JPH0827417B2 - 光結合装置 - Google Patents
光結合装置Info
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- JPH0827417B2 JPH0827417B2 JP2180807A JP18080790A JPH0827417B2 JP H0827417 B2 JPH0827417 B2 JP H0827417B2 JP 2180807 A JP2180807 A JP 2180807A JP 18080790 A JP18080790 A JP 18080790A JP H0827417 B2 JPH0827417 B2 JP H0827417B2
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光を導波路内に入力結合させる光結合装置
に関するもので、例えば光ディスク装置の光学ヘッド等
に用いて有用なものである。
に関するもので、例えば光ディスク装置の光学ヘッド等
に用いて有用なものである。
従来の技術 従来の技術を、国際出願PCT/JP88/01344号に記載の光
結合装置に基づいて説明する。
結合装置に基づいて説明する。
第４図は従来の光結合装置構成を示す要部断面図であ
る。
る。
半導体レーザー１から出射する光は集光レンズ２によ
って平行光となり、偏光変換素子３を経て電界ベクトル
が同心円接線方向にある同心円偏光となり、光軸に直交
する導波層４上に形成された同心円状のグレーティング
（ピッチΛ）を持つ円形（半径ａ）のカプラ５（放射損
失係数α）に入射する。
って平行光となり、偏光変換素子３を経て電界ベクトル
が同心円接線方向にある同心円偏光となり、光軸に直交
する導波層４上に形成された同心円状のグレーティング
（ピッチΛ）を持つ円形（半径ａ）のカプラ５（放射損
失係数α）に入射する。
入射光６（入力光）はカプラ５により入力結合して、
カプラ５の中心Ｏから外周側に伝搬する導波光７とな
る。なお導波層４はこれよりも低屈折率の透明基板８上
に構成され、その等価屈折率はＮである。
カプラ５の中心Ｏから外周側に伝搬する導波光７とな
る。なお導波層４はこれよりも低屈折率の透明基板８上
に構成され、その等価屈折率はＮである。
次に、第５図は特開平１−246808号公報に示された偏
光変換素子３の構成図である。
光変換素子３の構成図である。
偏光変換素子３は液晶偏光素子と位相差膜14からな
る。液晶偏光素子は表面をラビング処理した２枚の透明
基板15A、15Bの間にネマティック液晶16を充填すること
で形成されるが、透明基板15Aについては表面のポリイ
ミド膜は一方向にラビング処理がなされており、15Bに
ついては同心円状にラビング処理がなされているので、
液晶層16は15A側では一方向に配向し、15B側はで同心円
の接線方向に配向し、円周上で液晶ツイスト角の大きさ
が連続的に変化している。
る。液晶偏光素子は表面をラビング処理した２枚の透明
基板15A、15Bの間にネマティック液晶16を充填すること
で形成されるが、透明基板15Aについては表面のポリイ
ミド膜は一方向にラビング処理がなされており、15Bに
ついては同心円状にラビング処理がなされているので、
液晶層16は15A側では一方向に配向し、15B側はで同心円
の接線方向に配向し、円周上で液晶ツイスト角の大きさ
が連続的に変化している。
一般にTN構造液晶層に振動方向が15Aでの配向方向に
一致する直線偏光の光6Lが入射すると、TN構造のねじれ
に沿って光の偏波面が回転する。従って15A側から入射
した直線偏光17Aの光は素子の各位置での液晶ツイスト
角にほぼ等しい角度だけ回転し、出射側（15B側）液晶
分子の配向方向にほぼ等しい振動面を持つ同心円偏光17
Bの光（振動面が同心円接線方向の偏光状態）となる
が、素子の中心から伸びた２本の半直線18（以降Discli
nation lineとも称し、ほぼ15A側の一方向配向方向に一
致する）を境に液晶のツイスト角が反転し（Disclinati
on）、光の偏波面の回転方向も反転するので、Disclina
tion line18を挟んで一方の領域で変換された同心円偏
光の光は他方の偏光の光に対し位相がπだけ遅れる。こ
の位相遅れを補正するために、透明基板15Bの出射側表
面にλ/2位相差膜14を形成する。この位相差膜14の境界
線19を液晶のDisclination Iine18に一致させること
で、Disclinationに伴う２つの領域での同心円偏光の位
相が揃い、ほぼ完全な（無収差の）同心円偏光17Cへの
変換が実現できる。
