【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はデータ転送用の光カプラに関し、特に１対１のみならず１対多のデータ転送が可能な複数のチャネルを持つ光カプラに関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、電気回路内において、ある回路を電気的に独立させたい場合、光カプラが用いられてきた。
これは半導体発光素子と半導体受光素子を組み合わせたモジュールで、発光素子と結線された第１の回路に電流が流れると素子が発光し、その光を受光素子が受光して、それと接続する第２の回路に電気的な信号が発生するものである。 第１の回路と第２の回路は光で接続しているが、電気的には独立となるため、たとえば第１の回路で発生した電気的ノイズは第２の回路には伝わらない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の光カプラは１対１の光を用いたデータの伝送であり、半導体発光素子とそれと対抗する受光素子とからなっている。
その間、光は空間あるいは発光素子の発光波長に対して透明な材料を伝搬して受光素子に到達する。 このため発光素子と受光素子間の距離を短くする必要があった。 なぜなら、この距離を長くすると、光源に半導体レーザを用いても出射光は広がるために損失が大きくなるためである。 さらに１モジュール内に複数の光カプラを集積するときには、クロストークを低減するために各カプラ間の遮光をする必要がある。 各カプラ間の遮光は、従来の光カプラで１対多のデータ転送を行う場合には複数の受光素子を発光素子に対向した位置に配置すれば可能であるが、受光素子の数が増えれば増えるほど複数の光カプラを集積したときに問題が生じる。 本発明の目的は光カプラ間の遮光を図りながら、１対多のデータ転送ができる光カプラを提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は次の構成によって達成される。 すなわち、基板内に互いに並行して配置された２本以上の導波路を有する平面状導波路を設け、該平面状導波路の各々の導波路構造内に該導波路の導波モードに対して放射損失係数が０でない値を持つ２次以上の回折格子結合器を付加し、回折格子結合器により出射したモードを受光する受光素子アレイを基板表面上に導波方向に沿って配置した機能性光カプラ、
または、基板内に互いに並行して配置された２本以上の導波路を有する平面状導波路を設け、該平面状導波路の各々の導波路構造内に該導波路の導波モードに対して放射損失係数が０でない値を持つ２次以上の回折格子結合器を付加し、前記平面状導波路上にはエバネッセント光が導波路表面にしみだすことのない厚さ以上のクラッド層あるいはクラッド層とバッファ層を有し、回折格子結合器により出射したモードを受光する受光素子アレイを基板表面上に導波方向に沿って配置した機能性光カプラである。

【０００５】ここで、前記両機能性光カプラにおいて、
回折格子結合器が光導波方向に対して一定間隔で一定長さで配置され、各々の回折格子結合器からの出射モードが１対１で対応した受光素子アレイの各々のビットに受光される構成、または、前記回折格子の領域が、導波路光入射端面から基板内部に行くにつれて長くするか、または回折格子の深さを深くして、各回折格子結合器の全放射損失係数をα、各回折格子結合器の長さをＬで表すとき各回折格子結合器のαＬが互いに等しくなるように設計した構成とすることができる。 本発明では基板内部に形成される平面状導波路は拡散型や埋め込み型等のものとすることができる。 平面状導波路は基板平面内部に互いに並行に２本以上配置された導波路構造から構成され、導波路構造内に光を出射するための回折格子結合器が配置されている。

【０００６】

【作用】本発明では基板表面あるいは裏面に導波方向に沿って配置された受光素子アレイで回折格子結合器により出射したモードが受光される。 例えば、半導体レーザの出射光を導波路に結合すると、各受光素子は光を感じる。 ただし、この場合には入射端に近い受光素子ほど受光する光の強度は大きくなる。 そこで、例えば任意の受光素子の出力を取り出すことで、発光素子の出射光の強度変調をその受光素子で受光できる。 また、出力を取り出す受光素子を変えることで、光カプラとしてのパスが変わることになる。 本発明においては基板内部の導波路全域に回折格子を作製しても良いが、受光素子アレイの各ビット間の回折格子は、すべて導波損失となる。 そこで導波路内部の回折格子結合器を導波方向に対して一定間隔で一定長さに配置し、各々の回折格子結合器からの出射モードが１対１で対応した受光素子アレイのビットに受光されるようにしても良い。

