JP5560602B2 - Optical waveguide - Google Patents

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Description

本発明は、集積した2つの光導波路素子を光結合するための光導波路に関するものである。   The present invention relates to an optical waveguide for optically coupling two integrated optical waveguide elements.

光通信における基幹部品として、現在、石英系の平面光波回路(PLC)が広く使用されている。これまで、石英系PLCの主な素子として、アレイ導波路回折格子,ROADM(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer),およびスプリッタなどが製品化されてきた。近年はさらに、半導体光増幅素子(SOA)と石英系PLCを集積化した波長可変レーザーなどの新規機能素子の開発が進展し、能動素子と受動素子を混載した小型で安価かつ高機能の素子およびシステムを実現する試みが活発化している。   Currently, quartz-based planar lightwave circuits (PLCs) are widely used as key components in optical communications. Until now, arrayed waveguide diffraction gratings, ROADMs (Reconfigurable Optical Add / Drop Multiplexers), splitters, and the like have been commercialized as main elements of quartz-based PLCs. In recent years, the development of new functional elements such as a wavelength tunable laser in which a semiconductor optical amplifying element (SOA) and a silica-based PLC are integrated has progressed, and a small, inexpensive and highly functional element in which an active element and a passive element are mixedly mounted. Attempts to realize the system are active.

しかし、情報伝送量の急速な増加にともない、基幹部品の高集積化は不可避の状況となっており、素子の寸法や電力消費の点で、石英系PLCには限界が見え始めてきた。これに対応するために、小型化・低消費電力化を可能にするシリコンフォトニクスが注目されている。シリコンフォトニクスとは、Siからコアを構成し、SiO2からクラッドを構成する高屈折率差の導波路を利用したものを指している。この光導波路は、石英系導波路と比較して曲げ半径を小さくできるため、PLCの小型化を可能にする。さらに、電子回路との集積化が可能であり、また、LSIと同様の製造リソースの利用が可能であり、低価格かつ生産性が高いなどの利点を備えており、近年、特に研究開発が活発になっている。 However, with the rapid increase in the amount of information transmitted, high integration of key components is inevitable, and limits have been seen in quartz PLCs in terms of device dimensions and power consumption. In order to cope with this, silicon photonics that enables miniaturization and low power consumption has attracted attention. Silicon photonics refers to a silicon photonics that uses a waveguide with a high refractive index difference, in which a core is formed from Si and a cladding is formed from SiO 2 . Since this optical waveguide can reduce the bending radius as compared with the silica-based waveguide, the PLC can be miniaturized. In addition, it can be integrated with electronic circuits, and can be used in the same manner as LSI, and has the advantages of low cost and high productivity. It has become.

しかしながら、シリコンフォトニクスでは、シリコンの材料特性から、発光効率が極めて低いため、光機能素子として用いる際には、化合物半導体のレーザーダイオードや光増幅器などとを集積化することが不可欠である。近年、注目されている形態の例としては、Si導波路を形成した基板上に化合物半導体素子を貼り合わせる、モノリシック集積が挙げられる。非特許文献1には、AlGaInAs多重量子井戸とSi導波路のエバネッセント結合により光学利得を設け、レーザー動作を確認したことが報告されている。   However, since silicon photonics has extremely low light emission efficiency due to the material properties of silicon, it is indispensable to integrate a compound semiconductor laser diode, optical amplifier, or the like when used as an optical functional device. An example of a form that has been attracting attention in recent years is monolithic integration in which a compound semiconductor element is bonded to a substrate on which a Si waveguide is formed. Non-Patent Document 1 reports that laser operation was confirmed by providing an optical gain by evanescent coupling of an AlGaInAs multiple quantum well and a Si waveguide.

この構成における導波モードプロファイルは、III−V媒質とSi導波路の双方に重なっている。このため、導波モードはIII−V領域から利得を得ることができ、同時に、III−V領域の下にあるSi導波路領域により導波されることになる。この形態の最大の利点は、III−V領域は横方向において対称性を有することから、あらかじめ形成したSi導波路に対してIII−Vウエハーを貼り合わせるときには、高精度の目合わせは不要であるということである。しかし、この形態の特性はIII−V媒質単体で実現されるものには及ばず、実際、これまで報告されている特性は従来素子に比べると劣っている。   The guided mode profile in this configuration overlaps both the III-V medium and the Si waveguide. For this reason, the waveguide mode can obtain gain from the III-V region, and at the same time, it is guided by the Si waveguide region under the III-V region. The greatest advantage of this configuration is that the III-V region has symmetry in the lateral direction, and therefore high-precision alignment is not necessary when the III-V wafer is bonded to a pre-formed Si waveguide. That's what it means. However, the characteristics of this form do not reach those realized by a single III-V medium, and in fact, the characteristics reported so far are inferior to those of conventional elements.

上述した技術に対し、化合物半導体チップをSOIウエハーに対してハイブリッドに集積する形態は、特に、高い性能の要求される光通信においては、依然、その重要性を保っている。この集積においては、突き合わせる導波路同士の導波モードのスポットサイズを整合させて光結合損失を低減する他、結合部における反射を低減するための構造の導入が重要となる。中でも、ハイブリッド集積したときの結合部における反射は、不必要なレーザー発振を誘起するなど、所望の動作を不安定化する要因となる。これは、化合物半導体と光回路を含めた外部共振器型レーザーを構成したときには、特に顕著である。   In contrast to the above-described technology, the form in which compound semiconductor chips are integrated in a hybrid manner with respect to an SOI wafer still retains its importance particularly in optical communication that requires high performance. In this integration, in addition to reducing the optical coupling loss by matching the waveguide mode spot sizes of the waveguides to be matched, it is important to introduce a structure for reducing reflection at the coupling portion. In particular, the reflection at the coupling portion when the hybrid integration is performed becomes a factor that destabilizes a desired operation such as inducing unnecessary laser oscillation. This is particularly noticeable when an external cavity laser including a compound semiconductor and an optical circuit is configured.

これまで、シリコン導波路と光ファイバーとの光学結合を効率良く得るため、例えば、特許文献1には、シリコンより低い屈折率を有するSiONなどより構成したコアによる導波路を利用した構造が提案されている。この構造においては、シリコン導波路をSiONなどの導波路に接続することで、導波光のスポットサイズを拡大し、光ファイバーとの結合効率を向上させている。   Until now, in order to efficiently obtain optical coupling between a silicon waveguide and an optical fiber, for example, Patent Document 1 has proposed a structure using a waveguide with a core made of SiON having a refractive index lower than that of silicon. Yes. In this structure, by connecting the silicon waveguide to a waveguide such as SiON, the spot size of the guided light is enlarged, and the coupling efficiency with the optical fiber is improved.

特開2004−133446号公報JP 2004-133446 A

Alexander W. Fang et al. ,"Electrically pumped hybrid AlGzInAs-silicon evanescent laser", Optics Express, Vol.14, No.20, pp.9203-9210, 2006.Alexander W. Fang et al., "Electrically pumped hybrid AlGzInAs-silicon evanescent laser", Optics Express, Vol.14, No.20, pp.9203-9210, 2006.

