JP2017040841A

JP2017040841A - 光導波路素子および光集積回路装置

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Publication number: JP2017040841A
Application number: JP2015163385A
Authority: JP
Inventors: 充竹中; Mitsuru Takenaka; 高木　信一; Shinichi Takagi; 信一高木
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2015-08-21
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2017-02-23

Abstract

【課題】温度上昇による不具合の発生を防止し、高密度に集積化できる光導波路素子および光集積回路装置を提案する。【解決手段】光導波路素子1では、III−V族半導体でなるコア4が設置されるクラッド2を、SiO2よりも熱導電率が高いSiCにより形成したことにより、コア4で発生した熱をクラッド2によって放熱させて、コア4周辺を冷却させることができるので、温度上昇による不具合の発生を防止し得る。また、この光導波路素子1では、III-V族半導体でなるコア4よりも屈折率が低いSiCによりクラッド2を形成したことから、コア4を屈曲させた構成としても、コア4内を伝搬する光をコア4内に閉じ込めることができるので、コア4を屈曲できる。【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路素子および光集積回路装置に関する。

近年、光素子の小型化や、高集積化の観点から、SOI（silicon on insulator）基板を用いて製造された光導波路素子が注目されている。このような光導波路素子は、Si基板上に形成したSiO₂でなるクラッド上に、当該クラッドよりも屈折率が高いSiでなるコアを設け、クラッドとコアの光屈折率の差によりコア内に光を閉じ込めて光を伝搬し得る。

ところで、このような光導波路素子として、従来のSiでなるコアに替えて、III-V族半導体で形成されたコアを用いた光導波路素子についても知られている（例えば、非特許文献1参照）。実際上、図８に示すように、III-V族半導体を用いた光導波路素子100では、例えばSi基板101上にSiO₂でなる基板状のクラッド102が設けられ、さらに当該クラッド102上にIII-V族半導体でなるコア形成基板103を介して、光導波方向に延設された長尺状のコア104が設けられた構成を有する。このような光導波路素子100は、III-V-OI（III-V on insulator）基板を用いて製造でき、SOI基板から製造した光導波路素子と同様に、コア104内に光を強く閉じ込めることができるので、光素子の小型化や、高集積化を実現できる。

M.Takenaka.et.al.,Optics Express.Vol.15,pp.8422-8427,2007.

しかしながら、SOI基板やIII-V-OI基板により製造された光導波路素子では、小型化により高密度に集積化させることが物理的に可能であるものの、熱伝導率が低いSiO₂でなるクラッド上にコアを設置していることから、コア周辺に熱が籠り易く、コア等の温度上昇によって出力効率が悪くなったり、或いは製品寿命が短くなる等の不具合が発生してしまう恐れがあるという問題があった。そのため、このような従来の光導波路素子では、高密度に集積化することにより発熱量が増大し、不具合が発生してしまう可能性があることから、実際には高密度に集積化することができないという問題があった。

そこで、本発明は以上の点を考慮してなされたもので、温度上昇による不具合の発生を防止し、高密度に集積化できる光導波路素子および光集積回路装置を提案することを目的とする。

かかる課題を解決するため本発明による光導波路素子は、光が導波するコアと、前記コアが設けられ、該コアに前記光を閉じ込めるクラッドとを備える光導波路素子であって、前記コアが、III−V族半導体またはIV族半導体で形成されており、前記クラッドが、SiC、AlN、またはGaNで形成されていることを特徴とする。

また、本発明による光集積回路装置は、受光機能、光変調機能、またはレーザ発光機能を有する光集積回路装置であって、光が導波する光導波路素子として請求項1〜4のいずれか1項に記載の光導波路素子が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、III−V族半導体またはIV族半導体でなるコアが設置されるクラッドを、熱導電率が高いSiC、AlN、またはGaNにより形成したことにより、コアで発生した熱をクラッドによって放熱させ、コア周辺を冷却させることができるので、温度上昇による不具合の発生を防止し得る。また、この光導波路素子では、III-V族半導体またはIV族半導体でなるコアよりも屈折率が低いSiC、AlN、またはGaNによりクラッドを形成したことから、コアを屈曲させた構成としても、コア内を伝搬する光をコア内に閉じ込めることができるので、コアを屈曲できる分、小型化を図ることができ、かくして高密度に集積化できる。

