共振グレーティングカップラ
【課題】導波光と空間光を短い結合長で結合する共振グレーティングカップラを提供する。
【解決手段】基材１及び該基材上の導波路２を備え、導波路２は、１次回折光を垂直放射モード光に結合する垂直放射用回折格子５、前段ＤＢＲ４、後段ＤＢＲ７、垂直放射用回折格子５に対する前段ＤＢＲとの間及び後段ＤＢＲとの間に各々形成された前段位相調整域４及び後段位相調整域６を備え、ＤＢＲ及び位相調整域のサイズは、共振グレーティングカップラの透過および反射の双方とも０又は極めて小さい値となるように決められた共振グレーティングカップラ。
【解決手段】基材１及び該基材上の導波路２を備え、導波路２は、１次回折光を垂直放射モード光に結合する垂直放射用回折格子５、前段ＤＢＲ４、後段ＤＢＲ７、垂直放射用回折格子５に対する前段ＤＢＲとの間及び後段ＤＢＲとの間に各々形成された前段位相調整域４及び後段位相調整域６を備え、ＤＢＲ及び位相調整域のサイズは、共振グレーティングカップラの透過および反射の双方とも０又は極めて小さい値となるように決められた共振グレーティングカップラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路に設けられた周期的屈折率変調により導波モード光と空間光を結合する集積光学素子であるグレーティングカップラに関する。
【背景技術】
【０００２】
グレーティングカップラは導波モード光と空間光を結合する回折格子であり、集光、偏光分波、スイッチング、導波モード選択などの機能を併せ持たせることも可能である。グレーティングカップラは、実用化に向けて高効率化が求められ、グレーティングの凹凸形状をブレーズ化したり、平行四辺形としたり、基板側に反射構造を導入する等の手段により、回折光パワーを出力光に集中する工夫がなされてきた。そして、これからの超高性能情報処理システムを支える技術として、グレーティングカップラを用いた光配線板が注目されている。
【０００３】
これらの状況において、グレーティングカップラにはさらに結合長の短小化が求められている。グレーティングカップラの実効結合長は、通常は結合の強さを表す放射損失係数αの逆数で与えられる。放射損失係数は、グレーティングカップラの屈折率変調深さや厚さ（凹凸グレーティングの場合はその深さ）に起因して、実際上の可能性に限界が伴う。これまでの研究では誘電体を用いたグレーティングカップラの結合長は１００μm程度である（例えば、非特許文献１，２，３）。これが短小化されれば、チャネル幅の微細化が可能となる。例えば、数μmの結合長が実現できれば、桁違いに高い伝送帯域密度が確保できるのであり、その実現のためには結合長の短小化は極めて重要である。
【０００４】
一方、半導体導波路を用いた場合には大きな屈折率変調が得られるため、結合長の短いグレーティングカップラが報告されている（非特許文献４，５，６，７）。半導体導波路は、SiやGaAs半導体で形成される光検出器が使用できる近赤外波長に対して不透明であり使用できないという欠点があるが、機器の使用波長によっては結合長の短さを生かすことができる。したがって、半導体を用いたより短い結合長のグレーティングカップラが得られれば、有利である。
【非特許文献１】S. Ura, "Selective guided mode coupling via bridging mode by integrated gratings for intraboard optical interconnects," Proc. SPIE 4652, 86-96 (2002)
【非特許文献２】J. Ohmori, Y. Imaoka, S. Ura, K. Kintaka, R. Satoh, H. Nishihara, "Integrated-optic add/drop multiplexing of free-space waves for intra-board chip-to-chip optical interconnects," Jpn. J. Appl. Phys. 44, 7987-7992 (2005)
【非特許文献３】K. Kintaka, J. Nishii, K. Shinoda, S. Ura, "WDM signal transmission in a thin-film waveguide for optical interconnection," IEEE Photon. Technolo. Lett. 18, 2299-2301 (2006)
【非特許文献４】D. Taillaert, W. Bogaerts, P. Bienstman, T. F. Krauss, P. V. Daele, I. Moerman, S. Verstuyft, K. D. Mesel, R. Baets, "An out-of-plane grating coupler for efficient butt-coupling between compact planar waveguides and single-mode fibers," J. Quantum Electron. 38, 949-955 (2002).
【非特許文献５】D. Taillaert, F. V. Laere, M. Ayre, W. Bogaerts, D. V. Thourhout, P. Bienstman, R. Baets, "Grating couplers for coupling between optical fibers and nanophotonic waveguides," Jpn. J. Appl. Phys. 45, 6071-6077 (2006)
【非特許文献６】G. Roelkens, D. V. Thourhout, R. Baets, "High efficiency grating coupler between silicon-on-insulator waveguides and perfectly vertical optical fibers," Opt. Lett. 32, 1495-1497 (2007)
【非特許文献７】C. Gunn, "CMOS photonics for high-speed interconnects," IEEE Micro, 58-66 (March-April 2006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の従来技術及びその問題点に鑑みてなされたものであり、結合長の短いグレーティングカップラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記目的を達成するため、基材及び該基材上の導波路を備え、上記導波路は、該導波路を伝搬する入射導波モード光の１次回折光が垂直放射モード光に結合されるように屈折率変調周期が決められた垂直放射用回折格子と、該回折格子の格子面に沿う方向における入射側に形成された前段ＤＢＲと、該回折格子の格子面に沿う方向における入射側から遠い側に形成された後段ＤＢＲと、上記垂直放射用回折格子及び前段ＤＢＲの間に形成された前段位相調整域と、上記垂直放射用回折格子及び後段ＤＢＲの間に形成された後段位相調整域とを備え、上記後段ＤＢＲの結合長は、該後段ＤＢＲを透過する光を実用上無視できるまで低減するのに十分な長さとされ、上記後段位相調整域の導波方向長さは、上記後段ＤＢＲで反射した光の上記垂直放射用回折格子による回折放射の位相が入射導波モード光の上記垂直放射用回折格子による回折放射の位相に揃うように決められ、上記前段位相調整域の導波方向長さは、上記後段ＤＢＲで反射して上記前段ＤＢＲに到達する光の位相が入射導波モード光の上記前段ＤＢＲにより反射する光の位相と半波長分だけずれるように決められ、上記前段ＤＢＲの結合長は、上記後段ＤＢＲで反射したのち前段ＤＢＲを透過する光を該前段ＤＢＲによる入射導波モード光の反射で相殺するように決められていることを特徴とする共振グレーティングカップラを提供するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る共振グレーティングカップラにおいては、入射導波モード光は前段ＤＢＲで一部反射された後、垂直放射用回折格子で一部放射モード光として出力され、後段ＤＢＲで反射される。