WO2023026390A1 - モード変換器、モード変換装置および光デバイス - Google Patents

モード変換器、モード変換装置および光デバイス Download PDF

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waveguide
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mim
light
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真証 小野
昭彦 新家
雅也 納富
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日本電信電話株式会社
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/14—Mode converters

Definitions

  • the present invention relates to a mode converter, mode converter and optical device having an MIM waveguide structure.
  • Plasmonic waveguides are formed from single or multiple metal-dielectric interfaces. Since light propagates as a near-field at the interface between a metal and a dielectric, the optical confinement size becomes smaller as the size is reduced even in the region below the diffraction limit. Therefore, nanomaterials such as nanowires and two-dimensional layered materials are attracting attention as a platform for efficiently interacting light and matter on a nanometer scale.
  • two-dimensional layered materials such as graphene have unique physical properties, and their introduction is expected to lead not only to reductions in energy consumption and size, but also to novel optical devices that go beyond the framework of existing optical devices. be.
  • plasmonic waveguides have a large propagation loss due to the absorption of light by metal, so it is difficult to construct an optical circuit using only plasmonic waveguides. Therefore, it is important to use plasmonic waveguides only where interaction between nanomaterials and light is required, and to use low-loss dielectric waveguides (silicon waveguides, etc.) for long-distance light propagation. Become.
  • Patent Document 1 discloses a highly efficient mode converter that couples a plasmonic waveguide and a dielectric waveguide, each of which has a propagation mode with a significantly different shape and size. Also, using this configuration, an ultra-high-speed, low-energy-consumption all-optical switch combining graphene and plasmonic waveguides was realized in a state of being coupled to a silicon waveguide (Non-Patent Document 1). This demonstrates that the plasmonic waveguide is a suitable platform for realizing ultrafast optical devices using nanomaterials.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 Conventionally reported plasmonic waveguide-based optical devices, including the above-mentioned all-optical switches, use lateral MIM waveguides having a metal-insulator-metal (MIM) structure in the substrate in-plane direction (lateral direction).
  • MIM metal-insulator-metal
  • Non-Patent Documents 1 and 2 Nanofabrication techniques such as resist pattern formation by electron beam lithography are used to fabricate metal parts, and due to fabrication limitations, the width of the insulator layer that serves as the waveguide core is limited to about 10 nm. , or 10 nm or less.
  • a vertical MIM waveguide having an MIM structure in the direction (longitudinal direction) perpendicular to the substrate surface is fabricated by depositing metal, insulator, and metal films on the substrate.
  • a vapor deposition apparatus or a sputtering apparatus can control the thickness of a film with nanometer precision, so that a very thin insulator layer, that is, a waveguide core can be produced.
  • an atomic layer deposition apparatus or a two-dimensional layered material it is theoretically possible to produce an insulator layer with a single atomic thickness. Therefore, extreme optical confinement is expected in the vertical MIM waveguide.
  • Non-Patent Document 3 In order to input light into a vertical MIM waveguide in which the vibration direction of the electric field is vertical, a method of coupling the TM mode in the dielectric waveguide using butt coupling has been proposed (Non-Patent Document 3). .
  • this method since the light is concentrated in the insulator layer that is the core of the MIM waveguide, it is necessary to avoid the propagation of the light to the upper surface of the upper metal layer and the interface between the lower metal layer and the substrate in the MIM waveguide. Therefore, it is necessary to reduce the side lobe component by increasing the height of the dielectric waveguide, and to make the height of the entire MIM waveguide equal to or higher than the height of the dielectric waveguide.
  • a tapered structure in the vertical direction is considered effective.
  • Non-Patent Document 4 discloses an optical device with integration in mind.
  • a mode converter in which light is input from a dielectric waveguide having a tapered structure and is output to an MIM waveguide, comprising: a substrate; an insulating layer continuously covering a first metal layer on the substrate, a portion of the top surface of the substrate, and at least a portion of the side surface and at least a portion of the top surface of the first metal layer; a second metal layer continuously covering from at least a portion of an insulator layer covering the upper surface of the substrate to at least a portion of the insulator layer covering the first metal layer; , light propagates through a region sandwiched between the first metal layer and the second metal layer, and the region is a predetermined region from an input portion for inputting the light toward an output portion for outputting the light. and the input section is close to the tip of the taper structure, and the side surfaces of the first metal layer and the insulator layer and the insulator layer and the second metal layer on the input section side are
  • the present invention it is possible to provide a mode converter, a mode converter, and an optical device that can couple dielectric waveguides and MIM waveguides with high efficiency.
  • FIG. 1 is a schematic bird's-eye view showing the configuration of a mode converter according to the first embodiment of the present invention.
  • 2A is a schematic top view showing the configuration of the mode converter according to the first embodiment of the present invention;
  • FIG. 2B is a schematic front cross-sectional view taken along line IIB-IIB' showing the configuration of the mode converter according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2C is a schematic front cross-sectional view taken along line IIC-IIC' showing the configuration of the mode converter according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2D is an IID-IID' schematic front sectional view showing the configuration of the mode converter according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the mode converter according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a diagram for explaining the operation of the mode converter according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 4B is a diagram for explaining the operation of the mode converter according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 4C is a diagram for explaining the operation of the mode converter according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 4D is a diagram for explaining the operation of the mode converter according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 4E is a diagram for explaining the operation of the mode converter according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4F is a diagram for explaining the operation of the mode converter according to the first embodiment of the present invention
  • 4G is a diagram for explaining the operation of the mode converter according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 4H is a diagram for explaining the operation of the mode converter according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a schematic bird's eye view showing a modification of the mode converter according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic bird's eye view showing a modification of the mode converter according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic top view showing a modification of the mode converter according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 8 is a schematic top view showing an example of the configuration of an optical device according to the second embodiment of the invention.
  • the mode converter 1 includes a dielectric waveguide 11, a mode converter 12, and an MIM waveguide 13 on a substrate 10.
  • the mode converter A dielectric waveguide 11 is arranged on the input side of 12 and an MIM waveguide 13 is arranged on the output side of the mode converter 12 .
  • light is input to the mode converter 12 from the dielectric waveguide 11 and output to the MIM waveguide 13 .
  • the material is not limited to this, and a material having a lower refractive index than the material of the dielectric waveguide 11 may be used.
  • the substrate 10 may be an SOI substrate or a Si substrate having SiO 2 on its surface.
  • the dielectric waveguide 11 propagates TE mode light. For example, at a wavelength of 1550 nm, a Si wire waveguide having a core size of 400 nm wide ⁇ 200 nm high is used.
  • the dielectric waveguide 11 has a triangular tapered structure in which the end (length of several hundred nanometers) on the side close to the mode converter 12 tapers toward the tip.
  • the tapered structure is not limited to a triangular shape, and may have a rounded tip, or a trapezoidal shape with an end face at the tip.
  • Optical waveguide materials such as Si, SiN, and TiO 2 are used as the material of the dielectric waveguide 11 .
  • the upper portion of the dielectric waveguide 11 is an air layer, a material having a lower refractive index than the material of the dielectric waveguide 11 may be used. Also, by changing the material of the dielectric waveguide 11, it is possible to operate at wavelengths from the visible to the infrared.
  • metals such as Au, Ag, Cu, and Pt that act as plasmonic materials are used for the metal layers, and insulators such as SiO 2 and Al 2 O 3 are used for the insulator layers. use.
  • the mode converter 12 includes extending portions 12a and 12b on both sides of a core portion 12c through which light is guided, with respect to the light propagation direction.
