JP2018031896A - Optical buffer element structure, method for producing the same, and analyzing method therefor - Google Patents
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Abstract
【課題】既存のシリコン系集積素子との整合性が良好な光バッファ素子構造、その製造方法、およびその解析方法を提供する。【解決手段】クラッド60に囲まれて光を伝搬するシリコンコア70を有する光導波路80を備えている光素子50である。光素子50の光導波路80は、シリコンコア70の上面部72に凸部74を有している。そして、凸部74に隣接して、負のグースヘンシェンシフトを示すメタマテリアル100を備えている。【選択図】図7The present invention provides an optical buffer device structure having good matching with an existing silicon-based integrated device, a manufacturing method thereof, and an analysis method thereof. An optical element includes an optical waveguide having a silicon core that is surrounded by a clad and propagates light. The optical waveguide 80 of the optical element 50 has a convex portion 74 on the upper surface portion 72 of the silicon core 70. And the metamaterial 100 which shows a negative Goose-Henschen shift is provided adjacent to the convex part 74. FIG. [Selection] Figure 7
Description
本発明は、光バッファ素子構造、その製造方法、およびその解析方法に関する。 The present invention relates to an optical buffer element structure, a manufacturing method thereof, and an analysis method thereof.
従来、負のグースヘンシェンシフト(Goos-Hanchen shift)による光トラップ効果により、光遅延を行う光素子が知られている(例えば、特許文献1等参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, an optical element that performs optical delay by an optical trap effect due to a negative Goos-Hanchen shift is known (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、このような従来の光バッファ素子構造では、光導波路層と反射層との界面にライン状の凹凸を周期的に形成している。凹凸の溝方向は、光の方向と直交して多数形成しなれればばらない。このため、作成が容易ではない上、既存の他のシリコン系集積素子と同一製造工程を経て作成しないので、シリコン系集積素子の製造工程との整合性が良好ではなかった。 However, in such a conventional optical buffer element structure, line-shaped irregularities are periodically formed at the interface between the optical waveguide layer and the reflective layer. A large number of concave and convex groove directions must be formed orthogonal to the light direction. For this reason, it is not easy to produce, and since it is not produced through the same manufacturing process as other existing silicon-based integrated elements, the consistency with the manufacturing process of silicon-based integrated elements is not good.
そこで、本発明は、既存のシリコン系集積素子との整合性が良好な光バッファ素子構造、その製造方法、およびその解析方法を提供することを課題としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical buffer element structure having good matching with existing silicon-based integrated elements, a manufacturing method thereof, and an analysis method thereof.
本発明に係る光バッファ素子構造は、クラッドに囲まれて光を伝搬するシリコンコアを有する光導波路を備え、光導波路は、シリコンコアの上面部に凸部を有して、凸部に隣接して、負のグースヘンシェンシフトを示すメタマテリアルを備えたことを特徴としている。 An optical buffer element structure according to the present invention includes an optical waveguide having a silicon core that is surrounded by a clad and propagates light. The optical waveguide has a convex portion on an upper surface portion of the silicon core and is adjacent to the convex portion. It features a metamaterial that exhibits a negative Goose Henschen shift.
このような構成によれば、メタマテリアルの負のグースヘンシェンシフトによって光導波路の内部を伝搬する光が遅延する。 According to such a configuration, the light propagating inside the optical waveguide is delayed by the negative Goose Henschen shift of the metamaterial.
本発明によれば、既存のシリコンコアを備えるシリコン系集積素子と組み合わせて利用する際の整合性が良好な光バッファ素子構造、その製造方法、およびその解析方法が提供される。 According to the present invention, there is provided an optical buffer element structure having good matching when used in combination with a silicon-based integrated element having an existing silicon core, a manufacturing method thereof, and an analysis method thereof.
本発明の実施形態について、図1乃至図19を参照して詳細に示す。説明において、同一の要素には同一の番号を付し、重複する説明は省略する。 An embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. In the description, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、通信ネットワーク1にて、光通信ネットワーク2と電気的データネットワーク3とが混在している様子を示す模式図である。
光通信等において、光パケット信号の円滑な通信を確保するため、各ネットワーク間に介挿されるルータには、データのバッファリング機能やルーティング(経路制御)機能が設けられている。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a state in which an
In optical communication or the like, in order to ensure smooth communication of optical packet signals, a router inserted between each network is provided with a data buffering function and a routing (path control) function.
具体的には、一般的に光・電気変換(光→光検出器→電気→メモリ→半導体レーザー→光)機能を備えたルータが光から変換された電気の状態でデータをバッファリングして、再度、光に戻す信号処理を実施している。
しかしながら、高速の光通信では、1Tbps程度の切り替え速度が必要で、従来の手法では、通信速度が低下してしまう。
また、光・電気変換を行う際に消費電力が大きいといった問題もあった。
Specifically, a router equipped with an optical / electrical conversion function (light → photodetector → electricity → memory → semiconductor laser → light) generally buffers data in the state of electricity converted from light, The signal processing for returning to light is performed again.
However, high-speed optical communication requires a switching speed of about 1 Tbps, and the conventional method reduces the communication speed.
There is also a problem that power consumption is large when performing optical / electrical conversion.
