JPH0694939A - 光導波路素子 - Google Patents
光導波路素子Info
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- JPH0694939A JPH0694939A JP4241004A JP24100492A JPH0694939A JP H0694939 A JPH0694939 A JP H0694939A JP 4241004 A JP4241004 A JP 4241004A JP 24100492 A JP24100492 A JP 24100492A JP H0694939 A JPH0694939 A JP H0694939A
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- optical waveguide
- grating
- wave guide
- diffraction grating
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- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/124—Geodesic lenses or integrated gratings
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/34—Optical coupling means utilising prism or grating
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- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 光導波路の表面に、該光導波路内を進行する
導波光と外部光とを結合する回折格子が形成された光導
波路素子において、導波光と外部光との結合効率を高
め、そして導波光をガウスビームとして光導波路外に出
射させる。 【構成】 この回折格子を、導波光伝搬方向に沿って
格子高さｈが略線形に漸次増大するように形成し、この
格子高さｈの変化の傾きｂを、放射損失係数αを定める
係数をａ（α＝ａｈm ：２＜ｍ）、導波光伝搬方向の格
子長さをＬとしたとき、下式を満足するように設定す
る。 【数２６】
導波光と外部光とを結合する回折格子が形成された光導
波路素子において、導波光と外部光との結合効率を高
め、そして導波光をガウスビームとして光導波路外に出
射させる。 【構成】 この回折格子を、導波光伝搬方向に沿って
格子高さｈが略線形に漸次増大するように形成し、この
格子高さｈの変化の傾きｂを、放射損失係数αを定める
係数をａ（α＝ａｈm ：２＜ｍ）、導波光伝搬方向の格
子長さをＬとしたとき、下式を満足するように設定す
る。 【数２６】
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光導波路素子、特に詳細
には光導波路の表面に回折格子を備え、導波光をこの回
折格子によって光導波路外へ出射させ、あるいは外部光
をこの回折格子によって光導波路内に入射させるように
した光導波路素子に関するものである。
には光導波路の表面に回折格子を備え、導波光をこの回
折格子によって光導波路外へ出射させ、あるいは外部光
をこの回折格子によって光導波路内に入射させるように
した光導波路素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近時、例えば特開昭６２−７７７６１号
公報に示されるように、光導波路を用いる光偏向装置が
注目されている。この光偏向装置は、表面弾性波が伝播
可能な材料から形成されたスラブ状の光導波路と、この
光導波路内を導波する光ビームと交わる方向に進行して
周波数が連続的に変化する表面弾性波を該光導波路にお
いて発生させる手段（例えば交叉くし形電極対と、この
電極対に周波数が連続的に変化する交番電圧を印加する
ドライバとから構成される）とを有するものである。
公報に示されるように、光導波路を用いる光偏向装置が
注目されている。この光偏向装置は、表面弾性波が伝播
可能な材料から形成されたスラブ状の光導波路と、この
光導波路内を導波する光ビームと交わる方向に進行して
周波数が連続的に変化する表面弾性波を該光導波路にお
いて発生させる手段（例えば交叉くし形電極対と、この
電極対に周波数が連続的に変化する交番電圧を印加する
ドライバとから構成される）とを有するものである。
【０００３】この光偏向装置においては、光導波路内を
導波する光ビームが表面弾性波との音響光学相互作用に
よりブラッグ回折し、そしてこの回折角は表面弾性波周
波数に応じて変化するので、表面弾性波周波数を上述の
ように変えることにより、光ビームを光導波路内におい
て連続的に偏向させることができる。
導波する光ビームが表面弾性波との音響光学相互作用に
よりブラッグ回折し、そしてこの回折角は表面弾性波周
波数に応じて変化するので、表面弾性波周波数を上述の
ように変えることにより、光ビームを光導波路内におい
て連続的に偏向させることができる。
【０００４】また、上記のように光導波路内において進
行する表面弾性波の強度を変調して（ON-OFFも含め
て）、導波光のブラッグ回折を制御することにより、光
変調装置を形成することも従来から考えられている（例
