JP2018097274A

JP2018097274A - 光結合器

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Publication number: JP2018097274A
Application number: JP2016243854A
Authority: JP
Inventors: 裕樹渥美; Yuki Atsumi; 知也吉田; Tomoya Yoshida; 榊原　陽一; Yoichi Sakakibara; 陽一榊原
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2018-06-21

Abstract

【課題】本発明は、ビームの出射角を制御できるとともに、先細テーパ状導波路の短尺化が可能な光結合器を実現することを課題とする。【解決手段】細線導波路１と、細線導波路１に連接する曲げ導波路２及び先細テーパ状導波路３と、各導波路の周囲を包囲するクラッド層５とを備えた光結合器において、先細テーパ状導波路の先端６及び先細テーパ状導波路を包囲するクラッド層５の端面には、集光機能を有する材料からなるドーム状構造４が配置されていることを特徴とする光結合器である。【選択図】図１

Description

本発明は、細線導波路を数ミクロンオーダで湾曲した曲げ構造を有する光結合器に関するものである。

大規模化が進むデータセンターや次世代通信ネットワークにおいて、高密度集積性、ＣＭＯＳ技術との適合性からシリコンフォトニクスが注目されている。シリコンフォトニクスは、シリコン細線導波路と呼ばれる数百ｎｍ程度のシリコンコア(高屈折率材料)をＳｉＯ_２などの低屈折率材料で取り囲んだ光伝送路をベースとしており、これまで様々な機能素子、回路システムが開発されてきた。

そのような背景の下、近年、シリコンフォトニクスチップの量産化に向け、ＣＭＯＳファブラインを用いたウエハレベルでの非破壊な光テスト技術、また光ファイバ・光源・受光器といった外部素子との実装技術の要求が高まっている。
この光テスト、光実装の両者において肝となるのが、高性能かつ低コストの外部光学部品−シリコンチップ間の光結合技術である。これまでシリコンチップ側ではチップ端面から光信号を入出力させる端面出射型光結合器、もしくはチップ表面から入出力させる表面出射型光結合器が開発されてきた。

端面出射型光結合器は、シリコン細線導波路の先端にスポットサイズコンバータを用い、外部素子との光プロファイルを近づけることで高効率かつ広帯域な光結合を実現できる。（非特許文献１参照）
近年では、Ｖ字溝を利用した光ファイバアレイの自己位置合わせによる高速・低コストの実装技術も報告されている。
その一方で、端面出射型光結合器は、基本的にチップ縁でのみ実装可能であり、チップ当たりの実装密度に制限がある。また非破壊的に光テストを行うことも困難である。

表面出射型光結合器は、導波路上に周期構造を形成することで伝搬光の回折を引き起こし、チップの上下方向での光結合を可能とし、ウエハの任意の場所で光入出力を可能とする。（非特許文献２参照）
一方で、回折格子構造に起因する大きな波長依存性、偏波依存性、入射角依存性が課題となっている。

この両者のメリットを有する革新的な光結合器として、図１０に示すような、エレファントカプラが知られている。（特許文献１、非特許文献３参照）
このエレファントカプラは、細線導波路を数ミクロンオーダで湾曲した曲げ構造を有する光結合器であり、片持ち梁構造として空中に浮かせたシリコン細線導波路に対し、イオンを注入をすることで導波路の一部をアモルファス化し、応力分布を発生することで得られる。

垂直に曲げた導波路部分は、物理的補強のため等方的に成膜されたＳｉＯ_２でカバーされている。また垂直に曲げた導波路の先端付近は、先細テーパ状導波路構造となっており、光プロファイルを広げるためのスポットサイズコンバータとして機能している。（非特許文献４参照）
このエレファントカプラは、表面出射でありながら端面出射型の導波路構造及び光結合原理を有するため、高性能かつ高密度な光学部品のチップ上集積・実装(発光素子・受光素子・光ファイバ)及びウエハレベル光テストといったアプリケーション応用が期待されている。

