JPH02244107A - 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元ディ
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
光集積回路に係シ、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〕

光通信システムや元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りて構成
していた。したがって、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、コストが高価であシ、あ
るいはまた、機械的な結合により組合わせているため、
長時間の使用に対する安全性に欠け、信頼性が劣るとい
う種々の問題がある。そのため、近年、１つの基板上に
複数個の素子を集積化した光集積回路（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、元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、元ディスク用元ヘッドが提案され
ている。（例えば、特開昭６１−２９１５５４０号公報
、電子通信学会論文誌’８５／１０ｖｏ１．Ｊ６Ｂ−Ｃ
Ｎ１１０．信学技報’８６／９ｖｏ１．８６．Ｎ１Ｌ１
７６）。

元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
）、光導波路に光を導波させた９１元導波路外に光を出
射させたシする機能をもった素子でオシ、光ｘＣのキー
となる素子の一つである。

第４図および第５図は、その具体例として光を光導波路
内に結合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ラ１は、基板２の光
導波ｊｆ！ｒ３上に形成した回折格子４であシ、その格
子間隔Δ等を適正化することにより第４図に示したよう
にレーザ光を空気側から導波路内に結合させたシ、また
第５図に示したように基板側から入射させたシすること
ができる。また上記回折格子のパターン形状が直線の場
合は平行光を、２次曲線の場合には発散光を結合させる
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
導体レーザを用いた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シ、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により導波
路に結合可能な入射角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への光の入射角を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１１基板の屈折率をｎ、、半導体レーザ光
の波長をλとしたと下記（１）式によりてαが決まるた
め波長λが変化するとαが変化してしまうという問題点
がある。

従って、半導体レーザ光の波長が変化すると導波路への
光の入力結合効率が低下する。

〔発明が解決しようとした課題〕

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った。

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

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、レーザ光を別途設けた回折格子により回折
させるととくよシ達成される。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Ｂｒａｇｇ条件を満足するように設定すること
を特徴とした。

〔作用〕

第１図によυ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に示した回折格子を設けること
により達成される。すなわち第１図に示すように半導体
レーザ光の波長がλ（０）およびλ（１）とした場合（
λ（０）〉λ（１））、グレーティングカップラへの入
射角がα（０）、α（１）の場合導波路へ光の結合がお
きる。レーザ光は常に基板に平行に出射し、回折格子６
への入射角は波長に依らず一定である。ここで格子間隔
Ｄ１回折格子の傾斜角δを適正化した回折格子６を設け
ることにより、波長λ（０）とλ（１）の光の６からの
出射角をある特定の角度λ（０）、λ（１）としグレー
ティングカップラへの入射角をα（０）、α（１）とし
たことができ、レーザ光の波長変動に伴う入力結合効率
の低下を防ぐことができる。

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Ｂｒａｇｇ条件を満たすか、
またはＢｒａｇｇ条件近傍で回折がおこるようＫＤを定
めること、さらに回折格子６の形状が下式を満たすこと
が強度の高い光を得るために重要であシ、本発明のポイ
ントの一つでもある。

Ｔ：回折格子の高さ ｎ、二回折格子の屈折率変化 θ、二波長λで回折格子６においてＢｒａｇｇ条件を満
たすときのグレーティングへの入射角 〔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ａの具体例を述べる。

まずＤは、波長λ（０）の光が回折格子６によりＢｒａ
ｇｇ条件、もしくはＢｒａｇｇ条件近傍で回折されるよ
う（３）（り式を満たすような条件とした。

β（０）　＃　　ｒ　（０）　　　　　　　・・・・・
・（４）β（０）：波長λ（０）での回折格子に対する
入射角 γ（０）：波長λ（０）での回折格子に対する出射角 また波長λ（１）の光がＢｒａｇｇ条件の近傍で回折さ
れるように（５）式を満たす条件とした。

β（１）−波長λ（１）での回折格子に対する入射角（
β（０）＝β（１）） ｒ（１）：波長λ（１）での回折格子に対する出射角 さらに下記の条件（６）〜（１３）式が満たされるよう
にり、δ、θを定める。

α、（０）＝α。（ＣＩ）十〇−一 ・・・・・・（８） α、（１）＝α。（１ン十θ−一 ・・・・・・（９） ｒ（０）＝α２（０）−θ−δ＋π　　・・・・・・（
１２）ｒ（１）＝α２（１）−〇−δ十π　　　・・・
・・・（１３）α。（０）：λ（０）でのグレーティン
グカッグラへの入射角 α。（１）：λ（１）でのグレーティングカップラへの
入射角 α、（０）：λ（０）でのガラスブロックから基板への
屈折角 α、（１）　：λ（１）でのガラスブロックから基板へ
の屈折角 α２（０）：λ（０）での基板への入射角α２（１）：
λ（１）での基板への入射角Ａ　グレーティングカップ
ラの格子間隔り二回折格子６の格子間隔 ０：基板端面の切断角 Ｊ°回折格子６の傾き ｍ　回折格子６で回折された光の回折次数であり、−１
とした。

