(57)【要約】【課題】光変調部と光強度検出部とがモノリシックに集積されているシリコンからなるリブ型導波路構造の集積光デバイスにおいて、光強度の正確な測定ができるようにする。【解決手段】リブ型導波路を構成しているシリコンコア１０１の一部において、シリコンコア１０１を挟むようにスラブ層１０２に形成されたｐ型半導体領域１０３およびｎ型半導体領域１０４を備える光変調部１０５を備える。また、シリコンコア１０１よりなるリブ型導波路の途中には、導波路型の光分岐部１０９が接続され、光強度検出部１０６が接続されているモニター導波路に、一部の光を分岐する。加えて、光強度検出部１０６を囲うようにスラブ層１０２に形成された下部クラッド層に達する溝部１０７を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化シリコンからなる下部クラッド層の上に形成されたシリコンからなるスラブ層およびコアと、
このコアの一部を挟んで前記スラブ層に形成されたｐ型半導体領域およびｎ型半導体領域を備える光変調部と、
前記コアの一端に設けられた光強度検出部と、
この光強度検出部を囲うように前記スラブ層に形成された前記下部クラッド層に達する溝部と、
少なくとも前記スラブ層の上に形成された上部クラッド層と
を少なくとも備えることを特徴とする集積光デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の集積光デバイスにおいて、
前記光強度検出部は、前記スラブ層に接続された電極を有することを特徴とする集積光デバイス。
【請求項３】
請求項１または２記載の集積光デバイスにおいて、
前記上部クラッド層は、前記溝部を充填して形成されていることを特徴とする集積光デバイス。
【請求項４】
請求項１または２記載の集積光デバイスにおいて、
前記溝部は、酸化シリコン，窒化シリコン，および酸窒化シリコンの中より選択された材料で充填されていることを特徴とする集積光デバイス。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光集積デバイスにおいて、
前記溝部の幅は、１ｎｍよりも大きく、かつ前記コアよりなる導波路を導波する光の波長の１／４よりも小さいことを特徴とする集積光デバイス。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光集積デバイスにおいて、
前記コアの高さおよび幅は、所望とする光をシリコン中に伝搬させた時の波長の１．１３倍より小さいことを特徴とする集積光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調部と光強度検出部とがモノリシックに集積されているシリコンからなるリブ型導波路構造の集積光デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波長多重方式を用いた光通信においては、波長多重化する前に各波長チャンネルの光強度を等しくすることが重要となる。このような光強度の調整には、光伝送路である光ファイバーの本線から、一部の光を光分岐カップラーでとり出し、光検出器に導いて光強度を測定し、この測定値を元に、本線のファイバーに接続された可変光減衰器を動作させる。この光強度変調方法は、光ファイバーを基本とした技術であるため、サイズが大きくなるという欠点があった。
【０００３】
近年、上述した機能を、極微小なシリコン光導波路を用いて実現することが可能になりつつある。シリコン光導波路は、通常では、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板上に製作されており、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層を加工してコアとし、埋め込み酸化膜層をアンダークラッド（下部クラッド層）として構成している。また、コアの上にはオーバークラッド（上部クラッド層）としてシリコン酸化膜を形成している。この導波路ではコアサイズや偏向半径が非常に小さく、集積光デバイスに適している（非特許文献１参照）。
【０００４】
例えば、光通信用の波長１．５５μｍ付近の光に対して、単一モード条件を満たすコア寸法は５００ｎｍ程度あるいは５００ｎｍ以下と非常に微小であり、また最小偏向半径も数μｍの範囲である。また、この光導波路のコアは半導体材料のシリコンであるため、導波路に電気的にキャリアを注入することが可能である。このキャリアによる光の屈折率や吸収率の変化を用いることで、シリコン光導波路では、光強度を高速に変調する光強度変調デバイスが実現されている。
