JP2731390B2 - Tapered waveguide - Google Patents

Tapered waveguide

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JP2731390B2
JP2731390B2 JP63079855A JP7985588A JP2731390B2 JP 2731390 B2 JP2731390 B2 JP 2731390B2 JP 63079855 A JP63079855 A JP 63079855A JP 7985588 A JP7985588 A JP 7985588A JP 2731390 B2 JP2731390 B2 JP 2731390B2
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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、導波路のみによって放射型の焦点を形成さ
せ、光ディスク信号の記録・再生用光学ヘッド等に適用
可能なテーパ導波路に関する。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a tapered waveguide which forms a radial focus only by a waveguide and is applicable to an optical head for recording / reproducing an optical disk signal.

(従来の技術) 基板に形成された導波層の端部がテーパ状になってい
るテーパ導波路が知られている(例えば、特開昭60-784
06号公報)。このようなテーパ導波路では、層厚の一定
な導波層を伝搬されてきた導波光をテーパ状の部分で、
基板側へ取り出すのであるが取り出された光は発散性で
あることが知られている。
(Prior Art) A tapered waveguide is known in which a waveguide layer formed on a substrate has a tapered end.
No. 06). In such a tapered waveguide, guided light propagating through a waveguide layer having a constant thickness is tapered,
It is known that the light is emitted to the substrate side, and the emitted light is divergent.

(発明が解決しようとする課題) テーパ導波路から基板側へ取り出される光を上記発散
型のものから上記テーパ形状を適当に設計することによ
って微小な焦点を結ばせることが可能となるならば、こ
れを例えば光ディスクの照明スポットとして用いたり、
あるいは効率の良い光源としての利用などが期待され
る。
(Problems to be Solved by the Invention) If the light extracted from the tapered waveguide to the substrate side can be focused finely by appropriately designing the tapered shape from the divergent type, This can be used, for example, as an illumination spot on an optical disc,
Alternatively, it is expected to be used as an efficient light source.

光ディスク信号の記録・再生用に用いられる光学ヘッ
ドに導波路を利用したものとしては、平板型光導波路上
に光カップリング用の回析格子を形成した構成のものが
知られている(特開昭61-236037号公報)が、この型の
ヘッドは光を外部へ取り出したり、光ディスクからの光
を光導波路に導入するのに回析格子が用いられるため、
例えば光源の半導体レーザーにおける波長変動の影響
で、取り出された光の集束位置が変動する問題や、光が
回析格子の両面側へ取り出されるので光ディスクへの照
射に対する光利用効率が低いこと、また、カップリング
用の回析格子の作製が困難であること等の問題がある。
As an optical head used for recording / reproducing an optical disk signal using a waveguide, there is known an optical head having a configuration in which a diffraction grating for optical coupling is formed on a flat optical waveguide (Japanese Patent Laid-Open Publication No. H11-163873). However, this type of head uses a diffraction grating to extract light to the outside and to introduce light from an optical disk into an optical waveguide.
For example, the focus position of the extracted light fluctuates due to the wavelength fluctuation of the semiconductor laser as the light source, and the light utilization efficiency for irradiating the optical disk is low because the light is extracted to both sides of the diffraction grating. However, there are problems such as difficulty in producing a diffraction grating for coupling.

これに対してテーパ導波路は、基板側へ取り出される
光の放射特性が光源の波長変化に対して安定しており、
また、後述のように光を実質的に全て基板の側へ取り出
しうるので、光の利用効率も高く、また作製も容易であ
るところから、上記光学ヘッドへの高い適用性を有して
いる。
On the other hand, in the tapered waveguide, the emission characteristic of the light extracted to the substrate side is stable with respect to the wavelength change of the light source,
Further, since substantially all of the light can be extracted to the substrate side as described later, the light utilization efficiency is high and the fabrication is easy, so that the optical head has high applicability.

しかし、たとえ上述したようにテーパ形状を適当に設
計することにより微小な焦点を結ばせることが可能とな
っても、その焦点が、基板と導波層との境界面のごく近
傍に位置するものであるならば、実際に基板外に取り出
された状態では発散光束となってしまい、取り出した光
の焦点を光ディスクの照明等に直接的に利用することが
出来ない。
However, even if it is possible to focus a minute focal point by appropriately designing the tapered shape as described above, the focal point is located very close to the interface between the substrate and the waveguide layer. Therefore, when the light is actually extracted out of the substrate, the light becomes a divergent light beam, and the focus of the extracted light cannot be directly used for illumination of an optical disk or the like.

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであっ
て、その目的とするところは、基板側に取り出される光
を、上記境界面から離れた位置に集束させ得る新規なテ
ーパ導波路の提供にある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a novel tapered waveguide that can focus light extracted to the substrate side at a position away from the boundary surface. It is in.

なお、テーパ導波路の光学ヘッドへの適用について
は、従来、武田・宮崎:集積型光ディスクヘッド用テー
パ導波路のピックアップ集光特性(昭和62年度電気関係
学会東海支部連合大会予稿:328)や武田・宮崎:集積型
光ディスクヘッド用テーパ導波路の集光特性(電子情報
通信学会技術研究報告MW87-112(1988)等に開示があ
る。
For the application of tapered waveguides to optical heads, see Takeda and Miyazaki: Pickup focusing characteristics of tapered waveguides for integrated optical disk heads (Preliminary meeting of the 1987 Tokai Section Alliance, 1987) and Takeda・ Miyazaki: Focusing characteristics of tapered waveguides for integrated optical disk heads (disclosed in IEICE Technical Report MW87-112 (1988)).