一致する直線偏光の光6Lが入射すると、TN構造のねじれ
に沿って光の偏波面が回転する。従って15A側から入射
した直線偏光17Aの光は素子の各位置での液晶ツイスト
角にほぼ等しい角度だけ回転し、出射側（15B側）液晶
分子の配向方向にほぼ等しい振動面を持つ同心円偏光17
Bの光（振動面が同心円接線方向の偏光状態）となる
が、素子の中心から伸びた２本の半直線18（以降Discli
nation lineとも称し、ほぼ15A側の一方向配向方向に一
致する）を境に液晶のツイスト角が反転し（Disclinati
on）、光の偏波面の回転方向も反転するので、Disclina
tion line18を挟んで一方の領域で変換された同心円偏
光の光は他方の偏光の光に対し位相がπだけ遅れる。こ
の位相遅れを補正するために、透明基板15Bの出射側表
面にλ/2位相差膜14を形成する。この位相差膜14の境界
線19を液晶のDisclination Iine18に一致させること
で、Disclinationに伴う２つの領域での同心円偏光の位
相が揃い、ほぼ完全な（無収差の）同心円偏光17Cへの
変換が実現できる。
中心Ｏからｒの距離における入力光の振幅がexp｛−
（r/τａ）２｝で表され、位相整合条件を満足する状態
からｄλの波長誤差,dNの等価屈折率誤差、ｄΛのピッ
チ誤差が生じる場合の入力結合効率（入力光量に対する
結合光量の比）はκを波数（＝２π／λ）として次式で
与えられる。
（r/τａ）２｝で表され、位相整合条件を満足する状態
からｄλの波長誤差,dNの等価屈折率誤差、ｄΛのピッ
チ誤差が生じる場合の入力結合効率（入力光量に対する
結合光量の比）はκを波数（＝２π／λ）として次式で
与えられる。
η／σer 2＝８αａ｛G1（１）exp（−αａ）／τ｝２ ×｛１−（κaNε）2HD｝ …（１） ただし、 gP（ｔ）＝exp｛−（t/τ）２＋αat｝ …（５） gM（ｔ）＝exp｛−（t/τ）２−αat｝ …（６） HD＝G3（５）/G1（１）−｛G2（３）/G1（１））２ …
（７） ε＝dNE/NE−ｄλ／λ＋ｄΛ／Λ …（８） （１）式におけるσ、er、HDの意味は以下の通りであ
る。
（７） ε＝dNE/NE−ｄλ／λ＋ｄΛ／Λ …（８） （１）式におけるσ、er、HDの意味は以下の通りであ
る。
σは外周から中心Ｏに向かう導波光を考えるとき、入
力光と逆進関係にある放射光の、全放射光量に対する光
量比に等しく、グレーティングが対称な断面形状で２ビ
ーム結合の場合σ≒1/2であり、ブレーズグレーティン
グを用いればσ≒１となる。
力光と逆進関係にある放射光の、全放射光量に対する光
量比に等しく、グレーティングが対称な断面形状で２ビ
ーム結合の場合σ≒1/2であり、ブレーズグレーティン
グを用いればσ≒１となる。
erは単位電界ベクトルの動径ｒとｚ軸を含む面に垂直
な（または平行な）振動成分であり、入力光が同心円偏
光（または放射偏光）の場合er＝１、円偏光入力の場合 である。
な（または平行な）振動成分であり、入力光が同心円偏
光（または放射偏光）の場合er＝１、円偏光入力の場合 である。
垂直入射する光６は一般に中心Ｏから外周に向けて伝
搬する導波光と外周から中心Ｏに向けて伝搬する導波光
を励起し、後者の導波光はカプラ中心を経て外周方向伝
搬に転じ、前者の導波光と干渉する。（２）〜（４）式
に現れる関数IBはこの干渉の仕方を決定する因子であ
り、強め合う場合はIB＝−１（同相条件と呼ぶ）、干渉
のない場合はIB＝０（単相条件と呼ぶ）、弱め合う場合
はIB＝１（逆相条件と呼ぶ）で与えられ、一般には|IB|
≦１である。
搬する導波光と外周から中心Ｏに向けて伝搬する導波光
を励起し、後者の導波光はカプラ中心を経て外周方向伝
搬に転じ、前者の導波光と干渉する。（２）〜（４）式
に現れる関数IBはこの干渉の仕方を決定する因子であ
り、強め合う場合はIB＝−１（同相条件と呼ぶ）、干渉
のない場合はIB＝０（単相条件と呼ぶ）、弱め合う場合
はIB＝１（逆相条件と呼ぶ）で与えられ、一般には|IB|
≦１である。
中心から外周に向けて伝搬する導波光の、中心からｒ
の距離における振幅をA+（ｒ）、外周から中心に向けて
伝搬する導波光の振幅をA-（ｒ）で表すと、同相条件は
A+（０）＝A-（０）、単相条件はA+（０）＝０、逆相条
件はA+（０）＝−A-（０）、の境界条件に相当する。第
６図（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ同相条件（IB＝
−１），単相条件（IB＝０），逆相条件（IB＝１）に対
するη／σer 2の計算結果を標準化された放射損失係数
