JP4899218B2 - ブレーズ型光結合素子及びそれを使用した光機能素子 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバとフォトニック結晶の導波路などの極微小光回路との入出力部に適した光結合素子及びそれを使用した光機能素子、特にブレーズ型回折格子を利用した光結合素子及びそれを使用した光機能素子に関する。

情報処理分野において、光素子や光集積回路を用いることにより高速で大容量の情報の伝達・処理が期待できる。光素子、光集積回路の課題の一つは電子を用いる半導体集積回路と同等のサイズを実現することであったが、フォトニック結晶を利用することによりこれが可能になることが確認されている。光素子、光集積回路のもう一つの課題は、極微小された光素子、光集積回路の入出力部において光を効率よく伝達する光結合部を実現することである。

一般に回折格子は種々の波長が混在する光から特定波長の光を取り出すための光学素子で、対象とする光に含まれる特定波長の光を高効率で取り出すために受光面を屋根型にするブレーズ型回折格子が知られている。ブレーズ型回折格子の一例として受光面に多数個の二等辺三角形状孔を並設した回折格子が提案されている（特許文献１）。この回折格子はエッチング技術によって簡単に製造でき、二等辺三角形の高さ方向の周期（寸法）を特定波長の３〜５倍にすることにより７０〜８０％の高効率で特定波長の光を取り出すことが可能である。もし、この回折格子を光結合素子として利用できるならば、高効率で光信号を伝達することが可能になる。回折格子は先に述べたように入射した光から特定波長の光を所定角度に偏向して取り出すものであり、このままで光結合素子に適用することは出来ない。本発明者らはブレーズ型回折格子を光結合素子として使用するために種々の検討を加え、光素子や光集積回路などの光機能素子に適した光結合素子を見出した。
ＵＳＰ７１３９１２７

本発明の目的は光素子や光集積回路などの光機能素子の入出力部に適したブレーズ型光結合素子を提供することにある。
本発明の他の目的はブレーズ型光結合素子を利用した光機能素子を提供することにある。

本発明ブレーズ型光結合素子の特徴とするところは、基板と、基板上に直接または他の層を介して形成され、光を通しかつ隣接層より高い屈折率を有する材料からなる導波層を備え、導波層の受光面となる個所に回折格子領域が形成され、回折格子領域は複数個の一方向性先鋭化パターン形状孔がその頂点を略同方向に向けて並設した構成からなり、一方向性先鋭化パターン形状孔の高さ方向の周期（寸法）を受光面に入射する光の波長より小さくした点にある。一方向性先鋭化パターン形状は屈折率が一方向に変化するように一方向に先鋭化された部分を持つ形状で、例えば二等辺三角形、直角三角形、台形、卵形、三角錐の底辺が突出した曲線になっているもの、これらの変形されたものがある。基板及び導波層はIII―Ｖ族化合物半導体、シリコン、シリコン酸化物、ガラスから選ばれた材料が使用できる。
回折格子領域を構成する複数個の一方向性先鋭化パターン形状孔の配置方法の代表的な例としては、（１）一方向性先鋭化パターン形状孔が直交する等間隔の平行線の各交点に頂点を同一方向に向けて配置するもの、（２）複数個の一方向性先鋭化パターン形状孔が頂点方向前方の点に基づいた同心円上に頂点方向を揃えて配置するもの、（３）複数個の一方向性先鋭化パターン形状孔が直交する等間隔の平行線の各交点に位置し、頂点の方向を直交する平行線に対し４５度傾斜した方向に向けて配置するもの、（４）複数個の一方向性先鋭化パターン形状孔が直交する等間隔の平行線の各交点に頂点の方向を平行線に対し４５度傾斜した方向に向けて配置し、直交する平行線はその直角方向前方の点に基づいた同心円状に変形されているもの等が考えられる。

本発明光機能素子の特徴とするところは、基板上に回折格子領域と機能素子を形成するフォトニク結晶領域及び回折格子領域とフォトニク結晶領域を光学的に連結する導波路が並設され、回折格子領域が導波路の一部上に構成され、複数個の一方向性先鋭化パターン形状孔をその頂点を略同方向に向けて並設すると共に一方向性先鋭化パターン形状孔の高さ方向の周期（寸法）を受光面に入射する光の波長より小さくした点にある。

