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JP2013156517A - Grating element and optical element - Google Patents

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JP2013156517A JP2012018209A JP2012018209A JP2013156517A JP 2013156517 A JP2013156517 A JP 2013156517A JP 2012018209 A JP2012018209 A JP 2012018209A JP 2012018209 A JP2012018209 A JP 2012018209A JP 2013156517 A JP2013156517 A JP 2013156517A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a grating element without polarization dependence.SOLUTION: A grating element includes an optical waveguide 12 which is constituted of: a clad 14 including a first clad 14a and a second clad 14b having a refractive index larger than that of the first clad, provided on a principal surface 8a of a substrate 8 in this order; and a core 16 provided between the first clad and the second clad and which reflects light with a wavelength λ. The core has regular projections 100L and 100R with a period Λ on both side surfaces 16L and 16R of the core and has a thickness being a length in a direction perpendicular to a principal surface equal to or larger than a width being a length in a direction perpendicular to a light propagation direction and parallel to the principal surface. The projections are arranged in line symmetry to the central axis O of the optical waveguide. The refractive index of a constituent material of the core is larger by 40% or more than that of a constituent material of the first clad. Equivalent refractive indices nTE and nTM of a TE wave and a TM wave on the optical waveguide are matched in a predetermined allowable range.

Description

この発明は、偏波無依存で動作するグレーティング素子及び該素子を用いた光素子に関する。   The present invention relates to a grating element that operates independently of polarization and an optical element using the element.

加入者側から局側への光伝送(上り通信)と、局側から加入者側への光伝送(下り通信)とを1本の光ファイバで行う光加入者系通信システムにおいては、上り通信及び下り通信を異なる波長の光で行うことがある。この場合、局側及び加入者側の双方で、異なる波長の光を合分波する光素子(以下、光合分波素子とも称する。)が必要となる。   In an optical subscriber communication system in which optical transmission from the subscriber side to the station side (uplink communication) and optical transmission from the station side to the subscriber side (downlink communication) are performed using one optical fiber, uplink communication In some cases, downlink communication is performed using light of different wavelengths. In this case, an optical element (hereinafter also referred to as an optical multiplexing / demultiplexing element) that multiplexes / demultiplexes light of different wavelengths is required on both the station side and the subscriber side.

光合分波素子は発光素子及び受光素子と空間光学的に光軸合わせされて、光加入者系の通信システム、例えばPON(Passive Optical Network)の加入者側終端装置(ONU:Optical Network Unit)や、局側終端装置(OLT:Optical Line Terminal)に用いられる。しかし、近年、光軸合わせの手間を軽減するために、光導波路により構成された光合分波素子が開発されている(例えば、特許文献1〜5参照)。この光導波路を用いた光合分波素子(以下、導波路型光素子とも称する。)では、光の伝搬経路を、予め作りこまれた光導波路内に限定するので、従来の光合分波素子におけるレンズやミラー等の光軸合わせが不要となる。さらに、導波路型光素子では、発光素子及び受光素子を、予め光合分波素子に作成されたマークを基準にして、光導波路の入出射端に位置合わせすればよい。そのため、発光素子及び受光素子に入出射される光ビームの厳密な光軸合わせの手間が大幅に省かれる。   The optical multiplexing / demultiplexing element is spatially optically aligned with the light emitting element and the light receiving element, so that an optical subscriber communication system, for example, a PON (Passive Optical Network) subscriber-side termination unit (ONU: Optical Network Unit), , Used in a station-side terminal device (OLT: Optical Line Terminal). However, in recent years, an optical multiplexing / demultiplexing element constituted by an optical waveguide has been developed in order to reduce the labor for aligning the optical axis (see, for example, Patent Documents 1 to 5). In an optical multiplexing / demultiplexing device using this optical waveguide (hereinafter also referred to as a waveguide type optical device), the light propagation path is limited to a pre-made optical waveguide. It is not necessary to align the optical axis of a lens or mirror. Further, in the waveguide type optical element, the light emitting element and the light receiving element may be aligned with the input / output end of the optical waveguide with reference to a mark previously created in the optical multiplexing / demultiplexing element. Therefore, the labor of strict optical axis alignment of the light beams entering and exiting the light emitting element and the light receiving element is greatly reduced.

近年、Siを材料とするコアと、Siとの屈折率差が大きなSiO2を材料とするクラッドとで光導波路(以下、Si光導波路とも称する。)を構成した導波路型光素子が報告されている(例えば、非特許文献1〜3参照)。 In recent years, a waveguide type optical element in which an optical waveguide (hereinafter also referred to as Si optical waveguide) is composed of a core made of Si and a clad made of SiO 2 having a large refractive index difference from Si has been reported. (For example, see Non-Patent Documents 1 to 3).

Si光導波路は、コアの屈折率がクラッドよりも非常に大きく光の閉じ込めが強いために、光を1μm程度の小さい曲率半径で曲げる曲線状光導波路を実現することができる。また、製造時に、Si電子デバイスでの加工技術が利用できるために、きわめて微細なサブミクロンの断面構造を実現できる。これらのことから、Si光導波路を用いることで導波路型光素子を小型化することができる。   Since the refractive index of the core is much larger than that of the clad and the light confinement is strong, the Si optical waveguide can realize a curved optical waveguide that bends light with a small radius of curvature of about 1 μm. In addition, since a processing technique using a Si electronic device can be used at the time of manufacture, a very fine submicron cross-sectional structure can be realized. For these reasons, the waveguide type optical device can be miniaturized by using the Si optical waveguide.

Si光導波路により光の合分波を行う導波路型光素子として、マッハツェンダ干渉計を利用したもの、方向性結合器を利用したもの、及びグレーティングを利用したものなどが知られている。   Known waveguide-type optical elements that perform optical multiplexing / demultiplexing using a Si optical waveguide include those using a Mach-Zehnder interferometer, those using a directional coupler, and those using a grating.

方向性結合器を利用した導波路型光素子は、光の透過率が波長に依存するので、光源で生じる波長ずれが透過率変動、すなわち透過光の強度変動を引き起こす。これにより、方向性結合器を光合分波素子に用いた場合、透過出力の強度変動が生じる。また、必要な合分波能力を得るための素子長が数百ミクロンに及び、小型化が困難である。マッハツェンダ干渉計を利用した導波路型光素子は、光の透過率が一定な透過帯域を得るために、多数の素子を直列接続する必要があり、素子が長大化してしまう。   In the waveguide type optical element using the directional coupler, the light transmittance depends on the wavelength, and therefore the wavelength shift caused by the light source causes the transmittance fluctuation, that is, the intensity fluctuation of the transmitted light. As a result, when the directional coupler is used as an optical multiplexing / demultiplexing device, the intensity of the transmitted output varies. Further, the element length for obtaining the necessary multiplexing / demultiplexing capability is several hundred microns, and it is difficult to reduce the size. A waveguide type optical element using a Mach-Zehnder interferometer needs to connect a large number of elements in series in order to obtain a transmission band having a constant light transmittance, resulting in an increase in the length of the element.

これに対し、グレーティングを利用した導波路型光素子(以下、グレーティング素子とも称する。)では、Bragg波長の反射光強度を高めることで、グレーティング内部への所定波長帯域の光の侵入を防止できる。その結果、この波長帯域で光の透過率を一定にすることができる。また、目的波長の半分以下の周期で格子溝を設けることで、1個の素子で、目的波長の光を十分な波長分解能で選択することができる(例えば、非特許文献4参照)。   On the other hand, in a waveguide type optical element using a grating (hereinafter also referred to as a grating element), it is possible to prevent the invasion of light in a predetermined wavelength band into the grating by increasing the reflected light intensity of the Bragg wavelength. As a result, the light transmittance can be made constant in this wavelength band. Further, by providing a grating groove with a period of half or less of the target wavelength, light of the target wavelength can be selected with a sufficient wavelength resolution with a single element (see, for example, Non-Patent Document 4).

Photonics Technology Letters vol.18,p.2392,2006年11月Photonics Technology Letters vol. 18, p. 2392, November 2006 Photonics Technology Letters vol.20,p.1968,2008年12月Photonics Technology Letters vol. 20, p. 1968, December 2008 OpticsExpress vol.18,p.23891,2010年10月Optics Express vol. 18, p. 23891, October 2010 IEICE Transactions of Electrons vol.E−90−C, No.1, p.59,Jan 2007IEICE Transactions of Electronics vol. E-90-C, no. 1, p. 59, Jan 2007

米国特許4860294号明細書U.S. Pat. No. 4,860,294 米国特許5764826号明細書US Pat. No. 5,764,826 米国特許5960135号明細書US Pat. No. 5,960,135 米国特許7072541号明細書US Pat. No. 7,072,541 特開平8−163028号公報JP-A-8-163028 特開2000−235125号公報JP 2000-235125 A

しかしながら、非特許文献4に記載されたSiをコアとするグレーティング素子は、偏波依存性があるため、TE波とTM波とでBragg波長に差が生じる問題があった。この問題に関して、InPを用いた光素子では、偏波無依存なグレーティング素子が提案されている(例えば、特許文献6参照)。特許文献6では、素子に低屈折率領域と高屈折率領域とを設け、各領域でTE波とTM波の等価屈折率を等しくすることで偏波無依存化を達成している。すなわち、特許文献6では、InGaAsPコアを上下のInPクラッドで挟んだ3層構造体で素子を構成している。しかし、この3層構造体を、Siを用いる光素子に応用することは困難であった。それは、コアであるSiとクラッドであるSiO2の屈折率が大幅に異なるために、光導波路の等価屈折率をこのような層構造では精度よく制御できないからである。 However, since the grating element having Si as a core described in Non-Patent Document 4 has polarization dependency, there is a problem that a Bragg wavelength is different between a TE wave and a TM wave. Regarding this problem, a polarization-independent grating element has been proposed as an optical element using InP (for example, see Patent Document 6). In Patent Document 6, polarization independence is achieved by providing a low-refractive index region and a high-refractive index region in an element and making the equivalent refractive indexes of TE wave and TM wave equal in each region. That is, in Patent Document 6, an element is configured by a three-layer structure in which an InGaAsP core is sandwiched between upper and lower InP clads. However, it has been difficult to apply this three-layer structure to an optical element using Si. This is because the equivalent refractive index of the optical waveguide cannot be accurately controlled with such a layer structure because the refractive index of Si, which is the core, and SiO 2 , which is the cladding, are significantly different.