  • One extending portion 12a includes a first metal layer 121 and an insulator layer 122 in order from the bottom.
  • the other extending portion 12b includes an insulator layer 122 and a second metal layer 123 in order from the bottom.
  • an input portion (hereinafter referred to as "input portion") 12d of the MIM structure (described later) in the mode converter 12 is close to the tip of the tapered structure of the dielectric waveguide 11 .
  • input portion 12d of the mode converter 12 On the side of the input portion 12d of the mode converter 12, one extending portion 12a and the other extending portion 12b extend so as to sandwich the dielectric waveguide 11 therebetween.
  • one side surface of the tapered structure of the dielectric waveguide 11 and a side surface (input side surface) 12f between the first metal layer 121 and the insulator layer 122 in one extension portion 12a on the input portion 12d side. are in close proximity.
  • the other side surface of the tapered structure of the dielectric waveguide 11 and the side surface (input side surface) 12g between the insulating layer 122 and the second metal layer 123 in the other extending portion 12b on the input portion 12d side. are in close proximity.
  • the distance between the side surfaces of each tapered structure and the side surfaces 12f and 12g of the extensions 12a and 12b is desirably 20 nm or more and 40 nm, and may be 1 nm or more and 100 nm or less.
  • the side surfaces of the respective tapered structures and the side surfaces 12f and 12g of the extension portions 12a and 12b are substantially parallel.
  • the term “substantially parallel” may be such that light (side lobes of guided light of the dielectric waveguide 11) is confined in the narrow gap. , may be 40 nm on the tip side.
  • the Si wire waveguide and the horizontal MIM waveguide in which light propagates in the TE mode, are formed by introducing a narrow gap between metal layers in the MIM waveguide by using a laterally tapered structure in the Si wire waveguide. It has been reported that even a thin metal film with a thickness of several tens of nanometers can be coupled with high efficiency (Patent Document 1). Therefore, it is considered that the TE mode light propagating in the narrow gap between the side surface of the tapered structure and the side surfaces 12f and 12g of the extension can be efficiently coupled to the lateral MIM waveguide structure (described later).
  • the thickness t1 of the first metal layer 121 is 50 nm
  • the thickness t2 of the insulator layer 122 is 10 nm
  • the thickness t3 of the second metal layer 123 is is 50 nm, but not limited to this. It suffices if it can operate as an MIM structure (waveguide).
  • the vertical (longitudinal) position of the metal layer 123 in each of the other extending portion 12b and the core portion 12c of the mode converter 12 is determined by the thickness t2 of the insulator layer 122. Any range is acceptable as long as it can be coupled with the light mode in 11 .
  • one extending portion 12a and the other extending portion 12b of the mode converter 12 are disposed on each side of the dielectric waveguide 11 disposed on the input portion 12d side. .
  • a first metal layer 121 and an insulator layer 122 are arranged in this order on the SiO2 substrate 10.
  • an insulator layer 122 and a second metal layer 123 are arranged in this order on the SiO2 substrate.
  • the one extending portion 12a and the other extending portion 12b approach according to the tapered structure of the dielectric waveguide 11.
  • one extending portion 12a and the other extending portion 12b are arranged around the core portion 12c.
  • the insulator layer 122 is arranged continuously from the upper surface of the first metal layer 121 of one extension 12a to the other extension 12b. Further, a second metal layer 123 is arranged on the upper surface of the insulator layer 122 continuously from one extending portion 12a to the other extending portion 12b.
  • the entire upper surface of the first metal layer 121 is covered with the insulator layer 122 having a thickness of t2 , but the insulator layer 122 is only formed on the portion sandwiched between the second metal layer 123 and the second metal layer 123. may be placed.
  • the insulator layer 122 having a thickness of t2 is arranged over the entire lower surface of the second metal layer 123 has been shown, the insulator layer 122 is arranged only in the portion sandwiched between the first metal layer 121 and the first metal layer 121 . may be
  • the thickness wd of the insulator layer 122 sandwiched between the metal layer 123 and the metal layer 123 may be different.
  • the insulator layer 122 continuously extends from at least a portion of the upper surface of the first metal layer 121 of one extension portion 12a to at least a portion of the other extension portion 12b. placed. Furthermore, a second metal layer 123 is arranged on at least a portion of the upper surface of the insulator layer 122 continuously from at least a portion of one extension portion 12a to at least a portion of the other extension portion 12b. .
  • the insulator layer 122 is sandwiched between the side surface of the first metal layer 121 of one of the extensions 12a and the second metal layer 123 of the other extension 12b to form a horizontal MIM conductor.
  • a wave path structure (hereinafter also referred to as a "lateral MIM structure") is formed.
  • a region of the insulator layer 122 sandwiched between the side surface of the first metal layer 121 and the second metal layer 123 becomes the core portion 12c.
  • an insulator layer 122 is arranged on the upper surface of the first metal layer 121 of one of the extensions 12a and sandwiched between the second metal layers 123 of the other extension 12b, forming a vertical MIM waveguide.
  • a structure (hereinafter also referred to as a “vertical MIM structure”) is formed.
  • the light is applied to a region of the insulator layer 122 sandwiched between the first metal layer 121 and the second metal layer 123, that is, a region where the MIM structure (horizontal MIM structure and vertical MIM structure) is formed. propagates
  • the region where the insulator layer 122 is sandwiched between the upper surface of the first metal layer 121 and the second metal layer 123 is a predetermined region (length: l 2 ) from the input portion 12d toward the output portion 12e. increases in
  • the width wm of the second metal layer 123 horizontally arranged from the core portion 12c to one of the extension portions 12a is zero at the input portion 12d and is a predetermined area (length) toward the output portion 12e. increases in l 2 ).
  • wm in the input section 12d may have a predetermined width other than zero.
  • the width wd of the insulator layer 122 in the lateral MIM structure may be constant or variable.
  • w m and w d are constant from the end of the predetermined region (length: l 2 ) to the output portion 12e (length: l 3 ), and the width w of the MIM waveguide 13 is w m - w d is.
  • the MIM waveguide 13 is connected to the output section 12e of the mode converter 12.
  • the MIM waveguide 13 includes a first metal layer 121, an insulator layer 122, and a second metal layer 123 in order from the bottom, and has a width w of about 30 nm.
  • insulator layer 122 connects part of the upper surface of substrate 10 and part of the side surface and part of the upper surface of first metal layer 121 .
  • the second metal layer 123 continuously covers from the part of the insulator layer 122 covering the upper surface of the substrate 10 to the part of the insulator layer 122 covering the first metal layer 121 .
  • the region where the insulator layer 122 is sandwiched between the first metal layer 121 and the second metal layer 123 increases in a predetermined region from the input portion 12d toward the output portion 12e,
  • the input portion 12d is close to the tip portion of the tapered structure, and the side surfaces 12f and 12g on the side of the input portion 12d are substantially parallel to the side surfaces of the tapered structure of the dielectric waveguide 11 and close to each other.
  • FIG. 3 to 4H show the calculation results of the mode of light propagation in the mode converter 12.
  • FIG. The calculation was performed using the finite element method, and the wavelength of the propagating light was 1550 nm.
  • FIG. 3 shows the light intensity distribution on the horizontal plane at the center height of the vertical MIM structure in one extending portion 12 a of the mode converter 12 .
