JP2013064940A - Diffraction grating type optical coupler - Google Patents
Diffraction grating type optical coupler Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013064940A JP2013064940A JP2011204594A JP2011204594A JP2013064940A JP 2013064940 A JP2013064940 A JP 2013064940A JP 2011204594 A JP2011204594 A JP 2011204594A JP 2011204594 A JP2011204594 A JP 2011204594A JP 2013064940 A JP2013064940 A JP 2013064940A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical waveguide
- diffraction grating
- excitation light
- silicon
- light
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
- Withdrawn
Links
Landscapes
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
Description
この発明は、光ファイバ等からの出力光をシリコン細線型光導波路に入力させ、あるいはシリコン細線型光導波路からの出力光を光ファイバ等へ入力させるための回折格子型光結合器に関する。 The present invention relates to a diffraction grating type optical coupler for inputting output light from an optical fiber or the like into a silicon fine wire type optical waveguide or inputting output light from a silicon fine wire type optical waveguide into an optical fiber or the like.
近年、小型化及び量産性に優れるシリコン(Si)を導波路素材とするシリコン細線型光導波路が注目されている。さらに、シリコン細線型光導波路を利用すれば、光デバイスと電子デバイスを同一チップに融合させて形成することが可能となる。シリコン光導波路(コア)をシリコンよりも屈折率の小さい素材で囲む構成の光導波路をシリコン細線型光導波路と呼ぶ。シリコンよりも屈折率の小さい素材とは、例えば、酸化シリコン(SiO2)等である。 2. Description of the Related Art In recent years, a silicon fine wire type optical waveguide using silicon (Si), which is excellent in miniaturization and mass productivity, as a waveguide material has attracted attention. Furthermore, if a silicon fine wire type optical waveguide is used, it becomes possible to form an optical device and an electronic device by fusing them on the same chip. An optical waveguide having a configuration in which a silicon optical waveguide (core) is surrounded by a material having a refractive index smaller than that of silicon is referred to as a silicon fine wire type optical waveguide. The material having a refractive index smaller than that of silicon is, for example, silicon oxide (SiO 2 ).
シリコン細線型光導波路において、コアを形成するシリコンとクラッドを構成する酸化シリコンの屈折率差はきわめて大きい。そのため、導波光の光電場成分のほとんどをコアに閉じ込めることが可能であり、コアの断面寸法をサブミクロン程度と極めて細く形成することができる。 In a silicon fine wire type optical waveguide, the refractive index difference between silicon forming the core and silicon oxide forming the cladding is very large. For this reason, most of the photoelectric field component of the guided light can be confined in the core, and the cross-sectional dimension of the core can be formed as thin as about submicron.
また、シリコンと酸化シリコンの屈折率差が大きいので、シリコン光導波路の曲げ半径を小さくして形成しても、この曲げ部分でシリコン光導波路から導波光がクラッド側に漏れ出ることはほとんどない。すなわち、シリコン光導波路の曲げ半径を小さくして形成しても、導波路損失が小さいままに保たれる。例えば、曲げ半径を1μm程度まで小さくしても、シリコン光導波路の直線導波路部分における導波路損失とほとんど変わらない。 Further, since the refractive index difference between silicon and silicon oxide is large, even if the bending radius of the silicon optical waveguide is made small, the waveguide light hardly leaks from the silicon optical waveguide to the clad side at this bent portion. In other words, even if the bending radius of the silicon optical waveguide is reduced, the waveguide loss is kept small. For example, even if the bending radius is reduced to about 1 μm, it is almost the same as the waveguide loss in the straight waveguide portion of the silicon optical waveguide.
このように、シリコン光導波路の曲げ半径を小さく形成することが可能であることから、シリコン細線型光導波路により形成される光デバイスは、シリコン電子デバイスと同程度の大きさに形成できる。 As described above, since the bending radius of the silicon optical waveguide can be reduced, the optical device formed by the silicon fine wire type optical waveguide can be formed in the same size as the silicon electronic device.
しかしながら、シリコン細線型光導波路を利用して形成された光デバイスに入出力される光を、光ファイバ、発光素子、あるいは受光素子等の外部素子に対して効率よく結合させるには、シリコン光導波路のコアの寸法を、外部から入出力される光束の寸法まで拡大する必要がある。すなわち、シリコン光導波路へ外部から入力される光を効率よく取り込み、及びシリコン光導波路から外部の光ファイバ等へ出力される光を低結合損失で結合させるには、シリコン光導波路のコアの寸法と外部から入出力される光束の寸法を同じ程度にする必要がある。 However, in order to efficiently couple light input / output to / from an optical device formed using a thin silicon optical waveguide to an external element such as an optical fiber, a light emitting element, or a light receiving element, the silicon optical waveguide It is necessary to expand the size of the core to the size of the light flux input / output from the outside. That is, in order to efficiently capture light input from the outside into the silicon optical waveguide and to couple light output from the silicon optical waveguide to an external optical fiber or the like with low coupling loss, the dimensions of the core of the silicon optical waveguide The dimensions of the light flux input / output from the outside must be the same.
このための方策として、これまで、様々な光結合器が検討されてきた。例えば、シリコン光導波路のコアの幅を調整するスポットサイズ変換光導波路が開示されている。(特許文献1〜3参照)。あるいは、シリコン光導波路のコアの厚みをテーパ状の形成したスポットサイズ変換光導波路の作成方法も開示されている(特許文献4あるいは5参照)。また、シリコン光導波路のクラッドを二重クラッド構造としたスポットサイズ変換器が開示されている(特許文献6参照)。 As a measure for this, various optical couplers have been studied so far. For example, a spot size conversion optical waveguide that adjusts the width of the core of a silicon optical waveguide is disclosed. (See Patent Documents 1 to 3). Alternatively, a method of creating a spot size conversion optical waveguide in which the core thickness of the silicon optical waveguide is formed in a tapered shape is also disclosed (see Patent Document 4 or 5). In addition, a spot size converter is disclosed in which the clad of the silicon optical waveguide has a double clad structure (see Patent Document 6).
さらに、クラッドの屈折率とコアの屈折率差である比屈折率差が段階的に変化するように、比屈折率差の異なる光導波路を並べて構成された光結合器が開示されている(特許文献7参照)。また、回折格子を用いた光結合器が開示されている(特許文献8〜10参照)。 Furthermore, an optical coupler is disclosed in which optical waveguides having different relative refractive index differences are arranged so that the relative refractive index difference that is the difference between the refractive index of the cladding and the refractive index of the core changes stepwise (patent). Reference 7). In addition, an optical coupler using a diffraction grating is disclosed (see Patent Documents 8 to 10).
近年、光デバイスはその構成が複雑かつ精密化されており、製造工程において高いコストが発生する状況となっている。そこで、低コストで上述のような光デバイスが製造される技術が求められている。 In recent years, the configuration of optical devices has become complicated and precise, and high costs are generated in the manufacturing process. Therefore, there is a demand for a technique for manufacturing the above-described optical device at a low cost.
上述のシリコン細線型光導波路により形成される光デバイスも、外部からこの光デバイスに光を入出力させるための光結合器を含めて、製造工程が少ない簡便な方法を以って低コストで形成されることが要請される。 The optical device formed by the above-mentioned silicon thin wire type optical waveguide is also formed at a low cost by a simple method with few manufacturing processes, including an optical coupler for inputting / outputting light to / from the optical device from the outside. It is requested to be done.
上述の特許文献8〜10に開示された回折格子を利用する光結合器の構成は、シリコン光導波路が形成されている層とは異なる層に、光結合機能部分である回折格子が形成されている。しかしながら、このようにシリコン光導波路と回折格子が異なる層に形成するには、少なくとも、シリコン光導波路を形成する工程と回折格子を形成する工程とを別々に実行することが必要となる。このため製造工程が多くなり、簡便に形成することができない。 In the configuration of the optical coupler using the diffraction grating disclosed in the above-mentioned Patent Documents 8 to 10, the diffraction grating as the optical coupling functional part is formed in a layer different from the layer in which the silicon optical waveguide is formed. Yes. However, in order to form the silicon optical waveguide and the diffraction grating in different layers as described above, it is necessary to separately execute at least the step of forming the silicon optical waveguide and the step of forming the diffraction grating. For this reason, a manufacturing process increases and it cannot form easily.