【０００７】上記いずれの場合も、各受光素子に到達する光強度、すなわちフォトン数は入射端から遠ざかるにつれて弱くなる。 これを解決する手段としては以下の２
通りの方法あるいはその組み合わせが考えられる。 １つは受光素子のサイズを入射端から遠ざかるにつれて大きくすることである。 他は各回折格子結合器のαＬを等しくする方法である。 ここでαは回折格子結合器の放射損失係数、Ｌは回折格子結合器の長さである。 このためには、Ｌを入射端から遠ざかるにつれて長くする方法が最も簡単な方法であるが、これ以外に、回折格子の深さを入射端から遠ざかるにつれて深くしてαを徐々に大きくする方法、導波路構造を導波方向に対して徐々に変化させる方法などがある。

【０００８】

【実施例】本発明の実施例を図面と共に説明する。 本実施例を図１〜図４に基づいて説明する。 まず、ソーダライムガラス基板１０に１００μｍ間隔で５μｍ幅のタリウム（Ｔｌ）拡散領域１１を形成する（図２（ａ））。
Ｔｌ拡散領域１１の屈折率は、基板１０であるソーダライムガラスの屈折率よりも大きな値を持つので、このままでも導波路として作用する。 しかし、本実施例ではこの基板１０上にＣＶＤ法で１０％ＧｅＯ ₂を添加したＳ
ｉＯ ₂膜１２を厚さ０．５μｍで成膜した（図２
（ｂ））。 この結果、本構造の基板１０を導波路として作用させたとき、導波層はＧｅＯ ₂添加ＳｉＯ ₂膜１２であるが、基板１０にＴｌをイオン交換しているために横方向にも光の閉じ込めがおこり、Ｔｌ拡散領域１１の上部のＧｅＯ ₂添加ＳｉＯ ₂膜１２中に電界が集中する。 このことを図３でさらに説明すると、図２（ｂ）の基板１
０の厚さ方向（ｙ方向）の屈折率は図３（ａ）で示すように、基板１０よりＧｅＯ ₂添加ＳｉＯ ₂膜１２の方が大きいので、ＧｅＯ ₂添加ＳｉＯ ₂膜１２が導波層となるが、さらに図２（ｂ）の基板１０の横方向（ｘ方向）の屈折率を見ると図３（ｂ）に示すように、基板１０のＴ
ｌ拡散領域１１の方がＴｌ非拡散領域よりも大きいので、Ｔｌ拡散領域１１に対応するＧｅＯ ₂添加ＳｉＯ ₂膜１２の部分が導波領域となる。

【０００９】この基板１０に後工程のエッチングマスクとして用いるＣｒ膜（図示せず）をスパッタ法で成膜し、その上に干渉露光法により周期０．５μｍの回折格子パターンを形成した（図示せず）。 このパターン上の一部にフォトレジストのマスクを作製し、これをマスクとしてＣｒ膜をウエットエッチングした。 部分的に回折格子のパターンを有するＣｒ膜をマスクとしてＣＦ ₄ガスによるＲＩＥ(reactiveion etching)で深さ０．１５
μｍの回折格子１３をＧｅＯ ₂添加ＳｉＯ ₂膜１２上に形成した。 各々の回折格子１３およびその下層にあるＧｅ
Ｏ ₂添加ＳｉＯ ₂膜１２およびＴｌ拡散領域１１を持つ基板１０を一つの単位として回折格子結合器１４がそれぞれ形成される（図２（ｃ））。 Ｃｒ膜を除去した後、再びＣＶＤ法によりクラッド層である１μｍのＳｉＯ ₂膜１５を成膜した（図２（ｄ））。 導波層であるＧｅＯ ₂
添加ＳｉＯ ₂膜１２とクラッド層（ＳｉＯ ₂膜１５）との間の屈折率の差が大きくなるとＧｅＯ ₂添加ＳｉＯ ₂膜１
２からの光の出射が高くなる。 そこで、両者の屈折率の差を小さくすることで、ＧｅＯ ₂添加ＳｉＯ ₂膜１２表面からの回折による出射を起こりにくくし、ＧｅＯ ₂添加ＳｉＯ ₂膜１２全表面から満遍なく光を出射させるためにＳｉＯ ₂膜１５を設ける。

