JPH09230154A - 薄膜光導波路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ０次モードの導波光を残して他の高次モード
光の出力を抑えることができる薄膜光導波路を得る。 【解決手段】 ０次モードの導波光を残して高次モード
の導波光を速やかに減衰させるには、光学的バッファ層
の厚みを０次モードの導波光の伝搬損失が２ｄＢ／ｃｍ
以下かつ１次モードの導波光の伝搬損失が４ｄＢ／ｃｍ
以上となる厚さに設定すればよい。一点鎖線１１で囲ん
だ領域が、導波光の波長が７８０ｎｍの場合（光源とし
て半導体レーザを用いた場合）のバッファ層の厚みの望
ましい設定範囲である。実線１２で囲んだ領域が、導波
光の波長が６３３ｎｍの場合（光源としてＨｅ−Ｎｅレ
ーザを用いた場合）のバッファ層の厚みの望ましい設定
範囲である。さらに、点線１３で囲んだ領域が、導波光
の波長が４００ｎｍの場合のバッファ層の厚みの望まし
い設定範囲である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜光導波路、特
に、光コンピュータの光スイッチや光変調器、光通信の
光スイッチや光分波器や光変調器、レーザビームプリン
タ・複写機・スキャナ等の光偏向器や光変調器等に用い
られる薄膜光導波路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、基板上に光学的バッファ層を
介して薄膜状の光導波層を設けた薄膜光導波路が知られ
ている。光導波層を進行する光（以下、導波光という）
は光導波層の上面に形成された出射用グレーティングや
出射用プリズムで回折させて出力光として取り出され
る。また、入力光は光導波層の上面に形成された入射用
グレーティングや入射用プリズムを介して光導波層に入
射し、導波光とされる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の薄膜導波路にお
いて、入力光の入射角を所定の角度に設定することによ
り、０次モードの導波光が励起される。この導波光は光
導波層を進行して、０次モードのみの光として出力され
ることが好ましい。ところが、光導波層の表界面におけ
る散乱等のため、０次モードの導波光の一部がモード変
換して高次モードの導波光となる。この高次モードに変
換された導波光は不要光として、正規の０次モード導波
光と共に出力されるという問題があった。

【０００４】そこで、本発明の目的は、０次モードの導
波光を残して他の高次モード光の出力を抑えることがで
きる薄膜光導波路を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
め、本発明に係る薄膜光導波路は、光学的バッファ層の
屈折率を光導波層の屈折率より低く設定すると共に、前
記光学的バッファ層の厚みを０次モードの導波光の伝搬
損失が２ｄＢ／ｃｍ以下かつ１次モードの導波光の伝搬
損失が４ｄＢ／ｃｍ以上となる厚さに設定した。

【０００６】

【作用】以上の構成により、０次モードの導波光より高
次モードの導波光の方が効率よく減衰される。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る薄膜光導波路
の一実施形態について添付図面を参照して説明する。

【０００８】［薄膜光導波路の概略構成］図１に示すよ
うに、薄膜光導波路１は、基板２、光学的バッファ層
３、光導波層４、入射用グレーティング５及び出射用グ
レーティング６とで構成されている。基板２の材料とし
ては、例えばＳｉ等が使用される。本実施形態では、基
板２としてＳｉ基板を用いた。

【０００９】Ｓｉ基板２の屈折率は約３．５であり、光
導波層４の屈折率（例えば光導波層としてＺｎＯ薄膜を
用いた場合は約２．０）より高いので、Ｓｉ基板２上に
直接に光導波層４を形成しても、光導波層４は導波層と
して利用することができない。光導波層４を進行する導
波光ＬがＳｉ基板２に漏れてゆくからである。そのた
め、屈折率が光導波層４より低い光学的バッファ層３を
設けて導波光Ｌの漏れを抑えている。光学的バッファ層
３は、本実施形態の場合、屈折率が約１．５のＳｉＯ₂
からなり、Ｓｉ基板２上に熱酸化法等の方法により形成
される。ただし、バッファ層３はスパッタリング法、Ｃ
ＶＤ法等の方法により形成してもよい。

【００１０】このバッファ層３上に、例えばレーザアブ
レーション法、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ
法、ゾル−ゲル法等の方法により光導波層４が形成され
る。光導波層４の材料としては、例えばカルコゲナイ
ト，ＬｉＮｂＯ₃，ＬｉＴａＯ₃，ＺｎＯ，Ｎｂ₂Ｏ₃，Ｔ
ａ₂Ｏ₃，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＹＩＧ等が使用される。特に、薄膜
光導波路１を光偏向素子として利用する場合は、ＺｎＯ
やＬｉＮｂＯ₃等の圧電性を有する材料を用いる。本実
施形態の場合、光導波層４の材料としてＺｎＯを用い
た。

