(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】ｎ形キャリア供給部１０５を、ｎ形不純物に加えて酸素もしくは窒素が添加されたシリコンから構成し、ｐ形キャリア供給部１０６を、ｐ形不純物に加えて酸素もしくは窒素が添加されたシリコンから構成し、これらが形成されている領域においても、コア１０３の周囲がより屈折率の低い材料とし、光がコア１０３に閉じ込められる状態とする。【選択図】        図１
2004170836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部クラッド層と、
この下部クラッド層上に形成されたシリコンからなるコアと、
このコアの一部に接する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コアに接するｐ形キャリア供給部と、
前記コアを覆うように前記下部クラッド層上に形成された上部クラッド層と、
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形成された電極と
を少なくとも備え、
前記ｎ形キャリア供給部は、ｎ形不純物に加えて酸素もしくは窒素が添加されたシリコンから構成され、
前記ｐ形キャリア供給部は、ｐ形不純物に加えて酸素もしくは窒素が添加されたシリコンから構成され
た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、
前記上部クラッド層は、酸素もしくは窒素が添加されたシリコンから構成されたことを特徴とする可変光減衰器。
【請求項３】
請求項２記載の可変光減衰器において、
前記ｎ形キャリア供給部は、前記上部クラッド層の一部にｎ形不純物が導入された領域であり、
前記ｐ形キャリア供給部は、前記上部クラッド層の一部にｐ形不純物が導入された領域である
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、電圧印加で容易に光の減衰を行え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）システム等では、例えばＥＤＦＡ（Ｅｒ  Ｄｏｐｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：Ｅｒドープ光ファイバアンプ）を利用して光ファイバ中を伝搬する光信号を増幅するとともに、光ファイバ中を伝搬する信号光を任意の光強度に減衰させる技術も必要である。
【０００３】
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）。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、リブを挟むように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７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、例えば石英などの絶縁基板からなる下部クラッド７０１の上に形成されたシリコン層７０２にリッジを形成してコア７０３とし、コア７０３の一部の両脇のクラッド層７０４に、ｐ形不純物導入部７０５，ｎ形不純物導入部７０６を形成したものである。なお、ｐ形不純物導入部７０５，ｎ形不純物導入部７０６には、各々金属パッド７０７，７０８が接続されている。
【０００５】
コア７０３は、クラッド層７０４より厚く形成されており、コア７０３の有効屈折率がクラッド層７０４の有効屈折率より相対的に大きなものとなっている。この有効屈折率の差により、コア７０３に光を閉じ込めることが可能となり、コア７０３が導波路として機能する。コア７０３は、例えば、幅４μｍ高さ４μｍ程度に形成され、クラッド層７０４は厚さ２μｍ程度に形成されている。なお、コア７０３のクラッド層７０４上の部分は、高さ２μｍである。このようなリブ型の導波路を導波する光は、コア７０３の部分に最大強度を持ち、クラッド層７０４に数μｍ程度広がった状態で伝搬していく。
【０００６】
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７０７から金属パッド７０８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７０５とｎ形不純物導入部７０６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７０３に対し、ｐ形不純物導入部７０５からは正孔が注入され、ｎ形不純物導入部７０６からは電子が注入され、これら注入されたキャリアがコア７０３を伝搬する光を吸収することによって、コア７０３を伝搬する光を減衰させる。
【０００７】
コア７０３に注入されるキャリアは、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７０５とｎ形不純物導入部７０６は、コア７０３より所定距離離して形成することになる。
【０００８】
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８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８０１の上に、シリコンの細線からなるコア８０２を形成し、コア８０２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８０３で覆ったものである。このように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。
【０００９】
【非特許文献１】
”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＳＰＩＥ”  Ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．  ｖｏｌ４２９３，ｐ１−９（２００１）
【００１０】
