JP2016156928A - Spot size converter - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spot size converter with a simple structure.SOLUTION: The spot size converter comprises a first waveguide core 1 and a second waveguide core 2 and has a first configuration area, a second configuration area and a third configuration area which are sequentially set. Waveguide directions (z-axis directions) of the first waveguide core and the second waveguide core are arranged in parallel with each other. The first waveguide core 1 is formed in the first configuration area and the second waveguide core 2 is formed over the whole area including the first configuration area, the second configuration area and the third configuration area. The first waveguide core 1 includes a taper structure area 1-T in which the width of the core becomes narrower toward the second configuration area and a second waveguide core 2-2 included in the second configuration area is defined as a taper structure area 2-T in which the width of the core becomes narrower as separated from the first configuration area. The first waveguide core 1 and the second waveguide core 2 are sandwiched between a lower clad layer 4 and an upper clad layer 3.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、入力光のモードフィールド径を拡大又は縮小して出力させるスポットサイズ変換器に関する。   The present invention relates to a spot size converter that outputs an enlarged or reduced mode field diameter of input light.

近年、光配線層としての機能を果たす光導波路が形成されたSOI(Silicon on Insulator)基板に、GaAsあるいはInP等の化合物半導体をハイブリッド集積し、光トランシーバ等の機能素子を実現する技術が注目されている。このような機能素子においては、当該機能素子への光入力信号あるいは当該機能素子からの光出力信号を導波する光導波路と、光ファイバ等の外部の光導波路(あるいは光学素子)を結合させるためのスポットサイズ変換器が必要とされる。   In recent years, attention has been focused on technology that realizes functional elements such as optical transceivers by hybrid integration of compound semiconductors such as GaAs or InP on SOI (Silicon on Insulator) substrates on which optical waveguides that function as optical wiring layers are formed. ing. In such a functional element, an optical waveguide for guiding an optical input signal to the functional element or an optical output signal from the functional element is coupled with an external optical waveguide (or optical element) such as an optical fiber. Spot size converters are required.

SOI基板に形成されている光導波路と半導体レーザ等の外部光学素子とを結合させるスポットサイズ変換器として、導波路幅が導波方向にテーパ状に変化させたテーパ型シリコン細線導波路から成るスポットサイズ変換器を利用するのが好適である。そして、SOI基板上に形成されている光導波路と外部素子との結合効率が高いほど望ましい。   As a spot size converter for coupling an optical waveguide formed on an SOI substrate with an external optical element such as a semiconductor laser, a spot made of a tapered silicon fine wire waveguide whose waveguide width is changed in a tapered shape in the waveguide direction It is preferred to use a size converter. The higher the coupling efficiency between the optical waveguide formed on the SOI substrate and the external element, the better.

SOI基板上に形成された光導波路と光学素子との互いの入出力光を、高効率で光結合させるために利用される好適なスポットサイズ変換器が幾つか開示されている。例えば、テーパ型シリコン細線導波路とそのテーパ部から染み出した光を捕獲する導波路コア(ポリマーコア)を備えたスポットサイズ変換器が開示されている(非特許文献1参照)。また、偏波依存性を低減するためにテーパ型シリコン細線導波路に幅方向だけでなく、縦方向(導波路の厚み方向)に対してもテーパ状に構成し、かつ、10μmまでスポットサイズを拡大するため10μm厚のリブ構造の導波路コアを用いたスポットサイズ変換器が開示されている(非特許文献2参照)。また、導波路コアを先細りテーパ構造にし、かつリブ型の導波路コアでスポットサイズを10μm程度まで拡大する構造が提案されている(特許文献1参照)。   Several suitable spot size converters used for optically coupling the input / output light between the optical waveguide and the optical element formed on the SOI substrate with high efficiency are disclosed. For example, a spot size converter including a tapered silicon fine wire waveguide and a waveguide core (polymer core) that captures light that has oozed out from the tapered portion is disclosed (see Non-Patent Document 1). In addition, in order to reduce polarization dependence, the tapered silicon wire waveguide is configured not only in the width direction but also in the longitudinal direction (thickness direction of the waveguide), and the spot size can be reduced to 10 μm. In order to enlarge, a spot size converter using a waveguide core having a rib structure with a thickness of 10 μm is disclosed (see Non-Patent Document 2). Further, a structure has been proposed in which the waveguide core is tapered and the spot size is increased to about 10 μm with a rib-type waveguide core (see Patent Document 1).

T. Shoji, et al., “Low loss mode size converter from 0.3 μm square Si wire waveguides to single mode fibres”, Electronics Letters Volume 38, Issue 25 pp. 1669〜1670 (2002).T. Shoji, et al., “Low loss mode size converter from 0.3 μm square Si wire waveguides to single mode fibers”, Electronics Letters Volume 38, Issue 25 pp. 1669-1670 (2002). M. Tokushima, et al., “Dual-Tapered 10-μm-Spot-Size Converter with Double Core for Coupling Polarization-Independent Silicon Rib Waveguides to Single-Mode Optical Fibers”, Applied Physics Express 5, pp.022202-1〜022202-3 (2012).M. Tokushima, et al., “Dual-Tapered 10-μm-Spot-Size Converter with Double Core for Coupling Polarization-Independent Silicon Rib Waveguides to Single-Mode Optical Fibers”, Applied Physics Express 5, pp.022202-1〜 022202-3 (2012).

特開2013−231753号公報JP 2013-231753 A

しかしながら、上述の非特許文献1に記載のスポットサイズ変換器は、シリコン素材等の無機材料の他にポリマー材料という有機材料を必要とする。また、非特許文献2に記載の2重コアを用いたスポットサイズ変換器においては、そのスポットサイズは導波路コアの断面寸法で決まるため、導波路コアの断面寸法は10μm角程度とシリコン細線導波路に比べて大きく、また段差加工に対応した成膜やエッチング工程などの追加プロセスが必要となり作製プロセスが複雑になる。特許文献1に記載の3重コア(第1〜第3コア)を用いたスポットサイズ変換器においても、先細りテーパ構造の第2コア厚が3μm、リブ型の第3コア厚が4μm程度であり、比較的大きな段差が生じるため、やはり段差加工に対応したプロセスが必要となる。これらの追加プロセスは、他の集積素子へダメージを与えたり、高い段差形状が生じたりするため、他の機能素子との集積プロセスにおいて、プロセスの整合性が問題となる。   However, the spot size converter described in Non-Patent Document 1 described above requires an organic material called a polymer material in addition to an inorganic material such as a silicon material. Further, in the spot size converter using the double core described in Non-Patent Document 2, the spot size is determined by the cross-sectional dimension of the waveguide core. Therefore, the cross-sectional dimension of the waveguide core is about 10 μm square, which is a silicon thin wire conductor. It is larger than the waveguide and requires additional processes such as film formation and etching process corresponding to the step processing, and the manufacturing process becomes complicated. In the spot size converter using the triple core (first to third cores) described in Patent Document 1, the second core thickness of the tapered structure is about 3 μm, and the third core thickness of the rib type is about 4 μm. Since a relatively large level difference is generated, a process corresponding to level difference processing is also required. In these additional processes, other integrated elements are damaged or a high step shape is generated. Therefore, in the integration process with other functional elements, process consistency becomes a problem.

本願の発明者は、上述の非特許文献1に開示されたスポットサイズ変換器が備えるポリマー素材で形成される導波路コア、及び、特許文献1に開示されたスポットサイズ変換器が備えているリブ型の導波路コアに相当する構成要素を用いずに、また、非特許文献2に開示されたスポットサイズ変換器で必要とされる段差加工を必要としない、より簡便な構造のスポットサイズ変換器が実現されることを、シミュレーション解析によって見出した。すなわち、本願発明は、上述の先行技術文献に開示されたスポットサイズ変換器よりも構造が簡便なスポットサイズ変換器を提供することを目的とする。   The inventor of the present application includes a waveguide core formed of a polymer material provided in the spot size converter disclosed in Non-Patent Document 1 and a rib provided in the spot size converter disclosed in Patent Document 1. A spot size converter with a simpler structure that does not require a step corresponding to the spot size converter disclosed in Non-Patent Document 2 without using a component corresponding to the type of waveguide core. It was found by simulation analysis that this is realized. That is, an object of the present invention is to provide a spot size converter having a simpler structure than the spot size converter disclosed in the above-mentioned prior art document.

この発明の要旨によれば、以下の特徴を具えている。   According to the gist of the present invention, the following features are provided.