【００１１】光導波層４上には、その左右両側部に入射
用グレーティング５及び出射用グレーティング６が配設
されている。入射用グレーティング５は光源から放射さ
れた光ビームＬを光導波層４に入射させるためのもので
ある。出射用グレーティング６は光導波層４を進行する
導波光Ｌを外部に出射するためのものである。これらグ
レーティング５，６は、それぞれ一定のピッチで設けら
れており、その材料として例えば光導波層４と同様の材
料が使用される。グレーティング５，６は電子線描画
法、フォトリソグラフィ法、二光束干渉法等の方法によ
り形成される。

【００１２】［原理説明］以上の構成からなる薄膜光導
波路１において、ＴＥ波の０次モードの導波光Ｌは、図
２に示すように、光導波層４の中を曲線Ｅ０で示した電
界分布を有して、上下の境界面で全反射を繰り返しなが
らジグザクに進行する。ところが、導波光Ｌは基板２の
側に１／γ₁、空間側に１／γ₂だけ浸み出す。両者の浸
み出し量を比較すると、基板２の側の方が大きく、以下
の関係式（１）が成立する。

【００１３】γ₁＝ｋ（Ｎ²−ｎ²）^1/2 ……（１） ｋ＝２π／λ λ：導波光Ｌの波長 Ｎ：実効屈折率 ｎ：基板２の屈折率 この浸み出し１／γ₁が大きくなれば、導波光Ｌの伝搬
損失が大きくなり、導波光Ｌは減衰する。一方、実効屈
折率Ｎは、導波光Ｌが高次のモードになるにつれて小さ
くなる。従って、図３に示すように、導波光Ｌのモード
次数が大きくなるにつれて浸み出し１／γ₁が大きくな
る。曲線Ｅ１はＴＥ波の１次モードの導波光の電界分布
を示し、曲線Ｅ２はＴＥ波の２次モードの導波光の電界
分布を示している。すなわち、バッファ層３の膜厚を適
当に設定すれば、高次モードの導波光の伝搬損失が０次
モードの導波光の伝搬損失と比較して十分大きくなり、
高次モードの導波光が光導波層４の表界面における散乱
等のために発生しても、この高次モードの導波光を速や
かに減衰させることができる。

【００１４】［光学的バッファ層の厚さ設定］次に、光
学的バッファ層３の膜厚設定について詳説する。０次モ
ードの導波光を残して高次モードの導波光を速やかに減
衰させるには、光学的バッファ層３の厚みを０次モード
の導波光の伝搬損失が２ｄＢ／ｃｍ以下かつ１次モード
の導波光の伝搬損失が４ｄＢ／ｃｍ以上となる厚さに設
定すればよい。２次モード以上の高次モードの導波光の
伝搬損失については、前述したようにモード次元が大き
くなるにつれて導波光の伝搬損失が大きくなるので、１
次モードの導波光の伝搬損失についてのみ規定しておけ
ば、２次モード以上の高次モード導波光は必ず減衰する
ことになる。

【００１５】図４はこの条件を満足するバッファ層３の
望ましい膜厚領域を、光導波層４の厚さとの関係で示し
たグラフである。バッファ層３の望ましい厚さは導波光
Ｌの波長に依存しており、一点鎖線１１で囲んだ領域
が、導波光Ｌの波長が７８０ｎｍの場合（光源として半
導体レーザを用いた場合）のバッファ層３の望ましい設
定範囲である。実線１２で囲んだ領域が、導波光Ｌの波
長が６３３ｎｍの場合（光源としてＨｅ−Ｎｅレーザを
用いた場合）のバッファ層３の望ましい設定範囲であ
る。さらに、点線１３で囲んだ領域が、導波光Ｌの波長
が４００ｎｍの場合のバッファ層３の望ましい設定範囲
である。なお、光導波層４の厚さが０．３μｍ未満にな
ると、光導波層４は単モード導波路として機能すること
になり、高次モードの導波光が励起しないので、バッフ
ァ層３の厚さを調整する必要がない。

【００１６】さらに、図５は導波光Ｌの波長が６３３ｎ
ｍの場合の、バッファ層３の厚さと伝搬損失の関係を示
したグラフである。実線１６ａ，１６ｂはそれぞれ光導
波層４の膜厚が１μｍの場合の０次モード導波光の伝搬
損失及び１次モード導波光の伝搬損失を表示している。
一点鎖線１７ａ，１７ｂはそれぞれ光導波層４の膜厚が
３μｍの場合の０次モード導波光の伝搬損失及び１次モ
ード導波光の伝搬損失を表示している。例えば、図４の
実線１２で囲んだ領域において、光導波層４の厚さが１
μｍのときの望ましいバッファ層３の厚さとして０．３
μｍを選んだとすると、実線１６ａ，１６ｂより０次モ
ード導波光の伝搬損失は０．７９ｄＢ／ｃｍ、１次モー
ド導波光の伝搬損失は６．２９ｄＢ／ｃｍとなり、高次
モードの導波光の伝搬損失が０次モードの導波光の伝搬
損失と比較して十分大きく、高次モードの導波光を速や
かに減衰させることができる。

