JPH03213809A

JPH03213809A - 回折格子光結合器

Info

Publication number: JPH03213809A
Application number: JP3298090A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Yoshida; 智彦吉田; Osamu Yamamoto; 修山本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1989-02-17
Filing date: 1990-02-14
Publication date: 1991-09-19
Anticipated expiration: 2011-07-24
Also published as: JP2517772B2

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、光が伝播する光導波路を有する集積化光素子
等の光学素子において、該光導波路内に光を入射させる
ために、あるいは該光導波路から光を出射させるために
用いられる回折格子光結合器に関する。

（従来の技術）集積化光ピツクアップ、集積化光走査素子、集積化光ド
ツプラー速度計等の集積化光素子では。

光が伝播する光導波路を利用することにより高性能化が
実現されている。このような集積化光素子では、基本波
を光導波路内に入射させるために。

該光導波路の端面を光学研磨して、開口数（ＮＡ）の大
きなレンズにより基本波を集光して光導波路の光学研磨
された端面から入射させることが行われていた。しかし
、このようにして基本波を光導波路内に入射させる場合
には、光導波路端面を高精度にて光学研磨しなければな
らず、またレンズの光軸と光導波路とを精密に調整する
必要もある。

このような方法に対し、最近では、小形であるため集積
化が容易である回折格子光結合器により。

光導波路内に光を入射させること、あるいは光導波路か
ら光を出射させる方法が広く採用されている。

回折格子光結合器は、光導波路上に回折格子が設けられ
たものであり１回折格子は、複数の直線を等ピッチで設
けたもの、複数の曲線をピッチが徐々に変化するように
設けたもの等、集光機能を有する各種構成が考えられて
いる。

第５図（ａ）は、従来の回折格子光結合器の一例を示す
平面図、第５図（ｂ）はその断面図である。回折格子光
結合器は、　ＬｉＮｂＯ２等の結晶基板４１上に形成さ
れた光導波路４２の一側部上に形成された回折格子４３
を有する。光導波路４２は基板４１の幅方向中央部に長
手方向に沿って一定の幅および厚さで形成されている。

該回折格子４３は、光導波路４２の延伸方向とは直交す
る等しい長さの複数の平板状透明体により構成されてい
る。該回折格子４３へ光が投射されると、その光は該回
折格子４３を介して、光導波路４２内へ入射し、該光導
波路４２内を伝播する。

また、光導波路４２内を伝播する導波光は、該回折格子
４３から導波路４２外へ出射される。

このような従来の回折格子結合器において、光導波路４
２内を伝播する導波光２１が１回折格子４３から出射す
る際の結合効率は１次のようになる。光導波路４２内を
伝播する導波光２１の強度をＰＩ＋　回折格子４３から
の出射光２２の強度をＰｌｉとすると１回折格子結合器
の結合係数をηは。

Ｐ、＝−ηＰ、・・・（１）で表わされる。

回折格子結合器内を伝播する光は、その伝播の間に徐々
に減衰する。回折格子結合器における光導波路４２内の
導波光２１の伝播方向の座標を２で表わすと９回折格子
結合器からの出射光の強度は。

（２）式で示す１階の微分方程式の解となる。

（１）式より。

Ｐａ〜ｅｘｐ（−ｒ）　ｚ）−（３）となり、出射光の強度分布は、第５図（ｂ）に併記した
ように、指数関数で表われさる。

このように、光導波路４２内を伝播する光は２回折格子
績合器から指数関数的な光強度分布をもって出射される
。ところが２回折格子は死相反素子であるため、光導波
路４２内へ光を入射させる場合には、入射光がこのよう
な指数関数的な光強度分布を有していれば、光導波路４
２内を伝播する光の強度が一定になる。その結果１回折
格子米語合器の結合効率は著しく向上する。

