条件のみが可能となるが、こ
こで基板中へ出射した回折光を更に空気中へと出射させ
るだめの工夫が必要である。そのため、たとえば第３図
に示される如く、比較的厚い基板１１を用いて端面３２
を斜めに研摩し、該端面から出射させる方法（特開昭５
８−１６９１０７号公報）などが提案されているが、こ
の方法では基板が厚くなるのでコンパクト性が失われ、
また作製コストがかなシ上昇する等問題が多かった。

以上説明した様に、従来回折効率、結合効率が高く且つ
安価なグレーティング型光結合器を得ること社困難であ
った。

〔発明の目的〕

不発明紘、以上の如き従来技術に鑑み、回折光を薄膜光
導波路の片面側のみに高結合効率にて入射又は出射せし
めることのできる簡易な構造の光結合器を提供すること
を目的とする。

〔発明の要旨〕

本発明によれば、以上の如き目的は、基板表面に形成さ
れた薄膜光導波路の光結合器において、光導波路に導波
光の１次回折光を基板側にのみ回折せしめる様な形状の
第１のグレーティングを設は第１のグレーティングで回
折される光を、基板底面で反射せしめ、また光導波路表
面に設けられた透過型の第２のグレーティングから入射
又は出射せしめる小によって達成される。

〔発明の実施例〕

以下１図面を参照しつつ本発明の詳細な説明する。

第４図は本発明の光結合器の実施例を示す概略断面図で
ある。図において、１１は基板であシ、該基板１１は両
面が研摩され、片面上には光導波路１２が形成されてい
る。光導波路１２はＴｉ拡散型、プロトン交換型、薄膜
型等いづれの形態でもよい。２２は光導波路１２は設け
られたグレーティングであり、このグレーティング２２
としてはたとえば第１図に示される如き形態が用いられ
る。

特に、第１図（ａ）の形態が安定性及び結合効率等の点
で望ましい。そして、該グレーティング２２のピッチは
、導波光２１の１次回折光が基板１１側へのみ出射する
様に上記（１つ式の条件を満たす様に定められている。

導波光２１がグレーティング２２によシ回折せしめられ
た回折光４３は基板１１の底面において全反射せしめら
れる。即ち、上記グレーティング２２のピッチは、回折
光４３が基板１１の底面において全反射する様な角度に
て基板底面に入射する様に定められている◎ 基板１１の底面での全反射光４４が到達する光導波路１
２の位置には透過型ブレーズドグレーティング４１が形
成されている。透過型グレーティングとしてはブレーズ
ドグレーティングでなくてもよいが、ブレーズドグレー
ティングの方が回折効率の点で好ましい。尚、全反射光
４４がブレーズドグレーティング４１において出射光４
５として空気中へ出射する際の反射損失を低下させるた
め、グレーティング４１には反射防止膜４２が施されて
いる。反射防止膜４２はレーザ光の波長や出射角に応じ
て適宜設定することができる。この反射防止膜４２の存
在によシ反射損失は殆んどなくなり、反射光４４はほぼ
１００％空気中へと出射せしめられるが、多少の反射損
失を容認し得るなら、この反射防止膜は必ずしも必要で
はない。

第５図（ａ）及び（ｂ）は本発明光結合器の他の実施例
を示す概略断面図である。これらにおいては、反射型グ
レーティングの形態が第４図のものと異なる。即ち、第
４図において社導波路１２を直接食刻することによシブ
レーズドグレーティング４１が形成されておシ安定性及
び反射回折効率等の点からこれが好ましいが、第５図（
ａ）に示される如く、薄膜５１１ｉｌ−装荷し該薄膜５
１にブレーズドグレーティングを形成したり、あるいは
、第５図（ｂ）に示される如く、接着剤５２によシブレ
ーズドグレーティング基板５３を接着して形成したりす
ることができる。

以上の実施例においては、出射側として用いられる光結
合器について説明したが、この様な光結合器が入射側と
して用いられ得ることはもちろんである。

以下、具体的実施例を示す。

実施例１： Ｙ力、トのＬｉＮｂ０．結晶基板（Ｙ方向に３ｍ厚、２
方向およびＸ方向に夫々２５．４　ｍ　）の両面をニュ
ートンリング数本以内の平面度に研摩した後に、メタノ
ール、トリクレン、アセトン及び純水による通常の超音
波洗浄を行ない、窒素ガスを吹付けて乾燥させ、更に窒
素中で１２０℃、２０分のべ−りを行なった。次に、該
ＬＩＮｂＯ３基板のたとえば一面へＴＩを内部拡散する
ため、先ず上記洗浄乾燥した基板に通常の方法（たとえ
ば電子ビーム蒸着）によシＴｉを２００ｘの厚さに成膜
した。続いて、該基板を溶融石英製のホルダーに立て９
６５℃の熱拡散炉にセ、トシ九。雰囲気ガスとして湿っ
た０２ガスを０．５　ｔｌｍｉｎの流量で拡散炉に導入
した。

