JP3250346B2 - 光導波装置 - Google Patents
光導波装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は薄膜内に光を伝送する光
導波路、および光を１点に集束する集光装置に関するも
のである。
導波路、および光を１点に集束する集光装置に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】グレーティングカプラなどの光結合器を
使って導波層へ光を入射し導波光を励起する条件は入射
光の偏光状態に関係する。図４は従来例における導波層
への光入力の様子を示している。図４において、１は透
明基板、４は導波層、１３は導波層上に形成されたピッ
チΛの直線状凹凸構造によるグレーティングカプラ（グ
レーティングのフリンジ方向は紙面に直交する）であ
る。導波層法線Ｌと角θをなしてグレーティングカプラ
１３に入射する光１１が導波光１２を励起する条件は次
式で与えられる。
使って導波層へ光を入射し導波光を励起する条件は入射
光の偏光状態に関係する。図４は従来例における導波層
への光入力の様子を示している。図４において、１は透
明基板、４は導波層、１３は導波層上に形成されたピッ
チΛの直線状凹凸構造によるグレーティングカプラ（グ
レーティングのフリンジ方向は紙面に直交する）であ
る。導波層法線Ｌと角θをなしてグレーティングカプラ
１３に入射する光１１が導波光１２を励起する条件は次
式で与えられる。
【０００３】sinθ＝Ｎ−λ/Λ …（式１） ただし、Ｎは導波光１２の等価屈折率、λはレーザー光
１１の波長であり、入射光軸及び導波光軸は紙面に平行
である。
１１の波長であり、入射光軸及び導波光軸は紙面に平行
である。
【０００４】入射光の電気ベクトルが１１ａの様に紙面
に直交するときには、電気ベクトルが１２ａの様に導波
層表面に平行なＴＥモード導波光が励起され、１１ｂの
様に紙面に平行なときには、電気ベクトルが１２ｂの様
に導波層表面に直交するＴＭモード導波光が励起され
る。等価屈折率Ｎの大きさは導波光１２がＴＥモードで
あるかＴＭモードであるかによって異なるので、式１よ
り入射角θもＴＥモードを励起するかＴＭモードを励起
するかで異なる。
に直交するときには、電気ベクトルが１２ａの様に導波
層表面に平行なＴＥモード導波光が励起され、１１ｂの
様に紙面に平行なときには、電気ベクトルが１２ｂの様
に導波層表面に直交するＴＭモード導波光が励起され
る。等価屈折率Ｎの大きさは導波光１２がＴＥモードで
あるかＴＭモードであるかによって異なるので、式１よ
り入射角θもＴＥモードを励起するかＴＭモードを励起
するかで異なる。
【０００５】図５は図４において導波層４の屈折率を
１．８５、透明基板１の屈折率を１．４５、レーザー光
１１の波長を０．８２μｍとして、導波層膜厚と等価屈
折率との関係（分散特性）を、導波モードをパラメータ
ーにして書かせてある。膜厚を固定して見れば、各次数
（０次、１次、２次）ともＴＥモードの等価屈折率はＴ
Ｍモードの等価屈折率より大きい。
１．８５、透明基板１の屈折率を１．４５、レーザー光
１１の波長を０．８２μｍとして、導波層膜厚と等価屈
折率との関係（分散特性）を、導波モードをパラメータ
ーにして書かせてある。膜厚を固定して見れば、各次数
（０次、１次、２次）ともＴＥモードの等価屈折率はＴ
Ｍモードの等価屈折率より大きい。
【０００６】図６は上述した従来の導波層を用いた集光
装置の構成図を示す。図６において、１は透明基板、４
は導波層、５、６は導波層上に形成された同心円状凹凸
構造によるグレーティングカプラであり、共に導波層４
に直交する軸Ｌを中心軸にする。カプラ５は軸Ｌの周り
の円形領域に、カプラ６はカプラ５を取りまくリング状
の領域に形成されている。軸Ｌに沿ってグレーティング
カプラ５に入射する光７は導波光８を励起する。ただ
し、グレーティングカプラ５のピッチΛは次式を満たし
ている。
装置の構成図を示す。図６において、１は透明基板、４
は導波層、５、６は導波層上に形成された同心円状凹凸
構造によるグレーティングカプラであり、共に導波層４
に直交する軸Ｌを中心軸にする。カプラ５は軸Ｌの周り
の円形領域に、カプラ６はカプラ５を取りまくリング状
の領域に形成されている。軸Ｌに沿ってグレーティング
カプラ５に入射する光７は導波光８を励起する。ただ
し、グレーティングカプラ５のピッチΛは次式を満たし
ている。
【０００７】λ/Λ＝Ｎ … （式２） Ｎは導波光８の等価屈折率、λはレーザー光７の波長で
ある。
ある。
【０００８】導波光８は中心から外周に向かって伝搬
し、グレーティングカプラ６より放射される。グレーテ
ィングカプラ６のピッチΛは、ｆを焦点距離、ｒを放射
光９の出射位置半径、θを出射位置での開口角として、
次の連立式を満たしている。
し、グレーティングカプラ６より放射される。グレーテ
ィングカプラ６のピッチΛは、ｆを焦点距離、ｒを放射
光９の出射位置半径、θを出射位置での開口角として、
次の連立式を満たしている。
【０００９】sinθ＝λ/Λ−Ｎ … （式３） tanθ＝ｒ／ｆ … （式４） 上２式を満たすこと（すなわちピッチΛがｒの関数とし
て変化すること）で放射光９は一点に集光し、焦点位置
に置かれた反射面１０を反射する光１１はグレーティン
