JP2015161829A - グレーティングカプラ - Google Patents

Abstract

【課題】製造上の困難を回避しながら、出力電界強度プロファイルの制御性が良いグレーティングカプラを提供する。
【解決手段】基板１０１上の光導波路１０３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において光導波路を伝搬する光と外へ出射するあるいは光導波路外を伝搬する光を光導波路１０３に結合するグレーティングカプラにおいて、光導波路１０３の表層に光導波路１０３の長手方向に繰り返し溝を形成し、溝の幅を、光導波路の幅よりも狭くした。
【選択図】図４

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して有利なグレーティングカプラに関する。

グレーティングカプラは、主にシリコン光導波路において、当該導波路と光ファイバと間の光の結合に用いられる。グレーティングは、光導波路の表面に形成された複数の溝(凹部)からなり、光導波路内を伝搬する光を基板上方へ光路変換する機能を持つ。グレーティングカプラは、光の入出力をチップ（基板）の端面に限らず、基板の面内のどこでも行えることが利点である。

図１に、グレーティングカプラの構造を示す。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）からなる。グレーティング部（１０３）は、溝が形成され導波路からなり、入力導波路（１０２）からグレーティング部（１０３）に向かって伝搬してきた光は、溝が形成された領域において上方へ光路変換される。図２はグレーティング部の側面図である。溝の深さを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。

原理は以下のとおりである。各溝において、光の一部が導波路外に放射する。すなわちグレーティング部全体では点光源列が形成され、多光束干渉が起こる。これによって波面の揃う特定の方向に向かって光が伝搬していく。

溝の長さａ、溝の深さｇを一定に作ると、溝一つあたりの光の放射割合は一定となり、この場合、グレーティングカプラからの出力光の強度プロファイルは指数関数形状となる。一方、光ファイバのモードプロファイルはおよそガウシアン形状であるから、この差がグレーティングカプラと光ファイバとの間の光の結合率の低下につながる。

この問題を解消するために、溝の長さａや溝の深さｇを、溝の位置によって異なるように設計し、放射率を制御することによって出力強度プロファイルを光ファイバのモードと近くなるように設計することが行われてきた（例えば、非特許文献１参照）。

Bates K.A. et al. "Gaussian beams from variable groove depth grating couplers in planar waveguides," APPLIED OPTICS, Vol.32, No.12, pp.2112-2116, 1993年4月20日 Chao Li et al. "CMOS-compatible high efficiency double-etched apodized waveguide grating coupler," OPTICS EXPRESS, Vol.21, No.7, pp.7868-7874, 2013年4月8日

上記の従来方法（溝の長さａや溝の深さｇが溝の位置によって異なるように設計することで放射率を制御する方法）により所望のビームプロファイルを得ようとした場合、ごくわずかだけ光を放射させるために、極めて短い（ａが小さい）溝を形成する必要があるという困難があった。これを、図３（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。本図は素子の長手方向（ｚ軸）に対する光の放射率の分布と、グレーティング直上に形成される電界の関係を示した図である。放射率が一定の場合（図３（ａ））は、電界強度分布は指数関数分布（図３（ｂ））となり、前述のようにファイバとの結合率が低くなる。一方、非特許文献１に説明されているように、溝の位置によって溝の長さａや溝の深さｇを異なるように設計して放射率を図３（ｃ）に示すような分布にすると、図３（ｄ）に示すようにガウシアン分布の電界強度分布が得られる。このとき、図３（ｃ）において破線で示したように、図３（ａ）に示した放射率よりも低い放射率の部分が必要である。

非特許文献２では、溝長さａを最小で５０ｎｍほどに設計している。これを実現するためには、最先端のリソグラフィ技術が必要である。また、非特許文献２では溝の深さｇも調整することでさらに小さな放射率を得ているが、これにも複雑なプロセス工程が必要である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、製造上の困難を回避しながら、出力電界強度プロファイルの制御性が良いグレーティングカプラを提供するものである。

