JP2016024425A - グレーティングカプラ形成方法 - Google Patents

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【課題】グレーティングカプラをウェハ上の任意の箇所に一時的に形成することができるグレーティングカプラ形成方法を提供する。【解決手段】シリコン導波路4が形成されたシリコンウェハ1に物理的刺激を加えることにより、シリコン導波路4の屈折率を周期的に変化させて、シリコン導波路4にグレーティングカプラを形成する。シリコンウェハ1に対して2方向から光10,11を照射し、光の干渉により、シリコンウェハ1に周期的な光強度分布を生成することにより、シリコン導波路4の屈折率を周期的に変化させる。【選択図】図1

Description

本発明は、光回路にグレーティングカプラを一時的に形成する技術に係り、光回路のウェハレベルでの検査に適用が可能なグレーティングカプラ形成方法に関するものである。
シリコンフォトニクスを始め、その他の材料系も含め、光デバイスは、ウェハ上に作製され、ウェハからチップに切り出されるという手法がとられている。光デバイスのウェハ端面には光ファイバを介して光が入力される。この場合、シリコンなどの高屈折率材料においては、導波路の断面のサイズが数百ミクロンオーダとなり、光ファイバとの端面結合の損失を低減するために、SSC(Spot size converter)などの集積した構造が用いられている(非特許文献1参照)。
また、近年、シリコンフォトニクスは電子回路との親和性からCMOSの作製プロセスで光回路を作製できることが利点とされているが、その場合には、SSC等の特異的な作製プロセスを使用せずに製作が可能なGC(Grating coupler)を光回路に作り込み、ウェハ検査に使用する例がみられている(非特許文献2参照)。
T.Shoji,T.Tsuchizawa,T.Watanabe,K.Yamada,H.Morita,"Low loss mode size converter from 0.3μm square Si wire waveguides to single mode fibres",Electronics Letters,Vol.38,No.25,p.1669-1670,2002 Attila Mekis,Steffen Gloeckner,Gianlorenzo Masini,Adithyaram Narasimha,Thierry Pinguet,Subal Sahni,and Peter De Dobbelaer,"A Grating-Coupler-Enabled CMOS Photonics Platform",IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS,Vol.17,No.3,p.597-608,2011
従来の光ファイバとチップとの端面結合においては、光の損失が問題となり、その損失を低減させるデバイスの作製プロセスは従来のCMOS作製プロセスとの親和性に問題があった。また、光デバイスをチップに切り出して端面結合によって1チップ毎に検査をする場合には、ウェハレバルでの検査と比較して検査コストが高価になるという問題があった。
GCを用いたウェハ検査においては、GCを予め光回路に作り込む必要があり、検査箇所はGCを作り込んだ箇所に限定されてしまう。また、GCから定常的に光を出射させる場合には、その出力光の分だけ損失となる。もしくは、検査時のみGCから光を出力したい場合には、GCの前段に光スイッチを作り込む必要があり、光スイッチの過剰損失や、光スイッチの駆動系まで作り込む必要があるという問題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、グレーティングカプラをウェハ上の任意の箇所に一時的に形成することができ、グレーティングカプラによる定常的な光損失を抑えることができるグレーティングカプラ形成方法を提供することを目的とする。
本発明のグレーティングカプラ形成方法は、光導波路が形成されたウェハに物理的刺激を加えることにより、前記光導波路の屈折率を周期的に変化させて、前記光導波路にグレーティングカプラを形成することを特徴とするものである。
また、本発明のグレーティングカプラ形成方法の1構成例において、前記物理的刺激は、前記ウェハに対する光照射であり、前記ウェハに周期的な光強度分布を生成することにより、前記光導波路の屈折率を周期的に変化させて、前記光導波路にグレーティングカプラを形成することを特徴とするものである。
また、本発明のグレーティングカプラ形成方法の1構成例は、光の干渉により、前記ウェハに周期的な光強度分布を生成することを特徴とするものである。
