JP6548581B2

JP6548581B2 - グレーティングカプラ

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Publication number: JP6548581B2
Application number: JP2015558801A
Authority: JP
Inventors: 徳島　正敏; 正敏徳島
Original assignee: Photonics Electronics Technology Research Association
Current assignee: Photonics Electronics Technology Research Association
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2015-01-13
Publication date: 2019-07-24
Anticipated expiration: 2035-01-13
Also published as: WO2015111458A1; JPWO2015111458A1

Description

本発明は、グレーティングカプラに関する。

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。

図７Ａ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７Ａ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。

図７Ａ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７Ａに例示された断面構造は、ＢＯＸ（ＢｕｒｉｅｄＯｘｉｄｅ，埋め込み酸化膜）層７０２と、ＢＯＸ層７０２より屈折率の高いコア層７１４と、ＢＯＸ層７０２と同程度の屈折率の上部クラッド（Ｏｖｅｒｃｌａｄ）層７１６とを、この順に基板７０１に積層したもので、コア層７１４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７１４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。

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。

図７Ａに示したグレーティングカプラ７００のコア層７１４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_０、放射光のｚ方向の伝搬定数をβ_ｑとすると、位相整合条件はβ_ｑ＝β_０＋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。

この場合、回折格子の法線に対する放射光の出射角θは、λを光の真空中の波長、Ｎを導波路の実効屈折率、ｎ_ｃ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、ｎ_ｃｓｉｎθ＝Ｎ＋ｑλ／Λの式より求められる。

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_ｃ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を満たす放射光を使用する場合である。なお、上記−１次放射光等の他、導波路方向への戻り光Ｐ_ref、コア層透過光Ｐ_trans、ＢＯＸ層７０２を介した基板７０１側への放射光Ｐ_downも同時に存在する。

ここで、出射角θは、図７Ａ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。
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。

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、従来より、種々の特徴を持った構造が提案されている。例えば、従来の最も基本的なグレーティングカプラは、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、その格子は導波路の横幅方向に直線状で、一様である。グレーティングが導波路の幅方向に一様であれば、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った。

一方で、光ファイバとの光結合に用いられるグレーティング部の横幅は、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、グレーティング部と光導波路との間に長く緩やかなテーパ導波路を挿入する必要があった。これは、グレーティング部と光導波路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、グレーティング部とテーパ導波路を合わせた光入出力素子の全体構造が大型化し、隙間の少ない高密度の光回路には組み込みにくいことが難点であった（非特許文献１）。例えば我々の検討によれば、図７Ｂに示すように、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７１０の幅の１５倍程度以上の長さのテーパ導波路７２０を設ける必要があり、仮に、グレーティング部７１０の幅を２０μｍとすれば、最小でも３００μｍ程度の長さのテーパ導波路７２０を設ける必要があった。

そこで新たな従来技術として、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考案された（特許文献１、特許文献２）。広がり角の大きなテーパ導波路を用いると、長く緩やかなテーパ導波路を用いた場合とは異なり、伝搬光の波面が円弧状に広がる。その波面との平行を保つため、グレーティングも円弧状に形成された。このように、円弧状の波面の広がりを許容したことによって、光ファイバに光結合する場合でも、グレーティング部の横幅の最大値を５０μｍ程度に、また、導波路とグレーティング部とを併せた長さも５０μｍ程度に収めることができ、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（図７Ｃ参照）。

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。

米国特許第７２４５８０３米国特許第７２６０２８９

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、直線状の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。

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、光入出力素子としての機能を発現するための構造全体が、特に１次元格子とテーパ導波路と光分岐素子とをある特別の関係の基に組み合わせた構成であることを特徴とするものであり、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「入力端」と「出力端」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。

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グレーティング部とテーパ導波路部と光分岐部とから成り、前記グレーティング部は１つのグレーティング要素、または並列に隣接して配置された複数のグレーティング要素から成り、該グレーティング要素のそれぞれは１次元格子を備え、該複数のグレーティング要素の備える１次元格子は互いに同じまたは略同じ方向に周期性を有し、前記テーパ導波路部は前記グレーティング要素の数よりも多いテーパ導波路を含み、前記光分岐部は１つの入力端と、少なくとも前記テーパ導波路と同じ数の複数の出力端を備え、前記グレーティング要素の各々には、前記テーパ導波路の幅の広い側の一端が１つまたは並列に２つ以上接続され、それぞれの該テーパ導波路の幅の狭い側の一端には、前記光分岐部の複数の出力端の内の一つが接続されている。

