JP2850996B2

JP2850996B2 - 光結合デバイス

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Publication number: JP2850996B2
Application number: JP21405493A
Authority: JP
Inventors: 修三冨; 和生笠谷; 充永沼
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1993-08-30
Filing date: 1993-08-30
Publication date: 1999-01-27
Anticipated expiration: 2014-01-27
Also published as: JPH0763935A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光導波路を伝わる光波
のスポットサイズを低損失で変換する光結合デバイスの
構成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
モード光ファイバとの間を光結合させる場合、ＬＤ素子
端面と光ファイバを直接突合せ結合（バットジョイン
ト）させると、互いの光導波路における光波のスポット
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１μｍであり、光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
することによって結合損失を低減化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イファイバとの間を、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、５０３は半導体基板、５０１はＬＤ
の活性領域（光導波路コア部に相当）、５０９はレン
ズ、５０７は光ファイバ、５０８は光ファイバを一定間
隔で固定するためのＶ−グルーブアレイである。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ことにより、ＬＤと光ファ
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、
（Ｃ）は動作原理を説明するための特性図である。すな
わち、図６（Ｃ）から分かるように、光導波路のコア６
０１の比屈折率差Δｎ［＝（ｎ−ｎ₁ ）／ｎ₁ 、ｎ₁ ，
ｎはそれぞれクラッド層６０３，コア層６０１の屈折
率］を一定の大きさに固定した場合、コア６０１の厚さ
ｔ、もしくは幅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
ると多モード光導波路になり、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６
０１の大きさｔ，ｗの設計においては、光入射端側（Ｌ
Ｄとの結合側）では、ＬＤ光のスポットサイズ（約１μ
ｍ）と同程度のスポットサイズＷ_i を与える寸法ｗ_i ，
ｔ_i （＝数１００ｎｍ〜数μｍ）に、光出射端側では、
光ファイバのスポットサイズ（約５μｍ）と同程度の大
きさＷ₀ を与える寸法ｔ₀ ，ｗ₀ （＝数１０〜数１００
ｎｍ）に設定される。また、コア６０１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、〜１００μｍから数ｍｍ以上の長さに設定され
る。しかし、光出射端側の寸法ｔ₀ ，ｗ₀ を小さくして
Ｗ₀ を大きくすると、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のに対し、光導波路の光
強度分布は、規格化周波数ｖが１より小さくなるため
に、指数関数形状になる。このため、形状の不整合によ
る結合損失がある。また、光閉じ込めが極めて弱い光導
波路を使用しているために、光導波路内の僅かな構造欠
陥や材質揺らぎによって放射損失が生じ易い欠点があっ
た。また、コアの寸法ｗ，ｔの小さい領域でスポットサ
イズＷが急激に大きくなる。そのため作製時の寸法のゆ
らぎが、光ファイバとの結合損失の大きさに、大きな変
動を与える。したがって製作の再現性に厳しい要求が課
せられていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上述
した欠点を解決し、異なる２つの光機能素子、特に複数
の光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、製作の容易な光結合デバイスを提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に従う光結合デバ
イスは、互いに異なった構造の光機能デバイスを低損失
で光結合する光結合デバイスであって、少なくとも幅も
しくは厚さを光の伝搬方向において徐々に変化させた、
少なくとも一本の光導波路コアと、前記光導波路コアを
取り囲むように構成した第１のクラッド領域と、前記第
１のクラッド領域を取り囲むように構成した第２のクラ
ッド領域とを少なくとも含み、かつ前記第２のクラッド
の屈折率の大きさを、前記第１のクラッドの屈折率より
小さくしたことを特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明では、光導波路のコア部を２層のクラッ
ドで取り囲みコアを直接包囲する内側の第１のクラッド
領域（層）の屈折率を外側の第２のクラッド領域（層）
の屈折率より大きく、コアの屈折率より小さくなるよう
に構成するとともに、コア部のテーパ形状の少なくとも
幅もしくは厚さを光伝搬方向に変化させると光ファイバ
との結合損失が低減し、かつ、光閉じ込めが強化されて
放射損失が低減する。従って、低損失な特性を得るとと
もに製作性を改良した光結合デバイスを実現できる。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例と原理
を詳細に説明するが、本発明はこれに限定されないこと
は勿論である。