  • FIG. 4A shows the light intensity distribution in the cross section of the dielectric waveguide 11, and FIGS. 4B to 4H show IVB-IVB', IVC-IVC', IVD-IVD', IVE-IVE' and IVF-IVF', respectively. , IVG-IVG', and IVH-IVH' cross sections.
  • FIGS. 3 to 4H the higher the light intensity, the whiter, and the lower the light intensity, the blacker.
  • the dielectric waveguide 11 has a Si wire waveguide with a core size of 400 nm ⁇ 200 nm on a SiO 2 substrate, and the length l 1 of the taper structure at the tip is 600 nm.
  • the metal layers 121, 123 and the insulator layer 122 in the mode converter 12 and the MIM waveguide 13 are respectively made of Au and SiO2 , the thicknesses t1 , t3 of the metal layers (Au) 121, 123 are 50 nm, and the insulator The thickness t2 of the layer ( SiO2 ) 122 is 10 nm. Also, the width w of the MIM waveguide 13 is 30 nm. Also, l2 in the mode converter 12 is 160 nm and l3 is 60 nm.
  • the narrow gap width g between the side surface of the tapered structure of the dielectric waveguide 11 and the side surfaces 12f and 12g of the extension portions 12a and 12b of the mode converter 12 is 20 nm.
  • the light propagating in the mode converter 12 is distributed to the MIM waveguide 13 via the mode converter 12 from a narrow gap close to the tapered structure of the dielectric waveguide 11, as shown in FIG.
  • the light propagating in the Si wire waveguide of the dielectric waveguide 11 is in TE mode, distributed in the center of the waveguide, and has side lobes.
  • the sidelobes couple into the lateral MIM structure through narrow gaps as shown below.
  • the light localized in the narrow gap gradually approaches the tapered structure of the dielectric waveguide 11 (FIGS. 4B-4D).
  • propagating light is coupled with high efficiency to the lateral MIM structure formed horizontally (horizontally) by the first metal layer 121, the insulator layer 122, and the second metal layer 123 (FIG. 4E).
  • the height positions of the first metal layer 121 and the insulator layer 122 of one extension portion 12a and the second metal layer 123 of the other extension portion 12b are different.
  • l 1 , l 2 , and l 3 that determine the length of the mode converter require a predetermined length for conversion. It is possible to realize a highly efficient converter that minimizes the absorption due to
  • increasing the thickness t1 of Au may increase the difficulty of fabrication, but on the other hand, it is possible to further improve the coupling efficiency.
  • the lateral taper structure is used to couple the TE mode light in the dielectric waveguide 11 to the lateral MIM structure of the mode converter,
  • the vibration direction of the electric field is converted into light in the vertical direction by the mode conversion mechanism between the horizontal and vertical MIM structures. This light is introduced into the vertical MIM waveguide with high efficiency.
  • a mode conversion device 1_2 according to this modification includes a dielectric waveguide 11, a mode converter 12_2, and an MIM waveguide 13, as shown in FIG.
  • the second metal layer 123_2 on the surface of the other extending portion 12b has no step.
  • the insulator layer 122_2 is arranged only directly under the second metal layer 123_2 in one extension portion 12a.
  • the insulator layer 122_2 may extend over the first metal layer 121_2.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • the mode conversion device 1_3 includes a dielectric waveguide 11, a mode converter 12, and an MIM waveguide 13.
  • the dielectric waveguide 11 is a SiO 2 substrate 10. embedded in the groove structure 14 of the .
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • the structure in which the dielectric waveguide 11 is embedded in the groove structure 14 is obtained by depositing SiO 2 on the SiO 2 substrate 10 around the dielectric waveguide 11 after placing the dielectric waveguide 11 on the SiO 2 substrate 10 . formed by After that, the mode converter 12 and the MIM waveguide 13 are formed on the deposited SiO 2 to fabricate the mode converter 1_3.
  • the propagation mode of the dielectric waveguide 11 has a strong electric field near the center of the waveguide core. Therefore, with this configuration, on the input portion 12d side of the mode converter 12, the first metal layer 121 of one extension portion 12a and the second metal layer of the other extension portion 12b in the vertical direction (longitudinal direction) Since the position of 123 is close to the center of the dielectric waveguide 11, further improvement in coupling efficiency can be expected.
  • the flatness is improved by embedding the dielectric waveguide 11, it is possible to improve the accuracy and simplify the process when manufacturing the MIM waveguide 13 and the mode converter 12 after manufacturing the dielectric waveguide 11. Moreover, by increasing the embedded portion and improving the flatness, further effects can be obtained.
  • the mode conversion device 1_4 includes a dielectric waveguide 11, a mode converter 12, and an MIM waveguide 13.
  • the output section 12e of the mode converter 12 and the MIM A size reduction mechanism 15 is provided between the waveguide 13 and the waveguide 13 .
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • the waveguide width is narrower than the width of the waveguide (light propagation region) at the output portion 12 e of the mode converter 12 and the waveguide width of the MIM waveguide 13 .
  • An optical device includes a dielectric waveguide, a mode converter, and an MIM waveguide, and the MIM waveguide includes an optical functional device.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • An optical functional device is an ultra-compact optical functional device.
  • an optical functional material gain medium, absorption medium, optical nonlinear medium, electro-optic effect medium, etc.
  • an optical functional material is placed inside the core (insulator layer) of an MIM waveguide.
  • a light-emitting element, an optical switch, an optical modulator, an optical receiver, etc. are constructed.
  • the thickness of the core (insulator layer) in the vertical MIM waveguide can be made thin, light is strongly confined in the core, and the interaction between light and matter is greatly enhanced.
  • the thickness of the core is greatly enhanced.
  • the mode converter according to the first embodiment is used as a platform and its configuration is used in an optical device, light can be introduced into the vertical MIM waveguide with high efficiency by the mode converter. It is possible to strongly interact the light and the optical functional substance in the wave path.
  • the substance to be interacted with is, for example, a nanomaterial.
  • a structure in which the insulator of the core is replaced with the optical functional material as it is, or a structure in which the optical functional material is sandwiched between the metal and the insulator may be used.
  • the element structure in the optical device according to the present embodiment is made similar to the structure in the first embodiment (eg, FIG. 1), it can be used for an optical device that requires only optical input or optical output.
  • the element structure of the optical device 2 is composed of, in order, a dielectric waveguide 21_1, a mode converter 22_1, an MIM waveguide 23_1, an MIM waveguide 23_2, a mode converter 22_2, If it is configured to be connected to the dielectric waveguide 21_2, it can be used for an optical device such as an optical switch that requires input/output of light.
  • the distance between the two metals that make up the MIM waveguide can be made very short, it is possible to obtain a large electric field effect, which can be used to construct an optical functional device.
  • a structure directly coupled to the MIM waveguide can be realized by forming a film of a lower metal layer of the vertical MIM waveguide, forming an optical element thereon, and further forming a film of an upper metal layer thereon.
  • the interaction between the optical functional substance and light is enhanced, so that the performance of optical devices such as light-emitting elements, optical switches, optical modulators, and optical receivers is improved. can.
  • the embodiment of the present invention shows an example in which the same metal layer is used for the upper metal layer (second metal layer) and the lower metal layer (first metal layer) in the mode converter and the MIM waveguide.
  • the same metal layer is used for the upper metal layer (second metal layer) and the lower metal layer (first metal layer) in the mode converter and the MIM waveguide.
  • different metal layers may be used.
  • the output of the mode converter and the input of the MIM waveguide should be optically coupled.
  • the upper portion which was an air layer, may be covered with a low-refractive material such as SiO2, and deterioration of the material due to oxidation or the like can be suppressed.
