JP2000221349A - 導波路型素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光出力結合部を構成する回折格子の格子高さ
を変化させることなく、製造が容易な構成でありなが
ら、略ガウス形状の強度分布を有する放射光が得られる
導波路型素子を提供することを目的とする。 【解決手段】 導波路層の表面の一部に導波路層内を進
行する導波光を外部に出射させる断面矩形波上の回折格
子が形成されている導波路型素子において、前記回折格
子内の、導波光伝搬方向での前記回折格子が始まる位置
を原点、終わる位置をＬ、任意の位置をｘとすると、前
記回折格子は、格子周期に占める格子部分の割合ｆが下
記の式 ｆ（ｘ）＝１−｛sin^-1（ｘ／Ｌ）｝／π で表されるｘの関数ｆ（ｘ）を満たすように形成されて
いることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導波路型素子、特
に詳細には導波路層の表面に回折格子を備え、導波光を
この回折格子によって導波路層外へ出射させ、あるいは
外部光をこの回折格子によって導波路層内に入射させる
ようにした導波路型素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】導波路型素子は、近年、その利点より光
ピックアップ、光走査素子などさまざまな光学系で用い
られている。利点としては、例えば光学系の小型化、集
積化を図れることが挙げられる。導波路型素子は、光出
力結合部において導波光が導波路層から外部に出射さ
れ、光入力結合部において光が外部から導波路層内に入
射される。

【０００３】光出力結合部あるいは光入力結合部におけ
る導波路層に対する光の入出力の方法としては、さまざ
まな方法があるが、導波路層の表面や下面に回折格子な
どの周期的に屈折率変調する部分を設けてこの部分にお
いて光の入出力を行う方法がよく知られている。

【０００４】その他の方法として、前記回折格子の代わ
りにプリズムを設け、ここで光の入出力を行う方法や、
レンズにより光を集光し導波路層の端面から光を入射さ
せたり端面から出射される光をレンズにより集光させる
方法がある。これらの方法と比較して、回折格子を設け
た方法は、より集積化できるため、装置の小型化、低コ
スト化が図れるという利点がある。

【０００５】図１４に、回折格子を設けた光出力結合部
を含む従来の導波路型素子の一部分の断面図を示す。導
波路型素子８は、基板３８上にバッファ層２８が形成さ
れ、さらにその上に導波路層１８が形成されている。そ
して、導波路層１８の上表面の一部分に断面矩形波状の
回折格子６８が形成されている。この回折格子６８から
導波光４８が放射光５８として外部に出射される。

【０００６】回折格子６８は、周期、格子高さ、凸部と
凹部の導波光伝搬方向における長さが一定となるように
形成されている。このような回折格子６８を備えた光出
力結合部から出射される放射光５８の強度分布は曲線ｇ
８に示すように指数関数的な形状となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、放射光
の強度分布が指数関数的な形状である場合、後段の光学
系において、ガウス形状に整形する必要が生じることが
多い。たとえば、光走査素子においては、走査ビームが
小さなスポットでなければ高精細な画像を記録すること
ができないが、ガウス形状の強度分布を有する光でない
と、小さなスポットに絞ることは非常に困難である。し
かしながら、放射光を整形するためには、光学系が複雑
化するという問題が生じる。

【０００８】上記問題点を回避するためには、放射光の
強度分布がガウス形状となることが望ましい。ガウス形
状である場合には、ビームを整形することなく、たとえ
ば簡単にビームを絞ることができる。

【０００９】以上、従来の光出力結合部における問題を
述べたが、回折格子によって、放射光を導波光に結合さ
せることも従来から広く行われており、その場合は、入
射結合効率が低下するという問題が生じる。すなわち光
出射の場合と光入射の場合の相反定理から導かれる通
り、たとえば図１４に示すような回折格子６８から光入
射させる場合は、入射させる光ビームが曲線ｇ８で示す
ような強度分布を有するものでなければ、全体的に効率
よく導波路層１８に入射し得ないことになる。

【００１０】各種レーザ等の光源から発せられる光ビー
ムは、通常強度分布がビーム系方向にガウス形状となる
のが一般的であり、このような光ビームを曲線ｇ８のよ
うな指数関数的な形状の強度分布を有するビームに整形
することは非常に困難である。

【００１１】導波光から放射光への出力結合において放
射光の強度分布を決定し、また入力結合において入力結
合効率を決定する重要なパラメータとして、導波損失係
数αがある。導波光伝搬方向での回折格子が始まる位置
を原点とする任意の位置ｘの導波光の光量をＩｇ（ｘ）
とすると、回折格子の微小領域Δｘでの導波光量損失Δ
Ｉｇは導波損失係数αを用いて以下の式で表される。 ΔＩｇ＝−２αＩｇ（ｘ） ・・・（１２）

