JPS63276004A - Grating coupler - Google Patents

Grating coupler

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Publication number
JPS63276004A
JPS63276004A JP11204087A JP11204087A JPS63276004A JP S63276004 A JPS63276004 A JP S63276004A JP 11204087 A JP11204087 A JP 11204087A JP 11204087 A JP11204087 A JP 11204087A JP S63276004 A JPS63276004 A JP S63276004A
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JP
Japan
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grating
refractive index
waveguide layer
electron beam
waveguide
Prior art date
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Pending
Application number
JP11204087A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshinobu Nakayama
義宣 中山
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPS63276004A publication Critical patent/JPS63276004A/en
Pending legal-status Critical Current

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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
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/124Geodesic lenses or integrated gratings

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

PURPOSE:To enlarge an allowable range against a variation of an incident angle and wavelength, by forming a grating which is formed by synthesizing plural grating vectors whose periods are different in an opening of prescribed width and has a refractive index distribution, against a waveguide layer. CONSTITUTION:On a glass substrate 11 whose refractive index is (ns), a glass layer whose refractive index is (nc) (nc>ns) is formed by a spattering method, and it becomes a waveguide layer 12. Subsequently, an electron beam resist 14 (refractive index nG) which can control height of unevenness by a dope quantity of an electron beam is applied, a grating is brought to picture drawing by the electron beam, and a relief type grating 15 in which the electron beam resist 14 is allowed to have a periodic characteristic of a refractive index is formed. That is, it is formed as the grating 15 constituted so that a cross sectional shape of the electron beam resist 4 loaded on the waveguide layer 12 becomes an uneven shape corresponding to a prescribed periodic function. In such a way, even if a variation of an incident angle and a wavelength variation are generated, the waveguide can be executed in a state that the efficiency is scarcely varied.

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、光IC1光集積デバイス、更には光集積ピッ
クアップ、光通信デバイス、センサ用ICなどのような
光導波路デバイスとして用いられるグレーティングカプ
ラに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Technical Field The present invention relates to a grating coupler used as an optical waveguide device such as an optical IC 1 optical integrated device, an optical integrated pickup, an optical communication device, or a sensor IC.

従来技術 近年のオプトエレクトロニクス関係の技術の発展は目覚
ましいものであり、集積化も進んでいる。
Prior Art The development of optoelectronics-related technology in recent years has been remarkable, and integration is progressing.

その−例として、例えば光磁気ディスク等の光ピツクア
ップにおいて、小型・軽量化等による高速アクセス化を
図るために、゛光導波路デバイスを用いて集積化を図る
ようにしたものがある。ここに、このような先導波路デ
バイスでは基板上に導波層を形成してなり、導波層に入
射光な伝搬結合させるために、例えばグレーティング(
回折格子)を形成し、このグレーティングを介して導波
させるようにしている。このようなグレーティングによ
る光結合は、例えばコロナ社発行の「光波電子光学」 
(小山次部、西原浩著)中の第98頁ないし第108頁
等により知られている゛。このようなグレーティングカ
プラにあっては、入射光の導波層中に対する導波効率の
変動の少ないことが要求される。特に、光ピツクアップ
、光通信などでは入射光が情報を含むものであるので、
効率の変動が少ないことは重要である。
For example, in an optical pickup such as a magneto-optical disk, an optical waveguide device is used for integration in order to achieve high-speed access through reduction in size and weight. Here, in such a guided waveguide device, a waveguide layer is formed on a substrate, and in order to propagate and couple incident light to the waveguide layer, for example, a grating (
A diffraction grating) is formed and the waves are guided through this grating. Optical coupling using such a grating is described, for example, in ``Light Wave Electron Optics'' published by Corona.
(written by Tsugube Koyama and Hiroshi Nishihara), pages 98 to 108, etc. Such a grating coupler is required to have little variation in the waveguide efficiency of incident light in the waveguide layer. In particular, in optical pickup, optical communication, etc., the incident light contains information.
It is important that efficiency fluctuations be small.

ところが、この種のグレーティングは一般に単−周期構
造のグレーティングとして構成されており、その開口幅
りが大きくなると格子ベクトル(グレーティングベクト
ル)の幅が狭くなり、入射光の導波層中への結合条件が
厳しくなり、導波光量が変動しやすくなってしまう。即
ち、入射光の波長λが変動したり、入射角θが変動する
と、結合効率が変動するものである。この結果、導波路
デバイスなどとしての実用化を考えた場合には、入射角
を厳密に管理する位置精度が要求されたり、光源として
波長変動を生じやすい半導体レーザの使用が困難である
等の不都合がある。更には、光磁気ディスク用の光ピツ
クアップを想定した場合、導波路デバイス構造とする際
には導波層中にTEモード、TMモードの両方の波を結
合伝搬させ得ると都合がよいが、両モード波では実効屈
折率が僅かに異なるだけで、同時に導波層中に伝搬させ
ることはできないものである。
However, this type of grating is generally configured as a grating with a single periodic structure, and as the aperture width increases, the width of the grating vector becomes narrower, which affects the coupling conditions of incident light into the waveguide layer. becomes severe, and the amount of guided light tends to fluctuate. That is, when the wavelength λ of the incident light changes or the incident angle θ changes, the coupling efficiency changes. As a result, when considering practical use as a waveguide device, there are disadvantages such as positional accuracy that strictly controls the angle of incidence, and the difficulty of using a semiconductor laser that is prone to wavelength fluctuation as a light source. There is. Furthermore, when assuming an optical pickup for a magneto-optical disk, it would be convenient if both TE mode and TM mode waves could be coupled and propagated in the waveguide layer when creating a waveguide device structure. Mode waves have only a slight difference in effective refractive index and cannot be simultaneously propagated into the waveguide layer.

ちなみに、周期を場所により徐々に変化させてなる[チ
ャープグレーティング」と称されるグレーティング(例
えば、オーム社発行の「光集積回路」 (西原浩等著)
中の第273頁ないし第274頁参照)によれば、入射
光の波長や入射角が変化しても導波層中に結合伝搬させ
得る。しかるに、これは入射位置を異ならせることによ
り、結合可能としたものであり、導波層に対する入射光
の入射位置を固定的に考えた場合には、伝搬結合させる
ことはできない。つまり、所定の限定された開口幅内で
考えた場合には、単一周期構造といえる。
By the way, there are gratings called chirp gratings in which the period gradually changes depending on the location (for example, "Optical Integrated Circuits" published by Ohm Co., Ltd. (written by Hiroshi Nishihara et al.)).
(see pages 273 and 274 of the above), even if the wavelength or angle of incidence of incident light changes, it can be coupled and propagated into the waveguide layer. However, this makes coupling possible by changing the incident position, and propagation coupling is not possible if the incident position of the incident light on the waveguide layer is fixed. In other words, when considered within a predetermined limited opening width, it can be said to be a single periodic structure.

目的 本発明は、このような点に鑑みなされたもので、同一開
口領域内に入射される入射光に波長変動、入射角度変動
等があっても、或いはTEモード光やTMモード光のよ
うにモードが異なる入射光であっても、効率よく導波層
に導波結合させることができるグレーティングカプラを
得ることを目的とする。
Purpose The present invention has been made in view of the above points, and even if the incident light entering the same aperture area has a wavelength variation, an incident angle variation, etc., or even if there is a variation in the wavelength or incident angle of the incident light, such as TE mode light or TM mode light. An object of the present invention is to obtain a grating coupler that can efficiently couple incident light to a waveguide layer even if the incident light has different modes.

