(57)【要約】【課題】製造が容易で、シングルモード光ファイバとの光結合効率の高いグレーティングカプラを提供する。【解決手段】グレーティング上の少なくとも一部に高屈折率層とバッファ層とから成る逆位相反射コーティングを備えたグレーティングカプラは、高屈折率層の厚さがグレーティングのコア内で光の伝搬する向きに沿って徐々に薄くなっている。【選択図】図１
2018045071.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
グレーティング上の少なくとも一部に高屈折率層とバッファ層とから成る逆位相反射コーティングを備えたグレーティングカプラであって、
前記高屈折率層を特徴づける複数の属性から選択された少なくとも１つが、前記グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに沿って徐々に減少していることを特徴とする、グレーティングカプラ。
【請求項２】
前記複数の属性が、前記高屈折率層の厚さ、材料の屈折率、および面密度を含む、ことを特徴とする請求項１に記載のグレーティングカプラ。
【請求項３】
前記高屈折率層の厚さが、前記グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに沿って徐々に薄くなっていることを特徴とする、請求項２に記載のグレーティングカプラ。
【請求項４】
前記高屈折率層の材料の屈折率が、前記グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに沿って徐々に小さくなっていることを特徴とする、請求項２に記載のグレーティングカプラ。
【請求項５】
前記高屈折率層の少なくとも一部の面密度が、前記グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに沿って徐々に小さくなっていることを特徴とする、請求項２に記載のグレーティングカプラ。
【請求項６】
前記高屈折率層の少なくとも一部が、前記グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに伸びた複数の短冊形の集合であり、
前記短冊形は周期的にまたは略周期的に配置されていることを特徴とする、請求項５に記載のグレーティングカプラ。
【請求項７】
前記高屈折率層の複数の短冊の幅が、前記グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに沿って徐々に狭くなっていることを特徴とする、請求項６に記載のグレーティングカプラ。
【請求項８】
前記高屈折率層の複数の短冊の間隔が、前記グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに徐々に広くなっていることを特徴とする、請求項６に記載のグレーティングカプラ。
【請求項９】
前記高屈折率層の少なくとも一部が複数の島形の集合であり、
前記島形は周期的にまたは略周期的に配置されていることを特徴とする、請求項５に記載のグレーティングカプラ。
【請求項１０】
前記高屈折率層の島形は、前記グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに、前後の幅または左右の幅のうち少なくとも一方が徐々に狭くなっていることを特徴とする、請求項９に記載のグレーティングカプラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グレーティングカプラに関し、特に、光ファイバに高効率で光結合するグレーティングカプラに関する。
【背景技術】
【０００２】
光集積回路に関する技術は、近年のシリコンフォトニクスの発展により大きく前進している。シリコンフォトニクスはシリコンをコアとして導波路や他の光デバイスを形成する技術である。シリコンフォトニクスによる光集積回路チップの性能向上や製品化を進める上では、成熟した或いは最先端のＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）プロセス技術を活用できることが大きな利点となっている。
【０００３】
シリコンフォトニクスで製造された光集積回路チップ（以後、「光チップ」と呼ぶ）は通常、光ファイバと光結合することによって外部と光信号の入出力を行う。グレーティングカプラ（ｇｒａｔｉｎｇ  ｃｏｕｐｌｅｒ，ＧＣ）は、その光ファイバとの光結合のために光チップ上に形成する素子としてしばしば用いられる。グレーティングカプラは、光チップ内の光集積回路が処理した信号光を、チップ表面に対してほぼ垂直に出射することができる。従って、その出射光の光軸に沿ってグレーティングカプラに光ファイバを突き当てれば、その光ファイバに信号光を入力できる。逆に、光ファイバを通して送られてくる信号光をグレーティングカプラに照射すれば、光チップの光集積回路に信号光を取りこむことができる。
【０００４】
グレーティングカプラを光結合させる光ファイバは大きく分けて２種類ある。一つはマルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）であり、もう一つはシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）である。ＭＭＦはコア径が６２．５μｍや５０．０μｍと大きく、ＳＭＦはコア径（正確にはモード径）が９．２μｍと、ＭＭＦよりも小さい。十分な光結合効率を得るためには、光ファイバとグレーティングカプラとの位置合わせ精度としてコア径の１／１０程度以下が必要である。このため、ＭＭＦは位置合わせのし易い光ファイバとして用いられる。他方、ＳＭＦは、位置合わせは厳しいものの、光ファイバを伝搬中の光信号の劣化が小さい。そのために、ＳＭＦは、ＭＭＦよりも遠方により高ビットレートの光信号を伝送するために用いられる。一般に、光チップの性能が向上したり伝送距離が長くなったりするにつれて、グレーティングカプラをＳＭＦに光結合する必要性が増す。
