JPS63311205A - 導波路形集光器 - 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、光導波路中を導波されるコヒーレント光束を
該光導波路外に出射して集光させる導波路形集光器に係
シ、特に小形軽量化を目的として光学素子群を１チツプ
に集積した光ピツクアップ用に好適な、かかる導波路形
集光器に関する。

〔従来の技術〕

従来、光学式情報記録媒体に対して情報の記録再生を行
う光ピツクアップとして、たとえば特開昭５７−２０５
８３３号公報に示されるように、半導体レーザ、コリメ
ータレンズ、偏光ビームスプリッタ、１／４波長板、対
物レンズ、光検出器などの光学素子によって光学系を構
成したものが実用化されている。このような構成の光ピ
ツクアップは、光学系が複雑で組み立て時に高精度の光
軸調整が必朝であるほか、小形軽量化に限界があシ情報
の記録再生時におけるアクセス速度を高速にできないと
いう問題点がある。

上記の問題点の解決をねらって、たとえば特開昭６１−
８５６３７号公報に示されるように、１枚の基板の上に
光学素子群を１チツプに集積した光ピツクアップが提案
されている。この構成の光ピツクアップにおいては、集
光グレーティングカプラを用いて、光導波路中を導波さ
れるコヒーレント光束を該導波路の外にある情報記録媒
体の情報記録面上に集光させる。

上記の集光グレーティングカプラは、光導波路表面の形
状変化、ｉたは光導波路内部の屈折率変化として設けら
れたグレーティング（回折格子）の１種である。このグ
レーティングのパターン形状は、一般的なグレーティン
グに見られるような平行で等間隔の直線群ではなく、間
隔が等しくなくかつ交差しない多数の曲線からなる曲線
群である。

この曲線群の曲線形状は、光導波路中を導波される光束
の位相と、集光グレーティングカプラから集光点への集
光光束の位相との、位相整合条件から決まる２次曲線状
であることが多い。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の集光グレーティングカプラによシコヒーレント光
束を集光させる場合は、情報記録媒体の情報記録面上の
ただ１点に光束が集光されるわけではなく、厳密には中
心となる集光点のまわシに、メツシュ状に多数の副業光
点が生じる。

これは、集光グレーティングカプラから出射された集光
光束の、情報記録面における光振幅分布が、光導波路か
らの出射面、すなわち集光グレーティングカプラの配設
された部分における光振幅のステップ状の変化（光束の
出射面では出射部分と出射しない部分との境界で必ずス
テップ状の強度変化が発生する）のフーリエ変換波形に
なっていることに起因する。

メツシュ状の多数の副業光点の光強度は、中心となる集
光点よシ光強度は小さく、また中心となる集光点から遠
くなるほど光強度は小さくなる。

したがって、中心となる集光点を情報の記録再生用に使
用すればよい。しかしながらこの場合、中心となる集光
点に隣接する副業光点の光強度が、中心となる集光点の
光強度の数％前後となシ、これに伴って中心となる集光
点のスポット径は、Ｃ全＠（光スポットの中心部の一番
強度の強い所を１としたとき、中心部からそれて光強度
がＩ　Ｘ　ｅ−２にまで低下する個所のスポット径を云
う）で２μｍ以上とな）、１６μｍ程度のトラックピッ
チを有する情報記録媒体に対しては、スポット径が実用
上十分小さくなっていないという問題点があった。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、中心
となる集光点のまわシのメツシュ状の副業光点の光強度
を実効的に低減して、中心となる集光点のスポット径を
十分小さく絞ることができ、光学素子群を１チツプに集
積した光ピックアップ姥 の性能向上をはかることが可納となる導波路形集光器を
提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明による導波路形集光
器においては、集光グレーティングカプラを複数個、そ
の各々のグレーティングカプラか外 ら出射された光束が該光導波路の空間に位置するΔ 成る共通な一点を集光点として集光するように相対的に
位置決めして配置すると共に、各グレーティングカプラ
から出射されて前記集光点に集光するに至った各光束の
位相の差が、はぼ零または２πの整数倍になるように、
前記各光束の光源から前記集光点に至るまでの光路長を
定めた。

