(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路素子と、シリコン細線導波路によるマイケルソン干渉計とを結合した光ゲートスイッチであって、
前記光導波路素子は、
量子井戸構造を形成する半導体材料からなる光導波路を備えて前記量子井戸構造でのサブバンド間遷移によって引き起こされる位相変調効果を有する光導波路素子であり、
前記光導波路の一方の導波路端面から入射した信号光に対する反射構造を、前記光導波路の他方の導波路端面側に備え、
前記一方の導波路端面又は前記他方の導波路端面から入射される制御光によって、前記信号光に対する位相変調が可能な光導波路において、前記一方から入射される前記信号光が前記反射構造で反射され前記一方の導波路端面から出力されることにより、位相変調領域での光信号の光路長が増大される、光導波路素子であること
を特徴とする光ゲートスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相変調効果を持つ光導波路素子、該光導波路素子を用いた光集積回路、光ゲートスイッチ、及び前記光導波路素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報通信技術の飛躍的進歩により、インターネットトラフィックは年率４０％の増加を示している。これに伴った、ルーターをはじめとした光通信用伝送装置での消費電力増大が懸念されている。現在の光通信ネットワークでは、大容量の光信号を伝送する場合、光信号を圧縮させて伝送している。このような圧縮処理がルーターなどの光信号伝送装置での消費電力増大に繋がっている。この対策として、できるだけ大容量光信号を非圧縮に伝送することで、高効率なネットワークを実現することが期待されている。今後増加していくと予想される高精細画像などの大容量伝送をローカルネットワークなどへ導入していくことで、将来の光通信ネットワークの低エネルギー化への貢献が期待されている。
【０００３】
このためには、大容量光信号を低電力で送受信可能な、光ネットワークインターフェースカード（光ＮＩＣ）が不可欠となる（非特許文献１参照）。現在製品化されている光ＮＩＣは、光ゲートスイッチに電気的処理を用いているため、送受信速度は４０Ｇｂｐｓと遅く、今後も送受信速度の飛躍的な向上は望めない。一方、光ＮＩＣに用いられる光ゲートスイッチとして、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ量子井戸でのサブバンド間遷移現象を利用した全光型ゲートスイッチがあり、１６０Ｇｂｐｓ以上で動作可能な光ＮＩＣの実現が期待できる（特許文献１参照）。
【０００４】
サブバンド間遷移素子では、ＴＭポンプ光（制御光）によって、量子井戸の電子がサブバンド間励起されると、屈折率分散によってＴＥ信号の位相が変調される（位相変調効果）。このため、マッハツェンダー干渉計の片方アームにサブバンド間遷移素子を挿入すると、ＴＭポンプ光の入射時と非入射時で、両アームでの位相差が変わるため、光ゲートスイッチを実現することができる（非特許文献２参照）。これまで、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ量子井戸からなるサブバンド間遷移素子で引き起こされる位相変調効果を用いて、空間型マッハツェンダー干渉計にて、全光型ゲートスイッチの動作実験を行い、４ｐＪの入力エネルギーで１６０Ｇｂｐｓから４０Ｇｂｐｓへの多重分離動作などの全光型ゲート動作が可能であることを発明者らは確認している（非特許文献３参照）。
【０００５】
光ＮＩＣを社会的に普及していくには、出来る限りの低コスト化、小型化及び低エネルギー動作化が望ましい。全光型ゲート動作を実験的に既に確認している空間型のマッハツェンダー干渉計では、このような要求を満足できない。シリコン基板などのプラットフォーム上に、シリコン細線導波路等を用いて、マッハツェンダー干渉計などを構成する方が望ましい。このような背景から、これまで、シリコン細線導波路とサブバンド間遷移素子を用いたハイブリット集積型光ＮＩＣが提案されている（非特許文献１参照）。
【０００６】