αａと入力ガウシアン光の蹴られ率τのなす座標（αa,
τ）上で等高線表示している。η／σer 2はそれぞれ点
Ａ（0.60,0.79）,B（1.23,0.91）,C（2.26,1.04）上で
最大値1.438,0.706,0.502をとる。
の距離における振幅をA+（ｒ）、外周から中心に向けて
伝搬する導波光の振幅をA-（ｒ）で表すと、同相条件は
A+（０）＝A-（０）、単相条件はA+（０）＝０、逆相条
件はA+（０）＝−A-（０）、の境界条件に相当する。第
６図（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ同相条件（IB＝
−１），単相条件（IB＝０），逆相条件（IB＝１）に対
するη／σer 2の計算結果を標準化された放射損失係数
αａと入力ガウシアン光の蹴られ率τのなす座標（αa,
τ）上で等高線表示している。η／σer 2はそれぞれ点
Ａ（0.60,0.79）,B（1.23,0.91）,C（2.26,1.04）上で
最大値1.438,0.706,0.502をとる。
HDは誤差による結合効率の劣化しやすさの度合を示
し、第７図（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ同相条件
（IB＝−１），単相条件（IB＝０），逆相条件（IB＝
１）に対する劣化係数HDの計算結果を座標（αa,τ）上
で等高線表示している。HDは点A,B,C上でそれぞれ0.02
2,0.064,0.025の値をとる。
し、第７図（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ同相条件
（IB＝−１），単相条件（IB＝０），逆相条件（IB＝
１）に対する劣化係数HDの計算結果を座標（αa,τ）上
で等高線表示している。HDは点A,B,C上でそれぞれ0.02
2,0.064,0.025の値をとる。
したがって（１）式より最大効率条件下（第６図の点
A,B,C）で効率劣化を20％以内に抑える条件は次式で与
えられる。
A,B,C）で効率劣化を20％以内に抑える条件は次式で与
えられる。
（９）式はカプラのマイクロ化により結合効率の安定
化が可能であることを示している。
化が可能であることを示している。
発明が解決しようとする課題 このような従来の光結合装置に於て以下の問題点があ
った。
った。
先ず第１に、従来例のように入力光が同心円偏光（ま
たは放射偏光）の場合、中心に対し対角位置の入力光の
電界ベクトルが互いに逆ベクトルをなし、励起される導
波光の位相もπずれるので、境界条件は逆相条件に相当
し、位相整合条件下での結合効率は（１）式よりσ＝0.
5として最大25.0％（第６図（ｃ）の点Ｃ）と小さいこ
とである。
たは放射偏光）の場合、中心に対し対角位置の入力光の
電界ベクトルが互いに逆ベクトルをなし、励起される導
波光の位相もπずれるので、境界条件は逆相条件に相当
し、位相整合条件下での結合効率は（１）式よりσ＝0.
5として最大25.0％（第６図（ｃ）の点Ｃ）と小さいこ
とである。
第２に、仮に誤差εを１％（｜ε｜＝0.01）とする
と、（９）式より逆相条件でａ＜45λ/Nが効率安定化条
件であり、最大効率条件下（αａ＝2.26）ではα＞0.05
0N/λ（λ＝0.8μm,N＝1.7とするとα＞106（1/mm））
が成り立たなければならない。αを大きくするには高屈
折率で極薄膜の導波層を形成する技術が必要であり、一
般にグレーティングカプラで50（1/mm）を越えることは
困難とされている。この放射損失係数値の限界は最大効
率条件と結合効率安定化条件の相反性を意味する。
と、（９）式より逆相条件でａ＜45λ/Nが効率安定化条
件であり、最大効率条件下（αａ＝2.26）ではα＞0.05
0N/λ（λ＝0.8μm,N＝1.7とするとα＞106（1/mm））
が成り立たなければならない。αを大きくするには高屈
折率で極薄膜の導波層を形成する技術が必要であり、一
般にグレーティングカプラで50（1/mm）を越えることは
困難とされている。この放射損失係数値の限界は最大効
率条件と結合効率安定化条件の相反性を意味する。
本発明はかかる点に鑑み、結合効率が高く、かつ最大
効率条件と結合効率安定化条件との両立が図れ、誤差に
対する許容度を広げられる光結合装置を提供することを
目的とする。
効率条件と結合効率安定化条件との両立が図れ、誤差に
対する許容度を広げられる光結合装置を提供することを
目的とする。
課題を解決するための手段 上記問題点を解決するため、本発明の光結合装置は以
下の様に構成される。
