JP5438080B2

JP5438080B2 - スポットサイズ変換器

Info

Publication number: JP5438080B2
Application number: JP2011203210A
Authority: JP
Inventors: 英隆西; 浩治山田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2031-09-16
Also published as: JP2013064852A

Description

本発明は、シリコン細線光導波路から出射する光のモードフィールド径を変換し、他の光導波路や光ファイバと整合させるスポットサイズ変換器に関するものである。

光導波路デバイスにおいて、モードフィールド径（Mode-field diameter：ＭＦＤ）の異なる光導波路どうしや、あるいは光ファイバと光導波路などを低損失に接続するために、スポットサイズ変換器（Spot-size converter：ＳＳＣ）が一般的に用いられている。
特に、シリコン細線光導波路は、ＭＦＤが光ファイバや石英系光導波路に比べて非常に小さいため、ＳＳＣが必須である（例えば、特許文献１参照）。

一方、上に例示したＳＳＣと比べると損失性能に劣るものの、構造が単純で製造が容易な簡易型ＳＳＣが提案されており、この簡易型ＳＳＣは、レンズファイバなどを用いた光調芯系を用いたシリコン細線光導波路デバイスの特性評価を容易にすることから、重用されている。
例えば図５に示すようなＳＳＣが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。図５において、１００は第１のシリコン細線光導波路、１０１はテーパ構造部、１０２は第２のシリコン細線光導波路、１０３はシリコン支持基板、１０４はアンダークラッドとなる埋め込み酸化膜（Burried oxide：ＢＯＸ）層、１０５は第１のシリコンコア、１０６はテーパ部、１０７は第２のシリコンコア、１０８は酸化シリコンからなるオーバークラッド、１０９は光ファイバである。ＢＯＸ層１０４と第１のシリコンコア１０５とオーバークラッド１０８とは第１のシリコン細線光導波路１００を構成し、ＢＯＸ層１０４とテーパ部１０６とオーバークラッド１０８とはテーパ構造部１０１を構成し、ＢＯＸ層１０４と第２のシリコンコア１０７とオーバークラッド１０８とは第２のシリコン細線光導波路１０２を構成している。

図５に示したＳＳＣでは、第１のシリコンコア１０５と繋がるテーパ部１０６の位置でコアの幅が漸次細くなるように形成し、さらに幅を狭めた第２のシリコンコア１０７に沿って直線状に光を伝搬させた後、ＭＦＤの大きな光ファイバ１０９と接続するようにしている。つまり、このＳＳＣは、第２のシリコンコア１０７において光の閉じ込めを弱くして、光がクラッドへと漏れ出る構造とすることでＭＦＤを拡大し、接続先の光ファイバ１０９とのＭＦＤ整合が良好になるよう設計されている。また、このＳＳＣでは、特許文献１に開示されたＳＳＣのように第２のシリコンコアを覆うＭＦＤの大きな導波路コアを作製する必要がないので、製造が容易である。

特開２００４−１３３４６６号公報

Y.Shoji，et al.，"SIMPLE SPOT-SIZE CONVERTER WITH NARROW WAVEGUIDE FOR SILICON WIRE CIRCUITS"，Proceedings of MOC'09，Tokyo，paperJ90，2009

一方、図５に示した簡易型ＳＳＣには、以下のような課題があった。第１のシリコンコア１０５および第２のシリコンコア１０７は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板の薄いＢＯＸ層１０４の直上に作製される。このＢＯＸ層１０４の厚さは、電子回路用基板としては数十ｎｍから１μｍ程度が一般的に用いられており、光導波路用に用いられる基板であっても、たかだか３μｍ程度である。また、非特許文献１においては、光のモードフィールドが上下対称であることから、アンダークラッドとオーバークラッドに同じ酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を材料として用いており、アンダークラッドとオーバークラッドの屈折率がほぼ等しいことを想定している。

そのため、図５に示したＳＳＣでは、第２のシリコンコア１０７からの光の漏れ出しを用いてＭＦＤを拡大する際、一般的な導波路への光入出力に用いられる光ファイバのＭＦＤである３〜４μｍ程度までＭＦＤを拡大すると、ＢＯＸ層１０４の下にあるシリコン支持基板１０３に光が吸収されるという問題点があった。
例えば、高さ０．２２μｍ、幅０．１６μｍの第２のシリコンコア１０７が屈折率１．４４４のアンダークラッド（ＢＯＸ層１０４）と同じく屈折率１．４４４のオーバークラッド１０８とで覆われた導波路端面と、ＭＦＤ＝４．３μｍを有する光ファイバ端面とをバットカップルさせた際の結合損失を計算すると、約０．４７ｄＢである。一方、基板吸収は計算によると、１２．４ｄＢ／ｃｍとなり、チップ化マージン等で第２のシリコンコア１０７の長さが１ｍｍであったとすると、１．２ｄＢ程度の大きな損失が生じることになる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、基板吸収損失を低減することができるスポットサイズ変換器を提供することを目的とする。

