WO2017130744A1 - Organic thin-film optical integrated circuit - Google Patents

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智宏 雨宮
徹 金澤
滋久 荒井
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国立大学法人東京工業大学
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Definitions

  • optical elements used in an optical network include an optical integrated circuit in which a multiplexing element, a modulator, a laser, a modulator, an optical switch, a light receiver, and the like are integrated.
  • the optical integrated circuit is obtained by integrating various modules such as a laser, a modulator, and a multiplexer / demultiplexer on one chip without using an optical fiber.
  • the advantage of the optical integrated device is that various functions in optical communication can be realized by a single-chip small module. In addition, both power consumption and manufacturing cost can be reduced.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the light receiver 20 formed on the organic thin film 2 of the organic thin film optical integrated circuit 1 by monolithic integration technology.
  • the light receiver 20 includes a lower cladding layer (refractive index n1: ⁇ 1.34) 21 made of a polymer (polymer film) as an organic material, and a functional region 60 (predetermined on the lower cladding layer 21).
  • the two-dimensional material 22 arranged two-dimensionally in the region), the core layer (refractive index n2: ⁇ 1.49) 23 laminated on the two-dimensional plane of the two-dimensional material 22, and the core layer 23 are embedded.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of an optical switch 40 formed on the organic thin film 2 of the organic thin film optical integrated circuit 1 by monolithic integration technology.
  • the optical switch 40 is made of a cladding layer (refractive index n1: to 1.34) 11 made of Cytop (refractive index n1: to 1.34) and PMMA embedded in the cladding layer 11.
  • Graphene 103 is used as a two-dimensional material 22 (see FIGS. 3 and 4). As described above, the graphene 103 may be not only single-layer graphene but also two or more layers of graphene. The graphene 103 is transferred to the organic thin film 2 (see FIG. 1) (here, the surface of the polymer 102) by transfer (graphene transfer).
  • FIG. 6 shows the structure of an element in which an optical transmission line and input / output couplers are integrated on the organic thin film 2.
  • FIG. 12 is a diagram showing an analysis result of the metal grating coupler 50 of FIG. As shown in FIG. 12, an optical waveguide 10 having a core layer of PMMA and a cladding layer of Cytop as an optical transmission line is employed as an optical transmission line, and a taper 55 (see FIG. 13) having a metal grating structure is used as an input / output coupler.

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Abstract

Provided is an organic thin-film optical integrated circuit which is flexible and is capable of supporting visible light as well. An organic thin film optical integrated circuit (1) comprises an optical waveguide (10), a light receiver (20), a modulator (30), an optical switch (40), and a metal grating coupler (50) formed by a monolithic integration technique on an organic thin film (2). The light receiver (20) has: a lower cladding layer (21) made of a polymer; a two-dimensional material (22) two-dimensionally arranged in a functional region (60) on the lower cladding layer (21); a core layer (23) made of a polymer and laminated in the two-dimensional plane of the two-dimensional material (22); an upper cladding layer (24) made of a polymer and laminated with the core layer (23) embedded; and a first electrode (25) and a second electrode (26) sandwiching the core layer (23).

Description

有機薄膜光集積回路Organic thin film optical integrated circuit
　本発明は、有機薄膜光集積回路に関する。 The present invention relates to an organic thin film optical integrated circuit.
　光ネットワークに用いられている各種光素子には、多重化素子、変調器、レーザ・変調器・光スイッチ・受光器等を集積した光集積回路がある。光集積回路とは、レーザ・変調器・合分波器などの各種モジュールを光ファイバを介さずに１チップ上に集積したものである。光集積デバイスの利点は、光通信における様々な機能を１チップの小型モジュールで実現することが可能になる。また、消費電力・製造コストともに減少させることができる。 Various optical elements used in an optical network include an optical integrated circuit in which a multiplexing element, a modulator, a laser, a modulator, an optical switch, a light receiver, and the like are integrated. The optical integrated circuit is obtained by integrating various modules such as a laser, a modulator, and a multiplexer / demultiplexer on one chip without using an optical fiber. The advantage of the optical integrated device is that various functions in optical communication can be realized by a single-chip small module. In addition, both power consumption and manufacturing cost can be reduced.
　上記多重化素子の材料としては、ＳｉＯ２がある。また、上記変調器の材料としては、大きなＥＯ（Electro-optic、電気光学）効果を示すニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ランタン添加のチタン酸ジルコン酸鉛（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）などの無機光学結晶が広く用いられている。上記光集積回路の材料としては、インジウムリン（ＩｎＰ）またはＳｉがある。 As a material for the multiplexing element, there is SiO 2 . The material of the modulator, large EO (Electro-optic, electro-optic) lithium niobate (LiNbO 3) showing the effect, lead zirconate titanate lanthanum-added ((Pb, La) (Zr , Ti) Inorganic optical crystals such as O 3 ) are widely used. Examples of the material for the optical integrated circuit include indium phosphide (InP) and Si.
　例えば、ＩｎＰ系光集積回路は、光源も含めた機能集積技術で形成され、結晶成長を活かした多機能化が実現可能である（例えば特許文献１）。ＩｎＰ系光集積回路は、伝搬特性が良好な特徴がある。また、Ｓｉ系光集積回路は、Ｓｉの閉じ込めを活かした高密度技術が実現可能であり、ＣＭＯＳ（Complementary MOS）プロセスとの互換性がある。ただし、光源のみモノリシック集積が不可である。
　ＩｎＰ系またはＳｉ系のいずれの光集積回路にあってもフレキシブル化は、実現されていない。
　なお、有機半導体を用いた有機薄膜トランジスタ（ＯＴＦＴ：Organic Thin Film Transistor）では、フレキシブル化、軽量化などが図られている（例えば特許文献２）。
　また、非特許文献１には、有機トランジスタを用いたフレキシブル電子デバイスが発表されている。 For example, an InP-based optical integrated circuit is formed by a functional integration technique including a light source, and multi-functionalization utilizing crystal growth can be realized (for example, Patent Document 1). InP-based optical integrated circuits are characterized by good propagation characteristics. In addition, a Si-based optical integrated circuit can realize a high-density technology utilizing Si confinement and is compatible with a CMOS (Complementary MOS) process. However, only the light source cannot be monolithically integrated.
Flexibility has not been realized in any of the InP-based and Si-based optical integrated circuits.
Note that organic thin film transistors (OTFTs) using organic semiconductors have been made flexible and lightweight (for example, Patent Document 2).
Non-Patent Document 1 discloses a flexible electronic device using an organic transistor.
特開２０１５－１７９１８３号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-179183 特開２０１５－１７６９１９号公報JP2015-176919A
　このような従来の光集積回路は、ＩｎＰやＳｉベースのものであるので、光通信には問題ないものの、透過波長が赤外域に限定されること、フレキシブル性に欠けることから他の応用が困難という課題があった。 Such a conventional optical integrated circuit is based on InP or Si, so there is no problem in optical communication, but other applications are difficult because the transmission wavelength is limited to the infrared region and lacks flexibility. There was a problem.
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、フレキシブルで可視光にも対応可能な有機薄膜光集積回路を提供することを課題とする。 This invention is made in view of such a situation, and makes it a subject to provide the organic thin film optical integrated circuit which is flexible and can respond also to visible light.
　前記した課題を解決するため、本発明による請求項１に係る有機薄膜光集積回路は、可撓性を有する有機薄膜フィルムと、前記有機薄膜フィルムの所定領域に２次元配置された２次元系材料と、前記２次元系材料の２次元平面上に形成された有機材料からなる１または複数の光機能素子と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, an organic thin film optical integrated circuit according to claim 1 of the present invention includes a flexible organic thin film and a two-dimensional material two-dimensionally arranged in a predetermined region of the organic thin film. And one or a plurality of optical functional elements made of an organic material formed on a two-dimensional plane of the two-dimensional material.
　この構成によれば、有機薄膜フィルム上に、光機能を一括集積することができ、フレキシブルで可視光にも対応可能な有機薄膜光集積回路を実現することができる。 According to this configuration, the optical functions can be integrated on the organic thin film, and an organic thin film optical integrated circuit that is flexible and compatible with visible light can be realized.
　請求項２に係る有機薄膜光集積回路は、前記有機薄膜フィルム上に、複数の前記光機能素子を備える場合、各前記光機能素子は、同一の有機材料を用いて共通するプロセスで作製するモノリシック光集積技術により作製されたことを特徴とする。 When the organic thin film optical integrated circuit according to claim 2 includes a plurality of the optical functional elements on the organic thin film, each of the optical functional elements is manufactured by a common process using the same organic material. It is manufactured by optical integration technology.
　この構成によれば、モノリシック光集積技術により有機薄膜フィルム上に光機能素子を一括集積することができる。 According to this configuration, the optical functional elements can be integrated on the organic thin film by monolithic optical integration technology.
　請求項３に係る有機薄膜光集積回路は、前記光機能素子は、コア層と、前記コア層を埋め込むクラッド層と、前記コア層を挟む一対の電極と、を有する受光器であり、前記コア層の直下に前記２次元系材料を備え、前記２次元系材料は、フォトキャリアを生成し、生成したフォトキャリアが前記一対の電極から引き抜かれる構造であることを特徴とする。 The organic thin film optical integrated circuit according to claim 3, wherein the optical functional element is a light receiver including a core layer, a cladding layer that embeds the core layer, and a pair of electrodes that sandwich the core layer. The two-dimensional material is provided immediately below the layer, and the two-dimensional material has a structure in which a photocarrier is generated and the generated photocarrier is extracted from the pair of electrodes.
　この構成によれば、有機薄膜フィルム上に受光器を含む光機能素子を集積することができる。 According to this configuration, the optical functional element including the light receiver can be integrated on the organic thin film.
　請求項４に係る有機薄膜光集積回路は、前記光機能素子は、コア層と、前記コア層を埋め込むクラッド層と、前記コア層を挟む一対の電極と、コア層の下部に配置された下部電極と、を有する変調器であり、前記コア層の直下に前記２次元系材料を備え、前記２次元系材料の下方に前記下部電極を備え、前記下部電極に電圧印加して、前記２次元系材料の化学ポテンシャルの位置を制御する構造であることを特徴とする。 5. The organic thin film optical integrated circuit according to claim 4, wherein the optical functional element includes a core layer, a cladding layer that embeds the core layer, a pair of electrodes that sandwich the core layer, and a lower portion that is disposed below the core layer. A modulator having an electrode, comprising the two-dimensional material immediately below the core layer, the lower electrode below the two-dimensional material, and applying a voltage to the lower electrode, The structure is characterized by controlling the position of the chemical potential of the system material.
　この構成によれば、有機薄膜フィルム上に変調器を含む光機能素子を集積することができる。 According to this configuration, the optical functional element including the modulator can be integrated on the organic thin film.
