JP2019211626A

JP2019211626A - 調芯用光回路

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Publication number: JP2019211626A
Application number: JP2018107634A
Authority: JP
Inventors: 達三浦; Tatsu Miura; 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: 2018-06-05
Filing date: 2018-06-05
Publication date: 2019-12-12
Anticipated expiration: 2038-06-05
Also published as: US20210231878A1; JP7167492B2; WO2019235182A1; US11880070B2

Abstract

【課題】光ファイバとグレーティングカプラとの光学的な接続を得るための調芯が、容易に実施できる調芯用光回路を提供する。【解決手段】グレーティングの条件が各々異なる複数のグレーティングカプラ１０１と、複数のグレーティングカプラ１０１の各々に接続された複数の光導波路１０２とを備える。複数のグレーティングカプラ１０１は、グレーティングの配列方向が同一とされている。また、複数のグレーティングカプラ１０１の各々は、グレーティングの条件として、グレーティングの周期が異なっている。また、複数の光導波路１０２の各々に設けられた複数の反射部１０３を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、グレーティングカプラと光ファイバとの光接続に用いる調芯用光回路に関する。

シリコン光回路と光ファイバとの光学的な接続（光接続）には、これまで、導波路端面と光ファイバの光接続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、シリコン導波路に、幅が数百ｎｍの溝からなるグレーティングを設け、光導波路から基板表面に対して上方、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、光ファイバと光接続させる例が多くみられるようになった。

例えば、シリコンフォトニクスにおいて、光ファイバとの光接続にグレーティングカプラを用いる技術が提案されている（非特許文献１参照）。この技術では、グレーティングカプラからの光の上面への光の出射角度は、非特許文献１の７８７０頁に記載されている式（１）を満たす角度となり、基板に対して垂直な方向から２０ｄｅｇ．以内の傾き角とされている。

グレーティングカプラに光を結合させる場合には、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）やファイバアレイなどが用いられる。以下、図７を参照してＳＭＦ３０３の場合を例に説明する。この例では、基板３００の上に形成された光導波路３０１に、グレーティングカプラ３０２が設けられている。ＳＭＦ３０３とグレーティングカプラ３０２とを光学的に結合させるには、基板３００の平面に平行な面（ＸＹ面）内の調芯、グレーティングの周期（ピッチ）などのパラメータで決まる角度方向θｘ，θｙ，θｚの角度方向の調芯、グレーティングカプラ３０２とＳＭＦ３０３との距離Ｚの調芯が必要となる。

この調芯を行うためには、一般に、まず、調芯用のサンプル回路（調芯用光回路）を用意し、用意したサンプル回路を用いて調芯を行う。次に、調芯により設定された光ファイバとサンプル回路との相対的な位置関係となるように、ステッピングモータ等を用い、光ファイバを所望の光回路に移動し、この状態で光ファイバと光回路との光学的な接続を行う。この状態で、例えば、光回路における所定の測定を行う（非特許文献２参照）。

C. Li et al., "CMOS-compatible high efficiency double-etched apodized waveguide grating coupler", Optics Express, vol. 21, no. 7, pp. 7868-7874, 2013. J. D. Coster et al., "Test-station for flexible semi-automatic wafer-level silicon photonics testing", 21st IEEE European Test Symposium, pp. 23-27, 2016.

上述したように、グレーティングカプラに光を結合させる場合には、光ファイバとの調芯が必要となるが、正しく結合させるためには、６軸の調整が必要となり、これらの中の１軸でもずれていると正しく光結合させることができない。ここで、グレーティングカプラの出射角度は、例えば、グレーティングのピッチに大きく依存する。また、グレーティングの周期は、製造誤差などにより変化する。このため、最適な結合角度θｘが、調芯対象ごとに変化する。また、光回路が形成されている基板の設置状態や、光ファイバの固定位置の誤差などにより、結合角度θｚにもずれが発生する。このように、従来では、光ファイバとグレーティングカプラとの光学的な接続を得るための調芯が、容易に実施できないという問題があった。

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、光ファイバとグレーティングカプラとの光学的な接続を得るための調芯が、容易に実施できるようにすることを目的とする。

本発明に係る調芯用光回路は、基板の上に形成されたグレーティングの条件が各々異なる複数のグレーティングカプラと、複数のグレーティングカプラの各々に接続された複数の光導波路と、複数の光導波路の各々に設けられた複数の反射部とを備える。

上記調芯用光回路において、複数のグレーティングカプラは、グレーティングの配列方向が同一とされ、複数のグレーティングカプラの各々は、グレーティングの条件としてグレーティングの周期が各々異なる。

上記調芯用光回路において、複数のグレーティングカプラのグレーティングの周期は、調芯対象のグレーティングカプラのグレーティングの周期との大小関係が既知とされていればよい。また、複数のグレーティングカプラのグレーティングの周期は、調芯対象のグレーティングカプラのグレーティングの周期と差が既知とされていてもよい。

上記調芯用光回路において、複数のグレーティングカプラのいずれか１つのグレーティングの周期は、調芯対象のグレーティングカプラのグレーティングの周期と同一とされているとよい。

