JPWO2016170890A1 - Grating coupler - Google Patents

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Abstract

小型化が可能であるとともに、光結合する先のモードフィールドに合わせた設計が容易なグレーティングカプラを提供する。グレーティング要素102の光入力側に入射した光は、テーパ導波路部101aを伝搬してグレーティング部101cに到達し、グレーティング部101cにおいて−1次放射光が出射される。グレーティング部101cを透過する透過光は、テーパ導波路部101bを伝搬してグレーティング要素101の光透過側に到達し、更に導波路120を伝搬してグレーティング要素102の光入力側に入射する。グレーティング要素102においても、グレーティング要素101と同様に−1次放射光が出射される。−1次放射光の出射角度は、回折格子の周期Λ、幅w、深さd、光導波路の厚さDがグレーティング要素101と同様に設定されているため、グレーティング要素101の−1次放射光の出射角度θ−1と等しくなる。Provided is a grating coupler that can be reduced in size and can be easily designed in accordance with a mode field to be optically coupled. The light incident on the light input side of the grating element 102 propagates through the tapered waveguide portion 101a and reaches the grating portion 101c, and −1st order radiation light is emitted from the grating portion 101c. The transmitted light that passes through the grating portion 101 c propagates through the tapered waveguide portion 101 b to reach the light transmission side of the grating element 101, further propagates through the waveguide 120, and enters the light input side of the grating element 102. Similarly to the grating element 101, the −1st order radiation light is emitted from the grating element 102 as well. As for the emission angle of the −1st order radiation light, the period Λ, the width w, the depth d, and the thickness D of the optical waveguide of the diffraction grating are set in the same manner as the grating element 101. It becomes equal to the light emission angle θ-1.

Description

本発明は、グレーティングカプラに関する。   The present invention relates to a grating coupler.

光導波路で構成された基板上の光回路に光信号の入出力を行うため、光導波路の伝搬光を光導波路外へ出射させたり、あるいは外部光を光導波路内に入射させたりする機能を付与したいことがある。グレーティングカプラはこのような目的に使用できる光入出力素子であり、基板上の光導波路の伝搬光を、基板表面に近接させた光ファイバ端面に入射させたり、或いはその逆に光ファイバからの光を光導波路に入射させたりすることができる。   In order to input / output optical signals to / from an optical circuit on a substrate composed of an optical waveguide, the function to emit the light propagating through the optical waveguide to the outside of the optical waveguide or to allow external light to enter the optical waveguide is provided. There is something I want to do. A grating coupler is an optical input / output device that can be used for such a purpose. The propagation light of an optical waveguide on a substrate is incident on an end face of an optical fiber close to the surface of the substrate, or vice versa. Can be incident on the optical waveguide.

図4Aは、導波光を光導波路外へ出射させるための構成を有するグレーティングカプラの一例の、グレーティング部の模式的な断面図である。以下では、図4Aを参照しながら、グレーティングカプラの構造、機能等を簡単に説明する。   FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of a grating portion as an example of a grating coupler having a configuration for emitting guided light to the outside of the optical waveguide. Hereinafter, the structure, function, and the like of the grating coupler will be briefly described with reference to FIG. 4A.

図4Aに示すグレーティングカプラは、光導波路を介して光信号を受け取り、回折により光軸を変換する作用を有するものである。図4Aに例示された断面構造は、BOX(Buried Oxide,埋め込み酸化膜)層402と、BOX層402より屈折率の高いコア層414と、BOX層402と同程度の屈折率の上部クラッド(Overclad)層416とを、この順に基板401に積層したもので、コア層414には回折格子が形成されている。このように、グレーティングカプラは、例えば、コア層414への回折格子形成加工のみで光路変換を可能とするものである。   The grating coupler shown in FIG. 4A has an action of receiving an optical signal through an optical waveguide and converting an optical axis by diffraction. 4A includes a BOX (Buried Oxide) layer 402, a core layer 414 having a refractive index higher than that of the BOX layer 402, and an upper clad having an index of refraction comparable to that of the BOX layer 402 (Overclad). ) Layer 416 is laminated on the substrate 401 in this order, and a diffraction grating is formed on the core layer 414. Thus, the grating coupler enables optical path conversion only by forming a diffraction grating on the core layer 414, for example.

以下、導波光を光導波路外へ出射させるためのグレーティングカプラの動作原理等について概略説明する。   Hereinafter, the operation principle of the grating coupler for emitting the guided light to the outside of the optical waveguide will be outlined.

図4Aに示したグレーティングカプラ400のコア層414には、導波光の伝搬方向(z方向)に周期的で、導波路の厚さ方向(x方向)に凹凸を有する回折格子が形成されている。このような回折格子が形成されていると、導波光の一部が回折されて放射光を生じるが、その導波光と放射光は、伝搬方向(z方向)の位相整合条件を満たす。即ち、導波光の伝搬定数をβ、放射光のz方向の伝搬定数をβとすると、位相整合条件はβ=β+qKである。但し、Λを回折格子の周期とし、K=2π/Λで、qは放射光の次数(0、±1、±2、・・・)に相当する値である。In the core layer 414 of the grating coupler 400 shown in FIG. 4A, a diffraction grating that is periodic in the propagation direction (z direction) of the guided light and has irregularities in the thickness direction (x direction) of the waveguide is formed. . When such a diffraction grating is formed, part of the guided light is diffracted to generate radiated light. The guided light and radiated light satisfy the phase matching condition in the propagation direction (z direction). That is, the propagation constants of the guided light beta 0, if the z-direction propagation constant of the emitted light and beta q, the phase matching condition is β q = β 0 + qK. Where Λ is the period of the diffraction grating, K = 2π / Λ, and q is a value corresponding to the order of the emitted light (0, ± 1, ± 2,...).

この場合、回折格子の法線に対するq次の放射光の出射角θは、λを光の真空中の波長、Nを導波路の実効屈折率、nを上部クラッド層の屈折率、Λを回折格子の周期とすると、nsinθ=N+qλ/Λの式より求められる。In this case, the emission angle theta q of q Next emitted light relative to the normal of the diffraction grating, the wavelength in vacuum of light lambda, the effective refractive index of the waveguide N, the refractive index of the n c upper cladding layer, lambda Is the period of the diffraction grating, it can be obtained from the equation: n c sin θ q = N + qλ / Λ.

一般に、導波路の実効屈折率Nはコアの屈折率とクラッドの屈折率の間の値をとるため、N>nの関係にあり、光の放射が生じるのは、q≦−1を満たす次数qに限られる。更に、回折次数が小さい回折光ほど回折効率が大きいことを考慮すると、放射光へのパワー分配比を最も大きくできるのは、q=−1を満たす放射光(−1次放射光)を使用する場合である。また、−1次放射光よりパワー分配比は低下するものの、必要に応じて−2次放射光も使用することもできる。なお、上記−1次放射光や−2次放射光等の放射光の他、導波路方向への戻り光Pref、コア層透過光Ptrans、BOX層402を介した基板401側への放射光Pdownも同時に存在する。In general, the effective refractive index of the waveguide N is takes a value between the refractive index and the refractive index of the cladding of the core, have a relationship of N> n c, the emission of light occurs satisfies q ≦ -1 Limited to order q. Furthermore, considering that the diffraction efficiency with a smaller diffraction order is higher, the power distribution ratio to the emitted light can be maximized by using the emitted light satisfying q = −1 (−1st order emitted light). Is the case. Further, although the power distribution ratio is lower than that of the −1st order radiation light, the −2nd order radiation light can also be used as necessary. In addition to the emitted light such as the first-order emitted light and the second-order emitted light, the return light P ref in the waveguide direction, the core layer transmitted light P trans , and the radiation to the substrate 401 side via the BOX layer 402. Light P down is also present.

ここで、出射角θは、図4Aに示される格子の周期Λ、幅w、深さd、光導波路の厚さDによって任意に設計できる。なお、真空中の波長1.3μm〜1.6μmの光に対して周期Λ、幅w、深さd、光導波路の厚さDの数値範囲を例示すれば、以下のとおりである。Here, the emission angle θ q can be arbitrarily designed according to the period Λ, width w, depth d, and thickness D of the optical waveguide shown in FIG. 4A. An example of numerical ranges of the period Λ, the width w, the depth d, and the thickness D of the optical waveguide for light having a wavelength of 1.3 μm to 1.6 μm in vacuum is as follows.

Λ:530〜550nm
FF(=1−w/Λ):0.3〜0.6
d:60〜80nm
D:180〜220nm
以上、グレーティングカプラによって導波光を光導波路外に出射させる場合について述べたが、このようなグレーティングカプラによって外部光を光導波路内に入射させることも従来から広く行なわれている。
Λ: 530 to 550 nm
FF (= 1-w / Λ): 0.3 to 0.6
d: 60 to 80 nm
D: 180-220 nm
As described above, the case where guided light is emitted outside the optical waveguide by the grating coupler has been described. However, it has been widely performed that external light is incident on the optical waveguide by such a grating coupler.

