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JPS61180205A - 平面フレネルレンズとその製造方法 - Google Patents

平面フレネルレンズとその製造方法

Info

Publication number
JPS61180205A
JPS61180205A JP2114485A JP2114485A JPS61180205A JP S61180205 A JPS61180205 A JP S61180205A JP 2114485 A JP2114485 A JP 2114485A JP 2114485 A JP2114485 A JP 2114485A JP S61180205 A JPS61180205 A JP S61180205A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical waveguide
lens
refractive index
titanium
thickness
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2114485A
Other languages
English (en)
Inventor
Nobukazu Takado
高堂 宣和
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NEC Corp filed Critical NEC Corp
Priority to JP2114485A priority Critical patent/JPS61180205A/ja
Publication of JPS61180205A publication Critical patent/JPS61180205A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12Light 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
    • G02B6/122Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/124Geodesic lenses or integrated gratings
    • G02B6/1245Geodesic lenses

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

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) 本発明は平面導波光を面内において集束させる機能を有
するフレネルレンズとその製造方法に関する。
(従来の技術およびその問題点) 一般に、コヒーレントな光学処理技術は、並列処理がで
き、高速であるという特徴があるため、コリレージ百ン
などのような信号処理装置への応用に適している。この
信号処理装置を実現するために、光学ガラスや光学結靜
などを基板とし、この表面に基板よりも屈折率の高い層
を設け、この高屈折率層にエネルギーを集中させて伝搬
する平面導波光の波面やエネルギー伝搬方向を制御する
光回路が、最近さかんに研究されている。このような平
部光回路に用いられる平面レンズは、結像作用やフーリ
エ変換作用の働きを持ち、平面光回路を構成する重要な
部品である。このような平面レンズとしてジオデシック
レンズ、ルネプルグレンズ、グレーティングνンズ、平
面フレネルレンズ等のレンズが知られている。なかでも
平面フレネルレンズは、マスク転写による作成が可能な
ため、位置決め精度が極めて良いという特徴を持ってい
る。
従来、リチウムナイオベイト基板の基板表面近傍に拡散
イオン濃度が基板面内で不均一になる領域を形成して平
面7レネルレンズを作る方法が知られている(特開昭5
8−156906)。第3図はこの平面フレネルレンズ
の構造を示す斜視図である。
この平面フレネルレンズは、リチウムナイオベイト基板
31の表面近傍にチタンを熱拡散して光導波路32を形
成し、この光導波路32の一部にチタン渉′度を高めた
周囲よりも屈折率の高い部分をレンズ部33としている
平面フレネルレンズでは、レンズの中心線36から入射
導波光の伝搬方向と垂直な方向にXだけ離れた位置を透
過する導波光の位相の遅れφ(X)φ(x)=−Cko
n*/2f>’+2mπ  ・・・−−−−−−(1)
xrIl<I x l イXm+1 である。但しXmはφ(X)が0または2πになる点で
ある。ここでに0はに0−2π/λ、λは入射導波光の
波長、noは光導波層の屈折率、fはレンズの焦点距離
、mは上記の不等式を満足する自然数である。この位相
遅れにより平行に入射した導波光34は梵束作用を受は
集束点35に電光される。
また(1)式で示すような位相遅れは、導波光の透過方
向の幅L(x)が次の(2)式のように連続的に変化す
るフレネルゾーンを複数個配列して実現している。
L(X)−Lm、、(φ(x)/2π+1〕   ・・
