JPH01107214A - 光導波路素子 - 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） 本発明は先導波路素子、特に詳細には光導波路の表面に
回折格子を備え、導波光をこの回折格子によって光導波
路外へ出射させ、あるいは外部光をこの回折格子によっ
て先導波路内に入射させるようにした先導波路素子に関
するものである。

（従来の技術） 例えば光走査記録装置や光走査読取装置等において光ビ
ームを偏向させる光偏向装置として、従来より、ガルバ
ノメータミラーやポリゴンミラー等の機械式光偏向器や
、ＥＯＤ　（電気光学光偏向器）　、ＡＯＤ　（音響光
学光偏向器）が多く用いられている。しかし機械式光偏
向器においては、耐久性に難がある、大型化しやすいと
いった問題があり、一方ＥＯＤやＡＯＤにおいては、光
偏向角が大きく取れないのでビーム光路が長くなり、光
走査記録装置等の大型化を招くといった問題がある。

上述のような問題を解消しうる光偏向装置として近時、
先導波路を用いる光偏向装置が注目されている。この光
偏向装置は、表面弾性波が伝播可能な材料から形成され
たスラブ状の先導波路と、この先導波路内を導波する光
ビームと交わる方向に進行して周波数が連続的に変化す
る表面弾性波を該先導波路において発生させる手段（例
えば交叉くし形電極対と、この電極対に周波数が連続的
に変化する交番電圧を印加するドライバとから構成され
る）とを有するものである。この光偏向装置においては
、先導波路内を導波する光ビームが表面弾性波との音響
光学相互作用によりブラッグ回折し、そしてこの回折角
は表面弾性波周波数に応じて変化するので、表面弾性波
周波数を上述のように変えることにより、光ビームを先
導波路内において連続的に偏向させることができる。こ
うして偏向させた光ビームは、例えば先導波路の表面に
形成した回折格子（グレーティングカブラ）やプリズム
カブラ等によって先導波路外に出射させることができる
。なおこのような光偏向装置については、例えば特開昭
６２−７７７６１号公報に詳しい記載がなされている。

−（発明が解決しようとする問題点） ところで、光偏向装置によって記録媒体上に光ビームを
走査させて画像を記録する場合、高精細な画一像を記録
するためには、走査ビームを小さなスポットに絞り、し
かもその光強度分布が少なくともビーム副走査方向に亘
ってガウス分布をとるようにすることが求められる。

ところが、前述のような回折格子を用いて先導波路から
導波光を外部に出射させる場合は、上記のような光強度
分布のビームスポットを得ることは極めて困難となって
いる。すなわち第５図に示すように、基板４０上の光導
波路４１の表面に格子高さやピッチが一定に揃った線状
回折格子４２を形成して導波光４３を先導波路外に出射
させる場合、出射ビーム４３“の光強度は図中曲線ｇで
示すように、導波光４３の進行方向に沿って指数関数的
に漸次低下するものとなる。この第５図に示すように先
導波路に導波光を進行させて、表面弾性波により該導波
光を偏向させる場合、その偏向方向（主走査方向）はこ
の図の紙面に交わる方向であり、副走査方向は図中の矢
印Ｖ方向となる。つまり出射ビーム４３゛　は、この副
走査方向に沿って指数関数的に漸減あるいは漸増する光
強度分布を有するものとなってしまうので、この方向に
沿って光強度分布がガウス分布となるようなビームスポ
ットを得ることは非常に難しくなるのである。

以上、回折格子によって導波光を光導波路外に出射させ
る場合の問題について述べたが、このような回折格子に
よって外部光を先導波路内に入射させることも従来から
広く行なわれており、その場合は、入射結合効率が低下
するという問題が生じる。すなわち光出射の場合と光入
射の場合の相反定理から導かれる通り、光入射の場合は
、入射させる光ビームが第５図の曲線ｇで示すような光
強度分布を有するものでなければ、全体的に効率良く光
導波路内に入射し得ないことになる。各種レーザ等の光
源から発せられる光ビームは、通常光強度分布がビーム
径方向にガウス分布をとるのが一般的であり、このよう
な光ビームを上記のように指数関数的に漸減（漸増）す
る光強度分布を有するビームに整形することは、非常に
困難である。

