JPS598802B2 - 光学導波管結合装置および製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 当業技術関係者であれば判る通り、光学導波管は光線を
定める二つの境界面でその光線を全反射することにより
伝導する。

限定全反射角より大きな光の入射角Θは更に、一連の非
連続的で有限な角度Θ。

、・・・・・・Θｐとならなければならない。上記の順
序を決定するのは導波管の高さ、光波長および、導波管
本体を形成している物質の各種屈折率であり、その二つ
の境界面を定める外部媒体である。各角度Θｍと対応す
るのは非常に低い損失により影響される伝播モードであ
る。

導波管での光伝播に枢要な全反射現象には導波管への入
光に関しての問題が伴なつている。

それは結合の問題である。結合方法は多数あり、格子に
よる結合方法もその一つである。

この方法は導波管に予め付着させてある感光性物質の膜
に格子を割込むものである。格子のピッチおよびほぼ平
らな波の入射角は導波管内の回折次数の一つ（一般には
次数１）が伝播モードｍに対応する程度とする。しかし
、結合強度の変化を入射角の関数として描出するグラフ
の中間高さは６分以下となる。

従つて上述の方法および現在使用されているその他の方
法もエネルギ＝の実質的部分を単一モードで伝播するた
めにはほぼ平面状の入射波での動作を必要とする。この
発明の目的は上記の欠点を克服して、導波管内で順々に
収束または発散する入射ビームを使用すること、また所
定モードｍの励起に必要な伝播方向のほぼ平面状の波を
得ることを可能にする光学導波管結合装置の製造方法を
提供することにある。

従つてこの発明の係るところは光学導波管結合装置の製
造方法であつて、この方法は、導波管の片面に対向させ
て感光性物質の膜を配し、かつ上記膜の少なくとも一つ
の領域に、上記導波管内で所定モードを励起するのに要
する伝播方向でその導波管内部に伝播する平面波へ入射
ビームを変換するようになされたホログラムを形成する
ことからなることを特徴としている。

同様にこの発明は上記の方法で製作される光学導波管結
合装置に係る。

この発明のその他の特徴は以下の説明から明らかとなろ
う。

この発明によれば、導波管の外側に伝播する実質上球面
状の電磁波と導波管の内側にある角度で伝播する実質上
平面状の電磁波とを結合する結合装置の製造方法におい
て、導波管の面状に感光物質の層を設け、その層の少な
くとも一つの領域に、同じ波長の第１および第２の記録
電磁波の干渉によつてホログラムを記録し、上記第１の
記録電磁波を実質上球面状にし、上記第２の記録電磁波
には導波管の外側を伝播する実質上球面状の電磁波と同
じ対導波管位置と波頭とを与え、上記球面状の第１の記
録電磁波の中心を、上記の導波管の外側に伝播する実質
上球面状の電磁波と導波管の内側に伝播する実質上平面
状の電磁波とを結合するように上記ホログラムに対して
位置決めすることを特徴とする光学導波管結合装置の製
造方法が提供される。

次に添付図面にもとづいてこの発明を更に説明する。

第１図から判るように、光学導波管を構成しているのは
基板１、であり、この上面２には板３が付着され、この
板が光学導波媒体そのものを形成している。

板３の、基板１から離されて付着されている面には感光
性物質の膜４が付着されている。この膜は第１図に示す
ように直接板３に付着させても、あるいは板３と接触し
た回折物質の中間板に付着させてもよい。（ここで想定
として、波頭がΣ，で示されている、光源５からの実質
上球面状の電磁波（発散ビーム）を用いて導波管を励起
する場合を説明する。

上記光源５は対象光源と考えられるので、導波管（板）
３を通る適当な伝播方向の波頭Σ１をもつた平面波に発
散ビームを確実に変成するホ０グラムを記録するのにど
の基準ビームが必要かを正確に決めることが必要である
。このために、像媒体、すなわち導波管３の屈折率が、
空気で構成される空間媒体のそれとは異なるということ
を考慮した関係が用いられる。

一般的に、結合に用いられる波長は感光性物質側の最高
感度に対応する波長とは異なる。この理由から、下記の
関係が選ばれており、この場合は二つの波長が相異るこ
とを前提にしている。ホログラムにより与えられる基準
像の極座標ρ１、ψ１は次式のように表わされる。ζ 上式中、λｏはホログラムの記録波長、 λ１は再構成波長、すなわちホログラム形成後導波管に
加えられる光の波長、１は屈折率ｎの媒体の再構成波長
である。

また符号を規定している第３図に示すように、ＰＯ、ψ
ｏぉよびρｐ、ψｐはそれぞれ、ホログラム６の記録に
用いられる光源Ｓ。

（対象光源）およびＳ，（基準光源）の極座標であり、
他方ρＲ、ψＲは上記のように記録されたホログラムに
光を加える光源ＳＲの極座標であり、ρ１、ψ１はホロ
グラム６によつて与えられる。光源ＳＲの像の座標であ
る。第３図から判るように、ホログラム６は境界面上に
配される屈折率１の空間を屈折率ｎの物質の導波管３か
ら分離させている。