室温から９６５℃まで１６　ｔｌ：／ｍｉｎの速度で１
時間炉内温度を上げ炉内温度が一定になった後、９６５
℃ることか判明した。

で２ケ所に３　ｍ＋ｎ　Ｘ　３　ｔｍの領域に光導入用
と光導出で、ガラス板の表面にＣｒ膜を付与し、グレー
ティングを形成する位置の２ケ所の３＋＋ｍ＋Ｘ３ｍの
領域からＣｒ膜を除去して窓を形成し、これをマスクと
して上記基板のレジスト膜上に密着し、波長０、４８８
μｍのＡｒレーデ光源から分割した２つの平行光束を４
８°の角度で重ね合わせてぎッチ０．６μ７ｎのグレー
ティング状に露光した。

また、Ｘ方向において上記グレーティングに近接する導
波路の外側（即ち、上記２つのグレーティングの間でな
い部分）に２ケ所３　ｕｓ　Ｘ　３　ｗｎの領域に光入
射用と光出射用の透過型グレーズドグレーティングを形
成することにした。そこで、ガラス板の表面にＣｒ膜を
付与し、透過型ブレーズドグレーティング金形成する位
置の２ケ所の３　ｔｔｓ　Ｘ　ａ　ｍＩｎ長０．４８８
μｍのＡｒレーザ光源から分割した２つの平行光束を５
２．７°の角度で重ね合わせてピッチ０．５５μｍのグ
レーティング状に露光した。

続いて、既露光部分のみ（即ち、光導入用役Ｏ光導出用
グレーティング形成部と光入射用及びう１出射用透過型
プレ一ズドグレーティング形成部。

にＣｒ膜の存在するマスクを上記基板のレジスト氷上に
小ね紫外光を露光した。続いて、現像液中１現像するこ
とによりレジストグレーティングを州の上にＴｉを厚さ
１０００１に成膜せしめ、次いでアセトン溶液中でレジ
ストを溶解し、いわゆるリフトオフ法によυＴ　ｉ／Ｃ
ｒ膜よ）なるグレーティン１２は光導波路でちゃ、６１
が上記グレーティングマスクである。

グ形成部を薄板で榎ってイオンエツチング装置内に設置
したＡｒガスに囲気中で食刻した。この時、オン電流は
２５０ｍＡとした。次に、光導入用及び光導出用グレー
ティング形成部を薄板でＮって、！；！ｉ；　板をイオ
ンエツチング装置内に設置しＡｒイオンビームを３７°
の入射角とし食刻を行なった。尚、この際光入射側プレ
ーズドグレーティンダ形成部と光出射側ブレーズドグレ
ーティング形成部とは薄板をマスクとして用いて別々に
食刻した。これは、入射側と出射側とが相対する様なプ
レーミドグレーティングを形成するためである。

その後、Ｏｒエツチング液中にてＴｉ／Ｃｒマスクを溶
解除去した。第６図（ｂ）はこの状態を示す概略断ｊ図
であり、図において２２は光導入用グレーティング及び
光導出用グレーティングで６Ｄ、４ｘは光入射用及び光
出射用透過型グレーティングである。尚、透過型グレー
ティング４１のブレーズ弓は５３°である。

次に、透過型グレーティング４１の表面上に反射防止膜
４２を形成した。反射防止膜４２は使用レーデ光の波長
が単一（たとえばＮｅ　−Ｎｅレーザで可能であシ、そ
の厚さは光の入射角に応じて適宜定められる。基板とし
てＬｉＮｂＯ３を用いたＴｉ内部拡散型光導波路の屈折
率が波長０．６３２８μｍにおいて２２１であることか
ら、反射防止膜４２としては屈折率Ｖ７１］−即ち１．
４８７のものを用いた。この屈折率をもつ相性としては
Ｓ　ｉＯ２やガラス等種々存在するが、ここでは５ｉ０
２を用い電子ビーム蒸着法により９０５Ｘの厚さは成膜
した０ 以上の様にして得られた光結合器の特性を測定するため
に、第６図（ｃ）に示される如く、入射光６２を一方の
透過型ブレーズドグレーティング４１に入射させたとこ
ろ、該グレーティング４１による透過回折光６３は基板
１１の底面で全反射せしめられ、その全反射光６４はグ
レーティング２２から導波路１２内へ導入せしめられ、
導波光２１はもう一方のグレーティング２２から基板１
１側へ回折せしめられ、その回折光４３は基板１１の底
面で全反射せしめられ、その全反射光４４は透過型ブレ
ーズドグレーティング４２を通って空気中へと射出せし
められた。入射光に対する出射光の割合は７０チであっ
た。