Ｎ：光導波Ｗ＆５の実効屈折率 ｎ　：基板２の屈折率 ｎ　、ガラスブロックの屈折率 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
を示したものであυ、強度の高い回折光を得るためには
すでに述べた（２）式を満たす形状の回折格子を用いる
ことが望ましい。

以上述べた条件を満たす回折格子の具体的な一例として
は、λ（０）がα７８μｍ、λ（１）がα７７６μｍの
半導体レーザを用い、ｎ、　：２．２　。

Ｎ＝２．２０９のＬｉＮｂ０　、結晶を用いたで１拡散
光導波路を用い、その上にＡ＝４μｍのグレーティング
カップラを形成し、基本のレーザ元入射端面にｎ　＝＝
１．４５のＢＫ−７製のガラスブロックを貼り付けた場
合、θは約５６度、δは約１００度、Ｄは約１．６μｍ
となる。この場合回折格子に対するλ（０）、λ（１）
の光の入射角は等しいが出射角の差は約α１度とな）、
それぞれの波長で光導波路への結合条件を満たす角度α
。（０）、α。（１）で入射する。この場合回折光（回
折格子６の出射光→の効率は、Ｔを約８μｍとしたこと
により、９０％以上となる。

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量回折格子の他に第３図に示すよ
うな反射膜７を設けた反射塑回折格子がある。

以下に本発明を用いた光ＩＣの具体例を示す。

第６図は、半導体レーザ光を一点Ｐに集光させるための
元ＩＣである。半導体レーザ８から出射した元はガラス
ブロックにそれとほぼ同じ屈折率をもつ接着剤で貼）合
わされた本発明の回折格子６へ入射し、はぼＢｒａｇｇ
条件で回折され、ガラスブロックと基板との境界で屈哲
しグレーティングカップラ１により導波路内に結合され
る。導波光５はクレーティングカップラ１′により再び
回折されて、さらに基板とガラスブロックの境界で屈折
し、回折格子６′によりはぼＢｒａｇｇ条件で回折され
、プリズム端面で反射されたのち基板２の上方に設置さ
れたレンズ９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、入射角
が等しく波長の異なる光を別々の方向に回折させる働き
があシ、これＫよってそれぞれの波長で最適な入射角で
グレーティングカップ２１に入射し高い入力結合効率が
得られる。ここで回折格子６がない場合、半導体レーザ
の波長変動に伴い入力結合効率が低下するという問題が
生じる。

なお上記光ＩＣを構成する材料としては、石英。

５１０２系ガラス基板、誘電体結晶基板、５ｉｎ２系が
ラス光導波路、金属拡散光導波路、１や１′の素子形成
材料としては、カルコゲナイドガラス。

ＴｉＯ２＊　ＺｎＯｇ　ＺｎＳ　Ｈ６の回折格子形成材
料としては、５ｉｎ２系ガラス、高分子化合物、１０の
ガラスプ四ツク形成材料としては、５ｉｎ２系ガラス等
があり、一般的に光学素子中元導波路、薄膜光学素子を
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りソグラ
フィ技術、真空技術を用いることにより素子が形成でき
る。

第７図は、プリズムを介して半導体レーザを貼シ付はレ
ーザ光を導波路３に結合するグレーティングカップラ１
とレーザ光を基板内に回折させるグレーティングカップ
ラ１′の間にＳＡＷ元偏向器１１及び集光ビームスプリ
ッタ１２を形成するとともに、ガラスブロック１０の端
面にホトダイオード１４を元ＩＣの例である。第７図の
元ＩＣは、元ディスク装置に用いる光ヘッドとして有効
なものである。以下に第７図の元ＩＣの製造方法及び作
用について説明する。第７図の元ＩＣの製造方法につい
て、まず各種導波路型光学素子に関しては、基板２とし
て光学研磨したＬｉＮｂＯ５結晶を用い、Ｔ１をスパッ
タリングによｊ）２４ｎｍ堆積させ、熱拡散を行って光
導波１２！５を形成した。上記スパッタリングの条件は
、高周波パワー３００Ｗ１アルゴンガス圧［１３５Ｐａ
、スパッタ速度α４ｎｍ／ｓｅａである。熱拡散は電気
炉を用いて、１０００℃に加熱しアルゴンガス雰囲気中
で２時間、続いて酸素ガスをａ、５時間流して行った。

