CN101359071B - 光耦合器件 - Google Patents

Abstract

本发明能够与其他的光器件、其电极等的工艺整合而集成化，可以实现大规模的集成化、批量生产化等。在使在光纤、空间中传播的光信号耦合到光波导中的光耦合器件中，具备：形成在基板11上的下部包层12；光波导13，其在下部包层12上，前端朝向下部包层12的端部形成，并且前端部13a收拢为锥形状；以及上部包层14，其在下部包层12上以及光波导13的前端部13a上，从下部包层12的端部连续地形成到光波导13的前端部13a，并且比下部包层12折射率大；其中，利用上部包层14将入射到下部包层12的端部的光引到该包层14侧，使其耦合到光波导13的前端部13a。

Description

光耦合器件

技术领域

本发明涉及将在光纤、空间中传播的光信号耦合到光波导中的光耦合器件，特别涉及具备有光斑尺寸(スポツトサイズ)变换功能的光耦合器件。

背景技术

近年来，由于硅的LSI的已成熟的工艺技术所能够利用的硅光子学的研究的发展，即使在极其微细且急的弯曲处也可以实现低损失的波导，可以实现光通信用的发送接收模块以及系统的小型化、低消耗电能化、光布线向硅LSI的导入以及融合化等。但是，高效率地将在光纤、空间中传播的光耦合在具有数百纳米见方或以下的微小剖面尺寸的Si细线波导中是困难的。例如，为了用Si细线实现适合于在波长1.5μm带上超高速光传送的单模光波导，需要将剖面尺寸形成为500μm见方或以下。为此，能够实现上述的耦合的光斑尺寸变换技术成为对于硅光子学的实用化来说重要的一点。

作为向细线波导进行高效率的光耦合的光斑尺寸变换器，一般的方法是：1)利用对光的模式(モ一ド)剖面积进行隔热压缩的锥形构造来抑制因光的反射、散射引起的损失的方法；2)将锥形构造与用于光封入的包层组合起来的方法。

方法1)虽然应用范围广且使用最多，但应用于向需要将光的模式剖面积从数μm×数μm到数百μm×数百μm缩小2位左右的Si细线波导的光耦合是困难的。在这样向需要大幅度的模式剖面积的缩小的Si细线波导的光耦合中，有效地利用了能够利用先进的微细加工技术的硅的优点的方法2)得到使用(例如，参照非专利文献1)。

采用非专利文献1的方法的光耦合器件的构成是：将SOI基板的埋入绝缘膜(SiO₂)用作为下部包层，在下部包层上形成Si的细线光波导，并用由聚合物、SiON等构成的数μm见方的上部包层埋入该细线光波导。细线光波导的高度是200～300m，宽度是300～500nm左右，成为输入输出部的锥形构造部的前端的宽度是小于等于100nm，长度是200～300μm左右。如果使光入射到上部包层，则因为在锥形构造的部分上光逐渐耦合到硅细线波导中，所以如果锥形长度是数百μm左右，则能够使90％或以上的光耦合到细线光波导中。

但是，在这种光耦合器件中，存在以下那样的问题。即，因为使用聚酰亚胺树脂等聚合物、SiON等施加蒸镀、热处理等工艺而形成大于等于数微米见方的立体构造作为上部包层，所以与受光/发光元件等其他光器件、其电极等的工艺整合从而进行集成化是困难的。因此，存在大规模的集成化、批量生产化困难的问题。

[非专利文献1]T.Tsuchizawa et al.，IEEE Journal of Selected Topicsin Quantum Electronics，Vol.11，pp.232-239，2005.

发明内容

本发明就是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够与其他的光器件、其电极等的工艺整合从而进行集成化并且可以大规模的集成化、批量生产化的光耦合器件。

本发明的一种方式的光耦合器件的特征在于，具备：形成在基板上的下部包层；光波导，其在上述下部包层上，前端朝向上述下部包层的端部形成，并且该前端部收拢为锥形状；以及上部包层，其在上述下部包层上以及上述光波导的前端部上，从上述下部包层的端部连续地形成到上述光波导的前端部，并且比上述下部包层折射率大；其中，利用上述上部包层将入射到上述下部包层的端部的光引到该上部包层侧，使其耦合到上述光波导的前端部。

