(57)【要約】【課題】シリコン細線をコアとしてこれを絶縁物などのクラッドで覆った導波路で、電気制御により任意の光減衰量を与えられる可変光減衰器を提供する。【解決手段】下部クラッド層１０１と上部クラッド層１０３との間に、シリコンからなるスラブ１０２を備え、スラブ１０２の一部を厚くすることで断面寸法が０．１〜０．５μｍのコア１０２ａを形成し、コア１０２ａを挟むスラブ１０２の領域に、ｎ形キャリア供給部１０４とｐ形キャリア供給部１０５とを設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンよりも屈折率の小さい下部クラッド層と、
この下部クラッド層の上に形成されたシリコン層からなるスラブと、
このスラブの一部を厚くすることで形成されたコアと、
このコアを覆って前記スラブの上に形成された上部クラッド層と、
前記スラブの前記コアの近傍に設けられたｎ形キャリア供給部と、
このｎ形キャリア供給部に前記コアを介して対向して前記スラブの前記コアの近傍に設けられたｐ形キャリア供給部と、
前記ｎ形キャリア供給部及び前記ｐ形キャリア供給部に各々接続する電極とを少なくとも備え、
前記コアは、幅が０．２〜０．５μｍに形成され、高さが０．２〜０．５μｍに形成されたものであることを特徴とする可変光減衰器。
【請求項２】
請求項１記載の可変光減衰器において、
前記スラブは、前記コアの半分未満の膜厚に形成されていることを特徴とする可変光減衰器。
【請求項３】
請求項１または２記載の可変光減衰器において、
前記コアの断面は、略正方形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、オプトエレクトロニクス分野や光通信分野において使用される光導波路型フィルターなどの平面光波路回路において、ＳＯＩ基板の上に構築されるシリコンを光の導波路とする平面光波回路及び素子に利用され、導波路光強度を電気的に制御可能とする可変光減衰器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＷＤＭ（Ｄｅｎｓｅ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：狭帯域波長分割多重）システム等で、ＥＤＦＡ（Ｅｒ  Ｄｏｐｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：Ｅｒドープ光ファイバアンプ）を利用する場合、光ファイバ中を伝搬してきた光信号を任意の光強度に設定する必要がある。この信号光を減衰させる可変光減衰器として、リブ型導波路を用いたものが実用化されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
これは、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の上に形成されたリブ型導波路の一部に、リブを挟むスラブにｐ形不純物が導入されたｐ形半導体領域とｎ形不純物が導入されたｎ形半導体領域とを設け、ＰＩＮ構造としたものである。この可変光減衰器では、リブの一部に設けられたＰＩＮ構造に、順方向電流を流すことで自由キャリアを発生させ、リブを導波する信号光を減衰させようとしたものである。
【０００４】
図４は、上述した従来よりある可変光減衰器の構成を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。この可変光減衰器は、シリコン層の上にリッジを形成してスラブ４０２，４０３より厚い部分とし、リッジをコア４０１としている。コア４０１をこの両脇のスラブ４０２，４０３より厚くすることで、コア４０１の有効屈折率が、スラブ４０２，４０３の有効屈折率と比較して相対的に大きくなり、コア４０１に光が閉じ込められるようになる。
【０００５】
コア４０１は、例えば、幅４μｍ程度に形成され、厚さが４μｍ程度に形成されている。また、スラブ４０２，４０３は、厚さが２μｍ程度に形成されている。従って、リッジ４０１は、スラブ４０２，４０３より２μｍ高くなっている。このように構成されたリブ型導波路では、導波する光は、コア４０１の部分に最大強度を持ち、スラブ４０２，４０３に数μｍ程度広がっている。
【０００６】
図４に示す従来の可変光減衰器は、上述したリブ型導波路の一部において、スラブ４０２，４０３にｐ形不純物導入部４０４，ｎ形不純物導入部４０５を形成したものである。なお、ｐ形不純物導入部４０４，ｎ形不純物導入部４０５には、各々金属パッド４０６，４０７が接続されている。
