JP2015161828A - グレーティングカプラ - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン導波路デバイスとの集積に好適で、サイズの小さな分光器を提供する。
【解決手段】基板１０１上の光導波路の表層に溝が形成されたグレーティングカプラであって、光導波路内の溝が形成された領域（グレーティング部１０３）で、光導波路を伝搬する光を所望の波長分解能Δλで波長分離されるように出射するように構成され、溝の有効溝数Ｎの逆数が、所望の波長分解能Δλに比例するよう、λを動作波長、ｋをＮ個の溝が形成された領域の長さに対する前記出射する光の径の割合に関する比例定数として、１／Ｎ＜ｋΔλ／λを満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、グレーティングカプラに関し、光通信ネットワークノードにおける光信号処理装置に適用に有効なグレーティングカプラに関する。

光通信分野において、シリコン導波路は、従来の石英系導波路に比べ、極めてサイズが小さいこと、高い熱光学（ＴＯ：ｔｈｅｒｍｏ−ｏｐｔｉｃ）定数や電流注入による動的な信号処理ができること、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）コンパチブルなプロセスで製造可能であり、電子回路との親和性が良いこと、などから、近年精力的に研究が進められている。

光信号処理には波長合分波が必要なケースが多くある。たとえば波長パスを切り替えるスイッチや、それぞれの波長チャネルの信号レベルをモニタリングする場合などである。最も基本的な手段は、光信号をレンズ等で面型回折格子に導き、分波・処理する方法である。他方、集積型の波長合分波器としては、一括合分波できる利点を持つアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ−ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）が広く用いられている。これは石英系導波路で作られたものが主流であるが、研究フェーズならばシリコン導波路での製作例も少なくない。また、同様の機能を持ち、よりシリコン導波路に好適なものとして、エシェルグレーティングなども提案されている。

Dirk T. et al. "Grating Couplers for Coupling between Optical Fibers and Nanophotonic Waveguides," Japaneses Journal of Applied Physics, Vol.45, No.8A, pp.6071-6077, 2006年

しかしながら、ＡＷＧやエシェルグレーティングは、本質的に回路サイズが大きいため、小型であることが重要なシリコン導波路デバイスには不適である。特に、複数の波長合分波器が必要な場合には顕著なデメリットとなる。

バルクの回折格子を利用する場合は、一旦回路の外に光を出したのち、ビーム径を広げて、回折格子にビームを照射する、という空間光学系が必要である。したがって部品点数が多く、アセンブルコストも高く、最終的なモジュールのサイズも大きくなりやすいという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、シリコン導波路デバイスとの集積に好適で、サイズの小さな分光器を提供することを目的とするものである。

本発明の第１の態様は、基板上の光導波路の表層に溝が形成されたグレーティングカプラである。グレーティングカプラは、光導波路内の溝が形成された領域で、該光導波路を伝搬する光を該光導波路外において所望の波長分解能Δλで波長分離されるように出射する。また、グレーティングカプラは、上記光導波路内の溝が形成された領域で、該光導波路外を伝搬する波長分離された光を上記光導波路に結合する。

一実施形態では、グレーティングカプラは、光導波路を伝搬する光を出射する溝の有効溝数Ｎの逆数が、所望の波長分解能Δλに比例するよう、λを動作波長、ｋを比例定数として、１／Ｎ＜ｋΔλ／λを満たすように構成されていることを特徴とする。一実施形態では、溝は、グレーティングカプラの光導波路の表層に、該光導波路の長手方向に繰り返し形成されていることを特徴とする。グレーティングカプラの光導波路は、異なる幅を有する複数のコア層が重ねられた光導波路から構成され、形成される溝は、該光導波路の表面を含む層に形成される。また、溝の幅は、光導波路の全幅よりも狭い、ことを特徴とする。

また、一実施形態では、グレーティングカプラの光導波路に形成された溝の幅は、該光導波路の長手方向に対して変調されていることを特徴とする。一実施形態では、光導波路は、シリコン導波路であることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、シリコン導波路デバイスとの集積に好適で、サイズの小さな分光器を提供することが可能となる。

