(57)【要約】【目的】半導体レーザアレイと、光ファイバアレイあるいは光集積回路の導波路アレイ間を一体化・集積化して高効率で結合させることが可能で、量産性に適した厚膜型スラブレンズ及びその製造方法を提供すること。【構成】厚膜の形状をなし、厚さ方向のみ二乗形の屈折率分布を有し、かつ比屈折率差が数十%程度と大きく光の伝搬方向の長さが光線の蛇行の周期のほぼ1/4あるいはその奇数倍を有することを特徴とする。これにより、一方向にのみ小さいスポットサイズを有する半導体レーザ等の光強度分布を、標準の光ファイバのスポットサイズ程度でほぼ円形に近い光強度分布に直接変換することが可能であり、光源と導波路が一体化・集積化できる。構造が小型・軽量であるほか、作製が簡単で大量生産が可能である。【選択図】  図１
2005221514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜状の透明体から成り膜の面内方向には一様な屈折率分布をもち、膜面に垂直な方向にのみニ乗形の屈折率分布を有し、該ニ乗形の屈折率分布の最大屈折率と最小屈折率との比屈折率差をΔ、屈折率分布幅の半幅をａ［μｍ］としたときにａ／（２Δ）１／２の値が１００μｍ以下となるような条件を満たし、かつ面内を伝搬する光の伝搬方向の長さが光線の蛇行周期の略四分の一あるいはその奇数倍にほぼ等しくなるように構成されていることを特徴とする、厚膜型スラブレンズ。
【請求項２】
水素化アモルファスシリコン酸化物、あるいは五酸化タンタルと石英の混合物、あるいは二酸化チタンと石英の混合物、あるいは窒化珪素と石英、あるいは炭化珪素と石英との混合物を主成分とする材料から成ることを特徴とした請求項１に記載の厚膜型スラブレンズ。
【請求項３】
基板上にスパッタリング法、あるいは蒸着法、あるいは化学気相堆積法により、屈折率分布が膜面に垂直な方向に対して二乗形を形成せしめるように制御しながら作製することを特徴とする請求項１に記載の厚膜型スラブレンズの製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の厚膜型スラブレンズを半導体レーザと光ファイバ乃至平面型光導波路との間に介在させたことを特徴とする光結合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、厚膜型スラブレンズとその製造法および厚膜型スラブレンズを用いた光波結合装置に係る。より詳細には、本発明は、主に光通信、センサ分野、あるいは光計測分野において使用される光回路素子であり、特に半導体レーザと光集積回路、あるいは半導体レ−ザと光ファイバとの高効率結合や光ビーム整形に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
先ず、従来技術及び本発明に関連する二乗形屈折率分布媒質中を伝搬する光波の性質を示す。一般に二乗形屈折率分布を有する媒質中を伝搬する光波の振幅分布は周期的に変化し、その１周期は、２πＡｇで表される。ただし、Ａｇはａ／（２Δ）１／２で定義され、Δはニ乗形屈折率分布の最大屈折率と最小屈折率との比屈折率差、ａは屈折率分布幅（コア幅）の半幅を表す。前記振幅分布の１周期とは、言い換えれば光線の蛇行の１周期であり、光強度分布変化の周期の２倍長に相当する。なお、Ａｇの逆数は集束係数と呼ばれてｇなる記号で表されることがある。伝搬する光波の断面内光強度分布のサイズ（拡がり幅）は前記光線の蛇行周期の１／４の長さごと（１／４ピッチ長）、即ちπＡｇ／２長ごとに最大と最小を繰返す性質がある。この１／４ピッチあるいはその奇数倍の長さにおいては、入射する光波のスポットサイズ（ガウス型の光電力分布が最大点の１／ｅ２になる半幅と定義される）ｗｉｎと出射する光波のスポットサイズｗｏｕｔとの間には、文献（K. Shiraishi, A. Ogura, and K. Matsuura, "Spot-size contraction in standard single-mode fibers by use of a GI-fiber tip with a high focusing parameter", IEEE Photonics Technology Letters, vol. 10, no. 12, pp. 1757-1759, 1998.）によれば、光線行列式を用いて、
