JP2010266541A - Optical element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical element having stable coupling efficiency by reducing generation of variance of coupling efficiency with an outside optical element, even in the occurrence of variance in the cutting position of the optical element. <P>SOLUTION: The optical element 1 has a spot size conversion optical waveguide part in the upper part of a substrate 2. The element is characterized in that the spot size conversion optical waveguide part is provided with at least a first region B and a second region C which are adjacent to each other, wherein the first region B is situated inside the element in a light propagation direction and provided with a first core 6 and a clad 3B, and wherein the second region C is situated on the tip end side of the element in the light propagation direction and provided with a second core 21. The first core 6 has an inverse tapered shape in which the width in the direction nearly in parallel with the bottom face of the substrate 2 diminishes toward the second region C. Also, the second core 21 has a height lower than the sum of the heights of the first core 6 and the clad 3B, in a direction nearly vertical to the bottom face of the substrate 2, in the joining face between the first region B and the second region C. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、光通信などに使用され、スポットサイズ変換光導波路部を有する光学素子に関する。   The present invention relates to an optical element that is used for optical communication or the like and has a spot size conversion optical waveguide portion.

近年、光通信においてコンテンツの伝送量の増加に伴う情報処理速度の上昇は、光情報処理技術の高速化の必要性を一層高めており、これにともない、高速に応答する光素子が必要とされている。ところで、光素子中の光導波路が複数の横モードを持つ場合、モードごとの伝搬速度の違いによって、光導波路中を進行する光パルスの時間幅が広がってしまう。これにより、前後の光パルスが時間軸上で重なってしまい、クロストークを生じてしまう。
従って、高速光通信で使用される光素子は、横モードが1つのみの単一モード光導波路を備えるように構成される。
In recent years, an increase in information processing speed accompanying an increase in the amount of content transmitted in optical communication has further increased the need for high-speed optical information processing technology. Accordingly, an optical element that responds at high speed is required. ing. By the way, when the optical waveguide in the optical element has a plurality of transverse modes, the time width of the optical pulse traveling in the optical waveguide is widened due to the difference in propagation speed for each mode. As a result, the front and rear light pulses overlap on the time axis, causing crosstalk.
Accordingly, an optical element used in high-speed optical communication is configured to include a single mode optical waveguide having only one transverse mode.

ところで、光素子内では、シリコンをはじめ屈折率の高い材料が用いられることが多く、光素子が有する単一モード光導波路のモードフィールドは、概して非常に小さい。例えば、特許文献1に記載の波長分散補正素子の場合、光導波路の断面積は0.5μm×1.0μm程度である。一方、単一モード光ファイバーにおいて、コアの断面積は、64μm(=4.5×4.5×π)程度である。
つまり、光素子の有する単一モード光導波路のモードフィールドは、光ファイバーのコアの断面積に対して、およそ128分の1の大きさである。このため、光ファイバーと光素子の有する単一モード光導波路とを、ただ単に結合させた場合、光エネルギーは、結合部分において大きく減衰する。従って、光ファイバーと光素子の有する単一モード光導波路との光結合の効率を上げることは、複数の光素子が含まれる光通信システム全体の低損失化につながり、重要な課題となっている。
By the way, in the optical element, a material having a high refractive index such as silicon is often used, and the mode field of the single mode optical waveguide included in the optical element is generally very small. For example, in the case of the wavelength dispersion correction element described in Patent Document 1, the cross-sectional area of the optical waveguide is about 0.5 μm × 1.0 μm. On the other hand, in the single mode optical fiber, the cross-sectional area of the core is about 64 μm 2 (= 4.5 × 4.5 × π).
That is, the mode field of the single-mode optical waveguide of the optical element is about 1/128 of the cross-sectional area of the core of the optical fiber. For this reason, when the optical fiber and the single mode optical waveguide of the optical element are simply coupled, the optical energy is greatly attenuated at the coupled portion. Therefore, increasing the efficiency of optical coupling between the optical fiber and the single mode optical waveguide of the optical element leads to a reduction in the loss of the entire optical communication system including a plurality of optical elements, which is an important issue.

このような問題に対し、例えば特許文献2には、先端部分が逆テーパー形状になったSiNからなる高屈折率光伝送部と、当該高屈折率光伝送部を取り囲むSiONからなる低屈折率光伝送部を有するカップリング部によって、光ファイバーからの光を有効に取り込む光伝送路に関する技術が開示されている。
このような構造によって、光ファイバー等から取り込んだ光を、伝播方向に沿って、光ファイバー内の大きなモードフィールドから、高い屈折率をもつSiNからなる導波路内の小さなモードフィールドヘと変換することができ、光素子の有する単一モード光導波路と、光ファイバーとの光結合を低損失にすることができる。
To deal with such a problem, for example, Patent Document 2 discloses a high-refractive-index light transmission unit made of SiN whose tip portion has an inversely tapered shape and a low-refractive-index light made of SiON surrounding the high-refractive index light transmission unit. A technique relating to an optical transmission line that effectively takes in light from an optical fiber by a coupling unit having a transmission unit is disclosed.
With such a structure, light taken from an optical fiber or the like can be converted from a large mode field in the optical fiber to a small mode field in a waveguide made of SiN having a high refractive index along the propagation direction. The optical coupling between the single mode optical waveguide of the optical element and the optical fiber can be reduced in loss.

更に、特許文献3には、素子先端に向かって、コアの幅を細く、かつ厚みを薄くして途中で打ち切り、クラッドは素子先端に向かって幅を広げていく構造が開示されている。
また、特許文献4には、第1の光導波路とモードフィールドサイズ変換部と第2の光導波路から構成され、第1の光導波路のオーバークラッド層とモードフィールドサイズ変換部及び第2の光導波路のコアとを同時に作成し、オーバークラッド層とコアとを同時に作製し、コアの作製時にコアの光の進行方向に対して左右対称な2つの領域をエッチング領域としてコアの材料を除去し、それ以外の領域はコアの材料を削らずに残すようにした構造が開示されている。
Further, Patent Document 3 discloses a structure in which the width of the core is narrowed toward the tip of the element, the thickness is thinned, and the clad is widened toward the tip of the element.
Further, Patent Document 4 includes a first optical waveguide, a mode field size conversion unit, and a second optical waveguide, and an overclad layer of the first optical waveguide, a mode field size conversion unit, and a second optical waveguide. The core material is simultaneously formed, and the overcladding layer and the core are simultaneously manufactured. When the core is manufactured, the core material is removed by using two regions symmetrical to the light traveling direction of the core as etching regions. In other regions, a structure is disclosed in which the core material is left uncut.

特許第3917170号公報Japanese Patent No. 3917170 特開2007−047694号公報JP 2007-047694 A 特開平6−67043号公報JP-A-6-67043 特開2004−184986号公報JP 2004-184986 A

スポットサイズ変換光導波路部を有する光学素子は、その製造過程において、適当な位置にて切断し、その切断面を端面として、外部の光学素子と接続して使用される。この時に光学素子を切断する位置は、切断する機器の精度により製造上のばらつきが必然的に生じる。その結果、以下に示すそれぞれの理由により、この切断位置のばらつきが原因となり、外部の光学素子との結合効率にばらつきを生じる問題がある。   In the manufacturing process, an optical element having a spot size conversion optical waveguide section is cut at an appropriate position, and the cut surface is used as an end face connected to an external optical element. At this time, the position for cutting the optical element inevitably varies in manufacturing due to the accuracy of the equipment to be cut. As a result, for each of the following reasons, there is a problem in that the variation in the cutting position causes the variation in coupling efficiency with an external optical element.