このように、グレーティングカプラはコアの表面に回折格子を形成した構造を基本としているが、性能向上を目指す過程で、従来、種々の特徴を持った構造が提案されている。例えば、最も基本的なグレーティングカプラとして、導波路の長さ方向に凹凸が周期的に並んだ1次元の格子(グレーティング)を有し、その格子が導波路の横幅方向に直線状で一様である1次元グレーティングカプラ(図4B参照)が挙げられる。   As described above, the grating coupler is basically based on a structure in which a diffraction grating is formed on the surface of the core. In the process of improving performance, structures having various characteristics have been proposed. For example, as the most basic grating coupler, it has a one-dimensional grating (grating) in which irregularities are periodically arranged in the length direction of the waveguide, and the grating is linear and uniform in the transverse width direction of the waveguide. There is a one-dimensional grating coupler (see FIG. 4B).

このような1次元グレーティングカプラにおいては、グレーティングが導波路の幅方向に一様であるため、幅方向の構造を無視して、長さ方向と厚み方向の2次元構造に近似できる。そのため、グレーティングカプラからの放射光を数値計算で求める場合、その計算規模を小さくでき、結果として、光結合効率の良いグレーティングカプラを短時間で設計できるという利点がある。   In such a one-dimensional grating coupler, since the grating is uniform in the width direction of the waveguide, the structure in the width direction can be ignored and approximated to a two-dimensional structure in the length direction and the thickness direction. Therefore, when the radiated light from the grating coupler is obtained by numerical calculation, the calculation scale can be reduced, and as a result, there is an advantage that a grating coupler with good optical coupling efficiency can be designed in a short time.

一方で、図4Bに示される1次元グレーティングカプラにおいては、グレーティング部410の横幅は、多くの場合、基板上の光導波路の幅の10倍以上であったため、グレーティング部410と光導波路との間に長く緩やかなテーパ導波路部420を挿入する必要があった。これは、グレーティング部410と光導波路部420の接続部における伝搬光の波面の乱れを抑制するためであったが、結果として、グレーティング部410とテーパ導波路部420を合わせたグレーティングカプラの全体構造が大型化することが難点であった(非特許文献1)。   On the other hand, in the one-dimensional grating coupler shown in FIG. 4B, the lateral width of the grating portion 410 is often 10 times or more the width of the optical waveguide on the substrate. It was necessary to insert a long and gentle taper waveguide section 420. This is to suppress the disturbance of the wavefront of propagating light at the connecting portion between the grating portion 410 and the optical waveguide portion 420. As a result, the overall structure of the grating coupler including the grating portion 410 and the tapered waveguide portion 420 is combined. However, it was difficult to increase the size (Non-patent Document 1).

例えば、図4Bに示すような従来の1次元周期のグレーティングカプラにおいては、グレーティング部410の幅Uの15倍程度以上の長さSを有するテーパ導波路420を設ける必要があり、仮に、Uを20μm程度とすれば、最小でもSは300μm程度とする必要があった。因みに、その場合のグレーティング部410の長さTは30μm程度である。   For example, in a conventional one-dimensional periodic grating coupler as shown in FIG. 4B, it is necessary to provide a tapered waveguide 420 having a length S that is about 15 times the width U of the grating portion 410. If it is about 20 μm, S needs to be about 300 μm at the minimum. Incidentally, the length T of the grating portion 410 in that case is about 30 μm.

そこで、別の従来技術として、広がり角の大きなテーパ導波路に円弧状のグレーティングを形成したグレーティングカプラが提案された(図4C参照)(特許文献1、特許文献2)。このようなグレーティングカプラにおいては、グレーティングも円弧状に形成されることから、グレーティング部とテーパ導波路を含めた全体構造の小型化が可能となった。   Thus, as another conventional technique, a grating coupler in which an arc-shaped grating is formed in a tapered waveguide having a large divergence angle has been proposed (see FIG. 4C) (Patent Documents 1 and 2). In such a grating coupler, since the grating is also formed in an arc shape, the entire structure including the grating portion and the tapered waveguide can be downsized.

しかし、グレーティングが円弧状となったことによって、グレーティングが導波路の横幅方向に一様でなくなり、数値計算における2次元近似ができなくなった。そのため、円弧状グレーティングカプラの特性を知るには、膨大な計算機パワーと時間を要する3次元計算を行うか、或いは同様に時間のかかる試作と実験による検証を繰り返すことを強いられるようになり、より良い特性を求めて詳細構造を調節するために多くの時間を要する、という新たな問題を生じている。   However, since the grating has an arc shape, the grating is not uniform in the transverse width direction of the waveguide, making it impossible to perform two-dimensional approximation in numerical calculations. For this reason, in order to know the characteristics of the arc-shaped grating coupler, it becomes necessary to perform three-dimensional calculation that requires enormous computer power and time, or to repeatedly perform time-consuming trial manufacture and verification by experiment. A new problem has arisen that it takes a lot of time to adjust the detailed structure in search of good properties.

米国特許第7245803US Pat. No. 7,245,803 米国特許第7260289US Pat. No. 7,260,289

D. Taillaert et al, “An Out-of-Plane Grating Coupler for Efficient Butt-Coupling Between Compact Planar Waveguides and Single-Mode Fibers,” IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, Vol. 38, No. 7, JULY 2002, p. 949-955.D. Taillaert et al, “An Out-of-Plane Grating Coupler for Efficient Butt-Coupling Between Compact Planar Waveguides and Single-Mode Fibers,” IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, Vol. 38, No. 7, JULY 2002, p. 949-955.

上記のような、1次元グレーティングカプラの有する、構造の大型化という問題と、円弧状のグレーティングカプラの有する、設計の困難性という問題を解決するために、小型で、同時に構造の最適化が容易なグレーティングカプラを提供することが課題である。   In order to solve the above-mentioned problem of the large structure of the one-dimensional grating coupler and the difficulty of design of the arc-shaped grating coupler, it is small and easy to optimize the structure at the same time. It is a problem to provide a simple grating coupler.

上記課題を解決するために、本発明のグレーティングカプラは、1次元格子を備えた複数のグレーティング要素を隣接配置した構成に特徴を有するものであり、その実施形態は概略以下のとおりである。尚、以下では、導波路から入力された光がグレーティングカプラから基板表面側に出力される場合を想定して「光入力側」と「光透過側」の名称を割り当てるが、光の伝搬方向が逆向きになる場合は、それらの名称の割り当てが逆になることに留意すべきである。   In order to solve the above-described problems, the grating coupler of the present invention is characterized by a configuration in which a plurality of grating elements having a one-dimensional grating are arranged adjacent to each other, and an embodiment thereof is roughly as follows. In the following, the names of “light input side” and “light transmission side” are assigned assuming that the light input from the waveguide is output from the grating coupler to the substrate surface side. It should be noted that if they are reversed, their name assignments are reversed.

本発明のグレーティングカプラの基本形態においては、グレーティングカプラは互いに隣接して配置された複数のグレーティング要素とその間をつなぐ導波路とを備え、前記複数のグレーティング要素は、互いに同じまたは略同じ方向に周期性を有する1次元格子を備え、少なくとも1つのグレーティング要素の光透過側に接続された導波路は、別のグレーティング要素の光入力側に接続されている。各グレーティング要素は、グレーティング部と、その前後に付加されたテーパ導波路部とからなる。   In the basic form of the grating coupler of the present invention, the grating coupler includes a plurality of grating elements arranged adjacent to each other and a waveguide connecting between the grating elements, and the plurality of grating elements have periods in the same or substantially the same direction. A waveguide having a characteristic one-dimensional grating and connected to the light transmission side of at least one grating element is connected to the light input side of another grating element. Each grating element includes a grating portion and a tapered waveguide portion added before and after the grating portion.

本基本形態においては、従来の1次元周期のグレーティングカプラの幅に対して合計で略同じ幅となる互いに隣接するグレーティング要素に光を入力するために、互いに隣接して配置された複数のグレーティング要素の間をつなぐ導波路を設け、該導波路を少なくとも1つのグレーティング要素の光透過側に接続するとともに別のグレーティング要素の光入力側に接続(シリアル接続)するように構成している。そのため、グレーティング要素の数に反比例して、一つ一つのグレーティング要素の幅が縮小され、それに伴って、各グレーティング要素の前後に付加されるテーパ導波路部の長さも縮小されることとなる。   In this basic mode, a plurality of grating elements arranged adjacent to each other in order to input light to adjacent grating elements having substantially the same width in total with respect to the width of a conventional one-dimensional periodic grating coupler A waveguide is provided between the two grating elements, and the waveguide is connected to the light transmission side of at least one grating element and connected to the light input side of another grating element (serial connection). Therefore, the width of each grating element is reduced in inverse proportion to the number of grating elements, and accordingly, the length of the tapered waveguide portion added before and after each grating element is also reduced.

