JP4886627B2 - 光結合デバイス - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバーや空間中を伝播する光信号を光導波路に結合させる光結合デバイスに係わり、特にスポットサイズ変換の機能を備えた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、光ファイバー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スポットサイズ変換の技術が、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）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。

１）の方法は応用範囲が広く、最も多用されているが、光のモード断面積を数μｍ×数μｍから数百μｍ×数百μｍへと２桁程度縮小する必要のあるＳｉ細線導波路への光結合に適用するのは困難である。このように大幅なモード断面積の縮小が必要となるＳｉ細線導波路への光結合には、進んだ微細加工技術を利用できるシリコンの利点を生かした、２）の方法が使われている（例えば、非特許文献１参照）。

非特許文献１の方法による光結合デバイスは、ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁膜（ＳｉＯ₂ ）を下部クラッド層として用い、下部クラッド層上にＳｉの細線光導波路を形成し、この細線光導波路をポリマーやＳｉＯＮからなる数μｍ角の上部クラッド層で埋め込んで構成される。細線光導波路は、高さ２００〜３００ｎｍ、幅３００〜５００ｎｍ程度であり、入出力部となるテーパ構造部は、先端の幅１００ｎｍ以下、長さ２００〜３００μｍ程度である。光を上部クラッド層に入射すると、テーパ構造の部分で光が徐々にシリコン細線導波路に結合されるため、テーパ長が数百μｍ程度あれば９０％以上の光を細線導波路に結合させることができる。

しかしながら、この種の光結合デバイスにあっては、次のような問題があった。即ち、上部クラッド層として数ミクロン角以上の立体構造をポリイミド樹脂等のポリマーや、ＳｉＯＮ等を用いて蒸着や熱処理のプロセスを加えて形成するため、受光／発光素子等の他の光デバイスやその電極のプロセスと整合させて集積化することが困難である。このため、大規模な集積化や量産化が難しいという問題があった。
T. Tsuchizawa et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.11, pp.232-239, 2005.

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、他の光デバイスやその電極のプロセスと整合させて集積化することができ、大規模な集積化や量産化を可能とする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、基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に、先端を前記下部クラッド層の端部に向けて形成され、該先端部がテーパ状に絞られた光導波路と、前記下部クラッド層上及び前記光導波路の先端部上に、前記下部クラッド層の端部から前記光導波路の先端部まで連続して形成された、前記下部クラッド層よりも屈折率の大きな上部クラッド層と、を具備し、前記下部クラッド層の端部に入射された光を、前記上部クラッド層により該上部クラッド層側に引き付け、前記光導波路の先端部に結合させることを特徴とする。

本発明によれば、上部クラッド層を薄膜化すると共に、下部クラッド層へ光を入射するスポットサイズ変換構造を採用することにより、光配線の光入出力部の薄層化／平坦化を可能とすることができる。これにより、他の光デバイスや電子回路との大規模な集積化及び、これに基づく光配線ＬＳＩの量産化が可能となる。

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる光結合デバイスの概略構成を説明するためのもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。

Ｓｉ基板１１上にＳｉＯ₂ 膜からなる下部クラッド層１２が形成され、下部クラッド層１２上の一部に、下部クラッド層１２の端部と僅かに離してＳｉからなる細線光導波路１３が形成されている。下部クラッド層１２の厚さは３μｍであり、Ｓｉ細線光導波路１３は厚さ２５０ｎｍ、幅４５０ｎｍである。Ｓｉ細線光導波路１３の先端部１３ａはテーパ状に加工されており、先端の幅は８０ｎｍとなっている。

下部クラッド層１２上及び光導波路１３の先端部１３ａ上には、下部クラッド層１２に入射する光のスポット径と同程度の幅を有する上部クラッド層１４が形成されている。上部クラッド層１４は、下部クラッド層１２よりも屈折率の高い材料、例えばＳｉＯＮで形成されている。

上記の基本構造は、ＳＯＩ基板で実現することができる。即ち、下部クラッド層１２はＳＯＩ基板１０の埋め込み絶縁膜（ＳｉＯ₂ 膜）であり、光導波路１３はＳＯＩ基板１０のＳｉ層を細線状に加工したものである。また、図１はＳＯＩ基板１０の光結合デバイス形成領域のみを示しており、他の領域には発光，受光，その他の各種デバイス、更には配線などが形成されている。

