JP5029369B2

JP5029369B2 - 光導波路

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Publication number: JP5029369B2
Application number: JP2007557799A
Authority: JP
Inventors: 博仁山田
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Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2012-09-19
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Description

本発明は機能性光導波路に関し、特に外部電圧の印加または電流注入によって、導波路の特性（光波の伝搬損失、光波の伝搬定数、群速度、分散など）を電気的に高速に制御可能な光導波路デバイスに関する。

近年、ＳｉやＧｅなどの半導体あるいは、ＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰなどの化合物半導体をコアとする光導波路による各種光デバイス（光スイッチや光合分波器、光変調器など）が試作されている。Ｓｉをコアとする光導波路デバイスは、従来のシリカをコアとする光導波路デバイスに比べて、大幅な小型化が期待できると同時に、コアが半導体から成るために、コアそのものに電流を注入したり、電圧を印加したりする電気によるアクティブな特性制御が可能となる。これに対して、従来のシリカをコアとする光導波路では、シリカは絶縁体であるために電流を流すことができず、熱による制御が一般的に用いられていた。光導波路の特性（光波の伝搬損失、光波の伝搬定数、群速度、分散など）を制御する方法としては、熱光学（Ｔ−Ｏ）効果を用いる方法、音響光学（Ａ−Ｏ）効果を用いる方法、磁気光学効果（Ｍ−Ｏ）効果を用いる方法、電気光学（Ｅ−Ｏ）効果（ポッケルス効果とも言う）を用いる方法、キャリア・プラズマ効果を用いる方法などが知られている。この内、電圧を印加することによって屈折率が変化する電気光学（Ｅ−Ｏ）効果を用いる方法や、電流を注入することによりキャリア・プラズマ効果を用いて屈折率を制御する方法は、１ｎｓｅｃ以下の速い応答が可能であるため、高速の特性制御に用いられる。

ところで、Ｓｉをコアとする光導波路としては、Ｓｉリブ導波路やＳｉ細線導波路があるが、Ｓｉリブ導波路においては、導波路上部に酸化膜と制御電極を設けてＭＯＳ構造とすることにより、電圧印加による導波路の屈折率制御が実現されている。最近では、このＳｉリブ導波路によるＭＯＳ構造を用いたＳｉ高速光変調器も実現されている。しかし、そもそもＳｉリブ導波路は、コアへの光の閉じ込めの程度が弱いため、数μｍの曲率半径での急峻な曲げには対応できない。従って、Ｓｉリブ導波路では導波路を大きく緩やかに曲げる必要があるため、本導波路を用いたデバイス（光スイッチや光変調器など）は自ずとサイズが大きくなってしまう。これに対してＳｉ細線導波路は、コアへの光閉じ込めの度合いが非常に強く、数μｍの曲率半径での急峻な曲げにも対応できるため、光デバイスを小さく作ることができる技術として注目されている。

しかしながら、Ｓｉ細線光導波路のコアの断面サイズはサブミクロン角程度であり、その周りが通常シリカや空気等の絶縁材料で覆われているため、コアに均一かつ効果的に電流を注入したり、電圧を印加したりすることは困難であった。

Ｓｉ細線をコアとし、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が、特許文献１（特開２００４−１７０８３６号公報）に記載されている。ここでは、Ｓｉコアの上部および両側面を覆うように、酸素或いは窒素が添加されたシリコン（例えばポリシリコン）からなる上部クラッド層が形成され、コアと共に導波路を構成しており、上部クラッドの側面の一部にｐ型不純物が導入されたｐ型キャリア供給部と、対向する側面にｎ型不純物が導入されたｎ型キャリア供給部とを設けている。これらｐ型およびｎ型キャリア供給部が形成されている領域においても、酸素または窒素が添加されていることで、コアの周囲がより屈折率の低い材料となり、光がコアに閉じ込められるようにしている。