本発明は、このような技術的背景の下でなされた。従って、本発明の目的は、今までに提案が無く、従来技術の単純適用では得られない、Siを用いたグレーティングを含む偏波無依存の導波路型光素子(グレーティング素子)と該素子を含む光素子を得ることにある。   The present invention has been made under such a technical background. Accordingly, the object of the present invention is to provide a polarization-independent waveguide-type optical element (grating element) including a grating using Si, which has not been proposed so far and cannot be obtained by simple application of the prior art, and the element. It is to obtain an optical element including the same.

発明者は鋭意検討の結果、TE波及びTM波の等価屈折率が一致するように、Siコアの寸法及び該コアを挟む第1及び第2クラッドの屈折率を最適化することにより、偏波無依存化が可能であることに想到した。従って、この発明のグレーティング素子は、クラッドとコアとで構成され、波長λの光を反射する光導波路を備える。   As a result of intensive studies, the inventor optimized the dimensions of the Si core and the refractive indexes of the first and second claddings sandwiching the core so that the equivalent refractive indexes of the TE wave and the TM wave coincide with each other. I realized that it was possible to make it independent. Accordingly, the grating element of the present invention includes an optical waveguide that is constituted by a clad and a core and reflects light having a wavelength λ.

クラッドは、基板の主面上にこの順で設けられた第1クラッドと、第1クラッドよりも屈折率の大きい第2クラッドとを備える。   The clad includes a first clad provided in this order on the main surface of the substrate, and a second clad having a higher refractive index than the first clad.

コアの両側面には周期Λの規則的な突出部が設けられている。そして、コアは、主面に垂直な方向の長さである厚みが、光伝搬方向に垂直かつ主面に平行な方向の長さである幅以上の大きさとされている。また、突出部が光導波路の中心軸に対して線対称に配置されており、コアの構成材料の屈折率が第1クラッドの構成材料よりも40%以上大きい。   Regular protrusions with a period Λ are provided on both side surfaces of the core. The thickness of the core, which is the length in the direction perpendicular to the main surface, is greater than the width that is the length in the direction perpendicular to the light propagation direction and parallel to the main surface. Further, the projecting portions are arranged in line symmetry with respect to the central axis of the optical waveguide, and the refractive index of the constituent material of the core is 40% or more higher than that of the first cladding.

そして、光導波路に関するTE波及びTM波の等価屈折率nTE及びnTMが、所定の許容範囲で一致する。   And the equivalent refractive indexes nTE and nTM of the TE wave and TM wave related to the optical waveguide coincide with each other within a predetermined allowable range.

この発明は上述のように構成されている。従って、Siを用いたグレーティングを含む偏波無依存のグレーティング素子及び光素子が得られる。   The present invention is configured as described above. Therefore, a polarization-independent grating element and optical element including a grating using Si can be obtained.

グレーティング素子の構造を概略的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a grating element roughly. (A)はグレーティング素子を一端部側から見た場合の概略的な構造を示す側面図であり、(B)は図1の概略的な平面図である。(A) is a side view which shows the schematic structure at the time of seeing a grating element from the one end part side, (B) is a schematic plan view of FIG. グレーティング素子に用いる光導波路の設計法の一例を説明するための特性図である。It is a characteristic view for demonstrating an example of the design method of the optical waveguide used for a grating element. (A)及び(B)は、グレーティング素子の動作特性を示す特性図である。(A) And (B) is a characteristic view which shows the operating characteristic of a grating element. 光素子の概略的な構成を示す平面図である。It is a top view which shows schematic structure of an optical element.

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。なお、各図において各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示してある。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the shape, size, and arrangement relationship of each component are schematically shown to the extent that the present invention can be understood. Moreover, although the preferable structural example of this invention is demonstrated hereafter, the material of each component, a numerical condition, etc. are only a suitable example. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments. Moreover, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to a common component and the description may be abbreviate | omitted.

(グレーティング素子)
以下、図面を参照して、グレーティング素子の実施形態について説明する。図1は、グレーティング素子の構造を概略的に示す斜視図である。図2(A)は、グレーティング素子を一端部側(図1中16Iで示す)から見た概略的な構造を示す側面図であり、図2(B)は、図1に示すグレーティング素子の概略的な平面図である。図2(B)においては、クラッド14と基板8の図示を省略している。
(Grating element)
Hereinafter, embodiments of the grating element will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of the grating element. 2A is a side view showing a schematic structure of the grating element as viewed from one end side (indicated by 16I in FIG. 1), and FIG. 2B is an outline of the grating element shown in FIG. FIG. In FIG. 2B, illustration of the clad 14 and the substrate 8 is omitted.

ここで、図1を参照して、以下の説明で用いる方向及び寸法を定義する。入力光INの光伝搬方向(図中矢印P)に垂直かつ基板8の主面8aに平行な方向を幅方向と称し、幅方向に沿って測った幾何学的長さを「幅」と称する。また、主面8aに垂直な方向を厚み方向と称し、厚み方向に沿って測った幾何学的長さを「厚み」と称する。同様に、光伝搬方向に平行な方向を長さ方向と称し、長さ方向に沿って測った幾何学的長さを「長さ」と称する。また、所定の構造体の光伝搬方向に垂直な断面のことを「横断面」と称する。   Here, referring to FIG. 1, directions and dimensions used in the following description are defined. The direction perpendicular to the light propagation direction of the input light IN (arrow P in the figure) and parallel to the main surface 8a of the substrate 8 is referred to as the width direction, and the geometric length measured along the width direction is referred to as “width”. . In addition, a direction perpendicular to the main surface 8a is referred to as a thickness direction, and a geometric length measured along the thickness direction is referred to as “thickness”. Similarly, a direction parallel to the light propagation direction is referred to as a length direction, and a geometric length measured along the length direction is referred to as a “length”. A section perpendicular to the light propagation direction of a predetermined structure is referred to as a “cross section”.

(構造)
図1及び図2を参照して、グレーティング素子10の構造について説明する。グレーティング素子10は光導波路12を備える。光導波路12は、基板8の主面8a側に設けられたクラッド14と、クラッド14中に設けられたコア16とを備える。
(Construction)
The structure of the grating element 10 will be described with reference to FIGS. The grating element 10 includes an optical waveguide 12. The optical waveguide 12 includes a clad 14 provided on the main surface 8 a side of the substrate 8 and a core 16 provided in the clad 14.

クラッド14は、第1クラッド14aと第2クラッド14bとを備える。第1及び第2クラッド14a及び14bは、主面8a上にこの順序で設けられる。   The clad 14 includes a first clad 14a and a second clad 14b. The first and second claddings 14a and 14b are provided in this order on the main surface 8a.

第1クラッド14aは、平坦面である主面8a上に形成された厚みが均一な膜体である。この例では、第1クラッド14aを構成する材料は、屈折率naが約1.45のSiO2とする。光導波路12を伝搬する光の基板8への不所望な結合を防ぐために、第1クラッド14aの厚みは1μm以上であることが好ましく、この例では、約2μmとする。 The first cladding 14a is a film body having a uniform thickness formed on the major surface 8a which is a flat surface. In this example, the material constituting the first cladding 14a is SiO 2 having a refractive index na of about 1.45. In order to prevent undesired coupling of light propagating through the optical waveguide 12 to the substrate 8, the thickness of the first cladding 14a is preferably 1 μm or more, and in this example, it is about 2 μm.

この例では、第1クラッド14aとしてSiO2を用いている。しかし、第1クラッド14aの構成材料は、コアの屈折率ncとの間で、na≦(1/1.4)nc(≒0.714nc)を満たす屈折率naを有していれば、特に制限は無い。設計に応じて好適な材料を第1クラッド14aとして選択することができる。 In this example, SiO 2 is used as the first cladding 14a. However, if the constituent material of the first cladding 14a has a refractive index na satisfying na ≦ (1 / 1.4) nc (≈0.714nc) with respect to the refractive index nc of the core, There is no limit. A suitable material can be selected as the first cladding 14a according to the design.

