JP3098173B2 - 光カプラー及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光カプラー及びその製
造方法に関し、光導波路に入射光を導入する光導入部を
該光導波路とモノリシックに基板上に形成したものに関
する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバーや光集積型の光ピックアッ
プ等、光導波路に関する技術の利用範囲は近年急激に広
がりつつある。このような光導波路の利用方法は、光導
波路への光の入力方法によって２つに大別される。

【０００３】１つは、光通信分野における、光源と光導
波路を各々の端面で突き合わせて光結合させる方法であ
り、光ファイバーへ光を入力するための機構等はこの光
結合方法の典型的なものである。

【０００４】他の一つは、光導波路の表面に回折格子等
の光入力部を設け、該光入力部を介して光導波路に外部
からの光を入力する方法であり、光ピックアップ等に光
導波路を適用する場合は概ね、光導波路表面に回析格子
等の光入力手段（カプラー）を設ける方法が採られる。

【０００５】本発明は、この光導波路表面にカプラーを
設けて、光を光導波路に入力する技術に関するものであ
り、これは、光導波路素子の採用により光ピックアップ
の小型化等を図る上では必要不可欠な技術である。上記
カプラーとしては、プリズムカプラー、グレーティング
カプラーと呼ばれるカプラーがよく用いられる。特に、
カプラー部分を集積化、薄型化するという点では、グレ
ーティングカプラーが一般的である。

【０００６】図１７は、従来の光ピックアップでのグレ
ーティングカプラーの応用例を示しており、図におい
て、１００はグレーティングカプラー１０９を用いた光
ピックアップで、該光ピックアップ１００と記録媒体で
ある光ディスク１１０とを、該カプラー１０９により光
結合させたものである。

【０００７】ここで、グレーティングカプラー１０９
は、光導波路１０２の表面に設けられた回折格子（グレ
ーティング）によって回折された光を光導波路１０２内
に導くという原理で動作する。また、ここでは、光磁気
信号検出用のピックアップに光導波路素子を利用してい
るため、光導波路素子のグレーティングカプラー１０９
としては、ディスク１１０上への集光機能を持つ曲線状
のグレーティングが形成されている。

【０００８】この光ピックアップ１００では、半導体レ
ーザ１０１よりレーザ光が出射されると、このレーザ光
は基板１０７上に形成されている３次元導波路１０２に
入射する。該入射した光は、該光導波路１０２中を伝搬
するが、この時光導波路の途中に設けられたグレーティ
ング１０３により、その一部が帰還される。これにより
安定化されたレーザ光が、光導波路１０２よりスラブ光
導波路１０５中にレーザビームとして放射される。この
ビームはグレーティングレンズ１０８により平行化され
た後、グレーティングスプリッタ１０６を通過し、グレ
ーティングカプラー１０９により光ディスク１１０に照
射される。

【０００９】また、該光ディスク１１０からの反射光
は、上記グレーティングカプラー１０９によりコリメー
トされ、グレーティングスプリッタ１０６により分岐さ
れ、グレーティングレンズ１０８で集光された後、ディ
テクタ１０４に入射する。ここで、該反射光は電気信号
として読みとられる。

【００１０】このように図１７の光ピックアップに用い
られた光導波路素子のグレーティングカプラーは、光源
（半導体レーザ）１０１からの光をディスク１１０上に
集光したり、ディスク１１０からの戻り光を、その検出
用の光導波路素子に入力したりする機能を果たしてい
る。

【００１１】しかし、グレーティングカプラーには次の
ような問題がある。

【００１２】そもそも、グレーティングカプラーに外部
から入射する光が、光導波路を伝搬する光に変換される
効率（以後、結合効率と言う。）は、光導波路の中を伝
搬する光と回折格子で回折された光との間で位相整合さ
せるための条件が、どの程度満足されるかに左右され
る。

【００１３】位相整合条件は実効屈折率（伝搬する光の
位相定数を波数〔２π／λ：λは入射光の空気中での波
長〕で割った値）をＮ、入射角（光導波路表面の法線に
対して入射光の光軸がなす角）をθ_i、グレーティング
の溝の周期をΛとして、以下のようになる。

【００１４】位相整合条件：Ｎ（λ）＝sinθ_i−λ／Λ
（−１次の回折による結合の場合） ここで、Ｎ（λ）は、波長λの変動に対しておよそ１０
^-4／ｎｍの変化が生ずるのに対して、λ／Λの変化は、
Λの値を一般的な値１μｍとしたとき、波長λの変動に
対しておよそ１０^-3／ｎｍであり、位相整合条件は、λ
／Λの変化がＮ（λ）の変化に対して大きいことから、
光カプラーへの入射光の波長変化に対して大きく変化す
る。

【００１５】ここで、光ピックアップの光源として用い
られる半導体レーザには、固体差による発振波長の違い
や、動作環境温度による発振波長変動するという性質が
あり、光導波路に結合させる際に、位相整合条件の変動
に起因して安定した結合効率が得られない。

【００１６】そこで、図１７に示す従来の光導波路素子
では、この課題に対して、光源からのレーザー光の一部
を光源に帰還させることにより、光源からの出射光の方
の波長変動が抑制されるよう光導波路素子を動作させ
て、グレーティングカプラーでの結合特性を安定させて
いる。

【００１７】しかし、波長変動による結合効率の低下の
課題の外にも、光の光導波路への導入に光の回折を利用
するため、光導波路へ結合するような角度で回折されな
かった光のエネルギーが損失になることなどから、高い
結合効率を得るのが難しいという問題もある。

【００１８】さらに、グレーティングカプラーと、該カ
プラーへの入射光の波長を一定にするための機能部分と
を同一基板上に設置することは、光導波路素子の利用方
法を大きく制限することになる。

【００１９】従って、カプラーはそれ単独で波長変化に
よる結合効率の変動を低減し、かつ高い結合効率を得る
ことができるものであることが望ましく、この点から
は、光導波路素子に用いるカプラーとしては、プリズム
カプラーの方が優れている。

【００２０】すなわち、プリズムカプラーでの結合原理
は、下記の位相整合条件が成り立てば、入射光をプリズ
ムのエッジ（プリズムがある場所と無い場所との境界、
すなわちプリズムと空気の境界）付近に入射すれば、プ
リズムがある場所で光導波路に一旦導光した光が、プリ
ズムが無い場所では外部に出て行かないようにできると
いうものであり、その位相整合条件は、プリズムの屈折
率をｎ_pとして、 位相整合条件：Ｎ（λ）＝ｎ_p（λ）sinθ_i （プリズムの底角が光導波路の入射面での光の入射角に
等しい場合の条件）で表され、Ｎ（λ）、ｎ_p（λ）の
空気中での入射光の波長λに対する変化の大きさは互い
に比較的近いので、位相整合条件の波長変化に対する変
化もグレーティングカプラーに比べ小さく、結合効率の
波長変化に対する許容性はグレーティングカプラーに比
べ大きいと言える。

【００２１】図１８は、特開平３−８７７０５号公報に
開示されている従来のプリズムカプラの一構成例を示し
ており、図中、２００はプリズムカプラで、このプリズ
ムカプラー２００では、プリズム１１５は誘電体接着剤
１１４により光導波路１１１上に固定されている。ここ
で、上記光導波路１１１は基板１１８上に設けられてお
り、該光導波路１１１上には第１のギャップ調整層１１
２及び第２のギャップ調整層１１３が順次積層されてお
り、該第２のギャップ調整層１１３に形成された開口部
上に上記プリズム１１５が配置されている。そして、こ
のプリズムカプラー２００では、その入射光１１６は、
誘電体接着剤１１４とギャップ調整層１１３との境界付
近に入射するようになっている。

【００２２】このプリズムカプラでの結合原理は次のよ
うなものである。

【００２３】このプリズムカプラ２００では、該誘電体
接着剤１１４とギャップ調整層１１３との境界が、前述
のプリズムと空気との境界に対応しており、該境界の付
近の誘電体接着剤１１４のあるところから入射した光
は、全反射角より大きな角度でギャップ調整層１１２の
表面に入射しているが、該ギャップ調整層１１２をトン
ネル効果的な作用により通過して光導波路層１１１に入
る。光導波路層１１１に入った光は、基板１１８との境
界で全反射され、再びギャップ調整層１１２側に向かう
が、今度は、第１，第２のギャップ調整層１１２，１１
３からなる層厚の厚い部分に入射するため、トンネル効
果が起こらず、光は再び基板側へ全反射される。このよ
うな光導波路層１１内での全反射の繰り返しにより、光
は光導波路層１１１を伝搬することになる。

【００２４】また、光導波路と他の光学系との光結合
を、光が光導波路表面の薄い誘電体層を通り抜けるトン
ネル効果的な作用により実現しているため、光の損失を
小さく抑え、結合効率も８０％近くに高めることができ
る。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、プリ
ズムカプラーは有効なカプラーであるが、光導波路に取
り付けるプリズムの大きさは、小さくしても底面１ｍｍ
角、高さ１ｍｍ程度が限度である。従って、光導波路に
取り付けるプリズムの大きさによって光導波路素子の大
きさがほぼ決まってしまうことになる。言い換えれば、
小さなビーム径、例えば１００μｍ以下の入射光を結合
させる場合にも、過分な大きさのプリズムを用いざるを
得ないことになる。

【００２６】このことは、グレーティングカプラーより
は、高さ方向に厚くなる分、集積性が劣る結果、光導波
路素子の主たる特徴の薄型化、小型化のメリットを十分
に発揮できないことを示している。

【００２７】また、プリズムは小さいほど、光導波路へ
の固定が困難になり、プリズム１個当たりの単価も高価
になる。

【００２８】加えて、カプラー作製の際、プリズムを一
つ一つ固定する必要があり量産性についても問題があ
る。

【００２９】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、光導波路素子への光の結合を、
結合効率の波長変化に対する許容性の大きなプリズムカ
プラーの原理に基づいて行うことができ、しかも従来の
プリズムカプラーより、薄型化が可能でかつ集積性に優
れ、さらにその作製が簡単で量産性に優れた光カプラー
及びその製造方法を得ることを目的とする。

【００３０】

【課題を解決するための手段】この発明（請求項１）に
係る光カプラーは、基板と、該基板上に形成された第１
誘電体層と、該第１誘電体層上に形成され、該第１誘電
体層の屈折率より低い屈折率を有する第２誘電体層と、
該第２誘電体層上の一部に形成され、該第２誘電体層の
屈折率より低いかあるいは同じ屈折率を有する第３誘電
体層とからなる光導波路を有するとともに、該光導波路
上で、該各誘電体層の屈折率より高い屈折率を有する透
光性材料を成形して形成され、集束された入射光を該光
導波路に導入する光導入部を有している。

【００３１】そして、該光導入部は、該第２誘電体層表
面上から第３誘電体層の表面上にまたがるよう配置さ
れ、該光導波路に導入される入射光が蹴られずに通過し
得る平面部分を光入射面として有している。そのことに
より上記目的が達成される。

【００３２】この発明（請求項２）は上記請求項１記載
の光カプラーにおいて、前記光導入部を、前記光導波路
の第２誘電体層及び第３誘電体層の全面に形成された、
前記各誘電体層の屈折率より高い屈折率を有する樹脂層
の一部から構成したものである。