本発明による光導波路素子の断面構成を示す概略図である。従来の光導波路素子と本発明の光導波路素子における曲率半径およびベンド損失の関係を示したグラフである。従来の光導波路素子と本発明の光導波路素子における電力投入時の温度上昇を示すグラフである。図４Ａは、温度上昇時のInPに対する熱応力を調べた本発明の光導波路素子の断面構成を示す概略図であり、図４Ｂは、温度上昇時のInPに対する熱応力を調べた従来の光導波路素子の断面構成を示す概略図である。図４Ａに示した本発明の光導波路素子と、図４Ｂに示した従来の光導波路素子とにおける温度上昇時のInPに対する熱応力を示すグラフである。図６Ａは、AlNでなるクラッドを用いた本発明による光導波路素子の断面構成を示す概略図であり、図６Ｂは、Siでなるコアを用いた本発明による光導波路素子の断面構成を示す概略図であり、図６Ｃは、AlNでなるクラッドと、Siでなるコアを用いた本発明による光導波路素子の断面構成を示す概略図である。図７Ａは、GaNでなるクラッドを用いた本発明による光導波路素子の断面構成を示す概略図であり、図７Ｂは、他の実施の形態による光導波路素子（1）の断面構成を示す概略図であり、図７Ｃは、他の実施の形態による光導波路素子の断面構成（2）を示す概略図である。従来の光導波路素子の断面構成を示す概略図である。

以下図面に基づいて本発明の実施の形態を詳述する。

図１において、1は本発明の光導波路素子を示し、SiCでなる基板状のクラッド2上に、III-V族半導体でなるコア形成基板3が設けられた構成を有する。コア形成基板3は、クラッド2の平面部に沿って形成されており、表面にコア4が形成された構成を有する。コア4は、コア形成基板と同じIII-V族半導体からなり、光の導波方向に延設され、かつ厚みを有した長尺状に形成されている。このように本発明の光導波路素子1には、III-V族半導体でなるコア4よりも屈折率が低いSiCでなるクラッド2の平面部にコア4が設けられており、クラッド2とコア4の光屈折率の差によりコア4内に光を閉じ込めて光が導波し得る。

この実施の形態の場合、コア形成基板3およびコア4は、例えばInP、InGaAsP、InGaAs、InAs、GaAs、GaP、GaSb、AlInGaAs、AlInGaAsP、または、これらの混晶等その他種々のIII-V族半導体により形成されており、SiCでなるクラッド2よりも高い屈折率を有している。かかる構成に加えてクラッド2は、SiO₂よりも熱伝導率が格段的に高いSiCで形成されていることから、コア4やコア形成基板3で発生した熱を放熱させて、コア4やコア形成基板3を効率的に冷却し得る。

ここで、本発明の光導波路素子1に設けたSiCでなるクラッド2は、排熱用ヒートシンクとして機能させるためだけに設けられたものではなく、基板状に形成されていることから、例えば他の受光機能や、光変調器機能、半導体レーザ発光機構等その他種々の機能を実現する光機能素子が形成される基板としての役割も有しており、光導波路素子1だけでなく他の領域に他の光機能素子をも搭載した光集積回路装置を実現し得る。

なお、このような光導波路素子1は、例えば下記の製造方法により製造できる。この場合、半導体層形成基板上にコアとなるIII-V族半導体層が形成された貼着基板を用意するとともに、これとは別にSiCでなる基板状のクラッドを用意する。次いで、例えばALD装置（Atomic Layer Deposition）によって貼着基板のIII-V族半導体層の表面と、クラッドの表面とにそれぞれAl₂O₃からなる貼着層を成膜した後、III-V族半導体層の貼着層と、クラッドの貼着層とを直接貼り合せ法により貼り合わせる。これにより、SiCでなるクラッドには、表面に貼着膜を介在させてIII-V族半導体層が形成され得る。

