JPH043845B2

JPH043845B2 -

Info

Publication number: JPH043845B2
Application number: JP13523789A
Authority: JP
Priority date: 1989-05-29
Filing date: 1989-05-29
Publication date: 1992-01-24
Also published as: JPH0220810A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は光導波路に光波を効率良く結合させる
ための装置に関するものである。

［従来の技術］近年集積光回路の利用は光通信系、光データー
処理、その他光を利用する各種システムにおいて
大いに関心をもたれている。集積光回路の利点は
小型化、低コスト化が実現されることである。光
回路系の集積化を実現するための装置の１つとし
て光導波路の利用が考えられるが、通常光導波路
の厚みは伝送処理されるべき光の波長と同程度の
寸法となり、従つてこのような光導波路に効率良
く光を導入することにかなりの困難さを伴うのが
実状である（くわえてデーター処理をより高速に
行えるようなシステムの開発は急務とされている
が、光データー処理をより高速に行うために、集
積光回路においてより高い周波数（ＧHz領域）で
励起された波動（例えば表面弾性波）と伝送され
るべき光信号との相互作用を利用することが考え
られる。この高周波化に伴う必然の光導波路の薄
層化によつて生起される光の導入の困難さは想像
を絶するものがある。）。

従来光導波路の表面を介して光波を結合させる
ために内部反射プリズムを用いる方法が知られて
いる。このようなプリズム結合は光導波路端部を
介して光が導入されるいわゆるButtカツプラー
よりもずつと有効であることがわかつているが、
光導波路とプリズムの間に介在する空気ギヤツプ
層の厚さを光波の1/5〜1/10波長の間隔に安定に
保持せねば結合が容易に劣化することが知られて
いる。更にプリズム結合器は相対的に云えばある
程度寸法上小型化することに困難がある。結合器
の寸法を減少させることは集積回路の小型化ひい
ては低価格化にとつて意義の深いものであり、か
かる目的のため光導波路内に体積型ホログラムグ
レーテイングを設けた光結合器が知られている。
これは導波路を横切る方向から入射してきた光が
光導波路内のグレーテイングによつて反射回折さ
れ、その際適切な入射角を選定することによつて
回折光が光導波路内に捕獲され、入射角と格子の
周期性とに依存した特定の光導波路のモードを誘
起して結合できうる。

これらの手法はプリズム結合に較べ空気ギヤツ
プ層を介在する必要がないので一旦光導波路内に
ホログラフイ等の技術によつて形成せしめれば再
調整する必要もなく、プリズム結合と同程度の結
合効率を得られる為プリズム法より優れていると
云えよう。しかしながら光の利用率を高める為に
更に一層の結合効率を実現することは常に望まれ
るところである。一般に光導波路内に形成せしめ
た体積型ホログラムではグレーテイング層の厚さ
が充分にとれずしたがつてブラツグ回折条件を満
足させる回折格子結合器を作製することは難し
い。前記した如く高周波を使用して光との相互作
用を行う際には、より高い周波数（数〜数10G
Hz）で素子を作動すればする程光導波路の厚さを
薄くせねばならず、1μ以下の光導波路を作らね
ばならない。従つて一般に前記光導波路中の体積
ホログラムを考えると、高い結合効率を満足させ
るホログラムを作製するのは困難となる。更に詳
しく説明するならば体積型ホログラムによる光の
回折効率ηは一般に η＝ｆ（△ｎ，ｐ，ｈ）と記述でき、回折効率ηは△ｎ，ｐ，ｈの関数と
なる。但しここで△ｎはホログラム材内で生起し
える屈折率差、ｐは体積ホログラムグレーテイン
グのピツチ、ｈはホログラム層の厚さとする。ホ
トリソグラフイー、電子線書き込み等によつて生
起しえる屈折率差△ｎは10^-3〜10^-2程度であり、
又ピツチもホトリソグラフイでは1μm程度E13露
光で0.5μm、ホログラフイ作成による方法でも
0.2μm程度となり回折効率ηを出来得る限り高め
るにはホログラム層の厚さを厚くするのが最も効
果的である。従つて前述した外部から光を結合さ
せるために光導波路内に体積型ホログラムグレー
テイングを設ける従来法では、光を効率良く導入
し結合せしめるには光導波路の厚さ（即ちこの場
合体積型ホログラムグレーテイングの厚さ）を５
〜10μm程度に取らねばならないが、しかし一方
彼様にして光導波路内を伝播する光波と他の特に
高周波で励起した波動と効率良く相互作用させる
ために出来得る限り光導波路を薄くし〜1μm以下
におさえて作製せねばならない矛盾に直面する。

