JP2624783B2 - Optical integrated circuit - Google Patents
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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光デ
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
る光集積回路に係り、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。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical integrated circuit used for optical communication using a semiconductor laser or an optoelectronic device such as an optical disk recording device, and more particularly, to an optical integrated circuit using a wavelength variation of a semiconductor laser light. The present invention relates to an optical integrated circuit in which various types of generated aberration are corrected.
光通信システムや光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、機器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
という種々の問題がある。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(光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、光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。2. Description of the Related Art Optical components used in fields such as optical communication systems and optical information processing have conventionally been configured by mechanically combining bulk components such as lenses, prisms, and gratings. Therefore, the optical component has a large external dimension and cannot meet the demand for miniaturization, and is expensive.
Alternatively, since they are combined by mechanical coupling, there are various problems that the safety for long-term use is lacking and the reliability is poor. Therefore, in recent years, the concept of an optical integrated circuit (optical IC) in which a plurality of elements are integrated on one substrate has been introduced, and significant miniaturization and cost reduction of optical components have been studied. That is, an optical IC is an optical component in which a light receiving / emitting element, a waveguide type (thin film type) lens, a grating, and the like are integrated on one substrate.
光ICの例としては、光ディスク用光ヘッドが提案され
ている。(例えば、特開昭61−248244号公報、電子通信
学会論文誌'85/10vol.J 68−C No.10,信学技報'86/9vo
l.86,No.176)。As an example of the optical IC, an optical head for an optical disk has been proposed. (For example, JP-A-61-248244, IEICE Transactions '85 /10vol.J 68-C No.10, IEICE Technical Report '86 / 9vo
l.86, No. 176).
光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、光導波路に光を導波させたり、光導波路外に光を出
射させたりする機能をもった素子であり、光ICのキーと
なる素子の一つである。第4図および第5図は、その具
体例として光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てある。グレーティングカ
ップラ1は、基板2の光導波路3上に形成した回折格子
4であり、その格子間隔Δ等を適正化することにより第
4図に示したように導波光5を空気中に出射させたり、
また第5図に示したように基板内に出射させたりするこ
とができる。ま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。As a constituent element of the optical IC, there is a grating coupler. This is a waveguide-type diffraction grating formed in an optical waveguide, and has the function of guiding light into the optical waveguide and emitting light out of the optical waveguide. It is one of the elements. 4 and 5 show a grating coupler having a function of emitting light out of the optical waveguide as a specific example. The grating coupler 1 is a diffraction grating 4 formed on the optical waveguide 3 of the substrate 2. By optimizing the lattice spacing Δ and the like, the guided light 5 can be emitted into the air as shown in FIG. ,
In addition, the light can be emitted into the substrate as shown in FIG. When the pattern shape of the diffraction grating is a straight line, parallel light can be emitted, and when the pattern shape is a quadratic curve, condensed light can be emitted.
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。However, the above-mentioned grating coupler has the following problems when a semiconductor laser is used as a light source.
That is, the wavelength of the emitted semiconductor laser light generally changes depending on the operating temperature and variations in the manufacturing process when manufacturing the semiconductor laser. If the emitted wavelength is not a single wavelength, the grating coupler is not used. The problem is that the angle of the light emitted from the light source changes.
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N、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ns、半導体レーザ
光の波長をλとすると下記(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
集光させたり、グレーティングカップラから出射された
光を別の 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。That is, the emission angle of light from the grating coupler alpha, the effective refractive index of the optical waveguide of N, lattice spacing of the grating coupler delta, the refractive index of the substrate n s, and the wavelength of the semiconductor laser beam and λ the following (1 Since α is determined by equation (1), there is a problem that α changes when the wavelength λ changes. Therefore, the light is condensed by the grating coupler or the light emitted from the grating coupler is When the light is condensed by a lens, various aberrations occur due to the wavelength fluctuation, and the spot diameter and the spot position fluctuate.
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。In the above-mentioned prior art, there is a problem that the variation of the semiconductor laser is not considered, and the multi-mode semiconductor laser light cannot be applied practically.
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。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an optical integrated circuit in which characteristics do not vary much even when a multi-mode semiconductor laser beam is used.
