JP2004170764A - 半導体光導波路装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光導波路の入射端から出射端までの長さが短く、曲がり損失の小さい、高速、小型で集積化が可能な半導体光導波路装置を提供する。
【解決手段】半導体基板（１１）内部に複数本の概略Ｓ字状の光導波路（１）を埋設し、光導波路の光入射・出射間に少なくとも２個の光導波路折り返し部 を介在させて一体的に接続し、各光導波路折り返し部の合波部後方端面側に反射部（１６ａ， １６ｂ； １７ａ， １７ｂ）を形成した。
【選択図】 図１
【解決手段】半導体基板（１１）内部に複数本の概略Ｓ字状の光導波路（１）を埋設し、光導波路の光入射・出射間に少なくとも２個の光導波路折り返し部 を介在させて一体的に接続し、各光導波路折り返し部の合波部後方端面側に反射部（１６ａ， １６ｂ； １７ａ， １７ｂ）を形成した。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体光集積回路で使用する半導体光導波路に関し、特に、同一半導体基板に集積した曲がり導波路に２個以上の折り返し反射部を設けた半導体光導波路装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、個別の部品を組立てて作製していた回路素子を同一の半導体チップ上に形成してモノリシック集積回路構成とすることによって、回路装置の小型化、低コスト化、高信頼化、生産性向上が図られている。一方、情報通信機器の高性能化に伴う膨大なデータ通信量に対応するために、光ファイバを用いた光通信網の普及が不可欠となっている。半導体材料を用いた各種光素子は同一材料系で構成されることから、光通信網における光伝送路として、高速、小型で集積化が可能な半導体光導波路が広く用いられている。以後の説明では、半導体光導波路を有し、各種半導体光素子を組合せて同一の半導体チップ基板に集積した構成体を「半導体光導波路装置」または単に「半導体光装置」と呼ぶこととする。
【０００３】
半導体光装置において、光の進行方向を変更したい場合には、一般にＳ字型の曲がり部を有する光導波路が用いられる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
図５（ａ）は従来のＳ字型の曲がり導波路を備えた半導体光装置の概略斜視図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の切断線Ａ−Ａ’における断面図である。図５（ａ）および（ｂ）において、参照番号１は光導波路、１１は半導体チップのｎ型ＩｎＰ基板、１２は光導波路のＩｎＧａＡｓＰコア層、１３はｐ型ＩｎＰクラッド層、１４は半絶縁性ＩｎＰ埋込層である。入射側端部Ｐから入射した光はＳ字型曲がり導波路によって進行方向がＸだけ横方向にずれた後、出射側端部Ｑから出射される。このような曲がり導波路においては、曲がりによる光の損失を低減することが重要である。曲がり損失は、導波路の曲がり部の曲率半径が所定値より小さくなると急激に増大する。
【０００５】
図６は、本発明者によって、導波路の曲がりによる光の損失と曲がり部の曲率半径Ｒとの関係をビーム伝搬法により計算した結果を示したグラフである。グラフから明らかなように、曲がり損失を低減するためには、曲率半径を２４００μｍ以上とする必要があることを示している。
【０００６】
一方、従来の高速、小型で高効率な導波型光装置の応用例として、方向性結合器を多段に接続し、各方向性結合器の一端側の壁開面に反射膜を形成し、ＬｉＮｂＯ３基板上にＴｉをストライプ状に拡散することにより形成した複数本の光導波路を備えた導波型光スイッチが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【非特許文献１】
ピー・ブイ・スツデンコフ （Ｐ．Ｖ． Ｓｔｕｄｅｎｋｏｖ） 他６名著「モノリシック・インテグレーション・オブアン・オールオプチカルマッハツェンダ・デマルチプレクサ・ユージングアン・アシメトリック・ツウィンウェイブガイドストラクチャ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ Ａｌｌ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ Ｕｓｉｎｇ ａｎ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｔｗｉｎ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）」 アイイーイーイーフォトニックステクノロジーレターズ （ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ） 第１３巻、第６版、２００１年６月、ｐ．６００、図１）
【特許文献１】
特開平３−２５６０２８号公報（第１図、第２図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５（ａ），（ｂ）に示す従来の構成では、曲率半径を最小限の２４００μｍとした場合、光の進行方向を横方向に例えば２００μｍずらすためには、導波路の入射端から出射端までの長さＬは、幾何学的な計算により下記の式１で与えられる。