　請求項５に係る有機薄膜光集積回路は、前記変調器は、前記２次元系材料がグラフェンである場合、化学ポテンシャルの位置を制御することによって、バンド間吸収に起因する誘電体的特性からバンド内吸収に起因する金属的特性へと変化させて強度変調を行うことを特徴とする。 In the organic thin film optical integrated circuit according to claim 5, when the two-dimensional material is graphene, the modulator controls the position of the chemical potential to control the band from the dielectric characteristics due to the interband absorption. It is characterized in that intensity modulation is performed by changing to a metallic characteristic due to internal absorption.
　この構成によれば、グラフェンを用いて化学ポテンシャルの位置を制御することができる。 According to this configuration, the position of the chemical potential can be controlled using graphene.
　請求項６に係る有機薄膜光集積回路は、前記光機能素子は、第１コア層と、第２コア層と、前記第１コア層および前記第２コア層を埋め込むクラッド層と、前記第１コア層および前記第２コア層をそれぞれ覆うヒータとを備え、前記ヒータの一方を通電加熱して一方のコア層とクラッド層との屈折率を変えてスイッチングを行う光スイッチであることを特徴とする。 The organic thin film optical integrated circuit according to claim 6, wherein the optical functional element includes a first core layer, a second core layer, a cladding layer that embeds the first core layer and the second core layer, and the first core layer. And a heater that covers each of the core layer and the second core layer, wherein one of the heaters is energized and heated to change the refractive index of the one core layer and the clad layer to perform switching. To do.
　この構成によれば、有機薄膜フィルム上に光スイッチを含む光機能素子を集積することができる。 According to this configuration, the optical functional element including the optical switch can be integrated on the organic thin film.
　請求項７に係る有機薄膜光集積回路は、前記光機能素子は、コア層と、前記コア層を埋め込むクラッド層と、を備える光導波路を含むことを特徴とする。 The organic thin film optical integrated circuit according to claim 7 is characterized in that the optical functional element includes an optical waveguide including a core layer and a cladding layer that embeds the core layer.
　この構成によれば、有機薄膜フィルム上に、各光機能素子をつなぐ光伝送路となる光導波路を集積することができる。 According to this configuration, an optical waveguide serving as an optical transmission path connecting each optical functional element can be integrated on the organic thin film.
　請求項８に係る有機薄膜光集積回路は、前記２次元系材料は、グラフェン、フォスフォレン、または、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２を含む遷移金属ダイカルコゲナイドであることを特徴とする。 The organic thin film optical integrated circuit according to claim 8 is characterized in that the two-dimensional material is graphene, phosphorene, or a transition metal dichalcogenide containing MoS 2 , WS 2 , and WSe 2 .
　この構成によれば、２次元系材料として、様々な２次元機能性原子・分子薄膜を選択的に用いることができる。 According to this configuration, various two-dimensional functional atom / molecule thin films can be selectively used as the two-dimensional material.
　本発明によれば、フレキシブルで可視光にも対応可能な有機薄膜光集積回路を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an organic thin film optical integrated circuit that is flexible and capable of handling visible light.
本発明の実施形態に係る有機薄膜光集積回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the organic thin film optical integrated circuit which concerns on embodiment of this invention. 本実施形態に係る有機薄膜光集積回路の有機薄膜フィルムにモノリシック集積技術により形成された光導波路の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the optical waveguide formed in the organic thin film of the organic thin film optical integrated circuit which concerns on this embodiment by the monolithic integration technique. 本実施形態に係る有機薄膜光集積回路の有機薄膜フィルムにモノリシック集積技術により形成された受光器の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the light receiver formed in the organic thin film film of the organic thin film optical integrated circuit which concerns on this embodiment by the monolithic integration technique. 本実施形態に係る有機薄膜光集積回路の有機薄膜フィルムにモノリシック集積技術により形成された変調器の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the modulator formed in the organic thin film of the organic thin film optical integrated circuit which concerns on this embodiment by the monolithic integration technique. 本実施形態に係る有機薄膜光集積回路の有機薄膜フィルムにモノリシック集積技術により形成された光スイッチの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the optical switch formed in the organic thin film of the organic thin film optical integrated circuit which concerns on this embodiment by the monolithic integration technique. 本実施形態に係る有機薄膜光集積回路の有機薄膜フィルムにモノリシック集積技術により形成された金属グレーティングカプラの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the metal grating coupler formed in the organic thin film of the organic thin film optical integrated circuit which concerns on this embodiment by the monolithic integration technique. 本実施形態に係る有機薄膜光集積回路の作製方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of the organic thin film optical integrated circuit which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る有機薄膜光集積回路の作製方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of the organic thin film optical integrated circuit which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る有機薄膜光集積回路の作製方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of the organic thin film optical integrated circuit which concerns on this embodiment. 図３の受光器のシミュレーションによる光強度を示す図である。It is a figure which shows the light intensity by simulation of the light receiver of FIG. 図４の変調器のシミュレーションによる光強度を示す図である。It is a figure which shows the light intensity by simulation of the modulator of FIG. 図６の金属グレーティングカプラの解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result of the metal grating coupler of FIG. １．５５μｍのＴＥモード光を入出力カプラを通して有機薄膜光集積回路内の光導波路に伝送させた結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having transmitted 1.55 micrometer TE mode light to the optical waveguide in an organic thin film optical integrated circuit through an input / output coupler.
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る有機薄膜光集積回路の構成を示す図である。本実施形態の有機薄膜光集積回路は、従来のＩｎＰ，Ｓｉに次ぐ新しいプラットフォームとして、有機薄膜フィルムを用いたものである。本実施形態は、有機薄膜フィルムにモノリシック集積技術により形成した例である。
　図１に示すように、有機薄膜光集積回路（Organic Thin Film Photonic Integrated Circuits）１は、可撓性を有する有機薄膜フィルム（Organic Thin Film）２と、有機薄膜フィルム２上に、モノリシック集積技術により形成された光導波路（Waveguide）１０と、受光器（Detector）２０と、変調器（Modulator）３０と、光スイッチ（Optical Switch）４０と、金属グレーティングカプラ（Metal Grating coupler）５０と、を備える。
　有機薄膜光集積回路１は、厚さ数μｍの有機薄膜フィルム２上に、光源以外の光機能素子（ここでは、光導波路１０、受光器２０、変調器３０および光スイッチ４０）全てを一括集積する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an organic thin film optical integrated circuit according to an embodiment of the present invention. The organic thin film optical integrated circuit of this embodiment uses an organic thin film as a new platform after conventional InP and Si. The present embodiment is an example in which an organic thin film is formed by monolithic integration technology.
As shown in FIG. 1, an organic thin film photonic integrated circuit 1 is formed on a flexible organic thin film 2 and an organic thin film 2 by monolithic integration technology. The optical waveguide (Waveguide) 10 formed, the light detector (Detector) 20, the modulator (Modulator) 30, the optical switch (Optical Switch) 40, and the metal grating coupler (Metal Grating coupler) 50 are provided.
The organic thin film optical integrated circuit 1 integrates all optical functional elements (here, the optical waveguide 10, the light receiver 20, the modulator 30 and the optical switch 40) other than the light source on the organic thin film 2 having a thickness of several μm. To do.
　有機薄膜光集積回路１は、一枚の有機薄膜フィルム２上に、光導波路１０、受光器２０、変調器３０、光スイッチ４０などの光機能素子が組み合わせされてモノリシック集積技術により作製されている。有機薄膜光集積回路１におけるモノリシック集積技術とは、同一の有機材料から共通するプロセスで作製することである。換言すれば、最初のウエハから、マスク露光ですべて作製できるモノリシック集積技術である。ステッパ露光やコンタクト露光のマスクパターンを複数用意しておけばよい。 The organic thin film optical integrated circuit 1 is manufactured by monolithic integration technology in which optical functional elements such as an optical waveguide 10, a light receiver 20, a modulator 30, and an optical switch 40 are combined on a single organic thin film 2. . The monolithic integration technique in the organic thin film optical integrated circuit 1 is to produce the same organic material by a common process. In other words, it is a monolithic integration technique that can be produced entirely from the first wafer by mask exposure. A plurality of mask patterns for stepper exposure and contact exposure may be prepared.
　有機薄膜フィルム２は、有機材料からなるフレキシブル薄膜である。有機薄膜フィルム２は、膜厚が例えば数μｍであり、食品用ラップフィルムの約１００分の一以下の厚さである。 The organic thin film 2 is a flexible thin film made of an organic material. The organic thin film 2 has a film thickness of, for example, several μm, and is about 1/100 or less the thickness of a food wrap film.
　有機薄膜フィルム２のポリマー材料としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ、poly methyl methacrylate）、Ｃｙｔｏｐ（登録商標　以下同様。）、Ｏｒｍｏｃｅｒ（登録商標　以下同様。）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリイミド等が挙げられる。より具体的な有機材料としては、ＰＭＭＡ、Ｃｙｔｏｐ、Ｏｒｍｏｃｅｒ、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリビニルブチラール、ポリメタアクリレート、ポリ－Ｌ－リシン、スルホン化ポリスチレン、グリシジル変性ポリエステル、ポリエステル、スルホン酸変性ポリエステル、カルボン酸変性ポリエステル、カルボキシメチルセルロース、エポキシ樹脂、サッカロース、およびこれらの誘導体からなる群より選ばれる少なくとも１つを有する高分子化合物または共重合体、等を例示することができる。 Examples of the polymer material of the organic thin film 2 include polymethyl methacrylate (PMMA, polymethylmethacrylate), Cytop (registered trademark, the same applies hereinafter), Ormocer (registered trademark, the same applies hereinafter), polycarbonate (PC), polyimide, and the like. More specific organic materials include PMMA, Cytop, Ormocer, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl butyral, polymethacrylate, poly-L-lysine, sulfonated polystyrene, glycidyl modified polyester, polyester, sulfonic acid Examples thereof include a polymer compound or copolymer having at least one selected from the group consisting of modified polyester, carboxylic acid-modified polyester, carboxymethylcellulose, epoxy resin, saccharose, and derivatives thereof.
　上記ポリマー材料は、透明であることが好ましい。グラフェン（graphene）（後記）は透明性を有しているので、上記ポリマー材料が透明であることによって、本実施形態の有機薄膜フィルム２は透明となる。その結果、汎用な用途に適用可能となる。 The polymer material is preferably transparent. Since graphene (described later) has transparency, the organic thin film 2 of the present embodiment is transparent when the polymer material is transparent. As a result, it can be applied to general purposes.
［光導波路］
　図２は、有機薄膜光集積回路１の有機薄膜フィルム２にモノリシック集積技術により形成された光導波路１０の構造を示す断面図である。
　図２に示すように、光導波路１０は、有機材料としてポリマー（ポリマー膜）からなるクラッド層（屈折率ｎ１：～１．３４）１１と、クラッド層２１に埋め込まれたポリマーからなるコア層（屈折率ｎ２：～１．４９　ただしｎ２＞ｎ１　以下同様。）１２と、を有する光伝送路である。なお、図２では、有機薄膜フィルム２の裏面に剥離用ポリイミド材料１０１（図７参照）が残されている例を示している。 [Optical waveguide]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the optical waveguide 10 formed on the organic thin film 2 of the organic thin film optical integrated circuit 1 by monolithic integration technology.
