JPH0210527A

JPH0210527A - 光集積回路

Info

Publication number: JPH0210527A
Application number: JP63159105A
Authority: JP
Inventors: Takako Fukushima; 福島　貴子; Yasuo Hiyoshi; 日良　康夫; Hidemi Sato; 秀己佐藤; Kazutami Kawamoto; 和民川本; Akitomo Itou; 顕知伊藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-06-29
Filing date: 1988-06-29
Publication date: 1990-01-16
Anticipated expiration: 2012-06-25
Also published as: JP2624783B2

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、半導体レーザを用いた光通信あるいは元ディ
スク記録装置等のオプトエレクトロニクス機器に用いる
光集積回路に係シ、特に半導体レーザ光の波長変動によ
って生じる各種の収差を補正した光集積回路に関するも
のである。

〔従来の技術〕

光通信システムや元情報処理などの分野に使用される光
部品は、従来、レンズ、プリズム、グレーティングなど
のバルク部品を、機械的に組合わせることによって構成
していた。したがって、上記光部品は外形寸法が大きく
て小形化の要請に適応できず、コストが高価であり、あ
るいはまた、機械的な結合により組合わせているため、
長時間の使用に対する安全性に欠け、信頼性が劣るとい
う穐々の問題がある。そのため、近年、１つの基板上に
複数個の素子を集積化した光集積回路（ｆｔ。

ＩＣ）の概念が導入され、光部品の大幅な小形化および
低コスト化が検討されている。すなわち、ｊｔ、ＩＣは
１つの基板上に受・発光素子や導波路形（薄膜形）のレ
ンズやグレーティングなどを集積化して光部品を構成す
るものである。

光ＩＣの例としては、元ディスク用元ヘッドが提案され
ている。（例えば、特開昭６１−２４８２４４号公報、
電子通信学会論文誌’８５／１０ｖｏ１．Ｊ６８−ＣＮ
ａ１０．信学技報’８６／９　ｖｏｌ、　８（Ｓ、Ｎ１
１７６）。

元ＩＣの構成素子として、グレーティングカップラがあ
る。これは光導波路に形成される導波路型回折格子であ
り、光導波路に元を導波させたり、光導波路外に光を出
射させたシする機能をもった素子であり、元ＩＣのキー
となる素子の一つである。第４因および第５図は、その
具体例として元を光導波路外に出射させる機能を有した
グレーティングカップラを示しである。グレーティング
カップラ１は、基板２の光導波路ｓ上に形成した回折格
子４であυ、その格子間隔Δ等を適正化するごとにより
第４図に示したように導波光５を空気中に出射させたシ
、また第５図に示したように基板内に出射させたシする
ことができる。ｉた上記回折格子のパターン形状が直線
の、場合には平行光を、２次曲線の場合には集光光を出
射させることができる。

しかし、上記グレーティングカップラは、光源として半
導体レーザを用いた場合以下のような問題点がある。す
なわち半導体レーザ光はその放出する光の波長が動作温
度や、半導体レーザを製造するときの製造工程のばらつ
きにより変化するのが一般的であり、放出する波長が単
一でない場合には、グレーティングカップラから出射さ
れる光の角度が変化してしまうという問題点である。

すなわち、グレーティングカップラからの光の出射角を
α、光導波路の実効屈折率をＮ１　グレーティングカッ
プラの格子間隔をΔ、基板の屈折率をｎ、半導体レーザ
光の波長をλとしたと下記（１）式によってαが決まる
ため波長λが変化するとαが変化してしまうという問題
点がある。従って、グレーティングカップラにより光を
集光させたシ、グレーティングカップラから出射された
光を別のＮ　−Ｊ　／　ｊ　　　　、＋＋　ｍ　ｍ　ｔ
ｔ＋α冨α　＝一レンズで集光させたりした場合には、波長変動に伴う各
種の収差が生じ、スポットの径、スポット位置が変動し
たりする。

