JP5477789B2 - TE-TM mode converter - Google Patents
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Description
本発明は、光集積回路等を構成する光デバイス間の偏波整合を取るＴＥ−ＴＭモード変換器に関し、さらに、スポットサイズ変換機能を備えたＴＥ−ＴＭモード変換器に関する。 The present invention relates to a TE-TM mode converter that performs polarization matching between optical devices constituting an optical integrated circuit and the like, and further relates to a TE-TM mode converter having a spot size conversion function.
光集積回路等で用いられる導波路型光デバイスでは、デバイスに入射する偏波（通常、ＴＥモード、ＴＭモードで区別される）が異なると、所期のデバイス特性が得られないことがある。すなわち、デバイスの特性が偏波によって変化することが多く、これをデバイス特性の偏波依存性という。偏波依存性を解消するために、入射する任意の偏波をＴＥモードとＴＭモードに分離し、デバイスが初期の特性で動作しない偏波（例えばＴＥモード）に対しては、これを他方の偏波（例えばＴＭモード）に変換した後にデバイスに入射させて偏波依存性を解消する方法を取ることがある（偏波ダイバーシティ）。このような場合、偏波変換（前述の例では、ＴＥモードをＴＭモードに変換）を行うデバイス、即ちＴＥ−ＴＭモード変換器が必要である。 In a waveguide type optical device used in an optical integrated circuit or the like, desired device characteristics may not be obtained if the polarization incident on the device (usually differentiated between TE mode and TM mode) is different. In other words, the device characteristics often change depending on the polarization, which is called polarization dependency of the device characteristics. In order to eliminate the polarization dependence, the incident arbitrary polarization is separated into the TE mode and the TM mode, and this is applied to the other polarization (for example, the TE mode) where the device does not operate with the initial characteristics. There is a case in which the polarization dependency is eliminated by converting the polarization into a polarization (for example, TM mode) and then entering the device (polarization diversity). In such a case, a device for performing polarization conversion (converting the TE mode to the TM mode in the above example), that is, a TE-TM mode converter is required.
図１の（ａ）〜（ｄ）は、従来のモード変換器の構造と製造方法をまとめたものである。基本的に、ＴＥ−ＴＭモード変換器は、導波路の断面形状を非対称形にすることで実現される。図１の（ａ）と（ｂ）は、導波路の一方の側壁を垂直に、他方の側面を傾斜させた構造を有している。図１の（ｃ）に示すモード変換器は、導波路断面内に斜めに溝を形成させた構造を有している。さらに、図１の（ｄ）に示すモード変換器は、導波路の断面内の非対称な位置に複数の溝を形成した構造を有している。 1A to 1D summarize the structure and manufacturing method of a conventional mode converter. Basically, the TE-TM mode converter is realized by making the cross-sectional shape of the waveguide asymmetric. 1A and 1B have a structure in which one side wall of a waveguide is vertical and the other side surface is inclined. The mode converter shown in FIG. 1C has a structure in which grooves are formed obliquely in the waveguide cross section. Further, the mode converter shown in FIG. 1D has a structure in which a plurality of grooves are formed at asymmetric positions in the cross section of the waveguide.
図１の（ａ）〜（ｃ）に示す構造は、導波路を形成するために少なくとも２回のエッチング工程が必要であり、製作誤差が発生する機会が増える。一方、図１の（ｄ）に示す構造は、１回のエッチング工程で導波路の側面と複数の溝を形成することができるため、製作プロセスの簡単化において利点がある。しかし、複数の溝は、幅と深さを設計値どおりに製作しないと、所望のＴＥ−ＴＭモード変換特性が得られないため、製作誤差によって幅や深さが変化すると、特性が設計値から変化してしまうという欠点を有する。 The structures shown in FIGS. 1A to 1C require at least two etching steps to form a waveguide, and increase the chances of manufacturing errors. On the other hand, the structure shown in FIG. 1D is advantageous in simplifying the manufacturing process because the side surface of the waveguide and a plurality of grooves can be formed in one etching process. However, since the desired TE-TM mode conversion characteristics cannot be obtained unless the width and depth are manufactured according to the design values, the characteristics change from the design values when the width and depth change due to manufacturing errors. It has the disadvantage of changing.
本発明者等は、図１に示した従来のＴＥ−ＴＭモード変換器に対して、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰで構成した単一溝導波路型ＴＥ−ＴＭモード変換器を提案している（非特許文献１、２参照）。このＴＥ−ＴＭモード変換器では、ＧａＩｎＡｓＰ導波路の非対称位置に単一溝を形成してその断面構造に非対称性を与え、ＴＥ−ＴＭモード変換器を実現している。このようなモード変換器では、１回のエッチング工程で導波路と溝を形成することができるため、工程上で製作誤差の発生する機会が少なくなり、また、溝が一個であるために製作誤差の発生する箇所が少ない、と言う利点を有している。 The present inventors have proposed a single groove waveguide type TE-TM mode converter composed of GaInAsP / InP with respect to the conventional TE-TM mode converter shown in FIG. 1 and 2). In this TE-TM mode converter, a single groove is formed at an asymmetric position of a GaInAsP waveguide to give asymmetry to the cross-sectional structure, thereby realizing a TE-TM mode converter. In such a mode converter, the waveguide and the groove can be formed by one etching process, so that the chance of manufacturing error in the process is reduced, and the manufacturing error is due to one groove. There is an advantage that there are few places where this occurs.
一方、レーザダイオード等の通常光学系から出力される光のスポットサイズは、例えば、シリコン細線等で構成される光回路のスポットサイズと比べて非常に大きい。したがって、レーザダイオードからの出力光をそのまま光回路に結合すると、光の結合効率が大きく低下するという問題が発生する。同様の問題は、光ファイバと微細な光回路とを結合する場合にも発生する。このような問題を解決するために、通常、スポットサイズの異なる光デバイス間にスポットサイズ変換器を設けて、両者を高効率で結合することが行われている（特許文献１、非特許文献３参照）。 On the other hand, the spot size of light output from a normal optical system such as a laser diode is much larger than the spot size of an optical circuit composed of, for example, a silicon thin wire. Therefore, when the output light from the laser diode is directly coupled to the optical circuit, there arises a problem that the light coupling efficiency is greatly reduced. A similar problem occurs when an optical fiber and a fine optical circuit are coupled. In order to solve such a problem, a spot size converter is usually provided between optical devices having different spot sizes, and both are coupled with high efficiency (Patent Document 1, Non-Patent Document 3). reference).
従って、実際の光集積回路では、ＴＥ−ＴＭモード変換器はスポットサイズ変換器と組み合わせて設けられることが多い。この場合、ＴＥ−ＴＭモード変換器とスポットサイズ変換器とを一体に構成した一個の光デバイスを提供することができれば、より小型で安価な光集積回路を提供することができる。 Therefore, in an actual optical integrated circuit, a TE-TM mode converter is often provided in combination with a spot size converter. In this case, if one optical device in which the TE-TM mode converter and the spot size converter are integrally formed can be provided, a smaller and less expensive optical integrated circuit can be provided.
ところが、上記本発明者等が提案した単一溝構造のＴＥ−ＴＭモード変換器は、スポットサイズ変換機能を有しておらず、従って、半導体レーザ素子の出力光を高い効率で光回路に結合するためには、ＴＥ−ＴＭモード変換器に加えてスポットサイズ変換器を別個に設ける必要がある。 However, the TE-TM mode converter having a single groove structure proposed by the present inventors does not have a spot size conversion function, and therefore couples the output light of the semiconductor laser element to the optical circuit with high efficiency. To do so, it is necessary to provide a spot size converter separately in addition to the TE-TM mode converter.
