JPH0643329A - 光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】変換効率の高い、円形導波路を有する光学素子
を提供する。 【構成】円形導波路６２と、これに光を導入するための
直線導波路６４を基板６６の上に有している。円形導波
路６２は、その内部を波長２πｒ／ｎ（ｒは円形導波路
の半径、ｎはある自然数）の光が矢印の方向に回り続け
るように、半径・幅・厚み・屈折率分布が設定されてい
る。円形導波路６２の上面には２πｒ／（ｎ＋１）のピ
ッチでグレーティング６８が形成されている。また、基
板６６の上面には別のグレーティング７０が設けられて
いる。このグレーティング７０は、グレーティング６８
と同数の歯を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】光を放出するグレーティングを上
面に設けた円形導波路を有する光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】上面にグレーティングを持つ円形導波路
を有し、円形導波路内を伝搬する光を外部に放出させる
光学素子が、特願平３−２１１１３３において提案され
ている。

【０００３】その光学素子は、図１３に示すように、円
形導波路１２と、その近傍に延びた直線導波路１４とを
有している。この直線導波路１４の内部に光を伝搬させ
ると、円形導波路１２の内部に光が励起される。円形導
波路１２の上面にはグレーティング１２ａが形成されて
いる。このグレーティング１２ａは、光が一周したと
き、光の位相とグレーティングの位相が２πずれるよう
な周期を有している。このような構成においては、ある
時刻で点Ａからの出力が最大であるとすると、その中心
対称の位置である点Ｃからの出力も最大となる。また、
光とグレーティングの位相差Δφは、円形導波路上の各
点Ａ〜Ｄにおいて図１４に示すように変化する。従っ
て、最大出力の二点は、時間の経過と共に円形導波路上
を回転して行く。この結果、円形導波路１２からは円偏
光が放射される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような光学素子に
おいて、導波光は円形導波路の内部を伝搬する最中に導
波路の外側に一部が漏れ損失される。これは変換効率の
低下を招く。その損失の度合は円形導波路の半径が小さ
くなるにつれて大きくなる。これはデバイスの微細化に
とっては障害である。本発明は、高い変換効率で円偏光
を放射する光学素子を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の光学素子は、円
環状の光導波路と、この光導波路の外側に前記円環の中
心に対して略放射状に設けられた回折格子とを有してい
る。

【０００６】

【作用】円環状の光導波路（円形導波路）の外側に設け
た回折格子（グレーティング）は、光導波路の曲がりに
よりその外側に漏れた光を外部と結合する。このグレー
ティングの半径方向の周期は、円形導波路から漏れた光
の位相変化の周期と一致している。その周期は一定でな
く、また導波路構造にも依存している。これは、数式を
用いて以下のように表現される。図１１に示す座標系に
おいて、電場が次式で表わされるとする。

【０００７】

【数１】 ここにｆ（ｒ）は複素関数である。これに対してグレー
ティングの高さは、次の様に表わされる。

【０００８】

【数２】

【０００９】ここに、μ−ν＝ｍ（ｍは奇数）である。
また、関数ｈ（ｘ）は、ｘの位相をグレーティングの高
さに変換する関数である。多くの場合、グレーティング
はステップ状であるから、その場合、ｈ（ｘ）は二値関
数となる。これらの様子を図１２に示す。

【００１０】ここで、任意の点Ｐを考え、その座標を
（ｒp ，θp ）とする。ある時刻に点Ｐからの出力が最
大とすると、点Ｐの原点Ｏに対して対称な点である点Ｑ
（ｒp，θp ＋π）からの出力も最大となり、原点Ｏを
通り紙面に垂直な軸上において点Ｐと点Ｑからの出力は
強め合う。

