JP6394285B2 - 光導波路、スポットサイズ変換器及び光装置 - Google Patents
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Description
例えば、異なるデバイスを低損失結合できるように、導波路コアの膜厚方向及び幅方向の両方の寸法をステップ状に変化させることが提案されている。これを第1の技術という。
また、上述のようなシリコンフォトニクスで用いられるシリコン導波路コアの断面形状は、例えば幅約500nm、高さ約220nm程度と非常に小さいため、光ファイバのスポットサイズ(例えば数μm〜10μm程度)とミスマッチが生じてしまう。このため、過剰な結合損失が生じてしまう。
また、上述の第2の技術では、下部導波層上の幅方向中央位置に形成された上部導波層の幅を絞り込むことで、上部導波層から下部導波層へ光分布が徐々に移行するようにしているため、上部導波層の厚さに相当する段差の影響を抑えることができる。このため、上述の第2の技術では、上述の第1の技術と比較して低損失化が可能である。しかしながら、TE偏光に対してTM偏光の損失は依然として大きく、偏光依存性が高い。また、低損失化、低偏光依存性を実現するために、上部導波層の先端部の幅を狭くすることも考えられるが、例えば露光精度による制限を受けるなど、上部導波層の先端部の幅を狭くするのは難しく、作製が容易ではない。
[第1実施形態]
まず、本実施形態にかかる光導波路について、図1〜図17を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる光導波路は、図1(A)〜図1(D)に示すように、第1領域1Aと、厚さが変化する段差1Xを有する第2領域1Bと、第1領域1Aよりも厚さが薄い第3領域1Cとを備える導波路コア1(ここではシリコン導波路コア)を備える。ここでは、第1領域1Aの一方の側に第2領域1Bが連なり、第2領域1Bの一方の側に第3領域1Cが連なっている。なお、シリコン導波路コア1を備える光導波路は、例えばシリコン基板上に形成されたシリコン光素子に備えられる。なお、シリコン光素子を光半導体素子ともいう。なお、図1(A)〜図1(D)では、説明をわかり易くするために、導波路コア1の厚さが薄い領域と厚い領域とで異なる模様を付している。
本実施形態では、導波路コア1は、一定の幅を有する。つまり、導波路コア1を構成する第1領域1A、第2領域1B及び第3領域1Cは同一の幅を有する。そして、第2領域1Bの厚膜領域1Yは、第1領域1Aの側から第3領域1Cの側へ向けてテーパ状(ここでは線形テーパ状)に幅が徐々に狭くなっている。このため、第2領域1Bの薄膜領域1Zは、第1領域1Aの側から第3領域1Cの側へ向けてテーパ状に幅が徐々に広くなっていることになる。
また、本実施形態では、第1領域1Aは、長さ方向及び幅方向で膜厚が同一で、第2領域1Bの厚膜領域1Yと同じ厚い膜厚を有する厚膜領域である。そして、第1領域1Aは第2領域1Bの厚膜領域1Yに連なっている。このため、導波路コア1の厚膜領域は、第1領域1Aから第2領域1Bまで延びており、第1領域1Aで幅方向の全体に位置し、第2領域1Bで幅方向の両側に位置し、かつ、幅が徐々に狭くなるように延びていることになる。