さらに、多くの応用を考えた場合、ＴＥ−ＴＭモード変換器のモード変換率の最大値は１００％であることが望ましいため、モード変換器の設計では最大の変換効率が１００％になる様にデバイス設計を行う。しかし、デバイスを製作する際に、様々な要因によって設計値とは異なるデバイス構造となってしまう（製作誤差という）。製作誤差の要因は、例えば、導波路コアおよびクラッドの屈折率の変化（材料の形成プロセスに依存する）、デバイス構造の寸法変化（パターニングやエッチングプロセスに依存する）等がある。製作誤差よってデバイス構造が設計値から変化すると、得られるモード変換率は、１００％より低下する。デバイス設計においては、製作誤差によって生ずるモード変換率の低下ができるだけ小さくなるようにデバイスの構造を設計することが望ましい。 Further, when considering many applications, it is desirable that the maximum value of the mode conversion rate of the TE-TM mode converter is 100%, so that the maximum conversion efficiency is 100% in the design of the mode converter. Perform device design. However, when a device is manufactured, the device structure is different from the design value due to various factors (referred to as manufacturing error). Factors of fabrication errors include, for example, changes in the refractive index of the waveguide core and cladding (depending on the material formation process), dimensional changes in the device structure (depending on patterning and etching processes), and the like. When the device structure is changed from the design value due to a manufacturing error, the obtained mode conversion rate is lower than 100%. In device design, it is desirable to design the device structure so that the decrease in mode conversion rate caused by manufacturing errors is minimized.
本発明は、従来のＴＥ−ＴＭモード変換器の上記のような問題点を解決するためになされたもので、ＴＥ−ＴＭモード変換機能と共にスポットサイズ変換機能を備え、且つ、デバイスの製造時に生じる製作誤差によってＴＥ−ＴＭモード変換率が低下しない、新規な構造のＴＥ−ＴＭモード変換器を提供することを課題とする。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems of the conventional TE-TM mode converter, has a spot size conversion function together with the TE-TM mode conversion function, and occurs at the time of manufacturing a device. It is an object of the present invention to provide a TE-TM mode converter having a novel structure in which the TE-TM mode conversion rate does not decrease due to manufacturing errors.
本発明は、上記課題を解決するために、クラッド層中に屈折率１．５〜１．６の透明誘電材料によって断面が幅Ｗ、厚さＨの直方体のコア層を形成してスポットサイズ変換部とすると共に、このコア層の光の入射端面から離れた部分にコア層の長手方向に沿って延びる深さＤ、幅Ｗ1、およびコア層側壁からの距離がｔである溝を形成し、ここで、
ｔ＋Ｗ1／２＜Ｗ／２
の関係が成り立つように上記各値Ｗ、Ｗ1、Ｄおよびｔを決定することを特徴とする、ＴＥ−ＴＭモード変換器を提供する。
In order to solve the above problems, the present invention forms a rectangular parallelepiped core layer having a width W and a thickness H by a transparent dielectric material having a refractive index of 1.5 to 1.6 in the cladding layer, thereby converting the spot size. And a groove having a depth D extending along the longitudinal direction of the core layer, a width W 1 , and a distance t from the side wall of the core layer is formed in a portion away from the light incident end face of the core layer. ,here,
t + W 1/2 <W / 2
The TE-TM mode converter is characterized in that the values W, W 1 , D and t are determined so that the following relationship holds.
上記のＴＥ−ＴＭモード変換器において、クラッド層をＳｉＯ2で形成し、コア層をＳｉＯＮで形成しても良い。また、コア層の各値Ｗ、Ｈ、Ｗ1およびｔは、溝深さＤを６００ｎｍとした場合に最大のＴＥ−ＴＭモード変換率が１００％となる様に決定しても良い。 In the above TE-TM mode converter, the cladding layer may be formed of SiO 2 and the core layer may be formed of SiON. Each value W, H, W 1 and t of the core layer may be determined so that the maximum TE-TM mode conversion rate is 100% when the groove depth D is 600 nm.
また、コア層と溝を、反応性イオンエッチングにより一回のエッチング工程で形成するようにしても良い。 Further, the core layer and the groove may be formed by a single etching process by reactive ion etching.
また、コア層の各値、Ｗ、Ｈ、Ｄ、ｔおよび溝幅Ｗ1は、任意の波長を有するレーザ光に対して、Ｗ＝０．９４×レーザ光の中心波長、Ｈ＝０．７９×レーザ光の中心波長、溝深さＤR＝０．４７×レーザ光の中心波長、溝位置ｔ＝（０．０７９〜０．２４）×レーザ光の中心波長、溝幅Ｗ1＝（０．２４〜０．３２）×レーザ光の中心波長、の範囲の値に設定しても良い。 Further, each value of the core layer, W, H, D, t, and groove width W 1 are W = 0.94 × center wavelength of laser light, H = 0.79 with respect to laser light having an arbitrary wavelength. × Center wavelength of laser beam, groove depth D R = 0.47 × Center wavelength of laser beam, groove position t = (0.079 to 0.24) × Center wavelength of laser beam, groove width W 1 = (0 .24 to 0.32) × the center wavelength of the laser beam.
また、コア層に１２７０ｎｍのレーザ光が入射する場合、コア幅Ｗを１．２μｍ、コア厚さＨを１．０μｍ、溝深さＤを６００ｎｍ、距離ｔを０．１μｍ〜０．３μｍとし、さらに、溝幅Ｗ1を３００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲の値に設定するようにしても良い。 When 1270 nm laser light is incident on the core layer, the core width W is 1.2 μm, the core thickness H is 1.0 μm, the groove depth D is 600 nm, the distance t is 0.1 μm to 0.3 μm, Further, the groove width W 1 may be set to a value in the range of 300 nm to 400 nm.
さらに、上記のＴＥ−ＴＭモード変換器において、コア層の光出射端面にシリコン細線による光回路を接続するようにしても良い。あるいは、シリコン細線のコア層への接続部をテーパ形状としても良い。 Furthermore, in the TE-TM mode converter, an optical circuit made of a silicon fine wire may be connected to the light emitting end face of the core layer. Or it is good also considering the connection part to the core layer of a silicon | silicone thin wire as a taper shape.
本発明のＴＥ−ＴＭモード変換器では、コア層を屈折率が１．５〜１．６の透明誘電材料で形成し、このコア層に単一溝導波路型のモード変換器を構成することによって、スポットサイズ変換機能とＴＥ−ＴＭモード変換機能を同時に実現することができる。また、モード変換機能はコア層で形成される導波路上に単一溝を設けたものにより実現されるので、製造工程上で製作誤差の発生する機会が低下し且つ製造誤差の発生する箇所も少なくなる。そのため、このモード変換器を製造する際のプロセス条件の変動に起因するモード変換率の変動が抑えられ、結果としてデバイス製造の歩留まりが向上し、製造コストを低減することができる。 In the TE-TM mode converter of the present invention, the core layer is formed of a transparent dielectric material having a refractive index of 1.5 to 1.6, and a single groove waveguide type mode converter is configured in the core layer. Thus, the spot size conversion function and the TE-TM mode conversion function can be realized at the same time. In addition, since the mode conversion function is realized by providing a single groove on a waveguide formed of a core layer, the chance of producing errors in the manufacturing process is reduced, and there are also places where manufacturing errors occur. Less. For this reason, the fluctuation of the mode conversion rate due to the fluctuation of the process condition when manufacturing the mode converter is suppressed, and as a result, the yield of device manufacturing can be improved and the manufacturing cost can be reduced.
以下に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、以下の各図面において、同一の符号は同一あるいは同様の構成要素を示すので、重複した説明はしない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that, in the following drawings, the same reference numerals indicate the same or similar components, and thus a duplicate description will not be given.
