JP7151939B1

JP7151939B1 - グレーティングカプラ

Info

Publication number: JP7151939B1
Application number: JP2022529331A
Authority: JP
Inventors: 洋次郎渡辺; 智志西川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2022-01-11
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2022-10-12
Anticipated expiration: 2042-01-11
Also published as: WO2023135649A1; JPWO2023135649A1

Abstract

本開示に係るグレーティングカプラは、回折格子が設けられた導波路層と、前記導波路層の上に設けられたクラッド層と、を有する基板を備え、前記回折格子からの回折光が出射される前記基板の出射端面は、前記基板の上面と垂直な方向に対して傾斜している。

Description

本開示は、グレーティングカプラに関する。

特許文献１には、半導体基板に形成された回折格子からの光が、半導体基板の上面から出射される光半導体装置が開示されている。特許文献１では、半導体基板の上方から光ファイバを半導体基板の上面に近接させ、回折格子からの光を光ファイバ端面に結合させる。

米国特許第８２８０２０７号公報

特許文献１のような構造では、回折格子から出射する光のビームサイズを光ファイバのモードサイズに適合させることにより、レンズレスで高効率な結合が可能となる。しかし、光回路上に金属ワイヤまたは別チップを配置する場合に、半導体基板の上面に設けられた光ファイバが空間的な障害となり、実装が制約されるおそれがある。

本開示は、部品の実装の自由度を向上できるグレーティングカプラを得ることを目的とする。

本開示に係るグレーティングカプラは、回折格子が設けられた導波路層と、前記導波路層の上に設けられたクラッド層と、を有する基板を備え、前記回折格子からの回折光が出射される前記基板の出射端面は、前記基板の上面と垂直な方向に対して傾斜し、前記回折光は、前記基板の内部を伝搬して前記出射端面に至り、前記回折光は、前記回折格子に対して下方に傾斜した方向に伝搬し、前記出射端面で屈折して、前記出射端面から前記回折格子に沿った方向に出射される。

本開示に係るグレーティングカプラでは、傾斜した出射端面から回折光が出射される。このため、基板の上面に回折光が結合する部材を配置する必要が無く、基板への部品の実装の自由度を向上できる。

実施の形態１に係るグレーティングカプラの斜視図である。実施の形態１に係るグレーティングカプラの平面図である。図２をＡ－Ｂ直線で切断することで得られる断面図である。角度θ、θ_ａ、θ_ｂ、θ_ｃ、θ_ｄを説明する図である。実施の形態１に係るグレーティングカプラの製造方法を説明する図である。実施の形態１に係るグレーティングカプラの製造方法を説明する図である。実施の形態１に係るグレーティングカプラの製造方法を説明する図である。実施の形態１の第１の変形例に係る回折格子を示す図である。実施の形態１の第２の変形例に係る回折格子を示す図である。実施の形態２に係るグレーティングカプラの平面図および断面図である。実施の形態２に係るグレーティングカプラの結合効率を示す図である。実施の形態３に係るグレーティングカプラの斜視図である。実施の形態３に係るグレーティングカプラに光ファイバが実装された状態を示す図である。実施の形態３に係るグレーティングカプラの製造方法を説明する図である。実施の形態３に係るグレーティングカプラの製造方法を説明する図である。実施の形態３に係るグレーティングカプラの製造方法を説明する図である。実施の形態３に係るグレーティングカプラの製造方法を説明する図である。実施の形態３に係るグレーティングカプラの製造方法を説明する図である。実施の形態４に係るグレーティングカプラの光伝搬方向に沿った断面図である。図１９をＩ－Ｊ直線で切断することで得られる断面図である。

各実施の形態に係るグレーティングカプラについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るグレーティングカプラ１００の斜視図である。グレーティングカプラ１００は、例えばフォトニック集積回路（ＰＩＣ：ＰｈｏｔｏｎｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓ）と呼ばれる光学チップに用いられる。グレーティングカプラ１００は基板１を備える。基板１は、例えばＩｎＰ基板である。基板１の上面１ａは（１００）面、側面１ｂは（０－１－１）面、光出射方向の端面１ｃは（０－１１）である。（ｈｋｌ）は、ｈ、ｋ、ｌを整数として結晶面のミラー指数を示す。

