(57)【要約】【課題】最も閉じ込め径が小さくできるプラズモニクス導波路と、最も一般的に用いられている誘電体導波路を、高効率に接続する光導波路モード変換器を提供すること。【解決手段】クラッド１上にコアとなる誘電体２を積層して形成された誘電体導波路と、クラッド１上にコアを画定するギャップを隔てて配置された２つの金属３を積層して形成されたプラズモニクス導波路とを備えた光導波路モード変換器１０であって、前記プラズモニクス導波路と前記誘電体導波路とは、厚さが互いに異なる状態でコアを突き合わせることにより光学的に接続されていることを特徴する光導波路モード変換器１０である。前記プラズモニクス導波路と前記誘電体導波路との接続部分２ｂ、３ｂは、前記厚さ方向とは垂直な導波路の幅方向の長さが変化するテーパー状に形成されていることが好ましい。【選択図】図２
2014170126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラッド上にコアとなる誘電体を積層して形成された誘電体導波路と、
クラッド上にコアを画定するギャップを隔てて配置された２つの金属を積層して形成されたプラズモニクス導波路とを備えた光導波路モード変換器であって、
前記プラズモニクス導波路と前記誘電体導波路とは、厚さが互いに異なる状態でコアを突き合わせることにより光学的に接続されていることを特徴する光導波路モード変換器。
【請求項２】
前記プラズモニクス導波路と前記誘電体導波路との接続部分は、前記厚さ方向とは垂直な導波路の幅方向の長さが変化するテーパー状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光導波路モード変換器。
【請求項３】
前記プラズモニクス導波路と前記誘電体導波路との接続部分に、ギャップが存在していることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路モード変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光導波路モード変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来ＣＰＵ（中央演算ユニット）などの半導体チップ中の情報処理は電子回路によって担われてきたが、近年チップの中の電気配線による情報転送が、チップ全体のエネルギー消費及び発熱の主要因になりつつあり、チップの演算速度が配線の帯域によって制限されるため、電気配線による演算速度の限界が問題となってきている。その一方でチップ内、チップ間の情報のやり取りが爆発的に増大するに従って、高度なネットワーク処理が要求されるようになってきている。
【０００３】
そこで、現在この問題を解決するためにチップの中への光配線の導入、さらには光ネットワーク処理技術の導入が検討され始めている。しかし、通常の光配線（すなわち光導波路）はそのサイズが光の波長とその回折限界によって制限され、数ミクロン角程度の断面積を必要とするため、１０ｎｍから１００ｎｍ程度のサイズになっているチップ内の電子回路部品要素とはサイズが合わず、高密度な光配線の集積は難しいという問題があった。また、通常の光ネットワーク処理を行う光部品は、そのサイズが数百ミクロン以上ありチップ内に集積化して用いることが困難であった。
【０００４】
そこで、近年、光の波長よりもはるかに小さい回折限界以下の断面積の導波路に光を通すことが可能で、光部品のサイズを劇的に小さくできるプラズモニクス技術が注目を集めている。プラズモニクス導波路は金属と誘電体界面に形成される界面プラズモンモードを利用して、金属ナノ構造中に光を強く閉じ込めることが可能である。プラズモニクス導波路にはいくつかの形態があるが、いずれの形態の導波路も金属による光吸収によって伝搬距離が制限され、一般的にモード断面積が小さい導波路ほど金属の中にモードが染み出すために伝搬損失が大きいというトレードオフの関係が知られている。最もモード断面積が小さいプラズモニクス導波路の代表例としては、ＭＤＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｍｅｔａｌ）型導波路がよく知られている（非特許文献１）。
【０００５】
