JPS63298204A - 集光方法及び集光型カツプラ - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、プレーナ型光導波路から外部に光を取り出し
、外部の一点に集光させる方法およびそのために使用さ
れる集光型カップラに関するものである。

〔従来の技術〕

回折格子を利用して光導波路から外部に光を集束させる
集光型カップラは、例えば、光集積ディスクピックアッ
プ用集光グレーテイング二′！Ａ升吾。

栖原敏明、西原浩、小山次部；電子通信学会論文誌ｅ　
ＶｏＱ、Ｊ６８　　Ｃ，Ｎｎ１Ｏ＊　ｐｐ８０３〜８１
１　（１９８５）に開示されている。開示されている集
光型カップラは第３図に示すように、半導体又は誘？！
体もしくはガラスの基板１上の導波路２に形成された不
等間隔曲線形状の回折格子３を用い、導波光４を導波路
表面から直接外部に集束させる構成となっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら前述の従来技術では、例えば光ディスクの
場合のように高密度で記録された情報を読み取る場合、
収束光４の焦点５におけるスポットサイズを小さくする
ために回折格子領域の大きさに比して導波路表面とディ
スク面との距離を小さくしなければならず、このため回
折格子３のピッチは小さくならざるを得なかった。例え
ば前述の文献で論じられている集光型カップラにおいて
、実効屈折率１．５２のガラス導波路の場合、波長０．
７９μｍの半導体レーザを用いて収束光のスポット径（
半値全幅）を１．４μｍにまで小さくして光を収束させ
るための回折格子のピッチは０．５２〜０．７５μｍで
ある。また、まったく同様の集光型カップラを実効屈折
率２．２１　のＴｉ拡散Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏａ導波路上
に形成すると１回折格子のピッチは０．３４〜０．４５
μｍとなる。従つてこのような従来の集光型カップラは
ビーム径の小さいＥＢ（エレクトロンビーム）描画装置
を用いて直接描画する方法かホログラフィックな方法に
より作製せざるを得なかった。このため生産性が悪くコ
スト高になる等の問題があった。

本発明は、屈折率の大きい誘電体基板を用いた場合にお
いても容易に実施することができ、フォトリソグラフィ
ー技術を用いて作製でき１作製コストを大幅に低減でき
る集光方法及び集光型カップラを提供可能とすることを
目的とするものである。

Ｃ問題を解決するための手段〕 前述の問題を解決するためにとられた本発明の集光方法
の構成は、半導体又は誘電体もしくはガラスの基板とそ
の表面に形成された該基板より屈折率の高い導波層より
なる光導波路から、導波光を該光導波路外部に射出させ
かつ該光導波路の外部の一点に集束させる集光方法にお
いて、前記基板の主平面に形成された前記導波層内部ま
たは境界面に、第１の回折格子と第２の回折格子とを、
一方が直線形状、他方が曲線形状に形成し、前記第１の
回折格子で前記導波路内を伝搬する導波光キ を前記基板他の主平面で全反射する角度で該基板内に射
出させ、全反射した光を前記第２の回折格子で基板外部
に回折集束させることを特徴とし、本発明の集光型カプ
ラの構成は、半導体又は誘電体もしくはガラスの基板と
その表面に形成された該基板より屈折率の高い導波層よ
りなる光導波路から、導波光を該光導波路外部に射出さ
せかつ該光導波路の外部の一点に集束させる集光型カッ
プラにおいて、前記導波光の進行方向にＸ軸、前記導波
層上Ｘ軸と直角な方向にｙ軸、Ｘ軸、ｙ軸にそれぞれ直
角な方向に２軸をとり、前記基板の厚さがｈとし、 ｋｏ：光導波路に用いる光の真空中の伝播定数（波数） ｋ０Ｎ：導波光の実効伝搬定数 Ｎｘ　：導波層のＸ軸方向の等偏屈折率ｎ３ａ基板の屈
折率 Δ：第１の回折格子の格子間隔 Λ（ｘ）：第２の回折格子の格子間隔 θ：回折光が光軸となす角 ｍ：回折光の次数 ｑ：整数 ｆ：基板から焦点までの距離 Ｖ：光軸が２軸となす角 ψ：回折格子の格子ベクトルとＸ軸とのなす角 とするす？前記基板の主平面に形成された前記導波層内
部または境界面に、 ２π ｋｏ＜ｋ０Ｎ−−＜ｋｏｎｓ 八 を満足する第１の回折格子と。

