(57)【要約】【課題】小型化、消費電力の低減、動作速度の高速化を同時に図ることができる可変光減衰器を提供する。【解決手段】光を透過させるコア１１と、コア１１を挟み込むようにコア１１に隣接して配設されるクラッド１２ａ，１２ｂと、光の透過方向に沿ってコア１１およびクラッド１２ａ，１２ｂを挟み込んで配設された一対のキャリア供給層１３ａ，１３ｂと、キャリア供給層１３ａ，１３ｂに電圧を印加する金属パッド１４ａ，１４ｂとを備え、金属パッド１４ａ，１４ｂに電圧を印加することによりコア１１での光の吸収率を大きくして透過する光を減衰させる可変光減衰器１０において、クラッド１２ａ，１２ｂにエアホール１２ａａ，１２ｂａをブラッグ（Ｂｒａｇｇ）　条件を満たすように格子配列状に複数形成して二次元フォトニック結晶構造とした。【選択図】　　　　図１
2004109412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を透過させるコアと、前記コアを挟み込むように当該コアに隣接して配設されるクラッドと、光の透過方向に沿って前記コアおよび前記クラッドを挟み込んで配設された一対のキャリア供給層と、前記キャリア供給層に電圧を印加する電極とを備え、前記電極に電圧を印加することにより前記コアでの光の吸収率を大きくして透過する光を減衰させる可変光減衰器において、前記クラッドおよび前記キャリア供給層のうちの少なくとも前記クラッドが二次元フォトニック結晶構造を有する
ことを特徴とする可変光減衰器。
【請求項２】
請求項１において、
光の透過方向および前記キャリア供給層の挟み込み方向に直交する方向の前記コアと前記クラッドとの厚さが等しい
ことを特徴とする可変光減衰器。
【請求項３】
請求項１において、
光の透過方向および前記キャリア供給層の挟み込み方向に直交する方向の少なくとも一方側に配設されて前記コア、前記クラッド、前記キャリア供給層を覆う光学的に透明な絶縁物を備えた
ことを特徴とする可変光減衰器。
【請求項４】
請求項１において、
光の透過方向および前記キャリア供給層の挟み込み方向に直交する方向の少なくとも一方側に配設されて前記コア、前記クラッド、前記キャリア供給層を覆う石英からなる絶縁物を備えた
ことを特徴とする可変光減衰器。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかにおいて、
前記コア、前記クラッド、前記キャリア供給層が、シリコンを主体とする半導体からなる
ことを特徴とする可変光減衰器。
【請求項６】
請求項５において、
ＳＯＩ基板上に形成されている
ことを特徴とする可変光減衰器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信で用いられる波長域１．３μｍや１．５５μｍ等で電圧制御により光を減衰させることができる可変光減衰器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＷＤＭシステム等でＥＤＦＡを利用する場合においては、光ファイバを通過してきた通信光を任意の光強度に設定する必要がある。これまで、ＳＯＩ基板上に形成されたリブ型導波路に対して半導体であるコア部分とＰ型半導体とＮ型半導体部分を持つリブを形成してＰＩＮ構造とし、順方向電流を流すことでキャリアを導波路コア部に注入し、信号光を減衰させる方法が実用化されている。この可変光減衰器の一例の断面を図５に示す。
【０００３】
図５において、１１１はシリコンからなるコア、１１２ａ，１１２ｂはシリコンからなるコア１１１より薄い層厚のクラッド、１１３ａはＰ型不純物を添加されたシリコンからなるキャリア供給層、１１３ｂはＮ型不純物を添加されたシリコンからなるキャリア供給層、１１４ａ，１１４ｂはキャリア供給層１１３ａ，１１３ｂに電流をそれぞれ供給する金属パッド、１１７は石英からなるアンダクラッドである。
【０００４】