次いで、溶液を用いてIII-V族半導体層の表面から半導体層形成基板を除去した後、III-V族半導体層を所定形状にエッチングすることにより、当該III-V族半導体層からコア形成基板3および／またはコア4を形成し、上述した光導波路素子1を製造できる。なお、ここでは、クラッド2とコア形成基板3との間に、Al₂O₃からなる貼着層を形成したが、このような貼着層の膜厚は極めて薄く形成でき、また、このような貼着層を形成しない手法によってもクラッド2の表面にIII-V族半導体層を貼着させることができる。

次に、本発明による光導波路素子と、クラッドをSiO₂で形成した従来の光導波路素子とにおけるシングルモード時のベンド損失についてそれぞれ調べた。ここで、図２に示すように、ベンド損失を調べた本発明の光導波路素子7（以下、実施例1とも呼ぶ）は、SiCでなる基板状のクラッド2の平面部に、断面四辺状で光導波方向に延説されたInGaAsP（図２中、「Q1.37」と表記、λ_g＝1370[nm]）でなるコア10を直接設置した構成とし、クラッド2の表面とコア10の表面とをSiO₂層13で覆った。また、この検証試験では、上述した光導波路素子7の他に、当該光導波路素子7のコアをInPでなるコア11に置き換えた他の光導波路素子8（以下、実施例2とも呼ぶ）も用意した。比較例1となる従来の光導波路素子は、上述した光導波路素子7,8とはクラッド2およびコア10,11の材料を変え、クラッドをSiO₂で形成し、コアをSiで形成した。

図２では、縦軸にベンド損失を示し、横軸に曲率半径を示しており、実施例1を「Q1.37 on SiC」と表記し、実施例2を「InP on SiC」と表記し、比較例1を「Si on SiO₂」と表記している。この検証試験では、実施例1、実施例2および比較例1のベンド損失を3次元FDTD（(Finite Difference Time Domain）法により解析した。そして、波長1550[nm]におけるSiCの屈折率は2.56とし、SiO₂の屈折率は1.44として、ベンド損失の計算を行ったところ、図２に示すような結果が得られた。

図２から、比較例1では、SiO₂でなるクラッド上にSiでなるコアを設けているため、コア内に光を強く閉じ込めることができており、コアの曲率半径が1［μm］以下になるまでベンド損失が見られなかった。一方、実施例1,2では、コア2と、SiCでなるクラッド10,11との屈折率の差が比較例1よりも小さいため、曲率半径が1[μm]のとき、ベンド損失が2.5[dB/90°]以上となってしまうことが確認できた。

但し、実施例1,2のいずれにおいても、曲率半径が7[μm]のとき、ベンド損失が0.5[dB/90°]以下となっていた。ここで、曲率半径が7[μm]程度であれば、充分に小型化を図れることから、実施例1,2でも高密度に集積化させることが可能であることが確認できた。特に、実施例1では、コア10をInGaAsPで形成したことで、SiCでなるクラッド2とコア10との屈折率の差が実施例2よりも大きいことから、曲率半径が7[μm]のとき、比較例1と遜色ない程度にベンド損失が低減できることが確認できた。なお、図２中、横軸Ｘ［μm］と、縦軸Ｚ［μm］とで表した表は、ベンド導波路を上部から観察した際の伝搬光の電界強度分布を表したものである。

次に、SiCでなるクラッド2上にInPでなるコア11を設置した光導波路素子8（実施例2）と、Si基板上にSiO₂でなるクラッド2を設け、当該クラッド上にInPでなるコアを設置した従来の光導波路素子（以下、比較例2と呼ぶ）とを用意し、2次元熱伝導解析により、実施例2および比較例2の各コアに電力を投入したときの温度上昇を数値計算により算出した。その結果、図３に示すような結果が得られた。

図３から、比較例2では、電力投入に伴い急激に温度が上昇してしまうことが確認できた。これに対して、クラッドをSiCにより形成した実施例2では、1［W］の電力を投入しても温度上昇が20度以下に抑制できることが確認できた。実施例2は、比較例2との温度上昇の差が約1/30となり、クラッドやコア周辺での温度上昇を、効果的、かつ格段的に抑制できることが確認できた。

