グレーティング結合器
【課題】シリコン導波路を伝搬する光を偏波に無依存でかつ高い結合効率で受光素子に結合することが可能な、小型のグレーティング結合器を提供する。
【解決手段】グレーティング結合器は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）構造のシリコン層（１２）に形成した導波路（１３）と、前記導波路（１３）の上面に形成したグレーティング（１５）と、前記グレーティング（１５）を被覆する透明誘電体被膜（１６）と、前記透明誘電体被膜を介して前記グレーティング上に設置された面受光型の受光素子（２）と、を備え、前記グレーティング（１５）を、溝周期が（０．４００±０．０２０）×（前記導波路を伝搬する光の中心波長）、溝深さが（０．０９７±０．０３２）×（前記導波路を伝搬する光の中心波長）である複数の周期的な溝で構成したことを特徴とする。
【解決手段】グレーティング結合器は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）構造のシリコン層（１２）に形成した導波路（１３）と、前記導波路（１３）の上面に形成したグレーティング（１５）と、前記グレーティング（１５）を被覆する透明誘電体被膜（１６）と、前記透明誘電体被膜を介して前記グレーティング上に設置された面受光型の受光素子（２）と、を備え、前記グレーティング（１５）を、溝周期が（０．４００±０．０２０）×（前記導波路を伝搬する光の中心波長）、溝深さが（０．０９７±０．０３２）×（前記導波路を伝搬する光の中心波長）である複数の周期的な溝で構成したことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路を伝搬する光を効率よく受光素子に結合するためのグレーティング結合器に関し、特に、導波路を伝搬する光の偏波方向に無依存で高い結合効率を達成することが可能なグレーティング結合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハのシリコン層に光導波路を形成して、シリコンデバイス間を光配線で接続したり、超小型な光集積回路を形成するシリコンフォトニクスが注目を集めている。ここで、シリコン導波路を伝搬する光信号を受光し、電気信号に変換することを考える。この場合、通常の面型受光素子（フォトダイオード）を用いて受光するためには、シリコン導波路の上面に受光素子を配置することになる。これは、シリコン導波路端面に受光素子を配置する方法では、受光素子を固定することが困難なためである。
【０００３】
シリコン導波路上面に受光素子を設置する場合、シリコン導波路中を伝搬する光を効率よく導波路から受光素子へ放射させる必要がある。放射効率は、理想的には１００％であることが望ましい。さらに、光ファイバを経由して伝送される光信号はその偏波が定まらないため、これをシリコン導波路で形成した分波素子などで処理した後に、受光素子で光−電気変換することを考えると、シリコン導波路から受光素子に放射する機構も、偏波に依存しない特性が要求される。すなわち、シリコン導波路と受光素子の結合器として、何れの偏波に対しても高い放射効率をもつ放射器が必要となる。ところが、このような放射器は未だ実現されておらず、従って、高い結合効率を有するシリコン導波路と受光素子の結合器も実現されていない。
【０００４】
一方、光ファイバを伝搬する光をシリコン導波路に結合するための結合器として、グレーティング型の結合器が、ベルギーのゲント大学においてテイラート等（Ｄ．Ｔａｉｌｌａｅｒｔ，ｅｔ ａｌ）により提案されている（非特許文献１、２参照）。この結合器は、シリコン導波路上にグレーティング（回折格子）を形成し、シリコン導波路からグレーティングを介して光を外部に放射し、放射された光を光ファイバへ結合する（逆の過程も同様）構成をとる。
【０００５】
しかしながら、光ファイバを伝搬する光にはＴＥ偏波とＴＭ偏波が混在しており、テイラート等では、一つのグレーティングで同一のシリコン導波路にこれらの偏波を共に高い効率で結合させることは達成されていない。シリコン導波路と光ファイバを結合させる場合、偏波に固有のある特定の放射角度で光ファイバからシリコン導波路へ（あるいはシリコン導波路から光ファイバへ）光を放射させる必要があるが、これが実現できないからである。
【０００６】
すなわち、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とでは、一個のグレーティングからの放射効率が同じであっても放射角度が異なるため、光ファイバあるいはシリコン導波路への結合効率は、偏波によって大きく異なる結果となる。従って、テイラート等では、ファイバを伝搬する互いに直交したＴＥ偏波とＴＭ偏波を、導波路に形成した互いに直交する２個のグレーティングで別々に受光して導波路に導く方法をとっている。言い換えると、テイラート等では、一個のグレーティングで光ファイバとシリコン導波路を高効率で結合できる可能性を否定している。
【０００７】
シリコン導波路と受光素子とを結合する結合器において、テイラート等が提案したグレーティングを利用することを考えると、ＴＥ偏波、ＴＭ偏波共に高い効率で結合するために２個のグレーティングが必要となる。しかしながら、光電変換のために２個のグレーティングを設けることは、シリコン導波路と受光素子の結合器自体を大型化し、光集積回路の小型化、低価格化を阻害する大きな要因となる。従って、一個のグレーティングでＴＥ偏波、ＴＭ偏波ともに高い結合効率を達成することが可能な、光電変換用のグレーティング結合器が求められている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｄ． Ｔａｉｌｌａｅｒｔ， ｅｔ ａｌ．，“Ａｎ ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ ｇｒａｔｉｎｇ ｃｏｕｐｌｅｒ ｆｏｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｂｕｔｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｍｐａｃｔ ｐｌａｎａｒ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒｓ，”ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．３８，ｐｐ．９４９−９５５，２００２
【非特許文献２】Ｄ． Ｔａｉｌｌａｅｒｔ， ｅｔ ａｌ．，“Ｇｒａｔｉｎｇ ｃｏｕｐｌｅｒｓ ｆｏｒ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ，”Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊ．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｃｏｌ．４５，ｐｐ．６０７１−６０７７，２００６．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は係る点に関して為されたもので、シリコン導波路を伝搬する光を偏波に無依存でかつ高い結合効率で受光素子に結合することが可能な、小型で安価に実現可能なグレーティング結合器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】
