JP2595005B2 - グレーティングレンズ及びそれを用いた光導波路 - Google Patents
グレーティングレンズ及びそれを用いた光導波路Info
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- JP2595005B2 JP2595005B2 JP63014440A JP1444088A JP2595005B2 JP 2595005 B2 JP2595005 B2 JP 2595005B2 JP 63014440 A JP63014440 A JP 63014440A JP 1444088 A JP1444088 A JP 1444088A JP 2595005 B2 JP2595005 B2 JP 2595005B2
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- grating lens
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- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/124—Geodesic lenses or integrated gratings
- G02B6/1245—Geodesic lenses
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- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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- Optics & Photonics (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はプレーナ型光導波路中を伝搬する光を前記導
波路内の一点に集光させるグレーティングレンズに関す
る。
波路内の一点に集光させるグレーティングレンズに関す
る。
不等間隔回折格子を利用してプレーナ型光導波路内を
伝搬する光を、導波路内の一点に集光させる従来のグレ
ーティングレンズに関しては、例えば、アイ・イー・イ
ー・イー,ジャーナル・オブ・ライトウェーブテクノロ
ジーのVol.,LT−2,No.4(1984)の第503頁から第511頁
において論じられているように第2図の様な構成となっ
ている。すなわち、基板21上の導波層22の上に形成され
た不等間隔回折格子23を用い、導波光24を焦点25に集光
するものである。ただし、図のように回折格子の光軸方
向の厚さdは一定となっている。
伝搬する光を、導波路内の一点に集光させる従来のグレ
ーティングレンズに関しては、例えば、アイ・イー・イ
ー・イー,ジャーナル・オブ・ライトウェーブテクノロ
ジーのVol.,LT−2,No.4(1984)の第503頁から第511頁
において論じられているように第2図の様な構成となっ
ている。すなわち、基板21上の導波層22の上に形成され
た不等間隔回折格子23を用い、導波光24を焦点25に集光
するものである。ただし、図のように回折格子の光軸方
向の厚さdは一定となっている。
しかしながら、上記従来技術では入射光線が光軸から
傾いて入射したり、入射光線の波長が設計値からずれた
場合に集光の効果が大きく低下する傾向があった。たと
えば、上記文献に論じられているグレーティングレンズ
の場合、入射光線を光軸から傾けた場合、集光点におけ
る光強度が入射光線が全く傾いていない場合の半分とな
る傾き角の幅は僅か1.5度である。このため、グレーテ
ィングレンズは光スペクトラムアナライザ,光コンボル
バ,ユリレータ等入射光線を光軸に対して振る光ICには
使用できないという課題がある。また光ファイバやレー
ザからの入射光をユリメートする場合にも、光ファイバ
やレーザの厳密な位置合わせが必要となり、生産性,コ
ストの面で課題がある。
傾いて入射したり、入射光線の波長が設計値からずれた
場合に集光の効果が大きく低下する傾向があった。たと
えば、上記文献に論じられているグレーティングレンズ
の場合、入射光線を光軸から傾けた場合、集光点におけ
る光強度が入射光線が全く傾いていない場合の半分とな
る傾き角の幅は僅か1.5度である。このため、グレーテ
