JP2004347672A - 導波路型回折格子及びその製造方法並びに光ピックアップ装置、光通信モジュール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一方の媒質を空気とした反射型回折格子以外の回折格子については、光の通る部分の媒質として２種の媒質を組み合わせる必要が生じるために、媒質の層を２層作らなくてはならず、回折格子の製作プロセスの複雑化を招いていた。また、一方の媒質を空気とした反射型回折格子については、素子の配置が制約されるので回折格子と他の光学要素との集積化も難しくしていた。
反射型回折格子については、媒質を１種類にすることも可能であるが、代わりに一方の媒質を空気にしなければならないため、部材における回折格子の設置位置が制約された。
本発明の目的とするところは回折格子の簡単な製作プロセスと他の光学要素との集積化を容易にする回折格子を提供することにある。
【解決手段】導波層の面に対して垂直方向、あるいは面内に曲率をもたせることによって１種類の媒質で光路長を周期構造とし、周期位相差を与える。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波路型回折格子及びその製造方法並びに光ピックアップ装置、光通信モジュール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の導波路型回折格子について説明する。導波路型回折格子には透過型回折格子と反射型回折格子がある。透過型回折格子は２つの異なる媒質が必要であり、例えばＳｉＯ２、ガラス、石英、ポリイミド、エポキシ樹脂などが用いられる。図１１のように異なる屈折率ｎｏ、ｎ１で２つの媒質の境界を周期構造にすることによって周期位相差を形成する。その一例が特許文献１に示されている。周期構造は２つの媒質の接触部分を凹凸にして隙間のないようにはめこんで作られている。凹凸部の深さをｄとすると凹凸の隣同士では光路長に差ｄが生じ、これを周期的に作ることにより周期位相差（＝２π（ｎ１−ｎｏ）ｄ／λ λは波長）が生じる。
また、反射型回折格子には、一方の媒質を空気としたものがある。この場合、媒質は１種類で足りる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２８６９１９号公報（第３乃至４頁、図４）
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記で述べたように、一方の媒質を空気とした反射型回折格子以外の回折格子については、光の通る部分の媒質として２種の媒質を組み合わせる必要が生じるために、媒質の層を２層作らなくてはならず、回折格子の製作プロセスの複雑化を招いていた。また、一方の媒質を空気とした反射型回折格子については、素子の配置が制約されるので回折格子と他の光学要素との集積化も難しくしていた。
反射型回折格子については、媒質を１種類にすることも可能であるが、代わりに一方の媒質を空気にしなければならないため、部材における回折格子の設置位置が制約された。これは、空気と触れさせなければならないために部材の端に回折格子を配置しなければならないからである。空気に触れさせることでこれがもう１つの媒質の役割を果たし、回折格子として機能する。
本発明は、上記問題に鑑みなされたもので、その目的とするところは回折格子の簡単な製作プロセスと他の光学要素との集積化を容易にする（一層に多くの部品をのせることができる）回折格子を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の導波路型回折格子は、長さの異なる導波路を所望の周期で配列したことを特徴としている。導波路型回折格子の媒質を一種類にすることが可能になり、製作プロセスが簡略化できる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１乃至図２を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）−１乃至図１（ａ）−３は、屈折率ｎ１からなる同一の媒質で形成された導波路型回折格子（以下回折格子と呼ぶ）の斜視図、平面図、正面図である。Ｇ０は屈折率ｎ１よりなる媒質で形成され、直線状に光路長Ｌ０に形成された導波路である。Ｇ１は導波路Ｇ０と同じ屈折率ｎ１の媒質で形成された光路長＝Ｌ１（＞Ｌ０）の導波路である。