本基本形態のグレーティングカプラは、グレーティング要素と略等しい長さを有していることから、グレーティング要素の数を増加させることによりテーパ導波路部の長さが短くなり、結果として、従来の1次元周期のグレーティングカプラの全長よりも短くすることが可能である。他方で、各グレーティング要素は1次元格子であるから、光入出射特性の設計の容易さは維持される。言うまでもなく、各グレーティング要素に光を外部から入射する態様においても同様の効果を有するものである。   Since the grating coupler of this basic form has a length substantially equal to that of the grating elements, the length of the tapered waveguide portion is shortened by increasing the number of grating elements. As a result, the conventional one-dimensional structure is reduced. It is possible to make it shorter than the total length of the grating coupler of the period. On the other hand, since each grating element is a one-dimensional grating, the ease of designing the light incident / exit characteristics is maintained. Needless to say, the same effect can be obtained in a mode in which light is incident on each grating element from the outside.

本発明のグレーティングカプラの第1の形態においては、前記基本形態において、互いに隣接する少なくとも一対のグレーティング要素の間隔は、2つのグレーティング要素の内の狭い方の幅以下であるように構成している。このような構成を採用することにより、隣接するグレーティング要素の間に存在する間隙による出射光の強度の低下を実用的には問題とならないようにできる。   In the first mode of the grating coupler of the present invention, in the basic mode, the interval between at least a pair of adjacent grating elements is configured to be equal to or smaller than the narrower width of the two grating elements. . By adopting such a configuration, it is possible to prevent a drop in the intensity of the emitted light due to a gap existing between adjacent grating elements from becoming a practical problem.

また、本発明のグレーティングカプラの第2の形態においては、前記基本形態及び第1の形態において、2つ以上のグレーティング要素が、同じ周期と深さの1次元格子を備え、光入力側から光透過側へ向かう方向が同一であるように構成している。その結果、等しい回折次数を有する回折光(例えば、−1次放射光)の出射角度を各グレーティング要素において揃わせることができ、適正な強度分布の放射光を容易に実現できる。   In the second mode of the grating coupler of the present invention, in the basic mode and the first mode, two or more grating elements are provided with a one-dimensional grating having the same period and depth, and light is transmitted from the light input side. The direction toward the transmission side is the same. As a result, the emission angles of diffracted light (for example, −1st order radiated light) having the same diffraction order can be made uniform in each grating element, and radiated light with an appropriate intensity distribution can be easily realized.

本発明のグレーティングカプラの第3の形態においては、前記基本形態及び第1の形態において、導波路で接続された少なくとも一対のグレーティング要素が、周期の異なる1次元格子を備え、光入力側から光透過側へ向かう方向が逆であるように構成している。その結果、光入力側から光透過側へ向かう方向が逆である一対のグレーティング要素において異なる回折次数を有する回折光(例えば、−1次放射光と−2次放射光)が出射され、それらの出射角度を前記一対のグレーティング要素において揃わせることができ、適正な強度分布の放射光を容易に実現できる。   In the third mode of the grating coupler of the present invention, in the basic mode and the first mode, at least a pair of grating elements connected by the waveguide includes a one-dimensional grating having a different period, and light is transmitted from the optical input side. The direction toward the transmission side is reversed. As a result, diffracted light (for example, −1st order radiated light and −2nd order radiated light) having different diffraction orders are emitted from a pair of grating elements whose directions from the light input side to the light transmitting side are opposite, The emission angles can be made uniform in the pair of grating elements, and radiant light with an appropriate intensity distribution can be easily realized.

本発明のグレーティングカプラの第4の形態においては、前記基本形態及び第1〜第3の形態において、前記光入力側及び/又は光透過側に、前記グレーティング要素に接続された光分岐部を備えるよう構成している。このような構成を採用することにより、グレーティングカプラを光分岐部に対して対称な構造とすることができ、幅方向の対称性に優れる適正な光の強度分布を容易に達成できる。   In the fourth form of the grating coupler of the present invention, in the basic form and the first to third forms, an optical branching section connected to the grating element is provided on the light input side and / or light transmission side. It is configured as follows. By adopting such a configuration, the grating coupler can be made symmetric with respect to the optical branching section, and an appropriate light intensity distribution excellent in the symmetry in the width direction can be easily achieved.

本発明によれば、小型化が可能であるとともに、光結合する先のモードフィールドに合わせた設計が容易なグレーティングカプラを提供し得る。   According to the present invention, it is possible to provide a grating coupler that can be reduced in size and can be easily designed in accordance with a mode field to which light is coupled.

図1Aは、本発明のグレーティングカプラの一実施形態の構成を示す模式的な平面図である。FIG. 1A is a schematic plan view showing the configuration of an embodiment of the grating coupler of the present invention. 図1Bは、本発明のグレーティングカプラの一実施形態の一変形形態の構成を示す模式的な平面図である。FIG. 1B is a schematic plan view showing the configuration of a variation of one embodiment of the grating coupler of the present invention. 図1Cは、本発明のグレーティングカプラの一実施形態の他の変形形態の構成を示す模式的な平面図である。FIG. 1C is a schematic plan view showing the configuration of another variation of the embodiment of the grating coupler of the present invention. 図2Aは、本発明の本発明のグレーティングカプラの他の一実施形態の構成を示す模式的な平面図である。FIG. 2A is a schematic plan view showing the configuration of another embodiment of the grating coupler of the present invention. 図2Bは、本発明のグレーティングカプラの他の一実施形態の一変形形態の構成を示す模式的な平面図である。FIG. 2B is a schematic plan view showing the configuration of a modification of another embodiment of the grating coupler of the present invention. 図2Cは、本発明のグレーティングカプラの他の一実施形態の他の変形形態の構成を示す模式的な平面図である。FIG. 2C is a schematic plan view showing a configuration of another modification of the other embodiment of the grating coupler of the present invention. 図3Aは、本発明の本発明のグレーティングカプラの更に他の一実施形態の構成を示す模式的な平面図である。FIG. 3A is a schematic plan view showing the configuration of still another embodiment of the grating coupler of the present invention. 図3Bは、本発明のグレーティングカプラの更に他の一実施形態の一変形形態の構成を示す模式的な平面図である。FIG. 3B is a schematic plan view showing a configuration of a modification of still another embodiment of the grating coupler of the present invention. 図3Cは、本発明のグレーティングカプラの更に他の一実施形態の他の変形形態の構成を示す模式的な平面図である。FIG. 3C is a schematic plan view showing a configuration of another modification of the further embodiment of the grating coupler of the present invention. 図4Aは、グレーティングカプラの一例の構成を示す模式的な断面図である。FIG. 4A is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of an example of a grating coupler. 図4Bは、1次元周期のグレーティングカプラの模式的な平面図である。FIG. 4B is a schematic plan view of a grating coupler having a one-dimensional period. 図4Cは、広がり角の大きなテーパ導波路に円弧状のグレーティングを形成したグレーティングカプラの模式的な平面図である。FIG. 4C is a schematic plan view of a grating coupler in which an arcuate grating is formed in a tapered waveguide having a large divergence angle.

以下、本発明のグレーティングカプラの実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術的範囲は、それらの実施形態によって限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づき解釈されるべきものである。また、グレーティングカプラの「構造」は、厳密には、「コアの構造」であって、周囲をクラッドが取り囲んでいることは言うまでもない。なお、以下の説明においては、グレーティング要素から光を外部に出射する態様について主として説明するが、グレーティング要素に光を外部から入射する態様も同様の構成で実現できる。   Hereinafter, embodiments of the grating coupler of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited by these embodiments, and should be interpreted based on the description of the claims. Strictly speaking, the “structure” of the grating coupler is “the structure of the core”, and it goes without saying that the clad surrounds the periphery. In the following description, an aspect in which light is emitted from the grating element to the outside will be mainly described. However, an aspect in which light is incident on the grating element from the outside can also be realized with the same configuration.

図1Aは、本発明のグレーティングカプラの一実施形態の構成を示す模式的な平面図である。図1Aに示すように、本実施形態のグレーティングカプラは、2つのグレーティング要素101、102と、グレーティング要素101の光透過側及びグレーティング要素102の光入力側に接続された導波路120とを備えているが、それらは、不図示の半導体基板(例えば、シリコン基板)上に形成され、例えば、図4Aに示されるような断面構造を有する埋め込み型光導波路として構成できる。   FIG. 1A is a schematic plan view showing the configuration of an embodiment of the grating coupler of the present invention. As shown in FIG. 1A, the grating coupler of the present embodiment includes two grating elements 101 and 102, and a waveguide 120 connected to the light transmission side of the grating element 101 and the light input side of the grating element 102. However, they are formed on a semiconductor substrate (not shown) (for example, a silicon substrate) and can be configured as, for example, a buried optical waveguide having a cross-sectional structure as shown in FIG. 4A.

グレーティング要素101は、テーパ導波路部101a、101b、グレーティング部101cから構成されている。   The grating element 101 includes tapered waveguide portions 101a and 101b and a grating portion 101c.

