(57)【要約】【課題】光導波路と光検出器とを集積した光集積回路において光検出器と同種の材料で構成することができ、かつ伝搬損失が管理される光伝送路を提供する。【解決手段】スロット導波路１０１は、平行に延設された１対のシリコン細線１２と、１対のシリコン細線１２の間に位置するスロット１３とを備え、スロット１３の波長１μｍ帯の光に対する屈折率は、シリコン細線１２の前記光に対する屈折率よりも小さい。光集積回路１００には、スロット導波路１０１と、シリコンで構成された光検出器１０２が設けられてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行に延設された１対のシリコン細線と、
前記１対のシリコン細線の間に位置するスロットと
を備え、
前記スロットの波長１μｍ帯の光に対する屈折率は、前記シリコン細線の前記光に対する屈折率よりも小さい
スロット導波路。
【請求項２】
前記スロットは酸化シリコンで構成されている
請求項１に記載のスロット導波路。
【請求項３】
前記１対のシリコン細線は、平面内で５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下離間して延設され、各シリコン細線は、前記平面内で５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の幅と、前記平面に直交する方向に１００ｎｍ以上の厚さとを有している
請求項２に記載のスロット導波路。
【請求項４】
各シリコン細線は、前記平面内で１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の幅を有している
請求項３に記載のスロット導波路。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のスロット導波路と、
シリコンで構成された光検出器と
を備える光集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路及び光集積回路に関し、特に、スロット導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコンフォトニクス分野における研究が盛んに行われており、様々な光デバイスのシリコン基板上への集積化が進められている。光集積回路には、例えば、光導波路と光検出器とが集積される。例えば、非特許文献１に、シリコン細線のコアを酸化シリコンのクラッドで包囲した光導波路が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】太縄陽介他、「シリコン細線光導波路機能素子の偏波無依存化」、ＯＫＩテクニカルレビュー２０１２年４月／第２１９号、Ｖｏｌ．７９、Ｎｏ．１、ｐｐ．３２−３７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光集積回路における光導波路及び光検出器には、処理用の光に対する透過性及び吸収性という、相反する機能が要求される。そのため、従来の光集積回路では一般的に、光導波路及び光検出器を異種の材料で構成する必要があると考えられる。しかしながら、光導波路及び光検出器を異種の材料で構成することは、集積回路の製造プロセスの容易化を阻害する要因になり得る。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、光導波路と光検出器とを集積した光集積回路において光検出器と同種の材料で構成することができ、かつ伝搬損失が管理される光導波路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の目的を達成するために、本発明の１つの態様に係るスロット導波路は、平行に延設された１対のシリコン細線と、前記１対のシリコン細線の間に位置するスロットとを備え、前記スロットの波長１μｍ帯の光に対する屈折率は、前記シリコン細線の前記光に対する屈折率よりも小さい。
【発明の効果】
【０００７】
このような構成によれば、スロットに多くの光強度が分布することから、シリコンでは吸収される波長１μｍ帯の光をスロットで伝搬できる。前記スロット導波路は、光集積回路に集積される光導波路と光検出器とをシリコンで統一的に構成するための構造として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態に係るスロット導波路を含む光集積回路の構成の一例を示す模式図
【図２】実施の形態に係るスロット導波路の構成の一例を示す断面図
【図３】実施の形態に係るスロット導波路の断面における電界分布の一例を示す図
【図４】実施の形態に係るスロット導波路の断面における電界分布の一例を示すグラフ
【図５】従来構造の光導波路の断面における電界分布の一例を示すグラフ
【図６】実施の形態に係るスロット導波路の光閉じ込め係数の一例を示すグラフ
【図７】実施の形態に係るスロット導波路の吸収損失の一例を示すグラフ
【図８】光導波路の損失を測定する測定系の構成の一例を示す模式図
【図９】実施の形態に係るスロット導波路の測定系にて動作中の赤外線写真
【図１０】実施の形態に係るスロット導波路及び従来構造の光導波路を用いた測定系の伝搬損失を比較するグラフ