導波路Ｇ１の光路長Ｌ１を導波路Ｇ０の光路長Ｌ０より長くする方式として、導波路Ｇ１の導波層を同一面内で曲率を持たせる方式を用いている。導波路Ｇ１と導波路Ｇ０は平行に配置され等しい周期Ｔ１毎に交互に配列されており、導波路Ｇ１の光路長Ｌ１と導波路Ｇ０の光路長Ｌ０の違いから光路差を形成している。
本実施の形態における回折格子により分岐するときの実施時の例を、図２（ａ）を用いて説明する。図２（ａ）は、回折格子への入射光が複数の波長λ１，λ２，・・・からなる場合を示したものである。それぞれの次数の回折光は波長により異なる方向で強め合うため、それぞれの波長に分波することができる。
【０００６】
次に、応用例を図３乃至図５を用いて説明する。図３は、周期Ｔ３の中に４種類の光路長（Ｌ３０、Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３）からなる導波路を長さ順に配列したブレーズド回折格子である。Ｌ３０が最短でＬ３１、Ｌ３２と徐々に長くなり、Ｌ３３が最長となる。
図４は前記図３のブレーズド回折格子を応用としたものである。ブレーズド回折格子が鋸型で、１周期の両端がそれぞれ最小値と最高値であるのに対し、図４の回折格子は１周期の真ん中が最高値をとるピラミッド型である。
図５は、変化する周期Ｔ５ｊ（ｊ＝０，１，２，．．．，４）で交互に配列された回折格子を示したものである。
次にこれらの図について式を用いて説明する。図３において、周期Ｔ３の領域内に、光路長Ｌ３ｉが
Ｌ３ｉがＬ３ｉ＝Ｌ３０＋（１／（２πｎ））・φ０・λ・（ｉ／（Ｎ−１））…（式１）
ｉ＝０，１，…，Ｎ−１，φ０＝定数
で変化する屈折率ｎの導波路列を複数周期分繰り返して配列している。周期Ｔ３のブレーズド回折格子の位相伝達関数
φ（ｘ）＝φ０・（ｘ／ Ｔ３）…（式２）
φ０＝定数
をＮ等分割して階段近似した位相伝達関数
φｉ＝φ０・（ｉ／（Ｎ−１））…（式３）
ｉ＝０，１，…，Ｎ−１，φ０＝定数
を与えたブレーズド回折格子において、Ｎ＝４とする。光の通る面に対して水平な方向に曲率を持たせる方式について、示したものである。φ０は、特定波長の特定次数の回折効率を最高化するようにφ０を選ぶことができる。
【０００７】
図４において周期Ｔ４の領域内の光路長Ｌ４ｉが
Ｌ４ｉ＝Ｌ４０＋（１／（２πｎ））・φ０・λ・（ｉ／（Ｎ−１））
ｉ＝０，１，…，Ｎ−１，φ０＝定数 …（式４）
で変化する屈折率ｎ１の導波路列が複数周期分繰り返して配列されている。周期Ｔ４の任意の位相伝達関数
φ＝φ（ｘ／ Ｔ４） …（式５）
をＮ等分割して階段近似した位相伝達関数
φｉ＝φ・（ｉ／（Ｎ−１）） …（式６）
ｉ＝０，１，…，Ｎ−１
を与えた回折格子においてＮ＝６とする。光の通る面に対して水平な方向に曲率を持たせる方式について、示したものである。特定次数の回折効率波長依存性に所望の特性を付与することができる。
図５において周期Ｔ５ｊの領域内の光路長Ｌ５ｉが
Ｌ５ｉ＝Ｌ５０＋（１／（２πｎ））・φ０・λ・（ｉ／（Ｎ−１））…（式７）
ｉ＝０，１，…，Ｎ−１，φ０＝定数
で変化する屈折率ｎの導波路列を複数周期分繰り返して配列し、周期Ｔ５ｊの任意の位相伝達関数
φ＝φ（ｘ／Ｔ５ｊ） …（式８）
をＮ 等分割して階段近似した位相伝達関数
φｉ＝φ（ｉ／（Ｎ−１）） …（式９）
ｉ＝０，１，…，Ｎ−１
を与えたものである。ここではＮ＝６とした場合について示した。これは各周期に番号をつけたもので、各々周期が異なっている。周期Ｔ５ｊを変化させることにより回折角度が変化し、回折格子とレンズの作用を複合することができる。
【０００８】
次に、本実施の形態に記載された回折格子の製造方法の例について図７を用いて説明する。
