光結合構造
【課題】低コストかつ簡便な構成を実現するとともに、垂直方向からの光を低損失で光回路内へ導くことが可能であり、しかも、光の偏波状態に関わらず有効に機能する光結合構造を提供すること。
【解決手段】光回路面内に形成され、光回路面に対して垂直方向から入射する光ビームを、光回路面内で、少なくとも１組の相互に逆向きの２方向に回折させる回折格子１と、相互に逆向きの２方向からの回折光を同相にて合波する少なくとも１つの合波機構と、合波機構により合波された合波光を光回路に導く少なくとも１本の合波光用光導波路３ｃとを備えている光結合構造。
【解決手段】光回路面内に形成され、光回路面に対して垂直方向から入射する光ビームを、光回路面内で、少なくとも１組の相互に逆向きの２方向に回折させる回折格子１と、相互に逆向きの２方向からの回折光を同相にて合波する少なくとも１つの合波機構と、合波機構により合波された合波光を光回路に導く少なくとも１本の合波光用光導波路３ｃとを備えている光結合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細な光導波路を有する光回路と、外部の光ファイバなどとの光結合を可能とする光結合構造に関し、特に、回折格子を用いた面型の光結合構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩなどの半導体チップの内部或いはチップ間でのデータ通信をレーザ光で行う光配線が検討されている。
そのようなチップ内或いはチップ間光通信においては、チップの内外での光信号の受け渡しが必要となる。
このようなチップ内の光回路では微細な光導波路が使用されるため、チップ外の光ファイバなどとの光結合には通常高精度の位置決めが必要となる。
そのため比較的位置合わせ精度を緩和できる回折格子を用いた面型の光結合構造が提案されている（特許文献１、非特許文献１、非特許文献２、図８を参照）。
【０００３】
なお、図８は、非特許文献１に開示される回折格子を用いた光結合構造を示しており、図８の符号２１は、回折格子を示し、図８の符号２２は、光ファイバを示し、図８の符号２３は、反射器を示し、図８の符号２４は、光導波路を示し、図８の符号２５は、集積回路を示し、図８の符号２６は、入射光を示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＵＳ２００４／０１５６５８９
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】F. V. Laere et al., IEEE J. lightwave Technol. 25, 151 (2007)
【非特許文献２】B. Analui et al., IEEE J. Solid-State Circuits 41, 2945 (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の光結合構造では図８に示すように、入射光（レーザ光）２６を光回路内に低損失に導くために、入射光２６や光ファイバ２２を斜めに傾けて入射させる必要があるため、光コネクタの構造が複雑となり、また、光ファイバ２２の端面を斜め研磨するなどの必要があるという課題があった。
【０００７】
特に、回折格子２１の動作には偏波面依存性があるために、入射光２６の偏波面を回折格子２１に対して正確に合わせる必要があるため、偏波面保持ファイバを用いる場合には、光ファイバ２２の端面を斜め研磨する際に、正確に偏波面保持方向を合わせて加工しなければならないという課題があった。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、従来の面入射型の光結合構造において、レーザ光や光ファイバを光回路面に対して斜めに傾けなければ高い光結合効率が得られないという課題を解決し、光回路面に対して垂直方向からの光入射に対しても低損失に光を光回路内に導くことのできる光結合構造に関するものである。
【０００９】
また、光回路面に対して垂直方向からの入射では、回折格子に対して左右に均等にレーザ光が回折されるため、最大でも５０％の結合効率しか得られないという課題が有った。
【００１０】
そこで左右両方向に回折されたレーザ光を集めて、１本の光導波路に導くことが考えられるが、単にレーザ光を合波するだけでは、位相関係によっては互いに打ち消しあって出力が得られなくなる場合もあるので、本発明においては、出力の打ち消しが起きないように、常に同相で合波する構造を提供する。
【００１１】
また、従来の光結合構造は、ある特定の偏波方向のレーザ光に対してしか有効に機能しないという問題があったが、本発明においては、どのような偏波状態の入射光に対しても有効に機能する構造についても提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の光結合構造は、光回路面内に形成され、前記光回路面に対して垂直方向から入射する光ビームを、前記光回路面内で、少なくとも１組の相互に逆向きの２方向に回折させる回折格子と、前記相互に逆向きの２方向からの回折光を同相にて合波する少なくとも１つの合波機構と、前記合波機構により合波された合波光を光回路に導く少なくとも１本の合波光用光導波路とを備えていることにより、前述した課題を解決したものである。
【００１３】
本発明の光結合構造は、光回路面内に形成され、前記光回路面に対して垂直方向から入射する光ビームを、前記光回路面内で、少なくとも１組の相互に逆向きの２方向に回折させる回折格子と、前記相互に逆向きの２方向からの回折光のモード径を断熱的にそれぞれ縮小していって単一モード導波路サイズに変換するための少なくとも１組のモード変換器と、前記モード変換器からの光を光合波器に導くための少なくとも１組の単一モード導波路と、前記光合波器に導かれた光を同相にて合波させる合波機構と、前記光合波器で合波された光を光回路に導く少なくとも１本の合波光用光導波路とを備えていることにより、前述した課題を解決したものである。
【００１４】
本発明の光結合構造は、前記光合波器はＹ分岐型の光合波器であり、前記単一モード導波路は、前記相互に逆向きの２方向からの回折光をそれぞれ導く２本の単一モード導波路間で、その光路長が（ｎ＋１／２）λ（ただし、λは真空中の光の波長、ｎは０または自然数）に相当する長さだけ異なるように設定されていることにより、前述した課題を解決したものである。
【００１５】
本発明の光結合構造は、前記光合波器は方向性結合器型の光合波器であり、前記単一モード導波路は、前記相互に逆向きの２方向からの回折光をそれぞれ導く２本の単一モード導波路間で、方向性結合器型光合波器のクロス側の導波路の光路長が、ストレート側の導波路の光路長よりも（ｎ＋１／４）λ（ただし、λは真空中の光の波長、ｎは整数）に相当する長さだけ長くなるように設定されていることにより、前述した課題を解決したものである。
【００１６】
本発明の光結合構造は、前記２本の単一モード導波路の片方または両方に、前記回折光の位相を調整する位相調整手段が設けられていることにより、前述した課題を解決したものである。
【００１７】
本発明の光結合構造は、光回路面内に形成され、前記光回路面に対して垂直方向から入射する光ビームを、前記光回路面内で、少なくとも１組の相互に逆向きの２方向に回折させる回折格子と、前記相互に逆向きの２方向からの回折光のモード径を断熱的に縮小していって単一モード導波路サイズに変換するための少なくとも１組のモード変換器と、前記モード変換器からの光を導くための少なくとも１組の単一モード導波路と、前記単一モード導波路のうちのどちらか一方に光を反射させる反射器を備え、入射光と同相となるように回折格子に一方の回折光をもどしてやる合波機構と、もう一方の導波路からの光を光回路に導く機構とを備えていることにより、前述した課題を解決したものである。