グカプラ６によって再び導波光１２を励起することがで
きる。
て変化すること）で放射光９は一点に集光し、焦点位置
に置かれた反射面１０を反射する光１１はグレーティン
グカプラ６によって再び導波光１２を励起することがで
きる。
【００１０】図７は図６で示した集光装置における、偏
光状態と光入力、光導波、光出力の関係を示す。グレー
ティングカプラ５に入射する光は直線偏光であり、電気
ベクトルは７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄのようにｙ軸に平行
である。
光状態と光入力、光導波、光出力の関係を示す。グレー
ティングカプラ５に入射する光は直線偏光であり、電気
ベクトルは７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄのようにｙ軸に平行
である。
【００１１】カプラ５が大きい場合、式２において、Ｎ
がＴＥモードに対する等価屈折率に等しければ（ＮがＴ
Ｍモードに対する等価屈折率に等しくても、ＴＥとＴＭ
が入れ替わり電気ベクトルの方向が変わるだけで、以下
の事情は同様である）、カプラ５によりｘ軸方向に伝搬
するＴＥモードの導波光８ａ、８ｂやｘ軸とφの偏角を
なす方位に伝搬する導波光８ｅが励起される。
がＴＥモードに対する等価屈折率に等しければ（ＮがＴ
Ｍモードに対する等価屈折率に等しくても、ＴＥとＴＭ
が入れ替わり電気ベクトルの方向が変わるだけで、以下
の事情は同様である）、カプラ５によりｘ軸方向に伝搬
するＴＥモードの導波光８ａ、８ｂやｘ軸とφの偏角を
なす方位に伝搬する導波光８ｅが励起される。
【００１２】導波光８ａ、８ｂ、８ｅの電気ベクトルは
カプラ５に同心した円の接線方向にあり、導波光８ｅの
光振幅は導波光８ａの振幅で標準化してcosφの大きさ
である。
カプラ５に同心した円の接線方向にあり、導波光８ｅの
光振幅は導波光８ａの振幅で標準化してcosφの大きさ
である。
【００１３】従って、グレーティングカプラ６から放射
される光９ｅの振幅は放射位置の偏角φに依存し、cos
φの大きさに比例する。また、放射光の偏光方向はその
電気ベクトルがカプラ５に同心した円の接線方向にあ
る。
される光９ｅの振幅は放射位置の偏角φに依存し、cos
φの大きさに比例する。また、放射光の偏光方向はその
電気ベクトルがカプラ５に同心した円の接線方向にあ
る。
【００１４】例えば、ｘ軸上の放射光９Ａ、９Ｂの電気
ベクトルはｙ軸に平行であり、放射光９ｅの電気ベクト
ルはｙ軸に角φだけ傾いた方向にある。
ベクトルはｙ軸に平行であり、放射光９ｅの電気ベクト
ルはｙ軸に角φだけ傾いた方向にある。
【００１５】従って、カプラ６から放射する光９ｅの
内、集光点Ｆ１において互いに干渉する成分（すなわち
電気ベクトルがｙ軸方向にある成分）の光振幅は、cos2
φの大きさに比例する。よって、放射光は等価的にｙ軸
との偏角が小さい領域で遮光されたような開口制限を受
けるので、点Ｆ１における集光スポットはｙ軸方向に広
がった楕円スポットになる。
内、集光点Ｆ１において互いに干渉する成分（すなわち
電気ベクトルがｙ軸方向にある成分）の光振幅は、cos2
φの大きさに比例する。よって、放射光は等価的にｙ軸
との偏角が小さい領域で遮光されたような開口制限を受
けるので、点Ｆ１における集光スポットはｙ軸方向に広
がった楕円スポットになる。
【００１６】カプラ５が十分小さいときには、式２で示
した導波光励起の条件は緩くなり、上述したＴＥモード
光の励起に加えて、等価屈折率が式２のＮに比べやや小
さいＴＭモードの導波光８ｃ'、８ｄ'（ともにｙ軸方向
に伝搬する導波光）、８ｅ'（ｘ軸とφの偏角をなす方
位に伝搬する導波光）も励起される。
した導波光励起の条件は緩くなり、上述したＴＥモード
光の励起に加えて、等価屈折率が式２のＮに比べやや小
さいＴＭモードの導波光８ｃ'、８ｄ'（ともにｙ軸方向
に伝搬する導波光）、８ｅ'（ｘ軸とφの偏角をなす方
位に伝搬する導波光）も励起される。
【００１７】導波光８ｃ'、８ｄ'、８ｅ'の電気ベクト
ルはともに導波層表面に対する法線方向にあり、導波光
８ｅ'の光振幅は導波光８ｃ'の光振幅のsinφの大きさ
である。
ルはともに導波層表面に対する法線方向にあり、導波光
８ｅ'の光振幅は導波光８ｃ'の光振幅のsinφの大きさ
である。
【００１８】グレーティングカプラ６から放射する光の
放射角は式３のＮがＴＥモードに比べ小さくなるので、
放射角（放射光と導波層法線のなす角、すなわち開口角
θ）は大きくなり、ＴＭモード放射光による集光点Ｆ２
はＴＥモード放射光による点Ｆ１よりもカプラ６側に近
づく。
放射角は式３のＮがＴＥモードに比べ小さくなるので、
放射角（放射光と導波層法線のなす角、すなわち開口角
θ）は大きくなり、ＴＭモード放射光による集光点Ｆ２
はＴＥモード放射光による点Ｆ１よりもカプラ６側に近
づく。
【００１９】ＴＭモード放射光９ｅ'の振幅はsinφの大
きさに比例し、その電気ベクトルはカプラ５に同心した
円の動径方向（すなわちｘ軸と角φをなす方向）にある
（厳密には、放射光の偏光方向はその電気ベクトルが放
射方向と導波方向（カプラ５に同心した円の動径方向）
を含む面内にあって放射方向に直交する方向にあるが、
ここでは近似した表現をする）。
きさに比例し、その電気ベクトルはカプラ５に同心した
