WO2023135649A1 - グレーティングカプラ - Google Patents

グレーティングカプラ Download PDF

Info

Publication number
WO2023135649A1
WO2023135649A1 PCT/JP2022/000563 JP2022000563W WO2023135649A1 WO 2023135649 A1 WO2023135649 A1 WO 2023135649A1 JP 2022000563 W JP2022000563 W JP 2022000563W WO 2023135649 A1 WO2023135649 A1 WO 2023135649A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
diffracted light
diffraction grating
substrate
grating
grating coupler
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/000563
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
洋次郎 渡辺
智志 西川
Original Assignee
三菱電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱電機株式会社 filed Critical 三菱電機株式会社
Priority to JP2022529331A priority Critical patent/JP7151939B1/ja
Priority to PCT/JP2022/000563 priority patent/WO2023135649A1/ja
Publication of WO2023135649A1 publication Critical patent/WO2023135649A1/ja

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/124Geodesic lenses or integrated gratings

Definitions

  • the present disclosure relates to grating couplers.
  • Patent Document 1 discloses an optical semiconductor device in which light from a diffraction grating formed on a semiconductor substrate is emitted from the upper surface of the semiconductor substrate.
  • an optical fiber is brought close to the upper surface of the semiconductor substrate from above, and the light from the diffraction grating is coupled to the end surface of the optical fiber.
  • An object of the present disclosure is to obtain a grating coupler that can improve the degree of freedom in mounting components.
  • a grating coupler includes a substrate having a waveguide layer provided with a diffraction grating and a clad layer provided on the waveguide layer, and diffracted light from the diffraction grating is emitted.
  • the emission end surface of the substrate is inclined with respect to a direction perpendicular to the upper surface of the substrate.
  • diffracted light is emitted from the inclined emission end face. Therefore, there is no need to arrange a member that couples diffracted light on the upper surface of the substrate, and the degree of freedom in mounting components on the substrate can be improved.
  • FIG. 1 is a perspective view of a grating coupler according to Embodiment 1;
  • FIG. 1 is a plan view of a grating coupler according to Embodiment 1;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view obtained by cutting FIG. 2 along a straight line AB. It is a figure explaining angle (theta), (theta) a , (theta) b , (theta) c , (theta) d .
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a method of manufacturing the grating coupler according to the first embodiment;
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a method of manufacturing the grating coupler according to the first embodiment;
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a method of manufacturing the grating coupler according to the first embodiment;
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a method of manufacturing the grating coupler according to the first embodiment;
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a method of manufacturing the
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a method of manufacturing the grating coupler according to the first embodiment
  • FIG. 10 is a diagram showing a diffraction grating according to a first modified example of Embodiment 1
  • FIG. 10 is a diagram showing a diffraction grating according to a second modified example of Embodiment 1
  • 8A and 8B are a plan view and a cross-sectional view of a grating coupler according to a second embodiment
  • FIG. FIG. 10 is a diagram showing the coupling efficiency of a grating coupler according to Embodiment 2
  • FIG. 11 is a perspective view of a grating coupler according to Embodiment 3
  • FIG. 10 is a diagram showing a state in which an optical fiber is mounted on a grating coupler according to Embodiment 3;
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a method of manufacturing a grating coupler according to Embodiment 3;
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a method of manufacturing a grating coupler according to Embodiment 3;
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a method of manufacturing a grating coupler according to Embodiment 3;
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a method of manufacturing a grating coupler according to Embodiment 3;
