JPH08249681A - Optical waveguide device, position-detecting device and optical pickup - Google Patents

Abstract

PURPOSE: To obtain an optical waveguide device which can detect a position without requiring any mechanical processing of an optical waveguide substrate or a condenser lens. CONSTITUTION: A light source 2, an optical waveguide 3, a first condensing grating coupler 4, a second condensing grating coupler 5, a condensing beam splitter 6, and a first and a second photodetectors 7, 8 are formed on a substrate 1. The first and second condensing grating couplers 4, 5 are so shaped as to have a focal length f1 and a focal length f2 (f1≠f2) respectively.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、位置検出に用いること
のできる光導波路デバイスに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical waveguide device that can be used for position detection.

【０００２】[0002]

【従来の技術】近年、光通信、光計測の分野で光導波路
デバイスが注目されている。2. Description of the Related Art In recent years, optical waveguide devices have attracted attention in the fields of optical communication and optical measurement.

【０００３】光導波路デバイスによれば、光学系の小
型、軽量化を図ることができる。また、光軸の調整が容
易である利点もある。According to the optical waveguide device, the size and weight of the optical system can be reduced. There is also an advantage that the adjustment of the optical axis is easy.

【０００４】このような光導波路デバイスを位置検出に
応用した装置としては、たとえば、光ディスク等に用い
られるフォーカスエラー検出装置が知られている。As an apparatus to which such an optical waveguide device is applied for position detection, for example, a focus error detecting apparatus used for an optical disk or the like is known.

【０００５】一例として、特開平２−４４５５４号公報
記載のフォーカスエラー検出装置を図５に示す。As an example, FIG. 5 shows a focus error detecting device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-44554.

【０００６】図示するようにこの装置では、基板１００
に機械的な加工を行い、出射端面位置を光軸方向に異ら
せた複数の光導波路１１１、１１２、１１３を設けてい
る。As shown, in this device, the substrate 100
A plurality of optical waveguides 111, 112, 113 having different emitting end face positions in the optical axis direction are provided by mechanical processing.

【０００７】この装置では、光源１０１、１０２、１０
３から出射された光はそれぞれ光導波路１１１、１１
２、１１３を通り、端面１２１、１２２、１２３から出
射された後、集光レンズ１５０によって被検面１３０上
に集光される。被検面１３０で反射した光は再びレンズ
１５０を通って端面１２１、１２２、１２３に戻り、光
導波路１１１、１１２、１１３を通って、光検出器１４
１、１４２、１４３で、その光量が検出される。In this device, the light sources 101, 102, 10
The light emitted from the optical waveguides 3 and 3 respectively
After passing through Nos. 2 and 113 and emitted from the end faces 121, 122, and 123, the light is condensed on the surface to be inspected 130 by the condenser lens 150. The light reflected by the surface to be inspected 130 passes through the lens 150 again, returns to the end faces 121, 122, 123, passes through the optical waveguides 111, 112, 113, and the photodetector 14
The light amount is detected at 1, 142, and 143.

【０００８】ここで、中心の光導波路１１２からの出射
光が被検面１３０上で焦点を結ぶように設定すると、光
導波路１１１からの出射光は被検面１３０の前方に焦点
を結び、光導波路１１３からの出射光は被検面１３０の
後方に焦点を結ぶ。If the light emitted from the central optical waveguide 112 is set to be focused on the surface to be measured 130, the light emitted from the optical waveguide 111 is focused to the front of the surface to be measured 130 and the Light emitted from the waveguide 113 is focused behind the surface to be inspected 130.

