JPH06100693B2 - 光導波型レンズ - Google Patents
光導波型レンズInfo
- Publication number
- JPH06100693B2 JPH06100693B2 JP14832485A JP14832485A JPH06100693B2 JP H06100693 B2 JPH06100693 B2 JP H06100693B2 JP 14832485 A JP14832485 A JP 14832485A JP 14832485 A JP14832485 A JP 14832485A JP H06100693 B2 JPH06100693 B2 JP H06100693B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- groove
- optical axis
- optical waveguide
- zone
- lens
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- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/124—Geodesic lenses or integrated gratings
- G02B6/1245—Geodesic lenses
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
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。
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 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・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わずかにずれても集光効率が著し
く低下するという欠点がある。
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・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わずかにずれても集光効率が著し
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，収束される光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Applied Optics Vol.2
1,No.11（1982年６月１日），第1966ページに「Graded
−index Fresnel lenses forintegrated Optics」とい
うタイトルで紹介されている。
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，収束される光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Applied Optics Vol.2
1,No.11（1982年６月１日），第1966ページに「Graded
−index Fresnel lenses forintegrated Optics」とい
うタイトルで紹介されている。
（３）先願発明 上記文献に紹介されている屈折率２乗分布フレネル・レ
ンズは，電子ビーム照射によって屈折率変化が生じるAs
2S3のようなカルコゲナイド系アモルファス半導体しか
基板として用いることができないという欠点があるため
に，出願人は先に，改良された屈折率２乗分布フレネル
・レンズを提案した（特願昭59−230892;特開昭61−107
304）。
ンズは，電子ビーム照射によって屈折率変化が生じるAs
2S3のようなカルコゲナイド系アモルファス半導体しか
基板として用いることができないという欠点があるため
に，出願人は先に，改良された屈折率２乗分布フレネル
・レンズを提案した（特願昭59−230892;特開昭61−107
304）。
第６図から第８図はこの先願発明によるフレネル・レン
ズを示している。第６図は斜視図，第７図は平面図，第
８図は第６図または第７図のVIII−VIII線にそう拡大断
面図である。基板21上にバッファ層22を介して光導波層
（光導波路）23が形成されている。バッファ層22はなく
てもよい。フレネル・レンズ20は光導波層23に形成され
ている。レンズ20は光軸Ｚ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）光軸方向に２乗分布の長さをもつ（すなわちx2に比