本実施形態においては、光ファイバーなどからの光１５は、上部クラッド層１４ではなく下部クラッド層１２に入射させる。下部クラッド層１２に入射された光は、下部クラッド層１２中を進行するが、屈折率の高い上部クラッド層１４に引き付けられ下部クラッド層１２の上面側に集光される。そして、光導波路１３のテーパ状の先端部１３ａに効率良く結合することになる。

図２は、下部クラッド層１２に入射されるスポット光１５の各部における強度分布を示す模式図である。下部クラッド層１２に入射した入射光のスポットは、下部クラッド層１２よりも屈折率の高い上部クラッド層１４により収束され、上部クラッド層１４が存在する領域でスポットサイズが小さくなる。そして、上部クラッド層１４よりも屈折率の高い細線光導波路１３に結合され、細線光導波路１３ではスポットサイズは更に小さくなる。

図３に、光結合デバイス内における光伝搬の様子を示す。図３（ａ）は光結合デバイスを側面から見た時の、厚さ方向（Ｙ方向）に対する光の分布を示す図、図３（ｂ）は光結合デバイスを上面から見た時の幅方向（Ｘ方向）に対する光の分布を示す図であり、図中の白い部分で光強度が高くなっている。また、図３（ｃ）は光の進行方向（Ｚ方向）における光結合効率を示している。これらの図から、下部クラッド層１２に入射した光は、下部クラッド層１２内を進行するに伴い上部クラッド層１４に引き付けられ、光導波路１３に効率良く結合されているのが分かる。

このように本実施形態では、光配線の入出力部の平坦化を可能とする光結合デバイスの構造として、図１のように上部クラッド層１４の厚さを上部クラッド層１４内部における光の波長（波長÷上部クラッド層１４の屈折率）に比べて薄くしている。但し、上部クラッド層１４の屈折率は、下部クラッド層１２に入射した光が上部クラッド層１４と細線光導波路１３のテーパ部１３ａとに十分強く引き付けられる程度に大きくする。この場合、この上部クラッド層１４の部分には光は閉じ込められないが、下部クラッド層１２に入射された光を上部クラッド層１４側に引き付けると共に、テーパ部１３ａにおける結合光のモード整合を助ける役割を果たす。

このとき、上部クラッド層１４の屈折率と厚さは、次のような関係にあることが望ましい。即ち、上部クラッド層１４の屈折率をｎ₁ 、入射する光の波長をλとすると、上部クラッド層１４の厚さｄ₁ は光導波路１３の厚さｄ₀ より厚く、上部クラッド層１４における光の波長λ／ｎ₁ より薄くする。従って、
ｄ₀ ≦ｄ₁ ≦λ／ｎ₁ …（１）
とする。このとき、光は上部クラッド層１４内を導波しない。しかし、上部クラッド層１４とＳｉ細線光導波路１３のテーパ部分１３ａを合わせた構造の有効屈折率が十分に大きく、またモード整合が良い場合には、Ｓｉ細線光導波路１３への高効率の光結合が可能となる。

一方、下部クラッド層１２（屈折率ｎ₂ ）は波長λの光を導波させるため、
ｄ₂ ≧λ／ｎ₂ …（２）
とする必要がある。なお、このとき上部クラッド層１４の幅Ｗ₁ は横方向の光の閉じ込めを良くして、光の横方向への広がりを抑制するために、入射する光のスポット径をｒとしたとき、
Ｗ₁ ≧ｒ …（３）
とするのが望ましい。スポットサイズが３μｍ程度であれば、３〜６μｍの幅にすることが望ましい。即ち、上部クラッド層１４の幅Ｗ₁ を余り大きくすると、横方向への広がりを抑制できなくなるために、Ｗ₁ の上限は２ｒ程度が望ましい。

また、ＳＯＩ基板のＳｉＯ₂ 層（下部クラッド層１２、波長１．５５μｍで屈折率１．４４）に光を入射する場合に、屈折率の大きなＳｉ基板１１（波長１．５５μｍで屈折率３．４８）への光の漏出が懸念される。しかし、数μｍのスポットサイズで十分にコリメートされたビーム光であれば、ＳｉＯ₂ ／Ｓｉ界面での反射率が大きく数百μｍの長さを殆ど損失なく導波させることは可能であり、この間にモードの整合の良いＳｉ細線光導波路１３のテーパ部１３ａに光を結合させることができる。また、このＳｉ基板１１への光の漏出を抑制するには、入射光のスポット径ｒ、上部クラッド層１４の厚さｄ₁ 、下部クラッド層１２の厚さｄ₂ の間に、
ｄ₁ ＋ｄ₂ ≧ｒ …（４）
の関係が成り立つようにすればよい。