【０００５】
グレーティングカプラは、光チップ面内にある導波路を通して入力された信号光をグレーティングで回折させ、その光の伝搬方向を変える。その際、光はグレーティングの上側、すなわち、光チップから離れる向きにだけではなく、グレーティングの下側、すなわち光チップの基板内に入る向きにも回折される。グレーティングの下側に回折された光は、光ファイバに入射できないので光結合損失となる。そこで、グレーティングの上下に単位時間に放射される光エネルギーの内、上方にだけ放射される光エネルギーの割合を上方指向性（ｕｐｗａｒｄ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ）と呼び、グレーティングカプラの性能指標として用いられる。尚、単位が同じなので、単位時間に放射される光エネルギーのことを以後、光パワーと呼ぶ。
【０００６】
非特許文献１は、「グレーティングカプラの指向性を最大化する逆位相反射コーティング」の関連技術を開示している。この非特許文献１では、グレーティングカプラの上方指向性を大きくするための動作原理には４種類あることを開示している。即ち、第１の動作原理は、グレーティングの裏面側に反射鏡を有し、裏面放射された光を反射鏡によって表面側に反射するものである。反射鏡は誘電体多層膜であることもある。第２の動作原理は、厚いコア層に刻まれた深い溝のグレーティングを有し、コア層内部の光の干渉によって上方に効率よく光を放射させるものである。また、第３の動作原理は、光チップ表面で反射されて基板側に戻ってしまう光を、反射防止膜を付けることで反射せずに放射させるものである。更に、第４の動作原理は、グレーティングの表面に多層の逆位相反射膜（ａｎｔｉ−ｐｈａｓｅ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｃｏａｔｉｎｇ，ＡＰＲＣ）を取り付けることによって、上方に放射された光の一部を基板側に折り返し、その折り返した光を裏面側に放射される光に逆位相で重ねることによって、裏面放射光を消去するものである。
【０００７】
これら４つの動作原理の内、最初の２つは上方指向性を大きくする効果は大きいが、それぞれ反射鏡を基板に作り込むことが困難だったり、グレーティングのコア層が厚くなければならなかったりするため、適用できる光チップが大きく限定される。第３の動作原理は、そこで用いる反射防止膜を基板表面に堆積すればよいので取り付けやすいが、上方指向性を向上させる効果が小さい。
【０００８】
最後の第４の動作原理は、最近新しく見出された動作原理である。ＡＰＲＣと呼ばれる多層の反射膜は基板表面に堆積すればよいので取り付け易く、また、上方指向性の向上効果も大きい。そのため、第４の動作原理は、先の３つの動作原理が適用できなかったり十分でなかったりする場合にも、上方指向性を向上させることができる動作原理として期待されている。ただし、ＡＰＲＣによって上方指向性を向上させようとすると、グレーティングの単位長さ当たりの放射効率が小さくなるため、グレーティングカプラから出射される光ビームの幅が大きくなる傾向にある。その結果、光ビームの幅が光ファイバのコア径やモード径を超えてしまい、光結合効率の低下につながる場合がある。したがって、第４の動作原理を適用する場合には、出射光ビームの幅に関するこの問題を解決することが必要である。
【０００９】
グレーティングカプラをＭＭＦに光結合する場合に関しては、次に述べる文献が第４の動作原理の問題点に対する一つの解決策を開示している。非特許文献２は、「マルチモードファイバへの高効率光出力のための最適化された反射防止膜が付いた浅いグレーティングカプラ」の関連技術を開示している。非特許文献３は、「アイソレータ無しでの光集積に向けた反射戻りが最小の高効率の折り畳み型浅いグレーティングカプラ」の関連技術を開示している。その解決策とは即ち、光を放射し切るのに必要な長さのグレーティングカプラを折り畳んで光ファイバのコアの内側に収め、グレーティングカプラからのほぼ全ての上方放射光が光ファイバのコアに照射されるようにするものである。以下では、このグレーティングカプラを折り畳む方法を「折り畳み方法」と略称し、折り畳まれたグレーティングカプラを「折り畳みグレーティングカプラ」とも呼ぶことにする。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】M. Tokushima and J. Ushida, “Anti-phase reflection coating maximizing the directionality of grating couplers,” Opt. Express 24, 11075-11084 (2016).
【非特許文献２】M. Tokushima, J. Ushida, T. Uemura, and K. Kurata, “Shallow-grating coupler with optimized anti-reflection coating for high-efficiency optical output into multimode fiber,” Appl. Phys. Express 8(9), 092501 (2015).
