JP4719259B2 - 光結合デバイス - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバや空間中を伝播する光信号を光導波路デバイスに結合させる光結合デバイスに関する。

近年、シリコンのＬＳＩにおける成熟したプロセス技術が利用できるシリコン・フォトニクスの研究の進展により、極めて微細で急な曲がりにおいても低損失な導波路の実現が可能となり、光通信用の送受信モジュール及びシステムの小型化，低消費電力化や、シリコンＬＳＩへの光配線の導入及び融合化が可能となりつつある。しかし、光ファイバや空間中を伝播する光を、数百ナノメートル角以下の微小な断面サイズを有するＳｉ細線導波路に高効率で結合させることは難しい。例えば、波長１．５μｍ帯で超高速光伝送に適した単一モード光導波路をＳｉ細線で実現するには、断面サイズを５００μｍ角以下にする必要がある。このため、上記の結合を可能とする高圧縮率で高効率のスポットサイズ変換器（光結合デバイス）が、シリコン・フォトニクスの実用化のための重要なポイントとなっている。

細線導波路への高効率の光結合を行うスポットサイズ変換器としては、１）光のモード断面積を断熱的に圧縮するテーパ構造により光の反射や散乱による損失を抑制する方法と、２）逆テーパ構造と光閉じ込めのためのクラッドとを組み合わせた方法が一般的である（特許文献１参照）。

１）の方法は応用範囲が広く、最も多用されているが、高圧縮率で高効率のモード変換を行うためには、高さと幅の両方を縮小する立体的な３次元テーパ構造にする必要がある。従って、高さ方向に傾斜構造や多段構造を形成する３次元的な加工が必要となるため、その作製が困難であった。さらに、２）の方法では、逆テーパ部のテーパ長を数百ミクロン以上と長くする必要があり、小型化が難しいという問題があった。

また、複数の平面テーパを重ねた構造も提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、この場合も小型で高効率にするには３段以上の多段構造にする必要があり、やはり小型で高効率かつ作製の容易な光結合デバイスを実現することは困難であった。
特許第３４２５４２０号 米国特許 US 7,088,890

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、高圧縮率で高効率のモード変換を行うことができ、且つ小型で作製も容易な光結合デバイスを提供することにある。

本発明の一態様に係わる光結合デバイスは、基板上に一方向に沿って設けられ、一端側に対し他端側の幅が絞り込まれた下部導波層と、前記基板上に前記一方向に沿って設けられ、前記下部導波層の他端と接続された光導波路と、前記下部導波層上に前記一方向に沿って前記下部導波層よりも厚い膜厚で設けられた上部導波層であって、一端を前記下部導波層の一端と揃えて形成され、一端側から他端側にかけて第１の傾斜角で幅が絞り込まれた第１の上部テーパ部と、一端が前記第１の上部テーパ部の他端に接続され、一端側から他端側にかけて第１の傾斜角よりも小さい第２の傾斜角で幅が絞り込まれた第２の上部テーパ部と、を有する上部導波層と、を具備し、前記下部導波層及び上部導波層の各々の一端側の側面に光を入射し、前記下部導波層から連続する前記光導波路に光を結合させるか、又は前記光導波路から前記下部導波層を介して前記上部導波層及び下部導波層の一端側の側面から光を出力することを特徴とする。

本発明によれば、下部導波層上に形成する上部導波層のテーパ角（側面の傾斜角）を一端側で大きく他端側で小さくすることにより、高圧縮率で高効率のモード変換を行うことができると共に、全長を短くすることができ、これにより製造の容易化及び小型化をはかることができる。

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係わるスポットサイズ変換器（光結合デバイス）の概略構成を示す斜視図である。

基板１０上の一部に、下部導波層２０として機能する光入出力部２１と下部テーパ部２２、更に光導波路４０が設けられている。光入出力部２１は、一端から他端まで幅が一定であり、一端を基板１０の一端に揃えて配置されている。下部テーパ部２２は、一端から他端にかけて幅が絞られたテーパ形状となっており、一端が入出力部２１の他端に接続されている。光導波路４０は、細線導波路であり、下部テーパ部２２の他端に接続されている。

