JP2517772B2 - 回折格子光結合器 - Google Patents
回折格子光結合器Info
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- JP2517772B2 JP2517772B2 JP2032980A JP3298090A JP2517772B2 JP 2517772 B2 JP2517772 B2 JP 2517772B2 JP 2032980 A JP2032980 A JP 2032980A JP 3298090 A JP3298090 A JP 3298090A JP 2517772 B2 JP2517772 B2 JP 2517772B2
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- diffraction grating
- light
- optical
- optical coupler
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は，光が伝播する光導波路を有する集積化光素
子等の光学素子において，該光導波路内に光を入射させ
るために，あるいは該光導波路から光を出射させるため
に用いられる回折格子光結合器に関する。
子等の光学素子において，該光導波路内に光を入射させ
るために，あるいは該光導波路から光を出射させるため
に用いられる回折格子光結合器に関する。
（従来の技術） 集積化光ピックアップ，集積化光走査素子，集積化光
ドップラー速度計等の集積化光素子では，光が伝播する
光導波路を利用することにより高性能化が実現されてい
る。このような集積化光素子では，基本波を光導波路内
に入射させるために，該光導波路の端面を光学研磨し
て，開口数（NA）の大きなレンズにより基本波を集光し
て光導波路の光学研磨された端面から入射させることが
行われていた。しかし，このようにして基本波を光導波
路内に入射させる場合には，光導波路端面を高精度にて
光学研磨しなければならず，またレンズの光軸と光導波
路とを精密に調整する必要もある。
ドップラー速度計等の集積化光素子では，光が伝播する
光導波路を利用することにより高性能化が実現されてい
る。このような集積化光素子では，基本波を光導波路内
に入射させるために，該光導波路の端面を光学研磨し
て，開口数（NA）の大きなレンズにより基本波を集光し
て光導波路の光学研磨された端面から入射させることが
行われていた。しかし，このようにして基本波を光導波
路内に入射させる場合には，光導波路端面を高精度にて
光学研磨しなければならず，またレンズの光軸と光導波
路とを精密に調整する必要もある。
このような方法に対し，最近では，小形であるため集
積化が容易である回折格子光結合器により，光導波路内
に光を入射させること，あるいは光導波路から光を出射
させる方法が広く採用されている。
積化が容易である回折格子光結合器により，光導波路内
に光を入射させること，あるいは光導波路から光を出射
させる方法が広く採用されている。
回折格子光結合器は，光導波路上に回折格子が設けら
れたものであり，回折格子は，複数の直線を等ピッチで
設けたもの，複数の曲線をピッチが徐々に変化するよう
に設けたもの等，集光機能を有する各種構成が考えられ
ている。
れたものであり，回折格子は，複数の直線を等ピッチで
設けたもの，複数の曲線をピッチが徐々に変化するよう
に設けたもの等，集光機能を有する各種構成が考えられ
ている。
第５図（ａ）は，従来の回折格子光結合器の一例を示
す平面図，第５図（ｂ）はその断面図である。回折格子
光結合器は,LiNbO3等の結晶基板41上に形成された光導
波路42の一側部上に形成された回折格子43を有する。光
導波路42は基板41の幅方向中央部に長手方向に沿って一
定の幅および厚さで形成されている。該回折格子43は，
光導波路42の延伸方向とは直交する等しい長さの複数の
平板状透明体により構成されている。該回折格子43へ光
が投射されると，その光は該回折格子43を介して，光導
波路42内へ入射し，該光導波路42内を伝播する。また，
光導波路42内を伝播する導波光は，該回折格子43から導
波路42外へ出射される。
す平面図，第５図（ｂ）はその断面図である。回折格子