また、本発明について関連する文献として、非特許文献４乃至６がある。シリコン細線導波路とサブバンド間遷移素子を用いたハイブリット集積型光ＮＩＣを実現するには、高度な半導体微細加工技術が必要となる。スパッタ法による多層膜反射鏡の作製、及び、蒸着法による金属膜反射鏡の作製などの従来技術に加えて（非特許文献４参照）、近年、ドライエッチング技術を用いたブラッグ反射鏡の作製（非特許文献５参照）、シリコン細線導波路によるマイケルソン干渉計の作製（非特許文献６参照）などが報告され、ハイブリット集積型光ＮＩＣ実現のための有効な技術要素が整ってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】再公表２００８−０２０６２１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】石川浩，「低消費電力の超大容量ネットワークからの期待」，財団法人光産業技術振興協会平成２０年度シリコンフォトニクスブレークスルー技術調査報告書（ＦＹ２００８−００１−３）、ｐｐ．４５−５８，２００９年３月．
【非特許文献２】Ｈ．Ｔｓｕｃｈｉｄａ，Ｔ．Ｓｉｍｏｙａｍａ，Ｈ．Ｉｓｈｉｋａｗａ，Ｔ．Ｍｏｚｕｍｅ，Ｍ．Ｎａｇａｓｅ，ａｎｄ  Ｊ．Ｋａｓａｉ，“Ｃｒｏｓｓ  ｐｈａｓｅ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ−ｂａｓｅｄ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｉｎｔｅｒｓｕｂｂａｎｄ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｉｎ  ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌｓ”，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．３２，ｎｏ．７，ｐｐ．７５１−７５３，２００７．
【非特許文献３】Ｒ．Ａｋｉｍｏｔｏ，Ｇ．Ｗ．Ｃｏｎｇ，Ｍ．Ｎａｇａｓｅ，Ｔ．Ｍｏｚｕｍｅ，Ｈ．Ｔｓｕｃｈｉｄａ，Ｔ．Ｈａｓａｍａ，ａｎｄ  Ｈ．Ｉｓｈｉｋａｗａ，“Ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａｌ  ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  ｆｒｏｍ  １６０  ｔｏ  ４０／８０  Ｇｂ／ｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  ｓｗｉｔｃｈｅｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｉｎｔｅｒｓｕｂｂａｎｄ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｏｕｂｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌｓ”，ＩＥＩＣＥ  Ｔｒａｎｓ．  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，ｖｏｌ．Ｅ９２−Ｃ，ｎｏ．６，ｐｐ．１８７−１９３，２００９．
【非特許文献４】伊賀健一、小山二三夫，“面発光レーザ”オーム社，ｃｈａｐｔｅｒ５，１９９０．
【非特許文献５】Ｍ．Ｍａｄｈａｎ  Ｒａｊ，Ｊ．Ｗｉｅｄｍａｎｎ，Ｓ．Ｔｏｙｏｓｈｉｍａ，Ｙ．Ｓａｋａ，Ｋ．Ｅｂｉｈａｒａ  ａｎｄ  Ｓ．Ａｒａｉ，“Ｈｉｇｈ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ／Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ  Ｍｉｒｒｏｒｓ  ｆｏｒ  ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ  Ｌａｓｅｒｓ”，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．４０，ｐｐ．２２６９−２２７７，２００１