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a method of manufacturing a grating coupler according to Embodiment 3;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view along the light propagation direction of a grating coupler according to Embodiment 4;
  • FIG. 20 is a cross-sectional view obtained by cutting FIG. 19 along a line IJ.
  • FIG. 1 is a perspective view of a grating coupler 100 according to Embodiment 1.
  • the grating coupler 100 is used, for example, in an optical chip called a Photonic Integrated Circuit (PIC).
  • Grating coupler 100 comprises substrate 1 .
  • the substrate 1 is, for example, an InP substrate.
  • the upper surface 1a of the substrate 1 is the (100) plane, the side surface 1b is the (0-1-1) plane, and the end surface 1c in the light emitting direction is the (0-11) plane.
  • (hkl) denotes the Miller index of the crystal plane, where h, k, and l are integers.
  • FIG. 2 is a plan view of the grating coupler 100 according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 3 is a sectional view obtained by cutting FIG. 2 along line AB.
  • the substrate 1 has a waveguide layer 2 provided with a diffraction grating 4 and a clad layer 3 provided on the waveguide layer 2 .
  • the waveguide layer 2 is made of InGaAsP, for example.
  • the cladding layer 3 is made of InP, for example.
  • the diffraction grating 4 is, for example, a long-period diffraction grating with a pitch ⁇ of 4 to 15 ⁇ m.
  • the width of the diffraction grating 4 increases as it approaches the end surface 1c.
  • the width of the waveguide layer 2 provided with the diffraction grating 4 preferably widens toward the end face 1c. In the portion of the waveguide layer 2 that has the same width, the light becomes a plane wave.
  • the wavefront of the diffracted light 7 has a curvature.
  • the output end surface 5 of the substrate 1 is the surface from which the diffracted light 7 from the diffraction grating 4 is output.
  • the output end face 5 is inclined at an angle ⁇ b with respect to the direction perpendicular to the upper surface of the substrate 1 .
  • the direction perpendicular to the upper surface of the substrate 1 is the y-axis direction.
  • the output end surface 5 is inclined so as to enter the inside of the substrate 1 toward the lower side.
  • the pitch ⁇ of the diffraction grating 4 is the distance between the rising edges of the diffraction grating 4.
  • w is the line width of the main teeth of the diffraction grating 4
  • d is the thickness of the diffraction grating 4 .
  • a typical pitch ⁇ is 4-15 ⁇ m.
  • a typical linewidth w is 10-60% of the pitch ⁇ , depending on whether sub-gratings are included or how the grating 4 is designed.
  • a typical thickness d is 0.2 to 1 ⁇ m.
  • the diffraction grating 4 diffracts light propagating through the substrate 1 at a shallow angle.
  • the diffracted light 7 propagates in a direction inclined downward with respect to the diffraction grating 4 , is refracted at the output end face 5 in a direction along the diffraction grating 4 , and is emitted from the output end face 5 .
  • the exit direction of the diffracted light 7 is the z-axis direction.
  • the emitted diffracted light 7 is focused, for example, on the end surface of the optical fiber 8 and guided through the optical fiber 8 .
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the angles ⁇ , ⁇ a , ⁇ b , ⁇ c , and ⁇ d .
  • the diffracted light 7 propagating through the substrate 1 may be referred to as the diffracted light 7a
  • the diffracted light 7 emitted from the output end face 5 may be referred to as the diffracted light 7b.
  • is the angle between the waveguide layer 2 and the diffracted light 7a.
  • ⁇ a is the angle between the z-axis and the diffracted beam 7b.
  • ⁇ b is the angle between the y-axis and the output end face 5 .
  • ⁇ c is the angle of incidence of the diffracted light 7a on the output end face 5 .
  • ⁇ d is the output angle from the output end face 5 of the diffracted light 7b.
  • Equation (1) The relationship between the diffraction angle ⁇ , refractive index, and pitch ⁇ can be expressed as Equation (1).
  • is the wavelength in vacuum.
  • neff is the effective refractive index of the waveguide layer 2;
  • ns is the refractive index of the substrate 1;
  • m is the diffraction order.
  • ⁇ c , ⁇ d and ⁇ a can be expressed by the following formulas.
