JP2022508474A

JP2022508474A - 回折格子カプラ

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Publication number: JP2022508474A
Application number: JP2021540225A
Authority: JP
Inventors: 啓介小島; 智志西川; 周作林; 洋介鈴木; クラムキン，ジョナサン; タン，インホン
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2022-01-19
Anticipated expiration: 2040-10-21
Also published as: US20210116645A1; JP7106012B2; CN114600016A; US11079550B2; WO2021080023A1; US20210181427A1; US11650371B2

Abstract

チップの導波路に光線を結合するための第１端部と第２端部とを有する回折格子カプラは、第１端部から光線を受光し、第２端部を通って光線を出射するように構成された基板を含む。基板は、第１屈折率ｎ１を有し、基板上に配置された回折格子曲面を有する回折格子構造を含み、回折格子構造は、第２屈折率ｎ２を有し、回折格子曲面は、線幅ｗおよび高さｄを有し、ピッチΛで配列され、第２屈折率ｎ２は、第１屈折率ｎ１よりも小さく、回折格子構造を覆うように構成されたクラッド層を含み、クラッド層は、第３屈折率ｎ３を有する。回折格子線の曲面は、他の光学素子に効率的に結合するように出射光線を成形するように構成される。また、曲面を傾くことによって、導波路に戻る光線の結合を減少することができる。【選択図】図１

Description

技術分野
本発明は、一般に、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）とも呼ばれる光学チップ用の回折格子カプラに関し、より具体的には、１つの能動型光学チップと１つの受動型光学チップとを接続するための回折格子カプラシステムに関する。

背景技術
目的の応用は、例えばＩｎＰ導波路を含む能動型光学チップと、例えばシリコンおよび／または窒化ケイ素導波路を含む受動型光学チップとのハイブリッド集積である。これによって、誤整列に対する大きな公差、結合プロセスの容易性、および高い結合効率などの特性が期待される。

シリコンフォトニクスは、多くの利点を提供する。そのうち、製造コストは、最も重要な要素である。また、シリコン導波路と周囲の二酸化ケイ素層との間の屈折率の大きな差は、低い損失で緊密な曲げを可能にするため、より高い密度および複雑性のＰＩＣをもたらす。同様に、窒化ケイ素導波路は、より低い光損失および低コストを有する。一方、直流注入の場合、信頼できる光学利得および出射特性が得られない。したがって、能動型ＰＩＣ（例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ）と受動型シリコンフォトニックＰＩＣとのハイブリッド集積は、低コスト、完全な機能および高密度のＰＩＣの達成に非常に重要である。

しかしながら、導波路が細いため、したがって両側で光線を高速に発散するため、典型的には、２つの導波路を光学的に接続する場合、サブミクロン精度で正確に整列する必要がある。したがって、大きな公差且つ高い結合効率で、２つの光学チップを接続する必要がある。

発明の概要
本開示のいくつかの実施形態によれば、光学チップの受動型導波路上の２次元長周期回折格子は、基板側に向かって浅い角度で光線を出射し、この光線は、チップファセット（第２端部）でより急峻な角度で回折され、細くなっていく光線を形成するように処理され、回折格子カプラを介して受動型光学チップに結合される。

いくつかの実施形態によれば、新規な回折格子カプラシステムは、チップの導波路に光線を結合するための第１端部と第２端部とを有する回折格子カプラによって実現される。回折格子カプラは、第１端部から光線を受光し、第２端部を通って光線を出射するように構成された基板を含み、基板は、第１屈折率ｎ１を有し、基板上に配置された回折格子曲面（線）を有する回折格子構造を含み、回折格子構造は、第２屈折率ｎ２を有し、回折格子曲面（線）は、線幅ｗおよび高さｄを有し、ピッチΛで配置され、第２屈折率ｎ２は、第１屈折率ｎ１よりも大きく、回折格子構造を覆うように構成されたクラッド層を含み、クラッド層は、第３屈折率ｎ３を有し、第３屈折率ｎ３は、第２屈折率ｎ２と異なる。クラッド層は、回折格子構造から回折された光線をクラッド層の下方に向けて反射するように構成される。２次元の回折格子曲面（線）は、楕円線の一部である一連の円弧を含み、円弧間のピッチは、２次元で徐々に減少する。これによって、回折光線は、通常シリコン回折格子である第２回折格子上に集束スポットを形成するように成形されるまたは狭められる。

