JPH06194536A

JPH06194536A - 光結合デバイス

Info

Publication number: JPH06194536A
Application number: JP34487792A
Authority: JP
Inventors: Osamu Mitomi; 修三冨; Hiroshi Miyazawa; 弘宮沢; Kazuo Kasatani; 和生笠谷; Masahiro Ikeda; 正宏池田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1992-12-24
Filing date: 1992-12-24
Publication date: 1994-07-15

Abstract

(57)【要約】【目的】異なる２つの光機能素子、特に複数のデバイ
スを集積化した光機能素子間を低損失で光結合をとるこ
とができる、製作性の良い光結合デバイスを提供する。【構成】半導体基板201 と、該半導体基板201 上に形
成され、大きさもしくは屈折率を光伝搬方向に沿って徐
々に変化させた光導波層202,203 で少なくとも構成され
る光結合デバイスにおいて、光入射端もしくは光出射端
付近において該光導波層202,203 を複数に分岐配置する
ことにより、低損失な光結合が実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光機能デバイスの光導
波路を伝わる光波のスポットサイズを他の光機能デバイ
スに低損失で変換する光結合デバイスに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザダイオード（ＬＤ）と単一
モードファイバとの間を光結合させる場合、ＬＤ素子端
面とファイバを直接突合せ結合（バットジョイント）さ
せると、互いの光導波路光波スポットサイズが異なって
いるために、直接突合せ部の結合損失が問題になる。通
常、ＬＤの光波スポットサイズ（モード半径：Ｗ）は１
μｍ程度であり、ファイバのスポットサイズは約５μｍ
であるので、この結合損失は約１０ｄＢになる。そこ
で、レンズによってスポットサイズを変換する事によっ
て結合損失を低減する方法が一般にとられる。

【０００３】複数のレーザダイオード（ＬＤ）を形成し
た光機能素子とアレーファイバとの間を、１個のレンズ
で光結合させる場合について、従来の構成例を図５に示
す。図５において、501 は半導体基板、502 は活性領域
（光導波路部）、503 はファイバ、504 はファイバを一
定間隔で固定するためのＶ−グルーブアレー、505 はレ
ンズである。このような構成においては、ＬＤの集積規
模が大きくなるに従って、レンズの収差等の影響により
結合損失が大きくなるために、１個の半導体基板に集積
できるＬＤの個数に制限があった。

【０００４】図６に示すようなテーパ状の光導波路によ
り光のスポットサイズを変換する光結合デバイスを、レ
ンズの代わりとして用いる事により、ＬＤとファイバ間
を低損失に光結合させる方法がある。図６(a) は、従来
の光結合デバイスの上面図、(b) は断面図、図７は動作
原理を説明するための図である。すなわち、図７から分
かるように、光導波路のコアー層602 の屈折率差Δｎ
［＝（ｎ1 −ｎ2 ）／ｎ1 、ｎ1 ：クラッド層601,603
の屈折率、ｎ2 ：コアー層602 の屈折率］を一定の大き
さに固定した場合、コアー層602 の厚さｔ，幅ｗを０か
ら次第に大きくしていくと、導波光（基本モード光）の
スポットサイズＷは、無限の大きさから次第に小さくな
り、極小値をとった後、再び大きくなる関係がある。こ
こで、ｔ，ｗが大きくなり過ぎると多モード導波路にな
り、高次モード変換による損失が大きくなるために、通
常、この領域の寸法は用いられない。この関係を利用し
て、光結合デバイスのコアー層602 の大きさｔ，ｗの設
計においては、光入射端側（ＬＤとの結合側）では、Ｌ
Ｄ光のスポットサイズ（約１μｍ）と同程度のスポット
サイズＷi を与える寸法ｗi ，ｔi （＝数100nm 〜数μ
ｍ）に、光出射端側では、ファイバのスポットサイズ
（約５μｍ）と同程度の大きさスポットサイズＷo を与
える寸法ｔo ，ｗo （＝数10〜数100nm ）に設定される
（具体的設計例については、例えば1992信学秋季全大，
C-201,1991. 参照）。また、コアー層602の大きさがテ
ーパ状になる領域の長さＬは、放射による損失を低減す
るために、〜100 μｍから数mm以上の長さに設定され
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような構成におい
て、光出射端側の寸法ｔo ，ｗo を小さくしてスポット
サイズＷo を大きくすると、光閉じ込めの弱い状態にな
るので、導波路の光強度分布は指数関数形状になる。一
方、光ファイバの導波光強度分布がほぼガウス分布形状
になっているために、形状の不整合による結合損失が原
理的に生ずる。また、低結合損失を得るための最適なｔ
o ，ｗo の許容される寸法変動量が比較的小さいため
に、通常の工法を用いる場合製作上の難点もある。