［発明が解決しようとしている課題］一方、特開昭47−5745号公報においては、導波
路上に体積型ホログラムグレーテイングを形成し
て成る光結合器が提案されている。しかしなが
ら、このような光結合器では、外部から直接光を
導入しているので、空気の伝搬定数と導波路の伝
搬定数を整合させる為、グレーテイングのピツチ
を小さくする必要があつた。そして、ホログラム
を作成する感材には分解能に限界がある為、この
ようにピツチの小さいグレーテイングを作成しよ
うとすると、回折効率が落ち、強いては導波路へ
の結合効率が低下する問題点があつた。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決
し、コンパクトで、且つ、結合効率の高い光結合
器を提供することにある。

［課題を解決するための手段］本発明の上記目的は、基板の一面に形成された
導波路上に、体積型ホログラムが形成されて成る
光結合器において、前記体積型ホログラムの上
に、前記基板を介して入射した光を反射して前記
導波路に結合させる為の反射層を設けることによ
つて達成される。

［実施例］第１図は、本発明の実施例を示す図である。本
発明の光結合器においては、導波路１１の光の入
射面とは反対側の面上に光導波路より低い屈折率
をもつ層１２に接して置かれた反射体積型ホログ
ラム３３によつて可干渉性光が光導波路内へと結
合せしめられる。この反射体積型ホログラムは、
透過体積型ホログラムとその上の金属反射層４３
からなる。入射光は光導波路１１と低屈折率層１
２を通過した後グレーテイング１４及び金属反射
層４３によつて反射回折され入射光の入射角如何
によつて１つ又はそれ以上の回折の次数で反射光
の一部が光導波路内に捕獲される。このようにし
て捕獲された光は光導波路の縦方向内で一定の伝
播定数をもち、入射光の入射角とグレーテイング
の周期性とに特に依存して、特定の光導波路のモ
ードを誘起して結合する。

第１図で１６は0.6328μmの可干渉性の出力光
を持つヘリウム、ネオンレーザーの如き光源であ
る。もちろん任意の他の光源を用いることができ
るのであつて、ここに述べたのは単に一例を示す
ためだけに具体的な光源を示しただけである。も
し必要な場合には光を集束するためにレンズ系１
５が用いられても良い。任意の適当な透明なたと
えばアルミナ（Al₂O₃）の如き光導波路物質より
形成される光導波路１１は結合されるべき光の波
長では適当なガラス基板１０上に装置されてい
る。光導波路１１と基板１０とはその屈折率がn₂
＞n₃＞n₁なる関係を満足するように選ばれること
が望ましい。ただしここにn₂は光導波路１１の屈
折率、n₃は基板１０の屈折率、そしてn₁は外界
（空気）の屈折率である。

