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JP2018040829A - Interlayer coupler - Google Patents

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JP2018040829A JP2016172501A JP2016172501A JP2018040829A JP 2018040829 A JP2018040829 A JP 2018040829A JP 2016172501 A JP2016172501 A JP 2016172501A JP 2016172501 A JP2016172501 A JP 2016172501A JP 2018040829 A JP2018040829 A JP 2018040829A
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伸彦 西山
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Abstract

【課題】単純な構造で作製が容易で実用的な長さで実現できる層間結合器を提供する。【解決手段】層間結合器100は、第1導波路10から遷移した光分布を第2導波路20に伝播させて層間を結合する層間結合器であって、第1導波路10および第2導波路20は、導波路から先端に向かって幅が狭くなる第1テーパ11と、第1テーパ11の端部から先端に向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第2テーパ12と、を備え、第1テーパ11は、高屈折率のテーパ形状を有し、第2テーパ12は、第1テーパ11が下げた実行屈折率を基に、緩やかに屈折率を変化させるテーパ形状を有する。【選択図】図1An interlayer coupler that has a simple structure and is easy to manufacture and can be realized with a practical length is provided. An interlayer coupler (100) is an interlayer coupler that couples layers by propagating a light distribution transitioned from a first waveguide (10) to a second waveguide (20), the first waveguide (10) and the second waveguide (100). The waveguide 20 includes a first taper 11 that decreases in width from the waveguide toward the tip, and a second taper 12 that tapers in a more gentle taper shape from the end of the first taper 11 toward the tip. The first taper 11 has a tapered shape with a high refractive index, and the second taper 12 has a tapered shape that gradually changes the refractive index based on the effective refractive index lowered by the first taper 11. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、光配線を組み込んだ光回路チップ中の層を跨いで配線を結ぶ層間結合器に関する。   The present invention relates to an interlayer coupler that connects wirings across layers in an optical circuit chip incorporating optical wirings.

近年、シリコンのLSIにおける成熟したプロセス技術が利用できるシリコン・フォトニクスの研究の進展により、極めて微細で急な曲がりにおいても低損失な光導波路(以下、導波路という)の実現が可能となっている。そのため、光通信用の送受信モジュールおよびシステムの小型化、低消費電力化や、シリコンLSIへの光配線の導入および融合化が可能となりつつある。こうした導波路の候補としては、シリコンオンインシュレータ(SOI)基板上に比較的簡単な手法で形成できるシリコン(Si)細線導波路が有力である。シリコン細線やシリコンリブ構造は、光通信に用いられる波長1.3〜1.5μmの光に対して、低損失の導波路として機能することが知られている。
増大する信号量や通信速度の要求に応えつつ、コストを抑えるには、光導波回路の集積度を向上させることが重要である。そのために、導波路を平行に配列するだけではなく、導波路が互いに交差する箇所を設ける必要がある。
In recent years, research on silicon photonics, which can use mature process technology in silicon LSI, has enabled the realization of low-loss optical waveguides (hereinafter referred to as waveguides) even at extremely fine and sharp turns. . For this reason, it is becoming possible to reduce the size and power consumption of transmission / reception modules and systems for optical communication and to introduce and integrate optical wiring into silicon LSIs. As a candidate for such a waveguide, a silicon (Si) fine wire waveguide that can be formed on a silicon-on-insulator (SOI) substrate by a relatively simple technique is promising. It is known that a silicon fine wire or a silicon rib structure functions as a low-loss waveguide for light with a wavelength of 1.3 to 1.5 μm used for optical communication.
It is important to improve the degree of integration of the optical waveguide circuit in order to keep costs down while responding to increasing signal volume and communication speed requirements. Therefore, it is necessary not only to arrange the waveguides in parallel but also to provide a location where the waveguides intersect each other.

特許文献1には、基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された第1の光導波路と、前記第1の光導波路によって区切られた前記下部クラッド層の一方に、先端を前記第1の光導波路の側面に向けて形成され、該先端部がテーパ状に絞られた第2の光導波路と、前記第1の光導波路によって区切られた前記下部クラッド層の他方に、先端を前記第2の光導波路の先端部に対向して形成され、該先端部がテーパ状に絞られた第3の光導波路と、を備える光導波回路が記載されている。   In Patent Document 1, one of a lower cladding layer formed on a substrate, a first optical waveguide formed on the lower cladding layer, and the lower cladding layer partitioned by the first optical waveguide is provided. A second optical waveguide having a tip formed toward the side surface of the first optical waveguide, the tip of which is narrowed in a tapered shape, and the other of the lower cladding layer partitioned by the first optical waveguide In addition, there is described an optical waveguide circuit including a third optical waveguide having a distal end formed opposite to the distal end portion of the second optical waveguide and having the distal end portion tapered.

特開2009−204736号公報JP 2009-204736 A

光導波路同士を光学的に結合するために、チップ垂直方向に光を取り出す回折格子(メタルミラーを備えるグレーティングカプラなど)を用いる光導波路結合構造では、構造が複雑であり、作製は容易ではなく、高コスト化は避けられない。
一方、多層光回路では、層を超えた意図せぬ信号漏話を無視するため、上下層の導波路の間隔は層間距離(層間厚)1μm以上とするのが望ましい。
例えば、導波路形状を先端部分だけ先細りのテーパ型にすることによって、電磁界分布を広範に広げ、上下層の導波路を結合させる層間結合器が提案されている(後記比較例参照)。テーパ型の導波路で実現できるので、簡便な構造であるものの、層間距離1μm以上に対し、5cm程度の非常に長い素子長が必要となるという重大な欠点がある。このような非常に長い素子長が必要となるので、上記層間結合器を備える多層光回路は実用化されていない。
In an optical waveguide coupling structure using a diffraction grating (such as a grating coupler having a metal mirror) that extracts light in the chip vertical direction to optically couple optical waveguides, the structure is complicated and fabrication is not easy. High cost is inevitable.
On the other hand, in a multilayer optical circuit, in order to ignore unintended signal crosstalk beyond the layers, it is desirable that the distance between the upper and lower waveguides is 1 μm or more between layers (interlayer thickness).
For example, an interlayer coupler that broadens the electromagnetic field distribution and couples the upper and lower waveguides by making the waveguide shape tapered at the tip portion has been proposed (see comparative example described later). Since it can be realized with a tapered waveguide, there is a serious drawback that a very long element length of about 5 cm is required for an interlayer distance of 1 μm or more although it is a simple structure. Since such a very long element length is required, a multilayer optical circuit including the interlayer coupler has not been put into practical use.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、単純な構造で作製が容易で短い長さで実現できる層間結合器を提供することを課題とする。   This invention is made | formed in view of such a situation, and makes it a subject to provide the interlayer coupler which is easy to manufacture with a simple structure and can be implement | achieved by short length.

前記した課題を解決するため、本発明に係る層間結合器は、第1導波路と、前記第1導波路と所定層間距離離隔して配置された第2導波路と、を備え、前記第1導波路から遷移した光分布を前記第2導波路に伝播させて層間を結合する層間結合器であって、前記第1導波路または前記第2導波路のうち少なくとも一方は、導波路から先端に向かって幅が狭くなる第1テーパと、前記第1テーパの端部から先端に向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第2テーパと、を備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, an interlayer coupler according to the present invention includes a first waveguide, and a second waveguide disposed at a predetermined interlayer distance from the first waveguide, wherein the first waveguide is provided. An interlayer coupler that propagates a light distribution transitioned from a waveguide to the second waveguide and couples the layers, wherein at least one of the first waveguide and the second waveguide is from the waveguide to the tip. And a second taper that tapers in a more gradual taper shape from the end of the first taper toward the tip.

本発明によれば、単純な構造で作製が容易で短い長さで実現できる層間結合器を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an interlayer coupler that can be easily manufactured with a simple structure and can be realized with a short length.