本基本形態の動作は、例えば、光をグレーティング部から外部に出射する態様についてみれば、光分岐部の入力端に入射した光は、光分岐部で分岐され、各分岐光が光分岐部の複数の出力端から出力され、該複数の出力端にそれぞれ接続されたテーパ導波路を介して１又は複数のグレーティング要素に入力され、該グレーティング要素で光路変更がなされて外部に出射される、というものである。

本基本形態では、従来の１次元周期のグレーティングカプラと同じ幅のグレーティング、または合計で同じ幅となる互いに隣接するグレーティングに光を入力するために、並列する複数のテーパ導波路を用いる。そのため、光分岐部を設けることなく１つのテーパ導波路のみを設けた従来の１次元周期のグレーティングカプラと対比すると、分岐の数、即ちテーパ導波路の数に反比例して、一つ一つのテーパ導波路が縮小される。縮小に伴って短くなった長さが、新たに付け加えられた光分岐部の長さよりも大きければ、グレーティングカプラ全体の長さを、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できるという効果を生じる。他方で、グレーティング部は１次元格子のままであるから、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、光をグレーティング部に外部から入射する態様も同様の効果を有するものである。

本発明のグレーティングカプラの一形態においては、前記基本形態において、全てのグレーティング要素の１次元格子の内、周期性を有する方向に最も短い１次元格子の長さの範囲にわたって、隣り合うグレーティング要素の間で、１次元格子が周期性を有する方向と直交する方向に、前記1次元格子の各格子位置が揃うように構成してある。このような構成を採用することにより、各テーパ導波路を介して入射される伝搬光に対して、各グレーティング要素のグレーティングを同じ位相関係で作用させることができる。その結果、グレーティング部各部からの回折光の位相が揃い、適正な強度分布の放射光を容易に達成できる。

本発明のグレーティングカプラの他の一形態においては、前記各形態において光分岐部がマルチモード干渉計で構成される。このような構成を採用することにより、分割によって短縮するテーパ導波路の長さよりも短い光分岐部を容易に構成することができる。光の分岐比や光損失の許容値に余裕があれば、マルチモード干渉計の代わりに、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。

本発明のグレーティングカプラの他の一形態においては、前記各形態のグレーティングカプラが線対称軸を有するように構成する。このような構成を採用することにより、グレーティング部において、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。

本発明のグレーティングカプラの他の一形態においては、前記各形態において、前記グレーティング部は３つ以上のグレーティング要素を含み、それらの１次元格子が周期性を有する方向と直交する方向の幅が２種類以上あるよう構成されている。このような構成を採用することにより、例えば、１つのグレーティング要素の幅を他のグレーティング要素の幅の半分にすると、そのグレーティング要素からの放射光だけ、光強度を２倍に高めることができる。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。

本発明のグレーティングカプラの他の一形態においては、前記各形態において、テーパ導波路との接続位置からグレーティングの開始位置までの距離が異なる複数のグレーティング要素を含むよう構成されている。このような構成を採用することにより、各グレーティング要素のグレーティング開始位置で反射されて導波路方向へ戻る戻り光Ｐ_ref（図７Ａ参照）の位相を互いにずらすことができる。その結果、それらの個々の戻り光が光分岐部を逆流して合波されていく過程で互いに打ち消しあう作用を利用することができ、グレーティングカプラ全体としては、反射戻り光を小さくすることが可能になる。

本発明のグレーティングカプラの他の一形態においては、初めに記載した前記４つの形態において、特に、グレーティング要素の数を１つとするよう構成されている。このような構成を採用することにより、従来の１つの１次元格子を有するグレーティングカプラに対して最適化したグレーティング部の構造をそのまま流用することができ、短い設計時間にもかかわらず、大幅に短いグレーティングカプラを製造することができる。

本発明のグレーティングカプラの他の一形態においては、前記各形態において、グレーティング部に含まれる各グレーティング要素の１次元格子の周期、凹凸の深さ、層構造、媒質の屈折率の少なくとも一つが、周期性を有する方向に変調されているよう構成されている。このような構成を採用することにより、グレーティング部において周期性を有する方向に一様ではない格子態様が実現でき、モードフィールドの形状を最適化することが容易にできる。

