JP2551477B2 - 導波光と外部光との結合方法 - Google Patents

導波光と外部光との結合方法

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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、光導波路内を導波する光を回折格子により
光導波路外に出力させ、あるいは外部光を回折格子によ
って光導波路内に入力させる方法に関するものである。
(従来の技術) 光導波路において光を導波させる際に、外部光を光導
波路内に入力させるため、あるいは導波光を光導波路外
に出力させるために、従来より、光導波路表面に回折格
子を設け、この回折格子により外部光と導波光とを結合
させることが考えられている。このような回折格子は、
その他の例えばプリズムカプラ等の光入出力手段に比べ
れば、光導波路素子の小型軽量化の点で有利である。
(発明が解決しようとする課題) しかしその半面この回折格子は、周囲温度の変動に応
じて、光入力に用いる場合は入力効率が、また光出力に
用いる場合は光出射角が敏感に変動するという問題を有
している。以下この点を、光入力の場合を例にとって詳
しく説明する。
例えば外部光を基板を通して回折格子に照射する場
合、外部光と導波光との位相整合条件は、回折格子への
光入射角をφ、光導波路の実効屈折率をN、光導波路基
板の屈折率をn、光と回折格子の波数ベクトルを各々 光入力用回折格子における結合次数をmとすると、 n k sinφ=N k−m K ……(1) である。ただし光波長をλ、回折格子周期をΛとして、 である。上述のように基板側から外部光を入射させる場
合、通常は基板端面を斜めにカットして、この端面から
外部光を入射させる。そして多くの場合、この基板端面
への外部光入射角は、該端面に施す反射防止膜の設計容
易化を図って0゜(垂直入射)とされる。
ところで基板材料の屈折率nは、一般に高い温度係数
を有する。例えばLiNbO3の屈折率温度係数Δn/Δtは、
5.3×10-5 deg-1である。また光導波路の実効屈折率N
も、この基板の屈折率変化に応じて変わるから、上記
(1)式から明らかなように、入射角φが一定である限
り、位相整合は温度変化にともなって少しずつ劣化し、
入力効率が低下することになる。
なお、上述のように基板端面から外部光を入射させる
場合、垂直入射とされていなければ、基板の温度変化つ
まり屈折率変化に応じて該端面からの出射角が変化し、
回折格子への外部光入射角φが変化することになるが、
この入射角φがただ適当に変化するだけでは、各温度下
で常に位相整合条件を満足させることはできない。
また外部光を基板と反対側、つまり周囲媒質(通常は
空気)側から回折格子に照射させる場合の位相整合条件
は、前記(1)式において光導波路基板の屈折率nが周
囲媒質の屈折率に置き換えられたものとなるが、この場
合も基板の温度変化に応じて光導波路の実効屈折率Nが
変化する点は同じであり、また外部光の回折格子の入射
角φは一定であるから、前述と同様の問題が生じる。
以上、光入力の場合に入力効率が基板温度の変化に応
じて変動してしまう点を説明したが、回折格子から導波
光を出力させる際に出射角が基板温度変化に応じて変動
してしまうことは、光入力と光出力の場合の相反定理か
ら明らかである。
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであ
り、基板温度が変化しても、光入力効率の変動を低く抑
えることができ、あるいは回折格子からの光出射角変動
を補正することができる、導波光と外部光との結合方法
を提供することを目的とするものである。
(課題を解決するための手段) 本発明による導波光と外部光との結合方法は、先に述
べたように光導波路表面(これは、空気側あるいは基板
側の表面のどちらでもよい)に設けた回折格子によって
導波光と外部光とを結合する方法において、 上記外部光を光導波路の基板の端面に通して、そこで
上記回折格子による回折の向きと同方向に屈折させ、 この基板端面が光導波路に対してなす角度αを、 ただしδは任意の温度t0における基板屈折率nに対する
光導波路実効屈折率Nの比、φは前記任意の温度t0にお
ける回折格子に対する外部光の入射角あるいは出射角 なる関係を満たす値に設定することを特徴とするもので
ある。
なお上記の「回折の向きと同方向に屈折させる」と
は、回折格子における回折の向きが、ある方向から見た
際に例えば光の進行方向に対して右側になっているとす
れば、それと同じ方向から見た際に基板端面における屈
折の向きが、光の進行方向に対して同じく右側になるよ
うに屈折させるということを意味する。