【００１８】
本発明の光結合構造は、前記単一モード導波路における反射器と、前記回折格子との間の光路長は、前記反射器での反射光が回折格子に入射する時点において入射光と同相となるようにするために、（ｎ＋１／２）λ／２（ただし、λは真空中の光の波長、ｎは０または自然数）に設定されていることにより、前述した課題を解決したものである。
【００１９】
本発明の光結合構造は、前記反射器と前記回折格子との間に、前記回折光の位相を調整する位相調整手段が設けられていることにより、前述した課題を解決したものである。
【００２０】
本発明の光結合構造は、前記相互に逆向きの２方向から成る組の組数は、２組であり、
前記合波機構により同相で合波された２組の合波光を更に１本の光導波路に合波する結合手段と、前記合波機構により同相で合波された２組の合波光をそれぞれ導く２本の合波光用光導波路の片方または両方に設置され、前記合波光の位相を調整する位相調整手段とを更に備えていることにより、前述した課題を解決したものである。
【００２１】
なお、本発明の光結合構造で言うところの「相互に逆向きの２方向から成る組」とは、相互に逆向きの２方向を一纏めにして見た場合の組のことを意味し、例えば、１組の相互に逆向きの２方向とは、合計で２方向のことを意味し、２組の相互に逆向きの２方向とは、合計で４方向のことを意味している。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の光結合構造によれば、光回路面に対して垂直方向から入射する光ビームを、光回路面上に形成した回折格子により２方向に回折させ、前記２方向からの光を同相にて合波することができるので、面垂直方向からの光を低損失で光回路内に導くことができる。
【００２３】
また、本発明の光結合構造によれば、光回路面上に形成され、光回路面に対して垂直方向から入射する光ビームを、光回路面内で２組の向きが反対の２方向、すなわち、４方向に回折させる回折格子と、前記４方向の内の２組の向きが反対の２方向からの光をそれぞれ同相にて合波する構造と、合波した光をそれぞれ光回路に導く２本の光導波路とを備えることからなる光結合構造により、面垂直方向からの光を偏波状態に依ることなく低損失で光回路内部に導くことができる。
【００２４】
本発明の光結合構造によれば、面垂直方向からの光を低損失で光回路内に導くことができるので、結合効率を上げるために光ファイバを傾けて使用する必要が無いので、光コネクタも低コストで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施例である垂直入射型の光結合構造の概略図である。
【図２】本発明の第１実施例の第１変形例である垂直入射型の光結合構造を示す概略図である。
【図３】本発明の第１実施例の第２変形例である垂直入射型の光結合構造を示す概略図である。
【図４ａ】本発明の第２実施例である垂直入射型の光結合構造の概略図である。
【図４ｂ】第２実施例の他の実施形態の光結合構造を示す概略図である。
【図５ａ】光結合構造の動作確認用の計算機シミュレーション結果を示し、反射器を設置していない場合の回折格子での回折状況を示す説明図である。
【図５ｂ】光結合構造の動作確認用の計算機シミュレーション結果を示し、反射器を設置した場合の回折格子での回折状況を示す説明図である。
【図６ａ】本発明の第２実施例の光結合構造の回折格子の終端位置を説明するための説明図であり、回折格子の中心部がスペースの場合を示す説明図である。
【図６ｂ】本発明の第２実施例の光結合構造の回折格子の終端位置を説明するための説明図であり、回折格子の中心部がラインの場合を示す説明図である。
【図７】本発明の第３実施例としての偏波無依存型の光結合構造を示す概略図である。
【図８】従来の光結合構造を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明の光結合構造について、図面に基づいて好適な実施形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２７】
図１は、本発明の第１実施例としての垂直入射型の光結合構造の概略図である。
【００２８】
本発明の第１実施例である光結合構造は、図１に示すように、（光回路面に対して）垂直方向から入射された入射光（光ビーム）を１次回折により入射光の入射方向に対して垂直な２つの方向に回折する回折格子１と、回折格子１により（図１に示す）左右両方向に回折された回折光のモード径を後述の光導波路３ａ、３ｂ内でのモード径と同程度にまで変換する一対のモード変換器（以下、ＳＳＣと記す）２ａ、２ｂと、ＳＳＣ２ａ、２ｂにより変換された光をそれぞれ導く２本の光導波路（単一モード導波路）３ａ、３ｂと、光導波路３ａ、３ｂにより導かれた光を合波する光合波器４（４−１）と、光合波器４（４−１）により合波された光を導く１本の出力用の光導波路（合波光用光導波路）３ｃと、回折格子１の裏側、すなわち、入射光の入射側とは反対側に配置されて回折格子１を透過した入射光を反射する反射器５とを備えている。
【００２９】
ベースとなる光導波路としては、コア、クラッド共にＳｉＯ２からなるシリカ系光導波路であっても、コアがＳｉ、クラッドがＳｉＯ２からなるシリコン系光導波路であっても構わない。
当然シリコン系光導波路の場合は、動作波長はＳｉによる光の吸収の無い波長１μｍ以上に限られる。
【００３０】
光ファイバなどにより、チップ面に対して垂直方向から入射される入射光を受ける部分は、光導波路幅の一部を太くして、直径数μｍから十μｍ程度の光を受けるのに十分な面積となるようにしている。
この部分に回折格子１を形成し、垂直方向から入射された光を１次回折により、入射光に対して垂直な２つの方向に回折させている。
回折光は、構造の対称性から回折格子１に対して左右両方向に等しく回折される。
【００３１】
左右両方向に回折された光は、ＳＳＣ２ａ、２ｂによって光のモード径が単一モード光導波路３ａ、３ｂ内でのモード径（ほぼコアの断面サイズに等しい）と同程度なるまで変換された後、それぞれ光導波路３ａ、３ｂに導かれる。
【００３２】
さらに、両方向の光導波路３ａ、３ｂに導かれた光は、光合波器４によって合波され、最終的に１本の出力光導波路３ｃに導かれる。
【００３３】
この場合、左右両方向の光導波路３ａ、３ｂに導かれた光は、それぞれ左回りと右回りとをして光合波器４に導かれるため、光導波路３ａ、３ｂの長さがまったく同じ場合には位相が丁度反転することになる。
【００３４】
したがって、光合波器４としてＹ分岐型の光合波器４−１を用いる場合には、左右の光導波路３ａ、３ｂの光路長に、（ｎ＋１／２）λ（ただし、λは真空中の光の波長、ｎは０または自然数）に相当する長さだけ差を付け、すなわち、位相でπの差を付けることにより、同相で合波させることができる。
【００３５】
また、図１に示すように、入射光が光導波路に結合する効率（光結合効率）を高めるために、回折格子１の入射光とは反対側に金属薄膜などによる反射器５を設けることもある。
【００３６】
図２は、本発明の第１実施例の第１変形例である垂直入射型の光結合構造を示し、光結合器４として方向性結合器４−２を用いた場合の概略図である。
【００３７】
図２に示す第１変形例では、左右の光導波路３ａ、３ｂを方向性結合器型の光合波器４−２で合波させる構造となっているが、クロス側の光導波路３ｂのレーザ光が方向性結合器型の光合波器４−２内でストレート側の光導波路３ａに結合する際に、π／２だけ位相が遅れる。