しかしながら、上述した構成の導波路においては、シリコンやSiONなどのコア形状が、導波光の伝搬方向に沿って不連続に変化する箇所や端面において、反射が生じる。これは、屈折率分布が伝搬方向に沿って不連続に変化するためである。また、同様の導波路構造を用いて、化合物半導体などとのスポットサイズを整合させる場合には、一般的にスポットサイズをファイバーのそれより小さく設計することが必要である。したがって、SiONなどから構成するコアの屈折率は、ファイバーとの光学結合に用いるときよりも、高くすることが必要となる。シリコン導波路に接続するSiONなどの屈折率が高くなれば、このコア形状が不連続に変化する箇所などにおける反射はさらに顕著となり、光結合の効率を低下させることにもつながる。特に、光結合において反射が顕著になることは、集積素子の動作不安定化などの原因となるため、問題となる。   However, in the waveguide having the above-described configuration, reflection occurs at locations and end surfaces where the core shape such as silicon or SiON changes discontinuously along the propagation direction of the guided light. This is because the refractive index distribution changes discontinuously along the propagation direction. In addition, when the spot size is matched with a compound semiconductor using the same waveguide structure, it is generally necessary to design the spot size smaller than that of the fiber. Therefore, the refractive index of the core made of SiON or the like needs to be higher than when used for optical coupling with a fiber. If the refractive index of SiON or the like connected to the silicon waveguide is increased, reflection at a location where the core shape changes discontinuously becomes more remarkable, leading to a decrease in optical coupling efficiency. In particular, the remarkable reflection in optical coupling is a problem because it causes an unstable operation of the integrated device.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、スポットサイズを変換する光導波路を用い、より効率的に光結合ができるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to make it possible to perform optical coupling more efficiently by using an optical waveguide that converts a spot size.

本発明に係る光導波路は、下部クラッド層と、この下部クラッド層の上の導波領域からスポットサイズ変換領域にかけて形成され、スポットサイズ変換領域の終端となる光入出射端の手前に一端を備える第1コアと、スポットサイズ変換領域で第1コアを覆って下部クラッド層の上に形成された第2コアと、第1コアおよび第2コアを覆って下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層とを少なくとも備え、第1コアは、第2コアに覆われている領域で一端にかけて先細りに形成され、第2コアは、スポットサイズ変換領域の開始端にかけて先細りに形成され、第2コアの屈折率は、第1コアより小さく下部クラッド層および上部クラッド層より大きくされ、第1コアは、開始端の手前の導波領域で、導波する光の基本モードが維持される範囲で、開始端にかけて徐々に太くなる形状傾斜領域を備え、第1コアの一端の箇所における第2コアの断面積は、導波する光の単一モード条件が維持される範囲でスポットサイズ変換領域の開始端より大きくされ、第2コアは、光入出射端の手前で、導波する光のモードが維持される範囲で、光入出射端にかけて徐々に径が変化する形状傾斜領域を備え、スポットサイズ変換領域の導波方向は、光入出射端の平面に対して直角より傾斜しているAn optical waveguide according to the present invention includes a lower clad layer and an end before a light incident / exit end that is formed from a waveguide region on the lower clad layer to a spot size conversion region and that is the end of the spot size conversion region A first core; a second core formed on the lower cladding layer so as to cover the first core in the spot size conversion region; and an upper part formed on the lower cladding layer so as to cover the first core and the second core. At least one cladding layer, wherein the first core is tapered toward one end in a region covered by the second core, and the second core is tapered toward the start end of the spot size conversion region. the refractive index of the small lower clad layer than the first core and rot greater than the upper cladding layer, the first core is in front of the waveguiding region of the starting end, the fundamental mode of the guided light can be maintained In the range, it has a shape inclined region that gradually becomes thicker toward the start end, and the cross-sectional area of the second core at one end of the first core is spot size converted within the range in which the single mode condition of guided light is maintained The second core has a shape-inclined region whose diameter gradually changes toward the light incident / exit end within a range in which the mode of the guided light is maintained before the light incident / exit end. The waveguide direction of the spot size conversion region is inclined with respect to the plane of the light incident / exit end from a right angle .

また、光導波路は、下部クラッド層と、この下部クラッド層の上の導波領域からスポットサイズ変換領域にかけて形成され、スポットサイズ変換領域の終端となる光入出射端を一端とする第1コアと、光入出射端まで第1コアを覆って下部クラッド層の上に形成された第2コアと、第2コアを覆って下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層とを少なくとも備え、第1コアは、光入出射端の手前より一端にかけて先細りに形成され、第2コアは、スポットサイズ変換領域から導波領域にかけて、徐々に太くなる形状傾斜領域を備え、第2コアの屈折率は、第1コアより小さく下部クラッド層および上部クラッド層より大きい。 Further, the optical waveguide includes a lower cladding layer, is formed from a waveguide region over the lower cladding layer over the spot size conversion area, the first core to one end of the light input and output end that terminates in the spot size conversion area And at least a second core formed on the lower cladding layer so as to cover the first core to the light incident / exit end, and an upper cladding layer formed on the lower cladding layer so as to cover the second core, The first core is formed to taper from one end to the other end of the light incident / exit end, and the second core includes a shape inclined region that gradually increases from the spot size conversion region to the waveguide region, and the refractive index of the second core Is smaller than the first core and larger than the lower cladding layer and the upper cladding layer.

以上に説明したことにより、本発明によれば、スポットサイズを変換する光導波路を用い、より効率的に光結合ができるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that optical coupling can be performed more efficiently by using an optical waveguide that converts a spot size.

本実施の形態1における光導波路の構成を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing a configuration of an optical waveguide in the first embodiment. 実施の形態1における光導波路の導波方向に平行な断面を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a cross section parallel to the waveguide direction of the optical waveguide in the first embodiment. 本実施の形態2における光導波路の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the optical waveguide in this Embodiment 2. 実施の形態2における光導波路の導波方向に平行な断面を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a cross section parallel to the waveguide direction of the optical waveguide in the second embodiment. 図2Aのcc’線の断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross section of the cc 'line | wire of FIG. 2A. 図2Aのdd’線の断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross section of the dd 'line | wire of FIG. 2A. 本発明の実施の形態1における光導波路の適用例を示す平面図である。It is a top view which shows the example of application of the optical waveguide in Embodiment 1 of this invention. 実施の形態1における光導波路の製造方法を説明する工程図である。FIG. 6 is a process diagram for explaining the manufacturing method of the optical waveguide in the first embodiment. 実施の形態1における光導波路の製造方法を説明する工程図である。FIG. 6 is a process diagram for explaining the manufacturing method of the optical waveguide in the first embodiment. 実施の形態1における光導波路の製造方法を説明する工程図である。FIG. 6 is a process diagram for explaining the manufacturing method of the optical waveguide in the first embodiment. 実施の形態1における光導波路の製造方法を説明する工程図である。FIG. 6 is a process diagram for explaining the manufacturing method of the optical waveguide in the first embodiment. 本発明の実施の形態1における光導波路の適用例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of application of the optical waveguide in Embodiment 1 of this invention. 本実施の形態2における光導波路の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the optical waveguide in this Embodiment 2. 実施の形態2における光導波路の適用例を示す平面図である。10 is a plan view illustrating an application example of an optical waveguide according to Embodiment 2. FIG. 本発明における光導波路の適用例を示す平面図である。It is a top view which shows the example of application of the optical waveguide in this invention. 本発明における光導波路の適用例を示す平面図である。It is a top view which shows the example of application of the optical waveguide in this invention. 本発明における光導波路の適用例を示す平面図である。It is a top view which shows the example of application of the optical waveguide in this invention. 本発明における光導波路の適用例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of application of the optical waveguide in this invention. 本発明における光導波路の適用例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of application of the optical waveguide in this invention.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1について、図1A,図1Bを用いて説明する。図1Aは、本実施の形態1における光導波路の構成を示す平面図である。また、図1Bは、実施の形態1における光導波路の導波方向に平行な断面を示す断面図である。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A and 1B. FIG. 1A is a plan view showing a configuration of an optical waveguide according to the first embodiment. FIG. 1B is a cross-sectional view showing a cross section parallel to the waveguide direction of the optical waveguide according to the first exemplary embodiment.