【００１２】導波損失係数αは、回折格子を含む導波路
層の構成パラメータ（屈折率、形状など）に依存する複
雑な関数となっている。図１５に、図１４に示すような
導波路型素子８の回折格子６８部分の拡大図を示す。格
子部分すなわち導波路層の表面の凸部（図１５において
は６８ａ）の屈折率をｎ、格子部分の高さをｄ、格子周
期Λに占める格子部分の割合をｆ（すなわち格子部分の
ｘ方向の長さはｆΛとなる）としたとき、回折格子６８
においてはこれらの値が一定となるため、導波損失係数
αは位置ｘによらず一定となる。この場合、放射光の強
度分布の形状は指数関数的に減少する形状となってしま
う。一方、αがｘによって変化する場合には、放射光の
強度分布の形状は、その変化の割合によりさまざまな形
状となる。

【００１３】したがって、放射光の強度分布の形状をコ
ントロールするためには、屈折率ｎ、格子の高さｄ、格
子部分の周期に占める割合ｆなどを変化させればよい。
特に、ガウス形状の強度分布を有する出力ビームを得る
ためには、導波損失係数αがｘ方向に直線的に変化する
ようにすればよい。

【００１４】導波損失係数αを直線的に変化させるため
に、格子の高さｄをｘに対して変化させる方法が開示さ
れている。図１６に、Rigorous coupled wave analysis
を用いた厳密計算による回折格子６８における格子高さ
ｄと導波損失係数αの関係を示す。ここでは、ｎ＝１.
９９として上記計算を行った。

【００１５】導波損失係数α、格子の高さｄは位置ｘの
関数で表されることから、α（ｘ）、ｄ（ｘ）とも表記
することとする。以下、本明細書において、パラメータ
を表す符号の後ろに（）付きで変数が記載されている場
合、パラメータの関数を表すこととする。

【００１６】図１６に示すように、格子高さｄが小さい
領域では近似的にα＝Ｃ₁ｄ²の関係にある。よって、ｄ
（ｘ）＝Ｃ₂ｘ^1/2と変化させることで、α（ｘ）＝Ｃ₃
ｘとなり、導波損失係数αがｘ方向に直線的に変化する
ようにコントロールできる。

【００１７】また、特開平６−９４９３９号公報では、
ｄ（ｘ）＝Ｃ₄ｘとなるように変化させても放射光とし
てガウス形状に近い強度分布が得られることが開示され
ている。尚、上記Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃、Ｃ₄は任意の定数とす
る。図１７に、特開平６−９４９３９号公報に開示され
ているような、格子の高さｄがｘ方向に増加する回折格
子を有する導波路型素子の一部の断面図を示す。導波路
型素子９は、図１４に示す導波路型素子８と同様に、基
板３９、バッファ層２９、導波路層１９、回折格子６９
からなる。導波光４９が外部に出射され、放射光５９と
なる。放射光５９の強度分布は、曲線ｇ９で示すように
略ガウス形状となる。

【００１８】しかしながら、回折格子６９は、格子高さ
ｄが連続的にｘ方向に変化するという構成であり、実際
には格子高さｄを精密に連続的にコントロールする必要
があり製造が容易ではない。

【００１９】本発明では、光出力結合部を構成する回折
格子の格子高さを変化させることなく、製造が容易な構
成でありながら、略ガウス形状の強度分布を有する放射
光が得られる導波路型素子を提供することを目的とす
る。さらに、入力ビームがガウス形状であっても、高い
結合効率が得られる光入力結合部を有する導波路型素子
を提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、導波路層の表面の一部に
導波路層内を進行する導波光を外部に出射させる２値の
回折格子が形成されている導波路型素子において、前記
回折格子は、格子周期に占める格子部分の割合が導波光
伝搬方向に変化するように形成されていることを特徴と
する。

【００２１】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の導波路型素子において、前記回折格子は、一定の格子
周期および格子の高さを有する断面矩形波状の回折格子
であり、格子周期に占める格子部分の割合が０.５〜１
の範囲で導波光伝搬方向に単調に減少するように形成さ
れていることを特徴とする。

【００２２】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の導波路型素子において、前記回折格子内において、導
波光伝搬方向での前記回折格子が始まる位置を原点、終
わる位置をＬ、任意の位置をｘとすると、前記回折格子
は、格子周期に占める格子部分の割合ｆが下記の式 ｆ（ｘ）＝１−｛sin^-1（ｘ／Ｌ）｝／π で表されるｘの関数ｆ（ｘ）を満たすように形成されて
いることを特徴とする。

