JPH0915435A

JPH0915435A - 光結合デバイスおよび光機能デバイス

Info

Publication number: JPH0915435A
Application number: JP7159500A
Authority: JP
Inventors: Osamu Mitomi; 修三冨; Yuichi Tomori; 裕一東盛; Shinichi Matsumoto; 信一松本; Yasumasa Suzaki; 泰正須崎; Yoshihisa Sakai; 義久界
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1995-06-26
Filing date: 1995-06-26
Publication date: 1997-01-17

Abstract

(57)【要約】【目的】スポットサイズを低損失で変換し、光波フィ
ールド分布の相違による結合損失を低減し、製作精度の
緩い光結合デバイスおよび光機能デバイスを提供するこ
と。【構成】光結合デバイスはクラッド領域を構成するｎ
型半導体基板１０２上に光導波路のコア層１０１を設
け、クラッド層として半導体層１０３で覆ってある。コ
ア層の形状は光の伝播方向にテーパ状に変化しており、
半導体層１０３はスポットサイズの大きい光導波路デバ
イスとの端面側近傍でコア層の直上付近における表面形
状、形状、厚さをその光導波路デバイスのスポットサイ
ズの形状に合わせるように設定する。例えば、突起部１
０３ａを設ける。入射光１０９はテーパ状のコア層によ
りスポットサイズが変換された出射光１０８となる。

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お
よび光機能デバイス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）や半導
体光スイッチ等の半導体光導波路デバイスと単一モード
光ファイバとの間を光結合させる場合、デバイス端面と
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、互いの光導波路光波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、半導体デバイスの光波のスポットサイズ（モード直
径：Ｗ）は２μｍ程度であり、光ファイバの光波のスポ
ットサイズは約１０μｍ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する方法が一
般にとられる。しかし、複数のレーザダイオード（Ｌ
Ｄ）等を形成した光機能素子とアレイ光ファイバとの間
を、１個のレンズで光結合させる場合、光機能デバイス
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
板に集積できる光機能素子部の個数に制限があった。

【０００３】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とファイバ間を低損失に光結
合させる方法がある。図５は、ＬＤとモノリシック集積
化した従来の光結合デバイスの斜視図、図６はその動作
原理を説明するための特性図である。図５において５０
１は光導波路のコア層、５０２，５０３はクラッド層、
５０５は半導体レーザの活性層である。５１１はテーパ
光導波路部、５１２は半導体レーザ部である。ここに、
５０２はクラッド領域を構成する。図６から分かるよう
に、光導波路のコア層５０１の比屈折率差Δｎ［＝（ｎ
−ｎ₁ ）／ｎ₁ 、ｎ₁ ，ｎはそれぞれクラッド層５０
２，５０３、コア層５０１の屈折率］を一定の大きさに
固定した場合、コア層５０１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層５０１の大きさ
ｔ，ｗの設計においては、光入射端側（ＬＤとの結合
側）では、ＬＤ光のスポットサイズ（約２μｍ）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１０μｍ）と同程度の大きさＷ_o
を与える寸法ｔ_o ，ｗ_o （＝数１０ｎｍ〜数μｍ）に設
定すればよい。また、コア層５０１の大きさがテーパ状
になるテーパ導波路領域の長さＬは、放射による損失を
低減するために、数１０μｍから数ｍｍ以上の長さに設
定される。このような光結合デバイスにおいて、ＳｉＯ
₂ やＬｉＮｂＯ₃ 等の誘電体材料を用いた光結合デバイ
スは、コア層とクラッド層の比屈折率差Δｎが通常１％
以下であるので、光ファイバと結合をとる光出射端側で
は、コア層の大きさは数ミクロン程度の大きさになる。
しかし、半導体材料を用いた光結合デバイスにおいて
は、そのΔｎが通常数％以上であるので、光出射端部の
コア層の大きさはサブミクロンの大きさになり、このた
めに光出射端部の光波フィールドが指数関数形状にな
る。従って、光波フィールドがガウス分布形状である光
ファイバとの間で原理的に結合損失を生ずる欠点があ
る。図７は、半導体基板５０２と上部半導体層（クラッ
ド層）５０３が光ファイバのスポットサイズｗ_i より充
分厚い場合の従来例において、光出射端でのコア層幅ｗ
_o に対するファイバ結合損失特性を示す。ここでは、コ
ア層厚ｔ_o は一定（０．１μｍ）としている。すなわ
ち、テーパ光導波路を形成するには、サブミクロンオー
ダの寸法を加工する高度なプロセス技術を要するが、特
に、光ファイバと低結合損失の特性を得るための光出射
端でのコア層の寸法トレランスがサブミクロン以下にな
り、製作性に難点があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、スポットサイズの小さな光導波路デバイスとスポッ
トサイズの大きな光導波路デバイスを光結合するため
に、スポットサイズを低損失で変換する光結合デバイス
を提供する、光結合デバイス半導体光導波路内の指数関数形の光
波フィールド分布を、光ファイバ内のガウス形光波フィ
ールド分布に近い形状に変換し、光波フィールド分布の
相違による結合損失を低減した光結合デバイスを提供す
る、大きなスポットサイズの光導波路デバイスと接続す
る側のコア層の寸法に関し、製作精度の緩い光結合デバ
イスを提供する、ことにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の光結合デバイス
は、スポットサイズの大きさ光導波路デバイスとスポッ
トサイズの小さな光導波路デバイスとを光結合するため
に用いるものであって、半導体基板と、該半導体基板上
に形成され、光の伝搬方向に形状がテーパ状に変化して
いるコア層と、該半導体基板上に形成され、該コア層を
取り囲むような突起部を有する第１半導体層と、該第１
の半導体層より小さい屈折率を持ち、該第１の半導体層
の上部に配置された第２の半導体層あるいは誘電体層、
空気層等からなる。該第１の半導体層の屈折率は、該コ
ア層よりも小さく、かつ該半導体基板よりも大きく、ま
た、少なくとも該スポットサイズの大きい光導波路デバ
イスとの光結合端面部において、該第１の半導体層の突
起部の厚さ・幅を、該スポットサイズの大きい光導波路
デバイスのスポットサイズの大きさに合わせるように設
定したことを特徴とする。