【非特許文献３】M. Tokushima, J. Ushida, T. Uemura, and K. Kurata, “High-efficiency folded shallow-grating coupler with minimal back reflection toward isolator-free optical integration,” in Proceedings of European Conference on Optical Communication (IEEE, 2015), P.2.20.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
非特許文献２および３に開示されている折り畳み方法は、光ファイバのコアの内側にグレーティングからの上方放射光を入力することに関しては有効な手段である。そのため、折り畳み方法は、ＭＭＦのように、コアの内側に光を入れさえすれば光を全て導波してくれる光ファイバとの光結合には適用できる。しかしながら、光ファイバがＳＭＦの場合は、導波できるモード（径方向の電磁界分布）が一種類である。そのために、折り畳み方法は、そのモードと同じ電界強度分布（具体的には、ガウシアンプロファイル）と位相分布（具体的には、等位相）を有する光しか効率的に光結合できない。折り畳みグレーティングカプラが出射する光ビームは、これらの条件を満足しないため、折り畳みグレーティングカプラではＳＭＦには高効率に光結合できないという問題がある。
【００１２】
本発明の目的は、上記問題を解決するグレーティングカプラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するための本発明の一実施形態は、グレーティング上の少なくとも一部に高屈折率層とバッファ層とから成る逆位相反射コーティングを備えたグレーティングカプラであって、前記高屈折率層を特徴づける複数の属性から選択された少なくとも１つがグレーティングのコア内で光の伝搬する向きに沿って徐々に減少しているグレーティングカプラである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ＳＭＦとの高い光結合効率を実現したグレーティングカプラを提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る高効率グレーティングカプラを説明するための、ＡＰＲＣ付きグレーティングカプラとそれに結合する光ファイバの、グレーティングカプラの長さ方向に沿った断面の模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る高効率グレーティングカプラの実施例を説明するための、グレーティング上に付けるＡＰＲＣの高屈折率層の（ａ）断面図と（ｂ）上面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る高効率グレーティングカプラの実施例を説明するための、グレーティング上に付けるＡＰＲＣの高屈折率層の（ａ）断面図と（ｂ）屈折率分布である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る高効率グレーティングカプラの第１の実施例を説明するための、グレーティング上に付けるＡＰＲＣの高屈折率層の（ａ）断面図と（ｂ）上面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る高効率グレーティングカプラの第２の実施例を説明するための、グレーティング上に付けるＡＰＲＣの高屈折率層の（ａ）断面図と（ｂ）上面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る高効率グレーティングカプラの第３の実施例を説明するための、グレーティング上に付けるＡＰＲＣの高屈折率層の（ａ）断面図と（ｂ）上面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る高効率グレーティングカプラの第４の実施例を説明するための、グレーティング上に付けるＡＰＲＣの高屈折率層の（ａ）断面図と（ｂ）上面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る高効率グレーティングカプラの第５の実施例を説明するための、グレーティング上に付けるＡＰＲＣの高屈折率層の（ａ）断面図と（ｂ）上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明のグレーティングカプラの構造の各実施形態を、図面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。
【００１７】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態は、グレーティング上の少なくとも一部に高屈折率層とバッファ層とから成る逆位相反射コーティング（ＡＰＲＣ）を備えたグレーティングカプラであって、高屈折率層の厚さがグレーティングのコア内で光の伝搬する向きに沿って徐々に薄くなっていることが特徴である。
【００１８】