(課題を解決するための手段) 以下、本発明を説明する。(Means for Solving the Problems) Hereinafter, the present invention will be described.

本発明のテーパ導波路は、基板と導波層とを有する。 The tapered waveguide of the present invention has a substrate and a waveguide layer.

基板は導波層形成用の平面を有し、導波層より低い屈
折率をもち、導波光に対して透明(導波光が透過可能で
ある)である。
The substrate has a flat surface for forming a waveguide layer, has a lower refractive index than the waveguide layer, and is transparent to the guided light (the guided light can be transmitted).

導波層は、この基板上に形成される。 The waveguide layer is formed on this substrate.

上記導波層は均一層厚の均一層厚導波層と、この均一
層厚導波層に連接され、連接部では均一層厚導波層と同
一の層厚を有し、上記連接部を離れるに従って層厚が漸
次減少し、上記均一層厚導波層を伝搬されてくる導波光
を基板側へ放射するテーパ状導波層とからなる。
The above-mentioned waveguide layer is connected to the uniform-layer waveguide layer having a uniform layer thickness, and has the same layer thickness as the uniform-layer waveguide layer at the connection portion. The layer thickness gradually decreases as the distance increases, and the tapered waveguide layer emits guided light propagating through the waveguide layer having the uniform thickness to the substrate side.

上記基板は上記導波層形成用の平面を共有する伝搬基
板と放射基板とを上記導波層における導波方向へ、この
順序に連接してなり、上記放射基板は伝搬基板よりも大
きい屈折率を有する。勿論、伝搬基板、放射基板ともそ
の屈折率は導波層の屈折率より小さく、導波光に対して
透明である。
The substrate is formed by connecting a propagation substrate and a radiation substrate that share a plane for forming the waveguide layer in the waveguide direction in the waveguide layer in this order, and the radiation substrate has a refractive index larger than that of the propagation substrate. Having. Of course, the refractive index of both the propagation substrate and the radiation substrate is smaller than the refractive index of the waveguide layer, and is transparent to the guided light.

上記伝搬基板と放射基板の連接部は、伝搬基板と導波
層の屈折率、テーパ状導波層の形状により定まる放射開
始位置に近く、且つこの放射開始位置を上記導波方向に
於いて越えないように設定される。ここに放射開始位置
は、実際には基板全体を伝搬基板で構成した場合に伝搬
基板と導波層の屈折率、テーパ状導波層の形状により一
義的に定まる位置であり、基板全体が伝搬基板により構
成された場合はこの放射開始位置から光のパワーの基板
側への漏れ出しが始まる。
The connecting portion between the propagation substrate and the radiation substrate is close to the radiation start position determined by the refractive index of the propagation substrate and the waveguide layer, and the shape of the tapered waveguide layer, and exceeds the radiation start position in the waveguide direction. Not set. Here, the radiation start position is actually a position uniquely determined by the refractive index of the propagation substrate and the waveguide layer and the shape of the tapered waveguide layer when the entire substrate is formed by the propagation substrate. In the case of using a substrate, leakage of light power from the radiation start position to the substrate side starts.

(実施例) 以下、具体的な実施例に基づき説明する。(Example) Hereinafter, a description will be given based on a specific example.

第1図は、本発明の1実施例を説明図的に示してい
る。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing one embodiment of the present invention.

図に於いて、符号10は基板、符号20は導波層を示して
いる。
In the drawing, reference numeral 10 indicates a substrate, and reference numeral 20 indicates a waveguide layer.

導波層20は均一な層厚の均一層厚導波層21と、テーパ
状導波層22とにより構成されている。
The waveguide layer 20 includes a waveguide layer 21 having a uniform thickness and a tapered waveguide layer 22.

基板10は伝搬基板11と放射基板12とを連接して構成さ
れるが、これら伝搬基板11,放射基板12はともに導波光
に対して透明であって、導波層形成用の平面を共有し、
均一層厚導波層21とテーパ状導波層22からなる導波層20
は上記平面上に形成されている。
The substrate 10 is formed by connecting a propagation substrate 11 and a radiation substrate 12 to each other.The propagation substrate 11 and the radiation substrate 12 are both transparent to the guided light and share a plane for forming a waveguide layer. ,
Waveguide layer 20 consisting of uniform thickness waveguide layer 21 and tapered waveguide layer 22
Are formed on the plane.

以下の説明のために、図の如く、X,Z方向を定める。
Z方向は基板10の上記平面に一致し、導波光の伝搬方向
に対応する。即ち、導波光は均一層厚導波層21を第1図
の右方へ導波伝搬される。X軸は上記平面に直交する
が、このX軸の位置は均一層厚導波層21とテーパ状導波
層22の連接部を表している。従って、テーパ状導波層22
は、第1図でX軸の右側の部分である。
For the following description, X and Z directions are determined as shown in the figure.
The Z direction corresponds to the plane of the substrate 10 and corresponds to the propagation direction of the guided light. In other words, the guided light is guided and propagated through the uniform thickness waveguide layer 21 to the right in FIG. The X-axis is orthogonal to the plane, and the position of the X-axis represents the connection between the waveguide layer 21 having a uniform thickness and the tapered waveguide layer 22. Therefore, the tapered waveguide layer 22
Is the right part of the X-axis in FIG.

このテーパ状導波層22の形成された領域TRをテーパ領
域と呼ぶ。
The region TR where the tapered waveguide layer 22 is formed is called a tapered region.

