JP6530061B2 - Grating coupler - Google Patents
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Description
本発明は、グレーティングカプラに関する。 The present invention relates to a grating coupler.
光導波路で構成された基板上の光回路に光信号の入出力を行うため、光導波路の伝搬光を光導波路外へ出射させたり、あるいは外部光を光導波路内に入射させたりする機能を付与したいことがある。グレーティングカプラはこのような目的に使用できる光入出力素子であり、基板上の光導波路の伝搬光を、基板表面に近接させた光ファイバ端面に入射させたり、或いはその逆に光ファイバからの光を光導波路に入射させたりすることができる。 In order to input and output optical signals to the optical circuit on the substrate composed of the optical waveguide, it has the function of emitting the propagation light of the optical waveguide to the outside of the optical waveguide or making the external light enter the optical waveguide. I have something I want to do. A grating coupler is an optical input / output element that can be used for this purpose, and the propagation light of the optical waveguide on the substrate is made to enter the end face of the optical fiber brought close to the substrate surface, or vice versa. Can be incident on the optical waveguide.
図4Aは、導波光を光導波路外へ出射させるための構成を有するグレーティングカプラの一例の、グレーティング部の模式的な断面図である。以下では、図4Aを参照しながら、グレーティングカプラの構造、機能等を簡単に説明する。 FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of a grating portion of an example of a grating coupler having a configuration for emitting guided light to the outside of an optical waveguide. Hereinafter, the structure, function, and the like of the grating coupler will be briefly described with reference to FIG. 4A.
図4Aに示すグレーティングカプラは、光導波路を介して光信号を受け取り、回折により光軸を変換する作用を有するものである。図4Aに例示された断面構造は、BOX(Buried Oxide,埋め込み酸化膜)層402と、BOX層402より屈折率の高いコア層414と、BOX層402と同程度の屈折率の上部クラッド(Overclad)層416とを、この順に基板401に積層したもので、コア層414には回折格子が形成されている。このように、グレーティングカプラは、例えば、コア層414への回折格子形成加工のみで光路変換を可能とするものである。
The grating coupler shown in FIG. 4A has the function of receiving an optical signal through an optical waveguide and converting the optical axis by diffraction. The cross-sectional structure illustrated in FIG. 4A is a BOX (Buried Oxide, buried oxide film)
以下、導波光を光導波路外へ出射させるためのグレーティングカプラの動作原理等について概略説明する。 The operation principle and the like of the grating coupler for emitting the guided light to the outside of the optical waveguide will be briefly described below.
図4Aに示したグレーティングカプラ400のコア層414には、導波光の伝搬方向(z方向)に周期的で、導波路の厚さ方向(x方向)に凹凸を有する回折格子が形成されている。このような回折格子が形成されていると、導波光の一部が回折されて放射光を生じるが、その導波光と放射光は、伝搬方向(z方向)の位相整合条件を満たす。即ち、導波光の伝搬定数をβ0、放射光のz方向の伝搬定数をβqとすると、位相整合条件はβq=β0+qKである。但し、Λを回折格子の周期とし、K=2π/Λで、qは放射光の次数(0、±1、±2、・・・)に相当する値である。In the
この場合、回折格子の法線に対するq次の放射光の出射角θqは、λを光の真空中の波長、Nを導波路の実効屈折率、ncを上部クラッド層の屈折率、Λを回折格子の周期とすると、ncsinθq=N+qλ/Λの式より求められる。In this case, the emission angle θ q of the q-order radiation with respect to the normal to the diffraction grating is λ, where λ is the wavelength of light in vacuum, N is the effective refractive index of the waveguide, n c is the refractive index of the upper cladding layer, Is given by the equation n c sin θ q = N + qλ / Λ.
一般に、導波路の実効屈折率Nはコアの屈折率とクラッドの屈折率の間の値をとるため、N>ncの関係にあり、光の放射が生じるのは、q≦−1を満たす次数qに限られる。更に、回折次数が小さい回折光ほど回折効率が大きいことを考慮すると、放射光へのパワー分配比を最も大きくできるのは、q=−1を満たす放射光(−1次放射光)を使用する場合である。また、−1次放射光よりパワー分配比は低下するものの、必要に応じて−2次放射光も使用することもできる。なお、上記−1次放射光や−2次放射光等の放射光の他、導波路方向への戻り光Pref、コア層透過光Ptrans、BOX層402を介した基板401側への放射光Pdownも同時に存在する。In general, since the effective refractive index N of the waveguide takes a value between the refractive index of the core and the refractive index of the cladding, there is a relation of N> n c , and the light emission is generated so as to satisfy q ≦ −1. Limited to order q. Furthermore, considering that the diffracted light with the smaller diffraction order has the higher diffraction efficiency, the radiation distribution (-1st radiation) satisfying q = -1 is used to maximize the power distribution ratio to the radiation. That's the case. Although the power distribution ratio is lower than that of the -1st radiation, -2nd radiation can also be used if necessary. In addition to the emitted light such as the above-described -1st radiation and -2nd radiation, the return light P ref in the waveguide direction, the core layer transmitted light P trans , and the radiation to the
ここで、出射角θqは、図4Aに示される格子の周期Λ、幅w、深さd、光導波路の厚さDによって任意に設計できる。なお、真空中の波長1.3μm〜1.6μmの光に対して周期Λ、幅w、深さd、光導波路の厚さDの数値範囲を例示すれば、以下のとおりである。Here, the emission angle θ q can be arbitrarily designed according to the period Λ, the width w, the depth d, and the thickness D of the optical waveguide shown in FIG. 4A. The numerical range of the period Λ, the width w, the depth d, and the thickness D of the optical waveguide for light having a wavelength of 1.3 μm to 1.6 μm in vacuum is as follows.
Λ:530〜550nm
FF(=1−w/Λ):0.3〜0.6
d:60〜80nm
D:180〜220nm
以上、グレーティングカプラによって導波光を光導波路外に出射させる場合について述べたが、このようなグレーティングカプラによって外部光を光導波路内に入射させることも従来から広く行なわれている。Λ: 530 to 550 nm
FF (= 1−w / Λ): 0.3 to 0.6
d: 60 to 80 nm
D: 180 to 220 nm
Although the case has been described above where the guided light is emitted to the outside of the optical waveguide by the grating coupler, it has also been widely practiced in the past to make external light enter the optical waveguide by such a grating coupler.