【００３３】この発明（請求項３）は、上記請求項２記
載の光カプラーにおいて、前記光導入部の光入射面と前
記光導波路の光入射面とがなす角αが、該光導波路の光
入射面に対する光の入射角θ_iと等しく、該第２誘電体
層表面の光導入部と接している部分と、該第２誘電体層
表面の第３誘電体層と接している部分との境界は、該光
導入部の光入射面下端と平行になっている。

【００３４】また、該光導波路の光入射面上における該
光導入部の光入射面下端と該境界との距離Ｂ、該光導入
部の光入射面上端の、該第２誘電体層表面からの高さ
Ｈ、前記入射光のビームウエストでのビーム径ｗ₀、及
び前記樹脂層の光導入部以外の部分の厚さは、この厚さ
をｌ、該樹脂層の屈折率をｎ_p、入射光の波長をλ、入
射光のエネルギーの９９％以上が含まれるビーム径ρｗ
₀を規定する係数をρとして、以下の関係式 Ｂ＞ｘ₁／sinθ_i−ｌ／tanθ_i＋Ｌ／２ Ｈ＞２ｙ₁sinθ_i＋ｌ Ｌ＝ρｗ₀／〔cosθ_i｛１−（４ρ²λ²ｔａｎ²θ_i／ｎ_p
²π²ｗ₀ ²）｝^1/2〕 ｘ₁＝｛−ｂ₁＋（ｂ₁ ²−ａ₁ｃ₁）^1/2｝／ａ₁ ｙ₁＝ｘ₁／tanθ_i−ｌ／sinθ_i ａ₁＝１／tan²θ_i−４λ²ρ²／ｎ_p ²π²Ｗ₀ ² ｂ₁＝−ｌ／sinθ_icosθ_i ｃ₁＝ｌ²／sin²θ_i−ｗ₀ ²ρ²／４ ρ＝｛−ｌｎ（０．１８）｝^1/2 を満たしている。

【００３５】本発明（請求項４）に係る光カプラーは、
入射光を反射させるための反射面を有する溝が形成され
た基板と、該基板上に該溝が埋め込まれるよう形成され
た誘電体領域と、該誘電体領域の表面部分に、その端部
が該溝内に位置するよう形成された第１誘電体層と、該
誘電体領域及び第１誘電体層上に形成された第２誘電体
層と、該第２誘電体層上に積層された第３誘電体層とを
備え、該第１ないし第３誘電体層により光導波路が構成
され、該溝の反射面及び該溝内の誘電体領域が該光導波
路に入射光を導入する光導入部となっている。

【００３６】そして、該第１誘電体層の屈折率ｎ₁、該
誘電体領域の屈折率ｎ_q、該第２誘電体層の屈折率ｎ₂、
該第３誘電体層の屈折率ｎ₃は、該屈折率ｎ_qが該屈折率
ｎ₁、ｎ₂、及びｎ₃より高く、かつｎ₁≦ｎ₂、ｎ₂＜ｎ₃
の関係が満足されている。そのことにより上記目的が達
成される。

【００３７】本発明（請求項５）に係る光カプラーは、
入射光を反射させるための反射面を有する溝を形成した
基板と、基板上に該溝を埋め込むよう形成された誘電体
領域と、該誘電体領域の表面部分に、その端部が該溝内
に位置するよう形成された第１誘電体層と、該誘電体領
域及び第１誘電体層上に形成された第２誘電体層と、該
第２誘電体層上に積層される第３誘電体層と、該第３誘
電体層上に積層される第４誘電体層とを備え、該第１な
いし第３誘電体層により光導波路が構成され、該溝の反
射面及び該溝内の誘電体領域が該光導波路に入射光を導
入する光導入部となっている。

【００３８】そして、該第１誘電体層の屈折率ｎ₁、誘
電体領域の屈折率ｎ_q、第２誘電体層の屈折率ｎ₂、第３
誘電体層の屈折率ｎ₃、及び第４誘電体層の屈折率ｎ
₄は、該屈折率ｎ_qが該各屈折率ｎ₁、ｎ₂、ｎ₃、及びｎ₄
より高く、ｎ₁≦ｎ₂、ｎ₂＜ｎ₃、ｎ₄＜ｎ₃の関係が満足
されている。そのことにより上記目的が達成される。

【００３９】この発明（請求項６）に係る光カプラーの
製造方法は、上記請求項２記載の光カプラーを製造する
方法であって、前記第１ないし第３誘電体層からなる光
導波路の上に紫外線硬化型の樹脂を供給する工程と、該
光導波路上に供給された樹脂を、前記光導入部の光入射
面に対応する平面部を有する凹部を形成した紫外線を透
過可能な型枠部材を用いて所定の形状に保持し、この状
態で、紫外線の照射により該樹脂を硬化させる工程とを
含んでいる。そのことにより上記目的が達成される。

【００４０】

【作用】この発明（請求項１）においては、光導波路を
構成する誘電体層の層厚の薄い部分と層厚の厚い部分と
の境界部分に、該境界両側の部分に跨るよう、該光導波
路に導入される入射光が蹴られずに通過し得る平面部分
を有する光導入部を配置したから、光導波路への外部光
の結合を、結合効率の波長変化に対する許容性の大きな
プリズムカプラーの原理に基づいて行うことができる。

【００４１】しかも、該光導入部は、該誘電体層の屈折
率より高い屈折率を有する透光性材料を光導波路上で成
形して形成したものであるため、該光導入部について
は、プリズムのように別途加工したり、光導波路上に配
置したりする作業が不要である。このため、光カプラー
の作製プロセスが簡単になり、その量産性を高めること
ができる。

【００４２】この発明（請求項２）においては、上記光
導入部を構成する透光性材料として樹脂を用いたので、
カプラー作製の際のコストを下げることができる。

【００４３】この発明（請求項３）においては、光導入
部を、入射光の波長、そのビームウエスト部でのビーム
径、光導入部を構成する材料の屈折率、及び該入射光の
光導波路の光入射面への入射角に基づいてその寸法形状
を規定したので、光導入部を必要最小限の大きさにする
ことができる。

【００４４】この発明（請求項４）においては、入射光
を反射させるための反射面を有する溝が形成された基板
を備えるとともに、該基板上に誘電体層を介して光導波
路を、該光導波路を構成する誘電体層の層厚の薄い部分
と層厚の厚い部分との境界が該基板の溝形成部上に位置
するよう配置し、該溝の反射面及び該溝内の誘電体領域
を、該光導波路に入射光を導入する光導入部としている
ため、光導波路への外部光の結合を、結合効率の波長変
化に対する許容性の大きなプリズムカプラーの原理に基
づいて行うことができる。

【００４５】しかも、該光導入部は、基板と光導波路と
の間に組み込まれているため、該光導入部については、
プリズムのように別途加工したり、光導波路上に配置し
たりする作業が不要である。このため、光カプラーの作
製プロセスが簡単になり、その量産性を高めることがで
きる。

【００４６】また、該光導入部は、基板と光導波路との
間に組み込まれているため、光導波路表面より上側に突
出する部分がなく、光導波路上に高屈折率材料を形成し
たカプラーよりさらに薄型化、小型化を図ることができ
る。

【００４７】この発明（請求項５）においては、請求項
４の光導波路を構成する第１〜第３の誘電体層に加え
て、該第３誘電体層上に第４誘電体層を形成しているた
め、光カプラーに対する、ＴＥ光入射及びＴＭ光入射の
それぞれに対する実効屈折率差が第４誘電体層が無い場
合より小さくなり、ＴＥ光、ＴＭ光同時入射のときの結
合効率を高めることができる。

【００４８】加えて、第４誘電体層があることで、光導
波路を伝搬する光の強度分布が、第４誘電体層がない場
合に比べ、光導波路上側に偏るため、誘電体領域への光
の再結合による、光の損失を防ぐために必要な第１誘電
体層の厚さを第４誘誘電体層がない場合に比べ薄くする
こともできる。すなわち、光カプラー作製の際に誘電体
領域上に形成される溝の深さを浅くすることができる。

【００４９】この発明（請求項６）においては、請求項
２の光カプラを構成する前記第１ないし第３誘電体層か
らなる光導波路の上に紫外線硬化型の樹脂を供給し、該
光導波路上に供給された樹脂を、前記光導入部の光入射
面に対応する平面部を有する凹部を形成した紫外線を透
過可能な型枠部材を用いて所定の形状に保持し、この状
態で、紫外線の照射により該樹脂を硬化させるようにし
たので、プリズムカプラーのプリズム固定の際の問題や
量産性の問題等の、プリズム作製上の問題を解決し、カ
プラー作製の際のコストを下げることができる。

【００５０】

【実施例】まず、本発明の基本原理について説明する。

【００５１】図２（ａ）は、基板上に誘電体層を介して
配置されたプリズムカプラーの一例を示している。この
図に示すカプラー２００ａでは、小さなビーム径の入射
光Ｌ_INを過分な大きさのプリズム２０１（図中、ＡＢＣ
Ｏで示す。）により光導波路２１０に結合させている。
なお、該光導波路２０６は、基板２０５上に第１、第２
の誘電体層２０４，２０３を順次形成した構成となって
いる。

【００５２】図２（ｂ）は、上記プリズム２０１におけ
る入射光Ｌ_INの導入に必要な部分を示している。上記入
射光Ｌ_INを光導波路２１０に結合するのに必要なプリズ
ムの最小限の大きさ（図中Ａ’Ｂ’Ｃ’Ｏで示す。）
は、ビームウエス卜の位置（入射光が最も絞られる位
置）で光が光導波路の表面に入射する場合、入射光のビ
ームが蹴られないだけの入射面が確保される大きさであ
る。

【００５３】ここで、図２（ｂ）のように、上記プリズ
ム２０１の必要最小限の部分２０１ａに対し形状パラメ
ータを定め、入射光の光軸と光導波路表面との交点を原
点とするｘｙ座標を、ｘ軸と該光軸が一致するよう定め
る。そして、入射光のビームウエストでのビーム径（強
度分布がその最大値の１／ｅ²以上となる部分のビーム
径）をｗ₀、入射光の波長をλ、プリズムへの入射角を
θ_i、プリズムの屈折率をｎ_pで表したとき、入射光のプ
リズム内での光束の側面形状、つまり曲線Ｂ’Ｏを示す
関係式、 ｙ＝ρｗ₀／２・｛１＋（４λｘ／ｎ_pπｗ₀ ²）²｝^1/2 及び上記ｘｙ座標の原点を通り光導波路表面と平行な直
線を示す関係式 ｙ＝ｘ／tanθ_i から、エッジプリズムに必要な最小限の寸法形状を示す
条件式は以下のようになる。

【００５４】 Ｂ＞ρｗ₀／｛cos²θ_i−（４ρ²λ²sin²θ_i／ｎ_p ²π²ｗ₀ ²）｝^1/2 ・・・（ １） Ｈ＞ρｗ₀sinθ_i／｛１−（４ρ²λ²tan²θ_i／ｎ_p ²π²ｗ₀ ²）｝^1/2・・・（２ ） α＝θ_i ・・・（３） θ_i＝sin^-1｛（Ｎ_TE＋Ｎ_TM）／２ｎ_p｝ ・・・（４） ρ＝｛−ｌｎ（０．１８）｝^1/2 ・・・（５） （但し、ρは、入射光のエネルギーの９９％以上が含ま
れるビーム径ρｗ₀を規定する係数） 上記式（４）でＮ_TEはＴＥ光（図２の紙面に垂直な振動
方向を持つ光）の実効屈折率、Ｎ_TMはＴＭ光（図２の紙
面内で光の入射方向に垂直な振動方向を持つ光）の実効
屈折率をそれぞれ表す。