つまり、例えば図3(A)〜図3(D)に示すように、導波路コア100の膜厚方向及び幅方向の両方の寸法をステップ状に変化させるようにした場合(比較例1)、導波路コア100が延びる方向に対して直交する方向にステップ状に変化する段差ができるため、この段差における損失が大きくなる。また、TE偏光に対してTM偏光の損失が大きく、偏光依存性も高くなる。例えば図3(A)〜図3(D)に示すような構造のものにおいて損失を計算したところ、図4に示すように、例えば段差量を70nmとした場合、TE偏光の損失が0.3dBであり、TM偏光の損失が1.6dBであり、TE偏光に対してTM偏光の損失が大きく、偏光依存性が高くなり、損失も大きくなった。さらに、膜厚方向の寸法をステップ状に変化させるのは、プロセス上の難易度が高く、作製が容易ではない。なお、図3(A)では上部クラッド層は図示していない。
そして、上述のような構成を採用することで、低損失、低偏光依存性、かつ、作製容易な段差構造を実現することが可能となる。
つまり、上述のような構成を採用した場合、第2領域1Bの幅方向の中央部に位置する薄膜領域1Zの先端部が存在する第2領域1Bの第1領域1Aの側では、ほとんどモード変換(スポットサイズ変換)が行なわれず、ほとんど損失が発生しない。ここで、第2領域1Bの幅方向の中央部に位置する薄膜領域1Zは、第1領域1Aの側の先端部で最小幅となり、この部分はステッパによって作製する場合の露光精度による制限を受ける。例えばKrFステッパを用いて作製する場合、露光精度の影響を受けるため、薄膜領域1Zの先端部の幅(最小幅)は約180nm程度までしか狭くすることができない。しかしながら、第2領域1Bの幅方向の中央部に位置する薄膜領域1Zの先端部が存在する第2領域1Bの第1領域1Aの側では、ほとんど損失が発生しないため、低損失化、低偏光依存性を実現するのにほとんど影響がない。
図7に示すように、第2領域1Bの長さ、即ち、厚膜領域1Yの長さを5μm以上にすると、低損失化、低偏光依存性を実現できることがわかる。
また、図8(A)、図8(B)は、導波路コア1の第2領域1Bの長さ、即ち、厚膜領域1Yの長さを約50μmとし、第2領域1Bの厚膜領域1Yの最小幅を0nm、50nm、100nmとし、段差量、即ち、第2領域1Bの厚膜領域1Yと薄膜領域1Zとの膜厚差(段差)を変化させた場合の損失を計算した結果を示している。
このように、第2領域1Bの厚膜領域1Yは、第3領域1Cの側の端部(先端部;終端部)の幅(先端幅;最小幅)が50nm以下であり、第2領域1Bの厚膜領域1Yと薄膜領域1Zとは、80nm以下の膜厚差を有するのが好ましい。この場合、第1領域1Aと第3領域1Cとは、80nm以下の膜厚差を有することになる。
以下、具体例を挙げて説明する。
そして、シリコン導波路コア1は、第1領域1Aと、厚さが変化する段差1Xを有する第2領域1Bと、第1領域1Aよりも厚さが薄い第3領域1Cとを備える。また、第2領域1Bは、第1領域1Aに連なって幅方向の両側に位置し、第1領域1Aと同じ厚さで第1領域1Aの側から第3領域1Cの側へ向けて幅が徐々に狭くなる厚膜領域1Yと、厚膜領域1Yに挟まれ、第3領域1Cに連なり、第3領域1Cと同じ厚さを有する薄膜領域1Zとを備える。
シリコン導波路コア1は、第1領域1Aから第3領域1Cまでの全てで幅が例えば約500nmであり、第1領域1A及び第2領域1Bの厚膜領域1Yの膜厚が例えば約220nmであり、第2領域1Bの薄膜領域1Z及び第3領域1Cの膜厚が例えば約150nmであり、シングルモード導波路を構成する。また、シリコン導波路コア1の第2領域1Bの長さ、即ち、厚膜領域1Yの長さは例えば約15μmであり、幅方向の両側に位置する各厚膜領域1Yの幅は、第1領域1Aの側で例えば約150nmであり、第3領域1Cの側で例えば約50nmであり、第1領域1Aの側から第3領域1Cの側へ向けて徐々に狭くなるテーパ形状にしている。なお、シリコン導波路コア1の屈折率は約3.48である。
