JP2004325914A - 可変光減衰器 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン細線からなる導波路で、複数のＰＩＮダイオード構造を近設することで、より効率よくより高い光減衰の効果が得られるようにする。
【解決手段】複数設けられた光減衰部１２０のｎ形キャリア供給部１０５を、高濃度ｐ形不純物領域１０８により囲い、ＰＩＮダイオード構造となっている光減衰部１２０に電極１０６，１０７により順バイアスを印加した場合、ｎ形キャリア供給部１０５と高濃度ｐ形不純物領域１０８との間に対しては、逆バイアスが誘起されるようにする。
【選択図】 図１

Description

【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で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、リブを挟むスラブ層に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３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層３０２，３０３より厚い部分とし、リッジをコア３０１としている。コア３０１をこの両脇のスラブ層３０２，３０３より厚くすることで、コア３０１の有効屈折率が、スラブ層３０２，３０３の有効屈折率と比較して相対的に大きくなり、コア３０１に光が閉じ込められるようになる。
【０００５】
コア３０１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、スラブ層３０２，３０３は、厚さが２μｍ程度に形成されている。従って、コア３０１は、スラブ層３０２，３０３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３０１の部分に最大強度を持ち、スラブ層３０２，３０３に数μｍ程度広がっている。
【０００６】
図３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、スラブ層３０２，３０３にｐ形不純物導入部３０４，ｎ形不純物導入部３０５を形成したものである。なお、ｐ形不純物導入部３０４，ｎ形不純物導入部３０５には、各々金属パッド３０６，３０７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３０６から金属パッド３０７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３０４とｎ形不純物導入部３０５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３０１に対し、ｐ形不純物導入部３０４からは正孔が侵入し、ｎ形不純物導入部３０５からは電子が侵入し、これらキャリアがコア３０１を伝搬する光を吸収することによって、コア３０１を伝搬する光を減衰させる。
【０００８】
コア３０１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３０４とｎ形不純物導入部３０５は、コア３０１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、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の上に、シリコンの細線からなるコアを形成し、このコア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で覆ったものである。
【００１０】
このようなシリコン細線を用いた導波路では、クラッドとコアとの比屈折率差が大きく、光の閉じ込め効果が大きい。このため、シリコン細線を用いた場合、より小さな曲げ半径で導波路を曲げることが可能となる。この結果、前述したリブ型の導波路を用いる場合に比較し、シリコン細線は、より小さな光集積回路を構成することが可能となる。
【００１１】
前述した可変光減衰器をシリコン細線による導波路で実現する場合、例えば、まず、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層を備え、このスラブ層の一部を厚くすることでコア（シリコン細線）を形成して導波路を構成する。この導波路の一部において、コアを挟むスラブ層の領域に、ｎ形キャリア供給部とｐ形キャリア供給部とを設け、コアを挟んでＰＩＮダイオード構造とすれば、可変光減衰器が実現できる。この可変光減衰器では、ＰＩＮダイオード構造に順方向電圧を印加して自由キャリアをコアに注入することで、導波している光を減衰させることを可能としている。
【００１２】
【非特許文献１】
”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＳＰＩＥ” Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ． ｖｏｌ４２９３，ｐ１−９（２００１）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような可変光減衰器で、シリコン細線からなる導波路における光減衰の効果をより大きくするためには、複数のＰＩＮダイオード構造を近設させて導波方向に配列し、自由キャリアを注入する領域を広くすることが有効である。
