JPH0682654A

JPH0682654A - 光導波型結合器

Info

Publication number: JPH0682654A
Application number: JP4234735A
Authority: JP
Inventors: Isao Kawakubo; 功川窪
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-09-02
Filing date: 1992-09-02
Publication date: 1994-03-25

Abstract

(57)【要約】【目的】サイドローブが発生しないスポット形状が得ら
れる光導波型結合器を提供することを目的とする。【構成】光導波路５上にグレーティングカプラ９が形
成されており、光導波路５と外部との結合を、グレーテ
ィングカプラ９を介して行う光導波型結合器であって、
グレーティング開口端におけるビーム射出効率が低下す
るように、グレーティングカプラ９の下の部分のクラッ
ド層３が、導波光進行方向に沿ってグレーティング端部
から中央部に向けて徐々に厚くなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光導波路と光ファイ
バとの結合部、光ＩＣ、または光ピックアップに用いら
れる光導波型結合器に関し、特に、光導波路上に形成さ
れたグレーティング部を介して光導波路と外部との結合
を果たす光導波型結合器に関する。

【０００２】

【従来の技術】上述した光導波型結合器が用いられた光
デバイスの一例として、光集積ピックアップが知られて
いる。この光集積ピックアップは、従来の光ピックアッ
プが有する欠点、すなわち小型、軽量化を達成できない
という点、を解決するためになされたものであり、例え
ば、電子通信学会論文誌１９８６・５Ｖｏｌ・Ｊ６９−
ＣＮｏ．５Ｐ６０９−Ｐ６１５で報告されているよう
な構成が知られている。以下、図１を参照して、この論
文誌で報告されている光集積ピックアップの構成を簡単
に説明する。

【０００３】シリコン基板１上に形成されたクラッド層
３上には、光導波路（層）５が形成されており、この光
導波路５上には、ビームスプリッタ７およびグレーティ
ングカプラ９が形成されている。光導波路５の端面に
は、半導体レーザ１０が固定されており、ここから射出
されたレーザ光は、光導波路５に結合し、光導波路内を
伝搬して行く。この導波光は、グレーティングカプラ９
により放射され、光ディスク１２のトラックに集光され
る。

【０００４】そして、光ディスク１２で反射された光
は、グレーティングカプラ９により再び光導波路５内に
結合される。この結合された反射光は、ビームスプリッ
タ７によって、シリコン基板１上の左右にそれぞれ２分
割して形成されたフォトダイオード１５ａ，１５ｂおよ
び１５ｃ，１５ｄに向けて分割される。それぞれのフォ
トダイオード１５ａ〜１５ｄで得られる光量をＡ〜Ｄと
すると、（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）を検出することにより
トラッキングエラー信号が、（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）を
検出することによりフォーカシングエラー信号が、そし
て、（Ａ＋Ｂ）＋（Ｃ＋Ｄ）を検出することにより情報
信号が、それぞれ得られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した光導波型結合
器を有する光集積ピックアップによれば、従来の光ピッ
クアップが備えている半導体レーザ、集光レンズ、光検
出器等の各個別部品を集積化したため、小型、軽量化と
いう点においては優れている。しかし、光導波型結合器
であるグレーティング領域において、以下の問題点を有
している。

【０００６】一般に光導波路上にグレーテイングカプラ
を形成し、導波光を空間に射出する場合、射出される光
の開口面内における強度分布は、図２に示すようにな
り、開口端で電界強度が大きく変化する。特に、破線で
囲んだ領域において、電界振幅がステップ状に大きく変
化する。

【０００７】このような強度分布を持つ光を集光させる
と、開口端部での射出光の位相の乱れの影響により、焦
点位置におけるスポットの形状は、図３（ａ）で示すよ
うに集光スポットの両サイドにおいてサイドローブが発
生する。サイドローブが発生したスポット形状で光ディ
スク上のピットを読み取った場合、図３（ｂ）で示すよ
うにピットのエッジ部に信号の乱れが発生し、信号の再
生に悪影響を与えるという問題がある。

【０００８】この発明は、上記問題点を解決するために
なされたものであり、サイドローブが発生しないスポッ
ト形状が得られる光導波型結合器を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本発明は、光導波路上にグレーティング部を有し、光
導波路と外部との結合をグレーティング部を介して行う
光導波型結合器であって、グレーティング開口端におけ
るビーム射出効率を低下させる手段を備えたことを特徴
としている。

