JP2007052328A - Composite optical waveguide - Google Patents
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Description
本発明は複合光導波路に関し、詳細には屈折率の異なるコアを有する光導波路同士の結合素子の構造に関する。 The present invention relates to a composite optical waveguide, and more particularly to a structure of a coupling element between optical waveguides having cores having different refractive indexes.
光信号の伝搬媒質である光導波路は、異なる屈折率媒質により形成されたコアとクラッドにより構成され、コアがクラッドに囲まれた構造を取る。一般的には、コアの屈折率はクラッドの屈折率よりも大きく、特定の周波数に対して、コアとクラッドの界面での全反射する性質を利用することで、光を光導波路内に閉じ込め、光信号を伝搬させている。これらの光導波路で構成された曲げ、分岐、結合素子などを組み合わせることにより、光回路が形成される。 An optical waveguide, which is an optical signal propagation medium, includes a core and a clad formed of different refractive index media, and has a structure in which the core is surrounded by the clad. In general, the refractive index of the core is larger than the refractive index of the cladding, and by utilizing the property of total reflection at the interface between the core and the cladding for a specific frequency, the light is confined in the optical waveguide, An optical signal is propagated. An optical circuit is formed by combining bending, branching, coupling elements, and the like configured by these optical waveguides.
光回路のサイズは、光導波路の配線許容度に大きく影響する。つまり、光導波路のコアの断面積サイズと、光導波路の低損失曲がり半径に大きく依存する。例えば、コアの断面積が２倍になれば、配線に必要な断面積は２倍になる。また、低損失を与える曲率半径が１０ｃｍ以上であれば、曲がり導波路を含む光回路の大きさは１辺が１０ｃｍ以上の大きさとなる。そのため、光回路のサイズを小さくするためには、コアの断面積を小さくし、かつ低損失を与える曲率半径を小さくする必要がある。 The size of the optical circuit greatly affects the wiring tolerance of the optical waveguide. That is, it largely depends on the cross-sectional area size of the core of the optical waveguide and the low-loss bending radius of the optical waveguide. For example, if the cross-sectional area of the core is doubled, the cross-sectional area required for wiring is doubled. If the radius of curvature that gives low loss is 10 cm or more, the size of the optical circuit including the bent waveguide is 10 cm or more on one side. Therefore, in order to reduce the size of the optical circuit, it is necessary to reduce the cross-sectional area of the core and the radius of curvature that gives low loss.
コアとクラッドの屈折率差を大きくし、コアへの光閉じ込めを強力にすることで、曲がり導波路の曲率半径を小さくすることができる。例えば、屈折率１．５のコアに対して、屈折率１．４９のクラッドの光導波路であれば、１ｃｍ以上の曲率半径をもつ曲がり導波路が必要であるが、屈折率２のコアに対して、屈折率１．５のクラッドの光導波路であれば、曲率半径は５０μｍ以上になり、屈折率３のコアに対して、屈折率１．５のクラッドの光導波路であれば、曲率半径は５μｍ以上あれば、低損失な曲がり導波路が構成可能である。つまり、屈折率差を大きくすればするほど、光回路のサイズを決定する要因のひとつである曲がり導波路の曲率半径を小さくすることが可能となる。非特許文献１では、熱酸化シリコン上にシリコン薄膜が形成されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いて、二酸化シリコン上にチャネル形状のシリコンコアを持つ光導波路を形成し、ミクロンオーダの曲率半径が実現できることを示している。 The radius of curvature of the bent waveguide can be reduced by increasing the refractive index difference between the core and the clad and strengthening the optical confinement in the core. For example, a clad optical waveguide with a refractive index of 1.49 compared to a core with a refractive index of 1.5 requires a bent waveguide having a radius of curvature of 1 cm or more. If the optical waveguide has a refractive index of 1.5, the radius of curvature is 50 μm or more. If the optical waveguide has a refractive index of 1.5 relative to the core having a refractive index of 3, the curvature radius is If it is 5 μm or more, a low-loss bent waveguide can be constructed. In other words, the larger the difference in refractive index, the smaller the radius of curvature of the bent waveguide, which is one of the factors that determine the size of the optical circuit. In Non-Patent Document 1, an SOI (Silicon on Insulator) substrate having a silicon thin film formed on thermally oxidized silicon is used to form an optical waveguide having a channel-shaped silicon core on silicon dioxide, and a radius of curvature on the order of microns. It can be realized.
上述したように、屈折率差を大きくすることで曲率半径を小さくすることが可能であるが、同時に屈折率差を大きくすることで、光導波路自体の伝搬損失が増大してしまうという課題がある。 As described above, it is possible to reduce the radius of curvature by increasing the refractive index difference, but at the same time, increasing the refractive index difference causes an increase in the propagation loss of the optical waveguide itself. .
このような光導波路の損失は、主に、光導波路を形成する材料による吸収損失、構造の揺らぎによる散乱損失、導波路の曲がりに起因する曲がり損失が損失要因となり、これら合計が光導波路の伝搬損失となる。そのため、伝搬損失を減らすためには、それぞれの損失要因を減らす必要がある。吸収損失は光の波長に対する材料の透過特性により決定されるので、使用する波長に対して透明である材料で光導波路を形成する必要がある。また、散乱損失は、光導波路の製作時におけるコアとクラッドの界面の揺らぎに起因するため、なるべく揺らぎが無いように製作する必要がある。しかし、コアとクラッドの屈折率差が大きいと、界面での揺らぎの影響をより強く受けるので、導波路の屈折率分布により、加工性粗れ状態や粗れ状態の自己相関長といった界面状態であっても受ける損失が異なる。更に、曲がり損失は、光の閉じ込め状態によるので、なるべく損失が生じない曲率半径で設計をする必要があり、基本的には曲率半径が大きくなればなるほど、曲がり損失は小さくなる。さらに、上記に述べたように、コアとクラッドの屈折率差が大きくなると、必要な曲率半径は小さくすることができる。 Such optical waveguide loss is mainly due to absorption loss due to the material forming the optical waveguide, scattering loss due to structural fluctuations, and bending loss due to the bending of the waveguide. Loss. Therefore, in order to reduce propagation loss, it is necessary to reduce each loss factor. Since the absorption loss is determined by the transmission characteristics of the material with respect to the wavelength of light, it is necessary to form the optical waveguide with a material that is transparent to the wavelength used. Further, since the scattering loss is caused by the fluctuation of the interface between the core and the clad during the production of the optical waveguide, it is necessary to produce the scattering loss as much as possible. However, if the refractive index difference between the core and the clad is large, it is more strongly affected by fluctuations at the interface. Therefore, due to the refractive index distribution of the waveguide, the interface state such as a rough state of workability and an autocorrelation length of the rough state Even if there is, the loss received is different. Furthermore, since the bending loss depends on the light confinement state, it is necessary to design with a radius of curvature that does not cause a loss as much as possible. Basically, the larger the radius of curvature, the smaller the bending loss. Furthermore, as described above, when the refractive index difference between the core and the clad increases, the required radius of curvature can be reduced.
ここで、コアとクラッドの屈折率差によって、曲がり半径と伝搬損失が変化することの一例を、従来の光導波路に関して述べる。光通信の伝送路として用いられている光ファイバでは、コアとクラッドの屈折率差はわずかあり、さらに界面での揺らぎが極めて小さいために、光通信帯波長のシングルモード光ファイバで、０．５ｄＢ／ｋｍ以下の超低損失を実現している。しかし、コアとクラッドの屈折率差が小さいために、曲がりには弱く、１０ｃｍ以上の曲率半径で曲げないと、損失が生じてしまう。 Here, an example in which the bending radius and the propagation loss change due to the difference in refractive index between the core and the clad will be described with respect to a conventional optical waveguide. An optical fiber used as a transmission line for optical communication has a slight difference in refractive index between the core and the cladding, and the fluctuation at the interface is extremely small. Therefore, a single mode optical fiber with an optical communication band wavelength is 0.5 dB. An ultra-low loss of / km or less is realized. However, since the refractive index difference between the core and the clad is small, it is weak against bending, and loss occurs unless it is bent with a radius of curvature of 10 cm or more.