図２は、実施の形態１に係るグレーティングカプラ１００の平面図である。図３は図２をＡ－Ｂ直線で切断することで得られる断面図である。基板１は、回折格子４が設けられた導波路層２と、導波路層２の上に設けられたクラッド層３とを有する。導波路層２は例えばＩｎＧａＡｓＰから形成される。クラッド層３は例えばＩｎＰから形成される。回折格子４は、例えばピッチΛが４～１５μｍの長周期回折格子である。

図２に示されるように、回折格子４は端面１ｃに近づくほど幅が広がる。回折格子４を楕円弧等の曲線で形成することにより、回折光のｘ軸方向の集光性を調節できる。従って、出射ビームのサイズおよび焦点深度を用途に適した大きさに調整できる。また、回折格子４が設けられた導波路層２の幅は、端面１ｃに向かって広がることが好ましい。導波路層２のうち等幅の部分では、光は平面波となる。導波路層２の幅が広がるのに従い、回折光７の波面は曲率を有するようになる。この曲率に合わせて回折格子４を形成することにより、良好なビーム品質で光を回折させることができる。

基板１の出射端面５は、回折格子４からの回折光７が出射される面である。出射端面５は、基板１の上面と垂直な方向に対して角度θ_ｂだけ傾斜している。基板１の上面と垂直な方向はｙ軸方向である。出射端面５は下方ほど基板１の内側に入り込むように傾斜している。

回折格子４のピッチΛは、回折格子４の立ち上がりエッジの間の距離である。また、ｗは回折格子４の主歯の線幅であり、ｄは回折格子４の厚さである。例えば１５３０～１５７０ｎｍの動作波長では、典型的なピッチΛは４～１５μｍである。また、典型的な線幅ｗは、サブ回折格子が含まれるか否か、または、回折格子４がいかに設計されているかに応じて、ピッチΛの１０～６０％である。典型的な厚さｄは、０．２～１μｍである。

回折格子４は、基板１を伝搬する光を浅い角度で回折させる。回折光７は、回折格子４に対して下方に傾斜した方向に伝搬し、出射端面５で回折格子４に沿った方向に屈折して、出射端面５から出射される。回折光７の出射方向はｚ軸方向である。出射された回折光７は、例えば光ファイバ８の端面に集束し、光ファイバ８内を導波する。

図４は、角度θ、θ_ａ、θ_ｂ、θ_ｃ、θ_ｄを説明する図である。以下では、基板１内を伝搬する回折光７を回折光７ａ、出射端面５から出射された回折光７を回折光７ｂと記載する場合がある。θは、導波路層２と回折光７ａとの間の角度である。θ_ａは、ｚ軸と回折光７ｂとの間の角度である。θ_ｂは、ｙ軸と出射端面５のなす角度である。θ_ｃは、回折光７ａの出射端面５への入射角である。θ_ｄは、回折光７ｂの出射端面５からの出射角である。

回折角度θ、屈折率およびピッチΛの関係は、式（１）のように表すことができる。

ここで、ｋ_０＝２π／λは真空中の波数ベクトルである。λは真空中の波長である。ｎ_ｅｆｆは導波路層２の実効屈折率である。ｎ_ｓは基板１の屈折率である。ｍは回折次数である。通常、１次回折光が最高結合効率を提供する。このため、実用上の観点からｍ＝１を用いる。

θ_ｃ、θ_ｄ、θ_ａは以下の式で表すことができる。

ここで、ｎ_ａは回折光７ｂが伝搬する媒質の屈折率である。媒質が空気の場合はｎ_ａ＝１である。例えば、１５５０ｎｍの波長における典型的なＩｎＰとして、ｎ_ｓ＝３．１６９、ｎ_ｅｆｆ＝３．２４４、Λ＝４．３μｍ、θ_ｂ＝３５度とする。このとき、θ＝２５度およびθ_ａ＝０度が得られる。つまり、回折光７ｂはｚ軸方向に出射される。