【００１０】
通常の面受光型の受光素子、例えばフォトダイオードは、有効受光面が約３０μｍφ程度の開口を有しており、この開口面積は光ファイバに比べてかなり大きい。従って、このようなフォトダイオードを導波路の上面に形成したグレーティング上に配置すれば、偏波のＴＥモードとＴＭモードで放射角度が異なっていても、問題なく両者を受光することができる。そのため、一個のグレーティングでＴＥモード、ＴＭモードの両者に対して高い放射効率を実現することができれば、全体として高い効率でシリコン導波路と受光素子とを結合するグレーティング結合器を実現することができる。
【００１１】
従って、本発明のグレーティング結合器は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）構造のシリコン層に形成した導波路と、前記導波路の上面に形成したグレーティングと、前記グレーティングを被覆する透明誘電体被膜と、前記透明誘電体被膜を介して前記グレーティング上に設置された面受光型の受光素子と、を備え、前記グレーティングを、溝周期が（０．４００±０．０２０）×（前記導波路を伝搬する光の中心波長）、溝深さが（０．０９７±０．０３２）×（前記導波路を伝搬する光の中心波長）である複数の周期的な溝で構成したことを特徴とする。
【００１２】
また、上記グレーティング結合器において、前記導波路の断面が、一辺が０．３μｍの正方形形状を有するようにしても良い。また、前記導波路を伝搬する光の中心波長が１．５５μｍの場合、上記グレーティングは、溝周期が０．６２±０．０３μｍ、溝深さが０．１５±０．０５μｍである複数の周期的な溝で構成してもよい。
【００１３】
また、前記グレーティング結合器において、前記透明誘電体被膜を、屈折率が１．７０以上の透明誘電体材料で構成しても良い。さらに、この透明誘電体材料を、ＳｉＯＮｘ、ＳｉＮ、五酸化タンタルまたは鉛フリントガラスのいずれかとしても良い。またさらに、前記受光素子がほぼ３０μｍφの有効受光面を有するようにしても良い。また、前記グレーティングを、前記導波路の放射側終端部を拡大し、該拡大部に形成するようにしても良い。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のグレーティング結合器によれば、シリコン導波路上に形成した一個のグレーティングにより、高い結合効率でシリコン導波路上を伝搬する光信号を受光素子に結合することが可能となる。また、光−電気変換に用いる受光素子として入手が容易な汎用デバイスである面受光素子を用いることができるので、低価格で超小型の光集積回路を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るグレーティング結合器の概略構造を示す、分解斜視図である。
【図２】図１に示すグレーティング結合器の概略構造を示す断面図である。
【図３】グレーティングによる放射効率の解析モデルを示す図である。
【図４】上部クラッド層に屈折率が１．４４のＳｉＯ２を用いた場合の、ＴＥモードに対する放射効率特性を示す図である。
【図５】上部クラッド層に屈折率が１．４４のＳｉＯ２を用いた場合の、ＴＭモードに対する放射効率特性を示す図である。
【図６】上部クラッド層に屈折率が１．７０のＳｉＯＮｘを用いた場合の、ＴＥモードに対する放射効率特性を示す図である。
【図７】上部クラッド層に屈折率が１．７０のＳｉＯＮｘを用いた場合の、ＴＭモードに対する放射効率特性を示す図である。
【図８】上部クラッド層に屈折率が２．００のＳｉＮを用いた場合の、ＴＥモードに対する放射効率特性を示す図である。
【図９】上部クラッド層に屈折率が２．００のＳｉＯＮｘを用いた場合の、ＴＭモードに対する放射効率特性を示す図である。
【図１０】シリコン導波路のグレーティング領域に入射した光の放射パターンを示す図であって、ＴＥモードの横方向電界分布を示す図である。
【図１１】シリコン導波路のグレーティング領域に入射した光の放射パターンを示す図であって、ＴＭモードの横方向磁界分布を示す図である。
【図１２】上部クラッド層の厚さに対する放射効率依存性を示す図である。
【図１３】ＴＥモードとＴＭモードの放射効率波長依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
シリコン導波路を伝搬する光信号を受光し電気信号に変換する場合、通常の面型受光素子（フォトダイオード）を用いて受光するためには、シリコン導波路の上面に受光素子を配置することになる。これは、１．５５μｍ波長帯で用いるシリコン導波路の断面が、通常、０．２μｍ×０．４μｍ〜０．２μｍ×０．６μｍの扁平な矩形形状や、０．３μｍ×０．３μｍの正方形形状であり、非常に小さいので、この端面上に受光素子を固定することが困難なためである。なお、シリコン導波路によって形成される光部品が光の偏波に依存しない特性をもつ必要がある場合には、通常、断面の１辺が０．３μｍの正方形状の導波路が用いられる。
【００１７】
シリコン導波路を伝搬する光を導波路上面から受光素子に結合する場合、面型受光素子の有効受光面が例えば３０μｍφと比較的大きいため、ＴＥ偏波とＴＭ偏波で導波路からの放射角度が異なっていても、面受光素子の受光面に充分、光を到達させることが可能となる。本発明者等はこの点に着目し、シリコン導波路と面型受光素子との結合であれば、一つのグレーティングでＴＥ偏波およびＴＭ偏波を共に受光することが可能なグレーティング結合器を実現可能であることを見出した。
【００１８】
ここで、実際のグレーティング結合器を設計する場合に、以下の点を考慮する必要がある。１）導波路を伝搬するＴＥモードとＴＭモードに対して、何れも高い放射効率で受光素子に光を結合できること、２）面型受光素子を簡易な方法でシリコン導波路上に固定できること、３）受光素子の有効受光面はおおむね３０μｍφ程度の開口をもつこと、である。なお、有効受光面が大き過ぎると高速応答性が得られず、小さすぎると、受光素子をシリコン導波路に対して固定する際に、高い位置合わせ精度が要求される。
【００１９】
図１は、上記要求を満足する、本発明の一実施形態に係るグレーティング結合器の構造を模式的に示す図であり、シリコン基板上に形成した放射器１と面受光型フォトダイオード２とを分解して示す図である。図２は、図１に示すグレーティング結合器の特にシリコン導波路部分の断面構造を示す図である。図２に示すように、本実施形態のグレーティング結合器（以下、結合器）は、受光素子としての面受光型フォトダイオード２を放射器１に結合させることによって構成されている。
【００２０】
図１、２において、１０はシリコン基板、１１は埋め込み酸化シリコン（ＳｉＯ２）層、１２は埋め込み酸化シリコン層１１上に形成されたシリコン層であり、シリコン導波路１３はこの層１２の一部１４を溝状にエッチング除去して形成される。シリコン導波路１３は、通常、断面が幅０．３μｍ、厚さ０．３μｍの正方形形状を有しており、図２に示すように、幅５μｍ以上の溝１４を介して周囲のシリコン層１２と分離されている。シリコン導波路１３がフォトダイオード２の受光面と対向する部分の、シリコン導波路端部を拡大することによって、シリコン導波路１３の放射面積とフォトダイオード２の受光面積をマッチングさせている。