導波層20の上の領域は、空気により占められた空気領
域である。屈折率の関係は、例えばこの実施例では基板
10の屈折率は伝搬基板11が1.51、放射基板12が1.515、
導波層20の屈折率が1.52、空気の屈折率は1である。従
って、空気領域、伝搬基板11、放射基板12、導波層20の
順に屈折率が高くなっている。また、均一導波層21の厚
さは2.63μm、テーパ領域TRの長さは6000μmであり、
伝搬される光の波長は0.6328μm(He-Neレーザー光)
を想定している。
The area above the waveguide layer 20 is the air area occupied by air. The relationship between the refractive indices is, for example,
The refractive index of 10 is 1.51 for the propagation substrate 11, 1.515 for the radiation substrate 12,
The refractive index of the waveguide layer 20 is 1.52, and the refractive index of air is 1. Therefore, the refractive index increases in the order of the air region, the propagation substrate 11, the radiation substrate 12, and the waveguide layer 20. The thickness of the uniform waveguide layer 21 is 2.63 μm, the length of the tapered region TR is 6000 μm,
The wavelength of the transmitted light is 0.6328μm (He-Ne laser light)
Is assumed.

テーパ状導波層22の自由表面(空気領域との境界面)
の形状は、図の如く均一層厚導波層21との連接部では均
一層厚導波層21と同一の層厚を持ち、この連接部から離
れるに従って層厚が小さくなることによりテーパを構成
している。
Free surface of tapered waveguide layer 22 (boundary surface with air region)
As shown in the figure, the connecting portion with the uniform thickness waveguide layer 21 has the same layer thickness as the uniform layer thickness waveguide layer 21 as shown in the figure, and the taper is formed by decreasing the layer thickness as the distance from the connecting portion increases. doing.

もっとも、上述のようにテーパ領域の長さに比して均
一層厚導波層の厚さは極めて小さいので、テーパとは言
ってもその傾きは極めて小さい。
However, as described above, since the thickness of the waveguide layer having a uniform thickness is extremely small as compared with the length of the tapered region, the inclination of the waveguide layer is extremely small even though it is tapered.

テーパ領域TRの形成に於いては、シャドウマスクスパ
ッタリング法でマスクをZ方向へ移動させつつスパッタ
リングを行いマスクの移動速度を制御することで種々の
テーパ形状を容易に実現できる。
In the formation of the tapered region TR, various tapered shapes can be easily realized by controlling the moving speed of the mask by performing sputtering while moving the mask in the Z direction by the shadow mask sputtering method.

(発明の作用) 以下、本発明の作用を実施例との関連に於いて説明す
る。
(Operation of the Invention) Hereinafter, the operation of the present invention will be described in relation to the embodiments.

均一層厚導波層21をZ方向へ導波伝搬する光波は波長
0.6328μm、導波モードは基本波であるTE0モードであ
る。均一層厚導波層21の層厚を2.63μmとしているか
ら、このモードにおける実効屈折率はN=1.5107とな
る。また、伝搬モードを平面波の重ね合わせとして捉
え、その素波について漸近界として準幾何光学的考察を
行う。即ち、素波である平面波をその波面の法線方向へ
伝搬する光線の集合として取り扱う。上記実効屈折率を
用いると、入射TE0モードは伝搬角θiが86.42度の光線
群として表される。なお、以下の説明で角度は、特に断
らないかぎりX軸となす角で表すものとする。
The light wave propagating and propagating in the Z direction through the uniform thickness waveguide layer 21 has a wavelength
0.6328 μm, the guided mode is a TE 0 mode which is a fundamental wave. Since the layer thickness of the waveguide layer 21 having a uniform thickness is 2.63 μm, the effective refractive index in this mode is N = 1.5107. In addition, we consider the propagation mode as a superposition of plane waves, and perform quasi-geometric optics consideration on the elementary waves as asymptotic fields. That is, a plane wave, which is an elementary wave, is handled as a set of light beams propagating in the normal direction of the wavefront. Using the effective refractive index, the incident TE 0 mode is represented as a group of rays having a propagation angle θi of 86.42 degrees. In the following description, an angle is represented by an angle with the X axis unless otherwise specified.

さて、均一層厚導波層21を伝搬される光線は基板10と
の境界面および空気領域との境界面で全反射を繰り返し
ながら、ジグザグに伝搬する。
The light beam propagating through the waveguide layer 21 having a uniform thickness propagates in a zigzag manner while repeating total reflection at the boundary surface with the substrate 10 and the boundary surface with the air region.

このような伝搬光がテーパ状導波層22に入射すると、
第2図に示す様にテーパ状導波層22の自由表面、即ち空
気領域との境界面の接線2AがZ方向に対し傾いているた
めに、上記自由表面で全反射されて基板10との境界面に
再入射するときは、その入射角θは、均一層厚導波層21
における伝搬角θiよりも小さくなる。このように、テ
ーパ状導波層22では、テーパ領域TR内での反射が繰り返
されるにつれて伝搬角は次第に小さくなる。
When such propagating light enters the tapered waveguide layer 22,
As shown in FIG. 2, the free surface of the tapered waveguide layer 22, that is, the tangent 2A at the interface with the air region is inclined with respect to the Z direction, so that it is totally reflected by the free surface and When re-entering the interface, the angle of incidence θ is
Is smaller than the propagation angle θi. As described above, in the tapered waveguide layer 22, the propagation angle becomes gradually smaller as the reflection in the tapered region TR is repeated.