Ｌ ＝ ２＊（Ｒ−Ｘ／２（Ｎ＋１））＊ｔａｎ（ａｃｏｓ（（Ｒ−Ｘ／２（Ｎ＋１））／Ｒ）） ．．． ．．． 式１
上記式１にＸ＝２００μｍ，ＮはＹ分岐部の個数でＮ＝１，Ｒ＝２４００μｍを代入することにより、長さＬは１３７１μｍと大きなサイズとなり、半導体光装置の大型化と高コストの原因となっていた。したがって、装置の小型化や低コスト化のためには、曲がり損失を低減しながら、導波路の入射端から出射端までの長さＬを短くした半導体光導波路の実現が緊要であった。
【０００９】
一方、上記特許文献１に開示の構成では、光屈折率が２以下（略１．５程度）のＬｉＮｂＯ３基板上に、Ｔｉをストライプ状に拡散することにより形成した光導波路において、方向性結合器を多段に接続し、各方向性結合器の一端側の壁開面に反射膜を形成し装置の長さＬを短くした構成である。しかし、基板および光導波路を半導体材料で構成したものではないため、高速、小型で集積化することに難点があり、基板が低屈折率であるためサイズが大きくなっていた。また、基板上面部に導波路が形成されているため、外部部材との干渉による損傷、装置の小形化に問題があった。さらに、各方向性結合器の一端側の反射膜を装置の壁開面に形成しているため、反射膜が外部に露出し、劣化し易いといった課題があった。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、光導波路の入射端から出射端までの長さが短く、曲がり損失の小さい、高速、小型で集積化が可能な半導体光導波路装置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】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体光導波路装置は、半導体基板内部に複数本の概略Ｓ字状の曲がり導波路が埋設され、少なくとも２個の光導波路折り返し部が前記曲がり導波路の光入射・出射間に介在して接続され、各光導波路折り返し部の合波部後方端面側の前記半導体基板内部に反射部が形成されたことを特徴とする。上記構成において各光導波路折り返し部は、Ｙ分岐型合分波器、ＭＭＩカプラまたは方向性結合器で構成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図４を用いて本発明の実施の形態について詳述する。なお、各図において共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明については省略している。また、光導波路の図示において、本来、基板内に埋設されている部分は破線で図示されるべきであるが、構成を分かり易くするために実線で示している。
【００１３】
（実施の形態１）
本発明の第１の実施の形態に係る半導体光導波路装置について図１（ａ），（ｂ），（ｃ）を参照して以下に説明する。本実施の形態１では各光導波路折り返し部がＹ分岐型合分波器で構成された場合を例示するものである。図１（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る半導体光導波路を有する半導体光装置１０の概略構成を示す斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）の切断線Ｂ−Ｂ’における断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）の切断線Ｃ−Ｃ’における要部拡大断面図である。
【００１４】
同図において、参照番号１は光導波路、１１は半導体チップのｎ型ＩｎＰ基板、１２は光導波路のＩｎＧａＡｓＰコア層、１３はｐ型ＩｎＰクラッド層、１４は半絶縁性ＩｎＰ埋込層である。本実施の形態では、図１（ｂ）に示すように、光導波路１のコア層１２はクラッド層１３の下部に埋設され、半導体基板１１の半絶縁性ＩｎＰ埋込層１４内部の所定深さレベルに形成されている。
【００１５】
参照番号１５ａ、１５ｂはそれぞれ第１および第２のＹ分岐型光合分波器（以後、「Ｙ分岐部」と略称する）、１６ａおよび１６ｂはそれぞれ第１および第２の反射部である。図１（ｃ）に示すように、Ｙ分岐部１５ａ（１５ｂも同様）の合波端部１５ｃは光学鏡面に研磨されており、各反射部はＹ分岐部の合波端部に隣接する位置に形成されている。これら反射部１６ａ（および１６ｂ）は半導体基板１１の所定箇所をドライエッチングすることにより、矩形状の掘り込み凹部として形成される。
【００１６】
反射部１６ａ（１６ｂ）の側面のうち、Ｙ分岐部１５ａ（１５ｂ）の端部１５ｃに対向隣接する各一側面には第１（および第２）の反射膜１７ａ（１７ｂ）がそれぞれ形成されている。これらの反射膜１７ａ，１７ｂは、例えばアルミニウム等の金属膜を蒸着することにより形成され、光の反射率を高める構成としている。本実施の形態では、反射部端面に形成された蒸着金属膜１７ａ（１７ｂ） の反射率が３０％以上となるように構成している。なお、反射膜の他の金属材料としては、チタン、クロム、金、プラチナ、ニッケル等も使用可能である。
【００１７】
なお、反射膜１７ａ，１７ｂは金属膜の蒸着以外に絶縁体膜によっても形成することができる。また、反射部１６ａ，１６ｂの矩形状掘り込み凹部には絶縁体を充填することにより反射面を形成してもよい。
【００１８】
