JP2016224093A

JP2016224093A - 光導波路型位相変調器および光回路

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Publication number: JP2016224093A
Application number: JP2015107195A
Authority: JP
Inventors: 達郎開; Tatsuro Hiraki; 浩治山田; Koji Yamada
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2016-12-28
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: JP6527021B2

Abstract

【課題】極低温環境下におけるシリコン導波路の光の位相を低発熱かつ局所的に変化させる。
【解決手段】光導波路型位相変調器は、半導体基板上に形成されたシリコン導波路１０と、半導体基板上に形成され、コアの材料としてシリコンよりもワイドバンドギャップの材料を用いた励起光導波路１１と、半導体基板上に形成され、励起光導波路１１とシリコン導波路１０とを、シリコンが吸収可能な波長において光学的に結合する位相変調領域１４と、位相変調領域１４の前後のシリコン導波路１０に、コアの材料として絶縁体を用いて形成された拡散防止導波路１２，１３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン系材料を用いた光導波路型位相変調器、および光導波路型位相変調器を搭載した光回路に関するものである。

量子暗号通信は、各々の光子に信号を載せて通信することで、原理的に第三者による盗聴が不可能となる暗号技術である。そのシステムでは、単一光子の情報を送受信するために超伝導素子が用いられることが多く、例えば、受信系では超伝導単一光子検出器が用いられる。近年、このような超伝導素子と光回路をシリコン基板上で一体集積することにより、小型かつ低コストの量子暗号通信システムを構築することが期待されている。

図８にdifferential phase-shift keying（ＤＰＳＫ）方式で信号が伝送されるシステムの受信部の構成例を示す。量子暗号通信システムの受信部は、光を２分岐させるパワースプリッタ１００と、光ファイバ１０１，１０２と、光ファイバ１０１で伝送される光に１ビットに相当する遅延時間が発生するように光路長差を生じさせる１ビット遅延干渉計１０３と、位相変調器１０４と、１ビット遅延干渉計１０３および位相変調器１０４を通過した光と光ファイバ１０２で伝送される光とを合波するパワースプリッタ１０５と、超伝導単一光子検出器１０６，１０７とを有する。

図８に示したようなシステムをシリコン導波路素子により集積する際には、超伝導素子とシリコン導波路干渉計素子とが同一基板上に形成され、超伝導転移温度以下の環境で用いられる。ここで、１ビット遅延干渉計１０３のような素子をシリコン導波路で構成するためには、導波路位相誤差を補償するための位相変調器１０４が必要となる。

シリコン導波路素子の位相変調の原理として、室温においては、熱光学効果（温度変化により屈折率を変調）とキャリアプラズマ効果（電子・正孔密度変化により屈折率を変調）とが報告されている。キャリアプラズマ効果については、非特許文献１に開示されている。しかし、超伝導性が発現する極低温（〜４Ｋ）では、シリコンの熱光学係数は室温の１／１００００程度となるため、超伝導素子と集積されるシリコン導波路の位相変調器の原理として熱光学効果を用いることはできない。一方、キャリアプラズマ効果は〜４Ｋにおいても用いることができるので、超伝導素子と集積されるシリコン導波路の位相変調器の原理として有望である。

キャリアプラズマ効果を用いた位相変調器は、極低温環境下のシリコン導波路光回路内の任意の位相変調領域にキャリアを発生させなければならない。室温では、キャリアを局所的に発生させるため、ｐｎ（ｐｉｎ）ダイオードを形成してキャリア注入する位相変調器が報告されている（非特許文献２）。

RICHARD A.SOREF，et al.，"Electrooptical Effects in Silicon"，IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS，VOL.QE-23，NO.1，JANUARY 1987，pp.123-129 Jeong Woo Park，et al.，"High-modulation efficiency silicon Mach-Zehnder optical modulator based on carrier depletion in a PN Diode"，Optics Express，VOL.17，No.18，2009，pp.15520-15524

非特許文献２に開示された素子を４Ｋ程度の極低温に適用しようとすると、ｎ，ｐ型シリコンは極めて高抵抗の拡散層配線となるため、電源から注入されるエネルギーの多くがシリコン層内の熱となる。特にシリコンは、低温になるにつれて熱容量が小さくなり発熱量が増大する一方、熱伝導率は大きくなる特性を有する。そのため、位相変調器で発生する熱が同一シリコン層上に形成される超伝導素子に容易に伝わり、超伝導素子の特性が劣化するという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、極低温環境下におけるシリコン導波路の光の位相を低発熱かつ局所的に変化させることができる光導波路型位相変調器および光回路を提供することを目的とする。

