JP2013524262A - マルチモード光カプラインターフェース - Google Patents

Abstract

【解決手段】
大口径コア光ファイバーとチップスケール光電素子との間で用いることができるオプチカルインターフェース。本明細書では、導波路の入力としてシングルモード（ＳＭ）ファイバーが使われた場合にミスアライメントの許容範囲を向上させるカプラを説明する。これによりパッシブ／オートマティックアライメントが可能となるので、製造コストを減らすことができる。このカプラはスポットサイズを小さくするスポットサイズ変換器として用いることもでき、小断面積の導波路モードが特に重要となる用途において好適である。そうした用途の一例として、導波路モードの縦サイズが数ミクロンと小さくなくてはならない導波路型ＳｉＧｅまたはＩＩＩ−Ｖ半導体光検出器が挙げられる。
【選択図】図１

Description

本願の実施形態は、光カプラに関する。具体的には本願の実施形態は、例えば光ファイバーと光集積回路とをインターフェース接続するマルチモード光カプラインターフェースに関する。

集積フォトニクスの発展において、ファイバーからの光を高効率で導波路に結合することは重要である。特にアクティブ／マニュアルアライメントを用いないシングルモード（ＳＭ）ファイバー−導波路間の結合は、関与するスポットサイズが小さいため非常に困難である。

本願の実施形態を添付図面に、限定するためではなく例として示す。図面中、同一の符号は同一の構成要素を指す。
出力アレイ導波路を有する光カプラの一実施形態を示す。 １つの出力導波路を有する光カプラの一実施形態を示す。 シングルモードのファイバー（ＮＡ〜０．１４）が、１０μｍｘ１０μｍシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ストリップ導波路に結合された例としての実施形態のモードプロファイルを示す。 本明細書で説明する光カプラの動作を示す分散図である。 本明細書で説明する光カプラの一実施形態のシミュレーションの結果を示す。 本明細書で説明する光カプラを用いた光システムの一実施形態を示すブロック図である。

以下の説明では、様々な具体的詳細を明記する。しかし、本願の実施形態は、これら具体的詳細を用いなくとも実施することができる。他の例では、周知の回路、構造および技術が、説明の理解を曖昧にすることがないよう、詳細には示されていない。

本明細書では、大口径コア光ファイバーとチップスケール光電素子との間で用いることができるオプチカルインターフェースについて説明する。光子は、完全にコヒーレントな状態で一方から他方へと効率的に結合される。本明細書では、導波路の入力としてシングルモード（ＳＭ）ファイバーを使う場合のミスアライメントの許容範囲が向上したカプラを説明する。これによりパッシブ／オートマティックアライメントが可能となり、したがって製造コストを減らすことができる。このカプラはスポットサイズを小さくするスポットサイズ変換器として用いることもでき、小断面積の導波路モードが特に重要となる用途において好適である。そうした用途の一例として、導波路モードの縦サイズが数ミクロンと小さくなくてはならない導波路型ＳｉＧｅまたはＩＩＩ−Ｖ半導体光検出器が挙げられる。

光カプラは、ＳＭ光源とチップスケール光素子とをインターフェース接続するために用いることができる。一実施形態において、１）比較的大きなマルチモード（ＭＭ）導波路と、２）比較的小さなＳＭ導波路アレイ／ＭＭスラブ導波路と、３）逆テーパ構造体とが構成要素として含まれる。下記の説明では、対象となる波長での材料の吸収損失が無視できる程度であることを仮定しており、このことは１．３１μｍ、１．５５μｍなどの通信波長における、シリコン（Ｓｉ）、少量のゲルマニウム組成物を含むシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）の場合に当てはまる。

図１は、出力アレイ導波路を有する光カプラの一実施形態を示す。図１の例では出力アレイ導波路が入力導波路上にあるが、他の実施形態では、出力導波路は入力導波路に埋め込まれていてもよく、この場合、結合強度がさらに向上する。

光カプラは、基板１００上に作成または組み立てられる。一実施形態において基板１００は、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）基板である。他の実施形態では、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）など他の基板を用いることもできる。光カプラは、光ファイバー（図１では不図示）からの光信号を受信する入力導波路１２０を基板１００上に含む。一実施形態において入力導波路１２０は、シリコン（Ｓｉ）を用いて作成される。他の実施形態では、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）など他の材料を用いることができる。

光カプラは、入力導波路１２０上に作成または載置される出力アレイ導波路１４０をさらに含む。具体的な大きさ、関係、および他の設計的な検討事項はさらに詳細に後述する。一実施形態において出力アレイ導波路１４０は、シリコンゲルマニウム（Ｓ_ｘＧｅ_１−ｘ）を用いて作成される。他の実施形態では、ヒ化アルミニウム（ＡｌＡｓ）など他の材料を用いることができる。

