JPH0650820A

JPH0650820A - 偏光検出装置

Info

Publication number: JPH0650820A
Application number: JP20212492A
Authority: JP
Inventors: Renzaburou Miki; 錬三郎三木; Hiroyuki Yamamoto; 裕之山本; Yoshio Yoshida; 圭男吉田; Koji Minami; 功治南; Noriaki Okada; 訓明岡田; Yukio Kurata; 幸夫倉田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1992-07-29
Filing date: 1992-07-29
Publication date: 1994-02-25

Abstract

(57)【要約】【目的】回折格子を使用した偏光分離・検出機能をも
つ導波路を小型化し、さらに光源の波長変動の影響の受
けにくい、安定した偏光の検出を可能とすると共に、偏
光特性を著しく向上させる。【構成】３０は光結合回折格子、１３は入射光、１４
は透過光、１５は回折光、５、６は集光レンズ、７、８
は光検出器、である。導波路１１の導波層内に格子間
隔が波長程度である第一及び、第二の回折格子３及び、
４が作製されている。回折格子３及び、４はいずれも紙
面に垂直な方向に作製されている。導波路内に入射され
た光束を格子方向と格子間隔の一致した第１・第２の回
折格子で回折させることにより、透過光と回折光を第２
回折格子から平行に出射させることが出来、透過光と回
折光の光受光器の近配置が可能になるだけでなく、光源
の波長変動の影響の受けにくい、安定した偏光の検出を
可能とすると共に、回折効率が上がり偏光特性が向上す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学素子に関し、特に
偏光の異なる光束を分離検出する光学素子にかかるもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来より格子間隔が波長程度である回折
格子は偏光特性を有することが知られ、このような回折
格子を光集積回路内で用いる試みが行われている（例え
ば、Y.Handa,T.Suhara,H.Nishihara and J.Koyama,"Mic
rogratings for high-efficiency gui-dedbeam deflect
ion fabricated by electron-beam direct w-riting t
echniques", Applyed Optics Vol.19,No.16,pp2842,198
0)。

【０００３】図６（ｂ）に示すように、導波路１１の基
板１２は例えばシリコンをもちいて、その一方の面にＴ
ｉＯ₂等で導波層１０を形成し、例えば種々のレジスト
を用いた二光束干渉法や電子ビーム描画といった作製方
法によって回折格子３が形成されている。

【０００４】図６のような二次元導波路では、導波光は
導波路面内の任意の方向に伝搬が可能であり、適当な方
位の回折格子により、異なる伝搬方向の導波光間で結合
が生じる。この際、回折格子の格子間隔に対して長さＬ
が相対的に長い場合、ブラッグ回折条件を成立させるよ
うな角度の入射光があると、単一の回折波が生じ、回折
波が回折格子に関して透過する場合と反射する場合があ
る。本発明では導波路の小型化という目的から、主に透
過型の回折格子を用いて入射光の偏光分離を行う。回折
格子に入射した光は、回折格子を透過する偏光成分と、
回折格子により回折される偏光成分に分離される。特
に、回折角が９０°前後となる回折格子はＴＥ−ＴＭ偏
光分離能力をもつ。電子ビーム描画法等をもちいて、透
過するタイプの格子方向・格子間隔の回折格子を作製し
入射光１３をブラッグ角で入射させた場合、ＴＥ偏光の
光１４であればほぼ１００％は０次回折光として透過し
レンズ５によって光検出器７に集光され、一次回折光は
殆ど発生しない。逆にＴＭ偏光の光１５であれば０次回
折光は殆ど発生せず、ほぼ１００％が回折され一次回折
光として出射されてレンズ６によって光検出器８に集光
される。このような偏光分離機能を持つ導波路を光磁気
記録再生装置の光ピックアップの光学系に組み込むこと
で、光学部品点数の削減とピックアップの軽量化が図る
ことが試みられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記偏光検出器では、
回折角が９０°前後になるので、図６（ａ）に示すよう
に二つの光検出器を離れた位置に配置する必要が有り、
光ピックアップ等に組み込む場合、小型化しにくいとい
う問題生じる。

【０００６】また、光ピックアップの発光源として例え
ばレーザダイオード等を用いた場合、周囲温度の変化に
よって光の波長が変化する現象が起こる。すると、回折
格子による回折光の回折角は波長依存性があるため変化
する。これを図６を用いて説明する。今、光源の波長が
所定の波長λ₀であれば一次回折光は実線で示される光
路を通ってレンズ６によって光検出器８に集光される。
ところが周囲温度が低くなって光の波長がλ＜λ₀にな
ったとすると回折角は所定の角度よりも小さくなり２点
鎖線で示された光路を通るので、回折光の集光点は光検
出器８から外れ検出できなくなる。