下の様に構成される。
すなわち、レーザー光源と、光源から出射するレーザ
ー光を集光する集光手段と、レーザー光の偏光状態を変
換する偏光変換手段と、レーザー光の光軸と直交する面
内に構成された導波層と、導波層上に形成され光軸を中
心とする同心円状の周期構造を持つ光結合手段とからな
り、光結合手段に入射する光の電界ベクトルが光軸を中
心とする対角位置で互いに等しいことを特徴とする。
ー光を集光する集光手段と、レーザー光の偏光状態を変
換する偏光変換手段と、レーザー光の光軸と直交する面
内に構成された導波層と、導波層上に形成され光軸を中
心とする同心円状の周期構造を持つ光結合手段とからな
り、光結合手段に入射する光の電界ベクトルが光軸を中
心とする対角位置で互いに等しいことを特徴とする。
作 用 上記の様な構成により、中心から外周に向けて伝搬す
る導波光と外周から中心を経て外周方向伝搬に転じる導
波光とが互いに強め合うので結合効率が高く、短い結合
長でも効果的に結合するので小さい放射損失係数値で最
大効率条件を満足できる。
る導波光と外周から中心を経て外周方向伝搬に転じる導
波光とが互いに強め合うので結合効率が高く、短い結合
長でも効果的に結合するので小さい放射損失係数値で最
大効率条件を満足できる。
また上記構成において、特に集光手段によりレーザー
光が１点に集光し、光結合手段が集光手段による集光点
の手前または奥に設けられ、レーザー光源または光結合
手段または集光手段をレーザー光の光軸に沿って動かす
摺動手段により光結合手段と集光点の距離を調整するこ
とで、導波光への結合効率を大幅に向上させることが可
能であり、誤差に対する許容度を広げることができる。
光が１点に集光し、光結合手段が集光手段による集光点
の手前または奥に設けられ、レーザー光源または光結合
手段または集光手段をレーザー光の光軸に沿って動かす
摺動手段により光結合手段と集光点の距離を調整するこ
とで、導波光への結合効率を大幅に向上させることが可
能であり、誤差に対する許容度を広げることができる。
更に、レーザー光源が波長λの半導体レーザーであ
り、そのｄλの波長変動と同時に起こる発光点移動を接
合面方向でεPdλ、接合面法線方向でεSdλとし、集光
手段の焦点距離をｆ、半径ａの光結合手段と前記集光手
段の距離をζ、レーザー光源と集光手段の距離をｂ、導
波層の等価屈折率をＮとするとき、ζ（ｂ−ｆ）/f〜
（εＰ＋εＳ）ａλ/Nの関係を満たす様になすことで、
波長変動により生じる結合効率への影響をキャンセルす
ることができ、結合効率の安定化を図ることができる。
り、そのｄλの波長変動と同時に起こる発光点移動を接
合面方向でεPdλ、接合面法線方向でεSdλとし、集光
手段の焦点距離をｆ、半径ａの光結合手段と前記集光手
段の距離をζ、レーザー光源と集光手段の距離をｂ、導
波層の等価屈折率をＮとするとき、ζ（ｂ−ｆ）/f〜
（εＰ＋εＳ）ａλ/Nの関係を満たす様になすことで、
波長変動により生じる結合効率への影響をキャンセルす
ることができ、結合効率の安定化を図ることができる。
実施例 以下本発明の実施例を第１図から第３図に基づいて説
明する。
明する。
第１図は本発明の第１実施例における光結合装置の要
部断面図である。なお、従来例と同じ構成要素には同一
番号を付してその説明を省略する。
部断面図である。なお、従来例と同じ構成要素には同一
番号を付してその説明を省略する。
半導体レーザー１から出射する光は集光レンズ２によ
って点Ｆを集光点とする集束光となり、偏光変換素子3a
を経て電界ベクトルが円接線方向にあって円中心（光
軸）を通る直線を境に位相がπだけずれた偏光となり、
光軸に直交する導波層４上に形成された同心円状のグレ
ーティング（ピッチΛ）を持つ円形（半径ａ）のカプラ
５に入射する。カプラ５は点Ｆのζだけ手前にあるが、
奥にあってもよい。
って点Ｆを集光点とする集束光となり、偏光変換素子3a
を経て電界ベクトルが円接線方向にあって円中心（光
軸）を通る直線を境に位相がπだけずれた偏光となり、
光軸に直交する導波層４上に形成された同心円状のグレ
ーティング（ピッチΛ）を持つ円形（半径ａ）のカプラ
５に入射する。カプラ５は点Ｆのζだけ手前にあるが、
奥にあってもよい。
入射光６（入力光）はカプラ５により入力結合して、
カプラ５の中心Ｏから外周側に伝搬する導波光７とな
る。なお、導波層４はこれよりも低屈折率の透明基板８
上に構成されており、透明基板８は円筒管形状のホルダ
ー９の中空部に同軸して固定されている。ホルダー９は
円筒形状の穴の空いたガイド10の中空部をその中心軸に
沿って摺動でき、ストッパー11でこれを固定できる。な
