JPS6049306A - 導波路光学系 - Google Patents

導波路光学系

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JPS6049306A
JPS6049306A JP58157589A JP15758983A JPS6049306A JP S6049306 A JPS6049306 A JP S6049306A JP 58157589 A JP58157589 A JP 58157589A JP 15758983 A JP15758983 A JP 15758983A JP S6049306 A JPS6049306 A JP S6049306A
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JP
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waveguide
optical
light
optical coupler
spot
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JP58157589A
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Mamoru Miyawaki
守 宮脇
Yuichi Handa
祐一 半田
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Canon Inc
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/26Optical coupling means
    • G02B6/34Optical coupling means utilising prism or grating

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、導波路光学系に係り、更に詳しくは高密度記
録用光ヘッド等に用いるに適した導波路光学系に関する
従来、導波路光学系を利用した高密度記録用光ヘッドが
、特開昭56−107217号等で提案されている。こ
のような光ヘッドの一例を第1図に示す。第1図におい
て、1は基板、2は光導波路、3.4はプリズム光結合
器、5はくし形電棲、6は集光レンズ、7は記録媒体で
ある。コリメートされたレーザー光8は、入力用プリズ
ム光結合器3により光導波路2上に導ひかれ、くシ形電
極5から発生した弾性表面波9により偏向され、出力用
プリズム光結合器4に上り出射する。上記出射光束10
は、集光用外部レンズ6により記録媒体7の面上にスポ
ット13を形成する。通常、上記出射光束10の強度分
布に関して、第1図に示す・・y方向の強度分布は、入
力光束8の強度分布と同一のものであるが、第2図に示
す如く、xz平面から見た上記出射光束10の強度分布
15は、片側が指数関数で減衰する分布で近似できる。
たとえば、光導波路として、Ti拡散LiNbO3を用
いて上記先導波路上にTiO2プリズム光結合器を設け
、ガウス分布をした6 mm幅のHe−Neレーザー光
を入射した場合の出射光束の振幅分布を第3図(3)に
示す。このように一方向はガウス分布、もう一方向は片
側指数関数分布をしている。
ところで一般に、高密度記録用光ベッドによって形成さ
れる記録用光スポットに関しては、光のエネルギー密度
を向上し、かつ高密度記録を可能にするために、 1) スポットサイズが極小であること2) スポット
における光強度分布のピーク値が極大であること 3) スポット形状が円形であること が要求される。
しかしながら、第3図(A) IC示す如き出射光束を
第1図に示すレンズ6にでより集光しにスポット強度分
布は、第3図(B)に示す如く、メリジオナル方向とサ
ジタル方向で異なり、第1図の様な導波路光学系では前
記高密度記録用光スポットとして要求される条件を満足
しないという問題点を有していた。
本発明の目的は、光のエネルギー密度が高く、はぼ円形
の光スポットが得られる導波路光学系を提供する事にあ
る。
本発明は先導波路と、前記光導波路内の導波光を外部に
取り出す光結合器と、前記光結合器からの出射光束をス
ポット状に集光する集光レンズとから成る導波路光学系
において、前記光結合器の結合長を増加させ、前記スポ
ットにおける所望の光強度分布を得る手段を設ける事に
よって上記目的を達成するものである。
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
第4図は、本発明の第1実施例を示す概略図である。第