本発明によれば、小型でありながら、同時に、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。

図１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２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。図３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。図４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。図５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。図６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。図７Ａ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。図７Ｂ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。図７Ｃ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。

以下、本発明のグレーティングカプラの各実施形態を、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各部の「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、光をグレーティング部から外部に出射する態様について主として説明するが、グレーティング部に外部から光を入射する態様も同様の構成で実現できる。

図１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１に示すように、本実施形態のグレーティングカプラは、１つのグレーティング要素１０でグレーティング部１００を構成するとともに、並列する２本のテーパ導波路２０、２１で構成されるテーパ導波路部２００と、１つの光分岐素子３０で構成される光分岐部３００とを備えており、それらは、不図示の半導体基板（例えば、シリコン基板）上に形成されている。

光分岐素子３０は、光導波路４０を介して入力端から受光し、その光を２つの出力端からテーパ導波路２０と２１に分岐出力する。光分岐素子３０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。

本実施形態における入力端から出力端に至る光分岐素子３０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。

テーパ導波路２０、２１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あり、幅の狭い側の端部が前記光分岐素子３０の出力端に接続されるとともに、幅の広い側の端部がグレーティング要素１０に接続されている。

本実施形態におけるテーパ導波路２０、２１の長さは、それぞれ、従来の１次元周期のグレーティングカプラのテーパ導波路の長さの半分程度に抑えることができ、従来の１次元周期のグレーティングカプラのテーパ導波路の長さを３００μｍ程度とすれば、１５０μｍ程度に短縮できる。

なお、テーパ導波路２０、２１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。

光分岐部及びテーパ導波路部は、次に説明するグレーティング部と共に、例えば、図７Ａ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。

グレーティング部に含まれるグレーティング要素１０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２０、２１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７Ａを用いて概略説明したとおりである。１次元格子は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。

グレーティング要素１０の長さは、従来の１次元周期のグレーティングカプラのグレーティング部の長さと略同等であり、従来の１次元周期のグレーティングカプラのグレーティング部の長さを３０μｍ程度とすれば、略３０μｍ程度となる。したがって、上記の仮定した数値で比較した場合、従来の１次元周期のグレーティングカプラの長さが、３３０μｍ程度になるのに対し、本実施形態のグレーティングカプラの長さは、光分岐素子３０の長さを加えても１９５μｍ程度に抑えられることになり、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短縮できる。

なお、図１の一点鎖線５０は、本実施形態のグレーティングカプラの線対称軸を表すものである。この対称軸に対して対称な構造とすることによって、光分岐部で分岐された光が同位相でテーパ導波路部を通過し、グレーティング部に同位相で入力されることを保証することができる。グレーティング部に入射された光はさらに同じ位相関係でグレーティングに作用し、最終的に、同じ位相で回折されて放射される。このように、グレーティングカプラを対称な構造とすることによって、分岐素子が含まれていても、従来構造と同様の光学的に対称な動作を得ることができる。

ただし、このような対称な動作を得るための方法は、グレーティングカプラの構造を対称にすることに限らない。グレーティング部から放射される光が同じ位相になればよいのであるから、例えば、分岐部やテーパ部を通過した結果、グレーティング部に入射される複数の光の位相が２πの整数倍だけ異なるよう、グレーティンカプラを非対称に形成してもよい。具体的には、放射光の位相が対称となる限り、光分岐素子３０の２つの出力導波路の長さを異ならせたり、テーパ導波路２０、２１の長さを異ならせたりしてもよい。なお、グレーティングカプラと光結合させる外部光導波路のモードフィールドが非対称であったり、光結合の角度が放射光の軸と有限の角度を成していたりする場合には、グレーティングカプラからの放射光の位相をわざと非対称にする場合もあることにも留意すべきである。

図２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１の実施形態と異なる点は、光分岐部３００を２分岐素子の２段構成（３つの光分岐素子３０〜３２で構成）にして光分岐部３００の出力端を４つ設け、それに伴い、４つのテーパ導波路（２２〜２５）からなるテーパ導波路部２００を設けた点である。図２の場合、１入力４出力の分岐を構成するために、１入力２出力の分岐素子を組み合わせたが、例えば、１入力４出力のＭＭＩ一つで構成してもよい。

図２のグレーティング要素１０、テーパ導波路２２〜２５、光分岐素子３０〜３２、光導波路４０の構成及び機能、並びに線対称軸５０については、図１の実施形態における説明と同様である。また、これは、図３以降の実施形態についても同様である。