しかしながら、ＰＩＮダイオード構造を近設させると、隣り合うＰＩＮダイオード構造間に電流のリークが発生しやすくなり、このリーク電流により大きな減衰効果を得られないという問題がある。
【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、シリコン細線からなる導波路で、複数のＰＩＮダイオード構造を近設することで、より効率よくより高い光減衰の効果が得られるようにすることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施の形態に係る可変光減衰器は、シリコンよりも屈折率の小さい絶縁材料からなる下部クラッド層と、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層と、このスラブ層の一部を厚くすることで幅が０．２〜０．５μｍに形成され、高さが０．２〜０．５μｍに形成されたコアと、このコアを覆ってスラブ層の上に形成された絶縁材料からなる上部クラッド層と、コアによる導波路の導波方向に配列された複数の光減衰部とを少なくとも備え、光減衰部は、スラブ層のコアの近傍に設けられた第１導電形の第１キャリア供給部と、この第１キャリア供給部にコアを介して対向してスラブ層のコアの近傍に設けられた第２導電形の第２キャリア供給部と、この第２キャリア供給部を囲うようにスラブ層に設けられた第１導電形の高濃度不純物領域と、第１キャリア供給部及び第２キャリア供給部に各々接続する電極とから構成され、隣り合う光減衰部の第１キャリア供給部は、各々コアの反対側に配置されているようにしたものである。
この可変光減衰器によれば、各々の光減衰部が、高濃度不純物領域により電気的に分離された状態となる。
【００１６】
また、本発明の他の実施の形態に係る可変光減衰器は、シリコンよりも屈折率の小さい絶縁材料からなる下部クラッド層と、この下部クラッド層の上に形成された幅が０．２〜０．５μｍに形成され、高さが０．２〜０．５μｍに形成されたシリコンからなるコアと、このコアを覆ってスラブ層の上に形成された絶縁材料からなる上部クラッド層と、コアによる導波路の導波方向に配列された複数の光減衰部とを少なくとも備え、光減衰部は、スラブ層のコアの側部に設けられた第１シリコンパターンと、この第１シリコンパターンにコアを介して対向してコアの側部に設けられた第２シリコンパターンと、第１シリコンパターンのコアの近傍に設けられた第１導電形の第１キャリア供給部と、第２シリコンパターンのコアの近傍に設けられた第２導電形の第２キャリア供給部とから構成され、第１シリコンパターン及び第２シリコンパターンは、下部クラッド層の上で離間して形成されているようにしたものである。
この可変光減衰器によれば、各々の光減衰部は、下部クラッド層の上で各々分離した状態に形成されているので、電気的に分離された状態となる。
【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。
［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（ａ）及び断面図（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層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層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、スラブ層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、本実施の形態における可変光減衰器は、コア１０２ａによる導波路の導波方向に、近設して配列された複数の光減衰部１２０を備えている。
各光減衰部１２０では、まず、コア１０２ａの両脇近傍のスラブ層１０２に、ｐ形キャリア供給部１０４とｎ形キャリア供給部１０５とを備える。ｐ形キャリア供給部１０４とｎ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】
ｐ形キャリア供給部１０４は、例えばホウ素などのアクセプタとなる不純物が導入された領域である。また、ｎ形キャリア供給部１０５は、例えばリンやヒ素などのドナーとなる不純物が導入された領域である。
また、ｎ形キャリア供給部１０５の形成領域を囲うように、高濃度ｐ形不純物領域１０８が設けられている。
【００２４】
ｐ形キャリア供給部１０４及びｎ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。加えて、ｐ形キャリア供給部１０４及びｎ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。また、高濃度ｐ形不純物領域１０８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。
【００２５】
ｐ形キャリア供給部１０４，ｎ形キャリア供給部１０５，及び高濃度ｐ形不純物領域１０８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、ｐ形キャリア供給部１０４及びｎ形キャリア供給部１０５には、一部が上部クラッド層１０３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（ａ）では、電極１０６，１０７を省略している。
【００２６】