【非特許文献６】Ｊ．Ｓｏｎｇ，Ｑ．Ｆａｎｇ，Ｓ．Ｈ．Ｔａｏ，Ｔ．Ｙ．Ｌｉｏｗ，Ｍ．Ｂ．Ｙｕ，Ｇ．Ｑ．Ｌｏ  ａｎｄ  Ｄ．Ｌ．Ｋｗｏｎｇ，“Ｆａｓｔ  ａｎｄ  ｌｏｗ  ｐｏｗｅｒ  Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ  ｔｈｅｒｍｏ−ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｗｉｔｃｈ  ｏｎ  ＳＯＩ”，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．１６，ｎｏ．２０，ｐｐ．１５３０４−１５３１１，２００８．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ハイブリット集積型光ＮＩＣにおいては、シリコン細線導波路およびサブバンド間遷移素子との結合効率が、光ゲートスイッチ性能に大きな影響をもたらす。結合効率が減少すると、実質的に位相変調効率を低下させるためＴＭ制御光の入力パワー増加が必要となる。また、結合損失増大によるＴＥ信号光減衰によって、ＳＮ比低下の問題が生じる。
【００１０】
従来の、ハイブリット集積型光ＮＩＣを構成しているマッハツェンダー干渉計について図８を参照して説明する（非特許文献１参照）。図８は、従来型のサブバンド間遷移スイッチ導波路８０とマッハツェンダー干渉計８１との結合を示す図である。１６０ＧｂｐｓのＴＥ信号光を第１のシリコン細線導波路８２ａを介してサブバンド間遷移スイッチ導波路Ｐ１から入力すると共に、４０ＧｂｐｓのＴＭ制御光を第２のシリコン細線導波路８２ｂを介してサブバンド間遷移スイッチ導波路８０に入力する。ＴＭ制御光により、サブバンド間遷移スイッチ導波路内で位相変調を起こすことで、マッハツェンダー干渉計の両アームでの信号光の位相差が変わり、８２ｃでおこる信号光の干渉効果の正と負が逆転する。これより、ＴＭ制御光（４０Ｇｂｐｓ）と同じタイミングを持つＴＥ信号光（４０Ｇｂｐｓ）のみをサブバンド間遷移スイッチ導波路端面８２ｃから出力することができる。いわゆる１６０Ｇｂｐｓから４０Ｇｂｐｓへの多重分離動作（ＤＥＭＵＸ動作）を可能とする。
【００１１】
図８の場合、サブバンド間遷移スイッチ導波路８０（メサ型導波路、導波路幅：約２μｍ、導波路高さ：約２μｍ、長さ：３００μｍ）の入力側端面（Ｐ１）と出力側端面（Ｐ２）の２箇所で、シリコン細線導波路（導波路幅：２００ｎｍ、導波路高さ：２００ｎｍ）と接続する必要があり、高度な実装技術を必要とする。このように、従来のハイブリット集積型光ＮＩＣのマッハツェンダー干渉計では、シリコン細線導波路とメサ型導波路を結合させる必要があるが、結合効率を５０％以上とする位置合わせの許容度は、サブミクロンと非常に狭く、高度な実装技術が不可欠となるという問題がある。
【００１２】
また、サブバンド間遷移素子とシリコン細線導波路の集積化において、両者のわずかな位置ずれによって、結合効率が大きく低下する。これにより、実質的に位相変調効率が低下してしまうため、ＴＭ制御光の入力パワーを大きくする必要がある。また、結合効率の低下に伴う信号光の減衰により、ＳＮ比が低下するという問題がある。
【００１３】
本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、サブバンド間遷移素子等とシリコン細線等の結合効率を向上することを目的とし、さらにサブバンド間遷移素子等における位相変調効率を増大させることを目的とする。また、高性能な光ゲートスイッチを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
高度な位置合わせ精度の必要性は、モード断面積がそれぞれ小さいシリコン細線とサブバンド間遷移素子とを、光入力側端面（Ｐ１）と光出力側端面（Ｐ２）の２箇所で接続しなければならないことに起因している。
【００１５】
