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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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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