JPH03274513A - 光結合装置 - 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 本発明は光を導波路内に入力結合させる装で関するもの
であａ 従来の技術 本願発明（よ　本願と同一の出願人によって出願され六
ス　例えば国際出願８８−０１３４４号　あるいは特願
平１−２４６８０８号に記載のグレーティング結合法に
よる光結合装置を更に発展させたものであム そこで、本願出願人による上記の光結合装置を先行例と
して以下に説明すも 第７図に先行例における光結合装置の断面構成図を示す
。

半導体レーザー１から出射する光は集光１ノンズ２によ
って平行光となり、偏光変換素子３を経て電界ベクトル
が同心円接線方向にある同心円偏光となり、光軸に直交
する導波層４上に形成された同心円状のグレーティング
を持つ円形（半径ａ）のカプラ５に入射すも　入射光６
　（入力光）はカプラ５により入力結合して、カプラ５
の中心○から外周側に伝搬する導波光７となム　な耘　
導波層４はこれよりも低屈折率の透明基板８上に構成さ
れていも 第８図は特願平１−２４６８０８号に示された偏光変換
素子３の構成図であ翫　偏光変換素子３は液晶偏光素子
と位相差膜１４からなム　液晶偏光素子は表面をラビン
グ処理した２枚の透明基板１５Ａ、１５Ｂの間にネマテ
ィック液晶１６を充填することで形成され　各透明基板
表面のポリイミド膜のラビング処理（１５Ａ側において
は一方向に　１５Ｂ側においては同心円状にラビング処
理）により、液晶層が１５Ａ側で一方向に配回１５Ｂ側
で同心円接線方向に配向し　円周上で液晶ツイスト角の
大きさが連続的に変化１−ていム　一般にＴＮ構造液晶
層に直線偏光の光６Ｌが入射すると、ＴＮ構造のねじれ
に沿って光の偏波面が回転すム　従って１５Ａ側から入
射した直線偏光１７Ａの光は素子の各位置での液晶ツイ
スト角にほぼ等しい角度だけ旋光し　出射側（１５Ｂ側
）液晶分子の配向方向にほぼ等；、い振動面を持つ同心
円偏光１７Ｂの光（振動面が同心円接線方向の偏光状態
）となるが　素子の中心から伸びた２本の半直線１８（
はぼ１５Ａ側の一方向配向方向に一致）を境に液晶のツ
イスト角が反転し　光の偏波面の回転方向も反転するの
で、前記線１８を挟んで一方の領域で変換された同心円
偏光の光は他方の偏光の光に対し位相がπだけ遅れる。

この位相遅れを補正するために　透明基板１５Ｂの出射
側表面にλ／２位相差膜１４を形成すも　この位相差膜
１４の境界線１９を前記線１８に一致させることで、上
記ツイスト角の反転に伴う２つの領域での同心円偏光の
位相が揃しく　はぼ完全な（無収差の）同心円偏光１７
Ｃへの変換が実現できも　なお偏光変換素子３は直線偏
光を放射偏光（振動面が動径方向の偏光状態）に変換す
る素子や１／４波長板であってもよく、この時入力光６
はそれぞれ放射偏光円偏光の状態で入力結合すも ここで第７図に示すように導波光７と同一モードで点○
を中心とする円周上で同位相である逆進導波光９　（外
周側から中心０に伝搬する導波光）を考えも　この導波
光９からの放射光の波面を参照にした入力光６の波面収
差ΦＲ（ｒ）を（１）式で定義すａ Φ＊（ｒ＞＝　ｒ　［β＋−（にＮ＋２ｙｒｑ／Ａ））
／に−−−（１）ただＬｒは点○を原点とするカブラ面
上の極座標の動態　には波数（−２π／λ、λ：　波長
）、Ａはカブラのグレーティングピッチ、β１は入力光
の伝搬定数ｒ方向成ＱＮは導波層の等偏屈折Ｊｑは結合
次数（≦−１）で２ビ一ム結合の場合にはｑ＝−１であ
も Ａを極座標上の点（ｒ、φ）での入力光振幅と放射光振
幅との積とし　波面収差Φにの標準偏差ΦＧカを式（２
）で定復すも Φｓｏ＝［ＪｏＡΦＲ’ｒｄｒｄφ／、ＩＪ＋Ａｒｄｒ
ｄφ−（ｆｆ、ＡΦＲｒｄｒｄφ／　Ｅ　ｏ　Ａｒｄｒ
ｄφ）ｐｌ＋′ａ−一〜（２） ただＬｒＪｏはカブラ領域内（Ｏ≦ｒ≦ａ、０≦ψ≦２
π）での定積分を意味す４ 波面収差ΦＲがλ／２πよりも小さく回転対称の場合に
４表　一般に入力光６の導波光７への入力結合効率ηは
次式で与えられも η＝η・（１−に２Φｓｂ’　）　　　　　　　　　−
−−（３）ただし　η・はΦ５Ｏ＝Ｏの場合の入力結合
効率であム 従って位相整合条件（ΦＲ（ｒ）＝　０　）か収　平行
の入力光（β１＝０）ではピッチ八が次式を満たすこと
が結合の条件となる。