図２は、本発明の一実施形態に係るＴＥ−ＴＭモード変換器１の概略構造を示す図である。本実施形態のＴＥ−ＴＭモード変換器１は、半導体レーザ素子２から発振されるスポットサイズの大きなレーザ光を微細なシリコン光回路３に高い効率で結合するためのスポットサイズ変換器を一体に有している。 FIG. 2 is a diagram showing a schematic structure of the TE-TM mode converter 1 according to one embodiment of the present invention. The TE-TM mode converter 1 of the present embodiment has an integrated spot size converter for coupling a laser beam having a large spot size oscillated from the semiconductor laser element 2 to a fine silicon optical circuit 3 with high efficiency. doing.
図２において、４は、上部クラッド層５、下部クラッド層６中に埋め込まれたコア層を示す。コア層４は、上下クラッド層５、６よりも高い屈折率を有する透明誘電材料で構成され、スポットサイズ変換器およびＴＥ−ＴＭモード変換器の導波路を構成する。上下クラッド層５、６がＳｉＯ2で形成されている場合、コア層４は、ＳｉＯ2よりも高い屈折率を持たせることが可能なＳｉＯＮ等によって形成することができる。なお、ＳｉＯＮは、酸素と窒素の割合を変化させることによって、屈折率を１．４５（ＳｉＯ2）から２．０（ＳｉＮ）の範囲で変えることができる。７は、コア層４に設けられた単一溝であって、コア層４において偏波のモード変換機能を実現するためのものである。 In FIG. 2, reference numeral 4 denotes a core layer embedded in the upper cladding layer 5 and the lower cladding layer 6. The core layer 4 is made of a transparent dielectric material having a higher refractive index than the upper and lower cladding layers 5 and 6 and constitutes a waveguide for a spot size converter and a TE-TM mode converter. When the upper and lower cladding layers 5 and 6 are made of SiO 2 , the core layer 4 can be made of SiON or the like that can have a higher refractive index than SiO 2 . Incidentally, SiON, by changing the ratio of oxygen and nitrogen, the refractive index can be varied in the range of 2.0 (SiN) from 1.45 (SiO 2). Reference numeral 7 denotes a single groove provided in the core layer 4 for realizing a polarization mode conversion function in the core layer 4.
図３は、図２のコア層４の構造を詳細に説明するための図であって、上部クラッド層５を取り除いた状態を示している。また、図４に、図３のＡ−Ａ線上断面図を示す。コア層４は全体でスポットサイズ変換のための導波路を形成するが、ＴＥ−ＴＭモード変換機能を実現する溝７は、導波路の半導体レーザ素子２との結合部とは反対側の部分４ａに形成される。従って今、仮に部分４ａを偏波のモード変換部、部分４ｂをスポットサイズ変換部と呼ぶ。 FIG. 3 is a diagram for explaining the structure of the core layer 4 in FIG. 2 in detail, and shows a state in which the upper cladding layer 5 is removed. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. The core layer 4 forms a waveguide for spot size conversion as a whole, but the groove 7 for realizing the TE-TM mode conversion function is a portion 4a on the side opposite to the coupling portion with the semiconductor laser element 2 of the waveguide. Formed. Accordingly, the part 4a is now called a polarization mode converter, and the part 4b is called a spot size converter.
図２乃至４に示す本発明の一実施形態に係るＴＥ−ＴＭモード変換器の構成を説明する前に、単独で構成される一般のスポットサイズ変換器について説明する。 Before describing the configuration of the TE-TM mode converter according to one embodiment of the present invention shown in FIGS. 2 to 4, a general spot size converter configured alone will be described.
図５は、半導体レーザ素子と例えばＳｉ導波路（図示せず）間に設けた、一般のスポットサイズ変換器１０を示す図である。このスポットサイズ変換器１０は円形スポットのレーザ光に対応するもので、且つ、ＴＥ−ＴＭモード変換機能を有さない通常のものである。スポットサイズ変換器１０は、例えばＳｉＯ2を材料とする上下クラッド層１１、１２中に埋め込まれた高屈折率材料のコア層１３を備える。コア層１３は、円形スポットに対応して幅Ｗおよび厚さ（高さ）Ｈが等しい直方体の形状を有し、周囲のクラッド層材料よりも大きい屈折率の材料で形成されている。 FIG. 5 is a diagram showing a general spot size converter 10 provided between a semiconductor laser element and, for example, a Si waveguide (not shown). This spot size converter 10 corresponds to a circular spot laser beam and is a normal one not having a TE-TM mode conversion function. The spot size converter 10 includes a core layer 13 made of a high refractive index material embedded in upper and lower cladding layers 11 and 12 made of, for example, SiO 2 . The core layer 13 has a rectangular parallelepiped shape having the same width W and thickness (height) H corresponding to the circular spot, and is formed of a material having a refractive index larger than that of the surrounding cladding layer material.
このようなスポットサイズ変換器１０では、コア層１３の幅Ｗ（＝厚さＨ）と屈折率ｎを適宜選択することによって、半導体レーザ素子２からの出力光を、例えばＳｉ導波路のような微細な光回路に高い効率で結合することができる。一般に、スポットサイズ変換器の効率は結合効率で示され、ここで、結合効率はレーザダイオード２の光出力に対するコア層１３の導波光出力の割合として求められる。即ち、結合効率は、
結合効率＝コア層１３からの導波光出力／半導体レーザ素子光出力
として算出される。
In such a spot size converter 10, by appropriately selecting the width W (= thickness H) and the refractive index n of the core layer 13, the output light from the semiconductor laser element 2 is converted into, for example, a Si waveguide. It can be coupled to a fine optical circuit with high efficiency. In general, the efficiency of the spot size converter is indicated by a coupling efficiency, and the coupling efficiency is obtained as a ratio of the waveguide light output of the core layer 13 to the light output of the laser diode 2. That is, the coupling efficiency is
Coupling efficiency = guided light output from core layer 13 / semiconductor laser element light output.
図６は、屈折率ｎが１．５、１．６、１．７、１．８および２．０の場合の４種類の材料を用いてコア層１３を形成した場合の、コア幅Ｗと結合効率の関係を示すグラフである。計算に用いた半導体レーザ光の波長λは１２７０ｎｍである。図６から明らかなように、屈折率ｎが高い値をとる場合、即ちｎ＝１．７〜２．０程度の場合、コア幅Ｗのある一点では高い結合効率を得ることができるが、その点を過ぎると結合効率は急速に低下する。ところが、屈折率ｎが比較的低い材料の場合、即ちｎ＝１．５〜１．６では、比較的広い範囲（図のＲで示す範囲）のコア幅Ｗに対して高い結合効率を維持する。 FIG. 6 shows the core width W when the core layer 13 is formed using four types of materials when the refractive index n is 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, and 2.0. It is a graph which shows the relationship of coupling efficiency. The wavelength λ of the semiconductor laser light used for the calculation is 1270 nm. As is clear from FIG. 6, when the refractive index n takes a high value, that is, when n = 1.7 to 2.0, high coupling efficiency can be obtained at a certain point of the core width W. After the point, the coupling efficiency decreases rapidly. However, in the case of a material having a relatively low refractive index n, that is, n = 1.5 to 1.6, high coupling efficiency is maintained with respect to the core width W in a relatively wide range (range indicated by R in the figure). .
従って、屈折率ｎ＝１．５〜１．６の材料でスポットサイズ変換器１０のコアを形成することによって、コア幅Ｗの選択範囲が広がり、また、コア幅Ｗが製造誤差によって設計値からずれた場合であっても、高い結合効率を維持することができる。本発明では、スポットサイズ変換器のこのような特性を利用し、コア層４を屈折率ｎ＝１．５〜１．６の材料で形成するようにしている。その結果、高いＴＥ−ＴＭモード変換機能を実現するためのコア層４の幅および厚さの選択範囲が広くなる。 Therefore, by forming the core of the spot size converter 10 with a material having a refractive index n = 1.5 to 1.6, the selection range of the core width W is expanded, and the core width W is determined from a design value due to manufacturing errors. Even in the case of deviation, high coupling efficiency can be maintained. In the present invention, the core layer 4 is formed of a material having a refractive index n = 1.5 to 1.6 by utilizing such characteristics of the spot size converter. As a result, the selection range of the width and thickness of the core layer 4 for realizing a high TE-TM mode conversion function is widened.
