JPH01180504A - 光集積回路 - 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、半導体レーザを用いた光通信あるいは光デイ
スク記録装置等のオプトエレクトロニクス機器に用いる
光集積回路に係り、特に半導体レーザ光の波長変動によ
って生じる各種の収差を補正した光集積回路に関するも
のである。

〔従来の技術〕

光通信システムや光情報処理などの分野に使用される光
部品は、従来、レンズ、プリズム、グレーティングなど
のバルク部品を、機械的に組合わせることによって構成
してい友。し九がって、上記光部品は外形寸法が大きく
て小形化の要請に適応できず、コストが高価であり、あ
るいはま几、機械的な結合により組合わせている几め、
長時間の使用に対する安定性に欠け、信頼性が劣るとい
う種々の問題がある。その九め、近年、１つの基板上に
複数個の素子を集積化し次光集積回路（光ＩＣ）の概念
が導入され、光部品の大幅な小形化および低コスト化が
検討されている。すなわち、光ＩＣは１つの基板上に受
・発光素子や導波路形（薄膜形）のレンズやグレーティ
ングなどを集積化して光部品を構成するものである。

光ＩＣの例としては、光デイスク用光ヘッドが提案され
ている。（例えば、特開昭６１−２４８２４４号公報、
電子通信学会論文誌’８５／１０　ｖｏｌ、　Ｊ６Ｂ　
−ＣＮａ１０．信学技報’８６／９　ｖｏｌ、　８６．
　？Ｊｌ１１７６　）。

光ＩＣの構成素子として、グレーティングカップラがあ
る。これは光導波路に形成される導波路型回折格子であ
り、光導波路に光を導波させｔす、光導波路外に光を出
射させｔ夛する機能をもった素子であり、光ＩＣのキー
となる素子の一つである。第４図および第５図は、その
具体例として元金光導波路外に出射させる機能を有した
グレーティングカップラを示しである。グレーティング
カップ２１は、基板２の光導波路３上に形成した回折格
子４であり、その格子間隔Δ等を適正化することによシ
第４図に示し九ように導波光５を空気中に出射させ几シ
、また第５図に示し友ように基板内に出射させたシする
ことができる。ま九上記回折格子のパターン形状が直線
の場合には平行光を、２次曲線の場合には集光光を出射
させることができる。

しかし、上記グレーティングカップラは、光源として半
導体レーザを用い几場合以下のような問題点がある。す
なわち半導体レーザ光はその放出する光の波長が動作温
度や、半導体レーザを製造するときの製造工程のばらつ
きにより変化するのが一般的であり、放出する波長が単
一でない場合には、グレーティングカップラから出射さ
れる光の角度が変化してしまうという問題点である。

すなわち、グレーティングカップラからの光の出射角を
α、光導波路の実効屈折率をＮ１グレーティングカップ
ラの格子間隔をＡ１基板の屈折率全ル１、半導体レーザ
光の波長をλとすると下記（１）式によってαが決まる
九め波長λが変化すると４が変化してしまうという問題
点がある。従って、グレーティングカップラによシ光を
集光させ７ｔ’Ｌグレーテイングカツプラから出射され
次光を別のレンズで集光させ九すした場合には、波長変
動に伴う各種の収差が生じ、スポットの径、スポット位
置が変動したりする◇ 〔発明が解決しようとする課題〕 上記従来技術においては、半導体レーザのばらつきの点
について配慮されておらず、マルチモードの半導体レー
ザ光を実用上適用できないという課題があ一’　ｆｔ　
。

本発明の目的は、マルチモードの半導体レーザ光を用い
九場合でも、特性の変動が少ない光集積回路を提供する
にある。

〔課題を解決するｔめの手段〕

上記目的は、グレーティングカップラから出射され次光
を、別途設けｔ回折格子により回折させることにより達
成される。ここで上記回折格子の格子間隔は、好ましく
は半導体レーザ光のある波長に対して、はぼＢｒαダダ
条件を満足するように設定することが重要である。

〔作用〕

第１図により本発明の作用効果の一例を説明する。本発
明の効果は、第１図の６に示し友回折格子全設けること
により達成される。すなわち第１図に示すように半導体
レーザの導波光５の波長がλ（０）およびλ（１）とし
次場合（λ（０）〉λ（１））、グレーティングカップ
ラから出射される光の出射角前述の（１１式によりそれ
ぞれＱ（０）、α（１）となり、よって回折格子６に入
射する光の角度は／’　（ｎ’ｓ　ｐ　（”となり、異
った角度で入射することになる。ここで格子間隔Ｄ１回
折格子の傾斜Ｊｔ−適正化し九回折格子６を設けること
により、λ（０）とλ（１）の６からの出射角ｒを同一
あるいはほぼ同一にすることができ、レーザ光の波長変
動に伴い生じる収差を補正することが可能となる。ここ
でλ（０）〜λ（１）の光のうち少なくとも１つの波長
に対して回折格子６がＢｒαｇ１条件を溝たすか、ま几
はＢｒａｇ）条件近傍で回折がおこるようにＤを定める
こと、さらに回折格子６の形状が下式を情交すことが強
度の高い光を得るために重要であり、本発明のポイント
の一つでもある。

