JP2003240993A - 光導波路およびホログラム媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 各回折格子層からの回折光の強度プロファイ
ルを層内方向で一様かあるいは同程度とし、光学部品と
して扱いやすくする。 【解決手段】 光導波路は、１つのコア層１と、コア層
１を挟むように配置した２つのクラッド層２，２と、コ
ア層１上部とクラッド層２との境界に設けられた１つの
回折格子層３とから構成されている。回折格子層３の凸
部の高さを、層内方向の左端で低く、右端へ行くほど高
くすることにより、伝搬光５００の強度プロファイルを
ちょうど打ち消すよう回折効率を分布させている。これ
により、回折光９の層内方向の強度プロファイルが一様
となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、屈折率のより低い
部分にそれぞれ挟まれて光を導波するコア層と、回折格
子層を有する光導波路（積層導波路とも言う）に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】積層導波路とも言われる光導波路の例と
して、図９に示すグレーティング光結合器として使用さ
れる光導波路がある（小瀬 他編、「光工学ハンドブッ
ク」、pp. 226〜227、朝倉書店、1986）。光結合器は、
導波路内の光と自由空間の光とを結合させる部品として
使用される。基板１０１０の上にコア層１が配置され、
コア層１の上に回折格子層１０２が配置されるという構
造を成す。コア層１の端面から入射光１０３（参照光）
を入射すると、コア層１を伝搬する伝搬光１０４が回折
格子層１０２に回折され、回折光１０５が回折格子層１
０２に依存した角度で自由空間に出射する。一方、自由
空間から光を回折格子層１０２に依存した角度で回折格
子層１０２に入射すると、コア層１内に伝搬光１０４
（すなわち導波路内の光）を伝搬させることができる。

【０００３】図９に示すように、光導波路のコア層１の
左端から入射した伝搬光１０４がコア層１を左から右へ
伝搬する場合、コア層１内の伝搬光１０４の強度は、コ
ア層１での吸収および回折格子層１０２での回折によ
り、徐々に減衰する。回折光１０５の強度は、伝搬光１
０４の強度と回折効率との積で表される。従来の光導波
路では、回折格子層１０２の回折効率が層内方向で分布
を持たず一様であるため、回折光１０５の強度プロファ
イルは、伝搬光１０４の強度プロファイルに比例し、図
１０に示すように、左端で大きく右へ行くほど小さくな
る形状となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本構成の従来技術で
は、通常、自由空間での光としては、できるだけ一様な
強度プロファイルを持つ光が望まれる。しかしながら、
従来の光導波路では、自由空間での光、すなわち各回折
格子層１０２からの回折光１０５の強度プロファイルが
層内方向で一様でないため、光学部品として扱い難いと
いう問題があった。

【０００５】この発明は上述した事情に鑑みてなされた
もので、各回折格子層からの回折光の強度プロファイル
が層内方向で一様かあるいは同程度とすることができ、
またいずれの回折格子層から光導波路の外に出てくる回
折光の強度も等しいかあるいは同程度とすることがで
き、光学部品として扱いやすくすることができる光導波
路を提供することを目的とする。また、このような光導
波路と記録層とを隣接配置させたホログラム媒体を提供
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】従って、本発明は、屈折
率のより低い部分にそれぞれ挟まれて光を導波する少な
くとも１つのコア層と、前記コア層と前記屈折率のより
低い部分との境界もしくは前記コア層内に設けた少なく
とも１つの回折格子層とを有し、前記回折格子層により
発生する回折光が所望の強度を有するように、該回折格
子層の回折効率が層内方向に所定の分布を有する光導波
路を提供する。好適例として、前記回折格子層の回折効
率は、前記コア層を伝搬する光の伝搬方向に回折効率が
漸次高くなるような分布を有する。

