JPH01107213A - 光導波路素子 - 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） 本発明は光導波路素子、特に詳細には光導波路の表面に
回折格子を備え、導波光をこの回折格子によって光導波
路外へ出射させ、あるいは外部光をこの回折格子によっ
て光導波路内に入射させるようにした光導波路素子に関
するものである。

（従来の技術） 例えば光走査記録装置や光走査読取装置等において光ビ
ームを偏向させる光偏向装置として、従来より、ガルバ
ノメータミラーやポリゴンミラー等の機械式光偏向器や
、ＥＯＤ　（電気光学光偏向器）　、ＡＯＤ　（音響光
学光偏向器）が多く用いられている。しかし機械式光偏
向器においては、耐久性に難がある、大型化しやすいと
いった問題があり、一方ＥＯＤやＡＯＤにおいては、光
偏向角が大きく取れないのでビーム光路が長くなり、光
走査記録装置等の大型化を招くといった問題がある。

上述のような問題を解消しうる光偏向装置として近時、
光導波路を用いる光偏向装置が注目されている。この光
偏向装置は、表面弾性波が伝播可能な材料から形成され
たスラブ状の光導波路と、この光導波路内を導波する光
ビームと交わる方向に進行して周波数が連続的に変化す
る表面弾性波を該光導波路において発生させる手段（例
えば交叉くし形電極対と、この電極対に周波数が連続的
に変化する交番電圧を印加するドライバとから構成され
る）とを有するものである。この光偏向装置においては
、光導波路内を導波する光ビームが表面弾性波との音響
光学相互作用によりブラッグ回折し、そしてこの回折角
は表面弾性波周波数に応じて変化するので、表面弾性波
周波数を上述のように変えることにより、光ビームを光
導波路内において連続的に偏向させることができる。こ
うして偏向させた光−ビームは、例えば光導波路の表面
に形成した回折格子（グレーティングカブラ）やプリズ
ムカブラ等によって光導波路外に出射させることができ
る。なおこのような光偏向装置については、例えば特開
昭６２−７７７６１号公報に詳しい記載がなされている
。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、光偏向装置によって記録媒体上に光ビームを
走査させて画像を記録する場合、高精細な画一像を記録
するためには、走査ビームを小さなスポットに絞り、し
かもその光強度分布が少なくともビーム副走査方向に亘
ってガウス分布をとるようにすることが求められる。

ところが、前述のような回折格子を用いて光導波路から
導波光を外部に出射させる場合は、上記のような光強度
分布のビームスポットを得ることは極めて困難となって
いる。すなわち第５図に示すように、基板４０上の光導
波路４１の表面に格子高さやピッチが一定に揃った線状
回折格子４２を形成して導波光４３を光導波路外に出射
させる場合、出射ビーム４３°の光強度は図中曲線ｇで
示すように、導波光４３の進行方向に沿って指数関数的
に漸次低下するものとなる。この第５図に示すように光
導波路に導波光を進行させて、表面弾性波により該導波
光を偏向させる場合、その偏向方向（主走査方向）はこ
の図の紙面に交わる方向であり、副走査方向は図中の矢
印Ｖ方向となる。つまり出射ビーム４３°は、この副走
査方向に沿って指数関数的に漸減あるいは漸増する光強
度分布を有するものとなってしまうので、この方向に沿
って光強度分布がガウス分布となるようなビームスポッ
トを得ることは非常に難しくなるのである。

以上、回折格子によって導波光を光導波路外に出射させ
る場合の問題について述べたが、このような回折格子に
よって外部光を光導波路内に入射させることも従来から
広く行なわれており、その場合は、入射結合効率が低下
するという問題が生じる。すなわち光出射の場合と光入
射の場合の相反定理から導かれる通り、光入射の場合は
、入射させる光ビームが第５図の曲線ｇで示すような光
強度分布を有するものでなければ、全体的に効率良く光
導波路内に入射し得ないことになる。各種レーザ等の光
源から発せられる光ビームは、通常光強度分布がビーム
径方向にガウス分布をとるのが一般的であり、このよう
な光ビームを上記のように指数関数的に漸減（漸増）す
る光強度分布を有するビームに整形することは、非常に
困難である。