本発明ブレーズ型光結合素子は、複数個の一方向性先鋭化パターン形状孔をその頂点を略同方向に向けて並設すると共に一方向性先鋭化パターン形状孔の高さ方向の周期（寸法）を受光面に入射する光の波長より小さくした回折格子領域を備えることにより、入射した光を効率よく導波路に導くことが出来る。
また、本発明ブレーズ型光結合素子を使用した光機能素子は、入射した光をフォトニク結晶領域に効率よく導くことが可能であり、高効率の光機能素子を実現できる。

本発明ブレーズ型光結合素子は、ガリウム砒素基板上に直接または他の層を介して光を通しかつ隣接層より高い屈折率を有するガリウム砒素からなる導波層を形成し、導波層の受光面となる個所に複数個の二等辺三角形状孔をその頂点を略同方向に向けて並設した回折格子領域を形成し、二等辺三角形状孔の高さ方向の周期Λを受光面に入射する光の波長λより小さくした構成となっている。このブレーズ型光結合素子を使用した光機能素子は、導波層に隣接してフォトニク結晶領域を形成し、このフォトニク結晶領域内に機能素子を形成する。導波層の下側の回折格子領域及びフォトニク結晶領域に対応する隣接領域には空気層を形成している。

図１は本発明ブレーズ型光結合素子を使用した光機能素子の一実施例を示す概略斜視図である。図１において、１はガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなる基板、２は基板１上に形成されたアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）層、３はアルミニウムガリウム砒素層２上に形成されたガリウム砒素（ＧａＡｓ）層である。ガリウム砒素層３の受光面４となる個所に回折格子領域３１が形成され、回折格子領域３１から離れた個所にスイッチ、演算、論理などの機能領域を形成するフォトニク結晶領域３２が形成されている。回折格子領域３１は複数個の二等辺三角形状孔３１ａがその頂点を略同方向（図で左方向）に向けて並設されている。二等辺三角形状孔３１ａの深さはガリウム砒素層３の厚さより小さく、これによって回折格子領域３１の下方にはガリウム砒素層３が存在し、回折格子領域３１を出た光をフォトニク結晶領域３２へ導く導波路として機能する。二等辺三角形状孔３１ａの高さ方向の周期（寸法）Λが受光面に入射する光の波長λより小さくされている。具体的には、回折光と導波路を移動する伝播光の結合条件式は、回折格子の平均屈折率をｎ_ｏｆｆとしたとき数式（１）で計算できる。図１の回折格子領域３１の二等辺三角形状孔３１ａの高さ方向の周期（寸法）Λを計算すると、ガリウム砒素の屈折率が３．４５、入射光の波長が１３００ｎｍ（通信波長帯）であるから、Λは５２０ｎｍとなる。
Λ＝λ／ｎ_ｏｆｆ （１）
二等辺三角形状孔３１ａの底辺方向周期が大きいと回折光が底辺方向に回折または結合するおそれがある。底辺方向周期を高さ方向周期Λより短くすることにより回折光が底辺方向に回折または結合することを防止できる。この結果、底辺方向周期４２０ｎｍ、深さ１４０ｎｍのとき、ＴＥ偏光（三角形底辺方向の電場の向きを持つ直線偏光）波長１３００ｎｍ、６μｍ径のガウシャンビームを垂直入射した場合、４６％で横方向のＴＥモード（電場が薄膜面内に平行に振動するモード）で結合された。
回折格子領域３１をこの構成にすることにより、受光した光は回折格子領域３１を通過した後、回折格子領域３１下方のガリウム砒素層（導波層）３内を受光面と略平行に移動しフォトニク結晶領域３２に向かう。特許文献１に示した回折格子では、二等辺三角形状島領域の下方に導波路となる領域が存在せず、かつ二等辺三角形状島の高さ方向の周期（寸法）Λが受光面に入射する光の波長λの３〜５倍になっているため、回折格子領域を出た光は回折格子領域の受光面と平行な方向へは進まず、或る角度を持つ方向へ進むことになる。従って、特許文献１に示した回折格子をそのまま光機能素子の光結合素子として利用することは出来ないのである。