【０００７】本発明はまた、屈折率のより低い部分にそ
れぞれ挟まれて光を導波する少なくとも２つのコア層
と、前記コア層と前記屈折率のより低い部分との境界も
しくは前記コア層内に設けた少なくとも２つの回折格子
層とが積層された構造を有し、前記回折格子層により発
生する回折光が所望の強度を有するように、前記少なく
とも２つの回折格子層の回折効率が積層方向に所定の分
布を有する光導波路を提供する。

【０００８】好適例として、前記少なくとも２つの回折
格子層の回折効率が、回折光の一出射方向に漸次低くな
るような分布を有する。更に、各回折格子層の回折効率
は、前記コア層を伝搬する光の伝搬方向に回折効率が漸
次高くなるような分布を有するようにしても良い。

【０００９】本発明はまた、上述したような光導波路
と、前記光導波路の外側に、ホログラム記録・再生用の
参照光が前記光導波路を介して入射可能なように配置さ
れる少なくとも１つの記録層とを有するホログラム媒体
を提供する。前記光導波路と前記記録層とは、空間的に
離れて配置されても良い。

【００１０】上記構成によれば、前記回折格子層の回折
効率を、例えば前記コア層を伝搬する光の伝搬方向に回
折効率が漸次高くなるような分布を有するようにするこ
とにより、回折光の層内方向の強度プロファイルを一様
とすることができる。即ち、回折格子層の回折効率を、
伝搬光の強度プロファイルをちょうど打ち消すよう、入
射端側で小さく出射端へ行くほど大きくするようにす
る。更に、多層光導波路の場合には、例えば、回折光の
一出射方向に漸次低くなるような分布を有するようにす
る。このようにすれば、いずれの回折格子層から光導波
路の外に出てくる回折光の強度も等しいかあるいは同程
度とすることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の各実
施の形態を説明する。各実施形態の図面間において、対
応する部分には同一の参照番号を付し、その説明を省略
もしくは簡略化するものとする。

【００１２】＜第１実施形態＞図１は、本発明の第１実
施形態としての、光導波路の構造を示す断面図である。
図１（Ａ）において、コア層１上部とクラッド層２との
境界に設けられた回折格子層３の回折効率は、層内方向
に所定の分布を持っている。すなわち、回折格子層３
は、伝搬光の伝搬方向に、回折効率が漸次高くなるよう
な分布を有している。

【００１３】回折格子層３は、一般的に、例えば、図２
に示すようなコア層１上部とクラッド層２との境界に形
成された矩形波状の形状（凹部と凸部とを交互に配列し
た形状）を有する。コア層１の左端から参照光５（入射
光）を入射する場合、コア層１での吸収および回折格子
層３での回折により（図１（Ａ）の矢印に示すような回
折光９が得られる）、コア層１内の伝搬光５００の強度
は、左端で大きく右へ行くほど小さくなり、図１０に示
したような形状のプロファイルとなる。

【００１４】図１０において、横軸（伝播光の伝搬方
向）をZ、縦軸（回折光の強度）をＡとすると、コア
層、クラッド層、回折格子層、回折格子などが均一の場
合にＡ∝exp（−Z）で近似される（ここで「∝」は比例
関係にあることを意味するものとする）。すなわち、コ
ア層内の伝搬方向の光強度及び回折光の強度は指数関数
的に減衰する。

【００１５】前述したように、回折光９の強度は、伝搬
光５００の強度と回折効率との積で表される。したがっ
て、回折光９の層内方向の強度プロファイルを一様とす
るためには、回折格子層３の回折効率を伝搬光５００の
強度プロファイルをちょうど打ち消すよう、左端で小さ
く右へ行くほど大きくする、すなわち回折効率が伝搬光
の伝搬方向に、漸次高くなるように設定することが有効
である。例えば、矩形波状の形状の高さを高くすること
により回折効率を大きくすることができる。

【００１６】図１（Ａ）に示す第１実施形態では、回折
格子層３の回折効率は、層内方向の左端で小さく右端へ
行くほど大きくなり、伝搬光５００の強度プロファイル
をちょうど打ち消すよう分布している。すなわち、図３
に示すように、矩形波状の形状の高さを、層内方向の左
端で低く、右端へ行くほど高くすることにより、伝搬光
５００の強度プロファイルをちょうど打ち消すよう回折
効率を分布させている。

