JPH05224099A - 薄膜光導波路への光結合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】異なるＮＡを持つ２枚のレンズを用いることに
より、薄膜光導波路とレーザダイオード間の高効率な光
結合を行なう。 【構成】０．４以上０．８以下のＮＡを持つコリメート
レンズにより「けられ」をほとんど受けないコリメート
光学系と、０．０５以上０．３以下のＮＡを持つ集光レ
ンズにより高効率かつ入射スポットが導波路に対してず
れた場合にも、高い結合効率を保つ集光光学系を組合せ
た、総合的に高結合効率を得ることのできる結合光学系
からなる。 【効果】従来技術に対して２倍以上の結合効率を得ら
れ、光ディスク用集積化光ヘッドにおいて書き込み可能
な高効率を達成できる。しかも、コストの増加，調整の
手間等はほとんど無い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はオプトエレクトロニク
ス、特に光情報処理などに欠かせない発光素子と光導波
路を有する光集積回路間の光結合法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】光導波路に光波を結合する方法として、
例えば、西原浩，春名正光、栖原敏明共著「光集積回
路」（オーム社，１９８５年）によれば、端面結合法，
プリズム結合法，エンドバッド結合法，テーパー結合
法，グレーティング結合法等が報告されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記各種結合法の中
で、端面結合法は高効率化がはかれること、構造が簡単
なこと等から実用上最も有効な方法と考えられている。
端面結合法とは導波光進行方向に垂直な導波路端面に光
波を直接入射する方法である。一般的にはレーザダイオ
ードと導波路間にレンズを入れ、結合効率を高める工夫
がなされている。結合レンズと導波路の光軸ずれに対し
て結合効率の減少を抑え、高い結合効率を得るには小さ
なＮＡの集光レンズが有効である。しかしながら結合レ
ンズに小さなＮＡを用いると、レーザダイオードからの
発散光の周辺部分がレンズを通過しない現象、いわゆる
レンズの「けられ」が生ずる。したがって、結合レンズ
のＮＡをいかに選ぼうとレーザ光のパワーを効率良く光
導波路に導くことはできない。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決し、
高効率かつ、光軸のずれに対しても結合効率の低下の小
さい光結合を実現するには、図１に示すようにレーザダ
イオードからの発散光を「けられ」なくコリメートする
０．４〜０．８の範囲の大きなＮＡを持つコリメートレ
ンズと、コリメートされた光を効率良く光導波路に結合
する０．０５〜０．３の範囲の小さなＮＡを持つ集光レ
ンズからなる結合光学系を用いれば良い。図７のように
コリメートレンズと集光レンズの間にλ／２板を挿入す
ることによりレーザダイオードの楕円状の強度分布を持
つ発散光の長径方向を導波層に平行に入射させ、結合効
率を向上させることもできる。また、コリメートレンズ
と集光レンズを接合して用いれば１個のレンズでコリメ
ート側と、集光側で異なるＮＡを持つ結合レンズを得る
ことが出来る。本発明において接合して使用しうるレン
ズの１例としてセルフォックレンズがある。セルフォッ
クレンズとは屈折率が中心軸から外周面に向かって連続
的に放物線状に分布している円柱状の光学ガラス体であ
り、両端面が平坦であるという特徴を持っている。した
がって、２つのレンズの接合は極めて容易である。２つ
のセルフォックレンズを接合する方法としては、端面を
接着剤で接合する接着法、端面に高電圧を印加して融着
する融着法、側面をメタライズした後ハンダ接続するハ
ンダ付け法等がある。

【０００５】

【作用】本発明は、０．４〜０．８の範囲の大きなＮＡ
を持つコリメートレンズと、０．０５〜０．３の範囲の
小さな集光レンズからなる結合光学系を用いることで、
発光素子と光導波路間の高効率な結合を可能にする光結
合法であり、従来法では免れ得なかった「けられ」によ
る実質的な結合効率の低下、集光ビームスポット形状と
導波光の電界分布との不一致による結合効率の低下とい
った問題を解決することが出来る。

【０００６】

【実施例】結合効率はコリメートレンズを通過するコリ
メート光量と、入射面での入射光の電界分布と導波光電
界分布の重なり積分の積で表すことが出来る。

【０００７】 （結合効率）＝（コリメート光量）×（重なり積分） また、重なり積分は次式で表される。

【０００８】 （結合効率）＝（∫Ｅ1Ｅ2dX）²／∫Ｅ1²dX／∫Ｅ2²dX ここでＥ１は入射光の電界分布、Ｅ２は導波光の電界分
布である。重なり積分を大きくし、高効率を得るには端
面上の入射光の電界分布Ｅ１を導波光の電界分布Ｅ２に
近づければ良い。

