JPH01118103A - ビーム整形素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体レーザ等から出射したビーム光を特定
のビーム形状に整形するビーム整形素子に関するもので
ある。

Ｕ従来技術］ 従来、半導体レーザから出射した楕円パターンのビーム
を整形する手段としては第２図乃至第４図に示づような
、プリズム、レンズ等が用いられていた。即ち、第２図
は円形開口のコリメータレンズを使用することにより楕
円パターンを円形パターンに変換する例であり、第３図
はコリメータレンズを通して平行にしたビームを１つ以
上のプリズムに通過させることにより、ビームを円形パ
ターンに変換する例であり、また、第４図は１つ以上の
円筒レンズに通過させることによって円形パターンに整
形する例である。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、第２図に示した、円形開口のコリメータ
レンズを用いる方法では、半導体レープ素子の接合面に
平行な方向と垂直な方向とで、前記コリメータレンズに
よる光の損失量か異な゛す、整形ビームは円形に整形さ
れるが、ビームの強度分布は、前記半導体レーザ素子の
接合面に平行な方向と垂直な方向とでは異なるため、等
方向な強重分布が得られない。また、第３図に示した整
形プリズムを用いる方法、又は第４図に示した円筒レン
ズを用いる方法では、整形されたビームは等方向な強度
分布を持つ円形ビームになるが、前記整形プリズム及び
前記円筒レンズの整形比を前記半導体レーザビームの広
がり角度に合わせて設計しなければならず、従って、前
記半導体レーザビームの広がり角度が異なれば、それに
応じて設計された整形プリズム、又は円筒レンズが必要
となる。即ち、半導体レーザ素子個々のバラツキ、更に
温度変化による特性の変化に応じた整形プリズム又は円
筒レンズが必要となり、前記、整形プリズム、円筒レン
ズの設計、又は前記整形プリズム、円筒レンズに合った
半導体レーザ素子の選別を行わなければならない。更に
、前記整形プリズム、円筒レンズの素子を用いるため、
装置の小型、軽量化の障害となる。

［発明の目的］ 本発明は上述した問題点を解決するためになされたもの
であり、光導波路を用いて素子のバラツキ、温度変化等
の外乱による光学特性に依存しない安定した光学特性の
ビーム整形素子を提供することを目的とプる。

［問題点を解決するための手段］ この目的を達成するために本発明のビーム整形素子は光
導波路をビーム整形の手段としている。

［作用］ 上記の構成をイ１する本発明のビーム整形素子は光導波
路内の屈折率分布によって半導体レーザからの出射され
たビーム光を特定のビーム形状に整形する。

［実施例コ 以下に本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する 本実施例の装置は、第１図に示すようにＹカットのニオ
ブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶１１に、半導体レー
ザビームを集光するためのレンズ１４を有する集光部１
７と、そのレンズ１４の光軸上に延設された光導波路部
１５とを設けたものである。この装置は、レンズ１４と
対向する位置に半導体レーザデツプ１２を、第１図に対
して横長の楕円パターンのビームを出力するように取付
けることにより、その出力されたビームのパターンを円
形にする。

次にこの装置の形成方法について説明する。まず、光導
波路部１５及び、レンズ１４を除く集光部１７をチタン
（Ｔｉ）拡散により形成する。具体的には、屈折率２．
２０のＹカットニオブ酸リチウム（Ｌｉ　Ｎｂ０３）の
結晶に厚さ３００℃のチタン（Ｔｉ）層を１０００℃の
温度により窒素ガス中で５時間、酸素ガス中で１時間拡
散させることにより形成する。この時、集光部１７では
第５図（Ｂ）に示すようにＸ方向の屈折率ｎ　（ｘ）は
、 ｎ　（ｘ）＝　　１　（ｘ＜０） ｎｏ　＋ｎ５ｅｘｐ　（−Ｘ２／ｄ２　）（Ｘ≧Ｏ） の式で表されるガウス分布となる。但し、ｎｏ。

