JPH05196825A - 光導波路の入出力構造 - Google Patents
光導波路の入出力構造Info
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- JPH05196825A JPH05196825A JP777792A JP777792A JPH05196825A JP H05196825 A JPH05196825 A JP H05196825A JP 777792 A JP777792 A JP 777792A JP 777792 A JP777792 A JP 777792A JP H05196825 A JPH05196825 A JP H05196825A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 エッチドミラーの光学品質を保証しながら、
テラスでの反射により劣化する導波路の光入出力端の効
率を改善した光導波路の入出力構造を提供することにあ
る。 【構成】 一基板内の光導波路を切断する基板９に垂直
もしくはほぼ垂直な壁により実現される導波路の光入出
力端において、導波路面を横切る壁の外側にテラス７を
介して窪地10を備えている光導波路の入出力構造であ
る。
テラスでの反射により劣化する導波路の光入出力端の効
率を改善した光導波路の入出力構造を提供することにあ
る。 【構成】 一基板内の光導波路を切断する基板９に垂直
もしくはほぼ垂直な壁により実現される導波路の光入出
力端において、導波路面を横切る壁の外側にテラス７を
介して窪地10を備えている光導波路の入出力構造であ
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、導波路を横切る壁（以
下、エッチドミラーという。）による導波路の光入出力
端の効率改善に関するものである。
下、エッチドミラーという。）による導波路の光入出力
端の効率改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図２は、従来の光導波路の入出力構造を
示し、１はコア（屈折率ｎ１、厚さｄ）、２はクラッド
（屈折率ｎ２）、３はクラッド（屈折率ｎ２）、４はキ
ャップ層、５はエッチドミラー、６は光軸、７はテラ
ス、８は素子端、９は基板、ｈはエッチ深さ、Ｔはテラ
ス長である。
示し、１はコア（屈折率ｎ１、厚さｄ）、２はクラッド
（屈折率ｎ２）、３はクラッド（屈折率ｎ２）、４はキ
ャップ層、５はエッチドミラー、６は光軸、７はテラ
ス、８は素子端、９は基板、ｈはエッチ深さ、Ｔはテラ
ス長である。
【０００３】図２に示すように、エッチドミラーは、基
板に対し垂直、もしくはほぼ垂直な１段の壁と、その壁
の前面に生じる底面（以下、テラスという。）から成る
単純な構造を持っていた。光導波路を伝搬してきた光は
光導波路の屈折率と外部の屈折率との差を感じて導波路
を切断する壁の部分に相当するエッチドミラー面で反
射、透過する。反射率は、導波路および外側の媒質の屈
折率、導波路構造およびエッチドミラー面の平滑度、お
よび光の周波数等で決定される。屈折率が3.5 近傍の値
を持つ通常の半導体レーザでは、反射率は近赤外光に対
しておよそ0.32となることが知られている。このような
エッチドミラーは、基板内の任意の位置にリソグラフィ
を主とする半導体微細加工技術により形成できるので、
光集積素子を構成する基本要素の一つとなっている。
板に対し垂直、もしくはほぼ垂直な１段の壁と、その壁
の前面に生じる底面（以下、テラスという。）から成る
単純な構造を持っていた。光導波路を伝搬してきた光は
光導波路の屈折率と外部の屈折率との差を感じて導波路
を切断する壁の部分に相当するエッチドミラー面で反
射、透過する。反射率は、導波路および外側の媒質の屈
折率、導波路構造およびエッチドミラー面の平滑度、お
よび光の周波数等で決定される。屈折率が3.5 近傍の値
を持つ通常の半導体レーザでは、反射率は近赤外光に対
しておよそ0.32となることが知られている。このような
エッチドミラーは、基板内の任意の位置にリソグラフィ
を主とする半導体微細加工技術により形成できるので、
光集積素子を構成する基本要素の一つとなっている。