一方、実施例に於いてテーパ状導波層22と基板10との
境界面での全反射の臨界角は伝搬基板11に対して83.42
度、放射基板12に対して83.35度、テーパ状導波層22と
空気領域の境界面での全反射の臨界角は41.14度であ
る。
On the other hand, in the embodiment, the critical angle of total reflection at the interface between the tapered waveguide layer 22 and the substrate 10 is 83.42 with respect to the propagation substrate 11.
The critical angle of total reflection at the interface between the tapered waveguide layer 22 and the air region is 41.14 degrees.

ここで簡単のために基板全体が伝搬基板11で構成され
ているものとすると、テーパ状導波層22に入射した光
は、反射を繰り返しつつジグザグに伝搬する内に、基板
10及び空気領域側境界面即ち自由表面への入射角が次第
に小さくなるが、先ず基板10側への入射角が上記臨界角
83.42度を越えて小さくなり、こうなると光のパワーの
一部は、基板10の側へ漏れ出て行く。このときの漏出パ
ワーの割合は、導波層20の屈折率、基板10の屈折率なら
びに反射点への光線の入射角に依存し、フレネルのパワ
ー透過係数として知られる関係式により算出することか
できる。上述の如くパワーの漏れ出しが開始される位置
が放射開始位置である。
Here, for the sake of simplicity, assuming that the entire substrate is constituted by the propagation substrate 11, light incident on the tapered waveguide layer 22 propagates in a zigzag manner while repeating reflection,
10 and the angle of incidence on the boundary surface on the air region side, that is, the free surface, gradually decreases.
When it becomes smaller than 83.42 degrees, a part of the light power leaks to the substrate 10 side. The ratio of the leakage power at this time depends on the refractive index of the waveguide layer 20, the refractive index of the substrate 10, and the angle of incidence of the light beam on the reflection point, and may be calculated by a relational expression known as the power transmission coefficient of Fresnel. it can. As described above, the position at which power leakage starts is the radiation start position.

さらに反射が繰り返されて、空気領域側境界面への入
射角が上記臨界角41.14度よりも小さくなると空気領域
へも光が漏れ出ていくが、実際的見地からすると、上記
両境界面における全反射の臨界角の差が大きいので上記
基板側への光の漏れ出しが始まってから、空気領域での
漏れ出しが始まる前に、実質的に殆どの光は基板の側に
漏れ出してしまう。従って空気領域側への漏れ出しを考
慮する必要はない。
Further reflection is repeated, and when the angle of incidence on the air-area-side boundary surface becomes smaller than the critical angle 41.14 degrees, light leaks to the air region. Due to the large difference in the critical angle of reflection, substantially all of the light leaks to the substrate side after the light starts to leak to the substrate side and before the leak in the air region starts. Therefore, there is no need to consider leakage to the air region side.

なお、基板10の側へ漏れ出す光の方向αは屈折に関す
るスネルの法則により知ることができる。
The direction α of the light leaking to the substrate 10 can be known by Snell's law regarding refraction.

さて、上述の如く基板全体が伝搬基板でできているも
のと考えて基板の側に上記の如く漏れ出す光、即ち放射
光線の振る舞いを以下の如くして調べた。
Now, assuming that the entire substrate is made of a propagation substrate as described above, the behavior of light leaking to the substrate side as described above, that is, radiation light, was examined as follows.

再び第1図を参照すると、均一層厚導波層21を伝搬す
る光は上述の如く、一様に、86.42度の伝搬角θiをも
って伝搬する。したがって、かかる光が連接部X軸でテ
ーパ状導波層22に入射するとき、入射光線はいずれもX
軸に対してθiの角度を持つ。そこで先ず、連接部を斜
め右上向きに横切って直接にテーパ状の表面に入射する
光を考えると、この光の総体は、基板10との境界に於い
て、第1図の0点(連接部)とP点との間で反射してテ
ーパ状導波層22に入射する光であり、O点とP点との距
離は、層厚2.63を用いると、 2.63tan(86.42度)=42.04μm となる。同様に、連接部を斜め右下向きに横切って入射
し、基板10との境界面で一度反射したのちテーパ領域の
自由表面に入射する光線の総体は、第1図の0点とQ点
との間に入射する光である。0点とQ点との距離も上記
と同じ42.04μmである。
Referring again to FIG. 1, the light propagating through the uniform-thickness waveguide layer 21 uniformly propagates at a propagation angle θi of 86.42 degrees as described above. Therefore, when such light is incident on the tapered waveguide layer 22 at the connecting portion X axis, any incident light beam is X
It has an angle of θi with respect to the axis. Therefore, first, considering light that is incident on the tapered surface directly across the connecting portion obliquely rightward and upward, the total of this light is at the point 0 (connecting portion) in FIG. ) And light reflected at point P and incident on the tapered waveguide layer 22. The distance between point O and point P is 2.63 tan (86.42 degrees) = 42.04 μm using a layer thickness of 2.63. Becomes Similarly, the total of light rays that enter the connecting portion obliquely downward and to the right and that are reflected once at the boundary surface with the substrate 10 and then incident on the free surface of the tapered region are represented by points 0 and Q in FIG. It is the light that enters between. The distance between the zero point and the Q point is also 42.04 μm as described above.

従って、連接部を通って、テーパ状導波層22に入射す
る光線としては、第1図の領域IPから右上がりにθiの
角で反射するものを考えれば、全ての導波光を考慮した
ことになる。
Therefore, considering that the light rays incident on the tapered waveguide layer 22 through the connecting portion and reflected from the area IP in FIG. become.