【０００７】
このようなリブ型の導波路構造の可変光減衰器では、金属パッド４０６から金属パッド４０７に電流が流れる方向に電圧を印加することで、ｐ形不純物導入部４０４とｎ形不純物導入部４０５に挟まれた領域を通過する光を減衰させることができる。上述したように電圧を印加することで、コア４０１に対し、ｐ形不純物導入部４０４からは正孔が侵入し、ｎ形不純物導入部４０５からは電子が侵入し、これらキャリアがコア４０１を伝搬する光を吸収することによって、コア４０１を伝搬する光を減衰させる。
【０００８】
コア４０１に侵入するキャリアは、上記電圧の大きさに応じた量となり、印加する電圧を可変することにより、減衰量を可変することができる。
ここで、不純物が導入されている部分は、電圧が印加されていなくても光を吸収する。従って、ｐ形不純物導入部４０４とｎ形不純物導入部４０５は、コア４０１より所定距離離して形成することになる。
【０００９】
一方、近年では、より集積度を向上させた光集積回路を作製するために、断面方向の寸法を０．２〜０．５μｍと非常に小さくしたシリコン細線をコアとした導波路が開発されている。これは、下部クラッド上のシリコン層にコアとクラッド層とを形成するのではなく、例えば、図５の斜視図に示すように、酸化シリコンや窒化シリコンなどの絶縁体からなる下部クラッド５０１の上に、シリコンの細線からなるコア５０２を形成し、コア５０２を酸化シリコンや窒化シリコンなどの絶縁体からなる上部クラッド５０３で覆ったものである。
【００１０】
また、図６に示すように、コア６０２を、２つの上部クラッド６０３，６０４で覆った構造の導波路もある。図６の導波路では、上部クラッド６０３が、上部クラッド６０４よりコア６０２に対する屈折率の差が小さくなるように構成されている。図６の導波路は、例えば、スポットサイズを変換するためなどに用いられる。
何れの導波路も、シリコン細線をコアに用いることで、前述したリブ型の導波路を用いる場合よりも、より小さな光集積回路を構成することが可能となる。
【００１１】
【非特許文献１】
”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＳＰＩＥ”  Ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．  ｖｏｌ４２９３，ｐ１−９（２００１）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したシリコン細線による導波路では、シリコン細線による導波路は、コアと同じ材料からなるクラッド層がない代わりに、シリコン細線からなるコアとこれを覆うシリコン酸化物などのクラッドから構成されているため、キャリアを注入するための不純物導入領域を、コア周囲のクラッドに形成することができない。従って、前述した不純物導入部を利用した光減衰器を構成することが困難であるという問題があった。
【００１３】
ここで、コアの両側に接するように不純物を導入したシリコン層を配置することで、可変光減衰器とするためのキャリアを注入する層を設けることは可能である。しかしながらこの場合、不純物が導入された領域とコアとは屈折率差がほとんど無いため、導波路の中の光強度の大きな領域に不純物が導入された領域が配置されることになる。このように、導波路の中の光強度の大きな領域に不純物が導入された領域が存在すると、電圧が印加されていなくても、この領域で光が吸収されて減衰してしまう。これでは、例えば信号光を減衰させずに伝搬させることができない。
【００１４】
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、シリコン細線をコアとしてこれを絶縁物などのクラッドで覆った導波路で、電気制御により任意の光減衰量を与えられる可変光減衰器を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の可変光減衰器は、シリコンよりも屈折率の小さい下部クラッド層と、この下部クラッド層の上に形成されたシリコン層からなるスラブと、このスラブの一部を厚くすることで形成されたコアと、このコアを覆ってスラブの上に形成された上部クラッド層と、スラブのコアの近傍に設けられたｎ形キャリア供給部と、このｎ形キャリア供給部にコアを介して対向してスラブのコアの近傍に設けられたｐ形キャリア供給部と、ｎ形キャリア供給部及びｐ形キャリア供給部に各々接続する電極とを少なくとも備え、コアは、幅が０．２〜０．５μｍに形成され、高さが０．２〜０．５μｍに形成されたものである。
