(57)【要約】【課題】回折格子を透過した光を反射させて、回折格子と再結合させる際に波面が乱れないような光結合構造を提供すること。【解決手段】本発明の光結合構造１００は、光回路２００に設けられ、外部からの入射光を前記光回路面内に回折させる回折格子１と、回折格子１の入射光側と反対側に設けられ、凹凸部を有する反射部４を有している。回折格子１は、ライン部１１ｂとスペース部１１ａを有し、凹凸部は、ライン部１１ｂを透過した前記反射光とスペース部１１ａを透過した反射光の回折格子１内における位相が同相になるような形状となっている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光回路に設けられ、外部からの入射光を前記光回路面内に回折光として回折させる回折格子と、
前記回折格子の入射光側と反対側に設けられ、凹凸部を有し、前記回折格子を透過した光を前記回折格子に反射光として反射させて再結合させる反射部と、
を有し、
前記回折格子は、ライン部と、前記ライン部より屈折率の低いスペース部を有し、
前記凹凸部は、前記ライン部を透過した前記反射光と前記スペース部を透過した前記反射光の前記回折格子内における位相が同相になるような形状であることを特徴とする光結合構造。
【請求項２】
前記凹凸部は、
前記ライン部を透過した入射光と前記スペース部を透過した入射光の、前記回折格子と前記反射部の間の光路長が、それぞれ（ｍ１＋１／２）λ／２及び（ｍ２＋１／２）λ／２（λは真空中の光の波長、ｍ１、ｍ２は０を含む任意の自然数）になるように設けられていることを特徴とする請求項１記載の光結合構造。
【請求項３】
前記凹凸部は、前記ライン部に対向する位置に設けられた凸部と、前記スペース部に対向する位置に設けられた凹部を有し、前記凸部と前記凹部のギャップΔＬｒが以下の式（ｉ）を満たすように設けられていることを特徴とする請求項２記載の光結合構造。
ΔＬｒ＝（ｎｂ−ｎａ）／ｎａ×Ｈ  …式（ｉ）
ｎａ：スペース部の平均屈折率
ｎｂ：ライン部の屈折率
Ｈ ：回折格子の厚さ
【請求項４】
光回路面に形成され、外部からの入射光を前記光回路面内に回折させる回折格子と、
前記回折格子の入射光側と反対側に設けられ、前記入射光を反射光として反射させ、前記回折格子内で前記外部からの入射光と再結合させる反射部と、
を有し、
前記回折格子は、ライン部と、前記ライン部より屈折率の低いスペース部を有し、かつ、前記ライン部を透過した前記入射光と前記スペース部を透過した前記入射光の前記回折格子下面における位相が同相になり、かつライン部分とスペース部分との前記下面までの光路差が、（ｍ３＋１）λ（λは真空中の光の波長、ｍ３は自然数）となるような厚さを有することを特徴とする光結合構造。
【請求項５】
前記回折格子は、以下の式（ｉｉ）を満たす厚さＨを有することを特徴とする請求項４記載の光結合構造。
Ｈ＝（ｍ３＋１）λ／（ｎｂ−ｎａ）  …式（ｉｉ）
ｎａ：スペース部の平均屈折率
ｎｂ：ライン部の屈折率
Ｈ ：回折格子の厚さ
【請求項６】
前記スペース部はスリット形状を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光結合構造。
【請求項７】
前記スペース部は溝形状を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光結合構造。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の光結合構造を有することを特徴とする光回路。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の光結合構造を用いたことを特徴とする光結合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光結合構造、光回路、および光結合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、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（光回路）が検討されている。
【０００３】
そのようなチップ内或いはチップ間の光通信においては、チップの内外での光信号の受け渡しを行う構造、即ち光結合構造が必要となる。