このような可変光減衰器１１０においては、紙面に垂直な方向の光線がコア１１１を通過するようし、光を減衰させたいときには、金属パッド１１４ａ，１１４ｂに対して、金属パッド１１４ａから金属パッド１１４ｂに電流が流れる方向に電圧を印加すると、印加した電圧に応じて、コア１１１に対して、キャリア供給層１１３ａから正孔が進入すると共に、キャリア供給層１１３ｂから電子が進入して、コア１１１を伝播する光を吸収、減衰させるようになっている。
【０００５】
ここで、コア１１１とクラッド１１２ａ，１１２ｂを構成するシリコンと、キャリア供給層１１３ａを構成するＰ型半導体およびキャリア供給層１１３ｂを構成するＮ型半導体とは、屈折率がほとんど変わらない。このため、コア１１１部分のみに光を閉じ込めるには、コア１１１部分の等価屈折率より周囲の屈折率を下げる必要があるので、クラッド１１２ａ，１１２ｂ、キャリア供給層１１３ａ，１１３ｂの各部分の厚さをコア１１１部分よりも小さくしている。
【０００６】
【非特許文献１】
＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｂｏｏｋｈａｍ．ｃｏｍ．／ｐａｇｅｓ／ａｓｏｃ　＿ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ／ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　＿ｐａｐｅｒｓ．ｈｔｍｌ＞から入る＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｂｏｏｋｈａｍ．ｃｏｍ．／Ｒｅｇｉｓｔｅｒ／Ｒｅｇｉｓｔｅｒ．ａｓｐ？ｆｉｌｅｎａｍｅ＝ＶＯＡ−ｐａｐｅｒ−ＮＦＯＥＣ２００１ｖ１．０．ｐｄｆ＞
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の構造では、クラッド１１２ａ，１１２ｂの厚さがコア１１１の厚さよりも小さいことから、コア１１１の中で最もキャリア濃度の高い部分が、光パワー密度の高いコア１１１の中心部から外れてしまう。このため、光減衰量を確保できるようにＰＩＮ構造部の光軸方向の長さを大きくしなければならず、大幅に小型化することが困難であった。
【０００８】
また、必要なキャリアを発生させるための電流量も多くなってしまうため、消費電力が増加してしまっていた。
【０００９】
さらに、等価屈折率差による閉じ込め構造であることから、コア１１１の幅が数μｍ程度となるため、キャリア供給層１１３ａ，１１３ｂ間の距離が数μｍ以上離れてしまい、キャリアの移動時間による応答速度が低下してしまっていた。
【００１０】
このようなことから、本発明は、小型化、消費電力の低減、動作速度の高速化を同時に図ることができる可変光減衰器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述した課題解決するための、第一番目の発明による可変光減衰器は、光を透過させるコアと、前記コアを挟み込むように当該コアに隣接して配設されるクラッドと、光の透過方向に沿って前記コアおよび前記クラッドを挟み込んで配設された一対のキャリア供給層と、前記キャリア供給層に電圧を印加する電極とを備え、前記電極に電圧を印加することにより前記コアでの光の吸収率を大きくして透過する光を減衰させる可変光減衰器において、前記クラッドおよび前記キャリア供給層のうちの少なくとも前記クラッドが二次元フォトニック結晶構造を有することを特徴とする。
【００１２】
第二番目の発明による可変光減衰器は、第一番目の発明において、光の透過方向および前記キャリア供給層の挟み込み方向に直交する方向の前記コアと前記クラッドとの厚さが等しいことを特徴とする。
【００１３】
第三番目の発明による可変光減衰器は、第一番目の発明において、光の透過方向および前記キャリア供給層の挟み込み方向に直交する方向の少なくとも一方側に配設されて前記コア、前記クラッド、前記キャリア供給層を覆う光学的に透明な絶縁物を備えたことを特徴とする。
【００１４】
第四番目の発明による可変光減衰器は、第一番目の発明において、光の透過方向および前記キャリア供給層の挟み込み方向に直交する方向の少なくとも一方側に配設されて前記コア、前記クラッド、前記キャリア供給層を覆う石英からなる絶縁物を備えたことを特徴とする。