特許文献2に記載されている構造にあっては、製造時に端面を切断する際、逆テーパー部より素子内部側を切断すると、切断位置により断面の構造が異なることになる。逆テーパー部のクラッド材質からなる低屈折率導波路が続くという構造を考えても、この境界において高次のモードが励起され、その干渉により光の伝搬方向に対してモードフィールドが変化する。従って、いずれの場合においても、切断する位置のばらつきにより、結合効率のばらつきが発生する。
特許文献3に記載されている構造にあっては、素子先端に向かって連続的に構造が変化しているため、切断する位置により断面構造が変化し、結合効率の変化が起こる。
特許文献4に記載されている構造にあっては、逆テーパーの先端に高精度の加工が要求され、製造時のばらつきにより、逆テーパー構造(素子の領域)と第一の領域の境界において、高次のモードが励起され、その干渉により光の伝搬方向に対してモードフィールド形状の変化が大きくなる。従って、特許文献4に記載の構造においても切断する位置のばらつきにより、結合効率のばらつきが発生する。
In the structure described in Patent Document 2, when the end face is cut at the time of manufacture, the cross-sectional structure differs depending on the cutting position if the element inner side is cut from the reverse taper portion. Even considering a structure in which a low-refractive index waveguide made of a clad material of an inversely tapered portion continues, a high-order mode is excited at this boundary, and the mode field changes with respect to the light propagation direction due to the interference. Therefore, in any case, variations in coupling efficiency occur due to variations in the cutting position.
In the structure described in Patent Document 3, since the structure continuously changes toward the tip of the element, the cross-sectional structure changes depending on the cutting position, and the coupling efficiency changes.
In the structure described in Patent Document 4, high-precision processing is required at the tip of the reverse taper, and due to variations during manufacturing, at the boundary between the reverse taper structure (element region) and the first region, Higher-order modes are excited, and the interference causes a change in the mode field shape with respect to the light propagation direction. Therefore, even in the structure described in Patent Document 4, variations in coupling efficiency occur due to variations in the cutting position.

本発明は、上述の問題に鑑みなされたもので、光学素子の切断位置にばらつきが生じた場合であっても、外部の光学素子との結合効率のばらつきの発生を低減することができ、安定的な結合効率を有する光学素子の提供を目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and even when variations occur in the cutting positions of optical elements, it is possible to reduce the occurrence of variations in coupling efficiency with external optical elements, and to stabilize An object of the present invention is to provide an optical element having a reasonable coupling efficiency.

本発明の光学素子は、基板上方にスポットサイズ変換光導波路部を有する光学素子であって、前記スポットサイズ変換光導波路部が、互いに隣接する第一の領域と第二の領域を少なくとも有し、前記第一の領域は、光の伝搬方向において素子内部側に位置して、第一のコア及びクラッドを有し、前記第二の領域は、光の伝搬方向において素子先端側に位置して、第二のコアを有し、前記第一のコアは、前記第二の領域に向けて、前記基板の底面に対して略平行な方向の幅が減少する逆テーパー状であり、前記第二のコアが、第一の領域と第二の領域との接続面において、前記基板の底面に対して略垂直な方向に、第一の領域の第一のコア及びクラッドの合計の高さよりも低い高さを有することを特徴とする。
本発明の光学素子は、前記第二のコアが、前記第一の領域のクラッドと材質が同一であることが好ましい。
本発明の光学素子は、前記第二のコアが、前記第一の領域の第一のコア及びクラッドと材質が異なることが好ましい。
本発明の光学素子は、前記第二のコアが、前記基板の底面に略平行な方向の幅が、素子先端に向かって広がるように形成された部位を有することが好ましい。
本発明の光学素子は、前記第一の領域が、さらに第三のコア及び第四のコアを有し、前記第三のコアは、前記第一のコアより高い屈折率を有する材質からなり、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面積が、素子先端方向に向けて連続的に減少するよう形成され、前記第四のコアは、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面積が一定となるように、前記第一のコアと連続して形成され、前記第一のコア又は第四のコアが、前記第三のコアよりも、前記基板に対して上方に積層されていることが好ましい。
The optical element of the present invention is an optical element having a spot size conversion optical waveguide part above the substrate, and the spot size conversion optical waveguide part has at least a first region and a second region adjacent to each other, The first region is located on the inner side of the element in the light propagation direction, and has a first core and a cladding, and the second region is located on the element tip side in the light propagation direction, The first core has an inversely tapered shape in which a width in a direction substantially parallel to the bottom surface of the substrate decreases toward the second region; The core has a height lower than the total height of the first core and the clad in the first region in a direction substantially perpendicular to the bottom surface of the substrate at the connection surface between the first region and the second region. It is characterized by having.
In the optical element of the present invention, it is preferable that the second core is made of the same material as the cladding of the first region.
In the optical element of the present invention, the second core is preferably made of a material different from that of the first core and the clad in the first region.
In the optical element of the present invention, it is preferable that the second core has a portion formed such that a width in a direction substantially parallel to the bottom surface of the substrate is widened toward the tip of the element.
In the optical element of the present invention, the first region further includes a third core and a fourth core, and the third core is made of a material having a higher refractive index than the first core, The cross-sectional area in a direction substantially perpendicular to the light propagation direction is formed so as to continuously decrease toward the tip direction of the element, and the fourth core has a direction substantially perpendicular to the light propagation direction. The first core or the fourth core is formed so as to be continuous with the first core so that the cross-sectional area is constant, and the first core or the fourth core is stacked above the substrate with respect to the third core. It is preferable.

本発明によれば、第二の領域において光は、光の進行方向に対して変化の少ないモードフィールドを有して伝播するので、第二の領域の外部に光の伝搬方向に対して接続される光学素子との結合効率のばらつきの発生を低減することができ、安定的な結合効率を有する光学素子を提供することができる。
また、第二の領域において光は、光の進行方向に対して変化の少ないモードフィールドを有して伝播するので、仮に、光学素子の製造時に第二の領域が切断されて使用される領域であって、切断位置が光の伝搬方向前後にばらついた場合であっても、接続される光学素子との結合効率のばらつきの発生を低減することができ、安定的な結合効率を有する光学素子を提供することができる。
According to the present invention, the light propagates in the second region with a mode field that is less changed with respect to the traveling direction of the light, and is thus connected to the outside of the second region in the light propagation direction. The occurrence of variation in coupling efficiency with the optical element can be reduced, and an optical element having stable coupling efficiency can be provided.
In addition, since light propagates in the second region with a mode field that has little change with respect to the traveling direction of the light, it is assumed that the second region is cut and used when the optical element is manufactured. Even when the cutting position varies before and after the light propagation direction, it is possible to reduce the occurrence of variation in coupling efficiency with the connected optical element, and to provide an optical element having stable coupling efficiency. Can be provided.

