JP5559380B1 - 光導波路 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の導波モードの光が導波可能とされた光導波路において、高次モードの光による問題が解消できるようにする。
【解決手段】下部クラッド層１０１の上に形成されたコア１０２と、コア１０２を覆って下部クラッド層１０１の上に形成された上部クラッド層１０４と、導波対象の光を吸収する材料から構成されて下部クラッド層１０１の上でコア１０２とは離間してコア１０２に導波方向に並列して配置された光吸収体１０３とを備える。光吸収体１０３は、コア１０２に沿って伝搬する複数のモードの光のうち基本モードの光は吸収せずに高次モードの光は吸収する。
【選択図】 図１Ｂ
【解決手段】下部クラッド層１０１の上に形成されたコア１０２と、コア１０２を覆って下部クラッド層１０１の上に形成された上部クラッド層１０４と、導波対象の光を吸収する材料から構成されて下部クラッド層１０１の上でコア１０２とは離間してコア１０２に導波方向に並列して配置された光吸収体１０３とを備える。光吸収体１０３は、コア１０２に沿って伝搬する複数のモードの光のうち基本モードの光は吸収せずに高次モードの光は吸収する。
【選択図】 図１Ｂ
Description
本発明は、複数の導波モードの光が導波可能とされている光導波路に関する。
近年、光回路の小型化をめざし、シリコン細線光導波路の研究開発が盛んに進められている。従来のシリコン細線光導波路の構成を図６Ａ，図６Ｂに示す。この光導波路は、下部クラッド層６０１と、コア６０２と、上部クラッド層６０３とから構成されている。なお、図６Ａは、平面図であり、図６Ｂは、導波方向に垂直な断面図である。また、図６Ａでは、上部クラッド層６０３を省略して示している。
下部クラッド層６０１，上部クラッド層６０３は、例えば、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素、エポキシ系ポリマー、ポリイミド系ポリマーなどから構成され、コア６０２は、シリコンから構成されている。なお、図６Ａ，図６Ｂでは、いわゆるチャンネル型光導波路を例示しているが、リブ型光導波路も用いられている。
このような光導波路では、偏向に伴う光の損失やモード変換を防止するために、コア断面は単一モード条件を実現する寸法としている。光導波路を伝搬する光の波長は、シリコンが透明であり、かつ光源が容易に入手できる、１２００〜１７００ｎｍが良く用いられ、この波長の場合、チャンネル型光導波路のコア断面寸法は、幅４５０ｎｍ，高さ２００ｎｍ程度が単一モード条件の上限値である（非特許文献１の図１．２参照）。また、このような、コア断面寸法が数百ｎｍの微小シリコン光導波路においては、光導波路コア側壁凹凸による光散乱の影響が大きく、最新のシリコン加工技術を用いても伝搬損失が１．２ｄＢ／ｃｍ程度である（非特許文献１の図１．１１参照）。
これに対し、光デバイスを構成するシリコンチップは、近年２５ｍｍ角程度の大きさがあり、従って、このシリコンチップの中に複雑な光回路を形成する場合、光導波路の長さはチップの外周長程度となる１００ｍｍ程度は必要となる。この場合、最新の加工技術による伝搬損失１．２ｄＢ／ｃｍを仮定すると、伝搬損失は１２ｄＢとなり、光強度は約１／１６に減衰することになる。
このような光導波路の伝搬損失を低減するためには、光導波路のコア幅を広くしてコア側壁の凹凸の影響を少なくすることが有効である（非特許文献１の図１．１２参照）。この非特許文献１によれば、コアの断面サイズが厚さ２００ｎｍの場合、コア幅４４０ｎｍの単一モード光導波路に比べ、コア幅５００ｎｍの光導波路では伝搬損失はほぼ半減できることが示されている。
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しかしながら、コアの幅が５００ｎｍなど単一モード光導波路に比較してコア幅が広い光導波路は、複数の導波モードの光が導波可能とされた多モード光導波路であり、偏向部や長距離伝搬する間に、わずかではあるが高次モードを励起する。この高次モード伝搬光は、基本モードと干渉し、光導波路の透過特性が波長で変化する問題が生じる。また、伝搬定数が、基本モードと異なるため、波長フィルターが正常に動作しないなどの問題がある。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、複数の導波モードの光が導波可能とされた光導波路において、高次モードの光による問題が解消できるようにすることを目的とする。
