(57)【要約】【課題】石英系光導波路素子とシリコン光導波路素子とをモノリシック集積し、これらの素子を低損失で接続する。【解決手段】光導波路デバイスは、石英系光導波路１０３によって構成される光機能素子と、シリコン細線光導波路１０２によって構成される光機能素子と、石英系光導波路１０３によって構成される光機能素子とシリコン細線光導波路１０２によって構成される光機能素子を接続するスポットサイズ変換器１０１とを備える。石英系光導波路１０３によって構成される光機能素子とシリコン細線光導波路１０２によって構成される光機能素子とスポットサイズ変換器１０１とは、同一の基板上にモノリシック集積され、石英系光導波路１０３のコアとシリコン細線光導波路１０２の第１のオーバークラッドとは、基板上の同一層の膜からなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英系光導波路によって構成される光機能素子と、
シリコン光導波路によって構成される光機能素子と、
前記石英系光導波路によって構成される光機能素子と前記シリコン光導波路によって構成される光機能素子を接続するスポットサイズ変換器とを備え、
前記石英系光導波路によって構成される光機能素子と前記シリコン光導波路によって構成される光機能素子と前記スポットサイズ変換器とは、同一の基板上にモノリシック集積され、
前記石英系光導波路のコアと前記シリコン光導波路の第１のオーバークラッドとは、前記基板上の同一層の膜からなることを特徴とする光導波路デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の光導波路デバイスにおいて、
前記石英系光導波路は、前記基板上に形成されたアンダークラッドと、このアンダークラッド上に形成されたコアと、このコアを覆うオーバークラッドとから構成され、
前記シリコン光導波路は、前記基板上に形成されたアンダークラッドと、このアンダークラッド上に形成されたシリコンからなるコアと、このコアを覆う第１のオーバークラッドと、この第１のオーバークラッドを覆う第２のオーバークラッドとから構成され、
前記スポットサイズ変換器は、前記基板上に形成されたアンダークラッドと、このアンダークラッド上に前記石英系光導波路の方向に向かって幅が漸次細くなるように形成されたシリコンからなる第１のコアと、この第１のコアを覆う第２のコアと、この第２のコアを覆うオーバークラッドとから構成され、
前記石英系光導波路のアンダークラッドと前記シリコン光導波路のアンダークラッドと前記スポットサイズ変換器のアンダークラッドとは、同一層の膜からなり、
前記シリコン光導波路のコアと前記スポットサイズ変換器の第１のコアとは、同一層の膜からなり、
前記石英系光導波路のコアと前記シリコン光導波路の第１のオーバークラッドと前記スポットサイズ変換器の第２のコアとは、同一層の膜からなり、
前記石英系光導波路のオーバークラッドと前記シリコン光導波路の第２のオーバークラッドと前記スポットサイズ変換器のオーバークラッドとは、同一層の膜からなることを特徴とする光導波路デバイス。
【請求項３】
請求項１または２記載の光導波路デバイスにおいて、
前記シリコン光導波路は、コアの寸法がサブミクロンオーダであるシリコン細線光導波路であることを特徴とする光導波路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信網の構築に必要な光機能素子を一つの光回路チップに集積した光導波路デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通信網の高速大容量化を支える光通信技術において波長多重伝送が重要な技術となっており、例えば、波長多重伝送技術と伝送パス管理技術とを組み合わせたＲＯＡＤＭ（reconfigurable optical add/drop multiplexer）技術が挙げられる。
ＲＯＡＤＭ技術を適用した光通信網の構築には、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）による波長合分波器と、各波長チャネル毎に設けられた可変光減衰器（ＶＯＡ）とが一つの光回路チップに集積されたＶＭＵＸと呼ばれる光デバイスが用いられている。
【０００３】
現在のＶＭＵＸは、コアおよびクラッドが石英系材料からなる石英系光導波路を基に構成されている。光回路として石英系光導波路素子は広く使用されており、低損失、高信頼性などの優れた特徴を有する（非特許文献１参照）。
消費電力が小さいＶＯＡとして、シリコン細線光導波路内の自由キャリア吸収を動作原理とした素子がある（非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Mark Earnshaw，C.Bolle，M.A.Cappuzzo，E.Chen，L.Gomez，and A.Wong-Foy，“Compact 64 Channel，100GHz VMUX with Low-Power，Fast Attenuators”，Page IWC3，Integrated Photonics and Nanophotonics Research and Applications（IPNRA），Salt Lake City，Utah，July 8，2007，Planer Lightwave Circuits（IWC）
