JP2023109239A - Optical waveguide device - Google Patents

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秀彰 岡山
Hideaki Okayama
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Abstract

To provide an interference meter-type element which has an unimodal wavelength characteristic and is highly responsive to change of the index of refraction.SOLUTION: The present invention relates to an optical waveguide device having an optical waveguide core 30 on a lower clad 20 and having a detection unit 50. The detection unit includes: a first waveguide 100; a second waveguide 200 located near the first waveguide and having a slot; and a grating for shifting light which propagates in the first waveguide toward the second waveguide in at least one of the first waveguide and the second waveguide.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、光導波路素子、特に、導波路周囲の屈折率変化を検知する素子として用いることができる光導波路素子に関する。 The present invention relates to an optical waveguide element, and more particularly to an optical waveguide element that can be used as an element for detecting refractive index changes around the waveguide.

光導波路デバイスのプラットフォーム技術として、従来、シリコン(Si)フォトニクスが注目を集めている。Siフォトニクスの特徴は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などの半導体装置の製造プロセスを利用することによる、光導波路とそれに準ずる変調器や受光器など光デバイスの小型・集積性、及び、既存の半導体製造技術を流用して提供される200mmあるいは300mmウェハープロセスによる生産性の高さである。また、Siをコア、Si酸化膜(SiO)をクラッドとするSi導波路は比屈折率差が40%に達するので、高い光の閉じ込め効果が得られる。特にSi細線導波路では、曲げ導波路の曲率半径や並走配線ピッチを数ミクロンオーダーまで小さくでき、光回路レイアウトの小型化が可能となる。 Silicon (Si) photonics has conventionally attracted attention as a platform technology for optical waveguide devices. The characteristics of Si photonics are the miniaturization and integration of optical devices such as optical waveguides and similar modulators and light receivers, and the compatibility with existing semiconductors, by using the manufacturing process of semiconductor devices such as CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). The high productivity is due to the 200 mm or 300 mm wafer process provided by diverting manufacturing technology. In addition, a Si waveguide having a Si core and a Si oxide film (SiO 2 ) as a clad has a relative refractive index difference of up to 40%, so that a high optical confinement effect can be obtained. In particular, in a Si wire waveguide, the radius of curvature of the bent waveguide and the pitch of the parallel wiring can be reduced to the order of several microns, making it possible to miniaturize the optical circuit layout.

Si導波路の用途の一例として、導波路周囲の屈折率変化を検知する素子への適用が検討されている(例えば、非特許文献1又は非特許文献2参照)。導波路壁面付近でのエバネッセント波を用いれば、導波路表面へ吸着させた生体物質を検出することができる。 As an example of the use of the Si waveguide, application to an element for detecting refractive index change around the waveguide is under consideration (see, for example, Non-Patent Document 1 or Non-Patent Document 2). By using the evanescent wave near the waveguide wall surface, it is possible to detect the biological material adsorbed to the waveguide surface.

生体物質の検出に用いられる素子は、リング共振器などの光の共振を用いる共振器型と、マッハツェンダ干渉計などの干渉を用いる干渉計型とに分離できる。生体物質の吸着による屈折率変化を高感度で検出するには、干渉器型が有利であるという報告もある。 Elements used to detect biological substances can be classified into a resonator type, such as a ring resonator, which uses light resonance, and an interferometer type, such as a Mach-Zehnder interferometer, which uses interference. There is also a report that the interferometer type is advantageous for highly sensitive detection of changes in refractive index due to adsorption of biological substances.

Advanced Material Technologies vol.5, p.1901138, 2020年Advanced Material Technologies vol.5, p.1901138, 2020 Sensors vol.16, p.285, 2016年Sensors vol.16, p.285, 2016

しかしながら、共振器型及び干渉計型のいずれにおいても、その波長応答特性が周期的であるために、大きな屈折率変化では周期を超えて波長特性が変化して、小さな屈折率変化と区別できない欠点がある。共振器型では、Braggグレーティングや1次元フォトニック結晶などの単峰性の波長特性を持つ素子が存在するが、干渉計型では、簡易な構造の素子が知られていない。 However, in both the resonator type and the interferometer type, since the wavelength response characteristic is periodic, a large refractive index change causes the wavelength characteristic to change beyond the period, making it indistinguishable from a small refractive index change. There is In the resonator type, there are elements having single-peak wavelength characteristics such as Bragg gratings and one-dimensional photonic crystals, but in the interferometer type, elements with simple structures are not known.

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、単峰性の波長特性を持ち、屈折率変化に対する高い応答性を有した干渉計型の素子を得ることにある。 The present invention has been made in view of the above problems. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to obtain an interferometer type element that has a unimodal wavelength characteristic and high responsiveness to changes in the refractive index.

上述した目的を達成するために、この発明の光導波路素子は、下部クラッド上に光導波路コアを設けて形成された光導波路素子であって、検出部を有している。検出部は、第1導波路と、第1導波路に近接配置され、スロットが形成された第2導波路と、第1導波路及び第2導波路の少なくとも一方に、第1導波路を伝搬する光を、第2導波路に移行させるグレーティングとを備える。 In order to achieve the above object, an optical waveguide element of the present invention is an optical waveguide element formed by providing an optical waveguide core on a lower clad, and has a detection section. The detection unit includes a first waveguide, a second waveguide arranged close to the first waveguide and formed with a slot, and propagating through the first waveguide to at least one of the first waveguide and the second waveguide. and a grating for transferring light from the waveguide to the second waveguide.