【数１】
ｗｉｎｗｏｕｔ＝λＡｇ／ｎπ            （第１式）
なる関係があることが知られている。ただし、ｎは媒質の屈折率でλは波長である。なお、光線の１／４ピッチ長あるいはその奇数倍の位置では光波の位相分布が平坦になる性質がある。
【０００３】
光通信や光記録などに多く用いられている半導体レーザはその発光面が楕円形状をしており、発光分布の短径方向のスポットサイズは０．５〜１μｍと小さく、長径方向のスポットサイズは短径方向の数倍の大きさがある。一方、光通信に用いられる光ファイバは円形の断面をもつコアを有し、そこを伝搬する光強度分布は円形であり、そのスポットサイズは半導体レーザの発光面形状の短径方向スポットサイズよりもはるかに大きい。例えば波長１．５５μｍ帯用の光ファイバのスポットサイズは５μｍ程度、波長０．９８μｍ用では３μｍ程度である。一般に光の放射角はスポットサイズに反比例する性質があり、スポットサイズをｗ、波長をλとすると放射角（放射の半角）θはθ＝λ／πωとなる。半導体レーザの短径方向のスポットサイズが光ファイバのスポットサイズより大幅に小さいために半導体レーザと光ファイバを直接接続すると大きな接続損失が生ずることになる。これは半導体レーザの短径方向のＮＡ（開口数）に比べて光ファイバのＮＡが小さすぎると言い換えることもできる。
【０００４】
この問題を解決するには、半導体レーザの短径方向のＮＡを小さく、即ち短径方向のスポットサイズを拡大すればよい。一方半導体レーザの長径方向のスポットサイズは一般に２μｍ以上あり、光ファイバのスポットサイズよりは小さいが、比較的低損失で光ファイバに結合することができる。これは、スポットサイズが大きいほど回折光の等位相面の曲率半径が大きいため、半導体レーザから放射した光が回折によりそのスポットサイズが光ファイバのスポットサイズ程度まで拡大した点で光ファイバに結合させれば結合効率が高くなることによる。
【０００５】
問題となるのが半導体レーザの短径方向のスポットサイズである。これを拡大して等位相面を平坦にする方法としてスラブレンズおよびその作製方法が提案されている。例えば文献１（近江、浅原「光通信用スラブレンズ」化学と工業、第３８巻、第１１号，頁８４８−８５０）、文献２（「厚さ方向にのみ屈折率勾配を有するスラブ状レンズの製造法」特公昭６１−５６６１号公報）、文献３（「屈折率勾配を有するガラス体の製造法」特開昭６１−２１１７２号公報、特開昭６１−２１１７３号公報），  文献４（「屈折率勾配を有するガラス体の製造法」、特公昭６２−７１３１号公報）、  及び文献５（Y. Asahara, H. Sakai, S. Shingaku, S. Ohmi, S. Nakayama, K. Nakagawa, and T. Izumitani, “One-directional gradient-index slab lens”, Applied Optics, Vol. 24, No. 24, December 1985, pp. 4312-4315）等によれば、一つの方向のみに二乗形屈折率分布を有するスラブレンズが提案され、上記文献２には半導体レーザの短径方向の放射光をコリメート（等位相面を平坦化し、平行光を得ること）する方法が開示されている。図１０に、スラブレンズにより半導体レーザからの放射光をコリーメートできることを示したスラブレンズの動作を示し、図１１にこのスラブレンズにより円形断面をもつ光ビームを線状の分布に変換できることを示した動作を示している．。光放射角が一方向にのみ大きいか、又は光放射角が異なる光源からの光をスラブレンズにより平行光に変換したり、あるいは光源からの平行光をスラブレンズにより線状に集光したりする場合が示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術には次の問題があった。第１の問題は、半導体レーザとスラブレンズの二者さらには光ファイバや光集積回路などの平面型光導波路とを含めた三者を一体化し集積化することが不可能なことである。これは従来のスラブレンズでは構造パラメータであるＡｇを小さくすることの重要性が見出されていなかったこと、さらにそのために従来の作製方法ではＡｇを小さくすることが出来なかったことに因る。