JP2603086B2

JP2603086B2 - 光導波路素子

Info

Publication number: JP2603086B2
Application number: JP62265020A
Authority: JP
Inventors: 信春野崎
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1987-10-20
Filing date: 1987-10-20
Publication date: 1997-04-23
Anticipated expiration: 2012-04-23
Also published as: JPH01107214A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は光導波路素子、特に詳細には光導波路の表面
に回折格子を備え、導波光をこの回折格子によって光導
波路外へ出射させ、あるいは外部光をこの回折格子によ
って光導波路内に入射させるようにした光導波路素子に
関するものである。

（従来の技術）例えば光走査記録装置や光走査読取装置等において光
ビームを偏向させる光偏向装置として、従来より、ガル
バノメータミラーやポリゴンミラー等の機械式光偏向器
や、EOD（電気光学光偏向器）、AOD（音響光学光偏向
器）が多く用いられている。しかし機械式光偏向器にお
いては、耐久性に難がある、大型化しやすいといった問
題があり、一方EODやAODにおいては、光偏向角が大きく
取れないのでビーム光路が長くなり、光走査記録装置等
の大型化を招くといった問題がある。

上述のような問題を解消しうる光偏向装置として近
時、光導波路を用いる光偏向装置が注目されている。こ
の光偏向装置は、表面弾性波が伝播可能な材料から形成
されたスラブ状の光導波路と、この光導波路内を導波す
る光ビームと交わる方向に進行して周波数が連続的に変
化する表面弾性波を該光導波路において発生させる手段
（例えば交叉くし形電極対と、この電極対に周波数が連
続的に変化する交番電圧を印加するドライバとから構成
される）とを有するものである。この光偏向装置におい
ては、光導波路内を導波する光ビームが表面弾性波との
音響光学相互作用によりブラッグ回折し、そしてこの回
折角は表面弾性波周波数に応じて変化するので、表面弾
性波周波数を上述のように変えることにより、光ビーム
を光導波路内において連続的に偏向させることができ
る。こうして偏向させた光ビームは、例えば光導波路の
表面に形成した回折格子（グレーティングカプラ）やプ
リズムカプラ等によって光導波路外に出射させることが
できる。なおこのような光偏向装置については、例えば
特開昭62−77761号公報に詳しい記載がなされている。

（発明が解決しようとする問題点）ところで、光偏向装置によって記録媒体上に光ビーム
を走査させて画像を記録する場合、高精細な画像を記録
するためには、走査ビームを小さなスポットに絞り、し
かもその光強度分布が少なくともビーム副走査方向に亘
ってガウス分布をとるようにすることが求められる。

ところが、前述のような回折格子を用いて光導波路か
ら導波光を外部に出射させる場合は、上記のような光強
度分布のビームスポットを得ることは極めて困難となっ
ている。すなわち第５図に示すように、基板40上の光導
波路41の表面に格子高さやピッチが一定に揃った線状回
折格子42を形成して導波光43を光導波路外に出射させる
場合、出射ビーム43′の光強度は図中曲線ｇで示すよう
に、導波光43の進行方向に沿って指数関数的に漸次低下
するものとなる。この第５図に示すように光導波路に導
波光を進行させて、表面弾性波により該導波光を偏向さ
せる場合、その偏向方向（主走査方向）はこの図の紙面
に交わる方向であり、副走査方向は図中の矢印ｖ方向と
なる。つまり出射ビーム43′は、この副走査方向に沿っ
て指数関数的に漸減あるいは漸増する光強度分布を有す
るものとなってしまうので、この方向に沿って光強度分
布がガウス分布となるようなビームスポットを得ること
は非常に難しくなるのである。