アルミニウムガリウム砒素層２の回折格子領域３１及びフォトニク結晶領域３２の下方に隣接する領域は除去されて空気層２１が形成されている。空気層を形成することにより回折格子領域３１を出た光及びフォトニク結晶領域３２に案内された光がアルミニウムガリウム砒素層２に漏れるのを確実に防止することが出来る。アルミニウムガリウム砒素層２の厚さは、基板１とガリウム砒素層３との間の多重反射による干渉効果を考慮して、１０００ｎｍに最適化した。これによって６４％の結合効率が得られた。

この実施例では回折格子領域を複数個の二等辺三角形状孔を並設して形成した場合を例に採って説明したが、本発明は二等辺三角形状孔に限定することなく図２に示す一方向性先鋭化パターン形状を有する孔であれば使用できる。一方向性先鋭化パターン形状としては、（ａ）二等辺三角形、（ｂ）直角三角形、（ｃ）台形、（ｄ）台形の上辺を凹ました形状、（ｅ）卵形、（ｆ）円錐形の底辺が突出した曲線になった形状、これらの変形したものが使用できる。

次に、図１に示すブレーズ型光結合素子を使用した光機能素子の製造方法を説明する。ガリウム砒素基板１上にアルミニウムガリウム砒素層２及びガリウム砒素層３を気相または液相成長法により順次形成する。ガリウム砒素層３のフォトニック結晶領域３２とすべき個所はガリウム砒素層３を除去して公知の方法により貫通空孔３２ａを有するフォトニック結晶を形成する。また、ガリウム砒素層３表面全体にレジスト膜を形成し、レジスト膜を露光・現像して二等辺三角形状孔に相当する貫通孔を形成する。貫通孔を有するレジスト膜をマスクにしてガリウム砒素層３を所定の深さドライエッイングして回折格子領域３１を形成する。次に、回折格子領域３１の近傍においてガリウム砒素層３にアルミニウムガリウム砒素層２に届く貫通孔３１ｂを所定数形成する。貫通孔３１ｂ及び貫通孔３２ａを通してアルミニウムガリウム砒素層２の回折格子領域３１及びフォトニック結晶領域３２下方の部分を弗酸によるウエットエッチングで除去し、空気層２１を形成する。このように本発明結合素子及びそれを用いた光機能素子は一面からのエッチング作業で素子を簡単に形成できる。

図３は複数個の二等辺三角形状孔３１ａを直交する等間隔の平行線の各交点に頂点を同一方向（図で左方向）に向けて配置した回折格子領域３１の一実施例である。各二等辺三角形状孔３１ａは高さΛが５２０ｎｍ、底辺の長さが４２０ｎｍで、これがＸ方向（紙面の横方向）とＹ方向（紙面の上下方向）に並設されている。この配置はＸ方向の周期とＹ方向の周期が異なっており、二次元周期長方配置である。この配置により、受光面に入射された光（○印６で示す）は回折格子領域３１を通過することにより導波路となるガリウム砒素層３内を矢印７の方向に入射光の径と略同じ幅の光として移動することになる。即ち、この回折格子領域３１は集光効果を有しない。Ｅは電場である。

図４は回折格子領域３１を通過した光に集光効果を持たせるために、多数の二等辺三角形状孔３１ａをＹ方向の配列を略同心円状にした実施例である。回折格子領域３１を通過した光を集光する側の点８を中心とした同心円状に二等辺三角形状孔３１ａを配置している。（ａ）は二等辺三角形状孔３１ａの頂点の向きを図３と同様に同一方向としている。（ｂ）は二等辺三角形状孔３１ａの頂点の向きを点８の方向にしている。このように二等辺三角形状孔３１ａのＹ方向の配列を略同心円状にすることにより、回折格子領域３１を通過した光を点８の方向に集光することが出来る。

図５は二等辺三角形状孔３１ａの頂点の向きを図３の状態からＸ方向からＹ方向に４５度傾斜させて配置した実施例である。二等辺三角形状孔３１ａの頂点の向きをＸ方向及びＹ方向に対し４５度の角度を持たせることにより、回折格子領域３１を通過した光は矢印９で示すようにＸ方向とＹ方向の直交した２方向へ導かれる。従って、直角方向に配置された２個のテーパ付きフォトニック結晶導波路領域３２へ光を導くことが出来る。この実施例では図３に示す配置と同様に集光効果は持っていない。この実施例を使用すれば、入出力用の２つの結合素子構造と２つのＴＥ用微小光回路からなる偏波ダイバーシティ構成をとることで、任意の偏光を入出力できる偏光無依存な光回路を実現することが可能である。