【００５５】次に、上記プリズムカプラに対して、図３
のように基板５と、基板上５に形成された第１誘電体層
４と、第１誘電体層４上に形成され、第１誘電体層４よ
り屈折率の低い第２誘電体層３と、第２誘電体層３上の
一部に形成され、第２誘電体層３より屈折率が低いかあ
るいは同じ第３誘電体層２とから光導波路６を構成し、
光導波路６上に樹脂等の高屈折率材料で一つの入射平面
を持つ光導入部１１ａを形成する場合を考える。

【００５６】上記の構造では、光導入部１１ａを通して
第３誘電体層２の有るところと無いところの境界付近に
光を入射したとき、第３誘電体層２の無いところで、光
は第２誘電体層３をトンネル効果的な作用により透過し
て、第１誘電体層４に入る。第１誘電体層４に入った光
は基板との境界面で反射されて、再び第２誘電体層３に
入るが、第３誘電体層２の有るところでは光は第３誘電
体層２を透過して再び樹脂側に入らないため、光が光導
波路に伝搬することになり、プリズムカプラーの結合原
理に基づいて入射光が光導波路に結合する。

【００５７】ここで、上記条件式（１）、（２）同様に
導かれる、以下の実施例中に示す条件式（６）、（７）
から、光導入部１１ａと第３誘電体層２との境界から、
上記光導入部１１ａの入射面の下部までの距離Ｂ（図１
参照）、上記光導入部１１ａの入射面に必要な高さＨ
（図１参照）を定め、該光導入部１１ａの形状を決めれ
ば、光カプラーの厚さを入射ビーム径ｗ₀に応じて薄く
することができる。

【００５８】また、光導波路上に高屈折率材料で所望の
形状の光導入部を成形するだけなので、プリズムを光導
波路に接着する際の作業の困難さは根本的に無くなる。
さらに、高屈折率材料としては安価な樹脂が利用でき、
光カプラーの作製コストも低くできる。

【００５９】加えて高屈折率材科として樹脂（ＵＶ硬化
性樹脂等）を用いれば、作製の際に２Ｐ法等の成型技術
を使うことができ、同一基板内に作られた複数の光導波
路素子上に光カプラーを同時に作製することもできる。

【００６０】また、この発明では、基板上に入射光を反
射させるための反射面を有する深い溝を形成し、その基
板上に基板の屈折率より高い屈折率の材料を該深い溝が
埋まるよう形成する。該基板上に形成した高屈折率材料
の層に、プリズムカプラーでのプリズムのエッジに相当
する機能を果たすための浅い溝をその端部が上記深い溝
内に位置するよう形成し、この溝内に第１誘電体層を埋
め込む。第１誘電体層を埋め込んだ高屈折率材料の層上
に第２誘電体層、第３誘電体層を積層して光カプラーを
形成する。ここでは、上記第１〜第３の誘電体層により
光導波路が構成され、上記深い溝の反射面及びこれに埋
め込まれた高屈折率材料の層により、該光導波路に入射
光を導入する光導入部が構成されている。この構成の光
カプラーでは、光導波路表面より上側に出る突出部分が
なく、光導波路上に高屈折率材料からなる光導入部を形
成したカプラーよりさらに薄型化、小型化することがで
きる。

【００６１】この構成の光カプラーにおいても、プリズ
ムカプラーの結合原理で入射光は光導波路に結合してい
る。すなわち、第３誘電体層の上方から、入って来た光
が、まず上記深い溝内側の反射面で反射され、基板側か
ら第１誘電体層と高屈折率材料層との境界付近の第２誘
電体層に入射する。入射した光は第２誘電体層をトンネ
ル効果的な作用により透過して第３誘電体層内に入る。
次に、第３誘電体層と空気との境界で反射された光は、
上記反射面から遠ざかりつつ第２誘電体層に向かうが、
該反射面からの距離が上記入射点よりも遠い部分では、
第３誘電体層の下側の誘電体層が厚くしてあるためトン
ネル効果は起こらず、光は第３誘電体層を中心に伝わる
ことになり、光結合が成立する。

【００６２】さらに、上記光導波路を構成する第３誘電
体層上に第４誘電体層を設けることで、光カプラーに対
する、ＴＥ光入射、及びＴＭ光入射のそれぞれに対する
実効屈折率差が第４誘電体層を設けていない場合より小
さくなり、ＴＥ光、ＴＭ光同時入射のときの結合効率を
高めることができる。

【００６３】加えて、第４誘電体層があることで、光導
波路を伝搬する光の強度分布が、第４誘電体層がない場
合に比べ、光導波路上側に偏るため、誘電体領域への光
の再結合による、光の損失を防ぐために必要な第１誘電
体層の厚さを第４誘誘電体層がない場合に比べ薄くする
こともできる。言い換えると、光カプラー作製の際に誘
電体領域上に形成される溝の深さを浅くすることができ
る。

【００６４】以下、本発明の実施例について説明する。

【００６５】（実施例１）図１は本発明の第１の実施例
による光カプラーを説明するための図であり、図１
（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−
Ｉｂ線断面図である。図において、１００ａは本実施例
の光カプラーで、光導波路６と、その上に配置され、入
射光Ｌ_INを該光導波路６へ導入する光導入部１とから構
成されている。

【００６６】上記光導波路６は、基板５と、該基板５上
に形成された第１誘電体層４と、該第１誘電体層４上に
形成され、該第１誘電体層４の屈折率より低い屈折率を
有する第２誘電体層３と、該第２誘電体層３上の一部に
形成され、該第２誘電体層３の屈折率より低いかあるい
は同じ屈折率を有する第３誘電体層２とから構成されて
いる。

【００６７】また上記光導入部１は、該各誘電体層２〜
４の屈折率より高い屈折率を有する透光性材料により成
形されており、該第２誘電体層３表面上から第３誘電体
層２の表面上にまたがるよう配置され、該光導波路６に
導入される入射光が蹴られずに通過し得る平面部分１ａ
を光入射面として有している。

【００６８】以下、該光カプラー１００ａに、ビームウ
エストでのビーム径ｗ₀が３．７６μｍとなる集束光を
入射する場合の光カプラーの具体的な構成例について詳
述する。ここで、該集束光のビームウエストでのビーム
径ｗ₀は、瞳半径がレンズへ入射するビーム径と同一で
開口数ＮＡが０．１７であるレンズにより、波長λが７
８０ｎｍの平行光を集光した場合のビーム径である。

【００６９】本実施例では、上記基板５としては、表面
を熱酸化したＳｉ基板上にＳｉＯ₂層を形成したものを
利用し、その上に、第１の誘電体層４として、＃７０５
９ガラス（コーニング社製）層を５７０ｎｍ、第２誘電
体層３として、Ｓｉ０₂層を１００ｎｍを積層し、さら
に、この上に第３誘電体層２を形成して光導波路６を構
成している。

【００７０】また、第３誘電体層２は、光カプラー１０
０ａの、光結合を成り立たせるための主要部分で、光導
波路６の第２誘電体層３上の一部（図１（ａ）の平面図
では、ＸＹＸ’Ｙ’によって囲まれる部分）に形成され
ている。ここで、ＸＹの長さは入射光Ｌ_INの全てが通過
し得るよう、長さＸＹ＞ρｗ₀を満たすものとする。

【００７１】本実施例の光カプラー１００ａでは、上記
光導波路６上に、第３誘電体層２の有る部分とこれが無
い部分との境界を覆うように光導入部１を形成してい
る。該光導入部１は、第１誘電体層４、第２誘電体層
３、第３誘電体層２の屈折率より高い屈折率の材料とし
て透明な樹脂を用いて、図１のような形状に成形したも
のである。

【００７２】上記光導入部１を構成する樹脂には、光カ
プラー１００ａの入射光の波長λを７８０ｎｍとしたと
き、基板の熱酸化ＳｉＯ₂層の屈折率が１．４４、第１
誘電体層４を構成する＃７０５９ガラスの屈折率が１．
５３、第３の誘電体層２、第２の誘電体層３であるＳｉ
Ｏ₂層の屈折率が１．４３であることから、これらの屈
折率よりも高い屈折率を持つものを選ぶ。例えば、本実
施例では、該樹脂として屈折率ｎ_qが１．５７の材料を
用いている。

【００７３】ここで、＃７０５９ガラス層４の厚さ、Ｓ
ｉＯ₂層３の厚さは、光カプラーに、ビームウエストで
のビーム径ｗ₀が３．７６μｍとなる集束光（波長λが
７８０ｎｍ）を入射させたときに結合効率が最大となる
ように定めた値である。

【００７４】具体的には、以下のように定める。

【００７５】（１）光カプラーでのＴＥ光、ＴＭ光に対
する実効屈折率を、各層の電界や磁界の各層境界での連
続条件式から求める。ここで、実効屈折率は複素数であ
り、＃７０５９ガラス層４の厚さ、ＳｉＯ₂層３の厚さ
の関数になる。

【００７６】（２）入射光の光導波路内部光進行方向
（ｘで示す）への界分布ｈ（ｘ）と、光カプラーが有す
る光導波路内部光進行方向への界分布ｆ（ｘ）とを求め
る。ここで、ｈ（ｘ），ｆ（ｘ）は、ＴＥ光、ＴＭ光に
対する実効屈折率の実数部Ｎ_TE、Ｎ_TMから、光導波路表
面に対する入射光の入射角θ_iをθ_i＝sin^-1｛（Ｎ_TE＋
Ｎ_{T M}）／２ｎ_q｝を用いて定め、入射光のビーム径を
ｗ₀、実行屈折率の虚数部をＫ_{T E}、Ｋ_TMとしたとき、 ｈ（ｘ）＝ｅｘｐ｛−ｘ²／（ｗ₀／cosθ_i）²｝、 ｆ（ｘ）＝ｅｘｐ（−Ｋ_TEｋ₀ｘ） で与えられ、かつ＃７０５９ガラス層（第１誘電体層）
４の厚さ、ＳｉＯ₂層（第２誘電体層）３の厚さの関数
になる。ここで、ｋ₀は２π／λであり、Ｋ_TEは、第１
誘電体層４の厚さ、第２誘電体層３の厚さの関数となっ
ている。

【００７７】（３）そして、結合効率ηを、

【００７８】

【数１】

【００７９】を使って求める。

【００８０】上記（１）〜（３）の演算処理を繰り返
し、ｗ₀が決まっている場合、この値に対して、結合効
率が最大となるように＃７０５９ガラス層４の厚さ、Ｓ
ｉＯ₂層３の厚さを定める。

【００８１】さらに第３誘電体層２としてＳｉＯ₂を用
いた場合において、ＳｉＯ₂層（第３誘電体層２）の厚
さは、図５に示す再結合効率の第３誘電体層２の膜厚に
対する変動特性に左右される。ここで言う再結合とは、
図１のように、光導入部１の一部が第３誘電体層２の上
を覆っている場合、光導波路素子６に入射した光が再び
外部に出て行く現象であり、図５での再結合効率は、光
カプラーで光入力する光導波路素子６で、第３誘電体層
の上にある誘電体部分の長さ（図１のＬ_p）を０．１ｍ
ｍとしたときに、一度入射した光が伝搬中に出て行く割
合で定義しており、再結合効率を１％未満にするために
必要なＳｉＯ₂層（第３誘電体層２）の膜厚は１．１８
μｍ以上に定められ、本実施例では、１．２μｍとして
いる。