そこで、発明者らは、この問題を解決し、サブバンド間遷移素子をシリコン細線導波路に集積可能にするために、反射構造を持つ導波路をサブバンド間遷移素子に利用することを提案するものである。本発明の導波路素子では、導波路端面（Ｐ１）から入力された光信号は、導波路内で位相変調効果を受けて、導波路に設けた反射構造（Ｒ１）にて光信号が反射され、再び、導波路内で位相変調効果を受けて、導波路端面（Ｐ１）から出力される。これにより、入力側及び出力側の導波路が同一となり、シリコン細線導波路との接続点が１点に減少できることから、結合効率の改善が可能となる。また、導波路内で２回の位相変調効果を受けるため、約２倍の位相変調効率を得ることが可能になる。
【００１６】
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。
【００１７】
本発明は、位相変調効果を有する光導波路素子であって、光導波路の導波路端面から入射した光信号に対する反射構造を備えることを特徴とする。本発明の光導波路素子において、前記光信号が前記反射構造で反射され前記導波路端面から出力されることにより、位相変調領域での光信号の光路長が増大される。前記光導波路は、量子井戸構造を形成する半導体材料からなり、前記量子井戸構造でのサブバンド間遷移によって引き起こされる位相変調効果を有する。例えば、前記光導波路は、ＩｎＧａＡｓとＡｌＡｓＳｂからなる量子井戸構造を形成する半導体材料からなる。位相変調効果を有する光導波路素子として、サブバンド間遷移素子の他に、キャリアプラズマ効果、熱光学効果、Ｋｅｒｒ効果、ポッケルス効果のいずれか１つ以上による位相変調を利用した素子を用いてもよい。前記反射構造は、代表的には、ブラッグ反射鏡の構造である。他に、金属膜反射鏡やファセットミラーも利用可能である。本発明の導波路素子において、光が入出力する前記導波路端面には、反射防止層を備えることが好ましい。
【００１８】
本発明では、シリコン細線導波路によるマイケルソン干渉計と光信号の入出力が可能である。本発明は、光集積回路であって、前記光導波路素子とシリコン細線導波路とを結合して光集積回路とすることができる。本発明は、光ゲートスイッチであり、前記光導波路素子とシリコン細線導波路によるマイケルソン干渉計とを結合して光ゲートスイッチとすることができる。
【００１９】
本発明の方法は、位相変調効果を有する光導波路素子の製造方法であって、光導波路の一方の導波路端面から入射した光信号に対する反射構造を、前記光導波路の他方の導波路端面側に形成することを特徴とする。また、光導波路の導波路端面から入射した光信号に対する反射構造を、前記光導波路に空気層の周期構造をエッチングして形成することを特徴とする。また、光導波路の一方の導波路端面から入射した光信号に対する反射構造を、前記光導波路の他方の導波路端面に屈折率の異なる材料を交互に成膜して形成することを特徴とする。成膜は、スパッタや蒸着により形成することが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明では、導波路に反射構造を持つサブバンド間遷移素子を実現したことにより、サブバンド間遷移導波路とシリコン細線を用いたハイブリット集積化において、素子間結合効率を向上させ、及び位相変調効果を増大させることができる。その結果、さらに、光ゲートスイッチの高性能化を実現できる。また、本発明では、サブバンド間遷移素子とシリコン細線の位置合わせにおいて要求される精度が低くなるため、歩留まり向上を期待できる。
【００２１】
サブバンド間遷移素子の他、キャリアプラズマ効果、熱光学効果、Ｋｅｒｒ効果、ポッケルス効果による位相変調を利用した素子も、位相変調効果を利用する光導波路のハイブリット集積化において、同様な効果を期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態に係る反射型導波路を用いた光集積素子を示す模式図
【図２】本発明の実施の形態に係る反射型導波路の基本構成を示す模式図
【図３】本発明の実施の形態に係る反射型導波路を構成する結合量子井戸構造を示す図
【図４】本発明の実施の形態に係るエッチング技術により作製した反射型導波路のＳＥＭ写真
【図５】本発明の実施の形態に係るスパッタ成膜法を用いた反射型導波路の模式図
【図６】本発明に係わる反射型導波路とマイケルソン干渉計との結合を示す図
【図７】反射型導波路とシリコン細線導波路との結合効率を示す図