図１にＭＤＭ型のプラズモニクス導波路と通常の誘電体導波路（シリコン細線導波路の場合）の構造を示す。図１において（ａ）はそれぞれの上面斜視図であり、（ｂ）はコア断面方向からみたそれぞれの側面図である。図１に示すように誘電体導波路２０は、シリコンＳｉＯ２クラッド１上にコアとなる誘電体（Ｓｉ）２が積層された構成を備える。また、ＭＤＭ型プラズモニクス導波路３０、４０は、２つの金属３にサンドイッチされたギャップ領域に光を閉じ込めるタイプのもので、マイクロ波回路におけるマイクロストリップラインなどの二導体型導波路の光版を呼ぶべき性質の導波路である。ギャップ領域には非金属の誘電体が存在すればよく、図１に示すように空気ギャップの場合（３０）と誘電体４１でギャップを満たした場合（４０）の両方で導波路を形成可能である。非特許文献１によれば、この導波路では、波長１５５０ｎｍの光を５０ｎｍ角のギャップ領域内に閉じ込めることが可能であるが、その場合の伝搬長は１０μｍ以下程度に限られており、チップ内の配線として用いるのは損失が大きすぎる。また、プラズモニクス導波路をベースにして様々な光部品が実現可能であるが、その性能はベースとなるプラズモニクス導波路の伝搬損失によって大きく制限を受け、既存デバイスと同等の性能を達成するのは容易ではない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｇ．  Ｖｅｒｏｎｉｓ  ａｎｄ  Ｓ．  Ｆａｎ，  Ｏｐｔ．  Ｌｅｔｔ．  ｖｏｌ．  ３０，  ｐｐ．  ３３５９−３３６１  （２００５）
【非特許文献２】Ｈｙｕｃｋ  Ｃｈｏｏ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｎａｔｕｒｅ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，  ｖｏｌ．  ６，  ｐｐ  ８３８−８４４  （２０１２）
【非特許文献３】Ｊ．  Ｔｉａｎ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．  ９５，  ０１３５０４  （２００９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上の背景説明で明らかにように、チップ内に光配線、光ネットワーク処理回路を実現するためには、サイズを小型化できるプラズモニクス導波路技術は極めて魅力的であるが、損失が大きすぎるために実用的に用いることは困難であった。しかし本来の目的のためには、極小径の導波路が必要となるのはサイズの小さな電子デバイスとの接続部の近くや、エネルギーを消費する光能動部品の付近のみで構わない。つまり短距離の引き回しの部分は極小径のプラズモニクス導波路を用い、それ以外の長距離に光を伝搬させる部分は通常の誘電体導波路（例えばシリコン細線導波路等）で十分である。伝搬距離と光部品の長さが短ければプラズモニクス導波路の損失は問題とならない。
【０００８】
このような使用法を想定した場合には、高効率にプラズモニクス導波路と誘電体導波路を接続できなければならない。ところがプラズモニクス導波路と誘電体導波路は、モード径が大きく異なる上に、閉じ込め原理の違いを反映してモードの形状・性質が大きく異なるために、両者を高効率に接続することが容易ではない。特に導波路の厚みが数倍から一桁程度異なるため、両者を接続する構造は３次元的な接続構造が必要であると考えられており、作製するプロセスが困難となると考えられていた。
【０００９】
これまでに、以上のような目的のもとにプラズモニクス導波路と誘電体導波路を接続するモード変換器が提案、作製されてきたが、多くの場合は厚さの違いの問題を迂回するために、プラズモニクス導波路の厚さを誘電体導波路の厚さにそろえた上で、２次元的な接続構造を導入しており（非特許文献２）、本来の目的である極小径のプラズモニクス導波路に接続できておらず、期待された効果は得られていない。また極小プラズモニクス導波路と誘電体導波路を接続する複雑な三次元的な構造が必要（非特許文献３）で作製が困難な上、性能は十分ではなく、期待された性能はいまだに得られていない。
【００１０】
しかしながら、本発明者らは、極小プラズモニクス導波路と誘電体導波路の両者をつなぐために複雑で長尺な３次元的なテーパー構造（両導波路の幾何学的な構造の違いを滑らかにつなぐ遷移構造）を伴わずに、両者を高さの異なるまま直接突き合わせても、高い結合効率で接続できることを見出し、本発明に至った。
【００１１】