本発明による光集積回路は、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であり、また、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である。The optical integrated circuit according to the present invention is provided with an optical waveguide comprising a waveguide layer having a higher refractive index than the substrate on the surface of a dielectric or glass substrate, and using an optical recording medium by laser light guided from the semiconductor laser to the optical waveguide. In an optical integrated circuit capable of reading information from a semiconductor laser, a glass block for allowing a semiconductor laser to enter a substrate at a certain angle, a waveguide-type diffraction grating for coupling laser light to an optical waveguide, and an optical waveguide. An optical deflector using surface acoustic waves to deflect light guided into the waveguide, a waveguide-type diffraction grating for emitting guided light into the substrate, and a laser emitted by the waveguide-type diffraction grating A Bragg diffraction type aberration correcting diffraction grating for correcting aberrations due to the wavelength variation of light, a glass block for emitting laser light above the substrate, and a An objective lens that has a mechanism to move in the vertical direction and has a function of condensing light on the optical disk surface, and the return light from the optical disk having the optical recording medium is split into two by the optical waveguide surface, and the split light is converted into a photodiode. An optical integrated circuit used for an optical pickup head for an optical disc having a condensing beam splitter having a function of condensing light on a surface and a photodiode for reading optical information, and a substrate on a dielectric or glass substrate. In an optical integrated circuit using a laser beam guided from a semiconductor laser to an optical waveguide, an optical waveguide formed of a waveguide layer having a high refractive index is provided. A glass block for coupling the laser light into the optical waveguide, and a glass block for coupling the laser light to the optical waveguide. Optical deflector that uses surface acoustic waves to generate light, a waveguide-type diffraction grating that emits guided light into the substrate, and corrects aberrations caused by wavelength fluctuations of the laser light emitted by the waveguide-type diffraction grating This is an optical integrated circuit used for a laser beam printer having a Bragg diffraction type diffraction grating for aberration correction.
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)となり、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D、回折格子の傾斜δ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γ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(0)〜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り、本発明のポイ
ントの一つでもある。An example of the operation and effect of the present invention will be described with reference to FIG. The effect of the present invention can be achieved by providing the diffraction grating shown in FIG. That is, as shown in FIG. 1, when the wavelength of the guided light 5 of the semiconductor laser is λ (0) and λ (1) (λ (0)> λ (1), the emission angle of the light emitted from the grating coupler Is α (0) and α (1), respectively, according to the above-mentioned equation (1), so that the light incident on the diffraction grating 6 is incident at different angles, where the grating interval D and the inclination of the diffraction grating. Diffraction grating 6 with optimized δ
Is provided, the emission angles γ from 6 of λ (0) and λ (1) can be made the same or almost the same, and it becomes possible to correct the aberration caused by the wavelength fluctuation of the laser light. Here, D is determined so that the diffraction grating 6 satisfies the Bragg condition for at least one wavelength of the light of λ (0) to λ (1) or diffracts near the Bragg condition. It is important that the shape of No. 6 satisfies the following expression in order to obtain high intensity light, and this is one of the points of the present invention.
T:回折格子の高さ n1:回折格子の屈折率変化 θB:波長λで回折格子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。 T: height of the diffraction grating n 1 : refractive index change of the diffraction grating θ B : incidence angle to the grating when the Bragg condition is satisfied in the diffraction grating 6 at the wavelength λ [Example] Next, the model shown in FIG. Will be described in detail, and specific examples of D and δ will be described.
まずDは、波長λ(0)の光が回折格子6によりBrag
g条件、もしくはBragg条件近傍で回折されるよう(3)
(4)式を満たすような条件とする。First, at D, the light of wavelength λ (0) is
Diffracted near g or Bragg conditions (3)
Conditions are set so as to satisfy equation (4).
β(0)≒γ(0) ……(4) β(0):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)式を満たす条件とする。 β (0) ≒ γ (0) (4) β (0): incidence angle with respect to the diffraction grating at wavelength λ (0) γ (0): emission angle with respect to the diffraction grating at wavelength λ (0) and wavelength The condition satisfying the expression (5) is set so that the light of λ (1) is diffracted near the Bragg condition.