本発明は、シリコン細線光導波路と、結合対象となる光ファイバまたは光導波路とを結合するスポットサイズ変換器において、シリコン支持基板上に形成された平板状のアンダークラッドと、このアンダークラッド上に形成された第１のシリコンコアと、前記アンダークラッド上に前記第１のシリコンコアの端部と連結するように形成され、先端に向かって幅が漸次細くなるシリコンからなるテーパ部と、前記アンダークラッド上に前記テーパ部の端部と連結するように形成された第２のシリコンコアと、前記第１のシリコンコアと前記テーパ部と前記第２のシリコンコアとを覆うように形成された第１のオーバークラッドと、前記第１のオーバークラッドを覆うように形成された第２のオーバークラッドとを備え、前記アンダークラッドと前記第１のシリコンコアと前記第１、第２のオーバークラッドとは、第１のシリコン細線光導波路を構成し、前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第１、第２のオーバークラッドとは、テーパ構造部を構成し、前記アンダークラッドと前記第２のシリコンコアと前記第１、第２のオーバークラッドとは、第２のシリコン細線光導波路を構成し、前記第１のオーバークラッドの屈折率は、前記アンダークラッドの屈折率よりも大きく、且つ前記第２のシリコンコアと前記結合対象との結合損失と、伝搬光が前記シリコン支持基板に吸収されることによる基板吸収損失との和が最低となるように設定され、前記第２のオーバークラッドの屈折率は、前記アンダークラッドの屈折率よりも大きく、前記第１のオーバークラッドの屈折率よりも小さいことを特徴とするものである。

本発明によれば、第１のオーバークラッドの屈折率をアンダークラッドの屈折率よりも大きく設定することで、伝搬する光のモードフィールドをシリコン支持基板から遠ざけることができ、シリコン支持基板側への伝搬光の漏れ出しを抑制することができるので、従来のスポットサイズ変換器と比較して基板吸収損失を低減することができる。

また、本発明では、第１のオーバークラッドを第２のオーバークラッドで覆うことで、モードフィールドの上部への広がりを抑えることができ、さらに第１のオーバークラッド１の厚さおよび屈折率を適切に設定することで、結合対象のＭＦＤとの良好な整合が得られるようにすることができる。

本発明の第１の実施の形態に係るスポットサイズ変換器の斜視図である。本発明の第１の実施の形態に係るスポットサイズ変換器の結合損失、基板吸収損失、および結合損失と基板吸収損失との和の計算結果を示す図である。本発明の第２の実施の形態に係るスポットサイズ変換器の斜視図である。本発明の第２の実施の形態に係るスポットサイズ変換器の結合損失、基板吸収損失、および結合損失と基板吸収損失との和の計算結果を示す図である。従来のスポットサイズ変換器の斜視図である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係るＳＳＣの斜視図である。図１において、１は第１のシリコン細線光導波路、２はテーパ構造部、３は第２のシリコン細線光導波路、４は屈折率３．４６７のシリコン支持基板、５はシリコン支持基板４の上に形成された屈折率１．４４４のアンダークラッドとなるＢＯＸ層、６は光伝搬方向と垂直な断面が矩形で屈折率が３．４６７の第１のシリコンコア、７は第１のシリコンコア６の端部に、コア６の厚さを維持した状態で幅寸法が先端（第２のシリコンコア側）に向かって漸次細くなるように形成された屈折率３．４６７のテーパ部、８はテーパ部７の先端部と連結するように形成された屈折率３．４６７の第２のシリコンコア、９はアンダークラッドよりも屈折率が大きい材料からなるオーバークラッド、１０は結合対象となる光ファイバである。なお、図１では、ＳＳＣの構造を分かり易くするため、オーバークラッド９と光ファイバ１０とを透視して第１のシリコンコア６とテーパ部７と第２のシリコンコア８とを記載しており、オーバークラッド９と光ファイバ１０については破線で記載している。

ＢＯＸ層５と第１のシリコンコア６とオーバークラッド９とは第１のシリコン細線光導波路１を構成し、ＢＯＸ層５とテーパ部７とオーバークラッド９とはテーパ構造部２を構成し、ＢＯＸ層５と第２のシリコンコア８とオーバークラッド９とは第２のシリコン細線光導波路３を構成している。第１のシリコンコア６とテーパ部７と第２のシリコンコア８とは、いずれも高さＨが０．２２μｍの場合を想定している。また、第１のシリコンコア６の幅Ｗ１は０．４μｍ程度、第２のシリコンコア８の幅Ｗ２は０．１７〜０．１９μｍ程度で各オーバークラッドの屈折率において損失が最も小さくなる幅、テーパ部７の長さＬ１は３００μｍ程度、第２のシリコンコア８の長さＬ２は１ｃｍ程度、ＢＯＸ層５の厚さは数十ｎｍ〜３μｍ程度、オーバークラッド９の厚さは数μｍ程度である。

