JP3084417B2 - 光結合デバイス - Google Patents

光結合デバイス

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JP3084417B2
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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
のスポット径を変換する低損失の光結合デバイスに関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】光通信システムにおいては、光送受信装
置,光交換装置などの高性能,多機能,小型化が求めら
れている。このため、これらの光通信装置に使用される
半導体光デバイスの集積化が進んでいる。例えば同一の
半導体基板上に発光素子や光スイッチなどの光能動素子
を複数形成した半導体モノリシック光集積デバイスやあ
るいは異なる基板に光機能素子を形成した光デバイス間
を光結合させたハイブリッド光集積デバイスの開発が進
められている。これらの光半導体デバイスにおいて、2
つの光機能素子の間あるいは光機能素子と光ファイバと
の間を低損失で光結合させる必要がある。
【0003】半導体レーザダイオード(LD)と単一モ
ードファイバとの間を光結合させる場合、LD素子端面
とファイバとを直接突合わせ結合(バットジョイント)
させると、互いの光導波路光波スポットサイズが異なっ
ているために直接突合わ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程度であり、ファイバのスポットサイズは約5μ
mであるので、この場合の結合損失は、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して結
合損失を低減化する方法が一般にとられている。
【0004】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ーファイバとの間を1個のレンズで
光結合させた場合の従来の構成例を図5に示す。図5に
おいて、504は半導体基板、505はLDの活性領域
(光導波路部)、516はレンズ、506はファイバ、
507はファイバ506を一定間隔で固定するためのV
−グルーブアレーである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、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し
たがってレンズの収差などの影響により結合損失が大き
くなるために1枚の半導体基板に集積できるLDの個数
に制限が生じ、高性能かつ高集積の光デバイスを実現す
ることが困難であつた。
【0006】したがって本発明は、前述した従来の課題
を解決するためになされたものであり、その目的は、前
述した異なる2つの光機能素子、特に複数のデバイスを
集積化した光機能素子間を低損失に光結合させることが
できる光結合デバイスを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は、少なくとも2つの光導波層からなる
導波路で構成され、少なくとも一方の導波層の厚さある
いは屈折率をテーパ状に形成し、かつこれらの光導波層
の幅を光伝搬方向に沿って互いに逆向きのテーパ状に形
成するものである。
【0008】
【作用】本発明においては、導波層の厚さあるいは屈折
率をテーパ状に形成することにより、光波スポットサイ
ズが低損失に変換される。
【0009】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図1は本発明の一実施例であり、アレーL
D素子とファイバとの間に本発明による光結合デバイス
を挿入し、低損失に光結合をとる場合の構成を示す図で
ある。図2および図3は本発明の光結合デバイスの一実
施例として半導体基板を用いた場合のデバイス構造およ
び動作原理を説明するための図である。図1(a)は上
から見た平面図,図1(b)は断面図である。同図にお
いて、101は本発明による光結合デバイスの半導体基
板、102はスポットサイズ変換導波路、103は反射
防止膜、104は半導体レーザ基板、105はLD活性
層(光導波路部)、106は単一モード光ファイバ、1
07はV−グルーブアレーである。光結合デバイスの光
導波路によってLDの光波スポットサイズは、ファイバ
のスポットサイズに変換されるので、ファイバ106と
低損失に光結合される。
【0010】図2(a)は本発明による光結合デバイス
の上から見た平面図、図2(b)は図2(a)のA−
A′線の断面図,図2(c)は図2(a)のB−B′線
の断面図,図2(d)は図2(b)のC部の拡大断面図
である。同図において、201はInPよりなる半導体
基板であり、光導波路のクラッド部になる。208はI
nGaAsPやInAlAsなどからなる第1の導波層
(疑似クラッド層)、209はInGaAs井戸層21
3とInP障壁層214とからなる多重量子井戸層で構
成される第2の導波層(疑似コア層)、210はInP
よりなるクラッド層である。211は入射光、212は
出射光である。第1導波層208の幅w1,厚さt1
は、光入射部ではそれぞれwi1,ti1であり、光出射部
ではそれぞれwo1,to1である。また、第2導波層20
9の幅w2 ,厚さt2 は、光入射部ではそれぞれwi2
i2であり、光出射部ではそれぞれwo2,to2である。
さらに第1導波層208および第2導波層209の屈折
率の大きさは、それぞれn1 ,n2 である。
【0011】このような構成において、光導波路におけ
る光波スポットサイズは、各導波層の寸法w,tと屈折
率nとの大きさに依存する。例えば図2の構成におい
て、光導波路の深さ方向の光波スポットサイズ(基本モ
ードの半径)Wについて、スラブ導波路モデルによる計
算結果を図3に示す。ここでは、波長λ=1.55μm
とし、第1の導波層208の厚さはti1=to0=3μm
一定,その屈折率n1 =3.186(クラッド層に対す
る規格化屈折率差Δn1 =(n1 −nc )/nc=0.
