JP3957187B2

JP3957187B2 - 可変光減衰器

Info

Publication number: JP3957187B2
Application number: JP2002308168A
Authority: JP
Inventors: 真吾内山; 光俊高橋; 泰土澤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2022-10-23
Also published as: JP2004144886A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧印加で容易に光の減衰を行え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）システム等では、例えばＥＤＦＡ（Er Doped Fiber Amplifier：Erドープ光ファイバアンプ）を利用して光ファイバ中を伝搬する光信号を増幅するとともに、光ファイバ中を伝搬する信号光を任意の光強度に減衰させる技術も必要である。
【０００３】
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）。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、リブを挟むように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、例えば石英などの絶縁基板からなる下部クラッド３０１の上に形成されたシリコン層３０２にリッジを形成してコア３０３とし、コア３０３の一部の両脇のクラッド層３０４に、ｐ形不純物導入部３０５，ｎ形不純物導入部３０６を形成したものである。なお、ｐ形不純物導入部３０５，ｎ形不純物導入部３０６には、各々金属パッド３０７，３０８が接続されている。
【０００５】
コア３０３は、クラッド層３０４より厚く形成されており、コア３０３の有効屈折率がクラッド層３０４の有効屈折率より相対的に大きなものとなっている。この有効屈折率の差により、コア３０３に光を閉じ込めることが可能となり、コア３０３が導波路として機能する。コア３０３は、例えば、幅４μｍ高さ４μｍ程度に形成され、クラッド層３０４は厚さ２μｍ程度に形成されている。なお、コア３０３のクラッド層３０４上の部分は、高さ２μｍである。このようなリブ型の導波路を導波する光は、コア３０３の部分に最大強度を持ち、クラッド層３０４に数μｍ程度広がった状態で伝搬していく。
【０００６】
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３０７から金属パッド３０８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３０５とｎ形不純物導入部３０６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３０３に対し、ｐ形不純物導入部３０５からは正孔が侵入し、ｎ形不純物導入部３０６からは電子が侵入し、これらキャリアがコア３０３を伝搬する光を吸収することによって、コア３０３を伝搬する光を減衰させる。
【０００７】
コア３０３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３０５とｎ形不純物導入部３０６は、コア３０３より所定距離離して形成することになる。
【０００８】
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、図４の斜視図に示すように、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４０１の上に、シリコンの細線からなるコア４０２を形成し、コア４０２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４０３で覆ったものである。
【０００９】
また、図５に示すように、コア４０２を、２つの上部クラッド５０３，５０４で覆った構造の導波路もある。図５の導波路では、上部クラッド５０３が、上部クラッド５０４よりコア４０２に対する屈折率の差が小さくなるように構成されている。図５の導波路は、例えば、スポットサイズを変換するためなどに用いられる。
何れの導波路も、シリコン細線をコアに用いることで、前述したリブ型の導波路を用いる場合よりも、より小さな光集積回路を構成することが可能となる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平６−２８９２３０号公報
【非特許文献１】
"Proceedings of the SPIE" The International Society for Optical Engineering. vol4293,p1-9(2001)
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したシリコン細線による導波路では、シリコン細線による導波路は、コアと同じ材料からなるクラッド層がない代わりに、シリコン細線からなるコアとこれを覆うシリコン酸化物などのクラッドから構成されているため、キャリアを注入するための不純物導入領域を、コア周囲のクラッドに形成することができない。従って、前述した不純物導入部を利用した光減衰器を構成することが困難であるという問題があった。
【００１２】