次に、図４Ａに示すような実施例3となる光導波路素子21と、図４Ｂに示すような比較例3となる光導波路素子110とを用意し、各光導波路素子21,110の熱応力について調べた。実施例3は、図４Ａに示すように、SiCでなる基板状のクラッド2上に、InPでなる基板状のコア22を設けた構成とした。なお、実施例3では、クラッド2の厚さを300［μm］とし、コア22の厚さを250［nm］とした。

一方、比較例3は、図４Ｂに示すように、Si基板111の上面に一のSiO₂基板112を形成し、当該Si基板111の下面に他のSiO₂基板113を形成した構成をクラッドとして用い、一のSiO₂基板112上にInPでなる基板状のコア114を設けた構成とした。なお、比較例3では、SiO₂基板112,113の厚さを2［μm］とし、Si基板111の厚さを300［μm］とし、コア114の厚さを250［nm］とした。

これら実施例3と比較例3とについて加熱してゆき、InPでなるコア22,114での熱応力をそれぞれ調べたところ、図５に示すような結果が得られた。なお、図５では、実施例3を「InP on SiC」と表記し、比較例3を「InP on SiO2/Si」と表記している。図５から、実施例3は、SiCでなるクラッド2と、InPでなるコア22との熱膨張係数が小さいため、SiO₂基板113、Si基板111、およびSiO₂基板112でなるクラッド上にInPのコア114を貼り合わせた比較例3よりも加熱時の熱応力が1/10程度に抑制できた。

このことから、実施例3では、高温プロセス時のダメージを低減できることが確認できた。よって、本発明の光導波路素子では、高温でもダメージを低減できることから、高温となる種々のプロセスを用いても製造できるとともに、高温時における信頼性向上をも図り得る。

以上の構成において、光導波路素子1（7,8,21）では、III−V族半導体でなるコア4（10,11,22）が設置されるクラッド2を、SiO₂よりも熱導電率が高いSiCにより形成したことにより、コア4（10,11,22）で発生した熱をクラッド2によって放熱させて、コア4（10,11,22）周辺を冷却させることができるので、温度上昇による不具合の発生を防止し得る。また、この光導波路素子1（7,8,21）では、III-V族半導体でなるコア4（10,11,22）よりも屈折率が低いSiCによりクラッド2を形成したことから、光導波方向を曲げるためにコア4（10,11,22）を屈曲させた構成としても、コア4（10,11,22）内を伝搬する光をコア4（10,11,22）内に閉じ込めることができるので、コア4（10,11,22）を屈曲できる分、小型化を図ることができ、かくして高密度に集積化できる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施の形態においては、SiCにより形成したクラッド2を適用した光導波路素子1,7,8,21について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、図１との対応部分に同一符号を付して示す図６Ａのように、AlNにより形成したクラッド32を適用した光導波路素子31を適用してよい。

このような光導波路素子31でも、III−V族半導体でなるコア4が設置されるクラッド32を、SiO₂よりも熱導電率が高いAlNにより形成したことにより、コア4で発生した熱をクラッド32によって放熱させて、コア4周辺を冷却させることができるので、温度上昇による不具合の発生を防止し得る。また、この光導波路素子31でも、III-V族半導体でなるコア4よりも屈折率が低いAlNによりクラッド32を形成したことから、コア4を屈曲させた構成としても、コア4内を伝搬する光をコア4内に閉じ込めることができるので、コア4を屈曲できる分、小型化を図ることができ、かくして高密度に集積化できる。

また、上述した実施の形態においては、III-V族半導体によりコア4,10,11,22を形成した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、SiやGe等のIV族半導体によりコアを形成してもよい。例えば、図１との対応部分に同一符号を付して示す図６Ｂは、Siによりコア37とコア形成基板36とを形成した光導波路素子35を示す。このような光導波路素子35でも、Siでなるコア37が設置されるクラッド2を、SiO₂よりも熱導電率が高いSiCにより形成したことにより、コア37で発生した熱をクラッド2によって放熱させて、コア37周辺を冷却させることができるので、温度上昇による不具合の発生を防止し得る。また、この光導波路素子35でも、Siでなるコア37よりも屈折率が低いSiCによりクラッド2を形成したことから、コア37を屈曲させた構成としても、コア37内を伝搬する光をコア37内に閉じ込めることができるので、コア37を屈曲できる分、小型化を図ることができ、かくして高密度に集積化できる。