Ａ＝λ／Ｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　−−
−（４）カブラへの入力光６をガウシアンとニ　その半
径ｒの位でおける振幅分布を次式で表す。

Ａ　＝　ｅｘｐｆ−（ｒ　／βａ）”）　　　　　　　
−−−（５）βをガウシアン人射光の蹴られ率（Ｔｒｕ
ｎｃａｔｉｏｎ　Ｆａｃｔｏｒ）　と呼本 グレーティングが対称な断面形状の場合、　２ビ一ム結
合の入力結合効率η嘗は次式で表されもη―＝４αＩ’
（１）／βｅ　　　　　　　　　−−−（６）αは標準
化された放射損失係数であり、カブラの放射損失係数α
・を使ってα＝α「ａで定義されも第９図はηｅの計算
結果を座標（α、β）に対して等高線的に示していも　
第９図より効率η−は稜線Ａ上で最大値０．４１７をな
し　α、βが次式を満たすことが最大効率の条件となム β＝　ｏ、　ｓａ／α　（ただＬ　β≦０．５０　）　
　−−−（８）発明が解決しようとする課題 このような先行例の光結合装で於て以下の問題点があっ
た すなわぢ　最大効率の条件（８）式は放射損失係数α２
を固定（例えばａ　、　＝　１０．０（１／ｍ＋ｎ））
するとａβ＝　０．０８６ｍｍとなり、仮にβ−０，３
とするとａ＝０．２９■であり、カブラ５の大きさは小
さく、入力光６の広がりもこれに合わせて小さくしなけ
ればならな（Ｘｏシかしながら、先行例に於ける入力光
６は平行光であり、その広がりを小さくするためには焦
点距離の十分に小さな集光レンズ２を必要としその製造
が簡単ではなかっす（第一の問題点）一方、波長変動に
伴う等偏屈折率変動は小さいとして、ｄＡの波長誤ｉ　
　ｄＮの等偏屈折率誤差、ｄＡのピッチ誤差がある場合
、波面収差ΦＲはゼロからずれ次式で表される。

ΦＲ（ｒ）＝　ｒ　Ｎε　　　　　　　　　　−（９）
ただし ε＝ｄλ／λ十ｄＮ／Ｎ−ｄＡ／Δ　　　　　−−〜（
１０）したがって（２）式からｒ／　ａ＝　ｔとして標
準偏差ΦＳＤは次式で与えられも Φ５ｏ＝ａＮ　ｌ　ｔ　ＩＩｓ””　　　　　　　　　
−−−（ＩＩ）ただし Ｉｓ＝　Ｈ５）／Ｉ（１）−Ｉ”（３）／Ｉ”（１）　
　　　　−−−（１２）で、■−は誤差による結合効率
の劣化しやすさの度合を示し　効率劣化係数と呼も 第１０図は劣化係数１・の計算結果を座標（α、β）に
対し等肩線的に示すものであａ 第９、１０図から稜線Ａ上（αβ＝　０．８６）ではΦ
ｓＤとβとの間に次の関係が近似的に成り立つ。