〔発明が解決しようとした課題〕

上記従来技術においては、半導体レーザのばらつきの点
について配慮されておらず、マルチモードの半導体レー
ザ光を実用上適用できないという課題があった。

本発明の目的は、マルチモードの半導体レーザ光を用い
た場合でも、特性の変動が少ない光集積回路を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、グレーティングカップラから出射された元
を、別途設けた回折格子により回折させることにより達
成される。ここで上記回折格子の格子間隔は、好ましく
は半導体レーザ光のある波長°に対して、はぼＢｒａｇ
ｇ条件を満足するように設定することを特徴とした。

〔作用〕

第１図により本発明の作用効果の一例を説明する。本発
明の効果は、第１図の６に示した回折格子を設けること
により達成される。すなわち第１図に示すように半導体
レーザの導波光５の波長がλ（０）およびλ（１）とし
た場合（λ（０）〉λ（１））、グレーティングカップ
ラから出射される光の出射角は前述の（１）式によりそ
れぞれα（０）、α（１）となシ、よって回折格子６に
入射する光は異った角度で入射することになる。ここで
格子間隔Ｄ１回折格子の傾斜ａを適正化した回折格子６
を設けることにより、λ（０）とλ（１）の６からの出
射角ｒを同一あるいはほぼ同一にすることができ、レー
ザ光の波長変動に伴い生じる収差を補正することが可能
となる。

ここでλ（０１〜λ（１）の光のうち少なくとも１つの
波長に対して回折格子６がＢｒａｇｇ条件を満たすか、
またはＢｒａｇｇ条件近傍で回折がおこるようにＤを定
めること、さらに回折格子６の形状が下式を満たすこと
が強度の高い光を得るために重要であシ、本発明のポイ
ントの一つでもある。

Ｔ：回折格子の高さｎ、：回折格子の屈折率変化 θＢ＝波長波長口折格子６においてＢｒａｇｇ条件を満
たすときのグレーティングへの入射角〔実施例〕次に第１図に示したモデルについて本発明の内容を詳し
く説明するとともに、Ｄおよびδの具体例を述べる。

まずＤは、波長λ（０）の光が回折格子６によりＢｒａ
ｇｇ条件、もしくはＢｒａｇｇ条件近傍で回折されるよ
う（３１Ｔ４１式を満たすような条件とした。

β（０）　　竺　ｒ（０）　　　　　　　　　　　　・
・・・・・（４）β（０）二波長λ（０）での回折格子
に対する入射角 γ（０）：波長λ（０）での回折格子に対する出射角また波長λ（１）の光がＢｒａｇｇ条件の近傍で回折さ
れるように（５）式を満たす条件とした。

β（１）二波長λ（１）での回折格子に対する入射角ｒ（１）：波長λ（１）での回折格子に対する出射角さらに下記の条件（６）〜（１１）式が満たされるよう
にり、δを定める。

α、（０）＝　−一δ−α。（０）　　　　　・・・・
・・（８）α、（１）＝　−一δ−α。（１）　　　　
　・・・・・・（９）αｏ（０）　　：λ（０）でのグ
レーティングカップラの出射角 α。（１）：λ（１）でのグレーティングカップラの出
射角 α、（０１：λ（０）でのガラスブロックへの入射角 α、（１）　　：λ（１）でのガラスブロックへの入射
角Ａ　ニゲレーティングカップラの格子間隔Ｄ　＝回折格子６の格子間隔 δ　：回折格子６の傾きｍ　：回折格子６で回折された光の回折次数であシ、−
１とした。

Ｎ　：光導波路５の実効屈折率ｎ　：基板２の屈折率口ｎ、ニガラスブロックの屈折率第２因は本発明で用いる回折格子６の好ましい断面形状
を示したものであり、強度の高い回折光を得るためには
すでに述べた（２）式を満たす形状の回折格子を用いる
ことが望ましい。

以上述べた条件を満たす回折格子の具体的な一例として
は、λ（０）がα７Ｂμｍ＋λ（１）がＩＩＬ７７６μ
ｍの半導体レーザを用い、ｎ１Ｉ＝２．２．Ｎ＝２．２
０９のＬｉＮｂＯ３結晶を用いたＴ１拡散元導波路を用
い、その上にＡ＝１０μｍのグレーティングカップラを
形成し、基板のレーザ光出射端面にｎ、＝１．５１のＢ
Ｋ−７製のガラスブロックを貼り付けさらに回折格子を
基板端面と平行に貼シ付けた場合、δは約８０度、Ｄは
約２．５μｍとなる。この場合回折格子に対するλ（０
）、λ（１）の光の入射角の差は約［１１度と大きな値
であるが、回折格子６からの出射角の差はａ０１度以下
と小さくなる。