光結合器は,LiNbO3等の結晶基板41上に形成された光導
波路42の一側部上に形成された回折格子43を有する。光
導波路42は基板41の幅方向中央部に長手方向に沿って一
定の幅および厚さで形成されている。該回折格子43は，
光導波路42の延伸方向とは直交する等しい長さの複数の
平板状透明体により構成されている。該回折格子43へ光
が投射されると，その光は該回折格子43を介して，光導
波路42内へ入射し，該光導波路42内を伝播する。また，
光導波路42内を伝播する導波光は，該回折格子43から導
波路42外へ出射される。
このような従来の回折格子光結合器において，光導波
路42内を伝播する導波光21が，回折格子43から出射する
際の結合効率は，次のようになる。光導波路42内を伝播
する導波光21の強度をP1,回折格子43からの出射光22の
強度をP0とすると，回折格子結光合器の結合係数ηは， P0＝−ηP1 ……（１） で表わされる。
路42内を伝播する導波光21が，回折格子43から出射する
際の結合効率は，次のようになる。光導波路42内を伝播
する導波光21の強度をP1,回折格子43からの出射光22の
強度をP0とすると，回折格子結光合器の結合係数ηは， P0＝−ηP1 ……（１） で表わされる。
回折格子光結合器内を伝播する光は，その伝播の間に
徐々に減衰する。回折格子光結合器における光導波路42
内の導波光21の伝播方向の座標をｚで表わすと，回折格
子光結合器からの出射光の強度は，（２）式で示す１階
の微分方程式の解となる。
徐々に減衰する。回折格子光結合器における光導波路42
内の導波光21の伝播方向の座標をｚで表わすと，回折格
子光結合器からの出射光の強度は，（２）式で示す１階
の微分方程式の解となる。
（１）式より， P0〜exp（−ηｚ） ……（３） となり，出射光の強度分布は，第５図（ｂ）に併記した
ように，指数関数で表わされる。
ように，指数関数で表わされる。
このように，光導波路42内を伝播する光は，回折格子
光結合器から指数関数的な光強度分布をもって出射され
る。ところが，回折格子は光相反素子であるため，光導
波路42内へ光を入射させる場合には，入射光がこのよう
な指数関数的な光強度分布を有していれば，光導波路42
内を伝播する光の強度が一定になる。その結果，回折格
子光結合器の結合効率は著しく向上する。
光結合器から指数関数的な光強度分布をもって出射され
る。ところが，回折格子は光相反素子であるため，光導
波路42内へ光を入射させる場合には，入射光がこのよう
な指数関数的な光強度分布を有していれば，光導波路42
内を伝播する光の強度が一定になる。その結果，回折格
子光結合器の結合効率は著しく向上する。
（発明が解決しようとする課題） しかし，現実には，回折格子光結合器へ入射される
光，あるいは光導波路内を伝播する光に，上述のような
指数関数的な強度分布を持たすことは困難であり，通常
は半導体レーザ光のように対称性を有する光強度分布を
有している。このため，回折格子光結合器の結合効率は
80％程度が限度である。
光，あるいは光導波路内を伝播する光に，上述のような
指数関数的な強度分布を持たすことは困難であり，通常
は半導体レーザ光のように対称性を有する光強度分布を
有している。このため，回折格子光結合器の結合効率は
80％程度が限度である。
本発明は上記従来の問題を解決するものであり，その
目的は，結合効率に優れた回折格子光結合器を提供する
ことにある。
目的は，結合効率に優れた回折格子光結合器を提供する
ことにある。
（課題を解決するための手段） 本発明の回折格子光結合器は，光が伝播される光導波
路の内部と外部とを光学的に結合するべく該光導波路上
の一部の領域に回折格子が設けられており，該回折格子
の設けられている光導波路部分がその幅を，光が光導波
路内から外部へ出射される際の光の伝播方向に向かって
狭くなるようなテーパ状にして形成され，かつ，該回折
格子の設けられていない光導波路部分が，その幅を該回
折格子の設けられている光導波路部分の端部の幅に一致
させると共に一定にして形成され，結合係数が光導波路
内の導波光の伝播方向に順次変化していることを特徴と
してなり，そのことにより上記目的が達成される。
路の内部と外部とを光学的に結合するべく該光導波路上
の一部の領域に回折格子が設けられており，該回折格子