【０００９】図１は、本発明による光結合デバイスの一
例であり、図１（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図、
（Ｃ）は上面図である。１０１は光導波路のコア層、１
０２は第１のクラッド領域Ｉ、１０３は第２のクラッド
領域II、１０４は入射光、１０５は出射光、１０６は光
入射端部、１０７は光出射端部である。テーパ状のコア
層によって、入射光１０４のＬＤ光波スポットサイズを
徐々に変化させ、光出射端部１０７に接続される光機能
デバイス（例えば光ファイバ）との結合損失が小さくな
る適当なサイズに変換している。ここで、第１のクラッ
ド領域の幅，厚さはそれぞれｗ_c1，ｔ_c1に設定される。
コア層１０１の幅ｗ，厚さｔは、レーザとの接続部、す
なわち、光入射端部１０６では半導体光機能素子のスポ
ット形状と同様の大きさを与えるｗ_i ，ｔ_i に設定さ
れ、光出射端部１０７では、そこに接続される光ファイ
バとの結合損失が小さくなるようなｗ₀ ，ｔ₀ の大きさ
に設定される。コア層，第１のクラッド領域，第２のク
ラッド領域の屈折率の大きさは、それぞれｎ，ｎ₁ ，ｎ
₂ であり、ｎ＞ｎ₁ ＞ｎ₂ の関係になっている。

【００１０】図２（Ａ），（Ｂ）は、本発明の原理を説
明するための図であり、それぞれ図１の実施例の光入射
端部，光出射端部での導波光フィールド強度分布を表
す。光入射端部（半導体レーザ側）では、光波をコア部
と第１のクラッド領域Ｉに分布させており、コアは閉じ
込めの強い状態になっている。これに対し、光出射端部
では、コアは閉じ込めの弱い状態になっている。ｎ₁ ＞
ｎ₂ の関係があるために、光波はコアと第１のクラッド
領域Ｉ内に主に分布しており、第２のクラッド領域IIで
フィールド強度は弱くなっている。図２（Ｃ）は、従来
の実施例（本発明でｗ_c1，ｔ_c1→∞の場合に相当）の光
出射端部のフィールド強度分布である。本発明では、こ
の従来例（図６（Ａ），（Ｂ））と比較して、第１のク
ラッド領域Ｉの大きさｗ_c1，ｔ_c1を適当な大きさに設定
することによって、光ファイバとの結合損失を小さくす
るとともに、光がコア，第１のクラッド領域Ｉに強く閉
じ込められるために放射損失が低減する。

【００１１】図３は、本発明の効果を説明するための図
であり、図３（Ａ）は光出射端部１０７（ファイバ接続
側）でのコアの幅ｗ₀ ，第１のクラッドの幅ｗ_c1と光フ
ァイバとの結合損失特性の関係を、図３（Ｂ）はテーパ
光導波路において光入射端部１０６から基本モードを励
振したときのテーパ長Ｌと放射損失特性の関係をそれぞ
れスラブ光導波路モデルにより計算した結果を示し、
（Ｃ）は光結合デバイスのコア部のテーパ形状を示す上
面図である。ここで、（Ａ）は、コアの屈折率ｎ＝３．
３、第１のクラッド領域Ｉの屈折率ｎ₁ ＝３．１７、第
２のクラッド領域の屈折率ｎ₂ ＝１．０、波長λ＝１．
５５μｍにおいて、第１のクラッド領域Ｉの幅ｗ_c1を種
々変えた（５μｍ，１０μｍ，１５μｍ，∞）場合の結
合損失特性であり、また、（Ｂ）は、（Ｃ）に上面図を
示すテーパ形状のコア部を有する光結合デバイスを使用
して、ｎ＝３．３、ｎ₁ ＝３．１６６、ｎ₂ ＝１．０、
光入射端部側のコアの幅ｗ_i ＝０．２５μｍ、光出射端
部側のコアの幅ｗ_b ＝０．０５μｍでｗ_i を種々変えた
（１０μｍ，２０μｍ，３０μｍ，∞）場合の放射損失
特性であり、ｗ_c1＝∞は従来例の特性を表す。図３
（Ａ）より、ｗ₀ ，ｗ_c1を適当な大きさに設定すること
により、光ファイバ結合損失を小さくでき、しかも従来
例と比較して、ｗ₀ の大きさに対する製作トレランスが
緩和されることが分かる。これは、ｗ₀ の小さい領域に
おける結合損失の変化が、従来に比べてゆるやかになっ
ているからである。また、図３（Ｂ）より、テーパ長Ｌ
を従来例と同じにすると放射損失を低減でき、放射損失
を同じ大きさにするとテーパ長Ｌを大幅に短縮化できる
ことが分かる。なお、本構造では、第１のクラッド領域
の幅ｗ_c1が有限の大きさになるので、高次モードも導波
するマルチモード光導波路になっているが、高次モード
変換による損失は小さいことが分かる。本計算値は概算
値であるが、例えば有限差分法や有限要素法等により正
確な光導波路構造設計ができる。

【００１２】屈折率ｎ，ｎ₁ ，ｎ₂ の大きさは、誘電体
材料や半導体材料の組成、あるいはプラズマ効果を利用
して不純物ドーピング濃度を適当に設定することにより
任意に設定できる。例えば、半導体ＩｎＰを用いた場
合、波長λ＝１．５５μｍ帯の光に対してはｎ＝３．１
７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、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その実効
的屈折率を設定できる。半導体材料を用いる場合、例え
ばエピタキシャル成長技術、あるいはフォトリソグラフ
ィ技術等によって、本例の光結合デバイスを製作するこ
とができる。