4図において、11は基板、12は光導波路、13は装
荷膜、14はプリズム光結合器、16は集光レンズ、1
7は記録媒体である。本第1実施例は、プリズム光結合
器14と光導波路12間に、光導波路12お上びプリズ
ム光結合器14の屈折率よりも低い屈折率の装荷膜13
を設けたものである。上記装荷膜13を設けることによ
り、導波光24の上記プリズム光結合器14への結合が
弱まり、結合長が増加して、出射光束250強度分布の
Zr方向への減衰は、ゆるやかになる。
従って、上記出射光束の強度分布のy方向及びZr方向
の減衰距離は同程度になり、レンズ16により集光した
スポット形状も円形に近いものになる。こ′のように円
形に近い形状の光スポットを得る為には、特に、導波光
の光束幅を2iR,集光レンズの瞳半径をRとしたとき
に、前記出射光束のサジタル方向の強度分布の分布幅が
ほぼ2Rとなるように1結合長が設定される事が望まし
い。
次に本第1実施例の構成で、上記出射光束25の強度分
布と上記出射光束がレンズ16に入射する位置との最適
化シェミレーションを行なった。
上記シュミレーシランにあたって第3図翰に示す如く、
出射光束のy方向の振幅分布はガウス型、Zr方向の振
幅分布は片側指数関数分布であるとし、レンズ16の入
射瞳面上での上記出射光束の振幅分布fを次式で与える
Zr<γの時 f = o t2) ただし、Rはレンズ6の入射瞳半径、αはy方向のガウ
ス分布の減衰幅を決めるパラメーター、βはZr方向の
指数関数の減衰を決めるパラメーター、γは第4図に示
すプリズムの端26から出射する光がレンズ16の入射
瞳に入゛射する位置を定めるパラメーター、Cは規格化
定数である。
上記シュミレーションにおいて、第1実施例の装荷膜付
プリズム光結合器から出射する光束の全強度が常に一定
になるように、パラメーターCを選び、パラメーターβ
とrを変え、パラメーターβとγの最適値を算出した。
第5図は、レンズ6によるスポットのピーク値のパラメ
ーターメ、γ依存性を表わした図である。第5図におい
て、31.32.33は、導波光の全光量を100とし
た時にスポットのピーク値がそれぞれ、2.4.2.3
.2.1となる等高級を表わす。第5図から、ノぐラメ
−ターβとγが以下の範囲にある時、スポットのピーク
値が極大になることがわかる。
1.2R≦ β ≦1.4 R(31 −0,7R≦ γ ≦o、 ta R(4)従って具体
的には、前記導波光の光束幅を2R1前記集光レンズの
瞳半径をR1前記出射光束のサジタル方向における指数
関数的に減少する強度分布の減衰距離をβ、前記集光レ
ンズのサジタル方向にZr軸、メリディオナル方向にy
軸をとり、前記出射光束が該集光レンズの入射瞳に入射
する座標を(Zr、y)としたときに、前記(3)式と
−0,7R< Zr ≦0.9 Rf41’y = o
 (41′ を満足するように前記光結合器の結合長および、集光レ
ンズの位置を調整する事により、最適な強度分布の光ス
ポットを得ることができる。さらに、パラメーターβと
γが(3)式、(4)式で与えられる範囲にある時の、
出射光束の振幅分布を第6図(ロ)に、上記出射光束を
レンズで集光した時のスポット強度分布を第6図(B)
に示す。第6図(A)03)かられかるように、出射光
束の振幅分布は、レンズの入射瞳上でかなり一様になり
、上記出射光束に対するスポット形状は円形でかつスポ
ットサイズも極小値をとる。
次に、上記条件を満足する導波路光学系の実際の作製例
を説明する。基板として、圧電性に優れたLiNbO3
結晶を用い、Tiを熱拡散することにより光導波路層を
作製した。作製した上記導波路に対して、TEモードH
e−Neレーザー(波長6328人)光で導波特性の測
定を行ない、その結果、TE。
モードの伝搬定数が2.210 、伝搬損失が0.5 
dB/Iであることがわかった。光導波路よりも低屈折
率である装荷膜としてAqos(屈折率、=1.632
)を用い、上記導波路上のプリズム結合器を設ける所に
、At、03を1200人蒸着した。上記A403装荷
膜上に、傾斜角50°のTie、プリズム光結合器を置
き、導波光を出射させ、集光レンズでスポットを形成さ
せる実験を行なった。第7図に、プリズム光結合器とし
てTiO2結晶、装荷膜としてAt、 O,、光導波路
としてTi拡散LiNbO5結晶を用いた時の規格化結
合長と規格化装荷膜厚の関係を示す。上記蒸着したAt
、0.の膜厚は、第7図の関係を利用して、光束幅6 
mm (強度1/e2になる幅)のHeNeレーザー光
(波長6328人)を入射ビームとした時、集光スポッ
トが最適になるように算出したものである。
実験の結果、前述のように作製した導波路光学系は、は