本発明の実施形態に係る層間結合器の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the interlayer coupler which concerns on embodiment of this invention. 本実施形態に係る層間結合器の構成を示す図であり、(a)は、その上面図、(b)は、その側面図である。It is a figure which shows the structure of the interlayer coupler which concerns on this embodiment, (a) is the top view, (b) is the side view. 本実施形態に係る層間結合器のc-Si導波路(第1導波路)/InP導波路(第2導波路)の層間結合器の構成を示す図であり、(a)は、その上面図、(b)は、その側面図である。It is a figure which shows the structure of the interlayer coupler of the c-Si waveguide (1st waveguide) / InP waveguide (2nd waveguide) of the interlayer coupler which concerns on this embodiment, (a) is the top view , (B) is a side view thereof. 本実施形態に係る層間結合器の比較例の層間結合器の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the interlayer coupler of the comparative example of the interlayer coupler which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る層間結合器の比較例の層間結合器を示す図であり、(a)は、その上面図、(b)は、上記比較例の層間結合器の側面図である。It is a figure which shows the interlayer coupler of the comparative example of the interlayer coupler which concerns on this embodiment, (a) is the top view, (b) is a side view of the interlayer coupler of the said comparative example. 本実施形態の層間結合器と従来構造の層間結合器の実行屈折率の分布を示す図であり、(a)は比較例の層間結合器の平面図、(b)は実行屈折率の分布、(c)は本実施形態の平面図である。It is a figure which shows distribution of the effective refractive index of the interlayer coupler of this embodiment, and the interlayer coupler of a conventional structure, (a) is a top view of the interlayer coupler of a comparative example, (b) is distribution of effective refractive index, (C) is a plan view of the present embodiment. 本実施形態の層間結合器と比較例の層間結合器を入射器に適用した場合の95%程度の結合効率を得たるための素子長Lと層間距離Dとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the element length L and the interlayer distance D for obtaining the coupling efficiency of about 95% at the time of applying the interlayer coupler of this embodiment and the interlayer coupler of a comparative example to an injector. 本実施形態に係る層間結合器の変形例の層間結合器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the interlayer coupler of the modification of the interlayer coupler which concerns on this embodiment.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る層間結合器の構成を示す斜視図である。図2(a)は、層間結合器の上面図、図2(b)は、層間結合器の側面図である。
[構成]
図1および図2に示すように、層間結合器100は、基板1上に形成された第1導波路10と、第1導波路10と層間距離(層間厚)D離隔して平行に配置された第2導波路20と、を備える。
層間結合器100は、第1導波路10から遷移した光分布(電磁界分布)を第2導波路20に伝播させて層間を結合する。層間結合器100は、機能性部品同士を結ぶ導波路を交差させたい場合、一方の導波路を別の層まで繋ぐときに用いる方向性結合器である。
第1導波路10は、例えばc-Si(Crystal silicon)からなるc-Si導波路であり、第2導波路20は、例えばa-Si(amorphous silicon):Hからなるa-Si:H導波路である。ここで、第2導波路20の材料として、a-Si:Hを用いると、a-Si:Hは低温で積層できるので第2導波路20に繋がる光機能素子回路や電子回路にダメージを与えないので好ましい。第1導波路10は、かかる熱的な制約はないので導波路の材料としてc-Siを用いている。第1導波路10および第2導波路20のいずれの材料にもa-Si:Hを用いてもよい。
第1導波路10および第2導波路20の材質は、シリコン(Si)には限定されず、どのような材質でもよい。後記するように、一方または双方の導波路の材質が化合物半導体(例えば、InP)であってもよい。
基板1は、例えばSOI(Silicon-On-Insulator)基板である。なお、基板1は、どのような材質の基板でもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an interlayer coupler according to an embodiment of the present invention. 2A is a top view of the interlayer coupler, and FIG. 2B is a side view of the interlayer coupler.
[Constitution]
As shown in FIGS. 1 and 2, the interlayer coupler 100 is arranged in parallel with the first waveguide 10 formed on the substrate 1 and the first waveguide 10 with an interlayer distance (interlayer thickness) D apart. A second waveguide 20.
The interlayer coupler 100 propagates the light distribution (electromagnetic field distribution) shifted from the first waveguide 10 to the second waveguide 20 to couple the layers. The interlayer coupler 100 is a directional coupler that is used when one waveguide is connected to another layer when it is desired to cross the waveguides connecting the functional components.
The first waveguide 10 is a c-Si waveguide made of, for example, c-Si (Crystal silicon), and the second waveguide 20 is made of, for example, a-Si: H made of a-Si (amorphous silicon): H. It is a waveguide. Here, when a-Si: H is used as the material of the second waveguide 20, a-Si: H can be laminated at a low temperature, so that the optical functional element circuit and the electronic circuit connected to the second waveguide 20 are damaged. It is preferable because it is not present. Since there is no such thermal restriction, the first waveguide 10 uses c-Si as a waveguide material. Either material of the first waveguide 10 and the second waveguide 20 may be a-Si: H.
The material of the first waveguide 10 and the second waveguide 20 is not limited to silicon (Si), and any material may be used. As will be described later, the material of one or both of the waveguides may be a compound semiconductor (for example, InP).
The substrate 1 is, for example, an SOI (Silicon-On-Insulator) substrate. The substrate 1 may be a substrate made of any material.

第1導波路10は、先端10aに向かって幅が狭くなる第1テーパ(1sttaper)11と、第1テーパ11の端部11aから先端10aに向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第2テーパ(2ndtaper)12と、を備える。
第2導波路20は、先端20aに向かって幅が狭くなる第1テーパ(1sttaper)21と、第2テーパ21の端部21aから先端20aに向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第2テーパ(2ndtaper)22と、を備える。
図1の例では、第1導波路10と第2導波路20とは、同一構造を採る。第1導波路10と第2導波路20とは、平行に層間距離D離隔して対向配置される。図1および図2(a)に示すように、第1導波路10は、先端10aを図1のz軸の+方向に配置した場合、第2導波路20の先端20aは、図1のz軸の−方向に配置される。図1および図2(b)に示すように、下側の第1導波路10と上側の第2導波路20とは、層間距離D離隔している。層間距離Dは、例えば1μmである。ここで、素子長を鑑みると、使用される層間距離Dは、D=500nm〜1.5μmと考えられる。そのためD=1μmに限定されるものではない。
The first waveguide 10 tapers with a first taper (1 st taper) 11 whose width becomes narrower toward the tip end 10a, and a gentler taper shape from the end 11a of the first taper 11 toward the tip end 10a. comprising a second taper (2 nd taper) 12, a.
The second waveguide 20 tapers with a first taper (1 st taper) 21 whose width becomes narrower toward the tip 20a and a gentler taper shape from the end 21a of the second taper 21 toward the tip 20a. And a second taper (2 nd taper) 22.
In the example of FIG. 1, the first waveguide 10 and the second waveguide 20 have the same structure. The first waveguide 10 and the second waveguide 20 are arranged to face each other with an interlayer distance D apart in parallel. As shown in FIGS. 1 and 2A, the first waveguide 10 has the tip 20a disposed in the + direction of the z-axis in FIG. Arranged in the negative direction of the axis. As shown in FIGS. 1 and 2B, the lower first waveguide 10 and the upper second waveguide 20 are separated from each other by an interlayer distance D. The interlayer distance D is, for example, 1 μm. Here, considering the element length, the interlayer distance D used is considered to be D = 500 nm to 1.5 μm. Therefore, it is not limited to D = 1 μm.