円の動径方向（すなわちｘ軸と角φをなす方向）にある
（厳密には、放射光の偏光方向はその電気ベクトルが放
射方向と導波方向（カプラ５に同心した円の動径方向）
を含む面内にあって放射方向に直交する方向にあるが、
ここでは近似した表現をする）。
【００２０】従って、互いに干渉する成分（すなわち電
気ベクトルがｙ軸方向にある成分）の光振幅分布は、si
n2φ（厳密にはsin2φcosθ）の大きさに比例する。よ
って、放射光は等価的にｘ軸との偏角が小さい領域で遮
光されたような開口制限を受けるので、点Ｆ２における
集光スポットはｘ軸方向に延びた楕円スポットになる。
気ベクトルがｙ軸方向にある成分）の光振幅分布は、si
n2φ（厳密にはsin2φcosθ）の大きさに比例する。よ
って、放射光は等価的にｘ軸との偏角が小さい領域で遮
光されたような開口制限を受けるので、点Ｆ２における
集光スポットはｘ軸方向に延びた楕円スポットになる。
【００２１】すなわち、カプラ５が十分小さいときに
は、点Ｆ１でｙ軸方向に広がった楕円スポット、点Ｆ２
でｘ軸方向に広がった楕円スポットが得られる。
は、点Ｆ１でｙ軸方向に広がった楕円スポット、点Ｆ２
でｘ軸方向に広がった楕円スポットが得られる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】このような従来の光導
波路及び集光装置に於て以下の問題点があった。カプラ
５が大きいときには、カプラ５によりｘ軸との偏角が小
さい領域に入射する光は導波光を強く励起するが、ｙ軸
との偏角が小さい領域では励起が弱く、入射光は有効に
利用されていない。
波路及び集光装置に於て以下の問題点があった。カプラ
５が大きいときには、カプラ５によりｘ軸との偏角が小
さい領域に入射する光は導波光を強く励起するが、ｙ軸
との偏角が小さい領域では励起が弱く、入射光は有効に
利用されていない。
【００２３】さらに、この導波光量の偏角依存性に加
え、放射光の偏光方向が円接線方向にあることにより、
放射光は等価的にｙ軸との偏角が小さい領域で遮光され
た開口制限を受けることになり、集光スポットはｙ軸方
向に広がった楕円スポットになる。
え、放射光の偏光方向が円接線方向にあることにより、
放射光は等価的にｙ軸との偏角が小さい領域で遮光され
た開口制限を受けることになり、集光スポットはｙ軸方
向に広がった楕円スポットになる。
【００２４】カプラ５が十分小さいときには、上述した
ＴＥモード光の励起に加えて、ｙ軸との偏角が小さい領
域でＴＭモード光の励起がなされるので、入射光の有効
利用に関する課題はなくなるが、放射光の集光性には課
題が残る。
ＴＥモード光の励起に加えて、ｙ軸との偏角が小さい領
域でＴＭモード光の励起がなされるので、入射光の有効
利用に関する課題はなくなるが、放射光の集光性には課
題が残る。
【００２５】すなわち、ＴＥモードとＴＭモードの等価
屈折率が異なるので、ＴＥモード放射光とＴＭモード放
射光の放射角が異なり、集光スポットはＴＥモード放射
光によるｙ軸方向に広がった楕円スポットとＴＭモード
放射光によるｘ軸方向に広がった楕円スポットが光軸上
で分離して得られる。
屈折率が異なるので、ＴＥモード放射光とＴＭモード放
射光の放射角が異なり、集光スポットはＴＥモード放射
光によるｙ軸方向に広がった楕円スポットとＴＭモード
放射光によるｘ軸方向に広がった楕円スポットが光軸上
で分離して得られる。
【００２６】いずれにしても、集光素子としては等価的
に開口制限が加わるので、円形で絞れた集光スポットは
得られない。
に開口制限が加わるので、円形で絞れた集光スポットは
得られない。
【００２７】本発明はかかる問題点に鑑み、カプラ５の
大きさにかかわらず導波光が効率的に全方位に励起さ
れ、放射光の振幅や偏光方向が方位に依らず均一で、集
光スポットを円形に絞ることの可能な光導波路及び集光
装置を提供することを目的する。
大きさにかかわらず導波光が効率的に全方位に励起さ
れ、放射光の振幅や偏光方向が方位に依らず均一で、集
光スポットを円形に絞ることの可能な光導波路及び集光
装置を提供することを目的する。
【００２８】
【課題を解決するための手段】上述の問題を解決するた
めに本発明の光導波装置は、透明基板と、前記透明基板
の上に形成され前記透明基板よりも屈折率の高い透明層
で形成された導波層と、レーザー光を前記導波層に導き
前記導波層内を伝搬する導波光を励起する入力手段とを
備えており、前記導波層は、前記導波層よりも低屈折率
の第１の透明層を挟んで前記導波層よりも高屈折率の第
２の透明層の上に積層されることを特徴とする。 また、
本発明による他の光導波装置は、透明基板と、前記透明
基板の上に形成され前記透明基板よりも屈折率の高い透
明層で形成された導波層と、レーザー光を前記導波層に
導き前記導波層内を伝搬する導波光を励起する入力手段
とを備え、前記導波層の上に、前記導波層よりも低屈折
率の第１の透明層を挟んで前記導波層よりも高屈折率の
第２の透明層を積層したことを特徴とする。これらの装
置は、前記導波層内を伝搬するＴＭモード導波光の等価
屈折率がＴＥモード導波光の等価屈折率に等しくなるよ
うに、前記導波層は前記導波層よりも低屈折率の第１の
透明層を挟んで前記導波層よりも高屈折率の第２の透明
層の上に積層されることも特徴としている。また、本発