As shown in FIG. 2, the optical waveguide 10 includes a clad layer (refractive index n1: to 1.34) 11 made of a polymer (polymer film) as an organic material, and a core layer made of a polymer embedded in the clad layer 21 ( Refractive index n2: ˜1.49 where n2> n1 and the like) 12). FIG. 2 shows an example in which the peeling polyimide material 101 (see FIG. 7) is left on the back surface of the organic thin film 2.
　クラッド層１１には、Ｃｙｔｏｐ（屈折率ｎ１：～１．３４）からなる有機材料を用いる。
　コア層１２には、低損失ポリマー導波路やプラスチックファイバのために作られた有機材料であるＰＭＭＡ（屈折率ｎ２：～１．４９）を用いる。
　本実施形態では、有機薄膜フィルム２の有機材料として屈折率の異なる２つのポリマーを用いている。すなわち、有機薄膜フィルム２のポリマーとしてコア層１２に屈折率（屈折率ｎ２：～１．４９）のＰＭＭＡとクラッド層１１に屈折率（屈折率ｎ１：～１．３４）のＣｙｔｏｐとを組み合わせている。ちなみに、Ｃｙｔｏｐは、シリコン基板全体を覆う保護層やスピンコート用のフッ素系高分子溶液としてスピンコートした保護膜として用いられていた。 For the clad layer 11, an organic material made of Cytop (refractive index n1: to 1.34) is used.
The core layer 12 is made of PMMA (refractive index n2: ˜1.49), which is an organic material made for a low-loss polymer waveguide or plastic fiber.
In the present embodiment, two polymers having different refractive indexes are used as the organic material of the organic thin film 2. That is, as the polymer of the organic thin film 2, the core layer 12 is combined with PMMA having a refractive index (refractive index n2: ˜1.49) and the cladding layer 11 is combined with Cytop having a refractive index (refractive index n1: ˜1.34). Yes. Incidentally, Cytop has been used as a protective layer that covers the entire silicon substrate and as a protective film that is spin-coated as a fluorine-based polymer solution for spin coating.
　本実施形態では、光導波路１０は、低損失ポリマー導波路やプラスチックファイバのために作られた有機材料であるＰＭＭＡ（屈折率ｎ２：～１．４９）からなるクラッド層１１とＣｙｔｏｐ（屈折率ｎ１：～１．３４）からなるコア層１２とを組み合わせることで、有機薄膜光集積回路１における光伝送路を形成する。
　光導波路１０は、屈折率が高いコア層１２を屈折率が低いクラッド層１１が取り囲んだ埋め込み型構造であり、入射した光はコア層１２とクラッド層１１との界面で反射しながら光導波路１０中を伝播する。
　有機薄膜光集積回路１における伝送路は、Ｓｉベースの光導波路に比べ、屈折率差が小さいので、光導波路１０の最小曲率半径は２００μｍ位となる。 In this embodiment, the optical waveguide 10 includes a cladding layer 11 made of PMMA (refractive index n2: ˜1.49), which is an organic material made for a low-loss polymer waveguide and plastic fiber, and a Cytop (refractive index n1). : 1.34) is combined with the core layer 12 to form an optical transmission line in the organic thin film optical integrated circuit 1.
The optical waveguide 10 has a buried structure in which a core layer 12 having a high refractive index is surrounded by a cladding layer 11 having a low refractive index, and incident light is reflected at the interface between the core layer 12 and the cladding layer 11 while being reflected. Propagate through.
Since the transmission path in the organic thin film optical integrated circuit 1 has a smaller refractive index difference than the Si-based optical waveguide, the minimum curvature radius of the optical waveguide 10 is about 200 μm.
［受光器］
　図３は、有機薄膜光集積回路１の有機薄膜フィルム２にモノリシック集積技術により形成された受光器２０の構造を示す断面図である。
　図３に示すように、受光器２０は、有機材料としてポリマー（ポリマー膜）からなる下部クラッド層（屈折率ｎ１：～１．３４）２１と、下部クラッド層２１上の機能性領域６０（所定領域）に２次元配置された２次元系材料２２と、２次元系材料２２の２次元平面上に積層されたコア層（屈折率ｎ２：～１．４９）２３と、コア層２３を埋め込んで積層されたポリマーからなる上部クラッド層（屈折率ｎ１：～１．３４）２４と、コア層２３を挟む第１電極２５および第２電極２６（一対の電極）と、を有する。なお、図２では、有機薄膜フィルム２の裏面に剥離用ポリイミド材料１０１（図７参照）が残されている例を示している。 [Receiver]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the light receiver 20 formed on the organic thin film 2 of the organic thin film optical integrated circuit 1 by monolithic integration technology.
As shown in FIG. 3, the light receiver 20 includes a lower cladding layer (refractive index n1: ˜1.34) 21 made of a polymer (polymer film) as an organic material, and a functional region 60 (predetermined on the lower cladding layer 21). The two-dimensional material 22 arranged two-dimensionally in the region), the core layer (refractive index n2: ˜1.49) 23 laminated on the two-dimensional plane of the two-dimensional material 22, and the core layer 23 are embedded. It has an upper clad layer (refractive index n1: to 1.34) 24 made of laminated polymer, and a first electrode 25 and a second electrode 26 (a pair of electrodes) sandwiching the core layer 23. FIG. 2 shows an example in which the peeling polyimide material 101 (see FIG. 7) is left on the back surface of the organic thin film 2.
　下部クラッド層２１および上部クラッド層２４は、いずれもＣｙｔｏｐ（屈折率ｎ１：～１．３４）からなる有機材料である。下部クラッド層２１と上部クラッド層２４とは、Ｃｙｔｏｐにより一体に形成されている。
　コア層２３は、ＰＭＭＡからなるポリマー材料である。 The lower cladding layer 21 and the upper cladding layer 24 are both organic materials made of Cytop (refractive index n1: to 1.34). The lower clad layer 21 and the upper clad layer 24 are integrally formed by Cytop.
The core layer 23 is a polymer material made of PMMA.
　２次元系材料２２は、有機材料（ここではＣｙｔｏｐおよびＰＭＭＡ）に、所定の機能性を持たせるために配置される。受光器２０の場合は、２次元系材料２２は、フォトキャリアを生成する。２次元系材料２２には、グラフェンを用いる。グラフェンは、後記する理由で有機薄膜光集積回路１の２次元系材料２２に適している。 The two-dimensional material 22 is disposed to give a predetermined functionality to an organic material (here, Cytop and PMMA). In the case of the light receiver 20, the two-dimensional material 22 generates a photo carrier. Graphene is used for the two-dimensional material 22. Graphene is suitable for the two-dimensional material 22 of the organic thin film optical integrated circuit 1 for the reason described later.
　第１電極２５および第２電極２６は、２次元系材料２２で生成されたフォトキャリアを引き抜くための電極である。
　第１電極２５は、Ｔｉ金属、第２電極２６は、Ｐｄ金属からなる。または、第１電極２５と第２電極２６は、いずれもＡｕ金属またはＡｕ合金からなる。第１電極２５と第２電極２６の金属材料を異ならせると、両電極間のフェルミレベルが異なるので低電圧駆動が可能になる。 The first electrode 25 and the second electrode 26 are electrodes for extracting photocarriers generated from the two-dimensional material 22.
The first electrode 25 is made of Ti metal, and the second electrode 26 is made of Pd metal. Alternatively, both the first electrode 25 and the second electrode 26 are made of Au metal or Au alloy. If the metal materials of the first electrode 25 and the second electrode 26 are different, the Fermi level between the two electrodes is different, so that low voltage driving is possible.
　本実施形態では、有機薄膜フィルム２の有機材料として屈折率の異なる２つの有機材料を用いている。すなわち、有機材料としてコア層２３に屈折率（屈折率ｎ２：～１．４９）のＰＭＭＡと下部クラッド層２１および上部クラッド層２２に屈折率（屈折率ｎ１：～１．３４）のＣｙｔｏｐとを組み合わせている。 In this embodiment, two organic materials having different refractive indexes are used as the organic material of the organic thin film 2. That is, as the organic material, PMMA having a refractive index (refractive index n2: to 1.49) is formed in the core layer 23, and Cytop having a refractive index (refractive index n1: to 1.34) is formed in the lower cladding layer 21 and the upper cladding layer 22. Combined.
　２次元系材料２２は、有機薄膜フィルム２にモノリシック集積技術により光機能素子を形成する場合、有機材料（ここではＣｙｔｏｐおよびＰＭＭＡ）に、所定の機能性（後記）を持たせるために配置される。２次元系材料２２は、光機能素子を形成しようとする機能性領域６０に２次元配置し、２次元系材料２２を用いて、機能（受光器２０ではフォトキャリア生成）を持たせる。
　なお、本明細書では説明の便宜上、２次元系材料２２と表記しているが、２次元機能性原子・分子薄膜、２次元結晶、２次元物質などと呼称してもよい。 The two-dimensional material 22 is arranged to give a predetermined functionality (described later) to an organic material (here, Cytop and PMMA) when an optical functional element is formed on the organic thin film 2 by monolithic integration technology. . The two-dimensional material 22 is two-dimensionally arranged in the functional region 60 where the optical functional element is to be formed, and has a function (photocarrier generation in the light receiver 20) using the two-dimensional material 22.
In this specification, for convenience of explanation, the two-dimensional material 22 is used, but it may be called a two-dimensional functional atomic / molecular thin film, two-dimensional crystal, two-dimensional substance, or the like.
　受光器に求められるのは、感度および高速性の２点であり、それらを決める要因は、素子を構成する材料の光吸収効率、光吸収により生成されたフォトキャリアの移動時間、光吸収層の容量などが挙げられる。
　本実施形態では、受光器２０の光吸収層として２次元系材料２２であるグラフェン（詳細後記）を用いる。グラフェンは、その優れた電気伝導特性からトランジスタなどへの応用が期待されているが、受光器２０の観点から見ても、高感度・低暗電流を実現できる材料である。
　また、グラフェンは、他の２次元系材料にはない特徴として、可視光から赤外領域が透明であることが挙げられる。 The receiver is required to have two points of sensitivity and high speed. The factors that determine these are the light absorption efficiency of the material constituting the element, the movement time of the photocarrier generated by light absorption, and the light absorption layer. Examples include capacity.
In the present embodiment, graphene (described later in detail) which is the two-dimensional material 22 is used as the light absorption layer of the light receiver 20. Graphene is expected to be applied to transistors and the like because of its excellent electrical conduction characteristics. From the viewpoint of the light receiver 20, graphene is a material that can realize high sensitivity and low dark current.
In addition, graphene has a characteristic that other two-dimensional materials do not have, such that the visible to infrared region is transparent.
　図３に示すように、受光器２０は、コア層２３の直下の機能性領域６０にグラフェンからなる２次元系材料２２が転写されており、２次元系材料２２で生成したフォトキャリアが左右の電極（第１電極２５と第２電極２６）から横方向に引き抜かれる構造とする。 As shown in FIG. 3, in the photoreceiver 20, the two-dimensional material 22 made of graphene is transferred to the functional region 60 immediately below the core layer 23, and the photocarriers generated by the two-dimensional material 22 are left and right. A structure is employed in which the electrodes (first electrode 25 and second electrode 26) are pulled out in the lateral direction.