本発明の光導波路型位相変調器は、半導体基板上に形成されたシリコン導波路と、前記半導体基板上に形成され、コアの材料としてシリコンよりもワイドバンドギャップの材料を用いた励起光導波路と、前記半導体基板上に形成され、前記励起光導波路と前記シリコン導波路とを、シリコンが吸収可能な波長において光学的に結合する位相変調領域と、この位相変調領域の前後の前記シリコン導波路に、コアの材料として絶縁体を用いて形成された拡散防止導波路とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の光導波路型位相変調器の１構成例において、前記拡散防止導波路は、前記コアの材料として、極低温における熱伝導率がシリコンよりも低い材料を用いて形成されることを特徴とするものである。
また、本発明の光導波路型位相変調器の１構成例において、前記励起光導波路と前記拡散防止導波路とは、同一のコア材料を用いて形成されることを特徴とするものである。
また、本発明の光導波路型位相変調器の１構成例において、前記位相変調領域は、前記励起光導波路のコアと前記シリコン導波路のコアとがクラッド層を挟んで積層された構造を有し、前記励起光導波路中を伝搬する励起光が前記シリコン導波路に吸収され、前記シリコン導波路中を伝搬する信号光の波長においてはシングルモード導波路となるように寸法および材料が設定されることを特徴とするものである。

また、本発明の光回路は、光導波路型位相変調器と、この光導波路型位相変調器と同一の半導体基板上に集積される超伝導素子とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の光回路の１構成例は、さらに、信号光を２分岐させる第１のパワースプリッタと、この第１のパワースプリッタで２分岐された信号光を導く第１、第２のシリコン導波路と、前記第１のシリコン導波路中に配置される１ビット遅延干渉計と、前記第１のシリコン導波路中に配置される前記光導波路型位相変調器と、前記１ビット遅延干渉計および前記光導波路型位相変調器を通過した信号光と前記第２のシリコン導波路で伝送される信号光とを合波して、合波した光を２分岐させる第２のパワースプリッタと、この第２のパワースプリッタで２分岐された信号光を受ける２つの前記超伝導素子とを、前記半導体基板上に備えることを特徴とするものである。
また、本発明の光回路の１構成例は、さらに、前記第２のシリコン導波路に、前記光導波路型位相変調器内の拡散防止導波路と同じ拡散防止導波路を備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、励起光パワーをシリコン導波路に結合させることで位相変調領域の箇所のシリコン導波路内に局所的にキャリアを発生させることができるため、極低温環境下で信号光の位相を低発熱かつ局所的に変化させることができる。

本発明の実施の形態に係る光導波路型位相変調器の構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る量子暗号通信システムの受信部の構成を示す図である。本発明の実施の形態における励起光導波路、拡散防止導波路およびシリコン導波路の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態における位相変調領域の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態において励起光導波路から入射された励起光のシリコン導波路への吸収効率と結合長との関係を示す図である。本発明の実施の形態において４Ｋの極低温における注入キャリア密度とキャリアプラズマ効果による光路長変化量との関係を示す図である。信号光波長における位相変調領域の導波路のモードフィールド計算結果を示す図である。ＤＰＳＫ方式で信号が伝送される量子暗号通信システムの受信部の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る光導波路型位相変調器の構成を示す図である。本実施の形態の光導波路型位相変調器は、ＳＯＩ（silicon-on-insulator）基板上にシリコン導波路１０と、励起光導波路１１と、拡散防止導波路１２，１３と、位相変調領域１４とが形成された構造を有し、図示しない光源から伝送される励起光パワーを極低温環境下におけるシリコン導波路１０に結合させることで導波路内に局所的にキャリアを発生させる。

励起光の波長は、シリコン導波路１０にキャリアを発生させるため、シリコンが高い吸収係数を示す波長（＜１．０ｅＶ）とする。励起光導波路１１は、シリコンよりもワイドバンドギャップの材料（＞１．０ｅＶ）を用いて形成されるため、光回路内の位相変調領域１４となる任意箇所に励起光パワーを伝送できる。これにより、極低温下で発熱源となり得るシリコン拡散層配線を用いることなくシリコン導波路１０にキャリアを供給できる。

