(57)【要約】  基板上において、一対の３ｄＢカプラ及び複数の入出力導波路を形成して２×２のマッハツェンダ型光スイッチに相当する光機能素子を製造する。また、一対の３ｄＢカプラの間に配置された一対の導波路の上に一対の光位相変調路を形成する。基板において、所定の電気的極性を有するソース領域及びドレイン領域を形成し、両者の間に反対の電気的極性を有するチャンネル領域を形成する。光位相変調路は周囲から絶縁されており、チャンネル領域の上方に配置される。更に、高密度ドープされた制御電極（ゲート領域）が光位相変調路の上方に形成される。制御電極、ソース領域、及びドレイン領域に所定極性の電圧を印加することにより光位相変調路近傍においてホットキャリアを発生して電荷を蓄積させて屈折率を変化させて所望の光波入出力経路を設定する。その後、制御電極とソース領域との間に反対極性の電圧を印加することにより光位相変調路の蓄積電荷を放出させて屈折率を元の状態に戻して光波入出力経路を消去する。
2013146620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄積電荷により屈折率が変化して導波する光波の位相を変化させる光位相変調路と、
前記光位相変調路より屈折率が低く、前記光位相変調路を周囲から絶縁する絶縁部と、
前記絶縁部により周囲から絶縁された光位相変調路に電荷を蓄積させるための電圧を印加する電圧印加手段とを具備する光位相変調素子。
【請求項２】
前記電圧印加手段は、前記光位相変調路に電荷を蓄積させるホットキャリアを発生するようにした請求項１記載の光位相変調素子。
【請求項３】
前記光位相変調路は光波の導波方向と直交する断面形状が扁平に形成されており、
前記電圧印加手段は前記光位相変調路の一面に対向配置されるゲート領域と、
前記光位相変調路の他面の一端近傍に配置されたソース領域と、
前記光位相変調路の他面の他端近傍に配置されたドレイン領域とを具備する請求項１又は請求項２記載の光位相変調素子。
【請求項４】
前記ゲート領域は外部から照射される励起光の一部を前記光位相変更路まで透過させるようにした請求項３記載の光位相変調素子。
【請求項５】
前記ゲート領域には外部から照射される励起光と透過する複数の貫通孔が形成されるようにした請求項４記載の光位相変調素子。
【請求項６】
前記ゲート領域は外部から照射される励起光を透過する透明電極よりなる請求項４記載の光位相変調素子。
【請求項７】
光波を通過させる光通過路が前記光位相変調路と平行に前記絶縁部に形成されており、前記光通過路と前記光位相変調路とが光学接続されるようにした請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の光位相変調素子。
【請求項８】
前記光位相変調路はポリシリコンよりなる請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の光位相変調素子。
【請求項９】
前記光位相変調路は、多層積層された複数のシリコン酸化膜と複数のシリコン窒化膜よりなる請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の光位相変調素子。
【請求項１０】
請求項３乃至請求項６のいずれか一項に記載の前記光位相変調素子において導波される光波の位相を切替設定する素子設定方法であって、
前記ゲート領域、前記ソース領域、及び前記ドレイン領域間に電圧を印加することでホットキャリアを発生させて前記光位相変調路に電荷を蓄積させるようにした素子設定方法。
【請求項１１】
前記電圧印加手段は、前記ソース領域及び前記ドレイン領域間に電圧を印加することにより前記光位相変調路の蓄積電荷を放出させるようにした請求項１０記載の素子設定方法。
【請求項１２】
請求項４乃至請求項６のいずれか一項に記載の前記光位相変調素子において導波路される光波の位相を切替設定する素子設定方法であって、
前記ゲート領域、前記ソース領域、及び前記ドレイン領域間に電圧を印加するとともに、外部からの励起光が前記ゲート領域を透過して前記光位相変調路に照射されることにより、前記光位相変調路に電荷を蓄積させるようにした素子設定方法。
【請求項１３】
請求項４乃至請求項６のいずれか一項に記載の光位相変調素子において導波される光波の位相を切替設定する素子設定方法であって、
外部からの励起光が前記ゲート領域を透過して前記光位相変調路に照射されることにより蓄積電荷を放出するようにした素子設定方法。
【請求項１４】
請求項４乃至請求項６のいずれか一項に記載の光位相変調素子において導波される光波の位相を切替設定する素子設定方法であって、