ここで、クロス側の光導波路２ｂの光路長をストレート側の光導波路２ａの光路長に比べ（ｎ＋１／４）λ（ただし、λは真空中の光の波長、ｎは整数）に相当する長さだけ長くなるよう、すなわち、クロス側の光導波路の位相をさらにπ／２遅らせることができ、方向性結合器型の光合波器４−２における位相遅れと合わせて、位相をπだけ遅らせることができる。
【００３８】
したがって、異なる２本の光導波路３ａ、３ｂが、左回りと右回りすることにより逆相となることを打ち消し、同相で結合できる。
【００３９】
上記のような構造においても、２本の導波路からの光の位相を完全に一致させることは難しいので、図３は、本発明の第１実施例の第２変形例である垂直入射型の光結合構造を示し、位相を調整するための位相調整器６を付加した場合の概略図である。
【００４０】
図３に示す第２変形例では、光導波路３ａの途中に光波の位相を調整する位相調整器６を設けており、左右の光導波路３ａ、３ｂの光を完全に同相で合波させるために調整できるようにしている。
当然、位相調整器６は、左右の光導波路３ａ、３ｂのどちらか一方あるいは両方の光導波路３ａ、３ｂの途中に設けてもよい。
また、使用する光結合器４は、図１に示すようなＹ分岐型の光合波器４−１でも、図２に示すような方向性結合器型の光合波器４−２でも、位相調整器の調整範囲が適切に設定されるものであれば、いずれであっても何ら構わない。
【００４１】
また、位相調整器６としては様々なものが考えられるが、一例としては、光導波路３ａ、３ｂ上にマイクロヒーターを形成することにより、熱光学効果によって導波路の等価屈折率を変化させ、位相調整を行うことが可能である。
その他には、電気光学効果を用いるものも考えられる。
【００４２】
以上の構成により、光回路面に対して垂直方向から入射された光に対しても、左右に回折されたレーザ光を容易に低損失で１本の光導波路３ｃに導くことができるので、光ファイバの先端を斜め研磨したりする必要が無く、光コネクタの構造が簡素になり、低コストの光結合構造が提供できる。
【００４３】
位相調整器６を設けた構成においては、単に同相で合波させて出力を最大にするだけではなく、多少位相をずらすことにより出力レベルを調整したり、また、完全に逆相で合波させて出力をＯＦＦしたりすることも可能となる。
すなわち、出力調整機能や出力のＯＮ−ＯＦＦ機能を有する光結合構造を提供できる。
【００４４】
また、上記説明では、入力側の光結合構造として説明したが、出力側の光結合構造として使用することもなんら問題ない。
【実施例２】
【００４５】
つぎに、本発明の第２実施例である光結合構造について、図４ａ乃至図６ｂに基づいて説明する。
【００４６】
図４は、本発明の第２実施例としての垂直入射型の光結合構造の概略図である。
【００４７】
図４ａに示す実施態様では、光導波路３ｂの途中に反射器７が設けられ、図４ｂに示す実施態様では、回折格子１の端に反射器７が設けられており、いずれの実施態様の場合も、回折格子１で回折された一方のレーザ光を反射器７により折り返し、回折格子１に戻している。
【００４８】
反射器７により反射されて回折格子１に再び入射した光は、その一部が回折されずにそのまま回折格子１を通過し、光導波路３ａから出力される。
また、その一部の光は、回折格子１によって上下方向に回折される。
【００４９】
ここで、回折格子１と反射器７との光路長は、（ｎ＋１／２）λ／２（ただし、λは真空中の光の波長、ｎは０または自然数）となるように設定されているので、反射器７により折り返されたレーザ光は、回折光と同相で回折格子１にもどる。
したがって、回折格子１に戻されたレーザ光の内、回折格子１を通過し、光導波路３ａに出力されるレーザ光は、最初に入射光が回折格子１で回折されて光導波路３ａに出力されるレーザ光と同相となり強め合う。
また、回折格子１に戻されたレーザ光の内、下方向に回折される光の位相は、最初に入射光が回折格子１に入射してそれを透過する光の位相と逆相となり打ち消し合う。
この打ち消し合って回折格子１の下方向に出力されなかった光の一部は、光導波路３ａに出力される光の強度をさらに強めるように作用する。
【００５０】
反射器７を設置する位置は、図４ａに示す実施態様では、ＳＳＣ２ｂの後の光導波路３ｂの途中とし、また、図４ｂに示す実施態様では、回折格子１の直後として説明をしたが、ＳＳＣ２ｂの途中や、ＳＳＣ２ｂの直後などでも、回折格子１と反射器７との光路長を（ｎ＋１／２）λ／２となるように設定されていれば何ら問題ない。
また、反射器７の構造としては、ミラーなどを用いることもできる。
【００５１】
図５ａ及び図５ｂは、図４ａ及び図４ｂで示した本発明の第２実施例の光結合構造の動作を確認するために行った計算機シミュレーション結果の説明図である。
【００５２】
図５ａは、反射器７を設置していない場合の回折格子１での回折状況を示しており、入射光Ｌ１が、（図５ａに示す）左右両方向に均等にＬ２ａ、Ｌ２ｂとなって回折されて、その一部が回折格子１の下方に透過光Ｌ３となって抜けている様子が分かる。
一方、図５ｂは、反射器７を設置した場合の回折格子１での回折状況を示しており、回折格子１の下方への透過光Ｌ３’の光強度が弱くなり、左側への光Ｌ２ａ’の光強度が強められている様子が伺える。
【００５３】
なお、図示はしていないが、回折格子１と反射器７との間に位相調整器を設けても良い。
【００５４】
図６ａ及び図６ｂは、回折格子１の終端位置を説明するための説明図である。
図６ａは、回折格子１の中心部がスペースの場合であり、図６ｂは、回折格子１の中心部がラインの場合を示している。
それぞれ、回折格子１の中心位置から格子ピッチの整数倍のところで、スペースまたはラインが終わる位置を回折格子１の終端位置と規定し、この終端位置を基準として反射器７との光路長を決めている。
【００５５】
以上の構成により、一方の光導波路からのみ光を取り出す場合に比べて十分高い出力光強度が得られる。
また、左右の光導波路を大きく湾曲させて光合波器で合波することがないので、構造が簡素でサイズも小さい光結合構造を実現できる。
すなわち、安価で小型の光コネクタ構造を容易に実現できる。
【００５６】
回折格子１と反射器７との間に位相調整器を設けた構成においては、単に同相で合波させて出力を最大にするだけではなく、多少位相をずらすことにより出力レベルを調整したりすることも可能となる。
すなわち、出力調整機能を有する光結合構造を提供できる。
【００５７】
また、反射光レベルを調整して透過光を０レベルにすることもできるので、回折格子１の下に反射器５を設置できない場合でも、透過光が他の回路に悪影響を及ぼすことを避けることができる。
【００５８】
また、上記説明では、入力側の光結合構造として説明したが、出力側の光結合構造として使用することもなんら問題ない。
【実施例３】
【００５９】
つぎに、本発明の第３実施例である光結合構造について、図７に基づいて説明する。
【００６０】
図７は、本発明の第３実施例としての偏波無依存型の光結合構造を示す概略図である。
【００６１】
図７に示す第３実施例では、回折格子として２次元回折格子１−２を用いており、この２次元回折格子１−２に垂直方向から入射された光の電界ベクトルＥが２次元回折格子１−２の方向と平行でない場合にも、それぞれの方向成分に応じて４方向に向けて回折する。
【００６２】
本実施例では、ここで言う４方向とは、図７に示すように、相互に逆向きの光導波路３ａ−１、３ｂ−１に向う２方向と、これら光導波路３ａ−１、３ｂ−１に向う２方向に直交し、且つ、相互に逆向きの光導波路３ａ−２、３ｂ−２に向う２方向とから成る４方向のことを意味している。
【００６３】
この回折光は、各ＳＳＣ２ａ―１、２ｂ―１、２ａ―２、２ｂ―２により、光のモード径が光導波路３ａ−１、３ｂ−１、３ａ−２、３ｂ−２の断面サイズと同程度になるまで変換された後、それぞれ光導波路３ａ−１、３ｂ−１、３ａ−２、３ｂ−２に導かれる。
【００６４】