この発明の発明者は、鋭意研究した結果、光結合機能部分の形状を工夫することで、シリコン光導波路と、光結合機能部分となる回折格子部とを同一の層に形成し、しかも高効率な光結合が可能な回折格子型光結合器を実現できることを確信した。すなわち、シリコン光導波路の一部を含んで回折格子部を形成し、あるいは回折格子部をシリコン光導波路の途中に組み込んで、この回折格子部を介して外部との光の入出力を可能とする光結合器の構成を見出した。 As a result of intensive research, the inventor of the present invention has devised the shape of the optical coupling functional part to form the silicon optical waveguide and the diffraction grating part to be the optical coupling functional part in the same layer, and has high efficiency. We were convinced that we could realize a diffraction grating type optical coupler capable of optical coupling. That is, a diffraction grating part is formed including a part of the silicon optical waveguide, or the diffraction grating part is incorporated in the middle of the silicon optical waveguide, and light can be input / output through the diffraction grating part. The configuration of the optical coupler was found.
シリコン光導波路と回折格子が同一の層に形成される構成とし、シリコン光導波路の形成と回折格子の形成とを一括して実行できれば工程の数を減らすことができ、低コストで簡便に光結合器を形成することが可能となる。 If the silicon optical waveguide and the diffraction grating are formed in the same layer, and the silicon optical waveguide formation and diffraction grating formation can be performed at once, the number of processes can be reduced, and optical coupling can be easily performed at low cost. A vessel can be formed.
すなわち、この発明は、低コストで簡便に形成することが可能であり、しかも結合効率が実用に供するに十分な大きさを有する回折格子型光結合器を提供することを目的とする。 That is, an object of the present invention is to provide a diffraction grating type optical coupler that can be easily formed at low cost and has a coupling efficiency that is sufficient for practical use.
この発明の要旨によれば、上述の目的を達成するため、回折格子型光結合器は、以下の特徴を具えている。 According to the gist of the present invention, in order to achieve the above object, the diffraction grating type optical coupler has the following features.
この発明の第1の回折格子型光結合器は、導波路幅が周期的に変化する部分を有するシリコン光導波路と、導波路幅が周期的に変化する部分の両側に、シリコン光導波路と平行かつ周期的に設けられた複数のサブ光導波路とを備えている。そして、シリコン光導波路と複数のサブ光導波路とにより第1回折格子が構成され、シリコン光導波路の導波路幅が周期的に変化する部分により第2回折格子が構成される。 The first diffraction grating type optical coupler of the present invention includes a silicon optical waveguide having a portion where the waveguide width periodically changes, and a silicon optical waveguide parallel to both sides of the portion where the waveguide width periodically changes. And a plurality of sub optical waveguides provided periodically. The silicon optical waveguide and the plurality of sub optical waveguides constitute a first diffraction grating, and the second diffraction grating is constituted by a portion where the waveguide width of the silicon optical waveguide periodically changes.
シリコン光導波路を伝播する光は、第1回折格子により第1励起光として励起された後、第1励起光が第2励起光として励起されて、第2励起光が外部へ出力される。一方、外部から入力される光は、第2回折格子により第2励起光として励起された後、第2励起光が第1励起光として励起されて、第1励起光がシリコン光導波路を伝播する。 The light propagating through the silicon optical waveguide is excited as the first excitation light by the first diffraction grating, and then the first excitation light is excited as the second excitation light, and the second excitation light is output to the outside. On the other hand, light input from the outside is excited as second excitation light by the second diffraction grating, and then the second excitation light is excited as the first excitation light, and the first excitation light propagates through the silicon optical waveguide. .
この発明の第2の回折格子型光結合器は、導波路幅が周期的に変化する部分を有する複数のサブ光導波路が平行かつ周期的に並べられている。そして、複数のサブ光導波路が平行かつ周期的に並べられることにより第1回折格子が形成され、複数のサブ光導波路の導波路幅が周期的に変化していることにより第2回折格子が形成される。第1回折格子と第2回折格子とで回折格子部が構成され、この回折格子部がシリコン光導波路の途中に組み込んで構成されている。 In the second diffraction grating type optical coupler of the present invention, a plurality of sub optical waveguides having portions where the waveguide width periodically changes are arranged in parallel and periodically. The first diffraction grating is formed by arranging the plurality of sub optical waveguides in parallel and periodically, and the second diffraction grating is formed by changing the waveguide width of the plurality of sub optical waveguides periodically. Is done. The first diffraction grating and the second diffraction grating constitute a diffraction grating part, and this diffraction grating part is built in the middle of the silicon optical waveguide.
シリコン光導波路を伝播する光は、第1回折格子により第1励起光として励起された後、第1励起光が第2励起光として励起されて、第2励起光が外部へ出力される。一方、外部から入力される光は、第2回折格子により第2励起光として励起された後、第2励起光が第1励起光として励起されて、第1励起光がシリコン光導波路を伝播する。 The light propagating through the silicon optical waveguide is excited as the first excitation light by the first diffraction grating, and then the first excitation light is excited as the second excitation light, and the second excitation light is output to the outside. On the other hand, light input from the outside is excited as second excitation light by the second diffraction grating, and then the second excitation light is excited as the first excitation light, and the first excitation light propagates through the silicon optical waveguide. .
この発明の第1及び第2の回折格子型光結合器によれば、いずれも第1及び第2回折格子と外部から入力される光あるいは外部へ出力される光を導波するシリコン光導波路とは同一の層に形成された構成とされているので、シリコン光導波路の形成と回折格子の形成を一括して実行することが可能となる。したがって、製造工程の数を減らすことができ、低コストで簡便に形成できる回折格子型光結合器を提供することが可能となる。 According to the first and second diffraction grating type optical couplers of the present invention, both the first and second diffraction gratings and the silicon optical waveguide for guiding the light input from the outside or the light output to the outside, Since they are configured to be formed in the same layer, it is possible to collectively form the silicon optical waveguide and the diffraction grating. Therefore, it is possible to provide a diffraction grating type optical coupler that can reduce the number of manufacturing steps and can be easily formed at low cost.
また、回折格子部が第1回折格子と第2回折格子とで構成されていることにより、外部から入力される光の伝播方向と回折格子部に接続されているシリコン光導波路の伝播方向とが直交する方向であっても、高効率な光結合が可能な回折格子型光結合器が実現される。 Further, since the diffraction grating part is composed of the first diffraction grating and the second diffraction grating, the propagation direction of the light input from the outside and the propagation direction of the silicon optical waveguide connected to the diffraction grating part are A diffraction grating type optical coupler capable of high-efficiency optical coupling even in the orthogonal direction is realized.
以下、図を参照して、この発明の実施形態につき説明する。なお、各図は、この実施形態に係る一構成例を示すものであり、この発明の実施形態が理解できる程度に各構成要素の配置関係等を概略的に示しているに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の構成素材及び設計条件等を用いることがあるが、これら構成素材及び設計条件等は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。また、各図において同様の構成要素については、同一の番号を付して示し、その重複する説明を省略することもある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Each drawing shows an example of the configuration according to this embodiment, and only schematically shows the arrangement relationship of each component to the extent that the embodiment of the present invention can be understood. Is not limited to the illustrated example. In the following description, specific constituent materials, design conditions, and the like may be used. However, these constituent materials, design conditions, and the like are only suitable examples, and are not limited to these. Moreover, in each figure, the same component is shown with the same number, and the overlapping description may be omitted.
<第1の回折格子型光結合器>
図1(A)及び(B)〜図4を参照して、この発明の実施形態の第1の回折格子型光結合器の構成について説明する。図1(A)は、第1の回折格子型光結合器の構造を示す概略的斜視図である。また、図1(B)は、回折格子部の導波路パターンを拡大して示す概略的平面図である。
<First diffraction grating type optical coupler>
The configuration of the first diffraction grating optical coupler according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 (A) and (B) to FIG. FIG. 1A is a schematic perspective view showing the structure of the first diffraction grating type optical coupler. FIG. 1B is an enlarged schematic plan view showing the waveguide pattern of the diffraction grating portion.