えば、特開平１−１７８９１８号公報参照）。
行する表面弾性波の強度を変調して（ON-OFFも含め
て）、導波光のブラッグ回折を制御することにより、光
変調装置を形成することも従来から考えられている（例
えば、特開平１−１７８９１８号公報参照）。
【０００５】以上のようにして偏向、あるいは変調させ
た光ビームは、例えば光導波路の表面に形成した回折格
子（グレーティングカプラ）やプリズムカプラ等によっ
て光導波路外に出射させることができる。
た光ビームは、例えば光導波路の表面に形成した回折格
子（グレーティングカプラ）やプリズムカプラ等によっ
て光導波路外に出射させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
な光導波路素子から出射した光ビームを記録媒体上で走
査させて画像を記録する場合、高精細な画像を記録する
ためには、走査ビームを小さなスポットに絞り、しかも
その光強度分布が少なくともビーム副走査方向に亘って
ガウス分布をとるようにすることが求められる。
な光導波路素子から出射した光ビームを記録媒体上で走
査させて画像を記録する場合、高精細な画像を記録する
ためには、走査ビームを小さなスポットに絞り、しかも
その光強度分布が少なくともビーム副走査方向に亘って
ガウス分布をとるようにすることが求められる。
【０００７】また、光利用効率の点から、導波光を効率
良く（例えば100 ％近く）光導波路外に出射させること
も求められる。
良く（例えば100 ％近く）光導波路外に出射させること
も求められる。
【０００８】ところが、前述のような回折格子を用いて
光導波路から導波光を外部に出射させる場合は、上記の
ような光強度分布のビームスポットを得ることは極めて
困難となっている。すなわち図５に示すように、基板40
上の光導波路41の表面に格子高さやピッチが一定に揃っ
た線状回折格子42を形成して導波光43を光導波路外に出
射させる場合、出射ビーム43’の光強度は図中曲線ｇで
示すように、導波光43の進行方向に沿って指数関数的に
漸次低下するものとなる。
光導波路から導波光を外部に出射させる場合は、上記の
ような光強度分布のビームスポットを得ることは極めて
困難となっている。すなわち図５に示すように、基板40
上の光導波路41の表面に格子高さやピッチが一定に揃っ
た線状回折格子42を形成して導波光43を光導波路外に出
射させる場合、出射ビーム43’の光強度は図中曲線ｇで
示すように、導波光43の進行方向に沿って指数関数的に
漸次低下するものとなる。
【０００９】この点を、以下に詳しく説明する。導波光
43の光量をＩ（ｘ）とすると、回折格子の微小領域Δｘ
での導波光量損失ΔＩ（出力光量）は、
43の光量をＩ（ｘ）とすると、回折格子の微小領域Δｘ
での導波光量損失ΔＩ（出力光量）は、
【００１０】
【数３】
【００１１】で表わされることが知られている。ここで
αは放射損失係数と称され、 α＝ａｈm …(2) で表わせる。なおｈは格子高さ（あるいは溝の深さ）
で、ａは係数である。上記(1) の微分方程式を、境界条
件ｘ＝０としてＩ（ｘ）＝Ｉo にて解くと、 Ｉ（ｘ）＝Ｉo е-2αx …(3) この(3) 式より単位長さ当りの全出射光量は、
αは放射損失係数と称され、 α＝ａｈm …(2) で表わせる。なおｈは格子高さ（あるいは溝の深さ）
で、ａは係数である。上記(1) の微分方程式を、境界条
件ｘ＝０としてＩ（ｘ）＝Ｉo にて解くと、 Ｉ（ｘ）＝Ｉo е-2αx …(3) この(3) 式より単位長さ当りの全出射光量は、
【００１２】
【数４】
【００１３】一方、一般に矩形グレーティングでは、出
射光は１つの波ではなく、多ビーム結合である。また利
用したい出射光の全出射光に対する比は、弱結合の場合
（αが小さい場合）一定である。この比をＰとおくと、
利用したい出射光の、ある場所ｘでの光強度Ｊ（ｘ）
は、
射光は１つの波ではなく、多ビーム結合である。また利
用したい出射光の全出射光に対する比は、弱結合の場合
（αが小さい場合）一定である。この比をＰとおくと、
利用したい出射光の、ある場所ｘでの光強度Ｊ（ｘ）
は、
【００１４】
【数５】
【００１５】であり、これに(4) 式を代入すると、 Ｊ（ｘ）＝２αＰＩo е-2αx …(5) となる。格子高さが均一な回折格子では、ｈは一定であ
るので、(2) 式を(5) 式に代入すれば、
るので、(2) 式を(5) 式に代入すれば、
【００１６】
【数６】
【００１７】となる。これより、格子高さが均一な回折
格子から出射する光ビームは、指数関数的に減少する光
強度プロファイルを持つことが分かる。
格子から出射する光ビームは、指数関数的に減少する光
強度プロファイルを持つことが分かる。
【００１８】前記の図５に示すように光導波路に導波光
を進行させて、表面弾性波により該導波光を偏向させる
場合、その偏向方向（主走査方向）はこの図の紙面に交
わる方向であり、副走査方向は図中の矢印ｖ方向とな
る。つまり出射ビーム43’は、この副走査方向に沿って
指数関数的に漸減あるいは漸増する光強度分布を有する
ものとなってしまうので、この方向に沿って光強度分布
がガウス分布となるようなビームスポットを得ることは
非常に難しくなる。
を進行させて、表面弾性波により該導波光を偏向させる
場合、その偏向方向（主走査方向）はこの図の紙面に交
わる方向であり、副走査方向は図中の矢印ｖ方向とな