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（本発明の基礎となった知見）
本発明者は、背景技術の欄で述べた光集積回路の問題について、次のように考察した。
【００１０】
一般的に、シリコンで構成された光導波路を備える光集積回路では、シリコンを透過する波長１．５μｍ帯の光が処理用の光として用いられる。また、光検出器は、当該処理用の光を吸収する必要から、シリコン以外の化合物半導体やゲルマニウムで構成される。
【００１１】
前述したように、光導波路と光検出器とを同種の材料（例えばシリコン）で構成することができれば、光集積回路の製造プロセスの容易化に役立つ。そこで、光検出器を、光導波路と同じシリコンで構成することを考える。その場合、処理用の光には、シリコンで吸収される波長１μｍ帯の光を用いることになる。しかしながら、波長１μｍ帯の光を伝搬可能で、かつシリコンで構成された光導波路は、これまでに知られていない。
【００１２】
そこで、本発明者は、スロット導波路に着目する。スロット導波路は、低屈折率材料からなるスロットを、平行に延設された高屈折率材料からなる２本の細線で挟んでなり、光をスロットに強く閉じ込める働きがあることが知られている。例えば、スロット導波路の、２本の細線をシリコンで構成し、波長１μｍ帯の光に対する屈折率がシリコンよりも低い材料でスロットを構成する。そのように構成されたスロット導波路では、スロットに多くの光強度を分布させることによって、シリコン細線では吸収される波長の光をスロットにおいて伝搬できる可能性がある。
【００１３】
本発明者は、このような着眼を得て、シリコンでは吸収される波長１μｍ帯の光を伝搬可能なスロット導波路の構成を詳細に検討することにより、本発明に到達した。
【００１４】
本発明の１つの態様に係るスロット導波路は、平行に延設された１対のシリコン細線と、前記１対のシリコン細線の間に位置するスロットとを備え、前記スロットの波長１μｍ帯の光に対する屈折率は、前記シリコン細線の前記光に対する屈折率よりも小さい。
【００１５】
ここで、前記スロットは酸化シリコンで構成されていてもよい。また、前記１対のシリコン細線は、平面内で５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下離間して延設され、各シリコン細線は、前記平面内で５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の幅と、前記平面に直交する方向に１００ｎｍ以上の厚さとを有していてもよい。
【００１６】
このような構成によれば、前記スロット導波路が波長１μｍ帯の光を伝搬するとき、スロットに多くの光強度が分布することから、シリコンでは吸収される波長１μｍ帯の光をスロットで伝搬できる。このようなスロット導波路は、光集積回路に集積される光導波路と光検出器とをシリコンで統一的に構成するための構造として有用である。
【００１７】
本発明は、このようなスロット導波路として実現できるだけでなく、前述のスロット導波路と、シリコンで構成された光検出器とを備える光集積回路として実現することもできる。
【００１８】
（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態に係るスロット導波路について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
なお、以下で説明する実施の形態は、本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態に係るスロット導波路を含む光集積回路の構成の一例を示す模式図である。
【００２１】
図１に示されるように、光集積回路１００は、スロット導波路と光検出器とが集積され、処理用の光として波長１μｍ帯の光を用いる光集積回路であり、シリコン基板１０上に配置された酸化シリコン膜１１上に、スロット導波路１０１を構成するシリコン細線１２、スロット１３、及び光検出器１０２を構成するシリコン膜１４、電極１５を備える。
【００２２】
光集積回路１００は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上に形成されてもよい。その場合に、酸化シリコン膜１１は、当該ＳＯＩ基板に含まれる酸化シリコン膜であり、また、シリコン細線１２及びシリコン膜１４は、当該ＳＯＩ基板の上層のシリコン薄膜の一部であってもよい。スロット導波路１０１及び光検出器１０２は、酸化シリコンで構成される絶縁層（図示せず）で覆われていてもよい。
【００２３】
シリコン細線１２で挟まれたスロット１３は、波長１μｍ帯の光に対する屈折率が、シリコンと比べてより低い任意の材料で構成される。スロット１３は、例えば、前述の絶縁層としての酸化シリコン層であってもよく、空気層又は真空層であってもよい。本明細書では、波長１μｍ帯の光とは、一例として、波長１０００ｎｍ以上かつ１１００ｎｍ以下の光と定義する。
【００２４】
図２は、スロット導波路１０１の構成の一例を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿った断面に対応している。図２では、一例として、スロット１３を含むシリコン細線１２の全周に酸化シリコンが配置された断面構造を示している。
【００２５】