【００１０】

【作用】光導波路上に形成されたグレーティングカプラ
の開口端におけるビーム射出効率を低下させることによ
り、開口端における放射光の電界強度分布の急峻な変化
を抑え、サイドローブのないスポット形状を得る。

【００１１】

【実施例】まず、本発明に係る光導波型結合器の実施例
を説明する前に、本発明の原理について説明する。

【００１２】図４（ａ）は、前記従来技術で説明した光
導波型結合器の構造を示している。この構造において、
導波光の進行方向をｙ方向とすると、開口内の電界分布
は、Ｅ＝Ｅ₀ｅｘｐ（−αｙ）で与えられる（図４
（ｂ））。この式においてαは、放射損失係数と呼ば
れ、ｙ方向の単位長さ当たり導波光が放射光に変換され
る割合を示す。αは、素子の構造パラメータを用いて以
下の式で表せる。

【００１３】

【数１】

【００１４】上記式においてＮ…実効屈折率，ｎ_c…クラッド層屈折率，ｎ_r…グレ
ーティング層屈折率，ｎ_f…光導波層屈折率，ｎ_s…基
板層屈折率，ｔ_g…グレーティング層厚（μm ），ｔ_f
…導波層厚（μm ），γ…グレーティングのデューティ
比，ｔ_b…クラッド層厚（μm ）また、ｋ_c〜ｋ_sは、光導波路の伝搬定数をβb ，真空
中の波数をk0とするとそれぞれ以下の式で与えられる。

【００１５】

【数２】

【００１６】図４（ａ）に示される構成に対して、図５
（ａ）のようなクラッド層がテーパ状になっている構造
を考える。αが極めて小さい場合は（α<<１）、電界Ｅ
はαに比例し、Ｅ＝Ｅ₀′・αとなる。前記（１），
（２）式より明らかなように、αはクラッド層厚ｔ_bに
依存し、ｔ_bの値によりαは周期的に変化する。

【００１７】この理由を図４（ｃ）を参照して説明す
る。図中左から光導波層上下の境界面で反射しながら伝
搬してきた導波光は、グレーティングにより変調を受
け、矢印Ａで示すように空間に放射され、同時に、基板
側にも矢印Ｃで示すように等量の光が放射される。基板
側に放射された放射光は、基板とクラッド層との界面で
反射され、再び空間に放射される。この時、空間への放
射光Ａと界面で反射された反射光Ｂとの位相が一致する
場合は、お互い強め合うため、αは大きくなり、位相が
逆になる場合は、お互いに打ち消し合うため、αは小さ
くなる。言い換えれば、クラッド層の厚みを変えると反
射光Ｂの光路長が変わるため、αは、クラッド層の厚さ
に依存していることになる。

【００１８】従って、図５（ｂ）のように、クラッド層
厚が薄い部分でα＜１となり、厚い部分でα＝１となる
ように、各層の屈折率その他のパラメータの設定をすれ
ば、放射光の電界強度分布は図５（ｃ）で示すようにな
り、図４（ｂ）のような開口端部での急激な電界変化を
抑えることができる。

【００１９】図５（ｄ）は、図５（ｃ）の電界強度分布
をフーリエ変換して、集光点におけるスポットの強度を
求めたものである。この図から明らかなように、図３
（ａ）の場合と比較してサイドローブが小さくなる。こ
のように、グレーティング開口端においてビーム射出効
率を低下させる手段を設けることにより、安定した信号
再生が期待できる。

【００２０】なお、図５では、グレーティング開口端に
おけるビーム射出効率を低下させる手段として、クラッ
ド層をテーパにし、クラッド−基板面の反射干渉を利用
した場合を例にとって説明したが、放射損失係数αを図
５（ｂ）に示すように制御できる構造であれば何でも良
い。すなわち、前記（１）式には、グレーティングのデ
ューティ比、グレーティング層厚等もパラメータとして
含まれるので、これらを開口内で変化させても同様な効
果が得られる。

【００２１】以上説明した本発明の原理を基に、本発明
に係る光導波型結合器を光集積ピックアップに用いた実
施例を具体的に説明する。なお、以下に説明する実施例
において、前記従来技術で説明した図面と同一の構成要
素については、同一の参照符号が付してある。

