JPH01205106A - グレーティングレンズ - 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、ブレーナ型光導波路中を伝搬する光を前記導
波路内の一点に集光させるグレーティングレンズに関す
る。

［従来の技術］ 不等間隔回折格子を利用してプレーナ型光導波路内を伝
搬する光を、導波路内の一点に集光させる従来のグレー
ティングレンズに関しては、例えば、アイ・イー・イー
・イー、ジャーナル・オブ・ライトウェーブテクノロジ
ーのＶｏｌ、ＬＴ−２、Ｎｏ、４（１９８４）の第５０
３頁から第５１１頁（ＩＥＥＥ、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ
ｌ、ｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ
、ＬＴ−２、Ｎｏ、４　（１９８４）ＰＰ５０３−５１
１）において論じられており、それは、第３図のような
構成となっている。すなわち、第３図に示すグレーティ
ングレンズは、基板３１上の導波路３２上に形成された
不等間隔回折格子３３を用い、導波光３４を焦点３５に
集光するものである。ただしレンズ上部は何も覆われて
おらず、クラッド層として空気（屈折率ｎｃ＝　１．０
０）を用いていた。

［発明が解決しようとする課題］ 上記したように上部クラッド層を屈折率が小さい空気と
すると、たとえばＬｉＮｂ０．のような屈折率の高い導
波路材料を用いた場合、導波路を伝搬する光の電場の回
折格子部へのしみ出しが少ない。

このため、効率のよいグレーティングレンズを作製する
には、回折格子の材料の屈折率ｎ、を大きくするか、あ
るいはグレーティングレンズの光軸方向の厚みｄを厚く
する必要かあった。ところが、口、が大きいと、前記文
献に示されているように、導波路の屈折率ｎ（と基板の
屈折率口。が接近しているとき、入射光かレンズ部に入
射する際、急激な屈折率の変化が生じ、光が基板に漏れ
、効率が低下する。

一方、レンズの厚みｄを厚くすると、前記文献における
ｄ＝２００ｇｍのレンズのように効率は８０〜８５％と
高いものの、入射光の光軸からのずれに対する光強度の
半値全幅△θか僅か１．５°しがなくなり、実用上大き
な障害となる。

本発明の目的は、ｎｌ、ｄを大きくせず、基板への漏洩
光か少なくでき、かつ、入射角度ずれに対する許容度の
大きいグレーティングレンズを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的は、屈折率ｎ、の基板表面に形成された屈折率
ｎ（（ｎ（＞　ｎｇ）の光導波層と、該屈折率ｎ、の材
料で作製した不等間隔回折格子で構成されたグレーティ
ングレンズにおいて、 前記レンズを、回折格子が回折格子層に占める体積の割
合なａとして、屈折率が次式で表わされるｎないしこれ
より小さい値を持つ保護膜で覆うことを特徴とするグレ
ーティングレンズ。

上記グレーティングレンズを構成する材料としては種々
あるが、好ましいものとしては、上記基板として二オツ
酸リチウム、光導波層としてＴｉの熱拡散層を、回折格
子材料として酸化チタンを、保護膜としてシリコンナイ
トライドを用いるものかある。

［作用］ 従来のように空気層をクラット層として用いると、第４
図に示すように、伝搬光の電場４１の回折格子層）３へ
のしみ出し量は小さい。このしみ出しの長さｈｃは、は
ぼ次式て表わされる。

たたし；Ｎは導波光の等価屈折率 ００′は次式の通り ｎ８゜′＝仄丁刀＝〒７石］７・・・（３）そこて、ク
ラット層の屈折率ｎ、、をｎｃ＝　ｎとすれば、 となり、第４図に示すように、光電場４２のクラット部
１４へのしみ出し量か大きくなり、１１．の値をそれほ
ど大きくせず、かつ、レンズ厚さｄを大きくせずとも、
効率よく光を回折させ集光することができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。なお１本実施例は、基板としてＹカットＬｉＮｂＯ３
単結晶を用いた例である。

第１図は本発明の実施例であるグレーティングレンズの
概略を示し、第２図はそのＹＺ平面上の断面を表わす。

第１図および第２図において、本実施例は、基板１１上
に光導波層１２が設けられ、その上に、グレーティング
レンズ１３を設け、さらに、これらの上面をクラッド層
１４で覆って構成される。

本実施例では、基板１１として、異常屈折率ｎ、＝２．
２０のＬｉＮｂ０３Ｙカツト基板を用いる。光導波層１
２は、Ｔｉの熱拡散で作製する。基板ｌｌ上に電子ビー
ム蒸着により膜厚２４ｎｍのＴｉ薄膜を成膜し、これを
石英管に入れ、雰囲気ガスとしてＡｒを２時間、続いて
０２を０．７５時間流しながら１０００℃で熱拡散を行
なう。これにより、導波層の表面屈折率はｎｆ＝２．２
２となる。波長λ＝０．６３２８ＪＬ１１のＨｅ−Ｍｅ
レーザ光を囲いプリズムカップラにより導波光を励振し
たところ伝搬光はＴＥ、モードのみでありその等価屈折
率Ｎ　＝　２．２０９であった。