そこで本発明は、光導波路表面に形成した回折格子によ
って導波光を光導波路外に出射させる場合、あるいは外
部光を光導波路内に入射させる場合に、以上述べたよう
な問題を生じることのない光導波路素子を提供すること
を目的とするものである。

（問題点を解決するための手段及び作用）本発明の先導
波路素子は、先に述べたように先導波路の表面に、該先
導波路内を進行する導波光を外部に出射させ、あるいは
外部光を先導波路内に入射させる回折格子が形成された
光導波路素子において、回折格子のアスペクト比（格子
ピッチに対する格子の格子並び方向厚さの比率）を、導
波光を該回折格子によって先導波路外に出射させたとき
、出射光の強度分布が導波光の進行方向に沿って略ガウ
ス分布となるように、該方向に沿って変化させたことを
特徴とするものである。

（実　施　例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第１図および第２図はそれぞれ、本発明の一実施例によ
る光導波路素子１０を示す側面図と斜視図　゛である。

この先導波路素子ｌＯは一例として、画像記録用の光偏
向器を構成するものであり、透明な基板１６上に形成さ
れたスラブ状先導波路１１と、この光導波路１１の側端
部に設けられた交叉くし形電極対（Ｉ　ｎｔｅｒ　　Ｄ
　１ｇ１ｔａｌ　　Ｔ　ｒａｎｓｄｕｃｅｒ　、以下■
ＤＴと称する）　１５と、この先導波路１１の表面にお
いて互いに離して設けられた光入射用線状回折格子（Ｌ
ｉｎｅａｒ　Ｇｒａｔｉｎｇ　　Ｃｏｕｐｌｅｒ：以下
ＬＧＣと称する）２０および光出射用ＬＧＣ２１とを有
している。また基板１６の光導波路１１と反対側の表面
ｌｅａ上には、光入射用プリズム３０と、光出射用プリ
ズム３１が取り付けられている。光入射用プリズム３０
は断面三角形状のもので、第１の光通過面Ｂｏａと第２
の光通過面３０ｂを有し、上記第１の光通過面３０ａが
基板表面１６ａに強く押圧されることにより、あるいは
高屈折率の接若剤を用いる等により、該表面１６ａに密
着固定されている。光出射用プリズム３１も上記光入射
用プリズム３０と同様の形状とされ、第１の光通過面３
１ａ１第２の光通過面３１ｂを有じ、上述と同様にして
基板ｌｅａに固定されている。

本実施例においては一例として、基板１６にＬｉＮｂｏ
３ウェハを用い、このウェハの表面にＴｉ拡散膜を設け
ることにより先導波路１１を形成している。なお基板１
６としてその他サファイア、Ｓｉ等からなる結晶性基板
が用いられてもよい。また光導波路１１も上記のＴｉ拡
散に限らず、基板１６上にその他の材料をスパッタ、蒸
着する等して形成することもできる。なお先導波路につ
いては、例えばティー　タミール（Ｔ、　　Ｔａｌ１ｉ
ｒ）編「インチグレイテッド　オブティクス（Ｉ　ｎｔ
ｅｇｒａｔｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ）Ｊ（）ピックス　イン
　アプライド　フィジックス（Ｔｏｐｉｃｓ　ｉｎ　　
Ａｐｐｌｉｅｄ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ）第７巻）スブリン
ガー　フエアラーグ（’Ｓ　ｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌ
ａｇ）刊（１９７５）；西原、音名、楢原共著「光集積
回路」オーム社刊（１９８５）等の成著に詳細な記述が
あり、本発明では先導波路１１としてこれら公知の光導
波路のいずれをも使用できる。ただしこの先導波路１１
は、上記Ｔｉ拡散膜等、後述する表面弾性波が伝播可能
な材料から形成される。また先導波路は２層以上の積層
構造を有していてもよい。

記録光を発する半導体レーザ１８は、光入射用プリズム
３０の第２の光通過面３０ｂに向けて垂直に光ビーム（
レーザビーム）１３を射出するように配置されている。

発散ビームであるこの光ビーム１３は、コリメーターレ
ンズ２５によって平行ビームとされた上で上記第２の光
通過面３０ｂから光入射用プリズム３０内に入射し、そ
の第１の光通過面３０ａを通過して基板１６内に入射し
、光導波路１１を透過して、その表面に形成された前記
ＬＧＣ２０の部分に入射する。それにより光ビーム１３
はこのＬＧＣ２０で回折して先導波路１１内に入射し、
該先導波路ｌｌ内を導波モードで矢印Ａ方向に進行する
。