【０００５】
キャリア注入構造としては、リブ型シリコン導波路の両サイドのスラブ部をｐ型およびｎ型半導体とし、ここに電極を配置したｐｉｎ構造としたものが一般的である（非特許文献２参照）。さらに、シリコン導波路上にゲルマニウム（またはシリコン・ゲルマニウム混晶）を成長させて製作したフォトダイオード光検出器もある（非特許文献３参照）。また、導波路コア部分に格子欠陥を導入したｐｉｎ構造付リブ型シリコン導波路を利用したフォトダイオード光検出器も実現されている（非特許文献４参照）。これらのフォトダイオード光検出器は、シリコン導波路上に構築されているので、少なくとも１つの電極はシリコン導波路に接した状態にある。
【０００６】
これらの光強度変調デバイスと光検出器は、シリコン基板上にモノリシックに集積が可能であり、またシリコン光導波路でも光の一部を取り出す光分岐カップラーは製作可能であるため、上述の光強度調整機構は、極微小なシリコンチップだけで構成可能となる。
【０００７】
シリコンチップ（ＳＯＩ基板）上に構築された光強度調整機構の構成図を図４，図５，および図６に示す。図４は、平面図である。図５は、図４中のＡＡ’線の断面を示し、図６は、図４中のＢＢ’線の断面を示している。この光強度調整機構は、ＳＯＩ基板を構成する埋め込み酸化膜より構成される下部クラッド層４０８の上に、リブ型導波路を構成するスラブ層４０２およびシリコンコア４０１が形成され、これらの上に、上部クラッド層４１０が形成されている。
【０００８】
このようなリブ型導波路の中で本線導波路を構成しているシリコンコア４０１には、ｐｉｎ構造付リブ型シリコン光導波路で構成された光変調部４０５が設置されている。光変調部４０５においては、この領域のシリコンコア４０１を挟むように、シリコンコア４０１に続くスラブ層４０２にｐ型半導体領域４０３およびｎ型半導体領域４０４を備えてる。
【０００９】
また、シリコンコア４０１よりなるリブ型導波路の途中には、導波路型の光分岐カップラー（光分岐部）４０９が接続され、一部の光をモニター導波路に分岐する。モニター導波路には上述したように構成されているフォトダイオード型の光強度検出部４０６が配置されている。光強度検出部４０６は、電極４０６ａおよび電極４０６ｂを備えている。モニター導波路に分岐された光の強度が、光強度検出部４０６で測定され、この測定信号を元に、本線に設置されている光変調部４０５を動作させる（制御する）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】T.Tsuchizawa et al.,"MicroPhotonics Devices Based on Silicon Microfabrucatuon Technology", IEEE J. Select. Topics Quant. Electron. vol.11,No.1,  pp.232-240,(2005) .
【非特許文献２】K.Yamada et al.,"Application of Low-loss Photonic Wire Waveguide with Carrier Injection Structure", Proc. 4th Intern. Conf. Group IV Photonics, Tokyo, pp.116-118, WP23, 2007.
【非特許文献３】L.Vivien et al.,"Germanium photodiode integrated in a Silicon-On-Insulator microwaveguide", Proc. 4th Intern. Conf. Group IV Photonics, Tokyo, pp.285-287, FD3, 2007.
【非特許文献４】M.W. Geis et al.,""CMOS-Compatible All-Si High-Speed Waveguide Photodiode With High Responsibility in Near-Infarred Communication Band, IEEE Photonics Technology Letters, vol.19, No.3, pp.152-154,2007.