また、本発明のグレーティングカプラ形成方法の1構成例は、前記ウェハに強度が周期的に変化する光を照射することにより、前記ウェハに周期的な光強度分布を生成することを特徴とするものである。
また、本発明のグレーティングカプラ形成方法の1構成例において、前記物理的刺激は、前記ウェハに対する熱刺激であり、温度が周期的に変化するように前記ウェハに熱を加えることにより、前記光導波路の屈折率を周期的に変化させて、前記光導波路にグレーティングカプラを形成することを特徴とするものである。
また、本発明のグレーティングカプラ形成方法の1構成例において、前記物理的刺激は、前記ウェハに対する音波照射であり、強度が周期的に変化する音波を前記ウェハに照射することにより、前記光導波路の屈折率を周期的に変化させて、前記光導波路にグレーティングカプラを形成することを特徴とするものである。
また、本発明のグレーティングカプラ形成方法の1構成例において、前記物理的刺激は、前記光導波路に対する電流印加であり、強度が周期的に変化する電流を前記光導波路に印加することにより、前記光導波路の屈折率を周期的に変化させて、前記光導波路にグレーティングカプラを形成することを特徴とするものである。
また、本発明のグレーティングカプラ形成方法の1構成例において、前記光導波路は、電気光学結晶からなり、前記物理的刺激は、前記ウェハに対する電界印加であり、強度が周期的に変化する電界を前記ウェハに印加することにより、前記光導波路の屈折率を周期的に変化させて、前記光導波路にグレーティングカプラを形成することを特徴とするものである。
また、本発明のグレーティングカプラ形成方法の1構成例において、前記光導波路は、磁性体材料からなり、前記物理的刺激は、前記ウェハに対する磁界印加であり、強度が周期的に変化する磁界を前記ウェハに印加することにより、前記光導波路の屈折率を周期的に変化させて、前記光導波路にグレーティングカプラを形成することを特徴とするものである。
本発明によれば、光導波路が形成されたウェハに一時的にグレーティングカプラを形成することができ、グレーティングカプラが不要になった時点で物理的刺激の印加を止めることで、グレーティングカプラを消すことができる。本発明では、グレーティングカプラを予め光回路に作り込む必要がないので、本発明のグレーティングカプラ形成方法を光回路の検査に適用した場合、検査箇所がグレーティングカプラを作り込んだ箇所に限定されることがなく、任意の箇所に自由にグレーティングカプラを形成して検査をすることができる。また、本発明では、グレーティングカプラが不要になった時点でグレーティングカプラを消すことができるので、グレーティングカプラによる定常的な光損失が発生することがない。また、本発明のグレーティングカプラ形成方法を光回路の検査に適用した場合、ウェハ上に形成された光回路の検査をチップに切り出すことなく、ウェハの状態のまま行うことができ、ウェハレベルで検査を行うことで、チップの選別を行い、不要なパッケージ化や検査を省くことができるため、低コスト化が可能となる。
本発明の第1の実施の形態に係るグレーティングカプラ形成方法を説明する図である。 グレーティングカプラの計算結果を示す図である。 本発明の第2の実施の形態に係るグレーティングカプラ形成方法を説明する断面図である。 本発明の第3の実施の形態に係るグレーティングカプラ形成方法を説明する断面図である。 本発明の第4の実施の形態に係るグレーティングカプラ形成方法を説明する断面図である。 本発明の第6の実施の形態に係るグレーティングカプラ形成方法を説明する図である。 本発明の第7の実施の形態で対象となるウェハの構造を示す平面図および断面図である。 本発明の第7の実施の形態に係るグレーティングカプラ形成方法を説明する図である。 本発明の第8の実施の形態で対象となるウェハの構造を示す平面図および断面図である。 本発明の第8の実施の形態に係るグレーティングカプラ形成方法を説明する図である。
[第1の実施の形態]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1(A)〜図1(C)は本発明の第1の実施の形態に係るグレーティングカプラ形成方法を説明する断面図であり、図1(A)はシリコンウェハにグレーティングカプラ(以下、GC)が形成される原理を説明する図、図1(B)はシリコンウェハ上での光強度分布、シリコンウェハ上でのキャリア(自由電子)分布、およびシリコンの屈折率分布を示す図、図1(C)はシリコンウェハから光が放射される様子を説明する断面図である。
本実施の形態は、シリコンウェハに対する物理的刺激として光照射を用い、光の干渉によりシリコンウェハに周期的な光強度分布を生成し、光と導波路材料の相互作用により屈折率変化を生じさせて、シリコン導波路に一時的にGCを形成し、シリコン導波路への光入出力を可能とするものである。
