JPH0797162B2

JPH0797162B2 - 光ビ−ム拡大器

Info

Publication number: JPH0797162B2
Application number: JP61163706A
Authority: JP
Inventors: 玄一波多腰
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-07-14
Filing date: 1986-07-14
Publication date: 1995-10-18
Anticipated expiration: 2010-10-18
Also published as: JPS6319602A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明はレーザ光を利用する光学系中で、レーザ光のビ
ーム径を変換する光ビーム拡大器に関する。

（従来の技術）近年、光情報処理や光計測の分野でレーザが広く用いら
れている。これらのレーザ光を利用する光学系では、一
般にレーザビーム径を拡大する光ビーム拡大器や、一点
から発散するレーザ光を平行にするコリメータなどの装
置が必要とされる。従来、これらの装置は複数のレンズ
により構成されており、所望のビーム径を得るにはそれ
に応じたレンズの径および焦点距離が必要であるため、
光学系全体を小型化できないという問題点があった。

第12図はホログラムを記録する光学系の一例を示したも
のである。レーザ光源100から出射された光ビームは、
レンズ102およびレンズ103より成る光ビーム拡大器によ
り所定の大きさの平行光に変換され、ビームスプリッタ
104により、分岐されて一方は物体107の照明光111、も
う一方は参照光112となる。物体107により反射散乱され
た光113と参照光112の干渉パターンが、ホログラム乾板
106に記録される。参照光112および照明光111は、それ
ぞれホログラム乾板106および物体107の大きさに対応し
た大きさが必要とされるため、レンズ103の径はその大
きさ以上でなければならず、そのためレンズ103の焦点
距離f₂も大きくなる。これはレンズの開口数NA（＝sin
θ）を大きくすると、単レンズの場合球面収差が大きく
なり、良好な平面波が得られないという事情による。レ
ンズ102およびレンズ103より成る光ビーム拡大器は、こ
のf₂以上の大きさになってしまう。

第13図は、ビデオ・ディスクやディジタル・オーディオ
・ディスク（DAD）などの光ディスク・ピックアップ光
学系の一部を簡略化して示したものである。簡単のため
信号検出用の光学系は省略してある。半導体レーザ120
から出射された光は、コリメーションレンズ122により
平行光に変換され対物レンズ123により収束されて、光
ディスク基板124の情報記録面125の上に焦点を結ぶ。通
常、コリメーションレンズ122および対物レンズ123は収
差を少なくするため複数のレンズを組み合せたものが用
いられるが、ここでは説明を簡単にするためそれぞれ一
枚で代表させてある。このようなピックアップ光学系で
は、情報記録面上に光を１μｍオーダーの微少スポット
に絞り込まねばならないため、大きなNA（＝sinθ_０）
の対物レンズ123が必要とされる。また対物レンズ123の
焦点距離f₀も所定の値が必要とされる。ここでは省略し
てあるが、実際の光ディスクでは情報記録面125と対物
レンズ123との間には透明基板が挿入されており、さら
にこの透明基板と対物レンズ123とは所要の作動距離を
とる必要があるからである。

一方、コリメーションレンズのNA（＝sinθｃ）は半導
体レーザ120から出射される光の放射角等によって決ま
る。一般にθｃはθｏに比べて小さな値である。そのた
め、コリメーションレンズの焦点距離fcはあまり小さく
することはできない。例えば対応レンズ123のNAを0.4
5、焦点距離を4mmまたコリメーションレンズ122のNAを
0.2とすると、fcはとなる。半導体レーザ120とコリメーションレンズ122と
を合わせた光学系はこの値と、実際には複数枚組合せた
レンズ全体の大きさとを加えた大きさとなり、ピックア
ップの小型化に制約を与える。

（発明が解決しようとする問題点）以上の例のように、従来のレンズを用いる光ビーム拡大
器やコリメータなどの装置では光学系の小型化に限度が
あった。

本発明の目的は、上記問題点を解消し、小型軽量の光ビ
ーム拡大器を提供することにある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）本発明は、光導波路グレーティングを利用して平行光を
その進行方向に垂直な方向に拡大することによって、光
ビーム拡大器の小型化を可能としたものである。