【０００４】まず前記の光導波路の入出力構造からの出
力効率の問題点について述べる。一般に用いられている
導波路は、放射光の光学品質を高めるため、基本モード
が伝搬されるように設計されている。このため、規格化
周波数がπ／２以下となる必要があるので、導波路のコ
ア層の厚さを大きくすることができない。このような導
波路から自由空間に放射される光は、ガウス的に発散す
る。例えば、コアに相当する活性層の厚さが0.18μm の
Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ／ＧａＡｓから成る二重ヘテロ構
造のレーザでは、放射光は半値全幅約47度で広がる。こ
のため、前記エッチドミラーから放射された光の一部
は、テラスで反射する。このような反射光は、直接光と
光軸がずれているので、例えばレンズによりエッチドミ
ラーからの光を集光する場合には、直接光と反射光は一
点に結像しない。従って、テラスによる反射は損失とな
る。高出力応用の場合、このような損失は、性能を劣化
させる要因である。
力効率の問題点について述べる。一般に用いられている
導波路は、放射光の光学品質を高めるため、基本モード
が伝搬されるように設計されている。このため、規格化
周波数がπ／２以下となる必要があるので、導波路のコ
ア層の厚さを大きくすることができない。このような導
波路から自由空間に放射される光は、ガウス的に発散す
る。例えば、コアに相当する活性層の厚さが0.18μm の
Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ／ＧａＡｓから成る二重ヘテロ構
造のレーザでは、放射光は半値全幅約47度で広がる。こ
のため、前記エッチドミラーから放射された光の一部
は、テラスで反射する。このような反射光は、直接光と
光軸がずれているので、例えばレンズによりエッチドミ
ラーからの光を集光する場合には、直接光と反射光は一
点に結像しない。従って、テラスによる反射は損失とな
る。高出力応用の場合、このような損失は、性能を劣化
させる要因である。
【０００５】テラスでの反射は、エッチドミラーからテ
ラスのエッジまでの長さ（以下、テラス長という。）が
一定のとき、導波路層の中心からテラスまでの深さ（以
下、エッチ深さという。）の増大とともに減少する。従
って、テラスでの反射は、単純にエッチ深さの増大によ
り低減されるはずである。しかし、エッチ深さの増大、
すなわち加工量の増大は、加工マスクの変質、損傷の増
加および基板の微小欠損増幅を引き起こし、エッチドミ
ラーの平滑度と垂直性を劣化させる。これによりエッチ
ドミラー本来の光学的機能が失われる。この機能を保持
した高品質のエッチドミラーを形成するためには、エッ
チ深さを、できるだけ浅くすることが望ましい。以上の
制約条件により、エッチ深さの増大により反射損失を低
減するのには限界があった。
ラスのエッジまでの長さ（以下、テラス長という。）が
一定のとき、導波路層の中心からテラスまでの深さ（以
下、エッチ深さという。）の増大とともに減少する。従
って、テラスでの反射は、単純にエッチ深さの増大によ
り低減されるはずである。しかし、エッチ深さの増大、
すなわち加工量の増大は、加工マスクの変質、損傷の増
加および基板の微小欠損増幅を引き起こし、エッチドミ
ラーの平滑度と垂直性を劣化させる。これによりエッチ
ドミラー本来の光学的機能が失われる。この機能を保持
した高品質のエッチドミラーを形成するためには、エッ
チ深さを、できるだけ浅くすることが望ましい。以上の
制約条件により、エッチ深さの増大により反射損失を低
減するのには限界があった。
【０００６】次に入力効率の問題点について述べる。前
記光導波路の入出力構造から光を入射させる場合、エッ
チ深さとテラス長により、開口数（ＮＡ）が制限される
ので、ＮＡが大きいレンズでエッチドミラー面上に入力
光の焦点を合わせても、導波路に入射する光量は制限さ
れる。このときの入力効率は、エッチドミラーのＮＡを
大きくすることにより改善できる。従って、テラス長が
一定の場合、エッチ深さの増大により入力効率も増大す
るが、前記の出力効率の問題と同様の要因により、入力
効率の改善にも限界がある。
記光導波路の入出力構造から光を入射させる場合、エッ