β(1):波長λ(1)での回折格子に対する入射角 γ(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D,δを定める。 β (1): incidence angle with respect to the diffraction grating at wavelength λ (1) γ (1): emission angle with respect to the diffraction grating at wavelength λ (1) Further, the following conditions (6) to (11) are satisfied. And D and δ are determined.
α0(0):λ(0)でのグレーティングカップラの出
射角 α0(1):λ(1)でのグレーティングカップラの出
射角 α1(0):λ(0)でのガラスブロックへの入射角 α1(1):λ(1)でのガラスブロックへの入射角 Λ:グ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り、−1と
する。 α 0 (0): Exit angle of grating coupler at λ (0) α 0 (1): Exit angle of grating coupler at λ (1) α 1 (0): Exit to glass block at λ (0) Incident angle α 1 (1): Incident angle to glass block at λ (1) Λ: Grating spacing of grating coupler D: Grating spacing of diffraction grating 6 δ: Tilt of diffraction grating 6 m: Diffracted by diffraction grating 6 It is the diffraction order of the light, and is assumed to be -1.
N:光導波路5の実効屈折率 ns:基板2の屈折率 np:ガラスブロックの屈折率 第2図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。N: effective refractive index of the optical waveguide 5 n s : refractive index of the substrate 2 n p : refractive index of a glass block FIG. 2 shows a preferred sectional shape of the diffraction grating 6 used in the present invention, which has high strength. In order to obtain diffracted light, it is desirable to use a diffraction grating having a shape that satisfies the expression (2) described above.
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0.78μm,λ(1)が0.776μmの半導
体レーザを用い、ns=2.2,N=2.209のLiNbO3結晶を用い
たTi拡散光導波路を用い、その上にΛ=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
np=1.51のBK−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並行に貼り付けた場合、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0.1度と大き
な値であるが、回折格子6からの出射角の差は0.01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とすることにより80%以上
となる。As a specific example of a diffraction grating that satisfies the conditions described above, a semiconductor laser having λ (0) of 0.78 μm and λ (1) of 0.776 μm is used, and a LiNbO 3 crystal having n s = 2.2 and N = 2.209 is used. Using the Ti diffused optical waveguide used, a grating coupler of Λ = 10μm is formed on it, and
When a glass block made of BK-7 with n p = 1.51 is attached and a diffraction grating is attached in parallel with the end face of the substrate, δ is about 80.
D is about 2.5 μm. In this case, the difference between the incident angles of λ (0) and λ (1) with respect to the diffraction grating is as large as about 0.1 °, but the difference between the exit angles from the diffraction grating 6 is as small as 0.01 ° or less. In this case, the efficiency of the diffracted light (light emitted from the diffraction grating 6) becomes 80% or more by setting T to about 10 μm.
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。As a form of the diffraction grating used in the present invention, there is a reflection type diffraction grating provided with a reflection film 7 as shown in FIG. 3 in addition to the transmission type diffraction grating as shown in FIG. 1 and FIG.