【非特許文献２】K.Yamada，T.Tsuchizawa，T.Watanabe，H.Fukuda，H.Shinojima，  S.Itabashi，“Applications of Low-loss Silicon Photonic Wire Waveguides with Carrier Injection Structures”，4th IEEE International Conference on Group IV Photonics，pp.116-118，Sept.2007
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、石英系光導波路を基に構成されるＶＭＵＸには、以下のような問題があった。
すなわち、ＶＯＡとして、熱光学効果を原理とする位相シフタを備えるマッハツェンダー干渉計を用いており、光の減衰動作に数ミリ秒の時間を要することと、素子単体のサイズが大きく、チャネル数が多くなるとデバイスサイズが大きくなってしまうことと、消費電力が大きいことである。
【０００６】
一方、高速動作可能で、素子サイズが小さく、消費電力が小さいＶＯＡとして、シリコン細線光導波路内の自由キャリア吸収を動作原理とした素子がある。しかし、このようなＶＯＡを用いる場合には、シリコン光導波路と石英系光導波路とを低損失で接続する必要があるが、シリコン光導波路と石英系光導波路とを同一基板上にモノリシック集積することが難しいという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、石英系光導波路素子とシリコン光導波路素子とをモノリシック集積することができ、かつこれらの素子を低損失で接続することができる光導波路デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光導波路デバイスは、石英系光導波路によって構成される光機能素子と、シリコン光導波路によって構成される光機能素子と、前記石英系光導波路によって構成される光機能素子と前記シリコン光導波路によって構成される光機能素子を接続するスポットサイズ変換器とを備え、前記石英系光導波路によって構成される光機能素子と前記シリコン光導波路によって構成される光機能素子と前記スポットサイズ変換器とは、同一の基板上にモノリシック集積され、前記石英系光導波路のコアと前記シリコン光導波路の第１のオーバークラッドとは、前記基板上の同一層の膜からなることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の光導波路デバイスの１構成例において、前記石英系光導波路は、前記基板上に形成されたアンダークラッドと、このアンダークラッド上に形成されたコアと、このコアを覆うオーバークラッドとから構成され、前記シリコン光導波路は、前記基板上に形成されたアンダークラッドと、このアンダークラッド上に形成されたシリコンからなるコアと、このコアを覆う第１のオーバークラッドと、この第１のオーバークラッドを覆う第２のオーバークラッドとから構成され、前記スポットサイズ変換器は、前記基板上に形成されたアンダークラッドと、このアンダークラッド上に前記石英系光導波路の方向に向かって幅が漸次細くなるように形成されたシリコンからなる第１のコアと、この第１のコアを覆う第２のコアと、この第２のコアを覆うオーバークラッドとから構成され、前記石英系光導波路のアンダークラッドと前記シリコン光導波路のアンダークラッドと前記スポットサイズ変換器のアンダークラッドとは、同一層の膜からなり、前記シリコン光導波路のコアと前記スポットサイズ変換器の第１のコアとは、同一層の膜からなり、前記石英系光導波路のコアと前記シリコン光導波路の第１のオーバークラッドと前記スポットサイズ変換器の第２のコアとは、同一層の膜からなり、前記石英系光導波路のオーバークラッドと前記シリコン光導波路の第２のオーバークラッドと前記スポットサイズ変換器のオーバークラッドとは、同一層の膜からなることを特徴とするものである。
また、本発明の光導波路デバイスの１構成例において、前記シリコン光導波路は、コアの寸法がサブミクロンオーダであるシリコン細線光導波路である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、石英系光導波路からなるアレイ導波路回折格子の出力とシリコン光導波路からなる可変光減衰器の入力とを接続するスポットサイズ変換器を、アレイ導波路回折格子および可変光減衰器と同一の基板上に設け、石英系光導波路のコアとシリコン光導波路の第１のオーバークラッドとを基板上の同一層の膜から構成することにより、石英系光導波路素子とシリコン光導波路素子とをモノリシック集積することができ、かつこれらの素子を低損失で接続することができる。