上記構成により、光入射端部Ｐから入射した光は、２個のＹ分岐部１５ａ、１５ｂが介在する３本のＳ字型曲がり導波路によって進行方向がＸだけ横方向にずれた出射端部Ｑから出射される。また、図示の例では曲がり導波路にＹ分岐部を２個だけ設けた場合について説明しているが、３個以上のＹ分岐部を設けた多段反射型の構成としてもよい。
【００１９】
図１（ａ）の構成において、例えば、光の進行方向を横方向にずらす距離Ｘを２００μｍとし、Ｙ分岐部の個数をＮ＝２とし、曲がり導波路の曲率半径をＲ＝２４００μｍとした場合、導波路の入射端から出射端までの長さＬは、前述の式１にＸ＝２００μｍ，Ｎ＝２，Ｒ＝２４００μｍを代入することにより求められ、Ｌは７９７μｍとなり、従来の長さＬ＝１３７１μｍに比べて５８％に小さくできる。このように曲がり導波路にＹ分岐部を２個以上設けて光を反射して折り返す構成とすることにより、小型サイズの半導体光装置で光の進路方向をずらすことが可能となる。
【００２０】
本実施の形態によれば、装置の小型化が可能となり、コストの低減を図ることができる。また、基板および光導波路を半導体材料で構成しているため、高速、小型で集積化が可能であり、さらに、半導体基板の内部に導波路が埋め込み形成されているため、外部部材との干渉がなく高い安定性が得られ、装置の高さ方向のサイズの小形化も可能となる。また、各反射膜を半導体基板の内部に形成し、反射膜が外部に露出することがないため、その劣化が効果的に防止される。
なお、光導波路のコア層の厚さ及び幅は、使用波長において高次モードのカットオフ条件を満たすように設定され、本実施の形態１では、入射光として波長１．５５μｍ帯で使用し、コア層１２の組成ＩｎＧａＡｓＰは光の使用波長に対して光吸収の小さい組成よりなる構成としている。
【００２１】
（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態に係る半導体光導波路装置について図２を参照して以下に説明する。実施の形態１では導波路を折り返す方法としてＹ分岐型の合分波器を用いたが、本実施の形態２では導波路を折り返す方法としてＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラを用いた場合を例示するものである。
【００２２】
図２は、本発明の実施の形態２に係る半導体光導波路を有する半導体光装置２０の概略構成を示す斜視図である。図２において、参照番号２１ａおよび２１ｂは第１および第２のＭＭＩカプラであり、各ＭＭＩカプラの導波路と反対側の端部側に隣接してそれぞれ反射部１６ａ，１６ｂが形成され、各反射部１６ａ，１６ｂのＭＭＩカプラ２１ａ，２１ｂとそれぞれ対向隣接する一端面には、例えばアルミニウム等の金属膜を蒸着することにより反射膜１７ａ，１７ｂがそれぞれ形成され、光の反射率を高める構成としている。
【００２３】
ＭＭＩカプラの構成例としては、例えば、幅Ｗが６μｍ、長さＬ１が４０μｍの矩形導波路を用いることができる。図２の構成においても、ＭＭＩカプラの個数をＮとすれば、前述のＬに関する式１を用いて下記の式２の関係が成り立つ。
Ｌ ＝ Ｌ１ ＋ ２＊（Ｒ−Ｘ／２（Ｎ＋１））＊ｔａｎ（ａｃｏｓ（（Ｒ−Ｘ／２（Ｎ＋１））／Ｒ）） ．．． ．．． 式２
【００２４】
よって、本実施の形態２においても、前述の式２にＬ１＝４０μｍ，Ｘ＝２００μｍ，Ｎ＝２，Ｒ＝２４００μｍを代入することにより、導波路の入射端から出射端までの長さＬは８３７μｍとなり、従来の長さに比べて格段に小さくできる。このようにして装置の小型化が可能となり、コストの低減を図ることができ、実施の形態１と同様の効果が得られる。なお、本実施の形態２では、入射光として波長１．５５μｍ帯で使用し、コア層１２の組成ＩｎＧａＡｓＰは光の使用波長に対して光吸収の小さい組成よりなる構成としている。
【００２５】
（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態に係る半導体光導波路について図３（ａ），（ｂ）を参照して以下に説明する。実施の形態１では導波路を折り返す方法としてＹ分岐型の合分波器を用いたが、本実施の形態３では導波路を折り返す方法として方向性光結合器を用いた場合を例示するものである。実施の形態１，２では分岐による光の損失が発生するが、本実施の形態３では分岐端がないので、分岐による光の損失は発生しない。
【００２６】
図３（ａ）は、本発明の実施の形態３に係る半導体光導波路を有する半導体光装置３０の概略構成を示す斜視図、図３（ｂ）はその要部拡大上面図である。図３（ａ），（ｂ）において、参照番号３１ａおよび３１ｂはそれぞれ第１および第２の方向性光結合器であり、各方向性光結合器は２本の光導波路を並列近接させることにより構成され、各方向性光結合器の端部側３１ｃに隣接して実施の形態１，２と同様にそれぞれ反射部１６ａ，１６ｂが形成され、各反射部の方向性光結合器の端部側３１ｃに隣接した一端面には、反射膜１７ａ，１７ｂがそれぞれ形成されている。
【００２７】
方向性光結合器の構成例としては、例えば、導波路幅ｔが１．５μｍ、導波路間隔ｄが１μｍ、導波路長さＬ２が２５０μｍの導波路を用いることができる。図３（ａ）のように構成した装置の長さＬは方向性光結合器の個数をＮとすれば、前述のＬに関する式１を用いて、下記の式３の関係が成り立つ。
Ｌ ＝ Ｌ２ ＋ ２＊（Ｒ−Ｘ／２（Ｎ＋１））＊ｔａｎ（ａｃｏｓ（（Ｒ−Ｘ／２（Ｎ＋１））／Ｒ）） ．．． ．．． 式３
【００２８】