また、最も典型的な光導波路で構成される平面光回路（Ｐｌａｎｅｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）と呼ばれる光回路では、光導波路は、二酸化シリコンにより形成した形成されるが、この光導波路のコアとクラッドの屈折率差も小さく、リソグラフィーなどの高精度なパターニング技術を使うことで、それらの伝搬損失は１ｄＢ／ｍ以下であり、１０ｃｍ角程度の光回路では低損失光配線が実現できる。しかし、１ｃｍ以上の曲率半径を要するために、光回路のサイズはセンチメートルオーダになる。 Further, in an optical circuit called a planar light circuit made up of the most typical optical waveguides, the optical waveguide is formed of silicon dioxide, and the refractive index of the core and cladding of this optical waveguide. The difference is small, and by using a high-precision patterning technique such as lithography, the propagation loss thereof is 1 dB / m or less, and a low-loss optical wiring can be realized in an optical circuit of about 10 cm square. However, since a radius of curvature of 1 cm or more is required, the size of the optical circuit is on the order of centimeters.
屈折率差を大きくした光導波路では、前述のシリコンコア光導波路では、曲率半径１０μｍ以下が実現可能であるが、伝搬損失は断面の揺らぎをナノメートルオーダに抑えても、現状では５ｄＢ／ｃｍ程度である。つまり１ｃｍの光配線でも、７０％の光を消失してしまうことになる。光回路をミクロンオーダで形成すれば、損失を抑えることが可能であるが、高密度光配線が可能であることを利用した小型光バッファ素子などに利用することは困難となってしまう。 In the optical waveguide with a large difference in refractive index, the above-mentioned silicon core optical waveguide can realize a radius of curvature of 10 μm or less, but the propagation loss is about 5 dB / cm at present even if the fluctuation of the cross section is suppressed to the nanometer order. It is. That is, 70% of the light is lost even with 1 cm optical wiring. If the optical circuit is formed on the micron order, the loss can be suppressed, but it becomes difficult to use it for a small optical buffer element utilizing the fact that high-density optical wiring is possible.
また、フォトニック結晶を用いた光導波路でも、フォトニックバンドギャップを利用するためには屈折率差を大きくする必要があるので、屈折率差が大きい材料構成が好ましい。更に、フォトニック結晶光導波路では、フォトニックバンドの傾きの操作により、光のスピードを従来の光導波路よりも極端に遅くすることが可能であるので、よりコンパクトな光回路内に前述の光バッファ機能を持たせることが可能となる。しかしながら、構造をナノメートルで制御しても、現状では５ｄＢ／ｃｍと伝搬損失が大きく、構造も複雑であるという課題がある。 Further, even in an optical waveguide using a photonic crystal, it is necessary to increase the refractive index difference in order to use the photonic band gap. Therefore, a material structure having a large refractive index difference is preferable. Furthermore, in the photonic crystal optical waveguide, the speed of light can be made extremely slower than that of the conventional optical waveguide by manipulating the inclination of the photonic band, so that the above-described optical buffer is incorporated in a more compact optical circuit. It becomes possible to have a function. However, even if the structure is controlled with nanometers, there is a problem that the propagation loss is as large as 5 dB / cm and the structure is complicated.
更に、コアとクラッドの屈折率差が大きいまま通常の光導波路を形成できれば、フォトニック結晶との接続導波路としても利用可能であり、フォトニック結晶構造による光制御素子とのモノリシック形成が可能となる。そのようなフォトニック結晶光制御素子として、例えば、特許文献１にあるような、光偏向素子や電気光学効果を利用した光スイッチがあり、これらとの接続に高屈折率差光導波路を用いることができる。しかしながら、前述のようにフォトニック結晶素子同士を接続する光配線としては、損失が大きいことが課題となる。 Furthermore, if a normal optical waveguide can be formed with a large difference in refractive index between the core and the clad, it can be used as a connection waveguide with a photonic crystal, and monolithic formation with a light control element with a photonic crystal structure is possible. Become. As such a photonic crystal light control element, for example, there are an optical deflection element and an optical switch using an electro-optic effect as disclosed in Patent Document 1, and a high refractive index difference optical waveguide is used for connection with these. Can do. However, as described above, the optical wiring that connects the photonic crystal elements has a problem that the loss is large.
以上のことから、曲がり導波路やフォトニック結晶光素子を接続する光配線としては、コアとクラッドの屈折率差が小さい光導波路を用いることができれば、光導波路全体の伝搬損失を減少させることが可能となり、高密度で機能的な光回路を実現できる。 From the above, if an optical waveguide with a small refractive index difference between the core and the clad can be used as the optical wiring for connecting the bent waveguide and the photonic crystal optical device, the propagation loss of the entire optical waveguide can be reduced. It is possible to realize a high-density and functional optical circuit.
ここで、コアとクラッドの屈折率差が小さい光導波路のことを低屈折率差導波路と呼び、コアとクラッドの屈折率差が大きい光導波路のことを高屈折率差導波路と呼ぶ。低屈折率差光導波路と、高屈折率差光導波路との結合の一例として、特許文献１の構成が用いられている。この構造では接続部分の高屈折率差光導波路を逆テーパ形状にすることで、等価屈折率を変化させることにより低損失な結合構造を実現している。
しかしながら、高屈折率差光導波路のコアサイズがサブミクロン角であり、それから徐々に形状を細くして、数十ナノメートルの大きさにまで減少させる構造を形成するためには、高精度なパターニング技術が必要となる。また、テーパ形状の始点でのクラッド部分の屈折率制御も必要となり、クラッドとコアの緻密な形状制御が必要となる。 However, in order to form a structure in which the core size of the high refractive index difference optical waveguide is a submicron angle, and then the shape is gradually reduced to a size of several tens of nanometers, high-precision patterning is required. Technology is required. Further, it is necessary to control the refractive index of the clad portion at the starting point of the taper shape, and it is necessary to control the shape of the clad and the core precisely.
本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、低損失で伝搬可能な低屈折率差光導波路と、曲がり損失が小さい高屈折率差光導波路とを、異なる光導波路層に形成し、その光導波路層に接続部分を形成することで、低損失な、高効率的に結合可能な複合光導波路を提供することを目的とする。 The present invention is for solving these problems, and a low refractive index difference optical waveguide capable of propagating with low loss and a high refractive index difference optical waveguide with small bending loss are formed in different optical waveguide layers. An object of the present invention is to provide a composite optical waveguide having a low loss and capable of being coupled with high efficiency by forming a connection portion in the optical waveguide layer.
前記問題点を解決するために、本発明の複合光導波路は、基板上に、コアとクラッドを含んで構成された複数の光導波路層を積層して形成されている。そして、本発明の複合光導波路によれば、各光導波路層におけるコアとクラッドとの屈折率差が異なり、更に各光導波路層内を含む各光導波路層の間に光結合現象を生じる接続部を設けたことに特徴がある。よって、低損失な、高効率的に結合可能な複合光導波路を提供できる。 In order to solve the above problems, the composite optical waveguide of the present invention is formed by laminating a plurality of optical waveguide layers including a core and a clad on a substrate. According to the composite optical waveguide of the present invention, the difference in refractive index between the core and the clad in each optical waveguide layer is different, and further, a connection portion that causes an optical coupling phenomenon between each optical waveguide layer including within each optical waveguide layer There is a feature in having provided. Therefore, it is possible to provide a composite optical waveguide that can be coupled efficiently with low loss.
また、接続部は光導波路層におけるコアの一部であることが、製造プロセスや結合効率から鑑みて好ましい。 Moreover, it is preferable that the connection part is a part of the core in the optical waveguide layer in view of the manufacturing process and coupling efficiency.
更に、本発明の複合光導波路は、基板上に、分離された複数のコアとクラッドを含んで構成された第１の光導波路層と、コアとクラッドを含んで構成された第２の光導波路層とを積層して形成して構成されている。そして、本発明の複合光導波路によれば、各光導波路層におけるコアとクラッドとの屈折率差が異なり、各光導波路層内を含む各光導波路層の間に光結合現象を生じる接続部を設けたことに特徴がある。よって、低損失な、高効率的に結合可能な光配線が可能となる。また、接続部は第２の光導波路層におけるコアの一部であることが好ましい。 Furthermore, the composite optical waveguide of the present invention includes a first optical waveguide layer configured to include a plurality of separated cores and cladding, and a second optical waveguide configured to include the core and cladding on the substrate. It is configured by laminating layers. According to the composite optical waveguide of the present invention, the refractive index difference between the core and the clad in each optical waveguide layer is different, and the connection portion that causes the optical coupling phenomenon between each optical waveguide layer including the inside of each optical waveguide layer is provided. It is characterized by the provision. Therefore, an optical wiring that can be coupled with high efficiency with low loss becomes possible. The connecting portion is preferably a part of the core in the second optical waveguide layer.