この光導波路は、まず、下部クラッド層101と、下部クラッド層101の上の導波領域111からスポットサイズ変換領域112にかけて形成され、スポットサイズ変換領域112の終端となる光入出射端103aの手前に一端を備える第1コア102と、スポットサイズ変換領域112で第1コア102を覆って下部クラッド層101の上に形成された第2コア103とを備える。第1コア102は、第2コア103に覆われている領域で一端にかけて先細りに形成されている。また、第1コア102および第2コア103を覆って下部クラッド層101の上に形成された上部クラッド層104とを備える。なお、図1Aでは、上部クラッド層104を省略して示している。   This optical waveguide is formed first from the lower cladding layer 101 and the waveguide region 111 on the lower cladding layer 101 to the spot size conversion region 112, and before the light incident / exit end 103a which is the end of the spot size conversion region 112. And a second core 103 formed on the lower cladding layer 101 so as to cover the first core 102 with a spot size conversion region 112. The first core 102 is formed to be tapered toward one end in a region covered with the second core 103. In addition, an upper clad layer 104 formed on the lower clad layer 101 so as to cover the first core 102 and the second core 103 is provided. In FIG. 1A, the upper cladding layer 104 is omitted.

第1コア102の先細りとなっている先端部は、断面積が小さいほど、導波モードプロファイルの第1コア102に対する閉じ込めが小さくなり(第2コア103に対する閉じ込めが強くなり)、第2コア103による導波モードプロファイルが支配的となる。従って、第1コア102の先端部の断面積を可能な範囲で小さくすることで、第1コア102の先端部で生じる導波光の反射および損失を小さくすることができるようになる。   As the cross-sectional area of the tapered tip portion of the first core 102 decreases, confinement of the waveguide mode profile with respect to the first core 102 decreases (containment with respect to the second core 103 increases). The waveguide mode profile by becomes dominant. Therefore, by reducing the cross-sectional area of the tip portion of the first core 102 as much as possible, reflection and loss of guided light generated at the tip portion of the first core 102 can be reduced.

上述した構成に加え、本実施の形態にける光導波路は、第2コア103を、スポットサイズ変換領域112の開始端(導波領域111の側)にかけて先細りに形成したところに特徴がある。このように、第2コア103が、スポットサイズ変換領域112の開始端にかけて先細りに形成されているので、本実施の形態によれば、導波領域111とスポットサイズ変換領域112との界面で生じる、導波光の反射および損失をより小さくすることができるようになる。この結果、より効率的に光結合ができるようになる。   In addition to the above-described configuration, the optical waveguide according to the present embodiment is characterized in that the second core 103 is tapered toward the start end of the spot size conversion region 112 (waveguide region 111 side). As described above, since the second core 103 is formed to be tapered toward the start end of the spot size conversion region 112, according to the present embodiment, the second core 103 is generated at the interface between the waveguide region 111 and the spot size conversion region 112. Therefore, reflection and loss of guided light can be further reduced. As a result, optical coupling can be performed more efficiently.

ここで、第2コア103の屈折率は、第1コア102より小さく下部クラッド層101および上部クラッド層104より大きい。例えば、下部クラッド層101および上部クラッド層104は、酸化シリコンから構成し、第1コア102はシリコンから構成し、第2コア103は、酸窒化シリコンから構成すればよい。   Here, the refractive index of the second core 103 is smaller than that of the first core 102 and larger than that of the lower cladding layer 101 and the upper cladding layer 104. For example, the lower clad layer 101 and the upper clad layer 104 may be made of silicon oxide, the first core 102 may be made of silicon, and the second core 103 may be made of silicon oxynitride.

なお、上述では、第2コア103の先細りに形成した領域は、図1Bに示すように、下部クラッド層101の平面の法線方向の高さは変化しておらず、図1Aに示すように、平面形状が先細りとなるようにしているが、これに限るものではない。高さ方向もスポットサイズ変換領域112の開始端に近いほど小さくなるようにしてもよい。第2コア103は、スポットサイズ変換領域112の開始端に近いほど、断面積が徐々に小さくなる世に形成されていればよい。また、このことは、第1コア102の一端側の先細り形状においても同様である。   In the above description, in the tapered region of the second core 103, the height in the normal direction of the plane of the lower cladding layer 101 does not change as shown in FIG. 1B, as shown in FIG. 1A. The planar shape is tapered, but the present invention is not limited to this. The height direction may be smaller as it is closer to the start end of the spot size conversion area 112. The second core 103 may be formed in a world where the cross-sectional area gradually decreases as the spot size conversion region 112 is closer to the start end. This also applies to the tapered shape on one end side of the first core 102.

[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について、図2A〜2D,図3を用いて説明する。図2Aは、本実施の形態2における光導波路の構成を示す平面図である。また、図2Bは、実施の形態2における光導波路の導波方向に平行な断面を示す断面図である。また、図2Cは、図2Aのcc’線の断面を示し、図2Dは、図2Aのdd’線の断面を示している。
[Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2A is a plan view showing a configuration of an optical waveguide according to the second embodiment. FIG. 2B is a cross-sectional view showing a cross section parallel to the waveguide direction of the optical waveguide in the second embodiment. 2C shows a cross section taken along line cc ′ in FIG. 2A, and FIG. 2D shows a cross section taken along line dd ′ in FIG. 2A.

この光導波路は、まず、下部クラッド層の上の導波領域211からスポットサイズ変換領域212にかけて形成され、スポットサイズ変換領域212の終端となる光入出射端203aの手前に一端を備える第1コア202と、スポットサイズ変換領域212で第1コア202を覆って下部クラッド層の上に形成された第2コア203とを備える。第1コア202は、第2コア203に覆われている領域で一端にかけて先細りに形成されている。また、第1コア202および第2コア203を覆って下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層とを備える。なお、下部クラッド層および上部クラッド層を含む他の構成については、上述した実施の形態1と同様であり、図2A〜図2Dでは、下部クラッド層および上部クラッド層を省略して示している。   The optical waveguide is first formed from the waveguide region 211 on the lower clad layer to the spot size conversion region 212, and has a first core having one end before the light incident / exit end 203a serving as the end of the spot size conversion region 212. 202 and the second core 203 formed on the lower cladding layer so as to cover the first core 202 with the spot size conversion region 212. The first core 202 is formed to be tapered toward one end in an area covered with the second core 203. In addition, an upper clad layer formed on the lower clad layer so as to cover the first core 202 and the second core 203 is provided. Other configurations including the lower clad layer and the upper clad layer are the same as those in the first embodiment, and the lower clad layer and the upper clad layer are omitted in FIGS. 2A to 2D.

また、本実施の形態においても、第2コア203を、スポットサイズ変換領域212の開始端(導波領域211の側)にかけて先細りに形成している。。図2Dの断面図は、第2コア203の開始端の幅を小さくした結果、第1コア202の幅より小さくなっている場合を表している。なお、図2Dは、図2Aのdd’線の断面を示しており、第1コア202はこの断面が示されるが、第2コア203は開始端となるため断面とはならない。このため、図2Dでは、第2コア203については、開始端の表面が示されている。   Also in the present embodiment, the second core 203 is formed to be tapered toward the start end of the spot size conversion region 212 (on the waveguide region 211 side). . The cross-sectional view of FIG. 2D shows a case where the width of the start end of the second core 203 is reduced, resulting in a smaller width than the first core 202. FIG. 2D shows a cross section taken along the line dd ′ of FIG. 2A, and the first core 202 shows this cross section, but the second core 203 does not become a cross section because it is the starting end. For this reason, in FIG. 2D, the surface of the start end is shown for the second core 203.