一実施形態において、光カプラの入力導波路１２０の入力ポートは、外部のＳＭファイバーとインターフェース接続する、用途に適した断面積を有する（例えば、〜１０μｍｘ１０μｍ）ＭＭ導波路として設計されている。これにより、無視できる程度の損失でＳＭファイバーから光カプラへの結合が可能となる。

一実施形態において出力アレイ導波路１４０は、ＭＭ入力導波路１２０上の小断面積（例えば、〜１μｍｘ１μｍ）を有するＳＭ導波路のアレイである。一実施形態において出力アレイ導波路１４０の各導波路は、断熱条件に従い徐々に増加するように、幅がテーパ形状に形成されている。ＳＭ導波路の数は変換されるＭＭ導波路のモード数による。図１の例では、出力アレイ導波路１４０は例として５つのＳＭ導波路を含む。ＭＭ入力導波路１２０に入射した光子は、コヒーレントなエバネッセントカップリングによってＳＭ導波路アレイ１４０により抽出される。主に断熱条件の欠如に伴う逆テーパ形状の損失により効率が制約される。

図２は、１つの出力導波路を有する光カプラの一実施形態を示す。図２の例では出力導波路は入力導波路上にあるが、他の実施形態では出力導波路は入力導波路に埋め込まれていてもよく、この場合、結合強度がさらに向上する。

光カプラは、基板２００上に作成または組み立てられる。一実施形態において基板２００は、ＳｉＯ_２基板である。他の実施形態では、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）など他の基板を用いることもできる。光カプラは、光ファイバー（図２では不図示）からの光信号を受信する入力導波路２２０を基板２００上に含む。一実施形態において、入力導波路２２０はシリコンを用いて作成される。他の実施形態では、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）など他の材料を用いることができる。

光カプラは、入力導波路２２０上に作成または載置される１つの出力導波路２４０をさらに含む。具体的な大きさ、関係、および他の設計的な検討事項はさらに詳細に後述する。一実施形態において、１つの出力導波路２４０はシリコンゲルマニウム（Ｓ_ｘＧｅ_１−ｘ）を用いて作成される。他の実施形態では、ヒ化アルミニウム（ＡｌＡｓ）など他の材料を用いることができる。

一実施形態において、光カプラの入力導波路２２０の入力ポートは、外部のＳＭファイバーとインターフェース接続する、用途に適した断面積を有する（例えば、〜１０μｍｘ１０μｍ）ＭＭ導波路として設計されている。これにより、無視できる程度の損失でＳＭファイバーから光カプラへの結合が可能となる。

一実施形態において１つの出力導波路２４０は、ＭＭ入力導波路２２０上の薄い（例えば、〜１μｍ）ＳＭ導波路である。一実施形態において、１つの出力導波路２４０は、断熱条件に従い徐々に増加するように、幅がテーパ形状に形成されている。ＭＭ入力導波路２２０に入射した光子は、コヒーレントなエバネッセントカップリングによってＳＭ出力導波路２４０により抽出される。主に断熱条件の欠如に伴う逆テーパ形状の損失により効率が制約される。

本明細書で説明する光カプラの重要な利点は、ミスアライメントの許容範囲の向上である。ＮＡ〜０．１４の標準的なＳＭファイバーが１０μｍｘ１０μｍのＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）ストリップ導波路に結合されると仮定した場合、励起されるモードの数は最大でおよそ３つである。図３にこれら３モードのプロファイルを示す。本明細書で説明する光カプラは基本モードの結合だけではなくさらに高次のモードを小さな導波路アレイに結合することも可能であることから、基本モードの結合のみが可能であった従来の設計と比較し、ミスアライメントの許容範囲が広くなる。

ファイバーの中心と導波路の中心とのずれの許容範囲を計算すると、従来の設計では〜７．８μｍ^２であったのに対し、本明細書で説明する光カプラでは〜１６μｍ^２となる。この向上により、パッシブ／オートマティックアライメントが可能となるので、光カプラの製造コストを減らすことができる。上述した例では適切なスポットサイズとすることで基本モードの結合効率を人為的に最大化しているので、実際にはこの向上はさらに大きなものになる。

図４は、本明細書で説明する光カプラの動作を示す分散図である。図４の分散図は、光カプラでの波数ベクトルと周波数の関係を示す。カプラは水平方向で鏡面対称であるので、導波路モードは偶数パリティまたは奇数パリティのいずれかに分類することができる。最低から３つ目までのモードの分散は、ＭＭ導波路では急な傾斜の実線で示され、ＳＭ導波路アレイでは緩やかな傾斜の実線で示されている。偶数パリティであるか奇数パリティであるかはそれぞれ表示してある。