テーパ導波路部101a、101bは、それぞれ、光を基板面に沿って導波させる機能を有する平面光導波路で構成され、テーパ導波路部101aの幅の狭い側の端部がグレーティング要素101の光入力側とされ、幅の広い側の端部がグレーティング部101cに接続されるとともに、テーパ導波路部101bの幅の広い側の端部がグレーティング部101cに接続され、幅の狭い側の端部がグレーティング要素101の光透過側とされている。なお、テーパ導波路部101a、101bのテーパ形状は、直線的なテーパ形状に限らず、例えば、2次曲線や半楕円形のような曲線的なテーパ形状も含むものである。   The tapered waveguide portions 101a and 101b are each constituted by a planar optical waveguide having a function of guiding light along the substrate surface, and the narrow end portion of the tapered waveguide portion 101a is the light of the grating element 101. The wide end of the tapered waveguide section 101b is connected to the grating section 101c, and the narrow end is connected to the grating section 101c. Is the light transmitting side of the grating element 101. The tapered shape of the tapered waveguide portions 101a and 101b is not limited to a linear tapered shape, and includes a curved tapered shape such as a quadratic curve or a semi-elliptical shape.

グレーティング部101cは、所定の間隔及び深さを有する周期的な溝で構成される1次元回折格子であり、テーパ導波路部101aを伝搬する光を外部に出射する機能を有するものである。その有する機能等については、〔背景技術〕欄において、図4Aを用いて概略説明したとおりである。なお、1次元格子は必ずしも一様である必要は無く、例えば周期や溝の深さが徐々に変化するようなアポダイズ構造を有していてもよい。   The grating portion 101c is a one-dimensional diffraction grating composed of periodic grooves having a predetermined interval and depth, and has a function of emitting light propagating through the tapered waveguide portion 101a to the outside. The functions and the like are as outlined in FIG. 4A in the [Background Art] column. Note that the one-dimensional lattice is not necessarily uniform, and may have an apodized structure in which, for example, the period and the groove depth gradually change.

グレーティング要素101とグレーティング要素102は、同じ周期と深さの1次元格子を備ており、光入力側から光透過側へ向かう方向が同一である。これは、等しい回折次数を有する回折光(例えば、−1次放射光)の出射角度を各グレーティング要素において揃わせて、適正な強度分布の放射光を容易に実現するためである。   The grating element 101 and the grating element 102 are provided with a one-dimensional grating having the same period and depth, and the direction from the light input side to the light transmission side is the same. This is because the emission angles of diffracted light having the same diffraction order (for example, −1st order radiated light) are aligned in each grating element, so that radiated light having an appropriate intensity distribution can be easily realized.

各グレーティング要素の幅は必ずしも等しくする必要はない。グレーティング要素の幅を異ならせた場合には、幅の狭いグレーティング要素から出射される光の単位面積当たりの強度、すなわちパワー密度が高くなる。そのため、この特性を利用すれば、グレーティング要素の幅方向の光の強度分布を調整することができ、結果として、グレーティングカプラから出射される光の強度分布を所望の形に調整することができる。すなわち、このような手法を用いれば、グレーティング部の幅方向の光強度分布、即ち出射光のモードフィールドの形状をよりきめ細かく調整することができる。そのため、例えば、光結合する相手である光ファイバの種類が複数あって、それらのモードフィールドが異なっていたとしても、個々のモードフィールドに合わせて幅方向の最適化設計をすることが可能である。   The width of each grating element need not be equal. When the widths of the grating elements are made different, the intensity per unit area of light emitted from the narrow grating elements, that is, the power density is increased. Therefore, if this characteristic is used, the intensity distribution of light in the width direction of the grating element can be adjusted, and as a result, the intensity distribution of light emitted from the grating coupler can be adjusted to a desired shape. That is, by using such a method, the light intensity distribution in the width direction of the grating part, that is, the shape of the mode field of the emitted light can be adjusted more finely. Therefore, for example, even when there are a plurality of types of optical fibers that are optical coupling partners and their mode fields are different, it is possible to perform an optimization design in the width direction in accordance with each mode field. .

導波路120は、グレーティング要素101、102の間隙に配置され、グレーティング要素101の光透過側及びグレーティング要素102の光入力側に接続されており、グレーティング要素101とグレーティング要素102とをシリアルに接続するものである。   The waveguide 120 is disposed in the gap between the grating elements 101 and 102, and is connected to the light transmission side of the grating element 101 and the light input side of the grating element 102, and serially connects the grating element 101 and the grating element 102. Is.

隣接するグレーティング要素101とグレーティング要素102との間隔は、グレーティング要素101、102の狭い方の幅以下となるように設定されている。このような設定とする理由は、隣接するグレーティング要素101と102の間に間隙が存在すると、その部分で出射光量が低下し、グレーティングカプラから出射される光の強度分布に影響が出ることが想定されるものの、グレーティング要素間の間隔を上記のように設定すればその影響を実用的には問題とならないレベルまで軽減できることによるものである。   The interval between the adjacent grating elements 101 and 102 is set to be equal to or smaller than the narrower width of the grating elements 101 and 102. The reason for this setting is that if there is a gap between adjacent grating elements 101 and 102, the amount of emitted light is reduced at that portion, and the intensity distribution of light emitted from the grating coupler is affected. However, if the interval between the grating elements is set as described above, the influence can be reduced to a level that does not cause a problem in practice.

図1Aに示されるグレーティングカプラのスケールについては、複数のグレーティング要素のグレーティング部の総体の大きさを従来のグレーティングカプラのグレーティング部と略同等とすると、グレーティングカプラの長さは以下のように算出される。   With respect to the scale of the grating coupler shown in FIG. 1A, if the total size of the grating portions of a plurality of grating elements is substantially the same as the grating portion of the conventional grating coupler, the length of the grating coupler is calculated as follows. The

グレーティングカプラがp個のグレーティング要素から構成されているとして、k番目(1≦k≦p)のグレーティング要素のテーパ導波路部の長さをs、グレーティング部の長さをt、グレーティング部の幅をuとする。Assuming that the grating coupler is composed of p grating elements, the length of the tapered waveguide portion of the kth (1 ≦ k ≦ p) grating element is s k , the length of the grating portion is t k , and the grating portion Let u k be the width of.

グレーティング部の長さtは、図4Bに示される従来のグレーティングカプラのグレーティング部410の長さTと略等しい。また、k番目のグレーティング要素のテーパ導波路部の形状は、従来のグレーティングカプラのテーパ導波路部420の形状と略相似となることから、s/u=S/U=r(定数)が成立する。なお、Σ=Uである(但し、Σは1〜pについての総和を表す)。The length t k of the grating portion is substantially equal to the length T of the grating portion 410 of a conventional grating coupler shown in Figure 4B. In addition, since the shape of the tapered waveguide portion of the kth grating element is substantially similar to the shape of the tapered waveguide portion 420 of the conventional grating coupler, s k / u k = S / U = r (constant). Is established. Note that Σ k u k = U (where Σ k represents the sum of 1 to p).

これより、図1Aに示されるグレーティングカプラの長さLは、各グレーティング要素に2つのテーパ導波路部が存在することを考慮して、L=T+2*Max(s)=T+2*r*Max(u)と表されることになる。なお、図4Bに示される従来のグレーティングカプラについては、その長さをL’とすれば、L’=T+S=T+r*Uと表される。Accordingly, the length L of the grating coupler shown in FIG. 1A is determined by considering that there are two tapered waveguide portions in each grating element. L = T + 2 * Max (s k ) = T + 2 * r * Max (U k ). The conventional grating coupler shown in FIG. 4B is expressed as L ′ = T + S = T + r * U, where L ′ is the length.

今、グレーティング要素の幅uが全て等しい場合には、u=U/pが成立するから、L=T+(2*r/p)*Uとなる。上述のLとL’とを対比すれば明らかなように、p≧2の場合にL≦L’となり、pが増大するにつれてLは減少してTに近づいていく。Now, the width u k of the grating elements when all equal, since u k = U / p is satisfied, the L = T + (2 * r / p) * U. As is clear from the comparison of L and L ′ described above, L ≦ L ′ when p ≧ 2, and L decreases and approaches T as p increases.

したがって、図1Aに示されるグレーティングカプラにおいて、グレーティング要素の数を増やすことにより全体の長さを従来の一次元周期のグレーティングカプラに比して大幅に減少させることが可能である。   Therefore, in the grating coupler shown in FIG. 1A, the total length can be significantly reduced by increasing the number of grating elements as compared with a conventional one-dimensional period grating coupler.

なお、グレーティング要素の幅uが異なるケースについては、Lは上述のケースに比べ若干増大はするものの、略同様の結論が成り立つものである。As for the cases where the width u k of grating elements are different, L is but slightly increases is compared with the above case, in which substantially the same conclusion holds.

次に、図1Aに示されるグレーティングカプラの有する作用について詳述する。   Next, the operation of the grating coupler shown in FIG. 1A will be described in detail.