図１は、第１の実施形態に係る高効率グレーティングカプラを説明するための、ＡＰＲＣ付きグレーティングカプラとそれに結合する光ファイバの、グレーティングカプラの長さ方向に沿った断面の模式図である。
【００１９】
ここでは、図１に示されるような、直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を使用している。図１に図示した状態では、直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）において、Ｚ方向は、グレーティングカプラを構成する層が積層される上下方向（高さ方向）であり、Ｘ方向は、Ｚ方向に対して直交する前後方向（奥行方向）であり、Ｙ方向は、Ｚ方向およびＸ方向に直交する左右方向（幅方向）である。
【００２０】
尚、明細書中において方向を説明するために使用した「上、下、前、後、左、右」は、説明の便宜上図中における方向をいうものであって、グレーティングカプラを実際に使用する際の上、下、前、後、左、右とは必ずしも一致するものではない。
【００２１】
図１に示したグレーティングカプラの断面図は、具体的な説明のためにＳＯＩウエハ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  ｗａｆｅｒ）を用いた光チップにグレーティングカプラを形成する場合を例示したものである。ＳＯＩウエハは、シリコン基板１０１の上に埋め込み酸化膜層１０２と、その上のシリコン層１１４とから成っている。図１に示されるように、埋め込み酸化膜層１０２はt13の厚さを持ち、シリコン層１１４は（t12＋t11）の厚さを持つ。
【００２２】
ＳＯＩウエハを用いてグレーティングカプラを形成する場合、通常、光を導波するためのコア層としてシリコン層を利用し、埋め込み酸化膜層１０２を下層クラッドとして利用する。コア層（シリコン層）１１４には周期的に溝１２０ｂが刻まれており、グレーティングの歯１２０ａと溝１２０ｂとの周期的な配列がグレーティング（回折格子）を成している。図１に示されるように、グレーティングの溝１２０ｂはt11の深さを持つ。通常のグレーティングカプラは、コア層１１４の上に上部クラッドとしてシリコン酸化膜が直ぐに堆積されているだけであることが多い。
【００２３】
これに対して、図１のグレーティングカプラでは、コア層１１４の上に更にＡＰＲＣが堆積されている。図１において、ＡＰＲＣは、コア層１１４の上のシリコン酸化膜などから成るバッファ層１１６と、その上のシリコン層などから成る高屈折率層１１７とを備える。図１に示されるように、バッファ層１１６はt14の厚さを持ち、高屈折率層１１７はt15の最大厚さを持つ。高屈折率層１１７の上には、シリコン酸化膜などから成る上部クラッド１１８が堆積されている。図１では、グレーティングカプラから出射された信号光１５１をシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）１６１で受光している。
【００２４】
関連技術のＡＰＲＣでは、高屈折率層１１７は一様な厚さの層であるが、本発明の第１の実施形態では、高屈折率層１１７の厚さがグレーティングのコア内で光１５０の伝搬する向き（図１の矢印Ａで示す左から右への方向）に沿って徐々に薄くなっている。高屈折率層１１７の左端Ｂではグレーティングカプラの上方指向性が最も高くなる厚さ（以後、「最適厚さ」と呼ぶ）t15を選ぶとよい。高屈折率層１１７の右端Ｃで例えば厚さがゼロになるとすると、シリコン酸化膜のバッファ層１１６と上部クラッド１１８とが接することになる。その結果、ＡＰＲＣを適用せずに直接上部クラッドとしてシリコン酸化膜を堆積した状態と同じになる。
【００２５】
従って、高屈折率層１１７が厚い左端Ｂの近傍では、グレーティングカプラの上方指向性が高く、また、出射ビームプロファイルが伸びる副作用も大きい。他方、高屈折率層１１７が薄い右端Ｃの近傍では、グレーティングカプラの上方指向性が小さく、出射ビームプロファイルが伸びる副作用も小さい。コア層１１４に沿って左から入射して伝搬してくる光１５０の強度は、グレーティングカプラから光が徐々に放射されるにつれて小さくなっていく。その結果として、入射光強度の強い前半で効率的に上方指向性を高め、入射光強度の弱い後半で出射ビームプロファイルの裾引きを抑制することになる。その結果、グレーティングカプラ全体として高い上方指向性とＳＭＦのモードプロファイルに一致するサイズの出射ビームプロファイルを実現できる。
【００２６】
図２は、第１の実施形態に係る高効率グレーティングカプラの実施例を説明するための、グレーティング上に付けるＡＰＲＣの高屈折率層２１７の（ａ）断面図と（ｂ）上面図である。
【００２７】
図２（ａ）に示すように、高屈折率層２１７は、厚さ一定領域２１７ａと、厚さが徐々に減少する縦テーパ領域２１７ｂとから成っていてもよい。特に、厚さが一定の領域２１７ａをグレーティングが始まる位置の手前から始まるようにしておけば、出射ビームが高屈折率層２１７の端に当たって散乱されることが無いので、過剰な光損失が発生しない。図２（ｂ）に示すように、高屈折率層２１７は面状であり、グレーティングを覆うように配置されていればよい。
【００２８】
