JPH11281832A - グレーティングカプラ - Google Patents
グレーティングカプラInfo
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- JPH11281832A JPH11281832A JP8633698A JP8633698A JPH11281832A JP H11281832 A JPH11281832 A JP H11281832A JP 8633698 A JP8633698 A JP 8633698A JP 8633698 A JP8633698 A JP 8633698A JP H11281832 A JPH11281832 A JP H11281832A
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- optical waveguide
- grating
- waveguide layer
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 光導波層に特別な加工を必要とすることな
く、光ビームの波長変動による導波損失を極力抑えるこ
とのできるグレーティングカプラを得る。 【解決手段】 基板10上に光学バッファ層11を介し
て光導波層15を設け、この光導波層15の表面に形成
したグレーティング16によって外部と光導波層15と
を光学的に結合するグレーティングカプラ。グレーティ
ング16は高次モードの回折光を光導波層15へ伝搬さ
せる。
く、光ビームの波長変動による導波損失を極力抑えるこ
とのできるグレーティングカプラを得る。 【解決手段】 基板10上に光学バッファ層11を介し
て光導波層15を設け、この光導波層15の表面に形成
したグレーティング16によって外部と光導波層15と
を光学的に結合するグレーティングカプラ。グレーティ
ング16は高次モードの回折光を光導波層15へ伝搬さ
せる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、グレーティングカ
プラ、詳しくは、基板上に光導波層を設け、この光導波
層に形成されたグレーティングによって外部と光導波層
とを光学的に結合するグレーティングカプラに関する。
プラ、詳しくは、基板上に光導波層を設け、この光導波
層に形成されたグレーティングによって外部と光導波層
とを光学的に結合するグレーティングカプラに関する。
【0002】
【従来の技術と課題】一般に、光導波路は、基板上ある
いは基板に形成した低屈折率の光学バッファ層上に高屈
折率の光導波層を設け、光導波層の表面は空気(低屈折
率層)とし、半導体レーザから放射されたレーザビーム
を光導波層に入力して導波させ、光導波層から出力させ
る。このとき、IDT(inter−digital−transducer、
くし型電極)から光導波層に表面弾性波を発生させ、レ
ーザビームを偏向させる。レーザビームを光導波層に入
力又は出力させる結合は、プリズムを用いること、光導
波層端面を用いること及びグレーティングを用いること
が実用に供されている。
いは基板に形成した低屈折率の光学バッファ層上に高屈
折率の光導波層を設け、光導波層の表面は空気(低屈折
率層)とし、半導体レーザから放射されたレーザビーム
を光導波層に入力して導波させ、光導波層から出力させ
る。このとき、IDT(inter−digital−transducer、
くし型電極)から光導波層に表面弾性波を発生させ、レ
ーザビームを偏向させる。レーザビームを光導波層に入
力又は出力させる結合は、プリズムを用いること、光導
波層端面を用いること及びグレーティングを用いること
が実用に供されている。
【0003】しかし、グレーティングカプラは、原理的
に光の回折現象を利用するため、光ビームの波長変動に
対して導波特性が大きく影響されることが問題となって
いる。特に、半導体レーザを光源として用いる場合、半
導体レーザ自体の温度変化によってレーザの波長変動が
発生しやすいため、その影響で光入力又は光出力の結合
効率が低下することは避けられなかった。
に光の回折現象を利用するため、光ビームの波長変動に
対して導波特性が大きく影響されることが問題となって
いる。特に、半導体レーザを光源として用いる場合、半
導体レーザ自体の温度変化によってレーザの波長変動が
発生しやすいため、その影響で光入力又は光出力の結合