【００８２】次に動作について説明する。

【００８３】以上のような構成で、光導波路６に光を入
力する機能を果すことになる。すなわち、以下のように
プリズムカプラーと同様な原理が働く。

【００８４】光導入部１から、第２誘電体層３上の該光
導入部１と第３誘電体層２との境界付近に入射した光
は、第２誘電体層３をトンネル効果的な作用により透過
して、第１誘電体層４に入り、第１誘電体層４と基板５
との境界に達すると、光は、この境界では全反射され
る。この後、光は第２誘電体層３に向かうが、第１誘電
体層４と第２誘電体層３の境界には、光は全反射条件を
満たす角度で入射する。つまりこの部分では、第２誘電
体層３上に第３誘電体層２があるためにトンネル効果が
起こらず、光は全反射される。以後この全反射を繰り返
し、光は光導波路６内部を伝わることになる。

【００８５】なお、光導波路上に形成される光導入部１
は、その側面形状については図１のように左右の側辺が
傾斜した台形形状に限るものではなく、該光導入部は、
図３のような、一方の側辺が底辺に対して垂直なプリズ
ム状の形状のもの１１ａ、あるいは図４のように、少な
くとも光の入射面に相当する平面１１ｂ₁（図４のＡＢ
で示した面）が一つあるだけのプリズム形状のもの１１
ｂでもよく、光カプラーとしての性能に問題はない。

【００８６】また、光導波路６を構成する基板５、第１
誘電体層４、第２誘電体層３の材料としては、前述の材
料に限らない。例えば、基板５としては、石英ガラス等
のガラス基板、また、第１誘電体層４としては、ＳｉＯ
Ｎ層等が用いられるが、基板５としては吸収損失の点で
表面を熱酸化したＳｉ基板上にＳｉＯ₂層を形成したも
のが好ましく、第１誘電体層４としては、屈折率の安定
性の点で＃７０５９ガラスが好ましい。

【００８７】また、第２誘電体層３としてはＰＳＧ（Ｃ
ＶＤ成膜可能なリソドープガラス）、ＳＯＧ（スピナー
で塗布でき、加熱硬化させるガラス）などの利用も可能
であるが、入射光の最適なビーム径にこの層の厚さが大
きく影響するので、膜の厚さの制御性の上ではＳｉＯ₂
層が好ましい。

【００８８】さらに、第３の誘電体層２には、第２誘電
体層３と同じ屈折率あるいは低い屈折率の材料を用いる
ことができるが、本実施例では、第２誘電体層３と第３
誘電体層２との境界での反射を無くすため、第３誘電体
層２も第２誘電体層３のＳｉＯ₂層と同じ屈折率のＳｉ
Ｏ₂により形成している。

【００８９】次に、図１に示す光カプラーを作製する方
法について説明する。

【００９０】図６（ａ），（ｂ）及び図７（ａ）〜
（ｃ）は該光カプラーの作製方法を工程順に示す断面図
であり、図６（ｃ）は図６（ｂ）の断面図に対応する平
面図である。また、図８は該光カプラーの作製に用いる
成形型部材（以下スタンパともいう。）の説明図であ
り、図８（ａ）は該スタンパの成形面を、図８（ｂ）は
該スタンパの断面構造を示している。

【００９１】図６（ａ）に示すように、基板５上に第１
誘電体層４、第２誘電体層３を順次積層して光導波路本
体７を形成する。次に、光導波路本体７上の一部（図１
（ａ）のＸＹＸ’Ｙ’によって囲まれている部分）に、
第３誘電体層２として、ＳｉＯ₂層を形成して光導波路
６を構成する（図６（ｂ）参照）。

【００９２】続いて、樹脂により所望の形状の光導入部
を作製するが、この工程では成型技術を用いる。この成
型技術には、射出成型、押出成型等、幾つかの方法があ
るが、本実施例では、光の入射面の面精度をより高める
ことができるという点で有利な２Ｐ法による成型方法を
用いる。

【００９３】以下、２Ｐ法による成型方法を説明する。

【００９４】成型には、図８（ａ），（ｂ）に示すよう
なスタンパ８（マスターとも言う）を用いる。このスタ
ンパ８には、所望の断面形状を持つ溝９が形成してあ
る。ここで、溝９を、図８（ａ），（ｂ）に示すよう
な、図１の光導入部１の側面形状に対応した２つの斜面
９ａ，９ｂを持つ形状にしてあるのは、作製した光カプ
ラーをスタンパ８から取りはずす際の力を小さくするた
めである。

【００９５】図７（ａ）〜図７（ｃ）は、２Ｐ法の具体
的手順を示している。図７（ａ）のように、スタンパ８
の溝９部分及びその周辺上に、光導入部の形成用樹脂１
０としてＵＶ硬化樹脂を供給し、光導波路６を該スタン
パ８上に、該樹脂１０がＳｉＯ₂層（第３誘電体層２）
の有る部分と無い部分との境界線ＸＹを覆うように押し
当てた後、図７（ｂ）に示すようにＵＶ光を照射する。
このＵＶ光の照射により樹脂１０が硬化した後、図７
（ｃ）のように、樹脂１０をスタンパ８から離せば、所
望の形状を持つ光導入部１を有する光カプラー１００ａ
が作製できる。

【００９６】但し、上記図７（ｂ）に示すＵＶ光照射方
法、並びにスタンパ８の材料は、光導波路の基板５とし
て何を使うかで少しずつ異なる。以下に、この点につい
て述べる。

【００９７】１）光導波路の基板にガラス基板を用いる
場合であって、（１−ａ）ガラス製のスタンパ（ガラス
マスター）を用いる場合は、樹脂へのＵＶ光の照射は、
図７（ｂ）に示すように光導波路側及びスタンパ側の両
方向からのＵＶ光Ｌ₁₀及びＬ₂₀により行うことができ、
（１−ｂ）金属製のスタンパを用いた場合、樹脂へのＵ
Ｖ光の照射は、図７（ｂ）の光導波路側からのＵＶ光Ｌ
₁₀によってのみ可能となる。

【００９８】なお、ＵＶ光の照射時間は（１−ａ）の場
合の方が（１−ｂ）の場合より短い。

【００９９】２）光導波路の基板に、表面を熱酸化して
ＳｉＯ₂層を形成したＳｉ基板を用いた場合は、スタン
パにはガラス製のもの（ガラスマスター）しか用いるこ
とができず、また、ＵＶ光の照射は、スタンパ側からの
ＵＶ光Ｌ₂₀によってのみ可能となる。

【０１００】また、スタンパ８に設ける溝の幅Ｔ_wは、
図７（ｂ）のよう光導波路６をスタンパ８に押し当てた
とき、樹脂１０が第３誘電体層２上の途中で止まるよう
な寸法にするのが好ましい。これは、第３誘電体層２の
無い部分にまで、樹脂１０が達した場合、その部分で再
結合（再び光導波路の外に光が出て行くこと）による損
失が発生することを防ぐ効果がある。

【０１０１】さらに、一つの基板上に複数の光導波路素
子を設けたものに、光導入部を同時に作製する場合に
は、図８（ｃ）に示すような、同一の溝を必要な数だけ
設けたスタンパ１８を用いて、図７（ａ）〜図７（ｃ）
の手順で成型すれば、同時に複数の光カプラーを作製す
ることができる。

【０１０２】最後に、本実施例における光導入部の形状
の具体例を示す。

【０１０３】例えば、光導入部１を構成する樹脂とし
て、屈折率ｎ_q＝１．５７のＵＶ硬化性のメタクリレー
ト樹脂を用い、これを光導波路６上に形成する場合、入
射光の波長をλ＝７８０〔ｎｍ〕として、ＴＥ光の実効
屈折率Ｎ_TE、ＴＭ光の実効屈折率Ｎ_TMは、それぞれＮ_TE
＝１．４８５２，Ｎ_TM＝１．４８４２となる。但し、基
板としては、その表面に熱酸化ＳｉＯ₂層〔屈折率１．
４４〕を形成し、この上に第１誘電体層４として＃７０
５９ガラス層〔屈折率１．５３、層厚５７０ｎｍ〕、第
２誘電体層３としてＳｉＯ₂層〔屈折率１．４３，層厚
１００ｎｍ〕を積層し、さらにその上に第３誘電体層
１．２μｍを積層したものを用いている。

【０１０４】ここで、樹脂（屈折率ｎ_q）により、図１
のような形状の光導入部１を形成する場合には、第２誘
電体層３の上に樹脂層１ｂがある厚さで付着すると考え
られる。この場合、付着する樹脂層１ｂの厚さをｌとす
ると、図９のモデルを用いて、式（１）、（２）は以下
のように置き換えられる。ここで図９のモデルは、該光
導入部の形状を、図３に示す、一方の側辺が底辺に対し
て垂直なプリズム状の形状とした光カプラー１１ａに対
応するものであり、また、ｘｙ座標は図９に示すように
その原点を、入射光の光軸と第２誘電体層３の表面が交
わる点に設定し、ｘ軸を入射光の光軸に一致させてい
る。

【０１０５】 Ｂ＞ｘ₁／sinθ_i−ｌ／tanθ_i＋Ｌ／２ ・・・（６） Ｈ＞２ｙ₁sinθ_i＋ｌ ・・・（７） Ｌ＝ρｗ₀／〔cosθ_i｛１−（４ρ²λ²tan²θ_i／ｎ_p ²π²ｗ₀ ²）｝^1/2〕…（８ ） ｘ₁＝｛−ｂ₁＋（ｂ₁ ²−ａ₁ｃ₁）^1/2｝／ａ₁ ・・・（９） ｙ₁＝ｘ₁／tanθ_i−ｌ／sinθ_i ・・・（１０） ａ₁＝１／tan²θ_i−４λ²ρ²／ｎ_p ²π²ｗ₀ ² ・・・（１１−ａ） ｂ₁＝−ｌ／sinθ_icosθ_i ・・・（１１−ｂ） ｃ₁＝ｌ²／sin²θ_i−ｗ₀ ²ρ²／４ ・・・（１１−ｃ） 実効屈折率Ｎ_TE、Ｎ_TMを式（４）に代入すると、入射角
はθ_i＝７１°となる。従って、入射面の斜度αは、入
射面での反射率が最小になるように、α＝θ_iに定め、
７１°とする。

【０１０６】光導波路表面に付着する樹脂層１ｂの厚さ
を３μｍとしたとき、式（６）、（７）よりＢ＞２０
０．４〔μｍ〕、Ｈ＞１１６．１〔μｍ〕となる。

【０１０７】従って、本実施例では、光導波路上に樹脂
により形成される光導入部１は、入射面の斜度αが７１
°、底辺Ｂが２０１μｍ、高さＨが１１７μｍの図１の
ような側面影伏を有する形状としている。

【０１０８】このように本実施例では、基板５と、基板
５上に形成された第１誘電体層４と、第１誘電体層４上
に形成され、第１誘電体層４より屈折率の低い第２誘電
体層３と、第２誘電体層３上の一部に形成され、第２誘
電体層３と屈折率が同じ第３誘電体層２とで光導波路６
を構成し、光導波路６上に、第３誘電体層のある部分と
第３誘電体層の無い部分との境界を覆うように、上記各
誘電体層の屈折率より高い屈折率の材料により成形され
た光導入部１を配置したので、プリズムカプラの結合原
理で光を光導波路に結合させることができる。また、条
件式（６）、（７）から、光導入部１と第３誘電体層２
との境界から光導入部１入射面１ａの下部までの距離
Ｂ、該入射面１ａに必要な高さＨを定め、光導入部１の
形状を決めれば、光カプラーの厚さを入射ビーム径ｗ₀
に応じて薄くすることができる。