図１において、埋め込み酸化膜１０２の厚さt13が２μｍ、シリコンのコア層１１４の厚さ（t12＋t11）が２００ｎｍ、グレーティングの溝１２０ｂの深さt11が７０ｎｍであるとする。この場合、ＡＰＲＣが無いならば、波長１．３μｍの光ではＳＭＦ１６１との光結合効率は−２．５ｄＢと計算された。計算には電磁界シミュレーションを用いた。また、バッファ層１１６の厚さt14が４５０ｎｍ、高屈折率層１１７の厚さt15が最適厚さの９０ｎｍで一定である場合は、ＳＭＦ１６１との光結合効率は−３．４ｄＢに悪化した。
【００２９】
これに対して、本発明の第１の実施形態の実施例として、図２（ａ）,（ｂ）に示した縦テーパ型の高屈折率層２１７にすると、テーパ長Ｌが８μｍの時にＳＭＦ１６１との光結合効率は−１．７ｄＢにまで向上した。尚、バッファ層１１６の厚さt14は、最適厚さとして、シリコン酸化膜中の光の波長の１／２程度を選んだ。また、高屈折率層１１７の最適厚さt15として、シリコン中の光の波長の１／４程度を選んだ。
【００３０】
次に、本第１の実施形態の効果について説明する。
【００３１】
本第１の実施形態によれば、光チップの構造の一部として裏面鏡や厚いコア層を採用できない場合でも、ＡＰＲＣ（１１６，１１７）による高い上方指向性と共にＳＭＦ１６１と同等の出射ビーム形状を両立できる。そのため、結果として、ＳＭＦ１６１との高い光結合効率を実現したグレーティングカプラを提供し得る。
【００３２】
そのため、ＳＭＦ１６１との高い光結合効率が得られる光チップを設計し易くなり、光チップの性能向上と生産性の向上が同時に実現できる。
【００３３】
更に、ＳＭＦ１６１との高い光結合効率を得られる光チップの製造のために、裏面反射器や厚いコア層を備えた特殊なウエハを採用する必要がなく、汎用的な構造のウエハを使用できるため、製造コストを軽減できる。
【００３４】
［第２の実施形態］
前出の非特許文献１によると、ＡＰＲＣの高屈折率層の役割は、グレーティングによって散乱されて上方に回折された光の一部を下方に反射することである。その反射率は高屈折率層の厚さが最適厚さから薄くなるにつれて小さくなる。このように、高屈折率層の反射率を低減する効果は、高屈折率層の厚さを最適厚さから小さくすること以外の手段でも実現できる。
【００３５】
図３は、第２の実施形態に係る高効率グレーティングカプラの実施例を説明するための、グレーティング上に付けるＡＰＲＣの高屈折率層３１７の（ａ）断面図と（ｂ）屈折率分布である。図３（ａ）に示すように、第２の実施形態では、ＡＰＲＣの高屈折率層３１７の厚さt15は一定であってもよい。ただし、図３（ｂ）に示すように、左端領域３１７ａ、中間領域３１７ｂ、右端領域３１７ｃにおいて、その厚み方向に平均した屈折率の長さ方向Ｙの分布は、グレーティングのコア内での光の入射側（左側）から光が導波する向き（右側）に向かって小さくなっている。
【００３６】
即ち、第２の実施形態は、グレーティング（１２０ａ，１２９ｂ）上の少なくとも一部に高屈折率層３１７とバッファ層１１６（図１）とから成る逆位相反射コーティングを備えたグレーティングカプラであって、高屈折率層３１７の材料の屈折率がグレーティングのコア１１４（図１）内で光の伝搬する向きに沿って徐々に小さくなっていることを特徴とするグレーティングカプラである。
【００３７】
実施例として、一定膜厚の屈折率変化型高屈折率層３１７を形成するために、シリコン酸化膜１１８（図１）の表面に長さ方向に注入量を変えながらシリコンのイオン注入を行い、シリコンのドーズ量を１×１０２３／ｃｍ３から１×１０２０／ｃｍ３まで変化させた。電磁界シミュレーションによると、このようにして形成したグレーティングカプラの場合、ＳＭＦ１６１（図１）との光結合効率は、関連技術の−２．５ｄＢから−１．９ｄＢまで改善できることが分かった。
【００３８】
次に、本第２の実施形態の効果について説明する。
【００３９】
本第２の実施形態によれば、光チップの構造の一部として裏面鏡や厚いコア層を採用できない場合でも、ＡＰＲＣ（１１６，３１７）による高い上方指向性と共にＳＭＦ１６１と同等の出射ビーム形状を両立できる。そのため、結果として、ＳＭＦ１６１との高い光結合効率を実現したグレーティングカプラを提供し得る。
【００４０】
そのため、ＳＭＦ１６１との高い光結合効率が得られる光チップを設計し易くなり、光チップの性能向上と生産性の向上が同時に実現できる。
【００４１】
更に、ＳＭＦ１６１との高い光結合効率を得られる光チップの製造のために、裏面反射器や厚いコア層を備えた特殊なウエハを採用する必要がなく、汎用的な構造のウエハを使用できるため、製造コストを軽減できる。
【００４２】
［第３の実施形態］
第１の実施形態のようにＡＰＲＣの高屈折率層（１１７；２１７）の厚さを変化させたり、第２の実施形態のように高屈折率層３１７の屈折率分布を長さ方向に変化させたりできない場合でも、別の手段によって同等の以上の効果を得ることができる。それは、グレーティング上の少なくとも一部に高屈折率層とバッファ層とから成る逆位相反射コーティングを備えたグレーティングカプラであって、高屈折率層の少なくとも一部の面密度がグレーティングのコア内で光の伝搬する向きに沿って徐々に小さくなっているグレーティングカプラである。このようなグレーティングカプラを本発明の第３の実施形態として次に説明する。
【００４３】
図４は、第３の実施形態に係る高効率グレーティングカプラの第１の実施例を説明するための、グレーティング上に付けるＡＰＲＣの高屈折率層４１７の（ａ）断面図と（ｂ）上面図である。