【００２１】
シリコン導波路１３の上記拡大部には、放射器を構成するためのグレーティング１５が設けられる。グレーティング１５は、一定の間隔（周期）および深さを有する周期的な溝で構成される回折格子であり、シリコン導波路１３を伝搬する光を外部に放射するための放射器として動作する。
【００２２】
グレーティング１５を含めたシリコン導波路１３全体は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、五酸化タンタル等を材料とする透明誘電体被膜で形成された上部クラッド層１６で被覆されている。この上部クラッド層１６は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン等の材料をシリコン層１２上に、スパッタリング、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等によって堆積させて形成される。上部クラッド層１６の厚さは２μｍ程度、屈折率は１．４４〜２．００以上である。透明誘電体被膜の屈折率は、材料元素の比率、例えば酸素、珪素、窒素の割合を変えることによって、変化させることができる。屈折率が２．００以上の透明誘電体被膜は、窒化シリコン、五酸化タンタル等によって形成可能である。また、重フリントガラスを用いれば、屈折率が１．６〜１．８程度の透明誘電体被膜を得ることができる。
【００２３】
例えば放射効率が７０％以上のグレーティング結合器を得るためには、クラッド層１６として屈折率が１．７０以上の材料を用いることが好ましい。
【００２４】
導波路１３を伝搬し拡大部に達した光は、グレーティング１５を介して導波路外部に放射される。この放射は、拡大部上に固定された面受光型フォトダイオード２によって受光され、電気信号として外部に出力される。面受光型フォトダイオード２において、２１は半導体ＰＮ接合で形成された受光面、２２、２３は正負の電極を示す。電極２２、２３は、面受光型フォトダイオード２を放射器１上に固定した場合に、放射器１上に形成された電極パッド１７、１８と電気的に接触し、電極パッド１７、１８を介して光電変換された電気信号を外部に出力する。
【００２５】
なお、放射器１上の電極パッド１７、１８は上部クラッド層１６上に形成されるが、図１では上部クラッド層１６を省略して示している。図１に示すような電極構造によれば、放射器１に形成した電極パッドと受光素子に備えられている電極を、フリップチップボンディング法によって位置合わせし固定できるため、実装方法が簡単となり、機器の低価格化を促進する。
【００２６】
本発明者等は、結合器１に形成されたグレーティング１５において、グレーティングを構成する溝の周期と深さ、及びグレーティングを覆う媒質、すなわち上部クラッド層１６の物性値、特に屈折率、を適切に設定することによって、シリコン導波路１３を伝搬する互いに直交する二つの偏波（ＴＥモード、ＴＭモード）を効率よく外部へ放射することが可能なグレーティングを得ることができるのではないかと考え、以下のような、シリコン導波路グレーティングの放射効率シミュレーションをおこなった。
【００２７】
図３は、放射効率のシミュレーションを行ったグレーティングモデルの断面構造を示す。図３において、図１および２と同一の符号は、同一又は類似の構成要素を示す。シミュレーションに使用したグレーティング結合器では、シリコン基板は１μｍ、酸化シリコン層１１は３μｍ、シリコン導波路１３は０．３μｍ、上部クラッド層１６は２μｍの厚さを有している。グレーティング１５は伝搬方向に２０μｍの長さにわたって形成されている。ここで、グレーティング１５を形成する溝の周期、溝の深さＨｆｇは一定であると仮定する。また、グレーティング全体を覆う媒質（上部クラッド層１６）の屈折率ｎも変化させて放射効率をシミュレーションした。なお、光はシリコン導波路１３に図の右側から入射し、横方向に伝搬する。
【００２８】
図４〜図９に、図３の構造のグレーティングモデルに対して行った放射効率のシミュレーション結果を示す。
【００２９】
図４〜図９のグラフにおいて、縦軸は放射効率（入射光強度に対する受光面方向での受光量の割合）を％で示し、横軸はグレーティングの溝の周期をμｍ単位で示す。パラメータとして溝の深さＨｆｇ（μｍ単位）を変化させている。シミュレーションに用いた入射光の波長は、１．５５μｍである。図４および５は、上部クラッド層１６を屈折率が１．４４のＳｉＯ２で形成したグレーティングモデルにおける放射効率の特性を示し、図６および７は、上部クラッド層１６を屈折率が１．７０のＳｉＯＮｘで形成したグレーティングモデルにおける放射効率の特性を示し、図８および９は、上部クラッド層１６を屈折率が２．００のＳｉＮで形成したグレーティングモデルにおける放射効率特性を示している。さらに、図４、６および８はＴＥモードの偏光、図５、７および９はＴＭモードの偏光に対する放射効率の特性を示す。
【００３０】
上部クラッド層１６の屈折率が１．４４の場合の放射効率特性を示す図４および５を参照すると、ＴＥモードにおいてグレーティングの溝の深さＨｆｇを０．２０μｍ（曲線Ｄ）とし、グレーティングの周期を０．４６μｍ程度とした場合に、比較的高い放射効率（約７０％）を得られることがわかる。ところが、ＴＭモードの場合、同じ溝の深さで同じグレーティング周期、すなわちグレーティングの構造が同じであっても、その放射効率は約２０％程度に低下するので、全体としての放射効率は７０％より低下する。溝の深さを変化させても、総じて低い放射効率しか得られない。
【００３１】
一方、図６および図７に示すように、上部クラッド層１６の屈折率を１．７０とした場合、ＴＥモードともＴＭモードとも、溝の深さＨｆｇが０．１０μｍ〜０．２０μｍ程度でかつ溝の周期が０．６２μｍ前後の場合に、比較的高い放射効率（〜８０％程度）を得ることができる（曲線Ｂ、Ｃ、Ｄ参照）。特に、溝の深さＨｆｇが０．１５μｍの場合の放射効率の特性を示す曲線Ｃを参照すると、溝の周期を０．６２μｍとした場合に、ＴＥモードでの放射効率が８２％、ＴＭモードでの放射効率が７６％と成る。従って、上部クラッド層１６の屈折率を１．７０とし、さらに、溝の深さＨｆｇが０．１５μｍ、溝の周期が０．６２μｍのグレーティングを構成した場合に、ＴＥ偏波、ＴＭ偏波ともに高い結合効率を有するグレーティング結合器を構成可能であることが理解される。
【００３２】
なお、曲線Ｃの場合、ＴＥモードともＴＭモードとも、周期０．６２μｍを中心としてその前後±０．０３μｍの範囲で比較的高い放射効率（効率７０％以上）を保っている。従って、放射効率７０％以上を実用可能なグレーティング結合器の許容範囲とすれば、グレーティングの溝周期の許容範囲を、溝深さＨｆｇ＝０．１５μｍに対して、０．６２±０．０３μｍとすることができる。
【００３３】
また、溝深さＨｆｇが０．２０μｍの場合（曲線Ｄ）、０．１０μｍの場合（曲線Ｂ）も、周期が０．６２μｍの前後で高い放射効率を提示していることがわかる。これらを考慮すると、放射効率７０％以上を達成することが可能なグレーティングの構造として、溝周期＝０．６２±０．０３μｍ、溝の深さＨｆｇ＝０．１５±０．０５を特定することができる。