本発明の課題は、最も閉じ込め径が小さくできるプラズモニクス導波路と、最も一般的に用いられている誘電体導波路を、高効率に接続する光導波路モード変換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、クラッド上にコアとなる誘電体を積層して形成された誘電体導波路と、クラッド上にコアを画定するギャップを隔てて配置された２つの金属を積層して形成されたプラズモニクス導波路とを備えた光導波路モード変換器であって、前記プラズモニクス導波路と前記誘電体導波路とは、厚さが互いに異なる状態でコアを突き合わせることにより光学的に接続されていることを特徴する光導波路モード変換器である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】非特許文献１のＭＤＭ型プラズモニクス導波路とシリコン細線型の誘電体導波路を示す図である。
【図２】本発明のモード変換器の構成を示す図である。
【図３】本発明のモード変換器で用いている導波路モードを説明するための図である。
【図４】本発明のモード変換器のモード変換部の構成を説明する図である。
【図５】本発明のモード変換器の光透過率の電磁界シミュレーション結果を示す図である。
【図６】本発明のモード変換器の光透過率の電磁界シミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明のモード変換器においてテーパー長がゼロの場合の構成を示す図である。
【図８】本発明のモード変換器の応用例を示す図である。
【図９】本発明のモード変換器の応用例を示す図である。
【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、詳細に説明する。図２に本発明の光導波路モード変換器の一実施形態を示す。図２において、（ａ）は光導波路モード変換器の上面斜視図であり、（ｂ）は光導波路モード変換器の上面図であり、（ｃ）は図示左から（ｂ）におけるＡ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図、Ｃ−Ｃ’断面図である。光導波路モード変換器１０は、シリコン細線導波路を形成するコアとなる誘電体（導波路）２と、間にはさまれた、ＭＤＭ型プラズモニクス導波路を形成する金属３とをＳｉＯ２クラッド１の上に積層して構成される。ＭＤＭ型プラズモニクス導波路は図１に示したものと同タイプのＭＤＭ型プラズモニクス導波路を採用でき、この例では２つの金属薄膜領域３がコアを画定する空気ギャップを介して対向する構造となっている。
【００１５】
シリコン細線導波路（Ｓｉ細線導波路）を形成する誘電体２は、例えば、波長１５５０ｎｍにおいても最も典型的にＴＥ偏波（電界が基板と平行方向）の単一モード導波路として用いられるサイズ（幅Ｗ１＝４００ｎｍ、厚みｔ１＝２００ｎｍ程度）を用いることができる。この導波路は２ｄＢ／ｃｍ以下の低い伝搬損失が実現されており、他の誘電体導波路（光ファイバーやフォトニック結晶導波路）と既存のモード変換器を用いて高効率に接続可能であることも知られている。
【００１６】
ＭＤＭ型プラズモニクス導波路（ＭＤＭ導波路）は、２つの金属領域（ここでは金）３の間にはさまれた誘電体領域（この図の例では、誘電体領域は空気。典型的なサイズはギャップ幅Ｗ２＝５０ｎｍ、厚さｔ２＝５０ｎｍ）に、ＴＥ偏波の光が強く閉じ込められる導波路として構成される。
【００１７】
光導波路モード変換器１０では、２つの導波路２、３を、厚さ（ｔ１、ｔ２）が互いに異なる状態でコアを突き合わせることにより光学的に接続している。さらに、図２に示すように、２つの導波路２、３を接続する箇所にモード変換部分２ｂ、３ｂが設けられていることが好ましい。モード変換部分２ｂ、３ｂは、２次元的なテーパー形状に形成されている。この例ではシリコン導波路２からＭＤＭ導波路３にモードが変換され、その後さらにもう１つのシリコン導波路２へ変換される。一方のシリコン導波路２から他方のシリコン導波路２への光の透過率を調べることによって、モード変換効率を評価することができる。
【００１８】
図３にＳｉ細線導波路とＭＤＭ型導波路のモード形状を示す。図示両端に示された構成が、それぞれの導波路の本来の条件に基づく構成２ａ、３ａに相当し、図示中央に示された構成がそれぞれの導波路のモード変換部分２ｂ、３ｂの構成に相当する。明らかなように２つの導波路２ａ、３ａのモードサイズ、モード形状ともに大きく異なる。また、２つの導波路２ａ、３ａのモードの中心位置の高さは、シリコン細線側では基板から１００ｎｍ、ＭＤＭ導波路では２５ｎｍと大きく異なっている。この違いのために従来は、複雑で長尺な３次元的なテーパー構造（両導波路の幾何学的な構造の違いを滑らかにつなぐ遷移構造）が両者をつなぐために必要と考えられてきた。
【００１９】