ぼ上記理論値に従って、i適の光スポットが得られた。
また本実施例において、装荷膜の膜厚は必ずしも一定で
ある必要はなく、例えば導波光の伝搬方向にテーパ状に
変化させて、所望の結合長を得ることもできる。
本発明の第2の実施例について、第8図を用いて説明す
る。第8図においては、41は基板、42は導波路、4
6は集光レンズ、47は記録媒体、44は導波光、45
は出射光束、43はグレーティング光結合器である。本
第2実施例は前記第1実施例において用いられたプリズ
ム光結合器をグレーティング光結合器で置き換えたもの
である。
グレーティング光結合器は従来からよく知られている種
々の手法、例えば、2光束干渉によるホログラフィック
技術、電子ビーム加工技術等を利用して精度良く作製で
きる。ホログラフィック技術を利用したグレーティング
作製手順について以下に簡略に説明する。前記第1実施
例と同様の方法で作製したTi拡散LiNb0a導波路
にスピンコーティングにより、フォトレジストを0.4
 μmの膜厚に塗布する。レジストはAr+レーザの2
光束干渉でグレーティングパターンを露光後、現像処理
を行い、凹凸のグレーティングパターンを形成する。こ
のレジストパターンをマスクとして、イオンビームで導
波路表面をエツチングすることにより、グレーティング
結合器を形成できる。
ここで、グレーティング光結合器47からの出射光束4
5のサジタル方向の強度分布幅が、第1実施例と同様に
最適条件を満足する様に、グレーティング光結合器の凹
凸の振幅を数1000人の範囲で調整し、このグレーテ
ィング光結合器の結合長を、数値計算によってめられる
最適結合長とすることによって、極小のスポット径と極
大のスポットパワーが得られる導波路光学系を実現でき
る。
また、ここでグレーティング光結合器の変調度は、一様
な場合に限らず、導波光の伝4.9方向に徐々に変化す
るように形成し、所望の結合長を得るようにしてもかま
わない。
本第2実施例で示すグレーティング光結合器は、上記第
1実施例のプリズム光結合器よりも安定性に優れ、低コ
ストで作製が可能であるという特長を有している。
本発明は、前述の実施例に限らず、種、々の変形が可能
である。また前記実施例における導波光は、従来例で述
べた如く、偏向光であっても、変調光であってもよく、
なんら限定されるものではない。
以上説明したように、本発明は光導波路と、前記光導波
路内の導波光を外部に取り出す光結合器と、前記光結合
器からの出射光束をスポット状に集光する集光レンズと
から成る従来の導波路光学系において、前記光結合器の
結合長を増加させる手段を設けたので、 1) スポット径を小さくすることができる2) スポ
ットにおける光強度分布のピーク値を増大することがで
きる 3)スポットの形状が円形に近くなる 等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の導波路光学系を用0た高密度記録用光ヘ
ッドを示す概略図、第2図は従来の導波路光学系におけ
る出射光束の強度分布を示す図、第3図(A)、(B)
は夫々従来の導波路光学系における出射光束の振幅分布
および光スポットの強度分布を示す図、第4図は本発明
の第1実施例を示す概略図、第5図はスポットのピーク
値のパラメータβおよびγ依存性を示す図、第6図(4
)四)は夫々本発明の導波路光学系における出射光束の
振幅分布および光スポットの強度分布を示す図、第7図
は第1実施例における規格化結合長と規格化装荷膜厚と
の関係を示す図、第8図は本発明の第2実施例を示す概
略図である。 11.41・・・基板、12.42・・・光導波路、1
4・・・プリズム光結合器、16.46・・・集光レン
ズ、17.’47・・・記録媒体、23・・・装荷膜、
24゜44、・・・導波光、25.45・・出射光束、
26 プリズム端、43・ グレーティング光結合器。 出願人 キャノン株式会社 第3図 (A) (β) θ σ、3 イ緋祢車長tr曖身d込 手続補正書(自発) 昭和58年11月77日 1 事件の表示 昭和58年 特許願 第 157589 号2、発明の
名称 導波路光学系 3 補正をする者 事件との関係 特許出願人 件 所 東京都大出区下丸子3−30−2名称 (+0
0)キャノン株式会社 代表者賀来龍三部 5、補正の対象 明細書 6、補正の内容 (1)明細書の特許請求の範囲を別紙の通り補正する0 (2明細書第5頁第15行「増加させ」を「調整し」と
訂正する。 (3)同第8頁第10行r−0,7Rくγく0.9RJ
をr−0,9Rくγ<−0,7RJ と訂正する。 (4)同第8頁第16行「出射光束」を「出射光束にお
いて光強度が最大となる出射光」と訂正する。 6)同第8頁第18行r−0,7R<Zr<0.9RJ
