JPH0697285B2

JPH0697285B2 - 光結合装置

Info

Publication number: JPH0697285B2
Application number: JP59271607A
Authority: JP
Inventors: 啓二花田; 司郎緒方; 正治俣野; 牧山下
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1984-12-21
Filing date: 1984-12-21
Publication date: 1994-11-30
Anticipated expiration: 2009-11-30
Also published as: JPS61148406A

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景この発明は、２つの基板間で光を授受するための光結合
装置に関する。

近年、多くの光処理機能を一基板上に集積化して作成す
る技術の研究が盛んに行なわれている。基板上の所望の
場所に光を導くために基板に光導波路が形成される。多
くの光機能素子を一基板上に集積化した場合には、光を
縦横に伝播させなければならないから、光を伝播させる
ための光導波路が互いに交差してしまうことがあるのは
避けられない。光導波路の交差部では一方の光導波路を
伝播してきた光が交差する他方の光導波路に漏れてしま
うので、クロス・トーク量の増加やS/N比の低下を招く
という問題がある。このような点から、一基板上に集積
化できる光機能素子の数は自ずと限られたものとなって
しまう。

そこで、多くの光機能をコンパクトに実現するための一
方策して、複数の基板を立体的に配置することが考えら
れる。複数の基板を立体的に配置した場合には、基板間
で光の授受を行なう必要がある。

発明の概要この発明は、２つの基板間での光の授受を比較的簡単な
構造で可能とし、コンパクトな集積型光回路の実現のた
めの一手段を提供することを目的とする。

この発明による光結合装置は、第１の基板に対して第２
の基板がほぼ垂直に配置され、上記第１の基板には、そ
の表面に第１の光導波路が形成され、上記第２の基板に
は、その表面に第２の光導波路が形成されるとともに、
上記表面とほぼ垂直な側面にこの側面に沿った方向に光
を伝播させる上記表面の光導波路と光学的に連結した側
面光導波路が形成され、上記第１の光導波路と上記側面
光導波路とが、５層光導波路構造を形成するようにほぼ
平行にかつ小さな空気間隙（真空または他の気体間隙を
含む）をあけて配置されていることを特徴とする。

この発明による光結合装置は、双方向性をもつから第１
の基板から第２の基板に光を導くことができるばかりで
なく、第２の基板から第１の基板に光を伝達することも
可能となる。

この発明によると、２つの基板間で自在に光を授受する
ことができる。また、第１の基板の第１の光導波路と第
２の基板の側面光導波路との結合長を調整することによ
り、結合効率を所望の値に設定することができる。構成
も簡素で調整も容易である。

さらに、この発明によると２つの基板を互いに垂直に配
置して光結合を行うことが可能となるから、一基板の面
積を増大させることなく２つの基板を立体的に配置して
集積度を高めることもできる。基板の平面的な広がりを
抑えることができるから、全体的にコンパクト集積型光
回路の実現に役立つ。

実施例の説明以下、この発明を立体光回路装置に適用した実施例につ
いて詳述する。

（１）立体光回路装置第１図は立体光回路装置の概要を示している。母基板
（10）および複数の回路基板（20）（30）（40）が支持
体（１）に固定支持されている。各回路基板（20）〜
（40）は母基板（10）に対して直角に接している。母基
板（10）および回路基板（20）〜（40）には所望の光回
路を構成する光導波路および光機能素子が集積化してつ
くられている。母基板（10）上に形成された光導波路の
一例が（11）（15）で示されている。光導波路（11）か
ら導かれた光を受光する受光素子（16）および光導波路
（15）に光を送出するための発光素子（12）が母基板
（10）の端面に固定されている。回路基板（20）上に形
成された光導波路の一例が（21）（25）で示されてお
り、これらの光導波路（21）（25）の途上に設けられた
光機能素子または光処理部の例が（23）（27）で示され
ている。光導波路（21）および光処理部（23）は回路基
板（20）の上面に、光導波路（25）および光処理部（2
7）は基板（20）の下面に形成されている。光導波路（2
1）には発光素子（22）からの光が導かれ、光導波路（2
5）を伝播してきた光は受光素子（26）に受光される。
これらの素子（22）（26）は回路基板（20）の端面に固
定されている。光導波路はよく知られているように、基
板に所定の物質を拡散させることにより形成される。回
路基板（30）にも、同じように、光導波路（31）（3
5）、光処理部（33）（37）、発光素子（32）、受光素
子（36）等が設けられている。図示は省略されている
が、必要に応じて他の光導波路、光機能素子または光処
理部、発、受光素子等が母基板（10）、回路基板（20）
〜（40）に設けられる。