 <２次元系材料>
　２次元系材料２２について述べる。
　有機薄膜フィルム２にモノリシック集積技術により光機能素子を形成する場合、有機材料だけを用いて、この有機材料に光機能性を持たせることは困難である。そこで本発明者らは、有機薄膜フィルム２の機能性領域６０に２次元系材料２２を２次元配置することで、有機薄膜フィルム２に機能性を持たせ、２次元系材料２２の２次元平面上に光機能素子をモノリシック集積技術により作製することを見出した。 <Two-dimensional materials>
The two-dimensional material 22 will be described.
In the case where an optical functional element is formed on the organic thin film 2 by monolithic integration technology, it is difficult to impart optical functionality to the organic material using only the organic material. Therefore, the present inventors have provided the functionality to the organic thin film 2 by arranging the two-dimensional material 22 in the functional region 60 of the organic thin film 2 so that the two-dimensional plane of the two-dimensional material 22 is provided. The inventors have found that an optical functional device can be produced by monolithic integration technology.
　２次元系材料２２は、有機材料に機能性を持たせることができ、かつ、展性、曲げに強いことが求められる。さらに、有機薄膜光集積回路１（光デバイス）として用いるので、波長帯も考慮する。 The two-dimensional material 22 is required to be capable of imparting functionality to an organic material, and to be malleable and resistant to bending. Furthermore, since it is used as the organic thin film optical integrated circuit 1 (optical device), the wavelength band is also considered.
　グラフェンは、有機薄膜光集積回路１の２次元系材料２２に適している。
　グラフェンは、炭素原子のｓｐ２結合によって形成されたハチの巣状の原子層１層のシート構造である。グラフェンは、高キャリア移動度、光波長無依存性（高い透明度）、高光非線形性など独自の利点を有する。グラフェンは、炭素原子のみで構成された六角形のセル構造のみならず、六角形のセルに対してある種の置換基／官能基が結合されていてもよいし、あるいは、酸化グラフェンのような前駆体もまた存在していてもよい。本実施形態では、グラフェンが有機薄膜フィルム２の機能性領域６０に、長さ方向および幅方向に、２次元配置されている。さらに、グラフェンは、単層グラフェンのみでなく２層以上の複数層のグラフェンでもよい。 Graphene is suitable for the two-dimensional material 22 of the organic thin film optical integrated circuit 1.
Graphene is a sheet structure of one layer of a honeycomb-like atomic layer formed by sp 2 bonds of carbon atoms. Graphene has unique advantages such as high carrier mobility, optical wavelength independence (high transparency), and high optical nonlinearity. Graphene is not limited to a hexagonal cell structure composed only of carbon atoms, but a certain substituent / functional group may be bonded to the hexagonal cell, or, as in graphene oxide, A precursor may also be present. In the present embodiment, graphene is two-dimensionally arranged in the functional region 60 of the organic thin film 2 in the length direction and the width direction. Further, the graphene may be not only single-layer graphene but also two or more layers of graphene.
　グラフェンは、コーン型のバンド構造でバンドギャップがなく、高いキャリア移動度、高い透明度でどの波長帯でも機能する。本実施形態の有機薄膜光集積回路１の波長帯はどのようなものでもよいので、この波長帯の観点からもグラフェンが好ましい。 Graphene has a cone-shaped band structure, no band gap, high carrier mobility, high transparency, and functions in any wavelength band. Since any wavelength band may be used for the organic thin film optical integrated circuit 1 of the present embodiment, graphene is preferable from the viewpoint of this wavelength band.
　２次元系材料２２は、有機材料に機能性を持たせることができものであればよく、グラフェンには限定されない。
　グラフェン以外の２次元系材料２２としては、フォスフォレン（原子層黒リン）、遷移金属ダイカルコゲナイド（ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２など）が挙げられる。ただし、フォスフォレンや二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）は、バンドギャップと高いキャリア移動度を持つ半導体の性質を有する。ここで、有機薄膜光集積回路１（光デバイス）は、半導体の性質は必要ではない。 The two-dimensional material 22 is not limited to graphene as long as the organic material can have functionality.
Examples of the two-dimensional material 22 other than graphene include phosphorene (atomic layer black phosphorus) and transition metal dichalcogenide (MoS 2 , WS 2 , WSe 2, etc.). However, phosphorene and molybdenum disulfide (MoS 2 ) have a semiconductor property with a band gap and high carrier mobility. Here, the organic thin film optical integrated circuit 1 (optical device) does not need a semiconductor property.
　波長帯は、全域で使うのであればグラフェン、可視域の波長帯で使うのであれば、ＭｏＳ２（molybdenum sulfide）、ＷＳ２（tungsten sulfide）を用いる。製作の容易性を考慮すると、実際にはグラフェン、ＭｏＳ２、ＷＳ２となる。
　ちなみに、グラフェン、ＭｏＳ２、ＷＳ２は、光デバイスとしての報告例は、高い移動度を利用することであった。グラフェンは、これらの中で最も高い移動度を持つもののバンドギャップがない（オフすることができない）ので、移動度はグラフェンよりも小さいがバンドギャップのあるＭｏＳ２、ＷＳ２を利用していた。このため光デバイスとしての報告例は、高い移動度に関してののみであり、波長帯に着目された報告例はなかった As for the wavelength band, graphene is used for the entire wavelength range, and MoS 2 (molybdenum sulfide) and WS 2 (tungsten sulfide) are used for the wavelength band in the visible range. Considering the ease of production, it is actually graphene, MoS 2 , WS 2 .
Incidentally, graphene, MoS 2 , and WS 2 are reported to utilize high mobility as reported examples of optical devices. Although graphene has the highest mobility among these, but has no band gap (cannot be turned off), MoS 2 and WS 2 having a band gap but smaller mobility than graphene were used. For this reason, the report example as an optical device is only about high mobility, and there was no report example which paid its attention to the wavelength band.
［変調器］
　図４は、有機薄膜光集積回路１の有機薄膜フィルム２にモノリシック集積技術により形成された変調器３０の構造を示す断面図である。
　図４に示すように、変調器３０は、Ｃｙｔｏｐ（屈折率ｎ１：～１．３４）からなる下部クラッド層（屈折率ｎ１：～１．３４）２１と、下部クラッド層２１に埋め込まれたＡｕ金属またはＡｕ合金からなる下部電極３１と、下部クラッド層２１上の機能性領域６０に配置されたグラフェンからなる２次元系材料２２と、２次元系材料２２上に積層されたＰＭＭＡからなるコア層（屈折率ｎ２：～１．４９）２３と、コア層２３を埋め込んで積層されたＣｙｔｏｐ（屈折率ｎ１：～１．３４）からなる上部クラッド層（屈折率ｎ１：～１．３４）２４と、Ｔｉ／Ａｕ金属からなる第１電極２５と、Ｔｉ／Ａｕ金属からなる第２電極２６と、を有する。なお、図４では、有機薄膜フィルム２の裏面に剥離用ポリイミド材料１０１（図７参照）が残されている例を示している。 [Modulator]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the modulator 30 formed on the organic thin film 2 of the organic thin film optical integrated circuit 1 by the monolithic integration technique.
As shown in FIG. 4, the modulator 30 includes a lower cladding layer (refractive index n1: to 1.34) 21 made of Cytop (refractive index n1: to 1.34) and Au embedded in the lower cladding layer 21. A lower electrode 31 made of metal or Au alloy, a two-dimensional material 22 made of graphene disposed in a functional region 60 on the lower cladding layer 21, and a core layer made of PMMA laminated on the two-dimensional material 22 (Refractive index n2: ˜1.49) 23 and an upper cladding layer (refractive index n1: ˜1.34) 24 made of Cytop (refractive index n1: ˜1.34) embedded in the core layer 23, and , A first electrode 25 made of Ti / Au metal and a second electrode 26 made of Ti / Au metal. 4 shows an example in which the peeling polyimide material 101 (see FIG. 7) is left on the back surface of the organic thin film 2.
　２次元系材料２２は、有機材料（ＣｙｔｏｐおよびＰＭＭＡ）に、所定の機能性を持たせるために配置される。変調器３０の場合は、２次元系材料２２は、化学ポテンシャルの位置を制御する。 The two-dimensional material 22 is disposed in order to give the organic material (Cytop and PMMA) predetermined functions. In the case of the modulator 30, the two-dimensional material 22 controls the position of the chemical potential.
　下部電極３１は、電圧印加されて２次元系材料２２（グラフェン）の化学ポテンシャルの位置を制御する。 The lower electrode 31 is applied with a voltage to control the position of the chemical potential of the two-dimensional material 22 (graphene).
　変調器３０についても、受光器２０と同様に、２次元系材料２２としてグラフェンを用いることで機能性を実現する。グラフェンは、化学ポテンシャルの位置を制御することによって、バンド間吸収に起因する誘電体的特性からバンド内吸収に起因する金属的特性へと変化させることが可能である。このような性質を利用した変調器は、既にＳｉ系において実現されており、高速かつ高い消光比を有する(例えばACS Nano 6,3577,2012参照)。 Also for the modulator 30, the functionality is realized by using graphene as the two-dimensional material 22, similarly to the light receiver 20. Graphene can be changed from a dielectric property due to interband absorption to a metallic property due to intraband absorption by controlling the position of the chemical potential. A modulator using such a property has already been realized in a Si system, and has a high speed and a high extinction ratio (see, for example, ACS Nano 6,3577,2012).
　本実施形態では、有機薄膜光集積回路１において適当な変調特性を得ることができるよう、それらに表面プラズモン（Surface Plasmon）を併用する。変調器３０は、Ａｕ金属の下部電極３１を配置し、下部電極３１に電圧を印加することでグラフェンの化学ポテンシャルを制御する。
　Ｃｙｔｏｐ（登録商標）は、耐圧性に優れた有機材料（１－３ＭＶ／ｃｍ）であり、光伝送路のクラッド層（例えば図２の光導波路１０のクラッド層１１）としての効果に加えて、有効な絶縁膜としての役割も担う。 In the present embodiment, surface plasmons are used in combination with the organic thin film optical integrated circuit 1 so that appropriate modulation characteristics can be obtained. The modulator 30 has a lower electrode 31 made of Au metal, and controls the chemical potential of graphene by applying a voltage to the lower electrode 31.
Cytop (registered trademark) is an organic material (1-3 MV / cm) excellent in pressure resistance, and in addition to the effect as a cladding layer of an optical transmission line (for example, the cladding layer 11 of the optical waveguide 10 in FIG. 2), Also plays a role as an effective insulating film.
