JP2015011207A

JP2015011207A - 光デバイス

Info

Publication number: JP2015011207A
Application number: JP2013136917A
Authority: JP
Inventors: 洋一平; Yoichi Taira
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2015-01-19
Also published as: US9638864B2; US20150003781A1

Abstract

【課題】グレーティングによって進行方向を変えられる（回折される）信号光の回折効率と結合効率を独立に決定できる光結合を実現することができる光デバイスを提供する。【解決手段】光デバイスは、光導波路の一端を成す第１の層２１と、第１の層の２１上に第１の層２１よりも屈折率の低い第２の層２２を備え、第１の層２１から第２の層２２に入る光を回折させて第２の層２２から第１の層２１に出す光回折手段とを含む。１実施例の光デバイスでは、光回折手段が第２の層の上に回折格子構造を成す第３の層２３を備える。他の実施例の光デバイスでは、第２の層２２が回折格子構造を成す。【選択図】図２

Description

本発明は、光通信技術に関し、特に光導波路に対して光信号を入出力する光デバイスに関する。

光通信技術、特にシリコンチップに光導波路を設けたシリコンフォトニクス技術において、シリコン光導波路を外部の光ファイバやソースレーザと効果的に光結合することは極めて重要である。

この光結合の方法として、１）シリコン光導波路と別の光導波路（光ファイバを含む）を直接つなぎ合わせるバット結合、２）シリコン光導波路と別の光導波路の間に微小なレンズを配置して光結合するレンズ結合、３）シリコン基板上の光導波路に光回折格子の構造を作製し、シリコン光導波路と別の光導波路の間を光結合する回折格子（グレーティング）結合などが考案されている。

バット結合は、２つの光導波路の開口比（ＮＡ）が異なるため、ＮＡの変換が必要で、高い位置決め精度も必要である。レンズ結合はレンズの３次元形状の作製が必要で、且つレンズなどの位置も高い精度で維持する必要がある。

シリコン基板上に作製の回折格子は、ＮＡの変換も可能であり、回折格子の構造は、高精度で作製可能である。しかしながら、シリコン光導波路に回折格子を作製すると、上下２つの方向に信号光は結合可能であり、このため、高い結合効率を実現することが難しい。

図１に、シリコン光導波路の中を伝播する信号光を外部に取り出す即ち出力したり、外部から信号光をその中に取り入れる即ち入力したりするグレーティング（回折格子）構造を設けた光デバイスの概要を示す。図１では、（ａ）に光デバイス１０の上平面図を示し、（ｂ）に光デバイス１０の側断面図を示す。図１は、シリコン光導波路から信号光を外部に取り出す即ち出力する場合を示す。

光デバイス１０では、シリコン基板１１の上に酸化物層１２が設けられ、酸化物層１２の上にシリコン光導波路１３が形成されている。さらに、シリコン光導波路１３の一方の端にグレーティングカプラ１４が形成されている。グレーティングカプラ１４には、複数の溝が平行に同心円状に設けられている。グレーティングカプラ１４での回折による回折光は、酸化物層１２およびシリコン基板１１を通って外部に出て行く。

特許文献１に、基板の上に設けられ光導波路からの信号光を基板の上方向に光路変換する集光型グレーティングカップラにおいて、回折格子部が、光導波路のコア層とは異なる、例えば上部クラッド層や別途形成した他の層に形成されていても良いことが示されている。

特許文献２に、光導波路層の一端に設けられたグレーティングを覆うオーバークラッド層の上に金などの光反射膜を形成することが示されている。

特開２０１１−１０７３８４号公報特開２０１０−４４２９０号公報

通常、シリコン光導波路の結合用回折格子は、光導波路のコア層と同じシリコン層を加工して形成される。しかしながら、コア層を直接加工すると、伝播モードへの影響が大きく、伝播損失が大きい。図１の光デバイス１０のように、コア層を直接加工する回折格子では、回折格子の回折効率と結合効率は回折格子の加工深さだけで同時に決まるので、回折格子の設計および加工が簡単ではない。本発明は、回折格子の回折効率と結合効率を独立に決定できる光結合の実現を目的とする。本発明の目的には、そのような光結合を実現する光デバイスの提供が含まれる。

本発明により提供される１実施態様の光デバイスは、光導波路の一端を成す第１の層と、第１の層の上に第１の層よりも屈折率の低い第２の層を備え、第１の層から第２の層に入る光を回折させて第２の層から第１の層に出す光回折手段とを含む。

好ましくは、光デバイスは、第１の層がシリコンから成り、第２の層が窒化シリコン、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンから成ると良い。

好ましくは、光デバイスは、光回折手段が、第２の層の上に回折格子構造を成す第３の層を備えると良い。

好ましくは、光デバイスは、第３の層の回折格子構造の上に反射膜を備えると良い。

好ましくは、光デバイスは、第２の層が回折格子構造を成すと良い。

好ましくは、光デバイスは、第２の層の回折格子構造の上に反射膜を備えると良い。

好ましくは、光デバイスは、反射膜が金属から成ると良い。

本発明により、回折格子の回折効率と結合効率を独立に決定できる光結合が実現される。特に、回折格子の回折効率と結合効率を独立に決定できるので、回折格子を作製する設計の自由度が増し、回折格子の回折効率を十分に高くした上で、回折格子への結合効率を独立に制御して、最適な回折格子を作製することができ、高い回折効率と結合効率を達成する。

