JP2019101153A

JP2019101153A - グレーティングカプラ

Info

Publication number: JP2019101153A
Application number: JP2017230309A
Authority: JP
Inventors: 達三浦; Tatsu Miura; 達郎開; Tatsuro Hiraki; 圭穂前田; Yoshio Maeda; 福田　浩; Hiroshi Fukuda; 浩福田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-06-24

Abstract

【課題】グレーティングカプラにおける出射角度の波長依存性が抑制できるようにする。【解決手段】光導波路１０１ａ，１０１ｂは、グレーティング１０２が形成されている箇所を中心に対称に形成され、グレーティング１０２を中心に、光導波路１０１ａ，１０１ｂの導波路長は同一とされ、光導波路１０１ａ，１０１ｂの両端の光入出射端１０３ａ，１０３ｂには、同じ光強度の光が入射される。グレーティング１０２が形成されている箇所に対し、２つの方向から同じ光強度の光が入射される。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、光導波路に形成されたグレーティングにより光導波路を導波する導波光と外部光とを結合するグレーティングカプラに関する。

シリコン光回路と光ファイバの結合には、これまで、導波路端面と光ファイバの結合の効率を向上させるために、スポットサイズコンバータや先球ファイバなどが使用されてきた。近年、微細加工の技術の進展により、シリコン導波路上に数百ｎｍの溝を形成してグレーティングを作製し、光導波路から基板面に対して上方、下方に光を放射させるグレーティングカプラとして機能させ、放射させた光を光ファイバと結合させる例が多くみられるようになった。

例えば、非特許文献１に、シリコンフォトニクスにおけるグレーティングカプラの使用例が記載されている。非特許文献１に記載されているように、グレーティングカプラからの上面への光の出射角度は、引用文献１の記載された式（１）を満たす角度となり、基板に対して垂直な方向から２０ｄｅｇ．以内の傾き角と記載されている。

A. Mekis et al., "A Grating-Coupler-Enabled CMOS Photonics Platform", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 17, no. 3, pp. 597-608, 2011. C. Li et al., "CMOS-compatible high efficiency double-etched apodized waveguide grating coupler", Optics Express, vol. 21, no. 7, pp. 7868-7874, 2013.

グレーティングカプラからの上面出射の光は、原理的に角度を持って出射される。この出射角度は、波長依存性を持ち、波長が変わると出射角度が変化し、光ファイバとの結合効率が変化してしまう。また、グレーティングカプラの利点は、所定の領域の面で光を入出力できるところにあり、面で光結合するため、この面内に多数の入出力を設けることができる点が挙げられる。しかしながら、波長によって出射角度が変化するため、一括で複数の入出力を行うのに適したマルチコアファイバなどとの結合をさせる場合、結合させる場所によって、グレーティングカプラとマルチコアファイバのコアの距離が変化し、均一な結合が困難である。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、グレーティングカプラにおける出射角度の波長依存性が抑制できるようにすることを目的とする。

本発明に係るグレーティングカプラは、光導波路と光導波路に形成されたグレーティングとから構成されて光導波路を導波する導波光と外部光とを結合するグレーティングカプラであって、グレーティングが形成されている箇所を中心に対称に形成された光導波路を備える。

上記グレーティングカプラにおいて、光導波路の両端の光入出射端には、同じ光強度の光が入射される。

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における出射角度の波長依存性が抑制できるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態におけるグレーティングカプラ１００の構成を示す平面図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態におけるグレーティングカプラ１００の一部構成を示す断面図である。図２は、グレーティング１０２の両側に光が入射された場合の出射光の電界分布を計算した結果を示す特性図である。図３は、上部クラッド層１１３から約２μｍ上方に離れた位置における光強度分布を示す特性図である。図４は、実施の形態におけるグレーティングカプラ１００のグレーティング１０２から上方に出射される光の遠視野像である。図５は、実施の形態におけるグレーティングカプラ１００に波長１５５０ｎｍおよび１６１０ｎｍの波長を入射した場合の遠視野像である。図６は、一般的なグレーティングカプラのグレーティングの一端側に光が入射された場合の出射光の電界分布を計算した結果を示す特性図である。図７は、一般的なグレーティングカプラのグレーティングの一端側に光が入射された場合のグレーティングから上方に出射される光の遠視野像である。図８は、本発明の実施の形態におけるグレーティングカプラ１００ａの構成を示す平面図である。図９は、本発明の実施の形態におけるグレーティングカプラ１００ａの構成を示す平面図である。図１０は、本発明の実施の形態におけるグレーティングカプラ１００ｂの構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態おけるグレーティングカプラ１００について図１Ａ，図１Ｂを参照して説明する。このグレーティングカプラ１００は、光導波路１０１ａ，１０１ｂと、光導波路１０１ａ，１０１ｂに形成されたグレーティング１０２とから構成されている。グレーティング１０２の箇所において、光導波路１０１ａ，１０１ｂを導波する導波光と外部光とを結合する。