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光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により平行光に変
換されて、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
り合わせてある。6への入射光はほぼBragg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により集光されて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
の異った光をほぼ同一方向に回折する働きがあり、これ
によってレンズ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図の光ICは、光ディスク装置
における情報読み出し用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、Si
O2系ガラス基板、誘導体結晶基板、SiO2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,ZnS,6の回折格子
形成材料としては、SiO2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、SiO2系ガラス等があ
り、一般的に光学素子や光導波路、薄膜光素子を形成す
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ソグラフィ技
術、真空技術を駆使することにより素子が形成できる。Hereinafter, specific examples of the optical IC using the present invention will be described. FIG. 6 shows an optical IC for condensing a semiconductor laser beam at one point P. The guided light from the semiconductor laser 8 end-coupled to the optical waveguide 3 is converted into parallel light by the waveguide type Fresnel lens 9 and is incident on the grating coupler 1. The incident light is diffracted by the grating coupler 1 and refracted at the boundary between the substrate and the glass prism and enters the diffraction grating 6 of the present invention. The diffraction grating 6 is a transmission type diffraction grating, and is bonded to the block with an adhesive having substantially the same refractive index as the prism. The light incident on 6 is substantially diffracted under the Bragg condition, is reflected on the end face of the prism, is condensed by a lens 10 installed above the substrate 2, and is focused at a point P. The diffraction grating 6 has the function of changing the path of the laser light and diffracting light of different wavelengths in substantially the same direction, whereby the angle of light incident on the lens 10 becomes substantially the same, and light having a small spot diameter is obtained. Is obtained. Here, if the diffraction grating 6 is a simple reflecting mirror, problems such as a change in the point P and an increase in the spot diameter due to a change in the wavelength of the semiconductor laser occur. The optical IC shown in FIG. 6 can be applied to an information reading optical head or the like in an optical disk device. The material constituting the optical IC is quartz, Si
As an O 2 -based glass substrate, a derivative crystal substrate, an SiO 2 -based glass optical waveguide, a metal diffused optical waveguide, and an element forming material of 9 and 1, chalcogenide glass and a diffraction grating forming material of TiO 2 , ZnO, ZnS, and 6 are used. , SiO 2 -based glass, polymer compounds, and glass block-forming materials of 11 include SiO 2 -based glass, etc., and all materials generally used for forming optical elements, optical waveguides, and thin-film optical elements are used. An element can be formed by using these materials and making full use of a lithography technique and a vacuum technique used when manufacturing a semiconductor.
第7図は、第6図とほぼ同一の光ICである。第6図の
光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図とほぼ同一の光ICである。第8図は、回折格子6
が反射膜7を設けた反射型回折格子である点に特徴があ
る。第9図は、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。FIG. 7 shows an optical IC substantially the same as FIG. The feature is that the diffraction grating 6 is perpendicular to the substrate as compared with the optical IC of FIG. FIG. 6 shows that the laser emission surface of the substrate and the diffraction grating 6 are parallel to each other to facilitate the formation.
Can be arbitrarily set. 8 and 9 are optical ICs substantially the same as FIG. FIG. 8 shows the diffraction grating 6
Is a reflection type diffraction grating provided with a reflection film 7. FIG. 9 is characterized in that light emitted from the diffraction grating 6 is reflected by the lower surface of the glass block and emitted parallel to the substrate. The aberration correction diffraction grating and the glass block as shown in FIG. 9 not only correct the aberration of the light emitted from the grating 1 due to the wavelength variation of the semiconductor laser light, but also connect the semiconductor laser to the end face of the glass block and Considering a grating coupler for input coupling, it can also be used to prevent a decrease in input coupling efficiency due to wavelength fluctuation of a semiconductor laser.
第10図は、第6図の半導体レーザを光導波路3に端面
結合するかわりに、プリズムを介して半導体レーザを貼