明による他の光導波装置は、透明基板と、前記透明基板
の上に形成され前記透明基板よりも屈折率の高い透明層
で形成された導波層と、レーザー光を前記導波層に導き
前記導波層内を伝搬する導波光を励起する入力手段とを
備え、前記導波層は、前記導波層よりも低屈折率の第１
の透明層を挟んで前記導波層よりも高屈折率の第２の透
明層の上に積層され、前記導波層の上には、前記導波層
よりも低屈折率の第３の透明層を挟んで前記導波層より
も高屈折率の第４の透明層を積層したことを特徴とす
る。この装置は、前記導波層内を伝搬するＴＭモード導
波光の等価屈折率がＴＥモード導波光の等価屈折率に等
しくなるように、前記導波層は、前記導波層よりも低屈
折率の第１の透明層を挟んで前記導波層よりも高屈折率
の第２の透明層の上に積層され、前記導波層の上には、
前記導波層よりも低屈折率の第３の透明層を挟んで前記
導波層よりも高屈折率の第４の透明層を積層したことも
特徴としてい る。
めに本発明の光導波装置は、透明基板と、前記透明基板
の上に形成され前記透明基板よりも屈折率の高い透明層
で形成された導波層と、レーザー光を前記導波層に導き
前記導波層内を伝搬する導波光を励起する入力手段とを
備えており、前記導波層は、前記導波層よりも低屈折率
の第１の透明層を挟んで前記導波層よりも高屈折率の第
２の透明層の上に積層されることを特徴とする。 また、
本発明による他の光導波装置は、透明基板と、前記透明
基板の上に形成され前記透明基板よりも屈折率の高い透
明層で形成された導波層と、レーザー光を前記導波層に
導き前記導波層内を伝搬する導波光を励起する入力手段
とを備え、前記導波層の上に、前記導波層よりも低屈折
率の第１の透明層を挟んで前記導波層よりも高屈折率の
第２の透明層を積層したことを特徴とする。これらの装
置は、前記導波層内を伝搬するＴＭモード導波光の等価
屈折率がＴＥモード導波光の等価屈折率に等しくなるよ
うに、前記導波層は前記導波層よりも低屈折率の第１の
透明層を挟んで前記導波層よりも高屈折率の第２の透明
層の上に積層されることも特徴としている。また、本発
明による他の光導波装置は、透明基板と、前記透明基板
の上に形成され前記透明基板よりも屈折率の高い透明層
で形成された導波層と、レーザー光を前記導波層に導き
前記導波層内を伝搬する導波光を励起する入力手段とを
備え、前記導波層は、前記導波層よりも低屈折率の第１
の透明層を挟んで前記導波層よりも高屈折率の第２の透
明層の上に積層され、前記導波層の上には、前記導波層
よりも低屈折率の第３の透明層を挟んで前記導波層より
も高屈折率の第４の透明層を積層したことを特徴とす
る。この装置は、前記導波層内を伝搬するＴＭモード導
波光の等価屈折率がＴＥモード導波光の等価屈折率に等
しくなるように、前記導波層は、前記導波層よりも低屈
折率の第１の透明層を挟んで前記導波層よりも高屈折率
の第２の透明層の上に積層され、前記導波層の上には、
前記導波層よりも低屈折率の第３の透明層を挟んで前記
導波層よりも高屈折率の第４の透明層を積層したことも
特徴としてい る。
【００２９】上述の前記第２の透明層は、前記導波層よ
りも低屈折率の他の透明層を挟んで前記導波層よりも高
屈折率の別の透明層の上に積層されてもよく、また、前
記第４の透明層は、前記導波層よりも低屈折率の他の透
明層を挟んで前記導波層よりも高屈折率の別の透明層の
上に積層されていてもよい。このような、低屈折率透明
層と光屈折透明層の積層は１回以上繰り返されていても
よい。
りも低屈折率の他の透明層を挟んで前記導波層よりも高
屈折率の別の透明層の上に積層されてもよく、また、前
記第４の透明層は、前記導波層よりも低屈折率の他の透
明層を挟んで前記導波層よりも高屈折率の別の透明層の
上に積層されていてもよい。このような、低屈折率透明
層と光屈折透明層の積層は１回以上繰り返されていても
よい。
【００３０】前記入力手段は、前記導波層上に形成され
た凹凸の周期構造により構成されてよく、前記周期構造
が同心円構造をもつことも特徴の１つである。また、こ
の装置は前記導波光を前記導波路外に放射する出力手段
を備えており、前記出力手段が前記導波層上に形成され
た凹凸の周期構造により構成され、前記出力手段の周期
構造が前記入力手段の前記周期構造の中心軸を軸とする
同心円をなし、前記出力手段の前記周期構造の周期が外
周に向かって密になることも特徴の１つである。この特
徴により、導波層外に放射される光を１点に集光させる
ことができる。
た凹凸の周期構造により構成されてよく、前記周期構造
が同心円構造をもつことも特徴の１つである。また、こ
の装置は前記導波光を前記導波路外に放射する出力手段
を備えており、前記出力手段が前記導波層上に形成され
た凹凸の周期構造により構成され、前記出力手段の周期
構造が前記入力手段の前記周期構造の中心軸を軸とする
同心円をなし、前記出力手段の前記周期構造の周期が外
周に向かって密になることも特徴の１つである。この特
徴により、導波層外に放射される光を１点に集光させる
ことができる。
【００３１】
【作用】本発明は上記した構成によって、導波層内を伝
搬するＴＭモード導波光の等価屈折率をＴＥモード導波
光の等価屈折率と等しくすることができ、導波層外に放
射される光の放射方向と位相、及び偏光方向を揃えるこ
とができる。