本発明の別の実施形態によれば、光線をチップの導波路に結合するための第１端部および第２端部を有する回折格子カプラは、第１端部から光線を受光し、第２端部を通って光線を出射するように構成された基板を含み、基板は、第１屈折率ｎ１を有し、基板上に配置された回折格子曲面を有する回折格子構造を含み、回折格子構造は、第２屈折率ｎ２を有し、回折格子曲面は、線幅ｗおよび高さｄを有し、ピッチΛで配置され、第２屈折率ｎ２は、第１屈折率ｎ１よりも大きく、前記回折格子曲面は、光線を回折することによって、前記光線の光伝搬方向に垂直な２つの直交する軸内において細くなっていく光線を形成するように配置され、回折格子構造を覆うように構成されたクラッド層を含み、クラッド層は、第３屈折率ｎ３を有し、第３屈折率ｎ３は、第２屈折率ｎ２と異なる。

さらに、本発明の別の実施形態によれば、集積回折格子カプラシステムは、第１チップ上に形成された回折格子カプラを含み、回折格子カプラは、第２チップの導波路に光線を結合するための第１端部と第２端部とを有し、回折格子カプラは、第１端部から光線を受光し、第２端部を通って光線を出射するように構成された基板を含み、基板は、第１屈折率ｎ１を有し、基板上に配置された回折格子曲面を有する回折格子構造を含み、回折格子構造は、第２屈折率ｎ２を有し、回折格子曲面は、線幅ｗおよび高さｄを有し、ピッチΛで配置され、第２屈折率ｎ２は、第１屈折率ｎ１よりも大きく、回折格子構造を覆うように構成されたクラッド層を含み、クラッド層は、第３屈折率ｎ３を有し、第３屈折率ｎ３は、第２屈折率ｎ２よりも小さい。クラッド層は、基板と同じ材料から作られてもよく、またはＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、またはポリマーから作られてもよい。

以下、図面を参照して本開示の実施形態を説明する。図面は、必ずしも一定の縮尺で描かれておらず、一般に本開示の実施形態の原理を例示するために強調を加えることがある。

図面の簡単な説明
本発明の実施形態に従って、集積回折格子カプラシステムを示す断面図である。本発明の実施形態に従って、各回折格子線の厚さを含み、２次元回折格子曲面を示す上面図である。本発明の実施形態に従って、２次元回折格子曲面の中心線を示す上面図である。本発明の実施形態に従って、回折格子曲面からの反射光が導波路の第１端部に結合されないように、光線の光伝搬方向に対して非対称に配置された回折格子を含む２次元回折格子構造を示す図である。本発明の実施形態に従って、多段回折格子構造を示す側面図である。本発明の実施形態に従って、多段に形成された非対称回折格子を示す側面図である。本発明の実施形態に従って、（光線を出射する）第１チップと（第１チップから出射された光線を受光する）第２チップとを含む回折格子カプラの例示的な構造を示す断面図である。本発明の実施形態に従って、図６Ａの回折格子カプラシステムを示す上面図である。

上述したように、上記の特定の図面は、本開示の実施形態を図示しているが、他の実施形態も考えられる。図示された本開示の実施形態は、限定ではなく例示である。当業者は、本開示の実施形態の原理の範囲および精神に含まれる多数の他の修正および実施形態を考案することができる。

