JPH06160675A - 光結合器とその製造方法 - Google Patents
光結合器とその製造方法Info
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- JPH06160675A JPH06160675A JP31184592A JP31184592A JPH06160675A JP H06160675 A JPH06160675 A JP H06160675A JP 31184592 A JP31184592 A JP 31184592A JP 31184592 A JP31184592 A JP 31184592A JP H06160675 A JPH06160675 A JP H06160675A
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Landscapes
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Mechanical Coupling Of Light Guides (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 スポットサイズの異なる光素子同士の結合が
高効率で、低価格化が容易な光結合器が得られる。 【構成】 シリコン（Ｓｉ）基板１上に形成された石英
光導波路２のコア３がテーパ状に突き出ており、そのテ
ーパ部の先端に近接して半導体レーザ素子４か金錫半田
６を介してＳｉ基板１上に形成された金パット７に接合
されている。テーパ状のコアは、伝搬する光ビームのス
ポットサイズを除々に変化させることができる。このた
め、光ビームのスポットサイズ変換を低損失で行うこと
が出来る。これにより、スポットサイズの小さな半導体
レーザ光を効率よくスポットサイズの大きな光導波路に
結合させることが出来る。テーパ部の作製方法は、コア
ドーパント濃度の違いによるエッチングレート差を利用
した選択エッチング法（エッチング液：フッ酸とフッ化
アンモニウムの混合液）により石英光導波路端面をエッ
チングし、コアをテーパ状に突き出させる。
高効率で、低価格化が容易な光結合器が得られる。 【構成】 シリコン（Ｓｉ）基板１上に形成された石英
光導波路２のコア３がテーパ状に突き出ており、そのテ
ーパ部の先端に近接して半導体レーザ素子４か金錫半田
６を介してＳｉ基板１上に形成された金パット７に接合
されている。テーパ状のコアは、伝搬する光ビームのス
ポットサイズを除々に変化させることができる。このた
め、光ビームのスポットサイズ変換を低損失で行うこと
が出来る。これにより、スポットサイズの小さな半導体
レーザ光を効率よくスポットサイズの大きな光導波路に
結合させることが出来る。テーパ部の作製方法は、コア
ドーパント濃度の違いによるエッチングレート差を利用
した選択エッチング法（エッチング液：フッ酸とフッ化
アンモニウムの混合液）により石英光導波路端面をエッ
チングし、コアをテーパ状に突き出させる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、スポットサイズの異な
る光素子同士を光結合するための光通信用の光結合器に
関するものである。
る光素子同士を光結合するための光通信用の光結合器に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】光通信システムにおける信号光源である
半導体発光素子や光行路を切り換える光スイッチ、光フ
ァイバアンプ、光半導体アンプ等の光導波路と石英系光
導波路とを結合させる光結合路は、光通信システムを構
成する上で重要なデバイスの１つである。
半導体発光素子や光行路を切り換える光スイッチ、光フ
ァイバアンプ、光半導体アンプ等の光導波路と石英系光
導波路とを結合させる光結合路は、光通信システムを構
成する上で重要なデバイスの１つである。
【０００３】従来、このようなスポットサイズの異なる
光素子同士を光結合させる光結合路としては、例えばア
プライド フィジクス レターズ（Ａｐｐｌｉｄｅ Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）１９８９年、第５５