本発明の第一の実施形態であるグレーティングカプラを示す斜視図である。 図１のグレーティング部のＺ軸に沿った断面図である。 本発明のグレーティングカプラにより光を異なる波長に分光して受光する様子を示す図である。 （ａ）は本発明のグレーティングカプラの直上における電界分布を示す図であり、（ｂ）は本発明のグレーティングカプラの出射光のＦＦＰを示す図である。 本発明の第二の実施形態であるグレーティングカプラを示す斜視図である。 図５の第二の実施形態のグレーティング部における導波路の断面図であり、（ａ）は溝が掘られていない部分の導波路の断面図であり、（ａ’）は溝が掘られている部分の導波路の断面図である。 図６（ａ）に示す断面を有する導波路の基本モードを示す図である。 （ａ）および（ａ’）は３つの層を持つリブ導波路を用いたグレーティングカプラの導波路の断面図であり、（ａ）は溝が掘られていない部分の導波路の断面図、（ａ’）は溝が掘られている部分の導波路の断面図であり、（ｂ）および（ｂ’）は２つの層を持つリブ導波路を用いたグレーティングカプラの導波路の断面図であり、（ｂ）は溝が掘られていない部分の導波路の断面図、（ｂ’）は凹状に溝が掘られている部分の導波路の断面図である。 本発明の第三の実施形態であるグレーティングカプラを示す斜視図である。 溝の長さａおよび導波路のうち溝が形成される層の幅ｗ_１と１つの溝あたりの放射量Ｔとの関係を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。なお、入力導波路の形状や形態を変更したり、グレーティングの溝の間隔や溝の長さを変調したりすることは、一般的に行われる設計変更の範囲内であり、本発明を限定するものではない。入力導波路およびグレーティング部を構成する導波路は、シリコン導波路とすることができるが、本発明はこれに限定されない。

（第一の実施形態）
図１に、第一の実施形態に係るグレーティングカプラを示す。グレーティングカプラは、基板（１０１）と、該基板上に形成された入力導波路（１０２）およびグレーティング部（１０３）とを備える。入力導波路（１０２）には、光ファイバ（１０４）から光が入力される。入力導波路は、光ファイバから入力される光をなるべく損失が少なくなるようグレーティングカプラに結合させる導波路である。グレーティング部（１０３）は、複数の溝（グレーティング）が形成された導波路で構成されている。溝（グレーティング）は導波路の表面を含む部分（単に、「表層」とも呼ぶ。）に形成される。

図２はグレーティング部（１０３）の側面図である。溝深さをｇ、溝の間隔をｄ、溝の長さをａ、出力されるビーム径(電界振幅が最大値の１／ｅとなる半幅)をωとする。

グレーティングカプラは、光導波路の表面に形成されたグレーティングからなり、光導波路内を伝搬する光を基板（１０１）上方へ光路変換する機能を持つ素子であり、微小導波路と光ファイバとの結合に用いられる。一般に、グレーティングカプラは出射光が光ファイバのモードと適合するように設計され、そのモードフィールド直径（２ω）は約１０μｍである。

発明者等は、グレーティングカプラが、そのビーム出射角度が波長依存性を持つため、分光器となりうることを発見した。グレーティングカプラの分解能は、通常のバルク回折格子と同様に、ビーム径が大きいほど高くなる。一般的なグレーティングカプラにおける１０μｍ程度のビーム径では、広帯域動作（広い波長域で高い結合率を実現）していることからも分かるように分解能が低く（波長毎のビーム出射角度は殆ど変わらない）、ほとんど分光しない（非特許文献１参照）。これを逆に考え、出力ビームを大きくする構成するグレーティングカプラ、すなわち分光器の機能を有するグレーティングカプラを発明した。