お、ガイド10の中空部中心軸は集束光の光軸に一致す
る。
カプラ５の中心Ｏから外周側に伝搬する導波光７とな
る。なお、導波層４はこれよりも低屈折率の透明基板８
上に構成されており、透明基板８は円筒管形状のホルダ
ー９の中空部に同軸して固定されている。ホルダー９は
円筒形状の穴の空いたガイド10の中空部をその中心軸に
沿って摺動でき、ストッパー11でこれを固定できる。な
お、ガイド10の中空部中心軸は集束光の光軸に一致す
る。
また偏光変換素子3aは第５図の偏光変換素子３から位
相差膜14を除いた構成のものである。
相差膜14を除いた構成のものである。
本実施例での入力光は中心に対し対角位置の電界ベク
トルが互いに等ベクトルとなり、励起される導波光の位
相も一致するので、境界条件は同相条件に相当する。従
って入力光が平行光（｜ζ｜→∞）の場合、位相整合条
件下での結合効率は（１）式よりσ＝0.5として最大71.
9％（第６図（ａ）の点Ａ）と従来例に比べて３倍程度
の大きさになる。
トルが互いに等ベクトルとなり、励起される導波光の位
相も一致するので、境界条件は同相条件に相当する。従
って入力光が平行光（｜ζ｜→∞）の場合、位相整合条
件下での結合効率は（１）式よりσ＝0.5として最大71.
9％（第６図（ａ）の点Ａ）と従来例に比べて３倍程度
の大きさになる。
また、誤差を１％（｜ε｜＝0.01）とすると（９）式
より同相条件でａ＜48λ/Nが効率安定化条件であり、最
大効率条件下（αａ＝0.60）ではα＞0.0125N/λが成り
立たなければならない。このαの下限値は従来例のおよ
そ1/4であり、最大効率条件と結合効率安定化条件の両
立が図れる。
より同相条件でａ＜48λ/Nが効率安定化条件であり、最
大効率条件下（αａ＝0.60）ではα＞0.0125N/λが成り
立たなければならない。このαの下限値は従来例のおよ
そ1/4であり、最大効率条件と結合効率安定化条件の両
立が図れる。
入力光が集束光（ζが有限）の場合、ｑを結合次数と
して、中心からｒの位置におけるピッチΛが次式を満た
すことが結合の条件（位相整合条件）となる（集束光線
が平行基板を透過することで球面収差が発生し、実際の
位相整合条件は球面収差を考慮しなければならないが、
ここではこれを無視して説明する）。
して、中心からｒの位置におけるピッチΛが次式を満た
すことが結合の条件（位相整合条件）となる（集束光線
が平行基板を透過することで球面収差が発生し、実際の
位相整合条件は球面収差を考慮しなければならないが、
ここではこれを無視して説明する）。
｛１＋IBexp（−２αｒ）｝tan｛κｒ（Ｎ−ｑλ／
Λ）｝ ＝−｛１−IBexp（−２αｒ）｝ ×tan｛κr2ζ/|ζ｜（r2＋ζ２）1/2｝ …（10） 位相整合条件を満足する状態から波長，等価屈折率，
ピッチに（８）式で示したεの誤差があり、これを補正
するためカプラを光軸に沿って光源方向へδ移動させた
とする。このときの入力結合効率はHF＝G4（９）/G
1（１）として次式で与えられる。
Λ）｝ ＝−｛１−IBexp（−２αｒ）｝ ×tan｛κr2ζ/|ζ｜（r2＋ζ２）1/2｝ …（10） 位相整合条件を満足する状態から波長，等価屈折率，
ピッチに（８）式で示したεの誤差があり、これを補正
するためカプラを光軸に沿って光源方向へδ移動させた
とする。このときの入力結合効率はHF＝G4（９）/G
1（１）として次式で与えられる。
η＝／σer 2＝８αａ｛G1（１）exp（−αａ）／τ｝２ ×｛１＋２（κa2/ζ）2IBHF｝２ ×〔１−κ２（a/ζ）４ ×｛HC（δ−hSNεζ2/a）２＋HS（Ｎεζ2/a）２｝ …
（11） ただし、 hＳ={G２(7)G１(1)-G１(5)G２(3)}/{G１(9)G１(1)-G
1 2(5)} …（13） HC＝G1（９）/G1（１）−｛G1（５）/G1（１）｝２ …
（14） HS＝HD−hS 2HC …（15） HFは集光入力（即ち垂直入力からずれること）に伴う
結合効率の変化の度合、HCは位置誤差による結合効率の
劣化しやすさの度合、HSは位置調整によって最適化され
た結合効率の劣化しやすさの度合を示す。
（11） ただし、 hＳ={G２(7)G１(1)-G１(5)G２(3)}/{G１(9)G１(1)-G
1 2(5)} …（13） HC＝G1（９）/G1（１）−｛G1（５）/G1（１）｝２ …
（14） HS＝HD−hS 2HC …（15） HFは集光入力（即ち垂直入力からずれること）に伴う
結合効率の変化の度合、HCは位置誤差による結合効率の
劣化しやすさの度合、HSは位置調整によって最適化され