本実施の形態の比較例として、ｙ軸方向に回折光を出力する場合、光ファイバをチップ上方に設置する必要がある。この構成では、光回路上に金属ワイヤまたは別チップ等を配置する場合に、光ファイバが空間的な障害となり、実装が制約される可能性がある。これに対し本実施の形態では、傾斜した出射端面５から回折光７が出射される。このため、基板１の上面１ａに光ファイバ８等の回折光７が結合する部材を配置する必要が無い。従って、基板１への部品の実装の制約を緩和でき、実装の自由度を向上できる。

本実施の形態では、チップの端面１ｃ側に配置した光ファイバ８の導波路に、回折光７をレンズレスで高効率に結合させることができる。特に、水平方向に回折光７が出力されるため、光ファイバ８をｚ軸方向に沿って設置することができる。このため、光ファイバ８の位置調整が容易にできる。

次に、グレーティングカプラ１００の製造方法について説明する。図５から７は、実施の形態１に係るグレーティングカプラ１００の製造方法を説明する図である。まず、図５に示されるように、基板１上に、導波路層２、クラッド層３および回折格子４を含む構造を形成する。次に、図６に示されるように、異方性エッチングにより基板１に凹部を形成する。異方性エッチング工程によれば、凹部を形成する基板１の側面を、規定の角度の傾斜面とすることができる。この傾斜面が出射端面５となる。その後、図７に示されるように、凹部の中央部で、基板１をへき開により分離する。

次に、回折格子４が長周期であることの効果を説明する。回折格子４の周期、つまりピッチΛは、回折光７の回折角度θに依存する。本実施の形態のように、回折光７ａを水平方向に対して浅い角度で回折させる場合、回折格子４は長周期となる。これに対し、ｙ軸方向に近い角度に回折光を回折させる場合、または、導波路層２内にＤＢＲ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラーを形成する場合は、回折格子は短周期となる。

本実施の形態では浅い角度θで回折光７ａが回折するため、回折格子４として長周期回折格子を採用できる。このため、短周期回折格子に比べて回折格子４の露光精度を緩和できる。従って、グレーティングカプラ１００を容易に作製できる。特に、化合物半導体製造プロセスでは、一般にＳｉ製造プロセスに比べて微細加工精度が劣る。このため、短周期回折格子の高精度な形成が困難な場合がある。従って、化合物半導体製造プロセスでは、本実施の形態の長周期回折格子が特に有効となる。

図８は、実施の形態１の第１の変形例に係る回折格子２０４を示す図である。回折格子２０４はピッチΛの回折格子４に加えて、サブ回折格子１４を含む。サブ回折格子１４は、周期が回折格子４より小さい。サブ回折格子１４の設計により、不要な方向への回折を抑制できる。従って、高い結合効率を得ることができる。

図９は、実施の形態１の第２の変形例に係る回折格子３０４を示す図である。回折格子３０４はマルチステップ型である。回折格子３０４において、線幅ｗの主歯に段差構造が形成される。回折格子３０４においても、段差構造の設計により、不要な方向への回折を抑制でき、高い結合効率を得ることができる。

本実施の形態は、光学チップの出力光を光ファイバ等の導波路への結合させるあらゆるシステムに適用できる。導波路層２は、半導体レーザ発振器、半導体光増幅器、電界吸収型光変調器等を含んでも良い。また、回折光７が結合する部材は、光ファイバ８に限らない。また、回折光７ｂの出射方向はｚ軸方向からずれていても良い。

上述した変形は、以下の実施の形態に係るグレーティングカプラについて適宜応用することができる。なお、以下の実施の形態に係るグレーティングカプラについては実施の形態１との共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
図１０は、実施の形態２に係るグレーティングカプラ４００の平面図および断面図である。図１０における断面図は、平面図をＣ－Ｄ直線で切断することで得られるものである。本実施の形態のグレーティングカプラ４００は、回折格子４０４の構造がグレーティングカプラ１００と異なる。他の構造は、実施の形態１の構造と同様である。本実施の形態の回折格子４０４は、平面視での回折光４０７の伝搬方向に沿って、ピッチΛが変化する。また、回折格子４０４は、平面視での回折光４０７の伝搬方向に沿って、曲率半径Ｒが変化する。ここで、平面視での回折光４０７の伝搬方向は、ｚ軸方向である。