構成 本発明は、上記目的を達成するため、所定幅の開口内で
周期の異なる複数の格子ベクトルを合成してなる屈折率
分布を持たせたグレーティングを導波層に対して形成す
ることにより、グレーティング全体での格子ベクトルの
広帯域化を達成し、入射角、波長の変動に対する許容範
囲が大きくなるようにしたことを特徴とするものである
Structure In order to achieve the above object, the present invention forms, in a waveguide layer, a grating having a refractive index distribution formed by synthesizing a plurality of grating vectors with different periods within an aperture of a predetermined width. It is characterized by achieving a broadband grating vector over the entire grating and increasing the tolerance range for variations in incident angle and wavelength.

以下、本発明の一実施例を図面に基づき、下記の項目類
に従って説明する。
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described based on the drawings and according to the following items.

A、従来のグレーティングの解析 B1本発明のグレーティングの原理、理論解析C0構成
例 C−1構成例1・・・表面レリーフ装荷型構成C−2構
成例2・・・表面レリーフ一体型構成C−3構成例3・
・・屈折率分布型構成C−4その他 り、設計例 D−1設計例1・・・入射角変動に対する余裕D−2設
計例2・・・波長変動に対する余裕D−3設計例3・・
・TE、TMモード光伝搬A、従来のグレーティングカ
プラの解析まず、本発明について説明するに先立ち、従
来より知られている単一周期で有限の開口を持つグレー
ティングカプラについて解析する。即ち、第13図に示
すような、あるモードの導波光に対する伝搬定数がσ=
σx  (−nE ・2π/λ)(導波路固有の値)で
ある先導波路1を考える。この光導波路1は屈折率がn
3なるガラス、パイレックス等による基板2上に屈折率
nc(但し、nc>ns)なる導波層(コア層)3を形
成してなる。nQは無損失媒質である外部の屈折率であ
る。このような導波層3中の一部には単一周期的屈折率
分布を持たせて形成したグレーティング(周期構造)4
が開口幅りにて形成されている。このような導波層3の
実効屈折率nHは導波層3の材料の屈折率ncと導波層
3の膜厚及び導波層3を挾むクラッド層の屈折率とによ
り決まる。
A. Analysis of conventional grating B1 Principle and theoretical analysis of grating of the present invention C0 Configuration example C-1 Configuration example 1...Surface relief loaded type configuration C-2 Configuration example 2...Surface relief integrated type configuration C- 3 Configuration example 3・
...Refractive index distribution type configuration C-4 and others, Design example D-1 Design example 1... Margin for incident angle variation D-2 Design example 2... Margin for wavelength variation D-3 Design example 3...
- Analysis of TE and TM mode optical propagation A and conventional grating coupler First, before explaining the present invention, a conventionally known grating coupler with a single period and a finite aperture will be analyzed. That is, as shown in FIG. 13, the propagation constant for guided light in a certain mode is σ=
Consider the leading waveguide 1 where σx (−nE·2π/λ) (a value unique to the waveguide). This optical waveguide 1 has a refractive index of n
A waveguide layer (core layer) 3 having a refractive index nc (where nc>ns) is formed on a substrate 2 made of glass, pyrex, or the like. nQ is the refractive index of the outside, which is a lossless medium. A grating (periodic structure) 4 formed with a single periodic refractive index distribution is formed in a part of the waveguide layer 3.
is formed with the width of the opening. The effective refractive index nH of the waveguide layer 3 is determined by the refractive index nc of the material of the waveguide layer 3, the thickness of the waveguide layer 3, and the refractive index of the cladding layer sandwiching the waveguide layer 3.

しかして、外部から入射角θにて伝搬定数ρ(lipl
=p=2π/λ+  n @ =1 +  ρX=ρ’
5lno)なる平面波の光がグレーティング4部分に照
射された場合を考える。ここに、グレーティング4に対
する格子ベクトル(グレーティングベクトル)をK(但
し、l K l = K = K xとする)とすると
、グレーティング4のピッチ八との向にはに=2π/Δ
   ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・(1)なる関係がある。今、先導波路
l中の光の伝搬方向をX方向、光導波路lの厚さ方向を
2方向とすると、グレーティング4部分における屈折率
の分布が、 n(x)=ncoNsr+n、・cos(K−x)−−
”12)で表されるものと仮定する。但し、n C0N
8Tは一定値であり、n coNsT> n +である
とする。(2)式より、屈折率変調分だけを取出すと、 n、(x)=n、−cos(K−x)   −−・・・
(3)が得られる。
Therefore, at an incident angle θ from the outside, the propagation constant ρ(lipl
=p=2π/λ+ n @ =1 + ρX=ρ'
Consider a case where the grating 4 portion is irradiated with plane wave light of 5lno). Here, if the grating vector (grating vector) for grating 4 is K (where l K l = K = K x), then in the direction of pitch 8 of grating 4, = 2π/Δ
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・(1) There is a relationship. Now, assuming that the propagation direction of light in the leading waveguide l is the X direction and the thickness direction of the optical waveguide l is two directions, the refractive index distribution in the grating 4 portion is as follows: n(x)=ncoNsr+n, ・cos(K− x) --
”12). However, n C0N
It is assumed that 8T is a constant value and n coNsT> n +. From equation (2), if we extract only the refractive index modulation, we get n, (x)=n, -cos(K-x) --...
(3) is obtained.

ここで、グレーティング4のX方向の開口を、中心対称
に正負に振分け、x :  (−D/2.D/2〕であ
るとすると、格子ベクトルにのスペクトル分布はX方向
の空間周波数(波数ベクトル)をkxとしてフーリエ変
換することにより5(kx)として、次式で示される。
Here, if the aperture in the X direction of the grating 4 is divided centrally symmetrically into positive and negative, and x : (-D/2.D/2), then the spectral distribution of the grating vector will be the spatial frequency (wave number By performing Fourier transformation on the vector) as kx, it is expressed as 5(kx) by the following equation.

jkzx S(kx) = J” n、 −cos(Kx)e  
 dxjkxx = f  n、 ・cos(Kx)e   dxn2 = ”(sine(p−(kx十K))+5ine(”
(kz−K)))・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・(4)なるシンク関数で与
えられる。ここに、シンク関数5incとは、5inc
x =sinx / x  なる式で定義される。この
(4)式を模式的に図示すると、第14図に示すように
なる。つまり、格子ベクトルのスペクトル分布5(kx
)は、kX=±Kにピーク値を持つスペクトルとなる。
jkzx S(kx) = J"n, -cos(Kx)e
dxjkxx = f n, ・cos(Kx)e dxn2 = ”(sine(p-(kx 10K))+5ine(”
(kz-K)))・・・・・・・・・・・・・・・・・・
It is given by the sink function (4). Here, the sink function 5inc means 5inc
It is defined by the formula x = sinx / x. This equation (4) is schematically illustrated in FIG. 14. In other words, the spectral distribution of the lattice vector 5(kx
) becomes a spectrum with a peak value at kX=±K.

これにより、kx =±Kに対し±2π/Dなる幅(即
ち、軸に最も近い零クロス点間の幅)を持つ格子ベクト
ルが設計される。
As a result, a lattice vector having a width of ±2π/D for kx = ±K (ie, the width between the zero cross points closest to the axis) is designed.

もつとも、グレーティング4の周期構造は正弦波状であ
り、格子ベクトルの帯域幅を考える場合も、シンク関数
のピーク値を1、軸に最も近い零クロス点間の幅をΔx
=2 π=4 π/D rad/n@とした時、ピーク
値の半分の値となる半値幅を帯域幅として考えるのが妥
当である。つまり、シンク間数によれば、零クロス点間
幅Δx=2πに代わる半値幅Δには3.79099 r
ad=1.20671πradとなり、4π/ D r
ad / nmに代わる半値幅Δには2.41342 
yt / D rad/ nmとなる。
However, the periodic structure of the grating 4 is sinusoidal, and when considering the bandwidth of the grating vector, the peak value of the sink function is 1, and the width between the zero crossing points closest to the axis is Δx.
=2 π=4 π/D rad/n@, it is appropriate to consider the half-width, which is half the peak value, as the bandwidth. In other words, according to the number of sinks, the half width Δ that replaces the zero cross point width Δx=2π is 3.79099 r
ad=1.20671πrad, 4π/D r
The half width Δ instead of ad/nm is 2.41342
yt/Drad/nm.