ここで導波路の表面屈折率はｎ、＝２．２２となシ等価
屈折率Ｎ＝＝１２０９の！Ｅ単一モード導波路であった
。なお光導波路はプロトン交換法によって作製してもよ
い。光導波路上に形成するバッファ層はコーニング社φ
７０５９ガラスをスパッタリングによＪ）１０ｎｍ形成
した。スパッタ条件は高周波パワー１００Ｎ、アルゴン
ガス圧α３５Ｐａｓスパッタ速度α２ｎｍ／ｓｅａであ
る。バッファ層上に装荷層としてＴｌＯ２を反応性スパ
ッタリングによ１１００ｎａ＋形成した。スパッタ条件
は、ＴｌＯ２ターゲットを用いてスパッタガスとしてア
ルゴンと酸素を用い、０２とＡｒの流量比α７、スパッ
タガス圧力α４２　Ｐａ　Ｉ高周波パワー５００Ｗ、ス
パッタ速度α１ｎｍ／５ｓｅｏである。次に装荷層およ
びバッファ層を所定の導波路型光学素子の形状に微細加
工するために、装荷層上にレジストを回転塗布法によ多
形成した。ここではレジストとして電子線レジストであ
るクロルメチル化ポリスチレン（ＣＭ　Ｓ−１ｉｔ　Ｘ
　Ｒ：東洋ソーダ製）を用い、厚さα５ｓｍとした。上
記レジストを１３０℃で２０分間プリベークしたのち、
電子ビームを所定の装荷層形状に照射した。照射条件は
、電子ビーム径１１μｍ１照射量１６μＣ／−とした。

電子ビーム露光後に現像を行いレジスト製のマスクを形
成した。その後イオンエツチングにょシ装荷層およびバ
ッファ層を微細加工した。イオンエツチングの条件は、
エツチングガスとしてＣＦ４を用い、圧力五８　Ｐａ、
高周波パワー２００Ｗ。

エツチング時間１５　ｍｉｎとした。エツチングの後レ
ジスト製マスクを除去して各種導波路型光学素子が形成
できた。次に６の回折格子に関しては、基板としてＢＫ
−７ガラスを用い、その上に５ｉｎ２を約８　ｔｉ　ｍ
、　　５ｉＣ２４と０２を原料としたＣＶＤ法もしくは
蒸着法、スパッタリング等によって形成した。次ＫＳｉ
Ｏ２をホトリソグラフィにより所定の格子形状に加工す
るために、ホトレジスト（ＯＦＰＲ８００）を１μｍ回
転塗布法によ多形成した。上記レジストを８５℃で３０
分間プリベークした後、所定の格子形状を描いたホトマ
スクにより、ｕｖＢ元装置を用いて密着露光した。

露光後クロルペ／ゼン中で４０℃で５分間浸漬処理を行
った後現像した。レジスト製の格子パターン上へＣを蒸
着し、アセトン中で超音波洗浄を行ってレジストを除去
しＣ１製のマスクを形成した。

その後ＣＦ４ガスを用いたイオンエツチングによｆｉ　
ＳｉＯ□を微細加工し、Ｃｒを除去して格子パターンが
形成できた。このホトリングラフィ技術は前述の装荷層
およびバッファ層の微細加工にも応用することができる
。上記の素子を形成した基板２、回折格子６．６′及び
ＢＫ−７製のガラスブロック１０はそれぞれの端面を所
定の角度で切断、研磨してＢＫ−７とほぼ同じ屈折率を
もつ接着剤で貼り合わされ、半導体レーザ及びホトダイ
オードを端面結合して第７図の元ＩＣを形成した。

次に第７図の元ＩＣの作用について説明する。ガラスブ
ロック１０に結合した半導体レーザ８からの出射光（波
長α７７６〜０．７８μｍ）は、回折格子６により回折
されさらにガラスブロックと基板の界面で屈折し、波長
及びグレーティングカップラの格子間隔に応じて第（６
）　、　（７）式に従って光導波路３に結合される。導
波光５は、ＳＡＷ元偏向器１１により偏向されてグレー
ティングカップラ１に入射し、波長及びグレーティング
カップラの格子間隔に応じて第（６）　ｌ　（７）式に
従って基板内に回折される。基板内に回折された元は基
板とガラスブロックの界面で屈折した後回折格子６′に
より回折されガラスブロック端面で反射されて上方に出
射され元ディスクに対して垂直に移動する機構を有した
レンズ９で集光されて元ディスク１５のピット（情報）
に集光される。元ディスク１５により反射され九光は、
レンズ９．ガラスブロック１０、回折格子６′を通ジグ
レーティングカップラ１′により再び導波路に結合され
た後、集光ビームスプリッタ１２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１４上に
集光されてビットの情報が読み取られる。