図１に示した簡易型ＳＳＣの構造は以下のようにして製造される。まず、シリコン支持基板４とシリコン支持基板４の上に形成されたＢＯＸ層５とＢＯＸ層５の上に形成された上層シリコン層とからなるＳＯＩ基板を用意し、上層シリコン層を半導体リソグラフィとエッチング加工により加工して、第１のシリコンコア６とテーパ部７と第２のシリコンコア８とを作製する。次に、第１のシリコンコア６とテーパ部７と第２のシリコンコア８とを形成したＳＯＩ基板上に、アンダークラッドよりも屈折率が大きい酸化シリコンまたはポリマー系材料からなるオーバークラッド９をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法またはＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法などにより堆積する。こうして、本実施の形態のＳＳＣが完成する。

本実施の形態では、第２のシリコンコア８でのＭＦＤを調整し、接続先とのＭＦＤ整合をとるために、第２のシリコンコア８の幅Ｗ２、およびオーバークラッド９の屈折率を、適切に調整することが望ましい。
図１に示すように高ＮＡ（Numerical Aperture）の光ファイバ１０（ＭＦＤ＝〜４．３μｍ）と第２のシリコンコア８とをバットカップルさせた際の結合損失および基板吸収損失を、シミュレーションを用いて計算により見積もった。

図２は、本実施の形態のＳＳＣの結合損失、基板吸収損失、および結合損失と基板吸収損失との和が、オーバークラッド９の屈折率に依存する様子を示す図である。図２において２０は結合損失を示し、２１は基板吸収損失を示し、２２は結合損失と基板吸収損失との和を示している。ここでは、ＳＳＣを伝搬する光がＴＥ偏光の場合の計算結果を示している。第２のシリコンコア８を伝搬する光がシリコン支持基板４に吸収されることによる基板吸収損失は、第２のシリコンコア８の長さＬ２が１ｃｍの場合の値を示している。オーバークラッド９の屈折率が１．４７の場合、結合損失は１ｄＢ未満と十分に小さく、基板吸収損失も１ｄＢ／ｃｍと十分に小さい。オーバークラッド９の屈折率をさらに大きくすると、結合損失は増大するが、基板吸収損失をさらに低減することができる。ＳＳＣの設計に際しては、結合損失と基板吸収損失との和が最低となるよう、オーバークラッド９の屈折率を選択すればよい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３は本発明の第２の実施の形態に係るＳＳＣの斜視図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。図３において、１ａは第１のシリコン細線光導波路、２ａはテーパ構造部、３ａは第２のシリコン細線光導波路、４は屈折率３．４６７のシリコン支持基板、５は屈折率１．４４４のアンダークラッドとなるＢＯＸ層、６は屈折率３．４６７の第１のシリコンコア、７は屈折率３．４６７のテーパ部、８は屈折率３．４６７の第２のシリコンコア、１０は結合対象となる光ファイバ、１１はアンダークラッドおよび後述するオーバークラッド１２よりも屈折率が大きい材料からなるオーバークラッド、１２はアンダークラッドよりも屈折率が大きく、オーバークラッド１１よりも屈折率が小さい材料（本実施の形態では屈折率１．４６８）からなるオーバークラッドである。図１と同様に、図３では、オーバークラッド１１，１２と光ファイバ１０とを透視して第１のシリコンコア６とテーパ部７と第２のシリコンコア８とを記載しており、オーバークラッド１２と光ファイバ１０については破線で記載している。

ＢＯＸ層５と第１のシリコンコア６とオーバークラッド１１，１２とは第１のシリコン細線光導波路１ａを構成し、ＢＯＸ層５とテーパ部７とオーバークラッド１１，１２とはテーパ構造部２ａを構成し、ＢＯＸ層５と第２のシリコンコア８とオーバークラッド１１，１２とは第２のシリコン細線光導波路３ａを構成している。第１のシリコンコア６、テーパ部７および第２のシリコンコア８のそれぞれの寸法は、第１の実施の形態と同じである。オーバークラッド１１，１２の厚さはそれぞれ数μｍ程度である。