また、接続部は各光導波路層における各コアと離間して設けられていることにより、光が互いのコアの間で高効率にやり取りされる。 Further, since the connecting portion is provided apart from each core in each optical waveguide layer, light is exchanged between the cores with high efficiency.
更に、光導波路層が曲がり部分を有することにより、低損失な、高密度な配線が可能となる。 Furthermore, since the optical waveguide layer has a bent portion, low-loss and high-density wiring is possible.
また、屈折率差が大きい光導波路層内に設けられた曲がり部分の曲率半径が、屈折率差が小さい光導波路層内に設けられた曲がり部分の曲率半径よりも小さいことにより、素子面積を小さくでき、コンパクトで低損失な光伝送路を実現できる。 In addition, since the radius of curvature of the bent portion provided in the optical waveguide layer having a large refractive index difference is smaller than the radius of curvature of the bent portion provided in the optical waveguide layer having a small refractive index difference, the element area is reduced. It is possible to realize a compact and low-loss optical transmission line.
更に、光導波路はフォトニック結晶配列構造を有することにより、急激な偏向角を有する偏向子や波長または偏光フィルタなどを極めて小さいサイズで実現できる。 Furthermore, since the optical waveguide has a photonic crystal arrangement structure, a deflector having a steep deflection angle, a wavelength, a polarizing filter, or the like can be realized with an extremely small size.
また、光導波路は、フォトニック結晶配列構造のコアに、配列構成部がない欠陥部分を設けて形成されるフォトニック結晶欠陥光導波路であることにより、高密度光配線のための機能素子であるフォトニック結晶導波路と低損失伝搬する光導波路とを高効率で結合可能な複合光導波路を提供できる。 In addition, the optical waveguide is a functional element for high-density optical wiring by being a photonic crystal defect optical waveguide formed by providing a defect portion having no arrangement component in the core of the photonic crystal arrangement structure. It is possible to provide a composite optical waveguide capable of coupling a photonic crystal waveguide and an optical waveguide propagating with low loss with high efficiency.
本発明の複合光導波路によれば、光結合間隔を精密に制御し、かつコアとクラッドの屈折率分布を柔軟に取ることができる光導波路層を比較的容易に構成でき、かつ低損失な光伝搬が可能な低屈折率差光導波路と、素子サイズを決定する急激な曲がり導波路や強い機能を持たせることが可能なフォトニック結晶導波路を形成する高屈折率差光導波路を、それぞれ異なる光導波路層に設け、光導波路層のコア間に光結合現象を生じる接続部を設けることで、それらの光導波路を伝搬する光を高効率で結合させることが可能となる。このような構成により、低損失で高密度な光遅延素子、光バッファ素子、光メモリ素子などを提供できる。 According to the composite optical waveguide of the present invention, an optical waveguide layer capable of precisely controlling the optical coupling interval and flexibly taking the refractive index distribution of the core and the clad can be configured relatively easily, and low-loss light A low refractive index difference optical waveguide capable of propagating and a high refractive index difference optical waveguide forming a sharp bend waveguide that determines the element size and a photonic crystal waveguide that can have a strong function are different from each other. By providing the optical waveguide layer and connecting portions that generate an optical coupling phenomenon between the cores of the optical waveguide layer, it is possible to couple light propagating through the optical waveguides with high efficiency. With such a configuration, a low-loss and high-density optical delay element, optical buffer element, optical memory element, and the like can be provided.
図１は本発明の第１の実施の形態例に係る複合光導波路の構成を示す図である。同図の（ａ）は断面図、同図の（ｂ）は平面図、同図の（ｃ）は前面図である。同図に示す本実施の形態例の複合光導波路１００において、台座となる基板１０１上に光導波路層１１０，１２０が形成されている。この基板１０１は、ガラスなどの誘電体材料、シリコンなどの半導体材料、ニオブ酸リチウムなどの光学結晶材料であればよく、平坦かつ平行度が高い基板であれば、大面積に均一で素子が構成できるので、より好ましい。ここで、光導波路層１１０，１２０は、基板１０１に対して同一平面状にはなく、図１の（ａ）に示すように、基板１０１、光導波路層１１０、光導波路層１２０の順で積層されている。それぞれの光導波路層内では略同一の材料により、モノリシックに光導波路が形成され、それぞれの光導波路がつながっている必要はなく、また形状も同じ必要はない。ただし、積層部分の中間にある層は、上部に積層可能な平坦構造であることが好ましい。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a composite optical waveguide according to a first embodiment of the present invention. (A) of the figure is a sectional view, (b) of the figure is a plan view, and (c) of the figure is a front view. In the composite
また、光導波路層１１０は、コア１１１とクラッド１１２とから形成され、このコア１１１とクラッド１１２の間に屈折率の差を設けることで、光はコア１１１とクラッド１１２の境界面で反射しながら光は伝搬する。コア１１１の屈折率ｎ１がクラッド１１２の屈折率ｎ２よりも大きい場合、光は特定の周波数条件であれば、コア１１１とクラッド１１２の境界面で全反射するので、コア１１１内に光を強く閉じ込めることができる。ここで、境界面での製作上の揺らぎが無ければ、極めて低損失な光導波路を形成することが可能である。
The
同様に、光導波路層１２０は、コア１２１とクラッド１２２とから形成され、光伝搬構造になっている。これも同様に、コア１２１の屈折率がクラッド１２２の屈折率よりも高い構造になっていれば、全反射により光を閉じ込めることが可能である。
Similarly, the
図１では、光導波路層１２０のコア１２１とクラッド１２２の屈折率差は小さく、光導波路層１１０のコア１１１とクラッド１１２の屈折率差が大きい光導波路であると仮定して、以下では特性を記述するが屈折率差の大小は積層順序によらない。本発明では、光導波路層１１０は曲がり構造を含まない低損失伝搬に用いる光導波路であり、光導波路層１２０は低損失曲がり伝搬に用いる光導波路である。つまり、光導波路層１１０のコア１１１とクラッド１１２の屈折率差を小さくすることで、伝搬損失の増加を抑え、光導波路層１２０のコア１２１とクラッド１２２の屈折率差を大きくすることで、急激な曲がりを実現する。ここで、コアの屈折率をｎ１、クラッドの屈折率をｎ２としたとき、以下の式で定義される値を比屈折率差Δと呼ぶ。
In FIG. 1, it is assumed that the
Δ＝（ｎ１ ２−ｎ２ ２）／２ｎ１ ２ Δ = (n 1 2 −n 2 2 ) / 2n 1 2
この屈折率差によって、高屈折率差光導波路と低屈折率差光導波路の目安をつけることができる。 By this refractive index difference, it is possible to set a standard for a high refractive index difference optical waveguide and a low refractive index difference optical waveguide.
低屈折率差光導波路を有する光導波路層１１０の比屈折率差は５％以下が好ましく、より好ましくは１％以下である。このような比屈折率差は、ポリマーや二酸化シリコン、五酸化二タンタルなどの材料を、屈折率を調整した、二酸化シリコンなどをクラッドとして形成することで、実現可能である。これは、現在、実用化されている平面光回路に用いられている材料でもある。例えばコアの屈折率を１．５、クラッドの屈折率を１．４９と仮定すると、比屈折率差は０．６％となる。また、１０Ｇｂｐｓを超える外部高速変調器として実用化されているニオブ酸リチウム基板にチタン拡散による光導波路も比屈折率差は１％程度である。つまり、現在商用化されている光導波路の多くは低屈折率差光導波路である。
The relative refractive index difference of the
次に、低屈折率差光導波路を形成する方法の一例を以下に示す。
台座となるシリコンの基板に熱酸化もしくは成膜装置によりクラッド層を形成する。続けて、屈折率が高いクラッド層を成膜し、リソグラフィーとエッチングにより導波路のコア構造をパターニングする。パターニングでのレジストを除去するなどの表面処理後、コアをクラッド材料で覆うことで光導波路が形成できる。その後、研磨による表面の平坦化処理することで積層構造に適した構造にする。
Next, an example of a method for forming a low refractive index difference optical waveguide is shown below.
A clad layer is formed on a silicon substrate serving as a base by thermal oxidation or a film forming apparatus. Subsequently, a clad layer having a high refractive index is formed, and the core structure of the waveguide is patterned by lithography and etching. An optical waveguide can be formed by covering the core with a clad material after a surface treatment such as removing the resist by patterning. After that, the surface is flattened by polishing to obtain a structure suitable for a laminated structure.
