JPH0816728B2 - 光結合装置 - Google Patents
光結合装置Info
- Publication number
- JPH0816728B2 JPH0816728B2 JP10934489A JP10934489A JPH0816728B2 JP H0816728 B2 JPH0816728 B2 JP H0816728B2 JP 10934489 A JP10934489 A JP 10934489A JP 10934489 A JP10934489 A JP 10934489A JP H0816728 B2 JPH0816728 B2 JP H0816728B2
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- JP
- Japan
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- waveguide
- light
- refractive index
- dielectric layer
- incident
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光集積回路等の導波路内に光を導き、これ
を放射状に伝搬する導波光に変換するための光結合装置
に関するものである。
を放射状に伝搬する導波光に変換するための光結合装置
に関するものである。
従来の技術 従来、導波光を放射状に伝搬させるための光結合器と
しては、同心円グレーティングを導波路上に形成したも
の、あるいは円錐状導波路を形成したものなどがある。
しては、同心円グレーティングを導波路上に形成したも
の、あるいは円錐状導波路を形成したものなどがある。
発明が解決しようとする課題 従来のグレーティングによる光結合器ではグレーティ
ングの回折特性により、最大で50％の効率しか得られな
い。また入射光がガウシアン分布のため、さらに効率は
低くなる。同様に、第11図に示したような円錐状導波路
111による光結合器でもガウシアン分布による低効率性
と同時に、その外周部における導波路112の曲がりによ
って導波損失が生じる等の課題があり、また入射光の波
長変動や入射角変化による結合効率の低下に対する対策
はなされていなかった。ここに、113は入射光、114は薄
い誘電体層、115は誘電体層、116は導波光である。
ングの回折特性により、最大で50％の効率しか得られな
い。また入射光がガウシアン分布のため、さらに効率は
低くなる。同様に、第11図に示したような円錐状導波路
111による光結合器でもガウシアン分布による低効率性
と同時に、その外周部における導波路112の曲がりによ
って導波損失が生じる等の課題があり、また入射光の波
長変動や入射角変化による結合効率の低下に対する対策
はなされていなかった。ここに、113は入射光、114は薄
い誘電体層、115は誘電体層、116は導波光である。
本発明は、このような従来技術の課題を解決すること
を目的とする。
を目的とする。
課題を解決するための手段 本発明は、透明基板上に設けられた導波路と、前記導
波路の上に誘電体層を介して配置される円錐型反射プリ
ズムとによって構成され、結合長を0.4mm以下、導波路
厚みを0.5μｍ以上とし、導波路と誘電体層の屈折率差
異を0.3以下とすることを特徴とする光結合装置であ
る。また、円錐型反射プリズムの屈折率nPを次式により
決定することを特徴とする光結合装置である。
波路の上に誘電体層を介して配置される円錐型反射プリ
ズムとによって構成され、結合長を0.4mm以下、導波路
厚みを0.5μｍ以上とし、導波路と誘電体層の屈折率差
異を0.3以下とすることを特徴とする光結合装置であ
る。また、円錐型反射プリズムの屈折率nPを次式により
決定することを特徴とする光結合装置である。
nP＝（2N2−nG 2）1/2 （１） 但し、Ｎは等価屈折率、nGは前記誘電体層の屈折率で
ある。またさらに、ガウシアン分布をもつ入射光の強度
が1/e2となる半径rEと開口半径rAの比を0.3から0.6の範
囲にとることを特徴とする光結合装置である。
ある。またさらに、ガウシアン分布をもつ入射光の強度
が1/e2となる半径rEと開口半径rAの比を0.3から0.6の範
囲にとることを特徴とする光結合装置である。
作用 本発明は、円錐型反射プリズムによって半導体レーザ
の発光分布が反転され、導波路の放射特性分布に近い光
分布で入力結合が行なわれるため、高い入力効率を得る
ことができる。
の発光分布が反転され、導波路の放射特性分布に近い光
分布で入力結合が行なわれるため、高い入力効率を得る
ことができる。
さらに、結合長を0.4mm以下、導波路厚みを0.5μｍ以
上とし、導波路とギャップの屈折率差異を0.5以下とす
