JP6530061B2

JP6530061B2 - グレーティングカプラ

Info

Publication number: JP6530061B2
Application number: JP2017514019A
Authority: JP
Inventors: 徳島　正敏; 正敏徳島; 淳牛田; 蔵田　和彦; 和彦蔵田
Original assignee: Photonics Electronics Technology Research Association
Current assignee: Photonics Electronics Technology Research Association
Priority date: 2015-04-24
Filing date: 2016-03-22
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2036-03-22
Also published as: JPWO2016170890A1; WO2016170890A1

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。

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（ＢｕｒｉｅｄＯｘｉｄｅ，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。

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_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ｑ次の放射光の出射角θ_ｑ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_ｑ＝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（−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Ｐ_ref、コア層透過光Ｐ_trans、ＢＯＸ層４０２を介した基板４０１側への放射光Ｐ_downも同時に存在する。

ここで、出射角θ_ｑ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。

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、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。

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。

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）。

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。

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。

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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。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。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。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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_ｋ、グレーティング部の長さをｔ_ｋ、グレーティング部の幅をｕ_ｋとする。

グレーティング部の長さｔ_ｋ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_ｋ／ｕ_ｋ＝Ｓ／Ｕ＝ｒ（定数）が成立する。なお、Σ_ｋｕ_ｋ＝Ｕである（但し、Σ_ｋは１〜ｐについての総和を表す）。

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_ｋ）＝Ｔ＋２＊ｒ＊Ｍａｘ（ｕ_ｋ）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。

今、グレーティング要素の幅ｕ_ｋが全て等しい場合には、ｕ_ｋ＝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。

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。

なお、グレーティング要素の幅ｕ_ｋ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。

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。

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）。

グレーティング部１０１ｃを透過する光も存在し（図４Ａ；Ｐ_{ｔｒａｎｓ}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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

−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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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幅方向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、グレーティング要素の光透過側に接続された導波路は、互いに隣接するグレーティング要素の光入力側に接続され、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、グレーティングカプラ。
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幅方向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、周期性を有する１次元格子を備え、グレーティング要素の光透過側に接続された導波路は、互いに隣接するグレーティング要素の光入力側に接続され、互いに隣接する少なくとも一対のグレーティング要素は、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、グレーティングカプラ。
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又は２に記載のグレーティングカプラ。
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３の何れか１項に記載のグレーティングカプラ。