JP5091198B2

JP5091198B2 - 集積光デバイス

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Publication number: JP5091198B2
Application number: JP2009170125A
Authority: JP
Inventors: 浩治山田; 聖一板橋; 俊文渡辺; 泰土澤; 弘幸篠島; 英隆西
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2029-07-21
Also published as: JP2011027769A

Description

本発明は、光変調部と光強度検出部とがモノリシックに集積されているシリコンからなるリブ型導波路構造の集積光デバイスに関するものである。

波長多重方式を用いた光通信においては、波長多重化する前に各波長チャンネルの光強度を等しくすることが重要となる。このような光強度の調整には、光伝送路である光ファイバーの本線から、一部の光を光分岐カップラーでとり出し、光検出器に導いて光強度を測定し、この測定値を元に、本線のファイバーに接続された可変光減衰器を動作させる。この光強度変調方法は、光ファイバーを基本とした技術であるため、サイズが大きくなるという欠点があった。

近年、上述した機能を、極微小なシリコン光導波路を用いて実現することが可能になりつつある。シリコン光導波路は、通常では、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板上に製作されており、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層を加工してコアとし、埋め込み酸化膜層をアンダークラッド（下部クラッド層）として構成している。また、コアの上にはオーバークラッド（上部クラッド層）としてシリコン酸化膜を形成している。この導波路ではコアサイズや偏向半径が非常に小さく、集積光デバイスに適している（非特許文献１参照）。

例えば、光通信用の波長１．５５μｍ付近の光に対して、単一モード条件を満たすコア寸法は５００ｎｍ程度あるいは５００ｎｍ以下と非常に微小であり、また最小偏向半径も数μｍの範囲である。また、この光導波路のコアは半導体材料のシリコンであるため、導波路に電気的にキャリアを注入することが可能である。このキャリアによる光の屈折率や吸収率の変化を用いることで、シリコン光導波路では、光強度を高速に変調する光強度変調デバイスが実現されている。

キャリア注入構造としては、リブ型シリコン導波路の両サイドのスラブ部をｐ型およびｎ型半導体とし、ここに電極を配置したｐｉｎ構造としたものが一般的である（非特許文献２参照）。さらに、シリコン導波路上にゲルマニウム（またはシリコン・ゲルマニウム混晶）を成長させて製作したフォトダイオード光検出器もある（非特許文献３参照）。また、導波路コア部分に格子欠陥を導入したｐｉｎ構造付リブ型シリコン導波路を利用したフォトダイオード光検出器も実現されている（非特許文献４参照）。これらのフォトダイオード光検出器は、シリコン導波路上に構築されているので、少なくとも１つの電極はシリコン導波路に接した状態にある。

これらの光強度変調デバイスと光検出器は、シリコン基板上にモノリシックに集積が可能であり、またシリコン光導波路でも光の一部を取り出す光分岐カップラーは製作可能であるため、上述の光強度調整機構は、極微小なシリコンチップだけで構成可能となる。

シリコンチップ（ＳＯＩ基板）上に構築された光強度調整機構の構成図を図５，図６，および図７に示す。図５は、平面図である。図６は、図５中のＡＡ’線の断面を示し、図７は、図５中のＢＢ’線の断面を示している。この光強度調整機構は、ＳＯＩ基板を構成する埋め込み酸化膜より構成される下部クラッド層５０８の上に、リブ型導波路を構成するスラブ層５０２およびシリコンコア５０１が形成され、これらの上に、上部クラッド層５１０が形成されている。

このようなリブ型導波路の中で本線導波路を構成しているシリコンコア５０１には、ｐｉｎ構造付リブ型シリコン光導波路で構成された光変調部５０５が設置されている。光変調部５０５においては、この領域のシリコンコア５０１を挟むように、シリコンコア５０１に続くスラブ層５０２にｐ型半導体領域５０３およびｎ型半導体領域５０４を備えてる。

また、シリコンコア５０１よりなるリブ型導波路の途中には、導波路型の光分岐カップラー（光分岐部）５０９が接続され、一部の光をモニター導波路に分岐する。モニター導波路には上述したように構成されているフォトダイオード型の光強度検出部５０６が配置されている。光強度検出部５０６は、電極５０６ａおよび電極５０６ｂを備えている。モニター導波路に分岐された光の強度が、光強度検出部５０６で測定され、この測定信号を元に、本線に設置されている光変調部５０５を動作させる（制御する）。

T.Tsuchizawa et al. ,"MicroPhotonics Devices Based on Silicon Microfabrucatuon Technology", IEEE J. Select. Topics Quant. Electron. vol.11,No.1, pp.232-240,(2005) . K.Yamada et al. ,"Application of Low-loss Photonic Wire Waveguide with Carrier Injection Structure", Proc. 4th Intern. Conf. Group IV Photonics, Tokyo, pp.116-118, WP23, 2007. L.Vivien et al. ,"Germanium photodiode integrated in a Silicon-On-Insulator microwaveguide", Proc. 4th Intern. Conf. Group IV Photonics, Tokyo, pp.285-287, FD3, 2007. M.W. Geis et al. ,""CMOS-Compatible All-Si High-Speed Waveguide Photodiode With High Responsibility in Near-Infarred Communication Band, IEEE Photonics Technology Letters, vol.19, No.3, pp.152-154,2007. T. Tsuchizawa, et al. ,"Spot-Size Converters for Rib-Type Silicon Photonic Wire Waveguides", Proc. 5th Intern. Conf. Group IV Photonics, Sorrento 2008, 200-202, ThB2. K.Yamada, et al. , "MicroPhotonics Devices Based on Silicon Wire Waveguiding System", IEICE Transaction on Electronics, Vol.E87-C, No.3, pp.351-358, 2004. Y A. Vlasov et al. ,"Losses in single-mode silicon-on-insulator strip waveguide and bends" Optics Express, vol.12, No.8, pp.1622-1631, 2004.