前記ゲート電極及び前記ソース領域間に電圧を印加するとともに、外部からの励起光が前記ゲート電極を透過して前記光位相変調路に照射されることにより蓄積電荷を放出するようにした素子設定方法。
【請求項１５】
一対の外部入力端子と一対の内部出力端子を有する３ｄＢカプラからなる光入力素子と、
一対の内部入力端子と一対の外部出力端子を有する３ｄＢカプラからなる光出力素子と、
並列に形成された前記請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の一対の光位相変調路であって、前記光入力素子の一対の内部出力端子と前記光出力素子の一対の内部入力端子とを個々に光学接続する一対の光位相変調路とを具備する光機能回路。
【請求項１６】
外部入力端子と外部出力端子とを有する第１光導波路と、
外部入力端子と外部出力端子とを有する第２光導波路と、
光波を導波するように環状に形成されており、前記第１光導波路と前記第２光導波路とを接線状に光学結合してなるリング型光導波路と、
前記リング型光導波路に形成される請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の光位相変調路とを具備する光機能回路。
【請求項１７】
外部入力端子と外部出力端子とを有する第１光導波路と、
外部入力端子と外部出力端子とを有する第２光導波路と、
前記第１光導波路及び前記第２光導波路の各々に形成され、相互に光学結合される請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の光位相変調路とを具備する光機能回路。
【請求項１８】
一対の外部入力端子及び一対の外部出力端子を有する請求項１５乃至請求項１７のいずれか一項に記載の光機能回路を複数具備し、一の光機能回路の外部出力端子と他の光機能回路の外部入力端子とが光学結合されている光マトリックス回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光位相変調素子を用いた不揮発性光スイッチや波長可変フィルタなどの光機能素子及びその製造方法に関する。
本願は、２０１２年３月３０日に日本国に出願された特願２０１２−７９６０９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
従来、石英系の平面光回路（ＰＬＣ）の実用化が進み、アレイ導波路回路格子（ＡＷＧ）や光スプリッターなどが近年の光通信市場を支える基幹部品として重要な役割を果たしてきた。最近、半導体光増幅器（ＳＯＡ）や石英系ＰＬＣにハイブリッド実装した波長可変光源などの光機能素子も開発されており、能動素子と受動素子とを共通のＰＬＣ基板に搭載して小型で安価なシステムをワンチップ上に実現しようとする試みが行なわれている。しかし、光機能素子に対して複雑で高度な機能が求められるのに伴い、ＰＬＣの素子サイズ及びＰＬＣ駆動のための消費電力も増大しており、従来の石英系ＰＬＣで実現できる機能及び性能に限界があった。そこで、シリコン細線やフォトニック結晶（ＰＣ）などのシリコン微細加工技術を応用したＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）導波路の研究開発が行なわれており、小型、低消費電力、低コストを特徴とする基幹部品について検討されている。特に、シリコン細線を用いることにより従来のＰＬＣサイズを大幅に縮小した光導波路を作成することができる。ＳＯＩ導波路の小型化は、コア材料にシリコンを用いて、クラッド材料（ＳｉＯ２や誘導体）に対する比屈折率を大きくし、微小光回路を実現したことによるものである。従来の石英系光導波路の比屈折率は５％程度でありその曲げ半径は５００μｍ程度であるのに対して、シリコン細線光導波路の比屈折率は４０％以上でありその曲げ半径を数ミクロン程度に抑えることが可能である。シリコン材料は、集積回路技術を用いて光学素子についても電気的能動素子を作成することが可能であり、石英材料にはない優れた特徴を有している。近年、シリコン導波路を用いて小型、低消費電力で動作可能な光スイッチが開発されている。しかし、光スイッチにより設定された光回路の経路を数日から数カ月に亘り保持しなければならないため、経路設定が複雑になるに従い、光スイッチの制御や動作保持の為の電力消費が増大してしまう。【０００３】
