(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部クラッド層の上に形成されたシリコンから構成されたコアと、
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、
導波方向が変更される前記コアの屈曲部において前記コアに並列して部分的に所定のギャップで配置されたシリコンからなるコア状構造体と
を備え、
前記ギャップは、前記コアにおける入力基本モードからの高次モードへの変換効率が最も小さくなる範囲のギャップとされている
ことを特徴とする光導波路。
【請求項２】
請求項１記載の光導波路において、
前記コア状構造体は、前記コアと同じ高さに形成されていることを特徴とする光導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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）。
【０００５】
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。
【０００６】
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）。また、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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】D. Lockwood, L. Pavesi (Eds.), "Silicon Photonic Wire Waveguides: Fundamentals and Applications" in "SiliconPhotonics II", Springer, 2011.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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シリコンから構成されたコアと、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、導波方向が変更されるコアの屈曲部においてコアに並列して部分的に所定のギャップで配置されたシリコンからなるコア状構造体とを備え、上記ギャップは、コアにおける入力基本モードからの高次モードへの変換効率が最も小さくなる範囲のギャップとされている。
【００１１】
上記光導波路において、コア状構造体は、コアと同じ高さに形成されているとよい。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、屈曲部において第１コアに並列して部分的に第２コアを配置するようにしたので、高次モードの励起が抑制され、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すぐれた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１における光導波路の構成を示す平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態１における光導波路の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、周囲を酸化シリコンからなるコアで覆われたコア幅５００ｎｍ，コア高さ２００ｎｍのシリコンコアにより光導波路を伝搬するＴＥ偏波の基本モード（ａ）および高次モード（ｂ）の、断面における光強度分布を示す分布図である。
【図３】図３は、導波方向を９０度変更する曲率半径５μｍの屈曲部を備えるシリコンからなるコア１０２による光導波路に、基本モードの光を入射した際の、コア構造体１０４の有無による出力光における基本モードおよび励起された高次モードの状態を示す特性図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施の形態１における光導波路の構成を示す平面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の実施の形態１における光導波路の構成を示す断面図である。
【図５】図５は、導波方向を９０度変更する曲率半径５μｍの屈曲部を備えるシリコンからなるコア１０２による光導波路に、基本モードの光を入射した際の、コア構造体２０４の有無による出力光における基本モードおよび励起された高次モードの状態を示す特性図である。
【図６Ａ】図６Ａは、シリコン細線光導波路の構成を示す平面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、シリコン細線光導波路の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１Ａ，図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態１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１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。
【００１６】