図７は金型による製造方法の例である。まず金型ア（第１の金型）７と回折格子の型Ｂを付した金型イ（第２の金型）５Ｂとの間に樹脂９を流し込み、樹脂基板を形成する。その樹脂基板３Ｂの上に樹脂導波層となる樹脂を流し入れ、再び金型イ５Ｂを接触させると、導波層が形成される。
（第２の実施の形態）
図１（ｂ）−１〜図１（ｂ）−３は、Ｇ１の光路長をＧ０の光路長より長くする方式として、第１の実施の形態におけるＧ１を導波路の面内に曲率を持たせる方式を、Ｇ１を導波路の面に対して垂直な方向に曲率を持たせる方式に置き換えたものである。
図１（ｂ）−１はこの方式の回折格子の斜視図、図１（ｂ）−２は平面図、図１（ｂ）−３は正面図である。
次に図２（ｂ）、図６、図８乃至図１０について説明する。図２（ｂ）は発明の実施例を、図６、図８は導波路の成形の方法を、図９、１０は応用例を示している。
発明の実施時の例である図２（ｂ）は、回折格子への入射光が単波長である場合を示したものである。位相差ΔφがΔφ＝２πｍ，ｍ＝０，±１，±２，．．．となるそれぞれの回折次数の方向に分岐される。この媒質は従来の技術と同様ＳｉＯ２、ガラス、石英、ポリイミド、エポキシ樹脂などが用いられる。光路長Ｌ００の導波路Ｇ００と、同じく屈折率ｎ１の媒質で形成された光路長Ｌ１１の導波路Ｇ１１を、等しい周期で交互に配列し、位相差
Δφ＝２πｎ１（Ｌ１１−Ｌ００）（１／λ） …（式１０）
を与えることにより、位相差型回折格子として機能する。出射光はＧ００を通った光と、Ｇ１１を通った光とで位相差Δφを持つため干渉し合い，位相差Δφが，Δφ＝２πｍ，ｍ＝０，±１，±２，・・・となる方向で強めあう。
【０００９】
図８はレーザアブレーションによる導波路の形成である。型となる樹脂基板３Ｃにレーザを照射し、型を作成する。その上に樹脂導波層１Ｃを載置しさらにレーザを照射して導波層を形成する。
図６のように樹脂基板３Ａ上に樹脂導波層１Ａを載置し、その上から金型イ５Ａで押し当てるという、スタンピングの手法も導波層の形成に使用できると考えられる。
これらの製造方法の他にもＲＩＥ（反応性イオンエッチング法）と呼ばれる加工方法がある。プラズマ中にて反応性ガスの活性種を被加工材料の表面に反応させて揮発性を有する反応生成物を生成させ、これを基板表面から脱離させることによりエッチングするもので、より微細な加工を実現できる技術として広く用いられているものである。このＲＩＥの加工法により、回折格子をエッチングにより形成することができる。
また、本発明の回折格子を図９、図１０のように応用することもできる。
図９は光ピックアップの例を示したものである。発光素子２１Ａから出た光を回折格子を介してディスク１９に導きディスク１９で反射して戻ってくる光を回折格子で分岐して受光素子２３Ａに導いて受光し、ディスク１９に記録された情報を受けて読み取るものである。回折格子をジオデシックレンズ１７と集積化することにより一つの導波路層１５で光ピックアップに必要な素子を構成することが可能である。ジオデシックレンズ１７とは光の通る道筋がレンズ曲面上の異なる２点を結んだ最短の曲線となるレンズのことである。また一つの導波層で素子を構成できる利点としてはレンズを設ける際、レンズを立てずに寝かせて設けることができるので導波路層からの突起が小さくて済む。
【００１０】
図１０は光通信用モジュールの例を示したものである。図１０に示すモジュールは発光素子２１Ｂと、受光素子２３Ｂと導波路２５と回折格子とテ−パ型導波路２７とを備えている。テ−パ型導波路２７に光ファイバを結合させ、発光素子２１Ｂ、受光素子２３Ｂにアンプを取り付け、例えば電話用の光通信モジュール装置として使用する。テ−パ型導波路２７は光ファイバとの結合部分で回折格子から光ファイバーの方に向かって円錐状に先細りになっており、発光素子２１Ｂからの光を絞る機能を備え、このテ−パ型導波路２７と回折格子とを集積化することにより光利用効率を高めることが可能である。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、回折格子の媒質が１種類で済み、製作プロセスを簡単にすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）−１本発明の面内に曲率をもたせた回折格子の斜視図、 （ａ）−２本発明の面内に曲率をもたせた回折格子の断面図、 （ａ）−３本発明の面内に曲率をもたせた回折格子の平面図、（ｂ）−１ 本発明の垂直な方向に曲率をもたせた回折格子の斜視図、 （ｂ）−２ 本発明の垂直な方向に曲率をもたせた回折格子の断面図、