そこで本発明は、光導波路表面に形成した回折格子によ
って導波光を光導波路外に出射させる場合、あるいは外
部光を光導波路内に入射させる場合に、以上述べたよう
な問題を生じることのない光導波路素子を提供すること
を目的とするものである。

（問題点を解決するための手段及び作用）本発明の光導
波路素子は、先に述べたように光導波路の表面に、該光
導波路内を進行する導波光を外部に出射させ、あるいは
外部光を光導波路内に入射させる回折格子が形成された
光導波路素子において、回折格子の格子高さを、導波光
を該回折格子によって光導波路外に出射させたとき、出
射光の強度分布が導波光の進行方向に沿って略ガウス分
布となるように、該方向に沿って山形状に変化させたこ
とを特徴とするものである。

なお、光導波路上に設ける回折格子の高さを変化させる
ことは、例えば特開昭６０−１１１２２０号公報に示さ
れているが、該公報に示される光導波路素子は、格子高
さを導波光の進行方向に沿って漸次大きくなるようにし
たものであり、このような構成では本発明の目的を達成
することはできない。

（実　施　例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第１図および第２図はそれぞれ、本発明の一実施例によ
る光導波路素子ｌＯを示す側面図と斜視図である。この
光導波路素子ｌＯは一例として、画像記録用の光偏向器
を構成するものであり、透明な基板１６上に形成された
スラブ状光導波路１１と、この光導波路１１の側端部に
設けられた交叉くし形電極対（Ｉ　ｎｔｅｒ　　Ｄ　１
ｇ１ｔａｌ　　Ｔ　ｒａｎｓｄｕｅｅｒ　、以下■ＤＴ
と称する）　１５と、この光導波路１１の表面において
互いに離して設けられた光入射用線状回折格子（Ｌ　１
ｎｅａｒ　Ｇ　ｒａｔｉｎｇ　　Ｃｏｕｐｌｅｒ　：以
下ＬＧＣと称する）２０および光出射用ＬＧＣ２１とを
有している。また基板１Ｇの光導波路１１と反対側の表
面１１ｓａ上には、光入射用プリズム３０と、光出射用
プリズム３１が取り付けられている。光入射用プリズム
３０は断面三角形状のもので、第１の光通過面３０ａと
゛　第２−の光通過面３０ｂを有し、上記第１の光通過
面３０ａが基板表面ｌｅａに強く押圧されることにより
、あるいは高屈折率の接着剤を用いる等により、該表面
ｌｅａに密着固定されている。光出射用プリズム３１も
上記光入射用プリズム３０ど同様の形状とされ、第１の
光通過面３１ａ１第２の光通過面３１ｂを有し、上述と
同様にして基板ｌｅａに固定されている。。

本実施例においては一例として、基板１６にＬｉＮｂＯ
３ウェハを用い、このウェハの表面にＴｉ拡散膜を設け
ることにより光導波路１１を形成している。なお基板１
Ｂとしてその他サファイア、Ｓｉ等からなる結晶性基板
が用いられてもよい。また光導波路１１も上記のＴｉ拡
散に限らず、基板１６上にその他の材料をスパッタ、蒸
着する等して形成することもできる。なお光導波路につ
いては、例えばティー　タミール（Ｔ、　Ｔａｍ１ｒ）
編「インチグレイテッド　オプティクス（Ｉ　ｎｔｅｇ
ｒａｔｅｄ　Ｏｐｉｉｃｓ）Ｊ（）ピックス　イン　ア
プライド　フィジックス（Ｔｏｐｉｃｓ　ｉｎ　　Ａｐ
ｐＨｅｄ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ）第７巻）スブリンガー　
フエアラーグ（Ｓ　ｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ　）
刊（１９７５）；西原、音名、栖原共著「光集積回路」
オーム社刊（１９８５）等の成著に詳細な記述があり、
本発明では光導波路１１としてこれら公知の光導波路の
いずれをも使用できる。ただしこの光導波路１１は、上
記Ｔｉ拡散膜等、後述する表面弾性波が伝播可能な材料
から形成される。また光導波路は２層以上の積層構造を
有していてもよい。