【００１７】図３に示す形状の回折格子の場合、回折格
子の高さをｈ、回折効率をＲとすると、ｈが小さい領域
ではＲ∝ｈ^２（∝は比例関係にあることを示す）で近似
される。この関係を考慮して回折効率の分布を算出する
ことが必要である。これにより、回折光９の層内方向の
強度プロファイルが一様となる。

【００１８】なお、図４に示すように、光導波路が、２
つ以上のコア層１，１，１…１と、各コア層１，１，１
…１を挟むように配置された３つ以上のクラッド層２，
２，２…２と、各コア層１，１，１…１の上部とクラッ
ド層２，２，２…２との境界に設けられた２つ以上の回
折格子層３，３，３…３とから構成される場合でも、回
折格子層３，３，３…３の回折効率が層内方向で、左端
で小さく右へ行くほど大きくなるように、矩形波状の形
状の高さを変えればよい。これにより、回折格子層３，
３，３…３の回折効率が、層内方向で、コア層１，１，
１…１内の伝搬光５００の強度プロファイルがちょうど
打ち消され、回折光９の層内方向の強度プロファイルが
一様となる。

【００１９】＜第２実施形態＞図５は、本発明の第２実
施形態としての、光導波路の構造を示す断面図である。
図５において、光導波路は、５つのコア層１，１，１，
１，１と、各コア層１，１，１，１，１を挟むように配
置した６つのクラッド層２，２，２，２，２，２と、各
コア層１，１，１，１，１の上部とクラッド層２，２，
２，２，２，２との境界に設けた５つの回折格子層３
１、３２、３３、３４、３５とから構成されている。

【００２０】回折格子層３１、３２、３３、３４、３５
の回折効率は、層厚方向に所定の分布を持っている。す
なわち、回折光の一出射方向に、回折効率が漸次低くな
るような分布を有している。回折格子層３１、３２、３
３、３４、３５は、例えば図２に示す形態と同様に、コ
ア層１，１，１，１，１上部とクラッド層２，２，２，
２，２，２との境界に形成された矩形波状の形状から成
る。コア層１の左端から参照光５を入射する場合、コア
層１内の伝搬光５００が回折格子層に回折され、光導波
路の上方に回折光９が出射する。光導波路内を横切る際
の吸収により、下の方に位置する回折格子層からの（上
方に向かう）回折光ほど、大きな吸収を受け減衰する。

【００２１】いずれの回折格子層から光導波路の外へ出
てくる回折光の強度も等しくするためには、この吸収を
ちょうど打ち消すよう、上方に位置する回折格子層の回
折効率ほど小さく、下方に位置する回折格子層の回折効
率ほど大きくすることが有効である。例えば、矩形波状
の形状の高さを高くすることにより回折効率を大きくす
ることができる。図５に示す第２実施形態では、このよ
うに回折格子層の回折効率を分布させている。

【００２２】即ち、図６に示すように、下方に位置する
矩形波状の形状の高さを高く、上方に行くほど低くする
ように矩形波状の形状の高さを変えることにより、上向
きのの回折光が光導波路内を横切る際の吸収をちょうど
打ち消すように回折格子層３１、３２、３３、３４、３
５の回折効率を分布させている。図６は、図５の回折格
子層３１、３２、３３、３４、３５の内、図５のＡ−Ｂ
線近傍に位置する回折格子層部についてのみ図示してい
る。

【００２３】同様に、前掲図４に示すような積層構造が
任意の数積み重ねられた場合でも、光導波路内を横切る
際の吸収をちょうど打ち消すよう各回折格子層３の回折
効率を層厚方向で分布させる（即ち、回折光の出射方向
に回折効率が漸次低くなるような分布を持たせる）こと
により、回折光９の層厚方向の強度プロファイルが一様
となる。