る。つまり出射ビーム43’は、この副走査方向に沿って
指数関数的に漸減あるいは漸増する光強度分布を有する
ものとなってしまうので、この方向に沿って光強度分布
がガウス分布となるようなビームスポットを得ることは
非常に難しくなる。
【００１９】以上、回折格子によって導波光を光導波路
外に出射させる場合の問題について述べたが、このよう
な回折格子によって外部光を光導波路内に入射させるこ
とも従来から広く行なわれており、その場合は、入射結
合効率が低下するという問題が生じる。すなわち光出射
の場合と光入射の場合の相反定理から導かれる通り、光
入射の場合は、入射させる光ビームが図５の曲線ｇで示
すような光強度分布を有するものでなければ、全体的に
効率良く光導波路内に入射し得ないことになる。各種レ
ーザ等の光源から発せられる光ビームは、通常光強度分
布がビーム径方向にガウス分布をとるのが一般的であ
り、このような光ビームを上記のように指数関数的に漸
次減少（増大）する光強度分布を有するビームに整形す
ることは、非常に困難である。
外に出射させる場合の問題について述べたが、このよう
な回折格子によって外部光を光導波路内に入射させるこ
とも従来から広く行なわれており、その場合は、入射結
合効率が低下するという問題が生じる。すなわち光出射
の場合と光入射の場合の相反定理から導かれる通り、光
入射の場合は、入射させる光ビームが図５の曲線ｇで示
すような光強度分布を有するものでなければ、全体的に
効率良く光導波路内に入射し得ないことになる。各種レ
ーザ等の光源から発せられる光ビームは、通常光強度分
布がビーム径方向にガウス分布をとるのが一般的であ
り、このような光ビームを上記のように指数関数的に漸
次減少（増大）する光強度分布を有するビームに整形す
ることは、非常に困難である。
【００２０】特開昭６１−２８６８０７号公報には、上
述のような問題に対処するために、格子深さを導波光進
行方向に沿って次第に深く設定した回折格子が提案され
ている。しかしこの公報を参照しても、回折格子からの
出射ビームをほぼガウスビームとし、そして、導波光を
回折格子から極めて効率良く（例えば100 ％近く）出射
させるために、格子深さの変化率を具体的にどのように
設定すればよいのかは、全く分からない。
述のような問題に対処するために、格子深さを導波光進
行方向に沿って次第に深く設定した回折格子が提案され
ている。しかしこの公報を参照しても、回折格子からの
出射ビームをほぼガウスビームとし、そして、導波光を
回折格子から極めて効率良く（例えば100 ％近く）出射
させるために、格子深さの変化率を具体的にどのように
設定すればよいのかは、全く分からない。
【００２１】一方、特開平１−１０７２１３号公報に
は、同じく上述の問題に対処するために、格子高さを導
波光進行方向に沿って山形状に変化させた回折格子が開
示されている。この公報には、回折格子からの出射ビー
ムをほぼガウスビームとするために、格子高さを具体的
にどのように変化させればよいのかについても、詳しい
説明がなされている。しかしながら、格子高さを上記の
ように山形状に変化させた回折格子は、作成が非常に難
しい。
は、同じく上述の問題に対処するために、格子高さを導
波光進行方向に沿って山形状に変化させた回折格子が開
示されている。この公報には、回折格子からの出射ビー
ムをほぼガウスビームとするために、格子高さを具体的
にどのように変化させればよいのかについても、詳しい
説明がなされている。しかしながら、格子高さを上記の
ように山形状に変化させた回折格子は、作成が非常に難
しい。
【００２２】またこの特開平１−１０７２１３号公報に
おいても、導波光を回折格子から極めて効率良く出射さ
せるために、格子高さを具体的にどのように変化させれ
ばよいのかについては、全く説明がなされていない。
おいても、導波光を回折格子から極めて効率良く出射さ
せるために、格子高さを具体的にどのように変化させれ
ばよいのかについては、全く説明がなされていない。
【００２３】一方、特開平４−４０４０４号公報には、
上記の問題を解決するために回折格子の高さを厳密に規
定した光導波路素子が開示されている。この光導波路素
子は確かに上記の問題を解決できるものとなっている
が、その半面、前記(2) 式においてｍ＝２の場合にしか
有効でないという欠点がある。従来放射損失係数αはα
＝ａｈ2 で表わされると考えられてきたが、最近の研究
によると、光導波路の構造等によっては、α＝ａｈ
m （２＜ｍ）となることも確認されている。
上記の問題を解決するために回折格子の高さを厳密に規
定した光導波路素子が開示されている。この光導波路素
子は確かに上記の問題を解決できるものとなっている
が、その半面、前記(2) 式においてｍ＝２の場合にしか
有効でないという欠点がある。従来放射損失係数αはα
＝ａｈ2 で表わされると考えられてきたが、最近の研究
によると、光導波路の構造等によっては、α＝ａｈ
m （２＜ｍ）となることも確認されている。
【００２４】そこで本発明は、光導波路表面に形成した
回折格子を利用して、前記(2) 式のｍが２を上回る場合
でも、導波光を光導波路外に極めて効率良く、そしてほ
ぼガウスビームとして出射させることができ、あるい
は、ガウスビームである外部光を、極めて効率良く光導
波路内に入射させることができる光導波路素子を提供す
ることを目的とするものである。