実施形態の説明
以下の説明は、例示的な実施形態のみを提供するものであり、本開示の範囲、応用、または構成を制限することを意図していない。むしろ、以下の例示的な実施形態の説明は、１つ以上の例示的な実施形態を実装可能な説明を当業者に与える。添付の特許請求の範囲に記載される主題の精神および範囲から逸脱することなく、要素の機能および配置の様々な変更を行うことができる。

以下の説明において、具体的な詳細は、実施形態の完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、理解すべきことは、当業者なら、これらの具体的な詳細がなくても、実施形態を実装することができることである。例えば、不必要な詳細で実施形態を不明瞭にしないように、本開示の主題におけるシステム、プロセスおよび他の要素は、ブロック図の構成要素として示されてもよい。他の例では、実施形態を不明瞭にしないように、不必要な詳細を省略して、周知のプロセス、構造および技術を示すことがある。また、様々な図面において、同様の参照番号および名称は、同様の要素を示す。

また、本開示の主題の実施形態は、以下に記載される構造の少なくとも一部の部材または部材の組み合わせによって実装されてもよい。

２つの光学チップ間の光学結合は、ハイブリッドＰＩＣの最も重要な部分である。整列の容易性および高い結合効率は、非常に重要な因子である。回折格子カプラは、これらの性能を提供する。場合によっては、従来の楕円状回折格子曲面は、平行光線を生成する。すなわち、光線の形状は、伝搬軸に沿ってほぼ一定である。しかしながら、出射面が大きく、第２回折格子に効率的に結合するためにより狭い光線幅または集束が必要である場合、楕円状回折格子曲面は、不十分である。本発明の実施形態は、第２回折格子の表面に照射する光線を所望の形状に形成するように回折格子曲面を成形することによって、より高い結合効率をもたらす。

多くの要素は、この構成の高結合効率を達成することができる。
図１は、本発明に従って、集積回折格子カプラシステム１００の断面図を示している。第１光学チップ（第１チップ）１０５は、ＩｎＰ基板１１０に作成され、ＩｎＧａＡｓＰ導波層１３０と、ＩｎＰクラッド層１２０と、第１回折格子１４０とを含む。第２光学チップ（第２チップ）１４５は、シリコン基板１５０と、（ＢＯＸ層とも呼ばれる）埋込ＳｉＯ_２層１６０と、（シリコンオンインシュレータまたはＳＯＩとも呼ばれる）シリコン（Ｓｉ）導波層１７０と、ＳｉＯ_２クラッド層１８０と、シリコン導波層にエッチングされた第２回折格子１９０とを含む。第１光学チップ１０５によって回折された光線は、ＩｎＰ基板１１０および第１光学チップファセット１９５を通って伝搬し、第２光学チップ１４５の回折格子１９０に結合される。また、一例として、集積回折格子カプラシステムの上面図は、図６Ａおよび６Ｂに示される。

図１において、回折格子ピッチΛは、回折格子の上昇端の間の距離であり、ｗは、主歯の線幅であり、ｄは、回折格子の厚さである。回折格子ピッチΛは、一定ではなくてもよい。回折格子ピッチΛは、チャープ回折格子を表すように、入射導波路の端部からの伝搬距離に従って変化してもよい。また、回折格子ピッチΛは、楕円線を形成するように、主伝搬距離からの角度に依存してもよい。第１光学チップにおいて、回折格子は、浅い角度で光を基板に向かって回折する。この回折光線は、チップファセットでより急峻な角度でさらに回折される。したがって、光線は、成形され、第２チップの回折格子に照射され、第２チップの導波路に案内される。サブ回折格子を含むかまたはサブ回折格子の設計に依存して、動作波長は、１５３０～１５７０ｎｍであり、典型的な回折格子ピッチΛは、５～１５μｍであり、典型的な回折格子線幅ｗは、回折格子ピッチの１０～６０％であり、典型的な回折格子厚さｄは、０．２～１μｍである。

図２Ａは、一例として、回折格子構造２９５の上面図を示している。図面において、影付き領域２４０は、クラッド層の厚さが周囲領域より大きい領域であり、２２０は、エッチングされた回折格子領域であり、２３０は、入射導波路である。