垂直放射用回折格子の周期は１次回折で導波モード光を垂直放射モード光に結合するように決めるので、１次回折による垂直放射が得られる。さらに、後段ＤＢＲの結合長は該後段ＤＢＲの透過光が実用上無視できるまで十分低減するように決めるので、透過による損失が回避される。そして、後段ＤＢＲで反射された導波モード光は垂直放射用回折格子の１次回折により一部放射モード光に結合されるが、後段位相調整域により該垂直放射モード光の位相は上記入射導波モード光の１次回折で生じた放射モード光の位相に揃う。後段ＤＢＲで反射され垂直放射用回折格子を透過した反射導波モード光は前段ＤＢＲにより一部反射される。前段位相調整域の位相調整長を最適にすることにより、前段ＤＢＲにより反射された光が入射導波モード光に位相が揃って加算され、かつ前段ＤＢＲを透過する上記反射導波モード光が該前段ＤＢＲによる入射導波モード光の反射と半波長分だけ位相がずれるようにしておく。さらに、前段ＤＢＲの結合効率を最適にすることより、該前段ＤＢＲを透過する上記反射導波モード光は該前段ＤＢＲによる入射導波モード光の反射で相殺される。すなわち、共振グレーティングカップラの透過および反射の双方とも０又は極めて小さい値となる。このように、入射光が後段ＤＢＲで反射され、その反射光がさらに前段ＤＢＲにより反射されて、垂直放射用回折格子から垂直放射されるという出力形態は、一種の共振として捉えることができる。その結果、垂直放射用回折格子の放射損失係数αが小さな値であっても、入射光を１００％に近い効率で放射出力できることになる。
【０００８】
したがって、本発明によれば、結合長の短いグレーティングカップラを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
［基本原理］
先ず、グレーティングカップラの機能に関する基本原理について説明する。薄膜導波路や単一モードファイバのように光伝送路のサイズが１０μm以下と波長サイズに近く、もしくはサブ波長サイズとなると，波面を扱う波動光学素子の使用が必要となる。特に薄膜導波路にほぼ垂直に光波を入出力する場合はグレーティングカップラが有利である。図１(b)にグレーティングカップラの基本構成を示す。
【００１０】
導波路面の法線方向をy方向，入射導波光の伝搬方向およびグレーティングベクトルの方向をz方向とする。導波路表面を凹凸加工するなどして、薄い屈折率グレーティングを設けておくと，導波光Ｌiはそのグレーティングにより回折され、回折放射光Ｌdとなって放射される。図１(a)に示すように、回折に伴い導波光は伝搬とともに指数関数的に減衰する。回折光もその導波光の減衰を反映したプロファイルを有する。
【００１１】
導波光電界の減衰がexp (−αGC z)で表されるように放射損失係数αGCを定義すると、出力結合効率は次式で与えられる：
η=ηout {1-exp(-2αGC LGC)}
ここで，LGCはグレーティングカップラの結合長、ηoutは全回折光パワーにおける出力光パワーへのパワー分配比である。
【００１２】
この場合の伝搬ベクトルダイアグラムを図２に示す。真空中での波長をλ0とすると、その波数k0 = 2π／λ0を用いて波動ベクトルはk = n k0 uで表される。ここでuは光波の伝搬方向の単位ベクトルであり、nは伝搬媒質の屈折率である。導波光は薄膜導波路に閉じこめられて伝搬し、コア薄膜の屈折率をnf、基板（基材）の屈折率をns、上部（空気）の屈折率をnaとすると導波モードの実効屈折率Neはnf＞Ne＞nsを満たし、導波モード光の伝搬ベクトルはβ= Ne kouzで表される。ここでuzはz方向単位ベクトルである。上半円の半径はna ko、下半円の半径はnskoとしてあり、中心を始点とし円弧上に終点を持つベクトルがそれぞれの媒質中を伝搬する伝搬ベクトルを表す。
【００１３】
グレーティング周期をΛとすると、グレーティングベクトルはK＝(2π／Λ) uzで表される。ここでグレーティングはy方向には非常に薄くz方向に長いため、ベクトル整合条件はz方向成分のみ考えればよい。したがって、m次の回折による上部への回折放射角 θaおよび基板側回折放射角θsは次式で与えられる：
na k0 sinθa = ns k0 sinθs = |β|−m|K|
この例では、１次の回折光は上部と基板側へ放射し、２次の回折光は基板側のみに放射することになる。各放射光へのパワー分配比は導波路の構造ならびにグレーティング形状で決まる。実用上は、上部への出力光パワー分配比として１が望まれることが多い。このためには、|K|を大きくして高次回折が発生しないようにし、また反射性基板などを導入して基板側放射光が生じないようにするのが望ましい。
【００１４】
グレーティングカップラを入力結合器として用いる場合は、時間を反転させて考えることができる。すなわち、出力結合において導波モード光が回折されて放射される光をそのまま逆進させて入射すれば同じ結合効率で導波モード光を励振することができる。導波モードは導波構造で決まり、|β|は離散的な値をとり、入射光の複素振幅分布が出力結合時の放射光の複素振幅分布からずれると、そのずれがそのまま結合効率の低下を招く。例えば、図１の出力結合では回折放射光は指数関数的振幅分布をもつが、実用上の入射光はVCSEL（垂直共振器面発光レーザ）からの発散光などのようにガウシアン的分布をしていることが多く、入力結合効率は出力結合効率よりその不一致分だけ低くなる。逆にこのような入射光を高効率で結合するためには、グレーティング凹凸の深さや幅比を分布させz方向にαGC（放射損失係数）を増加させて、回折放射光の振幅分布がガウシアン的になるようにすることもできる。
【００１５】
また、図３に示すように導波路WGに形成される放射用回折格子DGについて、グレーティング凹凸ラインに曲率と周期変化を設けて、レンズ機能を持たせることもできる。すなわち、入射導波光Liは、放射用回折格子DGで格子面から遠ざかる方向に回折し一点に収束する。これにより、外部レンズを使用せずにPD（フォトダイオード）への収束空間光やVCSELからの発散空間光と導波光を結合することが可能となる。
［本発明の実施形態］
次に、本発明の実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。図４は、本発明に係る共振グレーティングカップラR-ＧＣの基本構成を概略的に示す断面図である。
【００１６】
この共振グレーティングカップラR-ＧＣは、各々透光性を有する誘電体により形成された基材１及び該基材上の導波路２を備えている。導波路２には、前段ＤＢＲ３と後段ＤＢＲ７との間に結合長LGCの垂直放射用回折格子５を位相調整域を挟んだ配置として集積する。この構造は、例えば、化学気相成長法などで導波路を基材上に堆積し、その上にレジストを塗布して、マスク露光や電子ビーム直接描画露光などでレジストにグレーティング凹凸パターンを形成し、そのパターンをドライエッチング等により導波路材質に転写するという方法で得ることができる。但し、この方法に限るものではなく、グレーティング凹凸用に導波路上に別の材質を堆積して凹凸加工したり、図６に示すように埋め込み加工することも可能である。位相調整域は、前段ＤＢＲ３と垂直放射用回折格子５との間の前段位相調整域４、後段ＤＢＲ７と垂直放射用回折格子５との間の後段位相調整域６として形成されている。ここでは、ＴＥ導波モードを扱うものとして説明する。
【００１７】