近年、光機能素子や光導波路について種々の技術が開発されている。特許文献１は、「半導体基板の光学ビームを位相変移するための方法と装置」を開示しており、光路に沿って導かれる光線が貫通する半導体基板において光線の移送が電荷濃度に応答するような複数の浮動充電調整領域が光路に沿って配置されている。この光機能素子では、光導波路に電荷を蓄積できるキャパシタ構造を設け、電荷蓄積量の変化に起因する屈折変化を経路切り替えに用いている。この構成では、電荷蓄積を保持する為の電力は不要になるため、光機能素子による経路保持を含めた待機電力を低減することが可能である。特許文献２は、「導波路上にＭＯＳキャパシタを配置したシリコン光導波路」を開示している。シリコン光導波路の最上層や低層の自由キャリア濃度が電界により変化し、電界の変化は屈折率の変化を生じ、屈折率の変化はシリコン光導波路を伝播する光モードの変化を引き起こす。光モードの伝播は電界の変化を制御することにより制御される。特許文献３は、「光電子電界効果型トランジスタ」を開示している。光電子電界効果型トランジスタは、ゲート電極の下部に光導波路を有しており、活性層よりも屈折率の小さい半導体層を下層に有することにより、活性層内の光導波路に光を閉じ込めるものである。ゲート電極に印加されたマイクロ波の変化によって、光導波路のキャリア濃度が変化して屈折率が変化する。光導波路の屈折率の変化によって、光導波路内を透過する光信号の位相を変調させることができる。特許文献４は、「光変調器」を開示している。光変調器は、ハイメサ導波路構造の光導波路を有しており、そのコア層を屈折率の小さいクラッド層で挟むことにより光閉じ込めを行なうものであり、光導波路に印加される電圧により光の位相変調が実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００５−５３６７６６号公報
【特許文献２】特表２００５−５２０１８９号公報
【特許文献３】特開平０６−２３２３８４号公報
【特許文献４】特開２０１１−１８６１６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の構成では、光モードフィールドと制御電極との重複部分が大きく、光機能素子の光学損失が著しく増加するという問題がある。特許文献２及び特許文献３の光機能素子では、光導波路の屈折率の変化を維持するために電圧を継続的に印加し続ける必要がある。【０００６】
シリコン光導波路で光スイッチや遅延量可変素子などの光機能素子を作成する場合には、熱光学効果又は電気光学効果を利用する必要がある。熱光学効果を利用して光機能素子を作成する場合、熱拡散を無電力で保持することは困難であるため、電荷蓄積によるキャリアプラズマ効果と呼ばれる電気光学効果を利用して電荷の拡散を防ぐ工夫がなされている。しかし、電荷を効率良く蓄積し、かつ、電荷拡散を防ぐ構造において、光導波損失を十分に低減する方法は提案されていなかった。【０００７】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、光回路における光学損失を低減しつつ、所定の経路を無電力で保持することができる新規な構造の光機能素子を提供することを目的とする。本発明は、光導波損失を十分に低減しつつ、電荷の蓄積、保持、消去を効率良く行なうことができる。本発明は、光機能素子に電圧を継続的に印加し続けることなく光導波路の屈折率を維持することができる。本発明の構造は、大規模集積回路の標準プロセスで作成することが可能であるため、複雑な経路設定や遅延機能を容易に記憶、保持、消去可能な光機能素子を実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る光機能素子は光スイッチとして機能するものであり、基板と、基板上に順次形成された一対の入力導波路、一対の出力導波路、及び一対の３ｄＢカプラとより構成されており、一方の３ｄＢカプラが一対の入力導波路と接続されるとともに、他方の３ｄＢカプラが一対の出力導波路と接続されることにより、一対の３ｄＢカプラの間に一対の導波路を形成している。また、光機能素子は一対の３ｄＢカプラの間に形成された一対の導波路の上に形成した一対の光位相変調路と、一対の光位相変調路の上方に形成された一対の制御電極と、一対の光位相変調路の端部の下方に形成されたソース領域と、一対の光位相変調路の中間部の下方に形成されてソース領域と近接配置されたドレイン領域と、ソース領域及び前記ドレイン領域とは反対の電気的極性を有し、ソース領域とドレイン領域との間に形成した一対のチャンネル領域とを具備する。一対の光位相変調路は周囲と絶縁されており、かつ、一対の光位相変調路が一対のチャンネル領域の上方に形成される。【０００９】
上記の光機能素子において、制御電極、ソース領域、及びドレイン領域に所定極性の電圧を印加することにより一対の光位相変調路近傍においてホットキャリアを発生して電荷を蓄積させて屈折率を変化させることが可能である。また、制御電極とソース領域との間に反対極性の電圧を印加することにより一対の光位相変調路の蓄積電荷を放出させて屈折率を元の状態に戻すことも可能である。更に、外部からの励起光を制御電極を透過して一対の光位相変調路に照射することにより効率的に光位相変調路の電荷蓄積及び放出を実現することができる。【００１０】