一方、高屈折率差光導波路を有する光導波路層１２０の比屈折率差は１０％以上が好ましく、より好ましくは２０％以上である。このような比屈折率差は、コアとクラッドの屈折率差を大きくすることで実現可能である。例えばコアの屈折率を２とし、クラッドの屈折率を１．５としたら比屈折率差が２２％となる。また、コアの屈折率を３．５、クラッドの屈折率１．５としたときには比屈折率差は４１％となる。もちろん、大きな屈折率差を実現するためには、コアの下部を低屈折率媒質とし、上部と断面を空気クラッドとしてもよい。空気クラッドにすると、屈折率差がより大きく取ることが可能となる。たとえば、コアの屈折率を３．５、クラッドの屈折率を１．０（空気）としたときには比屈折率差は４６％となる。このように大きな屈折率差であれば、曲率半径を１μｍ程度にまで減少させることが可能となり、高密度な光配線が実現可能である。
On the other hand, the relative refractive index difference of the
屈折率が２程度のコアは、SiN(窒化シリコン)、Ta2O5(五酸化ニタンタル)、LiNbO3(ニオブ酸リチウム)、LiTaO3、SBN、KTNなどのガラス材料や光学結晶材料で構成できる。このような材料は光通信デバイスの材料として用いられている材料である。また、屈折率が３以上のコアを持つような材料でもよく、Si(シリコン)やGaAs(ガリウム砒素)、InP(インジウム燐)などの半導体材料と、低屈折率媒質との組み合わせで、このような高屈折率差光導波路を構成することも可能である。半導体材料は可視光領域の波長では不透明であるが、光通信に用いられる波長１．６μｍから１．３μｍの赤外光波長では透明として扱うことが可能である。低屈折率のクラッド材料としては、SiO2（熱酸化シリコン）やポリマー材料、一部の光学ガラスや光学結晶を用いることが可能である。 The core having a refractive index of about 2 can be made of glass materials or optical crystal materials such as SiN (silicon nitride), Ta 2 O 5 (nitrous pentoxide), LiNbO 3 (lithium niobate), LiTaO 3 , SBN, KTN, etc. . Such a material is a material used as a material for an optical communication device. Also, a material having a core with a refractive index of 3 or more may be used. Such a combination of a semiconductor material such as Si (silicon), GaAs (gallium arsenide), and InP (indium phosphorus) and a low refractive index medium is used in this way. It is also possible to construct a high refractive index difference optical waveguide. The semiconductor material is opaque at a wavelength in the visible light region, but can be treated as transparent at an infrared light wavelength of 1.6 μm to 1.3 μm used for optical communication. As the low refractive index cladding material, SiO 2 (thermally oxidized silicon), a polymer material, a part of optical glass or optical crystal can be used.
高屈折率差光導波路の製作方法も低屈折率差光導波路と同様な方法で形成可能である。しかし、屈折率が大きく異なる材料に対して、コア層を成膜する方法が必ずしも適しているとは限らない。ここでは、一例として、SiO2上にSiもしくはLiNbO3のコアを形成する方法を示す。まず、Si基板上に熱酸化もしくは成膜によりSiO2層を形成する。その後、SiO2面同士を接合し、片面を研磨により薄膜化することによりコア層を形成する。同様に、熱酸化膜を形成された基板上にSiO2層を形成し、LiNbO3を接合する。その後、LiNbO3を研磨などで薄膜化することにより、コア層を形成する。薄膜化には、イオン注入により界面を形成し、過熱や薬品処理により、その界面から薄膜層を切り出せる方式を利用しても良い。台座となる基板は、加熱処理を考えると、薄膜層と同じ材質を用いることが好ましいが、常温接合など、加熱処理を必要としないプロセスであれば、必ずしも同じ基板である必要はない。 The manufacturing method of the high refractive index difference optical waveguide can also be formed by the same method as the low refractive index difference optical waveguide. However, the method of forming the core layer is not always suitable for materials with significantly different refractive indexes. Here, as an example, a method of forming a core of Si or LiNbO 3 on SiO 2 is shown. First, a SiO 2 layer is formed on a Si substrate by thermal oxidation or film formation. Thereafter, the SiO 2 surfaces are bonded to each other, and one surface is thinned by polishing to form a core layer. Similarly, a SiO 2 layer is formed on a substrate on which a thermal oxide film is formed, and LiNbO 3 is bonded. Thereafter, the core layer is formed by thinning LiNbO 3 by polishing or the like. For thinning, a method in which an interface is formed by ion implantation and a thin film layer can be cut out from the interface by overheating or chemical treatment may be used. In consideration of heat treatment, the base substrate is preferably made of the same material as that of the thin film layer, but is not necessarily the same substrate as long as it is a process that does not require heat treatment such as room temperature bonding.
導波路を単純に積層構造にしただけでは、等価屈折率の急激な変化により、高効率での結合が困難となる。そこで、本発明では、図１に示すように、光導波路のコア１１１とコア１２１との間に接続部１３０を設けている。この接続部１３０により、光導波路層１１０を伝搬してきた光電力が光導波路層１２０に結合し伝搬していく。もちろん、その逆方向の伝搬も起こる。
If the waveguide is simply made into a laminated structure, it becomes difficult to perform high-efficiency coupling due to a sudden change in the equivalent refractive index. Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 1, a connecting
光結合は一般的には光ファイバカップラーのように、光導波路構造が同じである光導波路を波長と同程度の距離までに近接させると、それぞれのコア間で一方の光電力が徐々に他方の光導波路に移動するという現象である。この光結合は必ずしも同一の光導波路である必要はなく、伝搬モードの等価屈折率がほぼ等しければ起こる現象である。つまり、この現象を利用すれば、接続部にコアの屈折率や面積、クラッドの屈折率などを調整した構造により、光結合を起こすことが可能となる。 In general, when optical waveguides having the same optical waveguide structure, such as an optical fiber coupler, are brought close to each other at a distance similar to the wavelength, the optical power of one optical fiber gradually decreases between the cores. This is a phenomenon of moving to the optical waveguide. This optical coupling does not necessarily have to be the same optical waveguide, but occurs when the equivalent refractive index of the propagation mode is approximately equal. That is, if this phenomenon is used, optical coupling can be caused by a structure in which the refractive index and area of the core, the refractive index of the cladding, and the like are adjusted at the connection portion.
図１に示す第１の実施の形態例では、接続部１３０がコア１２１に直結している構造である。また、接続部１３０はコア１１１の直上に形成され、層厚方向の間隔は波長程度まで近接させ、光結合により光を乗り移らせる。コア１１１と接続部１３０がオーバラップしている距離は、それぞれの屈折率と形状に依存している。形状と屈折率は、図１に示すような高い屈折率で、断面積が小さいチャネル構造以外に、テーパ構造、逆テーパ構造、伝搬方向に不連続なチャネル構造の重ね合わせなどが考えられる。また、必ずしも接続部分の屈折率が最も高い必要はなく、コア１１１とコア１２１との中間の屈折率であっても良い。断面積形状も最も小さい必要はなく、高効率に結合する構造であれば、コア１１１とコア１２１の中間の大きさを持つようなサイズでも良い。更に、コア１２１の形状の一部が変化した構造である場合、光が結合する部分が接続部となる。
In the first embodiment shown in FIG. 1, the
ここで、同一面内で、光結合を起こさせるような構成を形成することは、複雑なコアのパターニングや、クラッドの屈折率調整が必要となり、高度なプロセス技術を必要とする。また、高屈折率差光導波路では光結合間隔がサブミクロンオーダとなり、プロセスの課題はさらに大きい。本発明のような、積層構造であれば、積層間隔は現在ではナノメートルで制御できる成膜装置が一般的であることから、リソグラフィーなどで構造を微調するよりは、積層間隔の調整をする方が、プロセス上、比較的容易である。 Here, forming a configuration that causes optical coupling within the same plane requires complicated patterning of the core and adjustment of the refractive index of the cladding, which requires advanced process technology. Further, in the high refractive index difference optical waveguide, the optical coupling interval is on the order of submicron, and the process problem is further increased. In the case of a laminated structure such as that of the present invention, a film forming apparatus in which the lamination interval can be controlled with nanometers is generally used. Therefore, it is preferable to adjust the lamination interval rather than fine-tuning the structure by lithography or the like. However, it is relatively easy on the process.