第１図の装置の透過体体積型ホログラム１３は
基板１０上に形成せしめられた光導波路１１上に
低屈折率層１２を介して装着されている。この低
屈折率層１２の屈折率は導波路１１及びホログラ
ム１３より低い。透過体積ホログラム１３は第２
図に図示したようにホログラフイー法によつて、
たとえばPVK（ポリビニルカルバゾール）２３内
に平面波の物体光１８および平面波の参照光１９
をプリズム２０を介して入射させ作成する。その
際屈折率分布としてのグレーテイング１４が形成
される。ホログラム用感材であるPVK（ポリビニ
ルカルバゾール）２３はPVKのクロルベンゼン
溶液にCI₄の同溶液を加えれば塗工可能なゲル状
となり、塗工は表面出しをしたガラス基板１０に
光導波路１１としてAl₂O₃を0.5μm蒸着又はスパ
ツタリングにより形成した後、さらに低屈折率層
１２を0.1μmの厚さに蒸着した後にスピナーを用
いて1000rpm、10secの条件で行つた、ホログラ
ム材としてのPVKの膜厚は1.5μm〜10.0μmの範
囲で実施したが本実施例の場合、作成したホログ
ラムグレーテイングからの回折効率を高めるため
には５〜10μmが最も好ましかつた。PVKのホロ
グラム感材としての性能は分光感度域〜540nm、
感度＞10mJ／cm²（λ＝0.488μm）、最大回折効率
83.1％、透過率85.1％、解像力＞3400leie／mmで
あつた。プリズム２０とPKV２３の間にはホロ
グラムを作成するうえで好都合なPVK２３より
わずか大きい屈折率をもつ媒質２１（たとえばα
−ヨードナフタリン）をマツチング材として使用
してもよい。マツチングは本来、感材１３、ガラ
ス基板１０、プリズム２０、吸収板３の屈折率を
等しく設定すると共に、感材１３とプリズム２
０、吸収板３の間の境界において反射散乱を生ぜ
しめないように同じ屈折率の液浸液を境界に設け
るものである。ここでは体積型ホログラム作成に
0.488μmのアルゴンレーザーを使用した。

第２図でホログラムを形成する際にホログラム
材としての媒体にPVKを使用したがもちろん他
のホログラム材を用いることができるのであつ
て、ここで述べたのは単に一例を示すために具体
的にホログラム材としてのPVKを示しだだけで
ある。他の具体的な体積型ホログラム結合器の具
体的な例として基板１０としてLiNbO₃（ニオブ
酸リチウム）を採用してこの上にTi拡散によつ
て形成した光導波路１１上にMgF₂（フツ化マグ
ネシウム）の低屈折率層１２を介してホログラム
材として特にAs₂S₃（三硫化砒素）を使用しても
差しつかえない。この場合光導波路として
LiNbO₃上に蒸着したTi膜を熱拡散により形成し
た光導波路は光伝播損失がAl₂O₃光導波路より大
幅に小さく0.5dB／cm程度の値をもつことが知ら
れており、本発明の目的には一層有効である。

彼様にして作成された体積型ホログラムグレー
テイングは、第１図における光導波路１１及び基
板１０に垂直な法線４に対して角度を成し、ピ
ツチｐの周期をもつ。第１図において基板１０と
してBK7ガラス（n₃＝1.52）、光導波路１１とし
て厚さ0.5μmに蒸着したAl₂O₃（n₂＝1.63）、低屈
折率層１２としてMgF₂（n₄＝1.38）、ホログラム
材１３としてPVK（ｎ＝1.64）を使用し法線４の
方向から0.6328μmのヘリウムネオンレーザーを
入射させて光を光導波路１１に結合捕獲するため
の法線４に対するグレーテイング１４の傾き角
およびブラツグ条件を満足するピツチｐを求め
る。光結合の理論よりホログラム１３と低屈折率
層１２との境界面に光束が入射する角度ｙをｙ＝
74.6688゜に設定すればホログラムから回折した波
長λの光は光導波路１１に結合される。この時、
ホログラム媒体の屈折率n₅、ピツチｐおよびグレ
ーテイング１４の法線４に対する傾き角との間
には λ／n₅＝2p sin∴ｐ＝λ／2n₅sin の関係があり、＝ｙ／２＝37.3344゜、n₅＝1.64、
λ＝0.6328μmを代入すると、ｐ＝0.3181μmの値
を得る。本実施例において第２図に図示した如
く、ホログラフイー法によつて体積型ホログラム
を形成せしめれば、所望のホログラムグレーテイ
ング結合器を得ることができ、得られたホログラ
フイグレーテイング結合器は光導波路１１の厚さ
に依存せず任意の厚さを選ぶことが可能で、従つ
て数μから数10μm、望ましくは5μmから10μmの
厚さに形成でき高い回折効率ηをもたしめること
が可能である。