【００４４】
図４（ａ）に示すように、高屈折率層４１７の厚さは一定、または略一定である。図４（ｂ）に示すように、高屈折率層４１７の少なくとも一部は、左端の連続体部分４１７ａから、グレーティングのコア内で光の伝搬する向き（図４の左から右）に沿って幅が徐々に狭くなっている複数の短冊形４１７ｂの集合であり、前記短冊形４１７ｂは周期的にまたは略周期的に配置されている。このようにすることで、図４の左から右に向かって高屈折率層４１７の面密度が減少し、それに応じてＡＰＲＣの効果が減少する。その結果として、グレーティングカプラからの出射ビームの上方指向性の維持とビームプロファイルの整形とを両立することができる。
【００４５】
リソグラフィの解像限界のために、図４（ｂ）の高屈折率層の左端の連続体部分４１７ａから複数のテーパ形短冊４１７ｂに分かれる根元も部分の隙間を細くできない場合がある。このような場合、連続体部分４１７ａから複数のテーパ形短冊４１７ｂに移行する部分が不連続になり、そこで出射ビームが散乱されて損失になることがある。
【００４６】
そのような問題を回避するには、図５（ａ）,（ｂ）に示した、高屈折率層５１７を用いればよい。
【００４７】
図５は、第３の実施形態に係る高効率グレーティングカプラの第２の実施例を説明するための、グレーティング上に付けるＡＰＲＣの高屈折率層５１７の（ａ）断面図と（ｂ）上面図である。
【００４８】
図５（ａ）に示すように、高屈折率層５１７の厚みは長さ方向（コア内を光が伝搬する方向）に一様または略一様である。図５（ｂ）に示すように、高屈折率層５１７は、幅方向には、コア中を光が入射してくる左側から既に分離した複数の断続部分５１７ａから、複数のテーパ形短冊５１７ｂの集合となっている。それらの短冊（５１７ａ、５１７ｂ）は、第１の実施例と同様、幅方向に周期的または略周期的に配置されており、図５（ｂ）に示すように幅が徐々に減少するようにテーパを成していてもよい。
【００４９】
実はやや最適化の自由度は下がるが、第１の実施例の場合も第２の実施例の場合も幅が徐々に狭くなるのではなく、一様な幅にして、幅を調節するだけでも上方指向性とビームプロファイルの整形をある程度行うことはできる。即ち、高屈折率層の少なくとも一部が、グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに伸びた複数の短冊形の集合であり、前記短冊形は周期的にまたは略周期的に配置されているグレーティングカプラであってもよい。
【００５０】
何れにせよ、高屈折率層の短冊が周期的または略周期的に配置されていれば、その周期構造によって幅が長さ方向に徐々に減少する場合であっても一様の幅の場合であっても、その周期が特定の値とる時に、ＡＰＲＣの上方指向性は最大になる。
【００５１】
具体的には、光の真空中の波長をλ０、高屈折率層の上部クラッドの屈折率をｎｕｐとするとき、高屈折率層の短冊形の配置周期が、（λ０／ｎｕｐ）（１＋１／８）で表される値以下であるグレーティングカプラであってもよい。より正確には、高屈折率層の短冊形の配置周期が、λ０／ｎｕｐで表される値以下である時に最もＡＰＲＣの上方指向性が最大になり、グレーティングカプラがＳＭＦと結合する効率も最適化し易い。しかしながら、（λ０／ｎｕｐ）（１＋１／８）まで周期が大きくなっても光結合特性の劣化は小さい。
【００５２】
このように、高屈折率層の短冊形の間隔配置周期に幅があることを利用すれば、各短冊形の幅を長さ方向に減少させるのではなく、間隔を拡大することによって高屈折率層の面密度を下げることもできる。即ち、高屈折率層の複数の短冊の間隔が、グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに徐々に広くなっているグレーティングカプラでもよい。
【００５３】
次に図６を用いてそのことを詳しく説明する。図６は、第３の実施形態に係る高効率グレーティングカプラの第３の実施例を説明するための、グレーティング上に付けるＡＰＲＣの高屈折率層６１７の（ａ）断面図と（ｂ）上面図である。
【００５４】
図６（ａ）に示すように、第３の実施例において、ＡＰＲＣの高屈折率層６１７の厚さは一定または略一定である。また、図６（ｂ）に示すように、高屈折率層６１７は一定の幅の短冊６１７ａの集合である。グレーティングのコアに沿って図の左から右に光が入射されるとすると、短冊６１７ａの集合（即ち、高屈折率層）６１７の間隔は、左では狭く、右に行くほど広くなっている。その結果、高屈折率層６１７の面密度は左で大きく、右で小さくなっている。右の間隔が広くなったところで、短冊の幅方向の周期が（λ０／ｎｕｐ）（１＋１／８）以下になるように、高屈折率層６１７をパターニングすれば、高屈折率層６１７の上方指向性を高く保つことができ、結果として、ＳＭＦ１６１（図１）との光結合効率の高いグレーティングカプラにすることができる。
【００５５】
尚、図６（ｂ）では高屈折率層６１７の各短冊６１７ａの幅を一定に描いたが、第２の実施例と組み合わせて、先が細くなるようにテーパ形状にしてもよい。
【００５６】