一方、光の波長程度の周期的な屈折率分布を持つフォトニック結晶の中では、その周期に対応する波長域の光の存在が禁止される、いわゆるフォトニックバンドギャップが存在し、その結晶中に周期的な構造を乱す人為的な欠陥を導入することにより、フォトニックバンドギャップ内に光が存在することが可能となり、様々な光の制御が可能となることが知られている。

このようなフォトニック結晶構造を有する光スイッチが、特許文献２（特開２００２−３０３８３６号公報）に記載されている。特許文献２の（００５４〜００６０）及び図１２には、ＳＯＩウエハのノンドープＳｉ層に三角格子フォトニック結晶構造と線欠陥導波路を形成し、線欠陥導波路の両側に不純物注入を行って電極を形成し、電流注入或いは逆バイアス電圧をかけることで、光が伝搬する線欠陥導波路部分のフォトニック結晶のフォトニックバンド構造が変化し、フォトニックバンドギャップ内に存在する線欠陥導波路の導波モードがカットオフ(光が伝搬できない状態)となり、線欠陥導波路を光が伝搬できなくなり、光スイッチとして機能することが示されている。
特開２００４−１７０８３６号公報特開２００２−３０３８３６号公報（００５４〜００６０、図１２）

特許文献１では、ｐ型及びｎ型キャリア供給部を介して導波路コアにキャリアを注入し、導波路の伝搬損失を可変とするものであるが、ｐ型及びｎ型キャリア供給部がコアに接触しているため、ドーピングが望まれないコア部分にもかなりの不純物がドープされることとなり、導波路を伝搬する光は大きな伝搬損失を受けることが予測される。

本発明は、このような半導体をコアとして有する光導波路において、電気的な特性制御を実現するための構造およびその作製方法を提供するものである。

本発明者は、上記課題を解決するべく鋭意検討した結果、本発明に到達した。すなわち本発明は、半導体をコアとして有する光導波路において、前記コアのごく近傍に２つの外部領域を有し、前記コアと前記外部領域とが、ブリッジ構造によって電気的に接続されていることにより、前記コアに前記外部領域からブリッジ構造を介して電流注入或いは電圧印加を可能とする構造を有し、前記導波路コアと前記ブリッジ構造を介して隔てられている外部領域とは、光学的に分離されていることを特徴とする光導波路に関するものである。

ここで、「光学的に分離されている」とは、導波路コア内に閉じ込められて、導波路コアに沿って導波される光の電磁界分布の裾が、外部領域にかかる割合は非常に小さく、外部領域の影響を無視できることを言う。つまり、導波路コアに沿って伝搬する光は、外部領域の有る無しに全く影響されない。

本発明の効果としては、本電気制御による光導波路を用いて、高速応答動作の光スイッチや光変調器が実現できる。

本発明の光導波路の一概念図である。本発明の光導波路の他の概念図である。通常のＳｉ細線光導波路の構造図である。本発明の第一の実施例を示す概略透視斜視図である。本発明の第一の実施例の改良型である第二の実施例を示す概略透視斜視図である。本発明の第一の実施例及びその改良型である第二の実施例を補足する平面図であり、（ａ）が第一の実施例、（ｂ）がその改良型である第二の実施例を示す。本発明の導波路によるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチ（光変調器）の図であり、（ａ）がブランチ部分の拡大平面図、（ｂ）が透視斜視図を示す。

符号の説明

１導波路コア
２外部領域
３ブリッジ
４基板
５スリットの孔
７０１，７０３ｐ型半導体
７０２ｎ型半導体
７０４電極
７０５Ｓｉコア
７０６下部クラッド
７０７上部クラッド