グレーティングカプラ４００では、回折格子４０４のピッチΛ_１、Λ_２、Λ_３…を変化させることにより、回折光４０７のｙ軸方向の集光を調整できる。また、回折格子４０４の曲率半径Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３…を変化させることで、回折光４０７のｘ軸方向の集光を調整できる。従って、回折格子４０４のピッチΛと曲率半径Ｒを調節することにより、回折光４０７を光ファイバ８のモードフィールドに合わせて結合させることができる。

本実施の形態では、回折光４０７の集光位置をｘ軸方向とｙ軸方向でＺ１だけ変える。つまり、平面視における回折光４０７の伝搬方向と垂直な方向の集光位置と、基板１の上面と垂直な方向の集光位置はずれている。Ｚ１は非点較差とも呼ばれる。

以下では、光軸がｚ軸と平行であると仮定する。また、回折光４０７はガウシアンビームであると仮定する。ｘ軸方向の集光位置をｚ＝０とすると、ｘ軸方向の特性は以下のように表される。

ここで、ｗ_０ｘは、集光位置におけるスポットサイズである。λは波長である。ｗ_ｘ（ｚ）は、任意の位置ｚにおけるスポットサイズである。Ｒ_ｘ（ｚ）は波面である。

ｙ軸方向の集光位置をｚ＝ｚ_１とすると、ｙ軸方向の特性は以下のように表される。

ここで、ｗ_０ｙは、集光位置におけるスポットサイズである。ｗ_ｙ（ｚ）は、任意の位置ｚにおけるスポットサイズである。Ｒ_ｙ（ｚ）は波面である。

任意の位置ｚに、ｘ軸方向およびｙ軸方向のモードフィールド径がそれぞれ２ｗ_ｗｘ、２ｗ_ｗｙの光ファイバ等の導波路の端面を設置したとする。このとき、回折光４０７の導波路への結合効率η（ｚ）は以下のように表される。

図１１は、実施の形態２に係るグレーティングカプラ４００の結合効率を示す図である。図１１に示される結合効率は、η（ｚ）の最大値をηＭａｘとした規格化結合効率η（ｚ）／ηＭａｘである。例えば、回折光４０７が結合する導波路を典型的なシングルモードファイバとして、λ＝１５５０ｎｍ、ｗ_０ｘ＝ｗ_０ｙ＝５．２μｍ、ｚ_１＝－５０μｍ、ｗ_ｗｘ＝ｗ_ｗｙ＝５．２μｍとする。このとき、η（ｚ）／ηＭａｘは図８の実線のようになる。点線は、ｚ_１＝０、すなわち、回折光４０７の集光位置がｘ軸方向及びｙ軸方向で同じ場合を示す。

図１１に示されるように、回折光４０７のｘ軸方向及びｙ軸方向の集光位置が同じ場合に比べて、差異がある場合は、ｚ軸方向の軸ずれに対して結合効率の変化が小さい。従って本実施の形態では、回折光４０７の光ファイバ等への結合効率の光軸方向のトレランスを高めることができる。

本実施の形態では、回折格子４０４のピッチΛを調整することによりｙ軸方向の集光位置を調整し、曲率半径Ｒを調節することによりｘ軸方向の集光位置を調整する。具体的には、ピッチΛを出射端面５に近づくほど狭くすると良い。これは、出射端面５に近づくほど、回折角度θを大きくすることを意味する。ここで、０＜θ_ｄ＜９０°となるようにする。また、曲率半径Ｒを出射端面５に近づくほど大きくすると良い。

実施の形態３．
図１２は、実施の形態３に係るグレーティングカプラ５００の斜視図である。本実施の形態の基板１には、ｚ軸方向から見て出射端面５が底部となるように、回折光７の伝搬方向での基板１の端面１ｃから溝１０が形成される。他の構成は実施の形態１の構成と同様である。