このため、光信号を光のままで信号処理することにより、速度の低下が少なく消費電力を減少させることができる光ルータ10の開発が近年進められてきている。
For this reason, development of an
図2は、光ルータ10が複数の回線Ch.1、Ch.2(図1参照)を流れるデータ列A,Bを干渉させることなく合流させて、回線Ch.3にデータ列Cを流す様子を示す概念図である。
このようなものでは、光ファイバ11を介して回線Ch.1からデータ列Aがまた、光ファイバ12を介して回線Ch.2からデータ列Bが光ルータ10に入射する。
入射前のタイミングt1では、Ch.1のデータ列Aのデータの存在しない箇所にCh.2のデータ列Bのデータを合成する。これにより、光ルータ10のCh.3に出力されるデータ列Cを、干渉する箇所のない1つのデータ列Cにまとめることができる(タイミングt4参照)。
2 shows that the
In such a case, the line Ch. 1 to the data string A are also transmitted via the optical fiber 12 to the line Ch. 2, the data string B enters the
At timing t1 before incidence, Ch. 1 in the data string A where no data exists. The data of the second data string B is synthesized. As a result, the Ch. 3 can be combined into one data string C having no interference (see timing t4).
しかしながら、タイミングt2,t3では、データ列Aのデータとデータ列Bのデータとをそのまま合成すると、干渉してしまう。このため、光ルータ10では、データ列Aのデータがない部分にデータ列Bのデータが来るように光バッファ等でバッファリング(遅延)させる必要がある。
光ルータ10では、バッファリングによりデータ列Bのタイミングを遅らせてから合成すると、データ列Aのデータとデータ列Bのデータとは干渉しなくなる(タイミングt5,t6参照)。
However, if the data of the data string A and the data of the data string B are combined as they are at the timings t2 and t3, interference occurs. For this reason, the
In the
一般的に光バッファとしては、ファイバ遅延バッファ、PhC(フォトニッククリスタル)バッファ、メタマテリアルバッファが知られている。
図3は、メタマテリアルを用いた光バッファの特性を他の光バッファと比較した表である。
ファイバ遅延バッファは、長尺(数km〜数十km)の光ファイバーケーブルを通過させて、光を遅延させるものである。
しかしながら、このようなファイバ遅延バッファでは、バッファ装置そのものが大型化してしまうといった問題があった。
Generally, fiber delay buffers, PhC (photonic crystal) buffers, and metamaterial buffers are known as optical buffers.
FIG. 3 is a table comparing the characteristics of optical buffers using metamaterials with other optical buffers.
The fiber delay buffer delays light through a long optical fiber cable (several kilometers to several tens of kilometers).
However, such a fiber delay buffer has a problem that the buffer device itself becomes large.
また、たとえば、PhCバッファは、フォトニック結晶を用いたスローライトの効果によりある程度まで小型化することが可能となる。
しかしながら、光の遅延時間を連続的に制御することができず、バッファリングが可能な時間も固定されてしまうことから、全ての干渉を取り除くことができなかった。
そこで、メタマテリアルバッファと呼ばれ、負のグースヘンシェンシフトによって光トラップ効果を発揮させて、シリコンコアの内部を伝搬する光を遅延させるメタマテリアルを備えた光バッファ素子構造が提案されている。
Further, for example, the PhC buffer can be downsized to some extent due to the effect of slow light using a photonic crystal.
However, the delay time of light cannot be continuously controlled, and the time during which buffering is possible is also fixed, so that all interference cannot be removed.
Therefore, an optical buffer element structure called a metamaterial buffer, which has a metamaterial that delays light propagating through the silicon core by exhibiting an optical trap effect by a negative Goose Henschen shift, has been proposed.
まず、メタマテリアルの負のグースヘンシェンシフトによる光トラップの原理について簡単に説明する。
図4は、光導波路で光の伝搬を説明する光バッファ素子構造の模式図である。
ここで、光導波路を構成するシリコンコア20の一面側には、二酸化ケイ素層21が設けられている。二酸化ケイ素層21は、シリコンコア20の一面側を熱で酸化させて形成される。そして、この二酸化ケイ素層21は、シリコンコア20の屈折率3.5よりも低い屈折率1.5を有していて、界面で光を反射させてシリコンコア20内に閉じ込めることができる。
First, the principle of the optical trap due to the negative Goose-Henschen shift of the metamaterial will be briefly described.
FIG. 4 is a schematic diagram of an optical buffer element structure for explaining the propagation of light through an optical waveguide.
Here, a
シリコンコア20の他面側には、メタマテリアル31にて構成されるメタマテリアル層30が設けられている。この実施形態のメタマテリアル31は、金(Au)によって構成されていて、メタマテリアル層30の誘電率(ε)および透磁率(μ)は、双方とも正である(ε>0,μ>0)。
この状態では、input側から導入された光は、シリコンコア20によって構成される光導波路内を伝播する際、二酸化ケイ素層21およびメタマテリアル層30との各界面にて反射されながらoutput側から放出される。
A
In this state, the light introduced from the input side is emitted from the output side while being reflected at each interface between the
図5は、負のグースヘンシェンシフトによって光がトラップされる様子を説明する光バッファ素子構造の模式図である。
メタマテリアル31は、金属微細構造によって、与えられる光または電圧による電磁界の共振にて、比透磁率を変化させることにより、負の屈折率を有することができる。
ここで、メタマテリアル層30の誘電率(ε)および透磁率(μ)が負である(ε<0,μ<0)と、シリコンコア20とメタマテリアル層30との界面で、シリコンコア20の内部を伝搬する光は、負のグースヘンシェンシフトによって、トラップされて遅延する。
このように、output側から放出される光は、input側から導入された際の光信号のデータ列を維持したまま、遅延する。遅延量は、与えられる光または電圧を調整することによって制御できる。このためメタマテリアル31の負のグースヘンシェンシフトによる光トラップを用いれば、遅延量を可変して制御することが可能な遅延バッファを得ることができる。
FIG. 5 is a schematic diagram of an optical buffer element structure for explaining how light is trapped by a negative Goose Henschen shift.