このように、グレーティングカプラはコアの表面に回折格子を形成した構造を基本としているが、性能向上を目指す過程で、従来、種々の特徴を持った構造が提案されている。例えば、最も基本的なグレーティングカプラとして、導波路の長さ方向に凹凸が周期的に並んだ1次元の格子(グレーティング)を有し、その格子が導波路の横幅方向に直線状で一様である1次元グレーティングカプラ(図4B参照)が挙げられる。 As described above, the grating coupler is basically based on the structure in which the diffraction grating is formed on the surface of the core, but in the process aiming to improve the performance, structures having various features have been proposed. For example, as the most basic grating coupler, it has a one-dimensional grating (grating) in which asperities are periodically arranged in the longitudinal direction of the waveguide, and the grating is linear and uniform in the lateral width direction of the waveguide. There is a certain one-dimensional grating coupler (see FIG. 4B).
このような1次元グレーティングカプラにおいては、グレーティングが導波路の幅方向に一様であるため、幅方向の構造を無視して、長さ方向と厚み方向の2次元構造に近似できる。そのため、グレーティングカプラからの放射光を数値計算で求める場合、その計算規模を小さくでき、結果として、光結合効率の良いグレーティングカプラを短時間で設計できるという利点がある。 In such a one-dimensional grating coupler, since the grating is uniform in the width direction of the waveguide, the structure in the width direction can be ignored to approximate a two-dimensional structure in the length direction and the thickness direction. Therefore, when the emitted light from the grating coupler is obtained by numerical calculation, the calculation scale can be reduced, and as a result, there is an advantage that the grating coupler with good optical coupling efficiency can be designed in a short time.
一方で、図4Bに示される1次元グレーティングカプラにおいては、グレーティング部410の横幅は、多くの場合、基板上の光導波路の幅の10倍以上であったため、グレーティング部410と光導波路との間に長く緩やかなテーパ導波路部420を挿入する必要があった。これは、グレーティング部410と光導波路部420の接続部における伝搬光の波面の乱れを抑制するためであったが、結果として、グレーティング部410とテーパ導波路部420を合わせたグレーティングカプラの全体構造が大型化することが難点であった(非特許文献1)。
On the other hand, in the one-dimensional grating coupler shown in FIG. 4B, the lateral width of the
例えば、図4Bに示すような従来の1次元周期のグレーティングカプラにおいては、グレーティング部410の幅Uの15倍程度以上の長さSを有するテーパ導波路420を設ける必要があり、仮に、Uを20μm程度とすれば、最小でもSは300μm程度とする必要があった。因みに、その場合のグレーティング部410の長さTは30μm程度である。
For example, in a conventional one-dimensional periodic grating coupler as shown in FIG. 4B, it is necessary to provide a
そこで、別の従来技術として、広がり角の大きなテーパ導波路に円弧状のグレーティングを形成したグレーティングカプラが提案された(図4C参照)(特許文献1、特許文献2)。このようなグレーティングカプラにおいては、グレーティングも円弧状に形成されることから、グレーティング部とテーパ導波路を含めた全体構造の小型化が可能となった。
Then, as another prior art, the grating coupler which formed the circular-arc-shaped grating in the taper waveguide with a large expansion angle was proposed (refer FIG. 4C) (
しかし、グレーティングが円弧状となったことによって、グレーティングが導波路の横幅方向に一様でなくなり、数値計算における2次元近似ができなくなった。そのため、円弧状グレーティングカプラの特性を知るには、膨大な計算機パワーと時間を要する3次元計算を行うか、或いは同様に時間のかかる試作と実験による検証を繰り返すことを強いられるようになり、より良い特性を求めて詳細構造を調節するために多くの時間を要する、という新たな問題を生じている。 However, as the grating becomes arc-shaped, the grating is not uniform in the width direction of the waveguide, and two-dimensional approximation in numerical calculation can not be performed. Therefore, in order to know the characteristics of the arc-shaped grating coupler, it becomes necessary to perform three-dimensional calculations requiring a large amount of computer power and time, or to repeat time-consuming trial production and experiment verification similarly. A new problem arises in that it takes a lot of time to adjust the detailed structure in order to obtain good characteristics.
上記のような、1次元グレーティングカプラの有する、構造の大型化という問題と、円弧状のグレーティングカプラの有する、設計の困難性という問題を解決するために、小型で、同時に構造の最適化が容易なグレーティングカプラを提供することが課題である。 In order to solve the problem of upsizing of the structure of the one-dimensional grating coupler and the problem of design difficulty of the arc-shaped grating coupler as described above, it is compact and it is easy to optimize the structure at the same time It is an object to provide a novel grating coupler.
上記課題を解決するために、本発明のグレーティングカプラは、1次元格子を備えた複数のグレーティング要素を隣接配置した構成に特徴を有するものであり、その実施形態は概略以下のとおりである。尚、以下では、導波路から入力された光がグレーティングカプラから基板表面側に出力される場合を想定して「光入力側」と「光透過側」の名称を割り当てるが、光の伝搬方向が逆向きになる場合は、それらの名称の割り当てが逆になることに留意すべきである。 In order to solve the above problems, the grating coupler of the present invention is characterized by a configuration in which a plurality of grating elements provided with a one-dimensional grating are arranged adjacent to each other, and the embodiment thereof is roughly as follows. In the following, assuming that the light input from the waveguide is output from the grating coupler to the substrate surface, the names “light input side” and “light transmission side” are assigned, but the light propagation direction is It should be noted that in the opposite case, the assignment of their names is reversed.
本発明のグレーティングカプラの基本形態においては、グレーティングカプラは互いに隣接して配置された複数のグレーティング要素とその間をつなぐ導波路とを備え、前記複数のグレーティング要素は、互いに同じまたは略同じ方向に周期性を有する1次元格子を備え、少なくとも1つのグレーティング要素の光透過側に接続された導波路は、別のグレーティング要素の光入力側に接続されている。各グレーティング要素は、グレーティング部と、その前後に付加されたテーパ導波路部とからなる。 In the basic form of the grating coupler of the present invention, the grating coupler comprises a plurality of grating elements arranged adjacent to each other and a waveguide connecting between the grating elements, and the plurality of grating elements have periods in the same or substantially the same direction. A waveguide comprising a one-dimensional grating having a conductivity and connected to the light transmission side of at least one grating element is connected to the light input side of another grating element. Each grating element comprises a grating portion and a tapered waveguide portion added before and after the grating portion.