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１０３とを備える。加えて、導波方向が変更されるコア１０２の屈曲部１１１において、コア１０２に並列して部分的に配置されたコア構造体１０４を備える。コア構造体１０４は、コア１０２に沿って伝搬する複数のモードの光のうち高次モードの光に対して影響を与える状態とされている。ここで、コア構造体１０４は、高次モードの光に対して影響を与えて高次モードの励振が抑制されるように配置する。実施の形態１では、屈曲部１１１は、導波方向を９０°変更している。また、実施の形態１では、コア１０２から見て、屈曲部１１１における所定の曲率の円弧の中心側に、コア構造体１０４が配置されている。
【００１７】
下部クラッド層１０１，上部クラッド層１０３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ている。また、コア１０２およびコア構造体１０４は、例えば、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およびコア構造体１０４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およびコア構造体１０４が形成できる。
【００１８】
また、上部クラッド層１０３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およびコア構造体１０４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１０３を形成してもよい。
【００１９】
ここで、コア構造体１０４は、屈曲部１１１を伝搬する間に、基本モードより励起する高次モードが励起されにくくなるように、高次モードの光に対して変調を加える。コア構造体１０４の存在により、基本モードの光に対しては影響を与えないようにする。なお、コア構造体１０４は、コア１０２と同じ下部クラッド層１０１の上（表面）に形成されていればよい。また、上部クラッド層１０３は、コア１０２およびコア構造体１０４を覆って下部クラッド層１０１の上に形成されている。
【００２０】
基本モードの光強度および高次モードの光強度は、図２に示すように分布する。図２は、周囲を酸化シリコンからなるコアで覆われたコア幅５００ｎｍ，コア高さ（厚さ）２００ｎｍのシリコンコアにより光導波路を伝搬するＴＥ偏波の基本モード（ａ）および高次モード（ｂ）の、断面における光強度分布を示す分布図である。図２の（ｂ）に示すように、高次モードは、基本モードに比べてコアへの光閉じ込めが弱い。
【００２１】
従って、コア１０２，下部クラッド層１０２，および上部クラッド層１０３の各々の形状と屈折率によって一意に決定される光導波路の基本モードと高次モードに対し、コア１０２の側部に設けられるコア構造体１０４によって、基本モードに与える変調は小さい状態を維持し、高次モードには大きな変調を与えることができる。このとき、コア１０２とコア構造体１０３との位置関係を適切に設定することで、基本モードによる高次モードの励振が可能な限り小さくなる状態に高次モードに変調が与えられる。
【００２２】
次に、コア構造体１０４を設けたことによる効果について図３を用いて説明する。図３は、導波方向を９０度変更する曲率半径５μｍの屈曲部を備えるシリコンからなるコア１０２による光導波路に、基本モードの光を入射した際の、コア構造体１０４の有無による出力光における基本モードおよび励起された高次モードの状態を示す特性図である。図３において、横軸は、コア１０２とコア構造体１０４とのギャップの変化である。ここでは、コア１０２のコア断面を、コア幅５００ｎｍ，コア高さ（厚さ）２００ｎｍとしている。また、ここでは、コア構造体１０４も、コア断面をコア幅５００ｎｍ，コア高さ２００ｎｍとしている。
【００２３】
図３に示す結果を求める計算においては、フィルムモードマッチング法を用いて固有モードを算出し、さらに固有モード展開法を用いて各固有モードの透過および固有モード間のモード変換を表すＳマトリックスを算出し、入力基本モードからの出力基本モードへの透過効率、および入力基本モードからの高次モードへの変換効率を求めた。
【００２４】
また、図３の（ａ）は、コア構造体１０４がない場合の基本モード光の透過効率の変化を示し、図３の（ｂ）は、コア構造体１０４を設けた場合の基本モード光の透過効率の変化を示している。これらには、左側の縦軸が対応している。一方、図３の（ｃ）は、コア構造体１０４がない場合の高次モード光への変換効率の変化を示し、図３の（ｄ）は、コア構造体１０４を設けた場合の高次モード光への変換効率の変化を示している。これらには、右側の縦軸が対応している。
【００２５】
図３に示すように、コア構造体１０４を設けない場合、出力高次モードへの変換効率は−３３ｄＢである。これに対し、コア１０２とコア構造体１０４との間隔（ギャップ）を３００ｎｍ程度とすることで、出力高次モードへの変換効率を、−４０ｄＢ以下に抑制することができるようになる。また、この効果は、コア構造体１０４を、コア１０２と同じコア高さとした場合に得られている。
【００２６】
以上に説明したように、実施の形態１によれば、導波方向が変更されるコアの屈曲部においてコアに並列して部分的にコア構造体を配置するようにしたので、高次モードが励振されにくくなる。この結果、従来は抑制できなかったコアの屈曲部での高次モード励振が抑制できるようになり、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なる。また、コア構造体は、コアと同時に作製することが容易であり、特殊な材料や追加プロセスを用いる必要がないため、生産性に優れる。
【００２７】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図４Ａ，図４Ｂを用いて説明する。図４Ａは、本発明の実施の形態２における光導波路の構成を示す平面図であり、図４Ｂは、本発明の実施の形態２における光導波路の構成を示す断面図である。図４Ｂは、導波方向に垂直な断面を示している。