この場合回折光（回折格子６の出射光）の効率は、Ｔを
約１０μｍとしたことによ９８０％以上となる。

本発明で用いる回折格子の形態としては、第１図、第２
図に示したような透過型回折格子の他に第３図に示すよ
うな反射膜７を設けた反射型回折格子がある。

以下に本発明を用いた光ＩＣの具体例を示す。

第６図は、半導体レーザ光を一点Ｐに集光させるための
元ＩＣである。光導波路３に端面結合した半導体レーザ
８からの導波光は、導波路型フレネルレンズ９により平
行元に変換されて、クレーティングカップラ１に入射す
る。入射光はグレーティングカップラ１により回折され
さらに基板とガラスプリズムとの境界で屈折し本発明の
回折格子６に入射する。回折格子６は透過型回折格子で
あり、ブロックにプリズムとほぼ同じ屈折率をもつ接着
剤等で貼シ合わせである。６への入射光はほぼＢｒａｇ
ｇ条件で回折されプリズム端面で反射されたのち基板２
の上方に設置されたレンズ１０によυ集光されてＰ点で
焦点を結ぶ。回折格子６はレーザ光の進路を変更させる
とともに、波長の異った元をほぼ同一方向に回折する働
きがあり、これによりてレンズ１０に入射する光の角度
がほぼ同一となり、スポット径の小さい光が得られる。

ここで回折格子６が単なる反射鏡であった場合、半導体
レーザの波長の変動に伴いＰ点が変動したり、スポット
径が拡大するなどの問題点が生じる。

第６図の元ＩＣは、元ディスク装置における情報読み出
し月光ヘッド等に応用することができる。

なお上記光ＩＣを構成する材料としては、石英、５１０
２系ガラス基板、誘電体結晶基板、５１０２系ガラス光
導波路、金属拡散光導波路、９や１の素子形成材料とし
ては、カルコゲナイドガラス、ＴｉＯ２＋　ＺｎＯ，Ｚ
ｎＳ　＋　　６の回折格子形成材料としては、５１０２
系ガラス、高分子化合物、１１のガラスブロック形成材
料としては、５１０２系ガラス等があり、一般的に光学
素子や光導波路、薄Ｍ″ｙｔ、素子を形成するのに用い
られる材料全般が使用でき、これらの材料を用い、半導
体を製造する場合に使用するリングラフィ技術、真空技
術を駆使することにより素子が形成できる。

第７図は、第６図とほぼ同一の元ＩＣである。

第６図の元ＩＣに比較して回折格子６を基板に対して垂
直にした点に特徴がある。第６図では形成を容易にする
ため基板のレーザ出射面と回折格子６とを平行にしたが
、回折格子６の傾きは任意にとることができる。第８図
及び第９図も第６図とほぼ同一の元ＩＣである。第８図
は、回折格子６が反射膜７を設けた反射壓回折格子であ
る点に特徴がある。第９因は１回折格子６の出射光をガ
ラスブロックの下面で反射させ基板に対し平行に出射さ
せる点に特徴がある。第９図のような収差補正回折格子
及びガラスブロックは、半導体レーザ光の波長変動にと
もなうグレーティング１の出射光の収差を補正するだけ
ではなく、逆にガラスブロック端面に半導体レーザを結
合し１を入力結合用のグレーティングカップラと考える
と、半導体レーザの波長変動にともなう入力結合効率の
低下を防ぐためにも用いることができる。

