JP5161945B2

JP5161945B2 - 光結合デバイス

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Publication number: JP5161945B2
Application number: JP2010218384A
Authority: JP
Inventors: 春彦吉田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: JP2012073446A

Description

本発明の実施の形態は、光結合デバイスに関する。

近年、光配線技術の分野において、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二クスの研究が進展している。この結果、シリコンとシリコン酸化物あるいは空気との屈折率差を利用して、極めて微細で急な曲がりにおいても低損失な光導波路の実現が可能となっている。そして、このような光導波路を用いたシリコンＬＳＩと光配線の融合により、光通信用の送受信モジュールおよびシステムの小型化、低消費電力化が可能となりつつある。

シリコンＬＳＩと光配線を融合する際、光ファイバーや空間中を伝播する光を、スポットサイズ変換し、数百ナノメータ角以下の断面サイズを有するシリコンの細線光導波路に高効率で結合させる光結合デバイス（またはスポットサイズ変換器）が重要となる。そして、さらに、小型かつ高効率の光結合デバイスの実現が望まれている。

特開２００９−３６８７３号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、小型かつ高効率の光結合デバイスを提供することにある。

実施の形態の光結合デバイスは、基板と、基板上に形成され、光の入出力側に端面を有する下部クラッド層と、下部クラッド層上に、先端を上記端面に向けて形成され、先端部がテーパ形状に絞られた複数の第１の光導波路と、下部クラッド層上に形成され、一端に複数の第１の光導波路が先端部の反対側で接続される多モード干渉光導波路と、下部クラッド層上に形成され、多モード干渉光導波路の他端に接続される少なくとも一本の第２の光導波路と、下部クラッド層上、複数の第１の光導波路上、および、多モード干渉光導波路上に、下部クラッド層の端面から連続して形成される上部クラッド層を備える。そして、複数の第１の光導波路、多モード干渉光導波路、および、第２の光導波路の屈折率が、上部クラッド層の屈折率よりも高く、上部クラッド層の屈折率が、下部クラッド層の屈折率よりも高く、複数の第１の光導波路において、端面と先端部との距離が、外側に位置する光導波路ほど短くなる。

第１の実施の形態の光結合デバイスの概略図である。第１の実施の形態の光結合デバイスの作用を示す模式図である。第１の実施の形態の光結合デバイスにおける結合効率のシミュレーション結果を示す図である。第２の実施の形態の光結合デバイスの概略上面図である。第２の実施の形態の光結合デバイスにおける結合効率のシミュレーション結果を示す図である。第３の実施の形態の光結合デバイスの概略上面図である。第４の実施の形態の光結合デバイスの概略上面図である。第５の実施の形態の光結合デバイスの概略上面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。なお、図面の縦横比、寸法等は、便宜上、実際の縦横比や寸法と異なって描かれている場合がある。

なお、本明細書中、テーパ形状とは、直線的なテーパ形状に限らず、曲線的なテーパ形状も含む概念とする。また、光導波路のテーパ形状のテーパ角とは、光導波路の伸長方向と、テーパ形状面がなす角度のうち、小さい方の角度を意味するものとする。

（第１の実施の形態）
本実施の形態の光結合デバイスは、基板と、基板上に形成され、光の入出力側に端面を有する下部クラッド層と、下部クラッド層上に、先端を端面に向けて形成され、先端部がテーパ形状に絞られた複数の第１の光導波路と、下部クラッド層上に形成され、一端に複数の第１の光導波路が先端部の反対側で接続される多モード干渉光導波路と、下部クラッド層上に形成され、多モード干渉光導波路の他端に接続される少なくとも一本の第２の光導波路と、下部クラッド層上、複数の第１の光導波路上、および、多モード干渉光導波路上に、下部クラッド層の端面から連続して形成される上部クラッド層を備えている。そして、複数の第１の光導波路、多モード干渉光導波路、および、第２の光導波路の屈折率が、上部クラッド層の屈折率よりも高く、上部クラッド層の屈折率が、下部クラッド層の屈折率よりも高い。

本実施の形態によれば、上記構成を備えることにより、小型かつ高効率の光結合デバイスを実現する。

図１は、本実施の形態の光結合デバイスの概略図である。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡＡ断面図である。以下、光結合デバイスが光入力部に用いられる場合を例に説明する。