また、この発明の光導波路素子の他の実施形態によれば、N(Nは2以上の整数)の上述の検出部を有する。各検出部が備える第1導波路の、一方の端部に入力導波路が接続され、他方の端部に出力導波路が接続される。第k(kは1以上N-1以下の整数)検出部に接続された出力導波路は、第k+1検出部に接続された入力導波路と接続される。 Further, according to another embodiment of the optical waveguide device of the present invention, it has N (N is an integer equal to or greater than 2) detection portions. An input waveguide is connected to one end of the first waveguide provided in each detection section, and an output waveguide is connected to the other end of the first waveguide. The output waveguide connected to the k-th (k is an integer from 1 to N−1) detection section is connected to the input waveguide connected to the k+1-th detection section.

また、この発明の光導波路素子の他の実施形態によれば、下部クラッド上に光導波路コアを設けて形成され、リング共振器を構成する、第1入出力導波路、リング状導波路、及び、第2入出力導波路を備え、上述の検出部を有する。 According to another embodiment of the optical waveguide device of the present invention, the first input/output waveguide, the ring-shaped waveguide, and the optical waveguide core are formed on the lower clad to form a ring resonator, , with a second input and output waveguide, and having a detection portion as described above.

第1導波路の一方の端部に入力導波路が接続され、他方の端部に出力導波路が接続され、入力導波路と出力導波路が曲線導波路で接続されて、リング状導波路を構成する。検出部の第2導波路が、第1入出力導波路を構成し、第2入出力導波路は、リング状導波路と近接配置されている。 An input waveguide is connected to one end of the first waveguide, an output waveguide is connected to the other end, and the input waveguide and the output waveguide are connected by a curved waveguide to form a ring waveguide. Configure. The second waveguide of the detection section constitutes the first input/output waveguide, and the second input/output waveguide is arranged close to the ring-shaped waveguide.

この発明の光導波路素子では、グレーティングが、第2導波路の両側面に設けられる構成にしてもよい。また、グレーティングが、第1導波路の、第2導波路側の側面に設けられる構成にしてもよい。 In the optical waveguide device of the present invention, gratings may be provided on both side surfaces of the second waveguide. Alternatively, the grating may be provided on the side surface of the first waveguide on the side of the second waveguide.

この発明の光導波路素子のさらなる好適実施形態によれば、検出部が設けられていない領域において、光導波路コアは、下部クラッドと同じ材質の上部クラッドで覆われ、検出部が設けられている領域において、光導波路コアは、上部クラッドで覆われていない。 According to a further preferred embodiment of the optical waveguide element of the present invention, the optical waveguide core is covered with an upper clad made of the same material as the lower clad in the region where the detector is not provided, and the region where the detector is provided. , the optical waveguide core is not covered with an upper cladding.

この発明の光導波路素子によれば、単峰性の波長特性を持ち、屈折率変化に対する高い応答性を有する。 The optical waveguide element of the present invention has a single-peak wavelength characteristic and high responsiveness to changes in the refractive index.

第1導波路素子を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating a 1st waveguide element. 第1導波路素子の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of a 1st waveguide element. 第2導波路素子を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating a 2nd waveguide element. 第2導波路素子の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of a 2nd waveguide element. 第3導波路素子を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating a 3rd waveguide element. 第4導波路素子を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating a 4th waveguide element.

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings, but the shape, size and arrangement of each component are only schematically shown to the extent that the present invention can be understood. Further, although preferred configuration examples of the present invention will be described below, the materials and numerical conditions of each component are merely preferred examples. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments, and many modifications and variations that can achieve the effects of the present invention can be made without departing from the scope of the configuration of the present invention.

(第1導波路素子の構成)
図1を参照して、この発明の第1実施形態に係る光導波路素子(以下、第1導波路素子とも称する。)を説明する。図1は、第1導波路素子を説明するための模式図である。図1(A)は、第1導波路素子の概略的平面図であって、後述する支持基板及び下部クラッドを省略し、光導波路コアのみを示している。なお、他の概略的平面図においても支持基板及び下部クラッドを省略し、光導波路コアのみを示している。図1(B)は、第1光導波路素子の一部領域の切断端面図である。
(Structure of first waveguide element)
An optical waveguide device (hereinafter also referred to as a first waveguide device) according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the first waveguide element. FIG. 1A is a schematic plan view of the first waveguide element, omitting a supporting substrate and a lower clad, which will be described later, and showing only the optical waveguide core. In other schematic plan views, the supporting substrate and the lower clad are omitted, and only the optical waveguide core is shown. FIG. 1B is a cut end view of a partial region of the first optical waveguide device.

第1光導波路素子は、支持基板10上に下部クラッド20と、下部クラッド20上に光導波路コア30を備えて構成される。 The first optical waveguide device is configured with a lower clad 20 on a support substrate 10 and an optical waveguide core 30 on the lower clad 20 .