エレファントカプラ等の光結合器との結合対象としては、先球ファイバ（〜２μｍビーム径）、高ＮＡファイバ（〜５μｍビーム径）、標準ＳＭＦ−２８（〜１０μｍビーム径)等の各種シングルモードファイバ、面発光レーザ、ディテクタなどが挙げられる。
これらは異なる材料・構造で構成されるため、光結合時の強度プロファイル(ビームスポット径など)はそれぞれ異なる。
したがって、結合対象に合わせた出射ビーム形状を有するエレファントカプラ等の光結合器が重要となる。

特開２０１３−１７８３３３号公報

Y. Maegami et al. "Spot-size converter with a SiO２ spacer layer between tapered Si and SiON waveguides for fiber-to-chip coupling" Opt. Express, 23(16), 21287, 2015. C. Li et al. "CMOS-compatible high efficiency double-etched apodized waveguide grating coupler" Opt. Express, 21(7), 7868, 2013. T. Yoshida et al. "Vertically Curved Si Waveguide Coupler with Low Loss and Flat Wavelength Window" JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 34, NO. 7, APRIL 1, 2016 T. Yoshida et al. "Vertical silicon waveguide coupler bent by ion implantation " Opt. Express, 23(23), 29455, 2015.

シリコン光回路での信号伝送では、一般的に基板と平行な電界成分を有するＴＥ基本モード(Fundamental Transverse Electric mode)によるシングルモード伝搬が用いられる。従来のエレファントカプラ等の光結合器では、ＴＥ基本モード光に対して断熱的にビーム径を広げるため、比較的長いデバイス長の先細テーパ状導波路を用いる必要がある。
また、物理的強度の低下及びイオン注入による吸収損失による伝搬光強度の低下を防ぐため、光結合器の曲げ導波路部分は、短尺化が望まれており、数ミクロンという急峻な曲率半径で形成されている。
したがって、エレファントカプラ等の光結合器の先端付近に位置する曲げ導波路部分では、導波路幅はかなり細くなっている。

このような幅の狭い導波路では、シリコンコアへの光閉じ込めが弱くなっていることから、急峻な曲げによる放射損失が課題となる。一般的に導波路幅が狭いほど放射損失は大きいことが知られている。
また、シリコン導波路コアに対し等方的に成膜されたＳｉＯ_２クラッドは、その外部の空気層との大きな屈折率差から中間コアとして作用し、シリコンコアとＳｉＯ_２コアを中心とした複数の高次モードの存在を許容する。

従来のエレファントカプラ等の光結合器における幅の狭い曲げ導波路では、鉛直方向への光プロファイル重心の偏りにより、高次モードへの結合を引き起こしやすい。異なる位相速度であるモード同士が干渉を起こしながら光伝搬する多モード光伝搬では、伝搬距離にしたがって結像が異なり、光強度分布が変化する。
マイクロメートル寸法の微細構造デバイスでは、寸法制御性の点から、多モード光伝搬を積極的に利用して外部光学素子と光結合を行うのは実用的でない。

この課題を解決するためには、エレファントカプラ等の光結合器の曲げ領域では、放射損失や高次モード励起が問題とならない程度の導波路幅で曲げることが求められる。その結果、低損失なＴＥ基本モード伝搬を維持することが可能となる。そして、曲げ導波路の終端部から、直線形状の先細テーパ構造を導入することでＴＥ基本モードのまま断熱的にモード径を広げることができる。

ここで、一般的な端面出射型光結合器のスポットサイズコンバータで、断熱的にモード径を広げるためには数十から数百ミクロンの長さの先細テーパ状導波路が必要とされる。（非特許文献１参照）
このような長い先細テーパ状導波路構造を上方向あるいは垂直方向に導入するのは、物理的強度の点で課題となる。
したがって、本発明は、従来の光結合器の問題点を解決し、ビームの出射角を制御できるとともに、先細テーパ状導波路の短尺化が可能な光結合器を実現することを課題とする。

