(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成されたコア部と、
前記コア部の上端部より前記下部クラッド層の側における前記コア部の側面において、前記コア部の両側部に接して配置された金属層と、
前記コア部の上に形成された上部クラッド層と
を備え、
下部クラッド層の側から見て、金属層の高さは、コア部より低いことを特徴とする微小集光導波路。
【請求項２】
請求項１記載の微小集光導波路において、
前記コア部はシリコンから構成されていることを特徴とする微小集光導波路。
【請求項３】
請求項２記載の微小集光導波路において、
前記コア部は、側面に絶縁層を備えることを特徴とする微小集光導波路。
【請求項４】
ＳＯＩ基板の埋め込み酸化層からなる下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成された前記ＳＯＩ基板の表面シリコン層をパターニングして形成したコア部と、
前記コア部の上端部より前記下部クラッド層の側における前記コア部の側面において、前記コア部の両側部に接して配置された金属層と、
前記コア部の上に形成された上部クラッド層と
を備え、
下部クラッド層の側から見て、金属層の高さは、コア部より低いことを特徴とする微小集光導波路の製造方法であって、
前記ＳＯＩ基板の表面シリコン層をパターニングによりコア部を形成する第１工程と、
前記下部クラッド層および前記コア部の上金属膜を堆積する第２工程と、
反応性イオンエッチングにより前記金属膜をエッチバックして前記コア部の上方部分を露出させることで前記前記金属層を形成する第３工程と
を備えることを特徴とする微小集光導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズモンポラリトンを利用する微小集光導波路およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光導波路伝搬光を回折限界以下のサイズに閉じこめる方法として、金属−誘電体−金属や金属−半導体−金属構造を利用した、プラズモン導波路が検討されている。この導波路では、金属と誘電体（半導体）との界面に存在する電磁波モードであるプラズモンポラリトンを利用している。プラズモン導波路では、光の伝送は、金属の表面において自由電子が集団的に振動して擬似的な粒子として振る舞うプラズモンを介した光伝搬モードによって行われる。
【０００３】
例えば、図５に断面を示す構成とされたプラズモン導波路が報告されている（非特許文献１参照）。この導波路は、酸化シリコンからなる下部クラッド層３０１の上に幅７０ｎｍ，高さ３４０ｎｍのＳｉからなるコア３０２が形成され、コア３０２が金属層３０３で覆われ、これらの上に上部クラッド層３０４が形成されている。コア３０２は、表面が熱酸化されている。金属層３０３は、ＣｕやＡｌから構成されている。このプラズモン導波路を用いることで、導波路や共振器などのサイズを微小にすることが可能となり、超高速・高効率な光源や受光器、変調器が実現されると期待されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】S. Zhu, T. Y. Liow, G. Q. Lo, and D. L. Kwong, "Silicon-based horizontal nanoplasmonic slot waveguides for on-chip integration", Optics Express, vol.19, no.9, pp.8888-8902, 2011.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した技術では、以下に示す問題があった。まず、コアの幅は回折限界以下に狭められているが、コアの高さが３４０ｎｍと大きく、回折限界以下に集光されていない。また、コアの幅に対する高さの比（アスペクト比）が大きいため、コア断面形状を垂直性良く作製することが容易ではないという問題がある。実際には、図６に示すように、下部クラッド層３０１から離れて上部に行くほど、幅が狭くなる断面次第形状のコア３０２となる。このため、当該導波路を用いたデバイス設計を困難にしていた。
【０００６】
これに対し、回折限界以下にコア高さを低くすると、非特許文献１の技術では、下部クラッド下部クラッド層３０１に漏れる光が増大し、結果として、高さ方向に回折限界以下に集光することができないなどの問題が発生する。このように、非特許文献１の技術では、導波路および共振器のサイズをより微小にすることが容易ではないという問題があった。
【０００７】