例えばシリコン（Ｓｉ）からなる基板１０上に、光の入力される側に端面１２を有する下部クラッド層１４が形成される。下部クラッド層１４は、例えば、シリコン酸化物である二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる。下部クラッド層１４の厚さは、例えば、１〜５μｍ程度である。

下部クラッド層１４上には、先端部がテーパ形状に絞られた３本の第１の光導波路１６ａ、１６ｂ、１６ｃが並んで形成されている。第１の光導波路１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、先端を端面１２に向けて形成されている。第１の光導波路１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、例えば、シリコンの細線で構成される。

第１の光導波路１６ａ、１６ｂ、１６ｃの厚さは、例えば、１００〜３００ｎｍ、長さ（図１中ａ）は、例えば、５〜１５μｍ、最大幅（図１中ｂ）は、例えば、３００〜５００ｎｍ、先端の幅は、例えば、１００〜２００μｍである。また、各光導波路間の最大幅部での間隔は、例えば、０．５μｍ〜２μｍである。

さらに、下部クラッド層１４上には、多モード干渉光導波路１８が形成される。多モード干渉光導波路１８の一端には、第１の光導波路１６ａ、１６ｂ、１６ｃがそれらの先端部と反対側で接続される。多モード干渉光導波路１８は、第１の光導波路１６ａ、１６ｂ、１６ｃと同一の材質からなり、例えば、シリコンである。

多モード干渉光導波路１８は、第１の光導波路１６ａ、１６ｂ、１６ｃと同一の厚さであり、例えば、１００〜３００ｎｍである。また、長さ（図１中ｃ）は、例えば、５〜１０μｍ、幅（図１中ｄ）は、例えば、２〜４μｍである。

そして、下部クラッド層１４上には、一本の第２の光導波路２０が形成される。第２の光導波路２０は、多モード干渉光導波路１８の他端、すなわち、第１の光導波路１６ａ、１６ｂ、１６ｃが接続されるのとは反対側の端部に接続される。第２の光導波路２０は、例えば、シリコンの細線で構成される。

第２の光導波路２０は、多モード干渉光導波路１８、第１の光導波路１６ａ、１６ｂ、１６ｃと同一の厚さであり、例えば、１００〜３００ｎｍである。また、幅（図１中ｅ）は、例えば、３００〜５００ｎｍである。

下部クラッド層１４上、第１の光導波路上１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、および、多モード干渉光導波路１８上に、下部クラッド層１４の端面から連続して、上部クラッド層２２が形成される。上部クラッド層２２は、例えば、シリコン酸窒化物の酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、または、ポリイミド系やアクリル系のポリマーからなる。

上部クラッド層２２の幅（図１中ｆ）は、光結合デバイスに入射される光のスポット径と同程度であり、例えば、３〜５μｍである。また、厚さは、例えば、０．５〜２μｍである。

そして、外部より入射される光を、基板１０上の光導波路に結合するために、第１の光導波路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、多モード干渉光導波路１８、および、第２の光導波路２０の屈折率が、上部クラッド層２２の屈折率よりも高く、上部クラッド層２２の屈折率が、下部クラッド層１４の屈折率よりも高くなるよう形成されている。

図１の光結合デバイスの構造は、ＳＯＩ（ＳｉｌｏｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて実現することが可能である。すなわち、下部クラッド層１４はＳＯＩ基板の埋め込み絶縁層（ＢＯＸ層）であり、第１の光導波路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、多モード干渉光導波路１８、および、第２の光導波路２０は、ＳＯＩ層であるシリコンをパターニングすることにより形成する。

そして、上部クラッド層２２は、例えば、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）をスピンコートまたは熱ＣＶＤ法により堆積するか、または、ポリイミドをスピンコートで堆積し、パターニングすることで形成する。なお、図１はＳＯＩ基板の光結合デバイス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、配線などが形成されている。

図２は、本実施の形態の光結合デバイスの作用を示す模式図である。図２（ａ）が本実施の形態の光結合デバイスである。図２（ｂ）が従来技術の１本の先端部がテーパ形状に絞られた光導波路で構成される光結合デバイスである。ハッチング部分が端面１２側から入射され、光導波路に結合される光の強度分布を模式的に示す。