そこで、この領域IPから右上がりにθiの角度で全反
射する多数の光線に付いて追跡を行った。
Therefore, tracking was performed on a large number of rays totally reflected at an angle of θi from the area IP to the upper right.

先ず、テーパ状導波層の自由表面形状が上記振る舞い
に及ぼす効果を見るために、自由表面の形状として第3
図に示す様な凹面形状4-1、直線形状4-2、凸面形状4-3
を想定した。これらの形状は、a=2.63μm,b=1/6000
とし、パラメーターをcとすると、 X=a{1−(b・Z)c} (1) と表す事ができ、凹面形状4-1、直線形状4-2、凸面形状
4-3に対して、パラメータcは、それぞれ0.5,1,2であ
る。実施例について述べた様に均一層厚導波層の厚さは
2.63μmであり、テーパ領域の長さは6000μmである。
First, in order to see the effect of the free surface shape of the tapered waveguide layer on the above-mentioned behavior, a third shape of the free surface was used.
Concave shape 4-1 as shown, linear shape 4-2, convex shape 4-3
Was assumed. These shapes have a = 2.63 μm, b = 1/6000
And letting the parameter be c, X = a {1− (b · Z) c } (1) can be expressed as: concave shape 4-1, straight shape 4-2, convex shape
For 4-3, the parameter c is 0.5, 1, 2, respectively. As described in the embodiment, the thickness of the waveguide layer is uniform.
2.63 μm, and the length of the tapered region is 6000 μm.

基板側へ漏れ出した放射光線の振る舞いを調べるにあ
たって、放射光線の基板内における光線の集中度を調べ
る。この集中度は光線密度として以下の様に定義され
る。即ち、第4図のようにZ軸に直交する平面Zobsを考
え、この平面ZobsをX方向に2μmづつの区間に分割
し、各区間を通る放射光線数mをカウントし、全放射光
線数mTとの比(m/mT)≡Dとして、光線密度Dを定義す
るのである。また、最大の光線密度を持つ区間を最大光
線密度位置と呼び、この最大光線密度位置が基板中のど
の位置にあるかは、上記平面Zobsの位置をZ方向へ1μ
mステップで走査させてこれを見出す。なお、放射光線
の振る舞いを調べるにあたっては、放射に伴う導波層、
基板間のパワーの収支は考慮せず、導波層内における反
射光線および基板内の放射光線をパワーを捨象して追跡
し、またZ軸のプラス方向即ち、第4図右方への伝搬の
みを考慮することとし、上記反射光線の基板側境界面へ
の入射角が≦0となった時点をもって追跡を終了する。
In examining the behavior of the radiated light leaking to the substrate side, the degree of concentration of the radiated light in the substrate is examined. This degree of concentration is defined as the ray density as follows. That is, consider a plane Z obs orthogonal to the Z axis as shown in FIG. 4, divide this plane Z obs into sections of 2 μm in the X direction, count the number m of radiated rays passing through each section, and calculate the total radiated rays. The light density D is defined as the ratio (m / m T ) to several m T ≡D. The section having the maximum light density is called the maximum light density position, and the position of the maximum light density in the substrate is determined by setting the position of the plane Z obs to 1 μm in the Z direction.
This is found by scanning in m steps. In examining the behavior of the emitted light, the waveguide layer accompanying the emission,
The power balance between the substrates is not taken into account. The reflected light in the waveguide layer and the radiated light in the substrate are traced with the power disregarded. The tracking is terminated when the angle of incidence of the reflected light on the substrate-side boundary surface becomes ≦ 0.

第1図の領域IPのX=Z=0の位置で全反射された1
光線を上記の如き方法で追跡し、この1光線から基板側
へ次々に漏れ出した多数の放射光線の、基板10内におけ
る伝搬の様子を調べた結果を第5図に示す。この図は、
テーパ上導波層の自由表面の形状が第3図の凸面4-3
(c=2)の場合に付いて、上記最大光線密度位置を通
過する放射光線群(第5図(II))と通過しない放射光
線群(同図(I),(III))とに分けて示したもので
あるが、テーパ状導波層の自由表面形状が凸面か、凹面
か或は直線状であるかによらず、定性的には同様の振る
舞いで有ることが分かった。即ち、自由表面の形状に拘
らず一般に、最大光線密度位置を通過する光線群を放射
する放射領域(第5図ではAB間領域)を挟んで、最大光
線密度位置を通過しない光線を放射する放射領域が存在
する。
1 totally reflected at the position of X = Z = 0 in the area IP in FIG.
FIG. 5 shows the result of examining the propagation state in the substrate 10 of the light rays traced by the above-described method and a number of radiation rays leaking from the one light ray to the substrate side one after another. This figure is
The shape of the free surface of the waveguide layer on the taper is the convex surface 4-3 in FIG.
In the case of (c = 2), a group of radiation rays passing through the maximum ray density position (FIG. 5 (II)) and a group of radiation rays not passing through (FIG. 5 (I), (III)) are divided. It was found that the behavior was qualitatively the same regardless of whether the free surface shape of the tapered waveguide layer was convex, concave, or linear. That is, regardless of the shape of the free surface, in general, radiation that emits light rays that do not pass through the maximum ray density position is sandwiched by a radiation area (the area between AB in FIG. 5) that emits a ray group that passes through the maximum ray density position. There is an area.

