JPH0337574A - 光集積スペクトルアナライザー - 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、信号の周波数分析を光学的に行う光集積スペ
クトルアナライザーに関する。

［従来の技術］ 薄層状の導波路に光源からの光を導波させつつ、トラン
スジューサーに信号を印加して信号に応じた表面弾性波
を導波路表面に誘起させて導波光を回折せしめ、回折光
を光検出手段により検出して上記信号の周波数成分を検
出する光集積スペクトルアナライザーが知られている（
例えば　ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ　０ＰＴＩＣＡＬ　（Ｊ
ＲＣＩＩＩＴＳ　ＦＯＲＲＦ　ＳＰＥＣＴＲＩＩＭ　Ａ
ＮＡＬＹＳＩＳ　：Ｂ、ＣＨＥＮ　　ＥＴ　　ＡＬ、　
；ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ　ＯＦ　５ＰＩＥ　　、ＶＯ
Ｌ、２１８　　Ｐ８〜　や　西原他著「光集積回路」　
：コロナ社；　１９８５；Ｐ３６１１〜．以下上記順序
に参考文献１．２という）。

光集積スペクトルアナライザーの一般的説明は上記参考
文献２に詳しい。

このような光集積スペクトルアナライザーでは導波路を
導波される光に対して所定の波面変換が行われる。例え
ば上記参考文献１では、光源からの発散性の導波光を平
行光束に変換するための波面変換と、表面弾性波との相
互作用により回折された導波光に対しフーリエ変換する
ための波面変換が行われている。

このような波面変換は導波路光学系により行われるが、
従来知られた光集積スペクトルアナライザーにおいては
導波路光学系として、モードインデックスレンズ、ルネ
ブルクレンズ、ジオデシックレンズ、グレーティングレ
ンズが用いられている。これらレンズの内、モードイン
デックスレンズ、ルネブルクレンズ、ジオデシックレン
ズは、何れも精度の良いものを作製するのが極めて難し
く、量産に適さない。またゲーティングレンズは比較的
容易に作製できるものの、導波光の波長が変化する。と
焦点ｋｍが変化してしまうので、波長変化の伴う半導体
レーザーを光源として使用できず、使用光源がＤＢＦレ
ーザーのような特殊で高価なものに限られてしまう。

［発明が解決しようとする課題］ 上述のように、従来知られている光集積スペクトルアナ
ライザーでは、波面変換を行うための導波路光学系が導
波路レンズであるため、量産性に適した低コストの実用
的アナライザーの実現が困難であるという問題があった
。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって
、量産性に適し、且つ低コストで実現できる新規な光集
積スペクトルアナライザーの提供を目的とする。

［課題を解決するための手段］ 以下、本発明を説明する。

本発明の光集束スペク１〜ルアナライザーは「薄層状の
導波路に光源からの光を導波させつつ、トランスジュー
サーに信号を印加して信号に応じた表面弾性波を導波路
表面に誘起させて導波光を回折せしめ、回折光を光検出
手段により検出して信号の周波数取分を検出する」装置
であり、その特徴とするところは、「導波路を導波され
る導波光に対して所定の波面変換を行うための導波路光
学系が、薄層状の導波路の境界面として形成された導波
路反射光学系である」点に存する。

ここに「導波路の境界面」は、導波路を構成する薄層の
厚みにより構成される「導波路端面」として構成される
ほか、導波路を構成する薄層中の組成の変化等により導
波路中の屈折率が不連続的に変化する境界面として構成
することができる。

なお境界面が導波路の端面として形成される場合、反射
は全反射を利用することもできるし、端面部に金属膜等
を反射膜として形成し、鏡面反射により反射させるよう
にすることもできる。

［作　　用］ このように本発明の光集積スペクトルアナライザーは、
波面変換を行う導波路光学系が導波路反射光学系であり
、波面変換を行うのに屈折を利用しない。従って、導波
光の波長に拘らず常に一定した波面変換が可能である。

また導波路反射光学系は、導波路を構成する薄層に境界
面として形成されるので、エツチング等の技術により極
めて精度の良いものが容易に作製可能である。

［実施例］ 以下、図面を参照しながら具体的な実施例に即して説明
する。

実施例］ 第１−図に於いて、符号（は、Ｙ−ｃｕｔ　　ＬｉＮｂ
Ｏ３による基板を示し、符号２は、この基板１の片面側
にＴｉを拡散して形成された導波路を示している。

このような拡散型の導波路はすでに知られたものである
。

基板１には、光源としての半導体レーザー３と、光検出
手段としての光検出器アレイ４が固設されている。これ
ら半導体レーザー３と光検出器アレイ４は、導波路２と
端面結合するように外付けでハイブリソド集積されてい
る。