（発明が解決しようとする課題）しかし、現実には１回折格子米語合器へ入射される光、
あるいは光導波路内を伝播する光に、上述のような指数
関数的な強度分布を持たすことは困難であり１通常は半
導体レーザ光のように対称性を有する光強度分布を有し
ている。このため。

回折格子光結合器の結合効率は８０％程度が限度である
。

本発明は上記従来の問題を解決するものであり。

その目的は、結合効率に優れた回折格子光結合器を提供
することにある。

（課題を解決するための手段）本発明の回折格子光結合器は、光が伝播される光導波路
の内部と外部とを光学的に結合するべく該光導波路上に
回折格子が設けられており、結合係数が光導波路内の導
波光の伝播方向に順次変化していることを特徴としてな
り、そのことにより上記目的が達成される。

（実施例）以下に本発明を実施例について説明する。

本発明の回折格子光結合器は、第１図（ａ）および（ｂ
）に示すように１例えばＬｉＮｂＯ３基板１１上にスト
ライプ状の光導波路１２が形成された光学素子に設けら
れる。該光導波路１２は１通常のイオン交換法により一
定の厚さに形成される。

回折格子光結合器は光導波路１２の一側部上に例えば、
光導波路１２に沿って長さｄ８にわたって設けられる。

光導波路１２はその回折格子光結合画部分を除いて一定
の幅となっており、該回折格子光結合画部分では幅が徐
々に狭（なったテーパ状になっている。

光導波路１２のテーパ状部分上には、該光導波路１２の
延伸方向とは直交する等しい長さの複数の平板状散乱体
にて回折格子１３が構成されている。

光導波路１２は１例えば、基Ｉｌｌ上にポリメタクリレ
ート等の電子ビームレジストを塗布し２次いで電子ビー
ム露光法で、上述したような形状のマスクパターンを描
画し、さらに、レジストを現像した後に２通常のプロト
ン交換法により形成される。回折格子１３は、光導波路
１２が形成された基板１１上に５４３Ｎ４膜等の透明膜
を蒸着して、この透明膜に電子ビームレジストを塗布し
１次いで電子ビーム露光法により回折格子パターンを描
画した後に。

バッフアートＨＦ等のエツチング液を用いてエツチング
することにより形成される。回折格子光結合２ｇの長さ
は、Ｔｉ子ビーム露光装置の収差を避けるために、５０
０μｍ程度が好ましい。

回折格子光結合器では、光導波路１２の幅寸法が変化す
ることにより、該回折格子光結合器の結合係数が変化す
る。第２図は等価屈折率と回折格子光結合器の結合係数
との関係を示すグラフである。

光導波路の幅寸法が太き（なれば、等価屈折率もほぼ比
例して大きくなる。本実施例の光導波路１２の回折格子
光結合型部分における幅寸法は１回折格子光結合器の光
導波路の幅寸法の狭い方の端にて結合係数が最大となり
、しかも結合係数が直線的に変化するように、設定され
る。第２図のグラフから明らかなように、導波光が伝播
しな（なるカットオフ点（等価屈折率が基板の屈折率に
等しくなる点）から等価屈折率が大きくなるにつれて。

結合係数が単調に減少している。本実施例では。

結合係数が最大となる光導波路幅寸法が狭い側の端の幅
寸法となるようにして、光導波路１２幅をテーパ状に設
定している。

このような構成の本実施例の回折格子光結合器では１回
折格子１３に光が投射されると、その光が該回折格子１
３にて回折されて光導波路１２内へ導入され、該光導波
路１２内を伝播する。また、光導波路１２内を伝播する
光は１回折格子１３にて回折されて該回折格子１３から
出射される。

本実施例において、光導波路１２内を伝播する導波光２
１が１回折格子結合器から出射される場合について考え
る。光導波路１２内を伝播する導波光２１の強度をＰ５
、出射光２２の強度をＰｌＩ、回折格子光結合器の結合
係数をη、導波光の伝播方向座標を２とすると、出射光
の強度ＰＩＩは、（４）式で表わされる１階の微分方程
式の解となる。