た結合効率の劣化しやすさの度合を示す。
HFは点A,B,C上では比較的小さい値であり、小さい値
（κa2/ζ）２が掛けられていることから無視できる。
（κa2/ζ）２が掛けられていることから無視できる。
hSはグレーティングカプラの最適移動距離を与える係
数であり（点A,B,C上ではhS＝0.53,0.85,0.57）、HS＞
０であるので入力結合効率はδ＝hsNεζ2/aのときに極
大となる。
数であり（点A,B,C上ではhS＝0.53,0.85,0.57）、HS＞
０であるので入力結合効率はδ＝hsNεζ2/aのときに極
大となる。
第２図（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ同相条件
（IB＝−１），単相条件（IB＝０），逆相条件（IB＝
１）に対する劣化係数HSの計算結果を座標（αa,τ）上
で等高線表示している。劣化係数は点A,B,C上でそれぞ
れ2.0×10-5,3.2×10-3,8.5×10-5の値をとり、位置調
整前（δ＝０）の劣化係数HDとの比較から同相条件では
効率劣化を1/1000程度に抑える（波長，等価屈折率，ピ
ッチの誤差の余裕度を約33倍に広げる）ことができる。
（IB＝−１），単相条件（IB＝０），逆相条件（IB＝
１）に対する劣化係数HSの計算結果を座標（αa,τ）上
で等高線表示している。劣化係数は点A,B,C上でそれぞ
れ2.0×10-5,3.2×10-3,8.5×10-5の値をとり、位置調
整前（δ＝０）の劣化係数HDとの比較から同相条件では
効率劣化を1/1000程度に抑える（波長，等価屈折率，ピ
ッチの誤差の余裕度を約33倍に広げる）ことができる。
上記では、光源の差異に伴う波長ばらつき等に対処す
るための、移動調整による結合効率の最適化について示
したが、波長の経時的変動に対しては以下の対処を行な
えばよい。
るための、移動調整による結合効率の最適化について示
したが、波長の経時的変動に対しては以下の対処を行な
えばよい。
半導体レーザーの場合、その発光点は発光パワーや温
度に伴い移動し、その移動量が波長の変動量に対応する
ことが知られており、これを利用することができる。例
えば、ｄλの波長変動により発光点がレンズ側にεLdλ
だけ移動するものと考える。第１図に示す様に、光源が
焦点距離ｆのレンズからｂ（＞ｆ）の距離にあるとする
と、光源がレンズ側にεＬだけ移動することで結像点は
εLdλf2/（ｂ−ｆ）２だけレンズから遠ざかる。従っ
て、次式が成り立てば波長変動による効率劣化をキャン
セルすることができる。
度に伴い移動し、その移動量が波長の変動量に対応する
ことが知られており、これを利用することができる。例
えば、ｄλの波長変動により発光点がレンズ側にεLdλ
だけ移動するものと考える。第１図に示す様に、光源が
焦点距離ｆのレンズからｂ（＞ｆ）の距離にあるとする
と、光源がレンズ側にεＬだけ移動することで結像点は
εLdλf2/（ｂ−ｆ）２だけレンズから遠ざかる。従っ
て、次式が成り立てば波長変動による効率劣化をキャン
セルすることができる。
εLf2/（ｂ−ｆ）２＝hSNζ2/aλ …（16） εＬは半導体レーザーの接合面方向でおよそ103（す
なわち1nmの波長変動で１μｍの変位）程度の値であ
り、hSは点A,B,C上で0.53,0.85,0.57の値をなすので、
ζ（ｂ−ｆ）/f〜103aλとなり、（16）式は設計に可能
な条件式である。
なわち1nmの波長変動で１μｍの変位）程度の値であ
り、hSは点A,B,C上で0.53,0.85,0.57の値をなすので、
ζ（ｂ−ｆ）/f〜103aλとなり、（16）式は設計に可能
な条件式である。
なお実際には発光点の移動量が半導体レーザーの接合
面方向と法線方向とで異なり、ｄλの波長変動と同時に
起こる発光点移動を接合面方向でεPdλ、接合面法線方
向でεSdλとして、（16）式は次式に書き換えられる。
面方向と法線方向とで異なり、ｄλの波長変動と同時に
起こる発光点移動を接合面方向でεPdλ、接合面法線方
向でεSdλとして、（16）式は次式に書き換えられる。
（εＰ＋εＳ）f2/2（ｂ−ｆ）２＝hSNζ2/aλ…（17） とくに同相条件（hS＝0.53）では次式に書き換えられ
る。
る。
ζ（ｂ−ｆ）/f〜（εＰ＋εＳ）ａλ/N …（18） なお、上記第１実施例ではホルダー９、ガイド10等の
摺動手段を透明基板８（すなわちカプラ５）に設けた
が、同一手段を半導体レーザー１または集光レンズ２に
設けこれを摺動させても全く同一の効果が得られる。
摺動手段を透明基板８（すなわちカプラ５）に設けた