如果采用本发明，则通过将上部包层薄膜化，并且采用使光向下部包层入射的光斑尺寸变换结构，可以实现光布线的光输入输出部的薄层化/平坦化。由此，可以实现与其他的光器件、电子电路等的大规模的集成化以及基于此的光布线LSI的批量生产化。

附图说明

图1是表示第1实施方式的光耦合器件的概略结构的透视图和俯视图；

图2是表示入射到第1实施方式的光耦合器件的下部包层的光斑光的各部分的强度分布的图；

图3是表示第1实施方式的光耦合器件内的光传输的状态的图；

图4是表示第1实施方式的光耦合器件的耦合效率的折射率依赖性的图；

图5是表示第1实施方式的光耦合器件的耦合效率的包层厚度依赖性的图；

图6是表示针对下部包层的入射光斑光的中心位置与耦合效率的关系的图；

图7是表示第2实施方式的光耦合器件的概略结构的透视图；

图8是表示第1实施方式的光耦合器件的耦合效率的波长依赖性的图；以及

图9是用于说明第3实施方式的图，其表示光耦合器件对于光耦合器件的波长多路光布线的应用例子的俯视图。

符号说明

10：SOI基板，11：Si基板，12：下部包层，13：Si细线光波导，13a：锥形部，14：上部包层，15：入射光的光斑，21：光纤支撑用基板，26：光纤，30：波长多路分支部，33：Si细线光波导，34：上部包层。

具体实施方式

以下，利用图示的实施方式说明本发明的细节。

(第1实施方式)

图1是用于说明本发明的第1实施方式的光耦合器件的概略结构的图，(a)是透视图，(b)是俯视图。

在Si基板11上形成有由SiO₂膜构成的下部包层12，在下部包层12上的一部分上，与下部包层12的端部稍微离开地形成有由Si构成的细线光波导13。下部包层12的厚度是3μm，Si细线光波导13的厚度是250nm，宽度是450nm。Si细线光波导13的前端部13a被加工成锥形状，其前端的宽度成为80nm。

在下部包层12以及光波导13的前端部13a上，形成有具有与入射到下部包层12的光的光斑直径同等程度的宽度的上部包层14。上部包层14用比下部包层12折射率高的材料，例如SiON形成。

上述的基本结构能够用SOI基板来实现。即，下部包层12是SOI基板10的埋入绝缘膜(SiO₂膜)，光波导13是将SOI基板10的Si层加工成细线状而成的部分。此外，图1仅示出了SOI基板10的光耦合器件形成区域，在其他的区域，形成有发光、受光、其他各种器件，还有布线等。

在本实施方式中，不使来自光纤等的光15入射到上部包层14，而是使其入射到下部包层12。入射到下部包层12的光虽然在下部包层12中行进，但被引到折射率高的上部包层14，并聚光在下部包层12的上面侧。并且，高效率地耦合到光波导13的锥形状的前端部13a上。

图2是表示入射到下部包层12的光斑光15的各部分的强度分布的示意图。入射到下部包层12的入射光的光斑由比下部包层12折射率高的上部包层14会聚，并且在上部包层14所存在的区域，光斑尺寸减少。并且，被耦合在比上部包层14折射率高的细线光波导13上，并且在细线光波导13中，光斑尺寸进一步减小。

图3表示光耦合器件内的光传输的状态。图3(a)是表示从侧面看光耦合器件时的、相对于厚度方向(Y方向)的光的分布的图，图3(b)是表示从上面看光耦合器件时的宽度方向(X方向)的光的分布的图，在图中的白色部分处，光强度增高。此外，图3(c)表示光的行进方向(Z方向)上的光耦合效率。从这些图可以看出，入射到下部包层12的光，伴随着在下部包层12内行进，被引到上部包层14，并高效率地耦合到光波导13中。

这样，在本实施方式中，作为能够实现光布线的输入输出部的平坦化的光耦合器件的结构，如图1所示，将上部包层14的厚度形成为比上部包层14内部的光的波长(波长÷上部包层14的折射率)薄。但是，上部包层14的折射率增大到入射到下部包层12的光充分强地被引到上部包层14和细线光波导13的锥形部13a的程度。这种情况下，虽然在该上部包层14的部分上光未被封入，但会起到将入射到下部包层12的光引到上部包层14并且帮助锥形部13a的耦合光的模式整合的作用。