The
Here, when the dielectric constant (ε) and the magnetic permeability (μ) of the
In this way, the light emitted from the output side is delayed while maintaining the data sequence of the optical signal when introduced from the input side. The amount of delay can be controlled by adjusting the applied light or voltage. For this reason, if an optical trap based on the negative Goose-Henschen shift of the
図6は、比較例の光ルータ10に用いられる光導波路の構成を説明する斜視図である。
比較例のメタマテリアル15は、金属微細構造が具現化された一例である。
すなわち、比較例の光ルータ10は、光を閉じ込めて導波するシリコンコア14の上面部14aに、複数のメタマテリアル15を整列し配置している。メタマテリアル15は、負のグースヘンシェンシフトにより光トラップ効果を発揮する光バッファとしての役割を担う。
各メタマテリアル15は、略同一の厚さで平面視略C字状のリングであり、上面部14aに平坦面を沿わせて倒された状態で、リングの方向が揃うように配列されることにより、負のグースヘンシェンシフト効果を発揮する。
FIG. 6 is a perspective view illustrating the configuration of an optical waveguide used in the
The
That is, in the
Each
このように構成された比較例のメタマテリアル15は、隣接するシリコンコア14のシリコン材料内のキャリアを励起する。そして、与えられる光または電圧を調整することにより、メタマテリアル15のキャパシタ特性を変動させると、キャリアプラズマ効果によってキャリアの生成と消滅とが交互に行なわれる。このように、メタマテリアル15の特性の変化を誘起して、光導波路内を伝播する光の速度を動的制御することができる。
The
すなわち、光励起または電圧の印加が停止している状態では、キャリアは消滅して光導波路内を伝播する光は、光トラップされて遅延する。
そして、光励起または電圧の印加により、キャリアが生成されて光導波路内を伝搬する光は、トラップされることなく、遅延しない。
このため、与えられる光または電圧のスイッチング制御を行うことにより、メタマテリアルの特性に変調を与え、キャリアの生成と消滅時間との比率を調整して、可変して制御することが可能な遅延バッファとして遅延時間を制御することができる。
That is, in a state where photoexcitation or voltage application is stopped, carriers disappear and light propagating in the optical waveguide is optically trapped and delayed.
The light generated by the optical excitation or voltage application and propagating in the optical waveguide is not trapped and is not delayed.
For this reason, the delay buffer can be controlled variably by adjusting the ratio of the carrier generation and extinction time by modulating the metamaterial characteristics by switching the applied light or voltage. The delay time can be controlled as follows.
しかしながら、図6に示すように、平面視略C字状のメタマテリアル15は、上面部14aに沿って倒された状態で配設される。また、メタマテリアル15のリングの直径は、約百nm程度と微細である。このような寸法のメタマテリアル15は、所望の形状に形成しにくい。さらに金属蒸着工程後のリフトオフプロセス中に、メタマテリアル15の面外方向Cへ剥離させる方向の力が加わりやすい。
However, as shown in FIG. 6, the substantially C-shaped
このため、メタマテリアル15に部分的な浮き上がりが生じたり、メタマテリアル15の形状が変形する。さらに、配置される位置も所定位置からずれてしまう虞がある。
したがって、シリコン系集積素子と同じ製造工程で、同一形状を保ちながら、複数のメタマテリアル15を所望の位置に整列させることは困難であった。
特にメタマテリアル15に負のグースヘンシェンシフトによる光トラップ効果を発揮させるためには、平面視略C字状の形状を高い寸法精度にて形成することが要求される。
For this reason, partial lifting occurs in the
Therefore, it is difficult to align the plurality of
In particular, in order for the
そこで、本実施形態は、既存のシリコンコアを備えるシリコン系集積素子と組み合わせて利用する際の整合性が良好で、負のグースヘンシェンシフトによる光トラップ効果を発揮させることが可能な光バッファ素子構造を提供するものである。 Therefore, this embodiment provides an optical buffer element that has good matching when used in combination with a silicon-based integrated element having an existing silicon core and can exhibit an optical trap effect due to a negative Goose Henschen shift. Provide structure.
図7は、本発明の実施形態の光バッファ素子構造で、要部の構造を説明する模式的な斜視図である。
この実施形態の光素子50は、クラッド60に囲まれて光を伝搬するシリコンコア70を有するシリコン導波路としての光導波路80を備えている。
光導波路80は、シリコンコア70の上面部72に凸部74を一体に有している。この実施形態の凸部74は、伝搬する光の波長λと比較して小さな幅寸法wおよび高さ寸法hを有している(図9参照)。そして、凸部74は、光導波路80の延設方向に沿って、ほぼ同じ断面をもって直線状に連続してシリコンコア70に一体となるように形成されている。
FIG. 7 is a schematic perspective view illustrating the structure of the main part of the optical buffer element structure according to the embodiment of the present invention.