【０００６】一方、Δｎの大きさを光の進行方向に沿っ
て徐々に小さくし、それに伴ってｔ，ｗを徐々に大きく
する事によっても、図７から分かるように、スポットサ
イズを拡大できる。しかし、この場合屈折率をテーパ状
に変化させ、光出射端で充分に小さく形成する事は困難
であり、低損失な特性を実現できない欠点があった。本
発明の目的は、異なる２つの光機能素子、特に複数のデ
バイスを集積化した光機能素子間を低損失で光結合をと
ることができる、製作性の良い光結合デバイスを提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため、請求項１では半導体基板と、該半導体基板上
に形成され、大きさもしくは屈折率を光伝搬方向に沿っ
て徐々に変化させた光導波層で少なくとも構成される光
結合デバイスにおいて、光入射端もしくは光出射端付近
において該光導波層を複数に分岐配置した。また請求項
２では、請求項１において、少なくとも複数に配置した
前記光導波層の幅もしくは前記導波層の間隔を空間的に
分布させた。また請求項３では、請求項１もしくは２に
おいて、前記光導波層の厚さを光の進行方向において一
定の厚さで構成した。

【０００８】

【作用】本発明では光導波層を複数に分岐配置すること
により、低損失な光結合が実現される。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図１，図２は本発明による光結合デバイス
の一実施例、図３は本発明の原理を説明するための図、
図４は本発明の他の実施例である。

【００１０】図１(a)(b)は、本発明による光結合デバイ
スの実施例を示すものであり、アレーＬＤ素子とファイ
バとの間に、本発明の光結合デバイスを挿入し、低損失
に光結合をとる場合の構成図である。図１(a) は上面
図、(b) は断面図であり、101は本発明にかかる光結合
デバイスの半導体基板、102 はコアー層、103 はクラッ
ド層、104 は反射防止膜である。なお、105 は光ファイ
バ、106 はＶグルーブアレーである。この構成では、光
結合デバイスのコアー層102 によってＬＤの光波スポッ
トサイズから次第に大きさを変換し、光出射部において
適当なサイズに変換している。

【００１１】図２(a) は、１個のＬＤ素子と１本のファ
イバ間の光結合をとるための本発明の一実施例の上面
図、(b) は中心部の断面図であり、201 は例えばInP 等
で構成される半導体基板（屈折率ｎ1 ）、202 はスポッ
トサイズ変換用導波路コアー層（例えばInGaAsP ，屈折
率ｎ2 ）、203 は半導体クラッド層（例えばInP 、屈折
率ｎ3 ）である。これらの屈折率の大きさは、ｎ1 ，ｎ
3 ＜ｎ2 の関係がある。204 はＬＤからの入射光、205
は単一モード光ファイバ側の拡大された出射光である。
図中の領域の光導波路部ではＬＤの光波スポットサイ
ズとほぼ同じ大きさのスポットサイズを有する通常の導
波路構造になっている。領域では、コアー層202 が複
数に分岐配置されており、ファイバと直接光結合させた
場合に低損失な結合特性を得る拡大されたスポットサイ
ズ・形状になるように、導波路の構造と寸法ｗ，ｔ，屈
折率ｎの大きさは設定される。領域では、スポットサ
イズが徐々に変換されるように、実効的な導波路幅ｗが
テーパ状に形成されており、そのテーパの長さはＬであ
る。

