JPS606518B2 - ホログラム波面変換素子の製作方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は半導体レーザや発光ダイオード等の半導体発
光素子から射出された光を効率良く光フアィバに導くた
めに使用されるホログラム波面変換素子の製作方法に係
わるものである。

半導体レーザ、発光ダイオード等の半導体発光素子と光
フアィバを用いた光フアイバ通信方式は適用範囲の広い
優れた通信方式であるため現在非常に注目され、実用化
を目差した研究開発が各所で進められている。

この研究開発の重要なテーマの一つは半導体発光素子と
光フアィバの光結合効率をいかにして高くするかという
問題である。何故なら、半導体レーザから放射される光
は半導体レーザの活性層が矩形状であるためｐ−ｎ接合
面に平行な方向と垂直な方向とでは放射角が大幅に異な
り、また発光ダイオードから放射される光は発光部の拡
がりのため指向性が非常に悪く、単にレンズで収束した
だけでは一点に集中することができず、光を効率良く光
フアィバに入射させることができないからである。そこ
で半導体発光素子と光フアィバの光結合効率を向上させ
るため円柱レンズを用いる方法、球レンズを用いる方法
、半球レンズの組み合わせを用いる方法、ホログラム（
ホログラム波面変換素子）を用いる方法等多数の方法が
研究されている。

この中でホログラム波面変換素子を用いる方法は複雑な
波面変換が可能なこと、ホログラム波面変換素子の製作
条件により半導体発光素子と光フアィバの位置関係を任
意に選ぶことができること等の特徴を持っており、変換
効率を高くできる可能性がある。ホログラム波面変換素
子を用いる方法による半導体発光素子と光フアィバの結
合は次のようにして行なわれる。半導体発光素子から射
出された直後の光の断面と同じ大きさの開口を通過して
その閉口によって回祈された（半導体発光素子からの出
射光と同じような波面の）コヒーレント発散光と収束球
面波の干渉によって形成される干渉縞を記録材料に記録
してホログラム波面変換素子を製作し、このホログラム
波面変換素子を、ホログラム波面変換素子と半導体発光
素子の位置関係がホログラム波面変換素子製作時の開口
と記録材料の位置関係と同じ‘こなるように、半導体発
光素子と組み合わせると、半導体発光素子から射出され
た光はホログラム波面変換素子によりホログラム波面変
換素子製作時の収束球面波と同じ性質の光に波面変換さ
れる。そこでホログラム波面変換素子により波面変換さ
れた光が収束する所に光フアイバの端面を配置すると、
収束光は効率良く光ファィバに入射する。このホログラ
ム波面変換素子に用いる方法による半導体発光素子と光
フアィバの光結合の効率は、もしホログラム波面変換素
子の回折効率が１００％であるならば、ほとんど１００
％に近くなる。

しかし実用的なホログラムの回折効率は大部分ほぼ６０
％止まりであるため、半導体発光素子と光フアィバの結
合効率も必然的に６０％以下となり、４０％ほどの光は
全く利用されない。ホログラム波面変換素をィンラィン
（ｉｎ−ｌｉｎｅ）ホｏグラムにすれば０次回折光およ
び−１次回折光（共樋再生光）のうち光軸附近の光も光
フアィバに入射し、光エネルギーは光軸附近に集中して
いるから、結合効率がかなり向上するが、高い光結合効
率を得るためには半導体発光素子とホログラム波面変換
素子の間隔を数肋以下にする必要があり、ホログラム波
面変換素子製作時に関口と記録材料の間にコヒーレント
発散光と収束球面波を同軸にするための半透明鏡を挿入
することは非常に困難であり、かりに挿入できたとして
も今度は半透明鏡の裏面反射が有害な干渉縞のもとにな
ったり、閉口によって発散された発散光の波面をみだし
たりするため、従来のホログラム波面変換素子は全てオ
フアキシス（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）型であり、インライン
型にすることができなかった。この結果従来のホログラ
ム波面変換素子の光結合効率は必ずしも十分ではなく、
このため実用化が遅れていた。この発明の目的は従来の
オフアキシス型のホログラム波面変換素子の不十分な光
結合効率を改善するために、ィンラィン型のホログラム
波面変換素子の製作方法を提供することである。この発
明の原理は次の通りである。