【００１３】以上の説明では、第１，第２のクラッド領
域の屈折率ｎ₁ ，ｎ₂ は均一の場合を説明したが、第
１，第２のクラッド領域内でそれぞれ概ね等しくなる材
料で構成すれば本発明と同様の効果を得ることができ
る。図４は本発明の光結合デバイスの他の例を示す断面
図であり、半導体基板４０３上に、コア層４０１，第１
のクラッド層４０２を形成した後、さらに第２のクラッ
ド層４０６を埋め込むように形成した場合である。この
場合、半導体基板４０３は第２のクラッド層として構成
してあり、基板４０３の屈折率ｎ₂₁と第２のクラッド層
４０６の屈折率ｎ₂₂が異なった大きさであっても、第１
のクラッド層の屈折率ｎ₁ に対して、ｎ₁ ＞ｎ₂₁，ｎ₂₂
の関係があれば、上述の実施例と同様の効果を得ること
ができる。従って、第２のクラッド層４０６を空気で構
成してもよい。また、第１のクラッド層４０２を複数の
異なった材料で構成するなど、非対象構造にしても同様
の効果を得ることができる。

【００１４】以上の説明では、光出射端部側のコアの寸
法ｗ₀ ，ｔ₀ を光入射端部側のコアの寸法ｗ_i ，ｔ_i よ
り充分小さくしてスポットサイズを拡大する場合につい
て説明したが、例えばｗ_i はより広くｔ_i は極端に薄く
してコアを構成する、あるいは、寸法もしくは屈折率の
異なる複数のコアの層を組み合わせて、少なくともその
一部の層の寸法をテーパ形状にしてスポットサイズを変
換してもよい。

【００１５】さらに、コアのテーパ形状を直線状の場合
を示したが、放物線あるいは指数関数状等の曲線状にし
てもよい。また、光の進行方向を逆にすれば、逆スポッ
トサイズ変換も可能である。

【００１６】以上、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
いはガラス光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、それら光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材質，
寸法を設定すれば、低結合損失の特性を実現できること
は自明である。

【００１７】本発明の光結合デバイスは半導体材料で構
成できるので、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出射端部に、本発明の光
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、光機能素子光導波路を形成する時に、本発
明の光結合用光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、互いの光導波路を直接突合せる
ように光結合用テーパ光導波路を形成してもよい。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では光導波
路のコア部をテーパ状に形成し、その周囲に２重のクラ
ッド層を形成することにより、低損失で製作性の優れた
光結合デバイス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。（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図および（Ｃ）は上
面図である。

【図２】本発明の動作原理を説明するための図であり、
（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ、本発明によるテーパ光導
波路の入・出射端部の光フィールド強度分布を示した線
図、（Ｃ）は従来のテーパ光導波路出射端部の光フィー
ルド強度分布を示した線図である。

【図３】本発明の動作原理を説明するための図であり、
（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ、光導波路の構造，材質，
寸法と、光ファイバ結合損失，テーパ部放射損失との関
係を示した線図、（Ｃ）はコア部のテーパ形状を示す模
式的上面図である。

【図４】本発明による光結合デバイスの他の構成例を示
す断面図である。

【図５】従来の光結合方法を示した模式的上面図であ
る。

【図６】従来の光結合デバイスの構造と動作原理を示し
た図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は断面図、（Ｃ）
は特性図である。

【符号の説明】

１０１光導波路のコア層１０２第１のクラッド領域１０３第２クラッド領域もしくは半導体基板１０４入射光１０５出射光１０６光入射端部１０７光出射端部４０１光導波路のコア層４０２第１のクラッド領域４０３第２のクラッド領域もしくは半導体基板４０６第２のクラッド層５０１光導波路のコア層５０３第２のクラッド領域もしくは半導体基板５０７光ファイバ５０８Ｖ−グルーブアレイ５０９レンズ６０１光導波路のコア層６０３第２のクラッド領域もしくは半導体基板６０４入射光６０５出射光Ｌテーパ長ｎコアの屈折率ｎ₁ 第１のクラッド領域の屈折率ｎ₂ 第２のクラッド領域の屈折率ｔ₀ 第１のクラッド領域の厚さｗ₀ 第１のコアの幅ｗ_i 光入射端部側のコアの幅ｗ_c1 第１のクラッド領域の幅

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/122 G02B 6/42

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに異なった構造の光機能デバイスを
低損失で光結合する光結合デバイスであって、少なくとも幅もしくは厚さを光の伝搬方向において徐々
に変化させた、少なくとも一本の光導波路コアと、前記光導波路コアを取り囲むように構成した第１のクラ
ッド領域と、前記第１のクラッド領域を取り囲むように構成した第２
のクラッド領域とを少なくとも含み、かつ前記第２のク
ラッドの屈折率の大きさを、前記第１のクラッドの屈折
率より小さくしたことを特徴とする光結合デバイス。