即ち、スポットサイズ変換器１０の以上のような特性から、図２乃至４に示す本発明の一実施形態に係るＴＥ−ＴＭモード変換器１では、ＳｉＯ2のクラッド層５、６に対して屈折率ｎ＝１．５〜１．６のＳｉＯＮでコア層４を形成する。また、コア層４の幅Ｗを、図６を参照して例えば１．２μｍに設定する。これによって、コア層４の部分４ｂは半導体レーザ素子出力光を高効率でＳｉ光回路３に結合するスポットサイズ変換器として動作するようになる。なお、コア層４におけるスポットサイズ変換部４ｂの長さＬｂは１００μｍ程度が適切である。長さＬｂがあまり短いと、後段の素子、本発明ではＴＥ−ＴＭモード変換器、がサイズ変換途中の不安定なモードの影響を受けるので好ましくない。原理的にはＬｂが長い分には変換特性は一定で変化しない。従って、Ｌｂ＝１５０μｍであっても良いが、不必要に長くすると光損失が増加するため好ましくない。 That is, due to the above characteristics of the spot size converter 10, the TE-TM mode converter 1 according to the embodiment of the present invention shown in FIGS. 2 to 4 is refracted with respect to the SiO 2 cladding layers 5 and 6. The core layer 4 is formed of SiON with a ratio n = 1.5 to 1.6. Further, the width W of the core layer 4 is set to, for example, 1.2 μm with reference to FIG. As a result, the portion 4b of the core layer 4 operates as a spot size converter for coupling the semiconductor laser element output light to the Si optical circuit 3 with high efficiency. The length Lb of the spot size conversion portion 4b in the core layer 4 is appropriately about 100 μm. If the length Lb is too short, the subsequent element, which is the TE-TM mode converter in the present invention, is affected by an unstable mode during size conversion, which is not preferable. In principle, the conversion characteristic is constant and does not change when Lb is long. Therefore, Lb = 150 μm may be used, but if it is unnecessarily long, the optical loss increases, which is not preferable.
コア層４の幅Ｗは、コア層４の出力側に接続される例えばＳｉ細線導波路のような光デバイス３（図２参照）の導波路構造に合わせて設計する必要があるが、両者の幅が異なる場合、光デバイス３の先端部分３ａを幅が緩やかに減少するテーパ状に形成することにより、両者を効率よく結合することができる。 The width W of the core layer 4 needs to be designed according to the waveguide structure of the optical device 3 (see FIG. 2) such as a Si wire waveguide connected to the output side of the core layer 4. When the widths are different, the tip portion 3a of the optical device 3 is formed in a tapered shape with a gradually decreasing width, whereby the two can be efficiently combined.
次に、図３および４を再び参照して、導波路部分４ａに設けた溝７による、ＴＥ−ＴＭモード変換機能について説明する。背景技術の項で述べたように、ＴＥ−ＴＭモード変換器は導波路の断面形状を非対称形にすることで実現される。モード変換率は、変換器の断面形状によって実現可能な最大値が決まり、変換器の長さを変化させることによって、０から最大値の間で調節することができる。多くの応用を考えた場合、ＴＥ−ＴＭモード変換率の最大値は１００％であることが望ましいので、モード変換器の設計では最大の変換効率が１００％になる様にデバイス設計を行う。しかしながら、デバイスを製作する際に、様々な要因による製作誤差のために、設計値とは異なるデバイス構造となってしまう。例えば、製作誤差の要因は、導波路コアおよびクラッドの屈折率変化（材料の形成プロセスに依存）、デバイス構造の寸法変化（パターニングやエッチングプロセスに依存）等である。これによって、得られるモード変換率が１００％より低下する。従って、デバイス設計においては、製作誤差によって生ずるモード変換率の低下ができるだけ小さくなるデバイス構造を探求する必要がある。 Next, referring to FIGS. 3 and 4 again, the TE-TM mode conversion function by the groove 7 provided in the waveguide portion 4a will be described. As described in the background section, the TE-TM mode converter is realized by making the cross-sectional shape of the waveguide asymmetric. The mode conversion rate has a maximum value that can be realized by the cross-sectional shape of the converter, and can be adjusted between 0 and the maximum value by changing the length of the converter. Considering many applications, it is desirable that the maximum value of the TE-TM mode conversion rate is 100%. Therefore, in designing the mode converter, the device is designed so that the maximum conversion efficiency is 100%. However, when a device is manufactured, the device structure is different from the design value due to manufacturing errors due to various factors. For example, the causes of manufacturing errors include changes in the refractive index of the waveguide core and cladding (depending on the material formation process), dimensional changes in the device structure (depending on patterning and etching processes), and the like. As a result, the mode conversion rate obtained is lower than 100%. Therefore, in device design, it is necessary to search for a device structure in which the decrease in mode conversion rate caused by manufacturing errors is minimized.
本発明は、このようなデバイス製作時の製作誤差による最大モード変換率の低下ができるだけ小さくなるデバイス構造を提案している。その構造を以下に説明する。 The present invention proposes a device structure in which the reduction of the maximum mode conversion rate due to the manufacturing error at the time of manufacturing the device is minimized. The structure will be described below.
ＴＥ−ＴＭモード変換器では、この変換器中に依存する固有の光波電磁界に対して、次の式で定義される回転パラメータＲが定義できる。
ここで、ｎ（ｘ、ｙ）はデバイス断面の屈折率分布を表し、Ｅｘ、Ｅｙは横方向および縦方向の光波電界成分の断面内分布を表す。 Here, n (x, y) represents the refractive index distribution of the device cross section, and Ex and Ey represent the distribution in the cross section of the lightwave electric field component in the horizontal direction and the vertical direction.
回転パラメータは、変換器の最大モード変換率に対応しており、Ｒ＝１の固有電磁界をもつ変換器にＴＥモード（若しくはＴＭモード）が入射すると、変換器の中をある距離伝搬した後にＴＭモード（若しくはＴＥモード）に完全に変換される。すなわち、最大モード変換率が１００％となる。したがって、モード変換器の構造パラメータが変化しても、回転パラメータがＲ＝１から変化しない構造を見出すことが、製作誤差に対する特性変化が小さいモード変換器を設計することになる。 The rotation parameter corresponds to the maximum mode conversion rate of the converter, and when a TE mode (or TM mode) is incident on a converter having a natural electromagnetic field of R = 1, after propagating through the converter for a certain distance. Fully converted to TM mode (or TE mode). That is, the maximum mode conversion rate is 100%. Therefore, finding a structure in which the rotation parameter does not change from R = 1 even when the structural parameter of the mode converter is changed is to design a mode converter that has a small characteristic change with respect to manufacturing errors.
ＴＥ−ＴＭモード変換器の導波路厚Ｈ（図４参照）は、モード変換器の前後に接続するデバイスの導波路厚に合わせて設計することが望ましい。前後に接続するデバイスの導波路厚とモード変換器の導波路厚Ｈが異なる場合には、その間に、伝搬方向に沿って導波路厚が緩やかに変化するデーパ状導波路を挿入してモード変換器と前後のデバイスを接続することもできる。本発明では、半導体レーザの出力光をシリコン細線導波路に高い効率で接続するためのスポットサイズ変換器とモード変換器を一体に構成する目的から、モード変換器の導波路厚Ｈは、当該スポットサイズ変換器の導波路厚と同じ値をとるものと仮定し、従って、導波路厚Ｈ＝０．６〜１．２μｍの範囲内で考える。 The waveguide thickness H (see FIG. 4) of the TE-TM mode converter is desirably designed in accordance with the waveguide thickness of the device connected before and after the mode converter. When the waveguide thickness of the device connected to the front and the back is different from the waveguide thickness H of the mode converter, a mode change is performed by inserting a data waveguide having a moderately variable waveguide thickness along the propagation direction. You can also connect the device to the front and back devices. In the present invention, for the purpose of integrally configuring the spot size converter and the mode converter for connecting the output light of the semiconductor laser to the silicon thin wire waveguide with high efficiency, the waveguide thickness H of the mode converter is determined as follows. It is assumed that the value is the same as the waveguide thickness of the size converter, and therefore, the waveguide thickness H is considered within the range of 0.6 to 1.2 μm.