【００１１】次に、（ｒs ，θp ）なる座標の点Ｓを考
える。このときＡｒｇ（ｆ（ｒp ））＝Ａｒｇ（ｆ（ｒ
s ））であれば、点Ｓからの出力は点Ｐからの出力と同
位相である。ここでＡｒｇ（ｚ）は複素数の偏角を示
し、Ｚ＝｜Ｚ｜・ｅｘｐ（ｉＡｒｇ（Ｚ））と表わされ
る。従って、紙面から充分離れた軸上の点では、点Ｐと
点Ｓからの出力は強め合う。上述した点Ｐ，Ｑ，Ｓに限
らず、任意の点からの全ての出力を足し合わせると、結
局は軸上の充分離れた点では、円偏光が得られる。

【００１２】

【実施例】次に本発明の第一実施例について説明する。
本実施例の光学素子は、図１に示すように、円形導波路
６２と、これに光を導入するための直線導波路６４を基
板６６の上に有している。円形導波路６２は、その内部
を波長２πｒ／ｎ（ｒは円形導波路の半径、ｎはある自
然数）の光が矢印の方向に回り続けるように、半径・幅
・厚み・屈折率分布が設定されている。円形導波路６２
の上面には２πｒ／（ｎ＋１）のピッチでグレーティン
グ６８が形成されている。円形導波路の閉じ込め層６２
内では電磁場のｒ方向の位相変化は小さいとしてこれを
無視し、円形導波路中心を通る直線と平行にグレーティ
ング６８の歯が形成されている。また、基板６６の上面
には別のグレーティング７０が設けられている。このグ
レーティング７０は、グレーティング６８と同数の歯を
有し、その形状は以下に説明するように決められてい
る。

【００１３】まず、（１）式において、ｆ（ｒ）として
ハンケル（Hankel）関数を用いる近似を行なう。これ
は、（ｒ，θ，ｚ）座標系における電磁場がｒ方向につ
いて変数分離できるとしたとき、ｒに関して、

【００１４】

【数３】 これから（１）式を得て、φに対応する（２）式に基づ
いてグレーティング７０を形成する。

【００１５】これにより、円形導波路６２の外側に放射
された光も、円形導波路６２の上面に設けたグレーティ
ング６８からの出力と強め合う形でグレーティング７０
から面外に放射される。この結果、高い変換効率で円偏
光を放射する光学素子が得られる。

【００１６】次に、本発明の第二実施例について図２を
参照しながら説明する。本実施例では、円形導波路６２
の内部に光を導入するための直線導波路６４は、波長程
度の間隔を置いて円形導波路６２の下側を通過するよう
に基板６６の内部に形成されている。また円形導波路６
２の外側に閉じ込め層７２が設けられている。この閉じ
込め層７２の上面には第一実施例で説明した形状のグレ
ーティング７０が形成されている。

【００１７】円形導波路の外側に漏れた光は、円形導波
路の面に直交するｚ方向に広がりを持つため、中心から
の距離ｒが大なるほど、グレーティングにより面外への
放射光に結合される効率が低下する。閉じ込め層７２
は、このｚ方向の広がりを抑え、円形導波路６２の外側
に漏れた光をその内部に閉じ込める。

【００１８】また、閉じ込め層７２は円形導波路６２に
対してクラッド層としても機能する。この場合、閉じ込
め層７２の屈折率ｎ72は、円形導波路６２の屈折率をｎ
62、基板６６の屈折率をｎ66としたとき、１＜ｎ72＜ｎ
62かつｎ66＜ｎ72でなければならない。この条件を満た
し、閉じ込め層７２が円形導波路６２に対してクラッド
層として機能する場合、円形導波路６２から外側に漏れ
る光は減少する。このように本実施例によれば、円形導
波路６２から漏れた光は閉じ込め層７２に閉じ込められ
たまま面外への変換を受けるのでより高い変換効率が得
られる。

【００１９】次に第三実施例について図３と図４を参照
しながら説明する。本実施例は、上述した実施例が任意
の点から放射された全ての光が強め合うのは無限遠点の
みであるので、有限の距離にある中心軸上の点（焦点）
で強め合うようにグレーティングを以下の様に修正して
ある。図３に示すように、円形導波路６２の上面から焦
点までの距離をＬとすると、中心軸からｒ離れた点から
の放射光の光路は、