しかし、テーパ状導波層22への入射位置を領域IP内で
移動させたとき、上述の最大光線密度位置がどのように
変動するかを第3図に示す3種の表面形状、即ち凹面
(c=0.5)、直線状(c=1)、凸面(c=2)に付
いて調べたところ、上記自由表面の形状が凹面、直線状
の場合は、追跡光線の起点位置が領域IP内で変動するこ
とにより最大光線密度位置はX,Z両方向に於いて変動す
るが、自由表面の形状が凸面の時は全く変動せず、光線
の集束性が極めて安定していることが分かった。
However, when the position of incidence on the tapered waveguide layer 22 is moved within the region IP, how the above-mentioned maximum ray density position fluctuates is shown by three types of surface shapes shown in FIG. c = 0.5), a linear shape (c = 1), and a convex surface (c = 2) were examined. When the shape of the free surface was concave or linear, the starting position of the tracing ray was within the area IP. The maximum light density position fluctuated in both X and Z directions due to the fluctuation, but it did not fluctuate at all when the shape of the free surface was convex, and it was found that the convergence of the light was extremely stable.

第6図は追跡光線の起点位置の変動に伴う最大光線密
度位置の変動の様子を示す。同図(I),(II)に於い
て、縦軸Ziは上記起点のZ座標、横軸はそれぞれ最大光
線密度位置のZ方向及びX方向の変動量を表す。破線
は、自由表面が凹面(c=0.5)の場合、実線は直線形
状(c=1)の場合である。
FIG. 6 shows how the maximum ray density position varies with the variation of the starting position of the tracking ray. In FIGS. 1 (I) and 1 (II), the vertical axis Zi represents the Z coordinate of the starting point, and the horizontal axis represents the amount of change in the maximum ray density position in the Z and X directions, respectively. The broken line indicates the case where the free surface is concave (c = 0.5), and the solid line indicates the case where the free surface is linear (c = 1).

自由表面形状が凸面(c=2)の場合は、最大光線密
度位置は、追跡光線の起点の変動に対し全く変動しな
い。即ち、放射光線の振る舞いは追跡光線の起点位置の
変動に対し極めて安定している。調べてみると、この傾
向は上記c=2の場合に限らず、c=3,4…等の場合や
三角関数等で表される凸面の場合にも当てはまることが
分かった。
When the free surface shape is convex (c = 2), the maximum ray density position does not change at all with respect to the change of the starting point of the tracking ray. That is, the behavior of the emitted light beam is extremely stable with respect to the fluctuation of the starting position of the tracking light beam. Upon examination, it was found that this tendency is not limited to the case where c = 2, but also applies to cases where c = 3, 4,... And convex surfaces represented by trigonometric functions and the like.

上の説明は、前述したように追跡光線に於けるパワー
収支を考慮していない。しかし実際の放射に於いては勿
論パワーの収支が考慮されねば成らない。パワーの収支
を考慮すると次の如き問題がある。
The above description does not take into account the power budget in the tracing ray as described above. However, in actual radiation, of course, the power balance must be considered. Considering the power balance, there are the following problems.

即ち、第5図で符号Aで示す位置の左側には、先に説
明した放射開始位置がある。この放射開始位置は、基板
10、導波層20の屈折率、テーパ領域の形状により定まる
が、もし基板10全体が伝搬基板11で構成されているもの
とすれば、上記放射開始位置から基板側への光の漏れ出
しが始まるが、この漏れ出し量は基板への入射角と反射
率とによって定まる。そこでこの漏れ出しにより各放射
光線毎にそのパワー即ち光強度をフレネルのパワー透過
係数により計算してみると、均一層厚導波層を伝搬して
来てテーパ状導波層から基板側へ放射される光のパワー
は、放射開始位置から僅かに10回程度の反射と放出とが
繰り返される間に全てが基板側へ放出されてしまうので
ある。その結果、かかる場合には、第1図のIPの範囲か
ら入射した各光線に就いての各光線毎の導波層内のパワ
ーは高々10本程度の上記放射光線により放射されるがこ
れら光線は、比較的狭い空間部分に集束する。第7図
(I)は、この状態を略示している。しかし、同図に示
す様に放射開始位置近傍からの放射光線の屈折角即ち放
射角は90度に近く、従って、放射光線の集束に伴うパワ
ーの集中は基板10の内側の導波層20との境界面に極めて
近い位置に於いて起きることになる。従って、このよう
な場合、パワーの集中位置を基板外に設定することは著
しく困難となり、結局、基板外に取り出しうるのは発散
性の光束であることになる。
That is, the radiation start position described above is located on the left side of the position indicated by the symbol A in FIG. This radiation start position is
10, the refractive index of the waveguide layer 20 is determined by the shape of the tapered region.If the entire substrate 10 is formed of the propagation substrate 11, light leaks from the radiation start position to the substrate side. Beginning, the amount of leakage is determined by the angle of incidence on the substrate and the reflectance. Therefore, when the power, that is, the light intensity, of each radiated light is calculated by the power transmission coefficient of Fresnel due to this leakage, the light propagates through the waveguide layer having a uniform thickness and radiates from the tapered waveguide layer to the substrate side. All of the power of the emitted light is emitted toward the substrate while the reflection and emission are repeated only about 10 times from the emission start position. As a result, in such a case, the power in the waveguide layer for each light beam for each light beam incident from the range of IP in FIG. 1 is radiated by at most about 10 radiated light beams. Focus on a relatively narrow space. FIG. 7 (I) schematically shows this state. However, as shown in the figure, the refraction angle of the radiated light from the vicinity of the radiation start position, that is, the radiated angle is close to 90 degrees, and therefore, the concentration of the power due to the convergence of the radiated light does not reach the waveguide layer 20 inside the substrate 10. Will occur at a location very close to the boundary surface. Therefore, in such a case, it is extremely difficult to set the concentration position of the power outside the substrate, and eventually, what can be taken out of the substrate is a divergent light beam.