図２（ｂ）に示すように、従来技術の１本のテーパ形状の光導波路２４を有する光結合デバイスの場合、端面１２側から入射した入射光のスポットは、下部クラッド層１４より高い屈折率の上部クラッド層２２により収束される。そして、上部クラッド層２２よりも屈折率の高い光導波路２４に結合され、テーパ形状を有する細線の光導波路２４を進行するにつれ、入射光のスポットサイズが小さくなる。このようにして、スポットサイズの変換が行われる。

この際、入射される光エネルギーと、結合される光エネルギーの割合である結合効率は、細線テーパ形状の光導波路２４の長さ（図２（ｂ）中ａ’）が長いほど、高くなる。また、光導波路２４の先端部の径が小さいほど高くなる。

図２（ａ）に示す本実施の形態の光結合デバイスの場合は、光ファイバーなどで端面１２側から入射した入射光のスポットは、図２（ｂ）の場合と同様、下部クラッド層１４より高い屈折率の上部クラッド層２２により収束される。そして、上部クラッド層２２により収束された光は、３本の第１の光導波路上１６ａ、１６ｂ、１６ｃに、さらに、分割されて結合される。

さらに、３本の第１の光導波路上１６ａ、１６ｂ、１６ｃに結合された光は、多モード干渉光導波路１８に伝播され、多モード干渉光導波路１８を通る間に合波され、第２の光導波路２０へと伝播されスポットサイズ変換が行われる。このように、本実施の形態の光結合デバイスにおいては、入射された光は、３本の単一モードの第１の光導波路上１６ａ、１６ｂ、１６ｃに結合され、多モード干渉光導波路１８内で、単一モードに変換されて第２の光導波路２０へと伝播される。

なお、多モード干渉光導波路１８の長さ（図１中ｃ）や、幅（図１中ｄ）は、複数の第１の光導波路に結合された単一モードの光が合波され、単一モードの光として第２の光導波路に伝播されるよう最適なサイズに設計される必要がある。

図３は、本実施の形態の光結合デバイスにおける結合効率のシミュレーション結果を示す図である。横軸が波長、縦軸が結合効率である。

シミュレーション条件として、下部クラッド層１４は屈折率１．４４の二酸化シリコン、第１の光導波路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、多モード干渉光導波路１８、および、第２の光導波路２０は厚さ２５０ｎｍで屈折率３．５のシリコン、上部クラッド層２２は厚さ１μｍで屈折率１．５１のポリイミドとした。

第１の光導波路１６ａ、１６ｂ、１６ｃは長さ（図１中ａ）は１０μｍ、最大幅（図１中ｂ）は４５０ｎｍ、先端幅１００ｎｍ、各光導波路間の間隔を０．０９μｍとした。多モード干渉光導波路１８の長さ（図１中ｃ）は７．５μｍ、幅（図１中ｄ）は２．７μｍとした。第２の光導波路２０の幅（図１中ｅ）は４５０ｎｍとした。上部クラッド層２２の幅（図１中ｆ）は４μｍとした。

入射光は、波長１．５５μｍのＴＥ偏光の光をスポット径３μｍで、下部クラッド層１４と上部クラッド層２２との界面にスポットの中心が来るよう入射させるとした。

図３に示すように、８０％以上の高い結合効率が得られた。また、第１の光導波路１６ａ、１６ｂ、１６ｃの先端幅を２００ｎｍとした場合でも、７５％以上の高い結合効率が得られることが確認されている。

なお、図２（ｂ）に示すような、多モード干渉光導波路を有しない１本の光導波路で構成される光結合デバイスの場合には、光導波路の形状を上記第１の光導波路と同一の形状とした場合には、４０％以下の結合効率しか得られない。また、１本の光導波路の先端幅１００ｎｍ、最大幅を４５０ｎｍにして、８０％以上の結合効率を実現するためには、光導波路の長さ（図２（ｂ）中ａ’）が２００μｍ以上必要となる。

本実施の形態によれば、複数の光導波路を設けることで広い範囲の光を集めることが容易になる。したがって、同一のスポットサイズの入射光を結合する場合、１本の光導波路の場合に比べ、多モード干渉光導波路１８の長さ（図１中ｃ）を加えても、短い長さの光導波路で同様の結合効率を得ることが可能となる。よって、光結合デバイスの小型化が実現可能となる。