【０００９】ここで、光導波路に入射する反射光は、出
射光の合焦点が、被検面１３０上に位置するときに最大
になる。光導波路１１２からの出射光が焦点を結ぶ位置
を基準（０点）として、被検面１３０を光軸方向に移動
させたときの、光検出器１４１、１４３の出力を図６
（ａ）に示す。これらの信号の差をとることによって、
中心の光導波路１１２からの出射光の被検面１３０上へ
のフォーカスエラー信号が、図６（ｂ）のＳ字特性を持
つ信号として得られる。Here, the reflected light incident on the optical waveguide becomes maximum when the focal point of the emitted light is located on the surface 130 to be inspected. The outputs of the photodetectors 141 and 143 when the test surface 130 is moved in the optical axis direction with the position at which the light emitted from the optical waveguide 112 is focused as a reference (point 0) are shown in FIG.
(A). By taking the difference between these signals,
A focus error signal of the light emitted from the central optical waveguide 112 onto the surface to be measured 130 is obtained as a signal having the S-shaped characteristic of FIG. 6B.

【００１０】なお、このデバイスでは光導波路１１１、
１１３が位置検出用光線の導波路、光導波路１１２が光
ディスクへの記録、再生用光線の導波路となっている。In this device, the optical waveguide 111,
Reference numeral 113 is a waveguide for a light beam for position detection, and optical waveguide 112 is a waveguide for a light beam for recording and reproducing on an optical disk.

【００１１】なお、光導波路デバイスとしては、「電子
通信学会論文誌、（Ｃ）、Ｊ６９−Ｃ、５、ｐｐ．６０
９、１９８６」に記載されている集光グレーティングカ
プラを用い集光レンズを不要とした光ディスク用の光ピ
ックアップ等も知られている。集光グレーティングカプ
ラは導波光と空間の一点に焦点を持つ球面波を結合させ
る導波型素子であり、曲がりとチャーピングを有するグ
レーティングパターンで構成される。The optical waveguide device is described in "The Institute of Electronics and Communication Engineers, (C), J69-C, 5, pp. 60.
9, 1986 ”, there is also known an optical pickup for an optical disc which uses a condenser grating coupler and does not require a condenser lens. The condensing grating coupler is a waveguide element that couples the guided light and a spherical wave having a focal point at one point in space, and is composed of a grating pattern having bending and chirping.

【００１２】この光ピックアップの構成を、図７に示し
ておく。The structure of this optical pickup is shown in FIG.

【００１３】この光ピックアップでは、光源２０２から
出射された光は光導波路２０３を伝搬し、集光ビームス
プリッタ２０６を介して集光グレーティングカプラ２０
４に入射後、集光グレーティングカプラ２０４によって
光ディスク２０７面に集光される。光ディスク２０７面
で反射した光は、集光グレーティングカプラ２０４に入
射し、集光ビームスプリッタ２０６によって波面が２つ
に分断された後、それぞれ、第１、第２の光検出機２１
０、２１１の中間地点近傍と、第３、第４の光検出器２
１２、２１３の中間地点近傍に合焦する。In this optical pickup, the light emitted from the light source 202 propagates through the optical waveguide 203 and passes through the condensing beam splitter 206 to the condensing grating coupler 20.
After being incident on the beam No. 4, the light is condensed on the surface of the optical disc 207 by the condensing grating coupler 204. The light reflected by the surface of the optical disc 207 enters the condensing grating coupler 204, and after the condensing beam splitter 206 divides the wavefront into two, the first and second photodetectors 21 are respectively separated.
Near the midpoint between 0 and 211, and the third and fourth photodetectors 2
Focus on the vicinity of the midpoint of 12, 213.

【００１４】この第１、第２、第３、第４の光検出器２
１０〜２１３で検出した光強度の和が、光ディスクより
の読みだし信号となる。また、この光ピックアップによ
れば、第１、第４の光検出器２１０、２１３で検出した
光強度の和と、第２、第３の光検出器２１１、２１２で
検出した光強度の和との差よりフォ−カスエラ−量を検
出することができる。これは、光ディスク２０７面の集
光グレーティングカプラ２０４の出射光の合焦点よりの
ずれに応じて、反射光の合焦点の位置がずれ、第１、第
２の光検出器２１０、２１１に入射する光強度の比率、
および、第３、第４の光検出器２１２、２１３に入射す
る光強度の比率が変化することを利用したものである。The first, second, third and fourth photodetectors 2
The sum of the light intensities detected in 10 to 213 becomes a read signal from the optical disc. Further, according to this optical pickup, the sum of the light intensities detected by the first and fourth photodetectors 210 and 213 and the sum of the light intensities detected by the second and third photodetectors 211 and 212. The amount of focus error can be detected from the difference. This is because the position of the focal point of the reflected light is shifted according to the shift of the outgoing light of the condensing grating coupler 204 on the surface of the optical disc 207, and the reflected light is incident on the first and second photodetectors 210 and 211. Light intensity ratio,
Also, the fact that the ratio of the light intensities incident on the third and fourth photodetectors 212 and 213 changes is used.