以上、回折格子によって導波光を光導波路外に出射さ
せる場合の問題について述べたが、このような回折格子
によって外部光を光導波路内に入射させることも従来か
ら広く行なわれており、その場合は、入射結合効率が低
下するという問題が生じる。すなわち光出射の場合と光
入射の場合の相反定理から導かれる通り、光入射の場合
は、入射させる光ビームが第５図の曲線ｇで示すような
光強度分布を有するものでなければ、全体的に効率良く
光導波路内に入射し得ないことになる。各種レーザ等の
光源から発せられる光ビームは、通常光強度分布がビー
ム径方向にガウス分布をとるのが一般的であり、このよ
うな光ビームを上記のように指数関数的に漸減（漸増）
する光強度分布を有するビームに整形することは、非常
に困難である。

そこで本発明は、光導波路表面に形成した回折格子に
よって導波光を光導波路外に出射させる場合、あるいは
外部光を光導波路内に入射させる場合に、以上述べたよ
うな問題を生じることのない光導波路素子を提供するこ
とを目的とするものである。

（問題点を解決するための手段及び作用）本発明の光導波路素子は、先に述べたように光導波路
の表面に、該光導波路内を進行する導波光を外部に出射
させ、あるいは外部光を光導波路内に入射させる回折格
子が形成された光導波路素子において、回折格子のアス
ペクト比（格子ピッチに対する格子の格子並び方向厚さ
の比率）を、導波光を該回折格子によって光導波路外に
出射させたとき、出射光の強度分布が導波光の進行方向
に沿って略ガウス分布となるように、該方向に沿って変
化させたことを特徴とするものである。

（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図および第２図はそれぞれ、本発明の一実施例に
よる光導波路素子10を示す側面図と斜視図である。この
光導波路素子10は一例として、画像記録用の光偏向器を
構成するものであり、透明な基板16上に形成されたスラ
ブ状光導波路11と、この光導波路11の側端部に設けられ
た交叉くし形電極対（Inter Digital Transducer、以
下IDTと称する）15と、この光導波路11の表面において
互いに離して設けられた光入射用線状回折格子（Linear
Grating Coupler:以下LGCと称する）20および光出射
用LGC21とを有している。また基板16の光導波路11と反
対側の表面16a上には、光入射用プリズム30と、光出射
用プリズム31が取り付けられている。光入射用プリズム
30は断面三角形状のもので、第１の光通過面30aと第２
の光通過面30bを有し、上記第１の光通過面30aが基板表
面16aに強く押圧されることにより、あるいは高屈折率
の接着剤を用いる等により、該表面16aに密着固定され
ている。光出射用プリズム31も上記光入射用プリズム30
と同様の形状とされ、第１の光通過面31a、第２の光通
過面31bを有し、上述と同様にして基板16aに固定されて
いる。

本実施例においては一例として、基板16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11を形成している。なお基板16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11も上記のTi拡散に限らず、基板16
上にその他の材料をスパッタ、蒸着する等して形成する
こともできる。なお光導波路については、例えばティー
タミール（T.Tamir）編「インテグレイテッドオプ
ティクス（Integrated Optics）」（トピックスイン
アプライドフィジックス（Topics in Applied Ph
ysics）第７巻）スプリンガーフェアラーグ（Springe
r−Verlag）刊（1975）；西原、春名、栖原共著「光集
積回路」オーム社刊（1985）等の成著に詳細な記述があ
り、本発明では光導波路11としてこれら公知の光導波路
のいずれをも使用できる。ただしこの光導波路11は、上
記Ti拡散膜等、後述する表面弾性波が伝播可能な材料か
ら形成される。また光導波路は２層以上の積層構造を有
していてもよい。

記録光を発する半導体レーザ18は、光入射用プリズム
30の第２の光通過面30bに向けて垂直に光ビーム（レー
ザビーム）13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13は、コリメーターレンズ25に
よって平行ビームとされた上で上記第２の光通過面30b
から光入射用プリズム30内に入射し、その第１の光通過
面30aを通過して基板16内に入射し、光導波路11を透過
して、その表面に形成された前記LGC20の部分に入射す
る。それにより光ビーム13はこのLGC20で回折して光導
波路11内に入射し、該光導波路11内を導波モードで矢印
Ａ方向に進行する。