前述したように、第2コア203の開始端の断面積が小さいほど、導波モードプロファイルの第1コア202に対する閉じ込めは強くなり、第1コア202によって、導波モードプロファイルが支配的に決まる状態となる。この結果、本実施の形態においても、第2コア203の開始端において生じる反射と損失を小さくすることができる。   As described above, the smaller the cross-sectional area of the start end of the second core 203, the stronger the confinement of the waveguide mode profile with respect to the first core 202, and the state in which the waveguide mode profile is dominantly determined by the first core 202. It becomes. As a result, also in the present embodiment, it is possible to reduce reflection and loss that occur at the start end of the second core 203.

加えて、本実施の形態では、第1コア202は、スポットサイズ変換領域212の開始端の手前の導波領域で、開始端にかけて徐々に太くなる形状傾斜領域213を備える。この、第1コア202の断面積が増大する変化は、開始端にかけて導波する光の基本モードが維持される範囲とする。この構成とすることで、低反射かつ低損失の光結合ができるようになり、より効率的に光結合ができるようになる。   In addition, in the present embodiment, the first core 202 includes a shape inclined region 213 that is a waveguide region before the start end of the spot size conversion region 212 and gradually increases toward the start end. The change in which the cross-sectional area of the first core 202 increases is within a range in which the fundamental mode of light guided toward the start end is maintained. With this configuration, low-reflection and low-loss optical coupling can be performed, and optical coupling can be performed more efficiently.

開始端における反射の影響は、導波領域211における第1コア202を、断面形状が数百nm角のシリコン細線から構成する場合、特に顕著となる。これは、導波モードプロファイルのシリコン細線コアへの光閉じ込め係数は比較的小さいためである。これに対し、上述したように、スポットサイズ変換領域212の開始端において、第1コア202の断面積が大きくなるようにすれば、導波モードプロファイルのシリコンコア(第1コア202)への閉じ込め係数を大きくすることができる。この結果、開始端における反射などの影響をより低減することができる。   The influence of reflection at the start end is particularly noticeable when the first core 202 in the waveguide region 211 is made of a thin silicon wire having a cross-sectional shape of several hundreds of nanometers. This is because the light confinement factor of the waveguide mode profile in the silicon wire core is relatively small. On the other hand, as described above, if the cross-sectional area of the first core 202 is increased at the start end of the spot size conversion region 212, the waveguide mode profile is confined in the silicon core (first core 202). The coefficient can be increased. As a result, the influence of reflection at the start end can be further reduced.

また、本実施の形態では、第2コア203が、光入出射端203aの手前で、光出射端にかけて徐々に径が変化する形状傾斜領域214を備える。図2Aでは、光出射端にかけて徐々に細くなる場合について示している。形状傾斜領域214の手前の、スポットサイズ変換領域212の中間の領域においては、導波する光の単一モード条件が満たされる範囲で、第2コア203の断面積を大きくしておく方が望ましい。このような導波路を作製することで、第1コア202の先端部における反射と損失を小さくすることができる。   Further, in the present embodiment, the second core 203 includes the shape inclined region 214 whose diameter gradually changes toward the light emitting end before the light incident / exiting end 203a. FIG. 2A shows a case where the thickness gradually decreases toward the light emitting end. In a region in the middle of the spot size conversion region 212 before the shape inclined region 214, it is desirable to increase the cross-sectional area of the second core 203 within a range where the single mode condition of the guided light is satisfied. . By producing such a waveguide, reflection and loss at the tip of the first core 202 can be reduced.

また、形状傾斜領域214により、第2コア203の断面積(径)を徐々に変化させることで、光入出射端203aにおいて他の光素子と低損失で光結合が行える状態の適切な導波モードプロファイルが得られるようになる。例えば、形状傾斜領域214においては、基本モードが維持される範囲で、第2コア203の断面積を出射端にかけて大きくし、他の光素子に光結合させる場合も考えられる。   In addition, by gradually changing the cross-sectional area (diameter) of the second core 203 by the shape inclined region 214, an appropriate waveguide in a state where optical coupling with other optical elements can be performed with low loss at the light incident / exit end 203a. A mode profile can be obtained. For example, in the shape inclined region 214, it is conceivable that the cross-sectional area of the second core 203 is increased toward the emission end and optically coupled to another optical element within a range in which the fundamental mode is maintained.

例えば、図3の平面図に示すように、本実施の形態における導波領域211およびスポットサイズ変換領域212を備える光導波路が形成された光回路220に対し、導波路型の化合物半導体光素子301を組み合わせることができる。化合物半導体光素子301は、例えば、導波路型の半導体レーザである。化合物半導体光素子301の光出射端302と光入出射端203aとが、対向して光結合している。   For example, as shown in the plan view of FIG. 3, a waveguide-type compound semiconductor optical device 301 is used for an optical circuit 220 in which an optical waveguide including a waveguide region 211 and a spot size conversion region 212 in this embodiment is formed. Can be combined. The compound semiconductor optical device 301 is, for example, a waveguide type semiconductor laser. The light emitting end 302 and the light incident / exiting end 203a of the compound semiconductor optical element 301 are optically coupled to face each other.

図3に示す例では、導波領域211およびスポットサイズ変換領域212の導波方向を、光入出射端203aの平面に対し、直角より傾斜して配置している。化合物半導体光素子301においても同様に、出射光(レーザ光)の出射方向が、光出射端302の平面に対し、直角より傾斜して配置している。また、光出射端302と光入出射端203aとの間には、屈折率整合剤303を配置し、各端面における光の反射を低減している。   In the example shown in FIG. 3, the waveguide directions of the waveguide region 211 and the spot size conversion region 212 are arranged so as to be inclined from the right angle with respect to the plane of the light incident / exit end 203a. Similarly, in the compound semiconductor optical device 301, the emission direction of the emission light (laser light) is arranged so as to be inclined from the right angle with respect to the plane of the light emission end 302. Further, a refractive index matching agent 303 is disposed between the light exit end 302 and the light entrance / exit end 203a to reduce light reflection at each end face.

ここで、第2コア203の屈折率は、基本的には、屈折率整合剤303の屈折率に合わせて設計すれば、端面における反射を低減できる。一方、第1コア202の先細りの先端部における反射を低減するためには、第2コア203の屈折率が高いほど緩和される。これは、第1コア202と第2コア203との間の屈折率差が小さくなり、導波モードプロファイルの第1コア202に対する閉じ込めが小さくなる結果として得られる効果である。また、第2コア203の開始端における反射は、導波モードプロファイルの第1コア202に対する閉じ込めが大きいほど低減されるため、第2コア203屈折率は、クラッドと同程度に設計するか、または第1コア202の寸法を大きくすると良い。これらを考慮し、導波路構造や第2コア203の屈折率を設計する。   Here, if the refractive index of the second core 203 is basically designed in accordance with the refractive index of the refractive index matching agent 303, reflection at the end face can be reduced. On the other hand, in order to reduce reflection at the tapered tip of the first core 202, the higher the refractive index of the second core 203, the more relaxed. This is an effect obtained as a result that the refractive index difference between the first core 202 and the second core 203 is reduced, and confinement of the waveguide mode profile with respect to the first core 202 is reduced. In addition, since reflection at the start end of the second core 203 is reduced as the confinement of the waveguide mode profile to the first core 202 is increased, the refractive index of the second core 203 is designed to be the same as that of the cladding, or The size of the first core 202 may be increased. Considering these, the waveguide structure and the refractive index of the second core 203 are designed.