  • na is the refractive index of the medium through which the diffracted light 7b propagates.
  • n a 1 when the medium is air.
  • n s 3.169
  • n eff 3.244
  • 4.3 ⁇ m
  • ⁇ b 35 degrees.
  • the diffracted light 7 can be coupled with high efficiency to the waveguide of the optical fiber 8 arranged on the side of the end face 1c of the chip without a lens.
  • the optical fiber 8 can be installed along the z-axis direction. Therefore, the position adjustment of the optical fiber 8 can be easily performed.
  • FIG. 5 to 7 are diagrams for explaining the method of manufacturing the grating coupler 100 according to the first embodiment.
  • a structure including a waveguide layer 2, a clad layer 3 and a diffraction grating 4 is formed on a substrate 1.
  • recesses are formed in the substrate 1 by anisotropic etching.
  • the side surface of the substrate 1 forming the recess can be made to be an inclined surface with a specified angle. This inclined surface becomes the output end surface 5 .
  • the substrate 1 is separated by cleavage at the central portion of the recess.
  • the period of the diffraction grating 4 depends on the diffraction angle ⁇ of the diffracted light 7.
  • FIG. When the diffracted light 7a is diffracted at a shallow angle with respect to the horizontal direction as in this embodiment, the diffraction grating 4 has a long period.
  • the diffracted light is diffracted at an angle close to the y-axis direction, or when a DBR (Distributed Bragg Reflector) mirror is formed in the waveguide layer 2, the diffraction grating has a short period.
  • the diffracted light 7a is diffracted at a shallow angle ⁇
  • a long-period diffraction grating can be used as the diffraction grating 4. Therefore, the exposure accuracy of the diffraction grating 4 can be relaxed compared to the short-period diffraction grating. Therefore, the grating coupler 100 can be easily manufactured.
  • the compound semiconductor manufacturing process is generally inferior to the Si manufacturing process in microfabrication accuracy. Therefore, it may be difficult to form a short-period diffraction grating with high precision. Therefore, the long-period diffraction grating of this embodiment is particularly effective in the compound semiconductor manufacturing process.
  • FIG. 8 is a diagram showing a diffraction grating 204 according to a first modified example of Embodiment 1.
  • FIG. The diffraction grating 204 includes a sub-grating 14 in addition to the diffraction grating 4 of pitch ⁇ .
  • the sub-grating 14 has a smaller period than the diffraction grating 4 . Diffraction in unnecessary directions can be suppressed by designing the sub-diffraction grating 14 . Therefore, high coupling efficiency can be obtained.
  • FIG. 9 is a diagram showing a diffraction grating 304 according to a second modified example of the first embodiment.
  • Diffraction grating 304 is of a multi-step type.
  • a stepped structure is formed on the main teeth with the line width w.
  • the stepped structure by designing the stepped structure, diffraction in unnecessary directions can be suppressed, and high coupling efficiency can be obtained.
  • This embodiment can be applied to any system that couples the output light of an optical chip to a waveguide such as an optical fiber.
  • the waveguide layer 2 may include a semiconductor laser oscillator, a semiconductor optical amplifier, an electro-absorption optical modulator, and the like.
  • the member with which the diffracted light 7 is coupled is not limited to the optical fiber 8 .
  • the exit direction of the diffracted light 7b may deviate from the z-axis direction.
  • Embodiment 2. 10A and 10B are a plan view and a cross-sectional view of a grating coupler 400 according to the second embodiment.
  • the cross-sectional view in FIG. 10 is obtained by cutting the plan view along line CD.
  • Grating coupler 400 of this embodiment differs from grating coupler 100 in the structure of diffraction grating 404 .
  • Other structures are the same as those of the first embodiment.
  • the pitch ⁇ changes along the propagation direction of the diffracted light 407 in plan view.
  • the diffraction grating 404 has a radius of curvature R that changes along the propagation direction of the diffracted light 407 in plan view.
  • the propagation direction of the diffracted light 407 in plan view is the z-axis direction.
  • the diffracted light 407 can be coupled into the mode field of the optical fiber 8.