図1および図2(a)に示すように、第1導波路10と第2導波路20とは、第1導波路10の第2テーパ12と第2導波路20の第2テーパ22とが、上方から見て、逆方向に向かい合って上下が重なるように配置している。すなわち、第1導波路10の第2テーパ12と第2導波路20の第2テーパ22のみが、上方から見て、上下が重なるように配置している。第1導波路10と第2導波路20とは、第2テーパ12と第2テーパ22とが、上方から見て、上下が重なるように交差しているものの、空間的には層間距離D離隔している。第1導波路10と第2導波路20とは、図1のy軸方向に離隔しているので、例えば基板1上に他の導波路を形成することができる。ここで、第2導波路20の他方の先端を、図1と同様の構造とし、かつ、第1導波路10と同様の構造で層間結合させることで、第2導波路20が、LSIチップ内への光配線を組み込んだ光回路チップ中の層を跨いで配線を結ぶ層間結合器を実現することができる。なお、第1導波路10または第2導波路20の他方の先端は、図示しないその他のデバイス(光回路等)に接続されるものでもよい。   As shown in FIGS. 1 and 2A, the first waveguide 10 and the second waveguide 20 include a second taper 12 of the first waveguide 10 and a second taper 22 of the second waveguide 20. When viewed from above, they are arranged so that they face each other in the opposite direction and overlap vertically. That is, only the second taper 12 of the first waveguide 10 and the second taper 22 of the second waveguide 20 are arranged so as to overlap each other when viewed from above. In the first waveguide 10 and the second waveguide 20, the second taper 12 and the second taper 22 intersect each other so as to overlap each other when viewed from above. doing. Since the first waveguide 10 and the second waveguide 20 are separated from each other in the y-axis direction of FIG. 1, for example, another waveguide can be formed on the substrate 1. Here, the other end of the second waveguide 20 has the same structure as that of FIG. 1 and is interlayer-coupled with the same structure as that of the first waveguide 10, so that the second waveguide 20 is integrated in the LSI chip. It is possible to realize an interlayer coupler that connects the wirings across the layers in the optical circuit chip in which the optical wirings are incorporated. The other end of the first waveguide 10 or the second waveguide 20 may be connected to another device (such as an optical circuit) not shown.

図1および図2に示すように、第1導波路10の第2テーパ12と第2導波路20の第2テーパ22とは、上方から見て、上下方向(y軸方向)に重なるように配置される。第1導波路10の第1テーパ11の起点から第2導波路20の第1テーパ21の起点までの区間のテーパ長をLとする。
また、c-Siからなる第1導波路10の幅は、450nm、厚さは220nmである。a-Si:Hからなる第2導波路20の幅は、450nm、厚さは220nmである。
As shown in FIGS. 1 and 2, the second taper 12 of the first waveguide 10 and the second taper 22 of the second waveguide 20 overlap in the vertical direction (y-axis direction) when viewed from above. Be placed. Let L be the taper length of the section from the starting point of the first taper 11 of the first waveguide 10 to the starting point of the first taper 21 of the second waveguide 20.
The width of the first waveguide 10 made of c-Si is 450 nm and the thickness is 220 nm. The width of the second waveguide 20 made of a-Si: H is 450 nm and the thickness is 220 nm.

<第1テーパ>
第1テーパ11,21は、光の反射を許容する高屈折率のテーパ形状を有する。光の反射および高屈折率については、後記する。また、第1導波路10の第1テーパ11の起点と第2導波路20の第1テーパ11の起点間の素子長は200μm近傍である。
<First taper>
The first tapers 11 and 21 have a high refractive index taper shape that allows light reflection. The reflection of light and the high refractive index will be described later. The element length between the starting point of the first taper 11 of the first waveguide 10 and the starting point of the first taper 11 of the second waveguide 20 is about 200 μm.

<第2テーパ>
第2テーパ12,22は、第1テーパ11,21の端部11a,21aから先端10a,20aに向かって、より緩やかなテーパ形状で先が細くなっている。
第2テーパ12,22は、第1テーパ11,21が反射を許容することで下げた実行屈折率を基に、緩やかに屈折率を変化させるテーパ形状を有する。実行屈折率とは、実効的に光のモード全体がどの屈折率を感じているかを示す指標である。実行屈折率が低ければ低い程、結合長を短くできる。結合長は、ある%で結合効率をとるために必要な長さである。通常、70〜80%の結合効率をとる場合のテーパ長の長さで表される。95%と80%の結合効率の場合における結合長を計算し、第1導波路10および第2導波路10を作製した。
第1導波路10および第2導波路20は、第2テーパ12,22同士が逆方向に向かい合って重なるように配置し、第1導波路10の第2テーパ12から遷移した光分布を第2導波路20の第2テーパ22に結合させて層間を結合する。
第1導波路10の第1テーパ11のテーパ形状と第2導波路20の第1テーパ11のテーパ形状とは、図1に示すように対称形(同一形状)でもよく、後記する図3に示すように非対称形でもよい。
<Second taper>
The second tapers 12, 22 are tapered more gradually from the ends 11a, 21a of the first tapers 11, 21 toward the tips 10a, 20a.
The second tapers 12 and 22 have a tapered shape that gradually changes the refractive index based on the effective refractive index lowered by allowing the first tapers 11 and 21 to reflect. The effective refractive index is an index that indicates which refractive index is effectively felt by the entire light mode. The lower the effective refractive index, the shorter the coupling length. The bond length is the length necessary to obtain the coupling efficiency in a certain percentage. Usually, it is represented by the length of the taper length when a coupling efficiency of 70 to 80% is taken. The coupling length in the case of coupling efficiency of 95% and 80% was calculated, and the first waveguide 10 and the second waveguide 10 were manufactured.
The first waveguide 10 and the second waveguide 20 are arranged so that the second tapers 12 and 22 face each other in the opposite direction and overlap each other, and the second light distribution shifted from the second taper 12 of the first waveguide 10 is the second. The layers are coupled to the second taper 22 of the waveguide 20.
The taper shape of the first taper 11 of the first waveguide 10 and the taper shape of the first taper 11 of the second waveguide 20 may be symmetrical (same shape) as shown in FIG. It may be asymmetric as shown.

このように、層間結合器100は、第1導波路10および第2導波路20が、第1テーパ11,21および第2テーパ12,22を備えるダブルテーパ型層間結合器の構造を採る。   As described above, the interlayer coupler 100 has a double taper type interlayer coupler structure in which the first waveguide 10 and the second waveguide 20 include the first taper 11, 21 and the second taper 12, 22.

<光の反射>
光の反射について述べる。
本明細書では、光の反射とは、「光の電磁界」が「屈折率分布の不連続点、および急激な変化点(すなわち、テーパ形状に切り替わる箇所および、テーパ箇所)」で干渉し、後方へ進むことをいう。ちなみに、テーパ形状による屈折率分布の変化により、他にも、光が外へ逃げたり(放射)、モード変換(導波路形状によって固有の安定な電磁界分布(モード)が複数あった場合、それらの間を遷移する現象)がある。
上記反射、放射、モード変換の効果のうち、本テーパ形状では、反射による効果が支配的である。すなわち、第1テーパ11,21のような傾斜の強いテーパ形状の場合、放射よりも反射の方が強く出る。さらに、c-Si/a-Si:Hの導波路の場合、安定な電磁界分布(光分布)も一つしかない。このため、第1テーパ11,21を律速することは「反射」のみとなる。
ただし、c-Si/a-Si:H以外の導波路を用いた場合、反射/放射/モード変換は、3つとも律速要因となり得る。したがって、これら3つの反射/放射/モード変換を無視できる、という意味の「断熱的変化」という言葉を用いた。第1テーパ11,21を定義づける表現としては、「電磁界分布を所望の大きさ(第2テーパ12,22の起点の大きさ)まで断熱的に拡大する範囲で最短のもの」と定義することができる。
以上のことから、第1テーパ11,21の役割は、「電磁界分布を所望の大きさ(第2テーパ12,22の起点の大きさ)まで、最短距離で、拡大すること」である。第1テーパ11,21は、電磁界分布を、第2テーパ12,22の起点の大きさまで反射、放射、モード変換を閾値(閾値は信号強度の相対的な差異(パワー比)で示され、例えば、それぞれ−30dB)以下で拡大する。
本構造の利点は、結合に寄与しない部分を第1テーパ11,21でできるだけ短縮していることである。その意味で「最短距離で」と記述している。テーパ長を短くすると上記の反射(放射も)が増えることから、この場合の最短とは、上記の反射(放射も)が許容できる範囲での最短という意味である。
<Light reflection>
The reflection of light will be described.
In the present specification, the reflection of light interferes with the “electromagnetic field of light” at “discontinuous points of refractive index distribution and sudden change points (that is, points where the shape changes to a taper shape and taper points)”, To go backwards. By the way, due to the change in the refractive index distribution due to the taper shape, other light escapes (radiation), mode conversion (if there are multiple stable electromagnetic field distributions (modes) inherent to the waveguide shape, Transition phenomenon).
Among the effects of reflection, radiation, and mode conversion, the effect of reflection is dominant in this taper shape. That is, in the case of a tapered shape having a strong inclination such as the first tapers 11 and 21, reflection is more intense than radiation. Furthermore, in the case of a c-Si / a-Si: H waveguide, there is only one stable electromagnetic field distribution (light distribution). For this reason, limiting the first tapers 11 and 21 is only “reflection”.
However, when a waveguide other than c-Si / a-Si: H is used, reflection / radiation / mode conversion can all be a rate-limiting factor. Therefore, the term “adiabatic change” is used to mean that these three reflection / radiation / mode conversions can be ignored. The expression defining the first tapers 11 and 21 is defined as “the shortest one in the range in which the electromagnetic field distribution is adiabatically expanded to a desired size (the size of the starting points of the second tapers 12 and 22)”. be able to.
From the above, the role of the first tapers 11 and 21 is to “expand the electromagnetic field distribution to the desired size (the size of the starting points of the second tapers 12 and 22) at the shortest distance”. The first tapers 11 and 21 reflect the electromagnetic field distribution to the size of the starting point of the second tapers 12 and 22, threshold values for radiating and mode conversion (the threshold value is indicated by a relative difference in signal strength (power ratio), For example, each enlargement is −30 dB or less.
The advantage of this structure is that the portion that does not contribute to the coupling is shortened as much as possible by the first tapers 11 and 21. In that sense, it is described as “with the shortest distance”. When the taper length is shortened, the above-mentioned reflection (radiation) increases. Therefore, the shortest in this case means the shortest in a range where the above-described reflection (radiation) is allowable.

