(57)【要約】      （修正有）【課題】光ファイバとグレーティングカプラとの光学的な接続を得るための調芯が、容易に実施できる調芯用光回路を提供する。【解決手段】グレーティングカプラ１０２が形成された光導波路１０１と、グレーティングカプラ１０２を囲って配置された第１パターン領域１０３と、グレーティングカプラ１０２を囲って配置された第２パターン領域１０４とを備える。第１パターン領域１０３と第２パターン領域１０４とは、隣接して配置されている。この例では、グレーティングカプラ１０２の周囲において、周方向に連続した領域に、第１パターン領域１０３が形成されている。同様に、グレーティングカプラ１０２の周囲において、周方向に連続した領域に、第２パターン領域１０４が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
グレーティングカプラが形成された光導波路と、
前記グレーティングカプラを囲って配置され、第１間隔で配列された複数のパターンから構成された第１パターン領域と、
前記グレーティングカプラを囲って配置され、前記第１間隔とは異なる第２間隔で配列された複数のパターンから構成された第２パターン領域と
を備え、
前記第１パターン領域と前記第２パターン領域とは、隣接して配置されていることを特徴とする調芯用光回路。
【請求項２】
請求項１記載の調芯用光回路において、
前記第１パターン領域、前記第２パターン領域は、複数のストライプ状のパターンから構成されていることを特徴とする調芯用光回路。
【請求項３】
請求項１または２記載の調芯用光回路において、
前記グレーティングカプラを囲って配置され、前記第１間隔および前記第２間隔とは異なる第３間隔で配列された複数のパターンから構成された第３パターン領域を備え、
前記第３パターン領域は、前記第１パターン領域または前記第２パターン領域と隣接して配置されていることを特徴とする調芯用光回路。
【請求項４】
請求項３記載の調芯用光回路において、
前記第３パターン領域は、複数のストライプ状のパターンから構成されていることを特徴とする調芯用光回路。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の調芯用光回路において、
前記グレーティングカプラで結合して前記光導波路を導波する光を反射させて前記グレーティングカプラに戻すための反射部を備えることを特徴とする調芯用光回路。
【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と光ファイバとの光接続に用いる調芯用光回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン光回路と光ファイバとの光学的な接続（光接続）には、これまで、導波路端面と光ファイバの光接続の効率を向上させるために、スポットサイズコンバータや先球ファイバなどが使用されてきた。近年、微細加工の技術の進展により、シリコン導波路に、幅が数百ｎｍの溝からなるグレーティングを設け、光導波路から基板表面に対して上方、下方に光を放射させるグレーティングカプラとして機能させ、光ファイバと光接続させる例が多くみられるようになった。
【０００３】
例えば、シリコンフォトニクスにおいて、光ファイバとの光接続にグレーティングカプラを用いる技術が提案されている（非特許文献１参照）。この技術では、グレーティングカプラからの光の上面への光の出射角度は、非特許文献１の７８７０頁に記載されている式（１）を満たす角度となり、基板に対して垂直な方向から２０ｄｅｇ．以内の傾き角とされている。
【０００４】
グレーティングカプラに光を結合させる場合には、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）やファイバアレイなどが用いられる。以下、図１０を参照してＳＭＦ３０３の場合を例に説明する。この例では、基板３００の上に形成された光導波路３０１に、グレーティングカプラ３０２が設けられている。ＳＭＦ３０３とグレーティングカプラ３０２とを光学的に結合させるには、基板３００の平面に平行な面（ＸＹ面）内の調芯、グレーティングのピッチなどのパラメータで決まる角度方向θｘはもとより、正しく結合させるためには、θｙ，θｚの角度方向や、グレーティングカプラ３０２とＳＭＦ３０３との距離Ｚも調芯が必要になる。これらの中の１軸でもずれていると正しく光結合させることができない。
【０００５】
この調芯を行うためには、一般に、まず、調芯用のサンプル回路（調芯用光回路）を用意し、用意したサンプル回路を用いて調芯を行う。次に、調芯により設定された光ファイバとサンプル回路との相対的な位置関係となるように、ステッピングモータ等を用い、光ファイバを所望の光回路に移動し、この状態で光ファイバと光回路との光学的な接続を行う。この状態で、例えば、光回路における所定の測定を行う（非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】C. Li et al., "CMOS-compatible high efficiency double-etched apodized waveguide grating coupler", Optics Express, vol. 21, no. 7, pp. 7868-7874, 2013.