（２）回路基板と光結合装置回路基板（20）〜（40）上の光導波路、およびこれらの
回路基板（20）〜（40）と母基板（10）との間の光結合
装置はすべて同じ構成であるから、回路基板（20）およ
びその光導波路（21）を例にとって説明する。

第２図および第４図において、回路基板（20）に形成さ
れた光導波路（21）は基板（20）の母基板（10）と接す
る端面（20a）にまでのびている。端面上の光導波路が
結合用光導波路であり、これを（21a）で示す。そうし
て、回路基板（20）の表面と端面（20a）との稜が45゜
の角度で切欠かれ斜面（24）となっている。この斜面
（24）が全反射面となる。光導波路（21）を伝播する光
は斜面（24）で全反射して光導波路（21a）に向う。光
導波路（21a）を伝播する光があれば、この光は斜面（2
4）で全反射して光導波路（21）に向うのはいうまでも
ない。

光導波路（21）の屈折率をn1、空気の屈折率をn2＝１と
し、斜面（24）への入射光が斜面（24）に立てた法線と
なす角をθとすると、入射光が斜面（24）で全反射する
条件はsinθ＞n2/n1で与えられる。基板（20）がLiNbO₃
の場合にはその屈折率は約2.2、ガラスの場合は約1.5で
ある。これらの屈折率をn1として採用したとすると、上
記の全反射条件はそれぞれθ＞27゜、θ＞42゜となる。
通常、基板（20）の表面と端面とのなす角は直角である
から斜面（24）は45゜の傾きをもつ。したがって、第４
図に示されるθは45゜であるから、斜面（24）は全反射
の条件を満足する。

第２図において、母基板（10）の表面上の光導波路（1
1）と回路基板（20）の端面（20a）上の光導波路（21
a）とは対面している。また母基板（10）の表面と回路
基板（20）の端面（20a）とは密着して接しているが、
両面の間には実際にはわずかの間隙（波長オーダ）があ
る。したがって、母基板（10）、その光導波路（11）、
上記両面間の間隙、光導波路（21a）および回路基板（2
0）は５層２次元光導波路構造と考えることできる。こ
のような５層２次元光導波路構造では、光導波路（21
a）を伝播する光は、光の伝播にともない次第に光導波
路（11）に移行し、ある長さ（完全結合長）で光導波路
（11）にその全パワーが移行する。光導波路（21a）か
ら光導波路（11）に移行する光のパワーは、両光導波路
（21a）（11）の重なっている部分の長さ（結合長）に
依存する。完全結合長の場合に全光パワーが光導波路
（21a）から光導波路（11）に移る。したがって、光導
波路（21）を伝播する光は、斜面（24）で全反射して光
導波路（21a）に進み、さらに結合長に応じた割合で光
導波路（11）に移行し、光導波路（11）を伝播してい
く。

光導波路（11）を伝播する光があればこの光は光導波路
（21a）に移行し、さらに光導波路（21）に進むのはい
うまでもない。

第３図は、回路基板（20）の上下（表裏）両面に光導波
路（21）（28）が形成され、これらの光導波路（21）
（28）が端面に形成された光導波路（21a）と全反射面
を経てつながっている例を示している。光導波路（21）
の光は光導波路（21a）から母基板（10）の光導波路（1
1）に移行する。また光導波路（11）の光は光導波路（2
1a）に移り光導波路（28）に進む。