さらに、対向する光導波路３ａ−１、３ｂ−１、及び、対向する光導波路３ａ−２、３ｂ−２に導かれた光は、第１実施例で示したように光合波器（図示せず）によってそれぞれ同相で合波され、この合波光は、それぞれ１本の光導波路３ｃ−１（図示せず）および光導波路３ｃ−２（図示せず）に導かれる。
【００６５】
なお、前述した２つの光合波器の具体的な構成は、２つの光合波器のうち両方が図１に示すようなＹ分岐型の光合波器４−１であってもよく、また、両方が図２に示すような方向性結合器型の光合波器４−２であってもよく、また、一方がＹ分岐型の光合波器４−１であるとともに他方が方向性結合器型の光合波器４−２であってもよく、いずれの場合であっても、第１実施例で説明したように各光導波路３ａ−１、３ｂ−１、３ａ−２、３ｂ−２の光路長を調整することにより、相互に逆向きの２方向からの回折光同士が同相でそれぞれ合波されるようになっている。
【００６６】
また、対向する光導波路３ａ−１、３ｂ−１及び、対向する光導波路３ａ−２、３ｂ−２に導かれた光は、第２実施例で示したように、一方の光を反射器（図示せず）によって折り返し、それぞれ２次元回折格子１−２に入射光と同相で戻し、反対側の１本の光導波路に同相で合波しても良い。
【００６７】
さらに、前述した光合波器を用いた合波機構と、前述した反射器を用いた合波機構とを組み合わせて用いても何ら構わない。
【００６８】
また、偏波状態が変化しないような場合においては、結合された２本の光導波路３ｃ−１、３ｃ−２の一方または両方に、位相調整器（図示せず）を挿入して、２本の光導波路の位相を調整して、光合波器（図示せず）を用いて同相で合波して１本の光導波路としてまとめることも可能である。
【００６９】
上記の例では、光の入力側として説明したが、出力側に用いてもなんら問題ない。
【００７０】
特に、２本の光導波路３ｃ−１、３ｃ−２に、波長の異なる光をそれぞれ挿入し、また、それぞれの波長に応じたピッチの２次元回折格子を使用することにより、２次元回折格子から異なる波長の光を合波して出力することができる。
【００７１】
以上の構成において、どのような偏波状態の光が入射した場合にも、結合された２本の光導波路の少なくともどちらかには光出力が得られるため、別々の光回路に導いて処理すれば、偏波ダイバシティーにより偏波無依存動作を実現できる。
【００７２】
また、偏波状態が変化しないような場合においては、結合された２本の光導波路の位相を位相調整器で調整して、光合波器を用いて同相で合波して１本の光導波路としてまとめることができるので、偏波無依存の光結合構造が実現できる。
入射する光の偏波の方向を意識する必要がなくなるので、安価な光コネクタを実現できる。
【００７３】
さらに、波長の異なる２つの光を用いて光の出力器として用いれば、２次元回折格子で波長の異なる２つの光を容易に１本の光ファイバに結合できるので、小型で安価な波長多重機能付の光結合器が実現できる。
【符号の説明】
【００７４】
１ ・・・ 回折格子
１−２ ・・・ ２次元回折格子
２ａ、２ｂ ・・・ モード変換器（ＳＳＣ）
３ａ、３ｂ、３ｃ ・・・ 光導波路
４、４−１、４−２ ・・・ 光合波器
５、７ ・・・ 反射器
６ ・・・ 位相調整器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細な光導波路を有する光回路と、外部の光ファイバなどとの光結合を可能とする光結合構造に関し、特に、回折格子を用いた面型の光結合構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩなどの半導体チップの内部或いはチップ間でのデータ通信をレーザ光で行う光配線が検討されている。
そのようなチップ内或いはチップ間光通信においては、チップの内外での光信号の受け渡しが必要となる。
このようなチップ内の光回路では微細な光導波路が使用されるため、チップ外の光ファイバなどとの光結合には通常高精度の位置決めが必要となる。
そのため比較的位置合わせ精度を緩和できる回折格子を用いた面型の光結合構造が提案されている（特許文献１、非特許文献１、非特許文献２、図８を参照）。
【０００３】
なお、図８は、非特許文献１に開示される回折格子を用いた光結合構造を示しており、図８の符号２１は、回折格子を示し、図８の符号２２は、光ファイバを示し、図８の符号２３は、反射器を示し、図８の符号２４は、光導波路を示し、図８の符号２５は、集積回路を示し、図８の符号２６は、入射光を示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＵＳ２００４／０１５６５８９
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】F. V. Laere et al., IEEE J. lightwave Technol. 25, 151 (2007)
【非特許文献２】B. Analui et al., IEEE J. Solid-State Circuits 41, 2945 (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の光結合構造では図８に示すように、入射光（レーザ光）２６を光回路内に低損失に導くために、入射光２６や光ファイバ２２を斜めに傾けて入射させる必要があるため、光コネクタの構造が複雑となり、また、光ファイバ２２の端面を斜め研磨するなどの必要があるという課題があった。
【０００７】
特に、回折格子２１の動作には偏波面依存性があるために、入射光２６の偏波面を回折格子２１に対して正確に合わせる必要があるため、偏波面保持ファイバを用いる場合には、光ファイバ２２の端面を斜め研磨する際に、正確に偏波面保持方向を合わせて加工しなければならないという課題があった。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、従来の面入射型の光結合構造において、レーザ光や光ファイバを光回路面に対して斜めに傾けなければ高い光結合効率が得られないという課題を解決し、光回路面に対して垂直方向からの光入射に対しても低損失に光を光回路内に導くことのできる光結合構造に関するものである。
【０００９】
また、光回路面に対して垂直方向からの入射では、回折格子に対して左右に均等にレーザ光が回折されるため、最大でも５０％の結合効率しか得られないという課題が有った。
【００１０】
そこで左右両方向に回折されたレーザ光を集めて、１本の光導波路に導くことが考えられるが、単にレーザ光を合波するだけでは、位相関係によっては互いに打ち消しあって出力が得られなくなる場合もあるので、本発明においては、出力の打ち消しが起きないように、常に同相で合波する構造を提供する。
【００１１】
また、従来の光結合構造は、ある特定の偏波方向のレーザ光に対してしか有効に機能しないという問題があったが、本発明においては、どのような偏波状態の入射光に対しても有効に機能する構造についても提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の光結合構造は、光回路面内に形成され、前記光回路面に対して垂直方向から入射する光ビームを、前記光回路面内で、少なくとも１組の相互に逆向きの２方向に回折させる回折格子と、前記相互に逆向きの２方向からの回折光を同相にて合波する少なくとも１つの合波機構と、前記合波機構により合波された合波光を光回路に導く少なくとも１本の合波光用光導波路とを備えていることにより、前述した課題を解決したものである。
【００１３】