【０１０９】また、光導波路上に高屈折率材科で所望の
形状の光導入部１を成形するだけなので、プリズムを接
着する場合のような固定の際の困難さは根本的になくな
る。さらに、高屈折率材科としては安価な樹脂が利用で
き、光カプラーの作製コストも低くできる。

【０１１０】加えて高屈折率材料として樹脂（ＵＶ硬化
性樹脂等）を用いれば、作製の際に２Ｐ法等の成型技術
を使うことができ、成型用のスタンパに同一の溝を複数
形成することで、同一の光導波路が複数形成された基板
上に複数の光カプラーを同時に作製できる。

【０１１１】（実施例２）図１０は本発明の第２の実施
例による光カプラーを説明するための図であり、図１０
（ａ）は該光カプラーの断面構造を示し、図１０（ｂ）
はその光導入部を拡大して示している。

【０１１２】図において、１００ｂは本実施例の光カプ
ラーであり、これは、入射光を反射させるための反射面
３２ａを有する溝３２が形成された基板３１と、該基板
３１上に該溝３２を埋め込むよう形成された誘電体領域
３３とを有している。また、該光カプラー１００ｂは、
該誘電体領域３３の表面部分に、その端部が該溝内に位
置するよう形成された第１誘電体層３８と、該誘電体領
域３３及び第１誘電体層３８上に形成された第２誘電体
層３９と、該第２誘電体層３９上に積層された第３誘電
体層４０とを備えている。そして、該第１ないし第３誘
電体層３８〜４０により光導波路２６が構成され、該溝
３２の反射面３２ａ及び該溝３２内の誘電体領域３３が
該光導波路２６に入射光を導入する光導入部２１となっ
ている。ここでは、上記基板３１として、Ｓｉ基板３１
ａの表面にＡｌ反射膜３１ｂを形成したものを用いてお
り、上記溝３２は、該Ａｌ反射膜３１ｂの表面に形成さ
れている。また、上記第１誘電体層３８の屈折率ｎ₁、
該誘電体領域３３の屈折率ｎ_q、該第２誘電体層３９の
屈折率ｎ₂、該第３誘電体層４０の屈折率ｎ₃は、該屈折
率ｎ_qが該屈折率ｎ₁、ｎ₂、及びｎ₃より高く、かつｎ₁
≦ｎ₂、ｎ₂＜ｎ₃の関係が満足されるようになってい
る。

【０１１３】この実施例の光カプラー１００ｂの場合で
も、入射した光は、以下に示すプリズムカプラーの原理
で、光導波路２６に結合し、該光導波路を伝搬する。以
下に結合原理を説明する。

【０１１４】図１０（ｂ）のように第３誘電体層４０の
表面に入った光は、該第３誘電体層４０、第２誘電体層
３９、誘電体領域３３を透過し、Ａｌ反射膜３１ｂの反
射面３２ａで反射され、再び第２誘電体層３９の、第１
誘電体層３８と誘電体領域３３との境界付近に入射す
る。ここに、入射した光は、第２誘電体層３９の下面に
対して全反射角以上の角度で入射するが、トンネル効果
的な作用により第２誘電体層３９を透過し、第３誘電体
層４０に入る。

【０１１５】続いて、光は第３誘電体層４０と空気との
境界で全反射され、再び第２誘電体層３９側へ向かう。
しかし、今度は誘電体領域３３と第３誘電体層４０との
間に、第２誘電体層３９の他に、さらに厚い第１誘電体
層３８があるため、光は第１誘電体層３８を通過でき
ず、再び第３誘電体層４０側へ全反射される。以後は、
この全反射を繰り返しながら、光は主に第３誘電体層４
０中を伝わる。

【０１１６】以下、この実施例の光カプラーの構造を詳
細に説明するために、図１０の光カプラーの作製方法を
図１１を用いて説明する。

【０１１７】まず、上記のように表面にＡｌ膜等の金属
膜を形成した基板３１上に、図１１（ａ）のように溝３
２を形成する。ここで、この溝３２は、基板３１の図１
１（ｂ）の平面図における四角形ＡＢＣＤで示した範囲
に形成する。

【０１１８】その後、基板３１上に誘電体領域３３を形
成する。この誘電体領域３３は２Ｐ法を用いてＵＶ硬化
樹脂により作製することができ、溝３２にＵＶ硬化樹脂
を充填し（図１１（ｃ））、ガラス製スタンパ３４を、
基板３１の上に押し付け（図１１（ｄ））、樹脂をＵＶ
光照射により硬化させる。

【０１１９】本実施例の図１０に示す光カプラー１００
ｂでは、前記プリズムカプラーの光結合機能を持たせる
ために、誘電体領域（ＵＶ硬化樹脂）３３をエッチング
して溝３７を形成し、この溝を埋める形で第１誘電体層
３８を形成する。この第１誘電体層３８の形成方法を図
１２を用いて説明する。ここで図１２（ａ），（ｃ），
（ｄ），（ｆ）は断面図、図１２（ｂ），（ｅ）は、図
１２（ａ），（ｄ）に対応する平面図である。

【０１２０】図１２（ａ）に示すように、ＵＶ硬化樹脂
３３に第１誘電体層３８形を埋め込むための溝を作製す
るため、金属膜３５を選択エッチング用マスクとして誘
電体領域３３上に形成する。なお、このマスク３５の開
口窓３５ａの端部（図１２（ｂ）のＥＦ部分）の定め方
については、後述する。

【０１２１】次に、図１２（ｃ）に示すように、金属膜
３５の開口窓３５ａの部分にエッチングで所望の深さｔ
の溝３７を形成し、その後、図１２（ｄ），（ｅ）に示
すように、厚さｔの第１誘電体層３８を形成する。続い
て、金属マスク３５のみを除去する（図１２（ｆ））。

【０１２２】最後に、第２誘電体層３９、第３誘電体層
４０を順に形成して図１０に示す光カプラー１００ｂを
形成する。

【０１２３】但し、図１０の光カプラでは第１誘電体層
３８の屈折率をｎ₁、誘電体領域３３をｎ_q、第２誘電体
層３９の屈折率をｎ₂、第３誘電体層４０の屈折率をｎ₃
としたとき、各誘電体層の屈折率に関して、ｎ_qがｎ₁、
ｎ₂、ｎ₃より高く、ｎ₁≦ｎ₂、ｎ₂＜ｎ₃の関係が満足さ
れている。

【０１２４】ここで、基板３１の表面に形成される溝３
２の形状は、基板３１のこの溝の形成部分を平坦化する
よう形成される誘電体領域３３の、溝形成部分以外の部
分上での厚さｌや、第１誘電体層３８を埋め込むために
誘電体領域３３上の一部に形成される溝３７の位置に規
定される。

【０１２５】以下、基板３１の表面に形成される溝３２
の形状、及び該誘電体領域３３の表面に形成される溝の
位置に関する条件を図１３を用いて説明する。

【０１２６】図１３は、図１０（ｂ）における光カプラ
ーに入射する光Ｌ_INの光路を分かりやすく示した図であ
り、図１３では、図１０（ｂ）の断面図に、原点を入射
光の光導入部への入射点に、ｘ軸を入射光の光軸に一致
させたｘｙ座標を設定している。図１３から、入射光と
溝の反射面３２ａでの反射光の干渉を避けるためには、 Ｊ−Ｒ＞Ｍ ・・・（１２） と設定する必要があると分かる（図１０（ｂ）参照）。

【０１２７】ここで、入射光と基板表面の溝３２及び誘
電体領域３３表面の溝３３との位置関係を図１３のよう
に表記すると、図１０に示す距離Ｒは図１３での２点
Ｓ，Ｕ間の距離に等しいことがわかる。また、入射光の
光軸と誘電体領域３３上の面が交わる位置Ｐでのビーム
径ｗ₀と波長λ、誘電体領域３３の屈折率ｎ_q、さらに、
反射面から入射点までの光の伝搬距離Ｅ、誘電体領域３
３の上面への入射角θ_i’、光導波路への入射角θによ
って、条件式（１２）を規定する。

【０１２８】但し、距離Ｅは図１０（ｂ）に示すように
基板３１上に形成される誘電体領域３３の、溝３２の形
成部以外の部分上での厚さｌによって決まり、反射面３
２ａの斜度ωは以下の式で与えられる。

【０１２９】ω＝０．５（θ−θ_i）・・・（１３） 上記距離Ｅを定める条件式は、図１３において、 直線ＮＷ：ｙ＝−tanκ（ｘ＋Ｅ）と、 入射光の光束の紙面上側の稜線を示す曲線 ｙ＝（ρｗ₀／２）・｛１＋（４λｘ／ｎ_qπｗ₀ ²）²｝
^1/2と、 の交点Ｖ（ξ，ζ）を求めることで定めることができ、
以下の式（１４）〜（１７），（１８ａ）〜（１８ｃ）
によって表される。

【０１３０】 （−ξ／ｔａｎθ−ζ）ｓｉｎθ＞１ ・・・（１４） ξ＝｛−ｂ_l−（ｂ₁ ²−ａ_lｃ_l）^1/2｝／ａ_l ・・・（１５） ζ＝−ｔａｎκ（ｘ＋Ｅ） ・・・（１６） κ＝π／２−θ＋ω ・・・（１７） ａ_l＝ｔａｎ²κ−４ρ²λ²／ｎ_q ²π²ｗ₀ ² ・・・（１８ａ） ｂ_l＝Ｅｔａｎ²κ ・・・（１８ｂ） ｃ_l＝Ｅ²ｔａｎ²κ−ρ²ｗ₀ ²／４ ・・・（１８ｃ） まず、式（１２）のＪを決めるため、図１３のｘｙ座標
系において、点Ｐ（ｘ₂，ｙ₂）の座標を決める。点Ｐ
は、誘電体領域３３と第２誘電体層３９との境界線を示
す直線 ｙ＝−ｘ／ｔａｎθと、 第２誘電体層への入射点Ｐ及び反射面への入射点Ｗを結
ぶ直線 ｙ＝ｔａｎψ（ｘ＋Ｅ）（ψ＝θ_i’＋θ）と、 の交点であるから、該Ｐ点の座標は、これらの連立方程
式の解として、 ｘ₂＝−Ｅｔａｎψ・（ｔａｎψ＋１／ｔａｎθ）^-1 ・・・（１９） ｙ₂＝−ｘ₂／ｔａｎθ ・・・（２０） のように求めることができる。

【０１３１】図１３からＪは Ｊ＝（ｘ₂ ²＋ｙ₂ ²）^1/2 ・・・（２１） によって定められる。

【０１３２】また、距離Ｍは、該誘電体領域３３と第２
誘電体層３９との境界線を示す直線 ｙ＝−ｘ／ｔａｎθと、 入射光の光束の紙面上側の稜線を示す曲線 ｙ＝（ρｗ₀／２）・｛１＋（４λｘ／ｎ_qπｗ₀ ²）²｝
^1/2と、 の交点Ｑの座標Ｑ（ｘ₃，ｙ₃）から求めることができ、 ｘ₃＝（−ｐｗ₀／２）／｛（１／tan²θ）−（４ρ²λ²／ｎ_q ²π²ｗ₀ ²）｝^1/2 ・・・（２２） ｙ₃＝ｘ₃／ｔａｎθ ・・・（２３） となる。この値から、条件式（１２）での距離Ｍは、 Ｍ＝｜ｘ₃（１＋１／ｔａｎ²θ）｜ ・・・（２４） となる。