シリコンウェハ1には、シリコンフォトニクスの光回路が形成されており、シリコン基板2と、シリコン基板2上のシリコン酸化膜3と、シリコン酸化膜3上のシリコン導波路4と、シリコン導波路4上のシリコン酸化膜5とが形成されている。なお、図1(A)〜図1(C)では、シリコンウェハ1と平行な方向をX方向、シリコンウェハ1の法線方向をZ方向としている。
本実施の形態では、2光束干渉法により光を干渉させる。具体的には、シリコンウェハ1に対して、図1(A)に示すように2方向からシリコンが吸収する波長帯の光10,11を照射する。シリコンのバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを持つ波長の光はシリコンに吸収され、約1127nm以下の波長の光がシリコンに吸収される。2方向から入射した光10,11は干渉し、シリコンウェハ1上で図1(B)に示すように光強度Iの周期的な分布を形成する。
この光強度Iの分布の周期Λは、光の波長、入射角度で決定される。図1(A)に示すように2つの光10,11の入射角度をシリコンウェハ1の法線とのなす角として、それぞれθ1,θ2とすると、周期Λは次式のようになる。λは光10,11の波長である。
Λ=λ/(sinθ1+sinθ2) ・・・(1)
通信波長帯である1550nm用のシリコン光回路の場合、周期が約630nmのGCを使用することで、シリコン導波路4内の光を垂直方向の放射光へ結合できる。この場合、例えばシリコンウェハ1に波長850nmの光10,11をθ1=θ2=42deg.で照射することで、周期が約630nmの光強度分布をシリコンウェハ1上に形成することができる。
シリコンは、光を吸収するとキャリア(自由電子)が生成されるため、このキャリアの生成により、シリコンの屈折率の実部、虚部が変化する(文献「RICHARD A.SOREF,AND BRIAN R.BENNETT,“Electrooptical Effects in Silicon”,IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol.QE-23,No.1,p.123-129,1987」)。したがって、シリコンウェハ1に周期的な光強度分布を生成することにより、図1(B)に示すようにシリコンウェハ1を構成するシリコンにキャリア密度ρの周期的な分布を形成することができ、シリコンの屈折率の実部n、虚部αを周期的に変化させることが可能となる。つまり、シリコン導波路4にGCを形成することができる。
周期630nmでキャリアが1020cm-1の密度で生成された屈折率変化によるGCの効果をFDTD(Finite-difference time-domain method)により計算した結果を図2に示す。図2では、シリコンウェハ1の断面を表しているが、シリコン導波路4の上部を空気層6としている。シリコン導波路4の左端から光が伝搬すると、GCがない場合には、そのまま光が右方向へと伝搬する。
一方、本実施の形態では、光でシリコンの屈折率の実部n、虚部αを周期的に変化させてGCを形成することによって、シリコン導波路4を伝搬する光がシリコン導波路4から放射し上部の空気層6、下部のシリコン酸化膜3に伝搬する。図2におけるシリコンの屈折率変化は、屈折率の実部nの変化Δn=10-1cm-1、虚部αの変化Δα=103cm-1である。図2に示すように、シリコンウェハ1のシリコンには、屈折率の高い部分12と屈折率の低い部分13とが周期的に形成されており、屈折率の明暗が形成されている。図2の例では、屈折率の高い部分12と屈折率の低い部分13とがそれぞれ32個、すなわち屈折率の明暗が32個形成されている。
シリコン導波路4に周期的な屈折率変化があると、グレーティングとして機能するため、従来のGCと同様に、シリコン導波路4を伝搬する光がシリコン導波路4から放射される。屈折率の周期数(屈折率の明暗の数)が多いほど、光が放射する領域が長くなるので、光の放射が多くなる。図2の例では、シリコン導波路4を伝搬する光のうち、上部の空気層6に放射された光の量は約10%である。放射光の強度は、FDTDによって計算することができる。
なお、従来のGCの原理は文献「G.Roelkens,et al.,“Grating-Based optical fiber interfaces for silicon-on-insulator photonic integrated circuits”,IEEE journal of selected topics in quantum electronics,Vol.17,No.3,p.571-580,2011」に記載されている。