本発明におけるグレーティングカプラ１００は、光導波路１０１ａ、１０１ｂが、グレーティング１０２が形成されている箇所を中心に対称に形成されているところに特徴がある。また、光導波路１０１ａ，１０１ｂの両端は、光入出射端１０３ａ，１０３ｂとされている。光導波路１０１ａ，１０１ｂの導波路長は、グレーティング１０２を中心に同一とされ、光導波路１０１ａ，１０１ｂの両端の光入出射端１０３ａ，１０３ｂには、同じ光強度の光が入射される。グレーティング１０２が形成されている箇所に対し、２つの方向から同じ光強度、同じ位相の光が、同じタイミングで入射されることが重要である。

光導波路１０１ａ，１０１ｂは、下部クラッド層１１１と、コア１１２と、上部クラッド層１１３とから構成されている。下部クラッド層１１１，上部クラッド層１１３は、例えば、酸化シリコンから構成されている。また、コア１１２は、シリコンから構成されている。例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用い、埋め込み絶縁層を下部クラッド層１１１とし、表面シリコン層をパターニングすることでコア１１２を形成すればよい。

また、表面シリコン層をパターニングしてコア１１２を形成した後、コア１１２の上面にグレーティング１０２を形成する。例えば、凹部の深さが７０ｎｍ、周期Ｐ＝６３０ｎｍ、フィルファクタ５０％のグレーティング１０２を形成する。コア１１２にグレーティング１０２を形成した後、スパッタ法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などのよく知られた堆積法により酸化シリコンを堆積することで、下部クラッド層１１１の上に、コア１１２を覆って上部クラッド層１１３を形成すればよい。下部クラッド層１１１は、例えば層厚３μｍ程度とし、コア１１２は、厚さ０．２２μｍ程度とし、上部クラッド層１１３は、層厚１．５μｍ程度とすればよい。

なお、実施の形態１において、光導波路１０１ａ，１０１ｂの両端の光入出射端１０３ａ，１０３ｂには、同じ光強度の光を入射する機構として、光導波路１０４ａ，１０４ｂ、ＭＭＩ（Multi-Mode Interference）カプラ１０５、入出力導波路１０６を備える。ＭＭＩカプラ１０５は、入出力導波路１０６より入力した光を、光導波路１０４ａと光導波路１０４ｂとに、光強度５０：５０の割合で分岐する。なおＭＭＩカプラの代わりに、方向性結合器を用いてもよい。なお、光導波路１０４ａ，１０４ｂは、スポットサイズ変換領域１０７ａ，１０７ｂを介して光導波路１０１ａ，１０１ｂに接続している。

上述した構成のグレーティングカプラ１００は、波長１５５０ｎｍの光が、一方の側の光導波路１０１ａの光入出射端１０３ａより入力されると、約−１０ｄｅｇ．の角度を持って、グレーティング１０２の上方に出射される。

ここで、グレーティング１０２の領域に、両側から同時に光が入射されると、例えば、光導波路１０１ａ，１０１ｂの導波方向に対して垂直な面を基準として対称の２つの光は、２光束干渉により、周期的な光強度分布が発生する。この光強度分布は、グレーティング１０２からの出射角度や出射位置によって変化する。

グレーティング１０２の周期Ｐが６３０ｎｍ、フィルファクタ５０％、グレーティング１０２の溝本数を３本とし、両側の光入出射端１０３ａ，１０３ｂに光を入射し、グレーティング１０２の両側に光（光強度が等しい光）が入射された場合の出射光の電界分布を計算した結果を図２に示す。両方から入射された光の出射光の干渉により、左右対称の電界分布が得られ、導波方向に対して垂直方向に光が放射されており、上方へ伝搬するにつれ、光が広がる結果が得られている。なお、グレーティング１０２の溝本数は、３本に限るものではない。ただし、光の干渉によって形成される光強度分布（電界分布）が所望の形状になるように、グレーティング１０２の溝本数を適宜に設計することが重要である。

グレーティング１０２の両側に光が入射されてグレーティング１０２から上方に出射された光の、上部クラッド層１１３から約２μｍ上方に離れた位置における光強度分布を図３に示し、遠視野像を図４に示す。図３に示すように、約２μｍ上方では、左右対称のガウシアン分布に近い形状の電界分布となっており、半値全幅は、約３μｍである。また、図４に示すように、遠視野像においても出射角度も左右対称で中心角度が０ｄｅｇ．となる。

実施の形態のグレーティングカプラ１００では、２つの光入出射端１０３ａ，１０３ｂから入射した光のそれぞれの出射角度が波長によって変化した場合でも、グレーティング１０２の中心を対称に光の干渉によって作られる出射光の中心角度は変化しない。実施の形態におけるグレーティングカプラ１００の２つの光入出射端１０３ａ，１０３ｂの各々に、波長１５５０ｎｍおよび１６１０ｎｍの波長を入射した場合の遠視野像を図５に示す。どちらの遠視野像においても０ｄｅｇ．を中心に対称であり、０ｄｅｇ．がピークの類似した遠視野像となっている。