の設けられている光導波路部分がその幅を，光が光導波
路内から外部へ出射される際の光の伝播方向に向かって
狭くなるようなテーパ状にして形成され，かつ，該回折
格子の設けられていない光導波路部分が，その幅を該回
折格子の設けられている光導波路部分の端部の幅に一致
させると共に一定にして形成され，結合係数が光導波路
内の導波光の伝播方向に順次変化していることを特徴と
してなり，そのことにより上記目的が達成される。
また，本発明の回折格子光結合器は，光が伝播される
光導波路の内部と外部とを光学的に結合するべく該光導
波路上の一部の領域に回折格子が設けられており，該回
折格子の設けられている光導波路部分がその厚さを，光
が光導波路内から外部へ出射される際の光の伝播方向に
向かって狭くなるようなテーパ状にして形成され，か
つ，該回折格子の設けられていない光導波路部分が，そ
の厚さを該回折格子の設けられている光導波路部分の端
部の厚さに一致させると共に一定にして形成され，結合
係数が光導波路内の導波光の伝播方向に順次変化してい
ることを特徴としてなり，そのことにより上記目的が達
成される。
光導波路の内部と外部とを光学的に結合するべく該光導
波路上の一部の領域に回折格子が設けられており，該回
折格子の設けられている光導波路部分がその厚さを，光
が光導波路内から外部へ出射される際の光の伝播方向に
向かって狭くなるようなテーパ状にして形成され，か
つ，該回折格子の設けられていない光導波路部分が，そ
の厚さを該回折格子の設けられている光導波路部分の端
部の厚さに一致させると共に一定にして形成され，結合
係数が光導波路内の導波光の伝播方向に順次変化してい
ることを特徴としてなり，そのことにより上記目的が達
成される。
（実施例） 以下に本発明を実施例について説明する。
本発明の回折格子光結合器は，第１図（ａ）および
（ｂ）に示すように，例えばLiNbO3基板11上にストライ
プ状の光導波路12が形成された光学素子に設けられる。
該光導波路12は，通常のイオン交換法により一定の厚さ
に形成される。
（ｂ）に示すように，例えばLiNbO3基板11上にストライ
プ状の光導波路12が形成された光学素子に設けられる。
該光導波路12は，通常のイオン交換法により一定の厚さ
に形成される。
回折格子光結合器は光導波路12の一側部上に，例え
ば，光導波路12に沿って長さd0にわたって設けられる。
光導波路12はその回折格子光結合器部分を除いて一定の
幅となっており，該回折格子光結合器部分では幅が，光
が光導波路内から外部へ出射される際の光の伝播方向に
向かって徐々に狭くなったテーパ状になっている。
ば，光導波路12に沿って長さd0にわたって設けられる。
光導波路12はその回折格子光結合器部分を除いて一定の
幅となっており，該回折格子光結合器部分では幅が，光
が光導波路内から外部へ出射される際の光の伝播方向に
向かって徐々に狭くなったテーパ状になっている。
光導波路12のテーパ状部分上には，該光導波路12の延
伸方向とは直交する等しい長さの複数の平板状散乱体に
て回折格子13が構成されている。
伸方向とは直交する等しい長さの複数の平板状散乱体に
て回折格子13が構成されている。
光導波路12は，例えば，基板11上にポリメタクリレー
ト等の電子ビームレジストを塗布し，次いで電子ビーム
露光法で，上述したような形状のマスクパターンを描画
し，さらに，レジストを現像した後に，通常のプロトン
交換法により形成される。回折格子13は，光導波路12が
形成された基板11上にSi3N4膜等の透明膜を蒸着して，
この透明膜に電子ビームレジストを塗布し，次いで電子
ビーム露光法により回折格子パターンを描画した後に，
バッファードHF等のエッチング液を用いてエッチングす
ることにより形成される。回折格子光結合器の長さは，
電子ビーム露光装置の収差を避けるために,500μｍ程度
が好ましい。
ト等の電子ビームレジストを塗布し，次いで電子ビーム
露光法で，上述したような形状のマスクパターンを描画
し，さらに，レジストを現像した後に，通常のプロトン
交換法により形成される。回折格子13は，光導波路12が
形成された基板11上にSi3N4膜等の透明膜を蒸着して，
この透明膜に電子ビームレジストを塗布し，次いで電子
ビーム露光法により回折格子パターンを描画した後に，
バッファードHF等のエッチング液を用いてエッチングす