上記課題を解決するための手段は次のとおりである。
（１）細線導波路と、細線導波路に連接する曲げ導波路及び先細テーパ状導波路と、各導波路の周囲を包囲するクラッド層とを備えた光結合器であって、先細テーパ状導波路の先端及び先細テーパ状導波路を包囲するクラッド層の端面には、集光機能を有する材料からなるドーム状構造が配置されていることを特徴とする光結合器。
（２）基板と、基板上に形成された細線導波路と、細線導波路に連接する垂直曲げ導波路及び先細テーパ状導波路と、各導波路の周囲を包囲するクラッド層とを備えた光結合器であって、先細テーパ状導波路の先端及び先細テーパ状導波路を包囲するクラッド層の端面には、集光機能を有する材料からなるドーム状構造が配置されていることを特徴とする光結合器。
（３）上記細線導波路、上記曲げ導波路及び上記先細テーパ状導波路は、シリコンからなり、前記クラッド層は、ＳｉＯ_２からなることを特徴とする、（１）又は（２）に記載の光結合器。
（４）上記先細テーパ状導波路は、線形テーパ構造を有する導波路であることを特徴とする、（１）ないし（３）のいずれかに記載の光結合器。
（５）上記先細テーパ状導波路は、非線形テーパ構造を有する導波路であることを特徴とする、（１）ないし（３）のいずれかに記載の光結合器。
（６）上記非線形テーパ構造は、指数関数テーパ構造であることを特徴とする、（５）に記載の光結合器。
（７）上記非線形テーパ構造は、二次関数テーパ構造であることを特徴とする、（５）に記載の光結合器。
（８）上記曲げ導波路又は垂直曲げ導波路には、イオンが注入されていることを特徴とする、（１）ないし（７）のいずれかに記載の光結合器。
（９）上記ドーム状構造は、上記クラッド層を構成する材料と同一の材料からなることを特徴とする、（１）ないし（８）のいずれかに記載の光結合器。

本発明の光結合器によれば、先細テーパ状導波路の先端及び先細テーパ状導波路を包囲するクラッド層の端面に、集光機能を有する材料からなるドーム状構造を設けているため、次のような効果が得られる。
（１）ドーム状構造材料の屈折率を変えることにより、ビームの出射角を制御できる。
（２）ドーム状構造の半径を変化させることにより、ビームのスポット径を制御することができる。
（３）ビームの出射角を制御できるため、先細テーパ状導波路の短尺化が可能となり、かつ光結合器の小型化が可能となる。
（４）先細テーパ状導波路の短尺化が可能となるため、先細テーパ状導波路構造の物理的強度を従来のものより相対的に高めることができる。
（５）ドーム状構造は、ＳｉＯ_２等の等方成膜プロセスにより、クラッド層形成と同時に得ることができる。等の

本発明に係る光結合器の構造を模式的に示す図面である。本発明に係る光結合器及び従来の光結合器について、ドーム状ＳｉＯ_２の有無による伝搬光の様子を模式的に比較した図面である。スポット径５μｍの先球ファイバとの結合における、結合損失のテーパ長依存性を示す図面である。スポット径５μｍの先球ファイバとの結合における、結合損失のテーパ先端幅依存性を示す図面である。スポット径５μｍの先球ファイバとの結合における、線形テーパ構造と指数関数テーパ構造での結合損失のテーパ長依存性を示す図面である。指数関数テーパ構造によるテーパ長の短尺化を線形テーパ構造と比較して示す図面である。スポット径２μｍの先球ファイバとの結合における、光結合器の結合損失のテーパ長依存性を示す図面である。スポット径２μｍの先球ファイバとの結合における、光結合器の結合損失の先端幅依存性を示す図面である。スポット径１０μｍの汎用ＳＭＦ−２８ｅとの結合における、光結合器の結合損失のテーパ長依存性を示す図面である。従来の光結合器の概念図面である。