【図８】従来型導波路とマッハツェンダー干渉計との結合を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明を実施するための形態を説明する。本発明は、基本構造として、反射構造をサブバンド間遷移光導波路に設けるものである。本発明では、光導波路の端面である導波路端面（Ｐ１）又は導波路端面（Ｐ２）から入射されたＴＭ制御光によって、ＴＥ信号光に対する位相変調が可能な光導波路に、ＴＥ光信号に対する反射構造（Ｒ１）を設け、また、導波路端面（Ｐ１）に反射防止層を設けている。反射構造（Ｒ１）によって、信号光を位相変調領域内で反射させることにより、光路長増大により位相変調効果が増大する。また、導波路端面（Ｐ１）に反射防止層を設けることにより、同一端面からの高効率な光入出力を実現できる。
【００２４】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について、図１乃至７を参照して以下説明する。図１は、本実施の形態の反射型の光導波路素子とシリコン細線導波路を集積した光集積素子構造を示す模式図である。図１に、上から見た上面図と、側面図を示す。図２は、図１の反射型の光導波路素子の基本構成を示す模式図である。図２に、上から見た上面図と、側面図と、断面図とを示す。
【００２５】
本実施の形態の光導波路素子は、基本的に反射構造（Ｒ１）を有するサブバンド間遷移素子であり、サブバンド間遷移スイッチ導波路１０と呼ぶことができる。サブバンド間遷移スイッチ導波路１０は、シリコン細線導波路３と、光導波路端面（Ｐ１）で接続される。シリコン細線導波路３は、シリコン基板１上に、ＳｉＯ２下部クラッド層２、ＳｉＯ２上部クラッド層４の順で形成されている。シリコン細線導波路３は、例えば２００ｎｍ程度の細線でありモード断面積が小さい。
【００２６】
本発明の光導波路は、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ結合量子井戸により構成した多重量子井戸（ＭＱＷ）をコア層とし、その上下部にＩｎＡｌＡｓ層などのクラッド層が設けてあり、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ結合量子井戸でのサブバンド間遷移によって位相変調効果を生じる。図１及び図２に示すように、サブバンド間遷移スイッチ導波路１０は、基板１１と、結合量子井戸構造からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）、コア１２〜１６と、クラッド層１７とを有する。基板１１は、例えばＩｎＰ基板を用いる。結合量子井戸構造コア１２〜１６は、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂの周期層を用いる。クラッド層１７は、ＩｎＡｌＡｓを用いる。
【００２７】
光導波路は、エッチング加工によって、図２の断面図に示すようにメサ型導波路などの光閉じ込め増強可能な構造となっている。サブバンド間遷移スイッチ導波路１０における導波路主要部であるＭＱＷコア層の幅は、例えば２μｍ程度である。
【００２８】
サブバンド間遷移スイッチ導波路１０は、導波路端面（Ｐ１）と導波路端面（Ｐ２）を有し、いずれか一方の導波路から入射した光信号を、他端側に形成されている反射構造（Ｒ１）で反射する構造を備えている。サブバンド間遷移スイッチ導波路１０の光導波路内に、半導体と空気による周期構造によるブラッグ反射鏡、あるいは、ＳｉＯ２とＳｉなどの周期構造によるブラッグ反射鏡などを形成して、ＴＥ信号光に対する反射構造（Ｒ１）を形成する。図２の上面図及び側面図に、反射構造（Ｒ１）を模式的に図示した。反射構造（Ｒ１）でのＴＥ信号光に対する反射率は、ＳＮ比に影響するため、できる限り高い方が望ましい。
【００２９】
サブバンド間遷移スイッチ導波路１０は、シリコン細線導波路３の形成されたシリコン基板上にシリコン細線導波路に接続するように設けられている。図１に示すように、適切なギャップ長のギャップ６を設けてシリコン細線導波路３とサブバンド間遷移スイッチ導波路１０が集積されて、光集積素子を形成している。
【００３０】