チ深さとテラス長により、開口数（ＮＡ）が制限される
ので、ＮＡが大きいレンズでエッチドミラー面上に入力
光の焦点を合わせても、導波路に入射する光量は制限さ
れる。このときの入力効率は、エッチドミラーのＮＡを
大きくすることにより改善できる。従って、テラス長が
一定の場合、エッチ深さの増大により入力効率も増大す
るが、前記の出力効率の問題と同様の要因により、入力
効率の改善にも限界がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、エッチドミ
ラーの光学品質を保証しながら、テラスでの反射により
劣化する導波路の光入出力端の効率を改善した光導波路
の入出力構造を提供することにある。
ラーの光学品質を保証しながら、テラスでの反射により
劣化する導波路の光入出力端の効率を改善した光導波路
の入出力構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】現在のエッチドミラー形
成技術で、前記の問題点を改善するため、エッチドミラ
ーの外側にテラスを介して窪地を光入出力端に持たせ
た。
成技術で、前記の問題点を改善するため、エッチドミラ
ーの外側にテラスを介して窪地を光入出力端に持たせ
た。
【０００９】
【作用】エッチドミラーによる光入出力端の効率は、従
来の技術で述べたようにエッチ深さの増大とともに改善
される。本発明の光導波路の入出力端構造では、高品質
にするためのエッチ深さの浅いエッチドミラー前面に、
窪地を設けることにより、実質的にエッチ深さが増大す
る。このため、エッチ深さが浅くても極めて高い光入出
力効率を実現できる。このような本発明の効果を、図２
に示すような光入出力端を持つＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ
導波路を例にとり説明する。
来の技術で述べたようにエッチ深さの増大とともに改善
される。本発明の光導波路の入出力端構造では、高品質
にするためのエッチ深さの浅いエッチドミラー前面に、
窪地を設けることにより、実質的にエッチ深さが増大す
る。このため、エッチ深さが浅くても極めて高い光入出
力効率を実現できる。このような本発明の効果を、図２
に示すような光入出力端を持つＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ
導波路を例にとり説明する。
【００１０】まず、従来の１段構造の入出力端につい
て、反射損失とエッチ深さとの関係を明らかにした後、
本発明による光導波路の入出力構造の反射損失を定量的
に評価する。層状のコアとクラッドから成る導波路から
の放射光のプロファイルは、以下に説明するように、導
波路内の光の電場分布と波動方程式により求めることが
できる（参考文献： H.C.Casey, M.B.Panish：Heterost
ructure Lasers, P.75, Academic Press, 1978) 。ｚ軸
を光軸、ｘ軸を基板に垂直な方向にとったとき、導波路
の外側のある位置（ｘ，ｚ）での光の電場振幅をＥ
（ｘ，ｚ）とすると（基板に水平な方向の導波路の幅
が、垂直方向の幅より十分広いとして、水平方向の光の
強度分布は一様であるとした。）、導波路内の光の電波
の振幅分布Ｅ（ｘ，０）を用いて、
て、反射損失とエッチ深さとの関係を明らかにした後、
本発明による光導波路の入出力構造の反射損失を定量的
に評価する。層状のコアとクラッドから成る導波路から
の放射光のプロファイルは、以下に説明するように、導
波路内の光の電場分布と波動方程式により求めることが
できる（参考文献： H.C.Casey, M.B.Panish：Heterost
ructure Lasers, P.75, Academic Press, 1978) 。ｚ軸
を光軸、ｘ軸を基板に垂直な方向にとったとき、導波路
の外側のある位置（ｘ，ｚ）での光の電場振幅をＥ
（ｘ，ｚ）とすると（基板に水平な方向の導波路の幅
が、垂直方向の幅より十分広いとして、水平方向の光の
強度分布は一様であるとした。）、導波路内の光の電波
の振幅分布Ｅ（ｘ，０）を用いて、
【数１】 と表わすことができる。テラスがｚ＝Ｔまであるとき、
反射光強度は、エッチ深さをｈとして、