巻、第２３８９項のシャニー氏（Ｙ．Ｓｈａｎｉ）等に
よる論文に記載された光結合器があげられる。
光素子同士を光結合させる光結合路としては、例えばア
プライド フィジクス レターズ（Ａｐｐｌｉｄｅ Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）１９８９年、第５５
巻、第２３８９項のシャニー氏（Ｙ．Ｓｈａｎｉ）等に
よる論文に記載された光結合器があげられる。
【０００４】一般に、光導波路を伝搬する光は、光導波
路のコアの寸法の大きさに応じてビームサイズ、すなわ
ちスポットサイズの大きさが決まる。論文に記載されて
いる光結合器は、石英系光導波路のコア内の一部に三角
形状の高屈折率層を形成し、その高屈折率層の端面を光
素子の一つである半導体レーザの出射光に近接させ、そ
の高屈折層の端面を光素子の一つである半導体レーザの
出射端に近接させ、半導体レーザから出射光を三角系状
の高屈折率層に伝搬させることにより、その伝搬光のス
ポットサイズの寸法を大きくして、石英系光導波路のス
ポットサイズの寸法に変える。これにより、半導体レー
ザからの出射光を効率よく石英系光導波路に結合させて
いる。
路のコアの寸法の大きさに応じてビームサイズ、すなわ
ちスポットサイズの大きさが決まる。論文に記載されて
いる光結合器は、石英系光導波路のコア内の一部に三角
形状の高屈折率層を形成し、その高屈折率層の端面を光
素子の一つである半導体レーザの出射光に近接させ、そ
の高屈折層の端面を光素子の一つである半導体レーザの
出射端に近接させ、半導体レーザから出射光を三角系状
の高屈折率層に伝搬させることにより、その伝搬光のス
ポットサイズの寸法を大きくして、石英系光導波路のス
ポットサイズの寸法に変える。これにより、半導体レー
ザからの出射光を効率よく石英系光導波路に結合させて
いる。
【０００５】ここでいうスポットサイズは「光通信素子
工学」米津宏雄著、工学図書株式会社刊のｐ２１２に記
載されている。
工学」米津宏雄著、工学図書株式会社刊のｐ２１２に記
載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】一般に、上述の三角形
状の高屈折率層をコア内部に形成するには、ＣＶＤ（化
学蒸着）法が用いられている。すなわち、光導波路のコ
アを基板上に形成する前に、コアよりも屈折率の高い高
屈折率層を基板上に堆積させた後に、その高屈折率層を
三角形状にエッチングする工程を通常の光導波路の作製
工程に付加する。このため、通常の光導波路の作製工程
より多くの工数を必要とする。また、複数の光結合器が
アレイ状に並んだものを作製する場合には、１つ１つの
光結合器に対してそれぞれの光屈折率層を堆積しエッチ
ングしなければならないので、作業効率が悪かった。さ
らに、高屈折率層の堆積は、他の堆積層との大きな熱膨
張係数差によりクラックなどが発生しやすく、歩留まり
の低下を招くという大きな問題があった。
状の高屈折率層をコア内部に形成するには、ＣＶＤ（化
学蒸着）法が用いられている。すなわち、光導波路のコ
アを基板上に形成する前に、コアよりも屈折率の高い高
屈折率層を基板上に堆積させた後に、その高屈折率層を
三角形状にエッチングする工程を通常の光導波路の作製
工程に付加する。このため、通常の光導波路の作製工程
より多くの工数を必要とする。また、複数の光結合器が
アレイ状に並んだものを作製する場合には、１つ１つの
光結合器に対してそれぞれの光屈折率層を堆積しエッチ
ングしなければならないので、作業効率が悪かった。さ
らに、高屈折率層の堆積は、他の堆積層との大きな熱膨
張係数差によりクラックなどが発生しやすく、歩留まり
の低下を招くという大きな問題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の光結合器は、光
素子と対向する、石英系光導波路のコアの端部が、光軸
方向にテーパ形状を有することを特徴とする。
素子と対向する、石英系光導波路のコアの端部が、光軸
方向にテーパ形状を有することを特徴とする。
【０００８】また、本発明の製造方法は、石英系光導波