此时，期望上部包层14的折射率和厚度处于下面那样的关系。即，如果将上部包层14的折射率设置为n₁，将入射的光的波长设置成λ，则上部包层14的厚度d₁比光波导13的厚度d₀厚，比上部包层14中的光的波长λ/n₁薄。因而，设置成：

d₀≤d₁≤λ/n₁    ...(1)

此时，光不在上部包层14内导波。但是，在将上部包层14和Si细线光波导13的锥形部分13a合起来的结构的有效折射率充分大，此外模式整合良好的情况下，可以向Si细线光波导13进行高效率的光耦合。

另一方面，因为下部包层12(折射率n₂)使波长λ的光导波，所以，需要设置成：

d₂≥λ/n₂    ...(2)

而且，此时上部包层14的宽度W₁优选进行横方向的光的封入，从而为了抑制光向横方向的扩展，在将入射的光的光斑直径设置成r时，期望设置成：

W₁≥r    ...(3)

如果光斑尺寸是3μm左右，则期望设置在3～6μm的宽度。即，因为如果将上部包层14的宽度W₁设置得过大，则不能抑制向横方向的扩展，所以W₁的上限期望是2r左右。

此外，在光入射到SOI基板的SiO₂层(下部包层12，波长1.55μm下的折射率1.44)的情况下，会存在对折射率大的Si基板11(波长1.55μm下的折射率3.48)的光的泄漏的问题。但是，如果是数μm的光斑尺寸经过充分地校准的束光，则SiO₂/Si界面上的反射率较大，从而可以几乎没有损失地使其导波数百μm长度，并且在其间能够使光耦合到模式的整合良好的Si细线光波导13的锥形部13a。此外，为了抑制对该Si基板11的光的泄漏，只要在入射光的光斑直径r、上部包层14的厚度d₁、下部包层12的厚度d₂之间下面的关系成立即可：

d₁+d₂≥r    ...(4)

在本实施方式的光耦合器件中，在将上部包层14的厚度设置成与Si细线光波导13的厚度(250nm)相同的情况下，用采用波束传播法的光传播模拟求取耦合效率对于上部包层14的折射率依赖性而得到的结果，示于图4中。如图4所示，如果将折射率选择在1.65～1.8，则即使将上部包层14设置到与Si细线光波导13相同程度的薄，也能够实现高效率的光耦合。

在本实施方式的光耦合器件中，将上部包层14的折射率设置成一般的聚合物树脂的折射率(1.525)，并用采用波束传播法的光传播模拟求取耦合效率对于上部包层14的厚度依赖性而得到的结果，示于图5中。如图5所示，能够用亚微米厚度(0.3～0.8μm)的上部包层14实现高效率的光耦合。

由此，能够实现光布线的输入输出部分的平坦化成为可能并且可以实现与其他的光器件、电子电路等的大规模的集成化以及基于此的光布线LSI的批量生产化的光耦合器件，而这些在将上部包层14设置成充分厚而使光入射并进行导波的方式下是困难的。

从上述结果可知，作为第1实施例，在对于上部包层14使用了折射率1.7的SiON的情况下，只要其厚度设置为250nm，宽度设置为4μm即可。此外，作为第2实施例，在对于上部包层14使用了折射率1.525的聚酰亚胺类聚合物树脂的情况下，只要其厚度设置为700nm，宽度设置为4μm即可。

此外，在本实施方式的光耦合器件中，调查针对下部包层12的入射光斑光的中心位置与耦合效率的关系而得到的结果示于图6中。而且，在此，通过采用波束传播法的光传播模拟来求取光耦合效率的光斑位置依赖性。此时，下部包层12的厚度设置成3μm，Si细线光波导13的厚度设置成250nm、宽度设置成450nm、锥形长度设置成200μm、前端宽度设置成80nm，上部包层14的厚度设置成250nm、宽度设置成4μm。