ることにより形成される。回折格子光結合器の長さは，
電子ビーム露光装置の収差を避けるために,500μｍ程度
が好ましい。
回折格子光結合器では，光導波路12の幅寸法が変化す
ることにより，該回折格子光結合器の結合係数が変化す
る。第２図は等価屈折率と回折格子光結合器の結合係数
との関係を示すグラフである。光導波路の幅寸法が大き
くなれば，等価屈折率もほぼ比例して大きくなる。本実
施例の光導波路12の回折格子光結合器部分における幅寸
法は，回折格子光結合器の光導波路の幅寸法の狭い方の
端にて結合係数が最大となり，しかも結合係数が直線的
に変化するように，設定される。第２図のグラフから明
らかなように，導波光が伝播しなくなるカットオフ点
（等価屈折率が基板の屈折率に等しくなる点）から等価
屈折率が大きくなるにつれて，結合係数が単調に減少し
ている。本実施例では，結合係数が最大となる光導波路
幅寸法が狭い側の端の幅寸法となるようにして，光導波
路12幅をテーパ状に設定している。
ることにより，該回折格子光結合器の結合係数が変化す
る。第２図は等価屈折率と回折格子光結合器の結合係数
との関係を示すグラフである。光導波路の幅寸法が大き
くなれば，等価屈折率もほぼ比例して大きくなる。本実
施例の光導波路12の回折格子光結合器部分における幅寸
法は，回折格子光結合器の光導波路の幅寸法の狭い方の
端にて結合係数が最大となり，しかも結合係数が直線的
に変化するように，設定される。第２図のグラフから明
らかなように，導波光が伝播しなくなるカットオフ点
（等価屈折率が基板の屈折率に等しくなる点）から等価
屈折率が大きくなるにつれて，結合係数が単調に減少し
ている。本実施例では，結合係数が最大となる光導波路
幅寸法が狭い側の端の幅寸法となるようにして，光導波
路12幅をテーパ状に設定している。
このような構成の本実施例の回折格子光結合器では，
回折格子13に光が投射されると，その光が該回折格子13
にて回折されて光導波路12内へ導入され，該光導波路12
内を伝播する。また，光導波路12内を伝播する光は，回
折格子13にて回折されて該回折格子13から出射される。
回折格子13に光が投射されると，その光が該回折格子13
にて回折されて光導波路12内へ導入され，該光導波路12
内を伝播する。また，光導波路12内を伝播する光は，回
折格子13にて回折されて該回折格子13から出射される。
本実施例において，光導波路12内を伝播する導波光21
が，回折格子結合器から出射される場合について考え
る。光導波路12内を伝播する導波光21の強度をP1,出射
光22の強度をP0,回折格子光結合器の結合係数をη，導
波光の伝播方向座標をｚとすると，出射光の強度P0は，
（４）式で表わされる１階の微分方程式の解となる。
が，回折格子結合器から出射される場合について考え
る。光導波路12内を伝播する導波光21の強度をP1,出射
光22の強度をP0,回折格子光結合器の結合係数をη，導
波光の伝播方向座標をｚとすると，出射光の強度P0は，
（４）式で表わされる１階の微分方程式の解となる。
dP0/dz＝−ηzPo ……（４） 回折格子光結合器の結合係数ηが,zの一次関数として
表されることから， P0〜exp（−Z2/2） ……（５） となり，出射光の強度P0はガウス型分布（第１図（ｂ）
参照）となる。
表されることから， P0〜exp（−Z2/2） ……（５） となり，出射光の強度P0はガウス型分布（第１図（ｂ）
参照）となる。
このように，回折格子光結合器の結合係数が導波光の
伝播方向に一定の割合で変化する場合には，一定強度の
導波光に対して出射光の強度がガウス型分布となり，回
折格子光結合器の結合効率の分布は，ガウス型分布とな
る。従って，回折格子光結合器は，レーザ光のようにガ
ウス型の強度分布を有する光と同様の結合効率分布とな
り，回折格子光結合器が導波光の伝播方向に十分長けれ
ば，全体の結合係数が低くても，光の減衰が低減され
る。その結果，回折格子光結合器は，光導波路への入射
光あるいは出射光と光導波路内の導波光とが高効率で光
学的に結合される。
伝播方向に一定の割合で変化する場合には，一定強度の
導波光に対して出射光の強度がガウス型分布となり，回
折格子光結合器の結合効率の分布は，ガウス型分布とな
る。従って，回折格子光結合器は，レーザ光のようにガ