  • the insulator layer in MIM waveguides can be replaced with general semiconductors such as Si, Ge, and InP, and can be extended to metal-dielectric-metal (MDM) waveguides. is.
  • the present invention can be applied to optical integrated circuits used in optical communication systems and optical computers.
  • Mode conversion device 11 Dielectric waveguide 12 Mode converter 12a One extension 12b The other extension 121 First metal layer 122 Insulator layer 123 Second metal layer 13 MIM waveguide

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Abstract

本発明のモード変換器（１２）は、光がテーパ構造を有する誘電体導波路（１１）から入力され、ＭＩＭ導波路（１３）に出力され、基板（１０）と、基板上の第１の金属層（１２１）と、基板の上面の一部と、第１の金属層の側面の一部と上面の一部とを連続して覆う絶縁体層（１２２）と、基板の上面を覆う絶縁体層の一部から第１の金属層を覆う絶縁体層の一部までを連続して覆う第２の金属層（１２３）とを備え、絶縁体層のうち、第１の金属層と第２の金属層とに挟まれる領域を光が伝搬し、この領域が入力部から出力部に向かって増加し、入力部側における第１の金属層と絶縁体層との側面および絶縁体層と第２の金属層との側面それぞれが、テーパ構造の側面と略平行で近接する。　これにより、本発明は、誘電体導波路とＭＩＭ導波路とを高効率で結合できるモード変換器を提供できる。

Description

モード変換器、モード変換装置および光デバイス
　本発明は、ＭＩＭ導波路構造を有するモード変換器、モード変換装置および光デバイスに関する。
　近年、電子回路におけるエネルギー消費や発熱、遅延という問題を光回路の集積によって解決することが検討されている。しかしながら、従来の光回路における光素子は大型で消費エネルギーも大きく、高密度集積に適していなかった。光素子における消費エネルギーは、一般的にそのサイズによって制限されており、小型化が低消費エネルギー化につながる。したがって、超小型光素子の実現が光回路の集積による低消費エネルギー化の鍵となる。そこで、光の回折限界によってそのサイズを制限されないプラズモニック導波路が注目されている。
　プラズモニック導波路は、単一もしくは複数の金属と誘電体の界面から形成される。金属と誘電体の界面では光は近接場として伝搬するため、回折限界以下の領域においてもサイズの縮小に伴って光閉じ込めサイズが小さくなる。そのため、ナノメートルサイズで光と物質を効率的に相互作用させるプラットフォームとして期待され、その対象物質としてナノワイヤや二次元層状物質等のナノ材料が注目されている。
　特にグラフェンに代表される二次元層状物質は特異な物性を有し、その導入は消費エネルギーの低減やサイズの縮小のみならず既存の光素子の枠組みを超えた新奇の光素子につながると期待される。
　一方、プラズモニック導波路は金属による光の吸収を伴うため大きな伝搬損失を有するので、プラズモニック導波路のみで光回路を構成することは困難である。そこで、ナノ材料等と光の相互作用が必要な部分にのみプラズモニック導波路を用いて、長距離の光伝搬には低損失な誘電体導波路（シリコン導波路等）を用いることが重要となる。
　特許文献１には、それぞれ伝搬モードの形状とサイズが大きく異なる、プラズモニック導波路と誘電体導波路とを結合させた高効率なモード変換器が開示されている。また、この構成を用いて、グラフェンとプラズモニック導波路を組み合わせた超高速かつ低消費エネルギーな全光スイッチがシリコン導波路に結合した状態で実現された（非特許文献１）。これにより、プラズモニック導波路がナノ材料を用いた超高速光素子実現に適したプラットフォームであることが実証されている。
　上述の全光スイッチを含め、従来報告されているプラズモニック導波路ベースの光素子では、基板面内方向（横方向）に金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）構造を有する横型ＭＩＭ導波路が用いられてきた（非特許文献１、２）。しかしながら、多くの横型ＭＩＭ導波路では、金属部分の作製に電子線描画によるレジストパターン形成等のナノ加工技術が用いられており、作製上の制限から導波路コアとなる絶縁体層幅を１０ｎｍ程度、または１０ｎｍ以下にすることは困難である。
　一方、基板面に垂直な方向（縦方向）にＭＩＭ構造を有する縦型ＭＩＭ導波路は、金属、絶縁体、金属の膜を基板上に成膜することによって作製される。蒸着装置やスパッタ装置では、成膜厚さをナノメールの精度で制御できるため、非常に薄い絶縁体層すなわち導波路コアを作製できる。また、原子層堆積装置や二次元層状物質を用いれば、原理的には単一原子厚さの絶縁体層を作製することも可能である。そこで、縦型ＭＩＭ導波路では極限的な光閉じ込めが期待される。
特開２０１４－１７０１２６公報
M. Ono, M. Hata, M. Tsunekawa, K. Nozaki, H. Sumikura, H. Chiba, M. Notomi, "Ultrafast and energy-efficient all-optical switching with graphene-loaded deep-subwavelength plasmonic waveguides", Nature Photonics 14, 37 (2020). A. Melikyan, L. Alloatti, A. Muslija, D. Hillerkuss, P. C. Schindler, J. Li, R. Palmer, D. Korn, S. Muehlbrandt, D. Van Thourhout, B. Chen, R. Dinu, M. Sommer, C. Koos, M. Kohl, W. Freude, and J. Leuthold, "High-speed plasmonic phase modulators", Nature Photonics 8, 229 (2014). R. Yang, M. A. G. Abushagur, and Z. Lu, "Efficiently squeezing near infrared light into a 21nm-by-24nm nanospot", Optics Express 16, 20142 (2008). H. Choo, M.-K. Kim, M. Staffaroni, T. J. Seok, J. Bokor, S. Cabrini, P. J. Schuck, M. C. Wu, and E. Yablonovitch, "Nanofocusing in a metal-insulator-metal gap plasmon waveguide with a three-dimensional linear taper", Nature Photonics 6, 838 (2012).