本願発明のスポットサイズ変換器の基本構成は、第1導波路コアと第2導波路コアを備えている。そして、第1及び第2導波路コアの導波方向に、順次第1構成領域、第2構成領域が設定されている。第1導波路コアは第1構成領域に形成されており、第2導波路コアは、第1構成領域、第2構成領域の全域にわたって形成されている。また、第1導波路コアと第2導波路コアは、これら両導波路コアの厚み方向に、第1導波路コアの対称中心と第2導波路コアの対称中心とが重なるように、かつ第1導波路コアの導波方向と第2導波路コアの導波方向は互いに平行になるように積み重ねて配置されている。第1及び第2構成領域に加えて更に第3構成領域を加えてもよい。この場合、第2導波路コアは、第1構成領域、第2構成領域、第3構成領域の全域にわたって形成される。   The basic configuration of the spot size converter of the present invention includes a first waveguide core and a second waveguide core. Then, a first configuration region and a second configuration region are sequentially set in the waveguide direction of the first and second waveguide cores. The first waveguide core is formed in the first configuration region, and the second waveguide core is formed over the entire first configuration region and second configuration region. Further, the first waveguide core and the second waveguide core are arranged such that the symmetry center of the first waveguide core and the symmetry center of the second waveguide core overlap in the thickness direction of both the waveguide cores. The waveguide direction of the first waveguide core and the waveguide direction of the second waveguide core are arranged so as to be parallel to each other. In addition to the first and second configuration regions, a third configuration region may be further added. In this case, the second waveguide core is formed over the entire first configuration region, second configuration region, and third configuration region.

第1導波路コアは、第2構成領域に向かって当該コアの幅が狭まるテーパ構造領域を含んでおり、第2導波路コアの第2構成領域に含まれる部分は、第1構成領域から離れるにしたがって当該コアの幅が狭まるテーパ構造領域とされている。   The first waveguide core includes a tapered structure region in which the width of the core decreases toward the second configuration region, and a portion included in the second configuration region of the second waveguide core is separated from the first configuration region. Accordingly, a tapered structure region in which the width of the core is narrowed.

第1構成領域では、第1導波路コアと第2導波路コアを含み、第1構成領域では、第1導波路コアを伝搬する伝搬光と第2導波路コアを伝搬する伝搬光とが互いのエバネッセント場を介して光結合される。第2構成領域では、入力光のモードフィールド径が第1構成領域から離れるにしたがって拡大され、第3構成領域では、第2構成領域から出力される伝搬光が外部に導かれ、あるいは外部から入力される光が第2構成領域に導かれる。   The first configuration region includes a first waveguide core and a second waveguide core. In the first configuration region, propagating light propagating through the first waveguide core and propagating light propagating through the second waveguide core are mutually transmitted. Are coupled via the evanescent field. In the second configuration area, the mode field diameter of the input light is increased as the distance from the first configuration area increases. In the third configuration area, the propagation light output from the second configuration area is guided to the outside or input from the outside. Light is guided to the second component region.

本願発明のスポットサイズ変換器は、上述の基本構成に対して、更に、下部クラッド層、及び上部クラッド層を加えた構成とすることができる。この場合、第1導波路コアの屈折率より第2導波路コアの屈折率が小さく、下部クラッド層及び上部クラッド層の屈折率は、第2導波路コアの屈折率より小さく設定する。そして、第1構成領域を、下部クラッド層、第1導波路コア、第2導波路コア、上部クラッド層の順に積層させて構成し、第2構成領域を、下部クラッド層、第2導波路コア、上部クラッド層の順に積層させて構成し、第3構成領域を、下部クラッド層、第2導波路コア、上部クラッド層の順に積層させて構成する。   The spot size converter of the present invention can be configured by further adding a lower cladding layer and an upper cladding layer to the above basic configuration. In this case, the refractive index of the second waveguide core is smaller than the refractive index of the first waveguide core, and the refractive indexes of the lower cladding layer and the upper cladding layer are set smaller than the refractive index of the second waveguide core. The first component region is configured by laminating the lower cladding layer, the first waveguide core, the second waveguide core, and the upper cladding layer in this order, and the second component region is configured by the lower cladding layer and the second waveguide core. The third clad region is constructed by laminating the lower clad layer, the second waveguide core, and the upper clad layer in this order.

また、本願発明のスポットサイズ変換器は、上述の基本構成に対して、更に、第1下部クラッド層、第2下部クラッド層、及び上部クラッド層を加えた構成とすることもできる。この場合、第1導波路コアの屈折率より第2導波路コアの屈折率が小さく、第1下部クラッド層、第2下部クラッド層、及び上部クラッド層の屈折率は、第2導波路コアの屈折率より小さく設定する。そして、第1構成領域を、第1下部クラッド層、第1導波路コア、第2下部クラッド層、第2導波路コア、上部クラッド層の順に積層させて構成し、第2構成領域を、第1下部クラッド層、第2下部クラッド層、第2導波路コア、上部クラッド層の順に積層させて構成し、第3構成領域を、第1下部クラッド層、第2下部クラッド層、第2導波路コア、上部クラッド層の順に積層させて構成する。   In addition, the spot size converter of the present invention can be configured such that a first lower cladding layer, a second lower cladding layer, and an upper cladding layer are further added to the basic configuration described above. In this case, the refractive index of the second waveguide core is smaller than the refractive index of the first waveguide core, and the refractive indices of the first lower cladding layer, the second lower cladding layer, and the upper cladding layer are the same as those of the second waveguide core. Set smaller than the refractive index. The first component region is configured by laminating the first lower cladding layer, the first waveguide core, the second lower cladding layer, the second waveguide core, and the upper cladding layer in this order, and the second component region is The first lower clad layer, the second lower clad layer, the second waveguide core, and the upper clad layer are laminated in this order, and the third constituent region is composed of the first lower clad layer, the second lower clad layer, and the second waveguide. The core and the upper cladding layer are laminated in this order.

第2導波路コアの第3構成領域に含まれる部分は、当該コア幅が一定の均一幅導波路とすることも、あるいは周期的にセグメント化されたコアを直列に配置して形成されるセグメント導波路とすることも可能である。   The portion included in the third component region of the second waveguide core may be a uniform-width waveguide having a constant core width, or a segment formed by arranging periodically segmented cores in series. It can also be a waveguide.

この発明の要旨のスポットサイズ変換器によれば、後述するシミュレーション結果に示されるように、実用上支障のない程度に光損失を小さくすることができる。すなわち、SOI基板に形成された光トランシーバ等の機能素子へ外部から光信号を入力させる際、あるいは当該機能素子からの光出力信号を導波する光導波路と光ファイバ等の外部の光導波路を結合させる際に利用して好適なスポットサイズ変換器を提供できる。   According to the spot size converter of the gist of the present invention, as shown in a simulation result to be described later, the optical loss can be reduced to the extent that there is no practical problem. In other words, when an optical signal is input from the outside to a functional element such as an optical transceiver formed on an SOI substrate, or an optical waveguide that guides an optical output signal from the functional element and an external optical waveguide such as an optical fiber are coupled. It is possible to provide a spot size converter that is suitable for use.

第1のスポットサイズ変換器の概略的構成を示す図であり、(A)はx-z面を示す概略的平面図、(B)は(A)に示す一点破線(I-I)で示した位置で切断したy-z面を示す概略的断面構造図である。It is a figure which shows schematic structure of a 1st spot size converter, (A) is a schematic plan view which shows xz surface, (B) is cut | disconnected in the position shown with the dashed-dotted line (II) shown to (A) 2 is a schematic cross-sectional structure diagram showing a yz plane. 第1のスポットサイズ変換器の他の形態の概略的構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the other form of a 1st spot size converter. 第2のスポットサイズ変換器の概略的構成を示す図であり、(A)はx-z面を示す平面図、(B)は第1構成領域で第1導波路コアの存在する位置でのx-y面を示す概略的断面構造図であり、(C)は(A)に示す一点破線(II-II)で示した位置で切断したy-z面を示す概略的断面構造図であり、(D)は第3構成領域でのx-y面を示す概略的断面構造図である。It is a figure which shows schematic structure of a 2nd spot size converter, (A) is a top view which shows xz surface, (B) is xy plane in the position where a 1st waveguide core exists in a 1st structure area | region. (C) is a schematic cross-sectional structure diagram showing the yz plane cut at the position indicated by the dashed line (II-II) shown in (A), (D) is the first FIG. 3 is a schematic cross-sectional structure diagram showing an xy plane in three constituent regions. 第1のスポットサイズ変換器のa〜dで示す各位置における伝搬光のTE波成分及びTM波成分のビームスポットの様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the beam spot of the TE wave component and TM wave component of the propagation light in each position shown by ad of a 1st spot size converter. モードミスマッチ損失を求める方法の説明に供する図である。It is a figure where it uses for description of the method of calculating | requiring mode mismatch loss. 第1のスポットサイズ変換器の第2導波路コアの厚みをパラメータにして、第1構造領域における第2導波路コアの幅に対するモードミスマッチ損失の関係の説明に供する図である。It is a figure where it uses for the thickness of the 2nd waveguide core of a 1st spot size converter as a parameter, and it uses for description of the relationship of the mode mismatch loss with respect to the width | variety of the 2nd waveguide core in a 1st structure area | region. 第1のスポットサイズ変換器の第2導波路コアの厚みをパラメータにして、第2構成領域の第2導波路コアの導波方向の長さがモードミスマッチ損失に与える影響についての説明に供する図である。The figure which uses for the thickness of the 2nd waveguide core of a 1st spot size converter as a parameter, and uses for the description about the influence which the length of the waveguide direction of the 2nd waveguide core of a 2nd structure area has on a mode mismatch loss It is. シリコン基板への放射損失を考慮して求めた、第1のスポットサイズ変換器のa〜dで示す各位置における伝搬光のTE波成分及びTM波成分のビームスポットの様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the beam spot of the TE wave component and TM wave component of the propagation light in each position shown by ad of the 1st spot size converter calculated | required in consideration of the radiation loss to a silicon substrate. 第3構成領域の第2導波路コアをセグメント導波路とした場合のシミュレーション結果の説明に供する図である。It is a figure where it uses for description of the simulation result at the time of making the 2nd waveguide core of a 3rd structure area into a segment waveguide. 第3構成領域の第2導波路コアをセグメント導波路とした場合の等価特性及び反射特性についての説明に供する図である。It is a figure where it uses for description about the equivalent characteristic and reflection characteristic at the time of making the 2nd waveguide core of a 3rd structure area into a segment waveguide.

