EIIRISプロジェクト研究成果報告会

Si集積光デバイスの研究–バルクシリコン上窒化シリコン光導波路の作製と評価–
豊橋技術科学大学 電気・電子情報工学系
石川 靖彦 小山田 亮太
E-mail: ishikawa@ee.tut.ac.jp

1.背景• 透過率測定

PD

Laser

Waveguide

MUX/DEMUX! Si CMOS技術の応用→低コスト! 光導波路(optical waveguide)→素子間光結合/パッシブデバイス形成• バルクシリコン上窒化シリコン光導波路
SiNx

Si

3.48

2.0×10-4

Si

Si3N4

1.99

0.2×10-4

SiO2

1.44

0.1×10-4

本研究の提案
バルクSi上窒化Si光導波路

化学気相成長法（CVD）
問題：1520 nm にN-H吸収→光通信波長に影響対策：高温アニール→プロセスに制限
課題有
SiD4で成膜 →入手性，価格面
物理気相成長法（PVD）
e.g. 反応性スパッタリング法
N-H吸収は原理的に生成されない
現状：アニールCVD膜より損失が大3µm~-25

バルクSi上SiNx光導波路

15431548 1553 1558
Wavelength [nm]

#10#2

Si

#1SiO2over-cladding

SiNx

n = 1.459

n = 1.461

heightn = 1.987

width

SiNx

heightn = 1.990
SiO2

under-cladding

under-claddingn = 1.464

n = 1.464

λ = 1550 nm conditions

λ = 1310 nm conditions

下部クラッド層厚 15 µm・1 µmの2パターン

SiO2SiSiSi

3 µm
15 µmor 1 µm

⑤オーバークラッド堆積

完成デバイス

5. 光透過測定系
WG chip
lensedFiberPowermeter
受光Opticalspectrum
analyzer

#3-25

1E+1

d = 0.4um

1E+0-301200 1300Wavelength
1400 1500 1600
1700 1800
[nm]

0.4

光導波路出口

入射光

光導波路出口側
IRカメラ画像

0.8

11.2

cladding thickness d [µm]r = 30µm, T = 30°C

-151556.901547.72-3dB-25-30-35

1.08 nm-40

Q = 1441
1545-50

1550

1555

0.023 nm/°C

1566.26

9.18 nm 9.36 nm-20-45-40

0.6

伝搬損失の
下部クラッド膜厚依存性

光強度の減衰-30

1560

Wavelength [nm]1565

Wavelength [nm]λ = 1550 nm付近における光リング共振器-15123456789 10 11

Waveguide length [cm]! λ = 1310 nmで- 伝搬損失3.3 dB/cm- 共振ピークのフラットトップ化

7. まとめ900 nm

SiO2-101E+21296.05-201302.41

r = 30µm, T = 30°C

6.36 nm 6.48 nm-3dB-25-30-35-40-45-50
1295

0.99 nmQ = 1316
13000.021 nm/°C

1308.89

1305

1310

Wavelength [nm]反応性スパッタリング法" Siターゲット" Ar+N2ガス" 堆積温度：200 ˚C" RFパワー：600 W

SiO2#2-200• 光導波路作製

600 nm-5-70

コア寸法に幅900 nm, 高さ600 nmを採用
1550 nmでシングルモード伝搬

1E+31550 nm#1-60

SiO2SiNx

Transmittance [dB]over-cladding(Adjust to TE polarization)

リング共振器の温度依存性 (SiNx v.s. Si)

05.3 dB/facet-10width1310 nm

1550 nm Coupling loss

5.5 dB/facet

SiO2Super
continuum
Source

SOI加工Siコア

λ = 1310 nm がより有利？？

-20d µm

1310 nm0• SiNxコアの寸法を有限要素法シミュレーション

光源

r = 5 µm

バルクSi上SiNxコア

1568! d = 1 µmの光導波路

3. 光導波路の設計・製作

Polarization
controller

0 1 2 Waveguide3 4 5 length
6 7 [cm]
8 9 10 11

光透過率の光導波路長依存性• 光透過測定

目標: アンダークラッド層1 µm程度かつ低損失な光導波路

lensedFiber

1563

シミュレーションモデル

②SiO2アンダークラッドの薄層化

TunableLaser(O-/C-band)

-20

1600

-15SiNx 900 nm
600 nmn=1.99下部クラッド層の薄層化

目標: 伝搬損失1 dB/cm以下 (アニールCVD膜と同程度)④ドライエッチング-16• FDTD法によるシミュレーション①反応性スパッタ膜によるN-HフリーSiNx光導波路③電子ビームリソグラフィ

m6. 実験結果： SiO2アンダークラッドの薄層化

Si n=3.48②SiNxを堆積

1550

1.04 nmQ = 1492

SiO2 n=1.44①熱酸化SiO2付Si基板

dB/c-3dB~1µm

2. 目的Si-14m)

9.27 nm9.09 nma-SiNx
SiO2✕✕✕？

SiSiSi0.7

Transmittance [dB]

SiO2Ge3µm~

SiO2dB/c1561.31! 短波長側で低損失→

Ge

SiO2 15 µm or 1µm-120 nm±0.3-20a-SiNx

600 nm131(0.7! 下部クラッド層薄膜化が伝搬損失に与える影響を検討

c-Si

SiNx

-10-15GeSOI光導波路(従来研究)

1500-8r = 30 µm

1552.04

1542.95-10

Ge光デバイスとの集積

SiO21450-6• 光リング共振器-301538

Z. Zhang et al., Sci. Technol.
Adv. Mater. 18, 283 (2017).

1400

Coupling loss

光透過率の波長依存性

Transmittance [dB]

SiNxの成膜方法

1350

4.9 dB/facet-18

Wavelength [nm]-5

低コスト化(バルクSi利用)，加工精度緩和(コア寸法拡大)! 熱光学係数が小→温度変動下で共振・干渉素子の動作が堅牢化

Center of
C-band

1300

0!

! 課題②

Center ofO-band-30
1250! 従来技術に対する利点

! 課題①

-25

4.6 dB/facet

Transmittance [dB]従来技術
SOI加工シリコン光導波路

SiO2-201550 nmPropagation loss [dB/cm]

substrate

Si

熱光学係数[1/K]

L = 90 mm

1310 nm・・・

SiO2

屈折率 n-15Transmittance [dB]deposition

L = 45 mm-10Transmittance [dB]

Sicladding-4

N-H吸収:小(SiO2オーバークラッド)

Transmittance [dB]core

Transmittance [dB]I/O• Si基板上光集積回路

etching

O-H吸収-5! 高速化、大容量化-20Modulator! 低消費電力

0Transmittance [dB]

• 光通信の短距離適用

SOI

5. 実験結果：反応性スパッタ膜SiNx光導波路

electric circuit

Wavelength [nm]λ = 1310 nm付近における光リング共振器• バルクシリコン上SiNx光導波路を検討• SiNxスパッタ膜が光導波路として機能することを確認- スパッタ膜のため、N-H吸収がない- 伝搬損失 0.7 ~ 0.8 dB/cm- リング共振器: Si導波路よりも熱変動下での動作が堅牢• SiO2下部クラッド層の薄層化(1 µm)検討- Ge受光器との光集積- 伝搬損失 12 dB/cm(1550 nm), 3.3 dB/cm(1310 nm)→O-band(1310 nm)で光集積が期待できる

謝辞• SUMCO ウエハの提供、SiNxの構造評価• NTTアドバンステクノロジ 光導波路の作製