第1コア202の先細りの先端部(界面)における導波光の強度反射率を測定した結果について説明する。評価測定用の試作においては、第2コア203として屈折率1.55のSiONを用いる。また、第1コア202の先端部における第2コア203の断面寸法は、幅1.5μm、高さ1.4μmとする。強度反射率測定には、波長1.5μm帯の光源を用いたリフレクトメータを使用する。   The results of measuring the intensity reflectance of the guided light at the tapered tip (interface) of the first core 202 will be described. In the prototype for evaluation measurement, SiON having a refractive index of 1.55 is used as the second core 203. The cross-sectional dimensions of the second core 203 at the tip of the first core 202 are a width of 1.5 μm and a height of 1.4 μm. For the intensity reflectance measurement, a reflectometer using a light source having a wavelength of 1.5 μm is used.

上述した測定の結果、第1コア202の先細りの先端部の寸法を、幅161nm,高さ270nmとしたときに、強度反射率0.32%が確認される。原理的には、第1コア202の先端部をさらに微細に加工することで、反射をさらに低減させることも可能である。ここで、第1コア202の先端部においては、幅に加えて高さを低減することが、反射の低減においてより重要となる。したがって、第1コア202の先端部において、幅に加えて高さも小さくなるように先細りの形状とすることが、反射の低減(反射による損失の低減)にはより効果的である。また、より薄い半導体層を加工して第1コア202を形成するようにしてもよい。   As a result of the measurement described above, an intensity reflectance of 0.32% is confirmed when the size of the tapered tip portion of the first core 202 is set to a width of 161 nm and a height of 270 nm. In principle, reflection can be further reduced by further finely processing the tip of the first core 202. Here, at the tip of the first core 202, it is more important in reducing reflection to reduce the height in addition to the width. Therefore, it is more effective in reducing reflection (reduction in loss due to reflection) that the tip portion of the first core 202 has a tapered shape so that the height is reduced in addition to the width. Further, the first core 202 may be formed by processing a thinner semiconductor layer.

次に、製造方法について、図4A,図4B,図4C,図4Dを用いて簡単に説明する。本実施の形態における光導波路は、例えば、SOI(Silicon on Insulator)基板を用いることで形成できる。SOI基板の、埋め込み絶縁層の上の表面シリコン層に、例えば、電子線露光用のレジストを塗布し、露光および現像を行ってマスクパターンを形成する。このマスクパターンをマスクとし、表面シリコン層をドライエッチングする。用いたマスクパターンを除去すれば、図4Aの平面図に示すように、埋め込み絶縁層401の上に、シリコンパターン402が形成される。形成されたシリコンパターン402は、上述したマスクパターンと同形状となっている。なお、図において、他の部分との区別を明確にするために、シリコンパターン402の部分をグレーとしている。   Next, the manufacturing method will be briefly described with reference to FIGS. 4A, 4B, 4C, and 4D. The optical waveguide in the present embodiment can be formed by using, for example, an SOI (Silicon on Insulator) substrate. For example, a resist for electron beam exposure is applied to the surface silicon layer on the buried insulating layer of the SOI substrate, and exposure and development are performed to form a mask pattern. Using this mask pattern as a mask, the surface silicon layer is dry etched. If the used mask pattern is removed, a silicon pattern 402 is formed on the buried insulating layer 401 as shown in the plan view of FIG. 4A. The formed silicon pattern 402 has the same shape as the mask pattern described above. In the figure, the portion of the silicon pattern 402 is gray to clarify the distinction from other portions.

ところで、いわゆるポジレジストを用いる場合、パターンとして残す箇所以外に電子線を照射する。一方、ネガレジストを用いる場合、パターンとして残す箇所に電子線を照射する。   By the way, when using what is called a positive resist, it irradiates with an electron beam other than the part left as a pattern. On the other hand, when a negative resist is used, an electron beam is irradiated to a portion to be left as a pattern.

シリコンパターン402は、コアとなるコア部402aと、この周囲を囲う枠部402bと、枠部402bに連結する連結部402cとを備える。コア部402aの先細りの先端部は、連結部402cで枠部402bに連結して形成される。このため、例えば、幅100nmと非常に細いパターンとしても、現像時にこの箇所のマスクパターンが流れて消失することが抑制でき、先細りの先端部を安定して形成することができる。   The silicon pattern 402 includes a core portion 402a serving as a core, a frame portion 402b surrounding the periphery, and a connecting portion 402c connected to the frame portion 402b. The tapered tip end portion of the core portion 402a is formed by being connected to the frame portion 402b by a connecting portion 402c. For this reason, for example, even if the pattern is very thin with a width of 100 nm, the mask pattern at this location can be prevented from flowing and disappearing during development, and the tapered tip can be stably formed.

次に、図4Bの平面図に示すように、前述した第1コア202となるコア部402aを覆うレジストパターン403を形成する。この状態で、埋め込み絶縁層401の上の露出している他の表面シリコン層(枠部402bおよび連結部402cなど)を選択的にエッチング除去すれば、図4Cの平面図に示すように、埋め込み絶縁層401の上に、コア部402aが形成できる。埋め込み絶縁層401が、下部クラッド層となり、コア部402aが、第1コアとなる。次に、例えば、スパッタ法などにより酸窒化シリコンの膜を形成し、この膜を、上述同様の電子線露光によるリソグラフィー技術とエッチング技術とによりパターニングし、図4Dに示すように、第2コアとなるコア部404を形成する。この後、酸化シリコンを堆積することで、上部クラッド層を形成すれば、本実施の形態における光導波路が得られる。   Next, as shown in the plan view of FIG. 4B, a resist pattern 403 is formed to cover the core portion 402a to be the first core 202 described above. In this state, if other surface silicon layers (such as the frame portion 402b and the coupling portion 402c) exposed on the buried insulating layer 401 are selectively removed by etching, as shown in the plan view of FIG. 4C, the buried silicon layer is buried. A core portion 402 a can be formed on the insulating layer 401. The buried insulating layer 401 becomes a lower cladding layer, and the core portion 402a becomes a first core. Next, for example, a silicon oxynitride film is formed by sputtering or the like, and this film is patterned by a lithography technique and an etching technique by electron beam exposure similar to those described above, and as shown in FIG. The core portion 404 is formed. Thereafter, if the upper cladding layer is formed by depositing silicon oxide, the optical waveguide in the present embodiment can be obtained.

本実施の形態における光導波路は、上述したようにSOI基板に形成した状態で、図5の断面図に示すように、化合物半導体光素子301と組み合わせればよい。SOI基板の基部501の上に、光導波路510が形成され、基部501を露出させた領域に化合物半導体光素子301が実装されている。光導波路510は、下部クラッド層502,第1コア503,第2コア504,および上部クラッド層505を備える。SOI基板の埋め込み絶縁層をパターニングすることで、下部クラッド層502が形成されている。また、SOI基板の表面シリコン層をパターニングすることで、第1コア503が形成されている。化合物半導体光素子301を搭載する搭載部521には、マウントステージを形成した後に、アライメント(位置合わせ)実装を行えばよい。   The optical waveguide in the present embodiment may be combined with the compound semiconductor optical device 301 as shown in the cross-sectional view of FIG. An optical waveguide 510 is formed on the base portion 501 of the SOI substrate, and the compound semiconductor optical device 301 is mounted in a region where the base portion 501 is exposed. The optical waveguide 510 includes a lower cladding layer 502, a first core 503, a second core 504, and an upper cladding layer 505. The lower cladding layer 502 is formed by patterning the buried insulating layer of the SOI substrate. Further, the first core 503 is formed by patterning the surface silicon layer of the SOI substrate. The mounting portion 521 on which the compound semiconductor optical device 301 is mounted may be aligned (positioned) after the mount stage is formed.