本発明では、基板10を伝搬基板11とこれより屈折率の
大きい放射基板12とで構成し、その連接部の位置を、放
射開始位置に近く、且つこの放射開始位置を上記導波方
向に於いて越えないように設定することにより放射光線
のパワー集中位置を基板、導波層の境界面から離れた位
置に設定することを可能にした。
In the present invention, the substrate 10 is composed of a propagation substrate 11 and a radiation substrate 12 having a larger refractive index than the propagation substrate 11, and the connection portion thereof is close to the radiation start position, and this radiation start position is in the above-mentioned waveguide direction. By setting so as not to exceed, the power concentration position of the radiated light can be set at a position distant from the boundary surface between the substrate and the waveguide layer.

再び、第1図を参照すると、この実施例でテーパ状導
波層22の自由表面形状は第3図の凸面4-3と同一形状で
ある。導波層20に波長0.6328μmのレーザー光をTE0
波モードで導波させた時の、基板側への放射開始位置R
は、Z=0の位置から4058μmの位置にある。
Referring again to FIG. 1, the free surface shape of the tapered waveguide layer 22 in this embodiment is the same as the convex surface 4-3 in FIG. Radiation start position R on the substrate side when a laser beam having a wavelength of 0.6328 μm is guided to the waveguide layer 20 in the TE 0 waveguide mode.
Is located 4058 μm from the position of Z = 0.

実施例では伝搬基板11と放射基板12との連接部は放射
開始位置Rよりも若干X軸側にずれた位置に設定されて
いるが、連接部の設定位置は上記の如く、放射開始位置
に近く且つこの放射開始位置を上記導波方向に於いて越
えないことが条件であるから、連接部の位置は放射開始
位置Rの位置を限界として放射開始位置R近傍に設定で
きる。
In the embodiment, the connecting portion between the propagation substrate 11 and the radiation substrate 12 is set at a position slightly shifted to the X-axis side from the radiation starting position R, but the setting position of the connecting portion is set at the radiation starting position as described above. Since it is a condition that it is close to and does not exceed this radiation start position in the above-mentioned waveguide direction, the position of the connecting portion can be set near the radiation start position R with the position of the radiation start position R as a limit.

放射基板12の屈折率は伝搬基板の屈折率より大きいの
で伝搬光はテーパ状導波層22内を反射して放射基板12に
入射すると放射基板12内へと放射が開始される。
Since the refractive index of the radiating substrate 12 is larger than the refractive index of the propagating substrate, when the propagating light is reflected by the tapered waveguide layer 22 and enters the radiating substrate 12, radiation is started into the radiating substrate 12.

もし、基板全体が伝搬基板で構成されているならば、
放射開始位置で放射される放射光線の方向は前述の如く
基板と導波層の境界面に近く沿ったものとなりパワーの
集中は上記境界面のごく近傍に生じるが(第7図(I)
参照)、放射基板12は伝搬基板よりも大きい屈折率を持
ち、従って導波層20との屈折率の差が小さい。このため
放射基板12内に漏れ出す放射光線の屈折角即ち放射角
は、放射開始位置で伝搬基板内に放射される放射光線に
比べて小さく、第7図(II)に示すように、上記境界面
に対し立ち上がった方向となり、放射光線の交差により
パワーが集中する位置は、上記境界面から離れた位置に
位置することになり、従って、放射光線のパワーを実際
に基板外で集中させることも可能になる。なお、放射基
板12内への放射は放射開始位置の近傍で始まるため、こ
の状態では互いに隣接する放射光線の放射位置の間隔が
比較的広く、従って比較的広い領域からの放射線を集束
させる事ができる。
If the whole board is composed of the propagation board,
As described above, the direction of the radiation beam emitted at the radiation start position is close to the interface between the substrate and the waveguide layer, and the power concentration occurs very near the interface (FIG. 7 (I)).
), The radiating substrate 12 has a higher refractive index than the propagating substrate, and therefore the difference in refractive index from the waveguide layer 20 is small. For this reason, the refraction angle of the radiation ray leaking into the radiation substrate 12, that is, the radiation angle, is smaller than the radiation ray radiated into the propagation substrate at the radiation start position, and as shown in FIG. The direction in which the power rises with respect to the surface and the power is concentrated due to the intersection of the radiated light rays is located at a position distant from the boundary surface.Therefore, the power of the radiated light rays may be actually concentrated outside the substrate. Will be possible. Since the radiation into the radiation substrate 12 starts near the radiation start position, in this state, the interval between the radiation positions of the adjacent radiation rays is relatively wide, and therefore, it is possible to focus radiation from a relatively wide area. it can.

本発明の本質は、第8図に示す様に、領域Iで伝搬角
を変化させ、領域IIで放射を開始させ、その際、放射角
を小さくするために導波層との屈折率差の小さい放射基
板を領域IIに用い、基板表面に対し立ち上がった放射光
線によりパワーをとりだすことによりパワー集中の位置
を基板表面から遠ざける点にある。
The essence of the present invention is to change the propagation angle in the region I and start the radiation in the region II, as shown in FIG. The point is that a small radiating substrate is used in the region II, and the position of the power concentration is moved away from the substrate surface by extracting power with the radiated light beam rising to the substrate surface.

