JP4087745B2 - 可変光減衰器 - Google Patents
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Description
【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。
【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】
図2は、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の可変光減衰器では、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】 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 (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。
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