図６は集光効果を有する図５の変形例である。この変形例では二等辺三角形状孔３１ａの配置を、その頂点の向きをＸ方向及びＹ方向に対し４５度の角度を持たせ、直交する等間隔の平行線を２個の点１０を中心とする同心円にした時の各交点に二等辺三角形状孔３１ａの頂点が位置するようにしている。この配置により、直角方向に配置された２個のフォトニック結晶領域３２へ集光した光を導くことが出来る。

本発明ブレーズ型光結合素子を使用した光機能素子の一実施例を示す概略斜視図である。 回折格子領域を形成する一方向性先鋭化パターン形状孔の種類を示す概略平面図である。 回折格子領域を構成する二等辺三角形状孔の配置の一例を示す概略平面図である。 回折格子領域を構成する二等辺三角形状孔を集光機能を持たせるように配置する一例を示す概略平面図である。 回折格子領域を構成する二等辺三角形状孔を回折した光を２方向に導くように配置する一例を示す概略平面図である。 回折格子領域を構成する二等辺三角形状孔を回折した光を２方向に集光して導くように配置する一例を示す概略平面図である。

符号の説明

１…基板、２…アルミニウムガリウム砒素層、２１…空気層、３…ガリウム砒素層、３１…回折領域、３１ａ…二等辺三角形状孔、３２…フォトニック結晶領域、４…受光面。

Claims (8)

1. 基板と、
   基板上に直接または他の層を介して形成され、光を通しかつ隣接層より高い屈折率を有する材料からなる導波層を備え、
   前記導波層の受光面となる個所に回折格子領域が形成され、前記回折格子領域は複数個の一方向性先鋭化パターン形状孔がその頂点を所定方向に向けて並設された構成からなり、前記一方向性先鋭化パターン形状孔の高さ方向寸法が前記受光面に入射する光の波長より小さいことを特徴とするブレーズ型光結合素子。
2. 前記一方向性先鋭化パターン形状孔の深さが前記導波層の厚さより小さく、前記一方向性先鋭化パターン形状孔の下方に隣接する前記導波層が回折格子領域を通過した光の通路として機能することを特徴とする請求項１記載のブレーズ型光結合素子。
3. 前記回折格子領域を形成する複数個の前記一方向性先鋭化パターン形状孔が、直交する等間隔の平行線の各交点に頂点を同一方向に向けて配置されていることを特徴とする請求項２記載のブレーズ型光結合素子。
4. 前記回折格子領域を形成する複数個の前記一方向性先鋭化パターン形状孔が、頂点方向前方の点に基づいた同心円上に頂点方向を揃えて配置されていることを特徴とする請求項２記載のブレーズ型光結合素子。
5. 前記回折格子領域を形成する複数個の前記一方向性先鋭化パターン形状孔が、直交する等間隔の平行線の各交点に位置し、頂点を直交する前記平行線に対し４５度傾斜した方向に向けて配置されていることを特徴とする請求項２記載のブレーズ型光結合素子。
6. 前記回折格子領域を形成する複数個の一方向性先鋭化パターン形状孔が、直交する等間隔の平行線の各交点に頂点を前記平行線に対し４５度傾斜した方向に向けて配置され、直交する前記平行線はその直角方向前方の点に基づいた同心円状に変形されていることを特徴とする請求項２記載のブレーズ型光結合素子。
7. 基板上に回折格子領域と機能素子を形成するフォトニク結晶領域及び前記回折領域と前記フォトニク結晶領域を光学的に連結する導波路が並設され、前記回折領域が前記導波路の一部上に構成され、かつ複数個の一方向性先鋭化パターン形状孔をその頂点を略同方向に向けて並設すると共に前記一方向性先鋭化パターン形状孔の高さ方向の周期（寸法）を受光面に入射する光の波長より小さくしたことを特徴とする光機能素子。
8. 前記導波路の前記回折格子領域とは反対側に空気層が形成されていることを特徴とする請求項７記載の光機能素子。

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