【０００９】以下計算結果を示しながら結合効率につい
て詳細に説明する。モデルとなる導波路の導波層の屈折
率を２．１８９３、基板およびクラッド層の屈折率を
２．１７７６、入射光の波長を０．７８５μｍ、導波層
厚を１．７０μｍとする。この時の導波光の電界分布を
図１０，１２，１４中実線で示す。図の横軸は導波路中
心からの距離、縦軸は電界強度を示している。また、図
中点線はそれぞれＮＡ＝０．１０，０．２２，０．５０
の集光レンズで集光した入射光の電界分布を、入射スポ
ットの光軸が導波路中心に一致している場合、±１μｍ
ずれている場合について示している。

【００１０】図１０のように、集光レンズにＮＡ＝０．
１０を選ぶと入射光は導波光に対して約２倍の広がりを
持つ。入射光，導波光の電界分布の不一致から、この系
での重なり積分値は８２％である。次に図１６に示すよ
うに素子作製時の精度から入射スポットが導波路に対
し、基板深さ方向にずれた時の結合効率について考え
る。ＮＡ＝０．１０の時は入射光の広がりのため、入射
スポットが導波路中心から１μｍずれた場合にも入射光
と導波光の電界分布はある程度重なっていることが分か
る。このように入射スポットが導波路中心からずれた場
合の重なり積分値の変化を示したのが図１１，１３，１
５である。図の横軸は入射スポットのずれ量、縦軸は重
なり積分値を表す。図１１からはＮＡ＝０．１０の時、
入射スポットずれ１μｍに対する重なり積分値は６４％
と読み取れる。

【００１１】図１２のように集光レンズにＮＡ＝０．２
２を選ぶと入射光と導波光の電界分布はほぼ一致し、重
なり積分値９９％を得る。しかしながら、両者の広がり
がほぼ同じであることから、入射スポットが導波路中心
から１μｍずれた場合の両者の重なりは著しく減少す
る。そのため、図１３に示すようにＮＡ＝０．２２の時
の入射スポットずれ１μｍに対する重なり積分値は４９
％に低下する。

【００１２】図１４のように集光レンズにＮＡ＝０．５
０を選ぶと、入射光は導波光に対してかなり狭い分布を
持つことが分かる。そのため重なり積分値は最大で７０
％に留まり、図１５に示すように入射スポットずれ１μ
ｍの時の重なり積分値はわずかに２１％である。

【００１３】以上の結果により、大きな重なり積分値を
実現し、入射スポットずれを生じたときの重なり積分値
の減少を抑えるには、入射スポット径を導波光分布の２
倍程度、つまり４〜５μｍ程度にすれば良いことが示さ
れた。入射光の光分布としてガウシアンを用いると、対
物レンズによって絞られたビーム径は０６４λ／ＮＡで
表せる。よって、λ＝０．７８５μｍとすると、４μｍ
以上のビーム径を得るには０．１６以下の小さなＮＡの
結合レンズを用いる必要がある。

【００１４】結合効率は（コリメート光量）×（重なり
積分値）で決定されるから、結合効率を考えるには、レ
ンズの「けられ」を考慮する必要がある。図１７に示す
ように、同径のレンズ１５，１６がレーザダイオードか
ら異なる距離離れておかれている場合について考える。
レーザダイオードから出射した発散光が張る角以上のＮ
Ａを持つレンズ１５の場合には発散光はほぼコリメート
され「けられ」がほとんど無い。一方、ＮＡの小さい１
６の場合には図中点線から発散光１７の間に含まれる光
線がコリメートされないことになる。代表的なレーザダ
イオードの発散角、長径方向６０°，短径方向３０°に
対して、「けられ」を考慮すると、ＮＡ＝０．１０では
１７％、０．２２では４９％、０．５０では８８％の光
がコリメートされるに過ぎない。したがって、小さなＮ
Ａの結合レンズは実質的には充分な結合効率が得られな
いという欠点を有する。反対に、大きなＮＡの結合レン
ズを用いるとレンズの「けられ」問題は解決するが入射
ビーム径が小さすぎて結合効率が得られなくなる。

【００１５】以上の結果をまとめたものが図１８，図１
９である。図１８はコリメート光量を表している。横軸
がコリメートレンズのＮＡ、縦軸がコリメート光量を表
す。図よりコリメートレンズにはできるだけ大きなＮＡ
を用いた方が効率が良いことがわかる。８０％以上のコ
リメート光量を得るにはＮＡは０．４以上でなければな
らない。しかしあまり曲率半径の小さなレンズは製造で
きず、０．８以上のＮＡを持つレンズは現実的でない。
図１９は入射スポットが導波路中心に対してずれのない
ときと、１μｍずれたときの重なり積分値を表してい
る。前記したように素子作成時の精度を考えると、入射
スポット位置に１μｍ程度のずれを生じたときにも４０
％以上の効率を確保する必要がある。入射スポットが１
μｍずれた時の重なり積分値を４０％以上にするにはレ
ンズのＮＡは０．０５以上０．３０以下でなくてはなら
ないことがわかる。