導波路２中には導波路反射光学系５，８と、１〜ランス
ジユーサー６とが配備されている。

導波路反射光学系５は、その反射面５ａが放物線形状を
持ち、半導体レーザー３からの発散性の導波光をコリメ
ートする。

トランスジューサー６は、交差指電極を持ついわゆるイ
ンターデジタル・トランスジューサー（工ＮＴＥＲＤＩ
ＧＩＴＡＬ　ＴＲＡＮＳＥＤＵＣＥＲ）であり、導波路
２に表面弾性波を誘起するためのものである。

導波路反射光学系８は、その反射面８ａが放物線形状を
持ち、トランスジューサー６による表面弾導波の誘起が
焦いとき、導波路反射光学系５による反射光を反射させ
て光検出器アレイ４の所定の位置へ集束させる。

基板１、導波路２、導波路反射光学系の関係は第２図に
示す如くである。

第２図は第１図のＡ−Ａ断面部分を示している。

導波路２は前述のように基板１の片側の面にＴ１を拡散
させた拡散層として形成され、表面側で屈折率が高く、
基板内部へ行くほど屈折率が低くなる屈折率分布型の導
波路となっている。

この導波路２に７７１−１−レジスト等をマスクとして
ドライエツチングにより導波路表面に略垂直に切り立っ
た境界面５ａを形成する。ドライエツチング法としては
ＣＦ４．Ｃ３Ｆ８．ＣｌＩＦ５等の反応性ガスを用いた
反応性イオンエツチング、あるいは反応性イオンビーム
エツチング等が好ましい。

この境界面５ａの部分に真空蒸着やスパッタリング等に
より高反射率の金属、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａ１等
による高反射率［１５を形成して導波路反射光学系５が
形成される。導波路反射光学系８も同様にして形成され
る。

なお高反射率層１５としては、金属以外に誘電体多層膜
等を利用することもできる。

さて第１図に戻ると、半導体レーザー３の発光部Ｏから
放射された発散性の光は導波路２中を導波され、導波路
反射光学系５により反射されるとコリノー１〜されて導
波され、Ｘらに導波路反射光学系８に反射され、ると集
束光に波面変換されて図のＯ′の位置へ集光する。即ち
、この実施例に於いて境界面５ａは０点を焦点とする放
物線形状となっており、境界面８ａはＯ′点を焦点とす
る放物線形状となっている。従って、０点からの光は原
理的に無収差で０′点に結像する。

さて第１図に於いて半導体レーザー３を発光させた状態
で、トランスジューサー６に信号１２を印加すると、信
号１２に対応した表面弾性波７が導波路２を伝搬する。

このとき導波路反射光学系５から導波路反射光学系８に
向かって平行光として導波される導波光は、表面弾性波
により回折される９回折光は、表面弾性波の周波数成分
、換言すれば信号１２の周波数成分に応じて発生し、周
波数ごとに回折角が異なる。第１図に於いて符号９はＯ
次光即ち回折の影響を受けない導波光成分であり、導波
路反射光学系８に反射されると集束光となって０′点の
位置で光検出器アレイに入射する。符号１０は表面弾性
波により回折された回折光を代表して示したものであり
、導波路反射光学系８により反射されると回折角に応じ
た位置で光検出器アレイ４に入射する。

光検出器アレイ４は微小な光検出器をアレイ配列したも
のであって、その出力により０次光９と回折光１０の各
集束点の間隔を知ることができる。

この間隔は表面弾性波の周波数と比例関係にあり、した
がって０次光と回折光の集束位置の間隔によって信号１
２の周波数成分を知ることができる。

この説明の例では、境界面８ａの焦点位置Ｏ′に０次光
が集束するように構成したが、周波数分析の実際的見地
からすると、トランスジューサー６の帯域の中心となる
周波数に対応する回折光の集光位置を０′点に対応させ
るのが望ましい。