よって、前述の式３にＬ２＝２５０μｍ，Ｘ＝２００μｍ，Ｎ＝２，Ｒ＝２４００μｍを代入することにより、装置の長さは１０４７μｍとなり、従来の長さに比べて７６％に小さくできる。したがって、本実施の形態によれば、装置の小型化が可能となり、コストの低減を図ることができ、実施の形態１と同様の効果が得られる。例えば光屈折率が略３．２程度のＩｎＰ半導体基板を用いた場合、従来の光屈折率が略１．５程度のＬｉＮｂＯ３基板を用いた場合に比べて、Ｙ分岐型の合分波器、ＭＭＩカプラ、方向性光結合器のいずれの場合においても、基板サイズを約１／２に小型化できる。なお、本実施の形態では、入射光として波長１．５５μｍ帯で使用し、コア層１２の組成ＩｎＧａＡｓＰは光の使用波長に対して光吸収の小さい組成よりなる構成としている。
【００２９】
（実施の形態４）
本発明の第４の実施の形態に係る半導体光導波路について図４（ａ），（ｂ），（ｃ）を参照して以下に説明する。図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は本実施の形態４に係る半導体光導波路の変形例１〜３を示す断面図である。即ち、前述の実施の形態１〜３では光導波路のコア層をクラッド層の下部に埋め込んだ構造としたが、本実施の形態４では図４（ａ），（ｂ），（ｃ）の断面図に示すようにリッジ型（細長い隆起部形状）の光導波路として基板上部に構成したものである。
【００３０】
図４（ａ）に示す変形例１では、ｎ型ＩｎＰ基板１１の上面にＩｎＧａＡｓＰコア層１２が形成され、コア層１２の上部にｐ型ＩｎＰクラッド層１３が形成され、クラッド層１３の中央位置にクラッド凸状部１３ａを形成したものである。
【００３１】
図４（ｂ）に示す変形例２では、ｎ型ＩｎＰ基板１１の上面中央位置に凸状部１１ａを形成し、その上面にコア層１２が形成され、さらにその上部にクラッド層１３が形成されたものである。
【００３２】
図４（ｃ）に示す変形例３では、ｎ型ＩｎＰ基板１１上にＩｎＧａＡｓＰコア層１２が形成され、コア層１２の上部にｐ型ＩｎＰクラッド層１３が形成され、クラッド層１３の中央位置にクラッド凸状部１３ａを形成したことは変形例１と同様である。上記構成において、更に、クラッド凸状部１３ａの上部にｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２４、さらにその上面部にＳｉＯ２絶縁膜２５を形成している。このように、光導波路１の下部領域を含む半導体チップ基板１１上コア層１２が、クラッド層１３の所定の深さレベルに形成され、コンタクト層２４の上部はＳｉＯ２絶縁膜２５で上面全体が被膜されている。なお、上記変形例１〜３では、入射光として波長１．５５μｍ帯で使用し、コア層１２の組成ＩｎＧａＡｓＰは光の使用波長に対して光吸収の小さい組成よりなる構成としている。
【００３３】
上記断面構成のように、同一基板上にモノリシック （ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ） に光導波路を集積したことにより、半導体光装置を小型化でき、製造コストを低減できる効果があることは前述の実施の形態１〜３と同様である。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、チップ基板および光導波路を半導体材料で構成し、光導波路折り返し部が曲がり導波路間に介在して一体的に接続されているため、高速、小型で高集積化が可能可能となり、コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１に係る半導体光導波路を有する半導体光装置の概略斜視図、（ｂ）は（ａ）の切断線Ｂ−Ｂ’における断面図、（ｃ）は（ａ）の切断線Ｃ−Ｃ’における要部拡大断面図。
【図２】本発明の実施の形態２に係る半導体光導波路を有する半導体光装置の概略構成を示す斜視図。
【図３】（ａ）は本発明の実施の形態３に係る半導体光導波路を有する半導体光装置の概略構成を示す斜視図、（ｂ）はその要部拡大上面図。
【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ）は実施の形態４に係る半導体光導波路の変形例１〜３を示す断面図。
【図５】（ａ）は従来の曲がり導波路を備えた半導体光装置の概略斜視図、（ｂ）は（ａ）の切断線Ａ−Ａ’における断面図。
【図６】導波路の曲がりによる光の損失と曲がり部の曲率半径との関係を示すグラフ図。
【符号の説明】
１ 光導波路、 １０，２０，３０ 半導体光導波路装置、 １１ 半導体基板、 １２ コア層、 １３ クラッド層、 １４ 半絶縁性埋込層、 １５ａ，１５ｂ Ｙ分岐型光合分波器、 １５ｃ 合波端部、 １６ａ，１６ｂ 反射部、 １７ａ，１７ｂ 反射膜、 ２１ａ，２１ｂ ＭＭＩカプラ、 ３１ａ，３１ｂ 方向性光結合器、 ３１ｃ 方向性光結合器端部３１ｃ
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体光集積回路で使用する半導体光導波路に関し、特に、同一半導体基板に集積した曲がり導波路に２個以上の折り返し反射部を設けた半導体光導波路装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、個別の部品を組立てて作製していた回路素子を同一の半導体チップ上に形成してモノリシック集積回路構成とすることによって、回路装置の小型化、低コスト化、高信頼化、生産性向上が図られている。一方、情報通信機器の高性能化に伴う膨大なデータ通信量に対応するために、光ファイバを用いた光通信網の普及が不可欠となっている。半導体材料を用いた各種光素子は同一材料系で構成されることから、光通信網における光伝送路として、高速、小型で集積化が可能な半導体光導波路が広く用いられている。以後の説明では、半導体光導波路を有し、各種半導体光素子を組合せて同一の半導体チップ基板に集積した構成体を「半導体光導波路装置」または単に「半導体光装置」と呼ぶこととする。