【００１６】本発明は、０．４〜０．８の範囲の大きな
ＮＡを持つコリメートレンズと、０．０５〜０．３の範
囲の小さなＮＡを持つ集光レンズからなる結合光学系を
用いることで、従来法では免れ得なかった「けられ」、
集光ビームスポット形状と導波光の電界分布との不一致
による結合効率の低下といった問題を解決することが出
来る。

【００１７】以下さらに本発明を実施例に基づいて詳細
に説明する。

【００１８】（実施例１）図８は結合光学系としてセル
フォックレンズを用いた場合の本発明方法の様子を示
す。端面を融着接合したセルフォック接合レンズ（１）
は入射側ＮＡ０．６０であり、波長０．７８５μｍのレ
ーザダイオード（２）からの発散光を９４％取り込むこ
とが出来る。コリメート側セルフォックレンズ（１ａ）
によって発散光は平行光に変換され、入射端面に５％Ａ
Ｒコートを施した拡散深さ２μｍを持つＴｉ拡散ＬｉＮ
ｂＯ₃２次元光導波路（３）に合わせてあらかじめ最適
設定されたＮＡ０．１７５を持つ集光側セルフォックレ
ンズ（１ｂ）に入り、２次元光導波路（３）の端面に集
光結合する。この結果ＮＡ０．６０のセルフォックレン
ズ１個を用いた有限光学系での結合効率３２％に対し
て、本発明法では８５％の最大結合効率を得た。また、
結合効率が最大値の７０％になる基板深さ方向の光軸の
ずれ量は±０．６μｍであった。

【００１９】（実施例２）図５はＴｉ拡散層上にノンド
ープＬｉＮｂＯ₃膜を液相成長させてクラッド層を形成
し、入射端面に５％ＡＲコートを施したＬｉＮｂＯ₃２
次元光導波路に本発明法で光結合させた場合を示す。コ
リメート側ＮＡ０．６０、集光側ＮＡ０．２０を用い
た。導波路上にクラッド層を形成することにより導波光
の電界分布の対称化がはかれ、入射ガウシアンビームの
形状により近くなった。この結果最大の結合効率は８９
％を得た。

【００２０】（実施例３）図６は導波層厚を０．８５μ
ｍにして０次モードカットオフ条件に近づけ、等価導波
層厚を４．０μｍにして入射端面に反射率５％のＡＲコ
ートを施したＬｉＮｂＯ₃光導波路に対して、コリメー
トレンズのＮＡ０．６０、集光レンズのＮＡ０．１５を
有する結合光学系を用いて本発明法で光結合させた場合
を示す。この結果最大結合効率８２％、結合効率が最大
値の７０％に低下する基板深さ方向の光軸ずれ量±１．
２μｍを得た。

【００２１】（実施例４）図２０はＹカットＬｉＮｂＯ
₃基板にＴｉ拡散により導波路を形成し、導波路上にジ
オデシックレンズ、ＩＤＴ電極を形成した光偏向素子に
本発明法によりレーザダイオードと光結合させた例を示
す。結合効率約７０％が得られ、中心周波数２５０ＭＨ
ｚにおいて、±２０ＭＨｚの変調で９．６ｍｒａｄの偏
向角を得た。

【００２２】（実施例５）図２１はＬｉＮｂＯ₃を用い
た導波路型ＲＦスペクトルアナライザに本発明法で光結
合させた例を示す。結合効率は約７５％を得、周波数帯
域は−６ｄＢで２００ＭＨｚ〜３００ＭＨｚであり、分
解能は５ＭＨｚであった。

【００２３】（実施例６）図２２は本発明法をＬｉＮｂ
Ｏ₃導波路型光スイッチに応用した例を示す。結合効率
７８％，クロストーク−１５ｄＢと優れたスイッチング
特性を示した。

【００２４】

【発明の効果】本発明方法は０．４〜０．８の範囲の大
きなＮＡを持つコリメートレンズと０．０５〜０．３の
範囲の小さなＮＡを持つ集光レンズを有する結合光学系
を用いることにより、発光素子と光導波路を有する光集
積回路間の高効率な光結合を行う方法であり、簡単であ
るばかりでなく、極めて広い応用範囲を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による方法を表わす概念図である。