　電場の振動方向が縦方向である縦型ＭＩＭ導波路に光を入力するには、突き合わせ結合を用いて、誘電体導波路におけるＴＭモードを結合させる方法が提案されている（非特許文献３）。この方法では、ＭＩＭ導波路のコアとなる絶縁体層に光を集中させるため、ＭＩＭ導波路における上層金属の上面および下層金属と基板との界面に光が伝搬することを避けなければならない。そのため、誘電体導波路を高くすることでサイドローブの成分を減らし、更にＭＩＭ導波路全体の高さを誘電体導波路の高さ以上にする必要がある。
　しかしながら、上述の高さを有する構造体同士を近接させて配置することは困難であり、高効率なモード変換は実現されていない。
　また、縦型ＭＩＭ導波路と誘電体導波路におけるＴＭモードを高効率に結合させるためには、縦方向のテーパ構造が有効と考えられる。
　しかしながら、縦方向のテーパ構造自体は実現可能であるが、誘電体導波路への結合は困難であり実現されていない。また、その作製には複雑な作製プロセスが伴うことから、集積化を念頭にした光素子への活用は困難である（非特許文献４）。
　上述したような課題を解決するために、本発明に係るモード変換器は、光がテーパ構造を有する誘電体導波路から入力され、ＭＩＭ導波路に出力されるモード変換器であって、基板と、前記基板上の第１の金属層と、前記基板の上面の一部と、前記第１の金属層の側面の少なくとも一部と上面の少なくとも一部とを連続して覆う絶縁体層と、前記基板の上面を覆う絶縁体層の少なくとも一部から前記第１の金属層を覆う絶縁体層の少なくとも一部までを連続して覆う第２の金属層とを備え、前記絶縁体層のうち、前記第１の金属層と前記第２の金属層とに挟まれる領域を光が伝搬し、前記領域が、前記光が入力する入力部から前記光が出力する出力部に向かって所定の領域において増加し、前記入力部が、前記テーパ構造の先端部に近接し、前記入力部側における前記第１の金属層と前記絶縁体層との側面および前記絶縁体層と前記第２の金属層との側面それぞれが、前記テーパ構造の側面と略平行で近接することを特徴とする。
　本発明によれば、誘電体導波路とＭＩＭ導波路とを高効率で結合できるモード変換器、モード変換装置および光デバイスを提供できる。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るモード変換器の構成を示す概略鳥瞰図である。 図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るモード変換器の構成を示す概略上面図である。 図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係るモード変換器の構成を示すＩＩＢ－ＩＩＢ’ 概略正面断面図である。 図２Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係るモード変換器の構成を示すＩＩＣ－ＩＩＣ’ 概略正面断面図である。 図２Ｄは、本発明の第１の実施の形態に係るモード変換器の構成を示すＩＩＤ－ＩＩＤ’ 概略正面断面図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係るモード変換器の動作を説明するための図である。 図４Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るモード変換器の動作を説明するための図である。 図４Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係るモード変換器の動作を説明するための図である。 図４Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係るモード変換器の動作を説明するための図である。 図４Ｄは、本発明の第１の実施の形態に係るモード変換器の動作を説明するための図である。 図４Ｅは、本発明の第１の実施の形態に係るモード変換器の動作を説明するための図である。 図４Ｆは、本発明の第１の実施の形態に係るモード変換器の動作を説明するための図である。 図４Ｇは、本発明の第１の実施の形態に係るモード変換器の動作を説明するための図である。 図４Ｈは、本発明の第１の実施の形態に係るモード変換器の動作を説明するための図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係るモード変換器の変形例を示す概略鳥瞰図である。 図６は、本発明の第１の実施の形態に係るモード変換器の変形例を示す概略鳥瞰図である。 図７は、本発明の第１の実施の形態に係るモード変換器の変形例を示す概略上面図である。 図８は、本発明の第２の実施の形態に係る光デバイスの構成の一例を示す概略上面図である。
＜第１の実施の形態＞
　本発明の第１の実施の形態に係るモード変換器およびモード変換装置について、図１～図４Ｈを参照して説明する。
＜モード変換器およびモード変換装置の構成＞
　本実施の形態に係るモード変換装置１は、図１、２Ａに示すように、基板１０上に、誘電体導波路１１と、モード変換器１２と、ＭＩＭ導波路１３とを備え、モード変換器１２の入力側に誘電体導波路１１が配置され、モード変換器１２の出力側にＭＩＭ導波路１３が配置される。このように、光が、モード変換器１２に誘電体導波路１１から入力され、ＭＩＭ導波路１３に出力される。
　基板１０には、ＳｉＯ２基板を用いる例を示すが、これに限らず、誘電体導波路１１の材料よりも低屈折率な材料を用いればよい。また、基板１０は、ＳＯＩ基板や、表面にＳｉＯ２を有するＳｉ基板でもよい。
　誘電体導波路１１はＴＥモードの光を伝搬させる。例えば、波長１５５０ｎｍにおいてはコアサイズが幅４００ｎｍ×高さ２００ｎｍであるＳｉ細線導波路が用いられる。
　また、誘電体導波路１１は、モード変換器１２と近接する側の端部（数百ナノメートル長さ）が、先端に向けて細くなる三角形状のテーパ構造を有する。テーパ構造は三角形状に限らず、先端が丸くなっていてもよく、先端が端面となる台形状でもよい。
　誘電体導波路１１の材料には、ＳｉやＳｉＮ、ＴｉＯ２等の光導波路材料を用いる。また、誘電体導波路１１の上部は空気層とするが、誘電体導波路１１の材料よりも低屈折率な材料を用いてもよい。また、誘電体導波路１１の材料を変えることによって、動作させる波長を可視から赤外までとすることが可能である。
　モード変換器１２とＭＩＭ導波路１３において、金属層にはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ等のプラズモニック材料として働く金属を用い、絶縁体層にはＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の絶縁体を用いる。
　モード変換器１２は、光が導波するコア部１２ｃの光の伝搬方向に対して両側に延在部１２ａ、１２ｂを備える。一方の延在部１２ａは、下層から順に第１の金属層１２１と絶縁体層１２２とを備える。また、他方の延在部１２ｂは、下層から順に絶縁体層１２２と第２の金属層１２３とを備える。
　また、モード変換器１２におけるＭＩＭ構造（後述）の入力部（以下、「入力部」という。）１２ｄは、誘電体導波路１１のテーパ構造の先端部に近接する。モード変換器１２の入力部１２ｄの側で、一方の延在部１２ａと他方の延在部１２ｂとは、誘電体導波路１１を挟むように延在する。
　ここで、誘電体導波路１１のテーパ構造の一方の側面と、入力部１２ｄ側の一方の延在部１２ａにおける第１の金属層１２１と絶縁体層１２２との側面（入力側側面）１２ｆとは近接する。同様に、誘電体導波路１１のテーパ構造の他方の側面と、入力部１２ｄ側の他方の延在部１２ｂにおける絶縁体層１２２と第２の金属層１２３との側面（入力側側面）１２ｇとは近接する。
　それぞれのテーパ構造の側面と延在部１２ａ、１２ｂの側面１２ｆ、１２ｇとの間隔（以下、「狭ギャップ」という）は、２０ｎｍ以上４０ｎｍが望ましく、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下でもよい。