【０００６】このような構成をとることにより、コア層
の周りを比較的屈折率の高い第１の半導体層で取り囲
み、該第１の半導体層の外側に比較的屈折率の低いクラ
ッド層（半導体基板、第２の半導体層、誘電体、空気
層）が配されることになり、コア層と第１の半導体層と
の光閉じ込め構造、第１の半導体層の突起部とその外側
のクラッド層との光閉じ込め構造、というように二重の
光閉じ込め構造を形成することになる。

【０００７】

【作用】光の伝搬方向に形状がテーパ状に変化しているコア
層により、スポットサイズが変換される。コア層の寸法
が大きいときには、光がコア層に強く閉じ込められて光
波フィールド分布が広がらないため、周囲のクラッド構
造の影響をほとんど受けず、スポットサイズが小さい。
逆にコア層の寸法が小さくなると、光のコア層への閉じ
込めが弱くなり、光波フィールド分布が広がるため、ス
ポットサイズが大きくなる。コア層の寸法が光の伝搬方
向にテーパ状に変化すると、光のコア層への閉じ込めの
強さが徐々に変化し、その結果スポットサイズが変換さ
れる。

【０００８】少なくとも、スポットサイズが大きい
光導波路部において、コア層の周りに比較的屈折率の高
い第１の半導体層を配し、その外側に比較的屈折率の低
い半導体基板、第２の半導体層または空気層等の誘電体
を配しているため、光波フィールド分布形状の変換が行
える。コア層寸法が比較的大きいところではスポットサ
イズは小さくなっており、その光波フィールド分布は、
コア層の寸法・形状にのみほぼ規定される。しかし、コ
ア層寸法が小さくなってスポットサイズが大きくなると
ころでは、コア層の閉じ込めが弱くなり、光波フィール
ド分布はコア層と第１の半導体層との閉じ込め構造、お
よび第１の半導体層の突起部近傍と、その外側の比較的
低い屈折率の半導体基板、第２の半導体層または空気層
等の閉じ込め構造に規定される。このために、第１の半
導体層の突起部の寸法を、大きいスポットサイズの光導
波路デバイスのスポットサイズの大きさに設定すれば、
その光波フィールド分布はガウス分布形に近づく。

【０００９】大きなスポットサイズ側の光波フィー
ルド分布がコア層を取り囲む第１のクラッド層の寸法・
形状に強く依存するために、コア層寸法の製作精度の緩
い光結合デバイスとなる。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例と原理
・効果を詳細に説明する。