回折格子を利用して、前記(2) 式のｍが２を上回る場合
でも、導波光を光導波路外に極めて効率良く、そしてほ
ぼガウスビームとして出射させることができ、あるい
は、ガウスビームである外部光を、極めて効率良く光導
波路内に入射させることができる光導波路素子を提供す
ることを目的とするものである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】本発明による第１の光導
波路素子は、先に述べたように光導波路の表面に、該光
導波路内を進行する導波光を外部に出射させる回折格子
が形成された光導波路素子において、この回折格子を、
導波光伝搬方向に沿って格子高さｈが略線形に漸次増大
するように形成し、そしてこの格子高さｈの変化の傾き
ｂを、放射損失係数αを定める係数をａ（α＝ａｈm ：
２＜ｍ）、導波光伝搬方向の格子長さをＬとしたとき、
下記の式
波路素子は、先に述べたように光導波路の表面に、該光
導波路内を進行する導波光を外部に出射させる回折格子
が形成された光導波路素子において、この回折格子を、
導波光伝搬方向に沿って格子高さｈが略線形に漸次増大
するように形成し、そしてこの格子高さｈの変化の傾き
ｂを、放射損失係数αを定める係数をａ（α＝ａｈm ：
２＜ｍ）、導波光伝搬方向の格子長さをＬとしたとき、
下記の式
【００２６】
【数７】
【００２７】を満足するように設定したことを特徴とす
るものである。
るものである。
【００２８】一方、本発明による第２の光導波路素子
は、光導波路の表面に、外部光を該光導波路内に入射さ
せる回折格子が形成された光導波路素子において、この
回折格子を、導波光伝搬方向に沿って格子高さｈが略線
形に漸次減少するように形成し、そしてこの格子高さｈ
の変化の傾きｂを、放射損失係数αを定める係数をａ
（α＝ａｈm ：２＜ｍ）、導波光伝搬方向の格子長さを
Ｌとしたとき、下記の式
は、光導波路の表面に、外部光を該光導波路内に入射さ
せる回折格子が形成された光導波路素子において、この
回折格子を、導波光伝搬方向に沿って格子高さｈが略線
形に漸次減少するように形成し、そしてこの格子高さｈ
の変化の傾きｂを、放射損失係数αを定める係数をａ
（α＝ａｈm ：２＜ｍ）、導波光伝搬方向の格子長さを
Ｌとしたとき、下記の式
【００２９】
【数８】
【００３０】を満足するように設定したことを特徴とす
るものである。
るものである。
【００３１】
【作用】図１の(1) に示すように、基板12上の光導波路
11を導波する導波光14’を、光導波路表面の回折格子21
により光導波路11から出射させるものとして説明する。
先に述べたように、導波方向の位置をｘ（導波方向前側
を正とする）、導波光量をＩ（ｘ）とすると、回折格子
21の微小領域Δｘにおける導波光量損失（すなわち出力
光量）ΔＩは、前述した通り、
11を導波する導波光14’を、光導波路表面の回折格子21
により光導波路11から出射させるものとして説明する。
先に述べたように、導波方向の位置をｘ（導波方向前側
を正とする）、導波光量をＩ（ｘ）とすると、回折格子
21の微小領域Δｘにおける導波光量損失（すなわち出力
光量）ΔＩは、前述した通り、
【００３２】
【数９】
【００３３】で表わされる。また放射損失係数αは、ａ
を係数として、 α＝ａｈm （ｘ） …(2) である。
を係数として、 α＝ａｈm （ｘ） …(2) である。
【００３４】ここで図１の(2) のように、ｈ（ｘ）は線
形な単調増加に設定するので、ｂを定数（傾き）とし
て、 ｈ（ｘ）＝ｂｘ …(6) と表わされる。格子高さが均一の場合と異なり、導波光
14’の光強度分布から出力光14”の光強度分布を求める
には、(1) の微分方程式に、(2) ，(6) の関数を代入す
る必要がある。そのようにすると、
形な単調増加に設定するので、ｂを定数（傾き）とし
て、 ｈ（ｘ）＝ｂｘ …(6) と表わされる。格子高さが均一の場合と異なり、導波光
14’の光強度分布から出力光14”の光強度分布を求める
には、(1) の微分方程式に、(2) ，(6) の関数を代入す
る必要がある。そのようにすると、
【００３５】
【数１０】
【００３６】この式より、ｘ＝０にてＩ＝Ｉo なる境界
条件を用い、
条件を用い、
【００３７】
【数１１】
【００３８】これが導波光14’の光強度分布となる。出
力光14”を含む全出力光の光強度は、導波光14’の光強
度減少分と考えられるので、(7) 式を微分し、
力光14”を含む全出力光の光強度は、導波光14’の光強
度減少分と考えられるので、(7) 式を微分し、
【００３９】
【数１２】
【００４０】となる。利用したい出力光14”の全出力光
に対する比をＰとすると、格子高さｈが均一の場合で考
察したのと同様に、弱結合の場合、Ｐは格子高さ分布に
かかわらず一定とみなせる。そこで、利用したい出力光
14”の光強度分布をＪ（ｘ）とすると、
に対する比をＰとすると、格子高さｈが均一の場合で考
察したのと同様に、弱結合の場合、Ｐは格子高さ分布に
かかわらず一定とみなせる。そこで、利用したい出力光
14”の光強度分布をＪ（ｘ）とすると、
【００４１】
【数１３】
【００４２】となる。つまり、 １．放射損失係数αと格子高さｈとの係数ａ ２．格子高さｈの傾きｂ ３．利用したいビームへの分配比Ｐ が分かれば、出力光の光強度分布が定まる。以下、この
ことに基づいて、極めてガウス分布に近い出力光強度分
布が得られることを示す。