　変調器３０は、印加電圧が無い場合、グラフェンが金属的特性を有し、下部電極３１へのプラズモン励振が強くなり、伝搬光の損失が激しくなる（理論解析では～２４００／ｃｍ）。一方、電圧印加した場合、グラフェンにバンドギャップが生じ誘電体的特性を示し、下部電極３１のプラズモン励振が抑制され損失が抑えられる（理論解析では～１１００／ｃｍ）。これによって強度変調を行うことが可能となる。 In the modulator 30, when there is no applied voltage, graphene has metallic characteristics, plasmon excitation to the lower electrode 31 becomes strong, and loss of propagating light becomes severe (up to 2400 / cm in theoretical analysis). On the other hand, when a voltage is applied, a band gap is generated in graphene and exhibits dielectric characteristics, and the plasmon excitation of the lower electrode 31 is suppressed and the loss is suppressed (˜1100 / cm in theoretical analysis). As a result, intensity modulation can be performed.
［光スイッチ］
　図５は、有機薄膜光集積回路１の有機薄膜フィルム２にモノリシック集積技術により形成された光スイッチ４０の構造を示す断面図である。
　図５に示すように、光スイッチ４０は、Ｃｙｔｏｐ（屈折率ｎ１：～１．３４）からなるクラッド層（屈折率ｎ１：～１．３４）１１と、クラッド層１１に埋め込まれたＰＭＭＡからなる第１コア層（屈折率ｎ２：～１．４９）４１と、第１コア層４１と並列にクラッド層１１に埋め込まれたＰＭＭＡからなる第２コア層（屈折率ｎ２：～１．４９）４２と、第１コア層４１の上部を覆うＴｉ／Ａｕ金属からなる金属薄膜ヒータ４３ａとその第１電極パッド４３と、第２コア層４２の上部を覆うＴｉ／Ａｕ金属からなる金属薄膜ヒータ４４ａとその第２電極パッド４４と、を有する。なお、図５では、有機薄膜フィルム２の裏面に剥離用ポリイミド材料１０１（図７参照）が残されている例を示している。 [Optical switch]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of an optical switch 40 formed on the organic thin film 2 of the organic thin film optical integrated circuit 1 by monolithic integration technology.
As shown in FIG. 5, the optical switch 40 is made of a cladding layer (refractive index n1: to 1.34) 11 made of Cytop (refractive index n1: to 1.34) and PMMA embedded in the cladding layer 11. A first core layer (refractive index n2: ˜1.49) 41 and a second core layer (refractive index n2: ˜1.49) 42 made of PMMA embedded in the cladding layer 11 in parallel with the first core layer 41. And a metal thin film heater 43a made of Ti / Au metal covering the upper part of the first core layer 41 and its first electrode pad 43, and a metal thin film heater 44a made of Ti / Au metal covering the upper part of the second core layer 42, The second electrode pad 44. FIG. 5 shows an example in which the peeling polyimide material 101 (see FIG. 7) is left on the back surface of the organic thin film 2.
　第１コア層４１および第２コア層４２は、ＰＭＭＡからなるポリマー膜である。コア層４１，４２の他の材料として、Ｏｒｍｏｃｅｒ（登録商標）が挙げられる。
　光スイッチ４０のクラッド層１１は、図２の光導波路１０のクラッド層（屈折率ｎ１：～１．３４）１１、および、図３および図４の下部クラッド層２１および上部クラッド層２４と同様に、モノリシック集積技術により形成される。 The first core layer 41 and the second core layer 42 are polymer films made of PMMA. Another material of the core layers 41 and 42 is Ormocer (registered trademark).
The clad layer 11 of the optical switch 40 is the same as the clad layer (refractive index n1: to 1.34) 11 of the optical waveguide 10 of FIG. 2, and the lower clad layer 21 and the upper clad layer 24 of FIGS. Formed by monolithic integration technology.
　光スイッチ４０は、変調器３０ほどの高速性は必要とされず、低損失でクロストークを抑えたスイッチング動作が必要である。本実施形態では、最も標準的である熱光学効果を用いたポリマ熱光学効果型ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit：基板導波路）スイッチを用いる。マッハツェンダー干渉器のアーム上部に、金属薄膜ヒータ４３ａ，４４ａや電極パッド４３，４４、その間の配線を形成する。金属薄膜ヒータ４３ａ，４４ａの一方を通電し加熱することで、周囲の温度上昇に応じてポリマーの屈折率が低下する。これにより、マッハツェンダー干渉器の両アーム間の位相をコントロールすることでスイッチングを行う。
　光スイッチ４０は、金属薄膜ヒータ４３ａ，４４ａに通電しない状態では光が半分ずつに分岐するスプリッタである。ここで、金属薄膜ヒータ４３ａ，４４ａの一方に通電し加熱すると、その周囲のポリイミドは温度上昇に応じて屈折率が低下して光を導波しなくなり、光は他方の出力導波路に集中する。 The optical switch 40 is not required to be as fast as the modulator 30 and requires a switching operation with low loss and reduced crosstalk. In this embodiment, a polymer thermo-optic effect type PLC (Planar Lightwave Circuit) switch using the most standard thermo-optic effect is used. Metal thin film heaters 43a and 44a, electrode pads 43 and 44, and wiring therebetween are formed on the upper part of the arm of the Mach-Zehnder interferometer. By energizing and heating one of the metal thin film heaters 43a and 44a, the refractive index of the polymer decreases as the ambient temperature increases. Thereby, switching is performed by controlling the phase between both arms of the Mach-Zehnder interferometer.
The optical switch 40 is a splitter that splits light in half when the metal thin film heaters 43a and 44a are not energized. Here, when one of the metal thin film heaters 43a and 44a is energized and heated, the polyimide around it decreases in refractive index as the temperature rises and does not guide light, and the light concentrates on the other output waveguide. .
［金属グレーティングカプラ］
　図６は、有機薄膜光集積回路１の有機薄膜フィルム２にモノリシック集積技術により形成された金属グレーティングカプラの構造を示す図である。なお、図６は、光導波路１０（図２）、受光器（図３）、変調器（図４）および光スイッチ（図５）の断面図と異なり、横方向から見た側面図であるが、説明の便宜上、モノリシック集積技術により形成された同一材料には同じハッチングで表記している。
　ポリマー導波路は、屈折率差が小さいために、有機薄膜フィルム２上の光導波路１０の表層に溝を形成するだけでは、適切な結合を得ることが非常に困難である。
　そこで、本発明者らは、入出力カプラに、金属グレーティング構造を使用することを見出した。 [Metal grating coupler]
FIG. 6 is a diagram showing the structure of a metal grating coupler formed on the organic thin film 2 of the organic thin film optical integrated circuit 1 by monolithic integration technology. FIG. 6 is a side view as seen from the side, unlike the cross-sectional views of the optical waveguide 10 (FIG. 2), the light receiver (FIG. 3), the modulator (FIG. 4), and the optical switch (FIG. 5). For convenience of explanation, the same material formed by monolithic integration technology is indicated by the same hatching.
Since the refractive index difference of the polymer waveguide is small, it is very difficult to obtain appropriate coupling only by forming a groove in the surface layer of the optical waveguide 10 on the organic thin film 2.
Therefore, the present inventors have found that a metal grating structure is used for the input / output coupler.
　図６に示すように、金属グレーティングカプラ５０は、有機薄膜フィルム２上の光導波路１０の表層に幅Ｗの金属５１のスリットを周期的（２Ｗ）に形成する。金属グレーティングカプラ５０は、有機薄膜フィルム２上の光導波路１０に接続して光インタフェースの役割を果たしている。
　金属グレーティングカプラ５０は、金属５１に他の機能素子にも使っているものと同一材料（Ｔｉ／Ａｕ）を用いるので、モノリシック集積の条件が崩れることはない。
　有機薄膜光集積回路１における伝送路の入出力部については、金属グレーティングカプラ構造を採用することで、有機薄膜フィルム２の上下方向からの外部信号入出力が可能な構成とする。
　このように、有機薄膜フィルム２内に各種光機能（受光器２０、変調器３０、光スイッチ３０など）をモノリシックに一括集積し、回路内の最も基本的な構成要素である光伝送路と入出力カプラを集積するようにしている。 As shown in FIG. 6, the metal grating coupler 50 periodically forms slits of a metal 51 having a width W in the surface layer of the optical waveguide 10 on the organic thin film 2. The metal grating coupler 50 is connected to the optical waveguide 10 on the organic thin film 2 and serves as an optical interface.
The metal grating coupler 50 uses the same material (Ti / Au) as that used for other functional elements for the metal 51, so that the monolithic integration conditions are not lost.
The input / output portion of the transmission line in the organic thin film optical integrated circuit 1 adopts a metal grating coupler structure so that an external signal input / output from the vertical direction of the organic thin film 2 is possible.
As described above, various optical functions (light receiver 20, modulator 30, optical switch 30 and the like) are monolithically integrated in the organic thin film 2, and an optical transmission line which is the most basic component in the circuit is inserted. An output coupler is integrated.
　次に、有機薄膜光集積回路１の作製方法について説明する。
　図７ないし図９は、有機薄膜光集積回路１の作製方法を説明する図である。モノリシック集積技術による光機能素子として、受光器２０（図３参照）の作製を例に採る。なお、図３には、本作製方法により作製される対応部材を括弧書きで表記している。 Next, a method for manufacturing the organic thin film optical integrated circuit 1 will be described.
7 to 9 are views for explaining a method of manufacturing the organic thin film optical integrated circuit 1. As an example, the optical receiver 20 (see FIG. 3) is manufactured as an optical functional element using monolithic integration technology. In FIG. 3, the corresponding member manufactured by this manufacturing method is shown in parentheses.
 <初期基板>
　図７に示すように、剥離用ポリイミド材料１０１を支持基板１００に塗布し、その上に、各種ポリマー１０２を塗布し、さらに各種ポリマー１０２上の全面にグラフェン１０３転写を行い初期基板とする。
　支持基板１００は、例えばＩｎＰやＳｉ基板であるが、どのような基板でもよい。
　剥離用ポリイミド材料１０１は、ＩｎＰやＳｉ基板から剥離し易い例えばＥＣＲＩＯＳ（登録商標）を用いる。
　各種ポリマー１０２は、有機薄膜フィルム２を構成し、例えばＣｙｔｏｐを用いる。Ｃｙｔｏｐからなる有機材料は、有機薄膜光集積回路１の光機能素子（ここでは、受光器２０）（図１参照）のクラッド層２１を形成する。 <Initial board>
As shown in FIG. 7, a release polyimide material 101 is applied to a supporting substrate 100, various polymers 102 are applied thereon, and graphene 103 is transferred onto the entire surface of the various polymers 102 to form an initial substrate.
The support substrate 100 is, for example, an InP or Si substrate, but may be any substrate.
As the peeling polyimide material 101, for example, ECRIOS (registered trademark) that can be easily peeled off from an InP or Si substrate is used.
The various polymers 102 constitute the organic thin film 2 and use, for example, Cytop. The organic material made of Cytop forms the cladding layer 21 of the optical functional element (here, the light receiver 20) of the organic thin film optical integrated circuit 1 (see FIG. 1).