図２は本発明の第２の実施の形態例に係る複合光導波路の構成を示す図である。同図の（ａ）が断面図であり、同図の（ｂ）が平面図である。同図に示す本実施の形態例の複合光導波路２００は、コア２１１とクラッド２１２を有する低屈折率差光導波路層２１０と、コア２２１とクラッド２２２を有する高屈折率差光導波路層２２０とを含んで構成されている。ここでは、接続部２３０がコア２１１とコア２２１との間にあることで、光が互いのコアの間で、高効率にやり取りされる。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a composite optical waveguide according to the second embodiment of the present invention. (A) of the figure is a sectional view, and (b) of the figure is a plan view. The composite optical waveguide 200 according to the present embodiment shown in the figure includes a low refractive index difference
図２では接続部２３０がクラッド２１２内にある構成であるが、図３のように、高屈折率差光導波路層２２０のクラッド２２２内にあるような構成でもよい。また、図４のように、接続部２３０が、高屈折率差光導波路層２２０のクラッド２２２と低屈折率差光導波路２１０のクラッド２１２とは異なる屈折率を持つ層２４０内にある構成でもよい。図２ではコア２１１，２２１はそれぞれ接続部２３０と一部しかオーバラップしていないが、接続部２３０の全体がオーバラップしていても良いし、コア２１１とコア２２１が上部から見て重なっている構造でも良い。ただし、接続部２３０とそれぞれのコア２１１，２２１との間隔は波長程度である必要がある。
In FIG. 2, the
図５は本発明の第３の実施の形態例に係る複合光導波路の構成を示す図である。同図の（ａ）が断面図であり、同図の（ｂ）が平面図である。同図に示す本実施の形態例の複合光導波路３００は、コア３１１とクラッド３１２を有する低屈折率差光導波路層３１０と、コア３２１とクラッド３２２を有する高屈折率差光導波路層３２０とを含んで構成されている。そして、コア３１１が同一面内に形成され、それらをクラッド３１２によって接続する構成である。接続部３３０は高屈折率差導波路層３２０にある構成であるが、前述のような接続部の構成であってもよい。このような構成にすることにより、高屈折率差光導波路層３２０がもつ特徴を生かした光配線が可能となる。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a composite optical waveguide according to the third embodiment of the present invention. (A) of the figure is a sectional view, and (b) of the figure is a plan view. The composite
図６は本発明の第４の実施の形態例に係る複合光導波路の構成を示す図である。同図の（ａ）が断面図であり、同図の（ｂ）が平面図である。同図に示す本実施の形態例の複合光導波路４００は、コア４１１とクラッド４１２を有する低屈折率差光導波路層４１０と、コア４２１とクラッド４２２を有する高屈折率差光導波路層４２０と、コア４３１とクラッド４３２を有する低屈折率差光導波路層４３０とを含んで構成されている。接続される光導波路が異なる平面内にあるときの接続を示している。図６では、低屈折率差光導波路層４１０、高屈折率差光導波路層４２０、低屈折率差光導波路層４３０が基板４５０に積層され、低屈折率差光導波路層４１０と低屈折率差光導波路層４３０とを接続するために高屈折率差光導波路層４２０を設けている。このような構成であれば、コアとクラッドの屈折率差が異なる光導波路を、高精度なパターニング技術を用いずに、成膜だけで構成できる。前述と同様に、接続部４４０は高屈折率差導波路層４２０にある構成であるが、前述のような接続部の構成であってもよい。このような構成にすることにより、それぞれの平面内に形成されている光導波路の特性を生かした光配線が可能となる。
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of a composite optical waveguide according to the fourth embodiment of the present invention. (A) of the figure is a sectional view, and (b) of the figure is a plan view. The composite
図７は本発明の第５の実施の形態例に係る複合光導波路の構成を示す図である。同図の（ａ）は低屈折率差光導波路層と高屈折率差光導波路層からなる高密度光配線の一例を示した斜視図であり、同図の（ｂ）は低屈折率差光導波路層のコアが複数配置されている平面である。低屈折率差光導波路層５１０のコア５１１が複数配置されている平面上に高屈折率差光導波路層（図示せず）が積層されている。同図の（ａ）に示すように、本実施の形態例の複合光導波路５００は、高屈折率差光導波路層のコア５２１を有し、低屈折率差光導波路層５１０と高屈折率差光導波路層とを接続する接続部５３０を有している。本実施の形態例の場合はコアが空気クラッドに露出されている構成をしている。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a composite optical waveguide according to the fifth embodiment of the present invention. (A) of the figure is a perspective view showing an example of a high-density optical wiring composed of a low refractive index difference optical waveguide layer and a high refractive index difference optical waveguide layer, and (b) of the figure is a low refractive index difference optical waveguide. It is a plane on which a plurality of cores of the waveguide layer are arranged. A high refractive index difference optical waveguide layer (not shown) is laminated on a plane on which a plurality of
このような構造であれば、屈折率差が大きく取れるため、高屈折率差光導波路の特色である曲率半径がミクロンオーダである曲がりを実現できる。図７では低屈折率差光導波路層の長さと、高屈折率差光導波路層の大きさは同じ程度で示しているが、例えば直線状の低屈折率差光導波路層の長手方向の長さを１ｃｍ、高屈折率差光導波路層の曲率半径を５０μｍとすると、極めてコンパクトに光導波路を折りたたむことが可能となる。さらに結合部の長さを最大１ｃｍ取ることができるので、徐々に光電力を移行させる構造も構成可能となる。 With such a structure, a large difference in refractive index can be obtained, so that a bend having a radius of curvature on the order of microns, which is a feature of the high refractive index difference optical waveguide, can be realized. In FIG. 7, the length of the low refractive index difference optical waveguide layer and the size of the high refractive index difference optical waveguide layer are shown to be approximately the same. For example, the length in the longitudinal direction of the linear low refractive index difference optical waveguide layer is shown. Is 1 cm, and the radius of curvature of the high refractive index difference optical waveguide layer is 50 μm, the optical waveguide can be folded very compactly. Furthermore, since the maximum length of the coupling portion can be 1 cm, a structure for gradually shifting the optical power can be configured.
次に、高密度配線の効果の一例として、以下で光バッファ機能に示す。
例えば、１ｎｓの光遅延を起こさせるために、必要な光配線の長さは、コアの屈折率を１．５と仮定したときに、２０ｃｍとなる。この長さの光配線を低屈折率差導波路で実現しようとするときの損失とサイズを考える。低屈折率差光導波路の伝搬損失が０．１ｄＢ／ｃｍ以下とすると、２０ｃｍ伝搬による損失は２ｄＢ以下となる。しかし、直線で構成すると、２０ｃｍの素子サイズが必要となり、さらに曲げ構造を導入して素子をコンパクト化しようとすると、低損失な曲率半径が１ｃｍ以上と程度となるために、素子面積は大きくなり、高密度な光配線を実現できない。
Next, as an example of the effect of high-density wiring, an optical buffer function will be described below.
For example, in order to cause an optical delay of 1 ns, the required length of the optical wiring is 20 cm when the refractive index of the core is assumed to be 1.5. Consider the loss and size when an optical wiring of this length is to be realized with a low refractive index difference waveguide. If the propagation loss of the low refractive index difference optical waveguide is 0.1 dB / cm or less, the loss due to 20 cm propagation is 2 dB or less. However, if it is configured with a straight line, an element size of 20 cm is required. Further, if an attempt is made to make the element compact by introducing a bending structure, since the low-loss radius of curvature is about 1 cm or more, the element area increases. High-density optical wiring cannot be realized.
一方、高屈折率差光導波路であれば、コアの屈折率を３として、１ｎｓの光遅延に必要な光配線の長さは、１０ｃｍとなる。この導波路では、曲率半径がミクロンオーダであるので、１ｃｍ角内のチップに光導波路を収めることが可能であるが、伝搬損失が１ｄＢ／ｃｍであっても、１０ｃｍ伝搬させると、１０ｄＢの損失を生じてしまうことになる。さらに、現状の５ｄＢ／ｃｍであると５０ｄＢの損失となり、ほとんど光信号を検出することができない。 On the other hand, in the case of a high refractive index difference optical waveguide, the refractive index of the core is 3, and the length of the optical wiring required for the optical delay of 1 ns is 10 cm. In this waveguide, since the radius of curvature is on the order of microns, it is possible to fit the optical waveguide in a chip within a 1 cm square. However, even if the propagation loss is 1 dB / cm, the loss is 10 dB when propagating 10 cm. Will end up. Furthermore, if it is 5 dB / cm at present, a loss of 50 dB results, and almost no optical signal can be detected.
