JP2013164615A - Optical device, optical integrated device, and manufacturing method of optical device - Google Patents

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Masabumi Nakada
正文 中田
Takanori Shimizu
隆徳 清水
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical device which achieves a small waveguide loss and low voltage driving.SOLUTION: An optical device includes a ring-shaped optical waveguide and an input/output optical waveguide, and changes a resonant wavelength of the ring-shaped optical waveguide. A refractive index controller which controls a refractive index of a guided wavelength is provided at a part of the ring-shaped optical waveguide. In the ring-shaped optical waveguide, a part other than the refractive index controller is formed of an optical material having a lower absorption coefficient than an absorption coefficient of an optical material forming the refractive index controller.

Description

本発明は、光通信、光配線、光ストレージ等に用いられる光デバイス、これを備えた光集積デバイス、及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an optical device used for optical communication, optical wiring, optical storage, and the like, an optical integrated device including the same, and a method for manufacturing the same.

電界と物質の相互作用により屈折率が変化する電気光学効果は、その高速性、電圧駆動であることによる低消費電力性、構造の単純性から、光変調器に応用されている。   The electro-optic effect in which the refractive index changes due to the interaction between an electric field and a substance is applied to an optical modulator because of its high speed, low power consumption due to voltage drive, and simplicity of structure.

LiNbO3を用いた光変調器では、単結晶LiNbO3基板上にTi拡散法によりマッハツエンダー型導波路を形成し、電極を組み合わせることで光変調器を形成している。電圧を印加することで、導波路の屈折率を変化させ、光信号のON/OFFをおこなうことができる。しかし、単結晶基板を用いる必要があることから高価であり、また、LiNbO3の電気光学効果が小さく、プレナー電極構造であることから導波路の長さが必要になり、素子サイズがcm台と非常に大きいという問題がある。 In an optical modulator using LiNbO 3 , a Mach-Zehnder type waveguide is formed on a single crystal LiNbO 3 substrate by a Ti diffusion method, and an optical modulator is formed by combining electrodes. By applying a voltage, it is possible to change the refractive index of the waveguide and turn on / off the optical signal. However, it is expensive because it is necessary to use a single crystal substrate, and the electro-optic effect of LiNbO 3 is small, and because of the planar electrode structure, the length of the waveguide is required, and the element size is in the cm range. There is a problem that it is very big.

透明セラミックスであるPb1-xLax(ZryTi1-y1-x/43(PLZT)は、現行の光変調器に用いられているLiNbO3単結晶より二桁近く電気光学係数が大きいことから、光素子の小型化による低コスト化、低消費電力化、および高速化が期待でき、これまでゾルゲル法による薄膜化の検討がなされてきている(非特許文献1、非特許文献2)。 Pb 1-x La x (Zr y Ti 1-y ) 1-x / 4 O 3 (PLZT), which is a transparent ceramic, is nearly two orders of magnitude more electro-optic than the LiNbO 3 single crystal used in current optical modulators. Since the coefficient is large, it can be expected to reduce the cost, reduce the power consumption, and increase the speed by reducing the size of the optical element, and so far, studies on the thinning by the sol-gel method have been made (Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 1 Reference 2).

今後に期待される革新的な技術として、光とエレクトロニクスの1チップ上の集積を可能とするシリコンフォトニックデバイスが研究されている。これを実現することでCPU、メモリー等のLSIと光スイッチ等の能動光学素子とを同一基板上に形成することができ、LSIの高速化が可能となる。また、LSI形成技術を光通信デバイスの製造プロセスに適用できることから、光デバイスの低価格化が可能となる。   As an innovative technology expected in the future, silicon photonic devices that enable integration of light and electronics on one chip have been studied. By realizing this, an LSI such as a CPU and a memory and an active optical element such as an optical switch can be formed on the same substrate, and the speed of the LSI can be increased. Further, since the LSI formation technology can be applied to the manufacturing process of the optical communication device, the price of the optical device can be reduced.

しかし、シリコンが間接遷移型の半導体のため、レーザー等の発光素子をシリコン基板上に直接形成することは困難である。このため、電気信号を光信号に変換する光変調器をシリコン基板上に形成することが重要になる。このLSI光配線用の光変調器は、LSIの動作条件で駆動できる低電圧、低消費電力で、小型であることが求められている。   However, since silicon is an indirect transition semiconductor, it is difficult to directly form a light emitting element such as a laser on a silicon substrate. For this reason, it is important to form an optical modulator for converting an electrical signal into an optical signal on a silicon substrate. This optical modulator for LSI optical wiring is required to be small in size, with low voltage and low power consumption that can be driven under LSI operating conditions.

この要求を満足する光変調器として、シリコンで構成されたリング共振器型が研究されている(非特許文献3)。シリコン・リング型共振器は、光の導波層にキャリアを注入することで屈折率を変化させ、共鳴波長を変化させることで変調動作を行う。   As an optical modulator that satisfies this requirement, a ring resonator type made of silicon has been studied (Non-Patent Document 3). The silicon ring resonator changes the refractive index by injecting carriers into the optical waveguide layer, and performs the modulation operation by changing the resonance wavelength.

K. D. Preston and G. H. Haertling : Appl. Phys. Lett. 60 (1992) 2831.K. D. Preston and G. H. Haertling: Appl. Phys. Lett. 60 (1992) 2831. K. Nashimoto, K. Haga, M. Watanabe, S. Nakamura and E. Osakabe : Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 1054.K. Nashimoto, K. Haga, M. Watanabe, S. Nakamura and E. Osakabe: Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 1054. A. Liu, L. Liao, D. Rubin, H. Nguyen, B. Ciftcioglu, Y. Chetrit, N. Izhaky, M. Paniccia: Opt. Exp., 15 (2007) 660.A. Liu, L. Liao, D. Rubin, H. Nguyen, B. Ciftcioglu, Y. Chetrit, N. Izhaky, M. Paniccia: Opt. Exp., 15 (2007) 660.

光配線システムを低コストで形成するためには、低コストの外部光源を用いることが重要になる。波長が800nm程度の面発光レーザーは、一般的に光通信に用いられている波長1.5μmの端面発光レーザーよりも低価格であり、高集積が可能である。したがって、この面発光レーザーをシリコンフォトニクスに適用することができれば、大幅にコストを低減することができる。しかし、シリコンは、波長が800nmでは不透明であることから光変調器への適用は困難である。光変調器材料として電気光学係数の大きなPLZT等を用いたリング共振器型変調器の実現が期待されるが、電気光学係数の大きなPLZT等の材料も波長が800nmでは光学吸収が大きくなり、通常のリング共振器型変調器では光の損失が大きくなるという課題がある。   In order to form an optical wiring system at a low cost, it is important to use a low-cost external light source. A surface-emitting laser having a wavelength of about 800 nm is less expensive than an edge-emitting laser having a wavelength of 1.5 μm that is generally used for optical communication, and can be highly integrated. Therefore, if this surface emitting laser can be applied to silicon photonics, the cost can be greatly reduced. However, since silicon is opaque at a wavelength of 800 nm, it is difficult to apply it to an optical modulator. A ring resonator type modulator using PLZT or the like having a large electro-optic coefficient as an optical modulator material is expected to be realized. However, a material such as PLZT having a large electro-optic coefficient also has a large optical absorption at a wavelength of 800 nm. However, this ring resonator type modulator has a problem that the loss of light increases.