5%,nc :クラッド層の屈折率=3.166)とし、
第2導波層の規格化屈折率差Δn2 をパラメータとして
いる。図2から分かるようにt2 =0のとき、第1導波
層のみある光導波路のスポットサイズ(w=〜2μm)
になるが、t2 が大きくなるにしたがって光波スポット
サイズWは極大値をとった後、小さくなる傾向を示し、
第2導波層のみがある(t1 =0)導波路のスポットサ
イズに近ずく。
【0012】以上のことから、例えばLDと光ファイバ
との光結合をとる場合、図2において、光入射側のスポ
ットサイズが、LDのスポットサイズと同程度の大きさ
になるように幅wi2,厚さti2,屈折率n2の大きさを
設定すれば良く、光出射側では、ファイバのスポットサ
イズと同程度のスポットサイズを与える幅wo1,厚さt
o1,屈折率n1 および幅wo2,厚さto2(≦ti2),屈
折率no2(≦ni2)を設定すれば良い。このとき、導波
層がテーパ状になる領域の長さlは、モードサイズ変換
に伴う放射損失が充分小さくなる大きさにすれば良い
(l=数100μm〜数mm程度)。また、モードサイ
ズ変換に伴う高次モード変換損失に対しては、図2に示
すように例えばwo1>wi1(〜0),wi2>wo2(〜
0)の構造として高次モードをカットオフとする光導波
路構成にすれば低損失化が可能である。
【0013】第1導波層208の厚さt1 あるいは第2
導波層209の厚さt2 をテーパ状に形成する方法とし
ては、例えば半導体基板201上に導波層をエピタキシ
ャル成長で形成するときに成長速度が基板温度に依存す
ること(参考文献:例えばIEEE Journal
of Quantum Electronics,vo
l.QE−27,no.3,pp687,1991)あ
るいはSiO2 などの絶縁体よりなる選択成長マスクの
形状,寸法によって異なること(参考文献:特願平3−
170452号)を利用すれば良い。また、ウェットエ
ッチングあるいはドライエッチング技術によって形成す
ることもできる。また、幅w1 ,w2 についても、エッ
チング技術を利用すればテーパ状に形成できる。
【0014】第1導波層208,第2導波層209の屈
折率の大きさn1,n2 については、InGaAsPの
組成を制御するあるいはInAlAsなどの適当な半導
体材料を選定することによって調節できる。また、図2
の第2導波層のように多重量子井戸構造として井戸層,
障壁層の厚さを適当に組み合わせることにより調節でき
る。すなわちこの屈折率n2 は、井戸層213の厚さd
w と障壁層214の厚さdb とに依存し、例えばTEモ
ード光に対しては、 n2 =[(nw 2w +nb 2b )/(dw +db )]1/2 の関係で与えられることが知られている。ここで、n
w ,nbは井戸層,障壁層の屈折率であり、波長λ=
1.55μm帯の光に対しては、nw =3.6,nb
3.17程度の大きさになる。井戸層213の厚さdw
は、量子井戸構造の実効禁制帯幅エネルギーが光子エネ
ルギーより充分大きくなるように構成すれば、第2導波
層209による吸収損失を小さくできる。例えばλ=
1.55μm帯の光に対しては、dw を〜0.5nm以
下にすれば良い。
【0015】図4は本発明による光結合デバイスの他の
実施例を示す断面図であり、クラッド層410と第2導
波層409との間に第3の導波路層415を形成した構
成例である。この場合、第3導波層415の厚さt3
屈折率n3 を、ti3=ti1,to3=to1,n3 =t1
して第1導波層408および第3導波層415のトータ
ルの厚さ(t1 +t3 )を図2の実施例の第1導波層2
08の厚さt1 と同程度にすることにより、同様にスポ
ットサイズを変換できるとともに深さ方向で対称性の良
い光波モード形状を実現できる。
【0016】なお、前述した実施例においては、InP