(作用) 以下、外部光を上述のような角度αに設定された基板
端面に通すことにより、基板屈折率の変動が補正される
点について説明する。なお以下の説明は、光導波路への
光入力の場合について行なう。本発明の方法において、
外部光は基板側から入射されるから、光導波路表面の光
入力用回折格子における位相整合条件は、先に説明した
通り、 n k sinφ=N k−m K ……(1) ただしk=2π/λ、K=2π/Λ であるから、 λ=(N−n sinφ)Λ/m となる。ここで基板屈折率nに対する光導波路実効屈折
率Nの比は、基板屈折率nに係わらず一定であるとみな
し、その比をδとすると、上式より φについて微分すると、 次に、基板端面で屈折した外部光の回折格子への入射
角が、どのように基板屈折率nに依存しているかを考え
る。第1図に示すように、基板11の端面11aが光導波路1
2となす角度をα、基板端面11aにおける外部光の入射
角、出射角をそれぞれθ、θ、回折格子13への外部
光入射角をφとし、周囲媒質の屈折率をncとすると、 sinθ1/sinθ=n/nc α−φ=θより、 n=nc sinθ1/sin(α−φ) φについて微分すると、 基板屈折率の変化に対し、常に位相整合条件を満たす入
射角φを得るには、回折格子入力におけるdn/dφと端面
屈折によるdn/dφとが等しく、同方向であればよい。そ
こでこの(5)式と前記(4)式を同時に満足するαを
求めると、 より (3)式よりnλ/(nΛ)=δ−sinφ であるから、これを上式に代入すると、 となる。これが前述した(2)式である。
以上の説明から明らかなように、基板端面が光導波路
となす角度を上記αに設定し、そして回折格子を上記入
射角φで外部光と導波光との位相整合がとれるように形
成しておけば、基板屈折率変化により(つまり基板端面
における出射角θの変化により)入射角φは、前記
(1)式における基板屈折率nおよび光導波路実効屈折
率Nの変動を補償してこの(1)式を常に満足するよう
に変化することになり、回折格子における光入力効率が
高く維持される。
以上、光入力の場合を説明したが、回折格子から出力
された外部光を上述のような角度αに設定された基板端
面に通すことにより、回折格子からの出射角変動が補償
されて、該端面からの外部光出射角が一定になること
は、前記の相反定理から明らかであろう。
なお上記の説明は、基板屈折率nに対する光導波路実
効屈折率Nの比δが、基板屈折率nが変化しても一定で
あることを前提としており、多くの光導波路素子におい
ても事実そのようになる。しかし本発明は、この比δが
基板屈折率nの変化に応じて若干変動する光導波路素子
に対しても有効である。つまりそのような光導波路素子
においても、基板端面が光導波路となす角度αを前記
(2)式で規定されるように設定しておけば、基板温度
が変化したとき、光入力の場合ならば、回折格子におけ
る位相整合がある程度劣化することはあるものの、全く
何の対策も講じない場合に比べれば、光入力効率をより
高く維持できる。また光出力の場合は、同様にして基板
端面からの光出射角変動をより小さく抑えることができ
る。
(実 施 例) 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説
明する。
第1図と第2図は、本発明の方法によって外部光を光
導波路内に入力させるようにした光導波路素子の一例を
示すものである。この光導波路素子10は、透明な基板11
上に形成されたスラブ状光導波路12と、光導波路12の表
面において互いに離して設けられた光入力用回折格子
(Linear Grating Coupler:以下LGCと称する)13および
光出力用LGC14とを有している。
本実施例においては一例として、基板11にLiNbO3ウェ
ハを用い、このウェハの表面にTi拡散膜を設けることに
より光導波路12を形成している。なお基板11としてその
他サファイア、Si等からなる結晶性基板が用いられても
よい。また光導波路12も上記のTi拡散に限らず、基板11
上のにその他の材料をスパッタ、蒸着して形成すること
もできる。
半導体レーザ15は、LGC13に向けて波長λ=0.788μm
の光ビーム(レーザビーム)17を射出するように配置さ
れている。発散ビームであるこの光ビーム17は、コリメ
ーターレンズ18によって平行ビームとされ、斜めにカッ
トされた基板端面11aを通ってこの基板11側からLGC13の
部分に入射する。光ビーム17はこのLGC13で回折して光
導波路12内に入射し、該光導波路12内を導波モードで矢
印A方向に進行する。この導波光17′はLGC14において
回折して、光導波路12から基板11側に出射する。光導波
路12から出射して外部光となった光ビーム17″は、基板
端面11bから素子外に出射する。