画像記録を行なう際には、例えばエンドレスベルト等の
移送手段２２上に感光体２３がセットされる。

そして半導体レーザ１８はレーザ駆動回路１９により、
レーザビーム１３を射出するように駆動され、それとと
もにＩＤＴ１５には、駆動回路１７から連続的に周波数
が変化する交番電圧が印加される。なおレーザ駆動回路
１９は変調回路２４によって制御され、画像信号Ｓに応
じて光出力を変えるように（すなわち光ビーム１３の強
度や、光ビーム１３をパルス状に射出する場合はパルス
数やパルス幅を変えるように）半導体レーザ１８を駆動
する。

ＩＤＴ１５に上述のような電圧印加がなされることによ
り、先導波路１１の表面を表面弾性波１２が第２図の矢
印Ｂ方向に進行する。ＩＤＴ１５は、この表面弾性波１
２が導波光（平行ビュム）　１３°の光路に交わる方向
に進行するように配設されている。

したがって導波光１３’　は、表面弾性波１２を横切る
ように進行するが、その際該導波光１３′　は表面弾性
波１２との音響光学相互作用によりブラッグ（Ｂｒａｇ
ｇ）回折する。周知の通り、この回折による導波光１３
′　の偏向角は、表面弾性波１２の周波数にはぼ比例す
る。前述の通り駆動回路１７はＩＤＴ１５に、周波数が
連続的に変化する交番電圧を印加するので、表面弾性波
１２の周波数が連続的に変化し、上記偏向角が連続的に
変化するようになる。したがってこの導波光１３′　は
矢印Ｃで示す通り、回折角が連続的に変化するように回
折、偏向する。このようにして偏向した導波光１３°は
、ＬＧＣ２１により回折して先導波路１１から基板１Ｂ
側に出射する。

こうして先導波路１１から出射して外部光となった光ビ
ーム１３”は、光出射用プリズム３１の第１の光通過面
３１ａを通過して該プリズム３１内に入射し、第２の光
通過面ａｔｂを垂直に通過してプリズム外に出射する。

上述のようにして光導波路素子ｌＯ外に出射した光ビー
ム１３”は、例えばｆθレンズからなる走査レンズ２Ｂ
を通過して小さなビームスポットＱに絞られ、感光体２
３上を矢印Ｕ方向に走査（主走査）する。それとともに
感光体２３が、移送手段２２により上記主走査の方向と
略直角な矢印Ｖ方向に移送されて副走査がなされるので
、感光体２３は光ビーム１３”により２次元的に走査さ
れる。前述したようにこの光ビーム１３”は画像信号Ｓ
に基づいて変調されているので、感光体２３上にはこの
画像信号Ｓが担う画像が記録される。

°　　な−お１主走査ライン分の画像信号Ｓと光ビーム
１３”の主走査との同期をとるためには、この画像信号
Ｓに含まれるブランキング信号ｓｂをトリガ信号として
用いて、ＩＤＴ１５への電圧印加タイミングを制御すれ
ばよい。またこのブランキング信号ｓｂにより移送手段
２２の駆動タイミングを制御することにより、上記主走
査と副走査との同期をとることができる。

ここで本発明の特徴部分として、第３図（Ａ）に概略的
に示すように光出射用Ｌ　Ｇ　Ｃ２１は、アスペクト比
（格子ピッチｄに対する格子の格子並び方向厚さｄｌの
比率）が導波光１３°の進行方向、すなわちＬＧＣ２１
の格子並び方向に沿って漸次増大したのち漸次減少する
ように変えられており、それにより光ビーム１３″のこ
の方向の光強度分布は、第３図（Ｂ）の曲線ｆで示すよ
うに略ガウス分布となる。以下、このような光強度分布
を得る格子高さの分布について詳しく説明する。