本発明の光結合構造は、光回路面内に形成され、前記光回路面に対して垂直方向から入射する光ビームを、前記光回路面内で、少なくとも１組の相互に逆向きの２方向に回折させる回折格子と、前記相互に逆向きの２方向からの回折光のモード径を断熱的にそれぞれ縮小していって単一モード導波路サイズに変換するための少なくとも１組のモード変換器と、前記モード変換器からの光を光合波器に導くための少なくとも１組の単一モード導波路と、前記光合波器に導かれた光を同相にて合波させる合波機構と、前記光合波器で合波された光を光回路に導く少なくとも１本の合波光用光導波路とを備えていることにより、前述した課題を解決したものである。
【００１４】
本発明の光結合構造は、前記光合波器はＹ分岐型の光合波器であり、前記単一モード導波路は、前記相互に逆向きの２方向からの回折光をそれぞれ導く２本の単一モード導波路間で、その光路長が（ｎ＋１／２）λ（ただし、λは真空中の光の波長、ｎは０または自然数）に相当する長さだけ異なるように設定されていることにより、前述した課題を解決したものである。
【００１５】
本発明の光結合構造は、前記光合波器は方向性結合器型の光合波器であり、前記単一モード導波路は、前記相互に逆向きの２方向からの回折光をそれぞれ導く２本の単一モード導波路間で、方向性結合器型光合波器のクロス側の導波路の光路長が、ストレート側の導波路の光路長よりも（ｎ＋１／４）λ（ただし、λは真空中の光の波長、ｎは整数）に相当する長さだけ長くなるように設定されていることにより、前述した課題を解決したものである。
【００１６】
本発明の光結合構造は、前記２本の単一モード導波路の片方または両方に、前記回折光の位相を調整する位相調整手段が設けられていることにより、前述した課題を解決したものである。
【００１７】
本発明の光結合構造は、光回路面内に形成され、前記光回路面に対して垂直方向から入射する光ビームを、前記光回路面内で、少なくとも１組の相互に逆向きの２方向に回折させる回折格子と、前記相互に逆向きの２方向からの回折光のモード径を断熱的に縮小していって単一モード導波路サイズに変換するための少なくとも１組のモード変換器と、前記モード変換器からの光を導くための少なくとも１組の単一モード導波路と、前記単一モード導波路のうちのどちらか一方に光を反射させる反射器を備え、入射光と同相となるように回折格子に一方の回折光をもどしてやる合波機構と、もう一方の導波路からの光を光回路に導く機構とを備えていることにより、前述した課題を解決したものである。
【００１８】
本発明の光結合構造は、前記単一モード導波路における反射器と、前記回折格子との間の光路長は、前記反射器での反射光が回折格子に入射する時点において入射光と同相となるようにするために、（ｎ＋１／２）λ／２（ただし、λは真空中の光の波長、ｎは０または自然数）に設定されていることにより、前述した課題を解決したものである。
【００１９】
本発明の光結合構造は、前記反射器と前記回折格子との間に、前記回折光の位相を調整する位相調整手段が設けられていることにより、前述した課題を解決したものである。
【００２０】
本発明の光結合構造は、前記相互に逆向きの２方向から成る組の組数は、２組であり、
前記合波機構により同相で合波された２組の合波光を更に１本の光導波路に合波する結合手段と、前記合波機構により同相で合波された２組の合波光をそれぞれ導く２本の合波光用光導波路の片方または両方に設置され、前記合波光の位相を調整する位相調整手段とを更に備えていることにより、前述した課題を解決したものである。
【００２１】
なお、本発明の光結合構造で言うところの「相互に逆向きの２方向から成る組」とは、相互に逆向きの２方向を一纏めにして見た場合の組のことを意味し、例えば、１組の相互に逆向きの２方向とは、合計で２方向のことを意味し、２組の相互に逆向きの２方向とは、合計で４方向のことを意味している。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の光結合構造によれば、光回路面に対して垂直方向から入射する光ビームを、光回路面上に形成した回折格子により２方向に回折させ、前記２方向からの光を同相にて合波することができるので、面垂直方向からの光を低損失で光回路内に導くことができる。
【００２３】
また、本発明の光結合構造によれば、光回路面上に形成され、光回路面に対して垂直方向から入射する光ビームを、光回路面内で２組の向きが反対の２方向、すなわち、４方向に回折させる回折格子と、前記４方向の内の２組の向きが反対の２方向からの光をそれぞれ同相にて合波する構造と、合波した光をそれぞれ光回路に導く２本の光導波路とを備えることからなる光結合構造により、面垂直方向からの光を偏波状態に依ることなく低損失で光回路内部に導くことができる。
【００２４】
本発明の光結合構造によれば、面垂直方向からの光を低損失で光回路内に導くことができるので、結合効率を上げるために光ファイバを傾けて使用する必要が無いので、光コネクタも低コストで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施例である垂直入射型の光結合構造の概略図である。
【図２】本発明の第１実施例の第１変形例である垂直入射型の光結合構造を示す概略図である。
【図３】本発明の第１実施例の第２変形例である垂直入射型の光結合構造を示す概略図である。
【図４ａ】本発明の第２実施例である垂直入射型の光結合構造の概略図である。
【図４ｂ】第２実施例の他の実施形態の光結合構造を示す概略図である。
【図５ａ】光結合構造の動作確認用の計算機シミュレーション結果を示し、反射器を設置していない場合の回折格子での回折状況を示す説明図である。
【図５ｂ】光結合構造の動作確認用の計算機シミュレーション結果を示し、反射器を設置した場合の回折格子での回折状況を示す説明図である。
【図６ａ】本発明の第２実施例の光結合構造の回折格子の終端位置を説明するための説明図であり、回折格子の中心部がスペースの場合を示す説明図である。
【図６ｂ】本発明の第２実施例の光結合構造の回折格子の終端位置を説明するための説明図であり、回折格子の中心部がラインの場合を示す説明図である。
【図７】本発明の第３実施例としての偏波無依存型の光結合構造を示す概略図である。
【図８】従来の光結合構造を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明の光結合構造について、図面に基づいて好適な実施形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２７】
図１は、本発明の第１実施例としての垂直入射型の光結合構造の概略図である。
【００２８】
本発明の第１実施例である光結合構造は、図１に示すように、（光回路面に対して）垂直方向から入射された入射光（光ビーム）を１次回折により入射光の入射方向に対して垂直な２つの方向に回折する回折格子１と、回折格子１により（図１に示す）左右両方向に回折された回折光のモード径を後述の光導波路３ａ、３ｂ内でのモード径と同程度にまで変換する一対のモード変換器（以下、ＳＳＣと記す）２ａ、２ｂと、ＳＳＣ２ａ、２ｂにより変換された光をそれぞれ導く２本の光導波路（単一モード導波路）３ａ、３ｂと、光導波路３ａ、３ｂにより導かれた光を合波する光合波器４（４−１）と、光合波器４（４−１）により合波された光を導く１本の出力用の光導波路（合波光用光導波路）３ｃと、回折格子１の裏側、すなわち、入射光の入射側とは反対側に配置されて回折格子１を透過した入射光を反射する反射器５とを備えている。
【００２９】
ベースとなる光導波路としては、コア、クラッド共にＳｉＯ２からなるシリカ系光導波路であっても、コアがＳｉ、クラッドがＳｉＯ２からなるシリコン系光導波路であっても構わない。
当然シリコン系光導波路の場合は、動作波長はＳｉによる光の吸収の無い波長１μｍ以上に限られる。
【００３０】