反射光強度は、エッチ深さをｈとして、
【数２】 となる。ここで図１に示すように、θは光とｚ軸とのな
す角度、ｄは活性層の厚さ、ｈはエッチ深さ、Ｔはテラ
ス長、
す角度、ｄは活性層の厚さ、ｈはエッチ深さ、Ｔはテラ
ス長、
【数３】 である。全放射光量をＰ0 とすると、反射損失γは、γ
＝Ｐr ／Ｐ0 である。
＝Ｐr ／Ｐ0 である。
【００１１】ここで、前記コアに相当する活性層の厚さ
ｄが0.18μm のＧａＡｓ、クラッドがＡｌ0.3 Ｇａ0.7
Ａｓである２重ヘテロ構造のレーザを例にとる。この導
波路の規格化周波数ｖ＝0.826 、規格化透過屈折率ｂ＝
0.3575となるので、導波モードは０次モードで、
ｄが0.18μm のＧａＡｓ、クラッドがＡｌ0.3 Ｇａ0.7
Ａｓである２重ヘテロ構造のレーザを例にとる。この導
波路の規格化周波数ｖ＝0.826 、規格化透過屈折率ｂ＝
0.3575となるので、導波モードは０次モードで、
【数４】 となる。ここでγ＝7.25、ｋ＝5.41である。このモード
の放射プロファイルは、式(1) により計算できる。その
結果、ビームの広がり角は、前述のように半値全幅で約
47度である。このようなレーザの反射損失と端面深さの
関係を図４に示す。
の放射プロファイルは、式(1) により計算できる。その
結果、ビームの広がり角は、前述のように半値全幅で約
47度である。このようなレーザの反射損失と端面深さの
関係を図４に示す。
【００１２】従来のエッチドミラーでは、テラス長が30
μm のとき、反射損失を５％以下に低減するので、28μ
m 以上のエッチ深さが必要である。一方、テラス長が５
μmのときは、エッチ深さが４μm 以上で反射損失が５
％以下となる。
μm のとき、反射損失を５％以下に低減するので、28μ
m 以上のエッチ深さが必要である。一方、テラス長が５
μmのときは、エッチ深さが４μm 以上で反射損失が５
％以下となる。
【００１３】以上の結果をもとに、本発明の光導波路の
入出力構造の反射損失を評価する。本発明では、放射光
の反射は、エッチドミラー直前の１段目のテラスと窪地
底面（２段目のテラス）の両方の反射の和になる。この
全反射損失は、１段目のテラスのみを持つ従来の構造の
光導波路の入出力構造の反射損失と、１段目のテラスを
２段目のテラスまで掘り下げることにより生じるエッチ
深さが、窪地深さに等しい従来の構造の光導波路の入出
力構造の反射損失とを比較して大きい方に等しい。この
ため、１段目のテラスの長さ（エッチドミラーと窪地と
の距離）が十分短い場合には、反射損失は窪地底面で生
じる。
入出力構造の反射損失を評価する。本発明では、放射光
の反射は、エッチドミラー直前の１段目のテラスと窪地
底面（２段目のテラス）の両方の反射の和になる。この
全反射損失は、１段目のテラスのみを持つ従来の構造の
光導波路の入出力構造の反射損失と、１段目のテラスを
２段目のテラスまで掘り下げることにより生じるエッチ
深さが、窪地深さに等しい従来の構造の光導波路の入出
力構造の反射損失とを比較して大きい方に等しい。この
ため、１段目のテラスの長さ（エッチドミラーと窪地と
の距離）が十分短い場合には、反射損失は窪地底面で生
じる。
【００１４】図３は、本発明の光導波路の入出力構造を
示し、10は窪地、ｈ0 は窪地深さであり、図２の符号と
同一のものは同一のものを示す。図３に示すように、Ｔ
＝５μm 、Ｔ0 ＝30μm としたとき、エッチ深さｈ＝４
μm のエッチドミラーに対して、窪地深さ（導波路層か
ら窪地の底までの深さ）ｈ0 を28μm 以上とすることに
より、反射損失は窪地のない場合の34％から５％まで低
減する。
示し、10は窪地、ｈ0 は窪地深さであり、図２の符号と
同一のものは同一のものを示す。図３に示すように、Ｔ
＝５μm 、Ｔ0 ＝30μm としたとき、エッチ深さｈ＝４
μm のエッチドミラーに対して、窪地深さ（導波路層か
ら窪地の底までの深さ）ｈ0 を28μm 以上とすることに
より、反射損失は窪地のない場合の34％から５％まで低
減する。
【００１５】以上、本発明の作用をコア層と二つのクラ
ッド層の３層から成る半導体光導波路を例にとり説明し
てきたが、分布屈折率を持つ導波路についても同様の作
用を持つ。また、ＬｉＮｂＯ3 基板上のＴｉ拡散導波