ィングレンズは光スペクトラムアナライザ,光コンボル
バ,ユリレータ等入射光線を光軸に対して振る光ICには
使用できないという課題がある。また光ファイバやレー
ザからの入射光をユリメートする場合にも、光ファイバ
やレーザの厳密な位置合わせが必要となり、生産性,コ
ストの面で課題がある。
このような角度のずれや波長のずれに強いレンズとし
て、例えば電子通信学会技術報告OQE86−176(1986)の
第23頁から第29頁において論じられているフレネルレン
ズがあるが、このレンズはレンズ部と導波路の屈折率差
が大きいため、光が基板に漏れ易く集光の効率は最大で
も前記グレーティングレンズの85%に比べ30%と著しく
低く実用化できない。
て、例えば電子通信学会技術報告OQE86−176(1986)の
第23頁から第29頁において論じられているフレネルレン
ズがあるが、このレンズはレンズ部と導波路の屈折率差
が大きいため、光が基板に漏れ易く集光の効率は最大で
も前記グレーティングレンズの85%に比べ30%と著しく
低く実用化できない。
本発明の目的は、集光の効果が高くかつ入射光線の光
軸からのずれや波長のずれの許容度の大きいグレーティ
ングレンズ及びそれを用いた光導波路を提供することに
ある。
軸からのずれや波長のずれの許容度の大きいグレーティ
ングレンズ及びそれを用いた光導波路を提供することに
ある。
上記目的は、基板上に形成された回折格子の厚さを、
光軸に直交する軸方向に沿って厚くなるように構成した
グレーティングレンズにより達成される。
光軸に直交する軸方向に沿って厚くなるように構成した
グレーティングレンズにより達成される。
本発明のようにレンズの厚さdがd=c/y(cは定
数)であるグレーティングレンズは、以下のような作用
で、入射光線のずれや波長のずれに対する許容度を大き
くせしめる。
数)であるグレーティングレンズは、以下のような作用
で、入射光線のずれや波長のずれに対する許容度を大き
くせしめる。
第3図のように光軸(x軸)と平行に光が入射し回折
格子によって光軸とθdの角をなす方向へ回折されると
き、グレーティングレンズのように回折格子が十分厚い
場合の回折の効率η0は次式となる。
格子によって光軸とθdの角をなす方向へ回折されると
き、グレーティングレンズのように回折格子が十分厚い
場合の回折の効率η0は次式となる。
ただし、K:結合係数,d:回折格子の厚さ 結合係数は、材料の屈折率や回折格子の作製法によっ
て決まる量であり、その値に対しd及びcosθdをν=
Π/2となるように設計すればη0を100%とできる。し
かし入射光が光軸からΔθずれて入射したり、入射光の
波長が設計波長λよりΔλだけずれた場合には効率は低
下する。
て決まる量であり、その値に対しd及びcosθdをν=
Π/2となるように設計すればη0を100%とできる。し
かし入射光が光軸からΔθずれて入射したり、入射光の
波長が設計波長λよりΔλだけずれた場合には効率は低
下する。
ただし、Λ:回折格子のピッチ φ:回折格子に垂直な直線がx軸となす角 とおくと、Δθ,Δλの存在するときの回折の効率ηは
次式となる。
次式となる。
第4図にξとηの関係を示す。したがってηを大きく
するにはξを小さくすることが必要である。
するにはξを小さくすることが必要である。
グレーティングレンズは不等間隔の回折格子で構成す
るがそのピッチΛは次式で与えられる。
るがそのピッチΛは次式で与えられる。
ここで、N:導波光31の等価屈折率 f:レンズの焦点距離 一般のレンズは光軸付近に作製するためy/f<<1で
ありその場合はΛは次式のように簡単となる したがってグレーティングレンズにおけるα1,α2は次
式で表せる。
ありその場合はΛは次式のように簡単となる したがってグレーティングレンズにおけるα1,α2は次
式で表せる。
従来のグレーティングレンズではレンズ厚さdは全領
域で一定であるため(4),(7),(8)からわかる
ようにα1,α2ともy(μm)に比例すると増大し、y
の大きい所でξが大きくなりηが大きく低下し、これが
レンズ全体の回折の効率を低下させる原因となってい
た。そこで、レンズの厚さd(μm)を yd=c(cは定数) ……(9) となるようにし、かつこの定数値をプロセス的に可能な
かぎり小さくすれば、α1,α2をレンズの全領域でほぼ