本発明に係る光導波路は、下部クラッド層の上に形成されたコアと、コアを覆って下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層と、導波対象の光を吸収する材料から構成されて下部クラッド層の上でコアとは離間してコアに並列して配置されて、コアに沿って伝搬する複数のモードの光のうち基本モードの光は吸収せずに高次モードの光は吸収する光吸収体とを備える。
上記光導波路において、コアは、シリコンから構成されていればよい。また、光吸収体の上層は、ゲルマニウムから構成されていればよい。
上記光導波路において、光吸収体は、コアと同じ材料からなる下層と、導波対象の光を吸収する材料からなる上層との積層構造とされている。
上記光導波路において、光吸収体は、下部クラッド層の上でコアの両脇に形成されているようにするとよい。
以上説明したことにより、本発明によれば、複数の導波モードの光が導波可能とされた光導波路において、高次モードの光による問題が解消できるようになるという優れた効果が得られる。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態における光導波路の構成を示す平面図であり、図１Ｂは、本発明の実施の形態における光導波路の構成を示す断面図である。図１Ｂは、導波方向に垂直な断面を示している。
この光導波路は、下部クラッド層１０１の上に形成されたコア１０２と、コア１０２を覆って下部クラッド層１０１の上に形成された上部クラッド層１０４と、導波対象の光を吸収する材料から構成されて下部クラッド層１０１の上でコア１０２とは離間してコア１０２に導波方向に並列して配置された光吸収体１０３とを備える。光吸収体１０３は、コア１０２に沿って伝搬する複数のモードの光のうち基本モードの光は吸収せずに高次モードの光は吸収する。
下部クラッド層１０１，上部クラッド層１０４は、例えば、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素、エポキシ系ポリマー、ポリイミド系ポリマーなどから構成され、コア１０２は、シリコンから構成されている。例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用い、埋め込み酸化膜を下部クラッド層１０１とし、表面シリコン層をパターニングすることでコア１０２とすればよい。例えば、公知のフォトリソグラフィ技術により形成したマスクパターンを用い、公知のドライエッチングにより表面シリコン層を選択的にエッチングすることで、コア１０２が形成できる。
また、上部クラッド層１０４は、例えば、よく知られた化学的気相成長（ＣＶＤ）法やスパッタ法などの堆積技術により、コア１０２および光吸収体１０３を形成した後で、酸化シリコンを堆積することにより形成すればよい。また、エポキシ系ポリマー、ポリイミド系ポリマーなどの樹脂を塗布することで、上部クラッド層１０４を形成してもよい。
また、コア１０２をシリコンから構成する場合、光吸収体１０３は、ゲルマニウムから構成すればよい。例えば、コア１０２を形成した後、光吸収体１０３の材料を堆積して光吸収体材料層を形成し、この光吸収体材料を、公知のフォトリソグラフィ技術および公知のドライエッチングによりパターニングすることで、光吸収体１０３を形成すればよい。なお、光吸収体１０３を形成した後に、コア１０２を形成してもよい。
ここで、光吸収体１０３は、導波する基本モードの光は吸収せずに高次モードの光は吸収するように、コア１０２と離間して配置されていることが重要である。なお、光吸収体１０３は、下部クラッド層１０１の上でコア１０２の両脇に形成されていればよい。この場合、コア１０２が形成されている下部クラッド層１０１の平面上に、コア１０２を挟んで２つの光吸収体１０３を配置する。各々の光吸収体１０３は、光導波方向に、コア１０２と、各々同じ距離離間して配置されている。また、上部クラッド層１０４は、コア１０２および光吸収体１０３を覆って下部クラッド層１０１の上に形成されている。