【００３４】
この傾向、すなわち、溝周期＝０．６２±０．０３μｍ、溝の深さＨｆｇ＝０．１５±０．０５μｍのグレーティングが、ＴＥ偏波およびＴＭ偏波の両者に対して高い放射効率を示すという傾向は、上部クラッド層１６の屈折率が２．００であるグレーティングモデルの場合も同じである。すなわち、図８および９に示すように、ＴＥモード、ＴＭモードともに、溝深さＨｆｇ＝０．１５μｍの場合、溝周期が０．６２μｍ前後で高い放射効率を示している。
【００３５】
一方、上部クラッド層１６の屈折率が１．４４であって相対的に低い放射効率をもたらすグレーティングモデルの場合を再考すると、図４および５に示すように、溝深さＨｆｇ＝０．１５μｍの場合（曲線Ｃ参照）、溝周期が０．６２μｍの前後で、ＴＥモード、ＴＭモードともに比較的高い放射効率を示すことがわかる。
【００３６】
以上の結果から、本発明者等は、ＴＥモード、ＴＭモードの両方に対して高い放射効率を与えるものとして、溝周期＝０．６２μｍ、溝深さＨｆｇ＝０．１５μｍのグレーティング構造を特定した。また、この構造のグレーティングにおいてさらに放射効率を向上させるためには、グレーティングを被覆する上部クラッド層の屈折率を１．７０以上とすることが望ましいことも見出した。放射効率７０％以上をグレーティング結合器の望ましい放射効率とする場合に、上記のグレーティング構造は、溝周期＝０．６２±０．０３μｍ、溝深さＨｆｇ＝０．１５±０．０５μｍまで拡張可能である。
【００３７】
グレーティング構造に関する上記の議論は、シリコン導波路を伝搬する光の中心波長を１．５５μｍとして為されている。上記非特許文献２に記載されているように、グレーティングの周期は伝搬光の波長に比例し、有効屈折率に反比例する。波長が異なるとシリコンの屈折率が変化するため、上記グレーティング構造を単純に波長で規格化することはできないが、波長１．５５μｍの光に対してシリコンの屈折率は３．４５であり、波長１．２７μｍの光に対しては３．５１に変化し、この間の変化率は１．７％である。一方、波長１．５５μｍの伝搬光に対するグレーティング周期の許容幅±０．０３μｍは、中心値０．６２μｍに対して４．８％となり、屈折率の変化率に比べて大きい。従って、波長１．５５μｍの伝搬光に対する上記グレーティング構造を波長で規格化することが可能である。
【００３８】
本発明では、従って、伝搬光の中心波長が１．５５μｍの上記グレーティング構造を、以下のように、波長に基づいて規格化する。
グレーティング周期＝（０．４０±０．０２０）×（伝搬光の中心波長）
グレーティング深さ＝（０．０９７±０．０３２）×（伝搬光の中心波長）
【００３９】
なお、上記数値（０．４０±０．０２０）および（０．０９７±０．０３２）は、波長１．５５μｍの伝搬光に対する溝周期の数値（０．６２±０．０３０）、溝深さの数値（０．１５±０．０５０）をそれぞれ、１．５５で割ることによって求めている。
【００４０】
また、上記グレーティング構造に対するシリコン導波路の構造は、両偏波に対して高い結合効率を実現する上で、断面が０．３μｍ×０．３μｍの正方形形状を持つものが好ましい。
【００４１】
以下に、図１０〜１３を参照して、溝周期が０．６２μｍ、溝深さが０．１５μｍのグレーティングを有し、上部クラッド層の屈折率を１．７０としたグレーティングモデルについて得られた幾つかの特性を示す。図１０および１１に、このグレーティングモデルにおいて、シリコン導波路のグレーティング領域に入射した光が上面に放射される様子（放射パターン）を示す。図１０はＴＥモードの横方向電界分布、図１１はＴＭモードの横方向磁界分布である。右側のシリコン導波路から入射してきた光電磁界が、グレーティングの上部に多く放射され、放射効率を向上させていることがわかる。（伝搬光の一部は、下部のＳｉＯ２層に放射されている。）
【００４２】
上面の放射方向は、導波路に立てた法線方向からやや右側の斜め方向であり、放射角度はＴＥモードとＴＭモードで僅かに異なる。面型受光素子に対して放射させる場合、グレーティング面と受光素子の間隔が数〜１０μｍ程度であれば、この放射角度の差異は問題にならず、受光径３０μｍφの標準的な受光素子を用いることで、両モードともに放射光を全て受光することができる。
【００４３】
図１２に、溝周期を０．６２μｍ、溝深さを０．１５μｍとして、グレーティングを覆う上部クラッド層（屈折率１．７０）の厚さを変化させた場合の、放射効率の層厚依存性を示す。この図より、上部クラッド層の厚さによって放射効率が周期的に変化する様子がわかる。この周期的変化は、上部クラッド層内部での多重反射による影響である。従って、上部クラッド層１６の厚さは、この多重反射の影響を考慮して最適な値を決定すれば良い。
【００４４】
また、図１３に、溝周期を０．６２μｍ、溝深さＨｆｇを０．１５μｍ、上部クラッド層（屈折率１．７０）の厚さを２μｍとした場合のグレーティングモデルについて、ＴＥモードとＴＭモードの放射効率の波長依存性を示す。ＴＭモードの放射効率はＴＥモードより大きな波長依存性を持つが、ファイバ通信で用いられるＣバンド帯（波長１５３０〜１５６５ｎｍ）において、７５％以上の放射効率が実現可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 放射器
２ 面型受光素子
１０ シリコン基板
１１ 埋め込み酸化シリコン層
１２ シリコン層
１３ 導波路
１４ 溝
１５ グレーティング
１６ 上部クラッド層
１７、１８ 電極パッド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路を伝搬する光を効率よく受光素子に結合するためのグレーティング結合器に関し、特に、導波路を伝搬する光の偏波方向に無依存で高い結合効率を達成することが可能なグレーティング結合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハのシリコン層に光導波路を形成して、シリコンデバイス間を光配線で接続したり、超小型な光集積回路を形成するシリコンフォトニクスが注目を集めている。ここで、シリコン導波路を伝搬する光信号を受光し、電気信号に変換することを考える。この場合、通常の面型受光素子（フォトダイオード）を用いて受光するためには、シリコン導波路の上面に受光素子を配置することになる。これは、シリコン導波路端面に受光素子を配置する方法では、受光素子を固定することが困難なためである。
【０００３】
シリコン導波路上面に受光素子を設置する場合、シリコン導波路中を伝搬する光を効率よく導波路から受光素子へ放射させる必要がある。放射効率は、理想的には１００％であることが望ましい。さらに、光ファイバを経由して伝送される光信号はその偏波が定まらないため、これをシリコン導波路で形成した分波素子などで処理した後に、受光素子で光−電気変換することを考えると、シリコン導波路から受光素子に放射する機構も、偏波に依存しない特性が要求される。すなわち、シリコン導波路と受光素子の結合器として、何れの偏波に対しても高い放射効率をもつ放射器が必要となる。ところが、このような放射器は未だ実現されておらず、従って、高い結合効率を有するシリコン導波路と受光素子の結合器も実現されていない。
【０００４】