すなわち、本発明は光導波路と該光導波路上に形成され
た同心円グレーティングとから成り、平行光と導波光と
が結合するように該同心円グレーティングの周期を設定
することによって光ビーム拡大の機能を持たせたもので
ある。

（作用）本発明によれば、光ビーム拡大器の光学系が小型軽量化
される。さらに上記同心円グレーティング領域の形状に
より、拡大された光ビームを任意の形状に制御すること
が可能となる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１
図は本発明の第１の実施例を示すものである。この図に
示した光ビーム拡大器は、透明基板１およびそれより屈
折率の大きい光導波層２より成る光導波路と、その上に
形成された同心円グレーティング３により構成される。
この光ビーム拡大器に入射する入射光４は、同心円グレ
ーティング３により光導波路中を放射状に伝搬する導波
光に交換され、さらにこの導波光は同じ同心円グレーテ
ィング３により、もとの入射光４よりビーム径の大きい
出射光５へと変換される。この原理を第２図により説明
する。第２図の右図は同心円グレーティングのパター
ン、左図は光導波路の断面図をそれぞれ示したものであ
る。この同心円グレーティングの周期Λは次式により設
定されている。

ここでλは入射光の波長、Ｎは光導波路の実効屈折率、
またｍは正の整数である。周期が（１）式で与えられる
同心円グレーティングは光導波路面に対して垂直に進む
光と、同心円の中心を通る導波光とを結合させる。これ
は光導波路面に平行な方向の波数ベクトルの保存を考え
ると容易に理解できる。すなわち、入射光の波数ベクト
ルの光導波路面に平行な成分をkt、導波光の伝搬ベクト
ルをβ、光導波路グレーティングのグレーティングベル
トルをＫとすると、 β−kt＝lK（l:整数） …（２）の関係が成立するとき、入射光と導波光とは結合する。

入射光は光導波路面に垂直であるから、 kt＝Ｏ …（３）また、グレーティングベクトルの方向は同心円の中心を
通る直線上にあるから、βとＫの方向は一致している。
さらに、であるから、（１）〜（５）よりｌ＝ｍ …（６）とすると、（２）式が成立する。この場合、入射光と導
波光とはグレーティングのｍ次成分により結合されるこ
とになる。

以上の説明から明らかなように、第２図において同心円
グレーティング領域内の一点Ｐに垂直に入射した光６は
同心円グレーティングにより回折され、同心円の中心を
通る導波光７および８に変換される。また入射光の一部
は回折されずにそのまま直進する光９となる。一方、導
波光７および８は再び同心円グレーティングにより回折
され、光導波路面に垂直に進む光10および11となる。第
２図の右に示したように、他の任意の点に入射した光も
同心円の中心を通る導波光に変換され、これらは再び光
導波路面に垂直に進む光に変換される。したがって、第
１図において、光軸が同心円グレーティングの中心を通
るような入射光４はこの光ビーム拡大器により、グレー
ティング領域の直径をビーム径とする平行光５に変換さ
れることになる。第９図と比較すると明らかなように、
第１図の光ビーム拡大器は透明基板１および光導波層２
を合せた厚さしか必要としないため、小型軽量化が可能
となる。また、この光導波路グレーティングは同心円で
かつ周期が一定のため、作製も容易である。すなわち、
フォトマスクを利用してグレーティングを作製する場合
には、周期が一定であるため、レジスト露光条件が場所
によって異なることがなく、全領域均一なグレーティン
グパターンを形成することが容易である。また同心円で
あることから、NC旋盤などによる機械的加工も可能であ
る。

ところで、第２図において導波光７および８の一部は所
望の出射光10および11の他に、それと反対側へ進む光12
および13へも変換される。入射光を有効に利用するに
は、この反対側へ進む光の光量をできるだけ小さくする
ことが望ましい。そのための一つの手段としては、グレ
ーティング断面形状をブレーズ化して片側への回折を大
きくする方法がある。ブレーズ化された非対称断面形状
のグレーティングにより導波光が片側へのみ強く回折さ
れることは、例えばT.Tamir,ed,“In−tegrated Optic
s",2nd ed.,Springer−Ver−lag（1979）第３章 p.11
8.に述べられている。ブレーズ断面のグレーティングの
作製は上に述べたNC旋盤加工などにより可能である。