【００２２】図６（ａ）は、本発明の第１の実施例を示
す斜視図であり、（ｂ）はその側面図である。シリコン
基板１上には、シリコン酸化膜（クラッド層）３ａを介
して光導波層５が形成されており、この光導波層５上に
は、ビームスプリッタ７およびグレーティングカプラ９
が形成されている。光導波層端面には、光導波層５内へ
レーザ光を結合するように、半導体レーザ１０が固定さ
れている。前記クラッド層３ａは、側面図に示すように
グレーティングカプラ９の下の部分がテーパ状に形成さ
れており、半導体レーザからの導波光の進行方向に沿っ
てグレーティング端部から中央部に向けて徐々に厚くな
っている。また、シリコン基板上の左右両端部には、そ
れぞれ、図示されていない光ディスクからの反射光を検
出する２分割フォトダイオード１５ａ，１５ｂおよび１
５ｃ，１５ｄが形成されている。

【００２３】上述したデバイスは、通常のリソグラフィ
技術によって容易に作製することができる。この場合、
クラッド層３ａをテーパ構造にする手段として、例えば
ＣＶＤ法が用いられる。具体的には、シリコン基板１の
表面から僅かに離してナイフエッジ等の遮蔽板を配置
し、ガスの回り込みを利用して、所望のテーパとなるよ
うにクラッド層の成長速度を変化させれば良い。

【００２４】このようにクラッド層がテーパ状になって
いるため、グレーティングカプラでの放射光の強度分布
は、図５（ｃ）で示すようになり、光ディスクに記録さ
れた信号を安定して再生することができる。次に、前述
した放射損失係数αを、図５（ｂ）に示すように制御で
きる構造の別の実施例を説明する。

【００２５】図７に示す実施例では、グレーティングカ
プラ９ａのデューティ比が、導波光進行方向に沿ってグ
レーティング端部から中央部に向けて徐々に変化してい
る。このように、グレーティングカプラ９ａのデューテ
ィ比を変化させる方法としては、グレーティング形成の
際用いる光学マスクのパターンを、放射損失係数αが図
５（ｂ）に示す特性となるように、あらかじめ形成して
おけば良い。この場合にも、第１の実施例と同様な効果
が得られる。

【００２６】図８に示す実施例では、グレーティングカ
プラ９ｂの層厚が、導波光進行方向に沿ってグレーティ
ング端部から中央部に向けて徐々に厚くなるように変化
させた例である。このように、グレーティングカプラの
層厚を変化させる方法としては、第１の実施例同様、遮
蔽板を配置し、ガスの回り込みを利用して、所望の形状
となるようにグレーティング膜を成長させれば良い。こ
の場合にも、第１の実施例と同様な効果が得られる。

【００２７】以上、本発明の実施例を説明したが、これ
らの実施例の他にも、放射損失係数αを図５（ｂ）に示
すように制御できる構造であれば、本発明に含まれるの
はもちろんである。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光導波型
結合器によれば、光導波路から光が放射される際に、サ
イドローブが殆ど無い光スポットが得られるため、安定
した光信号の伝達ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の光集積ピックアップの構成を示す図であ
る。

【図２】図１に示す光ピックアップにおいて、グレーテ
ィング部分で光が放射される際の強度分布を示す図であ
る。

【図３】（ａ）は、図１に示す光ピックアップにおい
て、焦点位置におけるスポットの形状を示す図、（ｂ）
は、（ａ）で示すスポットで信号検出した際に得られる
再生信号特性を示す図である。

【図４】（ａ）は、図１に示された光ピックアップにお
ける光導波型結合器の部分を示す側面図、（ｂ）は、グ
レーティング部分で光が放射される際の強度分布を示す
図、（ｃ）は、グレーティング部分で光が放射される状
態を示す側面図である。

【図５】（ａ）は、本発明の光導波型結合器の一実施例
を示す側面図、（ｂ）は、本発明の光導波型結合器が有
する放射損失係数の特性を示す図、（ｃ）は、（ｂ）に
示した放射損失係数の特性において、グレーティング部
分で光が放射される際の強度分布を示す図、（ｄ）は、
（ａ）に示した構成において、焦点位置におけるスポッ
トの形状を示す図である。

【図６】（ａ）は、本発明の光導波型結合器が光集積ピ
ックアップに用いられた場合における第１の実施例を示
す斜視図、（ｂ）は、その側面図である。

【図７】本発明の第２の実施例を示す側面図である。

【図８】本発明の第３の実施例を示す側面図である。

【符号の説明】

１…シリコン基板、３…クラッド層、５…光導波路
（層）、９，９ａ，９ｂ…グレーティングカプラ、１０
…半導体レーザ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光導波路上にグレーティング部を有し、
光導波路と外部との結合をグレーティング部を介して行
う光導波型結合器であって、グレーティング開口端にお
けるビーム射出効率を低下させる手段を備えたことを特
徴とする光導波型結合器。