以上ことから、低屈折率差光導波路だけでも高屈折率差光導波路だけでも、コンパクトで低損失な光伝送路としての複合光導波路の実現が困難である。そこで、本発明のように低屈折率差光導波路と高屈折率差光導波路を組み合わせ、それらの結合を低損失で可能とする構成であれば、上記課題を解決できる。図７の（ｂ）に示すように、例えば２０ｃｍの光導波路を２０分割並列配置し、それらを高屈折率差光導波路の数１０μｍの曲がり導波路で結合すれば、素子の占有面積は１０ｍｍ×１ｍｍ程度の高密度光配線が可能となる。このとき、伝搬損失は２ｄＢ以下、高屈折率差光導波路と低屈折率差光導波路との接続損失が０．１ｄＢとしたときに２ｄＢ程度となり、全体として４ｄＢ以下の損失で、高密度光配線が可能となる。伝搬損失は、高精度なリソグラフィーを用いると、１ｄＢ以下改善することが可能であり、接続損失も構造の最適化で、０．０５ｄＢ以下と、ほとんど無損失とすることが可能となるので、全体の損失を２ｄＢ以下とすることが可能となる。 For the above reasons, it is difficult to realize a composite optical waveguide as a compact and low-loss optical transmission line using only a low refractive index difference optical waveguide or only a high refractive index difference optical waveguide. Therefore, the above-described problems can be solved by combining the low refractive index difference optical waveguide and the high refractive index difference optical waveguide and combining them with low loss as in the present invention. As shown in FIG. 7 (b), for example, when 20-cm optical waveguides are arranged in parallel in 20 sections and they are coupled by a bent waveguide having several tens of micrometers of a high refractive index difference optical waveguide, the occupied area of the element is 10 mm × High-density optical wiring of about 1 mm is possible. At this time, the propagation loss is 2 dB or less, and when the connection loss between the high refractive index difference optical waveguide and the low refractive index difference optical waveguide is 0.1 dB, the loss is about 2 dB, and the overall loss is 4 dB or less. Is possible. Propagation loss can be improved by 1 dB or less when using high-precision lithography, and connection loss can be made almost lossless by 0.05 dB or less by optimizing the structure. Loss of 2 dB or less.
図８は本発明の第６の実施の形態例に係る複合光導波路の構成を示す平面図である。同図に示す本実施の形態例の複合光導波路６００は、曲がり導波路を用いた光信号分配構造を有し、低屈折率差光導波路６１０、高屈折率差光導波路６２０及び接続部６３０を含んで構成されている。なお、光導波路形状を変えることで接続部となる構造とすることも可能である。低屈折率差光導波路に分岐構造を導入する場合、分岐部分の広がり角度を大きく取ることができない。通常のＹ字型分岐構造であれば、分岐広がり角度は１０°以下であり、光電力を完全に分離するためには１００μｍ以上の距離を伝搬させる必要がある。しかし、図８のような構造であると、分岐部分が占める面積は１０μｍ角程度になり、コンパクトな信号分離構造を形成することが可能となる。
FIG. 8 is a plan view showing a configuration of a composite optical waveguide according to the sixth embodiment of the present invention. The composite
図９は本発明の第７の実施の形態例に係る複合光導波路の構成を示す図である。同図の（ａ）が断面図であり、同図の（ｂ）が平面図である。同図に示す本実施の形態例の複合光導波路７００は、コア７１１，７１２とクラッド７１３を有する低屈折率差光導波路層７１０と、コア７２１とクラッド７２２を有する高屈折率差光導波路層７２０とを含んで構成されている。また、高屈折率差光導波路層７２０のコア７２１には２次元フォトニック結晶構造が形成されている。
FIG. 9 is a diagram showing the configuration of a composite optical waveguide according to the seventh embodiment of the present invention. (A) of the figure is a sectional view, and (b) of the figure is a plan view. The composite
フォトニック結晶とは、光の波長程度の屈折率分布を有する屈折率周期構造である。原理的には、１次元、２次元、３次元的に分布させることが可能であり、それぞれ１次元、２次元、３次元のフォトニック結晶配列と呼ばれている。２次元フォトニック結晶は、図９の（ｂ）のようにコアの層厚方向には周期構造を設けず、面内方向に、例えば誘電率が低いホール構造による周期構造を設けた構造である。図９の（ｂ）では屈折率が高い構造に、ホール構造を形成しているが、屈折率が高いピラー構造でも良いし、必ずしもホールやピラーが円形形状である必要は無く、三角形などの多角形でも良い。 A photonic crystal is a refractive index periodic structure having a refractive index distribution of about the wavelength of light. In principle, it can be distributed one-dimensionally, two-dimensionally, or three-dimensionally, and is called a one-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional photonic crystal array. As shown in FIG. 9B, the two-dimensional photonic crystal has a structure in which no periodic structure is provided in the core layer thickness direction and a periodic structure having a hole structure with a low dielectric constant is provided in the in-plane direction. . In FIG. 9B, the hole structure is formed in the structure having a high refractive index. However, a pillar structure having a high refractive index may be used, and the holes and pillars do not necessarily have a circular shape. It may be square.
図９において、コア７１１を伝搬してきた光は、接続部７２１により結合し、フォトニック結晶配列のコア７２１に入射する。フォトニックバンドギャップと呼ばれる光の禁制帯域の光に対して、光は反射されコア７１１に戻ってくるが、フォトニックバンドギャップ以外の伝搬光に対しては、光はフォトニック結晶配列のコア７２１を透過して、コア７１２に結合して伝搬していく。このように、フォトニック結晶構造により、通常では実現不可能な、急激な偏向角を有する偏向子や波長または偏光フィルタなどを、極めて小さい素子サイズで実現可能となる。
In FIG. 9, the light propagating through the
図１０は本発明の第８の実施の形態例に係る複合光導波路の構成を示す図である。同図の（ａ）が平面図であり、同図の（ｂ）が斜視図である。同図において、図９と同じ参照符号は同じ構成要素を示すものとする。同図に示すように、フォトニック結晶配列で一部の円孔を埋めた構造による欠陥部分８０１を形成している。このようなフォトニック結晶配列による光導波路は、この欠陥部分８０１を光が伝搬するため、フォトニック結晶欠陥光導波路と呼ばれている。このようなフォトニック結晶欠陥光導波路との結合により、ミクロンオーダの曲がり構造や分岐構造、フォトニック結晶のバンド端での群速度異常効果を用いた分散補償素子、光遅延素子などを、極めて小さいサイズで実現可能となる。
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a composite optical waveguide according to the eighth embodiment of the present invention. (A) of the same figure is a top view, (b) of the same figure is a perspective view. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 9 denote the same components. As shown in the figure, a
図１１はフォトニック結晶線欠陥導波路にフォトニック結晶での構造を付加した構成を示す平面図である。同図において、線欠陥導波路部分９０１，９０２と、フィルタ部分９０３とから構成されている。フィルタ部分９０３には欠陥構造があってもよい。このように、フォトニック結晶機能素子を組み合わせることにより複雑な機能を持たせた素子を形成し、それらを低損失な光導波路で接続することが可能となる。
FIG. 11 is a plan view showing a configuration in which a photonic crystal structure is added to a photonic crystal line defect waveguide. In the figure, it is composed of line
図９〜図１１ではフォトニック結晶と低屈折率差光導波路との接続に接続部としてチャネル型の構成を示したが、この接続部をフォトニック結晶で構成することも可能である。図１２はフォトニック結晶線欠陥導波路の欠陥導波路部分に構造を付加することにより接続構造とした例を示す平面図である。同図において、低屈折率差光導波路のコア１００１，１００２を有し、またフォトニック結晶導波路の線欠陥部分１００３がある。そして、結合をさせるための結合部分を有している。ここでは等価屈折率をあわせるために微小な円孔を配置しているが、ストライプ構造、周辺のフォトニック結晶配列の形状や大きさを変化させた構成をとることも可能である。このような構成により、フォトニック結晶と同一なパターン転写により、接合部を形成することが可能となり、製作プロセスの工程を減らすことが可能となる。
9 to 11 show a channel-type configuration as a connection portion for connection between the photonic crystal and the low refractive index difference optical waveguide, it is also possible to configure this connection portion with a photonic crystal. FIG. 12 is a plan view showing an example in which a connection structure is formed by adding a structure to the defect waveguide portion of the photonic crystal line defect waveguide. In the figure, there are
次に、本発明の複合光導波路の製作方法の一例を以下に示す。
先ず、土台となる基板上に、低屈折率差光導波路層を形成する。そして、成膜によりクラッドとコアとなる層を形成する。成膜にはプラズマＣＶＤ、スピンコート、スパッタ、結晶成長など、材料に適した成膜方法を取れる。次に、成膜されたコア部分にパターニングにより光導波路部分に対応した形状を転写し、その部分を低屈折率媒質で埋める。コアがある部分が盛り上がる可能性があるので、基板表面を研磨により平坦化する。
Next, an example of a method for manufacturing the composite optical waveguide of the present invention will be described below.