【非特許文献２】J. D. Coster et al., "Test-station for flexible semi-automatic wafer-level silicon photonics testing", 21st IEEE European Test Symposium, pp. 23-27, 2016.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、調芯における前述した６軸の調整は、光ファイバの光軸をグレーティングカプラの領域に配置して初めて実施できるようになる。しかしながら、グレーティングカプラは、１辺が２０μｍ程度の矩形の小さな部分であり、光ファイバの光軸をグレーティングカプラの領域に配置することは容易ではない。このため、従来では、光ファイバとグレーティングカプラとの光学的な接続を得るための調芯が、容易に実施できないという問題があった。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光ファイバとグレーティングカプラとの光学的な接続を得るための調芯が、容易に実施できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る調芯用光回路は、グレーティングカプラが形成された光導波路と、グレーティングカプラを囲って配置され、第１間隔で配列された複数のパターンから構成された第１パターン領域と、グレーティングカプラを囲って配置され、第１間隔とは異なる第２間隔で配列された複数のパターンから構成された第２パターン領域とを備え、第１パターン領域と第２パターン領域とは、隣接して配置されている。
【００１０】
上記調芯用光回路において、第１パターン領域、第２パターン領域は、複数のストライプ状のパターンから構成されていればよい。
【００１１】
上記調芯用光回路において、グレーティングカプラを囲って配置され、第１間隔および第２間隔とは異なる第３間隔で配列された複数のパターンから構成された第３パターン領域を備え、第３パターン領域は、第１パターン領域または第２パターン領域と隣接して配置されている。
【００１２】
上記調芯用光回路において、第３パターン領域は、複数のストライプ状のパターンから構成されていればよい。
【００１３】
上記調芯用光回路において、グレーティングカプラで結合して光導波路を導波する光を反射させてグレーティングカプラに戻すための反射部を備える。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、グレーティングカプラの周囲に、第１間隔で配列された複数のパターンから構成された第１パターン領域と、第１間隔とは異なる第２間隔で配列された複数のパターンから構成された第２パターン領域とを配置したので、光ファイバとグレーティングカプラとの光学的な接続を得るための調芯が、容易に実施できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における調芯用光回路の構成を示す平面図である。
【図２】図２は、グレーティングカプラ１０２の計算モデルによるグレーティングカプラ１０２から出射される光の電界分布を示す分布図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における調芯用光回路の一部構成を示す断面図である。
【図４】図４は、パターン領域からの反射光のシミュレーションで用いたモデルの構成を示す構成図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態における調芯用光回路の一部構成を示す断面図である。
【図６】図６は、パターンの部分（Ｌｉｎｅ）とこれ以外の隙間部分（Ｓｐａｃｅ）との割合を保持した状態で、周期（Ｐｉｔｃｈ）を変化させた場合の、光ファイバへの戻り光の強度の割合を示す特性図である。
【図７Ａ】図７Ａは、周期（Ｐｉｔｃｈ）４μｍとした複数のパターンによるパターン領域における反射光の電界分布を示す分布図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、周期（Ｐｉｔｃｈ）８μｍとした複数のパターンによるパターン領域における反射光の電界分布を示す分布図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態における調芯用光回路を用いた場合の光ファイバへの戻り光の強度プロファイルを示す特性図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の実施の形態における他の調芯用光回路の構成を示す平面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の実施の形態における他の調芯用光回路を用いた場合の光ファイバへの戻り光の強度プロファイルを示す特性図である。