導波路では、光が良好に閉じ込められているが、導波路に強い屈折率差があると必ず反射が発生する。そこで、導波路にテーパを形成し、このテーパにより緩やかに屈折率を変化させることで、断熱的にモードが変わっていく。テーパは、反射をなくした状態で光のモードを変えるものであり、テーパのスロープの角度(プロファイル)がかなり緩くないと断熱的にモードが変わらない。
層間結合器では、一層の導波路の場合と異なり、対向する導波路との間で、光のフィールドの重なりがある程度必要である。テーパのスロープの角度をかなり緩くする必要がある。
Light is well confined in the waveguide, but reflection always occurs when there is a strong refractive index difference in the waveguide. Therefore, a mode is adiabatically changed by forming a taper in the waveguide and gradually changing the refractive index by this taper. The taper changes the mode of light with no reflection, and the mode does not change adiabatically unless the angle (profile) of the slope of the taper is very gentle.
In the interlayer coupler, unlike in the case of a single-layer waveguide, a certain amount of overlap of the light field is required between the opposing waveguides. The angle of the taper slope needs to be considerably relaxed.

<第1テーパの高屈折率>
第1テーパ11,21の高屈折率について述べる。
高屈折率は、概ね屈折率が導波路コア−クラッド間で1.5〜2程度離れていることをいう。高屈折率は、材料由来であり限度がある。高屈折率の上限は、現実的なところでは、Geの4程度であると考えられる。
<High refractive index of the first taper>
The high refractive index of the first tapers 11 and 21 will be described.
High refractive index means that the refractive index is approximately 1.5 to 2 apart between the waveguide core and the cladding. The high refractive index is derived from the material and has a limit. The upper limit of the high refractive index is practically considered to be about 4 of Ge.

<テーパ長の長さ>
テーパ長の長さについて述べる。
本層間結合器100でいう結合長は、第2テーパ12,22のことである。なぜなら、第1テーパ11,21は結合に寄与しないからである。したがって、層間結合器100の素子長は、下記となる。
素子長=第1テーパ+第2テーパ=第1テーパ+結合長
なお、後記比較例の層間結合器では、素子全体が結合に寄与するので、結合長=素子長となる。
<Taper length>
The length of the taper length will be described.
The coupling length in the interlayer coupler 100 refers to the second tapers 12 and 22. This is because the first tapers 11 and 21 do not contribute to the coupling. Therefore, the element length of the interlayer coupler 100 is as follows.
Element length = first taper + second taper = first taper + coupling length In the interlayer coupler of the comparative example described later, since the entire element contributes to coupling, the coupling length = element length.

[構成:導波路非対称形]
図3は、c-Si導波路(第1導波路)/InP導波路(第2導波路)の層間結合器の構成を示す図であり、図3(a)は、上記層間結合器の上面図、図3(b)は、上記層間結合器の側面図である。
図3に示すように、層間結合器100Aは、図1および図2のa-Si:H導波路20(第2導波路)に代えてInP導波路30(第2導波路)を用いている。ここでは、第2導波路の材質に、III-V族化合物半導体InPを用いているが、他の化合物半導体であってもよい。
第1導波路10は、先端10aに向かって幅が狭くなる第1テーパ(1sttaper)11と、第1テーパ11の端部11aから先端10aに向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第2テーパ(2ndtaper)12と、を備える。
c-Siからなる第1導波路10の幅は、450nm(図3(a)参照)、第1導波路10の厚さは、220nm(図3(b)参照)である。第2テーパ12の起点における第1導波路10の幅(第1テーパ11の端部11aの幅)Wtip2は250nm、第2テーパ12の終点における第1導波路10の幅(第1導波路10の先端10aの幅)Wtip1は150nmである。
[Configuration: Waveguide asymmetric type]
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an interlayer coupler of c-Si waveguide (first waveguide) / InP waveguide (second waveguide), and FIG. 3 (a) is a top view of the interlayer coupler. FIG. 3 and FIG. 3B are side views of the interlayer coupler.
As shown in FIG. 3, the interlayer coupler 100A uses an InP waveguide 30 (second waveguide) instead of the a-Si: H waveguide 20 (second waveguide) shown in FIGS. . Although the III-V compound semiconductor InP is used as the material of the second waveguide here, other compound semiconductors may be used.
The first waveguide 10 tapers with a first taper (1 st taper) 11 whose width becomes narrower toward the tip end 10a, and a gentler taper shape from the end 11a of the first taper 11 toward the tip end 10a. comprising a second taper (2 nd taper) 12, a.
The width of the first waveguide 10 made of c-Si is 450 nm (see FIG. 3A), and the thickness of the first waveguide 10 is 220 nm (see FIG. 3B). The width of the first waveguide 10 at the starting point of the second taper 12 (the width of the end portion 11a of the first taper 11) W tip2 is 250 nm, and the width of the first waveguide 10 at the end point of the second taper 12 (the first waveguide) The width 10 tip 10a) W tip1 is 150 nm.

第2導波路30は、先端30aに向かって幅が狭くなる第1テーパ(1sttaper)31と、第2テーパ21の端部31aから先端30aに向かって、より緩やかなテーパ形状で先が細くなる第2テーパ(2ndtaper)32と、を備える。
InPからなる第2導波路30の幅は、3000nm(図3(a)参照)、第2導波路30の厚さは、270nm(図3(b)参照)である。第2テーパ32の起点における第2導波路30の幅(第1テーパ31の端部31aの幅)Wtip2は250nm、第2テーパ12の終点における第2導波路30の幅(第2導波路30の先端30aの幅)Wtip1は150nmである。
The second waveguide 30 has a first taper (1 st taper) 31 that decreases in width toward the tip 30a, and a gentler taper shape from the end 31a of the second taper 21 toward the tip 30a. narrowing second tapered comprises a (2 nd taper) 32, a.
The width of the second waveguide 30 made of InP is 3000 nm (see FIG. 3A), and the thickness of the second waveguide 30 is 270 nm (see FIG. 3B). The width of the second waveguide 30 at the starting point of the second taper 32 (width of the end portion 31a of the first taper 31) W tip2 is 250 nm, and the width of the second waveguide 30 at the end point of the second taper 12 (second waveguide) 30 Width of tip 30a) W tip1 is 150 nm.

図3(b)に示すように、第1導波路10と第2導波路30とは、層間距離D離隔して平行に対向配置される。層間距離Dは、例えば1μmである。図3に示すように、第1導波路10は、先端10aを図1のz軸方向に配置した場合、第2導波路30の先端30aは、図3のz軸の−方向に配置される。   As shown in FIG. 3B, the first waveguide 10 and the second waveguide 30 are arranged to face each other in parallel with a distance D between them. The interlayer distance D is, for example, 1 μm. As shown in FIG. 3, in the first waveguide 10, when the tip 10a is arranged in the z-axis direction of FIG. 1, the tip 30a of the second waveguide 30 is arranged in the -direction of the z-axis of FIG. .