また、本実施の形態では、従来のGCと同様に、屈折率変化のピッチと有効屈折率(伝搬モード)とに依存して光の放射角度が変わる。すなわち、上下方向に放射する光、透過する光の大小は、屈折率変化のピッチと屈折率分布と有効屈折率(伝搬モード)とをパラメータとして変化する。
こうして、本実施の形態では、図1(C)に示すようにシリコンウェハ1にGC7を形成し、シリコン導波路4を伝搬する導波光14をシリコン導波路4から放射させることができる。シリコンウェハ1の上部に放射される放射光15は、シリコンウェハ1の上部にフォトダイオードなどのセンサや光ファイバを設けることで受光できる。
放射光15の放射方向は、GC7の形状、ウェハの材料によって決まる。シリコンウェハ1に一次元の等間隔ピッチの格子状のGC7を形成した場合、放射光15の放射方向は下記の式で表される。
sinΘ=neff(λ)/n+(mλ)/(nΛ) ・・・(2)
式(2)において、Θは基板垂直方向からの放射方向の角度、neff(λ)は有効屈折率、nはシリコン導波路4の屈折率、λは光の波長、ΛはGC7のピッチ、mは次数である。式(2)は文献「David J.Lockwood,“Silicon Photonics II”,Springer,p.73-76,2010」に記載されている。
以上のように、本実施の形態では、光回路が形成されたシリコンウェハに一時的にGCを形成することができ、GCが不要になった時点で光10,11の照射を止めることで、GCを消すことができる。本実施の形態では、GCを予め光回路に作り込む必要がないので、本実施の形態のGC形成方法を光回路の検査に適用した場合、検査箇所がGCを作り込んだ箇所に限定されることがなく、任意の箇所に自由にGCを形成して検査をすることができる。
また、本実施の形態では、GCが不要になった時点でGCを消すことができるので、GCによる定常的な光損失が発生することがない。また、本実施の形態のGC形成方法を光回路の検査に適用した場合、ウェハ上に形成された光回路の検査をチップに切り出すことなく、ウェハの状態のまま行うことができ、ウェハレベルで検査を行うことで、チップの選別を行い、不要なパッケージ化や検査を省くことができるため、低コスト化が可能となる。
なお、本実施の形態では、光の出力について説明しているが、これに限るものではなく、光の入力も可能である。すなわち、シリコンウェハ1に形成したGC7に対して、放射光15の放射方向と逆方向に光を入射させることで、シリコン導波路4に光を結合させることが可能である。
また、シリコンウェハ1に2つのGCを一時的に形成すれば、一方のGCから検査用の光をシリコン導波路4に入射させ、他方のGCから光を取り出すことで、2つのGC間のシリコン導波路4の光学特性を測定することができる。また、シリコンウェハ1上のシリコン導波路4に受光部が形成されている場合には、シリコンウェハ1に1つのGCを一時的に形成して光を入射させ、受光部で受光することで、GCと受光部間のシリコン導波路4の光学特性を測定することができる。また、シリコン導波路4に光源が形成されている場合には、シリコンウェハ1に1つのGCを一時的に形成して、光源光をGCから取り出し、その光を検出することで、光源とGC間のシリコン導波路4の光学特性を測定することができる。
また、本実施の形態では、GCを形成する対象となる材料としてシリコンを用いているが、半導体、誘電体、フォトリフラクティブ材料であるGa1-yAlyAs、GaAs1-xSbx、InxGa1-xAsyy、LiNbO3、LiTaO3、BaTiO3、GaAs、ZnO、NH42PO4、KH2PO4など、光と相互作用を起こして屈折率変化を発生させることができる材料に本実施の形態を適用可能である。
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図3は本発明の第2の実施の形態に係るGC形成方法を説明する断面図である。本実施の形態は、シリコンウェハに対する物理的刺激として光照射を用い、マスクなどの周期構造とレンズを用いてシリコンウェハに周期的な光強度分布を生成し、光と導波路材料の相互作用により屈折率変化を生じさせて、シリコン導波路に一時的にGCを形成し、シリコン導波路への光入出力を可能とするものである。
ここでは、光源20から出射した光24をレンズ21で平行光25にして、生成させたい光強度分布と相似形の周期構造22に照射する。そして、周期構造22を透過した光26をレンズ23を用いて集光し、集光した光27をシリコンウェハ1に照射する。周期構造22を透過した光をシリコンウェハ1に照射することにより、シリコンウェハ1の平面方向(図3ではX方向)に沿って強度が周期的に変化する光を照射することになる。シリコンウェハ1上に周期的な光強度分布を形成することにより、第1の実施の形態で説明したとおり、シリコンウェハ1の平面方向に沿ってシリコンの屈折率が周期的に変化するため、GCとして機能する。