下部導波層２０上には、上部導波層３０として機能する第１及び第２の上部テーパ部３１，３２と接続部３３が設けられている。第１の上部テーパ部３１は、一端から他端にかけて幅を絞り込んだテーパ形状となっており、幅の広い方の一端を光入出力部２１の一端に揃えて配置されている。第２の上部テーパ部３２は、一端から他端にかけて第１の上部テーパ部３１よりも緩やかに幅を絞り込んだテーパ形状となっており、幅の広い方の一端を第１の上部テーパ部３１の他端に対向させて配置されている。接続部３３は、幅が一定であり、第１及び第２の上部テーパ部３１，３２間に挿入されている。ここで、第１の上部テーパ部２１の他端と第２の上部テーパ部２２の一端は、接続部３３と同じ寸法となっている。

光入出力部２１の一端と第１の上部テーパ部３１の一端は基板１０の一端に揃えられており、これらの端部側面は面一となっている。そして、光入出力部２１及び第１の上部テーパ部３１の一端側側面に光ファイバやレンズ集光系からの光が入射するものとなっている。ここで、第１の上部テーパ部３１の光入射端の断面は数ミクロン角の大きさである。また、図中の５０は光入射端に入射される入射光のスポットを示している。

なお、ここでは、光ファイバ等から入射端に光を入射し、この光のスポットサイズを変換して最終的に細線導波路４０に結合させる例で説明するが、これとは逆に細線導波路４０からの光をスポットサイズ変換して出射させることも可能である。

基板１０は、例えばサファイア基板又はＳＯＩ基板である。下部導波層２０及び細線導波路４０は、基板１０よりも屈折率の高い材料であり、例えば窒化アルミニウムやシリコンを用いることができる。上部導波層３０は基板１０よりも屈折率の高い材料であり、例えば窒化シリコンやシリコンを用いることができる。

下部導波層２０及び上部導波層３０は一般的な半導体製造プロセスで簡易に作製することができる。具体的には、基板１０上に下部導波層２０の材料膜を形成した後、入出力部２１及び下部テーパ部２２の平面形状に対応するマスクを用い、ＲＩＥで選択エッチングすることにより、下部導波層２０を形成する。さらに、上部導波層３０の材料膜を形成した後、第１の上部テーパ部３１，第２の上部テーパ部３２，及び接続部３３の平面形状に対応するマスクを用い、ＲＩＥで選択エッチングすることにより、上部導波層３０を形成する。

即ち、２回のエッチングで下部導波層２０及び上部導波層３０のテーパ構造を実現することが可能である。そしてこの場合、厚み方向にテーパを設ける構造に比して幅方向にテーパを設ける構造は、ＲＩＥで簡易に実現可能である。

このような構成において、光入射端面に光ファイバ等からの光を入射すると、図２（ａ）に示すように、光入射端付近では主に上部導波層３０（第１の上部テーパ部３１）に光が分布している。しかし、下部導波層２０及び上部導波層３０を光が伝播するに従って、図２（ｂ）に示すように、上部導波層２０の断面積が減少して行くため、光分布の断面積が減少すると共に光分布の中心は次第に基板側へとシフトして行く。

そして、図２（ｃ）に示すように、上部導波層３０（第２の上部テーパ部３２）が途切れる先端部において、テーパの幅を十分に狭くして、上部導波層３０の断面積が先端部の直下の下部導波層２０（下部テーパ部２２）の断面積よりも十分小さくなるように設定しておけば、光分布は大部分が下部導波層２０の方に移行し、スポットは上下方向に圧縮される。

この後、光は下部導波層２０を殆ど損失なく導波し、図２（ｄ）に示すように、下部導波層２０を導波するうちに今度は光分布の横幅が圧縮されて行く。そして、下部導波層２０（下部テーパ部２２）の出口から細線導波路４０へと殆ど損失なく伝播光が結合して行き、高圧縮率で高効率のスポットサイズ変換が実現できる。

このとき、上部導波層３０を図１のように２つの異なる角度のテーパを接続した構造にして、光入射端側に大きな角度で単位長さ当りの圧縮率が大きく短いテーパを採用し、テーパの先端部側は断熱的なモード変換を可能とするため小さな角度で長いテーパを採用することにより、全体として短いテーパで高い結合効率を実現することができる。即ち、一つのテーパで上部導波層３０を形成した場合よりも、全長を短くしながら効率の向上をはかることができる。

なお、この方法により縮小率（拡大率）が大きく高効率のスポットサイズ変換を行うにためには、下部導波層２０の厚さｄ₁ 、上部導波層３０の厚さｄ₂ は、
ｄ₁ ＜ ｄ₂
の関係にあることが望ましい。