ウス型の強度分布を有する光と同様の結合効率分布とな
り，回折格子光結合器が導波光の伝播方向に十分長けれ
ば，全体の結合係数が低くても，光の減衰が低減され
る。その結果，回折格子光結合器は，光導波路への入射
光あるいは出射光と光導波路内の導波光とが高効率で光
学的に結合される。
第３図（ａ）および（ｂ）は，本発明の回折格子光結
合器の他の実施例を示す。本実施例では，光導波路12の
幅寸法を一定とし，回折格子13が形成される光導波路12
部分の厚さを，光が光導波路内から外部へ出射される際
の光の伝播方向に向かって狭くなるようなテーパ状に変
化させることにより，等価屈折率を変化させて，回折格
子光結合器の結合係数を変化させている。光導波路12の
厚さが大きくなれば，等価屈折率も順次大きくなること
に基づいて，結合係数が，回折格子光結合器の一方の端
にて最大でかつ直線的に変化するように，その厚さが設
定される。その他の構成は，第１図に示す実施例と同様
である。
合器の他の実施例を示す。本実施例では，光導波路12の
幅寸法を一定とし，回折格子13が形成される光導波路12
部分の厚さを，光が光導波路内から外部へ出射される際
の光の伝播方向に向かって狭くなるようなテーパ状に変
化させることにより，等価屈折率を変化させて，回折格
子光結合器の結合係数を変化させている。光導波路12の
厚さが大きくなれば，等価屈折率も順次大きくなること
に基づいて，結合係数が，回折格子光結合器の一方の端
にて最大でかつ直線的に変化するように，その厚さが設
定される。その他の構成は，第１図に示す実施例と同様
である。
光導波路12の厚さは，イオン交換時間の平方根と比例
することを考慮して，イオン交換時間を変化させること
により変化させ得る。イオン交換時間を変化させて光導
波路12の厚さを変化させる方法としては，第４図に示す
ように，イオン交換溶液31内に基板11を鉛直に吊し，基
板11を徐々にイオン交換溶液31から引き上げればよい。
することを考慮して，イオン交換時間を変化させること
により変化させ得る。イオン交換時間を変化させて光導
波路12の厚さを変化させる方法としては，第４図に示す
ように，イオン交換溶液31内に基板11を鉛直に吊し，基
板11を徐々にイオン交換溶液31から引き上げればよい。
なお，上記実施例では,LiNbO3基板にプロトン交換法
にて光導波路を形成し，該光導波路に積層されたSi3N4
膜により回折格子を形成する構成としたが，このような
構成に限定されるものではなく，例えば回折格子を,ITO
膜や電子ビームレジスト等の透明膜に適当なエッチング
方法を施すことにより形成してもよい。
にて光導波路を形成し，該光導波路に積層されたSi3N4
膜により回折格子を形成する構成としたが，このような
構成に限定されるものではなく，例えば回折格子を,ITO
膜や電子ビームレジスト等の透明膜に適当なエッチング
方法を施すことにより形成してもよい。
また，基板として,LiTaO3（タンタル酸リチウム）,KT
iOPO4（KTP）等のような,200℃程度の低温でプロトン交
換により容易に光導波路を形成し得るものを用いてもよ
い。
iOPO4（KTP）等のような,200℃程度の低温でプロトン交
換により容易に光導波路を形成し得るものを用いてもよ
い。
（発明の効果） 本発明の回折格子光結合器は，このように，光導波路
への入射光あるいは出射光の強度分布と結合効率がほぼ
一致した状態になり，結合効率は著しく向上する。
への入射光あるいは出射光の強度分布と結合効率がほぼ
一致した状態になり，結合効率は著しく向上する。
第１図（ａ）は本発明の回折格子光結合器の一例を示す
平面図，第１図（ｂ）はその断面図，第２図は光導波路
の幅と回折格子光結合器の結合係数との関係を示すグラ
フ，第３図（ａ）は本発明の回折格子光結合器の他の例
を示す平面図，第３図（ｂ）はその断面図，第４図はそ
の製造方法の一例を示す概略図，第５図（ａ）は従来の
回折格子結合器の平面図，第５図（ｂ）はその断面図で
ある。 11……基板,12……光導波路,13……回折格子,21……導
波光,22……出射光。
平面図，第１図（ｂ）はその断面図，第２図は光導波路
の幅と回折格子光結合器の結合係数との関係を示すグラ
フ，第３図（ａ）は本発明の回折格子光結合器の他の例
を示す平面図，第３図（ｂ）はその断面図，第４図はそ
