JP6499613B2

JP6499613B2 - 光導波路

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Publication number: JP6499613B2
Application number: JP2016094410A
Authority: JP
Inventors: 毅彦俵; 博雄尾身
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2019-04-10
Anticipated expiration: 2036-05-10
Also published as: JP2017203832A

Description

本発明は、希土類酸化物の結晶を用いた光導波路に関する。

Ｓｉを用いたＬＳＩに代表される電子回路を、同じＳｉを用い小型かつ低消費電力な光回路や光電子融合回路に置き換えるシリコンフォトニクスが盛んに研究されている。このシリコンフォトニクスの研究では、微細加工技術の進展とともに現在では、高性能なＳｉ細線導波路や光変調器、検出器のオンチップ集積が可能となっている。この中で光導波路に注目すると、通信波長帯の光に対し透明で屈折率の大きなＳｉを光導波路として用いることで、超小型化および基板上への集積化が実現できる（非特許文献１参照）。

一方、Ｓｉ光導波路の特性として、「急峻な曲げは不可能である」、「導波路表面のラフネスが導波損失に大きく影響する」、「導波光はエネルギーバンドギャップ以下のエネルギーを持つ光に限られる」などのデメリットも存在する。また、実効屈折率の低下を防ぐ必要があるため、複数の光導波路の近接配置や積層は不可能である。これらは、Ｓｉに限らず、半導体材料を用いた屈折率変化による光閉じ込めをベースとした光導波路に対して一般的な性質であり、避けることはできない。

特開２０１５−３２７２２号公報

板橋聖一、「シリコンフォトニクスの研究開発動向」、ＮＴＴ技術ジャーナル、１２月号、１２ー１５頁、２００９年。足立吟也編、「希土類の科学」、株式会社化学同人、第１版第１刷、２７２−２７５頁、１９９９年。 T. Tawara et al., "Population dynamics in epitaxial Er2O3 thin films grown on Si(111)", Applied Physics Letters, vol.102, no.24, 241918, 2013. F. Auzel, "Upconversion and Anti-Stokes Processes with f and d Ions in Solids", Chemical Reviews, vol.104, no.1, pp.139-174, 2004. V. Th. Forster, "Zwischenmolekulare Energiewanderung und Fluoreszenz", Aitiaalen cler Physik. , vol.437, pp55-75, 1948. D. L. Dexter, "A Theory of Sensitized Luminescence in Solids", The Journal of Chemical Physics, vol.21, no.5, pp.836-850, 1953.

前述したように、シリコンなどの半導体をコア材として用いた光導波路では、急峻な曲げは不可能であり、導波路表面のラフネスが導波損失に大きく影響し、複数の光導波路の近接配置や積層ができない。また、導波光の波長が限定される。このため、様々な波長の光が導波可能な光導波路を、より集積して形成することができ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、様々な波長の光が導波可能な光導波路を、より集積して形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光導波路は、基板の上に形成されたバリア層と、Ｒｅ₂Ｏ₃（Ｒｅは希土類）の単結晶からなりバリア層の上に形成された伝搬部とを備え、バリア層は、伝搬部における励起電子が伝搬しない材料から構成されている。

上記光導波路において、希土類のＲｅ₂Ｏ₃からなる複数の伝搬部が積層されていてもよい。また、積層方向に隣り合う伝搬部の間に形成されたバリア層を備えるようにしてもよい。