第2クラッド14bは第1クラッド14a上に設けられる。この例では、第2クラッド14bとして、屈折率nbが約1.63のSi1.61.41.1(=SiO(1.4/1.6)(1.1/1.6))を用いている。第1及び第2クラッド14a及び14bの屈折率の大小関係は「na<nb」とする。第2クラッド14bの構成材料は、第1クラッド14aよりも大きく、コア16よりも小さい屈折率を有する物質から、設計に応じて好適に選択できる。 The second cladding 14b is provided on the first cladding 14a. In this example, Si 1.6 O 1.4 N 1.1 (= SiO (1.4 / 1.6) N (1.1 / 1.6) ) having a refractive index nb of about 1.63 is used as the second cladding 14b. The magnitude relationship between the refractive indexes of the first and second claddings 14a and 14b is “na <nb”. The constituent material of the second cladding 14b can be suitably selected from materials having a refractive index larger than that of the first cladding 14a and smaller than that of the core 16, depending on the design.

なお、コア16がSiで、第1クラッド14aがSiO2の条件(以下、例示条件とも称する。)では、第2クラッド14bとして、屈折率nbが1.46≦nb≦2の範囲の値の材料を選択することが好ましい。屈折率nbをこの範囲とすれば、例示条件下で、コア16の寸法の最適化でグレーティング素子10を偏波無依存とすることができる。 In the condition where the core 16 is Si and the first cladding 14a is SiO 2 (hereinafter also referred to as an example condition), the second cladding 14b has a refractive index nb in the range of 1.46 ≦ nb ≦ 2. It is preferable to select the material. If the refractive index nb is within this range, the grating element 10 can be made polarization independent by optimizing the dimensions of the core 16 under the exemplified conditions.

また、第2クラッド14bとして、この例のように組成がSiOxyで表されるSi酸窒化物を選択する場合には、酸素と窒素の組成比x及びyを、「2≧x≧0、かつ、4/3≧y≧0(ただし、x=2かつy=0の場合を除く)」の範囲とすることが好ましい。x及びyをこの範囲の値とすることにより、第2クラッド14bの屈折率nbを上述の好適範囲内に調整可能である。 When Si oxynitride having a composition represented by SiO x N y is selected as the second cladding 14b as in this example, the composition ratios x and y of oxygen and nitrogen are set to “2 ≧ x ≧ 0 and 4/3 ≧ y ≧ 0 (except when x = 2 and y = 0) ”are preferable. By setting x and y to values within this range, the refractive index nb of the second cladding 14b can be adjusted within the above-described preferred range.

なお、Si酸窒化物SiOxyの屈折率は、化合物中の窒素に対する酸素の含有比x/yを変化させることで調整することができる。すなわち、x/yを小さくして酸素の含有比を下げると屈折率が減少し、x/yを大きくして酸素の含有比を上げると屈折率が増加する。 The refractive index of Si oxynitride SiO x N y can be adjusted by changing the oxygen content ratio x / y to nitrogen in the compound. That is, when the oxygen content ratio is decreased by decreasing x / y, the refractive index decreases, and when the oxygen content ratio is increased by increasing x / y, the refractive index increases.

このような組成のSi酸窒化物は、熱酸窒化法、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法、及び反応性スパッタリング法等の任意好適な方法で作成することができる。特に、特開2011−114045号公報では、N2比率を変えたO2+N2混合ガスでSiターゲットを反応性スパッタリングして、組成比x及びyを制御して、所望の屈折率のSi酸窒化物を得ている。 The Si oxynitride having such a composition can be formed by any suitable method such as a thermal oxynitriding method, a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and a reactive sputtering method. In particular, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-114045, a Si target is reactively sputtered with an O 2 + N 2 mixed gas in which the N 2 ratio is changed, and the composition ratio x and y are controlled to obtain a Si acid having a desired refractive index. Nitride has been obtained.

第2クラッド14bの厚みは、グレーティング10の設計に応じて選択される任意好適な値とすることができるが、コア16に対するクラッドとしての機能を実用上許容できる程度に果たすためには、1〜3μmの範囲の厚みとすることが好ましい。   The thickness of the second cladding 14b can be any suitable value selected according to the design of the grating 10, but in order to perform the function as a cladding for the core 16 to an acceptable level in practice, 1 to The thickness is preferably in the range of 3 μm.

コア16は、第1及び第2クラッド14a及び14bの間に設けられる。コア16の両側面16L及び16Rには一定周期Λの規則的な突出部100R及び100Lが形成されている。なお、突出部100R及び100Lを総称して、突出部100とも称する。   The core 16 is provided between the first and second claddings 14a and 14b. On both side surfaces 16L and 16R of the core 16, regular protrusions 100R and 100L having a constant period Λ are formed. The protrusions 100R and 100L are also collectively referred to as the protrusions 100.

このコア16を備える光導波路12は、周期Λに応じた波長λの光を偏波無依存で反射する。以下、光導波路12で反射された光を反射光RFとも称する。また、波長λ以外の光を透過光TRとして偏波無依存で透過する。光導波路12は言わば光導波路グレーティングとして機能する。光導波路12では、所定の許容範囲ΔnでnTE及びnTMが一致するように、コア16の寸法や第1及び第2クラッド14a及び14bの屈折率等が最適化されている。ここで、nTE及びnTMは、それぞれ、光導波路12に関するTE波及びTM波の等価屈折率である。   The optical waveguide 12 including the core 16 reflects light having a wavelength λ corresponding to the period Λ without depending on the polarization. Hereinafter, the light reflected by the optical waveguide 12 is also referred to as reflected light RF. Further, light other than the wavelength λ is transmitted as transmitted light TR without depending on polarization. The optical waveguide 12 functions as an optical waveguide grating. In the optical waveguide 12, the dimensions of the core 16, the refractive indexes of the first and second claddings 14a and 14b, and the like are optimized so that nTE and nTM match within a predetermined allowable range Δn. Here, nTE and nTM are the equivalent refractive indexes of the TE wave and TM wave related to the optical waveguide 12, respectively.

なお、TE波とは、光伝搬方向に伝搬するとともに、電場が主面8aに平行な面内で幅方向に振動する偏波を示す。また、TM波とは、光伝搬方向に伝搬するとともに、電場が主面8aに垂直な面内で厚み方向に振動する偏波を示す。また、TE波とTM波の両者を総称して、両偏波とも称する。   The TE wave indicates a polarized wave that propagates in the light propagation direction and an electric field vibrates in the width direction in a plane parallel to the main surface 8a. The TM wave indicates a polarized wave that propagates in the light propagation direction and an electric field vibrates in the thickness direction in a plane perpendicular to the main surface 8a. Further, both TE wave and TM wave are collectively referred to as both polarized waves.

光導波路12において、周期Λは下記式(1)を満たす値とすることが好ましい。
Λ=λ/(2×nTE)=λ/(2×nTM)・・・(1)
周期Λを、このように設定することで、光導波路12は所望の波長λの反射光RFを偏波無依存で出力する。以下、この波長λをBragg波長とも称する。この例では、周期Λを約377nmとする。これは、Bragg波長λが、約1.59μmの場合に相当する。
In the optical waveguide 12, the period Λ is preferably set to a value satisfying the following formula (1).
Λ = λ / (2 × nTE) = λ / (2 × nTM) (1)
By setting the period Λ in this way, the optical waveguide 12 outputs the reflected light RF having a desired wavelength λ without depending on the polarization. Hereinafter, this wavelength λ is also referred to as a Bragg wavelength. In this example, the period Λ is about 377 nm. This corresponds to a case where the Bragg wavelength λ is about 1.59 μm.

また、上述の「所定の許容範囲ΔnでnTE及びnTMが一致する」とは、光導波路12が、下記式(2)の関係を満たすことを意味する。   Moreover, the above-mentioned “nTE and nTM match within a predetermined allowable range Δn” means that the optical waveguide 12 satisfies the relationship of the following formula (2).

nTE=nTM±Δn・・・(2)
なお、Δnは下記式(3)を満たす大きさであることが好ましい。
nTE = nTM ± Δn (2)
In addition, it is preferable that (DELTA) n is a magnitude | size which satisfy | fills following formula (3).

Δn<nav×Δλ/λ・・・(3)
ここで、navは(nTE+nTM)/2である。また、Δλは、光導波路12から波長λの反射光RFが出力される場合の、この反射光RFの全半値幅である。
Δn <nav × Δλ / λ (3)
Here, nav is (nTE + nTM) / 2. Δλ is the full width at half maximum of the reflected light RF when the reflected light RF having the wavelength λ is output from the optical waveguide 12.

式(3)を変形したΔn/nav<Δλ/λにおいて、右辺のΔλ/λは、言わば、光導波路12が、TE波とTM波とを波長の異なる別の反射光として出力するための波長分解能に相当する。つまり、波長差がΔλ/λ以上の2つの光が光導波路12に入力された場合、これらの2つの光は、波長分離されて別々の反射光として光導波路12から出力される。   In Δn / nav <Δλ / λ obtained by modifying Equation (3), Δλ / λ on the right side is the wavelength at which the optical waveguide 12 outputs the TE wave and the TM wave as different reflected lights having different wavelengths. Corresponds to resolution. That is, when two lights having a wavelength difference of Δλ / λ or more are input to the optical waveguide 12, these two lights are wavelength-separated and output from the optical waveguide 12 as separate reflected lights.