（本発明の要点）
本発明は、細線導波路領域と、これに連接する曲げ導波路領域及び先細テーパ状導波路領域とを備えた光結合器において、先細テーパ状導波路の先端及び先細テーパ状導波路領域を包囲するクラッド層の端面に集光機能を有する材料からなるドーム状構造を配置することを要点とするものである。

（本発明の実施形態）
図１は、本願発明に係る光結合器の構造模式図である。
図１では、細線導波路１、曲げ導波路２及び先細テーパ状導波路３として、シリコン導波路を、またクラッド層として、ＳｉＯ_２クラッド層５をそれぞれ例示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に例示した光結合器では、シリコン平面光回路を構成するシリコン細線導波路の一部分が垂直方向に湾曲した曲げ導波路構造となっている。この曲げ導波路構造は、例えば、片持ち梁構造として空中に浮かせたシリコン細線導波路に対し、イオン注入をすることで導波路の一部をアモルファス化し、応力分布を発生することで得られる。
この光結合器では、先端部分は、直立したシリコン細線による先細テーパ状導波路構造となっている。
さらに、このシリコン細線導波路コアに対し、低屈折率の被覆材料であるＳｉＯ_２が等方成膜されており、シリコン導波路コアを軸中心に持つ同軸導波路構造となっている。
また、先細テーパ状導波路の先端６周辺には、被覆材料がドーム状に形成されている。

このように、本発明の光結合器は、「細線導波路領域」、「曲げ導波路領域」、「先細テーパ状導波路領域」及び「ドーム状構造領域」の４つのパーツからなる。
なお、図１に例示した光結合器では、曲げ導波路領域及び先細テーパ状導波路領域は、基板に対して垂直方向に配置されているが、基板に対して斜め上方向に配置してもよい。

（曲げ導波路）
曲げ導波路２の半径は３μｍ以上であり、曲げ導波路２の導波路幅は３１０ｎｍ以上である。これは導波路厚２２０ｎｍのシリコン光回路から伝送されてくるＴＥ基本モード光が、３μｍという急峻な曲げ半径の曲げ導波路部分において、低損失伝搬(損失値０．５ｄＢ以下)を可能とする条件である。ここでの損失は、シリコンコアから光が自由空間に漏れ出てしまうことによる放射損失と、同軸構造であるシリコンコアと被覆材料との間で異なる伝搬モードに結合してしまうことによる高次モード結合損失が含まれる。

（先細テーパ状導波路）
先細テーパ状導波路領域では、図１の前面図から分かるように、上記の導波路幅から次第に細くなる構造となっている。導波路幅が狭くなるに応じて、伝搬光がシリコン導波路コアから被覆材料に漏れ出していく。この漏れ光の広がり角は、先細テーパ状導波路の長さ（本明細書では、「テーパ長」ともいう）Ｌ_Ｔ及び先細テーパ状導波路の先端幅Ｓに依存しており、一般的に先細テーパ状導波路の長さＬ_Ｔが短かく、先端幅Ｓが狭くなるほど広がり角は大きくなる。

光結合器との代表的な結合対象であるシングルモード光ファイバは、出射端面にビームウエストを有し、自由空間への出射光は広がり角を有して伝搬する。光結合器と光ファイバとの間で高効率光結合を実現するためには、両者の出射光ベクトルを一致させる必要があることから、両者を突合せ接合させ、光結合器側では伝搬光の広がり角を抑える必要がある。

すなわち、両者ともに広がる方向への出射の為、なるべく広がり角が小さい状態で結合する必要がある。
このような理由から、現在報告されている一般的な端面出射型の光結合器では、広がり角を抑制するために、数十μｍから数百μｍのテーパ長を必要とする。