【０００４】
ここで、光回路では微細な光導波路が使用されるため、光ファイバなどの外部機器と、光回路との光結合には高精度の位置決めが必要となる。
【０００５】
そのため比較的位置決め精度を緩く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、２）。
【０００６】
なお、回折格子を用いた光結合構造では、光結合効率を向上させるために、光の入射側と反対側に反射部を設け、回折格子を透過した光を反射させて、この反射光を回折格子と再結合させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／０１５６５８９号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】F. V. Laere et al., ”Compact and Highly Efficient Grating Couplers Between Optical Fiber and Nanophotonic Waveguides”, IEEE J. lightwave Technol., January, 2007, Vol.25, No.1, p151
【非特許文献２】B. Analui et al.,”A Fully Integrated 20-Gb/s Optoelectronic Transceiver Implemented in a Standard 0.13-μm CMOS SOI Technology”, IEEE J. Solid-State Circuits, December, 2006, Vol41, No.12, p2945
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記したような、回折格子を透過した光を反射させて、回折格子と再結合させる構造では、回折格子のスペース部とライン部の屈折率の違いにより、透過する光の光路長が異なるため、光の位相差を生じて再結合の際に波面が乱れ（即ち、位相がずれ）、反射光を有効に利用できないと言う課題があった。
【００１０】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、回折格子を透過した光を反射させて、回折格子と再結合させる際に波面が乱れないような光結合構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するため、本発明の第１の態様は、光回路に設けられ、外部からの入射光を前記光回路面内に回折光として回折させる回折格子と、前記回折格子の入射光側と反対側に設けられ、凹凸部を有し、前記回折格子を透過した光を前記回折格子に反射光として反射させて再結合させる反射部と、を有し、前記回折格子は、ライン部と、前記ライン部より屈折率の低いスペース部を有し、前記凹凸部は、前記ライン部を透過した前記反射光と前記スペース部を透過した前記反射光の前記回折格子内における位相が同相になるような形状であることを特徴とする光結合構造である。
【００１２】
本発明の第２の態様は、光回路面に形成され、外部からの入射光を前記光回路面内に回折させる回折格子と、前記回折格子の入射光側と反対側に設けられ、前記入射光を反射光として反射させ、前記回折格子内で前記外部からの入射光と再結合させる反射部と、を有し、前記回折格子は、ライン部と、前記ライン部より屈折率の低いスペース部を有し、かつ、前記ライン部を透過した前記入射光と前記スペース部を透過した前記入射光の前記回折格子下面における位相が同相になり、かつライン部分とスペース部分との前記下面までの光路差が、（ｍ３＋１）λ（λは真空中の光の波長、ｍ３は自然数）となるような厚さを有することを特徴とする光結合構造である。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第１の態様または第２の態様のいずれかに記載の光結合構造を有することを特徴とする光回路である。
【００１４】
本発明の第４の態様は第１の態様または第２の態様のいずれかに記載の光結合構造を用いた光結合方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、回折格子を透過した光を反射させて、回折格子と再結合させる際に波面が乱れないような光結合構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態に係る光結合構造１００の構成を示す断面図である。