この可変光減衰器は、コアはシリコン細線となっており、ｎ形キャリア供給部とｐ形キャリア供給部に挟まれた領域では、順方向の電圧を印加すると、ｎ形キャリア供給部及びｐ形キャリア供給部から、キャリアがコアに注入されるようになる。
【００１６】
上記可変光減衰器において、スラブを、コアの半分未満の膜厚に形成することで、コアとその周囲との屈折率差をより大きくできる。
また、上記可変光減衰器において、コアの断面は、略正方形に形成されているようにすればよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図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可変光減衰器の構成例を示す斜視図（ａ）及び平面図（ｂ）である。この可変光減衰器の構成について説明すると、まず、酸化シリコンや窒化シリコンなどの絶縁材料からなる下部クラッド層１０１の上に、シリコンからなるスラブ１０２を備えている。
【００１８】
スラブ層１０２は、所定の方向に延在するリッジ構造のコア１０２ａを備える。コア１０２ａの部分は、例えば、幅０．２μｍ程度に形成され、コア１０２ａの下部クラッド層１０１界面からの高さは、０．２μｍ程度に形成されている。従って、コア１０２ａは、断面が略正方形に形成されている。また、スラブ層１０２は、コア１０２ａの高さの例えば半分の厚さに形成されている。なお、コア１０２ａの断面は、正方形に限るものではない。
【００１９】
この構造は、例えば、ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁層上のシリコン（ＳＯＩ）層を、公知のフォトリソグラフィまたは電子線リソグラフィなどの一般的なリソグラフィ技術とエッチング技術とにより、コア以外の領域を薄く残すように微細加工することで形成できる。この場合、ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁層が、下部クラッド層１０１となる。また、加工により形成したパターンが、コア１０２ａとなり、残した領域がスラブ１０２となる。
【００２０】
このように形成したコア１０２ａは、これより屈折率が小さい材料からなる上部クラッド層１０３により覆われている。従って、コア１０２ａは、この下方にコア１０２ａより屈折率の小さい下部クラッド層１０１と上部クラッド層１０３との挟まれて形成されている。また、コア１０２ａ以外の領域では、下部クラッド層１０１と上部クラッド層１０３との間に、スラブ１０２が挟まれた状態となっている。
【００２１】
上部クラッド層１０３は、下部クラッド層１０１と同様に、酸化シリコンや窒化シリコンから構成すればよい。また、上部クラッド層１０３は、ポリイミド樹脂，エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの有機樹脂材料を用いるようにしても良い。材料に起因する損失が少なく、屈折率の設計が容易であり、シリコン細線を利用した光デバイスの作製プロセスとの整合性が良く、環境に対する変化が小さな材料であれば、どのような材料を上部クラッド層１０３に用いるようにしても良い。
【００２２】
また、本実施の形態では、コア１０２ａを中心とした導波路の導波方向の一部領域において、コア１０２ａの両脇近傍のスラブ１０２に、ｎ形キャリア供給部１０４とｐ形キャリア供給部１０５とを備えている。ｎ形キャリア供給部１０４とｐ形キャリア供給部１０５とは、各々コア１０２ａの近傍にコア１０２ａを挟んで対向配置されている。
【００２３】
ｎ形キャリア供給部１０４およびｐ形キャリア供給部１０５は、コア１０２ａを中心とした導波路を導波する光の減衰に寄与しない程度に、コア１０２ａより離れていればよい。また、ｎ形キャリア供給部１０４およびｐ形キャリア供給部１０５は、コア１０２ａに対してキャリアが注入できる範囲に形成されていればよい。
【００２４】
ｎ形キャリア供給部１０４およびｐ形キャリア供給部１０５は、イオン注入法，拡散法，及びプラズマドーピング法など、公知の不純物導入技術を用いることで容易に形成できる。
また、ｎ形キャリア供給部１０４及びｐ形キャリア供給部１０５には、一部が上部クラッド層１０５の上に露出している電極１０６，１０７が各々接続している。なお、図１（ｂ）では、電極１０６，１０７を省略している。