本発明に係る光機能素子は波長可変フィルタとして機能するものであり、基板と、基板上に形成されて相互に対向配置された複数の入出力導波路と、複数の入出力導波路の対向端部に近接配置された一対のストライプ状光導波路と、一対のストライプ状光導波路の間に配置されたリング型光導波路と、リング型光導波路の上方に形成された制御電極と、リング型光導波路の一端部の下方に形成されたソース領域と、リング型光導波路の他端部の下方に形成されてソース領域と近接配置されたドレイン領域と、ソース領域とドレイン領域との間に形成したチャンネル領域とを具備する。リング型光導波路は周囲と電気的に浮遊しており、チャンネル領域の上方に形成される。【００１１】
上記の光機能素子において、ソース領域とドレイン領域との間に所定の電圧を印加することによりホットキャリアを発生してリング型光導波路の屈折率を変化させることが可能である。また、制御電極、ソース領域、及びドレイン領域間に反対極性の電圧を印加することによりリング型光導波路の屈折率を元の状態に戻すことも可能である。【００１２】
本発明に係る光機能素子の製造方法は、シリコン基板、シリコン酸化膜、及びＳＯＩ層を順次積層して基板を形成し、ＳＯＩ層を加工して一対の３ｄＢカプラ、一対の入力導波路、及び一対の出力導波路を形成し、一対の入力導波路と接続された一方の３ｄＢカプラと一対の出力導波路と接続された他方の３ｄＢカプラとの間に一対の導波路を形成し、一対の導波路の上にポリシリコンよりなる一対の光位相変調路を形成し、所定の材料をＳＯＩ層にドープして所定の電気的極性を有するソース領域とドレイン領域とを形成し、ソース領域とドレイン領域との間に反対の電気的極性を有する一対のチャンネル領域を一対の光位相変調路の下方に形成し、一対の光位相変調路の上方において高密度ドープされたポリシリコンよりなる一対の制御電極を形成するものである。【００１３】
上記の光機能素子の製造方法において、制御電極、ソース領域、及びドレイン領域に所定極性の電圧を印加することにより一対の光位相変調路近傍においてホットキャリアを発生して電荷を蓄積させて屈折率を変化させて所望の光波入出力経路を設定することが可能である。また、制御電極とソース領域との間に反対極性の電圧を印加することにより一対の光位相変調路の蓄積電荷を放出させて屈折率を元の状態に戻して、光波入出力経路を消去することも可能である。更に、外部からの励起光を前記制御電極を透過して前記一対の光位相変調路に照射することにより効率的に光位相変調路の電荷蓄積及び放出をさせることもできる。【００１４】
次に、本発明に係る光機能素子の動作について説明する。光機能素子は、周囲を絶縁体（シリコン酸化膜）で覆われた電気的に浮遊したフローティング導波路コアに電荷を注入するためのソース領域及びドレイン領域を有する電界効果トランジスタの構造をもつ光導波路（光位相変調路）で構成されており、この光導波路の屈折率を変更することにより光波の位相制御を行なうものである。この電界効果トランジスタの動作時に、ソースからドレインに移動する電子やホールなどのキャリアがドレイン近傍の高電界により加速され、基板温度の熱エネルギーよりも高いエネルギーを持つホットキャリアとなり、ホットキャリアが絶縁体を通過してフローティング導波路コアに注入される。このキャリア注入によりフローティング導波路コアの電荷密度が変化し、キャリアプラズマ効果によりフローティング導波路コアの屈折率が変化する。２×２マッハツェンダー型光スイッチの一部にこの光導波路を用いると光波の入出力経路の切り替え可能となる。フローティング導波路コアに注入された電荷は周囲の絶縁体障壁に囲まれて散逸消失せず、長期間に亘って蓄積されたままとなる。即ち、光導波路に対して付加的なエネルギーを付与することなく屈折率の変化状態を維持することができる。また、フローティング導波路コアの上方に配置された制御電極とドレインとの間に適切な電圧を印加することにより、蓄積電荷をトンネル効果により引き抜くことが可能であり、一旦変化した光導波路の屈折率を元の状態に戻すことができる。このように、本発明の光機能素子は切り替えられた光波入出力経路を無電力で保持することができるとともに、その光波入出力経路を元の状態に戻すことも可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の光機能素子は、光導波路の屈折率を変化させて光波の伝播経路の切り替えや位相遅延量の制御を行なうものであり、特に、位相変化状態を保持する際の省電力化を図るものである。具体的には、本発明は下記の効果を奏するものである。【００１６】