・・・・・−(2)但しL@!は光伝搬方向の幅の最大
値、つまりレンズ厚である。
しかるに、上で述べた平面フレネルレンズには回折効率
が低いという欠点がある。一般にフレネルレンズでは式
(1)のφ(X)の位相差を与えるためには、レンズ厚
がゼロに近いことが必要であるが、実際のレンズの有限
の厚さを持つ近似的実現法になっている。特にレンズ周
辺部のゾーン周期が小さい部分では周期に対するレンズ
の厚さが回折効率低下という意味で問題となることが第
14回画像工学コンファレンス論文集の259ページに
西原浩氏による論文[新しいマイクロフレネルレンズ」
で述べられている。前記のような構成では、レンズ部3
3のチタン濃度を高めて光導波路32よりも屈折率を高
くしているが、TE波すなわち基板に平行な光電界成分
を有する導波光が光導波路32からレンズ部33を伝搬
する時、この導波光に対する等価屈折率の間の差は最大
1.0X10′程度と小さい。このため式(1)のφ(
X)の位相差を与えるレンズ厚Lmaxが大きくなって
しまい、特にレンズ周辺部のゾーン周期が小さい部分で
は、ゾーン周期に比べてレンズの厚さが厚くなってしま
い回折効率が低下する。例えば前記の構造で光導波路部
に厚さ300k、レンズ部に600Aのチタン斡を設け
て10(10℃で5時間拡散すると、TE波が光導波路
からレンズ部を伝搬する時、この導波光に対する等価屈
折率の間の差は6X10”程度となる。上記の条件で口
径1.9mm+ 焦点距離5mm のレンズを実現する
と最も外側のゾーンの周期1.5 μm  に対して波
長0.6328/jmのHe −Neレーザー光でのレ
ンズ厚は106μmと非常に大きくなる。このため回折
効率は、30%以下の低い値となる。また上記の数値例
よ如もさらに口径を大きくすると、外側のゾーン周期が
小さくなり、さらに回折効率は低下する。従って従来の
構造では大口径レンズは回折効率が非常に低いため実用
には適さない。
(発明の目的) 本発明の目的は、従来の平面フレネルレンズの欠点を除
去し、口径の太き々フレネルレンズでも回折効率の高い
レンズを作ることのできる構造とその製造方法を提供す
ることにおる。
(発明の構成) 本発明によれば、誘電体基板上に金属を拡散した平面光
導波路と、拡散した金属の濃度を高めて平面光導波路よ
り屈折率を高くした高屈折率光導波路部からなる平面フ
レネルレンズにおいて、高屈折率光導波路部と平面光導
波路の境界で段差を設けて高屈折率光導波路部の層厚を
平面光導波路の層厚より厚くしたことを特徴とする平面
フレネルレンズが得られる。また本発明によれば、誘電
体基板上に均一な層厚の金属膜を形成し、拡散して平面
光導波路を設け、この平面先導波路上にレンズパターン
状の金属膜を形成し、この金属膜をマスクとして平面光
導波路をエツチングして層厚を減少させた後、マスクと
して用いた金属膜を再び拡散することを%徴とする平面
フレネルレンズの製造方法が得られる。
(構成の詳細な説明) 本発明は、平面フレネルレンズにおいて上記の構造によ
り従米技術の欠点を解決した。
本発明では、レンズ部以外の導波路部を堀り込むことに
よって、金属濃度の差に加えて光導波層の厚みが導波路
部よりもレンズ部で大きくなるため、レンズ部の等側屈
折率の増加分が従来例よりも大きくなる。従ってフレネ
ルレンズを実現するだめのレンズの厚みは従来よりも薄
くなり、大口径で回折効率の高い平面フレネルレンズの
実現が可能となる。しかも本発明の製造方法によればレ
ンズ部に拡散する金属膜を光導波路をエツチングする時
のマスクとして用いて熱拡散するため容易にしかも精度
よく上記の構造を製作することができる。
(実施例) 以下本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明
する。
第1図は本発明の1実施例を示す斜視図である。
この平面フレネルレンズは、リチウムナイオベイト基板
11の表面にチタン膜を形成し、チタンを熱拡散して光
導波路12を形成し、次に、レンズ部13を除いて光導
波路12の表面を掘り込み、さらにレンズ部13のチタ
ン濃度を高めて周囲よりも屈折率を高くしている。また
レンズ部の形状については、従来例と同様に導波光の透
過方向の幅L(x)が(2)式のように変化している。
但し、レンズ厚Lmax は従来例よりも小さな値とな
る。
このような構造によっても、レンズに平行に入射した導
波光14は集束点15に集光される。
第2図は上記のような構造を実現するための平面フレネ
ルレンズの製造方法を示す断面図である。
第2図(a)において、リチウムナイオベイト基板11
0表面にチタン棹を形成し、表面近傍にチタンを熱拡散
させて光導波路12を設ける。次に、第2図(b)に示
すように、この光導波路12の上に通常のリングラフィ
技術によってフレネルレンズパターン状のチタン膜24
を形成する。次に、第2図(e)に示すように、レンズ
パターン状に形成されたチタン膜24をマスクとして、
アルゴンと酸素の混合ガスによるイオンビームエツチン
グ、またはフッ化炭素(CF、)による反応性スパッタ