本発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであって、導波損失が小さく、低電圧駆動の光デバイスを提供することを目的とする。また、この光デバイスを備えた光集積デバイスを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical device with low waveguide loss and low voltage drive. Moreover, it aims at providing the optical integrated device provided with this optical device.

本発明によれば、リング状光導波路と入出力光導波路を有し、前記リング状光導波路の共振波長を変化させる光デバイスであって、
導波する波長における屈折率を制御する屈折率制御部が、前記リング状光導波路の一部分に具備され、
前記屈折率制御部が、該屈折率制御部以外の前記リング状光導波路の部分を構成する光学材料の複素屈折率と異なる複素屈折率をもつ光学材料で形成されている光デバイスが提供される。
According to the present invention, there is provided an optical device having a ring-shaped optical waveguide and an input / output optical waveguide, and changing a resonance wavelength of the ring-shaped optical waveguide,
A refractive index control unit for controlling a refractive index at a wavelength to be guided is provided in a part of the ring-shaped optical waveguide,
There is provided an optical device in which the refractive index control unit is formed of an optical material having a complex refractive index different from the complex refractive index of the optical material constituting the portion of the ring-shaped optical waveguide other than the refractive index control unit. .

また本発明によれば、上記の光デバイスの製造方法であって、前記屈折率制御部を構成する光学材料が、エアロゾルデポジション法で形成されることを特徴とする光デバイスの製造方法を提供することができる。   According to the invention, there is also provided an optical device manufacturing method, wherein the optical material constituting the refractive index control unit is formed by an aerosol deposition method. can do.

また本発明によれば、上記の光デバイスの製造方法であって、
シリコン基板上に絶縁層を形成する工程と、
リング状光導波路の屈折率制御部を形成する領域に下部電極層を形成する工程と、
下部クラッド層を形成する工程と、
前記屈折率制御部を形成する領域には、前記下部クラッド層上にエアロゾルデポジション法により第1の光学材料からなる第1のコア層を形成し、前記リング状光導波路の該屈折率制御部以外の部分を形成する領域には、前記下部クラッド層上に、第1の光学材料の複素屈折率と異なる複素屈折率をもつ第2の光学材料からなり、第1のコア層と接続する第2のコア層を形成する工程と、
前記リング状光導波路を構成する第1のコア層および第2のコア層上に上部クラッド層を形成する工程と、
前記上部クラッド層上に、前記下部電極層と対向するように上部電極層を形成する工程と、を有する光デバイスの製造方法を提供することができる。
According to the present invention, there is also provided a method for manufacturing the above optical device,
Forming an insulating layer on the silicon substrate;
Forming a lower electrode layer in a region for forming a refractive index controller of the ring-shaped optical waveguide;
Forming a lower cladding layer;
In the region where the refractive index control unit is formed, a first core layer made of a first optical material is formed on the lower cladding layer by an aerosol deposition method, and the refractive index control unit of the ring-shaped optical waveguide is formed. In a region for forming a portion other than, a second optical material having a complex refractive index different from the complex refractive index of the first optical material is formed on the lower clad layer and connected to the first core layer. Forming a core layer of 2;
Forming an upper clad layer on the first core layer and the second core layer constituting the ring-shaped optical waveguide;
And a step of forming an upper electrode layer on the upper clad layer so as to face the lower electrode layer.

本発明によれば、導波損失が小さく、低電圧駆動の光デバイスを提供でき、また、この光デバイスを備えた光集積デバイスを提供することができる。   According to the present invention, an optical device with low waveguide loss and low voltage drive can be provided, and an optical integrated device including the optical device can be provided.

本発明による一実施例のリング共鳴型変調器の模式図。The schematic diagram of the ring resonance type modulator of one Example by this invention. シミュレーションに用いたリング共鳴型変調器の模式図。The schematic diagram of the ring resonance type modulator used for simulation. 光学材料が一様なPLZTのリング状導波路の波長と透過率の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the wavelength of the ring-shaped waveguide of PLZT with uniform optical material, and the transmittance | permeability. 光学材料が一様なシリコンのリング状導波路の波長と透過率の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the wavelength and transmittance | permeability of a ring-shaped waveguide of silicon | silicone with a uniform optical material. 光学材料が一様なPLZTのリング状導波路型光変調器の印加電圧と透過率の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the applied voltage and transmittance | permeability of a ring-shaped waveguide type | mold optical modulator of PLZT with a uniform optical material. 本発明による実施例のリング状導波路型光変調器の印加電圧と透過率の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the applied voltage and the transmittance | permeability of the ring-shaped waveguide type optical modulator of the Example by this invention. 本発明による実施例の光デバイスの屈折率制御部を示す断面模式図。The cross-sectional schematic diagram which shows the refractive index control part of the optical device of the Example by this invention. 本発明による実施例で用いた成膜装置の概略図。The schematic of the film-forming apparatus used in the Example by this invention. 本発明による実施例の光デバイスの屈折率制御部以外のリング状導波路部を示す断面模式図。The cross-sectional schematic diagram which shows ring-shaped waveguide parts other than the refractive index control part of the optical device of the Example by this invention.

本発明による一実施形態の光デバイスは、リング状光導波路と入出力光導波路を有し、このリング状光導波路の共振波長を変化させる光デバイスにおいて、導波する波長における屈折率を制御する屈折率制御部が、前記リング状光導波路の一部分に具備される。そして、このリング状光導波路において、その屈折率制御部を構成する光学材料の複素屈折率が、その屈折率制御部以外の部分を構成する光学材料の複素屈折率と異なっている。このように、リング状光導波路において屈折率制御部と他の光導波路部分とを異なる材料で形成することにより、導波損失が小さく、低電圧駆動の光変調器が実現可能である。   An optical device according to an embodiment of the present invention includes a ring-shaped optical waveguide and an input / output optical waveguide, and an optical device that changes a resonance wavelength of the ring-shaped optical waveguide. A rate control unit is provided in a part of the ring-shaped optical waveguide. And in this ring-shaped optical waveguide, the complex refractive index of the optical material which comprises the refractive index control part differs from the complex refractive index of the optical material which comprises parts other than the refractive index control part. Thus, by forming the refractive index control unit and the other optical waveguide part with different materials in the ring-shaped optical waveguide, it is possible to realize an optical modulator with low waveguide loss and low voltage drive.

以下に、シミュレーションを行った本実施形態を説明する。   Below, this embodiment which performed simulation is described.