ホログラム材としてAs₂S₃（n₅＝2.52）、低屈折
率層１２としてMgF₂（n₄＝1.38）、基板１０およ
び光導波路１１としてそれぞれLiNbO₃（n₃＝
2.20）およびTi拡散LiNbO₃（n₂＝2.22）の構成の
場合、全く同様にして法線４との傾き角＝
30.7856、ｙ＝61.5712、ｐ＝0.2453μmの値を得
る。

第３図に示した従来の内部反射プリズムの結合
器と第１図に示した本発明による体積型ホログラ
ムグレーテイング結合器を比較すると本発明の新
規さを更によく理解できる。即ち、第４図におけ
るエアーギヤツプ層が第１図の低屈折率層１２に
対応する。従つて従来のプリズム結合器使用の際
に生じるエアギヤツプ層を一定間隔に保持する条
件も結合器を作成する際に任意にかつ低屈折率層
１２の厚さを蒸着によつて自由に選定して一旦作
成すればギヤツプ層の厚さを結合面全面にわたつ
て固定化できる。これは従来のプリズム結合器で
は考えられない調整の必要が一切不必要な新規の
結合器を提供するものである。

一方、第４図に示したプリズム結合器７の光導
波路１１に垂直な端面２７は効率のよい光結合の
為には正しく垂直に保持される必要があるが、本
発明の実施例の如く厚いホログラムを用いる場合
も第１図に示したホログラムグレーテイング結合
器１３及び低屈折率層１２にわたる光導波路１１
と垂直な端面を出来得るかぎり垂直になるよう作
製せしむる事が望ましい。それを実施する為には
適切なるマスクを用いてO₂又はCF₄又はこれらの
混合ガス中においてプラズマエツチしてPVKの
ホログラム材およびMgF₂の低屈折率層を除去せ
しめればよい。又ホログラム材としてAs₂S₃を使
用する際にはさらに通常のケミカルエツチング法
も適用できる。この際にはまずAs₂S₃のホログラ
ム材上にホトレジスト層をスピナーなどによりホ
ログラム材１３上に装着せしめ露光し通常のケミ
カルエツチを実施すれば良い。か様にして体積型
ホログラム１３及び低屈折率層１２に、光導波路
１１と垂直な端面１７を形成せしめた後、ホトレ
ジスト層は化学的に除去され第１図に示すような
端面１７を得る。その結果これら実施例の光結合
器における結合効率は高まる。

［発明の効果］以上説明したように本発明は、従来の光結合器
において、体積型ホログラムの上に反射層を設け
て、基板を介して光を導波路に結合するようにし
たので、グレーテイングのピツチが大きくて済
み、結合効率を向上させる効果を有する。

また、基板側から光を入射させている為、収束
光を導入する場合には、基板裏面における光束径
がホログラムに入射する部分における光束径より
大きく、基板裏面についた傷、ゴミ等が、光束に
及ぼす影響が小さいという効果もある。

更に、反射層によつて、ホログラムで回折され
なかつた光束が、基板と反対側に通り抜けて迷光
となるのを防止出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光結合器を示す
図、第２図は体積型ホログラムグレーテイングの
作成を説明する図、第３図は従来のプリズム結合
器を説明する図である。図中、１０……基板、１１……光導波路、１２
……低屈折率層、１３……ホログラム材、１４…
…ホログラムグレーテイング、１５……集光レン
ズ、１６……光源、２３……金属反射層、１８…
…物体光、１９……参照光、２０……プリズム、
２１……液浸液、１７……端面、７……プリズ
ム、８……エア・ギヤツプ層。

Claims

【特許請求の範囲】１基板の一面に形成された導波路上に、体積型
ホログラムが形成されて成る光結合器において、前記体積型ホログラムの上に、前記基板を介し
て入射した光を反射して前記導波路に結合させる
為の反射層を設けたことを特徴とする光結合器。