図１および図２に本発明の導波路構造の概念図を示す。本導波路の基本構成としては、Ｓｉからなるコア１と、コア１とは光学的に結合しておらず（分離された）、ある距離隔てられて設置された２つ以上の外部領域２および、この外部領域２とコア１を電気的に接続するブリッジ３から成る。導波路コア１を伝搬する光は、ブリッジ３によって外部領域２とは光学的に遮断されている（結合していない）ため、コア１内を伝搬する光は導波路コア１内に強く閉じ込められながら、外部領域２の存在に影響されることなく、導波路コア１を伝搬できる。また、導波路コア１と外部領域２とはブリッジ３を介して電気的に繋がっているために、外部領域２からコア１に電圧を印加したり電流を流したりすることができる。従って、導波路コア１に均一に電圧を印加したり電流を流したりするために、ブリッジ３はなるべく狭い間隔で等間隔に配列されていることが好ましい。図には示していないが、外部領域２には、電圧を印加したり電流を流したりするための電極（正極と負極）が設けられる。また、電流を流したり電圧を印加したりするために、外部領域２およびブリッジ３、さらには導波路コア１には、その部分の電気抵抗が適度に低い値となるように不純物を適宜にドープすることが好ましい。ただし、不純物を過度にドープすると電気抵抗が下がり、電流を流す分においては望ましいが、その部分を伝搬する光にとっては大きな吸収損失となる。従って、光を伝搬させるコアの部分は故意には不純物をドープしないか或いは、たとえドーピングしても低濃度に留めておくことが望ましい。従って、望ましい不純物ドーピングの仕方としては、コアは極力低濃度に、ブリッジ部分は中程度の濃度に、外部領域は高濃度にドーピングすることが望ましい。これによって、各部の電気抵抗の値は、コア＞ブリッジ＞外部領域の順に小さくなるが、光学的な吸収損失の大きさは、コア＜ブリッジ＜外部領域の順に大きくなる。また、ドープする不純物の種類としては、単に電流を注入したり電圧を印加したりするだけならば、ｐ型、ｎ型の区別を問わない。つまり全てｐ型の不純物のみでドープしても良いし、逆に全てｎ型の不純物のみでドープしてもよい。しかし、印加する電圧の向き（極性）によってコア部分のキャリア濃度を制御したい場合、２つの外部領域はｐ、ｎ別の極性の不純物をドープするのが望ましい。この場合、コア部分にちょうどｐｎ接合界面が形成されるようにすることが望ましい。こうすることにより、印加電圧の極性（順バイアスか逆バイアスか）によって効果的にコア内のキャリア密度を高くしたり或いは低くしたり制御することができるようになる。このようにコア内のキャリア密度が変調されれば、キャリア・プラズマ効果によってコア領域の屈折率も変化し、コアを伝搬する光の伝搬定数（位相）を制御することができる。

外部領域２の配置とブリッジ３のとり方に関しては、図１に示す様に、基板（不図示）に垂直方向に２つの外部領域２を配置して、これらの外部領域２とコア１とを基板に垂直方向にブリッジ３で結ぶ構造が一つは考えられる。或いはまた、図２に示す様に、基板４に平行方向に２つの外部領域２を配置して、これらの外部領域２とコア１とを基板４に平行方向にブリッジ３で結ぶ構造も考えられる。或いはまた、図には示していないが、外部領域の導波路コアに対する位置関係は、対向している必要は特に無く、直角でもそれ以外の任意の角度を成していても良い。どのような構成をとるのかは、その導波路を用いて実現するデバイスの構造によって適宜選択すればよい。次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では半導体としてＳｉをコアとするＳｉ細線導波路を例として説明するが、本発明はこれに限定されず、Ｇｅ等の他の半導体、或いは、ＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰなどの化合物半導体をコアとして有する光導波路にも適用できるものである。

