JPH0345909A - テーパー状導波路型スポットサイズ変換器及びその薄膜形成法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光導波路内の異なるスポットサイズを有する
複数の導波路型光素子を接続する際に用いられるテーパ
ー状導波路型スポットサイズ変換器及びその製造方法に
関するものである。

〔従来の技術〕

第７図は光集積回路内のスポットサイズ変換器の使用例
を示す図である。

第７図に示すように光源となる半導体レーザ２１と最終
的に光信号の出口となる光ファイバ２２との間に様々な
導波路型デバイスを集積化した光集積回路２４．２５を
挿入する場合、スポットサイズ不整合が大きな問題とな
る。それは、半導体レーザ２１のスポットサイズが０．
２μｍ前後であるのに対して、光ファイバ２２のスポッ
トサイズはその数１０倍の数μｍと大きく異なるからで
ある。このスポットサイズの大きく異なる光導波路同士
を突き合わせ（バットジヨイント）で直接接続すると、
１０ｄＢ以上の結合損失が生じてしまう。従って、低損
失で、かつスポットサイズを広い範囲で変換できる導波
路型スポットサイズ変換器２３が必要になる。

従来報告されているスポットサイズ変換器には、イオン
交換法を用いてガラス基板に光の伝搬方向に対してテー
パー状に屈折率分布を形成した導波路型を初めとして、
光ファイバやプラスチック導波路をテーパー状にして、
光の伝搬方向にコアの屈折率、又は屈折率分布を若干変
化させた導波路型のものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来のスポットサイズ変換器は、い
ずれもスポットサイズの変換比を大きくとることができ
ず、せいぜい２倍程度にとどまつている。その原因の１
つは、スポットサイズ変換器が入射側の光導波路のコア
と出射側の光導波路のコアを同一の材料で製作している
ことにある。

すなわち、コアが同一材料であるためコアとクラッドの
屈折率差がほぼ一定となり、スポットサイズを小さくす
るためにコア厚を薄くしても、界分布がコアから大きく
しみ出し、スポットサイズは余り小さくならないという
問題がある。

そこで、これらの変換器においてスポットサイズの変換
比を大きくとるためには、光の伝搬方向にコアとクラッ
ドの屈折率差を大きく変えることが必要である。しかし
ながら、テーパー状光ファイバーでは、ドーパントを拡
散させてコアの屈折率分布を変化させているので、屈折
率差そのものは余り変化しない。

また、テーパー状プラスチック導波路では光重合法を用
いて先導波路を製作し、露光量によって屈折率を変化さ
せているが、最大０．０２の屈折率差しかとることがで
きず、現段階ではスポットサイズの大きな変換比は望め
ない。

本発明は、上記の課題を解決するものであって、テーパ
ー部の長さを短く保ったまま挿入損失を低減することが
でき、また、テーパー部の形状や長さ、位置を制御する
ことができるテーパー状導波路型スポットサイズ変換器
及びその薄膜形成法を提供することを目的とするもので
ある。

〔課題を解決するための手段〕

そのために本発明は、スポットサイズの異なる光導波路
間を接続するテーパー状導波路型スポットサイズ変換器
であって、それぞれ異なる材料で形成されクラッドに比
べて高屈折率でコア厚の薄いコアと該コアより低い中間
屈折率でコア厚の厚いコアを持つ２つのスラブ導波路を
テーパー状の端部で向き合わせて重ね、高屈折率のコア
のテーパー部開始位置と中間屈折率のコアのテーパー部
先端を一致させて等価的なコアの屈折率が一様に変化す
るように構成したことを特徴とするものであり、その薄
膜形成法は、シャドウマスクをスペーサーを介して基板
から浮かせ、スペーサーをシャドウマスクの端から奥に
引っ込ませて配置すると共に、シャドウマスクの端の下
側の角を斜めに切り取った形状にし、スパッタ法により
シャドウマスクの端より内側の部分へ向けてテーパー部
を有する薄膜を形成することを特徴とする。