ることにより、入射光の波長変動、入射角変化に対する
許容幅が拡大し、安定した結合効率が得られる。円錐型
反射プリズムの屈折率nPを式（１）により決定すること
により、誤差の正負に対し対象的な誤差感度特性が得ら
れるため、結合効率が安定化される。また、ガウシアン
分布をもつ入射光の強度が1/e2となる半径rEと開口半径
rAの比を0.3から0.6の範囲にとることにより、高い結合
効率が実現される。
上とし、導波路とギャップの屈折率差異を0.5以下とす
ることにより、入射光の波長変動、入射角変化に対する
許容幅が拡大し、安定した結合効率が得られる。円錐型
反射プリズムの屈折率nPを式（１）により決定すること
により、誤差の正負に対し対象的な誤差感度特性が得ら
れるため、結合効率が安定化される。また、ガウシアン
分布をもつ入射光の強度が1/e2となる半径rEと開口半径
rAの比を0.3から0.6の範囲にとることにより、高い結合
効率が実現される。
実施例 以下に、本発明の実施例を第１図から第10図に基づい
て説明する。第１図は本発明の実施例における光結合装
置の構成を示し、第２図はその外観図である。第１図に
示すように、本発明の光結合装置は透明基板１上に設け
られた導波路２と、誘電体層３を介して配置される円錐
型反射プリズム４によって構成される。透明基板１側か
ら開口絞り５を通って入射する入射光６は円錐型反射プ
リズム４の円錐面で反射し、誘電体層３を通じて導波路
２内に導波光７となって入射する。導波光７は導波路２
内を放射状に伝搬し、同一基板上に形成された光集積回
路に光エネルギが供給される。本実施例では同一基板上
に形成されたリング状グレーティング８によって導波光
７を放射光９に変換する光学ヘッド装置を示した。尚、
この光学ヘッド装置は特開昭63−196588号公報で述べら
れているように、優れた集光特性を有するものである。
さて、入射光６は、導波路２、誘電体層３を一旦透過し
た後、円錐型反射プリズム４の円錐面で反射する。この
反射角θ１と円錐型反射プリズム４の頂角θ０は第３図
に示すように次のような関係にある。
て説明する。第１図は本発明の実施例における光結合装
置の構成を示し、第２図はその外観図である。第１図に
示すように、本発明の光結合装置は透明基板１上に設け
られた導波路２と、誘電体層３を介して配置される円錐
型反射プリズム４によって構成される。透明基板１側か
ら開口絞り５を通って入射する入射光６は円錐型反射プ
リズム４の円錐面で反射し、誘電体層３を通じて導波路
２内に導波光７となって入射する。導波光７は導波路２
内を放射状に伝搬し、同一基板上に形成された光集積回
路に光エネルギが供給される。本実施例では同一基板上
に形成されたリング状グレーティング８によって導波光
７を放射光９に変換する光学ヘッド装置を示した。尚、
この光学ヘッド装置は特開昭63−196588号公報で述べら
れているように、優れた集光特性を有するものである。
さて、入射光６は、導波路２、誘電体層３を一旦透過し
た後、円錐型反射プリズム４の円錐面で反射する。この
反射角θ１と円錐型反射プリズム４の頂角θ０は第３図
に示すように次のような関係にある。
θ１＝π/2−θ0/2 反射後、入射光６はθ２＝２θ１なる角度で進み、誘
電体層３の厚みが適切であればこれを介して導波路２内
に位相整合条件を満足するモードの光を励振し、これが
導波光７となる。尚、このときの位相整合条件は、円錐
型反射プリズム４の屈折率をnPとすれば次式で表わされ
る。
電体層３の厚みが適切であればこれを介して導波路２内
に位相整合条件を満足するモードの光を励振し、これが
導波光７となる。尚、このときの位相整合条件は、円錐
型反射プリズム４の屈折率をnPとすれば次式で表わされ
る。
nPsinθ２＝Ｎ 但し、Ｎは導波路２の等価屈折率である。
本来、角度θ２は誘電体層３の屈折率をnGとnPで決ま
る全反射条件を満たしており、円錐型反射プリズム４か
ら誘電体層３、さらには導波路２への光エネルギの伝達
はない。しかし、誘電体層３の厚みが薄くなると、全反
射の際にわずかにプリズム外部に漏れ出すエバネッセン
ト波によっで導波路２への光エネルギの伝達が生じ、導
波光７となる（以下これを、結合光と呼ぶ）。同様に、
導波路２から円錐型反射プリズム４への光の伝達も生
じ、これは導波光７からみれば損失となる（以下、これ
を損失光と呼ぶ）。
る全反射条件を満たしており、円錐型反射プリズム４か
ら誘電体層３、さらには導波路２への光エネルギの伝達
はない。しかし、誘電体層３の厚みが薄くなると、全反
射の際にわずかにプリズム外部に漏れ出すエバネッセン
ト波によっで導波路２への光エネルギの伝達が生じ、導
波光７となる（以下これを、結合光と呼ぶ）。同様に、
導波路２から円錐型反射プリズム４への光の伝達も生