一方、左辺の分子であるΔnは、式(1)を考慮すると、TE波及びTM波に由来する反射光RFの波長差|λTE−λTM|に対応する。ここで、λTEはTE波を入力光INとしたときの反射光RFの波長とし、λTMはTM波を入力光INとしたときの反射光RFの波長とする。同様に、分母であるnavは、反射光RFの両偏波の平均波長((λTE+λTM)/2)に対応する。   On the other hand, Δn, which is the numerator on the left side, corresponds to the wavelength difference | λTE−λTM | of the reflected light RF derived from the TE wave and the TM wave, considering Equation (1). Here, λTE is the wavelength of the reflected light RF when the TE wave is the input light IN, and λTM is the wavelength of the reflected light RF when the TM wave is the input light IN. Similarly, nav as a denominator corresponds to the average wavelength ((λTE + λTM) / 2) of both polarizations of the reflected light RF.

これらより、式(3)は、TE波由来の反射光と、TM波由来の反射光とが波長分離されずに、単一波長λの反射光RFとして光導波路12から出力されるための条件に対応する。   From these, the expression (3) is a condition for the reflected light derived from the TE wave and the reflected light derived from the TM wave to be output from the optical waveguide 12 as the reflected light RF having a single wavelength λ without being wavelength-separated. Corresponding to

コア16は横断面が矩形状であり、下面が第1クラッド14aの上面に接して設けられている。そして、両側面16L及び16Rはコア16の下面に対して垂直に延在する。コア16の上下面16U及び16Dは、TE波の電場の振動面に平行に配置されている。   The core 16 has a rectangular cross section, and the lower surface is provided in contact with the upper surface of the first cladding 14a. Both side surfaces 16L and 16R extend perpendicular to the lower surface of the core 16. The upper and lower surfaces 16U and 16D of the core 16 are arranged in parallel to the vibration surface of the electric field of the TE wave.

コア16の厚みHは幅Wav以上の大きさとする。ここで、幅Wavとは、図2(B)に仮想線で示すように、突出部100を含むコア16の幅をコア16の全長に渡って平均したものとする。この仮想線で示すコアを仮想コア16’と称する。コア16の幅Wav及び厚みHは、200〜500nmの範囲で、式(1)を満足する値とする。コア16の厚みHと幅Wavをこの範囲から選択すれば、光導波路12を幅及び厚みの両方向にシングルモード導波路とすることができる。この例では、コア16は、厚みHを約300nmとし、幅Wavを約300nmとする。   The thickness H of the core 16 is set to be greater than the width Wav. Here, the width Wav is obtained by averaging the width of the core 16 including the protruding portion 100 over the entire length of the core 16, as indicated by a virtual line in FIG. The core indicated by the virtual line is referred to as a virtual core 16 '. The width Wav and the thickness H of the core 16 are values satisfying the expression (1) in the range of 200 to 500 nm. If the thickness H and the width Wav of the core 16 are selected from this range, the optical waveguide 12 can be a single mode waveguide in both the width and thickness directions. In this example, the core 16 has a thickness H of about 300 nm and a width Wav of about 300 nm.

さらに、上述した例示条件の場合、幅Wavを厚みHの90%以上、かつ、100%未満の大きさとすることが好ましい。幅Wavをこの範囲にすることで、偏波無依存化に求められる第2クラッド14の屈折率nbの条件を緩和できる。つまり、より広範囲のnbで、光導波路12を偏波無依存とすることができる。   Furthermore, in the case of the above exemplary conditions, it is preferable that the width Wav is 90% or more of the thickness H and less than 100%. By setting the width Wav within this range, the condition of the refractive index nb of the second cladding 14 required for polarization independence can be relaxed. That is, the optical waveguide 12 can be made independent of polarization in a wider range of nb.

コア16に設けられる左右の突出部100L及び100Rは、光導波路12の中心軸Oに対して線対称に配置される。つまり、図2(B)に示すように、コア16の一端部16Iに最も近い突出部100R及び100Lまでの、該一端部16Iからの距離ER及びELが互いに等しい。   The left and right protrusions 100 </ b> L and 100 </ b> R provided on the core 16 are arranged symmetrically with respect to the central axis O of the optical waveguide 12. That is, as shown in FIG. 2B, the distances ER and EL from the one end 16I to the protrusions 100R and 100L closest to the one end 16I of the core 16 are equal to each other.

また、側面16L及び16Rに設ける突出部100の個数すなわち周期数は、光導波路12の反射効率、すなわち反射光RFの強度を勘案して、任意好適な数を選択することができる。この例では、突出部100の周期数を80とする。なお、実用上許容できる反射効率を得るためには、突出部100の周期数は、10周期以上とすることが好ましい。   Further, the number of protrusions 100 provided on the side surfaces 16L and 16R, that is, the number of periods, can be arbitrarily selected in consideration of the reflection efficiency of the optical waveguide 12, that is, the intensity of the reflected light RF. In this example, the number of periods of the protrusion 100 is 80. In order to obtain a practically acceptable reflection efficiency, the number of periods of the protrusions 100 is preferably 10 periods or more.

また、突出部100の、コア16の側面16L又は16Rから測った突出量Dは、10〜100nmの範囲の値とすることが好ましい。ここで、突出量Dとは、幅方向に最も外側に張り出した突出部100の点と、コア16の側面16L又は16Rとの距離である。この例では、突出量Dは、側面16Rと、突出部100Rの、光伝搬方向に平行に延在する面との距離である。突出量Dは、光導波路12において、反射光RFの反射効率及び波長半値幅に関係している。突出量Dを大きくすれば、反射光RFの反射効率は増加するが、波長半値幅が広がる。逆に、突出量Dを小さくすれば、反射効率は減少するが、波長半値幅が狭まる。よって、突出量Dは、光導波路12の用途に応じて適切な値を選択すればよい。この例では、突出量Dは約40nmとする。   Moreover, it is preferable that the protrusion amount D measured from the side surface 16L or 16R of the core 16 of the protrusion 100 is a value in the range of 10 to 100 nm. Here, the protrusion amount D is the distance between the point of the protrusion 100 projecting outward in the width direction and the side surface 16L or 16R of the core 16. In this example, the protrusion amount D is the distance between the side surface 16R and the surface of the protrusion 100R extending in parallel to the light propagation direction. The protruding amount D is related to the reflection efficiency and the half-value width of the reflected light RF in the optical waveguide 12. Increasing the protrusion amount D increases the reflection efficiency of the reflected light RF, but widens the half width of the wavelength. On the contrary, if the protrusion amount D is reduced, the reflection efficiency is reduced, but the half width of the wavelength is narrowed. Therefore, an appropriate value may be selected as the protrusion amount D according to the use of the optical waveguide 12. In this example, the protrusion amount D is about 40 nm.

また、突出部100の光伝搬方向に沿って計った長さをMLとしたとき、周期Λに対するMLの比率を0.5とする。以降、この比率(ML/Λ)をデューティー比とも称する。デューティー比を0.5とすることにより、反射光RFの強度を高めることができる。   Further, when the length measured along the light propagation direction of the protrusion 100 is ML, the ratio of ML to the period Λ is 0.5. Hereinafter, this ratio (ML / Λ) is also referred to as a duty ratio. By setting the duty ratio to 0.5, the intensity of the reflected light RF can be increased.

上述のようにコア16は屈折率ncが3.47のSiを構成材料とする。コア16の屈折率ncは、第1クラッド14aよりも40%以上大きい。なお、コア16の構成材料はSiに限定されることなく、任意好適なものを選択できる。   As described above, the core 16 is made of Si having a refractive index nc of 3.47. The refractive index nc of the core 16 is 40% or more larger than that of the first cladding 14a. The constituent material of the core 16 is not limited to Si, and any suitable material can be selected.

次に、光導波路12を偏波無依存とするメカニズムについて説明する。グレーティング素子10は、コア16の構造と、第1及び第2クラッドの屈折率na及びnbの最適化で、光導波路12に関する両偏波の等価屈折率を等しくし、偏波無依存化を達成している。この最適化により、両側面16L及び16Rからコア16の外側に染み出すエバネッセント波の両偏波での違いを小さくしている。つまり、エバネッセント波の偏波間での差を小さくすれば、このエバネッセント波と突出部100との相互作用の偏波間での差も小さくなり、結果として偏波無依存が達成される。   Next, a mechanism for making the optical waveguide 12 independent of polarization will be described. The grating element 10 achieves polarization independence by making the equivalent refractive indices of both polarizations of the optical waveguide 12 equal by optimizing the structure of the core 16 and the refractive indexes na and nb of the first and second claddings. doing. By this optimization, the difference in both polarizations of the evanescent wave that oozes out of the core 16 from both side surfaces 16L and 16R is reduced. That is, if the difference between the polarizations of the evanescent wave is reduced, the difference between the polarizations of the interaction between the evanescent wave and the protrusion 100 is also reduced, and as a result, polarization independence is achieved.