〔作用〕

本発明のテーパー状導波路型スポットサイズ変換器では
、それぞれ異なる材料で形成されたコアを持つ２つのス
ラブ導波路をテーパー状の端部で向き合わせて重ね、高
屈折率のコアのテーパー部開始位置と中間屈折率のコア
のテーパー部先端を一致させて等価的なコアの屈折率が
一様に変化するように構成したので、前記−散点から光
の伝搬方向にコアとクラッドの等価的な屈折率差を大き
くかつ滑らかに変えることができ、スポットサイズの変
換比を大きくとることができると共に、光の損失を小さ
くすることができる。また、その薄膜形成法では、シャ
ドウマスクとスペーサーを用い、シャドウマスクの端の
下側の角を斜めに切り取った形状にして、シャドウマス
ク・スパッタ法によりテーパー状の薄膜を形成するので
、シャドウマスフやスペーサーの厚さ、シャドウマスク
の端の下側の角の切り取り部を変えることによりテーパ
ー部の形状を等価的なコアの屈折率が一様に変化するよ
うに滑らかに制御することができ、テーパー部の長さを
殆ど変えずにその傾き角を小さくすることができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第１図は本発明に係るテーパー状導波路型スポットサイ
ズ変換器の１実施例を示す図である。図中、１は高屈折
率ガラス・コア層、２はクラッドモード除去層、３は半
導体基板、４と６は低屈折率ガラス・クラッド層、５は
中間屈折率ガラス・コア層、７はシャドウマスク、８は
スペーサー９は基板、１０は薄膜を示す。

本発明に係るテーパー状導波路型スポットサイズ変換器
は、コア幅をテーパー状に変化させる際に、それに伴っ
て等価的なコアの屈折率を変化させれば、コアの屈折率
を変化させた場合と同じ効果が得られるであろうとの予
想に基づき考案したものであり、第１図に示すように基
板３の上に、クラッドモード除去層２、低屈折率ガラス
・クラッド層６、テーパー対向重畳型の高屈折率ガラス
・コア層１と中間屈折率ガラス・コア層５、低屈折率ガ
ラス・クラッド層４を順次積層したものである。このよ
うに各々異なった材料で形成された高屈折率ガラス・コ
ア層１と中間屈折率ガラス・コア層５を持つ２つのスラ
ブ導波路が向い合うようにして、コアの材料を変えるこ
とによって、すなわちコア厚の薄い高屈折率ガラス・コ
ア層１の導波路とコア厚の厚い中間屈折率ガラス・コア
層５の導波路でコア（Ｌ　５）と低屈折率のクラッド（
４，６〉との間で光の伝搬方向に屈折率差を大きく異な
らせることによってスポットサイズの変換比を任意に設
定できるようにしている。特に、回路の集積化のために
は、スポットサイズ変換器の長さを長くすることなしに
テーパー角を小さくすることが要求されるが、この要求
に応えるためには、テーパー部すなわち重ね合わせ部を
短くすることである。そ°こで、重ね合わせ部は、基本
的に高屈折率ガラス・コアＦＪｌのテーパー部開始位置
と中間屈折率ガラス・コア５のテーパー部先端を一致さ
せ、テーパー部の無駄をなくす。さらには、テーパー状
膜をほぼ直線に近い表面形状にする。このようにするこ
とによって等価的なコアの屈折率が一様に変化するよう
に導波路を構成することができ、光の伝搬方向にコアと
クラッドの屈折率差を大きく変えることができるので、
スポットサイズの変換比を大きくとることができ、挿入
損失を低減することができる。なお、“このようなテー
パー部を有する薄膜の形成は、以下に説明するようにシ
ャドウマスクを用いたスパッタ法によって容易に製作す
ることが可能である。

第２図は本発明に係るテーパー状導波路型スポットサイ
ズ変換器の薄膜形成法の１実施例を説明するための図、
第３図はシャドウマスクの端の形状とテーパー状膜の表
面形状の関係を示す図、第４図はスペーサーの厚みとテ
ーパー部の長さとの関係を示す図、第５図はシャドウマ
スクの端の垂直部分の高さとシャドウマスクの内側及び
外側に形成されるテーパー部の長さとの関係を示す図で
ある。

シャドウマスク・スパッタ法は、第２図に示すように例
えばＳｉの基板９の上にスペーサー８を介して厚み数１
００μｍの金属板などのシャドウマスク７を基板９から
少し浮かせて置き、その基板９上に誘導体などの薄膜１
０をスパッタ法で形成するものである。

本来、スパッタ法で薄膜ｌＯが形成される際の原材料の
分子は、基板９にほぼ垂直に入射するものであるが、完
全に全分子が基板９に垂直に飛来するわけではない。そ
のため、斜めに基板９に飛来した分子がシャドウマスク
７の影の部分へも入り込み、この影の部分へも薄膜１０
が形成される。

この部分の薄膜ｌＯの形状は、シャドウマスク７の端の
部分から奥へ入るほど飛来する分子の数が少なくなるの
で、第２図に示すようにテーパー状になる。

そして、テーパー部の長さは、シャドウマスク７と基板
９との距離、従ってスペーサー８の厚さで決まり、また
テーパー部の始まりの部分、すなわち厚さが−様な部分
につながる部分の厚さは、−様部分の膜の形成条件、例
えばスパッタ投入電力、ガスの種類、真空度、基板とタ
ーゲットとの距離、スパッタ時間などによって決まる。