（ドーム状構造）
本発明の光結合器では、光結合器の先細テーパ状導波路の先端６及び先細テーパ状導波路を包囲するクラッド層５の端面に配置されたドーム状構造４を有するため、その集光効果により、先細テーパ状導波路から漏れ出した光の放射角を緩和することができる。
したがって、数μｍという短いテーパ長で高効率な光結合器が実現できる。これは光ファイバとの結合に限らず、ビームプロファイルが異なる光学素子との結合においても、テーパ構造の寸法、すなわちテーパ長Ｌ_Ｔ、先端幅Ｓ及び被覆材料の膜厚(＝ドーム状構造の半径)ｒ_ＳｉＯ２をパラメータとすることで、高効率結合が可能となる。

ドーム状構造４の半径ｒ_ＳｉＯ２を変化させると、ビームのスポット径を制御することができる。同じテーパ構造寸法であれば、ドーム状構造の半径ｒ_ＳｉＯ２が大きいほどレンズ界面までの距離が伸び、スポット径が広がる。
以下に検討する実施例からも分かるように、２μｍ、５μｍ、１０μｍの各スポット径光ファイバとの高効率結合構造寸法で、クラッド半径が大きくなることが確認できる。
本発明の光結合器では、ドーム状構造のドーム半径を調整することにより、様々な外部素子との高効率結合が可能になる。

また、ドーム状構造４の材料選択について、一般的に屈折率が高い材料であるほど、空気との間で屈折効果が強く出るため集光効果が強くなる。したがって、ドーム状構造材料の屈折率を変えることでビーム角度の制御範囲が広がる。これにより、より短いテーパ長、すなわち大きい光漏れ出し角を有するテーパ長でも、ドーム状構造４でキャンセルされ、高効率な結合特性が得られるようになる。

以下、この光結合器について詳細に検討する。
（先細テーパ状導波路の構造）
直立形状の先細テーパ状導波路３の構造を検討する。先細テーパ状導波路３は、曲げ導波路の出射側と接続されているため、根元の導波路の幅は曲げ導波路の幅と同じである。
先細テーパ状導波路３の形状としては、線形テーパ構造、もしくは指数関数、二次曲線関数などの非線形テーパ構造を用いる。

導波路幅を細くすることで、シリコンコアに閉じ込められていた光は取り巻いているＳｉＯ_２クラッドに染み出す。一般的に、急激に導波路幅が狭くなるほど、すなわちテーパ長Ｌ_Ｔが短いほど、光の放射角も大きくなる。
しかし、先細テーパ状導波路の先端６の上方に形成されているＳｉＯ_２からなるドーム状構造４による集光効果により、放射角を緩和することができる。

＜実施例１＞
実施例１として、半径５μｍのスポット径を有する高ＮＡシングルモードファイバとの突合せ実装のための、結合構造を検討する。
光結合器は、曲げ導波路の半径３μｍ、テーパ長Ｌ_Ｔ９μｍ、先端幅Ｓ５０ｎｍ、ＳｉＯ_２クラッド膜２．７μｍの構造である。

（ＳｉＯ_２ドーム）
図２に、ＳｉＯ_２ドームの有無での光結合器における伝搬光の様子を示す。
図２の（Ａ）図のように、ドーム状ＳｉＯ_２構造がなく切り落とし構造の時は、先細テーパ状導波路の先端において光が広がっていく様子が見られる。
一方、図２の（Ｂ）図から分かるように、ドーム状構造があることで、ビームは集光されウエストされている様子が見られる。このことにより結合対象との高効率光結合が可能となる。

図２の（Ｂ）図の構造で、半径５μｍのスポット径を有する高ＮＡシングルモードファイバとの結合損失０．７ｄＢの高効率結合構造を得た。
図３及び図４によれば、この結合構造を中心に、結合損失が１ｄＢを下回るのは、テーパ長Ｌ_Ｔが７〜１２μｍ、先端幅Ｓが１１０ｎｍ以下、ＳｉＯ_２クラッド厚ｒ_ＳｉＯ２が２．５〜２．９μｍの条件であることが分かる。

（非線形テーパ構造）
さらに、非線形テーパ構造を導入することで、効率よくフィールドを広げることができ、短尺なテーパ構造で高効率光結合を達成できる。
指数関数及び二次関数に基づくテーパ構造を取り入れた。ドーム状構造の半径ｒ_ＳｉＯ２は、２．７μｍ、先端幅Ｓは、５０ｎｍである。