次に、図3を参照して、光導波路12の設計法の一例について説明する。光導波路12において、コア16の寸法と第1及び第2クラッドの屈折率na及びnbとの間で、偏波無依存を達成するための定式化された条件は求められていない。よって、現状では、コア16の寸法と第1及び第2クラッドの屈折率na及びnbとをそれぞれ変化させたシミュレーションから、これらの値を決定する。   Next, an example of a method for designing the optical waveguide 12 will be described with reference to FIG. In the optical waveguide 12, a formulated condition for achieving polarization independence between the dimensions of the core 16 and the refractive indexes na and nb of the first and second claddings is not required. Therefore, at present, these values are determined from a simulation in which the dimensions of the core 16 and the refractive indexes na and nb of the first and second claddings are changed.

図3は、このシミュレーションの一例を示しており、コア16及び第1クラッド14aを上述した寸法及び材質とした場合に、光導波路12を偏波無依存とする第2クラッド14bの屈折率nbの決定法を示している。   FIG. 3 shows an example of this simulation. When the core 16 and the first cladding 14a have the above-described dimensions and materials, the refractive index nb of the second cladding 14b that makes the optical waveguide 12 independent of the polarization is shown. The decision method is shown.

より詳細には、図3は、第2クラッド14bの屈折率nbと、各偏波に由来する反射光RFの反射率との関係を示す特性図である。縦軸は各偏波に由来する反射光RFの反射率(無次元)を示し、横軸は第2クラッド14bの屈折率nb(無次元)を示す。なお、反射率とは、入力光INに対する反射光RFの強度比とする。   More specifically, FIG. 3 is a characteristic diagram showing a relationship between the refractive index nb of the second cladding 14b and the reflectance of the reflected light RF derived from each polarization. The vertical axis represents the reflectance (non-dimensional) of the reflected light RF derived from each polarization, and the horizontal axis represents the refractive index nb (non-dimensional) of the second cladding 14b. Note that the reflectance is the intensity ratio of the reflected light RF to the input light IN.

計算は、3次元FDTD(Finite Difference Time Domain)法で行った。なお、図3中の曲線TEがTE波由来の反射光RFの反射率であり、曲線TMがTM波由来の反射光RFの反射率である。   The calculation was performed by a three-dimensional FDTD (Finite Difference Time Domain) method. In addition, the curve TE in FIG. 3 is the reflectance of the reflected light RF derived from the TE wave, and the curve TM is the reflectance of the reflected light RF derived from the TM wave.

図3を参照すると、nb=1の場合、すなわち第2クラッド14bが空気の場合には、光導波路12はTE波しか反射しないことがわかる。そして、nbの増大につれてTM波由来の反射が増加し、nb=1.45、つまり、第1及び第2クラッド14a及び14bの屈折率が等しいときに、TM波の反射率は約0.5となる。この反射率(=0.5)は、TE波のおよそ半分である。そして、nbが約1.63において、両偏波の反射率が約0.6で一致する。つまり、nb=1.63において、光導波路12は偏波無依存に動作する。このように、光導波路12に関する両偏波の等価屈折率nTE及びnTMを実質的に等しくし、さらに、両偏波の反射率を等しくすることにより、光導波路12は偏波無依存となる。   Referring to FIG. 3, it can be seen that when nb = 1, that is, when the second cladding 14b is air, the optical waveguide 12 reflects only the TE wave. The reflection from the TM wave increases as nb increases. When nb = 1.45, that is, when the refractive indexes of the first and second claddings 14a and 14b are equal, the reflectance of the TM wave is about 0.5. It becomes. This reflectance (= 0.5) is approximately half that of the TE wave. When nb is about 1.63, the reflectances of both polarizations are the same at about 0.6. That is, at nb = 1.63, the optical waveguide 12 operates independent of polarization. In this way, by making the equivalent refractive indexes nTE and nTM of both polarizations with respect to the optical waveguide 12 substantially equal, and further making the reflectances of both polarizations equal, the optical waveguide 12 becomes polarization independent.

なお、第2クラッド14bの材料を上述のSi酸窒化物SiOxyとする場合、nbが決まれば、組成比x及びyをnbから求めることができる。このようにして、この例では、x=1.4/1.6、及びy=1.1/1.6と決定した。なお、図3では、偏波無依存条件で、両偏波の反射率は約0.6に止まるが、上述のように、突出部100を80周期より増やすことで反射率を0.6以上に増加させることができる。 When the material of the second cladding 14b is the above-described Si oxynitride SiO x N y , if nb is determined, the composition ratio x and y can be obtained from nb. Thus, in this example, x = 1.4 / 1.6 and y = 1.1 / 1.6 were determined. In FIG. 3, the reflectance of both polarizations is only about 0.6 under the polarization-independent condition. However, as described above, the reflectance is 0.6 or more by increasing the number of protrusions 100 over 80 periods. Can be increased.

続いて、図4(A)及び(B)を参照して、このようにして決定されたnbの第2クラッド14bを用いたグレーティング素子10が偏波無依存で動作することを示す。図4(A)及び(B)は、グレーティング素子10の動作特性を示す特性図である。両図とも縦軸が、一端部16I及び他端部16Oから出力される出力光の、入力光INに対する強度比率(dB)を示し、横軸が、光の波長(μm)を示す。   Subsequently, referring to FIGS. 4A and 4B, it is shown that the grating element 10 using the nb second clad 14b determined in this way operates in a polarization-independent manner. 4A and 4B are characteristic diagrams showing the operating characteristics of the grating element 10. In both figures, the vertical axis represents the intensity ratio (dB) of the output light output from the one end 16I and the other end 16O to the input light IN, and the horizontal axis represents the wavelength (μm) of the light.

図4(A)は、入力光INを横軸の波長範囲のTE波とした場合の、透過光TR(曲線trTE)と、反射光RF(曲線rfTE)のそれぞれの強度比率を示す。図4(B)は、入力光INを横軸の波長範囲のTM波とした場合の、透過光TR(曲線trTM)と、反射光RF(曲線rfTM)のそれぞれの強度比率を示す。なお、計算では、光導波路12に、上述した寸法及び材質を条件として与えた。また、計算には、3次元FDTD法を用いた。また、反射光RF及び透過光TRは、入力光INと等しい偏波を保ったまま光導波路12から出力される。   FIG. 4A shows the intensity ratios of the transmitted light TR (curve trTE) and the reflected light RF (curve rfTE) when the input light IN is a TE wave having a wavelength range on the horizontal axis. FIG. 4B shows intensity ratios of the transmitted light TR (curve trTM) and the reflected light RF (curve rfTM) when the input light IN is a TM wave having a wavelength range on the horizontal axis. In the calculation, the above-described dimensions and materials were given to the optical waveguide 12 as conditions. For the calculation, a three-dimensional FDTD method was used. The reflected light RF and the transmitted light TR are output from the optical waveguide 12 while maintaining the same polarization as the input light IN.

曲線rfTE及びrfTMを参照すると、設計通りに、両偏波とも、Bragg波長である約1.59μmの波長に反射光RFのピークが存在する。両偏波ともピークにおける強度比率は、約−8dBで等しい。このことより、光導波路12から得られる反射光RFの強度は偏波に依存しないことがわかる。   Referring to the curves rfTE and rfTM, as designed, there is a peak of reflected light RF at a wavelength of about 1.59 μm, which is a Bragg wavelength, for both polarizations. The intensity ratio at the peak of both polarizations is equal to about -8 dB. This shows that the intensity of the reflected light RF obtained from the optical waveguide 12 does not depend on the polarization.

曲線trTE及びtrTMを参照すると、Bragg波長λでボトムをとる。これは、上述のように、この波長で、両偏波が反射光RFとして出力されることによる。曲線trTMによれば、TM波の透過光TRの強度比率は、Bragg波長λ以外の波長でほぼ一定値をとる。それに対して、曲線trTEによれば、TE波の透過光TRの強度比率は、波長約1.3μm付近で大きなボトムをとる。これは、このボトムの波長帯域(1.2〜1.45μm)において、TE波がクラッド14に放射されることによる。曲線trTE及びtrTMを参照すると、ボトムの波長帯域以外の波長、すなわち1.45μmを超える波長では、両偏波の透過光TRの強度比率はほぼ等しく偏波無依存が達せられている。なお、曲線trTEのこのボトムは実用的には殆ど問題とならない。それは、光導波路12の設計条件を変えることで、このボトムの波長帯域を変更できるからである。   Referring to the curves trTE and trTM, the bottom is taken at the Bragg wavelength λ. As described above, this is because both polarized waves are output as reflected light RF at this wavelength. According to the curve trTM, the intensity ratio of the TM-wave transmitted light TR has a substantially constant value at wavelengths other than the Bragg wavelength λ. On the other hand, according to the curve trTE, the intensity ratio of the transmitted light TR of the TE wave has a large bottom near the wavelength of about 1.3 μm. This is because the TE wave is radiated to the clad 14 in the bottom wavelength band (1.2 to 1.45 μm). Referring to the curves trTE and trTM, at a wavelength other than the bottom wavelength band, that is, a wavelength exceeding 1.45 μm, the intensity ratio of the transmitted light TR of both polarizations is almost equal and polarization independence is achieved. Note that this bottom of the curve trTE hardly causes a problem in practical use. This is because the bottom wavelength band can be changed by changing the design conditions of the optical waveguide 12.