しかし、このようにして形成したテーパー状膜の表面形
状であっても、シャドウマスク７の端が四角になった板
を使用した場合、テーパー状膜の表面形状は、第３図（
ａ）に示すようにテーパー部の中央付近で大きな傾きの
不連続部が現れ、しかも、この部分の傾きがかなり大き
くなる。このように大きな傾斜角は、光を導波する際に
放射損失の原因になるので、好ましくない。

そのため、本発明に係るテーパー状導波路型スポットサ
イズ変換器の薄膜を形成するシャドウマスクスパッタ法
の基本構成は、第２図に示すようにシャドウマスク７を
スペーサー８を介して基板９から少し浮かせて取り付け
るが、その際、スペーサー８はシャドウマスク７の端か
ら十分に奥に引っ込ませて、テーパー部がシャドウマス
ク７の影の部分に形成されるようにし、さらに、シャド
ウマスク７の端の下側の角を斜めに切り取った形状にし
てテーパー部の長さや位置だけでなく、傾き角も制御で
きるようにしている。次に、それぞれのパラメータと形
成される薄膜との関係について詳述する。

上記本発明の薄膜形成法によれば、テーパー部の形状や
形成される位置等を制御するために調節するパラメータ
は３つある。すなわち、■スペーサー８の厚み、■シャ
ドウマスク７の端の部分の形状、および■シャドウマス
ク７全体の厚さまたはシャドウマスク７の上端面と基板
９表面との距離の３つである。そして、これらのパラメ
ータは、それぞれ以下に述べるように、形成されるテー
パー部の形状の一部にほぼ独立に関係する。

まず、上記３つのパラメータの内、第２図に示すスペー
サーの厚みり、を変えた場合１こついて述べる。この場
合は、スペーサーの厚みｈｓが大きくなるとテーパー部
の長さが長くなる。従って、テーパー部分の傾斜角の最
大値は小さくなる。この関係を示したのが第４図であり
、横軸はスペーサーの厚みｈｓｓ左側の縦軸はテーパー
部の長さ、右側の縦軸はテーパー部の最大傾斜角を−様
な厚み部分の厚みで規格化した値である。この規格化は
、数学的には直角三角形の１つの角をその対辺の長さで
規格化するようなもので、数学的には厳密でないが、テ
ーパー角が非常に小さいので、その角度は−様な部分の
厚みにほぼ比例する。

次にシャドウマスクの端の部分の形状を変えた場合につ
いて述べる。第２図に示すようにシャドウマスクの端の
下側の角を斜めに切り取ると、この部分を切り取らなか
った場合に比べて規格化最大テーパー角を非常に小さく
することができる。

例えば斜めに切り取った部分の角度を４５度とし、その
切り取った部分の高さｈｅを４００μｍとした場合、そ
のシャドウマスクの影の部分に形成されるテーパー状膜
の表面形状は第３図（ロ）に示すようになる。このとき
のシャドウマスク全体の厚さやスペーサーの厚さなどの
条件は、第３図（ａ）と同じである。

第３１Ｋ（ａ）と６）を比べて判るように、シャドウマ
スクの端の下側の角を斜めに切り取った同図（ｂ）の場
合には、テーパー状膜の表面形状が滑らかになり、規格
化最大テーパー角が非常に小さくなっている。この関係
を第４図にプロットすると、第３図（ａ）に対応する点
は白抜きの三角、第３図（ｂ）に対応する点が黒の三角
で表され、規格化最大テーパー角が約４分の１に減少し
ている。一方テーパー部の長さは、第３図（ａ）に対応
する点が白抜きの丸で、第３図６）に対応する点は黒丸
で表され、長さが殆ど変わらないことが解る。以上のこ
とから、シャドウマスクの端の下側の角を斜めに切り取
ると、形成されるテーパー形状の長さを殆ど変えずに、
その角度（最大傾斜角）を非常に小さくできることが判
る。このことは、テーパー状先導波路を形成する際に放
射損失を低減し、しかもその素子長を殆ど変えないよう
にするので、重要な技術である。

最後に、第２図に示すシャドウマスクの端の垂直部分の
高さり、とテーパー形状との関係について述べる。この
高さり、を大きくすると、第５図に示すように形成され
るテーパー部の長さの内で、シャドウマスクの端よりも
外側の部分の長さは長くなるが、シャドウマスクの端よ
りも内側の部分、すなわち影の部分に形成される長さは
殆ど変化しない。このことを利用して、シャドウマスク
の端の位置とその下に形成されるテーパー形状の中心と
の相対的な位置関係を調節することが出来る。