路のコアドーパント濃度が高いところほどエッチング速
度が遅くなるエッチング液で石英系光導波路の端部をエ
ッチングすることにより、コアを光軸方向にテーパ形状
に形成することを特徴とする。
路のコアドーパント濃度が高いところほどエッチング速
度が遅くなるエッチング液で石英系光導波路の端部をエ
ッチングすることにより、コアを光軸方向にテーパ形状
に形成することを特徴とする。
【０００９】
【作用】光導波路を伝搬する光は、光導波路のコア寸法
の大きさに応じてビームサイズ、すなわちスポットサイ
ズの大きさが決まる。このため、テーパ状のコアを伝搬
する光は、除々にスポットサイズの大きさを変える。従
って、テーパ状のコアはスポットサイズ変換器として作
用し、スポットサイズの異なる光導波路同士を高効率で
光結合させることが出来る。
の大きさに応じてビームサイズ、すなわちスポットサイ
ズの大きさが決まる。このため、テーパ状のコアを伝搬
する光は、除々にスポットサイズの大きさを変える。従
って、テーパ状のコアはスポットサイズ変換器として作
用し、スポットサイズの異なる光導波路同士を高効率で
光結合させることが出来る。
【００１０】通常、石英系光導波路のコアの屈折率分布
は、ステップ型を理想とするため、コアドーパント濃度
はそのコア内でほぼ一定になるように設計する。しか
し、実際には光導波路作製中の熱拡散などによりコア内
のドーパントは拡散し、ドーパント濃度分布は中心部か
らの距離に対して減少するような分布となる。したがっ
て、ドーパント濃度が高いところほどエッチング速度が
遅くなるエッチング液で石英系光導波路端部を端面部、
側面部よりエッチングすることにより、端面部では端面
方向からもエッチングされるので、コア部分が光軸方向
にテーパ形状を有した光導波路が作製できる。
は、ステップ型を理想とするため、コアドーパント濃度
はそのコア内でほぼ一定になるように設計する。しか
し、実際には光導波路作製中の熱拡散などによりコア内
のドーパントは拡散し、ドーパント濃度分布は中心部か
らの距離に対して減少するような分布となる。したがっ
て、ドーパント濃度が高いところほどエッチング速度が
遅くなるエッチング液で石英系光導波路端部を端面部、
側面部よりエッチングすることにより、端面部では端面
方向からもエッチングされるので、コア部分が光軸方向
にテーパ形状を有した光導波路が作製できる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明について、図面を参照して説明
する。図１および図２は、本発明の第１の実施例を示す
側面図および上面図である。シリコン（Ｓｉ）基板１上
に形成された石英光導波路２のコア３が光軸方向にテー
パ状に突き出ており、そのテーパ部の先端に接近して半
導体レーザ素子４か金錫半田６を介してＳｉ基板１上に
形成された金パット７に接合さらえている。ここで、コ
ア３の光軸と半導体レーザ素子４の光軸は一致してい
る。また、半導体レーザ素子４のスポットサイズは、石
英光導波路２のスポットサイズより小さい。光層波路２
のコア３の断面寸法は１０μｍ×１０μｍ程度、ドーパ
ントは５酸化リン（Ｐ2 Ｏ5 ）と３酸化ホウ素（Ｂ2 Ｏ
3 ）、比屈折率差は０．２％程度、クラッド５の厚さは
約１０μｍである。また、コア３のテーパ部の先端面寸
法は２μｍ×２μｍ程度である。本実施例の光結合器の
製造方法は、まず、Ｓｉ基板１上に石英光導波路２をＣ
ＶＤ製法により形成する。次に、石英光導波路２の入射
端部をドライエッチングによりエッチングして垂直端面
を形成する。そして、その垂直端面をコアドーパント濃
度が高いところほどエッチング速度が遅くなるエチング
液でエッチングしてコア３を光軸方向にテーパ状に突き
出させる。本実施例で用いたエッチング液は，４９％濃
度のフッ酸（ＨＦ）と４０％濃度のフッ化アンモニウム
（ＮＨ4 Ｆ）を１対１０の重量比で混合したものであ
り、エッチング時間は室温で約２時間である。
する。図１および図２は、本発明の第１の実施例を示す
側面図および上面図である。シリコン（Ｓｉ）基板１上
に形成された石英光導波路２のコア３が光軸方向にテー
パ状に突き出ており、そのテーパ部の先端に接近して半