例えば文献２で開示されている構造の場合、Ａｇは１０，０００μｍ、また同様に文献５では１１，９００μｍである。Ａｇを小さく出来ないのは、比屈折率差が最大でも５．８％であること、およびコアの幅を３ｍｍ程度と大きくせざるを得ないことによる。このため、第１式の右辺は例えば波長が１．５５μｍ、屈折率を１．５としたとき３，０００μｍ２以上になる。従って、スポットサイズが０．５μｍの半導体レーザの短径方向の光ビームを、スポットサイズが５μｍの光ファイバのスポットサイズ程度に変換することは出来なかった。因みにこのとき第１式の左辺は０．５×５＝２．５μｍ２となり、右辺の値とは千倍以上の開きが生じる。このため従来の技術では半導体レーザに近接してスラブレンズを設置し、その出射側に光ファイバあるいは光集積回路などの平面型光導波路を直接接続することは出来なかった。従来の技術では文献２に記載されているように半導体レーザとスラブレンズの間に充分な間隙を設けて半導体レーザからの放射光を回折させ、スポットサイズを大きくした後（即ち回折によりｗｉｎを数ｍｍのサイズに拡大した後）にスラブレンズに入射せざるを得なかった。またスラブレンズの出射側のスポットサイズが大きいためにスラブレンズの出射側でも光ファイバを直接接続することが出来ず、別途集光用のレンズが必要であった。これらの結果、半導体レーザとスラブレンズの二者さらには光ファイバあるいは光集積回路などの平面型光導波路までを含めた三者を一体化・集積化することが不可能であった。
【０００７】
なお、従来技術においてはスラブレンズの厚さ（コア幅）を薄くしてＡｇの値を小さくすることは出来なかった。これは、比屈折率差が小さいと光ビームの幅よりスラブレンズのコア幅を小さくしなければならず、光ビームを通過させることができなくなるためである。即ち、従来のスラブレンズでは比屈折率差が最大でも５．８％程度であるため、第１式の右辺の値を２．５μｍ２にするには、Ａｇを７．６μｍ即ちコア幅を５μｍにしなければならず、光ビームの裾の多くの部分がスラブレンズを通過できなくなる。さらには、コア幅を５μｍにすることは従来の作製方法では以下に示す第２の問題もあって不可能であった。
【０００８】
従来技術の第２の問題は、二乗形屈折率分布を形成するためにイオン交換法やモレキュラースタッフィング法と呼ばれる化学的処理手法を用いていたことである。これらの方法における屈折率分布形成はドーパントの拡散過程に基づくため、ホストガラスの僅かな組成揺らぎや拡散中の温度分布の揺らぎにより、高精度で二乗分布を形成することが出来なかった。このため、例えばスラブレンズの中心位置（屈折率の最大位置）に数十μｍ程度のばらつきが生じたりして実用に供すことができなかった。さらには拡散を利用してドーパント分布を制御することによって形成される屈折率分布形状は、原理的に理想的な二乗形分布と異なるという問題があった。また、スラブレンズの作製にはホストガラスの高精度研磨、拡散・化学処理、およびその後の切断と個々のスラブレンズの研磨という煩雑な加工が必要であり、生産性が低いという問題もあった。
【０００９】
本発明は、上記した従来例の有する問題を全て解決することを目的とするものである。
本発明は、半導体レーザとスラブレンズの二者さらには光ファイバや光集積回路などの平面型光導波路とを含めた三者を一体化し集積化することが可能な厚膜型スラブレンズを提供することを目的とする。
本発明は、煩雑な加工が不要であり、量産が可能な厚膜型スラブレンズとその製造法を提供することを目的とする。
本発明は、半導体レーザアレイと、光ファイバアレイないし光集積回路用導波路アレイとの間を一体化・集積化した高効率な光結合装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の厚膜型スラブレンズは、膜状の透明体から成り膜の面内方向には一様な屈折率分布をもち、膜面に垂直な方向にのみニ乗形の屈折率分布を有し、該ニ乗形の屈折率分布の最大屈折率と最小屈折率との比屈折率差をΔ、屈折率分布幅の半幅をａ  ［μｍ］としたときにａ／（２Δ）１／２の値が１００μｍ以下となるような条件を満たし、かつ面内を伝搬する光の伝搬方向の長さが光線の蛇行周期の略四分の一あるいはその奇数倍にほぼ等しくなるように構成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の厚膜型スラブレンズの製造法は、上記厚膜型スラブレンズを、基板上にスパッタリング法、あるいは蒸着法、あるいは化学気相堆積法により、屈折率分布が膜面に垂直な方向に対して二乗形を形成せしめるように制御しながら作製することを特徴とする。
