JPS6173908A - 光結合素子 - Google Patents

光結合素子

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JPS6173908A
JPS6173908A JP19715984A JP19715984A JPS6173908A JP S6173908 A JPS6173908 A JP S6173908A JP 19715984 A JP19715984 A JP 19715984A JP 19715984 A JP19715984 A JP 19715984A JP S6173908 A JPS6173908 A JP S6173908A
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JP
Japan
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optical waveguide
substrate
coupling
optical
waveguide
Prior art date
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Pending
Application number
JP19715984A
Other languages
English (en)
Inventor
Hidetaka Tono
秀隆 東野
Takao Kawaguchi
隆夫 川口
Hideaki Adachi
秀明 足立
Yoshio Manabe
由雄 真鍋
Osamu Yamazaki
山崎 攻
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Pending legal-status Critical Current

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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】 産業上の利用分野 本発明は、光通信における光ファイバ或はレンズと他の
光導波路との結合部のような、光の入出力部に使用され
る光結合素子に関する。
従来例の構成とその問題点 光ファイバを利用した通信が実用化され、この新しい技
術革新の進む中で、個々の単一機能を有する光要素部品
から複数の機能を兼ね備える光回路が要望され、その開
発が精力的に進められている。しかし、従来の光回路に
おける最大の問題点は、光通信に応用した場合、光ファ
イバとの光結合が困蛯であるということである。
光ファイバ或はレンズと光導波路との光結合は、従来第
1図のような構成で行なわれている。即ち、光ファイバ
1と基板2上の光導波路3との研磨された端面4,5を
密着させて、光フアイバ1内の導波光2.ヲ光導波路3
内に伝播させる構成である。この場合、導波光21の強
度分布工、と光導波路3内の導波光2゜の強度分布I2
を一致させると、100%の光結合効率が得られること
が理論的に説明されておシ、現実には、強度分布を一致
させるために、光7アイバ1と光導波路3の開口数をほ
ぼ等しくさせることによI)so%以上の光結合効率が
得られたと報告されている。レンズと光4波路との光結
合も同様な条件で光結合がなされている。
しかし、光フアイバ1内の導波光210強度分布11と
光導波路3内の導波光p2の強度分布工2が異なる場合
には、導波光21は光導波路の端面6で輻射光Q3と導
波光12とに分離し、結合効率が低下する。
このような光ファイバ1と光導波路3における光強反分
布の一致を改善するために、従来第2図に示すような構
成が提案されている。即ち、光導波路3の膜厚が薄く、
光ファイバ1のコア径と一致しない之めに光強度分布が
異なシ、光結合が良好に得られない場合、光導波路3の
一端をテーパ12にして形成した主光導波路13を設け
、その上に少なくとも前記テーパ部に覆うように主光導
波路13よ)も小さい屈折率を有する透明材料を積層し
て形成した結合光導波路14を設け、且つ基板2と結合
光導波路14の導波光の入射する側の端面15と基板端
面16が同一平面上にあるように形成して、この面に光
ファイバ1の端面4?密着させて光結合するものである
このような結合方法の改善にょシ、主光導波路寸法が、
光ファイバのコア径と比較して極端に小さい場合にも8
0%をこえる高い結合効率が得られるようになっ之。
しかし、このaな光結合素子においては、光の厚み方向
の一次元閉じ込めだけがなされるだけで、面内方向を含
めた二次元光閉じ込めがなされない光スィッチ、光変調
器や光ブランチングデバイス等々の光回路において、二
次元光閉じ込めは極めて重要な点であり、この観点から
二次元光閉じ込めがなされる、いわゆる三次元薄膜光導
波路への高効率光結合が望まれている。
一方、三次元薄膜光導波路への高効率光結合方法の一つ
として、従来はプリズムを用いた結合方法が知られてお
980%以上の結合効率が得られているが、プリズムの
光導波路への圧着回定、および光7ア”イバやレンズ等
の固定等において、製作性と信頼性の面で難点を有して
いる。
発明の目的 本発明は、三次元薄膜光導波路への、光ファイバあるい
はレンズを用いた高結合効率端面結合方式の光結合素子
を提供するものである。
発明の構成 本発明は、光ファイバ或はレンズを用いて、三次元光導
波路へ直接結合を行う方式の光結合素子において、基板
の一端から徐々に厚くなったテーパ部を有する主先導波
路の上に、前記主光導波路よりも屈折率の小さな透明材
料から成る結合光導波路を、少なくとも前記テーパ部に
重なるように主先導波路上に積層し、前記主先導波路よ
り屈折率が小さく、前記結合光導波路よりも大きな屈折
率を有する透明材料から成り、前記基板の一端からはじ
まる帯状のストリツプと、前記結合光導波路上に、前記
結合光導波路より屈折率の小さな透明材料からなるクラ
ッド層とを具え、前記結合光導波路と前記主先導波路の
面内光閉じ込めを、前記帯状のスIIツブにより実現し
、前記基板の一端における前記基板と前記結合光導波路
の端面か同一平面内に設けられたことを特徴とする光結
合素子を提供する。
実施料の説明 第3図〜第6図は本発明の実施料の一つを示す。
第3図は断面図を示し、第4図は端面Aを示し、第6図
は断面B −B/を示す。光ファイバ1のコアを伝搬す
る光の強度分布■、を有する導波光Q1は、結合光導波
路24と結合し、導波光Q8となる。
この時、結合光導波路より屈折率の大きな帯状のストリ
ップ25により、面内閉じ込めかおこなわれ、ストリッ
プ26にそ1て、β8II′i伝搬される。
この場合、2 の光強度分布l8fc11と一致させる
ことによりはぼ100チに近い結合効率が得られる。次
に28は、ストリップ26にそってテーパ部22のz=
Z2の点において主先導波路23へと伝搬し導波光19
となる。導波光a9はストリップ26により面内閉じ込
めがなされ、ストリップ25に沿い伝搬する。この場合
、結合光導波路から主光導波路への光の結合は、導波光
