(57)【要約】フレキシブルで可視光にも対応可能な有機薄膜光集積回路を提供する。有機薄膜光集積回路（１）は、有機薄膜フィルム（２）上に、モノリシック集積技術により形成された光導波路（１０）と、受光器（２０）と、変調器（３０）と、光スイッチ（４０）と、金属グレーティングカプラ（５０）と、を備える。受光器（２０）は、ポリマーからなる下部クラッド層（２１）と、下部クラッド層（２１）上の機能性領域（６０）に２次元配置された２次元系材料（２２）と、２次元系材料（２２）の２次元平面上に積層されたポリマーからなるコア層（２３）と、コア層（２３）を埋め込んで積層されたポリマーからなる上部クラッド層（２４）と、コア層（２３）を挟む第１電極（２５）および第２電極（２６）と、を有する。
2017130744.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有する有機薄膜フィルムと、
前記有機薄膜フィルムの所定領域に２次元配置された２次元系材料と、
前記２次元系材料の２次元平面上に形成された有機材料からなる１または複数の光機能素子と、
を備えることを特徴とする有機薄膜光集積回路。
【請求項２】
前記有機薄膜フィルム上に、複数の前記光機能素子を備える場合、
各前記光機能素子は、同一の有機材料を用いて共通するプロセスで作製するモノリシック光集積技術により作製された
ことを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜光集積回路。
【請求項３】
前記光機能素子は、コア層と、前記コア層を埋め込むクラッド層と、前記コア層を挟む一対の電極と、を有する受光器であり、
前記コア層の直下に前記２次元系材料を備え、
前記２次元系材料は、フォトキャリアを生成し、生成したフォトキャリアが前記一対の電極から引き抜かれる構造である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の有機薄膜光集積回路。
【請求項４】
前記光機能素子は、コア層と、前記コア層を埋め込むクラッド層と、前記コア層を挟む一対の電極と、コア層の下部に配置された下部電極と、を有する変調器であり、
前記コア層の直下に前記２次元系材料を備え、
前記２次元系材料の下方に前記下部電極を備え、
前記下部電極に電圧印加して、前記２次元系材料の化学ポテンシャルの位置を制御する構造である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の有機薄膜光集積回路。
【請求項５】
前記変調器は、前記２次元系材料がグラフェンである場合、化学ポテンシャルの位置を制御することによって、バンド間吸収に起因する誘電体的特性からバンド内吸収に起因する金属的特性へと変化させて強度変調を行う
ことを特徴とする請求項３に記載の有機薄膜光集積回路。
【請求項６】
前記光機能素子は、第１コア層と、第２コア層と、前記第１コア層および前記第２コア層を埋め込むクラッド層と、前記第１コア層および前記第２コア層をそれぞれ覆うヒータとを備え、前記ヒータの一方を通電加熱して一方のコア層とクラッド層との屈折率を変えてスイッチングを行う光スイッチである
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の有機薄膜光集積回路。
【請求項７】
前記光機能素子は、コア層と、前記コア層を埋め込むクラッド層と、を備える光導波路を含む
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の有機薄膜光集積回路。
【請求項８】
前記２次元系材料は、グラフェン、フォスフォレン、または、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２を含む遷移金属ダイカルコゲナイドである
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の有機薄膜光集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機薄膜光集積回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ネットワークに用いられている各種光素子には、多重化素子、変調器、レーザ・変調器・光スイッチ・受光器等を集積した光集積回路がある。光集積回路とは、レーザ・変調器・合分波器などの各種モジュールを光ファイバを介さずに１チップ上に集積したものである。光集積デバイスの利点は、光通信における様々な機能を１チップの小型モジュールで実現することが可能になる。また、消費電力・製造コストともに減少させることができる。【０００３】
上記多重化素子の材料としては、ＳｉＯ２がある。また、上記変調器の材料としては、大きなＥＯ（Electro-optic、電気光学）効果を示すニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ランタン添加のチタン酸ジルコン酸鉛（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）などの無機光学結晶が広く用いられている。上記光集積回路の材料としては、インジウムリン（ＩｎＰ）またはＳｉがある。【０００４】
例えば、ＩｎＰ系光集積回路は、光源も含めた機能集積技術で形成され、結晶成長を活かした多機能化が実現可能である（例えば特許文献１）。ＩｎＰ系光集積回路は、伝搬特性が良好な特徴がある。また、Ｓｉ系光集積回路は、Ｓｉの閉じ込めを活かした高密度技術が実現可能であり、ＣＭＯＳ（Complementary MOS）プロセスとの互換性がある。ただし、光源のみモノリシック集積が不可である。
ＩｎＰ系またはＳｉ系のいずれの光集積回路にあってもフレキシブル化は、実現されていない。
なお、有機半導体を用いた有機薄膜トランジスタ（ＯＴＦＴ：Organic Thin Film Transistor）では、フレキシブル化、軽量化などが図られている（例えば特許文献２）。