例えば、コア１０２は、シリコンから構成して断面の寸法が、コア幅５００ｎｍ，コア高さ２２０ｎｍであり、下部クラッド層１０１および上部クラッド層１０４が酸化シリコンからなる多モード光導波路の場合を例に説明する。この場合、この光導波路を伝搬する基本モードおよび高次モード（ここでは最も寄与が大きい２次モード）の光強度分布は、図２および図３に示す状態となる。
図２に示すように、基本モードのモードフィールドは、ほとんどが光導波路のコア内に閉じ込められている。この状態では、導波している基本モードの光は、コアの両脇に配置される光吸収体を感じない。これに対し、図３に示すように、導波している２次モードの光は基本モードよりモードフィールドが大きく、両脇の光吸収体を感じやすい。このため、基本モードの光は吸収せずに高次モードの光は吸収する範囲でコアと離間して配置した両脇の光吸収体により、選択的に高次モードの光を除去することが可能となる。
光吸収体は、光を吸収する材料から構成されていればよく、シリコン電子回路の製造技術を使う場合、シリコン電子回路製造プロセスに既に用いられているゲルマニウムや配線用金属材料（アルミニウム、銅など）を用いることができる。
ここで、コアと光吸収体との距離（間隔）は、コア形状や光吸収体を配置する長さに依存する。以下、光吸収体を配置する間隔と、光吸収体を配置する導波方向の長さについて検討する。以下では、まず、シリコンからコア１０２を構成し、また、断面寸法をコア幅５００ｎｍ、コア高さ２２０ｎｍとする。また、下部クラッド層１０１，上部クラッド層１０４は、酸化シリコンから構成する。この場合、多モード光導波路となる。また、コア１０２の両脇に、ゲルマニウムからなる光吸収体１０３を配置する。
図４は、上述した実施の形態における光導波路における、基本モードと２次モードの透過率の計算結果を示す特性図である。ここで、ゲルマニウムの光吸収係数は、４６００ｃｍ-1として計算している（非特許文献２参照）。
また、この計算においては、まず、光吸収体を配置していない場合の光導波路における基本モードと２次モードの電磁界分布をフィルムモードマッチング法により求め、求めた各々の光を、光吸収体を配置していない場合の光導波路への入射光とした。
一方、光吸収体を配置した実施の形態における光導波路における伝搬状態の計算は、実施の形態の光導波路における全ての伝搬固有モードの電磁界分布をフィルムモードマッチング法により求め、入射光をそれぞれの固有モードに展開して実施した（固有モード展開法）。また、実施の形態における光導波路の光出射口における電磁界を、再度、光吸収体を配置していない光導波路における基本モードと２次モードに展開し、各々のモードの光入射口と光出射口との強度比を各モードの透過率とした。
この計算結果から、図４に示すように、光導波路コアと光吸収体との距離が、少なくとも６００ｎｍ以下であれば、光吸収体の導波方向の長さを２００μｍとすれば、高次モードを１／１００に減衰させることができる。これに対し、基本モードは全く減衰していないことがわかる。
また、図５Ａ，図５Ｂに示す光導波路とする。図５Ａは、本発明の実施の形態における光導波路の構成を示す平面図であり、図５Ｂは、本発明の実施の形態における他の光導波路の構成を示す断面図である。図５Ｂは、導波方向に垂直な断面を示している。
この光導波路は、下部クラッド層１０１の上に形成されたコア１０２と、コア１０２を覆って下部クラッド層１０１の上に形成された上部クラッド層１０４と、導波対象の光を吸収する材料から構成されて下部クラッド層１０１の上でコア１０２とは離間してコア１０２に導波方向に並列して配置された光吸収体２０３とを備える。この場合、光吸収体２０３は、コア材料からなる下層２０３ａと、導波対象の光を吸収する材料からなる上層２０３ｂとの積層構造となっている。
この構造は、特に、導波対象の光を吸収する材料としてゲルマニウムを用いる場合に重要となる。ゲルマニウムは、シリコン光導波路に接続した受光器用光吸収体としてよく用いられるが、ゲルマニウムは、酸化シリコン上に対してシリコン上に選択的に成長させることができる（非特許文献３参照）。従って、光吸収体を形成しようとする領域に、コア１０２と同じシリコンからなる下層２０３ａを形成しておき、コア１０２を酸化シリコンで覆い、下層２０３ａを露出させた状態で、ゲルマニウムを成長させれば、下層２０３ａの上に選択的にゲルマニウムからなる上層２０３ｂが形成できる。この場合、下層２０３ａ以外の下部クラッド層１０１の露出面や、コア１０２を覆う酸化シリコンの上には、ゲルマニウムが成長しない。