  • the condensing position of the diffracted light 407 is changed by Z1 between the x-axis direction and the y-axis direction. That is, the condensing position in the direction perpendicular to the propagation direction of the diffracted light 407 in plan view is shifted from the condensing position in the direction perpendicular to the upper surface of the substrate 1 .
  • Z1 is also called astigmatism.
  • the optical axis is parallel to the z-axis.
  • w 0x is the spot size at the focus position.
  • is the wavelength.
  • w x (z) is the spot size at any position z.
  • R x (z) is the wavefront.
  • w 0y is the spot size at the focus position.
  • w y (z) is the spot size at any position z.
  • R y (z) is the wavefront.
  • FIG. 11 is a diagram showing the coupling efficiency of grating coupler 400 according to the second embodiment.
  • the coupling efficiency shown in FIG. 11 is normalized coupling efficiency ⁇ (z)/ ⁇ Max, where ⁇ Max is the maximum value of ⁇ (z).
  • ⁇ (z)/ ⁇ Max becomes like the solid line in FIG.
  • the tolerance in the optical axis direction of the coupling efficiency of the diffracted light 407 to the optical fiber or the like can be increased.
  • the pitch ⁇ of the diffraction grating 404 is adjusted to adjust the y-axis direction condensing position, and the curvature radius R is adjusted to adjust the x-axis direction condensing position.
  • the pitch .LAMBDA is adjusted to adjust the diffraction angle ⁇ as the output end face 5 is approached.
  • 0 ⁇ d ⁇ 90° is set.
  • FIG. 12 is a perspective view of a grating coupler 500 according to Embodiment 3.
  • FIG. 10 is formed from the end surface 1c of the substrate 1 in the propagation direction of the diffracted light 7 so that the output end surface 5 becomes the bottom when viewed from the z-axis direction.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing a state in which the optical fiber 8 is mounted on the grating coupler 500 according to the third embodiment.
  • An optical fiber 8 is arranged in the groove 10 .
  • the optical fiber 8 is installed, for example, in contact with the side surface 10a, the bottom surface 10b, or both of the substrate 1 forming the groove 10.
  • the groove 10 is, for example, V-shaped or U-shaped in cross section parallel to the end face 1c. Further, as shown in FIG. 12, the groove 10 may be trapezoidal or the like in which the lower base is shorter than the upper base when viewed from the end surface 1c side. In this embodiment, since the optical fiber 8 can be installed in the groove 10, the mounting of the optical fiber 8 can be facilitated.
  • FIG. 14 to 18 are diagrams for explaining the manufacturing method of the grating coupler 500 according to the third embodiment.
  • a waveguide layer 2, a cladding layer 3 and a diffraction grating 4 are formed on a substrate 1.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view obtained by cutting FIG. 14 along a straight line EF.
  • an emission end face 5 is formed by anisotropic etching.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view obtained by cutting FIG. 16 along line GH. This anisotropic etching also forms the side surface 10a and the bottom surface 10b of the groove 10 at the same time.
  • the substrate 1 is separated by cleaving at the central portions of the emission end faces 5 on both sides.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view along the light propagation direction of the grating coupler 600 according to the fourth embodiment.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view obtained by cutting FIG. 19 along line IJ.
  • an antireflection film 12 is provided on the exit facet 5 .
  • a matching material 13 corresponding to the refractive index of the optical fiber 8 is filled between the antireflection film 12 and the optical fiber 8 .
  • Other configurations are the same as those of the third embodiment.
  • the matching material 13 may also serve as an adhesive for fixing the optical fiber 8 . Also, the antireflection film 12 is designed to suppress reflection from the matching material 13 .
  • the matching material 13 is, for example, GA700H manufactured by NTT-AT.
  • the grating coupler 600 of the present embodiment can suppress reflection on the output end face 5 and the end face of the optical fiber 8 . Therefore, the coupling efficiency can be improved.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)