実施例２： 両面研摩済のＲ面（１１０２面）サファイア基板（５０
謹×５０咽、厚さ３咽）を洗浄し、ＲＦスノやツタ装置
内に設置し、Ｚｎ０ｆ：ターグツトとして１μｍの厚さ
のＺｎＯ薄膜を形成した。尚、この時スパッタガスはＡ
ｒと０２とをそれぞれ５０チ、スパッタ圧は１０　”ｏ
ｒｒ、基板温度は４００℃とした。

かくして得られた光導波路基板を用いが実施例１と同様
の処理を行ないプ″Ｃ結合器を作製した。但し、本実施
例においてはサファイア基板の屈折率が１．７６であシ
ｓ　ＺｎＯ薄膜光導波路の屈折率が１．９６であシ、こ
れらは実施例１と具なるので、グレーティング２２のピ
ッチ、グレーティング４１のピッチ及びブレーズ角、な
らびに反射防止膜４２の材質及び厚さを変えた。即ち、
グレーティング２２のピッチを０．７μｍとし、このた
め露光用マスク作製のだめの干渉Ａｒレーザ光の交差角
を４０．８°とした。また、グレーティング４１のピッ
チｉ０．６μｍとしブレーズ角を５８°とし、このため
露光用マスク作製のための干渉Ａｒレーザ光の交差角を
４８°としＡｒイオンビームの入射角を３２°として食
刻を行なっノこ。更に、反射防止膜４２としては、導波
路１２の屈折率が１．９６であるためＶＴ）１−即ち１
．４の屈折率をもつものであればよいが、ここでは屈折
率１．３８０ＭｇＦ２を用い、９６０Ｘの厚さに成膜せ
しめた。

以上の様にして得られた光結合器においては、基板面に
対し垂直に光の入出射を行なうことができた。また、実
施例１と同様にして特性測定を行なったところ、入射光
に対する出射光の割合は６０チであった。

実施例３： 実施例１で得られた光導波路基板を再圧洗浄した後に、
ポジ型レジストをスピナーで厚さ１〜１、５μｍｎに塗
布し、くシ型電極のネガマスクで密着露光し、くし型１
！極部のみを除去する様に現像した。水洗後、乾燥し、
真空蒸着装置に装荷してＩ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒまで
排気を行ない、電子ビーム蒸着によってＡｔを１５００
１厚に蒸着した。蒸着後、アセトンに数分浸漬すること
により、レジスト上のＡｔ膜がリフトオフで除去され、
くシ型電極部のみが光導波路上で残留した。このくし型
電極は光導波路上を伝搬する弾性表面波の中心波長が６
００ＭＨｚになる様に設計されており、くし型電極の電
極幅と電極間隔はいづれも１．４５μｍであった。

かくして作製された光偏向器において、一方の光結合器
からＮｏ　−Ｎｅレーザ光を入射させ、他方の光結合器
よシ出射させた所、トータルスループットは実施例２と
同様７５チであった。つづいて、くし型電極に０．６Ｗ
のＲＦ電力を印加して弾性前１ｒ１１波を発生させた。

ＲＦ周波数が、６００　Ｍｌ（ｚの場合、弾性表面波に
よる導波光の回折効率は５０チを越えており、このとき
のトータルスループットは３８チでありた。

〔発明の効果〕

以上の如き本発明光結合器は、コン・やクトで且つ高い
結合効率にて薄膜光導波路の片面側に光を結合せしめる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　（ｂ）及び（ｅ）、第２図、第３図、第
４図ならびに第５図（ａ）及び（ｂ）は光結合器の断面
図である。 第６図（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は光結合器の作製工程
を示す断面図である。 １１：基板、１２：光導波路、１３ニゲリツド、１４：
光導波路、１５：グレーティング、１６：グレーティン
グ、２１：導波光、２２ニゲレーティング４１：ブレー
ズドグレーティング、４２：反射防止膜、５１：薄膜、
５２：接着剤、５３：ブレーズドグレーティング基板。 ｉＸＩ　図 第　２　図 ＠３図 箪４図 ｗｉｓ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板表面に形成された薄膜光導波路の光結合器に
   おいて、前記光導波路に導波光の１次回折光を基板側に
   のみ回折せしめる様な形状の第１のグレーティングが設
   けられており、前記第１のグレーティングで回折される
   光が、基板底面で反射され、光導波路表面に設けられた
   透過型の第２のグレーティングから入射又は出射される
   事を特徴とする光結合器。