ｒ＋；、ｄは定数でありｘ＝Ｑは結晶上面の位置を表す
。又、光導波路１５は、幅を４μｍとする。

この処理により、屈折率（Ｒ大＞２：２１５の集光部１
７及びシングルモードの光導波路１５が形成される。こ
の時、光導波路１５の幅及び深さは後述するように、前
記ビームが基本モードとなるように調整され、集光部１
７のチタン（Ｔｉ）拡散層の深さもこの値に合わせて作
られる。

チタン（Ｔ　ｉ　＞拡散によって形成された導波路１５
の屈折率分布は、前述したようにガウス分布となり、第
６図（Ｂ）に示したように、深さ方向は集光部１での分
布と同じ結晶表面から深さ方向にガウス分布し、表面と
平行方向には中心対称のガウス分布となる。このような
シングルモード導波路での電界強度分布は第６図（Ａ）
及び（Ｃ）に示すように、ｙ方向に関して対称な分布と
なり、Ｘ方向に関しては、結晶表面方向に片寄った界分
布となる。この伝搬ビームは光導波路端１６から出射さ
れるが、この時、出射ビームのパターンは出射端面開口
における伝搬ビームの界分布の絶対値の２乗で与えられ
る。この結果、導波路１５からの出射ビームのパターン
は、Ｘ方向のビーム径とＸ方向のビーム径が同一になる
ように導波路の深さと幅を決定することにより、等方向
なビームパターンの円形ビームが作られる。

３次元導波路においての導波路の深さ、及び幅の近似計
算方法としては、マーカットリイの方法、又は等価屈折
率法が良く知られている。ここでは、マーカットリイの
方法での近似計算方法を示す。

３次元導波路は、屈折率のわずかに異なった誘電体で光
線の閉じ込めを行うため、マイクロ波導波管のような純
粋なＴＥ、ＴＭモードは存在せず、混成モードとなる。

解析例として、電界の主成分をＸ軸方向とするＥｐＣＩ
モードを取り扱う。

マーカットリイの方法では、第７図にように屈折率がス
テップ状に変化する矩形導波路において、領域■〜Ｖ以
外の領域（斜線部）による影響が十分小さく、Ｘ方向と
Ｙ方向との間での相互作用を無視すると、導波路内領域
■での界分布は、マックスウェルの方程式より、次式（
１）で表される。

Ｅｘ＝１／ωεｎ２ｘＨｙ　　−（１）また、ｘ＝ｏ、
ｄ、　、ｙ＝±Ｗ／２での境界条件、対称性を考慮して
、各領域での境界の分布は、次式（２）〜（６）で表さ
れる。

領域工 Ｈｙ（ｘ、ｙ）　＝　ｔｌ、　ｃｏｓ　［ｈＩＸ＋φ）
ＣＯ３（ｋｔ　Ｖ）領域■ ＝　ＩＬ　ｃｏｓ　（ｋｔ　ｄ＋φ）ＣＯ３（ｋｔ　Ｖ
）Ｘ　ｅＸｌ）（−７’２（ｘ−ｄ））　　　　　（３
）領域■ ＝　Ｈ，ＣＯ３φ＋　ＣＯ３（ｋｔ　ｙ）Ｘ　ｅＸＩ）
（−γ３　Ｘ）　　　　　　　（４）領域ＩＶ ＝　Ｈ，ｃｏｓ　（ｋ２Ｗ／２）　ｃｏｓ（ｋ、　Ｘ＋
φ）Ｘ　ｅＸＭ−７ａ　（Ｖ−Ｗ／２））　　−（５）
領域Ｖ ＝　Ｈ，ｃｏｓ　（ｋ２／２）ｃｏｓ（ｋ、　ｘ＋φ）
Ｘ　ｅＸｌ）　（γｔ　（Ｖ＋Ｗ／２））　　　　（６
）但し、ω＝２πＣ／γ、ε０．ｎはそれぞれ光の角娠
動数、真空誘導率及び媒質の屈折率である。