導波モードと放射モードの関係を図５に示す。z方向伝搬入射導波モード光および反射導波モード光の複素振幅をそれぞれA(z)およびB(z)とおく。入射導波モード光A(z)は結合長LBFの前段ＤＢＲで一部反射された後、垂直放射用回折格子５で一部放射モード光（空気層への放射光Ｌａ，基材側への放射光Ｌｓ）として出力され、結合長LBRの後段ＤＢＲ７で反射される。垂直放射用回折格子５の周期ΛGCは１次回折で導波モード光を垂直放射モード光に結合するように決める。このとき２次回折により反射が生じて入射導波モード光A(z)は反射導波モード光B(z)に一部結合する。後段ＤＢＲ７によりA(z)はB(z)に結合されるが、該後段ＤＢＲの結合長LBRは該後段ＤＢＲの透過光が十分消失するように決める。垂直放射用回折格子５と後段ＤＢＲ７の間の位相調整長lRは、反射導波モード光B(z)の回折放射の位相が入射導波モード光A(z)の回折放射の位相に揃うように決める。前段位相調整域４の位相調整長lFおよび前段ＤＢＲ３の結合効率（LBFで制御する）は、前段ＤＢＲ３を透過する反射導波モード光B(z)を前段ＤＢＲ３による入射導波モード光A(z)の反射で相殺するように決める。このように、z＞lR +LBRの領域の入射導波モード光A(z)、およびz＜-ＬGC -lF -LBFの領域の反射導波モード光B(z)を０又は極めて小さい値とする。その結果、小さな放射損失係数α の垂直放射用回折格子５であっても入射導波モード光を１００％に近い効率で放射出力できることになる。
【００１８】
また、共振グレーティングカップラを構成する、垂直放射用回折格子、前段ＤＢＲ、後段ＤＢＲのそれぞれは、強い波長依存性を示し、これらの周期を調整することにより、波長を特定したカップリングを行うことができる。
［モード結合理論による解析］
図５に示すように垂直放射用回折格子の後端を原点とする。z方向伝搬定数βνに関して、空気側放射モードと基板側放射モードが縮退（同じ値をもつ）しており、それぞれの複素振幅分布をaνa (z)およびaνs(z)で表す。垂直放射用回折格子によるモード結合方程式は次式のように表される。
【数１】
【００１９】
ここで、βA および βB は A(z) および B(z) の z方向伝搬定数でありβA= -βBである。KGC はグレーティングベクトルの大きさで2π／ΛGCで与えられる。TEモードを対象としており、結合係数は次式κνi,A およびκνi,Bで与えられる。
【数２】
【００２０】
ここでEνiと Egはそれぞれ放射モードおよび導波モードの規格化電界である。また、ε0、ωおよびΔεはそれぞれ真空中の誘電率、角周波数、垂直放射用回折格子構造を表す比誘電率である。A(z) ≒ const. と B(z) ≒ const.の近似で式(3)から求めたaνi(z)を式(1)-(2)に代入して以下の導波モード間結合方程式を得る。
【数３】
【００２１】
α、κGC および ΔGC はそれぞれ放射損失係数、導波モード結合係数および位相不整合量を表し、次式で与えられる。
【数４】
【００２２】
境界条件 A(0) = 1 および B(0) = rBR のもとでは A(z) および B(z) は次式のようになる。
【数５】
【００２３】
ここで sinc(x) はsin(x)/xで定義される関数である。位相整合条件ΔGC = 0では、式(4)、式(7) および式(8)からα=κGC であるからζ= 0となる。したがって式(10)-(11)は次式のようになる。
【数６】
【００２４】
A(z) および B(z) が放射モードへ相乗的に寄与して大きな結合を生じさせるためには、式(3)と式(13)-(14)を見比べて、rBRは大きな正実数であればよい。以下で述べるようにrBRは後段ＤＢＲの反射と位相調整長lRで決まる。
【００２５】
前段および後段のＤＢＲでのモード結合方程式は、次式のように書ける。
【数７】
【００２６】
κBA およびΔDBR は結合係数、および位相不整合量であり、次式で与えられる。
【数８】
【００２７】
境界条件 A(0) = 1 および B(lR + LBR) = 0 を後段ＤＢＲに適用すると、rBR は次のようになる。
【数９】
【００２８】
位相整合条件ΔDBR=ΔGC=0では次のように書き改められる。
【数１０】
【００２９】
rBR を大きな正の実数とするためには、κBA LBR は大きくかつ次式を満たせばよい。
【数１１】
【００３０】
前段ＤＢＲに関しては、 z = - LGC - lFにおける境界条件が、式(10) -(11)から計算されるA(- LGC)およびB(- LGC)を用いて、A(- LGC- lF) = A(- LGC) exp(j βA lF)およびB(- LGC - lF) = B(- LGC) exp(-j βA lF)と与えられる。それゆえ、A(- LGC - lF - LBF) および B(- LGC - lF - LBF) はそれぞれ以下のように計算される。
【数１２】
【００３１】
位相整合条件ΔDBR = 0でB(- LGC - lF - LBF) = 0 とするには
【数１３】
【００３２】
とすればよい。ふたつめの等号は式(13)-(14)から導かれる。すなわち、 lFとLBF は次式を満たすように決めればよい。
【数１４】
【００３３】
［設計例及びシミュレーション］
本発明に係る共振グレーティングカップラの一設計例を図６に示す。屈折率３．７５のＳｉ基板上に屈折率１．４６、厚さ１．６４μmのＳｉＯ２バッファ層を介して屈折率１．５４、厚さ０．６５μmのＧｅ：ＳｉＯ２導波コア層を形成する。垂直放射用回折格子およびＤＢＲの屈折率変調は、導波コア層ほぼ中央に設けた屈折率２．０１厚さ５０ｎｍのＳｉ−Ｎ層を凹凸加工して得る。そのＴＥ0モードの実効屈折率は１．５１６であり、垂直放射用回折格子およびＤＢＲの周期はそれぞれ０．５６０７μmおよび０．２８０４μmとなる。放射損失係数及び結合係数は、α＝κGC＝８．７０ｍｍ-1並びにκBA＝１４０ｍｍ-1と算出された。後段ＤＢＲの結合長LBRは２０μmとした。結合波長８５０ｎｍにおける反射係数の大きさは|rBR|＝０．９９３である。垂直放射用回折格子の結合長を５μmとし、式（２６）から前段ＤＢＲの結合長LBFを８．５５μmとした。
【００３４】
規格化パワー透過率PT = (1-|B(0)|2)／|A(-LGC-lF-LBF)|2、規格化パワー反射率PR = |B(-LGC-lF-LBF)|2／|A(-LGC-lF-LBF)|2および規格化空気側パワー放射率POUT=η0(1-PT- PR)の計算例を図７に示す。ただし、垂直放射用回折格子による全放射光パワーに対する空気側出力光パワー分配比η0は０．７８である。結合波長８５０ｎｍにおいてη0に近い結合効率が期待できる。また半値波長幅は４ｎｍと見積もられた。ＤＢＲを集積しない垂直放射用回折格子単独の出力結合効率はη0{1-exp(-2α LGC)}で与えられるが、結合長５μmでは０．０６５となる。すなわち、共振構造とすることで１２倍の効率改善が見込める。
【００３５】
PT、PRおよびPOUTの波長依存性のＦＤＴＤによるシミュレーション結果を図８に示す。図７と良く一致しており、モード結合理論による予測の正当性を裏付ける結果が得られた。ただし、結合波長における出力結合効率は０．１ほど低くなっている。より長いグレーティングカップラ結合長１０μmでは両者の差は非常に小さかったことを考慮すると、この原因は垂直放射用回折格子の領域と周囲との屈折率境界における散乱が影響しているものと説明できる。
［比較例−共振型でない場合］
比較のため共振構造でないグレーティングカップラについて述べる。まず、構造パラメータはすべて同じで前段ＤＢＲのみ無い場合の規格化パワー透過率、規格化パワー反射率、規格化空気側パワー放射率の計算結果を図９に示す。透過はほぼ０であるが、反射が０．７もあり、出力結合効率は０．２強に留まっている。すなわち、垂直放射用回折格子単体による結合が小さいため、入射導波モード光はわずかに垂直放射用回折格子で回折された後にほとんどが後段ＤＢＲで反射されるが、その反射導波モード光のほとんどが垂直放射用回折格子を透過している状況を示している。