【００１７】図６は導波光Ｌの波長が７８０ｎｍの場合
の、バッファ層３の厚さと伝搬損失の関係を示したグラ
フである。実線１８ａ，１８ｂはそれぞれ光導波層４の
膜厚が３μｍの場合の０次モード導波光の伝搬損失及び
１次モード導波光の伝搬損失を表示している。一点鎖線
１９ａ，１９ｂはそれぞれ光導波層４の膜厚が５μｍの
場合の０次モード導波光の伝搬損失及び１次モード導波
光の伝搬損失を表示している。

【００１８】図７は導波光Ｌの波長が４００ｎｍの場合
の、バッファ層３の厚さと伝搬損失の関係を示したグラ
フである。実線２０ａ，２０ｂはそれぞれ光導波層４の
膜厚が１μｍの場合の０次モード導波光の伝搬損失及び
１次モード導波光の伝搬損失を表示している。

【００１９】［光プリンタへの適用］次に、図８に示す
ように、この薄膜光導波路１を光偏向素子として用い、
レンズ系３２及び感光体３３と共に光プリンタを構成し
た場合における薄膜光導波路１の作用効果を説明する。

【００２０】薄膜光導波路１は、光導波層４上の中央部
手前寄りにインターデジタルトランスジューサ３０がフ
ォトリソグラフィ法やリフトオフ法やエッチング法等の
方法により形成され、光偏向素子とされる。トランスジ
ューサ３０は、高周波電源３１で発生した高周波信号が
印加されると、光導波層４に弾性表面波３５を励起す
る。高周波電源３１は、例えばＶＣＯ（電圧制御発振
器）が用いられる。

【００２１】弾性表面波３５は図中矢印ａ方向に光導波
層４を伝搬する。光源から放射された光ビームＬは入射
用グレーティング５を介して光導波層４に入射し、０次
モードの導波光として光導波層４を進行する。このと
き、光導波層４の表界面における散乱等のため、０次モ
ードの導波光の一部がモード変換して高次モードの導波
光が励起されても、光学的バッファ層３の厚みが０次モ
ードの導波光の伝搬損失が２ｄＢ／ｃｍ以下かつ１次モ
ードの導波光の伝搬損失が４ｄＢ／ｃｍ以上となるよう
に設定されていることにより、高次モードの導波光が効
率良く速やかに減衰し、高次モード光の出力が抑えられ
る。

【００２２】この導波光Ｌを弾性表面波３５が横切る。
弾性表面波３５が導波光Ｌを横切る時間が１ラインの走
査に要する最低時間となる。弾性表面波３５と音響光学
相互作用することによって偏向させられた導波光Ｌは、
出射用グレーティング６を介して出射し、レンズ系３２
を介して感光体３３に照射される。こうして、画像ノイ
ズのない、高品位な出力画像が得られる。

【００２３】なお、本発明に係る薄膜光導波路は前記実
施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種
々に変更することができる。薄膜光導波路は、前記実施
形態のように光プリンタに利用される他に、レーザディ
スプレイ、ヘッドマウントディスプレイや走査型レーザ
顕微鏡や光メモリの書込み／読出し用としても利用する
ことができる。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、光学的バッファ層の厚みを制御して、０次モー
ドの導波光の伝搬損失が２ｄＢ／ｃｍ以下かつ１次モー
ドの導波光の伝搬損失が４ｄＢ／ｃｍ以上となるように
したので、高次モードに変換された導波光が効率良く減
衰し、不要光の出力を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る薄膜光導波路の一実施形態を示す
正面図。

【図２】導波光の伝搬状態を示す説明図。

【図３】導波光の電界分布図。

【図４】本発明に係る薄膜光導波路の光学的バッファ層
の厚さ設定範囲を示すグラフ。

【図５】導波光の波長が６３３ｎｍの場合の伝搬損失特
性を示すグラフ。

【図６】導波光の波長が７８０ｎｍの場合の伝搬損失特
性を示すグラフ。

【図７】導波光の波長が４００ｎｍの場合の伝搬損失特
性を示すグラフ。

【図８】図１に示した薄膜光導波路を用いた光プリンタ
の概略構成図。

【符号の説明】

１…薄膜光導波路 ２…基板 ３…光学的バッファ層 ４…光導波層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の表面に光学的バッファ層を介して
   薄膜状の光導波層を設けた薄膜光導波路において、 前記光学的バッファ層の屈折率を前記光導波層の屈折率
   より低く設定すると共に、前記光学的バッファ層の厚み
   を０次モードの導波光の伝搬損失が２ｄＢ／ｃｍ以下か
   つ１次モードの導波光の伝搬損失が４ｄＢ／ｃｍ以上と
   なる厚さに設定したことを特徴とする薄膜光導波路。