【０１３３】そして、条件式（１２）における残るパラ
メータである距離Ｒは、｜ＳＵ｜に等しいから、点Ｓ及
び点Ｒの座標から求めることができる。

【０１３４】まず、点Ｓは、上記誘電体領域３３と第２
誘電体層３９との境界線を、反射面の稜線に対して線対
称に折り返した直線 ｙ＝−ｔａｎφ（ｘ＋Ｇ）と、 入射光の光束の紙面下側の稜線を示す曲線 ｙ＝（−ρｗ₀／２）・｛１＋（４λｘ／ｎ_qπ
ｗ₀ ²）²｝^1/2と、 の交点である。

【０１３５】ここで、Ｇは図１３の距離Ｅと距離Ｆとの
和に等しく、 Ｇ＝（１＋ｃｏｓθ／ｃｏｓθ_i’）Ｅ ・・・（２５） で表される。

【０１３６】点Ｓの座標をＳ（α，β）とするとき、
α，βは α＝｛−ｂ₂−（ｂ₂ ²−ａ₂ｃ₂）^1/2｝／ａ₂ ・・・（２６） β＝−ｔａｎφ（α＋Ｇ） ・・・（２７） φ＝π／２＋２ω−θ ・・・（２８） ａ₂＝ｔａｎ²φ−４λ²ρ²／ｎ_q ²π²ｗ₀ ² ・・・（２９−ａ） ｂ₂＝Ｇｔａｎ²φ ・・・（２９−ｂ） ｃ₂＝Ｇ²ｔａｎ²φ−ρ²ｗ₀ ²／４ ・・・（２９−ｃ） と表される。

【０１３７】また、点Ｕの座標は（−Ｇ，０）であるか
ら、 Ｒ＝｜ＳＵ｜＝｛（α＋Ｇ）²＋β²｝^1/2 ・・・（３０） と表される。

【０１３８】ここでφ＝π／２［ｒａｄ］（９０゜）の
ときは、上記点Ｓの座標Ｓ（α，β）及び距離Ｒは、 α＝−Ｇ ・・・（３１） β＝（−ρＷ₀／２）・｛１＋（４λα／ｎ_qπｗ₀ ²）²｝^1/2 ・・・（３２） Ｒ＝｜β｜ ・・・（３３） と表される。

【０１３９】そして、上記式（１２）、（２１）、（２
４）、（３０）［ｏｒ（３３）］から、反射面から入射
点までの光の伝搬距離Ｅを定めることができる。

【０１４０】さらに、距離Ｅの値から溝部分の深さに関
する条件も導くことができる。この条件は、図１３にお
ける直線ＮＷ ｙ＝−tanκ（ｘ＋Ｅ）と、 入射光の光束の紙面下側の稜線を示す曲線 ｙ＝（−ρｗ₀／２）・｛１＋（４λｘ／ｎ_qπ
ｗ₀ ²）²｝^1/2と、 の交点Ｔ（γ，δ）を求めることで定めることができ、
基板表面の溝３２の深さをＤとするとき、Ｄは Ｄ≧Ｅcosθ−１＋｛（γ＋Ｅ）²＋δ²｝^1/2ｓｉｎω ・・・（３４） γ＝｛−ｂ_l−（ｂ₁ ²−ａ_lｃ_l）^1/2｝／ａ_l ・・・（３５） δ＝−tanκ（γ＋Ｅ） ・・・（３６） 図１３における距離Ｋ、すなわち、図１２における基板
３１上の溝３２の端（図１２（ｂ）の線分ＡＢ）と、基
板の溝３２を埋めるように形成される誘電体領域３３上
に形成される溝３７の端（図１２（ｂ）の線分ＥＦであ
り、図１０（ｂ）における第１誘電体層３８の端）との
間の距離は、式（３４）が等式である場合に決められる
溝３２の深さをＤ₀として、このときの反射面３２ａか
ら入射点Ｏまでの光の伝搬距離Ｅ₀、交点Ｔの座標
（γ₀，δ₀）、及び入射点Ｏと第１誘電体層３８の端か
ら入射点までの距離ｘ_mをもとに以下のように決めるこ
とができる。

【０１４１】 Ｋ＝Ｅ₀sinθ−｛（γ₀＋Ｅ₀）²＋δ₀ ²｝^1/2cosω＋ｘ_m ・・・（３７） γ₀＝｛−ｂ₁₀−（ｂ₁₀ ²−ａ₁₀ｃ₁₀）^1/2｝／ａ₁₀ ・・・（３８） δ₀＝−tanκ（γ₀＋Ｅ₀） ・・・（３９） ａ₁₀＝tan²κ−４ρ²λ²／ｎ_q ²π²ｗ₀ ² ・・・（４０−ａ） ｂ₁₀＝Ｅ₀tan²κ ・・・（４０−ｂ） ｃ₁₀＝Ｅ₀ ²tan²κ−ρ²ｗ₀ ²／４ ・・・（４０‐ｃ） また、Ｋの値は、反射面から入射点までの光の伝搬距離
をＥ₀として、そのときの式（３４）を満たす、ある溝
深さＤ₁に対して式（４１）のように設定することもで
きる。

【０１４２】 Ｋ＝Ｅ₀sinθ−｛（γ₀＋Ｅ₀）²＋δ₀ ²｝^1/2cosω＋ｘ_m −（Ｄ_l−Ｄ₀）／ｔａｎω ・・・（４１） ここで、式（３７）による距離Ｋの決め方は、カプラ作
製の際、図１１に示す溝３２をできるだけ浅くできると
いう効果があり、また、式（４１）による距離Ｋの決め
方は、第１誘電体層３８を埋め込むための溝３７、及び
反射面３２ａを有する溝３２は深くなるものの、第１誘
電体層表面の溝３７と基板表面の溝３２との位置合わせ
を容易にできる点で有利である。

【０１４３】以下に、上記光カプラーの構成の具体例を
示す。

【０１４４】図１０示す本実施例の光カプラー１００ｂ
の基板３１の構成としては、反射面さえ形成できれるも
のであれば特に制約はなく、金属基板や、表面に金属反
射膜を形成した任意の基板を用いることができる。但
し、反射面での反射率が高い基板が好ましく、この実施
例では、表面にＡ１膜３１ｂを形成したＳｉ基板３１ａ
を用いており、基板表面の溝３２は、Ｓｉ基板３１ａ上
のＡｌ膜３１ｂの表面に形成されている。さらに、基板
表面の溝３２を埋めるように形成される誘電体領域３３
は、屈折率の条件を満たせば限定されないが、本実施例
では、ＵＶ硬化性のメタクリレート樹脂（屈折率ｎ_q＝
１．５７、波長λ＝７８０ｎｍ）を用いている。

【０１４５】一方、光導波路部分２６は、第１誘電体層
３８、第２誘電体層３９、第３誘電体層４０によって構
成されており、第１誘電体層３８にはＳｉＯ₂（ｎ₁＝
１．４３、波長λ＝７８０ｎｍ）の他、ＰＳＧ，ＳＯＧ
なども利用できるが、本実施例では、ＳｉＯ₂を用いて
いる。各誘電体層の屈折率の関係式から、第２誘電体層
３９として、ＳｉＯ₂（ｎ₂＝１．４３、波長λ＝７８０
ｎｍ）を用いている。第３誘電体層４０としては、＃７
０５９ガラス、あるいはＳｉＯＮ等も用いることができ
るが、本実施例では、＃７０５９ガラス（ｎ₃＝１．５
３、波長λ＝７８０ｎｍ）を用いている。

【０１４６】いま、集光点でのビーム径ｗ₀が３．７６
μｍの集束光を焦点位置が図１０（ｂ）の位置になるよ
う入射させた場合を考える。このとき、ＴＥ光とＴＭ光
の結合効率が最も高くなるよう、第２誘電体層３９とし
てのＳｉＯ₂層の層厚を２００ｎｍとし、第３誘電体層
４０としての＃７０５９ガラス層の層厚を５７０ｎｍと
すれば、光カプラー１００ｂでのＴＥ光、ＴＭ光それぞ
れの実効屈折率Ｎ_TE、Ｎ_TMは、Ｎ_TE＝１．４６０７、Ｎ
_TM＝１．４６９６となる。さらに、第１誘電体層３８の
厚さｔは、基板３１の側へ光が伝搬中に出て行く割合で
ある放射損失を抑制するように定められ、例えば光導波
路素子長を１ｍｍとした場合、図１４に示すように放射
損失と関係付けられる。本実施例では、光導波路素子長
を１ｍｍとした場合、放射損失の値が１％未満となるよ
う、ｔを２μｍとしている。

【０１４７】上記のようにパラメータを設定して光導波
路を構成する場合、基板３１上に最初に形成する溝３２
の形状について、まず、その反射面３２ａの角度ωは次
のように求められる。

【０１４８】光導波路２６への入射角θは以下の式で決
まるので、 θ＝sin^-1｛（Ｎ^TE＋Ｎ^TM）／２ｎ_q｝ ・・・（４２） θは、６８．９゜となり、θ_i’を０゜としたとき、反
射面の角度ωは式（１３）より、３４．４５゜となる。

【０１４９】また、ＵＶ硬化型樹脂により上記誘電体領
域を成形する方法で、基板３１表面の溝３２を埋めた
際、基板表面より上側の樹脂層の厚さｌを３μｍとした
とき、集光点でのビーム径ｗ₀、光導波路２６への入射
角θ（＝６８．９゜）、θ_i’（＝０゜）をもとに溝の
深さＤを定める。

【０１５０】式（１２）、（２１）、（２４）、（３
０）から、反射面から入射点までの光の伝搬距離Ｅは１
０．９μｍ以上となる。ここで、伝搬距離Ｅを１１μｍ
と定めると、式（３４）から溝の深さＤは２．７８μｍ
以上必要となる。

【０１５１】本実施例では、基板に形成される溝３２
は、その反射面３２ａの、基板表面に対する角度を３
５．４５゜、深さＤを３μｍとしている。また、光カプ
ラーにおいて、図１２（ｃ）に示す基板３１表面の溝３
２の底面の端と、該溝３２を埋めるように形成された誘
電体領域３３上に形成される溝３７の端（図１０では第
１導電体層３８の端）の間の距離Ｋは、式（４１）を使
って決め、１１．３μｍとしている。ここで、Ｋの値
は、入射点と図１０の第１誘電体層３８の端との距離ｘ
_mが４μｍのときの値である。

【０１５２】このような構成の第２の実施例では、基板
３１上に入射光を反射させるための反射面３２ａを有す
る溝３２を形成し、その基板上に基板の屈折率より高い
屈折率の材科を該溝３２が埋め込まれるよう形成した
後、高屈折率材料からなる領域３３上に、プリズムカプ
ラでのプリズムのエッジに相当する機能を果たすために
溝３７を設け、この溝内に第１誘電体層３８を埋め込
み、第１誘電体層３８を埋め込んだ領域３３上に第２誘
電体層２１、第３誘電体層４０を積層して光カプラ１０
０ｂを形成したので、光を光導波路２６へプリズムカプ
ラの結合原理を用いて結合させることができる。また、
光導波路２６の表面より上に出る部分がなく、光導波路
素子上に樹脂を用いて所望の形状の光導入部を形成する
場合より光カプラーをさらに薄型化、小型化することが
できる。