本実施形態の光結合デバイスにおいて、上部クラッド層１４の厚さをＳｉ細線光導波路１３の厚さ（２５０ｎｍ）と同じにした場合に、結合効率の上部クラッド層１４の屈折率依存を、ビーム伝播法による光伝播シミュレーションで求めた結果を、図４に示す。図４に示すように、屈折率を１．６５〜１．８に選べば、上部クラッド層１４をＳｉ細線光導波路１３と同程度まで薄くしても高効率の光結合が実現できる。

本実施形態の光結合デバイスにおいて、上部クラッド層１４の屈折率を一般的なポリマー樹脂の屈折率（１．５２５）として、結合効率の上部クラッド層１４の厚さ依存を、ビーム伝播法による光伝播シミュレーションで求めた結果を、図５に示す。図５に示すように、サブミクロン厚（０．３〜０．８μｍ）の上部クラッド層１４で高効率の光結合が実現できる。

これにより、上部クラッド層１４を十分厚くして光を入射し導波させる方式においては困難であった、光配線の入出力部分の平坦化が可能となり、他の光デバイスや電子回路との大規模な集積化及び、これに基づく光配線ＬＳＩの量産化を可能とする光結合デバイスが実現できる。

上記の結果から、第１の実施例として、上部クラッド層１４に屈折率１．７のＳｉＯＮを用いた場合、その厚さは２５０ｎｍ、幅は４μｍとすればよい。また、第２の実施例として、上部クラッド層１４に屈折率１．５２５のポリイミド系ポリマー樹脂を用いた場合、その厚さは７００ｎｍ、幅は４μｍとすればよい。

また、本実施形態の光結合デバイスにおいて、下部クラッド層１２に対する入射スポット光の中心位置と結合効率との関係を調べた結果を、図６に示す。なお、ここでは光結合効率のスポット位置依存を、ビーム伝播法による光伝播シミュレーションにより求めた。このとき、下部クラッド層１２の厚さは３μｍ、Ｓｉ細線光導波路１３の厚さは２５０ｎｍ、幅は４５０ｎｍ、テーパ長２００μｍ、先端幅８０ｎｍ、上部クラッド層１４の厚さは２５０ｎｍ、幅は４μｍとした。

図６に示すように、入射スポット光の中心位置を下部クラッド層１２の厚さ方向の中心付近、より正確には下部クラッド層１２の厚さ方向の中心より僅かに上に設定することにより、十分に高い結合効率が得られることが分かる。即ち、上部クラッド層１４の上端と下部クラッド層１２の下端との間のほぼ中間点で、結合効率は最大（９５％以上）となり、この点を中心として±０．５μｍ以内では８０％以上の結合効率（１ｄＢ以下の結合損失）が得られる。

なお、スポットの中心位置が上下方向に大幅に（１μｍ以上）ずれると、空気中或いは基板への光の漏出が顕著となる。

このように本実施形態によれば、上部クラッド層１４を薄膜化すると共に、下部クラッド層１２へ光を入射するスポットサイズ変換構造を採用することにより、光配線の光入出力部の薄層化／平坦化を可能とすることができる。即ち、光ファイバーや空間中を伝播する光信号の、微細な光導波路への高効率の光結合と、光配線入力部の平坦化による集積化の容易さとを兼ね備えた光結合デバイスを実現することができる。これにより、他の光デバイスや電子回路との大規模な集積化及び、これに基づく光配線ＬＳＩの量産化が可能となる。

即ち、光ファイバーや空間中を伝播する光信号の、微細な光導波路への高効率の光結合と、光配線入力部の平坦化による集積化の容易さの両方を実現することができる。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係わる光結合デバイスの概略構成を示す斜視図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

本実施形態は、第１の実施形態のような光結合デバイスに光ファイバーを接続したものである。

光ファイバー支持用基板２１上の一部に下部クラッド層１２が形成され、この下部クラッド層１２上に第１の実施形態と同様にＳｉ細線光導波路１３及び上部クラッド層１４が形成されている。支持用基板２１には、光ファイバー２６を位置決め固定するための断面Ｖ字型の溝が、下部クラッド層１２の端面と直交する方向に沿って形成されている。