次に、ＴＥ−ＴＭモード変換器の導波路の幅Ｗ（図４参照）についても、導波路厚Ｈと同様に前後に接続するデバイスの導波路構造に合わせて設計することが望ましいため、スポットサイズ変換部４ｂの導波路幅に合わせて、Ｗ＝１．２μｍに固定した設計を示す。なお、導波路厚Ｈに比べて、導波路幅Ｗの変化は導波路形成パターンによって容易に実現することができるため、幅Ｗを固定して設計することが可能である。しかしながら、本発明は、導波路の幅Ｗ＝１．２μｍに限定されるものではなく、他の導波路幅に対しても、同様の手順でモード変換器を設計することができる。 Next, the waveguide width W (see FIG. 4) of the TE-TM mode converter is also preferably designed in accordance with the waveguide structure of the device connected to the front and rear as well as the waveguide thickness H. A design in which W = 1.2 μm is fixed in accordance with the waveguide width of the size converter 4b is shown. Since the change of the waveguide width W can be easily realized by the waveguide formation pattern as compared with the waveguide thickness H, the width W can be fixed and designed. However, the present invention is not limited to the waveguide width W = 1.2 μm, and mode converters can be designed in the same procedure for other waveguide widths.
溝の位置ｔ（導波路４ａの側壁からの距離）は、ある程度自由に設定することが可能である。ｔがあまり小さいと、幅ｔで導波路コアを残しつつ、溝を形成する必要があるため製作が困難になる。また、溝が導波路の幅方向の対称位置に形成されると導波路の横方向の非対称性が無くなり、ＴＥ−ＴＭモード変換器として機能しない。したがって、非対称性を得るためには、次の条件が必要になる。
ｔ＋Ｗ1／２＜Ｗ／２
なお、溝の位置は、導波路の中心に対して左側でも右側でも効果は同様である。
The position t of the groove (distance from the side wall of the waveguide 4a) can be set freely to some extent. If t is too small, it is necessary to form a groove while leaving the waveguide core with a width t, which makes it difficult to manufacture. Further, if the groove is formed at a symmetrical position in the width direction of the waveguide, there is no asymmetry in the lateral direction of the waveguide, and it does not function as a TE-TM mode converter. Therefore, in order to obtain asymmetry, the following conditions are necessary.
t + W 1/2 <W / 2
The effect of the groove position is the same on the left side and the right side with respect to the center of the waveguide.
本発明者等は、図３および４に示すＴＥ−ＴＭモード変換器において、最も製造誤差の影響を受けやすい構造のパラメータが特に溝幅Ｗ1であると考えた。溝の幅Ｗ1の精度は、コア層４および溝７を形成するためのエッチングマスクの精度に依存するためである。従って、溝幅Ｗ1の製造誤差によってどの程度Ｒパラメータ値が変化するかを見出すために、図４に示す構造のパラメータＨとｔとを固定し、一方で溝幅Ｗ1を変化させてＲパラメータ値を計算した。なお、以下の計算では、デバイスに入射する光の波長を１２７０ｎｍ、コア層４の屈折率を１．６に固定し、また、コア層４の導波路幅Ｗをスポットサイズ変換部４ｂの導波路幅に合わせて１．２μｍとしている。 The present inventors considered that, in the TE-TM mode converter shown in FIGS. 3 and 4, the parameter of the structure most susceptible to the manufacturing error is the groove width W 1 in particular. This is because the accuracy of the groove width W 1 depends on the accuracy of the etching mask for forming the core layer 4 and the groove 7. Therefore, in order to find out how much the R parameter value changes due to the manufacturing error of the groove width W 1 , the parameters H and t of the structure shown in FIG. 4 are fixed, while the groove width W 1 is changed to change R. The parameter value was calculated. In the following calculation, the wavelength of light incident on the device is fixed to 1270 nm, the refractive index of the core layer 4 is fixed to 1.6, and the waveguide width W of the core layer 4 is set to the waveguide of the spot size conversion unit 4b. The thickness is set to 1.2 μm according to the width.
図７の（ａ）〜（ｃ）に、溝幅Ｗ1を１００ｎｍから８００ｎｍに変化させた場合のＲパラメータの変化の一例を示す。図７（ａ）は、導波路厚Ｈを０．８μｍに、溝位置ｔを０．２μｍに固定して、Ｄ＝４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍの４種類の溝深さについてそれぞれの溝幅Ｗ1に対するＲパラメータの計算結果を示す。図７（ｂ）では、導波路厚Ｈを１．０μｍに、溝位置ｔを０．２μｍに固定し、Ｄ＝２００ｎｍ、４００ｎｍ、６００ｎｍおよび８００ｎｍの４種類の溝深さについてそれぞれの溝幅Ｗ1に対するＲパラメータの計算結果を示す。図７（ｃ）では導波路厚Ｈを１．２μｍに、溝位置ｔを０．２μｍに固定して、Ｄ＝４００ｎｍ、６００ｎｍ、８００ｎｍの３種類の溝深さについてそれぞれの溝幅Ｗ1に対するＲパラメータの計算結果を示す。 FIGS. 7A to 7C show an example of changes in the R parameter when the groove width W 1 is changed from 100 nm to 800 nm. FIG. 7A shows the groove widths for four types of groove depths D = 400 nm, 500 nm, 600 nm, and 700 nm with the waveguide thickness H fixed at 0.8 μm and the groove position t fixed at 0.2 μm. The calculation result of the R parameter for W 1 is shown. In FIG. 7B, the waveguide thickness H is fixed to 1.0 μm, the groove position t is fixed to 0.2 μm, and the respective groove widths W for four types of groove depths D = 200 nm, 400 nm, 600 nm, and 800 nm. The calculation result of the R parameter for 1 is shown. In FIG. 7C, the waveguide thickness H is fixed to 1.2 μm, the groove position t is fixed to 0.2 μm, and three types of groove depths D = 400 nm, 600 nm, and 800 nm with respect to the respective groove widths W 1 . The calculation result of R parameter is shown.
図７（ａ）に示す構造パラメータの組合せに対して、溝深さＤ＝４００ｎｍおよび５００ｎｍの場合には、溝幅Ｗ1をどのような値にしてもＲパラメータは１（１０0）に達しない。溝深さＤ＝６００ｎｍおよび７００ｎｍの場合に、溝幅Ｗ1のある値に対してＲパラメータが１となる。なお、図７の（ａ）〜（ｃ）では、モード変換率が９０％以上である範囲を点線で示している。図７（ａ）の場合、溝深さＤ＝６００ｎｍの場合に、溝幅Ｗ1が３９０ｎｍ〜４５０ｎｍ程度でモード変換率が９０％以上となっている。 For the combination of structural parameters shown in FIG. 7A, in the case of the groove depth D = 400 nm and 500 nm, the R parameter reaches 1 (10 0 ) whatever the groove width W 1 is. do not do. When the groove depth D = 600 nm and 700 nm, the R parameter is 1 for a certain value of the groove width W 1 . In FIGS. 7A to 7C, a range in which the mode conversion rate is 90% or more is indicated by a dotted line. In the case of FIG. 7A, when the groove depth D = 600 nm, the groove width W 1 is about 390 nm to 450 nm, and the mode conversion rate is 90% or more.
