JP6437876B2

JP6437876B2 - 光導波路接続構造

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Publication number: JP6437876B2
Application number: JP2015093183A
Authority: JP
Inventors: 英隆西; 啓樋田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2018-12-12
Anticipated expiration: 2035-04-30
Also published as: JP2016212152A

Description

本発明は、入力用導波路と微小な集光導波路とを光学的に低損失に結合する光導波路接続構造に関する。

近年、Ｓｉ導波路を用いた集積光デバイスの研究開発が進展している。Ｓｉ導波路は、ＳｉよりなるコアとＳｉＯ₂よりなるクラッドとの高い屈折率差によって、回折限界に近いサイズに光を閉じ込めることが可能であり、μｍサイズの微小な光導波路デバイスが実現可能となる。一般的に、Ｓｉ以外の半導体もＳｉＯ₂と比べて高い屈折率を有するため、半導体／ＳｉＯ₂構造の導波路も、Ｓｉ導波路と同様の特徴を有する。

同じく近年、金属−誘電体−金属や金属−半導体−金属による構造によって、金属表面プラズモンポラリトンを利用し、誘電体や半導体内の回折限界以下のサイズに光を閉じ込める微小集光導波路が注目されている。この導波路を用いて光源、受光器、変調器といった素子を作製することで、素子の高効率化、高速化が可能になると期待されている。

これらＳｉ導波路技術と微小集光導波路技術の進展に伴い、回折限界に近いサイズを有する半導体導波路と、回折限界以下のサイズを有する微小集光導波路を、光学的に高効率に結合する技術が重要となり、種々の接続構造が提案されている。

例えば非特許文献１に示されている技術では、図４に示すように誘電体からなるコア部２０１の上下をＡｕ層２０２，２０３により挾んで導波路を構成している。コア部２０１は、導波方向に均一な径としている光入力用の光入力部コア２１１と、幅および高さが徐々に小さくなる３次元テーパコア２１２と、集光用微小コア２１３とから構成されている。光入力部コア２１１は、厚さ２００ｎｍ、コア幅５００ｎｍであり、集光用微小コア２１３は、厚さ１４ｎｍ、コア幅は８０ｎｍである。この導波路を透過させる光の波長は、約０．８μｍである。

また、非特許文献２に示されている技術では、Ｓｉ導波路とＳｉコア上面にＡｕ層を設置した微小集光導波路を、直接突き当てて接続している（図５）。Ｓｉ導波路のコア高さおよびコア幅は３００ｎｍであり、微小集光導波路のコア高さおよびコア幅もＳｉ導波路と等しい。透過させる光の波長は、約１．５μｍである。

また、非特許文献３に示されている技術では、Ｓｉ導波路とＳｉコア上面にＡｌＯ₂層およびＡｇ層を設置した微小集光導波路を、直接突き当てて接続している（図６）。Ｓｉ導波路のコア高さは２５０ｎｍ、コア幅は４５０ｎｍである。微小集光導波路のコア高さはＳｉ導波路と等しく２５０ｎｍ、コア幅は突き当て部では４５０ｎｍであるが、徐々に狭められ２００ｎｍとなっている。透過させる光の波長は、約１．５μｍである。

また、非特許文献４に示されている技術では、Ｓｉ導波路と、Ｓｉコア両脇に極微小なエアギャップを挟んでＡｕ層を設置した微小集光導波路を、直接突き当てて接続している（図７）。Ｓｉ導波路のコア高さは２５０ｎｍ、コア幅は９５０ｎｍである。微小集光導波路のコア高さはＳｉ導波路と等しく２５０ｎｍ、コア幅は突き当て部の４５０ｎｍから２０ｎｍ程度にまで縮小される。透過させる光の波長は約１．５μｍである。

また、非特許文献５に示されている技術では、Ｓｉ導波路と、Ｓｉコア両脇および上面を絶縁層で覆い更にそれらを覆うようにＣｕ等の金属層を設置した微小集光導波路を接続している（図８）。Ｓｉ導波路のコア高さは３４０ｎｍ、コア幅は５００ｎｍである。微小集光導波路のコア高さはＳｉ導波路と等しく３４０ｎｍ、コア幅は突き当て部５００ｎｍから２０ｎｍ程度にまで縮小される。透過させる光の波長は約１．５μｍである。