本発明において、第二のコアの材質が第一の領域のクラッドと同一であるか、あるいは、第二のコアの材質が、前記第一の領域の第一のコア及びクラッドと異なるようにすることで、より高効率に外部の光学素子に結合する光学素子を提供することができる。
本発明において、第二のコアが、前記基板の底面に略平行な方向の幅が、素子先端に向かって広がるように形成された部位を有することにより、外部の光学素子のスポットサイズと本発明の光学素子のスポットサイズを合わせることができるようになり、その場合により高効率に、外部の光学素子に結合する光学素子を提供することができる。
In the present invention, the material of the second core is the same as the cladding of the first region, or the material of the second core is different from the first core and the cladding of the first region. Thus, it is possible to provide an optical element that is more efficiently coupled to an external optical element.
In the present invention, the second core has a portion formed such that the width in a direction substantially parallel to the bottom surface of the substrate is widened toward the tip of the element, so that the spot size of the external optical element and the present invention are increased. It is possible to match the spot sizes of the optical elements, and in that case, it is possible to provide an optical element that is coupled to an external optical element with higher efficiency.

本発明において、前記第一の領域が、さらに第三のコア及び第四のコアを有することで、素子先端方向に向かって、第二のコアの垂直方向の高さと、第三のコアと第四のコアから構成されるコアの垂直方向の高さを個々に変化させることができるようになり、各コアにおける有効屈折率の変化を緩やかにして、より高効率に、外部の光学素子に結合することができるようになる。また、第三のコアと第四のコア、及び第二のコアに異なる材料を用いることで、さらにこれらのコア間での有効屈折率の変化を緩やかにして、より高効率に、外部の光学素子に結合することができる光学素子を提供することができる。   In the present invention, since the first region further includes a third core and a fourth core, the height in the vertical direction of the second core, the third core, The vertical height of the core composed of the four cores can be changed individually, and the effective refractive index change in each core is moderated, and it can be coupled to external optical elements more efficiently. Will be able to. In addition, by using different materials for the third core, the fourth core, and the second core, the change in the effective refractive index between these cores is further moderated, and the external optics can be made more efficient. An optical element that can be coupled to the element can be provided.

本発明に係る光学素子の第一実施形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows 1st embodiment of the optical element which concerns on this invention. 同実施形態の光学素子における素子の領域の単一モード導波路部分の断面図である。It is sectional drawing of the single mode waveguide part of the area | region of the element in the optical element of the embodiment. 同実施形態の光学素子の部分拡大図であり、図3(A)は図1に示す光学素子の、素子の領域及び第一の領域のxy面の断面図、図3(B)は図1に示す光学素子の高屈折率光伝送部の中央部における素子の領域及び第一の領域のzy面の断面図である。FIG. 3A is a partially enlarged view of the optical element according to the embodiment, FIG. 3A is a cross-sectional view of the element region and the first region of the optical element shown in FIG. 1, and FIG. 3B is FIG. 2 is a cross-sectional view of the zy plane of the element region and the first region in the central portion of the high refractive index optical transmission unit of the optical element shown in FIG. 図3のビーム集束部Dとビーム集束部Eの境界面における断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a boundary surface between a beam focusing part D and a beam focusing part E in FIG. 3. 図3の単一モード導波路部における断面図である。It is sectional drawing in the single mode waveguide part of FIG. 同実施形態の光学素子のリッジ部とスラブ部とトレンチ部を含めて示す断面図である。It is sectional drawing shown including the ridge part, slab part, and trench part of the optical element of the embodiment. 同実施形態の光学素子の第二の領域における断面図である。It is sectional drawing in the 2nd area | region of the optical element of the embodiment. 同実施形態の光学素子の構造に基づく切断位置のばらつきによる結合効率の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the coupling efficiency by the dispersion | variation in the cutting position based on the structure of the optical element of the embodiment. 従来構造の光学素子の構造に基づく切断位置のばらつきによる結合効率の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the coupling efficiency by the dispersion | variation in the cutting position based on the structure of the optical element of a conventional structure. 図9に示す計算結果を求めた光学素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the optical element which calculated | required the calculation result shown in FIG. 本発明に係る第二の実施形態の光学素子におけるコア構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the core structure in the optical element of 2nd embodiment which concerns on this invention.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
以下に説明する実施形態は、フォトニック結晶層を含む光学素子に対して本願のスポットサイズ変換光導波路部を有する光学素子を適用した場合の実施形態である。
図1は、本実施形態に係る光学素子の説明図であって、図1に示す実施形態の光学素子1は、単一モード導波路部から外部の光学素子に光を伝搬させる際のインターフェースとして高効率な光結合を提供するものである。
図1に示すように、本実施形態における光学素子1は、素子の領域A、第一の領域B及び第二の領域Cを主体として構成されている。素子の領域Aは、光の伝搬方向において素子内部に位置する、シングルモード導波路部である。第一の領域Bは、光の伝搬方向において素子内部側に位置し、第二の領域に向かって幅が漸次減少する逆テーパー状のコアを有する。第二の領域Cは、光の伝搬方向において素子最先端部に位置し、素子を製造する際にこの位置で切断され、シングルモードであることを特徴とする。素子の領域A、第一の領域B及び第二の領域Cは、いずれも基板2を最下層として構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The embodiment described below is an embodiment in which an optical element having a spot size conversion optical waveguide portion of the present application is applied to an optical element including a photonic crystal layer.
FIG. 1 is an explanatory diagram of an optical element according to the present embodiment. The optical element 1 of the embodiment shown in FIG. 1 is an interface for propagating light from a single mode waveguide unit to an external optical element. It provides highly efficient optical coupling.
As shown in FIG. 1, the optical element 1 in the present embodiment is mainly composed of an element area A, a first area B, and a second area C. The region A of the element is a single mode waveguide portion located inside the element in the light propagation direction. The first region B is located on the inner side of the element in the light propagation direction, and has an inversely tapered core whose width gradually decreases toward the second region. The second region C is located at the forefront of the element in the light propagation direction, and is cut at this position when the element is manufactured, and is in a single mode. The element region A, the first region B, and the second region C are all configured with the substrate 2 as the lowest layer.

次に、各領域A、B、Cについて、それらの概要を説明し、その後、本実施形態の詳細を図面に基づいて説明する。
素子の領域Aは、素子内にて他の機能を有する部分から素子先端へ光を導波する役割を果たす。
他の機能とは、受発光器、干渉計等、光を用い、外部との接続を有する機能のことである。また、他の機能がこの素子の領域に含まれている場合も考えられる。本実施形態においては、他の機能として、分散補償機能が素子の領域に含まれている場合もある。また、特に本発明における素子の領域Aの導波路は低屈折率比である必要はなく、シリコンをはじめとする、高屈折率比の導波路においても、効果を発揮するものである。
Next, an outline of each of the regions A, B, and C will be described, and then details of the present embodiment will be described with reference to the drawings.
The element region A plays a role of guiding light from a part having another function in the element to the element tip.
Another function is a function that uses light and has an external connection, such as a light-receiving / emitting device or an interferometer. In addition, the case where other functions are included in the region of the element is also conceivable. In the present embodiment, as another function, a dispersion compensation function may be included in the element region. In particular, the waveguide in the region A of the element according to the present invention does not need to have a low refractive index ratio, and is effective even in a waveguide having a high refractive index ratio such as silicon.

第一の領域Bは、光の伝搬方向において、素子先端に向かって漸次幅が狭くなる逆テーパー状のコアを有し、素子先端に向かってスポットサイズを漸次拡大する効果がある。逆テーパー構造は必ずしも一段である必要はなく、本実施形態においては、二段の逆テーパー構造とされている。   The first region B has an inversely tapered core whose width gradually decreases toward the tip of the device in the light propagation direction, and has an effect of gradually increasing the spot size toward the tip of the device. The reverse taper structure does not necessarily have to be one stage, and in the present embodiment, a two-stage reverse taper structure is adopted.