図1(A)及び(B)に示すように、第1の回折格子型光結合器は、次のように構成されている。 As shown in FIGS. 1A and 1B, the first diffraction grating type optical coupler is configured as follows.
シリコン基板10上に、光導波路パターン構造体12が積層されている。光導波路パターン構造体12は、Siを素材とする光導波路パターンとこの光導波路パターンをコアとして取り囲むSiO2クラッド層からなる。 An optical waveguide pattern structure 12 is laminated on the silicon substrate 10. The optical waveguide pattern structure 12 includes an optical waveguide pattern made of Si and a SiO 2 cladding layer surrounding the optical waveguide pattern as a core.
ここで、第1の回折格子型光結合器を構成する光導波路パターンにつき説明する。光導波路パターンには、入出力用シリコン光導波路22、回折格子部14を構成するシリコン光導波路26、第1光導波路ループ16、第2光導波路ループ18、及び光導波路ループ結合部20が含まれている。シリコンをコアとして、このコアを酸化シリコン材で囲んで構成される構造体であるので、混乱が生じない範囲で、総称してシリコン光導波路ということもある。 Here, the optical waveguide pattern constituting the first diffraction grating type optical coupler will be described. The optical waveguide pattern includes the input / output silicon optical waveguide 22, the silicon optical waveguide 26 constituting the diffraction grating portion 14, the first optical waveguide loop 16, the second optical waveguide loop 18, and the optical waveguide loop coupling portion 20. ing. Since the structure is formed by surrounding silicon with a silicon oxide material using silicon as a core, it may be collectively referred to as a silicon optical waveguide within a range where no confusion occurs.
シリコン光導波路26の一部分30(図1(B)に矩形の破線で囲って示してある)の両側に複数のサブ光導波路24を並列に並べて、第1回折格子28が形成されている。サブ光導波路24の導波方向に対して垂直の方向の屈折率分布が周期的に変化する構造となり、回折格子としての機能が発現する。この領域が第1回折格子28となっている(図1(B)に矩形の破線で囲って示してある)。シリコン光導波路26の一部分30には、光ファイバ34を伝播して外部から入力される光あるいは光ファイバ34を伝播するように外部へ出力される光が導波される。 A first diffraction grating 28 is formed by arranging a plurality of sub optical waveguides 24 in parallel on both sides of a part 30 of the silicon optical waveguide 26 (indicated by a rectangular broken line in FIG. 1B). A refractive index distribution in a direction perpendicular to the waveguide direction of the sub optical waveguide 24 is periodically changed, and a function as a diffraction grating is exhibited. This region is the first diffraction grating 28 (indicated by a rectangular broken line in FIG. 1B). A portion 30 of the silicon optical waveguide 26 guides light that is transmitted from the outside through the optical fiber 34 or light that is output to the outside so as to propagate through the optical fiber 34.
シリコン光導波路26の一部分30の導波路幅は周期的に変化している。シリコン光導波路26の一部分30の導波路幅を周期的に変化させると、このシリコン光導波路26の一部分30の等価屈折率が該シリコン光導波路26の導波方向に周期的に変化する構造となり、回折格子としての機能が発現する。この領域(図1(B)に矩形の破線で囲って示してある)が第2回折格子32となっている。 The waveguide width of the portion 30 of the silicon optical waveguide 26 changes periodically. When the waveguide width of the portion 30 of the silicon optical waveguide 26 is periodically changed, the equivalent refractive index of the portion 30 of the silicon optical waveguide 26 is periodically changed in the waveguide direction of the silicon optical waveguide 26. The function as a diffraction grating appears. This region (indicated by a rectangular broken line in FIG. 1B) is the second diffraction grating 32.
回折格子部14は、第1回折格子28と第2回折格子32とによって構成されている。第1回折格子28と第2回折格子32は、互いに屈折率分布の周期が形成される方向が直交しているので、第1回折格子28で励起される第1励起光の伝播方向と第2回折格子32で励起される第2励起光の伝播方向とは直交する。このことによって、回折格子部14に外部から入力される光あるいはこの回折格子部14から外部に出力される光の伝播方向と、この回折格子部で結合されるシリコン光導波路26を導波する光の伝播方向とが直交する関係にあっても高い結合効率が実現される。 The diffraction grating portion 14 is constituted by a first diffraction grating 28 and a second diffraction grating 32. Since the first diffraction grating 28 and the second diffraction grating 32 are orthogonal to each other in the direction in which the period of the refractive index distribution is formed, the propagation direction of the first excitation light excited by the first diffraction grating 28 and the second The propagation direction of the second excitation light excited by the diffraction grating 32 is orthogonal. As a result, the propagation direction of the light input from the outside to the diffraction grating part 14 or the light output from the diffraction grating part 14 to the outside, and the light guided through the silicon optical waveguide 26 coupled by the diffraction grating part High coupling efficiency can be achieved even if the propagation direction of each is orthogonal.
第1回折格子28の構成部分となっているシリコン光導波路26の一方の端(シリコン光導波路の一部分30の一方の端)に第1光導波路ループ16が接続され、他端に第2光導波路ループ18が接続されている。そして、第1光導波路ループ16と第2光導波路ループ18は、光導波路ループ結合部20で結合される。光導波路ループ結合部20には、入出力用シリコン光導波路22が接続されている。 The first optical waveguide loop 16 is connected to one end of the silicon optical waveguide 26 (one end of the portion 30 of the silicon optical waveguide) constituting the first diffraction grating 28, and the second optical waveguide is connected to the other end. Loop 18 is connected. The first optical waveguide loop 16 and the second optical waveguide loop 18 are coupled by an optical waveguide loop coupling unit 20. An input / output silicon optical waveguide 22 is connected to the optical waveguide loop coupling portion 20.
外部から取り込まれる光は、回折格子部14の第1回折格子28によって第1励起光として励起され、図1(B)に示すように、第1励起光は、Q1及びQ2と示す方向に伝播する導波光として生成される。すなわち第1励起光は、回折格子部14の屈折率分布の周期が形成されている方向に伝播する。 The light taken from the outside is excited as the first excitation light by the first diffraction grating 28 of the diffraction grating section 14, and the first excitation light is in the directions indicated by Q 1 and Q 2 as shown in FIG. It is generated as guided light propagating to. That is, the first excitation light propagates in the direction in which the period of the refractive index distribution of the diffraction grating portion 14 is formed.
第1励起光が回折格子部14の第2回折格子32によって第2励起光として励起されP1及びP2と示す方向に伝播する導波光として生成される。すなわち第2励起光は、第2回折格子32の屈折率分布の周期が形成されている方向に伝播する。そして、第2励起光は、シリコン光導波路26、第1光導波路ループ16及び第2光導波路ループ18を伝播して、光導波路ループ結合部20で合波されて入出力用シリコン光導波路22へ取り込まれる。 First excitation light is generated as guided light propagating in the direction indicated with the excited P 1 and P 2 as the second excitation light by the second diffraction grating 32 of the diffraction grating portion 14. That is, the second excitation light propagates in the direction in which the period of the refractive index distribution of the second diffraction grating 32 is formed. Then, the second excitation light propagates through the silicon optical waveguide 26, the first optical waveguide loop 16, and the second optical waveguide loop 18, and is combined at the optical waveguide loop coupling portion 20 to the input / output silicon optical waveguide 22. It is captured.
シリコン光導波路26の一部分30を伝播する光の電場成分の、方向性光結合器の作用でシリコン光導波路26の両側に設けられているサブ光導波路24に洩れ出る量を少なくするため、サブ光導波路24の幅D2とシリコン光導波路26の幅D1とは相異なる値に設定してある。すなわち、光ファイバ34から回折格子部14に入力される入力光が、シリコン光導波路26に集中して導波されるように、サブ光導波路24の幅とシリコン光導波路26の幅とは相異なる値に設定してある。これは、幅の異なる回折格子構成要素が1つ存在すると、その幅の異なる回折格子構成要素(ここでは、シリコン光導波路26の一部分30)に光が集中するというフォトニック結晶理論に基づいている。 In order to reduce the amount of the electric field component of the light propagating through the portion 30 of the silicon optical waveguide 26 to leak to the sub optical waveguides 24 provided on both sides of the silicon optical waveguide 26 by the action of the directional optical coupler, the width D 1 of the width D 2 and the silicon optical waveguide 26 of the waveguide 24 is set to different values. That is, the width of the sub optical waveguide 24 and the width of the silicon optical waveguide 26 are different so that the input light input from the optical fiber 34 to the diffraction grating portion 14 is concentrated and guided in the silicon optical waveguide 26. Set to value. This is based on the photonic crystal theory that when one diffraction grating component having a different width exists, light is concentrated on the diffraction grating component having a different width (here, a portion 30 of the silicon optical waveguide 26). .
