JP3961316B2 - 光機能素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニック結晶体を用いた光導波路において、光の有効屈折率を制御し、位相変調器の小型化を実現することができる光機能素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報技術（ＩＴ）促進が声高に叫ばれている近年、世の中を飛び交う情報通信量は増加の一途を辿り、現行の通信システムを飛躍的に高速化、大容量化させる技術革新が望まれている。光を用いた通信システムでは、伝送速度が４０Ｇｂｉｔ／ｓへと進んで来たフォトニックネットワークの高速化に伴い、高速で光の強度または位相を変調できる素子への要求が高まっている。
【０００３】
従来、最も広く適用されている変調器としては、誘電体であるＴｉ：ＬｉＮｂＯ₃ の電気光学効果を利用したマッハツェンダ干渉型光強度変調器（ＬＮ変調器）が挙げられ、その信頼性の高さより基幹系ネットワークを中心に広く適用がなされている。しかし、システムの小型化及び低消費電力化において、さらなる改善の余地があった。
【０００４】
このシステムの小型化及び低消費電力化を実現可能な変調器として、半導体の電界吸収効果を利用した電界吸収型光強度変調器（ＥＡ変調器）が有望視されている。しかし、このＥＡ変調器において十分な消光比を得るには、十分な長さの変調領域を確保しなければならず、そのために素子長を長くする必要がある。ここで、素子長を長くすると、変調領域を通過する光と電磁波との速度が異なることにより、効率良く変調するためには、これらの速度の違いを補正することが素子設計上重要な問題となっている。
【０００５】
【発明の解決しようとする課題】
そのため、従来の変調素子の構造である集中電極構造の変調素子に代わって進行波型電極構造の位相変調素子が注目されるようになっている。しかし、進行波型電極構造の位相変調素子は電極の設計が従来の素子と比べて格段に複雑になるという問題があった。
【０００６】
また、大きな変調量を得るために素子長を長くした結果として、電磁波の吸収による損失が増える点も大きな問題となっている。さらに、位相変調器の場合、通常は電気的な屈折率の変化を利用して光の位相を制御する。しかし、一般に用いられている半導体材料では屈折率の変化は０．１％程度と小さくなっているため、十分な効果を得るためにはある程度の素子長が必要になってくる。これら素子長の増加は電極サイズの増加を意味し、結果として増える容量が高速化の制限要因となり、さらなる高速化を実現するために問題となっている。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされてものであり、屈折率制御を容易にするとともに、小型化を実現可能な光機能素子及びその製造方法を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、基板上に光導波路が形成され、当該光導波路内の光伝播方向に対して垂直方向となる該光導波路の両側面が光ブロック層で挟まれてなる光機能素子であって、前記光ブロック層は、前記基板に垂直な方向と前記光伝播方向との両方に垂直な方向に高屈折率領域と低屈折率領域とが交互に配置されて屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶体からなり、前記光導波路は、電界によって屈折率および吸収係数が変化する材料からなり、かつ前記光導波路の前記光ブロック層で挟まれた幅は、当該光ブロック層の一方の側面に配置されている前記高屈折率領域の幅の総厚みよりも小さく、前記基板に垂直な方向の前記光導波路の上部および下部に、当該光導波路に電界を印加するための電極を備えている、ことを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光機能素子において、前記光導波路の屈折率よりも小さな屈折率を有する層が、前記光導波路の上面及び下面の少なくともいずれか一方に接するように形成されていることを特徴としている。請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光機能素子において、前記光導波路の屈折率よりも小さな屈折率を有する層は、前記基板に垂直な方向に屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶体からなることを特徴としている。
【００１１】