【００２４】更に、図６に示す構造に加えて、図３に示
すような各回折格子層の回折効率が層内方向で、コア層
１内の伝搬光５００の強度プロファイルをちょうど打ち
消すような分布を持たせるような構造をとることによ
り、回折光９の層内方向の強度プロファイルを一様にす
ることができる。すなわち、各回折格子層の回折効率
を、層内方向でコア層１内の伝搬光５００の強度プロフ
ァイルをちょうど打ち消すように、かつ光導波路内を上
下方向に横切る際の吸収をちょうど打ち消すように分布
させることにより、各回折格子層からの回折光の強度プ
ロファイルが層内方向に一様で、またいずれの回折格子
層から光導波路の外に出てくる回折光の強度も等しくす
ることができる。

【００２５】なお、上述した第１、２実施形態では、回
折格子層３として、コア層１とクラッド層２との境界に
形成された矩形波状の形状から成る例を示したが、この
他に図７（Ａ）のように鋸歯状の形状をした溝から成る
もの、図７（Ｂ）のように正弦波状の形状をした溝から
成るもの、および図７（Ｃ）のように屈折率の変化によ
り形成されるもの（図は、屈折率の異なる部分が交互に
配置されている構成を示す）が挙げられ、いずれ場合に
おいても、その形状の高さあるいは屈折率を変えること
により回折効率を変えることができ、同様の効果を奏す
る。

【００２６】また、上述した第１、２実施形態では、回
折格子層３の位置として、コア層１上部に設けた例を示
したが、コア層１の下部や、コア層１の上部および下部
両方、あるいはコア層内に設けても良く、いずれも同様
の効果を奏する。

【００２７】ところで、コア層１を伝搬光５００が伝搬
するためには、コア層１をコア層１の屈折率より低い屈
折率を持つ媒質で挟めばよい。第１、２実施形態では、
クラッド層２の屈折率はコア層１の屈折率より低く設定
されている。クラッド層２は、光導波路の形状を維持、
支持する働きのため、上記のような全部のコア層１を挟
む位置に配置したが、コア層１内を光が伝搬されるよう
にコア層１が屈折率のより低い部分にそれぞれ挟まれて
いれば良い。

【００２８】例えば自由空間の屈折率がコア層１の屈折
率より低い場合（即ち、屈折率のより低い部分が空気、
真空など）には、例えば最上層のクラッド層２、最下層
のクラッド層２のいずれか一方あるいは両方がなくて
も、空気などにはさまれたコア層１を光が導波されるの
で、同様の効果を奏する（第１実施形態に対応する図１
（Ｂ）参照、この図では上側のクラッド層２が省略され
ている）。これは一般に、コア層が複数ある場合、ある
いは後述のように光導波路が記録層とともにホログラム
媒体として用いられる場合においても、各コア層に関し
て同様である。即ち、記録層の屈折率がコア層の屈折率
より低い場合は、記録層が、上記屈折率のより低い部分
の働きをすることができる。

【００２９】また、上述した第１、２実施形態では、回
折光の強度を層内方向、層厚方向で正確に一様あるいは
等しくする例を示したが、部品仕様や用途により必ずし
も正確に一様あるいは等しくなくても問題ないことも多
く、同程度とすれば支障がない場合が多い。本発明によ
れば、回折格子層の回折効率を層内方向、層厚方向で適
切に分布させることにより、回折光の強度を層内方向、
層厚方向で同程度とすることも可能である。

【００３０】また、以上では、回折光の強度を層内方
向、層厚方向で一様あるいは等しくする点に着眼して記
述したが、応用分野によっては、意図的に回折光の強度
に分布を持たせると都合が良い場合も有り得る。本発明
によれば、回折格子層の回折効率を層内方向、層厚方向
で適切に分布させることにより、回折光の強度を所望の
分布とすることも可能である。

【００３１】また、回折格子層の面積をコア層の面積と
同一にする必要はなく、回折格子層を部分的に設けた
り、（導波面内で）複数に分散配置させても良い。更
に、全てのコア層に対応させて回折格子層を設けなくて
も良く、回折格子層が設けられていないコア層があって
も良い。