この構造の場合、導波している高次モードはまずシリコンからなる下層２０３ａに結合するが、この後、下層２０３ａの直上にある上層２０３ｂに速やかに吸収される。結果として、前述と同様の効果を得ることができる。なお、この場合においても、光吸収体２０３は、平面視で（下部クラッド層１０１の平面上で）、基本モードの光は吸収せずに高次モードの光は吸収するように、コア１０２より離間させておけばよい。
以上に説明したように、本発明によれば、導波対象の光を吸収する材料から構成された光吸収体を、下部クラッド層の上でコアとは離間してコアに並列して配置し、コアに沿って伝搬する複数のモードの光のうち基本モードの光は吸収せずに高次モードの光は吸収するようにしたので、複数の導波モードの光が導波可能とされた光導波路において、高次モードの光による問題が解消できるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、光吸収体は、コアの一方の側に配置されているようにしてもよい。また、光吸収体は、下部クラッド層，コア，上部クラッド層が積層される方向において、コアの上にクラッド材料によるスペーサ層を介して積層するようにしてもよい。スペーサ層の層厚により、コアと光吸収体との間隔を制御すればよい。ただし、より多くの光吸収体が、コアの近くに配置されている方が、より効率的である。また、コア，クラッド，光吸収体を構成する材料は、上述した実施の形態に例示したものに限るものではなく、他の材料系から構成してもよい。
１０１…下部クラッド層、１０２…コア、１０３…光吸収体、１０４…上部クラッド層。
Claims (4)
- 下部クラッド層の上に形成されたコアと、
前記コアを覆って前記下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層と、
導波対象の光を吸収する材料から構成されて前記下部クラッド層の上で前記コアとは離間して前記コアに並列して配置されて、前記コアに沿って伝搬する複数のモードの光のうち基本モードの光は吸収せずに高次モードの光は吸収する光吸収体と
を備え、
前記光吸収体は、前記コアと同じ材料からなる下層と、導波対象の光を吸収する材料からなる上層との積層構造とされていることを特徴とする光導波路。 - 請求項１記載の光導波路において、
前記コアは、シリコンから構成されていることを特徴とする光導波路。 - 請求項２記載の光導波路において、
前記光吸収体の上層は、ゲルマニウムから構成されていることを特徴とする光導波路。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路において、
前記光吸収体は、前記下部クラッド層の上で前記コアの両脇に形成されていることを特徴とする光導波路。
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| JPN7014000786; Ｊｉｆｅｎｇ Ｌｉｕ， Ｄｏｕｇｌａｓ Ｄ． Ｃａｎｎｏｎ， Ｋａｚｕｍｉ Ｗａｄａ， Ｙａｓｕｈｉｋｏ Ｉｓｈｉｋａｗａ， Ｓａｍｅｒｋｈａｅ Ｊｏｎｇｔｈａｍｍａｎｕｒａｋ， Ｄａｖｉｄ Ｔ． Ｄ: 'Ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒａｉｎｅｄ Ｇｅ ｐ - ｉ - ｎ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｏｎ Ｓｉ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ Ｃ ａｎｄ Ｌ ｂａｎｄ ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ' Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ． ８７, 2005, ｐｐ． ０１１１１０-１ - ０１１１１０-３ * |
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|---|---|
| JP2014191199A (ja) | 2014-10-06 |
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