第１の効果は、光導波路の屈折率を電気的制御により変化させ、かつ、屈折率変化状態を無電力で保持することを可能としたことである。これにより、本発明は光スイッチ、波長可変フィルタ、光回路からなる複合機能の記憶及び書き換えを自由に行なうことができるとともに、待機電力を大幅に削減することができる。第２の効果は、光導波路の断面構造をシリコン集積回路（例えば、フラッシュメモリ）で利用されているトランジスタと同様の製造プロセスで作製可能としたことである。このため、本発明の光機能素子を成熟したシリコン集積回路プロセスにより大量に低コストで作製できる。第３の効果は、複雑な光機能制御プログラムの設定及び消去を行なうことができる光回路をシリコン集積回路プロセスによって高い集積度で作製することを可能としたことである。第４の効果は、光機能素子に電界効果トランジスタ構造を利用し、かつ、光導波路における電荷蓄積を衝突電離化により発生したホットキャリア注入を利用することを可能としたことである。これにより、制御電極（ゲート電極）とフローティング導波路コアとの間の距離を増大することができ、光波の制御電極への浸み出しを低減できるので、光波伝播損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１に係る光機能素子としての光スイッチを示す図３のＡ−Ｂ矢視断面図である。
【図２】図１の一部拡大断面図である。
【図３】図１及び図２に示される光スイッチの斜視図である。
【図４】本発明の実施例２に係る光機能素子としてのリング型波長可変フィルタの斜視図である。
【図５】図４のＣ−Ｄ矢視断面図である。
【図６】、図１及び図２に示される光スイッチにおける光位相変調領域の導波路構造を模式的に示した拡大断面図である。
【図７】（ａ）はフローティング導波路のコア厚Ｈに対する光波閉じ込め率を示すグラフであり、（ｂ）はフローティング導波路のコア厚Ｈに対する制御電極への光波浸み出し率を示すグラフである。
【図８】ＳＯＩ層、フローティング導波路コア、及び制御電極よりなる導波路構造における電界分布のシミュレーション結果を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係る光機能素子及びその製造方法について添付の図面を参照して実施例とともに説明する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の実施例１に係る光機能素子としての光スイッチについて図１乃至図３、図６乃至図８を参照して詳細に説明する。図３は、光スイッチの斜視図であり、図１及び図２は図３のＡ−Ｂ矢視断面図である。図２は、図１の一部拡大断面図である。【００２０】
本実施例では、シリコン基板１上に埋め込み型シリコン酸化膜２とＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）層が順次形成して基板を作製する。当該基板において、ＳＯＩ層を適宜加工して３ｄＢＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ  Ｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラ４、８、入力導波路１２、１３、及び出力導波路９、１０からなる２×２のマッハツェンダ型光スイッチを形成する。ＭＭＩカプラ４、８の間に配置された２つの導波路の上において、電荷を蓄積するためのポリシリコンよりなる導波路（或いは、光位相変調路）５、１１が形成されており、更に所定の電気的極性を持つように高濃度ドープされたポリシリコンよりなる制御電極（或いは、ゲート領域）６、７が形成されている。導波路５、１１の下のＳＯＩ層には、所定の電気的極性を持つようにドープされたソース領域１４とドレイン領域１５とが形成されている。また、ＳＯＩ層を加工して形成されたシリコン層の上部にはシリコン酸化膜２による上部クラッド層３が積層されている。【００２１】
図１において、シリコン基板１上に形成されたＳＯＩ層の一部に形成されたソース領域１４とドレイン領域１５との間には、ソース領域１４及びドレイン領域１５とは電気的極性が反対のチャンネル領域２７が形成される。チャンネル領域２７上において、電荷を蓄積するための導波路５、１１がその周囲をシリコン酸化膜２で囲まれた状態で形成される。また、導波路５、１１上には高密度ドープされたポリシリコン制御電極６、７が形成される。【００２２】