如图6所示，可知通过将入射光斑光的中心位置设定在下部包层12的厚度方向的中心附近，更正确地设定为比下部包层12的厚度方向的中心稍微靠上，能够得到充分高的耦合效率。即，在上部包层14的上端和下部包层12的下端之间的大致中间点上，耦合效率成为最大(大于等于95％)，在以该点为中心的±0.5μm以内得到大于等于80％的耦合效率(小于等于1dB的耦合损失)。

而且，如果光斑的中心位置在上下方向上大幅度(大于等于1μm)偏移，则向空气中或者基板的光的泄漏会变得显著。

这样，如果采用本实施方式，则通过将上部包层14薄膜化，并且采用使光向下部包层12入射的光斑尺寸变换结构，可以实现光布线的光输入输出部的薄层化/平坦化。即，能够实现兼具在光纤、空间中传播的光信号的、向微细的光波导的高效率的光耦合和因光布线输入部的平坦化而导致的集成化的容易性的光耦合器件。由此，可以实现与其他的光器件、电子电路等的大规模的集成化以及基于此的光布线LSI的批量生产化。

即，能够实现在光纤、空间中传播的光信号的、向微细的光波导的高效率的光耦合、因光布线输入部的平坦化而导致的集成化的容易性这两方面。

(第2实施方式)

图7是表示本发明的第2实施方式的光耦合器件的概略结构的透视图。而且，对于与图1相同的部分标注相同符号，并省略其详细的说明。

本实施方式是将光纤连接到第1实施方式那样的光耦合器件的方式。

在光纤支撑用基板21上的一部分上，形成有下部包层12，在该下部包层12上，与第1实施方式同样形成有Si细线光波导13以及上部包层14。在支撑用基板21上，沿着与下部包层12的端面正交的方向形成有用于将光纤26的位置固定的剖面V字形的沟。

在此，对于支撑用基板21，能够使用SOI基板的基底Si基板。即，通过在光纤26的支撑部处除去SOI基板的埋入绝缘膜12，能够将SOI基板的基底Si基板11直接用作为光纤支撑用基板21。

与前面的第1实施方式同样，下部包层12的厚度设置成3μm，Si细线光波导13的厚度设置成250nm、宽度设置成450nm、锥形长度设置成200μm、前端宽度设置成80nm，上部包层14用SiON且其厚度设置成250nm、宽度设置成4μm。高折射率光纤的输出光(波长1.55μm，光斑直径4μm)一入射到这样的光耦合器件，便得到大于等于90％的光耦合效率(耦合损失小于等于0.5dB)。

(第3实施方式)

在第1实施方式中仅说明了光输入部，但通过对于光输出部形成同样的结构，在使来自Si细线波导的输出耦合在光纤中的情况下，也可以高效率地进行光耦合。

进而，如图8所示，耦合效率在从1.3μm到1.7μm的范围中几乎不依赖于波长，能够得到高效率的光耦合。因而，通过将第1实施方式那样的光耦合器件的结构应用于光线路的输入输出部，能够实现覆盖光通信波长带的整个区域的波长多路光布线。

图9是表示本发明的第3实施方式的光耦合器件对于波长多路光布线的应用例子的俯视图。而且，对于与图1相同的部分标注相同符号，并省略其详细的说明。

在下部包层12的一个端部附近形成有第1上部包层14，在另一个端部附近形成有第2上部包层34。在下部包层12与第1上部包层14之间形成有作为输入波导发挥作用的Si细线光波导13，在下部包层12与第2上部包层34之间形成有作为输出波导发挥作用的多条Si细线光波导33。并且，在输入波导13与输出波导33之间形成有用于将从输入波导13输入的光分支到每个波长不同的输出波导33的波长多路分支部30。

Si细线光波导13、33的厚度、宽度等的条件与第1实施方式是同样的。上部包层14、34的材料、厚度等的条件与第1实施方式是同样的，但上部包层34是跨多条光波导33连续地设置的。

利用这样的结构，能够实现覆盖光通信波长带的整个区域的波长多路光布线。此外，代替输出波导33，通过设置光检测器，也能够获取按每个波长分支的光输出作为电信号。

(变形例子)