　グラフェン１０３は、２次元系材料２２（図３および図４参照）として用いる。上述したように、グラフェン１０３は、単層グラフェンのみでなく２層以上の複数層のグラフェンでもよい。また、グラフェン１０３は、転写（グラフェン転写）により有機薄膜フィルム２（図１参照）（ここではポリマー１０２表面）に転写する。 Graphene 103 is used as a two-dimensional material 22 (see FIGS. 3 and 4). As described above, the graphene 103 may be not only single-layer graphene but also two or more layers of graphene. The graphene 103 is transferred to the organic thin film 2 (see FIG. 1) (here, the surface of the polymer 102) by transfer (graphene transfer).
　なお、グラフェンを製造する方法としては、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition、化学蒸着）法、グラファイトからの化学的剥離法、グラファイトからの機械的剥離法等が用いられている。ＣＶＤ法は、所定の条件下で、銅等の基板上にメタン等のガスを接触させることによって、銅等の基板上に主に単層グラフェンを形成する手法である。ＣＶＤ法を用いて形成された単層グラフェンは、有機薄膜フィルム２に転写される場合、接着している銅等とともに転写され、転写後に銅等をエッチングで除去することによって、グラフェンを積層した有機薄膜フィルム２が得られる。 As a method for producing graphene, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a chemical exfoliation method from graphite, a mechanical exfoliation method from graphite, or the like is used. The CVD method is a method of mainly forming single-layer graphene on a substrate such as copper by bringing a gas such as methane into contact with the substrate such as copper under a predetermined condition. Single-layer graphene formed using the CVD method is transferred to the organic thin film 2 together with the adhered copper or the like, and after transfer, the copper or the like is removed by etching, whereby the graphene is laminated. A thin film 2 is obtained.
 <グラフェンパターニング>
　図８（ａ）の<第１工程>に示すように、ポリマー１０２に転写されたグラフェン１０３をパターニングして必要な機能性領域６０におけるグラフェン１０３を残す。機能性領域６０とは、有機薄膜フィルム２上に受光器２０および変調器３０（図３および図４参照）をモノリシックで形成する場合、その光機能が形成される活性領域である。より詳細には、図示しない別のポリマーを塗付し、図示しないマスクを用いて必要箇所に窓開けをし、アッシングを行うと、必要部分以外のグラフェンは分解・除去される。 <Graphene patterning>
As shown in <first step> of FIG. 8A, the graphene 103 transferred to the polymer 102 is patterned to leave the graphene 103 in the necessary functional region 60. The functional region 60 is an active region where the optical function is formed when the light receiver 20 and the modulator 30 (see FIGS. 3 and 4) are formed monolithically on the organic thin film 2. More specifically, when another polymer (not shown) is applied, a window is opened at a necessary portion using a mask (not shown), and ashing is performed, the graphene other than the necessary portion is decomposed and removed.
 <ＥＢ描画・蒸着lift-offによる電極形成>
　図８（ｂ）の<第２工程>に示すように、パターニングされたグラフェン１０３が形成されたポリマー１０２の表面に対して、ＥＢ（electron beam）描画・蒸着lift-offにより電極１０４を形成する。 <Electrode formation by EB drawing / deposition lift-off>
As shown in <second step> of FIG. 8B, an electrode 104 is formed by EB (electron beam) drawing / evaporation lift-off on the surface of the polymer 102 on which the patterned graphene 103 is formed. .
 <コア層塗布・パターニング露光>
　図８（ｃ）の<第３工程>に示すように、電極１０４が形成された基板上に、スピンコート法でコア層１０５となるＰＭＭＡを作製する。そしてフォトリソグラフィ法を用いてレジストによるパターニングを行い、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ、Reactive Ion Etching）を用いてコア層１０５のみを残してドライエッチングを行い、不要なＰＭＭＡを除去する。 <Core layer coating and patterning exposure>
As shown in <Third Step> of FIG. 8C, PMMA to be the core layer 105 is manufactured by spin coating on the substrate on which the electrode 104 is formed. Then, patterning with a resist is performed using a photolithography method, and dry etching is performed using a reactive ion etching method (RIE, Reactive Ion Etching), leaving only the core layer 105, thereby removing unnecessary PMMA.
 <クラッド塗布>
　図９（ａ）の<第４工程>に示すように、この基板上に、スピンコート法でクラッド層１０６となるＣｙｔｏｐを塗布する。 <Clad coating>
As shown in <Fourth Step> of FIG. 9A, Cytop to be the cladding layer 106 is applied on this substrate by spin coating.
 <窓開け・電極形成>
　図９（ｂ）の<第５工程>に示すように、Ｃｙｔｏｐが形成された有機薄膜フィルム２上（クラッド層１０６表面）に、フォトリソグラフィ法でパターニングを行い、電極１０４上部に窓を開け、この窓部に再度フォトリソグラフィ法を用いて電極１０７（例えばＡｕ金属）を成長させる。 <Window opening / electrode formation>
As shown in <fifth step> in FIG. 9B, patterning is performed on the organic thin film 2 (the surface of the clad layer 106) on which Cytop is formed by a photolithography method, and a window is opened on the electrode 104, An electrode 107 (for example, Au metal) is grown on the window portion again using photolithography.
 <基板劈開による剥離>
　図９（ｃ）の<第６工程>に示すように、電極１０７が形成された基板を劈開して、有機薄膜光集積回路１が形成された有機薄膜フィルム２（図１参照）を剥離用ポリイミド材料１０１部分で剥離する。劈開面のあるＩｎＰ,Ｓｉからなる支持基板１００（図７参照）を用いると、メス等を使って剥離しやすい。 <Peeling by substrate cleavage>
As shown in <Sixth Step> of FIG. 9C, the substrate on which the electrode 107 is formed is cleaved to peel off the organic thin film 2 (see FIG. 1) on which the organic thin film integrated circuit 1 is formed. Peel off at the polyimide material 101 portion. When a support substrate 100 (see FIG. 7) made of InP or Si having a cleavage plane is used, it is easy to peel off using a knife or the like.
　このように、有機薄膜光集積回路１の作製工程では、剥離用ポリイミド材料を支持基板に塗布し、その上に、各種ポリマー塗布・グラフェン転写などを行い初期基板とする（図７参照）。その後、その基板にポリマー塗布・リソグラフィ・エッチング・電極パターニングなどの一連のプロセスを経て各種素子を一括作製し、最後に支持基板からの剥離プロセスを行うことで薄膜化を行う（図８および図９参照）。 Thus, in the manufacturing process of the organic thin film optical integrated circuit 1, a release polyimide material is applied to a support substrate, and various polymer coatings and graphene transfer are performed thereon to form an initial substrate (see FIG. 7). Thereafter, various elements are collectively manufactured through a series of processes such as polymer coating, lithography, etching, and electrode patterning on the substrate, and finally the film is thinned by performing a peeling process from the support substrate (FIGS. 8 and 9). reference).
　なお、図７ないし図９では、受光器２０（図３参照）の作製例に採っているが、他の光機能素子についてもモノリシック集積技術により同様の方法で作製できる。
　例えば、光導波路１０の場合は、グラフェン１０３のパターニングや電極１０４の作製工程がない（該当マスクパターンを用いる）。また、変調器３０の場合は、下部クラッド層２１（図４参照）の作製途中の工程で、下部電極３１（図４参照）を作製し、下部クラッド層２１に埋め込まれた下部電極３１を形成する。すなわち、金属薄膜をスパッタ装置で成膜し、フォトリソ工程・反応性イオンエッチング工程によって下部電極３１をパターン形成する。その後は、図８（ａ）以下の受光器２０の作製方法と同様である。
　また、光スイッチ４０の場合、クラッド層１１（図５参照）を形成し、第１コア層４１および第２コア層４２（図５参照）を埋め込んだクラッド層１１（図５参照）を形成し、第１コア層４１および第２コア層４２の表面に、それぞれ金属薄膜ヒータ４３ａ，４４ａや電極パッド４３，４４、その間の配線を形成する。例えば、金属薄膜をスパッタ装置で成膜し、コア層４１，４２と同様にフォトリソ工程・ＲＩＥ工程によってパターン形成する。 7 to 9, the light receiving device 20 (see FIG. 3) is used as an example of manufacturing. However, other optical functional elements can be manufactured by a similar method using a monolithic integration technique.
For example, in the case of the optical waveguide 10, there is no patterning process of the graphene 103 or a manufacturing process of the electrode 104 (using a corresponding mask pattern). In the case of the modulator 30, the lower electrode 31 (see FIG. 4) is produced and the lower electrode 31 embedded in the lower clad layer 21 is formed in the process of producing the lower clad layer 21 (see FIG. 4). To do. That is, a metal thin film is formed by a sputtering apparatus, and the lower electrode 31 is patterned by a photolithography process / reactive ion etching process. Thereafter, the manufacturing method is the same as that of the light receiver 20 shown in FIG.
In the case of the optical switch 40, the cladding layer 11 (see FIG. 5) is formed, and the cladding layer 11 (see FIG. 5) in which the first core layer 41 and the second core layer 42 (see FIG. 5) are embedded is formed. The metal thin film heaters 43a and 44a, the electrode pads 43 and 44, and the wiring therebetween are formed on the surfaces of the first core layer 41 and the second core layer 42, respectively. For example, a metal thin film is formed by a sputtering apparatus, and a pattern is formed by a photolithography process / RIE process in the same manner as the core layers 41 and 42.
　金属グレーティングカプラ５０（図６参照）の作製方法について説明する。
　まず、例えばＩｎＰからなる支持基板１００（図７参照）上に、ＥＣＲＩＯＳからなる剥離用ポリイミド１０１、下部クラッド用のＣｙｔｏｐを塗布・硬化する。その上に、金属グレーティングを、電子ビーム描画およびリフトオフを用いて作製する。その後、ＰＭＭＡを塗布し、電子ビーム描画により導波路構造（幅２．０μｍ）を形成した後、上部クラッド用のＣｙｔｏｐを塗布・硬化することで金属グレーティングカプラ５０を作製する。支持基板１００からのフィルム剥離については、ＩｎＰを裏面から劈開することで行う。 A method for manufacturing the metal grating coupler 50 (see FIG. 6) will be described.
First, for example, on a support substrate 100 made of InP (see FIG. 7), a polyimide 101 for peeling made of ECRIOS and Cytop for lower clad are applied and cured. On top of that, a metal grating is fabricated using electron beam writing and lift-off. Thereafter, PMMA is applied, a waveguide structure (width 2.0 μm) is formed by electron beam drawing, and then a metal grating coupler 50 is manufactured by applying and curing Cytop for the upper clad. The film peeling from the support substrate 100 is performed by cleaving InP from the back surface.
　このように、本実施形態の有機薄膜光集積回路１は、モノリシック集積技術を用いて、有機薄膜フィルム２上に、光導波路１０、受光器２０、変調器３０、光スイッチ４０などの光源以外の１または複数の光機能素子を作り込んでいる。また、全ての素子は、初期基板（図７参照）から一括プロセスでモノリシック集積することが可能である。 As described above, the organic thin film optical integrated circuit 1 according to the present embodiment uses a monolithic integration technique on the organic thin film 2 other than the light source such as the optical waveguide 10, the light receiver 20, the modulator 30, and the optical switch 40. One or more optical functional elements are built in. All elements can be monolithically integrated from the initial substrate (see FIG. 7) in a batch process.