光導波路コア30を伝搬する光が、支持基板10へ逃げるのを防止するため、支持基板10と光導波路子30の距離、すなわち、下部クラッド20の厚みは、1μm以上であるのがよい。また、光導波路コア30の厚みは、深さ方向でシングルモード条件を達成できる値である、200~400nmであることが望ましい。ここでは、光導波路コア30の厚みが220nmであるとする。 In order to prevent light propagating through the optical waveguide core 30 from escaping to the support substrate 10, the distance between the support substrate 10 and the optical waveguide element 30, that is, the thickness of the lower clad 20 is preferably 1 μm or more. Moreover, the thickness of the optical waveguide core 30 is preferably 200 to 400 nm, which is a value capable of achieving a single mode condition in the depth direction. Here, it is assumed that the thickness of the optical waveguide core 30 is 220 nm.

光導波路コア30の平面形状に応じて、光が伝搬し、所望の機能を実現する。 Light propagates according to the planar shape of the optical waveguide core 30 to achieve a desired function.

第1導波路素子は、第1導波路100及び第2導波路200を備えて構成される検出部50を有する。 The first waveguide element has a detection section 50 configured with a first waveguide 100 and a second waveguide 200 .

第1導波路100及び第2導波路200は、互いに平行に近接配置された直線導波路である。第1導波路100の幅Wは、例えば、600nmであり、第2導波路200の幅Wは、例えば、700nmである。また、第1導波路100及び第2導波路200の長さLは、例えば、約99μmである。第1導波路100と第2導波路200の間隙gは、例えば、300nmである。 The first waveguide 100 and the second waveguide 200 are straight waveguides arranged in parallel and close to each other. The width W1 of the first waveguide 100 is, for example, 600 nm, and the width W2 of the second waveguide 200 is, for example, 700 nm. Also, the length L of the first waveguide 100 and the second waveguide 200 is, for example, approximately 99 μm. A gap g between the first waveguide 100 and the second waveguide 200 is, for example, 300 nm.

第1導波路100の一方の端部には、入力導波路110が接続されている。また、第1導波路100の他方の端部には、出力導波路120が接続されている。 An input waveguide 110 is connected to one end of the first waveguide 100 . An output waveguide 120 is connected to the other end of the first waveguide 100 .

第2導波路200の一方の端部には、第1曲線導波路210が接続されている。また、第2導波路200の他方の端部には、第2曲線導波路220が接続されている。第1曲線導波路210及び第2曲線導波路220は、第2導波路200から離れるに従って、第1導波路100からの距離が大きくなるように設けられる。なお、入力導波路110、出力導波路120も曲線導波路であって良い。 A first curved waveguide 210 is connected to one end of the second waveguide 200 . A second curved waveguide 220 is connected to the other end of the second waveguide 200 . The first curved waveguide 210 and the second curved waveguide 220 are provided so that the distance from the first waveguide 100 increases as the distance from the second waveguide 200 increases. The input waveguide 110 and the output waveguide 120 may also be curved waveguides.

第2導波路200の中央には、第2導波路200の長手方向に沿ってスロット202が設けられている。スロット202の幅Wは、例えば、150nmである。また、第2導波路の側壁には、グレーティング204が形成されている。グレーティング204は、例えば、周期Λが2.78μmである三角関数的な形状で構成される。三角関数の振幅の2倍に対応する、グレーティング204の幅Wは、長手方向の一方の端部及び他方の端部付近で最小であり、長手方向の中央付近に向けて、徐々に大きくなり、最大幅は、例えば、130nmである。 A slot 202 is provided in the center of the second waveguide 200 along the longitudinal direction of the second waveguide 200 . The width W s of the slot 202 is, for example, 150 nm. A grating 204 is formed on the side wall of the second waveguide. The grating 204 is configured, for example, in a trigonometric shape with a period Λ of 2.78 μm. The width W of the grating 204, which corresponds to twice the amplitude of the trigonometric function, is minimum near one longitudinal end and the other end and gradually increases toward the longitudinal center, The maximum width is, for example, 130 nm.

なお、光導波路コア30を伝搬する光の伝搬損失は、光導波路コア30の周囲に、下部クラッド20と同じ材料の上部クラッドがあるほうが低い傾向がある。したがって、生体物質の検出に必要な検出部50が設けられているセンシング領域以外の部分に、光導波路コア30を覆う上部クラッドを、下部クラッド20と同じ材料であるSiOで設けるのが良い。 The propagation loss of light propagating through the optical waveguide core 30 tends to be lower when the optical waveguide core 30 is surrounded by an upper clad made of the same material as the lower clad 20 . Therefore, it is preferable to provide an upper clad covering the optical waveguide core 30 with SiO 2 , which is the same material as the lower clad 20, in a portion other than the sensing region where the detection unit 50 necessary for detecting biological substances is provided.

一方、検出部50が設けられている領域は、生体物質の吸着による屈折率変化を高感度で検出するために、光導波路コア30を覆う上部クラッドを設けないのが良い。 On the other hand, in the area where the detection section 50 is provided, it is preferable not to provide the upper clad covering the optical waveguide core 30 in order to detect the refractive index change due to adsorption of the biological substance with high sensitivity.