第１０因は、第６図の半導体レーザを光導波路３に端面
結合するかわυに、プリズムを介して半導体レーザを貼
ｐ付はレーザ光をグレーティングカッブライにより導波
路５に結合しさらに２つのグレーティングカップラ１，
１′の間にＳＡＷ光偏向器を形成した光ＩＣである。第
１１図は、　第１０図の元ＩＣのグレーティングカップ
ラ１′とＳＡＮ光偏向器１２０間に集光ビームスプリッ
タ１３を形成するとともに、基板２の端面にホトダイオ
ード１５を結合した元ＩＣの例である。　第１０図およ
び第１１図の光ＩＣは１元ディスク装置に用いる光ヘッ
ドとして有効なものである。以下に第１１図のｊｔｌｃ
の製造方法及び作用について説明する。第１１図の光ｒ
ｃの製造方法について、まず各種導波路を光学素子に関
しては、基板２として光学研磨したＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ
，結晶を用い、Ｔ１をスパッタリングによυ２４ｎｍ堆
積させ、熱拡散を行って光導波路５を形成した。上記ス
パッタリングの条件は、高周波パワー３００Ｗ　、　ア
ルゴンガス圧α３５Ｐａ、スパッタ速度［１４ｎｍ／　
ｓｅｅである。熱拡散は電気炉を用いて、１０００℃に
加熱しアルゴンガス雰囲気中で２時間、続いて酸素ガス
をＣＬ５時間流して行った。ここで導波路の表面屈折率
はｎ　ｆ＝　２．２２となり等側屈折率Ｎ＝２．２０９
　のＴＥ単一モード導波器であった。なお光導波器はプ
ロトン交換法によっても作製してもよい。光導波路上に
形成するバッファ層はコーニング社φ７０５９ガラスを
スパッタリングにより１０ｎｍ形戊した。スパッタ条件
は高周波パワーｔｏｏｗ、アルゴンガス圧α３５Ｐａ、
スパッタ速度ａ、２ｎｍ／ｓＩ！ｃである。バッファ層
上に装荷層としてＴｉＯ□を反応性スパッタリングによ
り１１００ｎ形成した。スパッタ条件は、ＴｉＯ□ター
ゲットを用いてスパッタガスとしてアルゴンと酸素を用
い、０２とＡｒの流量比Ｉ］、７、スパッタガス圧力［
Ｌ４２Ｐａ、高周波パワーｓ　ｏ　ｏ　ｗ、スパッタ速
度（Ｌ１ｎｍ／Ｓｅｃである。次に装荷層およびバッフ
ァ層を所定の導波路型光学素子の形状に微細加工するた
めに、装荷層上にレジストを回転塗布法により形成した
。ここではレジストとして電子線レジストであるクロル
メチル化ポリスチレン（ＣＭＳ−ＥＸＲ：東洋ソーダ製
）を用い、厚さ０５μｍとした。上記レジストを１３０
℃で２０分間プリペークしたのち、電子ビームを所定の
装荷層形状に照射した。照射条件は、電子ビーム径ａ１
μｍ照射量１６μＣ／ｉとした。電子ビーム露光後ニ現
像を行いレジスト製のマスクを形成した。その後イオン
エツチングにより装荷層およびバッファ層を微細加工し
た。イオンエツチングの条件は、エツチングガスとして
ＣＦ４を用い、圧力ＡＢＰ＆。

高周波パワー２００　Ｗｌ　エツチング時間１５−とじ
た。エツチングの後レジスト製マスクを除去して各種導
波路型光学素子が形成できた。次に６の収差補正用回折
格子に関しては、基板としてＢＫ−７ガラスを用い、そ
の上に８１０２を約１０μｍ１ＳｉＣｔ４と０２を原料
としたＣＶＤ法もしくは蒸着法、スパッタリング等によ
って形成した。次にｓｉｏ□をホトリングラフィにより
所定の格子形状に加工するために、ホトレジス）（ＯＦ
ＰＲ８００）を１μｍ回転塗布法により形成した。上記
レジストを８５℃で３０分間プリベークした後、所定の
格子形状を描いたホトマスクにより、ａｙ露元装置を用
いて密着露光した。露光後クロルベンセン中で４０℃で
５分間浸漬処理を行った後現像した。レジスト製の格子
パターン上へＣｒを蒸着し、アセトン中で超音波洗浄を
行ってレジストを除去しＣｒ製のマスクを形成した。そ
の後ＣＦ４ガスを用いたイオンエツチングによＦ）Ｓ１
０２を微細加工し、Ｃｒを除去して格子パターンが形成
できた。このホ）　ＩＪソグラフィ技術は前述の装荷層
及びバッファ層の微細加工にも応用することができる。