こうして、本実施の形態では、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。本実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、シリコン導波路4を伝搬する光をシリコン導波路4のGCが形成された箇所から放射させることもできるし、GCに対して放射光の放射方向と逆方向に光を入射させることで、シリコン導波路4に光を入力することもできる。
シリコンウェハ1上の光強度分布の周期は、周期構造22のサイズ、およびレンズ21,23の倍率によって決定される。
周期構造22としては、マスクや回折格子を用いればよく、また能動的に制御可能なLCOS(Liquid Crystal On Silicon)やMEMS(Micro-Electro-Mechanical system)などの空間光変調器を用いてもよい。
周期構造22の周期は用途に合わせて周期のサイズや均一性を変更してもよい。特に周期構造22としてLCOSやMEMSのような能動的な制御が可能なデバイスを用いた場合には、光強度分布の周期や周期の均一性を能動的に制御することができる。また、周期構造22として、反射型の回折格子や反射ミラーを用いて、光路を折り返すような光学系を用いてもよい。
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。図4は本発明の第3の実施の形態に係るGC形成方法を説明する断面図である。本実施の形態は、シリコンウェハに対する物理的刺激として光照射を用い、アレイ状光源とレンズを用いてシリコンウェハに周期的な光強度分布を生成し、光と導波路材料の相互作用により屈折率変化を生じさせて、シリコン導波路に一時的にGCを形成し、シリコン導波路への光入出力を可能とするものである。
本実施の形態では、図3の周期構造22の代わりに、図4のようにVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers)などのアレイ状光源30を用いる。アレイ状光源30から出射した個々の光33をアレイ状レンズ31で集光し、アレイ状レンズ31を透過した光34をさらにレンズ32を用いて集光し、集光した光35をシリコンウェハ1に照射する。
アレイ状光源30を用いることで、周期的に光のOn、Offの状態を作ることができ、シリコンウェハ1上に周期的な光強度分布を形成することができる。これにより、第1、第2の実施の形態で説明したとおり、シリコンの屈折率が周期的に変化し、GCが形成される。こうして、本実施の形態では、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
なお、図4に示した構成に限らず、反射ミラーを用いて光路を折り返す光学系を用いてもよい。
第2、第3の実施の形態は、第1の実施の形態と同様に、光と相互作用を起こして屈折率変化を発生させることができる材料に適用可能である。
なお、第1〜第3の実施の形態では、ウェハに対する物理的刺激として光照射を用いるが、ウェハに照射する光と、導波光または放射光の波長帯を変えることで、ウェハに照射する光と、導波光または放射光との干渉を避けることができる。導波路を伝搬する導波光としては、損失を少なくするために材質の透過率が高い波長帯の光を利用することを想定し、ウェハに照射する光としては、ウェハに吸収させるために透過率が低い波長帯の光を利用することを想定しているので、ウェハに照射する光と導波光とが干渉することはない。また、吸収を積極的に利用する光回路で、ウェハに照射する光と導波光とが干渉したとしても、光の進む方向が異なるので問題はない。
[第4の実施の形態]
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。図5は本発明の第4の実施の形態に係るGC形成方法を説明する断面図である。本実施の形態は、シリコンウェハに対する物理的刺激として熱刺激を用い、熱源アレイを用いてシリコンウェハに周期的な熱分布を生成し、屈折率変化を生じさせて、シリコンウェハに一時的にGCを形成し、シリコン導波路への光入出力を可能とするものである。
シリコンは熱によっても屈折率変化が起こる。シリコンの熱光学定数は18×10-6である。図5に示すように熱源アレイ40を630μmの周期で配置したプローブをシリコンウェハ1に押し当てることで、シリコンウェハ1の平面方向(図5ではX方向)に沿って温度が周期的に変化する熱分布を発生させることができる。シリコンウェハ1に周期的な熱分布が生じると、シリコンウェハ1の平面方向に沿ってシリコンの屈折率が周期的に変化するため、GCとして機能する。