光ファイバなどにより、チップ面に対して垂直方向から入射される入射光を受ける部分は、光導波路幅の一部を太くして、直径数μｍから十μｍ程度の光を受けるのに十分な面積となるようにしている。
この部分に回折格子１を形成し、垂直方向から入射された光を１次回折により、入射光に対して垂直な２つの方向に回折させている。
回折光は、構造の対称性から回折格子１に対して左右両方向に等しく回折される。
【００３１】
左右両方向に回折された光は、ＳＳＣ２ａ、２ｂによって光のモード径が単一モード光導波路３ａ、３ｂ内でのモード径（ほぼコアの断面サイズに等しい）と同程度なるまで変換された後、それぞれ光導波路３ａ、３ｂに導かれる。
【００３２】
さらに、両方向の光導波路３ａ、３ｂに導かれた光は、光合波器４によって合波され、最終的に１本の出力光導波路３ｃに導かれる。
【００３３】
この場合、左右両方向の光導波路３ａ、３ｂに導かれた光は、それぞれ左回りと右回りとをして光合波器４に導かれるため、光導波路３ａ、３ｂの長さがまったく同じ場合には位相が丁度反転することになる。
【００３４】
したがって、光合波器４としてＹ分岐型の光合波器４−１を用いる場合には、左右の光導波路３ａ、３ｂの光路長に、（ｎ＋１／２）λ（ただし、λは真空中の光の波長、ｎは０または自然数）に相当する長さだけ差を付け、すなわち、位相でπの差を付けることにより、同相で合波させることができる。
【００３５】
また、図１に示すように、入射光が光導波路に結合する効率（光結合効率）を高めるために、回折格子１の入射光とは反対側に金属薄膜などによる反射器５を設けることもある。
【００３６】
図２は、本発明の第１実施例の第１変形例である垂直入射型の光結合構造を示し、光結合器４として方向性結合器４−２を用いた場合の概略図である。
【００３７】
図２に示す第１変形例では、左右の光導波路３ａ、３ｂを方向性結合器型の光合波器４−２で合波させる構造となっているが、クロス側の光導波路３ｂのレーザ光が方向性結合器型の光合波器４−２内でストレート側の光導波路３ａに結合する際に、π／２だけ位相が遅れる。
ここで、クロス側の光導波路２ｂの光路長をストレート側の光導波路２ａの光路長に比べ（ｎ＋１／４）λ（ただし、λは真空中の光の波長、ｎは整数）に相当する長さだけ長くなるよう、すなわち、クロス側の光導波路の位相をさらにπ／２遅らせることができ、方向性結合器型の光合波器４−２における位相遅れと合わせて、位相をπだけ遅らせることができる。
【００３８】
したがって、異なる２本の光導波路３ａ、３ｂが、左回りと右回りすることにより逆相となることを打ち消し、同相で結合できる。
【００３９】
上記のような構造においても、２本の導波路からの光の位相を完全に一致させることは難しいので、図３は、本発明の第１実施例の第２変形例である垂直入射型の光結合構造を示し、位相を調整するための位相調整器６を付加した場合の概略図である。
【００４０】
図３に示す第２変形例では、光導波路３ａの途中に光波の位相を調整する位相調整器６を設けており、左右の光導波路３ａ、３ｂの光を完全に同相で合波させるために調整できるようにしている。
当然、位相調整器６は、左右の光導波路３ａ、３ｂのどちらか一方あるいは両方の光導波路３ａ、３ｂの途中に設けてもよい。
また、使用する光結合器４は、図１に示すようなＹ分岐型の光合波器４−１でも、図２に示すような方向性結合器型の光合波器４−２でも、位相調整器の調整範囲が適切に設定されるものであれば、いずれであっても何ら構わない。
【００４１】
また、位相調整器６としては様々なものが考えられるが、一例としては、光導波路３ａ、３ｂ上にマイクロヒーターを形成することにより、熱光学効果によって導波路の等価屈折率を変化させ、位相調整を行うことが可能である。
その他には、電気光学効果を用いるものも考えられる。
【００４２】
以上の構成により、光回路面に対して垂直方向から入射された光に対しても、左右に回折されたレーザ光を容易に低損失で１本の光導波路３ｃに導くことができるので、光ファイバの先端を斜め研磨したりする必要が無く、光コネクタの構造が簡素になり、低コストの光結合構造が提供できる。
【００４３】
位相調整器６を設けた構成においては、単に同相で合波させて出力を最大にするだけではなく、多少位相をずらすことにより出力レベルを調整したり、また、完全に逆相で合波させて出力をＯＦＦしたりすることも可能となる。
すなわち、出力調整機能や出力のＯＮ−ＯＦＦ機能を有する光結合構造を提供できる。
【００４４】
また、上記説明では、入力側の光結合構造として説明したが、出力側の光結合構造として使用することもなんら問題ない。
【実施例２】
【００４５】
つぎに、本発明の第２実施例である光結合構造について、図４ａ乃至図６ｂに基づいて説明する。
【００４６】
図４は、本発明の第２実施例としての垂直入射型の光結合構造の概略図である。
【００４７】
図４ａに示す実施態様では、光導波路３ｂの途中に反射器７が設けられ、図４ｂに示す実施態様では、回折格子１の端に反射器７が設けられており、いずれの実施態様の場合も、回折格子１で回折された一方のレーザ光を反射器７により折り返し、回折格子１に戻している。
【００４８】
反射器７により反射されて回折格子１に再び入射した光は、その一部が回折されずにそのまま回折格子１を通過し、光導波路３ａから出力される。
また、その一部の光は、回折格子１によって上下方向に回折される。
【００４９】
ここで、回折格子１と反射器７との光路長は、（ｎ＋１／２）λ／２（ただし、λは真空中の光の波長、ｎは０または自然数）となるように設定されているので、反射器７により折り返されたレーザ光は、回折光と同相で回折格子１にもどる。
したがって、回折格子１に戻されたレーザ光の内、回折格子１を通過し、光導波路３ａに出力されるレーザ光は、最初に入射光が回折格子１で回折されて光導波路３ａに出力されるレーザ光と同相となり強め合う。
また、回折格子１に戻されたレーザ光の内、下方向に回折される光の位相は、最初に入射光が回折格子１に入射してそれを透過する光の位相と逆相となり打ち消し合う。
この打ち消し合って回折格子１の下方向に出力されなかった光の一部は、光導波路３ａに出力される光の強度をさらに強めるように作用する。
【００５０】
反射器７を設置する位置は、図４ａに示す実施態様では、ＳＳＣ２ｂの後の光導波路３ｂの途中とし、また、図４ｂに示す実施態様では、回折格子１の直後として説明をしたが、ＳＳＣ２ｂの途中や、ＳＳＣ２ｂの直後などでも、回折格子１と反射器７との光路長を（ｎ＋１／２）λ／２となるように設定されていれば何ら問題ない。
また、反射器７の構造としては、ミラーなどを用いることもできる。
【００５１】
図５ａ及び図５ｂは、図４ａ及び図４ｂで示した本発明の第２実施例の光結合構造の動作を確認するために行った計算機シミュレーション結果の説明図である。
【００５２】
図５ａは、反射器７を設置していない場合の回折格子１での回折状況を示しており、入射光Ｌ１が、（図５ａに示す）左右両方向に均等にＬ２ａ、Ｌ２ｂとなって回折されて、その一部が回折格子１の下方に透過光Ｌ３となって抜けている様子が分かる。
一方、図５ｂは、反射器７を設置した場合の回折格子１での回折状況を示しており、回折格子１の下方への透過光Ｌ３’の光強度が弱くなり、左側への光Ｌ２ａ’の光強度が強められている様子が伺える。
【００５３】
なお、図示はしていないが、回折格子１と反射器７との間に位相調整器を設けても良い。
【００５４】
図６ａ及び図６ｂは、回折格子１の終端位置を説明するための説明図である。
図６ａは、回折格子１の中心部がスペースの場合であり、図６ｂは、回折格子１の中心部がラインの場合を示している。
それぞれ、回折格子１の中心位置から格子ピッチの整数倍のところで、スペースまたはラインが終わる位置を回折格子１の終端位置と規定し、この終端位置を基準として反射器７との光路長を決めている。