【００２３】請求項４に記載の発明は、請求項１に記載
の導波路型素子において、前記回折格子は、一定の格子
周期および格子の高さを有する断面矩形波状の回折格子
であり、格子周期に占める格子部分の割合が０〜０.５
の範囲で導波光伝搬方向に単調に増加するように形成さ
れていることを特徴とする。

【００２４】請求項５に記載の発明は、請求項４に記載
の導波路型素子において、前記回折格子内において、導
波光伝搬方向での前記回折格子が始まる位置を原点、終
わる位置をＬ、任意の位置をｘとすると、前記回折格子
は、格子周期に占める格子部分の割合ｆが下記の式 ｆ（ｘ）＝｛sin^-1（ｘ／Ｌ）｝／π で表されるｘの関数ｆ（ｘ）を満たすように形成されて
いることを特徴とする。

【００２５】請求項６に記載の発明は、導波路層の表面
の一部に外部光を該導波路層内に入射させる２値の回折
格子が形成されている導波路型素子において、前記回折
格子は、格子周期に占める格子部分の割合が導波光伝搬
方向逆向きに変化するように形成されている特徴とす
る。

【００２６】請求項７に記載の発明は、請求項６に記載
の導波路型素子において、前記回折格子は、一定の格子
周期および格子の高さを有する断面矩形波状の回折格子
であり、格子周期に占める格子部分の割合が０.５〜１
の範囲で導波光伝搬方向逆向きに単調に減少するように
形成されていることを特徴とする。

【００２７】請求項８に記載の発明は、請求項７に記載
の導波路型素子において、前記回折格子内において、導
波光伝搬方向逆向きでの前記回折格子が始まる位置を原
点、終わる位置をＬ、任意の位置をｘとすると、前記回
折格子は、格子周期に占める格子部分の割合ｆが下記の
式 ｆ（ｘ）＝１−｛sin^-1（ｘ／Ｌ）｝／π で表されるｘの関数ｆ（ｘ）を満たすように形成されて
いる。

【００２８】請求項９に記載の発明は、請求項６に記載
の導波路型素子において、前記回折格子は、一定の格子
周期および格子の高さを有する断面矩形波状の回折格子
であり、格子周期に占める格子部分の割合が０〜０.５
の範囲で導波光伝搬方向逆向きに単調に増加するように
形成されていることを特徴とする。

【００２９】請求項１０に記載の発明は、請求項９に記
載の導波路型素子において、前記回折格子内において、
導波光伝搬方向逆向きでの前記回折格子が始まる位置を
原点、終わる位置をＬ、任意の位置をｘとすると、前記
回折格子は、格子周期に占める格子部分の割合ｆが下記
の式 ｆ（ｘ）＝｛sin^-1（ｘ／Ｌ）｝／π で表されるｘの関数ｆ（ｘ）を満たすように形成されて
いることを特徴とする。

【００３０】請求項１１に記載の発明は、請求項３、
５、８、１０いずれか一つに記載の導波路型素子におい
て、前記回折格子は、格子周期に占める格子部分の割合
が略０.５となる場合の導波損失係数をα_mとすると、 Ｌ≧２.３／α_m を満たすように形成されていることを特徴とする。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態を説明する。 〈第１の実施形態〉図１は、第１の実施形態の導波路型
素子の光出力結合部を示す縦断面図である。導波路型素
子１は、基板３１の上にバッファ層２１を設けその上に
導波路層１１が設けられた構成である。そして、導波路
層１１の上表面の一部分に断面矩形波状の２値の回折格
子６１が形成されている。

【００３２】導波路型素子１において、導波光４１の伝
搬方向をｘ、回折格子６１の法線ベクトル方向をｚとす
る。ｘ、ｚは図１に示す断面に平行である。第２の実施
形態で示す図７においても、ｘ、ｚの方向に関して共通
の方向とする。

【００３３】導波路型素子１においては、導波路層１１
内を進行するＴＥ₀の導波光４１が、回折格子６１によ
り回折され、導波路層１１から空気側に放射光５１とし
て出射される。以下、回折格子６１の詳細な構成を説明
する。