ホログラム６の中心点Ｃは距離ρの原点、またＣにおい
て境界面に垂直な直線は角度ψの原点と見做される。上
記関係の場合、光源Ｓ。

の位置を決めるρｏ、ψｏの値を論するには、次のこと
を念頭に置かれたい。（１）導波管中の進行波は平面波
であり、この曲率を１／ρ１とすれば、１／ρ１＝０で
なければならず、（４）角度ψ１は上記の一連の有限な
θ。

、・・・・・・θ の角度の一つでなければならず、ψ
１＝θ１ｐ（モードｍでの結合条件）であること。

更に、第４図、第５図で示すように、光源ＳＳＳＳＰ（
ホログラムの記録に用いられる）および光源ＳＲ（ホロ
グラムへの投光に用いられる）の位置は導波管に対して
同一のものであり、従つてρｐ一ρＲ・ψｐ＝ψＲとな
る。

ホログラムの記録を行なうのに、第４図の装置を用いる
。

ここでたとえば５μの光学繊維を誘電導波管の基本モー
ド（ｍ−０）と結合する場合を想定する。

記録を行なうためには、動作波長がλ。＝０．４５７９
μのアルゴン．レーザーを使用する。

また、導波管は動作波長がλ，＝０．６３２８μのヘリ
ウム．ネオン．レーザからの光を伝達する繊維に結合さ
れる。更に、空気の屈折率をＮ２−１．０００、導波管
の屈折率をｎ１＝１．５９５、基板の屈折率をＮ。

＝１．５１５基本モードの伝播角度をθ。＝８０。また
導波管の肉厚をＷ−０．９μとし、また次の条件、すな
わち◎伝播モードは基本モードである、つまりψ１＝θ
ｏ＝８００であること、◎ビームの軸Ｓ，Ｃ，ＳＯＣが
Ｃにおいて境界面に垂直な線に対して互いに対称的に配
置されること、すなわちψｐ＝ψＲ＝−ψｏであること
、◎ρｐ＝ρ８＝１Ｃ！ｎであること を課せば、これらの関係から次の値、すなわちψｏ＝−
ψｐ＝−ψ８＝２４次４０′ＳＯＣ＝ρｏ−３．５７ｃ
！ｎ が得られ、これらの値によりホログラムの記録条件が定
められる。

使用の感光性物質は、たとえば、導波管の屈折率ｎ１よ
りも大きな屈折率をもつシツプレ一（Ｓｈｉｐ−１ｅｙ
）ＡＺｌ３５Ｏのポジ形フオトレジストとする。

第４図の装置について見れば、導波管そのものを形成し
かつ上面に感光性物質の膜４が付着されている板３を担
持する基板１からなる光学導波管が、アルゴン．レーザ
７からの光に露光されており、そのレーザのビーム８は
ビーム軌道に対して４５その角度に設けた部分反射板９
により二つの分画に分裂されている。

ビームの、上記の板で反射されなかつた部分１０はレン
ズ１１に入り、このレンズによりその焦点Ｓ。に集中さ
れることになり、その焦点の位置は感光膜４の表面のＣ
点から、上記の値ρ。に等しい距離だけ離されている。
ビームの、上記部分反射板９で反射された部分１２は、
Ｃ点からの距離ρｐに設けられた導波管隣接端Ｓ をも
つ光学繊維１３によりピツクアツｐプされる。

こうして得られた、ビーム８から形成された二つのビー
ム分画の軸の斜度は、それぞれψｏおよびψ，に等しく
し、感光性物質の膜４の領域１４が、所望のホログラム
の記録条件を満足させる二つの光源Ｓ。

，Ｓｐからの二つのビームを投射されるようになす。ホ
ログラムの記録が終ると、感光性物質膜が現像され、導
波管表面にホログラム１４が形成される。

想定としてモード伝播に必要な全反射現象を得るのに、
導波管屈折率を二つの隣接媒体の屈折率よりも大きいも
のとした。

感光性物質、たとえばフオトレジストの屈折率が導波管
のそれよりも大きい場合、励起されたモードがそのフオ
トレジスト膜で伝播する危険性がある。しかしこの欠点
はフオトレジストを、現像後もホログラムの領域にだけ
残すようにすることで解決可能である。フオトレジスト
がネガ形の場合、そのフオトレジストはホログラムの囲
りから自滅するので現像直後に全反射が確保される。ま
たフオトレジストがポジ形の場合、現像後は不要となる
領域にそのフオトレジストを予備露光するだけでよい。
いずれの場合も、こうして、感光性物質の膜４から残留
した部分だけがホログラム形成域１４となる。

