JPH11281833A - グレーティングカプラ - Google Patents

グレーティングカプラ

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JPH11281833A
JPH11281833A JP8633898A JP8633898A JPH11281833A JP H11281833 A JPH11281833 A JP H11281833A JP 8633898 A JP8633898 A JP 8633898A JP 8633898 A JP8633898 A JP 8633898A JP H11281833 A JPH11281833 A JP H11281833A
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JP
Japan
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light
optical waveguide
substrate
waveguide layer
grating
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JP8633898A
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English (en)
Inventor
Naoki Nishida
直樹 西田
Hiroshi Yugame
博 遊亀
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Minolta Co Ltd
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Minolta Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光結合効率の高いグレーティングカプラを得
る。 【解決手段】 基板10と、この基板10上に設けられ
た光導波層20と、この光導波層20上に形成されたグ
レーティング21,22とを備えたグレーティングカプ
ラ。基板10と光導波層20との界面に光反射層15が
設けられている。グレーティング21上の点Aに入射す
る光L1の基板側放射光L3は光反射層15の点Cで反射
し、点Bで導波光L4と位相を合わせて伝搬する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はグレーティングカプ
ラ、詳しくは、基板上に光導波層とグレーティングを設
け、グレーティングによって外部と光導波層とを光学的
に結合するグレーティングカプラに関する。
【0002】
【従来の技術と課題】一般に、光導波路は、基板上ある
いは基板に形成した低屈折率の光学バッファ層上に高屈
折率の光導波層を設け、光導波層の表面は空気(低屈折
率層)とし、半導体レーザから放射されたレーザビーム
を光導波層に入力して導波させ、光導波層から出力させ
る。このとき、IDT(inter−digital−transducer、
くし型電極)から光導波層に表面弾性波を発生させ、レ
ーザビームを偏向させる。レーザビームを光導波層に入
力又は出力させる結合は、プリズムを用いること、光導
波層端面を用いること及びグレーティングを用いること
が実用に供されている。グレーティングはプレーナ技術
によって作製でき、小型で安定した特性を有し、安価で
あり、従来から薄膜光導波路に光を入力又は出力するの
に用いられてきた。
【0003】しかし、グレーティングカプラは原理的に
光の回折現象を利用するため、基板の裏側へ透過してし
まう基板側放射光が存在し、光導波層を伝搬する導波光
の効率が本質的に50%以下になり、結合効率が低下す
ることは避けられなかった。その解決方法として、基板
裏面の形状を加工したり、プリズムを設置して基板側放
射光を導波光と結合させることが知られている。しか
し、基板裏面を加工するという余分な工程や、プリズム
という別部品を設置しなければならない。しかも、この
ような結合を達成するためのグレーティングのピッチは
約0.2μmとなり、その作製は非常に困難である。ま
た、断面形状が三角形のブレーズドグレーティングとす
ることも考えられるが、その設計、作製は複雑である。
【0004】そこで、本発明の目的は、基板側放射光を
光導波層の導波光と結合させて結合効率の高いグレーテ
ィングカプラを提供することにある。
【0005】
【発明の構成、作用及び効果】以上の目的を達成するた
め、本発明に係るブレーズドグレーティングは、基板と
光導波層との界面に光反射層を設けた。光反射層は反射
率の高い金属膜(Au,Pt,Al等)が好ましい。本
発明においては、基板側放射光が前記光反射膜で反射さ
れ、光導波層を伝搬する導波光と結合され、結合効率が
向上する。
【0006】また、結合効率をより高めるためには、光
反射層で反射された光がグレーティング上で入射光と位
相整合することが望ましい。それには、光導波層の膜厚
をこのような位相整合条件を満足するように設定すれば
よい。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係るグレーティン