本発明の光機能素子によれば、光導波路の両側面を挟んで形成される光ブロック層をフォトニック結晶体から構成し、このフォトニック結晶体のバンドギャップ領域を利用することによって、従来の光導彼路とクラッド層との屈折率差を利用した光の閉じ込めより効率的な光閉じ込めを実現することが可能となる。その結果、光導波路の有効屈折率をクラッド層の屈折率よりも小さくでき、従来の屈折率差による光閉じ込めでは不可能な負の正規化伝搬定数を実現することが可能となる。このとき、群速度はほぼゼロとなり、実効光路長は限りなく大きくなるため、短い距離で同じ変調量を達成することができるようになる。
【００１２】
このため、進行波型の電極構造を適用せずとも集中定数動作の電極で十分効率的に変調を得ることができ、同時に容量の低減も達成できることから、さらなる高速な動作及び素子の小型化を実現することが可能となる。また、素子長を同じにした場合でも変調効率が上がるので、より少ない印可電圧で同じ変調量を得ることが可能となるため、光機能素子の低消費電力化が見込まれる。
【００１３】
本発明の光機能素子の製造方法によれば、本発明の光機能素子を容易に実現することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
（第一実施形態）
図１は本発明の第一の実施形態を示す光機能素子の斜視図である。
光機能素子１０Ａは、図１に示すように、ＳｉＯ₂ からなる半導体基板（基板）１の上面に、コア（光導波路）２と、クラッド層３とが順次積層された構成を有しており、半導体基板１とクラッド層３との間におけるコア２が形成されていない部分、つまり、コア２の両側面には、光ブロック層４による埋め込み層が形成されている。そして、コア２直下の半導体基板１下面及びコア２直上のクラッド層３上面には電極５が具備されており、コア２には、半導体基板１に垂直な方向ＤＲ３に向かって電圧が印可されるようになっている。
【００１５】
コアは２、電極５によって印可された電界によって屈折率及び吸収係数が変化する材料からなり、本実施形態においてはＳｉから構成されている。
クラッド層３は、半導体基板１に垂直な方向ＤＲ３への光の閉じ込めを目的として形成されており、本実施形態においてはＳｉＯ₂ から構成されている。
光ブロック層４は、光の伝播方向ＤＲ１に垂直な方向ＤＲ２への光の閉じ込めを目的として形成されており、一次元のフォトニック結晶体から構成されている。
【００１６】
フォトニック結晶体とは、屈折率の異なる複数の媒質が周期的構造を有するものであり、本実施形態においては、光伝搬方向ＤＲ１に垂直な方向ＤＲ２に向かって、異なる屈折率を有する第一領域４ａと第二領域４ｂとが交互に積層された積層体からなる。
光ブロック層４を構成する第一領域４ａは、コア２と接触せず、コア２と同一材料である屈折率３．５のＳｉからなり、第二領域４ｂは、コア２に隣接して形成され、屈折率１．５のＳｉＯ₂ からなる。
【００１７】
ここで、光ブロック層４を構成する第一領域４ａ及び第二領域４ｂの屈折率、配列の周期、或いは総厚み比を適切に選択することで、所望の波長や偏光方向の光の閉じ込めを実現させることができる。本実施形態においては、コア２の一方の側面に形成される光ブロック層４のうち、第一領域４ａを７層、第二領域４ｂを８層とし、第一領域４ａと第二領域４ｂとコア２の幅Ｗとの総厚み比を約７：３：４に設定した。
【００１８】
次に、本実施形態の光機能素子１０Ａの製造方法について説明する。
まず、半導体基板上に、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を用い、Ｓｉ膜（半導体層）を成膜する。ここで、ＭＯＣＶＤ法に限らず、ＭＢＥ（Ｍｏｉｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いても構わない。
【００１９】
次いで、このＳｉ膜の上面において、コア２の形成予定領域と、光ブロック層４を構成する第一領域４ａの形成予定領域とはレジストのマスクで覆い、光ブロック層４を構成する第二領域４ｂの形成予定領域は露出した状態で、半導体基板１に垂直な方向ＤＲ３にエッチングを行う。ここで、Ｓｉからなるコア２と、同様にＳｉからなる光ブロック層４の第一領域４ａを形成する。
【００２０】
次いで、Ｓｉ膜が形成されず、凹部となっている光ブロック層４を構成する第二領域４ｂの形成予定領域にＳｉＯ₂ 膜（第二領域を構成する部材）を成膜し、第二領域４ｂを形成する。