(第1導波路素子の動作)
第1導波路素子の動作を説明する。入力導波路110に入力された光は、主に、第1導波路100に光が集中するモードを励起する。第2導波路200に設けられたグレーティング204により、第1導波路100を伝搬する光と、第2導波路200を伝搬するモー
ドとの位相整合が実現されると、第1導波路100を伝搬する光は、第2導波路200を伝搬する光に変換される。第1導波路100を伝搬する光の等価屈折率N、第2導波路200を伝搬する光の等価屈折率N、及び、グレーティング周期Λの間には、以下の式(1)の関係が成立する。
(Operation of first waveguide element)
The operation of the first waveguide element will be explained. Light input to the input waveguide 110 mainly excites a mode in which light is concentrated in the first waveguide 100 . When phase matching between the light propagating in the first waveguide 100 and the mode propagating in the second waveguide 200 is realized by the grating 204 provided in the second waveguide 200, the light propagating in the first waveguide 100 The light is converted into light propagating through the second waveguide 200 . Between the equivalent refractive index N 1 of light propagating through the first waveguide 100, the equivalent refractive index N 2 of light propagating through the second waveguide 200, and the grating period Λ, the following equation (1) holds: holds.

Λ=λ/(N-N) (1)
第1導波路100及び第2導波路200の周囲の屈折率が変化すると、等価屈折率N及びNが変化するので、位相整合する波長λが変化する。この位相整合する波長λの変化を検出して、導波路の周囲の屈折率変化を検出する。
λ=λ/(N 1 −N 2 ) (1)
When the refractive index around the first waveguide 100 and the second waveguide 200 changes, the equivalent refractive indices N1 and N2 change, so that the phase-matching wavelength λ changes. This change in phase-matching wavelength λ is detected to detect the refractive index change around the waveguide.

ここで、第2導波路200には、スロット202が形成されているので、導波路の両側面及び上面よりも、スロット内部の屈折率変化の影響をより多く受ける。このため、スロット202が形成されている第2導波路200は、スロットが形成されていない第1導波路100よりも、周囲の屈折率変化に敏感である。従って、主に、第2導波路200の等価屈折率Nが、位相整合する波長λの変化に寄与する。 Here, since the slot 202 is formed in the second waveguide 200, it is more affected by the change in the refractive index inside the slot than on both side surfaces and top surface of the waveguide. Therefore, the second waveguide 200 with slots 202 is more sensitive to ambient refractive index changes than the first waveguide 100 without slots. Therefore, mainly the equivalent refractive index N2 of the second waveguide 200 contributes to the change of the phase matching wavelength λ.

上記式(1)から、第2導波路の屈折率Nの変化ΔNに対する波長変化Δλは、以下の式(2)で与えられる関係を満たす。 From the above equation (1), the wavelength change Δλ with respect to the change ΔN2 in the refractive index N2 of the second waveguide satisfies the relationship given by the following equation (2).

Δλ/λ=-ΔN/(N1g-N2g) (2)
ここで、N1g及びN2gは、それぞれ、第1導波路100及び第2導波路200の群屈折率である。上記式(2)から、N1g-N2gが小さければ、大きな波長変化が得られることがわかる。
Δλ/λ=−ΔN 2 /(N 1g −N 2g ) (2)
Here, N 1g and N 2g are the group refractive indices of the first waveguide 100 and the second waveguide 200, respectively. From the above equation (2), it can be seen that a large wavelength change can be obtained if N 1g -N 2g is small.

図2は、第1導波路素子の特性を示す図である。図2は、横軸に波長[単位:μm]をとり、縦軸に測定値として、光強度(a.u.)をとって示している。図2は、3次元FDTD(Finite Difference Time Domain)法によるシミュレーションの結果を示している。図2中、曲線Iは、入力導波路110に入力される光強度を示し、曲線IIは、出力導波路120から出力される光強度を示し、曲線IIIは、第2曲線導波路220から出力される光強度を示している。ここで、各数値条件は、上述の例で示したものである。 FIG. 2 is a diagram showing characteristics of the first waveguide element. In FIG. 2, the horizontal axis indicates the wavelength [unit: μm], and the vertical axis indicates the light intensity (a.u.) as the measured value. FIG. 2 shows the results of a simulation by a three-dimensional FDTD (Finite Difference Time Domain) method. In FIG. 2, curve I indicates the intensity of light input to the input waveguide 110, curve II indicates the intensity of light output from the output waveguide 120, and curve III indicates the intensity of light output from the second curved waveguide 220. shows the light intensity that will be used. Here, each numerical condition is shown in the above example.

図2に示されるように、第1導波路素子の出力導波路220からの出力強度(曲線II)に、きれいな形状のくぼみ(ピークディップ)(図2中、Aで示す部分)を得ることができる。このとき、導波路周囲の屈折率変化に対する波長変化は、1500nm/RIU(Refractive Index Unit)であり、通常のセンサに比べて一桁以上大きな感度が得られる。 As shown in FIG. 2, the output intensity (curve II) from the output waveguide 220 of the first waveguide element can have a well-shaped depression (peak dip) (indicated by A in FIG. 2). can. At this time, the wavelength change with respect to the refractive index change around the waveguide is 1500 nm/RIU (Refractive Index Unit), which is one or more orders of magnitude higher than that of a normal sensor.

(第1導波路素子の製造方法)
第1光導波路素子は、例えば、SOI(Silicon On Insulator)基板を利用することによって、簡単に製造することができる。
(Manufacturing method of the first waveguide element)
The first optical waveguide element can be easily manufactured by using, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate.

以下、第1導波路素子の製造方法の一例を説明する。 An example of a method for manufacturing the first waveguide element will be described below.