図3(a)に示すように、第1導波路10と第2導波路30とは、第1導波路10の第2テーパ12と第2導波路30の第2テーパ32とが、上方から見て、上下が重なるように配置している。すなわち、第1導波路10の第2テーパ12と第2導波路30の第2テーパ32のみが、上方から見て、上下が重なるように配置している。第1導波路10と第2導波路30とは、第2テーパ12と第2テーパ32とが、上方から見て、上下が重なるように配置しているものの、空間的には層間距離D離隔している。第1導波路10と第2導波路30とは、図3のy軸方向に離隔しているので、LSIチップ内への光配線を組み込んだ光回路チップ中の層を跨いで配線を結ぶ層間結合器を実現することができる。   As shown in FIG. 3A, the first waveguide 10 and the second waveguide 30 are such that the second taper 12 of the first waveguide 10 and the second taper 32 of the second waveguide 30 are from above. It is arranged so that the top and bottom overlap. That is, only the second taper 12 of the first waveguide 10 and the second taper 32 of the second waveguide 30 are arranged so as to overlap each other when viewed from above. The first waveguide 10 and the second waveguide 30 are arranged such that the second taper 12 and the second taper 32 overlap with each other when viewed from above, but spatially, the interlayer distance D is separated. doing. Since the first waveguide 10 and the second waveguide 30 are separated from each other in the y-axis direction of FIG. 3, an interlayer that connects the wirings across the layers in the optical circuit chip in which the optical wiring into the LSI chip is incorporated. A coupler can be realized.

第1導波路10の第1テーパ11の起点から第2導波路30の第1テーパ31の起点までの区間のテーパ長をLとする。   Let L be the taper length of the section from the starting point of the first taper 11 of the first waveguide 10 to the starting point of the first taper 31 of the second waveguide 30.

Figure 2018040829
Figure 2018040829

表1および図3(a)に示すように、c-Siからなる第1導波路10の第1テーパ11のテーパ長L1は10μm、第2テーパ12のテーパ長L2は150μmである。a-Si:Hからなる第2導波路30の第1テーパ31のテーパ長L3は40μm、第2テーパ32のテーパ長L2は150μmである。このように、導波路の材質によって、第1テーパ11のテーパ長L1と第1テーパ31のテーパ長L3は、異なる。第1テーパ11,31の高屈折率機能を有効に発揮させるためである。これに対して、第2テーパ12,32のテーパ長L2は、両者で等しい。換言すれば、第2テーパ12,32のテーパ形状を等しくする(両者のWtip1とWtip2とを等しくする)ことで、第2テーパ12と第2テーパ32との上下方向の重なり具合を均等にする。第2テーパ12,32の光伝播を均一にするためである。
なお、表1に示すように、層間結合器100Aのデバイス長は、200μm、導波路幅依存性は±50μmであることを確認した。
As shown in Table 1 and FIG. 3A, the taper length L1 of the first taper 11 of the first waveguide 10 made of c-Si is 10 μm, and the taper length L2 of the second taper 12 is 150 μm. The taper length L3 of the first taper 31 of the second waveguide 30 made of a-Si: H is 40 μm, and the taper length L2 of the second taper 32 is 150 μm. Thus, the taper length L1 of the first taper 11 and the taper length L3 of the first taper 31 are different depending on the material of the waveguide. This is because the high refractive index function of the first tapers 11 and 31 is effectively exhibited. On the other hand, the taper length L2 of the 2nd tapers 12 and 32 is equal in both. In other words, by making the taper shapes of the second tapers 12, 32 equal (both W tip1 and W tip 2 are made equal), the overlapping degree of the second taper 12 and the second taper 32 in the vertical direction is equalized. To. This is for making the light propagation of the second tapers 12, 32 uniform.
As shown in Table 1, it was confirmed that the device length of the interlayer coupler 100A was 200 μm and the waveguide width dependency was ± 50 μm.

[作用]
以下、上述のように構成された層間結合器100の作用について説明する。
本発明の基本的な考え方について説明する。
先端に向かって幅が狭くなる先細のテーパを有する上下層の導波路を、当該テーパ同士が向かい合って重なるように平行に配置する。このようなテーパを有する層間結合器では、第1導波路中を導波してきた信号光は、テーパ部分において、徐々に光閉じ込めを弱くされるために、屈折率の大きい第1導波路中を伝播できなくなり、第1導波路から第2導波路へ光分布(電磁界分布)が徐々に移行する。第1導波路と第2導波路とは、先端が逆方向に配置され、テーパ同士が互いに向かい合って重なるように配置するので、第1導波路から遷移した光分布は、徐々に光閉じ込め効果が大きくなってくる第2導波路のテーパ部分において吸い込まれ、高屈折率の第2導波路に部分結合される。このように、テーパによって第1導波路を細くしていくと、光が閉じ込めきれなくなって光分布として拡がっていく。光分布が拡がっていく状態で、対向する場所にテーパを有する第2導波路が設けられているので、拡がっていく光が第2導波路に吸い込まれていく。テーパは、光分布を広げなければならない場所で、反射なく広げるために設けられている。ちなみに、後記比較例で述べるように、光分布を広げなければならない場所で、反射なく広げるためには、上記テーパは非常に緩やかにせざるを得ず、実用に適さない程の長い素子長が必要となっていた。
[Action]
Hereinafter, the operation of the interlayer coupler 100 configured as described above will be described.
The basic concept of the present invention will be described.
Upper and lower waveguides having a tapered taper whose width becomes narrower toward the tip are arranged in parallel so that the tapers face each other and overlap. In the interlayer coupler having such a taper, the signal light guided in the first waveguide is gradually weakened in the tapered portion so that the light confinement is gradually weakened in the first waveguide having a large refractive index. Propagation becomes impossible and the light distribution (electromagnetic field distribution) gradually shifts from the first waveguide to the second waveguide. Since the first waveguide and the second waveguide are arranged so that the tips are arranged in opposite directions and the tapers face each other and overlap each other, the light distribution transitioned from the first waveguide gradually has an optical confinement effect. It is sucked in the taper portion of the second waveguide that becomes larger, and is partially coupled to the second waveguide having a high refractive index. As described above, when the first waveguide is narrowed by the taper, the light cannot be confined and spreads as a light distribution. Since the second waveguide having the taper is provided at the opposite position in the state where the light distribution is expanded, the expanding light is sucked into the second waveguide. The taper is provided in order to broaden the light distribution without reflection in a place where the light distribution must be widened. By the way, as will be described later in the comparative example, in order to broaden the light distribution without reflection in a place where the light distribution has to be widened, the taper must be very gentle, and a long element length that is not suitable for practical use is necessary. It was.

本発明者らは、テーパを有する導波路を備える層間結合器において、光が隣の層に伝播(遷移)するためには、2つの層の屈折率が近いところが続いていると速く遷移することに着目した。すなわち、後記比較例では、テーパの機能について、反射なく広げる観点からのみ設定していた。これに対し、本発明者らは、光が隣の層に伝播(遷移)することが元々ないような2つの層の屈折率が離れた場所においては、ある程度の実行屈折率の低下を許容する。一方で、上記実行屈折率の低下を許容することで、実際に結合に寄与する2つの層の屈折率が近いところが続くようにする。   In the interlayer coupler including a waveguide having a taper, in order for light to propagate (transition) to an adjacent layer, when the refractive index of two layers is close, the transition is fast. Focused on. That is, in the comparative example described later, the taper function is set only from the viewpoint of spreading without reflection. On the other hand, the present inventors allow a certain decrease in the effective refractive index at a place where the refractive indexes of the two layers are separated so that light does not originally propagate (transition) to the adjacent layer. . On the other hand, by allowing the lowering of the effective refractive index, the two layers that actually contribute to the coupling continue to have close refractive indices.