第３図（Ｂ）に示すように、ＬＧＣ２１上の導波光進行
方向位置をｙ　（０≦ｙ≦Ｌ）とし、ＬＧＣ２１の放射
損失係数をα、アスペクト比をβ（ｙ）＝ｄｔ　　（ｙ
）／ｄ、長さをＬとすると、ａ　（ｙ）　ｍＢ−ｓ　ｉ
　ｎ２（π＊β（ｙ）　）　−−−−・−（１）［Ｂは
格子高さ等によって定まる係数］である。ＬＧＣ２１設
置部分の光導波路１１における導波光光量はｙの関数と
なるので、これをＰ　（ｙ）とする。そしてこの導波光
光ｆｆ１Ｐ（ｙ）のｙ方向単位長さ当たりの減衰量は、
ＬＧＣ２１から出射する光ビーム１３“の光強度分布が
第３図（Ｂ）の曲線ｆで示すようにｙ軸方向にガウス分
布となる場合は、 となる。なおα（ｙ）は、ｙ軸方同各位置における放射
損失係数である。

一方上記曲線ｆは一般的に、 なる式で表わされるものである。なおＷは、光強度が最
大値の１／ｅ２以上となる範囲の格子長さの半値である
。上記（３）式を用いると、導波光光量Ｐ　（ｙ）は以
下の式で表わされる。

＋δ 上式を（４）式とする。この（４）式の右辺第１項はＬ
ＧＣ２１によって取り出される全光量、第２項はＬＧＣ
２１の作用に係わらないで０≦ｙ≦Ｌの範囲で定常的に
導波する光量、第３項はある位置ｙまでの間にＬＧＣ２
１から出射した光量であり、この式から、Ａを係数とし
て、 となる。したがってこの式と前記（？５式より、前記（
４）式の右辺第１項と第２項の和は、ＬＧＣ２１設置部
に導波して来る導波光１３°の光量Ｐ。と等しいからこ
の先ＨＰｏを知ることにより（４）式からＰ　（ｙ）の
値が求められ、それにより上記（５）式からα（ｙ）の
値が求められる。

以上述べたようにして、第３図（Ｂ）の曲線ｆで示すよ
うな光強度分布の光ビーム１３”が得られる放射損失係
数α（ｙ）が求められれば、前記（１）式に基づいて、
そのような放射損失係数α（ｙ）を実現するアスペクト
比β（ｙ）が求められる。

このようにして求めたアスペクト比βの分布の例を、第
４図に２例示す。この第４図中の曲線ａは、回折格子の
長さしを３ｍｍとしてビーム径２Ｗ−２ｆｆｌｆｆｌの
出射ビーム１３”を得るアスペクト比分布を示し、また
曲線ａ°はそれに対応する放射損失係数′　αの分布を
示し、−力曲線すは、回折格子の長さしを７ｍｍとして
ビーム径２　ｗ　−４、７ｍｍの出射ビーム１３”を得
るアスペクト比分布を示し、曲線す。

はそれに対応する放射損失係数αの分布を示している。

なおこの例における導波光１３’　の波長λは６３３ｎ
ＩＩであり、ＬＧＣ２１の屈折率ｎ、は２．４である。

ＬＧＣ２１から出射する光ビーム１３“の光強度分布が
以上説明したようなものとなっていれば、感光体２３上
を走査するビームスポットＱは、ビーム副走査方向の光
強度分布がガウス分布をとるものとなる。したがってビ
ームスポットＱは、この方向に十分に絞られたものとな
り得、それにより、極めて精細な画像を記録できるよう
になる。

なお以上説明した実施例においては、ＬＧＣ２１から光
ビーム１３″を基板１６側に出射させるようにしている
が、基板１６と反対の空気側、すなわち第１図において
上方側に光ビーム１３”を出射させる場合にも本発明は
適用可能であり、その場合も上述と同様の作用が得られ
る。また光ビーム１３”を基板１Ｂ側（と出射させる場
合、必ずしも前述のプリズム３１を用いる必要はなく、
従来から広く行なわれているように、基板１６の端面を
斜めにカットして、そこから光ビーム１３”を出射させ
るようにしてもよい。

また上記実施例においてはＬＧＣ２１のアスペクト比を
、導波光１３′　の進行方向に沿って漸次増大したのち
漸次減少するように変化させているが、これはアスペク
ト比ｄ１／ｄが０≦ｄ１／ｄ≦０゜５の範囲において有
効であり、その他このアスペクト比ｄ１／ｄを、０．５
≦ｄｔ／ｄ≦１の範囲では第６図（Ａ）に示すように導
波光１３゛　の進行方向に沿って漸次減少したのち増大
するようにしても、あるいは０≦ｄｉ　／ｄ≦１の範囲
では第７図（Ａ）に示すように上記方向に沿って漸次増
大するようにしても、さらには同じく０≦ｄ１／ｄ≦１
の範囲では第８図（Ａ）に示すように上記方向に沿って
漸次減少するようにしても、それぞれ第６図（Ｂ）、第
７図（Ｂ）、第８図（Ｂ）に曲線ｆで示すように、上記
実施例におけるのと同様の出射光強度分布を得ることが
できる。