本基本形態においては、従来の1次元周期のグレーティングカプラの幅に対して合計で略同じ幅となる互いに隣接するグレーティング要素に光を入力するために、互いに隣接して配置された複数のグレーティング要素の間をつなぐ導波路を設け、該導波路を少なくとも1つのグレーティング要素の光透過側に接続するとともに別のグレーティング要素の光入力側に接続(シリアル接続)するように構成している。そのため、グレーティング要素の数に反比例して、一つ一つのグレーティング要素の幅が縮小され、それに伴って、各グレーティング要素の前後に付加されるテーパ導波路部の長さも縮小されることとなる。 In this basic mode, a plurality of grating elements arranged adjacent to each other in order to input light to adjacent grating elements having substantially the same total width with respect to the width of a conventional one-dimensional periodic grating coupler A waveguide connecting the two is configured to connect the waveguide to the light transmission side of at least one grating element and to connect (serial connection) to the light input side of another grating element. Therefore, the width of each grating element is reduced in inverse proportion to the number of grating elements, and the length of the tapered waveguide added before and after each grating element is also reduced accordingly.
本基本形態のグレーティングカプラは、グレーティング要素と略等しい長さを有していることから、グレーティング要素の数を増加させることによりテーパ導波路部の長さが短くなり、結果として、従来の1次元周期のグレーティングカプラの全長よりも短くすることが可能である。他方で、各グレーティング要素は1次元格子であるから、光入出射特性の設計の容易さは維持される。言うまでもなく、各グレーティング要素に光を外部から入射する態様においても同様の効果を有するものである。 Since the grating coupler of this basic mode has a length substantially equal to that of the grating elements, the length of the tapered waveguide portion is shortened by increasing the number of grating elements, and as a result, the conventional one-dimensional structure can be obtained. It is possible to make it shorter than the total length of the periodic grating coupler. On the other hand, because each grating element is a one-dimensional grating, the ease of design of the light input / output characteristics is maintained. Needless to say, the same effect can be obtained in the mode in which light is externally incident on each grating element.
本発明のグレーティングカプラの第1の形態においては、前記基本形態において、互いに隣接する少なくとも一対のグレーティング要素の間隔は、2つのグレーティング要素の内の狭い方の幅以下であるように構成している。このような構成を採用することにより、隣接するグレーティング要素の間に存在する間隙による出射光の強度の低下を実用的には問題とならないようにできる。 In the first form of the grating coupler of the present invention, in the basic form, a distance between at least a pair of grating elements adjacent to each other is configured to be equal to or less than a narrow width of two grating elements. . By adopting such a configuration, it is possible to practically prevent a reduction in the intensity of the emitted light due to the gap existing between the adjacent grating elements.
また、本発明のグレーティングカプラの第2の形態においては、前記基本形態及び第1の形態において、2つ以上のグレーティング要素が、同じ周期と深さの1次元格子を備え、光入力側から光透過側へ向かう方向が同一であるように構成している。その結果、等しい回折次数を有する回折光(例えば、−1次放射光)の出射角度を各グレーティング要素において揃わせることができ、適正な強度分布の放射光を容易に実現できる。 In the second form of the grating coupler of the present invention, in the basic form and the first form, the two or more grating elements comprise one-dimensional gratings of the same period and depth, and light from the light input side The directions toward the transmission side are configured to be the same. As a result, the emission angles of diffracted light (e.g., -1st order radiation) having equal diffraction orders can be made uniform at each grating element, and radiation of appropriate intensity distribution can be easily realized.
本発明のグレーティングカプラの第3の形態においては、前記基本形態及び第1の形態において、導波路で接続された少なくとも一対のグレーティング要素が、周期の異なる1次元格子を備え、光入力側から光透過側へ向かう方向が逆であるように構成している。その結果、光入力側から光透過側へ向かう方向が逆である一対のグレーティング要素において異なる回折次数を有する回折光(例えば、−1次放射光と−2次放射光)が出射され、それらの出射角度を前記一対のグレーティング要素において揃わせることができ、適正な強度分布の放射光を容易に実現できる。 In the third aspect of the grating coupler of the present invention, in the basic aspect and the first aspect, at least a pair of grating elements connected by a waveguide includes one-dimensional gratings having different periods, and light is transmitted from the light input side The direction toward the transmission side is configured to be opposite. As a result, diffracted light having different diffraction orders (for example, -1st radiation and -2nd radiation) is emitted from a pair of grating elements whose directions from the light input side to the light transmission side are opposite, The emission angles can be made uniform in the pair of grating elements, and radiation having an appropriate intensity distribution can be easily realized.
本発明のグレーティングカプラの第4の形態においては、前記基本形態及び第1〜第3の形態において、前記光入力側及び/又は光透過側に、前記グレーティング要素に接続された光分岐部を備えるよう構成している。このような構成を採用することにより、グレーティングカプラを光分岐部に対して対称な構造とすることができ、幅方向の対称性に優れる適正な光の強度分布を容易に達成できる。 In the fourth aspect of the grating coupler of the present invention, in the basic aspect and the first to third aspects, the light input side and / or the light transmission side is provided with the light branching portion connected to the grating element. It is configured as follows. By adopting such a configuration, the grating coupler can be made symmetrical with respect to the light branching portion, and an appropriate light intensity distribution excellent in symmetry in the width direction can be easily achieved.
本発明によれば、小型化が可能であるとともに、光結合する先のモードフィールドに合わせた設計が容易なグレーティングカプラを提供し得る。 According to the present invention, it is possible to provide a grating coupler which can be miniaturized and which can be easily designed according to the mode field to which light is coupled.
以下、本発明のグレーティングカプラの実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術的範囲は、それらの実施形態によって限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づき解釈されるべきものである。また、グレーティングカプラの「構造」は、厳密には、「コアの構造」であって、周囲をクラッドが取り囲んでいることは言うまでもない。なお、以下の説明においては、グレーティング要素から光を外部に出射する態様について主として説明するが、グレーティング要素に光を外部から入射する態様も同様の構成で実現できる。 Hereinafter, embodiments of the grating coupler of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited by those embodiments, and should be interpreted based on the description of the claims. Also, it goes without saying that the "structure" of the grating coupler is strictly a "core structure" and the cladding is surrounded by the periphery. In the following description, although an aspect in which light is emitted from the grating element to the outside is mainly described, an aspect in which light is incident on the grating element from the outside can be realized by the same configuration.