（ｂ）−３ 本発明の垂直な方向に曲率をもたせた回折格子の平面図。
【図２】（ａ） 本発明の面内に曲率をもたせた回折格子への入射光が複数波長の場合の斜視図、（ｂ） 本発明の面内に曲率をもたせた回折格子への入射光が単波長の場合の斜視図。
【図３】本発明の等しい周期で配列された同一物質における周期構造の回折格子を応用したブレーズド回折格子。
【図４】本発明の等しい周期で配列された同一物質における周期構造の回折格子を応用した回折格子。
【図５】本発明の変化する周期で配列された同一物質における周期構造の回折格子。
【図６】金型のスタンピングによる回折格子の製造方法。
【図７】金型によって成形をおこなう回折格子の製造方法。
【図８】レーザアブレーションによって成形をおこなう回折格子方法。
【図９】光ピックアップに用いられた回折格子。
【図１０】光通信用送受信モジュールに用いられた回折格子。
【図１１】従来の回折格子の斜視図。
【符号の説明】
１Ａ・・・樹脂導波層、１Ｂ・・・樹脂導波層、１Ｃ・・・樹脂導波層、３Ａ・・・樹脂基板、３Ｂ・・・樹脂基板、３Ｃ・・・樹脂基板、５Ａ・・・金型イ、５Ｂ・・・金型イ、７・・・金型ア、９・・・樹脂、１３・・・マスク、１５・・・導波層。１７・・・ジオデシックレンズ、１９・・・ディスク、２１Ａ・・・発光素子、２１Ｂ・・・発光素子、２３Ａ・・・受光素子、２３Ｂ・・・発光素子、２５・・・導波路、２７・・・テ−パ型導波路

Claims (11)

1. 長さの異なる導波路を所望の周期で配列したことを特徴とする導波路型回折格子。
2. 長さの異なる前記導波路は、同一の媒質からなることを特徴とする請求項１記載の導波路型回折格子。
3. 直線状の導波路と、曲線状に形成され前記直線状導波路より光路長の長い導波路と、が所望の周期で配列されたことを特徴とする請求項２記載の導波路型回折格子。
4. 前記曲線状導波路の光路長は複数種類設定されていることを特徴とする請求項３記載の導波路型回折格子。
5. 前記曲線状導波路の配列周期は異なることを特徴とする請求項３記載の導波路型回折格子。
6. 前記曲線状導波路の曲線は配列方向に沿う方向の水平方向、あるいは垂直方向に曲率をもつことを特徴とする請求項３記載の導波路型回折格子。
7. 樹脂基板に接触させて樹脂導波層を配置する工程と、
   前記樹脂導波層に金型を接触させて回折格子を形成する工程と
   を備えたことを特徴とする導波路型回折格子の製造方法。
8. 第１の金型と回折格子の型を付した第２の金型との間に樹脂を供給することにより樹脂基板を形成する工程と、
   前記樹脂基板表面に樹脂を供給することにより樹脂導波層を形成する工程と、
   その樹脂導波層の表面に第２の金型を接触させて回折格子を形成する工程と
   を備えたことを特徴とする導波路型回折格子の製造方法。
9. 樹脂基板にマスクを当接させる工程と、
   前記マスクを通して樹脂基板にレーザを照射する工程と、
   前記樹脂基板と樹脂導波層を接触させる工程と、
   前記導波層にレーザを照射して回折格子を形成する工程と
   を備えたことを特徴とする導波路型回折格子の製造方法。
10. 発光素子と、
    この発光素子からの光を平行光に変換するジオデシックレンズと、
    請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載の導波路型回折格子と、
    この導波路型回折格子によって分岐された光を受光して被走査物に記録された情報を読み取る受光素子と
    を有する光ピックアップ装置。
11. 発光素子と、
    この発光素子からの光を絞るための円錐状または角錐状に先細りになっており、両端で断面積の異なるテーパ型導波路と
    を有する光通信モジュール装置。

Images