図２の実施形態は、テーパ導波路２２〜２５の長さを、図１のテーパ導波路２０、２１の半分程度の長さとすることができ、上記図１の実施例の数値の仮定の下で、グレーティングカプラの長さは、１３５μｍ程度に抑えられる。そのため、図１の実施形態に比べて、グレーティングカプラの長さをさらに短縮できる。

同様に、光分岐部３００において分岐素子を１段増やして３段構成にすると、導波路から入射される光は８分岐され、テーパ導波路の長さは更に半分となって、グレーティングカプラ全体の長さは、例えば、１１２．５μｍまで短縮できる。なお、光分岐部が２段構成のままでも、テーパ導波路２２〜２５、光分岐素子３０〜３２の長さを適宜小さく設定することによりグレーティングカプラの長さを１００μｍ程度とすることは可能である。もちろん、光分岐部３００を３段構成にして、同時に他の部分の長さを適宜設定すると、グレーティングカプラの長さを１００μｍより小さくすることもできる。

図３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２の実施形態と異なる点は、テーパ導波路部２００を構成する４つのテーパ導波路（２２〜２５）の中、横幅を狭めた２本のテーパ導波路（２３’、２４’）を設けた点である。

このような構成にすると、横幅の狭いテーパ導波路から出射される光の強度が強くなるから、グレーティング要素１０の横幅方向の光の強度分布を少なくともグレーティング部１００の入射端において調整することができ、結果として、出射される光の強度分布を所望する形に調整できる。グレーティングが導波方向にも一様であれば、グレーティング部１００の入射端付近でほとんどの光が放射されるため、この構成で実用的に十分な効果を得ることができる。なお、グレーティングカプラの長さに関しては、図２の実施形態と同様に短縮可能である。

図４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２の実施形態と異なる点は、グレーティング部１００が、互いに分離された４つのグレーティング要素１１〜１４から構成されている点である。但し、本実施形態では、４つのグレーティング要素１１〜１４において、１次元格子が存在する共通範囲内で、１次元格子が周期性を有する方向と直交する方向に、前記1次元格子の各格子位置が揃うように構成してある。

１次元グレーティングカプラが１つの場合は、１次元格子の幅方向に関して中央付近の光強度が強くなる傾向がある。それに対して、図４に示した実施形態のような構成にすると、互いに分離されたグレーティング要素１１〜１４により、例えば、横幅方向の光の強度分布をより均等に調整することができ、結果として、出射される光の強度分布をより均等になるように調整できる。隣接するグレーティング要素１１〜１４の間に間隙が存在するため、その部分で光量が低下し、出射される光の強度分布に若干影響が出ることが懸念されるが、グレーティング要素間の間隙幅を適宜狭く設定すれば実用的には問題とならないようにできる。なお、グレーティングカプラの長さに関しては、図２の実施形態と同様に短縮可能である。

図５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４の実施形態と異なる点は、グレーティング部１００の互いに分離された４つのグレーティング要素１１〜１４が、２種類の異なった横幅を有することである。但し、本実施形態では、４つのグレーティング要素１１〜１４において、１次元格子が存在する共通範囲内で、１次元格子が周期性を有する方向と直交する方向に、前記1次元格子の各格子位置が揃うように構成してあることは、図４の実施形態と同様である。

このような構成にすると、テーパの幅を狭めた２本のテーパ導波路（２３’、２４’）による作用効果と併せ、互いに分離されたグレーティング要素１１〜１４により、横幅方向の光の強度分布をさらに調整することができ、放射される光の強度分布を一層所望する形に調整できる。特に、グレーティン部１００の入力端近傍だけでなく、出力端側に向かって一定の距離まで光が放射される場合、その放射領域全体に亘って横幅方向の光強度分布を一定に保つことができる。隣接するグレーティング要素１１〜１４の間に間隙が存在するため、その部分で光量が低下し、出射される光の強度分布に若干影響が出ることが懸念されるが、グレーティング要素間の間隙幅等を適宜狭く設定すれば実用的には問題とならないようにできる。なお、グレーティングカプラの長さに関しては、図２の実施形態と同様に短縮可能である。

図６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。本実施形態では、２つのグレーティング要素１５、１６において、１次元格子が存在する共通範囲内で、１次元格子が周期性を有する方向と直交する方向に、前記１次元格子の各格子位置が揃うように構成してある。グレーティングカプラの長さに関しては、図２の実施形態と同様に短縮可能である。