Ｓｉ細線導波路は、コアがＳｉ、その周りを覆うクラッドがシリカやポリマーまたは空気などの、Ｓｉの屈折率（約３．５）に比べて屈折率が大幅に小さく（１０μｍ以下の曲率半径を実現するためには、屈折率の値として２以下が望ましい）かつ、電気的に絶縁性を有している材料によって構成される。Ｓｉ細線導波路コアの断面サイズとしては、単一モード導波路として機能させるため、幅０．３〜０．５μｍ、厚さ０．３〜０．２μｍ程度が好ましい。コアの断面がこのサイズよりも大きい場合には、マルチモードの導波路として機能する。図３に、通常のＳｉ細線導波路の構造を示す。図３では、Ｓｉ基板１３上のＳｉＯ_２クラッド１２内部にＳｉコア１１が幅０．３〜０．５μｍに形成され、単一モード導波路を構成している。

このような非常に小さい断面積のＳｉコアに電流を均一にかつ効果的に注入する構造として、作製面も考慮すると図４に示すようなＳｉコアの側面から注入する構造が望ましい。本発明のＳｉ細線導波路では、導波路コア１の側面から電流を注入したり、電圧を印加したりできるようにブリッジ構造３を介して外部領域２と電気的に繋がっている。ブリッジ構造３によりコア１と電気的に繋がっている外部領域２は、コア１に電流を流したり、電圧を印加したりする電極（不図示）を有する。ブリッジ３の構造としては、図４に示すような矩形のスリット状の孔５を規則正しく開けた構造を示したが、孔の形状は矩形に限る必要はなく、円形でも楕円形でも三角形等の多角形でも構わない。要は、光が導波路コア１に強く閉じ込められるように、導波路コア１と外部領域２とが光学的に分離されつつ、電気的には導波路コア１にブリッジ３を介して外部領域２から電流注入が行えるような構造であれば良い。このように、導波路コアに電流を流したり電圧を印加したりするために、コア１、ブリッジ３および外部領域２は、適度な電気抵抗値を有するように、適度に不純物をドープしておくことが望ましい。この場合、コア＜ブリッジ＜外部領域の順に不純物の濃度が高くなるようにドープすることが望ましい。さらに言うと、コア領域はキャリア濃度が１×１０^１７以下、ブリッジ領域は１×１０^１８程度、外部領域は１×１０^１８以上になるようにドープするのか望ましい。また図６（ａ）に示す様に、外部領域の一方をｐ型に、もう一方をｎ型にドープし、コア領域の内部或いはその近傍にｐｎ接合が形成されるようにすることにより、キャリア・プラズマ効果を介して電気的制御によってコアの屈折率を制御できるようになる。

ところで、導波路の長さ方向に対して周期的にスリットが並んでいる図４の構造では、導波路コアを伝搬する光は、伝搬方向に沿って屈折率の周期的な変調を感じるので、ある特定波長の光に対してはブラッグ反射が生じて、伝搬しにくく（伝搬損失が大きく）なる。このブラッグ反射が起こる波長λは、スリットによる周期的な屈折率変調の周期をΛとすると、λ＝２ｎΛ／ｑ（ｎは導波路の等価屈折率、ｑは自然数）で表される。例えば、Λ＝３００ｎｍ、ｎ＝２とすると、ブラッグ反射は波長１．２μｍ、６００ｎｍ、４００ｎｍ付近で起こることになる。従って、この領域を避けて用いる必要がある。

これに対して、図５に示すスリット構造では、導波路コア１の両側でスリットの孔５の位置がずれている。つまり、導波路コア１の両側（左右）で、スリットの周期的繰り返しの位相がπだけシフトしている。すなわち、コアの左にスリットの孔がくる位置では、右側にはブリッジがあり、逆に、コアの左側にブリッジがある位置では、右側にはスリットがある（図６（ｂ）を参照のこと）。こうすることにより、コアを伝搬する光は、図４の導波路コアの両側でスリットの位置が一致している場合（図６（ａ）を参照のこと）とは異なり、スリットの規則正しい配列による屈折率の変調を感じなくなる。従って、この構造の場合には、ブラッグ反射の影響を受けなくなるので、どの波長でも用いることができる。さらに、スリットの孔が導波路の長さ方向に周期性など無く全くランダムに形成されている導波路の場合は、導波路コアの左右での位相などの概念は無く、このような構造の場合もスリットの孔によるブラッグ反射の影響など無いが、コアへの均一な電流注入を実現する観点からは、ある程度の周期性が有った方が望ましい。