が、同一手段を半導体レーザー１または集光レンズ２に
設けこれを摺動させても全く同一の効果が得られる。
また、偏光変換素子3aは直線偏光を電界ベクトルが動
径方向にあって中心を通る直線を境に位相がπだけずれ
た偏光に変換する素子や1/4波長板であってもよく（い
ずれも同相条件を満たす）、対角位置での電界ベクトル
が互いに等しい入力光であれば他の構成であっても同様
の効果が得られる。
径方向にあって中心を通る直線を境に位相がπだけずれ
た偏光に変換する素子や1/4波長板であってもよく（い
ずれも同相条件を満たす）、対角位置での電界ベクトル
が互いに等しい入力光であれば他の構成であっても同様
の効果が得られる。
第３図に本発明の光結合装置の第２実施例を断面図で
示す。
示す。
第１実施例と同じ構成は同一番号を付してその説明を
省略する。
省略する。
半導体レーザー１から出射する光は偏光変換素子3aを
経て電界ベクトルが同心円接線方向にある同心円偏光と
なり、光軸に直交する導波層４上に形成された同心円状
のグレーティングを持つ円形（半径ａ）のカプラ５に入
射する。入射光６（入力光）はカプラ５により入力結合
して、カプラ５の中心Ｏから外周側に伝搬する導波光７
となる。なお、導波層４はこれよりも低屈折率の透明基
板８上に構成されており、透明基板８は円筒管形状のホ
ルダー９の中空部に同軸して固定されている。ホルダー
９は円筒形状の穴の空いたガイド10の中空部をその中心
軸に沿って摺動でき、ストッパー11でこれを固定でき
る。
経て電界ベクトルが同心円接線方向にある同心円偏光と
なり、光軸に直交する導波層４上に形成された同心円状
のグレーティングを持つ円形（半径ａ）のカプラ５に入
射する。入射光６（入力光）はカプラ５により入力結合
して、カプラ５の中心Ｏから外周側に伝搬する導波光７
となる。なお、導波層４はこれよりも低屈折率の透明基
板８上に構成されており、透明基板８は円筒管形状のホ
ルダー９の中空部に同軸して固定されている。ホルダー
９は円筒形状の穴の空いたガイド10の中空部をその中心
軸に沿って摺動でき、ストッパー11でこれを固定でき
る。
なお、ガイド10の中空部中心軸は光軸に一致する。第
２実施例は第１実施例のカプラが焦点の奥にある場合
（ζ＜０）に相当し、第１実施例と同様の効果が得られ
るうえ、第１実施例に比べ集光レンズ２がなく、より簡
単でコンパクトな構成となる。
２実施例は第１実施例のカプラが焦点の奥にある場合
（ζ＜０）に相当し、第１実施例と同様の効果が得られ
るうえ、第１実施例に比べ集光レンズ２がなく、より簡
単でコンパクトな構成となる。
発明の効果 以上本発明の光結合手段により、結合効率が高く、小
さい放射損失係数値で最大効率条件を満足でき、またカ
プラの移動調整によって誤差に対する許容度を広げるこ
とができる。またレーザー光源の波長変動により生じる
結合効率への影響を、波長変動と同時に起こる発光点移
動でキャンセルすることができる。
さい放射損失係数値で最大効率条件を満足でき、またカ
プラの移動調整によって誤差に対する許容度を広げるこ
とができる。またレーザー光源の波長変動により生じる
結合効率への影響を、波長変動と同時に起こる発光点移
動でキャンセルすることができる。
第１図は本発明の光結合装置の第１実施例における要部
断面図、第２図（ａ），（ｂ），（ｃ）は同実施例にお
ける特性図、第３図は本発明の第２実施例の要部断面
図、第４図は従来の光結合装置の要部断面図、第５図は
従来例における偏光変換素子の構成図、第６図（ａ），
（ｂ），（ｃ）、及び第７図（ａ），（ｂ），（ｃ）は
従来例における特性図である。 １……半導体レーザー、２……集光レンズ、3a……偏光
変換素子、４……導波層、５……グレーティングカプ
ラ、６……入力光、７……導波光、８……透明基板、９
……ホルダー、10……ガイド、11……ストッパー。
断面図、第２図（ａ），（ｂ），（ｃ）は同実施例にお
ける特性図、第３図は本発明の第２実施例の要部断面
図、第４図は従来の光結合装置の要部断面図、第５図は
従来例における偏光変換素子の構成図、第６図（ａ），
（ｂ），（ｃ）、及び第７図（ａ），（ｂ），（ｃ）は
従来例における特性図である。 １……半導体レーザー、２……集光レンズ、3a……偏光
変換素子、４……導波層、５……グレーティングカプ
ラ、６……入力光、７……導波光、８……透明基板、９
……ホルダー、10……ガイド、11……ストッパー。
Claims (5)
- 【請求項１】レーザー光源と、光源から出射するレーザ
ー光を集光する集光手段と、前記レーザー光の偏光状態
を変換する偏光変換手段と、前記レーザー光の光軸と直