このような構造のグレーティング4により入射光が導波
光に結合する回折条件は、一般に、a=p+qK   
 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・(5)(但し、q”Ot  ±1.±2.
・・・)で与えられる。
Generally, the diffraction conditions for coupling the incident light to the guided light by the grating 4 having such a structure are as follows: a=p+qK
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・(5) (However, q”Ot ±1.±2.
) is given by

ここに、導波光に対しては第15図にも示すように、X
方向成分のみを考慮すればよいので、入射光ρと導波光
σ(=σX)との関係は、σX=ρx十q K    
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・(6)(但し、q=0.±1.±2.・・・)のよ
うに書直すことができる。この条件式(6)を満たすよ
うなqを選べば、その個数だけ入射可能な条件が存在す
ることになる。今、q=lとすると、(6)式は σX=ρx+K         ・・・・・・・・・
・・・・・・(7)として示される。これは、第15図
からも理解し得る。
Here, for the guided light, as shown in FIG.
Since only the directional component needs to be considered, the relationship between the incident light ρ and the guided light σ (=σX) is σX=ρx1q K
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
...(6) (however, q=0.±1.±2.....) can be rewritten as follows. If q is selected that satisfies this conditional expression (6), there will be as many conditions as possible for the incidence. Now, if q=l, equation (6) is σX=ρx+K...
. . . It is shown as (7). This can also be understood from FIG. 15.

ここで、入射光ρのX成分はρX;ρ・sine、導波
光σはX方向成分のみで与えられていることにより、σ
X=σ として表すことができるので、2π 。
Here, the X component of the incident light ρ is ρX;ρ・sine, and the guided light σ is given only by the X direction component, so σ
Since it can be expressed as X=σ, 2π.

σX工□S1nθ十K    ・・・・・・・・・・・
・・・(8)λ として示される。
σX engineering□S1nθ10K・・・・・・・・・・・・
...(8) Denoted as λ.

ここに、KくOXとなるような条件下に、Kが(4)式
で表されるような幅、即ち帯域幅を持つ場合には、(6
)式の条件を満たすρz(=psinθ)より、入射光
のρ又はθが若干変動しても、OXなる伝搬定数を満た
す部分が導波されることになる。
Here, if K has a width as expressed by equation (4), that is, a bandwidth, under the condition that K x OX, then (6
Since ρz (=psinθ) that satisfies the condition of the equation ), even if ρ or θ of the incident light changes slightly, a portion that satisfies the propagation constant OX will be guided.

つまり、格子ベクトルにの値が幅を持つように形成され
ていれば、これに対応して、入射光の入射角θや波長λ
の条件が設計値から多少ずれていても、導波層3中には
OXの光が伝搬され得るものである。
In other words, if the value of the lattice vector is formed to have a width, the incident angle θ and the wavelength λ of the incident light will correspond to this.
OX light can be propagated into the waveguide layer 3 even if the condition deviates somewhat from the designed value.

しかるに、現実には、グレーティング4の開口幅りがあ
る値に決定された状態では、格子ベクトルにの帯域幅も
ある幅に固定されてしまうため、これより広い任意の帯
域幅の格子ベクトルを得ることはできない。よって、入
射光に変動を生じたような場合に、導波光に対する導波
条件が厳しいのとなっている。
However, in reality, when the aperture width of grating 4 is determined to be a certain value, the bandwidth of the grating vector is also fixed to a certain width, so a grating vector with an arbitrary bandwidth wider than this can be obtained. It is not possible. Therefore, when there is a fluctuation in the incident light, the waveguide conditions for the waveguide light become severe.

B0本発明のグレーティングの原理、理論解析本発明で
は、このような格子ベクトル帯域幅の限定された欠点を
改善するために、所定幅りに設定された同一のグレーテ
ィング開口内で周期の異なる複数の格子ベクトルを合成
してグレーティングを形成することにより、複数の異な
る格子ベクトル成分を含ませることになり、格子ベクト
ル帯域幅の広帯域化を図ろうとするものである。
B0 Principle and theoretical analysis of the grating of the present invention In order to improve the drawback of the limited grating vector bandwidth, the present invention provides grating vectors with different periods within the same grating aperture set to a predetermined width. By synthesizing grating vectors to form a grating, a plurality of different grating vector components are included, thereby attempting to widen the grating vector bandwidth.

まず、単純なる複数の格子ベクトルの合成について考え
る。これは、(1)式に対してN個の異なる周期を持つ
格子ベクトルに1を合成した場合に相当するものであり
、その時の屈折率分布は(2)式に基づき、 n(x) = nc’0NsT +In、1 ・cos
 (Kt・x) −(9)i=1 なる式で示される。(9)式によれば、屈折率の変調部
分は、 n、(x) =Σn、1− cos (K1−x)  
   −・・−・・−・(10)i=1 なる式で示される。ここに、全てのiについて開口幅り
は一定であるとして、この(10)式をフーリエ変換す
ると、次式のようになる。
First, consider simple composition of multiple lattice vectors. This corresponds to the case where 1 is combined with N lattice vectors with different periods for equation (1), and the refractive index distribution at that time is based on equation (2), n(x) = nc'0NsT +In, 1 ・cos
It is expressed by the formula (Kt·x) −(9)i=1. According to equation (9), the modulation part of the refractive index is n, (x) = Σn, 1- cos (K1-x)
−・・−・・−・(10) i=1 It is shown by the formula. Assuming that the aperture width is constant for all i, when this equation (10) is Fourier transformed, the following equation is obtained.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(
11)つまり、1 ”’ l 、L ”’+ N、qt
 = Or ±1゜±2.・・・なる条件下に、 OX ′:pX1 + (11に1         
 °゛°°°°゛°゛°(12)なる式中で、各々のi
について1つでも条件を満たせば、伝搬定数σXの光が
導波層中を導波されることになる。このような周期の異
なる複数の格子ベクトルを合成することが基本である。
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(
11) That is, 1 ''' l, L '''+ N, qt
= Or ±1°±2. ...Under the conditions, OX':pX1 + (1 in 11
In the formula °゛°°°°゛°゛° (12), each i
If even one of the conditions is satisfied, light with a propagation constant σX will be guided through the waveguide layer. The basic idea is to synthesize a plurality of such lattice vectors with different periods.

次に、格子ベクトルにの広帯域化、即ち合成手段につい
て検討する。これは、ある領域でグレーティングのスペ
クトル分布5(kx)の値が、フラット(平坦)な特性
を持つようにするための最適設計法についての検討であ
る。
Next, we will consider widening the band into lattice vectors, that is, means of synthesizing them. This is a study on an optimal design method for making the value of the grating's spectral distribution 5 (kx) have a flat characteristic in a certain region.

一般に、信号論の標本化定理によれば、任意の関数f(
x)についてのシンク関数5incx =sinx/X
による最適な表現方法は、第10図に示すように、5i
ncxをπずつ移動させることにより、△ f(x)=Σf (x−mπ) 5ine (x−mπ
)   ・・−・・・−・−(13)△ として表される。ここに、この(13)式のf(x)は
f(x)の近似式を意味する。
In general, according to the sampling theorem of signal theory, any function f(
x) sink function 5incx = sinx/X
The optimal expression method is 5i as shown in Figure 10.
By moving ncx by π, △ f(x)=Σf (x-mπ) 5ine (x-mπ
)...--...--(13)△. Here, f(x) in equation (13) means an approximate equation of f(x).

