光集積回路における光結合効率の向上

光集積回路（PIC）において、光ファイバーと導波路の間での効率的な光結合を実現するための重要な要素は、グレーティングカプラとマイクロレンズの協調設計です。このアプローチにより、結合効率が飛躍的に高まり、さらにはモード不一致や微細な位置ズレに対する耐性も強化されます。この記事では、Ansys LumericalおよびZemax OpticStudioを活用したマルチスケールシミュレーションを駆使した設計ワークフローを紹介します。

マルチスケールシミュレーションのワークフローを紹介し、光集積回路用のファイバ-導波路結合システムの設計を行う。

グレーティングカプラとマイクロレンズの最適化戦略

フォトニックデバイスの最適設計において、グレーティングカプラとマイクロレンズの組み合わせは、光の拡散とコリメーションを効果的に行うための必須手法です。特に、波長スケールを超える構造による光の挙動を解析する際には、物理光学伝搬（POP）を適用します。Lumerical FDTDソルバーを用いて、グレーティングカプラからの電磁場の出力を解析し、そのデータをZBF形式でエクスポートします。Zemax OpticStudioにこれらのデータをインポートすることで、マクロスケールでの光伝搬特性を詳細に解析することが可能となります。

グレーティングカプラーとの微視的な光の相互作用はANSYS Lumericalでシミュレーションされ、巨視的な伝搬と公差計算にはANSYS Zemax OpticStudioが使用されている。

光結合効率の向上とモード不一致の軽減に向けたアプローチ

ファイバーと導波路の間での光結合効率を最適化するためには、マイクロレンズの曲率および位置を精密に調整する必要があります。例えば、光ファイバーと導波路の間に300µmの距離がある場合、レンズの曲率半径を500µmに設定することで、最高の結合効率が得られることがシミュレーションにより示されています。また、ミスマッチに対する耐性を強化するために、マイクロレンズの導入が有効であることも明らかにされています。これにより、システムのトータルパフォーマンスを向上させることができます。

効率的なカプラの設計という課題に対処するために考えられる様々な結合メカニズムの中で、ファイバのアライメントの許容誤差を軽減するために、グレーティングの上にマイクロレンズを追加したグレーティングカプラによる解決策

光は導波路から入射され、グレーティングによって取り出される。Lumerical FDTDソルバーのシミュレーション領域は、グレーティングと光が相互作用する領域をカバーするように設定され、光が抽出される上部にはモニターが置かれる。

システム全体の損失と効率解析

システム全体の損失は、LumericalとZemaxのシミュレーション結果を統合することで詳細に解析されます。例えば、出力結合損失は40%程度であることが示されており、マイクロレンズの導入により結合効率が劇的に向上します。また、入力方向での光結合効率も同様に解析され、最終的なシステム効率を最大化するための最適設計が可能となります。このように、マルチスケールシミュレーションを駆使した光結合設計は、光集積回路の性能を飛躍的に向上させる鍵となります。