以下、図を参照して、本願発明の実施形態につき説明する。なお、本願発明のスポットサイズ変換器の概略的構成を示す各図は、この発明の実施形態に係る一構成例を示すものであり、この発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の構成素材及び設計条件等を用いることがあるが、これら構成素材及び設計条件等は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。また、各図において同様の構成要素については、同一の番号を付して示し、その重複する説明を省略することもある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Each diagram showing a schematic configuration of the spot size converter of the present invention shows one configuration example according to the embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the illustrated example. In the following description, specific constituent materials, design conditions, and the like may be used. However, these constituent materials, design conditions, and the like are only suitable examples, and are not limited to these. Moreover, in each figure, the same component is shown with the same number, and the overlapping description may be omitted.

<第1のスポットサイズ変換器>
図1(A)及び(B)を参照して、第1のスポットサイズ変換器の構成について説明する。図1は、第1のスポットサイズ変換器の概略的構成を示す図である。ここで、説明の便宜上、図1に示すように、導波方向をz軸方向とし、導波路の幅方向をx軸方向、導波路の厚み方向をy軸方向と定義する。(A)はx-z面を示す概略的平面図、(B)は(A)に示す一点破線(I-I)で示した位置で切断したy-z面を示す概略的断面構造図である。
<First spot size converter>
With reference to FIGS. 1A and 1B, the configuration of the first spot size converter will be described. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a first spot size converter. Here, for convenience of explanation, as shown in FIG. 1, the waveguide direction is defined as the z-axis direction, the width direction of the waveguide is defined as the x-axis direction, and the thickness direction of the waveguide is defined as the y-axis direction. (A) is a schematic plan view showing an xz plane, and (B) is a schematic cross-sectional structure diagram showing a yz plane cut at a position indicated by a dashed line (II) shown in (A).

第1のスポットサイズ変換器は、シリコン基板10上に形成され、第1導波路コア1と第2導波路コア2(2-1、2-2、2-3)を備えている。ここで、図1に示すように、第1導波路コア1と第2導波路コア2の導波方向(z軸方向)に、第1構成領域、第2構成領域、第3構成領域を順次設定する。   The first spot size converter is formed on a silicon substrate 10 and includes a first waveguide core 1 and a second waveguide core 2 (2-1, 2-2, 2-3). Here, as shown in FIG. 1, the first component region, the second component region, and the third component region are sequentially arranged in the waveguide direction (z-axis direction) of the first waveguide core 1 and the second waveguide core 2. Set.

第1導波路コア1は第1構成領域に形成されており、第2導波路コア2は、第1構成領域、第2構成領域、第3構成領域の全域にわたって形成されている。図1では、第2導波路コア2のうち第1構成領域に含まれる部分を第2導波路コア2-1と示し、第2構成領域に含まれる部分を第2導波路コア2-2と示し、第3構成領域に含まれる部分を第2導波路コア2-3と示してある。第2導波路コア2は、第1〜第3構成領域にわたって当該導波路の上面(第2導波路コア2の上部クラッド層3と接する面)は平坦に形成されている。   The first waveguide core 1 is formed in the first configuration region, and the second waveguide core 2 is formed throughout the first configuration region, the second configuration region, and the third configuration region. In FIG. 1, a portion included in the first configuration region of the second waveguide core 2 is indicated as a second waveguide core 2-1, and a portion included in the second configuration region is indicated as a second waveguide core 2-2. The portion included in the third configuration region is shown as a second waveguide core 2-3. The second waveguide core 2 has a flat upper surface (a surface in contact with the upper cladding layer 3 of the second waveguide core 2) over the first to third constituent regions.

第1導波路コア1と第2導波路コア2は、これら両導波路コアの厚み方向に、第1導波路コア1の対称中心と第2導波路コア2の対称中心とが重なるように、かつ第1導波路コア1の導波方向と第2導波路コア2の導波方向は互いに平行になるように積み重ねて配置されている。   The first waveguide core 1 and the second waveguide core 2 are arranged such that the symmetry center of the first waveguide core 1 and the symmetry center of the second waveguide core 2 overlap in the thickness direction of both the waveguide cores. In addition, the waveguide direction of the first waveguide core 1 and the waveguide direction of the second waveguide core 2 are arranged so as to be parallel to each other.

第1導波路コア1は、第2構成領域に向かって当該コアの幅が狭まるテーパ構造領域1-Tを含んでおり、第2構成領域に含まれる第2導波路コア2-2は、第1構成領域から離れるにしたがって当該コアの幅が狭まるテーパ構造領域2-Tとされている。第3構成領域に含まれる第2導波路コア2-3は、導波路幅が一定の均一幅導波路として形成されている。   The first waveguide core 1 includes a tapered structure region 1-T in which the width of the core decreases toward the second configuration region. The second waveguide core 2-2 included in the second configuration region includes A taper structure region 2-T in which the width of the core is narrowed as the distance from the one component region is increased. The second waveguide core 2-3 included in the third configuration region is formed as a uniform waveguide having a constant waveguide width.

第1構成領域は、第1導波路コア1と第2導波路コア2-1を含んでいる。第1構成領域では、第1導波路コア1を伝搬する伝搬光と第2導波路コア2-1を伝搬する伝搬光とが互いのエバネッセント場を介して光結合される。第2構成領域は第2導波路コア2-2を含んでいる。第2構成領域では、第2導波路コア2-2によって、入力光のモードフィールド径が第3構成領域に近づくにつれて拡大される。第3構成領域は、第2導波路コア2-3を含んでいる。第3構成領域では、第2導波路コア2-3によって第2構成領域から出力される伝搬光が外部に導かれ、あるいは外部から入力される光が第2構成領域に導かれる。   The first component region includes a first waveguide core 1 and a second waveguide core 2-1. In the first configuration region, the propagation light propagating through the first waveguide core 1 and the propagation light propagating through the second waveguide core 2-1 are optically coupled via each other's evanescent field. The second component region includes the second waveguide core 2-2. In the second configuration region, the mode field diameter of the input light is enlarged by the second waveguide core 2-2 as it approaches the third configuration region. The third component region includes the second waveguide core 2-3. In the third configuration region, propagating light output from the second configuration region is guided to the outside by the second waveguide core 2-3, or light input from the outside is guided to the second configuration region.

第1導波路コア1及び第2導波路コア2(2-1、2-2、2-3)は、下部クラッド層4と上部クラッド層3に挟まれている。このような構成とした場合、第1導波路コア1の屈折率より第2導波路コア2の屈折率が小さく、下部クラッド層4及び上部クラッド層3の屈折率は、第2導波路コア2の屈折率より小さく設定する。そして、第1構成領域は、下部クラッド層4、第1導波路コア1、第2導波路コア2-1、上部クラッド層3の順に積層させて構成されており、第2構成領域は、下部クラッド層4、第2導波路コア2-2、上部クラッド層3の順に積層させて構成されており、第3構成領域は、下部クラッド層4、第2導波路コア2-3、上部クラッド層3の順に積層させて構成されている。   The first waveguide core 1 and the second waveguide core 2 (2-1, 2-2, 2-3) are sandwiched between the lower cladding layer 4 and the upper cladding layer 3. In such a configuration, the refractive index of the second waveguide core 2 is smaller than the refractive index of the first waveguide core 1, and the refractive indexes of the lower cladding layer 4 and the upper cladding layer 3 are the second waveguide core 2. Set to be smaller than the refractive index of. The first constituent region is formed by laminating the lower clad layer 4, the first waveguide core 1, the second waveguide core 2-1, and the upper clad layer 3 in this order. The clad layer 4, the second waveguide core 2-2, and the upper clad layer 3 are laminated in this order. The third constituent region is the lower clad layer 4, the second waveguide core 2-3, and the upper clad layer. The layers are stacked in the order of 3.