を形状方程式とする第２の回折格子とが設けであること
を第１の特徴とし、 を満足し。

ＣＯＳθ ＋ｋ０Ｎｘ：２ｑπ を形成方程式とする第１の回折格子と、を満足する第２
の回折格子とが設けであることを第２の特徴とするもの
である。

〔作用〕

本発明では、導波路内または導波路上に形成した第１の
回折格子によって、導波光を基板内方向だけに、かつ基
板裏面で全反射する角度で回折させることができ、基板
裏面で全反射してきた光を第２の回折格子によって基板
外に出射、集光させることができるようになっており、
所期の目的を達成することができる。

〔実施例〕

以下、実施例について説明する。

第１図は本発明の集光方法の一実施例の実施に使用され
る集光型カップラの説明図で、１は、例えば、ＬｉＮｂ
０ａからなる基板、２は基板１に例えばＴｉを拡散して
形成され基板１より屈折率の高い導波層、７は導波層２
上に形成された、例えばＴ　ｉ　Ｏｘからなる等間隔直
線形状の第１の回折格子、８は同じく不等間隔曲線形状
の第２の回折格子、４は導波光で平行光でも平行光でな
くてもよい。９は第１の回折格子７による回折光。

１０は第２の回折格子による収束光、１１は焦点を示し
ている。

なお、以下の説明では、導波光４の進行方向にＸ軸、導
波層面上Ｘ軸の直角な方向にｙ軸、Ｘ軸。

ｙ軸にそれぞれ直角な方向に２軸をとり、基板の厚さを
ｈとしである。

この集光型カップラでは、第１の回折格子７に入射した
導波光４は第１の回折格子７で基板１側に回折する。基
板１裏面で全反射した第１の回折格子７による回折光は
第２の回折格子８に入射し。

第２の回折格子８で回折して基板１外に集光束１０とし
て出射し、焦点１１に集光する。

次に、第１の回折格子　７及び第２の回折格子８の構成
要件について説明する。

ここでこの光導波路に用いる光の真空中の伝搬定数（波
数）をｋｏ　、導波光４の実効伝搬定数をｋ０Ｎ　　（
Ｎは導波層２の等側屈折率）、基板１の屈折率をｎｔ、
第１の回折格子７の格子間隔をＡ、回折格子７の中心を
Ｘ＝Ｏとする。

第１の回折格子７によるｍ次回折光の伝搬定数Δ 高さは小さいので２方向の位相整合は無視できる八 光４は基板１の側へ回折され、さらにｋｏよりも小さい
と空中へも回折される。従って次の条件２π ｋｏ＜ｋ０Ｎ−＜ｋｏｎｇ　　　　　　−（１）を満た
すように八を選べば１次回折光は基板１側のみに回折さ
れ空中へは出ない、この回折光９のられる。θは回折光
がＸ軸となす角で、θ＝９が基板１の裏面で全反射をお
こす条件は。

であるから、 を満すように八を選べば、回折光９は基板１の裏面で全
反射する。すなわち、第１の回折格子７は格子間陥入が
（１）、　（２）式の条件を同時に満たすように選ばれ
る。

次に、第２の回折格子８においては、第３図に示した従
来例では導波光４を基板外空気中に出射するために、そ
の格子ピッチＡ’　（ｘ）はを満たす必要があったのに
対して、第２の回折格子８の格子ピッチＡ（ｘ）は、 で与えられ、Ａ（ｘ）＞Δ′（Ｘ）となる。回折格子８
のパターンは、ｆを基板表面から焦点までの距離とすれ
ば。

・・・（５） なる形状方程式で与えられる。

従って、ｋｏ：２π１０．７９μｍ−”＊　ｎ５：２．
２．Ｎ＝２．２１の場合、（１）、　（２）、　（４）
式の条件を同時に満たす回折格子のピッチΔ、Δ（ｘ）
−二ソ４−？−／ は１μｍ以上が可能で、これはフォトリソ技術で作製可
能な値である。

以上述べたように、この実施例の集光型カップラでは回
折格子の格子間隔を広くできるため、Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　
Ｏｓのように屈折率の大きい誘電体基板を用いた場合に
おいても通常のフォトリソグラフィー技術を用いて作製
でき、作製コストを大幅に低減できる効果がある。

第２図は本発明の他の実施例の実施に使用される集光型
カップラの説明図で、第１図と同一部分には同一符号が
付してあり、座標軸の取り方も第１図の場合と同一にな
っている。この実施例が第１図の実施例の異なる点は、
導波層２上に形成される２個の回折格子が曲線形状の第
１の回折格子と、直線形状の第２の回折格子とからなっ
ている点である。