上記の素子を形成した基板２、回折格子６及びＢＫ−７
製のガラスブロック１１はそれぞれの端面を所々の角度
で切断、研磨してＢＫ−７とほぼ同じ屈折率をもつ接着
剤で貼シ合わされ、半導体レーザ及びホトダイオードを
端面結合して第１１因の元ＩＣを形成した０次に第１１
図の元ＩＣの作用について説明する。ガラスブロック１
１に結合した半導体レーザ８からの出射光（波長α７７
６〜ａ、７８μｍ）は、基板とプリズムの界面で屈折し
た後グレーティングカップラ１ノによ９元導波路６に結
合されＳＡＷ光偏向器１２により偏向されてグレーティ
ングカップラ１に入射する。

入射光はグレーティングカップラの格子間隔に応じて第
（１０）　ｌ　（１１）式に従って基板内に回折される
。

基板内に回折された光は基板とガラスブロックの界面で
屈折した後回折格子６により回折されガラスブロック端
面で反射されて上方に出射され光ディスクに対して垂直
に移動する機構を有し九レンズ１０で集光されて元ディ
スク１４０ビット（情報）に集光される。元ディスク１
４により反射された元は、レンズ１０、ガラスブロック
１１、回折格子６を通ジグレーティングカップラ１によ
り導波路に再び結合された後、集光ビームスプリッタ１
３に入射することによって２分割されるとともに２分割
ホトダイオード１５上に集光されてピットの情報が読み
取られる。

ここで回折格子６がない場合、半導体レーザの波長が（
１，７７６〜ａ、７８μｍの範囲で変化したとき、レン
ズ１０への入射角は約（Ｌ１度異なり、スポット装置は
ジッタ方向へ約８μｍずれる。これに対し本発明の、格
子ピッチＤが約２．５μｍ、格子高さＴが約１０μｍの
回折格子を用いることにより、入射角の差はα０１度以
下になり、ジッタ方向へのスポット位置変動もα０１μ
ｍ以下になる。本発明の回折格子により光ディスク上の
スポット位置変動の波長依存性は大きく減少し、より正
確な情報が読み取れる光ヘッドとなる。

第１２図及び第１３図は第１１図とほぼ同一の元ＩＣで
ある。第１２図の光ＩＣはレーザ光が平行光でない場合
に導波路へ結合を行う集光グレーティングカップラを有
する。第１３図の元ＩＣはレーザ光を導波路へ結合する
グレーティングカップラ１′と半導体レーザの間に、波
長変動に伴う入力結合効率の低下を防ぐための回折格子
６を設けた。

〔発明の効果〕

以上述べた様に１本発明の回折格子を設けることにより
、光の波長変動に伴う各種の収差が補正寸きるようにな
り、よってマルチモードの半導体レーザを光源として用
いた場合でも、特性変動の少ない光集積回路を形成する
ことができる０本発明は特に光デイスク用ピックアップ
ヘッドの収差補正に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光集積回路の一実施例における光
素子を示す構成図、第２図は本発明に係る光集積回路に
おける回折格子の第１の実施例を示す断面図、第３図は
本発明に係る光集積回路における回折格子の第２の実施
例を示す断面図、第４図、及び第５図はグレーティング
カップラの作１．１′・・・グレーティングカップラ、
２・・・基板、３・・・光導波路、４・・・回折格子、
５・・・導波光、６・・・回折格子、７・・・反射膜、
８・・・半導体レーザ、９・・・導波路型フレネルレン
ズ、１０・・・レンズ、１１・・・ガラスブロック、１
２・・・ＳＡＷ元偏向器、１３・・・集光ビームスブリ
ツメ、１４・・・光ディスク、１５第３図箪４図２図６・・・困析梧予ｌノ・・・ｎ′ラス７”Ｃ１ｙフＭ２Ｏ口１・・・グ′Ｌ−ティニブ°ｆＪｑズラ６９１１回折將
子３・・・ず１４本１−ヂ第１１１１￥１１ｚ、、、５Ａｖｌｅ、％九％　　＋５−料ｊ−４２−
）”　　　　１０−　ＬＡ入”＋３・・・Ｑｈ−ムスデ
リ−／７　１’、、、７”Ｌ−ティ；７゛カリデラ　６
・・・田Ａり木ト子１斗〜・先テース７　　　１１−・
〃゛ラスプロフフ　１・・ルル７ｆワデラ第１２０６−回１ケ絡号１１−力゛ラスヂロッ７１５・−オ・トデイオート。第１３１１￥１