また、非特許文献１には、有機トランジスタを用いたフレキシブル電子デバイスが発表されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１７９１８３号公報
【特許文献２】特開２０１５−１７６９１９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“フレキシブル有機トランジスタの高性能化”、［online］、July01,2014、［平成２７年１２月１日検索］、インターネット〈URL:http://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/aed/japanese/result.html〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような従来の光集積回路は、ＩｎＰやＳｉベースのものであるので、光通信には問題ないものの、透過波長が赤外域に限定されること、フレキシブル性に欠けることから他の応用が困難という課題があった。【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、フレキシブルで可視光にも対応可能な有機薄膜光集積回路を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記した課題を解決するため、本発明による請求項１に係る有機薄膜光集積回路は、可撓性を有する有機薄膜フィルムと、前記有機薄膜フィルムの所定領域に２次元配置された２次元系材料と、前記２次元系材料の２次元平面上に形成された有機材料からなる１または複数の光機能素子と、を備えることを特徴とする。【００１０】
この構成によれば、有機薄膜フィルム上に、光機能を一括集積することができ、フレキシブルで可視光にも対応可能な有機薄膜光集積回路を実現することができる。【００１１】
請求項２に係る有機薄膜光集積回路は、前記有機薄膜フィルム上に、複数の前記光機能素子を備える場合、各前記光機能素子は、同一の有機材料を用いて共通するプロセスで作製するモノリシック光集積技術により作製されたことを特徴とする。【００１２】
この構成によれば、モノリシック光集積技術により有機薄膜フィルム上に光機能素子を一括集積することができる。【００１３】
請求項３に係る有機薄膜光集積回路は、前記光機能素子は、コア層と、前記コア層を埋め込むクラッド層と、前記コア層を挟む一対の電極と、を有する受光器であり、前記コア層の直下に前記２次元系材料を備え、前記２次元系材料は、フォトキャリアを生成し、生成したフォトキャリアが前記一対の電極から引き抜かれる構造であることを特徴とする。【００１４】
この構成によれば、有機薄膜フィルム上に受光器を含む光機能素子を集積することができる。【００１５】
請求項４に係る有機薄膜光集積回路は、前記光機能素子は、コア層と、前記コア層を埋め込むクラッド層と、前記コア層を挟む一対の電極と、コア層の下部に配置された下部電極と、を有する変調器であり、前記コア層の直下に前記２次元系材料を備え、前記２次元系材料の下方に前記下部電極を備え、前記下部電極に電圧印加して、前記２次元系材料の化学ポテンシャルの位置を制御する構造であることを特徴とする。【００１６】
この構成によれば、有機薄膜フィルム上に変調器を含む光機能素子を集積することができる。【００１７】
請求項５に係る有機薄膜光集積回路は、前記変調器は、前記２次元系材料がグラフェンである場合、化学ポテンシャルの位置を制御することによって、バンド間吸収に起因する誘電体的特性からバンド内吸収に起因する金属的特性へと変化させて強度変調を行うことを特徴とする。【００１８】
この構成によれば、グラフェンを用いて化学ポテンシャルの位置を制御することができる。【００１９】
請求項６に係る有機薄膜光集積回路は、前記光機能素子は、第１コア層と、第２コア層と、前記第１コア層および前記第２コア層を埋め込むクラッド層と、前記第１コア層および前記第２コア層をそれぞれ覆うヒータとを備え、前記ヒータの一方を通電加熱して一方のコア層とクラッド層との屈折率を変えてスイッチングを行う光スイッチであることを特徴とする。【００２０】
この構成によれば、有機薄膜フィルム上に光スイッチを含む光機能素子を集積することができる。【００２１】
請求項７に係る有機薄膜光集積回路は、前記光機能素子は、コア層と、前記コア層を埋め込むクラッド層と、を備える光導波路を含むことを特徴とする。【００２２】
この構成によれば、有機薄膜フィルム上に、各光機能素子をつなぐ光伝送路となる光導波路を集積することができる。【００２３】
請求項８に係る有機薄膜光集積回路は、前記２次元系材料は、グラフェン、フォスフォレン、または、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２を含む遷移金属ダイカルコゲナイドであることを特徴とする。【００２４】
この構成によれば、２次元系材料として、様々な２次元機能性原子・分子薄膜を選択的に用いることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、フレキシブルで可視光にも対応可能な有機薄膜光集積回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る有機薄膜光集積回路の構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る有機薄膜光集積回路の有機薄膜フィルムにモノリシック集積技術により形成された光導波路の構造を示す断面図である。
【図３】本実施形態に係る有機薄膜光集積回路の有機薄膜フィルムにモノリシック集積技術により形成された受光器の構造を示す断面図である。
【図４】本実施形態に係る有機薄膜光集積回路の有機薄膜フィルムにモノリシック集積技術により形成された変調器の構造を示す断面図である。
【図５】本実施形態に係る有機薄膜光集積回路の有機薄膜フィルムにモノリシック集積技術により形成された光スイッチの構造を示す断面図である。
【図６】本実施形態に係る有機薄膜光集積回路の有機薄膜フィルムにモノリシック集積技術により形成された金属グレーティングカプラの構造を示す図である。