一定かつ小さな値とできるので、Δθ,Δλが大きい場
合も十分大きな回折の効率を得ることができる。ここで
cは103以上がよい。
域で一定であるため(4),(7),(8)からわかる
ようにα1,α2ともy(μm)に比例すると増大し、y
の大きい所でξが大きくなりηが大きく低下し、これが
レンズ全体の回折の効率を低下させる原因となってい
た。そこで、レンズの厚さd(μm)を yd=c(cは定数) ……(9) となるようにし、かつこの定数値をプロセス的に可能な
かぎり小さくすれば、α1,α2をレンズの全領域でほぼ
一定かつ小さな値とできるので、Δθ,Δλが大きい場
合も十分大きな回折の効率を得ることができる。ここで
cは103以上がよい。
以下本発明の実施例を図を用いて説明する。
<実施例1> 第一の実施例は基板として強誘電体結晶であるLiNbO3
を用いるものである。第1図は本発明によるグレーティ
ングレンズの代表的概略図を示したものである。11は基
板、12は光導波層、13は不等間隔回折格子で構成された
グレーティングレンズ、14は入射光、15は焦点である。
を用いるものである。第1図は本発明によるグレーティ
ングレンズの代表的概略図を示したものである。11は基
板、12は光導波層、13は不等間隔回折格子で構成された
グレーティングレンズ、14は入射光、15は焦点である。
本実施例では基板11としてYカットLiNbO3結晶基板を
用いる。光導波層12はTiの熱拡散で作製する。回折格子
13はTiO2で形成する。このような材料選択をした場合、
伝搬光14の等価屈折率はN=2.209,TiO2の屈折率はng=
2.5である。回折格子の上部クラッドとしてnc=1.85の
シリコンナイトライドを用いる。以下使用光は波長λ=
0.6328μmのHe−Neレーザ光とする。
用いる。光導波層12はTiの熱拡散で作製する。回折格子
13はTiO2で形成する。このような材料選択をした場合、
伝搬光14の等価屈折率はN=2.209,TiO2の屈折率はng=
2.5である。回折格子の上部クラッドとしてnc=1.85の
シリコンナイトライドを用いる。以下使用光は波長λ=
0.6328μmのHe−Neレーザ光とする。
導波光は空気中にエバネッセント波としてしみ出すが
その深さhcは次式で表せる。
その深さhcは次式で表せる。
ここでaは第6図に示したように回折格子の占める体
積の割合(アスベフト比)を示し0≦a≦1である。a
=0.5のとき、本実施例の場合ngc=2.20したがってhc=
0.5(μm)である。回折格子はこのしみ出し波に対し
て作用するので結合係数はhhcではhに比例しhhc
ならば一定値となる。H.A.Housらの文献(Appl.Opt.No.
15,Vol.3 p774(1976)によればKの値は次式で表せ
る。
積の割合(アスベフト比)を示し0≦a≦1である。a
=0.5のとき、本実施例の場合ngc=2.20したがってhc=
0.5(μm)である。回折格子はこのしみ出し波に対し
て作用するので結合係数はhhcではhに比例しhhc
ならば一定値となる。H.A.Housらの文献(Appl.Opt.No.
15,Vol.3 p774(1976)によればKの値は次式で表せ
る。
ただし、T:等価導波路厚さ nf:導波層表面の屈折率 本実施例の場合T1.7(μm),nf=2.22なので、h
=0.3μmの時2.25×10-2μm-1である。したがって入射
角のずれΔθや波長のずれΔλが全く存在しないときη
0を100%とする条件、即ちν=π/2とできるレンズ厚
さは70μmである。したがって例えば光軸から200〜120
0μmの位置に開口1mm,焦点距離f=28mmのグレーティ
ングレンズを作製する場合、(9)式における定数cの
最小値は8.38×104(μm2)となるから(4),
(7),(8)より 第4図のように効率ηが50%となるのはξ1.2のと
きであるから、そのときのΔθは Δθ〜2.66(mrad)〜2.18(度) ……(13) したがって2Δθ(強度の半値全幅)は約4.4度とな
り、前記文献の同一の設計値のレンズの2.5倍以上とす
ることができる。
=0.3μmの時2.25×10-2μm-1である。したがって入射
角のずれΔθや波長のずれΔλが全く存在しないときη
0を100%とする条件、即ちν=π/2とできるレンズ厚