導体レーザ素子４か金錫半田６を介してＳｉ基板１上に
形成された金パット７に接合さらえている。ここで、コ
ア３の光軸と半導体レーザ素子４の光軸は一致してい
る。また、半導体レーザ素子４のスポットサイズは、石
英光導波路２のスポットサイズより小さい。光層波路２
のコア３の断面寸法は１０μｍ×１０μｍ程度、ドーパ
ントは５酸化リン（Ｐ2 Ｏ5 ）と３酸化ホウ素（Ｂ2 Ｏ
3 ）、比屈折率差は０．２％程度、クラッド５の厚さは
約１０μｍである。また、コア３のテーパ部の先端面寸
法は２μｍ×２μｍ程度である。本実施例の光結合器の
製造方法は、まず、Ｓｉ基板１上に石英光導波路２をＣ
ＶＤ製法により形成する。次に、石英光導波路２の入射
端部をドライエッチングによりエッチングして垂直端面
を形成する。そして、その垂直端面をコアドーパント濃
度が高いところほどエッチング速度が遅くなるエチング
液でエッチングしてコア３を光軸方向にテーパ状に突き
出させる。本実施例で用いたエッチング液は，４９％濃
度のフッ酸（ＨＦ）と４０％濃度のフッ化アンモニウム
（ＮＨ4 Ｆ）を１対１０の重量比で混合したものであ
り、エッチング時間は室温で約２時間である。
【００１２】次に、半導体レーザ素子４をテーパ部の先
端部に近接してＳｉ基板１上の金パット７に金錫半田６
を介して接合する。この際、半導体レーザ素子４は、そ
の光軸がコア３の光軸と一致するように位置調整され
る。
端部に近接してＳｉ基板１上の金パット７に金錫半田６
を介して接合する。この際、半導体レーザ素子４は、そ
の光軸がコア３の光軸と一致するように位置調整され
る。
【００１３】尚、エッチング時間はエッチング液の温度
を上げることで短くできるため、上記のエッチング時間
を短くし、更に作業能率を上げるのは容易である。ま
た、エッチング液も上記のものに限定する必要はなく、
ドーパント濃度が高い程エッチング速度が遅いエッチン
グ液であれば良い。例えば、前述のＨＦとＮＨ4 Ｆの重
量比を２対１０や３対１０に変えたものや、硝酸を加え
て硝酸とＨＦとＮＨ4 Ｆの重量比を１対１対１０にした
もの等でも良い。硝酸を加えるとエッチング面が滑らか
になる。
を上げることで短くできるため、上記のエッチング時間
を短くし、更に作業能率を上げるのは容易である。ま
た、エッチング液も上記のものに限定する必要はなく、
ドーパント濃度が高い程エッチング速度が遅いエッチン
グ液であれば良い。例えば、前述のＨＦとＮＨ4 Ｆの重
量比を２対１０や３対１０に変えたものや、硝酸を加え
て硝酸とＨＦとＮＨ4 Ｆの重量比を１対１対１０にした
もの等でも良い。硝酸を加えるとエッチング面が滑らか
になる。
【００１４】さて、このような構成で、スポットサイズ
の小さな半導体レーザ４から出力される波長１．５５μ
ｍの光ビームは、まず、テーパ部の先端に結合する。一
般に、光導波路を伝搬する光は、光導波路のコア寸法の
大きさに応じてビームサイズ、すなわちスポットサイズ
の大きさが変わる。このため、結合した光ビームのスポ
ットサイズは除々に大きくなり、光導波路内のコア３に
相当したスポットサイズに変換される。これにより、光
ビームは，効率良く石英光導波路内のコア３に結合され
る。本実施例では結合損失３ｄＢの高効率結合の光結合
器が得られた。
の小さな半導体レーザ４から出力される波長１．５５μ
ｍの光ビームは、まず、テーパ部の先端に結合する。一
般に、光導波路を伝搬する光は、光導波路のコア寸法の
大きさに応じてビームサイズ、すなわちスポットサイズ
の大きさが変わる。このため、結合した光ビームのスポ
ットサイズは除々に大きくなり、光導波路内のコア３に
相当したスポットサイズに変換される。これにより、光
ビームは，効率良く石英光導波路内のコア３に結合され
る。本実施例では結合損失３ｄＢの高効率結合の光結合
器が得られた。
【００１５】図３は本発明の第２の実施例を示す４チャ
ンネルのアレイ状光結合器の上面図である。シリコン
（Ｓｉ）基板１上にピッチ２５０μｍの４本の石英光導
波路２ａ〜２ｄが形成されており、それぞれのコア３ａ
〜３ｄが光軸方向にテーパ状に突き出ている。光導波路
２ａ〜２ｄ、コア３ａ〜３ｄのテーパ部の形状寸法は第