じ、これは導波光７からみれば損失となる（以下、これ
を損失光と呼ぶ）。
一方、円錐型反射プリズム４の外側、つまり誘電体層
３が自由表面をもつ領域では、導波光７は完全に導波層
内に閉じこめられる。即ち、大気中（ｎ＝１、真空中も
同様）では前記の位相整合条件は満足できないからであ
る。従って、効率良く導波光７を励振するためには、誘
電体層３が円錐型反射プリズム４と接している領域にお
いて、結合光と損失光のバランスを適切に保たなければ
ならない。これには、誘電体層３の厚みの最適化が必要
なのはもちろんであるが、同時に入射する光の強度分布
を最適化する必要がある。
３が自由表面をもつ領域では、導波光７は完全に導波層
内に閉じこめられる。即ち、大気中（ｎ＝１、真空中も
同様）では前記の位相整合条件は満足できないからであ
る。従って、効率良く導波光７を励振するためには、誘
電体層３が円錐型反射プリズム４と接している領域にお
いて、結合光と損失光のバランスを適切に保たなければ
ならない。これには、誘電体層３の厚みの最適化が必要
なのはもちろんであるが、同時に入射する光の強度分布
を最適化する必要がある。
この目的に対して円錐型反射プリズム４を用いた構成
は好適である。つまり、第４図に示すように、円錐型反
射プリズム４を用いたことによって、入射時にガウシア
ン分布を有していた入射光６の入射光分布10Aが反転さ
れ、反射光分布10Bとなる。この反射光分布10Bは導波路
の放射特性10Cに極めて良く似た特性を有しており、入
射結合効率を最大にする上で最適な特性である。尚、第
４図に示した反射光分布領域を結合長Ｌとして定義す
る。
は好適である。つまり、第４図に示すように、円錐型反
射プリズム４を用いたことによって、入射時にガウシア
ン分布を有していた入射光６の入射光分布10Aが反転さ
れ、反射光分布10Bとなる。この反射光分布10Bは導波路
の放射特性10Cに極めて良く似た特性を有しており、入
射結合効率を最大にする上で最適な特性である。尚、第
４図に示した反射光分布領域を結合長Ｌとして定義す
る。
また、入射光６の光分布と開口絞りの関係も入射結合
効率を最適化する上で重要な要因である。つまり、第５
図に示す開口絞り５の半径rAと、入力光ガウシアン分布
10Aの光強度が1/e2となる半径rEの比を適切に選ぶこと
によって入射結合効率を最適化できる。第６図は、rE/r
Aについて入射結合効率を計算した結果の一例で、これ
より、rE/rAが0.3から0.6の範囲で80％を超える高い効
率が得らることが解る。
効率を最適化する上で重要な要因である。つまり、第５
図に示す開口絞り５の半径rAと、入力光ガウシアン分布
10Aの光強度が1/e2となる半径rEの比を適切に選ぶこと
によって入射結合効率を最適化できる。第６図は、rE/r
Aについて入射結合効率を計算した結果の一例で、これ
より、rE/rAが0.3から0.6の範囲で80％を超える高い効
率が得らることが解る。
一方、入射光の波長変動や入射角変化等の誤差要因発
生に対する入射結合効率の安定化対策として、結合長を
0.4mm以下、導波路厚みを0.5μｍ以上とし、導波路と誘
電体層の屈折率差異を0.3以下とすることが有用であ
る。
生に対する入射結合効率の安定化対策として、結合長を
0.4mm以下、導波路厚みを0.5μｍ以上とし、導波路と誘
電体層の屈折率差異を0.3以下とすることが有用であ
る。
入射結合効率は導波路の構造で決まるパラメータＤと
発生した誤差の大きさΔｅよって定義されるパラメータ
Ｆによって一意に決定され、第７図のような特性を有す
る。
発生した誤差の大きさΔｅよって定義されるパラメータ
Ｆによって一意に決定され、第７図のような特性を有す
る。
Ｆ＝ＤΔｅ （２） 尚、これは従来の１次元光結合器での解析結果である
が、定性的に本発明の光結合器にも適用可能である。誤
差が発生しない場合（Δｅ＝０）はＦ＝０となり、理論
最大効率81.4％が得られる。誤差が発生し、Ｆが大きく
なるに連れて効率が単調減少しているのがわかる。
が、定性的に本発明の光結合器にも適用可能である。誤
差が発生しない場合（Δｅ＝０）はＦ＝０となり、理論
最大効率81.4％が得られる。誤差が発生し、Ｆが大きく
なるに連れて効率が単調減少しているのがわかる。
さて、パラメータＤは波長誤差、入射角誤差それぞれ
について次式のように定義され、Ｄ（Δλ）、Ｄ（Δ
θ）の値の小さな導波路構成が誤差に対する安定化条件
となる。
について次式のように定義され、Ｄ（Δλ）、Ｄ（Δ
θ）の値の小さな導波路構成が誤差に対する安定化条件
となる。
ここで、λは光の波長、Ｗは導波路の厚み、Ｃは定数
（1.25）、他のパラメータは以下の通りである。
（1.25）、他のパラメータは以下の通りである。