本発明の光結合装置は、上記厚膜型スラブレンズを半導体レーザと光ファイバ乃至平面型光導波路との間に介在させたことを特徴とする。
すなわち、本発明は上記の課題に鑑みて行なわれたものであり、半導体レーザと光ファイバあるいは半導体レーザと光導波路との一体化および集積化結合を可能にする技術を提供するものである。
【００１２】
本発明の厚膜型スラブレンズの構成を図１に示す。石英、シリコン、あるいは他の材質の基板の上にスパッタ法、電子ビーム蒸着法あるいは化学気相成長法（ＣＶＤ法）などの薄膜形成技術を用いて、シリコンや他の金属酸化物などの高屈折材料と、石英などの低屈折材料との混合比を変えながら屈折率分布が二乗形となるように堆積する。薄膜形成技術を用いることにより膜厚方向には高精度に制御された屈折率分布を形成でき、コアの中心の（厚さ方向の）位置はｎｍの精度で設定できる。
【００１３】
また、堆積する材料の組合せを種々選ぶことができ、大きな比屈折率差をもたせることもできる。たとえば１．５５μｍ帯では、透明で屈折率が３．５程度と大きな値をもつシリコンと、低屈折材料である石英（屈折率は１．４５）との組合せを選べば５９％、また五酸化タンタル（屈折率２．１）と石英の組合せなら３１％という極めて大きな比屈折率差が得られる。比屈折率差が大きくできるほか、化学的安定性の点から窒化珪素あるいは炭化珪素と石英の組合せも有効である。また、積層厚さを高精度に制御できるためコア幅を数十μｍにすることは容易であり、従来のスラブレンズの厚さの１／１００以下にすることが容易である。なお、基板上に形成されているために、積層厚が数十μｍであっても機械的強度に問題はない。この結果、例えばコア厚を２０μｍとするとＡｇは、シリコンと石英の組合せのとき９．２μｍ、五酸化タンタルと石英の組合せなら１３μｍが得られ、従来の技術で得られていた値の１／１，０００程度にできる。これらにより先に挙げた従来技術の問題１および問題２が解決できる。また、Ａｇが小さくできるため、１／４ピッチ長が短くなり素子長は数十μｍまで小さくできるという特長も生じた。これにより、光の閉じ込め効果のない膜面内方向に対して、光の回折によるスポットサイズの過大な広がりを生じる前にスラブレンズの出射側ファイバや導波路に結合させることができるという効果が生まれる。さらに基板上に堆積した厚膜をダイシングにより切り出せば１枚の厚膜から多数の厚膜型スラブレンズを得ることが出来、量産性にもすぐれた技術を提供できるようになる。
【００１４】
【作用】
本発明の厚膜型スラブレンズによって半導体レーザ端面での光強度分布の短径方向のように微小なスポットサイズを、光ファイバなどの通信路用で用いられる通常のサイズのスポットに変換できることを波動論に基づいて示す。スラブレンズを伝搬する電磁界は、ｘ方向（厚膜の厚さ方向）に関してエルミート−ガウス関数で表される固有モードで展開することができる。スラブレンズへの入射電磁界を波長λ＝１．５５［μｍ］、スポットサイズ０．７［μｍ］のガウス型関数と仮定し、スラブレンズの構造パラメータは、コア半幅ａ＝１９［μｍ］、中心屈折率ｎ０＝３．４３、比屈折率差Δ＝３１［％］、Ａｇ＝２４．３［μｍ］、素子長Ｌ＝３８．２［μｍ］と仮定する。波数をｋとすれば第ｍ次の伝搬モードの位相定数βｍは、
【数２】
2005221514.tif 000003
で表され、これより最高次導波モード次数は１０３となる。
【００１５】
入射電磁界φがスラブレンズの各固有モードψｍを励振する際、その振幅係数ａｍは固有モード関数の直交関係を用いて
【数３】
2005221514.tif 000004
により求めることが出来る。入射電磁界と各導波モードとの結合係数ηｍおよび基本モードから第ｍ次モードまでの結合係数の総和値を求めた結果を図２に示す。これより入射電磁界はスラブレンズの伝搬モードの基本モードから第１０次のモードまでによってほぼ１００％展開できることが分かる。各固有モードに分配された入射電磁界成分が、１／４ｐｉｔｃｈ長（Ｌ）伝搬した後に再合成した時の合成電磁界Φは次式で表される。