【００１５】
第五番目の発明による可変光減衰器は、第一番目から第四番目の発明のいずれかにおいて、前記コア、前記クラッド、前記キャリア供給層が、シリコンを主体とする半導体からなることを特徴とする。
【００１６】
第六番目の発明による可変光減衰器は、第五番目の発明において、ＳＯＩ基板上に形成されていることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明による可変光減衰器の実施の形態を図面を用いて説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００１８】
［第一番目の実施の形態］
本発明による可変光減衰器の第一番目の実施の形態を図１，２を用いて説明する。図１は、可変光減衰器の概略構造図、図２は、図１のＡ−Ａ線断面矢線視図である。
【００１９】
図１，２に示すように、本実施の形態にかかる可変光減衰器１０は、光を透過させるコア１１と、コア１１を挟み込むようにコア１１に隣接して配設されるクラッド１２ａ，１２ｂと、光の透過方向に沿ってコア１１およびクラッド１２ａ，１２ｂを挟み込んで配設された一対のキャリア供給層１３ａ，１３ｂと、キャリア供給層１３ａ，１３ｂに電圧を印加する電極である金属パッド１４ａ，１４ｂとを備え、金属パッド１４ａ，１４ｂに電圧を印加することによりコア１１での光の吸収率を大きくして透過する光を減衰させる可変光減衰器１０において、クラッド１２ａ，１２ｂが二次元フォトニック結晶構造を有したものである。
【００２０】
前記コア１１は、シリコンを主体とする半導体からなっている。
前記クラッド１２ａ，１２ｂは、シリコンを主体とする半導体からなり、コア１１に対して使用する光波長帯域において光閉じ込め機能を発現するエアホール１２ａａ，１２ｂａを格子配列状に複数形成した上記二次元フォトニック結晶構造となっている。
【００２１】
前記エアホール１２ａａ，１２ｂａは、クラッド１２ａ，１２ｂ内で円柱空間を形成し、内部に空気が入り込み、屈折率が異なっている。また、その格子配列は、ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）　条件を満たし、所定の波長の光のみを反射させて伝播させることができるようになっている。
【００２２】
ここで、上記コア１１は、その幅が上記フォトニック結晶の格子定数と同程度であり、一般的には０．３〜０．５μｍ程度である。
また、図２に示すように、コア１１とクラッド１２ａ，１２ｂとの高さ、すなわち、光の透過方向およびキャリア供給層１３ａ，１３ｂの挟み込み方向に直交する方向のコア１１とクラッド１２ａ，１２ｂとの厚さが等しくなっている（例えば、１．５５μｍ帯の場合には０．２μｍ前後）。
【００２３】
前記キャリア供給層１３ａは、シリコンを主体とする半導体であり、Ｐ型不純物を添加したＰ型半導体からなっている。
前記キャリア供給層１３ｂは、シリコンを主体とする半導体であり、Ｎ型不純物を添加したＮ型半導体からなっている。
【００２４】
前記金属パッド１４ａ，１４ｂは、可変電圧電源１６により導線１５を介して印加された電圧をキャリア供給層１３ａ，１３ｂに印加することができるようになっている。
【００２５】
また、光の透過方向およびキャリア供給層１３ａ，１３ｂの挟み込み方向と直交する方向の一方側には、コア１１、クラッド１２ａ，１２ｂ、キャリア供給層１３ａ，１３ｂを覆う光学的に透明な絶縁物である石英からなるアンダクラッド１７が配設されており、当該アンダクラッド１７は、ＳＯＩ基板であるシリコン基板部１８上の埋め込み酸化物である石英を用いている。なお、光の透過方向およびキャリア供給層１３ａ，１３ｂの挟み込み方向と直交する方向の他方側は、空気からなるエアクラッドとしている。
【００２６】
このような本実施の形態にかかる可変光減衰器１０において、端面側からコア１１内部へ信号光が入射すると、当該信号光は、クラッド１２ａ，１２ｂにより閉じ込められ、図１中Ｂ−Ｂ線に沿ってコア１１内部を伝播する。