ΦＩＩＤ＝０．３２７Ｎｌε１／αＦ（ただしβ≦０．
５０）−−−（１３） −Ｘ　　（３）式から効率劣化を２０％以内に抑える条
件は次式で与えられも Φｓｏ＜λ／１４　　　　　　　　　　　−−−（１４
）従って、（１３）、　（１４）式より ε　くλａ　ｒ／４．５８Ｎ　　　　　　　−−−（１
５）仮にＮ＝１．７．　　αｒ＝＝５０゜０（１／ｎｍ
）、λ＝　７８０ｎｍとすると、ｌεｌ＜５ｘｌＯ−”
となム　一般に半導体レーザーを光源とした場合　レー
ザーによって±０．５％程度の波長ばらつきがあり、ま
た導波層４の膜厚誤差や屈折率誤差により±０．５％程
度の等偏屈折率誤差が生じるので、これらのランダムな
組合せを考えると全体で±１％程度の誤差が見込まれも
　即＼　ＩＥ＋＜５Ｘ１０−”なる条件が常に十分に満
足されるという状況ではな（ち　この様な状況にあって
、現実問題として如何にして誤差に対する許容度を広げ
結合効率を高めるかと言う課題が残されていた（第二の
問題点）。

本発明はかかる問題点に鑑へ　入力光の広がりを容易に
小さくでき、また誤差に対する許容度を広げられる光結
合装置を提供することを目的とすも 課題を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するた敷　以下の手段を用い
も すなわ板　レーザー光源と、光源から出射するレーザー
光を１点に集光する集光手段と、　レーザー光の偏光状
態を変換する偏光変換手段と、光軸と直交する面内に構
成された導波層と、導波層上に形成され光軸を中心とす
る同心円状の周期構造を持つ光結合手段とからなり、光
結合手段が集光手段による集光点の手前または奥に設け
られ　光結合手段と集光手段との間に介在するものがな
い場合の集光点から見て光結合手段が２の距離にある場
合、レーザー光の波長をλ、導波層の等価屈折率をＮ、
集光手段と光結合手段の間に介在する透明平板の屈折率
をｎ、板厚をｔとして、同心円中心からの半径ｒに於け
る周期構造のピッチハが次の連立方程式 ％式％） （） ）） （ただＬｑは一１以下の整数　複号十、−は光結合手段
の位置（それぞれ集光点の手府　奥）に対応） の解として与えられることを特徴とし　レーザー光源ま
たは光結合手段または集光手段を光軸に沿って動かす摺
動手段を有する光結合装置であムまた　光源からの出射
光が集光手段開口面上で楕円の等強度線をなし　光結合
手段の表面での等強度線が遠軸部で前記楕円と平行な長
楕円をなし近軸部でこれと直交する長楕円を描く光軸上
の位で前記光結合手段を設けることを特徴とすムま？、
　　レーザー光源と、レーザー光の偏光状態を変換する
偏光変換手段と、光軸と直交する面内に構成された導波
層と、導波層上に形成され前記光軸を中心とする同心円
状の周期構造を持つ光結合手段とからなり、光結合手段
が光源から２の距離にある場合、レーザー光の波長をλ
、導波層の等価屈折率をＮ、光源と光結合手段の間に介
在する透明平板の屈折率をｎ、板厚をｔとして、同心円
中心からの半径ｒに於ける周期構造のピッチＡが次の連
立方程式 ％式％） （） ） （ただし　ｑは−ｌ以下の整数） の解として与えられることを特徴とＬｌノーサー光源ま
たは光結合手段を光軸に沿って動かす摺動手段を有する
光結合装置であってもよ１．％　　この線光源からの出
射光へ　光結合手段の表面での等強度線が遠軸部で楕円
をなし　近軸部で前記楕円と直交する長楕円を描く光軸
上の位で光結合手段を設けることが好ましｔ〜 また　レーザー光源の波長が基準値λよりｄＡだけ大き
く　（または小さく）、導波層の等偏屈折率が基準値Ｎ
よりもｄＮだけ大きく　（または小さく）、周期構造の
ピッチが基準値ＡよりもｄＡだけ大きい（または小さい
）場合、　１ｄλ／λ＋ｄＮ／Ｎ−ｄＡ／ＡＩの値がゼ
ロに等しいことを特徴とし　偏光変換手段には１／４波
長板を用いる力＼　レーザー光の偏光面を同心円接線方
向または動径方向にある偏光状態に変換する手段を用い
ることを特徴とすム 作用 上記の様な構成により、入力光は集束光または発散光と
なるから光結合手段を入力光の広がりの十分小さい位で
設けることができ、また摺動手段によってレーザー光源
または光結合手段または集光手段をレーザー光の光軸に
沿って調整することで入力光波面収差の標準偏差を圧縮
でき、誤差に対する許容度を広げることができも　また
光結合手段上での光分布はほぼ円形の等強度線をなすか
収　入力光をほぼ等方向な強度分布で導波させることが
できも　またレーザー光源と導波層とのベアリングによ
り入力光の結合効率と歩留りの向上を図れも 実施例 （第１実施例） 以下本発明の第１実施例を第１図から第５図に基づいて
説明すも 以下本発明の第１実施例を第１図から第５図に基づいて
説明すも　第１図は第１実施例における光結合装置の断
面構成を示す。な耘　先行例と同じ構成は同一番号を付
してその説明を省略すも半導体レーザー１から出射する
光は集光レンズ２によって点Ｆを集光点にする集束光と
なり、偏光変換素子３を経て電界ベクトルが同心円接線
方向にある同心円偏光となり、光軸に直交する導波層４
上に形成された同心円状のグレーティングを持つ円形（
半径ａ）のカブラ５に入射すも　本実施例ではカブラ５
は点Ｆの手前にある力叉　奥にあってもよｔ〜　入射光
６　（入力光）はカブラ５により入力結合して、カブラ
５の中心Ｏから外周側に伝搬する導波光７となム　な耘
　導波層４はこれよりも低屈折率の透明基板８上に構成
されており、透明基板８は円筒管形状のホルダー９の中
空部に同軸して固定されていも　ホルダー９は円筒形状
の穴の空いたガイド１０の中空部をその中心軸に沿って
摺動でき、ストッパー１１でこれを固定できも　な抵　
ガイド１０の中空部中心軸は集束光の光軸に一致してい
も 偏光変換素子３は第８図に示した先行例での構成と同じ
であり、その具体的な説明を省略すもまた　偏光変換素
子３は直線偏光を放射偏光（振動面が動径方向の偏光状
態）に変換する素子や１／４波長板であってもよく、こ
の時入力光６はそれぞれ放射偏光　円偏光の状態で入力
結合すも　（以下の発明の実施例にあっても同様であム
　）さて、本実施例では　第１図に示すようにカブラ５
は集光点Ｆから２だけ手前の像平面上に配置されている
（カブラ５が集光点Ｆから２だけ奥の像平面上に配置さ
れる場合は　原理が後述の第２実施例と同一であるので
、ここではその説明を省略する。）。そしてカブラ５の
グレーティングピッチＡは次式を満たす様になされてい
る。