【０００３】
半導体光装置において、光の進行方向を変更したい場合には、一般にＳ字型の曲がり部を有する光導波路が用いられる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
図５（ａ）は従来のＳ字型の曲がり導波路を備えた半導体光装置の概略斜視図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の切断線Ａ−Ａ’における断面図である。図５（ａ）および（ｂ）において、参照番号１は光導波路、１１は半導体チップのｎ型ＩｎＰ基板、１２は光導波路のＩｎＧａＡｓＰコア層、１３はｐ型ＩｎＰクラッド層、１４は半絶縁性ＩｎＰ埋込層である。入射側端部Ｐから入射した光はＳ字型曲がり導波路によって進行方向がＸだけ横方向にずれた後、出射側端部Ｑから出射される。このような曲がり導波路においては、曲がりによる光の損失を低減することが重要である。曲がり損失は、導波路の曲がり部の曲率半径が所定値より小さくなると急激に増大する。
【０００５】
図６は、本発明者によって、導波路の曲がりによる光の損失と曲がり部の曲率半径Ｒとの関係をビーム伝搬法により計算した結果を示したグラフである。グラフから明らかなように、曲がり損失を低減するためには、曲率半径を２４００μｍ以上とする必要があることを示している。
【０００６】
一方、従来の高速、小型で高効率な導波型光装置の応用例として、方向性結合器を多段に接続し、各方向性結合器の一端側の壁開面に反射膜を形成し、ＬｉＮｂＯ３基板上にＴｉをストライプ状に拡散することにより形成した複数本の光導波路を備えた導波型光スイッチが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【非特許文献１】
ピー・ブイ・スツデンコフ （Ｐ．Ｖ． Ｓｔｕｄｅｎｋｏｖ） 他６名著「モノリシック・インテグレーション・オブアン・オールオプチカルマッハツェンダ・デマルチプレクサ・ユージングアン・アシメトリック・ツウィンウェイブガイドストラクチャ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ Ａｌｌ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ Ｕｓｉｎｇ ａｎ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｔｗｉｎ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）」 アイイーイーイーフォトニックステクノロジーレターズ （ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ） 第１３巻、第６版、２００１年６月、ｐ．６００、図１）
【特許文献１】
特開平３−２５６０２８号公報（第１図、第２図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５（ａ），（ｂ）に示す従来の構成では、曲率半径を最小限の２４００μｍとした場合、光の進行方向を横方向に例えば２００μｍずらすためには、導波路の入射端から出射端までの長さＬは、幾何学的な計算により下記の式１で与えられる。
Ｌ ＝ ２＊（Ｒ−Ｘ／２（Ｎ＋１））＊ｔａｎ（ａｃｏｓ（（Ｒ−Ｘ／２（Ｎ＋１））／Ｒ）） ．．． ．．． 式１
上記式１にＸ＝２００μｍ，ＮはＹ分岐部の個数でＮ＝１，Ｒ＝２４００μｍを代入することにより、長さＬは１３７１μｍと大きなサイズとなり、半導体光装置の大型化と高コストの原因となっていた。したがって、装置の小型化や低コスト化のためには、曲がり損失を低減しながら、導波路の入射端から出射端までの長さＬを短くした半導体光導波路の実現が緊要であった。
【０００９】
一方、上記特許文献１に開示の構成では、光屈折率が２以下（略１．５程度）のＬｉＮｂＯ３基板上に、Ｔｉをストライプ状に拡散することにより形成した光導波路において、方向性結合器を多段に接続し、各方向性結合器の一端側の壁開面に反射膜を形成し装置の長さＬを短くした構成である。しかし、基板および光導波路を半導体材料で構成したものではないため、高速、小型で集積化することに難点があり、基板が低屈折率であるためサイズが大きくなっていた。また、基板上面部に導波路が形成されているため、外部部材との干渉による損傷、装置の小形化に問題があった。さらに、各方向性結合器の一端側の反射膜を装置の壁開面に形成しているため、反射膜が外部に露出し、劣化し易いといった課題があった。