一方、図７（ｂ）に示す構造パラメータの組合せに対して、溝深さＤ＝６００ｎｍの場合に、溝幅Ｗ1が３００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲でＲはほぼ１を維持し、１００％近いモード変換を実現できることが分かる。モード変換率が９０％以上の範囲はさらに大きくなる。ところが、図７（ｃ）に示す構造パラメータの組合せでは、溝深さＤ＝４００ｎｍ、６００ｎｍ、８００ｎｍの何れの場合も、溝幅Ｗ1の狭い範囲においてモード変換率が９０％を超えるのみである。 On the other hand, for the combination of the structural parameters shown in FIG. 7B, when the groove depth D = 600 nm, R is almost 1 in the groove width W 1 range of 300 nm to 400 nm, and the mode is close to 100%. It can be seen that the conversion can be realized. The range where the mode conversion rate is 90% or more is further increased. However, in the combination of the structural parameters shown in FIG. 7C, the mode conversion rate only exceeds 90% in the narrow range of the groove width W 1 in any of the groove depths D = 400 nm, 600 nm, and 800 nm. .
通常、３００ｎｍ〜４００ｎｍの溝幅Ｗ1を形成する場合、溝幅Ｗ1の製造誤差は少なくとも±２０ｎｍ、通常、±５０ｎｍ程度である。従って、図７（ｂ）から、ＴＥ−ＴＭモード変換器１において導波路厚Ｈ＝１．０μｍ、溝位置ｔ＝０．２μｍ、溝深さＤ＝６００ｎｍとし、さらに溝幅Ｗ1を３００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲で設計する場合、形成された溝幅が製造誤差によって、設計値から、例えば±５０ｎｍ程度ずれた場合であっても、１００％近いモード変換率を達成することが分かる。即ち、図７（ｂ）の場合のデバイス構造は、製造誤差に対する許容範囲が広い構造であるといえる。 Usually, when the groove width W 1 of 300 nm to 400 nm is formed, the manufacturing error of the groove width W 1 is at least ± 20 nm, usually about ± 50 nm. Therefore, from FIG. 7B, in the TE-TM mode converter 1, the waveguide thickness H = 1.0 μm, the groove position t = 0.2 μm, the groove depth D = 600 nm, and the groove width W 1 is 300 nm to When designing in the range of 400 nm, it can be seen that a mode conversion rate close to 100% is achieved even when the formed groove width is deviated from the design value by, for example, about ± 50 nm due to manufacturing errors. That is, it can be said that the device structure in the case of FIG. 7B has a wide tolerance for manufacturing errors.
モード変換器の設計においては、上述したように、デバイスの構造に対して光波の電磁界分布を計算で求め、これによって決まるＲパラメータのデバイス構造に対する変化を調べる方法が見通しがよい。しかしながら、得られるモード変換率を分かり易くするために、以下の説明では、Ｒパラメータの代わりに、最大モード変換率（％）を縦軸にとって説明する。 In the design of the mode converter, as described above, a method of obtaining the electromagnetic field distribution of the light wave with respect to the device structure by calculation and examining the change of the R parameter determined thereby with respect to the device structure is good. However, in order to make the obtained mode conversion rate easy to understand, in the following description, the maximum mode conversion rate (%) is used as the vertical axis instead of the R parameter.
図８は、導波路厚Ｈ＝０．６μｍとする以外の条件を図７の場合と同一にして、溝幅Ｗ1と最大モード変換率との関係を求めたものである。図８から明らかなように、溝の深さＤが４００ｎｍでは、溝幅Ｗ1が６００ｎｍから６５０ｎｍの範囲内でほぼ１００％の最大モード変換率を達成することができるが、その範囲（許容誤差範囲）は、図７（ｂ）の溝深さＤ＝６００ｎｍの場合に比べると遥かに狭い。さらに、溝深さＤが、４００ｎｍから４５０ｎｍ、４９０ｎｍ、５００ｎｍに変化すると、最大モード変換率は大幅に低下する。導波路４と溝７とを同時に反応性イオンエッチングによって形成する場合、エッチングマスクの開口幅、即ち溝幅Ｗ1によってエッチング速度が異なるため、溝幅Ｗ1に製作誤差が生じた場合溝深さＤにも製作誤差が発生しうる。図８の構造では図７の構造に比べて溝深さＤの小さい変化による最大モード変換率の低下が大きいため、モード変換器としては図７の構造の方が望ましいと考えられる。 FIG. 8 shows the relationship between the groove width W 1 and the maximum mode conversion rate under the same conditions as in FIG. 7 except for the waveguide thickness H = 0.6 μm. As can be seen from FIG. 8, when the groove depth D is 400 nm, the maximum mode conversion rate of almost 100% can be achieved in the groove width W 1 in the range of 600 nm to 650 nm. The range is much narrower than that in the case of the groove depth D = 600 nm in FIG. Furthermore, when the groove depth D is changed from 400 nm to 450 nm, 490 nm, and 500 nm, the maximum mode conversion rate is significantly reduced. When the waveguide 4 and the groove 7 are simultaneously formed by reactive ion etching, the etching speed varies depending on the opening width of the etching mask, that is, the groove width W 1 , and therefore when the manufacturing error occurs in the groove width W 1 , the groove depth. Manufacturing errors can also occur in D. In the structure of FIG. 8, since the maximum mode conversion rate is greatly reduced by a small change in the groove depth D compared to the structure of FIG. 7, the structure of FIG. 7 is considered preferable as the mode converter.
図７では溝位置ｔを０．２μｍに固定して計算を行っているが、図９から図１１では、溝位置ｔを変化させた場合に、溝幅Ｗ1の変化に対し最大モード変換率がどのように変化するか示している。 In FIG. 7, the calculation is performed with the groove position t fixed at 0.2 μm. However, in FIGS. 9 to 11, when the groove position t is changed, the maximum mode conversion rate with respect to the change in the groove width W 1. Shows how the changes.
図９では、導波路厚Ｈ＝０．８μｍとし、溝位置ｔをｔ＝０．１μｍ〜０．３μｍに変化させた場合の、溝幅Ｗ1に対する最大モード変換率の変化を示す。図９（ａ）に示すように、溝位置ｔ＝０．１μｍの場合、溝深さＤ＝６００ｎｍの構造において、溝幅Ｗ1が、４５０ｎｍ≦Ｗ1≦７００ｎｍの範囲内でほぼ９０％以上の最大モード変換率を達成している。溝位置ｔ＝０．２μｍの場合は、図（ｂ）に示すように、溝深さＤ＝６００ｎｍの構造において、溝幅Ｗ1が、４００ｎｍ≦Ｗ1≦７００ｎｍの範囲内でほぼ９０％以上の最大モード変換率を達成している。ところが、溝位置ｔ＝０．３μｍとした場合、図（ｃ）に示すように、溝幅Ｗ1が３００ｎｍでほぼ１００％の最大モード変換率を達成することができるが、その前後で最大モード変換率が大きく低下する。従って、導波路厚Ｈが０．８μｍの場合は、溝位置ｔ＝０．１μｍ〜０．２μｍの範囲内で、溝幅Ｗ1の変化に対してモード変換率は高い値を維持することがわかる。 FIG. 9 shows a change in the maximum mode conversion ratio with respect to the groove width W 1 when the waveguide thickness H is 0.8 μm and the groove position t is changed from t = 0.1 μm to 0.3 μm. As shown in FIG. 9A, when the groove position t = 0.1 μm, the groove width W 1 is approximately 90% or more in the range of 450 nm ≦ W 1 ≦ 700 nm in the structure with the groove depth D = 600 nm. The maximum mode conversion rate is achieved. In the case of the groove position t = 0.2 μm, as shown in FIG. 2B, in the structure having the groove depth D = 600 nm, the groove width W 1 is approximately 90% or more within the range of 400 nm ≦ W 1 ≦ 700 nm. The maximum mode conversion rate is achieved. However, when the groove position t = 0.3 μm, the maximum mode conversion rate of almost 100% can be achieved when the groove width W 1 is 300 nm, as shown in FIG. The conversion rate is greatly reduced. Therefore, when the waveguide thickness H is 0.8 μm, the mode conversion ratio can be kept high with respect to the change of the groove width W 1 within the range of the groove position t = 0.1 μm to 0.2 μm. Recognize.