第1導波路コア1はシリコン素材で形成されるシリコンコアとすることが好適である。第2導波路コア2(2-1、2-2、2-3)、下部クラッド層4、及び上部クラッド層3は、シリコンよりも屈折率の小さい酸化シリコン(SiOx)素材で形成することができ、それぞれの屈折率は、酸化シリコン材の酸素含有量(SiOx)のxの値を調整することによって、適宜設定することが可能である。このxの値の調整は、これらの部分を構成させるために利用する化学気相成長(CVD: Chemical Vapor Deposition)装置等において、酸化シリコン層の形成条件を決定するパラメータを調整することで実現される。   The first waveguide core 1 is preferably a silicon core formed of a silicon material. The second waveguide core 2 (2-1, 2-2, 2-3), the lower cladding layer 4, and the upper cladding layer 3 may be formed of a silicon oxide (SiOx) material having a refractive index smaller than that of silicon. Each refractive index can be appropriately set by adjusting the value of x of the oxygen content (SiOx) of the silicon oxide material. This adjustment of the value of x is realized by adjusting parameters that determine the formation conditions of the silicon oxide layer in a chemical vapor deposition (CVD) apparatus used to configure these parts. The

第1導波路コア1、第2導波路コア2(2-1、2-2、2-3)の形状及び屈折率、並びに下部クラッド層4、及び上部クラッド層3の厚み及び屈折率は、第1のスポットサイズ変換器と結合させる光ファイバを伝搬する光あるいは外部光源の出力光のモードフィールド径等から決定される。すなわち、スポットサイズの拡大あるいは縮小率の条件、及びこのスポットサイズ変換器において発生する光量損失等許容値等を勘案して決定される。   The shape and refractive index of the first waveguide core 1 and the second waveguide core 2 (2-1, 2-2, 2-3), and the thickness and refractive index of the lower cladding layer 4 and the upper cladding layer 3 are: It is determined from the mode field diameter of the light propagating through the optical fiber to be coupled with the first spot size converter or the output light of the external light source. That is, it is determined in consideration of the conditions for the enlargement / reduction ratio of the spot size and the allowable value such as the light amount loss generated in the spot size converter.

図1において、第1導波路コア1の左端を入力ポートとして、スポットサイズ被変換光を入力させると、第1導波路コア1を基本伝搬モードで伝搬する伝搬光が徐々に第2導波路コア2-1に浸み出していき、最終的に第2導波路コア2-1の基本伝搬モードに結合される。すなわち、第1構成領域において、第1導波路コア1を伝搬する伝搬光と第2導波路コア2-1を伝搬する伝搬光とが互いのエバネッセント場を介して光結合される。第2導波路コア2-2を伝搬する伝搬光は、第2構成領域に含まれるテーパ構造領域2-Tを伝搬中にスポットサイズ(モードフィールド径)が拡大される。   In FIG. 1, when spot-size converted light is input using the left end of the first waveguide core 1 as an input port, the propagating light propagating through the first waveguide core 1 in the basic propagation mode gradually becomes the second waveguide core. It oozes out to 2-1 and is finally coupled to the fundamental propagation mode of the second waveguide core 2-1. That is, in the first configuration region, the propagating light propagating through the first waveguide core 1 and the propagating light propagating through the second waveguide core 2-1 are optically coupled via each other's evanescent field. The propagating light propagating through the second waveguide core 2-2 has an enlarged spot size (mode field diameter) while propagating through the tapered structure region 2-T included in the second constituent region.

第2導波路コア2(2-1、2-2、2-3)は、下部クラッド層4の上面上に構成されている。そして、第2導波路コア2-3(図1では第2導波路コア2-3の左端)におけるモードフィールド径とほぼ等しいモードフィールド径の出力光が、第2導波路コア2-3の出力端(図1では第2導波路コア2-3の右端)を出力ポートとして外部に出力される。このように、モードフィールド径の小さな入力光が第1導波路コア1に入力されると、モードフィールド径が拡大されて第2導波路コア2-3の出力端(出力ポート)から出力される。この出力光は、第2導波路コア2-3の出力端の後段に配置される、光ファイバ等に光量損失をあまり発生させないで入力させることができる。   The second waveguide core 2 (2-1, 2-2, 2-3) is formed on the upper surface of the lower cladding layer 4. Then, output light having a mode field diameter substantially equal to the mode field diameter in the second waveguide core 2-3 (the left end of the second waveguide core 2-3 in FIG. 1) is output from the second waveguide core 2-3. An end (the right end of the second waveguide core 2-3 in FIG. 1) is output to the outside as an output port. Thus, when input light with a small mode field diameter is input to the first waveguide core 1, the mode field diameter is enlarged and output from the output end (output port) of the second waveguide core 2-3. . This output light can be input without causing much light loss in an optical fiber or the like disposed at the subsequent stage of the output end of the second waveguide core 2-3.

もちろん、第2導波路コア2-3の右端を入力ポートとし、第1導波路コア1の左端を出力ポートとして、モードフィールド径が大きな入力光を第2導波路コア2-3の右端から入力させ、モードフィールド径を縮小させて、第1導波路コア1の左端から出力させることも可能である。   Of course, the right end of the second waveguide core 2-3 is used as an input port, the left end of the first waveguide core 1 is used as an output port, and input light having a large mode field diameter is input from the right end of the second waveguide core 2-3. It is also possible to reduce the mode field diameter and output from the left end of the first waveguide core 1.

また、図2(A)及び(B)に示すように、第3構成領域に含まれる第2導波路コア2-3を、周期的にセグメント化されたコアを直列に配置して形成されるセグメント導波路として形成することも可能である。   Further, as shown in FIGS. 2A and 2B, the second waveguide core 2-3 included in the third configuration region is formed by arranging periodically segmented cores in series. It can also be formed as a segmented waveguide.

第3構成領域に含まれる第2導波路コア2-3をセグメント導波路とすることによって、第2導波路コア2-3を伝搬する伝搬光のモードフィールド径を大きく設定しやすい。すなわち、入力光と出力光のモードフィールド径の比率を大きくすることが容易で、モードフィールド径の拡大率・縮小率を大きくとれるというメリットがある。図2に示す第1のスポットサイズ変換器は、第2導波路コア2-3が異なるだけであり、この他の構成部分は図1と同様であるので、重複する説明を省略する。   By using the second waveguide core 2-3 included in the third configuration region as a segment waveguide, the mode field diameter of propagating light propagating through the second waveguide core 2-3 can be easily set large. That is, there is an advantage that it is easy to increase the ratio of the mode field diameter of the input light and the output light, and the enlargement / reduction ratio of the mode field diameter can be increased. The first spot size converter shown in FIG. 2 is different only in the second waveguide core 2-3, and the other components are the same as those in FIG.

<第2のスポットサイズ変換器>
図3(A)〜(D)を参照して、第2のスポットサイズ変換器の構成について説明する。図3は、第2のスポットサイズ変換器の概略的構成を示す図であり、(A)はx-z面を示す概略的平面図、(B)は第1構成領域で第1導波路コアの存在する位置でのx-y面を示す概略的断面構造図、(C)は(A)に示す一点破線(II-II)で示した位置で切断したy-z面を示す概略的断面構造図、(D)は第3構成領域でのx-y面を示す概略的断面構造図である。
<Second spot size converter>
The configuration of the second spot size converter will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of the second spot size converter, (A) is a schematic plan view showing the xz plane, and (B) is the existence of the first waveguide core in the first configuration region. (C) is a schematic cross-sectional structure diagram showing the xy plane cut at the position indicated by the dashed line (II-II) shown in (A), (D) FIG. 4 is a schematic cross-sectional structure diagram showing an xy plane in a third configuration region.

第2のスポットサイズ変換器は、シリコン基板10上に形成され、第1導波路コア1と第2導波路コア2(2-1、2-2、2-3)を備え、第1導波路コア1の導波方向と第2導波路コア2の導波方向(z軸方向)は互いに平行になるように配置されている。また、ここでも第1のスポットサイズ変換器と同様に、第1導波路コア1と第2導波路コア2の導波方向(z軸方向)に、第1構成領域、第2構成領域、第3構成領域を順次設定する。   The second spot size converter is formed on the silicon substrate 10 and includes a first waveguide core 1 and a second waveguide core 2 (2-1, 2-2, 2-3). The waveguide direction of the core 1 and the waveguide direction (z-axis direction) of the second waveguide core 2 are arranged so as to be parallel to each other. Also here, similarly to the first spot size converter, in the waveguide direction (z-axis direction) of the first waveguide core 1 and the second waveguide core 2, the first configuration region, the second configuration region, Three configuration areas are set sequentially.

第1導波路コア1は第1構成領域に形成されており、第2導波路コア2は、第1構成領域、第2構成領域、第3構成領域の全域にわたって形成されている。ここでも、上述の第1のスポットサイズ変換器と同様に、第2導波路コア2は、第1〜第3構成領域にわたって当該導波路の上面(第2導波路コア2の上部クラッド層3と接する面)は平坦に形成されている。   The first waveguide core 1 is formed in the first configuration region, and the second waveguide core 2 is formed throughout the first configuration region, the second configuration region, and the third configuration region. Here, similarly to the above-mentioned first spot size converter, the second waveguide core 2 is formed on the upper surface of the waveguide (the upper cladding layer 3 of the second waveguide core 2 and the second waveguide core 2 over the first to third constituent regions). The contact surface is flat.