図１の可変光減衰器では、各々の光減衰部１２０において、電極１０６，１０７に電圧を印加し、ｐ形キャリア供給部１０４及びｎ形キャリア供給部１０５からキャリアをコア１０２ａに注入することで、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、ｐ形キャリア供給部１０４及びｎ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させることができるので、上述した光減衰を可変とすることが可能となる。
【００２７】
また、高濃度ｐ形不純物領域１０８でｎ形キャリア供給部１０５を囲い、隣り合う光減衰部１２０の間のリーク電流を抑制するようにしているので、本実施の形態によれば、複数の光減衰部１２０により大きな光減衰効果が得られるものとなっている。これは、ＰＩＮダイオード構造となっている光減衰部１２０に電極１０６，１０７により順バイアスを印加した場合、ｎ形キャリア供給部１０５と高濃度ｐ形不純物領域１０８との間に対しては、逆バイアスが誘起されるようになるからである。なお、ｐ形キャリア供給部１０４の形成領域を囲うように、高濃度ｎ形半導体領域を設けるようにしても同様であることはいうまでもない。
【００２８】
なお、図１に示す可変光減衰器において、ｐ形キャリア供給部１０４，ｎ形キャリア供給部１０５が形成されているスラブ層１０２は、コア１０２ａの高さの１／２の厚さとしており、充分薄い。このため、コア１０２ａを中心とした導波路を導波する光は、スラブ層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。
【００２９】
［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２は、本発明の第２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（ａ）及び断面図（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２０１の上に、例えば単結晶シリコンの細線からなるリッジ構造のコア２０２を備えている。コア２０２は、所定の方向に延在し、例えば、幅０．２μｍ程度に形成され、コア２０２の下部クラッド層２０１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２０２は、断面が略正方形に形成されている。なお、コア２０２の断面は、正方形に限るものではない。
【００３０】
また、コア２０２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２０３により覆われている。従って、コア２０２は、この下方にコア２０２より屈折率の小さい下部クラッド層２０１と上部クラッド層２０３との挟まれて形成されている。上部クラッド層２０３は、下部クラッド層２０１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２０３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２０３に用いるようにしても良い。
【００３１】
また、本実施の形態における可変光減衰器は、コア２０２による導波路の導波方向に、近設して配列された複数の光減衰部２２０を備えている。
各光減衰部２２０では、まず、コア２０２の両脇に、コア２０２より薄いシリコンパターン２０４，２０５を備えている。これらは、各々コア２０２の近傍にコア２０２を挟んで対向配置されている。コア２０２，及びシリコンパターン２０４，２０５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形成できる。
【００３２】
上記パターン形成技術によりコア２０２以外の領域を薄く残すようにしたあと、薄く残したシリコンの部分をパターニングすることでシリコンパターン２０４，２０５が形成できる。この場合、ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁層が、下部クラッド層２０１となる。また、シリコン層に形成したパターンが、コア２０２，及びシリコンパターン２０４，２０５となる。
【００３３】
また、上のようにすることで形成したシリコンパターン２０４，２０５は、コア２０２より所定距離離間した領域に、ｐ形キャリア供給部２０４ａとｎ形キャリア供給部２０５ａとを備える。ｐ形キャリア供給部２０４ａは、例えばホウ素などのアクセプタとなる不純物が導入された領域である。また、ｎ形キャリア供給部２０５ａは、例えばリンやヒ素などのドナーとなる不純物が導入された領域である。
【００３４】
図２（ａ）では、隣り合うシリコンパターンに同じ導電形となる不純物を導入して同じ導電形のキャリア供給部を形成するようにしたが、異なる導電形のキャリア供給部を形成するようにしても良い。ｐ形キャリア供給部２０４ａ及びｎ形キャリア供給部２０５ａ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。
【００３５】
なお、ｐ形キャリア供給部２０４ａ及びｎ形キャリア供給部２０５ａは、コア２０２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２０２より離れていればよい。
また、ｐ形キャリア供給部２０４ａ及びｎ形キャリア供給部２０５ａには、一部が上部クラッド層２０３の上に露出している電極２０６，２０７が、各々接続している。図２（ａ）では、電極２０６，２０７を省略している。