ここで、支持用基板２１には、ＳＯＩ基板の下地Ｓｉ基板を用いることができる。即ち、光ファイバー２６の支持部でＳＯＩ基板の埋め込み絶縁膜１２を除去することにより、ＳＯＩ基板の下地Ｓｉ基板１１をそのまま光ファイバー支持用基板２１として用いることができる。

先の第１の実施形態と同様に、下部クラッド層１２の厚さは３μｍ、Ｓｉ細線光導波路１３の厚さは２５０ｎｍ、幅は４５０ｎｍ、テーパ長２００μｍ、先端幅８０ｎｍ、上部クラッド層１４はＳｉＯＮでその厚さは２５０ｎｍ、幅は４μｍとした。このような光結合デバイスに、高屈折率光ファイバーの出力光（波長１．５５μｍ、スポット径４μｍ）を入射したところ、９０％以上の光結合効率（結合損失０．５ｄＢ以下）が得られた。

（第３の実施形態）
第１の実施形態では光入力部のみについて述べたが、光出力部に同じ構造を形成することにより、Ｓｉ細線導波路からの出力を光ファイバーに結合させる場合においても、効率良く光を結合させることが可能である。

さらに、図８に示すように、結合効率は１．３μｍから１．７μｍの範囲で殆ど波長に依存しない、高効率の光結合が得られた。従って、第１の実施形態のような光結合デバイスの構成を光回路の入出力部に適用することで、光通信波長帯の全域をカバーする波長多重光配線が実現できる。

図９は、本発明の第３の実施形態に係わる光結合デバイスの波長多重光配線への応用例を示す平面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

下部クラッド層１２の一方の端部近傍に第１の上部クラッド層１４が形成され、他方の端部近傍に第２の上部クラッド層３４が形成されている。下部クラッド層１２と第１の上部クラッド層１４との間には、入力導波路として機能するＳｉ細線光導波路１３が形成され、下部クラッド層１２と第２の上部クラッド層３４との間には出力導波路として機能する複数本のＳｉ細線光導波路３４が形成されている。そして、入力導波路１３と出力導波路３３との間には、入力導波路１３から入力した光を波長毎に異なる出力導波路３３に分岐させるための波長多重分岐部３０が形成されている。

Ｓｉ細線光導波路１３，３３の厚さや幅等の条件は、第１の実施形態と同様である。上部クラッド層１４，３４の材料や厚さ等の条件は第１の実施形態と同様であるが、上部クラッド層３４は複数本の光導波路３３を跨いで連続して設けられている。

このような構成により、光通信波長帯の全域をカバーする波長多重光配線を実現することができる。また、出力導波路３３の代わりに、光検出器を設けることにより、波長毎に分岐された光出力を電気信号として取り出すことも可能である。

（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ＳＯＩ基板を用いたが、必ずしもＳＯＩ基板を用いる必要はない。下部クラッド層上の一部に光導波路が配置され、その上に上部クラッド層を有する構成であればよい。更に、上部クラッド層，下部クラッド層，及び光導波路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。上部クラッド層の屈折率ｎ₁ 、下部クラッド層の屈折率ｎ₂ 、光導波路の屈折率ｎ₀ とした時に、
ｎ₂ ＜ｎ₁ ＜ｎ₀
の関係であればよい。

また、上部クラッド層の厚さや幅、下部クラッド層の厚さ、光導波路の厚さや幅等の条件も仕様に応じて適宜変更可能であり、特にこれらは（１）〜（４）式で示した範囲にするのが望ましい。

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。

第１の実施形態に係わる光結合デバイスの概略構成を示す斜視図と平面図。 第１の実施形態における光結合デバイスの下部クラッド層に入射されるスポット光の各部における強度分布を示す図。 第１の実施形態における光結合デバイス内における光伝搬の様子を示す図。 第１の実施形態の光結合デバイスにおける結合効率の屈折率依存を示す図。 第１の実施形態の光結合デバイスにおける結合効率のクラッド層厚依存を示す図。 下部クラッド層に対する入射スポット光の中心位置と結合効率との関係を示す図。 第２の実施形態に係わる光結合デバイスの概略構成を示す斜視図。 第１の実施形態における光結合デバイスの結合効率の波長依存を示す図。 第３の実施形態を説明するためのもので、光結合デバイスの光結合デバイスの波長多重光配線への応用例を示す平面図。