図1Aは、本発明のグレーティングカプラの一実施形態の構成を示す模式的な平面図である。図1Aに示すように、本実施形態のグレーティングカプラは、2つのグレーティング要素101、102と、グレーティング要素101の光透過側及びグレーティング要素102の光入力側に接続された導波路120とを備えているが、それらは、不図示の半導体基板(例えば、シリコン基板)上に形成され、例えば、図4Aに示されるような断面構造を有する埋め込み型光導波路として構成できる。
FIG. 1A is a schematic plan view showing the configuration of an embodiment of the grating coupler of the present invention. As shown in FIG. 1A, the grating coupler of this embodiment includes two
グレーティング要素101は、テーパ導波路部101a、101b、グレーティング部101cから構成されている。
The
テーパ導波路部101a、101bは、それぞれ、光を基板面に沿って導波させる機能を有する平面光導波路で構成され、テーパ導波路部101aの幅の狭い側の端部がグレーティング要素101の光入力側とされ、幅の広い側の端部がグレーティング部101cに接続されるとともに、テーパ導波路部101bの幅の広い側の端部がグレーティング部101cに接続され、幅の狭い側の端部がグレーティング要素101の光透過側とされている。なお、テーパ導波路部101a、101bのテーパ形状は、直線的なテーパ形状に限らず、例えば、2次曲線や半楕円形のような曲線的なテーパ形状も含むものである。
The tapered
グレーティング部101cは、所定の間隔及び深さを有する周期的な溝で構成される1次元回折格子であり、テーパ導波路部101aを伝搬する光を外部に出射する機能を有するものである。その有する機能等については、〔背景技術〕欄において、図4Aを用いて概略説明したとおりである。なお、1次元格子は必ずしも一様である必要は無く、例えば周期や溝の深さが徐々に変化するようなアポダイズ構造を有していてもよい。
The
グレーティング要素101とグレーティング要素102は、同じ周期と深さの1次元格子を備ており、光入力側から光透過側へ向かう方向が同一である。これは、等しい回折次数を有する回折光(例えば、−1次放射光)の出射角度を各グレーティング要素において揃わせて、適正な強度分布の放射光を容易に実現するためである。
The
各グレーティング要素の幅は必ずしも等しくする必要はない。グレーティング要素の幅を異ならせた場合には、幅の狭いグレーティング要素から出射される光の単位面積当たりの強度、すなわちパワー密度が高くなる。そのため、この特性を利用すれば、グレーティング要素の幅方向の光の強度分布を調整することができ、結果として、グレーティングカプラから出射される光の強度分布を所望の形に調整することができる。すなわち、このような手法を用いれば、グレーティング部の幅方向の光強度分布、即ち出射光のモードフィールドの形状をよりきめ細かく調整することができる。そのため、例えば、光結合する相手である光ファイバの種類が複数あって、それらのモードフィールドが異なっていたとしても、個々のモードフィールドに合わせて幅方向の最適化設計をすることが可能である。 The widths of the grating elements do not necessarily have to be equal. When the widths of the grating elements are made different, the intensity per unit area of the light emitted from the narrow grating element, that is, the power density becomes high. Therefore, if this characteristic is used, the intensity distribution of light in the width direction of the grating element can be adjusted, and as a result, the intensity distribution of light emitted from the grating coupler can be adjusted to a desired shape. That is, by using such a method, it is possible to more finely adjust the light intensity distribution in the width direction of the grating portion, that is, the shape of the mode field of the emitted light. Therefore, for example, even if there are a plurality of types of optical fibers that are to be coupled with each other and their mode fields are different, it is possible to perform optimization design in the width direction according to each mode field. .
導波路120は、グレーティング要素101、102の間隙に配置され、グレーティング要素101の光透過側及びグレーティング要素102の光入力側に接続されており、グレーティング要素101とグレーティング要素102とをシリアルに接続するものである。
The
隣接するグレーティング要素101とグレーティング要素102との間隔は、グレーティング要素101、102の狭い方の幅以下となるように設定されている。このような設定とする理由は、隣接するグレーティング要素101と102の間に間隙が存在すると、その部分で出射光量が低下し、グレーティングカプラから出射される光の強度分布に影響が出ることが想定されるものの、グレーティング要素間の間隔を上記のように設定すればその影響を実用的には問題とならないレベルまで軽減できることによるものである。
The distance between the adjacent
図1Aに示されるグレーティングカプラのスケールについては、複数のグレーティング要素のグレーティング部の総体の大きさを従来のグレーティングカプラのグレーティング部と略同等とすると、グレーティングカプラの長さは以下のように算出される。 Regarding the scale of the grating coupler shown in FIG. 1A, assuming that the total size of the grating portions of the plurality of grating elements is substantially equal to that of the grating portion of the conventional grating coupler, the length of the grating coupler is calculated as follows Ru.
グレーティングカプラがp個のグレーティング要素から構成されているとして、k番目(1≦k≦p)のグレーティング要素のテーパ導波路部の長さをsk、グレーティング部の長さをtk、グレーティング部の幅をukとする。Assuming that the grating coupler is composed of p grating elements, the length of the tapered waveguide portion of the k-th (1 ≦ k ≦ p) grating element is s k , the length of the grating portion is t k , and the grating portion the width and u k.
グレーティング部の長さtkは、図4Bに示される従来のグレーティングカプラのグレーティング部410の長さTと略等しい。また、k番目のグレーティング要素のテーパ導波路部の形状は、従来のグレーティングカプラのテーパ導波路部420の形状と略相似となることから、sk/uk=S/U=r(定数)が成立する。なお、Σkuk=Uである(但し、Σkは1〜pについての総和を表す)。The length t k of the grating portion is approximately equal to the length T of the
これより、図1Aに示されるグレーティングカプラの長さLは、各グレーティング要素に2つのテーパ導波路部が存在することを考慮して、L=T+2*Max(sk)=T+2*r*Max(uk)と表されることになる。なお、図4Bに示される従来のグレーティングカプラについては、その長さをL’とすれば、L’=T+S=T+r*Uと表される。From this, the length L of the grating coupler shown in FIG. 1A is L = T + 2 * Max (s k ) = T + 2 * r * Max, taking into consideration that there are two tapered waveguide portions in each grating element. It will be expressed as (u k ). In addition, about the conventional grating coupler shown by FIG. 4B, if the length is set to L ', it will be represented as L' = T + S = T + r * U.