図１３は、実施の形態３に係るグレーティングカプラ５００に光ファイバ８が実装された状態を示す図である。溝１０には光ファイバ８が配置される。光ファイバ８は、例えば溝１０を形成する基板１の側面１０ａ、底面１０ｂまたはその両方に接するように設置される。溝１０は端面１ｃと平行な断面において例えばＶ字型またはＵ字型である。また、溝１０は図１２に示されるように、端面１ｃ側から見て上底に対して下底が短い台形型等であっても良い。本実施の形態では、溝１０に光ファイバ８を設置できるため、光ファイバ８の実装を容易にできる。

次に、グレーティングカプラ５００の製造方法について説明する。図１４から１８は、実施の形態３に係るグレーティングカプラ５００の製造方法を説明する図である。まず、図１４に示されるように、基板１上に、導波路層２、クラッド層３および回折格子４を形成する。図１５は、図１４をＥ－Ｆ直線で切断することで得られる断面図である。次に、図１６に示されるように、異方性エッチングにより出射端面５を形成する。図１７は、図１６をＧ－Ｈ直線で切断することで得られる断面図である。この異方性エッチングにより、溝１０の側面１０ａおよび底面１０ｂも同時に形成される。次に、図１８に示されるように、両側の出射端面５の中央部で、基板１をへき開により分離する。

実施の形態４．
図１９は、実施の形態４に係るグレーティングカプラ６００の光伝搬方向に沿った断面図である。図２０は、図１９をＩ－Ｊ直線で切断することで得られる断面図である。本実施の形態では、出射端面５に反射防止膜１２が設けられる。反射防止膜１２と光ファイバ８との間には、光ファイバ８の屈折率に応じたマッチング材１３が充填される。他の構成は実施の形態３の構成と同様である。

マッチング材１３は、光ファイバ８を固定するための接着剤を兼ねていても良い。また、反射防止膜１２は、マッチング材１３での反射を抑制するように設計される。マッチング材１３は、例えばＮＴＴ－ＡＴ社製ＧＡ７００Ｈである。

本実施の形態のグレーティングカプラ６００は、出射端面５および光ファイバ８の端面における反射を抑制できる。このため、結合効率を向上できる。

各実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いても良い。

１基板、１ａ上面、１ｂ側面、１ｃ端面、２導波路層、３クラッド層、４回折格子、５出射端面、７、７ａ、７ｂ回折光、８光ファイバ、１０溝、１０ａ側面、１０ｂ底面、１２反射防止膜、１３マッチング材、１４サブ回折格子、１００グレーティングカプラ、２０４、３０４回折格子、４００グレーティングカプラ、４０４回折格子、４０７回折光、５００、６００グレーティングカプラ

Claims

回折格子が設けられた導波路層と、前記導波路層の上に設けられたクラッド層と、を有する基板を備え、
前記回折格子からの回折光が出射される前記基板の出射端面は、前記基板の上面と垂直な方向に対して傾斜し、
前記回折光は、前記基板の内部を伝搬して前記出射端面に至り、
前記回折光は、前記回折格子に対して下方に傾斜した方向に伝搬し、前記出射端面で屈折して、前記出射端面から前記回折格子に沿った方向に出射されることを特徴とするグレーティングカプラ。
平面視での前記回折光の伝搬方向と垂直な方向の集光位置と、前記基板の上面と垂直な方向の集光位置はずれ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。
平面視での前記回折光の伝搬方向に沿って前記回折格子のピッチは変化することを特徴とする請求項２に記載のグレーティングカプラ。
平面視での前記回折光の伝搬方向に沿って前記回折格子の曲率半径は変化することを特徴とする請求項２または３に記載のグレーティングカプラ。
前記基板には、前記出射端面が底部となるように、前記回折光の伝搬方向での前記基板の端面から溝が形成され、
前記溝には前記回折光が結合する部材が配置されることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のグレーティングカプラ。
前記出射端面には反射防止膜が設けられ、
前記反射防止膜と前記回折光が結合する部材との間には、前記部材の屈折率に応じたマッチング材が充填されることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のグレーティングカプラ。