２πλ　壷Ｔ／（ル・Ｄ　）≧　３ λ：λ（０）Ａ−λ（１）、　Ｔ：回折格子の高さｒＬ
：回折格子をとりまく物質の屈折率〔実施例〕 次に第１図に示したモデルについて本発明の内容を詳し
く説明するとともに、ＤおよびＪの具体例を述べる。

まずＤは、λ（０）が回折格子６によりＢｒａｇｇ条件
もしくはＢｒａｇダ条件近傍で回折されるよう（２）（
５１式を満たすような条件とする。

λ（０１ ｔｉｎ　ｆｉ　（０１＃　、　、　　　−（２）β（ｏ
ｌ　＃　ｙ（ｏｌ　　　　　−（５）β（０）：λ（０
１の回折格子に対する入射角７（０）：　　ｚ　　　　
　　　　　　出射角ま九λ（１）がＢｒａダ１条件の近
傍で回折されるようＫ（４）式を満たす条件とする。

ルλ（１） ｓｉｎ　７（１）　−ｓｉｎβ（１ｍ＝；　−、−−（
４１β（１）：λ（１）の回折格子に対する入射角ｒ（
１）：λ（１）の　　　　　　　　出射角さらに下記の
条件（５１〜（８）式が満九されるようにり、ａを定め
る。

ｆｉ（０１＝、　−９０＋　０（０１＋　ａ　　−（５
１ｆｉ（１１＝　−９０＋　ｎ（ｉｌ＋６　　　□　（
６）Ｎ−λ（０）／Δ ｃｏｄα（０１＝　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　（ハへ α（０）：λ（０）のグレーティングカップラの出射角 ｆｆ（１）：λ（１）のグレーティングカップラの出射
角 Ａ　ニゲレーティングカップラの格子間隔Ｄ　：回折格
子６の格子間隔 ル　：回折格子６で回折され次光の回折次数でちゃ、−
１とする。

Ｎ　：光導波路５の実効屈折率 ｎ、　　：基板２の屈折率 第２図は本発明で用いる回折格子６の好ましい断面形状
を示し友ものであり、強度の高い回折光を得るために、
（９）式を満次す形状の回折格子を用いることが望まし
い。

２π・Ｔ／（ル・Ｄ２）≧５　　−（９）以上述べ九条
件を満たす回折格子の具体的な−例としては、λ（０）
が０．７８μｍ、λ（１１が０．７７６、ｌＺｍの半導
体レーザを用い、ＮＳ　：　２．２　、　Ｎ　：　２．
２０９のＬｉＮＫ）ｓ結晶を用いｆｐＴｉ拡散光導波路
を用い、その上にＡ＝３μｍのグレーティングカップラ
を形成し九場合、δは約６９度、Ｄは３．１μｍとなる
。この場合回折格子に対するλ（ｏ）、　　ｌ）入射角
の差は約０，１度と大きな値であるが、回折格子６から
の出射角の差は０．０１度以下と小さくなる。この場合
回折光（回折格子６の出射光）の効率は、Ｔを１５μｍ
とすることにより５０チ以上となる〇 本発明で用いる回折格子の形態としては、第１図、第２
図に示したような透過型回折格子の他に第５図に示すよ
うな反射膜７を設は九反射型回折格子、誘電体多層膜か
らなる反射型回折格子がある。

以下に本発明を用い素光ＩＣの具体例を示す。

第６図は、半導体レーザ光を一点Ｐに集光させる几めの
光ＩＣである。光導波路５に端面結合し九半導体レーザ
８からの導波光は、導波路型７レネルレンズ９によシ平
行光に変換されて、グレーティングカップラ１に入射す
る。入射光はグレーティングカップラ１により回折され
て本発明の回折格子６に入射する。回折格子６は、反射
膜７を設けた反射型回折格子であシ、基板２に接着剤等
で貼９合わせである。６への入射光はほぼＢｒａｇｇ条
件で回折され基板２の上方に設置され次レンズ１０によ
り集光されて、Ｐ点で焦点を結ぶ。回折格子６はレーザ
光の進路を変更させるとともに、波長の異った光をほぼ
同一方向に回折する働きがあり、これによってレンズ１
０に入射する光の角度がほぼ同一となり、スポット径の
小さい光が得られる。