基板上にスポットサイズ変換用導波層を形成した場合に
ついて説明したが、GaAs半導体基板を用いてAlG
aAsなどの半導体材料あるいは誘電体材料を基板,導
波層に用いても同様な効果を得ることができる。
【0017】また、図1ではバットジョイントによる光
結合の構成例を示したが、LD素子104と光結合デバ
イス101との間あるいは光結合デバイス101とファ
イバ106との間にレンズを挿入して低損失な光結合を
得ることも可能である。
【0018】本発明による光結合デバイスは、半導体材
料を用いることができるので、例えば半導体材料を用い
たLD素子や光スイッチなどの光機能素子の光入出射端
部に本結合デバイスをモノリシック集積化することが可
能であり、この場合、高密度光集積デバイスが実現可能
である。
【0019】
【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
少なくとも2つの光導波層からなる導波路で構成されて
おり、少なくとも一方の導波層の厚さあるいは屈折率を
テーパ状に変化させることにより、光波スポットサイズ
を徐々に変換しているので、異なる2つの光機能デバイ
ス間を低損失で光結合させることが可能となる。また、
小型に構成できるので、高集積光デバイスが実現可能と
なるなどの極めて優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による光結合デバイスをアレーLD素子
とファイバとの間に挿入した構成を示す図である。
【図2】本発明による光結合デバイスの一実施例による
構成を示す図である。
【図3】図2に示す光結合デバイスの動作原理を説明す
る図である。
【図4】本発明による光結合デバイスの他の実施例によ
る構成を示す図である。
【図5】従来の光結合デバイスの構成を示す図である。
【符号の説明】
101 半導体基板 102 スポットサイズ変換導波路 103 反射防止膜 104 半導体レーザ基板 105 LD活性層 106 光ファイバ 107 V−グルーブアレー 201 半導体基板 202 スポットサイズ変換導波路 208 第1導波層 209 第2導波層 210 クラッド層 211 入射光 212 出射光 213 量子井戸層 214 障壁層 401 半導体基板 402 スポットサイズ変換導波路 408 第1導波層 409 第2導波層 410 クラッド層 415 第3導波層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−132105(JP,A) 特開 平4−283704(JP,A) 特開 平3−288102(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 6/12 - 6/14

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板と、前記半導体基板上に形成
    された第1の光導波層と、前記第1の光導波層の上に形
    成された第2の光導波層とから少なくとも構成される少
    なくとも1本の光導波路を有する光機能デバイスにおい
    て、前記第1の光導波層または第2の光導波層の少なく
    とも厚さまたは屈折率を光伝搬方向に沿って徐々に変化
    させ、かつ前記第1の光導波層の幅と前記第2の光導波
    層の幅を光伝搬方向に沿って互いに逆向きに徐々に変化
    させた構造を有することを特徴とする光結合デバイス。
  2. 【請求項2】 請求項1において、少なくとも前記第1
    の光導波層または第2の光導波層を多重量子井戸構造と
    したことを特徴とする光結合デバイス。
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