　図１０は、図３の受光器２０のシミュレーションによるＴＭモードの光強度を示す図である。図１０の左上部の太実線の長さを１μｍで表した場合に、コア層２３の幅および高さは略図示の寸法である。下部クラッド層２１および上部クラッド層２４は、Ｃｙｔｏｐ（屈折率ｎ１：～１．３４）、コア層２３は、ＰＭＭＡ、２次元系材料２２は、グラフェンである。第１電極２５は、Ｔｉ金属、第２電極２６は、Ｐｄ金属である。光はＴＭモード９４０／ｃｍとした。
　図１０に示すように、受光器２０は、グラフェンで生成したフォトキャリアを左右の第１電極２５と第２電極２６から横方向に引き抜く。このとき、低屈折率ポリマー伝送路の特性も相まって、比較的効率よくグラフェンへのフォトキャリア生成が可能であることを理論解析からシミュレーションしている。図１０に示すように、光がコア層２３に集中していることが解析できた。 FIG. 10 is a diagram showing the light intensity of the TM mode by simulation of the light receiver 20 of FIG. When the length of the thick solid line in the upper left part of FIG. 10 is expressed by 1 μm, the width and height of the core layer 23 are approximately illustrated dimensions. The lower cladding layer 21 and the upper cladding layer 24 are Cytop (refractive index n1: to 1.34), the core layer 23 is PMMA, and the two-dimensional material 22 is graphene. The first electrode 25 is Ti metal, and the second electrode 26 is Pd metal. The light was TM mode 940 / cm.
As shown in FIG. 10, the light receiver 20 pulls out photocarriers generated from graphene from the left and right first electrodes 25 and second electrodes 26 in the lateral direction. At this time, it is simulated from theoretical analysis that photocarrier generation into graphene can be generated relatively efficiently due to the characteristics of the low refractive index polymer transmission line. As shown in FIG. 10, it was possible to analyze that the light was concentrated on the core layer 23.
　図１１は、図４の変調器３０のシミュレーションによるＴＭモードの光強度を示す図である。図１１の左上部の太実線の長さを１μｍで表した場合に、コア層２３の幅および高さは略図示の寸法である。下部クラッド層２１および上部クラッド層２４は、Ｃｙｔｏｐ（屈折率ｎ１：～１．３４）、コア層２３は、ＰＭＭＡ、２次元系材料２２は、グラフェンである。第１電極２５および第２電極２６は、Ｔｉ金属である。光はＴＭモードでバイアス２４００／ｃｍを印加した。 FIG. 11 is a diagram showing light intensity in the TM mode by simulation of the modulator 30 in FIG. When the length of the thick solid line in the upper left part of FIG. 11 is expressed by 1 μm, the width and height of the core layer 23 are dimensions shown in the drawing. The lower cladding layer 21 and the upper cladding layer 24 are Cytop (refractive index n1: to 1.34), the core layer 23 is PMMA, and the two-dimensional material 22 is graphene. The first electrode 25 and the second electrode 26 are Ti metal. The light was applied with a bias of 2400 / cm in TM mode.
　変調器３０は、印加電圧の無い場合、グラフェンが金属的特性を有し、下部電極３１へのプラズモン励振が強くなり、伝搬光の損失が激しくなる。図１１に示すように、理論解析では～２４００／ｃｍである。変調器３０は、電圧印加した場合、グラフェンにバンドギャップが生じ誘電体的特性を示し、下部電極３１のプラズモン励振が抑制され損失が抑えられる。図１１に示すように、理論解析では～１１００／ｃｍである。これによって強度変調を行うことが可能となる。 In the modulator 30, when there is no applied voltage, graphene has metallic characteristics, plasmon excitation to the lower electrode 31 becomes strong, and loss of propagating light becomes severe. As shown in FIG. 11, it is ˜2400 / cm in the theoretical analysis. When a voltage is applied to the modulator 30, a band gap is generated in the graphene and exhibits a dielectric characteristic, and the plasmon excitation of the lower electrode 31 is suppressed and the loss is suppressed. As shown in FIG. 11, it is ˜1100 / cm in the theoretical analysis. As a result, intensity modulation can be performed.
　次に、回路内の最も基本的な構成要素である光伝送路と入出力カプラを集積した実験について述べる。
　前記図６は、有機薄膜フィルム２上に光伝送路と入出力カプラを一括集積した素子の構造を示している。図１２は、図６の金属グレーティングカプラ５０の解析結果を示す図である。
　図１２に示すように、光伝送路はＰＭＭＡをコア層、Ｃｙｔｏｐをクラッド層とする光導波路１０を採用し、入出力カプラには金属グレーティング構造を有するテーパ５５（図１３参照）を用いた。ＦＤＴＤ法による解析結果から、Λ＝１５００ｎｍ，ｄｕｔｙ比５０％の金属グレーティング（Ｔｉ　１０ｎｍ／Ａｕ　３０ｎｍ）において、最大の結合効率となることを確認した。
　図１３は、１．５５μｍのＴＥモード光を入出力カプラ（金属グレーティングカプラ５０）を通して有機薄膜光集積回路１内の光導波路１０に伝送させた結果を示す図である。これにより、光導波路１０の伝搬損失は０．１４ｄＢ／ｍｍ、金属グレーティングカプラ５０の結合損は約２７ｄＢ／ｃｏｕｐｌｅｒと見積もられた。 Next, an experiment in which an optical transmission line that is the most basic component in the circuit and an input / output coupler are integrated will be described.
FIG. 6 shows the structure of an element in which an optical transmission line and input / output couplers are integrated on the organic thin film 2. FIG. 12 is a diagram showing an analysis result of the metal grating coupler 50 of FIG.
As shown in FIG. 12, an optical waveguide 10 having a core layer of PMMA and a cladding layer of Cytop as an optical transmission line is employed as an optical transmission line, and a taper 55 (see FIG. 13) having a metal grating structure is used as an input / output coupler. From the analysis results by the FDTD method, it was confirmed that the maximum coupling efficiency was obtained in a metal grating (Ti 10 nm / Au 30 nm) with Λ = 1500 nm and a duty ratio of 50%.
FIG. 13 is a diagram showing a result of transmitting 1.55 μm TE mode light to the optical waveguide 10 in the organic thin film optical integrated circuit 1 through the input / output coupler (metal grating coupler 50). As a result, the propagation loss of the optical waveguide 10 was estimated to be 0.14 dB / mm, and the coupling loss of the metal grating coupler 50 was estimated to be about 27 dB / coupler.
　以上説明したように、本実施形態に係る有機薄膜光集積回路１は、有機薄膜フィルム２上に、モノリシック集積技術により形成された光導波路１０と、受光器２０と、変調器３０と、光スイッチ４０と、金属グレーティングカプラ５０と、を備える。受光器２０は、ポリマー（例えばＰＭＭＡ）からなる下部クラッド層２１と、下部クラッド層２１上の機能性領域６０に２次元配置された２次元系材料２２と、２次元系材料２２の２次元平面上に積層されたポリマー（例えばＣｙｔｏｐ）からなるコア層２３と、コア層２３を埋め込んで積層されたポリマー（例えばＰＭＭＡ）からなる上部クラッド層２４と、コア層２３を挟む第１電極２５および第２電極２６と、を有する。変調器３０は、下部クラッド層２１と、下部クラッド層２１に埋め込まれた下部電極３１と、下部クラッド層２１上の機能性領域６０に形成されたグラフェンからなる２次元系材料２２と、２次元系材料２２上に積層されたコア層２３と、コア層２３を埋め込んで積層された上部クラッド層２４と、第１電極２５および第２電極２６と、を有する。 As described above, the organic thin film optical integrated circuit 1 according to this embodiment includes the optical waveguide 10, the light receiver 20, the modulator 30, and the optical switch formed on the organic thin film 2 by monolithic integration technology. 40 and a metal grating coupler 50. The light receiver 20 includes a lower clad layer 21 made of a polymer (for example, PMMA), a two-dimensional material 22 arranged two-dimensionally in a functional region 60 on the lower clad layer 21, and a two-dimensional plane of the two-dimensional material 22. A core layer 23 made of a polymer (eg, Cytop) laminated thereon, an upper clad layer 24 made of a polymer (eg, PMMA) laminated with the core layer 23 embedded therein, a first electrode 25 and a first electrode 25 sandwiching the core layer 23 Two electrodes 26. The modulator 30 includes a lower cladding layer 21, a lower electrode 31 embedded in the lower cladding layer 21, a two-dimensional material 22 made of graphene formed in a functional region 60 on the lower cladding layer 21, and a two-dimensional A core layer 23 laminated on the system material 22, an upper clad layer 24 buried in the core layer 23, and a first electrode 25 and a second electrode 26 are included.
　従来、ＩｎＰやＳｉの基板上の必要な箇所にグラフェンをおいてトランジスタ特性を高めるものはある。しかしながら、このような光集積回路は、グラフェンの高いキャリア移動度を利用するもので、本実施形態のように有機材料に機能性を持たせるものではない。また、グラフェンの光波長無依存性（高い透明度）に着目して有機薄膜光集積回路に適用した例はない。 Conventionally, there is one that improves the transistor characteristics by placing graphene at a necessary place on an InP or Si substrate. However, such an optical integrated circuit uses the high carrier mobility of graphene, and does not give the organic material functionality as in this embodiment. Moreover, there is no example which applied to the organic thin film optical integrated circuit paying attention to the optical wavelength independence (high transparency) of a graphene.
　本実施形態に係る有機薄膜光集積回路１は、有機薄膜フィルム２の機能性領域６０に２次元系材料２２を２次元配置することで、有機薄膜フィルム２に機能性を持たせ、２次元系材料２２の２次元平面上に光機能素子をモノリシック集積技術により作製する。すなわち、有機薄膜光集積回路１は、有機薄膜フィルム２の中に２次元系材料２２を挟んで使うことで、モノリシック集積技術により作製される光機能素子に機能性を持たせる。モノリシック光集積は、同じ材料系を使って、同じプロセスで行う、光集積回路特有の構成である。本実施形態では、モノリシックに形成されているグラフェンを有する基板を用意し、必要な機能部のグラフェンを残すことで実現する。 In the organic thin film optical integrated circuit 1 according to the present embodiment, the organic thin film 2 is provided with functionality by two-dimensionally arranging the two-dimensional material 22 in the functional region 60 of the organic thin film 2. An optical functional element is produced on the two-dimensional plane of the material 22 by monolithic integration technology. In other words, the organic thin film optical integrated circuit 1 uses an organic thin film 2 with a two-dimensional material 22 sandwiched therebetween, thereby providing functionality to an optical functional device manufactured by monolithic integration technology. Monolithic optical integration is a configuration unique to optical integrated circuits that is performed in the same process using the same material system. This embodiment is realized by preparing a substrate having graphene formed monolithically and leaving the graphene of a necessary functional part.