ことに基づいて、極めてガウス分布に近い出力光強度分
布が得られることを示す。
【００４３】格子周期方向の長さＬの回折格子でガウス
ビームを入出力する場合、まず出力光の最大光強度位置
を求める。そこで(9) 式を微分し、
ビームを入出力する場合、まず出力光の最大光強度位置
を求める。そこで(9) 式を微分し、
【００４４】
【数１４】
【００４５】より、最大光強度位置ｘm を求めると、
【００４６】
【数１５】
【００４７】を得る。
【００４８】次に、Ｌ＝２ｘm と設定すれば、導波光1
4’がほぼ全て出力され、かつ、サイドローブの原因と
なる格子端での出力光の強度が十分小さくなることを示
す。
4’がほぼ全て出力され、かつ、サイドローブの原因と
なる格子端での出力光の強度が十分小さくなることを示
す。
【００４９】
【数１６】
【００５０】を、導波光14’の光強度分布を示す(7) 式
に代入すれば、
に代入すれば、
【００５１】
【数１７】
【００５２】となり、したがって２＜ｍでは
【００５３】
【数１８】
【００５４】つまり、導波光14’の99.5％以上が出力さ
れることになり（図１の(3) 参照）、この設計の妥当性
が明らかである。
れることになり（図１の(3) 参照）、この設計の妥当性
が明らかである。
【００５５】次に、ｘ＝Ｌにおける出力光強度が、最大
光強度Ｊmax ＝Ｊ（ｘm ）に対して十分小さいことを示
す。
光強度Ｊmax ＝Ｊ（ｘm ）に対して十分小さいことを示
す。
【００５６】
【数１９】
【００５７】そして２＜ｍでは
【００５８】
【数２０】
【００５９】つまり、近似ガウス分布のピークに比べ、
3.8 ％未満まで光強度が低下しており、ｘ＝Ｌにおける
出力光強度が十分に小さいことが分かる（図１の(4) 参
照）。また出力光強度分布Ｊ（ｘ）が、ほぼガウス分布
に近いことがわかる。
3.8 ％未満まで光強度が低下しており、ｘ＝Ｌにおける
出力光強度が十分に小さいことが分かる（図１の(4) 参
照）。また出力光強度分布Ｊ（ｘ）が、ほぼガウス分布
に近いことがわかる。
【００６０】以上より、格子長さＬに対して、(11)式を
満たすようなａおよびｂの値を選べばよいことが分か
る。つまり、
満たすようなａおよびｂの値を選べばよいことが分か
る。つまり、
【００６１】
【数２１】
【００６２】なる格子高さｈの変化の傾きｂを与えれ
ば、出力光14”の光強度分布はほぼガウス分布となる。
ば、出力光14”の光強度分布はほぼガウス分布となる。
【００６３】格子長さＬは、上記の傾きｂを与える場合
よりさらに長くしても構わないから、
よりさらに長くしても構わないから、
【００６４】
【数２２】
【００６５】とすればよいことになる。
【００６６】
【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を
詳細に説明する。
詳細に説明する。
【００６７】図１の(1) および図２はそれぞれ、本発明
の一実施例による光導波路素子10を示す部分側面図と斜
視図である。この光導波路素子10は、透明な基板12と、
その上に形成されたスラブ状光導波路11と、この光導波
路11の表面において互いに離して設けられた光入射用線
状回折格子（Ｌinear Ｇrating Ｃoupler：以下ＬＧＣ
と称する）20および光出射用ＬＧＣ21とを有している。
の一実施例による光導波路素子10を示す部分側面図と斜
視図である。この光導波路素子10は、透明な基板12と、
その上に形成されたスラブ状光導波路11と、この光導波
路11の表面において互いに離して設けられた光入射用線
状回折格子（Ｌinear Ｇrating Ｃoupler：以下ＬＧＣ
と称する）20および光出射用ＬＧＣ21とを有している。
【００６８】本実施例においては一例として、基板12に
ＸカットＬｉＮｂＯ3 ウェハを用い、このウェハの表面
にプロトン交換層を設けることにより光導波路11を形成
している。なお基板12としてその他サファイア、Ｓｉ等
からなる結晶性基板が用いられてもよい。また光導波路
11も上記のＴｉ拡散に限らず、基板12上にその他の材料
をスパッタ、蒸着する等して形成することもできる。
ＸカットＬｉＮｂＯ3 ウェハを用い、このウェハの表面
にプロトン交換層を設けることにより光導波路11を形成
している。なお基板12としてその他サファイア、Ｓｉ等
からなる結晶性基板が用いられてもよい。また光導波路
11も上記のＴｉ拡散に限らず、基板12上にその他の材料
をスパッタ、蒸着する等して形成することもできる。
【００６９】半導体レーザ13は、斜めにカットされた基
板端面12ａに向けて垂直に波長640ｎｍの光ビーム（レ
ーザビーム）14を射出するように配置されている。発散
ビームであるこの光ビーム14は、コリメーターレンズ15
によって平行ビームとされた上で上記端面12ａから基板
12内に入射し、光導波路11を透過して、その表面に形成
された前記ＬＧＣ20の部分に入射する。それにより光ビ
ーム14はこのＬＧＣ20で回折して光導波路11内に入射
し、該光導波路11内を導波モードで矢印Ａ方向に進行す
る。この導波光14’はＬＧＣ21により回折して、光導波
路11から基板12側に出射する。
板端面12ａに向けて垂直に波長640ｎｍの光ビーム（レ
ーザビーム）14を射出するように配置されている。発散
ビームであるこの光ビーム14は、コリメーターレンズ15