【００５５】
以上の構成により、一方の光導波路からのみ光を取り出す場合に比べて十分高い出力光強度が得られる。
また、左右の光導波路を大きく湾曲させて光合波器で合波することがないので、構造が簡素でサイズも小さい光結合構造を実現できる。
すなわち、安価で小型の光コネクタ構造を容易に実現できる。
【００５６】
回折格子１と反射器７との間に位相調整器を設けた構成においては、単に同相で合波させて出力を最大にするだけではなく、多少位相をずらすことにより出力レベルを調整したりすることも可能となる。
すなわち、出力調整機能を有する光結合構造を提供できる。
【００５７】
また、反射光レベルを調整して透過光を０レベルにすることもできるので、回折格子１の下に反射器５を設置できない場合でも、透過光が他の回路に悪影響を及ぼすことを避けることができる。
【００５８】
また、上記説明では、入力側の光結合構造として説明したが、出力側の光結合構造として使用することもなんら問題ない。
【実施例３】
【００５９】
つぎに、本発明の第３実施例である光結合構造について、図７に基づいて説明する。
【００６０】
図７は、本発明の第３実施例としての偏波無依存型の光結合構造を示す概略図である。
【００６１】
図７に示す第３実施例では、回折格子として２次元回折格子１−２を用いており、この２次元回折格子１−２に垂直方向から入射された光の電界ベクトルＥが２次元回折格子１−２の方向と平行でない場合にも、それぞれの方向成分に応じて４方向に向けて回折する。
【００６２】
本実施例では、ここで言う４方向とは、図７に示すように、相互に逆向きの光導波路３ａ−１、３ｂ−１に向う２方向と、これら光導波路３ａ−１、３ｂ−１に向う２方向に直交し、且つ、相互に逆向きの光導波路３ａ−２、３ｂ−２に向う２方向とから成る４方向のことを意味している。
【００６３】
この回折光は、各ＳＳＣ２ａ―１、２ｂ―１、２ａ―２、２ｂ―２により、光のモード径が光導波路３ａ−１、３ｂ−１、３ａ−２、３ｂ−２の断面サイズと同程度になるまで変換された後、それぞれ光導波路３ａ−１、３ｂ−１、３ａ−２、３ｂ−２に導かれる。
【００６４】
さらに、対向する光導波路３ａ−１、３ｂ−１、及び、対向する光導波路３ａ−２、３ｂ−２に導かれた光は、第１実施例で示したように光合波器（図示せず）によってそれぞれ同相で合波され、この合波光は、それぞれ１本の光導波路３ｃ−１（図示せず）および光導波路３ｃ−２（図示せず）に導かれる。
【００６５】
なお、前述した２つの光合波器の具体的な構成は、２つの光合波器のうち両方が図１に示すようなＹ分岐型の光合波器４−１であってもよく、また、両方が図２に示すような方向性結合器型の光合波器４−２であってもよく、また、一方がＹ分岐型の光合波器４−１であるとともに他方が方向性結合器型の光合波器４−２であってもよく、いずれの場合であっても、第１実施例で説明したように各光導波路３ａ−１、３ｂ−１、３ａ−２、３ｂ−２の光路長を調整することにより、相互に逆向きの２方向からの回折光同士が同相でそれぞれ合波されるようになっている。
【００６６】
また、対向する光導波路３ａ−１、３ｂ−１及び、対向する光導波路３ａ−２、３ｂ−２に導かれた光は、第２実施例で示したように、一方の光を反射器（図示せず）によって折り返し、それぞれ２次元回折格子１−２に入射光と同相で戻し、反対側の１本の光導波路に同相で合波しても良い。
【００６７】
さらに、前述した光合波器を用いた合波機構と、前述した反射器を用いた合波機構とを組み合わせて用いても何ら構わない。
【００６８】
また、偏波状態が変化しないような場合においては、結合された２本の光導波路３ｃ−１、３ｃ−２の一方または両方に、位相調整器（図示せず）を挿入して、２本の光導波路の位相を調整して、光合波器（図示せず）を用いて同相で合波して１本の光導波路としてまとめることも可能である。
【００６９】
上記の例では、光の入力側として説明したが、出力側に用いてもなんら問題ない。
【００７０】
特に、２本の光導波路３ｃ−１、３ｃ−２に、波長の異なる光をそれぞれ挿入し、また、それぞれの波長に応じたピッチの２次元回折格子を使用することにより、２次元回折格子から異なる波長の光を合波して出力することができる。
【００７１】
以上の構成において、どのような偏波状態の光が入射した場合にも、結合された２本の光導波路の少なくともどちらかには光出力が得られるため、別々の光回路に導いて処理すれば、偏波ダイバシティーにより偏波無依存動作を実現できる。
【００７２】
また、偏波状態が変化しないような場合においては、結合された２本の光導波路の位相を位相調整器で調整して、光合波器を用いて同相で合波して１本の光導波路としてまとめることができるので、偏波無依存の光結合構造が実現できる。
入射する光の偏波の方向を意識する必要がなくなるので、安価な光コネクタを実現できる。
【００７３】
さらに、波長の異なる２つの光を用いて光の出力器として用いれば、２次元回折格子で波長の異なる２つの光を容易に１本の光ファイバに結合できるので、小型で安価な波長多重機能付の光結合器が実現できる。
【符号の説明】
【００７４】
１ ・・・ 回折格子
１−２ ・・・ ２次元回折格子
２ａ、２ｂ ・・・ モード変換器（ＳＳＣ）
３ａ、３ｂ、３ｃ ・・・ 光導波路
４、４−１、４−２ ・・・ 光合波器
５、７ ・・・ 反射器
６ ・・・ 位相調整器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光回路面内に形成され、前記光回路面に対して垂直方向から入射する光ビームを、前記光回路面内で、少なくとも１組の相互に逆向きの２方向に回折させる回折格子と、前記相互に逆向きの２方向からの回折光を同相にて合波する少なくとも１つの合波機構と、前記合波機構により合波された合波光を光回路に導く少なくとも１本の合波光用光導波路とを備えていることを特徴とする光結合構造。
【請求項２】
光回路面内に形成され、前記光回路面に対して垂直方向から入射する光ビームを、前記光回路面内で、少なくとも１組の相互に逆向きの２方向に回折させる回折格子と、前記相互に逆向きの２方向からの回折光のモード径を断熱的にそれぞれ縮小していって単一モード導波路サイズに変換するための少なくとも１組のモード変換器と、前記モード変換器からの光を光合波器に導くための少なくとも１組の単一モード導波路と、前記光合波器に導かれた光を同相にて合波させる合波機構と、前記光合波器で合波された光を光回路に導く少なくとも１本の合波光用光導波路とを備えていることを特徴とする光結合構造。
【請求項３】
前記光合波器はＹ分岐型の光合波器であり、
前記単一モード導波路は、前記相互に逆向きの２方向からの回折光をそれぞれ導く２本の単一モード導波路間で、その光路長が（ｎ＋１／２）λ（ただし、λは真空中の光の波長、ｎは０または自然数）に相当する長さだけ異なるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の光結合構造。
【請求項４】
前記光合波器は方向性結合器型の光合波器であり、
前記単一モード導波路は、前記相互に逆向きの２方向からの回折光をそれぞれ導く２本の単一モード導波路間で、方向性結合器型光合波器のクロス側の導波路の光路長が、ストレート側の導波路の光路長よりも（ｎ＋１／４）λ（ただし、λは真空中の光の波長、ｎは整数）に相当する長さだけ長くなるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の光結合構造。
【請求項５】
前記２本の単一モード導波路の片方または両方に、前記回折光の位相を調整する位相調整手段が設けられていることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の光結合構造。
