JPH01252907A - テーパ導波路 - 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、導波路のみによって放射型の焦点を形成させ
、光デイスク信号の記録・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。

（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６０−７
８４０８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。

（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
て微小な焦点に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。

光デイスク信号の記録・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
光カツプリング用の回折格子を形成した構成のものが知
られている（特開昭８１−２３６０３７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
らの光を先導波路に導入するのに回折格子が用いられる
ため、例えば光源の半導体し・−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、光が回折
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
回折格子の作製が困難であること等の問題がある。

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。

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。

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微小な一点の焦点に集束さ
せうる新規なテーパ導波路の提供にある。

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。

（課題を解決するための手段） 以下、本発明を説明する。

本発明のテーパ導波路は、基板と導波層とを有する。

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である。

導波層は、この基板上に形成される。

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。

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上記順序
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。

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。

（実施例） 以下、具体的な実施例に基づき説明する。

第１図は、本発明の１実施例を説明図的に示している。

図に於いて、符号１０は基板、符号２０は導波層を示し
ている。

導波層２０は均一な層厚の均一層厚導波層２１と、テー
バ状導波層２２とにより構成されている。

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．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。

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Ｎ２１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。

このテーパ状導波層２２の形成された領域ＴＲをテーバ
領域と呼ぶ。

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２．６４μｍ、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。

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バを
構成している。

もつとも、上述のようにテーパ領域の長さに比して均一
層厚導線層の厚さは極めて、小さいので、テーバとは言
ってもその傾きは極めて小さい。

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
テーバ形状を容易に実現できる。

（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
６ 均一１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ＴＥ。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＝
１．５］０７どなる。また、伝搬モードを平面波の重ね
合わせとして捉え、その導波について漸近界として準幾
何光学的考察を行う。即ち、導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ＴＥ、モードは伝搬角θ
ｉが８８．４２度の光線群として表、され゛る。なお１
１．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。

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。

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、＠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θｊよりもノＪ−さくなる。

このように、テーパ状導波層２２では、テーバ領域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。

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８
３．４２度、放射基板】２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。

ここで簡単の、ために基板、全体が伝ｍ−基扱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／Ｉ）さくなる力τ、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］０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［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。

さらに反射が繰り返されて、空気領域倒境界面への入射
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
記画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。

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。

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。

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、−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Ｘ１１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１０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、０点とＰ点との距
離は２層厚２．６３を用いると、２．６３ｊａｎ（８６
，４２度）＝４２．０４　μｍとなる。同様に、稗、接
部！鼾め右下、ｐＪ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Ｊ１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
。

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。

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。

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、自白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＝１７６０００とし、パラメーターをＣとすると、 Ｘ＝ａ（１−（ｂ−Ｚ）０）　　　　　　　　　　　　
　　（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、パラメーク−Ｃは
、それぞれ０．５ｊ、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２８６３μｍであり、テー
パ領域の長さは６０００μｍである。

基板側へ漏わ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、ｉ密度として以下の様に定義される
。即ち、第４図のように２軸に直交する平面Ｌｂｍを考
え、この平面Ｌｂｓ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ｆｆ１Ｔとの比（ｍ／ｍア）＝Ｄとして、光線密度
り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Ｚ０５．の位置
を２方向へ１μｍ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≦Ｏとなった時点をもって追
跡を終了する。

第１図の領域ＩＰのＸ＝Ｚ＝Ｏ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
、テーバ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。

しかし、テーバ状導波層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、２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。

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＃ｌ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、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。ｖｌ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。

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。

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１
０、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
漏れ出ピが始まるが、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ＩＯ回程度の反射と
放出とが繰り返される間にその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２
０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。

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。

再び、第１図を参照すると、この実施例でテーバ状導波
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ＴＥＯ導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。

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。

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１
２に入射すると放射基板１２内へと放射が開始される。

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。

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。

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。

（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、Ｒ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、光デイスク情報の
記録・再生用光学ヘッドへの適用性が向上する。

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イスク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駅導波溜の形状を３次元的な１わ
面としてスポット状の焦点を実現することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は：本発萌°の１実施例を説明図的に示す図、第
２図ないし第８図は本発明の詳細な説明するための図、
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、Ｉｌ、、、伝搬基板、１２．、、放射
基板、２０゜７′Ｆ）７　　閃 Ｘ 売り口 × 形４図 ３６口 （Ｉ） Ｚ：’餓 （Ｉ［） 弗７０ （Ｉ） 入 （Ｉ［）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、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な基板と、この基板の上記
   平面上に形成された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上記順序
   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。 ２、請求項１に於いて、上記テーパ状導波層の自由表面
   が、焦点を形成する様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。