特許文献２では、フォトニック結晶のフォトニックバンド構造の変化を利用していたが、本発明では、このようなバンド構造の変化がなくとも電流注入或いは電圧印加によりコア層の屈折率を直接変化させ、導波路の伝搬定数を変調してスイッチングを行うことができる。

以下、実施例を参照して本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

（実施例１）
以下に、本発明の第一の実施例としての光導波路構造およびその作製法を示す。最初に、表面のＳｉ層の厚さが２００〜３００ｎｍ程度、その下の埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）層の厚さが１〜３μｍ程度のＳＯＩ基板を準備する。そのようなＳＯＩ基板は現在市販されており、容易に入手可能である。次に、表面のＳｉ層に図４に示すようにＳｉ層を貫通するスリット状の孔５を開けて、導波路コア領域を形成する。このような加工は、市販のＩＣＰ装置などのＳｉのドライエッチャーを用いればよい。そして、加工した表面Ｓｉ層を厚さ１μｍ以上のシリカ層でカバーすれば、Ｓｉをコアとするチャネル導波路が形成される。このような構造を作ることにより、スリット構造によるブリッジ３を介して、外部領域２からコア１に電流を注入したり、電圧を印加したりできるようになる。導波路コア１は、ブリッジ３を介して外部領域２と電気的に繋がっているが、導波路を伝搬する光は、コア領域１に十分閉じ込められており、外部領域２の影響を殆ど受けなくすることができる。このように、光がコア領域に十分閉じ込められて、外部領域の影響を殆ど受けなくするためには、スリット５のサイズとしては例えば幅２００ｎｍ、長さ１μｍ以上の長方形あって、１００ｎｍ間隔で配置されていればよい。ここに記したスリットのサイズはあくまでも目安であって、より正確には電磁界解析によって導波モードの電磁界分布を計算し、光の電磁界が外部領域に被る割合を極力小さくすればよい。

一方、コアに電流を流すためには、コア、ブリッジおよび外部領域に適度に不純物をドープしておく必要がある。具体的には、コア領域はキャリア濃度が１×１０^１７以下、ブリッジ領域は１×１０^１８程度、外部領域は１×１０^１８以上になるようにドープしておけばよい。図６（ａ）に示すように、外部領域の一つをｐ型に、もう一方をｎ型にドープし、ｐｎ接合界面がコア領域の中あるいは近傍に形成されるようにする。このようなｐ、ｎ不純物ドープ領域の形成は、ＳＯＩウエハを加工する前に行うのが望ましい。つまり、ＳＯＩウエハに最初にイオン打ち込み或いは不純物拡散によって選択的にｐ、ｎ領域を形成した後、熱処理によって不純物を活性化させ、形成されたｐ型、ｎ型領域に合わせてエッチングによりブリッジ構造を形成する方法が最も簡単である。外部領域には、コアに電流を流したり、電圧を印加したりするためにさらに電極（オーミックコンタクト）を形成する。

（実施例２）
次に、本発明の第二の実施例としての光導波路構造のより好ましい形態について示す。第一の実施例に示す導波構造においては、前記したように、ブラッグ反射が起こる波長帯が存在し、その波長帯を避けて用いる必要がある。それに対して図５に示すように、導波路コア１の両側でスリットの孔５の位置をちょうどπだけずらした構造では、ブラッグ反射は起こらず、広い波長範囲に渡って機能させることができる。図５の構造では、孔の位置をシフトさせたことを除いては、第一の実施例の導波路と構造および作製は全く同様である。