【０００７】波長変化による回折角の変化は回折格子の
格子間隔が波長程度であるため大変大きなものとなり、
光検出器の寸法を大きくする等では十分に対応できず実
用上の問題点となっている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の偏光検出装置
は、格子間隔が波長程度であることにより結果的に偏光
特性を有する微細な回折格子と、その回折格子により回
折された光束を所定の位置に導くための反射素子とを導
波構造内に具備し、かつ回折格子を透過した光束と、回
折格子で回折され反射素子で反射されて所定の位置に導
かれる光束が入射される集光レンズとこの集光レンズで
集光される上記一対の光束をそれぞれ受光する一対の光
検出器とを一つの基板上に備えたことを特徴とする。

【０００９】本発明の他の偏光検出装置は、格子間隔が
波長程度であることにより結果的に偏光特性を有する微
細な回折格子を導波構造内に二つ具備し、上記第一の回
折格子の格子間隔と上記第二の回折格子の格子間隔がほ
ぼ等しく、かつ、上記第一の回折格子の格子方向と上記
第二の回折格子の格子方向が一致するように形成され、
上記２つの回折格子を共に透過した光束と、共に回折し
た光束が入射される集光レンズとこの集光レンズで集光
される上記一対の光束をそれぞれ受光する一対の光検出
器とを一つの基板上に備えたことを特徴とする。

【００１０】上記の偏光検出装置において、２つの回折
格子の格子間隔をＤ₁・Ｄ₂とした場合、Ｄ₁≠Ｄ₂となる
ように回折格子が作製されることを特徴とする。

【００１１】上記の偏光検出装置において、２つの回折
格子の格子間隔をＤ₁・Ｄ₂とした場合、入射光の波長を
λとした場合、入射光の波長λとＤ₁・Ｄ₂との間に０＜┃λ（１／Ｄ₁−１／Ｄ₂）（１−（λ／２Ｄ₁）²）
^- ⁽ ^1/ ²⁾ ┃≦０．３５又は、０＜┃λ（１／Ｄ₁−１／Ｄ₂）（１−（λ／Ｄ₁−λ／
２Ｄ₂）²）^-(1/2)┃≦０．３５の関係が満たされるように第一・第二の回折格子が形成
されることを特徴とする。

【００１２】上記の偏光検出装置において、回折格子の
格子間隔が対象となる光の波長の０．５〜２倍であるこ
とを特徴とする。

【００１３】上記の偏光検出装置の回折格子はクラッド
型または、レリーフ型または屈折率変調形回折格子であ
ることを特徴とする。

【００１４】上記の偏光検出装置において、λは波長、
Ｄは格子間隔、ｎは整数とした場合、光束を θ＝ｓｉｎ^-1（ｎ・λ／２Ｄ）で表される第ｎ次ブラッグ角で入射させるようにしたこ
とを特徴とする。

【００１５】上記の偏光検出装置において、回折格子へ
の入射光に対して入射角θ_iがｓｉｎ^-1（λ／２Ｄ₁）≦θ_i≦ｓｉｎ^-1（λ／Ｄ₁−λ
／２Ｄ₂）又はｓｉｎ^-1（λ／Ｄ₁−λ／２Ｄ₂）≦θ_i≦ｓｉｎ^-1（λ
／２Ｄ₁）を満たす角度で入射するように第一の回折格子を作製す
ること特徴とする。

【００１６】上記の偏光検出装置において、回折格子の
断面形状が矩形または正弦波状またはノコ歯状であるこ
とを特徴とする。

【００１７】

【作用】本発明による偏光検出装置では、回折格子によ
り回折された光束を検出する光検出器と、回折格子を透
過した光束を検出する光検出器の近配置が可能となり、
偏光検出装置を小型化することが出来るため、光ピック
アップ等へも組み込み易くなり、光ピックアップの小型
・軽量化を図ることが出来る。

【００１８】特に、導波構造内に回折格子を２つ配置す
る方法では、回折格子を透過した光束に対して、回折格
子で回折された光束が平行又は、ある角度範囲内に回折
格子から出射されるので、光源の波長変動の影響を受け
にくく、安定した偏光の検出が可能であり、また、回折
格子を二度通過させることにより偏光特性を著しく向上
させることができる。