【図２】第２の実施形態に係る光結合構造１００ａの構成を示す断面図である。
【図３】第３の実施形態に係る光結合構造１００ｂの構成を示す断面図である。
【図４】第４の実施形態に係る光結合構造１００ｃの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面に基づいて本発明に好適な実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
まず、図１を参照して本発明の第１の実施形態に係る光結合構造１００を有する光回路２００の概略構造について説明する。
【００１９】
ここでは光結合構造１００として、入力側の光結合構造、即ち、外部機器（光ファイバ等）からの入射光を光回路内に導入するための垂直入射型の光結合構造が例示されている。
【００２０】
図１に示すように、光回路２００は図示しない各種回路が形成された回路部３００と、回路部３００と図示しない外部機器を結合するための光結合構造１００とを有している。
【００２１】
回路部３００は図示しない基板等に設けられたコア２、コア２を囲むように設けられ、コア２よりも屈折率の低い材料で構成されたクラッド３を有している。
【００２２】
ここでは、コア２、クラッド３は共にＳｉＯ２を有するシリカ系光導波路であっても、コア２がＳｉ、クラッド３がＳｉＯ２を有するシリコン系光導波路であっても構わないが、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。
【００２３】
一方、光結合構造１００は、外部機器からの入射光１０を回折させて、回折光１１として回路部３００（のコア２）に導く回折格子１、および回折格子１の下側（入射光１０が入射する面の反対側）に設けられ、回折格子１を透過した入射光１０を反射させて回折格子１内で再結合させるための反射部４を有している。
【００２４】
回折格子１は、図１ではスリット状に形成されたスペース部１１ａと、ライン状のライン部１１ｂとを有しており、スペース部１１ａの方がライン部１１ｂよりも屈折率の低い材料で構成される。
【００２５】
ここでは、スペース部１１ａはクラッド３と同じ材料で構成され、ライン部１１ｂはコア２と同じ材料で構成されている。
【００２６】
反射部４は回折格子１を透過した入射光１０を反射するように構成されており、図１から明らかなように、スペース部１１ａに対向するように配置された凹部４ａと、ライン部１１ｂに対向するように配置された凸部４ｂを有する凹凸形状（凹凸部）となっている。
【００２７】
ここで、凹部４ａと凸部４ｂは、ライン部１１ｂを透過して反射部４で反射した反射光とスペース部１１ａを透過して反射部４で反射した反射光の、回折格子１内での位相が同相になるような形状となっている。
【００２８】
具体的には、凹部４ａと凸部４ｂの間のギャップΔＬｒは、入射光１０のうち、ライン部１１ｂを通過した光の光路長Ｌｂ及びスペース部１１ａを通過した光の光路長Ｌａ（即ち、回折格子１から反射部４までの光路長）がそれぞれ（ｍ１＋１／２）λ／２及び（ｍ２＋１／２）λ／２となるような高さとなっている。なお、上式において、ｍ１、ｍ２は０を含む任意の自然数であり、λは真空中の光の波長である。
【００２９】
なお、ライン部１１ｂを通過した光の光路長と及びスペース部を通過した光の光路長は等しくてもよい（例えば、上記式ではｍ１＝ｍ２）。
【００３０】
このようにギャップΔＬｒを規定した理由について説明する。
【００３１】
前述のように、光結合構造１００においては、スペース部１１ａの方がライン部１１ｂよりも屈折率の低い材料で構成されているため、回折格子１と反射部４の間の物理的な距離が同じ場合、ライン部１１ｂを通過した光の光路長と及びスペース部を通過した光の光路長は異なることになる。
【００３２】
この光路長が上記したような（ｍ１＋１／２）λ／２及び（ｍ２＋１／２）λ／２であれば位相が一致するため、再結合が可能であるが、回折格子１と反射部４の物理的な距離が同じ場合、通常はこの値から外れるため、ライン部１１ｂを透過して反射部４で反射した反射光とスペース部１１ａを透過して反射部４で反射した反射光の波面が揃わず（位相が一致せず）、波面が乱れて回折格子１内での再結合がうまくできない場合がある。 