第５図は上記の光路長の定め方の概念図であシ、同図に
訃いて、３は光導波路、４ａ、４ｂは集光グレーティン
グカプラ、１７はレーザ光源、１８はビームスプリッタ
、１９ａ、１９ｂは反射器、２０．２１ａ、２１ｂ、２
２ａ、２２ｂは光導波路３中を導波される光束、２３ａ
、２５ｂはそれぞれ集光グレーティングカプラ４ａ、４
ｂから出射された光束、点Ｐはレーザ光源１７からの光
束２０の出射位置、点Ａはビームスプリッタ１８による
光束２１ａ、２１ｂの分岐点、点Ｂ！、Ｂｂは反射器１
９ａ、１９ｂＫよる光束２２ａ、２２ｂの反射点、点Ｃ
ａ、Ｃｂは光束２５ａ、２３ｂの集光グレーティングカ
プラ４ａ＊４ｂからの出射点、点Ｑは集光グレーティン
グカプラ４ａ、４ｂの共通の集光点である。

第５図において、点ＡＢａ間２点ＡＢｂ間２点ＢａＣａ
間９点ＢｂＣｂ間２点ＣａＱ間２点ＣｂＱ間の距離をそ
れぞれＡＢａ、ＢａＣａ、ＢｂＣｂ。

ＣａＱ、ＣｂＱとし、光導波路中の光束の実効的な波長
をλ１．光導波路外の光束の波長をλ。とすると となるように各光束の光路長を設計すればよいわけであ
る。

光導波路中の実効的な波長は、光導波路の厚さ。

屈折率から定まる導波モードによって変化するので、局
部的に光導波路の厚さや屈折率を変化させた設計も可能
である。たとえば点ＢａＣａ間の一部を長さｔにわたっ
て波長λ２に変化させた場合、と置きかえた式に基づい
て、各光束の光路長を股　　。

計することができる。

〔作用〕

上記の構成の導波路形集光器においては、各集光グレー
ティングカプラから出射した集光光束の中心となる集光
点は全て共通の同一位置にあル、またその集光点におい
ては、各集光グレーティングカプラからの集光光束の位
相の差がほぼ０または２πの整数倍となっているので、
集光点における光振幅は、各集光グレーティングカプラ
による光振幅の和となシ、この光振幅の２乗に比例した
光強度が得られる。

一方、各集光グレーティングカプラは、上記のように位
置決めして配置した結果、その光軸（グレーティングカ
プラに入射した平行光のその入射方向に沿った軸）が相
互に交差することになるので、中心となる集光点のまわ
シの副集光点は、他カプラからのそれとほとんど重なる
ことがない。

したがって、中心となる集光点の光強度が強くなるのに
比較して、副集光点の光強度は相対的Ｋかなプ小さく押
えることが可能とな〕、中心となる集光点の集光スポッ
トは尖鋭なものとなる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例としての導波路形集光器を示
す斜視図である。同図において、１はＳｉ（シリコン）
基板、２はバッファ層、３は光導波路である。バッファ
層２は、鏡面研磨されたＳｉ基板１０表面を、熱酸化に
よシ厚さ１〜２μｍの５ｉ０２膜とすることＫよシ形成
でき、また光導波路３は、バッファ層２の表面にバリウ
ム硼硅酸ガラス、たとえば米国コーニンググラスワーク
ス社製７０５９番ガラスを、高周波スパッタなどの成膜
方法によ〕α６〜１ｐｍ程度形成し、次にｃｏ２（二酸
化炭素）ガスレーザなどにょシ徐冷点（７０５９番ガラ
スでは６３９℃）程度の温度の７エールを行うことによ
シ形成できる。

４　ａ　ｅ　４　ｂは光導波路３上に形成された集光グ
レーティングカプラ、５ａｓ５ｂはそれぞれ集光グレー
ティングカプラ４ａ、４ｂの光軸、６は集光グレーティ
ングカプラ４ａ、４ｂの共通の集光点である。集光グレ
ーティングカプラ４ａｍ４ｂは、光軸５ｍ、５ｂが互い
に４５°の角度で交差するように配設すると所期の目的
達成に好都合である。

第１図においては、図の繁雑さを避けるため、集光グレ
ーティングカプラ４ｇ、４ｂのパターン形状は示さず、
配設位置のみ示した。パターン形状については後述する
。

集光グレーティングカプラ４ａ、４ｂは、公知のフォト
リングラフィ技術や電子線描画技術２反応性イオンエツ
チング技術等によシ、光導波路３上に形成されている。

７は半導体レーザで、光導波路３の端面に固定されてい
る。８は７レネルレンズ、９は透過形グレーティング、
１０ａ、１０ｂは反射形グレーティングである。

フレネルレンズ８、透過形グレーティング９、反射形グ
レーティング１０ａ、１０ｂは、いずれも集光グレーテ
ィングカプラ４ａ、４ｂと同様の技術によシ、光導波路
３上に形成されている。また透過形グレーティング９０
回折効率は５０％になるように設計されている。つｔｂ
光束の半分を透過させて一方に分岐し、残シの半分を他
方へ分岐させている。反射形グレーティング１０ａ、１
０Ｌの回折効率は９０％以上になるように設計されてい
る。