この具体例では、シリコン導波路コア1の段差1Xを有する第2領域1Bにおける損失は、TE偏光が約0.1dB程度、TM偏光が約0.3dB程度であった。このように、TM偏光の損失を低減でき、低損失化、低偏光依存性を実現することができた。
まず、図9(A)、図9(B)に示すように、SOI基板10(SiO2層であるBOX層11の膜厚約3μm、シリコン層であるSOI層12の膜厚約220nm)上に、SiO2膜13(例えば膜厚約50nm)をCVD法によって堆積する。ここで、原料ガスとしてはSiH4(20%)/He及びN2Oを用いれば良い。
次に、図12(A)、図12(B)に示すように、ハードマスクパターン13X上にフォトレジストパターン15を形成し、CF4ガスを用いてハードマスクパターン13XをRIEによってエッチングして、図13(A)、図13(B)に示すように、SOI層12を加工してシリコン導波路コア1の第2領域1Bの薄膜領域1Z及び第3領域1Cの厚さを薄くするためのハードマスクパターン13Yを形成する。
なお、上述の実施形態では、第2領域1Bの厚膜領域1Yが、第1領域1Aの側から第3領域1Cの側へ向けてテーパ状に幅が徐々に狭くなり、第2領域1Bの薄膜領域1Zが、第1領域1Aの側から第3領域1Cの側へ向けてテーパ状に幅が徐々に広くなるようにしているが、これに限られるものではない。
また、上述の実施形態及び変形例では、導波路コア1をチャネル導波路形状としているが、これに限定されるものではなく、例えばリブ導波路形状としても良く、この場合も同様の効果が期待できる。
[第2実施形態]
次に、本実施形態にかかるスポットサイズ変換器及び光装置について、図18〜図29を参照しながら説明する。
特に、本実施形態のスポットサイズ変換器では、シリコン導波路コアに、上述の第1実施形態及び変形例の導波路コア1の構造が適用されている。
そして、幅一定領域1Dの第2領域1Bは、第1領域1Aに連なって幅方向の両側に位置し、第1領域1Aと同じ厚さで第1領域1Aの側から第3領域1Cの側へ向けて幅が徐々に狭くなる厚膜領域1Yと、厚膜領域1Yに挟まれ、第3領域1Cに連なり、第3領域1Cと同じ厚さを有する薄膜領域1Zとを備える。
また、第2領域1Bの厚膜領域1Yは、第3領域1Cの側の端部(先端部;終端部)の幅(先端幅)が50nm以下であり、第2領域1Bの厚膜領域1Yと薄膜領域1Zとは、80nm以下の膜厚差(段差)を有するのが好ましい。この場合、第1領域1Aと第3領域1Cとは、80nm以下の膜厚差を有することになる。
まず、従来のセカンドコア型スポットサイズ変換器では、スポットサイズを十分に拡大できていない。例えば、細径コアファイバのスポットサイズ(例えば約4μm程度)までスポットサイズを拡大できるものの、分散シフトファイバ(Dispersion Shifted Fiber:DSF)のスポットサイズ(例えば約8μm程度)やシングルモードファイバ(Single Mode Fiber:SMF)のスポットサイズ(例えば約10.5μm程度)まではスポットサイズを拡大できていない。このため、細径コアファイバとの低損失結合は実現できるものの、分散シフトファイバやシングルモードファイバとの低損失結合は実現できていない。なお、スポットサイズ変換器によってスポットサイズを十分に拡大でき、分散シフトファイバやシングルモードファイバとの低損失結合が実現できれば、細径コアファイバよりも安価な分散シフトファイバやシングルモードファイバを用いることができ、低コスト化を実現することができる。また、スポットサイズ拡大によりファイバに対する位置ずれトレランスが拡大し、ファイバとの接合が容易となる。