図1は、本発明による一実施形態のリング共鳴型変調器の模式図である。11は入出力光導波路であり、導波光はaから入力し、bに出力する。12はリング状光導波路である。13(点線で囲まれた部分)は入出力光導波路11とリング状光導波路12との光学的結合部である。14は、リング状光導波路12の屈折率制御が可能な部分(屈折率制御部)である。この屈折率制御部14の複素屈折率の虚数項、つまり光学吸収は、リング状光導波路12の屈折率制御部以外の部分よりも大きい。リング状光導波路12において屈折率制御部以外の部分は、入出力光導波路11を構成する材料の複素屈折率と同じ複素屈折率をもつ材料から形成されている。リング状光導波路12における点線部は、屈折率制御部14と他の部分との接合部を示す。   FIG. 1 is a schematic diagram of a ring resonance type modulator according to an embodiment of the present invention. Reference numeral 11 denotes an input / output optical waveguide. The guided light is input from a and output to b. Reference numeral 12 denotes a ring-shaped optical waveguide. Reference numeral 13 (portion surrounded by a dotted line) denotes an optical coupling portion between the input / output optical waveguide 11 and the ring-shaped optical waveguide 12. Reference numeral 14 denotes a portion (refractive index control unit) capable of controlling the refractive index of the ring-shaped optical waveguide 12. The imaginary term of the complex refractive index of the refractive index control unit 14, that is, the optical absorption is larger than the portion other than the refractive index control unit of the ring-shaped optical waveguide 12. Portions other than the refractive index control unit in the ring-shaped optical waveguide 12 are made of a material having the same complex refractive index as that of the material constituting the input / output optical waveguide 11. A dotted line portion in the ring-shaped optical waveguide 12 indicates a joint portion between the refractive index control unit 14 and another portion.

この構造について伝達関数を用い、透過率b/aのシミュレーションを行った。シミュレーションでは、リング状光導波路12において、屈折率制御部14と他の部分との接合部での反射を考慮している。   The transfer function was used for this structure, and the transmittance b / a was simulated. In the simulation, in the ring-shaped optical waveguide 12, the reflection at the junction between the refractive index control unit 14 and another part is considered.

図2は、本シミュレーションに用いた変調器の模式図である。2は電極部であり、この部分に電圧を印加した場合の透過率変化のシミュレーションを行った。リング周回長を0.8mm、電極周囲長を0.4mmとした。   FIG. 2 is a schematic diagram of the modulator used in this simulation. Reference numeral 2 denotes an electrode portion, and a change in transmittance was simulated when a voltage was applied to this portion. The ring circumference was 0.8 mm and the electrode circumference was 0.4 mm.

次に伝達関数を用いた透過率b/aのシミュレーション方法について説明する。   Next, a simulation method for the transmittance b / a using a transfer function will be described.

次式は、図1の入出力光導波路11と、屈折率制御部14を含むリング状光導波路12がすべて同じ材料で構成された場合の伝達関数である。   The following equation is a transfer function when the input / output optical waveguide 11 of FIG. 1 and the ring-shaped optical waveguide 12 including the refractive index control unit 14 are all made of the same material.

ここで、αは吸収係数、βは伝搬定数、Lはリング周回長、Kは結合定数、jは虚数単位である。このb/aの絶対値の二乗が透過率となる。光変調器の動作のシミュレーションでは、電圧印加時の伝搬定数の変化を電気光学係数から計算し、透過率の変化としている。   Here, α is an absorption coefficient, β is a propagation constant, L is a ring circumference, K is a coupling constant, and j is an imaginary unit. The square of the absolute value of b / a is the transmittance. In the simulation of the operation of the optical modulator, the change in the propagation constant at the time of voltage application is calculated from the electro-optic coefficient, and the change in transmittance is assumed.

リング状光導波路12において、屈折率制御部14と他の部分との間で伝搬定数と吸収係数が異なる本実施形態(図1)の場合、リング状光導波路12における屈折率制御部14と他の部分との接合部で反射が生じるため伝達関数は格段に複雑になるが、同様の方法でシミュレーション可能である。   In the case of the present embodiment (FIG. 1) in which the propagation constant and the absorption coefficient are different between the refractive index control unit 14 and other parts in the ring-shaped optical waveguide 12, the refractive index control unit 14 in the ring-shaped optical waveguide 12 and the like. Since the reflection occurs at the junction with this part, the transfer function becomes much more complicated, but it can be simulated by the same method.

表1に、PLZT((Pb0.95La0.05)(Zr0.3Ti0.7)O3)とシリコンの吸収係数(損失係数)の波長依存性を示す。この吸収係数の単位は1/mmである。PLZTの吸収係数はエアロゾルデポジション法で形成した薄膜の値であり、シリコンの吸収係数はバルク結晶の値である。いずれの薄膜においても、波長1550nmに対して波長850nmでの吸収係数が大きくなることが分かる。これは、いずれもバンド構造に起因する光学吸収による。 Table 1 shows the wavelength dependence of the absorption coefficient (loss coefficient) of PLZT ((Pb 0.95 La 0.05 ) (Zr 0.3 Ti 0.7 ) O 3 ) and silicon. The unit of this absorption coefficient is 1 / mm. The absorption coefficient of PLZT is a value of a thin film formed by an aerosol deposition method, and the absorption coefficient of silicon is a value of a bulk crystal. It can be seen that in any thin film, the absorption coefficient at a wavelength of 850 nm increases with respect to a wavelength of 1550 nm. This is due to optical absorption due to the band structure.

図3に、光学材料が一様なPLZTのリング状導波路の波長と透過率の関係を、上記の方法でシミュレーションした結果を示す。縦軸は透過率を表し、横軸は共鳴波長からの波長の変化を表している。共鳴波長は1550nm、850nmである。波長1550nmでは、透過率の共鳴による変化は大きいが、波長850nmでは変化は小さく、その共鳴の鋭さを表すQ値も小さくなっている。これは波長850nmで吸収係数が7倍になることによる。   FIG. 3 shows the result of simulating the relationship between the wavelength and transmittance of a PLZT ring waveguide with a uniform optical material by the above method. The vertical axis represents the transmittance, and the horizontal axis represents the change in wavelength from the resonance wavelength. The resonance wavelengths are 1550 nm and 850 nm. At the wavelength of 1550 nm, the change due to the resonance of the transmittance is large, but at the wavelength of 850 nm, the change is small, and the Q value representing the sharpness of the resonance is also small. This is because the absorption coefficient becomes 7 times at a wavelength of 850 nm.

図4に、光学材料が一様なシリコンのリング状導波路の波長と透過率の関係を波長850nmで計算した結果を示す。シリコンのリング状導波路では共鳴による透過率の変化は起こらないことがわかる。これはシリコンの吸収係数が波長850nmでは非常に大きいことによる。したがって、シリコンでは波長850nmにおけるリング状共振器型光変調器は形成できないことになる。   FIG. 4 shows the result of calculation of the relationship between the wavelength and transmittance of a silicon ring waveguide with a uniform optical material at a wavelength of 850 nm. It can be seen that the transmittance change due to resonance does not occur in the silicon ring waveguide. This is because the absorption coefficient of silicon is very large at a wavelength of 850 nm. Therefore, a ring resonator type optical modulator at a wavelength of 850 nm cannot be formed with silicon.