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

グレーティングカプラ
 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ている。
 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、θ、θ、θ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:Photonic Integrated Circuits)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、θ、θ、θ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は、z軸と回折光7bとの間の角度である。θは、y軸と出射端面5のなす角度である。θは、回折光7aの出射端面5への入射角である。θ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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、k=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。neffは導波路層2の実効屈折率である。n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、θ、θは以下の式で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 
 ここで、n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=1である。例えば、1550nmの波長における典型的なInPとして、n=3.169、neff=3.244、Λ=4.3μm、θ=35度とする。このとき、θ=25度およびθ=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(Distributed Bragg Reflector)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、Λ、Λ…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、R、R…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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 ここで、w0x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(z)は、任意の位置zにおけるスポットサイズである。R(z)は波面である。
 y軸方向の集光位置をz=zとすると、y軸方向の特性は以下のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 ここで、w0yは、集光位置におけるスポットサイズである。w(z)は、任意の位置zにおけるスポットサイズである。R(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2wwx、2wwy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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 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、w0x=w0y=5.2μm、z=-50μm、wwx=wwy=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=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<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 (7)

  1.  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ことを特徴とするグレーティングカプラ。
  2.  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、前記出射端面で前記回折格子に沿った方向に屈折して前記出射端面から出射され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。
  3.  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または2に記載のグレーティングカプラ。
  4.  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3に記載のグレーティングカプラ。
  5.  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3または4に記載のグレーティングカプラ。
  6.  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5の何れか1項に記載のグレーティングカプラ。
  7.  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6の何れか1項に記載のグレーティングカプラ。
PCT/JP2022/000563 2022-01-11 2022-01-11 グレーティングカプラ WO2023135649A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022529331A JP7151939B1 (ja) 2022-01-11 2022-01-11 グレーティングカプラ
PCT/JP2022/000563 WO2023135649A1 (ja) 2022-01-11 2022-01-11 グレーティングカプラ

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2022/000563 WO2023135649A1 (ja) 2022-01-11 2022-01-11 グレーティングカプラ

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023135649A1 true WO2023135649A1 (ja) 2023-07-20

Family

ID=83593734

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2022/000563 WO2023135649A1 (ja) 2022-01-11 2022-01-11 グレーティングカプラ

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP7151939B1 (ja)
WO (1) WO2023135649A1 (ja)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009288718A (ja) * 2008-05-30 2009-12-10 Kyoto Institute Of Technology 共振グレーティングカップラ
CN102540349A (zh) * 2012-01-18 2012-07-04 中北大学 光纤与光波导芯片高效垂直耦合互连的封装方法
US20130209026A1 (en) * 2012-02-10 2013-08-15 International Business Machines Corporation Through-substrate optical coupling to photonics chips
JP2017090680A (ja) * 2015-11-10 2017-05-25 富士通株式会社 光配線接続構造、及び光配線接続方法
US20180156992A1 (en) * 2016-12-06 2018-06-07 Finisar Corporation Surface coupled laser and laser optical interposer
US20180231732A1 (en) * 2017-02-14 2018-08-16 Institut National D'optique Photonic chip having a monolithically integrated reflector unit and method of manufacturing a reflector unit
JP2018146681A (ja) * 2017-03-02 2018-09-20 住友電気工業株式会社 光学装置、スタブデバイス

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5338652B2 (ja) * 2009-12-22 2013-11-13 日本電気株式会社 光結合器
CN103837937B (zh) * 2014-03-19 2016-06-15 清华大学深圳研究生院 棱镜-光栅光波导耦合器及光波导设备
JP7145436B2 (ja) * 2017-12-27 2022-10-03 パナソニックIpマネジメント株式会社 光学装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009288718A (ja) * 2008-05-30 2009-12-10 Kyoto Institute Of Technology 共振グレーティングカップラ
CN102540349A (zh) * 2012-01-18 2012-07-04 中北大学 光纤与光波导芯片高效垂直耦合互连的封装方法
US20130209026A1 (en) * 2012-02-10 2013-08-15 International Business Machines Corporation Through-substrate optical coupling to photonics chips
JP2017090680A (ja) * 2015-11-10 2017-05-25 富士通株式会社 光配線接続構造、及び光配線接続方法
US20180156992A1 (en) * 2016-12-06 2018-06-07 Finisar Corporation Surface coupled laser and laser optical interposer
US20180231732A1 (en) * 2017-02-14 2018-08-16 Institut National D'optique Photonic chip having a monolithically integrated reflector unit and method of manufacturing a reflector unit
JP2018146681A (ja) * 2017-03-02 2018-09-20 住友電気工業株式会社 光学装置、スタブデバイス

Also Published As

Publication number Publication date
JP7151939B1 (ja) 2022-10-12
JPWO2023135649A1 (ja) 2023-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210351562A1 (en) Optical device having a substrate and a laser unit that emits light into the substrate
US10921525B2 (en) Grating coupler and integrated grating coupler system
US10663680B2 (en) Surface coupled laser and laser optical interposer
EP2626731B1 (en) An optical coupling arrangement
US11650371B2 (en) Grating coupler and integrated grating coupler system
US10992104B2 (en) Dual layer grating coupler
US10830951B2 (en) Optical circuit and optical device
US11204467B2 (en) Integrated grating coupler
JP7170923B2 (ja) 集積回折格子結合器システム
JP7151939B1 (ja) グレーティングカプラ
US20110110391A1 (en) Semiconductor laser diode having waveguide lens
JP2006054412A (ja) 可変光偏向器を用いた波長可変型外部共振レーザダイオード
JPH08162711A (ja) 半導体レーザ及び光学フィルタ

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2022529331

Country of ref document: JP

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22920175

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1