なお、第５図ではシャドウマスクの端の垂直部分の高さ
り、をパラメータとしたが、この関係は要するにシャド
ウマスクの上端面と基板表面との距離＜ｈ、＋ｈ、＋ｈ
＝　＞を一定に保つと、すなわちスペーサーの厚みを厚
くした分だけシャドウマスクの厚みを薄くすると、形成
されるテーパー部の長さは、シャドウマスクの端よりも
内側の部分、すなわち影の部分の長さは長くなり、シャ
ドウマスクの端よりも外側の部分の長さは殆ど変化しな
いという結果を得ることができる。

次に製作工程の概要を説明する。

第６図は本発明に係るテーパー状導波路型スポットサイ
ズ変換器の製作工程を示す図である。

上記のように各パラメータが決定されると、製作工程と
しては、第６図に示すようにまず基板の上にクラッドモ
ード除去層、低屈折率のクラッド層を順次積層しく同１
！ｌ　（ａ）〜（Ｃ））、次にスペーサーを介してシャ
ドウマスクを設置し、高屈折率のコア層を小さい方のス
ポットサイズに合わせて薄く積層（同図（ｄ））Ｌ、続
いて反対側にスペーサーを介してシャドウマスクを位置
決め設置して（同図（ｅ））中間屈折率のコア層を積層
する（同図（ｆ））。

そして、最後に低屈折率のクラッド層を積層する（同図
（濁）。なお、同図（ｅ）に示すように２つのテーパー
部の中心を合わせる為にシャドウマスクの位置を調節す
るが、２つのシャドウマスクを殆ど密着させて位置合わ
せするだけで２つのテーパー部の中心を合わせる事が出
来るようにもなる。このようにシャドウマスク・スパッ
タ法を用いると、テーパー部の形状や長さ、傾き角等を
制御できるので有利である。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、半導
体を基板とし、その基板上に製作された各種のスポット
サイズの異なる導波路型光回路の間のスポットサイズを
変換するテーパー型スポットサイズ変換器の長さを長く
することなしにテーパー角を小さくできるので、容易に
低損失化を図ることができる。また、テーパー部の形状
や長さを自由に制御でき、光の伝搬方向にコアとクラッ
ドの屈折率差を大きく変えることができるので、スポッ
トサイズの変換比を大きくとることができ、テーパー角
を出来るだけ小さくし、かつ実用上の見地からテーパー
部の長さも出来るだけ短くするという相反する条件を満
足するテーパー部を形成することができる。さらに、２
つのテーパー部の重ね合わせを高精度で制御することが
できるので、容易に挿入損失の低減を図ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るテーパー状導波路型スポットサイ
ズ変換器の１実施例を示す図、第２図は本発明に係るテ
ーパー状導波路型スポットサイズ変換器の薄膜形成法の
１実施例を説明するための図、第３図はシャドウマスク
の端の形状とテーパー状膜の表面形状の関係を示す図、
第４図はスペーサーの厚みとテーパー部の長さとの関係
を示す図、第５図はシャドウマスクの端の垂直部分の高
さとシャドウマスクの内側及び外側に形成されるテーパ
ー部の長さとの関係を示す図、第６図は本発明に係るテ
ーパー状導波路型スポットサイズ変換器の製作工程を示
す図、第７図は光集積回路内の７．ポットサイズ変換器
の使用例を示す図である。 １・・・高屈折率ガラス・コア層、２・・・クラッドモ
ード除去層、３・・・半導体基板、４と６・・・低屈折
率ガラス・クラッド層、５・・・中間屈折率ガラス・コ
ア層、７・・・シャドウマスク、８・・・スペーサー、
９−・・基板、ＩＯ・・・薄膜。 出　願　人　　新技術開発事業団

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）スポットサイズの異なる光導波路間を接続するテ
   ーパー状導波路型スポットサイズ変換器であって、それ
   ぞれ異なる材料で形成されクラッドに比べて高屈折率で
   コア厚の薄いコアと該コアより低い中間屈折率でコア厚
   の厚いコアを持つ２つのスラブ導波路をテーパー状の端
   部で向き合わせて重ね、高屈折率のコアのテーパー部開
   始位置と中間屈折率のコアのテーパー部先端を一致させ
   て等価的なコアの屈折率が一様に変化するように構成し
   たことを特徴とするテーパー状導波路型スポットサイズ
   変換器。
2. （２）スポットサイズの異なる光導波路間を接続するテ
   ーパー状導波路型スポットサイズ変換器の薄膜形成法で
   あって、シャドウマスクをスペーサーを介して基板から
   浮かせ、スペーサーをシャドウマスクの端から奥に引っ
   込ませて配置すると共に、シャドウマスクの端の下側の
   角を斜めに切り取った形状にし、スパッタ法によりシャ
   ドウマスクの端から内側へ向けてテーパー部を有する薄
   膜を形成することを特徴とするテーパー状導波路型スポ
   ットサイズ変換器の薄膜形成法。