さらに、このようなモード変換により、最終的に下部導波路から細線導波路へと光が効率良く結合するためには、基板の屈折率ｎ₀ 、下部導波層の屈折率ｎ₁ 、上部導波層の屈折率ｎ₂ は、
ｎ₀ ＜ ｎ₂ ≦ ｎ₁
の関係にあることが望ましい。

また、上部導波層３０としての２つのテーパ部３１，３２間に短い均一の幅の接続部３３（導波路）を挿入すると、角度の異なるテーパ間の光結合の際にモード不整合によって生じる損失を低減することができる。このとき、接続部３３の幅ｗ₁ は、その材料における光の波長（λ／ｎ₂ ）よりも広く、かつ光の波長の２倍（２λ／ｎ₂ ）よりも狭くする。これにより、横方向のモード幅の圧縮による損失及び、多モードから単一モードへの変換損失を何れも小さくすることが可能となり、より高効率の光結合が実現できる。さらに、第２の上部テーパ部３２の先端部の幅ｗ₂ を光の波長（λ／ｎ₂ ）よりも狭くすることにより、第２の上部テーパ部３２から下部テーパ部２２への光強度分布の移行を効率良く行うことができる。

図３（ａ）（ｂ）は、結合効率の接続部の幅への依存性であり、この結果はλ／ｎ₂ と２λ／ｎ₂ の間で高い結合効率が得られることを示している。図４（ａ）（ｂ）は、結合効率の接続部の長さへの依存性であり、この結果は数ミクロン程度の長さの接続部を挿入することで結合効率が改善されることを示している。図５（ａ）（ｂ）は、結合効率の先端部の幅への依存性であり、この結果は上部テーパ部３２の先端幅をλ／ｎ₂ 以下にすることで、高い結合効率が得られることを示している。

なお、図３及び図４において、（ａ）は後述する第１の実施例のように、サファイア基板上の窒化シリコン及び窒化アルミニウムからなる光結合デバイスの場合、（ｂ）は後述する第２の実施例のように、ＳＯＩ基板上のシリコンからなる光結合デバイスの場合を示している。

以上により、従来の傾斜構造や多段構造等を用いたデバイスよりも簡易で作製が容易になり、逆テーパ型よりも大幅な小型化が可能となり、高圧縮率、高効率かつ小型で作製も容易な光結合デバイスが実現できる。

このように本実施形態によれば、２つの平面テーパ（上部テーパ、下部テーパ）を重ねた２段テーパ型のスポットサイズ変換器及び、角度の異なる２つのテーパを接続した上部テーパを採用することにより、高圧縮率、高効率かつ小型で作製も容易な光結合デバイスを実現することができる。これにより、細線光導波路による光密度の増強や高集積化を利用した光デバイス及び光配線の実用化、更には量産化を可能とすることができる。

以下、本発明のより具体的な実施例について説明する。

（第１の実施例）
図６は、本発明の第１の実施例に係わるスポットサイズ変換器の概略構成を説明するためのもので、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。この実施例は、窒化物系サブバンド間遷移光スイッチにおける窒化物系細線導波路用の光結合デバイスの構造を示す。

基板１０はサファイア基板であり、下部導波層２０及び細線導波路４０はいずれも窒化アルミニウムである。細線導波路４０の中央付近には、波長１．５５μｍでサブバンド間遷移を生ずる窒化ガリウムの量子井戸が形成されている。また、下部導波層２０の上面に形成された上部導波層３０は窒化シリコンからなる構造とした。下部導波層２０及び細線導波路４０の高さはいずれも１μｍ、第１，第２の上部テーパ部３１，３２及び接続部３３の高さはいずれも１．５μｍ、光入出力部２１及び第１の上部テーパ部３１の入射端の幅はいずれも４μｍ、光入出力部２１の長さは９μｍ、第１の上部テーパ部３１の長さ８μｍ、第２の上部テーパ部３２の長さ９．５μｍ、接続部３３の幅及び長さはそれぞれ１μｍ，４．５μｍであり、先端部の幅は０．４μｍ、下部テーパ部２２の長さは１６μｍ、デバイスの全長は２５μｍであった。