【００１１】図１は、本発明の一実施例による光結合デ
バイスを示す。図１（Ａ）は斜視図、図１（Ｂ）は光出
射端部の断面図である。図において、１０１は屈折率が
ｎ_cの光導波路のコア層、１０２は屈折率がｎ_s のｎ⁺形
半導体基板である。１０３は屈折率がｎ_p のｎ^- もしく
はｉ（ノンドープ：真性）もしくはｐ形半導体層であ
り、１０３ａはコア層１０１直上付近で盛り上がった形
状の突起部である。さらに、半導体層１０３の上部に
は、例えばＳｉＯ₂ や空気等の低い屈折率（：ｎ_a （＜
ｎ_p ））の誘電体、もしくは半導体や金属、金属コンタ
クト層等が配置されている。半導体層１０３は半導体基
板１０２より屈折率が大きい半導体層であり、１０２，
１０３の各半導体層１０２，１０３とその上部とが光導
波路のクラッド領域になる。１０８は出射光、１０９は
入射光である。図中の各半導体層の屈折率の大きさは、
ｎ_c ＞ｎ_p ＞ｎ_s ，ｎ_a の関係を持たせてある。コア層
１０１の断面の大きさは、光導波路のスポットサイズ
が、光入射端側では半導体レーザや光変調器あるいは光
スイッチ等の光機能デバイス導波路光すなわち入射光１
０９のスポットサイズに合わせるように設定され、出射
端側に向かうにつれて徐々に変化させ、光出射端部では
接続される光機能デバイス（例えば光ファイバ）のスポ
ットサイズと同程度のスポットサイズを与える寸法に設
定している。光出射端部のコアの幅，厚さをそれぞれｗ
_i ，ｔ_i と表す。半導体層１０３の突起部１０３ａの厚
さｔ₂₁は、光ファイバの導波光スポットの半径と同程度
の大きさに設定され、またその幅ｗ₂₁は光ファイバ導波
光スポットの直径と同程度の大きさに設定される。半導
体基板１０２と上部誘電体のクラッド領域（：第２クラ
ッド領域）に対して、この半導体層１０３の突起部１０
３ａは弱い光閉じ込め効果を有するサブクラッド領
域（：第１クラッド領域）になる。本構成において、光
入射端側では、光閉じ込めが強い光導波路構造になって
いるので、その光学的特性は従来の場合とほとんど変わ
らないので、入射端部のコア層寸法ｗ_i ，ｔ_i は図５の
従来例とほぼ同じ大きさに設定される。光導波路長Ｌ
は、伝搬光がそれぞれの領域での定常導波モードに近い
状態になるように、充分長く設定され、通常、数１０μ
ｍから数ｍｍの長さにすれば、本発明の効果が得られ
る。また、光出射端部のコア層寸法ｗ_i ，ｔ_i について
は、図７で示す設計例と同様に、光ファイバの結合損失
が小さくなる大きさに設定すればよい。ただし、必要以
上に寸法を小さくすると、光波フィールド強度のピーク
位置がコア層１０１からずれて、半導体層１０３の突起
部１０３ａの中央付近に移る。この場合、テーパ光導波
路でのスポットサイズ変換に伴う放射損失が増大するの
で、この効果を考慮して設定すればよい。

【００１２】図２は、本発明による光結合デバイスの他
の一実施例であり、光ファイバ結合側光出射端部の断面
図である。この場合、コア２０１の真下の半導体基板２
０２は高さｔ₂₂のリッジ２０２ａを有するリッジ形状に
構成されている。また半導体層２０３の厚さｔ₂ はリッ
ジ高さｔ₂₂と同程度もしくはｔ₂ ＜ｔ₂₂の関係に設定
し、突起部の幅ｗ₂₁と厚さｔ₂₁＋ｔ₂₂の大きさは光ファ
イバ導波光スポットの直径と同程度の大きさにしてい
る。従って、第１クラッド領域として、突起部付近のコ
ア周辺でコアを中心とした軸対称に近い形状に設定して
いる。

【００１３】図３は、本発明による光結合デバイスの他
の一実施例であり、半導体基板３０２上に半導体レーザ
と本光結合デバイスをモノリシック集積化した場合を示
す。図３（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は光出射端部の断面
図、（Ｃ）は半導体レーザ部の断面図である。ここで、
３０１はテーパ光導波路部のコア層、３０２はｎ⁺ 形半
導体基板、３０３はノンドープＩｎＰ層、３０３ａはそ
の突起部、３０４はｐ形ＩｎＰ層、３０５は半導体レー
ザの活性層、３０６はキャップ層、３０７は電極、３１
１はテーパ光導波路部、３１２は半導体レーザ部であ
る。この場合、半導体層のエピタキシャル成長における
成長膜形状の結晶方位依存性を利用することで半導体層
３０３の突起部３０２ａを形成できる。例えば、本実施
例の場合、（１００）面の半導体基板３０２を用い、光
導波路（光の導波方向）を結晶軸＜１１０＞方向にとる
ことで、突起部３０２ａの傾斜面が（１１１）面となる
ような突起が形成される。