そのため、光路長が上記した値になるようになっている。
【００３３】
次に、ギャップΔＬｒの具体的な値について、ライン部１１ｂを通過した光の光路長とスペース部を通過した光の光路長が等しくなるようにした場合を例に説明する。なお、以下の式において「×」の記号はベクトルの外積ではなく、単純な積を意味するものとする。
【００３４】
まず、前述のように、スペース部１１ａを透過した光と、ライン部１１ｂを透過した光は、屈折率の違いにより位相差を生じる。
【００３５】
ここで、ｎｂ、ｎａをそれぞれ、コア２とクラッド３（ライン部１１ｂとスペース部１１ａ）の屈折率とし、Ｈを回折格子１の厚さとすると、ライン部１１ｂを透過した光の光路長と、スペース部１１ａを透過した光の光路長はそれぞれｎｂ×Ｈ、ｎａ×Ｈとなるため、位相差に相当する光路差ΔＬは、以下の式で表される。 
ΔＬ＝（ｎｂ−ｎａ）×Ｈ…式（１）
【００３６】
そこで、ΔＬｒが以下の式（２）を満たすように反射部４の凹凸形状を形成することにより、光路差ΔＬを打ち消すことができる。 
ΔＬｒ＝{（ｎｂ−ｎａ）／ｎａ}×Ｈ…式（２）
【００３７】
以下、実際に式（２）を用いて光路長を求めてみる。
【００３８】
まず、スペース部１１ａを透過した光の回折格子１と反射部４間の光路長Ｌａは、回折格子１（のスペース部１１ａ）と反射部４（の凹部４ａ）間の距離をＡとすると、式（３）のように記述できる。 
Ｌａ＝（Ｈ＋Ａ）×ｎａ＝Ｈ×ｎａ＋Ａ×ｎａ…式（３）
【００３９】
一方、ライン部１１ｂを透過した光の回折格子１と反射部４間の光路長は以下のようになる。まず、回折格子１（のライン部１１ｂ）と反射部４（の凸部４ｂ）間の距離Ｂは、ΔＬｒの凸部４ｂの存在により、以下の式（４）のようになる。 
Ｂ＝Ａ−ΔＬｒ＝Ａ−{（ｎｂ−ｎａ）／ｎａ}×Ｈ…式（４）
【００４０】
これにより、ライン部１１ｂを透過した光の回折格子１と反射部４間の光路長Ｌｂは以下の式（５）に示すようになる。 
Ｌｂ＝Ｈ×ｎｂ＋Ｂ×ｎａ…式（５）
【００４１】
式（５）に式（４）を代入すると、
Ｌｂ＝Ｈ×ｎｂ＋（Ａ−{（ｎｂ−ｎａ）／ｎａ}×Ｈ）×ｎａ
＝Ｈ×ｎｂ＋Ａ×ｎａ−Ｈ×ｎｂ＋Ｈ×ｎａ
＝Ａ×ｎａ＋Ｈ×ｎａ＝Ｌａ
となり、Ｌａ＝Ｌｂとなる。
【００４２】
すなわち、スペース部１１ａを透過した光と、ライン部１１ｂを透過した光と反射部４までのそれぞれの光路長Ｌａ、Ｌｂは、Ｌａ＝Ｌｂとなり、反射部４により反射されて回折格子１に再度結合する際には、波面が揃う（位相が一致する）。
【００４３】
このように、第１の実施形態によれば、光結合構造１００は回折格子１、および反射部４を有しており、反射部４は、ライン部１１ｂを通過した光の光路長と及びスペース部１１ａを通過した光の光路長（回折格子１から反射部４までの光路長）がそれぞれ（ｍ１＋１／２）λ／２及び（ｍ２＋１／２）λ／２となるようなギャップΔＬｒを有する凹凸形状を有している。
【００４４】
そのため、入射光１０が反射部４により反射されて回折格子１に再度結合する際にライン部１１ｂを透過して反射部４で反射した反射光とスペース部１１ａを透過して反射部４で反射した反射光とで波面を揃えることができ、有効に再結合を行うことができる。さらに、再結合により回折される回折光１１と、回折格子１を透過せずに直接回折される回折光１１との間でも位相を揃えることができ、回折光１１を強め合うことができる。
【００４５】
次に、第２の実施形態に係る光結合構造１００を有する光回路２００の概略構造について図２を参照して説明する。
【００４６】
第２の実施形態は、第１の実施形態とは異なり、反射部４の形状ではなく、回折格子１の厚さを調節して、光路差が（ｍ３＋１）λとなるようにすることにより、ライン部１１ｂを透過して反射部４で反射した反射光とスペース部１１ａを透過して反射部４で反射した反射光の波面を揃えている（位相を一致させている）。
【００４７】
なお、第２の実施形態においては、第１の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の番号を付し、主に第１の実施形態と異なる部分について説明する。
【００４８】