Ａ＝λ／（Ｎ＋ｒ／（ｒ’＋ｚ２）”’）　　　−−−
（１６）像平面上でのｒ方向伝搬定数はβｔ＝−にｒ／
（ｒ’＋ｚｌりＩ／２となるか収（１）式より波面収差
ΦＲは次式で表されも ΦＲ（ｒ）−ｒ’／（ｒ２＋　ｚ２）””　−ｒＮ　＋
ｒλ／Ａ　　−（１７）本実施例のピッチＡは（１６）
式を満たすようになされているので、本実施例では位相
整合条件（Φ代（ｒ）＝　０　）を満足し　入力光６は
効率よく入力結合することとなも 次に本実施例において（よ　カブラ５を光軸に沿って光
源方向に移動させることで、波長等の誤差に対する許容
度を向上させることができるものであり、以下にその説
明を行なう。

先ず、カブラ５を光軸に沿って光源方向にδだけ移動さ
せた場合に１よ　カプラ５上の入力光ｒ方向伝搬定数が
変化するので波面収差ΦＲはゼロからずれ次式で表され
る値をと４ Φ１Ｉ（ｒ）−−ｒ”／（ｒｌＩ＋（ｚ＋δ　）Ｉｌ）
）Ｉ　ｚｍ　＋ｒｌ　／（ｒａ＋ｚｌ）ｌ　′１ｌ−−
−（１８） 現実にはδ＜ｚ、ｒ＜ｚとしてよいか社　上式は次式で
近似できも ΦＲ＜ｒ）＝δｒ　Ｉｌ／　ｚ　１ｌ−−−（１９）従
って、ｄλの波長誤基　ｄＮの等偏屈折率誤基ｄＡ、の
ピッチ誤差があり、これを補正するためカブラ５を光軸
に沿って光源方向へδ移動させた場合、式（９）、（１
９）からその波面収差ΦＲは次式で表されもΦＲ（ｒ）
＝δｒ　２／ｚ　９＋　ｒ　Ｎ　ｓ　　　　−−−（２
０）従って、ｒ／ａ−ｔとして波面収差ΦＲの標準偏差
ΦＳｔ）は次式で与えられも Φ５ｏ−（（ａ／ｚ）’Ｉ＋（δ＋ｌｅｚ″Ｎｔ　／ａ
）”Ｉｌ５（ａＮε２す；長チ）ただし ｈ　＝　Ｉ（９）／Ｉ（１）−Ｉ”（５）／Ｉ”（１）
　　　　　　−−−（２３）ｂ＝　（Ｉ（７）／Ｉ（１
）−１（５）Ｉ（３）／ｌ２（１））／　ＩＩ　　−（
２４）Ｉｓ　＝　ＩＩ−ＩＩ　１２２−−−（２５）■
８は位置調整によって最適化された結合効率の劣化しや
すさの度合を示す。工３〉０であるのでΦｓ１１はδ＝
　−ｌ２ＺｌｌＮ　ε／ａ（７）　啄　　最小値ａ　Ｎ
ｌ　εＩＩｓ”’をとも　この最小値はδ−〇の時の値
に比べ（Ｉｓ／Ｉｓ）””倍の大きさであり第２図に効
率劣化係数比Ｉ３／ＩＩの計算結果を座標（α、β）に
対し等肩線的に示す。