光導波路端面（Ｐ１）には、ＳｉＯＮ、ＺｒＯ２などの反射防止膜２０を設けることが好ましい。反射防止膜２０のような屈折率の異なる中間層の挿入により、サブバンド間遷移スイッチ導波路１０とシリコン細線導波路３との有効屈折率の違いによる光信号の反射を少なくして、マイケルソン干渉計との結合効率を向上させることができる。
【００３１】
図１に示されるように、導波路端面（Ｐ１）から入力された信号光５は、導波路で位相変調効果を受けて、光導波路に設けた反射構造（Ｒ１）にて、反射され、再び、導波路内で位相変調効果を受けて、導波路端面（Ｐ１）から出力される。導波路端面（Ｐ１）から反射構造（Ｒ１）までが、信号光が位相変調効果を受ける領域（位相変調領域３０と呼ぶ）である。ここでは、光導波路端面（Ｐ１）から入射された信号光５が、反射構造（Ｒ１）まで進行するまでに位相変調効果を受け、さらに、反射構造（Ｒ１）で反射された光信号が、光導波路端面（Ｐ１）まで戻るまでに、位相変調領域３０で再び位相変調を受けることができる長さが望ましい。また、位相変調効果の緩和時間（約２ｐｓ）と光信号の群速度との関係を考慮すると、１０〜３００μｍ程度が望ましい。
【００３２】
導波路端面（Ｐ１）あるいは導波路端面（Ｐ２）を介して、ＴＭ制御光を導波路内へ導入可能であることが好ましい。
【００３３】
図３は、本発明の光導波路作製に用いられるＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ結合量子井戸とクラッドを成長した半導体結晶構造の断面である。半導体基板１１は半絶縁性ＩｎＰであり、各層は基板１１上にＡｌＡｓＳｂバッファ層１２を形成した上に成長形成されている。結合量子井戸構造を構成する量子井戸層１５ａ、１５ｂは、キャリア濃度約１×１０１９ｃｍ−３のｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓであり、その井戸幅は、２．０ｎｍから３．０ｎｍである。各量子井戸層１５ａ及び１５ｂ間の結合障壁層１６は、ノンドーブのＩｎＡｌＡｓ、または、ＡｌＧａＡｓであり、その幅は、約１．１ｎｍである。外部障壁層１３ａ、１３ｂは、ノンドープのＡｌＡｓＳｂであり、その幅は、約２．０ｎｍである。外部障壁層と量子井戸層の間には、量子井戸層からのキャリアの拡散を防ぐために、中間層として、ＡｌＡｓ層１４が形成されている。このような結合量子井戸層が４０〜７０周期積層された後、ノンドープのＩｎＡｌＡｓ層１７（上部クラッド）が形成されている。このような結合量子井戸構造を含んだ半導体結晶層は、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法などの成長法によって、ＩｎＰ基板（下部クラッド層）の上に連続成長によって形成することができる。光通信波長の１．５５μｍ帯のＴＭ偏光の制御光によってサブバンド励起がなされ、それに起因した屈折率分散による屈折率変化によって、１．５５μｍ帯のＴＥ偏光の信号光を位相変調することができるような膜厚になっている。
【００３４】
本実施の形態のサブバンド間遷移スイッチ導波路の作製方法について以下説明する。
【００３５】
まず、図３に示した、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ結合量子井戸とクラッドを成長した半導体結晶構造に対して、電子線描画やドライエッチングによる微細加工技術を用いて、メサ型導波路を作製する。具体的には、上記半導体結晶成長構造を有する基板に、レジスト膜を形成し、電子線描画等を用いて導波路パターンを形成する。導波路パターン形成後、リフトオフを用いた転写プロセスによって、導波路パターンの金属マスクを作製する。金属マスク形成後、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いたドライエッチングによって、メサ型導波路を作製する。
【００３６】
次に、導波路に設ける反射構造の作製方法について説明する。導波路の反射構造は、導波路内に屈折率の異なる周期構造を作製し、ブラッグ反射を利用することで作製できる。第１の方法は、ドライエッチングによって導波路に空気層を形成し半導体層と空気層などとの屈折率差を利用する方法である。第２の方法は、スパッタ法などによって異種材料の周期的に成膜し異種材料の屈折率差を利用する方法である。なお、ブラッグ反射鏡の構造及び製造法については、公知の技術を採用することができる。