　また、それぞれのテーパ構造の側面と延在部１２ａ、１２ｂの側面１２ｆ、１２ｇとは略平行である。ここで、「略平行」とは狭ギャップに光（誘電体導波路１１の導波光のサイドローブ）が閉じ込められる程度であればよく、例えば、狭ギャップの幅がテーパ構造の基端側で１０ｎｍ、先端側で４０ｎｍであってもよい。
　ここで、光がＴＥモードで伝搬するＳｉ細線導波路と横型ＭＩＭ導波路とは、Ｓｉ細線導波路に横方向のテーパ構造を用いて、ＭＩＭ導波路における金属層間に狭ギャップを導入することで、金属膜の厚さが数十ナノメートルの薄膜の場合でも高効率に結合できることが報告されている（特許文献１）。したがって、上述のテーパ構造の側面と延在部の側面１２ｆ、１２ｇとの間の狭ギャップを伝搬するＴＥモードの光を、横型ＭＩＭ導波路構造（後述）に高効率に結合できると考えられる。
　モード変換器１２とＭＩＭ導波路１３において、例えば、第１の金属層１２１の厚さｔ１を５０ｎｍ、絶縁体層１２２の厚さｔ２を１０ｎｍ、第２の金属層１２３の厚さｔ３を５０ｎｍとするが、これに限らない。ＭＩＭ構造（導波路）として動作できればよい。
　また、モード変換器１２の他方の延在部１２ｂおよびコア部１２ｃそれぞれにおける金属層１２３の垂直方向（縦方向）の位置は、絶縁体層１２２の厚さｔ２によって決まるが、誘電体導波路１１における光のモードと結合できる範囲であればよい。
　図２Ａ、Ｂに示すように、入力部１２ｄ側に配置される誘電体導波路１１の側方それぞれに、モード変換器１２の一方の延在部１２ａと他方の延在部１２ｂが配置される。
　一方の延在部１２ａでは、ＳｉＯ２基板１０上に順に、第１の金属層１２１、絶縁体層１２２が配置される。また、他方の延在部１２ｂでは、ＳｉＯ２基板上に順に、絶縁体層１２２、第２の金属層１２３が配置される。
　ここで、誘電体導波路１１がモード変換器１２に近づくにともない、誘電体導波路１１のテーパ構造に従って、一方の延在部１２ａと他方の延在部１２ｂとが近づく。
　図２Ａ、Ｃに示すように、モード変換器１２において、一方の延在部１２ａと他方の延在部１２ｂとが、コア部１２ｃを中心に配置される。
　詳細には、一方の延在部１２ａの第１の金属層１２１の上面から他方の延在部１２ｂまで連続して、絶縁体層１２２が配置される。さらに、一方の延在部１２ａから他方の延在部１２ｂまで連続して、絶縁体層１２２の上面に、第２の金属層１２３が配置される。
　ここで、第１の金属層１２１の上面全体が厚さｔ２の絶縁体層１２２で覆われている例を示したが、第２の金属層１２３と挟まれる部分にのみ絶縁体層１２２が配置されてもよい。また、第２の金属層１２３の下面全体にｔ２の厚さの絶縁体層１２２が配置される例を示したが、第１の金属層１２１と挟まれる部分にのみ絶縁体層１２２が配置されてもよい。
　また、一方の延在部１２ａにおける絶縁体層１２２の厚さｔ２、他方の延在部１２ｂにおける絶縁体層１２２の厚さｔ２、コア部１２ｃで第１の金属層１２１と第２の金属層１２３とに挟まれる絶縁体層１２２の厚さｗｄは、それぞれ異なっていてもよい。
　このように、モード変換器１２において、一方の延在部１２ａの第１の金属層１２１の上面の少なくとも一部から他方の延在部１２ｂの少なくとも一部まで連続して、絶縁体層１２２が配置される。さらに、一方の延在部１２ａの少なくとも一部から他方の延在部１２ｂの少なくとも一部まで連続して、絶縁体層１２２の上面の少なくとも一部に、第２の金属層１２３が配置される。
　換言すれば、一方の延在部１２ａの第１の金属層１２１の側面と、他方の延在部１２ｂの第２の金属層１２３に挟まれて絶縁体層１２２が配置され、横型のＭＩＭ導波路構造（以下、「横型ＭＩＭ構造」ともいう。）が形成される。ここで、絶縁体層１２２のうち、第１の金属層１２１の側面と、第２の金属層１２３に挟まれる領域がコア部１２ｃとなる。
　さらに、一方の延在部１２ａの第１の金属層１２１の上面に、他方の延在部１２ｂの第２の金属層１２３に挟まれて絶縁体層１２２が配置され、縦型のＭＩＭ導波路構造（以下、「縦型ＭＩＭ構造」ともいう。）が形成される。
　その結果、光は、絶縁体層１２２のうち、第１の金属層１２１と第２の金属層１２３とに挟まれる領域、すなわちＭＩＭ構造（横型ＭＩＭ構造と縦型ＭＩＭ構造）が形成される領域を伝搬する。
　ここで、絶縁体層１２２が第１の金属層１２１の上面と第２の金属層１２３とに挟まれる領域は、入力部１２ｄから出力部１２ｅに向かって所定の領域（長さ：ｌ２）において増加する。
　例えば、コア部１２ｃから一方の延在部１２ａまで水平方向に配置される第２の金属層１２３の幅ｗｍが、入力部１２ｄでは零であり、出力部１２ｅに向かって所定の領域（長さ：ｌ２）において増加する。ここで、入力部１２ｄにおけるｗｍは零以外でも所定の幅を有してもよい。また、この領域で、横型ＭＩＭ構造における絶縁体層１２２の幅ｗｄは一定であっても変化してもよい。
　また、所定の領域（長さ：ｌ２）の端から出力部１２ｅまで（長さ：ｌ３）、ｗｍとｗｄは一定であり、ＭＩＭ導波路１３の幅ｗはｗｍ－ｗｄである。
　図２Ａ、Ｄに示すように、ＭＩＭ導波路１３がモード変換器１２の出力部１２ｅに接続される。ＭＩＭ導波路１３は、下層から順に第１の金属層１２１と絶縁体層１２２と第２の金属層１２３とを備え、幅ｗが３０ｎｍ程度の構成を有する。
　このように、本実施の形態に係るモード変換器１２では、絶縁体層１２２が基板１０の上面の一部と、第１の金属層１２１の側面の一部と上面の一部とを連続して覆い、第２の金属層１２３が基板１０の上面を覆う絶縁体層１２２の一部から、第１の金属層１２１を覆う絶縁体層１２２の一部までを連続して覆う。さらに、モード変換器１２では、絶縁体層１２２が第１の金属層１２１と第２の金属層１２３とに挟まれる領域が、入力部１２ｄから出力部１２ｅに向かって所定の領域において増加し、入力部１２ｄが前記テーパ構造の先端部に近接し、入力部１２ｄ側の側面１２ｆ、１２ｇが誘電体導波路１１のテーパ構造の側面と略平行で近接する。
＜モード変換器およびモード変換装置の動作＞
　本実施の形態に係るモード変換器およびモード変換装置の動作を図３～図４Ｈを参照して説明する。
　図３～図４Ｈに、モード変換器１２における光の伝搬の態様の計算結果を示す。計算は、有限要素法を用いて行い、伝搬光の波長は１５５０ｎｍとした。
　図３は、モード変換器１２の一方の延在部１２ａにおける縦型ＭＩＭ構造の中心高さの水平面での光強度分布である。
　図４Ａは、誘電体導波路１１の断面における光強度分布であり、図４Ｂ～図４Ｈはそれぞれ、ＩＶＢ－ＩＶＢ’、ＩＶＣ－ＩＶＣ’、ＩＶＤ－ＩＶＤ’、ＩＶＥ－ＩＶＥ’、ＩＶＦ－ＩＶＦ’、ＩＶＧ－ＩＶＧ’、ＩＶＨ－ＩＶＨ’断面における光強度分布である。図３～図４Ｈにおいて、光強度が高いほど白く、光強度が低いほど黒く表示されている。
　ここで、誘電体導波路１１は、ＳｉＯ２基板上にコアサイズ４００ｎｍ×２００ｎｍのＳｉ細線導波路を有し、先端部のテーパ構造の長さｌ１は６００ｎｍである。
　モード変換器１２とＭＩＭ導波路１３における金属層１２１、１２３と絶縁体層１２２はそれぞれＡｕとＳｉＯ２からなり、金属層（Ａｕ）１２１、１２３の厚さｔ１、ｔ３は５０ｎｍ、絶縁体層（ＳｉＯ２）１２２の厚さｔ２は１０ｎｍである。また、ＭＩＭ導波路１３の幅ｗは３０ｎｍである。また、モード変換器１２におけるｌ２は１６０ｎｍ、ｌ３は６０ｎｍである。
　また、誘電体導波路１１のテーパ構造の側面とモード変換器１２の延在部１２ａ、１２ｂの側面１２ｆ、１２ｇとの狭ギャップ幅ｇは２０ｎｍである。
　モード変換器１２で伝搬する光は、図３に示すように、誘電体導波路１１のテーパ構造に近接する狭ギャップからモード変換器１２を介してＭＩＭ導波路１３に分布する。
　誘電体導波路１１のＳｉ細線導波路に伝搬する光は、図４Ａに示すように、ＴＥモードで、導波路中心部に分布し、またサイドローブを有する。サイドローブは、以下に示すように、狭ギャップを介して、横型ＭＩＭ構造に結合する。
　次に、狭ギャップに局在する光は、誘電体導波路１１のテーパ構造により徐々に近づく（図４Ｂ－Ｄ）。