本発明は、導波路は、導波路から先端に向かって幅が狭くなる第1テーパと、第1テーパの端部から先端に向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第2テーパと、を備え、第1テーパは、高屈折率のテーパ形状を有し、第2テーパは、第1テーパが下げた実行屈折率を基に、緩やかに屈折率を変化させるテーパ形状を有する構造を採る。   According to the present invention, the waveguide includes a first taper that becomes narrower from the waveguide toward the tip, and a second taper that tapers from the end of the first taper to the tip with a more gradual taper shape. The first taper has a taper shape with a high refractive index, and the second taper has a taper shape in which the refractive index gradually changes based on the effective refractive index lowered by the first taper.

次に、比較例について述べる。
図4および図5は、従来構造の層間結合器を比較例として示す図である。図4は、比較例の層間結合器の構成を示す斜視図、図5(a)は、上記比較例の層間結合器の上面図、図5(b)は、上記比較例の層間結合器の側面図である。なお、図4は、本実施形態の図1に対応し、図5(a)(b)は、本実施形態の図2(a)(b)に対応している。
図4および図5(b)に示すように、従来構造の層間結合器2は、基板1上に形成された第1導波路3と、第1導波路3と平行に層間距離D離隔して配置された第2導波路5と、を備える。第1導波路3は、例えばc-Siからなるc-Si導波路、第2導波路5は、例えばa-Si:Hからなるa-Si:H導波路である。
第1導波路3は、先端3aに向かって先細るテーパ4を備え、第2導波路5は、先端5aに向かって先細るテーパ6を備える。
第1導波路3と第2導波路5とは、同一構造を採る。第1導波路3と第2導波路5とは、層間距離D離隔して平行に対向配置される。層間距離Dは、例えば1μmである。
Next, a comparative example will be described.
4 and 5 are views showing a conventional interlayer coupler as a comparative example. 4 is a perspective view showing the configuration of the interlayer coupler of the comparative example, FIG. 5A is a top view of the interlayer coupler of the comparative example, and FIG. 5B is the interlayer coupler of the comparative example. It is a side view. 4 corresponds to FIG. 1 of the present embodiment, and FIGS. 5A and 5B correspond to FIGS. 2A and 2B of the present embodiment.
As shown in FIGS. 4 and 5B, the interlayer coupler 2 having a conventional structure is separated from the first waveguide 3 formed on the substrate 1 by an interlayer distance D in parallel with the first waveguide 3. And a second waveguide 5 arranged. The first waveguide 3 is a c-Si waveguide made of c-Si, for example, and the second waveguide 5 is an a-Si: H waveguide made of a-Si: H, for example.
The first waveguide 3 includes a taper 4 that tapers toward the tip 3a, and the second waveguide 5 includes a taper 6 that tapers toward the tip 5a.
The first waveguide 3 and the second waveguide 5 have the same structure. The first waveguide 3 and the second waveguide 5 are arranged to face each other in parallel with a distance D between them. The interlayer distance D is, for example, 1 μm.

図4および図5(a)に示すように、第1導波路3と第2導波路5とは、第1導波路3のテーパ4と第2導波路5のテーパ6とが、上方から見て、上下が重なるように配置している。第1導波路3と第2導波路5とは、図4のy軸方向に離隔しているので、例えば基板1上に他の導波路を形成することができる。
第1導波路3のテーパ4の起点から第2導波路5のテーパ6の起点までの区間のテーパ長をLとする。また、c-Siからなる第1導波路3の幅は、450nm、厚さは220nmである。a-Si:Hからなる第2導波路5の幅は、450nm、厚さは220nmである。
As shown in FIG. 4 and FIG. 5A, the first waveguide 3 and the second waveguide 5 are such that the taper 4 of the first waveguide 3 and the taper 6 of the second waveguide 5 are viewed from above. Are arranged so that the top and bottom overlap. Since the first waveguide 3 and the second waveguide 5 are separated from each other in the y-axis direction in FIG. 4, another waveguide can be formed on the substrate 1, for example.
Let L be the taper length of the section from the starting point of the taper 4 of the first waveguide 3 to the starting point of the taper 6 of the second waveguide 5. The width of the first waveguide 3 made of c-Si is 450 nm and the thickness is 220 nm. The second waveguide 5 made of a-Si: H has a width of 450 nm and a thickness of 220 nm.

次に、本実施形態を比較例と対比して説明する。
図6は、本実施形態の層間結合器100と従来構造の層間結合器2の実行屈折率(Effective Index)の分布を示す図であり、図6(a)は比較例の層間結合器2の平面図、図6(b)は実行屈折率の分布、図6(c)は本実施形態100の平面図を示す。
図6(b)の細破線(第1導波路3)および太破線(第2導波路5)は、上記比較例の実行屈折率を示している。上記比較例では、実行屈折率は約「1.4-2.4」の大きなレンジで変化する。これに伴い、実行屈折率の近接値は約「2」と高い(図6(b)の符号b参照)。さらに、実行屈折率が約「1.4-2.4」の大きなレンジで変化するので、近接箇所も小さい(図6の符号c参照)。
Next, this embodiment will be described in comparison with a comparative example.
FIG. 6 is a diagram showing the distribution of the effective refractive index (Effective Index) of the interlayer coupler 100 of the present embodiment and the interlayer coupler 2 of the conventional structure, and FIG. 6 (a) shows the interlayer coupler 2 of the comparative example. FIG. 6B is a plan view of the embodiment 100, and FIG. 6B is a plan view of the embodiment 100. FIG.
A thin broken line (first waveguide 3) and a thick broken line (second waveguide 5) in FIG. 6B indicate the effective refractive index of the comparative example. In the comparative example, the effective refractive index changes in a large range of about “1.4-2.4”. Along with this, the proximity value of the effective refractive index is as high as about “2” (see symbol b in FIG. 6B). Furthermore, since the effective refractive index changes in a large range of about “1.4-2.4”, the adjacent portion is also small (see reference c in FIG. 6).

図6(b)の細実線(第1導波路10)および太実線(第2導波路20)は、本実施形態の実行屈折率を示している。
光が隣の層に伝播するためには、2つの層の実行屈折率が近いところが続いていると速く遷移する。比較例では、2つの層の実行屈折率が近いところ(領域)を続けようとすると、非常に長い素子長が必要となる。2つの層の屈折率が近いところが少ないと、少ししか遷移しない。
A thin solid line (first waveguide 10) and a thick solid line (second waveguide 20) in FIG. 6B indicate the effective refractive index of the present embodiment.
In order for light to propagate to the next layer, the transition is fast if the effective refractive indices of the two layers are close. In the comparative example, if an attempt is made to continue where the effective refractive indexes of the two layers are close to each other (region), a very long element length is required. If there are few places where the refractive indexes of the two layers are close to each other, the transition is little.

本実施形態では、第1導波路10および第2導波路20は、第2テーパ12,22の導波路側に、光の反射を許容する高屈折率のテーパ形状を有する第1テーパ11,12を形成する。第1テーパ11,12は、単位長さ当たりの移動する量が多くなるところ、すなわち、結合を殆どしないところは、テーパで緩やかに屈折率を変化させることを留保し、ある程度の反射を許容する高屈折率のテーパ形状とする。このため、図6(b)の符号a1,a2に示す第1テーパ11,12の領域では、強い屈折率差によって反射が発生し、実行屈折率は大幅に低下する。しかしながら、第1テーパ11,12に続く第2テーパ12,12において、緩やかに屈折率を変化させることで、断熱的にモードが変わっていく。本実施形態の第2テーパ12,22と比較例の導波路3,5のテーパ4,6(図4および図5参照)とは、テーパで緩やかに屈折率を変化させ、遷移した光分布に結合させる点では同じであるが、本実施形態では、図6(b)に示すように、第2テーパ12,22は、第1テーパ11,12が反射を許容することで下げた実行屈折率を基に、緩やかに屈折率を変化させる。すなわち、本実施形態では、殆ど結合しないところは第1テーパ11,12の高屈折率のテーパ形状によって無視し、その分、第2テーパ12,22で一気に結合させる。   In the present embodiment, the first waveguide 10 and the second waveguide 20 have a first taper 11, 12 having a tapered shape with a high refractive index allowing light reflection on the waveguide side of the second taper 12, 22. Form. The first tapers 11 and 12 are where the amount of movement per unit length increases, that is, where there is almost no coupling, the taper is gently changed to change the refractive index, and a certain degree of reflection is allowed. The taper shape has a high refractive index. For this reason, in the area | region of the 1st taper 11 and 12 shown to code | symbol a1 and a2 of FIG.6 (b), reflection generate | occur | produces by a strong refractive index difference, and an effective refractive index falls significantly. However, in the second taper 12, 12 following the first taper 11, 12, the mode is adiabatically changed by slowly changing the refractive index. The second tapers 12 and 22 of the present embodiment and the tapers 4 and 6 (see FIGS. 4 and 5) of the waveguides 3 and 5 of the comparative example are tapered so that the refractive index changes gently, and the transitioned light distribution is obtained. Although it is the same in terms of coupling, in this embodiment, as shown in FIG. 6 (b), the second taper 12, 22 has an effective refractive index lowered by allowing the first taper 11, 12 to reflect. Based on this, the refractive index is gradually changed. In other words, in the present embodiment, the portions that are hardly coupled are ignored by the high taper shape of the first taper 11, 12, and the second taper 12, 22 is coupled at a time.