第1導波路コア1は、第2構成領域に向かって当該コアの幅が狭まるテーパ構造領域1-Tを含んでおり、第2構成領域に含まれる第2導波路コア2-2は、第1構成領域から離れるにしたがって当該コアの幅が狭まるテーパ構造領域2-Tとされている。第3構成領域に含まれる第2導波路コア2-3は、導波路幅が一定の均一幅導波路として形成されている。また、上述の第1のスポットサイズ変換器の場合と同様に、第3構成領域に含まれる第2導波路コア2-3を、周期的にセグメント化されたコアを直列に配置して形成されるセグメント導波路として形成することも可能である。   The first waveguide core 1 includes a tapered structure region 1-T in which the width of the core decreases toward the second configuration region. The second waveguide core 2-2 included in the second configuration region includes A taper structure region 2-T in which the width of the core is narrowed as the distance from the one component region is increased. The second waveguide core 2-3 included in the third configuration region is formed as a uniform waveguide having a constant waveguide width. Further, as in the case of the first spot size converter described above, the second waveguide core 2-3 included in the third constituent region is formed by arranging periodically segmented cores in series. It can also be formed as a segmented waveguide.

第1構成領域では、第1導波路コア1と第2導波路コア2-1を含み、第1構成領域では、第1導波路コア1を伝搬する伝搬光と第2導波路コア2-1を伝搬する伝搬光とが互いのエバネッセント場を介して光結合される。第2構成領域は第2導波路コア2-2を含み、第2導波路コア2-2によって、入力光のモードフィールド径が第3構成領域に近づくにつれて拡大され、第3構成領域は、第2導波路コア2-3を含み、第2導波路コア2-3によって第2構成領域から出力される伝搬光が外部に導かれ、あるいは外部から入力される光が第2構成領域に導かれる。これらの点は、上述の第1のスポットサイズ変換器と共通する。   The first configuration region includes the first waveguide core 1 and the second waveguide core 2-1. In the first configuration region, the propagating light propagating through the first waveguide core 1 and the second waveguide core 2-1 are included. And the propagating light propagating through are coupled to each other via the mutual evanescent field. The second configuration region includes a second waveguide core 2-2, and the second waveguide core 2-2 expands as the mode field diameter of the input light approaches the third configuration region. Including two waveguide cores 2-3, propagating light output from the second configuration region is guided to the outside by the second waveguide core 2-3, or light input from the outside is guided to the second configuration region . These points are common to the first spot size converter described above.

第1導波路コア1の屈折率より第2導波路コア2の屈折率が小さく、第1下部クラッド層4-1、第2下部クラッド層4-2、及び上部クラッド層3の屈折率は、第2導波路コア2の屈折率より小さく設定する。そして、第1構成領域を、第1下部クラッド層4-1、第1導波路コア1、第2下部クラッド層4-2、第2導波路コア2-1、上部クラッド層3の順に積層させて構成し、第2構成領域を、第1下部クラッド層4-1、第2下部クラッド層4-2、第2導波路コア2-2、上部クラッド層3の順に積層させて構成し、第3構成領域を、第1下部クラッド層4-1、第2下部クラッド層4-2、第2導波路コア2-3、上部クラッド層3の順に積層させて構成する。   The refractive index of the second waveguide core 2 is smaller than the refractive index of the first waveguide core 1, and the refractive indexes of the first lower cladding layer 4-1, the second lower cladding layer 4-2, and the upper cladding layer 3 are It is set smaller than the refractive index of the second waveguide core 2. Then, the first component region is laminated in the order of the first lower cladding layer 4-1, the first waveguide core 1, the second lower cladding layer 4-2, the second waveguide core 2-1, and the upper cladding layer 3. The second component region is formed by laminating the first lower cladding layer 4-1, the second lower cladding layer 4-2, the second waveguide core 2-2, and the upper cladding layer 3 in this order, The three constituent regions are formed by laminating the first lower cladding layer 4-1, the second lower cladding layer 4-2, the second waveguide core 2-3, and the upper cladding layer 3 in this order.

第2のスポットサイズ変換器によれば、第2下部クラッド層4-2は、第1下部クラッド層4-1と合わせて第2導波路コア2に対する下部クラッド層として機能するため、モードフィールド径の拡大に伴って生じる、シリコン基板10による伝搬光の光電場の吸収損失を低減できる効果がある。   According to the second spot size converter, since the second lower cladding layer 4-2 functions as the lower cladding layer for the second waveguide core 2 together with the first lower cladding layer 4-1, the mode field diameter is increased. There is an effect that the absorption loss of the photoelectric field of the propagating light caused by the silicon substrate 10 caused by the expansion of the above can be reduced.

<スポットサイズ変換器の動作シミュレーション>
数値シミュレーションの結果を説明する。数値シミュレーションは、3次元ビーム伝搬法(3D-Beam Propagation Method:3D-BPM)、及び3次元FDTD法(3D-Finite-difference time-domain method:3D-FDTD)を組み合わせて行った。伝搬方向の屈折率変化が穏やかな領域に対しては3D-BPMを適用し、伝搬方向の屈折率変化が急峻な領域に対しては3D-FDTDを適用した。数値シミュレーションを実施するに当たっては、スポットサイズ変換の対象とする光の波長を1.55μmとした。
<Operation simulation of spot size converter>
The results of numerical simulation will be described. The numerical simulation was performed by combining a three-dimensional beam propagation method (3D-Beam Propagation Method: 3D-BPM) and a three-dimensional FDTD method (3D-Finite-difference time-domain method: 3D-FDTD). 3D-BPM was applied to the region where the refractive index change in the propagation direction was gentle, and 3D-FDTD was applied to the region where the refractive index change in the propagation direction was steep. In carrying out the numerical simulation, the wavelength of light targeted for spot size conversion was set to 1.55 μm.

≪スポットサイズに関するシミュレーション≫
第1のスポットサイズ変換器に対して行った動作シミュレーション結果を説明する。シミュレーションを行うに当たって、第1導波路コア1をシリコン素材で形成し屈折率を3.48とした。また、第2導波路コア2、下部クラッド層4(及び第1下部クラッド層4-1、第2下部クラッド層4-2)、及び上部クラッド層3を酸化シリコン材で形成し、第2導波路コア2の屈折率を1.52、下部クラッド層4(及び第1下部クラッド層4-1、第2下部クラッド層4-2)、及び上部クラッド層3の屈折率を1.44として、第1のスポットサイズ変換器の各所におけるモードフィールド径をシミュレーションした。このシミュレーションでは、第1導波路コア1の厚み(y軸方向のコアの厚み)及び幅(x軸方向のコアの幅)をいずれも300 nmに設定した。第1及び第2導波路コアの詳細な寸法、及び下部クラッド層4及び上部クラッド層3の厚み等は、シミュレーションの都合を勘案して適宜設定した。ここでは、第1下部クラッド層4-1の屈折率と第2下部クラッド層4-2の屈折率を等しく設定したが、必ずしも両者の屈折率を等しく設定しなくともよい。
≪Simulation about spot size≫
An operation simulation result performed on the first spot size converter will be described. In the simulation, the first waveguide core 1 was formed of a silicon material and the refractive index was 3.48. Also, the second waveguide core 2, the lower cladding layer 4 (and the first lower cladding layer 4-1, the second lower cladding layer 4-2), and the upper cladding layer 3 are formed of a silicon oxide material, and the second conductor is formed. Assuming that the refractive index of the waveguide core 2 is 1.52, the lower cladding layer 4 (and the first lower cladding layer 4-1 and the second lower cladding layer 4-2), and the upper cladding layer 3 have a refractive index of 1.44, the first spot The mode field diameter at various places of the size converter was simulated. In this simulation, the thickness (the thickness of the core in the y-axis direction) and the width (the width of the core in the x-axis direction) of the first waveguide core 1 are both set to 300 nm. The detailed dimensions of the first and second waveguide cores, the thicknesses of the lower cladding layer 4 and the upper cladding layer 3, and the like were appropriately set in consideration of the convenience of simulation. Here, the refractive index of the first lower cladding layer 4-1 and the refractive index of the second lower cladding layer 4-2 are set equal, but the refractive indexes of both need not necessarily be set equal.

図4に第1のスポットサイズ変換器の各所(図4(A)に示すa〜dの位置)での伝搬光のスポット(ビームスポット)の様子を示す。図4(B)にTE波成分とTM波成分について、伝搬光のスポットを光電場の強度の大きさに応じて白黒の濃淡をつけて示してある。ビームスポットの光電場強度は中心で最大であり、周辺に行くにしたがって指数関数的に減少している。図4(A)ではa〜dとして示す各所に対応するビームスポットを図4(B)では(a)〜(d)と対応させて示してある。   FIG. 4 shows a state of a spot (beam spot) of propagating light at various points (positions a to d shown in FIG. 4A) of the first spot size converter. FIG. 4B shows the propagation light spot for the TE wave component and the TM wave component with black and white shading depending on the intensity of the photoelectric field. The photoelectric intensity of the beam spot is maximum at the center, and decreases exponentially as it goes to the periphery. In FIG. 4 (A), the beam spots corresponding to the respective locations indicated by a to d are shown in correspondence with (a) to (d) in FIG. 4 (B).