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、光導波路の入射端から出射端までの長さが短く、曲がり損失の小さい、高速、小型で集積化が可能な半導体光導波路装置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】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体光導波路装置は、半導体基板内部に複数本の概略Ｓ字状の曲がり導波路が埋設され、少なくとも２個の光導波路折り返し部が前記曲がり導波路の光入射・出射間に介在して接続され、各光導波路折り返し部の合波部後方端面側の前記半導体基板内部に反射部が形成されたことを特徴とする。上記構成において各光導波路折り返し部は、Ｙ分岐型合分波器、ＭＭＩカプラまたは方向性結合器で構成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図４を用いて本発明の実施の形態について詳述する。なお、各図において共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明については省略している。また、光導波路の図示において、本来、基板内に埋設されている部分は破線で図示されるべきであるが、構成を分かり易くするために実線で示している。
【００１３】
（実施の形態１）
本発明の第１の実施の形態に係る半導体光導波路装置について図１（ａ），（ｂ），（ｃ）を参照して以下に説明する。本実施の形態１では各光導波路折り返し部がＹ分岐型合分波器で構成された場合を例示するものである。図１（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る半導体光導波路を有する半導体光装置１０の概略構成を示す斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）の切断線Ｂ−Ｂ’における断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）の切断線Ｃ−Ｃ’における要部拡大断面図である。
【００１４】
同図において、参照番号１は光導波路、１１は半導体チップのｎ型ＩｎＰ基板、１２は光導波路のＩｎＧａＡｓＰコア層、１３はｐ型ＩｎＰクラッド層、１４は半絶縁性ＩｎＰ埋込層である。本実施の形態では、図１（ｂ）に示すように、光導波路１のコア層１２はクラッド層１３の下部に埋設され、半導体基板１１の半絶縁性ＩｎＰ埋込層１４内部の所定深さレベルに形成されている。
【００１５】
参照番号１５ａ、１５ｂはそれぞれ第１および第２のＹ分岐型光合分波器（以後、「Ｙ分岐部」と略称する）、１６ａおよび１６ｂはそれぞれ第１および第２の反射部である。図１（ｃ）に示すように、Ｙ分岐部１５ａ（１５ｂも同様）の合波端部１５ｃは光学鏡面に研磨されており、各反射部はＹ分岐部の合波端部に隣接する位置に形成されている。これら反射部１６ａ（および１６ｂ）は半導体基板１１の所定箇所をドライエッチングすることにより、矩形状の掘り込み凹部として形成される。
【００１６】
反射部１６ａ（１６ｂ）の側面のうち、Ｙ分岐部１５ａ（１５ｂ）の端部１５ｃに対向隣接する各一側面には第１（および第２）の反射膜１７ａ（１７ｂ）がそれぞれ形成されている。これらの反射膜１７ａ，１７ｂは、例えばアルミニウム等の金属膜を蒸着することにより形成され、光の反射率を高める構成としている。本実施の形態では、反射部端面に形成された蒸着金属膜１７ａ（１７ｂ） の反射率が３０％以上となるように構成している。なお、反射膜の他の金属材料としては、チタン、クロム、金、プラチナ、ニッケル等も使用可能である。
【００１７】
なお、反射膜１７ａ，１７ｂは金属膜の蒸着以外に絶縁体膜によっても形成することができる。また、反射部１６ａ，１６ｂの矩形状掘り込み凹部には絶縁体を充填することにより反射面を形成してもよい。
【００１８】
上記構成により、光入射端部Ｐから入射した光は、２個のＹ分岐部１５ａ、１５ｂが介在する３本のＳ字型曲がり導波路によって進行方向がＸだけ横方向にずれた出射端部Ｑから出射される。また、図示の例では曲がり導波路にＹ分岐部を２個だけ設けた場合について説明しているが、３個以上のＹ分岐部を設けた多段反射型の構成としてもよい。
【００１９】
図１（ａ）の構成において、例えば、光の進行方向を横方向にずらす距離Ｘを２００μｍとし、Ｙ分岐部の個数をＮ＝２とし、曲がり導波路の曲率半径をＲ＝２４００μｍとした場合、導波路の入射端から出射端までの長さＬは、前述の式１にＸ＝２００μｍ，Ｎ＝２，Ｒ＝２４００μｍを代入することにより求められ、Ｌは７９７μｍとなり、従来の長さＬ＝１３７１μｍに比べて５８％に小さくできる。このように曲がり導波路にＹ分岐部を２個以上設けて光を反射して折り返す構成とすることにより、小型サイズの半導体光装置で光の進路方向をずらすことが可能となる。
【００２０】
本実施の形態によれば、装置の小型化が可能となり、コストの低減を図ることができる。また、基板および光導波路を半導体材料で構成しているため、高速、小型で集積化が可能であり、さらに、半導体基板の内部に導波路が埋め込み形成されているため、外部部材との干渉がなく高い安定性が得られ、装置の高さ方向のサイズの小形化も可能となる。また、各反射膜を半導体基板の内部に形成し、反射膜が外部に露出することがないため、その劣化が効果的に防止される。
なお、光導波路のコア層の厚さ及び幅は、使用波長において高次モードのカットオフ条件を満たすように設定され、本実施の形態１では、入射光として波長１．５５μｍ帯で使用し、コア層１２の組成ＩｎＧａＡｓＰは光の使用波長に対して光吸収の小さい組成よりなる構成としている。