ここで回折格子６が単なる反射鏡であった場合、半導体
レーザの波長の変動に伴いＰ点が変動し九り、スポット
径が拡大する九どの問題点が生じる。

第６図の光ＩＣは、光デイスク装置における情報読み出
し用光ヘッド等に応用することができる。

なお上記光ＩＣを構成する材料としては、石英。

８ｉ０２系ガラス基、誘電体結晶基板、　８ｉ０２系ガ
ラス光導路、金属拡散光導波路、９．１の素子形成用材
料としては、カルコゲナイドガラス、Ｔｉ１２゜Ｚｉｐ
、　Ｚｉｐ、　６の回折格子形成材料としては、５ｉｏ
ｔ系ガラス等があり、−船釣に光学素子や光導波路、薄
膜光素子を形成するのに用いられる材料全般が使用でき
、これらの材料を用い、半導体を製造する場合に使用す
るリングラフィ技術、真空技術を駆使することにより素
子が形成できる〇第７図は、第６図とほぼ同一の光ＩＣ
である。

第６図の光ＩＣに比較して回折格子６に誘電体多層膜１
１を用い次点に特長がある。上記誘電体多層ｇを用い九
回折格子６は、基板上に屈折率の異なる２種類の薄膜を
交互に積層することにより製造することができる。この
場合多層膜薄膜の屈折率ｎｅｔ　　、　ｎ１２は、下記
の（１ｏ）、　（１１）、　（１２）を満たすことが望
ましい。その理由は、ｎ、　、　ｎｆ、　、　ｎｆ、の
屈折率差が大となると、回折格子６によって回折さ１　
”−−”／ｌ　Ｉ≦ａ、５　　　　　　　（１０）１ル
ー−３７２１≦０．５　　　　　　　　　（１１）Ｑ　
（３／　２−１％ｔｔ≦（Ｌ　５　　　−　（１２）れ
ずに単に反射される光の量増加し、本発明の効果が薄れ
る九めである。

第８図は、第７図の光ＩＣの導波路型フレネルレンズ９
とグレーティングカップラ１の間に５ＡＷ（表面弾性波
）光偏向器を形成し友光ＩＣ，ま次第９図は、第８図の
光ＩＣの導波路型フレネルレンズ９とＳＡＷ光偏向器１
２の間に集光ビームスプリッタ１５１に形成するととも
に、基板２の端面にホトダイオード１５ヲ結合し友光Ｉ
Ｃの例である。

第８図および第９図の光ＩＣは、光デイスク装置に用い
る光ヘッドとして有効なものである。以下第９図の光Ｉ
Ｃの構成、作用を説明する。

光導波路３に端面結合し九半導体レーザ８からの導波光
（波長０．７７６〜０．７８μｍ）は、導波路型フレネ
ルレンズ９により平行光に変換され次あと、ＳＡＷ光偏
向器１２により偏向されてグレーティングカップラ１に
入射する。入射光はグレーティングカップラの格子間隔
に応じて第（ハ（８１式に従って基板内に回折される。

ここで基板としては、音響光学効果を有し１ｐ−ＬｉＮ
ｈＯｓ結晶を用い、光導波路は金属Ｔｉをその表面に約
１μｍ拡散させたもの、およびプロトン交換法によりＬ
ｉＮｂＯ３表面の屈折率を高め友ものを用い友。ま念導
波路型フレネルレンズ、グレーティングビームスプリッ
タ、グレーティングカヴプは、光導波路上にＴｉＣｈの
微細パターンを装荷することによシ形成し九。

基板内に回折され次光は、誘電体多層膜方式の反射型回
折格子６により回折されて基板上に出射され光デイスク
面に対して垂直に移動する機構を有しｔレンズ１０で集
光されて光ディスク１４のピット（情報）に集光される
。ここで反射型回折格子は、Ｔｉ１ｔとＴｉＯ２とＳｉ
ｇｈの混合物から構成される。ＴｉＣｈの膜厚およびＴ
ｉＯ２とＳｉｏ２混合物の膜厚はそれぞれ０．１μｍ、
ｏ、ａμｍである。

光ディスク１４により反射された光は、レンズ１０、回
折格子６を通ジグレーティングカップラ１によシ導波さ
れｔ後、集光ビームスプリヅタ１５に入射することによ
って２分割されるとともに２分割ホトダイオード上に集
光されてビウトの情報が読み取られる。