次に、光導波層１２上に０２を用いた反応性スパッタリ
ングを用い、ＴｉＯ□を０．ＩＪＬｍ成膜した。成膜条
件は、圧力０ｊＰａてあり、０２とＡｒの流量比０．７
である。形成されたＴｉＯ□の屈折率ｎ、は、ｎ、＝　
２．４０であった。

その後、通常のフォト工程により、フォトレジストを回
折格子１３の第１図Ｃ示すパターンにパターニングした
。ついで、ＣＦ、を用いた反応性イオンエツチングでフ
ォトレジストパターンをＴｉＯ□膜に転写した。

なお、回折格子１３の幅は１回折格子１３の周期をΔと
し、回折格子１３が回折格子層に占める体積の割合なａ
とすると、回折格子１３の厚さが一定であれば、第２図
に示すように、ａΔで与えられる。

最後に、クラッド層１４として、原料ガスとしてＳｉＨ
４，Ｎ２．　ＮＨ３を用イルプラズマＣｖＤにより５ｉ
Ｎ−Ｈ膜を約０．５ＪＬｍ成膜した。５ｉＮ−Ｈ膜の屈
折率ｎは、上記（１）式でａ＝０．５として得られる値
がｎｃ＝１．９８となるように、平行平板型装置で基板
温度ｚｏｏｌｃて行った。

このような構成において、レンズの厚さｄ＝５０１Ｌ１
１と薄くしたときも、８０％以上の効率が得られ、かつ
、角度ずれによる光強度の半値全幅も３．３°となり、
前記従来例の２倍以上となった。

本発明は、上記実施例の材料に限らず他の材料によって
も構成できる。その例を挙げると次の通りである。

■基板：タンタル酸リチウム（ｎｆ−２，１８）光導波
路：液相エキタビシャル成長させたニオブ酸リチウム（
ｎｆ−２，２０）回折格子＋　７ｉＱ２　（ｎ、−２，
４０）クラット：シリコンナイトライト（ｎ＝１．９３
）■基板：タンタル酸リチウム（口、−２，１８）光導
波路：液相エキタピシャル成長させたニオブ酸リチウム
（ｎｒ−２，２０） 回折格子：カルコゲナイトガラス（ｎｇ−２，３６）ク
ラッド：シリコンナイトライト（ｎ＝１．９８）■基板
：タンタル酸リチウム（ｎ、＝２．１８）光導波路：液
相エキタビシャル成長させたニオブ酸リチウム（ｎｒ−
２，２０） 回折格子：シリコンナイトライト（ｎ＝２．０１）クラ
ッド：フォトレジスト（スピンコード後ベークするｎ＝
１．６２） 以上の例で基板なニオブ酸リチウムとし光導波路をＴ、
拡散またはプロトン交換で作成したものでもすべて可能
である。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、ＬｉＮｂＯ３のような高
い屈折率を持つ基板上に、高い効率を持ちかつ角度ずれ
に対する許容度を従来の２倍以上にできるグレーティン
グレンズを作製できるので、グレーティングレンズの応
用範囲の拡大に大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるグレーティングレンズの概略を示
す斜視図、第２図は第１図のグレーティングレンズのＹ
Ｚ平面上の断面図、第３図は従来のグレーティングレン
ズの概略を示す斜視図、第４図は光導波路中を伝搬する
光電場強度を表わす説明図である。 １１・・・基板 １２・・・光導波層 １３・・・回折格子 １４−・・クラッド層 ４１・・・従来の構造の光導波層中を伝搬する光の電場 ４２・・・本発明の構造の光導波層中を伝搬する光の電
場

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、屈折率ｎ＿ｓの基板表面に形成された屈折率ｎ＿ｆ
   （ｎ＿ｆ＞ｎ＿ｓ）の光導波層と、該光導波層上に屈折
   率ｎ＿ｓの材料で作製した不等間隔回折格子で構成され
   たグレーティングレンズにおいて、 前記レンズを、回折格子が回折格子層に占める体積の割
   合をａとして、屈折率が次式で表わされるｎないしこれ
   より小さい値を持つ保護膜で覆うことを特徴とするグレ
   ーティングレンズ。 ｎ＝［（ｎ＿ｓ＾２−ａｎ＿ｆ＾２）／（１−ａ）］＾
   １＾／＾２２、上記基板としてニオブ酸リチウム、光導
   波層としてＴ＿ｉの熱拡散層を、回折格子材料として酸
   化チタンを、保護膜としてシリコンナイトライトを用い
   た請求項１記載のグレーティングレンズ。