　次に、第１の金属層１２１と絶縁体層１２２と第２の金属層１２３が水平方向（横方向）に形成する横型ＭＩＭ構造に、伝搬する光が高効率で結合する（図４Ｅ）。ここで、一方の延在部１２ａの第１の金属層１２１と絶縁体層１２２と他方の延在部１２ｂの第２の金属層１２３それぞれの高さ位置が異なる。
　次に、コア部１２ｃから一方の延在部１２ａまで水平方向に配置される第２の金属層１２３の幅ｗｍが増加するに伴い、伝搬する光は横型ＭＩＭ構造と縦型ＭＩＭ構造に閉じ込められ、偏波が混在し、偏波方向が回転する（図４Ｆ－Ｇ）。
　最後に、ＭＩＭ導波路１３に光が導入される（図４Ｈ）。このとき、モード変換器１２における変換効率は－２．２ｄＢであり、非常に短いモード変換器長で高い変換効率が実現される。
　ここで、モード変換器長を決めるｌ１、ｌ２、ｌ３は変換のために所定の長さを要するが、プラズモニック導波路では非常に短い長さでモード変換が可能であるため、金属による吸収を最小限に抑えた高効率な変換器が実現できる。
　また、モード変換器１２のｌ２、ｌ３は、結合させるＭＩＭ導波路１３のコアサイズ等によって最適値が異なる。例えば、ｔ１＝５０ｎｍ、ｔ２＝４０ｎｍ、ｗ＝１００ｎｍの導波路部のコアに対しては、ｌ２＝１６０ｎｍ、ｌ３＝１８０ｎｍで変換効率は－１．７ｄＢとなる。
　また、本実施の形態では、Ａｕの厚さｔ１を厚くすることによって、作製の難易度が上がる可能性がある反面、さらに結合効率を向上させることが可能である。
　以上のように、本実施の形態に係るモード変換器およびモード変換装置では、横方向テーパ構造を用いて誘電体導波路１１でのＴＥモードの光をモード変換器の横型ＭＩＭ構造に結合させ、横型－縦型ＭＩＭ構造間のモード変換機構により電場の振動方向が縦方向の光に変換する。この光を縦方向ＭＩＭ導波路へ高効率に光を導入する。
＜変形例１＞
　本変形例に係るモード変換装置１＿２は、図５に示すように、誘電体導波路１１と、モード変換器１２＿２と、ＭＩＭ導波路１３とを備える。
　モード変換器１２＿２において、他方の延在部１２ｂの表面の第２の金属層１２３＿２が段差を有さない。また、絶縁体層１２２＿２は、一方の延在部１２ａにおいて第２の金属層１２３＿２の直下にのみ配置される。ここで、絶縁体層１２２＿２は、第１の金属層１２１＿２の上まで延在してもよい。その他の構成は、第１の実施の形態と同じである。
　モード変換器１２＿２では、ｔ１＝５０ｎｍ、ｔ２＝１０ｎｍ、ｗ＝３０ｎｍのときに、結合効率－１．８ｄＢとなり、更なる高効率化が可能である。
＜変形例２＞
　本実施の形態に係るモード変換装置１＿３は、図６に示すように、誘電体導波路１１と、モード変換器１２と、ＭＩＭ導波路１３とを備え、誘電体導波路１１がＳｉＯ２基板１０の溝構造１４に埋め込まれている。その他の構成は、第１の実施の形態と同じである。
　例えば、誘電体導波路１１が溝構造１４に埋め込まれる構造は、誘電体導波路１１をＳｉＯ２基板１０に設置した後に、誘電体導波路１１の周囲のＳｉＯ２基板１０上にＳｉＯ２を堆積して形成される。その後、堆積されたＳｉＯ２上にモード変換器１２とＭＩＭ導波路１３とが形成され、モード変換装置１＿３が作製される。
　誘電体導波路１１の伝搬モードは、導波路コアの中央付近で強い電場を有する。したがって、この構成により、モード変換器１２の入力部１２ｄ側で、垂直方向（縦方向）において一方の延在部１２ａの第１の金属層１２１と他方の延在部１２ｂの第２の金属層１２３の位置が誘電体導波路１１の中央に近くなるので、さらなる結合効率の効率改善が期待できる。
　また、誘電体導波路１１を埋め込むことによって平坦性が向上するため、誘電体導波路１１の作製後にＭＩＭ導波路１３やモード変換器１２を作製するときのプロセスの精度向上や簡略化ができる。また、埋め込まれる部分を増加し平坦性を向上することにより、さらなる効果を奏する。
＜変形例３＞
　本実施の形態に係るモード変換装置１＿４は、図７に示すように、誘電体導波路１１と、モード変換器１２と、ＭＩＭ導波路１３とを備え、モード変換器１２の出力部１２ｅとＭＩＭ導波路１３との間に、サイズ縮小機構１５を備える。その他の構成は、第１の実施の形態と同じである。
　サイズ縮小機構１５では、モード変換器１２の出力部１２ｅでの導波路（光伝搬領域）の幅およびＭＩＭ導波路１３の導波路幅より、導波路幅が狭い。
　この構成により、光が伝搬する領域で電場が集中するので、さらに電場増強効果を高めることができる。
＜第２の実施の形態＞
　本発明の第２の実施の形態に係る光デバイスについて、図８を参照して説明する。
＜光デバイスの構成＞
　本実施の形態に係る光デバイスは、誘電体導波路と、モード変換器と、ＭＩＭ導波路とを備え、ＭＩＭ導波路が光機能デバイスを備える。その他の構成は、第１の実施の形態と同じである。
　光機能デバイスは、超小型の光機能デバイスであって、例えば、ＭＩＭ導波路のコア（絶縁体層）内部に光機能物質（利得媒質、吸収媒質、光非線形媒質、電気光学効果媒質など）を埋め込むことによって、発光素子、光スイッチ、光変調器、光受光器などが構成される。
　第１の実施の形態に係るモード変換装置では、縦型ＭＩＭ導波路におけるコア（絶縁体層）の厚さを薄くすることができるので、コアに強く光が閉じ込められ、光と物質の相互作用が大きく増強される。とくに、コアの厚さを単一原子厚さ以上１０ｎｍ程度以下にすることにより、さらに光と物質の相互作用が大きく増強される。
　そこで、第１の実施の形態に係るモード変換装置をプラットフォームとして、その構成を光デバイスに用いれば、モード変換器により縦型ＭＩＭ導波路に光を高効率に導入することができるため、ＭＩＭ導波路で強く光と光機能物質とを相互作用させることができる。
　相互作用対象の物質は、例えば、ナノ材料である。また、コアの絶縁体をそのまま光機能物質に置き替えた構造や、金属と絶縁体の間に光機能物質を挟んだ構造でもよい。
　本実施の形態に係る光デバイスにおける素子構造を、第１の実施における構造（例えば、図１）と同様にすれば、光入力または光出力のみが必要な光デバイスに用いることができる。
　また、光デバイス２における素子構造を、図８に示すように、順に、誘電体導波路２１＿１と、モード変換器２２＿１と、ＭＩＭ導波路２３＿１と、ＭＩＭ導波路２３＿２と、モード変換器２２＿２と、誘電体導波路２１＿２とが接続する構成にすれば、光の入出力が必要な光スイッチ等の光デバイスに用いることができる。
　また、ＭＩＭ導波路を構成する二つの金属間距離は非常に短くできるため、大きな電界効果を得ることが可能となり、これを活用した光機能デバイスも構成できる。
　さらに、ＭＩＭ導波路のコア内に複雑な構造を導入することも可能である。縦型ＭＩＭ導波路の下層金属を成膜後、その上に光素子を形成し、更にその上に上層金属を成膜することによって、ＭＩＭ導波路に直接結合した構造が実現可能である。
　このように、本実施の形態に係る光デバイスでは、光機能物質と光との相互作用が増強されるので、発光素子、光スイッチ、光変調器、光受光器などの光デバイスの性能を向上できる。
　本発明の実施の形態では、モード変換器とＭＩＭ導波路において、上層の金属層（第２の金属層）と下層の金属層（第１の金属層）に同一の金属層を用いる例を示したが、これに限らず、異なる金属層を用いてもよい。モード変換器の出力部とＭＩＭ導波路の入力部が光学的に結合されればよい。
　本発明の実施の形態では、空気層であった上部がＳｉＯ２等の低屈折材料で覆われていてもよく、酸化等による材料の劣化を抑制できる。さらに、ＭＩＭ導波路における絶縁体層は一般的な半導体であるＳｉ、ＧｅやＩｎＰ等との置き換えも可能であり、金属－誘電体－金属（ＭＤＭ）導波路に拡張して使用することも可能である。
　本発明の実施の形態では、モード変換器、モード変換装置および光デバイスの構成、製造方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。モード変換器、モード変換装置および光デバイスの機能を発揮し効果を奏するものであればよい。
　本発明は、光通信システムや光コンピュータに用いる光集積回路などに適用することができる。