路、Ｓｉ基板上のＳｉ3 Ｎ4 またはＳｉＯ2 導波路等の
誘電体導波路についても、本発明は同様の作用を持つ。
ッド層の３層から成る半導体光導波路を例にとり説明し
てきたが、分布屈折率を持つ導波路についても同様の作
用を持つ。また、ＬｉＮｂＯ3 基板上のＴｉ拡散導波
路、Ｓｉ基板上のＳｉ3 Ｎ4 またはＳｉＯ2 導波路等の
誘電体導波路についても、本発明は同様の作用を持つ。
【００１６】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。実施例１ 図５は、半導体レーザの放射光をレンズにより集光して
使用する本発明の第１の実施例を示し、11はレンズ、12
は直接光であり、図２の符号と同一のものは同一のもの
を示す。半導体レーザおよび入出力端を前述と同じくす
れば、直接光の焦点からずれる反射光の割合を５％とす
ることができる。
する。実施例１ 図５は、半導体レーザの放射光をレンズにより集光して
使用する本発明の第１の実施例を示し、11はレンズ、12
は直接光であり、図２の符号と同一のものは同一のもの
を示す。半導体レーザおよび入出力端を前述と同じくす
れば、直接光の焦点からずれる反射光の割合を５％とす
ることができる。
【００１７】実施例２ 図６は、半導体レーザ基板上に設けられた二つの半導体
レーザを、同一基板上に付与されたレンズにより光学的
に結合する本発明の第２の実施例を示し、13は半導体レ
ーザ、14はレンズ、15は光出力端、16は光入力端であ
り、図３の符号と同一のものは同一のものを示す。この
ときの結合損失は、構造的対称性により１入出力端の反
射損失に等しい。前記レーザと入出力端の組み合わせで
結合損失は５％である。
レーザを、同一基板上に付与されたレンズにより光学的
に結合する本発明の第２の実施例を示し、13は半導体レ
ーザ、14はレンズ、15は光出力端、16は光入力端であ
り、図３の符号と同一のものは同一のものを示す。この
ときの結合損失は、構造的対称性により１入出力端の反
射損失に等しい。前記レーザと入出力端の組み合わせで
結合損失は５％である。
【００１８】実施例３ 図７は、半導体レーザと光ファイバを結合する本発明の
第３の実施例であって、17は光ファイバであり、図６の
符号と同一のものは同一のものを示す。ファイバのコア
は、レーザの導波路よりはるかに大きいので、ファイバ
への入力損失は無視できる。従って、レーザとファイバ
間の結合損失はレーザの出力損失で主に決まる。実施例
１，２と同じレーザおよび入出力端構造により損失を５
％まで低減できる。
第３の実施例であって、17は光ファイバであり、図６の
符号と同一のものは同一のものを示す。ファイバのコア
は、レーザの導波路よりはるかに大きいので、ファイバ
への入力損失は無視できる。従って、レーザとファイバ
間の結合損失はレーザの出力損失で主に決まる。実施例
１，２と同じレーザおよび入出力端構造により損失を５
％まで低減できる。
【００１９】実施例４ 図８は、誘電体導波路の一つであるＬｉＮｂＯ3 基板上
のＴｉ拡散導波路からの出射光をレンズを介して光ファ
イバに入力する本発明の第４の実施例であって、18はＴ
ｉ拡散導波路、19はＬｉＮｂＯ3 基板であり、図７の符
号と同一のものは同一のものを示す。なお、前述の各実
施例では、２段目のテラス形状は平たんとしたが、テー
パ状または多段形状としても有効なことは言うまでもな
い。
のＴｉ拡散導波路からの出射光をレンズを介して光ファ
イバに入力する本発明の第４の実施例であって、18はＴ
ｉ拡散導波路、19はＬｉＮｂＯ3 基板であり、図７の符
号と同一のものは同一のものを示す。なお、前述の各実
施例では、２段目のテラス形状は平たんとしたが、テー
パ状または多段形状としても有効なことは言うまでもな
い。
【００２０】
【発明の効果】本発明によれば、エッチドミラーを用い
た導波路の光入出力効率を極めて高くできる。このため
本発明を高出力レーザに用いた場合、効率良くレーザ光
を外部に取り出すことができる。また、放射光をレンズ
で絞って使用する場合、反射による主スポットの強度損
失を低減することができる。また本発明を光集積素子に
適用した場合でも、基板上の素子間を低い損失で結合す
ることができる。