図５に示すように、線形テーパ構造ではテーパ長Ｌ_Ｔ９μｍ、指数関数テーパ構造ではテーパ長Ｌ_Ｔ６μｍ、二次関数テーパ構造ではテーパ長Ｌ_Ｔ５μｍで高効率結合を達成した。伝搬光プロファイルでも良好な結合が見て取れる。
図６に、線形テーパ構造及び指数関数テーパ構造における、光結合器の伝搬光の様子を示す。

＜実施例２＞
実施例２として、スポット径２μｍの先球ファイバとの突合せ実装のための、結合構造を検討する。
曲げ導波路部分は、実施例１と同構造である。
図７、図８に結合損失のテーパ構造依存性を示す。
テーパ長Ｌ_Ｔ４μｍ、先端幅Ｓ１００ｎｍ、ＳｉＯ_２クラッド膜厚ｒ_ＳｉＯ２１．０μｍの構造で、結合損失０．５ｄＢとなった。この構造を中心に、結合損失が１ｄＢを下回るのは、テーパ長Ｌ_Ｔが２〜５μｍ、先端幅Ｓが１８０ｎｍ以下、ＳｉＯ_２クラッド厚ｒ_ＳｉＯ２が０．８〜１．１μｍの条件である。

＜実施例３＞
実施例３として、スポット径１０μｍの汎用ＳＭＦ−２８ｅとの突合せ実装のための、結合構造を検討する。
曲げ導波路部分は、実施例１と同構造である。
図９によれば、テーパ長Ｌ_Ｔ２５μｍ、先端幅Ｓ５０ｎｍ、ＳｉＯ_２クラッド膜厚ｒ_ＳｉＯ２５．５μｍの構造で、結合損失０．９ｄＢが得られた

以上、本明細書に開示した実施形態並びに実施例は、本発明に係る、光結合器の理解を容易にするために例示したものであって、本発明はこれに限定されるものではない。
すなわち、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない限り、光結合器の作製に当たって、適宜の設計変更が可能であることは言うまでもないことである。

１細線導波路
２曲げ導波路
３先細テーパ状導波路
４ドーム状構造
５クラッド層
６先細テーパ状導波路の先端

Claims

細線導波路と、該細線導波路に連接する曲げ導波路及び先細テーパ状導波路と、各導波路の周囲を包囲するクラッド層とを備えた光結合器であって、該先細テーパ状導波路の先端及び該先細テーパ状導波路を包囲する該クラッド層の端面には、集光機能を有する材料からなるドーム状構造が配置されていることを特徴とする光結合器。
基板と、該基板上に形成された細線導波路と、該細線導波路に連接する垂直曲げ導波路及び先細テーパ状導波路と、各導波路の周囲を包囲するクラッド層とを備えた光結合器であって、該先細テーパ状導波路の先端及び該先細テーパ状導波路を包囲する該クラッド層の端面には、集光機能を有する材料からなるドーム状構造が配置されていることを特徴とする光結合器。
上記細線導波路、上記曲げ導波路及び上記先細テーパ状導波路は、シリコンからなり、上記クラッド層は、ＳｉＯ_２からなることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の光結合器。
上記先細テーパ状導波路は、線形テーパ構造を有する導波路であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光結合器。
上記先細テーパ状導波路は、非線形テーパ構造を有する導波路であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光結合器。
上記非線形テーパ構造は、指数関数テーパ構造であることを特徴とする、請求項５に記載の光結合器。
上記非線形テーパ構造は、二次関数テーパ構造であることを特徴とする、請求項５に記載の光結合器。
上記曲げ導波路又は垂直曲げ導波路には、イオンが注入されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の光結合器。
上記ドーム状構造は、上記クラッド層を構成する材料と同一の材料からなることを特徴とする、請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の光結合器。