【００３６】
一方、後段ＤＢＲがなく前段ＤＢＲと垂直放射用回折格子を組み合わせた場合を図１０に示す。結合係数が小さいため、入射導波モード光は垂直放射用回折格子の１次回折でわずかに出力として取り出されるが、垂直放射用回折格子による２次回折反射はほとんど生じない。そのため、その反射を打ち消す働きをする前段ＤＢＲはほとんど存在価値が無い。すなわち、入射導波モード光はわずかに０．０６５（前述した単体の場合と結合効率とほとんど同じ）だけ出力し、若干の基板側放射を除いてその他は透過することになる。
【００３７】
また、参考のために、結合長を１５０μmと３０倍ほど長くした垂直放射用回折格子と前段ＤＢＲを組み合わせた場合を図１１に示す。この場合、確かに反射は抑圧されているが、透過率は無視できないレベルにあり、かつ波長依存性が急峻であり、実用上好ましくない。
【００３８】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００３９】
グレーティングを形成する屈折率変調の位置は導波コア層中央に設ける必要はなく、例えば、導波コア層上部や導波コア層下部あるいはその中間に設けても良い。ただし、基板側への放射を抑圧するようにバッファ層厚を最適化することが肝要である。
【００４０】
また、バッファ層下部に、金属膜もしくは多層膜などの反射構造を設けて、基板側放射を抑圧して空気側出力光パワー分配比η0を100%に近づけ、高効率化を図ることも可能である。
【００４１】
本発明に係るグレーティングカップラは、導波路を形成するのに、上に説明した誘電体のみならず半導体を用いることもできる。適用可能なものは、誘電体としては、SiO2系、SiON系の無機材料やポリイミド系などの有機材料、半導体としては、GaAs系、InP系材料を例示することができる。半導体を用いる場合も、上に説明したのと同様にして、垂直放射用回折格子、前段ＤＢＲ、後段ＤＢＲ、前段位相調整域、後段位相調整域を形成することにより、導波モード光に対する共振構造を形成することができ、短い結合長で高い光放射効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】グレーティングカップラの基本構成を示す説明図である。
【図２】導波路を伝搬する光のベクトルダイアグラムである。
【図３】集光グレーティングカップラの構成例を示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る共振グレーティングカップラの基本構成を概略的に示す断面図である。
【図５】導波モードと放射モードの関係を示す説明図である。
【図６】図４に示した構成を有する共振グレーティングカップラの一設計例を概略的に示す断面図である。
【図７】図６に示した共振グレーティングカップラの性能を示すグラフである。
【図８】図６に示した共振グレーティングカップラの性能に関しＦＤＴＤによるシミュレーションを行なった結果を示すグラフである。
【図９】一比較例に係るグレーティングカップラの性能を示すグラフである。
【図１０】他の比較例に係る共振グレーティングカップラの性能を示すグラフである。
【図１１】さらに他の比較例に係る共振グレーティングカップラの性能を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１：基材
２：導波路
３：前段ＤＢＲ
４：前段位相調整域
５：垂直放射用回折格子
６：後段位相調整域
７：後段ＤＢＲ
DG：放射用回折格子
Ld：回折放射光
Li：導波光
WG：導波路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路に設けられた周期的屈折率変調により導波モード光と空間光を結合する集積光学素子であるグレーティングカップラに関する。
【背景技術】
【０００２】
グレーティングカップラは導波モード光と空間光を結合する回折格子であり、集光、偏光分波、スイッチング、導波モード選択などの機能を併せ持たせることも可能である。グレーティングカップラは、実用化に向けて高効率化が求められ、グレーティングの凹凸形状をブレーズ化したり、平行四辺形としたり、基板側に反射構造を導入する等の手段により、回折光パワーを出力光に集中する工夫がなされてきた。そして、これからの超高性能情報処理システムを支える技術として、グレーティングカップラを用いた光配線板が注目されている。
【０００３】
これらの状況において、グレーティングカップラにはさらに結合長の短小化が求められている。グレーティングカップラの実効結合長は、通常は結合の強さを表す放射損失係数αの逆数で与えられる。放射損失係数は、グレーティングカップラの屈折率変調深さや厚さ（凹凸グレーティングの場合はその深さ）に起因して、実際上の可能性に限界が伴う。これまでの研究では誘電体を用いたグレーティングカップラの結合長は１００μm程度である（例えば、非特許文献１，２，３）。これが短小化されれば、チャネル幅の微細化が可能となる。例えば、数μmの結合長が実現できれば、桁違いに高い伝送帯域密度が確保できるのであり、その実現のためには結合長の短小化は極めて重要である。
【０００４】
一方、半導体導波路を用いた場合には大きな屈折率変調が得られるため、結合長の短いグレーティングカップラが報告されている（非特許文献４，５，６，７）。半導体導波路は、SiやGaAs半導体で形成される光検出器が使用できる近赤外波長に対して不透明であり使用できないという欠点があるが、機器の使用波長によっては結合長の短さを生かすことができる。したがって、半導体を用いたより短い結合長のグレーティングカップラが得られれば、有利である。
【非特許文献１】S. Ura, "Selective guided mode coupling via bridging mode by integrated gratings for intraboard optical interconnects," Proc. SPIE 4652, 86-96 (2002)
【非特許文献２】J. Ohmori, Y. Imaoka, S. Ura, K. Kintaka, R. Satoh, H. Nishihara, "Integrated-optic add/drop multiplexing of free-space waves for intra-board chip-to-chip optical interconnects," Jpn. J. Appl. Phys. 44, 7987-7992 (2005)
【非特許文献３】K. Kintaka, J. Nishii, K. Shinoda, S. Ura, "WDM signal transmission in a thin-film waveguide for optical interconnection," IEEE Photon. Technolo. Lett. 18, 2299-2301 (2006)
【非特許文献４】D. Taillaert, W. Bogaerts, P. Bienstman, T. F. Krauss, P. V. Daele, I. Moerman, S. Verstuyft, K. D. Mesel, R. Baets, "An out-of-plane grating coupler for efficient butt-coupling between compact planar waveguides and single-mode fibers," J. Quantum Electron. 38, 949-955 (2002).