の実効屈折率がストリップ26の屈折率に等しい点(2
=22)で完了し、はぼ100%に近い結合がおこって
いるものと思われる。
次に面内方向の光の閉じ込めについての原理を簡単に述
べる。第4図において、ストリップ25のある領域工は
それ以外の領域「よりも実効的に屈折率が高く、この屈
折率差ΔN1により面内方向に光が閉じ込められる。領
域Iと領域■のそれぞれの実効屈折率f N 1 、 
N…(=N■−ΔN1)とすると、面内方向にシングル
モードとする条件は、ここでkO=2π/λ 、λけ真
空中の波長で与えられる。第5図においても同様の原理
により面内閉じ込めか行われる。第4図の領域■や領域
■も導波しうるが、これは面内閉じこめのない二次元導
波モードであシ、通常スラブモードと呼び導波モードと
区別する。
次に、テーパ部での光波の結合について、簡単に説明す
る。第6図は、導波モードとスラブモードの実効屈折率
の端面(Z=o)からの距離による変化を示す。同図に
おいて、光ファイバから結合光導波路に結合した光の大
部分は伝搬定数koN1で伝般し、残シの光の一部はk
 o N nの伝搬定数を持つスラブモードとなって伝
搬する。テーパ22の始まり(Z=21)からテーパ2
2の終わり(Z=23)まで実効屈折率が増加する。2
 = 21の点から導波光は主導波路のテーパ部22に
入って行き、導波光の実効屈折率がストリップ26の屈
折率に等しくなる点(Z;Z2)で最大となシ、ZンZ
2では、主光導波路のストリップのある領域に光が閉じ
込められて伝搬する。スラブモードは実効屈折率が結合
光導波路24の屈折率n9に等しくなる時点で結合が完
了する。
テーパ部22は波長にくらべてゆるやかなテーパであれ
ば良く、テーパ角は基板儂折率n3 )あるいはクラッ
ド層(屈折率nc)にもれない条件により与えられ次式
で与えられる。
nfcos[θ +sin  (cos(θeff+θ
1)11>nS’    nf n g COS (θeff+201−02 ) > 
n cここで、θeffは結合光導波路を伝搬してくる
導波光の実効屈折率、nfは主光導波路の屈折率θ1(
l−j主光導波路のテーパ部の基板に対する傾きで、θ
2は結合光導波路の基板に対する傾き角である。
次に更に具体的な例を挙げて説明する。まず、電気光学
材料として知られるPLZT系薄模をサファイア基板2
上にマグネトロンスパッタ法でエピタキシャル成長させ
て膜厚0.4μmの光導波路を形成する。PLZT系薄
膜全薄膜率が2.6と大きく、可視光領域でこれ以上大
きい屈折率の材料をサファイア基板上に積層することは
現在のところ報告されていない。又、PI、ZT系厚薄
膜通学のレンズでの集光径の限界とされる1μm、ある
いは光ファイバのコア径6μmまで膜厚を増加させるこ
とは、蒸着時間が3時間以上もかかり、しかもエピタキ
シャル温度がeoocs度と高いため、内部歪み等によ
り光伝播損が増加し、光集積回路用には適さない。従っ
てこのような薄い例えば0.4μmの膜厚のPLZT系
薄模の端面を研磨し、そのまま=y7径4 p m (
He −N eレーザ0.633μm)の光ファイバと
光結合させた場合、僅か1チの光結合が得られるに過き
゛ない。
本発明は、これを改善し、前記0.4μmのPLZT系
薄膜全薄膜研磨の場合のいわゆる「だれ」金利用したシ
、タングステン薄板をマスクにしてPLZT系薄膜企ス
パッタすることにより、およそ1/1αカのテーバ部2
2を有する主光導波路23とした後、フォトリングラフ
ィ技術を用い、主光導波路23上にマグネトロンスパッ
タ法により酸化タンタルのスl−1)ツブ1500人程
度の厚さで幅4μmに形成しその上に、酸化タンタルに
アルミニウムをドープすることにより屈折率を低げた薄
膜をマグネトロンスパッタ法により室温で3μm蒸着さ
せ結合光導波路とし、その上に、更に屈折率の低いアル
ミニウムドープ酸化タンタルを2μm形成し、次にその
端面27をダイヤモンドペーストで研磨し、結合光導波
路24を作製するものである。
以上の構成により、コア径4μmの光ファイバと光結合
させた場合、70%以上の結合効率が得られることが確
認され之。また、導波光の強度分布を、光ファイバと反
対側の端面のニアフィールドパターンを観測することに
より試べた結果ストリップ直下部分のPLZT系薄膜の
主光導波路部分に9o%以上の光パワーが閉じこめられ
ていることが確認され、三次元導波が良好に行われてい
ることが確認された。
上述の実施例ではストリップ25.結合光導波路24お
よびクラッド層26を構成する透明材料として酸化メン
タルおよびアルミニウムドープ酸化タンタルを使用した
例を示し之が、ストリップ25と結合光導波路24の透
明材料はその屈折率が基板より大きく、主光導波路より
も小さいものであればよく、透明材料は酸化タンタルの
ほか、酸化チタン、酸化イツトリウム、酸化ジルコニウ
ム、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、酸化ランタンおよび
酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸
化ゲルマニウム等の酸化物や窒化ケイ素等の窒化物を積
層することにより光伝播損失も少なく、光結合も良好な
光結合素子が得られることが確認された。
また、クラッド層は別に設ける必要はなく、この場合に
は、空気(屈折率1)がクラッド層となる。
ま之、ストリップ26は、本実施例では主光導波路23
の上に接して形成した例を示したが、基板2と主光導波
路23との間にあっても良く、結合光導波路24の中に
埋めこまれていたり、結合光導波路24の上に積層して
あっても、面内方向光閉じ込めが行なわれる効果にかわ
シはない。
以上の実施例は、光ファイバとの結合について説明した
けれども、本発明は単レンズならびにロッドレンズとの
結合にも適用することができ、又牛導体レーザの端面と
の直接結合にも適用することができ、いずれの場合にも
上述の実施例におけると同様の効果を得ることができる
発明の効果 以上のように本発明の光結合素子は、膜厚の薄い三次元
光導波路と光ファイバ或はレンズとの光結合を効率良く
行なうことができる効果を有し、特に膜厚が4μm以下
の先導波路との結合においてその効果が大である。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図は従来の光結合素子の要部断面図、第3
図は本発明の光結合素子の一実捲例の要部断面図、第4
図は第3図における端面Aを示す図、第5図は第3図に
おける断面B −B/を示す図、第6図は本発明の動作
原理を示す実効屈折率の距離による変化を示す図である
。 1・・・・・・光ファイバ、4・・・・・・光7アイパ
端面、2・・・・・・基板、22・・・・・・テーパ部
、23・・・・・・主光導波路、24・・・・・・結合
光導波路、26・・・・・・ストリップ、26・・・・
・・クラッド層、27・・・・・・基板端面、28・・
・・・・結合光導波路端面。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか1名第4
図 W。 第5図