位相変調領域１４は、励起光導波路１１とシリコン導波路１０とを、シリコンが吸収可能な波長において光学的に結合させるように形成されている。
シリコン導波路１０内に光励起されたキャリアを位相変調領域１４内のみに閉じ込める必要があるため、位相変調領域１４の前後のシリコン導波路１０に絶縁体で構成される拡散防止導波路１２，１３を形成する。シリコンに対して絶縁体となる材料のうち、シリコン微細加工プロセスで一般に用いられる絶縁体はＳｉＯ₂、ＳｉＮ等のシリコン化合物である。これらの絶縁体をコアとして用いた非晶質の拡散防止導波路１２，１３は、低温になるにつれて熱伝導率がシリコンよりも小さくなることから、キャリア再結合などによりシリコン導波路１０内で発生する熱が同一シリコン層上に形成される超伝導素子に拡散することを防ぐ役割も果たす。

ワイドバンドギャップ材料からなる導波路はシリコン中のキャリアにとって絶縁体となるため、励起光導波路１１と拡散防止導波路１２，１３の両方を同じ材料で構成することも可能である。

以下、本実施の形態の光導波路型位相変調器について更に具体的に説明する。図２は本実施の形態に係る量子暗号通信システムの受信部の構成を示す図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。光回路である受信部は、信号光を２分岐させるパワースプリッタ１と、パワースプリッタ１で２分岐された信号光のうちシリコン導波路１０で伝送される信号光に１ビットに相当する遅延時間が発生するように光路長差を生じさせる１ビット遅延干渉計２と、導波路位相誤差を補償するための光導波路型位相変調器３と、１ビット遅延干渉計２および光導波路型位相変調器３を通過した信号光とパワースプリッタ１で２分岐された信号光のうちシリコン導波路１５で伝送される信号光とを合波して、合波した光を２分岐させるパワースプリッタ４と、超伝導素子５，６とを有する。これらパワースプリッタ１，４と１ビット遅延干渉計２と光導波路型位相変調器３と超伝導素子５，６とは、同一の半導体基板上に形成される。超伝導素子５，６としては、単一光子を検出する超伝導単一光子検出器がある。

パワースプリッタ１，４は、シリコンで形成される２×２ＭＭＩ（Multi-Mode Interference）カプラである。１ビット遅延干渉計２は、シリコン導波路１０を必要な光路長の分だけ形成することで実現される。光導波路型位相変調器３は、上記のとおり、シリコン導波路１０と、励起光導波路１１と、拡散防止導波路１２，１３と、位相変調領域１４とから構成される。

図３（Ａ）は励起光導波路１１および拡散防止導波路１２，１３の構成を示す断面図、図３（Ｂ）はシリコン導波路１０の構成を示す断面図である。励起光導波路１１および拡散防止導波路１２，１３は、シリコン基板２００（半導体基板）と、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）からなるＢＯＸ層２０１と、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ、バンドギャップ：４．５〜５．０ｅＶ、屈折率：１．７）からなるコア２０２と、ＢＯＸ層２０１上にコア２０２を覆うように形成されたシリコン酸化膜からなるクラッド層２０３とから構成される。コア２０２の厚さは３００ｎｍ、コア２０２の幅は４００ｎｍである。コア２０２は、下端がＢＯＸ層２０１の表面から３００ｎｍ上方に位置するように形成される。

シリコン導波路１０は、シリコン基板２００と、ＢＯＸ層２０１と、シリコンからなるコア２０４と、ＢＯＸ層２０１上にコア２０４を覆うように形成されたシリコン酸化膜からなるクラッド層２０３とから構成される。コア２０４の厚さは２００ｎｍ、コア２０４の幅は４００ｎｍである。コア２０４は、シリコン基板２００とＢＯＸ層２０１と上層シリコン層とからなるＳＯＩ基板の上層シリコン層を加工することで形成される。
ＢＯＸ層２０１は、クラッド層２０３と共に、シリコン導波路１０、励起光導波路１１および拡散防止導波路１２，１３のクラッドとして機能することは言うまでもない。

拡散防止導波路１２，１３は、シリコン導波路１０の途中に形成されるので、拡散防止導波路１２，１３の入力側（図２左側）と出力側（図２右側）で、拡散防止導波路１２，１３とシリコン導波路１０とを結合する必要がある。