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、プラズモン導波路を用いることで、導波路のサイズをより微小に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】
【０００８】
本発明に係る微小集光導波路は、下部クラッド層と、下部クラッド層の上に形成されたコア部と、コア部の上端部より下部クラッド層の側におけるコア部の側面において、コア部の両側部に接して配置された金属層と、コア部の上に形成された上部クラッド層とを備え、 下部クラッド層の側から見て、金属層の高さは、コア部より低い。この場合、コア部は、側面に絶縁層を備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明によれば、コア部の上端部より下部クラッド層の側のコア部の両側部に接して金属層を配置したので、プラズモン導波路を用いることで、導波路のサイズをより微小にできるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における微小集光導波路の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、導波路断面における電界分布の計算結果を示す分布図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２における微小集光導波路の構成を示す断面図である。
【図４】図４は、導波路断面における電界分布の計算結果を示す分布図である。
【図５】図５は、プラズモン導波路の構成例を示す断面図である。
【図６】図６は、プラズモン導波路の構成例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
［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１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における微小集光導波路の構成を示す断面図である。この微小集光導波路は、下部クラッド層１０１と、この上に形成されたコア部１０２とを備える。また、コア部１０２上端部より下部クラッド層１０１の側において、コア部１０２の両側部に接して配置された金属層１０３を備える。また、コア部１０２の上には、上部クラッド層１０４が形成されている。
【００１３】
ここで、コア部１０２は、シリコンから構成し、断面視で高さ６０ｎｍ，幅６０ｎｍである。なお、高さは、下部クラッド層１０１の表面からの長さである。また、幅は、下部クラッド層１０１の表面（平面）に平行な方向の長さである。また、実施の形態１では、下部クラッド層１０１の上に接して金属層１０３が形成され、金属層１０３は層厚２０ｎｍとしている。
【００１４】
なお、金属層１０３は、下部クラッド層１０１の上に接している必要はなく、コア部１０２の両側面に接する位置が、コア部１０２上端部より下部クラッド層１０１の側（下側）に配置されていればよい。また、金属層１０３は、下部クラッド層１０１上の全域に形成されている必要はない。金属層１０３が形成されている領域のコア部１０２による導波路により、プラズモン導波路が構成される。
【００１５】
ところで、コア材料は、シリコンに限るものではなく、ＳｉＯ2、ＳｉＯx、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＡｌＯ2、ＨｆＯ2などの誘電体や、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＳｅなどの半導体，化合物半導体であればよい。コア材料は、金属以外の材料であればよい。ＳｉフォトニクスデバイスやＳｉ電子回路との集積を考慮すると、コア材料はシリコンが好ましい。
【００１６】
ここで、コア部１０２内部で高い光強度密度を得るには、コア部１０２と金属層１０３との間に、コア部１０２より低い屈折率層を挟まないことが望ましい。上述した例では、シリコンに金属が接している状態が好ましい。ただし、コア部１０２の表面（側面）に、絶縁層が備えられていてもよい。コア部１０２は、単一の材料から構成する必要はなく、例えば、シリコンから構成したコア部１０２の表面に、熱酸化層が備えられていてもよい。なお、この状態は、シリコンからなるコア本体と、金属層との間に酸化シリコン層が挟まれている状態ということもできる。このように、シリコン部分と金属との間に別の層が挟まれていても、所望とする回折限界以下に集光できる状態であればかまわない。
【００１７】