図２に示される断面構造にしたがって設定したシミュレーションモデルについて、いくつかのシミュレーションを行った。これらのシミュレーションでは、光集積回路がＳＯＩ上に作製されることを想定し、シリコン細線１２の厚さｈ＝２１０ｎｍとし、伝搬する光の波長として、シリコンで吸収される光の波長λ＝１０５０ｎｍを選んだ。波長λ＝１０５０ｎｍの光に対するシリコンの吸収係数は１４．７ｃｍ−１である。
【００２６】
図３は、シミュレーションにより算出された、スロット導波路１０１の断面における電界分布の一例を示す図である。図３には、正規化されたｘ方向の電界の強さがグレースケールで示されている。
【００２７】
図４は、スロット導波路１０１の断面におけるＢ−Ｂ線に沿った電界分布の一例を示すグラフである。
【００２８】
これらの例は、シリコン細線１２の幅ｗＳｉ＝１５０ｎｍのシミュレーションモデルについて行ったシミュレーションの結果を示している。図３、図４から、シリコン細線１２で挟まれたスロット１３にｘ方向の電界を持つ光が閉じ込められることが分かる。スロット導波路１０１によれば、スロット１３に多くの光強度が分布することから、シリコンでは吸収される波長帯の光をスロット１３で伝搬できると予想される。
【００２９】
比較のため、シリコン細線のコアを酸化シリコンのクラッドで包囲した従来構造の光導波路についてシミュレーションを行った。
【００３０】
図５は、従来構造の光導波路の断面におけるＣ−Ｃ線に沿った電界分布の一例を示すグラフである。従来構造の光導波路によれば、伝搬する波長λ＝１０５０ｎｍの光を吸収するシリコン細線に多くの光強度が分布することから、大きな伝搬損失が生じることが予想される。
【００３１】
本発明者は、シリコン細線１２中に分布する光強度を抑え、スロット１３により多くの光強度が分布するような、スロット導波路１０１の形状条件を詳細に検討した。
【００３２】
まず、スロット１３のいくつかの幅ｗｓｌｏｔについて、シリコン細線１２の幅ｗＳｉに対するシリコン細線１２及びスロット１３のそれぞれでの光閉じ込め係数ξＳｌｏｔ、ξＳｉをシミュレーションで求めた。ここで、伝搬する光の波長は１０５０ｎｍとした。
【００３３】
図６は、スロット１３の幅ｗｓｌｏｔ＝５０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍのそれぞれの場合について、シリコン細線１２の幅ｗＳｉに対するシリコン細線１２及びスロット１３での光閉じ込め係数ξＳｌｏｔ、ξＳｉの一例を示すグラフである。グラフから、１００ｎｍ≦ｗＳｉ≦１５０ｎｍにおいて、シリコン細線１２での光閉じ込め係数ξＳｉは２０％以下であり、かつスロット１３での光閉じ込め係数ξＳｌｏｔは６０％以上であることが分かる。
【００３４】
次に、スロット１３のいくつかの幅ｗｓｌｏｔについて、シリコン細線１２の幅ｗＳｉに対するスロット導波路１０１での吸収損失をシミュレーションにより求めた。また、比較のため、従来構造の光導波路に見立てた幅ｗＳｉの単一のシリコン細線での吸収損失をシミュレーションにより求めた。ここで、スロット導波路１０１及び従来構造の光導波路のそれぞれにおけるシリコン細線の厚さｈ＝２１０ｎｍとし、伝搬する光の波長λ＝１０５０ｎｍとした。
【００３５】
図７は、スロット１３の幅ｗｓｌｏｔ＝５０ｎｍ、１００ｎｍのそれぞれの場合について、シリコン細線１２の幅ｗＳｉに対するスロット導波路１０１での吸収損失の一例、及び幅ｗＳｉの単一のシリコン細線で構成される従来構造の光導波路での吸収損失の一例を示すグラフである。グラフから、１２５ｎｍ≦ｗＳｉ≦１５０ｎｍにおいて、スロット導波路１０１での損失が、従来構造の光導波路での損失と比べて、４０ｄＢ程度低減することが分かる。この結果は、図４、５に示される結果と整合している。
【００３６】
以上のシミュレーションの結果から、本発明者は、波長１μｍ帯の光の伝搬損失が好適に管理されるスロット導波路の形状の１つの条件として、シリコン細線中に分布する光強度と比べて、スロット中に分布する光強度が略同等か又はより多くなる条件を見出した。すなわち、スロット１３の幅ｗｓｌｏｔが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、かつシリコン細線１２の幅ｗＳｉが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である条件が、そのような条件の一例である。また、シリコン細線１２が薄すぎるとスロット導波路１０１から光が漏えいすることから、シリコン細線１２の好適な厚さｈを１００ｎｍ以上と規定する。
【００３７】
なお、この条件は、スロット導波路の延長に応じて調整されてもよい。例えば、スロット導波路の延長が長い場合には、より厳しい条件として、シリコン細線１２の幅ｗＳｉが１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である条件を規定してもよい。
【００３８】
本発明者は、本実施の形態のスロット導波路及び従来構造の光導波路の各サンプルをＳＯＩ上に作製し、各サンプルで伝搬される光の損失を実測する実験を行った。
【００３９】
図８は、本実験で用いた測定系の構成の一例を示す模式図である。当該測定系は、光導波路２０１が形成されたサンプル２００、レンズファイバー２０２、２０３、赤外線カメラ２０４、レーザー源２０５、光強度計２０６を備える。光導波路２０１は、本実施の形態のスロット導波路及び従来構造の光導波路のいずれかである。