これまで図４〜図６を用いて、高屈折率層を構成する短冊の長さ方向Ｙが、グレーティングのコア内を伝搬する光の向きに平行または略平行な場合（すなわち、周期性は光の向きに垂直または略垂直）のグレーティングカプラについて説明してきたが、短冊の方向はそれに限らない。即ち、高屈折率層を構成する短冊の長さ方向は、グレーティングのコア内を伝搬する光の向きに垂直または略垂直（すなわち、周期性は光の向きに平行または略平行）であってもよい。
【００５７】
図７は、第３の実施形態に係る高効率グレーティングカプラの第４の実施例を説明するための、グレーティング上に付けるＡＰＲＣの高屈折率層７１７の（ａ）断面図と（ｂ）上面図である。図７（ａ），（ｂ）において、グレーティングのコアの中を光が進む向きは図の左から右である。
【００５８】
図７（ａ）に示すように、高屈折率層７１７の厚さは一定または略一定である。各短冊７１７ｂの幅は左から右に進むにつれて小さくなっている。その様子は、図７（ｂ）の上面図にも示されており、高屈折率層７１７の各短冊７１７ｂの幅は、連続体部分７１７ａから、左から右に進むにつれて（グレーティングのコア中を光が進む向きに）、小さくなっている。
【００５９】
尚、図７（ｂ）では、高屈折率層７１７の各短冊７１７ｂは真っ直ぐな直線状に描かれているが、グレーティングのコア内を伝搬する光の広がりに合わせて、円弧を含む曲線を成していてもよい。
【００６０】
また、各短冊の周期や間隔に関しては、高屈折率層を構成する短冊の長さ方向が、グレーティングのコア内を伝搬する光の向きに平行または略平行な場合であっても、先に示した垂直または略平行の場合と同じ条件が成り立つ。具体的には、光の真空中の波長をλ０、高屈折率層の上部クラッドの屈折率をｎｕｐとするとき、高屈折率層の短冊形の配置周期が、（λ０／ｎｕｐ）（１＋１／８）で表される値以下であるグレーティングカプラであってもよい。より正確には、高屈折率層の短冊形の配置周期が、λ０／ｎｕｐで表される値以下である時に最もＡＰＲＣの上方指向性が最大になり、グレーティングカプラがＳＭＦと結合する効率も最適化し易い。しかしながら、（λ０／ｎｕｐ）（１＋１／８）まで周期が大きくなっても光結合特性の劣化は小さい。
【００６１】
高屈折率層の周期構造が、グレーティングのコア内を伝搬する光の向きに垂直であっても平行であって良いので、それらを組み合わせてもよい。
【００６２】
図８は、第３の実施形態に係る高効率グレーティングカプラの第５の実施例を説明するための、グレーティング上に付けるＡＰＲＣの高屈折率層８１７の（ａ）断面図と（ｂ）上面図である。
【００６３】
図８（ａ）に示すように、高屈折率層８１７の厚さは一定である。また、図８（ｂ）に示すように、第５の実施例のグレーティングカプラのＡＰＲＣを構成する高屈折率層８１７の少なくとも一部が、複数の断続部分８１７ａから、複数の島形８１７ｂの集合であり、島形８１７ｂは周期的にまたは略周期的に配置されている。更に、高屈折率層８１７の島形８１７ｂは、グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに、前後の幅または左右の幅のうち少なくとも一方が徐々に狭くなっている。
【００６４】
高屈折率層の島形の周期は、光の真空中の波長をλ０、高屈折率層の上部クラッドの屈折率をｎｕｐとするとき、高屈折率層の島形の前後と左右の配置周期が共に、（λ０／ｎｕｐ）（１＋１／８）で表される値以下であればよい。
【００６５】
配置周期に一定の幅が許容されているため、位置に応じて島形の幅を変える替りに周期を変化させてもよい。即ち、本実施形態のグレーティングカプラのＡＰＲＣを構成する高屈折率層の島形は、グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに、前後の間隔または左右の間隔のうち少なくとも一方が徐々に広くなっていてもよい。
【００６６】
次に、本第３の実施形態の効果について説明する。
【００６７】
本第３の実施形態によれば、光チップの構造の一部として裏面鏡や厚いコア層を採用できない場合でも、ＡＰＲＣによる高い上方指向性と共にＳＭＦ１６１と同等の出射ビーム形状を両立できる。そのため、結果として、ＳＭＦ１６１との高い光結合効率を実現したグレーティングカプラを提供し得る。
【００６８】
そのため、ＳＭＦ１６１との高い光結合効率が得られる光チップを設計し易くなり、光チップの性能向上と生産性の向上が同時に実現できる。
【００６９】
更に、ＳＭＦ１６１との高い光結合効率を得られる光チップの製造のために、裏面反射器や厚いコア層を備えた特殊なウエハを採用する必要がなく、汎用的な構造のウエハを使用できるため、製造コストを軽減できる。
【００７０】
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。
【００７１】
例えば、上記実施形態では、高屈折率層を特徴づける複数の属性から、高屈折率層の厚さ、材料の屈折率、および面密度の１つを選択した場合を例に挙げて説明したが、本発明では、選択される属性は１つに限定されない。したがって、それらの複数の属性（高屈折率層の厚さ、材料の屈折率、および面密度）から選択された２つ以上が、グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに沿って徐々に減少するように構成してもよい。また、高屈折率層を特徴づける属性は、上記高屈折率層の厚さ、材料の屈折率、面密度には限定されず、それ以外の他の属性であってもよい。