１　モード変換装置
１１　誘電体導波路
１２　モード変換器
１２ａ　一方の延在部
１２ｂ　他方の延在部
１２１　第１の金属層
１２２　絶縁体層
１２３　第２の金属層
１３　ＭＩＭ導波路
　

Claims (7)

  1. 　光がテーパ構造を有する誘電体導波路から入力され、ＭＩＭ導波路に出力されるモード変換器であって、
    　基板と、
    　前記基板上の第１の金属層と、
    　前記基板の上面の一部と、前記第１の金属層の側面の少なくとも一部と上面の少なくとも一部とを連続して覆う絶縁体層と、
    　前記基板の上面を覆う絶縁体層の少なくとも一部から前記第１の金属層を覆う絶縁体層の少なくとも一部までを連続して覆う第２の金属層と
    を備え、
    　前記絶縁体層のうち、前記第１の金属層と前記第２の金属層とに挟まれる領域を光が伝搬し、
    　前記領域が、前記光が入力する入力部から前記光が出力する出力部に向かって所定の領域において増加し、
    　前記入力部が、前記テーパ構造の先端部に近接し、
    　前記入力部側における前記第１の金属層と前記絶縁体層との側面および前記絶縁体層と前記第２の金属層との側面それぞれが、前記テーパ構造の側面と略平行で近接する
    　ことを特徴とするモード変換器。
  2. 　前記誘電体導波路を伝搬する光が、前記入力部側における前記第１の金属層と前記絶縁体層との側面および前記絶縁体層と前記第２の金属層との側面それぞれと、前記テーパ構造の側面との間を伝搬し、
    　前記入力部で横型ＭＩＭ構造に結合し、
    　前記入力部から前記出力部において、電場の振動方向が縦方向の光に変換する
    　ことを特徴とする請求項１に記載のモード変換器。
  3. 　前記第２の金属層の表面が平坦である
    　ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のモード変換器。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のモード変換器と、
    　前記誘電体導波路と、
    　前記ＭＩＭ導波路と
    　を備えるモード変換装置。
  5. 　前記モード変換器の前記出力部と前記ＭＩＭ導波路との間に、サイズ縮小機構を備え、
    　前記サイズ縮小機構の幅が、前記出力部での導波路の幅および前記ＭＩＭ導波路の幅より狭い
    　ことを特徴とする請求項４に記載のモード変換装置。
  6. 　溝構造を有する基板上に、
    　前記モード変換器と、
    　前記誘電体導波路と、
    　前記ＭＩＭ導波路と
    　を備え、
    　前記溝構造に前記誘電体導波路が配置される
    　ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のモード変換装置。
  7. 　請求項４から請求項６のいずれか一項に記載のモード変換装置
    　を備える光デバイス。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110205660A1 (en) * 2010-02-25 2011-08-25 Tdk Corporation Spot size converter and thermal assist magnetic recording head therewith
KR101103932B1 (ko) * 2010-11-26 2012-01-12 성균관대학교산학협력단 나노 플라즈모닉 모드 변환 소자 및 이를 이용한 나노 플라즈몬 집적회로 모듈
US8605556B1 (en) * 2012-11-13 2013-12-10 Seagate Technology Llc Channel waveguide extending into a gap of a near-field transducer
US20140233885A1 (en) * 2013-02-19 2014-08-21 Humboldt-Universität Berlin Photon-to-plasmon coupler
JP2014170126A (ja) * 2013-03-04 2014-09-18 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光導波路モード変換器
WO2021014606A1 (ja) * 2019-07-24 2021-01-28 日本電信電話株式会社 プラズモニック導波路
WO2021149183A1 (ja) * 2020-01-22 2021-07-29 日本電信電話株式会社 光デバイス

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110205660A1 (en) * 2010-02-25 2011-08-25 Tdk Corporation Spot size converter and thermal assist magnetic recording head therewith
KR101103932B1 (ko) * 2010-11-26 2012-01-12 성균관대학교산학협력단 나노 플라즈모닉 모드 변환 소자 및 이를 이용한 나노 플라즈몬 집적회로 모듈
US8605556B1 (en) * 2012-11-13 2013-12-10 Seagate Technology Llc Channel waveguide extending into a gap of a near-field transducer
US20140233885A1 (en) * 2013-02-19 2014-08-21 Humboldt-Universität Berlin Photon-to-plasmon coupler
JP2014170126A (ja) * 2013-03-04 2014-09-18 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光導波路モード変換器
WO2021014606A1 (ja) * 2019-07-24 2021-01-28 日本電信電話株式会社 プラズモニック導波路
WO2021149183A1 (ja) * 2020-01-22 2021-07-29 日本電信電話株式会社 光デバイス

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHANG YIN-JUNG; FENG REN-WEI: "Embedded-Silicon-Strip-to-Hybrid-Plasmonic Waveguide Polarization Mode Converter", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, IEEE, USA, vol. 29, no. 9, 1 May 2017 (2017-05-01), USA, pages 759 - 762, XP011646134, ISSN: 1041-1135, DOI: 10.1109/LPT.2017.2684182 *
ISHIZAKA YUHEI, NAGAI MASARU, FUJISAWA TAKESHI, SAITOH KUNIMASA: "A photonic-plasmonic mode converter using mode-coupling-based polarization rotation for metal-inserted silicon platform", IEICE ELECTRONICS EXPRESS, 25 January 2017 (2017-01-25), XP093039879, DOI: 10.1587/elex.13.20160989 *

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