【００１５】[0015]

【発明が解決しようとする課題】さて、前記特開平２−
４４５５４号公報記載のフォーカスエラー検出装置によ
れば、位置検出を行うために光導波路基板に複雑な機械
的加工を行う必要があった。また、光を集光するための
レンズが必要であった。DISCLOSURE OF THE INVENTION Problems to be Solved by the Invention
According to the focus error detection device described in Japanese Patent No. 44554, it is necessary to perform complicated mechanical processing on the optical waveguide substrate in order to detect the position. Moreover, a lens for condensing the light was required.

【００１６】そこで、本発明は、光導波路基板の機械的
な加工や、集光レンズを必要とせずに、位置検出を行う
ことのできる光導波路デバイスを提供することを目的と
する。Therefore, an object of the present invention is to provide an optical waveguide device capable of performing position detection without the need for mechanical processing of the optical waveguide substrate or the need for a condenser lens.

【００１７】[0017]

【課題を解決するための手段】前記目的達成のために、
入射された光を伝搬する光導波路と、当該光導波路を伝
搬した光を、それぞれ自由空間中の一点に集光する、相
互に焦点距離の異なる２つの集光グレーティングカプラ
を同一基板上に形成した光導波路デバイスを提供する。
また、このような光導波路デバイスに、さらに前記２つ
の集光グレーティングカプラに自由空間より入射し、そ
れぞれ前記光導波路に結合した２つの光を、それぞれ前
記基板上の異なる位置に集光する集光手段を備えた光導
波路デバイスを提供する。[Means for Solving the Problems] To achieve the above object,
An optical waveguide for propagating incident light and two condensing grating couplers with different focal lengths for condensing the light propagating through the optical waveguide at one point in free space are formed on the same substrate. An optical waveguide device is provided.
Further, in such an optical waveguide device, further, the two light-collecting grating couplers are made incident on the light-collecting grating coupler from a free space, and the two lights respectively coupled to the optical waveguide are condensed at different positions on the substrate. An optical waveguide device including the means is provided.

【００１８】[0018]

【作用】本発明に係る光導波路デバイスによれば、光導
波路を伝搬した光は、相互に焦点距離の異なる２つの集
光グレーティングカプラによって、それぞれ自由空間中
の異なる一点に集光される。したがい、それぞれの光の
反射光の強度を検出することにより、前述した従来のフ
ォ−カスエラ−検出装置と同様に、位置検出を行うこと
ができる。ここで、各反射光の光強度の検出は、たとえ
ば、集光手段によって、２つの集光グレーティングカプ
ラに自由空間より入射し、それぞれ前記光導波路に結合
した２つの光を、それぞれ受光素子等によって検出する
ことにより実現することができる。、このような構成に
よれば、集光レンズを必要としない。また、光導波路基
板を機械的に加工することなく製作することができる。According to the optical waveguide device of the present invention, the light propagating through the optical waveguide is focused on different points in the free space by the two focusing grating couplers having mutually different focal lengths. Therefore, by detecting the intensities of the reflected lights of the respective lights, the position can be detected in the same manner as the conventional focus error detection device described above. Here, the detection of the light intensity of each reflected light is performed by, for example, a light-collecting device, two light beams incident on the two light-collecting grating couplers from the free space and coupled to the optical waveguide, respectively, by a light-receiving element or the like. It can be realized by detecting. With such a configuration, no condenser lens is required. In addition, the optical waveguide substrate can be manufactured without mechanical processing.