【００７２】
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
【００７３】
（付記１）グレーティング上の少なくとも一部に高屈折率層とバッファ層とから成る逆位相反射コーティングを備えたグレーティングカプラであって、前記高屈折率層を特徴づける複数の属性から選択された少なくとも１つが、前記グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに沿って徐々に減少していることを特徴とする、グレーティングカプラ。
【００７４】
（付記２）前記複数の属性が、前記高屈折率層の厚さ、材料の屈折率、および面密度を含む、ことを特徴とする付記１に記載のグレーティングカプラ。
【００７５】
（付記３）前記高屈折率層の厚さが、前記グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに沿って徐々に薄くなっていることを特徴とする、付記２に記載のグレーティングカプラ。
【００７６】
（付記４）前記高屈折率層の材料の屈折率が、前記グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに沿って徐々に小さくなっていることを特徴とする、付記２に記載のグレーティングカプラ。
【００７７】
（付記５）前記高屈折率層の少なくとも一部の面密度が、前記グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに沿って徐々に小さくなっていることを特徴とする、付記２に記載のグレーティングカプラ。
【００７８】
（付記６）前記高屈折率層の少なくとも一部が、前記グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに伸びた複数の短冊形の集合であり、前記短冊形は周期的にまたは略周期的に配置されていることを特徴とする、付記５に記載のグレーティングカプラ。
【００７９】
（付記７）前記高屈折率層の複数の短冊の幅が、前記グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに沿って徐々に狭くなっていることを特徴とする、付記６に記載のグレーティングカプラ。
【００８０】
（付記８）前記高屈折率層の複数の短冊の間隔が、前記グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに徐々に広くなっていることを特徴とする、付記６に記載のグレーティングカプラ。
【００８１】
（付記９）光の真空中の波長をλ０、前記高屈折率層の上部クラッドの屈折率をｎｕｐとするとき、前記高屈折率層の短冊形の幅方向の配置周期が、（λ０／ｎｕｐ）（１＋１／８）で表される値以下であることを特徴とする、付記６に記載のグレーティングカプラ。
【００８２】
（付記１０）前記高屈折率層の少なくとも一部が複数の島形の集合であり、前記島形は周期的にまたは略周期的に配置されていることを特徴とする、付記５に記載のグレーティングカプラ。
【００８３】
（付記１１）前記高屈折率層の島形は、前記グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに、前後の幅または左右の幅のうち少なくとも一方が徐々に狭くなっていることを特徴とする、付記１０に記載のグレーティングカプラ。
【００８４】
（付記１２）前記高屈折率層の島形は、前記グレーティングのコア内で光の伝搬する向きに、前後の間隔または左右の間隔のうち少なくとも一方が徐々に広くなっていることを特徴とする、付記１０に記載のグレーティングカプラ。
【００８５】
（付記１３）光の真空中の波長をλ０、前記高屈折率層の上部クラッドの屈折率をｎｕｐとするとき、前記高屈折率層の島形の前後と左右の配置周期が共に、（λ０／ｎｕｐ）（１＋１／８）で表される値以下であることを特徴とする、付記１０に記載のグレーティングカプラ。
【符号の説明】
【００８６】
１０１：シリコン基板
１０２：酸化膜層
１１４：シリコン層（コア層）
１１６：バッファ層
１１７：高屈折率層
１１８：上部クラッド
１２０ａ：グレーティングの歯
１２０ｂ：グレーティングの溝
１６１：シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）
２１７：高屈折率層
２１７ａ：厚さ一定領域
２１７ｂ：縦テーパ領域
３１７：高屈折率層
３１７ａ：左端領域
３１７ｂ：中間領域
３１７ｃ：右端領域
４１７：高屈折率層
４１７ａ：高屈折率層の連続体部分
４１７ｂ：高屈折率層のテーパ形短冊
５１７：高屈折率層
５１７ａ：高屈折率層の断続部分
５１７ｂ：高屈折率層のテーパ形短冊
６１７：高屈折率層
６１７ａ：短冊
７１７：高屈折率層
７１７ａ：高屈折率層の連続体部分
７１７ｂ：高屈折率層の短冊
８１７：高屈折率層
８１７ａ：高屈折率層の断続部分
８１７ｂ：高屈折率層の島形
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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