図5は、光学材料が一様なPLZTのリング状導波路型光変調器の印加電圧と透過率の関係を示す。波長1550nmと850nmについてシミュレーションした。波長1550nmでは、挿入損失5dBで、消光比8dBが、3Vppという小さな電圧で得られているが、波長850nmでは、挿入損失11dBで、消光比3dBと大幅に性能が低下してしまう。これに入出力導波路の長さを1mmとして、その損失を加えると、挿入損失は26dBとなり、特性を改善しなければ変調器としての使用は不可能になる。   FIG. 5 shows the relationship between the applied voltage and the transmittance of a PLZT ring-shaped waveguide optical modulator having a uniform optical material. Simulation was performed for wavelengths of 1550 nm and 850 nm. At a wavelength of 1550 nm, an insertion loss of 5 dB and an extinction ratio of 8 dB are obtained with a voltage as small as 3 Vpp. However, at a wavelength of 850 nm, the insertion loss of 11 dB and the extinction ratio of 3 dB significantly degrade the performance. If the length of the input / output waveguide is 1 mm and the loss is added to this, the insertion loss becomes 26 dB, and it cannot be used as a modulator unless the characteristics are improved.

図6は、特性を改善した本発明による一実施例のリング状導波路型光変調器の印加電圧と透過率の関係を示す。波長は850nmで、そのときの光学定数はそれぞれ、リング状光導波路の屈折率制御部ではn=2.5、α=3.5(1/mm)とし、リング状光導波路の他の部分と入出力導波路ではn=2.5、α=0とした。リング状光導波路の屈折率制御部は、光学材料としてPLZTとし、リング状光導波路の他の部分と入出力導波路はスパッタ法によるTiO2を想定した。リング状光導波路の屈折率制御部とリング状光導波路の他の部分との光路長の比は1:1である。挿入損失7dBで、印加電圧3Vppにおける消光比は7dBと、大幅に性能の改善が可能になった。この特性の改善は、吸収係数が小さな材料で、リング状光導波路の屈折率制御部以外の部分と入出力導波路を構成したことによる。 FIG. 6 shows the relationship between the applied voltage and the transmittance of a ring-shaped waveguide type optical modulator according to an embodiment of the present invention with improved characteristics. The wavelength is 850 nm, and the optical constants at that time are n = 2.5 and α = 3.5 (1 / mm) in the refractive index control unit of the ring-shaped optical waveguide, In the input / output waveguide, n = 2.5 and α = 0. The refractive index control unit of the ring-shaped optical waveguide is PLZT as an optical material, and the other part of the ring-shaped optical waveguide and the input / output waveguide are assumed to be TiO 2 by sputtering. The ratio of the optical path length between the refractive index control part of the ring-shaped optical waveguide and the other part of the ring-shaped optical waveguide is 1: 1. With an insertion loss of 7 dB, the extinction ratio at an applied voltage of 3 Vpp is 7 dB, and the performance can be greatly improved. This improvement in characteristics is due to the fact that the input / output waveguide and the part other than the refractive index control part of the ring-shaped optical waveguide are configured with a material having a small absorption coefficient.

リング状光導波路の屈折率制御部とリング状光導波路の他の部分との光路長の比を、1:3とした場合、1:7とした場合の挿入損失と消光比の計算結果を、上記結果ととともに表2にまとめる。   When the ratio of the optical path length between the refractive index control unit of the ring-shaped optical waveguide and the other part of the ring-shaped optical waveguide is 1: 3, the calculation result of the insertion loss and the extinction ratio when the ratio is 1: 7 The results are summarized in Table 2.

表2に示すように屈折率制御部の割合を小さくすることで消光比は若干低下するが、電極長を短くすることができ、電気容量の低減による高速化、低消費電力化が可能となる。   As shown in Table 2, the extinction ratio is slightly reduced by reducing the ratio of the refractive index control unit, but the electrode length can be shortened, and the speed and power consumption can be reduced by reducing the electric capacity. .

次に、表3に、リング状光導波路の屈折率制御部と、リング状光導波路の他の部分及び入出力導波路との間での屈折率が異なる場合のシミュレーション結果を示す。リング状光導波路の屈折率制御部ではn=2.5、α=3.5(1/mm)とした。リング状光導波路の他の部分と入出力導波路では、屈折率を2.5から1.5まで変化させ、吸収係数はα=0とした。リング状光導波路の屈折率制御部とリング状光導波路の他の部分との光路長の比は1:1で固定している。波長は850nm付近である。   Next, Table 3 shows a simulation result when the refractive index control unit of the ring-shaped optical waveguide is different from the refractive index between the other part of the ring-shaped optical waveguide and the input / output waveguide. In the refractive index control unit of the ring-shaped optical waveguide, n = 2.5 and α = 3.5 (1 / mm). In the other part of the ring-shaped optical waveguide and the input / output waveguide, the refractive index was changed from 2.5 to 1.5, and the absorption coefficient was α = 0. The ratio of the optical path length between the refractive index control part of the ring-shaped optical waveguide and the other part of the ring-shaped optical waveguide is fixed at 1: 1. The wavelength is around 850 nm.

表3に示すように、屈折率差が増大することで消光比は低下するが、その低下量はそれほど大きくない。これは、リング状光導波路の屈折率制御部とリング状光導波路の他の部分との屈折率差が1.0の場合でも、接合部の反射率は6%程度であり、共鳴状態に大きな影響を与えないためと考えられる。   As shown in Table 3, the extinction ratio decreases as the refractive index difference increases, but the amount of decrease is not so large. This is because even if the refractive index difference between the refractive index control part of the ring-shaped optical waveguide and the other part of the ring-shaped optical waveguide is 1.0, the reflectance of the junction is about 6%, which is large in the resonance state. This is thought to be because it has no effect.

以上、説明したように、リング状光導波路と入出力光導波路を有し、このリング状光導波路の共振波長を変化させる光デバイスにおいて、前記リング状光導波路の一部分に、導波する波長における屈折率を制御する屈折率制御部を設け、この屈折率制御部を構成する光学材料の複素屈折率が当該リング状光導波路の他の部分を構成する光学材料の複素屈折率と異なる構成とすることで、導波損失が小さく、低電圧駆動の光変調器が実現可能であることが明らかである。この結果を適用することで、高い性能の光デバイス、光集積デバイスを安価に形成することができる。   As described above, in an optical device that has a ring-shaped optical waveguide and an input / output optical waveguide and changes the resonance wavelength of the ring-shaped optical waveguide, refraction at a wavelength to be guided to a part of the ring-shaped optical waveguide. A refractive index control unit for controlling the refractive index is provided, and the complex refractive index of the optical material constituting the refractive index control unit is different from the complex refractive index of the optical material constituting the other part of the ring-shaped optical waveguide. Thus, it is clear that an optical modulator with low waveguide loss and low voltage drive can be realized. By applying this result, high performance optical devices and integrated optical devices can be formed at low cost.