【図１０】図１０は、グレーティングカプラ３０２に対するＳＭＦ３０３の調芯状態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態おける調芯用光回路について図１を参照して説明する。この調芯用光回路は、グレーティングカプラ１０２が形成された光導波路１０１と、グレーティングカプラ１０２を囲って配置された第１パターン領域１０３と、グレーティングカプラ１０２を囲って配置された第２パターン領域１０４とを備える。第１パターン領域１０３と第２パターン領域１０４とは、隣接して配置されている。この例では、グレーティングカプラ１０２の周囲において、周方向に連続した領域に、第１パターン領域１０３が形成されている。同様に、グレーティングカプラ１０２の周囲において、周方向に連続した領域に、第２パターン領域１０４が形成されている。
【００１７】
第１パターン領域１０３は、第１間隔で周期的に配列された複数のパターンから構成されている。また、第２パターン領域１０４は、第１間隔とは異なる第２間隔で周期的に配列された複数のパターンから構成されている。これらは、基板１００の上に形成されている。第１パターン領域１０３、第２パターン領域１０４は、例えば、複数のストライプ状のパターンから構成されている。
【００１８】
また、実施の形態では、グレーティングカプラ１０２を囲って配置された第３パターン領域１０５を備える。第３パターン領域１０５は、第１間隔および第２間隔とは異なる第３間隔で周期的に配列された複数のパターンから構成されている。また、第３パターン領域１０５は、第１パターン領域１０３および第２パターン領域１０４の少なくとも一方と隣接して配置されている。第３パターン領域１０５も、基板１００の上に形成されている。第３パターン領域１０５は、例えば、複数のストライプ状のパターンから構成されている。この例では、グレーティングカプラ１０２の周囲において、周方向に連続した領域に、第３パターン領域１０５が形成されている。
【００１９】
実施の形態では、グレーティングカプラ１０２の周囲に第１パターン領域１０３が形成され、第１パターン領域１０３の周囲に第２パターン領域１０４が形成され、第２パターン領域１０４の周囲に第３パターン領域１０５が形成されている。また、実施の形態では、第１パターン領域１０３，第２パターン領域１０４，第３パターン領域１０５の組が、２組設けられている。なお、各パターン領域を構成するパターンは、ストライプ状に限らず、矩形状、円形、など島状のパターンから構成し、これらを正方配列させるなど、周期的に配置させてもよい。
【００２０】
ここで、最も単純な調芯回路は、光ファイバ（不図示）からグレーティングカプラ１０２を介して入射された光が、光導波路１０１の図示しない箇所に設けられた反射鏡（不図示）などの反射部で、再びグレーティングカプラ１０２に戻り、光ファイバに結合させる構成となる。これにより、光ファイバに最も光が強く返ってくる位置、角度を探すことで調芯を行う。基本的なグレーティングカプラ１０２の計算モデルによるグレーティングカプラ１０２から出射される光の電界分布を図２に示す。
【００２１】
計算に用いた層構造は、図３に示すように、基板１００の上に形成された下部クラッド層１１１と、下部クラッド層１１１の上に形成されたコア１１２と、コア１１２を覆って下部クラッド層１１１の上に形成された上部クラッド層１１３とを備える。また、コア１１２の上面に、グレーティングが形成され、グレーティングカプラ１０２とされている。なお、図３に示していない領域において、グレーティングが形成されていないコア１１２により光導波路１０１が構成されている。
【００２２】
上述した構成は、例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることで形成できる。ＳＯＩ基板の厚さ３μｍ程度の埋め込み絶縁（ＳｉＯ2）層により下部クラッド層１１１を構成し、厚さ０．２２μｍ程度の表面シリコン層をパターニングすることで、コア１１２，グレーティングなどが構成される。グレーティングは、深さ７０ｎｍ、周期６３０ｎｍ、フィルファクタ５０％としている。また、上部クラッド層１１３は、酸化シリコンを堆積することで形成すればよく、厚さ１．５μｍ程度とすればよい。