The
The
また、この凸部74に隣接して、負のグースヘンシェンシフトを示す複数のメタマテリアル100…が備えられている。このメタマテリアル100は、金(Au)およびチタン(Ti)を有して構成されていて、凸部74側にチタン層を設けることにより、蒸着による金層の接着力を向上させている。そして、このメタマテリアル100は、負のグースヘンシェンシフトによる光トラップ効果を発揮させて、光導波路80内を伝搬する光を遅延させる。
In addition, a plurality of
さらに、この実施形態のメタマテリアル100は、光の進行方向に平行な三枚の平面としての上面部110,および側面部120,130を有している。
これらの上面部110および側面部120,120は、凸部74の上方から凸部74の外側面に密着するようにメタマテリアル100を蒸着させることにより、出隅部が略直角に屈曲された状態で連続して、かつ各面は平坦に形成されている。
このため、これらの上面部110および側面部120,120によって構成される三枚の平面は、面延設方向を光の進行方向に平行に沿わせてそれぞれ凸部74に密着されて、かつ凸部74に垂直な断面においては、起立した略コ字状を呈して、略コ字状の開放端をシリコンコア70に向けてこれらの上面部110および側面部120,120が一体となるように凸部74に嵌合されている。
Furthermore, the
The
For this reason, the three flat surfaces constituted by the
光素子50には、光の進行方向に垂直な平面を有して形成された複数のメタマテリアル100が凸部74の延設方向に沿って一定間隔L1(たとえば、100nm)を空けて、配置されている。実施形態では、1つのメタマテリアル100を1ユニットとして捉え、直列に4つのメタマテリアル100を配置した4ユニットから構成される光素子50が示されている。
そして、この光素子50の長手方向の寸法Lが約0.6〜1μm以下となるように構成されている。
しかしながら、特にこれに限らず、1つのメタマテリアル100にて構成される1ユニットの全長を約15〜20nmとしてもよい。そして、メタマテリアル100の個数は、特に限定されるものではなく、単数またはいずれの複数個であってもよい。
In the
And the length L of this
However, the present invention is not limited to this, and the total length of one unit composed of one
図8は、実施形態の光バッファ素子構造で、図7中VIII−VIII線に沿った位置での要部の断面図である。
この実施形態の光導波路80を形成するシリコンコア70の周囲には、酸化膜としての酸化アルミニウム(Al2O3)の被膜部76が設けられている。また、被膜部76の周囲に酸化ケイ素(SiO2)にて構成されるクラッド60が設けられている。
そして、光導波路80外に設けられた図示省略の制御装置からは、電気または光による外部信号90が与えられる。酸化アルミニウムの被膜部76は、ゲート酸化膜として電圧が印加された際にキャリアを生成させる。これにより、メタマテリアルの特性に変調を与え、遅延時間を制御することができる。
FIG. 8 is a cross-sectional view of the main part at the position along the line VIII-VIII in FIG. 7 in the optical buffer element structure of the embodiment.
A
A control device (not shown) provided outside the
図9は、実施形態の光バッファ素子構造で、設定される寸法関係を用いて要部の構造を説明する模式的な斜視図である。
シリコンコア70の凸部74は、光導波路80の延設方向Lに対して直交する方向において、幅寸法wおよび高さ寸法hを有して、シリコンコア70の幅方向略中央に、光の進行方向に直交する略正方形の断面形状となるように形成されている。
FIG. 9 is a schematic perspective view illustrating the structure of the main part using the set dimensional relationship in the optical buffer element structure of the embodiment.
The
また、凸部74に被せられるメタマテリアル100の厚さ寸法を一定寸法a(たとえば、a=約15〜20nm)とするとともに、光導波路80の延設方向Lに沿った奥行き寸法を一定寸法d(たとえば、d=約50nm)、幅寸法w(たとえば、w=約50nm)および高さ寸法h(たとえば、h=約50nm)を有している。
このため、光の波長をλ=1550nmとすると、凸部74は伝搬する光の波長λと比較して、充分小さな幅寸法wおよび高さ寸法hを有することとなる。したがって、メタマテリアル100は、負のグースヘンシェンシフトによって光導波路80内を伝搬する光を遅延させることができる。
Further, the thickness dimension of the
Therefore, when the wavelength of light is λ = 1550 nm, the
図10は、実施形態の光バッファ素子構造で、要部の周囲の磁界を示し、図9中矢視X方向から見た模式図である。
また、図11は、実施形態の光バッファ素子構造で、要部の周囲の電界を示し、図9中XI−XI線に沿った位置での模式図である。
シリコンコア70内の磁界および電界は、メタマテリアル100のキャパシタ特性の変動によるキャリアプラズマ効果を生じさせて、光トラップを行うキャリアの生成と消滅とに影響を与える。
FIG. 10 is a schematic diagram showing the magnetic field around the main part in the optical buffer element structure of the embodiment, viewed from the X direction in FIG.
FIG. 11 is a schematic diagram showing the electric field around the main part in the optical buffer element structure of the embodiment, at a position along the line XI-XI in FIG.
The magnetic field and electric field in the
特に負のグースヘンシェンシフトによる光トラップ効果を発揮させるためには、メタマテリアル100の幅寸法wおよび高さ寸法hに高い寸法精度が要求される。
図12は、実施形態の光バッファ素子構造で、周波数に依存するメタマテリアルの寸法について説明する図である。
図12では、縦軸にメタマテリアルの高さ寸法hを、横軸にメタマテリアルの幅寸法wをそれぞれ表している。破線で示す等高線は、どの周波数でメタマテリアルが光トラップ効果を発揮するように動作するかを示している。
メタマテリアルは、光の周波数に依存して負のグースヘンシェンシフトによる光トラップ効果が起こる寸法が相違する。
実施形態では、点線Bで示す光通信に用いる周波数193THzによって動作するように、この点線Bに近い寸法関係である高さ寸法h=50nm、幅寸法w=50nmのメタマテリアル100が採用された。
In particular, high dimensional accuracy is required for the width dimension w and the height dimension h of the
FIG. 12 is a diagram illustrating the frequency-dependent metamaterial dimensions in the optical buffer element structure of the embodiment.
In FIG. 12, the vertical dimension represents the height dimension h of the metamaterial, and the horizontal axis represents the width dimension w of the metamaterial. Contour lines indicated by broken lines indicate at which frequency the metamaterial operates to exhibit the light trapping effect.
Metamaterials have different dimensions depending on the frequency of light in which the optical trap effect due to the negative Goose Henschen shift occurs.