例えば、化合物半導体光素子301として光増幅素子を使用し、光導波路510の第1コア503よりなる導波路に可変波長フィルター機能を持たせれば、光導波路510に外部共振器を備える波長可変レーザーとすることができる。特に、光導波路510の第1コア503よりなる導波路に、リング共振器を構成すれば、石英系導波路と比較して小型にすることができる。加えて、リング共振器において熱光学効果を用いて波長を調整する場合に、その係数の差などから、消費電力を低減できる。   For example, if an optical amplifying element is used as the compound semiconductor optical element 301 and the waveguide formed by the first core 503 of the optical waveguide 510 has a variable wavelength filter function, a wavelength tunable laser including an external resonator in the optical waveguide 510 and can do. In particular, if a ring resonator is formed in the waveguide composed of the first core 503 of the optical waveguide 510, the size can be reduced as compared with the silica-based waveguide. In addition, when the wavelength is adjusted using the thermo-optic effect in the ring resonator, the power consumption can be reduced due to the difference in the coefficient.

これら2つの素子を集積したときの光結合部における反射は、安定した波長チューニング動作の確保において、特に重要である。本発明の光導波路を用いることにより、低反射かつ低損失の光結合を得ることができ、安定した可変波長レーザー動作を実現することができる。   Reflection at the optical coupling portion when these two elements are integrated is particularly important in ensuring stable wavelength tuning operation. By using the optical waveguide of the present invention, low reflection and low loss optical coupling can be obtained, and stable variable wavelength laser operation can be realized.

[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3について、図6Aおよび図6Bを用いて説明する。図6Aおよび図6Bは、本実施の形態3における光導波路の構成を示す平面図である。
[Embodiment 3]
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIGS. 6A and 6B. 6A and 6B are plan views showing the configuration of the optical waveguide according to the third embodiment.

本実施の形態における光導波路は、下部クラッド層601と、下部クラッド層601の上の導波領域611からスポットサイズ変換領域612にかけて形成され、スポットサイズ変換領域612の終端となる光入出射端613を一端とする第1コア602を備える。また、光入出射端613まで第1コア602を覆って下部クラッド層601の上に形成された第2コア603を備える。なお、図示していないが、第2コア603を覆って下部クラッド層601の上には、上部クラッド層を備える。   The optical waveguide according to the present embodiment is formed from the lower cladding layer 601 and the waveguide region 611 on the lower cladding layer 601 to the spot size conversion region 612, and the light incident / exit end 613 serving as the end of the spot size conversion region 612. Is provided with a first core 602. In addition, a second core 603 formed on the lower cladding layer 601 is provided so as to cover the first core 602 up to the light incident / exit end 613. Although not shown, an upper cladding layer is provided on the lower cladding layer 601 so as to cover the second core 603.

また、本実施の形態における光導波路では、第1コア602は、光入出射端613の手前より一端にかけて先細りに形成されている。また、第2コア603は、スポットサイズ変換領域612から導波領域611にかけて、徐々に太くなる形状傾斜領域614を備える。なお、第2コア603の屈折率は、第1コア602より小さく下部クラッド層601および上部クラッド層より大きい。   In the optical waveguide according to the present embodiment, the first core 602 is tapered from the front side to the one side of the light incident / exit end 613. Further, the second core 603 includes a shape inclined region 614 that gradually increases from the spot size conversion region 612 to the waveguide region 611. The refractive index of the second core 603 is smaller than that of the first core 602 and larger than that of the lower cladding layer 601 and the upper cladding layer.

例えば、図6Bの平面図に示すように、本実施の形態における導波領域611およびスポットサイズ変換領域612を備える光導波路が形成された光回路620に対し、導波路型の化合物半導体光素子301を組み合わせることができる。化合物半導体光素子301の光出射端302と光入出射端613とが、対向して光結合している。   For example, as shown in the plan view of FIG. 6B, a waveguide-type compound semiconductor optical device 301 is used for an optical circuit 620 in which an optical waveguide including a waveguide region 611 and a spot size conversion region 612 is formed. Can be combined. The light emitting end 302 and the light incident / exiting end 613 of the compound semiconductor optical device 301 face each other and are optically coupled.

図6Bに示す例では、導波領域611およびスポットサイズ変換領域612の導波方向を、光入出射端613の平面に対し、直角より傾斜して配置している。化合物半導体光素子301においても同様に、出射光の出射方向が、光出射端302の平面に対して直角より傾斜して配置している。また、光出射端302と光入出射端613との間には、屈折率整合剤303を配置し、各端面における光の反射を低減している。   In the example shown in FIG. 6B, the waveguide directions of the waveguide region 611 and the spot size conversion region 612 are arranged so as to be inclined with respect to the plane of the light incident / exit end 613 from a right angle. Similarly, in the compound semiconductor optical device 301, the emission direction of the emitted light is arranged so as to be inclined from the right angle with respect to the plane of the light emission end 302. Further, a refractive index matching agent 303 is disposed between the light emitting end 302 and the light incident / exiting end 613 to reduce the reflection of light at each end face.

本実施の形態における光導波路によれば、第1コア602の全域が、第2コア603で覆われているので、導波光の伝搬方向に沿った導波路構造の不連続な変化がない。このため、不連続な部分の存在による反射と損失とを抑制することができる。また、形状傾斜領域614により、第2コア603の断面積を変化させることで、光入出射端613において、化合物半導体光素子301(光出射端302)と低損失で光結合が行える状態の適切な導波モードプロファイルが得られるように断面サイズを作製しておく。また、形状変化領域614における断面寸法の変化を、導波光の伝搬方向に沿って十分な長さで変化させれば、反射と損失を低減することができる。   According to the optical waveguide in the present embodiment, since the entire area of the first core 602 is covered with the second core 603, there is no discontinuous change in the waveguide structure along the propagation direction of the guided light. For this reason, reflection and loss due to the presence of discontinuous portions can be suppressed. Further, by changing the cross-sectional area of the second core 603 by the shape inclined region 614, the light incident / exit end 613 can be appropriately coupled with the compound semiconductor optical element 301 (the light exit end 302) with low loss. A cross-sectional size is prepared so that a proper waveguide mode profile can be obtained. Further, if the change in cross-sectional dimension in the shape change region 614 is changed with a sufficient length along the propagation direction of the guided light, reflection and loss can be reduced.

次に、本発明の光導波路の適用例について説明する。図7Aおよび図7Bは、本発明の光導波路701に、半導体光増幅素子702を組み合わせてマッハ・ツェンダー干渉計を構成した例を示す平面図である。図7Aは、波長変換の分波器として用いる場合の構成であり、図7Bは時分割多重の分波器として用いる場合の構成である。いずれの構成においても、2つの半導体光増幅素子702と、4組の導波領域111およびスポットサイズ変換領域112を備える。また、半導体光増幅素子702の2箇所の光入出力部に対し、光導波路701を構成しているスポットサイズ変換領域112の光入出射端で光結合している。また、半導体光増幅素子702を介した各々の側で、一部の導波領域111が近設する結合器を備える。   Next, application examples of the optical waveguide of the present invention will be described. 7A and 7B are plan views showing an example in which a Mach-Zehnder interferometer is configured by combining a semiconductor optical amplification element 702 with an optical waveguide 701 of the present invention. FIG. 7A shows a configuration when used as a wavelength conversion duplexer, and FIG. 7B shows a configuration when used as a time division multiplexing duplexer. In any configuration, two semiconductor optical amplifying elements 702, four sets of waveguide regions 111 and spot size conversion regions 112 are provided. Further, two light input / output portions of the semiconductor optical amplifying element 702 are optically coupled at the light incident / exit ends of the spot size conversion region 112 constituting the optical waveguide 701. Further, a coupler in which a part of the waveguide region 111 is provided on each side via the semiconductor optical amplification element 702 is provided.