以下、このようなグレーティングカプラにおいては、有効溝数（Ｎ）の逆数が、所望の波長分解能をΔλ、λを動作波長、ｋを比例定数として、１／Ｎ＜ｋΔλ／λである必要があることを示す。すなわち、グレーティングが長いほど分解能が高いという関係がある。ここで有効溝数とは、それだけの溝数が光の放射に寄与することを示す。光が放出し尽くした後に導波路方向にいくつ溝があっても意味がなく、これは有効溝数にカウントしない。

分解能を、ビーム径の２倍（２ω）だけ空間分離される波長幅と定義する。すなわち、Δλだけ波長の異なる光が空間をある一定距離Ｌだけ伝搬したときの位置ずれをΔｘ、そのときのビーム径をω_Ｌとすると、
２ω_Ｌ ＜ Δｘ 式（１）
が成り立つようなΔｘを分解能とする。

よく知られた回折格子の式は、溝間隔をｄ、入射角をθ_ｉ、反射角をθ_ｒ、次数をｍ、波長をλとして、式（２）のように書けるが、グレーティングカプラにおいて各溝からの光が干渉する条件は、式（２）においてθ_ｉ＝９０°とし、導波路の屈折率ｎを加味し、次数＝１とした式（３）で表される。
ｄｓｉｎθ_ｉ＋ｄｓｉｎθ_ｒ＝ｍλ 式（２）
ｎｄ＋ｄｓｉｎθ_ｒ＝λ 式（３）

式（３）より、θ_ｒが十分小さくなる角度では、θ_ｒは
θ_ｒ＝λ／ｄ−ｎ 式（４）
と近似できる。したがって、Δλだけ波長の異なる光が空間をある一定距離Ｌだけ伝搬した位置における位置ずれは
Δｘ＝ΔλＬ／ｄ 式（５）
となる。

一方、グレーティングカプラから出射するビームを簡単のためガウシアンビームを仮定し、そのグレーティング直上でのビーム径をωとすると、光が空間をある一定距離Ｌだけ伝搬したときのビーム径ω-_Ｌは
ω_Ｌ＝λＬ／πω 式（６）
である。式（５）と（６）を式（１）に代入すれば、
２λ／πω ＜ Δλ／ｄ 式（７）
となる。ここでωは比例定数ｋ、溝の間隔ｄ、有効溝数Ｎを用いて
ω＝ｋｄＮ 式（８）
と書ける。式（８）において、比例定数ｋは、有効グレーティング長ｄＮに対するビーム径ωの割合を示す係数である。これを式（７）に代入すれば
１／Ｎ ＜ （πｋ／２）・（Δλ／λ） 式（９）
となる。改めて定数πｋ／２をｋに置き換えると
１／Ｎ ＜ ｋΔλ／λ 式（１０）
が得られる。式（１０）において、比例定数ｋは、Ｎ本の溝が形成された領域の長さに対するビーム径ωの割合に関する係数であり、すなわち、式（８）における係数ｋにπ／２を掛けた定数である。たとえば、ｄ＝６５０ｎｍ、λ＝１５５０ｎｍ、Δλ＝１ｎｍ、ｋ＝０．２５，ｎ＝２．２としたとき、式（９）からはＮ＞３９５となる。この計算では先述したように近似を用いているが、近似なしで計算を行った場合の結果はＮ＞３８８であり、その差は小さい。

図３に、本分光器（グレーティングカプラ３０１）、レンズ（３０２）、ＰＤアレイ（３０３）を用いて異なる波長の光を受光する様子を示す。本分光器は、ＡＷＧに比べると、直線状の形状をしているためチップに占める専有面積が格段に小さい。また、バルク回折格子を使う場合と比べると、回折格子とそこに光を照射する光学系が集積されているため、光学系が簡素になるという利点がある。

図３に示すように、グレーティング部からの出射角度は、波長毎に異なる。すなわち、グレーティング部の各溝から放射した光は、多光束干渉により、波長に応じたレンズ３０２上の位置に結合する。各波長の光は、レンズ３０２により、角度が位置に変換される。ＰＤアレイ３０３を構成するＰＤ素子は、それぞれ角度を位置に変換された異なる波長の光を受光する。