このようなシンク関数を用いた標本化定理を利用し、ス
ペクトル分布5(kx)に矩形パルス状の如く箱型帯域
特性を持たせる場合を近似すると、シンク関数が偶数個
の場合と奇数個の場合とに分けて考えることができる。
Using the sampling theorem using such a sink function, we can approximate the case where the spectral distribution 5(kx) has a box-shaped band characteristic like a rectangular pulse. It can be considered separately.

何れも中心の格子ベクトルを±にとする。In both cases, the central lattice vector is ±.

まず、偶数個のシンク関数の合成の場合には。First, in the case of composition of an even number of sink functions.

例えば第11図に示すように、 + 5tnc[2L kX 十K  o (2m +1
 ) ))コ・・・・・・・・・・・・・・・・・・(
14)となる。一方、奇数個のシンク関数の合成の場合
には、例えば第12図に示すように、 D    2π + 5ine(−H(kx十に一−5−m)))・・・
・・・・・・・・・・・・・・・(15)となる。
For example, as shown in FIG.
) ))Ko··················(
14). On the other hand, in the case of combining an odd number of sink functions, for example, as shown in FIG.
・・・・・・・・・・・・・・・(15)

従って、これらの(14)(15)式を各々逆フーリエ
変換すると、屈折率分布の式n(x)は、各々(14)
式は(托)式、(15)式は(17)式のような式とな
る。
Therefore, by inverse Fourier transforming these equations (14) and (15), the refractive index distribution equation n(x) becomes (14)
Equation (15) becomes equation (17), and so on.

n(x)=Σn、 cos [(K+−5(2m+1 
)l ・x)  −・・・・・(16)牛−關 この結果、偶数個のシンク関数の合成の場合には、(1
6)式から、中心の格子ベクトル±Kに対し、±2πN
/D           ・・・・・・・・・(18
)の帯域にてほぼフラットなスペクトル分布5(kx)
を与える。同様に、奇数個のシンク関数の合成の場合に
は、(17)式から判るように、中心の格子ベクトル±
Kに対し、 ±π(2N+1)/D        ・・・・・・・
・・(19)の帯域にてほぼフラットなスペクトル分布
5(kx)を与えるものとなる。
n(x)=Σn, cos [(K+-5(2m+1
)l ・x) −・・・・(16) As a result, in the case of composition of an even number of sink functions, (1
From equation 6), for the central lattice vector ±K, ±2πN
/D ・・・・・・・・・(18
) almost flat spectral distribution in the band 5(kx)
give. Similarly, in the case of combining an odd number of sink functions, as can be seen from equation (17), the central lattice vector ±
For K, ±π(2N+1)/D...
...(19) gives a substantially flat spectral distribution 5(kx).

このように、異なる周期の複数の格子ベクトル合成によ
る屈折率分布を持たせた本発明のグレーティングカプラ
構成によれば、従来の単一周期のグレーティングカプラ
によるものに対し、これらの(18)(19)式でも明
らかなように、グレーティングとして格子ベクトルの帯
域を広げることができる。この結果、例えばグレーティ
ングに対する入射光が基準入射角からずれて入射したよ
うな場合であっても、導波層中に一定効率で導波させる
ことができる。これは、光ピツクアップ等において入射
角等についての精度を緩和し得ることを意味し、先導波
路デバイスの実用化をより容易なものとする可能性を持
つ。又、入射光の光源の波長が多少変動しても導波層へ
の導波結合が可能であることにもなる。これは、熱的影
響などで波長が変動しやすい半導体レーザであっても使
用可能となり得ることを意味し、二の点でも光源をも含
めて導波路デバイスの低コストでの実用化が可能となる
。更には、実効屈折率の若干具なるTEモード、TMモ
ード波であっても、同一人射角にて同時に導波層中に導
波結合させることが可能である。これにより、偏光状態
の検出等ができるので、光磁気ディスク用の光ピツクア
ップとしての実用性が増す。更に、発展的に考えれば、
2波長以上の光を同時に入射・導波させることも可能と
なり、波長多重化された導波路デバイスともし得る。
As described above, according to the grating coupler configuration of the present invention which has a refractive index distribution by combining a plurality of grating vectors with different periods, these (18) (19) ), it is possible to widen the band of grating vectors as a grating. As a result, even if the incident light on the grating is incident on the grating at a deviation from the reference angle of incidence, the wave can be guided into the waveguide layer with constant efficiency. This means that the precision of the incident angle and the like can be relaxed in optical pickup, etc., and has the potential to make it easier to put the guided waveguide device into practical use. Furthermore, even if the wavelength of the light source of the incident light changes somewhat, waveguide coupling to the waveguide layer is possible. This means that even semiconductor lasers whose wavelengths tend to fluctuate due to thermal effects can be used, and in two ways, it is possible to put waveguide devices, including light sources, into practical use at low cost. Become. Furthermore, even TE mode and TM mode waves having a slightly different effective refractive index can be guided and coupled into the waveguide layer at the same time at the same radiation angle. This makes it possible to detect the polarization state, etc., thereby increasing its practicality as an optical pickup for magneto-optical disks. Furthermore, from a developmental perspective,
It is also possible to simultaneously inject and guide light of two or more wavelengths, and it can be used as a wavelength-multiplexed waveguide device.

C0構成例 上述した原理、理論の下、実際のグレーティングとして
は、(16)式又は(17)式で示す逆フーリエ変換後
の条件式を満足するような屈折率分布を持たせて形成す
ることにより実現できる。
C0 configuration example Based on the principles and theory described above, the actual grating should be formed with a refractive index distribution that satisfies the conditional expression after inverse Fourier transform shown in equation (16) or (17). This can be achieved by

C−1構成例1・・・表面レリーフ装荷型構成第1図に
その構成例を示す。これは、例えば複数の異なる周期と
して、2種類の周期の格子ベクトルを合成してなる屈折
率分布を持たせた装荷型グレーティングカプラを有する
先導波路10として構成したものである。まず、屈折率
nsなるガラス基板11上には、屈折率nc(nc>n
s)  なるコーニング#7059等によるガラス層を
スパッタリング法により膜厚0.76μmにて形成し、
これを導波層12とする。この際、図示の如く、ガラス
基板11・導波層12間にSiO□等のバッファ層13
(屈折率nB)  を形成してもよい。そして、電子線
のドープ量により凹凸の高さを制御できる感光剤、即ち
電子線レジスト14(屈折率na)を塗布する。しかし
て、このような電子線レジスト14に対して電子線によ
ってグレーティングを描画し、この電子線レジスト14
に例えば(16)式に応じた断面形状変化による屈折率
分布、即ち屈折率の周期特性を持たせたレリーフ型のグ
レーティング15を形成するようにしたものである。つ
まり、導波層12上に装荷された電子線レジスト14の
断面形状が所定の周期関数に応じた凹凸形状となるよう
にしてなるグレーティング15として形成したものであ
る。このグレーティング15の開口幅はDである。又、
グレーティング15の凹凸高さは波長程度以下であるこ
とが望ましい。
C-1 Configuration Example 1...Surface relief loading type configuration FIG. 1 shows an example of the configuration. This is configured as a leading waveguide 10 having a loaded grating coupler having a refractive index distribution formed by combining grating vectors with two types of periods, for example, as a plurality of different periods. First, on the glass substrate 11 having a refractive index ns, a refractive index nc (nc>n
s) A glass layer made of Corning #7059 or the like is formed with a thickness of 0.76 μm by sputtering method,
This will be referred to as the waveguide layer 12. At this time, as shown in the figure, a buffer layer 13 such as SiO□ is formed between the glass substrate 11 and the waveguide layer 12.
(refractive index nB) may be formed. Then, a photosensitive agent, ie, an electron beam resist 14 (refractive index na) whose height of unevenness can be controlled by the amount of electron beam doping is applied. Therefore, a grating is drawn on such an electron beam resist 14 using an electron beam, and this electron beam resist 14 is
For example, a relief type grating 15 having a refractive index distribution, that is, a periodic characteristic of the refractive index by changing the cross-sectional shape according to equation (16), is formed. That is, the grating 15 is formed such that the cross-sectional shape of the electron beam resist 14 loaded on the waveguide layer 12 has an uneven shape according to a predetermined periodic function. The opening width of this grating 15 is D. or,
It is desirable that the height of the unevenness of the grating 15 is equal to or less than the wavelength.