【非特許文献５】D. Taillaert, F. V. Laere, M. Ayre, W. Bogaerts, D. V. Thourhout, P. Bienstman, R. Baets, "Grating couplers for coupling between optical fibers and nanophotonic waveguides," Jpn. J. Appl. Phys. 45, 6071-6077 (2006)
【非特許文献６】G. Roelkens, D. V. Thourhout, R. Baets, "High efficiency grating coupler between silicon-on-insulator waveguides and perfectly vertical optical fibers," Opt. Lett. 32, 1495-1497 (2007)
【非特許文献７】C. Gunn, "CMOS photonics for high-speed interconnects," IEEE Micro, 58-66 (March-April 2006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の従来技術及びその問題点に鑑みてなされたものであり、結合長の短いグレーティングカップラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記目的を達成するため、基材及び該基材上の導波路を備え、上記導波路は、該導波路を伝搬する入射導波モード光の１次回折光が垂直放射モード光に結合されるように屈折率変調周期が決められた垂直放射用回折格子と、該回折格子の格子面に沿う方向における入射側に形成された前段ＤＢＲと、該回折格子の格子面に沿う方向における入射側から遠い側に形成された後段ＤＢＲと、上記垂直放射用回折格子及び前段ＤＢＲの間に形成された前段位相調整域と、上記垂直放射用回折格子及び後段ＤＢＲの間に形成された後段位相調整域とを備え、上記後段ＤＢＲの結合長は、該後段ＤＢＲを透過する光を実用上無視できるまで低減するのに十分な長さとされ、上記後段位相調整域の導波方向長さは、上記後段ＤＢＲで反射した光の上記垂直放射用回折格子による回折放射の位相が入射導波モード光の上記垂直放射用回折格子による回折放射の位相に揃うように決められ、上記前段位相調整域の導波方向長さは、上記後段ＤＢＲで反射して上記前段ＤＢＲに到達する光の位相が入射導波モード光の上記前段ＤＢＲにより反射する光の位相と半波長分だけずれるように決められ、上記前段ＤＢＲの結合長は、上記後段ＤＢＲで反射したのち前段ＤＢＲを透過する光を該前段ＤＢＲによる入射導波モード光の反射で相殺するように決められていることを特徴とする共振グレーティングカップラを提供するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る共振グレーティングカップラにおいては、入射導波モード光は前段ＤＢＲで一部反射された後、垂直放射用回折格子で一部放射モード光として出力され、後段ＤＢＲで反射される。垂直放射用回折格子の周期は１次回折で導波モード光を垂直放射モード光に結合するように決めるので、１次回折による垂直放射が得られる。さらに、後段ＤＢＲの結合長は該後段ＤＢＲの透過光が実用上無視できるまで十分低減するように決めるので、透過による損失が回避される。そして、後段ＤＢＲで反射された導波モード光は垂直放射用回折格子の１次回折により一部放射モード光に結合されるが、後段位相調整域により該垂直放射モード光の位相は上記入射導波モード光の１次回折で生じた放射モード光の位相に揃う。後段ＤＢＲで反射され垂直放射用回折格子を透過した反射導波モード光は前段ＤＢＲにより一部反射される。前段位相調整域の位相調整長を最適にすることにより、前段ＤＢＲにより反射された光が入射導波モード光に位相が揃って加算され、かつ前段ＤＢＲを透過する上記反射導波モード光が該前段ＤＢＲによる入射導波モード光の反射と半波長分だけ位相がずれるようにしておく。さらに、前段ＤＢＲの結合効率を最適にすることより、該前段ＤＢＲを透過する上記反射導波モード光は該前段ＤＢＲによる入射導波モード光の反射で相殺される。すなわち、共振グレーティングカップラの透過および反射の双方とも０又は極めて小さい値となる。このように、入射光が後段ＤＢＲで反射され、その反射光がさらに前段ＤＢＲにより反射されて、垂直放射用回折格子から垂直放射されるという出力形態は、一種の共振として捉えることができる。その結果、垂直放射用回折格子の放射損失係数αが小さな値であっても、入射光を１００％に近い効率で放射出力できることになる。
【０００８】
したがって、本発明によれば、結合長の短いグレーティングカップラを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
［基本原理］
先ず、グレーティングカップラの機能に関する基本原理について説明する。薄膜導波路や単一モードファイバのように光伝送路のサイズが１０μm以下と波長サイズに近く、もしくはサブ波長サイズとなると，波面を扱う波動光学素子の使用が必要となる。特に薄膜導波路にほぼ垂直に光波を入出力する場合はグレーティングカップラが有利である。図１(b)にグレーティングカップラの基本構成を示す。
【００１０】
導波路面の法線方向をy方向，入射導波光の伝搬方向およびグレーティングベクトルの方向をz方向とする。導波路表面を凹凸加工するなどして、薄い屈折率グレーティングを設けておくと，導波光Ｌiはそのグレーティングにより回折され、回折放射光Ｌdとなって放射される。図１(a)に示すように、回折に伴い導波光は伝搬とともに指数関数的に減衰する。回折光もその導波光の減衰を反映したプロファイルを有する。
【００１１】
導波光電界の減衰がexp (−αGC z)で表されるように放射損失係数αGCを定義すると、出力結合効率は次式で与えられる：
η=ηout {1-exp(-2αGC LGC)}
ここで，LGCはグレーティングカップラの結合長、ηoutは全回折光パワーにおける出力光パワーへのパワー分配比である。
【００１２】