なお、第１端部の直線端と第１回折格子線との間の距離Ｌ_ｇｒは、光線が望ましくない回折を受けずに、相当な強度の光線が第１回折格子曲面（線）に到達できるように設定される。例えば、距離Ｌ_ｇｒは、ｎλ_ｇ（ｎは、乗数であり、λ_ｇは、導波路内の光線の波長である）の範囲にあってもよい。乗数ｎは、１０～１０００、より好ましくは５０～５００である。

図２Ｂは、エッチングされた領域２２０の回折格子曲面の中心線の上面図を示している。回折格子曲面は、以下の式（１）によって表される。

（１）
式中、ｘおよびｙは、それぞれ光伝搬方向に対して平行な方向および垂直な方向であり、ｑは、各回折格子線に対応する整数（ｑ＝ｍ，ｍ＋１，ｍ＋２．．．（ｍ＞０））であり、λは、波長であり、ｎ_ｃは、基板の屈折率であり、φ_ｃは、導波路表面の法線からの角度であり、ｎ_ｅｆｆは、導波路の有効屈折率であり、Δ_ｘおよびΔ_ｙは、ｘ方向およびｙ方向における狭小化または集束効果を表す回折格子チャープの係数である。負の値のΔ_ｘおよびΔ_ｙは、曲線が原点（０，０）から、すなわち入射導波路の端部から離れるにつれて、曲線間のピッチまたは間隔が減少することを意味する。なお、式（１）は、Δ_ｘとΔ_ｙの両方がゼロではない限り、必ずしも楕円線を表していないが、楕円線に非常に近似することができる。図２Ａに示すように、実際の回折格子曲面は、光線の光伝搬方向に向かって突出するように、式（１）の一部である。

この回折格子からの回折光は、２次元に、すなわち、回折光線光伝搬方向に対してそれぞれ垂直な２つの直交軸に処理することができる。Δ_ｘおよびΔ_ｙに適切な負の値を選択する場合、回折光線は、伝搬するにつれて細くなることができる。Δ_ｘまたはΔ_ｙがゼロである場合、すなわち、回折格子曲面間の距離が一定である場合、回折光線は、対応する方向に平行である。

また、Δ_ｘおよびΔ_ｙの絶対値が小さい場合、式（１）で表される回折格子曲面間の距離は、一定の割合で減少する。（図６Ａおよび６Ｂに示すように、回折格子６４０の領域内に狭小光線を形成する）十分な狭小化効果を得ると共に、焦点距離を近づけ過ぎないように、この値は、典型的にはピッチの０．２％～２％である。

集積回折格子カプラシステムは、同一の基板上に設けられた半導体レーザを含むことができる。しかしながら、半導体レーザは、反射に対して非常に敏感である。モードホッピングまたはレーザ線幅の変動を引き起こす可能性がある。したがって、小さな後方反射を示す傾向がある回折格子カプラを含み、キャビティの内部または外部の光学素子からの反射を最小化することは、非常に重要である。

図３は、２次元回折格子の概略図を示している。この２次元回折格子は、光線３１０の光伝搬方向に対して非対称である。この場合、２次元回折格子は、回折格子曲面からの反射光が導波路の第１端部に結合されないように配置される。換言すれば、曲面３００の軸３２０（ほぼ楕円曲面の場合、長軸）は、非ゼロ角度α_０で導波路の軸線３１０と交差する。

クラッド層は、非半導体材料から作られてもよい。通常、高価な結晶再成長を必要とする半導体クラッド層とは異なって、誘電材料（ＳｉＯ_２またはＳｉ_３Ｎ_４）またはポリマー材料は、再成長を必要としないため、製造が容易であり、コストが低い。