H. Choo et al., "Nanofocusing in a metal-insulator-metal gap plasmon waveguide with a three-dimensional linear taper", NATURE PHOTONICS, vol.6, pp.838-844, 2012. S. Sederberg et al., "Monolithic integration of plasmonic waveguides into a complimentary metal-oxide-semiconductor- and photonic-compatible platform", Applied Physics Letters, vol.96, no.12, 121101, 2010. Y. Song et al., "Broadband coupler between silicon waveguide and hybrid plasmonic waveguide", OPTICS EXPRESS, vol.18, no.12, pp.13173-13179, 2010. B. Desiatov et al., "Plasmonic nanofocusing of light in an integrated silicon photonics platform", Plasmonic nanofocusing of light in an integrated silicon photonics platform, vol.19, no.14, pp.13150-13157, 2011. S. Zhu et al., "Silicon-based horizontal nanoplasmonic slot waveguides for on-chip integration", OPTICS EXPRESS, vol.19, no.9, pp.8888-8902, 2011.

しかしながら、上述した技術では、以下に示す問題があった。まず、非特許文献１の技術では、入力用導波路と微小集光導波路の接続構造が３次元テーパ形状とされている。このため、特に接続構造は、厚さを徐々に薄くする技術が必要となるが、このためにはＦＩＢ加工など特殊かつ高度な作製技術が必要となり、製造が容易ではないという問題がある。

一方、非特許文献２，３、４の技術では、入力用導波路と微小集光導波路の接続に特殊な構造を必要とせず作製も容易である。しかしながら、これらの技術では、微小集光導波路のコア高さを入力用導波路と同じ高さ（回折限界以上）にせざるを得ず、光源、受光器、変調器の高効率化および高速化のためのサイズ効果が十分に得られないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、製造が容易な状態で光源、受光器、変調器の高効率化および高速化のためのサイズ効果が十分に得られるようにすることを目的とする。

本発明に係る光導波路接続構造は、下部クラッド層の上に形成された第１コア部と、下部クラッド層の上の第１コア部の導波方向の延長線上に形成され、第１コア部と同じ厚さで第１コア部より細く、対象とする光の回折限界以下の幅とされた第２コア部と、下部クラッド層の上で第１コア部の一端と第２コア部の一端とを連結して形成され、第１コア部から第２コア部にかけて暫時細くなる第３コア部と、下部クラッド層の上で第２コア部の他端に接続して形成され、第２コア部と同じ細さでコア部より薄く、対象とする光の回折限界以下の幅および厚さとされ、第２コア部との接続端とは反対側の端部が光入出力端とされた第４コア部と、第３コア部，第２コア部，第４コア部の両方の側面に接して形成された第１金属層，第２金属層と、第１コア部，第２コア部，第３コア部，第４コア部を覆って形成された上部クラッド層とを備え、第１コア部、第２コア部、第４コア部の各々の幅は、一定とされ、第１コア部、第２コア部、第３コア部、第４コア部の各々の厚さは一定とされている。