さらに、光導波路の先端部の径についても、１本の光導波路の場合より大きくしても同程度の結合効率を得ることが可能となる。したがって、加工が容易になり、例えば、光導波路のリソグラフィーによるパターニングの際に、ＥＢリソグラフィー技術のような量産に不向きな高解像度の技術を用いず、量産に適した光リソグラフィー技術を用いることが可能になる。よって、低コストでの製造が実現可能となる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態の光結合デバイスは、第１の光導波路が３本ではなく２本であること以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。

図４は、本実施の形態の光結合デバイスの概略上面図である。

下部クラッド層１４上には、先端部がテーパ形状に絞られた２本の第１の光導波路１６ａ、１６ｂが並んで形成されている。第１の光導波路１６ａ、１６ｂは、先端を端面１２に向けて形成されている。第１の光導波路１６ａ、１６ｂの長さ（図１中ａ）は、例えば、１０〜２０μｍ、最大幅（図１中ｂ）は、例えば、３００〜５００ｎｍ、先端の幅は、例えば、１００〜２００μｍである。また、各光導波路間の最大幅部での間隔は、例えば、０．５μｍ〜２μｍである。

さらに、下部クラッド層１４上には、多モード干渉光導波路１８が形成される。多モード干渉光導波路１８の一端には、第１の光導波路１６ａ、１６ｂがそれらの先端部と反対側で接続される。多モード干渉光導波路１８の長さ（図１中ｃ）は、例えば、２〜３μｍ、幅（図１中ｄ）は、例えば、１〜３μｍである。

図５は、本実施の形態の光結合デバイスにおける結合効率のシミュレーション結果を示す図である。横軸が波長、縦軸が結合効率である。

第１の光導波路１６ａ、１６ｂは長さ（図１中ａ）は１５μｍ、最大幅（図１中ｂ）は４５０ｎｍ、先端幅１００ｎｍ、各光導波路間の間隔を０．０９μｍとした。多モード干渉光導波路１８の長さ（図１中ｃ）は２．５μｍ、幅（図１中ｄ）は１．８μｍとした。第２の光導波路２０の幅（図１中ｅ）は４５０ｎｍとした。上部クラッド層２２の幅（図１中ｆ）は４μｍとした。

図５に示すように、８０％以上の高い結合効率が得られた。また、第１の光導波路１６ａ、１６ｂの先端幅を２００ｎｍとした場合でも、７５％以上の高い結合効率が得られることが確認されている。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態同様、小型かつ高効率で、低コストで製造可能な光結合デバイスが実現される。また、本実施の形態の光結合デバイスは、第１の光導波路が２本のため、入射光のスポットサイズが比較的小さい場合に好適である。

（第３の実施の形態）
本実施の形態の光結合デバイスは、第１の光導波路のテーパ形状が多モード干渉光導波路との接続部において、多モード干渉光導波路にむけてテーパ角が大きくなっていること、および、第２の光導波路が多モード干渉光導波路との接続部において、多モード干渉光導波路にむけて広がるテーパ形状を有すること以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。

図６は、本実施の形態の光結合デバイスの概略上面図である。

３本の第１の光導波路１６ａ、１６ｂ、１６ｃのテーパ形状が、多モード干渉光導波路１８との接続部において、多モード干渉光導波路１８にむけてテーパ角が大きくなっている。このような形状にすることで、結合効率が向上する。

また、第２の光導波路２０が、多モード干渉光導波路１８との接続部において、多モード干渉光導波路１８にむけて広がるテーパ形状を有する。このような形状にすることで、結合効率が向上する。

本実施の形態によれば、さらに、結合効率の高い、高効率な光結合デバイスが実現される。

（第４の実施の形態）
本実施の形態の光結合デバイスは第１の光導波路において、下部クラッド層の端面と先端部との距離が、外側に位置する光導波路ほど短くなること以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。

図７は、本実施の形態の光結合デバイスの概略上面図である。

３本の第１の光導波路１６ａ、１６ｂ、１６ｃのうち、外側に位置する２本の第１の光導波路１６ａ、１６ｃの下部クラッド層の端面１２との距離が、内側に位置する第１の光導波路１６ｂよりも、例えば、１００ｎｍ〜１μｍ程度短くなっている。