によって平行ビームとされた上で上記端面12ａから基板
12内に入射し、光導波路11を透過して、その表面に形成
された前記ＬＧＣ20の部分に入射する。それにより光ビ
ーム14はこのＬＧＣ20で回折して光導波路11内に入射
し、該光導波路11内を導波モードで矢印Ａ方向に進行す
る。この導波光14’はＬＧＣ21により回折して、光導波
路11から基板12側に出射する。
【００７０】ここで図１の(1) に概略的に示すように、
光出射用ＬＧＣ21は、格子高さｈが導波光14’の進行方
向（すなわちＬＧＣ21の長さ方向）に沿って線形に漸次
増大するように設定されている。それにより出力光14”
のこの方向の光強度分布は、図１(4) の曲線ｆで示すよ
うに略ガウス分布となる。以下、この点を詳しく説明す
る。
光出射用ＬＧＣ21は、格子高さｈが導波光14’の進行方
向（すなわちＬＧＣ21の長さ方向）に沿って線形に漸次
増大するように設定されている。それにより出力光14”
のこの方向の光強度分布は、図１(4) の曲線ｆで示すよ
うに略ガウス分布となる。以下、この点を詳しく説明す
る。
【００７１】本例では、Ｔｉ拡散光導波路11の厚さは約
2.1 μｍであり、導波光14’はＹ伝搬である。またＬＧ
Ｃ21の長さＬ＝400 μｍで、その格子ピッチΛ＝3.3 μ
ｍである。そしてＬＧＣ21の放射損失係数αに関する前
記(2) 式のｍの値は3.7 であり、この放射損失係数α
は、格子高さｈ＝70ｎｍに対して10ｍｍ-1である。よっ
て上記(2) 式より、 ａ＝10×10-3／0.073.7 ＝188 ［μｍ-4.7］ そしてｘ＝200 μｍで格子高さｈ＝70ｎｍであるので、
格子高さｈの傾きｂは、前述の(12)式の等号を含む式を
満足させて、図１(2) に示すようにＬ＝０→200μｍで
ｈが０→70ｎｍ増大する値、すなわち、 ｂ＝70ｎｍ／200 μｍ＝3.5 ×10-4 とされている。このとき、
2.1 μｍであり、導波光14’はＹ伝搬である。またＬＧ
Ｃ21の長さＬ＝400 μｍで、その格子ピッチΛ＝3.3 μ
ｍである。そしてＬＧＣ21の放射損失係数αに関する前
記(2) 式のｍの値は3.7 であり、この放射損失係数α
は、格子高さｈ＝70ｎｍに対して10ｍｍ-1である。よっ
て上記(2) 式より、 ａ＝10×10-3／0.073.7 ＝188 ［μｍ-4.7］ そしてｘ＝200 μｍで格子高さｈ＝70ｎｍであるので、
格子高さｈの傾きｂは、前述の(12)式の等号を含む式を
満足させて、図１(2) に示すようにＬ＝０→200μｍで
ｈが０→70ｎｍ増大する値、すなわち、 ｂ＝70ｎｍ／200 μｍ＝3.5 ×10-4 とされている。このとき、
【００７２】
【数２３】
【００７３】であるので、前述の(12)式が満足されてい
る。
る。
【００７４】このＬＧＣ21により光導波路11外に出射し
た出力光14”の光強度分布を、上記ａ、ｂの値および前
記(9) 式に基づいて計算した結果を図４に曲線Ａで示
す。図示される通り出力光14”の光強度分布は、ほぼガ
ウス分布となっている。またこの場合は、利用したい出
力光として−１次光を選ぶと、前出のパワー分配比Ｐが
0.74であり、導波光の99.5％は出射できるので、導波光
14’の約74％を、出力光14”として光導波路11外に出射
させることが可能となっている。これに対し、実験値と
して70％を得た。
た出力光14”の光強度分布を、上記ａ、ｂの値および前
記(9) 式に基づいて計算した結果を図４に曲線Ａで示
す。図示される通り出力光14”の光強度分布は、ほぼガ
ウス分布となっている。またこの場合は、利用したい出
力光として−１次光を選ぶと、前出のパワー分配比Ｐが
0.74であり、導波光の99.5％は出射できるので、導波光
14’の約74％を、出力光14”として光導波路11外に出射
させることが可能となっている。これに対し、実験値と
して70％を得た。
【００７５】なお本例においては、図３に示すようにＬ
ＧＣ21の上に投影されたビーム径Ｄｗ’＝210 ｍｍで、
ビーム出射角φ＝66°であるので、（１／ｅ2 ）径Ｄｗ
つまり光強度が最大値の１／ｅ2 となっている部分の出
射ビーム径は、Ｄｗ＝85μｍとなる。
ＧＣ21の上に投影されたビーム径Ｄｗ’＝210 ｍｍで、
ビーム出射角φ＝66°であるので、（１／ｅ2 ）径Ｄｗ
つまり光強度が最大値の１／ｅ2 となっている部分の出
射ビーム径は、Ｄｗ＝85μｍとなる。
【００７６】次に本発明の別の実施例について説明す
る。この実施例は、上述した実施例の光導波路素子10と
は、ＬＧＣ21の上の部分に酸化ハフニウムからなるクラ
ッド層が設けられた点のみが異なるものである。この場
合、放射損失係数αは、格子高さｈ＝70ｎｍに対して20
ｍｍ-1である。よって上記(2) 式より、 ａ＝20×10-3／0.073.7 ＝376 ［μｍ-4.7］ そしてｘ＝200 μｍで格子高さｈ＝50ｎｍであるので、 ｂ＝50ｎｍ／200 μｍ＝3.5 ×10-4 である。ここでＬＧＣ21の長さＬ＝350 μｍ（＞２
ｘm ）を選ぶと、
る。この実施例は、上述した実施例の光導波路素子10と
は、ＬＧＣ21の上の部分に酸化ハフニウムからなるクラ
ッド層が設けられた点のみが異なるものである。この場
合、放射損失係数αは、格子高さｈ＝70ｎｍに対して20
