JP6977669B2

JP6977669B2 - 光モジュール

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Publication number: JP6977669B2
Application number: JP2018108302A
Authority: JP
Inventors: 英隆西; 修一郎浅川; 光太鹿間; 勇介村中; 藍柳原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2018-06-06
Publication date: 2021-12-08
Anticipated expiration: 2038-06-06
Also published as: JP2019211655A; US20210231871A1; US11199659B2; WO2019235183A1

Description

本発明は、各々異なる基板に形成されている光導波路を、各基板を一体とすることで接続した光モジュールに関する。

小型で高密度に集積された高機能な光集積回路の実現に向けて、３次元光回路構成が注目されており、異なる光導波路チップ間を光学接続する３次元光実装技術が重要となっている。光導波路が形成されているチップ（基板）を３次元に組み合わせる場合、図４に示すように、２つの基板２０１の各々の光導波路２０２同士を、各々の偏光素子２０３を介して光学的に接続している。

偏光素子２０３は、基板２０１の上に形成されている光導波路２０２の入出力端に設けられている。一方の基板２０１の光導波路２０２を伝搬する光の光伝搬方向を偏光素子２０３により９０度曲げ、一方の基板２０１を透過して他方の基板２０１の偏光素子２０３に光結合させる。他方の基板２０１の偏光素子２０３に光結合した光は、光伝搬方向が９０度曲げられ、他方の基板２０１の光導波路２０２を伝搬していく。偏光素子としては、グレーティングカプラ（非特許文献１）やミラー（非特許文献２）などが提案されている。

裏升吾他、「光導波路の積層集積化とグレーティング対結合」、エレクトロニクス実装学会誌、No. 4、vol. 6、４８９−４９６頁、２００１年。 Akihiro Noriki et al., "Mirror-based surface optical input/output technology with precise and arbitrary coupling angle for silicon photonic application", Japanese Journal of Applied Physics, vol. 56, 04CH04, 2017.

しかしながら、まず、グレーティングカプラは、サブ波長レベルの周期的な微細構造体をリソグラフィ技術によって作製する必要があり、作製が容易ではない。また、グレーティングカプラは、動作波長が制限されるという大きな問題があった。一方、ミラーを用いる場合、光導波路チップ裏面や表面に、３次元の大きなミラー構造を作製することになる。このような構造は、光導波路作製プロセスには一般的に含まれないため、極めて特殊な製造プロセスが必要であり、生産性に大きな問題があった。また、これらの偏光素子を用いた場合、光導波路チップ（基板）の面と面で光結合を行うため、異なる複数の光導波路チップを高密度に実装することが困難であった。

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、３次元的に配置される異なる基板間の光導波路間を、動作波長が制限されることなくより容易に光学的に接続できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光モジュールは、第１光導波路が形成された第１基板と、一端が第１基板の端部にかけて形成された第１金属層から構成されて他端が第１光導波路の一端に接続する第１プラズモニック導波路と、第１基板の端部に連続する側面に形成されて第１金属層に連続して形成された第２金属層と、第３金属層による第２プラズモニック導波路が形成された第２基板と、第２プラズモニック導波路に接続して第２基板に形成された第２光導波路とを備え、第２金属層と一部の第３金属層とが接合して第２基板に第１基板が接続され、端部の側の第１プラズモニック導波路の一端側における導波方向と、第２プラズモニック導波路の導波方向とは等しくされている。

上記光モジュールにおいて、第１プラズモニック導波路と第１光導波路とは、第１基板の上に設けられたモード変換部により接続され、モード変換部では、第１光導波路のコアの一端が先細りとされ、第１プラズモニック導波路の他端の第１金属層と第１光導波路のコアの一端とが所定の間隔を開けて配置されている。

上記光モジュールにおいて、第３金属層は、第２光導波路との接続部において第２光導波路のコアと同じ幅となるように先細りとされている。

上記光モジュールにおいて、第１基板の表面は、第２基板の表面に対して垂直とされている。

上記光モジュールにおいて、第２基板には、第２プラズモニック導波路と第２光導波路との組が複数設けられ、第２プラズモニック導波路と第２光導波路との組と同数の第１基板を備え、第２プラズモニック導波路と第２光導波路との複数の組の各々に、第１基板が接続されている。