り付けレーザ光をグレーティングカップライにより導波
路3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図の光ICのグレーティングカップラ1′とSAW
光偏向器12の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を結合した光
ICの例である。第10図および第11図の光ICは、光ディス
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図の光ICの製造方法及び作用について説明する。
第11図の光ICの製造方法について、まず各種導波路型光
学素子に関しては、基板2として光学研磨したLiNbO3結
晶を用い、Tiをスパッタリングにより24nm堆積させ、熱
拡散を行って光導波路3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0.35Pa,
スパッタ速度0.4nm/sec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0.5時間流して行った。ここで導波路の
表面屈折率はnf=2.22となり等価屈折率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#7059ガラスをスパッタリン
グにより10nm形成した。スパッタ条件は高周波パワー10
0W、アルゴンガス圧0.35Pa、スパッタ速度0.2nm/secで
ある。バッファ層上に装荷層としてTiO2を反応性スパッ
タリングにより100nm形成した。スパッタ条件は、TiO2
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、O2とArの流量比0.7、スパッタガス圧力0.42P
a、高周波パワー500W、スパッタ速度0.1nm/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−E
XR:東洋ソーダ製)を用い、厚さ0.5μmとした。上記レ
ジストを130℃で20分間プリベータしたのち、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0.1μm照射量16μC/cm2とした。電子ビーム露光
後に現像を行いレジスト製のマスクを形成した。その後
イオンエッチングにより装荷層およびバッファ層を微細
加工した。イオンエッチングの条件は、エッチングガス
としてCF4を用い、圧力3.8Pa、高周波パワー200W、エッ
チング時間15minとした。エッ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SiO2を約10μm、SiCl4とO2
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SiO2をホトリソグラフィにより
所定の格子形状に加工するために、ホトレジスト(OFPR
800)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、UV露光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
たイオンエッチングによりSiO2を微細加工し、Crを除去
して格子パターンが形成できた。このホトリソグラフィ
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り合わされ、半導体レーザ及びホト
ダイオードを端面結合して第11図の光ICを形成した。次
に第11図の光ICの作用について説明する。ガラスブロッ
ク11に結合した半導体レーザ8からの出射光(波長0.77
6〜0.78μm)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′により光導波路3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),(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たレンズ10で集光さ
れて光ディスク14のピット(情報)に集光される。光デ
ィスク14により反射された光は、レンズ10、ガラスブロ
ック11、回折格子6を通り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
13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。FIG. 10 shows that, instead of the end face coupling of the semiconductor laser of FIG. 6 to the optical waveguide 3, a semiconductor laser is pasted through a prism, the laser light is coupled to the waveguide 3 by a grating coupler, and two more grating couplers are connected. ,
This is an optical IC with a SAW optical deflector formed between 1 '. FIG. 11 shows the grating coupler 1 'and the SAW of the optical IC shown in FIG.
A condensing beam splitter 13 is formed between the optical deflectors 12 and a photodiode 15 is coupled to an end face of the substrate 2.
It is an example of IC. The optical IC shown in FIGS. 10 and 11 is effective as an optical head used in an optical disk device. Hereinafter, the manufacturing method and operation of the optical IC of FIG. 11 will be described.
In the method of manufacturing the optical IC shown in FIG. 11, first, for various waveguide type optical elements, an optically polished LiNbO 3 crystal is used as the substrate 2, Ti is deposited to a thickness of 24 nm by sputtering, and thermal diffusion is performed to form the optical waveguide 3. Formed. The sputtering conditions were as follows: high frequency power 300 W, argon gas pressure 0.35 Pa,
The sputtering rate is 0.4 nm / sec. The thermal diffusion was performed by using an electric furnace, heating to 1000 ° C., flowing an argon gas atmosphere for 2 hours, and subsequently flowing an oxygen gas for 0.5 hours. Here, the surface refractive index of the waveguide is n f = 2.22 and the TE of the equivalent refractive index N = 2.209.
It was a single mode director. The optical waveguide may be manufactured by a proton exchange method. The buffer layer formed on the optical waveguide was formed by sputtering Corning # 7059 glass to a thickness of 10 nm. Sputtering condition is high frequency power 10
0 W, argon gas pressure 0.35 Pa, sputtering rate 0.2 nm / sec. On the buffer layer, TiO 2 was formed to a thickness of 100 nm as a loading layer by reactive sputtering. The sputtering conditions were TiO 2
Using a target, argon and oxygen as sputtering gas, O 2 and Ar flow ratio 0.7, sputtering gas pressure 0.42P
a, RF power 500 W, sputtering rate 0.1 nm / sec.
Next, in order to finely process the loading layer and the buffer layer into a shape of a predetermined waveguide type optical element, a resist was formed on the loading layer by a spin coating method. Here, chloromethylated polystyrene (CMS-E) which is an electron beam resist is used as the resist.