しかしながら、スポットサイズを拡大するために、単に、セカンドコアのサイズを大きくし、セカンドコアの屈折率を低くすると、シリコン導波路コアからセカンドコアへ光を遷移させる際の損失が大きくなってしまう。このため、分散シフトファイバやシングルモードファイバとの低損失結合を実現するのは難しい。
しかしながら、シリコン導波路コアの厚さをテーパ状に薄くするのはプロセス上の難易度が高い。また、シリコン導波路コアの幅テーパ領域の先端部の幅をできるだけ狭くするとしても、これには限界があるし、精度良く作製するのは難しい。
しかしながら、シリコン導波路コアのテーパ状に幅を狭くしていく領域で厚さをステップ状に薄くして段差を設けると、この段差で光の遷移が急激に起こって、損失が大きくなってしまう。つまり、シリコン導波路コアのテーパ状に幅を狭くしていく領域で厚さをステップ状に薄くしても、TM偏光の損失を抑制することができず、低偏光依存性を実現するのは難しいことがわかった。このように、シリコン導波路コアのテーパ状に幅を狭くしていく領域で厚さをステップ状に薄くしても、シリコン導波路コアからセカンドコアへ光を遷移させる際の損失を抑制することができず、分散シフトファイバやシングルモードファイバとの低損失結合を実現するのは難しいことがわかった。
本スポットサイズ変換器1は、図18(A)〜図18(F)に示すように、図示しないシリコン基板上に設けられたSiO2下部クラッド層2と、SiO2下部クラッド層2上に設けられたシリコン導波路コア1と、シリコン導波路コア1を部分的に覆うセカンドコア4と、シリコン導波路コア1及びセカンドコア4を覆うSiO2上部クラッド層3とを備える。
ここで、SiO2下部クラッド層2の膜厚は、例えば約3μmであり、屈折率約1.44である。
シリコン導波路コア1は、幅一定領域1Dで幅が例えば約500nmであり、幅テーパ領域1Eで幅が例えば約500nmから約180nmまで先端部へ向けてテーパ状に狭くなっており、シングルモード導波路を構成する。また、シリコン導波路コア1は、幅一定領域1Dの第1領域1A及び第2領域1Bの厚膜領域1Yの膜厚が例えば約150nmであり、第2領域1Bの薄膜領域1Z及び第3領域1Cの膜厚が例えば約90nmであり、幅テーパ領域1Eの膜厚が例えば約90nmであり、第2領域1Bの厚膜領域1Yと薄膜領域1Zとの境界に約60nm程度の段差1Xが設けられている。また、シリコン導波路コア1の第2領域1Bの長さ、即ち、厚膜領域1Yの長さは例えば約15μmであり、幅方向の両側に位置する各厚膜領域1Yの幅は、第1領域1Aの側で例えば約150nmであり、第3領域1Cの側で例えば約50nmであり、第1領域1Aの側から第3領域1Cの側へ向けて徐々に狭くなるテーパ形状にしている。なお、シリコン導波路コア1の屈折率は約3.48である。
この具体例では、変換損失は、TE偏光が約0.9dB程度、TM偏光が約1.3dB程度であり、TM偏光の損失を低減でき、低損失化(高効率化)、低偏光依存性を実現することができた。また、シングルモード条件を満たすように、セカンドコア4のサイズを大きくすべく、セカンドコア4の膜厚(高さ)を約3μmとし、幅を約7μmとし、セカンドコア4の屈折率を低くすべく、セカンドコア4の屈折率を約1.48として、分散シフトファイバやシングルモードファイバと高効率に結合可能なサイズまでスポットサイズを拡大している。そして、シリコン導波路コア1の幅一定領域1Dの第2領域1Bに約60nm程度の段差1Xを設けて、シリコン導波路コア1の幅テーパ領域1Eの膜厚を約90nmとして、シリコン導波路コア1からセカンドコア4へ光を遷移させる際の損失を低く抑え、分散シフトファイバやシングルモードファイバとの結合の低損失化(高効率化)、低偏光依存性を実現している。また、セカンドコア4の断面サイズをその全長にわたって均一に大きくすることでスポットサイズを拡大しているため、例えば、セカンドコア4の長さを長くし、その断面サイズをステップ状又はテーパ状に大きくしてスポットサイズを拡大する場合と比較して、コンパクト化を図ることが可能である。