【数４】
2005221514.tif 000005
【００１６】
得られた合成電磁界分布を第３図に示す。振幅分布はガウス型となり、出射スポットサイズは５．０［μｍ］となり、目的としたスポットサイズに変換できることが確認された。このように本発明によれば、０．７［μｍ］の微小な入射スポットサイズを光ファイバなどのスポットサイズである５．０［μｍ］に変換できる。なお、光波は可逆なので、５．０［μｍ］のスポットサイズを０．７［μｍ］に変換することも可能である。
【００１７】
これらの機能が初めて達成できるようになったのは、本発明のスラブレンズの構造パラメータの特徴にある。先ず、ａ／（２Δ）１／２で定義されるＡｇの値としては、第１式よりＡｇｗｉｎｗｏｕｔｎπ／λとなり、仮に波長１．５５μｍ、屈折率を３．５（シリコンを仮定）、ｗｉｎ＝０．７μｍ、ｗｏｕｔ＝５μｍとすれば、Ａｇは２５μｍでなければならない。これに対して先に挙げた文献１〜文献６などに記載されている従来のスラブレンズの場合には、Ａｇは約１０，０００μｍである。即ちこのような大きなＡｇの値では０．７μｍと５μｍとのスポットサイズをスラブレンズにより直接変換することは不可能であった。本発明では膜型のスラブレンズにすることによって、Ａｇの値を従来の約１／４００以下にもでき、小さなスポットサイズ同士の変換が初めて可能になるという顕著な効果が生まれた。かかる効果はＡｇが１００μｍ以下で生じ、５０μｍ以下が好ましく、３０μｍ以下がより好ましい。
【００１８】
なお、スラブレンズの素子長に関しては、第１式が成立するのは光線の蛇行周期の１／４ｐｉｔｃｈ長（Ｌ）か、あるいはその奇数倍のときである。因みにＬの偶数倍のときには、スラブレンズの出力のスポットサイズは入射側のスポットサイズに戻ってしまうため、スポットサイズの変換効果が無い。またＬの整数倍以外の素子長では出射端での光波の波面が平坦ではなくなるため、出力側におかれたファイバ等への結合効率が低下する。ただし、スラブレンズの出射端から僅かに離れた点にビームウエストを設定したい場合には、Ｌあるいはその奇数倍の長さよりも僅かに長くするのが望ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図４は本発明の厚膜型スラブレンズを厚膜から切り出すときの様子を模式的に示したものである。基板上にスパッタ法、電子ビーム蒸着法、ＣＶＤ法などにより二乗形の屈折率分布を有する厚膜を形成したのち、素子長がほぼ１／４ピッチあるはその奇数倍長になるようにダイシングソーなどにより切り出すことによりスラブレンズを多数得ることができる。こうして得られた厚膜型スラブレンズを、半導体レーザアレイと光ファイバ（あるいは光集積回路の光導波路アレイ）の間に挿入すれば、一括して光結合系が形成できる。
【００２０】
膜厚は薄いほど作製が簡単ではある。しかし、半導体レーザの光をコリメートしたときに、その光ビームが充分通過できるだけの厚さを有することが必要である。このコリメート光のビーム幅がファイバや光導波路の基本モードの幅に等しい状態が最も効率的な結合が得られる。従って膜厚は、ファイバや導波路のコア直径よりも数倍大きいことが望ましい。Ａｇ即ちａ／（２Δ）１／２はスラブレンズの膜厚と比屈折率差で決まるため、第１式よりこのＡｇの値がｗｉｎｗｏｕｔｎπ／λに等しくなるような条件でスラブレンズのコア幅２ａ（即ち膜厚）と比屈折率差Δを決める必要がある。例えば、シリコンと石英の組合せを考えて最大Δ＝５９％とすると、Ａｇが２５μｍのとき、膜厚は５４μｍになる。従ってスポットサイズが０．７μｍの光ビームを５μｍのスポットサイズ（ビーム直径は１０μｍ）に拡大してもビーム直径は膜厚より充分小さいので問題はない。なお、スラブレンズのコア幅２ａをビーム幅１０μｍまで小さくし、Δが５９％と大きい場合には、Ａｇは４．６μｍとなり５μｍ以下の値になる。
【００２１】