１の実施例の場合と同様である。そして、そのテーパ部
の先端に近接して４つの半導体レーザ４ａ〜４ｄがピッ
チ２５０μｍで並列にＳｉ基板１上に形成された金パッ
ト７に金錫半田６を介して結合されている。
ンネルのアレイ状光結合器の上面図である。シリコン
（Ｓｉ）基板１上にピッチ２５０μｍの４本の石英光導
波路２ａ〜２ｄが形成されており、それぞれのコア３ａ
〜３ｄが光軸方向にテーパ状に突き出ている。光導波路
２ａ〜２ｄ、コア３ａ〜３ｄのテーパ部の形状寸法は第
１の実施例の場合と同様である。そして、そのテーパ部
の先端に近接して４つの半導体レーザ４ａ〜４ｄがピッ
チ２５０μｍで並列にＳｉ基板１上に形成された金パッ
ト７に金錫半田６を介して結合されている。
【００１６】上述アレイ状光結合器のテーパ部を作製す
る方法は、第１の実施例の場合と同様である。すなわ
ち、上述のエッチング液でエッチングすることにより、
先端が揃った垂直端面のコアを複数個一括してテ−パ状
に形成できる。このため、作業の効率化を増し、アレイ
状光結合器のピッチが高精度なものを保留まりよく製作
できる。
る方法は、第１の実施例の場合と同様である。すなわ
ち、上述のエッチング液でエッチングすることにより、
先端が揃った垂直端面のコアを複数個一括してテ−パ状
に形成できる。このため、作業の効率化を増し、アレイ
状光結合器のピッチが高精度なものを保留まりよく製作
できる。
【００１７】さて、上述の構成で半導体レーザ４ａ〜４
ｄから出力された光ビームは、第１の実施例と同様にテ
ーパ部の先端にそれぞれ結合される。本実施例で４チャ
ンネル共に結合損失３ｄＢの高効率結合アレイ状光結合
器が得られた。
ｄから出力された光ビームは、第１の実施例と同様にテ
ーパ部の先端にそれぞれ結合される。本実施例で４チャ
ンネル共に結合損失３ｄＢの高効率結合アレイ状光結合
器が得られた。
【００１８】以上、上述の第１及び第２の実施例では、
スポットサイズの小さな光素子として半導体レーザ４を
用いたが、これは光スイッチ、光ファイバアンプ、光半
導体アンプ、更には石英系光導波路、石英系光ファイバ
等の光導波路でも良く、テーパ状コアを有する石英高導
波路よりもスポットサイズが小さければ良い。
スポットサイズの小さな光素子として半導体レーザ４を
用いたが、これは光スイッチ、光ファイバアンプ、光半
導体アンプ、更には石英系光導波路、石英系光ファイバ
等の光導波路でも良く、テーパ状コアを有する石英高導
波路よりもスポットサイズが小さければ良い。
【００１９】また、本光結合器の光結合効率を更に向上
するために、テーパ部先端を若干加熱溶融して先端部を
滑らか、もしくは半球化しても良い。尚、加熱溶融方法
は放電加熱、炉加熱、レーザ加熱など特に限定されな
い。
するために、テーパ部先端を若干加熱溶融して先端部を
滑らか、もしくは半球化しても良い。尚、加熱溶融方法
は放電加熱、炉加熱、レーザ加熱など特に限定されな
い。
【００２０】また、光反射特性を向上させるため、テー
パ部の先端表面上に無反射コートを施しても良い。
パ部の先端表面上に無反射コートを施しても良い。
【００２１】また、第２の実施例ではチャンネル数を４
としたがこれに限定されず、４チャンネル以上に用いて
も良い。
としたがこれに限定されず、４チャンネル以上に用いて
も良い。
【００２２】
【発明の効果】石英系光導波路のコア自身をテーパ形状
にすることにより、高屈折率層を堆積する必要はなくス
ポットサイズの異なった光素子同士の結合高効率で行う
ことができ、さらにコアドーパント濃度の違いによるエ
ッチングレート差を用いた選択エッチングホウにより、
一度にたくさんのテーパ形状のコアを有した光結合器を
作製することができ、製造歩留まりが向上する。
にすることにより、高屈折率層を堆積する必要はなくス
ポットサイズの異なった光素子同士の結合高効率で行う
ことができ、さらにコアドーパント濃度の違いによるエ
ッチングレート差を用いた選択エッチングホウにより、
一度にたくさんのテーパ形状のコアを有した光結合器を
作製することができ、製造歩留まりが向上する。
【図１】本発明の第１の実施例を示す側面図である。