図１０の（ａ）〜（ｃ）に、導波路厚Ｈ＝１．０μｍとし、溝位置ｔをｔ＝０．１μｍ〜０．３μｍに変化させた場合の、溝幅Ｗ1に対する最大モード変換率の変化を示す。図１０の構造では、溝位置ｔ＝０．１μｍ、０．２μｍおよび０．３μｍの何れに対しても、溝深さＤ＝６００ｎｍとすることによって、溝幅Ｗ1の広い範囲の変化に対してモード変換率はほぼ１００％に近い値を維持している。即ち、導波路厚Ｈ＝１．０μｍとし、溝深さＤ＝６００ｎｍとした構造では、モード変換率の溝位置依存性は、ｔ＝０．１μｍ〜０．３μｍの範囲内で低いことが分かる。 10A to 10C, the maximum mode conversion with respect to the groove width W 1 when the waveguide thickness H is 1.0 μm and the groove position t is changed from t = 0.1 μm to 0.3 μm. Shows the change in rate. In the structure of FIG. 10, by setting the groove depth D = 600 nm for any of the groove positions t = 0.1 μm, 0.2 μm, and 0.3 μm, the groove width W 1 can be changed over a wide range. Thus, the mode conversion rate maintains a value close to 100%. That is, in the structure in which the waveguide thickness H is 1.0 μm and the groove depth D is 600 nm, it can be seen that the dependence of the mode conversion rate on the groove position is low in the range of t = 0.1 μm to 0.3 μm. .
図１１の（ａ）〜（ｃ）に、導波路厚Ｈ＝１．２μｍとし、溝位置ｔをｔ＝０．１μｍ〜０．３μｍに変化させた構造に対して、溝幅Ｗ1に対する最大モード変換率の変化を示す。この構造では、溝位置ｔ＝０．１μｍ〜０．２μｍの範囲で、溝深さＤ＝４００ｎｍの場合に、最大モード変換率がほぼ１００％をとるようになるが、その場合の溝幅Ｗ1の許容誤差範囲は図９、図１０のデバイス構造よりも狭い。また、溝位置ｔ＝０．３μｍの場合は、溝深さＤ＝２００ｎｍ、４００ｎｍ、６００ｎｍの何れの場合も、溝幅の極めて狭い範囲のみで最大モード変換率が１００％になるのみである。従って、導波路厚Ｈ＝１．２μｍとした場合は、最大モード変換率の溝位置依存性は高いということができる。 In (a) ~ (c) of FIG. 11, a guide NamijiAtsu H = 1.2 [mu] m, to the structure of changing the groove position t in t = 0.1Myuemu～0.3Myuemu, maximum for the groove width W 1 The change in mode conversion rate is shown. In this structure, the maximum mode conversion rate is almost 100% when the groove position t = 0.1 μm to 0.2 μm and the groove depth D = 400 nm. In this case, the groove width W The allowable error range of 1 is narrower than the device structure of FIGS. When the groove position is t = 0.3 μm, the maximum mode conversion rate is only 100% only in a very narrow range of the groove width in any of the groove depths D = 200 nm, 400 nm, and 600 nm. Therefore, when the waveguide thickness H is 1.2 μm, it can be said that the maximum mode conversion rate is highly dependent on the groove position.
以上のことから、図４に示すデバイス構造を設計する場合、屈折率ｎ＝１．６の材料で、導波路幅Ｗ＝１．２μｍ、導波路厚Ｈ＝１．０μｍのコア層４を設け、溝深さＤ＝６００ｎｍとした場合に、溝幅Ｗ1を３００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲で設定すれば、溝幅および溝位置の製造誤差にかかわらず高いモード変換率を有するデバイス構造を提供できる。 From the above, when the device structure shown in FIG. 4 is designed, a core layer 4 having a refractive index n = 1.6, a waveguide width W = 1.2 μm, and a waveguide thickness H = 1.0 μm is provided. , when the groove depth D = 600 nm, by setting the groove width W 1 in the range of 300 nm to 400 nm, can be provided a device structure having a high mode conversion regardless fabrication error of the groove width and the groove position.
なお、本実施形態では、高いＴＥ−ＴＭモード変換率を得るために導波路厚Ｈを１．０μｍとしたため、図３のスポットサイズ変換部４ｂの導波路厚Ｈを１．０μｍ、導波路幅Ｗを１．２μｍとして設計する必要が生じる。本実施形態では、レーザ光が縦と横のスポット径が等しい円形スポットの形状でデバイスに入射する場合を想定しているので、導波路厚Ｈを導波路幅Ｗよりも少し小さくすることによって（１．２μｍ→１．０μｍ）レーザ光の結合効率は減少する。しかしながら、これによる結合効率の減少は１０％以下であると考えられるため、ＴＥ−ＴＭモード変換率を重視する観点から、最適導波路厚Ｈを１．０μｍとしている。 In this embodiment, since the waveguide thickness H is set to 1.0 μm in order to obtain a high TE-TM mode conversion rate, the waveguide thickness H of the spot size conversion unit 4b in FIG. It is necessary to design W as 1.2 μm. In the present embodiment, it is assumed that the laser beam is incident on the device in the shape of a circular spot having the same vertical and horizontal spot diameters. Therefore, by making the waveguide thickness H slightly smaller than the waveguide width W ( (1.2 μm → 1.0 μm) The coupling efficiency of laser light decreases. However, since the reduction of the coupling efficiency due to this is considered to be 10% or less, the optimum waveguide thickness H is set to 1.0 μm from the viewpoint of emphasizing the TE-TM mode conversion rate.
図１２は、図４のデバイス構造において、屈折率ｎ＝１．６の材料で、導波路幅Ｗ＝１．２μｍ、導波路厚Ｈ＝１．０μｍのコア層４を設け、溝深さＤ＝６００ｎｍとした場合に、１００％のＴＥ−ＴＭモード変換を発生させるために必要なモード変換部４ａの長さ長Ｌａ（図３参照）を、溝幅Ｗ1の変化に対して計算によって求めた図である。図１２において、横軸は溝幅Ｗ1をｎｍ単位で示し、縦軸は１００％モード変換に必要な変換器長Ｌπをμｍ単位で示している。この図から明らかなように、溝幅Ｗ1が３００ｎｍの場合、１００％のモード変換を発生させるためにはモード変換部４ａの長さＬａは７０２μｍであり、溝幅Ｗ1が４００ｎｍの場合、長さＬａは６１５μｍとなる。 FIG. 12 shows a device structure of FIG. 4 in which a core layer 4 having a refractive index n = 1.6, a waveguide width W = 1.2 μm, a waveguide thickness H = 1.0 μm is provided, and a groove depth D = when the 600 nm, 100% of the TE-TM mode conversion mode conversion unit 4a necessary for generating the length length La (see FIG. 3), obtained by calculation with respect to a change in groove width W 1 It is a figure. In FIG. 12, the horizontal axis indicates the groove width W 1 in nm units, and the vertical axis indicates the converter length Lπ required for 100% mode conversion in μm units. As is clear from this figure, when the groove width W 1 is 300 nm, the length La of the mode converter 4a is 702 μm in order to generate 100% mode conversion, and when the groove width W 1 is 400 nm, The length La is 615 μm.