例したＺ軸方向の長さをもつ）溝24が形成されている。
溝24の深さは一定であり，それは光導波層23の厚さより
も浅くてよい。
ズを示している。第６図は斜視図，第７図は平面図，第
８図は第６図または第７図のVIII−VIII線にそう拡大断
面図である。基板21上にバッファ層22を介して光導波層
（光導波路）23が形成されている。バッファ層22はなく
てもよい。フレネル・レンズ20は光導波層23に形成され
ている。レンズ20は光軸Ｚ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）光軸方向に２乗分布の長さをもつ（すなわちx2に比
例したＺ軸方向の長さをもつ）溝24が形成されている。
溝24の深さは一定であり，それは光導波層23の厚さより
も浅くてよい。
溝24が形成されていない光導波層23部分の実効屈折率を
ne，溝24が形成されている部分の実効屈折率ne1とす
る。一般にne＞ne1である。レンズ20の厚さL,溝24の光
軸方向の長さをLm（ｘ）とする。レンズ20の厚さＬはす
べてのゾーンにおいて同じ値をもつ。Lm（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，
Lm（ｘ）は次式で与えられる。
ne，溝24が形成されている部分の実効屈折率ne1とす
る。一般にne＞ne1である。レンズ20の厚さL,溝24の光
軸方向の長さをLm（ｘ）とする。レンズ20の厚さＬはす
べてのゾーンにおいて同じ値をもつ。Lm（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，
Lm（ｘ）は次式で与えられる。
（|x|≪ｆ） （xm≦|x|≦xm+1） ｆはレンズ20の焦点距離，λoは入射光の真空中におけ
る波長である。また,mはレンズ20の各ゾーンの番号で,0
および正の整数をとる。
る波長である。また,mはレンズ20の各ゾーンの番号で,0
および正の整数をとる。
さて，このようなフレネル・レンズは電子ビーム描画装
置を利用して作成することができる。基板21の光導波層
23上に電子ビーム・レジスト（たとえばPMMA等のポジ・
タイプのレジスト）を一様に塗布する。そして，溝24を
形成すべきパターンにしたがって，電子ビームを照射す
る。現像処理をすると，電子ビームが照射された領域
（溝24が形成されるべき領域）のレジストが除去され
る。光導波層23上に残ったレジストをマスクとして，レ
ジストで覆われていない領域をたとえばイオンビームや
CF4のようなガスを用いてドライ・エッチングする。こ
のエッチングにより溝24が形成される。最後にレジスト
が除去される。
置を利用して作成することができる。基板21の光導波層
23上に電子ビーム・レジスト（たとえばPMMA等のポジ・
タイプのレジスト）を一様に塗布する。そして，溝24を
形成すべきパターンにしたがって，電子ビームを照射す
る。現像処理をすると，電子ビームが照射された領域
（溝24が形成されるべき領域）のレジストが除去され
る。光導波層23上に残ったレジストをマスクとして，レ
ジストで覆われていない領域をたとえばイオンビームや
CF4のようなガスを用いてドライ・エッチングする。こ
のエッチングにより溝24が形成される。最後にレジスト
が除去される。
第６図および第７図からも分るように，外方のゾーンす
なわちｍの大きいゾーンでは溝24の形状はきわめて尖っ
た部分を有している。一方，電子ビーム描画装置におけ
る電子ビームのビーム径を小さくするには限度があると
ともに，電子ビーム径を小さくして描画すると描画時間
が非常に長くなる。
なわちｍの大きいゾーンでは溝24の形状はきわめて尖っ
た部分を有している。一方，電子ビーム描画装置におけ
る電子ビームのビーム径を小さくするには限度があると
ともに，電子ビーム径を小さくして描画すると描画時間
が非常に長くなる。
第９図は電子ビーム描画装置において描画されるべき溝
のパターンを示すものであり，描画に用いられる電子ビ
ームの断面が多数の円で示されている。外方のゾーンに
おけるきわめて微細なパターンを電子ビームで必ずしも
充分正確に描ききれない。このため，第10図に示すよう
に，現像処理後のレジスト・バターンには先端の尖った
部分がなくなったり，ゾーンの巾が広くなったり狭くな
ったりしてしまう。
のパターンを示すものであり，描画に用いられる電子ビ
ームの断面が多数の円で示されている。外方のゾーンに
おけるきわめて微細なパターンを電子ビームで必ずしも
充分正確に描ききれない。このため，第10図に示すよう
に，現像処理後のレジスト・バターンには先端の尖った
部分がなくなったり，ゾーンの巾が広くなったり狭くな