　この構成により、フレキシブルな有機薄膜フィルム２に光機能を一括集積する有機薄膜光集積回路１を実現することができる。有機薄膜光集積回路１は、厚さ数μｍの有機薄膜フィルム２上に光源以外の光機能全てを一括集積することができ、フレキシブルで可視光にも対応可能な有機薄膜光集積回路１を実現することができる。 With this configuration, it is possible to realize the organic thin film optical integrated circuit 1 in which optical functions are collectively integrated in the flexible organic thin film 2. The organic thin film optical integrated circuit 1 can integrate all optical functions other than the light source on the organic thin film 2 having a thickness of several μm, and realizes an organic thin film optical integrated circuit 1 that is flexible and can support visible light. can do.
　また、有機薄膜光集積回路１は、非常に薄い有機薄膜フィルム上に構成できるので、コストはＩｎＰ，Ｓｉに比べて極めて安いという利点がある。 Further, since the organic thin film optical integrated circuit 1 can be formed on a very thin organic thin film, there is an advantage that the cost is extremely low compared with InP and Si.
　また、有機薄膜光集積回路１を含む光デバイスは、応力による影響はほぼなく、それよりも曲げたときの曲げ損による屈折率（クラッド層とコア層の屈折率）の変化が影響する。例えば、光導波路の曲率半径が１００μｍ以内の曲げであれば、ほぼロスなく（９９％以上）伝送されることが確認できた。 In addition, the optical device including the organic thin film optical integrated circuit 1 is not substantially affected by stress, and the refractive index (refractive index of the clad layer and the core layer) changes due to bending loss when the optical device is bent. For example, it was confirmed that when the radius of curvature of the optical waveguide was bent within 100 μm, transmission was performed without loss (99% or more).
　本実施形態では、クラッド層の有機材料として、Ｃｙｔｏｐを用いている。一般に、有機材料は、水分に対して弱く、吸湿すると特性が大幅に劣化することが知られている。Ｃｙｔｏｐは、保護膜として使用されるように、吸湿などの環境耐性があり、かつ、電圧耐圧もあるので好ましい。特に、モノリシック集積技術により光機能素子として変調器を作り込む場合、下部電極に対する有機材料の電圧耐圧が課題となる。モノリシック集積技術により、同じプロセスで作製する観点から電圧耐圧のあるＣｙｔｏｐが好ましい。なお、クラッド層にＣｙｔｏｐを用いる場合、コア層はロスが小さく、かつ屈折率の高いポリマーとして、ＰＭＭＡを選択している。 In this embodiment, Cytop is used as the organic material of the cladding layer. In general, it is known that organic materials are weak against moisture, and their characteristics are greatly deteriorated when moisture is absorbed. Cytop is preferable because it has environmental resistance such as moisture absorption and voltage withstand voltage so as to be used as a protective film. In particular, when a modulator is fabricated as an optical functional element by monolithic integration technology, the voltage withstand voltage of the organic material with respect to the lower electrode becomes a problem. Cytop having a voltage withstand voltage is preferable from the viewpoint of manufacturing by the same process by monolithic integration technology. When Cytop is used for the cladding layer, PMMA is selected as a polymer having a low loss and a high refractive index for the core layer.
　有機薄膜光集積回路１は、スーパーフレキシブル特性を利用した生体センサや人体に貼り付けるなどセンシングや医療応用などにも適用可能である。また、ウェアラブルで高速な光信号処理デバイスも可能となる。さらに、フレキシブル特性を活かした光通信以外の様々な応用、例えば、健康管理と監視のためのマトリクス型触覚センサ、薄膜ヒータ、温度・赤外線センサ等が考えられる。 The organic thin film optical integrated circuit 1 can be applied to sensing and medical applications such as a biosensor using super flexible characteristics and affixing to a human body. Also, a wearable and high-speed optical signal processing device is possible. Further, various applications other than optical communication utilizing flexible characteristics, such as matrix type tactile sensors for health care and monitoring, thin film heaters, temperature / infrared sensors and the like can be considered.
　本発明は上記の実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
　また、上記した実施形態例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　また、上記実施の形態では、有機薄膜光集積回路という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、名称は有機薄膜光集積回路装置、フレキシブル光集積回路等であってもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes other modifications and application examples without departing from the gist of the present invention described in the claims.
Further, the above-described exemplary embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, a part of the configuration of an embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of an embodiment. . Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each exemplary embodiment.
Moreover, in the said embodiment, although the name organic thin film optical integrated circuit was used, this is for convenience of explanation and an organic thin film optical integrated circuit device, a flexible optical integrated circuit, etc. may be sufficient as a name.
　１　有機薄膜光集積回路
　２　有機薄膜フィルム
　１０　光導波路（光機能素子）
　　１１　クラッド層（有機材料）
　　１２，２３，１０５　コア層（有機材料）
　２０　受光器（光機能素子）
　　２１　下部クラッド層（有機材料）
　　２２　２次元系材料
　　２４　上部クラッド層（有機材料）
　　２５　第１電極（一対の電極）
　　２６　第２電極（一対の電極）
　３０　変調器（光機能素子）
　　３１　下部電極
　４０　光スイッチ（光機能素子）
　　４１　第１コア層（有機材料）
　　４２　第２コア層（有機材料）
　　４３　第１電極パッド
　　４４　第２電極パッド
　　４３ａ，４４ａ　金属薄膜ヒータ
　５０　金属グレーティングカプラ（入出力カプラ）
　６０　機能性領域
　１００　支持基板
　１０１　剥離用ポリイミド材料
　１０２　各種ポリマー（有機材料）
　１０３　グラフェン（２次元系材料）
　１０４，１０７　電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Organic thin film optical integrated circuit 2 Organic thin film 10 Optical waveguide (optical functional element)
11 Clad layer (organic material)
12, 23, 105 Core layer (organic material)
20 Light receiver (optical functional element)
21 Lower cladding layer (organic material)
22 Two-dimensional material 24 Upper cladding layer (organic material)
25 1st electrode (a pair of electrodes)
26 Second electrode (a pair of electrodes)
30 Modulator (optical functional element)
31 Lower electrode 40 Optical switch (optical functional element)
41 First core layer (organic material)
42 Second core layer (organic material)
43 1st electrode pad 44 2nd electrode pad 43a, 44a Metal thin film heater 50 Metal grating coupler (input / output coupler)
60 Functional region 100 Support substrate 101 Peeling polyimide material 102 Various polymers (organic materials)
103 Graphene (two-dimensional material)
104,107 electrodes

Claims (8)

  1. 　可撓性を有する有機薄膜フィルムと、
    　前記有機薄膜フィルムの所定領域に２次元配置された２次元系材料と、
    　前記２次元系材料の２次元平面上に形成された有機材料からなる１または複数の光機能素子と、
    　を備えることを特徴とする有機薄膜光集積回路。     An organic thin film having flexibility;
    A two-dimensional material arranged two-dimensionally in a predetermined region of the organic thin film;
    One or more optical functional elements made of an organic material formed on a two-dimensional plane of the two-dimensional material;
    An organic thin film optical integrated circuit comprising:
  2. 　前記有機薄膜フィルム上に、複数の前記光機能素子を備える場合、
    　各前記光機能素子は、同一の有機材料を用いて共通するプロセスで作製するモノリシック光集積技術により作製された
    ことを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜光集積回路。     When comprising a plurality of the optical functional elements on the organic thin film,
    2. The organic thin film optical integrated circuit according to claim 1, wherein each of the optical functional elements is manufactured by a monolithic optical integrated technology manufactured by a common process using the same organic material.
  3. 　前記光機能素子は、コア層と、前記コア層を埋め込むクラッド層と、前記コア層を挟む一対の電極と、を有する受光器であり、
    　前記コア層の直下に前記２次元系材料を備え、
    　前記２次元系材料は、フォトキャリアを生成し、生成したフォトキャリアが前記一対の電極から引き抜かれる構造である
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の有機薄膜光集積回路。     The optical functional element is a light receiver that includes a core layer, a cladding layer that embeds the core layer, and a pair of electrodes that sandwich the core layer,
    The two-dimensional material is provided directly under the core layer,
    3. The organic thin film optical integrated circuit according to claim 1, wherein the two-dimensional material has a structure in which a photo carrier is generated and the generated photo carrier is extracted from the pair of electrodes.
  4. 　前記光機能素子は、コア層と、前記コア層を埋め込むクラッド層と、前記コア層を挟む一対の電極と、コア層の下部に配置された下部電極と、を有する変調器であり、
    　前記コア層の直下に前記２次元系材料を備え、
    　前記２次元系材料の下方に前記下部電極を備え、
    　前記下部電極に電圧印加して、前記２次元系材料の化学ポテンシャルの位置を制御する構造である
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の有機薄膜光集積回路。     The optical functional element is a modulator having a core layer, a cladding layer that embeds the core layer, a pair of electrodes that sandwich the core layer, and a lower electrode that is disposed below the core layer,
    The two-dimensional material is provided directly under the core layer,
    The lower electrode is provided below the two-dimensional material,
    3. The organic thin film optical integrated circuit according to claim 1, wherein a voltage is applied to the lower electrode to control a position of a chemical potential of the two-dimensional material.
  5. 　前記変調器は、前記２次元系材料がグラフェンである場合、化学ポテンシャルの位置を制御することによって、バンド間吸収に起因する誘電体的特性からバンド内吸収に起因する金属的特性へと変化させて強度変調を行う
    ことを特徴とする請求項３に記載の有機薄膜光集積回路。     When the two-dimensional material is graphene, the modulator changes the dielectric property due to interband absorption to the metallic property due to intraband absorption by controlling the position of chemical potential. 4. The organic thin film optical integrated circuit according to claim 3, wherein intensity modulation is performed.
  6. 　前記光機能素子は、第１コア層と、第２コア層と、前記第１コア層および前記第２コア層を埋め込むクラッド層と、前記第１コア層および前記第２コア層をそれぞれ覆うヒータとを備え、前記ヒータの一方を通電加熱して一方のコア層とクラッド層との屈折率を変えてスイッチングを行う光スイッチである
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の有機薄膜光集積回路。     The optical functional element includes a first core layer, a second core layer, a clad layer that embeds the first core layer and the second core layer, and a heater that covers the first core layer and the second core layer, respectively. The organic switch according to claim 1, wherein one of the heaters is energized and heated to perform switching by changing a refractive index of the one core layer and the clad layer. Thin film optical integrated circuit.
  7. 　前記光機能素子は、コア層と、前記コア層を埋め込むクラッド層と、を備える光導波路を含む
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の有機薄膜光集積回路。     3. The organic thin film optical integrated circuit according to claim 1, wherein the optical functional element includes an optical waveguide including a core layer and a cladding layer that embeds the core layer. 4.
  8. 　前記２次元系材料は、グラフェン、フォスフォレン、または、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２を含む遷移金属ダイカルコゲナイドである
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の有機薄膜光集積回路。     3. The organic thin film optical integrated circuit according to claim 1, wherein the two-dimensional material is a transition metal dichalcogenide containing graphene, phosphorene, or MoS 2 , WS 2 , and WSe 2 .
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