JPS61107304A - 光導波型レンズ - 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】 発明の背景 （１）技術分野 この発明は、基板上に形成された光導波路内または光導
波層内で光を集光またはコリメートする光導波型レンズ
に関する。

（２）　　従来技術の説明 従来の光導波型レンズには、ジオデシック・レンズ、ル
ネブルグ・レンズ、ブラッグ・グレーティング・レンズ
およびフレネル・レンズがある。これらのうちでジオデ
シック書レンズおよびルネブルグ・レンズは、その作製
のために高精度の研磨技術等を必要とするので高価なも
のとなる。ブラッグ・グレーティング・レンズは光の入
射角や波長が最適値かられずかにずれ、でも集光効率が
著しく低下するという欠点がある。

フレネル・レンズには、屈折率分布がステップ状のもの
と２乗分布のものとがこれまでに開発されている。前者
は、収束される児と同程度の強さの発散光が発生し、高
い効率が得られないという欠点がある。後者はかなり高
い効率が得られるので現在注目されている。

このタイプのフレネル・レンズは、たとえばＡｐｐｌｉ
ｅｄ　０ｐｔｉｏ−ｓ　Ｖｏｌ、　２１、Ａ１１　（１
９８２年６月１日）、第１９６６ページに「Ｇｒａｄｓ
ｄ　−１ｎｄａｘ　　Ｆｒｅｓｎｅｌ　　１ｅｎｓｅｓ
　　ｆｏｒ　　ｉｎｋｅｇｒａＬｅｄＯｐｔｉｃｓ　　
Ｊというタイトルで紹介されている。

この屈折率２乗分布型フレネル・レンズについてその構
造、原理について簡単に説明しておく。

第１図において、Ｓｉ基板（１）上にＳｉＯ□バ・ソフ
ァ層（２）が形成され、その上にアモルファスＡｓ２Ｓ
３からなる光導波層（光導波路）（３）が真空蒸着法に
より形成される。そして、この光導波層（３）に電子ビ
ームを照射することにより後述する屈折率分布をもつフ
レネル舎レンズαＧが作製される。便宜的に、このレン
ズααの出力側線方向にＸ軸を、光軸方向に２＠をとる
。

このフレネル・レンズαＧによって２次元の入射平面波
を２次元の円筒波に変換し点Ｐに集光させるために必要
なフレネル・レンズααの位相変調分布ΦＦ　（Ｘ）は
第（１）式で与えられる。

（ＩＩＩ＜　　ｆ　　） ０・−≦１・Ｉ≦　・−＋１　） ここで ｋ　＝ｋ　（、ｎ　。

ｆはレンズ（１１１の焦点距離、Ａ６は光導波層＋３１
の実効屈折率、λは入射光の真空中におけし ６波長、あ、。また、。は、：／ズ。。０各シー　　　
　　　　；□顛ンの番号で、Ｏおよび正の整数をとる。

ΦＦ　（Ｘ）の分布が第２図（ａ）に示されている。

と 第（１）式で与えられるΦＦ（Ｘ）　鵜実現するための
レンズαＧの屈折率分布ｎ　（ｘ）は第（２）式で与え
られ（−Ｌ≦・　≦　０　） ここで、Δｎは屈折率分布の最大変化分、Ｌはレンズ朋
の厚さである。

この屈折率分布ｎＯが第２図（′ｂ）に示されている。

第（２）式で与えられる屈折率分布をもつレンズαＧに
振巾が１の平面波が垂直に入射すると、レンズααの後
側焦点面における光の強度分布は、−次元回折積分によ
り、第（３）式で与えられる。

ここで ｓｉｎ、、ｙ　＝　　８ｉｎｙ と定義される。

第（３）式で与えられる強度分布のグラフが第３図に示
されている。

第３図から分るように、このようなフレネル中レンズα
口においては、スポット・サイズ（正規化された距離が
一πからπの範囲）内に入射光エネルギーの９０％程度
の光が集光するために、非常に高い集光効率が得られる
。

しかじな、がら、このようなフレネル・レンズααでは
第（２）式で与えられる屈折率分布を電子ビームで直接
に光導波層（３）に翳込まなければならないので、電子
ビーム照射によって屈折率変化ファス半導体しか用いる
ことができない。したかって、利用できる光の波長が赤
外域のものに限られるという欠点がある。可視域の波長
のレーザ光は今後ますますその応用が広がるものと思わ
れるが、このような波長の光の利用ができないというこ
とは大きな問題である。

また、電子ビームによる屈折率分布の瞥き込みにおいて
は、電子ビームの電流密度が変動すること、レンズ（１
αの端に近いゾーンではその巾が狭いので有限な電子ビ
ームｅサイズが精度に大きな影響を与えること、および
光導波層（３）で電子ビームが散乱すること等に帰因し
て理想的なレンズ特性が得られにくいという問題もある
。

発明の概要 （１）　　発明の目的 この発明の主な目的は、可視域の波長の光の集光、コリ
メート等が可能なフレネル・レンズを提供することにあ
る。

（２）発明の構成 この発明によるフレネル・レンズは、複数のゾーンのそ
れぞれにおいて、光軸を中心として中 光軸方向に２乗分布の−８４をもつ溝または空間が形成
されていることを特徴とする。