ったりしてしまう。
このような作製方法でつくられたフレネル・レンズは当
然のことながら設計段階で期待された諸性能よりも劣っ
たものとなることは避けられない。
然のことながら設計段階で期待された諸性能よりも劣っ
たものとなることは避けられない。
発明の概要 （１）発明の目的 この発明は，できるだけ正確な形状となる光導波型レン
ズを提供することを目的とする。
ズを提供することを目的とする。
（２）発明の構成と効果 この発明による光導波型レンズにおいては，光導波路上
にフレネル・レンズが設けられている。このフレネル・
レンズは光軸を中心として外方にいくほど巾が狭くなる
複数のゾーンごとに光導波路上に形成された溝または空
間から構成されている。各ゾーンにおける溝または空間
の光軸方向の長さは，光軸を中心とする光軸方向の２乗
分布によって規定される。各ゾーンの溝または空間の深
さが光軸を中心として外方へいくほど深くなり，かつ各
ゾーンの溝または空間の光軸方向の最大長さが光軸を中
心として外方へいくほど短くなっている。
にフレネル・レンズが設けられている。このフレネル・
レンズは光軸を中心として外方にいくほど巾が狭くなる
複数のゾーンごとに光導波路上に形成された溝または空
間から構成されている。各ゾーンにおける溝または空間
の光軸方向の長さは，光軸を中心とする光軸方向の２乗
分布によって規定される。各ゾーンの溝または空間の深
さが光軸を中心として外方へいくほど深くなり，かつ各
ゾーンの溝または空間の光軸方向の最大長さが光軸を中
心として外方へいくほど短くなっている。
フレネル・レンズの厚さＬと，上記実効屈折率間の差Δ
ne＝ne−ne1との間には，次のような関係がある。
ne＝ne−ne1との間には，次のような関係がある。
Ｌ＝λo／Δne …（２） 第（２）式は理想的なレンズ特性を得るためのＬとΔne
との関係を表わしたものである。
との関係を表わしたものである。
さて，この発明では上述の厚さＬをフレネル・レンズの
各ゾーンごとに変化させている。これをＬ（ｍ）で表わ
す。Ｌ（ｍ）は各ゾーンにおける溝の光軸方向の最大長
さということができる。この長さＬ（ｍ）は，光軸から
外方にいくほど，すなわちｍが大きくなるほど小さく設
定されている。
各ゾーンごとに変化させている。これをＬ（ｍ）で表わ
す。Ｌ（ｍ）は各ゾーンにおける溝の光軸方向の最大長
さということができる。この長さＬ（ｍ）は，光軸から
外方にいくほど，すなわちｍが大きくなるほど小さく設
定されている。
各ゾーンごとに，第（２）式（ＬをＬ（ｍ）で置きかえ
る）が成立しなければならない。したがって，各ゾーン
ごとに実効屈折率間の差Δneも変化させる必要がある。
実効屈折率は光導波層（路）の厚さに依存している。実
効屈折率neは一定であるから，同ne1が各ゾーンごとに
変化し，外方のゾーンにいくほど，すなわちｍが大きく
なるほど溝が形成された部分の実効屈折率ne1が小さく
なるように設定されている。すなわち，外方のゾーンほ
ど溝の深さが深く形成される。
る）が成立しなければならない。したがって，各ゾーン
ごとに実効屈折率間の差Δneも変化させる必要がある。
実効屈折率は光導波層（路）の厚さに依存している。実
効屈折率neは一定であるから，同ne1が各ゾーンごとに
変化し，外方のゾーンにいくほど，すなわちｍが大きく
なるほど溝が形成された部分の実効屈折率ne1が小さく
なるように設定されている。すなわち，外方のゾーンほ
ど溝の深さが深く形成される。
この発明によると，外方のゾーンにいくほど上述の長さ
Ｌ（ｍ）が小さく設定されているから，外方のゾーンに
おいても溝の形状は従来のものほどシャープにならな
い。このため、電子ビームの径がある限界値をもってい
たとしても，電子ビーム描画法において設計されたパタ
ーンに近い形に描画を行なうことが可能となり，でき上
がったフレネル・レンズも従来のものに比べて諸性能の
向上したものとなることが期待できる。
Ｌ（ｍ）が小さく設定されているから，外方のゾーンに
おいても溝の形状は従来のものほどシャープにならな
い。このため、電子ビームの径がある限界値をもってい
たとしても，電子ビーム描画法において設計されたパタ
ーンに近い形に描画を行なうことが可能となり，でき上
がったフレネル・レンズも従来のものに比べて諸性能の
向上したものとなることが期待できる。
実施例の説明 第１図から第３図はこの発明の実施例を示している。第
１図は基板に形成されたフレネル・レンズを示す斜視
図，第２図はその拡大平面図，第３図は第１図のIII−I
II線にそう断面図であり，厚さ方向が強調されている。
これらにおいて，上述したものと同一物には同一符号が
付けられている。また，この発明によるフレネル・レン