【００３４】回折格子６１のｘ方向の長さをＬ、格子周
期をΛ、格子部分の周期Λに占める割合（以下デューテ
ィ比という）をｆ、格子高さをｄ、導波損失係数をα、
回折格子６１内の導波光伝搬方向の任意の位置をｘとす
る。尚、任意の位置ｘは、図面の回折格子６１が始まる
位置を原点とする。従って、回折格子６１が終わる位置
ｘはＬとなる。回折格子６１は、デューティ比ｆが次式
を略満足するように形成されている。 ｆ（ｘ）＝１−｛sin^-1（ｘ／Ｌ）｝／π ・・・（１） （１）式より、０≦ｘ≦Ｌにおいてｆ（ｘ）は単調減少
し、１≧ｆ（ｘ）≧０.５となる。よって、図１からも
わかるように、本実施形態の回折格子６１は、ｘ方向に
進むに従って格子部分の幅が小さくなっている。

【００３５】理由は後述するが、回折格子６１が（１）
式を満足するように形成されているため、導波損失係数
αは以下の式を略満足することとなる。 α（ｘ）＝α_mｘ／Ｌ ・・・（２） （２）式において、α_mはデューティ比ｆが０.５の場合
の導波損失係数αとする。回折格子６１が（２）式を満
足するため、すなわち導波損失係数αがｘ方向に直線的
に変化するため、放射光５１の強度分布は曲線ｇ１で示
すように略ガウス形状となる。尚、曲線ｇ１は放射光６
１の強度分布の概略的な形状を示すものである。

【００３６】また、回折格子６１は、長さＬが次式を満
足するように形成されている。 Ｌ≧２.３α_m ・・・（３） 理由は後述するが、回折格子６１が（３）式を満足する
ように形成されているため、略９０％以上の導波光４１
が放射光５１として外部に放出されることとなり、非常
に高い変換効率が得られる。本実施形態においては、回
折格子の長さをＬとしたが、回折格子の長さはＬより長
いものであってもよい。この場合、位置Ｌより先の位置
の回折格子部分においては、条件式（１）を満たす必要
は勿論ない。

【００３７】以下、上記実施形態の導波路型素子１にお
ける一実施例を示す。本実施例では、導波路層１１の厚
さ（ｚ方向の長さ）を１μm、バッファ層２１の厚さを
２μm、導波路層１１と回折格子６１の格子部分の屈折
率を１.９９、バッファ層２１と基板３１の屈折率をそ
れぞれ１.４６、２.００、格子周期Λを０.６μmとす
る。

【００３８】本実施例の回折格子６１において、デュー
ティ比ｆが０.５となる場合の、導波損失係数αの格子
高さｄとの関係は、従来技術で示した図１６と同様の関
係となる。導波損失係数αは、出力ビームの大きさを決
定する。出力ビームの大きさを考慮した場合、デューテ
ィ比ｆが０.５となる場合の導波損失係数αが１近傍で
あることが望ましい。よって、本実施例の格子の高さｄ
は、図１６において、αの値が１近傍となる０.０５μm
とした。尚、厳密な数値計算によると、ｄ＝０.０５μm
である場合、導波損失係数αは１.１４／mmとなる。す
なわち本実施例において、α_mは１.１４／mmとなる。

【００３９】図２の実線ｊ１は、本実施例におけるデュ
ーティ比ｆと導波損失係数αの関係を示している。この
関係は、厳密な数値計算により算出したものである。ｆ
＝０.５では、先に算出したように導波損失係数αは１.
１４／mmとなる。

【００４０】図２の破線ｊ２は、導波損失係数αの近似
式であるα＝α_msin（πｆ）を示す。図２より、実線ｊ
１で示すαは、格子上下層での反射光の影響などで少し
リップルがみられるが、ほぼ近似式に沿った値となって
いることがわかる。よって、以下の関係式が成り立つと
みなすことができる。 α＝α_msin（πｆ） ・・・（４ ）

【００４１】図２よりわかるように、α_msin（πｆ）は
ｆ＝０.５を中心にして対称な関数であるので、左右い
ずれか半分の領域でｆが単調増加あるいは単調減少する
場合、α（ｆ）も単調増加あるいは単調減少することに
なる。本実施例では、１から０.５まで単調減少させて
（すなわち（１）式に従うこととなる）、αを単調増加
させることとする。（１）式は、０≦ｘ≦Ｌにおいて、
１≧ｆ（ｘ）≧０.５となる。尚、（１）式を（４）式
に代入すると（２）式が導かれる。