不図示の光導波路を介してグレーティング要素101の光入力側に入射した光は、テーパ導波路部101aを伝搬してグレーティング部101cに到達し、グレーティング部101cにおいて回折次数が−1次の放射光が出射される。−1次放射光の出射角度θ−1は、回折格子の周期Λ、幅w、深さd、光導波路の厚さDによって任意に設計できる(図4A参照)。Light incident on the light input side of the grating element 101 via an optical waveguide (not shown) propagates through the tapered waveguide portion 101a to reach the grating portion 101c, and the diffracted light having a diffraction order of −1 in the grating portion 101c. Is emitted. The outgoing angle θ −1 of the −1st order radiation can be arbitrarily designed according to the period Λ, width w, depth d, and thickness D of the optical waveguide of the diffraction grating (see FIG. 4A).

グレーティング部101cを透過する光も存在し(図4A;Ptrans参照)、当該透過光は、テーパ導波路部101bを伝搬してグレーティング要素101の光透過側に到達し、更に導波路120を伝搬してグレーティング要素102の光入力側に入射する。グレーティング要素102においても、グレーティング要素101と同様に、回折次数が−1次の放射光が出射される。−1次放射光の出射角度は、回折格子の周期Λ、幅w、深さd、光導波路の厚さDがグレーティング要素101と同様に設定されているため、グレーティング要素101の−1次放射光の出射角度θ−1と等しくなる。There is also light that passes through the grating portion 101c (see FIG. 4A; Ptrans ). The transmitted light propagates through the tapered waveguide portion 101b and reaches the light transmission side of the grating element 101, and further propagates through the waveguide 120. Then, it enters the light input side of the grating element 102. In the grating element 102, similarly to the grating element 101, radiation light having a diffraction order of −1 is emitted. As for the emission angle of the −1st order radiation light, the period Λ, the width w, the depth d, and the thickness D of the optical waveguide of the diffraction grating are set in the same manner as the grating element 101. It becomes equal to the light emission angle θ- 1 .

更なるグレーティング要素がグレーティング要素102に導波路を介してシリアルに接続されている場合にも、当該グレーティング要素における−1次放射光の出射角度は、回折格子の周期Λ、幅w、深さd、光導波路の厚さDをグレーティング要素101と同様に設定しておけば、グレーティング要素101の−1次放射光の出射角度θ−1と等しくなる。Even when a further grating element is serially connected to the grating element 102 via a waveguide, the emission angle of the minus first-order radiation in the grating element is such that the period Λ, width w, depth d of the diffraction grating. If the thickness D of the optical waveguide is set in the same manner as that of the grating element 101, it becomes equal to the emission angle θ −1 of the −1st order radiation of the grating element 101.

このようにして、−1次放射光の出射角度を各グレーティング要素において揃わせることができ、適正な強度分布の放射光を容易に実現できる。   In this manner, the emission angles of the −1st order radiation light can be made uniform in each grating element, and radiation light having an appropriate intensity distribution can be easily realized.

図1Bは、本発明のグレーティングカプラの一実施形態の一変形形態の構成を示す模式的な平面図である。図1Bに示される形態は、その基本的な構成は図1Aの実施形態と同様であるが、図1Aの実施形態と異なる点は、グレーティング要素103、105の光入力側に光分岐素子130を設けた点にある。   FIG. 1B is a schematic plan view showing the configuration of a variation of one embodiment of the grating coupler of the present invention. The basic configuration of the form shown in FIG. 1B is the same as that of the embodiment of FIG. 1A, but the difference from the embodiment of FIG. 1A is that an optical branching element 130 is provided on the light input side of the grating elements 103 and 105. It is in the point provided.

光分岐素子130は、不図示の光導波路を介して入力端から入射された光を、2つの出力端からグレーティング要素103、105に分岐出力する。光分岐素子130は、例えば、コアがSiからなると共にクラッドがシリコン酸化膜からなる1入力2出力型のマルチモード干渉計(MMI)で構成されている。一般に、マルチモード干渉計は、入射端における光のフィールドがマルチモード干渉導波路を伝搬する過程で周期的に再現される自己収束効果を有しており、マルチモード干渉導波路の幅に応じて決まる入力端から特定の距離において、一つから複数の収束するフィールドを得ることができるものである。その収束位置を出力端にして導波路を接続することにより、非常に低損失の光分岐を構成することができる。   The optical branching element 130 branches and outputs the light incident from the input end via an optical waveguide (not shown) to the grating elements 103 and 105 from the two output ends. The optical branching element 130 is composed of, for example, a 1-input 2-output multimode interferometer (MMI) having a core made of Si and a clad made of a silicon oxide film. In general, a multimode interferometer has a self-convergence effect that is periodically reproduced in the process of propagation of a light field at the incident end through the multimode interference waveguide, and is dependent on the width of the multimode interference waveguide. One or more converging fields can be obtained at a specific distance from the determined input end. By connecting the waveguide with the convergence position as the output end, a very low loss optical branch can be configured.

光分岐素子130の光の分岐比を例えば1:1に設定し、光分岐素子130以降のグレーティング要素を幅方向に対称にしておけば、幅方向に対称なモードフィールドを有する出射光を得ることができる。   If the light branching ratio of the optical branching element 130 is set to 1: 1, for example, and the grating elements after the optical branching element 130 are made symmetric in the width direction, outgoing light having a mode field symmetrical in the width direction can be obtained. Can do.

本形態における入力端から出力端に至る光分岐素子130の長さは、前記の特定の距離以上とする必要はあるものの、15μm程度以内に設定することが可能である。そのため、光分岐素子130の長さを加えることによる本形態のグレーティングカプラの長さの増加は限定的であり、グレーティング要素の数を増やすことにより従来の1次元周期のグレーティングカプラに比べて全体の長さを大幅に減少させることが可能である。   In the present embodiment, the length of the optical branching element 130 from the input end to the output end needs to be equal to or longer than the specific distance, but can be set within about 15 μm. Therefore, the increase in the length of the grating coupler of the present embodiment by adding the length of the optical branching element 130 is limited. By increasing the number of grating elements, the overall length of the grating coupler can be increased as compared with the conventional one-dimensional period grating coupler. The length can be significantly reduced.

なお、本形態のグレーティングカプラの有する作用に関しては、光分岐素子130の出力をそれぞれ受ける、グレーティング要素103、104、導波路121からなる組とグレーティング要素105、106、導波路122からなる組のそれぞれの組において、図1Aのグレーティングカプラと同様の作用を有するものであるから説明を省略する。   As for the action of the grating coupler according to the present embodiment, each of a set including the grating elements 103 and 104 and the waveguide 121 and a set including the grating elements 105 and 106 and the waveguide 122 that receive the output of the optical branching element 130, respectively. In this group, since it has the same function as the grating coupler of FIG.

図1Cは、本発明のグレーティングカプラの一実施形態の他の変形形態の構成を示す模式的な平面図である。図1Cに示される形態は、その基本的な構成は図1Aに示される形態と同様であるが、図1Aに示される形態と異なる点は、グレーティング要素107の光透過側に光分岐素子140を設けた点にある。   FIG. 1C is a schematic plan view showing the configuration of another variation of the embodiment of the grating coupler of the present invention. The basic configuration of the form shown in FIG. 1C is the same as that shown in FIG. 1A, except that the optical branching element 140 is provided on the light transmitting side of the grating element 107. It is in the point provided.

光分岐素子140の構成及び作用に関しては、図1Bに関連して説明した光分岐素子130と同様であるから、説明を省略する。   The configuration and operation of the optical branching element 140 are the same as those of the optical branching element 130 described with reference to FIG.

本形態によれば、図1Bに示される形態と同様、光分岐素子140の光の分岐比を例えば1:1に設定し、光分岐素子130以降のグレーティング要素を幅方向に対称にしておくことによって、幅方向に対称なモードフィールドを有する出射光を得ることができる。   According to this embodiment, similarly to the embodiment shown in FIG. 1B, the light branching ratio of the light branching element 140 is set to 1: 1, for example, and the grating elements after the light branching element 130 are made symmetrical in the width direction. Thus, outgoing light having a mode field symmetrical in the width direction can be obtained.

更に、本形態のグレーティングカプラは、図1Bに示される形態と同様、光分岐素子140の長さを加えても、グレーティング要素の数を増やすことにより従来の1次元周期のグレーティングカプラに比べて全体の長さを大幅に減少させることが可能である。   Furthermore, the grating coupler of the present embodiment is the same as that of the embodiment shown in FIG. 1B. Even if the length of the optical branching element 140 is added, the entire number of grating elements is increased as compared with the conventional one-dimensional periodic grating coupler. The length of can be greatly reduced.

なお、本形態のグレーティングカプラの有する作用に関しては、光分岐素子140が介在してはいるものの、グレーティング要素107、108、導波路123からなる組と、グレーティング要素107、109、導波路124からなる組のそれぞれの組において、図1Aのグレーティングカプラと同様の作用を有するものであるから説明を省略する。   Note that the action of the grating coupler of this embodiment is composed of a combination of the grating elements 107 and 108 and the waveguide 123, and the grating elements 107 and 109 and the waveguide 124, although the optical branching element 140 is interposed. Each set has the same action as the grating coupler of FIG.