First, a low refractive index difference optical waveguide layer is formed on a base substrate. And the layer used as a clad and a core is formed by film-forming. For film formation, a film formation method suitable for the material such as plasma CVD, spin coating, sputtering, or crystal growth can be employed. Next, the shape corresponding to the optical waveguide portion is transferred to the formed core portion by patterning, and the portion is filled with a low refractive index medium. Since there is a possibility that the portion where the core is present is raised, the substrate surface is flattened by polishing.
次に、接続部分を有する高屈折率差光導波路層を形成する。低屈折率差光導波路層と同様に成膜により形成することも可能であるが、屈折率差が大きく異なる材料や、電気光学材料といったアクティブ素子を形成することは成膜では格子不整合などの課題により困難である。そこで、ここでは、予め台座に形成してある薄膜を、低屈折率差光導波路層が形成されている基板と接合することで、薄膜形成する方法をとる。接合には、接着剤を使う方式や、プラズマ活性化法による直接接合、融着技術を用いた接合、陽極接合などの方法を材料や膜厚に適した方法をとる。薄膜化には、予めエッチストップ層を導入しておいてウェットエッチングによる台座除去法、研磨による台座除去法やイオン注入などにより界面を形成しておいた後に加熱や薬品により界面を分離する方法などを用いることで可能である。 Next, a high refractive index difference optical waveguide layer having a connection portion is formed. It can be formed by film formation in the same way as the low refractive index difference optical waveguide layer. However, forming active elements such as materials with significantly different refractive index differences and electro-optic materials is not suitable for lattice mismatch. Difficult due to problems. Therefore, here, a method of forming a thin film by bonding a thin film previously formed on a pedestal to a substrate on which a low refractive index difference optical waveguide layer is formed is employed. For bonding, a method using an adhesive, direct bonding using a plasma activation method, bonding using a fusion technique, anodic bonding, or the like is used. For thin film formation, an etch stop layer is introduced in advance and the base is removed by wet etching, the base is removed by polishing, or the interface is formed by ion implantation, and then the interface is separated by heating or chemicals. Is possible by using.
以上のようにして形成された薄膜構造に、リソグラフィーとエッチングによりコアを形成して、その後に低屈折率媒質でコアを埋めることで、高屈折率差光導波路層を形成する。光反射層に空気である場合は、埋める必要はない。リソグラフィーには電子ビーム描画の他、フォトリソグラフィー、レーザ加工などが利用でき、エッチングはプラズマエッチングによるドライエッチングの他に、薬品によるウェットエッチングが利用できる。電界を印加する場合には、形成された複合光導波路の上下に電極を印加することにより、電界印加構成を形成可能となる。 A high refractive index difference optical waveguide layer is formed by forming a core in the thin film structure formed as described above by lithography and etching and then filling the core with a low refractive index medium. If the light reflecting layer is air, it is not necessary to fill it. In addition to electron beam drawing, lithography, laser processing, and the like can be used for lithography, and wet etching with chemicals can be used for etching as well as dry etching by plasma etching. When an electric field is applied, an electric field application configuration can be formed by applying electrodes above and below the formed composite optical waveguide.
本発明の複合光導波路に機能を持たせることができるアクティブな構造あると、光変調器、光スイッチなどへの応用が可能となる。高速な屈折率変化を起こす材料を用いれば、高速な素子が期待できる。そのためには、光伝搬層は電気光学効果を示す材料で構成されていることが望ましい。電気光学効果を示す材料としては、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸チタン、ＫＴＰ等の無機結晶、ＰＺＴ，ＰＺＬＴ等のセラミックス、アゾ色素、スチルベンゼン色素、ダストなどの有機分子または有機結晶、さらには量子井戸構造を有する半導体結晶を用いることができる。 If the composite optical waveguide of the present invention has an active structure that can provide a function, it can be applied to an optical modulator, an optical switch, or the like. If a material that causes a high-speed refractive index change is used, a high-speed element can be expected. For this purpose, the light propagation layer is preferably made of a material exhibiting an electro-optic effect. Materials exhibiting an electro-optic effect include inorganic crystals such as lithium niobate, titanium niobate, and KTP, ceramics such as PZT and PZLT, azo dyes, stilbene dyes, organic molecules or organic crystals such as dust, and quantum wells. A semiconductor crystal having a structure can be used.
その他、無機光学材料として、ＡＤＰ（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４）、ＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４）、ＤＫＤＰ（ＫＤ２ＰＯ４）、ＲＤＰ（ＲｂＨ２ＰＯ４）、ＲＤＡ（ＲｂＨ２ＡｓＯ４）、ＬＮ、ＬＴ、ＫＮ、ＫＴ、ＢＮＮ、ＳＢＮ、ＬＩ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＢＳＯ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＺｎＴｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ａｇ３ＡｓＳ３、Ａｇ３ＳｂＳ３、ＡｇＧａＳ２、ＡｇＧａＳｅ２、ＺｎＧｅＰ２、ＧｄＧｅＡｓ２、Ｂｉ１２ＳｉＯ２０、Ｂｉ１２ＧｅＯ２０、Ｂｉ１２ＴｉＯ２０、ＫＴｉＯＡｓＯ４、ＫＴｉＯＰＯ４、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＫＴａＯ３、ＫＴａ０．６５Ｎｂ０．３５Ｏ３、Ｃｄ２Ｎｂ２Ｏ７、ＬａＢＧｅＯ５、セラミックスとしてＰＺＴ、ＰＬＺＴ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、Ｓｂ、Ｚｎ、ＳｅのＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族半導体混晶である半導体量子井戸構造、有機光学材料として、アゾ色素、スチルベンゼン色素、ダスト、ポリジアセチレン、ｍＮＡ、ＭＮＡ、ＭＡＰ、ＰＯＭ、ＤＡＮ、ＤＩＶＡ、ＮＰＰ、ＣＯＡＮＰ、ＭＮＢＡ、ＭＭＯＮＳ、ＭＢＡＮＰ、ＴＣ−２８、ＤＮＢＢ、ＤＭＮＰ、ＭＮＡ、ＭＮＰ、ＭＭＮＡ、ＰＣＮＢ、ＥＣＮＢ、ＩＰＭＰＵ，ＥＣＰＭＤＡ、ｐ−ＮＭＤＡ、ＭＮＰＭＤＡ、４ＮｐＮａ、ホストゲスト系材料、高分子側錯あるいは主錯にＮＬＯ基を化学結合した修飾型材料、架橋系材料があり、ホストゲスト系材料として、ホストポリマー（ＬＣＰ、ＰＭＭＡ、ＰＯＥ、Ｐｏｌｙ（Ｖｐ−ｃｏ−Ｓｔ）、ＰＶＰ、ＰＲＯ、ＰＣＬ、ＰＢＳＳｅ、ＰＢＤＧ）とゲスト色素（ＤＡＮＳ、ＤＡＮＳ３３、ＤＲ１、ＤＣＶ、ＴＣＶ、ｐ−ＮＭＤＡ、ｐ−ＮＡ、ｐ−ＤＭＮＰ、ＣＰＡＢＭＣＡ、ＭＮＡ）の組み合わせ、高分子側錯あるいは主錯にＮＬＯ基を化学結合した修飾型材料で、ＮＬＯポリマーとして、Ｐｏｌｙ（Ｓｔ−ＤＲ１）、Ｐｏｌｙ（Ｓｔ−ＤＡＳＰ）、Ｐｏｌｙ（Ｓｔ−ＮＰＰ）、Ｐｏｌｙ（ＭＭＡ−ＨＮＳ）、Ｐｏｌｙ（ＭＭＡ−ｃｏ−ＭＭＡ−ＤＣＶ）、Ｐｏｌｙ（Ｓｔ−ｃｏ−ＭＡＡＢ）、Ｐｏｌｙ（Ｓｔ−ｃｏ−ＭＡＢＡ）、Ｐｏｌｙ（Ｓｔ−ｃｏ−ＭＡ−ＣＭ）、Ｐｏｌｙ（ＭＭＡ−ｃｏ−ＭＭＡ−ＤＲ１）、Ｐｏｌｙ（ｏｒｇａｎｏｐｈｏ−ｓｐｈａｚｅｎｅ−ＡＮＳ）、ＰＰＮＡ、Ｐｏｌｙ（ＶＡ−ｃｏ−Ｖａｔ−ＮＡ）、Ｐｏｌｙ（ＶＡｃ−ｃｏ−Ｖａｔ−ＮＡ）、Ｐｏｌｙ（ＳＴ−ＮＡ）、Ｐｏｌｙ（ＭＭＡ−ＮＡ）、Ｐｏｌｙ（ＭＭＡ−ｃｏ−ＭＭＡ−２Ｒ）、Ｐｏｌｙ（ＭＭＳ−ｃｏ−ＭＭＡ−３Ｒ）、Ｐ６ＣＳ/ＭＭＡ、ポリアリルアミン、ｐＮＡ−ＥＧ、ＰＭＭＡ/ＭＮＡ、ｐＮＡ−ＰＶＡ、Ｐｏｌｙ（ＶＤＣＮ−ｃｏ−ＶＡｃ）、ＭＳＭＡ、架橋系材料として、（架橋モノマーポリマー、ＮＬＯ色素）の組み合わせで、（Ｂｉｓ−Ａ、ＮＰＤＡ）、（Ｂｉｓ−Ａ、ＡＮＴ）、（ＮＮＤＮ、ＮＡＮ）、（ＤＧＥ＋ＰＳ（Ｏ）、ＮＰＰ）、（ＰＶＣＮ、ＣＮＮＢ−Ｒ）、ＬＢ膜材料として、ＤＣＡＭＰ、ＦＡ６、ＰＯ８６、ＡＯＤＡ、ＴＭＳＣ、Ｐｏｌｙ（ＨＥＡ−ｃｏ−Ａ−ＡＳＢ）、ＰｔＢＭ、高分子系３次非線形光学材料として、ポリジアセチレン（ＰＴＳ、ＴＣＤＵ、ＤＣＨＤＦＭＰ、ＢＴＦＰ、ｍＢＣＭＵ）、ポリアセチレン誘導体、ポリフェニルアセチレン誘導体、ポリアリレンビニレン（ＰＰＶ、ＰＴＶ、ＭＯ−ＰＰＶ、ＰＦＶ）、ポリチオフェン、アヌレン類、フタロシアニン、フラーレン、なども利用可能である。 