【００１０】こうして得られた光導波層であるＧｅＯ ₂
添加ＳｉＯ ₂膜１２内の導波モードを計算したところ、
図４に示す光強度分布が得られた。 この計算ではソーダライムガラス基板１０、Ｔｌ拡散領域１１、ＧｅＯ ₂添加ＳｉＯ ₂膜１２、およびＣＶＤ法によるＳｉＯ ₂膜１５
の屈折率をそれぞれ１．５０、１．５５、１．６１２、
１．４５とし、導波光の真空中での波長を７８０ｎｍとした。 またＴｌ拡散領域１１の深さは１μｍとした。 このＧｅＯ ₂添加ＳｉＯ ₂膜１２はシングルモードで基本波の等価屈折率は１．５５８になる。 この回折格子結合器１４により放射されるモードは、基板１０の垂線に対して−６．８２の角度をもって出射し、このときの放射損失係数、すなわち回折効率を計算すると表面側に１３．
８ｃｍ ^-1 、基板側に１３．６ｃｍ ^-1となった。 したがって、トータルで２７．４ｃｍ ^-1の放射損失になる。

【００１１】最後に図１に示すアモルファスシリコンのｐｉｎフォトダイオード１６のアレイをＳｉＯ ₂膜１５
上に作製した。 フォトダイオード１６のアレイの各ビットは長さ１００μｍ、それぞれの間隔は２０μｍとした。 回折格子結合器１４間には回折格子は存在せず、そこでの導波損失は０とすると、ｎ番目のフォトダイオード１６で受光する光強度は、入射光強度で規格化すると Ｉ／Ｉ ₀ ＝ｅｘｐ［−（ｎ−１）αＬ］×［１−ｅｘｐ（−αsＬ）］ と表すことができる。 ここでαは全放射損失係数、αs
は表面側への放射損失係数、Ｌはフォトダイオード１６
の光の導波方向の長さである。 これを用いるとｎ＝１は１２．５％、ｎ＝２で９．５％、ｎ＝３で７．３％、ｎ
＝４で５．５％、ｎ＝５で４．２％、そしてｎ＝１０では入射光の強度の３．１％がフォトダイオード１６に入射することになる。 光接続を確認するために、出力１０
ｍＷの７８０ｎｍ半導体レーザからの出射光をＧｅＯ ₂
添加ＳｉＯ ₂膜１２に結合したところ、それぞれのフォトダイオード１６からの出力比はほぼ先の計算通りになった。 また本構造のカプラでは、回折格子結合器１４から基板１０方向に出射した光が基板１０の裏面で一部反射し、フォトダイオード１６に受光されたため、隣のＧ
ｅＯ ₂添加ＳｉＯ ₂膜１２からのクロストークが−１０ｄ
Ｂ程度観測された。 ただし、これは基板１０裏面に無反射コートを施して回折格子結合器１４から基板１０方向に出射した光を反射させない、あるいは光を吸収する層を設けて回折格子結合器１４から基板１０方向に出射した光を吸収させることでさらに改善できる。

【００１２】上記実施例では回折格子結合器１４から基板１０の表面方向に出射した光のみを受光している。 ところが回折格子結合器１４からは基板１０の裏面側にも光が出射するので、この光を有効に利用するために、基板１０の裏面あるいはＧｅＯ ₂添加ＳｉＯ ₂膜１２と基板１０間に多層膜反射鏡を挿入し、基板１０の裏面側に出射した光を基板１０の表面方向に反射させてフォトダイオード１６で効率よく受光させることもできる。 あるいは基板１０の裏面側にもフォトダイオード１６のアレイを設置することで、受光素子数を上記実施例の場合の２
倍に増すことも可能である。 回折格子結合器１４の放射損失係数を最適化することにより、導波方向に並ぶフォトダイオード１６を任意の数にでき、しかもすべてのフォトダイオード１６で出射光を受光できる。 さらに半導体レーザを導波路１２の両端に結合すると、フォトダイオード１６の数を単純には２倍に設定できる。

【００１３】

【発明の効果】本発明によると１対多のデータ転送が可能で、しかも複数のチャネルをもった光カプラが実現できる。 本光カプラは導波路構造を用いたものであるため、空間伝搬によるデータ転送を用いたものに比べて小さなクロストークが実現できる。 光カプラでは発光素子と受光素子間の距離を任意に設定できるとともに、受光素子数も任意である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例の光カプラの斜視説明図である。

【図２】 図１の光カプラの製造工程を示す斜視説明図である。

【図３】 図１の光カプラの光導波路の基板の方向による屈折率の変化を示す図である。

【図４】 図１の光カプラの光導波路内の光強度分布の計算結果を示すグラフの図である。

【符号の説明】

１０…ソーダライムガラス基板、１１…Ｔｌ拡散領域、
１２…ＧｅＯ ₂添加ＳｉＯ ₂膜、１３…回折格子、１４…
回折格子結合器、１５…ＳｉＯ ₂膜、１６…フォトダイオード