第２図において稜線Ａに対応する位置ではＩｓ／ｂ＝　
０．１０〜０．１１であり、カブラ５の移動調整によっ
て結合効率の劣化をＩｌ１０程度に抑えことができ、Ｉ
ｓ／Ｉ・＝　０．１０と考えると誤差に対する余裕度は
１０’７２倍に広かも　従って（１４）式より効率劣化
を２０％以内に抑える条件は次式で与えられも Ｉｓｌ＜０，６９λｃｘ　ｒ／Ｎ　　　　　　　−−−
（２６）仮にＮ　＝　１．７．　　ａ　ｒ　＝　５０．
０（１／ｎｍ）、λ＝　７８０ｎｍとすると、１εｌ＜
１６ＸＩＯ−３となり、光源の波長ばらつきや導波層の
等偏屈折率誤差等で生じる±１％程度の誤差を許容し得
も すなわち本実施例においては　透明基板８（すなわちカ
ブラ５）を光軸に沿って移動調整することで、結合効率
の高い組合せを歩留りよく得ることが出来るものであム な牡　本実施例ではホルダー９、ガイド１０等の摺動手
段を透明基板８　（すなわちカブラ５）に設けたが、同
一手段を半導体レーザーｌまたは集光１ノンズ２に設け
これを摺動させても全く同一の効果が得られも 更に　本実施例では以下の効果が得られも一般に半導体
レーザー１からの出射光は光軸に直交する像平面上での
等強度線は楕円となるので、入力光６を中心Ｏに対し等
方的な強度分布で導波させるためには　第３図に示すよ
うに　光源１と集光レンズ２の間にコリメートレンズ１
２と三角プリズム１３とを挟へ　楕円ビーム２ＯＡを円
形ビーム２０Ｂへど整形する複雑な構成を必要とするも
のであム これに対し本実施例の光結合装置では　この様な複雑な
構成を全く用いる事なく等方的な強度分布の入力光６を
得ることが出来も すなわ板　本実施例でζよ　半導体レーザー１からの出
射光をビーム整形することなしに集光レンズ２で絞って
おり、第４図に示すように集光レンズ開口面上で楕円の
等強度線の光６Ａ（よ　集光点の位置で長袖が９０度回
転した楕円の等強度線の光６Ｂになり、開口面と集光点
との間でほぼ円形の（ｉ密には遠軸部で開口面上と相似
な楕円　近軸部で無事面上と相似な攬円の）等強度線の
光６Ｃが必ず存在する。従って、カブラ５を光６Ｃの様
な円形の等強度線分布をなす領域に設定することでビー
ム整形することなく入力光６をほぼ等方的な強度分布で
導波させることができるのである。

