JPS6078406A - 光結合素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は光結合素子に関する。特に光集積回路を構成す
る導波路と光ファイバとを光結合させる光結合素子に関
するものである０ 従来例の構成とその問題点 従来光結合素子として、第１図（ａ）に示すパッドエン
ド型光結合素子、同（ｂ）のプリズム光結合素子。

同（Ｃ）のテーパ光結合素子などがある０以下に第１図
を用いて前記光結合素子の構成とその問題点について説
明する。

第１図（−）のパッドエンド型光結合素子は、基板１１
と導波路１２と光ファイバ１３とから構成し、上記導波
路１２と光ファイバ１３のコア１４との光軸を一致させ
且つ密着させている。上記構成においては、高結合効率
を得るため導波路１２とコア１４との開口数を一致させ
る。この場合、導波路１２の膜厚をコア１４の径に一致
させることが必要であり、単一モード光ファイバとの光
結合には、膜厚を６〜７μｍ、あるいは９〜１１μｍに
することにより、９０％以上の結合効率を得たとの報告
がある。導波路の伝送光ｔ１　は光フフイ・く１４に直
接結合して伝搬する。しかし、導波路幅４μｍ以下では
開口数が大きく異なるため高光結合効率を得ることがで
きず、実用に供さない。

膜厚の薄い、したがって４μｍ以下の導波路との光結合
には、第１図（ｂ）　、　（Ｃ）に示した構造が使用さ
れる。同図（ｂ）は導波路１２上にプリズム１５を密着
させ、波動光学から決定される結合角に伝送光ｔ２　を
配置すると、光ファイバ１４へ伝送され２る。この場合
の結合効率は、プリズム１６と導波路１２間のエアギャ
ップ１６１によって決定される。しかし、エアキャップ
１５１はテーパをなすことが必要であり、更に伝送光ｔ
２の広がりが大きい程テーバを小さくなシ、最適のテー
パが存在する。例えば、伝送光径が０．５８の場合、テ
ーパ０．２１Ｘ１０　’ラジアンで、結合効率９ｏ％が
得られている。しかし、テーパがＱ、１８Ｘ１０　フシ
アンになる結合効率は１０％以下になる。テーパは非常
に小さいため、テーパの制御は困難であるという欠点を
有していた。さらに、プリズム自体の加工も必要であり
、価格的に高価なものになるという欠点を合わせもって
いた。

以上の欠点を改善するために、第１図（ｃ）に示す構造
が提案された。こＪ構造は、基板１１上に設けた導波路
１２に均一膜厚領域１２１に連結してテーパ領域１２２
を設けると、導波路１２の伝送光ｔ３はテーパ領域１２
２から基板１１内に輻射される。基板１１と光フフイバ
１３とを密着させることによシ、導波光ｔ３を光ファイ
バ１３へと伝送させる。この場合導波光ちはテーパ領域
１２２からビーム径を広がりつつ伝搬する。例えば、膜
厚１．２μｍ、テーパ１／３００のガラス導波路の場合
、テーパ領域１２２の輻射中心から１Ｍ離れた点で４８
μｍに、２腸では９６μｍに導波光ちは広がる。したが
って、光ファイバとの結合を上げるために、光ファイバ
１３をテーパ領域１２２の終端に近接させることが必要
である。そのため、第２図に示すように、基板１１に光
ファイバを挿入する凹部１５を設は結合効率を上げ、９
６％以上の効率が得られている。しかし、凹部１６の光
ファイバ１３との密着面１６１の鏡面研磨が難しく実用
的ではない。又、この種の構造は、前記パッドエンド型
およびプリズム光結合素子と異なり、光７フイパ１３か
ら導波路１２への結合効率を上げることが原理的に困難
であった。すな′わち、光ファイバ１３からの伝送光は
基板内で自然数がシが生ずるので、導波路１１への光結
合効率を上げ得ないという問題を有していた。

発明者らは、上記テーパ光結合素子に工夫を加え、製造
プロセスが容易であり、低価格で高結合効率の得られる
構造を見い出し、光結合素子を発明した。

発明の目的 本発明は、上記従来例の有していた欠点もしくは問題点
を除去した製造プロセスが容易で、低価格でしかも高光
結合効率を有する光結合素子を提供することを目的とす
る。