第５図は、第２図、第３図に示すような光導波路を作成
するための方法を示している。槽（60）内に、たとえば
KNO₃溶液が入っている。基板材料、たとえばLiNbO₃基板
（70）および電極（61）がこの溶液内に浸されている。
基板（70）の稜には斜面（全反射面）があらかじめ形成
されかつ光学研磨されている。基板（70）は直流電源
（62）の負極に、電極（61）はスイッチ（63）を介して
正極にそれぞれ接続されている。スイッチ（63）がオン
とされると、KNO₃溶液中のK⁺イオンが基板（70）に引き
寄せられかつ基板（70）内部に拡散していく。この結
果、基板（70）にはK⁺が拡散された光導波路が形成され
る。これはイオン交換法と呼ばれる方法である。基板
（70）の光導波路を形成すべき部分以外の表面をマスク
しておけば、所望パターンの光導波路をつくることがで
き、マスクを施さない場合には基板（70）の表裏、端、
側面および斜面に光導波層（路）が形成される。

（３）立体光回路装置の作用第１図に戻って、発光素子（12）から出力された光は母
基板（10）上の光導波路（15）を伝播し、上述の光結合
装置により回路基板（20）（30）の下面に形成された光
導波路（25）（35）に適当な割合で移行しこれらの光導
波路（25）（35）をそれぞれ伝播していく。そして、光
処理部（27）（37）で所定の加工がそれぞれ施されたの
ち、各受光素子（26）（36）に受光される。このように
して、母基板（10）から光を複数の回路基板（20）（3
0）等に供給することが可能となる。

発光素子（22）から出力された光は回路基板（20）の上
面に形成された光導波路（21）に導かれ、光処理部（2
3）で適当な処理が施されたのち、さらに光導波路（2
1）を進み、上述の光結合装置を介して母基板（10）上
の光導波路（11）に移行する。そして、光導波路（11）
を伝播し、受光素子（16）によって受光される。回路基
板（30）上の発光素子（32）から出力され光導波路（3
1）を伝播する光もまた同じように、母基板（10）上の
光導波路（11）から取出される。このように、複数の回
路基板（20）（30）等上を伝播する光を母基板（10）か
ら取出すことができる。

上述の光の導入、取出しは同時に行なってもよいし、時
間的タイミングを変えて（たとえば時分割に）行なって
もよい。母基板（10）上の光導波路と回路基板（20）
（30）等上の光導波路との結合効率を所望の値に設定す
ることにより、任意の光量の光の導入、取出しが可能と
なる。

たとえば、回路基板（20）から回路基板（30）へという
風に、複数の回路基板上の光導波路間の光の送受も母基
板（10）を介して行なうことができる。

上記実施例では、各基板上に３次元的な光導波路が形成
されているが、各基板表（裏、端、側）面全体に高屈折
率層を形成し、これを光導波路（層）としてもよい。も
ちろん、発、受光素子等との光結合のために、光導波路
（層）上に導波型レンズを形成することもできる。

２つの回路基板を結合用導波路が形成されたそれらの端
面同志を突きあわせることにより、平面的に光結合させ
ることも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は立体光回路装置の例を示す斜視図、第２図およ
び第３図は光結合装置の例をそれぞれ示す断面図、第４
図は回路基板の角部を拡大して示す断面図、第５図は回
路基板の作成方法の例を説明するための構成図である。（10）……母基板、（11）（15）……母基板の光導波
路、（20）（30）（40）……回路基板、（21）（25）
（31）（35）……回路基板の光導波路、（21a）……結
合用光導波路、（24）……全反射面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者俣野正治京都府京都市右京区花園土堂町10番地立石電機株式会社内 (72)発明者山下牧京都府京都市右京区花園土堂町10番地立石電機株式会社内 (56)参考文献特開昭56−42202（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−42203（ＪＰ，Ａ) 実公昭54−23903（ＪＰ，Ｙ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の基板に対して第２の基板がほぼ垂直
に配置され、上記第１の基板には、その表面に第１の光導波路が形成
され、上記第２の基板には、その表面に第２の光導波路が形成
されるとともに、上記表面とほぼ垂直な側面にこの側面
に沿った方向に光を伝播させる上記表面の光導波路と光
学的に連結した側面光導波路が形成され、上記第１の光導波路と上記側面光導波路とが、５層光導
波路構造を形成するようにほぼ平行にかつ小さな空気間
隙をあけて配置されている、光結合装置。