効率が低下することは避けられなかった。
【0004】即ち、光導波層の厚さ、屈折率、光ビーム
の波長及び光導波層の上下の媒質の屈折率が決まれば、
光ビームの導波モード、実効屈折率(又は全反射角度)
等が決定される。そして、グレーティングの周期によっ
て光ビームの最適な入射角度が決定される。しかし、入
射角度が固定された状態で波長が変動すると、実効屈折
率がずれてしまい、光導波が設計どおりに行われず、損
失が大きくなる。現状では、半導体レーザから放射され
るレーザビームの波長変動は避けられず、その対策が要
望されている。
の波長及び光導波層の上下の媒質の屈折率が決まれば、
光ビームの導波モード、実効屈折率(又は全反射角度)
等が決定される。そして、グレーティングの周期によっ
て光ビームの最適な入射角度が決定される。しかし、入
射角度が固定された状態で波長が変動すると、実効屈折
率がずれてしまい、光導波が設計どおりに行われず、損
失が大きくなる。現状では、半導体レーザから放射され
るレーザビームの波長変動は避けられず、その対策が要
望されている。
【0005】従来、入射される光ビームの波長が変動し
たとしてもその影響をキャンセルする対策として、特許
第2527363号公報には、光導波層上のグレーティ
ングと光源との間に波長補正用グレーティングを設置す
ることが記載されている。また、特許第2551477
号公報には、光導波層の端面で光ビームを屈折させて最
適入射角度でグレーティングに入射させることが記載さ
れている。さらに、特開昭63−276004号公報に
は、光導波層の開口内に周期の異なる複数のグレーティ
ングベクトルを合成してなる屈折率分布を持たせたグレ
ーティングを用いることが記載されている。
たとしてもその影響をキャンセルする対策として、特許
第2527363号公報には、光導波層上のグレーティ
ングと光源との間に波長補正用グレーティングを設置す
ることが記載されている。また、特許第2551477
号公報には、光導波層の端面で光ビームを屈折させて最
適入射角度でグレーティングに入射させることが記載さ
れている。さらに、特開昭63−276004号公報に
は、光導波層の開口内に周期の異なる複数のグレーティ
ングベクトルを合成してなる屈折率分布を持たせたグレ
ーティングを用いることが記載されている。
【0006】しかし、前記したいずれの対策において
も、補正用グレーティングを光導波路の外部に設けた
り、光導波層に特別な加工を必要とするという問題点を
有していた。
も、補正用グレーティングを光導波路の外部に設けた
り、光導波層に特別な加工を必要とするという問題点を
有していた。
【0007】そこで、本発明の目的は、光導波層に特別
な加工を必要とすることなく、光ビームの波長変動によ
る導波損失を極力抑えることのできるグレーティングカ
プラを提供することにある。
な加工を必要とすることなく、光ビームの波長変動によ
る導波損失を極力抑えることのできるグレーティングカ
プラを提供することにある。
【0008】
【発明の構成、作用及び効果】以上の目的を達成するた
め、本発明に係るグレーティングカプラは、光導波層に
形成されたグレーティングが高次モードの回折光を光導
波層へ伝搬させるようにした。光導波層の導波モードは
0次から高次のモードが存在する。本発明においては、
高次モードの回折光を導波光として結合することでグレ
ーティングカプラの波長依存性ひいては入射角度依存性
を抑制することができる。
め、本発明に係るグレーティングカプラは、光導波層に
形成されたグレーティングが高次モードの回折光を光導
波層へ伝搬させるようにした。光導波層の導波モードは
0次から高次のモードが存在する。本発明においては、
高次モードの回折光を導波光として結合することでグレ
ーティングカプラの波長依存性ひいては入射角度依存性
を抑制することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係るグレーティン
グカプラの実施形態について添付図面を参照して説明す
る。
グカプラの実施形態について添付図面を参照して説明す
る。
【0010】図1は本発明の第1実施形態であるグレー
ティングカプラを示し、基板10上に低屈折率の光学バ
ッファ層11を介して高屈折率の光導波層15が設けら
れ、光導波層15の表面にはグレーティング16が形成
されている。
ティングカプラを示し、基板10上に低屈折率の光学バ
ッファ層11を介して高屈折率の光導波層15が設けら