【００２０】

【数４】 である。従って、（１）式のＥ（ｒ，θ，ｔ）に対し
て、 ＨG ＝ｈ［ｅｘｐ｛−ｉ（μθ±Δｕｋ）｝・ｆ
（ｒ）］

【００２１】と修正したＨG に基づいてグレーティング
７６が形成されている。ここで、ｋは光学素子上の焦点
を含む媒質（通常空気）での波数であり、複号は＋θ方
向への進行波に対して＋をとり、−θ方向への進行波に
対して−をとる。また、円形導波路６２の上面に設ける

【００２２】グレーティング７４は、円形導波路の幅が
小さくこの幅をはさんだ両端の点からの光路が同一と見
なせる場合は、製造の容易さも考慮し、第一実施例同
様、円形導波路中心を通る直線と平行に歯を形成する
が、逆に幅による光路の変化が無視できない場合、 ｈ［ｅｘｐ｛−ｉ（μθ±Δｕｋ）｝］ に従って作成される。このグレーティング７４は、図４
に示すように、第一実施例のグレーティング６８に比べ
て±Δｕｋだけθ方向に回転している。

【００２３】第四実施例について図５と図６を参照しな
がら説明する。本実施例は面発光型のレーザーである。
円盤状のｎ型ＧａＡｓ基板８０の下面には電極８２が設
けられている。ＧａＡｓ基板８０の上面には、その中央
には円盤状のｎ型ＡｌＧａＡｓ層８４が設けられてお
り、その外側に真性ＡｌＧａＡｓ層８６が設けられてい
る。その上には、中央に円盤状のｎ型ＡｌＧａＡｓ層８
８があり、その外側にリング状のｎ型ＧａＡｓ活性層９
０、さらにその外側にｐ型ＡｌＧａＡｓ層９６がある。
ｐ型ＡｌＧａＡｓ層９６の上面の周縁にはｐ型ＧａＡｓ
層１００があり、その上に電極１０２が設けられてい
る。

【００２４】活性層９０の上下面にはそれぞれグレーテ
ィング９２と９４が設けられている。図６に示すよう
に、グレーティング９２は、その高さが二つの値をとる
周期関数で表される形状に形成されている。一方、グレ
ーティング９４は、その高さが直線的に変化する周期関
数で表される形状に形成されている。グレーティング９
２の周期とグレーティング９４の周期は異なっており、
両者の歯の数は一周で１つ異なっている。また、グレー
ティング９４は、その高さがグレーティング９２のそれ
よりも高く、また周方向の向きで非対称であるため、活
性層９０の内部の進行波の波長とその方向を決定する働
きをする。一方、グレーティング９２は活性層９０の内
部の光を外部に放射させる働きをする。また、ｐ型Ａｌ
ＧａＡｓ層９６の上面には第一実施例と同様のグレーテ
ィング９８が設けられている。

【００２５】電極８２と１０２の間に電圧を印加する
と、活性層９０の内部に光が励起され、その内部を伝搬
する。この励起光はグレーティング９４により波長と伝
搬方向が決められる。光は活性層９０を伝搬する間、誘
導放出により増幅される。その一部の光はグレーティン
グ９２とグレーティング９８から放射される。その放射
光は上述したように円偏光となる。