エツチング等によって、レンズパターン状のチタンv#
24で被われた部分以外の光導波路12をエツチングし
て光導波路12の厚みを薄くする。次にエツチング後、
残ったチタン膜24を再び熱拡散し、レンズ部のチタン
濃度を高めて周囲よりも屈折率を高める。このようにし
て第1図に示したような平面フレネルレンズを完成する
ことができる。
次に具体例を示す。第2図(a)において、リチウムナ
イオベイト基板11の表面に設けた厚さ900にのチタ
ン膜を1050℃で6時間熱拡散して、光導波路12を
設ける。次に第2図(b)において、厚さ3300Aの
チタン膜24をフレネルレンズパターン状に設ける。次
に第2図(C)に示すように、上記チタン膜24をマス
クとしてアルゴンと酸素の混合ガスによるイオンエツチ
ングを加速電圧500 V、イオン電流密Jjt O,
5mA/cm2 で10分間行うことにより、光導波路
12を25μmの深さだけエツチングする。この時、マ
スクのチタン膜24はイオンエツチング後、厚さは80
0人に減少する。
次に、第2図(d)において、厚さ800λのチタン1
11’24を1050℃で6時間熱拡散する。上記のよ
うにすると、光導波路12は厚み30μm1表面に発生
する屈折率差4X10  、レンズ部13は厚み50μ
m1表面に発生する屈折率差2.2X10−2が実現で
きる。この光導波路12を伝搬するTEモードに対する
等価屈折率差は2.0X10 ”であり、レンズ部13
を伝搬する時は2.0X10−2となシ両者の等価屈折
率差は1.8X10−2となる。このような条件でフレ
ネルレンズを実現すると、レンズ厚IJraaxは波長
0.6328μmのHe−Jlev−ブー光に対して3
5μm と小さくなる。これにより回折効率は60%程
度に改善できる。
実施例では誘電体基板にリチウムナイオベイトを用い、
これに金属チタンを熱拡散して形成する平面フレネルレ
ンズの例を述べたが、本発明は誘電体基板にリチウムタ
ンタレイトを用い、拡散物をニオブとした場合のように
誘電体基板に金属を拡散して低損失な光導波路を形成で
きる全ての組み合わせからなる平面7レネルレンズに適
用できる。
(発明の効果) 第1図に示したように、本発明によるフレネルレンズの
構造では、レンズ部13と光導波路12でチタン濃度の
差による屈折率差に加え、光導波層の厚みをレンズ部よ
りも薄くしている。このためレンズ部13と光導波路部
12を伝搬する光ビームに対する等側屈折率のそれぞれ
の差は従来例のようなチタン濃度差だけの場合よりも大
きくなる。従って従来例とその問題点の項で記した理由
により、本発明の構造によればレンズ厚を薄くすること
が可能となり大口径で回折効率の高い平面レンズが得ら
れる。第2図に示した本発明のよる製造方法によれば、
光導波路12をエツチングする時にマスクとして用いた
チタン肱24をレンズ部13に熱拡散するため、レンズ
部13だけにチタンを熱拡散する工程とレンズ部13以
外の光導波路12をエツチングする工程を別々に行う時
に必要な目合わせ工程が不要となり、容易にしかも精度
よく上記構造を実現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の1実施例の平面フレネルレンズを示す
斜視図、第2図(a)〜(d)は本発明の平面フレネル
レンズの製造方法を工程順に示す断面図、第3図は従来
の平面フレネルレンズを示す斜視図である。 11.31・・・・・・リチウムイオベイト基板、12
゜32・・・・・・光導波路、13.33・・・・・・
レンズ部、14.34・・・・・・平面フレネルレンズ
に平行に入射する導波光、24・・・・・・レンズパタ
ーン状のチタンI1%、15.35・・・・・・導波光
が集束される集束点、36・・・・・・光伝搬方向のレ
ンズの中心線。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)誘電体基板に金属を拡散してなる平面光導波路と
    、前記金属の拡散濃度を高めて前記平面光導波路より屈
    折率を高くした高屈折率光導波路部からなる平面フレネ
    ルレンズにおいて、前記高屈折率光導波路部と前記平面
    光導波路の境界で段差を設けて、前記高屈折率光導波路
    部の層厚を前記平面光導波路の層厚より厚くしたことを
    特徴とする平面フレネルレンズ。
  2. (2)誘電体基板上に均一な膜厚の金属膜を形成し、こ
    れを拡散して平面光導波路を設け、さらに前記平面光導
    波路上にレンズパターンと同一の形状を有する金属膜を
    形成し、この金属膜をマスクとして前記平面光導波路を
    エッチングして層厚を減少させた後、マスクとして用い
    た前記金属膜を再び拡散することを特徴とする平面フレ
    ネルレンズの製造方法。
JP2114485A 1985-02-06 1985-02-06 平面フレネルレンズとその製造方法 Pending JPS61180205A (ja)

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