このような形状にすることで、結合効率が向上する。シミュレーションによれば、距離を７００ｎｍ短くすることで、結合効率が６〜７％向上する結果が得られている。

（第５の実施の形態）
本実施の形態の光結合デバイスは第１の光導波路において、第１の光導波路の先端部が略同一の幅で、下部クラッド層の端面近傍まで伸長する形状を有すること以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。

図８は、本実施の形態の光結合デバイスの概略上面図である。

３本の第１の光導波路１６ａ、１６ｂ、１６ｃの先端部に、略同一の幅で、下部クラッド層１４の端面１２近傍まで伸長する先端細線２６を有する。このような形状にすることで、結合効率が向上する。

特に、入射光が、端面発光型の半導体レーザのように、ビーム形状が近視野では上下方向に偏平で、かつ、広がり角が大きい場合には、本実施の形態の構造を採用することで、クラッド層を伝播する光の上下方向の広がりが抑制される。よって高い結合効率が実現される。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、光結合デバイス等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる光結合デバイス等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

例えば、実施の形態においては、光結合デバイスが光入力部に用いられる場合を例に説明したが、実施の形態の構造の光結合デバイスを光出力部に用いることも可能である。この場合も、高い結合効率が実現される。

また、実施の形態においてはＳＯＩ基板を用いる場合を例に説明したが、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実施の形態の構成が実現できればかまわない。

また、下部クラッド層、光導波路、上部クラッド層の材料は実施の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。

また、下部クラッド層の厚さ、光導波路の厚さや寸法、上部クラッド層の厚さや寸法等の条件も仕様に応じて適宜変更可能である。

また、実施の形態においては、第１の光導波路の本数について、２本と３本の場合を例に説明したが、入射される光のスポット径等に応じて、４本以上とすることも可能である。

また、実施の形態においては、第２の導波路が１本の場合を例に説明したが、例えば、第１の光導波路で結合した光を、多モード干渉光導波路で分波し、複数本の第２の光導波路に伝播させる構成とすることも可能である。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての光結合デバイスが、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。

１０基板
１２下部クラッド層
１４端面
１６ａ第１の光導波路
１６ｂ第２の光導波路
１６ｃ第３の光導波路
１８多モード干渉光導波路
２０第２の光導波路
２２上部クラッド層
２４光導波路
２６先端細線

Claims

基板と、
前記基板上に形成され、光の入出力側に端面を有する下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に、先端を前記端面に向けて形成され、先端部がテーパ形状に絞られた複数の第１の光導波路と、
前記下部クラッド層上に形成され、一端に前記複数の第１の光導波路が前記先端部の反対側で接続される多モード干渉光導波路と、
前記下部クラッド層上に形成され、前記多モード干渉光導波路の他端に接続される少なくとも一本の第２の光導波路と、
前記下部クラッド層上、前記複数の第１の光導波路上、および、前記多モード干渉光導波路上に、前記下部クラッド層の前記端面から連続して形成される上部クラッド層を備え、
前記複数の第１の光導波路、前記多モード干渉光導波路、および、前記第２の光導波路の屈折率が、前記上部クラッド層の屈折率よりも高く、
前記上部クラッド層の屈折率が、前記下部クラッド層の屈折率よりも高く、
前記複数の第１の光導波路において、前記端面と前記先端部との距離が、外側に位置する光導波路ほど短くなることを特徴とする光結合デバイス。
前記複数の第１の光導波路のテーパ形状が、前記多モード干渉光導波路との接続部において、前記多モード干渉光導波路にむけてテーパ角が大きくなっていることを特徴とする請求項１記載の光結合デバイス。
前記第２の光導波路が、前記多モード干渉光導波路との接続部において、前記多モード干渉光導波路にむけて広がるテーパ形状を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の光結合デバイス。
前記第１の光導波路、前記多モード干渉光導波路、および、前記第２の光導波路がシリコンからなり、前記下部クラッド層がシリコン酸化物からなり、前記上部クラッド層がシリコン酸窒化物またはポリマーからなることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の光結合デバイス。