以上説明したように、本発明によれば、第１プラズモニック導波路および第２プラズモニック導波路を介し、第１光導波路と第２光導波路とを光学的に接続するようにしたので、３次元的に配置される異なる基板間の光導波路間を、動作波長が制限されることなくより容易に光学的に接続できるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態における光モジュールの構成を示す斜視図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態における光モジュール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モジュール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モジュールの一部構成を示す断面図である。図３は、第１光導波路１０２から第２光導波路１１４への光伝搬状態を、２次元有限時間領域差分法を用いて計算した結果を示す分布図である。図４は、２つの基板２０１の各々の光導波路２０２同士を接続する構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態おける光モジュールについて図１Ａ，図１Ｂ、図２Ａ，図Ｂを参照して説明する。なお、図２Ａは、図１Ａのａａ’線の断面を示している。また、図２Ｂは、図１Ｂのｂｂ’線の断面を示している。

この光モジュールは、第１基板１０１と第２基板１１１とが、３次元的に接続されて一体とされている。この例では、第１基板１０１の表面は、第２基板１１１の表面に対して垂直とされ、複数の第１基板１０１が、１つの第２基板１１１に接続されている。

第１基板１０１には、第１光導波路１０２および第１プラズモニック導波路１０３が形成されている。第１プラズモニック導波路１０３は、一端が第１基板１０１の端部１０１ａにかけて形成された第１金属層１０４から構成されている。また、第１プラズモニック導波路１０３は、他端が第１光導波路１０２の一端に光学的に接続している。なお、第１基板１０１の端部１０１ａに連続する側面には、第２金属層（不図示）が形成されている。第２金属層は、第１金属層１０４に連続して形成されている。

例えば、第１プラズモニック導波路１０３と第１光導波路１０２とは、第１基板１０１の上に設けられたモード変換部１０５により接続されている。モード変換部１０５では、第１光導波路１０２のコアの一端が先細りとされ、第１プラズモニック導波路１０３の他端の第１金属層１０４と、第１光導波路１０２の一端において、図２Ａに示すように、第１金属層１０４と第１光導波路１０２のコア１０２ａとが、所定の間隔を開けて配置されている。モード変換部１０５では、全域において、第１金属層１０４と第１光導波路１０２のコア１０２ａとの間隔が一定とされている。

第１光導波路１０２の主要部分におけるシリコンからなるコア１０２ａの断面寸法は、例えば、２００ｎｍ×４００ｎｍとされていればよい。また、第１光導波路１０２の下部クラッドは、厚さ３μｍの酸化シリコンの層から構成されていればよい。また、第１金属層１０４は、Ａｕから構成し、厚さ２００ｎｍ程度とされていればよい。また、モード変換部１０５における第１金属層１０４と第１光導波路１０２のコア１０２ａとの間隔は、１００ｎｍ程度とされていればよい。また、モード変換部１０５における先細りとなる領域のコア１０２ａの長さ（テーパ長）は、１μｍ程度とされていればよい。これらの各寸法は、モード変換部１０５における損失・反射量が低くなるように適宜調整される。これらの構造は、一般的なＳｉ光導波路デバイスの作製プロセスによって容易に形成可能である。

ここで、第１光導波路１０２は、第１基板１０１を下部クラッドとし、この上の空気の層を上部クラッドとし、これらクラッドに挾まれたコア１０２ａとから構成されている。第１基板１０１は、例えば、酸化シリコンから構成され、コア１０２ａは、例えば、シリコンから構成されている。また、第１プラズモニック導波路１０３は、第１金属層１０４の、コア１０２ａと向かい合う側面に形成される。

モード変換部１０５は、先細りとされているコア１０２ａよりしみ出している導波光が、第１プラズモニック導波路１０３となる第１金属層１０４の側面の表面に表面プラズモンポラリトンを誘起する。このようにして誘起された表面プラズモンポラリトンが、第１プラズモニック導波路１０３を導波していく。表面プラズモンポラリトンは、自由電子を持つ物質の表面に誘起される表面プラズモンと物質に照射された光がカップリングした素励起の一種である。