また、本形態においては、グレーティング要素108、109は、グレーティング要素107の透過光を光分岐素子140で分割して入力しているため、グレーティング要素108、109から出射される光の強度が低下する可能性がある。しかし、グレーティング要素108、109の幅をグレーティング要素107の幅よりも狭めるようにすれば、幅の狭いグレーティング要素108、109から出射される光のパワー密度が高くなるから、グレーティング要素の幅方向の光の強度分布を調整することができ、結果として、グレーティングカプラから出射される光の強度分布を所望の形に調整することができる。   In the present embodiment, since the grating elements 108 and 109 divide the light transmitted through the grating element 107 by the light branching element 140 and input it, the intensity of the light emitted from the grating elements 108 and 109 decreases. there is a possibility. However, if the width of the grating elements 108 and 109 is made narrower than the width of the grating element 107, the power density of the light emitted from the narrow grating elements 108 and 109 is increased. The light intensity distribution can be adjusted. As a result, the light intensity distribution emitted from the grating coupler can be adjusted to a desired shape.

図2Aは、本発明のグレーティングカプラの他の一実施形態の構成を示す模式的な平面図である。図2Aに示される形態は、その基本的な構成は図1Aに示される形態と同様であるが、図1Aに示される形態と異なる点は、図1Aに示される形態では導波路120をグレーティング要素101、102の間の間隙に設置しているのに対し、図2Aに示される形態では導波路220、221をグレーティング要素201〜203を取り巻くように設置した点にある。   FIG. 2A is a schematic plan view showing the configuration of another embodiment of the grating coupler of the present invention. The configuration shown in FIG. 2A is the same as the configuration shown in FIG. 1A in the basic configuration, but differs from the configuration shown in FIG. 1A in that the waveguide 120 is a grating element in the configuration shown in FIG. 1A. 2A, the waveguides 220 and 221 are installed so as to surround the grating elements 201 to 203. In the configuration shown in FIG.

このような構成にすると、図1Aに示される形態では、導波路120をグレーティング要素101、102の間の間隙に設置している関係上、その間隙をある限度以下にはできないという制約があったが、図2Aに示される形態では、グレーティング要素201〜203間の間隙に関する上記のような制約がほとんどないため、間隙の存在に起因するグレーティングカプラから出射される光の強度分布に対する影響を一層軽減できることになる。   With such a configuration, the configuration shown in FIG. 1A has a restriction that the gap cannot be reduced below a certain limit because the waveguide 120 is installed in the gap between the grating elements 101 and 102. However, in the form shown in FIG. 2A, since there is almost no restriction as described above regarding the gap between the grating elements 201 to 203, the influence on the intensity distribution of the light emitted from the grating coupler due to the existence of the gap is further reduced. It will be possible.

本形態のグレーティングカプラは、図1Aに示されるグレーティングカプラと同様、グレーティング要素の数を増やすことにより全体の長さを従来の一次元周期のグレーティングカプラに比して大幅に減少させることが可能である。   As with the grating coupler shown in FIG. 1A, the overall length of the grating coupler of this embodiment can be greatly reduced by increasing the number of grating elements as compared to a conventional one-dimensional period grating coupler. is there.

なお、本形態のグレーティングカプラの有する作用に関しては、図1Aのグレーティングカプラと同様の作用を有するものであるから説明を省略する。   Note that the action of the grating coupler of this embodiment is the same as that of the grating coupler of FIG.

図2Bは、本発明のグレーティングカプラの他の一実施形態の一変形形態の構成を示す模式的な平面図である。図2Bに示される形態は、その基本的な構成は図2Aの実施形態と同様であるが、図2Aの実施形態と異なる点は、グレーティング要素204、207の光入力側に光分岐素子230を設けた点にある。   FIG. 2B is a schematic plan view showing the configuration of a modification of another embodiment of the grating coupler of the present invention. The basic configuration of the form shown in FIG. 2B is the same as that of the embodiment of FIG. 2A. The difference from the embodiment of FIG. 2A is that an optical branching element 230 is provided on the optical input side of the grating elements 204 and 207. It is in the point provided.

光分岐素子230の構成及び作用に関しては、図1Bに関連して説明した光分岐素子130と同様であるから、説明を省略する。   The configuration and operation of the optical branching element 230 are the same as those of the optical branching element 130 described with reference to FIG.

本形態のグレーティングカプラは、出射光のモードフィールドを幅方向に例えば対称にできるとともに、図1Bに示される形態と同様、光分岐素子230の長さを加えても、グレーティング要素の数を増やすことにより従来の1次元周期のグレーティングカプラに比べて全体の長さを大幅に減少させることが可能である。   The grating coupler of this embodiment can make the mode field of the emitted light symmetric, for example, in the width direction, and can increase the number of grating elements even if the length of the optical branching element 230 is added as in the embodiment shown in FIG. 1B. As a result, the overall length can be greatly reduced as compared with a conventional grating coupler having a one-dimensional period.

なお、本形態のグレーティングカプラの有する作用に関しては、光分岐素子230の出力をそれぞれ受ける、グレーティング要素204、205、206、導波路222、223からなる組とグレーティング要素207、208、209、導波路224、225からなる組のそれぞれの組において、図2Aのグレーティングカプラと同様の作用を有するものであるから説明を省略する。   As for the action of the grating coupler of this embodiment, a set of grating elements 204, 205, 206 and waveguides 222, 223, and grating elements 207, 208, 209, waveguides that receive the output of the optical branching element 230, respectively. Each set of 224 and 225 has the same operation as the grating coupler of FIG.

図2Cは、本発明のグレーティングカプラの他の一実施形態の他の変形形態の構成を示す模式的な平面図である。図2Cに示される形態は、その基本的な構成は図2Bに示される形態と同様であるが、図2Bの形態と異なる点は、グレーティング要素210の光透過側に光分岐素子240を設けた点にある。   FIG. 2C is a schematic plan view showing a configuration of another modification of the other embodiment of the grating coupler of the present invention. The basic configuration of the form shown in FIG. 2C is the same as the form shown in FIG. 2B, except that an optical branching element 240 is provided on the light transmitting side of the grating element 210. In the point.

光分岐素子240の構成及び作用に関しては、図1Bに関連して説明した光分岐素子130と同様であるから、説明を省略する。   The configuration and operation of the optical branching element 240 are the same as those of the optical branching element 130 described with reference to FIG.

本形態のグレーティングカプラは、図1Cに示される形態と同様、出射光のモードフィールドを幅方向に例えば対称にできるとともに、光分岐素子240の長さを加えても、グレーティング要素の数を増やすことにより従来の1次元周期のグレーティングカプラに比べて全体の長さを大幅に減少させることが可能である。   The grating coupler of this embodiment can increase the number of grating elements even if the length of the optical branching element 240 is added, as well as the mode field of the emitted light can be made symmetrical in the width direction, for example, as in the embodiment shown in FIG. 1C. As a result, the overall length can be greatly reduced as compared with a conventional grating coupler having a one-dimensional period.

なお、本形態のグレーティングカプラの有する作用に関しては、光分岐素子240が介在してはいるものの、グレーティング要素210、211、212、導波路226、227からなる組とグレーティング要素210、213、214、導波路228、229からなる組のそれぞれの組において、図2Aのグレーティングカプラと同様の作用を有するものであるから説明を省略する。   As for the action of the grating coupler of this embodiment, although the optical branching element 240 is interposed, the set of the grating elements 210, 211, 212 and the waveguides 226, 227 and the grating elements 210, 213, 214, Each set of the waveguides 228 and 229 has the same function as the grating coupler of FIG.

図3Aは、本発明のグレーティングカプラの更に他の一実施形態の構成を示す模式的な平面図である。図3Aに示される形態は、導波路320で接続された一対のグレーティング要素301、302が、周期の異なる1次元格子を備え、光入力側から光透過側へ向かう方向が逆であるように構成されている。その結果、前記一対のグレーティング要素301、302において異なる回折次数を有する回折光(例えば、−1次放射光と−2次放射光)が出射され、それらの出射角度を前記一対のグレーティング要素において揃わせることができ、適正な強度分布の放射光を容易に実現できる。   FIG. 3A is a schematic plan view showing the configuration of still another embodiment of the grating coupler of the present invention. The configuration shown in FIG. 3A is configured such that a pair of grating elements 301 and 302 connected by a waveguide 320 are provided with one-dimensional gratings having different periods and the direction from the light input side to the light transmission side is reversed. Has been. As a result, diffracted light (for example, −1st order radiated light and −2nd order radiated light) having different diffraction orders is emitted from the pair of grating elements 301 and 302, and their emission angles are aligned in the pair of grating elements. Therefore, it is possible to easily realize radiated light having an appropriate intensity distribution.

このような構成にすると、各グレーティング要素間に接続される導波路を短く設定でき、導波路の形成も容易になる。   With such a configuration, the waveguide connected between the grating elements can be set short, and the waveguide can be easily formed.