図２に示すように、光結合構造１００ａは、外部からの入射光１０を回路部３００ａに導く回折格子１ａ、および回折格子１ａの下側（外部からの入射光側の反対側）に設けられ、入射光１０を反射して回折格子１ａ内で再結合させるための反射部１４を有している。
【００４９】
ここで、回折格子１ａの厚さＨａは、ライン部１１ｂを透過した入射光１０とスペース部１１ａを透過した入射光１０の回折格子下面における位相が同相になり、かつライン部１１ｂとスペース部１１ａとの該下面までの光路差が、（ｍ３＋１）λ（λは真空中の光の波長、ｍ３は０を含む自然数）となるような厚さとなっている。
【００５０】
具体的には、回折格子１ａの厚さＨａは、以下の式（６）を満たすような値となっている。 
Ｈａ＝（ｍ３＋１）λ／（ｎｂ−ｎａ）…式（６）
【００５１】
このような値にすることにより、ライン部１１ｂを通過した光の光路長と及びスペース部１１ａを通過した光の光路長の光路差ΔＬを上記した値とすることができる。
【００５２】
より具体的に説明すると、以下のようになる。
【００５３】
まず、前述のように、光路差ΔＬは、式（１）で表されるため、式（６）を式（１）に代入すると以下のようになる。 
ΔＬ＝（ｎｂ−ｎａ）×Ｈａ＝（ｎｂ−ｎａ）×{（ｍ３＋１）λ／（ｎｂ−ｎａ）}
＝（ｍ３＋１）λ
【００５４】
即ち、光路差ΔＬが上記値となるため、入射光１０と反射光の波面を揃えることができる（回折格子下面における位相が同相となる）。
【００５５】
このように、第２の実施形態によれば、光結合構造１００ａは回折格子１ａ、および反射部１４を有しており、回折格子１ａの厚さＨａは、光路差ΔＬが（ｍ３＋１）λとなるような厚さになっている。 
そのため、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
【００５６】
次に、第３の実施形態について、図３を参照して説明する。
【００５７】
第３の実施形態は、第１の実施形態において、スペース部２１ａをスリット状ではなく、溝状にしたものである。
【００５８】
図３に示すように、光結合構造１００ｂの回折格子１ｂは、スペース部２１ａが溝状に形成されている。
【００５９】
このように、スペース部２１ａは、平均屈折率がライン部２１ｂよりも低く、かつ回折格子としての特性を発現させられるのであれば、スリット状（完全にコア２の材質がない状態）に限定されず、溝状であってもよい。
【００６０】
次に、第４の実施形態について、図４を参照して説明する。
【００６１】
第４の実施形態は、第２の実施形態において、スペース部３１ａをスリット状ではなく、溝状にしたものである。
【００６２】
図４に示すように、光結合構造１００ｃの回折格子１ｃは、スペース部３１ａが溝状に形成されている。
【００６３】
このように、スペース部３１ａは、平均屈折率がライン部３１ｂよりも低く、かつ回折格子としての特性を発現させられるのであれば、スリット状（完全にコア２の材質がない状態）に限定されず、溝状であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
上記した実施形態では、本発明を、入力側の光結合構造に適用した場合について説明したが、本発明は、何等、これに限定されることなく、例えば出力側の光結合構造に適用しても良い。
【符号の説明】
【００６５】
１……………回折格子
１ａ…………回折格子
１ｂ…………回折格子
１ｃ…………回折格子
２……………コア
３……………クラッド
４……………反射部
４ａ…………凹部
４ｂ…………凸部
１０…………入射光
１１…………回折光
１１ａ………スペース部
１１ｂ………ライン部
１４…………反射部
２１ａ………スペース部
２１ｂ………ライン部
３１ａ………スペース部
３１ｂ………ライン部
１００………光結合構造
１００ａ……光結合構造
１００ｂ……光結合構造
１００ｃ……光結合構造
２００………光回路
２００ａ……光回路
２００ｂ……光回路
２００ｃ……光回路
【図１】
2012047852.tif 000003
【図２】
2012047852.tif 000004
【図３】
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【図４】
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