上記構成を有する本実施形態の光デバイスにおいて、リング状光導波路の屈折率制御部は、当該リング状光導波路の屈折率制御部以外の部分と異なる光学材料で形成されている。この屈折率制御部に用いる光学材料は、電圧等による屈折率可変性と透明性の両方が大きいことが望ましい。消光比等の動作特性を重視した場合、屈折率可変性が大きいことが重要となるが、その場合、屈折率化変性が大きく且つ透明度が十分な材料を選択することが困難になる。屈折率制御部に、屈折率変化性は大きいが透明度はそれほど高くない光学材料を用いる場合であっても、屈折率制御部以外のリング状光導波路の部分に、屈折率制御部を構成する光学材料の複素屈折率とは異なる複素屈折率をもつ光学材料を用いることで、透過損失が小さく、消光比の大きな光デバイスを形成することが可能になる。   In the optical device of the present embodiment having the above-described configuration, the refractive index control unit of the ring-shaped optical waveguide is formed of an optical material different from the portion other than the refractive index control unit of the ring-shaped optical waveguide. It is desirable that the optical material used for the refractive index control unit has both high refractive index variability and transparency due to voltage or the like. When the operational characteristics such as the extinction ratio are emphasized, it is important that the refractive index variability is large. In this case, it is difficult to select a material having a large refractive index modification and sufficient transparency. Even in the case where an optical material having a large refractive index change property but not so high transparency is used for the refractive index control unit, the optical component constituting the refractive index control unit in the ring-shaped optical waveguide portion other than the refractive index control unit By using an optical material having a complex refractive index different from the complex refractive index of the material, an optical device having a small transmission loss and a large extinction ratio can be formed.

また、前記リング状光導波路における前記屈折率制御部以外の部分を、前記屈折率制御部を構成する光学材料の吸収係数より低い吸収係数をもつ光学材料で形成することができる。これにより、透過損失が小さく、消光比の大きな光デバイスを形成することが可能になる。   In addition, the portion other than the refractive index control unit in the ring-shaped optical waveguide can be formed of an optical material having an absorption coefficient lower than that of the optical material constituting the refractive index control unit. This makes it possible to form an optical device with a small transmission loss and a large extinction ratio.

前記リング状導波路において、屈折率制御部と他の部分との光路長の比(屈折率制御部/他の部分)は、十分な消光比等の動作特性を得る点から、1/10以上が好ましく、1/8以上がより好ましく、1/7以上がさらに好ましい。一方、十分に透過損失を抑える点、電極を設ける場合は電極長を短くする点から、1/0.5以下であることが好ましく、1/0.8以下であることがより好ましく、1/1以下であることがさらに好ましい。   In the ring-shaped waveguide, the ratio of the optical path length between the refractive index control unit and the other part (refractive index control part / other part) is 1/10 or more from the viewpoint of obtaining sufficient operating characteristics such as the extinction ratio. Is preferable, 1/8 or more is more preferable, and 1/7 or more is more preferable. On the other hand, it is preferably 1 / 0.5 or less, more preferably 1 / 0.8 or less, in terms of sufficiently suppressing transmission loss, and in the case where an electrode is provided, in terms of shortening the electrode length. More preferably, it is 1 or less.

前記屈折率制御部は、電気光学材料で形成することができる。これにより、高速で低消費電力の光変調器等の光デバイスを形成することができる。この電気光学材料としては、ジルコン酸チタン酸鉛、またはランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛が挙げられる。この電気化学材料として、Pb1-xLax(ZryTi1-y)O3(0≦x<1、0<y<1)で表されるジルコン酸チタン酸鉛を好適に用いることができる(x=0のとき「PZT」、0<xのとき「PLZT」)。このような材料を用いることにより、小型で低電圧駆動の光変調器等の能動素子、デバイスの形成が可能となる。 The refractive index control unit can be formed of an electro-optic material. Thereby, an optical device such as an optical modulator with high speed and low power consumption can be formed. Examples of the electro-optic material include lead zirconate titanate or lead zirconate titanate to which lanthanum is added. As the electrochemical materials, Pb 1-x La x ( Zr y Ti 1-y) O 3 (0 ≦ x <1,0 <y <1) be used preferably lead zirconate titanate represented by Yes ("PZT" when x = 0, "PLZT" when 0 <x). By using such a material, it is possible to form a small active device such as a low-voltage driven optical modulator or a device.

前記リング状光導波路における屈折率制御部以外の部分は、TiO2,Ta25、SrTiO3、BaTiO3から選ばれる材料で形成することができる。表3に示したように、前記リング状光導波路の屈折率制御部と当該リング状光導波路の他の部分および入出力導波路との屈折率の差は小さいほうが、変調器等の光デバイスの特性上望ましい。屈折率制御部を、例えば屈折率2.2〜2.5の電気光学材料で形成した場合、当該屈折率制御部以外のリング状導波路の部分の屈折率も同様の屈折率を有することが望ましい。上記の光学材料を用いることで、高い性能の光デバイスが形成可能となる。 Portions other than the refractive index control unit in the ring-shaped optical waveguide can be formed of a material selected from TiO 2 , Ta 2 O 5 , SrTiO 3 , and BaTiO 3 . As shown in Table 3, the difference in the refractive index between the refractive index control unit of the ring-shaped optical waveguide and the other parts of the ring-shaped optical waveguide and the input / output waveguide is smaller. Desirable in characteristics. When the refractive index control unit is formed of, for example, an electro-optic material having a refractive index of 2.2 to 2.5, the refractive index of the ring waveguide portion other than the refractive index control unit may have the same refractive index. desirable. By using the above optical material, a high-performance optical device can be formed.

本発明による一実施形態では、図2に示すように、前記リング状光導波路に電界を形成する電極を設け、この電極に電気信号を印加することで光を制御する光変調器または光スイッチとして動作させることができる。これにより、高速応答可能で、小型化もしくは低消費電力化が可能な光変調器、光スイッチを提供することができる。   In one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2, an electrode for forming an electric field is provided in the ring-shaped optical waveguide, and an electric signal is applied to the electrode to control an optical modulator or optical switch. It can be operated. As a result, it is possible to provide an optical modulator and an optical switch that can respond at high speed and can be reduced in size or power consumption.

本発明による一実施形態では、上記の第1の光デバイスと、他の第2の光デバイスとを同一基板上に有する光集積デバイスを提供できる。第2のデバイスとしては、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光スイッチ、光フィルターのいずれかを適用することができる。この基板としては、シリコン基板を適用することができる。   In one embodiment according to the present invention, an optical integrated device having the above-mentioned first optical device and another second optical device on the same substrate can be provided. As the second device, any of a laser, an electro-optical converter, a photoelectric converter, an optical amplifier, an optical switch, and an optical filter can be applied. A silicon substrate can be applied as this substrate.

本発明による一実施形態では、上記の光学デバイスと電子回路とを同一基板上に有する光集積デバイスを提供できる。この基板としては、シリコン基板を適用することができる。   In an embodiment according to the present invention, an optical integrated device having the optical device and the electronic circuit on the same substrate can be provided. A silicon substrate can be applied as this substrate.

本発明の一実施形態による光学デバイスの製造においては、前記屈折率制御部を構成する光学材料を、エアロゾルデポジション法で形成することができる。このような製造方法を用いることで、Si等の任意の基板上に、導波損失が小さく、低電圧駆動の光変調器等の光デバイス、及びこの光デバイスを備えた光集積デバイスを実現することができる。   In manufacturing an optical device according to an embodiment of the present invention, an optical material constituting the refractive index control unit can be formed by an aerosol deposition method. By using such a manufacturing method, an optical device such as an optical modulator having a small waveguide loss and a low voltage drive on an arbitrary substrate such as Si, and an optical integrated device including the optical device are realized. be able to.

以下、本発明による一実施例を挙げてさらに説明する。   Hereinafter, the present invention will be further described by way of an example.