搬するＴＭモード導波光の等価屈折率をＴＥモード導波
光の等価屈折率と等しくすることができ、導波層外に放
射される光の放射方向と位相、及び偏光方向を揃えるこ
とができる。
【００３２】
【実施例】以下本発明の実施例の光導波路及び集光装置
について、図面を参照しながら説明する。なお従来例と
同一の部材には同一番号を付し、詳しい説明は省略す
る。
について、図面を参照しながら説明する。なお従来例と
同一の部材には同一番号を付し、詳しい説明は省略す
る。
【００３３】図１は本発明の実施例における光導波路及
び集光装置の構成を示している。図１において、１は透
明基板、２は位相補正層、３はバッファー層、４は導波
層、５、６は導波層上に形成された同心円状凹凸構造に
よるグレーティングカプラであり、共に導波層４に直交
する軸Ｌを中心軸にする。
び集光装置の構成を示している。図１において、１は透
明基板、２は位相補正層、３はバッファー層、４は導波
層、５、６は導波層上に形成された同心円状凹凸構造に
よるグレーティングカプラであり、共に導波層４に直交
する軸Ｌを中心軸にする。
【００３４】カプラ５は軸Ｌの周りの円形領域に、カプ
ラ６はカプラ５を取りまくリング状の領域に形成されて
いる。軸Ｌに沿ってグレーティングカプラ５に入射する
光７は導波光８を励起する。ただし、グレーティングカ
プラ５のピッチΛは、Ｎを導波光８の等価屈折率、λを
レーザー光７の波長として式２を満たしている。
ラ６はカプラ５を取りまくリング状の領域に形成されて
いる。軸Ｌに沿ってグレーティングカプラ５に入射する
光７は導波光８を励起する。ただし、グレーティングカ
プラ５のピッチΛは、Ｎを導波光８の等価屈折率、λを
レーザー光７の波長として式２を満たしている。
【００３５】導波光８は中心から外周に向かって伝搬
し、グレーティングカプラ６より放射される。グレーテ
ィングカプラ６のピッチΛは、ｆを焦点距離、ｒを放射
光９の出射位置半径、θを出射位置での開口角として、
式３、式４の連立式を満たしている。式３、式４を満た
すこと（すなわちピッチΛがｒの関数として変化するこ
と）で放射光９は一点に集光し、焦点位置に置かれた反
射面１０を反射する光１１はグレーティングカプラ６に
よって再び導波光１２を励起することができる。
し、グレーティングカプラ６より放射される。グレーテ
ィングカプラ６のピッチΛは、ｆを焦点距離、ｒを放射
光９の出射位置半径、θを出射位置での開口角として、
式３、式４の連立式を満たしている。式３、式４を満た
すこと（すなわちピッチΛがｒの関数として変化するこ
と）で放射光９は一点に集光し、焦点位置に置かれた反
射面１０を反射する光１１はグレーティングカプラ６に
よって再び導波光１２を励起することができる。
【００３６】図２は図１において導波層４の屈折率を
１．８５、透明基板１の屈折率を１．４５、位相補正層
２の屈折率を２．４、膜厚を０．１１μm、バッファー
層３の屈折率を１．４５、膜厚を０．１５μm、レーザ
ー光７の波長を０．８２μｍとして、導波層膜厚と等価
屈折率との関係（分散特性）を、導波モードをパラメー
ターにして書かせてある。
１．８５、透明基板１の屈折率を１．４５、位相補正層
２の屈折率を２．４、膜厚を０．１１μm、バッファー
層３の屈折率を１．４５、膜厚を０．１５μm、レーザ
ー光７の波長を０．８２μｍとして、導波層膜厚と等価
屈折率との関係（分散特性）を、導波モードをパラメー
ターにして書かせてある。
【００３７】なお、位相補正層２の膜厚を連続的に０か
ら０．１１μmに増加させて分散特性図を観察すると分
かることだが、図２のＴＥ0、ＴＥ1は図５のＴＥ1、Ｔ
Ｅ2が変化したものであり、図５のＴＥ0が退縮して分散
特性図には現われない（位相補正層２では導波モードが
存在するが、導波層４では存在しない）ので、次数を繰
下げている。
ら０．１１μmに増加させて分散特性図を観察すると分
かることだが、図２のＴＥ0、ＴＥ1は図５のＴＥ1、Ｔ
Ｅ2が変化したものであり、図５のＴＥ0が退縮して分散
特性図には現われない（位相補正層２では導波モードが
存在するが、導波層４では存在しない）ので、次数を繰
下げている。
【００３８】また、図２でＴＭ0が膜厚ゼロでも存在す
るのは、位相補正層を導波するＴＭモードが存在するこ
とによる。図５との比較から分かるように、位相補正層
の存在により分散特性は大きく変化し、導波層膜厚０．
９μｍ（破線で表示）では０次、１次ともＴＥモードの
等価屈折率とＴＭモードの等価屈折率が等しくなり、各
曲線（ＴＥ0とＴＭ0、ＴＥ1とＴＭ1）が互いに漸近して
交わるので、導波層膜厚に誤差があっても発生する等価
屈折率差は小さい。
るのは、位相補正層を導波するＴＭモードが存在するこ
とによる。図５との比較から分かるように、位相補正層
の存在により分散特性は大きく変化し、導波層膜厚０．
９μｍ（破線で表示）では０次、１次ともＴＥモードの
等価屈折率とＴＭモードの等価屈折率が等しくなり、各
曲線（ＴＥ0とＴＭ0、ＴＥ1とＴＭ1）が互いに漸近して
交わるので、導波層膜厚に誤差があっても発生する等価
屈折率差は小さい。
【００３９】図２のようにＴＥモードの等価屈折率とＴ
Ｍモードの等価屈折率とを等しくする条件は、位相補正
層の屈折率を導波層の屈折率よりも高く、バッファー層
の屈折率を導波層の屈折率よりも低くしたときに得られ
る。