【００１２】以下、本発明の原理を説明する。図６(a),
(b) に示す従来のスポットサイズ変換のテーパ導波路で
は、スポットサイズを拡大するためにコアーの大きさを
極端に小さくしているために、モードフィールド形状は
指数関数状になる。しかし、屈折率差Δｎを小さくする
と、図７から分かるように、ｗ，ｔを小さくしなくとも
スポットサイズを大きくすることができる。この時、Δ
ｎを小さくするに伴ってｗ，ｔを適当な大きさにする
と、光導波路の閉じ込め係数を大きくした状態に保たれ
るので、通常の単一モードファイバのようにモードフィ
ールド形状はガウシアン状になる。本発明では、図２に
示すように、領域において、全導波路幅ｗ3 はファイ
バのコアー径と同程度の大きさにし、コアー層202 の幅
ｗ31とコアー層間の間隔ｗ32を適当な寸法に設定するこ
とにより、ｎ2 の大きさを変えることなく、光導波路の
実効的なΔｎを小さくしている。このことにより、半導
体基板201 面ｘ方向のスポットサイズを拡大しているの
で、ファイバとの結合損失を低減できる。

【００１３】図３は、領域の導波路構造と、本導波路
−ファイバ間のｘ方向モード結合効率ηx の関係の概算
値を示すものである。ここでは、光の波長はλ=1.55 μ
ｍ、コアー及びクラッド層の屈折率はｎ2=3.3 ，ｎ1 ＝
ｎ3 ＝3.17一定とし、ファイバのモード半径はｗf=4.5
μｍであり、コアー層202 の分岐数は５本でｗ31+ ｗ32
=2μｍ一定とした。本図から分かるように、コアー幅ｗ
31( ｄx ）とコアー厚ｔ3 （= ｄy)を所定の大きさにす
るとファイバ結合損失を極めて小さく（0.1dB以下）で
きることが分かる。なお、この時基板面と垂直方向（ｙ
方向）のモードフィールド形状は指数関数状になってお
り、ｙ方向での結合損失は従来例と同程度（0.2dB)の大
きさになっている。従って、ファイバとの全結合損失は
0.3dB 以下にできる。さらに、コアー寸法ｗ31，ｗ32を
小さくして、その分岐本数を増やし、全幅ｗ3 をファイ
バのモードフィールド形状に合わせるように適当な大き
さに設定する事により、結合損失をさらに小さくでき
る。これらの構造は、有限要素法等の解析により正確に
設計を行う事ができる。本発明において、少なくとも領
域もしくは領域の導波路を除去し、領域の導波路
のみで構成しても同様の特性を実現できる。

【００１４】なお、本発明による光導波路を制作する場
合、ｎ1 ，ｎ2 ，ｎ3 の大きさは半導体材料を選ぶ事に
より任意に設定可能である。例えば、クラッド層にInP
を用いた場合、波長λ=1.55 μｍ帯の光に対してはｎ=
3.166である。また、InGaAsPの屈折率は、その組成によ
って、約3.2 から3.5 程度まで任意の大きさに設定でき
る。また、コアー層として多重量子井戸層を用い、井戸
層、障壁層の材質・厚さを選択することにより任意に屈
折率を設定できる。また、例えば選択成長マスクやエピ
タキシャル選択成長技術、あるいはフォトリソグラフィ
技術等を用いることにより、コアー層202 の屈折率ｎ2
や導波路寸法ｗ，ｔの大きさを空間的にテーパ状に設定
・製作することもできる。

【００１５】図２において、最良の結合損失を得るため
の最適なコアー寸法を実現するには、コアー厚ｔ3 は例
えば結晶エピタキシャル成長技術によって精度よく製作
できる。コアー層幅ｗ31は、許容変動量が比較的大きい
ことから、通常のフォトリソグラフィ技術によって容易
に製作可能なことが分かる。また、領域，，全域
にわたってコアー層厚ｔを一定（ｔ1 ＝ｔ3 ）にして、
コアー層幅ｗのみを変換させた構造にすることも可能で
あり、この場合、製作工程が簡易になる。