実施例２ 第３図に実施例２を示す。

第３図に於いて、符号３Ａは半導体レーザー、符号４Ａ
は光検出器アレイ、符号５Ａ、　８Ａは導波路反射光学
系、符号６はトランスジューサーをそれぞれ示す９ 基板１ＡはＳｉやＧａＡｓ等の半導体基板であり、第２
図に示すように、その片面にバッファ層１Ｂを介して導
波路２Ａが形成されている。

バッファ層ＩＢは、基板ＩＡによる導波光吸収を防ぐた
めのもので、５ｉ０２等を熱酸化やスパッタリング、Ｃ
ＶＤ法等で積層して形成される。

また導波路２Ａは、圧電性を持つＺｎＯ等をスパッタリ
ングするなどして形成する。導波路反射光学系５Ａ、　
８Ａは、第４図に示す第３図のＢ−８’断面図のように
導波路２人をドライエツチングで切り欠いて境界面５ａ
’を形成し、切り欠いた部分に高反射率層１５′を形成
して形成されている。高反射率層１５′は実施例１の高
反射率層１５と同じで良い。

実施例２の特徴は、半導体レーザー３Ａと光検出０ 器アレイ４Ａとを基板上にモノリシックに集積した点に
ある。

即ち、半導体レーザー３Ａは、基板ＩＡがＳｉ基板のと
きは基板上にＧａＡｓやＧａＡ］、ＡｓをＭＯＣＶＤ法
、ＭＢＥ法などによるヘテロエピタキシー技術を用いて
積層して作製でき、基板ＩＡがＧａＡｓ基板のときは基
板上にＧａＡｌＡｓ系の半導体レーサーをＬ　、Ｐ　Ｅ
法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ／Ｉ！ｉなどで作製できる。

また光検出器アレイ４Ａは、基板］Ａに対して不純物拡
散を行うことにより作製できる。

実施例２の動作は、実施例１の動作と同じである。

実施例３ 第５図に実施例３を示す。

実施例３は実施例２の変形例であり、実施例２と同様の
基板］Ａにバッファ層１Ｂを介して導波路２人が形成さ
れ、光検出器アレイ４Ｂが基板にモノリシック集積され
ている。

導波路反射光学系５Ａ、　８’は、第４図に示す実施例
２の断面構造と同じく、導波路２Ａを切り欠いて１工 乗直に切り立った端面を境界面として形成し、切り欠い
た部分に高反則率層を形成して構成されている。

半導体レーザー３は実施例１の場合と同しく、端面結合
によりハイブリッド集積されている。

導波路反射光学系８′の境界面８ａ’の形状は、光検出
器アレイ４Ｂｌの０′点を焦点とする放物線形状となっ
ており、この実施例３では上記０′点は１〜ランスジユ
ーザー６の帯域の中心周波数の表面弾性波による回折光
の集光位置に松っている。

半導体レーサー３からの発散光束を導波路反則光学系５
Ａによりコリノー１〜し、１〜ランスジユーサー６によ
る表面弾性波により回折させ、０次光および回折光を導
波路反射光学系８′により光検出器アレイ４Ｂに集光さ
せて周波数分析を行う。

実施例１．．２．３に於いては、１〜ランスジユーサー
６による表面弾性波は一導波銘反劉光学系間のみならず
、光源とコリノー１〜用導波路反射光学系の間、および
集光用導波路反射光学系と光検出器アレイとの間の領域
をも伝搬する。

２ しかし光源とコリメート用導波路反射光学系の間、およ
び集光用導波路反射光学系と光検出器アレイとの間の領
域では、光束は発散性もしくは集束性であり、表面弾性
波による回折格子に対してブラッグの条件を満たさない
ので実質的な回折はこの領域では発生しない。

実施例４ 第６図に実施例４を示す。

この実施例では、基板と導波路の断面構造は第２図に示
す実施例１におけるものと同しである。

即ち第７図に示す第６図のｃ−ｃ’断面図のように、導
波路２はＬｉＮｂＯ３基板工にＴ基板波散させて構成さ
れており、導波路反射光学系は導波路２をドライエソチ
ングにより切り欠いて導波路表面に略垂直に切り立った
境界面８ｂ等を形成することにより構成する。

実施例４では、第７図に示されるように切り欠いた部分
はそのまま空気領域となっている。

これは実施例４では導波路反射光学系５１１，８Ｂの境
界面５ｂ、８）による反射を全反射により行うから３ である。

導波路反射光学系の反別面で全反射が生ずるようにする
には、反射面をなす境界面５ｂ、８．ｂへの入側角をＯ
，導波路の等偏屈折率をｎ□とするとき、入射角０が周
る所で ０≧５ｉｎ−’（］／ｎ＋）　　　　　　（］）なる条
件を満足するように境界面の形状を設定すれば良い。