In the embodiment, the
図13は、実施形態の光バッファ素子構造で、光がトラップされた様子を示す分散曲線の図である。
ここでは、横軸は、β伝搬乗数(real=実部)を示している。また、縦軸は、光の波長ω/c(μm−1)を示している。そして、分散曲線の傾きは、遅延すなわち反射率を示し、傾き角度が0に近接するほど光がトラップされていることを示している。
FIG. 13 is a dispersion curve showing how light is trapped in the optical buffer element structure of the embodiment.
Here, the horizontal axis indicates the β propagation multiplier (real = real part). The vertical axis indicates the wavelength ω / c (μm −1 ) of light. The slope of the dispersion curve indicates the delay, that is, the reflectance. The closer the tilt angle is to 0, the more light is trapped.
また、比較のために真空中の光を示すライトラインC(Light line)が示されている。
そして、このライトラインCと比較して傾きが緩やかなデバイスカーブD(Device curve:λ〜1550nm)は、実施形態の光素子50の光導波路80内を伝搬する光を示している。
For comparison, a light line C (Light line) indicating light in a vacuum is shown.
A device curve D (Device curve: λ to 1550 nm) having a gentler slope than the light line C indicates light propagating in the
図14は、実施形態の光バッファ素子構造で、光がトラップされた様子を示す図13中A部の拡大図である。
光素子50の凸部74の寸法が高さ寸法h=50nm、幅寸法w=50nmであるメタマテリアル100によって、光導波路80内の光がトラップされると、ω/c(μm−1)=約4付近では、光バッファとして利用可能な充分な遅延が生じることを確認できた。
FIG. 14 is an enlarged view of a part A in FIG. 13 showing a state in which light is trapped in the optical buffer element structure of the embodiment.
When light in the
図15は、実施形態の光バッファ素子構造で、光がトラップされた際の損失を示す図である。
横軸は、β伝搬乗数(imag=虚部)を示している。メタマテリアル100によって光導波路80内の光がトラップされる、ω/c(μm−1)=約4付近では、損失が大きくなっていることがわかる(図3参照)。このように損失と遅延とには、相関関係が存在し、ω/c(μm−1)=約4付近でメタマテリアル100が強く相互作用を及ぼして光を遅延させていることがわかる。
FIG. 15 is a diagram illustrating a loss when light is trapped in the optical buffer element structure of the embodiment.
The horizontal axis represents the β propagation multiplier (imag = imaginary part). It can be seen that the loss increases in the vicinity of ω / c (μm −1 ) = about 4 where the light in the
[光バッファ素子構造の製造方法]
図16は、実施形態の光バッファの素子構造の製造方法を説明するものである。
ここでは、図7を参照しつつ、メタマテリアルを有する光バッファ素子構造の製造方法を、製造工程に沿って説明する。
図16(a)は、積層されたシリコン層170および二酸化ケイ素層160の様子を示す模式的な断面図である。
[Method of manufacturing optical buffer element structure]
FIG. 16 illustrates a method for manufacturing the optical buffer element structure of the embodiment.
Here, the manufacturing method of the optical buffer element structure which has a metamaterial is demonstrated along a manufacturing process, referring FIG.
FIG. 16A is a schematic cross-sectional view showing a state of the
このシリコン層170および二酸化ケイ素層160を有する構造素材150は、他の光導波路を形成する素子と同じ構成の構造素材150が用いられている。また、以下に記載する本実施形態の光バッファとなる光素子50の製造工程についても、他の光導波路を有する素子と同様の工程で行われる。
As the
まず、構造素材150のシリコン層170側の上面部170aがドライエッチングされる。ドライエッチングは、フッ素系のガス等を用いてもよい。
First, the
図16(b)は、構造素材150がドライエッチングされた様子を示す模式的な断面図である。
ドライエッチングにより、削り取られた上面部72の幅方向の中央部に凸部74が形成される。
ドライエッチングは、微細加工が可能である。このため、凸部74の寸法精度が高いものが得られる。
FIG. 16B is a schematic cross-sectional view showing a state in which the
By dry etching, a
Dry etching can be finely processed. For this reason, a thing with high dimensional accuracy of the
図16(c)は、酸化アルミ膜層172が形成された様子を示す模式的な断面図である。
酸化アルミの蒸着によりシリコン層170側の上面部170aは、酸化アルミ膜層172で覆われる。酸化アルミ膜層172によって、キャリアの生成と消滅とが円滑に行なわれる。
FIG. 16C is a schematic cross-sectional view showing a state in which the aluminum
The
図16(d)は、凸部74にメタマテリアル100が蒸着された様子を示す模式的な断面図である。
凸部74には、チタンおよび金が蒸着される。蒸着を行う際、凸部74には、所定間隔を置いて所望の位置にエッチングにより窓が形成される。そして、この窓から薄板状にチタンおよび金が凸部74の上面側と左,右両側面側とに跨るように蒸着される。
凸部74は、延在方向に垂直な断面形状を同様な断面形状を有するように構成されている。
これにより、これらの凸部74の上面側および左,右両側面側に、蒸着されるメタマテリアル100は、窓に沿ってセルフアライメントされながら、同一形状をもって延在方向に所定の間隔を置いて形成される(図7参照)。
FIG. 16D is a schematic cross-sectional view illustrating a state in which the
Titanium and gold are vapor-deposited on the
The
As a result, the
さらに、この実施形態のメタマテリアル100は、上面部110および側面部120,130が光の進行方向に延びる平行な平面をそれぞれ有している。これらの上面部110および側面部120,130は、凸部74の三面の外側面に内側面を圧着させることにより、凸部74を上方および左,右方向から覆うように被せられて嵌めこまれている。