グカプラの実施形態について添付図面を参照して説明す
る。
【0008】(光導波路デバイス、図1参照)図1は本
発明に係るグレーティングカプラを備えた光導波路デバ
イスを示し、概略、基板10上に積層された光導波層2
0上に入射用グレーティング21及び出射用グレーティ
ング22を形成したものである。さらに、光導波層20
上にはIDT25が形成され、電源26からこのIDT
25に印加される電圧で連続的に周波数が変化する表面
弾性波を光導波層20に発生させることで、導波光を偏
向させる。
【0009】(第1実施形態、図2参照)図2(A)は
入射用グレーティングカプラでの光結合の様子、図2
(B)は出射用グレーティングカプラでの光結合の様子
を示している。それぞれのカプラは、ガラスあるいはサ
ファイアからなる基板10上にZnOからなる光導波層
20を積層し、基板10と光導波層20との界面に金属
製光反射層15を設けたものである。光導波層20の表
面にはグレーティング21,22がそれぞれ形成されて
いる。
【0010】グレーティング21の点Bに入射した光L
2は導波光L4として光導波層20を伝搬する。点Aに入
射する光L1の基板側放射光L3は界面光反射層15の点
Cで反射し、点Bで導波光L4と位相を合わせて伝搬す
る。一方、図2(B)に示すように、導波光L8はグレ
ーティング22の点Aから出射光L5として出力される
が、その基板側放射光L7は界面光反射層15の点Cで
反射され、出射光L6として点Bから出力される。
【0011】図3(A),(B)は、界面光反射層が形
成されていない従来のグレーティングカプラでの光結合
の様子を参考のために示す。図3(A)に示すように、
グレーティング21に入射した光L9は、回折されて導
波モードとなる導波光L11と、非回折光であって基板1
0の裏面に漏洩する基板側放射光L10とに分かれる。
【0012】これに対して、本発明に係るグレーティン
グカプラでは、図2(A)に示したように、グレーティ
ング21のA点に入射する光L1のうち、非回折光であ
る基板側放射光L3が界面光反射層15上の点Cで反射
され、再びグレーティング21の点Bに入射する。この
再入射光がグレーティング21で回折されて導波光L 4
となる。この再入射光は従来では基板10の裏面に漏洩
していた光であり、本発明では光の利用効率が向上す
る。
【0013】また、導波光の出射に関しても、従来は図
3(B)に示すように、グレーティング22で回折され
た導波光L14の基板側放射光L13は、そのまま基板10
の裏面に漏洩していた。これに対して、本発明に係るグ
レーティングカプラでは、図2(B)に示したように、
導波光L8の基板側放射光L7は界面光反射層15の点C
で反射され、再びグレーティング22の点Bに入射す
る。この再入射光が非回折光として空気側に放射して出
射光L6となる。この再入射光は従来では基板10の裏
面に漏洩していた光であり、本発明では出射部分でも光
の利用効率が向上する。
【0014】ところで入射結合に関して、空気(外部媒
質)側から点Bに入射する光L2と基板10側から点B
に入射する光L1(基板側放射光L3)の位相が点Bで整
合すれば、この二つの入射光に起因する導波光L4は強
め合うことになる。即ち、導波光L4の強度は、以下の
式(1)で表される位相整合条件を満たしたとき、最大
となる。
【0015】 |DB|*−2|AC|*=2mπ …(1) m=0,±1,±2,±3,…
【0016】ここで、|DB|*は点DB間の位相差で
あり、入射光の波長をλ、媒質(空気)の屈折率を
c、DB間の距離を|DB|とすると、以下の式
(2)で定義される。|AC|*についても同様に定義
される。 |DB|*=2πnc|DB|/λ …(2)
【0017】次に、距離|DB|,|AC|,位相差|
DB|*,|AC|*の具体的な計算方法について説明す
る。 |DB|=2dftanαsinθ …(3) |AC|=df/cosα …(4) |DB|*=4πncftanαsinθ/λ …(5) |AC|*=2πnff/λcosα …(6)
【0018】前記式(3)〜(6)において、nfは光
導波層の屈折率、dfは光導波層の膜厚、ncは上部媒質
(空気)の屈折率、λは入射光の波長、θは入射角度を
示す。また、αは光導波層での屈折角度であり、以下の
式(7)で表される。 α=sin-1(ncsinθ/nf) …(7)
【0019】ここで、式(3)〜(6)を前式(1)へ
代入すると、位相整合の条件式は以下の式(8)で表さ
れることになる。 2π{2ncftanαsinθ−(nff/cosα)}/λ=2mπ …(8) m=0,±1,±2,±3,…
【0020】次に、図2(A),(B)に示すグレーテ
ィングカプラをその製造方法と共に具体的に説明する。
基板10としてはサファイアC面を用いた(図4(1)
参照)。光反射層15としてはAuを用い、マグネトロ
ンスパッタ法、真空蒸着法等により基板10上に成膜し
た(図4(2)参照、符号31は成膜時に用いるマスク
を示す)。この光反射層15上に成膜される光導波層2
0の結晶性、配向性、表面荒さ等は、基板10上に直接
成膜した光導波層よりも劣化する場合があるため、光反
射層15の膜厚は、必要な反射率を確保した上で、でき