上記光導波路接続構造において、第１コア部、第２コア部、第３コア部，第４コア部は、半導体または誘電体から構成されていればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、製造が容易な状態で光源、受光器、変調器の高効率化および高速化のためのサイズ効果が十分に得られるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における光導波路接続構造の一部構成を示す斜視図である。図２Ａは、本発明の実施の形態における光導波路接続構造の一部構成を示す断面図である。図２Ｂは、本発明の実施の形態における光導波路接続構造の一部構成を示す断面図である。図２Ｃは、本発明の実施の形態における光導波路接続構造の一部構成を示す断面図である。図２Ｄは、本発明の実施の形態における光導波路接続構造の一部構成を示す断面図である。図３は、実施の形態における光導波路接続構造の、第１コア部１２１から第４コア部１２４にかけての光透過率の、第３コア部１２３の導波方向長さ依存性を示す特性図である。図４は、非特許文献１のＦｉｇ．３ａに示された導波路の構成を示す斜視図である。図５は、非特許文献２のＦｉｇ．１．（ａ）に示された導波路の構成を示す斜視図である。図６は、非特許文献３のＦｉｇ．３．（ａ）に示された導波路の構成を示す斜視図である。図７は、非特許文献４のＦｉｇ．１．ｂ）に示された導波路を説明する説明である。図８は、非特許文献５のＦｉｇ．１．（ａ）に示された導波路の構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図１，図２Ａ〜図２Ｄを参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における光導波路接続構造の一部構成を示す斜視図である。また、図２Ａ〜図２Ｄは、本発明の実施の形態における光導波路接続構造の一部構成を示す断面図である図２Ａは、図１の部分（ａ）の導波方向に垂直な断面を示している。図２Ｂは、図１の部分（ｂ）の導波方向に垂直な断面を示している。図２Ｃは、図１の部分（ｃ）の導波方向に垂直な断面を示している。図２Ｄは、図１の部分（ｄ）の導波方向に垂直な断面を示している。

この光導波路接続構造は、下部クラッド層１０１の上に形成された第１コア部１２１，第２コア部１２２，第３コア部１２３，第４コア部１２４と、第１金属層１０３，第２金属層１０４とを備える。第１コア部１２１，第２コア部１２２，第３コア部１２３，第４コア部１２４は、一体に形成されている。また、第１コア部１２１，第２コア部１２２，第３コア部１２３，第４コア部１２４を覆って形成された上部クラッド層１０５を備える。なお、図１では、上部クラッド層１０５を省略している。

第１コア部１２１は、図１，図２Ａに示すように、対象とする光の回折限界近い断面寸法（厚さおよび幅）とされている。例えば、厚さ（高さ）が２００ｎｍとされ、幅が４００ｎｍとされている。なお、断面は、導波方向に垂直な断面である。また、第２コア部１２２は、図１，図２Ｃに示すように、下部クラッド層１０１の上の第１コア部１２１の導波方向の延長線上に形成され、第１コア部１２１と同じ厚さで第１コア部１２１より細く、対象とする光の回折限界以下の幅とされている。例えば、第２コア部１２２は、幅６０ｎｍとされている。

第３コア部１２３は、図１，図２Ｂに示すように、下部クラッド層１０１の上で第１コア部１２１の一端と第２コア部１２２の一端とを連結して形成され、第１コア部１２１から第２コア部１２２にかけて暫時細くなる状態に形成されている。なお、第３コア部１２３は、第１コア部１２１側の一端から第２コア部１２２側の他端にかけて、高さは一定とされている。

また、第４コア部１２４は、図１，図２Ｄに示すように、下部クラッド層１０１の上で第２コア部１２２の他端に接続して形成され、第２コア部１２２と同じ細さでコア部より薄く、対象とする光の回折限界以下の幅および厚さとされている。また、第４コア部１２４は、第２コア部１２２との接続端とは反対側の端部１３１が光入出力端とされている。例えば、第４コア部１２４は、厚さ６０ｎｍとされている。第２コア部１２２から第４コア部１２４にかけて、高さが階段状に変化している。

また、第１金属層１０３，第２金属層１０４は、第３コア部１２３，第２コア部１２２，第４コア部１２４の両方の側面に接して形成されている。第１金属層１０３，第２金属層１０４とコア部との界面における金属表面プラズモンポラリトンにより光閉じ込めがなされている。特に、第４コア部１２４においては、金属表面プラズモンポラリトンにより、対象とする光の回折限界以下のサイズに光が閉じ込められる状態となっている。

例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用い、埋め込み絶縁層を下部クラッド層１０１とし、表面シリコン層をパターニングすることで、第１コア部１２１，第２コア部１２２，第３コア部１２３，第４コア部１２４を形成すれば良い。