【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。このように、シリコン細線を用い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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る可変光減衰器は、下部クラッド層と、この下部クラッド層上に形成されたシリコンからなるコアと、このコアの一部に接する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コアに接するｐ形キャリア供給部と、コアを覆うように下部クラッド層上に形成された上部クラッド層と、ｎ形キャリア供給部及びｐ形キャリア供給部に各々形成された電極とを少なくとも備え、ｎ形キャリア供給部は、ｎ形不純物に加えて酸素もしくは窒素が添加されたシリコンから構成され、ｐ形キャリア供給部は、ｐ形不純物に加えて酸素もしくは窒素が添加されたシリコンから構成されているようにしたものである。
この可変光減衰器では、ｎ形キャリア供給部及びｐ形キャリア供給部が形成された領域においても、コアの周囲がより屈折率の低い材料となっており、光がコアに閉じ込められる状態となっている。
【００１４】
上記可変光減衰器において、上部クラッド層は、酸素もしくは窒素が添加されたシリコンから構成されていてもよい。このとき、ｎ形キャリア供給部は、上部クラッド層の一部にｎ形不純物が導入された領域であり、ｐ形キャリア供給部は、上部クラッド層の一部にｐ形不純物が導入された領域であるようにしてもよい。
【００１５】
【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。
［実施の形態１］
図１は、本発明の第１の実施の形態における可変光減衰器の構成例を示す平面図である。また、図２，図３は、図１に示した可変光減衰器の断面を模式的に示す断面図であり、図２は、図１のＡＡ’線の断面を示し、図３は、図１のＢＢ’線の断面を示している。以下、これら図１，図２，図３を参照し、本実施の形態における可変光減衰器について説明する。
【００１６】
本実施の形態における可変光減衰器では、まず、単結晶シリコンからなる基板１０１の上に、酸化シリコンからなる下部クラッド層１０２を備え、下部クラッド層１０２の上に、導波路を構成するコア１０３が形成されている。コア１０３は、断面視、幅及び厚さがともに０．２〜０．５μｍ程度のシリコン細線となっている。
【００１７】
また、コア１０３の上部及び両側面を覆うように、酸素が添加されたシリコン（例えばポリシリコン）からなる上部クラッド層１０４が形成され、コア１０３とともに導波路を構成している。シリコンは、酸素が添加されることで、屈折率が低下する（Ｗ．Ｃ．Ｌａｉ  ｅｔ．ａｌ  ”Ｇｒｏｗｔｈ  ａｎｄ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＰＥＣＶＤ  Ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ  Ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ  Ｆｉｌｍｓ  ａｎｄ  Ｒｅｓｉｓｔｏｒｓ”  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  ｖｏｌ．１９，ｐ．４１９−４２３，１９９０．）。従って、コア１０３は、コア１０３より低い屈折率の上部クラッド層１０４で覆われていることになる。
【００１８】
加えて、本実施の形態の可変光減衰器では、導波路の一部の上部クラッド層１０４に、ｐ形の不純物が導入されたｐ形キャリア供給部１０５と、ｎ形の不純物が導入されたｎ形キャリア供給部１０６とが、コア１０３を挟むように形成されている。ｐ形キャリア供給部１０５には、ｐ側電極１０７が接触して設けられ、ｎ形キャリア供給部１０６には、ｎ側電極１０８が接触して設けられている。
ｐ形キャリア供給部１０５は、上部クラッド層１０４の一部に、例えばイオン注入法などにより、ホウ素などの不純物を導入することで形成できる。同様に、ｎ形キャリア供給部１０６は、例えばイオン注入法などにより、リンやヒ素などを導入することで形成できる。
【００１９】
以上に構成を示した図１，２，３に示す可変光減衰器によれば、コア１０３を中心とした導波路の一部領域に、ｐ形キャリア供給部１０５，コア１０３，ｎ形キャリア供給部１０６とからなるＰＩＮダイオード構造が設けられている。従って、ｐ側電極１０７とｎ側電極１０８との間に順方向の電圧を印加することで、これらに挟まれたシリコン細線であるコア１０３に、電子とホールとを注入することができる。
【００２０】
上述したように順方向に電圧を印加することで、コア１０３に対し、ｐ形キャリア供給部１０５からは正孔が注入され、ｎ形キャリア供給部１０６からは電子が注入され、これら注入されたキャリアがコア１０３を伝搬する光を吸収することによって、コア１０３を伝搬する光を減衰させる。また、ｐ側電極１０７とｎ側電極１０８とに印加する電圧の大きさを変化させることで、ｐ形キャリア供給部１０５及びｎ形キャリア供給部１０６からコア１０３に注入されるキャリアの量も変化し、上述した光の減衰を可変とすることが可能となる。
【００２１】
また、酸素が添加されたシリコンからなるｐ形キャリア供給部１０５及びｎ形キャリア供給部１０６は、コア１０３より屈折率が小さいため、これらの領域においても、光はコア１０３に閉じ込められた状態となっている。言い換えると、本実施の形態における可変光減衰器では、コア１０３に対してキャリアを供給するｐ形キャリア供給部１０５及びｎ形キャリア供給部１０６が、光強度の大きな領域外に配置されている。この結果、この可変光減衰器では、ｐ側電極１０７とｎ側電極１０８とに電圧を印加しない状態において、導波している光が、ｐ形キャリア供給部１０５及びｎ形キャリア供給部１０６により減衰されてしまうことが抑制されるようになる。
【００２２】
［実施の形態２］
つぎに、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は、本実施の形態における可変光減衰器の構成例を示す平面図である。また、図５，図６は、図４に示した可変光減衰器の断面を模式的に示す断面図であり、図５は、図４のＡＡ’線の断面を示し、図６は、図４のＢＢ’線の断面を示している。以下、これら図４，図５，図６を参照し、本実施の形態における可変光減衰器について説明する。
【００２３】