【非特許文献５】Y A. Vlasov et al., Optics Express, vol.12, p.1622 (2004).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述のシリコン導波路で構成された光強度調整機構では、光変調部４０５と光強度検出部４０６が、導波路を構成しているシリコンコア４０１で電気的に結合している。また、光変調部４０５や光強度検出部４０６を構成するリブ型シリコン導波路は、コア４０１以外の部分にもシリコン（スラブ層４０２）が存在しており、この経路においても両者は電気的に結合している。
【００１２】
光変調部４０５には、ｐ型半導体領域４０３とｎ型半導体領域４０４との間に，数１０ｍＡの大電流を通電する一方、光強度検出部４０６はｎＡからμＡレベルの低電流を測定する必要がある。しかしながら、上述のように電気的に光変調部４０５と光強度検出部４０６が結合していると、光変調部４０５から光強度検出部４０６に光導波路を通じて電流が流れ込み、光強度の正確な測定が不可能となる。
【００１３】
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、光変調部と光強度検出部とがモノリシックに集積されているシリコンからなるリブ型導波路構造の集積光デバイスにおいて、光強度の正確な測定が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】
【００１４】
本発明に係る集積光デバイスは、酸化シリコンからなる下部クラッド層の上に形成されたシリコンからなるスラブ層およびコアと、このコアの一部を挟んでスラブ層に形成されたｐ型半導体領域およびｎ型半導体領域を備える光変調部と、コアの一端に設けられた光強度検出部と、この光強度検出部を囲うようにスラブ層に形成された下部クラッド層に達する溝部と、少なくともスラブ層の上に形成された上部クラッド層とを少なくとも備える。
【００１５】
上記集積光デバイスにおいて、光強度検出部は、スラブ層に接続された電極を有している。
【００１６】
上記集積光デバイスにおいて、上部クラッド層は、溝部を充填して形成されていればよい。また、溝部は、酸化シリコン，窒化シリコン，および酸窒化シリコンの中より選択された材料で充填されていればよい。なお、溝部の幅は、１ｎｍよりも大きく、かつコアよりなる導波路を導波する光の波長の１／４よりも小さいものであればよい。また、コアの高さおよび幅は、所望とする光をシリコン中に伝搬させた時の波長の１．１３倍より小さい状態であればよい。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、光強度検出部を囲うようにスラブ層に形成された下部クラッド層に達する溝部を備えるようにしたので、光変調部と光強度検出部とがモノリシックに集積されているシリコンからなるリブ型導波路構造の集積光デバイスにおいて、光強度の正確な測定ができるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態における集積光デバイスの構成を示す平面図である。
【図２】図１中のＡＡ’線の断面を示す断面図である。
【図３】図１中のＢＢ’線の断面を示す断面図である。
【図４】集積光デバイスの構成を示す平面図である。
【図５】図４中のＡＡ’線の断面を示す断面図である。
【図６】図４中のＢＢ’線の断面を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図１，２，３を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における集積光デバイスの構成例を示す平面図である。また、図２は、図１中のＡＡ’線の断面を示し、図３は、図１中のＢＢ’線の断面を示している。
【００２０】
この集積光デバイスは、ＳＯＩ基板を構成する埋め込み酸化膜より構成される下部クラッド層１０８の上に、リブ型導波路を構成するスラブ層１０２およびシリコンコア１０１が形成されている。なお図示していないが、下部クラッド層１０８は、ＳＯＩ基板を構成するシリコン基部の上に形成されている。例えば、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層を公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、シリコンコア１０１を形成することができる。
【００２１】