ズが符号30で，その溝が34で示されている。
１図は基板に形成されたフレネル・レンズを示す斜視
図，第２図はその拡大平面図，第３図は第１図のIII−I
II線にそう断面図であり，厚さ方向が強調されている。
これらにおいて，上述したものと同一物には同一符号が
付けられている。また，この発明によるフレネル・レン
ズが符号30で，その溝が34で示されている。
ｍ番目のゾーンにおける溝34の光軸方向の長さＬ（ｍ）
は次式で表わされる。
は次式で表わされる。
第１図および第２図，ならびに第（３）式よりも分るよ
うに，各ゾーンにおける溝34の最大長さＬ（ｍ）は，光
軸Ｚを中心として外方にいくほど小さくなっている。ま
た，第３図から分るように，各ゾーンにおける溝34の深
さは，光軸Ｚを中心として外方にいくほど深くなってお
り，上述の第（２）式を満足する深さに設定されてい
る。各ゾーンにおいて溝の深さは一様である。
うに，各ゾーンにおける溝34の最大長さＬ（ｍ）は，光
軸Ｚを中心として外方にいくほど小さくなっている。ま
た，第３図から分るように，各ゾーンにおける溝34の深
さは，光軸Ｚを中心として外方にいくほど深くなってお
り，上述の第（２）式を満足する深さに設定されてい
る。各ゾーンにおいて溝の深さは一様である。
このようなフレネル・レンズ30もまた，上述した電子ビ
ーム描画とエッチングとによりつくることができる。各
ゾーンの溝34の深さを変えるために，電子ビーム描画に
おいて各ゾーンごとにドーズ量を変え，外方のゾーンに
いくほどドーズ量を多くする。ドーズ量の制御は，電子
ビームの走査速度または走査回数を変えることにより行
なうことができる。
ーム描画とエッチングとによりつくることができる。各
ゾーンの溝34の深さを変えるために，電子ビーム描画に
おいて各ゾーンごとにドーズ量を変え，外方のゾーンに
いくほどドーズ量を多くする。ドーズ量の制御は，電子
ビームの走査速度または走査回数を変えることにより行
なうことができる。
電子ビーム描画ののち現像処理をすると，ドーズ量に応
じた厚さのレジストが残る。ポジ・タイプのレジストを
用いた場合には，溝を形成しない部分は電子ビーム描画
されないからすべてのレジストが残る。溝を形成すべき
領域においては，光軸に近い部分ほど残存レジストの厚
さが厚く，光軸から遠く離れるほど残存レジストの厚さ
は薄くなる。最も外方のゾーン領域においてはレジスト
が残らないようにすることが好ましい。
じた厚さのレジストが残る。ポジ・タイプのレジストを
用いた場合には，溝を形成しない部分は電子ビーム描画
されないからすべてのレジストが残る。溝を形成すべき
領域においては，光軸に近い部分ほど残存レジストの厚
さが厚く，光軸から遠く離れるほど残存レジストの厚さ
は薄くなる。最も外方のゾーン領域においてはレジスト
が残らないようにすることが好ましい。
このようなレジストの上から基板の光導波層をドライ・
エッチングすることにより，第１図から第３図に示すよ
うな溝34をもったフレネル・レンズが得られる。
エッチングすることにより，第１図から第３図に示すよ
うな溝34をもったフレネル・レンズが得られる。
ネガ・タイプのレジストを用いることもできるし、ウェ
ット・エッチングも可能である。
ット・エッチングも可能である。
第４図および第５図は，第９図および第10図に対応する
図を示している。この発明および従来例において，ゾー
ンの巾は互いに等しい。そして，この発明においてはゾ
ーンの最大長さ（レンズのゾーンごとの厚さ）が外方の
ゾーンになるほど小さくなっている。外方のゾーンほど
その巾が狭くなっているが、最大長さも短くなっている
ので，溝パターンの角部が先鋭化することが防止され，
設計されたものに近い形状の電子ビーム描画パターンま
たはレジスト・パターンが得られる。
図を示している。この発明および従来例において，ゾー
ンの巾は互いに等しい。そして，この発明においてはゾ
ーンの最大長さ（レンズのゾーンごとの厚さ）が外方の
ゾーンになるほど小さくなっている。外方のゾーンほど
その巾が狭くなっているが、最大長さも短くなっている
ので，溝パターンの角部が先鋭化することが防止され，
設計されたものに近い形状の電子ビーム描画パターンま
たはレジスト・パターンが得られる。
第11図は他の実施例を示している。光導波層23上にフレ
ネル・レンズ30を装荷したものである。すなわち，光導
波層に上述の溝34を形成することに代えて，フレネル・
レンズ30の溝34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21としてLiNbO3やGaAsを用い，
基板21に形成された光導波層23上のフレネル・レンズを