C−2構成例2・・・表面レリーフ一体型構成第2図に
その構成例を示す。基本的には、上述の第1図の場合と
同様であるが、第1図では装荷型構成によりグレーティ
ング15を導波層12に対して間接的に形成したのに対
し、本構成例の光導波路20では導波層22表面に対し
て直接グレーティング25を形成したものである。
C-2 Configuration Example 2: Surface relief integrated configuration FIG. 2 shows an example of the configuration. Basically, the case is the same as the case of FIG. 1 described above, but whereas in FIG. In the waveguide 20, a grating 25 is formed directly on the surface of the waveguide layer 22.

即ち、ガラス基板21上にグレーティング25を電子線
で描画するために、感光剤としての機能も兼ねた導波層
22(屈折率はncであり、nc>n3である)を塗布
形成する。そして、このような導波層22表面に対し、
(16)式又は(17)式に準じた屈折率の周期特性を
持たせるように、電子線でグレーテイング25火描画す
る。その後、現像して、第2図に示すような断面凹凸形
状による表面レリーフ型のグレーティング25を備えた
先導波路2oを得る。この場合のグレーティング25も
所定の開口幅りとして形成される。ここに、原理等にお
いて示した(16)式などにより屈折率分布の変調分は
、平面グレーティングであれば、はぼグレーティング2
5の凹凸の高さに比例するものとなる。
That is, in order to draw the grating 25 on the glass substrate 21 with an electron beam, a waveguide layer 22 (having a refractive index of nc and nc>n3) which also functions as a photosensitive agent is formed by coating. Then, for such a surface of the waveguide layer 22,
The grating 25 is drawn with an electron beam so as to have a periodic characteristic of the refractive index according to the equation (16) or the equation (17). Thereafter, development is performed to obtain a leading waveguide 2o provided with a surface relief type grating 25 having an uneven cross-sectional shape as shown in FIG. The grating 25 in this case is also formed with a predetermined opening width. Here, according to equation (16) shown in the principle, etc., the modulation amount of the refractive index distribution is calculated by the Habo grating 2 if it is a planar grating.
It is proportional to the height of the unevenness of No. 5.

C−3構成例3・・・屈折率分布型構成導波層自体に対
して屈折率分布によるグレーティング35を(16)式
又は(17)式等の周期関数特性に応じた屈折率の周期
特性を持たせるように、書込み形成してなる構成例であ
り、第3図にその導波路30の構成例を示す。まず、屈
折率n3なるガラス基板31上にはnc)n3なる関係
の高い屈折率ncの導波層32が形成されている。この
導波層32は電子線のドープ量によって屈折率が変化し
て屈折率分布型のグレーティング35を形成し得る材料
、例えばn c = 2.47のAs25.などにより
形成される。この場合も、グレーティング35の開口幅
はDである。
C-3 Configuration Example 3...Refractive index distribution type configuration A grating 35 with a refractive index distribution is applied to the waveguide layer itself with periodic characteristics of the refractive index according to periodic function characteristics such as equation (16) or (17). FIG. 3 shows an example of the structure of the waveguide 30. FIG. First, a waveguide layer 32 having a high refractive index nc having a relationship nc)n3 is formed on a glass substrate 31 having a refractive index n3. The waveguide layer 32 is made of a material whose refractive index changes depending on the doping amount of the electron beam to form a refractive index grating 35, for example, As25 with n c = 2.47. Formed by etc. Also in this case, the opening width of the grating 35 is D.

C−4その他 上述した構成例1〜3では、何れも電子線のドープ量に
よりグレーティング15,25.35を形成するように
したが、この他の方式、例えば集束イオンビームによる
マスクレスデポジション法や、イオンミリング法によっ
ても形成できる。又、凹凸による表面レリーフ型のもの
であれば、一旦マスクに形成したパターンを転写しこれ
を先導波層上に加工する方法であっても、例えば紫外線
硬化樹脂を用いた所謂2P法によって実施し得る。
C-4 Others In the above-mentioned configuration examples 1 to 3, the gratings 15, 25, 35 are formed by the doping amount of the electron beam, but other methods such as maskless deposition method using a focused ion beam may also be used. It can also be formed by ion milling method. In addition, in the case of a surface relief type with unevenness, even if the pattern is once formed on a mask and then processed onto the leading wave layer, it may be carried out, for example, by the so-called 2P method using an ultraviolet curable resin. obtain.

D、設計例 本実施例のグレーティング構造による効果を明かにする
ため、実用的なグレーティング構造についての設計例に
よる数値を示す。
D. Design Example In order to clarify the effects of the grating structure of this example, numerical values based on a design example of a practical grating structure are shown.

D−1設計例1・・・入射角変動に対する余裕グレーテ
ィングに対する入射光の入射角が変動しても、導波層中
に導波させ得るような、5種類の周期の異なる格子ベク
トルに1(i=o、±1゜±2)の合成によるグレーテ
ィングの設計例について第4図を参照して説明する。第
4図は概略を示すものであり、導波路40は基板41上
に導波層42を形成し、この導波層42に対してグレー
ティング45を形成するものである。ここでは、合成格
子ベクトル数が5であり、奇数であるので、基本的には
逆フーリエ変換した(17)式に基づき設計される。ま
ず、 ・基準入射角θ=15゜ ・入射光波長(中心波長)λ。=632.8nm・グレ
ーティング開口幅D = 1 mm = 10@nm・
導波層42の実効屈折率nH=1.5160(中心波長
λ。= 632.8nmに対する値)・各周期に対する
屈折率の変調量(振幅値)n 、 =0.01 ・各周期成分の間隔 2 π/ D =6.28X 10−”rad/nm・
入射光の伝搬定数 p=2yt/λ= 9.9292 X 10−’ ra
d/nm・入射光の伝搬定数のX方向成分 px=psin15’ =2.5699X10−’ra
d/nm・導波光の伝搬定数 σ=σX=2πnH/λ = 1.50526 X 10−” rad/nm・1
周期成分のスペクトル半値半幅(第5図参照)ΔK =
 1.2067 yt / D =3.79X 10−
’rad/nm・入射角0=15°における格子ベクト
ルK(15°)= OK −p X= 1.24827
 X 10−”rad/nmとし、(17)式の逆フー
リエ変換後の屈折率変調に代入する。この式において、
周期数が5であるので、N=2である。これにより、(
17)式はn (x )= 0.01 X (cos(
1,24701x 10−” x )+cos(1,2
4764X 10−” x )+cos(1,2482
7X 10−” x )十cos(1,24890X 
10”” x )+cos(1,24953X 10−
” x ))となる。
D-1 Design Example 1... Allowance for Incident Angle Variation Even if the incident angle of the incident light on the grating varies, the grating vectors with five different periods can be guided into the waveguide layer. An example of grating design by combining i=o, ±1°±2) will be described with reference to FIG. FIG. 4 schematically shows a waveguide 40 in which a waveguide layer 42 is formed on a substrate 41, and a grating 45 is formed on this waveguide layer 42. Here, since the number of composite lattice vectors is 5, which is an odd number, the design is basically based on equation (17) obtained by inverse Fourier transform. First, - Reference angle of incidence θ = 15° - Incident light wavelength (center wavelength) λ. = 632.8 nm・Grating aperture width D = 1 mm = 10@nm・
Effective refractive index of the waveguide layer 42 nH = 1.5160 (value for center wavelength λ = 632.8 nm) - Modulation amount of refractive index for each period (amplitude value) n = 0.01 - Interval of each period component 2 π/D = 6.28X 10-”rad/nm・
Propagation constant of incident light p = 2yt/λ = 9.9292 X 10-' ra
d/nm x-direction component of propagation constant of incident light px = psin15' = 2.5699X10-'ra
d/nm・Propagation constant of guided light σ=σX=2πnH/λ = 1.50526 X 10−” rad/nm・1
Spectral half width of periodic component (see Figure 5) ΔK =
1.2067 yt/D = 3.79X 10-
'rad/nm・Lattice vector K (15°) at incident angle 0 = 15° = OK -p X = 1.24827
X 10-"rad/nm and substitute it into the refractive index modulation after inverse Fourier transform in equation (17). In this equation,
Since the number of cycles is 5, N=2. This results in (
17) The formula is n (x) = 0.01 X (cos(
1,24701x 10-” x )+cos(1,2
4764X 10-” x )+cos(1,2482
7X 10-” x ) 10 cos(1,24890X
10”” x )+cos(1,24953X 10-
” x )).