ｄ　ＰＨ７ｄ　ｚ　＝　−ｒ）　ｚ　Ｐｏ−（４）回折
格子光結合器の結合係数η　が、Ｚの一次関数として表
されることから。

Ｐ２〜ｅｘｐ（−２２／２）−（５）となり、出射光の強度Ｐｌ！はガウス型分布（第１図（
ｂ）参照）となる。

このように９回折格子光結合器の結合係数が導波光の伝
播方向に一定の割合で変化する場合には。

一定強度の導波光に対して出射光の強度がガウス型分布
となり１回折格子光結合器の結合効率の分布は、ガウス
型分布となる。従って、回折格子光結合器は、レーザ光
のようにガウス型の強度分布を有する光と同様の結合効
率分布となり９回折格子光結合器が導波光の伝播方向に
十分長ければ。

全体の結合係数が低くても、光の減衰が低減される。そ
の結果１回折格子光結合器は、光導波路への入射光ある
いは出射光と光導波路内の導波光とが高効率で光学的に
結合される。

第３図（ａ）および（ｂ）は９本発明の回折格子光結合
器の池の実施例を示す。本実施例では、光導波路Ｉ２の
幅寸法を一定とし１回折格子１３が形成される光導波路
１２部分の厚さを変化させることにより。

等価屈折率を変化させて１回折格子光結合器の結合係数
を変化させている。光導波路１２の厚さが大きくなれば
１等価屈折率も順次大きくなることに基づいて、結合係
数が１回折格子光結合器の一方の端にて最大でかつ直線
的に変化するように、その厚さが設定される。その他の
構成は、第１図に示す実施例と同様である。

光導波路１２の厚さは、イオン交換時間の平方根と比例
することを考慮して、イオン交換時間を変化させること
により変化させ得る。イオン交換時間を変化させて光導
波路１２の厚さを変化させる方法としては、第４図に示
すように、イオン交換溶液３１内に基Ｖｉ、ｌｌを鉛直
に吊し、基板１１を徐々にイオン交換溶１３１から引き
上げればよい。

なお、上記実施例では、　ＬｉＮｂＯ３基板にプロトン
交換法にて光導波路を形成し、該光導波路に積層された
Ｓｉ３Ｎ４膜により回折格子を形成する構成としたが、
このような構成に限定されるものではなく。

例えば回折格子を、ＩＴＯ膜や電子ビームレジスト等の
透明膜に適当なエツチング方法を施すことにより形成し
てもよい。

また、基板として、　　ＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチ
ウム）　、　ＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）等のような、　
　２００　”Ｃ程度の低温でプロトン交換により容易に
光導波路を形成し得るものを用いてもよい。

（発明の効果）本発明の回折格子光結合器は、このように、光導波路へ
の入射光あるいは出射光の強度分布と結合効率がほぼ一
致した状態になり、結合効率は著しく向上する。

４　　　　　の　　　なｇ　日第１図（ａ）は本発明の回折格子光結合器の一例を示す
平面図、第１図（ｂ）はその断面図、第２図はうｖ導波
路の幅と回折格子光結合器の結合係数との関係を示すグ
ラフ、第３図（ａ）は本発明の回折格子うし結合器の他
の例を示す平面図、第３図（ｂ）はその断面図、第４図
はその製造方法の一例を示す概略図。

第５図（ａ）は従来の回折格子結合器の平面図、第５図
（ｂ）はその断面図である。

１１・・・基板。

１２・・・光導波路。

１３・・・回折格子。

２１・・・導波光。

２２・・・出射光。

以上

Claims

【特許請求の範囲】

１、光が伝播される光導波路の内部と外部とを光学的に
結合するべく該光導波路上に回折格子が設けられており
、結合係数が光導波路内の導波光の伝播方向に順次変化
していることを特徴とする回折格子光結合器。