画像記録を行なう際には、例えばエンドレスベルト等
の移送手段22上に感光体23がセットされる。そして半導
体レーバ18はレーザ駆動回路19により、レーザビーム13
を射出するように駆動され、それとともにIDT15には、
駆動回路17から連続的に周波数が変化する交番電圧が印
加される。なおレーザ駆動回路19は変調回路24によって
制御され、画像信号Ｓに応じて光出力を変えるように
（すなわち光ビーム13の強度や、光ビーム13をパルス状
に射出する場合はパルス数やパルス幅を変えるように）
半導体レーザ18を駆動する。

IDT15上に上述のような電圧印加がなされることによ
り、光導波路11の表面を表面弾性波12が第２図の矢印Ｂ
方向に進行する。IDT15は、この表面弾性波12が導波光
（平行ビーム）13′の光路に交わる方向に進行するよう
に配設されている。したがって導波光13′は、表面弾性
波12を横切るように進行するが、その際該導波光13′は
表面弾性波12との音響光学相互作用によりブラッグ（Br
agg）回折する。周知の通り、この回折による導波光1
3′の偏向角は、表面弾性波12の周波数にほぼ比例す
る。前述の通り駆動回路17はIDT15に、周波数が連続的
に変化する交番電圧を印加するので、表面弾性波12の周
波数が連続的に変化し、上記偏向角が連続的に変化する
ようになる。したがってこの導波光13′は矢印Ｃで示す
通り、回折角が連続的に変化するように回折、偏向す
る。このようにして偏向した導波光13′が、LGC21によ
り回折して光導波路11から基板16側に出射する。こうし
て光導波路11から出射して外部光となった光ビーム13″
は、光出射用プリズム31の第１の光通過面31aを通過し
て該プリズム31内に入射し、第２の光通過面31bを垂直
に通過してプリズム外に出射する。

上述のようにして光導波路素子10外に出射した光ビー
ム13″は、例えばｆθレンズからなる走査レンズ26を通
過して小さなビームスポットＱに絞られ、感光体23上を
矢印ｕ方向に走査（主走査）する。それとともに感光体
23が、移送手段22により上記主走査の方向と略直角な矢
印ｖ方向に移送されて副走査がなされるので、感光体23
は光ビーム13″により２次元的に走査される。前述した
ようにこの光ビーム13″は画像信号Ｓに基づいて変調さ
れているので、感光体23上にはこの画像信号Ｓが担う画
像が記録される。

なお１主走査ライン分の画像信号Ｓと光ビーム13″の
主走査との同期をとるためには、この画像信号Ｓに含ま
れるブランキング信号Sbをトリガ信号として用いて、ID
T15への電圧印加タイミングを制御すればよい。またこ
のブランキング信号Sbにより移送手段22の駆動タイミン
グを制御することにより、上記主走査と副走査との同期
をとることができる。

ここで本発明の特徴部分として、第３図（Ａ）に概略
的に示すように光出射用LGC21は、アスペクト比（格子
ピッチｄに対する格子の格子並び方向厚さd₁の比率）が
導波光13′の進行方向、すなわちLGC21の格子並び方向
に沿って漸次増大したのち漸次減少するように変えられ
ており、それにより光ビーム13″のこの方向の光強度分
布は、第３図（Ｂ）の曲線ｆで示すように略ガウス分布
となる。以下、このような光強度分布を得る格子高さの
分布について詳しく説明する。