一対のチャンネル領域２７の上方において導波路５、１１が近接して形成されて光学的に接続されることにより、両者の間に図８に示すようなモードフィールドが形成される。導波路５、１１は蓄積される電荷の有無により屈折率が変化するため、そこを伝播する光波の位相が変化する。導波路５、１１は、ＳＯＩ層を加工して形成された絶縁部であるクラッド層２６により外部から絶縁されている。ソース領域１４及びドレイン領域１５は、例えば、砒素、リン、ボロンなどの材料を１０１８〜１０２０分子数／ｃｍ３の密度でＳＯＩ層にドープすることにより形成される。本実施例では、１つのドレイン領域１５がその両側のソース領域１４の間に形成されている。つまり、導波路５、１１は光導波方向に直交する断面形状が扁平に形成されており、制御電極６、７が導波路５、１１の上面に対向配置されている。導波路５、１１の下面の一方側の近傍にソース領域１４が配置されており、導波路５、１１の下面の他端側の近傍にドレイン領域１５が配置されている。前述のように、ソース領域１４とドレイン領域１５との間には電気的極性が反対のチャンネル領域２７が形成されており、チャンネル領域２７の上方には導波路５、１１が配置されている。また、導波路５、１１の周囲はシリコン酸化膜２で囲まれており、外部から絶縁されている。尚、シリコン酸化膜２は導波路５、１１より屈折率が低い。【００２３】
次に、本実施例に係る光スイッチの機能について図２及び図６乃至図８を参照して説明する。図２は、図１の断面図の一部拡大図であり、導波路１１に電荷が蓄積される様子を示す。ソース領域１４とドレイン領域１５との間、並びにソース領域１４と制御電極７との間に電圧を印加すると、ソース領域１４からドレイン領域１５へ流れるキャリアが図２の拡大範囲３１に示すようにドレイン領域１５の近傍で加速され、衝突電離化によって基板（シリコン基板１、シリコン酸化膜２、ＳＯＩ層）の熱エネルギーよりも高いエネルギーをもつホットキャリアが発生する。このホットキャリアはシリコン酸化膜２を通過してポリシリコン導波路１１に注入される。ホットキャリア注入により、ポリシリコン導波路１１のキャリア密度が上昇し、屈折率が変化する。ポリシリコン導波路１１は周囲を絶縁体で囲まれており、電気的に浮遊した状態であるため、蓄積された電荷は長時間保持され、屈折率の変化も電力を追加することなく長期間保持されることになる。【００２４】
ソース領域１４と制御電極７との間に蓄積電荷とは反対の極性の電圧を印加することにより、ポリシリコン導波路１１に蓄積された電荷をトンネル効果により引き出すことが可能である。これにより、ホットキャリア注入による屈折率が変化したポリシリコン導波路１１を元の状態に戻すことができる。本実施例の２×２光スイッチは、導波路５又は１１の屈折率を変化させることにより経路切替を行なうものであり、上述の機能により、一旦設定された経路を無電力で保持することができる。また、電気的制御により光スイッチの経路設定を元の状態に戻すこともできる。【００２５】
絶縁性を有するシリコン酸化膜２により周囲から絶縁されたポリシリコン導波路（又は、光位相変調路）５、１１が電荷を蓄積することができるので、上記のように切替えられた経路設定は電力を継続的に印加し続けることなく維持することができる。また、電気的制御により光スイッチの経路設定を元の状態に戻すことも可能である。この場合、ソース領域１４と制御電極７との間にポリシリコン導波路１１の蓄積電荷とは反対の極性の電圧を印加することにより、ポリシリコン導波路１１に蓄積された電荷をトンネル効果により引き出せばよい。【００２６】
上記の導波路構造を有する光スイッチは、光波の伝播損失を低減しつつ効率良く光の位相を変化させることに特徴がある。図６は、図１及び図２に示された光スイッチにおける光位相変調領域の導波路構造を模式的に示した拡大断面図である。ここで、ＳＯＩ層下面から制御電極７までの距離は１μｍ、電荷を蓄積するフローティング導波路（即ち、ポリシリコン導波路１１）のコア幅は５００ｎｍに設定されている。また、ＳＯＩ層上面とフローティング導波路との間の距離は３０ｎｍ、フローティング導波路のコア厚はＨに設定されている。図７（ａ）、（ｂ）は図６の導波路構造においてフローティング導波路のコア厚Ｈをパラメータとしてシュミレーションした結果を示す。図７（ａ）はフローティング導波路のコア厚Ｈに対するフローティング導波路に閉じ込められた光波強度の割合（光波閉じ込め率）を示し、図７（ｂ）はフローティング導波路のコア厚Ｈに対する制御電極７へ浸み出した光波強度の割合（光波浸み出し率）を示す。フローティング導波路のコア厚Ｈを５００ｎｍとした場合、光波閉じ込め率は５０％以上を実現でき、制御電極７への光波浸み出し率は０．００１％以下に抑えることが可能である。図８は、ＳＯＩ層１０１、フローティング導波路コア１０２、及び制御電極１０３よりなる導波路構造における電界分布のシミュレーション結果を示す模式図である。ここで、フローティング導波路コア１０２に電界分布が集中しており、かつ、制御電極１０３には光波浸み出しは殆ど見られない。即ち、本実施例の導波路構造では屈折率変調領域（光位相変調領域）に十分な光波分布を作り出すとともに、光吸収損失の主要因である制御電極への光波浸み出しを低減することが可能であり、導波路損失の少ない光機能素子を実現することができる。【００２７】