上記調芯用光回路において、複数のグレーティングカプラは、グレーティングの条件としてグレーティングの配列方向が各々異なる向きとされていてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、グレーティングの条件が各々異なる複数のグレーティングカプラを用意したので、光ファイバとグレーティングカプラとの光学的な接続を得るための調芯が、容易に実施できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における調芯用光回路の構成を示す平面図である。図２は、グレーティングカプラ１０１の計算モデルによるグレーティングカプラ１０１から出射される光の電界分布を示す分布図である。図３は、本発明の実施の形態における調芯用光回路の一部構成を示す断面図である。図４は、グレーティングカプラ１０１のグレーティングの周期（ピッチ）を変化させた場合の出射角度を計算した結果を示す特性図である。図５は、ピッチと出射のピーク角度の関係を示す特性図である。図６は、本発明の実施の形態における他の調芯用光回路の構成を示す平面図である。図７は、グレーティングカプラ３０２に対するＳＭＦ３０３の調芯状態を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態おける調芯用光回路について図１を参照して説明する。この調芯用光回路は、グレーティングの条件が各々異なる複数のグレーティングカプラ１０１と、複数のグレーティングカプラ１０１の各々に接続された複数の光導波路１０２とを備える。図１に示す例では、複数のグレーティングカプラ１０１は、グレーティングの配列方向が同一とされている。また、複数のグレーティングカプラ１０１の各々は、グレーティングの条件として、グレーティングの周期が異なっている。

また、この調芯用光回路は、複数の光導波路１０２の各々に設けられた複数の反射部１０３を備える。反射部１０３は、例えば、分布ブラッグ反射（Distributed Bragg Reflector；ＤＢＲ）鏡やループミラーなどの反射鏡から構成すればよい。反射部１０３により、調芯する光ファイバ（不図示）からグレーティングカプラ１０１を介して入射された光を、再びグレーティングカプラ１０１に戻し，光ファイバに結合させる。

ここで、複数のグレーティングカプラ１０１のグレーティングの周期は、調芯対象のグレーティングカプラのグレーティングの周期との大小関係が既知とされている。また、複数のグレーティングカプラ１０１のグレーティングの周期は、調芯対象のグレーティングカプラのグレーティングの周期と差が既知とされているようにしてもよい。特に、複数のグレーティングカプラ１０１のいずれか１つのグレーティングの周期は、調芯対象のグレーティングカプラのグレーティングの周期と同一とされているとよい。

上述したグレーティングカプラ１０１、光導波路１０２、反射部１０３の１組の構成が、最も単純な調芯回路である。これにより、光ファイバに最も光が強く返ってくる位置、角度を探すことで調芯が実施できる。基本的なグレーティングカプラ１０１の計算モデルによるグレーティングカプラ１０１から出射される光の電界分布を図２に示す。

計算に用いた層構造は、図３に示すように、基板１００の上に形成された下部クラッド層１１１と、下部クラッド層１１１の上に形成されたコア１１２と、コア１１２を覆って下部クラッド層１１１の上に形成された上部クラッド層１１３とを備える。また、コア１１２の上面に、グレーティングが形成され、グレーティングカプラ１０１とされている。なお、図３に示していない領域において、グレーティングが形成されていないコア１１２により光導波路１０２が構成されている。

上述した構成は、例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることで形成できる。ＳＯＩ基板の厚さ３μｍ程度の埋め込み絶縁（ＳｉＯ₂）層により下部クラッド層１１１を構成し、厚さ０．２２μｍ程度の表面シリコン層をパターニングすることで、コア１１２，グレーティングなどが構成される。グレーティングは、深さ７０ｎｍ、周期６３０ｎｍ、フィルファクタ５０％としている。また、上部クラッド層１１３は、酸化シリコンを堆積することで形成すればよく、厚さ１．５μｍ程度とすればよい。

図２に示すように、光は、グレーティングカプラより角度を持って出射し、基板表面に対する垂線から約１５ｄｅｇ．傾いた角度で出射される。このように斜めに出射される光に対して６軸の調芯を行う。

上述のグレーティングカプラ１０１に対して、グレーティングの周期（ピッチ）を変化させた場合の出射角度を計算した結果を図４に示す。６３０ｎｍを中心にピッチを±５０ｎｍの範囲で変化させた場合の各ピッチでの出射角度分布を示している。ここでの角度は、基板１００の平面に対する垂線とのなす角である。図４からわかるように、ピッチが大きくなるほど、出射角度が大きくなっている。

ピッチと出射のピーク角度の関係をプロットしたものを図５に示す。ピッチとピーク角度はほぼ線形の関係になっており、ピーク角度は、約０．２３ｄｅｇ．／ｎｍのピッチ依存性を持つことが分かる。このピッチ依存性により、所望の出射角度のグレーティングの設計が可能である。実際に製作したグレーティングカプラ１０１は、製造誤差によりピッチが変わり、出射角度が変わってしまう。