【００１６】図４は本発明の他の実施例の上面図であ
り、領域のコアー幅ｗ31の大きさに分布を持たせるこ
とによって、モードフィールド形状をファイバのそれと
より一致させた結合損失を低減化した場合である。ま
た、コアー間隔ｗ32の大きさを空間的に分布を持たせる
ことによって同様の効果を得ることができるのは自明で
ある。

【００１７】領域のテーパ部の構成としては、図２の
ようにテーパ形状を直線状にしてもよく、あるいは指数
関数状、放物線状等の曲線形状にすることによってＬが
同じ長さの場合放射損失を比較的小さくできる。また、
コアー層の分岐法として、図２のような枝分かれ状、あ
るいは図４のような結合分岐構成にしてもいよい。

【００１８】以上では領域の全導波路幅ｗ3 を例えば
ファイバのコアー径と同程度大きさ（通常ｗ1 ＜ｗ3 ）
にする場合について説明したが、このｗ3 の大きさを領
域の導波路幅ｗ1 と同程度として、ｗ31，ｗ32を適当
な大きさに設定することにより、この領域のスポットサ
イズを拡大できる。ただし、この場合、モードフィール
ド形状は指数関数状になるが、従来例と同様に低損失な
ファイバ光結合が実現できることは自明である。

【００１９】以上では、Ｉn Ｐ基板上にスポットサイズ
変換用導波層を構成する場合について説明したが、他の
半導体材料、例えばGaAs系、あるいはSiO ₂等のガラス
系材料の光導波路に対しても同様の効果を得ることがで
きるのは自明である。また、以上では光導波路のクラッ
ド部になる基板材料とクラッド層の材質を同じにして、
単層のコアー層で構成した場合について説明したが、こ
れらクラッドに異なった材料を組み合わせたもの、ある
いは複数のコアー層で構成したものについても本発明と
同様の原理を利用できる。以上では、光ファイバを接続
する場合について説明したが、この他に、他の半導体光
導波路部品、あるいはガラス導波路部品などあらゆる光
導波路部品との接続部に対しても、それら導波路の光強
度分布に合わせるように本発明による光結合デバイス導
波路の構造を適当に設定すれば、低結合損失の特性を実
現できることは自明である。

【００２０】本光結合デバイスは半導体材料より構成さ
れるので、例えば、半導体レーザやＬＤアンプ、光スイ
ッチ等の光機能素子の光入射端部に、本結合デバイスを
同一基板上にモノリシック集積化した光デバイスを実現
することも可能である。この場合、半導体基板上に、光
機能素子導波路を形成する時に、本光結合用導波路を同
時に形成する、あるいは光機能素子部を形成した後、互
いの導波路を直接突合わせるように光結合用テーパ導波
路を形成しても良い。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、光導
波路のコアー部になる半導体層の大きさ、もしくは屈折
率をテーパ状に形成し、他の光機能素子と接続する端面
付近において、コアー半導体層を複数に分岐配置するこ
とによって、低損失な光結合を実現可能としている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光結合デバイスの１構成例を示す
上面図及び断面図

【図２】本発明による光結合デバイスの１構成例を示す
上面図及び断面図

【図３】本発明の動作原理を示すもので、導波路の構造
とファイバ結合損失との関係を示した図

【図４】本発明による光結合デバイスの他の構成例を示
す図

【図５】従来の光結合方法を示した図

【図６】従来の光結合デバイスの構造を示した図

【図７】図６の光結合デバイスの動作原理の説明図

【符号の説明】

101,201,401 …半導体基板、102,202,402 …コアー層、
103,203,403 …クラッド層、204,404 …入射波、205,40
5 …出射光。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者池田正宏東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板と、該半導体基板上に形成さ
れ、大きさもしくは屈折率を光伝搬方向に沿って徐々に
変化させた光導波層で少なくとも構成される光結合デバ
イスにおいて、光入射端もしくは光出射端付近において該光導波層を複
数に分岐配置したことを特徴とする光結合デバイス。
【請求項２】複数に配置した前記光導波層の幅もしく
は前記導波層の間隔を空間的に分布させたことを特徴と
する請求項１記載の光結合デバイス。
【請求項３】光導波層の厚さを光の進行方向において
一定の厚さで構成したことを特徴とする請求項１または
２記載の光結合デバイス。