【図７】本実施形態に係る有機薄膜光集積回路の作製方法を説明する図である。
【図８】本実施形態に係る有機薄膜光集積回路の作製方法を説明する図である。
【図９】本実施形態に係る有機薄膜光集積回路の作製方法を説明する図である。
【図１０】図３の受光器のシミュレーションによる光強度を示す図である。
【図１１】図４の変調器のシミュレーションによる光強度を示す図である。
【図１２】図６の金属グレーティングカプラの解析結果を示す図である。
【図１３】１．５５μｍのＴＥモード光を入出力カプラを通して有機薄膜光集積回路内の光導波路に伝送させた結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る有機薄膜光集積回路の構成を示す図である。本実施形態の有機薄膜光集積回路は、従来のＩｎＰ，Ｓｉに次ぐ新しいプラットフォームとして、有機薄膜フィルムを用いたものである。本実施形態は、有機薄膜フィルムにモノリシック集積技術により形成した例である。
図１に示すように、有機薄膜光集積回路（Organic Thin Film Photonic Integrated Circuits）１は、可撓性を有する有機薄膜フィルム（Organic Thin Film）２と、有機薄膜フィルム２上に、モノリシック集積技術により形成された光導波路（Waveguide）１０と、受光器（Detector）２０と、変調器（Modulator）３０と、光スイッチ（Optical Switch）４０と、金属グレーティングカプラ（Metal Grating coupler）５０と、を備える。
有機薄膜光集積回路１は、厚さ数μｍの有機薄膜フィルム２上に、光源以外の光機能素子（ここでは、光導波路１０、受光器２０、変調器３０および光スイッチ４０）全てを一括集積する。
【００２８】
有機薄膜光集積回路１は、一枚の有機薄膜フィルム２上に、光導波路１０、受光器２０、変調器３０、光スイッチ４０などの光機能素子が組み合わせされてモノリシック集積技術により作製されている。有機薄膜光集積回路１におけるモノリシック集積技術とは、同一の有機材料から共通するプロセスで作製することである。換言すれば、最初のウエハから、マスク露光ですべて作製できるモノリシック集積技術である。ステッパ露光やコンタクト露光のマスクパターンを複数用意しておけばよい。
【００２９】
有機薄膜フィルム２は、有機材料からなるフレキシブル薄膜である。有機薄膜フィルム２は、膜厚が例えば数μｍであり、食品用ラップフィルムの約１００分の一以下の厚さである。
【００３０】
有機薄膜フィルム２のポリマー材料としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ、poly methyl methacrylate）、Ｃｙｔｏｐ（登録商標  以下同様。）、Ｏｒｍｏｃｅｒ（登録商標  以下同様。）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリイミド等が挙げられる。より具体的な有機材料としては、ＰＭＭＡ、Ｃｙｔｏｐ、Ｏｒｍｏｃｅｒ、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリビニルブチラール、ポリメタアクリレート、ポリ−Ｌ−リシン、スルホン化ポリスチレン、グリシジル変性ポリエステル、ポリエステル、スルホン酸変性ポリエステル、カルボン酸変性ポリエステル、カルボキシメチルセルロース、エポキシ樹脂、サッカロース、およびこれらの誘導体からなる群より選ばれる少なくとも１つを有する高分子化合物または共重合体、等を例示することができる。
【００３１】
上記ポリマー材料は、透明であることが好ましい。グラフェン（graphene）（後記）は透明性を有しているので、上記ポリマー材料が透明であることによって、本実施形態の有機薄膜フィルム２は透明となる。その結果、汎用な用途に適用可能となる。
【００３２】
［光導波路］
図２は、有機薄膜光集積回路１の有機薄膜フィルム２にモノリシック集積技術により形成された光導波路１０の構造を示す断面図である。
図２に示すように、光導波路１０は、有機材料としてポリマー（ポリマー膜）からなるクラッド層（屈折率ｎ１：〜１．３４）１１と、クラッド層２１に埋め込まれたポリマーからなるコア層（屈折率ｎ２：〜１．４９  ただしｎ２＞ｎ１  以下同様。）１２と、を有する光伝送路である。なお、図２では、有機薄膜フィルム２の裏面に剥離用ポリイミド材料１０１（図７参照）が残されている例を示している。
【００３３】
クラッド層１１には、Ｃｙｔｏｐ（屈折率ｎ１：〜１．３４）からなる有機材料を用いる。
コア層１２には、低損失ポリマー導波路やプラスチックファイバのために作られた有機材料であるＰＭＭＡ（屈折率ｎ２：〜１．４９）を用いる。
本実施形態では、有機薄膜フィルム２の有機材料として屈折率の異なる２つのポリマーを用いている。すなわち、有機薄膜フィルム２のポリマーとしてコア層１２に屈折率（屈折率ｎ２：〜１．４９）のＰＭＭＡとクラッド層１１に屈折率（屈折率ｎ１：〜１．３４）のＣｙｔｏｐとを組み合わせている。ちなみに、Ｃｙｔｏｐは、シリコン基板全体を覆う保護層やスピンコート用のフッ素系高分子溶液としてスピンコートした保護膜として用いられていた。
【００３４】
本実施形態では、光導波路１０は、低損失ポリマー導波路やプラスチックファイバのために作られた有機材料であるＰＭＭＡ（屈折率ｎ２：〜１．４９）からなるクラッド層１１とＣｙｔｏｐ（屈折率ｎ１：〜１．３４）からなるコア層１２とを組み合わせることで、有機薄膜光集積回路１における光伝送路を形成する。
光導波路１０は、屈折率が高いコア層１２を屈折率が低いクラッド層１１が取り囲んだ埋め込み型構造であり、入射した光はコア層１２とクラッド層１１との界面で反射しながら光導波路１０中を伝播する。
有機薄膜光集積回路１における伝送路は、Ｓｉベースの光導波路に比べ、屈折率差が小さいので、光導波路１０の最小曲率半径は２００μｍ位となる。
【００３５】
［受光器］