れ、光導波層15の表面にはグレーティング16が形成
されている。
【0011】このグレーティングカプラにおいて、入力
結合が発生するとき、最適入射角度θは次式(1)を満
足する。 ncsinθ=nfsinφ+(qλ/Λ) …(1) nc:外部媒質(空気)の屈折率 nf:光導波層の屈折率 φ:導波光の伝搬角度 q:回折次数 λ:入射光の波長 Λ:グレーティングの周期
結合が発生するとき、最適入射角度θは次式(1)を満
足する。 ncsinθ=nfsinφ+(qλ/Λ) …(1) nc:外部媒質(空気)の屈折率 nf:光導波層の屈折率 φ:導波光の伝搬角度 q:回折次数 λ:入射光の波長 Λ:グレーティングの周期
【0012】前式(1)における伝搬角度φは、実効屈
折率neffと次式(2)に示す関係にある。 neff=nfsinφ …(2)
折率neffと次式(2)に示す関係にある。 neff=nfsinφ …(2)
【0013】前式(1)から入射角度θの微小変化量Δ
θと伝搬角度φの微小変化量Δφに関して次式(3)が
導かれる。 Δθ=(nfcosφ)/nccosθ)Δφ …(3)
θと伝搬角度φの微小変化量Δφに関して次式(3)が
導かれる。 Δθ=(nfcosφ)/nccosθ)Δφ …(3)
【0014】最適な入射条件で入力結合が起こっている
状態から、入射角度がΔθだけ変化したときに結合効率
が低下しないためには、伝搬角度φもそれに応じて変化
する必要がある。波長λが一定であれば、導波モードの
伝搬角度φを変化させるためには、屈折率nfを変化さ
せるか、光導波層15の厚みを変化させる必要がある。
しかし、これらの変化は不可能であり、入射角度θと伝
搬角度φとの間に不整合が生じる。ここで、伝搬角度φ
が最適条件を満たすために変化すべき量をΔφと表わ
す。あるΔφで結合効率が半分になるとすると、前式
(3)においてそのΔφに対応したΔθだけ入射角度θ
が変化したときに、結合効率が半分になる。
状態から、入射角度がΔθだけ変化したときに結合効率
が低下しないためには、伝搬角度φもそれに応じて変化
する必要がある。波長λが一定であれば、導波モードの
伝搬角度φを変化させるためには、屈折率nfを変化さ
せるか、光導波層15の厚みを変化させる必要がある。
しかし、これらの変化は不可能であり、入射角度θと伝
搬角度φとの間に不整合が生じる。ここで、伝搬角度φ
が最適条件を満たすために変化すべき量をΔφと表わ
す。あるΔφで結合効率が半分になるとすると、前式
(3)においてそのΔφに対応したΔθだけ入射角度θ
が変化したときに、結合効率が半分になる。
【0015】以上のことから、前式(3)におけるΔφ
の関数であるnfcosφ/nccosθの値が大きい程
入射角度θの変動に対して許容度が広いことが分かる。
入射角度θが一定であれば、伝搬角度φが小さい方が前
記係数の値が大きくなり、広い許容度を有することにな
る。
の関数であるnfcosφ/nccosθの値が大きい程
入射角度θの変動に対して許容度が広いことが分かる。
入射角度θが一定であれば、伝搬角度φが小さい方が前
記係数の値が大きくなり、広い許容度を有することにな
る。
【0016】また、前式(1)から入射角度変化量Δθ
と波長変化量Δλに関して次式(4)が得られる。 |Δλ|=(ncΛ/|q|)cosθΔθ …(4)
と波長変化量Δλに関して次式(4)が得られる。 |Δλ|=(ncΛ/|q|)cosθΔθ …(4)
【0017】前式(4)からは、cosθの値が大きく
なると、波長変化量Δλの絶対値が大きくなることが分
かる。換言すれば、入射角度θが小さくなると、同じ変
化量Δθに対して変化量Δλに対する許容度が広くな
る。
なると、波長変化量Δλの絶対値が大きくなることが分
かる。換言すれば、入射角度θが小さくなると、同じ変
化量Δθに対して変化量Δλに対する許容度が広くな
る。
【0018】高次モードの回折光を入力結合させると入
射角度θが小さくなり、波長変動に対して広い許容幅を
得ることができる。このように波長変動に対する許容幅
が広いということは、入射角度の変化に対する許容度が
広いということでもあり、高次モードの回折光を導波光
と結合させるという本発明はその効果が大きい。
射角度θが小さくなり、波長変動に対して広い許容幅を
得ることができる。このように波長変動に対する許容幅
が広いということは、入射角度の変化に対する許容度が
広いということでもあり、高次モードの回折光を導波光