さらに、他の実施の形態としては、図６Ｂとの対応部分に同一符号を付して示す図６Ｃのように、SiO₂よりも熱導電率が高いAlNでクラッド32を形成し、当該クラッド32の平面部にSiでなるコア37を設置した光導波路素子41としてもよい。このような光導波路素子41であっても、上述した光導波路素子1,7,8,21,31,35と同様に、温度上昇による不具合の発生を防止し、かつ高密度に集積化できる。

また、他の実施の形態としては、図１との対応部分に同一符号を付して示す図７Ａのように、SiO₂よりも熱導電率が高いGaNでクラッド44を形成し、当該クラッド44の平面部に、例えばGaAs等のIII-V族半導体でなるコア4（或いはSiでなるコア37）を設置した光導波路素子43としてもよい。このような光導波路素子41であっても、上述した光導波路素子1,7,8,21,31,35と同様に、温度上昇による不具合の発生を防止し、かつ高密度に集積化できる。

因みに、上述した実施の形態においては、クラッド2とコア4との間にコア形成基板3を設けた光導波路素子1について述べたが、本発明はこれに限らず、図１との対応部分に同一符号を付して示す図７Ｂのように、光導波方向に延設され、かつ厚みを有した長尺状のコア4を、クラッド2の平面部に直接設置した光導波路素子45としてもよい。また、他の実施の形態としては、図１との対応部分に同一符号を付して示す図７Ｃのように、コア形成基板3を覆うようにして当該コア形成基板3の表面に半導体層52を形成した光導波路素子51としてもよい。なお、この光導波路素子51では、コア形成基板3やコア4を形成したIII-V族半導体（例えばInGaAsP）とは異なるIII-V族半導体（例えばInP）により半導体層52が形成され得る。なお、図７Ｂおよび図７Ｃの光導波路素子45,51については、図６Ａ〜図６Ｃおよび図７Ａに示すように、コア4をSiにより形成したり、或いは、クラッド2をAlNで形成してもよい。

さらに、上述した実施の形態においては、光導波路素子1,7,8,21,31,35,41,45,51について説明したが、光を導波する光導波路素子を適用した受光機能を有した受光器や、光変調機能を有した光変調器、および、レーザ発光機能を有した半導体レーザ器等の種々の光集積回路装置に、本発明の光導波路素子1,7,8,21,31,35,41,45,51を組み込むことができる。なお、これら光集積回路装置については、当該光集積回路装置が備える既存の光導波路素子を、本発明の光導波路素子1,7,8,21,31,35,41,45,51に置き換えるだけであることから、ここではその詳細な説明は省略する。

1,7,8,21,31,35,41,43,45,51 光導波路素子
2,32,44 クラッド
4,10,11,22,37 コア

Claims

光が導波するコアと、前記コアが設けられ、該コアに前記光を閉じ込めるクラッドとを備える光導波路素子であって、
前記コアが、III−V族半導体またはIV族半導体で形成されており、
前記クラッドが、SiC、AlN、またはGaNで形成されている
ことを特徴とする光導波路素子。
前記III−V族半導体は、InP、InGaAsP、InGaAs、InAs、GaAs、GaP、GaSb、AlInGaAs、AlInGaAsP、または、これらの混晶である
ことを特徴とする請求項1に記載の光導波路素子。
前記IV族半導体は、SiまたはGeである
ことを特徴とする請求項1に記載の光導波路素子。
前記クラッドが板状に形成されており、該クラッドの平面部には、突起状の前記コア、または該コアを設けたコア形成基板が貼着されている
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の光導波路素子。
受光機能、光変調機能、またはレーザ発光機能を有する光集積回路装置であって、
光が導波する光導波路素子として請求項1〜4のいずれか1項に記載の光導波路素子が設けられている
ことを特徴とする光集積回路装置。