一方、外部へ出力される光は、入出力用シリコン光導波路22を伝播し、光導波路ループ結合部20で分岐されて第1光導波路ループ16及び第2光導波路ループ18を伝播して、回折格子部14の第2回折格子18によって第2励起光として励起される。そして、第2励起光が回折格子部14の第1回折格子16によって第1励起光として励起されることにより回折格子部14から外部に向けて出力される。 On the other hand, the light output to the outside propagates through the input / output silicon optical waveguide 22, branches at the optical waveguide loop coupling portion 20, propagates through the first optical waveguide loop 16 and the second optical waveguide loop 18, and is diffracted. Excited as second excitation light by the second diffraction grating 18 of the grating portion 14. Then, the second excitation light is excited as the first excitation light by the first diffraction grating 16 of the diffraction grating portion 14 and is output from the diffraction grating portion 14 to the outside.
すなわち、第1の回折格子型光結合器によれば、外部から入力される光あるいは外部へ出力される光が、第1回折格子28によって第1励起光として励起され、第1励起光が第2回折格子32によって第2励起光として励起される。そして、第2励起光あるいは外部から入力される光あるいは外部へ出力される光がシリコン光導波路26を伝播する構成とされていることによって、回折格子部14を介して、外部との光の入出力が可能となっている。 That is, according to the first diffraction grating type optical coupler, the light input from the outside or the light output to the outside is excited as the first excitation light by the first diffraction grating 28, and the first excitation light is the first excitation light. Excited as second excitation light by the two diffraction gratings 32. The second excitation light, the light input from the outside or the light output to the outside propagates through the silicon optical waveguide 26, so that light from the outside enters through the diffraction grating portion 14. Output is possible.
このような光導波路パターン構造体12は、例えば、SOI(Silicon on Insulator)基板を入手して、以下の工程によって形成できる。SOI基板は、広く市販品として入手可能であり、シリコン基板に酸化シリコン層、及びこの酸化シリコン層上に光導波路の厚みの寸法に等しい厚みのシリコン層が形成されている。 Such an optical waveguide pattern structure 12 can be formed, for example, by obtaining an SOI (Silicon on Insulator) substrate and performing the following steps. The SOI substrate is widely available as a commercial product, and a silicon oxide layer is formed on the silicon substrate, and a silicon layer having a thickness equal to the thickness of the optical waveguide is formed on the silicon oxide layer.
SOI基板の酸化シリコン層上に形成されているシリコン層に対して、ドライエッチング等の手法によって、第1の回折格子型光結合器を構成する光導波路パターンだけを残してエッチングして取り除く。それに続き、エッチング処理で残された光導波路パターンを導波構造のコアとして取り囲むSiO2クラッドを化学気相成長(CVD: Chemical Vapor Deposition)法等によって形成する。 The silicon layer formed on the silicon oxide layer of the SOI substrate is etched and removed by a technique such as dry etching, leaving only the optical waveguide pattern constituting the first diffraction grating type optical coupler. Subsequently, an SiO 2 clad surrounding the optical waveguide pattern left by the etching process as a core of the waveguide structure is formed by a chemical vapor deposition (CVD) method or the like.
SiO2クラッドは、少なくとも光導波路パターンとして残されたシリコン層の厚みと同程度の厚みに形成すればよく、必ずしも光導波路パターンが完全に覆われる厚みまで厚く形成する必要はない。また、SiO2クラッドは必ずしも必要でない。 The SiO 2 cladding may be formed at least as thick as the thickness of the silicon layer left as the optical waveguide pattern, and is not necessarily formed thick enough to completely cover the optical waveguide pattern. Further, the SiO 2 cladding is not always necessary.
こうして、回折格子部14、第1光導波路ループ16、第2光導波路ループ18、光導波路ループ結合部20、及び入出力用シリコン光導波路22が同一の層(シリコン基板10上に形成された光導波路パターン構造体12)に形態として形成される。すなわち、回折格子部14、第1光導波路ループ16、第2光導波路ループ18、光導波路ループ結合部20、及び入出力用シリコン光導波路22は、光導波路パターン構造体12として一括形成される。 In this way, the diffraction grating portion 14, the first optical waveguide loop 16, the second optical waveguide loop 18, the optical waveguide loop coupling portion 20, and the input / output silicon optical waveguide 22 are formed in the same layer (the optical waveguide formed on the silicon substrate 10). Formed in the waveguide pattern structure 12) as a form. That is, the diffraction grating portion 14, the first optical waveguide loop 16, the second optical waveguide loop 18, the optical waveguide loop coupling portion 20, and the input / output silicon optical waveguide 22 are collectively formed as the optical waveguide pattern structure 12.
図2を参照して、第1の回折格子型光結合器による外部から入力される光あるいは外部へ出力される光に対する結合効率についての計算シミュレーションを行った結果について説明する。図2の横軸は波長をμm単位で目盛って示してあり、縦軸は第1の回折格子型光結合器の回折格子部14へ入力される入力光の強度を任意スケールで示してある。 With reference to FIG. 2, a description will be given of the result of a simulation of the coupling efficiency with respect to the light input from the outside or the light output to the outside by the first diffraction grating type optical coupler. The horizontal axis of FIG. 2 shows the wavelength scaled in units of μm, and the vertical axis shows the intensity of the input light input to the diffraction grating portion 14 of the first diffraction grating type optical coupler on an arbitrary scale. .
曲線aは、光ファイバ34から入力されて光結合されて第1光導波路ループ16に入力される光の強度を示している。曲線bは、回折格子部14から上方に向けて反射される(回折格子部14等の光導波路パターンが形成されている層から反射される)光の強度を示している。また、曲線cは、回折格子部14から下方に向けて透過される(回折格子部14等の導波路パターンが形成されている層及びシリコン基板10に向けて透過される)光の強度を示している。 A curve a indicates the intensity of light that is input from the optical fiber 34 and optically coupled to the first optical waveguide loop 16. A curve b indicates the intensity of light reflected upward from the diffraction grating portion 14 (reflected from a layer in which an optical waveguide pattern such as the diffraction grating portion 14 is formed). Curve c shows the intensity of light transmitted downward from the diffraction grating portion 14 (transmitted toward the layer on which the waveguide pattern such as the diffraction grating portion 14 is formed and the silicon substrate 10). ing.
図2に示す結合効率に関する計算シミュレーションは、3次元FDTD(Finite Difference Time Domain)法によって行った。計算に用いた条件は以下のとおりである。 The calculation simulation regarding the coupling efficiency shown in FIG. 2 was performed by a three-dimensional FDTD (Finite Difference Time Domain) method. The conditions used for the calculation are as follows.
回折格子部14、第1光導波路ループ16、第2光導波路ループ18、光導波路ループ結合部20等の光導波路パターンを導波構造のコアとして取り囲むSiO2クラッド層の屈折率を1.46とした。光導波路パターンを構成するSiの屈折率を3.47、光導波路パターンを構成するSi層の厚さを260 nmに設定した。回折格子部14に入射させる光束をガウス関数で与えられる強度分布を有する直径5μmの平行光束であると仮定した。 The refractive index of the SiO 2 cladding layer surrounding the optical waveguide pattern such as the diffraction grating portion 14, the first optical waveguide loop 16, the second optical waveguide loop 18, and the optical waveguide loop coupling portion 20 as the core of the waveguide structure was set to 1.46. The refractive index of Si constituting the optical waveguide pattern was set to 3.47, and the thickness of the Si layer constituting the optical waveguide pattern was set to 260 nm. It was assumed that the light beam incident on the diffraction grating portion 14 was a parallel light beam with a diameter of 5 μm having an intensity distribution given by a Gaussian function.