【００１９】[0019]

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。Embodiments of the present invention will be described below.

【００２０】図１に、本実施例に係る光導波路デバイス
の概略構成を示す。FIG. 1 shows a schematic structure of the optical waveguide device according to this embodiment.

【００２１】図示するように本実施例に係る光導波路デ
バイスは、基板１上に光源２、光導波路３、第１の集光
グレーティングカプラ４、第２の集光グレーティングカ
プラ５、集光ビームスプリッタ６、および第１、第２の
光検出器７、８を形成したものである。As shown in the figure, the optical waveguide device according to this embodiment has a light source 2, an optical waveguide 3, a first condensing grating coupler 4, a second condensing grating coupler 5 and a condensing beam splitter on a substrate 1. 6 and the first and second photodetectors 7 and 8 are formed.

【００２２】また、第１の集光グレーティングカプラ４
は焦点距離ｆ１を、第２の集光グレーティングカプラ５
は焦点距離ｆ２（ｆ１≠ｆ２）を持つような形状として
いる。Further, the first condensing grating coupler 4
Is the focal length f1 of the second condensing grating coupler 5
Has a shape having a focal length f2 (f1 ≠ f2).

【００２３】焦点距離と集光グレーティングカプラの形
状との関係は、数１によって求めることができる。The relationship between the focal length and the shape of the condensing grating coupler can be obtained by the equation 1.

【００２４】[0024]

【数１】 [Equation 1]

【００２５】ただし、図２に示すように、ｆは焦点距
離、ｒは集光グレーティングカプラの中心から光源の光
の発散中心までの距離、θは基板の法線と光軸の成す角
である。また、λは光源から出射される光の波長、Ｎは
導波路の実行屈折率、ｍは整数である。数１を、解析的
にｘ、ｙについて解くことにより集光グレーティングカ
プラの形状が焦点距離に応じて定まる。However, as shown in FIG. 2, f is the focal length, r is the distance from the center of the focusing grating coupler to the divergence center of the light of the light source, and θ is the angle between the normal line of the substrate and the optical axis. . Further, λ is the wavelength of light emitted from the light source, N is the effective refractive index of the waveguide, and m is an integer. The shape of the condensing grating coupler is determined according to the focal length by analytically solving Expression 1 for x and y.

【００２６】さて、光源２から出射した光は光導波路３
を伝搬し、集光グレーティングカプラ４、および５に入
射する。図３に示すように、集光グレーティングカプラ
４に入射した光は距離ｆ１の点１１に集光され、集光グ
レーティングカプラ５に入射した光は距離ｆ２の点１２
に集光される。The light emitted from the light source 2 is transmitted to the optical waveguide 3
And enters the focusing grating couplers 4 and 5. As shown in FIG. 3, the light incident on the condensing grating coupler 4 is condensed at the point 11 at the distance f1, and the light incident on the condensing grating coupler 5 is at the point 12 at the distance f2.
Is focused on.

【００２７】そして、図４に示すように、集光グレーテ
ィングカプラ４及び５から被検面３０へ光が出射され
る。被検面３０で反射したそれぞれの戻り光（図示せ
ず）は再び集光グレーティングカプラ４、および５に戻
り、光導波路３に結合される。戻り導波光は集光ビーム
スプリッタ６によって２分割され、光検出器７、８に集
光される。ここで、集光グレーティングカプラ４へ戻っ
た光は光検出器７に、集光グレーティングカプラ５へ戻
った光は光検出器８に各々集光され、それぞれ光強度が
検出される。Then, as shown in FIG. 4, light is emitted from the focusing grating couplers 4 and 5 to the surface 30 to be measured. Each return light (not shown) reflected by the surface 30 to be inspected returns to the focusing grating couplers 4 and 5 again and is coupled to the optical waveguide 3. The return guided light is split into two by the condensing beam splitter 6 and condensed on the photodetectors 7 and 8. Here, the light returning to the focusing grating coupler 4 is focused on the photodetector 7, and the light returning to the focusing grating coupler 5 is focused on the photodetector 8, and the respective light intensities are detected.