【００２３】
図２に示すように、光は、グレーティングカプラより角度を持って出射し、基板表面に対する垂線から約１５ｄｅｇ．傾いた角度で出射される。このように斜めに出射される光に対して６軸の調芯を行う。
【００２４】
次に、実施の形態における第１パターン領域１０３，第２パターン領域１０４，第３パターン領域１０５について説明する。グレーティングカプラ１０２に対して調芯を実施するときには、この周囲に配置された第１パターン領域１０３，第２パターン領域１０４，第３パターン領域１０５にも、光ファイバからの光が照射される。第１パターン領域１０３，第２パターン領域１０４，第３パターン領域１０５の有無や形状によって、これらの領域に照射された光の反射（乱反射）の強度が変化する。
【００２５】
ここで、パターン領域からの反射光のシミュレーションについて説明する。このシミュレーションでは、図４に示すモデルを用いた。シリコンからなるコア１２２によるＳＭＦ１２１を基板１００から５０μｍ上方に配置する。また、基板１００の平面に対する垂線から、ＳＭＦ１２１の光軸を１５ｄｅｇ．傾けた状態とし、ＳＭＦ１２１からの光を、シリコンから構成された複数のパターンによるパターン領域１３１に光を照射する。この光照射によりパターン領域１３１で乱反射された光が、ＳＭＦ１２１に設けられた出力光モニタ１２３に入射する光強度をモニタした。
【００２６】
パターン領域１３１は、グレーティングが形成されるコアを形成している表面シリコン層に形成する。パターン領域１３１は、グレーティングとは異なり、表面シリコン層を貫通するエッチング処理により、図５に示すように、各々分離した状態に形成し、例えば、複数のストライプ状のパターンから構成する。
【００２７】
ここで、平面視で、パターンの部分（Ｌｉｎｅ）とこれ以外の隙間部分（Ｓｐａｃｅ）との割合（ｆｉｌｌ  ｆａｃｔｏｒ＝Ｌｉｎｅ／Ｐｉｔｃｈ＝０．５）を保持した状態で、周期（Ｐｉｔｃｈ）を変化させた場合の、光ファイバへの戻り光の強度の割合（入射光に対する戻り光の割合）を図６に示す。なお、パターンの部分（Ｌｉｎｅ）は、シリコンであり、隙間部分（Ｓｐａｃｅ）は酸化シリコンである。
【００２８】
図６に示すように、周期（Ｐｉｔｃｈ）が４μｍのときに、戻り光強度が最大の−１１ｄＢとなり、周期（Ｐｉｔｃｈ）８μｍまで段階的に戻り光強度は小さくなり、周期（Ｐｉｔｃｈ）８μｍのとき、最小の−１７．１ｄＢとなる。
【００２９】
周期（Ｐｉｔｃｈ）４μｍにおける反射光の電界分布を図７Ａに示す。また、周期（Ｐｉｔｃｈ）８μｍにおける反射光の電界分布を図７Ｂに示す。いずれにおいても、パターン領域によって光が散乱されており、様々な方向に光が乱反射している。これらの中で、前述した強度の分だけが、光ファイバに戻ってきている結果となっている。
【００３０】
このように、周期的なパターンによるパターン領域の構造（構成）を変化させることで、乱反射による戻り光強度を変化させることができる。このパターン領域の違いによる乱反射の変化を利用し、周期４μｍの複数のパターンから構成された第１パターン領域１０３、周期７μｍの複数のパターンから構成された第２パターン領域１０４、周期８μｍの複数のパターンから構成された第３パターン領域１０５を、図１に示すように幾何学的に配置する。この場合、第１パターン領域１０３における光ファイバ戻り光は、−１１．１ｄＢとなる。また、第２パターン領域１０４における光ファイバ戻り光は、−１４．０ｄＢとなる。また、第３パターン領域１０５における光ファイバ戻り光は、−１７．１ｄＢとなる。各パターン領域は、各々反射の状態が異なる反射領域となる。
【００３１】
図１に示すように第１パターン領域１０３，第２パターン領域１０４，第３パターン領域１０５を配置し、光ファイバをＸ方向やＹ方向にスキャンしながら、戻り光を測定することで、現在の光ファイバとグレーティングカプラ１０２との相対的な位置関係を限定することができる。例えば、図１に示すａａ’線の位置、またはｂｂ線の位置で、線の方向に光ファイバをスキャンすれば、図８に示すような、戻り光の強度プロファイルが得られる。この結果より、グレーティングカプラ１０２は、図８中の矢印の方向にあることが分かり、調芯する方向を限定することができる。
【００３２】
なお、調芯用光回路は、図９Ａに示すように構成してもよい。この調芯用光回路は、グレーティングカプラ１０２を囲って配置された第１パターン領域２０３と、グレーティングカプラ１０２を囲って配置された第２パターン領域２０４と、グレーティングカプラ１０２を囲って配置された第３パターン領域２０５とを備える。