まず、図20(A)、図20(B)に示すように、SOI基板10(SiO2層であるBOX層11の膜厚約3μm、シリコン層であるSOI層12の膜厚約150nm)上に、SiO2膜13(例えば膜厚約50nm)をCVD法によって堆積する。ここで、原料ガスとしてはSiH4(20%)/He及びN2Oを用いれば良い。
次に、図23(A)、図23(B)に示すように、ハードマスクパターン13Y上にフォトレジストパターン15を形成し、CF4ガスを用いてハードマスクパターン13YをRIEによってエッチングして、図24(A)、図24(B)に示すように、SOI層12を加工してシリコン導波路コア1の幅一定領域1Dの第2領域1Bの薄膜領域1Z及び第3領域1C、並びに、幅テーパ領域1Eの厚さを薄くするためのハードマスクパターン13Yを形成する。なお、図24(A)では、シリコン導波路コア1が見えるように図示している。また、図24(B)では、図18に対応させるべく、シリコン導波路コア1の厚さが薄い領域と厚い領域とで異なる模様を付している。
また、上述の実施形態及び変形例では、セカンドコア4の材料としてSiOXを用いているが、これに限定されるものではない。例えば、セカンドコア4の材料としては、SiON(酸窒化シリコン)などの他のシリコン化合物又はポリマを用いても良い。つまり、セカンドコア4は、SiOX、SiONなどのシリコン化合物を用いたシリコン化合物導波路コアであっても良いし、ポリマを用いたポリマ導波路コアであっても良い。但し、例えば、セカンドコア4の材料としてSiONを用いる場合には、N−H基による吸収損失が生じるため、セカンドコア4の長さを極力短くするのが好ましい。
(付記1)
第1領域と、厚さが変化する段差を有する第2領域と、前記第1領域よりも厚さが薄い第3領域とを備える導波路コアを備え、
前記第2領域は、前記第1領域に連なって幅方向の両側に位置し、前記第1領域と同じ厚さで前記第1領域の側から前記第3領域の側へ向けて幅が徐々に狭くなる厚膜領域と、前記厚膜領域に挟まれ、前記第3領域に連なり、前記第3領域と同じ厚さを有する薄膜領域とを備えることを特徴とする光導波路。
前記厚膜領域は、5μm以上の長さを有することを特徴とする、付記1に記載の光導波路。
(付記3)
前記厚膜領域は、前記第3領域の側の端部の幅が50nm以下であり、
前記厚膜領域と前記薄膜領域とは、80nm以下の膜厚差を有することを特徴とする、付記2に記載の光導波路。
前記厚膜領域は、テーパ状、曲線状、ステップ状又はこれらを組み合わせた形状で幅が徐々に狭くなっていることを特徴とする、付記1〜3のいずれか1項に記載の光導波路。
(付記5)
前記薄膜領域の前記第1領域の側の端部は、前記薄膜領域が延びる方向に直交する方向に対して斜めになっていることを特徴とする、付記1〜4のいずれか1項に記載の光導波路。
前記導波路コアは、一定の幅を有することを特徴とする、付記1〜5のいずれか1項に記載の光導波路。
(付記7)
第1領域と、厚さが変化する段差を有する第2領域と、前記第1領域よりも厚さが薄い第3領域とを有し、一定の幅を有する幅一定領域と、前記幅一定領域に連なり、終端部へ向けて幅が狭くなる幅テーパ領域とを備える第1シリコン導波路コアと、
少なくとも前記幅テーパ領域を覆って前記第1シリコン導波路コアに連なる第2導波路コアとを備え、