この時の入射角の範囲01〜θ2は、合成グレーティン
グにおける格子ベクトルにのスペクトル分布の半値半幅
値ΔWに対するものとすると、第5図に示すようにK(
λ。)を中心として、格子ベクトルには、近似的に より、 1 、24664 X 10−”≦に=1.24991
 X 10−” rad/nmとなる。このような帯域
幅を持つKの両端における入射角を求めることにより、
開口幅りなるグレーティング45によって導波し得る入
射角の範囲θ、〜θ2が決定される。
The range of incidence angles 01 to θ2 at this time is defined as K(
λ. ), the lattice vector has approximately 1,24664 x 10-”≦=1.24991
X 10-” rad/nm. By finding the angle of incidence at both ends of K with such a bandwidth,
The range of incident angles θ, ˜θ2 that can be guided by the grating 45, which is the width of the aperture, is determined.

ここに、ρsinθ=σx−により、角度θはとして求
められる。
Here, the angle θ can be obtained as ρ sin θ=σx−.

、′、  θ、 = 14.91’ ≦θ≦θ、 = 
15.09’となり、0.18aなる入射角幅を持つ。
,', θ, = 14.91' ≦θ≦θ, =
15.09', and has an incident angle width of 0.18a.

これは、基準入射角θが15°に設定されていた場合に
、±0゜09°変動してもグレーティング45は入射光
を導波層42に導波し得ることを意味する。特に、第1
2図による標本化定理からも理解し得るように、例えば
5個の格子ベクトル合成により箱型状に標本化してフラ
ットな特性の帯域を得ているので、このような帯域幅で
の入射角変動があっても、導波層45における導波光は
ほぼ一定光量なる状態で結合される。
This means that when the reference incident angle θ is set to 15°, the grating 45 can guide the incident light to the waveguide layer 42 even if it fluctuates by ±0°09°. Especially the first
As can be understood from the sampling theorem shown in Figure 2, for example, a band with flat characteristics is obtained by sampling in a box shape by combining five lattice vectors. Even if there is, the guided light in the waveguide layer 45 is coupled with a substantially constant amount of light.

ちなみに、開口幅D=1mmであって従来の単一周期の
グレーティング構造の場合には、1つの格子ベクトルの
半値半幅値ΔK = 1.2067π/Dのみが作用す
るため、K(15’)±(1,2067π/D)である
ので、14.98°≦θ≦15.02° となって0.
04°の余裕しか持たないものである。これに対し、本
実施例によれば、前述のように0.18°の余裕を持ち
、約4.5倍に広帯域化し得ることになる。又、従来構
造において、同様に計算してみると、開口幅D=0.0
1価としたときには12.74°≦θ≦17.28゜と
なり4.54°の幅、開口幅D =0.1mmとしたと
きには14.77” ≦θ≦15.22°となり0.4
5°の幅を持つが、このような開口幅りの設定では小さ
すぎてグレーティングとして現実的ではない。一方、従
来構造において、開口幅D=2mmとしたときには14
.99°≦θ≦15.01″′ となり0.02’ t
、か幅がなく、更に開口幅D=5mmとしたときには1
4.997°≦O≦15.003°となり、もはや角度
幅がないものである。
Incidentally, in the case of a conventional single-period grating structure with aperture width D = 1 mm, only the half-width at half maximum value ΔK = 1.2067π/D of one grating vector acts, so K(15') ± (1,2067π/D), so 14.98°≦θ≦15.02° and 0.
It has a margin of only 0.04°. On the other hand, according to this embodiment, there is a margin of 0.18° as described above, and the band can be made about 4.5 times wider. Also, in the conventional structure, when calculated in the same way, the opening width D = 0.0
When it is monovalent, 12.74°≦θ≦17.28° and the width is 4.54°, and when the opening width D = 0.1mm, it is 14.77”≦θ≦15.22°, which is 0.4
Although it has a width of 5°, such an aperture width setting is too small to be practical as a grating. On the other hand, in the conventional structure, when the opening width D=2 mm, 14
.. 99°≦θ≦15.01″′ and 0.02′ t
, there is no width, and if the opening width D = 5 mm, then 1
4.997°≦O≦15.003°, and there is no longer any angular width.

D−2設計例2・・・波長変動に対する余裕グレーティ
ング45に対する入射光の波長が変動しても、導波層4
2中に導波させ得るような例えば4種類の周期の異なる
格子ベクトルに1(i=±1.±2)の合成によるグレ
ーティング設計例について、第6図及び第7図を参照し
て説明する。まず、 ・入射角θ=15°(=一定) ・入射光波長(中心波長)λ。= 790nm・グレー
ティング開口幅D = 1 mm = 10@nm・導
波層42の実効屈折率nE=2.02(中心波長λ、 
=632.8nmに対する値)・各周期に対する屈折率
の変調量(振幅値)n 、 =0.01 ・各周期の格子ベクトル成分の間隔 2 yt / D = 6.28 X 10−” ra
d/nm・入射光の伝搬定数 p=2rc/λ=7.9534X10−’rad/nm
・入射光の伝搬定数のX方向成分 p x= p 5in15°= 2.0585 X 1
O−3rad/nm・導波光の伝搬定数(中心波長λ。
D-2 Design example 2: margin for wavelength fluctuation Even if the wavelength of the light incident on the grating 45 fluctuates, the waveguide layer 4
An example of a grating design by combining 1 (i=±1.±2) with, for example, four types of grating vectors with different periods so that the wave can be guided in 2 will be explained with reference to FIGS. 6 and 7. . First, - Incident angle θ = 15° (= constant) - Incident light wavelength (center wavelength) λ. = 790 nm・Grating aperture width D=1 mm=10@nm・Effective refractive index of waveguide layer 42 nE=2.02 (center wavelength λ,
= value for 632.8 nm) - Amount of modulation of refractive index (amplitude value) n for each period, = 0.01 - Interval of grating vector components in each period 2 yt / D = 6.28 X 10-" ra
d/nm・Propagation constant of incident light p=2rc/λ=7.9534X10-'rad/nm
・X-direction component of propagation constant of incident light p x = p 5in15° = 2.0585 X 1
O-3 rad/nm・Propagation constant of guided light (center wavelength λ.