図３は、有機薄膜光集積回路１の有機薄膜フィルム２にモノリシック集積技術により形成された受光器２０の構造を示す断面図である。
図３に示すように、受光器２０は、有機材料としてポリマー（ポリマー膜）からなる下部クラッド層（屈折率ｎ１：〜１．３４）２１と、下部クラッド層２１上の機能性領域６０（所定領域）に２次元配置された２次元系材料２２と、２次元系材料２２の２次元平面上に積層されたコア層（屈折率ｎ２：〜１．４９）２３と、コア層２３を埋め込んで積層されたポリマーからなる上部クラッド層（屈折率ｎ１：〜１．３４）２４と、コア層２３を挟む第１電極２５および第２電極２６（一対の電極）と、を有する。なお、図２では、有機薄膜フィルム２の裏面に剥離用ポリイミド材料１０１（図７参照）が残されている例を示している。
【００３６】
下部クラッド層２１および上部クラッド層２４は、いずれもＣｙｔｏｐ（屈折率ｎ１：〜１．３４）からなる有機材料である。下部クラッド層２１と上部クラッド層２４とは、Ｃｙｔｏｐにより一体に形成されている。
コア層２３は、ＰＭＭＡからなるポリマー材料である。
【００３７】
２次元系材料２２は、有機材料（ここではＣｙｔｏｐおよびＰＭＭＡ）に、所定の機能性を持たせるために配置される。受光器２０の場合は、２次元系材料２２は、フォトキャリアを生成する。２次元系材料２２には、グラフェンを用いる。グラフェンは、後記する理由で有機薄膜光集積回路１の２次元系材料２２に適している。
【００３８】
第１電極２５および第２電極２６は、２次元系材料２２で生成されたフォトキャリアを引き抜くための電極である。
第１電極２５は、Ｔｉ金属、第２電極２６は、Ｐｄ金属からなる。または、第１電極２５と第２電極２６は、いずれもＡｕ金属またはＡｕ合金からなる。第１電極２５と第２電極２６の金属材料を異ならせると、両電極間のフェルミレベルが異なるので低電圧駆動が可能になる。
【００３９】
本実施形態では、有機薄膜フィルム２の有機材料として屈折率の異なる２つの有機材料を用いている。すなわち、有機材料としてコア層２３に屈折率（屈折率ｎ２：〜１．４９）のＰＭＭＡと下部クラッド層２１および上部クラッド層２２に屈折率（屈折率ｎ１：〜１．３４）のＣｙｔｏｐとを組み合わせている。
【００４０】
２次元系材料２２は、有機薄膜フィルム２にモノリシック集積技術により光機能素子を形成する場合、有機材料（ここではＣｙｔｏｐおよびＰＭＭＡ）に、所定の機能性（後記）を持たせるために配置される。２次元系材料２２は、光機能素子を形成しようとする機能性領域６０に２次元配置し、２次元系材料２２を用いて、機能（受光器２０ではフォトキャリア生成）を持たせる。
なお、本明細書では説明の便宜上、２次元系材料２２と表記しているが、２次元機能性原子・分子薄膜、２次元結晶、２次元物質などと呼称してもよい。
【００４１】
受光器に求められるのは、感度および高速性の２点であり、それらを決める要因は、素子を構成する材料の光吸収効率、光吸収により生成されたフォトキャリアの移動時間、光吸収層の容量などが挙げられる。
本実施形態では、受光器２０の光吸収層として２次元系材料２２であるグラフェン（詳細後記）を用いる。グラフェンは、その優れた電気伝導特性からトランジスタなどへの応用が期待されているが、受光器２０の観点から見ても、高感度・低暗電流を実現できる材料である。
また、グラフェンは、他の２次元系材料にはない特徴として、可視光から赤外領域が透明であることが挙げられる。
【００４２】
図３に示すように、受光器２０は、コア層２３の直下の機能性領域６０にグラフェンからなる２次元系材料２２が転写されており、２次元系材料２２で生成したフォトキャリアが左右の電極（第１電極２５と第２電極２６）から横方向に引き抜かれる構造とする。
【００４３】
<２次元系材料>
２次元系材料２２について述べる。
有機薄膜フィルム２にモノリシック集積技術により光機能素子を形成する場合、有機材料だけを用いて、この有機材料に光機能性を持たせることは困難である。そこで本発明者らは、有機薄膜フィルム２の機能性領域６０に２次元系材料２２を２次元配置することで、有機薄膜フィルム２に機能性を持たせ、２次元系材料２２の２次元平面上に光機能素子をモノリシック集積技術により作製することを見出した。
【００４４】
２次元系材料２２は、有機材料に機能性を持たせることができ、かつ、展性、曲げに強いことが求められる。さらに、有機薄膜光集積回路１（光デバイス）として用いるので、波長帯も考慮する。
【００４５】
グラフェンは、有機薄膜光集積回路１の２次元系材料２２に適している。
グラフェンは、炭素原子のｓｐ２結合によって形成されたハチの巣状の原子層１層のシート構造である。グラフェンは、高キャリア移動度、光波長無依存性（高い透明度）、高光非線形性など独自の利点を有する。グラフェンは、炭素原子のみで構成された六角形のセル構造のみならず、六角形のセルに対してある種の置換基／官能基が結合されていてもよいし、あるいは、酸化グラフェンのような前駆体もまた存在していてもよい。本実施形態では、グラフェンが有機薄膜フィルム２の機能性領域６０に、長さ方向および幅方向に、２次元配置されている。さらに、グラフェンは、単層グラフェンのみでなく２層以上の複数層のグラフェンでもよい。
【００４６】
グラフェンは、コーン型のバンド構造でバンドギャップがなく、高いキャリア移動度、高い透明度でどの波長帯でも機能する。本実施形態の有機薄膜光集積回路１の波長帯はどのようなものでもよいので、この波長帯の観点からもグラフェンが好ましい。
【００４７】
２次元系材料２２は、有機材料に機能性を持たせることができものであればよく、グラフェンには限定されない。
グラフェン以外の２次元系材料２２としては、フォスフォレン（原子層黒リン）、遷移金属ダイカルコゲナイド（ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２など）が挙げられる。ただし、フォスフォレンや二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）は、バンドギャップと高いキャリア移動度を持つ半導体の性質を有する。ここで、有機薄膜光集積回路１（光デバイス）は、半導体の性質は必要ではない。