こうして、本実施の形態では、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。本実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、シリコン導波路4を伝搬する光をシリコン導波路4のGCが形成された箇所から放射させることもできるし、GCに対して放射光の放射方向と逆方向に光を入射させることで、シリコン導波路4に光を入力することもできる。
熱源アレイ40としては、例えば熱したヒートシンクを用いることができる(http://www.lex.co.jp/product/lerge.html)。ヒートシンクに設けられた複数のフィン41の先端部をシリコンウェハ1に押し当てることで、シリコンウェハ1に周期的な熱分布を発生させることができる。
また、P型半導体とN型半導体とが金属板で接続されたユニットをアレイ化したペルチェ素子を熱源アレイ40として用いることもできる(http://www.n-tecmo.co.jp/custama/per_gen.htm)。
なお、本実施の形態では、GCを形成する対象となる材料としてシリコンを用いているが、熱によって屈折率変化を発生させることができる材料に本実施の形態を適用可能である。このような材料としては、LiNbO3、TiO2、PbMoO4、ソーダガラス、光学ガラス、PLZT、フォトポリマ等がある。
[第5の実施の形態]
次に、本発明の第5の実施の形態について説明する。本実施の形態は、シリコンウェハに対する物理的刺激として音波照射を用い、SAWデバイスアレイを用いてシリコンウェハに周期的な音圧分布を生成し、屈折率変化を生じさせて、シリコンウェハに一時的にGCを形成し、シリコン導波路への光入出力を可能とするものである。
シリコンは音波によっても屈折率変化が起こる。通常、音響光学効果によって得られるシリコンの屈折率の変化量は10-4程度である。SAWデバイスアレイによって音圧分布を端面に生成したプローブを、シリコンウェハ1に押し当てることで、シリコンウェハ1の平面方向に沿って強度が周期的に変化する音圧分布を発生させることができる。シリコンウェハ1に周期的な音圧分布が生じると、シリコンウェハ1の平面方向に沿ってシリコンの屈折率が周期的に変化するため、GCとして機能する。
こうして、本実施の形態では、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。本実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、シリコン導波路4を伝搬する光をシリコン導波路4のGCが形成された箇所から放射させることもできるし、GCに対して放射光の放射方向と逆方向に光を入射させることで、シリコン導波路4に光を入力することもできる。
本実施の形態で用いるプローブとしては、表面弾性波を生成するSAWデバイス(http://www.murata.co.jp/kanazawamurata/products/device/saw.html)をプローブ先端にアレイ状に複数個配置し、各SAWデバイスの表面弾性波が発生している部分をシリコンウェハ1に押し当てるようにすればよい。
なお、本実施の形態では、GCを形成する対象となる材料としてシリコンを用いているが、音波によって屈折率変化を発生させることができる材料に本実施の形態を適用可能である。このような材料としては、音響光学材料であるSiO2、AsS3、AsSe3、LiNbO3、LiTaO3、ZnO、ZnS、CdS、ZnTe、GaAs、GaP、TeO2、YIG等がある。
[第6の実施の形態]
次に、本発明の第6の実施の形態について説明する。図6(A)、図6(B)は本発明の第6の実施の形態に係るGC形成方法を説明する図であり、図6(A)は本実施の形態で用いるプローブの下面図、図6(B)は本実施の形態のGC形成方法を説明する断面図である。なお、図6(B)は、図6(A)をB−B’線で切断したB−B’線断面図に相当する。本実施の形態は、シリコンウェハに対する物理的刺激として電流印加を用い、シリコンウェハのシリコン導波路に周期的な電流分布を生成し、屈折率変化を生じさせて、シリコンウェハに一時的にGCを形成し、シリコン導波路への光入出力を可能とするものである。
シリコンは電流注入によっても屈折率変化が起こる。電流注入によってシリコン内には自由電子などのキャリアが発生し、屈折率の変化量はキャリアの密度によって変化する。例えば、1020のキャリアが発生した場合、シリコンの屈折率は−10-1程度変化する(文献「RICHARD A.SOREF,AND BRIAN R.BENNETT,“Electrooptical Effects in Silicon”,IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol.QE-23,No.1,p.123-129,1987」)。