【図２】本発明の第１の実施例を示す上面図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示す上面図である。
１ Ｓｉ基板 ２ 光導波路 ３ コア ４ 半導体レーザ ５ クラッド ６ 金錫半田 ７ 金パット
Claims (2)
- 【請求項１】 光素子と対向する、石英系光導波路のコ
アの端部が、光軸方向にテーパ形状を有することを特徴
とする光結合器。 - 【請求項２】 石英系光導路のコアドーパント濃度が高
いところほどエッチング速度が遅くなるエッチング液で
石英系光導波路の端部をエッチングすることより、コア
を光軸方向にテーパ形状に形成することを特徴とする請
求項１記載の光結合器の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4311845A JP2666874B2 (ja) | 1992-11-20 | 1992-11-20 | 光結合器とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4311845A JP2666874B2 (ja) | 1992-11-20 | 1992-11-20 | 光結合器とその製造方法 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP550096A Division JPH08248278A (ja) | 1996-01-17 | 1996-01-17 | 光結合器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06160675A true JPH06160675A (ja) | 1994-06-07 |
| JP2666874B2 JP2666874B2 (ja) | 1997-10-22 |
Family
ID=18022103
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4311845A Expired - Fee Related JP2666874B2 (ja) | 1992-11-20 | 1992-11-20 | 光結合器とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2666874B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09292539A (ja) * | 1996-04-26 | 1997-11-11 | Nec Corp | 導波路形コリメータ |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61165709A (ja) * | 1985-12-06 | 1986-07-26 | Hitachi Ltd | 光フアイバおよびその製造方法 |
| JPS63226607A (ja) * | 1986-10-24 | 1988-09-21 | Hitachi Ltd | 光結合構造 |
-
1992
- 1992-11-20 JP JP4311845A patent/JP2666874B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61165709A (ja) * | 1985-12-06 | 1986-07-26 | Hitachi Ltd | 光フアイバおよびその製造方法 |
| JPS63226607A (ja) * | 1986-10-24 | 1988-09-21 | Hitachi Ltd | 光結合構造 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09292539A (ja) * | 1996-04-26 | 1997-11-11 | Nec Corp | 導波路形コリメータ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2666874B2 (ja) | 1997-10-22 |
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