図4(A)及び(B)から明らかなように、図3により決定されたnbを有する第2クラッド14bを用いた光導波路12は、偏波無依存で動作する。   As is apparent from FIGS. 4A and 4B, the optical waveguide 12 using the second cladding 14b having nb determined by FIG. 3 operates independent of polarization.

このように、この実施形態によれば、今までに提案の無かった、Siを用いた偏波無依存な光導波路12を備えたグレーティング素子10が得られる。   Thus, according to this embodiment, the grating element 10 including the polarization-independent optical waveguide 12 using Si, which has not been proposed so far, can be obtained.

以下、グレーティング素子10の変形例について説明する。   Hereinafter, modifications of the grating element 10 will be described.

この実施形態では、突出部100のデューティー比(ML/Λ)を0.5とした場合について説明したが、デューティー比は、0<ML/Λ<1の範囲内で好適な値を選択できる。   In this embodiment, the case where the duty ratio (ML / Λ) of the protrusion 100 is set to 0.5 has been described. However, a suitable value can be selected for the duty ratio within the range of 0 <ML / Λ <1.

また、この実施形態では、突出部100は、側面16L及び16Rから幅方向に突出する直方体としている。しかし、突出部100の形状は直方体には限定されない。例えば、平面形状が半円状、台形状、又は三角形状であってもよい。また、隣り合う2個の突出部100及び100の間の側面がコア16の内側に凹んでいてもよい。   Moreover, in this embodiment, the protrusion part 100 is made into the rectangular parallelepiped which protrudes in the width direction from the side surfaces 16L and 16R. However, the shape of the protrusion 100 is not limited to a rectangular parallelepiped. For example, the planar shape may be a semicircular shape, a trapezoidal shape, or a triangular shape. Further, the side surface between the two adjacent protrusions 100 and 100 may be recessed inside the core 16.

(光素子)
続いて、図5を参照して、光素子の実施形態について説明する。図5は光素子50の概略的な構造を示す平面図である。光素子50は、グレーティング素子を構成要素として備えている。従って、図5において図1及び2と同様の構成要素には、同符号を付し、重複した説明を省略する。また、図5において図1及び2との対応関係が明らかな構成要素については、符号を省略することもある。また、図5において、基板8と、第1及び第2クラッド14a及び14bの図示を省略している。
(Optical element)
Next, an embodiment of the optical element will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a plan view showing a schematic structure of the optical element 50. The optical element 50 includes a grating element as a constituent element. Therefore, in FIG. 5, the same components as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, in FIG. 5, reference numerals may be omitted for components whose correspondence with FIGS. 1 and 2 is clear. In FIG. 5, the substrate 8 and the first and second claddings 14a and 14b are not shown.

光素子50は、グレーティング素子10とほぼ同構成の第1及び第2グレーティング素子10−1及び10−2を備えている。第1及び第2グレーティング素子10−1及び10−2は、Bragg波長λを約1.31μmに設定した以外はグレーティング素子10と同様に構成されている。さらに、光素子50は、偏波無依存で動作する2入力2出力型の第1及び第2光カプラC1及びC2を備える。   The optical element 50 includes first and second grating elements 10-1 and 10-2 having substantially the same configuration as that of the grating element 10. The first and second grating elements 10-1 and 10-2 are configured in the same manner as the grating element 10 except that the Bragg wavelength λ is set to about 1.31 μm. Further, the optical element 50 includes two-input two-output first and second optical couplers C1 and C2 that operate independent of polarization.

概略的には、光素子50は、第1及び第2光カプラC1及びC2の間に、第1及び第2グレーティング素子10−1及び10−2が並列されている。そして、第1光カプラC1の2個の出力が、第1及び第2グレーティング素子10−1及び10−2の各入力に接続され、第1及び第2グレーティング素子10−1及び10−2の出力が、第2光カプラC2の2個の入力に接続される。   Schematically, in the optical element 50, the first and second grating elements 10-1 and 10-2 are arranged in parallel between the first and second optical couplers C1 and C2. Then, the two outputs of the first optical coupler C1 are connected to the inputs of the first and second grating elements 10-1 and 10-2, and the first and second grating elements 10-1 and 10-2 are connected. The output is connected to two inputs of the second optical coupler C2.

より詳細には、第1光カプラC1の一方の入力端IN1−1には、光導波路WG1が接続されている。第1光カプラC1の他方の入力端IN1−2には、光導波路WG2が接続されている。第1光カプラC1の一方の出力端OUT1−1には、光導波路WG3が接続されている。第1光カプラC1の他方の出力端OUT1−2には、光導波路WG4が接続されている。   More specifically, the optical waveguide WG1 is connected to one input terminal IN1-1 of the first optical coupler C1. An optical waveguide WG2 is connected to the other input terminal IN1-2 of the first optical coupler C1. An optical waveguide WG3 is connected to one output end OUT1-1 of the first optical coupler C1. The optical waveguide WG4 is connected to the other output terminal OUT1-2 of the first optical coupler C1.

第1グレーティング素子10−1の入力端には、テーパ形光導波路L1が接続され、該テーパ形光導波路L1の入力端は光導波路WG3に接続されている。第1グレーティング素子10−1の出力端には、テーパ形光導波路R1が接続され、該テーパ形光導波路R1の出力端は光導波路WG5に接続されている。   A tapered optical waveguide L1 is connected to the input end of the first grating element 10-1, and the input end of the tapered optical waveguide L1 is connected to the optical waveguide WG3. A tapered optical waveguide R1 is connected to the output end of the first grating element 10-1, and the output end of the tapered optical waveguide R1 is connected to the optical waveguide WG5.

第2グレーティング素子10−2の入力端には、テーパ形光導波路L2が接続され、該テーパ形光導波路L2の入力端は光導波路WG4に接続されている。第2グレーティング素子10−2の出力端には、テーパ形光導波路R2が接続され、該テーパ形光導波路R2の出力端は光導波路WG6に接続されている。   A tapered optical waveguide L2 is connected to the input end of the second grating element 10-2, and the input end of the tapered optical waveguide L2 is connected to the optical waveguide WG4. A tapered optical waveguide R2 is connected to the output end of the second grating element 10-2, and the output end of the tapered optical waveguide R2 is connected to the optical waveguide WG6.

第2光カプラC2の一方の入力端IN2−1には、光導波路WG5が接続されている。第2光カプラC2の他方の入力端IN2−2には、光導波路WG6が接続されている。第2光カプラC2の一方の出力端OUT2−1には、光導波路WG7が接続されている。第2光カプラC2の他方の出力端OUT2−2には、光導波路WG8が接続されている。この例では、例えば、光導波路WG1〜WG8の幅及び厚みを、約300nmとする。これにより、光導波路WG1〜WG8はシングルモードで動作する。   An optical waveguide WG5 is connected to one input terminal IN2-1 of the second optical coupler C2. An optical waveguide WG6 is connected to the other input terminal IN2-2 of the second optical coupler C2. The optical waveguide WG7 is connected to one output end OUT2-1 of the second optical coupler C2. An optical waveguide WG8 is connected to the other output end OUT2-2 of the second optical coupler C2. In this example, for example, the width and thickness of the optical waveguides WG1 to WG8 are about 300 nm. Thereby, the optical waveguides WG1 to WG8 operate in a single mode.

なお、光素子50の各構成要素を接続する光導波路WG1〜WG8には、特に偏波無依存性は求められない。これは、光素子50の中心線を軸にして、構造が等しい光導波路WG1〜WG8を対称的に配置することにより、素子全体として偏波ごとに位相差を相殺できるからである。   Note that the polarization independence is not particularly required for the optical waveguides WG1 to WG8 connecting the constituent elements of the optical element 50. This is because the optical waveguide WG1 to WG8 having the same structure are symmetrically arranged with the center line of the optical element 50 as an axis, so that the phase difference can be canceled for each polarization as the entire element.

第1及び第2光カプラC1及びC2には、偏波無依存性が求められる。この例では、素子寸法の調整により偏波無依存化を達成した、MMI(MultiMode Interference)導波路製の2×2光カプラを用いる。より詳細には、第1及び第2光カプラC1及びC2の幅を約1600nmとし、厚みを約300nmとすることで、波長が1.55μm付近で偏波無依存を達成している。   The first and second optical couplers C1 and C2 are required to have polarization independence. In this example, a 2 × 2 optical coupler made of an MMI (Multi Mode Interference) waveguide, which has achieved polarization independence by adjusting element dimensions, is used. More specifically, the first and second optical couplers C1 and C2 have a width of about 1600 nm and a thickness of about 300 nm, thereby achieving polarization independence in the vicinity of a wavelength of 1.55 μm.

なお、この例では、平面形状が矩形状のMMI導波路製光カプラを用いているが、偏波無依存性を有していれば、第1及び第2光カプラC1及びC2は、MMI導波路製光カプラに限定されない。例えば、方向性結合器を利用した光カプラや、その他の2×2分岐素子を用いても良い。   In this example, an optical coupler made of an MMI waveguide having a rectangular planar shape is used, but the first and second optical couplers C1 and C2 are MMI waveguides as long as they have polarization independence. It is not limited to waveguide optical couplers. For example, an optical coupler using a directional coupler or other 2 × 2 branching element may be used.