第二の領域Cは、本発明の光学素子の製造過程においてこの領域の途中で切断される部分であり、シングルモード導波路より構成される。第二の領域Cの構造は、隣接する第一の領域Bの構造により特に制限される必要はなく、コア及びクラッドの材質、高さ、幅を適宜選択することで、光の進行方向に対して、モードフィールドの変化の少ない構造とすることができる。ここでモードフィールドとは、光を伝搬させた場合の断面における電磁界の強度分布を指す。また、本明細書において高さとは、特に断りの無い限り、基板2のクラッド積層面(底面)に対して略垂直な方向の高さを指す。さらに、幅とは、基板2のクラッド積層面(底面)に対して略平行な方向の幅を指す。   The second region C is a portion cut in the middle of this region in the manufacturing process of the optical element of the present invention, and is composed of a single mode waveguide. The structure of the second region C does not need to be particularly limited by the structure of the adjacent first region B. By appropriately selecting the material, height, and width of the core and the clad, the light traveling direction can be selected. Thus, a structure with little change in the mode field can be obtained. Here, the mode field refers to the intensity distribution of the electromagnetic field in the cross section when light is propagated. In the present specification, the height refers to a height in a direction substantially perpendicular to the clad laminate surface (bottom surface) of the substrate 2 unless otherwise specified. Further, the width refers to a width in a direction substantially parallel to the clad laminate surface (bottom surface) of the substrate 2.

本実施形態においては、第二の領域Cの第二のクラッド22は、第一の領域のクラッド3と異なる断面形状を有する。更に、第二の領域Cの第二のクラッド22は、第一の領域のオーバークラッドと称することができる低屈折率光伝送部5と異なる断面形状を有する。
また、クラッド22の、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面積を、適度に広くとることにより、高次モードの影響を低減し、外部の光学素子との結合効率の変化を低減させる効果を有する。
例えば、本実施形態において、後述するように、図6に示す第一の領域のクラッド3A、3Bの各サイズ(図6に数値で示す寸法)に対し、図7に示す如く、例えば、クラッド22のトレンチ部22cの断面を幅28μmとし、トレンチ部22cを含めたクラッド22の全体の高さを36.95μm(21.25μm+15.7μm)とする設計例を示すことができるが、当該設計例に限られるものではなく、接続する外部の光学素子の構造や、各構成部材に用いる材料が有する屈折率に応じて最適な大きさに設定することができる。
In the present embodiment, the second cladding 22 in the second region C has a different cross-sectional shape from the cladding 3 in the first region. Furthermore, the second cladding 22 in the second region C has a different cross-sectional shape from the low refractive index optical transmission portion 5 that can be referred to as an overcladding in the first region.
In addition, by appropriately increasing the cross-sectional area of the cladding 22 in the direction substantially perpendicular to the light propagation direction, the influence of higher-order modes is reduced, and the change in coupling efficiency with external optical elements is reduced. Has the effect of
For example, in the present embodiment, as will be described later, as shown in FIG. 7, for example, the cladding 22 is used for each size of the claddings 3A and 3B in the first region shown in FIG. A design example in which the cross section of the trench portion 22c is 28 μm in width and the entire height of the clad 22 including the trench portion 22c is 36.95 μm (21.25 μm + 15.7 μm) can be shown. The size is not limited, and an optimum size can be set according to the structure of the external optical element to be connected and the refractive index of the material used for each constituent member.

以降、本発明に係る光学素子の一実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。
図2は、本発明の素子の領域Aにおける単一モード導波路部の断面図である。
基板2は、例えば、屈折率が約3.4のシリコン等によって形成される。クラッド3(3A)は、本発明における第一の領域Bのクラッドと第2の領域Cのクラッドとして機能し、低屈折率光伝送部5より低い屈折率を有する材料、例えば、酸化シリコン(屈折率が約1.45)によって、基板2上に積層されて形成されている。
Hereinafter, an embodiment of an optical element according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the single mode waveguide portion in region A of the element of the present invention.
The substrate 2 is made of, for example, silicon having a refractive index of about 3.4. The clad 3 (3A) functions as a clad of the first region B and a clad of the second region C in the present invention, and has a lower refractive index than that of the low refractive index optical transmission unit 5, for example, silicon oxide (refractive The ratio is about 1.45), and is laminated on the substrate 2.

図3は、光学素子の部分拡大図であり、図3(A)は、図1における光学素子1の素子の領域Aおよび第一の領域Bのxy面の断画図であって、後述する低屈折率光伝送部5のリッジ部5a及びスラブ部5bを省略して図示するものである。また、図3(B)は、図1における光学素子1の高屈折率光伝送部6の中央部における素子の領域Aおよび第一の領域Bのzy面の断面図であり、図3(A)における一点鎖線で図示するF−F部における断面図である。なお、図3(B)においては、上記クラッド3のうち、本発明における第一のクラッドとして機能するクラッドをクラッド3Aとして図示し、本発明における第二のクラッドとして機能するクラッドをクラッド3Bとして図示することとする。   3 is a partially enlarged view of the optical element, and FIG. 3A is a cutaway view of the xy plane of the element area A and the first area B of the optical element 1 in FIG. The ridge part 5a and the slab part 5b of the refractive index optical transmission part 5 are omitted from the illustration. FIG. 3B is a cross-sectional view of the element area A and the first area B in the center of the high refractive index optical transmission section 6 of the optical element 1 in FIG. It is sectional drawing in the FF part illustrated with the dashed-dotted line in FIG. In FIG. 3B, of the clads 3, the clad that functions as the first clad in the present invention is illustrated as the clad 3A, and the clad that functions as the second clad in the present invention is illustrated as the clad 3B. I decided to.

図3に示すように、基板2の底面側において、第一の領域Bの素子先端側の部分にはトレンチ溝2aが形成され、このトレンチ溝2aを埋めるようにして後述するクラッド3Bと低屈折率光伝送部5のトレンチ部5cが第二の領域Cの直前部分まで設けられている。
シリコン層4は、シリコン層4a及び4bとから成り、上記フォトニック結晶層7の母材であり、SiNなどからなる高屈折率光伝送部6より高い屈折率を有する材料、例えば、屈折率が約3.4のシリコン等によって形成される薄膜である。
As shown in FIG. 3, on the bottom surface side of the substrate 2, a trench groove 2a is formed at the element tip side portion of the first region B, and a clad 3B (to be described later) and a low refractive index so as to fill the trench groove 2a. The trench portion 5 c of the rate light transmission portion 5 is provided up to the portion immediately before the second region C.
The silicon layer 4 is composed of silicon layers 4a and 4b, and is a base material of the photonic crystal layer 7. The silicon layer 4 is a material having a higher refractive index than that of the high refractive index optical transmission unit 6 made of SiN, for example, a refractive index. It is a thin film formed of about 3.4 silicon or the like.