【００２５】
図１の可変光減衰器では、電極１０６，１０７に電圧を印加することで、ｎ形キャリア供給部１０４及びｐ形キャリア供給部１０５からキャリアがコア１０２ａに注入され、コア１０２ａからなる導波路を導波（伝搬）する信号光の強度を減衰させることができる。また、電極１０６，１０７に印加する電圧の大きさを変化させることで、ｎ形キャリア供給部１０４及びｐ形キャリア供給部１０５からコア１０２ａに注入されるキャリアの量も変化するので、上述した光減衰を可変とすることが可能となる。
【００２６】
このような構成を有する可変光減衰器において、ｎ形キャリア供給部１０４，ｐ形キャリア供給部１０５が形成されているスラブ１０２は、コア１０２ａの高さの１／２の厚さとしており、充分薄いので、コア１０２ａを中心とした導波路を導波する光は、スラブ１０２ににじみ出すことが無く、コア１０２ａの部分に集中してシングルモードを形成する。従って、図１に示す可変光減衰器によれば、導波路の中の光強度の大きな領域に不純物が導入された領域が存在せず、信号光を減衰させずに伝搬させること可能となっている。
【００２７】
図２は、等価屈折率法で算出したコア１０２ａとこの側方の部分との比屈折率差Δの値、及びスラブ１０２の厚さの関係を示す相関図である。図２は、コア１０２ａの高さを３００ｎｍとした場合を示している。図２から明らかなように、スラブ１０２の厚さをコア１０２ａの半分である１５０ｎｍとした場合、比屈折率差Δは１６％となる。スラブ１０２の厚さをより薄くすると、比屈折率差をより大きくできる。
【００２８】
例えば、スラブ１０２の厚さをコア１０２ａの高さの１／３とすると、比屈折率差Δは、２５％（７５ｎｍ）となる。また、スラブ１０２の厚さをコア１０２ａの高さの１／６（５０ｎｍ）とすると、比屈折率差Δは、３５％以上となる。この比屈折率差は、石英系の平面回路型光学素子では実現できない、シリコン細線で実現可能な急峻な曲げ構造を実現できる程度の大きさである。このように、スラブ１０２の厚さをコア１０２ａの高さの半分未満の小さな値とすることで、より大きな屈折率差を実現することができる。
【００２９】
このように、図１に示す可変光減衰器によれば、急峻な曲げ構造を実現できるというシリコン細線の特長を充分に生かしたＰＩＮダイオード型の電子制御式可変光減動作を実現できる。この結果、図１に示す可変光減衰器によれば、光学素子をより微細化することが可能となり、光学素子の集積化が可能となる。また、図５に示した従来の可変光減衰器に比較して、コアの幅が大幅に小さいので、より高速の動作させることが可能となる。
【００３０】
なお、本実施の形態における可変光減衰器の構成は、図６に示した、シリコン細線が２つの上部クラッドに覆われた光導波路であっても、適用できることはいうまでもない。例えば、図３に示すように構成しても良い。図３は、本発明の他の実施の形態における可変光減衰器の構成例を示す斜視図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【００３１】
図３に示す可変光減衰器について説明すると、まず、酸化シリコンや窒化シリコンなどの絶縁材料からなる下部クラッド層３０１の上に、シリコンからなるスラブ３０２を備えている。スラブ層３０２は、所定の方向に延在するリッジ構造のコア３０２ａを備える。コア３０２ａの部分は、例えば、幅０．２μｍ程度に形成され、コア３０２ａの下部クラッド層３０１界面からの高さは、０．２μｍ程度に形成されている。また、スラブ層３０２は、コア３０２ａの高さの例えば半分の厚さに形成されている。
【００３２】
このように構成されたコア３０２ａは、これより屈折率が小さい材料からなる中間クラッド層３１３に覆われ、これらが、中間クラッド層３１３より屈折率の小さい材料からなる上部クラッド層３０３により覆われている。なお、コア３０ａ以外の領域では、中間クラッド層３１３もしくは上部クラッド層３０３と下部クラッド層３０１の間に、スラブ３０２が挟まれた状態となっている。
【００３３】
また、図３の可変光減衰器においても、コア３０２ａを中心とした導波路の一部に、コア３０２ａの両脇のスラブ３０２に、ｎ形キャリア供給部３０４とｐ形キャリア供給部３０５とを備えている。ｎ形キャリア供給部３０４とｐ形キャリア供給部３０５とは、コア３０２ａを挟んで対向配置されている。また、ｎ形キャリア供給部３０４及びｐ形キャリア供給部３０５には、一部が上部クラッド層３０５の上に露出している電極３０６，３０７が各々接続している。なお、図３（ｂ）では、電極３０６，３０７を省略している。