一方、光ファイバを伝搬する光をシリコン導波路に結合するための結合器として、グレーティング型の結合器が、ベルギーのゲント大学においてテイラート等（Ｄ．Ｔａｉｌｌａｅｒｔ，ｅｔ ａｌ）により提案されている（非特許文献１、２参照）。この結合器は、シリコン導波路上にグレーティング（回折格子）を形成し、シリコン導波路からグレーティングを介して光を外部に放射し、放射された光を光ファイバへ結合する（逆の過程も同様）構成をとる。
【０００５】
しかしながら、光ファイバを伝搬する光にはＴＥ偏波とＴＭ偏波が混在しており、テイラート等では、一つのグレーティングで同一のシリコン導波路にこれらの偏波を共に高い効率で結合させることは達成されていない。シリコン導波路と光ファイバを結合させる場合、偏波に固有のある特定の放射角度で光ファイバからシリコン導波路へ（あるいはシリコン導波路から光ファイバへ）光を放射させる必要があるが、これが実現できないからである。
【０００６】
すなわち、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とでは、一個のグレーティングからの放射効率が同じであっても放射角度が異なるため、光ファイバあるいはシリコン導波路への結合効率は、偏波によって大きく異なる結果となる。従って、テイラート等では、ファイバを伝搬する互いに直交したＴＥ偏波とＴＭ偏波を、導波路に形成した互いに直交する２個のグレーティングで別々に受光して導波路に導く方法をとっている。言い換えると、テイラート等では、一個のグレーティングで光ファイバとシリコン導波路を高効率で結合できる可能性を否定している。
【０００７】
シリコン導波路と受光素子とを結合する結合器において、テイラート等が提案したグレーティングを利用することを考えると、ＴＥ偏波、ＴＭ偏波共に高い効率で結合するために２個のグレーティングが必要となる。しかしながら、光電変換のために２個のグレーティングを設けることは、シリコン導波路と受光素子の結合器自体を大型化し、光集積回路の小型化、低価格化を阻害する大きな要因となる。従って、一個のグレーティングでＴＥ偏波、ＴＭ偏波ともに高い結合効率を達成することが可能な、光電変換用のグレーティング結合器が求められている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｄ． Ｔａｉｌｌａｅｒｔ， ｅｔ ａｌ．，“Ａｎ ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ ｇｒａｔｉｎｇ ｃｏｕｐｌｅｒ ｆｏｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｂｕｔｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｍｐａｃｔ ｐｌａｎａｒ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒｓ，”ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．３８，ｐｐ．９４９−９５５，２００２
【非特許文献２】Ｄ． Ｔａｉｌｌａｅｒｔ， ｅｔ ａｌ．，“Ｇｒａｔｉｎｇ ｃｏｕｐｌｅｒｓ ｆｏｒ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ，”Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊ．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｃｏｌ．４５，ｐｐ．６０７１−６０７７，２００６．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は係る点に関して為されたもので、シリコン導波路を伝搬する光を偏波に無依存でかつ高い結合効率で受光素子に結合することが可能な、小型で安価に実現可能なグレーティング結合器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】
【００１０】
通常の面受光型の受光素子、例えばフォトダイオードは、有効受光面が約３０μｍφ程度の開口を有しており、この開口面積は光ファイバに比べてかなり大きい。従って、このようなフォトダイオードを導波路の上面に形成したグレーティング上に配置すれば、偏波のＴＥモードとＴＭモードで放射角度が異なっていても、問題なく両者を受光することができる。そのため、一個のグレーティングでＴＥモード、ＴＭモードの両者に対して高い放射効率を実現することができれば、全体として高い効率でシリコン導波路と受光素子とを結合するグレーティング結合器を実現することができる。
【００１１】
従って、本発明のグレーティング結合器は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）構造のシリコン層に形成した導波路と、前記導波路の上面に形成したグレーティングと、前記グレーティングを被覆する透明誘電体被膜と、前記透明誘電体被膜を介して前記グレーティング上に設置された面受光型の受光素子と、を備え、前記グレーティングを、溝周期が（０．４００±０．０２０）×（前記導波路を伝搬する光の中心波長）、溝深さが（０．０９７±０．０３２）×（前記導波路を伝搬する光の中心波長）である複数の周期的な溝で構成したことを特徴とする。
【００１２】
また、上記グレーティング結合器において、前記導波路の断面が、一辺が０．３μｍの正方形形状を有するようにしても良い。また、前記導波路を伝搬する光の中心波長が１．５５μｍの場合、上記グレーティングは、溝周期が０．６２±０．０３μｍ、溝深さが０．１５±０．０５μｍである複数の周期的な溝で構成してもよい。
【００１３】
また、前記グレーティング結合器において、前記透明誘電体被膜を、屈折率が１．７０以上の透明誘電体材料で構成しても良い。さらに、この透明誘電体材料を、ＳｉＯＮｘ、ＳｉＮ、五酸化タンタルまたは鉛フリントガラスのいずれかとしても良い。またさらに、前記受光素子がほぼ３０μｍφの有効受光面を有するようにしても良い。また、前記グレーティングを、前記導波路の放射側終端部を拡大し、該拡大部に形成するようにしても良い。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のグレーティング結合器によれば、シリコン導波路上に形成した一個のグレーティングにより、高い結合効率でシリコン導波路上を伝搬する光信号を受光素子に結合することが可能となる。また、光−電気変換に用いる受光素子として入手が容易な汎用デバイスである面受光素子を用いることができるので、低価格で超小型の光集積回路を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るグレーティング結合器の概略構造を示す、分解斜視図である。
【図２】図１に示すグレーティング結合器の概略構造を示す断面図である。
【図３】グレーティングによる放射効率の解析モデルを示す図である。
【図４】上部クラッド層に屈折率が１．４４のＳｉＯ２を用いた場合の、ＴＥモードに対する放射効率特性を示す図である。
【図５】上部クラッド層に屈折率が１．４４のＳｉＯ２を用いた場合の、ＴＭモードに対する放射効率特性を示す図である。