【００３６】
図２の可変光減衰器では、各々の光減衰部２２０において、電極２０６，２０７に電圧を印加し、ｐ形キャリア供給部２０４ａ及びｎ形キャリア供給部２０５ａからキャリアをコア２０２に注入することで、コア２０２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２０６，２０７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２０４ａ及びｎ形キャリア供給部２０５ａからコア２０２に注入されるキャリアの量も変化させることができるので、上述した光減衰を可変とすることが可能となる。
【００３７】
また、図２の可変光減衰器では、絶縁体である下部クラッド層２０１の上において、各々の光減衰部２２０（ｐ形キャリア供給部２０４ａ，ｎ形キャリア供給部２０５ａ）を分離（離間）した状態で形成し、隣り合う光減衰部２２０の間のリーク電流を抑制した。この結果、図２に示す本実施の形態における可変光減衰器では、複数の光減衰部２２０により大きな光減衰効果が得られるものとなっている。
【００３８】
なお、図２に示す可変光減衰器において、ｐ形キャリア供給部２０４ａ，ｎ形キャリア供給部２０５ａが形成されているシリコンパターン２０４，２０５は、コア２０２の高さの１／２以下の厚さとしいる。このように充分薄いので、コア２０２を中心とした導波路を導波する光は、シリコンパターン２０４，２０５ににじみ出すことが無く、コア２０２の部分に集中してシングルモードを形成する。従って、図２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。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、複数設けられた光減衰部を、高濃度不純物領域により囲うことにより、また、絶縁材料からなる下部クラッド層の上で、各光減衰部を分離して形成することにより、各光減衰部が電気的に各々分離した状態とした。
この結果、本発明によれば、シリコン細線からなる導波路で、複数のＰＩＮダイオード構造を近設することで、より効率よくより高い光減衰の効果が得られるようにな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（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図２】本発明の第２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（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図３】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。
【符号の説明】
１０１…下部クラッド層、１０２…スラブ層、１０２ａ…コア、１０３…上部クラッド層、１０４…ｐ形キャリア供給部、１０５…ｎ形キャリア供給部、１０６，１０７…電極、１０８…高濃度ｐ形半導体領域。

Claims (2)

1. シリコンよりも屈折率の小さい絶縁材料からなる下部クラッド層と、
   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層と、
   このスラブ層の一部を厚くすることで幅が０．２〜０．５μｍに形成され、高さが０．２〜０．５μｍに形成されたコアと、
   このコアを覆って前記スラブ層の上に形成された絶縁材料からなる上部クラッド層と、
   前記コアによる導波路の導波方向に配列された複数の光減衰部と
   を少なくとも備え、
   前記光減衰部は、
   前記スラブ層の前記コアの近傍に設けられた第１導電形の第１キャリア供給部と、
   この第１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層の前記コアの近傍に設けられた第２導電形の第２キャリア供給部と、
   この第２キャリア供給部を囲うように前記前記スラブ層に設けられた第１導電形の高濃度不純物領域と、
   前記第１キャリア供給部及び前記第２キャリア供給部に各々接続する電極と
   から構成され、
   隣り合う前記光減衰部の前記第１キャリア供給部は、各々前記コアの反対側に配置されている
   ことを特徴とする可変光減衰器。
2. シリコンよりも屈折率の小さい絶縁材料からなる下部クラッド層と、
   この下部クラッド層の上に形成された幅が０．２〜０．５μｍに形成され、高さが０．２〜０．５μｍに形成されたシリコンからなるコアと、
   このコアを覆って前記スラブ層の上に形成された絶縁材料からなる上部クラッド層と、
   前記コアによる導波路の導波方向に配列された複数の光減衰部と
   を少なくとも備え、
   前記光減衰部は、
   前記スラブ層の前記コアの側部に設けられた第１シリコンパターンと、
   この第１シリコンパターンに前記コアを介して対向して前記コアの側部に設けられた第２シリコンパターンと、
   前記第１シリコンパターンの前記コアの近傍に設けられた第１導電形の第１キャリア供給部と、
   前記第２シリコンパターンの前記コアの近傍に設けられた第２導電形の第２キャリア供給部と
   から構成され、
   前記第１シリコンパターン及び第２シリコンパターンは、前記下部クラッド層の上で離間して形成されていることを特徴とする可変光減衰器。

Images