なお、第４図に示すように素子の間に厚膜型スラブレンズを挿入する際には、スラブレンズの入・出射の片端あるいは両端での端面反射による半導体レーザへの反射戻り光を抑止するために、スラブレンズの入射あるいは出射あるいは入・出射両端面を光路に対して斜めに加工したり、あるいはスラブレンズを光路に対して斜めに挿入することが望ましい。なお、生産性の観点からはスラブレンズを光路に対して斜めに挿入する方法がより望ましい。
【００２２】
図５は図４で示した方法により作製された結合系を横方向から見たときの様子を示している。スラブレンズは厚さ（ｘ方向の厚み）が正確に堆積されて作製されていること、およびｙ方向には一様な屈折率分布をしているため、半導体レーザに対して光軸あわせを必要とせずにスラブレンズを設置することが可能である。この点は煩雑で高精度を要求される従来の結合系の組立てと比べて際立った特長である。
【００２３】
図６は本発明の厚膜型スラブレンズを半導体レーザと光ファイバ（あるいは光集積回路の導波路）との結合に用いた時の光ビームの伝搬の様子を示す。厚膜型スラブレンズへの入射スポットサイズは半導体レーザの発光面の短径方向（厚膜スラブレンズの膜厚方向）のスポットサイズにほぼ等しく、このスポットサイズと出射スポットサイズおよびスラブレンズのＡｇとは第１式を満たすように構成されている。一方、厚膜型スラブレンズには厚膜面内方向には集光作用が無いため、半導体レーザの発光面の長径方向のスポットサイズはスラブレンズを通過する際に僅かに回折を生じながら伝搬する。この結果、スラブレンズの出射端面ではほぼ円形に近い光強度分布が得られ、光ファイバや光集積回路の導波路に高効率で結合することができる。
【００２４】
図７は本発明の厚膜型スラブレンズ用の厚膜を堆積する方法の例を示したものである。高周波スパッタリングによりシリコンをターゲットとしてスパッタリングする際に、スパッタリングガスとしてアルゴンに酸素を加え、その酸素の混合比を変えることにより厚膜の組成をアモルファスシリコンから石英まで組成をかえることができ、大きな比屈折率差をもつスラブレンズを作製できる。なお、シリコンは波長が１μｍ以下では吸収損失が大きくなるため、波長１μｍ以下の用途には五酸化タンタルと石英の組合せか、あるいは酸化チタンと石英との組合せが望ましい。これらの組成を連続的あるいは段階的に変えることにより二乗形屈折率分布を形成できる。これらの組合せを用いて成膜するには、例えば図８に示すように材質の異なるターゲットＡとターゲットＢを用意し、基板をそれぞれのターゲット近くに交互に移動させ、それらのターゲット材料付近での堆積時間を制御することにより混合比を変えることが可能である。ターゲットとしては例えばタンタルとシリコンのターゲットを用意し、酸素ガスを加えたリアクティブスパッタリングによりそれらの酸化物を基板上に任意の組成比で堆積することができる。なお、これらの材料の堆積はスパッタリングに限るものではなく、電子ビーム蒸着やＣＶＤなどの薄膜堆積法を利用することができる。
【００２５】
以下に、具体的な実施例を示す。
高屈折率差が得られるようにシリコンと石英の組合せを用いた。堆積には高周波マグネトロンスパッタ法を用い、４インチ径の結晶シリコンをターゲットとして用いた。スパッタガスにはアルゴンに水素を５％加えた混合ガスを用い、スパッタ中に加える酸素ガスの量により堆積膜の組成を変化させて屈折率を変化させ、二乗形分布を形成した。水素を添加する理由は、シリコンの堆積膜の未結合手を終端させて光吸収の発生を抑えるためである。堆積膜の組成は、ａ−ＳｉＯγ：Ｈ（水素化アモルファスシリコン酸化膜）となり、添加する酸素の量によってγを変化させることができる。アルゴンと水素の混合ガス流量を３０ｓｃｃｍとし、高周波電力は３００Ｗを印加した。屈折率分布が膜厚方向に二乗形になるように酸素の添加量を１．５９〜６．９６％の範囲で変化させながら堆積することにより比屈折率差３１％、コア幅３８［μｍ］のスラブレンズ用厚膜を堆積した。該厚膜を幅４０［μｍ］に切断することにより素子長が４０［μｍ］の厚膜型スラブレンズを得た。
【００２６】