第３図（Ｂ）に示すように、LGC21上の導波光進行方
向位置をｙ（０≦ｙ≦Ｌ）とし、LGC21の放射損失係数
をα、アスペクト比をβ（ｙ）＝d₁（ｙ）/d、長さをＬ
とすると、 α（ｙ）＝Ｂ・sin²｛π・β（ｙ）｝ ……（１）［Ｂは格子高さ等によって定まる係数］である。LGC21設置部分の光導波路11における導波光光
量はｙの関数となるので、これをＰ（ｙ）とする。そし
てこの導波光光量Ｐ（ｙ）のｙ方向単位長さ当たりの減
衰量は、LGC21から出射する光ビーム13″の光強度分布
が第３図（Ｂ）の曲線ｆで示すようにｙ軸方向にガウス
分布となる場合は、となる。なおα（ｙ）は、ｙ軸方向各位置における放射
損失係数である。

一方上記曲線ｆは一般的に、なる式で表わされるものである。なおｗは、光強度が最
大値の1/e²以上となる範囲の格子長さの半値である。上
記（３）式を用いると、導波光光量Ｐ（ｙ）は以下の式
で表わされる。

上式を（４）式とする。この（４）式の右辺第１項は
LGC21によって取り出される全光量、第２項はLGC21の作
用に係わらないで０≦ｙ≦Ｌの範囲で定常的に導波する
光量、第３項はある位置ｙまでの間にLGC21から出射し
た光量であり、この式から、Ａを係数として、となる。したがってこの式と前記（２）式より、前記（４）式の右辺第１項と第２項の和は、LGC21設置
部に導波して来る導波光13′の光量P₀と等しいからこの
光量P₀を知ることにより（４）式からＰ（ｙ）の値が求
められ、それにより上記（５）式からα（ｙ）の値が求
められる。

以上述べたようにして、第３図（Ｂ）の曲線ｆで示す
ような光強度分布の光ビーム13″が得られる放射損失係
数α（ｙ）が求められれば、前記（１）式に基づいて、
そのような放射損失係数α（ｙ）を実現するアスペクト
比β（ｙ）が求められる。このようにして求めたアスペ
クト比βの分布の例を、第４図に２例示す。この第４図
中の曲線ａは、回折格子の長さＬを3mmとしてビーム径2
w＝2mmの出射ビーム13″を得るアスペクト比分布を示
し、また曲線ａ′はそれに対応する放射損失係数αの分
布を示し、一方曲線ｂは、回折格子の長さＬを7mmとし
てビーム径2w＝4.7mmの出射ビーム13″を得るアスペク
ト比分布を示し、曲線ｂ′はそれに対応する放射損失係
数αの分布を示している。なおこの例における導波光1
3′の波長λは633nmであり、LGC21の屈折率n_gは2.4であ
る。

LGC21から出射する光ビーム13″の光強度分布が以上
説明したようなものとなっていれば、感光体23上を走査
するビームスポットＱは、ビーム副走査方向の光強度分
布がガウス分布をとるものとなる。したがってビームス
ポットＱは、この方向に十分に絞られたものとなり得、
それにより、極めて精細な画像を記録できるようにな
る。

なお以上説明した実施例においては、LGC21から光ビ
ーム13″を基板16側に出射させるようにしているが、基
板16と反対の空気側、すなわち第１図において上方側に
光ビーム13″を出射させる場合にも本発明は適用可能で
あり、その場合も上述と同様の作用が得られる。また光
ビーム13″を基板16側に出射させる場合、必ずしも前述
のプリズム31を用いる必要はなく、従来から広く行なわ
れているように、基板16の端面を斜めにカットして、そ
こから光ビーム13″を出射させるようにしてもよい。

また上記実施例においてはLGC21のアスペクト比を、
導波光13′の進行方向に沿って漸次増大したのち漸次減
少するように変化させているが、これはアスペクト比d₁
/dが０≦d₁/d≦0.5の範囲において有効であり、その他
このアスペクト比d₁/dを、0.5≦d₁/d≦１の範囲では第
６図（Ａ）に示すように導波光13′の進行方向に沿って
漸次減少したのち増大するようにしても、あるいは０≦
d₁/d≦１の範囲では第７図（Ａ）に示すように上記方向
に沿って漸次増大するようにしても、さらには同じく０
≦d₁/d≦１の範囲では第８図（Ａ）に示すように上記方
向に沿って漸次減少するようにしても、それぞれ第６図
（Ｂ）、第７図（Ｂ）、第８図（Ｂ）に曲線ｆで示すよ
うに、上記実施例におけるのと同様の出射光強度分布を
得ることができる。