前記第2領域は、前記第1領域に連なって幅方向の両側に位置し、前記第1領域と同じ厚さで前記第1領域の側から前記第3領域の側へ向けて幅が徐々に狭くなる厚膜領域と、前記厚膜領域に挟まれ、前記第3領域に連なり、前記第3領域と同じ厚さを有する薄膜領域とを備えることを特徴とするスポットサイズ変換器。
前記第2導波路コアは、前記第2領域、前記第3領域及び前記幅テーパ領域を覆っていることを特徴とする、付記7に記載のスポットサイズ変換器。
(付記9)
前記厚膜領域は、5μm以上の長さを有することを特徴とする、付記7又は8に記載のスポットサイズ変換器。
前記厚膜領域は、前記第3領域の側の端部の幅が50nm以下であり、
前記厚膜領域と前記薄膜領域とは、80nm以下の膜厚差を有することを特徴とする、付記9に記載のスポットサイズ変換器。
(付記11)
前記厚膜領域は、テーパ状、曲線状、ステップ状又はこれらを組み合わせた形状で幅が徐々に狭くなっていることを特徴とする、付記7〜10のいずれか1項に記載のスポットサイズ変換器。
前記薄膜領域の前記第1領域の側の端部は、前記薄膜領域が延びる方向に直交する方向に対して斜めになっていることを特徴とする、付記7〜11のいずれか1項に記載のスポットサイズ変換器。
(付記13)
付記7〜12のいずれか1項に記載のスポットサイズ変換器と、
前記スポットサイズ変換器の前記第2導波路コア側の端面に接続された分散シフトファイバ又はシングルモードファイバとを備えることを特徴とする光装置。
1A 第1領域
1B 第2領域
1C 第3領域
1D 幅一定領域
1E 幅テーパ領域
1X、1XA、1XB 段差
1Y 厚膜領域
1Z 薄膜領域
2 SiO2下部クラッド層
3 SiO2上部クラッド層
4 セカンドコア(第2導波路コア)
10 SOI基板
11 SiO2層(BOX層)
12 シリコン層(SOI層)
13、16、17 SiO2膜
13X、13Y ハードマスクパターン
14、15 フォトレジストパターン
Claims (5)
- 第1領域と、段差を有する第2領域と、前記第1領域よりも厚さが薄い第3領域とを備える導波路コアを備え、
前記第2領域は、前記第1領域に連なって幅方向の両側に位置し、前記第1領域と同じ厚さで前記第1領域の側から前記第3領域の側へ向けて幅が徐々に狭くなる厚膜領域と、前記厚膜領域に挟まれ、前記第3領域に連なり、前記第3領域と同じ厚さを有する薄膜領域とを備えることを特徴とする光導波路。 - 前記厚膜領域は、5μm以上の長さを有することを特徴とする、請求項1に記載の光導波路。
- 前記厚膜領域は、前記第3領域の側の端部の幅が50nm以下であり、
前記厚膜領域と前記薄膜領域とは、80nm以下の膜厚差を有することを特徴とする、請求項2に記載の光導波路。 - 第1領域と、段差を有する第2領域と、前記第1領域よりも厚さが薄い第3領域とを有し、一定の幅を有する幅一定領域と、前記幅一定領域に連なり、終端部へ向けて幅が狭くなる幅テーパ領域とを備える第1シリコン導波路コアと、
少なくとも前記幅テーパ領域を覆って前記第1シリコン導波路コアに連なる第2導波路コアとを備え、
前記第2領域は、前記第1領域に連なって幅方向の両側に位置し、前記第1領域と同じ厚さで前記第1領域の側から前記第3領域の側へ向けて幅が徐々に狭くなる厚膜領域と、前記厚膜領域に挟まれ、前記第3領域に連なり、前記第3領域と同じ厚さを有する薄膜領域とを備えることを特徴とするスポットサイズ変換器。 - 請求項4に記載のスポットサイズ変換器と、
前記スポットサイズ変換器の前記第2導波路コア側の端面に接続された分散シフトファイバ又はシングルモードファイバとを備えることを特徴とする光装置。
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