に対する)σ=σX=2πnE/λ = 1.60659 X 10−” rad/nm・1
周期成分のスペクトル半値半幅(第5図参照)ΔK =
 1.2067 π/ D =3.79X 10−”r
ad/r+m・入射角θ=15°における格子ベクトル
K(15°)= OX −p x= 1.40074X
 10−”rad/nmとし、(16)式の逆フーリエ
変換後の屈折率変調に代入する。この式において、周期
数が4であるので、N=2である。これにより、(16
)式はn (x )=0.01 X (cos(1,3
9980X 10” x )+ cos(1,4004
2X 10−” x )+ cos(1,40105X
 10−” x )+ cos(1,40168x 1
0−” x )]となる。
) σ=σX=2πnE/λ = 1.60659 X 10-” rad/nm・1
Spectral half width of periodic component (see Figure 5) ΔK =
1.2067 π/D = 3.79X 10-”r
ad/r+m・Lattice vector K (15°) at incident angle θ=15°= OX −p x= 1.40074X
10-" rad/nm and substitute it into the refractive index modulation after inverse Fourier transform in equation (16). In this equation, the number of periods is 4, so N=2. As a result, (16
) formula is n (x )=0.01 X (cos(1,3
9980X 10" x ) + cos(1,4004
2X 10-” x ) + cos(1,40105X
10-” x ) + cos(1,40168x 1
0−”x)].

このような合成グレーティングの格子ベクトルのスペク
トルの半値半幅ΔWは、第7図を参照すると、 = 1.322 X 10−’ rad/nmとして求
められる。よって、格子ベクトルのスペクトル帯域幅は
、 K(λ。)±1.322 X 10−’により1 、”、  1.39942X10−”≦に≦1.402
06 X 1O−2rad/nmとなる。
Referring to FIG. 7, the half-width at half maximum ΔW of the spectrum of the grating vector of such a composite grating is determined as = 1.322 x 10-' rad/nm. Therefore, the spectral bandwidth of the grating vector is: K(λ.)±1.322X10-' by 1,'', 1.39942X10-''≦≦1.402
06 x 10-2 rad/nm.

ここに、回折条件式によれば、psin15°=σX−
に、  ρ=2π/λより、 なる式を用いて、開口幅りなるグレーティング45によ
って導波し得る入射波長の範囲λ、〜λ2が決定される
。即ち、 785.0≦λ≦795.0nm となり、帯域幅10.0nmなる波長変動幅が許容され
得ることになる。つまり、中心波長が790nmに設定
された条件下で、その波長が±5nm変動しても、グレ
ーティング45は入射光を導波層42中にほぼ一定光量
で導波し得ることになる。
Here, according to the diffraction conditional expression, psin15°=σX−
Then, from ρ=2π/λ, the range of incident wavelengths λ, ˜λ2 that can be guided by the grating 45, which corresponds to the aperture width, is determined using the following formula. That is, 785.0≦λ≦795.0 nm, and a wavelength fluctuation width of 10.0 nm can be tolerated. In other words, under the condition that the center wavelength is set to 790 nm, even if the wavelength varies by ±5 nm, the grating 45 can guide the incident light into the waveguide layer 42 with a substantially constant amount of light.

ちなみに、開口幅D=1mmであって従来の単一周期の
グレーティング構造の場合には、1つの格子ベクトルに
よるスペクトル分布の半値半幅値Δにのみが作用するだ
けであり、 K(λ。)±(1,2067π/D) であるので、格子べ゛クトルには 1 、40036≦に≦1.40112 X 1O−2
rad/nmとなる。よって、 788.6≦λ≦791.5nm となり、帯域幅は2.9nm Lかないものであり、波
長が変動すれば導波が困難となる。これに対し、本実施
例によれば、帯域幅が10nmであり、従来に比べ約3
倍の波長変動許容帯域が確保される。
By the way, in the case of a conventional single-period grating structure with aperture width D=1 mm, only the half-width at half maximum value Δ of the spectral distribution due to one grating vector acts, and K(λ.)± (1,2067π/D), so the lattice vector has 1, and 40036≦≦1.40112×1O−2
rad/nm. Therefore, 788.6≦λ≦791.5 nm, the bandwidth is less than 2.9 nm L, and waveguide becomes difficult if the wavelength changes. On the other hand, according to this embodiment, the bandwidth is 10 nm, which is about 3 nm compared to the conventional one.
A twice the wavelength variation tolerance band is secured.

D−3設計例3・・・TE、TMモード光伝搬グレーテ
ィング45に対し同一人射角で入射するTEモード光と
TMモード光(何れも基本モード光)を同時に、導波層
42中に導波し得る、グレーティングの設計例について
、第8図及び第9図を参照して説明する。まず、 ・入射角θ=15°(=一定) ・入射光波長λ。=632.8nm(=一定)・グレー
ティング開口幅D = 1 mm = 10’nm・導
波層42の実効屈折率 TEモード光 n ETE= 1.5160TMモード
光 nETM=1.5125・各周期に対する屈折率の
変調量(振幅幅)n 、 =0.01 ・入射光の伝搬定数 p=2yr/λ= 9.9292 X 10−rad/
nm・入射光の伝搬定数のX方向成分 p X= p 5in15°= 2.56986 X 
10−rad/nmとする。又、導波光の伝搬定数σは
TE波とTM波とでは異なり、各々 OTM= 27rxnE”= 1..5017.9X 
10−”rad/nmλ となる。
D-3 Design Example 3... TE mode light and TM mode light (both fundamental mode lights) incident on the TE and TM mode light propagation grating 45 at the same incident angle are simultaneously guided into the waveguide layer 42. An example of a grating design that can be corrugated will be described with reference to FIGS. 8 and 9. First, - Incident angle θ = 15° (= constant) - Incident light wavelength λ. = 632.8 nm (= constant) Grating aperture width D = 1 mm = 10' nm Effective refractive index of waveguide layer 42 TE mode light n ETE = 1.5160 TM mode light nETM = 1.5125 Refraction for each period Amount of rate modulation (amplitude width) n, = 0.01 ・Propagation constant of incident light p = 2yr/λ = 9.9292 x 10-rad/
nm・X direction component of propagation constant of incident light p X= p 5in15°= 2.56986 X
10-rad/nm. In addition, the propagation constant σ of guided light is different for TE waves and TM waves, and each OTM = 27rxnE" = 1..5017.9X
10-" rad/nmλ.

しかして、TE波、TM波各々を入射導波させ得る格子
ベクトルKTE+ KTMは、KTE=(7TE  p
)(=1.24828X10−2rad/nmKTM=
 aTH−p z= 1.24480X 10−”ra
d/nmとなる。即ち、第9図に示すように、TE波と
TM波との間にはベクトルずれ Δ= KTE −KTM=3.48X 10−’rad
/nmがある。
Therefore, the grating vector KTE+KTM that can guide the incident TE wave and TM wave is KTE=(7TE p
)(=1.24828X10-2rad/nmKTM=
aTH-p z = 1.24480X 10-”ra
d/nm. That is, as shown in FIG. 9, there is a vector shift Δ between the TE wave and the TM wave.
/nm.