また、ｎ１〜ｎ５及びγ１〜γ５は、各領域■〜■にお
ける屈折率及び減衰率である。

また、β及びに、、に２は伝搬光線の伝搬定数及びその
Ｘ成分、ｙ成分であり、次のような関係がある。

β’＝　ｎｌ　２に＊　”−（ｎｌ　”ｋｏ”）（ｋｏ
　＝　２π／γ）　　　　　−’（７）減衰定数、γｉ
に関しては、 γ１２＝（β２　十に２２　）　４ｏ２１ｉ２（ｉ＝２
．３）　　　　　−（８） また、電界Ｅｘについての境界条件を考慮すれば、φ−
π／２−ｔａｎ−’（ｎ３／ｎｔ　）　”　（ｋｔ　／
７’３　）従って、Ｘ方向の基本モードでの固有方程式
は、ｋｌ　ｄ＝π−ｔａｎ−’　（ｎ３／ｒｈ　）　（
Ｋ＋　／　７３　）ｘ　ｔａｎ−”　（ｎ３／ｎ＋　＞
　２（Ｉｔ＋　／７’２　）Ｘ方向についても、 ｋ２Ｗ＝ｙｒ−２ｔａｎ−’（ｋ２／７”４　）　−（
１１）が得られる。

実際には、ビーム径は異強度が１／ｅとなる径であるか
ら、 （２）式より、ｃｏｓ（ｋ、　ｘ＋ψ）＝１として、ｃ
ｏｓ（ｋｔ”ｙ）−１／ｅ の解をｙ＝ζ（０＜　ｋ２ζくπ／２〉ＣＯ３（ｋｔ　
”／）＝１として、 ｃｏｓ（ｋｔ　Ｘ＋ψ）＝１／Ｅ！ の解を×＝ξ（ｏ＜　ｋ２ξ十φくπ／２）とすると、
Ｘ及びＸ方向のビーム径ａ１．ａ２は、ａ２＝２ζ、ａ
、　＝２（ξ＋φ／に、〉で与えられる。

従って、ｋｔ　＝２／ａ２　　ｃｏｓ−’（１／ｅ）　
−（１４）ｔ、＜＋　＝２／ａｌ　　ｃｏｓ−’（１／
ｅ）　ｌ−（１５）これを（７）、（８）に代入し、 ７’！＝（ｋｏ　２（ｎ、　２−π／２）−に１２）”
２γ４　　＝（ｋｏ　　”　　（ｎｌ　　　２−ｎ４　
２　）　　−に２　２　）　　”２このγｉ及び（１４
）　　（１５）式のに、、に２を（１０）及び（１１）
に代入することにより、深さｄ及び幅Ｗを求めることが
できる。

更に、出射ビームのパターンを正確に等方向なものにす
るために導波路１５の出射端面１６付近にＭＣｌ０の追
拡散を行うことにより結晶表面に垂直なＸ方向の屈折率
分布を軸対称とする。

次に、前記レンズ１４を前記集光部１７にプロトン交換
法により形成する。この時、レンズ１４は周囲より高い
屈折率２．２５とし、Ｚ２＝　（Ｎ−１＞　２　（ｘ＋
９７．６＞’　＋２００　（Ｎ−１）（ｘ＋９７．６＞
及びＺ２＝（Ｎ−１＞２　（ｘ−６８，２＞　２−２８
７　（Ｎ−１＞（ｘ−６８，２＞［Ｎは屈折率の比であ
りＮ＝２．２５／２．２１５＝１．０１６となる］で囲
まれる形状としている。この形状は、フェルマーの原理
を用いたもので、球面収差がないといった特徴があり、
前述したプロトン交換法により容易に形成可能である。

更にこのレンズ１４は、レーザビームが光導波路１５の
入射口で光導波路１５の伝搬モードの電界分布と同じに
し、境界での損失が少なくなるように調整されている。

以上のように構成された本装置の作用について説明する
。

半導体レーザデツプ１２より出力されたビームは、前記
集光部１７に入射する。

前述のような屈折重分イ「をもつｔＲ質中ではビームの
界分イ「は第５図のような結晶表面方向に片寄った分布
となる。一方、ｙ方向に関しては、屈折重分イ「は−様
であるため入射ビームのパターンのままで、進行と共に
広がるビームである。このｙ方向に広がるビームを集光
部１中に形成された屈折率の高いレンズ１４でｙ方向の
みを収束させて光導波路１５に入射させる。

