JPH03228233A

JPH03228233A - 導波路型光学素子

Info

Publication number: JPH03228233A
Application number: JP2022474A
Authority: JP
Inventors: Shigeyoshi Misawa; 成嘉三澤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1990-02-01
Filing date: 1990-02-01
Publication date: 1991-10-09

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２発明は、光集積回路、光通信、光演算等の分野で用
いられる導波路型光学装置に関する。

従来の技術二次元導波路内を伝搬する導波光に対して機能する導波
路形レンズは、光集積回路等の構成上極めで重要な素Ｙ
・である。

このような導波路形レンズとしては、種々のものがある
。

まず、第９図にモードインデックスレンズｌを示す。こ
れは、バルク形レンズを単純に二次元化したもので、レ
ンズ領域２の屈折率をｎＬ、その周囲３の屈折率を０８
とすると、レンズ領域２が導波光４に対して凸レンズと
して作用し、集光作用が得られる。

また、第１０図はルネブルグレンズ５の例を示す。これ
は、基板６上の導波層７上に位置させて回転対称でグレ
ーデッドな実効屈折率分布を持たせて堆積形成したレン
ズ部８を持つものである。

このような構成によりレンズ部８と同心の円周（半径Ｓ
１）上の点Ａをもう一つの同心円（半径Ｓ、）上の点Ｂ
に完全結像させるというものである。このようなルネブ
ルグレンズ５の作製は、導波層７上部にスパッタリング
又は蒸着法により膜厚分布を持つ層としてレンズ部８を
堆積させることによる。

また、第１１図に示すようなジオデシックレンズ９もあ
る。これは、二次元導波路の導波面を一部の領域で湾曲
させて元の導波面を外れた曲面とすれば、この領域を通
過する導波光線はフェルマの原理に従い曲線を描いて進
行しその方向を変えるので、第１１図に示すような適当
なるレンズ曲面１０によりレンズ作用を行わせるという
ものである。このジオデシックレンズ９の特徴は、本質
的に色収差がなく、焦点距離がモード次数に依存しない
ので多モード導波路において全てのモードに対して収差
なく機能することである。このようなジオデシックレン
ズ９の作製は、基板を加工してレンズ曲面（凹み）を形
成し、この凹みを含む基板表面に導波層を形成するとい
う方法による。

さらに、第１２図に示すように回折を利用して導波光を
集光させるグレーティングレンズ１１もある。

これらのレンズを適宜組合せれば種々の導波路光学系を
構成できる。

発明が解決しようとする課題ところが、屈折を利用した第９図のモードインデックス
レンズＩや第１０図のルネブルグレンズ５の場合、焦点
距離が先導波層の屈折率と厚みに依存するため、実際の
作製においては高精度な焦点側ａｔ、位置制御が困難で
ある。

また、光路長差を利用した第１１図のジオデシックレン
ズ９の場合、光路長差を持たせるための構造を高精度に
作製するのが困難なため、やはり、高精度な焦点距離、
位置制御が困難である。

さらに、回折を利用した第］２図のグレーティングレン
ズ１１の場合、そのグレーティング形状により焦点距離
を設定できるため焦点距離の制御がＫｉ述した他のもの
よりも容易ではあるが、光源の波長変動に対して変化し
、かつ、回折効率を高くとれない、といった欠点がある
。

よって、これらのレンズを組合せても高精度な導波路型
光学系を構成することは現実には不可能といえる。

課題を解決するための手段基板上に光導波層を設け、平面的形状が楕円、放物線、
双曲線等の２次曲線形状とされて前記光導波層との境界
部によりこの先導波層を導波する導波光を反射させて集
光させる少なくとも一つの導波路反射鏡による集光光学
系を設けた。

作用先導波層中を導波する導波光は、集光光学系により所定
位置に集光されるが、少なくとも一つの導波路反射鏡の
反射による集光であり、その焦点位置が光導波層の屈折
率、膜厚、光源波長等番こ依存しないものであり、各導
波路反射鏡の平面的な形状精度、位置精度のみにより焦
点位置を高精度に制御できる。特に、導波路反射鏡の平
面的形状が楕円、放物線、双曲線等の２次曲線形状であ
るため、これらの組合せにより焦点位置を自由に設定で
きるとともに、平行導波光、点光源からの発散導波光、
収束導波光の何れであっても、焦点位置に球面収差なく
集光させることもできる。