次に、金属層１０３は、Ａｌ、ＣｕなどのＳｉ電子回路の配線材料、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｃｒなどの抵抗値の低い金属材料を用いることが望ましい。中でも反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）のようなドライプロセスによって加工できる材料を用いた方が、回折限界以下の微細構造の作製に適している。例えば、Ａｌは、Ｃｌ系ガスを用いてＲＩＥが可能である。また、ＲｕやＣｒは、Ｏ2プラズマを用いてＲＩＥが可能である。
【００１８】
例えば、下部クラッド層１０１の上にコア部１０２を形成した後、金属を堆積して金属膜を形成し、この金属膜を、上述したようにＲＩＥ法によりエッチバックし、コア部１０２の上方部分を露出させれば、金属層１０３が形成できる。下部クラッド層１０１上のコア部１０２の形成は、例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用い、この埋め込み酸化層を下部クラッド層１０１とし、表面シリコン層をよく知られたリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすれば、コア部１０２が形成できる。
【００１９】
このように、実施の形態１における微小集光導波路は、公知の半導体集積回路の製造技術により、容易に製造できる。また、シリコン細線コアによる光導波路の製造プロセスに対し、金属の堆積およびエッチングの工程を追加すればよく、工程の大幅な増加をすることがない。
【００２０】
次に、実施の形態１における微小集光導波路の光閉じ込め状態について、シミュレーションした結果について図２を用いて説明する。図２は、導波路断面における電界分布の計算結果を示す分布図である。図２の（ａ）は、実施の形態１における微小集光導波路の結果を示している。また、図２の（ｂ）は、コア部１０２を覆う金属層１５３を形成した場合の結果を示している。図２の（ｂ）に示す構成は、非特許文献１の構成と同様である。金属層１５３は、層厚８０ｎｍとしている。電界分布計算にあたっては、市販のモードソルバーを用い、１ｎｍメッシュにて計算を行っている。
【００２１】
図２の（ａ）に示すように、実施の形態１によれば、コア部１０２と金属層１０３との間に電界が集中して分布している。この場合の光閉じ込め係数は、約８３％である。一方、図２の（ｂ）に示すように、コア部１０２を金属層１５３で覆う構成では、コア部１０２の下方への漏れ出しが大きく、コア部１０２内部への閉じ込めが弱い。この場合、コア部１０２の下方への漏れ出しが大きいため、計算結果への計算境界の影響を排除しきれないが、光閉じ込め係数は約３％である。このように、本発明によれば、光閉じ込め係数を大きく増大させられることが分かる。
【００２２】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態２における微小集光導波路の構成を示す断面図である。この微小集光導波路は、下部クラッド層２０１と、この上に形成されたコア部２０２とを備える。ここで、実施の形態２では、両脇にスラブ部２０２ａを備え、リブ型導波路としている。コア部２０２は、断面視で高さ６０ｎｍ，幅６０ｎｍである。また、スラブ部２０２ａは、厚さ２０ｎｍである。
【００２３】
また、実施の形態２でも、上述したようにリブ型導波路としたコア部２０２の上端部より下部クラッド層２０１の側のコア部２０２の両側部に接して配置された金属層２０３を備える。実施の形態２では、スラブ部２０２ａの上に、金属層２０３が配置されている。また、コア部２０２の上には、上部クラッド層２０４が形成されている。
【００２４】
なお、金属層２０３は、スラブ部２０２ａの上に接している必要はなく、コア部２０２の両側面に接する位置が、コア部２０２上端部より下部クラッド層２０１の側（下側）に配置されていればよい。また、金属層２０３は、下部クラッド層２０１上の全域に形成されている必要はない。金属層２０３が形成されている領域のコア部２０２による導波路により、プラズモン導波路が構成される。
【００２５】
ところで、実施の形態２においても、コア材料は、シリコンに限るものではなく、ＳｉＯ2、ＳｉＯx、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＡｌＯ2、ＨｆＯ2などの誘電体や、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＳｅなどの半導体，化合物半導体であればよい。コア材料は、金属以外の材料であればよい。ＳｉフォトニクスデバイスやＳｉ電子回路との集積を考慮すると、コア材料はシリコンが好ましい。