Ｍモードの等価屈折率とを等しくする条件は、位相補正
層の屈折率を導波層の屈折率よりも高く、バッファー層
の屈折率を導波層の屈折率よりも低くしたときに得られ
る。
【００４０】図３は図１で示した本発明の集光装置にお
ける、偏光状態と光入力、光導波、光出力の関係を示
す。グレーティングカプラ５に入射する光は直線偏光で
あり、電気ベクトルは７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄのように
ｙ軸に平行である。
ける、偏光状態と光入力、光導波、光出力の関係を示
す。グレーティングカプラ５に入射する光は直線偏光で
あり、電気ベクトルは７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄのように
ｙ軸に平行である。
【００４１】図２で示したように、位相補正層の存在に
よりＴＥモードの等価屈折率とＴＭモードの等価屈折率
が等しいので、式２において、ＮがＴＥモードに対する
等価屈折率（すなわちＴＥモードに対する等価屈折率）
に等しければ、カプラ５ではｘ軸方向に伝搬するＴＥモ
ード導波光８ａ、８ｂやｘ軸とφの偏角をなす方位に伝
搬するＴＥモード導波光８ｅが励起され、同時にｙ軸方
向に伝搬するＴＭモード導波光８ｃ'、８ｄ'やｘ軸とφ
の偏角をなす方位に伝搬するＴＭモード導波光８ｅ'が
励起される。
よりＴＥモードの等価屈折率とＴＭモードの等価屈折率
が等しいので、式２において、ＮがＴＥモードに対する
等価屈折率（すなわちＴＥモードに対する等価屈折率）
に等しければ、カプラ５ではｘ軸方向に伝搬するＴＥモ
ード導波光８ａ、８ｂやｘ軸とφの偏角をなす方位に伝
搬するＴＥモード導波光８ｅが励起され、同時にｙ軸方
向に伝搬するＴＭモード導波光８ｃ'、８ｄ'やｘ軸とφ
の偏角をなす方位に伝搬するＴＭモード導波光８ｅ'が
励起される。
【００４２】導波光８ａ、８ｂ、８ｅの電気ベクトルは
カプラ５に同心した円の接線方向にあり、導波光８
ｃ'、８ｄ'、８ｅ'の電気ベクトルはともに導波層に対
する法線方向にある。
カプラ５に同心した円の接線方向にあり、導波光８
ｃ'、８ｄ'、８ｅ'の電気ベクトルはともに導波層に対
する法線方向にある。
【００４３】また、導波光８ｅの光振幅は導波光８ａの
振幅で標準化してcosφの大きさであり、導波光８ｅ'の
光振幅も導波光８ｃ'の振幅で標準化してsinφの大きさ
である。
振幅で標準化してcosφの大きさであり、導波光８ｅ'の
光振幅も導波光８ｃ'の振幅で標準化してsinφの大きさ
である。
【００４４】従って、グレーティングカプラ６から放射
される光９ｅ、９ｅ'の振幅は放射位置の偏角φに依存
し、ＴＥモードの場合（９ｅ）はcosφの大きさに比例
し、ＴＭモードの場合（９ｅ'）はsinφの大きさに比例
する。
される光９ｅ、９ｅ'の振幅は放射位置の偏角φに依存
し、ＴＥモードの場合（９ｅ）はcosφの大きさに比例
し、ＴＭモードの場合（９ｅ'）はsinφの大きさに比例
する。
【００４５】放射光の偏光方向はＴＥモード放射光（９
Ａ、９Ｂ、９ｅなど）の場合は電気ベクトルがカプラ５
に同心した円の接線方向にあり、ＴＭモード放射光（９
Ｃ、９Ｄ、９ｅ'など）の場合はカプラ５に同心した円
の動径方向にある（厳密には、電気ベクトルが放射方向
と導波方向（カプラ５に同心した円の動径方向）を含む
面内にあって放射方向に直交する方向にあるが、ここで
は近似した表現をする）。
Ａ、９Ｂ、９ｅなど）の場合は電気ベクトルがカプラ５
に同心した円の接線方向にあり、ＴＭモード放射光（９
Ｃ、９Ｄ、９ｅ'など）の場合はカプラ５に同心した円
の動径方向にある（厳密には、電気ベクトルが放射方向
と導波方向（カプラ５に同心した円の動径方向）を含む
面内にあって放射方向に直交する方向にあるが、ここで
は近似した表現をする）。
【００４６】ＴＥモード導波光の等価屈折率とＴＭモー
ド導波光の等価屈折率が等しいので、ＴＥモード放射光
の位相とＴＭモード放射光の位相とは揃い、かつ式３よ
りＴＥモード放射光の放射角とＴＭモード放射光の放射
角とは一致する。
ド導波光の等価屈折率が等しいので、ＴＥモード放射光
の位相とＴＭモード放射光の位相とは揃い、かつ式３よ
りＴＥモード放射光の放射角とＴＭモード放射光の放射
角とは一致する。
【００４７】従って、ＴＥモード放射光とＴＭモード放
射光とは合成できて、直線偏光の光となる。９ｅと９
ｅ'の放射光を例にとれば、振動方位は直交し、伝搬方
位と位相は一致するので、合成波である９Ｅは直線偏光
であり、その偏光方向は９ｅと９ｅ'の振幅比がcosφ：
sinφ（すなわち９Ａと９Ｄの振幅が等しい場合）であ
れば完全にｙ軸の方向に揃い、振幅比が若干ずれてもｙ
軸方向からのずれは小さい。
射光とは合成できて、直線偏光の光となる。９ｅと９
ｅ'の放射光を例にとれば、振動方位は直交し、伝搬方
位と位相は一致するので、合成波である９Ｅは直線偏光
であり、その偏光方向は９ｅと９ｅ'の振幅比がcosφ：
sinφ（すなわち９Ａと９Ｄの振幅が等しい場合）であ
れば完全にｙ軸の方向に揃い、振幅比が若干ずれてもｙ
軸方向からのずれは小さい。
【００４８】従って、カプラ６から放射する合成光の振
幅は、放射位置（偏角位置）に依らずほぼ一様な分布と
なり、しかもＴＥモード放射光の放射角とＴＭモード放