【請求項６】
光回路面内に形成され、前記光回路面に対して垂直方向から入射する光ビームを、前記光回路面内で、少なくとも１組の相互に逆向きの２方向に回折させる回折格子と、前記相互に逆向きの２方向からの回折光のモード径を断熱的に縮小していって単一モード導波路サイズに変換するための少なくとも１組のモード変換器と、前記モード変換器からの光を導くための少なくとも１組の単一モード導波路と、前記単一モード導波路のうちのどちらか一方に光を反射させる反射器を備え、入射光と同相となるように回折格子に一方の回折光をもどしてやる合波機構と、もう一方の導波路からの光を光回路に導く機構とを備えていることを特徴とする光結合構造。
【請求項７】
前記単一モード導波路における反射器と、前記回折格子との間の光路長は、前記反射器での反射光が回折格子に入射する時点において入射光と同相となるようにするために、（ｎ＋１／２）λ／２（ただし、λは真空中の光の波長、ｎは０または自然数）に設定されていることを特徴とする請求項６に記載の光結合構造。
【請求項８】
前記反射器と前記回折格子との間に、前記回折光の位相を調整する位相調整手段が設けられていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の光結合構造。
【請求項９】
前記相互に逆向きの２方向から成る組の組数は、２組であり、
前記合波機構により同相で合波された２組の合波光を更に１本の光導波路に合波する結合手段と、前記合波機構により同相で合波された２組の合波光をそれぞれ導く２本の合波光用光導波路の片方または両方に設置され、前記合波光の位相を調整する位相調整手段とを更に備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の光結合構造。
【請求項１】
光回路面内に形成され、前記光回路面に対して垂直方向から入射する光ビームを、前記光回路面内で、少なくとも１組の相互に逆向きの２方向に回折させる回折格子と、前記相互に逆向きの２方向からの回折光を同相にて合波する少なくとも１つの合波機構と、前記合波機構により合波された合波光を光回路に導く少なくとも１本の合波光用光導波路とを備えていることを特徴とする光結合構造。
【請求項２】
光回路面内に形成され、前記光回路面に対して垂直方向から入射する光ビームを、前記光回路面内で、少なくとも１組の相互に逆向きの２方向に回折させる回折格子と、前記相互に逆向きの２方向からの回折光のモード径を断熱的にそれぞれ縮小していって単一モード導波路サイズに変換するための少なくとも１組のモード変換器と、前記モード変換器からの光を光合波器に導くための少なくとも１組の単一モード導波路と、前記光合波器に導かれた光を同相にて合波させる合波機構と、前記光合波器で合波された光を光回路に導く少なくとも１本の合波光用光導波路とを備えていることを特徴とする光結合構造。
【請求項３】
前記光合波器はＹ分岐型の光合波器であり、
前記単一モード導波路は、前記相互に逆向きの２方向からの回折光をそれぞれ導く２本の単一モード導波路間で、その光路長が（ｎ＋１／２）λ（ただし、λは真空中の光の波長、ｎは０または自然数）に相当する長さだけ異なるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の光結合構造。
【請求項４】
前記光合波器は方向性結合器型の光合波器であり、
前記単一モード導波路は、前記相互に逆向きの２方向からの回折光をそれぞれ導く２本の単一モード導波路間で、方向性結合器型光合波器のクロス側の導波路の光路長が、ストレート側の導波路の光路長よりも（ｎ＋１／４）λ（ただし、λは真空中の光の波長、ｎは整数）に相当する長さだけ長くなるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の光結合構造。
【請求項５】
前記２本の単一モード導波路の片方または両方に、前記回折光の位相を調整する位相調整手段が設けられていることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の光結合構造。
【請求項６】
光回路面内に形成され、前記光回路面に対して垂直方向から入射する光ビームを、前記光回路面内で、少なくとも１組の相互に逆向きの２方向に回折させる回折格子と、前記相互に逆向きの２方向からの回折光のモード径を断熱的に縮小していって単一モード導波路サイズに変換するための少なくとも１組のモード変換器と、前記モード変換器からの光を導くための少なくとも１組の単一モード導波路と、前記単一モード導波路のうちのどちらか一方に光を反射させる反射器を備え、入射光と同相となるように回折格子に一方の回折光をもどしてやる合波機構と、もう一方の導波路からの光を光回路に導く機構とを備えていることを特徴とする光結合構造。
【請求項７】
前記単一モード導波路における反射器と、前記回折格子との間の光路長は、前記反射器での反射光が回折格子に入射する時点において入射光と同相となるようにするために、（ｎ＋１／２）λ／２（ただし、λは真空中の光の波長、ｎは０または自然数）に設定されていることを特徴とする請求項６に記載の光結合構造。
【請求項８】
前記反射器と前記回折格子との間に、前記回折光の位相を調整する位相調整手段が設けられていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の光結合構造。
【請求項９】
前記相互に逆向きの２方向から成る組の組数は、２組であり、
前記合波機構により同相で合波された２組の合波光を更に１本の光導波路に合波する結合手段と、前記合波機構により同相で合波された２組の合波光をそれぞれ導く２本の合波光用光導波路の片方または両方に設置され、前記合波光の位相を調整する位相調整手段とを更に備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の光結合構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７】
【図８】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７】
【図８】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【公開番号】特開２０１２−４７８７３（Ｐ２０１２−４７８７３Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８８１７５（Ｐ２０１０−１８８１７５）
【出願日】平成２２年８月２５日（２０１０．８．２５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２０年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「次世代半導体材料・プロセス基盤（ＭＩＲＡＩ）プロジェクト」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２５日（２０１０．８．２５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２０年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「次世代半導体材料・プロセス基盤（ＭＩＲＡＩ）プロジェクト」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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