ところが本発明者らは、このように大きく異なる導波路を３次元的なテーパー構造を伴わずに、図２に示したように両者を高さの異なるまま直接突き合わせることによって、高い結合効率で接続できることを見出した。さらに、遷移領域に簡易な２次元的なテーパー構造を導入すると、結合効率の向上がさらに図れる。図３に示したようにシリコン細線導波路モードには、中央の主ローブに加え、導波路のわきに２つの副ローブが存在するが、この副ローブは導波路の幅を狭くすると強度が増大する。一方、ＭＤＭ導波路はギャップ幅狭いときには強く中央に局在しているが、ギャップ幅が広くなると二つの金属の端に局在するようになる。この状況のＭＤＭ導波路のモードは、導波路幅が狭いときのＳｉ細線導波路モードの副ローブと比較的似たモード形状をしている。テーパー構造を導入した接続配置においては、この副ローブとＭＤＭ導波路を直接接続させることによってより高効率なモード変換が可能となっている。
【００２０】
モード変換部２ｂ、３ｂの詳細な平面構造を図４に示す。いずれの場合も基板に垂直方向の構造は全て共通であり、図２に示した通りである。図４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の構造共に、シリコン導波路２の終端テーパー部は長さがＬｔａｐｅｒに等しい三角形形状をしており、このテーパー領域において導波路幅が４００ｎｍから０ｎｍまで減少している。この三角形のテーパー部を挟むようにしてギャップ幅がＷ２のＭＤＭ導波路が形成されている。図４（ａ）の構造ではＭＤＭ導波路の金属領域３がＳｉ導波路２に接するように配置されているが、図４（ｂ）の構造では、幅Ｗｔａｐｅｒのギャップを介して金属領域３が配置されている。図４（ｃ）の構造では、複数段テーパーにすることにより図４（ａ）に示された金属領域３がＳｉ導波路２に接する構造と図４（ｂ）に示されたＳｉ導波路２に対してギャップを介して金属領域３が配置された構造とが組み合わされた構造となっている。
【００２１】
図５に図４（ｂ）の構造において、Ｗ１＝４００ｎｍ、ｔ１＝２００ｎｍ、Ｗ２＝４０ｎｍ、ｔ２＝３０ｎｍ、Ｗｔａｐｅｒ＝４０ｎｍの場合に、テーパー部の長さ（Ｌｔａｐｅｒ）とＭＤＭ導波路長（ＬＭＤＭ）を変えた時の一方の導波路２から他方の導波路２への光透過率の大きさを３次元電磁界解析によって数値シミュレーションした結果を示す。ここではモード変換を２回行っているので、シリコン導波路からプラズモニクス導波路への単体のモード変換器（モード変換が１回）の変換損失は、図５で示された値の半分に相当する。２つの導波路の断面積はほぼ７０倍の違いがあり、この違いから単純に推算すると約１９ｄＢ程度の強度損失が生じるはずである。しかし、図５の結果では、幅広いパラメータ領域でモード変換１回あたり３ｄＢ程度以下の高い光透過率が達成され、この構造がモード変換器として有効に機能していることがわかる。このＭＤＭ導波路の長さは十分短いため、ＭＤＭ導波路の伝搬損失は殆ど無視することでき、実際に透過率は殆どＬＭＤＭ  には強く依存していない。Ｌｔａｐｅｒに関しては緩い依存性が見られ、Ｌｔａｐｅｒが長いほど透過率は高くなっている。この傾向自体は一般的なテーパーを用いたモード変換器にみられる傾向であるが、ここでは２００ｎｍから３００ｎｍという非常に短い長さで十分な変換効率が達成されている点が重要であり、波長よりもはるかに短い長さでモードを有効に変換できていることがわかる。
【００２２】
図６には図４（ｂ）の構造でＷ１＝４００ｎｍ、ｔ１＝２００ｎｍ、Ｗ２＝３０ｎｍ、ｔ２＝３０ｎｍ、Ｗｔａｐｅｒ＝４０ｎｍと設定した場合に、一方の導波路２から他方の導波路２への光透過率の大きさを３次元電磁界解析によって数値シミュレーションした結果を示す。結果は殆ど定性的には図５の結果と同じであるが、ここではテーパー部の長さ（Ｌｔａｐｅｒ）をゼロになるところまで条件を振ったものが示されている。この結果からわかるようにＬｔａｐｅｒがゼロの場合においてもモード変換１回あたり３ｄＢ程度の変換効率が実現できていることがわかる。この構造を図で示すと、図７（ｂ）に相当する。結合効率そのものはテーパー部がある程度の長さを持っている方が若干高いが、図７のような単純な構造でも十分にモード変換器として機能する。
【００２３】
以上の例ではＭＤＭ導波路としてＷ２＝４０ｎｍおよび３０ｎｍ、ｔ２＝３０ｎｍの場合について説明を行ったが、ｔ２が１０ｎｍ、２０ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍの場合についてもほぼ同様な結果が得られている。Ｗ２についても１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍにおいても有効にモード変換器として機能することを確認した。