発明の構成 本発明の光結合素子は、基板上に設けた均一膜厚領域に
連結してテーパ領域を設けた導波路と、上記基板上面と
テーパ領域終端部に近接する基板側壁面とのなす挟角を
鋭角とし、上記基板側壁面に屈折率分布型レンズと光７
アイパを連結させたことを特徴とするものである。

実施例の説明 以下本発明を、図を用いて説明する。

第３図は本発明にかかる光結合素子の構造を示す。同図
（−）は本構造の断面図、同図（ｂ）は千面図を示して
いる。

同図において、本発明にかかる光結合素子は基板１１上
に設けた均一膜厚領域１２１に連結してテーパ領域１２
２を設けた導波路１２と、上記基板上面１１１とテーパ
領域終端部１２３に近接する基板側壁面１１２とのなす
挟角２１を鋭角とし、上記基板側壁面１１２に屈折率分
布型レンズ２２と光ファイバ１３を連結させている。

本発明の構造においては、導波路内の伝送光１４はテー
パ領域１２２から輻射し基板１１内を広がυつつ伝送し
ていくが、屈折率分布型レンズ２２によシ、集光され光
ファイバ１３のコア１４内へと伝送される。屈折率分布
型レンズ２２は、テーパ領域１２２の輻射部１２４と光
ファイバのコア１４の端面１４１とが結像関係を有する
配置としている。従来、球面レンズを用いて光ファイバ
との結像関係を用いて結合させても、空気層による自然
広がりが大きく、又光ファイバー３と輻射光の開口径が
異なるため結合効率がコア径６０ｐｍノ の光ファイバでも７０％程度しか得られないとされてい
た。しかし、本発明者らは、屈折率分布型レンズを用い
ることにより、空気層を排除するに成功し新規の光結合
素子を発明したものである。

この場合、さらに屈折率分布型レンズ２２は基板側壁面
に密着しているため、見かけの焦点距離はおよそ屈折重
信となる。したがって、輻射部１２４゛　とコア端面１
４１の増倍率はほぼ１となるため、単一モードファイバ
（コア径６μｍ、又は１ｏμｆｒＬ）との光結合も可能
となった。

本発明にかかる構造を詳細に検討した結果、スラブ型導
波路（二次元導波路）のみならず、矩型導波路（三次元
導波路）において特に有効であることを見い出し、新規
の光結合素子を発明した。

すなわち、第４図に示す構造とすると良いことを見い出
した。第４図（ａ）は膜厚に差を設は厚膜厚部を導波路
としたリッジ型導波路からなる光結合素子を示す。同図
中）は帯状の誘電体をスラブ型導波路上に装荷したロー
ド型導波路（別体の凸部１２１′を形成した導波路）か
らなる光結合素子を示す。

同図（Ｃ）は、同図（ａ）の平面図を示す。すなわち、
第４図（−）　、　（Ｃ）を用いて説明すると、第３図
に説明したスラブ型導波路を矩型導波路４１としている
。

この場合、導波路４１の伝送光ｔ５は、上記テーパ領域
１２２から輻射し、自然広がりにより広がυつつ基板１
１内を伝送し、屈折率分布型レンズ２２により集光され
、光ファイバ１３と光結合する。矩型導波路４１の場合
、横方向にも伝送光が閉じ込められているため、均一膜
厚領域１２１を長距離にわたって光波が伝送されても自
然広がりが無いため光結合効率は伝送距離に左右されな
い利点を有している。

発明者らはテーパ領域の構造に最適のあることを見い出
し、新規の光結合素子を発明した。第６図に一体の凸部
構造を有するいわゆるリッジ型導波路を用いた場合の平
面図（−）および断面図（ｂ）を示す。破線より上の部
分かりソジ部である。すなわち、矩型導波路４１におい
て、テーパ領域１２２を均一膜厚領域１２１から膜厚を
減少させ且つ導波路幅５１を減少させた構造とする０本
発明の構造とすると、導波路１２の伝送光ｔ６は、上記
テーパ領域１２２から輻射し、自然広がシを持ち伝送さ
れ、屈折率分布型レンズ２２により集光され光ファイバ
１３と光結合する。本構造の特徴は、導波路幅５１をテ
ーパ領域１２２で減少させて行く点にある。スラブ型導
波路の場合、テーパ領域において、伝送光は膜内の伝搬
モードのみならず輻射モードを有するようになり、ある
臨界膜厚で全て輻射モードとなり基板内を伝送する。本
発明の第５図の構成においては、膜厚にテーパを持たせ
たのみならず、導波路幅を減少させて導波路幅にもテー
パを持たせているため、膜厚および導波路幅により導波
路内での伝搬モードが制限され輻射モードに変換され基
板内へと伝送される。このため、伝送光は円錐状に広が
るため、導波路から基板へ光が輻射している輻射部１２
４と光フフイバ端面との屈折率分布型レンズによる結像
関係が良く一致し良好の光゛結合の得られるこ、とを確
認した。仮に１導波路幅にもテーパを設けない場合は、
導波路幅方向の伝送光は平行光の自然広がシと見なして
よく完全には結像関係は一致しなくなるため、結合効率
は、導波路にテーパを設けたものに比して劣っていた。