の製造方法の一例を示す概略図，第５図（ａ）は従来の
回折格子結合器の平面図，第５図（ｂ）はその断面図で
ある。 11……基板,12……光導波路,13……回折格子,21……導
波光,22……出射光。
Claims (2)
- 【請求項１】光が伝播される光導波路の内部と外部とを
光学的に結合するべく該光導波路上の一部の領域に回折
格子が設けられており，該回折格子の設けられている光
導波路部分がその幅を，光が光導波路内から外部へ出射
される際の光の伝播方向に向かって狭くなるようなテー
パ状にして形成され，かつ，該回折格子の設けられてい
ない光導波路部分が，その幅を該回折格子の設けられて
いる光導波路部分の端部の幅に一致させると共に一定に
して形成され，結合係数が光導波路内の導波光の伝播方
向に順次変化していることを特徴とする回折格子光結合
器。 - 【請求項２】光が伝播される光導波路の内部と外部とを
光学的に結合するべく該光導波路上の一部の領域に回折
格子が設けられており，該回折格子の設けられている光
導波路部分がその厚さを，光が光導波路内から外部へ出
射される際の光の伝播方向に向かって狭くなるようなテ
ーパ状にして形成され，かつ，該回折格子の設けられて
いない光導波路部分が，その厚さを該回折格子の設けら
れている光導波路部分の端部の厚さに一致させると共に
一定にして形成され，結合係数が光導波路内の導波光の
伝播方向に順次変化していることを特徴とする回折格子
光結合器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2032980A JP2517772B2 (ja) | 1989-02-17 | 1990-02-14 | 回折格子光結合器 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1-38686 | 1989-02-17 | ||
| JP3868689 | 1989-02-17 | ||
| JP2032980A JP2517772B2 (ja) | 1989-02-17 | 1990-02-14 | 回折格子光結合器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03213809A JPH03213809A (ja) | 1991-09-19 |
| JP2517772B2 true JP2517772B2 (ja) | 1996-07-24 |
Family
ID=26371604
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2032980A Expired - Fee Related JP2517772B2 (ja) | 1989-02-17 | 1990-02-14 | 回折格子光結合器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2517772B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2848680B1 (fr) * | 2002-12-16 | 2005-04-01 | Teem Photonics | Reseau a gaine artificielle en optique integree presentant une variation de couplage ainsi que son procede de realisation |
| KR100759812B1 (ko) * | 2005-12-07 | 2007-09-20 | 한국전자통신연구원 | 테이퍼 도파로 브래그 격자소자 |
Family Cites Families (5)
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-
1990
- 1990-02-14 JP JP2032980A patent/JP2517772B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03213809A (ja) | 1991-09-19 |
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