【００３２】更に、第１、２実施形態のような光導波路
と、記録層とを自由に組み合わせ、ホログラム記録など
の光記録用基板として使用可能なホログラム媒体を作成
することが可能である。一例として、図１（Ａ）に示し
た光導波路の上側に記録層４を設けた例を図８に示す。
図において、６は記録層４に入射される物体光であり、
物体光６と回折光９とが記録層４において干渉すること
により、ホログラム記録が可能である。

【００３３】記録層４は、一般的なホログラム記録で用
いられる光学的記録材料で有れば良い。例えば、光照射
により環状構造の変化に伴う光重合を生じるフォトポリ
マー等の光重合性材料、重クロム酸アンモニウム−ポリ
ビニルアルコール系材料に代表されるような光架橋性材
料、フォトクロミック材料、アゾ色素をＰＭＭＡ(ポリ
メチルメタアクリレート)にドープした材料に代表され
るような光異性化材料、あるいはＬｉＮｂＯ_３，ＢａＴ
ｉＯ_３，Ｂａ_１２ＳｉＯ_２０（ＢＳＯ）などの無機誘電
体結晶に代表されるフォトリフラクティブ材料もしくは
ポリマー系フォトリフラクティブ材料などがあげられ
る。

【００３４】また、媒体の具体的な形状としては、カー
ド型、チップ型、ディスク型、テープ型、ドラム型等が
考えられるが、いずれも本発明の手法が適用でき、いず
れも同様の効果を奏する。また、光導波路の導波面と記
録層の面積が同一である必要は必ずしもなく、導波面の
面積の方が大きくても小さくても良い。導波面の面積の
方が小さい場合には、光導波路を一次元、二次元、三次
元駆動することにより、より大きな記録層全面に対応さ
せることができる。

【００３５】即ち、記録層４は、光導波路の上下いずれ
の片面に配置されていても、あるいは両面に配置されて
いても同様の効果を奏し、あるいは、１つの記録層をは
さむように光導波路を両側に配置しても良い。あるい
は、光導波路と記録層とを交互に積層させても良い。即
ち、少なくとも１つの記録層と少なくとも１つの光導波
路とが隣接配置されれば良い。

【００３６】また記録層と光導波路とが空間的に離れて
配置されていても同様の効果を奏する。即ち、ホログラ
ム記録／再生の動作例として、 （１）記録層と光導波路とが一体構成されており、これ
を記録／再生装置に装荷する。 （２）記録層と光導波路とが離れて構成されており、こ
れらを重ねた後に記録／再生装置に装荷する。 （３）記録層と光導波路とが離れて構成されており、光
導波路は記録／再生装置に前もって装備し、動作時に記
録層部分を装荷することにより、両者が重なる。 のいずれの形態も可能である。なお、記録／再生の動作
時に、両者の間が空間的に離れていても良い。

【００３７】さらに、記録層は、光導波路と接着剤によ
り接着されていても、接着剤なしで固定されていても同
様の効果を奏する。また、記録層、光導波路は、上下い
ずれかの片面、あるいは両面を保護膜により挟まれてい
ても、あるいは保護膜などにより周囲を覆われていても
同様の効果を奏する。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
屈折率のより低い部分にそれぞれ挟まれて光を導波する
少なくとも１つのコア層と、前記コア層と前記屈折率の
より低い部分との境界もしくは前記コア層内に設けた少
なくとも１つの回折格子層とを有する光導波路におい
て、前記回折格子層により発生する回折光が所望の強度
を有するように、該回折格子層の回折効率が層内方向に
所定の分布を有するようにした。