次いで、光ブロック層４及びコア２の全上面に、ＳｉＯ₂ 膜を成膜し、クラッド層３を形成する。
【００２１】
そして、コア２直下の半導体基板１下面と、コア２直上のクラッド層３上面に、ＣＶＤ法などによって金属膜を成膜し、電極５を形成することで、光機能素子１０Ａを完成させる。
図２は、光ブロック層４を構成する第一領域４ａと第二領域４ｂとコア２の幅Ｗとの比を７：３：４とした場合の、コア２を伝搬する光の分散特性と群速度を示す図である。なお、横軸は光伝搬方向ＤＲ１に沿った方向の波数β（１／ａ）、実線の縦軸は振動数ω（ｃ／ａ）、点線の縦軸は光の速度を１とした場合の群速度ｖｇであり、本実施形態における光閉じ込めの結果を太線で、従来の屈折率での光閉じ込めの結果を細線で示した。
【００２２】
図２に示すように、通常用いられる屈折率での光閉じ込めの場合は、群速度の下限は光伝搬方向に沿った波数が大きくなった場合に得られ、その値はコア２の屈折率をｎとすると約１／ｎとなる。それに対し、本発明における一次元のフォトニック結晶体での光閉じ込めの場合、分散特性は逆の傾向を示し、群速度の下限は光伝搬方向ＤＲ１に沿った波数が小さくなった場合に得られ、図２に示されるように限りなくゼロに近付くようになる。ここで、光の変調効率は群速度の逆数に比例するので、群速度がゼロに近い条件では大きな変調効率が得られる。
【００２３】
図３に、変調効率を光伝搬方向ＤＲ１の波数β（１／ａ）の関数として図示する。図の横軸は変調効率の対数を示しており単位は任意とした。通常用いられる屈折率閉じ込めの場合は、変調効率に上限があるのと比較して、本発明による素子構造の場合は光伝搬方向ＤＲ１の波数が小さい場合に変調効率が限りなく大きくなっていることが示されている。
【００２４】
よって、本発明の光機能素子１０Ａによれば、光導波路であるコア２の両側面に一次元フォトニック結晶体からなる光ブロック層４を設け、この一次元フォトニック結晶体によるバッドギャップ領域を利用して光の閉じ込めを行うことによって、変調効率を限りなく大きくでき、効率的に光の閉じ込めを実現することが可能となる。
【００２５】
その結果、光導波路であるコア２の有効屈折率をクラッド層３の屈折率よりも小さくでき、通常用いられる屈折率差を利用した光閉じ込めでは実現不可能な負の正規化伝搬定数を実現することができる。このときの光の群速度は略ゼロとなり、実効光路長は限りなく大きくなるため、短い距離であっても同じ変調量を達成することができるようになるため、光機能素子１０Ａの小型化を実現することが可能となる。
【００２６】
また、素子長を同じにした場合でも、変調効率が上がるため、より少ない印可電圧で同じ変調量を得ることが可能となり、光機能素子１０Ａの低消費電力化を実現させることができるようになる。
（第二の実施形態）
図４は本発明の第二の実施形態における光機能素子を示す斜視図である。
【００２７】
光機能素子１０Ｂは、図４に示すように、ＩｎＰからなる半導体基板（基板）１の上面に、コア（光導波路）２が積層された構成を有しており、半導体基板１上面に形成されたコア２の両側面には、光ブロック層４による埋め込み層が形成されている。そして、コア２直上には電極５が具備されている。
コア２はノンドープのｌｎＰ、ｌｎＧａＡｓＰ、或いはｌｎＡＩＧａＡｓからなるコア部２ａと、Ｐ型でドープされたｌｎＰからなるＩｎＰ層２ｂとから構成され、半導体基板１に垂直な方向ＤＲ３への光閉じ込めと電子閉じ込めを目的として、二層のＩｎＰ層２ｂの間にコア部２ａが挟層されている。
【００２８】
光ブロック層４は、光の伝播方向ＤＲ１と垂直な方向ＤＲ２への光の閉じ込めを目的として形成されており、一次元のフォトニック結晶体から構成されている。
このフォトニック結晶体は、コア２における光伝搬方向ＤＲ１に垂直な方向ＤＲ２に、コア２と接触せず、コア２と同一の構成材料からなる第一領域４ａと、コア２と隣接し、空気又はポリイミドからなる第二領域４ｂとが交互に積層された積層体からなる。ここで、コア２と同一の構成材料からなる第一領域４ａは、ノンドープのＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、或いはＩｎＡｌＧａＡｓからなる第一層４１が、Ｐ型でドープされたＩｎＰからなる第二層４２で挟層されてなる。
【００２９】
電極５は、進行波型の電極構造を有し、コア２の屈折率および吸収率は電極５に印加された電界により変化する。それによりコア２を伝搬する光の位相および強度が変調される。
次に、本実施形態における光機能素子１０Ｂの製造方法について説明する。