しかしながら、誘電材料またはポリマー材料の屈折率は、典型的には１．４～２．３であり、一方、殆どの光通信用の波長１．３～１．６μｍにおける導波路層の屈折率は、３．０～３．６である。このため、導波路層とこのクラッド層との間の屈折率の差は、半導体クラッド層を用いた場合よりも大きくなる。よって、高次（ｎ＝２、３、４、５、．．．）回折は、より大きな役割を果たし、典型的にはＳｉ基板上に設けられた別の回折格子カプラ（または別の光学部品）への結合効率を低下させる。したがって、高次回折を最小化することは、非常に重要である。

各次数の回折は、回折回折格子のフーリエ成分と高度に相関する。例えば、矩形の回折回折格子は多くの３次フーリエ成分および５次フーリエ成分を含むため、３次回折および５次回折は非常に高い。したがって、回折格子の上昇端および下降端を効果的に和らげることが重要である。

図４は、回折格子の側面図を示している。基板４１０およびクラッド層４３０によって挟まれた導波路層４２０は、３つ以上の高さまたは段階を有する回折格子４６０によって形成される。３つ以上の高さまたは段階は、一連のフォトリソグラフィおよびエッチングプロセスによって形成されてもよい。ＩｎＰ回折格子カプラの典型的な回折格子ピッチが８～１２μｍであるため、約０．５μｍという最小形状サイズを形成可能なプロセスを用いて、多段回折格子を形成することができる。

また、図５に示すように、回折格子の断面形状は、非対称であってもよい。回折格子は、光伝搬方向５４０に対して、より急峻な上昇端およびより緩やかな下降端を有することができ、より有効な回折格子効果が得られる。したがって、入射光は、より効果的に下方向５５０に向けられる。

図６Ａは、（光線を出射する）第１チップおよび（第１チップから出射された光線を受光する）第２チップを含む回折格子カプラの例示的な構造を示す断面図である。上述したように、回折格子線は、図２Ａおよび２Ｂに示すように、式（１）に従って、所定の距離および曲率で配置される。図６Ｂは、図６Ａの回折格子カプラシステムを示す上面図である。図示のように、回折格子線は、弯曲している。θ１およびθ２は、それぞれ第１チップおよび第２チップの同心回折格子線の角度である。横方向の光線発散を狭める１つの方法は、弯曲回折格子、例えば楕円回折格子を使用することである。図６Ａおよび６Ｂは、回折格子カプラシステム６００の断面図および上面図をそれぞれ示している。第１光学チップ６１０および第２光学チップ６３０は、それぞれ楕円回折格子６２０および６４０を有する。一例では、約１μｍ幅のＩｎＰ導波路６１５は、少なくとも１０°で全幅で楕円回折格子６２０に接続される。同様に、０．５μｍ幅のシリコン導波路６３５は、楕円シリコン回折格子６４０に接続される。

本発明の上記の実施形態は、多くの方法で実装されてもよい。例えば、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせを用いて実施形態を実装することができる。ソフトウェアで実装する場合、ソフトウェアコードは、単一のコンピュータに設けられたまたは複数のコンピュータに分散された適切なプロセッサまたは複数のプロセッサ上で実行することができる。これらのプロセッサは、集積回路として実装されてもよい。各集積回路は、１つ以上のプロセッサを含む。また、プロセッサは、任意の適切なフォーマットの回路を使用して実装されてもよい。

また、本発明の実施形態は、方法として具現化されてもよい。上記は、方法の一例を提供している。方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法で順序付けられてもよい。したがって、例示的な実施形態では順次の動作として示されているが、いくつかの動作を同時に実行することを含み、図示とは異なる順序で動作を実行するように、実施形態を構成することができる。

「第１」、「第２」などの順序用語を使用して請求項要素を修飾することは、別の請求項要素に対して、１つの請求項要素が方法の動作を実行する優先順位もしくは順序または時間順序を意味しておらず、単にラベルとして使用され、特定の名前を有する１つの請求項要素を、（順序用語を使用している）同様の名前を有する別の要素から区別ように請求項の要素を区別することである。