ＭＭ導波路はパリティが同一のモードのＳＭ導波路アレイとしか相互作用しないので、これにより、点線で示す５つ（９つではなく）のノーマルモード分岐が生じる。入力波数ベクトル／周波数が、ＳＭファイバー励起条件により決まるＭＭ導波路分散の下端にあると仮定する。ＳＭ導波路の幅を断熱条件に従い徐々に増加するようにテーパ形状とすることにより、ＳＭ導波路アレイの分散を大きい波数ベクトル／低周波数側へ「引き込む」ことができ、結果として入力波数ベクトル／周波数をスイープ（sweep）できる。これにより、ＭＭ導波路のオプチカルパワーをＳＭ導波路アレイへと断熱的に伝達することができる。

なお、使用するＳＭ導波路の数は分散から差し引いてよい。例えばＭＭ導波路で（００）、（１０）、（０１）、（１１）、（２０）、（０２）、（２１）、（１２）、および（３０）が最低から９つ目までのモードであるとすると、パリティの選択のためにこれらをすべて捕捉するには９つのＳＭ導波路が必要となる。

図５は、本明細書で説明する光カプラの一実施形態のシミュレーションの結果を示す。図５のシミュレーション結果では、大きなＳｉ導波路（１０μｍｘ８μｍ；ｎ＝３．５）上に載置され、ＳｉＯ_２に囲まれた（ｎ＝１．４４７）０．５μｍの間隔をあけた３つの小さなＳｉＧｅ導波路（１μｍｘ１μｍ；ｎ＝３．６）を用いた。なお、０．５μｍ（または０．５μｍ未満）の間隔をあけて３つのＳｉＧｅ導波路はそれぞれ結合されており、それらの縮退モードが所定のパリティを形成できるようになっている。

入力ポートの分散は、１．３μｍの波長におけるシリコン導波路の最低から３つ目までのモードがプロットされた図３と同様である。３つのＳｉＧｅ導波路の幅を大きくすることにより断熱遷移したあと、出力ポートの分散は図５に示すように変化する。モードのパワーはここではＳｉ導波路から対応するパリティを有するＳｉＧｅ導波路へと変換されている。説明を単純にするため、このシミュレーションではＴＭ偏波のみを考慮しているが、対象をＴＥ偏波へも拡張できる。最適な設計における逆テーパの長さは、１ｍｍ未満であると予想される。

なお、ＳＭ導波路アレイ（図１に示す）ではなく１つのＭＭスラブ導波路（図２に示す）も同様の機能を実行することができる。出力ポートの寸法は同様となるが、全体的なテーパ長は、図２のＭＭスラブ導波路の場合さらに長い。

図６は、本明細書で説明する光カプラを用いた光システムの一実施形態を示すブロック図である。図６の例では出力導波路が入力導波路上にあるが、他の実施形態では出力導波路は入力導波路に埋め込まれていてもよく、この場合、結合強度がさらに向上する。

光システム６００は、光ファイバーと光電素子との間のインターフェースとして光カプラを用いている。光ファイバー６１０は当技術分野で既知のいずれの種類のシングルモード光ファイバーであってもよい。光ファイバー６１０は、光源（図６に不図示）からの光信号を伝送する。光ファイバー６１０は入力導波路６３０と光学的にアライメントされており、入力導波路６３０が入力された光信号６２０を受信する。

詳細に上述したように、入力導波路６３０と出力導波路６４０とが一体となって光カプラを提供する。出力導波路６４０は光電素子６６０と光学的にアライメントされ、光電素子６６０が、出力された光信号６５０を受信する。ここで光電素子６６０は、当技術分野で既知のいずれの種類の光電素子であってもよい。本明細書で説明した光カプラは、他の状況で用いることもできる。図６は光カプラの利用の一例を示すに過ぎない。

本明細書において「一実施形態」あるいは「実施形態」と言及した場合、その実施形態に関連して説明された特定の特徴、構造、または特性が、本願の少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書の様々な個所で「一実施形態において」といった文言が現れた場合、それらすべてが同一の実施形態について言及しているとは限らない。

いくつかの実施形態に関して本願を説明してきたが、当業者であれば、本願が説明された実施形態に限定されるものではなく、添付された請求項の思想と態様で修正および変更し実施することができることを理解できるであろう。よってこれらの説明は、限定するためではなく例示としてみなすべきである。

Claims (24)