このような構成において、入射光としてサブバンド間遷移を誘起する波長１．５５μｍのＴＭ偏光の光を用い、先球テーパ・ファイバにより光結合デバイスの入射端でスポット径３μｍの光を入力した。この場合の光結合効率について、構造パラメータ依存をビーム伝播解析により求めた結果を、図７に示す。図７から、分かるように、伝搬距離２５μｍ以上で、窒化アルミの細線導波路４０（断面０．８μｍ×１μｍ）へ８０％以上の高効率結合（結合損失１ｄＢ以下）が得られた。

（第２の実施例）
図８は、本発明の第２の実施例に係わるスポットサイズ変換器の概略構成を説明するためのもので、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。この実施例は、光配線におけるシリコン細線導波路用の光結合デバイスの構造を示す。

基板１０はＳＯＩ基板の二酸化シリコンであり、下部導波層２０、上部導波層３０は、何れもシリコンからなる構造とした。下部導波層２０及び細線導波路４０の高さは何れも０．３μｍ、第１，第２の上部テーパ部３１，３２及び接続部３３の高さはいずれも１．６μｍ、光入出力部２１及び第１の上部テーパ部３１の入射端の幅はいずれも３．４μｍ、光入出力部２１の長さは１５μｍ、第１の上部テーパ部３１の長さ１０．５μｍ、第２の上部テーパ３２の長さは１８μｍ、接続部３３の幅及び長さはそれぞれ０．６μｍ，７μｍであり、先端部の幅は０．３μｍ、下部テーパ部２２の長さ３５μｍ、デバイスの全長は５０μｍであった。

このような構成において、入射光として波長１．５５μｍのＴＥ偏光の光を用い、先球テーパ・ファイバにより入射端でスポット径３μｍの光を入力した。この場合の光結合効率について、構造パラメータ依存をビーム伝播解析により求めた結果を、図９に示す。図９から分かるように、伝搬距離５０μｍ以上で、シリコンの細線導波路４０（断面０．５μｍ×０．３μｍ）へ９０％以上の高効率結合（結合損失０．５ｄＢ以下）が得られた。

（変形例）
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。実施形態では、光ファイバ等からの入射光のスポットサイズを小さくして細線導波路に結合させる例について述べたが、全く同じ構成で、細線導波路からの光のスポットサイズを大きくして光ファイバに結合させることも可能である。即ち、本発明の光結合デバイスは、スポットサイズの縮小及び拡大の両方が可能である。

また、下部導波層及び上部導波層の材料は実施形態に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。一般的には、下部導波層及び上部導波層の材料として、基板よりも屈折率が高く、導波する光の減衰が少ない材料であれば用いることができる。さらに、下部導波層及び上部導波層の各部の寸法は、実施形態で示した値に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。

また、上部導波層の接続部は必ずしも必要なく、角度の異なるテーパ間のモード不整合によって生じる損失が小さい場合は、接続部を省略して第１及び第２の上部テーパ部を直接接続することも可能である。さらに、下部導波層の光入出力部は幅が一定としたが、下部テーパ部と同様にテーパを持たせても良い。但し、前記図２（ｃ）に示すように、上部導波層が途切れる先端部において、光分布の大部分が下部導波層の方に移行する程度に、上部導波層の断面積よりも下部導波層の断面積が十分大きいものとする必要がある。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係わるスポットサイズ変換器の概略構成を示す斜視図。 図１のスポットサイズ変換器の動作原理を説明するための模式図。 図１のスポットサイズ変換器における接続部の幅と結合効率との関係を示す特性図。 図１のスポットサイズ変換器における接続部の長さと結合効率との関係を示す特性図。 図１のスポットサイズ変換器における接続部の先端の幅と結合効率との関係を示す特性図。 第１の実施例に係わるスポットサイズ変換器の概略構成を示す上面図と側面図。 第１の実施例のスポットサイズ変換器における伝播距離と結合効率との関係を示す特性図。 第２の実施例に係わるスポットサイズ変換器の概略構成を示す上面図と平面図。 第２の実施例のスポットサイズ変換器における伝播距離と結合効率との関係を示す特性図。

符号の説明

１０…基板
２０…下部導波層
２１…光入出力部
２２…下部テーパ部
３０…上部導波層
３１…第１の上部テーパ部
３２…第２の上部テーパ部
３３…接続部
４０…細線導波路（光導波路）
５０…入射光のスポット

Claims (12)