形成すべき箇所にSiO2層を装荷し，このSiO2層において
溝34に相当する部分をエッチングにより除去したもので
ある。
ネル・レンズ30を装荷したものである。すなわち，光導
波層に上述の溝34を形成することに代えて，フレネル・
レンズ30の溝34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21としてLiNbO3やGaAsを用い，
基板21に形成された光導波層23上のフレネル・レンズを
形成すべき箇所にSiO2層を装荷し，このSiO2層において
溝34に相当する部分をエッチングにより除去したもので
ある。
第１図から第３図はこの発明の実施例を示すもので，第
１図は斜視図，第２図は平面図，第３図は第１図のIII
−III線にそう断面図，第４図は電子ビーム描画の様子
を示す平面図，第５図は形成されたレジスト・パターン
を示す平面図，第６図から第８図は先願発明の実施例を
示すもので，第６図は斜視図，第７図は平面図，第８図
は第６図または第７図のVIII−VIII線にそう断面図，第
９図および第10図は第４図および第５図に相当する平面
図，第11図はこの発明の他の実施例を示す側面図であ
る。 21…基板,23…光導波層（光導波路）， 30…フレネル・レンズ（光導波型レンズ）， 34…フレネルレンズに形成された溝。
１図は斜視図，第２図は平面図，第３図は第１図のIII
−III線にそう断面図，第４図は電子ビーム描画の様子
を示す平面図，第５図は形成されたレジスト・パターン
を示す平面図，第６図から第８図は先願発明の実施例を
示すもので，第６図は斜視図，第７図は平面図，第８図
は第６図または第７図のVIII−VIII線にそう断面図，第
９図および第10図は第４図および第５図に相当する平面
図，第11図はこの発明の他の実施例を示す側面図であ
る。 21…基板,23…光導波層（光導波路）， 30…フレネル・レンズ（光導波型レンズ）， 34…フレネルレンズに形成された溝。
Claims (1)
- 【請求項１】光導波路上にフレネル・レンズが設けら
れ，このフレネル・レンズは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ごとに光導波路上に形
成された溝または空間から構成され， 各ゾーンにおける溝または空間の光軸方向の長さは，光
軸を中心とする光軸方向の２乗分布によって規定され， 各ゾーンの溝または空間の深さが光軸を中心として外方
へいくほど深くなり，かつ各ゾーンの溝または空間の光
軸方向の最大長さが光軸を中心として外方へいくほど短
くなっている， 光導波型レンズ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14832485A JPH06100693B2 (ja) | 1985-07-08 | 1985-07-08 | 光導波型レンズ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14832485A JPH06100693B2 (ja) | 1985-07-08 | 1985-07-08 | 光導波型レンズ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS629304A JPS629304A (ja) | 1987-01-17 |
| JPH06100693B2 true JPH06100693B2 (ja) | 1994-12-12 |
Family
ID=15450234
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14832485A Expired - Lifetime JPH06100693B2 (ja) | 1985-07-08 | 1985-07-08 | 光導波型レンズ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06100693B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6393975B2 (ja) * | 2013-11-12 | 2018-09-26 | 住友ベークライト株式会社 | 光導波路、光電気混載基板および電子機器 |
-
1985
- 1985-07-08 JP JP14832485A patent/JPH06100693B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS629304A (ja) | 1987-01-17 |
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