た導波路の光入出力効率を極めて高くできる。このため
本発明を高出力レーザに用いた場合、効率良くレーザ光
を外部に取り出すことができる。また、放射光をレンズ
で絞って使用する場合、反射による主スポットの強度損
失を低減することができる。また本発明を光集積素子に
適用した場合でも、基板上の素子間を低い損失で結合す
ることができる。
【図１】光導波路から放射される光の状態を示す図であ
る。
る。
【図２】従来の光導波路構造の入出力を示す図である。
【図３】本発明の光導波路の入出力構造を示す図であ
る。
る。
【図４】光導波路の入出力構造の各構造パラメータと反
射損失の関係から本発明の作用を説明する図である。
射損失の関係から本発明の作用を説明する図である。
【図５】半導体レーザの放射光をレンズにより集光して
使用する本発明による光導波路の入出力構造の第１の実
施例を示す図である。
使用する本発明による光導波路の入出力構造の第１の実
施例を示す図である。
【図６】同一基板上の半導体を結合する本発明による光
導波路の入出力構造の第２の実施例を示す図である。
導波路の入出力構造の第２の実施例を示す図である。
【図７】半導体レーザと光ファイバを結合する本発明に
よる光導波路の入出力構造の第３の実施例を示す図であ
る。
よる光導波路の入出力構造の第３の実施例を示す図であ
る。
【図８】ＬｉＮｂＯ3 基板上のＴｉ拡散導波路からレン
ズを介して光ファイバへ光を入力する本発明による光導
波路の入出力構造の第４の実施例を示す図である。
ズを介して光ファイバへ光を入力する本発明による光導
波路の入出力構造の第４の実施例を示す図である。
１ コア ２ クラッド ３ クラッド ４ キャップ層 ５ エッチドミラー ６ 光軸 ７ テラス ８ 素子端 ９ 基板 10 窪地 11 レンズ 12 直接光 13 半導体レーザ 14 レンズ 15 光出力端 16 光入力端 17 光ファイバ 18 Ｔｉ拡散導波路 19 ＬｉＮｂＯ3 基板
Claims (1)
- 【請求項１】 一基板内の光導波路を切断する基板に垂
直もしくはほぼ垂直な壁により実現される導波路の光入
出力端において、導波路面を横切る壁の外側にテラスを
介して窪地を備えていることを特徴とする光導波路の入
出力構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP777792A JPH05196825A (ja) | 1992-01-20 | 1992-01-20 | 光導波路の入出力構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP777792A JPH05196825A (ja) | 1992-01-20 | 1992-01-20 | 光導波路の入出力構造 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05196825A true JPH05196825A (ja) | 1993-08-06 |
Family
ID=11675110
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP777792A Pending JPH05196825A (ja) | 1992-01-20 | 1992-01-20 | 光導波路の入出力構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05196825A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030056333A (ko) * | 2001-12-28 | 2003-07-04 | 한국전자통신연구원 | 광도파로 플랫폼 및 그 제조 방법 |
| WO2020213410A1 (ja) * | 2019-04-15 | 2020-10-22 | 日本電信電話株式会社 | 光接続構造 |
| JP2020173408A (ja) * | 2019-04-15 | 2020-10-22 | 日本電信電話株式会社 | 光接続構造 |
-
1992
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