Claims

【特許請求の範囲】１、半導体レーザを光源とし、光導波路内に導波された
レーザ光を導波路型回折格子により出射あるいは放射さ
せる方式の光集積回路において、レーザ光の波長変動に
伴う収差を別に設けた収差補正用回折格子により補正し
たことを特徴とした光集積回路。２、半導体レーザを光源とし、光導波路内に導波させた
レーザ光を導波路型回折格子により基板内に回折させる
方式の光集積回路において、レーザ光の波長変動に伴い
生じる収差を別に設けた収差補正用回折格子により補正
したことを特徴とした光集積回路。３、収差補正用回折格子が半導体レーザ光から出射され
る光の波長がλ（０）〜λ（１）の分布をもっていると
したときに、λ（０）〜λ（１）のある一つの波長の光
に対してブラッグ条件を満たす格子間隔であることを特
徴とした請求項１記載の光集積回路。４、収差補正用回折格子が、半導体レーザ光から出射さ
れる光の波長がλ（０）〜λ（１）の分布をもっている
ときに、▲数式、化学式、表等があります▼の波長の光
に対してブラッグ条件を満たす格子間隔であることを特徴とし
た請求項１記載の光集積回路。５、収差補正用回折格子を光集積回路基板のレーザ光出
射端面にガラスブロックを介して貼り合せたことを特徴
とした請求項１記載の光集積回路。６、誘電体又はガラスの基板の表面に基板よりも屈折率
の高い導波層よりなる光導波路を設け、半導体レーザか
ら光導波路へ導波したレーザ光によって、光記録媒体の
情報を読み取ることができるようにした光集積回路にお
いて、半導体レーザから基板に対し平行に出射した光を
基板に対しある角度をもって入射させるためのガラスブ
ロックと、レーザ光を光導波路へ結合させるための導波
路型回折格子と、光導波路内に導波した光を偏向するた
めの表面弾性波を利用した光偏向器と、導波光を基板内
へ放射させるための導波路温回折格子と、導波路温回折
格子により放射されたレーザ光の波長変動に伴う収差を
補正するためのブラッグ回折型収差補正用回折格子と、
基板上方にレーザ光を出射するためのガラスブロックと
、光ディスク面に対して垂直方向に移動する機構を有し
、光ディスク面上に集光させる働きのある対物レンズと
、光記録媒体を有した光ディスクからの戻り光を光導波
路面で２分割し、分割された光をホトダイオード面に集
光させる働きのある集光ビームスプリッタと、光情報を
読みとるためのホトダイオードを有した光ディスク用光
ピックアップヘッドに用いる光集積回路。７、誘電体又はガラスの基板の表面に基板よりも屈折率
の高い導波層よりなる光導波路を設け、半導体レーザか
ら光導波路へ導波したレーザ光を用いる光集積回路にお
いて、半導体レーザから基板に対し平行に出射した光を
基板に対しある角度をもって入射させるためのガラスブ
ロックと、レーザ光を光導波路へ結合させるための導波
路型回折格子と、光導波路内に導波した光を偏向するた
めの表面弾性波を利用した光偏向器と、導波光を基板内
へ放射させるための導波路型回折格子と、導波路型回折
格子により放射されたレーザ光の波長変動に伴う収差を
補正するためのブラッグ回折型収差補正用回折格子を有
したレーザビームプリンタに用いる光集積回路。８、収差補正用回折格子の基板としてＳｉＯ＿２系ガラ
スを用い、格子を形成する材料としてＳｉＯ＿２系ガラ
ス及び高分子化合物を用いたことを特徴とした請求項１
記載の光集積回路。９、半導体レーザを光源とし、光導波路内に導波された
レーザ光を導波路型回折格子により出射あるいは放射さ
せる方式の光集積回路における、回折格子による、レー
ザ光の波長変動に伴う収差の補正方法。