以上のように、比較例では、実行屈折率の高い状態で徐々に、テーパで結合させているので、単位長さ当たりの、隣の層に移る結合効率は、低くなる。これに対して、本実施形態は、元々、第2テーパ12,22における実行屈折率は低い状態であるので、単位長さ当たりの、隣の層に移る結合効率は高い。隣の層に移る結合効率は高いので、トータルの長さは短くなる。   As described above, in the comparative example, since the coupling is gradually performed with a taper in a state where the effective refractive index is high, the coupling efficiency to the adjacent layer per unit length is low. In contrast, in the present embodiment, the effective refractive index of the second tapers 12 and 22 is originally low, so that the coupling efficiency for transferring to the adjacent layer per unit length is high. Since the coupling efficiency transferred to the adjacent layer is high, the total length is shortened.

本実施形態は、下記2点(1)(2)の優位性がある。
(1)図6(b)の符号bに示すように、本実施形態では、比較例に比べ、実行屈折率の近接値が低い。一般的にこの値が低ければ低いほど、結合長は短くなる。
(2)図6(b)の符号cに示すように、緩やかなテーパ形状の第2テーパ12,22を用いることで近接箇所を大きくし、結合可能領域が長くなる。
このように、本実施形態では、実行屈折率の近接値を低くした上で、2つの層の屈折率が近いところが続く近接箇所を大きくする。
This embodiment has the following two points (1) and (2).
(1) As shown by the symbol b in FIG. 6B, the proximity value of the effective refractive index is lower in this embodiment than in the comparative example. In general, the lower this value, the shorter the bond length.
(2) As shown by reference numeral c in FIG. 6B, the use of the second tapers 12 and 22 having a gently tapered shape enlarges the adjacent portion and lengthens the connectable region.
As described above, in this embodiment, the proximity value of the effective refractive index is lowered, and the proximity location where the refractive indexes of the two layers are close is increased.

図7は、本実施形態の層間結合器と比較例の層間結合器を入射器(図6の出射器に対応する)に適用した場合の95%程度の結合効率を得たるための素子長Lと層間距離Dとの関係を示す図である。図7は、本実施形態の層間結合器と比較例の層間結合器において、それぞれ層間距離Dに対して必要となる素子長Lを示す。
図7に示すように、比較例(図7の符号□参照)の層間結合器の素子長Lは、層間距離Dに対して指数関数的に大きくなり、1μmの層間距離Dに対しては5cm程度が必要である。これに対して、本実施形態(図7の符号◇参照)の層間結合器は、約200μmで実現できる。
FIG. 7 shows an element length L for obtaining a coupling efficiency of about 95% when the interlayer coupler of this embodiment and the interlayer coupler of the comparative example are applied to an injector (corresponding to the emitter of FIG. 6). It is a figure which shows the relationship between and the interlayer distance D. FIG. FIG. 7 shows the element length L required for the interlayer distance D in the interlayer coupler of this embodiment and the interlayer coupler of the comparative example.
As shown in FIG. 7, the element length L of the interlayer coupler of the comparative example (see symbol □ in FIG. 7) increases exponentially with respect to the interlayer distance D, and 5 cm for the interlayer distance D of 1 μm. A degree is necessary. On the other hand, the interlayer coupler of the present embodiment (see symbol ◇ in FIG. 7) can be realized at about 200 μm.

[実施例]
図3のc-Si導波路/InP導波路の層間結合器100Aにおいて、下記の設計で試作した。
図3において、L1=10μm,L2=150μm,L3=40μmとした場合、95%程度の結合効率を得た。この場合は、両者の屈折率が0.4程度異なる。このため、第1導波路10の第2テーパ12と第2導波路30の第2テーパ32とは、非対称であり、L1≠L3となっている。
[Example]
The c-Si waveguide / InP waveguide interlayer coupler 100A shown in FIG.
In FIG. 3, when L1 = 10 μm, L2 = 150 μm, and L3 = 40 μm, a coupling efficiency of about 95% was obtained. In this case, the refractive indexes of the two differ by about 0.4. Therefore, the second taper 12 of the first waveguide 10 and the second taper 32 of the second waveguide 30 are asymmetric and L1 ≠ L3.

図1および図2の層間結合器100において、層間距離Dに対する一段目テーパ長L1は、95%程度の結合効率を得るためには、層間距離D=0.2−2μmの範囲で、L1=1μm〜20μm程度であることを確認した。本構成では、理論的には結合効率95%以上が可能である。   In the interlayer coupler 100 of FIGS. 1 and 2, the first-stage taper length L1 with respect to the interlayer distance D is such that the interlayer distance D = 0.2-2 μm in order to obtain a coupling efficiency of about 95%. It confirmed that it was about 1 micrometer-20 micrometers. In this configuration, theoretically, a coupling efficiency of 95% or more is possible.

[変形例]
図8は、変形例の層間結合器の構成を示す図である。
図8(a)に示すように、変形例の層間結合器100Bは、第1導波路10Bの第1テーパ11Bおよび第2導波路20Bの第1テーパ21Bが、外方向に凸の湾曲したテーパ形状に形成されている。なお、内方向に凸の湾曲したテーパ形状に形成することも可能である。
[Modification]
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a modified interlayer coupler.
As shown in FIG. 8A, the interlayer coupler 100B of the modified example is a curved taper in which the first taper 11B of the first waveguide 10B and the first taper 21B of the second waveguide 20B are convex outward. It is formed into a shape. It is also possible to form a tapered shape that is curved inward.

図8(b)に示すように、他の変形例の層間結合器100Cは、第1導波路10Cの第1テーパ11Cが、テーパ111と、テーパ112とからなる。第2導波路20Cの第1テーパ21Cが、テーパ121と、テーパ122とからなる。   As shown in FIG. 8B, in the interlayer coupler 100C according to another modification, the first taper 11C of the first waveguide 10C includes a taper 111 and a taper 112. The first taper 21 </ b> C of the second waveguide 20 </ b> C includes a taper 121 and a taper 122.

以上説明したように、本実施形態に係る層間結合器100は、第1導波路10から遷移した光分布を第2導波路20に伝播させて層間を結合する層間結合器であって、第1導波路10および第2導波路20は、導波路から先端に向かって幅が狭くなる第1テーパ11と、第1テーパ11の端部から先端に向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第2テーパ12と、を備え、第1テーパ11は、導波する光の反射を許容する高屈折率のテーパ形状を有し、第2テーパ12は、第1テーパ11が反射を許容することで下げた実行屈折率を基に、緩やかに屈折率を変化させるテーパ形状を有する。   As described above, the interlayer coupler 100 according to the present embodiment is an interlayer coupler that propagates the light distribution transitioned from the first waveguide 10 to the second waveguide 20 and couples the layers. The waveguide 10 and the second waveguide 20 have a first taper 11 that decreases in width from the waveguide toward the tip, and a first taper that tapers in a more gradually tapered shape from the end of the first taper 11 toward the tip. The first taper 11 has a high-refractive index taper shape that allows reflection of guided light, and the second taper 12 allows the first taper 11 to reflect. Based on the lowered effective refractive index, it has a tapered shape that gradually changes the refractive index.