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)基板と、前記基板の一端から徐々に厚くなったテ
    ーパ部を有して前記基板上に設けられた。前記基板より
    屈折率の大きな透明材料から成る主光導波路と、前記主
    光導波路よりも屈折率が小さな透明材料から成り、前記
    基板の一端からはじまる帯状のストリップと、前記スト
    リップより屈折率が小さく前記基板より屈折率の大きな
    透明材料から成り、少なくとも前記テーパ部に重なるよ
    うに主光導波路上に積層して形成された結合光導波路と
    、前記結合光導路より屈折率の小さな透明材料から成り
    、前記結合光導波路上に配置されたクラッド層とを備え
    、前記基板の一端における前記基板と前記結合光導波路
    の端面が同一平面内に設けられたことを特徴とする光結
    合素子。
  2. (2)主光導波路がPLZT系薄膜で構成されているこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の光結合素子
  3. (3)基板がサファイアで構成されていることを特徴と
    する特許請求の範囲第2項記載の光結合素子。
  4. (4)結合光導波路および前記ストリップを形成する透
    明材料が、酸化チタン、酸化タンタル、酸化イットリウ
    ム、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、
    酸化ランタン、および酸化アルミニウム、酸化ケイ素、
    酸化マグネシウム、酸化ゲルマニウムのうちの少なくと
    も1種で構成されていることを特徴とする特許請求の範
    囲第2項記載の光結合素子。
JP19715984A 1984-09-20 1984-09-20 光結合素子 Pending JPS6173908A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1253447A3 (en) * 2001-04-23 2004-06-30 Omron Corporation Optical integrated waveguide device, optical transceiver and other optical apparatuses using the optical device

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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