このため、グレーティングカプラ１０１と光ファイバとのθｘの調芯用光回路として、複数のグレーティングカプラ１０１を用意し、複数のグレーティングカプラ１０１の各々は、グレーティングのピッチが異なるものとする。例えば、図１の紙面の上下方向のピッチのみを、複数のグレーティングカプラ１０１で変化させる。このように構成した複数のグレーティングカプラ１０１の各々について、θｘを所定の値に固定した状態で光ファイバとの結合を測定する。この測定の結果、所望とするピッチのグレーティングカプラの出射角度に対して、光ファイバの設定（固定）したθｘが大きいのか小さいのかを判別することができ、この結果によって、光ファイバのθｘの調芯方向を決めることができる。

図１では、グレーティングの配列方向を同一とした５つのグレーティングカプラ１０１を配置した例を示しているが、例えば、この中で、まず、中央部のグレーティングカプラ１０１は、実際の調芯対象のグレーティングカプラのグレーティングのピッチと同一とする。また、この右側のグレーティングカプラ１０１は、実際のピッチより大きいものとし、左側のグレーティングカプラ１０１は、実際のピッチより大きいものとする。このように構成することで、上述した判別がより容易となる。

ところで、光ファイバとグレーティングカプラのθｚ方向の位置関係がずれていても、グレーティングに結合する光の割合は減少する。また、グレーティングカプラは、基本的に偏波依存性を持ち、グレーティングの溝方向と平行な方向に電界が振動するＴＥモードしかグレーティングカプラに結合しない。従って、光ファイバとグレーティングカプラのθｚ方向の位置関係がずれる場合、偏波依存性による損失も重畳して結合損失が大きくなる。従って、光ファイバのθｚ方向とグレーティングカプラのθｚ方向とが平行になっている状態が、θｚ方向の結合条件としては最適である。

この光ファイバのθｚ方向の調芯を行うためには、図６に示すように、複数のグレーティングカプラ１０１を、グレーティングの条件として、グレーティングの配列方向が各々異なる向きとされているように配置すればよい。例えば、調芯対象のグレーティングカプラと同じ角度（θｚ方向）のグレーティングカプラ１０１を含む、複数の角度を持つグレーティングカプラ１０１を作製し、各グレーティングカプラ１０１との結合を測ることで、光ファイバのθｚ方向の調芯方向を決めることができる。

具体的には、複数のθｚ方向の水準のグレーティングカプラ１０１との結合状態を測定し、最も戻り光が強いグレーティングカプラ１０１のθｚに、光ファイバのθｚが近いということが分かる。このため、どの水準のグレーティングカプラ１０１との結合が一番強かったかによって、光ファイバのθｚ方向の角度が分かるため、どの方向に調芯するべきかを判断することができる。なお、複数のグレーティングカプラ１０１が、グレーティングの周期が各々異なるようにしてもよい。このように構成することで、前述したように、θｘ方向の調芯方向の決定にも用いることができるようになる。

以上に説明したように、基板の上に、グレーティングの条件が各々異なる複数のグレーティングカプラを用意したので、光ファイバとグレーティングカプラとの光学的な接続を得るための調芯が、容易に実施できるようになる。調芯用光回路の水準として、θｘ方向のずれに敏感なグレーティング周期、θｚ方向のずれに敏感なグレーティングのθｚ方向の角度について、複数設定することで、最適な水準の決定が容易となる。

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。例えば、上述では、主に、シリコンからなるコアによる光導波路を対象としたが、これに限るものではなく、他の半導体によるコアによる光導波路であっても同様である。

１００…基板、１０１…グレーティングカプラ、１０２…光導波路、１０３…反射部。

Claims

基板の上に形成されたグレーティングの条件が各々異なる複数のグレーティングカプラと、
前記複数のグレーティングカプラの各々に接続された複数の光導波路と、
前記複数の光導波路の各々に設けられた複数の反射部と
を備えることを特徴とする調芯用光回路。
請求項１記載の調芯用光回路において、
前記複数のグレーティングカプラは、グレーティングの配列方向が同一とされ、
前記複数のグレーティングカプラの各々は、グレーティングの条件としてグレーティングの周期が各々異なる
ことを特徴とする調心用光回路。
請求項２記載の調芯用光回路において、
前記複数のグレーティングカプラのグレーティングの周期は、調芯対象のグレーティングカプラのグレーティングの周期との大小関係が既知とされていることを特徴とする調芯用光回路。
請求項２記載の調芯用光回路において、
前記複数のグレーティングカプラのグレーティングの周期は、調芯対象のグレーティングカプラのグレーティングの周期と差が既知とされていることを特徴とする調芯用光回路。
請求項２〜４のいずれか１項に記載の調芯用光回路において、
前記複数のグレーティングカプラのいずれか１つのグレーティングの周期は、調芯対象のグレーティングカプラのグレーティングの周期と同一とされていることを特徴とする調芯用光回路。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の調芯用光回路において、
前記複数のグレーティングカプラは、グレーティングの条件としてグレーティングの配列方向が各々異なる向きとされていることを特徴とする調芯用光回路。