まず、半導体基板１上に、光機能素子１０Ａの製造方法と同様の方法を用いて、コア２を構成するＩｎＰ層２ｂ及び光ブロック層４の第一領域４ａを構成する第二層４２の形成材料となる、例えば、Ｐ型ドープＩｎＰ膜を成膜する。続いて、このＰ型ドープＩｎＰ膜の上面に、コア２を構成するコア部２ａ及び光ブロック層４の第一領域４ａを構成する第一層４１の形成材料となる、例えば、ノンドープＩｎＰ膜を成膜する。さらに、このノンドープ層ＩｎＰ膜の上面に、コア２を構成するＩｎＰ層２ｂ及び光ブロック層４の第一領域４ａを構成する第二層４２の形成材料となる、例えば、Ｐ型ドープＩｎＰ膜を成膜する。
【００３０】
次いで、半導体基板１の最表面に積層されたＩｎＰ膜の上面において、コア２の形成予定領域と、光ブロック層４を構成する第一領域４ａの形成予定領域とはレジストのマスクで覆い、光ブロック層４を構成する第二領域４ｂの形成予定領域は露出した状態で、半導体基板１に垂直な方向ＤＲ３にエッチングを行う。ここで、ＩｎＰ層２ｂでコア部２ａが挟層されたコア２と、このコア２と同様の形成材料、つまり、第二層４２で第一層４１が挟層された光ブロック層４の第一領域４ａを形成する。
【００３１】
このとき、コア２の側面と光ブロック層４の第一領域４ａとの間、及び光ブロック層４の隣り合う第一領域４ａ間には、空気からなる第二領域４ｂが形成されることになる。
そして、コア２直上面に、ＣＶＤ法などによって金属膜を成膜し、進行波型の電極５を形成することで、光機能素子１０Ｂを完成させる。
【００３２】
本実施形態における光機能素子１０Ｂによれば、光機能素子１０Ａと同様の効果が得られるとともに、電極５として、進行波型の電極構造を備えたため、コア２を伝搬する光の位相および強度をより効率的に変調することが可能となる。
(第三実施形態）
図５は本発明の第三の実施形態における光機能素子を示す斜視図である。
【００３３】
光機能素子１０Ｃは、図５に示すように、ＩｎＰからなる半導体基板（基板）１の上面に、下部クラッド層３Ａと、コア（光導波路）２と、上部クラッド層３Ｂとが順次積層された構成を有しており、下部クラッド層３Ａと上部クラッド層３Ｂとの間におけるコア２が形成されていない部分、つまり、コア２の両側面には、光ブロック層４による埋め込み層が形成されている。そして、コア２直下の半導体基板１下面及びコア２直上の上部クラッド層３Ｂ上面には電極５が具備されており、コア２には、半導体基板１に垂直な方向ＤＲ３に向かって電圧が印可されるようになっている。
【００３４】
コアは２、電極５によって印可された電界によって屈折率及び吸収係数が変化する材料からなり、本実施形態においてはノンドープのＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、或いはＩｎＡｌＧａＡｓから構成されている。
上部クラッド層３Ｂ及び下部クラッド層３Ａは、半導体基板１に垂直な方向ＤＲ３への光の閉じ込めを目的として形成されており、本実施形態においてはいずれも、半導体基板１に垂直な方向ＤＲ３に、コア２と隣接し、Ｐ型にドープされたＩｎＰからなる第一クラッド領域３ａと、ポリイミドからなる第二クラッド領域３ｂとが交互に積層されたフォトニック結晶体から構成されている。
【００３５】
光ブロック層４は、光の伝播方向ＤＲ１と垂直な方向ＤＲ２への光の閉じ込めを目的として形成されており、一次元のフォトニック結晶体から構成されている。
ここで、フォトニック結晶体は、コア２に接触せず、コア２と同一の形成材料からなる第一領域４ａと、コア２に隣接して形成され、空気又はポリイミドからなる第二領域４ｂとが交互に積層された積層体からなる。
【００３６】
次に、本実施形態の光機能素子１０Ｃの製造方法について説明する。
まず、半導体基板１上に、光機能素子１０Ａの製造方法と同様の方法を用いて、Ｐ型にドープされたＩｎＰ膜とポリイミド膜とを交互に成膜することで、第一クラッド層３ａと、第二クラッド層３ｂとからなる下部クラッド層３Ａを形成する。
【００３７】
次いで、下部クラッド層３Ａの上面に、コア２及び光ブロック層４を構成する第一領域４ａの形成材料となるノンドープＩｎＰ膜（半導体層）を成膜する。
次いで、このノンドープＩｎＰ膜の上面において、コア２の形成予定領域と、光ブロック層４を構成する第一領域４ａの形成予定領域とはレジストのマスクで覆い、光ブロック層４を構成する第二領域４ｂの形成予定領域は露出した状態で、半導体基板に垂直な方向ＤＲ３にエッチングを行う。ここで、ノンドープＩｎＰからなるコア２と、同様にノンドープＩｎＰからなる光ブロック層４の第一領域４ａを形成する。