【００１４】以下、本発明の原理・効果を具体的に説明
する。

【００１５】図４は、図１の実施例の光結合デバイスの
効果を説明するための図であり、光出射端部におけるコ
ア層１０１の幅ｗ_i と光ファイバ結合損失との関係を、
有限要素法を用いたスカラー波近似解析によって求めた
計算例である。ここでは、波長λ＝１．３μｍ帯用で、
スポット直径ｗ_f ＝８μｍの光ファイバに結合させ、コ
ア層１０１として吸収端が１．１μｍ組成のＩｎＧａＡ
ｓＰを用い、半導体層１０２にｎ⁺ 形ＩｎＰ基板、半導
体層１０３にノンドープＩｎＰを用いている。コア層１
０１の厚さはｔ₁ ＝０．１２，０．１０，０．０８μｍ
一定とし、半導体層１０３の突起部１０３ａの寸法をｔ
₂ ＝２μｍ、ｔ₂₁＝４μｍ、ｗ₂₁＝８μｍと設定した。
すなわち、図４において、ｗ₁ が充分広い状態から徐々
に狭くしていくと、結合損失は徐々に小さくなり、最低
値に近づく傾向を示すことが分かる。従来例（図７）で
は、コア層の厚さｔ₁ をある一定値に固定した時、最小
の光ファイバ結合損失を与える最適コア幅ｗ_o のトレラ
ンスが小さく、その最適値より僅かにずれるだけで、結
合損失が著しく大きくなる関係がある。これに対して、
図４から分かるように、本発明によると、ｗ₁ が最適値
より多少ずれても、結合損失はそれほど大きくはなら
ず、幅ｗ₁ のトレランスが緩和されることが分かる。し
かも、テーパ長Ｌを従来例と同じにするとテーパ部での
スポットサイズ変換に伴う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を短縮化できる。こ
れらの効果は、半導体層１０３の突起部（第１クラッド
領域）１０３ａで光閉じ込め効果があるために生ずる。
さらに、図２の実施例では、第１クラッド領域がコア層
を中心とした軸対称構造に近い形状になるので、円形の
光波フィールド形状をもつ光ファイバとの結合損失を低
減することができる。光導波路伝搬光の光波フィールド
分布強度のピーク位置が、本光結合デバイス内の光入射
端から光出射端までのどの場所においてもコア中にある
ことが望ましく、しかも、その分布がどの場所において
もコア層を中心とした軸対称形状になるように、コア
層、各クラッドの構造・材質を設定すれば、そのときの
放射損失を極めて小さくできる。なお、図１の実施例の
光結合デバイスにおいて半導体基板１０２と半導体層１
０３を同じ材質（ｎ_p ＝ｎ_s ）で構成した場合も、本発
明の効果を得ることができる。

【００１６】本発明による光結合デバイスの第１クラッ
ド領域の大きさは、光ファイバと結合させる場合は、光
ファイバのモードフィールドが円形であるので、図２に
示すようにｗ₂₁とｔ₂₁＋ｔ₂₂をほぼ同じ大きさに設定し
ている。しかし、光波フィールド形状が例えば楕円状の
ような縦横比が異なる形状、あるいは歪んだ形状の場
合、その形状に合わせるように第１クラッド領域の断面
形状を設定すればよい。

【００１７】以上では、動作波長が１．３μｍ帯で、コ
ア層の材質として１．１μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ、各
半導体層にＩｎＰを用いた場合を示したが、動作波長や
接続される光ファイバのスポットサイズに合わせて、光
導波路の材質・寸法を設定すれば、本発明の効果を得る
ことができるのは明白である。また、各半導体層の屈折
率ｎが均一の材料を用いた場合を説明したが、例えば多
重量子井戸（ＭＱＷ）層を用いて、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
を設定できるので、同様に本発明の効果を得ることが可
能である。また、各半導体層を異なる複数の材質の半導
体層で構成してもよい。