【００４０】
図８には、光導波路２０１が本実施の形態のスロット導波路である場合について、光導波路２０１の要部の拡大図が示されている。光導波路２０１は、長さ１．９３ｍｍ、幅０．３８ｍｍの矩形領域の対角を結ぶように設けられ、中心半径Ｒ＝１０μｍの屈曲部を２か所有している。
【００４１】
本実験で用いたスロット導波路は、幅１５０ｎｍの２本のシリコン細線、及び当該２本のシリコン細線で挟まれた幅５０ｎｍのスロットからなる。本実験で用いた従来構造の光導波路は、幅４００ｎｍの単一のシリコン細線からなる。
【００４２】
レーザー源２０５は、レーザーダイオードにて１５５０ｎｍ、１３１０ｎｍ、及び１０６０ｎｍの各波長の赤外線を出射する。ここで、波長が１０６０ｎｍの赤外線は、光集積回路の処理用として想定される波長１μｍ帯の光の一例であり、酸化シリコンを透過しシリコンで吸収される。波長が１５５０ｎｍ、１３１０ｎｍの赤外線は、比較用の光であり、シリコン及び酸化シリコンのどちらをも透過する。
【００４３】
レーザー源２０５から出射された赤外線は、レンズファイバー２０２を通して光導波路２０１の入力端に入射され、光導波路２０１内を伝搬する。光導波路２０１の出力端から出射された赤外線は、レンズファイバー２０３を通して光強度計２０６に入射される。光強度計２０６にて測定された光強度から、光導波路２０１での伝搬損失を含む、測定系でのトータル損失が評価される。
【００４４】
図９は、赤外線を伝搬しているスロット導波路を赤外線カメラ２０４で捉えた画像である。図９の画像から、スロット導波路の入力端においてかなりの入射損失が認められる。光強度計２０６による光強度の測定結果から評価されるスロット導波路のトータル損失には、このような入射損失とスロット導波路自身の伝搬損失とが含まれる。
【００４５】
図１０は、光導波路２０１が本実施の形態のスロット導波路である場合、及び光導波路２０１が従来構造の光導波路である場合の、伝搬する光の波長に対する測定系でのトータル損失の一例を示すグラフである。
【００４６】
図１０に見られるように、波長１５５０ｎｍ、１３１０ｎｍの赤外線に対して、本実施の形態のスロット導波路は、従来構造の光導波路と比べて、やや大きなトータル損失を示した。本実験で用いたスロット導波路及び従来構造の光導波路を構成する材料はいずれも、これらの波長の赤外線を透過するシリコン及び酸化シリコンである。そのため、この差は、例えば、シリコン細線と酸化シリコンとの界面の平坦性といった、伝搬損失に影響する構造上の個体差に起因すると考えられる。
【００４７】
他方、波長１０６０ｎｍの赤外線に対して、本実施の形態のスロット導波路は、従来構造の光導波路と比べて、より小さなトータル損失を示した。すなわち、従来構造の光導波路よりも大きな伝搬損失を有していると考えられる本実施の形態のスロット導波路が、波長１μｍ帯の光に対しては、従来構造の光導波路のサンプルよりも小さなトータル損失を示した。
【００４８】
この実験の結果は、スロット導波路では、スロットに多くの光強度が分布することから、シリコンで吸収される波長帯の光をスロットで伝搬でき、また、従来構造の光導波路ではシリコンで吸収される波長帯の光に対して大きな伝搬損失が生じるという、前述のシミュレーションの結果に基づく予想と整合している。
【００４９】
この実験から、本実施の形態のシリコンで構成されたスロット導波路によれば、シリコンで吸収される１μｍ帯の光を伝送できる可能性が裏付けられた。光集積回路に集積される光導波路と光検出器とをシリコンで統一的に構成するための構造として、本実施の形態のスロット導波路が有用であることが分かった。
【００５０】
以上、本発明の１つまたは複数の態様に係るスロット導波路について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、シリコンで吸収される１μｍ帯の光を伝搬でき、かつシリコンで構成された光導波路として、光集積回路における利用が可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１０    シリコン基板
１１    酸化シリコン膜
１２    シリコン細線
１３    スロット
１４    シリコン膜
１５    電極
１００    光集積回路
１０１    スロット導波路
１０２    光検出器
２００    サンプル
２０１    光導波路
２０２、２０３    レンズファイバー
２０４    赤外線カメラ
２０５    レーザー源
２０６    光強度計
【図１】
2014164273.tif 000003
【図２】
2014164273.tif 000004
【図４】
2014164273.tif 000005
【図５】
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【図６】
2014164273.tif 000007
【図７】
2014164273.tif 000008
【図８】
2014164273.tif 000009
【図１０】
2014164273.tif 000010
【図３】
2014164273.tif 000011
【図９】
2014164273.tif 000012