而且，本发明并不限于上述的实施方式。在实施方式中虽然使用了SOI基板，但并不是必须使用SOI基板。只要是在下部包层上的一部分上配置光波导，并且在其上具有上部包层的结构即可。进而，上部包层、下部包层以及光波导的材料在本实施方式中没有任何限制，可以根据规格适宜变更。在设置成上部包层的折射率n₁、下部包层的折射率n₂、光波导的折射率n₀时，只要是以下的关系即可：

n₂＜n₁＜n₀

此外，上部包层的厚度、宽度等，下部包层的厚度，光波导的厚度、宽度等的条件也可以根据规格适宜变更，特别地，期望它们设置在(1)～(4)式所示的范围内。

此外，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行各种变形来实施。

Claims (10)

1.一种光耦合器件，其特征在于，具备：

形成在基板上的下部包层；

光波导，其在上述下部包层上，前端朝向上述下部包层的端部形成，并且该前端部收拢为锥形状；以及

上部包层，其在上述下部包层上以及上述光波导的前端部上，从上述下部包层的端部连续地形成到上述光波导的前端部，并且比上述下部包层折射率大；

其中，利用上述上部包层将入射到上述下部包层的端部的光引到该上部包层侧，使其耦合到上述光波导的前端部。

2.根据权利要求1所述的光耦合器件，其特征在于：

在将上述光波导的厚度设置为d₀，将上述入射的光的波长设置为λ，将上述上部包层的折射率设置为n₁时，上述上部包层的厚度d₁处于以下的关系：

d₀≤d₁≤λ/n₁。

3.根据权利要求1或者2所述的光耦合器件，其特征在于：

在将上述入射的光的波长设置为λ，将上述下部包层的折射率设置为n₂时，上述下部包层的厚度d₂处于以下的关系：

d₂≥λ/n₂。

4.根据权利要求1或者2所述的光耦合器件，其特征在于：

在将上述入射的光的光斑直径设置为r时，上述上部包层的宽度W₁处于以下的关系：

W₁≥r。

5.根据权利要求1或者2所述的光耦合器件，其特征在于：

在将上述入射的光的光斑直径设置为r时，上述上部包层的厚度d₁与上述下部包层的厚度d₂处于以下的关系：

d₁+d₂≥r。

6.根据权利要求1或者2所述的光耦合器件，其特征在于：上述光波导是细线光波导。

7.根据权利要求6所述的光耦合器件，其特征在于：上述细线光波导由Si构成，上述下部包层由SiO₂构成。

8.根据权利要求1或者2所述的光耦合器件，其特征在于：

上述下部包层是SOI基板的埋入绝缘膜，该SOI基板是在Si基板上以所述埋入绝缘膜介于中间地形成Si层而成的基板；

上述光波导是将上述SOI基板的Si层加工成线状而成的。

9.一种光耦合器件，其在基板上设置有用于固定光波导部件的固定部和与该光波导部件光耦合的光耦合部，其特征在于，上述光耦合部包括：

下部包层，其具有与上述固定部相对的端面，并形成在上述基板上；

光波导，其在该下部包层上，前端朝向上述下部包层的端部形成，并且该前端部收拢为锥形状；以及

上部包层，其在上述下部包层上以及上述光波导的前端部上，从上述下部包层的端部连续地形成到上述光波导的前端部，并且比上述下部包层折射率大；

其中，将入射到上述下部包层的端部的光，利用上述上部包层引到该包层侧，使其耦合到上述光波导的前端部。

10.一种光耦合器件，其使用SOI基板，并在该SOI基板上设置有光纤固定部和光耦合部，该SOI基板是在Si基板上以埋入绝缘膜介于中间地形成Si层而成的基板，其特征在于：

上述光纤固定部，通过除去上述SOI基板的Si层以及埋入绝缘膜并且在所露出的Si基板的表面形成剖面V字形的沟而构成；

上述光耦合部包括：

下部包层，其具有与上述光纤固定部相对的端面，并由上述埋入绝缘膜构成；

Si细线光波导，其在该下部包层上，前端朝向上述下部包层的端部形成，并且该前端部收拢为锥形状；以及

上部包层，其在上述下部包层上以及上述光波导的前端部上，从上述下部包层的端部连续地形成到上述光波导的前端部，并且比上述下部包层折射率大；

其中，将入射到上述下部包层的端部的光，利用上述上部包层引到该包层侧，使其耦合到上述光波导的前端部。

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