【０１５３】（実施例３）図１５は本発明の第３の実施
例による光カプラーを説明するための図であり、図にお
いて、１００ｃは本実施例の光カプラーで、これは、上
記第２の実施例の光カプラー１００ｂを構成する第３の
誘電体層上に第４の誘電体層６１を積層したものであ
り、この光カプラー１００ｃにおける光の結合原理も上
記第２の実施例のものと同様のプリズムカプラの結合原
理に基づいている。この実施例の光カプラーにおける基
板５１，誘電体領域５３，第１〜第３誘電体層５８〜６
０は、第２実施例の光カプラー１００ｂにおける基板３
１，誘電体領域３３，第１〜第３誘電体層３８〜４０に
対応している。

【０１５４】すなわち、光カプラー１００ｃの構成を具
体的に説明すると、上記光カプラー１００ｃを構成する
基板５１は、Ｓｉ基板５１ａと、該Ｓｉ基板５１ａ上に
形成されたＡｌ反射膜５１ｂとからなり、該Ａｌ反射膜
５１ｂの表面には、入射光反射用の反射面５２ａを有す
る溝５２が設けられている。そして、該溝５２は、Ａｌ
反射膜５１ｂ上に形成した誘電体領域５３により埋め込
まれている。ここでは、該第１ないし第４誘電体層５８
〜６１により光導波路３６が構成され、該溝５２の反射
面５２ａ及び該溝５２内の誘電体領域５３が、該光導波
路３６に入射光を導入する光導入部３０となっている。

【０１５５】また、この誘電体領域５３上にはプリズム
カプラーのプリズムエッジに相当する溝５７が形成さ
れ、該溝５７を埋め込むよう第１誘電体層５８が形成さ
れている。該第１誘電体層５８の埋め込みより平坦にな
った誘電体領域５３（第１誘電体層も含む）上には、第
２、第３、第４誘電体層５９、６０、６１が順に形成さ
れている。

【０１５６】但し、ここでは、第１誘電体層５８には、
ＳｉＯ₂（ｎ₁＝１．４３、波長λ＝７８０ｎｍ）の他、
ＰＳＧ，ＳＯＧなども利用できるが、ここでは、ＳｉＯ
₂を用いた場合を示している。

【０１５７】各層の屈折率の関係式から、図１５の第２
誘電体層５９として、ＳｉＯ₂（ｎ₂＝１．４３、波長λ
＝７８０ｎｍ）を用いている。また第３誘電体層６０と
しては、＃７０５９ガラス、あるいはＳｉＯＮ等も用い
ることができるが、ここでは＃７０５９ガラス（ｎ₃＝
１．５３、波長λ＝７８０ｎｍ）を用いた場合を示して
いる。さらに、上記誘電体領域５３としては、ＵＶ硬化
性のメタクリレート樹脂（ｎ_q＝１．５７、波長λ＝７
８０ｎｍ）を用いている。

【０１５８】また、第４誘電体層６１は、光導波路の層
厚方向の屈折率分布の非対称性を低減する効果を与える
層であり、主に光が伝わる第３誘電体層６０が接する上
下の層が同一である場合に、より対称性が強くなるの
で、その屈折率ｎ₄は第２誘電体層５９の屈折率ｎ₂と等
しいことが好ましく、本実施例では、第４誘電体層６１
にはＳｉＯ₂（ｎ₁＝１．４３、波長λ＝７８０ｎｍ）を
用いている。

【０１５９】いま、集光点でのビーム径ｗ₀が３．７６
μｍの集束光を焦点位置が図１５の位置Ｏになるよう入
射させた場合を一例として考える。基板表面の溝５２を
埋める誘電体領域として、ＵＶ硬化樹脂（ｎ_q＝１．５
７、波長λ＝７８０ｎｍ）を用いるとき、ＴＥ光とＴＭ
光の結合効率が最も高くなるよう、第２誘電体層５９と
してのＳｉＯ₂層厚を１００ｎｍ、第３誘電体層６０と
しての＃７０５９ガラス層厚を５７０ｎｍ、第４誘電体
層６１としてのＳｉＯ₂層厚を１μｍとしている。

【０１６０】さらに、第１誘電体層５８の厚さｔ’は、
基板５１の側へ光が伝搬中に出て行く割合である放射損
失を抑制するように定められ、例えば光導波路素子長を
１ｍｍとした場合、図１６に示すように放射損失と関係
付けられる。本実施例では、光導波路素子長を１ｍｍと
した場合、放射損失の値が１％未満となるよう、ｔ’を
１．６μｍとしている。

【０１６１】本実施例の光カプラー１００ｃにおける基
板表面に形成される溝の形状については、上記第２実施
例と同様に決めることができ（図１３参照）、まず、上
記溝５２内の入射光の反射面５２ａの角度ωを求める。

【０１６２】第１誘電体層５８、第２誘電体層５９、第
３誘電体層６０、第４誘電体層６１で構成される光導波
路部分３６における、ＴＥ光，ＴＭ光それぞれの実効屈
折率Ｎ_TE、Ｎ_TMは、本実施例の場合Ｎ_TE＝１．４８３
９、Ｎ_TM＝１．４８２７となる。この場合、ＴＥ光とＴ
Ｍ光それぞれに対する実効屈折率の差が実施例２の場合
より小さくなっている。これは光導波路の構造におい
て、主に光が伝わる＃７０５９層（第３誘電体層）６０
の上下のＳｉＯ₂層の屈折率が同じであるため、屈折率
分布の対称性が強まったためである。さらに、Ｎ_TE、Ｎ
_TMから、ＴＥ、ＴＭそれぞれの最適入射角（結合効率最
大になる入射角）θ_TE(TM)が、θ_TE(TM)＝sin^-1（Ｎ
_TE(TM)／ｎ_q）で決まるので、ＴＥ光、ＴＭ光同時に結
合させる場合において、ＴＥ光、ＴＭ光双方の結合効率
を高めることができる。

【０１６３】この光カプラーでは、光導波路３６への入
射角θは式（４１）で決まるので、θは７０．８゜とな
り、θ_i’を０゜としたとき、反射面５２ａの基板表面
に対する角度ωは式（１３）より、３５．４゜となる。

【０１６４】基板５１上に誘電体領域５３としてＵＶ硬
化型樹脂を成形して基板表面の溝５２を埋めた際、基板
５１表面より上側に形成される樹脂層の厚さ１を３μｍ
としたとき、入射光のビームウエスト部でのビーム径ｗ
₀、光導波路への入射角θ（＝７０．８゜）、θ_i’（＝
０゜）に基づいて溝の深さＤを定める。

【０１６５】式（１２）、（２１）、（２４）、（３
０）から反射面から入射点までの光の伝搬距離Ｅは１
１．６μｍ以上となる。ここで、伝搬距離Ｅを１２μｍ
と定めると、式（３４）から基板表面の溝５２の深さＤ
は２．８７μｍ以上必要となる。本実施例では、基板５
１に形成される溝５２は、その反射面５２ａの、基板表
面に対する角度を３５．４゜、その深さＤを３μｍとし
ている。

【０１６６】また、本実施例の光カプラー１００ｃにお
いては、図１５における基板５１上の溝５２の端と、該
溝を埋めるように形成された誘電体領域５３表面の溝５
７の端との間の距離Ｋは、式（４１）から決めて、１
２．４μｍとしている（Ｄ₀＝２．８７μｍ）。ここ
で、Ｋの値は、入射点Ｏと図１５に示す第１誘電体層５
８の端との間の距離ｘ_mが４μｍのときの値である。

【０１６７】このような構成の第３の実施例では、光カ
プラーを、第２実施例の光カプラーを構成する第３誘電
体層上に第４誘電体層を形成した構造としたので、第２
実施例の効果に加えて、光カプラに対する、ＴＥ光入
射、ＴＭ光入射、それぞれに対する実効屈折率差が第４
誘電体層がない場合より小さくなり、ＴＥ光、ＴＭ光同
時入射のときの結合効率を高めることができ、かつ、第
４誘電体層があることで、光導波路を伝搬する光の強度
分布が、第４誘電体層がない場合に比べ、光導波路上側
に偏るため、誘電体領域への光の再結合による、光の損
失を防ぐために必要な第１誘電体層の厚さを第４誘電体
層がない場合に比べ薄くすることもできる。すなわち、
光カプラ作製の際に誘電体領域上に形成される溝の深さ
を浅くすることができる。

【０１６８】

【発明の効果】以上のようにこの発明（請求項１）に係
る光カプラーによれば、光導波路を構成する誘電体層の
層厚の薄い部分と層厚の厚い部分との境界部分に、該境
界両側の部分に跨るよう、該光導波路に導入される入射
光が蹴られずに通過し得る平面部分を有する光導入部を
配置したので、光導波路への外部光の結合を、結合効率
の波長変化に対する許容性の大きなプリズムカプラーの
原理に基づいて行うことができる効果がある。

【０１６９】しかも、該光導入部を、該誘電体層の屈折
率より高い屈折率を有する透光性材料を光導波路上で成
形して形成しているため、該光導入部については、プリ
ズムのように別途加工したり、光導波路上に配置したり
する作業が不要である。このため、光カプラーの作製プ
ロセスが簡単になり、その量産性を高めることができる
という効果がある。

【０１７０】この発明（請求項２）によれば、上記光カ
プラーにおいて、上記光導入部を構成する透光性材料と
して樹脂を用いたので、カプラー作製の際のコストを下
げることができる効果がある。

【０１７１】この発明（請求項３）において、光導入部
を、入射光の波長、そのビームウエスト部でのビーム
径、光導入部を構成する材料の屈折率、及び該入射光の
光導波路の光入射面への入射角に基づいてその寸法形状
を規定したので、光導入部を必要最小限の大きさにする
ことができる。換言すれば、上記光導入部を構成する誘
電体領域と第３誘電体層との境界から光導入部の入射面
下部までの距離、入射面として必要な高さを定め、上記
誘電体領域の形状を決めることにより、光カプラの厚さ
を入射ビーム径に応じて薄くすることができる。

【０１７２】この発明（請求項４）に係る光カプラーに
よれば、入射光を反射させるための反射面を有する溝が
形成された基板を備えるとともに、該基板上に誘電体層
を介して光導波路を、該光導波路を構成する誘電体層の
層厚の薄い部分と層厚の厚い部分との境界が該基板の溝
部分に位置するよう配置し、該溝内の誘電体領域を、該
光導波路に入射光を導入する光導入部としているため、
光導波路への外部光の結合を、結合効率の波長変化に対
する許容性の大きなプリズムカプラーの原理に基づいて
行うことができる効果がある。

【０１７３】しかも、該光導入部を、基板と光導波路と
の間に組み込んでいるため、該光導入部については、プ
リズムのように別途加工したり、光導波路上に配置した
りする作業が不要であり、このため、光カプラーの作製
プロセスが簡単になり、その量産性を高めることができ
る効果がある。

【０１７４】また、該光導入部が、基板と光導波路との
間に組み込まれているため、光導波路表面より上側に突
出する部分がなく、光導波路上に高屈折率材料を形成し
たカプラーよりさらに薄型化、小型化することができる
効果がある。