記録光を発する半導体レーザ１８は、光入射用プリズム
３０の第２の光通過面３０ｂに向けて垂直に光ビーム（
レーザビーム）１３を射出するよ′うに配置されている
。発散ビームであるこの光ビーム１３は、コリメーター
レンズ２５によって平行ビームとされた上で上記第２の
光通過面３０ｂから光入射用プリズム３０内に入射し、
その第１の光通過面３０ａを通過して基板１６内に入射
し、光導波路１１を透過して、その表面に形成された前
記ＬＧＣ２０の部分に入射する。それにより光ビーム１
３はこのＬ　Ｇ　Ｃ２０で回折して光導波路ｌｌ内に入
射し、該光導波路１１内を導波モードで矢印Ａ方向に進
行する。

画像記録を行なう際には、例えばエンドレスベルト等の
移送手段２２上に感光体２３がセットされる。

そして半導体レーザ１８はレーザ駆動回路１９により、
レーザビーム１３を射出するように°駆動され、それと
ともにＩＤＴ１５には、駆動回路１７から連続的に周波
数が変化する交番電圧が印加される。なおレーザ駆動回
路１９は変調回路２４によって制御され、画像信号Ｓに
応じて光出力を変えるように（すなわち光ビーム１３の
強度や、光ビーム１３をパルス状に射出する場合はパル
ス数やパルス幅を変えるように）半導体レーザ１８を駆
動する。

ＩＤＴ１５に上述のような電圧印加がなされることによ
り、光導波路１１の表面を表面弾性波１２が第２図の矢
印Ｂ方向に進行する。ＩＤＴ１５は、この表面弾性波１
２が導波光（平行ビーム）　１３°の光路に交わる方向
に進行するように配設されている。

したがって導波光１３°は、表面弾性波１２を横切るよ
うに進行するが、その際該導波光１３’　は表面弾性波
１２との音響光学相互作用によりブラッグ（Ｂｒａｇｇ
）回折する。周知の通り、この回折による導波光１３°
の偏向角は、表面弾性波１２の周波数にほぼ比例する。

前述の通り駆動回路１７はＩＤＴ１５に、周波数が連続
的に変化する交番電圧を印加するので、表面弾性波１２
の周波数が連続的に変化し、上記偏向角が連続的に変化
するようになる。したがってこの導波光１３′は矢印Ｃ
で示す通り、回折角が連続的に変化するように回折、偏
向する。このようにして偏向した導波光１３′　は、Ｌ
ＧＣ２１により回折して光導波路１１から基板１６側に
出射する。

こうして光導波路１１から出射して外部光となった光ビ
ーム１３″は、光出射用プリズム３１の第１の光通過面
３１ａを通過して該プリズム３１内に入射し、ｉ２の光
通過面３１ｂを垂直に通過してプリズム外に出射する。

上述のようにして光導波路素子ｌＯ外に出射した光ビー
ム１３”は、例えばｆθレンズからなる走査レンズ２Ｂ
を通過して小さなビームスポットＱに絞られ、感光体２
３上を矢印Ｕ方向に走査（主走査）する。それとともに
感光体２３が、移送手段２２により上−肥土走査の方向
と略直角な矢印Ｖ方向に移送されて副走査がなされるの
で、感光体２３は光ビーム１３“により２次元的に走査
される。前述したようにこの光ビーム１３“は画像信号
Ｓに基づいて変調されているので、感光体２３上にはこ
の画像信号Ｓが担う画像が記録される。

なお１主走査ライン分の画像信号Ｓと光ビーム１３”の
主走査との同期をとるためには、この画像信号Ｓに含ま
れるブランキング信号ｓｂをトリガ信号として用いて、
ＩＤＴ１５への電圧印加タイミングを制御すればよい。

またこのブランキング信号ｓｂにより移送手段２２の駆
動タイミングを制御することにより、上記主走査と副走
査との同期をとることができる。

ここで本発明のｉ徴部分として、第３図（Ａ）に概略的
に示すように光出射用ＬＧＣ２１は、格子高さが導波光
１３°の進行方向（すなわちＬ　Ｇ　Ｃ２１の格子並び
方向）に沿ってなだらかな山形状に変化するように設定
されており、それにより光ビーム１３“のこの方向の光
強度分布は、第３図ＣＢ）の曲線ｆで示すように略ガウ
ス分布となる。以下、このような光強度分布を得る格子
高さの分布について詳しく説明する。