と結合させるという本発明はその効果が大きい。
【0019】図5は、TE0モードからTE4モードま
での回折光について、伝搬角度変化量Δφに関する最適
入射角度変化量Δθを前式(1)から求めてグラフとし
たものである。各パラメータは、nf:1.99、nc:
1.0、Λ:0.6μm、λ:0.6328μm、光導
波層15の厚さ:1.05μmである。
での回折光について、伝搬角度変化量Δφに関する最適
入射角度変化量Δθを前式(1)から求めてグラフとし
たものである。各パラメータは、nf:1.99、nc:
1.0、Λ:0.6μm、λ:0.6328μm、光導
波層15の厚さ:1.05μmである。
【0020】図5において、ΔφとΔθの関係はほぼ線
形であり、前式(3)で近似できる。同じΔφに対して
Δθを広く設定しようとすれば、高次モードの回折光を
導波させる方がよいことが分かる。即ち、高次モードの
回折光を導波させる方が波長変動に対する許容度も広く
なる。
形であり、前式(3)で近似できる。同じΔφに対して
Δθを広く設定しようとすれば、高次モードの回折光を
導波させる方がよいことが分かる。即ち、高次モードの
回折光を導波させる方が波長変動に対する許容度も広く
なる。
【0021】図1に示した第1実施形態は、基板10と
してシリコンを使用し、光学バッファ層11は熱酸化法
でSiO2膜を成膜した。光導波層15はZnOからな
る。この第1実施形態は光導波層15の表面にグレーテ
ィング16を形成したものであるが、図2に示す第2実
施形態のように、SiO2膜からなる光学バッファ層1
1とZnOからなる光導波層15の界面にグレーティン
グ12を形成しものであってもよい。
してシリコンを使用し、光学バッファ層11は熱酸化法
でSiO2膜を成膜した。光導波層15はZnOからな
る。この第1実施形態は光導波層15の表面にグレーテ
ィング16を形成したものであるが、図2に示す第2実
施形態のように、SiO2膜からなる光学バッファ層1
1とZnOからなる光導波層15の界面にグレーティン
グ12を形成しものであってもよい。
【0022】さらに、基板10が光導波層15よりも屈
折率が小さければ、例えばガラスやサファイアを基板1
0として使用するのであれば、光学バッファ層11は不
要である。図3はこのような第3実施形態を示し、ガラ
ス基板10上にZnOからなる光導波層15を成膜し、
グレーティング16を形成したものである。図4は第4
実施形態を示し、ガラス基板10とZnOからなる光導
波層15の界面にグレーティング12を形成したもので
ある。
折率が小さければ、例えばガラスやサファイアを基板1
0として使用するのであれば、光学バッファ層11は不
要である。図3はこのような第3実施形態を示し、ガラ
ス基板10上にZnOからなる光導波層15を成膜し、
グレーティング16を形成したものである。図4は第4
実施形態を示し、ガラス基板10とZnOからなる光導
波層15の界面にグレーティング12を形成したもので
ある。
【0023】ここで、図2に示した第2実施形態である
グレーティングカプラの製造プロセスについて説明す
る。シリコン基板10上に熱酸化法でSiO2の光学バ
ッファ層11を0.8μmの厚さに形成する。その屈折
率は、1.46である。次に、光学バッファ層11上に
アルミニウムを0.1μmの厚さに真空蒸着法で成膜
し、電子線描画法により0.6μmの周期でリニアグレ
ーティング形状に加工した。その後、リアクティブイオ
ンエッチング法によりアルミニウム膜をエッチングし、
続いて光学バッファ層11を0.2μmの深さにエッチ
ングした。次に、アルミニウム膜をウエットエッチング
で除去し、光学バッファ層11上にZnOをスパッタ法
で1.0μmの厚さに成膜し、光導波層15とした。そ
の屈折率は1.99である。
グレーティングカプラの製造プロセスについて説明す
る。シリコン基板10上に熱酸化法でSiO2の光学バ
ッファ層11を0.8μmの厚さに形成する。その屈折
率は、1.46である。次に、光学バッファ層11上に
アルミニウムを0.1μmの厚さに真空蒸着法で成膜
し、電子線描画法により0.6μmの周期でリニアグレ
ーティング形状に加工した。その後、リアクティブイオ
ンエッチング法によりアルミニウム膜をエッチングし、
続いて光学バッファ層11を0.2μmの深さにエッチ
ングした。次に、アルミニウム膜をウエットエッチング
で除去し、光学バッファ層11上にZnOをスパッタ法