【００１１】
また、本発明では、シリコン光導波路を、コアの寸法がサブミクロンオーダであるシリコン細線光導波路とする。シリコン光導波路においては、コアとなるシリコンが石英系材料と比べて高い屈折率を有しており、サブミクロンオーダの断面形状を有する小さなコアに光を閉じ込めて光を伝搬させるシリコン細線光導波路を用いることにより、素子の小型化による高速化、低消費電力化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係るモノリシック集積光導波路デバイスの構造を示す説明図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るモノリシック集積光導波路デバイスのスポットサイズ変換器の拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るモノリシック集積光導波路デバイスのスポットサイズ変換器の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るモノリシック集積光導波路デバイスのシリコン細線光導波路の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るモノリシック集積光導波路デバイスの石英系光導波路の断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るモノリシック集積光導波路デバイスの平面図である。
【図７】本発明の実施の形態に係るモノリシック集積光導波路デバイスを通過する光信号のスペクトルを示す図である。
【図８】本発明の実施の形態に係るモノリシック集積光導波路デバイスのキャリア注入型可変光減衰器の応答速度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る実施の形態を、図と共に示す。図１は本実施の形態に係るモノリシック集積光導波路デバイスの構造を示す説明図である。
本実施の形態の光導波路デバイスは、シリコン細線光導波路素子と石英系光導波路素子とを同一基板上にモノリシック集積したものであり、モードフィールドサイズ変換を行うスポットサイズ変換器（ＳＳＣ）１０１と、コアの寸法がサブミクロンオーダのシリコン細線光導波路１０２からなる光機能素子であるキャリア注入型可変光減衰器（ＶＯＡ）と、石英系光導波路１０３からなる光機能素子であるアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）とを備えている。なお、図１では、構造を見易くするために、ＳＳＣ１０１とシリコン細線光導波路１０２の内部を透視して記載している。
【００１４】
図２はシリコン細線光導波路１０２と石英系光導波路１０３を接続するＳＳＣ１０１の拡大図である。図３はＳＳＣ１０１を図２のＡ−Ａ’面で切断した断面図であり、ＳＳＣ１０１の断面構造を示す。ＳＳＣ１０１は、シリコン（Ｓｉ）基板２００上に形成された酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなるアンダークラッド２０１と、長手方向（図３の紙面に垂直な方向）にテーパー状に形成されたシリコン（Ｓｉ）コア２０２と、シリコンコア２０２を覆う酸化シリコン（ＳｉＯx）からなる石英系光導波路コア２０３と、石英系光導波路コア２０３を覆う酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜２０４とから構成される。なお、ＳＳＣ１０１の構造および機能については、例えば特開２００４−１８４９８６号公報に開示されている。
【００１５】
図４はシリコン細線光導波路１０２を図２のＢ−Ｂ’面で切断した断面図であり、シリコン細線光導波路１０２の断面構造を示す。シリコン細線光導波路１０２は、シリコン基板２００上に形成された酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなるアンダークラッド３０１と、アンダークラッド３０１上に形成されたシリコンコア３０２と、シリコンコア３０２を覆う酸化シリコン（ＳｉＯx）膜３０３と、酸化シリコン膜３０３を覆う酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜３０４とから構成される。
【００１６】
図５は石英系光導波路１０３を図２のＣ−Ｃ’面で切断した断面図であり、石英系光導波路１０３の断面構造を示す。石英系光導波路１０３は、シリコン基板２００上に形成された酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなるアンダークラッド４０１と、アンダークラッド４０１上に形成された酸化シリコン（ＳｉＯx）からなる石英系光導波路コア４０３と、石英系光導波路コア４０３を覆う酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜４０４とから構成される。