本実施例の光スイッチはＳＯＩ基板を用いて既存の半導体装置製造技術により作製することができる。このため、本実施例の光スイッチの製造に際して特別な設備は必要ない。また、本実施例の光スイッチをＳＯＩ基板を用いることなく、絶縁性のセラミックやポリマーからなるバルク基板を用いて作製することも可能である。【００２８】
上述のように、本実施例に係る光スイッチでは、ソース領域１４、ドレイン領域１５、及び制御電極７の間に電圧を印加することによりホットキャリアを発生させて導波路（光位相変調路）５、１１に注入して電荷を蓄積する。また、ソース領域１４と制御電極７との間に電圧を印加することで導波路５、１１に蓄積されている電荷を放出することができる。このため、周囲から絶縁されている導波路５、１１の光位相変調状態を電圧の印加だけで簡単に変更することができる。【００２９】
また、制御電極７を紫外線などの励起光が透過する複数の貫通孔が形成されたメッシュ構造に形成したり、或いは、制御電極７を励起光が透過する透明電極に形成してもよい。これにより、制御電極７に対して外部から照射される励起光を導波路５、１１まで通過させるようにしてもよい。この場合、ソース領域１４、ドレイン領域１５、及び制御電極７の間に電圧を印加するとともに、制御電極７を通過する励起光を導波路５、１１に照射することで、当該励起光により高効率に導波路５、１１にホットキャリアを注入して電荷を蓄積することができる。また、制御電極７を通過する励起光を導波路５、１１に照射することで、蓄積電荷を放出することもできる。この場合、ソース領域１４、ドレイン領域１５、制御電極７の間に電圧を印加することなく、導波路５、１１に蓄積されている電荷を簡単に放出することができる。更に、ソース領域１４と制御電極７との間に電圧を印加するとともに、制御電極７を通過する励起光を導波路５、１１に照射することで、当該励起光により高効率に蓄積電荷を放出することができる。【００３０】
本実施例では、導波路（光位相変調路）５、１１がポリシリコンからなるものとしたが、これは例示であり限定ではない。例えば、導波路５、１１を多層積層された複数のシリコン酸化膜と複数のシリコン窒化膜とで形成するようにしてもよい。この場合、導波路５、１１の屈折率を所望の値に調整することが可能となる。
【実施例２】
【００３１】
次に、本発明の実施例２に係る光機能素子としてのリング型波長可変フィルタについて図４及び図５を参照して説明する。このリング型波長可変フィルタは、リング型光導波路（又は、リング型波長フィルタ）５０の一部に電荷を蓄積できる電気的に浮遊した導波路（フローティング導波路）を具備する。図４は、リング型波長可変フィルタの斜視図であり、図５は図４のＣ−Ｄ矢視断面図である。【００３２】
シリコン基板４１上に埋め込みシリコン酸化膜４２とＳＯＩ層を順次形成して基板を作製する。当該基板において、ＳＯＩ層を適宜加工して入出力導波路４３、４７、４８、５１、並びにソース領域５２及びドレイン領域５３を形成する。ソース領域５２及びドレイン領域５３は所定の電気的極性をもつように基板に不純物がドープされている。ＳＯＩ層を加工して形成されたシリコン層の上部にはシリコン酸化膜４２による上部クラッド層５５が積層されており、更に、ポリシリコンによるリング型光導波路５０が形成されている。リング型光導波路５０に近接してストライプ状の光導波路４５、４９が対向配置されている。また、ストライプ状光導波路４５、４９の先端下部にはＳＯＩ層を加工して形成された入出力導波路４３、４７、４８、５１の先端部が光学的に結合するように近接配置されている。リング型光導波路５０は上部クラッド層５５により覆われている。リング型光導波路５０の上方において、上部クラッド層５５上に高密度に不純物ドープされたポリシリコンによる制御電極４６が配置されている。【００３３】