実施例本発明の第一の実施例を第１図ないし第５図に基づいて
説明する。まず、基板１２上には先導波層１３が形成さ
れている。ついで、光導波層１３の一部が第２図に示す
ようにドライ／ウェットエツチング、研削或いは蒸発等
の手段により除去されて、先導波層１３中の一部に一つ
又は複数、ここでは第１図に示すように２つの導波路反
射鏡Ｉ４．１５による集光光学系が形成されている。

なお、これらの導波路反射鏡１４．１５は単なる開口形
成による他、開口部分に光導波層】３よりも低屈折率の
別材料を充填させたものでもよい。

また、第２図（ｂ）に示すように除去開口端面に対して
、光源波長に対し高反射率の金属１６をめっき、蒸着、
スパッタリングその他の方法で設けたものでもよい。

ちなみに、これらの導波路反射鏡１４．１５は凹面鏡と
して形成されるが、例えば導波路反射鏡１４に対して入
射する導波光の入射角を第３図に示すようにＯｌとする
。また、光導波層１３における導波光の等偏屈折率をＮ
１、光導波層１３を除去した部分の等偏屈折率をＮ、と
する（除去したままで空気で満たされている場合はＮ、
＝１となる）。ここに、第２図（ａ）に示す構造又は除
去部分に別の低屈折率材料を充填させた構造（ただし、
Ｎ、）Ｎ、なる関係は維持する）の場合、導波路反射ｖ
Ａ１４は入射光を全反射により反射させるためには、入
射角ｆ）ｉｆＪ＜Ｏｉ　≧ｓ　ｒ　ｎ−’　（Ｎ　ｒ　
／　Ｎ＋　）なる関係を満たさなければならない。つま
り、導波路反射鏡の配置はある程度制約を受ける。しか
るに、第２図（ｂ）に示すように除去端面に金属１６を
装荷した構造によれば、常に全反射するため、このよう
な配置上の制約は受けない。

しかして、本実施例では先導波層１３中を導波する平行
入射光１７に対して最初に反射させる導波路反射鏡１４
は平面形状が放物線形状の凹面鏡とされ（以下、放物線
鏡１４とする）、この放物線鏡１４からの反射導波光を
さらに反射させる導波路反射鏡１５は平面形状が双曲線
形状の凹面鏡とされている（以下、双曲線鏡１５とする
）。

このような構成において、放物線鏡１４による場合、第
４図に示すように平行光を球面収差なしに１点（焦点Ｆ
）に集光させる能力があるため、先導波層１３を導波し
た平行入射光１７は放物線鏡１４により反射された後、
この放物線鏡１４の焦点に収束しようとする。この収束
光の導波光路中に双曲線鏡１５が存在して反射させるた
め、さらに収束作用が働き、焦点位置を変化させること
ができる。ここに、双曲線鏡１５の２焦点を第５図に示
すようにＦ、、Ｆ、とすると、焦点Ｆ、に集光すべき光
束が双曲線鏡１５で反射されると別の焦点Ｆ、に集光す
る、という性質を持っている。

このため、放物線鏡１４の焦点に双曲線鏡１５の焦点Ｆ
、を一致させるとともに、所望の焦点に双曲線鏡１５の
他方の焦点Ｆ１　が一致するように、双曲線鏡１５のパ
ラメータを調整することにより、放物線鏡１４に入射し
た平行入射光１７を球面収差なしに焦点Ｆ１　に集光さ
せることができる。

つづいて、本発明の第二の実施例を第６図及び第７図に
より説明する。本実施例は、’Ｔ’−ｉ？＋ｉ楕円形状
の導波路反射鏡（楕円鏡）１８と平面双曲線形状の導波
路反射鏡（双曲線鏡）１９とを組合せた集光光学系とし
たものである。