図7Aに示すように、波長変換の分波器とする場合、2波長の信号を各々別のポートから入力し、入力した側の結合器で、パルスの信号光のほぼ全てのパワーが、マッハ・ツェンダー干渉計の片側に移行するように設計する。この設計において、連続発振光であるもう1つの波長の信号光を干渉計の両側にパワーを等分配することで、相互位相変調を介して波長変換されたパルスの信号光が得られる。   As shown in FIG. 7A, when a wavelength conversion demultiplexer is used, signals of two wavelengths are respectively input from different ports, and almost all the power of the pulse signal light is converted into Mach by a coupler on the input side.・ Design to move to one side of the Zender interferometer. In this design, signal light of another wavelength, which is continuous wave light, is equally distributed to both sides of the interferometer, so that pulse signal light that has been wavelength-converted through cross-phase modulation can be obtained.

また、図7Bに示すように、時分割多重の分波器とする場合、クロック信号が1つのポートから入力され、マッハ・ツェンダー干渉計の両側に等分配される。2つの半導体光増幅素子702の配置の差から、各々の半導体光増幅素子702で位相変調を与えるタイミングを例えば数ピコ秒の差で制御することができ、これがマッハ・ツェンダースイッチの切り取りの時間とすることができる。   As shown in FIG. 7B, when a time division multiplexing duplexer is used, a clock signal is input from one port and is equally distributed to both sides of the Mach-Zehnder interferometer. From the difference in the arrangement of the two semiconductor optical amplifying elements 702, the timing of applying phase modulation in each semiconductor optical amplifying element 702 can be controlled by, for example, a difference of several picoseconds. can do.

このように構成したマッハ・ツェンダー干渉計によれば、例えば、シリコン導波路の使用により、石英系導波路で構成したものと比べて干渉計を小さくできるため、大規模化や他の機能を有する光回路とのモノリシック集積が可能となる。また、本発明の光導波路によれば、半導体光増幅素子702との光接続部における反射が低減できるので、不必要なレーザー発振やノイズの低減を図ることができる。   According to the Mach-Zehnder interferometer configured as described above, for example, by using a silicon waveguide, the interferometer can be made smaller than that formed by a silica-based waveguide, so that it has a larger scale and other functions. Monolithic integration with an optical circuit becomes possible. Further, according to the optical waveguide of the present invention, since reflection at the optical connection portion with the semiconductor optical amplifier 702 can be reduced, unnecessary laser oscillation and noise can be reduced.

次に、本発明の光導波路の他の適用例について説明する。図8は、複数の光導波路を用い、これに石英系導波路による波長合分波器821を組み合わせた、光分岐挿入装置(Optical Add Drop Multiplexer:OADM)の構成を示す構成図である。このOADMは、2つの波長合分波器821と、これらの間に配置された光回路801を備える。   Next, another application example of the optical waveguide of the present invention will be described. FIG. 8 is a configuration diagram showing a configuration of an optical add / drop multiplexer (OADM) in which a plurality of optical waveguides are used and a wavelength multiplexer / demultiplexer 821 using a silica-based waveguide is combined therewith. The OADM includes two wavelength multiplexers / demultiplexers 821 and an optical circuit 801 disposed therebetween.

光回路801は、波長合分波器821の各ポートに対応して形成された光導波路811を備える。光導波路811は、前述した本発明の光導波路であり、この両端に、スポットサイズ変換領域812を備える。また、光導波路811は、2つのスポットサイズ変換領域812の間の導波領域813に、導波路型の光スイッチ素子814が形成されている。例えば、一方の波長合分波器821で、全ての波長チャンネルを分波した後、光スイッチ素子814で特定の信号光を加え、抜き、あるいは通過させることができ、この後に全体の光信号を他方の波長合分波器821で合波する。   The optical circuit 801 includes an optical waveguide 811 formed corresponding to each port of the wavelength multiplexer / demultiplexer 821. The optical waveguide 811 is the above-described optical waveguide of the present invention, and includes spot size conversion regions 812 at both ends thereof. In the optical waveguide 811, a waveguide type optical switch element 814 is formed in a waveguide region 813 between the two spot size conversion regions 812. For example, after all wavelength channels are demultiplexed by one wavelength multiplexer / demultiplexer 821, a specific signal light can be added, extracted or passed by the optical switch element 814, and then the entire optical signal is The other wavelength multiplexer / demultiplexer 821 multiplexes.

この場合、図9Aの断面図に示すように、波長合分波器821が形成された基板820の回路基板搭載領域822に、光回路801を搭載すればよい。図9Aにおいて、光回路801は、主にスポットサイズ変換領域812の部分を示しており、SOI基板の基部901の上に、下部クラッド層902,第1コア903,第2コア904,および上部クラッド層905を備える。また、図9Bの断面図に示すように、回路基板搭載領域822に、基部901の側を上方に向け、上部クラッド層905の側が固定されるように、光回路801を搭載してもよい。   In this case, as shown in the cross-sectional view of FIG. 9A, the optical circuit 801 may be mounted on the circuit board mounting region 822 of the substrate 820 on which the wavelength multiplexer / demultiplexer 821 is formed. In FIG. 9A, an optical circuit 801 mainly shows a spot size conversion region 812. A lower cladding layer 902, a first core 903, a second core 904, and an upper cladding are formed on the base 901 of the SOI substrate. Layer 905 is provided. 9B, the optical circuit 801 may be mounted on the circuit board mounting region 822 so that the base 901 side is directed upward and the upper clad layer 905 side is fixed.

石英系導波路による波長合分波器821を用いることで、偏波依存性や波長チャンネル間のクロストーク等に優れた特性を利用することができる。一方、シリコン導波路による光導波路811および光スイッチ素子814を用いることで、大規模の光スイッチを小型に作製することができる。また、光スイッチ素子814を熱光学効果によるスイッチとすれば、石英系材料との係数の差等から、消費電力を低減できるという利点を有する。   By using the wavelength multiplexer / demultiplexer 821 using a quartz-based waveguide, it is possible to use characteristics excellent in polarization dependence, crosstalk between wavelength channels, and the like. On the other hand, by using the optical waveguide 811 and the optical switch element 814 using silicon waveguides, a large-scale optical switch can be manufactured in a small size. Further, if the optical switch element 814 is a switch based on a thermo-optic effect, there is an advantage that power consumption can be reduced due to a difference in coefficient from a quartz material.

これらの他にも、電気光学効果を有する機能性ポリマー導波路素子やニオブ酸リチウム等の強誘電体素子とシリコン導波路による光回路とを集積することにより、各々の特有の特性を活かした、高機能な光回路素子を構成することができる。本発明を用いることにより、異種導波路の光結合部における反射および損失(光結合損失)を低減することができ、いずれの応用に対しても高性能化に寄与することができる。   In addition to these, by integrating a functional polymer waveguide element having an electro-optic effect and a ferroelectric element such as lithium niobate and an optical circuit using a silicon waveguide, each characteristic is utilized. A highly functional optical circuit element can be configured. By using the present invention, it is possible to reduce reflection and loss (optical coupling loss) at the optical coupling portion of different types of waveguides, and contribute to high performance for any application.