Weff＝Ｗ＋1/γＳ＋1/γＧ kF＝ｋ（nF 2−N2）1/2 β＝kN γＳ＝ｋ（N2−nS 2）1/2 γＧ＝ｋ（N2−nG 2）1/2 但し、ｋは波数２π／λ、nSは透明基板１の屈折率で
ある。
ある。
Ｄ（Δλ）、Ｄ（Δθ）の値をグラフで表わしたのが
第８図、第９図である。これより、結合長Ｌ＝0.4mmで
は、Ｄ（Δλ）、Ｄ（Δθ）ともに著しく大きな値をと
ることが解り、結合長Ｌは0.4mm以下であることが望ま
しいと言える。また、導波路の膜厚Ｗについては、波長
誤差に関しては厚い目、入射角誤差については薄い目の
方が望ましい。ただ、波長誤差に対する厚い導波路の効
果が大きいため、膜厚の最適設計条件は0.5μｍ以上が
望ましい。また、導波路の屈折率については、Ｄ（Δ
λ）、Ｄ（Δθ）いずれも低い屈折率が望ましいことが
解る。これは、導波路の屈折率の絶対値ではなく、誘電
体層３の屈折率nGとの差が小さい方がよいことが計算に
より解っている。本実施例の計算ではnG＝1.5としてお
り、従って、導波路と誘電体層の屈折率差異を0.3以下
とすることが有用であることが解る。
第８図、第９図である。これより、結合長Ｌ＝0.4mmで
は、Ｄ（Δλ）、Ｄ（Δθ）ともに著しく大きな値をと
ることが解り、結合長Ｌは0.4mm以下であることが望ま
しいと言える。また、導波路の膜厚Ｗについては、波長
誤差に関しては厚い目、入射角誤差については薄い目の
方が望ましい。ただ、波長誤差に対する厚い導波路の効
果が大きいため、膜厚の最適設計条件は0.5μｍ以上が
望ましい。また、導波路の屈折率については、Ｄ（Δ
λ）、Ｄ（Δθ）いずれも低い屈折率が望ましいことが
解る。これは、導波路の屈折率の絶対値ではなく、誘電
体層３の屈折率nGとの差が小さい方がよいことが計算に
より解っている。本実施例の計算ではnG＝1.5としてお
り、従って、導波路と誘電体層の屈折率差異を0.3以下
とすることが有用であることが解る。
また、通常のプリズムを用いた光結合器においては第
10図の破線で示したように発生する誤差の正負によって
その感度が異なっている。これは、導波路の位相整合条
件が、プリズムの近接によって乱されることによる。こ
の乱れは円錐型反射プリズムの屈折率nPを次式により決
定することによってキャンセルされる。
10図の破線で示したように発生する誤差の正負によって
その感度が異なっている。これは、導波路の位相整合条
件が、プリズムの近接によって乱されることによる。こ
の乱れは円錐型反射プリズムの屈折率nPを次式により決
定することによってキャンセルされる。
nP＝（2N2−nG 2）1/2 （５） 但し、Ｎは等価屈折率、nGは前記誘電体層の屈折率で
ある。この条件によって、第10図の実線で示したような
誤差感度特性を実現することができ、入射結合効率の安
定化が図れる。
ある。この条件によって、第10図の実線で示したような
誤差感度特性を実現することができ、入射結合効率の安
定化が図れる。
発明の効果 以上説明したように、本発明により、円錐型反射プリ
ズムによる入力光強度分布の最適化が図れるため高効率
な入力結合が可能となり、さらに波長誤差、入射角誤差
の発生に伴う入射結合効率の低下を防ぎ、誤差に強い安
定な光結合器を得ることができる。
ズムによる入力光強度分布の最適化が図れるため高効率
な入力結合が可能となり、さらに波長誤差、入射角誤差
の発生に伴う入射結合効率の低下を防ぎ、誤差に強い安
定な光結合器を得ることができる。
第１図は本発明の一実施例における光結合装置の構成を
示す略示構造図、第２図はその斜視図、第３図は同実施
例における光結合装置の断面図、第４図は同実施例にお
ける円錐型反射プリズムによって、光分布が変換される
様子を示した原理図、第５図は同実施例における入射光
分布と開口絞りの関係を示すグラフ、第６図は同実施例
における入射光分布と開口絞りの半径比に対する入射結
合効率の特性図、第７図は同実施例における誤差パラメ
ータＦに対する入射結合効率の特性図、第８図は同実施
例における波長誤差に対するパラメータＤ（Δλ）の特
性図、第９図は同実施例における入射角誤差に対するパ
ラメータＤ（Δθ）の特性図、第10図は同実施例におけ
る誤差要因に対する安定化の原理図、第11図は、従来の
光結合装置の構成を示す略示構造図である。 １……透明基板、２……導波路、３……誘電体層、４…
…円錐型反射プリズム、５……開口絞り、６……入射
光、７……導波光、８……リング状グレーティング、９
……放射光、10A……入射光分布、10B……反射光分布、
10C……導波路の放射特性。
示す略示構造図、第２図はその斜視図、第３図は同実施
例における光結合装置の断面図、第４図は同実施例にお
ける円錐型反射プリズムによって、光分布が変換される
様子を示した原理図、第５図は同実施例における入射光
分布と開口絞りの関係を示すグラフ、第６図は同実施例