（３）　　発明の効果 この発明によるフレネル・レンズにおいては単に溝また
は空間部を光導波路中または上に形成するだけでよいか
ら、従来のプロセス技術で容易に作製できる。可視光を
透過する光導波路材料を用いることができるために、今
後盛んに利用されるであろう可視領域の発振波長をもつ
レーザ・ダイオードからのレーザ光の集光、コ１％ リメート等に適用することが可能となる。もち矛ガ ろん、可視■域以外の波長のレーザ光等に対しても適用
可能である。さらに、溝の形成によって大きな屈折率変
化を得ることができるので、レンズの厚さを薄くするこ
とができ、入射光の入射角依存性も従来のものに比べて
緩和される。

実施例の゛説明 第４図から第６図はこの発明によるフレネル・レンズを
示している。＠４図は斜視図、第５図は平面図、第６図
は第４図または第５図の■−■線にそう拡大断面図であ
る。基板１２Ｄ上にバッファＲのを介して光導波層（光
導波路）Ｉ２３１が形成されている。バッファ層■は必
ずしもなくてもよい。フレネル・レンズ■は光導波Ｎ（
２３１に形成されている。レンズ■は光軸２を中心とし
て外方にいくほど巾が狭くなる２Ｍ個のゾーンから構成
されており、各ゾーンにおいて、光軸Ｚを中心として（
すなわち原点として）光軸方例したｚ軸方向の長さをも
つ）溝□□□が形成されている。溝（至）の深さは一定
であり、それは光導波層のの厚さよりも浅くてよい。

溝（財）が形成されていない光導波路の部分の実　　。

動面折率をｎ。、溝勿が形成されている部分の実効屈折
率をｎ。□とする。一般に１ｃｅ）ｎｏ、テある。、レ
ンズ■の厚さすなわちレンズωの光軸方向の巾をり、溝
（２４１の光軸方向の長さをＬ　（Ｘ）とする。このＬ
　（ｘ）はＸ軸方向に関して上述した２乗分布をもって
いる。すなわち、Ｌ（ｘ）は第（１）式の位相変調分布
に比例した値をもつ。

Ｌ　（ｘ）　＝αΦＦ　（Ｘ）　　　　　　　　　　　
　・・・（４）（”ｍ≦１．１≦”ｍ＋、） αは比例定数である。

レンズ■の任意の部分、たとえばＶＩ−ＶＩＪＩＩを通
る光路長Δ（、）は第（５）式で与えられる。

ΔＣ１＞＝ｎ　６（Ｌ−Ｌ（ｘ）］　＋ｎ　。ＩＬＣＸ
）＝ｎｅ　”−（ｎ＠−”　ｅ　１　）　”（”）　　
　　　　１１１１＠　（５１第（５）式に第（４）式を
代入すると、Δ（ｘ）＝　ｎ　１．Ｌ−βΦＦ（Ｘ）　
　　　　　　　　　−−−（６１ここでβは比例定数で
ある。

したがって、フレネル・レンズ囚の位相変調分布Φ（ｘ
）は第（７）式で与えられる。γは比例定数。

Φ（ｘ）＝−ｋｏΔ（Ｉ） ヨーｋｏ　ｎ、　Ｌ　＋　ｒΦＦ（Ｘ）　　　　　　　
−−−＋７１第（７）式は第（１）式と同じ形をしてい
るので、レンズ■に入射した平面波は円筒波に変換され
、ある焦点Ｐに集光する。

第７図は応用例を示している。ここではフレネル拳レン
ズ■はレーザ・ダイオード四からの広がりをもつ光をコ
リメートするために用いられている。

第８図は他の実施例を示している。光導波層の上に７レ
ネル・レンズ■を装荷したものである。すなわち、光導
波層に２乗分布をもつ溝を形成することに代えて、フレ
ネル会レンズ■の溝以外の部分を光導波層上に形成した
ものである。たとえば、基板列としてＬ　ｉＮ　ｂ　Ｏ
３やＧａＡ。

を用い、基板ＣＤに形成された光導波層の上のフレネル
・レンズを形成すべき箇所に５ｉｏｚ層を装荷し、この
ＳｉＯ□層において溝Ｌ２のに相当する部分をエツチン
グにより除去したものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の屈折率２乗分布型のフレネル拳レンズを
示す斜視図、＠２図は第１図のフレー。 え７．２２オ。、っ。。９．ア：ｌ？１（ａ））　　　
　　　　　’□層と屈折率分布（第２図（ｂ））とを示
すグラフ、第３図は第１図の７レネル・レンズの焦点面
での光の強度分布を示すグラフ、第４図から第６図はこ
の発明の実施例を示すもので、第４図は斜視図、第５図
は平面図、第６図は第４図または第５図のＶｌ−ＶＩ線
にそう拡大断面図、第７図はこの発明の応用例を示す平
面図、第８図はこの発明の他の実施例を示す側面図であ
る。 ［軸−７レネル働レンズ（光導波型レンズ）、以　　上 外４名 第３図 丸！−゛らの正規、化Ｊｔ：ＪＥｌｌ　　（ｋｘＭ／↑
）Ｘ第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光導波路上に形成され、光軸を中心として外方にいくほ
   ど巾が狭くなる複数のゾーンをもつフレネル・レンズに
   おいて、各ゾーンごとに、光軸を中心として光軸方向に
   ２乗分布の巾をもつ溝または空間が形成されていること
   を特徴とする光導波型レンズ。