【００１９】

【実施例】

（実施例１）図１は本発明の一実施例である。導波路１
１の導波層内に波長程度の格子間隔の回折格子３と上記
回折格子３により回折された光束をある所定の位置に導
くための反射素子２と回折格子を通過した光束から信号
を得るための光検出器７・８と光検出器に集光するため
の集光レンズ５・６、そして自由空間から導波層内に光
を結合するための回折格子３０が設けられている。回折
格子３は紙面に垂直な方向に作製されている。

【００２０】回折格子３０より導波層内に入射された光
束１３は、ブラッグ角で入射されるように、回折格子３
が作製されているため、回折格子３を透過するＴＥ偏光
１４はほぼ１００％透過し、ＴＭ偏光はほぼ１００％回
折させる。回折格子３を透過したＴＥ偏光１４は集光レ
ンズ５によって光検出器７に集光される。一方、回折格
子３により回折されたＴＭ偏光１５は反射素子２により
集光レンズ６に反射され、集光レンズ６によって光検出
器８に集光される。

【００２１】回折格子の構造例を図４（ａ）〜（ｃ）に
示す。図４（ａ）はクラッディング型の回折格子であ
り、導波層の表面に周期的な凹凸を設けたもので導波層
表面に薄膜を装荷し、パターンニングを行うことにより
作製される。また、図４（ｂ）は導波層を直接エッチン
グして作製されるエッチング型の回折格子である。ま
た、図４（ｃ）は導波構造内またはその近傍の媒質の屈
折率を周期的に変化させたもので、レーザビーム干渉や
電子ビーム走査によりこれらのビームに感度を有する媒
質内に屈折率変調を記録することにより作製される。回
折格子はクラッド型または、レリーフ型または屈折率変
調形のものを用いることができる。また、本発明はこの
例の矩形に限定されるものではなく正弦波状や三角形
状、台形状等の形状でも良い。また、自由空間中からの
光を導波路内に入射させる方法として本実施例では回折
格子３０を用いているが、本発明はこれに限定されるも
のではなく、プリズムを使用する方法や、劈開または垂
直研磨した導波路の端面からレンズで導波層厚さに比べ
て十分細く絞ったビームを入射させるといった方法でも
良い。

【００２２】さらに、ミクロンオーダの光検出器７・８
で信号を得るために必要な集光レンズ５・６は、モード
インデックスレンズやジオデシックレンズ、フレネルレ
ンズ、グレーティングレンズといった種類のレンズを使
用する。また、反射素子２としては、例えば導波層内に
イオンエッチングでくぼみを作製することにより、その
くぼみの端面は導波路面内に対してほぼ９０°になるた
め、端面がミラーとして働くが、これに限るものではな
くブラッグ反射型回折格子を導波路内に、導波層をレー
ザービームまたは電子ビーム等のビームに感度を有する
材質（例えばＡｓ₂Ｓ₃真空蒸着膜やＰＭＭＡ等）を用
い、上記ビームによる直接走査を行うことで屈折率変調
型回折格子として作製しても良いし、導波路端面に反射
型チャープグレーティングを設けても良い。またミラー
の形状を凹型にすることによって回折格子により回折さ
れた光束を集光レンズ６無しに光検出器８に集光させる
といったことも出来る。上記の構成にすることによって
回折格子により回折された光束を検出する光検出器と、
回折格子を透過した光束を検出する光検出器の近配置が
可能となり、偏光検出装置を小型化することが出来る。

【００２３】（実施例２）図２は本発明の別の実施例を
表している。導波路１１の導波層内に格子間隔が波長程
度である第一及び、第二の回折格子３及び、４が作製さ
れている。回折格子３及び、４はいずれも紙面に垂直な
方向に作製されている。また、図３は図２における回折
格子と光束の方向を示している。この回折素子に角度θ
_i1で光束が入射するとその電界が紙面と平行なＴＥ偏光
成分はほぼ１００％０次光として回折格子３及び、４を
透過する。他方、その電界が紙面に垂直なＴＭ偏光成分
はまず回折格子３によってθ₁の回折角でほぼ１００％
回折され回折格子４に入射する。そして再度回折格子４
によってθ₂の回折角で再度ほぼ１００％回折されて回
折素子から出射される。このとき、回折角は回折格子の
格子間隔と光源の波長によって決まるので、回折格子３
と回折格子４の格子間隔をほぼ等しくしておけば回折角
θ₁及び、θ₂がほぼ等しくなり、ＴＭ偏光成分はＴＥ偏
光成分とほぼ平行な方向に出射される。入射角θ_i1は次
式で表される角度、いわゆるブラック角としておけばθ
_i2＝θ_i1となり、回折格子の特性を揃え易くて良い。