図３に示した簡易型ＳＳＣの構造は以下のようにして製造される。まず、第１のシリコンコア６とテーパ部７と第２のシリコンコア８の製造方法は、第１の実施の形態で説明したとおりである。次に、第１のシリコンコア６とテーパ部７と第２のシリコンコア８とを形成したＳＯＩ基板上に、アンダークラッドおよびオーバークラッド１２よりも屈折率が大きい酸化シリコンまたはポリマー系材料からなるオーバークラッド１１をＣＶＤ法またはＰＶＤ法などにより堆積する。さらに、オーバークラッド１１の上に、アンダークラッドよりも屈折率が大きく、オーバークラッド１１よりも屈折率が小さい酸化シリコンまたはポリマー系材料からなるオーバークラッド１１をＣＶＤ法またはＰＶＤ法などにより堆積する。こうして、本実施の形態のＳＳＣが完成する。

本実施の形態では、第２のシリコンコア８でのＭＦＤを調整し、接続先とのＭＦＤ整合をとるために、第２のシリコンコア８の幅、およびオーバークラッド１１の屈折率や厚さを、適切に調整することが望ましい。
図３に示すように高ＮＡの光ファイバ１０（ＭＦＤ＝〜４．３μｍ）と第２のシリコンコア８とをバットカップルさせた際の結合損失および基板吸収損失を、シミュレーションを用いて計算により見積もった。

図４は、本実施の形態のＳＳＣの結合損失、基板吸収損失、および結合損失と基板吸収損失との和が、オーバークラッド１１の屈折率に依存する様子を示す図である。図４において４０は結合損失を示し、４１は基板吸収損失を示し、４２は結合損失と基板吸収損失との和を示している。ここでは、ＳＳＣを伝搬する光がＴＥ偏光の場合の計算結果を示している。基板吸収損失は第２のシリコンコア８の長さＬ２が１ｃｍの場合の値を示している。オーバークラッド１１の厚さは４μｍとした。オーバークラッド１１の屈折率が１．４８の場合、結合損失は０．６ｄＢ程度と十分に小さく、基板吸収損失も０．５ｄＢ／ｃｍと十分に小さい。オーバークラッド１１の屈折率をさらに大きくすると、結合損失は増大するが、基板吸収損失をさらに低減することができる。ＳＳＣの設計に際しては、結合損失と基板吸収損失との和が最低となるよう、オーバークラッド１１の屈折率を選択すればよい。

また、図２と図４の結合損失を比較すると、本実施の形態のようにオーバークラッド１１の上にオーバークラッド１２を追加することで、第１の実施の形態と比較して結合損失を低減できることが分かる。
さらに、オーバークラッド１１の厚さや屈折率、また第２のシリコンコア８の幅を適当な値に設定することにより、結合損失を低減することができる。

なお、第１、第２の実施の形態では、光通信デバイスへの適用を念頭におき、伝搬光の波長を１．５５μｍとした場合を示しているが、異なる波長においても本発明が適用されうる。また、デバイスを構成する寸法についても一つの例であって、第１、第２の実施の形態で示した値に限定されるものではない。

本発明は、モードフィールド径の異なる光導波路デバイスを低損失に接続する技術に適用することができる。

１，１ａ…第１のシリコン細線光導波路、２，２ａ…テーパ構造部、３，３ａ…第２のシリコン細線光導波路、４…シリコン支持基板、５…ＢＯＸ層、６…第１のシリコンコア、７…テーパ部、８…第２のシリコンコア、９，１１，１２…オーバークラッド、１０…光ファイバ。

Claims

シリコン細線光導波路と、結合対象となる光ファイバまたは光導波路とを結合するスポットサイズ変換器において、
シリコン支持基板上に形成された平板状のアンダークラッドと、
このアンダークラッド上に形成された第１のシリコンコアと、
前記アンダークラッド上に前記第１のシリコンコアの端部と連結するように形成され、先端に向かって幅が漸次細くなるシリコンからなるテーパ部と、
前記アンダークラッド上に前記テーパ部の端部と連結するように形成された第２のシリコンコアと、
前記第１のシリコンコアと前記テーパ部と前記第２のシリコンコアとを覆うように形成された第１のオーバークラッドと、
前記第１のオーバークラッドを覆うように形成された第２のオーバークラッドとを備え、
前記アンダークラッドと前記第１のシリコンコアと前記第１、第２のオーバークラッドとは、第１のシリコン細線光導波路を構成し、
前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第１、第２のオーバークラッドとは、テーパ構造部を構成し、
前記アンダークラッドと前記第２のシリコンコアと前記第１、第２のオーバークラッドとは、第２のシリコン細線光導波路を構成し、
前記第１のオーバークラッドの屈折率は、前記アンダークラッドの屈折率よりも大きく、且つ前記第２のシリコンコアと前記結合対象との結合損失と、伝搬光が前記シリコン支持基板に吸収されることによる基板吸収損失との和が最低となるように設定され、
前記第２のオーバークラッドの屈折率は、前記アンダークラッドの屈折率よりも大きく、前記第１のオーバークラッドの屈折率よりも小さいことを特徴とするスポットサイズ変換器。