【図６】上部クラッド層に屈折率が１．７０のＳｉＯＮｘを用いた場合の、ＴＥモードに対する放射効率特性を示す図である。
【図７】上部クラッド層に屈折率が１．７０のＳｉＯＮｘを用いた場合の、ＴＭモードに対する放射効率特性を示す図である。
【図８】上部クラッド層に屈折率が２．００のＳｉＮを用いた場合の、ＴＥモードに対する放射効率特性を示す図である。
【図９】上部クラッド層に屈折率が２．００のＳｉＯＮｘを用いた場合の、ＴＭモードに対する放射効率特性を示す図である。
【図１０】シリコン導波路のグレーティング領域に入射した光の放射パターンを示す図であって、ＴＥモードの横方向電界分布を示す図である。
【図１１】シリコン導波路のグレーティング領域に入射した光の放射パターンを示す図であって、ＴＭモードの横方向磁界分布を示す図である。
【図１２】上部クラッド層の厚さに対する放射効率依存性を示す図である。
【図１３】ＴＥモードとＴＭモードの放射効率波長依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
シリコン導波路を伝搬する光信号を受光し電気信号に変換する場合、通常の面型受光素子（フォトダイオード）を用いて受光するためには、シリコン導波路の上面に受光素子を配置することになる。これは、１．５５μｍ波長帯で用いるシリコン導波路の断面が、通常、０．２μｍ×０．４μｍ〜０．２μｍ×０．６μｍの扁平な矩形形状や、０．３μｍ×０．３μｍの正方形形状であり、非常に小さいので、この端面上に受光素子を固定することが困難なためである。なお、シリコン導波路によって形成される光部品が光の偏波に依存しない特性をもつ必要がある場合には、通常、断面の１辺が０．３μｍの正方形状の導波路が用いられる。
【００１７】
シリコン導波路を伝搬する光を導波路上面から受光素子に結合する場合、面型受光素子の有効受光面が例えば３０μｍφと比較的大きいため、ＴＥ偏波とＴＭ偏波で導波路からの放射角度が異なっていても、面受光素子の受光面に充分、光を到達させることが可能となる。本発明者等はこの点に着目し、シリコン導波路と面型受光素子との結合であれば、一つのグレーティングでＴＥ偏波およびＴＭ偏波を共に受光することが可能なグレーティング結合器を実現可能であることを見出した。
【００１８】
ここで、実際のグレーティング結合器を設計する場合に、以下の点を考慮する必要がある。１）導波路を伝搬するＴＥモードとＴＭモードに対して、何れも高い放射効率で受光素子に光を結合できること、２）面型受光素子を簡易な方法でシリコン導波路上に固定できること、３）受光素子の有効受光面はおおむね３０μｍφ程度の開口をもつこと、である。なお、有効受光面が大き過ぎると高速応答性が得られず、小さすぎると、受光素子をシリコン導波路に対して固定する際に、高い位置合わせ精度が要求される。
【００１９】
図１は、上記要求を満足する、本発明の一実施形態に係るグレーティング結合器の構造を模式的に示す図であり、シリコン基板上に形成した放射器１と面受光型フォトダイオード２とを分解して示す図である。図２は、図１に示すグレーティング結合器の特にシリコン導波路部分の断面構造を示す図である。図２に示すように、本実施形態のグレーティング結合器（以下、結合器）は、受光素子としての面受光型フォトダイオード２を放射器１に結合させることによって構成されている。
【００２０】
図１、２において、１０はシリコン基板、１１は埋め込み酸化シリコン（ＳｉＯ２）層、１２は埋め込み酸化シリコン層１１上に形成されたシリコン層であり、シリコン導波路１３はこの層１２の一部１４を溝状にエッチング除去して形成される。シリコン導波路１３は、通常、断面が幅０．３μｍ、厚さ０．３μｍの正方形形状を有しており、図２に示すように、幅５μｍ以上の溝１４を介して周囲のシリコン層１２と分離されている。シリコン導波路１３がフォトダイオード２の受光面と対向する部分の、シリコン導波路端部を拡大することによって、シリコン導波路１３の放射面積とフォトダイオード２の受光面積をマッチングさせている。
【００２１】
シリコン導波路１３の上記拡大部には、放射器を構成するためのグレーティング１５が設けられる。グレーティング１５は、一定の間隔（周期）および深さを有する周期的な溝で構成される回折格子であり、シリコン導波路１３を伝搬する光を外部に放射するための放射器として動作する。
【００２２】
グレーティング１５を含めたシリコン導波路１３全体は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、五酸化タンタル等を材料とする透明誘電体被膜で形成された上部クラッド層１６で被覆されている。この上部クラッド層１６は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン等の材料をシリコン層１２上に、スパッタリング、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等によって堆積させて形成される。上部クラッド層１６の厚さは２μｍ程度、屈折率は１．４４〜２．００以上である。透明誘電体被膜の屈折率は、材料元素の比率、例えば酸素、珪素、窒素の割合を変えることによって、変化させることができる。屈折率が２．００以上の透明誘電体被膜は、窒化シリコン、五酸化タンタル等によって形成可能である。また、重フリントガラスを用いれば、屈折率が１．６〜１．８程度の透明誘電体被膜を得ることができる。
【００２３】
例えば放射効率が７０％以上のグレーティング結合器を得るためには、クラッド層１６として屈折率が１．７０以上の材料を用いることが好ましい。
【００２４】
導波路１３を伝搬し拡大部に達した光は、グレーティング１５を介して導波路外部に放射される。この放射は、拡大部上に固定された面受光型フォトダイオード２によって受光され、電気信号として外部に出力される。面受光型フォトダイオード２において、２１は半導体ＰＮ接合で形成された受光面、２２、２３は正負の電極を示す。電極２２、２３は、面受光型フォトダイオード２を放射器１上に固定した場合に、放射器１上に形成された電極パッド１７、１８と電気的に接触し、電極パッド１７、１８を介して光電変換された電気信号を外部に出力する。
【００２５】
なお、放射器１上の電極パッド１７、１８は上部クラッド層１６上に形成されるが、図１では上部クラッド層１６を省略して示している。図１に示すような電極構造によれば、放射器１に形成した電極パッドと受光素子に備えられている電極を、フリップチップボンディング法によって位置合わせし固定できるため、実装方法が簡単となり、機器の低価格化を促進する。
【００２６】
本発明者等は、結合器１に形成されたグレーティング１５において、グレーティングを構成する溝の周期と深さ、及びグレーティングを覆う媒質、すなわち上部クラッド層１６の物性値、特に屈折率、を適切に設定することによって、シリコン導波路１３を伝搬する互いに直交する二つの偏波（ＴＥモード、ＴＭモード）を効率よく外部へ放射することが可能なグレーティングを得ることができるのではないかと考え、以下のような、シリコン導波路グレーティングの放射効率シミュレーションをおこなった。
【００２７】