第１基板１０１において、第１光導波路１０２を伝搬する電界振動方向が第１光導波路１０２の平面に平行な偏光（ＴＥ偏光）が、モード変換部１０５において、第１プラズモニック導波路１０３を伝搬する光（表面プラズモンポラリトン）へと変換される。

一方、第１プラズモニック導波路１０３を導波する表面プラズモンポラリトンの光は、モード変換部１０５において、コア１０２ａによる第１光導波路１０２に光学的に結合し、第１光導波路１０２に導波していく。第１光導波路１０２の一端と、第１プラズモニック導波路１０３の他端とが、光学的に接続している箇所（モード変換部１０５）において、相互に光を伝搬する。

また、第２基板１１１には、第３金属層１１３による第２プラズモニック導波路１１２と、第２光導波路１１４とが形成されている。第２光導波路１１４は、接続部１１５で第２プラズモニック導波路１１２と接触し、第２プラズモニック導波路１１２に光学的に接続している。例えば、端部１０１ａが、第２プラズモニック導波路１１２の導波方向中心軸の上に配置されるようにする。第３金属層１１３は、第２光導波路１１４との接続部１１５において第２光導波路１１４のコアと同じ幅となるように先細りとされている。

例えば、第１基板１０１と第２基板１１１とを組み立てるときの配置精度を考慮し、第３金属層１１３は、幅２μｍ程度に形成すればよい。また、第３金属層１１３は、Ａｕから構成し、厚さ２０ｎｍ程度とすればよい。また、第２光導波路１１４は、例えば、Ｓｉからなり断面の寸法が２００ｎｍ×４００ｎｍのコアと、第２基板１１１を下部クラッドとする光導波路である。上記角寸法、配置関係は、第２プラズモニック導波路１１２の伝搬モードと、第２光導波路１１４の伝搬モードとの間のモード変換損失・反射量が低くなるように適宜調整される。例えば、第２光導波路１１４のＳｉコア幅を、第２プラズモニック導波路１１２との境界（接続部１１５）において狭めて、この後テーパ形状に広げるなどの構成としてもよい。

ここで、第２金属層と一部の第３金属層１１３とが接合して第２基板１１１に第１基板１０１が接続されている。ここでは、接着剤などを用いずに、金属−金属接合により、第２金属層と一部の第３金属層１１３とを接合させる。例えば、表面活性化接合等を用いたＡｕ−Ａｕ直接接合技術により、両者を接合させればよい。また、端部１０１ａの側の第１プラズモニック導波路１０３の一端側における導波方向と、第２プラズモニック導波路１１２の導波方向とは等しくされている。この例では、第１プラズモニック導波路１０３は、第１基板１０１の表面において、導波方向が２μｍの半径を持って９０°曲げられ、第１基板１０１の端部１０１ａに連続する側面に形成された第２金属層を伝搬路とするプラズモニック導波路と接続される。なお、第２金属層を伝搬路では、伝搬する光電界は第１基板１０１に存在する。

第２金属層に連続する第１金属層１０４に形成されている第１プラズモニック導波路１０３を導波する表面プラズモンポラリトンは、第２金属層を伝搬路とするプラズモニック導波路を介し、前述したように第２金属層と金属−金属接合により接続している第３金属層１１３の表面に形成されている第２プラズモニック導波路１１２へ伝搬していく。上述したように、第２金属層と第３金属層１１３とが金属−金属接合することで、第１プラズモニック導波路１０３と第２プラズモニック導波路１１２とが、一体のプラズモニック導波路となる。第２プラズモニック導波路１１２（第３金属層１１３の表面）を導波する光（表面プラズモンポラリトン）は、接続部１１５で第２光導波路１１４に光学的に結合し、第２光導波路１１４を導波していく。

なお、この例では、第２基板１１１には、第２プラズモニック導波路１１２と第２光導波路１１４との組が複数設けられている。第２プラズモニック導波路１１２と第２光導波路１１４との組と同数の第１基板１０１を備え、第２プラズモニック導波路１１２と第２光導波路１１４との複数の組の各々に、第１基板１０１が接続されている。