先ず、支持基板層、SiO層、及びSi層が順次積層されて構成されたSOI基板を用意する。次に、例えばドライエッチングを行い、Si層をパターニングする。このドライエッチングは、SiO層に達したところで終了する。この結果、支持基板10、下部クラッド20、及び、光導波路コア30を備える光導波路の基本構造を得ることができる。 First, an SOI substrate composed of a support substrate layer, an SiO2 layer, and a Si layer, which are sequentially laminated, is prepared. Next, for example, dry etching is performed to pattern the Si layer. This dry etching ends when the SiO2 layer is reached. As a result, the basic structure of the optical waveguide including the supporting substrate 10, the lower clad 20, and the optical waveguide core 30 can be obtained.

(第2導波路素子の構成)
図3を参照して、この発明の第2実施形態に係る光導波路素子(以下、第2導波路素子とも称する。)を説明する。図3は、第2導波路素子を説明するための模式図である。図3は、第2導波路素子の概略的平面図である。
(Structure of second waveguide element)
An optical waveguide device (hereinafter also referred to as a second waveguide device) according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the second waveguide element. FIG. 3 is a schematic plan view of a second waveguide element;

第2導波路素子は、光導波路コアの平面形状が第1導波路素子と異なっている。それ以外の構成は、第1導波路素子と同様なので、重複する説明を省略することもある。 The second waveguide element differs from the first waveguide element in the planar shape of the optical waveguide core. Since other configurations are the same as those of the first waveguide element, redundant description may be omitted.

第2導波路素子は、第1導波路101及び第2導波路201を備えて構成される検出部51を有する。 The second waveguide element has a detection section 51 configured with a first waveguide 101 and a second waveguide 201 .

第1導波路101及び第2導波路201は、互いに平行に近接配置された直線導波路である。第1導波路101の幅は、例えば、600nmであり、第2導波路201の幅は、例えば、700nmである。また、第1導波路101及び第2導波路201の長さは、例えば、約91μmである。第1導波路101と第2導波路201の間隙は、例えば、300nmである。 The first waveguide 101 and the second waveguide 201 are linear waveguides arranged in parallel and close to each other. The width of the first waveguide 101 is, for example, 600 nm, and the width of the second waveguide 201 is, for example, 700 nm. Also, the lengths of the first waveguide 101 and the second waveguide 201 are, for example, about 91 μm. A gap between the first waveguide 101 and the second waveguide 201 is, for example, 300 nm.

第1導波路101の一方の端部には、テーパ導波路134を介して入力導波路110が接続されている。また、第1導波路101の他方の端部には、テーパ導波路136を介して出力導波路120が接続されている。第2導波路201の一方の端部には、テーパ導波路234を介して第1曲線導波路210が接続されている。また、第2導波路201の他方の端部には、テーパ導波路236を介して第2曲線導波路220が接続されている。第1曲線導波路210及び第2曲線導波路220は、第2導波路201から離れるに従って、第1導波路101との距離が大きくなるように設けられる。各テーパ導波路134、136、234及び236の長さは、例えば、15μmである。 An input waveguide 110 is connected to one end of the first waveguide 101 via a tapered waveguide 134 . An output waveguide 120 is connected to the other end of the first waveguide 101 via a tapered waveguide 136 . A first curved waveguide 210 is connected to one end of the second waveguide 201 via a tapered waveguide 234 . A second curved waveguide 220 is connected to the other end of the second waveguide 201 via a tapered waveguide 236 . The first curved waveguide 210 and the second curved waveguide 220 are provided so that the distance from the first waveguide 101 increases as the distance from the second waveguide 201 increases. The length of each tapered waveguide 134, 136, 234 and 236 is, for example, 15 μm.

第2導波路201の中央には、第2導波路201の長手方向に沿ってスロット202が設けられている。スロット202の幅は、例えば、150nmである。また、スロット204及び206は、第2導波路201に接続されているテーパ導波路234及び236にも延在して設けられている。テーパ導波路234及び236に設けられているスロット204及び206は、第1及び第2曲線導波路210及び220に近づくにつれて、徐々に一方の側面に寄っていく形状で、形成されている。 A slot 202 is provided in the center of the second waveguide 201 along the longitudinal direction of the second waveguide 201 . The width of slot 202 is, for example, 150 nm. Slots 204 and 206 also extend into tapered waveguides 234 and 236 connected to second waveguide 201 . The slots 204 and 206 provided in the tapered waveguides 234 and 236 are formed in a shape gradually coming to one side as the first and second curved waveguides 210 and 220 are approached.

第1導波路101の側壁には、グレーティング104が形成されている。グレーティング104は、第1導波路101の、第2導波路201側の側壁にのみ設けられている。グレーティング104は、例えば、周期が2.28μmである三角関数的な形状で構成される。三角関数の振幅の2倍に対応する、グレーティングの幅Wは、長手方向の一方の端部及び他方の端部付近で最小であり、長手方向の中央付近に向けて、徐々に大きくなり、最大幅は、例えば、130nmである。 A grating 104 is formed on the side wall of the first waveguide 101 . The grating 104 is provided only on the side wall of the first waveguide 101 on the second waveguide 201 side. The grating 104 is configured, for example, in a trigonometric shape with a period of 2.28 μm. The width W of the grating, which corresponds to twice the amplitude of the trigonometric function, is minimum near one end and the other end in the longitudinal direction, gradually increases toward the center in the longitudinal direction, and reaches a maximum. The amplitude is, for example, 130 nm.