るだけ薄くすることが望ましい。本発明者らの実験では
0.1μmに成膜した。また、同様の理由により、スパ
ッタ時にマスク31を設けることにより、光反射膜15
をグレーティング21,22に対応する部分にのみ成膜
した。
【0021】さらに、光導波層20としてはZnO(n
f:1.99)を用い、マグネトロンスパッタ法で成膜
した(図4(3)参照)。光導波層20の膜厚は、前述
した位相整合条件を考慮して1.07μmとした。グレ
ーティング21,22は、光導波層20上に塗布したフ
ォトレジスト32を電子線描画法でパターニングし(図
4(4)参照)、リアクティブイオンエッチング法でエ
ッチングし(図4(5)参照)、その後フォトレジスト
32をアッシングにて除去することで完成させた(図4
(6)参照)。
【0022】以上の如く作製された光導波路に対して、
光源としてHe−Neレーザ(λ:0.6328μm)
を用いて入射光強度と出射光強度を測定し、光導波損失
の影響を考慮して結合効率を算出した。導波モードはT
E0モードを用い、そのときの入射角度は66.6°で
あった。測定の結果、結合効率は従来例の15%から5
0%へと改善された。
【0023】(第2実施形態、図5参照)本第2実施形
態は、図5に示すように、グレーティング23を基板1
0と光導波層20との界面に形成したものである。この
場合、基板10上にグレーティング23を形成し、この
グレーティング23上に金属光反射層16を密着性よく
成膜する。
【0024】(第3実施形態、図6参照)本第3実施形
態は、図6に示すように、光反射層17を4層のマルチ
コートによって成膜したものである。以下の第1表は各
層の材料、屈折率、膜厚の一例を示す。マルチコートは
真空蒸着法、スパッタ法等で成膜する。
【0025】
【表1】
【0026】図6の構成では、光導波層20から基板1
0に入射する光の入射角度は27.5°になる。この場
合、基板10と光導波層20との界面での反射率は波長
λが0.6328μmのとき、第1表に示した構成の光
反射層17を用いると、約80%になる。図7はこの光
反射層17の波長に対する反射率を示す。
【0027】(他の実施形態)なお、本発明に係るグレ
ーティングカプラは前記実施形態に限定するものではな
く、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
特に、基板としてはサファイアやガラス以外に、シリコ
ンを用いてもよい。シリコンを基板として用いる場合
は、その表面に光学バッファ層としてSiO2(屈折率
1.46)を熱酸化法等で形成する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るグレーティングカプラを備えた光
導波路デバイスを示す斜視図。
【図2】本発明の第1実施形態であるグレーティングカ
プラにおける光結合状態を示す説明図、(A)は入射
部、(B)は出射部を示す。
【図3】従来のグレーティングカプラにおける光結合状
態を示す説明図、(A)は入射部、(B)は出射部を示
す。
【図4】図2に示したグレーティングカプラの作製プロ
セスの説明図。
【図5】本発明の第2実施形態であるグレーティングカ
プラにおける光結合状態を示す説明図。
【図6】本発明の第3実施形態であるグレーティングカ
プラにおける光結合状態を示す説明図。
【図7】図6に示した光反射層での波長に対する反射率
を示すグラフ。
【符号の説明】
10…基板 15,16,17…光反射層 20…光導波層 21,22,23…グレーティング

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板と、この基板上に設けられた光導波
    層と、外部と光導波層とを光学的に結合するグレーティ
    ングとを備えたグレーティングカプラにおいて、前記基
    板と前記光導波層との界面に光反射層を設けたことを特
    徴とするグレーティングカプラ。
  2. 【請求項2】 以下の式を満足するように前記光導波層
    の膜厚が設定されていること。 2π{2ncftanαsinθ−(nff/cos
    α)}/λ=2mπ m=0,±1,±2,±3,… nc:光導波層上の媒質の屈折率 df:光導波層の膜厚 nf:光導波層の屈折率 θ:光導波層への入射角度 α:光導波層での屈折角度 を特徴とする請求項1記載のグレーティングカプラ。
JP8633898A 1998-03-31 1998-03-31 グレーティングカプラ Pending JPH11281833A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101915965A (zh) * 2010-08-23 2010-12-15 清华大学 光栅耦合器及其封装结构
WO2014061719A1 (ja) * 2012-10-19 2014-04-24 国立大学法人北海道大学 光電変換装置、建築物および電子機器
JP2019185037A (ja) * 2018-03-30 2019-10-24 中強光電股▲ふん▼有限公司 光導波装置及び表示器

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