1. 基板上に一方向に沿って設けられ、一端側に対し他端側の幅が絞り込まれた下部導波層と、
   前記基板上に前記一方向に沿って設けられ、前記下部導波層の他端と接続された光導波路と、
   前記下部導波層上に前記一方向に沿って前記下部導波層よりも厚い膜厚で設けられた上部導波層であって、一端を前記下部導波層の一端と揃えて形成され、一端側から他端側にかけて第１の傾斜角で幅が絞り込まれた第１の上部テーパ部と、一端が前記第１の上部テーパ部の他端に接続され、一端側から他端側にかけて第１の傾斜角よりも小さい第２の傾斜角で幅が絞り込まれた第２の上部テーパ部と、を有する上部導波層と、
   を具備し、
   前記下部導波層及び上部導波層の各々の一端側の側面に光を入射し、前記下部導波層から連続する前記光導波路に光を結合させるか、又は前記光導波路から前記下部導波層を介して前記上部導波層及び下部導波層の一端側の側面から光を出力することを特徴とする光結合デバイス。
2. 基板上に一方向に沿って設けられ、一端側に対し他端側の幅が絞り込まれた下部導波層と、
   前記基板上に前記一方向に沿って設けられ、前記下部導波層の他端と接続された光導波路と、
   前記下部導波層上に前記一方向に沿って前記下部導波層よりも厚い膜厚で設けられた上部導波層であって、一端を前記下部導波層の一端と揃えて形成され、一端側から他端側にかけて第１の傾斜角で幅が絞り込まれた第１の上部テーパ部と、一端が前記第１の上部テーパ部の他端に対向配置され、一端側から他端側にかけて前記第１の傾斜角よりも小さい第２の傾斜角で幅が絞り込まれた第２の上部テーパ部と、一端が前記第１の上部テーパ部の他端に接続され、他端が前記第２の上部テーパ部の一端に接続された幅が一定の接続部と、を有する上部導波層と、
   を具備し、
   前記下部導波層及び上部導波層の各々の一端側の側面に光を入射し、前記下部導波層から連続する前記光導波路に光を結合させるか、又は前記光導波路から前記下部導波層を介して前記上部導波層及び下部導波層の一端側の側面から光を出力することを特徴とする光結合デバイス。
3. 前記第１の上部テーパ部の他端と前記第２の上部テーパ部の一端は同じ幅であることを特徴とする請求項１又は２記載の光結合デバイス。
4. 前記光導波路は、細線導波路であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光結合デバイス。
5. 前記下部導波層は、一端側の側面が前記上部導波層と共に光の入出力面として用いられる幅が一定の光入出力部と、この光入出力部の他端に一端が接続され、一定の傾斜角で幅が絞られ、他端が前記光導波路に接続された下部テーパ部と、を有することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の光結合デバイス。
6. 前記基板の屈折率ｎ₀ 、前記下部導波層の屈折率ｎ₁ 、前記上部導波層の屈折率ｎ₂ は、
   ｎ₀ ＜ ｎ₂ ≦ ｎ₁
   の関係にあることを特徴とする請求項１又は２記載の光結合デバイス。
7. 前記接続部の幅ｗ₁ 、入射光の波長λ、接続部の屈折率ｎ₂ は、
   λ／ｎ₂ ＜ ｗ₁ ＜ ２λ／ｎ₂
   の関係にあることを特徴とする請求項２記載の光結合デバイス。
8. 前記第２の上部テーパ部の他端側の先端幅ｗ₂ 、第２の上部テーパ部の屈折率ｎ₂ は、
   ｗ₂ ＜ λ／ｎ₂
   の関係にあることを特徴とする請求項７記載の光結合デバイス。
9. 前記下部導波層は窒化アルミニウムからなり、前記光導波路は窒化アルミニウムと窒化ガリウムの積層構造からなり、前記上部導波層は窒化シリコンからなることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の光結合デバイス。
10. 前記下部導波層，前記光導波路，及び前記上部導波層は、シリコンからなることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の光結合デバイス。
11. 前記第１の上部テーパ部は前記光入出力部上に形成され、前記第２の上部テーパ部は前記光入出力部上から前記下部テーパ部上に跨って形成されていることを特徴とする請求項５記載の光結合デバイス。
12. 前記下部導波層及び上部導波層はそれぞれ、前記基板よりも屈折率の高い材料膜を異方性エッチング法により選択的にエッチングすることにより形成されていることを特徴とする請求項１〜１１の何れかに記載の光結合デバイス。

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