半導体発光素子から射出された直後の光の断面とほぼ同
じ大きさの関口を通過しトこの関口によって回折された
コヒーレント発散光と参照光との干渉による千渉綿と、
前記のコヒーレント発散光とほぼ同じ光軸上を前記コヒ
ーレント発散光と同じ方向に進んで記録面の後方の任意
の点に収束するコヒーレント収束光と前記参照波と同じ
性質の参照波との干渉による干渉縞とを同じ記録材料に
重ねて記録することによってホログラムを製作し、この
ホログラムを記録時の参照波と同じ性質の光で照明する
と「ホログラムからはほぼ同じ光軸上を同方向に進むコ
ヒーレント発散光とコヒーレント収束光が再生され、こ
れらが干渉するので、この干渉縞を記録すれば、ィンラ
ィン型のホログラム波面変換素子を製作することができ
る。したがって本発明によるホログラム波面変換素子の
製作方法の特徴は半導体発光素子から射出された直後の
光の断面とほぼ同じ大きさの関口を通過し、この関口に
よって回折されたコヒーレント発散光と参照光との干渉
による干渉縞と、前記コヒーレント発散光とほぼ同じ光
軸上を前記コヒーレント発散光と同じ方向に進んで記録
面の後方の任意の点に収束するコヒーレント収束光と前
記参照波と同じ性質の参照波との干渉による干渉縞とを
同じ記録材料に重ねて記録することによってホログラム
を製作し、このホログラムから同時に再生されるコヒー
レント発散光とコヒーレント収束光が干渉して形成する
干渉縞を前記記録材料の背後に置いた別の記録材料に記
録する点にある。

以下本発明について図面を参照して説明する。第１図は
従来オフアキシス型のホログラム波面変換素子を製作す
るために用いられている光学装置の構成の１例を示す図
で、１０１はしーザ装置などのコヒーレント光発生装置
、１０２はコヒーレント光発生装置１０１から射出され
たコヒーレント光ビーム、１０３はコヒーレント光ビー
ム１０２を２方向に分けるためのビーム・スプリッタ、
１０４，１０５は反射鏡、１０６はコヒーレント光ビー
ムの直径を拡げるための逆望遠鏡型光学系、１０７は逆
望遠鏡型光学系１０６で拡げられた太いコヒーレント光
ビーム１０８を光フアィバに効率良く入射するコヒーレ
ント収束光にするためのレンズ、１０９は半導体発光素
子から射出された直後の光の断面とほぼ同じ大きさの関
口１１０を有する遮蔽板で、関口１ １川まその１例を
第２図に示すように矩形関口等である。１１１は記録材
料で、その面は開ロ１ １０の方に向いている。

この光学装置により、開口１１０で回折され、発散され
たコヒーレント発散光１１２としンズ１０７で収束され
たコヒーレント収束光１１３とが形成する干渉縞を記録
材料１１１に記録すると、オフアキシス型のホログラム
波面変換素子ができる。第３図は第１図の光学装置を用
いて作ったオファキシス型のホログラム波面変換素子に
より半導体発光素子と光フアィバを光学的に結合するた
めの光学配置を示す図で、３０１は半導体発光素子、３
０２は半導体発光素子から射出された発散光、３０３は
第１図の光学装置を用いて作ったオフアキシス型のホロ
グラム波面変換素子、３０４はホログラム波面変換素子
３０３により発散光３０２が波面変換された収束光、３
０５は光ファィバである。

半導体発光素子３０１とホログラム波面変換素子３０３
の位置関係は第１図の関口１１０と記録材料１１１の位
置関係と同じなので、発散光３０２はホログラム波面変
換素子３０３により第１図の収束光１１３と同じような
収束光３０４に変換され、光ファィバ３０５に効率よく
入射する。ただし、この場合は発散光３０２と収束光３
０４の光軸が必然的にある角度をなしている（オフアキ
シスである）ため、結合効率はホログラム波面変換素子
３０３の回折効率を越えることはできず、０次回折光お
よび一１次回折光（共節再生光）の全てが無駄になる。
第４図はこの発明によるィンラィン型のホログラム波面
変換素子の製作方方法において第１回目の露光を行なう
たの光学装置の一実施例の構成を示す図で、４０１はし
ーザ装置などのコヒーレント光発生装置、４０２はコヒ
ーレント光発生装置４０１から射出されたコヒーレント
光ビーム、４０３はコヒーレント光ビーム４０２を２方
向に分けるためのビーム・スプリツタ、４０４，４０５
は反射鏡、４０６はコヒーレント光ビームの直径を拡げ
るための逆望遠鏡型光学系、４０７は半導体発光素子か
ら射出された直後の光の断面とほぼ同じ大きさの開□４
０８を有する遮蔽板で、開○４０８は第２図に示したよ
うな矩形等の閉口である。