この図で、１２は等間、隅面線形状の第１の回折格子、
１３は不等間隔直線形状の第２の回折格子、１４は第１
の回折格子１２による回折光、１５は第２の回折格子１
３による収束光、１６は焦点を示しており、基板１．導
波層２．第１の回折格子１２、第２の回折格子１３は第
１図の実施例と同一材料を用いて作成した。

この集光型カップラでは第１の回折格子１２に入射した
導波光４は第１の回折格子１２で基板１側に回折すると
同様にＸ軸方向に収束作用を受ける。そして基板１裏面
で全反射し第２の回折格子１３に入射し第２の回折格子
１３で回折し、Ｚ軸方向に収束作用を受け、基板１外に
集光束１５として出射し焦点１６に集光する。

次に、第１の回折格子及び第２の回折格子の構成要件に
ついて説明する。なお、使用される符号で第１図の実施
例の場合と同一のものは同一定義のもとに使用されてい
る。この第１の回折格子１２は、Ｘ軸に関し対称であり
、ｙ＝０での接線がｙ軸と平行になるように作製される
０回折格子１２の格子ベクトルとＸ軸とのなす角をｒと
すれば１ｍｍ次回先光伝搬定数のＸ成分、Ｘ成分はそれ
ぞれ ２　π βｘ　＝　ｋ　ｏ　Ｎ　−ｍ−ｃｏｓ　’ｆ’　　　　
　　　　・・・（６）２π βｙ　＝　−ｍ　−５ｉｎ　’ｆ’　　　　　　　　　
　　−（７）八 で与えられる。格子の高さは十分小さいので２方向位相
整合は無視できるので ・・・（８） を満足するようにＡとＴを選べば１次回折光は基板１側
にのみ回折され空気中には出ない。（８）式％式％（９
） となるようにＡ、ψを選べば２次以上の回折光を基板側
、空気側いずれにも出ないようにすることができ回折効
率を高くできる。１次回折光が２軸となす角をθとする
と、位相整合条件は。

２π ｋ　ｏ　Ｎ　−−ｃｏｓ　’ｆ’　＝　ｋ　ｏ　ｎ　５
ｓｉｎθｃｏｓ’Ｐ　−（１０）である。

この回折光が基板１の裏面で全反射をおこす条件は ｓｉｎθ〉□ ｓ であるから ２π ｋ　ｏ　Ｎ　−−ｃ　ｏ　ｓψ 八 となるように八を選べば、回折光は裏面で全反射をおこ
し、目的を達成できる。

また、基板１からの出射光１５は最終的に基板からｆの
距雛でかつＺ軸からマ傾いた点で焦点１６を結ぶので、
回折格子１２の形状方程式は、ｑを整数として、 ２ｈ ＣＯＳθ ＋ｋＯＮＸ＝２ｑπ で与えられる。