図6(A)に示すように櫛歯型の電極51,52を対向させて配置したプローブ50の先端を、図6(B)に示すようにシリコンウェハ1aのシリコン導波路4に押し当て、電極51と電極52間に電流を流すことで、シリコンウェハ1aの平面方向(図6(B)ではX方向)に沿って強度が周期的に変化する電流をシリコン導波路4に流す。シリコン導波路4に周期的な電流分布が生じると、シリコンウェハ1aの平面方向に沿ってシリコンの屈折率が周期的に変化するため、GCとして機能する。
こうして、本実施の形態では、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。本実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、シリコン導波路4を伝搬する光をシリコン導波路4のGCが形成された箇所から放射させることもできるし、GCに対して放射光の放射方向と逆方向に光を入射させることで、シリコン導波路4に光を入力することもできる。
なお、本実施の形態では、GCを形成する対象となる材料としてシリコンを用いているが、電流によって屈折率変化を発生させることができる材料に本実施の形態を適用可能である。このような材料としては、半導体、誘電体などがある。
[第7の実施の形態]
次に、本発明の第7の実施の形態について説明する。図7(A)は本実施の形態で対象となるウェハの構造を示す平面図、図7(B)は図7(A)のA−A’線断面図である。また、図8(A)、図8(B)は本実施の形態のGC形成方法を説明する図であり、図8(A)は本実施の形態で用いるプローブの下面図、図8(B)は本実施の形態のGC形成方法を説明する断面図である。なお、図8(B)は、図7(A)、図8(A)をB−B’線で切断したB−B’線断面図に相当する。本実施の形態は、シリコンウェハに対する物理的刺激として電界印加を用い、電気光学結晶を用いた導波路に電圧を印加し、屈折率変化を生じさせて、導波路に一時的にGCを形成し、導波路への光入出力を可能とするものである。
本実施の形態のウェハ60は、LiNbO3基板61と、LiNbO3基板61中に形成されたLiNbO3導波路62と、バッファ層であるシリコン酸化膜63とから構成される。LiNbO3導波路62は、Ti熱拡散やイオン交換によってLiNbO3基板61中に形成することができる。
導波路の材料としてLiNbO3などの電気光学結晶を用いた場合、電気光学結晶に電界を印加するとポッケルス効果により屈折率変化が生じる。図8(A)に示すように櫛歯型の電極65,66を対向させて配置したプローブ64の先端を、図8(B)に示すようにウェハ60に押し当て、電極65と電極66間に電圧を印加することで、ウェハ60の平面方向(図8(B)ではX方向)に沿って強度が周期的に変化する電界をウェハ60に印加する。ウェハ60に周期的な電界を印加すると、ウェハ60の平面方向に沿ってLiNbO3導波路62の屈折率が周期的に変化するため、GCとして機能する。
こうして、本実施の形態では、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。本実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、LiNbO3導波路62を伝搬する光をLiNbO3導波路62のGCが形成された箇所から放射させることもできるし、GCに対して放射光の放射方向と逆方向に光を入射させることで、LiNbO3導波路62に光を入力することもできる。
[第8の実施の形態]
次に、本発明の第8の実施の形態について説明する。図9(A)は本実施の形態で対象となるウェハの構造を示す平面図、図9(B)は図9(A)のC−C’線断面図である。また、図10(A)、図10(B)は本実施の形態のGC形成方法を説明する図であり、図10(A)は本実施の形態で用いるプローブの下面図、図10(B)は本実施の形態のGC形成方法を説明する断面図である。なお、図10(B)は、図9(A)、図10(A)をD−D’線で切断したD−D’線断面図に相当する。本実施の形態は、シリコンウェハに対する物理的刺激として磁界印加を用い、磁性体材料を用いた導波路に磁界を印加し、屈折率変化を生じさせて、導波路に一時的にGCを形成し、導波路への光入出力を可能とするものである。
本実施の形態のウェハ70は、非磁性体の材料からなる基板71と、基板71上に形成された磁性ガーネットからなる導波路72とから構成される。導波路72は、リブ型導波路になっている。