このような構成において、楕円鏡１８の場合、第７図に
示すように、一方の焦点［パ、の位置に点光源があると
すると、点光源から出射されて楕円鏡１８により反射さ
れた光は、他方の焦点Ｉパ４に球面収差なしに集光する
、という性質を持つ。このため、第６図で点［パ３の位
置に点光源があるとすると、点光源から出射されて先導
波層１３を導波した光束２０は楕円鏡１８により反射さ
れ、その他方の焦点に集光することになる。この反射導
波光の光路中に、さらに双曲線鏡１９が配置されている
ので、前記実施例と同様に再度反射されて焦点１・゛、
の位置に集光導波する。即ち、双曲線鏡１９は前述した
ようにその一方の焦点に向かう光束を反射により他方の
焦点に集光させる性質を持つので、楕円鏡１８の焦点Ｆ
４と所望する焦点Ｆ。

とを２焦点とするように双曲線鏡１９の双曲線パラメー
タを決めることにより、焦点Ｆ、からの出射光２０を球
面収差なしに所望の焦点Ｆ、の位置に集光導波させるこ
とができる。

ちなみに、本実施例においては、焦点Ｆ、の位置に点光
源を置き、双曲線鏡１９、楕円鏡１８の順に反射導波さ
せるようにすれば、焦点Ｆ１位置に集光させることもで
きる、可逆性を持つ。

さらに、本発明の第三の実施例を第８図により説明する
。本実施例は、平面双曲線形状の導波路反射Ｍ（双曲線
鏡）２１と平面双曲線形状の導波路反射鏡（双曲線鏡）
２２とを組合せた集光光学系としたものである。

このような構成において、１点Ｆ、に集光すべき収束気
味の光束２３が２つの双曲線＆’ｔ２１，２２により順
次反射導波されて焦点Ｆ、に集光することになる。この
時、双曲線鏡は第５図により１１１述したように一方の
焦点に集光しようとする光束を反射により他方の焦点に
集光させる機能を持つため、双曲線鏡２１の一方の焦点
を１点１・゛、に合わせるとその反射光を他方の焦点に
集光させることができる。ついで、この焦点を双曲線鏡
２２の一方の焦点とし、他方の焦点が所望の点Ｆ、に一
致するように双曲線パラメータを調節することにより、
点Ｆ、に集光すべき光束２３を焦点Ｆ、の位置に球面収
差なしに集光させることができる。

発明の効果本発明は、上述したように構成し、少なくとも一つの導
波路反射鏡の反射により導波光を集光させるようにした
ので、その焦点位置が先導波層の屈折率、膜厚、光源波
長等に依存しないものとなり、各導波路反射鏡の平面的
な形状精度、位置精度のみにより焦点位置を高精度に制
御でき、特に、導波路反射鏡の平面的形状が楕円、放物
線、双曲線等の２次曲線形状であるため、これらの組合
せにより焦点位置を自由に設定できるとともに、平行導
波光、点光源からの発散導波光、収束導波光の何れであ
っても、焦点位置に球面収差なく集光させることもでき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の第一の実施例を示すもの
で、第１図は概略平面図、第２図は概略断面図、第３図
ないし第５図は反射特性図、第６図は本発明の第二の実
施例を示す概略平面図、第７図は反射特性図、第８図は
本発明の第三の実施例を示す概略平面図、第９図は第一
の従来例を示す平面及び断面図、第１０図は第二の従来
例を示す断面及び平面図、第１１図は第三の従来例を示
す斜視図及び平面図、第１２図は第四の従来例を示す平
面図である。１２・・・基板、１３・・・光導波層、１４．１５・・
・導波路反射鏡、１７・・・導波光、１８．１９・・・
導波路反射鏡、２０・・・導波光、２１．２２・・・導
波路反射鏡、２３・・・導波光出　願　人　　　株式会社　　　リ　コ　一代　理　人
　　　　相　　　　　木　　　　　　　　　明」図（−ノＮ同図

Claims

【特許請求の範囲】

　基板上に形成した光導波層と、平面的形状が楕円、放
物線、双曲線等の２次曲線形状とされて前記光導波層と
の境界部によりこの光導波層を導波する導波光を反射さ
せて集光させる少なくとも一つの導波路反射鏡による集
光光学系とよりなることを特徴とする導波路型光学素子
。