【００２１】
（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態に係る半導体光導波路装置について図２を参照して以下に説明する。実施の形態１では導波路を折り返す方法としてＹ分岐型の合分波器を用いたが、本実施の形態２では導波路を折り返す方法としてＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラを用いた場合を例示するものである。
【００２２】
図２は、本発明の実施の形態２に係る半導体光導波路を有する半導体光装置２０の概略構成を示す斜視図である。図２において、参照番号２１ａおよび２１ｂは第１および第２のＭＭＩカプラであり、各ＭＭＩカプラの導波路と反対側の端部側に隣接してそれぞれ反射部１６ａ，１６ｂが形成され、各反射部１６ａ，１６ｂのＭＭＩカプラ２１ａ，２１ｂとそれぞれ対向隣接する一端面には、例えばアルミニウム等の金属膜を蒸着することにより反射膜１７ａ，１７ｂがそれぞれ形成され、光の反射率を高める構成としている。
【００２３】
ＭＭＩカプラの構成例としては、例えば、幅Ｗが６μｍ、長さＬ１が４０μｍの矩形導波路を用いることができる。図２の構成においても、ＭＭＩカプラの個数をＮとすれば、前述のＬに関する式１を用いて下記の式２の関係が成り立つ。
Ｌ ＝ Ｌ１ ＋ ２＊（Ｒ−Ｘ／２（Ｎ＋１））＊ｔａｎ（ａｃｏｓ（（Ｒ−Ｘ／２（Ｎ＋１））／Ｒ）） ．．． ．．． 式２
【００２４】
よって、本実施の形態２においても、前述の式２にＬ１＝４０μｍ，Ｘ＝２００μｍ，Ｎ＝２，Ｒ＝２４００μｍを代入することにより、導波路の入射端から出射端までの長さＬは８３７μｍとなり、従来の長さに比べて格段に小さくできる。このようにして装置の小型化が可能となり、コストの低減を図ることができ、実施の形態１と同様の効果が得られる。なお、本実施の形態２では、入射光として波長１．５５μｍ帯で使用し、コア層１２の組成ＩｎＧａＡｓＰは光の使用波長に対して光吸収の小さい組成よりなる構成としている。
【００２５】
（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態に係る半導体光導波路について図３（ａ），（ｂ）を参照して以下に説明する。実施の形態１では導波路を折り返す方法としてＹ分岐型の合分波器を用いたが、本実施の形態３では導波路を折り返す方法として方向性光結合器を用いた場合を例示するものである。実施の形態１，２では分岐による光の損失が発生するが、本実施の形態３では分岐端がないので、分岐による光の損失は発生しない。
【００２６】
図３（ａ）は、本発明の実施の形態３に係る半導体光導波路を有する半導体光装置３０の概略構成を示す斜視図、図３（ｂ）はその要部拡大上面図である。図３（ａ），（ｂ）において、参照番号３１ａおよび３１ｂはそれぞれ第１および第２の方向性光結合器であり、各方向性光結合器は２本の光導波路を並列近接させることにより構成され、各方向性光結合器の端部側３１ｃに隣接して実施の形態１，２と同様にそれぞれ反射部１６ａ，１６ｂが形成され、各反射部の方向性光結合器の端部側３１ｃに隣接した一端面には、反射膜１７ａ，１７ｂがそれぞれ形成されている。
【００２７】
方向性光結合器の構成例としては、例えば、導波路幅ｔが１．５μｍ、導波路間隔ｄが１μｍ、導波路長さＬ２が２５０μｍの導波路を用いることができる。図３（ａ）のように構成した装置の長さＬは方向性光結合器の個数をＮとすれば、前述のＬに関する式１を用いて、下記の式３の関係が成り立つ。
Ｌ ＝ Ｌ２ ＋ ２＊（Ｒ−Ｘ／２（Ｎ＋１））＊ｔａｎ（ａｃｏｓ（（Ｒ−Ｘ／２（Ｎ＋１））／Ｒ）） ．．． ．．． 式３
【００２８】
よって、前述の式３にＬ２＝２５０μｍ，Ｘ＝２００μｍ，Ｎ＝２，Ｒ＝２４００μｍを代入することにより、装置の長さは１０４７μｍとなり、従来の長さに比べて７６％に小さくできる。したがって、本実施の形態によれば、装置の小型化が可能となり、コストの低減を図ることができ、実施の形態１と同様の効果が得られる。例えば光屈折率が略３．２程度のＩｎＰ半導体基板を用いた場合、従来の光屈折率が略１．５程度のＬｉＮｂＯ３基板を用いた場合に比べて、Ｙ分岐型の合分波器、ＭＭＩカプラ、方向性光結合器のいずれの場合においても、基板サイズを約１／２に小型化できる。なお、本実施の形態では、入射光として波長１．５５μｍ帯で使用し、コア層１２の組成ＩｎＧａＡｓＰは光の使用波長に対して光吸収の小さい組成よりなる構成としている。
【００２９】
（実施の形態４）
本発明の第４の実施の形態に係る半導体光導波路について図４（ａ），（ｂ），（ｃ）を参照して以下に説明する。図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は本実施の形態４に係る半導体光導波路の変形例１〜３を示す断面図である。即ち、前述の実施の形態１〜３では光導波路のコア層をクラッド層の下部に埋め込んだ構造としたが、本実施の形態４では図４（ａ），（ｂ），（ｃ）の断面図に示すようにリッジ型（細長い隆起部形状）の光導波路として基板上部に構成したものである。
【００３０】
図４（ａ）に示す変形例１では、ｎ型ＩｎＰ基板１１の上面にＩｎＧａＡｓＰコア層１２が形成され、コア層１２の上部にｐ型ＩｎＰクラッド層１３が形成され、クラッド層１３の中央位置にクラッド凸状部１３ａを形成したものである。