【０１７５】この発明（請求項５）によれば、請求項４
の光導波路を構成する第１〜第３の誘電体層に加えて、
該第３誘電体層上に第４誘電体層を形成しているため、
光カプラーに対する、ＴＥ光入射及びＴＭ光入射のそれ
ぞれに対する実効屈折率差が第４誘電体層がない場合よ
り小さくなり、ＴＥ光、ＴＭ光同時入射のときの結合効
率を高めることができる効果がある。

【０１７６】加えて、第４誘電体層があることで、光導
波路を伝搬する光の強度分布が、第４誘電体層がない場
合に比べ、光導波路上側に偏るため、誘電体領域への光
の再結合による、光の損失を防ぐために必要な第１誘電
体層の厚さを、第４誘誘電体層がない場合に比べ薄くす
ることもできる。すなわち、光カプラー作製の際に誘電
体領域上に形成される溝の深さを浅くすることができ
る。

【０１７７】この発明（請求項６）に係る光カプラーの
製造方法によれば、請求項２に係る光カプラーを製造す
る際、前記第１ないし第３誘電体層からなる光導波路の
上に紫外線硬化型の樹脂を供給し、該光導波路上に供給
された樹脂を、前記光導入部の光入射面に対応する平面
部を有する凹部を形成した紫外線を透過可能な型枠部材
を用いて所定の形状に保持し、この状態で、紫外線の照
射により該樹脂を硬化させるようにしたので、プリズム
カプラーのプリズム固定の際の問題や量産性の問題等
の、プリズム作製上の問題を解決し、カプラー作製の際
のコストを下げることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による光カプラーの構成
を説明するための図であり、図１（ａ）は該光カプラー
の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線部分
の断面図である。

【図２】本発明の基本原理を説明するための図であり、
図２（ａ）はプリズムカプラーに必要なプリズムの大き
さの設定方法を示す図、図２（ｂ）はプリズムの大きさ
を算出するｘｙ座標系を示す図である。

【図３】上記第１の実施例の光カプラーにおける光導入
部の形状の第１の変形例を示す断面図である。

【図４】上記第１の実施例の光カプラーにおける光導入
部の形状の第２の変形例を示す断面図である。

【図５】上記第１の実施例の光カプラーにおける再結合
効率特性を示す図である。

【図６】上記第１の実施例による光カプラーの作製方法
を説明するための図であり、図６（ａ）及び（ｂ）は光
導波路の各形成工程での断面構造を示す図、図６（ｃ）
は図６（ｂ）に示す光導波路の平面図である。

【図７】上記第１の実施例による光カプラーの作製方法
において、誘電体領域を樹脂成形により形成する処理を
工程順に示しており、図７（ａ）はスタンパ上に樹脂を
供給した状態、図７（ｂ）は該スタンパ上に光導波路を
押し当てた状態、図７（ｃ）はスタンパ上から、樹脂成
形により形成した光導入部を外す状態を示している。

【図８】上記第１の実施例による光カプラーの作製に用
いるスタンパの構造を示す図であり、図８（ａ）は、該
スタンパの成形面を示す平面図、図８（ｂ）は図８
（ａ）のXIIIｂ-XIIIｂ線断面の構造を示す図であり、
図８（ｃ）は複数の樹脂成形部を有するスタンパを示す
斜視図である。

【図９】上記第１の実施例の光カプラーの寸法形状を算
出するための、光カプラーの断面形状にｘｙ座標系を設
定した計算モデルを示す図である。

【図１０】本発明の第２の実施例による光カプラーの構
成を説明するための図であり、図１０（ａ）は該光カプ
ラーの断面構造を示す図、図１０（ｂ）は該光カプラー
により入射光が光導波路に導入される様子を示す図であ
る。

【図１１】上記第２の実施例の光カプラーの製造方法に
おける樹脂成形工程を説明するための図であり、図１１
（ａ），（ｃ），（ｄ）は各工程段階での光カプラーの
構造を示す断面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の工程
段階での光カプラーの平面図である。

【図１２】上記第２の実施例の光カプラーの製造方法に
おける第１誘電体層を樹脂成形部分に埋め込む工程を説
明するための図であり、図１２（ａ），（ｃ），
（ｄ），（ｆ）は各工程段階での光カプラーの構造を示
す断面図、図１２（ｂ），（ｅ）は図１２（ａ），
（ｄ）の工程段階での光カプラーの平面図である。

【図１３】上記第２の実施例の光カプラーの寸法形状を
算出するための、光カプラーの断面形状にｘｙ座標系を
設定した計算モデルを示す図である。

【図１４】上記第２の実施例の光カプラーにおける放射
損失特性を示す図である。

【図１５】本発明の第３の実施例による光カプラーの構
成を説明するための図であり、該光カプラーにより入射
光が光導波路に導入される様子を示している。

【図１６】上記第３の実施例の光カプラーにおける放射
損失特性を示す図である。

【図１７】従来のグレーティングカプラーを用いた光導
波路素子採用型光ピックアップの一構成例を示す図であ
る。

【図１８】従来のプリズムカプラーの構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１，１１ａ，１１ｂ，２１，３０ 光導入部 １ａ 光入射面 １ｂ 樹脂層部分 ２，４０，６０ 第３誘電体層 ３，３９，５９ 第２誘電体層 ４，３８，５８ 第１誘電体層 ５，３１，５１ 基板 ６，２６，３６ 光導波路 ８，１８，３４ スタンパ ９，１９ 樹脂成形溝 ９ａ，９ｂ 傾斜面 １０ ＵＶ硬化性樹脂 ３１ａ Ｓｉ基板 ３１ｂ Ａｌ反射膜 ３２ 光導入用溝 ３２ａ，５２ａ 反射面 ３３，５３ 誘電体領域 ３５ 選択エッチング用マスク ３５ａ マスク開口部 ３７，５７ 誘電体層埋込み用溝 １００ａ，１００ｂ，１００ｃ 光カプラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 圭男 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 倉田 幸夫 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−95252（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−174934（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−171031（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/26 G02B 6/30

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、該基板上に形成された第１誘電
   体層と、該第１誘電体層上に形成され、該第１誘電体層
   の屈折率より低い屈折率を有する第２誘電体層と、該第
   ２誘電体層上の一部に形成され、該第２誘電体層の屈折
   率より低いかあるいは同じ屈折率を有する第３誘電体層
   とからなる光導波路と、 該光導波路上に、該各誘電体層の屈折率より高い屈折率
   を有する透光性材料により成形され、集束された入射光
   を該光導波路に導入する光導入部とを有する光カプラー
   であって、 該光導入部は、該第２誘電体層表面上から第３誘電体層
   の表面上にまたがるよう配置され、該光導波路に導入さ
   れる入射光が蹴られずに通過し得る平面部分を光入射面
   として有する光カプラー。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光カプラーにおいて、 前記光導入部は、前記光導波路の第２誘電体層及び第３
   誘電体層の全面に形成された、前記各誘電体層の屈折率
   より高い屈折率を有する樹脂層の一部から構成されてい
   る光カプラー。
3. 【請求項３】 請求項２記載の光カプラーにおいて、 前記光導入部の光入射面と前記光導波路の光入射面とが
   なす角αが、該光導波路の光入射面に対する光の入射角
   θ_iと等しく、 該第２誘電体層表面の光導入部と接している部分と、該
   第２誘電体層表面の第３誘電体層と接している部分との
   境界は、該光導入部の光入射面下端と平行になってお
   り、 該光導波路の光入射面における該光入射面下端と該境界
   との距離Ｂ、該光導入部の光入射面上端の、該第２誘電
   体層表面からの高さＨ、前記入射光のビームウエストで
   のビーム径ｗ₀、及び前記樹脂層の光導入部以外の部分
   の厚さが、この厚さをｌ、該樹脂層の屈折率をｎ_p、入
   射光の波長をλ、入射光のエネルギーの９９％以上が含
   まれるビーム径ρｗ₀を規定する係数をρとして、以下
   の関係式 Ｂ＞ｘ₁／sinθ_i−ｌ／tanθ_i＋Ｌ／２ Ｈ＞２ｙ₁sinθ_i＋ｌ Ｌ＝ρｗ₀／〔cosθ_i｛１−（４ρ²λ²ｔａｎ²θ_i／ｎ_p
   ²π²ｗ₀ ²）｝^1/2〕 ｘ₁＝｛−ｂ₁＋（ｂ₁ ²−ａ₁ｃ₁）^1/2｝／ａ₁ ｙ₁＝ｘ₁／tanθ_i−ｌ／sinθ_i ａ₁＝１／tan²θ_i−４λ²ρ²／ｎ_p ²π²Ｗ₀ ² ｂ₁＝−ｌ／sinθ_icosθ_i ｃ₁＝ｌ²／sin²θ_i−ｗ₀ ²ρ²／４ ρ＝｛−ｌｎ（０．１８）｝^1/2 を満たす光カプラー。
4. 【請求項４】 入射光を反射させるための反射面を有す
   る溝が形成された基板と、該基板上に該溝が埋め込まれ
   るよう形成された誘電体領域と、該誘電体領域の表面部
   分に、その端部が該溝内に位置するよう形成された第１
   誘電体層と、該誘電体領域及び第１誘電体層上に形成さ
   れた第２誘電体層と、該第２誘電体層上に積層された第
   ３誘電体層とを備え、該第１ないし第３誘電体層により
   光導波路が構成され、該溝の反射面及び該溝内の誘電体
   領域が該光導波路に入射光を導入する光導入部となって
   いる光カプラーであって、 該第１誘電体層の屈折率ｎ₁、該誘電体領域の屈折率
   ｎ_q、該第２誘電体層の屈折率ｎ₂、該第３誘電体層の屈
   折率ｎ₃は、 該屈折率ｎ_qが該屈折率ｎ₁、ｎ₂、及びｎ₃より高く、か
   つｎ₁≦ｎ₂、ｎ₂＜ｎ₃の関係が満足されるものである光
   カプラー。
5. 【請求項５】 入射光を反射させるための反射面を有す
   る溝を形成した基板と、基板上に該溝を埋め込むよう形
   成された誘電体領域と、該誘電体領域の表面部分に、そ
   の端部が該溝内に位置するよう形成された第１誘電体層
   と、該誘電体領域及び第１誘電体層上に形成された第２
   誘電体層と、該第２誘電体層上に積層された第３誘電体
   層と、該第３誘電体層上に積層された第４誘電体層とを
   備え、該第１ないし第３誘電体層により光導波路が構成
   され、該溝の反射面及び該溝内の誘電体領域が該光導波
   路に入射光を導入する光導入部となっている光カプラー
   であって、 該第１誘電体層の屈折率ｎ₁、誘電体領域の屈折率ｎ_q、
   第２誘電体層の屈折率ｎ₂、第３誘電体層の屈折率ｎ₃、
   及び第４誘電体層の屈折率ｎ₄は、該屈折率ｎ_qが該各屈
   折率ｎ₁、ｎ₂、ｎ₃、及びｎ₄より高く、ｎ₁≦ｎ₂、ｎ₂
   ＜ｎ₃、ｎ₄＜ｎ₃の関係が満足される光カプラー。
6. 【請求項６】 請求項２記載の光カプラーを製造する方
   法であって、 前記第１ないし第３誘電体層からなる光導波路の上に紫
   外線硬化型の樹脂を供給する工程と、 該光導波路上に供給された樹脂を、前記光導入部の光入
   射面に対応する平面部を有する凹部を形成した紫外線を
   透過可能な型枠部材を用いて所定の形状に保持し、この
   状態で、紫外線の照射により該樹脂を硬化させる工程と
   を含む光カプラーの製造方法。