次に、図3を参照しながら、フォトニック結晶層7についてより具体的に説明する。
図3(B)に示す如く、フォトニック結晶層7は、本発明における第一のクラッドとしてのクラッド3A上に積層されている。フォトニック結晶層7は、第二の物質としてのシリコンによって形成された母材に面状に複数の孔を形成し、当該孔に母材の屈折率(誘電率)と異なる屈折率(誘電率)を有する第一の物質としてのシリコン酸化膜(SiO膜)等を充填することによって、シリコン酸化膜を所定のサイズと所定の配置間隔でシリコン中において面状に配して形成したものである。そして、当該シリコンによる母材が、上記シリコン層4a及び4bと連続してクラッド3A上に形成されている。なお、上記面状とは、フォトニック結晶層7内に二次元方向に配列されている平面状等の形状を意味し、光パルスに対して波長分散変動を付与するフォトニック結晶としての効果を発揮させる場合には、フォトニック結晶層7が製造工程において曲面や平面と曲面とが組み合わされた形状となった場合に当該形状に沿った配列も含むものとする。なお、シリコンを母材とするフォトニック結晶層にかかる分散補償素子に関して特許出願(特願2004−315167号:特許第3917170号公報)において公開されている。
Next, the photonic crystal layer 7 will be described more specifically with reference to FIG.
As shown in FIG. 3B, the photonic crystal layer 7 is laminated on the clad 3A as the first clad in the present invention. The photonic crystal layer 7 has a plurality of holes formed in a planar shape in a base material formed of silicon as a second material, and a refractive index (dielectric constant) different from the refractive index (dielectric constant) of the base material in the hole. ) Is filled with a silicon oxide film (SiO 2 film) or the like as a first substance having a predetermined size and a predetermined arrangement interval in silicon to form a plane. is there. The base material made of silicon is formed on the cladding 3A continuously with the silicon layers 4a and 4b. The planar shape means a planar shape or the like arranged in a two-dimensional direction in the photonic crystal layer 7 and has an effect as a photonic crystal that imparts chromatic dispersion fluctuation to the optical pulse. In the case of exhibiting, when the photonic crystal layer 7 has a curved surface or a shape in which a flat surface and a curved surface are combined in the manufacturing process, the arrangement along the shape is also included. A dispersion compensation element for a photonic crystal layer using silicon as a base material is disclosed in a patent application (Japanese Patent Application No. 2004-315167: Japanese Patent No. 3917170).

このようなフォトニック結晶層7の母材であるシリコンによって成形されたシリコン層4bは、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面積(図1におけるxz平面)が、光の伝搬方向(素子先端方向、図1における−y方向)に向けて連続的に緩やかに減少していく逆テーパー状に(換言すれば、カップリング部のビーム集束部Dに突出して)形成されており、第一の領域Bにおける逆テーパー構造の一部として機能する。この逆テーパー構造のシリコン層4bを第三のコアと称することができる。   The silicon layer 4b formed of silicon which is the base material of the photonic crystal layer 7 has a cross-sectional area (xz plane in FIG. 1) in a direction substantially perpendicular to the light propagation direction. It is formed in a reverse taper shape (in other words, protruding to the beam converging part D of the coupling part) that gradually decreases gradually (in the element tip direction, -y direction in FIG. 1), It functions as a part of the reverse taper structure in the first region B. The silicon layer 4b having the reverse taper structure can be referred to as a third core.

より具体的に説明すると、シリコン層4bは、図3に示すビーム収束部Dとビーム集束部Eの境界面における断面図である図4に記載の如く、断面積が小さいが、図1及び3(A)に記載の如く、素子の領域A側に向けて徐々に断面積が広くなり、最終的には、図3に示すカップリング部のビーム集束部Dと単一モード導波路部Gの境界面における断面図である図5に記載の如く、単一モード導波路部Gのフォトニック結晶層7に一体化されている。   More specifically, the silicon layer 4b has a small cross-sectional area as shown in FIG. 4 which is a cross-sectional view at the boundary surface between the beam converging part D and the beam converging part E shown in FIG. As shown in (A), the cross-sectional area gradually increases toward the region A side of the element, and finally, the beam converging part D and the single mode waveguide part G of the coupling part shown in FIG. As shown in FIG. 5, which is a cross-sectional view at the interface, it is integrated with the photonic crystal layer 7 of the single mode waveguide portion G.

また、高屈折率光伝送部6は、フォトニック結晶層7の上からシリコン層4bを介してシリコン層4bの素子先端側部分まで延在されて、その幅を均等にした基部コア(第四のコアと称する)6Aと、基部コア6Aの先端部から先窄まり状とされたテーパー部(第一のコアと称する)6Bとを具備して構成されている。高屈折率光伝送部6の周囲には、以下に説明するリッジ部5a、スラブ部5b及びトレンチ部5cを有する低屈折率光伝送部5が形成されている。高屈折率光伝送部6は、例えば、屈折率2.0の窒化シリコン(SiN)など、後述の低屈折率光伝送部5よりも高屈折率の材質からなる。なお、シリコン層4bは、第一のコアより高い屈折率を有する材質からなるものが好ましい。   The high-refractive-index optical transmission unit 6 extends from the top of the photonic crystal layer 7 to the element tip side portion of the silicon layer 4b via the silicon layer 4b, and has a base core (fourth fourth) whose width is uniform. 6A) and a tapered portion (referred to as a first core) 6B tapered from the tip of the base core 6A. Around the high refractive index light transmission section 6, a low refractive index light transmission section 5 having a ridge portion 5a, a slab portion 5b, and a trench portion 5c described below is formed. The high refractive index optical transmission unit 6 is made of a material having a higher refractive index than the low refractive index optical transmission unit 5 described later, such as silicon nitride (SiN) having a refractive index of 2.0. The silicon layer 4b is preferably made of a material having a higher refractive index than the first core.

低屈折率光伝送部5は、高屈折率光伝送部6と共に本発明における光伝送部として機能し、上記高屈折率光伝送部6より低い屈折率を有する材質、例えば、屈折率が約1.5に調整された酸窒化シリコンによって形成される。そして、カップリング部のビーム集束部Eにおいて高屈折率光伝送部6の周囲に配され、且つ図6に示す如く、高屈折率光伝送部6に対して水平方向(図1におけるx方向)及び垂直方向(図1におけるz方向〉に突出するリッジ部5a及びスラブ部5bを有し、さらにトレンチ部5cを有するように形成されている。トレンチ部5cは、第二のクラッドとして機能するクラッド3(図3(B)においてクラッド3Bとして図示する。)上に積層されている。即ち、先に説明した基板2のトレンチ溝2aを埋めるようにクラッド3Bとトレンチ部5cとが積層形成されている。
また、高屈折率光伝送部6に対して垂直2方向(図1における±z方向)に突出する部分であるリッジ部5a及びトレンチ部5cは、それぞれ所定の幅を有して設けられており、これらが光の閉じ込めを行なうための光の閉じ込め部として機能するよう構成されている。
The low refractive index optical transmission unit 5 functions as an optical transmission unit in the present invention together with the high refractive index optical transmission unit 6 and has a lower refractive index than the high refractive index optical transmission unit 6, for example, a refractive index of about 1 It is formed by silicon oxynitride adjusted to .5. Then, in the beam converging part E of the coupling part, it is arranged around the high refractive index light transmission part 6 and, as shown in FIG. 6, is horizontal with respect to the high refractive index light transmission part 6 (x direction in FIG. 1). And a ridge portion 5a and a slab portion 5b projecting in the vertical direction (z direction in FIG. 1), and further having a trench portion 5c, which is a clad functioning as a second clad. 3 (shown as the cladding 3B in FIG. 3B), that is, the cladding 3B and the trench portion 5c are stacked so as to fill the trench groove 2a of the substrate 2 described above. Yes.
In addition, the ridge portion 5a and the trench portion 5c, which are portions protruding in two directions perpendicular to the high refractive index optical transmission portion 6 (± z direction in FIG. 1), are provided with predetermined widths. These are configured to function as a light confinement portion for confining light.