1. シングルモード光ファイバーからの光信号を受信するマルチモード入力導波路と、
   前記マルチモード入力導波路と光学的に結合され、ファイバーのミスアライメントにより引き起こされる励起されたマルチモードを受信する１つまたは複数のシングルモード出力導波路と
   を備えるマルチモード光カプラ。
2. 前記１つまたは複数のシングルモード出力導波路が前記マルチモード入力導波路中か、または前記マルチモード入力導波路上に埋め込まれている、請求項１に記載のマルチモード光カプラ。
3. 前記１つまたは複数のシングルモード出力導波路が、断熱条件に従うテーパ形状の幅を有するシングルモード導波路を含む、請求項１に記載のマルチモード光カプラ。
4. 前記マルチモード入力導波路が前記１つまたは複数のシングルモード出力導波路より少なくとも１０倍の厚みを有する、請求項１に記載のマルチモード光カプラ。
5. 前記マルチモード入力導波路がシリコン（Ｓｉ）光導波路を含む、請求項１に記載のマルチモード光カプラ。
6. 前記マルチモード入力導波路がヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）光導波路を含む、請求項１に記載のマルチモード光カプラ。
7. 前記１つまたは複数のシングルモード出力導波路がヒ化アルミニウム（ＡｌＡｓ）光導波路を含む、請求項１に記載のマルチモード光カプラ。
8. 前記１つまたは複数のシングルモード出力導波路がシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）光導波路を含む、請求項１に記載のマルチモード光カプラ。
9. 前記１つまたは複数のＳｉＧｅシングルモード出力導波路がＳｉ_ｘＧｅ_１−ｘの組成を有する、請求項８に記載のマルチモード光カプラ。
10. 光信号を送信するシングルモード光ファイバーと、
    前記シングルモード光ファイバーからの前記光信号を受信するマルチモード入力導波路と、
    断熱条件に従うテーパ形状の幅を有し前記マルチモード入力導波路と光学的に結合され、ファイバーのミスアライメントにより引き起こされる励起されたマルチモードを受信する１つまたは複数のシングルモード出力導波路と
    を備える光システム。
11. 前記１つまたは複数のシングルモード出力導波路が前記マルチモード入力導波路中か、または前記マルチモード入力導波路上に埋め込まれている、請求項１０に記載の光システム。
12. 前記マルチモード入力導波路が前記１つまたは複数のシングルモード出力導波路より少なくとも１０倍の厚みを有する、請求項１０に記載の光システム。
13. 前記１つまたは複数の出力導波路と光学的に結合された１つまたは複数の光電素子をさらに備える、請求項１０に記載の光システム。
14. 前記マルチモード入力導波路がシリコン（Ｓｉ）光導波路を含む、請求項１０に記載の光システム。
15. 前記マルチモード入力導波路がヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）光導波路を含む、請求項１０に記載の光システム。
16. 前記１つまたは複数のシングルモード出力導波路がヒ化アルミニウム（ＡｌＡｓ）光導波路を含む、請求項１０に記載の光システム。
17. 前記１つまたは複数のシングルモード出力導波路がシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）光導波路を含む、請求項１０に記載の光システム。
18. 前記１つまたは複数のＳｉＧｅシングルモード出力導波路がＳｉ_ｘＧｅ_１−ｘの組成を有する、請求項１７に記載の光システム。
19. 二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）基板上にマルチモードシリコン（Ｓｉ）ストリップ導波路を作成する段階と、
    前記ＳｉＯ_２基板と反対側の前記Ｓｉストリップ導波路の面上に複数のシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）出力導波路を作成する段階と
    を備え、
    前記出力導波路が、断熱条件に従うテーパ形状の幅を有する、マルチモード光カプラの製造方法。
20. 前記マルチモード入力導波路が前記出力導波路より少なくとも１０倍の厚みを有する、請求項１９に記載のマルチモード光カプラの製造方法。
21. 前記ＳｉＧｅ出力導波路がＳｉ_ｘＧｅ_１−ｘの組成を有する、請求項１９に記載のマルチモード光カプラの製造方法。
22. 二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）基板上にマルチモードシリコン（Ｓｉ）ストリップ導波路を作成する段階と、
    前記ＳｉＯ_２基板と反対側の前記Ｓｉストリップ導波路の面上に１つのシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）出力導波路を作成する段階と
    を備え、
    前記出力導波路が、断熱条件に従うテーパ形状の幅を有する、マルチモード光カプラの製造方法。
23. 前記マルチモード入力導波路が前記出力導波路より少なくとも１０倍の厚みを有する、請求項２２に記載のマルチモード光カプラの製造方法。
24. 前記ＳｉＧｅ出力導波路がＳｉ_ｘＧｅ_１−ｘの組成を有する、請求項２２に記載のマルチモード光カプラの製造方法。

Images