なお、図１２では、２００ｎｍから８００ｎｍの溝幅Ｗ１に対して、１００％のＴＥ−ＴＭモード変換を発生させるために必要な変換器長（Ｌπとする）を示しているが、モード変換器の長さ（即ち、デバイスの長手方向に沿った溝部の長さ）をＬとした場合、ＴＥ−ＴＭモード変換率は次の式に従って変化させることができる。
ＴＥ−ＴＭモード変換率＝ｓｉｎ2（π・Ｌ／２Ｌπ）
Note that FIG. 12 shows the converter length (Lπ) necessary to generate 100% TE-TM mode conversion for a groove width W1 of 200 nm to 800 nm. When the length (that is, the length of the groove along the longitudinal direction of the device) is L, the TE-TM mode conversion rate can be changed according to the following equation.
TE-TM mode conversion rate = sin 2 (π · L / 2Lπ)
次に、上記実施形態で最適化されたデバイス構造を、レーザ光の波長に対して規格化することを考える。スポットサイズ変換器、ＴＥ−ＴＭモード変換器共に、その導波路構造を形成する材料の屈折率が波長によって変化しないと仮定した場合、導波路構造を決定する全ての構造パラメータを波長で規格化し、規格化した構造パラメータが等しければ等しい特性を示すものと考えても良い。上記実施形態では使用するレーザ光の中心波長λ（ｎｍ）を１２７０ｎｍとしているので、上記各構造のパラメータは任意の波長のレーザ光に対して以下の様に規格化できる。なお、ＷR、ＨR、ＤR、ｔR、Ｗ1Rはそれぞれのパラメータの規格化された値を示す。
導波路幅ＷR＝（１．２μｍ／１．２７μｍ）×レーザ光の波長＝０．９４×レーザ光の中心波長
導波路厚ＨR＝０．７９×レーザ光の中心波長
溝深さＤR＝０．４７×レーザ光の中心波長
溝位置ｔR＝（０．０７９〜０．２４）×レーザ光の中心波長
溝幅Ｗ1R＝（０．２４〜０．３２）×レーザ光の中心波長
Next, it is considered to standardize the device structure optimized in the above embodiment with respect to the wavelength of the laser beam. Assuming that both the spot size converter and the TE-TM mode converter assume that the refractive index of the material forming the waveguide structure does not change depending on the wavelength, all the structural parameters that determine the waveguide structure are normalized by the wavelength, If the standardized structural parameters are equal, they may be considered to exhibit the same characteristics. In the above embodiment, since the center wavelength λ (nm) of the laser beam to be used is 1270 nm, the parameters of each structure can be normalized as follows with respect to the laser beam having an arbitrary wavelength. Note that W R , H R , D R , t R , and W 1R indicate standardized values of the respective parameters.
Waveguide width W R = (1.2 μm / 1.27 μm) × Laser wavelength = 0.94 × Laser beam center wavelength Waveguide thickness H R = 0.79 × Laser beam center wavelength Groove depth D R = 0.47 × center wavelength of laser light Groove position t R = (0.079 to 0.24) × center wavelength of laser light Groove width W 1R = (0.24 to 0.32) × center wavelength of laser light
図１３は、波長１２７０ｎｍのレーザ光に対する上記の最適構造（Ｈ＝１．０μｍ、Ｗ＝１．２μｍ、ｔ＝０．２μｍ、Ｄ＝０．６μｍ、Ｗ1＝０．４μｍ）において、波長が設計波長１２７０ｎｍから変化した場合の最大モード変換率の計算結果を示す。図示するように、波長が１２７０ｎｍ±６０ｎｍの範囲で９８％以上のモード変換率を得ることができるので、この範囲で構造パラメータの波長依存性は小さいと考えられる。 FIG. 13 shows the above-mentioned optimum structure (H = 1.0 μm, W = 1.2 μm, t = 0.2 μm, D = 0.6 μm, W 1 = 0.4 μm) with respect to laser light having a wavelength of 1270 nm. The calculation result of the maximum mode conversion rate at the time of changing from design wavelength 1270nm is shown. As shown in the figure, a mode conversion rate of 98% or more can be obtained in the wavelength range of 1270 nm ± 60 nm. Therefore, it is considered that the wavelength dependence of the structural parameter is small in this range.
図１４は、所望の溝幅Ｗ1を有する溝７を備えたコア層４を形成するためのエッチング方法を示すイメージ図である。本実施形態では、一回のエッチング工程でコア層４を形成するためのエッチングと溝７を形成するために、反応性イオンエッチングを採用している。反応性イオンエッチングでは、エッチングマスク２０の開口が大きい程（開口２１）多くのガスが開口中に侵入し、その結果エッチング速度が速くなる。一方、開口が小さい場合（開口２２）、開口中に侵入するエッチングガス量が少ないのでエッチング速度は遅くなる。この性質を利用することによって、深さの違う溝７と溝２３とを、一回のエッチングによって同時に形成することができる。 FIG. 14 is an image diagram showing an etching method for forming the core layer 4 having the groove 7 having the desired groove width W 1 . In the present embodiment, reactive ion etching is employed to form the etching for forming the core layer 4 and the groove 7 in a single etching process. In reactive ion etching, the larger the opening of the etching mask 20 (opening 21), the more gas penetrates into the opening, resulting in a higher etching rate. On the other hand, when the opening is small (opening 22), the etching rate becomes slow because the amount of etching gas entering the opening is small. By utilizing this property, the groove 7 and the groove 23 having different depths can be simultaneously formed by one etching.
１ ＴＥ−ＴＭモード変換器
２ 半導体レーザ素子
３ 光回路
４ コア層
４ａ ＴＥ−ＴＭモード変換部
４ｂ スポットサイズ変換部
５ 上部クラッド層
６ 下部クラッド層
７ 溝
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 TE-TM mode converter 2 Semiconductor laser element 3 Optical circuit 4 Core layer 4a TE-TM mode conversion part 4b Spot size conversion part 5 Upper clad layer 6 Lower clad layer 7 Groove
Claims (5)
ｔ＋Ｗ1／２＜Ｗ／２の関係が成り立つように上記各値Ｗ、Ｗ1、Ｄおよびｔを決定し、更に、
前記コア幅Ｗ、コア厚Ｈ、溝深さＤ、距離ｔ、溝幅Ｗ 1 は、任意の波長のレーザ光に対して、
導波路幅Ｗ＝０．９４×レーザ光の中心波長
導波路厚Ｈ＝０．７９×レーザ光の中心波長
溝深さＤ＝０．４７×レーザ光の中心波長
溝位置ｔ＝（０．０７９〜０．２４）×レーザ光の中心波長
溝幅Ｗ 1 ＝（０．２４〜０．３２）×レーザ光の中心波長
の範囲の値に設定される、ＴＥ−ＴＭモード変換器。 A rectangular parallelepiped core layer having a width W and a thickness H is formed in the clad layer with a transparent dielectric material having a refractive index of 1.5 to 1.6 to form a spot size converting portion, and light incident on the core layer is incident A groove having a depth D extending along the longitudinal direction of the core layer, a width W 1 , and a distance t from the side wall of the core layer is formed in a portion away from the end face,
t + W 1/2 <W / 2 relationship holds as above values W, to determine the W 1, D and t, furthermore,
The core width W, core thickness H, groove depth D, distance t, and groove width W 1 are as follows:
Waveguide width W = 0.94 × center wavelength of laser light
Waveguide thickness H = 0.79 × center wavelength of laser beam
Groove depth D = 0.47 × center wavelength of laser beam
Groove position t = (0.079 to 0.24) × center wavelength of laser beam
Groove width W 1 = (0.24-0.32) × center wavelength of laser beam
TE-TM mode converter set to a value in the range of
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