このため、金属蒸着工程後にリフトオフプロセスが実行されても、メタマテリアル100は、凸部74から剥離したり上方または側方へ移動したりしない。したがって、メタマテリアル100の形状安定性が良好で、光トラップ効果を発揮することができる。
Further, in the
For this reason, even if a lift-off process is performed after a metal vapor deposition process, the
図16(e)は、シリコン層170の左,右側面170b,170bがエッチングされた様子を示す模式的な断面図である。シリコン層170の左,右側面170b,170bには、エッチングにより取り除かれる除去部173,173が仮想線で示されている。
FIG. 16E is a schematic cross-sectional view illustrating a state in which the left and right side surfaces 170b and 170b of the
図16(f)は、凸部74の周囲に二酸化ケイ素のクラッド60が被覆された様子を示す模式的な断面図である。シリコンコア70および凸部74は、クラッド60(図9参照)を構成する二酸化ケイ素によって周囲が被覆されて光導波路80を形成する。
これらのシリコン層170に対するドライエッチング、蒸着、エッチング等の工程は、他の光導波路を有する素子を製造する工程と同じ工程を有している。
これにより、従来の光導波路を有する素子と同様の工程で、凸部74にメタマテリアル100が蒸着された光導波路80をクラッド60にて取囲み、光バッファとなる光素子50を製造することができる。そのため、製造設備の変更がほとんど必要とされない。
FIG. 16 (f) is a schematic cross-sectional view showing a state in which the clad 60 of silicon dioxide is covered around the
Processes such as dry etching, vapor deposition, and etching for the
Thus, in the same process as the element having the conventional optical waveguide, the
図16(b)にて、メタマテリアル100を蒸着する前工程で、凸部74は、ドライエッチングによって高精度、かつ長手方向に同じまたは同様な断面形状となるように微細加工されている。
このため、凸部74に沿って被せられる複数のメタマテリアル100の内側の寸法は正確に確定する。
In FIG. 16B, in the pre-process for depositing the
For this reason, the dimension inside the some
また、図16(d)にて、この凸部74に形成されるメタマテリアル100の薄板状の上面部110および側面部120,120の内側には、凸部74の外側面に密着するように光の進行方向に平行に沿う平面が設けられている。メタマテリアル100は、この内側の平面によって比較的広い面積で密着する。
また、上面部110とは、面外方向を約90度異ならせた側面部120,120の内側に位置する平面が型脱方向と直交する方向にて凸部74の外側面に密着している。
このため、リフトオフプロセス時にも所望の位置から移動しない。よって、セルフアライメントによる正確な寸法、位置精度が維持されて形状も安定する。
したがって、比較例で示した平面視略C字状のリングのように寝かせた場合(図6参照)と比較してメタマテリアル100の移動や変形が発生することがない。このため、この実施形態のメタマテリアル100は、正確な寸法精度を要求される光トラップ効果を確実に発揮させることができる。
Further, in FIG. 16D, the thin plate-like
Further, the
For this reason, it does not move from a desired position even during the lift-off process. Therefore, accurate dimensions and position accuracy by self-alignment are maintained, and the shape is stable.
Therefore, the movement and deformation of the
[光バッファ素子構造の解析方法]
図17は、実施形態の光バッファ素子構造の解析方法で、解析される素子構造を示す模式的な断面図、また、図18は、単純化の工程を説明する模式的な断面図である。
そして、図19は、実施形態の光バッファ素子構造の解析方法で、単純化の工程を含む解析の工程を説明するフローチャートである。
図17に示すように、この実施形態の光素子50は、断面略方形状のシリコンコア70の上面部72の中央の一部から凸部74が一体に突設されていて、この凸部74にのみ、メタマテリアル100が設けられている複雑な構造を有している。
このため、全体の構造を一般的に用いられている導波路解析手法(FDTD(Finite-difference time-domain method))など、解析装置に入力して、光素子50の特性を導き出す手法では、計算時間が多大なものとなってしまう。また、解析を行う対象部分には、金属も含まれているため、導波路の解析を行うことは容易ではない。
[Analysis method of optical buffer element structure]
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view showing an element structure analyzed by the optical buffer element structure analysis method of the embodiment, and FIG. 18 is a schematic cross-sectional view for explaining a simplification process.
FIG. 19 is a flowchart for explaining an analysis process including a simplification process in the optical buffer element structure analysis method of the embodiment.
As shown in FIG. 17, in the
For this reason, a method for deriving the characteristics of the
そこで、この実施形態では、メタマテリアルの電磁場計算を行いながら、金属を含む導波路のモード解析を行う手法として、均質化モード解析を行う。そして、この均質化モード解析により、導波路の解析を容易なものとする。以下、光バッファ素子構造の均質化モード解析の方法について説明する。 Therefore, in this embodiment, homogenization mode analysis is performed as a technique for performing mode analysis of a waveguide including metal while performing electromagnetic field calculation of a metamaterial. Then, this homogenization mode analysis facilitates the analysis of the waveguide. Hereinafter, a method for analyzing the homogenization mode of the optical buffer element structure will be described.