【００１８】以上の例では、光出射端側のコア層の寸法
ｗ₁ ，ｔ₁ を光入射端側のコア層の寸法ｗ_i ，ｔ_i より
小さくしてスポットサイズを拡大し光ファイバのスポッ
トサイズに合わせる場合について説明したが、例えばｗ
₁ は光ファイバのそれと同程度の大きさにして、ｔ₁ を
極端に薄くした導波路を構成してスポットサイズを変換
しても良い。本発明は、半導体デバイス以外に、例えば
ＳｉＯ₂ 等のガラス材料、あるいは有機材料等を利用し
た光デバイスに適用できることは自明である。

【００１９】本光結合デバイスは半導体材料で構成でき
るので、例えば、半導体レーザや光変調器、ＬＤアン
プ、光スイッチ等の光機能デバイスの光入出射端部に、
本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が可能である。この場合、半
導体基板上に、光機能デバイスの導波路を形成する時
に、本光結合デバイス用導波路を同時に形成する、ある
いは光機能デバイス部を形成した後、互いの導波路を直
接突き合わせるように本光結合デバイス用導波路を形成
しても良い。

【００２０】以上では、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デバイ
ス、あるいはガラス光導波路デバイスなどあらゆる光導
波路デバイスとの接続部に対しても、それらの光導波路
のスポットサイズ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、寸法あるいは形状を設定すれ
ば、低結合損失の特性を実現できる。また、以上では半
導体レーザ光を光ファイバに結合させる場合について説
明したが、逆に光ファイバから伝送されて来た光を、ス
ポットサイズの小さな光機能デバイスに光結合をとる場
合も本発明による光結合デバイスが有効なことは自明で
ある。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、スポ
ットサイズ変換用の光導波路コア層の周辺に第１クラッ
ド領域を介してさらに低屈折率の領域を配置することに
より、光波フィールド分布をガウス分布形状に近い形状
にしているために、低損失な特性を得ると共にコアの製
作精度を緩くした光結合デバイスが実現可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による光結合デバイスを示
し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は光出射端部の断面図であ
る。

【図２】本発明の他の一実施例による光結合デバイスの
光出射端部を示す断面図である。

【図３】本発明の他の一実施例による光結合デバイスを
示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は光出射端部の断面図、
および（Ｃ）は半導体レーザ部の断面図である。

【図４】本発明の動作原理・効果を説明するための説明
図である。

【図５】従来の光結合デバイスの構成例を示す斜視図で
ある。

【図６】スポットサイズ変換の原理を説明するための説
明図である。

【図７】従来の光結合デバイスの特性図である。

【符号の説明】

１０１，２０１，３０１，５０１光導波路のコア層１０２，２０２，３０２，５０２クラッド領域を構成
するｎ⁺ 形半導体基板１０３，２０３，３０３，５０３第１クラッド領域の
一部を構成するｎ^- もしくはｉもしくはｐ形半導体層１０３ａ突起部１０８，３０８，５０８出射光１０９入射光２０２ａリッジ３０３ａ突起部３０４ｐ形ＩｎＰ層３０５，５０５半導体レーザの活性層３０６キャップ層３０７電極３１１テーパ光導波路部３１２半導体レーザ部５１１テーパ光導波路部５１２半導体レーザ部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者須崎泰正東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者界義久東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の光導波路デバイスと、前記第１の
光導波路デバイスよりスポットサイズの小さい第２の光
導波路デバイスとを結合する光結合デバイスにおいて、少なくとも、半導体基板と、該半導体基板上に形成さ
れ、光の伝搬方向に形状がテーパ状に変化しているコア
層と、該半導体基板上に形成され、該コア層を取り囲む
ように構成された第１のクラッド層から成り、少なくとも前記第１の光導波路デバイスとの光結合端面
側近傍において、前記コア層の直上付近の前記第１のク
ラッド層の表面形状、厚さを、前記第１の光導波路デバ
イスのスポットサイズの形状、大きさに合わせるように
設定したことを特徴とする光結合デバイス。
【請求項２】少なくとも前記第１のクラッド層の屈折
率が、前記コア層よりも小さく、かつ前記半導体基板よ
りも大きく設定したことを特徴とする請求項１記載の光
結合デバイス。
【請求項３】少なくとも前記スポットサイズの大きい
光導波路デバイスとの光結合端面側近傍において、前記
コア層の直下付近の前記半導体基板をリッジ形状とした
ことを特徴とする請求項２記載の光結合デバイス。
【請求項４】入出力光導波路を持つ光機能デバイスに
おいて、請求項１ないし３のいずれかに記載の光結合デ
バイスが、前記入出力導波路として集積化されているこ
とを特徴とする光機能デバイス。