【００１７】
ここで、図３、図４、図５に示した断面を構成する各層は、以下のように共通化されることで、モノリシック集積化が可能となる。
すなわち、ＳＳＣ１０１のアンダークラッド２０１は、シリコン細線光導波路１０２のアンダークラッド３０１および石英系光導波路１０３のアンダークラッド４０１と同層である。
【００１８】
ＳＳＣ１０１のシリコンコア２０２は、シリコン細線光導波路１０２のシリコンコア３０２と同層である。図２に示すようにシリコンコア２０２は、ＳＳＣ１０１内において石英系光導波路１０３の方向に向かって幅（図３の左右方向の寸法）が漸次細くなるようにテーパー状に形成されている。このシリコンコア２０２は、石英系光導波路１０３内には形成されない。すなわち、石英系光導波路１０３においては、図５に示したように、シリコン層がない構造となっている。
【００１９】
ＳＳＣ１０１の石英系光導波路コア２０３は、シリコン細線光導波路１０２の酸化シリコン膜３０３および石英系光導波路１０３の石英系光導波路コア４０３と同層である。ＳＳＣ１０１および石英系光導波路１０３においては、石英系光導波路コア２０３および石英系光導波路コア４０３がコアとして機能するようにその幅（図３、図５の左右方向の寸法）が規定されている。一方、シリコン細線光導波路１０２においては、酸化シリコン膜３０３の幅は規定されていない。すなわち、酸化シリコン膜３０３は、シリコン細線光導波路１０２のオーバークラッドとして機能するように形成されている。
【００２０】
ＳＳＣ１０１の酸化シリコン膜２０４は、シリコン細線光導波路１０２の酸化シリコン膜３０４および石英系光導波路１０３の酸化シリコン膜４０４と同層である。すなわち、酸化シリコン膜２０４，３０４，４０４は、いずれも各光導波路素子のオーバークラッドとして機能するように形成されている。
【００２１】
各構成要素の寸法と屈折率の一例を以下に示す。シリコン基板２００上に形成されたアンダークラッド２０１，３０１，４０１は、厚さが３μｍで屈折率が１．４５  である。
ＳＳＣ１０１のシリコンコア２０２とシリコン細線光導波路１０２のシリコンコア３０２は、屈折率が３．４８で厚さが２００ｎｍである。シリコンコア３０２の幅は４００ｎｍである。一方、シリコンコア２０２の幅は、シリコン細線光導波路１０２とＳＳＣ１０１との境界ではシリコンコア３０２と同じ４００ｎｍであるが、石英系光導波路１０３に近づくにつれてテーパー状に狭くなり、テーパー終端部では８０ｎｍとなっている。
【００２２】
ＳＳＣ１０１の石英系光導波路コア２０３とシリコン細線光導波路１０２の酸化シリコン膜３０３と石英系光導波路１０３の石英系光導波路コア４０３は、屈折率が１．５０で厚さが３μｍである。石英系光導波路コア２０３，４０３の幅は３μｍである。
ＳＳＣ１０１の酸化シリコン膜２０４とシリコン細線光導波路１０２の酸化シリコン膜３０４と石英系光導波路１０３の酸化シリコン膜４０４は、いずれも厚さが５μｍで屈折率が１．４７である。
【００２３】
ＳＳＣ１０１のシリコンコア２０２とシリコン細線光導波路１０２のシリコンコア３０２の材質は、アモルファスシリコン、ポリシリコンなどでも良い。
また、本実施の形態では、ＳＳＣ１０１の石英系光導波路コア２０３とシリコン細線光導波路１０２の酸化シリコン膜３０３と石英系光導波路１０３の石英系光導波路コア４０３に石英系材料として酸化シリコン（ＳｉＯx）を用いているが、屈折率が調整された酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）やポリイミドなどを用いても良い。ただし、シリコン細線光導波路１０２および石英系光導波路１０３がシングルモード条件を満たすように、形状および屈折率が調整されていることが望ましい。
【００２４】
ＥＣＲプラズマは、低圧下で原料ガスが十分に解離したプラズマを生成することが可能であり、屈折率制御のために良好な成膜前駆体が得られる。また、容量結合型プラズマのように、ガスを十分に解離させるために、投入電力量を増大させて温度が上昇してしまう問題がない。このようにＥＣＲプラズマＣＶＤ法によって、光導波路用の高品質な膜が得られる。
【００２５】
図６に、本実施の形態のモノリシック集積光導波路デバイスの平面図を示す。図６において、５０１ａ，５０１ｂは図３のＳＳＣ１０１と同じものである。５０２はシリコン細線光導波路１０２を用いて作製したキャリア注入型可変光減衰器（ＶＯＡ）、５０３は石英系光導波路１０３を用いて作製したアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）である。また、５０４に示す領域はシリコン細線光導波路１０２によって構成されており、５０５に示す領域は石英系光導波路１０３によって構成されている。
【００２６】