第1回折格子28の回折格子周期(Λ1)は900 nm、回折格子部14に含まれるシリコン光導波路26の幅(D1)は450 nm、サブ光導波路24の幅(D2)は500 nm、第2回折格子32の回折格子周期(Λ2)は900 nm、第2回折格子32の導波路幅の変調度(導波路幅が周期的に変化している部分のシリコン光導波路26の一部分30の最大幅と最小幅の差:d)は23 nmにそれぞれ設定した。すなわち、図1(A)及び(B)に示す第1の回折格子型光結合器は、D1 ≠ D2となるように設定されている。 The diffraction grating period (Λ 1 ) of the first diffraction grating 28 is 900 nm, the width (D 1 ) of the silicon optical waveguide 26 included in the diffraction grating section 14 is 450 nm, and the width (D 2 ) of the sub optical waveguide 24 is 500. nm, the diffraction grating period (Λ 2 ) of the second diffraction grating 32 is 900 nm, the degree of modulation of the waveguide width of the second diffraction grating 32 (the portion of the silicon optical waveguide 26 where the waveguide width periodically changes) The difference between the maximum width and the minimum width of part 30: d) was set to 23 nm. That is, the first diffraction grating optical coupler shown in FIGS. 1A and 1B is set so that D 1 ≠ D 2 .
回折格子部14に入射させる光束の波長が1.52μmである場合に、第1光導波路ループ16に入力される光強度が最大となっている。この場合、第2光導波路ループ18にも同じ大きさの光が入力されるので、回折格子部14に入射された光の80%程度が光導波路ループ結合部20を介して入出力用シリコン光導波路22に入力されると結論される。すなわち、回折格子部14に入射された光の80%程度がこの第1の回折格子型光結合器によって取り込まれると結論される。 When the wavelength of the light beam incident on the diffraction grating portion 14 is 1.52 μm, the light intensity input to the first optical waveguide loop 16 is maximum. In this case, since the same amount of light is also input to the second optical waveguide loop 18, about 80% of the light incident on the diffraction grating portion 14 is input / output silicon optical via the optical waveguide loop coupling portion 20. It is concluded that the signal is input to the waveguide 22. That is, it is concluded that about 80% of the light incident on the diffraction grating portion 14 is taken in by the first diffraction grating type optical coupler.
図1(A)及び(B)に示す第1の回折格子型光結合器は、サブ光導波路24の幅D2とシリコン光導波路26の幅D1とは相異なる値に設定してある。これは、上述したように、光ファイバ34から回折格子部14に入力される入力光がシリコン光導波路26に集中して導波されるように意図して設定されたものである。 FIGS. 1 (A) and 1 first grating optical coupler shown in (B), the width D 1 of the width D 2 and the silicon optical waveguide 26 of the sub waveguides 24 are set to different values. As described above, this is set with the intention that the input light input from the optical fiber 34 to the diffraction grating section 14 is concentrated and guided in the silicon optical waveguide 26.
図1(A)及び(B)に示す第1の回折格子型光結合器では、サブ光導波路24の幅をD2にすべて等しく設定されている。ここで、サブ光導波路24の幅をD2に統一することなく、シリコン光導波路26に隣接するサブ光導波路24-1だけをシリコン光導波路26の幅D1とは相異なる値に設定するが、これ以外のサブ光導波路24-2の幅をシリコン光導波路26の幅D1と等しく設定した場合に第1の回折格子型光結合器の光結合特性にどの程度の影響が及ぶかについて確認するために、以下検討を行う。 In FIGS. 1 (A) and 1 first grating optical coupler (B), the and the width of the sub optical waveguides 24 are all set equal to D 2. Here, without unifying the width of the sub-waveguide 24 to the D 2, although only the sub optical waveguides 24-1 adjacent to the silicon optical waveguide 26 and the width D 1 of the silicon waveguide 26 is set to different values , check for how much effect is exerted on the optical coupling characteristics of the first grating optical coupler when the other of the width of the sub optical waveguides 24-2 was set equal to the width D 1 of the silicon waveguide 26 In order to do this, the following studies are conducted.
図3に示すように、サブ光導波路24の内シリコン光導波路26に隣接するサブ光導波路24-1を除き、それ以外のサブ光導波路24-2の幅D1をシリコン光導波路26の幅と等しく450 nmに設定してある。サブ光導波路24-2は図3において左右2箇所しか示していないが、実際にはシリコン光導波路26に隣接して対称に左右に複数箇所設置されている。 As shown in FIG. 3, except for the sub optical waveguides 24-1 adjacent to the inner silicon optical waveguide 26 of the sub optical waveguides 24, the width D 1 of the sub optical waveguides 24-2 otherwise the width of the silicon waveguide 26 Equally set to 450 nm. Although only two left and right sub optical waveguides 24-2 are shown in FIG. 3, in practice, a plurality of sub optical waveguides 24-2 are provided symmetrically adjacent to the silicon optical waveguide 26 on the left and right.
図3に示すようにサブ光導波路24-1及びサブ光導波路24-2の幅を設定した第1の回折格子型光結合器の結合効率についての計算シミュレーションを行った結果について説明する。図4に示す曲線a〜cは、図2と同様に、曲線aは第1光導波路ループ16に入力される光の強度を示し、曲線bは回折格子部14から上方に向けて反射される光の強度を示し、曲線cは回折格子部14から下方に向けて透過される光の強度を示している。 A description will be given of the result of calculation simulation on the coupling efficiency of the first diffraction grating type optical coupler in which the widths of the sub optical waveguide 24-1 and the sub optical waveguide 24-2 are set as shown in FIG. Curves a to c shown in FIG. 4 indicate the intensity of light input to the first optical waveguide loop 16 as in FIG. 2, and the curve b is reflected upward from the diffraction grating portion 14. The intensity of light is shown, and the curve c shows the intensity of light transmitted downward from the diffraction grating portion 14.
サブ光導波路24の内シリコン光導波路26に隣接するサブ光導波路24-1を除き、それ以外のサブ光導波路24-2の幅D1をシリコン光導波路26の幅と等しくすれば、図4に示すように回折格子部14に入射させる光束の波長が1.52μmであるとき、第1光導波路ループ16に入力される光強度が最大となっている。しかしながら、曲線bに示すように、図2と比較して回折格子部14から上方に向けて反射される光成分が大きくなっている。 Except for the sub optical waveguides 24-1 adjacent to the inner silicon optical waveguide 26 of the sub optical waveguides 24, the width D 1 of the sub optical waveguides 24-2 otherwise if equal to the width of the silicon waveguide 26, FIG. 4 As shown, when the wavelength of the light beam incident on the diffraction grating portion 14 is 1.52 μm, the light intensity input to the first optical waveguide loop 16 is maximum. However, as shown by the curve b, the light component reflected upward from the diffraction grating portion 14 is larger than that in FIG.
このことから、少なくともシリコン光導波路26に隣接するサブ光導波路24-1だけをシリコン光導波路26の幅D1とは相異なる値に設定すれば、所望の光結合特性は得られるが、サブ光導波路24の幅をD2にすべて等しく設定することによって、より一層優れた特性が得られることが分かる。 Therefore, if at least only the sub optical waveguide 24-1 adjacent to the silicon optical waveguide 26 is set to a value different from the width D 1 of the silicon optical waveguide 26, a desired optical coupling characteristic can be obtained. the width of the waveguide 24 by setting all equal to D 2, it is seen that more excellent properties are obtained.
なお、シリコン光導波路26の幅D1とサブ光導波路24の幅をD2は、図1(A)及び図3では、D1<D2と設定されているが、D1>D2と設定してもよい。 The width D 1 and D 2 the width of the sub optical waveguides 24 of the silicon waveguide 26 in FIG. 1 (A) and FIG. 3, <has been set as D 2, D 1> D 1 and D 2 It may be set.
<第2の回折格子型光結合器>
図5(A)、(B)及び図6を参照して、この発明の実施形態の第2の回折格子型光結合器の構成について説明する。図5(A)は、第1の回折格子型光結合器の構造を示す概略的斜視図である。また、図5(B)は、回折格子部の導波路パターンを拡大して示す概略的平面図である。
<Second diffraction grating type optical coupler>
The configuration of the second diffraction grating optical coupler according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 (A), (B) and FIG. FIG. 5 (A) is a schematic perspective view showing the structure of the first diffraction grating type optical coupler. FIG. 5B is an enlarged schematic plan view showing the waveguide pattern of the diffraction grating portion.