また、テーパ形光導波路L1、R1、L2及びR2も、光素子50の中心軸を軸として、対称に配置されているので、上述した理由により、偏波無依存性は求められない。   Further, since the tapered optical waveguides L1, R1, L2, and R2 are also symmetrically arranged with the central axis of the optical element 50 as an axis, the polarization independence is not required for the reason described above.

次に、図5を参照して、光素子50を、光加入者系通信システム(以下、光加入者系とも称する。)におけるONUとして用いた際の動作について説明する。   Next, with reference to FIG. 5, the operation when the optical element 50 is used as an ONU in an optical subscriber communication system (hereinafter also referred to as an optical subscriber system) will be described.

ここで、光導波路WG1が、上り光信号UPを発光する発光素子であるLD(Laser Diode)に接続されている。上り光信号UPに用いられる光の波長λ1は、光加入者系で一般的に用いられる約1.31μmとする。概略的に、上り光信号UPは、LDから光導波路WG1及び第1光カプラC1を経て第1及び第2グレーティング素子10−1及び10−2に入力される。そして、第1及び第2グレーティング素子10−1及び10−2で反射されて、再度第1光カプラC1に戻り、光導波路WG2から出力され局側に送信される。なお、LDの出力特性により、上り光信号UPはTE波としてLDから出力される。   Here, the optical waveguide WG1 is connected to an LD (Laser Diode) which is a light emitting element that emits the upstream optical signal UP. The wavelength λ1 of the light used for the upstream optical signal UP is about 1.31 μm generally used in the optical subscriber system. In general, the upstream optical signal UP is input from the LD to the first and second grating elements 10-1 and 10-2 via the optical waveguide WG1 and the first optical coupler C1. Then, the light is reflected by the first and second grating elements 10-1 and 10-2, returns to the first optical coupler C1, and is output from the optical waveguide WG2 and transmitted to the station side. The upstream optical signal UP is output from the LD as a TE wave due to the output characteristics of the LD.

また、光導波路WG7が、受光素子であるPD(PhotoDiode)に接続されている。PDには、局側から送信された下り光信号DNが入力される。下り光信号DNに用いられる光の波長λ2は、光加入者系で一般的に用いられる約1.49μmとする。概略的に、下り光信号DNは、局から光導波路WG2及び第1光カプラC1を経て第1及び第2グレーティング素子10−1及び10−2に入力される。そして、第1及び第2グレーティング素子10−1及び10−2を透過して第2光カプラC2に入力され、光導波路WG7から出力されてPDで受光される。なお、局と加入者との間の光ファイバを伝搬する過程で偏波面が回転される結果、全方向の偏波面を平均して含む下り光信号DNが光素子50に到達する。   The optical waveguide WG7 is connected to a PD (PhotoDiode) that is a light receiving element. The PD receives the downstream optical signal DN transmitted from the station side. The wavelength λ2 of light used for the downstream optical signal DN is about 1.49 μm that is generally used in an optical subscriber system. Schematically, the downstream optical signal DN is input from the station to the first and second grating elements 10-1 and 10-2 via the optical waveguide WG2 and the first optical coupler C1. Then, the light passes through the first and second grating elements 10-1 and 10-2, is input to the second optical coupler C2, is output from the optical waveguide WG7, and is received by the PD. In addition, as a result of the polarization plane being rotated in the process of propagating the optical fiber between the station and the subscriber, the downstream optical signal DN including the polarization planes in all directions on average reaches the optical element 50.

また、光導波路WG2の内部を、局側に向かって上り光信号UPが伝搬し、光素子50側に向かって下り光信号DNが伝搬する。ここで、第1及び第2グレーティング素子10−1及び10−2は、上り光信号UPの波長λ1がBragg波長λとなるように周期が最適化されているとする。   Further, the upstream optical signal UP propagates toward the station side and the downstream optical signal DN propagates toward the optical element 50 side inside the optical waveguide WG2. Here, it is assumed that the periods of the first and second grating elements 10-1 and 10-2 are optimized so that the wavelength λ1 of the upstream optical signal UP becomes the Bragg wavelength λ.

まず、下り光信号DNに関する光素子50の動作について説明する。光導波路WG2を、光素子50側に向かって伝搬する波長λ2の下り光信号DNは、他方の入力端IN1−2から第1光カプラC1へと入力される。第1光カプラC1内で、複数のモードが励起された下り光信号DNは、互いに干渉しあいながら伝搬し、一方及び他方の出力端OUT1−1及びOUT1−2から等しいパワーで出力される。   First, the operation of the optical element 50 regarding the downstream optical signal DN will be described. The downstream optical signal DN having the wavelength λ2 propagating through the optical waveguide WG2 toward the optical element 50 is input from the other input terminal IN1-2 to the first optical coupler C1. In the first optical coupler C1, the downstream optical signal DN in which a plurality of modes is excited propagates while interfering with each other, and is output with equal power from one and the other output terminals OUT1-1 and OUT1-2.

出力端OUT1−1から出力された下り光信号DNは、光導波路WG3及びテーパ形光導波路L1を介して第1グレーティング素子10−1へと入力される。同様に、出力端OUT1−2から出力された下り光信号DNは、光導波路WG4及びテーパ形光導波路L2を介して第2グレーティング素子10−2へと入力される。ここで、光導波路WG3及びWG4と、テーパ形光導波路L1及びL2は、互いに同形でありかつ配置が対称なので、偏波ごとに位相差が相殺され、全体として偏波無依存となる。   The downstream optical signal DN output from the output terminal OUT1-1 is input to the first grating element 10-1 via the optical waveguide WG3 and the tapered optical waveguide L1. Similarly, the downstream optical signal DN output from the output terminal OUT1-2 is input to the second grating element 10-2 via the optical waveguide WG4 and the tapered optical waveguide L2. Here, since the optical waveguides WG3 and WG4 and the tapered optical waveguides L1 and L2 have the same shape and symmetrical arrangement, the phase difference is canceled for each polarization, and the polarization becomes independent as a whole.

第1及び第2グレーティング素子10−1及び10−2のBragg波長はλ1であるので、波長λ2の下り光信号DNは、反射されずに透過して、偏波を保ったまま第2光カプラC2へと入力される。ここで、光導波路WG5及びWG6と、テーパ形光導波路R1及びR2は、互いに同形でありかつ配置が対称なので、偏波ごとに位相差が相殺され、全体として偏波無依存となる。   Since the Bragg wavelength of the first and second grating elements 10-1 and 10-2 is λ1, the downstream optical signal DN having the wavelength λ2 is transmitted without being reflected, and the second optical coupler maintains its polarization. Input to C2. Here, since the optical waveguides WG5 and WG6 and the tapered optical waveguides R1 and R2 have the same shape and are symmetrically arranged, the phase difference is canceled for each polarization, and the polarization becomes independent as a whole.

ここで、一方の入力端IN2−1から第2光カプラC2に入力された下り光信号DNを第1下り成分DN1と称する。同様に、他方の入力端IN2−2から第2光カプラC2に入力された下り光信号DNを第2下り成分DN2と称する。第2光カプラC2に入力された第1及び第2下り成分DN1及びDN2は、それぞれ複数のモードを励起し、これらの複数のモード間、及び下り成分DN1及びDN2間で干渉しながら伝搬する。第1及び第2光カプラC2での干渉の結果、πの位相差を得た下り光信号DNは第2光カプラC2の一方の出力端OUT2−1のみから出力され、光導波路WG7を介してPDに出力される。   Here, the downstream optical signal DN input from the one input terminal IN2-1 to the second optical coupler C2 is referred to as a first downstream component DN1. Similarly, the downstream optical signal DN input from the other input terminal IN2-2 to the second optical coupler C2 is referred to as a second downstream component DN2. The first and second downlink components DN1 and DN2 input to the second optical coupler C2 excite a plurality of modes, respectively, and propagate while interfering between the plurality of modes and between the downlink components DN1 and DN2. As a result of the interference in the first and second optical couplers C2, the downstream optical signal DN having a phase difference of π is output only from one output terminal OUT2-1 of the second optical coupler C2, and passes through the optical waveguide WG7. Output to PD.

続いて、上り光信号UPに関する光素子50の動作について説明する。LDから出力された波長λ1の上り光信号UPは、光導波路WG1を介して、一方の入力端IN1−1から、第1光カプラC1へと入力される。第1光カプラC1内で、複数のモードが励起された上り光信号UPは、互いに干渉しあいながら伝搬し、一方及び他方の出力端OUT1−1及びOUT1−2から等しいパワーで出力される。   Next, the operation of the optical element 50 related to the upstream optical signal UP will be described. The upstream optical signal UP of wavelength λ1 output from the LD is input from one input terminal IN1-1 to the first optical coupler C1 via the optical waveguide WG1. In the first optical coupler C1, the upstream optical signal UP in which a plurality of modes are excited propagates while interfering with each other, and is output with equal power from one and the other output terminals OUT1-1 and OUT1-2.