４０９は記録材料で、その面は開□４０８の方に向いて
いる。

この光学装置により、開□４０８で回折され、発散され
たコヒーレント発散光４１０と逆望遠鏡型光学系４０６
で拡大されたコヒーレント光ビーム（参照光）４１１と
が形成する干渉縞に記録材料４０９を露光する。この段
階ではまだ記録材料４０９に現像等の処理はほどこさな
い。第５図はこの発明によるィンラィン型のホログラム
波面変換素子の製作方法において第２回目の露光を行な
うための光学装置の一実施例の構成を示す図で、第４図
に示した光学装置の閉口４０８を有する遮蔽板４０７が
コヒ−レント光ビームを拡げるための逆望遠鏡型光学系
５０１と逆望遠鏡型光学系５０１で拡げられた太いコヒ
ーレント光ビーム５０２を光フアィバに効率良く入射す
るコヒーレント収束光にするためのレンズ５０３で置換
されている点だけが第４図に示した光学装置と異なって
いる。

ただし、レンズ５０３で収束されたコヒーレント収束光
５０４の光軸５０４１とコヒーレント発散光４１０の光
軸４１０１はほぼ一致するように配慮されている。この
光学装置により、コヒーレント収束光５０４とコヒーレ
ント光ビーム（参照光）４１１とが形成する干渉縞を記
録材料４０９に、先に露光したコヒーレント発散光４１
０とコヒーレント光ビーム４１１が形成する干渉縞に重
ねて、記録し、その後記録材料４０９に現像等の処理を
ほどこすとホログラムが完成する。このようにして製作
したホログラムを、第６図に示すように、コヒーレント
光発生装置６０１から射出されたコヒーレント光ビーム
６０２の直径を逆望遠鏡型光学系６０３で拡大した、ホ
ログラム記録時のコヒーレント光ビーム（参照光）４１
１と同じ性質の、コヒーレント光ビーム６０４によりホ
ログラム製作時のコヒーレント光ビーム（参照光）４１
１と同じ入射角で照明すると、ホログラム６０５からは
それぞれホログラム記録時のコヒーレント発散光４１０
とコヒーレント収束光５０４に相当するコヒーレント発
散光６０６とコヒーレント収束光６０７が再生され、こ
れらの光が干渉して干渉縞を形成するから、形成された
干渉縞をホログラム６０５の背後に置いた記録材料６０
８に記録し、記録材料６０８に現像等の処理をほどこす
とィンラィン型のホログラム波面変換素子ができる。

第７図はこの発明による製作方法で作ったィンラィン型
のホログラム波面変換素子により半導体発光素子と光フ
アィバを光学的に結合するための光学装置で、７０１は
半導体発光素子、７０２は半導体発光素子から射出され
た発散光、７０３はこの発明による製作方法で作ったィ
ンラィン型ホログラム波面変換素子、７０４はホログラ
ム波面変換素子７０３により発散光了８２が波面変換さ
れた収束光「 ７０５は光フアィバである。

収束光７０４はホログラム記録時の光ファィバに効率良
く入射するコヒーレント収束光５８４と同様に収束する
ので、光フアィバ７０５に効率よく入射する。さらにこ
の場合は発散光７０２と収束光７０４の光軸がほぼ一致
しているので、集東光７８４ばかりでなく、０次回折光
や−１次回折光（共節再生光）の一部も光フアィバ７０
５に入射し、ホログラム波面変換素子７０３の回折効率
が１００％でなくても、半導体発光素子７ＱＩと光フア
ィバ７０５の光結合の効率はかなり高くなる。なお上記
の実施例において、ホログラム６０５から必要な再生光
６０６，６８７の他に共鞠再生光が生じてもそれほど強
くないかぎりたいして問題ではないが、もし有害な場合
は記録材料４０９として言わゆる厚い記録材料を用いて
ホログラム６０５を体債ホ。