【００４２】（１２）式に、（２）式を代入すると、以
下の式が導かれる。 ΔＩｇ＝−（２α_mｘ／Ｌ）Ｉｇ（ｘ） ・・・（５） （５）式の微分方程式を解くと次式が導かれる。 Ｉｇ（ｘ）＝Ｉｇ（０）exp（−α_m（ｘ／Ｌ）²Ｌ） ・・・（６） 回折格子６１の、導波光進行方向末端位置であるｘ＝Ｌ
において、導波光が１０％以下となるようにするために
は、以下の関係式を満足する必要があることが（６）式
より導かれる。 Ｉｇ（Ｌ）／Ｉｇ（０）＝exp（−α_mＬ）≦０.１ ・・・（７） （７）式を解くと、（３）式が導かれる。

【００４３】長さＬが（３）式の下限値より小さくなる
と、回折格子６１の進行方向末端位置Ｌにおいて、１０
％以上の導波光４１が外部に放出されないままであるこ
とになり、変換効率が悪くなってしまう。本実施例で
は、（３）式を満足するＬとして、Ｌ＝２.３／α_m＝
２.０１mmを採用している。

【００４４】図３に、本実施例における位置ｘとデュー
ティ比ｆ（ｘ）を示す。デューティ比ｆは、ｘ方向に従
って０.５〜１まで単調に減少する。

【００４５】図４に、本実施例における導波光４１の強
度Ｉｇ（ｘ）を示す。尚、Ｉｇ（ｘ）は最高値すなわち
Ｉｇ（０）を１に換算した値で示す。Ｉｇ（ｘ）の減衰
量が放射光５１に結合されることから、これを微分した
ものが放射光５１の強度Ｉｏ（ｘ）となる。図５に、放
射光５１の強度Ｉｏ（ｘ）を示す。Ｉｏ（ｘ）も、Ｉｇ
（ｘ）と同様、最高値を１に換算した値で示す。

【００４６】以下、本実施例の導波路型素子１の製造方
法について簡単に説明する。図６に、導波路型素子１の
製造過程の簡単な模式図を示す。まず、（ａ）において
Ｓｉ基板３１上にＳｉＯ₂からなるバッファ層２１を作
成し、その後ＺｎＯからなる導波路層１１をスパッタや
ＣＶＤ法で堆積し、さらに（ｂ）でレジスト７１を塗布
する。そして、（ｃ）においてレジスト７１に所望の周
期Λとデューティ比ｆを有する長さＬの回折格子パター
ン６１ｃを形成する。デューティ比ｆが連続的に変化し
ているパターンはＥＢ描画法や紫外線露光装置などによ
り精密に作成することが可能である。ＲＩＥなどのエッ
チングによりＺｎＯ層に格子パターン６１を形成する。
最後に（ｄ）において、レジスト７１を除去する。

【００４７】本実施形態においては、格子高さは一定で
よいため、特別な製造方法を用いなくてよく、通常の微
細加工の工程が流用可能である。また、デューティ比ｆ
のｘ方向への変化も単調減少でよいため、作成は容易で
ある。

【００４８】以下、第２〜第４の実施形態の導波路型素
子について説明するが、第１の実施形態で回折格子６１
の構成パラメータを表すために用いた各符号は、以下の
実施形態においても共通とする。

【００４９】〈第２の実施形態〉図７は、第２の実施形
態の導波路型素子の光出力結合部を示す縦断面図であ
る。導波路型素子２の概略構成は、第１の実施形態の導
波路型素子１と同様であり、基板３２の上にバッファ層
２２を設けその上に導波路層１２が設けられている。そ
して、導波路層１２の上表面の一部分に断面矩形波状の
２値の回折格子６２が形成されている。

【００５０】導波路型素子２においては、導波路層１２
内を進行するＴＥ₀の導波光４２が、回折格子６２によ
り回折され、導波路層１２から空気側に放射光５２とし
て出射される。以下、回折格子６２の詳細な構成を説明
する。

【００５１】回折格子６２は、次式を略満足するように
形成されている。 ｆ（ｘ）＝｛sin^-1（ｘ／Ｌ）｝／π ・・・（８） （８）式より、０≦ｘ≦Ｌにおいてｆ（ｘ）は単調増加
し、０≦ｆ（ｘ）≦０.５となる。このことは、一実施
例のｆ（ｘ）を示す図８からもわかる。図８は、α_m＝
１.１４／mm、Ｌ＝２.０１mmとした場合のデューティ比
ｆ（ｘ）である。

【００５２】回折格子６２が（８）式を満足するように
形成されているため、導波損失係数αは（２）式を略満
足することとなる。このことは、第１の実施形態で説明
した過程と同様の過程を辿ることにより導かれる。