（第２実施例） 第５図は本発明の第２実施例における光結合装置の断面
構成図を示す。第１実施例と同じ構成は同一番号を付し
てその説明を省略する。

半導体レーザーｌから出射する光は偏光変換素子３を経
て電界ベクトルが同心円接線方向にある同心円偏光とな
り、光軸に直交する導波層４上に形成された同心円状の
グレーティングを持つ円形（半径ａ）のカブラ５に入射
すも　入射光６（入力光）はカブラ５により入力結合し
て、カブラ５の中心Ｏから外周側に伝搬する導波光７と
なａな麩　導波層４はこれよりも低屈折率の透明基板８
上に構成されており、透明基板８は円筒管形状のホルダ
ー９の中空部に同軸して固定されていもホルダー９は円
筒形状の穴の空いたガイド１０の中空部をその中心軸に
沿って摺動でき、ストッパー１１でこれを固定でき谷　
な抵　ガイド１０の中空部中心軸は光軸に一致していも カプラ５は光源の発光点から２だけ離れた像平面上に配
置されていも　そして本実施例ではカブラ５のグレーテ
ィングピッチＡは次式を満たしていも Ａ＝λ／（Ｎ　−ｒ／（ｒ”＋ｚ″）””］　　　−−
−（２７）カブラ５上でのｒ方向伝搬定数はβ１＝にｒ
／（ｒ”＋ｚｉｔ）ｊ／１１となるか収（１）式より波
面収差Φには次式で表されも Φ＊（ｒ）−ｒ’／（ｒ’＋ｚ”）””−ｒＮ　＋ｒλ
／Ａ　−−−（２８）本実施例ではピッチＡは（２７）
式で与えているので位相整合条件（ΦＲ（ｒ）＝　Ｏ）
を満足し　入力光６は効率よく入力結合するものであも また本実施例では　誤差に対する許容度の拡大が以下の
様にして可能であム 本実施例においてカブラ５が光軸に沿って光源方向にδ
だけ移動したとき、カプラ５上の入力光ｒ方向伝搬定数
が変化するので波面収差ΦＲはゼロからずれ次式で表さ
れる値をと４ Φ＊　（ｒ）−ｒ”　／（ｒ”　＋（ｚ−δ　）２））
ｌ／ｌ！　　　、Ｉ！／（ｒ２＋ｚＪｌｚ２−−−（２
９） 現実には　δ（２、ｒ＜ｚとしてよいか技　上式は（１
９）式で近位できも 従って、ｄλの波長誤ｉ　　ｄＨの等偏屈折率誤基ｄＡ
のピッチ誤差があり、これを補正するためカプラ５を光
軸に沿って光源方向へδ移動させた場合の波面収差Φ穴
は（２０）式で表され　その標準偏差Φ８Ｄは（２２）
式で与えられム　すなわ敷　第１実施例と同様にカブラ
５の移動調整によって結合効率の劣化を１７１０程度に
抑えことができ、Ｉｓ／Ｉ・＝　０．１０と考えると誤
差に対する余裕度はＩＱｌ　７１１倍に広がａ本実施例
は第１実施例に比べ集光レンズ２を必要とせず、より簡
単でコンパクトな構成となム更＆−本実施例においても
入力光６をほぼ等法的な強度分布で導波させることが可
能であムすなわち第４図を用いて説明すると、本実施例
において、半導体レーザー１からの出射光は出射直後の
楕円の等強度線の光６Ｂ６ｔ　　光源から十分離れたフ
ァーフィールド位置で長軸が９０度回転した楕円の等強
度線の光６Ａになり、発光点とファーフィールド位置と
の間でほぼ円形の（厳密には遠軸部でファーフィールド
位置と相似な楕Ｒ近軸部で発光点と相似な楕円の）等強
度線の光６Ｃが必ず存在すム　従って、カプラ５を光６
Ｃの様な円形の等強度線分布をなす領域に設定すること
でビーム整形することなく人力光６をほぼ等方向な強度
分布で導波させることができるのであムな耘　第１実施
代　第２実施例及び先行例に限らず言えることである力
（波長誤基　等偏屈折率誤基　ピッチ誤差が生じてもそ
れらの間にある関係が成り克てＥ　　（１０）式で与え
られる全体の誤差εを小さくすることができも　例えば
　波長が基準値λよりｄλだけ大きい光源には等偏屈折
率が基準値ＮよりもＮｄλ／λだけ小さい導波層と組み
合わせることで、またはグレーティングピッチが基準値
ＡよりもＡｄλ／λだけ大きいカブラと組み合わせるこ
とで、誤差εをゼロにすることができる。

すなわ板　予め半導体レーサーの波長と導波層の等偏屈
折率を測定しておき、全体の誤差εを小さくする様なベ
アリングを行うことで、更に結合効率の高い組合せを歩
留りよく得ることが出来４ま？、　　組み合わせられた
半導体レーザーと導波層の波長、等偏屈折率のデータに
基づいてグレーティングピッチを調整し　全体の誤差ε
をより小さくすることもできも な壮　第１実施侭　第２実施例の何れも集束光が平行平
板（透明基板１５Ａ、１５Ｂ等）を透過するので、実際
のグレーティングピッチは（１６）、　（２７）式に適
宜、補正項を加え　上記透過に伴う球面収差を補正する
必要がある。