光導波路１５では、入射されたビームを伝送すると共に
、入射されたビームを前述した作用により円形ビームに
変換し、出力端より放射する。

尚、本実施例ではレンズ１４を用いているため、光を効
率良く変換することができる。

また、光導波路１５の出射端１６の形状を変えることに
より、他のパターンに整形することも可能である。

以上のようなビーム整形素子１０を光ディスク３８の読
取装置に使用した使用例について説明する。

第８図において、光ディスク３８の記録面と対向する位
置には、前記ビーム整形素子１０が取付けられ、そのビ
ーム整形素子１０の出射面２が前記光ディスク３８の記
録面と平行に対向するように調整されている。

光ディスク３８とビーム整形素子１０との間にはコリメ
ートレンズ３６及び対物レンズ３７が設けられており、
それらの位置は前記半導体レーザデツプ１２より放射さ
れたレーザ光が前記光デイスク３８上の一点に集光する
ように調整されている。

又、コリメートレンズ３６とビーム整形素子１０との間
にはビームスプリッタ３５が設けられ、光ディスク３８
によって反射されたビーム光を略直角方向に反射するよ
うに構成されている。そのビームスプリッタ３５によっ
て反射されたレーザ光の進行方向には、フォトダイオー
ド３９が設けられ前記反射されたレーザ光を受光するよ
うに構成されている。

以上のように構成された光ディスクの読取装置において
、第１図の半導体レーザチップ１２より出射されたレー
ザ光はビーム整形素子１０により整形された後、ビーム
スプリッタ３５を通りコリメートレンズ３６に導かれる
。コリメートレンズ３６に入射したレーザ光はコリメー
トレンズ３６により平行光にされる。コリメートレンズ
３６により平行光にされたレーザ光は対物レンズ３７に
より光ディスク３８の記録面に集光され信号記録面によ
り光変調される。

光変調されたレーザ光は前記と逆の光路を通り対物レン
ズ７により平行光にされコリメートレンズ３６に導かれ
る。コリメートレンズ３６を通過したレーザ光は収束光
となりビームスプリッタ３５によって反射されフォトダ
イオード３つに集光される。このフォトダイオード３９
の検出するビーム光により、本装置は、前記光ディスク
３８の記録内容を読取る。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、光導波路からの出射パターンでビームの整形を行うた
め、任意の整形比の整形パターンのビームを作ることが
できる。また、半導体レーザ素子と一体化プることによ
り従来のような光軸の調整、位置合わせが不要となり、
常に安定なアラインメントが保持され、熱、撮動等周囲
の外乱に対しても強くなる効果がある。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明を説明するもので、第１図は本発明におけ
る実施例のビーム整形素子の斜視図、第２図乃至第４図
は従来のビーム整形素子の原理図、第５図（△＞、（Ｂ
＞はそれぞれ集光部における形状及び屈折率分布を示す
図、第６図（Ａ）。 （Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ光導波路における屈折率分布
及び界分布を示す図、第７図は矩形導波路にあける屈折
率の分布の近似を示す１図、第８図は本実施例のビーム
整形素子を用いた光ディスクの読取装置の概略図でおる
でおる。 図中、１１はニオブ酸すヂウム結晶、１２は半導体レー
ザデツプ、１４はレンズ、１５は光導波路である。 特許出願１人 ブラザー工業株式会社 取締役社長　河嶋勝ニ 第１図 上方向　　　　　　　　第２図 入射刑ビーム形状　　　　　　　ＣＯＬ　　　　　　　
　　　　　出射側ビー４形状第４図 ローね−レ仏 第５図 入 第６図 χ　　　　（８）　　　　χ　　　　（Ｃ）＼ ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ 八 ｅ〕 区 ■ 課

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ビーム光が入射される光導波路（１５）を有し、そ
   の光導波路（１５）内の屈折率分布によつてそのビーム
   光を特定のビーム形状に整形するようにしたことを特徴
   とするビーム整形素子。 ２、前記光導波路（１５）の入射端と対向する位置に、
   レンズ（１４）を設けたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載のビーム整形素子。 ３、前記光導波路（１５）は、ニオブ酸リチウム結晶（
   １１）にチタンを拡散することにより形成されたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項あるいは第２項に記載
   のビーム整形素子。