光導波路のコア層と同じ層を加工して回折格子構造を設けた光デバイスの概要を示す図である。本発明の１実施形態に係る、光導波路の一端を成すコア層の上に屈折率の低い層と回折格子構造を成す層とを設けた光デバイスを概略的に示す図である。図２の回折格子構造を成す層に反射膜を設けた光デバイスを概略的に示す図である。本発明の他の実施形態に係る、光導波路の一端を成すコア層の上に屈折率の低い層を設けて回折格子構造を形成した光デバイスを概略的に示す図である。図４の回折格子構造を形成した屈折率の低い層に反射膜を設けた光デバイスを概略的に示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、記載された実施形態の内容に限定して解釈されるべきではない。なお、実施形態の説明の全体を通じて同じ構成部分乃至構成要素には同じ番号を付している。

図２に、本発明の１実施形態に係る、光導波路の一端を成すコア層の上に屈折率の低い層と回折格子構造を成す層とを設けた光デバイス２０を概略的に示す。図２でも、（ａ）に光デバイス２０の上平面図を示し、（ｂ）に光デバイス２０の側断面図を示す。

光デバイス２０でも、光デバイス１０と同様に、シリコン基板１１の上に酸化物層１２が設けられ、酸化物層１２の上にシリコン光導波路１３が形成されている。しかし、光デバイス２０では、シリコン光導波路１３の一端を成す、例えばシリコンの第１の層２１に回折格子構造は設けられない。第１の層２１の上には、第１の層２１よりも屈折率の低い、好ましくは窒化シリコン、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンから成る第２の層２２が設けられる。そして、第２の層２２の上に、例えばシリコンから成る第３の層２３が設けられて、第３の層２３に回折格子構造が形成される。

シリコン光導波路１３の一端を成す第１の層２１そのものには回折格子構造を形成しないで、第１の層２１の上に低屈折率の第２の層２２を設け、第２の層２２の上に第３の層２３を設けて、第３の層２３に回折格子構造を形成するので、回折格子構造の作製が容易になる。また、シリコン光導波路１３の一端を成す第１の層２１そのものには回折格子構造を形成していないので、第１の層２１では信号光の回折は起きず、信号光は第２の層２２に導かれ、回折格子構造が形成されている第３の層２３で信号光の回折が起きる。

図３に、回折格子構造を成す第３の層２３に反射膜３１を設けた光デバイス３０を概略的に示す。回折格子構造を成す第３の層２３の上に反射膜３１を設けることにより、第３の層２３での回折光は、第２の層２２がある下方向だけの一方向に限定されることになり、結合効率を高くすることができる。

図４に、本発明の他の実施形態に係る、光導波路の一端を成すコア層の上に屈折率の低い層を設けて回折格子構造を形成した光デバイス４０を概略的に示す。図４でも、（ａ）に光デバイス４０の上平面図を示し、（ｂ）に光デバイス４０の側断面図を示す。

光デバイス４０でも、光デバイス１０と同様に、シリコン基板１１の上に酸化物層１２が設けられ、酸化物層１２の上にシリコン光導波路１３が形成されている。しかし、光デバイス４０でも、光デバイス２０と同様に、シリコン光導波路１３の一端を成す、例えばシリコンの第１の層２１に回折格子構造は設けられない。第１の層２１の上には、第１の層２１よりも屈折率の低い、好ましくは窒化シリコン、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンから成る第２の層４１が設けられる。そして、この第２の層４１に回折格子構造が形成される。

光デバイス４０でも、シリコン光導波路１３の一端を成す第１の層２１そのものには回折格子構造を形成しないで、第１の層２１の上に低屈折率の第２の層４１を設け、第２の層４１に回折格子構造を形成するので、回折格子構造の作製が容易になる。また、シリコン光導波路１３の一端を成す第１の層２１そのものには回折格子構造を形成していないので、第１の層２１では信号光の回折は起きず、信号光は第２の層４１に導かれ、回折格子構造が形成されている第２の層４１で信号光の回折が起きる。

図５に、回折格子構造を成す第２の層４１に反射膜５１を設けた光デバイス５０を概略的に示す。回折格子構造を成す第２の層４１の上に反射膜５１を設けることにより、第２の層４１での回折光は、第１の層２１がある下方向だけの一方向に限定されることになり、結合効率を高くすることができる。

図２乃至図４では、シリコン光導波路１３から信号光を外部に取り出す即ち出力する場合が示されているが、光デバイス２０、３０、４０および５０は、外部から信号光をシリコン光導波路１３の中に取り入れる即ち入力する場合でも使用することができ、高い回折効率と結合効率を達成する。

以上、実施態様を用いて本発明の説明をしたが、本発明の技術的範囲は実施態様について記載した範囲には限定されない。実施態様に種々の変更又は改良を加えることが可能であり、そのような変更又は改良を加えた態様も当然に本発明の技術的範囲に含まれる。

１０、２０、３０、４０、５０光デバイス
２１第１の層
２２、４１第２の層
２３第３の層
３１、５１反射膜

Claims

光導波路の一端を成す第１の層と、
前記第１の層の上に前記第１の層よりも屈折率の低い第２の層を備え、前記第１の層から前記第２の層に入る光を回折させて前記第２の層から前記第１の層に出す光回折手段と、
を含む、光デバイス。
前記第１の層がシリコンから成り、前記第２の層が窒化シリコン、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンから成る、請求項１に記載の光デバイス。
前記光回折手段が、前記第２の層の上に回折格子構造を成す第３の層を備える、請求項１又は２に記載の光デバイス。
前記第３の層の回折格子構造の上に反射膜を備える、請求項３に記載の光デバイス。
前記第２の層が回折格子構造を成す、請求項１又は２に記載の光デバイス。
前記第２の層の回折格子構造の上に反射膜を備える、請求項５に記載の光デバイス。
前記反射膜が金属から成る、請求項４又は６に記載の光デバイス。