光波の可逆性を利用して、半導体レーザのスポットサイズを５μｍに拡大する代わりに、波長１．５５［μｍ］においてスポットサイズが５．４［μｍ］の単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）の光強度分布を厚膜型スラブレンズで縮小できることを確かめた。図９に厚膜型スラブレンズを透過した後の光強度分布を、スラブレンズのレンズ作用のあるｘ方向（厚膜の厚さ方向）とレンズ作用の無いｙ方向（面内方向）について示した。また、ＳＭＦの端面での光強度分布即ち入射光強度分布も併せて示してある。ｘ方向には集束効果があり、５μｍのスポットサイズが１．６μｍに縮小されている。ｙ方向はレンズ作用が無いために回折によりスポットサイズが７．２μｍに拡がっている。これにより本発明の厚膜型スラブレンズの動作が確認できた。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の効果は上述した説明から明らかになるが、その代表的なものとしては以下の事柄が挙げられる。
請求項１に記載された本発明によれば、半導体レーザのように一方向にのみ１μｍ以下の小さなスポットサイズを有する光強度分布を、他の集光レンズ等を必要とせずに標準的な光ファイバあるいは光集積回路用導波路のスポットサイズに拡大することが可能になる。特に、Ａｇが小さくできるため、１／４ピッチ長が短くなり素子長は数十μｍまで小さくできるという特長が生じた。これにより、光の閉じ込め効果のない膜面内方向に対して、光の回折によるスポットサイズの過大な広がりが生じる前にスラブレンズの出射側ファイバや導波路に結合させることができるという効果が生まれた。これにより、半導体レーザと光ファイバあるいは光集積回路用導波路を一体集積化することが可能になった。さらに基板上に堆積した厚膜をダイシングにより切り出せば１枚の厚膜から多数の厚膜型スラブレンズを得ることが出来、量産性にもすぐれた技術を提供できる。
請求項２に記載された本発明によれば、スラブレンズの比屈折率差を５０％程度まで大きくすることが可能になり、請求項１に記載された効果を有するスラブレンズの形成が容易になる。
請求項３に記載された本発明によれば、二乗形屈折率分布を膜厚方向にｎｍのオーダーの精度で形成することが可能になる。
請求項４に記載された本発明によれば半導体レーザアレイと、光ファイバアレイあるいは光集積回路用導波路アレイとの間を一体化・集積化した高効率な結合系を提供できる。
【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の厚膜型スラブレンズの構造を表す図である。
【図２】スポットサイズが０．７μｍのガウス型光ビームが入射したときの厚膜型スラブレンズの各モードへの結合係数と、それらの総和値を示す図である。
【図３】厚膜型スラブレンズを伝搬する前のスポットサイズが０．７μｍのガウス型光ビームの振幅分布と、同レンズを伝搬した後のスポットサイズが５μｍのガウス型光ビームの振幅分布を表す図である。
【図４】基板上に厚膜を堆積し、ダイシングによって切り出し、半導体レーザと光導波路あるいは光ファイバの間に挿入して一体型の光波結合系を構成する方法を表す模式図である。
【図５】図４で示された結合系を横方向から見たときの様子を示す説明図である。
【図６】半導体レーザと光ファイバあるいは光導波路との結合に厚膜型スラブレンズを用いたときの光ビームの伝搬の様子を示す説明図である。
【図７】厚膜型スラブレンズを高周波スパッタ法により、アモルファスシリコン酸化膜を用いて作製するときの方法を示す説明図である。
【図８】厚膜型スラブレンズを二つのターゲットを用いたスパッタ法により作製するときの方法を示す説明図である。
【図９】アモルファスシリコン酸化膜を用いて厚膜型スラブレンズを作製し、５μｍと１．６μｍとのスポットサイズ変換ができることを示した実施例の説明図である。
【図１０】スラブレンズにより半導体レーザからの放射光をコリーメートできることを示した特公昭６１−５６６１号公報に記載された従来のスラブレンズの動作を表す説明図である。
【図１１】スラブレンズにより円形断面をもつ光ビームを線状の分布に変換できることを示した特開昭６１−５６６１号公報に記載された従来のスラブレンズの動作を表す説明図である。
【符号の説明】
１  基板
２  厚膜型スラブレンズ
３  半導体レーザ
４  光導波路又は光ファイバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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