【００３７】
第１の方法について図４を参照して説明する。図４は、実際に、ドライエッチングによって、導波路に反射構造を作製した場合のＳＥＭ写真である。図２で説明したと同様の光導波路に、周期１．３４μｍ（半導体層０．６μｍ、空気層０．７４μｍ）のブラッグ反射鏡が形成されている。図４の反射構造は、先に述べたメサ型導波路の作製プロセスでの、ＥＢ描画によるパターン形成の際に、周期１．３４μｍの周期構造パターンを追加することで作製できる。光導波路は、ＩｎＰ基板１１と、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂのＭＱＷコア層１２〜１６と、ＩｎＡｌＡｓクラッド１７からなり、空気層は、基板にまで達している。また、エッチングされた空気層には、導波路保護や放射損抑制のために、ＢＣＢ（benzocyclobutene、ベンゾシクロブテン）やＳｉＯ２などの低屈折率材料を埋め込むことが好ましく、波長１．５５μｍに対して、９０％以上の反射率を実現できる。このような空気層による反射構造を有する導波路は、プロセス工数の削減という点で有利となるが、サブミクロンの周期構造をエッチングにより作製することが必要となるため、高度な技術を必要とする。
【００３８】
第２の方法について図５を参照して説明する。図５は、スパッタ法を用いて反射構造を作製した場合の模式図である。図５の反射構造は、メサ型導波路を作製した後に、ドライエッチングなどによって形成された端面（Ｐ３）に、ＳｉＯ２、Ｓｉなどの屈折率の異なる材料を、スパッタ装置を用いて交互に成膜して作製する。各材料の屈折率は、ＳｉＯ２（屈折率１．４）、Ｓｉ（屈折率３．５）であり、両者の屈折率差からブラッグ反射鏡を作成可能である。また、ＳｉＯ２の代わりに、ＣａＦ２（屈折率１．４３）、ＬｉＦ（屈折率１．３９）、ＭｇＦ２（屈折率１．３８）、を用いることができ、Ｓｉの代わりに、ＴｉＯ２（屈折率２．５）、ＣｅＯ２（屈折率２．４０）、ＣｄＳ（屈折率２．３７）、ＺｎＳ（屈折率２．３１）、ａ−Ｓｉアモルファスシリコン（屈折率３．６）を用いることもできる。１〜５周期程度の周期構造を作製することによって、反射率９０％以上を実現できる。第２の方法では、劈開によって形成された鏡面状の導波路端面にスパッタ法により成膜することも考えられるが、位相変調領域３０として想定している、１０〜３００μｍの長さを劈開によって得ることは困難なため、ドライエッチングなどによって、良好な端面を形成する高度な技術を必要とする。また、導波路側面へＳｉ膜などが付着した場合には、導波路特性低下の要因になるおそれがあるが、これを防ぐには、スパッタ成膜前に、ＳｉＮなどの低屈折率膜で導波路保護を行うとよい。
【００３９】
本実施の形態では、ブラッグ反射鏡を用いた反射について説明したが、導波路の有効屈折率と異なる屈折率を持つ物質を、導波路端面（Ｐ２）に配置することで、両者の屈折率差による反射を用いてもよい。
【００４０】
次に、サブバンド間遷移スイッチ導波路１０とシリコン細線導波路３との接続について説明する。図６は、本発明の実施の形態に係わる、反射構造を有するサブバンド間遷移スイッチ導波路（反射型導波路）とマイケルソン干渉計との結合を示す図である。本発明のような信号光の反射を利用する場合、従来技術で説明した図８のマッハツェンダー干渉計の代わりに、マイケルソン干渉計を利用することが可能になる。
【００４１】
図６では、１６０ＧｂｐｓのＴＥ信号光を第１のシリコン細線導波路６１ａを介してサブバンド間遷移スイッチ導波路の端面Ｐ１から入力すると共に、４０ＧｂｐｓのＴＭ制御光を第２のシリコン細線導波路６１ｂを介してサブバンド間遷移スイッチ導波路の端面Ｐ１から入力する。ＴＭ制御光により導波路内で位相変調を受けた信号光が反射構造（Ｒ１）で反射された後に、導波路端面Ｐ１から出力され、一方ループミラー６２で反射される光とによって干渉効果が起こる。ＴＭポンプ光の入射時と非入射時で、位相差が変わり、正と負の干渉を起こすことによって、光ゲートスイッチを実現することができる。これより、ＴＥ信号光（１６０Ｇｂｐｓ）をＴＭ制御光（４０Ｇｂｐｓ）で多重分離動作することが可能になり、第３のシリコン細線導波路６１ｃから、多重分離されたＴＥ信号光（４０Ｇｂｐｓ）を出力することができる。