図５は、制御電極４６とリング型光導波路５０とを含むリング型波長可変フィルタの断面構造を示す。シリコン基板４１上に埋め込みシリコン酸化膜４２が形成されており、更に、ＳＯＩ層に不純物ドープして形成したソース領域５２及びドレイン領域５３が形成されている。ソース領域５２とドレイン領域５３との間にはチャンネル領域６６が形成されており、チャンネル領域６６の上方において上部クラッド層５５の下側を介して電気的に浮遊したリング型光導波路５０が形成されている。また、リング型光導波路５０の上方において上部クラッド層５５の上側を介して制御電極６が配置されている。リング型光導波路５０及びストライプ状光導波路４５、４９によりリング共振器が構成される。【００３４】
次に、図４及び図５に示すリング型波長可変フィルタの機能について説明する。ソース領域５２とドレイン領域５３との間に電圧を印加すると、ドレイン領域５３の近傍で加速されたキャリアの衝突電離化によりホットキャリアが発生する。ホットキャリアはリング型光導波路（フローティング導波路）５０に注入され、その屈折率が変化する。リング型光導波路５０の屈折率が変化することにより、リング共振器（即ち、光導波路４５、４９、５０）の共振波長が変化するので、図４及び図５に示す構造体はリング型波長可変フィルタとして動作する。この電気的駆動により、入出力導波路４３に入射する光波のうち特定波長の光波の出力経路を入出力導波路４７から入出力導波路５１に変更することができるとともに、この状態を無電力で保持することができる。また、ソース領域５２、ドレイン領域５３、及び制御電極４６間に電圧を印加することにより、一旦変更した光波の出力経路を元の状態に戻すことも可能である。【００３５】
本発明の技術的特徴はマッハツェンダ型の光スイッチ（実施例１）やリング型波長可変フィルタ（実施例２）に限定されるものではなく、各種の光機能素子に適用することができる。例えば、光波が入射される外部入力端子と光波を出射する外部出力端子とを夫々有する第１光導波路及び第２光導波路、第１光導波路及び第２光導波路の夫々に形成されており相互に光学結合された光位相変調路とを具備する方向性結合器を構成することも可能である。この方向性結合器では、光位相変調路が周囲から絶縁されており蓄積した電荷を保持する。このため、光位相変調路の位相を変化させることにより、光位相変調路を伝播する光波の分岐比率を調整することができる。この方向性結合器では、光位相変調路において蓄積電荷の有無を維持することができるため、調整した光波の分岐比率を電圧の継続的な印加を必要とすることなく、維持することができる。【００３６】
また、一対の外部入力端子及び一対の外部出力端子を夫々有する複数の光機能素子を具備し、一の光機能素子の外部出力端子と他の光機能素子の外部入力端子とを光学結合して光マトリックス回路を構成することも可能である。この光マトリックス回路では、光機能素子の光位相変調路の蓄積電荷の有無を適宜設定することにより、多入力・多出力の光経路設定を実現することが可能である、その光経路設定は継続的に電圧を印加することなく維持することが可能である。【００３７】
最後に、本発明は実施例１及び実施例２並びに上記の変形例に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲により定義される発明の範囲内において種々の設計変更や改良を実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、光導波路や光位相変調路よりなる構造体において無電圧で光波の入出力経路設定を維持することが可能であり、光スイッチ、光遅延回路、光フィルタなどの各種の光機能素子に適用して所望の位相変化を保持、或いは位相変化を消去可能とすることができる。
【符号の説明】
【００３９】
１    シリコン基板
２    埋め込みシリコン酸化膜
３    上部クラッド層
４、８  ３ｄＢＭＭＩカプラ
５、１１  導波路（光位相変調路）
６、７  制御電極（ゲート領域）
９、１０  出力導波路
１２、１３  入力導波路
１４  ソース領域
１５  ドレイン領域
２７  チャンネル領域
３１  拡大範囲
４１  シリコン基板
４２  埋め込みシリコン酸化膜
４３、４７、４８、５１  入出力導波路
４５、４９  ストライプ状光導波路
４６  制御電極（ゲート領域）
５０  リング型光導波路
５２  ソース領域
５３  ドレイン領域
５５  上部クラッド層
６６  チャンネル領域
１０１  ＳＯＩ層
１０２  フローティング導波路コア
１０３  制御電極
【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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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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