で1.0μmの厚さに成膜し、光導波層15とした。そ
の屈折率は1.99である。
【0024】以上のグレーティングカプラを光導波路に
用い、He−Neレーザ(波長:0.6328μm)を
光源として、光導波路からの出射光の強度を光パワーメ
ータで測定した。サンプルは#1と#2の二つを用い、
TE0,TE1,TE2モードに対して結合効率が70
%に低下する変化量Δλを測定した結果を以下の第1表
に示す。
用い、He−Neレーザ(波長:0.6328μm)を
光源として、光導波路からの出射光の強度を光パワーメ
ータで測定した。サンプルは#1と#2の二つを用い、
TE0,TE1,TE2モードに対して結合効率が70
%に低下する変化量Δλを測定した結果を以下の第1表
に示す。
【0025】
【表1】
【0026】光導波層15に関しては、基板10や光学
バッファ層11よりも屈折率が大きい材料であれば、半
導体、誘電体、圧電体等のうち種々の材料を使用でき
る。圧電体としてのZnOは材料が安価で圧電効果が高
いという利点を有している。成膜方法としては、スパッ
タ法以外に、CVD法、レーザアブレーション法等種々
の方法を採用できる。
バッファ層11よりも屈折率が大きい材料であれば、半
導体、誘電体、圧電体等のうち種々の材料を使用でき
る。圧電体としてのZnOは材料が安価で圧電効果が高
いという利点を有している。成膜方法としては、スパッ
タ法以外に、CVD法、レーザアブレーション法等種々
の方法を採用できる。
【0027】なお、本発明に係るグレーティングカプラ
は前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範
囲内で種々に変更できることは勿論である。
は前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範
囲内で種々に変更できることは勿論である。
【図1】本発明の第1実施形態であるグレーティングカ
プラの断面図。
プラの断面図。
【図2】本発明の第2実施形態であるグレーティングカ
プラの断面図。
プラの断面図。
【図3】本発明の第3実施形態であるグレーティングカ
プラの断面図。
プラの断面図。
【図4】本発明の第4実施形態であるグレーティングカ
プラの断面図。
プラの断面図。
【図5】伝搬角度変化量と最適入射角度変化量との関係
を示すグラフ。
を示すグラフ。
10…基板 11…光学バッファ層 12…グレーティング 15…光導波層 16…グレーティング
Claims (1)
- 【請求項1】 基板に光導波層を設け、この光導波層に
形成されたグレーティングによって外部と光導波層とを
光学的に結合するグレーティングカプラにおいて、前記
グレーティングは半導体レーザから放射されたレーザビ
ームを入力させ、かつ、高次モードの回折光を光導波層
へ伝搬させることを特徴とするグレーティングカプラ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8633698A JPH11281832A (ja) | 1998-03-31 | 1998-03-31 | グレーティングカプラ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8633698A JPH11281832A (ja) | 1998-03-31 | 1998-03-31 | グレーティングカプラ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11281832A true JPH11281832A (ja) | 1999-10-15 |
Family
ID=13884014
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8633698A Pending JPH11281832A (ja) | 1998-03-31 | 1998-03-31 | グレーティングカプラ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH11281832A (ja) |
-
1998
- 1998-03-31 JP JP8633698A patent/JPH11281832A/ja active Pending
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