【００４８】
波長帯は、全域で使うのであればグラフェン、可視域の波長帯で使うのであれば、ＭｏＳ２（molybdenum sulfide）、ＷＳ２（tungsten sulfide）を用いる。製作の容易性を考慮すると、実際にはグラフェン、ＭｏＳ２、ＷＳ２となる。
ちなみに、グラフェン、ＭｏＳ２、ＷＳ２は、光デバイスとしての報告例は、高い移動度を利用することであった。グラフェンは、これらの中で最も高い移動度を持つもののバンドギャップがない（オフすることができない）ので、移動度はグラフェンよりも小さいがバンドギャップのあるＭｏＳ２、ＷＳ２を利用していた。このため光デバイスとしての報告例は、高い移動度に関してののみであり、波長帯に着目された報告例はなかった
【００４９】
［変調器］
図４は、有機薄膜光集積回路１の有機薄膜フィルム２にモノリシック集積技術により形成された変調器３０の構造を示す断面図である。
図４に示すように、変調器３０は、Ｃｙｔｏｐ（屈折率ｎ１：〜１．３４）からなる下部クラッド層（屈折率ｎ１：〜１．３４）２１と、下部クラッド層２１に埋め込まれたＡｕ金属またはＡｕ合金からなる下部電極３１と、下部クラッド層２１上の機能性領域６０に配置されたグラフェンからなる２次元系材料２２と、２次元系材料２２上に積層されたＰＭＭＡからなるコア層（屈折率ｎ２：〜１．４９）２３と、コア層２３を埋め込んで積層されたＣｙｔｏｐ（屈折率ｎ１：〜１．３４）からなる上部クラッド層（屈折率ｎ１：〜１．３４）２４と、Ｔｉ／Ａｕ金属からなる第１電極２５と、Ｔｉ／Ａｕ金属からなる第２電極２６と、を有する。なお、図４では、有機薄膜フィルム２の裏面に剥離用ポリイミド材料１０１（図７参照）が残されている例を示している。
【００５０】
２次元系材料２２は、有機材料（ＣｙｔｏｐおよびＰＭＭＡ）に、所定の機能性を持たせるために配置される。変調器３０の場合は、２次元系材料２２は、化学ポテンシャルの位置を制御する。
【００５１】
下部電極３１は、電圧印加されて２次元系材料２２（グラフェン）の化学ポテンシャルの位置を制御する。
【００５２】
変調器３０についても、受光器２０と同様に、２次元系材料２２としてグラフェンを用いることで機能性を実現する。グラフェンは、化学ポテンシャルの位置を制御することによって、バンド間吸収に起因する誘電体的特性からバンド内吸収に起因する金属的特性へと変化させることが可能である。このような性質を利用した変調器は、既にＳｉ系において実現されており、高速かつ高い消光比を有する(例えばACS Nano 6,3577,2012参照)。
【００５３】
本実施形態では、有機薄膜光集積回路１において適当な変調特性を得ることができるよう、それらに表面プラズモン（Surface Plasmon）を併用する。変調器３０は、Ａｕ金属の下部電極３１を配置し、下部電極３１に電圧を印加することでグラフェンの化学ポテンシャルを制御する。
Ｃｙｔｏｐ（登録商標）は、耐圧性に優れた有機材料（１−３ＭＶ／ｃｍ）であり、光伝送路のクラッド層（例えば図２の光導波路１０のクラッド層１１）としての効果に加えて、有効な絶縁膜としての役割も担う。
【００５４】
変調器３０は、印加電圧が無い場合、グラフェンが金属的特性を有し、下部電極３１へのプラズモン励振が強くなり、伝搬光の損失が激しくなる（理論解析では〜２４００／ｃｍ）。一方、電圧印加した場合、グラフェンにバンドギャップが生じ誘電体的特性を示し、下部電極３１のプラズモン励振が抑制され損失が抑えられる（理論解析では〜１１００／ｃｍ）。これによって強度変調を行うことが可能となる。
【００５５】
［光スイッチ］
図５は、有機薄膜光集積回路１の有機薄膜フィルム２にモノリシック集積技術により形成された光スイッチ４０の構造を示す断面図である。
図５に示すように、光スイッチ４０は、Ｃｙｔｏｐ（屈折率ｎ１：〜１．３４）からなるクラッド層（屈折率ｎ１：〜１．３４）１１と、クラッド層１１に埋め込まれたＰＭＭＡからなる第１コア層（屈折率ｎ２：〜１．４９）４１と、第１コア層４１と並列にクラッド層１１に埋め込まれたＰＭＭＡからなる第２コア層（屈折率ｎ２：〜１．４９）４２と、第１コア層４１の上部を覆うＴｉ／Ａｕ金属からなる金属薄膜ヒータ４３ａとその第１電極パッド４３と、第２コア層４２の上部を覆うＴｉ／Ａｕ金属からなる金属薄膜ヒータ４４ａとその第２電極パッド４４と、を有する。なお、図５では、有機薄膜フィルム２の裏面に剥離用ポリイミド材料１０１（図７参照）が残されている例を示している。
【００５６】
第１コア層４１および第２コア層４２は、ＰＭＭＡからなるポリマー膜である。コア層４１，４２の他の材料として、Ｏｒｍｏｃｅｒ（登録商標）が挙げられる。
光スイッチ４０のクラッド層１１は、図２の光導波路１０のクラッド層（屈折率ｎ１：〜１．３４）１１、および、図３および図４の下部クラッド層２１および上部クラッド層２４と同様に、モノリシック集積技術により形成される。
【００５７】
光スイッチ４０は、変調器３０ほどの高速性は必要とされず、低損失でクロストークを抑えたスイッチング動作が必要である。本実施形態では、最も標準的である熱光学効果を用いたポリマ熱光学効果型ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit：基板導波路）スイッチを用いる。マッハツェンダー干渉器のアーム上部に、金属薄膜ヒータ４３ａ，４４ａや電極パッド４３，４４、その間の配線を形成する。金属薄膜ヒータ４３ａ，４４ａの一方を通電し加熱することで、周囲の温度上昇に応じてポリマーの屈折率が低下する。これにより、マッハツェンダー干渉器の両アーム間の位相をコントロールすることでスイッチングを行う。
光スイッチ４０は、金属薄膜ヒータ４３ａ，４４ａに通電しない状態では光が半分ずつに分岐するスプリッタである。ここで、金属薄膜ヒータ４３ａ，４４ａの一方に通電し加熱すると、その周囲のポリイミドは温度上昇に応じて屈折率が低下して光を導波しなくなり、光は他方の出力導波路に集中する。
【００５８】
［金属グレーティングカプラ］