導波路の材料として磁性体材料を用いた場合、磁性体材料に磁界を印加するとファラデー効果により屈折率変化が生じる。図10(A)に示すようにS極の磁石74とN極の磁石75とを交互に並べて配置したプローブ73の先端を、図10(B)に示すようにウェハ70に押し当てることで、ウェハ70の平面方向(図10(B)ではX方向)に沿って強度が周期的に変化する磁界をウェハ70に印加する。ウェハ70に周期的な磁界を印加すると、ウェハ70の平面方向に沿って導波路72の屈折率が周期的に変化するため、GCとして機能する。
こうして、本実施の形態では、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。本実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、導波路72を伝搬する光を導波路72のGCが形成された箇所から放射させることもできるし、GCに対して放射光の放射方向と逆方向に光を入射させることで、導波路72に光を入力することもできる。
本発明は、光回路にグレーティングカプラを一時的に形成する技術に適用することができる。
1,1a…シリコンウェハ、2…シリコン基板、3,5,63…シリコン酸化膜、4…シリコン導波路、6…空気層、7…グレーティングカプラ、10,11…入射光、14…導波光、15…放射光、20…光源、21,23,31,32…レンズ、22…周期構造、30…アレイ状光源、40…熱源アレイ、41…フィン、50,64,73…プローブ、51,52,65,66…電極、60,70…ウェハ、61…LiNbO3基板、62…LiNbO3導波路、71…基板、72…導波路、74,75…磁石。

Claims (9)

  1. 光導波路が形成されたウェハに物理的刺激を加えることにより、前記光導波路の屈折率を周期的に変化させて、前記光導波路にグレーティングカプラを形成することを特徴とするグレーティングカプラ形成方法。
  2. 請求項1記載のグレーティングカプラ形成方法において、
    前記物理的刺激は、前記ウェハに対する光照射であり、
    前記ウェハに周期的な光強度分布を生成することにより、前記光導波路の屈折率を周期的に変化させて、前記光導波路にグレーティングカプラを形成することを特徴とするグレーティングカプラ形成方法。
  3. 請求項2記載のグレーティングカプラ形成方法において、
    光の干渉により、前記ウェハに周期的な光強度分布を生成することを特徴とするグレーティングカプラ形成方法。
  4. 請求項2記載のグレーティングカプラ形成方法において、
    前記ウェハに強度が周期的に変化する光を照射することにより、前記ウェハに周期的な光強度分布を生成することを特徴とするグレーティングカプラ形成方法。
  5. 請求項1記載のグレーティングカプラ形成方法において、
    前記物理的刺激は、前記ウェハに対する熱刺激であり、
    温度が周期的に変化するように前記ウェハに熱を加えることにより、前記光導波路の屈折率を周期的に変化させて、前記光導波路にグレーティングカプラを形成することを特徴とするグレーティングカプラ形成方法。
  6. 請求項1記載のグレーティングカプラ形成方法において、
    前記物理的刺激は、前記ウェハに対する音波照射であり、
    強度が周期的に変化する音波を前記ウェハに照射することにより、前記光導波路の屈折率を周期的に変化させて、前記光導波路にグレーティングカプラを形成することを特徴とするグレーティングカプラ形成方法。
  7. 請求項1記載のグレーティングカプラ形成方法において、
    前記物理的刺激は、前記光導波路に対する電流印加であり、
    強度が周期的に変化する電流を前記光導波路に印加することにより、前記光導波路の屈折率を周期的に変化させて、前記光導波路にグレーティングカプラを形成することを特徴とするグレーティングカプラ形成方法。
  8. 請求項1記載のグレーティングカプラ形成方法において、
    前記光導波路は、電気光学結晶からなり、
    前記物理的刺激は、前記ウェハに対する電界印加であり、
    強度が周期的に変化する電界を前記ウェハに印加することにより、前記光導波路の屈折率を周期的に変化させて、前記光導波路にグレーティングカプラを形成することを特徴とするグレーティングカプラ形成方法。
  9. 請求項1記載のグレーティングカプラ形成方法において、
    前記光導波路は、磁性体材料からなり、
    前記物理的刺激は、前記ウェハに対する磁界印加であり、
    強度が周期的に変化する磁界を前記ウェハに印加することにより、前記光導波路の屈折率を周期的に変化させて、前記光導波路にグレーティングカプラを形成することを特徴とするグレーティングカプラ形成方法。
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