第1構成領域における第1導波路コア1のaと示す位置における伝搬光のモードフィールド径と、第2構成領域と第3構成領域の境界における第2導波路コア2-3のdと示す位置における伝搬光のモードフィールド径を比較すると、後者の位置において明らかに大きくなっている。その上、両者の位置においてTE波成分とTM波成分に対して同様に、モードフィールド径が拡大あるいは縮小されることがわかる。   The mode field diameter of propagating light at the position indicated by a in the first waveguide region 1 in the first component region, and the position indicated by d in the second waveguide core 2-3 at the boundary between the second component region and the third component region. When the mode field diameter of the propagating light at is compared, it is clearly larger at the latter position. In addition, it can be seen that the mode field diameter is similarly expanded or reduced for the TE wave component and the TM wave component at both positions.

第1のスポットサイズ変換器によって、モードフィールド径が拡大あるいは縮小されて出力される出力光の強度は、第1のスポットサイズ変換器へ入力される被モードフィールド変換光である入力光の光強度よりも減少している。これは、第1及び第2導波路コアを伝搬中に発生する吸収損失と、モードミスマッチによる光量損失とに起因する。モードミスマッチによる光量損失(以後、モードミスマッチ損失という)は、第1導波路コア1を伝搬する伝搬光と第2導波路コア2-1を伝搬する伝搬光とが互い光結合する第1構成領域で主に発生する。   The intensity of the output light output with the mode field diameter enlarged or reduced by the first spot size converter is the light intensity of the input light which is the mode-target field converted light input to the first spot size converter. Is less than. This is due to an absorption loss that occurs during propagation through the first and second waveguide cores and a light amount loss due to mode mismatch. The amount of light loss due to mode mismatch (hereinafter referred to as mode mismatch loss) is a first configuration region in which propagating light propagating through the first waveguide core 1 and propagating light propagating through the second waveguide core 2-1 are optically coupled to each other. Mainly occurs.

≪モードミスマッチ損失≫
図5を参照して、モードミスマッチ損失をモードフィールド径のシミュレーションによって求める方法について説明する。第1構成領域で発生するモードミスマッチ損失は、第1導波路コア1のテーパ構造領域1-Tの導波路幅のもっとも狭い部分である終端近傍の伝搬光の光電場分布と、第2導波路コア2-1を伝搬する伝搬光の光電場分布との重なり積分の値に比例するものとして算出される。
≪Mode mismatch loss≫
With reference to FIG. 5, a method for obtaining the mode mismatch loss by simulation of the mode field diameter will be described. The mode mismatch loss generated in the first constituent region is caused by the photoelectric field distribution of the propagation light near the end, which is the narrowest portion of the waveguide width of the tapered structure region 1-T of the first waveguide core 1, and the second waveguide. It is calculated as being proportional to the value of the overlap integral with the photoelectric field distribution of propagating light propagating through the core 2-1.

図5において(A-1)は第1導波路コア1のテーパ構造領域1-Tの導波路幅のもっとも狭い終端近傍で、導波方向に対して垂直な面で切断した断面図であり、(A-2)は、テーパ構造領域1-Tの導波路幅のもっとも狭い終端近傍の第1導波路コア1が存在しない部分で、導波方向に対して垂直な面で切断した断面図である。また、(B-1)は(A-1)に伝搬光の光電場分布を重ねて示してあり、(B-2)は(A-2)に伝搬光の光電場分布を重ねて示してある。(B-1)と(B-2)に示す双方の光電場分布の形状の差が大きいほどモードミスマッチ損失は大きくなる。   5A is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the waveguide direction in the vicinity of the narrowest end of the waveguide width of the tapered structure region 1-T of the first waveguide core 1 in FIG. (A-2) is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the waveguide direction, where the first waveguide core 1 in the vicinity of the narrowest end of the waveguide width of the tapered structure region 1-T does not exist. is there. (B-1) shows the photoelectric field distribution of propagating light superimposed on (A-1), and (B-2) shows the photoelectric field distribution of propagating light superimposed on (A-2). is there. The larger the difference in the shape of the photoelectric field distributions shown in (B-1) and (B-2), the greater the mode mismatch loss.

図6を参照して、第2導波路コア2の厚みHをパラメータにして、第1構造領域における第2導波路コア2-1の幅Wに対するモードミスマッチ損失の関係を説明する。厚みH及び幅Wについては図1(A)及び(B)を参照されたい。ここに示すシミュレーションは計算の都合上、第1構成領域におけるシリコン基板10は考慮せず、第2導波路コア2-1の幅Wを1〜3μmと設定した。また、図6(A)はTE波成分に対する結果を示し、(B)はTM波成分に対する結果を示している。図6の横軸は第2導波路コア2-1の幅Wをμm単位で目盛って示してあり、縦軸はモードミスマッチ損失をdB目盛で示してある。図6において、第2導波路コア2の厚みHについて、(a)はH=0.5μm、(b)はH=1μm、(c)はH=2μm、(d)はH=3μmとして求めた結果である。第2導波路コア2-1の幅Wを3μm程度の広さにすれば、第2導波路コア2の厚みHが薄くても、モードミスマッチ損失は十分に小さくできることがわかる。   With reference to FIG. 6, the relationship of the mode mismatch loss to the width W of the second waveguide core 2-1 in the first structure region will be described using the thickness H of the second waveguide core 2 as a parameter. Refer to FIGS. 1A and 1B for thickness H and width W. In the simulation shown here, for convenience of calculation, the silicon substrate 10 in the first configuration region is not considered, and the width W of the second waveguide core 2-1 is set to 1 to 3 μm. FIG. 6A shows the result for the TE wave component, and FIG. 6B shows the result for the TM wave component. The horizontal axis in FIG. 6 indicates the width W of the second waveguide core 2-1 in units of μm, and the vertical axis indicates the mode mismatch loss in dB scale. In FIG. 6, the thickness H of the second waveguide core 2 is determined by assuming that (a) is H = 0.5 μm, (b) is H = 1 μm, (c) is H = 2 μm, (d) is H = 3 μm. It is a result. It can be seen that if the width W of the second waveguide core 2-1 is about 3 μm, the mode mismatch loss can be sufficiently reduced even if the thickness H of the second waveguide core 2 is thin.

次に図7を参照して、第2導波路コア2の厚みHをパラメータにして、第2構成領域の第2導波路コア2-2のテーパ構造領域2-Tの導波方向の長さLを変えた場合に、モードミスマッチ損失がどのように影響されるかをシミュレーションした結果を説明する。ここでは、第2導波路コア2のテーパ構造領域2-Tの幅が最小となる端の幅を0.5μmに設定した。図7(A)はTE波成分に対する結果を示し、(B)はTM波成分に対する結果を示している。図7の横軸は第2導波路コア2-2のテーパ構造領域2-Tの導波方向の長さLをμm単位で目盛って示してあり、縦軸はテーパ構造領域2-Tで発生するモードミスマッチ損失(光損失)をdB目盛で示してある。図7(A)及び(B)において、(a)はH=1μm、(b)はH=2μm、(c)はH=3μmとして求めた結果である。   Next, referring to FIG. 7, the length in the waveguide direction of the tapered structure region 2-T of the second waveguide core 2-2 in the second constituent region, with the thickness H of the second waveguide core 2 as a parameter. The result of simulating how the mode mismatch loss is affected when L is changed will be described. Here, the width of the end at which the width of the tapered structure region 2-T of the second waveguide core 2 is minimized is set to 0.5 μm. FIG. 7A shows the result for the TE wave component, and FIG. 7B shows the result for the TM wave component. The horizontal axis of FIG. 7 indicates the length L in the waveguide direction of the tapered structure region 2-T of the second waveguide core 2-2 in units of μm, and the vertical axis indicates the tapered structure region 2-T. The generated mode mismatch loss (optical loss) is shown in dB scale. 7A and 7B, (a) shows the results obtained with H = 1 μm, (b) with H = 2 μm, and (c) with H = 3 μm.

テーパ構造領域2-Tで発生する光損失は、テーパ構造領域2-Tのもっとも幅の狭い終端での伝搬光の光電場分布と、第2導波路コア2-3の第2構成領域と第3構成領域との境界近傍を基本伝搬モードで伝搬する伝搬光の光電場分布との重なり積分の値に比例するものとして算出した。第2導波路コア2-2のテーパ構造領域2-Tの導波方向の長さLが長いほど低損失であり、500μm程度の長さでテーパ構造領域2-Tで発生する光損失は十分に小さくなることがわかる。   The optical loss generated in the tapered structure region 2-T includes the photoelectric field distribution of the propagation light at the narrowest end of the tapered structure region 2-T, the second constituent region of the second waveguide core 2-3, It was calculated as being proportional to the value of the overlap integral with the photoelectric field distribution of propagating light propagating in the basic propagation mode in the vicinity of the boundary with the three constituent regions. The longer the length L in the waveguide direction of the taper structure region 2-T of the second waveguide core 2-2, the lower the loss. The light loss generated in the taper structure region 2-T with a length of about 500 μm is sufficient. It turns out that it becomes small.