なお、実施例ではテーパ状導波層の自由表面の形状を
凸面形状としたが、これに限るものでは無い。しかし、
凸面状の自由表面を用いると、パワーの集中位置の安定
性が良くなる。
In the embodiment, the shape of the free surface of the tapered waveguide layer is a convex shape, but is not limited to this. But,
When a convex free surface is used, the stability of the power concentration position is improved.

(発明の効果) 以上、本発明によれば新規なテーパ導波路を提供でき
る。このテーパ導波路は、基板が伝搬基板と、これより
屈折率の大きい放射基板で構成され、放射角の小さい放
射光線を放射基板内に取り出すので、導波光のパワーを
基板と導波層との境界面から離れた位置に位置させるこ
とができ、また請求項2の発明の様にテーパ状導波層の
自由表面形状を凸面とすることによりパワー集中の安定
性を高めることが可能となる。従って、光ディスク情報
の記録・再生用光学ヘッドへの適用性が向上する。
(Effect of the Invention) As described above, according to the present invention, a novel tapered waveguide can be provided. In this tapered waveguide, the substrate is composed of a propagation substrate and a radiation substrate having a larger refractive index than that, and a radiation beam with a small radiation angle is extracted into the radiation substrate. It can be located at a position away from the boundary surface, and the stability of power concentration can be enhanced by making the free surface shape of the tapered waveguide layer convex as in the second aspect of the present invention. Therefore, applicability to an optical head for recording / reproducing optical disk information is improved.

第9図は、本発明のテーパ導波路を利用した光学ヘッ
ドの1例を示している。符号50は光ディスクを示してい
る。テーパ導波路の基板側へ取り出される光には、導波
路幅方向(第1図で図面に直交する方向)の集束性はな
いので、基板側に取り出された光を光ディスク50上にス
ポット状に集束させるため、この例ではシリンドリカル
レンズ40をアナモフィックな光学系として使用してい
る。別の例としてはテーパ状導波層の形状を3次元的な
曲面としてスポット状の焦点を実現することもできる。
FIG. 9 shows an example of an optical head using the tapered waveguide of the present invention. Reference numeral 50 indicates an optical disk. Since the light extracted to the substrate side of the tapered waveguide has no focusing property in the waveguide width direction (the direction orthogonal to the drawing in FIG. 1), the light extracted to the substrate side is spotted on the optical disc 50. In this example, the cylindrical lens 40 is used as an anamorphic optical system for focusing. As another example, a spot-shaped focal point can be realized by setting the shape of the tapered waveguide layer to a three-dimensional curved surface.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は、本発明の1実施例を説明図的に示す図、第2
図ないし第8図は本発明の作用を説明するための図、第
9図は本発明を利用した光学ヘッドの例を示す図であ
る。 10……基板、11……伝搬基板、12……放射基板、20……
導波層
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating one embodiment of the present invention, and FIG.
8 are diagrams illustrating the operation of the present invention, and FIG. 9 is a diagram illustrating an example of an optical head using the present invention. 10 ... board, 11 ... propagation board, 12 ... radiation board, 20 ...
Waveguide layer

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】導波層形成用の平面を有し、導波光に対し
て透明な基板と、この基板の上記平面上に形成され、上
記基板よりも高い屈折率をもつ導波層とにより構成さ
れ、 上記導波層は層厚が均一な均一層厚導波層と、この均一
層厚導波層に連接され、連接部では均一層厚導波層と同
一の層厚を有し、上記連接部を離れるに従って層厚が漸
次減少し、上記均一層厚導波層を伝搬されてくる導波光
を基板側へ放射するテーパ状導波層とからなり、 上記基板は上記導波層形成用の平面を共有する伝搬基板
と放射基板とを上記導波層における導波方向へ、この順
序に連接してなり、上記放射基板は伝搬基板よりも大き
い屈折率を有し、 上記伝搬基板と放射基板の連接部が、上記伝搬基板と導
波層の屈折率、テーパ状導波層の形状により定まる放射
開始位置に近く、且つこの放射開始位置を上記導波方向
に於いて越えないように設定されたことを特徴とするテ
ーパ導波路。
1. A substrate having a plane for forming a waveguide layer and transparent to guided light, and a waveguide layer formed on the plane of the substrate and having a higher refractive index than the substrate. Wherein the waveguide layer has a uniform layer thickness waveguide layer having a uniform layer thickness, and is connected to the uniform layer thickness waveguide layer. The layer thickness gradually decreases as the connection part is separated, and the tapered waveguide layer emits guided light propagating through the uniform layer thickness waveguide layer to the substrate side, and the substrate forms the waveguide layer. A propagation substrate and a radiation substrate sharing a plane for use are connected in this order in the waveguide direction in the waveguide layer, and the radiation substrate has a larger refractive index than the propagation substrate. The connection between the radiation substrate and the radiation substrate is determined by the refractive index between the propagation substrate and the waveguide layer and the shape of the tapered waveguide layer. Close to the position, and a tapered waveguide of the radiation start position, characterized in that it is set so as not to exceed in the above-mentioned waveguide direction.
【請求項2】請求項1に於いて、上記のテーパ状導波層
の自由表面が、基板側へ取り出された光線の安定した最
大光線密度位置を形成するように、上記基板から突出す
るような凸面形状をなすことを特徴とするテーパ導波
路。
2. The method according to claim 1, wherein the free surface of the tapered waveguide layer protrudes from the substrate so as to form a stable maximum light density position of the light beam extracted toward the substrate. A tapered waveguide characterized by having a convex shape.
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電子情報通信学会技術研究報告 Vol.87 NO.388 1988年2月24日 発行 「集積型光ディスヘッド用テーパー導波路の集光特性」第15〜22頁

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