ここで本実施例においては、光導波路素子10の各要素
を設計する上での基準温度t0=25℃とし、この温度下
で、光ビーム17のLGC13への入射角φ=65゜となるよう
にする。そのときの基板11の屈折率n=2.1743、また光
導波路12の実効屈折率N=2.1793であり、よってδ=N/
n=1.0023である。以上の条件のとき前記(1)式よ
り、LGC13の周期Λ=3.776μmとすれば、光入力効率が
最も高くなる。そして上述のようにδ=1.0023、入射角
φ=65゜としたとき、前記(2)式を満足するαを求め
ると、α=77.80゜となるので、基板端面11aが光導波路
12となす角度αをこの値とする。
α=77.80゜のとき入射角φ=65゜とするため、基板
端面11aにおける屈折の向きがLGC13における回折の向き
と同方向となるように光ビーム17を入射させるものと
し、また端面11aに対する光ビーム17の入射角、出射角
をそれぞれθ、θとすると、前述した通り sinθ1/sinθ=n/1 α−φ=θ であるから、これによりθ=28.79゜となる。つまり
α=77.80゜として、基板端面11aに対して入射角θ
28.79゜で光ビーム17を入射させれば、基板温度が変化
して基板屈折率nが変動しても(この場合前述したよう
に屈折率の温度係数Δn/Δt=3.5×10-5 deg-1であ
る)、先に述べた理由により、LGC13における光入力効
率がt0=25℃のときと等しく保たれる。
第3図には、本実施例における基板温度変化量Δt
と、光入力効率の関係を実線で示す。光入力効率は、基
準温度t0=25℃における効率をηとしてそれに対する
相対値η/ηで示し、一方温度変化量Δtは、基準温
度t0=25℃との差で示してある。この第3図からも、本
発明によれば、基板温度が変化しても光入力効率が一定
に保たれることが明らかである。なおこの第3図には、
α=φ=65゜として光ビーム17が基板端面11aに垂直入
射するようにし、その他の条件は上記実施例と同じにし
た場合の光入力効率の変化の様子を破線で示してある。
この場合は図示される通り、光入力効率ηはt0=25℃の
場合に比べてΔt=5.7℃で10%低下し、Δt=14.1℃
では50%と半減してしまう。
以上、本発明を光入力に適用した実施例について説明
したが、既述の通り本発明は、光出力の場合にも適用可
能である。
(発明の効果) 以上詳細に説明した通り本発明の方法によれば、基板
端面が光導波路となす角度を前記(2)式で規定される
ように設定したことにより、光導波路への光入力の場合
は基板温度が変動しても光入力効率をほぼ一定に保つこ
とができる。よって本方法によれば、光利用効率を常に
高く維持することができる。また例えば、光導波路にお
ける導波光を表面弾性波によって連続的に回折、偏向さ
せて光導波路外に出射させ、この偏向ビームを記録媒体
上に走査させて画像記録あるいは画像読取りを行なう装
置において本発明の方法を適用すれば、走査光量が安定
化されて精密な画像記録あるいは読取りが可能となる。
また本発明を光出力に適用した際には、基板端面以降
の外部光光路をほぼ一定に保つことができる。よって本
方法によれば、回折格子における光ビームの出射角変動
を補正する複雑な光学系が不要となり、また例えば上述
したような画像記録あるいは読取装置において本方法を
適用すれば、基板温度変動による走査ビームの位置ズレ
が防止され、この点からも画像記録あるいは読取りの精
度向上が実現される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の方法を実施する装置の一部を示す部分
側面図、 第2図は第1図の装置の全体構成を示す斜視図、 第3図は本発明に係わる基板温度変化量と、回折格子へ
の光入力効率との関係を示すグラフである。 11……基板、11a……基板端面 12……光導波路、13……光入力用LGC

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光導波路を導波する導波光と外部光とを、
    該光導波路の表面に設けた回折格子によって結合する方
    法において、 前記外部光を光導波路の基板の端面に通して、そこで前
    記回折格子による回折の向きと同方向に屈折させ、 この基板端面が光導波路に対してなす角度αを、 ただしδは任意の温度t0における基板屈折率nに対する
    光導波路実効屈折率Nの比、φは前記任意の温度t0にお
    ける回折格子に対する外部光の入射角あるいは出射角 なる関係を満たす値に設定することを特徴とする導波光
    と外部光との結合方法。
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