この場合の伝搬ベクトルダイアグラムを図２に示す。真空中での波長をλ0とすると、その波数k0 = 2π／λ0を用いて波動ベクトルはk = n k0 uで表される。ここでuは光波の伝搬方向の単位ベクトルであり、nは伝搬媒質の屈折率である。導波光は薄膜導波路に閉じこめられて伝搬し、コア薄膜の屈折率をnf、基板（基材）の屈折率をns、上部（空気）の屈折率をnaとすると導波モードの実効屈折率Neはnf＞Ne＞nsを満たし、導波モード光の伝搬ベクトルはβ= Ne kouzで表される。ここでuzはz方向単位ベクトルである。上半円の半径はna ko、下半円の半径はnskoとしてあり、中心を始点とし円弧上に終点を持つベクトルがそれぞれの媒質中を伝搬する伝搬ベクトルを表す。
【００１３】
グレーティング周期をΛとすると、グレーティングベクトルはK＝(2π／Λ) uzで表される。ここでグレーティングはy方向には非常に薄くz方向に長いため、ベクトル整合条件はz方向成分のみ考えればよい。したがって、m次の回折による上部への回折放射角 θaおよび基板側回折放射角θsは次式で与えられる：
na k0 sinθa = ns k0 sinθs = |β|−m|K|
この例では、１次の回折光は上部と基板側へ放射し、２次の回折光は基板側のみに放射することになる。各放射光へのパワー分配比は導波路の構造ならびにグレーティング形状で決まる。実用上は、上部への出力光パワー分配比として１が望まれることが多い。このためには、|K|を大きくして高次回折が発生しないようにし、また反射性基板などを導入して基板側放射光が生じないようにするのが望ましい。
【００１４】
グレーティングカップラを入力結合器として用いる場合は、時間を反転させて考えることができる。すなわち、出力結合において導波モード光が回折されて放射される光をそのまま逆進させて入射すれば同じ結合効率で導波モード光を励振することができる。導波モードは導波構造で決まり、|β|は離散的な値をとり、入射光の複素振幅分布が出力結合時の放射光の複素振幅分布からずれると、そのずれがそのまま結合効率の低下を招く。例えば、図１の出力結合では回折放射光は指数関数的振幅分布をもつが、実用上の入射光はVCSEL（垂直共振器面発光レーザ）からの発散光などのようにガウシアン的分布をしていることが多く、入力結合効率は出力結合効率よりその不一致分だけ低くなる。逆にこのような入射光を高効率で結合するためには、グレーティング凹凸の深さや幅比を分布させz方向にαGC（放射損失係数）を増加させて、回折放射光の振幅分布がガウシアン的になるようにすることもできる。
【００１５】
また、図３に示すように導波路WGに形成される放射用回折格子DGについて、グレーティング凹凸ラインに曲率と周期変化を設けて、レンズ機能を持たせることもできる。すなわち、入射導波光Liは、放射用回折格子DGで格子面から遠ざかる方向に回折し一点に収束する。これにより、外部レンズを使用せずにPD（フォトダイオード）への収束空間光やVCSELからの発散空間光と導波光を結合することが可能となる。
［本発明の実施形態］
次に、本発明の実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。図４は、本発明に係る共振グレーティングカップラR-ＧＣの基本構成を概略的に示す断面図である。
【００１６】
この共振グレーティングカップラR-ＧＣは、各々透光性を有する誘電体により形成された基材１及び該基材上の導波路２を備えている。導波路２には、前段ＤＢＲ３と後段ＤＢＲ７との間に結合長LGCの垂直放射用回折格子５を位相調整域を挟んだ配置として集積する。この構造は、例えば、化学気相成長法などで導波路を基材上に堆積し、その上にレジストを塗布して、マスク露光や電子ビーム直接描画露光などでレジストにグレーティング凹凸パターンを形成し、そのパターンをドライエッチング等により導波路材質に転写するという方法で得ることができる。但し、この方法に限るものではなく、グレーティング凹凸用に導波路上に別の材質を堆積して凹凸加工したり、図６に示すように埋め込み加工することも可能である。位相調整域は、前段ＤＢＲ３と垂直放射用回折格子５との間の前段位相調整域４、後段ＤＢＲ７と垂直放射用回折格子５との間の後段位相調整域６として形成されている。ここでは、ＴＥ導波モードを扱うものとして説明する。
【００１７】
導波モードと放射モードの関係を図５に示す。z方向伝搬入射導波モード光および反射導波モード光の複素振幅をそれぞれA(z)およびB(z)とおく。入射導波モード光A(z)は結合長LBFの前段ＤＢＲで一部反射された後、垂直放射用回折格子５で一部放射モード光（空気層への放射光Ｌａ，基材側への放射光Ｌｓ）として出力され、結合長LBRの後段ＤＢＲ７で反射される。垂直放射用回折格子５の周期ΛGCは１次回折で導波モード光を垂直放射モード光に結合するように決める。このとき２次回折により反射が生じて入射導波モード光A(z)は反射導波モード光B(z)に一部結合する。後段ＤＢＲ７によりA(z)はB(z)に結合されるが、該後段ＤＢＲの結合長LBRは該後段ＤＢＲの透過光が十分消失するように決める。垂直放射用回折格子５と後段ＤＢＲ７の間の位相調整長lRは、反射導波モード光B(z)の回折放射の位相が入射導波モード光A(z)の回折放射の位相に揃うように決める。前段位相調整域４の位相調整長lFおよび前段ＤＢＲ３の結合効率（LBFで制御する）は、前段ＤＢＲ３を透過する反射導波モード光B(z)を前段ＤＢＲ３による入射導波モード光A(z)の反射で相殺するように決める。このように、z＞lR +LBRの領域の入射導波モード光A(z)、およびz＜-ＬGC -lF -LBFの領域の反射導波モード光B(z)を０又は極めて小さい値とする。その結果、小さな放射損失係数α の垂直放射用回折格子５であっても入射導波モード光を１００％に近い効率で放射出力できることになる。
【００１８】
また、共振グレーティングカップラを構成する、垂直放射用回折格子、前段ＤＢＲ、後段ＤＢＲのそれぞれは、強い波長依存性を示し、これらの周期を調整することにより、波長を特定したカップリングを行うことができる。
［モード結合理論による解析］
図５に示すように垂直放射用回折格子の後端を原点とする。z方向伝搬定数βνに関して、空気側放射モードと基板側放射モードが縮退（同じ値をもつ）しており、それぞれの複素振幅分布をaνa (z)およびaνs(z)で表す。垂直放射用回折格子によるモード結合方程式は次式のように表される。
【数１】
【００１９】
ここで、βA および βB は A(z) および B(z) の z方向伝搬定数でありβA= -βBである。KGC はグレーティングベクトルの大きさで2π／ΛGCで与えられる。TEモードを対象としており、結合係数は次式κνi,A およびκνi,Bで与えられる。