【００４２】
本発明の実施の形態の場合、図６のように、サブバンド間遷移スイッチ導波路の導波路端面（Ｐ１）の１箇所でのみ、シリコン細線導波路を接続すればよいので、素子間の結合効率の向上を期待できる。また、反射構造を設けることで、約２倍の位相変調効果を利用できる。これにより、ＳＮ比改善や入力パワー低減などのスイッチの高性能化という効果が得られる。
【００４３】
図６のサブバンド間遷移スイッチ導波路の導波路端面（Ｐ１）には、反射防止層２０が設けられている。サブバンド間遷移スイッチ導波路１０をシリコン細線導波路に実装したときに、導波路間の隙間にできた空気等とサブバンド間遷移スイッチ導波路の屈折率差による信号光の反射を防止するために有効である。反射防止層２０は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＺｒＯ２などの屈折率の異なる物質をスパッタ成膜法等により作製する。
【００４４】
図７は、図１に示した反射型導波路とシリコン細線導波路を接続した場合の結合効率を、時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）を用いて計算した結果である。図７の横軸はギャップ（単位μｍ）、縦軸は、結合効率（Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を示す。反射型導波路は、導波路幅を２μｍ、メサ高さを１．８μｍ、位相変調領域を５０μｍとしている。また、導波路端面（Ｐ１）には、入出力信号の導波路端面での反射防止膜として、ＳｉＯＮ膜を仮定した。シリコン細線導波路端は、スポットサイズ変換器（導波路幅２００ｎｍ、高さ２００ｎｍ）となっている。図７には、ギャップがない（０μｍ）とき結合効率が約０．８であり、ギャップが０．５μｍ、１μｍ、１．５μｍのとき、それぞれ結合効率は、０．６３、０．４８、０．４０である。図７に示すように、シリコン細線導波路とサブバンド間遷移スイッチ導波路端面（Ｐ１）を１μｍ程度に近づけることで、５０％以上の高い結合効率が得られることを確認している。
【００４５】
実施の形態では、サブバンド間遷移素子を例にとって説明したが、位相変調効果を利用する光導波路のハイブリット集積化において、同様な効果を期待できる。また、シリコン細線導波路による例に挙げたが、ＳｉＯ２や化合物半導体を用いた細線導波路などを用いても良い。上記実施の形態で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４６】
１        シリコン基板
２        ＳｉＯ２下部クラッド
３        シリコン細線導波路
４        ＳｉＯ２上部クラッド
５        信号光
６        ギャップ
１０      サブバンド間遷移スイッチ導波路
１１      ＩｎＰ基板（下部クラッド）
１２      ＡｌＡｓＳｂバッファ層
１３（１３ａ、１３ｂ）      ＡｌＡｓＳｂ外部障壁層
１４      ＡｌＡｓ拡散防止層
１５（１５ａ、１５ｂ）      ＩｎＧａＡｓ量子井戸層
１６      ＩｎＡｌＡｓ結合障壁層
１７      ＩｎＡｌＡｓキャップ層（上部クラッド）
２０      反射防止膜
３０      位相変調領域
４０      多層膜反射鏡
４１      ＳｉＯ２
４２      Ｓｉ
６０      シリコン細線によるマイケルソン干渉計
６１（６１ａ、６１ｂ、６１ｃ）  シリコン細線導波路
６２      ループミラー
８０      サブバンド間遷移スイッチ導波路
８１      シリコン細線によるマッハツェンダー干渉計
８２（８２ａ、８２ｂ、８２ｃ）  シリコン細線導波路
【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１】
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【図４】
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