具体的な層間結合構造として、シリコン導波路１０のコア２０４は、拡散防止導波路１２，１３との結合部において先端（結合相手の拡散防止導波路１２，１３に向かう方向）に行くほど幅が細くなるテーパ構造となっており、同様に拡散防止導波路１２，１３のコア２０２は、シリコン導波路１０との結合部において先端（結合相手のシリコン導波路１０に向かう方向）に行くほど幅が細くなるテーパ構造となっている。コア２０２とコア２０４との間には、シリコン酸化膜からなるクラッド層２０３が形成されている。こうして、拡散防止導波路１２，１３のコア２０２の先端部とシリコン導波路１０のコア２０４の先端部とをクラッド層２０３を挟んで対向させることにより、拡散防止導波路１２，１３とシリコン導波路１０とを結合することができる。

なお、上記のようなテーパを用いた層間結合構造における光の位相を正確に計算することは困難である。そこで、導波路アームを構成しているシリコン導波路１０と対になる導波路アームを構成するシリコン導波路１５の途中にも、シリコン導波路１０と同じ拡散防止導波路１２，１３を形成することで、層間結合構造によって生じる光の位相の変化を２つの導波路アーム間でキャンセルすることが望ましい。シリコン導波路１５の構成は、シリコン導波路１０と同じであり、拡散防止導波路１２，１３とシリコン導波路１５との層間結合構造は、拡散防止導波路１２，１３とシリコン導波路１０との層間結合構造と同じである。

図４は位相変調領域１４の構成を示す断面図である。位相変調領域１４は、シリコン基板２００と、ＢＯＸ層２０１と、シリコン酸窒化膜からなるコア２０２と、シリコンからなるコア２０４と、ＢＯＸ層２０１上にコア２０２，２０４を覆うように形成されたシリコン酸化膜からなるクラッド層２０３とから構成される。このように位相変調領域１４は、シリコン導波路１０のコア２０４と励起光導波路１１のコア２０２とがクラッド層２０３を挟んで積層された構造となっている。

位相変調領域１４は、励起光の波長（本実施の形態では４８８ｎｍ）においては励起光導波路１１とシリコン導波路１０間がエバネッセント結合することで励起光導波路１１中を伝搬する励起光がシリコン導波路１０に吸収され、また信号光の波長（本実施の形態では〜１．５５μｍ）においては１ビット遅延干渉計２を構成するシングルモード導波路となるように設計される。本実施の形態では、上記のとおり、コア２０２の厚さを３００ｎｍ、コア２０２の幅を４００ｎｍ、コア２０４の厚さを２００ｎｍ、コア２０４の幅を４００ｎｍ、コア２０２とコア２０４との間に存在するクラッド層２０３の厚さを１００ｎｍとした。

励起光導波路１１から入射された励起光のシリコン導波路１０への吸収効率と結合長との関係を図５に示す。図５の横軸は位相変調領域１４における励起光導波路１１とシリコン導波路１０との結合長、縦軸は吸収効率である。励起光導波路１１から入射される励起光はエバネッセント結合によりシリコン導波路１０に結合する。図５によれば、励起光導波路１１とシリコン導波路１０との結合長が２５０μｍ程度の長さでほぼ１００％の励起光パワーがシリコン導波路１０に吸収される。よって、位相変調領域１４の長さＬ_sは２５０μｍ以上であればよい。以下の例では、位相変調領域１４の長さＬ_sを２５０μｍとした。

拡散防止導波路１２，１３によりキャリアが２５０μｍの長さのシリコン導波路１０内のみに閉じ込められるとき、４Ｋの極低温における注入キャリア密度とキャリアプラズマ効果による光路長変化量との関係を図６に示す。信号光の位相をπシフトさせる光路長変化量はλ／２＝〜０．７８μｍ（λは信号光の波長）であり、図６によると、位相をπシフトさせるのに必要なキャリア注入量は〜３．０×１０¹⁸／ｃｍ³程度である。

次に、信号光波長１．５５μｍにおける位相変調領域１４の導波路のモードフィールド計算結果を図７に示す。位相変調領域１４は、図７に示すモード以外は伝搬しないシングルモード導波路であり、４Ｋの極低温におけるこのシングルモード導波路の群屈折率の計算結果は４．１２３であった。

なお、本実施の形態では、位相変調領域１４以外のシリコン導波路１０を、コア２０４の幅が４００ｎｍ、コア２０４の厚さが２００ｎｍのシングルモード導波路とし、この構造の４Ｋの極低温における群屈折率を計算した結果、４．１４９であった。