図7は、本実施例の光デバイスの屈折率制御部を示す断面模式図である。この構造の平面模式図は図1と同様であり、上部電極構造の平面模式図は図2と同様である。   FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the refractive index control unit of the optical device of this example. A schematic plan view of this structure is the same as FIG. 1, and a schematic plan view of the upper electrode structure is the same as FIG.

屈折率制御部とリング状光導波路の他の部分との光路長の比は1:1とした。   The optical path length ratio between the refractive index control unit and the other part of the ring-shaped optical waveguide was 1: 1.

シリコン基板71上に、SiO2層72(膜厚1μm)を熱酸化により形成した。金属下部電極として、Ti層(膜厚10nm)73、Au層(膜厚1μm)74、Ti層(膜厚10nm)75を、TiはDCマグネトロンスパッタ法で、Auはメッキ法で形成した。その上に、下部透明電極層76としてITO層(膜厚0.3μm)をDCマグネトロンスパッタ法(スパッタガス:Arガス)により形成した。 An SiO 2 layer 72 (film thickness 1 μm) was formed on the silicon substrate 71 by thermal oxidation. As the metal lower electrode, a Ti layer (film thickness 10 nm) 73, an Au layer (film thickness 1 μm) 74, and a Ti layer (film thickness 10 nm) 75 were formed by Ti using DC magnetron sputtering and Au using plating. An ITO layer (thickness: 0.3 μm) was formed thereon as a lower transparent electrode layer 76 by DC magnetron sputtering (sputtering gas: Ar gas).

次に、クラッド層77としてSrTiO3層(膜厚0.5μm)をRFマグネトロンスパッタ法(基板温度:300℃、スパッタガス:Ar+O2)により成膜した。次いで、このSrTiO3層(クラッド層77)を、逆リッジ構造を形成するために3μm幅のレジストを形成した後、イオンミリング法でエッチングした。 Next, a SrTiO 3 layer (film thickness: 0.5 μm) was formed as the cladding layer 77 by RF magnetron sputtering (substrate temperature: 300 ° C., sputtering gas: Ar + O 2 ). Next, this SrTiO 3 layer (cladding layer 77) was etched by an ion milling method after forming a resist having a width of 3 μm in order to form an inverted ridge structure.

次に、SiO2層78を熱CVD法で膜厚1.5μmに形成した。 Next, the SiO 2 layer 78 was formed to a thickness of 1.5 μm by a thermal CVD method.

次に、3μm幅のレジストの抜きを形成した後、反応性イオンエッチングを行って、幅3μm、深さ1μmの凹構造を形成した。次に、この凹構造を埋め込むようにエアロゾルデポジション法によりコア層79を形成した。具体的な成膜方法は後に説明する。次いで、600℃で30分、大気中でアニール後、表面研磨を行い、コア層の平坦化を行った。   Next, after forming a 3 μm wide resist strip, reactive ion etching was performed to form a concave structure having a width of 3 μm and a depth of 1 μm. Next, a core layer 79 was formed by an aerosol deposition method so as to embed this concave structure. A specific film forming method will be described later. Next, after annealing in the air at 600 ° C. for 30 minutes, surface polishing was performed to flatten the core layer.

その上に、上部クラッド層710としてSrTiO3を膜厚0.5μmに形成し、次いで上部透明電極層711としてITO層(膜厚0.3μm)を形成した。その後に、金属上部電極として、Ti層(膜厚10nm)712、Au層(膜厚1μm)713を形成した。上部クラッド層710、上部透明電極層711、金属上部電極712、713の形成方法は、前記の下部側の構造の形成方法と同じである。 On top of this, SrTiO 3 was formed to a thickness of 0.5 μm as the upper cladding layer 710, and then an ITO layer (thickness 0.3 μm) was formed as the upper transparent electrode layer 711. Thereafter, a Ti layer (film thickness 10 nm) 712 and an Au layer (film thickness 1 μm) 713 were formed as metal upper electrodes. The formation method of the upper cladding layer 710, the upper transparent electrode layer 711, and the metal upper electrodes 712 and 713 is the same as the formation method of the structure on the lower side.

次に、上記のエアロゾルデポジション法によるコア層の形成方法ついて説明する。   Next, a method for forming the core layer by the aerosol deposition method will be described.

図8は、本実施例で用いた成膜装置の概略図である。   FIG. 8 is a schematic view of the film forming apparatus used in this example.

酸素ガスを内蔵するガスボンベ81は搬送管を介してガラスボトル82に接続されている。ガラスボトル82内に粉末原料83を入れ、排気管84を介してガラスボトル82内を20Torr(2.67kPa)程度の真空に排気した後、キャリアガスとして酸素をその流量を制御しながら導入する。ガラスボトル82を加振器85により振動させることで、気体中に原料粉末の微粒子を分散させたエアロゾルを発生させ、キャリアガスにより搬送管86を介して、成膜チャンバー87に搬送する。成膜チャンバー87は、真空ポンプ88により所定の真空度に排気される。ノズル89から基板810に粉末を吹き付けることで、薄膜を形成する。   A gas cylinder 81 containing oxygen gas is connected to a glass bottle 82 via a transfer tube. After the powder raw material 83 is put in the glass bottle 82 and the inside of the glass bottle 82 is evacuated to a vacuum of about 20 Torr (2.67 kPa) via the exhaust pipe 84, oxygen is introduced as a carrier gas while controlling its flow rate. The glass bottle 82 is vibrated by the vibrator 85 to generate an aerosol in which fine particles of the raw material powder are dispersed in the gas, and the carrier is transported to the film forming chamber 87 via the transport pipe 86. The film forming chamber 87 is evacuated to a predetermined degree of vacuum by a vacuum pump 88. A thin film is formed by spraying powder onto the substrate 810 from the nozzle 89.

成膜条件は、次の通りである。キャリアガスは酸素とし、ノズルからの吐出物(粉末)の基板表面への入射角を30度、ガス流量は12l/分、成膜速度は0.5μm/分、加振器の振動数は200rpmである。基板にはコア形成前のシリコン基板を用いた。電気光学効果の大きな酸化物であるランタン添加ジルコン酸チタン酸鉛(PLZT)系粉末を成膜材料とした。PLZTの組成は、(Pb0.95La0.05)(Zr0.3Ti0.7)O3である。原料粉末の平均粒径は、0.7μmとした。PLZTの膜厚は3μmである。成膜材料のPLZT系粉末はペロブスカイト型結晶構造を持つ強誘電体の組成であり、一次の大きな電気光学係数を持つ光デバイスに好適な組成である。 The film forming conditions are as follows. The carrier gas is oxygen, the incident angle of the discharge material (powder) from the nozzle to the substrate surface is 30 degrees, the gas flow rate is 12 l / min, the deposition rate is 0.5 μm / min, and the vibration frequency of the vibrator is 200 rpm. It is. A silicon substrate before core formation was used as the substrate. A lanthanum-doped lead zirconate titanate (PLZT) powder, which is an oxide having a large electro-optic effect, was used as a film forming material. The composition of PLZT is (Pb 0.95 La 0.05 ) (Zr 0.3 Ti 0.7 ) O 3 . The average particle size of the raw material powder was 0.7 μm. The film thickness of PLZT is 3 μm. The film forming material, PLZT-based powder, is a ferroelectric composition having a perovskite crystal structure, and is suitable for an optical device having a first-order large electro-optic coefficient.