【００２４】θ_i1＝ｓｉｎ^-1（λ／２Ｄ）但しλは波長、Ｄは格子間隔。

【００２５】導波層内の回折格子３、４は例えばフォト
レジストを用いたフォトリソグラフや二光束干渉露光、
または電子ビーム描画をにより導波層表面または導波層
内レリーフ型回折格子として導波層表面または導波層内
に作製することができる。この場合の回折格子の断面形
状も例えば図４（ａ）〜（ｃ）に示すような矩形の他に
正弦波状や三角形状、台形状等の形状で良く、光源の波
長や基板の屈折率に応じてその間隔、深さ及び、デュー
テイを適切に選ぶことにより、所望の偏光特性が得られ
る。

【００２６】次に図５を用いて本発明による回折素子は
光源の波長変動の影響を受けにくいことを説明する。図
１と同じ番号を付したものは図１と同一のものである。
回折素子に入射したＴＥ偏光の光はほぼ１００％回折素
子を透過し集光レンズ５で光検出器７に集光される。他
方、ＴＭ偏光の光は回折格子３で回折されて回折格子４
に入射し、再度回折格子４で回折され集光レンズ６で光
検出器８に集光される。前述したように回折角θ₁、θ₂
は格子間隔と波長によって決まるので、回折格子３、４
で格子間隔を等しくしておけばθ₁＝θ₂となる。ここで
例えば光源の波長が何らかの原因で所定の波長より短く
なったとするとこれに応じて回折角θ₁、θ₂ともに小さ
くなりθ₁’、θ₂’となるが、回折格子３、４の格子間
隔が等しいことは変わりないのでやはりθ₁’＝θ₂’が
成り立ち、点線で示すようにＴＭ偏光の光はＴＥ偏光の
光と平行に出射され集光レンズ６によって光検出器８に
正しく集光される。従って、本発明においては光源の波
長変動によって回折光の集光点が移動し光検出器から外
れることは殆ど無い。また、本発明では二つの光検出器
を並べて配置出来るので光ピックアップ等に組み込む際
でもコンパクトに配置することが出来る。

【００２７】また、本発明では回折格子を二度通過させ
ることにより、偏光特性の向上を図ることが出来る。こ
れを図３を用いて説明する。一般にはＴＥ偏光の光は１
００％０次光として透過し、ＴＭ偏光の光は１００％回
折されるように回折格子は作製されるが、実際に作製出
来る回折格子ではＴＥ偏光の０次回折効率η_0TE及び、
ＴＭ偏光の１次回折効率η_1TMは０．９９程度である。
しかるに所望の偏光成分以外の偏光成分の割合、即ち偏
光度は余り小さくない。例えば、０次光における偏光度
はη_0TEに対するη_0TMの比で表されるが、η_0TE、η_0TM
をそれぞれ０．９９、０．０１とすると図６では偏光度
は約０．０１１である。１次回折光においても同様であ
る。

【００２８】ところが本発明に従って回折格子を二度通
過させると図３に示すように各々の回折効率はその二乗
になる。よって例えば、０次光における偏光度はη_0TE ²
に対するη_0TM ²の比で表され、η_0TE、η_0TMがそれぞれ
０．９９、０．０１であっても偏光度は約０．０００１
となる。これは回折格子を一度通過させた場合の１／１
００であり十分実用的な値である。１次回折光において
も同様のことが言える。

【００２９】（実施例３）図７は本発明における実施例
２において、２つの回折格子３・４の格子間隔をＤ₁・
Ｄ₂とした場合、Ｄ₁≠Ｄ₂のように回折格子を作製した
例である。特に入射光１３の波長λとした時、入射光１
３の波長λと回折格子３・４の格子間隔Ｄ₁・Ｄ₂との間
に０＜┃λ（１／Ｄ₁−１／Ｄ₂）（１−（λ／２Ｄ₁）²）
^-(1/2)┃≦０．３５又は、０＜┃λ（１／Ｄ₁−１／Ｄ₂）（１−（λ／Ｄ₁−λ／
２Ｄ₂）²）^-(1/2)┃≦０．３５の関係が満たされる時は、偏光特性や波長変動による集
光スポットの移動を抑制する効果がほぼ損なわれること
はなく、又偏光度を改善する効果も維持される。