ところで、上述した例では、第２基板１１１における第２光導波路１１４を伝搬する光の偏光方向は、電界振動方向が第２基板１１１の表面に垂直な偏光（ＴＭ偏光）となる。偏光の状態を制御するためには、第２基板１１１に、適宜、偏光回転素子を設置すればよい。

図３に、２次元有限時間領域差分（ＦＤＴＤ）法を用いて計算した、第１光導波路１０２から第２光導波路１１４への光伝搬状態を示す。第１プラズモニック導波路１０３および第２プラズモニック導波路１１２をインターフェイスとして、第１基板１０１と第２基板１１１との間で光学結合（光結合）がなされていることが分かる。

以上に説明したように、本発明によれば、第１プラズモニック導波路および第２プラズモニック導波路を介し、第１光導波路と第２光導波路とを光学的に接続するようにしたので、３次元的に配置される異なる基板間の光導波路間を、動作波長が制限されることなくより容易に光学的に接続できるようになる。

また、第３金属層の中心位置に対し、第１基板の側面に形成されている第２金属層の中心位置が、完全に一致している必要は無く、各プラズモニック導波路を構成する金属層の表面の連続性が保たれていれば、上述した光学結合が得られる。このため、従来では必要となっていた、高い精度の光学アライメントが不要となる優れた効果も得られる。

また、本発明によれば、第２基板上に、複数の第１基板を配置することが可能となる。これによって、第１基板および第２基板の各々の上にある複数の素子で波長や偏光特性を整合させる必要がある場合、適切な素子を選択して実装することが可能となる。例えば、波長多重光源として複数の発振波長を有する半導体レーザつき第１基板を準備し、製造誤差等による発振波長ずれを事前に把握し、適切な発振波長を有する第１基板群を取捨選択し、また異なる波長を束ねる波長フィルタが作製されている第２基板に実装することで、所望の発振波長群を有する波長多重光源を高密度に構成することが可能となる。なお、第１基板上の波長多重光源は一例を示したものであり、例えば、第１基板上にも波長依存性を有する波長フィルタや変調器であっても構わない。

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…第１基板、１０１ａ…端部、１０２…第１光導波路、１０３…第１プラズモニック導波路、１０４…第１金属層、１０５…モード変換部、１１１…第２基板、１１２…第２プラズモニック導波路、１１３…第３金属層、１１４…第２光導波路、１１５…接続部。

Claims

第１光導波路が形成された第１基板と、
一端が前記第１基板の端部にかけて形成された第１金属層から構成されて他端が前記第１光導波路の一端に接続する第１プラズモニック導波路と、
前記第１基板の前記端部に連続する側面に形成されて前記第１金属層に連続して形成された第２金属層と、
第３金属層による第２プラズモニック導波路が形成された第２基板と、
前記第２プラズモニック導波路に接続して前記第２基板に形成された第２光導波路と
を備え、
前記第２金属層と一部の前記第３金属層とが接合して前記第２基板に前記第１基板が接続され、
前記端部の側の前記第１プラズモニック導波路の一端側における導波方向と、前記第２プラズモニック導波路の導波方向とは等しくされている
ことを特徴とする光モジュール。
請求項１記載の光モジュールにおいて、
前記第１プラズモニック導波路と前記第１光導波路とは、前記第１基板の上に設けられたモード変換部により接続され、
前記モード変換部では、
前記第１光導波路のコアの一端が先細りとされ、前記第１プラズモニック導波路の他端の前記第１金属層と前記第１光導波路のコアの一端とが所定の間隔を開けて配置されている
ことを特徴とする光モジュール。
請求項１または２記載の光モジュールにおいて、
前記第３金属層は、前記第２光導波路との接続部において前記第２光導波路のコアと同じ幅となるように先細りとされている
ことを特徴とする光モジュール。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光モジュールにおいて、
前記第１基板の表面は、前記第２基板の表面に対して垂直とされていることを特徴とする光モジュール。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光モジュールにおいて、
前記第２基板には、前記第２プラズモニック導波路と前記第２光導波路との組が複数設けられ、
前記第２プラズモニック導波路と前記第２光導波路との組と同数の前記第１基板を備え、
前記第２プラズモニック導波路と前記第２光導波路との複数の組の各々に、前記第１基板が接続されている
ことを特徴とする光モジュール。