ここで、コアの両側に接するように不純物を導入したシリコン層を配置することで、可変光減衰器とするためのキャリアを注入する層を設けることは可能である。しかしながらこの場合、不純物が導入された領域とコアとは屈折率差がほとんど無いため、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配置されることになる。このように、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すると、電圧が印加されていなくても、この領域で光が吸収されて減衰してしまう。これでは、例えば信号光を減衰させずに伝搬させることができない。
【００１３】
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、シリコン細線をコアとしてこれを絶縁物などのクラッドで覆った導波路で、電気制御により任意の光減衰量を与えられる可変光減衰器を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る可変光減衰器は、下部クラッド層と、この下部クラッド層上に形成されたシリコンからなるコアと、このコアの一部に接するｎ形キャリア供給部と、このｎ形キャリア供給部にコアを介して対向してコアに接するｐ形キャリア供給部と、コア，ｎ形キャリア供給部，及びｐ形キャリア供給部を覆うように下部クラッド層上に形成された上部クラッド層と、ｎ形キャリア供給部及びｐ形キャリア供給部に各々形成された電極とを少なくとも備え、ｎ形キャリア供給部及びｐ形キャリア供給部は、シリコンよりも屈折率が小さい半導体材料から構成され、かつ前記コアに対してクラッドとして機能するものである。
【００１５】
この光減衰器では、ｎ形キャリア供給部及びｐ形キャリア供給部が形成された領域において、シリコンより屈折率の小さいｎ形キャリア供給部及びｐ形キャリア供給部がコアに対してクラッドとして機能する。また、ｐ形キャリア供給部，コア，ｎ形キャリア供給部とでＰＩＮ構造が形成され、これらの間に電圧を印加してコアに自由キャリアを注入し、コアのキャリア濃度を高くすることで、伝搬する光を減衰させることができる。
【００１６】
上記可変光減衰器において、ｎ形キャリア供給部及びｐ形キャリア供給部の少なくとも一方は、例えば、有機半導体から構成されていればよく、また、化合物半導体から構成されていてもよい。
【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。
図１は、本発明の実施の形態における可変光減衰器の構成例を示す斜視図（ａ）及び平面図（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、例えば、幅０．２μｍ高さ０．２μｍのシリコン細線からなるコア１０２を備えている。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微細加工することで形成できる。ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁層が下部クラッド層１０１となり、ＳＯＩ層を加工したパターンがコア１０２となる。
【００１８】
加えて、本実施の形態では、導波路の一部に、コア１０２に接して下部クラッド層１０１の上に形成されたｎ形キャリア供給部１０３とｐ形キャリア供給部１０４とを備えている。ｎ形キャリア供給部１０３とｐ形キャリア供給部１０４とは、コア１０２を挟んで対向配置されている。ｎ形キャリア供給部１０３，及びｐ形キャリア供給部１０４は、例えば、有機半導体や化合物半導体などの、シリコンより屈折率の小さい半導体材料から構成し、ｎ形キャリア供給部１０３にはｎ形不純物を導入し、ｐ形キャリア供給部１０４にはｐ形不純物を導入したものである。
【００１９】
これらコア１０２，ｎ形キャリア供給部１０３，及びｐ形キャリア供給部１０４は、上部クラッド層１０５に覆われている。ｎ形キャリア供給部１０３及びｐ形キャリア供給部１０４が形成されていない領域では、コア１０２の両側面及び上面が、上部クラッド層１０５に覆われている。また、ｎ形キャリア供給部１０３及びｐ形キャリア供給部１０４には、一部が上部クラッド層１０５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（ｂ）では、電極１０６，１０７を省略している。
【００２０】
このような構成を有する可変光減衰器において、ｎ形キャリア供給部１０３，ｐ形キャリア供給部１０４が形成されている領域では、コア１０２より屈折率の小さい、ｎ形キャリア供給部１０３及びｐ形キャリア供給部１０４は、コア１０２に対してクラッドとして機能する。言い換えると、ｎ形キャリア供給部１０３及びｐ形キャリア供給部１０４は、導波路の中の光強度の大きな領域とはならず、この領域で光が吸収されて減衰することが抑制される。
【００２１】
図１の可変光減衰器では、電極１０６，１０７に電圧を印加することで、ｎ形キャリア供給部１０３及びｐ形キャリア供給部１０４からキャリアがコア１０２に注入され、コア１０２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、ｎ形キャリア供給部１０３及びｐ形キャリア供給部１０４からコア１０２に注入されるキャリアの量も変化するので、上述した光減衰を可変とすることが可能となる。
【００２２】
ここで、例えば、ｎ形キャリア供給部１０３は、銅フタロシアニンから構成し、ｐ形キャリア供給部１０４は、チオフェンオリゴマーから構成すればよい。また、アントラセン，テトラセン，ペンタセンなどの有機半導体を用いるようにしてもよい。また、ＧａＡｓやＩｎＰなどの化合物半導体を用いるようにしてもよい。また、一方のキャリア供給部に有機半導体を用い、他方のキャリア供給部に化合物半導体を用いるようにしてもよい。
【００２３】