今、グレーティング要素の幅ukが全て等しい場合には、uk=U/pが成立するから、L=T+(2*r/p)*Uとなる。上述のLとL’とを対比すれば明らかなように、p≧2の場合にL≦L’となり、pが増大するにつれてLは減少してTに近づいていく。Now, if the widths u k of the grating elements are all equal, u k = U / p holds, so L = T + (2 * r / p) * U. As apparent from the comparison of L and L 'described above, LLL' in the case of p ≧ 2, and L decreases and approaches T as p increases.
したがって、図1Aに示されるグレーティングカプラにおいて、グレーティング要素の数を増やすことにより全体の長さを従来の一次元周期のグレーティングカプラに比して大幅に減少させることが可能である。 Therefore, in the grating coupler shown in FIG. 1A, the overall length can be significantly reduced as compared to the conventional one-dimensional periodic grating coupler by increasing the number of grating elements.
なお、グレーティング要素の幅ukが異なるケースについては、Lは上述のケースに比べ若干増大はするものの、略同様の結論が成り立つものである。In the case where the widths u k of the grating elements are different, although L slightly increases as compared with the above-described case, substantially the same conclusion holds.
次に、図1Aに示されるグレーティングカプラの有する作用について詳述する。 Next, the operation of the grating coupler shown in FIG. 1A will be described in detail.
不図示の光導波路を介してグレーティング要素101の光入力側に入射した光は、テーパ導波路部101aを伝搬してグレーティング部101cに到達し、グレーティング部101cにおいて回折次数が−1次の放射光が出射される。−1次放射光の出射角度θ−1は、回折格子の周期Λ、幅w、深さd、光導波路の厚さDによって任意に設計できる(図4A参照)。The light incident on the light input side of the
グレーティング部101cを透過する光も存在し(図4A;Ptrans参照)、当該透過光は、テーパ導波路部101bを伝搬してグレーティング要素101の光透過側に到達し、更に導波路120を伝搬してグレーティング要素102の光入力側に入射する。グレーティング要素102においても、グレーティング要素101と同様に、回折次数が−1次の放射光が出射される。−1次放射光の出射角度は、回折格子の周期Λ、幅w、深さd、光導波路の厚さDがグレーティング要素101と同様に設定されているため、グレーティング要素101の−1次放射光の出射角度θ−1と等しくなる。There is also light transmitted through the
更なるグレーティング要素がグレーティング要素102に導波路を介してシリアルに接続されている場合にも、当該グレーティング要素における−1次放射光の出射角度は、回折格子の周期Λ、幅w、深さd、光導波路の厚さDをグレーティング要素101と同様に設定しておけば、グレーティング要素101の−1次放射光の出射角度θ−1と等しくなる。Even when the additional grating element is serially connected to the
このようにして、−1次放射光の出射角度を各グレーティング要素において揃わせることができ、適正な強度分布の放射光を容易に実現できる。 In this way, the emission angle of the -1st order radiation can be made uniform in each grating element, and radiation with an appropriate intensity distribution can be easily realized.
図1Bは、本発明のグレーティングカプラの一実施形態の一変形形態の構成を示す模式的な平面図である。図1Bに示される形態は、その基本的な構成は図1Aの実施形態と同様であるが、図1Aの実施形態と異なる点は、グレーティング要素103、105の光入力側に光分岐素子130を設けた点にある。
FIG. 1B is a schematic plan view showing the configuration of a modification of the embodiment of the grating coupler of the present invention. The basic configuration shown in FIG. 1B is the same as that of the embodiment of FIG. 1A, but the difference from the embodiment of FIG. 1A is that the
光分岐素子130は、不図示の光導波路を介して入力端から入射された光を、2つの出力端からグレーティング要素103、105に分岐出力する。光分岐素子130は、例えば、コアがSiからなると共にクラッドがシリコン酸化膜からなる1入力2出力型のマルチモード干渉計(MMI)で構成されている。一般に、マルチモード干渉計は、入射端における光のフィールドがマルチモード干渉導波路を伝搬する過程で周期的に再現される自己収束効果を有しており、マルチモード干渉導波路の幅に応じて決まる入力端から特定の距離において、一つから複数の収束するフィールドを得ることができるものである。その収束位置を出力端にして導波路を接続することにより、非常に低損失の光分岐を構成することができる。
The
光分岐素子130の光の分岐比を例えば1:1に設定し、光分岐素子130以降のグレーティング要素を幅方向に対称にしておけば、幅方向に対称なモードフィールドを有する出射光を得ることができる。
If the branching ratio of the light of the
本形態における入力端から出力端に至る光分岐素子130の長さは、前記の特定の距離以上とする必要はあるものの、15μm程度以内に設定することが可能である。そのため、光分岐素子130の長さを加えることによる本形態のグレーティングカプラの長さの増加は限定的であり、グレーティング要素の数を増やすことにより従来の1次元周期のグレーティングカプラに比べて全体の長さを大幅に減少させることが可能である。
The length of the
なお、本形態のグレーティングカプラの有する作用に関しては、光分岐素子130の出力をそれぞれ受ける、グレーティング要素103、104、導波路121からなる組とグレーティング要素105、106、導波路122からなる組のそれぞれの組において、図1Aのグレーティングカプラと同様の作用を有するものであるから説明を省略する。
With regard to the function of the grating coupler of this embodiment, the set of
図1Cは、本発明のグレーティングカプラの一実施形態の他の変形形態の構成を示す模式的な平面図である。図1Cに示される形態は、その基本的な構成は図1Aに示される形態と同様であるが、図1Aに示される形態と異なる点は、グレーティング要素107の光透過側に光分岐素子140を設けた点にある。
FIG. 1C is a schematic plan view showing the configuration of another modification of the embodiment of the grating coupler of the present invention. The basic configuration shown in FIG. 1C is the same as the basic configuration shown in FIG. 1A, except that the
光分岐素子140の構成及び作用に関しては、図1Bに関連して説明した光分岐素子130と同様であるから、説明を省略する。
The configuration and operation of the
本形態によれば、図1Bに示される形態と同様、光分岐素子140の光の分岐比を例えば1:1に設定し、光分岐素子130以降のグレーティング要素を幅方向に対称にしておくことによって、幅方向に対称なモードフィールドを有する出射光を得ることができる。
According to this embodiment, as in the embodiment shown in FIG. 1B, the branching ratio of the light of the
更に、本形態のグレーティングカプラは、図1Bに示される形態と同様、光分岐素子140の長さを加えても、グレーティング要素の数を増やすことにより従来の1次元周期のグレーティングカプラに比べて全体の長さを大幅に減少させることが可能である。
Furthermore, in the grating coupler of this embodiment, as in the embodiment shown in FIG. 1B, even if the length of the
なお、本形態のグレーティングカプラの有する作用に関しては、光分岐素子140が介在してはいるものの、グレーティング要素107、108、導波路123からなる組と、グレーティング要素107、109、導波路124からなる組のそれぞれの組において、図1Aのグレーティングカプラと同様の作用を有するものであるから説明を省略する。
Although the