１１は半導体レーザ７から光導波路３への入射光束、１
２，１３ａ、１３ｂ、１４ｍ、１４ｂは光導波路３内を
導波される平行光束、１５ａ、１５ｂはそれぞれ集光グ
レーティングカプラ４ａ。

４ｂから出射された集光光束である。

第１図において、半導体レーザ７からの出射光は、光導
波路３の端面から入射され、光束１１となシ、さらにフ
レネルレンズ８によって平行光束１２となる。平行光束
１２は、回折効率５０％の透過形グレーティング９によ
って、平行光束１３ａ、１３ｂに２等分される。平行光
束１５ａ、１３ｂはそれぞれ反射形グレーティング１ｏ
ａ、１０ｂＫよって反射され、平行光束１４ａ、１４ｂ
となシ、それぞれ集光グレーティングカプラ４ａ。

４ｂＫよって光導波路３から外部の空間中に出射されて
集光光束１５ａ、１５ｂとなシ、共通の集光点６に集光
される。

透過形グレーティング９から反射形グレーティング１０
ａ、集光グレーティングカプラ４ａを経て集光点６へ至
る光束ｊ５ａｖ　１４ａ＋　１５ａの光路長と、透過形
グレーティング９から反射形グレーティング１０ｂ、集
光グレーティングカプラ４ｂを経て集光点６へ至る光束
１．５ｂ、１４ｂ。

１５ｂの光路長は、集光点６において光束１５ａと１５
ｂの位相の差がほぼ、Ｏま念は２Ｋ（Ｄ整数倍になるよ
うに設計されている。

この場合、光束１３ａと１５ｂ、１４ａと１４ｂ、１５
ａとｔｓｂを、それぞれ単純に光路長を等しく、または
光束の波長の整数倍となる寸法だけ光路長に差があるよ
うに設計する方法のほか、光導波路３の厚さを局部的に
薄くして光導波路中の光束の導波モードの波長を変化さ
せる方法や、光導波路材料によっては光導波路中の屈折
率分布を公知のプロトン交換技術、金属拡散技術、イオ
ンドーピング技術などの方法によって局部的に変化させ
て光導波路中の光束の導波モードの波長を変化させる方
法などを、適宜併用して設計すればよい。

次に集光グレーティングカプラ４ａ、４ｂのパターン形
状について説明する。

第２図（ａ）は、集光グレーティングカプラ４ａの平面
図であシ、第２図（ｂ）は同断面図であシ、第１図にお
けるのと同一部分には同一符号を付し、その説明を省略
する。また、集光グレーティングカプラ４ｂも４ａと同
様であるので、その説明は省略する。

第２図（ａ）、（ｂ）に示すようＫ、光導波路３中の平
行光束１４ａが、集光グレーティングカプラ４ａによっ
て集光点６へ集光する場合を考える。集光グレーティン
グカプテのパターン形状（第２図（ａ）に示す集光グレ
ーティングカプラの曲線）は、周知のように光導波路３
中の平行光束１４ａの位相と、集光光束１５ａの位相と
の位相整合条件から求めることができる。

第２図（ａ）、（ｂ）Ｋ示すようＫｘ　ｙ　ｚ軸を定め
、半導体レーザ７からのレーザ光の真空中における波長
をλ、光導波路の実効屈折率をＮｅ、集光光束１５ａの
出射角をθ、焦点距離をｆとすると、ｘｙ平面における
平行光束１４ａの位相Φ１は、Ｘ軸を基準にすると またｘｙ平面における集光光束１５ａの位相Φ２は、集
光点６の位置を基準にすると ・・・・・・（２） となる。グレーティングのｍ番目（ｍは整数）のライン
の形状は次式から決定でれる。

Φ１−Φ２＝２ｍπ十定数　　　　　　・・・・・・（
３）したがってｘ　＝　ｙ　＝　Ｏでｍ＝ｏとなるよう
に定数を決めると次の形状式が得られる。

＝ｍλ＋ｆ　　　　　　　　　　・・・・・・（４）集
光点６の位置を決めるとｆとθが決ま９、式（４）から
集光グレーティングカプテのパターン形状が求められる
が、以上のことは既に良く知られた事柄である。