射光の放射角が一致するので、従来例の様な２重焦点は
発生せず、焦点Ｆにはよく絞れた円形スポットが得られ
る。
幅は、放射位置（偏角位置）に依らずほぼ一様な分布と
なり、しかもＴＥモード放射光の放射角とＴＭモード放
射光の放射角が一致するので、従来例の様な２重焦点は
発生せず、焦点Ｆにはよく絞れた円形スポットが得られ
る。
【００４９】なお、上記実施例では、導波層の成膜の前
に、位相補正層、バッファー層の積層を１回だけ考えた
が、ＴＥモードの等価屈折率とＴＭモードの等価屈折率
が等しくなるなら、複数回行なってもよい。
に、位相補正層、バッファー層の積層を１回だけ考えた
が、ＴＥモードの等価屈折率とＴＭモードの等価屈折率
が等しくなるなら、複数回行なってもよい。
【００５０】当然、位相補正層、バッファー層、導波層
の積層順が反転してもよい。また、上記実施例では位相
補正層、バッファー層の積層のあと導波層を成膜した例
で示したが、この上にさらにバッファー層、位相補正層
の積層を１回以上加えてもよい。
の積層順が反転してもよい。また、上記実施例では位相
補正層、バッファー層の積層のあと導波層を成膜した例
で示したが、この上にさらにバッファー層、位相補正層
の積層を１回以上加えてもよい。
【００５１】さらに、上記実施例の図２では複数の次数
（０次、１次）で同時にＴＥモードの等価屈折率とＴＭ
モードの等価屈折率が等しくなる例を示したが、図２の
点ＡにおけるＴＥ0とＴＭ0のように、単一の次数での一
致だけであっても、本実施例の効果は同じである。
（０次、１次）で同時にＴＥモードの等価屈折率とＴＭ
モードの等価屈折率が等しくなる例を示したが、図２の
点ＡにおけるＴＥ0とＴＭ0のように、単一の次数での一
致だけであっても、本実施例の効果は同じである。
【００５２】
【発明の効果】以上本発明の光導波路及び集光装置によ
り、ＴＥモードの等価屈折率とＴＭモードの等価屈折率
が等しくなるので、効率よく入射光を導波光に変換で
き、一つの焦点によく絞れた円形スポットを得ることが
できる。
り、ＴＥモードの等価屈折率とＴＭモードの等価屈折率
が等しくなるので、効率よく入射光を導波光に変換で
き、一つの焦点によく絞れた円形スポットを得ることが
できる。
【図１】本発明の実施例における光導波路及び集光装置
の構成図
の構成図
【図２】本発明の実施例における光導波路の導波層膜厚
と等価屈折率との関係図
と等価屈折率との関係図
【図３】本発明の実施例における集光装置の偏光状態と
光入力、光導波、光出力の関係を示す説明図
光入力、光導波、光出力の関係を示す説明図
【図４】従来例における光導波層への光入力を示す断面
説明図
説明図
【図５】従来例における光導波路の導波層膜厚と等価屈
折率との関係図
折率との関係図
【図６】従来例における光導波路及びこれを用いた集光
装置の構成図
装置の構成図
【図７】従来例における集光装置の偏光状態と光入力、
光導波、光出力の関係を示す説明図
光導波、光出力の関係を示す説明図
１ 透明基板 ２ 位相補正層 ３ バッファー層 ４ 導波層 ５ 入力用グレーティングカプラ ６ 出力用グレーティングカプラ ７ 入射光 ８ 導波光 ９ 放射光 １０ 反射面 １１ 反射光 １２ 戻り導波光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大嶋 希代子 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−320652（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G11B 7/135 G02B 6/12 G02B 6/30
Claims (10)
- 【請求項１】透明基板と、前記透明基板の上に形成され
前記透明基板よりも屈折率の高い透明層で形成された導
波層と、レーザー光を前記導波層に導き前記導波層内を
伝搬する導波光を励起する入力手段とを備え、 前記導波層は、前記導波層よりも低屈折率の第１の透明
層を挟んで前記導波層よりも高屈折率の第２の透明層の
上に積層されることを特徴とする光導波装置。 - 【請求項２】透明基板と、前記透明基板の上に形成され
前記透明基板よりも屈折率の高い透明層で形成された導
波層と、レーザー光を前記導波層に導き前記導波層内を
伝搬する導波光を励起する入力手段とを備え、 前記導波層内を伝搬するＴＭモード導波光の等価屈折率
がＴＥモード導波光の等価屈折率と等しくなるように、
前記導波層は前記導波層よりも低屈折率の第１の透明層
を挟んで前記導波層よりも高屈折率の第２の透明層の上
に積層されることを特徴とする光導波装置。 - 【請求項３】透明基板と、前記透明基板の上に形成され
前記透明基板よりも屈折率の高い透明層で形成された導
波層と、レーザー光を前記導波層に導き前記導波層内を
伝搬する導波光を励起する入力手段とを備え、 前記導波層の上に、前記導波層よりも低屈折率の第１の
透明層を挟んで前記導波層よりも高屈折率の第２の透明
層を積層したことを特徴とする光導波装置。 - 【請求項４】透明基板と、前記透明基板の上に形成され
前記透明基板よりも屈折率の高い透明層で形成された導
波層と、レーザー光を前記導波層に導き前記導波層内を
伝搬する導波光を励起する入力手段とを備え、 前記導波層内を伝搬するＴＭモード導波光の等価屈折率