【００３４】
図３の可変光減衰器でも、電極３０６，３０７に電圧を印加することで、ｎ形キャリア供給部３０４及びｐ形キャリア供給部３０５からキャリアがコア３０２ａに注入され、コア３０２ａからなる導波路を導波（伝搬）する信号光の強度を減衰させることができる。また、電極３０６，３０７に印加する電圧の大きさを変化させることで、ｎ形キャリア供給部３０４及びｐ形キャリア供給部３０５からコア３０２ａに注入されるキャリアの量も変化するので、上述した光減衰を可変とすることが可能となる。
【００３５】
このように構成された図３に示す可変光減衰器においも、ｎ形キャリア供給部３０４，ｐ形キャリア供給部３０５が形成されているスラブ３０２は、コア３０２ａの高さの１／２の厚さとしており、充分薄いので、コア３０２ａを中心とした導波路を導波する光は、スラブ３０２ににじみ出すことが無く、コア３０２ａの部分に集中してシングルモードを形成する。従って、図３に示す可変光減衰器においても、導波路の中の光強度の大きな領域に不純物が導入された領域が存在せず、信号光を減衰させずに伝搬させること可能となっている。
【００３６】
ところで、上述では、導波路の全域にわたってスラブを設けるようにしたが、これに限るものではない。ｐ形キャリア供給部及びｎ形キャリア供給部を備えた可変光減衰器の領域だけにスラブを設けるようにし、他の領域では、スラブが無く、コアが下部クラッド層と上部クラッド層に挟まれた導波路構造となっていても良い。
【００３７】
また、上述では、コアの断面寸法を、０．２μｍとしたが、これに限るものではない。コアの断面は、例えば、一辺が０．２〜０．５μｍの略正方形状となっていれば、シングルモードの光閉じ込め（導波路構造）が、偏波無依存で可能である。なお、コアの断面形状は、正方形に限るものではなく、他縦長や横長の長方形となっていてもよく、この場合は、偏波依存性を持った状態となる。従って、コアの断面寸法は、幅及び高さが０．２〜０．５μｍの範囲となっていればよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、下部クラッド層と上部クラッド層との間に、シリコンからなるスラブを備え、このスラブの一部を厚くすることで断面寸法が０．１〜０．５μｍのコアを形成し、コアを挟むスラブの領域に、ｎ形キャリア供給部とｐ形キャリア供給部とを設けるようにした。
【００３９】
この結果、本発明によれば、コアはシリコン細線となっており、ｎ形キャリア供給部とｐ形キャリア供給部に挟まれた領域では、順方向の電圧を印加すると、ｎ形キャリア供給部及びｐ形キャリア供給部から、キャリアがコアに注入されるようになる。
従って、本発明によれば、シリコン細線をコアとしてこれを絶縁物などのクラッドで覆った導波路で、電気制御により任意の光減衰量を与えられる可変光減衰器が実現できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における可変光減衰器の構成例を示す斜視図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【図２】図１に示した可変光減衰器の、コア１０２ａとこの側方の部分との比屈折率差Δの値、及びスラブ１０２の厚さの関係を示す相関図である。
【図３】本発明の実施の形態における他の可変光減衰器の構成例を示す斜視図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【図４】従来よりあるリブ型導波路の可変光減衰器の構成を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図５】従来よりあるシリコン細線よりなる光導波路の構成を示す斜視図である。
【図６】従来よりあるシリコン細線よりなる光導波路の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０１…下部クラッド層、１０２…スラブ、１０２ａ…コア、１０３…上部クラッド層、１０４…ｎ形キャリア供給部、１０５…ｐ形キャリア供給部、１０６，１０７…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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