第１コア部１２１，第２コア部１２２，第３コア部１２３，第４コア部１２４の形成では、まず、平面視でこれらの形状となるように、公知のリソグラフィー技術およびエッチング次述により表面シリコン層をパターニングする。この後、リソグラフィー技術により、第４コア部１２４の領域外開口したレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしたエッチングにより、他よりも薄い第４コア部１２４を形成すれば良い。

また、リソグラフィー技術により、金属層形成部が開口したリフトオフマスクを形成し、この上に蒸着法やスパッタ法などによりＡｌなどの金属を堆積する。このとき、所望とする第１金属層１０３，第２金属層１０４の厚さに、金属を堆積する。この後、リフトオフマスクを除去（リフトオフ）すれば、第１金属層１０３，第２金属層１０４が形成できる。

これらのように、第１コア部１２１，第２コア部１２２，第３コア部１２３，第４コア部１２４、および第１金属層１０３，第２金属層１０４を形成した後、よく知られたプラズマアシストＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法や、スパッタ法などにより酸化シリコンを堆積することで、上部クラッド層１０５が形成できる。

図３は、上述した実施の形態における光導波路接続構造の、第１コア部１２１から第４コア部１２４にかけての光透過率（Coupling Loss）の、第３コア部１２３の導波方向長さ依存性を示す特性図である。図３より明らかなように、第３コア部１２３の導波方向長さが５００ｎｍの条件で、第１コア部１２１から第４コア部１２４にかけての光透過率が最小となり、約３．７ｄＢとなる。

以上に説明したように、本発明によれば、第３コア部は、幅を暫時変化させることで形成しており、また、第２コア部から第４コア部にかけては、高さを階段状に変化させ、これらの側面に接して第１金属層，第２金属層を設けているので、厚さ方向に連続的に変化させるような加工を用いることなく、高さの異なる２つのコアを光学的に低損失に結合することが可能となる。また、各コア部は、同じコア材料の層に形成することができる。このように、本発明によれば、光源、受光器、変調器の高効率化および高速化のためのサイズ効果が十分に得られる微小導波路と入出力用導波路との光学的結合が、製造が容易な状態で得られる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、各コアは、Ｓｉに限らず、ＩｎＰ、ＧａＡｓなどの半導体や、ＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃など誘電体から構成することができる。また、金属層は、Ａｌに限らず、Ａｕ，Ａｇ，Ｒｕ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、Ｃｒから構成しても良い。

１０１…下部クラッド層、１０３…第１金属層、１０４…第２金属層、１０５…上部クラッド層、１２１…第１コア部、１２２…第２コア部、１２３…第３コア部、１２４…第４コア部、１３１…端部。

Claims

下部クラッド層の上に形成された第１コア部と、
前記下部クラッド層の上の前記第１コア部の導波方向の延長線上に形成され、前記第１コア部と同じ厚さで前記第１コア部より細く、対象とする光の回折限界以下の幅とされた第２コア部と、
前記下部クラッド層の上で前記第１コア部の一端と前記第２コア部の一端とを連結して形成され、前記第１コア部から前記第２コア部にかけて暫時細くなる第３コア部と、
前記下部クラッド層の上で前記第２コア部の他端に接続して形成され、前記第２コア部と同じ細さで前記コア部より薄く、対象とする光の回折限界以下の幅および厚さとされ、前記第２コア部との接続端とは反対側の端部が光入出力端とされた第４コア部と、
前記第３コア部，前記第２コア部，前記第４コア部の両方の側面に接して形成された第１金属層，第２金属層と、
前記第１コア部，前記第２コア部，前記第３コア部，前記第４コア部を覆って形成された上部クラッド層と
を備え、
前記第１コア部、前記第２コア部、前記第４コア部の各々の幅は、一定とされ、
前記第１コア部、前記第２コア部、前記第３コア部、前記第４コア部の各々の厚さは一定とされていることを特徴とする光導波路接続構造。
請求項１記載の光導波路接続構造において、
前記第１コア部、前記第２コア部、前記第３コア部，前記第４コア部は、半導体または誘電体から構成されていることを特徴とする光導波路接続構造。