図9は、本実施例の光デバイスの屈折率制御部以外のリング状導波路の部分を示す断面模式図である。この部分には、前述の図7に示した屈折率制御部に対して、コアの材料が異なり、また、電極が設けられていない。   FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a ring-shaped waveguide portion other than the refractive index control unit of the optical device of this example. In this portion, the material of the core is different from that of the refractive index control unit shown in FIG. 7, and no electrode is provided.

シリコン基板91(71)上にSiO2層92(72)(膜厚1μm)を熱酸化により形成した後、SiO2層93を熱CVD法で膜厚1.32μmに形成した。 After the SiO 2 layer 92 (72) (film thickness 1 μm) was formed on the silicon substrate 91 (71) by thermal oxidation, the SiO 2 layer 93 was formed to a film thickness of 1.32 μm by the thermal CVD method.

次に、クラッド層94(77)としてSrTiO3層(膜厚0.5μm)をRFマグネトロンスパッタ法(基板温度:300℃、スパッタガス:Ar+O2)により成膜した。 Next, an SrTiO 3 layer (film thickness: 0.5 μm) was formed as the clad layer 94 (77) by RF magnetron sputtering (substrate temperature: 300 ° C., sputtering gas: Ar + O 2 ).

その上に、第1のコア層95として、TiO2層(膜厚0.5μm)をRFマグネトロンスパッタ法(基板温度:室温、スパッタガス:Ar+O2)により成膜した。 A TiO 2 layer (film thickness: 0.5 μm) was formed thereon as the first core layer 95 by RF magnetron sputtering (substrate temperature: room temperature, sputtering gas: Ar + O 2 ).

次に、SrTiO3層(クラッド層)94とTiO2層(第1のコア層)95を、逆リッジ構造を形成するために3μm幅のレジストを形成した後、イオンミリング法でエッチングした。 Next, a SrTiO 3 layer (cladding layer) 94 and a TiO 2 layer (first core layer) 95 were etched by an ion milling method after forming a resist having a width of 3 μm in order to form an inverted ridge structure.

次に、SiO2層96をリフトオフ法により熱CVD法で膜厚1.0μmに形成した。 Next, the SiO 2 layer 96 was formed to a thickness of 1.0 μm by a thermal CVD method using a lift-off method.

第2のコア層として、TiO2層97(膜厚1.0μm)をRFマグネトロンスパッタ法(基板温度:室温、スパッタガス:Ar+O2)により成膜した。その上に上部クラッド層98(710)としてSrTiO3を膜厚0.5μmに形成した。 As the second core layer, a TiO 2 layer 97 (film thickness: 1.0 μm) was formed by RF magnetron sputtering (substrate temperature: room temperature, sputtering gas: Ar + O 2 ). On top of this, SrTiO 3 was formed to a thickness of 0.5 μm as an upper cladding layer 98 (710).

なお、図7に示す構造(屈折率制御部)と図9に示す構造(屈折率制御部以外のリング状光導波路の部分)の上記製造過程において、SiO2層72とSiO2層92、クラッド層77とクラッド層94、上部クラッド層710と上部クラッド層98は、シリコン基板(71、91)上に同時に形成し、電極層等のその他の層の形成は、一方の構造の領域をマスクした状態で他方の構造の領域に形成した。 In the above manufacturing process of the structure shown in FIG. 7 (refractive index control section) and the structure shown in FIG. 9 (ring optical waveguide portion other than the refractive index control section), the SiO 2 layer 72, the SiO 2 layer 92, and the cladding The layer 77 and the clad layer 94, the upper clad layer 710 and the upper clad layer 98 are simultaneously formed on the silicon substrate (71, 91), and the formation of the other layers such as the electrode layers masks the region of one structure. It was formed in the region of the other structure in the state.

以上のようにして作製したリング型変調器に、波長1.55μmのCW光を入力し、バイアス電圧として3.5V印加した状態で3Vppで変調したところ、10GHzの高周波までの変調が可能であった。そのときの消光比は4dBであった。   When a CW light having a wavelength of 1.55 μm is input to the ring-type modulator manufactured as described above and modulated at 3 Vpp with a bias voltage of 3.5 V applied, modulation up to a high frequency of 10 GHz is possible. It was. The extinction ratio at that time was 4 dB.

以上の通り、リング状光導波路と入出力光導波路を有する光デバイスにおいて、屈折率制御部に光学吸収の大きな電気光学材料を用いながら、高速、小型で低電圧駆動の光変調器が製造できた。   As described above, in an optical device having a ring-shaped optical waveguide and an input / output optical waveguide, a high-speed, small, and low-voltage drive optical modulator can be manufactured while using an electro-optical material having a large optical absorption for the refractive index control unit. .

本実施例は、屈折率制御部のコア材料としてPLZTを用いたが、これに限定されるものではなく、ジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸バリウム、ストロンチウム添加チタン酸バリウム、KTN等の電気光学材料が適用できる。また、リング状導波路の他の部分のコア材料としては、TiO2の他、Ta25、SrTiO3、BaTiO3、SiO2、窒化珪素等の光導波路形成用の材料を適用できる。 In this embodiment, PLZT is used as the core material of the refractive index control unit. However, the present invention is not limited to this. Electro-optical materials such as lead zirconate titanate, barium titanate, strontium-added barium titanate, and KTN are used. Is applicable. As the core material of the other part of the ring-shaped waveguide, materials for forming an optical waveguide such as Ta 2 O 5 , SrTiO 3 , BaTiO 3 , SiO 2 , silicon nitride, etc. can be applied in addition to TiO 2 .

また、屈折率制御部の電気光学材料の成膜にエアロゾルデポジション法を用いることで、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光フィルター等の別種の光学素子を予め形成した基板に対して、あるいは、CPU、メモリー等の電子素子で構成される集積回路が予め形成されている基板に対して、本発明による光学素子を作製することが容易になる。このような製造方法は、本発明による光デバイスと、他のデバイス又は集積回路を備えた種々の光集積デバイスの作製に応用することができる。   In addition, by using the aerosol deposition method for film formation of the electro-optic material of the refractive index control unit, other types of optical elements such as lasers, electro-optic converters, photoelectric converters, optical amplifiers, optical waveguides, optical filters, etc. It becomes easy to manufacture the optical element according to the present invention on a substrate formed in advance or on a substrate on which an integrated circuit composed of electronic elements such as a CPU and a memory is formed in advance. Such a manufacturing method can be applied to the production of various optical integrated devices including the optical device according to the present invention and other devices or integrated circuits.