図３は、放射効率のシミュレーションを行ったグレーティングモデルの断面構造を示す。図３において、図１および２と同一の符号は、同一又は類似の構成要素を示す。シミュレーションに使用したグレーティング結合器では、シリコン基板は１μｍ、酸化シリコン層１１は３μｍ、シリコン導波路１３は０．３μｍ、上部クラッド層１６は２μｍの厚さを有している。グレーティング１５は伝搬方向に２０μｍの長さにわたって形成されている。ここで、グレーティング１５を形成する溝の周期、溝の深さＨｆｇは一定であると仮定する。また、グレーティング全体を覆う媒質（上部クラッド層１６）の屈折率ｎも変化させて放射効率をシミュレーションした。なお、光はシリコン導波路１３に図の右側から入射し、横方向に伝搬する。
【００２８】
図４〜図９に、図３の構造のグレーティングモデルに対して行った放射効率のシミュレーション結果を示す。
【００２９】
図４〜図９のグラフにおいて、縦軸は放射効率（入射光強度に対する受光面方向での受光量の割合）を％で示し、横軸はグレーティングの溝の周期をμｍ単位で示す。パラメータとして溝の深さＨｆｇ（μｍ単位）を変化させている。シミュレーションに用いた入射光の波長は、１．５５μｍである。図４および５は、上部クラッド層１６を屈折率が１．４４のＳｉＯ２で形成したグレーティングモデルにおける放射効率の特性を示し、図６および７は、上部クラッド層１６を屈折率が１．７０のＳｉＯＮｘで形成したグレーティングモデルにおける放射効率の特性を示し、図８および９は、上部クラッド層１６を屈折率が２．００のＳｉＮで形成したグレーティングモデルにおける放射効率特性を示している。さらに、図４、６および８はＴＥモードの偏光、図５、７および９はＴＭモードの偏光に対する放射効率の特性を示す。
【００３０】
上部クラッド層１６の屈折率が１．４４の場合の放射効率特性を示す図４および５を参照すると、ＴＥモードにおいてグレーティングの溝の深さＨｆｇを０．２０μｍ（曲線Ｄ）とし、グレーティングの周期を０．４６μｍ程度とした場合に、比較的高い放射効率（約７０％）を得られることがわかる。ところが、ＴＭモードの場合、同じ溝の深さで同じグレーティング周期、すなわちグレーティングの構造が同じであっても、その放射効率は約２０％程度に低下するので、全体としての放射効率は７０％より低下する。溝の深さを変化させても、総じて低い放射効率しか得られない。
【００３１】
一方、図６および図７に示すように、上部クラッド層１６の屈折率を１．７０とした場合、ＴＥモードともＴＭモードとも、溝の深さＨｆｇが０．１０μｍ〜０．２０μｍ程度でかつ溝の周期が０．６２μｍ前後の場合に、比較的高い放射効率（〜８０％程度）を得ることができる（曲線Ｂ、Ｃ、Ｄ参照）。特に、溝の深さＨｆｇが０．１５μｍの場合の放射効率の特性を示す曲線Ｃを参照すると、溝の周期を０．６２μｍとした場合に、ＴＥモードでの放射効率が８２％、ＴＭモードでの放射効率が７６％と成る。従って、上部クラッド層１６の屈折率を１．７０とし、さらに、溝の深さＨｆｇが０．１５μｍ、溝の周期が０．６２μｍのグレーティングを構成した場合に、ＴＥ偏波、ＴＭ偏波ともに高い結合効率を有するグレーティング結合器を構成可能であることが理解される。
【００３２】
なお、曲線Ｃの場合、ＴＥモードともＴＭモードとも、周期０．６２μｍを中心としてその前後±０．０３μｍの範囲で比較的高い放射効率（効率７０％以上）を保っている。従って、放射効率７０％以上を実用可能なグレーティング結合器の許容範囲とすれば、グレーティングの溝周期の許容範囲を、溝深さＨｆｇ＝０．１５μｍに対して、０．６２±０．０３μｍとすることができる。
【００３３】
また、溝深さＨｆｇが０．２０μｍの場合（曲線Ｄ）、０．１０μｍの場合（曲線Ｂ）も、周期が０．６２μｍの前後で高い放射効率を提示していることがわかる。これらを考慮すると、放射効率７０％以上を達成することが可能なグレーティングの構造として、溝周期＝０．６２±０．０３μｍ、溝の深さＨｆｇ＝０．１５±０．０５を特定することができる。
【００３４】
この傾向、すなわち、溝周期＝０．６２±０．０３μｍ、溝の深さＨｆｇ＝０．１５±０．０５μｍのグレーティングが、ＴＥ偏波およびＴＭ偏波の両者に対して高い放射効率を示すという傾向は、上部クラッド層１６の屈折率が２．００であるグレーティングモデルの場合も同じである。すなわち、図８および９に示すように、ＴＥモード、ＴＭモードともに、溝深さＨｆｇ＝０．１５μｍの場合、溝周期が０．６２μｍ前後で高い放射効率を示している。
【００３５】
一方、上部クラッド層１６の屈折率が１．４４であって相対的に低い放射効率をもたらすグレーティングモデルの場合を再考すると、図４および５に示すように、溝深さＨｆｇ＝０．１５μｍの場合（曲線Ｃ参照）、溝周期が０．６２μｍの前後で、ＴＥモード、ＴＭモードともに比較的高い放射効率を示すことがわかる。
【００３６】
以上の結果から、本発明者等は、ＴＥモード、ＴＭモードの両方に対して高い放射効率を与えるものとして、溝周期＝０．６２μｍ、溝深さＨｆｇ＝０．１５μｍのグレーティング構造を特定した。また、この構造のグレーティングにおいてさらに放射効率を向上させるためには、グレーティングを被覆する上部クラッド層の屈折率を１．７０以上とすることが望ましいことも見出した。放射効率７０％以上をグレーティング結合器の望ましい放射効率とする場合に、上記のグレーティング構造は、溝周期＝０．６２±０．０３μｍ、溝深さＨｆｇ＝０．１５±０．０５μｍまで拡張可能である。
【００３７】
グレーティング構造に関する上記の議論は、シリコン導波路を伝搬する光の中心波長を１．５５μｍとして為されている。上記非特許文献２に記載されているように、グレーティングの周期は伝搬光の波長に比例し、有効屈折率に反比例する。波長が異なるとシリコンの屈折率が変化するため、上記グレーティング構造を単純に波長で規格化することはできないが、波長１．５５μｍの光に対してシリコンの屈折率は３．４５であり、波長１．２７μｍの光に対しては３．５１に変化し、この間の変化率は１．７％である。一方、波長１．５５μｍの伝搬光に対するグレーティング周期の許容幅±０．０３μｍは、中心値０．６２μｍに対して４．８％となり、屈折率の変化率に比べて大きい。従って、波長１．５５μｍの伝搬光に対する上記グレーティング構造を波長で規格化することが可能である。
【００３８】
本発明では、従って、伝搬光の中心波長が１．５５μｍの上記グレーティング構造を、以下のように、波長に基づいて規格化する。
グレーティング周期＝（０．４０±０．０２０）×（伝搬光の中心波長）
グレーティング深さ＝（０．０９７±０．０３２）×（伝搬光の中心波長）
【００３９】
なお、上記数値（０．４０±０．０２０）および（０．０９７±０．０３２）は、波長１．５５μｍの伝搬光に対する溝周期の数値（０．６２±０．０３０）、溝深さの数値（０．１５±０．０５０）をそれぞれ、１．５５で割ることによって求めている。
【００４０】
また、上記グレーティング構造に対するシリコン導波路の構造は、両偏波に対して高い結合効率を実現する上で、断面が０．３μｍ×０．３μｍの正方形形状を持つものが好ましい。
【００４１】