をr−0,9’R<Zr<−0,7RJと訂正する。 (6)同第10頁第16行「得られた。」の後に下記の
文を追加する。 記 上記実施例においては、導波路の界分布が導波路表面附
近に存在するため、プリズム結合器の結合長を増大する
目的で導波路よりも低い屈折率を持つ装荷膜で結合長を
調整する例を示したが、導波路の界分布が導波路表面よ
り深い部分に存在する導波路においては、上記実施例と
は逆忙プリズム結合長を減少させ結合を−くする必要が
あり、装荷膜として、導波路の屈折率よりも高い屈折率
を持つ薄膜を使用し、プリズム結合器の結合長を調整す
る場合もある0(7)同第11頁第10行「加工技術」
を「ilIl波光」と訂正する0 特許請求の範囲 (1)光導波路と、前記光導波路内の導波光を外部に取
り出す光結合器と、前記光結合器からの出射光束をスポ
ット状に集光する集光レンズとから成る導波路光学系に
おいて、前記光結合器の結合長を調整することにより、
前記スポットにおける所望の光強度分布を得る手段を設
けた事を特徴とする導波路光学系。 (2)前記光結合器がプリズム光結合器であり、該プリ
ズム光結合器と前記光導波路との間に、前記光導波路よ
りも低い屈折率を持つ装荷膜を設けた特許請求の範囲第
1項記載の導波路光学系。 (3)前記装荷膜の膜厚が前記導波光の伝搬方向にテー
バ状に変化している特許請求の範囲第2項記載の導波路
光学系。 (4)前記光結合器がグレーティング光結合器であり、
該グレーティング光結合器の変調度が、前記スポットに
おいて所望の光強度分布が得られるように調整されてい
る特許請求の範囲第1項記載の導波路光学系。 6)前記グレーティング光結合器の変調度が前記導波光
の伝搬方向に変化している特許請求の範囲第4項記載の
導波路光学系0 (6)前記導波光の光束幅を2R1前記集光レンズの瞳
半径をR1前記出射光束のサジタル方向における指数関
数的に減少する強度分布の減衰距離をβ、前記集光レン
ズのサジタル方向にZr軸、メリジオナル方向にy軸を
とり、前記出射光束において光強度が最大となる出射光
が該集光レンズの入射瞳に入射する座標を(zr、 y
 )としたときに、 1.2R<β<1.4R −0,9R<、zr <−0,7R y=0 を満足する特許請求の範囲第1項記載の導波路光学系。 V)前記導波光の光束幅を2R1前記集光レンズの瞳半
径をRとしたとき、前記出射光束のサジタル方向の強度
分布の分布幅がほぼ2Rである特許請求の範囲第1項記
載の導波路光学系。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1) 光導波路と、前記光導波路内の導波光を外部に
    取り出す光結合器と、前記光結合器からの出射光束をス
    ポット状)ζ集光する集光レンズとから成る導波路光学
    系において、前記光結合器の結合長を増加させることに
    より、前記スポットにおける所望の光強度分布を得る手
    段を設けた事を特徴とする導波路光学系。 (2) 前記光結合器がプリズム光結合器であり、該プ
    リズム光結合器と前記光導波路との間に前記光導波路よ
    りも低い屈折率を持つ装荷膜を設けた特許請求の範囲第
    1項記載の導波路光学系。 (3) 前記装荷膜の膜厚が前記導波光の伝搬方向にテ
    ーバ状に変化している特許請求の範囲第2項記載の導波
    路光学系。 (4)前記光結合器がグレーティング光結合器であり、
    該グレーティング光結合器の変調度力;、前記スポット
    において所望の光強度分布力1尋られるように調整され
    ている特許請求の範囲第1項記載の導波路光学系。 (5)前記グレーティング光結合器の変調度カス前記導
    波光の伝搬方向に変化してbする特許請求の範囲第4項
    記載の導波路光学系。 (6)前記導波光の光束幅を2R1前記集光レンズの瞳
    半径をR1前記出射光束のサジタル方向における指数関
    数的に減少する強度分布の減衰距離をβ、前5.記集光
    レンズのサジタル方向 向にZr軸、メリ≠ヨオナノシ方向Ic y軸をと19
    、へ 前記出射光束が該集光レンズの入射瞳(て人9千する座
    標を(zr、y)としたとき臥 1.2R≦ β ≦1.4R −〇、 7 R≦Zr≦0.9R y = 0 を満足する特許請求の範囲第1項記載の導波路光学系。 (7)前記導波光の光束幅を2R,貞Uδ己j%光レン
    ズの瞳半径をRとしたとき、前記出射光束のサジタル方
    向の強度分布の分布幅がほぼ2Rである特許請求の範囲
    第1項記載の導波路光学系。
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