第６図は球面収差の補正量を示すための説明図であり、
第６図（ａ）は第１実施例で示したカプラが集光点の手
前にある場合、第６図（ｂ）はカブラが集光点の奥にあ
る場合や第２実施例で示した光源からの発散光を入力結
合させる場合に相当すム第６図（ａ）に於てカプラ５上
の中心からの半径ｒの位置を通過する集束光は　屈折率
ｎ、板厚ｔの平行平板２０を透過することで、平行平板
２０がない場合の集光点Ｆからδだけ奥に結像すムこの
啄　平行平板２０への入射角θは集光点Ｆとカプラ５の
距離を２として次式で与えられムｔａｎθ＝ｒ／（ｚ＋
δ）　　　　　　　−−−（３０）また　スネルの法則
よりδは次式で与えられムδ＝　ｔ　（１−（１−ｓｉ
ｎ２θ）”ｌ′／（ｎ”　−ｓｉｎ”θ）””）−−−
（３１） カプラ上でのｒ方向伝搬定数はβ！＝−にｓｉｎθとな
るか技（１）式よりピッチＡが次式を満たせば位相整合
条件を満足すも Ａ＝−ｑλ／（Ｎ＋ｓｉｎθ）　　　　　　−−−（３
２）（ただＬｑは一１以下の整数） −Ｘ！６図（ｂ）に於てカプラ５上の中心からの半径ｒ
の位置を通過する発散光１友　屈折率ｎ、板厚ｔの平行
平板２０を透過することで、カプラ５側から見た集光点
（または発光点）が実際の集光点（または発光点）Ｆか
らδだけカブラ５側にずれも　この時、平行平板２０へ
の入射角θは点Ｆとカプラ５の距離を２として次式で与
えられる。

ｔａｎθ＝ｒ／（ｚ−δ）　　　　　　　　−−−（３
３）また　スネルの法則よりδは（３１）式で与えられ
もカプラ上でのｒ方向伝搬定数はβ１＝にＳｉｎθとな
るか収（１）式よりピッチＡが次式を漬たせば位相整合
条件を満足すも Ａ＝−ｑλ／（Ｎ−ｓｉｎθ）　　　　　−−−（３４
）（ただＬｑは一１以下の整数） 従って、実際のグレーティングピッチは（３２）または
（３４）式で与えられも 発明の効果 辺土　本発明によれは　結合効率の劣化を十分に小さく
抑えことができ、また誤差に対する余裕度を広げること
のでき、結合効率の高い光結合装置を歩留りよく得るこ
とが８来る。