一方、開口幅りによるグレーティング45の格子ベクト
ルの幅は、半値半幅値ΔWで、前述した設計例の場合と
同様に、1.2067π/Dにより、ΔW = 3.、
.79 X 10−’ rad/nmとなる。この半値
半幅値ΔWの値は、TE、’TM波間の半値ずれ量Δ/
2;1.768 X 10−’ rad/nmに比べか
なり小さい値である。
On the other hand, the width of the grating vector of the grating 45 due to the aperture width is the half-width at half maximum value ΔW, and as in the case of the design example described above, ΔW = 3. ,
.. 79×10-' rad/nm. The value of this half-maximum half-width value ΔW is the half-maximum deviation amount Δ/ between the TE and 'TM waves.
2; This value is considerably smaller than 1.768 x 10-' rad/nm.

これは、第9図からも容易に理解し得る。This can be easily understood from FIG.

そして、グレーティング45の屈折率分布についての変
調成分n(x)を(16)式に基づいて求めると(KT
EとKTMとの合成であり、N=1)、n(x)=0.
0IX (cos(1,24828X 10−” x )+co
s(1,24480X 10−” x ))となる。
Then, when the modulation component n(x) for the refractive index distribution of the grating 45 is calculated based on equation (16), (KT
E and KTM, N=1), n(x)=0.
0IX (cos(1,24828X 10-”x)+co
s(1,24480X 10-" x )).

しかして、TE、TM波各々の格子ベクトルの入射角に
換算した時の帯域幅を算出すると、1.24790X1
0″″≦KTE≦1 、24866 X 10−” r
ad/nm1.24442 X 10−”≦KTM≦1
.24518X 10−”rad/nmとなる。ここに
、ベクトルに=σ−ρsinθであるので、 を利用すると、TE波、TM波の各々の実質的入射角θ
T E +  07Mは、 14.98° ≦e TE+  e TM≦15.02
゜となり(半値幅で0.045°)、同一人射角θ=1
5゜で入射させたTEモード波、TMモード波の双方を
導波し得るグレーティング45を設計できるものである
。つまり、上述したような格子ベクトルKTEI KT
Mを合成してなる屈折率分布を持たせたグレーティング
45を形成することにより、TE。
Therefore, the bandwidth when converted to the incident angle of the lattice vector of each of the TE and TM waves is 1.24790X1
0″″≦KTE≦1, 24866×10−”r
ad/nm1.24442 x 10-”≦KTM≦1
.. 24518X 10-" rad/nm. Here, since the vector is = σ - ρ sin θ, using
TE+07M is 14.98°≦e TE+e TM≦15.02
° (0.045° at half width), the same person angle of incidence θ = 1
It is possible to design a grating 45 that can guide both TE mode waves and TM mode waves incident at an angle of 5°. In other words, the lattice vector KTEI KT as described above
TE by forming a grating 45 having a refractive index distribution obtained by synthesizing M.

TMモード波双方の同時導波が可能となる。Simultaneous waveguiding of both TM mode waves becomes possible.

ちなみに、開口幅D=1mmで単一周期構造の従来のグ
レーティングによる場合には、同一角度でTE、TM波
を入射させた場合には、同時導波できなかったものであ
る。
Incidentally, in the case of a conventional grating having an aperture width D=1 mm and a single periodic structure, simultaneous waveguiding could not be achieved when TE and TM waves were incident at the same angle.

効果 本発明は、上述したように、所定幅の開口内で周期の異
なる複数の格子ベクトルを合成してなる屈折率分布を持
たせたグレーティングを導波層に対して形成したので、
格子ベクトルが広帯域化された状態となり、入射・導波
条件を緩和し得ることになり、よって、同一開口内に入
射する入射光に入射角の変動や波長変動があっても効率
変動の少ない状態にて導波可能となり、設置条件等の精
度などを緩和させて実用化を達成でき、一方、TEモー
ド波とTMモード波のように実効屈折率の若干具なるモ
ード光同志であっても同一人射角にて同時導波させるこ
とができ、例えば光磁気ディスク用の光ピツクアップ等
へ活用して偏光状態の検出に用いることもでき、更には
、2波長以上の光の同時入射も可能となるものである。
Effects As described above, in the present invention, a grating having a refractive index distribution formed by combining a plurality of grating vectors with different periods within an aperture of a predetermined width is formed in a waveguide layer.
The grating vector becomes broadband, and the incidence and waveguiding conditions can be relaxed. Therefore, even if there are variations in the incident angle or wavelength of incident light entering the same aperture, there is little variation in efficiency. It is now possible to guide waves in the same way, and practical use can be achieved by relaxing the accuracy of installation conditions, etc. On the other hand, even if the mode lights have a slightly different effective refractive index, such as TE mode wave and TM mode wave, the same It can guide waves simultaneously at the incident angle, and can be used for detecting the state of polarization, for example, in optical pickup for magneto-optical disks.Furthermore, it is also possible to simultaneously input light of two or more wavelengths. It is what it is.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の構成例1を示す概略側面図、第2図は
本発明の構成例2を示す概略側面図、第3図は本発明の
構成例3を示す概略側面図、第4図は本発明の設計例1
を説明するための概略側面図、第5図はその設計のため
のスペクトル分布の説明図、第6図は本発明の設計例2
を説明するための概略側面図、第7図はその設計のため
のスペクトル分布の説明図、第8図は本発明の設計例3
を説明するための概略側面図、第9図はその設計のため
のスペクトル分布の説明図、第10図は本発明の詳細な
説明するための特性図、第11図は偶数個合成時のスペ
クトル分布の説明図、第12図は奇数個合成時のスペク
トル分布の説明図、第13図は単一周期構造の従来例を
示す概略側面図、第14図はその解析のためのスペクト
ル分布の説明図、第15図はベクトル図である。 12・・・導波層、15・・・グレーティング、22・
・・導波層、25・・・グレーティング、32・・・導
波層、35・・・グレーティング、42・・・導波層、
45・・・グレーティング、D・・・開口幅、K・・・
格子ベクトル出 願 人   株式会社   リ コ 
一代 理 人   相   木       明、’N
j、、、、’3 d 図 λ
FIG. 1 is a schematic side view showing configuration example 1 of the present invention, FIG. 2 is a schematic side view showing configuration example 2 of the present invention, FIG. 3 is a schematic side view showing configuration example 3 of the present invention, and FIG. The figure shows design example 1 of the present invention.
5 is an explanatory diagram of the spectral distribution for the design, and FIG. 6 is a design example 2 of the present invention.
7 is an explanatory diagram of the spectral distribution for the design, and FIG. 8 is the design example 3 of the present invention.
Fig. 9 is an explanatory diagram of the spectral distribution for its design, Fig. 10 is a characteristic diagram for explaining the present invention in detail, and Fig. 11 is a spectrum when an even number is combined. An explanatory diagram of the distribution, Fig. 12 is an explanatory diagram of the spectral distribution when odd numbers are combined, Fig. 13 is a schematic side view showing a conventional example of a single periodic structure, and Fig. 14 is an explanation of the spectral distribution for its analysis. FIG. 15 is a vector diagram. 12... Waveguide layer, 15... Grating, 22...
... Waveguide layer, 25... Grating, 32... Waveguide layer, 35... Grating, 42... Waveguide layer,
45... Grating, D... Opening width, K...
Lattice vector applicant Rico Co., Ltd.
Akira Aiki, 'N
j,,,'3 d figure λ

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 所定幅の開口内で周期の異なる複数の格子ベクトルを合
成してなる屈折率分布を持たせたグレーティングを導波
層に対して形成したことを特徴とするグレーティングカ
プラ。
A grating coupler characterized in that a grating having a refractive index distribution formed by combining a plurality of grating vectors with different periods within an aperture of a predetermined width is formed in a waveguide layer.
JP11204087A 1987-05-08 1987-05-08 Grating coupler Pending JPS63276004A (en)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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