有効溝数Ｎを大きくし、出力ビーム径が大きなグレーティングカプラを実現するためには、グレーティング部において、単位長さあたりの光の放射量をなるべく小さく設計し、長い距離をかけて光を放出させることが重要となる。これは、溝の深さｇを浅く、溝の長さａを短くすることで実現される。このようにすると、光が完全に放射されるまでのグレーティングの長さが長くなり、結果として出力ビーム径が大きいグレーティングカプラとなる。

図４（ａ）に、溝の周期ｄ＝６５０ｎｍ、溝の長さａ＝８０ｎｍ、溝の深さｇ＝５０ｎｍ、有効溝数Ｎ＝７５０であるグレーティングカプラの直上のビームプロファイルをＦＤＴＤ法（Finite-difference time-domain method）によって計算したものを示す。１／ｅ^２ビーム直径はおよそ２８０μｍである。このように、浅く短い溝を用いることで、出力ビーム径が大きいグレーティングカプラが実現する。

図４（ｂ）に、上記実施例による設計のグレーティングカプラの出射光のＦＦＰ（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｎ）を１５４０．０ｎｍと１５４９．４ｎｍの２つの波長に対して計算したものを示す。横軸は伝搬角度、縦軸は光強度である。２つの光は高いアイソレーションを以て異なる角度に伝搬しており、本グレーティングカプラは分光機能を有することが分かる。なお、図４（ｂ）において、伝搬角度はグレーティング部の直上方向（基板面に垂直な方向）を基準（０度）とし、基準に対して反時計回りの角度を正の角度とし、時計回りの角度を負の角度とている。例えば、図２に示されたグレーティング部から出力されるビーム（矢印で示されたビーム）の伝搬角度は負の値である。

（第二の実施形態）
図５に、本発明の第二の実施形態に係るグレーティングカプラを示す。本実施形態のグレーティングカプラは、グレーティング部１０３において、溝が掘られていない部分の導波路の断面は、図６（ａ）に示すように、異なるコア幅を持つ複数の層からなるリブ型と呼ばれる形状になっている。より具体的には、広い幅のコアの上に狭い幅のコアが重なった、リブ型と呼ばれる形状になっている。上から、第１層、第２層と呼ぶことにする。なお、第１層は、導波路の表面を含む層であるので「表層」に相当する。一方、溝が掘られた部分の導波路断面は図６（ｂ）に示すように、第１層のみが欠損した形状となる。

言いかえれば、第１層および第２層からなる導波路全体の観点では、凹凸は導波路の全幅にわたるのではなく、中央付近に限り形成される（第１層の幅に等しい幅の溝が第１層のみに形成される）。

第１層の幅をｗ１、第２層の幅をｗ２とする。計算の結果、全エネルギーのうち、第１層に閉じ込められているエネルギーの割合は、ｗ１＝ｗ２＝６００ｎｍ、すなわち通常の矩形導波路の場合には２０．３％であったのに対し、ｗ１＝２００ｎｍ、ｗ２＝６００ｎｍとしたリブ導波路の場合には７．５％であった。このリブ導波路のモードを図７に示す。図７に示すように、エネルギーが第２層に強く局在し、モード形成に関して第１層の寄与分が少ないことがわかる。したがって、第１層に形成された複数の溝の１つの溝あたりの光の放射量は、第一の実施形態より少なくすることができ、結果として出力ビーム径が大きいグレーティングカプラが得られる。