【００５３】回折格子６２が、（２）式を満足するた
め、放出光６２の強度分布は曲線ｇ２で示すように略ガ
ウス形状となる。尚、曲線ｇ２は放射光６２の強度分布
の概略的な形状を示すものである。

【００５４】また、回折格子６２は、長さＬが式（３）
を満足するように形成されている。よって、略９０％以
上の導波光４２が放射光５２として外部に放射されるこ
ととなり、非常に高い変換効率が得られる。

【００５５】詳細な説明は省略するが、本実施形態の導
波路型素子２においても、第１の実施形態の導波路型素
子１と同様の効果が得られる。

【００５６】〈第３の実施形態〉図９は、第３の実施形
態の導波路型素子の光入力結合部を示す縦断面図であ
る。導波路型素子３の概略構成は、第１の実施形態の導
波路型素子１と同様であり、基板３３の上にバッファ層
２３を設けその上に導波路層１３が設けられている。そ
して、導波路層１３の上表面の一部分に断面矩形波状の
２値の回折格子６３が形成されている。導波路型素子３
において、導波光４３の伝搬方向逆向きをｘ、回折格子
６３の法線ベクトル方向をｚとする。ｘ、ｚは図９に示
す断面に平行である。第４の実施形態で示す図１２にお
いても、ｘ、ｚの方向に関して共通の方向とする。

【００５７】導波路型素子３においては、ＴＥ₀の入射
光５３が、回折格子６３により回折して、外部から導波
路層１３に結合され、導波光４３となる。以下、回折格
子６３の詳細な構成を説明する。

【００５８】回折格子６３内の導波光伝搬方向逆向きの
任意の位置をｘとする。尚、任意の位置ｘは図面の回折
格子６３が始まる位置を原点とする。回折格子６３のｘ
方向の長さがＬであることより、回折格子６３の終わる
位置はＬとなる。回折格子６３において、デューティ比
ｆは次式を略満足するように形成されている。 ｆ（ｘ）＝１−｛sin^-1（ｘ／Ｌ）｝／π ・・・（９） （９）式より、０≦ｘ≦Ｌにおいてｆ（ｘ）は単調減少
し、１≧ｆ（ｘ）≧０.５となる。このことは、一実施
例のｆ（ｘ）を示す図１０からもわかる。図１０は、α
_m＝１.１４／mm、Ｌ＝２.０１mmとした場合のデューテ
ィ比ｆ（ｘ）である。

【００５９】入力結合部において、導波路層から導波光
が出力されるとした場合の放射光のビーム形状と入射光
のビーム形状との重ね合わせ積分が最大となるとき、入
力結合効率の形状による寄与成分が最大となる。このこ
とは、電磁場のreciprocitytheorumから導くことができ
る。

【００６０】（９）式がｘ方向が逆方向である（１）式
と同じになることからわかるように、本実施形態の回折
格子６３は、第１の実施形態の回折格子６１とＬの値が
同じ場合、断面において左右対称の関係にあるので、構
成パラメータが同一の第１の実施形態の導波路型素子か
ら出射される放射光のビーム形状と同じ形状の強度分布
で、かつ出射角度と同じ入射角度で入射光を入射させた
場合に、入射結合効率を最大にすることができる。

【００６１】本実施形態では入射光としてレーザ光を用
いることとする。第１の実施形態の導波路型素子の出力
結合部から得られる放射光の強度分布は略ガウス形状で
あり、レーザ光も曲線ｇ３で示すように略ガウス形状で
あるため、ビーム整形などをすることなく高い入力結合
効率を得ることができる。

【００６２】また、回折格子６３は、長さＬが（３）式
を満足するように形成されている。上記と同様の理由か
ら、長さＬが（３）式を満足することにより、より高い
入力結合効率が得られることとなる。また、本実施形態
においても、第１の実施形態と同様、回折格子の長さは
Ｌより長いものであってもよい。この場合、位置Ｌより
先の位置の回折格子部分においては、条件式（１）を満
たす必要は勿論ない。

【００６３】図１１に、回折格子６４のデューティ比ｆ
以外は、第１の実施形態で示した実施例と同様に構成し
た導波路型素子３における導波モードの形状を示す。図
１１において、横軸は導波光伝搬方向の長さｘ'、縦軸
はｚ方向の長さｚを表す。この形状は、Rigorous-coupl
ed wave analysisによって厳密に計算して算出したもの
である。図１１に示すように、本実施形態においては、
略ガウス形状となる強度分布の導波光４３が得られる。