例えば、上述では、第1コアをシリコンから構成したが、これに限るものではない。例えば、ゲルマニウムは、シリコンゲルマニウムなどの半導体材料から構成されていてもよい。また、クラッド層(上部クラッド層)は、酸化シリコンに限るものではなく、酸窒化シリコン、窒化シリコンまたはポリマー媒質(高分子材料)から構成されていてもよい。これは、第2コアについても同様である。第2コアは、第1コアより小さく下部クラッド層および上部クラッド層より大きい屈折率を有する材料から構成されていればよい。   For example, in the above description, the first core is made of silicon, but is not limited thereto. For example, germanium may be composed of a semiconductor material such as silicon germanium. Further, the cladding layer (upper cladding layer) is not limited to silicon oxide, and may be composed of silicon oxynitride, silicon nitride, or a polymer medium (polymer material). The same applies to the second core. The second core may be made of a material having a refractive index smaller than that of the first core and larger than that of the lower cladding layer and the upper cladding layer.

101…下部クラッド層、102…第1コア、103…第2コア、103a…光入出射端、104…上部クラッド層、111…導波領域、112…スポットサイズ変換領域。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Lower clad layer, 102 ... 1st core, 103 ... 2nd core, 103a ... Light entrance / exit end, 104 ... Upper clad layer, 111 ... Waveguide area | region, 112 ... Spot size conversion area | region.

Claims (1)

下部クラッド層と、
この下部クラッド層の上の導波領域からスポットサイズ変換領域にかけて形成され、前記スポットサイズ変換領域の終端となる光入出射端の手前に一端を備える第1コアと、
前記スポットサイズ変換領域で前記第1コアを覆って前記下部クラッド層の上に形成された第2コアと、
前記第1コアおよび前記第2コアを覆って前記下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層と
を少なくとも備え、
前記第1コアは、前記第2コアに覆われている領域で前記一端にかけて先細りに形成され、
前記第2コアは、前記スポットサイズ変換領域の開始端にかけて先細りに形成され、
前記第2コアの屈折率は、前記第1コアより小さく前記下部クラッド層および前記上部クラッド層より大きくされ、
前記第1コアは、前記開始端の手前の前記導波領域で、導波する光の基本モードが維持される範囲で、前記開始端にかけて徐々に太くなる形状傾斜領域を備え、
前記第1コアの一端の箇所における前記第2コアの断面積は、導波する光の単一モード条件が維持される範囲で前記スポットサイズ変換領域の開始端より大きくされ、
前記第2コアは、前記光入出射端の手前で、導波する光の基本モードが維持される範囲で、前記光入出射端にかけて徐々に径が変化する形状傾斜領域を備え、
前記スポットサイズ変換領域の導波方向は、前記光入出射端の平面に対して直角より傾斜している
ことを特徴とする光導波路。
A lower cladding layer;
A first core that is formed from the waveguide region on the lower cladding layer to the spot size conversion region and has one end before the light incident / exit end that is the end of the spot size conversion region;
A second core formed on the lower cladding layer so as to cover the first core in the spot size conversion region;
An upper clad layer formed on the lower clad layer so as to cover the first core and the second core;
The first core is formed to be tapered toward the one end in a region covered with the second core,
The second core is formed to be tapered toward the start end of the spot size conversion region,
The refractive index of the second core is smaller than the first core and larger than the lower cladding layer and the upper cladding layer,
The first core includes a shape inclined region that gradually becomes thicker toward the start end in a range in which a fundamental mode of guided light is maintained in the waveguide region before the start end,
The cross-sectional area of the second core at one end of the first core is made larger than the start end of the spot size conversion region within a range in which a single mode condition of guided light is maintained,
The second core includes a shape inclined region whose diameter gradually changes toward the light incident / exit end within a range in which a fundamental mode of guided light is maintained before the light incident / exit end,
The optical waveguide characterized in that a waveguide direction of the spot size conversion region is inclined from a right angle with respect to a plane of the light incident / exit end.
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5659866B2 (en) * 2011-03-02 2015-01-28 住友電気工業株式会社 Spot size converter
JP5900100B2 (en) * 2012-03-28 2016-04-06 富士通株式会社 Method for manufacturing spot size conversion element and optical waveguide with spot size conversion element
JP6346177B2 (en) 2013-06-21 2018-06-20 古河電気工業株式会社 Spot size conversion optical waveguide
GB201319207D0 (en) * 2013-10-31 2013-12-18 Ibm Photonic circuit device with on-chip optical gain measurement structures
JP6295762B2 (en) * 2014-03-25 2018-03-20 日本電気株式会社 Optical integrated circuit and manufacturing method thereof
JP6335609B2 (en) * 2014-04-23 2018-05-30 三菱電機株式会社 Spot size conversion element and semiconductor device
KR20160147018A (en) * 2014-04-30 2016-12-21 후아웨이 테크놀러지 컴퍼니 리미티드 Inverse taper waveguides for low-loss mode converters
JP6012801B2 (en) * 2015-03-24 2016-10-25 沖電気工業株式会社 Spot size converter
JP6730583B2 (en) * 2016-02-12 2020-07-29 富士通株式会社 Optical semiconductor device and manufacturing method thereof
JP6387373B2 (en) * 2016-06-24 2018-09-05 株式会社フジクラ Micro optical circuit and optical mode converter
JP2019020689A (en) * 2017-07-21 2019-02-07 日本電信電話株式会社 Photoelectron integrated element
CN108132499B (en) * 2018-02-02 2024-05-31 苏州易缆微光电技术有限公司 Silicon waveguide mode spot converter based on multilayer polymer structure and preparation method thereof
CN109324372B (en) * 2018-11-09 2024-02-09 熠谱(上海)半导体制造有限公司 Silicon optical waveguide end face coupler
CN112630886B (en) * 2020-12-22 2024-07-12 联合微电子中心有限责任公司 End face coupler and method of manufacturing the same
CN113809634A (en) * 2021-08-31 2021-12-17 中山大学 Hybrid integrated external cavity tunable laser based on lithium niobate photonic waveguide
CN115857097B (en) * 2023-02-21 2023-06-20 苏州旭创科技有限公司 Array waveguide grating

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06174982A (en) * 1992-12-03 1994-06-24 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Optical coupling device
JP3318406B2 (en) * 1993-10-13 2002-08-26 京セラ株式会社 Optical waveguide, optical waveguide and optical fiber connection device
US6631225B2 (en) * 2000-07-10 2003-10-07 Massachusetts Institute Of Technology Mode coupler between low index difference waveguide and high index difference waveguide
US6870987B2 (en) * 2002-08-20 2005-03-22 Lnl Technologies, Inc. Embedded mode converter
JP2004133446A (en) * 2002-09-20 2004-04-30 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Optical module and its manufacturing method
JP4169270B2 (en) * 2003-12-08 2008-10-22 日本電信電話株式会社 Near-field optical probe and manufacturing method thereof
JP2005331967A (en) * 2005-06-24 2005-12-02 Fujitsu Ltd Optical coupling apparatus
JP4549949B2 (en) * 2005-08-12 2010-09-22 株式会社フジクラ Optical element
US8285092B2 (en) * 2007-03-20 2012-10-09 Nec Corporation Optical waveguide and spot size converter using the same

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