このようにして形成されたホログラム１４は光学繊維を
導波管の基本モードに結合させ得るものである。

このためには第５図の装置が用いられる。ヘリウム．ネ
オン．レーザ１５はビーム１６を放出し、このビームは
ホログラム記録中用いられる光学繊維１３と同一の５μ
径の光学繊維１７によりピツクアツプされ、その光学繊
維端ＳＲはホログラム１４上のＣ点からの、ρ８に等し
い距離位置に配され、繊維１７らのビーム軸の入射角ψ
Ｒはψ。に等しい。従つて、光学繊維１Ｔのアパーチャ
は導波管に対して光学繊維１３のアパーチヤＳ と同じ
位置に位置し、またこれらの光ｐ学繊維１３，１７は互
いに同一であり、アパーチヤＳ，，ＳＲから出てくるビ
ームの波頭は同じ形状である。

レーザ１５から出て、波頭Σ を伴なつて光学）
Ｐ繊維１７から送出される光はこうして導波管に加
えられ、ホログラム１４がその光を、波頭Σ１をもつた
平面波に変成すると、その平面波は導波管において矢印
方向に伝播する。

上記のホログラム式結合方法によれば、収束、発散かつ
実に高い発散度の入射ビームを用いて光学導波管におい
て所定モードｍの励起を行ない得るものであり、この場
合極めて高い発散度のビームはたとえば擬点光学繊維で
発生されるビームとする。

上記実施例において得られるものは入力結合装置である
が言うまでもなく、この発明によれば同様にして導波管
出力結合装置も製作できる。

この発明においては次のように実施できる。（１）導波
管の外側に伝播する波長λ，の実質上球面状の電磁波と
導波管の内側にある角度で伝播する実質上平面状の電磁
波とを結合する結合装置の製造方法において、導波管の
面上に感光物質の層を設け、その層の少なくとも一つの
領域に、同じ波長の第１および第２の記録電磁波の干渉
によつてホログラムを記録し、上記第１の記録電磁波を
実質上球面状にし、上記第２の記録電磁波には導波管の
外側を伝播する実質上球面状の電磁波と同じ対導波管位
置と波頭とを与え、上記球面状の第１の記録電磁波の中
心を、上記の導波管の外側に伝播する実質上球面状の電
磁波と導波管の内側に伝播する実質上平面状の電磁波と
を結合するように上記ホログラムに対して位置決めする
ことを特徴とする光学導波管結合装置の製造方法。（２
）上記波長λ。

を上記波長λ１に等しくすることから成る、上記第３項
に記載の光学導波管結合装置の製造方法。（３）上記波
長λ。

を上記波長λ１に等しくないことからなる、上記第３項
に記載の光学導波管結合装置の製造方法。（４）上記感
光層の、上記ホログラムに付帯した領域をそのホログラ
ムの記録後に取除くことから成る、上記第３項に記載の
光学導波管結合装置の製造方法。

（５）上記感光性物質をネガ形フオトレジストとするこ
とから成る、上記第６項に記載の光学導波管結合装置の
製造方法。

（６）上記感光性物質をポジ形フオトレジストとし、感
光性物質からなる上記層を、上記ホログラムに付帯した
上記領域において処理に先立つて露光させることから成
る、上記第６項に記載の光学導波管結合装置の製造方法
。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明による光学導波管結合装
置の製造段階を示し、第３図は極座標図であつて導波管
にホログラムを記録し、かつそのホログラムを通じて、
導波管で伝播させるべき光を再構成するようにされた、
各種光源の位置を示し、第４図は導波管を結合するため
のホログラム記録装置の斜視図であり、第５図はこの発
明の結合装置の動作説明図である。 図中、１は基板、２は基板上面、３は板（導波管体）、
４は感光性物質膜、５は対象光源、６はホログラム、７
はアルゴン．レーザ、８はビーム、９は部分反射板、１
１はレンズ、１３は光学繊維、１４はホログラム、１５
はヘリウム．ネオン．レーザ、１６はビーム、１７は光
学繊維を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 導波管の外側に伝播する実質上球面状の電磁波と導
   波管の内側にある角度で伝播する実質上平面状の電磁波
   とを結合する結合装置の製造方法において、導波管の面
   上に感光物質の層を設け、その層の少なくとも一つの領
   域に、同じ波長の第１および第２の記録電磁波の干渉に
   よつてホログラムを記録し、上記第１の記録電磁波を実
   質上球面状にし、上記第２の記録電磁波には導波管の外
   側を伝播する実質上球面状の電磁波と同じ対導波管位置
   と波頭とを与え、上記球面状の第１の記録電磁波の中心
   を、上記の導波管の外側に伝播する実質上球面状の電磁
   波と導波管の内側に伝播する実質上平面状の電磁波とを
   結合するように上記ホログラムに対して位置決めするこ
   とを特徴とする光学導波管結合装置の製造方法。