第2の回折格子型光結合器も、上述の第1の回折格子型光結合器同様の手法で形成できる。ここで、第2の回折格子型光結合器を構成する光導波路パターンにつき説明する。 The second diffraction grating type optical coupler can also be formed in the same manner as the first diffraction grating type optical coupler. Here, the optical waveguide pattern constituting the second diffraction grating type optical coupler will be described.
複数のサブ光導波路44を並列に並べることによって第1回折格子38が構成され、サブ光導波路44のそれぞれには第2回折格子52が形成されている。すなわち、複数のサブ光導波路44が配置されている領域は、サブ光導波路44の伝播方向に対して垂直の方向の屈折率分布が周期的に変化する構造となり、回折格子としての機能が発現する。この領域が第1回折格子38となっている。 A first diffraction grating 38 is configured by arranging a plurality of sub optical waveguides 44 in parallel, and a second diffraction grating 52 is formed in each of the sub optical waveguides 44. That is, the region in which the plurality of sub optical waveguides 44 are arranged has a structure in which the refractive index distribution in the direction perpendicular to the propagation direction of the sub optical waveguides 44 changes periodically, and functions as a diffraction grating. . This region is the first diffraction grating 38.
一方、サブ光導波路44には第2回折格子52が形成されている。第2回折格子52は、サブ光導波路44の導波路幅を周期的に変化させることによって形成されている。サブ光導波路44の導波路幅を周期的に変化させると、このサブ光導波路44の等価屈折率が周期的に変化する構造となり、回折格子としての機能が発現する。 On the other hand, a second diffraction grating 52 is formed in the sub optical waveguide 44. The second diffraction grating 52 is formed by periodically changing the waveguide width of the sub optical waveguide 44. When the waveguide width of the sub optical waveguide 44 is periodically changed, the equivalent refractive index of the sub optical waveguide 44 is periodically changed, and a function as a diffraction grating is exhibited.
第1回折格子38と第2回折格子52とによって回折格子部40が構成されている。 The first diffraction grating 38 and the second diffraction grating 52 constitute a diffraction grating portion 40.
複数のサブ光導波路44がこのサブ光導波路44の両端に設けられた第1サブ光導波路結合部46及び第2サブ光導波路結合部48によって結合されており、第1サブ光導波路結合部46に第1光導波路ループ16が接続され、第2サブ光導波路結合部48に第2光導波路ループ18が接続されている。 A plurality of sub optical waveguides 44 are coupled by a first sub optical waveguide coupling portion 46 and a second sub optical waveguide coupling portion 48 provided at both ends of the sub optical waveguide 44, and are connected to the first sub optical waveguide coupling portion 46. The first optical waveguide loop 16 is connected, and the second optical waveguide loop 18 is connected to the second sub optical waveguide coupling portion 48.
第1光導波路ループ16と第2光導波路ループ18は、光導波路ループ結合部20で結合され、光導波路ループ結合部20には、入出力用シリコン光導波路22が接続されている。 The first optical waveguide loop 16 and the second optical waveguide loop 18 are coupled by an optical waveguide loop coupling portion 20, and an input / output silicon optical waveguide 22 is connected to the optical waveguide loop coupling portion 20.
外部から取り込まれる光は、回折格子部40の第1回折格子38によって第1励起光として励起され、第1励起光は、図5(B)に示すように、Q1及びQ2と示す方向に伝播する導波光として生成される。第1励起光が回折格子部40の第2回折格子52によって第2励起光として励起され、P1(P1-1〜P1-4)及びP2(P2-1〜P2-4)と示す方向に伝播する導波光として生成されることによって、第1光導波路ループ16及び第2光導波路ループ18を伝播して、光導波路ループ結合部20で合波されて入出力用シリコン光導波路22へ取り込まれる。 The light taken from the outside is excited as the first excitation light by the first diffraction grating 38 of the diffraction grating section 40, and the first excitation light is in the directions indicated by Q 1 and Q 2 as shown in FIG. It is generated as guided light propagating to. First excitation light is excited as the second excitation light by the second diffraction grating 52 of the diffraction grating portion 40, P 1 (P 1 -1~P 1 -4) and P 2 (P 2 -1~P 2 -4 ) Is generated as guided light propagating in the direction indicated by), propagates through the first optical waveguide loop 16 and the second optical waveguide loop 18, and is combined at the optical waveguide loop coupling portion 20 to be input / output silicon optical It is taken into the waveguide 22.
一方、外部へ出力される光は、入出力用シリコン光導波路22を伝播し、光導波路ループ結合部20で分岐されて第1光導波路ループ16及び第2光導波路ループ18を伝播して、第1サブ光導波路結合部46及び第2サブ光導波路結合部48を介して回折格子部40に入力される。そして、回折格子部40の第2回折格子52によって第2励起光として励起される。さらにこの第2励起光が回折格子部40の第1回折格子38によって第1励起光として励起されることにより回折格子部40から外部に向けて出力される。 On the other hand, the light output to the outside propagates through the input / output silicon optical waveguide 22, branches at the optical waveguide loop coupling portion 20, propagates through the first optical waveguide loop 16 and the second optical waveguide loop 18, and passes through the first optical waveguide loop 18. The signal is input to the diffraction grating section 40 via the first sub optical waveguide coupling section 46 and the second sub optical waveguide coupling section 48. Then, it is excited as second excitation light by the second diffraction grating 52 of the diffraction grating section 40. Further, the second excitation light is excited as first excitation light by the first diffraction grating 38 of the diffraction grating section 40, and is output from the diffraction grating section 40 to the outside.
すなわち、第2の回折格子型光結合器によれば、外部から入力される光あるいは外部へ出力される光が、第1回折格子38によって第1励起光として励起され、第1励起光あるいは外部から入力される光あるいは外部へ出力される光が第2回折格子52によって第2励起光として励起される。そして、第2励起光あるいは外部から入力される光あるいは外部へ出力される光がシリコン光導波路であるサブ光導波路44等を伝播する構成とされることによって、回折格子部40を介して、外部との光の入出力を可能としている。 That is, according to the second diffraction grating type optical coupler, the light input from the outside or the light output to the outside is excited as the first excitation light by the first diffraction grating 38, and the first excitation light or the external The light input from or the light output to the outside is excited by the second diffraction grating 52 as the second excitation light. The second excitation light, the light input from the outside or the light output to the outside propagates through the sub optical waveguide 44, which is a silicon optical waveguide, etc. It is possible to input and output light.
第2の回折格子型光結合器においても第1の回折格子型光結合器と同様に、第1回折格子38で励起される第1励起光の伝播方向と第2回折格子52で励起される第2励起光の伝播方向とは直交する。このことによって、回折格子部40に外部から入力される光あるいはこの回折格子部40から外部に出力される光の伝播方向と、この回折格子部40で結合されるサブ光導波路44を導波する光の伝播方向とが直交する関係にあっても高い結合効率が実現される。 Similarly to the first diffraction grating type optical coupler, the second diffraction grating type optical coupler is also excited by the propagation direction of the first excitation light excited by the first diffraction grating 38 and the second diffraction grating 52. It is orthogonal to the propagation direction of the second excitation light. As a result, the propagation direction of the light input from the outside to the diffraction grating section 40 or the light output from the diffraction grating section 40 to the outside, and the sub optical waveguide 44 coupled by the diffraction grating section 40 are guided. Even if the light propagation direction is orthogonal, high coupling efficiency is realized.
図6を参照して、第2の回折格子型光結合器による外部から入力される光あるいは外部へ出力される光に対する結合効率についての計算シミュレーションを行った結果について説明する。図6の横軸は波長をμm単位で目盛って示してあり、縦軸は光強度を第2の回折格子型光結合器の回折格子部40への入力光の強度を任意スケールで示してある。 With reference to FIG. 6, a description will be given of the result of a calculation simulation of the coupling efficiency with respect to the light input from the outside or the light output to the outside by the second diffraction grating optical coupler. The horizontal axis in FIG. 6 shows the wavelength scaled in units of μm, and the vertical axis shows the light intensity on the scale of the input light to the diffraction grating section 40 of the second diffraction grating type optical coupler on an arbitrary scale. is there.