また上記実施例においては、光出射用LGC21に対して
本発明が適用されているが、光入射用LGC20に対して本
発明を適用することも可能である。その場合は、上記実
施例におけるのと相反的な作用効果が得られる。すなわ
ちこの場合は、光導波路11内に入射させる光ビーム13と
して、光強度分布が略ガウス分布となっている一般的な
レーザビーム等を用いれば、その光ビーム13は入射結合
効率が略最大で光導波路11内に取り込まれることにな
る。

さらに、以上説明した実施例の光導波路素子は光偏向
器を構成するものであるが、このような光偏向器に限ら
ず、光導波路から出射する光ビームを導波光進行方向の
光強度分布がガウス分布となるように整形したいという
要求、さらには、光強度分布が略ガウス分布となってい
る一般的な光ビームを高い入射結合効率で光導波路内に
入射させたいという要求は広く存在するものであり、本
発明はそのような要求のあるすべての光導波路素子にお
いて適用可能で、かつ有効である。

（発明の効果）以上詳細に説明した通り本発明の光導波路素子におい
ては、光導波路表面に形成する回折格子のアスペクト比
を、導波光の進行方向に沿って変化するように設定した
ことにより、該回折格子から出射する光ビームの光強度
分布を略ガウス分布とすることができる。したがってこ
の光導波路素子によれば、光導波路から出射した光ビー
ムを極めて小さなスポットに絞ることが可能となり、画
像記録あるいは画像読取り用の光偏向器に適用した場合
は画像記録あるいは読取りの精度を十分に高め、さらに
高周波スペクトルアナライザー等に適用した場合は、周
波数分析の分解能を高めることができる。

また本発明の光導波路素子においては、回折格子のア
スペクト比を上述のように変化させたことにより、光強
度分布がガウス分布となっている一般的なレーザビーム
等の外部光を、効率良く光導波路内に取り込むことが可
能となる。したがってこの光導波路素子によれば、一般
的なレーザビーム等を整形するようなことなくそのまま
用いた上で、上記の光偏向器や高周波スペクトルアナラ
イザー等における光利用効率を十分に高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図はそれぞれ、本発明の一実施例による光
導波路素子を示す側面図と斜視図、第３図（Ａ）は上記実施例の光導波路素子の回折格子部
分を拡大して示す側面図であり、第３図（Ｂ）はこの回
折格子の並び方向に沿った出射光の強度分布を示すグラ
フ、第４図は本発明の光導波路素子における回折格子アスペ
クト比の分布と、それに対応する放射損失係数の分布の
例を示すグラフ、第５図は従来の光導波路素子の回折格子から出射する光
ビームの強度分布を説明する説明図、第６図（Ａ）と（Ｂ）、第７図（Ａ）と（Ｂ）および第
８図（Ａ）と（Ｂ）はそれぞれ、本発明の光導波路素子
における回折格子形状の他の例を示す側面図と、回折格
子並び方向に沿った出射光の強度分布を示すグラフであ
る。 10……光導波路素子、11……光導波路 12……表面弾性波、13……光ビーム 13′……導波光 13″……光導波路から出射した光ビーム 21……光出射用回折格子

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光導波路の表面に、該光導波路内を進行す
る導波光と外部光とを結合する回折格子が形成された光
導波路素子において、前記回折格子のアスペクト比が、導波光を該回折格子に
よって光導波路外に出射させたとき、導波光の進行方向
に沿った出射光の強度分布が略ガウス分布となるよう
に、該方向に沿って変えられていることを特徴とする光
導波路素子。