また、図3Aに示されるグレーティングカプラは、図1Aに示されるグレーティングカプラと同様、グレーティング要素の数を増やすことにより全体の長さを従来の一次元周期のグレーティングカプラに比して大幅に減少させることが可能である。   Also, the grating coupler shown in FIG. 3A, like the grating coupler shown in FIG. 1A, greatly reduces the overall length compared to a conventional one-dimensional periodic grating coupler by increasing the number of grating elements. It is possible.

次に、図3Aに示されるグレーティングカプラの有する作用について詳述する。   Next, the operation of the grating coupler shown in FIG. 3A will be described in detail.

グレーティング要素301において−1次放射光が出射されることや、グレーティング要素301を透過する光が存在し、当該透過光がグレーティング要素301の光透過側に到達し、更に導波路320を伝搬してグレーティング要素302の光入力側に入射することは、図1Aに示されるグレーティングカプラと同様である。   In the grating element 301, −1st order radiation light is emitted, or there is light that passes through the grating element 301. The transmitted light reaches the light transmission side of the grating element 301 and further propagates through the waveguide 320. The light incident on the light input side of the grating element 302 is the same as that of the grating coupler shown in FIG. 1A.

しかしながら、グレーティング要素302においては、図1Aに示されるグレーティングカプラと異なり、光入力側から光透過側へ向かう方向がグレーティング要素301と逆である。そのため、グレーティング要素302の−1次放射光の出射角度は、仮に、回折格子の周期Λ、幅w、深さd、光導波路の厚さDをグレーティング要素301と同じにすると、−1次放射光の出射角度が−θ−1となって、グレーティング要素301の−1次放射光の出射角度θ−1とは傾く向きが逆になってしまう。However, in the grating element 302, unlike the grating coupler shown in FIG. 1A, the direction from the light input side to the light transmission side is opposite to that of the grating element 301. Therefore, the emission angle of the −1st order radiation of the grating element 302 is assumed to be the same as that of the grating element 301 when the period Λ, width w, depth d of the diffraction grating and the thickness D of the optical waveguide are the same. The light output angle becomes −θ −1 , and the inclination direction is opposite to the light output angle θ −1 of the −1st order radiation light of the grating element 301.

グレーティング要素302からの放射光の出射角度を、グレーティング要素301の−1次放射光の出射角度と、傾く向きも含めて一致させる手段は二つある。その一つは、グレーティング要素302の回折格子の周期Λをグレーティング要素301の場合よりも小さくすることによって、−1次放射光を逆向きに傾けることである。また他の一つは、−1次の回折光とは逆に傾く−2次の回折光をグレーティング要素302の放射光として利用することである(図4A参照)。   There are two means for matching the emission angle of the radiated light from the grating element 302 with the emission angle of the −1st-order radiated light of the grating element 301 including the tilting direction. One of them is to incline the −1st order radiation in the opposite direction by making the period Λ of the diffraction grating of the grating element 302 smaller than that of the grating element 301. Another one is to use -2nd order diffracted light, which is inclined opposite to the -1st order diffracted light, as the radiated light of the grating element 302 (see FIG. 4A).

一般的には、グレーティング要素302の放射光として、回折次数の小さい−1次の回折光を利用する方が単位長さ当たりの放射効率が高いが、回折格子の周期Λが小さくなるので、作製の難易度は増す。一方、−2次の回折光を放射光として利用する場合は、回折次数が大きくなる分だけ単位長さ当たりの放射効率が低下するが、回折格子の周期Λがグレーティング要素301の回折格子の周期よりも大きくなるので、作製の難易度が増すことはない。   In general, the use of −1st order diffracted light having a small diffraction order as the radiated light of the grating element 302 has higher radiation efficiency per unit length, but the period Λ of the diffraction grating becomes smaller. The difficulty level of increases. On the other hand, when -2nd order diffracted light is used as radiated light, the radiation efficiency per unit length decreases as the diffraction order increases, but the period Λ of the diffraction grating is the period of the diffraction grating of the grating element 301. Therefore, the difficulty of production does not increase.

尚、コアの材料がシリコンで、クラッドの材料が酸化膜であるようなグレーティングカプラの場合、通常、−1次の回折光が放射されるように設計されたグレーティングからは−2次の回折光は放射されず、逆に、−2次の回折光が放射されるように設計されたグレーティングからは−1次の回折光は放射されない。   Note that in the case of a grating coupler in which the core material is silicon and the cladding material is an oxide film, the -2nd order diffracted light is normally obtained from a grating designed to emit -1st order diffracted light. Is not emitted, and conversely, −1st order diffracted light is not emitted from a grating designed to emit −2nd order diffracted light.

−1次の回折光と−2次の回折光のうちのどちらを放射光として利用する場合であっても、グレーティング要素302からの光の出射角度をグレーティング要素301の−1次放射光の出射角度θ−1と等しくするためには、グレーティング要素302における回折格子の周期Λ、幅w、深さd、光導波路の厚さDを適宜調節しなければならない。しかし、上記調節条件の中、回折格子の深さdや光導波路の厚さDを調節することは、グレーティング要素302が、グレーティング要素301と同時に作成されることを勘案すれば困難であり、回折格子の周期Λと幅wの調節をして、グレーティング要素302の放射光の出射角度をグレーティング要素301の−1次放射光の出射角度θ−1と等しくすることが現実的と考えられる。そこで、本形態では、特に回折格子の周期を調節してグレーティング要素302の放射光の出射角を設定しているものである。Regardless of which of the −1st order diffracted light and the −2nd order diffracted light is used as the radiated light, the emission angle of the light from the grating element 302 is determined by the emission of the −1st order radiated light from the grating element 301 In order to make it equal to the angle θ− 1 , the period Λ, the width w, the depth d, and the thickness D of the optical waveguide of the diffraction grating in the grating element 302 must be appropriately adjusted. However, it is difficult to adjust the depth d of the diffraction grating and the thickness D of the optical waveguide in the above adjustment conditions in consideration of the fact that the grating element 302 is formed simultaneously with the grating element 301. It is considered realistic to adjust the period Λ and width w of the grating so that the emission angle of the emitted light of the grating element 302 is equal to the emission angle θ −1 of the −1st order emitted light of the grating element 301. Therefore, in this embodiment, the emission angle of the radiated light of the grating element 302 is set by adjusting the period of the diffraction grating.

さて、グレーティング要素302から放射されずに透過する透過光はグレーティング要素302の光透過側に到達し、更に導波路321を伝搬してグレーティング要素303の光入力側に入射する。このとき、グレーティング要素303には、グレーティング要素301と同じ向きに光が入射する。そのため、回折格子の周期Λ、幅w、深さd、光導波路の厚さDをグレーティング要素301と同様に設定すれば、グレーティング要素303からの放射光の出射角度をグレーティング要素301の−1次放射光の出射角度θ−1と等することができる。The transmitted light that is transmitted without being emitted from the grating element 302 reaches the light transmitting side of the grating element 302, further propagates through the waveguide 321, and enters the light input side of the grating element 303. At this time, light enters the grating element 303 in the same direction as the grating element 301. Therefore, if the period Λ, the width w, the depth d, and the thickness D of the optical waveguide of the diffraction grating are set similarly to the grating element 301, the emission angle of the radiated light from the grating element 303 is set to the −1st order of the grating element 301. It can be equal to the radiation output angle θ −1 .

グレーティング要素303の後ろに導波路を介して、更なるグレーティング要素がシリアルに接続されている場合も、上述したところと同様に取り扱うことができる。   Even when a further grating element is serially connected via a waveguide behind the grating element 303, it can be handled in the same manner as described above.

このようにして、光入力側から光透過側へ向かう方向が逆である一対のグレーティング要素において、それぞれの放射光の出射角度を揃わせることができ、適正な強度分布の放射光を容易に実現できる。   In this way, in a pair of grating elements whose directions from the light input side to the light transmission side are reversed, the emission angles of the respective radiated light can be aligned, and radiated light with an appropriate intensity distribution can be easily realized. it can.

図3Bは、本発明のグレーティングカプラの更に他の一実施形態の一変形形態の構成を示す模式的な平面図である。図3Bに示される形態は、その基本的な構成は図3Aの実施形態と同様であるが、図3Aの実施形態と異なる点は、グレーティング要素304、307の光入力側に光分岐素子330を設けた点にある。   FIG. 3B is a schematic plan view showing a configuration of a modification of still another embodiment of the grating coupler of the present invention. The basic configuration of the form shown in FIG. 3B is the same as that of the embodiment of FIG. 3A. However, the difference from the embodiment of FIG. 3A is that an optical branching element 330 is provided on the light input side of the grating elements 304 and 307. It is in the point provided.

光分岐素子330の構成及び作用に関しては、図1Bに関連して説明した光分岐素子130と同様であるから、説明を省略する。   The configuration and operation of the optical branching element 330 are the same as those of the optical branching element 130 described with reference to FIG.