曲線aは、光ファイバ34から入力されて光結合されて第1光導波路ループ16に入力される光の強度を示している。曲線bは、回折格子部40から上方に向けて反射される(回折格子部40等の導波路パターンが形成されている層から反射される)光の強度を示している。また、曲線cは、回折格子部40から下方に向けて透過される(回折格子部40等の導波路パターンが形成されている層及びシリコン基板10に向けて透過される)光の強度を示している。 A curve a indicates the intensity of light that is input from the optical fiber 34 and optically coupled to the first optical waveguide loop 16. A curve b indicates the intensity of light reflected upward from the diffraction grating section 40 (reflected from a layer in which a waveguide pattern such as the diffraction grating section 40 is formed). Curve c indicates the intensity of light transmitted downward from the diffraction grating section 40 (transmitted toward the layer on which the waveguide pattern such as the diffraction grating section 40 is formed and the silicon substrate 10). ing.
図6に示す結合効率に関する計算シミュレーションも、図2及び図4に示した計算シミュレーションである3次元FDTD法によって行った。計算に用いた条件は以下のとおりである。 The calculation simulation related to the coupling efficiency shown in FIG. 6 was also performed by the three-dimensional FDTD method which is the calculation simulation shown in FIGS. The conditions used for the calculation are as follows.
回折格子部40、第1光導波路ループ16、第2光導波路ループ18、光導波路ループ結合部20等の光導波路パターンを導波構造のコアとして取り囲むSiO2クラッド層の屈折率を1.46とした。光導波路パターンを構成するSiの屈折率を3.47、光導波路パターンを構成するSi層の厚さを260 nmに設定した。回折格子部40に入射させる光束をガウス関数で与えられる強度分布を有する直径5μmの平行光束であると仮定した。 The refractive index of the SiO 2 cladding layer surrounding the optical waveguide pattern such as the diffraction grating portion 40, the first optical waveguide loop 16, the second optical waveguide loop 18, and the optical waveguide loop coupling portion 20 as the core of the waveguide structure was set to 1.46. The refractive index of Si constituting the optical waveguide pattern was set to 3.47, and the thickness of the Si layer constituting the optical waveguide pattern was set to 260 nm. It was assumed that the light beam incident on the diffraction grating part 40 was a parallel light beam having a diameter of 5 μm having an intensity distribution given by a Gaussian function.
第1回折格子38の回折格子周期(Λ1)は900 nm、回折格子部40に含まれる第1回折格子38のサブ光導波路44の幅(D1)は450 nm、第2回折格子52の回折格子周期(Λ2)は900 nm、第2回折格子52の導波路幅の変調度(導波路幅が周期的に変化している部分のサブ光導波路44の最大幅と最小幅の差:d)は23 nmにそれぞれ設定した。 The diffraction grating period (Λ 1 ) of the first diffraction grating 38 is 900 nm, the width (D 1 ) of the sub optical waveguide 44 of the first diffraction grating 38 included in the diffraction grating section 40 is 450 nm, and the second diffraction grating 52 The diffraction grating period (Λ 2 ) is 900 nm, and the degree of modulation of the waveguide width of the second diffraction grating 52 (the difference between the maximum width and the minimum width of the sub optical waveguide 44 in the portion where the waveguide width changes periodically: d) was set to 23 nm, respectively.
図6に示すように、回折格子部40に入射させる光束の波長が1.5μm近傍で、第1光導波路ループ16に入力される光が最大となっている。この場合、第1光導波路ループ18にも同じ大きさの光が入力されるので、上述した第1の回折格子型光結合器と同様に、回折格子部40に入力された光の80%程度が光導波路ループ結合部20を介して入出力用シリコン光導波路22に入力されると結論される。すなわち、回折格子部40に入力された光の80%程度がこの第2の回折格子型光結合器によって取り込まれると結論される。 As shown in FIG. 6, the light input to the first optical waveguide loop 16 is maximum when the wavelength of the light beam incident on the diffraction grating section 40 is around 1.5 μm. In this case, since the same amount of light is also input to the first optical waveguide loop 18, about 80% of the light input to the diffraction grating section 40, as in the first diffraction grating type optical coupler described above. Is input to the input / output silicon optical waveguide 22 via the optical waveguide loop coupling portion 20. That is, it is concluded that about 80% of the light input to the diffraction grating unit 40 is taken in by the second diffraction grating type optical coupler.
10:シリコン基板
12:光導波路パターン構造体
14、40:回折格子部
16:第1光導波路ループ
18:第2光導波路ループ
20:光導波路ループ結合部
22:入出力用シリコン光導波路
24、44:サブ光導波路
26:シリコン光導波路
28、38:第1回折格子
30:シリコン光導波路の一部分
32、52:第2回折格子
34:光ファイバ
46:第1サブ光導波路結合部
48:第2サブ光導波路結合部
10: Silicon substrate
12: Optical waveguide pattern structure
14, 40: Diffraction grating part
16: First optical waveguide loop
18: Second optical waveguide loop
20: Optical waveguide loop coupling part
22: Input / output silicon optical waveguide
24, 44: Sub optical waveguide
26: Silicon optical waveguide
28, 38: First diffraction grating
30: Part of silicon optical waveguide
32, 52: Second diffraction grating
34: Optical fiber
46: 1st sub optical waveguide coupling part
48: Second sub optical waveguide coupling part
Claims (8)
前記部分の両側に、前記シリコン光導波路と平行かつ周期的に設けられた複数のサブ光導波路と
を備えることを特徴とする回折格子型光結合器。 A silicon optical waveguide having a portion where the waveguide width periodically changes;
A diffraction grating type optical coupler comprising a plurality of sub optical waveguides provided on both sides of the portion in parallel and periodically with the silicon optical waveguide.
前記シリコン光導波路の、導波路幅が周期的に変化する前記部分により、第2回折格子が構成され、
前記シリコン光導波路を伝播する光が、前記第1回折格子により第1励起光として励起された後、該第1励起光が第2励起光として励起されて、該第2励起光が外部へ出力され、
外部から入力される光は、前記第2回折格子により前記第2励起光として励起された後、該第2励起光が前記第1励起光として励起されて、該第1励起光が前記シリコン光導波路を伝播する
ことを特徴とする請求項1に記載の回折格子型光結合器。 The silicon optical waveguide and the plurality of sub optical waveguides constitute a first diffraction grating,
A second diffraction grating is constituted by the portion of the silicon optical waveguide where the waveguide width periodically changes.
After the light propagating through the silicon optical waveguide is excited as the first excitation light by the first diffraction grating, the first excitation light is excited as the second excitation light, and the second excitation light is output to the outside. And
Light input from the outside is excited as the second excitation light by the second diffraction grating, and then the second excitation light is excited as the first excitation light. 2. The diffraction grating optical coupler according to claim 1, wherein the diffraction grating optical coupler propagates through a waveguide.