【００２７】
このような状態で可変電圧電源１６から導線１５を介して金属パッド１４ａ，１４ｂに電圧を印加すると、キャリア供給層１３ａ，１３ｂからクラッド１２ａ，１２ｂを介してコア１１にキャリアが各々進入する。ここで、コア１１に注入されるキャリアの濃度と可変電圧電源１６で印加される電圧とは強い相関関係を有することから、可変電圧電源１６で印加する電圧の大きさを変化させることにより、コア１１内部を伝播する信号光の強度を自在に制御することができる。
【００２８】
なお、信号光は、クラッド１２ａ，１２ｂ中に染み出しを若干生じるが、コア１１の中心（Ｂ−Ｂ線）からの距離が大きくなるほど染み出す強さが減少する。また、キャリア供給層１３ａ，１３ｂは、光閉じ込め構造を有さないと共に、電流が印加されていない場合でもキャリアが存在していることから、信号光は、キャリア供給層１３ａ，１３ｂにまで染み出すと、電流を印加していないときでも減衰を生じてしまい、好ましくない結果となる。このため、クラッド１２ａ，１２ｂの幅を前記フォトニック結晶の格子定数の数倍以上とすることにより、キャリア供給層１３ａ，１３ｂの領域に信号光を伝播させることなく光を閉じ込めることができる。
【００２９】
つまり、本実施の形態にかかる可変光減衰器１０においては、クラッド１２ａ，１２ｂに二次元フォトニック結晶構造を用いることにより、コア１１とクラッド１２ａ，１２ｂとを等しい高さ（厚さ）にできるようにしたのである。
【００３０】
このため、最大の光強度となるコア１１内部の領域にキャリアを効率よく到達させることが可能となる。
【００３１】
したがって、本実施の形態の可変光減衰器１０によれば、短い光路長で大きな光減衰効果を得ることができるので、回路を小型化することができ、さらに、回路の小型に伴って、消費電力を低減することができると共に、高速動作が可能となる。
【００３２】
［第二番目の実施の形態］
本発明による可変光減衰器の第二番目の実施の形態を図３，４を用いて説明する。図３は、可変光減衰器の概略構造図、図４は、図３のＡ−Ａ線断面矢線視図である。ただし、前述した第一番目の実施の形態の場合と同様な部分については、前述した第一番目の実施の形態の説明で用いた符合と同一の符合を用いることにより、前述した第一番目の実施の形態での説明と重複する説明を省略する。
【００３３】
図３，４に示すように、本実施の形態にかかる可変光減衰器２０は、光を透過させるコア１１と、コア１１を挟み込むようにコア１１に隣接して配設されるクラッド１２ａ，１２ｂと、光の透過方向に沿ってコア１１およびクラッド１２ａ，１２ｂを挟み込んで配設された一対のキャリア供給層２３ａ，２３ｂと、キャリア供給層２３ａ，２３ｂに電圧を印加する電極である金属パッド１４ａ，１４ｂとを備え、金属パッド１４ａ，１４ｂに電圧を印加することによりコア１１での光の吸収率を大きくして透過する光を減衰させる可変光減衰器１０において、クラッド１２ａ，１２ｂおよびキャリア供給層２３ａ，２３ｂが二次元フォトニック結晶構造を有したものである。
【００３４】
前記キャリア供給層２３ａは、シリコンを主体とする半導体であり、Ｐ型不純物を添加したＰ型半導体からなると共に、コア１１に対して使用する光波長帯域において光閉じ込め機能を発現するエアホール２３ａａを複数有して上記二次元フォトニック結晶構造となっている。
前記キャリア供給層２３ｂは、シリコンを主体とする半導体であり、Ｎ型不純物を添加したＮ型半導体からなると共に、コア１１に対して使用する光波長帯域において光閉じ込め機能を発現するエアホール２３ｂａを複数有して上記二次元フォトニック結晶構造となっている。
【００３５】
前記エアホール２３ａａ，２３ｂａは、前記キャリア供給層２３ａ，２３ｂ内で円柱空間を形成し、内部に空気が入り込み、屈折率が異なっている。また、その格子配列は、ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）　条件を満たし、所定の波長の光のみを反射させて伝播させることができるようになっている。