ｍｍ-1である。よって上記(2) 式より、 ａ＝20×10-3／0.073.7 ＝376 ［μｍ-4.7］ そしてｘ＝200 μｍで格子高さｈ＝50ｎｍであるので、 ｂ＝50ｎｍ／200 μｍ＝3.5 ×10-4 である。ここでＬＧＣ21の長さＬ＝350 μｍ（＞２
ｘm ）を選ぶと、
【００７７】
【数２４】
【００７８】であるので、前述の(12)式が満足されてい
る。
る。
【００７９】この場合の出力光14”の光強度分布を、上
記ａ、ｂの値および前記(9) 式に基づいて計算した結果
を図４に曲線Ｂで示す。本例においても、図示される通
り出力光14”の光強度分布は、ほぼガウス分布となる。
記ａ、ｂの値および前記(9) 式に基づいて計算した結果
を図４に曲線Ｂで示す。本例においても、図示される通
り出力光14”の光強度分布は、ほぼガウス分布となる。
【００８０】なお以上説明した実施例においては、ＬＧ
Ｃ21から出力光14”を基板12側に出射させるようにして
いるが、基板12と反対側に出力光14”を出射させる場合
にも本発明は適用可能であり、その場合もパワー分配比
Ｐの値が変わる以外は、上述と同様の作用で略ガウス分
布のビームが得られる。
Ｃ21から出力光14”を基板12側に出射させるようにして
いるが、基板12と反対側に出力光14”を出射させる場合
にも本発明は適用可能であり、その場合もパワー分配比
Ｐの値が変わる以外は、上述と同様の作用で略ガウス分
布のビームが得られる。
【００８１】また上記実施例においては、光出射用ＬＧ
Ｃ21に対して本発明が適用されているが、光入射用ＬＧ
Ｃ20に対して本発明を適用することも可能である。その
場合は、導波光伝搬方向に沿って格子高さｈが略線形に
漸次減少するように形成すれば、上記実施例におけるの
と相反的な作用効果が得られる。すなわちこの場合は、
光導波路11内に入射させる光ビーム14として、光強度分
布が略ガウス分布となっている一般的なレーザビーム等
を用い、（１／ｅ2 ）ビーム径を合わせれば、その光ビ
ーム14は入射結合効率がほぼ最大で光導波路11内に取り
込まれることになる。
Ｃ21に対して本発明が適用されているが、光入射用ＬＧ
Ｃ20に対して本発明を適用することも可能である。その
場合は、導波光伝搬方向に沿って格子高さｈが略線形に
漸次減少するように形成すれば、上記実施例におけるの
と相反的な作用効果が得られる。すなわちこの場合は、
光導波路11内に入射させる光ビーム14として、光強度分
布が略ガウス分布となっている一般的なレーザビーム等
を用い、（１／ｅ2 ）ビーム径を合わせれば、その光ビ
ーム14は入射結合効率がほぼ最大で光導波路11内に取り
込まれることになる。
【００８２】さらに本発明は、集光性回折格子（Ｆocus
sing Ｇrating Ｃoupler）により導波光と外部光とを
結合する光導波路素子に対しても同様に適用可能であ
る。
sing Ｇrating Ｃoupler）により導波光と外部光とを
結合する光導波路素子に対しても同様に適用可能であ
る。
【００８３】なお、本発明の光導波路素子を作成する際
には、製造誤差等により、格子高さの変化の傾きが僅か
に曲線状となったり、あるいは直線状であっても、全体
的にかさ上げされた状態となることもある。回折格子が
そのような形状となっていても、本質的に前述した通り
の作用、効果が得られる限り、その光導波路素子は本発
明のものに含まれるものとする。
には、製造誤差等により、格子高さの変化の傾きが僅か
に曲線状となったり、あるいは直線状であっても、全体
的にかさ上げされた状態となることもある。回折格子が
そのような形状となっていても、本質的に前述した通り
の作用、効果が得られる限り、その光導波路素子は本発
明のものに含まれるものとする。
【００８４】また回折格子は、光導波路にエッチング等
を施して溝を形成することにより作成してもよい。この
ときは、溝深さが格子高さｈに対応するので、導波光伝
搬方向に沿って溝深さを略線形に漸次増大、あるいは減
少させればよい。
を施して溝を形成することにより作成してもよい。この
ときは、溝深さが格子高さｈに対応するので、導波光伝
搬方向に沿って溝深さを略線形に漸次増大、あるいは減
少させればよい。
【００８５】
【発明の効果】以上説明した通り本発明の第１の光導波
路素子においては、光導波路表面に形成されて導波光を
外部に出射させる回折格子を、導波光伝搬方向に沿って
格子高さが略線形に漸次増大するように形成し、そして
この格子高さの変化の傾きｂを、放射損失係数αを定め
る係数をａ（α＝ａｈm ：２＜ｍ）、導波光伝搬方向の
格子長さをＬとしたとき、下式
路素子においては、光導波路表面に形成されて導波光を
外部に出射させる回折格子を、導波光伝搬方向に沿って
格子高さが略線形に漸次増大するように形成し、そして
この格子高さの変化の傾きｂを、放射損失係数αを定め
る係数をａ（α＝ａｈm ：２＜ｍ）、導波光伝搬方向の
格子長さをＬとしたとき、下式
【００８６】
【数２５】
【００８７】を満足するように設定したことにより、該
回折格子から出射する光ビームの光強度分布を略ガウス
分布とすることができる。
回折格子から出射する光ビームの光強度分布を略ガウス
分布とすることができる。
【００８８】したがってこの光導波路素子によれば、光
導波路から出射した光ビームを極めて小さなスポットに
絞ることが可能となり、画像記録あるいは画像読取り用
の光偏向器に適用した場合は画像記録あるいは読取りの
精度を十分に高め、さらに高周波スペクトルアナライザ