いくつかの好ましい実施形態を参照して本開示を説明してきたが、本開示の精神および範囲において、様々な他の変形および修正を行うことができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、本開示の精神および範囲にある全ての変形および修正を含む。

Claims

チップの導波路に光線を結合するための第１端部と第２端部とを有する回折格子カプラであって、
前記第１端部から前記光線を受光し、前記第２端部を通って前記光線を出射するように構成された基板を含み、前記基板は、第１屈折率ｎ１を有し、
前記基板上に配置された回折格子曲面を有する回折格子構造を含み、前記回折格子構造は、第２屈折率ｎ２を有し、前記回折格子曲面は、線幅ｗおよび高さｄを有し、ピッチΛで配置され、前記第２屈折率ｎ２は、前記第１屈折率ｎ１よりも大きく、前記回折格子曲面は、光線を回折することによって、前記光線の光伝搬方向に垂直な２つの直交する軸内において細くなっていく光線を形成するように配置され、
前記回折格子構造を覆うように構成されたクラッド層を含み、前記クラッド層は、第３屈折率ｎ３を有し、前記第３屈折率ｎ３は、前記第２屈折率ｎ２と異なる、回折格子カプラ。
前記回折格子曲面の曲面は、前記回折光線を成形して別の回折格子カプラに結合するように構成される、請求項１に記載の回折格子カプラ。
前記回折格子曲面の曲面は、前記回折光線を別の回折格子カプラに集束するように構成される、請求項１に記載の回折格子カプラ。
前記回折格子曲面は、部分的な楕円線として配置され、
前記楕円線は、前記光線の光伝搬方向に向かって突出し、
前記楕円線間の間隔は、導波路の端部からの距離に従って小さくなる、請求項１に記載の回折格子カプラ。
前記回折格子曲面の中心は、以下の式によって表され、

式中、
ｘおよびｙは、それぞれ前記光伝搬方向に対して平行な方向および垂直な方向であり、
ｑは、前記第１端部からの各回折格子線に対応する整数（ｑ＝ｍ，ｍ＋１，ｍ＋２．．．（ｍ＞０））であり、
λは、前記光線の波長であり、
ｎ_ｃは、前記基板の屈折率であり、
φ_ｃは、前記導波路表面の法線からの角度であり、
ｎ_ｅｆｆは、前記導波路の有効屈折率であり、
Δ_ｘおよびΔ_ｙは、回折格子チャープの係数である、請求項１に記載の回折格子カプラ。
前記回折格子曲面は、前記回折格子曲面からの反射光が前記導波路の前記第１端部に結合されないように、前記光線の光伝搬方向に対して非対称に配置されている、請求項１に記載の回折格子カプラ。
前記クラッド層は、二酸化ケイ素を含む、請求項１に記載の回折格子カプラ。
前記クラッド層は、窒化ケイ素を含む、請求項１に記載の回折格子カプラ。
前記クラッド層は、ポリマーを含む、請求項１に記載の回折格子カプラ。
前記クラッド層は、前記基板と同じ材料を含む、請求項１に記載の回折格子カプラ。
前記回折格子は、３つ以上の高さを含む、請求項１に記載の回折格子カプラ。
前記回折格子の断面形状は、非対称である、請求項１に記載の回折格子カプラ。
前記回折格子の上昇端は、前記回折格子の下降端よりも急峻である、請求項１１に記載の回折格子カプラ。
前記回折格子曲面は、光線入射端からの入射光線に向かって凹形状となるように配置される、請求項１に記載の回折格子カプラ。
前記回折格子曲面間の距離は、不均一である、請求項１に記載の回折格子カプラ。
前記距離は、一定の比率で減少するように構成される、請求項１５に記載の回折格子カプラ。
前記第１端部の直線端と第１回折格子線との間の距離は、前記導波路内の前記光線の波長の倍数であり、
前記倍数は、５０～５００である、請求項１に記載の回折格子カプラ。