における入射光分布と開口絞りの半径比に対する入射結
合効率の特性図、第７図は同実施例における誤差パラメ
ータＦに対する入射結合効率の特性図、第８図は同実施
例における波長誤差に対するパラメータＤ（Δλ）の特
性図、第９図は同実施例における入射角誤差に対するパ
ラメータＤ（Δθ）の特性図、第10図は同実施例におけ
る誤差要因に対する安定化の原理図、第11図は、従来の
光結合装置の構成を示す略示構造図である。 １……透明基板、２……導波路、３……誘電体層、４…
…円錐型反射プリズム、５……開口絞り、６……入射
光、７……導波光、８……リング状グレーティング、９
……放射光、10A……入射光分布、10B……反射光分布、
10C……導波路の放射特性。
Claims (3)
- 【請求項１】透明基板上に設けられた導波路と、前記導
波路の上に誘電体層を介して配置される円錐型反射プリ
ズムを備え、結合長が0.4mm以下、前記導波路の厚みが
0.5μｍ以上であり、前記導波路と前記誘電体層の屈折
率差異が0.3以下であることを特徴とする光結合装置。 - 【請求項２】円錐型反射プリズムの屈折率nPが次式に nP＝（2N2−nG 2）1/2 より決定される（但し、Ｎは等価屈折率、nGは前記誘電
体層の屈折率である。）ことを特徴とする請求項１記載
の光結合装置。 - 【請求項３】ガウシアン分布をもつ入射光の強度がe2分
の１となる半径rEと開口半径rAの比が、0.3から0.6の範
囲にあることを特徴とする請求項１記載の光結合装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10934489A JPH0816728B2 (ja) | 1989-04-28 | 1989-04-28 | 光結合装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10934489A JPH0816728B2 (ja) | 1989-04-28 | 1989-04-28 | 光結合装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02287411A JPH02287411A (ja) | 1990-11-27 |
| JPH0816728B2 true JPH0816728B2 (ja) | 1996-02-21 |
Family
ID=14507846
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10934489A Expired - Lifetime JPH0816728B2 (ja) | 1989-04-28 | 1989-04-28 | 光結合装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0816728B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018094687A1 (zh) | 2016-11-25 | 2018-05-31 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种制备不饱和低级脂肪酸酯的方法 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7013067B2 (en) * | 2004-02-11 | 2006-03-14 | Sioptical, Inc. | Silicon nanotaper couplers and mode-matching devices |
| JP5772436B2 (ja) * | 2011-09-21 | 2015-09-02 | 沖電気工業株式会社 | 光結合器及び光デバイス |
| JP6101790B2 (ja) * | 2012-05-17 | 2017-03-22 | 日東電工株式会社 | 光結合装置および当該装置の製造方法 |
-
1989
- 1989-04-28 JP JP10934489A patent/JPH0816728B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018094687A1 (zh) | 2016-11-25 | 2018-05-31 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种制备不饱和低级脂肪酸酯的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02287411A (ja) | 1990-11-27 |
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