【００２４】
またＷｔａｐｅｒについても４０ｎｍに固定した例を示したが、これ以外の値でもほぼ同様な性能が達成される。Ｗｔａｐｅｒ＝０である図４（ａ）、図７（ａ）の構造は、Ｗｔａｐｅｒ＝４０ｎｍの場合に比べて結合効率は３ｄＢ程度減少した。従って、誘電体導波路とプラズモニクス導波路の間のギャップの存在が、結合効率向上に有効であることが確認された。ただし、Ｗｔａｐｅｒ＝０は作製が容易であるため、多少結合効率が低くても実用上は一定の価値がある。また、図４（ｃ）のような複数段テーパーの構成では、図４（ｂ）とほぼ同等な結合効率が得られた。
【００２５】
本発明にかかるモード変換器は、図４、図７等に示したものをＭＤＭ導波路３の途中で半分に割った図８（ａ）のような構成で、誘電体導波路２からＭＤＭプラズモニクス導波路３（またはその逆）への変換器として用いることができることは自明である。誘電体導波路２からＭＤＭ導波路３に一旦モードを結合できれば、ＭＤＭ導波路３の中でさらにモードを絞り込むことは容易である。例えば図８（ｂ）のようにＭＤＭ導波路３のギャップ幅を連続的に変化させたり、図８（ｃ）のような先端のとがった狭ギャップ構造に接続したりすることにより、光をさらに狭い領域に絞り込むことができる。
【００２６】
同様に図４や図７の構造の中央のＭＤＭ導波路３内で局所的にギャップ幅の狭い領域を作ることにより、同様にモードを絞り込むことも可能である。その一例を図９（ａ）に示す。図８、図９の構造は、モードが集中している部分に光機能物質（利得媒質、光非線形媒質、電界光学効果媒質など）５を配置することにより超小型の光機能デバイス（レーザ、光スイッチ、光変調器など）を構成することができる。図９（ｂ）にその一例を示す。
【００２７】
本発明の構成では、誘電体導波路とプラズモニクス導波路という幾何学的サイズと構造およびモード中心位置が全く異なる導波路を、３次元的な構造遷移領域（テーパー部）を伴わずに接続することが可能である。従来技術とは異なり、モード接続部の厚み方向の構造は、接続対象の誘電体導波路およびＭＤＭ導波路と全く同じであるため、両者の導波路を作製する作製プロセスをそのまま用いて全構造を作製することができる。モード変換部の構造は、リソグラフィ時の２次元パターンデータに修正を加えることによって、構造の中に作りこむことができる。
【００２８】
以上の実施形態では、ギャップが空気ギャップの場合について説明を行ったが、図１で示したようにギャップ内に誘電体を配置しても同様なＭＤＭ導波路が構成できることから、本発明の光導波路モード変換器においてもギャップ内に誘電体を配置しても同様な効果が期待できることは明らかである。
【００２９】
また上記の実施形態では、ＭＤＭ導波路の位置が誘電体導波路の下部に一致する位置に配置されているが、我々の見出した結果から、両者の位置が大きくずれていても高い結合効率が期待できるので、配置の仕方はこれに限らない。もちろん、両者の中心位置が一致していても高い性能が実現できることは言うまでもない。
【００３０】
また、クラッドとしてＳｉＯ２、誘電体導波路としてシリコン、ＭＤＭ導波路として金を用いたが、同様な効果は、クラッドとして他の低屈折率材料（ポリマーや空気など）を用いたり、誘電体導波路としての他の高屈折率材料（ＩｎＰ，  ＧａＡｓなどの半導体や高屈折率ポリマー）を用いたり、ＭＤＭ導波路として他の金属（銀、銅、アルミニウムなど）を用いても全く同様な効果が期待できることは自明である。
【符号の説明】
【００３１】
１  ＳｉＯ２クラッド
２  誘電体（シリコン細線導波路）
３  金属（ＭＤＭ型プラズモニクス導波路）
４  基板
５  光機能物質
１０  光導波路モード変換器
２０  誘電体導波路
３０、４０  ＭＤＭ型プラズモニクス導波路
【図２】
2014170126.tif 000003
【図４】
2014170126.tif 000004
【図７】
2014170126.tif 000005
【図８】
2014170126.tif 000006
【図９】
2014170126.tif 000007
【図１】
2014170126.tif 000008
【図３】
2014170126.tif 000009
【図５】
2014170126.tif 000010
【図６】
2014170126.tif 000011