【図２】光導波路に２次元導波路を用いた場合を示す説
明図である。

【図３】光導波路に３次元導波路を用いた場合を示す説
明図である。

【図４】光導波路に入射端面からある一定領域のみ３次
元で残りの領域では２次元であるような導波路を用いた
場合を示す説明図である。

【図５】光導波路にクラッド層を形成した導波路を用い
た場合を示す説明図である。

【図６】光導波路に導波光の閉じ込めが弱い導波路を用
いた場合を示す説明図である。

【図７】コリメートレンズと集光レンズ間にλ／２板を
挿入した場合を示す説明図である。

【図８】結合光学系がセルフォックレンズである場合を
示す説明図である。

【図９】コリメートレンズと集光レンズが接合されてい
る結合光学系を用いた場合を示す説明図である。

【図１０】ＮＡ＝０．１０の集光レンズを用いたときの
入射光電界分布と導波光電界分布を示す図である。

【図１１】ＮＡ＝０．１０時の入射ビームずれ量と重な
り積分値の関係を示す図である。

【図１２】ＮＡ＝０．２２の集光レンズを用いたときの
入射光電界分布と導波光電界分布を示す図である。

【図１３】ＮＡ＝０．２２時の入射ビームずれ量と重な
り積分値の関係を示す図である。

【図１４】ＮＡ＝０．５０の集光レンズを用いたときの
入射光電界分布と導波光電界分布を示す図である。

【図１５】ＮＡ＝０．５０時の入射ビームずれ量と重な
り積分値の関係を示す図である。

【図１６】端面集光入射における入射ビームと導波路の
光軸ずれを説明するための説明図である。

【図１７】発光素子から発散光がけられる原理を説明す
るための説明図である。

【図１８】ＮＡに対するコリメート光量の変化を示す図
である。

【図１９】入射ビームずれ量がない時とずれ量が１μｍ
の時の重なり積分値のＮＡに対する変化を示す図であ
る。

【図２０】本発明による光導波路を有する光偏向型光ヘ
ッドを示す図である。

【図２１】本発明を適用した光偏向型ＲＦスペクトルア
ナライザを示す図である。

【図２２】本発明を適用した光スイッチを示す図であ
る。

【符号の説明】

１ａ…コリメートレンズ、１ｂ…集光レンズ、２…レー
ザダイオード（ＬＤ）、３…光導波路、４…２次元光導
波路、５…基板、６…３次元光導波路、７…１部領域の
み３次元の２次元光導波路、８…クラッド層、９…閉じ
込めの弱い光導波路、１０…λ／２板、１１ａ…コリメ
ートセルフォックレンズ、１１ｂ…集光セルフォックレ
ンズ、１２…接合型レンズ、１３…入射光電界分布、１
４…導波光電界分布、１５…大ＮＡレンズ、１６…小Ｎ
Ａレンズ、１７…発散光、１８…光偏向素子、１９…ミ
ラー、２０…対物レンズ、２１…光ディスク、２２…フ
ォトディテクタ、２３…光スイッチ、２４…光ファイ
バ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 島野 健 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コリメートレンズに０．４〜０．８、集光
   レンズに０．０５〜０．３の範囲のＮＡを持つ光学系を
   用いて、レーザダイオードと光導波路を有する光集積回
   路間の光結合を行う方法。
2. 【請求項２】上記光集積回路の光導波路が２次元導波路
   であることを特徴とする請求項１記載薄膜光導波路への
   光結合法。
3. 【請求項３】上記光集積回路の光導波路が３次元導波路
   であることを特徴とする請求項１記載薄膜光導波路への
   光結合法。
4. 【請求項４】上記光集積回路の光導波路が入射面よりあ
   る一定領域のみ３次元で、残りの領域では２次元導波路
   であることを特徴とする請求項１記載薄膜光導波路への
   光結合法。
5. 【請求項５】上記光集積回路の光導波路が、クラッド層
   を有することを特徴とする請求項１記載薄膜光導波路へ
   の光結合法。
6. 【請求項６】上記光導波路が導波光の閉じ込めが弱く、
   大きな等価導波厚を持つような構造であることを特徴と
   する請求項１記載薄膜光導波路への光結合法。
7. 【請求項７】上記光学系がコリメートレンズ，集光レン
   ズの間にλ／２板を有することを特徴とする請求項１記
   載薄膜光導波路への光結合法。
8. 【請求項８】上記コリメートレンズ，集光レンズがセル
   フォックレンズであることを特徴とする請求項１記載薄
   膜光導波路への光結合法。
9. 【請求項９】上記コリメートレンズ，集光レンズが接合
   されていることを特徴とする請求項１記載薄膜光導波路
   への光結合法。