第二の実施形態は、第一の実施形態と異なり、溝の長さを小さく製作しなくても、１つの溝あたりの光の放射量を小さくすることができるので、製造技術上の問題で狭い溝の作製が困難な場合でも、単位長さあたりの放射が少ないグレーティングカプラを実現できるという利点がある。また、複数の層のうち一部の層がモード形成に対して持つ寄与が少なければよいので、図８（ａ）に示すように、グレーティング部１０３を３層あるいはそれ以上の層からなるリブ導波路を用いて構成し、図８（ａ’）に示すように、第１層の幅に等しい幅の溝を形成しても良い。また、図８（ｂ）に示すように、グレーティング部１０３を２層あるいはそれ以上の層からなる導波路を用いて構成し、溝を掘らない部分では第一層の幅を第二層と同じにしておき、図８（ｂ’）に示すように、第１層の幅よりも狭い幅の凹状の断面を持つ溝を形成してもよい。このように凹型の断面を持つ溝を形成した場合も、１つの溝あたりの光の放射量を小さくすることができるので、図５や図８（ａ）および（ａ’）に示したグレーティング部と同様の効果が得られる。

（第三の実施形態）
図９に、本発明の第三の実施形態に係るグレーティングカプラを示す。本実施形態のグレーティングカプラは、グレーティング部１０３が２つの層を有するリブ型の導波路で構成され、溝が形成される第１層の導波路の幅ｗ１がｚ軸方向に変調されている。リブ導波路においては、第１層の幅を変えることによって、前述の、モード形成に関する第１層の寄与分を変調することが可能である。これによって、一つの溝あたりの放射割合をｚ軸方向の位置毎に異ならせることができる。

図１０は溝の長さａと溝の幅ｗ１によってどのように放射率Ｔが変化するかを示した図である。溝の長さａも溝の幅ｗ１も製造プロセスにおける制約上、下限が存在する。これを溝の長さの下限ａ_ｍｉｎ、溝の幅の下限ｗ１_ｍｉｎとした。また、溝の長さａの上限値は、一般に知られているように、溝の長さａが溝の周期ｄの１／２となるときであり、すなわちｄ／２であるから、溝の長さの上限をａ_ｍａｘ＝ｄ／２とおいた。第一の実施形態のグレーティングカプラはｗ１＝ｗ２の線に相当するから、点Ａから点Ｂまでの制御性しかなかったが、第２および第３の実施形態に係るグレーティングカプラによれば、点Ａから点Ｃまでを含む制御性が得られる。したがって、本願発明によれば、ｗ１＝ｗ２からｗ１＝ｗ１_ｍｉｎまで、任意のａ−Ｔ関係を溝ごとに付与することが可能となる。

したがって、溝の長さａの下限として同じａ_ｍｉｎを採用するとすれば本発明は点Ａから点Ｃまでの制御性が得られ、より広いダイナミックレンジで放射率Ｔを制御できる。また、もし従来と同様の放射率Ｔの制御範囲を得るとした場合には、図１０からわかるように、溝の長さａの下限値がａ_ｍｉｎからａ’_ｍｉｎになり、製造が容易になる。

１０１ 基板
１０２ 入力導波路
１０３ グレーティング部
１０４ 光ファイバ

Claims (5)

1. 基板上の光導波路の表層に溝が形成されたグレーティングカプラであり、前記光導波路内の前記溝が形成された領域で、前記光導波路を伝搬する光を該光導波路外において所望の波長分解能Δλで波長分離されるように出射するように構成された、または前記光導波路外を伝搬する波長分離された光を前記光導波路に結合するように構成された、前記グレーティングカプラであって、
   前記光導波路を伝搬する光を出射する溝の有効溝数Ｎの逆数が、前記所望の波長分解能Δλに比例するよう、λを動作波長、ｋをＮ個の溝が形成された領域の長さに対する前記出射する光の径の割合に関する比例定数として、１／Ｎ＜ｋΔλ／λを満たす、ことを特徴とするグレーティングカプラ。
2. 前記溝の幅が、前記光導波路の全幅よりも狭い、ことを特徴とする請求項１に記載のグレーティングカプラ。
3. 前記溝の幅が、前記光導波路の長手方向に対して変調されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載のグレーティングカプラ。
4. 前記光導波路は、異なる幅を持つ複数のコア層が重ねられた光導波路である、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のグレーティングカプラ。
5. 前記光導波路は、シリコン導波路である、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のグレーティングカプラ。