図６は、有機薄膜光集積回路１の有機薄膜フィルム２にモノリシック集積技術により形成された金属グレーティングカプラの構造を示す図である。なお、図６は、光導波路１０（図２）、受光器（図３）、変調器（図４）および光スイッチ（図５）の断面図と異なり、横方向から見た側面図であるが、説明の便宜上、モノリシック集積技術により形成された同一材料には同じハッチングで表記している。
ポリマー導波路は、屈折率差が小さいために、有機薄膜フィルム２上の光導波路１０の表層に溝を形成するだけでは、適切な結合を得ることが非常に困難である。
そこで、本発明者らは、入出力カプラに、金属グレーティング構造を使用することを見出した。
【００５９】
図６に示すように、金属グレーティングカプラ５０は、有機薄膜フィルム２上の光導波路１０の表層に幅Ｗの金属５１のスリットを周期的（２Ｗ）に形成する。金属グレーティングカプラ５０は、有機薄膜フィルム２上の光導波路１０に接続して光インタフェースの役割を果たしている。
金属グレーティングカプラ５０は、金属５１に他の機能素子にも使っているものと同一材料（Ｔｉ／Ａｕ）を用いるので、モノリシック集積の条件が崩れることはない。
有機薄膜光集積回路１における伝送路の入出力部については、金属グレーティングカプラ構造を採用することで、有機薄膜フィルム２の上下方向からの外部信号入出力が可能な構成とする。
このように、有機薄膜フィルム２内に各種光機能（受光器２０、変調器３０、光スイッチ３０など）をモノリシックに一括集積し、回路内の最も基本的な構成要素である光伝送路と入出力カプラを集積するようにしている。
【００６０】
次に、有機薄膜光集積回路１の作製方法について説明する。
図７ないし図９は、有機薄膜光集積回路１の作製方法を説明する図である。モノリシック集積技術による光機能素子として、受光器２０（図３参照）の作製を例に採る。なお、図３には、本作製方法により作製される対応部材を括弧書きで表記している。
【００６１】
<初期基板>
図７に示すように、剥離用ポリイミド材料１０１を支持基板１００に塗布し、その上に、各種ポリマー１０２を塗布し、さらに各種ポリマー１０２上の全面にグラフェン１０３転写を行い初期基板とする。
支持基板１００は、例えばＩｎＰやＳｉ基板であるが、どのような基板でもよい。
剥離用ポリイミド材料１０１は、ＩｎＰやＳｉ基板から剥離し易い例えばＥＣＲＩＯＳ（登録商標）を用いる。
各種ポリマー１０２は、有機薄膜フィルム２を構成し、例えばＣｙｔｏｐを用いる。Ｃｙｔｏｐからなる有機材料は、有機薄膜光集積回路１の光機能素子（ここでは、受光器２０）（図１参照）のクラッド層２１を形成する。
【００６２】
グラフェン１０３は、２次元系材料２２（図３および図４参照）として用いる。上述したように、グラフェン１０３は、単層グラフェンのみでなく２層以上の複数層のグラフェンでもよい。また、グラフェン１０３は、転写（グラフェン転写）により有機薄膜フィルム２（図１参照）（ここではポリマー１０２表面）に転写する。
【００６３】
なお、グラフェンを製造する方法としては、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition、化学蒸着）法、グラファイトからの化学的剥離法、グラファイトからの機械的剥離法等が用いられている。ＣＶＤ法は、所定の条件下で、銅等の基板上にメタン等のガスを接触させることによって、銅等の基板上に主に単層グラフェンを形成する手法である。ＣＶＤ法を用いて形成された単層グラフェンは、有機薄膜フィルム２に転写される場合、接着している銅等とともに転写され、転写後に銅等をエッチングで除去することによって、グラフェンを積層した有機薄膜フィルム２が得られる。
【００６４】
<グラフェンパターニング>
図８（ａ）の<第１工程>に示すように、ポリマー１０２に転写されたグラフェン１０３をパターニングして必要な機能性領域６０におけるグラフェン１０３を残す。機能性領域６０とは、有機薄膜フィルム２上に受光器２０および変調器３０（図３および図４参照）をモノリシックで形成する場合、その光機能が形成される活性領域である。より詳細には、図示しない別のポリマーを塗付し、図示しないマスクを用いて必要箇所に窓開けをし、アッシングを行うと、必要部分以外のグラフェンは分解・除去される。
【００６５】
<ＥＢ描画・蒸着lift-offによる電極形成>
図８（ｂ）の<第２工程>に示すように、パターニングされたグラフェン１０３が形成されたポリマー１０２の表面に対して、ＥＢ（electron beam）描画・蒸着lift-offにより電極１０４を形成する。
【００６６】
<コア層塗布・パターニング露光>
図８（ｃ）の<第３工程>に示すように、電極１０４が形成された基板上に、スピンコート法でコア層１０５となるＰＭＭＡを作製する。そしてフォトリソグラフィ法を用いてレジストによるパターニングを行い、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ、Reactive Ion Etching）を用いてコア層１０５のみを残してドライエッチングを行い、不要なＰＭＭＡを除去する。
【００６７】
<クラッド塗布>
図９（ａ）の<第４工程>に示すように、この基板上に、スピンコート法でクラッド層１０６となるＣｙｔｏｐを塗布する。
【００６８】
<窓開け・電極形成>
図９（ｂ）の<第５工程>に示すように、Ｃｙｔｏｐが形成された有機薄膜フィルム２上（クラッド層１０６表面）に、フォトリソグラフィ法でパターニングを行い、電極１０４上部に窓を開け、この窓部に再度フォトリソグラフィ法を用いて電極１０７（例えばＡｕ金属）を成長させる。
【００６９】
<基板劈開による剥離>
図９（ｃ）の<第６工程>に示すように、電極１０７が形成された基板を劈開して、有機薄膜光集積回路１が形成された有機薄膜フィルム２（図１参照）を剥離用ポリイミド材料１０１部分で剥離する。劈開面のあるＩｎＰ,Ｓｉからなる支持基板１００（図７参照）を用いると、メス等を使って剥離しやすい。
【００７０】