【数２】
【００２０】
ここでEνiと Egはそれぞれ放射モードおよび導波モードの規格化電界である。また、ε0、ωおよびΔεはそれぞれ真空中の誘電率、角周波数、垂直放射用回折格子構造を表す比誘電率である。A(z) ≒ const. と B(z) ≒ const.の近似で式(3)から求めたaνi(z)を式(1)-(2)に代入して以下の導波モード間結合方程式を得る。
【数３】
【００２１】
α、κGC および ΔGC はそれぞれ放射損失係数、導波モード結合係数および位相不整合量を表し、次式で与えられる。
【数４】
【００２２】
境界条件 A(0) = 1 および B(0) = rBR のもとでは A(z) および B(z) は次式のようになる。
【数５】
【００２３】
ここで sinc(x) はsin(x)/xで定義される関数である。位相整合条件ΔGC = 0では、式(4)、式(7) および式(8)からα=κGC であるからζ= 0となる。したがって式(10)-(11)は次式のようになる。
【数６】
【００２４】
A(z) および B(z) が放射モードへ相乗的に寄与して大きな結合を生じさせるためには、式(3)と式(13)-(14)を見比べて、rBRは大きな正実数であればよい。以下で述べるようにrBRは後段ＤＢＲの反射と位相調整長lRで決まる。
【００２５】
前段および後段のＤＢＲでのモード結合方程式は、次式のように書ける。
【数７】
【００２６】
κBA およびΔDBR は結合係数、および位相不整合量であり、次式で与えられる。
【数８】
【００２７】
境界条件 A(0) = 1 および B(lR + LBR) = 0 を後段ＤＢＲに適用すると、rBR は次のようになる。
【数９】
【００２８】
位相整合条件ΔDBR=ΔGC=0では次のように書き改められる。
【数１０】
【００２９】
rBR を大きな正の実数とするためには、κBA LBR は大きくかつ次式を満たせばよい。
【数１１】
【００３０】
前段ＤＢＲに関しては、 z = - LGC - lFにおける境界条件が、式(10) -(11)から計算されるA(- LGC)およびB(- LGC)を用いて、A(- LGC- lF) = A(- LGC) exp(j βA lF)およびB(- LGC - lF) = B(- LGC) exp(-j βA lF)と与えられる。それゆえ、A(- LGC - lF - LBF) および B(- LGC - lF - LBF) はそれぞれ以下のように計算される。
【数１２】
【００３１】
位相整合条件ΔDBR = 0でB(- LGC - lF - LBF) = 0 とするには
【数１３】
【００３２】
とすればよい。ふたつめの等号は式(13)-(14)から導かれる。すなわち、 lFとLBF は次式を満たすように決めればよい。
【数１４】
【００３３】
［設計例及びシミュレーション］
本発明に係る共振グレーティングカップラの一設計例を図６に示す。屈折率３．７５のＳｉ基板上に屈折率１．４６、厚さ１．６４μmのＳｉＯ２バッファ層を介して屈折率１．５４、厚さ０．６５μmのＧｅ：ＳｉＯ２導波コア層を形成する。垂直放射用回折格子およびＤＢＲの屈折率変調は、導波コア層ほぼ中央に設けた屈折率２．０１厚さ５０ｎｍのＳｉ−Ｎ層を凹凸加工して得る。そのＴＥ0モードの実効屈折率は１．５１６であり、垂直放射用回折格子およびＤＢＲの周期はそれぞれ０．５６０７μmおよび０．２８０４μmとなる。放射損失係数及び結合係数は、α＝κGC＝８．７０ｍｍ-1並びにκBA＝１４０ｍｍ-1と算出された。後段ＤＢＲの結合長LBRは２０μmとした。結合波長８５０ｎｍにおける反射係数の大きさは|rBR|＝０．９９３である。垂直放射用回折格子の結合長を５μmとし、式（２６）から前段ＤＢＲの結合長LBFを８．５５μmとした。
【００３４】
規格化パワー透過率PT = (1-|B(0)|2)／|A(-LGC-lF-LBF)|2、規格化パワー反射率PR = |B(-LGC-lF-LBF)|2／|A(-LGC-lF-LBF)|2および規格化空気側パワー放射率POUT=η0(1-PT- PR)の計算例を図７に示す。ただし、垂直放射用回折格子による全放射光パワーに対する空気側出力光パワー分配比η0は０．７８である。結合波長８５０ｎｍにおいてη0に近い結合効率が期待できる。また半値波長幅は４ｎｍと見積もられた。ＤＢＲを集積しない垂直放射用回折格子単独の出力結合効率はη0{1-exp(-2α LGC)}で与えられるが、結合長５μmでは０．０６５となる。すなわち、共振構造とすることで１２倍の効率改善が見込める。
【００３５】
PT、PRおよびPOUTの波長依存性のＦＤＴＤによるシミュレーション結果を図８に示す。図７と良く一致しており、モード結合理論による予測の正当性を裏付ける結果が得られた。ただし、結合波長における出力結合効率は０．１ほど低くなっている。より長いグレーティングカップラ結合長１０μmでは両者の差は非常に小さかったことを考慮すると、この原因は垂直放射用回折格子の領域と周囲との屈折率境界における散乱が影響しているものと説明できる。
［比較例−共振型でない場合］
比較のため共振構造でないグレーティングカップラについて述べる。まず、構造パラメータはすべて同じで前段ＤＢＲのみ無い場合の規格化パワー透過率、規格化パワー反射率、規格化空気側パワー放射率の計算結果を図９に示す。透過はほぼ０であるが、反射が０．７もあり、出力結合効率は０．２強に留まっている。すなわち、垂直放射用回折格子単体による結合が小さいため、入射導波モード光はわずかに垂直放射用回折格子で回折された後にほとんどが後段ＤＢＲで反射されるが、その反射導波モード光のほとんどが垂直放射用回折格子を透過している状況を示している。
【００３６】
一方、後段ＤＢＲがなく前段ＤＢＲと垂直放射用回折格子を組み合わせた場合を図１０に示す。結合係数が小さいため、入射導波モード光は垂直放射用回折格子の１次回折でわずかに出力として取り出されるが、垂直放射用回折格子による２次回折反射はほとんど生じない。そのため、その反射を打ち消す働きをする前段ＤＢＲはほとんど存在価値が無い。すなわち、入射導波モード光はわずかに０．０６５（前述した単体の場合と結合効率とほとんど同じ）だけ出力し、若干の基板側放射を除いてその他は透過することになる。
【００３７】