XR: manufactured by Toyo Soda) with a thickness of 0.5 μm. After pre-betaning the resist at 130 ° C. for 20 minutes, an electron beam was applied to a predetermined loading layer shape. The irradiation conditions were an electron beam diameter of 0.1 μm and an irradiation amount of 16 μC / cm 2 . After the electron beam exposure, development was performed to form a resist mask. Thereafter, the loading layer and the buffer layer were finely processed by ion etching. Conditions of the ion etching, a CF 4 as an etching gas, and the pressure 3.8Pa, a high-frequency power 200 W, and etching time 15min. After the etching, the resist mask was removed to form various waveguide optical elements. Next, regarding the diffraction grating for aberration correction of 6, the BK-
7 glass, about 10 μm of SiO 2 , SiCl 4 and O 2
It was formed by a CVD method, a vapor deposition method, sputtering, or the like using as a raw material. Next, in order to process SiO 2 into a predetermined lattice shape by photolithography, a photoresist (OFPR
800) was formed by a 1 μm spin coating method. After pre-baking the resist at 85 ° C. for 30 minutes, the resist was contact-exposed using a UV exposure apparatus using a photomask having a predetermined lattice shape. After the exposure, the film was immersed in chlorbenzene at 40 ° C. for 5 minutes and developed. Cr on resist grid pattern
Was evaporated and subjected to ultrasonic cleaning in acetone to remove the resist, thereby forming a Cr mask. Thereafter, SiO 2 was finely processed by ion etching using CF 4 gas, and Cr was removed to form a lattice pattern. This photolithography technique can also be applied to the fine processing of the loading layer and the buffer layer. The substrate 2, the diffraction grating 6, and the glass block 11 made of BK-7, on which the above-described elements are formed, are cut and polished at their respective end faces at various angles, and bonded with an adhesive having a refractive index substantially equal to that of BK-7. Then, the semiconductor laser and the photodiode were end-face-coupled to form an optical IC shown in FIG. Next, the operation of the optical IC in FIG. 11 will be described. Light emitted from the semiconductor laser 8 coupled to the glass block 11 (wavelength 0.77
After being refracted at the interface between the substrate and the prism, it is coupled to the optical waveguide 3 by the grating coupler 1 ′, deflected by the SAW optical deflector 12, and enters the grating coupler 1. The incident light is diffracted into the substrate according to the equations (10) and (11) according to the grating interval of the grating coupler. The light diffracted into the substrate is refracted at the interface between the substrate and the glass block, then diffracted by the diffraction grating 6, reflected at the end face of the glass block, emitted upward, and moved by the lens 10 having a mechanism for moving vertically to the optical disk. The light is focused and focused on pits (information) on the optical disc 14. The light reflected by the optical disk 14 passes through the lens 10, the glass block 11, the diffraction grating 6, and is re-coupled to the waveguide by the grating coupler 1.
The pit information is read out by being split into two by being incident on the photodiode 13 and condensed on the two-division photodiode 15.
ここで回折格子6がない場合、半導体レーザの波長が
0.776〜0.78μmの範囲で変化したとき、レンズ10への
入射角は約0.1度異なり、スポット変置はジッタ方向へ
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0.01度以下になり、ジッタ方
向へのスポット位置変動も0.01μm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。Here, when there is no diffraction grating 6, the wavelength of the semiconductor laser is
When changed in the range of 0.776 to 0.78 μm, the angle of incidence on the lens 10 differs by about 0.1 °, and the spot displacement shifts by about 8 μm in the jitter direction. On the other hand, by using the diffraction grating of the present invention having the grating pitch D of about 2.5 μm and the grating height T of about 10 μm, the difference in the incident angle becomes less than 0.01 degree, and the spot position fluctuation in the jitter direction is also less than 0.01 degree. μm or less. With the diffraction grating of the present invention, the wavelength dependence of the spot position fluctuation on the optical disk is greatly reduced, and an optical head from which more accurate information can be read.
第12図及び第13図は第11図とほぼ同一の光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
図の光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。FIGS. 12 and 13 show an optical IC substantially the same as FIG.
The optical IC of FIG. 12 has a condensing grating coupler for coupling to a waveguide when the laser light is not parallel light. Thirteenth
In the optical IC shown in the figure, a diffraction grating 6 is provided between a grating coupler 1 'for coupling laser light to a waveguide and a semiconductor laser to prevent a decrease in input coupling efficiency due to wavelength fluctuation.
以上述べた様に、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できるように
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。本発明は特に光ディスク用ピックアッ
プヘッドの収差補正に有効である。As described above, by providing the diffraction grating of the present invention, it becomes possible to correct various aberrations due to the wavelength fluctuation of light, and therefore, even when a multi-mode semiconductor laser is used as a light source, the characteristic fluctuation is small. An optical integrated circuit can be formed. The present invention is particularly effective for correcting aberrations of an optical disk pickup head.