符号の説明

１０…ＳＯＩ基板
１１…Ｓｉ基板
１２…下部クラッド層
１３…Ｓｉ細線光導波路
１３ａ…テーパ部
１４…上部クラッド層
１５…入射光のスポット
２１…光ファイバー支持用基板
２６…光ファイバー
３０…波長多重分岐部
３３…Ｓｉ細線光導波路
３４…上部クラッド層

Claims (10)

1. 基板上に形成された下部クラッド層と、
   前記下部クラッド層上に、先端を前記下部クラッド層の端部に向けて形成され、該先端部がテーパ状に絞られた光導波路と、
   前記下部クラッド層上及び前記光導波路の先端部上に、前記下部クラッド層の端部から前記光導波路の先端部まで連続して形成された、前記下部クラッド層よりも屈折率の大きな上部クラッド層と、
   を具備し、
   前記下部クラッド層の端部に入射された光を、前記上部クラッド層により該上部クラッド層側に引き付け、前記光導波路の先端部に結合させることを特徴とする光結合デバイス。
2. 前記上部クラッド層の厚さｄ₁ は、前記光導波路の厚さをｄ₀ 、前記入射する光の波長をλ、前記上部クラッド層の屈折率をｎ₁ としたとき、
   ｄ₀ ≦ｄ₁ ≦λ／ｎ₁
   の関係にあることを特徴とする請求項１記載の光結合デバイス。
3. 前記下部クラッド層の厚さｄ₂ は、前記入射する光の波長をλ、前記下部クラッド層の屈折率をｎ₂ としたとき、
   ｄ₂ ≧λ／ｎ₂
   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。
4. 前記上部クラッド層の幅Ｗ₁ は、前記入射する光のスポット径をｒとしたとき、
   Ｗ₁ ≧ｒ
   の関係に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. 前記上部クラッド層の厚さｄ₁ と前記下部クラッド層の厚さｄ₂ は、前記入射する光のスポット径をｒとしたとき、
   ｄ₁ ＋ｄ₂ ≧ｒ
   の関係にあ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. 前記光導波路は、細線光導波路であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の光結合デバイス。
7. 前記細線光導波路はＳｉ、前記下部クラッド層はＳｉＯ₂からなることを特徴とする請求項６記載の光結合デバイス。
8. 前記下部クラッド層は、Ｓｉ基板上に埋め込み絶縁膜を介してＳｉ層を形成したＳＯＩ基板の埋め込み絶縁膜であり、
   前記光導波路は、前記ＳＯＩ基板のＳｉ層を線状に加工したものであることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の光結合デバイス。
9. 基板上に光導波部材を固定するための固定部と該光導波部材に光結合される光結合部とを設けた光結合デバイスであって、
   前記光結合部は、前記固定部に対向する端面を有し、前記基板上に形成された下部クラッド層と、この下部クラッド層上に先端を前記下部クラッド層の端部に向けて形成され、該先端部がテーパ状に絞られた光導波路と、前記下部クラッド層上及び前記光導波路の先端部上に、前記下部クラッド層の端部から前記光導波路の先端部まで連続して形成された、前記下部クラッド層よりも屈折率の大きな上部クラッド層とから構成され、
   前記下部クラッド層の端部に入射された光を、前記上部クラッド層により該クラッド層側に引き付け、前記光導波路の先端部に結合させることを特徴とする光結合デバイス。
10. Ｓｉ基板上に埋め込み絶縁膜を介してＳｉ層を形成したＳＯＩ基板を用い、このＳＯＩ基板に光ファイバー固定部と光結合部を設けた光結合デバイスであって、
    前記光ファイバー固定部は、前記ＳＯＩ基板のＳｉ層及び埋め込み絶縁膜を除去し、露出したＳｉ基板の表面に断面がＶ字型の溝を形成して構成され、
    前記光結合部は、前記光ファイバー固定部に対向する端面を有し、前記埋め込み絶縁膜からなる下部クラッド層と、この下部クラッド層上に先端を前記下部クラッド層の端部に向けて形成され、該先端部がテーパ状に絞られたＳｉ細線光導波路と、前記下部クラッド層上及び前記光導波路の先端部上に、前記下部クラッド層の端部から前記光導波路の先端部まで連続して形成された、前記下部クラッド層よりも屈折率の大きな上部クラッド層とから構成され、
    前記下部クラッド層の端部に入射された光を、前記上部クラッド層により該クラッド層側に引き付け、前記光導波路の先端部に結合させることを特徴とする光結合デバイス。

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