又、本発明にかかる構造においては従来例と異なシ、屈
折率分布型レンズを使用しているため、光ファイバから
の伝送光も導波路に結合できる利点を有している。従来
例では、光ファイバからの伝送光は自然広がりのため光
結合効率を上げ得なかったが、本発明ではその点を除去
している。

以下に本発明の内容をよく理解できるように具体的な実
施例をあげて説明する。

本発明の実施例を第６図により具体的に説明する。例え
ば、石英基板１１（屈折率１．４６）の表面に７０６９
ガラス（屈折率１．５）をマスクを基板表面から浮かせ
てスパッタ蒸着すると、テーパ領域１２２をもつ導波路
が形成される。例えば膜厚１．２μｍ、テーパ１／３ｏ
Ｏの導波路の場合、輻射光は基板表面から３°の位置に
中心を有し、半値幅２°で伝送されるので、挟角を８７
°にすべく基板側壁面を鏡面研磨し、ロンドレンズを介
してコア径６０μｍの光ファイバへの結合素子を作製す
ると、光結合効率９０チを得た。以上の説明は導波路の
積層型について述べたが、拡散型についても同様である
。又、本発明は導波路から光ファイバへの光の結合につ
いて述べたが、逆に光ファイバから導波路への光の結合
も本発明にかかる構造で同等の結合効率を得ることが出
来た。

発明の効果 以上のように、本発明にかかる光結合素子は、屈折率分
布型レンズを使用するのみで、４μｍ以下の膜厚の導波
路でも高光結合を得ることが出来る。又、導波路の屈折
率の大きい材料の場合でも、プリズム結合素子の場合、
Ｇｅ、ＧａＰ、ＧａＡｓ等の高価な材料をプリズムとし
て使用する必要となる。

更に屈折率が高くなると光結合は不可能となる。

しかし、本発明にかかる光結合素子では屈折率分布型レ
ンズを使用するだけでよく低価格化が可能となる。した
がって、本発明の光結合素子を使用することにより、光
集積回路の光結合が低価格で値は高いものである。

図は他の従来の光結合素子の要部断面図、第３図（ａ）
　、　（ｂ）はそれぞれ本発明の光結合素子の１実施例
の要部断面図と平面図、第４図（ａ）　、　（ｂ）と同
図（ｃ）はそれぞれ本発明の他の実施例の光結合素子の
要部断面図と平面図、第５図（ａ）　、　（ｂ）はそれ
ぞれ本発明の他の実施例の光結合素子の要部断面図、平
面図である。

１１・・・・・・基板、１２１・・・・・・均一膜厚領
域、１２２・・・・・・テーバ領域、１３・・団・光フ
ァイバ、１４・・・・・・コア、２２・・・・・・屈折
率分布型レンズ、４１・・・・・・導波路。

代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　はが１名苑３
図 （ａ） （ｂ） ２

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に設けた均一膜厚領域に連結して一テーパ
   領域を設けた導波路と、上記基板上面とテーパ領域終端
   部に近接する基板側壁面とのなす挟角を鋭角とし、上記
   基板側壁面に屈折率分布型レンズと光ファイバを連結さ
   せたことを特徴とする光結合素子〇
2. （２）導波路を矩型導波路としたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の光結合素子。
3. （３）導波路を矩型導波路とし、テーパ領域を均一膜厚
   領域から膜厚を減少させ且つ導波路幅を減少させた構造
   としたことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の光
   結合素子。