第６図に於いて、境界面５ｂは０点を焦点とする放物線
形状、境界面８ｂはＯ′点を焦点とする放物線形状であ
って、境界面５ｂは０点からの放射光の入射角が周ると
ころ上記条件（］）を満足するように、また境界面８ｂ
は境界面５ｂにより反射された反射光が周るところ条件
（Ｌ）を満たして入射するように形状設定されている。

半導体レーザー３は上記０点が発光部に合致するように
、端面結合でハイブリッド形成され、光検出器アレイ４
も０′点を受光領域中に含むように端面結合でハイブリ
ッド形成されている。

半導体レーザー３を発光させて、トランスシュ４ サー６に信号を印加すれば、他の実施例と同様に信号の
周波数分析を行うことができる。

導波路反射光学系による反則を全反射で行う場合の境界
面の構成例の別の２例を、第８図及び第９図に示す。

第８図の例は、境界面８ｂ’がテーパー状をなす例であ
る。この場合テーパーの長さ△は光の波長以」二あるこ
とが望ましい。

この場合の全反射の条件は、境界面８ｂ’への入射角Ｏ
が、導波路２の等偏屈折率ｎ＋、上（板１の屈折率ｎ２
に対し、周る所で Ｏ≧５ｊｎ−’　（ｎｚ／＋１＋）　　　　　　（２）
を満足することである。

テーパー状の境界面を形成するには、ウエノ１〜エツチ
ングや、イオンビームを斜めに照射してドライエノチン
クする方法、あるいは導波路形成時に基板から若干はな
れた開口を有するマスクを介して成膜する方法等で実現
できる。

第９図の例は、第８図の如くに形成されたテーパー状の
境界面８ｂ’　に続けてさらに低屈折率層１３］５ を装荷した例である。このとき境界面は屈折率が不連続
的に変化する境界面になっている。

低屈折率層１３の材料としてはＳ　１０　ｚ　ｇ　Ｍ　
ｇ　Ｆ２　＋樹脂等を用いることができる。この低屈折
率Ｎ１３の等偏屈折率を０３とするとｎ２≦ｎ３（ｎ２
：基板の屈折率）のときは、入射角Ｏに対し ０≧ｓ５ｎ　’（ｎ３／ｎ＋）　　　　　　（３）また
ｎ２＞ｎ３のときは、 Ｏ≧５ｊｎ−”　（ｎ２／ｎ＋）　　　　　　（４）が
全反射の条件である。低屈折率の層は、第７図のような
垂直に切り立った境界面の場合にも装荷でき、いずれの
場合も境界面の保護の役割も果たす。

［発明の効果コ 以上、本発明によれば新規な光集積スペクトルアナライ
ザーを提供できる。このアナライザーは」二記の如き構
成となっているから、光源の波長変化の影響を受けるこ
とがなく、従って通常のファプリーベロー型半導体レー
ザーを光源として使用できる。また周波数分析は導波路
の屈折率変化の６ 影響を受けない。従って、正確な周波数分析を実行でき
る。また導波路反射光学系の作製はりソグラフイの手法
で容易に高精度のものを実現できる。

従って、低コス１〜で量産性も優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は実施例１を説明するための図、第
３図および第４図は、実施例２を説明するための図、第
５図は、実施例３を説明するための図、第６図および第
７図は、実施例４を説明するための図、第８図および第
９図は、変形例を説明するための図である。 ２００．導波路、３０９．半導体１ノーザー、４１９．
光検出器アレイ、５，８．、、導波路反射光学系、６．
、、ｌヘランユ７ 形Ｉ め７ 日 形６茜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　薄層状の導波路に光源からの光を導波させつつ、トラ
   ンスジューサーに信号を印加して信号に応じた表面弾性
   波を導波路表面に誘起させて導波光を回折せしめ、回折
   光を光検出手段により検出して上記信号の周波数成分を
   検出する光集積スペクトルアナライザーであって、 導波路を導波される導波光に対して所定の波面変換を行
   うための導波路光学系が、薄層状の導波路の境界面とし
   て形成された導波路反射光学系であることを特徴とする
   、光集積スペクトルアナライザー。