また上記実施例においては、光出射用ＬＧＣ２１に対し
て本発明が適用されているが、光入射用ＬＧＣ２０に対
して本発明を適用することも可能である。その場合は、
上記実施例におけるのと相反的な作用効果が得られる。

すなわちこの場合は、光導波路ｌｌ内に入射させる先ビ
ーム１ａとして、光強度分布が略ガウス分布となってい
る一般的なレーザビーム等を用いれば、その光ビーム１
３は入射結合効率が略最大で光導波路１１内に取り込ま
れることになる。

さらに、以上説明した実施例の先導波路素子は光偏向器
を構成するものであるが、このような光偏向器に限らず
、先導波路から出射する光ビームを導波光進行方向の光
強度分布がガウス分布となるように整形したいという要
求、さらには、光強度分布が略ガウス分布となっている
一般的な光ビームを高い入射結合効率で先導波路内に入
射させたいという要求は広く存在するものであり、本発
明はそのような要求のあるすべての光導波路素子におい
て適用可能で、かつ有効である。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明の先導波路素子において
は、光導波路表面に形成する回折格子のアスペクト比を
、導波光の進行方向に沿って変化するように設定したこ
とにより、該回折格子から出射する光ビームの光強度分
布を略ガウス分布とすることができる。したがってこの
先導波路素子によれば、光導波路から出射した光ビーム
を極めて小さなスポットに絞ることが可能となり、画像
記録あるいは画像読取り用の光偏向器に適用した場合は
画像記録あるいは読取りの精度を十分に高め、さらに高
周波スペクトルアナライザー等に適用した場合は、周波
数分析の分解能を高めることができる。

また本発明の先導波路素子においては、回折格子のアス
ペクト比を上述のように変化させたことにより、光強度
分布がガウス分布状となっている一般的なレーザビーム
等の外部光を、効率良く光導波路内に取り込むことが可
能となる。したがっ°　てこ−の先導波路素子によれば
、−数的なレーザビーム等を整形するようなことなくそ
のまま用いた上で、上記の光偏向器や高周波スペクトル
アナライザー等における光利用効率を十分に高めること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図はそれぞれ、本発明の一実施例による先
導波路素子を示す側面図と斜視図、第３図（Ａ）は上記
実施例の先導波路素子の回折格子部分を拡大して示す側
面図であり、第３図（Ｂ）はこの回折格子の並び方向に
沿った出射光の強度分布を示すグラフ、 第４図は本発明の先導波路素子における回折格子アスペ
クト比の分布と、それに対応する放射損失係数の分布の
例を示すグラフ、 第５図は従来の光導波路素子の回折格子から出射する光
ビームの強度分布を説明する説明図、第６図（Ａ）と（
Ｂ）、第７図（Ａ）と（Ｂ）および第８図（Ａ）と（Ｂ
）はそれぞれ、本発明の先導波路素子における回折格子
形状の他の例を示す側面図と、回折格子並び方向に沿っ
た出射光の強度分布を示すグラフである。 ｌＯ・・・光導波路素子　　　１１・・・先導波路１２
・・・表面弾性波　　　　１３・・・光ビーム１３°・
・・導波光 １３”・・・先導波路から出射した光ビーム２１・・・
光出射用回折格子 第　３図 第５図 口■（Ｔ奇）庖揉ｙ　（ｍｍ） 第６図 、Ｔ、−７図 第８図 昭和６２年１１月２４日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光導波路の表面に、該光導波路内を進行する導波光と外
   部光とを結合する回折格子が形成された光導波路素子に
   おいて、 前記回折格子のアスペクト比が、導波光を該回折格子に
   よって光導波路外に出射させたとき、導波光の進行方向
   に沿った出射光の強度分布が略ガウス分布となるように
   、該方向に沿って変えられていることを特徴とする光導
   波路素子。