反対側へ進む光をなくすもう一つの方法として反射膜を
用いる方法がある。第３図は本発明の第２の実施例を示
したものである。この例では透明基板１の入射光側に、
入射光部分を除いて反射膜20が形成されている。この反
射膜は、例えば金属薄膜あるいは多層膜などにより構成
される。このように反射膜をつけた光ビーム拡大器で
は、グレーティングにより、所望の光とは反対方向へ回
折された光は再び入射光と同一方向へ反射されるため、
光量の損失が少ない。

以上の例は円形ビームを円形ビームへ拡大する光ビーム
拡大器であるが、出射ビームの断面形状はグレーティン
グ領域の形状により任意に変えることができる。第４図
は本発明の第３の実施例を示したもので、同心円グレー
ティング23の領域を正方形としたものである。このよう
にすると、出射ビーム25も正方形断面のビームとなる。

第１図乃至第４図の例で出射ビームの強度分布は、グレ
ーティング断面の形状、グレーティング深さおよび回折
の次数などにより決まる。グレーティングが均一とする
と、一般に中央で強度が大きく周辺程小さくなる。グレ
ーティング深さを小さくして回折効率を低減させると、
回折された出射光の強度の変化は小さくなるが、その代
わり導波光の大部分が回折されずにそのまま外側へ導波
光として伝搬してしまう。これを防ぐ一つの方法は、例
えばグレーティングの山と谷の幅の比率を場所によって
変えることによって、、外周に近い程回折効率を上げて
やることである。もう一つの方法として、同心円グレー
ティングの外側の光導波路上に反射鏡に相当する第２の
同心円グレーティングを設ける方法がある。第５図は本
発明の第４の実施例を示したもので、入射光を導波光に
変換する同心円グレーティング３の外側に、反射鏡とし
て第２の同心円グレーティング33を設けてある。この第
２の同心円グレーティング33により、中央部の同心円グ
レーティング３の外側領域へ伝搬する導波光37は反射さ
れて同心円の中心へ向かう導波光38となり、この導波光
は同心円グレーティング３により出射光５に変換され
る。このようにすると、グレーティング領域の外へ伝搬
してしまう導波光がなくなり、効率の高い光ビーム拡大
器が得られる。反射鏡として作用する第２の同心円グレ
ーティングの周期Λ_２は次式で与えられる。

反射光を生じさせるためだけならばΛ_２は（７）式の値
の整数倍でもよいが、反射光以外の無効な光を生じさせ
ないためには（７）式で与えられる一次回折による反射
を用いることが必要である。中央部の同心円グレーティ
ングも一次回折を用いる場合、すなわち、（１）式でｍ
＝１の場合には、第２の同心円グレーティングの周期Λ
_２は中央部の同心円グレーティングの周期Λの1/2とな
る。

第６図は本発明の第５の実施例を示したものである。こ
の例では同心円グレーティング23の領域を正方形とし、
さらにその外側にやはり正方形領域の反射鏡としての第
２の同心円グレーティング43を設けてある。この場合、
出射光は正方形断面のビームとなり、かつ高効率で出射
される。

本発明の第６の実施例を第７図に示す。この図は、半導
体レーザ用のコリメーションレンズとして用いた例を示
したものである。半導体レーザチップ50をマウントした
パッケージ51および、本発明による光ビーム拡大器はホ
ルダー52に固定されている。