図６の実施形態が図１の実施形態と異なる点は２つあり、その内、第１の相違点は、グレーティング部１００が、互いに分離された２つのグレーティング要素１５、１６から構成されていることである。前述のとおり、互いに分離されたグレーティング要素１５、１６により、横幅方向の光の拡がりを調整することができ、放射される光の強度分布を所望する形に調整できる。隣接するグレーティング要素１５、１６の間に間隙が存在するため、その部分で光量が低下し、放射される光の強度分布に若干影響が出ることが懸念されるが、グレーティング要素間の間隙幅を適宜狭く設定すれば実用的には問題とならないようにできる。

図６の実施形態と図１の実施形態の第２の相違点は、テーパ導波路との接続位置からグレーティングの開始位置までの距離がグレーティング要素１５、１６の間で異なることである。このような構成を採用することにより、各グレーティング要素からの導波路方向への戻り光Ｐ_ref（図７Ａ参照）の影響を軽減または相殺することが可能になる。特に、グレーティング要素１５と１６のテーパ導波路との接続位置からグレーティングの開始位置までの距離の差を（２ｎ＋１）λ/４（但し、ｎは０以上の整数、λは光の波長）にとると、グレーティング要素１５からの戻り光とグレーティング要素１６からの戻り光の位相が１８０°ずれることから、光分岐素子３０を逆流して合波される過程で、両者が互いに打ち消しあうことになり、戻り光Ｐ_refの影響が相殺されることになる。

図１〜６に示される実施形態において、グレーティング部１００の１次元格子の周期、凹凸の深さ、層構造、媒質の屈折率の少なくとも一つが、周期性を有する方向に変調されるように構成することもできる。このような構成を採用することにより、グレーティング部１００において周期性を有する方向に一様ではない格子態様が実現でき、モードフィールドの形状を最適化することが容易にできる。

また、図１〜６に示される実施形態においては、グレーティング部１００の入力端と反対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、新たにテーパ部や光合波部（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。

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。

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。

１０、１１、１２、１３，１４；グレーティング要素
２０、２１、２２、２３、２３’、２４、２４’、２５、７２０；テーパ導波路
３０、３１、３２；光分岐素子
１００、７１０；グレーティング部
２００；テーパ導波路部
３００；光分岐部
７０１；基板
７０２；ＢＯＸ層
７１４；コア層
７１６；上部クラッド層

Claims

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グレーティング部とテーパ導波路部とマルチモード干渉計から成る光分岐部とから成り、
前記グレーティング部は１つのグレーティング要素、または並列に隣接して配置された複数のグレーティング要素から成り、該グレーティング要素のそれぞれは１次元格子を備え、該複数のグレーティング要素の備えるそれぞれの１次元格子は周期性を有する方向が同じであり、
前記テーパ導波路部は複数のテーパ導波路を含み、
前記光分岐部は１つの入力端と、少なくとも前記テーパ導波路と同じ数の複数の出力端を備え、
前記グレーティング要素の各々には、前記テーパ導波路の幅の広い側の一端が１つまたは並列に２つ以上接続され、
それぞれの該テーパ導波路の幅の狭い側の一端には、前記光分岐部の複数の出力端の内の一つが接続されている、
ことを特徴とする、グレーティングカプラ。
前記並列に隣接して配置された複数のグレーティング要素の全てのグレーティング要素の１次元格子の内、周期性を有する方向に最も短い１次元格子の長さの範囲にわたって、隣り合うグレーティング要素の間隙を除いて、１次元格子が周期性を有する方向と直交する方向に、前記1次元格子の各格子位置が揃ってい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。
前記グレーティング部と前記テーパ導波路部と前記光分岐部が成す全体構造が線対称性を有す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。
前記グレーティング部は３つ以上のグレーティング要素を含み、それらの１次元格子が周期性を有する方向と直交する方向の幅が２種類以上あることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のグレーティングカプラ。
テーパ導波路との接続位置からグレーティングの開始位置までの距離が異なる複数のグレーティング要素を含むことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のグレーティングカプラ。
グレーティング要素の数が１つであることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のグレーティングカプラ。
グレーティング部の各グレーティング要素の１次元格子の周期、凹凸の深さ、層構造、媒質の屈折率の少なくとも一つが、周期性を有する方向に変調されていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のグレーティングカプラ。