【００６４】〈第４の実施形態〉図１２は、第４の実施
形態の導波路型素子の光入力結合部を示す縦断面図であ
る。導波路型素子４の概略構成は、第１の実施形態の導
波路型素子１と同様であり、基板３４の上にバッファ層
２４を設けその上に導波路層１４が設けられている。そ
して、導波路層１４の上表面の一部分に断面矩形波状の
２値の回折格子６４が形成されている。

【００６５】導波路型素子４においては、ＴＥ₀の入射
光５４が、回折格子６４により回折して、外部から導波
路層１４に結合され、導波光４４となる。以下、回折格
子６４の詳細な構成を説明する。

【００６６】回折格子６４において、デューティ比ｆは
０〜０.５の範囲内の値をとり、次式を略満足するよう
に形成されている。 ｆ（ｘ）＝｛sin^-1（ｘ／Ｌ）｝／π ・・・（１１） （１１）式より、０≦ｘ≦Ｌにおいてｆ（ｘ）は単調増
加し、０≦ｆ（ｘ）≦０.５となる。このことは、一実
施例のｆ（ｘ）を示す図１３からもわかる。図１３は、
α_m＝１.１４／mm、Ｌ＝２.０１mmとした場合のデュー
ティ比ｆ（ｘ）である。

【００６７】（１１）式がｘ方向が逆向きの（８）式と
同じになることからわかるように、本実施形態の回折格
子６４は、第２の実施形態の回折格子６２とＬの値が同
じ場合、断面において左右対称の関係にあるので、構成
パラメータが同一の第２の実施形態の導波路型素子から
出射される放射光のビーム形状と同じ形状の強度分布
で、かつ出射角度と同じ入射角度で入射光を入射させた
場合に、入射結合効率を最大にすることができる。この
ことは、第３の実施形態で説明した理論と同様の理論か
らいえることである。

【００６８】本実施形態では入射光としてレーザ光を用
いることとする。第２の実施形態の導波路型素子の出力
結合部から得られる放射光の強度分布は略ガウス形状で
あり、レーザ光も曲線ｇ４で示すように略ガウス形状で
あるため、ビーム整形などをすることなく高い入力結合
効率を得ることができる。

【００６９】また、回折格子６４は、長さＬが（３）式
を満足するように形成されている。上記と同様の理由か
ら、長さＬが（３）式を満足することにより、より高い
入力結合効率が得られることとなる。

【００７０】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、回折格
子の格子部分の周期に占める割合を調節することによ
り、任意の形状の強度分布を有する放射光を得ることが
できる。また、回折格子の格子部分の周期に占める割合
を調節するためには、レジストに形成する回折格子パタ
ーンを調節すればよいだけなので、通常の微細加工の工
程が流用可能となる。よって、作成が容易でありかつ余
計なコストがかからない。

【００７１】請求項３、５に記載の発明によれば、略ガ
ウス形状の強度分布を有する放射光を得ることができ
る。

【００７２】請求項６に記載の発明によれば、回折格子
部分の周期に占める割合を調節することにより、入射光
の結合効率を調節することができる。また、請求項１の
発明と同様に作成が容易でありかつ余計なコストがかか
らない。

【００７３】請求項８、１０に記載の発明によれば、入
射光が略ガウス形状の強度分布を有する場合に、高い結
合効率を得ることができる。

【００７４】請求項１１に記載の発明によれば、光出力
結合または光入力結合において高い変換効率が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態の導波路型素子の光出力結合部
を示す縦断面図。

【図２】デューティ比と導波損失係数の関係を表す図。

【図３】第１の実施形態の一実施例のｆ（ｘ）を示す
図。

【図４】第１の実施形態の一実施例の位置と導波光の強
度の関係を示す図。

【図５】第１の実施形態の一実施例の位置と放射光の強
度の関係を示す図。

【図６】導波路型素子の製造過程を示す模式図。

【図７】第２の実施形態の導波路型素子の光出力結合部
を示す縦断面図。

【図８】第２の実施形態の一実施例のｆ（ｘ）を示す
図。

【図９】第３の実施形態の導波路型素子の光入力結合部
を示す縦断面図。

【図１０】第３の実施形態の一実施例のｆ（ｘ）を示す
図。

【図１１】第３の実施形態の一実施例の導波モードを示
す図。

【図１２】第４の実施形態の導波路型素子の光入力結合
部を示す縦断面図。

【図１３】第４の実施形態の一実施例のｆ（ｘ）を示す
図。

【図１４】従来技術の一例の導波路型素子の光出力結合
部を示す縦断面図。

【図１５】図１４の回折格子部分の拡大図。

【図１６】回折格子における格子高さと放射損失係数の
関係を示す図。

【図１７】従来技術の他の例の導波路型素子の光出力結
合部を示す縦断面図。

【符号の説明】

１、２、３、４ 導波路型素子 １１、１２、１３、１４ 導波路層 ２１、２２、２３、２４ バッファ層 ３１、３２、３３、３４ 基板 ４１、４２、４３、４４ 導波光 ５１、５２ 放射光 ５３、５４ 入射光