このように、有機薄膜光集積回路１の作製工程では、剥離用ポリイミド材料を支持基板に塗布し、その上に、各種ポリマー塗布・グラフェン転写などを行い初期基板とする（図７参照）。その後、その基板にポリマー塗布・リソグラフィ・エッチング・電極パターニングなどの一連のプロセスを経て各種素子を一括作製し、最後に支持基板からの剥離プロセスを行うことで薄膜化を行う（図８および図９参照）。
【００７１】
なお、図７ないし図９では、受光器２０（図３参照）の作製例に採っているが、他の光機能素子についてもモノリシック集積技術により同様の方法で作製できる。
例えば、光導波路１０の場合は、グラフェン１０３のパターニングや電極１０４の作製工程がない（該当マスクパターンを用いる）。また、変調器３０の場合は、下部クラッド層２１（図４参照）の作製途中の工程で、下部電極３１（図４参照）を作製し、下部クラッド層２１に埋め込まれた下部電極３１を形成する。すなわち、金属薄膜をスパッタ装置で成膜し、フォトリソ工程・反応性イオンエッチング工程によって下部電極３１をパターン形成する。その後は、図８（ａ）以下の受光器２０の作製方法と同様である。
また、光スイッチ４０の場合、クラッド層１１（図５参照）を形成し、第１コア層４１および第２コア層４２（図５参照）を埋め込んだクラッド層１１（図５参照）を形成し、第１コア層４１および第２コア層４２の表面に、それぞれ金属薄膜ヒータ４３ａ，４４ａや電極パッド４３，４４、その間の配線を形成する。例えば、金属薄膜をスパッタ装置で成膜し、コア層４１，４２と同様にフォトリソ工程・ＲＩＥ工程によってパターン形成する。
【００７２】
金属グレーティングカプラ５０（図６参照）の作製方法について説明する。
まず、例えばＩｎＰからなる支持基板１００（図７参照）上に、ＥＣＲＩＯＳからなる剥離用ポリイミド１０１、下部クラッド用のＣｙｔｏｐを塗布・硬化する。その上に、金属グレーティングを、電子ビーム描画およびリフトオフを用いて作製する。その後、ＰＭＭＡを塗布し、電子ビーム描画により導波路構造（幅２．０μｍ）を形成した後、上部クラッド用のＣｙｔｏｐを塗布・硬化することで金属グレーティングカプラ５０を作製する。支持基板１００からのフィルム剥離については、ＩｎＰを裏面から劈開することで行う。
【００７３】
このように、本実施形態の有機薄膜光集積回路１は、モノリシック集積技術を用いて、有機薄膜フィルム２上に、光導波路１０、受光器２０、変調器３０、光スイッチ４０などの光源以外の１または複数の光機能素子を作り込んでいる。また、全ての素子は、初期基板（図７参照）から一括プロセスでモノリシック集積することが可能である。
【００７４】
図１０は、図３の受光器２０のシミュレーションによるＴＭモードの光強度を示す図である。図１０の左上部の太実線の長さを１μｍで表した場合に、コア層２３の幅および高さは略図示の寸法である。下部クラッド層２１および上部クラッド層２４は、Ｃｙｔｏｐ（屈折率ｎ１：〜１．３４）、コア層２３は、ＰＭＭＡ、２次元系材料２２は、グラフェンである。第１電極２５は、Ｔｉ金属、第２電極２６は、Ｐｄ金属である。光はＴＭモード９４０／ｃｍとした。
図１０に示すように、受光器２０は、グラフェンで生成したフォトキャリアを左右の第１電極２５と第２電極２６から横方向に引き抜く。このとき、低屈折率ポリマー伝送路の特性も相まって、比較的効率よくグラフェンへのフォトキャリア生成が可能であることを理論解析からシミュレーションしている。図１０に示すように、光がコア層２３に集中していることが解析できた。
【００７５】
図１１は、図４の変調器３０のシミュレーションによるＴＭモードの光強度を示す図である。図１１の左上部の太実線の長さを１μｍで表した場合に、コア層２３の幅および高さは略図示の寸法である。下部クラッド層２１および上部クラッド層２４は、Ｃｙｔｏｐ（屈折率ｎ１：〜１．３４）、コア層２３は、ＰＭＭＡ、２次元系材料２２は、グラフェンである。第１電極２５および第２電極２６は、Ｔｉ金属である。光はＴＭモードでバイアス２４００／ｃｍを印加した。
【００７６】
変調器３０は、印加電圧の無い場合、グラフェンが金属的特性を有し、下部電極３１へのプラズモン励振が強くなり、伝搬光の損失が激しくなる。図１１に示すように、理論解析では〜２４００／ｃｍである。変調器３０は、電圧印加した場合、グラフェンにバンドギャップが生じ誘電体的特性を示し、下部電極３１のプラズモン励振が抑制され損失が抑えられる。図１１に示すように、理論解析では〜１１００／ｃｍである。これによって強度変調を行うことが可能となる。
【００７７】
次に、回路内の最も基本的な構成要素である光伝送路と入出力カプラを集積した実験について述べる。
前記図６は、有機薄膜フィルム２上に光伝送路と入出力カプラを一括集積した素子の構造を示している。図１２は、図６の金属グレーティングカプラ５０の解析結果を示す図である。
図１２に示すように、光伝送路はＰＭＭＡをコア層、Ｃｙｔｏｐをクラッド層とする光導波路１０を採用し、入出力カプラには金属グレーティング構造を有するテーパ５５（図１３参照）を用いた。ＦＤＴＤ法による解析結果から、Λ＝１５００ｎｍ，ｄｕｔｙ比５０％の金属グレーティング（Ｔｉ  １０ｎｍ／Ａｕ  ３０ｎｍ）において、最大の結合効率となることを確認した。
図１３は、１．５５μｍのＴＥモード光を入出力カプラ（金属グレーティングカプラ５０）を通して有機薄膜光集積回路１内の光導波路１０に伝送させた結果を示す図である。これにより、光導波路１０の伝搬損失は０．１４ｄＢ／ｍｍ、金属グレーティングカプラ５０の結合損は約２７ｄＢ／ｃｏｕｐｌｅｒと見積もられた。
【００７８】
以上説明したように、本実施形態に係る有機薄膜光集積回路１は、有機薄膜フィルム２上に、モノリシック集積技術により形成された光導波路１０と、受光器２０と、変調器３０と、光スイッチ４０と、金属グレーティングカプラ５０と、を備える。受光器２０は、ポリマー（例えばＰＭＭＡ）からなる下部クラッド層２１と、下部クラッド層２１上の機能性領域６０に２次元配置された２次元系材料２２と、２次元系材料２２の２次元平面上に積層されたポリマー（例えばＣｙｔｏｐ）からなるコア層２３と、コア層２３を埋め込んで積層されたポリマー（例えばＰＭＭＡ）からなる上部クラッド層２４と、コア層２３を挟む第１電極２５および第２電極２６と、を有する。変調器３０は、下部クラッド層２１と、下部クラッド層２１に埋め込まれた下部電極３１と、下部クラッド層２１上の機能性領域６０に形成されたグラフェンからなる２次元系材料２２と、２次元系材料２２上に積層されたコア層２３と、コア層２３を埋め込んで積層された上部クラッド層２４と、第１電極２５および第２電極２６と、を有する。