次に集光グレーティングカプラ４ａ、４ｂの集光特性に
ついて説明する。

集光グレーティングカプラ４ａ、４ｂから出射される集
光光束１５ａ、１５ｂの光振幅分布は一様ではなく、第
２図（ａ、）の１７平面上で見ると、Ｘ方向にはガウス
分布、Ｘ方向には指数関数分布となる。これは、Ｘ方向
については光源の半導体レーザの出射光の光振幅分布、
Ｘ方向については集光光束１５ａ、１５ｂの出射による
減衰にそれぞれ起因している。したがって、集光光束１
５ａ。

ｉｓｂのｘｙ平面における光振幅分布Ａ（ｘ、ｙ）は、
ｘ−ｙ−０における光振幅をＡＯ，光導波路３中の平行
光束１４ａ、１４ｂのｅ　半幅をｗ１放射損失係数をα
とすると ここで簡単のため、第２図（ａ）において集光グレーテ
ィングカプラがＩＸＩ≦ｚ＊ｌｙｌ≦Ｔの範囲ＫＴｏＪ
）、また第２図（ｂ）においてθ−０の場合を考えると
、集光面Ｃｚ−ｆ）における光振幅分布Ａ（ｘ＊ｙ）は
上記のＡ（ｘ、ｙ）の７−リエ変換とな〕、次式のよう
になる。

・・・・・・（６） 上記式（６）はＸに関する積分とｙに関する積分が分離
でき、次のようになる。

Ａ（Ｘ、Ｙ）＝Ａｏ−ＡＸ（Ｘ）　・Ａｙ（Ｙ）　　　
””　（７）ここに、 である。

第５図（ａ）、（ｂ）は、上記式（８）及び式（９）の
積分結果でＴｏシ、これによシ集光グレーティングカプ
ラの集光点付近の光振幅分布を説明する。

１つの集光グレーティングカプラによる集光スポットの
、ＸＹ千面における光振幅分布は、第３図（ａ）に示す
Ｘ方向の光振幅分布と、第５図（ｂ）Ｋ示すＹ方向の光
振幅分布との積で躯見られる。したがって、集光スポッ
トは、ｘ−ｙ−ｏの位置に光強度の最大となる集光点が
現われ、その範囲にメツシエ状に多数の副業光点が現わ
れることがわかる。

し九がって、本実施例では、２つの集光グレーティング
カプラを、その光軸が４５＠の角度で交差するようにし
て光強度が最大となる集光点が２つの集光グレーティン
グカプラ、で空間中の１点で重なるように配設し、さら
に各集光グレーティングカプラからの出射光の位相が上
記の共通の集光点において峰ぼ一致するように各光路長
を定めであるので、共通の集光点くおける光振幅は、各
集光グレーティングカプラによる光振幅の和となシ、こ
の光振幅の２乗に比例した光強度が得られる。

一方、２つの集光グレーティングカプラの副集光点はほ
とんど重まることがないため、共通の集光点の光強度に
比較して副菜光点の光強度は実効的にかな夛小さく押え
ることが可能となシ、共通の集光点の集光スポットはｅ
　全幅で１．５μｍ程度の尖鋭なものとなる効果がある
。

次に、本発明の第２の実施例を第４図により説明する。

第４図は本発明の第２の実施例としての導波路形集光器
を示す斜視図である。同図において、７ａ、７ｂは半導
体レーザ、８ａ、８ｂは光導波路３上に形成されたフレ
ネルレンズ、１　ｊａ、　１　ｌｂはそれぞれ半導体レ
ーザ７ａ＋７ｂから光導波Ｉ、８３への入射光束、１６
は半導体レーデ７ａ、７ｂを位相同期発振させる位相同
期手段である。また、グレーティングカプラ４ａ　、４
ｂは、光軸５ａ、５ｂが１３５＠の角度で交差するよう
に配設されている。

その龍笛１図におけるのと同一部分には同一符号を付し
、その説明を省略する。

第４図において、半導体レーザ７ｍ、７ｂからの出射光
は、それぞれ光導波路３の端面から入射され、光束１１
ａ、１１ｂとなシ、さらにフレネルレンズ８ａ＋８ｂに
よって平行光束ｊ４ａ＋１４ｂとなる。さらに集光グレ
ーティングカプラ４ａ、４ｂによって光導波路３から外
部の空間中に出射されて集光光束１５ａ、１５ｂとなシ
、共通の集光点６に集光される。