≪シリコン基板への放射損失≫
図4、図6、図7に示した第1のスポットサイズ変換器に対するシミュレーション結果は、第1及び第2導波路コアを伝搬する光の電場成分の一部が下部クラッド層4を介してシリコン基板10に達することに起因する光電場のシリコン基板への放射損失を無視して得られたものである。しかしながら、第2導波路コア2のテーパ構造領域2-Tを含む領域等でのモードフィールド径の拡大に伴う、シリコン基板10による伝搬光の光電場の吸収損失をも無視できない。そこで、下部クラッド層4の厚みを4μmと厚く設定して、図4に示した結果と同様の結果について図8を参照して説明する。
≪Radiation loss to silicon substrate≫
The simulation results for the first spot size converter shown in FIGS. 4, 6, and 7 show that part of the electric field component of the light propagating through the first and second waveguide cores is silicon via the lower cladding layer 4. This is obtained by ignoring the radiation loss of the photoelectric field due to reaching the substrate 10 to the silicon substrate. However, the absorption loss of the photoelectric field of the propagating light by the silicon substrate 10 accompanying the expansion of the mode field diameter in the region including the tapered structure region 2-T of the second waveguide core 2 cannot be ignored. Therefore, the thickness of the lower cladding layer 4 is set to 4 μm, and the same result as that shown in FIG. 4 will be described with reference to FIG.

図8(A)のa〜dの位置での伝搬光のスポット(ビームスポット)の様子を示す。図8(B)にTE波成分とTM波成分について、伝搬光のスポットを光電場の強度の大きさに応じて白黒の濃淡をつけて示してある。図4と同様に、第1構成領域における第1導波路コア1のaと示す位置における伝搬光のモードフィールド径と、第2構成領域と第3構成領域の境界における第2導波路コア2-3のdと示す位置における伝搬光のモードフィールド径を比較すると、後者の位置において明らかに大きくなっている。その上、両者の位置において、TE波成分とTM波成分に対して同様に、モードフィールド径が拡大あるいは縮小されることがわかる。   The state of the spot (beam spot) of the propagation light at the positions a to d in FIG. FIG. 8B shows the spot of the propagating light for the TE wave component and the TM wave component, with black and white shading depending on the intensity of the photoelectric field. As in FIG. 4, the mode field diameter of the propagation light at the position indicated by a of the first waveguide core 1 in the first configuration region, and the second waveguide core 2- at the boundary between the second configuration region and the third configuration region. When the mode field diameter of the propagating light at the position indicated by d in 3 is compared, it is clearly increased at the latter position. In addition, it can be seen that the mode field diameter is expanded or reduced in the same way for the TE wave component and the TM wave component at both positions.

ビームスポットの形状の変化に伴いモードミスマッチ損失、及びシリコン基板による吸収損失も発生するが、本願の発明者は、光損失量が1.5dB以下であることを確かめている。すなわち、下部クラッド層4の厚みを4μm以上とすること、あるいは第1及び第2下部クラッド層を設けた構造とすることによって、実用上ほとんど問題とならない程度の光損失量に抑えられていることを確かめた。   Although the mode mismatch loss and the absorption loss due to the silicon substrate also occur with the change in the shape of the beam spot, the inventors of the present application have confirmed that the optical loss amount is 1.5 dB or less. That is, the thickness of the lower clad layer 4 is set to 4 μm or more, or the structure is provided with the first and second lower clad layers, so that the optical loss amount can be suppressed to a level that hardly causes a problem in practice. I confirmed.

≪セグメント導波路の効果≫
図9を参照して、第2導波路コア2-3をセグメント導波路とした場合のシミュレーション結果を説明する。図9に第1のスポットサイズ変換器において、第2導波路コア2-3をセグメント導波路とした場合の各所(a〜eの位置)での伝搬光のスポットの様子を、図4あるいは図8と同様の形式で示す。
<< Effects of segmented waveguide >>
With reference to FIG. 9, the simulation result when the second waveguide core 2-3 is a segmented waveguide will be described. FIG. 9 shows the state of the spot of propagating light at various positions (positions a to e) when the second waveguide core 2-3 is a segmented waveguide in the first spot size converter. This is shown in the same format as in FIG.

第2導波路コア2-3としてセグメント導波路を採用しても、図1に示すようにコア幅が一定の均一幅導波路を採用した場合と同様の結果が得られる。   Even if a segment waveguide is employed as the second waveguide core 2-3, the same result as that obtained when a uniform-width waveguide having a constant core width is employed as shown in FIG.

第2導波路コア2-3をセグメント導波路とした場合、この部分でブラッグ反射による波長選択が行われる。そこで、波長選択の効果を調べるシミュレーションを行った。各セグメントの導波方向に直交する断面(x-y面)での形状は一辺が1μmの正方形に形成し、セグメントの配置周期を0.5μmに設定した。また、第2導波路コア2-3のセグメントを構成するコアの屈折率を1.52と設定した。   When the second waveguide core 2-3 is a segment waveguide, wavelength selection by Bragg reflection is performed at this portion. Therefore, a simulation was conducted to examine the effect of wavelength selection. The shape of each segment in the cross section (xy plane) orthogonal to the waveguide direction was formed as a square having a side of 1 μm, and the segment arrangement period was set to 0.5 μm. The refractive index of the core constituting the segment of the second waveguide core 2-3 was set to 1.52.

図10を参照して、第2導波路コア2-3の等価特性及び反射特性について説明する。図10の横軸は波長をμm単位で目盛って示してあり、縦軸は透過光強度及び反射光強度を任意スケールで示してある。(a)は透過光スペクトルを示し、(b)は反射光スペクトルを示す。波長が1.45μm付近にブラッグ反射の影響が出ている。スポットサイズ変換の対象とする光の波長を1.45μmから離すことでブラッグ反射の影響を無視できる。この場合、1.3μm以下の波長、あるいは1.5μm以上の波長のビームのスポットサイズ変換を行うのであれば、ブラッグ反射の影響は無視できる。1.45μm近傍の波長のビームのスポットサイズ変換を行うのであれば、ブラッグ反射のピーク位置を1.45μmから離すべく、セグメントの配置周期を調整すればよい。   With reference to FIG. 10, the equivalent characteristic and reflection characteristic of the second waveguide core 2-3 will be described. The horizontal axis of FIG. 10 shows the wavelength scaled in units of μm, and the vertical axis shows the transmitted light intensity and the reflected light intensity on an arbitrary scale. (a) shows the transmitted light spectrum, and (b) shows the reflected light spectrum. The effect of Bragg reflection appears around the wavelength of 1.45 μm. The effect of Bragg reflection can be neglected by separating the wavelength of light subject to spot size conversion from 1.45 μm. In this case, the effect of Bragg reflection can be ignored if spot size conversion is performed for beams having a wavelength of 1.3 μm or less or 1.5 μm or more. If spot size conversion of a beam having a wavelength in the vicinity of 1.45 μm is performed, the segment arrangement period may be adjusted so that the peak position of the Bragg reflection is separated from 1.45 μm.

スポットサイズ変換を行うビームの波長に対して、ブラッグ反射の影響を受けないように配慮することで、如何なる波長であってもビームスポット径の変換が可能である。また、第2導波路コア2-3をセグメント導波路とすることによって、この部分を伝搬する伝搬光に対する等価屈折率を小さくできるので、第2導波路コア2-3を伝搬する伝搬光のモードフィールド径を大きく設定しやすい。それによって、入力光と出力光のモードフィールド径の比率を大きくすることが容易となるので、モードフィールド径の拡大率・縮小率を大きくとれるというメリットを享受できる。   By considering the wavelength of the beam to be subjected to spot size conversion so as not to be affected by Bragg reflection, the beam spot diameter can be converted at any wavelength. Further, by making the second waveguide core 2-3 a segmented waveguide, the equivalent refractive index with respect to the propagating light propagating through this portion can be reduced, so the mode of the propagating light propagating through the second waveguide core 2-3. Easy to set large field diameter. As a result, it becomes easy to increase the ratio of the mode field diameter between the input light and the output light, so that it is possible to enjoy the advantage that the enlargement / reduction ratio of the mode field diameter can be increased.