図7は、第二の領域Cにおける、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面図を表す。
第二の領域Cの切断位置部クラッド22は、素子の領域A及び第一の領域Bと共通の基板2の上に形成され、例えば、酸化シリコンからなる。切断位置部クラッド22は、第二の領域Cにおける基板2Aの底面側に形成されたトレンチ溝2bを埋めるとともに、基板2Aの上方側に、先の第一の領域Bにおける低屈折率光伝送部5のリッジ部5aと同じ高さまで積層形成されている。本実施形態では、基板2Aのトレンチ溝2bは、前記断面においてその深さ及び幅が、ともに第一の領域Bにおける低屈折率光伝送部5のスラブ部5bよりも大きくなるように形成されている。従って、トレンチ溝2bに形成されたトレンチ部22cは、第一の領域Bにおけるトレンチ部5cよりも、前記断面において幅が大きくなるように形成されている。また、トレンチ溝2bから上方に突出しているトレンチ部22cの幅も、前記断面において、第一の領域Bにおける低屈折率光伝送部5のスラブ部5bよりも大きくなるように形成されている。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the second region C in a direction substantially perpendicular to the light propagation direction.
The cutting position portion cladding 22 in the second region C is formed on the substrate 2 common to the device region A and the first region B, and is made of, for example, silicon oxide. The cutting position clad 22 fills the trench groove 2b formed on the bottom surface side of the substrate 2A in the second region C, and the low refractive index light transmission unit in the first region B above the substrate 2A. 5 are stacked up to the same height as the ridge portion 5a. In the present embodiment, the trench 2b of the substrate 2A is formed so that the depth and width of the trench 2b in the cross section are larger than the slab portion 5b of the low refractive index optical transmission unit 5 in the first region B. Yes. Accordingly, the trench portion 22c formed in the trench groove 2b is formed to have a larger width in the cross section than the trench portion 5c in the first region B. Further, the width of the trench portion 22c protruding upward from the trench groove 2b is also formed to be larger than the slab portion 5b of the low refractive index optical transmission portion 5 in the first region B in the cross section.

切断位置部クラッド22の前記断面における略中央部には、直方体ブロック状の切断位置部コア21が、第一の領域Bにおける高屈折率光伝送部6の先端部と接触するように、位置合わせされて設けられている。より具体的には、切断位置部コア21の第一の領域B側の端面における略中央部に、高屈折率光伝送部6の先端部が位置合わせされている。
第二の領域Cの切断位置部コア21は、例えば、第一の領域Bの低屈折率光伝送部5に使用される酸窒化シリコンからなる。なお、切断位置部コア21の材質は、クラッド3と同一でも良いし、異なっていても良く、高屈折率光伝送部6と同一でも良いし、異なっていても良い。ただし、本発明においては、切断位置部コア21の材質は、クラッド3と同一であるか、クラッド3及び高屈折率光伝送部6と異なることが好ましい。このようにすることで、本発明の光学素子をより高効率に外部の光学素子と結合させることができる。
切断位置部コア21と切断位置部クラッド22は、シングルモード条件を満たすよう構成されている。そして、切断位置部コア21は、第二のコアと称することができる。
In the substantially central portion of the cut position portion cladding 22 in the cross section, the rectangular parallelepiped block-shaped cut position portion core 21 is positioned so as to come into contact with the tip portion of the high refractive index optical transmission portion 6 in the first region B. Has been provided. More specifically, the tip portion of the high refractive index light transmission unit 6 is aligned with the substantially central portion of the end surface of the cutting position core 21 on the first region B side.
The cutting position portion core 21 in the second region C is made of, for example, silicon oxynitride used in the low refractive index optical transmission unit 5 in the first region B. The material of the cutting position core 21 may be the same as or different from that of the clad 3, and may be the same as or different from that of the high refractive index optical transmission unit 6. However, in the present invention, the material of the cutting position core 21 is preferably the same as that of the clad 3 or different from that of the clad 3 and the high refractive index optical transmission unit 6. By doing in this way, the optical element of this invention can be combined with an external optical element more efficiently.
The cutting position portion core 21 and the cutting position portion cladding 22 are configured to satisfy the single mode condition. And the cutting position part core 21 can be called a 2nd core.

第二の領域Cにおいて、切断位置部クラッド22の、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面形状は、素子の領域A、第一の領域Bに縛られることなく決定される。例えば、図6に示すように、第一の領域Bにおいて、トレンチ部5cの深さが4.2μmであるのに対し、図7に示すように、第二の領域Cにおいて、トレンチ部の深さは15.7μmである。このような形状及びサイズの関係は、以下に述べる効果を生む。   In the second region C, the cross-sectional shape of the cutting position portion cladding 22 in a direction substantially perpendicular to the light propagation direction is determined without being bound to the device region A and the first region B. For example, as shown in FIG. 6, in the first region B, the depth of the trench 5c is 4.2 μm, whereas in the second region C, as shown in FIG. The thickness is 15.7 μm. Such a relationship between shape and size produces the effects described below.

本実施形態の光学素子1から、外部の光学素子に対して伝搬する光は、第一の領域Bから第二の領域Cに伝搬するに際して、大部分は第二の領域Cの唯一の伝搬モードに結合し、また残りは第二の領域Cの前記切断位置部クラッド22へ侵入し、さらに残りは第一の領域Bへ反射する。このとき、本実施形態の構造をとることにより、唯一の伝搬モードに結合した光は、安定的に伝搬する。また、第二の領域Cの切断位置部クラッド22へ侵入した光は、図1のxz面における外側へ広がるので、第二の領域Cの伝搬モードヘの干渉が低減される。従って、第二の領域Cに侵入した光は、y方向に安定したモードフィールドを有する。また、逆に外部の光学素子より本実施形態の光学素子1へ入射する光も、同様に、y方向に安定したモードフィールドを有する。   When the light propagating from the optical element 1 of the present embodiment to the external optical element propagates from the first area B to the second area C, most of the propagation mode is the only propagation mode of the second area C. And the remainder penetrates into the cutting position cladding 22 in the second region C, and the remainder is reflected to the first region B. At this time, by taking the structure of the present embodiment, the light coupled to the only propagation mode propagates stably. Further, since the light that has entered the cut position portion cladding 22 in the second region C spreads outward in the xz plane of FIG. 1, interference with the propagation mode in the second region C is reduced. Therefore, the light that has entered the second region C has a mode field that is stable in the y direction. Conversely, the light incident on the optical element 1 of the present embodiment from an external optical element similarly has a stable mode field in the y direction.

この効果を奏するために、本実施形態の光学素子1にあっては、図1、3、6及び7等に示す如く、第一の領域Bと第二の領域Cとの接続面において、第二の領域Cの切断位置部コア(第二のコア)21が、基板2の底面に対して略垂直な方向(図1におけるz方向)に、第一の領域Bの第一のコア6B及びクラッド3Bの合計の高さよりも低い高さを有している。そして、前記接続面において、基板2の底面に対して略垂直な方向(図1におけるz方向)の切断位置部コア(第二のコア)21の高さは、図6及び7に示す如く、同方向のクラッド3Bの高さよりも低くても良いし、反対に高くても良い。   In order to achieve this effect, in the optical element 1 of the present embodiment, as shown in FIGS. 1, 3, 6 and 7, etc., the first region B and the second region C are connected at the first surface. The cutting position portion core (second core) 21 in the second region C is arranged in a direction substantially perpendicular to the bottom surface of the substrate 2 (z direction in FIG. 1), and the first core 6B in the first region B and The clad 3B has a height lower than the total height. And in the said connection surface, the height of the cutting position part core (2nd core) 21 of the direction (z direction in FIG. 1) substantially perpendicular | vertical with respect to the bottom face of the board | substrate 2 is as shown in FIG. It may be lower than the height of the clad 3B in the same direction or may be higher.