また、リブ型導波路を構成しているシリコンコア１０１の一部において、シリコンコア１０１を挟むようにスラブ層１０２に形成されたｐ型半導体領域１０３およびｎ型半導体領域１０４を備える光変調部１０５を備える。例えば、選択的なイオン注入により、ｐ型半導体領域１０３およびｎ型半導体領域１０４を形成することができる。光変調部１０５では、ｐ型半導体領域１０３とｎ型半導体領域１０４との間に電圧を印加することで、シリコンコア１０１に電流注入を行い、光変調部１０５を導波する光の強度変調を行う。後述する上部クラッド層１１０を貫通してｐ型半導体領域１０３およびｎ型半導体領域１０４の各々に接続する電極（不図示）を形成し、この電極を用いれば電圧の印加が行える。
【００２２】
また、シリコンコア１０１よりなるリブ型導波路の途中には、導波路型の光分岐部１０９が接続され、光強度検出部１０６が接続されているモニター導波路に、一部の光を分岐する。光強度検出部１０６は、例えば、フォトダイオード光検出器であり、電極１０６ａおよび電極１０６ｂを備え、例えば、電極１０６ｂが、スラブ層１０２に接続している。モニター導波路に分岐された光の強度が、光強度検出部１０６で測定され、この測定信号を元に、本線に設置されている光変調部１０５を動作させる（制御する）。また、スラブ層１０２およびシリコンコア１０１の上には、上部クラッド層１１０が形成されている。なお、上部クラッド層１１０は、下部クラッド層１０８の上に形成されており、スラブ層１０２およびシリコンコア１０１を覆うように形成してもよい。図１では、上部クラッド層１１０を省略している。
【００２３】
加えて、本実施の形態における集積光デバイスは、光強度検出部１０６を囲うようにスラブ層１０２に形成された下部クラッド層に達する溝部１０７を備える。溝部１０７により、光強度検出部１０６が、他の領域（スラブ層１０２）より、電気的に分離された状態となる。
【００２４】
溝部１０７は、上部クラッド層１１０が充填されいてもよく、また、上部クラッド層１１０と同等の屈折率を有し、絶縁性を持つ他の材料で充填されていてもよい。例えば、溝部１０７は、酸化シリコン，窒化シリコン，および酸窒化シリコンの中より選択された材料で充填されていればよい。なお、上部クラッド層１１０も、酸化シリコン，窒化シリコン，および酸窒化シリコンの中より選択された材料で形成されていればよい。
【００２５】
ここで、溝部１０７により、シリコンコア１０１も切断（分離）される。溝部１０７の幅、言い換えるとシリコンコア１０１の切断幅が、シリコンコア１０１よりなる導波路を導波する光の波長の１／４を超えると、伝搬損失が急激に大きくなることが、伝搬シミュレーションにより判明している。一方、近年の研究によれば、酸化シリコンよりなるゲート絶縁膜の膜厚が１ｎｍ以上であれば、十分な絶縁がとれることが判明している。従って、溝部１０７を酸化シリコン，窒化シリコン，酸窒化シリコンなどで充填すれば、溝部１０７の幅が１ｎｍ以上あれば、上述した分離が十分に行える。また、これらの材料であれば、シリコンよりも屈折率が低く、クラッドとしての機能を発揮することができる。従って、溝部１０７は、幅が、１ｎｍよりも大きく、かつ導波路を導波する光の波長の１／４よりも小さいものとなっていればよいことになる。
【００２６】
ところで、上述した本発明は、原理的には導波路の寸法に制約はない。しかしながら、モニター導波路を分岐する光分岐部１０９の構築や、前述した微小コアや微小偏向による集積性を活かすには、シリコン細線導波路であることが望ましい。例えば、通信用の１５５０ｎｍ帯の赤外線におけるシリコン細線導波路として、非特許文献５には様々なシリコン細線導波路の例が記載されているが、これらから単一モード条件を満たすコア部の最大寸法は５００ｎｍと推測される。この値は、対象の光をコア材料であるシリコン中に伝搬させた時の波長の１．１３倍にほぼ一致する。波長が異なる場合であっても、屈折率構造が同じであればスケーリング則が成り立つので、他の波長帯においても、コア部の最大寸法は、所望とする光をシリコン中に伝搬させた時の波長の１．１３倍とすることができる。非特許文献５のシリコン細線導波路には、電極などを設けるリブ部はないが、薄いリブ部を設けても電磁波伝搬に影響はないため、上述の議論が本発明における導波路コアの断面寸法の参考になる。
【符号の説明】
【００２７】
１０１…シリコンコア、１０２…スラブ層、１０３…ｐ型半導体領域、１０４…ｎ型半導体領域、１０５…光変調部、１０６…光強度検出部、１０６ａ，１０６ｂ…電極、１０７…溝部、１０８…下部クラッド層、１０９…光分岐部、１１０…上部クラッド層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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