【００３６】
つまり、前述した第一番目の実施の形態の可変光減衰器１０においては、クラッド１２ａ，１２ｂのみにエアホール１２ａａ，１２ａｂを形成することにより、クラッド１２ａ，１２ｂのみを二次元フォトニック結晶構造としたが、本実施の形態の可変光減衰器２０においては、さらに、キャリア供給層２３ａ，２３ｂにもエアホール２３ａａ，２３ｂａを形成することにより、キャリア供給層２３ａ，２３ｂも二次元フォトニック結晶構造としたのである。
【００３７】
このような本実施の形態にかかる可変光減衰器２０においては、前述した第一番目の実施の形態にかかる可変光減衰器１０の場合と同様に、コア１１内部を伝播する信号光の強度を自在に制御することができる。
【００３８】
ここで、本実施の形態にかかる可変光減衰器２０においては、キャリア供給層２３ａ，２３ｂが二次元フォトニック結晶構造を有することから、キャリア供給層２３ａ，２３ｂも光の進入を妨げるようになる。
【００３９】
このため、クラッド１２ａ，１２ｂの幅を小さくしても、光の損失の増大を抑制することができる。
【００４０】
したがって、本実施の形態によれば、前述した第一番目の実施の形態の場合と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、前述した第一番目の実施の形態の場合よりもクラッド１２ａ，１２ｂの幅をさらに小さくすることができるので、前述した第一番目の実施の形態の場合よりもさらに小型化を図ることができる。
【００４１】
［その他の実施の形態］
なお、前述した第一，二番目の実施の形態においては、光の透過方向およびキャリア供給層１３ａ，１３ｂ、２３ａ，２３ｂの挟み込み方向と直交する方向の他方側をエアクラッドとしたが、他の実施の形態として、例えば、光の透過方向およびキャリア供給層１３ａ，１３ｂ，２３ａ，２３ｂの挟み込み方向と直交する方向の他方側に石英やポリマなどのような光学的に透明な絶縁物からなるオーバクラッドを配設することも可能である。このとき、前記エアホール１３ａａ，１３ｂａ、２３ａａ，２３ｂａの内部は、空気または当該オーバクラッドと同じ物質とすることが可能である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の可変光減衰器によれば、クラッドおよびキャリア供給層のうちの少なくともクラッドが二次元フォトニック結晶構造を有しているので、コアとクラッドとを等しい高さ（厚み）にすることができ、最大の光強度となるコア内部の領域にキャリアを効率よく到達させることが可能となる。その結果、短い光路長で大きな光減衰効果を得ることができるので、回路を小型化することができ、さらに、回路の小型に伴って、消費電力を低減することができると共に、高速動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による可変光減衰器の第一番目の実施の形態の概略構造を表す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面矢線視図である。
【図３】本発明による可変光減衰器の第二番目の実施の形態の概略構造を表す平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面矢線視図である。
【図５】従来の可変光減衰器の第一番目の実施の形態の概略構造を表す断面図である。
【符号の説明】
１０，２０　可変光減衰器
１１　コア
１２ａ，１２ｂ　クラッド
１２ａａ，１２ｂａ　エアホール
１３ａ，１３ｂ，２３ａ，２３ｂ　キャリア供給層
２３ａａ，２３ｂａ　エアホール
１４ａ，１４ｂ　金属パッド
１５　導線
１６　可変電圧電源
１７　アンダクラッド
１８　シリコン基板部
【図１】
2004109412.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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