さは70μmである。したがって例えば光軸から200〜120
0μmの位置に開口1mm,焦点距離f=28mmのグレーティ
ングレンズを作製する場合、(9)式における定数cの
最小値は8.38×104(μm2)となるから(4),
(7),(8)より 第4図のように効率ηが50%となるのはξ1.2のと
きであるから、そのときのΔθは Δθ〜2.66(mrad)〜2.18(度) ……(13) したがって2Δθ(強度の半値全幅)は約4.4度とな
り、前記文献の同一の設計値のレンズの2.5倍以上とす
ることができる。
また前記文献で十分な効率が得られなかった焦点距離
の短い、例えばf=12mmのレンズに対しても100%近い
効率と1.56度という2Δθ幅を得ることができる。
の短い、例えばf=12mmのレンズに対しても100%近い
効率と1.56度という2Δθ幅を得ることができる。
次に、本実施例の具体的な作製プロセスを示す。第6
図は、その工程を示したものである。
図は、その工程を示したものである。
まずYカットLiNbO3基板61の片面を光学研磨した後、
研磨面上にスパッタリングないし電子ビーム蒸着により
約24nmのTi層62を成膜する。その後基板を石英製の反応
管へ入れ、雰囲気ガスとして最初2時間Ar、ついで0.75
時間O2を、ともに2/min流しながら1000℃で熱拡散を
行う。この処理により基板表面付近に約1.5μmの厚さ
の光導波路63が形成される。
研磨面上にスパッタリングないし電子ビーム蒸着により
約24nmのTi層62を成膜する。その後基板を石英製の反応
管へ入れ、雰囲気ガスとして最初2時間Ar、ついで0.75
時間O2を、ともに2/min流しながら1000℃で熱拡散を
行う。この処理により基板表面付近に約1.5μmの厚さ
の光導波路63が形成される。
次に回折格子のパターニングを行う。まずノボラック
系のポジ型フォトレジスト64を基板表面にスピンナによ
り1μm成膜し40℃に加熱したクロロベンゼン中へ5分
間浸漬し表面処理を行う。次に第1図13の回折格子形状
の窓を持つフォトマスクを重ねて露光・現像を行いレジ
ストパターン65を作製する。次にTiを電子ビーム蒸着す
るが、膜厚を制御するため以下の手法を用いる。パター
ニングの済んだ基板上に長い辺がレンズの最大の厚さよ
り長く、短い辺がレンズの開口の1/10である長方形の窓
を持つマスク板71を重ねる。蒸着源を十分基板から遠い
位置に設置すれば、Ti粒子はほぼ基板に垂直に飛来す
る。最初マスク板の中心を回折格子パターンの中心軸
(x軸)に重ねる。マスク板の中心のy座標をy0とする
と、第7図のようにマスク板をy軸方向にy0に反比例す
る速度で移動すれば、y座標に比例した厚さのTi膜が成
膜できる。
系のポジ型フォトレジスト64を基板表面にスピンナによ
り1μm成膜し40℃に加熱したクロロベンゼン中へ5分
間浸漬し表面処理を行う。次に第1図13の回折格子形状
の窓を持つフォトマスクを重ねて露光・現像を行いレジ
ストパターン65を作製する。次にTiを電子ビーム蒸着す
るが、膜厚を制御するため以下の手法を用いる。パター
ニングの済んだ基板上に長い辺がレンズの最大の厚さよ
り長く、短い辺がレンズの開口の1/10である長方形の窓
を持つマスク板71を重ねる。蒸着源を十分基板から遠い
位置に設置すれば、Ti粒子はほぼ基板に垂直に飛来す
る。最初マスク板の中心を回折格子パターンの中心軸
(x軸)に重ねる。マスク板の中心のy座標をy0とする
と、第7図のようにマスク板をy軸方向にy0に反比例す
る速度で移動すれば、y座標に比例した厚さのTi膜が成
膜できる。
成膜後基板をアセトンに浸漬してレジストをリフトオ
フして、膜厚hがy座標に比例するように制御されたTi
膜66を得る。これを再び石英製の反応管中へ入れ、O2を
2/min流しながら500℃で5時間熱酸化し、屈折率2.5
のTiO2の回折格子67を作製する。
フして、膜厚hがy座標に比例するように制御されたTi
膜66を得る。これを再び石英製の反応管中へ入れ、O2を
2/min流しながら500℃で5時間熱酸化し、屈折率2.5
のTiO2の回折格子67を作製する。
結合係数Kは、(11)式のようにTiO2の膜厚hに比例
した値を持つので、以上のようにすれば、y座標に比例
した総合係数の値を持つ回折格子を作製でき、レンズ厚
さdをy座標に反比例するように設計しても、レンズの