なお、ここでは図示を省略するが、前記接続面において、切断位置部コア(第二のコア)21が、基板2の底面に対して略垂直な方向(図1におけるz方向)に、第一のコア6B及びクラッド3Bの合計の高さと同じ高さを有していても、同様の効果を奏する。この場合も、前記接続面において、切断位置部コア(第二のコア)21の高さは、クラッド3Bの高さよりも低くても良いし、高くても良い。なお、この場合、切断位置部コア(第二のコア)21の、基板2の底面に対して略平行な方向(図1におけるx方向)の幅は、図1、3、6及び7等に示す如く、第一のコア6B及びクラッド3Bの合計の幅よりも小さくても良いし、反対に大きくても良い。
また、シングルモード導波路では、基本モードのモードフィールドの広がりは、光の伝搬方向に対して略垂直な方向のコアの断面積が大きい方が大きくなるが、その一方で、同方向のコアの断面積を漸次狭めることによって、その断面に対して大きくすることもできる。そこで、第二の領域Cの切断位置部コア(第二のコア)21について、基板2の底面に対して略垂直な方向(図1におけるz方向)の高さ、及び略平行な方向(図1におけるx方向)の幅の、少なくとも一方の値を、第一の領域Bの低屈折率光伝送部5よりも小さくすることでも、上記と同様の効果を奏する。
Although not shown here, the cut position portion core (second core) 21 is first in the direction substantially perpendicular to the bottom surface of the substrate 2 (z direction in FIG. 1) on the connection surface. Even if it has the same height as the total height of the core 6B and the clad 3B, the same effect can be obtained. Also in this case, the height of the cutting position core (second core) 21 may be lower or higher than the height of the clad 3B on the connection surface. In this case, the width of the cutting position portion core (second core) 21 in the direction substantially parallel to the bottom surface of the substrate 2 (the x direction in FIG. 1) is as shown in FIGS. As shown, it may be smaller than the total width of the first core 6B and the clad 3B, or vice versa.
In the single mode waveguide, the mode field spread of the fundamental mode increases as the cross-sectional area of the core in a direction substantially perpendicular to the light propagation direction increases. By gradually narrowing the cross-sectional area, the cross-sectional area can be increased. Therefore, with respect to the cutting position portion core (second core) 21 in the second region C, the height in the direction substantially perpendicular to the bottom surface of the substrate 2 (the z direction in FIG. 1) and the direction substantially parallel to the figure (FIG. Even if at least one value of the width in the x direction in 1) is made smaller than that of the low refractive index optical transmission unit 5 in the first region B, the same effect as described above can be obtained.

本発明の光学素子は、製造時に特定の位置を切断し、そこを端面として外部の光学素子と接続する。このとき、切断する位置には製造上のばらつきが必然的に生じる。本発明の光学素子1は、第二の領域Cにおいて切断されるが、上記説明のように、光学素子1は、光の伝搬方向とその逆方向(図1における±y方向)において、モードフィールドの変化が少なく、切断位置がばらついても安定した結合効率を発揮することが可能となる。
なお、図6及び7中に、外部に接続する光学素子としてコア径8μm、クラッド径125μm、比屈折率差0.34%のシングルモードファイバーを想定した場合の、高効率での光結合を可能とする各構成部材の設計例(寸法例)を示す。しかし、本発明における各構成部材のサイズ及び各構成部材間のサイズ比等は当該設計例に限られるものではなく、接続する外部の光学素子の構造や、各構成部材に用いる材料が有する屈折率に応じて最適な種類、大きさに設定することができるのは勿論である。
The optical element of the present invention is cut at a specific position at the time of manufacture, and is connected to an external optical element using that as an end face. At this time, manufacturing variations inevitably occur at the positions to be cut. The optical element 1 of the present invention is cut in the second region C. However, as described above, the optical element 1 has a mode field in the light propagation direction and in the opposite direction (± y direction in FIG. 1). Thus, stable coupling efficiency can be exhibited even if the cutting position varies.
6 and 7, high-efficiency optical coupling is possible when a single mode fiber having a core diameter of 8 μm, a cladding diameter of 125 μm, and a relative refractive index difference of 0.34% is assumed as an optical element connected to the outside. The design example (dimension example) of each structural member is shown. However, the size of each component and the size ratio between the components in the present invention are not limited to the design example. The structure of the external optical element to be connected and the refractive index of the material used for each component Of course, the optimum type and size can be set according to the above.

「本実施形態における計算例」
本発明によれば、切断位置の変化に対して、他の光学素子との結合効率の変化を低減させることができる。上記で説明した本発明の光学素子と、従来技術の光学素子における、切断位置のばらつきによる結合効率の変化の計算例を図8及び9に示す。
ここで従来技術の光学素子とは、本発明における素子の領域A及び、第一の領域Bと同じ領域を有し、更に第二の領域Cに代わり、図10に例示する断面(光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面)を有する第二の領域を有して構成された光学素子である。図10に示す断面は、図6に示す第一の領域Bの一部から、高屈折率光伝送部6を削除し、その部分に低屈折光伝送部5と同じ材質を満たした構造を有している。
"Calculation example in this embodiment"
According to the present invention, it is possible to reduce a change in coupling efficiency with another optical element with respect to a change in cutting position. FIGS. 8 and 9 show calculation examples of the change in coupling efficiency due to variation in the cutting position in the optical element of the present invention described above and the optical element of the prior art.
Here, the optical element of the prior art has the same area as the element area A and the first area B in the present invention. Further, instead of the second area C, the cross section illustrated in FIG. An optical element having a second region having a cross section in a direction substantially perpendicular to the direction. The cross section shown in FIG. 10 has a structure in which the high-refractive-index light transmission unit 6 is deleted from a part of the first region B shown in FIG. is doing.

また、切断位置のばらつきによる結合効率の変化の計算とは、上記2つの光学素子それぞれと、コア径8μm、クラッド径125μm、比屈折率差0.34%のシングルモードファイバーとの結合効率を、第二の領域の、図1におけるy方向の長さに対して階段接続法に基づきシミュレーション計算したものである。   The calculation of the change in the coupling efficiency due to the variation in the cutting position means the coupling efficiency between each of the two optical elements and the single mode fiber having a core diameter of 8 μm, a cladding diameter of 125 μm, and a relative refractive index difference of 0.34%. It is a simulation calculation based on the step connection method for the length of the second region in the y direction in FIG.

また、図8及び9に示す切断位置とは、それぞれの光学素子が製造時に切断される位置を示し、第一の領域Bとの境界から素子端面までの距離、すなわち上述のそれぞれの光学素子の第二の領域C(第二の領域)の図1におけるy方向の長さに対応して示している。   Further, the cutting positions shown in FIGS. 8 and 9 indicate the positions at which the respective optical elements are cut at the time of manufacture, and the distance from the boundary with the first region B to the element end face, that is, the above-described optical elements. The second region C (second region) is shown corresponding to the length in the y direction in FIG.