【００７９】
従来、ＩｎＰやＳｉの基板上の必要な箇所にグラフェンをおいてトランジスタ特性を高めるものはある。しかしながら、このような光集積回路は、グラフェンの高いキャリア移動度を利用するもので、本実施形態のように有機材料に機能性を持たせるものではない。また、グラフェンの光波長無依存性（高い透明度）に着目して有機薄膜光集積回路に適用した例はない。
【００８０】
本実施形態に係る有機薄膜光集積回路１は、有機薄膜フィルム２の機能性領域６０に２次元系材料２２を２次元配置することで、有機薄膜フィルム２に機能性を持たせ、２次元系材料２２の２次元平面上に光機能素子をモノリシック集積技術により作製する。すなわち、有機薄膜光集積回路１は、有機薄膜フィルム２の中に２次元系材料２２を挟んで使うことで、モノリシック集積技術により作製される光機能素子に機能性を持たせる。モノリシック光集積は、同じ材料系を使って、同じプロセスで行う、光集積回路特有の構成である。本実施形態では、モノリシックに形成されているグラフェンを有する基板を用意し、必要な機能部のグラフェンを残すことで実現する。
【００８１】
この構成により、フレキシブルな有機薄膜フィルム２に光機能を一括集積する有機薄膜光集積回路１を実現することができる。有機薄膜光集積回路１は、厚さ数μｍの有機薄膜フィルム２上に光源以外の光機能全てを一括集積することができ、フレキシブルで可視光にも対応可能な有機薄膜光集積回路１を実現することができる。
【００８２】
また、有機薄膜光集積回路１は、非常に薄い有機薄膜フィルム上に構成できるので、コストはＩｎＰ，Ｓｉに比べて極めて安いという利点がある。
【００８３】
また、有機薄膜光集積回路１を含む光デバイスは、応力による影響はほぼなく、それよりも曲げたときの曲げ損による屈折率（クラッド層とコア層の屈折率）の変化が影響する。例えば、光導波路の曲率半径が１００μｍ以内の曲げであれば、ほぼロスなく（９９％以上）伝送されることが確認できた。
【００８４】
本実施形態では、クラッド層の有機材料として、Ｃｙｔｏｐを用いている。一般に、有機材料は、水分に対して弱く、吸湿すると特性が大幅に劣化することが知られている。Ｃｙｔｏｐは、保護膜として使用されるように、吸湿などの環境耐性があり、かつ、電圧耐圧もあるので好ましい。特に、モノリシック集積技術により光機能素子として変調器を作り込む場合、下部電極に対する有機材料の電圧耐圧が課題となる。モノリシック集積技術により、同じプロセスで作製する観点から電圧耐圧のあるＣｙｔｏｐが好ましい。なお、クラッド層にＣｙｔｏｐを用いる場合、コア層はロスが小さく、かつ屈折率の高いポリマーとして、ＰＭＭＡを選択している。
【００８５】
有機薄膜光集積回路１は、スーパーフレキシブル特性を利用した生体センサや人体に貼り付けるなどセンシングや医療応用などにも適用可能である。また、ウェアラブルで高速な光信号処理デバイスも可能となる。さらに、フレキシブル特性を活かした光通信以外の様々な応用、例えば、健康管理と監視のためのマトリクス型触覚センサ、薄膜ヒータ、温度・赤外線センサ等が考えられる。
【００８６】
本発明は上記の実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
また、上記した実施形態例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、上記実施の形態では、有機薄膜光集積回路という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、名称は有機薄膜光集積回路装置、フレキシブル光集積回路等であってもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１  有機薄膜光集積回路
２  有機薄膜フィルム
１０  光導波路（光機能素子）
１１  クラッド層（有機材料）
１２，２３，１０５  コア層（有機材料）
２０  受光器（光機能素子）
２１  下部クラッド層（有機材料）
２２  ２次元系材料
２４  上部クラッド層（有機材料）
２５  第１電極（一対の電極）
２６  第２電極（一対の電極）
３０  変調器（光機能素子）
３１  下部電極
４０  光スイッチ（光機能素子）
４１  第１コア層（有機材料）
４２  第２コア層（有機材料）
４３  第１電極パッド
４４  第２電極パッド
４３ａ，４４ａ  金属薄膜ヒータ
５０  金属グレーティングカプラ（入出力カプラ）
６０  機能性領域
１００  支持基板
１０１  剥離用ポリイミド材料
１０２  各種ポリマー（有機材料）
１０３  グラフェン（２次元系材料）
１０４，１０７  電極
【図１】
2017130744.tif 000003
【図２】
2017130744.tif 000004
【図３】
2017130744.tif 000005
【図４】
2017130744.tif 000006
【図５】
2017130744.tif 000007
【図６】
2017130744.tif 000008
【図７】
2017130744.tif 000009
【図８】
2017130744.tif 000010
【図９】
2017130744.tif 000011
【図１０】
2017130744.tif 000012
【図１１】
2017130744.tif 000013
【図１２】
2017130744.tif 000014
【図１３】
2017130744.tif 000015
【国際調査報告】
2017130744.tif 000016
2017130744.tif 000017
2017130744.tif 000018
2017130744.tif 000019