以上の構造を用いて、１０Ｇｂ／ｓ−ＤＰＳＫ信号用の１ビット遅延干渉計を設計する場合、２つの導波路アームの導波路長は下記の式を満たせばよい。
｛ｎ_g1（Ｌ₁−Ｌ_s）＋ｎ_g2Ｌ_s｝−ｎ_g1Ｌ₂＝ｃ／ｆ・・・（１）

ｎ_g1は位相変調領域１４以外のシリコン導波路１０の群屈折率（λ＝１．５５μｍ）、ｎ_g2は位相変調領域１４におけるシリコン導波路１０の群屈折率（λ＝１．５５μｍ）、Ｌ₁はシリコン導波路１０の全導波路長、Ｌ₂はシリコン導波路１５の全導波路長、Ｌ_sは位相変調領域１４の長さ、ｃは光速、ｆはビットレートである。

上記のとおり、拡散防止導波路１２，１３は２つの導波路アームに同じ長さで形成され、拡散防止導波路１２，１３を設けることによる光路長の差がキャンセルされるようになっているため、熱とキャリアの超伝導素子５，６への拡散を防ぐために必要な任意の長さの拡散防止導波路１２，１３を形成することができる。式（１）を用いて計算した結果、本実施の形態においては２つの導波路アーム長差：Ｌ₁−Ｌ₂＝７．２３ｍｍとすればよい。

本発明は、極低温環境下において使用される光導波路素子の位相変調に関する技術に適用することができる。

１，４…パワースプリッタ、２…１ビット遅延干渉計、３…光導波路型位相変調器、５，６…超伝導素子、１０，１５…シリコン導波路、１１…励起光導波路、１２，１３…拡散防止導波路、１４…位相変調領域、２００…シリコン基板、２０１…ＢＯＸ層、２０２，２０４…コア、２０３…クラッド層。

Claims

半導体基板上に形成されたシリコン導波路と、
前記半導体基板上に形成され、コアの材料としてシリコンよりもワイドバンドギャップの材料を用いた励起光導波路と、
前記半導体基板上に形成され、前記励起光導波路と前記シリコン導波路とを、シリコンが吸収可能な波長において光学的に結合する位相変調領域と、
この位相変調領域の前後の前記シリコン導波路に、コアの材料として絶縁体を用いて形成された拡散防止導波路とを備えることを特徴とする光導波路型位相変調器。
請求項１記載の光導波路型位相変調器において、
前記拡散防止導波路は、前記コアの材料として、極低温における熱伝導率がシリコンよりも低い材料を用いて形成されることを特徴とする光導波路型位相変調器。
請求項１または２記載の光導波路型位相変調器において、
前記励起光導波路と前記拡散防止導波路とは、同一のコア材料を用いて形成されることを特徴とする光導波路型位相変調器。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光導波路型位相変調器において、
前記位相変調領域は、前記励起光導波路のコアと前記シリコン導波路のコアとがクラッド層を挟んで積層された構造を有し、
前記励起光導波路中を伝搬する励起光が前記シリコン導波路に吸収され、前記シリコン導波路中を伝搬する信号光の波長においてはシングルモード導波路となるように寸法および材料が設定されることを特徴とする光導波路型位相変調器。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光導波路型位相変調器と、
この光導波路型位相変調器と同一の半導体基板上に集積される超伝導素子とを備えることを特徴とする光回路。
請求項５記載の光回路において、
さらに、信号光を２分岐させる第１のパワースプリッタと、
この第１のパワースプリッタで２分岐された信号光を導く第１、第２のシリコン導波路と、
前記第１のシリコン導波路中に配置される１ビット遅延干渉計と、
前記第１のシリコン導波路中に配置される前記光導波路型位相変調器と、
前記１ビット遅延干渉計および前記光導波路型位相変調器を通過した信号光と前記第２のシリコン導波路で伝送される信号光とを合波して、合波した光を２分岐させる第２のパワースプリッタと、
この第２のパワースプリッタで２分岐された信号光を受ける２つの前記超伝導素子とを、前記半導体基板上に備えることを特徴とする光回路。
請求項６記載の光回路において、
さらに、前記第２のシリコン導波路に、前記光導波路型位相変調器内の拡散防止導波路と同じ拡散防止導波路を備えることを特徴とする光回路。