【００３８】
次いで、光ブロック層４及びコア２の全上面に、Ｐ型にドープされたＩｎＰ膜とポリイミド膜とを交互に成膜することで、第一クラッド層３ａと第二クラッド層３ｂとからなる上部クラッド層３Ｂを形成する。このとき、コア２の側面と光ブロック層４の第一領域４ａとの間、及び光ブロック層４の隣り合う第一領域４ａ間には、空気（第二領域を構成する部材）からなる第二領域４ｂが形成されることになる。
【００３９】
そして、コア２直下の半導体基板１下面と、コア２直上の上部クラッド層３Ｂの上面に、ＣＶＤ法などによって金属膜を成膜し、電極５を形成することで、光機能素子１０Ｃを完成させる。
本実施形態における光機能素子１０Ｃによれば、光機能素子１０Ａと同様の効果が得られるとともに、光導波路となるコア２の上部及び下部に、フォトニック結晶体からなる上部クラッド層３Ｂ及び下部クラッド層３Ａを形成したことによって、光伝搬方向ＤＲ１に垂直な方向ＤＲ２への光の閉じ込めのみならず、半導体基板１に垂直な方向ＤＲ３への光の閉じ込めをより効率的に行うことが可能となる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明における光機能素子によれば、光導波路の両側面を挟む光ブロック層として、フォトニック結晶体から構成したことによって、効果的に光の閉じ込めを行うことが可能となる。よって、光導波路の有効屈折率をクラッド層の屈折率よりも小さくできるため、短い距離でも同じ変調量を達成することが可能となる。このことにより、光機能素子の高速動作、小型化、及び低消費電力化を実現させることが可能となる。
本発明における光機能素子の製造方法によれば、本発明における光機能素子を容易に実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態を示す光機能素子の構成図である。
【図２】本発明の第一の実施形態による光導波路の光学特性図である。
【図３】本発明の第一の実施形態による光導波路の変調効率を示す図である。
【図４】本発明の第二の実施形態を示す光機能素子の斜視図である。
【図５】本発明の第三の実施形態を示す光機能素子の斜視図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板（基板）
２ コア（光導波路）
２ａ コア部
２ｂ ＩｎＰ層
３ クラッド層（光導波路の屈折率よりも小さな屈折率を有する層）
３Ａ 下部クラッド層
３Ｂ 上部クラッド層
３ａ 第一クラッド領域
３ｂ 第二クラッド領域
４ 光ブロック層
４ａ 第一領域
４ｂ 第二領域
４１ 第一領域を構成する第一層
４２ 第一領域を構成する第二層
５ 電極
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 光機能素子

Claims (3)

1. 基板上に光導波路が形成され、当該光導波路内の光伝播方向に対して垂直方向となる該光導波路の両側面が光ブロック層で挟まれてなる光機能素子であって、
   前記光ブロック層は、前記基板に垂直な方向と前記光伝播方向との両方に垂直な方向に高屈折率領域と低屈折率領域とが交互に配置されて屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶体からなり、
   前記光導波路は、電界によって屈折率および吸収係数が変化する材料からなり、かつ
   前記光導波路の前記光ブロック層で挟まれた幅は、当該光ブロック層の一方の側面に配置されている前記高屈折率領域の幅の総厚みよりも小さく、
   前記基板に垂直な方向の前記光導波路の上部および下部に、当該光導波路に電界を印加するための電極を備えている、ことを特徴とする光機能素子。
2. 前記光導波路の屈折率よりも小さな屈折率を有する層が、前記光導波路の上面及び下面の少なくともいずれか一方に接するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光機能素子。
3. 前記光導波路の屈折率よりも小さな屈折率を有する層は、前記基板に垂直な方向に屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶体からなることを特徴とする請求項２に記載の光機能素子。

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