第８図は第７図における光ビーム拡大器の断面と入射光
側および出射光側のパターンを示したものである。この
光ビーム拡大器には半導体レーザからの放射光55を平行
光54に一度変換するため、グレーティングレンズ53を設
けてある。この例では回折効率を上げるため、グレーテ
ィングレンズはブレーズ化された断面形状となってい
る。また第３図，第５図と同様に反射膜20を設けてあ
る。平行光54が拡大された出射光５に変換される原理は
既に述べた通りである。このコリメーションレンズの働
きを兼ねる光ビーム拡大器は、半導体レーザパッケージ
51の直後に置くことができるため、第10図の場合に比べ
光路長を縮少でき、小型のコリメーション光学系を実現
できる。さらに第８図の光ビーム拡大器を半導体レーザ
パッケージの窓として用いることも可能で、その場合に
はパッケージから直接、平行光を取り出すことができ
る。

第９図は本発明の第７の実施例を示したものである。こ
の例は第12図に示したホログラム記録光学系に本発明に
よる光ビーム拡大器を適用した例である。He−Neレーザ
60より出射された光ビーム61は本発明による光ビーム拡
大器63によりビーム径を拡大され、ビームスプリッタ64
により分岐されて、一方は物体67の照明光71、もう一方
は参照光72となる。物体67により反射散乱された光73
と、参照光72との干渉パターンがホログラム乾板66に記
録される。光ビーム拡大器は、光源のHe−Neレーザ60の
直後に置くことができるので光学系の大きさを小さくで
き、また光軸の調整も容易となる。

第10図は本発明の第８の実施例で、第９図により作成さ
れたホログラムの再生装置として用いた例である。この
場合の光源は第９図と同じHe−Neレーザでもよいが、こ
こでは可視光半導体レーザ80を用いる場合の例を示し
た。図中83が本発明による光ビーム拡大器で、半導体レ
ーザ80からの出射光を拡大された平行光に変換する。こ
の原理は第８図において説明した通りである。第10図の
ホログラム再生装置の各部品の構成を第11図に示した。
光ビーム拡大器83より出射した平行光84は回折格子81に
より回折されて進行方向に対してθだけ傾いた平行光82
となり、ホログラム乾板66に入射する。この角度θは第
９図において、ホログラムを記録した際の参照光の角度
と同じであるので、第10図に示したように、物体の再生
像87が観測される。なお回折格子81の周期Λ_３は、Λ_３
＝λ/sinθで与えられる。この回折格子は例えば重クロ
ム酸ゼラチンを感光材料としたホログラフィックグレー
ティング、あるいはプラスチックレプリカによるブレー
ズ型回折格子などを用いることにより、高い回折効率の
ものが得られる。第10図に示したように、このホログラ
ム再生装置は薄い平板の素子で構成されているので、従
来のホログラム再生光学系に比べて極めて小型な構造と
なっている。

以上に示した光ビーム拡大器は、光情報処理や光計測な
どの様々な分野に適用可能である。

〔発明の効果〕

本発明により、小型軽量の光ビーム拡大器を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光ビーム拡大器の一例を示す図、
第２図はこの光ビーム拡大器の原理を説明するための
図、第３図乃至第11図は本発明の他の実施例を示す図、
第12図および第13図は従来例を示す図である。１……透明基板、２……光導波層、3,23……同心円グレ
ーティング、33,43……第２の同心円グレーティング、
4,6,54……入射光、5,25……出射光、7,8,37,38……導
波光、20……反射膜、50,80,120……半導体レーザ、51
……半導体レーザパッケージ、52……ホルダー、53……
グレーティングレンズ、63,83……光ビーム拡大器、81
……回折格子、60,100……レーザ光源、102,103……レ
ンズ、64,104……ビームスプリッタ、65,105……反射
鏡、66,106……ホログラム乾板、67,107……物体、87…
…再生像、122……コリメーションレンズ、123……対物
レンズ、124……ディスク基板、125……情報記録面。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光導波路と該光導波路上に形成された同心
円グレーティングとから成り、入射光の波長をλ、前記
光導波路の実効屈折率をＮ、ｍを正の整数としたとき、
前記同心円グレーティングの周期Λがとなっていることを特徴とする光ビーム拡大器。
【請求項２】前記同心円グレーティングの外側の光導波
路上に第２の同心円グレーティングを有し、該第２の同
心円グレーティングの周期Λ_２がとなっていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の光ビーム拡大器。