第1導波路101の第2導波路201側の側壁は、第1導波路101に主に光界分布が集中するモードの、光強度が大きい場所である。従って、この第2導波路201側の側壁にグレーティング104を設けることで、より高いモード変換効率を得ることができる。また、第2導波路201と第1及び第2曲線導波路210及び220との間のテーパ導波路234及び236を設け、さらに、テーパ導波路234及び236にもスロット204及び206を設けることで、光の損失を抑えることができる。第2導波路201と同様に、第1導波路101と、入力導波路110及び出力導波路120の間にも、テーパ導波路134及び136を設けることで、光の損失が抑えられる。 The side wall of the first waveguide 101 on the side of the second waveguide 201 is a place where the light intensity of the mode in which the light field distribution mainly concentrates on the first waveguide 101 is high. Therefore, by providing the grating 104 on the side wall of the second waveguide 201, higher mode conversion efficiency can be obtained. Further, by providing tapered waveguides 234 and 236 between the second waveguide 201 and the first and second curved waveguides 210 and 220, and further providing slots 204 and 206 in the tapered waveguides 234 and 236, , the loss of light can be suppressed. Similar to the second waveguide 201, by providing the tapered waveguides 134 and 136 between the first waveguide 101 and the input waveguide 110 and the output waveguide 120, light loss can be suppressed.

(第2導波路素子の動作)
図4を参照して、第2導波路素子の特性を説明する。図4は、第2導波路素子の特性を示す図である。図4は、横軸に波長[単位:μm]をとり、縦軸に測定値として、光強度(a.u.)をとって示している。図4は、図2と同様に3次元FDTD法によるシミュレーションの結果を示している。図4中、曲線Iは、入力導波路に入力される光強度を示し、曲線IIは、出力導波路から出力される光強度を示し、曲線IIIは、第2曲線導波路から出力される光強度を示している。ここで、各数値条件は、上述の例で示したものである。
(Operation of second waveguide element)
Characteristics of the second waveguide element will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram showing characteristics of the second waveguide element. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the wavelength [unit: μm], and the vertical axis indicates the light intensity (a.u.) as the measured value. FIG. 4 shows the results of a simulation by the three-dimensional FDTD method, similar to FIG. In FIG. 4, curve I indicates the light intensity input to the input waveguide, curve II indicates the light intensity output from the output waveguide, and curve III indicates the light output from the second curved waveguide. showing strength. Here, each numerical condition is shown in the above example.

図4に示されるように、第2導波路素子の出力導波路からの出力強度(曲線II)に、きれいな形状のくぼみ(ピークディップ)を得ることができる。このとき、導波路周囲の屈折率変化に対する波長変化は、1400nm/RIU(Refractive Index Unit)であり、通常のセンサに比べて一桁以上大きな感度が得られる。 As shown in FIG. 4, a well-shaped dip (peak-dip) can be obtained in the output intensity (curve II) from the output waveguide of the second waveguide element. At this time, the wavelength change with respect to the refractive index change around the waveguide is 1400 nm/RIU (Refractive Index Unit), which is one or more orders of magnitude higher than that of a normal sensor.

(第3導波路素子)
図5を参照して、この発明の第3実施形態に係る光導波路素子(以下、第3導波路素子とも称する。)を説明する。図5は、第3導波路素子を説明するための模式図である。
(Third waveguide element)
An optical waveguide device (hereinafter also referred to as a third waveguide device) according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the third waveguide element.

第3導波路素子は、N(Nは2以上の整数)の検出部51を直列に接続して構成される。図5では、Nが3の例を示している。ここでは、各検出部51が、それぞれ第2導波路素子と同様に構成される例を説明するが、これに限定されない。各検出部を第1導波路素子と同様に構成してもよい。 The third waveguide element is configured by connecting N (N is an integer equal to or greater than 2) detection units 51 in series. FIG. 5 shows an example in which N is three. Here, an example in which each detection unit 51 is configured in the same manner as the second waveguide element will be described, but the present invention is not limited to this. Each detector may be configured in the same manner as the first waveguide element.

各検出部51が備える第1導波路の、一方の端部に入力導波路110が接続され、他方の端部に出力導波路120が接続されている。第1検出部51-1に接続された入力導波路110-1は、第3導波路素子の入力導波路として機能する。第k(kは1以上N-1以下の整数)検出部51-kに接続された出力導波路120-kは、曲線導波路140を介して、第k+1検出部51-(k+1)に接続された入力導波路110-(k+1)と接続される。第N検出部51-Nに接続された出力導波路120-Nは、第3導波路素子の出力導波路として機能する。 An input waveguide 110 is connected to one end of the first waveguide provided in each detection unit 51, and an output waveguide 120 is connected to the other end. The input waveguide 110-1 connected to the first detection section 51-1 functions as the input waveguide of the third waveguide element. The output waveguide 120-k connected to the k-th (k is an integer from 1 to N−1) detection section 51-k is connected to the k+1-th detection section 51-(k+1) via the curved waveguide 140. connected to the input waveguide 110-(k+1). The output waveguide 120-N connected to the Nth detection section 51-N functions as the output waveguide of the third waveguide element.