本実施の形態における可変光減衰器では、まず、単結晶シリコンからなる基板２０１の上に、酸化シリコンからなる下部クラッド層２０２を備え、下部クラッド層２０２の上に、導波路を構成するコア２０３が形成されている。コア２０３は、断面視、幅及び厚さがともに０．２〜０．５μｍ程度のシリコン細線となっている。
【００２４】
また、本実施の形態の可変光減衰器では、コア２０３の一部領域に、酸素を含みかつｐ形の不純物が導入されたシリコンからなるｐ形キャリア供給部２０５と、酸素を含みかつｎ形の不純物が導入されたシリコンからなるｎ形キャリア供給部２０６とが、コア２０３を挟むように形成されている。なお、ｐ形キャリア供給部２０５には、ｐ側電極２０７が接触して設けられ、ｎ形キャリア供給部２０６には、ｎ側電極２０８が接触して設けられている。
【００２５】
また、コア２０３を覆うように、例えば、シリコンより低い屈折率のポリイミドからなる上部クラッド層２０４が形成され、コア２０３とともに導波路を構成している。なお、上部クラッド層２０４は、上記ポリイミドに限らず、酸化シリコン（ＳｉＯ２），酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）などの無機材料や、エポキシ，シリコーン樹脂などの有機材料など、シリコンより低い屈折率の材料を用いるようにしても同様である。前述した実施の形態では、上部クラッド層と各キャリア供給部とを、酸素を含んだシリコンから構成するようにしたが、本実施の形態では、上部クラッド層と各キャリア供給部とを、異なる材料から構成した。
【００２６】
ここで、図５にも示しように、上部クラッド層２０４は、ｐ形キャリア供給部２０５及びｎ形キャリア供給部２０６が形成されている領域においても形成されている。コア２０３のｐ形キャリア供給部２０５及びｎ形キャリア供給部２０６に挟まれた領域では、少なくともコア２０３のｐ形キャリア供給部２０５及びｎ形キャリア供給部２０６から露出している部分が、上部クラッド層２０４により覆われている。図４，図５では、上部クラッド層２０４が、ｐ形キャリア供給部２０５，ｎ形キャリア供給部２０６及びｐ側電極２０７，ｎ側電極２０８の一部を覆うように形成されている例を示している。
【００２７】
以上に構成を示した図４，５，６に示す可変光減衰器によれば、コア２０３を中心とした導波路の一部領域に、ｐ形キャリア供給部２０５，コア２０３，ｎ形キャリア供給部２０６とからなるＰＩＮダイオード構造が設けられている。従って、ｐ側電極２０７とｎ側電極２０８との間に順方向の電圧を印加することで、これらに挟まれたシリコン細線であるコア２０３に、電子とホールとを注入することができる。
【００２８】
上述したように順方向に電圧を印加することで、コア２０３に対し、ｐ形キャリア供給部２０５からは正孔が注入され、ｎ形キャリア供給部２０６からは電子が注入され、これら注入されたキャリアがコア２０３を伝搬する光を吸収することによって、コア２０３を伝搬する光を減衰させる。また、ｐ側電極２０７とｎ側電極２０８とに印加する電圧の大きさを変化させることで、ｐ形キャリア供給部２０５及びｎ形キャリア供給部２０６からコア２０３に注入されるキャリアの量も変化し、上述した光の減衰を可変とすることが可能となる。
【００２９】
また、酸素が添加されたシリコンからなるｐ形キャリア供給部２０５及びｎ形キャリア供給部２０６は、コア２０３より屈折率が小さいため、これらの領域においても、光はコア２０３に閉じ込められた状態となっている。言い換えると、本実施の形態における可変光減衰器では、コア２０３に対してキャリアを供給するｐ形キャリア供給部２０５及びｎ形キャリア供給部２０６が、光強度の大きな領域外に配置されている。この結果、この可変光減衰器では、ｐ側電極２０７とｎ側電極２０８とに電圧を印加しない状態において、導波している光が、ｐ形キャリア供給部２０５及びｎ形キャリア供給部２０６により減衰されてしまうことが抑制されるようになる。
【００３０】
なお、上述では、酸素が添加されたシリコンを用いてｐ形キャリア供給部及びｎ形キャリア供給部を形成するようにしたが、窒素が添加されたシリコンを用いてｐ形キャリア供給部及びｎ形キャリア供給部を形成するようにしても同様である。シリコンに窒素を添加することで、屈折率を小さくすることができる。また、上部クラッド層に、窒素を添加したシリコンを用いるようにしてもよい。また、酸素もしくは窒素を添加したシリコンは、単結晶シリコンであっても良く、多結晶シリコンであっても良く、また、非晶質シリコンであってもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、ｎ形キャリア供給部を、ｎ形不純物に加えて酸素もしくは窒素が添加されたシリコンから構成し、ｐ形キャリア供給部を、ｐ形不純物に加えて酸素もしくは窒素が添加されたシリコンから構成したので、これらが形成されている領域においても、コアの周囲がより屈折率の低い材料となっており、光がコアに閉じ込められる状態となっている。
この結果、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提供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平面図である。
【図２】図１に示した可変光減衰器の断面を模式的に示す断面図である。
【図３】図１に示した可変光減衰器の断面を模式的に示す断面図である。
【図４】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平面図である。
【図５】図４に示した可変光減衰器の断面を模式的に示す断面図である。
【図６】図５に示した可変光減衰器の断面を模式的に示す断面図である。
【図７】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。
【図８】シリコン細線による導波路構成を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…コア、１０４…上部クラッド層、１０５…ｐ形キャリア供給部、１０６…ｎ形キャリア供給部、１０７…ｐ側電極、１０８…ｎ側電極。
【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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