本形態のグレーティングカプラは、図1Bに示される形態と同様、出射光のモードフィールドを幅方向に、例えば、対称にできるとともに、光分岐素子330の長さを加えても、グレーティング要素の数を増やすことにより従来の1次元周期のグレーティングカプラに比べて全体の長さを大幅に減少させることが可能である。   In the grating coupler of this embodiment, as in the embodiment shown in FIG. 1B, the mode field of the emitted light can be made symmetrical in the width direction, for example, and the number of grating elements can be increased even if the length of the optical branching element 330 is added. By increasing the number, it is possible to greatly reduce the overall length as compared with a conventional one-dimensional period grating coupler.

なお、本形態のグレーティングカプラの有する作用に関しては、光分岐素子330の出力をそれぞれ受ける、グレーティング要素304、305、306、導波路322、323からなる組とグレーティング要素307、308、309、導波路324、325からなる組のそれぞれの組において、図3Aのグレーティングカプラと同様の作用を有するものであるから説明を省略する。   As for the action of the grating coupler of this embodiment, a set of grating elements 304, 305, 306, waveguides 322, 323, and grating elements 307, 308, 309, waveguides that receive the output of the optical branching element 330, respectively. Each of the pairs of 324 and 325 has the same function as the grating coupler of FIG.

図3Cは、本発明のグレーティングカプラの更に他の一実施形態の他の変形形態の構成を示す模式的な平面図である。図3Cに示される形態は、その基本的な構成は図3Bに示される形態と同様であるが、図3Bの形態と異なる点は、グレーティング要素310の光透過側に光分岐素子340を設けた点にある。   FIG. 3C is a schematic plan view showing a configuration of another modification of the further embodiment of the grating coupler of the present invention. The basic configuration of the form shown in FIG. 3C is the same as the form shown in FIG. 3B, except that an optical branching element 340 is provided on the light transmitting side of the grating element 310. In the point.

光分岐素子340の構成及び作用に関しては、図1Bに関連して説明した光分岐素子130と同様であるから、説明を省略する。   The configuration and operation of the optical branch element 340 are the same as those of the optical branch element 130 described in relation to FIG.

本形態のグレーティングカプラは、図1Cに示される形態と同様、光分岐素子340の長さを加えても、グレーティング要素の数を増やすことにより従来の1次元周期のグレーティングカプラに比べて全体の長さを大幅に減少させることが可能である。   As in the embodiment shown in FIG. 1C, the grating coupler of this embodiment has an overall length longer than that of a conventional one-dimensional period grating coupler by increasing the number of grating elements even if the length of the optical branching element 340 is added. It is possible to greatly reduce the length.

なお、本形態のグレーティングカプラの有する作用に関しては、光分岐素子340が介在してはいるものの、グレーティング要素310、311、312、導波路326、327からなる組とグレーティング要素310、313、314、導波路328、329からなる組のそれぞれの組において、図3Aのグレーティングカプラと同様の作用を有するものであるから説明を省略する。   In addition, regarding the operation of the grating coupler of this embodiment, although the optical branching element 340 is interposed, the set including the grating elements 310, 311, 312 and the waveguides 326, 327 and the grating elements 310, 313, 314, Each set of the waveguides 328 and 329 has the same function as the grating coupler of FIG.

なお、上述の各実施形態においては、シリアル接続の末端のグレーティング要素の光透過側には何も接続していないが、例えば透過光を回収するために光合波部(光分岐部と同じ構造で、逆向きに動作させるもの)などを接続してもよいし、そのような構造で双方向の動作をさせてもよい。   In each of the above-described embodiments, nothing is connected to the light transmission side of the grating element at the end of the serial connection. For example, in order to collect transmitted light, an optical multiplexing unit (with the same structure as the optical branching unit) is used. Or the like that operate in the opposite direction) may be connected, or bidirectional operation may be performed in such a structure.

また、導波路の形状についても、細線導波路に限らず、リブ型導波路やそれらの組み合わせなどの他の形態でもよい。   Further, the shape of the waveguide is not limited to the thin wire waveguide, but may be other forms such as a rib-type waveguide or a combination thereof.

更に、光分岐部を1入力2出力のMMIの多段構成とすることや、1入力2出力のMMIではなく1入力4出力のMMIを用いることも可能である。 このように、光分岐素子の分岐数は2に限定されず、より大きな分岐比であってもよい。   Furthermore, the optical branching unit can be configured as a multi-stage MMI having one input and two outputs, or an MMI having one input and four outputs can be used instead of a one input and two outputs MMI. Thus, the number of branches of the optical branching element is not limited to 2, and may be a larger branching ratio.

また、光の分岐比や光損失の許容値に余裕があれば、MMIの代わりに、Y分岐や方向性結合器を用いて光分岐部を構成してもよい。   Further, if there is a margin in the light branching ratio and the allowable value of light loss, the light branching unit may be configured using a Y branch or a directional coupler instead of the MMI.

また、光分岐部をグレーティング要素の光入力側及び光透過側の双方に設けるようにしてもよい。   Further, the light branching portion may be provided on both the light input side and the light transmission side of the grating element.

また、グレーティング要素間の導波路の長さを調節すれば、グレーティングカプラを構成する各グレーティング要素から出射される光の位相を揃えたり、或は、任意の位相差に設定したりすることも可能である。特に、各グレーティング要素から出射される光の位相を揃えることは、本発明のグレーティングカプラを、シングルモードファイバーのような単一モードの導波路に高効率で光結合させたい場合に有効である。   Also, by adjusting the length of the waveguide between the grating elements, it is possible to align the phase of the light emitted from each grating element constituting the grating coupler, or to set an arbitrary phase difference. It is. In particular, aligning the phase of the light emitted from each grating element is effective when the grating coupler of the present invention is to be optically coupled to a single mode waveguide such as a single mode fiber with high efficiency.

以上、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明してきたが、当業者であれば、他の類似する実施形態を使用することができること、また、本発明から逸脱することなく適宜形態の変更又は追加を行うことができることに留意すべきである。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings. However, those skilled in the art can use other similar embodiments, and the embodiments can be appropriately configured without departing from the present invention. It should be noted that changes or additions can be made.

101〜109、201〜214、301〜314;グレーティング要素
101a、101b、420;テーパ導波路部
101c、410;グレーティング部
120〜124、220〜229、320〜329;導波路
130、140、230、240、330、340;光分岐素子
401;基板
402;BOX層
414;コア層
416;上部クラッド層
101-109, 201-214, 301-314; grating elements 101a, 101b, 420; tapered waveguide portions 101c, 410; grating portions 120-124, 220-229, 320-329; waveguides 130, 140, 230, 240, 330, 340; optical branching element 401; substrate 402; BOX layer 414; core layer 416; upper cladding layer

Claims (5)

基板上に形成されたグレーティングカプラであって、該グレーティングカプラは互いに隣接して配置された複数のグレーティング要素とその間をつなぐ導波路とを備え、前記複数のグレーティング要素は、互いに同じまたは略同じ方向に周期性を有する1次元格子を備え、少なくとも1つのグレーティング要素の光透過側に接続された導波路は、別のグレーティング要素の光入力側に接続されていることを特徴とする、グレーティングカプラ。   A grating coupler formed on a substrate, the grating coupler comprising a plurality of grating elements arranged adjacent to each other and a waveguide connecting between the grating elements, the grating elements being in the same or substantially the same direction A grating coupler comprising: a one-dimensional grating having periodicity; and a waveguide connected to a light transmission side of at least one grating element is connected to a light input side of another grating element. 互いに隣接する少なくとも一対のグレーティング要素の間隔は、2つのグレーティング要素の内の狭い方の幅以下であることを特徴とする、請求項1に記載のグレーティングカプラ。   2. The grating coupler according to claim 1, wherein an interval between at least one pair of adjacent grating elements is equal to or smaller than a narrower width of the two grating elements. 3. 2つ以上のグレーティング要素が、同じ周期と深さの1次元格子を備え、光入力側から光透過側へ向かう方向が同一であることを特徴とする、請求項1または2に記載のグレーティングカプラ。   The grating coupler according to claim 1 or 2, wherein the two or more grating elements have one-dimensional gratings having the same period and depth, and have the same direction from the light input side to the light transmission side. . 互いに隣接する少なくとも一対のグレーティング要素が、周期の異なる1次元格子を備え、光入力側から光透過側へ向かう方向が逆であることを特徴とする、請求項1または2に記載のグレーティングカプラ。   3. The grating coupler according to claim 1, wherein at least a pair of grating elements adjacent to each other includes a one-dimensional grating having a different period, and a direction from the light input side to the light transmission side is reversed. 前記光入力側及び/又は光透過側に、前記グレーティング要素に接続された光分岐部を備えることを特徴とする、請求項1乃至4の何れか1項に記載のグレーティングカプラ。   The grating coupler according to any one of claims 1 to 4, further comprising an optical branching unit connected to the grating element on the light input side and / or the light transmission side.
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