【００２６】
ここで、コア部２０２内部で高い光強度密度を得るには、コア部２０２と金属層２０３との間に、コア部２０２より低い屈折率層を挟まないことが望ましい。上述した例では、シリコンに金属が接している状態が好ましい。ただし、コア部２０２の表面（側面）に、絶縁層が備えられていてもよい。コア部２０２は、単一の材料から構成する必要はなく、例えば、シリコンから構成したコア部２０２の表面に、熱酸化層が備えられていてもよい。このように、シリコン部分と金属との間に別の層が挟まれていても、所望とする回折限界以下に集光できる状態であればかまわない。
【００２７】
また、金属層２０３も、実施の形態１と同様に、Ａｌ、ＣｕなどのＳｉ電子回路の配線材料、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｃｒなどの抵抗値の低い金属材料を用いることが望ましい。中でもＲＩＥのようなドライプロセスによって加工できる材料を用いた方が、回折限界以下の微細構造の作製に適している。
【００２８】
例えば、下部クラッド層２０１の上にスラブ部２０２ａを備えるリブ型のコア部２０２を形成した後、金属を堆積して金属膜を形成し、この金属膜を、上述したようにＲＩＥ法によりエッチバックし、コア部２０２の上方部分を露出させれば、金属層２０３が形成できる。下部クラッド層２０１上のコア部２０２の形成は、例えば、よく知られたＳＯＩ基板を用い、この埋め込み酸化層を下部クラッド層２０１とし、表面シリコン層をよく知られたリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすれば、スラブ部２０２ａを備えるリブ型のコア部２０２が形成できる。
【００２９】
このように、実施の形態２における微小集光導波路においても、公知の半導体集積回路の製造技術により、容易に製造できる。また、シリコン細線コアによる光導波路の製造プロセスに対し、金属の堆積およびエッチングの工程を追加すればよく、工程の大幅な増加をすることがない。また、実施の形態２では、リブ導波路としており、よく知られているようにプラズモン導波路の伝搬損失を下げるために金属と、コアの主材料（Ｓｉ）との間にＳｉＯ2やＡｌＯ2、ＨｆＯ2といった絶縁体材料を挟んだ場合でも、リブ部（スラブ部）を通してコア内部にキャリアを出し入れすることが可能となる。
【００３０】
次に、実施の形態２における微小集光導波路の光閉じ込め状態について、シミュレーションした結果について図４を用いて説明する。図４は、導波路断面における電界分布の計算結果を示す分布図である。図４の（ａ）は、実施の形態２における微小集光導波路の結果を示している。また、図４の（ｂ）は、コア部２０２を覆う金属層２５３を形成した場合の結果を示している。図４の（ｂ）に示す構成は、非特許文献１の構成と同様である。金属層２５３は、層厚６０ｎｍとしている。電界分布計算にあたっては、市販のモードソルバーを用い、１ｎｍメッシュにて計算を行っている。
【００３１】
図４の（ａ）に示すように、実施の形態２によれば、コア部２０２と金属層２０３との間に電界が集中して分布している。この場合の光閉じ込め係数は、約４９％である。一方、図４の（ｂ）に示すように、コア部２０２を金属層２５３で覆う構成では、コア部２０２の下方への漏れ出しが大きく、コア部２０２内部への閉じ込めが弱い。この場合、コア部２０２の下方への漏れ出しが大きいため、計算結果への計算境界の影響を排除しきれないが、光閉じ込め係数は約１％である。このように、本発明によれば、光閉じ込め係数を大きく増大させられることが分かる。
【００３２】
以上に説明したように、本発明によれば、コア部の上端部より下部クラッド層の側のコア部の両側部に接して金属層を配置したので、プラズモン導波路を用いることで、コア部の断面形状をより小さくすることが可能となり、導波路のサイズをより微小にできるようになる。
【００３３】
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、コアの断面寸法は、６０ｎｍ×６０ｎｍに限るものではない。また、各材料も、上述した例に限るものではない。
【符号の説明】
【００３４】
１０１…下部クラッド層、１０２…コア部、１０３…金属層、１０４…上部クラッド層。
【図１】
0006297954.tif 000002
【図２】
0006297954.tif 000003
【図３】
0006297954.tif 000004
【図４】
0006297954.tif 000005
【図５】
0006297954.tif 000006
【図６】
0006297954.tif 000007