【００３３】
第１パターン領域２０３は、第１間隔で周期的に配列された複数のパターンから構成されている。また、第２パターン領域２０４は、第１間隔とは異なる第２間隔で周期的に配列された複数のパターンから構成されている。また、第３パターン領域２０５は、第１間隔および第２間隔とは異なる第３間隔で周期的に配列された複数のパターンから構成されている。
【００３４】
この例では、グレーティングカプラ１０２の周囲において、グレーティングカプラ１０２より離れる方向に延在する短冊状の領域の各々に、第１パターン領域２０３，第２パターン領域２０４，第３パターン領域２０５が形成されている。また、第１パターン領域２０３，第２パターン領域２０４，第３パターン領域２０５は、グレーティングカプラ１０２の周囲において、周方向に配列されている。
【００３５】
また、この例では、第１パターン領域２０３を構成している複数のパターンは、グレーティングカプラ１０２より離れる方向に延在するストライプ状に形成されている。第２パターン領域２０４，第３パターン領域２０５も同様である。
【００３６】
図９Ａに示す例では、グレーティングカプラ１０２の右および左の領域では、第１パターン領域２０３，第２パターン領域２０４，第３パターン領域２０５が、上下の方向に配列されている。また、グレーティングカプラ１０２の上および下の領域では、第１パターン領域２０３，第２パターン領域２０４，第３パターン領域２０５が、左右の方向に配列されている。また、グレーティングカプラ１０２の左上および右下の領域では、第１パターン領域２０３，第２パターン領域２０４，第３パターン領域２０５が、左下から右上の方向に配列されている。また、グレーティングカプラ１０２の右上および左下の領域では、第１パターン領域２０３，第２パターン領域２０４，第３パターン領域２０５が、右下から左上の方向に配列されている。
【００３７】
第１パターン領域２０３を構成している複数のパターンは、例えば、周期４μｍで形成されている。また、第２パターン領域１０４を構成している複数のパターンは、例えば、周期７μｍで形成されている。また、第３パターン領域１０５を構成している複数のパターンは、例えば、周期８μｍで形成されている。
【００３８】
図９Ａに示すように、第１パターン領域２０３，第２パターン領域２０４，第３パターン領域２０５を配置し、光ファイバをＸ方向やＹ方向にスキャンしながら、戻り光を測定することで、現在の光ファイバとグレーティングカプラ１０２との相対的な位置関係を限定することができる。例えば、図９Ａに示すｃｃ’線の位置、またはｄｄ’線の位置で、線の方向に光ファイバをスキャンすれば、図９Ａに示すような、戻り光の強度プロファイルが得られる。この結果より、グレーティングカプラ１０２は、例えばｃｃ’線では戻り光強度の強い領域に沿って図９Ａ中の上下方向の矢印の方向にあることが分かり、調芯する方向を限定することができる。
【００３９】
以上に説明したように、本発明によれば、グレーティングカプラの周囲に、第１間隔で配列された複数のパターンから構成された第１パターン領域と、第１間隔とは異なる第２間隔で配列された複数のパターンから構成された第２パターン領域とを配置したので、光ファイバとグレーティングカプラとの光学的な接続を得るための調芯が、容易に実施できるようになる。
【００４０】
光ファイバとグレーティングカプラとの位置合わせにおいては、初めに、ある程度グレーティングカプラに近い位置を狙って光ファイバを配置するが、グレーティングカプラが、平面視で数十μｍ角と微細であるが、光ファイバは、直径が０．１ｍｍ程度と非常に大きく、カメラなどを用いた視覚的な手段により相対位置を知ることが極めて困難である。これに対し、本発明によれば、グレーティングカプラに対する光ファイバの相対的な位置関係が、より迅速に把握できるので、調芯に要する時間を短縮することができる。
【００４１】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、主に、シリコンからなるコアによる光導波路を対象としたが、これに限るものではなく、他の半導体によるコアによる光導波路であっても同様である。
【符号の説明】
【００４２】
１００…基板、１０１…光導波路、１０２…グレーティングカプラ、１０３…第１パターン領域、１０４…第２パターン領域、１０５…第３パターン領域。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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