上記光導波路において、伝搬部の上に所定の幅を開けて配置された２つの圧電素子を備えるようにしてもよい。

上記光導波路において、バリア層は、伝搬部を構成する希土類より励起エネルギーが高い希土類の酸化物または絶縁物から構成すればよい。

以上説明したように、本発明によれば、Ｒｅ₂Ｏ₃（Ｒｅは希土類）の単結晶から伝搬部を構成したので、様々な波長の光が導波可能な光導波路を、より集積して形成でき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１における光導波路の構成を示す断面図である。図２は、伝搬部１０３の状態を説明するための斜視図である。図３は、本発明の実施の形態１における他の光導波路の構成を示す断面図である。図４は、本発明の実施の形態２における光導波路の構成を示す断面図である。図５は、本発明の実施の形態３における光導波路の構成を示す断面図である。図６は、本発明の実施の形態４における光導波路の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における光導波路の構成を示す断面図である。この光導波路は、基板１０１の上に形成されたバリア層１０２と、Ｒｅ₂Ｏ₃（Ｒｅは希土類）の単結晶からなるバリア層１０２の上に形成された伝搬部１０３とを備える。バリア層１０２は、伝搬部１０３における励起電子が伝搬しない材料から構成されている。

伝搬部１０３では、希土類イオン特有のエネルギー準位を形成する。例えば、希土類がエルビウム（Ｅｒ）であれば、Ｅｒイオンのエネルギーは０．８０８ｅＶ（波長１．５３μｍに相当）である。このエネルギー準位に相当する波長の光が伝搬部１０３に入射されると、図２に示すように、対応するＲｅイオン２０１の基底状態にある電子は、図２の（ａ）に示すように励起準位に励起される。なお、図２は、Ｒｅ₂Ｏ₃の単結晶の状態を示す斜視図であり、Ｒｅイオン２０１、他の希土類イオン２０２，および酸素イオン２０３が存在している状態を示している。

入射した光により励起されたＲｅイオン２０１の電子は、公知のエネルギー移動機構により伝搬部１０３において３次元的に拡散する。エネルギー移動には幾つかの機構があることが知られている（非特許文献４参照）。代表的なエネルギー移動機構として、蛍光共鳴エネルギー移動（フェルスター共鳴エネルギー移動：Forster resonance energy transfer: FRET）機構（非特許文献５参照）がある。また、デクスターエネルギー移動（Dexter energy transfer）機構（非特許文献６参照）がある。

拡散した励起電子は、最終的にエネルギー緩和し、入射光と同じエネルギー（波長）の光として伝搬部１０３より取り出される。このエネルギー移動効率（励起した電子の移動効率）は、イオン間の距離に強く依存する。伝搬部１０３の形成においてイオン濃度を制御することにより、エネルギー移動効率を任意に設定することができる。例えば、伝搬部１０３のＲｅイオンのイオン濃度は、１０²³個／ｃｍ³とすることができ、このイオン濃度であれば、励起電子は伝搬部１０３の全域に拡散可能である。

なお、上述したエネルギー移動により拡散した励起電子が、伝搬部１０３のみを伝搬するように、基板１０１の側において、伝搬部１０３と基板１０１との間にバリア層１０２を設ける。バリア層１０２は、伝搬部１０３を構成する希土類より励起エネルギーが高い希土類の酸化物から構成すればよい。例えば、伝搬部１０３をＥｒ₂Ｏ₃から構成した場合、この最低遷移エネルギー（第１励起準位）は０．８ｅＶ程度になる。これ以上のエネルギーを持つ希土類の酸化物としては、Ｓｃ₂Ｏ₃、Ｃｅ₂Ｏ₃、Ｇｄ₂Ｏ₃などが挙げられ、これらからバリア層１０２を構成すればよい。また、バリア層１０２は、ＳｉＯ₂などの絶縁物から構成してもよい。

次に、実施の形態１における光導波路の製造方法について簡単に説明する。まず、主表面を（１１１）面とした単結晶シリコンからなる成長基板を用意する。次に、成長基板の上に、Ｒｅ₂Ｏ₃（Ｒｅは希土類）の単結晶からなる第１希土類酸化物層を結晶成長させる。例えば、分子線エピタキシー法により結晶成長させればよい。Ｒｅ₂Ｏ₃は、以下の表１に示すものがある。表１では、各材料と共に、格子定数を示している。また、表１では、単結晶シリコンの（１１１）面における格子定数も示している。