全領域でν=Kd=π/2とでき、高効率でかつ入射角のず
れや波長のずれに対し許容度の大きいグレーティングレ
ンズを作製することができる。
した値を持つので、以上のようにすれば、y座標に比例
した総合係数の値を持つ回折格子を作製でき、レンズ厚
さdをy座標に反比例するように設計しても、レンズの
全領域でν=Kd=π/2とでき、高効率でかつ入射角のず
れや波長のずれに対し許容度の大きいグレーティングレ
ンズを作製することができる。
最後にプラズマCVDにより、屈折率nc=1.85のシリコ
ンナイトライド膜68を成膜し所望のグレーティングレン
ズを得る。
ンナイトライド膜68を成膜し所望のグレーティングレン
ズを得る。
<実施例2> 第二の実施例は基板11として通常のSiO2系ガラス(屈
折率1.47)を用い、光導波層としてコーニング#7059ガ
ラス(屈折率nf=1.55)を用い、回折格子13をSiN−H
(屈折率ng=1.9)を用い、クラッド層としては空気(n
c=1)を用いる。本実施例では導波光の等価屈折率N
=1.525である。したがってngc=1.52 hc=0.82(μ
m)となる。実用性を考えてh0.2μm(11)式より
結合係数Kの最大値は4.0×10-2(μm-1)となるので、
焦点距離28mmのレンズを光軸から200〜1200μmの位置
に作製する場合 となり光強度の半値全幅2Δθは約7度となり、十分実
用に耐える値が得られる。また焦点距離12mmのレンズに
対しても約3度の2Δθを得ることができる。
折率1.47)を用い、光導波層としてコーニング#7059ガ
ラス(屈折率nf=1.55)を用い、回折格子13をSiN−H
(屈折率ng=1.9)を用い、クラッド層としては空気(n
c=1)を用いる。本実施例では導波光の等価屈折率N
=1.525である。したがってngc=1.52 hc=0.82(μ
m)となる。実用性を考えてh0.2μm(11)式より
結合係数Kの最大値は4.0×10-2(μm-1)となるので、
焦点距離28mmのレンズを光軸から200〜1200μmの位置
に作製する場合 となり光強度の半値全幅2Δθは約7度となり、十分実
用に耐える値が得られる。また焦点距離12mmのレンズに
対しても約3度の2Δθを得ることができる。
本実施例の作製工程を以下簡単に述べる。ガラス基板
上にスパッタリングでコーニンク7059ガラスを0.7μm
成膜する。次に実施例1と同様にマスク板71を用いる手
法により、プラズマCVDによってSiN−H膜を、膜厚が光
軸からのずれに比例するように制御して成膜する。成膜
後、ポジ型フォトレジストを約1μmスピンナで塗布し
85℃で30分ベーキングした後、露光・現像を行って回折
格子パターンをパターニングする。次にCF4を用いたエ
ッチングでパターンをSi−N−H膜に転写し、レジスト
をはくりしてSiN−Hによるグレーティングレンズを得
る。
上にスパッタリングでコーニンク7059ガラスを0.7μm
成膜する。次に実施例1と同様にマスク板71を用いる手
法により、プラズマCVDによってSiN−H膜を、膜厚が光
軸からのずれに比例するように制御して成膜する。成膜
後、ポジ型フォトレジストを約1μmスピンナで塗布し
85℃で30分ベーキングした後、露光・現像を行って回折
格子パターンをパターニングする。次にCF4を用いたエ
ッチングでパターンをSi−N−H膜に転写し、レジスト
をはくりしてSiN−Hによるグレーティングレンズを得
る。
以上のように、本発明によればグレーティングレンズ
の入射角のずれや波長のずれに対する許容度を従来の2
倍以上にでき、グレーティングレンズの適用範囲を大幅
に広げるとともに、ファイバやレーザとの位置合わせの
手間を低減し生産性の向上とコスト低減ができるという
効果がある。
の入射角のずれや波長のずれに対する許容度を従来の2
倍以上にでき、グレーティングレンズの適用範囲を大幅
に広げるとともに、ファイバやレーザとの位置合わせの
手間を低減し生産性の向上とコスト低減ができるという
効果がある。
第1図は本発明によるグレーティングレンズの概略図、
第2図は従来のグレーティングレンズの概略図、第3図
はグレーティングレンズの回折の様子を表す図、第4図
は回折格子の効率の波長ずれ,角度ずれ依存性を表す
図、第5図はグレーティングレンズ領域を伝搬する光の