図8及び9に示す結果の比較より、切断位置の0〜100μmの範囲における結合効率の変化率を比較すると、従来技術の光学素子が14.6%であるのに対し、本発明に係る光学素子によれば3.7%であり、結合効率の変化率に改善が見られることがわかる。
即ち、本発明に係る光学素子の構造を採用すると、第二の領域Cにおける切断位置が仮にばらついたとしても、従来技術の光学素子と比較して、結合効率の変化率を低減できることが明かである。
From the comparison of the results shown in FIGS. 8 and 9, when the rate of change of the coupling efficiency in the 0-100 μm range of the cutting position is compared, the optical element of the prior art is 14.6%, whereas the optical according to the present invention. According to the device, it is 3.7%, and it can be seen that the change rate of the coupling efficiency is improved.
That is, when the structure of the optical element according to the present invention is adopted, even if the cutting position in the second region C varies, it is clear that the rate of change in coupling efficiency can be reduced as compared with the optical element of the prior art. is there.

「第二の実施形態」
第一の実施形態に係る光学素子1では、第二の領域Cにおいて、断面形状が光の伝搬方向に沿って一定となるように形成したが、本発明はこれに限定されず、第二の領域Cにおいて、シングルモード条件を満たすように断面形状を変化させても良い。
より具体的には、図11に示すように、第二の領域Cにおいて、切断位置部コア21Aが、基板の底面に略平行な方向の幅が、素子先端に向かって連続的に広がるように形成された切断位置部テーパーコア21aと、続いて素子先端に向かって、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面形状が一定となるように形成された切断位置部定常コア21bとを有するように形成しても良い。その他の構造については、図1〜5に示した実施形態の構造と同じである。
ただし、第二の実施形態においては、切断位置部定常コア21bが存在する部位を切断位置とする。
"Second Embodiment"
In the optical element 1 according to the first embodiment, in the second region C, the cross-sectional shape is constant along the light propagation direction, but the present invention is not limited to this, and the second region C In the region C, the cross-sectional shape may be changed so as to satisfy the single mode condition.
More specifically, as shown in FIG. 11, in the second region C, the cutting position core 21 </ b> A has a width in a direction substantially parallel to the bottom surface of the substrate so as to continuously spread toward the tip of the element. The formed cutting position portion tapered core 21a, and then the cutting position portion steady core 21b formed so that the cross-sectional shape in a direction substantially perpendicular to the light propagation direction is constant toward the tip of the element. You may form so that it may have. About another structure, it is the same as the structure of embodiment shown in FIGS.
However, in 2nd embodiment, the site | part in which the cutting position part stationary core 21b exists is made into a cutting position.

第二の実施形態によれば、第一の領域Bと第二の領域Cの境界におけるスポットサイズを、第二の領域Cにおいてさらに拡大することができ、切断位置部による結合効率の変化を少なく保ったまま、より結合効率を高めることができる。   According to the second embodiment, the spot size at the boundary between the first region B and the second region C can be further enlarged in the second region C, and the change in coupling efficiency due to the cutting position is reduced. The coupling efficiency can be further increased while keeping it.

A…素子の領域(単一モード導波路部)、B…第一の領域、C…第二の領域、D、E…ビーム集束部、1…光学素子、2…基板、3…クラッド、3A…第一のクラッド、3B…第二のクラッド、4…シリコン層、4a…シリコン層、4b…シリコン層(第三のコア)、5…低屈折率光伝送部、5a…リッジ部、5b…スラブ部、5c…トレンチ部、6…高屈折率光伝送部(第一のコア)、6A…基部コア(第四のコア)、7…フォトニック結晶層、21…切断位置部コア(第二のコア)、21a…切断位置部テーパーコア、21b…切断位置部定常コア、22…切断位置部クラッド。   A: Element region (single mode waveguide part), B: First region, C: Second region, D, E ... Beam focusing unit, 1 ... Optical element, 2 ... Substrate, 3 ... Cladding, 3A ... 1st clad, 3B ... 2nd clad, 4 ... Silicon layer, 4a ... Silicon layer, 4b ... Silicon layer (third core), 5 ... Low refractive index optical transmission part, 5a ... Ridge part, 5b ... Slab part, 5c ... trench part, 6 ... high refractive index light transmission part (first core), 6A ... base core (fourth core), 7 ... photonic crystal layer, 21 ... cutting position part core (second) Core 21), cutting position portion tapered core, 21b ... cutting position portion steady core, 22 ... cutting position portion cladding.

Claims (5)

基板上方にスポットサイズ変換光導波路部を有する光学素子であって、
前記スポットサイズ変換光導波路部が、互いに隣接する第一の領域と第二の領域を少なくとも有し、
前記第一の領域は、光の伝搬方向において素子内部側に位置して、第一のコア及びクラッドを有し、
前記第二の領域は、光の伝搬方向において素子先端側に位置して、第二のコアを有し、
前記第一のコアは、前記第二の領域に向けて、前記基板の底面に対して略平行な方向の幅が減少する逆テーパー状であり、
前記第二のコアが、第一の領域と第二の領域との接続面において、前記基板の底面に対して略垂直な方向に、第一の領域の第一のコア及びクラッドの合計の高さよりも低い高さを有することを特徴とする光学素子。
An optical element having a spot size conversion optical waveguide part above the substrate,
The spot size conversion optical waveguide part has at least a first region and a second region adjacent to each other;
The first region is located inside the element in the light propagation direction, and has a first core and a cladding,
The second region is located on the element front end side in the light propagation direction, and has a second core,
The first core has an inversely tapered shape in which a width in a direction substantially parallel to the bottom surface of the substrate decreases toward the second region;
The second core has a total height of the first core and the clad of the first region in a direction substantially perpendicular to the bottom surface of the substrate at the connection surface between the first region and the second region. An optical element having a height lower than the height.
前記第二のコアが、前記第一の領域のクラッドと材質が同一であることを特徴とする請求項1に記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein the second core is made of the same material as that of the clad in the first region. 前記第二のコアが、前記第一の領域の第一のコア及びクラッドと材質が異なることを特徴とする請求項1に記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein the second core is made of a material different from that of the first core and the clad in the first region. 前記第二のコアが、前記基板の底面に略平行な方向の幅が、素子先端に向かって広がるように形成された部位を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の光学素子。   The said 2nd core has a site | part formed so that the width | variety of the direction substantially parallel to the bottom face of the said board | substrate may spread toward an element front-end | tip, The Claim 1 characterized by the above-mentioned. The optical element described. 前記第一の領域が、さらに第三のコア及び第四のコアを有し、
前記第三のコアは、前記第一のコアより高い屈折率を有する材質からなり、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面積が、素子先端方向に向けて連続的に減少するよう形成され、
前記第四のコアは、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面積が一定となるように、前記第一のコアと連続して形成され、
前記第一のコア又は第四のコアが、前記第三のコアよりも、前記基板に対して上方に積層されたことを特徴とする請求項1に記載の光学素子。
The first region further comprises a third core and a fourth core;
The third core is made of a material having a refractive index higher than that of the first core, and the cross-sectional area in a direction substantially perpendicular to the light propagation direction is continuously reduced toward the element tip direction. Formed,
The fourth core is formed continuously with the first core so that a cross-sectional area in a direction substantially perpendicular to the light propagation direction is constant,
The optical element according to claim 1, wherein the first core or the fourth core is stacked above the substrate with respect to the third core.
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