なお、本実施の形態における可変光減衰器の構成は、図５に示した、シリコン細線が２つの上部クラッドに覆われた光導波路であっても、適用できることはいうまでもない。例えば、図２に示すように、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、幅０．２μｍ高さ０．２μｍのシリコン細線からなるコア２０２を備え、導波路の一部に、コア２０２に接して下部クラッド層２０１の上に形成されたｎ形キャリア供給部２０３とｐ形キャリア供給部２０４とを備え、これらの上部に形成された中間クラッド層２０５とこれらを覆う上部クラッド層２０６とを備えるようにしてもよい。
【００２４】
中間クラッド層２０５の屈折率は、コア２０２より小さく、上部クラッド層２０６より大きい。また、ｎ形キャリア供給部２０３及びｐ形キャリア供給部２０４は、屈折率がシリコンより小さく中間クラッド層２０５と同程度の、例えば、有機半導体や化合物半導体などの半導体材料から構成する。ｎ形キャリア供給部２０３にはｎ形不純物を導入し、ｐ形キャリア供給部２０４にはｐ形不純物を導入する。
【００２５】
また、ｎ形キャリア供給部２０３とｐ形キャリア供給部２０４とは、コア２０２を挟んで対向配置されている。ｎ形キャリア供給部２０３及びｐ形キャリア供給部２０４が形成されている領域では、コア２０２の上部には中間クラッド層２０５が配置され、コア２０２の両側部には、中間クラッド層２０５と同程度の屈折率としたｎ形キャリア供給部２０３及びｐ形キャリア供給部２０４が配置されている。
【００２６】
また、ｎ形キャリア供給部２０３及びｐ形キャリア供給部２０４が形成されていない領域では、コア２０２の上部及び両側部には、中間クラッド層２０５が配置されている。
従って、図２の可変光減衰器においては、コア２０２の全域にわたって、コア２０２は、コア２０２すなわちシリコンより屈折率の低い材料で覆われている。
【００２７】
このように、図２の可変光減衰器においても、コア２０２の全域にわたって、導波する光の強度が大きな領域となるコア２０２の中に、光吸収を起こす不純物が導入された領域はなく、定常状態で光の減衰が起こることがない。
言い換えると、ｎ形キャリア供給部２０３及びｐ形キャリア供給部２０４は、導波路の中の光強度の大きな領域とはならず、この領域で光が吸収されて減衰することが抑制される。
【００２８】
これらの結果、図２の光減衰器においても、ｎ形キャリア供給部２０３及びｐ形キャリア供給部２０４に接続している電極２０７，２０８に電圧を印加することで、ｎ形キャリア供給部２０３及びｐ形キャリア供給部２０４からキャリアがコア２０２に注入され、コア２０２からなる導波路を導波する信号光の強度を減衰させることができる。また、電極２０７，２０８に印加する電圧の大きさを変化させることで、ｎ形キャリア供給部２０３及びｐ形キャリア供給部２０４からコア２０２に注入されるキャリアの量も変化するので、上述した光減衰を可変とすることが可能となる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、ｎ形キャリア供給部及びｐ形キャリア供給部をシリコンからなるコアを介して互いに対向して形成するとともに、シリコンよりも屈折率が小さい半導体材料から構成し、これらの領域において、ｎ形キャリア供給部及びｐ形キャリア供給部がコアに対してクラッドとして機能するようにした。この結果、ｎ形キャリア供給部及びｐ形キャリア供給部が形成された領域において、導波路を伝搬する光を減衰することが可能となり、一方、ｎ形キャリア供給部及びｐ形キャリア供給部で光が吸収されて減衰することが抑制される。従って、本発明によれば、シリコン細線をコアとしてこれを絶縁物などのクラッドで覆った導波路で、電気制御により任意の光減衰量を与えられる可変光減衰器を提供することができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における可変光減衰器の構成例を示す斜視図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【図２】本発明の他の実施の形態における可変光減衰器の構成例を示す斜視図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【図３】従来よりあ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４】シリコン細線による導波路の構成を示す斜視図である。
【図５】シリコン細線による導波路の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０１…下部クラッド層、１０２…コア、１０３…ｎ形キャリア供給部、１０４…ｐ形キャリア供給部、１０５…上部クラッド層、１０６，１０７…電極。

Claims

下部クラッド層と、
この下部クラッド層上に形成されたシリコンからなるコアと、
このコアの一部に接するｎ形キャリア供給部と、
このｎ形キャリア供給部に前記コアを介して対向して前記コアに接するｐ形キャリア供給部と、
前記コア，ｎ形キャリア供給部，及びｐ形キャリア供給部を覆うように前記下部クラッド層上に形成された上部クラッド層と、
前記ｎ形キャリア供給部及び前記ｐ形キャリア供給部に各々形成された電極と
を少なくとも備え、
前記ｎ形キャリア供給部及び前記ｐ形キャリア供給部は、シリコンよりも屈折率が小さい半導体材料から構成され、かつ前記コアに対してクラッドとして機能する
ことを特徴とする可変光減衰器。
請求項１記載の可変光減衰器において、
前記ｎ形キャリア供給部及び前記ｐ形キャリア供給部の少なくとも一方は、有機半導体から構成されたものであることを特徴とする可変光減衰器。
請求項１記載の可変光減衰器において、
前記ｎ形キャリア供給部及び前記ｐ形キャリア供給部の少なくとも一方は、化合物半導体から構成されたものであることを特徴とする可変光減衰器。