【００２８】
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１０３とを備える。加えて、導波方向が変更されるコア１０２の屈曲部１１１において、コア１０２に並列して部分的に配置されたコア構造体２０４を備える。コア構造体２０４は、コア１０２に沿って伝搬する複数のモードの光のうち高次モードの光に対して影響を与える状態とされている。ここで、コア構造体３０４は、高次モードの光に対して影響を与えて高次モードの励振が抑制されるように配置する。なお、実施の形態２でも、屈曲部１１１は、導波方向を９０°変更している。また、実施の形態２では、コア１０２から見て、屈曲部１１１における所定の曲率の円弧の中心より離れた外側に、コア構造体２０４が配置されている。
【００２９】
なお、下部クラッド層１０１，コア１０２，上部クラッド層１０３は、前述した実施の形態１と同様である。また、材料については、コア構造体２０４を含め、前述した実施の形態１と同様である。例えば、よく知られたＳＯＩ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およびコア構造体２０４とすることができる。
【００３０】
実施の形態２においても、コア構造体２０４は、屈曲部１１１を伝搬する間に、基本モードより励起する高次モードが励起されにくくなるように、高次モードの光に対して変調を加える。コア構造体２０４の存在により、基本モードの光に対しては影響を与えないようにする。なお、コア構造体２０４は、コア１０２と同じ下部クラッド層１０１の上（表面）に形成されていればよい。また、上部クラッド層１０３は、コア１０２およびコア構造体２０４を覆って下部クラッド層１０１の上に形成されている。
【００３１】
次に、実施の形態２におけるコア構造体２０４を設けたことによる効果について図５を用いて説明する。図５は、導波方向を９０度変更する曲率半径５μｍの屈曲部を備えるシリコンからなるコア１０２による光導波路に、基本モードの光を入射した際の、コア構造体２０４の有無夜出力光における基本モードおよび励起された高次モードの状態を示す特性図である。図５において、横軸は、コア１０２とコア構造体２０４とのギャップの変化である。ここでは、コア１０２のコア断面を、コア幅５００ｎｍ，コア高さ（厚さ）２００ｎｍとしている。また、コア構造体２０４も、コア断面をコア幅５００ｎｍ，コア高さ２００ｎｍとしている。
【００３２】
図５に示す結果を求める計算においては、フィルムモードマッチング法を用いて固有モードを算出し、さらに固有モード展開法を用いて各固有モードの透過および固有モード間のモード変換を表すＳマトリックスを算出し、入力基本モードからの出力基本モードへの透過効率、および入力基本モードからの高次モードへの変換効率を求めた。
【００３３】
また、図５の（ａ）は、コア構造体２０４がない場合の基本モード光の透過効率の変化を示し、図５の（ｂ）は、コア構造体２０４を設けた場合の基本モード光の透過効率の変化を示している。これらには、左側の縦軸が対応している。一方、図５の（ｃ）は、コア構造体２０４がない場合の高次モード光への変換効率の変化を示し、図５の（ｄ）は、コア構造体２０４を設けた場合の高次モード光への変換効率の変化を示している。これらには、右側の縦軸が対応している。
【００３４】
図５に示すように、コア構造体２０４を設けない場合、出力高次モードへの変換効率は−３３ｄＢである。これに対し、コア１０２とコア構造体２０４との間隔（ギャップ）を５１０ｎｍ程度とすることで、出力高次モードへの変換効率を、−５０ｄＢ以下に抑制することができるようになる。また、この効果は、コア構造体２０４を、コア１０２と同じコア高さとした場合に得られている。
【００３５】
以上に説明したように、実施の形態２においても、導波方向が変更されるコアの屈曲部においてコアに並列して部分的にコア構造体を配置するようにしたので、高次モードが励振されにくくなる。この結果、従来は抑制できなかったコアの屈曲部での高次モード励振が抑制できるようになり、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なる。また、コア構造体は、コアと同時に作製することが容易であり、特殊な材料や追加プロセスを用いる必要がないため、生産性に優れる。
【００３６】
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、コア構造体は、下部クラッド層，コア，上部クラッド層の積層方向に、コアの上側またはコアの下側に配置されていてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１０１…下部クラッド層、１０２…コア、１０３…上部クラッド層、１０４…コア構造体。
【要約】
【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の上に形成された第１コア１０２と、第１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１０３とを備える。加えて、導波方向が変更される第１コア１０２の屈曲部１１１において、第１コア１０２に並列して部分的に配置された第２コア１０４を備える。第２コア１０４は、第１コア１０２に沿って伝搬する複数のモードの光のうち高次モードの光に対して影響を与える状態とされている。
【選択図】  図１Ａ【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図２】
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