出力端OUT1−1から出力された上り光信号UPは、光導波路WG3及びテーパ形光導波路L1を介して第1グレーティング素子10−1へと入力される。同様に、出力端OUT1−2から出力された上り光信号UPは、光導波路WG4及びテーパ形光導波路L2を介して第2グレーティング素子10−2へと入力される。上述した理由により、光導波路WG3及びWG4と、テーパ形光導波路L1及びL2とは、構造全体として偏波無依存となる。   The upstream optical signal UP output from the output terminal OUT1-1 is input to the first grating element 10-1 via the optical waveguide WG3 and the tapered optical waveguide L1. Similarly, the upstream optical signal UP output from the output terminal OUT1-2 is input to the second grating element 10-2 via the optical waveguide WG4 and the tapered optical waveguide L2. For the reasons described above, the optical waveguides WG3 and WG4 and the tapered optical waveguides L1 and L2 are independent of polarization as a whole structure.

第1及び第2グレーティング素子10−1及び10−2のBragg波長に等しい波長λ1の上り光信号UPは、実施形態で述べたように反射される。その結果、上り光信号UPは、第1光カプラC1の一方及び他方の出力端OUT1−1及びOUT1−2から、再び、第1光カプラC1に入力される。   The upstream optical signal UP having the wavelength λ1 equal to the Bragg wavelength of the first and second grating elements 10-1 and 10-2 is reflected as described in the embodiment. As a result, the upstream optical signal UP is input again to the first optical coupler C1 from one and the other output terminals OUT1-1 and OUT1-2 of the first optical coupler C1.

ここで、一方の出力端OUT1−1から第1光カプラC1に入力された上り光信号UPを第1上り成分UP1と称する。同様に、他方の出力端OUT1−2から第1光カプラC1に入力された上り光信号UPを第2上り成分UP2と称する。第1光カプラC1に入力された第1及び第2上り成分UP1及びUP2は、それぞれ複数のモードを励起し、複数のモード間、及び上り成分UP1及びUP2間で干渉しながら伝搬する。第1光カプラC1を往復する過程で、πの位相差を得た上り光信号UPは第1光カプラC1の他方の入力端IN1−2のみから出力され、光導波路WG2を介して局側に送信される。   Here, the upstream optical signal UP input from the one output terminal OUT1-1 to the first optical coupler C1 is referred to as a first upstream component UP1. Similarly, the upstream optical signal UP input from the other output terminal OUT1-2 to the first optical coupler C1 is referred to as a second upstream component UP2. The first and second upstream components UP1 and UP2 input to the first optical coupler C1 respectively excite a plurality of modes and propagate while interfering between the plurality of modes and between the upstream components UP1 and UP2. In the process of reciprocating through the first optical coupler C1, the upstream optical signal UP having a phase difference of π is output only from the other input terminal IN1-2 of the first optical coupler C1, and is transmitted to the station side via the optical waveguide WG2. Sent.

このように、第1及び第2グレーティング素子10−1及び10−2を用いた光素子50は、偏波無依存に波長の異なる光を合分波することができる。   Thus, the optical element 50 using the first and second grating elements 10-1 and 10-2 can multiplex and demultiplex light having different wavelengths without depending on the polarization.

8 基板
8a 主面
10 グレーティング素子
10−1 第1グレーティング素子
10−2 第2グレーティング素子
12 光導波路
14 クラッド
14a 第1クラッド
14b 第2クラッド
16 コア
16' 仮想コア
16U 上面
16D 下面
16L 左側面(側面)
16R 右側面(側面)
50 光素子
100,100L,100R 突出部
C1 第1光カプラ
C2 第2光カプラ
IN1−1,IN2−1 一方の入力端
IN1−2,IN2−2 他方の入力端
OUT1−1,OUT2−1 一方の出力端
OUT1−2,OUT2−2 他方の出力端
WG1,WG2,WG3,WG4,WG5,WG6,WG7,WG8 光導波路
L1,R1,L2,R2 テーパ形光導波路
8 Substrate 8a Main surface 10 Grating element 10-1 First grating element 10-2 Second grating element 12 Optical waveguide 14 Cladding 14a First cladding 14b Second cladding 16 Core 16 'Virtual core 16U Upper surface 16D Lower surface 16L Left side surface (side surface) )
16R Right side (side)
50 Optical elements 100, 100L, 100R Protrusion C1 First optical coupler C2 Second optical coupler IN1-1, IN2-1 One input terminal IN1-2, IN2-2 The other input terminal OUT1-1, OUT2-1 Output terminal OUT1-2, OUT2-2 The other output terminal WG1, WG2, WG3, WG4, WG5, WG6, WG7, WG8 Optical waveguide L1, R1, L2, R2 Tapered optical waveguide

Claims (11)

基板の主面上にこの順で設けられた第1クラッドと、該第1クラッドよりも屈折率の大きい第2クラッドとを備えるクラッドと、該第1及び第2クラッドの間に設けられたコアとで構成され、波長λの光を反射する光導波路を備え、
前記コアの両側面に周期Λの規則的な突出部を備え、前記コアは、前記主面に垂直な方向の長さである厚みが、光伝搬方向に垂直かつ前記主面に平行な方向の長さである幅以上の大きさであり、前記突出部が前記光導波路の中心軸に対して線対称に配置されており、該コアの構成材料の屈折率が前記第1クラッドの構成材料よりも40%以上大きく、
前記光導波路に関するTE波及びTM波の等価屈折率nTE及びnTMが、所定の許容範囲で一致することを特徴とするグレーティング素子。
A clad comprising a first clad provided in this order on the main surface of the substrate, a second clad having a higher refractive index than the first clad, and a core provided between the first and second clads Comprising an optical waveguide that reflects light of wavelength λ,
Protruding portions having a period Λ are provided on both side surfaces of the core, and the core has a thickness that is a length in a direction perpendicular to the main surface, in a direction perpendicular to the light propagation direction and parallel to the main surface. The projecting portion is arranged in line symmetry with respect to the central axis of the optical waveguide, and the refractive index of the constituent material of the core is higher than that of the constituent material of the first cladding. Is over 40% larger,
A grating element characterized in that the TE-wave and TM-wave equivalent refractive indexes nTE and nTM relating to the optical waveguide coincide within a predetermined tolerance.
前記周期Λを、Λ=λ/(2×nTE)の関係に従うように設定することを特徴とする請求項1に記載のグレーティング素子。   The grating element according to claim 1, wherein the period Λ is set so as to follow a relationship of Λ = λ / (2 × nTE). nav=(nTE+nTM)/2とし、前記光導波路で反射された前記波長λの光の全半値幅をΔλとするとき、前記許容範囲を、nav×Δλ/λよりも小さい値とすることを特徴とする請求項2に記載のグレーティング素子。   When nav = (nTE + nTM) / 2 and the full width at half maximum of the light having the wavelength λ reflected by the optical waveguide is Δλ, the allowable range is a value smaller than nav × Δλ / λ. The grating element according to claim 2. 前記突出部が前記両側面に10周期以上設けられていることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載のグレーティング素子。   The grating element according to any one of claims 1 to 3, wherein the protrusions are provided on the both side surfaces for 10 cycles or more. 前記コアの材料をSiとし、前記第1クラッドの材料をSiO2とすることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載のグレーティング素子。 The grating element according to claim 1, wherein the core material is Si, and the first cladding material is SiO 2 . 前記突出部の、前記コアの側面から測った突出量が10〜40nmの範囲の値であることを特徴とする請求項5に記載のグレーティング素子。   The grating element according to claim 5, wherein an amount of protrusion measured from a side surface of the core of the protrusion is a value in a range of 10 to 40 nm. 前記第2クラッドの材料をSiOxy(ただし、x及びyは、(x=2かつy=0)を除く(2≧x≧0かつ4/3≧y≧0)である。)とすることを特徴とする請求項5又は6に記載のグレーティング素子。 The material of the second cladding is SiO x N y (where x and y are excluding (x = 2 and y = 0) (2 ≧ x ≧ 0 and 4/3 ≧ y ≧ 0)). The grating element according to claim 5 or 6, wherein: 前記xを(1.4/1.6)とし、前記yを(1.1/1.6)とすることを特徴とする請求項7に記載のグレーティング素子。   The grating element according to claim 7, wherein x is (1.4 / 1.6), and y is (1.1 / 1.6). 前記第2クラッドの屈折率を1.46以上かつ2以下の値とすることを特徴とする請求項5〜8の何れか一項に記載のグレーティング素子。   The grating element according to claim 5, wherein a refractive index of the second cladding is set to a value of 1.46 or more and 2 or less. 前記幅を、前記厚みの90%以上の大きさとすることを特徴とする請求項5〜9の何れか一項に記載のグレーティング素子。   The grating element according to any one of claims 5 to 9, wherein the width is 90% or more of the thickness. 請求項1〜10の何れか一項に記載のグレーティング素子を2個と、
偏波無依存で動作する2入力2出力型の第1及び第2光カプラとを備え、
第1光カプラの2つの出力が、前記2個のグレーティング素子の一端にそれぞれ接続され、第2光カプラの2つの入力が、前記2個のグレーティング素子の他端にそれぞれ接続されていることを特徴とする光素子。
Two grating elements according to any one of claims 1 to 10,
A two-input two-output first and second optical coupler that operate without polarization;
Two outputs of the first optical coupler are respectively connected to one end of the two grating elements, and two inputs of the second optical coupler are respectively connected to the other ends of the two grating elements. A characteristic optical element.
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