ここで回折格子６がない場合、半導体レーザの波長が０
．７７６〜１７８μｍの範囲で変化したとき、導波路へ
最大の効率で結合がおきる角度が約α１度変化するが、
グレーティング１への入射角は常に一定であるため入力
結合効率が低下する。

これに対し本発明の、格子ピッチＤが約１．６μｍ１格
子高さＴが約８μｍの回折格子を用いることにより、波
長に応じて異なる角度で回折し、最適な角度でグレーテ
ィングに入射し、高い入力結合効率が得られる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明の回折格子を設けることによ
り、光の波長変動に伴う、グレーティングへの光の入力
結合効率の低下を防止でき、よってマルチモードの半導
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。本発明は特に元
ディスク用ピックアップヘッドに有効でおる。

【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３因は
本発明に係る光集積回路における回折格子の第２の実施
例を示す断面図、第４図及び第５図はグレーティングカ
ップラの作用を説明するための説明図、第６図、第７図
はそれぞれ本発明に係る光集積回路の第１．第２の実施
例を示す構成図である。 符号の説明 １．１′・・・・・・グレーティングカップラ、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
レーザまたはコリメータレンズ付き半導体レーザ、９・
・・・・・レンズ、１０・・・・・・ガラスブロック、
１１・・・・・・ＳＡＷ元偏向器、１２・・・・・・集
光ビームスプリッタ、１５・・・・・・光ディスク、１
４・・・・・・ホトダイオード。 Ｄ 第１０ Ｍ２図 第６図 第５図 箪４０ Ｊ７［２１ （Ｑ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体レーザを光源とし、半導体レーザから出射し
   た光を導波路型回折格子により光導波路内に結合させる
   方式の光集積回路において、レーザ光の波長変動に伴う
   入力結合効率の低下を、別に設けた回折格子により防止
   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、半導体レーザから出射し
   た光を導波路温回折格子により基板内から光導波路内に
   結合させる方式の光集積回路において、レーザ光の波長
   変動に伴い生じる入力結合効率の低下を別に設けた回折
   格子により防止したことを特徴とした光集積回路。 ３、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１記載の回折格子を入れた光集積回路。 ４　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１記載
   の光集積回路。 ５、回折格子を光集積回路基板のレーザ光入射端面にガ
   ラスブロックを介して貼り合せたことを特徴とした請求
   項１記載の光集積回路。 ６、誘電体又はガラスの基板の表面に基板よりも屈折率
   の高い導波層よりなる光導波路を設け、半導体レーザか
   ら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、半導体レーザから基板に対し平行に出射した光を
   基板に対しある角度をもって入射させるためのガラスブ
   ロックと、レーザ光の波長変動に伴う入力結合効率の低
   下を防止するためのブラッグ回折型回折格子と、レーザ
   光を光導波路へ結合させるための導波路温回折格子と、
   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、導波光を基板内へ放射させるため
   の導波路型回折格子と、導波路型回折格子により放射さ
   れたレーザ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、基板上方にレーザ
   光を出射するためのガラスブロックと、光ディスク面に
   対して垂直方向に移動する機構を有し、光ディスク面上
   に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戻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、光情報を読みとるためのホ
   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。 ７、誘電体又はガラスの基板の表面に基板よりも屈折率
   の高い導波層よりなる光導波路を設け、半導体レーザか
   ら光導波路へ導波したレーザ光を用いる光集積回路にお
   いて、半導体レーザから基板に対し平行に出射した光を
   基板に対しある角度をもって入射させるためのガラスブ
   ロックと、レーザ光の波長変動に伴う入力結合効率の低
   下を防止するためのブラッグ回折型回折格子と、レーザ
   光を光導波路へ結合させるための導波路型回折格子と、
   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、導波光を基板内へ放射させるため
   の導波路型回折格子と、導波路型回折格子により放射さ
   れたレーザ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を有したレーザビーム
   プリンタに用いる光集積回路。 ８、回折格子の基板としてＳｉＯ＿２系ガラスを用い、
   格子を形成する材料としてＳｉＯ＿２系ガラス及び高分
   子化合物を用いたことを特徴とした請求項１記載の光集
   積回路。 ９、半導体レーザを光源とし、半導体レーザから出射し
   た光を導波路型回折格子により光導波路内に結合させる
   方式の光集積回路において、別に設けた回折格子により
   、レーザ光の波長変動に伴う入力結合効率の低下を防止
   する方法。