また、本形態においては、グレーティング要素108、109は、グレーティング要素107の透過光を光分岐素子140で分割して入力しているため、グレーティング要素108、109から出射される光の強度が低下する可能性がある。しかし、グレーティング要素108、109の幅をグレーティング要素107の幅よりも狭めるようにすれば、幅の狭いグレーティング要素108、109から出射される光のパワー密度が高くなるから、グレーティング要素の幅方向の光の強度分布を調整することができ、結果として、グレーティングカプラから出射される光の強度分布を所望の形に調整することができる。
Further, in the present embodiment, since the
図2Aは、本発明のグレーティングカプラの他の一実施形態の構成を示す模式的な平面図である。図2Aに示される形態は、その基本的な構成は図1Aに示される形態と同様であるが、図1Aに示される形態と異なる点は、図1Aに示される形態では導波路120をグレーティング要素101、102の間の間隙に設置しているのに対し、図2Aに示される形態では導波路220、221をグレーティング要素201〜203を取り巻くように設置した点にある。
FIG. 2A is a schematic plan view showing the configuration of another embodiment of the grating coupler of the present invention. The form shown in FIG. 2A is similar in its basic configuration to the form shown in FIG. 1A, except that the form shown in FIG. 1A differs from the form shown in FIG. In the configuration shown in FIG. 2A, the
このような構成にすると、図1Aに示される形態では、導波路120をグレーティング要素101、102の間の間隙に設置している関係上、その間隙をある限度以下にはできないという制約があったが、図2Aに示される形態では、グレーティング要素201〜203間の間隙に関する上記のような制約がほとんどないため、間隙の存在に起因するグレーティングカプラから出射される光の強度分布に対する影響を一層軽減できることになる。
With such a configuration, in the configuration shown in FIG. 1A, there is a restriction that the gap can not be made smaller than a certain limit because the
本形態のグレーティングカプラは、図1Aに示されるグレーティングカプラと同様、グレーティング要素の数を増やすことにより全体の長さを従来の一次元周期のグレーティングカプラに比して大幅に減少させることが可能である。 The grating coupler of this embodiment, like the grating coupler shown in FIG. 1A, can significantly reduce the overall length as compared to the conventional one-dimensional periodic grating coupler by increasing the number of grating elements. is there.
なお、本形態のグレーティングカプラの有する作用に関しては、図1Aのグレーティングカプラと同様の作用を有するものであるから説明を省略する。 In addition, about the effect | action which the grating coupler of this form has, since it has an effect | action similar to the grating coupler of FIG. 1A, description is abbreviate | omitted.
図2Bは、本発明のグレーティングカプラの他の一実施形態の一変形形態の構成を示す模式的な平面図である。図2Bに示される形態は、その基本的な構成は図2Aの実施形態と同様であるが、図2Aの実施形態と異なる点は、グレーティング要素204、207の光入力側に光分岐素子230を設けた点にある。
FIG. 2B is a schematic plan view showing the configuration of a modification of another embodiment of the grating coupler of the present invention. The basic configuration shown in FIG. 2B is the same as that of the embodiment shown in FIG. 2A, except that the
光分岐素子230の構成及び作用に関しては、図1Bに関連して説明した光分岐素子130と同様であるから、説明を省略する。
The configuration and operation of the
本形態のグレーティングカプラは、出射光のモードフィールドを幅方向に例えば対称にできるとともに、図1Bに示される形態と同様、光分岐素子230の長さを加えても、グレーティング要素の数を増やすことにより従来の1次元周期のグレーティングカプラに比べて全体の長さを大幅に減少させることが可能である。
In the grating coupler of this embodiment, the mode field of the outgoing light can be made symmetrical, for example, in the width direction, and the number of grating elements can be increased even if the length of the
なお、本形態のグレーティングカプラの有する作用に関しては、光分岐素子230の出力をそれぞれ受ける、グレーティング要素204、205、206、導波路222、223からなる組とグレーティング要素207、208、209、導波路224、225からなる組のそれぞれの組において、図2Aのグレーティングカプラと同様の作用を有するものであるから説明を省略する。
As to the function of the grating coupler of this embodiment, a set of
図2Cは、本発明のグレーティングカプラの他の一実施形態の他の変形形態の構成を示す模式的な平面図である。図2Cに示される形態は、その基本的な構成は図2Bに示される形態と同様であるが、図2Bの形態と異なる点は、グレーティング要素210の光透過側に光分岐素子240を設けた点にある。
FIG. 2C is a schematic plan view showing the configuration of another modification of the other embodiment of the grating coupler of the present invention. The basic configuration shown in FIG. 2C is the same as the basic configuration shown in FIG. 2B, except that the
光分岐素子240の構成及び作用に関しては、図1Bに関連して説明した光分岐素子130と同様であるから、説明を省略する。
The configuration and operation of the
本形態のグレーティングカプラは、図1Cに示される形態と同様、出射光のモードフィールドを幅方向に例えば対称にできるとともに、光分岐素子240の長さを加えても、グレーティング要素の数を増やすことにより従来の1次元周期のグレーティングカプラに比べて全体の長さを大幅に減少させることが可能である。
In the grating coupler of this embodiment, as in the embodiment shown in FIG. 1C, the mode field of the outgoing light can be made symmetrical, for example, in the width direction, and the number of grating elements is increased even if the length of the
なお、本形態のグレーティングカプラの有する作用に関しては、光分岐素子240が介在してはいるものの、グレーティング要素210、211、212、導波路226、227からなる組とグレーティング要素210、213、214、導波路228、229からなる組のそれぞれの組において、図2Aのグレーティングカプラと同様の作用を有するものであるから説明を省略する。
As to the function of the grating coupler of this embodiment, although the
図3Aは、本発明のグレーティングカプラの更に他の一実施形態の構成を示す模式的な平面図である。図3Aに示される形態は、導波路320で接続された一対のグレーティング要素301、302が、周期の異なる1次元格子を備え、光入力側から光透過側へ向かう方向が逆であるように構成されている。その結果、前記一対のグレーティング要素301、302において異なる回折次数を有する回折光(例えば、−1次放射光と−2次放射光)が出射され、それらの出射角度を前記一対のグレーティング要素において揃わせることができ、適正な強度分布の放射光を容易に実現できる。
FIG. 3A is a schematic plan view showing the configuration of still another embodiment of the grating coupler of the present invention. The configuration shown in FIG. 3A is configured such that the pair of
このような構成にすると、各グレーティング要素間に接続される導波路を短く設定でき、導波路の形成も容易になる。 With such a configuration, the waveguides connected between the grating elements can be set short, and the formation of the waveguides can be facilitated.