一方、半導体レーザ７ａ、７ｂは、位相同期手段１６に
よって位相同期発振するように構成され、さらに、半導
体レーザ７ａからフレネルレンズ８ａ、集光グレーティ
ングカプラ４ａを経て集光点６に至る光束１１ａ＋１４
ａ、１５ａの光路長と、半導体レーザ７ｂからフレネル
レンズ８ｂ１集光グレーテイングカプラ４ｂを経て集光
点乙に至る光束１１ｂ、１４ｂｉ５ｂの光路長は、集光
点６において光束１５ａと１５ｂの位相の差が、第一の
実施例と同様に、はぼ、０または２πの整数倍になるよ
うに設計されている。

逆の云い方をすると、上述の半導体レーザ７ａから集光
点６に至る光路長と半導体レーザ７ｂから集光点６に至
る光路長が実効的に等しくなるように、同期手段１６に
おける位相同期を定めることもできる。

したがって、本実施例の導波路形集光器によっても、第
一の実施例と同様に、共通の集光点の光強度に比較して
副菜光点の光強度は実効的に小さくなシ、共通の集光点
の集光スポットとしてｅ−２全幅で１５μｍ程度の尖鋭
なものが得られる効果がある。

以上の第一の実施例、第二の実施例においては、集光グ
レーティングカプラ４ａ、４ｂの光軸５ａ。

５ｂの交差角をそれぞれ４５°、１３５°としたが、必
ずしもこの角度に限定されるわけではなく、おおむねＯ
ａ付近、９０°付近を除いていかなる角度でも同様の効
果がある。また、第１図、第４図において、集光グレー
ティングカプラ４ａ、４ｂは互いに１点で接するように
配置されているが、離れていても全く問題はない。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らか表ように、本発明によれば、各集
光グレーティングカプラから出射した集光光束の光強度
が最大となる集光点は全て共通の同一位置にあシ、また
その集光点においては、各集光グレーティングカプラか
らの集光光束の位相の差がほぼ、０または２πの整数倍
となるので、集光点における光振幅は各集光グレーティ
ングカプラによる光振幅の和となシ、この光振幅の２乗
に比例した光強度が得られる。

一方、各集光グレーティングカプラの副菜光点はほとん
ど重なることがないため、共通の集光点の光強度に比較
して副菜光点の光強度は実効的にかなシ小さく押えるこ
とが可能と彦り、共通の集光点の集光スポットはｅ　全
幅でｔ５μｍ５μｍ程鋭なものとなる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としての導波路形集光器を示
す斜視図、第２図（ａ）は集光グレーティングカプラの
平面図、第２図（ｂ）は同断面図、第３図は集光グレー
ティングカプラによる集光点付近の光振幅分布を説明す
るための波形図、第４図は本発明の第２の実施例として
の導波路形集光器を示す斜視図、第５図は本発明による
光路長の定め方の概念図、である。 符号の説明 １・・・・・・Ｓｔ基板、２・・・・・・バッファ層、
３・・・・・・光導波路、４ａ、４ｂ・・・・・・集光
グレーティングカブラ、６・・・・・・集光点 代理人　弁理士　並　木　昭　夫 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に形成された光導波路と、該光導波路内また
   はその表面上に形成されていて該光導波路を伝播する光
   束を該光導波路外の空間へ出射し集光させる集光グレー
   テイングカプラと、から成る導波路形集光器において、 前記集光グレーテイングカプラを複数個、その各々のグ
   レーテイングカプラから出射された光束が該光導波路外
   の空間に位置する或る共通な一点を集光点として集光す
   るように相対的に位置決めして配置すると共に、各グレ
   ーテイングカプラから出射されて前記集光点に集光する
   に至つた各光束の位相の差が、ほぼ零または２πの整数
   倍になるように、前記各光束の光源から前記集光点に至
   るまでの光路長を定めたことを特徴とする導波路形集光
   器。 ２、特許請求の範囲第１項記載の導波路形集光器におい
   て、前記集光グレーテイングカプラの個数は２であり、
   各々のグレーテイングカプラは、共通の光源からの光束
   を光束分割素子としての透過形グレーテイングにより分
   割されて入射されることを特徴とする導波路形集光器。 ３、特許請求の範囲第１項記載の導波路形集光器におい
   て、前記複数個の集光グレーテイングカプラの各々は、
   それぞれお互いに一定の位相同期関係をもつて発振する
   複数個のレーザ光源の各々からの光束を入射されること
   を特徴とする導波路形集光器。