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導波路層の表面の一部に導波路層内を進
   行する導波光を外部に出射させる２値の回折格子が形成
   されている導波路型素子において、 前記回折格子は、格子周期に占める格子部分の割合が導
   波光伝搬方向に変化するように形成されていることを特
   徴とする導波路型素子。
2. 【請求項２】 前記回折格子は、一定の格子周期および
   格子の高さを有する断面矩形波状の回折格子であり、格
   子周期に占める格子部分の割合が０.５〜１の範囲で導
   波光伝搬方向に単調に減少するように形成されているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の導波路型素子。
3. 【請求項３】 前記回折格子内において、導波光伝搬方
   向での前記回折格子が始まる位置を原点、終わる位置を
   Ｌ、任意の位置をｘとすると、前記回折格子は、格子周
   期に占める格子部分の割合ｆが下記の式 ｆ（ｘ）＝１−｛sin^-1（ｘ／Ｌ）｝／π で表されるｘの関数ｆ（ｘ）を満たすように形成されて
   いることを特徴とする請求項２に記載の導波路型素子。
4. 【請求項４】 前記回折格子は、一定の格子周期および
   格子の高さを有する断面矩形波状の回折格子であり、格
   子周期に占める格子部分の割合が０〜０.５の範囲で導
   波光伝搬方向に単調に増加するように形成されているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の導波路型素子。
5. 【請求項５】 前記回折格子内において、導波光伝搬方
   向での前記回折格子が始まる位置を原点、終わる位置を
   Ｌ、任意の位置をｘとすると、前記回折格子は、格子周
   期に占める格子部分の割合ｆが下記の式 ｆ（ｘ）＝｛sin^-1（ｘ／Ｌ）｝／π で表されるｘの関数ｆ（ｘ）を満たすように形成されて
   いることを特徴とする請求項４に記載の導波路型素子。
6. 【請求項６】 導波路層の表面の一部に外部光を該導波
   路層内に入射させる２値の回折格子が形成されている導
   波路型素子において、 前記回折格子は、格子周期に占める格子部分の割合が導
   波光伝搬方向逆向きに変化するように形成されている特
   徴とする導波路型素子。
7. 【請求項７】 前記回折格子は、一定の格子周期および
   格子の高さを有する断面矩形波状の回折格子であり、格
   子周期に占める格子部分の割合が０.５〜１の範囲で導
   波光伝搬方向逆向きに単調に減少するように形成されて
   いることを特徴とする請求項６に記載の導波路型素子。
8. 【請求項８】 前記回折格子内において、導波光伝搬方
   向逆向きでの前記回折格子が始まる位置を原点、終わる
   位置をＬ、任意の位置をｘとすると、前記回折格子は、
   格子周期に占める格子部分の割合ｆが下記の式 ｆ（ｘ）＝１−｛sin^-1（ｘ／Ｌ）｝／π で表されるｘの関数ｆ（ｘ）を満たすように形成されて
   いることを特徴とする請求項７に記載の導波路型素子。
9. 【請求項９】 前記回折格子は、一定の格子周期および
   格子の高さを有する断面矩形波状の回折格子であり、格
   子周期に占める格子部分の割合が０〜０.５の範囲で導
   波光伝搬方向逆向きに単調に増加するように形成されて
   いることを特徴とする請求項６に記載の導波路型素子。
10. 【請求項１０】 前記回折格子内において、導波光伝搬
    方向逆向きでの前記回折格子が始まる位置を原点、終わ
    る位置をＬ、任意の位置をｘとすると、前記回折格子
    は、格子周期に占める格子部分の割合ｆが下記の式 ｆ（ｘ）＝｛sin^-1（ｘ／Ｌ）｝／π で表されるｘの関数ｆ（ｘ）を満たすように形成されて
    いることを特徴とする請求項９に記載の導波路型素子。
11. 【請求項１１】 前記回折格子は、格子周期に占める格
    子部分の割合が略０.５となる場合の導波損失係数をα_m
    とすると、下記の式 Ｌ≧２.３／α_m を満たすように形成されていることを特徴とする請求項
    ３、５、８、１０のいずれか一つに記載の導波路型素
    子。