該第1光導波路ループと該第2光導波路ループは、光導波路ループ結合部で結合され、
該光導波路ループ結合部には、入出力用シリコン光導波路が接続されており、
外部から取り込まれる光は、前記回折格子部分の前記第1回折格子によって前記第1励起光として励起され、該第1励起光が前記回折格子部分の前記第2回折格子によって前記第2励起光として励起されることによって、該第2励起光が前記シリコン光導波路、前記第1光導波路ループ及び前記第2光導波路ループを伝播して、前記光導波路ループ結合部で合波されて前記入出力用シリコン光導波路へ取り込まれ、
外部へ出力される光は、前記入出力用シリコン光導波路を伝播し、前記光導波路ループ結合部で分岐されて前記第1光導波路ループ及び前記第2光導波路ループを伝播して、前記回折格子部分の前記第2回折格子によって前記第2励起光として励起され、該第2励起光が前記回折格子部分の前記第1回折格子によって前記第1励起光として励起され、該第1励起光が前記シリコン光導波路を伝播することにより、
前記回折格子部分を介して、外部との光の入出力を可能とすることを特徴とする請求項2に記載の回折格子型光結合器。 The first optical waveguide loop is connected to one end of the portion where the waveguide width of the silicon optical waveguide periodically changes, and the second optical waveguide loop is connected to the other end,
The first optical waveguide loop and the second optical waveguide loop are coupled at an optical waveguide loop coupling portion,
An input / output silicon optical waveguide is connected to the optical waveguide loop coupling portion,
Light taken from the outside is excited as the first excitation light by the first diffraction grating of the diffraction grating portion, and the first excitation light is used as the second excitation light by the second diffraction grating of the diffraction grating portion. By being excited, the second excitation light propagates through the silicon optical waveguide, the first optical waveguide loop, and the second optical waveguide loop, and is combined at the optical waveguide loop coupling portion to be used for the input / output Taken into the silicon optical waveguide,
The light output to the outside propagates through the input / output silicon optical waveguide, branches at the optical waveguide loop coupling portion, propagates through the first optical waveguide loop and the second optical waveguide loop, and the diffraction grating. Excited as the second excitation light by the second diffraction grating of the portion, the second excitation light is excited as the first excitation light by the first diffraction grating of the diffraction grating portion, and the first excitation light is By propagating through the silicon optical waveguide,
3. The diffraction grating type optical coupler according to claim 2, wherein light can be input / output to / from the outside through the diffraction grating portion.
該回折格子部分がシリコン光導波路の途中に組み込んで構成されており、
前記シリコン光導波路を伝播する光が、前記第1回折格子により第1励起光として励起された後、該第1励起光が第2励起光として励起されて、該第2励起光が外部へ出力され、
外部から入力される光は、前記第2回折格子により前記第2励起光として励起された後、該第2励起光が前記第1励起光として励起されて、該第1励起光がシリコン光導波路を伝播する
ことを特徴とする請求項6に記載の回折格子型光結合器。 The first diffraction grating is formed by arranging the plurality of sub optical waveguides in parallel and periodically, and the second diffraction grating is formed by periodically changing the waveguide width of the plurality of sub optical waveguides. A diffraction grating portion is constituted by the first diffraction grating and the second diffraction grating,
The diffraction grating portion is configured to be incorporated in the middle of the silicon optical waveguide,
After the light propagating through the silicon optical waveguide is excited as the first excitation light by the first diffraction grating, the first excitation light is excited as the second excitation light, and the second excitation light is output to the outside. And
Light input from the outside is excited as the second excitation light by the second diffraction grating, and then the second excitation light is excited as the first excitation light. 7. The diffraction grating type optical coupler according to claim 6, wherein
前記第1サブ光導波路結合部に第1光導波路ループが接続され、前記第2サブ光導波路結合部に第2光導波路ループが接続されることによって、前記回折格子部分がシリコン光導波路の途中に組み込まれており、
該第1光導波路ループと該第2光導波路ループは、光導波路ループ結合部で結合され、該光導波路ループ結合部には、入出力用シリコン光導波路が接続され、
外部から取り込まれる光は、前記回折格子部分の前記第1回折格子によって前記第1励起光として励起され、該第1励起光が前記回折格子部分の前記第2回折格子によって前記第2励起光として励起されることによって、該第2励起光が前記シリコン光導波路、前記第1光導波路ループ及び前記第2光導波路ループを伝播して、前記光導波路ループ結合部で合波されて前記入出力用シリコン光導波路へ取り込まれ、
外部へ出力される光は、前記入出力用シリコン光導波路を伝播し、前記光導波路ループ結合部で分岐されて前記第1光導波路ループ及び前記第2光導波路ループを伝播して、前記回折格子部分の前記第2回折格子によって前記第2励起光として励起され、該第2励起光が前記回折格子部分の前記第1回折格子によって前記第1励起光として励起され、該第1励起光が前記シリコン光導波路を伝播することにより、
前記回折格子部分を介して、外部との光の入出力を可能とすることを特徴とする請求項7に記載の回折格子型光結合器。 The plurality of sub optical waveguides are coupled by a first sub optical waveguide coupling portion and a second sub optical waveguide coupling portion provided at both ends of the plurality of sub optical waveguides,
A first optical waveguide loop is connected to the first sub optical waveguide coupling portion, and a second optical waveguide loop is connected to the second sub optical waveguide coupling portion, so that the diffraction grating portion is in the middle of the silicon optical waveguide. Built-in,
The first optical waveguide loop and the second optical waveguide loop are coupled by an optical waveguide loop coupling portion, and an input / output silicon optical waveguide is connected to the optical waveguide loop coupling portion,
Light taken from the outside is excited as the first excitation light by the first diffraction grating of the diffraction grating portion, and the first excitation light is used as the second excitation light by the second diffraction grating of the diffraction grating portion. By being excited, the second excitation light propagates through the silicon optical waveguide, the first optical waveguide loop, and the second optical waveguide loop, and is combined at the optical waveguide loop coupling portion to be used for the input / output Taken into the silicon optical waveguide,
The light output to the outside propagates through the input / output silicon optical waveguide, branches at the optical waveguide loop coupling portion, propagates through the first optical waveguide loop and the second optical waveguide loop, and the diffraction grating. Excited as the second excitation light by the second diffraction grating of the portion, the second excitation light is excited as the first excitation light by the first diffraction grating of the diffraction grating portion, and the first excitation light is By propagating through the silicon optical waveguide,
8. The diffraction grating type optical coupler according to claim 7, wherein light can be input / output to / from the outside through the diffraction grating portion.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011204594A JP2013064940A (en) | 2011-09-20 | 2011-09-20 | Diffraction grating type optical coupler |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011204594A JP2013064940A (en) | 2011-09-20 | 2011-09-20 | Diffraction grating type optical coupler |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013064940A true JP2013064940A (en) | 2013-04-11 |
Family
ID=48188485
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011204594A Withdrawn JP2013064940A (en) | 2011-09-20 | 2011-09-20 | Diffraction grating type optical coupler |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2013064940A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106468810A (en) * | 2015-08-20 | 2017-03-01 | 中兴通讯股份有限公司 | A kind of spot size converter and Optical devices |
-
2011
- 2011-09-20 JP JP2011204594A patent/JP2013064940A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106468810A (en) * | 2015-08-20 | 2017-03-01 | 中兴通讯股份有限公司 | A kind of spot size converter and Optical devices |
CN106468810B (en) * | 2015-08-20 | 2019-12-06 | 中兴通讯股份有限公司 | Light spot converter and optical device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10663663B2 (en) | Spot-size converter for optical mode conversion and coupling between two waveguides | |
JP6365855B2 (en) | Apparatus and method for a waveguide polarizer with a series of bends | |
JP5697778B1 (en) | Substrate type optical waveguide device | |
JP5728140B1 (en) | High-order polarization conversion element, optical waveguide element, and DP-QPSK modulator | |
JP6289401B2 (en) | Spot size converter | |
JP6402519B2 (en) | Optical waveguide device | |
JP6028339B2 (en) | Wavelength selective path switching element | |
JP2010223991A (en) | Optical wavelength filter and optical multiplex/demultiplex element | |
US8630517B2 (en) | Optical multiplexer/demultiplexer | |
JP5262639B2 (en) | Optical element and Mach-Zehnder interferometer | |
JP2015152729A (en) | Optical element | |
JP6540071B2 (en) | Optical waveguide device | |
He et al. | On-chip silicon three-mode (de) multiplexer employing subwavelength grating structure | |
JP2013064940A (en) | Diffraction grating type optical coupler | |
JP2010262314A (en) | Planar optical waveguide circuit and optical multiplexer/demultiplexer using the same | |
JP5504476B2 (en) | Optical waveguide crossing structure | |
JP6232869B2 (en) | Optical waveguide device | |
JP2006106372A (en) | Optical branching apparatus | |
JP6991259B2 (en) | Optical waveguide element | |
JP2015191029A (en) | spot size converter | |
JP6387373B2 (en) | Micro optical circuit and optical mode converter | |
JPWO2006073194A1 (en) | Optical waveguide, optical device, and optical communication apparatus | |
JP5644630B2 (en) | Optical waveguide device | |
JP6697365B2 (en) | Mode multiplexing / demultiplexing optical circuit | |
JP6019150B2 (en) | Optical wavelength filter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20141202 |