ＬＧＣ２１の放射損失係数をα、長さをＬとし、またそ
の格子高さｈがエバネッセント波浸出し深さｈｃを超え
ないものとすると、 α−Ｂ　ｈ２　　　　　［１３は係数］　　・・・・・
・（１）である。第３図（Ｂ）に示すように、Ｌ　Ｇ　
Ｃ２１上の導波光進行方向位置をｙ　（Ｏ５ｙ≦Ｌ）と
すると、ＬＧＣ２１設置部分の光導波路１１における導
波光光量はｙの関数となるので、これをＰ　（ｙ）とす
る。そしてこの導波光光ＪＩＰ（ｙ）のｙ方向単位長さ
当たりの減衰量は、ＬＧＣ２１から出射する光ビーム１
３″の光強度分布が第３図（Ｂ）の曲線ｆで示すように
ｙ軸方向にガウス分布となる場合は、 となる。なおα（ｙ）は、ｙ軸方向各位置における放射
損失係数である。

一方上記曲線ｆは一般的に、 なる式で表わされるものである。なおＷは、光強度が最
大値の１／ｅ２以上となる範囲の格子長さの半値である
。上記（３）式を用いると、導波光光量Ｐ　（ｙ）は以
下の式で表わされる。

＋δ 上式を（４）式とする。この（４）式の右辺第１項はＬ
ＧＣ２１によって取り出される全光量、第２項はＬＧＣ
２１の作用に係わらないで０≦ｙ≦Ｌの範囲で定常的に
導波する光量、第３項はある位置ｙまでの間にＬＧＣ２
１から出射した光量であり、この式から、Ａを係数とし
て、 となる。したがってこの式と前記（２）式より、前記（
４）式の右辺第１項と第２項の和は、ＬＧＣ２１設置部
に導波して来る導波光１３’の光量Ｐｏと等しいからこ
の光ｆｆｉ　Ｐ　ｏを知ることにより（４）式がらＰ　
（ｙ）の値が求められ、それにより上記（５）式からα
（ｙ）の値が求められる。

以上述べたようにして、第３図（Ｂ）の曲線ｆで示すよ
うな光強度分布の光ビーム１３”が得られる放射損失係
数α（ｙ）が求められれば、前記（１）式に基づいて、
そのような放射損失係数α（ｙ）を実現する格子高さｈ
　（ｙ）が求められる。このよう−にして求めた格子高
さｈの分布の例を、第４図に２例示す。この第４図中の
曲線ａは、回折格子の長さしを３ｆｆｌＩＩｌとしてビ
ーム径２ｗ−２１１ＩＩＩの出射ビーム１３″を得る格
子高さ分布を示し、また曲線ａ′はそれに対応する放射
損失゛係数αの分布を示し、−力曲線すは、回折格子の
長さＬを７１１１Ｉｍとしてビーム径２ｗ＝４．７ｍｇ
＋の出射ヒーム１３”ヲ得る格子高さ分布を示し、曲線
ｂ°はそれに対応する放射損失係数αの分布を示してい
る。なおこの例における導波光１３’　の波長久は６３
３ｎｍであり、ＬＧＣ２１の屈折率ｎ、は２．４である
。

前述した通り格子高さｈは、エバネッセント波浸出し深
さり。よりも低い範囲で変化させる必要がある。このエ
バネッセント波浸出し深さｈ２は、光導波路１１の実効
屈折率をＮ、ＬＧＣ２１とその外側の媒質（通常は空気
である）との平均的な屈折率をｎｇｅとすれば、 ｈｃ−λ／２πバフ；７「 である。なおｎｔｅは、ＬＧＣ２１の屈折率をｎ、、上
記媒質の屈折率をｎ（、格子ピッチをｄ１各格子の格子
並び方向厚さをｄｌとすると、で与えられる。