がＴＥモード導波光の等価屈折率と等しくなるように、
前記導波層の上に、前記導波層よりも低屈折率の第１の
透明層を挟んで前記導波層よりも高屈折率の第２の透明
層を積層したことを特徴とする光導波装置。 - 【請求項５】前記第２の透明層は、前記導波層よりも低
屈折率の第３の透明層を挟んで前記導波層よりも高屈折
率の第４の透明層の上に積層されていることを特徴とす
る請求項１または２に記載の光導波装置。 - 【請求項６】透明基板と、前記透明基板の上に形成され
前記透明基板よりも屈折率の高い透明層で形成された導
波層と、レーザー光を前記導波層に導き前記導波層内を
伝搬する導波光を励起する入力手段とを備え、 前記導波層は、前記導波層よりも低屈折率の第１の透明
層を挟んで前記導波層よりも高屈折率の第２の透明層の
上に積層され、前記導波層の上には、前記導波層よりも
低屈折率の第３の透明層を挟んで前記導波層よりも高屈
折率の第４の透明層を積層したことを特徴とする光導波
装置。 - 【請求項７】透明基板と、前記透明基板の上に形成され
前記透明基板よりも屈折率の高い透明層で形成された導
波層と、レーザー光を前記導波層に導き前記導波層内を
伝搬する導波光を励起する入力手段とを備え、 前記導波層内を伝搬するＴＭモード導波光の等価屈折率
がＴＥモード導波光の等価屈折率と等しくなるように、
前記導波層は、前記導波層よりも低屈折率の第１の透明
層を挟んで前記導波層よりも高屈折率の第２の透明層の
上に積層され、前記導波層の上には、前記導波層よりも
低屈折率の第３の透明層を挟んで前記導波層よりも高屈
折率の第４の透明層を積層したことを特徴とする光導波
装置。 - 【請求項８】前記第２の透明層は、前記導波層よりも低
屈折率の第５の透明層を挟んで前記導波層よりも高屈折
率の第６の透明層の上に積層されていることを特徴とす
る請求項６または７に記載の光導波装置。 - 【請求項９】前記入力手段が前記導波層上に形成された
凹凸の周期構造により構成され、前記周期構造が同心円
をなすことを特徴とする請求項１から８のうちの一項に
記載の光導波装置。 - 【請求項１０】前記導波光を前記導波路外に放射する出
力手段を備え、前記出力手段が前記導波層上に形成され
た凹凸の周期構造により構成され、前記出力手段の周期
構造が前記入力手段の前記周期構造の中心軸を軸とする
同心円をなし、前記出力手段の前記周期構造の周期が外
周に向かって密になることを特徴とする請求項９記載の
光導波装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29051993A JP3250346B2 (ja) | 1993-11-19 | 1993-11-19 | 光導波装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29051993A JP3250346B2 (ja) | 1993-11-19 | 1993-11-19 | 光導波装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07141688A JPH07141688A (ja) | 1995-06-02 |
| JP3250346B2 true JP3250346B2 (ja) | 2002-01-28 |
Family
ID=17757081
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29051993A Expired - Fee Related JP3250346B2 (ja) | 1993-11-19 | 1993-11-19 | 光導波装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3250346B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106248224B (zh) * | 2015-06-09 | 2020-04-14 | 松下知识产权经营株式会社 | 光检测装置以及光检测系统 |
| JP6646830B2 (ja) * | 2016-03-30 | 2020-02-14 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 光検出装置および光検出システム |
| WO2019131029A1 (ja) * | 2017-12-27 | 2019-07-04 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 光学装置 |
| JP2021179310A (ja) * | 2018-08-13 | 2021-11-18 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 光検出装置、および光検出システム |
-
1993
- 1993-11-19 JP JP29051993A patent/JP3250346B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH07141688A (ja) | 1995-06-02 |
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