以下に、図１０〜１３を参照して、溝周期が０．６２μｍ、溝深さが０．１５μｍのグレーティングを有し、上部クラッド層の屈折率を１．７０としたグレーティングモデルについて得られた幾つかの特性を示す。図１０および１１に、このグレーティングモデルにおいて、シリコン導波路のグレーティング領域に入射した光が上面に放射される様子（放射パターン）を示す。図１０はＴＥモードの横方向電界分布、図１１はＴＭモードの横方向磁界分布である。右側のシリコン導波路から入射してきた光電磁界が、グレーティングの上部に多く放射され、放射効率を向上させていることがわかる。（伝搬光の一部は、下部のＳｉＯ２層に放射されている。）
【００４２】
上面の放射方向は、導波路に立てた法線方向からやや右側の斜め方向であり、放射角度はＴＥモードとＴＭモードで僅かに異なる。面型受光素子に対して放射させる場合、グレーティング面と受光素子の間隔が数〜１０μｍ程度であれば、この放射角度の差異は問題にならず、受光径３０μｍφの標準的な受光素子を用いることで、両モードともに放射光を全て受光することができる。
【００４３】
図１２に、溝周期を０．６２μｍ、溝深さを０．１５μｍとして、グレーティングを覆う上部クラッド層（屈折率１．７０）の厚さを変化させた場合の、放射効率の層厚依存性を示す。この図より、上部クラッド層の厚さによって放射効率が周期的に変化する様子がわかる。この周期的変化は、上部クラッド層内部での多重反射による影響である。従って、上部クラッド層１６の厚さは、この多重反射の影響を考慮して最適な値を決定すれば良い。
【００４４】
また、図１３に、溝周期を０．６２μｍ、溝深さＨｆｇを０．１５μｍ、上部クラッド層（屈折率１．７０）の厚さを２μｍとした場合のグレーティングモデルについて、ＴＥモードとＴＭモードの放射効率の波長依存性を示す。ＴＭモードの放射効率はＴＥモードより大きな波長依存性を持つが、ファイバ通信で用いられるＣバンド帯（波長１５３０〜１５６５ｎｍ）において、７５％以上の放射効率が実現可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 放射器
２ 面型受光素子
１０ シリコン基板
１１ 埋め込み酸化シリコン層
１２ シリコン層
１３ 導波路
１４ 溝
１５ グレーティング
１６ 上部クラッド層
１７、１８ 電極パッド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）構造のシリコン層に形成した導波路と、
前記導波路の上面に形成したグレーティングと、
前記グレーティングを被覆する透明誘電体被膜と、
前記透明誘電体被膜を介して前記グレーティング上に設置された面受光型の受光素子と、を備え、
前記グレーティングを、溝周期が（０．４００±０．０２０）×（前記導波路を伝搬する光の中心波長）、溝深さが（０．０９７±０．０３２）×（前記導波路を伝搬する光の中心波長）である複数の周期的な溝で構成したことを特徴とする、グレーティング結合器。
【請求項２】
請求項１に記載のグレーティング結合器であって、前記導波路の断面は一辺が０．３μｍの正方形形状を有していることを特徴とする、グレーティング結合器。
【請求項３】
請求項１または２に記載のグレーティング結合器であって、前記透明誘電体被膜は、屈折率が１．７０以上の透明誘電体材料で構成されていることを特徴とする、グレーティング結合器。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載のグレーティング結合器であって、前記中心波長が１．５５μｍである場合、前記溝周期が０．６２±０．０３μｍ、溝深さが０．１５±０．０５μｍであることを特徴とする、グレーティング結合器。
【請求項５】
請求項２に記載のグレーティング結合器であって、前記透明誘電体材料は、ＳｉＯＮｘ、ＳｉＮ、五酸化タンタル、重フリントガラスのいずれかである、グレーティング結合器。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載のグレーティング結合器であって、前記受光素子は３０μｍφの有効受光面を有することを特徴とする、グレーティング結合器。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載のグレーティング結合器であって、前記グレーティングは、前記導波路の光放射側端部を拡大し、該拡大部に形成したことを特徴とする、グレーティング結合器。
【請求項１】
シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）構造のシリコン層に形成した導波路と、
前記導波路の上面に形成したグレーティングと、
前記グレーティングを被覆する透明誘電体被膜と、
前記透明誘電体被膜を介して前記グレーティング上に設置された面受光型の受光素子と、を備え、
前記グレーティングを、溝周期が（０．４００±０．０２０）×（前記導波路を伝搬する光の中心波長）、溝深さが（０．０９７±０．０３２）×（前記導波路を伝搬する光の中心波長）である複数の周期的な溝で構成したことを特徴とする、グレーティング結合器。
【請求項２】
請求項１に記載のグレーティング結合器であって、前記導波路の断面は一辺が０．３μｍの正方形形状を有していることを特徴とする、グレーティング結合器。
【請求項３】
請求項１または２に記載のグレーティング結合器であって、前記透明誘電体被膜は、屈折率が１．７０以上の透明誘電体材料で構成されていることを特徴とする、グレーティング結合器。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載のグレーティング結合器であって、前記中心波長が１．５５μｍである場合、前記溝周期が０．６２±０．０３μｍ、溝深さが０．１５±０．０５μｍであることを特徴とする、グレーティング結合器。
【請求項５】
請求項２に記載のグレーティング結合器であって、前記透明誘電体材料は、ＳｉＯＮｘ、ＳｉＮ、五酸化タンタル、重フリントガラスのいずれかである、グレーティング結合器。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載のグレーティング結合器であって、前記受光素子は３０μｍφの有効受光面を有することを特徴とする、グレーティング結合器。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載のグレーティング結合器であって、前記グレーティングは、前記導波路の光放射側端部を拡大し、該拡大部に形成したことを特徴とする、グレーティング結合器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図１３】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図１３】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−４３６９９（Ｐ２０１１−４３６９９Ａ）
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９２１９６（Ｐ２００９−１９２１９６）
【出願日】平成２１年８月２１日（２００９．８．２１）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２１日（２００９．８．２１）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]