各検出部51の第2導波路に接続される第2曲線導波路(図示を省略する。)から出力される光は、ピークディップを得るために用いられる。この第2曲線導波路から出力される光は捨ててもよいし、モニタに用いてもよい。 Light output from a second curved waveguide (not shown) connected to the second waveguide of each detector 51 is used to obtain a peak-dip. The light output from this second curved waveguide may be discarded or used for monitoring.

また、ここでは、第k検出部51-kに接続された出力導波路120-kは、曲線導波路140を介して、第k+1検出部51-(k+1)に接続された入力導波路110-(k+1)と接続されている例を説明したがこれに限定されない。第k検出部51-kに接続された出力導波路120-kは、第k+1検出部51-(k+1)に接続された入力導波路110-(k+1)と、直接接続されてもよいし、直線導波路を介して接続されてもよい。 Also, here, the output waveguide 120-k connected to the k-th detection unit 51-k is connected to the k+1-th detection unit 51-(k+1) through the curved waveguide 140, and the input waveguide 110- (k+1) has been described as an example, but the present invention is not limited to this. The output waveguide 120-k connected to the k-th detection unit 51-k may be directly connected to the input waveguide 110-(k+1) connected to the k+1-th detection unit 51-(k+1), It may be connected via a straight waveguide.

多段にする効果を説明する。線形応答が得られるスロープでの応答は、ax+bを1段の応答として、T=(ax+b)で表される。ここで、xは波長変化である。1段のときは、出力が0~1の間で変化するとして、b=0.5である。このとき、N=3の場合、Tの線形部分の応答は、T≒3abx+bの形になる。線形応答が得られるスロープでは、b=0.5なので、a=1とすると、T≒1.9x+0.5となる。この結果、3段にすると、1段に比べて、約2倍の感度が得られる。Nが大きくなれば、bは1に近づき、T≒NbN-1x+bとなる。従って、Nが十分大きければ、1段に比べてN倍の感度が得られる。 The effect of using multiple stages will be explained. The response on the slope where a linear response is obtained is expressed by T=(ax+b) N , where ax+b is the one-step response. where x is the wavelength change. In the case of one stage, b=0.5 assuming that the output varies between 0 and 1. Then, for N=3, the response of the linear part of T is of the form T≈3ab 2 x+b 3 . For a slope that gives a linear response, b 3 =0.5, so if a=1, then T≈1.9x+0.5. As a result, with three stages, the sensitivity is approximately twice as high as that with one stage. As N increases, b approaches 1 and T≈Nb N−1 x+b N. Therefore, if N is sufficiently large, N times the sensitivity can be obtained as compared to a single stage.

(第4導波路素子)
図6を参照して、この発明の第4実施形態に係る光導波路素子(以下、第4導波路素子とも称する。)を説明する。図6は、第4導波路素子を説明するための模式図である。
(Fourth waveguide element)
An optical waveguide device (hereinafter also referred to as a fourth waveguide device) according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the fourth waveguide element.

第4導波路素子は、リング共振器を構成する、第1入出力導波路、リング状導波路、及び、第2入出力導波路を備えて構成される。ここでは、検出部51を第2導波路素子と同様に構成する例を説明するがこれに限定されない。検出部を第1導波路素子と同様に構成してもよい。 The fourth waveguide element comprises a first input/output waveguide, a ring-shaped waveguide, and a second input/output waveguide, which constitute a ring resonator. Here, an example in which the detection section 51 is configured in the same manner as the second waveguide element will be described, but the configuration is not limited to this. The detection section may be configured similarly to the first waveguide element.

検出部51が備える第1導波路101の、一方の端部に入力導波路110が接続され、他方の端部に出力導波路120が接続されている。入力導波路110と出力導波路120が曲線導波路150で接続され、リング状導波路を構成する。 An input waveguide 110 is connected to one end of a first waveguide 101 provided in the detection section 51, and an output waveguide 120 is connected to the other end thereof. An input waveguide 110 and an output waveguide 120 are connected by a curved waveguide 150 to form a ring waveguide.

検出部51が備える第2導波路201が第1入出力導波路を構成する。 A second waveguide 201 included in the detection unit 51 constitutes a first input/output waveguide.

第2入出力導波路300は、リング状導波路を構成する曲線導波路150と近接配置される。この近接配置された部分310は、カプラ構造であり、リング状導波路を周回する光を適切に一部取り除くことで、共振ピークの高さを調整する。 The second input/output waveguide 300 is arranged close to the curved waveguide 150 forming a ring-shaped waveguide. This closely arranged portion 310 is a coupler structure, and adjusts the height of the resonance peak by appropriately removing part of the light circulating in the ring-shaped waveguide.

リング状導波路を周回する光は、検出部51を繰り返し通過するので、検出部51を多段に接続して構成された第3導波路素子と同様の、多段の効果を得ることができる。 Since the light circulating in the ring-shaped waveguide repeatedly passes through the detection section 51, a multistage effect similar to that of the third waveguide element configured by connecting the detection sections 51 in multiple stages can be obtained.