ここで、一般的なグレーティングカプラの一端に光が入射された場合の出射光の電界分布を計算した結果を図６に示す。図６紙面の左側から光が入射されている。なお、グレーティングの周期は６３０ｎｍ、フィルファクタ５０％、グレーティングの溝本数を３０本、凹部の深さが７０ｎｍである。図６に示すように、一方から光が入射されると、導波方向に対して垂直から傾いた方向に光が放射されている。また、上述した一般的なグレーティングカプラの一端に光が入射されてグレーティングから上方に出射された光の遠視野像を図７に示す。図７に示すように、遠視野像において、出射角度が左右対称ではなく、中心角度が０ｄｅｇ．からずれている。

ところで、上述では、グレーティング１０２を中心に対称な２箇所より光を入力するようにしたが、これに限るものではなく、図８に示すように、グレーティング１０２ａを中心に対称な４箇所から光が入力される構成のグレーティングカプラ１００ａとしてもよい。なお、この例では、ＭＭＩカプラ１０５で２分岐された各々の光は、光導波路１０４ａ，光導波路１０４ｂを導波し、ＭＭＩカプラ１５１ａ，ＭＭＩカプラ１５１ｂの各々で２分岐される。ＭＭＩカプラ１５１ａで２分岐された光は、光導波路１４１ａ，光導波路１４２ａを導波し、ＭＭＩカプラ１５１ｂで２分岐された光は、光導波路１４１ｂ，光導波路１４２ｂを導波し、グレーティング１０２ａを中心に対称な４箇所に入力する。

また、図９に示すように、グレーティング１０２ａを中心に対称な４箇所から光が入力される構成のグレーティングカプラ１００ａとしてもよい。なお、この例では、ＭＭＩカプラ１０５ａで４等分に４分岐された各々の光が、光導波路１４３ａ，光導波路１４４ａ，光導波路１４３ｂ，光導波路１４４ｂを導波し、グレーティング１０２ａを中心に対称な４箇所に入力する。

また、図１０に示すように、グレーティング１０２ｂを中心に対称な８箇所から光が入力される構成のグレーティングカプラ１００ｂとしてもよい。この例では、ＭＭＩカプラ１０５ｂで８等分に８分岐された各々の光が、グレーティング１０２ｂを中心に対称な８箇所に入力する。いずれにおいても、分岐部から各光入出射端までの導波路長は等しくすることが重要である。

ここで、ＭＭＩカプラを用いた例を示したが、１×２の分岐であれば、５０：５０の２分岐にできれば、方向性結合器でも良い。また４分岐では１×２の２段構成と１×４の１段構成を示しているように、８分岐に関しても、最終的に同じ強度、タイミング、位相の８入力にすれば良く、１×２の３段構成、１×２と１×４の組み合わせ、１×８の１段構成など、任意の組み合わせを使用することができる。

以上に説明したように、本発明によれば、光導波路を、グレーティングが形成されている箇所を中心に対称に形成し、グレーティングが形成されている箇所に対して２つの方向から同じ光強度の光が入射されるようにしたので、グレーティングカプラにおける出射角度の波長依存性が抑制できるようになる。

本発明により、グレーティングカプラを用いて導波方向に対して垂直方向に光の取り出しが可能となる。垂直方向への取り出しによって、ファイバ結合の際の調心が容易になる。グレーティングカプラを光の取り出しの利点は、光取り出し側の面で素子やファイバを集積できる点が挙げられる。複数のファイバを調心する際の調心にかかる作業を容易にすることができる。面型の結合をする場合に有用となるマルチコアファイバなどでは、各コア間での結合特性の均一化が図ることができる。また、本発明では、本来発現するグレーティングカプラの出射角度の波長依存性のトレランスを拡大することができ、数１０ｎｍの波長範囲においては同じ出射角度での光の取り出しが可能になる。

また、本発明によれば、グレーティングから出射する光の角度が、光導波路の導波方向に対して垂直であり、また、出射する光は左右対称の電界分布となる。光が垂直に出射するため、例えば、光ファイバに対しては、垂直に光を入射させることができる。垂直入射することで、例えば、マルチコアファイバなどでは、コアの位置によらず空間を伝搬する距離を一定にすることができ、結合効率を均一化することが可能となる。また、対称な電界分布は、結合する対象（例えば，光ファイバ）の電界分布とのマッチングを向上させることができる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…グレーティングカプラ、１０１ａ，１０１ｂ…光導波路、１０２…グレーティング、１０３ａ，１０３ｂ…光入出射端、１０４ａ，１０４ｂ…光導波路、１０５…ＭＭＩカプラ、１０６…入出力導波路、１０７ａ，１０７ｂ…スポットサイズ変換領域。

Claims

光導波路と前記光導波路に形成されたグレーティングとから構成されて前記光導波路を導波する導波光と外部光とを結合するグレーティングカプラであって、
前記グレーティングが形成されている箇所を中心に対称に形成された前記光導波路を備えることを特徴とするグレーティングカプラ。
請求項１記載のグレーティングカプラにおいて、
前記光導波路の両端の光入出射端には、同じ光強度の光が入射されることを特徴とするグレーティングカプラ。