Other inorganic optical materials include ADP (NH 4 H 2 PO 4 ), KDP (KH 2 PO 4 ), DKDP (KD 2 PO 4 ), RDP (RbH 2 PO 4 ), RDA (RbH 2 AsO 4 ), and LN. , LT, KN, KT, BNN, SBN, LI, BBO, LBO, BSO, GaAs, GaP, InP, ZnTe, ZnSe, ZnS, ZnO, CdTe, CdS, CdSe, Te, Se, Ag 3 AsS 3 , Ag 3 SbS 3, AgGaS 2, AgGaSe 2 , ZnGeP 2, GdGeAs 2, Bi 12 SiO 20, Bi 12 GeO 20, Bi 12 TiO 20, KTiOAsO 4, KTiOPO 4, BaTiO 3, SrTiO 3, KTaO 3, KTa 0.65 Nb 0.35 O 3, Cd 2 Nb 2 O 7, LaBGe 5, PZT as ceramics, PLZT, Ga, In, Al , As, P, N, Sb, Zn, III-V Group Se, semiconductor quantum well structure is a Group II-VI semiconductor mixed crystal, as an organic optical material, Azo dye, Still benzene dye, Dust, Polydiacetylene, mNA, MNA, MAP, POM, DAN, DIVA, NPP, COANP, MNBA, MMONS, MBANP, TC-28, DNBB, DMNP, MNA, MNP, MMNA, PCNB, There are ECNB, IPMPU, ECPMDA, p-NMDA, MNPMDA, 4NpNa, host guest materials, modified materials in which NLO groups are chemically bonded to the polymer side complex or main complex, and cross-linked materials. Polymer (LCP, PMMA, POE, Poly (Vp-co-S t), PVP, PRO, PCL , PBSSe, PBDG) and guest dye (DANS, DANS 33, DR1, DCV, TCV, p-NMDA, p-NA, p-DMNP, CPABMCA, the combination of the MNA), polymer side This is a modified material in which NLO group is chemically bonded to the complex or main complex. As the NLO polymer, Poly (St-DR1), Poly (St-DASP), Poly (St-NPP), Poly (MMA-HNS), Poly ( MMA-co-MMA-DCV), Poly (St-co-MAAB), Poly (St-co-MABA), Poly (St-co-MA-CM), Poly (MMA-co-MMA-DR1), Poly (Organopho-sphazene-ANS), PPNA, Poly (VA-co-Vat NA), Poly (VAc-co-Vat-NA), Poly (ST-NA), Poly (MMA-NA), Poly (MMA-co-MMA-2R), Poly (MMS-co-MMA-3R), P6CS / MMA, polyallylamine, pNA-EG, PMMA / MNA, pNA-PVA, Poly (VDCN-co-VAc), MSMA, as a cross-linking material, (Bis- A, NPDA), (Bis-A, ANT), (NNDN, NAN), (DGE + PS (O), NPP), (PVCN, CNNB-R), LB film materials, DCAMP, FA6, PO86, AODA, TMSC , Poly (HEA-co-A-ASB), PtBM, and polydiary as a high-order third-order nonlinear optical material Tylene (PTS, TCDU, DCHDFMP, BTFP, mBCMU), polyacetylene derivatives, polyphenylacetylene derivatives, polyarylene vinylene (PPV, PTV, MO-PPV, PFV), polythiophene, annulenes, phthalocyanines, fullerenes, etc. are also available It is.
光導波路のクラッドを形成する低屈折率材料としては、フッ化マグネシウムＭｇＦ２、フッ化カルシウムＣａＦ２などがあり、これらの材料に対して、スパッタ装置などを用いると比較的容易に成膜可能である。 Examples of the low refractive index material for forming the cladding of the optical waveguide include magnesium fluoride MgF 2 and calcium fluoride CaF 2 , and these materials can be formed relatively easily by using a sputtering apparatus or the like. is there.
その他の光導波路材料として、Al2O3、MgO、ZrO2、ZnO、Ta2O5、TiO2、Nb2O2などの誘電体の組み合わせがあり、これらの材料に対しても、スパッタ、電子ビーム蒸着、イオンプレーティングなどの方式で成膜することが可能となる。さらに、半導体膜は分子線ビームエピタキシー（MBE）法や有機金属気相成長（MOCVD）法により、成膜することが可能である。 Other optical waveguide materials include combinations of dielectrics such as Al 2 O 3 , MgO, ZrO 2 , ZnO, Ta 2 O 5 , TiO 2 , and Nb 2 O 2 . It is possible to form a film by a method such as electron beam evaporation or ion plating. Furthermore, the semiconductor film can be formed by molecular beam epitaxy (MBE) or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
なお、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications and substitutions are possible as long as they are described within the scope of the claims.
１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００；複合光導波路、１０１；基板、１１０，１２０；光導波路層、
１１１，１２１；コア、１１２，１２２；クラッド、
１３０；接続部。
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700; composite optical waveguide, 101; substrate, 110, 120; optical waveguide layer,
111, 121; core, 112, 122; clad,
130: Connection part.
Claims (9)
前記各光導波路層における前記コアと前記クラッドとの屈折率差が異なり、前記各光導波路層内を含む前記各光導波路層の間に光結合現象を生じる接続部を設けたことを特徴とした複合光導波路。 In a composite optical waveguide formed by laminating a plurality of optical waveguide layers configured to include a core and a clad on a substrate,
A difference in refractive index between the core and the clad in each of the optical waveguide layers is different, and a connecting portion that generates an optical coupling phenomenon is provided between the optical waveguide layers including each of the optical waveguide layers. Composite optical waveguide.
前記各光導波路層における前記コアと前記クラッドとの屈折率差が異なり、前記各光導波路層内を含む前記各光導波路層の間に光結合現象を生じる接続部を設けたことを特徴とする複合光導波路。 A composite light beam formed by laminating a first optical waveguide layer configured to include a plurality of separated cores and cladding and a second optical waveguide layer configured to include a core and cladding on a substrate. In the waveguide,
A difference in refractive index between the core and the clad in each of the optical waveguide layers is different, and a connecting portion that generates an optical coupling phenomenon is provided between the optical waveguide layers including the inside of the optical waveguide layers. Composite optical waveguide.
The composite optical waveguide according to claim 8, wherein the optical waveguide is a photonic crystal defect optical waveguide formed by providing a defect portion having no arrangement component on the core of the photonic crystal arrangement structure.
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