【００３１】
図４（ｂ）に示す変形例２では、ｎ型ＩｎＰ基板１１の上面中央位置に凸状部１１ａを形成し、その上面にコア層１２が形成され、さらにその上部にクラッド層１３が形成されたものである。
【００３２】
図４（ｃ）に示す変形例３では、ｎ型ＩｎＰ基板１１上にＩｎＧａＡｓＰコア層１２が形成され、コア層１２の上部にｐ型ＩｎＰクラッド層１３が形成され、クラッド層１３の中央位置にクラッド凸状部１３ａを形成したことは変形例１と同様である。上記構成において、更に、クラッド凸状部１３ａの上部にｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２４、さらにその上面部にＳｉＯ２絶縁膜２５を形成している。このように、光導波路１の下部領域を含む半導体チップ基板１１上コア層１２が、クラッド層１３の所定の深さレベルに形成され、コンタクト層２４の上部はＳｉＯ２絶縁膜２５で上面全体が被膜されている。なお、上記変形例１〜３では、入射光として波長１．５５μｍ帯で使用し、コア層１２の組成ＩｎＧａＡｓＰは光の使用波長に対して光吸収の小さい組成よりなる構成としている。
【００３３】
上記断面構成のように、同一基板上にモノリシック （ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ） に光導波路を集積したことにより、半導体光装置を小型化でき、製造コストを低減できる効果があることは前述の実施の形態１〜３と同様である。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、チップ基板および光導波路を半導体材料で構成し、光導波路折り返し部が曲がり導波路間に介在して一体的に接続されているため、高速、小型で高集積化が可能可能となり、コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１に係る半導体光導波路を有する半導体光装置の概略斜視図、（ｂ）は（ａ）の切断線Ｂ−Ｂ’における断面図、（ｃ）は（ａ）の切断線Ｃ−Ｃ’における要部拡大断面図。
【図２】本発明の実施の形態２に係る半導体光導波路を有する半導体光装置の概略構成を示す斜視図。
【図３】（ａ）は本発明の実施の形態３に係る半導体光導波路を有する半導体光装置の概略構成を示す斜視図、（ｂ）はその要部拡大上面図。
【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ）は実施の形態４に係る半導体光導波路の変形例１〜３を示す断面図。
【図５】（ａ）は従来の曲がり導波路を備えた半導体光装置の概略斜視図、（ｂ）は（ａ）の切断線Ａ−Ａ’における断面図。
【図６】導波路の曲がりによる光の損失と曲がり部の曲率半径との関係を示すグラフ図。
【符号の説明】
１ 光導波路、 １０，２０，３０ 半導体光導波路装置、 １１ 半導体基板、 １２ コア層、 １３ クラッド層、 １４ 半絶縁性埋込層、 １５ａ，１５ｂ Ｙ分岐型光合分波器、 １５ｃ 合波端部、 １６ａ，１６ｂ 反射部、 １７ａ，１７ｂ 反射膜、 ２１ａ，２１ｂ ＭＭＩカプラ、 ３１ａ，３１ｂ 方向性光結合器、 ３１ｃ 方向性光結合器端部３１ｃ
Claims (9)
- 半導体基板内部に複数本の概略Ｓ字状の曲がり導波路が埋設された半導体光導波路装置であって、前記曲がり導波路の光入射・出射間に少なくとも２個の光導波路折り返し部が介在して接続され、前記各光導波路折り返し部の合波部後方端面側の前記半導体基板内部に反射部が形成されたことを特徴とする半導体光導波路装置。
- 前記各光導波路折り返し部がＹ分岐型合分波器である請求項１記載の半導体光導波路装置。
- 前記各光導波路折り返し部がＭＭＩカプラである請求項１記載の半導体光導波路装置。
- 前記各光導波路折り返し部が方向性結合器である請求項１記載の半導体光導波路装置。
- 前記光導波路折り返し部および前記反射部は、前記半導体基板内部の所定深さレベルに形成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体光導波路装置。
- 前記各曲がり導波路はコア層とクラッド層を有し、該導波路コア層がＩｎＧａＡｓＰ材で構成され、該クラッド層がＩｎＰ材で構成され、入射光として波長１．５５μｍ帯で使用し、前記曲がり導波路の曲率半径が２４００μｍ以上である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体光導波路装置。
- 前記反射部端面に反射率が３０％以上の蒸着金属膜が形成された請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体光導波路装置。
- 前記反射用金属膜がアルミニウムである請求項７に記載の半導体光導波路装置。
- 半導体基板上に複数本の概略Ｓ字状の曲がり導波路がリッジ型に形成された半導体光導波路装置であって、前記曲がり導波路の光入射・出射間に少なくとも２個の光導波路折り返し部が介在して接続され、前記各光導波路折り返し部の合波部後方端面側に反射部が形成され、前記半導体基板の上面に導波路コア層が形成され、該コア層の上部にクラッド層が形成されていることを特徴とする半導体光導波路装置。
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