【００３０】さらに、上記の条件に加えて入射光１３に
対して入射角θ_iがｓｉｎ^-1（λ／２Ｄ₁）≦θ_i≦ｓｉｎ^-1（λ／Ｄ₁−λ
／２Ｄ₂）を満たす角度で入射するように第１の回折格子３を作製
すると、回折格子に所定波長の入射光が入射した場合、
第１・第２の格子３・４を共に透過した光束と、第１・
第２の格子３・４で共に回折された光束とは、互いに離
れる方向に２０°以内の角度差を有するように出射され
るようになり、集光レンズ２０への入射時に上記の光束
が互いに重なりあっていても焦点面において異なる位置
に集光させることが出来るので、比較的有効径の小さい
単一の集光レンズ２０で上記２つの光束を容易に分離し
てそれぞれの光束を受光する光検出器２１・２２上に収
束させることが出来るようになる。一方、第１の回折格
子３と第２の回折格子４の格子間隔の差はごく僅かであ
るので、入射光１３の波長変動によって生じる光検出器
２１・２２上での集光スポットの位置ずれを抑制する効
果はほとんど損なわれることがない。又、入射光１３に
対して入射角θ_iがｓｉｎ^-1（λ／Ｄ₁−λ／２Ｄ₂）≦θ_i≦ｓｉｎ^-1（λ
／２Ｄ₁）を満たす角度で入射するように第１の回折格子３を作製
すると、入射角θ_iのブラッグ角からのずれもわずかに
なるので、光学特性の劣化もほとんど生じない。

【００３１】また、本実施例１〜３では第１・第２の回
折格子の格子方向を一致させているが、本発明において
は必ずしも一致させる必要はなく、また、回折格子の構
造は図４に限定されるものではなく正弦波状や三角形
状、台形状等の形状でも良い。また、自由空間中からの
光を導波路内に入射させる方法として本実施例では回折
格子３０を用いているが、本発明はこれに限定されるも
のではなく、プリズムを使用する方法や、劈開または垂
直研磨した導波路の端面からレンズで導波層厚さに比べ
て十分細く絞ったビームを入射させるといった方法でも
良い。さらに、ミクロンオーダの光検出器７・８で信号
を得るために必要な集光レンズ５・６は、モードインデ
ックスレンズやジオデシックレンズ、フレネルレンズ、
グレーティングレンズといった種類のレンズを使用す
る。

【００３２】

【発明の効果】本発明による偏光検出装置では、回折格
子により回折された光束を検出する光検出器と、回折格
子を透過した光束を検出する光検出器の近配置が可能と
なり、偏光検出装置を小型化することが出来るため、光
ピックアップ等へも組み込み易くなり、光ピックアップ
の小型・軽量化を図ることが出来る。また、実施例２の
ように回折格子を２つ配置することで分離された異なる
偏光の２つの光束が入射光と平行に回折素子から出射さ
れるので、光源の波長変動の影響を受けにくく、安定し
た偏光の検出が可能であり、また、回折格子を二度通過
させることにより偏光特性を著しく向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の正面図である。

【図２】本発明の第２の実施例の正面図である。

【図３】本発明の第２の実施例の回折格子図である。

【図４】回折格子の断面図である。

【図５】波長変動の影響がないことを示した図である。

【図６】従来例の偏光回折素子の断面図である。

【図７】本発明の他の実施例の正面図である。

【符号の説明】

２導波層３、４回折格子５、６集光レンズ７、８光検出器９矩形凸部１０導波層１１導波路１２基板１３入射光１４透過光１５回折光１６光束２０集光レンズ２１、２２光検出器３０光結合用回折格子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者南功治大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者岡田訓明大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者倉田幸夫大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】格子間隔が波長程度であることにより結
果的に偏光特性を有する微細な回折格子と、その回折格
子により回折された光束を所定の位置に導くための反射
素子とを導波構造内に具備し、かつ回折格子を透過した
光束と、回折格子で回折され反射素子で反射されて所定
の位置に導かれる光束が入射される集光レンズとこの集
光レンズで集光される上記一対の光束をそれぞれ受光す
る一対の光検出器とを一つの基板上に備えたことを特徴
とする偏光検出装置。
【請求項２】格子間隔が波長程度であることにより結
果的に偏光特性を有する微細な回折格子を導波構造内に
二つ具備し、上記第一の回折格子の格子間隔と上記第二
の回折格子の格子間隔がほぼ等しく、かつ、上記第一の
回折格子の格子方向と上記第二の回折格子の格子方向が
一致するように形成され、上記２つの回折格子を共に透
過した光束と、共に回折した光束が入射される集光レン
ズとこの集光レンズで集光される上記一対の光束をそれ
ぞれ受光する一対の光検出器とを一つの基板上に備えた
ことを特徴とする偏光検出装置。