また、参考のために、結合長を１５０μmと３０倍ほど長くした垂直放射用回折格子と前段ＤＢＲを組み合わせた場合を図１１に示す。この場合、確かに反射は抑圧されているが、透過率は無視できないレベルにあり、かつ波長依存性が急峻であり、実用上好ましくない。
【００３８】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００３９】
グレーティングを形成する屈折率変調の位置は導波コア層中央に設ける必要はなく、例えば、導波コア層上部や導波コア層下部あるいはその中間に設けても良い。ただし、基板側への放射を抑圧するようにバッファ層厚を最適化することが肝要である。
【００４０】
また、バッファ層下部に、金属膜もしくは多層膜などの反射構造を設けて、基板側放射を抑圧して空気側出力光パワー分配比η0を100%に近づけ、高効率化を図ることも可能である。
【００４１】
本発明に係るグレーティングカップラは、導波路を形成するのに、上に説明した誘電体のみならず半導体を用いることもできる。適用可能なものは、誘電体としては、SiO2系、SiON系の無機材料やポリイミド系などの有機材料、半導体としては、GaAs系、InP系材料を例示することができる。半導体を用いる場合も、上に説明したのと同様にして、垂直放射用回折格子、前段ＤＢＲ、後段ＤＢＲ、前段位相調整域、後段位相調整域を形成することにより、導波モード光に対する共振構造を形成することができ、短い結合長で高い光放射効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】グレーティングカップラの基本構成を示す説明図である。
【図２】導波路を伝搬する光のベクトルダイアグラムである。
【図３】集光グレーティングカップラの構成例を示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る共振グレーティングカップラの基本構成を概略的に示す断面図である。
【図５】導波モードと放射モードの関係を示す説明図である。
【図６】図４に示した構成を有する共振グレーティングカップラの一設計例を概略的に示す断面図である。
【図７】図６に示した共振グレーティングカップラの性能を示すグラフである。
【図８】図６に示した共振グレーティングカップラの性能に関しＦＤＴＤによるシミュレーションを行なった結果を示すグラフである。
【図９】一比較例に係るグレーティングカップラの性能を示すグラフである。
【図１０】他の比較例に係る共振グレーティングカップラの性能を示すグラフである。
【図１１】さらに他の比較例に係る共振グレーティングカップラの性能を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１：基材
２：導波路
３：前段ＤＢＲ
４：前段位相調整域
５：垂直放射用回折格子
６：後段位相調整域
７：後段ＤＢＲ
DG：放射用回折格子
Ld：回折放射光
Li：導波光
WG：導波路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材及び該基材上の導波路を備え、上記導波路は、該導波路を伝搬する入射導波モード光の１次回折光が垂直放射モード光に結合されるように屈折率変調周期が決められた垂直放射用回折格子と、該回折格子の格子面に沿う方向における入射側に形成された前段ＤＢＲと、該回折格子の格子面に沿う方向における入射側から遠い側に形成された後段ＤＢＲと、上記垂直放射用回折格子及び前段ＤＢＲの間に形成された前段位相調整域と、上記垂直放射用回折格子及び後段ＤＢＲの間に形成された後段位相調整域とを備え、
上記後段ＤＢＲの結合長は、該後段ＤＢＲを透過する光を実用上無視できるまで低減するのに十分な長さとされ、上記後段位相調整域の導波方向長さは、上記後段ＤＢＲで反射した光の上記垂直放射用回折格子による回折放射の位相が入射導波モード光の上記垂直放射用回折格子による回折放射の位相に揃うように決められ、
上記前段位相調整域の導波方向長さは、上記後段ＤＢＲで反射して上記前段ＤＢＲに到達する光の位相が入射導波モード光の上記前段ＤＢＲにより反射する光の位相と半波長分だけずれるように決められ、上記前段ＤＢＲの結合長は、上記後段ＤＢＲで反射したのち前段ＤＢＲを透過する光を該前段ＤＢＲによる入射導波モード光の反射で相殺するように決められている
ことを特徴とする共振グレーティングカップラ。
【請求項１】
基材及び該基材上の導波路を備え、上記導波路は、該導波路を伝搬する入射導波モード光の１次回折光が垂直放射モード光に結合されるように屈折率変調周期が決められた垂直放射用回折格子と、該回折格子の格子面に沿う方向における入射側に形成された前段ＤＢＲと、該回折格子の格子面に沿う方向における入射側から遠い側に形成された後段ＤＢＲと、上記垂直放射用回折格子及び前段ＤＢＲの間に形成された前段位相調整域と、上記垂直放射用回折格子及び後段ＤＢＲの間に形成された後段位相調整域とを備え、
上記後段ＤＢＲの結合長は、該後段ＤＢＲを透過する光を実用上無視できるまで低減するのに十分な長さとされ、上記後段位相調整域の導波方向長さは、上記後段ＤＢＲで反射した光の上記垂直放射用回折格子による回折放射の位相が入射導波モード光の上記垂直放射用回折格子による回折放射の位相に揃うように決められ、
上記前段位相調整域の導波方向長さは、上記後段ＤＢＲで反射して上記前段ＤＢＲに到達する光の位相が入射導波モード光の上記前段ＤＢＲにより反射する光の位相と半波長分だけずれるように決められ、上記前段ＤＢＲの結合長は、上記後段ＤＢＲで反射したのち前段ＤＢＲを透過する光を該前段ＤＢＲによる入射導波モード光の反射で相殺するように決められている
ことを特徴とする共振グレーティングカップラ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２８８７１８（Ｐ２００９−２８８７１８Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４３８４１（Ｐ２００８−１４３８４１）
【出願日】平成２０年５月３０日（２００８．５．３０）
【出願人】（５０４２５５６８５）国立大学法人京都工芸繊維大学 (203)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月３０日（２００８．５．３０）
【出願人】（５０４２５５６８５）国立大学法人京都工芸繊維大学 (203)
【Ｆターム（参考）】
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