1:第1導波路コア
1-T、2-T:テーパ構造領域
2:第2導波路コア
2-1:第1構成領域の第2導波路コア
2-2:第2構成領域の第2導波路コア
2-3:第3構成領域の第2導波路コア
3:上部クラッド層
4:下部クラッド層
4-1:第1下部クラッド層
4-2:第2下部クラッド層
10:シリコン基板
1: First waveguide core
1-T, 2-T: Tapered structure region
2: Second waveguide core
2-1: Second waveguide core in the first component region
2-2: Second waveguide core in the second component region
2-3: Second waveguide core in the third region
3: Upper cladding layer
4: Lower cladding layer
4-1: First lower cladding layer
4-2: Second lower cladding layer
10: Silicon substrate

Claims (8)

第1導波路コアと第2導波路コアを備えるスポットサイズ変換器であって、
当該第1導波路コアと当該第2導波路コアの導波方向に順次設定された、第1構成領域、第2構成領域において、
前記第1導波路コアは前記第1構成領域に形成されており、
前記第2導波路コアは、前記第1構成領域、前記第2構成領域の全域にわたって形成されており、
前記第1導波路コアと前記第2導波路コアは、当該両導波路コアの厚み方向に、前記第1導波路コアの対称中心と前記第2導波路コアの対称中心とが重なるように、かつ当該第1導波路コアの導波方向と当該第2導波路コアの導波方向は互いに平行になるように積み重ねて配置されており、
前記第1導波路コアは、前記第2構成領域に向かって当該コアの幅が狭まるテーパ構造領域を含んでおり、
前記第2導波路コアの前記第2構成領域に含まれる部分は、前記第1構成領域から離れるにしたがって当該コアの幅が狭まるテーパ構造領域とされており、
前記第1構成領域では、前記第1導波路コアを伝搬する伝搬光と前記第2導波路コアを伝搬する伝搬光とが互いのエバネッセント場を介して光結合され、
前記第2構成領域では、入力光のモードフィールド径が前記第1構成領域から離れるにしたがって拡大される
ことを特徴とするスポットサイズ変換器。
A spot size converter comprising a first waveguide core and a second waveguide core,
In the first configuration region and the second configuration region, which are sequentially set in the waveguide direction of the first waveguide core and the second waveguide core,
The first waveguide core is formed in the first constituent region;
The second waveguide core is formed over the entire area of the first configuration region and the second configuration region,
The first waveguide core and the second waveguide core are arranged so that the symmetry center of the first waveguide core and the symmetry center of the second waveguide core overlap in the thickness direction of the two waveguide cores. And the waveguide direction of the first waveguide core and the waveguide direction of the second waveguide core are arranged so as to be parallel to each other,
The first waveguide core includes a tapered structure region in which the width of the core decreases toward the second configuration region;
The portion included in the second configuration region of the second waveguide core is a tapered structure region in which the width of the core decreases as the distance from the first configuration region increases.
In the first configuration region, propagating light propagating through the first waveguide core and propagating light propagating through the second waveguide core are optically coupled via each other's evanescent field,
The spot size converter characterized in that, in the second configuration region, the mode field diameter of the input light is enlarged as the distance from the first configuration region increases.
更に、第3構成領域を備え、
前記第1導波路コアと当該第2導波路コアの導波方向に順次設定された、前記第1構成領域、前記第2構成領域、前記第3構成領域において、
前記第2導波路コアは、前記第1構成領域、前記第2構成領域、前記第3構成領域の全域にわたって形成されており、
前記第3構成領域では、前記第2構成領域から出力される伝搬光が外部に導かれ、あるいは外部から入力される光が前記第2構成領域に導かれる
ことを特徴とする請求項1に記載のスポットサイズ変換器。
Furthermore, a third component area is provided,
In the first configuration region, the second configuration region, and the third configuration region, which are sequentially set in the waveguide direction of the first waveguide core and the second waveguide core,
The second waveguide core is formed over the entire first configuration region, the second configuration region, and the third configuration region,
The propagating light output from the second configuration area is guided to the outside in the third configuration area, or light input from the outside is guided to the second configuration area. Spot size converter.
更に、下部クラッド層、及び上部クラッド層を備え、
前記第1導波路コアの屈折率より前記第2導波路コアの屈折率が小さく、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の屈折率は、前記第2導波路コアの屈折率より小さく、
前記第1構成領域は、前記下部クラッド層、前記第1導波路コア、前記第2導波路コア、前記上部クラッド層の順に積層されており、
前記第2構成領域は、前記下部クラッド層、前記第2導波路コア、前記上部クラッド層の順に積層されている
ことを特徴とする請求項1に記載のスポットサイズ変換器。
Furthermore, a lower clad layer and an upper clad layer are provided,
The refractive index of the second waveguide core is smaller than the refractive index of the first waveguide core, and the refractive indexes of the lower cladding layer and the upper cladding layer are smaller than the refractive index of the second waveguide core,
The first component region is laminated in the order of the lower cladding layer, the first waveguide core, the second waveguide core, and the upper cladding layer,
2. The spot size converter according to claim 1, wherein the second constituent region is laminated in the order of the lower cladding layer, the second waveguide core, and the upper cladding layer.
更に、下部クラッド層、及び上部クラッド層を備え、
前記第1導波路コアの屈折率より前記第2導波路コアの屈折率が小さく、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の屈折率は、前記第2導波路コアの屈折率より小さく、
前記第1構成領域は、前記下部クラッド層、前記第1導波路コア、前記第2導波路コア、前記上部クラッド層の順に積層されており、
前記第2構成領域及び前記第3構成領域は、前記下部クラッド層、前記第2導波路コア、前記上部クラッド層の順に積層されている
ことを特徴とする請求項2に記載のスポットサイズ変換器。
Furthermore, a lower clad layer and an upper clad layer are provided,
The refractive index of the second waveguide core is smaller than the refractive index of the first waveguide core, and the refractive indexes of the lower cladding layer and the upper cladding layer are smaller than the refractive index of the second waveguide core,
The first component region is laminated in the order of the lower cladding layer, the first waveguide core, the second waveguide core, and the upper cladding layer,
The spot size converter according to claim 2, wherein the second configuration region and the third configuration region are laminated in the order of the lower cladding layer, the second waveguide core, and the upper cladding layer. .
更に、第1下部クラッド層、第2下部クラッド層、及び上部クラッド層を備え、
前記第1導波路コアの屈折率より前記第2導波路コアの屈折率が小さく、前記第1下部クラッド層、前記第2下部クラッド層、及び前記上部クラッド層の屈折率は、前記第2導波路コアの屈折率より小さく、
前記第1構成領域は、前記第1下部クラッド層、前記第1導波路コア、前記第2下部クラッド層、前記第2導波路コア、前記上部クラッド層の順に積層されており、
前記第2構成領域は、前記第1下部クラッド層、前記第2下部クラッド層、前記第2導波路コア、前記上部クラッド層の順に積層されている
ことを特徴とする請求項1に記載のスポットサイズ変換器。
Furthermore, a first lower cladding layer, a second lower cladding layer, and an upper cladding layer,
The refractive index of the second waveguide core is smaller than the refractive index of the first waveguide core, and the refractive indexes of the first lower cladding layer, the second lower cladding layer, and the upper cladding layer are Smaller than the refractive index of the waveguide core,
The first component region is laminated in the order of the first lower cladding layer, the first waveguide core, the second lower cladding layer, the second waveguide core, and the upper cladding layer,
2. The spot according to claim 1, wherein the second constituent region is laminated in the order of the first lower cladding layer, the second lower cladding layer, the second waveguide core, and the upper cladding layer. Size converter.
更に、第1下部クラッド層、第2下部クラッド層、及び上部クラッド層を備え、
前記第1導波路コアの屈折率より前記第2導波路コアの屈折率が小さく、前記第1下部クラッド層、前記第2下部クラッド層、及び前記上部クラッド層の屈折率は、前記第2導波路コアの屈折率より小さく、
前記第1構成領域は、前記第1下部クラッド層、前記第1導波路コア、前記第2下部クラッド層、前記第2導波路コア、前記上部クラッド層の順に積層されており、
前記第2構成領域及び前記第3構成領域は、前記第1下部クラッド層、前記第2下部クラッド層、前記第2導波路コア、前記上部クラッド層の順に積層されている
ことを特徴とする請求項2に記載のスポットサイズ変換器。
Furthermore, a first lower cladding layer, a second lower cladding layer, and an upper cladding layer,
The refractive index of the second waveguide core is smaller than the refractive index of the first waveguide core, and the refractive indexes of the first lower cladding layer, the second lower cladding layer, and the upper cladding layer are Smaller than the refractive index of the waveguide core,
The first component region is laminated in the order of the first lower cladding layer, the first waveguide core, the second lower cladding layer, the second waveguide core, and the upper cladding layer,
The second configuration region and the third configuration region are laminated in the order of the first lower cladding layer, the second lower cladding layer, the second waveguide core, and the upper cladding layer. Item 3. The spot size converter according to Item 2.
前記第2導波路コアの前記第3構成領域に含まれる部分は、当該コア幅が一定の均一幅導波路であることを特徴とする請求項2、4、6のいずれか一項に記載のスポットサイズ変換器。   The portion included in the third configuration region of the second waveguide core is a uniform-width waveguide having a constant core width, according to any one of claims 2, 4, and 6. Spot size converter. 前記第2導波路コアの前記第3構成領域に含まれる部分は、周期的にセグメント化されたコアを直列に配置して形成されるセグメント導波路であることを特徴とする請求項2、4、6のいずれか一項に記載のスポットサイズ変換器。
The portion of the second waveguide core included in the third constituent region is a segmented waveguide formed by arranging periodically segmented cores in series. The spot size converter according to any one of 6 and 6.
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