グラムにして共師再生光を抑圧すればよい。また上記の
実施例においては、まずコヒーレント発散光４１０とコ
ヒーレント光ビーム４１１とによる干渉縞に記録材料４
８９を露光し、次にコヒーレント収束光５０４とコヒー
レント光ビーム４１１とによる干渉縞を記録材料４８９
に記録したが、逆にまずコヒーレント収束光５０４とコ
ヒーレント光ビーム４１１とによる干渉縞に記録材料４
０９を露光し、次にコヒーレント発散光４１０とコヒー
レント光ビーム４１１とによる干渉縞を記録材料４０９
に記録してももちろんかまわない。

以上詳述したようにこの発明によれば半導体発光素子と
光フアィバの光結合効率の高いィンラィン型のホログラ
ム波面変換素子を安価にかつ容易に製作することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来オフアキシス型のホログラム波面変換素子
を製作するために用いられている光学装置の構成の１例
を示す図「第２図は半導体発光素子から射出された直後
の光の断面とほぼ同じ大きさの関口を有する遮蔽板の１
例を立体視的に示したもの、第３図は第１図の光学装置
を用いて作ったオファキシス型のホログラム波面変換素
子により半導体発光素子と光フアィバを光学的に結合す
るための光学配置を示す図、第４図はこの発明によるィ
ンラィン型のホログラム波面変換素子の製作方法におい
て第１回目の露光を行なうための光学装置の一実施例の
構成を示す図．第５図発明によるィンラィン型のホログ
ラム波面変換秦子み製作夫法において第１回目の露光を
行なうための光学装隣個の二実施例の構成を示す図、１
第５図はこの発明によるィンライン型のホログラム波面
変換素子の製作方法において第２回目の霧光を行なうた
めの光学装置の一実施例の構成を示す図、第６図は第４
図および第５図に示した光学装置により製作したホログ
ラムから再生されるコヒーレント発散光とコヒーレント
収束光が干渉して形成する干渉縞を記録するたの光学装
置の一実施例の構成を示す図、第７図はこの発明による
製作方法で作ったィンラィン型のホログラム波面変換素
により半導体発光素子と光フアィバを光学的に結合する
ための光学配置である。 図において、１０１，４０１，６０１‘まコヒーレント
光発生装置、１０２，４０２，６０２はコヒーレント光
ビーム、１０３，４８３はビーム。 スプリツタ、ｉ０４，竃０５，４０４，４０５は反射鏡
、１０６，４０６，５０１，６０３は逆望遠鏡型光学系
、１０７，５０３はしンズ「 １０８，４１１，５０２
，６０４は太いコヒ−レント光ビーム、１０９，４０７
は遮蔽板、１１０，４８８は開□、１１１，４０９，６
０８は記録材料、１１２，４１０はコヒーレント発散光
、１１３，５０４はコヒ−レント収束光、３０１，７８
１は半導体発光素子、３０２，了０２は発散光、３０３
，７０３はホログラム波面変換素子、３８４，７０４は
収束光、３０５，７０５は光フアィバ、４１０１はコヒ
ーレント発散光４１０の光軸「 ５０４１はコヒーレン
ト収束光５０４の光軸、６０５はホログラム「 ６０６
は再生されたコヒーレント発散光、６０７は再生された
コヒーレント収束光である。袋′図 繁２図 髪ぅ図 彩り図 第５図 紫ら図 髪７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体発光素子から射出された直後の光の断面とほ
   ぼ同じ大きさの開口を通過し、前記開口によって回析さ
   れたコヒーレント発散光と参照光との干渉による干渉縞
   と、前記コヒーレント発散光とほぼ同じ光軸上を前記コ
   ヒーレント発散光と同じ方向に進んで記録面の後方の任
   意の点に収束するコヒーレント収束光と前記参照波と同
   じ性質の参照波との干渉による干渉縞とを同じ記録材料
   に重ねて記録することによってホログラムを製作し、前
   記ホログラムから同時に再生されるコヒーレント発散光
   とコヒーレント収束光が干渉して形成する干渉縞を前記
   記録材料の背後に置いた別の記録材料に記録することに
   よってホログラム波面変換素子を製作することを特徴と
   するホログラム波面変換素子の製作方法。