これにより、殆ど結合しないところは第1テーパ11,12の高屈折率のテーパ形状によって無視し、その分、第2テーパ12,22では、実行屈折率の近接部分を広い範囲で実現する。その結果、200μm程度(従来比1/250程度)の短い素子長で1μmの層間伝送が可能となる。層間結合器100は、単純な構造ながら厚膜間の伝送が可能なため、作製容易な多層光回路用層間伝送デバイスとしての実用が期待される。
また、素子長が1μm程度であれば、CAD設計で行えるので、回折格子(グレーティングカプラなど)を用いる光導波路結合構造よりも格段に作製が容易である。
As a result, the portion that is hardly coupled is ignored by the high-refractive index tapered shape of the first taper 11 and 12, and accordingly, the second taper 12 and 22 realize the proximity portion of the effective refractive index in a wide range. As a result, interlayer transmission of 1 μm is possible with a short element length of about 200 μm (about 1/250 of the conventional one). Since the interlayer coupler 100 is capable of transmission between thick films with a simple structure, it is expected to be practically used as an interlayer transmission device for multilayer optical circuits that can be easily manufactured.
Further, if the element length is about 1 μm, it can be performed by CAD design, so that it is much easier to manufacture than an optical waveguide coupling structure using a diffraction grating (such as a grating coupler).

本発明は上記の実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
本実施形態では、第1導波路10(図1および図2参照)および第2導波路20,30が、いずれも第1テーパ11,21と第2テーパ12,22,32とを有する例について説明したが、第1導波路10または第2導波路20,30のうち一方のみ(例えば第1導波路10のみ)が第1テーパおよび第2テーパを有する構造でもよい。この場合の第2導波路には、例えば上記比較例の第2導波路5のテーパ6(図4および図5参照)のようなテーパであってもよい。
また、第1導波路10の第1テーパ11および第2テーパ12のテーパ形状と、第2導波路20の第1テーパ21および第2テーパ22のテーパ形状と、は異なるものでもよい。異なるテーパ形状とは、各テーパのスロープの角度(プロファイル)が異なることのほか、一方の導波路に図8(a)に示す曲面(曲線)テーパ形状、図8(b)に示す複数のテーパ(テーパ要素)を用いることが挙げられる。
また、本実施形態では、第1導波路10の第2テーパ12と第2導波路20,30の第2テーパ22,32とが、上方から見て、逆方向に向かい合って上下が重なるように配置しているが、上下が重なるように配置されていればよく、例えば第1導波路10の第2テーパ12と第2導波路20,30の第2テーパ22,32とが、所定の角度(180°以外)で重なる構造でもよい。このような構造を採ると、本発明の層間結合器において、導波路の方向を変えることができる。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes other modifications and application examples without departing from the gist of the present invention described in the claims.
In the present embodiment, the first waveguide 10 (see FIGS. 1 and 2) and the second waveguides 20 and 30 both have first tapers 11 and 21 and second tapers 12, 22, and 32. Although described, only one of the first waveguide 10 or the second waveguides 20 and 30 (for example, only the first waveguide 10) may have a first taper and a second taper. In this case, the second waveguide may be a taper such as a taper 6 (see FIGS. 4 and 5) of the second waveguide 5 of the comparative example.
Further, the taper shapes of the first taper 11 and the second taper 12 of the first waveguide 10 and the taper shapes of the first taper 21 and the second taper 22 of the second waveguide 20 may be different. Different taper shapes are different in slope angle (profile) of each taper, curved surface (curved) taper shape shown in FIG. 8A in one waveguide, and a plurality of tapers shown in FIG. 8B. (Taper element) is used.
Further, in the present embodiment, the second taper 12 of the first waveguide 10 and the second tapers 22 and 32 of the second waveguides 20 and 30 are opposed to each other in the opposite direction when viewed from above. However, the second taper 12 of the first waveguide 10 and the second tapers 22 and 32 of the second waveguides 20 and 30 are, for example, at a predetermined angle. It may be a structure overlapping (other than 180 °). By adopting such a structure, the direction of the waveguide can be changed in the interlayer coupler of the present invention.

また、上記した実施形態例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、上記実施の形態では、層間結合器という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、名称は方向性結合器等であってもよい。
Further, the above-described exemplary embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, a part of the configuration of an embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of an embodiment. . Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each exemplary embodiment.
Moreover, in the said embodiment, although the name called the interlayer coupler was used, this is for convenience of explanation and a name may be a directional coupler etc.

1 基板
10 第1導波路
11,11A,11B,11C,21,21A,21B,21C 第1テーパ(1sttaper)
12,22,32 第2テーパ(2ndtaper)
20,30 第2導波路
100,100A,100B,100C 層間結合器
111,112,121,122 第1テーパの複数のテーパ形状
D 層間距離(層間厚)
L 素子長(テーパ長)
1 substrate 10 first waveguide 11,11A, 11B, 11C, 21,21A, 21B, 21C first taper (1 st taper)
12, 22, 32 the second taper (2 nd taper)
20, 30 Second waveguide 100, 100A, 100B, 100C Interlayer coupler 111, 112, 121, 122 Plural taper shape of first taper D Interlayer distance (interlayer thickness)
L Element length (taper length)

Claims (7)

第1導波路と、前記第1導波路と所定層間距離離隔して配置された第2導波路と、を備え、前記第1導波路から遷移した光分布を前記第2導波路に伝播させて層間を結合する層間結合器であって、
前記第1導波路または前記第2導波路のうち少なくとも一方は、
導波路から先端に向かって幅が狭くなる第1テーパと、
前記第1テーパの端部から先端に向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第2テーパと、を備える
ことを特徴とする記載の層間結合器。
A first waveguide; and a second waveguide disposed at a predetermined interlayer distance from the first waveguide; and a light distribution transitioned from the first waveguide is propagated to the second waveguide. An interlayer coupler for joining layers,
At least one of the first waveguide and the second waveguide is
A first taper that decreases in width from the waveguide toward the tip;
The interlayer coupler according to claim 1, further comprising: a second taper that tapers with a gentler taper shape from the end of the first taper toward the tip.
前記第1テーパは、高屈折率のテーパ形状を有し、
前記第2テーパは、前記第1テーパが下げた実行屈折率を基に、緩やかに屈折率を変化させるテーパ形状を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の層間結合器。
The first taper has a tapered shape with a high refractive index,
2. The interlayer coupler according to claim 1, wherein the second taper has a tapered shape that gradually changes the refractive index based on the effective refractive index lowered by the first taper.
前記第1導波路および前記第2導波路は、
前記第2テーパ同士が互いに逆方向に向かい合って重なるように配置し、前記第1導波路の前記第2テーパから遷移した光分布を前記第2導波路の前記第2テーパに結合させて層間を結合する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の層間結合器。
The first waveguide and the second waveguide are:
The second tapers are arranged so as to face each other in opposite directions and overlap each other, and the light distribution transitioned from the second taper of the first waveguide is coupled to the second taper of the second waveguide so that an interlayer is formed. The interlayer coupler according to claim 1 or 2, wherein the interlayer coupler is coupled.
前記第1テーパは、前記光分布を、前記第2テーパの起点の大きさまで、反射、放射、モード変換を閾値以下の範囲で拡大する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の層間結合器。
3. The first taper according to claim 1, wherein the first taper expands reflection, radiation, and mode conversion to a size of a starting point of the second taper within a range below a threshold value. Interlayer coupler.
前記層間距離は、0.5μmから1.5μmの範囲である
ことを特徴とする請求項1に記載の層間結合器。
The interlayer coupler according to claim 1, wherein the interlayer distance is in a range of 0.5 μm to 1.5 μm.
前記第1テーパは、単数または複数のテーパ形状からなる
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の層間結合器。
3. The interlayer coupler according to claim 1, wherein the first taper has one or a plurality of taper shapes. 4.
前記第1テーパは、直線または曲線のテーパ形状を有する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の層間結合器。
The interlayer coupler according to claim 1, wherein the first taper has a linear or curved taper shape.
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