また、例えば主表面を（１１１）面とした単結晶シリコンからなる基板１０１を用意する。次に、基板１０１の上に、Ｒｅより励起エネルギーが高い希土類の酸化物による単結晶からなる第２希土類酸化物層を結晶成長させる。例えば、分子線エピタキシー法により結晶成長させればよい。

次に、第１希土類酸化物層と第２希土類酸化物層とを当接させて成長基板と基板１０１とを貼りあわせる。この後、成長基板を除去し、基板１０１の上に、第２希土類酸化物層が形成され、第２希土類酸化物層の上に第１希土類酸化物層が形成された状態となる。第２希土類酸化物層は、バリア層１０２となる。

次に、よく知られたリソグラフィー技術およびドライエッチング技術により第１希土類酸化物層をパターニングすることで、伝搬部１０３を形成する。なお、第２希土類酸化物層の代わりに、ＳｉＯ₂からなる絶縁層を用いれば、ＳｉＯ₂からなるバリア層１０２の上に伝搬部１０３が形成できる。絶縁層は、単結晶シリコンからなる基板１０１の表面を熱酸化することで形成すればよい。また、よく知られた熱化学的気相成長法などによりＳｉＯ₂を堆積することで、基板１０１の上にバリア層１０２を形成してもよい。

ところで、伝搬部１０３は、シリコン細線などによる光導波路構造に用いられるコア構造（リッジ構造）としてもよく、また、図３の断面図に示すように、バリア層１０２の所定領域に広がる層状の伝搬層１０３ａとしてもよい。この場合、励起電子の拡散（エネルギー移動）は、平面視で等方的となる。

これに対し、上述したコア構造とした伝搬部１０３によれば、平面視の励起電子の拡散（エネルギー移動）方向が制御できる。前述したように、本発明では、エネルギー移動により導波させているので、屈折率差による光閉じ込め構造と異なり、導波方向を急峻に屈曲させても、導波損失が発生しない。また、伝搬部１０３の表面ラフネスが、エネルギー移動に影響することがなく、複数の光導波路の近接配置や積層が可能となる。また、様々な希土類酸化物を用いることで、様々な波長の光を導波光とすることができる。この結果、様々な波長の光が導波可能な光導波路を、より集積して形成することができる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態２における光導波路の構成を示す断面図である。この光導波路は、基板１０１の上に形成されたバリア層１０２と、Ｒｅ₂Ｏ₃（Ｒｅは希土類）の単結晶からなるバリア層１０２の上に形成された伝搬層（伝搬部）１０３ａとを備える。これらは、図３を用いて説明した実施の形態１と同様である。

実施の形態２では、上述した構成に加え、伝搬層１０３ａの上に所定の幅を開けて配置された２つの圧電素子１０４ａ，１０４ｂを備える。実施の形態２によれば、圧電素子１０４ａ，１０４ｂによる結晶場の変調により、圧電素子１０４ａと圧電素子１０４ｂとに挾まれた溝領域１０５のみに、エネルギー移動方向（導波方向）が制御できる。

希土類イオンのエネルギー準位は、希土類イオン以外のイオンが作る結晶場によってエネルギー準位が変化する。圧電素子１０４ａ，１０４ｂにより、伝搬層１０３ａのエネルギー移動を生じさせたくない部分に歪みを誘起して結晶場に変調を加えることで、エネルギー準位の不整合を発生させる。これにより、圧電素子１０４ａと圧電素子１０４ｂとに挾まれた結晶場に変調が加えられていない溝領域のみにエネルギー移動を生じさせることが可能となる。この溝領域は、コア構造とした実施の形態１における伝搬部１０３と同様であり、光導波路の分岐数や方向、曲げ角などの制限がなく、自由度の高い構造が実現できる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について、図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態３における光導波路の構成を示す断面図である。この光導波路は、基板１０１の上に形成されたバリア層１０２と、Ｒｅ₂Ｏ₃（Ｒｅは希土類）の単結晶からなるバリア層１０２を備える。また、実施の形態３では、バリア層１０２の上に、希土類のＲｅ₂Ｏ₃からなる複数の伝搬部１３１，１３２，１３３，１３４が、基板１０１の平面の法線方向に積層されている。伝搬部１３１，１３２，１３３，１３４は、例えば、各々希土類が異なっていればよい。