10 支持基板
20 下部クラッド
30 光導波路コア
50、51 検出部
100、101 第1導波路
104、204 グレーティング
110 入力導波路
120 出力導波路
134、136、234、236 テーパ導波路
140、150 曲線導波路
200、201 第2導波路
202、204、206 スロット
210 第1曲線導波路
220 第2曲線導波路
300 第2入出力導波路
REFERENCE SIGNS LIST 10 support substrate 20 lower clad 30 optical waveguide core 50, 51 detector 100, 101 first waveguide 104, 204 grating 110 input waveguide 120 output waveguide 134, 136, 234, 236 tapered waveguide 140, 150 curved waveguide 200, 201 second waveguide 202, 204, 206 slot 210 first curved waveguide 220 second curved waveguide 300 second input/output waveguide

Claims (6)

下部クラッド上に光導波路コアを設けて形成された光導波路素子であって、
第1導波路と、
前記第1導波路に近接配置され、スロットが形成された第2導波路と、
前記第1導波路及び前記第2導波路の少なくとも一方に、前記第1導波路を伝搬する光を、前記第2導波路に移行させるグレーティングと
を備える検出部を有する
ことを特徴とする光導波路素子。
An optical waveguide element formed by providing an optical waveguide core on a lower clad,
a first waveguide;
a second waveguide positioned adjacent to the first waveguide and having a slot formed thereon;
An optical waveguide, wherein at least one of the first waveguide and the second waveguide has a detection section including a grating for transferring light propagating in the first waveguide to the second waveguide. element.
下部クラッド上に光導波路コアを設けて形成された光導波路素子であって、
N(Nは2以上の整数)の検出部を有し、
各検出部は、
第1導波路と、
前記第1導波路に近接配置され、スロットが形成された第2導波路と、
前記第1導波路及び前記第2導波路の少なくとも一方に、前記第1導波路を伝搬する光を、前記第2導波路に移行させるグレーティングと
を備え、
前記各検出部が備える前記第1導波路の、一方の端部に入力導波路が接続され、他方の端部に出力導波路が接続され、
第k(kは1以上N-1以下の整数)検出部に接続された出力導波路は、第k+1検出部に接続された入力導波路と接続される
ことを特徴とする光導波路素子。
An optical waveguide element formed by providing an optical waveguide core on a lower clad,
having N (N is an integer of 2 or more) detection units,
Each detector is
a first waveguide;
a second waveguide positioned adjacent to the first waveguide and having a slot formed thereon;
At least one of the first waveguide and the second waveguide has a grating for transferring the light propagating in the first waveguide to the second waveguide,
An input waveguide is connected to one end of the first waveguide provided in each of the detection units, and an output waveguide is connected to the other end of the first waveguide,
An optical waveguide device characterized in that an output waveguide connected to a k-th (k is an integer of 1 or more and N-1 or less) detection section is connected to an input waveguide connected to a k+1-th detection section.
下部クラッド上に光導波路コアを設けて形成され、リング共振器を構成する、第1入出力導波路、リング状導波路、及び、第2入出力導波路を備える光導波路素子であって、
第1導波路と、
前記第1導波路に近接配置され、スロットが形成された第2導波路と、
前記第1導波路及び前記第2導波路の少なくとも一方に、前記第1導波路を伝搬する光を、前記第2導波路に移行させるグレーティングと
を備える検出部を有し、
前記第1導波路の一方の端部に入力導波路が接続され、他方の端部に出力導波路が接続され、
前記入力導波路と前記出力導波路が曲線導波路で接続されて、前記リング状導波路を構成し、
前記第2導波路が、前記第1入出力導波路を構成し、
前記第2入出力導波路は、前記リング状導波路と近接配置されている
ことを特徴とする光導波路素子。
An optical waveguide element comprising a first input/output waveguide, a ring-shaped waveguide, and a second input/output waveguide, which is formed by providing an optical waveguide core on a lower clad and constitutes a ring resonator,
a first waveguide;
a second waveguide positioned adjacent to the first waveguide and having a slot formed thereon;
At least one of the first waveguide and the second waveguide has a detection unit including a grating for transferring light propagating in the first waveguide to the second waveguide,
an input waveguide is connected to one end of the first waveguide and an output waveguide is connected to the other end;
the input waveguide and the output waveguide are connected by a curved waveguide to form the ring-shaped waveguide;
The second waveguide constitutes the first input/output waveguide,
The second input/output waveguide is arranged close to the ring-shaped waveguide.
An optical waveguide device characterized by:
前記グレーティングが、前記第2導波路の両側面に設けられている
ことを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の光導波路素子。
4. The optical waveguide device according to claim 1, wherein the grating is provided on both side surfaces of the second waveguide.
前記グレーティングが、前記第1導波路の、前記第2導波路側の側面に設けられていることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の光導波路素子。 4. The optical waveguide device according to claim 1, wherein the grating is provided on a side surface of the first waveguide on the side of the second waveguide. 前記検出部が設けられていない領域において、前記光導波路コアは、前記下部クラッドと同じ材質の上部クラッドで覆われ、
前記検出部が設けられている領域において、前記光導波路コアは、上部クラッドで覆われていない
ことを特徴とする請求項1~5のいずれか一項に記載の光導波路素子。
In a region where the detection section is not provided, the optical waveguide core is covered with an upper clad made of the same material as the lower clad,
6. The optical waveguide device according to claim 1, wherein the optical waveguide core is not covered with an upper clad in a region where the detection section is provided.
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