【００２６】第五実施例について図７と図９を参照して
説明する。本実施例は、光ポンピングによるレーザーで
あり、図７に示すように、基板１１０の上に円形導波路
１１２を有している。円形導波路１１２は、図９に示す
ように、ＩｎＧａＡｓ活性層１１６の上下にそれぞれＩ
ｎＧａＡｓＰキャップ層１１８とＩｎＧａＡｓＰバリア
層１１４を設けた三層構造になっている。ＩｎＧａＡｓ
Ｐバリア層１１４の下面には導波光の波長と方向を決定
するためのグレーティング１２０が形成されている。一
方、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１１８の上面には導波光
を外部に放射するためのグレーティング１２２が形成さ
れている。グレーティング１２０とグレーティング１２
２は歯数が一周で１違っている。グレーティング１２０
は波長選択のために、またグレーティング１２２は外部
への放射のためにそれぞれ設けられている。円形導波路
１１２の外側には、そこから漏れた光を閉じ込めるた
め、屈折率が円形導波路１１２のそれよりも小さい閉じ
込め層１２４が設けられている。この閉じ込め層１２４
の上面には、その内部を伝搬する光を外部に放射するグ
レーティング１２６が形成されている。このグレーティ
ング１２６の形状は第一実施例と同様に決められてい
る。

【００２７】本実施例の装置に外部からポンプ光を照射
すると、活性層１１６に光が励起され、この励起光は誘
導放出により増幅されながら円形導波路１１２の内部を
伝搬する。また、円形導波路１２２から漏れた光は閉じ
込め層１２４の内部を伝搬する。導波光および漏れ光は
それぞれグレーティング１２２と１２６により外部に円
偏光として放射される。

【００２８】第六実施例を図８と図１０を参照しながら
説明する。本実施例は、図８に示すように、円形導波路
１１２の構造を除いて第五実施例と同じである。本実施
例の円形導波路１１２は、図１０に示すように、ＩｎＧ
ａＡｓＰバリア層１１４にグレーティングはなく、Ｉｎ
ＧａＡｓＰキャップ層１１８の上面に波長選択のための
グレーティング１２０が設けられている。

【００２９】ポンプ光が照射されると、ＩｎＧａＡｓ活
性層１１６に光が励起される。これにより、グレーティ
ング１２０で決まる波長の光が増幅されながら円形導波
路１１２の内部を所定の方向に伝搬する。円形導波路１
１２から漏れた光は閉じ込め層１２４を伝搬しながら、
グレーティング１２６により外部に放射される。

【００３０】本実施例では、円形導波路１１２の上面に
のみグレーティングがあるので、第五実施例に比べて製
造が容易になる。また、閉じ込め層１２４から光を放射
させるので、円形導波路１１２の径は小さいほど好まし
く、従ってデバイスの微細化の点で有利である。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、円形導波路の外部に漏
れた光も有効に放射させるので、変換効率の優れた円偏
光を放射する光学素子が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例の光学素子の構成を示す。

【図２】本発明の第二実施例の光学素子の構成を示す。

【図３】本発明の第三実施例の光学素子を示し、（Ａ）
は上面図、（Ｂ）は側面図である。

【図４】図３の円形導波路のグレーティングを拡大して
示す。

【図５】本発明の第四実施例であるレーザーの構成を示
す。

【図６】図５の活性層の上下面に設けるグレーティング
の形状を示す。

【図７】本発明の第五実施例である光ポンピングによる
レーザーを示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）はＢＢ線で破
断したときの断面図である。

【図８】本発明の第六実施例である光ポンピングによる
レーザーを示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）はＢＢ線で破
断したときの断面図である。

【図９】図７の円形導波路の上下面に設けるグレーティ
ングの形状を示す。

【図１０】図８の円形導波路の上面に設けるグレーティ
ングの形状を示す。

【図１１】本発明の作用を説明するために設定する座標
系を示す。

【図１２】円形導波路の外側に設ける第二のグレーティ
ングの高さを示すグラフである。

【図１３】円形導波路を有する光学素子の従来例を示す

【図１４】図１３の各点Ａ〜Ｄにおける位相差の変化を
示す。

【符号の説明】

６６…基板、６２…円形導波路、６８，７０…グレーテ
ィング。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円環状の光導波路と、この光導波路の外
   側に前記円環の中心に対して略放射状に設けられた回折
   格子とを有する光学素子。