交する面内に構成された導波層と、前記導波層上に形成
され前記光軸を中心とする同心円状の周期構造を持つ光
結合手段とからなり、前記光結合手段に入射する光の電
界ベクトルが前記光軸を中心とする対角位置で互いに等
しいことを特徴とする光結合装置。 - 【請求項２】偏光変換手段によってレーザー光の電界ベ
クトルが光軸を中心とする円接線方向または動径方向に
あり、前記光軸と直交する直線を境に電界ベクトルの方
位が反転することを特徴とする請求項１記載の光結合装
置。 - 【請求項３】偏光変換手段を1/4波長板とし、光結合手
段に入射する光が円偏光であることを特徴とする請求項
１記載の光結合装置。 - 【請求項４】集光手段によりレーザー光が１点に集光
し、光結合手段が前記集光手段による集光点の手前また
は奥に設けられ、レーザー光源または前記光結合手段ま
たは前記集光手段をレーザー光の光軸に沿って動かす摺
動手段により前記光結合手段と前記集光点の距離を調整
することで、導波光への結合効率を向上させることを特
徴とする請求項１記載の光結合装置。 - 【請求項５】レーザー光源が波長λの半導体レーザーで
あり、そのｄλの波長変動と同時に起こる発光点移動を
接合面方向でεPdλ、接合面法線方向でεSdλとし、集
光手段の焦点距離をｆ、半径ａの光結合手段と前記集光
手段の距離をζ、前記レーザー光源と前記集光手段の距
離をｂ、導波層の等価屈折率をＮとする時、ζ（ｂ−
ｆ）/f〜（εＰ＋εＳ）ａλ/Nの関係を満たすことを特
徴とする請求項４項記載の光結合装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2180807A JPH0827417B2 (ja) | 1990-07-09 | 1990-07-09 | 光結合装置 |
| KR1019910004668A KR940008672B1 (ko) | 1990-03-26 | 1991-03-25 | 광결합장치 |
| EP91104743A EP0449193A1 (en) | 1990-03-26 | 1991-03-26 | Optical coupling apparatus for coupling light into a waveguide |
| US07/675,527 US5181265A (en) | 1990-03-26 | 1991-03-26 | Optical coupling apparatus for introducing and coupling an incident light into a wave guide |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2180807A JPH0827417B2 (ja) | 1990-07-09 | 1990-07-09 | 光結合装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0467107A JPH0467107A (ja) | 1992-03-03 |
| JPH0827417B2 true JPH0827417B2 (ja) | 1996-03-21 |
Family
ID=16089697
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2180807A Expired - Fee Related JPH0827417B2 (ja) | 1990-03-26 | 1990-07-09 | 光結合装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0827417B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006337574A (ja) * | 2005-05-31 | 2006-12-14 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | 導波路素子 |
| JP5263071B2 (ja) * | 2009-08-18 | 2013-08-14 | 沖電気工業株式会社 | 光インタコネクション回路 |
-
1990
- 1990-07-09 JP JP2180807A patent/JPH0827417B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0467107A (ja) | 1992-03-03 |
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