図17,図18を参照しつつ、図19に示すフローチャートに沿って均質化モード解析を説明する。均質化モード解析を開始すると、ステップS100では、メタマテリアル100の周辺M内のみをある誘電率(ε)および透磁率(μ)を持った均質な空間としてみなして、電磁界分布として散乱パラメータSを計算する。
この際、メタマテリアル100の周辺Mの物質を均一とみなし、周辺M内をある誘電率(ε)および透磁率(μ)を有する均質な空間としてシリコンコア70から分離する。
これにより、凸部74の周辺Mの散乱パラメータが導出される。
The homogenization mode analysis will be described along the flowchart shown in FIG. 19 with reference to FIGS. When the homogenization mode analysis is started, in step S100, only the periphery M of the
At this time, the material in the periphery M of the
Thereby, the scattering parameter of the periphery M of the
ステップS101では、導出された散乱パラメータSからメタマテリアル100の誘電率εおよび透磁率μの周波数依存性が演算される。
ステップS102では、演算された周波数依存性を用いて光導波路80が単純化される。
このとき、光導波路80を凸部74を有していない断面矩形状とする単純化が行われる(図18参照)。たとえばここで、光導波路80を単純化すると、上面部72は、ε=(1.7)2、シリコンコア70は、ε=(3.45)2、クラッド60はε=(1.5)2、として表される。
In step S101, the frequency dependence of the dielectric constant ε and permeability μ of the
In step S102, the
At this time, the
ステップS103では、光素子50全体の波長分散特性の解析が行われる。
この実施形態の均質化モード解析を行う工程は、メタマテリアル100の周辺Mの物質を均一とみなし、単純化された光導波路80を含む光素子50全体の波長分散の解析を有している。波長分散特性は、物質の誘電率(ε)および透磁率(μ)が均質であれば、容易かつ迅速に解析できることが知られている。
このため、この実施形態の光バッファ素子構造の均質化モード解析は、単純化された光導波路80に予め演算されたメタマテリアル100の周辺Mのみの散乱パラメータSを当てはめて演算することにより、断面矩形で誘電率εと透磁率μとが均質な物質として解析している。
したがって、迅速かつ正確にメタマテリアル100を有する光素子50の導波路解析が行なえて、光導波路80の波長分散特性を求めることができる。
In step S103, the chromatic dispersion characteristics of the entire
The step of performing the homogenization mode analysis in this embodiment includes analyzing the chromatic dispersion of the entire
For this reason, the homogenization mode analysis of the optical buffer element structure of this embodiment is performed by applying the scattering parameter S of only the periphery M of the
Therefore, the waveguide analysis of the
上述してきたように、実施形態の光バッファ素子構造、その製造方法、およびその解析方法では、以下のような作用効果を奏する。
すなわち、メタマテリアル100の負のグースヘンシェンシフトによってシリコンコア70の内部を伝搬する光が遅延する。
As described above, the optical buffer element structure, the manufacturing method thereof, and the analysis method thereof according to the embodiment have the following operational effects.
That is, the light propagating through the
この実施形態によれば、凸部74を良好な精度で形成することにより、隣接して設けられる微細なメタマテリアル100の形状の安定性が向上する。
また、既存のシリコンコアを備えるシリコン系集積素子と同じ生産工程によって、同じシリコンコアの構造素材150(図16参照)から製造可能であり、他のシリコン系集積素子と組み合わせて利用する際の整合性が良好である。
According to this embodiment, by forming the
Further, it can be manufactured from the same silicon core structural material 150 (see FIG. 16) by the same production process as a silicon integrated device having an existing silicon core, and is matched when used in combination with other silicon integrated devices. Good properties.
さらに、メタマテリアル100は、光の進行方向に平行な平面を凸部74に嵌合させて形成されている。このため、凸部74の平坦な上面部74aおよび側面部74b,74b(図7参照)に良好な接着力で固定される。このため、メタマテリアル100の凸部74への取付安定性を向上させることができる。
Further, the
また、メタマテリアル100を構成する三枚の平面は、光の進行方向に平行に沿うように嵌合されて、凸部74の延在方向と垂直な形状では略コ字状に起立している。このため、TEモードの光導波路80内の光は、上面部110の上方からの制御信号による入射電場にて一対のキャパシタとなる側面部120,120間でも励起されて、効果的に光トラップ効果を生じさせることができる。
Further, the three planes constituting the
そして、凸部74は、伝搬する光の波長λより小さな幅寸法wおよび高さ寸法hを有する。メタマテリアル100の内側寸法を規定する凸部74の大きさを、負のグースヘンシェンシフトによる光トラップ効果が起こる寸法(ここでは、高さ寸法h=50nm、幅寸法w=50nm、図12参照)としている。
メタマテリアル100は、凸部74の上面部74aおよび側面部74b,74bの外側に対して、光の進行方向に平行となるように各上面部74aおよび側面部74b,74bを高い寸法精度にて、配置している。また、メタマテリアル100は、凸部74の上面部74aおよび側面部74b,74bの外側面によって内側面から凸部74の上面部74aおよび側面部74b,74bを密着させて支持している。
このため、メタマテリアル100の形状安定性は良好であり負のグースヘンシェンシフトによって光導波路80内を伝搬する光を確実にトラップして遅延させることができる。
The
In the
For this reason, the shape stability of the
さらに、図8に示すように、光導波路80外から与えられる電気または光の外部信号によって、光導波路80内のキャリアを励起して、メタマテリアル100の共振を制御し、自在に光をトラップし遅延させることができる。
このため、制御部は、光素子50に与える電気または光の外部信号を制御することによって、光導波路80内の光信号を光のまま、遅延させることができる。
光素子50によりバッファリングされて遅延した光は、複数の回線を流れるデータ列を干渉させずに合流させることが出来(図2参照)、ルータとして使用した信号処理が可能となる。したがって、電気信号に変換する必要があるルータに比べて、速度の低下が少なく消費電力を減少させた光ルータ10を提供することができる。また、外部信号が与えられるまでの待機電力をゼロとすることが可能となる。
Further, as shown in FIG. 8, carriers in the
For this reason, the control unit can delay the optical signal in the
The light delayed by being buffered by the
さらに、シリコンコア70の幅寸法wは、集積体の上に配置される光導波路80の幅寸法w(w=約500nm)と同寸法である(図7参照)。このため、図16(e)に示すように除去部173,173が削られて、光素子50に用いられるシリコン系集積素子を他のシリコン系集積素子と共通化することができる。
Further, the width dimension w of the