また　ファーフィールド位置と集光点くまたは発光点）
との間のほぼ円形の等強度線分布をなす位でカプラを設
定するので、　ビーム整形手段を必要としない簡単な構
成で入力光を等方向な強度分布で導波させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例における光結合装置の要部
断面図　第２図は効率劣化係数比１３／Ｉ・の座標（α
、β）に対する等肩線は　第３図はビーム整形法の説明
は　第４図は本発明の第１実施例または第２実施例にお
ける入力光等強度縁分布の変化を示す説明＠　第５図は
本発明の第２実施例における光結合装置の要部断面図　
第６図は本発明の第１実施例または第２実施例における
球面収差の補正量を示すための説明図　第７図は先行例
の光結合装置の要部断面図　第８図は偏光変換素子の構
成＠　第９図は入力結合効率η口の座標（α、β）に対
する等肩線文　第１０図は劣化係数Ｉｓの座標（α１β
）に対する等高線図であも １・・・半導体レーザー、　２・・・集光レンχ　３・
・・偏光変換素子、４・・・導波凰　５・・・グレーテ
ィングカプラ、　６・・・入力光　７・・・導波光　８
・・・透明基板　９・・・ホルダー、 トラバー １０・・・ガイド、　１１・・・ス １の氏名　弁理士　粟　野　１孝　ほか二名゛、／ ピ１−−ノ ！２ 図 Ａ 図 ＃ＩＩ停し一す 微光しンス 帰１′Ｉｆｔ換１子 聯５ＩＩ４ りし−ティンクカブラ λ　７１１　　党 導潰究 透ａＢ　ＩＥ伝 ホル９− ！ キ瑯伜し−ザ ん 放酊ｊ失移散ざ 第 ７ 図 第 図 ５−／ 第 図 ｂり＝ｉｔｖｗり（ブ駁 較 σ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザー光源と、光源から出射するレーザー光を
   集光する集光手段と、前記レーザー光の偏光状態を変換
   する偏光変換手段と、光軸と直交する面内に構成された
   導波層と、前記導波層上に形成され前記光軸を中心とす
   る同心円状の周期構造を持つ光結合手段とからなり、前
   記光結合手段が前記集光手段による集光点の手前または
   奥に設けられることを特徴とする光結合装置。
2. （２）前記光結合手段と前記集光手段との間に介在する
   ものがない場合の集光点から見て前記光結合手段がｚの
   距離にある場合、レーザー光の波長をλ、導波層の等価
   屈折率をＮ、前記集光手段と前記光結合手段の間に介在
   する透明平板の屈折率をｎ、板厚をｔとして、同心円中
   心からの半径ｒに於ける前記周期構造のピッチΛが次の
   連立方程式 Λ＝−ｑλ／（Ｎ±ｓｉｎθ） ｔａｎθ＝ｒ／（２±δ） δ＝ｔ｛１−（１−ｓｉｎ＾２θ）＾１＾／＾２／（ｎ
   ＾２−ｓｉｎ＾２θ）＾１＾／＾２）（ただし、ｑは−
   １以下の整数、複号＋、−は光結合手段の位置（それぞ
   れ集光点の手前、奥）に対応） の解として与えられることを特徴とする請求項１記載の
   光結合装置。
3. （３）前記光源からの出射光が集光手段開口面上で楕円
   の等強度線をなし、前記光結合手段の表面での等強度線
   が遠軸部で前記楕円と平行な長楕円をなし、近軸部で前
   記楕円と直交する長楕円を描く光軸上の位置に前記光結
   合手段を設けることを特徴とする請求項１記載の光結合
   装置
4. （４）レーザー光源と、前記レーザー光の偏光状態を変
   換する偏光変換手段と、光軸と直交する面内に構成され
   た導波層と、前記導波層上に形成され前記光軸を中心と
   する同心円状の周期構造を持つ光結合手段とからなり、
   前記光結合手段が前記光源からｚの距離にある場合、レ
   ーザー光の波長をλ、導波層の等価屈折率をＮ、前記光
   源と前記光結合手段の間に介在する透明平板の屈折率を
   ｎ、板厚をｔとして、同心円中心からの半径ｒに於ける
   前記周期構造のピッチΛが次の連立方程式Λ＝−ｑλ／
   （Ｎ−ｓｉｎθ） ｔａｎθ＝ｒ／（ｚ−δ） δ＝ｔ｛１−（１−ｓｉｎ＾２θ）＾１＾／＾２／（ｎ
   ＾２−ｓｉｎ＾２θ）＾１＾／＾２｝（ただし、ｑは−
   １以下の整数） の解として与えられることを特徴とする請求項１記載の
   光結合装置。
5. （５）前記光源からの出射光の、前記光結合手段の表面
   での等強度線が遠軸部で楕円をなし、近軸部で前記楕円
   と直交する長楕円を描く光軸上の位置に前記光結合手段
   を設けることを特徴とする請求項４記載の光結合装置。
6. （６）前記レーザー光源または前記光結合手段または前
   記集光手段をレーザー光の光軸に沿って動かす摺動手段
   を有することを特徴とする請求項１または４記載の光結
   合装置。
7. （７）前記レーザー光源の波長が基準値λよりｄλだけ
   大きく（または小さく）、前記導波層の等価屈折率が基
   準値ＮよりもｄＮだけ大きく（または小さく）、前記周
   期構造のピッチが基準値ΛよりもｄΛだけ大きい（また
   は小さい）場合｜ｄλ／λ＋ｄＮ／Ｎ−ｄΛ／Λ｜の値
   がゼロに等しいことを特徴とする請求項１または４記載
   の光結合装置。
8. （８）偏光変換手段に１／４波長板を用いることを特徴
   とする請求項１または４記載の光結合装置。
9. （９）前記偏光変換手段によってレーザー光の偏光面が
   同心円接線方向または動径方向にある偏光状態に変換さ
   れることを特徴とする請求項１または４記載の光結合装
   置。