また、図3Aに示されるグレーティングカプラは、図1Aに示されるグレーティングカプラと同様、グレーティング要素の数を増やすことにより全体の長さを従来の一次元周期のグレーティングカプラに比して大幅に減少させることが可能である。 Also, the grating coupler shown in FIG. 3A, like the grating coupler shown in FIG. 1A, significantly reduces the overall length as compared to the conventional one-dimensional periodic grating coupler by increasing the number of grating elements. It is possible.
次に、図3Aに示されるグレーティングカプラの有する作用について詳述する。 Next, the operation of the grating coupler shown in FIG. 3A will be described in detail.
グレーティング要素301において−1次放射光が出射されることや、グレーティング要素301を透過する光が存在し、当該透過光がグレーティング要素301の光透過側に到達し、更に導波路320を伝搬してグレーティング要素302の光入力側に入射することは、図1Aに示されるグレーティングカプラと同様である。
In the
しかしながら、グレーティング要素302においては、図1Aに示されるグレーティングカプラと異なり、光入力側から光透過側へ向かう方向がグレーティング要素301と逆である。そのため、グレーティング要素302の−1次放射光の出射角度は、仮に、回折格子の周期Λ、幅w、深さd、光導波路の厚さDをグレーティング要素301と同じにすると、−1次放射光の出射角度が−θ−1となって、グレーティング要素301の−1次放射光の出射角度θ−1とは傾く向きが逆になってしまう。However, in the
グレーティング要素302からの放射光の出射角度を、グレーティング要素301の−1次放射光の出射角度と、傾く向きも含めて一致させる手段は二つある。その一つは、グレーティング要素302の回折格子の周期Λをグレーティング要素301の場合よりも小さくすることによって、−1次放射光を逆向きに傾けることである。また他の一つは、−1次の回折光とは逆に傾く−2次の回折光をグレーティング要素302の放射光として利用することである(図4A参照)。
There are two means for matching the emission angle of the radiation light from the
一般的には、グレーティング要素302の放射光として、回折次数の小さい−1次の回折光を利用する方が単位長さ当たりの放射効率が高いが、回折格子の周期Λが小さくなるので、作製の難易度は増す。一方、−2次の回折光を放射光として利用する場合は、回折次数が大きくなる分だけ単位長さ当たりの放射効率が低下するが、回折格子の周期Λがグレーティング要素301の回折格子の周期よりも大きくなるので、作製の難易度が増すことはない。
In general, although radiation efficiency per unit length is higher if diffracted light of small diffraction order is used as the emitted light of grating
尚、コアの材料がシリコンで、クラッドの材料が酸化膜であるようなグレーティングカプラの場合、通常、−1次の回折光が放射されるように設計されたグレーティングからは−2次の回折光は放射されず、逆に、−2次の回折光が放射されるように設計されたグレーティングからは−1次の回折光は放射されない。 In the case of a grating coupler in which the core material is silicon and the cladding material is an oxide film, a grating designed to emit -1st-order diffracted light usually emits -2nd-order diffracted light Is not emitted, and conversely, the -1st order diffracted light is not emitted from the grating designed to emit the -2nd order diffracted light.
−1次の回折光と−2次の回折光のうちのどちらを放射光として利用する場合であっても、グレーティング要素302からの光の出射角度をグレーティング要素301の−1次放射光の出射角度θ−1と等しくするためには、グレーティング要素302における回折格子の周期Λ、幅w、深さd、光導波路の厚さDを適宜調節しなければならない。しかし、上記調節条件の中、回折格子の深さdや光導波路の厚さDを調節することは、グレーティング要素302が、グレーティング要素301と同時に作成されることを勘案すれば困難であり、回折格子の周期Λと幅wの調節をして、グレーティング要素302の放射光の出射角度をグレーティング要素301の−1次放射光の出射角度θ−1と等しくすることが現実的と考えられる。そこで、本形態では、特に回折格子の周期を調節してグレーティング要素302の放射光の出射角を設定しているものである。The emission angle of the light from the
さて、グレーティング要素302から放射されずに透過する透過光はグレーティング要素302の光透過側に到達し、更に導波路321を伝搬してグレーティング要素303の光入力側に入射する。このとき、グレーティング要素303には、グレーティング要素301と同じ向きに光が入射する。そのため、回折格子の周期Λ、幅w、深さd、光導波路の厚さDをグレーティング要素301と同様に設定すれば、グレーティング要素303からの放射光の出射角度をグレーティング要素301の−1次放射光の出射角度θ−1と等することができる。The transmitted light transmitted without being emitted from the
グレーティング要素303の後ろに導波路を介して、更なるグレーティング要素がシリアルに接続されている場合も、上述したところと同様に取り扱うことができる。
If additional grating elements are connected serially via a waveguide behind the
このようにして、光入力側から光透過側へ向かう方向が逆である一対のグレーティング要素において、それぞれの放射光の出射角度を揃わせることができ、適正な強度分布の放射光を容易に実現できる。 In this way, in the pair of grating elements whose directions from the light input side to the light transmission side are opposite, the emission angles of the respective emitted light can be made uniform, and the emitted light of appropriate intensity distribution is easily realized it can.