強度分布を表す図、第6図は第一の実施例の作製工程を
表す図、第7図はマスク板を用いたグレーティングレン
ズの作製法を示す図である。 11……基板、12……光導波層、 13……グレーティングレンズを構成する回折格子、 71……マスク板。
第2図は従来のグレーティングレンズの概略図、第3図
はグレーティングレンズの回折の様子を表す図、第4図
は回折格子の効率の波長ずれ,角度ずれ依存性を表す
図、第5図はグレーティングレンズ領域を伝搬する光の
強度分布を表す図、第6図は第一の実施例の作製工程を
表す図、第7図はマスク板を用いたグレーティングレン
ズの作製法を示す図である。 11……基板、12……光導波層、 13……グレーティングレンズを構成する回折格子、 71……マスク板。
Claims (5)
- 【請求項1】基板上の光軸方向をX軸、同一平面上でこ
れに直交する軸をY軸、両軸に直交する軸をZ軸として
座標系を定めるとき、 前記基板上に形成された回折格子のZ方向の厚さが|y|
に依存してy軸に沿って厚くなるように構成したグレー
テイングレンズであって、 該レンズのy方向の厚さをdとしたとき、 d=c/y (cは定数、y≠0) の関係にあることを特徴とするグレーテイングレンズ。 - 【請求項2】請求項1記載のグレーテイングレンズは、
伝搬する光を収束させるものであることを特徴とするグ
レーテイングレンズ。 - 【請求項3】請求項1記載のグレーテイングレンズにお
いて、 前記回折格子は、不等間隔に配置されていることを特徴
とするグレーテイングレンズ。 - 【請求項4】請求項1記載のグレーテイングレンズにお
いて、 前記基板と前記回折格子との間に前記基板より屈折率の
高い層を設けたことを特徴とするグレーテイングレン
ズ。 - 【請求項5】請求項4記載のグレーテイングレンズにお
いて、 前記層が光導波層であることを特徴とするグレーテイン
グレンズ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63014440A JP2595005B2 (ja) | 1988-01-27 | 1988-01-27 | グレーティングレンズ及びそれを用いた光導波路 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63014440A JP2595005B2 (ja) | 1988-01-27 | 1988-01-27 | グレーティングレンズ及びそれを用いた光導波路 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01191104A JPH01191104A (ja) | 1989-08-01 |
JP2595005B2 true JP2595005B2 (ja) | 1997-03-26 |
Family
ID=11861085
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63014440A Expired - Lifetime JP2595005B2 (ja) | 1988-01-27 | 1988-01-27 | グレーティングレンズ及びそれを用いた光導波路 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2595005B2 (ja) |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5766417A (en) * | 1980-10-14 | 1982-04-22 | Nippon Hoso Kyokai <Nhk> | Waveguide type fresnel optical modulator |
JPS6079308A (ja) * | 1983-10-06 | 1985-05-07 | Nec Corp | 平面レンズの製造方法 |
-
1988
- 1988-01-27 JP JP63014440A patent/JP2595005B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH01191104A (ja) | 1989-08-01 |
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