第２の回折格子１３の間隔Ａ（Ｘ）は で与えられる。

半導体レーザ光を想定し、ｋｏ＝２π１０．７９、＠ｍ
−’、ｎａ＝２ｅ２．Ｎ：２．２１　　の場合（８）。

（９）、　（１３）式の条件を同時に満たす回折格子の
間隔Ａ、Ａ（ｘ）はともに２μｍ以上となり、フォトリ
ソグラフィー技術を用いても十分形成できる値となる。

この実施例の集光型カップラも第１図の実施例と同様の
効果を得ることができる。

以上の如く、これらの実施例の集光型カップラは１回折
格子の格子間隔を広くできるので、屈折率の大きい誘電
体基板を用いた場合においても。

容易に集光を実施することができ、通常のフォトリソグ
ラフィー技術を用いて作製することができ。

作製コストを大幅に低減することができる。

〔発明の効果〕

本発明は、屈折率の大きい誘電体基板を用いた場合にお
いても容易に実施することができ、フォトリソグラフィ
ー技術を用いて作製でき、作製コストを大幅に低減でき
る集光方法及び集光型カップラを提供可能とするもので
、産業上の効果の大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の集光方法のそれぞれ異なる
実施例の実施に使用される集光型カップラの説明図、第
３図は従来の集光型カップラの説明図である。 １・・・基板、２・・・導波層、４・・・導波光、７・
・・第１の回折格子、８・・・第２の回折格子、９・・
・（第１の回折格子による）回折光、１０・・・（第２
の回折格子（ほか１名）−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体又は誘電体もしくはガラスの基板とその表面
   に形成された該基板より屈折率の高い導波層よりなる光
   導波路から、導波光を該光導波路外部に射出させかつ該
   光導波路の外部の一点に集束させる集光方法において、
   前記基板の主平面に形成された前記導波層内部または境
   界面に、第１の回折格子と第２の回折格子とを、一方が
   直線形状、他方が曲線形状に形成し、前記第１の回折格
   子で前記導波路内を伝搬する導波光を前記基板の他の主
   平面で全反射する角度で該基板内に射出させ、全反射し
   た光を前記第２の回折格子で基板外部に回折集束させる
   ことを特徴とする集光方法。 ２、半導体又は誘電体もしくはガラスの基板とその表面
   に形成された該基板より屈折率の高い導波層よりなる光
   導波路から、導波光を該光導波路外部に射出させかつ該
   光導波路の外部の一点に集束させる集光型カップラにお
   いて、前記導波光の進行方向にｘ軸、前記導波層上ｘ軸
   と直角な方向にｙ軸、ｘ軸、ｙ軸にそれぞれ直角な方向
   にｚ軸をとり、前記基板の厚さをｈとし、ｋ＿０：光導
   波路に用いる光の真空中の伝 播定数（波数） ｋ＿０Ｎ：導波光の実効伝搬定数 Ｎ＿ｘ：導波層のｘ軸方向の等価屈折率 ｎ＿ｓ：基板の屈折率 Λ：第１の回折格子の格子間隔 Λ（ｘ）：第２の回折格子の格子間隔 θ：回折光がｘ軸となす角 ｍ：回折光の次数 ｆ：基板から焦点までの距離 Ψ：光軸がｚ軸となす角 とするとき、前記基板の主平面に形成された前記導波層
   内部または境界面に、 ｋ＿０＜ｋ＿０Ｎ−（２π／Λ）＜ｋ＿０ｎ＿ｓ〔ｋ＿
   ０Ｎ−（２π／Λ）〕−２π／Λ（ｘ）＜ｋ＿０を満足
   する第１の回折格子と、 Ｎｘｃｏｓθ＋√〔ｘ＾２＋（ｙ−ｆｓｉｎΨ）＾２＋
   （ｆｃｏｓΨ）＾２〕＝ｍ（２π／ｋ＿０）＋ｆθ＝ｃ
   ｏｓ＾−＾１｛〔ｋ＿０Ｎ−（２π／Λ）〕／ｋ＿０ｎ
   ＿ｓ｝を形状方程式とする第２の回折格子とが設けてあ
   ることを特徴とする集光形カップラ。 ３、半導体又は誘電体もしくはガラスの基板とその表面
   に形成された該基板より屈折率の高い導波層よりなる光
   導波路から、導波光を該光導波路外部に射出させかつ該
   光導波路の外部の一点に集束させる集光型カップラにお
   いて、前記導波光の進行方向にｘ軸、前記導波層上ｘ軸
   と直角な方向にｙ軸、ｘ軸、ｙ軸にそれぞれ直角な方向
   にｚ軸をとり、前記基板の厚さをｈとし、ｋ＿０：光導
   波路に用いる光の真空中の伝 播定数（波数） ｋ＿０Ｎ：導波光の実効伝搬定数 ｎ＿ｓ：基板の屈折率 Λ：第１の回折格子の格子間隔 Λ＿２（ｘ）：第２の回折格子の格子間隔 θ：回折光がｚ軸となす角 ｍ：回折光の次数 ｑ：整数 ｆ：基板から焦点までの距離 ψ：回折格子の格子ベクトルとｘ軸と のなす角 Ψ：光軸がｚ軸となす角 とするとき、前記基板の主平面に形成された前記導波層
   内部または境界面に、 ｋ＿０＾２＜｛ｋ＿０Ｎ−〔（２π／Λ）ｃｏｓψ〕｝
   ＾２＋〔（２π／Λ）ｓｉｎψ〕＾２＜ｋ＿０＾２ｎ＿
   ｓ＾２を満足し、 ｋ＿０ｎ＿ｓ（２ｈ／ｃｏｓθ） ＋ｋ＿０√〔（ｘ−２ｈｃｏｓψｔａｎθ−ｆｃｏｓΨ
   ）＾２＋（ｙ−２ｈｓｉｎψｔａｎθ）＾２＋（２ｈ＋
   ｆｓｉｎΨ）＾２〕＋ｋ＿０Ｎｘ＝２ｑπ を形状方程式とする第１の回折格子と、 ２π／Λ（ｘ）＝ｋ＿０［ｎ＿ｓｓｉｎθ−｛（ｆｃｏ
   ｓΨ−ｘ＋２ｈｔａｎθ）／√〔（ｆｓｉｎΨ−ｘ＋２
   ｈｔａｎθ）＾２〕｝］を満足する第２の回折格子とが
   設けてあることを特徴とする集光形カップラ。