図3Bは、本発明のグレーティングカプラの更に他の一実施形態の一変形形態の構成を示す模式的な平面図である。図3Bに示される形態は、その基本的な構成は図3Aの実施形態と同様であるが、図3Aの実施形態と異なる点は、グレーティング要素304、307の光入力側に光分岐素子330を設けた点にある。
FIG. 3B is a schematic plan view showing the configuration of a modification of still another embodiment of the grating coupler of the present invention. The form shown in FIG. 3B is the same as the embodiment of FIG. 3A in its basic configuration, but differs from the embodiment of FIG. 3A in that the
光分岐素子330の構成及び作用に関しては、図1Bに関連して説明した光分岐素子130と同様であるから、説明を省略する。
The configuration and operation of the
本形態のグレーティングカプラは、図1Bに示される形態と同様、出射光のモードフィールドを幅方向に、例えば、対称にできるとともに、光分岐素子330の長さを加えても、グレーティング要素の数を増やすことにより従来の1次元周期のグレーティングカプラに比べて全体の長さを大幅に減少させることが可能である。
The grating coupler of this embodiment can make the mode field of the emitted light symmetrical in the width direction, for example, as in the embodiment shown in FIG. 1B, and the number of grating elements can be increased even if the length of the
なお、本形態のグレーティングカプラの有する作用に関しては、光分岐素子330の出力をそれぞれ受ける、グレーティング要素304、305、306、導波路322、323からなる組とグレーティング要素307、308、309、導波路324、325からなる組のそれぞれの組において、図3Aのグレーティングカプラと同様の作用を有するものであるから説明を省略する。
As to the function of the grating coupler of this embodiment, a set of
図3Cは、本発明のグレーティングカプラの更に他の一実施形態の他の変形形態の構成を示す模式的な平面図である。図3Cに示される形態は、その基本的な構成は図3Bに示される形態と同様であるが、図3Bの形態と異なる点は、グレーティング要素310の光透過側に光分岐素子340を設けた点にある。
FIG. 3C is a schematic plan view showing the configuration of another modification of still another embodiment of the grating coupler of the present invention. The basic configuration shown in FIG. 3C is the same as the basic configuration shown in FIG. 3B, except that the
光分岐素子340の構成及び作用に関しては、図1Bに関連して説明した光分岐素子130と同様であるから、説明を省略する。
The configuration and operation of the
本形態のグレーティングカプラは、図1Cに示される形態と同様、光分岐素子340の長さを加えても、グレーティング要素の数を増やすことにより従来の1次元周期のグレーティングカプラに比べて全体の長さを大幅に減少させることが可能である。
The grating coupler of this embodiment, like the embodiment shown in FIG. 1C, increases the number of grating elements even if the length of the optical branching
なお、本形態のグレーティングカプラの有する作用に関しては、光分岐素子340が介在してはいるものの、グレーティング要素310、311、312、導波路326、327からなる組とグレーティング要素310、313、314、導波路328、329からなる組のそれぞれの組において、図3Aのグレーティングカプラと同様の作用を有するものであるから説明を省略する。
As to the function of the grating coupler of this embodiment, although the
なお、上述の各実施形態においては、シリアル接続の末端のグレーティング要素の光透過側には何も接続していないが、例えば透過光を回収するために光合波部(光分岐部と同じ構造で、逆向きに動作させるもの)などを接続してもよいし、そのような構造で双方向の動作をさせてもよい。 In each of the above embodiments, nothing is connected to the light transmission side of the grating element at the end of the serial connection, but for example, in order to collect the transmitted light, the light combining unit (same structure as the light branching unit , Etc. may be connected, or bidirectional operation may be performed with such a structure.
また、導波路の形状についても、細線導波路に限らず、リブ型導波路やそれらの組み合わせなどの他の形態でもよい。 Further, the shape of the waveguide is not limited to the thin wire waveguide but may be another form such as a rib waveguide or a combination thereof.
更に、光分岐部を1入力2出力のMMIの多段構成とすることや、1入力2出力のMMIではなく1入力4出力のMMIを用いることも可能である。 このように、光分岐素子の分岐数は2に限定されず、より大きな分岐比であってもよい。 Furthermore, it is also possible to use a multistage configuration of 1-input 2-output MMI, or to use 1-input 4-output MMI instead of 1-input 2-output MMI. As described above, the number of branches of the light branching element is not limited to 2, and may be a larger branching ratio.
また、光の分岐比や光損失の許容値に余裕があれば、MMIの代わりに、Y分岐や方向性結合器を用いて光分岐部を構成してもよい。 In addition, if there is a margin in the light branching ratio or the allowable value of the light loss, the light branching portion may be configured using a Y-branch or a directional coupler instead of the MMI.
また、光分岐部をグレーティング要素の光入力側及び光透過側の双方に設けるようにしてもよい。 Further, the light branching portion may be provided on both the light input side and the light transmission side of the grating element.
また、グレーティング要素間の導波路の長さを調節すれば、グレーティングカプラを構成する各グレーティング要素から出射される光の位相を揃えたり、或は、任意の位相差に設定したりすることも可能である。特に、各グレーティング要素から出射される光の位相を揃えることは、本発明のグレーティングカプラを、シングルモードファイバーのような単一モードの導波路に高効率で光結合させたい場合に有効である。 In addition, by adjusting the length of the waveguide between the grating elements, it is possible to align the phases of light emitted from each grating element constituting the grating coupler or to set an arbitrary phase difference. It is. In particular, aligning the phase of light emitted from each grating element is effective when it is desired to efficiently couple the grating coupler of the present invention to a single mode waveguide such as a single mode fiber.
以上、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明してきたが、当業者であれば、他の類似する実施形態を使用することができること、また、本発明から逸脱することなく適宜形態の変更又は追加を行うことができることに留意すべきである。 Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, those skilled in the art can use other similar embodiments and can appropriately select the embodiments without departing from the present invention. It should be noted that changes or additions of can be made.
101〜109、201〜214、301〜314;グレーティング要素
101a、101b、420;テーパ導波路部
101c、410;グレーティング部
120〜124、220〜229、320〜329;導波路
130、140、230、240、330、340;光分岐素子
401;基板
402;BOX層
414;コア層
416;上部クラッド層101 to 109, 201 to 214, 301 to 314;
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