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図はグレーティグカ
ップラの作用を説明するための説明図、第6図,第7
図,第8図,第9図,第10図,第11図,第12図,第13図
はそれぞれ、本発明に係る光集積回路の第1,第2,第3,第
4,第5,第6,第7,第8の実施例を示す構成図である。 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、12……SAW光偏向器、13……集光ビームスプリ
ッタ、14……光ディスク、15……ホトダイオード。FIG. 1 is a configuration diagram showing an optical element in one embodiment of an optical integrated circuit according to the present invention. FIG. 2 is a sectional view showing a first embodiment of a diffraction grating in the optical integrated circuit according to the present invention. FIGS. 4A and 4B are sectional views showing a second embodiment of the diffraction grating in the optical integrated circuit according to the present invention. FIGS. 4 and 5 are explanatory views for explaining the operation of the grating coupler, and FIGS. 7
8, FIG. 9, FIG. 9, FIG. 10, FIG. 11, FIG. 12, and FIG. 13 respectively show the first, second, third, and third optical integrated circuits according to the present invention.
FIG. 14 is a configuration diagram showing a fourth, fifth, sixth, seventh, and eighth embodiment. 1,1 '... Grating coupler, 2 ... Substrate, 3 ...
... optical waveguide, 4 ... diffraction grating, 5 ... guided light, 6 ... diffraction grating, 7 ... reflection film, 8 ... semiconductor laser, 9 ... waveguide type Fresnel lens, 10 ... lens, 11 ... … Glass block, 12… SAW optical deflector, 13… Condensing beam splitter, 14… Optical disk, 15… Photodiode.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川本 和民 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 伊藤 顕知 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−265745(JP,A) 特開 昭63−155431(JP,A) 特開 昭60−202553(JP,A) 特開 昭61−92439(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Kazumi Kawamoto 292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Inside of Hitachi, Ltd. (56) References JP-A-61-265745 (JP, A) JP-A-63-155431 (JP, A) JP-A-60-202553 (JP, A) JP-A-61 −92439 (JP, A)
Claims (2)
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。An optical waveguide comprising a waveguide layer having a higher refractive index than a substrate is provided on the surface of a dielectric or glass substrate, and information of an optical recording medium is transmitted by a laser beam guided from a semiconductor laser to the optical waveguide. In an optical integrated circuit that can be read, a glass block for making a semiconductor laser incident on a substrate at a certain angle, a waveguide type diffraction grating for coupling laser light to an optical waveguide, and An optical deflector using surface acoustic waves to deflect guided light, a waveguide-type diffraction grating for emitting guided light into a substrate, and a wavelength of laser light emitted by the waveguide-type diffraction grating Bragg diffraction type diffraction grating for correcting aberrations due to fluctuation, glass block for emitting laser light above substrate, and moving perpendicular to optical disk surface An objective lens that has a function of condensing light on the optical disk surface, and the return light from the optical disk having the optical recording medium is split into two by the optical waveguide surface, and the split light is condensed on the photodiode surface An optical integrated circuit for use in an optical pickup head for an optical disk having a condensing beam splitter having a function of causing the light to be read and a photodiode for reading optical information.
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。2. An optical integrated circuit using a laser beam guided from a semiconductor laser to an optical waveguide, wherein an optical waveguide comprising a waveguide layer having a higher refractive index than the substrate is provided on the surface of a dielectric or glass substrate. A glass block for allowing light emitted parallel to the substrate from the laser to enter the substrate at a certain angle, a waveguide-type diffraction grating for coupling the laser light to the optical waveguide, and light guided in the optical waveguide Optical deflector that uses surface acoustic waves to deflect light, a waveguide-type diffraction grating that emits guided light into the substrate, and aberrations associated with wavelength fluctuations of the laser light emitted by the waveguide-type diffraction grating An optical integrated circuit for use in a laser beam printer having a Bragg diffraction type aberration correcting diffraction grating for correcting the aberration.
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