ＡＷＧ５０３に入力された光信号は、２００ＧＨｚ間隔の１６チャネルに分波される。ＳＳＣ５０１ａは１６チャネル分設けられている。ＡＷＧ５０３の各出口ポートは、それぞれ対応するチャネルのＳＳＣ５０１ａを介して、ＶＯＡ５０２を構成するシリコン細線光導波路に接続される。これにより、ＡＷＧ５０３によって分波され各出力ポートから出力される光信号は、ＶＯＡ５０２の対応するチャネルの入力ポートに入力される。このとき、ＳＳＣ５０１ａによって導波路のモードフィールド径は縮小される。
【００２７】
ＶＯＡ５０２は、１６チャネル分設けられており、各チャネルの光信号の強度調整をチャネル毎に独立に行うことが可能である。ＳＳＣ５０１ａと同様に、ＳＳＣ５０１ｂは１６チャネル分設けられている。ＶＯＡ５０２の各出力ポートは、それぞれ対応するチャネルのＳＳＣ５０１ｂを介して石英系光導波路（不図示）に接続される。このとき、ＳＳＣ５０１ｂによって導波路のモードフィールド径は拡大される。そして、各チャネルの石英系光導波路は、それぞれデバイス外部の光ファイバと結合される。こうして、出力信号が得られる。なお、ＡＷＧの構造と機能については非特許文献１に開示され、ＶＯＡの構造と機能については非特許文献２に開示されている。
【００２８】
本実施の形態のモノリシック集積光導波路デバイスの作製プロセスの概略は以下のとおりである。まず、シリコン基板と、シリコン基板の上に形成された絶縁層と、絶縁層の上に形成された上層シリコン層とからなるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板を準備する。このＳＯＩ基板の絶縁層が、図３〜図５のアンダークラッド２０１，３０１，４０１となることは言うまでもない。
【００２９】
次に、リソグラフィーとエッチングによってＳＯＩ基板の上層シリコン層を選択的に除去して、ＳＳＣ５０１ａ，５０１ｂのシリコンコア２０２およびＶＯＡ５０２のシリコンコア３０２を形成し、さらにイオン注入と電極作製を行い、ＶＯＡ５０２を作製する。
【００３０】
次に、石英系光導波路による光機能素子（ここではＡＷＧ）を作製する領域において、ＳＯＩ基板の上層シリコン層を除去する。これによってシリコン光導波路機能素子と石英系光導波路機能素子の同一基板上でのモノリシック集積が可能となる。
【００３１】
続いて、ＳＯＩ基板の絶縁層（アンダークラッド４０１）の上に、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によってＡＷＧ５０３（石英系光導波路１０３）のコアとなる酸化シリコン（ＳｉＯx）膜を堆積する。そして、フォトリソグラフィーとエッチングによって酸化シリコン膜を選択的に除去して、ＡＷＧ５０３の石英系光導波路コア４０３を作製する。
最後に、オーバークラッドとなる酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜２０４，３０４，４０４を堆積する。
【００３２】
図７は本実施の形態のモノリシック集積光導波路デバイスを通過する光信号のスペクトルを示す図である。図７によれば、ＡＷＧ５０３によって各チャネルに分波した光信号を、ＶＯＡ５０２によってチャネルごとに光レベル制御することが可能となっていることが分かる。
【００３３】
図８にＶＯＡ５０２の応答速度を示す。ここでは、ＶＯＡ５０２の電極に印加するバイアス電圧を０Ｖとしている。図８から明らかなように、ＶＯＡ５０２の応答速度は１５ｎｓであり、ＡＷＧ５０３とＶＯＡ５０２をモノリシック集積することで、石英系光導波路からなるＶＯＡでは実現できない高速なレベル制御動作が可能となった。
以上のように、本実施の形態によれば、石英系光導波路素子とシリコン細線光導波路素子との集積化が可能となったために、高性能な光素子を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、石英系光導波路素子とシリコン光導波路素子とをモノリシック集積する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０１，５０１ａ，５０１ｂ…スポットサイズ変換器、１０２…シリコン細線光導波路、１０３…石英系光導波路、２００…シリコン基板、２０１，３０１，４０１…アンダークラッド、２０２，３０２…シリコンコア、２０３，４０３…石英系光導波路コア、２０４，３０３，３０４，４０４…酸化シリコン膜、５０２…キャリア注入型可変光減衰器、５０３…アレイ導波路回折格子。
【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７】
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【図８】
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【図１】
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【図６】
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