ここで回折格子６が単なる反射鏡であった場合、半導体
レーザ光の波長の違いによるレンズ１０の入射角は約０
１度異なるのに対し、本発明の回折格子を用いることに
より、入射角の差は０．０１度以下になる。これに伴い
光デイスク上のスポット位置変動の波長依存性は、１μ
ｍから０．１μｍに減少し、より正確な情報が読み取れ
る光ヘッドとなる。

〔発明の効果〕

以上述べた様に、本発明の回折格子を設けることによｐ
１光の波長変動に伴う各種の収差が補正できるようにな
り、よってルチモードの半導体レーザを光源として用い
た場合でも、特性変動の少ない光集積回路を形成するこ
とができる。本発明は特に光デイスク用ピックアップヘ
ッドの収差補正に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光集積回路の一実施例における光
素子を示す構成図、第２図は本発明に係る光集積回路に
おける回折格子の第１の実施例を示す断面図、第５図は
本発明に係る光集積回路にする九めの説明図、第６図は
、本発明に係る光集積回路の第１の実施例を示す構成図
、第７図は本発明に係る光集積回路の第２の実施例を示
す構成図、第８図は本発明に係る光集積回路の第５の実
施例を示す構成図、第９図は本発明に係る光集積回路の
第４の実施例を示す構成図。 １ニゲレーテイングカツプラ、２：基板、３：光導波路
、４：回折格子、５：導波光、６：回折格子、７：反射
膜、８：半導体レーザ、９：導波路型フレネルレンズ、
１０：レンズ、１１：誘電体多層膜、１２：ＳＡＷ光偏
向器、１５：集光ビームスプリッタ、１４：光ディスク
、１５：ホトダイオード。 カ　７１ｉｎ 男２　囚 第５国 躬４圀 第、５圓 拓７　国

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体レーザを光源とし、光導波路内に導波された
   レーザ光を導波路型回折格子により出射あるいは放射さ
   せる方式の光集積回路において、レーザ光の波長変動に
   伴う収差を別に設けた収差補正用回折格子により補正し
   たことを特徴とした光集積回路。 ２、半導体レーザを光源とし、光導波路内に導波させた
   レーザ光を導波路型回折格子により基板内に回折させる
   方式の光集積回路において、レーザ光の波長変動に伴い
   生じる収差を別に設けた収差補正用回折格子により補正
   したことを特徴とした光集積回路。 ３、収差補正用回折格子が半導体レーザ光から出射され
   る光の波長がλ（０）〜λ（１）の分布をもっていると
   したときに、λ（０）〜λ（１）のある一つの波長の光
   に対してブラッグ条件を満たす格子間隔であることを特
   徴とした請求項２記載の光集積回路。 ４、収差補正用回折格子が、半導体レーザ光から出射さ
   れる光の波長がλ１〜λ２の分布をもっているときに、
   ［λ（０）＋λ（１）］／２の波長の光に対してブラッ
   グ条件を満たす格子間隔であることを特徴とした請求項
   ２記載の光集積回路。 ５、収差補正用回折格子を光集積回路基板のレーザ光出
   射端面に貼り合せたことを特徴とした請求項４記載の光
   集積回路。 ６、収差補正用回折格子が、誘電体多層膜で構成された
   反射型の回折格子であることを特徴とする請求項５記載
   の光集積回路。 ７、基板、誘電体多層膜の屈折率の関係が下記の｛１｝
   〜｛３｝式を満たすことを特徴とする請求項６記載の光
   集積回路。 ｜ｎ＿■−ｎ＿ｆ＿１｜≦０．５｛１｝ ｜ｎ＿■−ｎ＿ｆ＿２｜≦０．５｛２｝ ０＜ｎ＿ｆ＿２−ｎ＿ｆ＿１≦０．５｛３｝ ｎ＿■：基板の屈折率 ｎ＿ｆ＿１、ｎ＿ｆ＿２：誘電体多層膜の屈折率８、基
   板に光導波路を設け、半導体レーザから該光導波路へ導
   波したレーザ光によって、光記録媒体の情報を読み取る
   ことができるようにした光集積回路において、光導波路
   内に導波した光を偏向するための表面弾性波を利用した
   光偏向器と、該偏向器から出てきた光を基板内に放射さ
   せるための導波路型回折格子と、該導波路型回折格子に
   より放射された光の波長変動に伴う収差を補正するため
   のブラッグ回折型収差補正用回折格子と光ディスク面に
   対して垂直方向に移動する機構を有し、該回折格子によ
   る回折光を集光させる働きのある対物レンズと、光記録
   媒体を有した光ディスクからのもどり光を光導波路面で
   ２分割し、分割された光をホトダイオード面に集光させ
   る働きのある集光ビームスプリッタと光情報を読み取る
   ためのホトダイオードを有した光ディスク用光ピックア
   ップヘッドに用いる光集積回路。