また、シリコン層170に一体に形成される凸部74の大きさは、負のグースヘンシェンシフトによる光トラップ効果が起こる寸法に合わせて、任意の大きさに上面部72を切削して形成することができる。このため、シリコンコア70の幅寸法wは、他のシリコン系集積素子に用いるシリコンコアと同一の寸法のものが使用できる。
このため、光素子50は、他のシリコン系集積素子と同じ生産設備を用いて製造を行える。したがって、特別な製造ラインを必要とせず、製造コストの増大が抑制される。
Further, the size of the
For this reason, the
そして、シリコンコア70の周囲に設けられた酸化膜としての酸化アルミニウム(Al2O3)の被膜部76(図8参照)によってキャリアの生成と消滅とを伴う制御が円滑に行なわれる。
このため、光素子50を用いた遅延時間の操作性を向上させることができる。
Control involving generation and disappearance of carriers is smoothly performed by a coating 76 (see FIG. 8) of aluminum oxide (Al 2 O 3) as an oxide film provided around the
For this reason, the operativity of the delay time using the
以上、本実施形態に係る光バッファ素子構造、その製造方法、およびその解析方法について詳述してきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。 As described above, the optical buffer element structure, the manufacturing method, and the analysis method thereof according to this embodiment have been described in detail. However, the present invention is not limited to these embodiments, and does not depart from the spirit of the present invention. Needless to say, it can be changed as appropriate.
例えば、本実施形態では、凸部74がシリコンコア70の上面部72の中央部に一つ設けられているものを示して説明してきたが、特にこれに限らず、上面部72に複数設けられているものであってもよい。
For example, in the present embodiment, description has been made by showing the case where one
また、凸部74の形状も特にこれに限らず、たとえば断面半円形状、断面多角形形状、断面略三角形状等、上面部72に設けられる凸部であればよく、メタマテリアル100の一部がシリコンコア70に埋没されていてもよい。
In addition, the shape of the
さらに、実施形態では、凸部74が光導波路80の延設方向に沿って直線状に連続して形成されているものを示して説明してきたが特にこれに限らない。すなわち、メタマテリアル100が隣接されて配置されていれば、凸部が部分的に断続して形成されていてもよく、また、凸部の数量は、単数に限らず、複数であってもよい。
Further, in the embodiment, the
そして、実施形態では、メタマテリアル100の構成金属として、金およびチタンが例示されているが金またはチタンのうち、何れか一方のみであってもよい。また、金またはチタンとともに、または代えて、他の金属、たとえば、白金、銀、アルミニウム、タングーステン、クロム等、どのような金属をメタマテリアルとして用いてもよく、これらの金属を一部または全部に用いる物質であればよい。
In the embodiment, gold and titanium are exemplified as the constituent metals of the
1 通信ネットワーク
2 光通信ネットワーク
3 電気的データネットワーク
10 光ルータ
11 光ファイバ
50 光素子
60 クラッド
70 シリコンコア
72 上面部
74 凸部
74a 上面部
74b 側面部
76 被膜部
80 光導波路
90 外部信号
100 メタマテリアル
110 上面部(平面の一つ)
120 側面部(平面の一つ)
DESCRIPTION OF
120 Side (one of the planes)
Claims (10)
前記光導波路は、前記シリコンコアの上面部に凸部を有して、
前記凸部に隣接して、負のグースヘンシェンシフトを示すメタマテリアルを備えたことを特徴とする光バッファ素子構造。 An optical waveguide having a silicon core surrounded by a clad and propagating light,
The optical waveguide has a convex portion on the upper surface of the silicon core,
An optical buffer element structure comprising a metamaterial exhibiting a negative Goose Henschen shift adjacent to the convex portion.
前記凸部にメタマテリアルを蒸着させる工程と、
前記光導波路をクラッドにて取囲む工程とを備えることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の光バッファ素子構造の製造方法。 Forming the protrusion on the upper surface of the silicon core;
Depositing a metamaterial on the convex part;
The method for manufacturing an optical buffer element structure according to claim 1, further comprising a step of surrounding the optical waveguide with a clad.
前記散乱パラメータから前記メタマテリアルの誘電率および透磁率の周波数依存性を演算する工程と、
前記誘電率および前記透磁率の周波数依存性を用いて、前記光導波路を均質とする工程と、
均質化された光導波路の波長分散を解析する均質化モード解析を行う工程とを備えることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の光バッファ素子構造の解析方法。 Deriving the scattering parameter of the convex portion in which the metamaterial is disposed out of the silicon core;
Calculating the frequency dependence of the permittivity and permeability of the metamaterial from the scattering parameters;
Homogenizing the optical waveguide using the frequency dependence of the permittivity and permeability; and
A method for analyzing an optical buffer element structure according to any one of claims 1 to 6, further comprising a step of performing a homogenization mode analysis for analyzing the wavelength dispersion of the homogenized optical waveguide.
前記均質化モード解析を行う工程は、該単純化された光導波路を含む素子全体の波長分散の解析を有することを特徴とする請求項9に記載の光バッファ素子構造の解析方法。 The step of homogenizing has a simplification in which the optical waveguide has a rectangular cross section without the convex portion,
10. The method for analyzing an optical buffer element structure according to claim 9, wherein the step of performing the homogenization mode analysis includes analyzing the chromatic dispersion of the entire element including the simplified optical waveguide.
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