ＬＧＣ２１から出射する光ビーム１３”の光強度分布が
以上説明したようなものとなっていれば、感光体２３上
を走査するビームスポットＱは、ビーム副走査方向の光
強度分布がガウス分布をとるものとなる。したがってビ
ームスポットＱは、この方向に十分に絞られたものとな
り得、それにより、極めて精細な画像を記録できるよう
にな８゜なお以上説明した実施例においては、ＬＧＣ２
１から光ビーム１３”を基板１Ｂ側に出射させるように
しているが、基板１６と反対の空気側、すなわち第１図
において上方側に光ビーム１３”を出射させる場合にも
本発明は適用可能であり、その場合も上述と同様の作用
が得られる。また光ビーム１３”を基板Ｉ６側に出射さ
せる場合、必ずしも前述のプリズム３【を用いる必要は
なく、従来から広（行なわれているように、基板１Ｂの
端面を斜めにカットして、そこから光ビーム１３′を出
射させるようにしてもよい。

また上記実施例においては、光出射用ＬＧＣ２１に対し
て本発明が適用されているが、光入射用ＬＧＣ２０に対
して本発明を適用することも可能である。その場合は、
上記実施例におけるのと相反的な作用効果が得られる。

すなわちこの場合は、光導波路ｌｌ内に入射させる光ビ
ーム１３として、光強度分布が略ガウス分布となってい
る一般的なレーザビーム等を用いれば、その先ビーム１
３は入射結合効率が略最大で光導波路１１内に取り込ま
れることになる。

さらに、以上説明した実施例の光導波路素子は光偏向器
を構成するものであるが、このような光偏向器に限らず
、光導波路から出射する光ビームを導波光進行方向の光
強度分布がガウス分布となるように整形したいという要
求、さらには、光強度分布が略ガウス分布となっている
一般的な光ビームを高い入射結合効率で光導波路内に入
射させたいという要求は広く存在するものであり、本発
明はそのような要求のあるすべての光導波路素子におい
て適用可能で、かつ有効である。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明の光導波路素子において
は、光導波路表面に形成する回折格子の格子高さを、導
波光の進行方向に沿って山形状の分布を有するように設
定したことにより、該回折格子から出射する光ビームの
光強度分布を略ガウス分布とすることができる。したが
ってこの光導波路素子によれば、光導波路から出射した
光ビームを極めて小さなスポットに絞ることが可能とな
り、画像記録あるいは画像読取り用の光偏向器に適用し
た場合は画像記録あるいは読取りの精度を十分に高め、
さらに高周波スペクトルアナライザー等に適用した場合
は、周波数分析の分解能を高めることができる。

また本発明の光導波路素子においては、回折格子を上述
のような形状としたことにより、光強度分布がガウス分
布状となっている一般的なレーザビーム等の外部光を、
効率良く光導波路内に取り込むことが可能となる。した
がってこの光導波路素子によれば、−数的なレーザビー
ム等を整形するようなことなくそのまま用いた上で、上
記の光偏向器や高周波スペクトルアナラ°イザー等にお
ける光利用効率を十分に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図はそれぞれ、本発明の一実施例による光
導波路素子を示す側面図と斜視図、第３図（Ａ）は上記
実施例の光導波路素子の回折格子部分を拡大して示す側
面図であり、第３図（Ｂ）はこの回折格子の並び方向に
沿った出射光の強度分布を示すグラフ、 第４図は本発明の光導波路素子における回折格子高さの
分布と、それに対応する放射損失係数の分布の例を示す
グラフ、 第５図は従来の光導波路素子の回折格子から出射する光
ビームの強度分布を説明する説明図である。 １０・・・光導波路素子　　　１１・・・光導波路１２
・・・表面弾性波　　　　１３・・・光ビーム１３゛　
・・・導波光 １３”・・・光導波路から出射した光ビーム２１・・・
光出射用回折格子 第３図 第５図 第４図 ■＋ｈ將１ル渫ｙ　（ｍｍ） 昭和６２年９１）月２４日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光導波路の表面に、該光導波路内を進行する導波光と外
   部光とを結合する回折格子が形成された光導波路素子に
   おいて、 前記回折格子の格子高さが、導波光を該回折格子によっ
   て光導波路外に出射させたとき、導波光の進行方向に沿
   った出射光の強度分布が略ガウス分布となるように、該
   方向に沿って山形状に変えられていることを特徴とする
   光導波路素子。