伝搬部１３１，伝搬部１３２，伝搬部１３３，伝搬部１３４の各々の希土類イオン種を異なる状態とすることで、光波長多重導波が可能になる。従来の屈折率変調の光導波路とは異なり、励起電子のエネルギー移動を光伝搬の基礎としているため、伝搬部１３１，伝搬部１３２，伝搬部１３３，伝搬部１３４の希土類イオン種により導波波長が決定され、波長多重数に制限はない。なお、伝搬部１３１，伝搬部１３２，伝搬部１３３，伝搬部１３４を、図３を用いて説明したように層状とし、実施の形態２のように２つの圧電素子による結晶場変調構造としてもよい。

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について、図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態２における光導波路の構成を示す断面図である。この光導波路は、基板１０１の上に形成されたバリア層１０２と、Ｒｅ₂Ｏ₃（Ｒｅは希土類）の単結晶からなるバリア層１０２を備える。また、実施の形態４では、バリア層１０２の上に、希土類のＲｅ₂Ｏ₃からなる複数の伝搬部１３１，１３２，１３３，１３４を積層し、かつ、積層方向に隣り合う伝搬部の間に形成されたバリア層１２１を備える。バリア層１２１は、バリア層１０２と同様である。

例えば、蛍光共鳴エネルギー移動をエネルギー移動機構として用いる場合、この移動効率は希土類イオン間距離η_Fの６乗に反比例する「η_F∝ｅｘｐ（１/ｒ⁶）」と知られている。一方、デクスターエネルギー移動機構の場合、この移動効率η_Dは、「η_D∝ｅｘｐ（−ｒ）」に比例し、おおよそイオン間距離が１．５−２．０ｎｍ以下であればエネルギー移動が可能となる。このため、バリア層１２１の厚さを制御することにより、積層された伝搬部１３１，１３２，１３３，１３４の間でのエネルギー移動を誘発もしくは抑制させることが可能となる。

以上に説明したように、本発明によれば、Ｒｅ₂Ｏ₃（Ｒｅは希土類）の単結晶から伝搬部を構成したので、様々な波長の光が導波可能な光導波路を、より集積して形成できるようになる。本発明では、従来の屈折率変調構造ではなく励起電子のエネルギー移動に基づく光−電子変換を用いており、急峻な光路の曲げを可能にし、また表面ラフネスなどの構造不完全性には影響されない。さらには、用いる希土類イオン種により様々な波長の光の導波が可能であり、多層積層による波長多重化も可能である。本発明により、シリコンフォトニクスにおける光回路機能の飛躍的な向上が期待される。

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。

１０１…基板、１０２…バリア層、１０３…伝搬部。

Claims

基板の上に形成されたバリア層と、
Ｒｅ₂Ｏ₃（Ｒｅは希土類）の単結晶からなり前記バリア層の上に形成された伝搬部と
を備え、
前記バリア層は、前記伝搬部における励起電子が伝搬しない材料から構成されていることを特徴とする光導波路。
請求項１記載の光導波路において、
希土類のＲｅ₂Ｏ₃からなる複数の前記伝搬部が積層されていることを特徴とする光導波路。
請求項２記載の光導波路において、
積層方向に隣り合う前記伝搬部の間に形成された前記バリア層を備えることを特徴とする光導波路。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路において、
前記伝搬部の上に所定の幅を開けて配置された２つの圧電素子を備えることを特徴とする光導波路。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光導波路において、
前記バリア層は、前記伝搬部を構成する希土類より励起エネルギーが高い希土類の酸化物または絶縁物から構成されている
ことを特徴とする光導波路。