（実施例３）
上記の実施例に示した光導波路構造を用いて、電気的に特性を制御可能な様々な光導波路デバイスを実現できる。図７に示すのはその一例としてのマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチである。同図（ａ）はブランチ部分の拡大平面図、（ｂ）はマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチの概略透視斜視図を示す。この光スイッチの場合、マッハ・ツェンダー干渉計の二つのブランチのそれぞれにＳｉ細線導波路コア705が形成され、その両側にブリッジを介して外部領域が形成されている。導波路コアは下部クラッド706及び上部クラッド707に囲まれている。同図（ａ）に示すように、各々のブランチの導波路コアの部分にｐｎ接合が形成されており、各々のブランチの導波路コアに外部領域に設けられた電極704から電流を流すことによってキャリア・プラズマ効果によって各ブランチの導波路コアの屈折率を制御し、光のスイッチングを実現するものである。この素子の場合、外部領域は３つに別れているが、その各々に不純物をドープすることによって、ｐ型或いはｎ型の領域を形成している。この図に示した構造では、マッハ・ツェンダー干渉計の二つのブランチに挟まれた領域がｎ型半導体702からなり、マッハ・ツェンダー干渉計の二つのブランチの外側の領域は共にｐ型半導体701及び703からなる。ｐとｎの領域は逆でもよい。従ってこのスイッチの場合、マッハ・ツェンダー干渉計の二つのブランチに挟まれた領域であるｎ型半導体702からなる外部領域に共通電極を形成し、ｐ型半導体701及び703からなる外部領域に形成された電極にプラス、マイナス逆の電圧を印加すれば、一方のブランチのコアにはキャリアが注入され（キャリア・プラズマ効果によって屈折率が低くなる）、もう一方のブランチのコアからはキャリアが引き抜かれ（キャリア・プラズマ効果によって屈折率が高くなる）て、プッシュプルな動作を行わせることができる。従って、プッシュプル動作をさせない場合に比べて約半分の電圧でスイッチング動作をさせることができる。

Claims

半導体をコアとし、絶縁性材料をクラッドとして有する光導波路であって、
前記コアの近傍に２つの外部領域を有し、前記コアと前記外部領域とが、ブリッジ構造によって電気的に接続されていることにより、前記コアに前記外部領域からブリッジ構造を介して電流注入或いは電圧印加を可能とする構造を有し、
前記コアが半導体層の一部からなり、前記半導体層は、前記コアの形成される第１の不純物濃度領域と、該第１の不純物濃度領域の両側に前記第１の不純物濃度領域よりも高濃度の不純物を含む第２の不純物濃度領域とを少なくとも有し、多数の孔を導波路の長さ方向に沿って、前記第１の不純物濃度領域と第２の不純物濃度領域の境界に端部を有して前記第１の不純物濃度領域の両側の前記第２の不純物濃度領域のそれぞれに１列に形成することによって前記ブリッジ構造が形成され、
前記コアと前記外部領域とは、前記多数の孔によって光学的に分離されていることを特徴とする光導波路。
請求項１の光導波路において、前記半導体層に導入される不純物は、前記コアの両側で異なる導電型の不純物であって、前記コアの中又はその近傍に両導電型の接合界面を形成する様に導入されていることを特徴とする光導波路。
請求項１又は２の光導波路において、前記多数の孔がスリット状を成していることを特徴とする光導波路。
請求項３の光導波路において、スリット状の孔が導波路の長さ方向に沿って周期的に配列されていることを特徴とする光導波路。
請求項４の光導波路において、導波路の長さ方向に沿って周期的に配列されているスリット状の孔の位置が、前記導波路コアの両側で位相がπだけずれていることを特徴とする光導波路。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光導波路において、前記外部領域に電極を形成して電圧を印加することにより、導波路コアの形成される前記第１の不純物濃度領域に電流を注入或いは電圧を印加して、導波路特性の電気的制御が可能な光導波路。