【００３９】従って、前記回折格子層の回折効率を、前
記コア層を伝搬する光の伝搬方向に回折効率が漸次高く
なるような分布を有するようにすれば、回折光の層内方
向の強度プロファイルを一様とすることができる。即
ち、回折格子層の回折効率を伝搬光の強度プロファイル
をちょうど打ち消すよう、入射端側で小さく出射端へ行
くほど大きくすることができる。更に、多層光導波路の
場合には、複数の回折格子層の回折効率が積層方向に所
定の分布を有するようにする。例えば、回折光の一出射
方向に漸次低くなるような分布を有するようにすること
ができる。このようにすれば、いずれの回折格子層から
光導波路の外に出てくる回折光の強度も等しいかあるい
は同程度とすることができ、光学部品として非常に扱い
やすくなるという利点が得られる。

【００４０】更に、このような光導波路と記録層とを自
由に組み合わせられるホログラム媒体を提供した。即
ち、光導波路と記録層とは接着されていても、空間的に
離れて配置されても良い。このように、非常に自由にホ
ログラム媒体を設計することができるため、ホログラム
記録／再生動作において非常に扱いやすい媒体を得るこ
とができ、多様な使用形態が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施形態による光導波路の構造
を示す断面図である。

【図２】 回折格子層の構造例を示す断面図である。

【図３】 第１実施形態による回折格子層部分の一構造
例を示す断面図である。

【図４】 第１実施形態における多層光導波路の例を示
す断面図である。

【図５】 本発明の第２実施形態による光導波路の構造
を示す断面図である。

【図６】 本第２実施形態による回折格子層部分（Ａ−
Ｂ線上）の構造例を示す断面図である。

【図７】 回折格子層の他の構造例を示す断面図であ
る。

【図８】 光導波路に記録層を加えたホログラム媒体の
例を示す図である。

【図９】 従来の光導波路の構造を示す断面図である。

【図１０】 従来の光導波路における回折光の層内方向
の強度プロファイルを示す概念図である。

【符号の説明】

１…コア層 ２…クラッド層 ３、３１〜３５…回折格子層 ４…記録層 ５…参照光（入射光） ５００…伝搬光 ６…物体光 ９…回折光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安藤 康子 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 伊藤 圭一郎 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 田辺 隆也 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 黒川 義昭 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 2H047 KA02 KA11 KB08 LA03 MA01 PA28 2H049 AA25 AA50 AA51 AA59 AA62

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 屈折率のより低い部分にそれぞれ挟まれ
   て光を導波する少なくとも１つのコア層と、 前記コア層と前記屈折率のより低い部分との境界もしく
   は前記コア層内に設けた少なくとも１つの回折格子層と
   を有し、 前記回折格子層により発生する回折光が所望の強度を有
   するように、該回折格子層の回折効率が層内方向に所定
   の分布を有する光導波路。
2. 【請求項２】 前記回折格子層の回折効率は、前記コア
   層を伝搬する光の伝搬方向に回折効率が漸次高くなるよ
   うな分布を有する請求項１記載の光導波路。
3. 【請求項３】 屈折率のより低い部分にそれぞれ挟まれ
   て光を導波する少なくとも２つのコア層と、 前記コア層と前記屈折率のより低い部分との境界もしく
   は前記コア層内に設けた少なくとも２つの回折格子層と
   が積層された構造を有し、 前記回折格子層により発生する回折光が所望の強度を有
   するように、前記少なくとも２つの回折格子層の回折効
   率が積層方向に所定の分布を有する光導波路。
4. 【請求項４】 前記少なくとも２つの回折格子層の回折
   効率が、回折光の一出射方向に漸次低くなるような分布
   を有する請求項３記載の光導波路。
5. 【請求項５】 各回折格子層の回折効率は、前記コア層
   を伝搬する光の伝搬方向に回折効率が漸次高くなるよう
   な分布を有する請求項３記載の光導波路。
6. 【請求項６】 請求項１または３記載の光導波路と、 前記光導波路の外側に、ホログラム記録・再生用の参照
   光が前記光導波路を介して入射可能なように配置される
   少なくとも１つの記録層とを有するホログラム媒体。
7. 【請求項７】 前記光導波路と前記記録層とが空間的に
   離れて配置される請求項６記載のホログラム媒体。