【００２８】ここで、被検面３０から反射後、集光グレ
ーティングカプラで光導波路３に結合される光量は、出
射光の合焦点が、被検面１３０上に位置するときに最大
になる。したがい、異なる焦点距離の集光グレーティン
グカプラ４、５によって集光された反射光の強度を各々
表す光検出器７と８の出力差をとることによって、図６
（ｂ）に示した信号と同様にＳ字特性を持つ位置検出信
号を得ることができる。Here, the amount of light that is reflected from the surface 30 to be inspected and is coupled to the optical waveguide 3 by the condensing grating coupler becomes maximum when the focal point of the emitted light is located on the surface 130 to be inspected. Therefore, by taking the output difference between the photodetectors 7 and 8 which respectively represent the intensities of the reflected light collected by the condensing grating couplers 4 and 5 having different focal lengths,
A position detection signal having an S-shaped characteristic can be obtained similarly to the signal shown in (b).

【００２９】なお、本実施例に係る光導波路デバイスに
用いる基板１としてはＳｉ基板を用いても、ＧａＡｓの
ような化合物半導体を用いてもよい。Ｓｉを用いた場合
にはフォトダイオ−ドを用いた光検出器を基板に集積す
ることができる。ＧａＡｓのような化合物半導体を用い
た場合には、レ−ザダイオ−ドを用いた光源とフォトダ
イオ−ドを用いた光検出器を共に基板に集積することが
できる。The substrate 1 used in the optical waveguide device according to this embodiment may be a Si substrate or a compound semiconductor such as GaAs. When Si is used, a photodetector using a photodiode can be integrated on the substrate. When a compound semiconductor such as GaAs is used, both a light source using a laser diode and a photodetector using a photodiode can be integrated on the substrate.

【００３０】さて、先に図７に示した構成を有す光ディ
スクの光ピックアップと同じ基板上に、図１に示した構
成をさらに集積すれば、この光ディスク用の光ピックア
ップのフォ−カスエラ−検出を、前述した本実施例に係
る光導波路デバイスの動作によって、さらに確実に行う
ことができるようになる。もちろん、光磁気ディスクの
読みだし書き込みを行う光ピックアップにも同様に適用
することができる。Now, by further integrating the configuration shown in FIG. 1 on the same substrate as the optical pickup of the optical disc having the configuration shown in FIG. 7, the focus error detection of the optical pickup for the optical disc is performed. The operation of the optical waveguide device according to the present embodiment described above can be performed more reliably. Of course, the present invention can be similarly applied to an optical pickup for reading and writing a magneto-optical disk.

【００３１】[0031]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、光導波
路基板の機械的な加工や、集光レンズを必要とせずに、
位置検出を行うことのできる光導波路デバイスを提供す
ることができる。As described above, according to the present invention, there is no need for mechanical processing of an optical waveguide substrate or a condenser lens,
An optical waveguide device capable of position detection can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明の実施例に係る光導波路デバイスの構成
を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical waveguide device according to an embodiment of the present invention.

【図２】集光グレーティングカプラの形状と焦点の関係
を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the shape and focus of a condensing grating coupler.

【図３】本発明の実施例に係る光導波路デバイスの２つ
の集光グレーティングカプラの焦点を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the focal points of two condensing grating couplers of the optical waveguide device according to the embodiment of the present invention.

【図４】本発明の実施例に係る光導波路デバイスの２つ
の集光グレーティングカプラから、被検面への出射光を
示す図である。FIG. 4 is a diagram showing light emitted from two condensing grating couplers of an optical waveguide device according to an embodiment of the present invention to a surface to be measured.

【図５】従来のフォ−カスエラ−検出装置の構成を示す
図である。FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a conventional focus error detection device.

【図６】従来のフォ−カスエラ−検出装置の出力信号を
示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an output signal of a conventional focus error detection device.