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へ出射する。あるいは、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、該光導波路外を伝搬する光を該光導波路に結合する。

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、前記光導波路の幅よりも狭い、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、グレーティングカプラの光導波路のうち溝が形成された部分のモード形成に対する寄与を少なくすることで、１つの溝あたりの放射率を小さくでき、これにより製造上の困難を回避しながら、出力電界強度プロファイルの制御性が良いグレーティングカプラを提供することが可能となる。

従来の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。 放射率の長手方向分布とグレーティング直上電界強度分布の関係を表す図であり、（ａ）および（ｃ）は放射率の長手方向分布を表す図であり、（ｂ）および（ｄ）は、（ａ）および（ｃ）の放射率に対応する、電界強度分布を表す図である。 本発明の第一の実施形態である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を示す斜視図である。 図４の第一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’）は第一の実施形態のグレーティング部における、溝が掘られている部分の導波路の断面図である。 図５（ａ）に示す断面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。 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と放射率Ｔ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間隔ｄやそれぞれの溝長さａ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（１０２）およびグレーティング部（１０３）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４に、本発明の第一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のグレーティング１０３において、溝が掘られていない部分の導波路断面は、図５（ａ）に示すように、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単に「表層」とも呼ぶ。一方、溝が掘られた部分の導波路断面は図５（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）。

このようなリブ導波路を採用する理由は、第１層がモード形成に対して持つ寄与を少なくすることで、溝一つあたりの光の放射率を小さくすることにある。

第１層の幅をｗ_１、第２層の幅をｗ_２とする。モードソルバ（光のモードをシミュレーションするソフトウェア）を用いて数値計算を行った結果、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、ｗ_１＝ｗ_２＝６００ｎｍ、すなわちリブ型でない通常の矩形導波路の場合には２０．３％であったのに対し、ｗ_１＝２００ｎｍ、ｗ_２＝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６に示す。このように、リブ導波路においては、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、本実施形態のグレーティングカプラによれば、従来のグレーティングカプラと異なり、溝の長さａをきわめて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、所望の電界形状を作り出すことが容易になる。

また、溝の有無がモードに対して与える影響が少なければよいので、図７のような構造でもよい。すなわち、図７（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７（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よい。また、図７（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７（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４や図７（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。

（第二の実施形態）
次に、図８を参照して、第二の実施形態を説明する。第二の実施形態では、グレーティング部１０３は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ｗ_１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方向の位置毎に異ならせることができる。

図９は、溝の長さａと溝の幅ｗ_１によってどのように放射率Ｔが変化するかを模式的に示した図である。当然ながら、溝の長さａも溝の幅ｗ_１も製造技術の制約上、下限が存在する。これを溝の長さの下限をａ_ｍｉｎ、溝の幅の下限をｗ_１ｍｉｎとおいた。また、放射率Ｔが最も大きくなる溝の長さａ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。

従来のグレーティングカプラはｗ_１＝ｗ_２であるから、図９において点Ａから点Ｂまでの制御性しかないが、本実施形態では、ｗ_１＝ｗ_２からｗ_１＝ｗ_１ｍｉｎまでの範囲で、溝ごとに任意のｄ−Ｔ関係を付与できる。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、本発明により点Ａから点Ｃまでの放射率Ｔの制御範囲が得られる。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、溝の長さａの下限値がａ_ｍｉｎからａ’_ｍｉｎに緩和されるため、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

Claims (4)

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へ出射する、または前記光導波路外を伝搬する光を前記光導波路に結合する、前記グレーティングカプラであって、
   前記溝は、前記光導波路の表層に、前記光導波路の長手方向に繰り返し形成され、前記溝の幅は、前記光導波路の幅よりも狭い、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に記載のグレーティングカプラ。
3. 前記光導波路は、異なる幅を有する複数のコア層が重ねられた光導波路である、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、シリコン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。