ー等に適用した場合は、周波数分析の分解能を高めるこ
とができる。
導波路から出射した光ビームを極めて小さなスポットに
絞ることが可能となり、画像記録あるいは画像読取り用
の光偏向器に適用した場合は画像記録あるいは読取りの
精度を十分に高め、さらに高周波スペクトルアナライザ
ー等に適用した場合は、周波数分析の分解能を高めるこ
とができる。
【００８９】また本発明の第２の光導波路素子において
は、光導波路表面に形成されて外部光を光導波路内に入
射させる回折格子を、導波光伝搬方向に沿って格子高さ
が略線形に漸次減少するように形成し、そしてこの格子
高さの変化の傾きｂを上記の（数２５）式を満足するよ
うに設定したことにより、光強度分布がガウス分布状と
なっている一般的なレーザビーム等の外部光を、効率良
く光導波路内に取り込むことが可能となる。したがって
この光導波路素子によれば、一般的なレーザビーム等を
整形するようなことなくそのまま用いた上で、上記の光
偏向器や高周波スペクトルアナライザー等における光利
用効率を十分に高めることができる。
は、光導波路表面に形成されて外部光を光導波路内に入
射させる回折格子を、導波光伝搬方向に沿って格子高さ
が略線形に漸次減少するように形成し、そしてこの格子
高さの変化の傾きｂを上記の（数２５）式を満足するよ
うに設定したことにより、光強度分布がガウス分布状と
なっている一般的なレーザビーム等の外部光を、効率良
く光導波路内に取り込むことが可能となる。したがって
この光導波路素子によれば、一般的なレーザビーム等を
整形するようなことなくそのまま用いた上で、上記の光
偏向器や高周波スペクトルアナライザー等における光利
用効率を十分に高めることができる。
【図１】本発明による作用効果を説明する概略図
【図２】本発明の一実施例による光導波路素子を示す斜
視図
視図
【図３】回折格子の長さと出力光のビーム径との関係を
示す説明図
示す説明図
【図４】回折格子から出射した出力光の光強度分布を示
すグラフ
すグラフ
【図５】従来の光導波路素子の回折格子から出射する光
ビームの強度分布を示す概略図
ビームの強度分布を示す概略図
10 光導波路素子 11 光導波路 12 基板 14 光ビーム 14’ 導波光 14” 光導波路からの出力光 20 光入射用回折格子 21 光出射用回折格子
Claims (2)
- 【請求項１】 光導波路の表面に、該光導波路内を進行
する導波光を外部に出射させる回折格子が形成された光
導波路素子において、 この回折格子が、導波光伝搬方向に沿って格子高さｈが
略線形に漸次増大するように形成され、 この格子高さｈの変化の傾きｂが、放射損失係数αを定
める係数をａ（α＝ａｈm ：２＜ｍ）、導波光伝搬方向
の格子長さをＬとしたとき、下記の式 【数１】 を満足するように設定されていることを特徴とする光導
波路素子。 - 【請求項２】 光導波路の表面に、外部光を該光導波路
内に入射させる回折格子が形成された光導波路素子にお
いて、 この回折格子が、導波光伝搬方向に沿って格子高さｈが
略線形に漸次減少するように形成され、 この格子高さｈの変化の傾きｂが、放射損失係数αを定
める係数をａ（α＝ａｈm ：２＜ｍ）、導波光伝搬方向
の格子長さをＬとしたとき、下記の式 【数２】 を満足するように設定されていることを特徴とする光導
波路素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4241004A JPH0694939A (ja) | 1992-09-09 | 1992-09-09 | 光導波路素子 |
| US08/117,617 US5315676A (en) | 1992-09-09 | 1993-09-08 | Optical waveguide device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4241004A JPH0694939A (ja) | 1992-09-09 | 1992-09-09 | 光導波路素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0694939A true JPH0694939A (ja) | 1994-04-08 |
Family
ID=17067904
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4241004A Pending JPH0694939A (ja) | 1992-09-09 | 1992-09-09 | 光導波路素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5315676A (ja) |
| JP (1) | JPH0694939A (ja) |
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| JP2021131558A (ja) * | 2016-03-04 | 2021-09-09 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッドApplied Materials, Incorporated | ワイヤグリッド偏光板製造方法 |
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