【図７】従来の光ピックアップの構成を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a conventional optical pickup.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 基板 ２ 光源 ３ 光導波路 ４、５ 集光グレーティングカプラ ６ 集光ビームスプリッタ ７、８ 光検出器 1 substrate 2 light source 3 optical waveguide 4, 5 condensing grating coupler 6 condensing beam splitter 7, 8 photodetector

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】基板上に形成された、入射された光を伝搬
する光導波路と、 当該光導波路を伝搬する光を、それぞれ自由空間中の一
点に集光する、相互に焦点距離の異なる、前記基板上に
形成された２つの集光グレーティングカプラとを備えた
ことを有することを特徴とする光導波路デバイス。1. An optical waveguide formed on a substrate for propagating incident light, and light propagating through the optical waveguide are condensed at one point in free space, and have different focal lengths. An optical waveguide device comprising: two condensing grating couplers formed on the substrate. 【請求項２】請求項１記載の光導波路デバイスであっ
て、 前記２つの集光グレーティングカプラに自由空間より入
射し、それぞれ前記光導波路に結合した２つの光を、そ
れぞれ前記基板上の異なる位置に集光する、前記基板上
に形成された集光手段を有することを特徴とする光導波
路デバイス。2. The optical waveguide device according to claim 1, wherein two lights that are incident on the two condensing grating couplers from a free space and are coupled to the optical waveguides are respectively different positions on the substrate. An optical waveguide device comprising: a light collecting means formed on the substrate for collecting light onto the substrate. 【請求項３】光源と、 基板上に形成された、前記光源から出射された光を伝搬
する光導波路と、 基板上に形成された、前記光源から出射され前記光導波
路を伝搬する光を、それぞれ自由空間中の一点に集光す
る、相互に焦点距離の異なる２つの集光グレーティング
カプラと、 前記光導波路に結合した、光強度を検出する２つの受光
手段と、 基板上に形成された、前記２つの集光グレーティングカ
プラに自由空間より入射し、それぞれ前記光導波路に結
合した２つの光を、それぞれ前記２つの受光手段に集光
する集光手段と、 を有することを特徴とする位置検出装置。3. A light source, an optical waveguide formed on a substrate for propagating light emitted from the light source, and a light formed on the substrate, emitted from the light source and propagating through the optical waveguide, Two converging grating couplers having different focal lengths, each condensing at one point in free space, two light receiving means coupled to the optical waveguide for detecting light intensity, and formed on a substrate, Position detecting means for condensing two lights, which are incident on the two condensing grating couplers from a free space and are coupled to the optical waveguides, to the two light receiving means, respectively. apparatus. 【請求項４】光磁気記憶媒体もしくは光記憶媒体の書き
込みもしくは読みだしに用いる光線を導波する導波路
と、 光源と、 基板上に形成された、前記光源から出射された光を伝搬
する光導波路と、 基板上に形成された、前記光源から出射され前記光導波
路を伝搬した光を、それぞれ自由空間中の一点に集光す
る、相互に焦点距離の異なる２つの集光グレーティング
カプラと、 前記光導波路に結合した、光強度を検出する２つの受光
手段と基板上に形成された、前記２つの集光グレーティ
ングカプラに自由空間より入射し、それぞれ前記光導波
路に結合した２つの光を、それぞれ前記２つの受光手段
に集光する集光手段と、 を有することを特徴とする光ピックアップ。4. A magneto-optical storage medium or a waveguide for guiding a light beam used for writing or reading to or from the optical storage medium, a light source, and a light for propagating light emitted from the light source, formed on a substrate. A waveguide, and two condensing grating couplers formed on a substrate, which condense the light emitted from the light source and propagating through the optical waveguide at one point in free space, and having mutually different focal lengths, Two light-receiving means for detecting the light intensity coupled to the optical waveguide and the two light-collecting grating couplers formed on the substrate are made incident on the two light-collecting grating couplers from the free space, and two lights respectively coupled to the optical waveguide are respectively received. An optical pickup comprising: a light collecting unit that collects light on the two light receiving units.