11 入出力光導波路
12 リング状光導波路
13 入出力光導波路とリング状光導波路の光学的結合部
14 リング状光導波路の屈折率制御部
2 電極部
71 シリコン基板
72 SiO2
73 Ti層
74 Au層
75 Ti層
76 下部透明電極層
77 クラッド層
78 SiO2
79 コア層
710 上部クラッド層
711 上部透明電極層
712 Ti層
713 Au層
81 ガスボンベ
82 ガラスボトル
83 粉末原料
84 排気管
85 加振器
86 搬送管
87 成膜チャンバー
88 真空ポンプ
89 ノズル
810 基板
91 シリコン基板
92 SiO2
93 SiO2
94 クラッド層
95 コア層
96 SiO2
97 第二のコア層
98 上部クラッド層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Input / output optical waveguide 12 Ring-shaped optical waveguide 13 Optical coupling part of input / output optical waveguide and ring-shaped optical waveguide 14 Refractive index control part 2 of ring-shaped optical waveguide 2 Electrode part 71 Silicon substrate 72 SiO 2 layer 73 Ti layer 74 Au Layer 75 Ti layer 76 Lower transparent electrode layer 77 Clad layer 78 SiO 2 layer 79 Core layer 710 Upper clad layer 711 Upper transparent electrode layer 712 Ti layer 713 Au layer 81 Gas cylinder 82 Glass bottle 83 Powder raw material 84 Exhaust pipe 85 Exciter 86 Transport pipe 87 Deposition chamber 88 Vacuum pump 89 Nozzle 810 Substrate 91 Silicon substrate 92 SiO 2 layer 93 SiO 2 layer 94 Clad layer 95 Core layer 96 SiO 2 layer 97 Second core layer 98 Upper clad layer

Claims (10)

リング状光導波路と入出力光導波路を有し、前記リング状光導波路の共振波長を変化させる光デバイスであって、
導波する波長における屈折率を制御する屈折率制御部が、前記リング状光導波路の一部分に具備され、
前記屈折率制御部が電気光学材料で形成され、前記リング状光導波路に電界を形成する電極が該屈折率制御部に設けられ、該電極に電気信号を印加することで光を制御する構造を備え、
前記リング状光導波路において、前記屈折率制御部以外の部分が、前記屈折率制御部を構成する電気光学材料の吸収係数より低い吸収係数をもつ光学材料で形成されて該リング状光導波路の導波損失が低減され消光比が増加する構造を備えた、光デバイス。
An optical device having a ring-shaped optical waveguide and an input / output optical waveguide, and changing a resonance wavelength of the ring-shaped optical waveguide,
A refractive index control unit for controlling a refractive index at a wavelength to be guided is provided in a part of the ring-shaped optical waveguide,
A structure in which the refractive index control unit is formed of an electro-optic material, an electrode for forming an electric field in the ring-shaped optical waveguide is provided in the refractive index control unit, and an electric signal is applied to the electrode to control light. Prepared,
In the ring-shaped optical waveguide, the portion other than the refractive index control unit is formed of an optical material having an absorption coefficient lower than that of the electro-optic material constituting the refractive index control unit, so that the guide of the ring-shaped optical waveguide is formed. An optical device having a structure in which wave loss is reduced and extinction ratio is increased.
前記屈折率制御部が、該屈折率制御部以外の前記リング状光導波路の部分を構成する光学材料の複素屈折率と異なる複素屈折率をもつ光学材料で形成されている、請求項1に記載の光デバイス。   The said refractive index control part is formed with the optical material which has a complex refractive index different from the complex refractive index of the optical material which comprises the part of the said ring-shaped optical waveguide other than this refractive index control part. Optical devices. 前記リング状光導波路において、前記屈折率制御部以外の部分が、前記入出力光導波路を構成する光学材料の複素屈折率と同じ複素屈折率をもつ光学材料で形成されている、請求項1又は2に記載の光デバイス。   In the ring-shaped optical waveguide, a portion other than the refractive index control unit is formed of an optical material having the same complex refractive index as that of the optical material constituting the input / output optical waveguide. 3. The optical device according to 2. 前記屈折率制御部が、ジルコン酸チタン酸鉛を含む材料、またはランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛を含む材料で形成されている、請求項1から3のいずれかに記載の光学デバイス。   4. The optical device according to claim 1, wherein the refractive index controller is formed of a material containing lead zirconate titanate or a material containing lead zirconate titanate to which lanthanum is added. 前記リング状光導波路において、前記屈折率制御部以外の部分が、TiO2、Ta25、SrTiO3、BaTiO3から選ばれる材料で形成されている、請求項1から4のいずれかに記載の光デバイス。 5. The ring-shaped optical waveguide according to claim 1, wherein a portion other than the refractive index control unit is formed of a material selected from TiO 2 , Ta 2 O 5 , SrTiO 3 , and BaTiO 3. Optical devices. 請求項1から5のいずれかに記載の第1の光デバイスと、他の第2の光デバイスとを基板上に有する光集積デバイス。   An optical integrated device having the first optical device according to any one of claims 1 to 5 and another second optical device on a substrate. 第2のデバイスが、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光スイッチ、光フィルターのいずれかである、請求項6に記載の光集積デバイス。   The optical integrated device according to claim 6, wherein the second device is one of a laser, an electro-optical converter, a photoelectric converter, an optical amplifier, an optical switch, and an optical filter. 請求項1から5のいずれかに記載の光デバイスと電子回路とを基板上に有する光集積デバイス。   An optical integrated device comprising the optical device according to claim 1 and an electronic circuit on a substrate. 請求項1から5のいずれかに記載の光デバイスの製造方法であって、前記屈折率制御部を構成する光学材料が、エアロゾルデポジション法で形成されることを特徴とする光デバイスの製造方法。   6. The method of manufacturing an optical device according to claim 1, wherein the optical material constituting the refractive index control unit is formed by an aerosol deposition method. . 請求項1から5のいずれかに記載の光デバイスの製造方法であって、
シリコン基板上に絶縁層を形成する工程と、
リング状光導波路の屈折率制御部を形成する領域に下部電極層を形成する工程と、
下部クラッド層を形成する工程と、
前記屈折率制御部を形成する領域には、前記下部クラッド層上にエアロゾルデポジション法により第1の光学材料からなる第1のコア層を形成し、前記リング状光導波路の該屈折率制御部以外の部分を形成する領域には、前記下部クラッド層上に、第1の光学材料の複素屈折率と異なる複素屈折率をもつ第2の光学材料からなり、第1のコア層と接続する第2のコア層を形成する工程と、
前記リング状光導波路を構成する第1のコア層および第2のコア層上に上部クラッド層を形成する工程と、
前記上部クラッド層上に、前記下部電極層と対向するように上部電極層を形成する工程と、を有する光デバイスの製造方法。
A method for manufacturing an optical device according to any one of claims 1 to 5,
Forming an insulating layer on the silicon substrate;
Forming a lower electrode layer in a region for forming a refractive index controller of the ring-shaped optical waveguide;
Forming a lower cladding layer;
In the region where the refractive index control unit is formed, a first core layer made of a first optical material is formed on the lower cladding layer by an aerosol deposition method, and the refractive index control unit of the ring-shaped optical waveguide is formed. In a region for forming a portion other than, a second optical material having a complex refractive index different from the complex refractive index of the first optical material is formed on the lower clad layer and connected to the first core layer. Forming a core layer of 2;
Forming an upper clad layer on the first core layer and the second core layer constituting the ring-shaped optical waveguide;
Forming an upper electrode layer on the upper clad layer so as to face the lower electrode layer.
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