しかしながら、上述のシリコン導波路で構成された光強度調整機構では、光変調部５０５と光強度検出部５０６が、導波路を構成しているシリコンコア５０１で電気的に結合している。また、光変調部５０５や光強度検出部５０６を構成するリブ型シリコン導波路は、コア５０１以外の部分にもシリコン（スラブ層５０２）が存在しており、この経路においても両者は電気的に結合している。

光変調部５０５には、ｐ型半導体領域５０３とｎ型半導体領域５０４との間に，数１０ｍＡの大電流を通電する一方、光強度検出部５０６はｎＡからμＡレベルの低電流を測定する必要がある。しかしながら、上述のように電気的に光変調部５０５と光強度検出部５０６が結合していると、光変調部５０５から光強度検出部５０６に光導波路を通じて電流が流れ込み、光強度の正確な測定が不可能となる。

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、光変調部と光強度検出部とがモノリシックに集積されているシリコンからなるリブ型導波路構造の集積光デバイスにおいて、光強度の正確な測定ができるようにすることを目的とする。

本発明に係る集積光デバイスは、酸化シリコンからなる下部クラッド層の上に形成されたシリコンからなるスラブ層および第１コアと、この第１コアの一部を挟んでスラブ層に形成されたｐ型半導体領域およびｎ型半導体領域を備える光変調部と、第１コアの一端に設けられた光強度検出部と、この光強度検出部を囲ってスラブ層に形成された下部クラッド層に達する溝部と、第１コアの溝部で分離された間に配置され、溝部による第１コアの２つの端部の各々に接続して互いに離間する第２コアおよび第３コアと、第２コアおよび第３コアの間を中心として一部の第２コアおよび一部の第３コアを覆うスポットサイズ変換部コアと、すくなくともスラブ層の上に形成された上部クラッド層とを少なくとも備え、第２コアおよび第３コアは、スポットサイズ変換部コアに覆われた領域で、第２コアおよび第３コアの間の間隙に向かって先細りに形成され、スポットサイズ変換部コアおよび上部クラッド層は絶縁材料から構成されている。

上記集積光デバイスにおいて、上部クラッド層は、溝部を充填して形成されていればよい。また、溝部は、酸化シリコン，窒化シリコン，および酸窒化シリコンの中より選択された材料で充填されていてもよい。

上記集積光デバイスにおいて、第２コアおよび第３コアの先端部の幅は、第１コアよりなる導波路を導波する光の波長の１／４よりも小さい状態となっていればよい。また、第１コア，第２コア，および第３コアの高さおよび幅は、所望とする光をシリコン中に伝搬させた時の波長の１．２倍より小さいものであるとよい。

以上説明したように、本発明によれば、光強度検出部を囲うようにスラブ層に形成された下部クラッド層に達する溝部を備え、第１コアの溝部で分離された間に、溝部による第１コアの２つの端部の各々に接続して互いに離間し、先細りとなっている第２コアおよび第３コアを備えるようにしたので、光変調部と光強度検出部とがモノリシックに集積されているシリコンからなるリブ型導波路構造の集積光デバイスにおいて、光強度の正確な測定ができるようになるという優れた効果が得られる。

本発明の実施の形態における集積光デバイスの構成を示す平面図である。図１中のＡＡ’線の断面を示す断面図である。図１中のＢＢ’線の断面を示す断面図である。図１中のＣＣ’線の断面を示す断面図である。集積光デバイスの構成を示す平面図である。図５中のＡＡ’線の断面を示す断面図である。図５中のＢＢ’線の断面を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図１，２，３，４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集積光デバイスの構成例を示す平面図である。また、図２は、図１中のＡＡ’線の断面を示し、図３は、図１中のＢＢ’線の断面を示し、図４は、図１中のＣＣ’線の断面を示している。

この集積光デバイスは、ＳＯＩ基板を構成する埋め込み酸化膜より構成される下部クラッド層１０８の上に、リブ型導波路を構成するスラブ層１０２およびシリコンコア１０１が形成されている。なお図示していないが、下部クラッド層１０８は、ＳＯＩ基板を構成するシリコン基部の上に形成されている。例えば、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層を公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、シリコンコア１０１を形成することができる。

また、リブ型導波路を構成しているシリコンコア１０１の一部において、シリコンコア１０１を挟むようにスラブ層１０２に形成されたｐ型半導体領域１０３およびｎ型半導体領域１０４を備える光変調部１０５を備える。例えば、選択的なイオン注入により、ｐ型半導体領域１０３およびｎ型半導体領域１０４を形成することができる。光変調部１０５では、ｐ型半導体領域１０３とｎ型半導体領域１０４との間に電圧を印加することで、シリコンコア１０１に電流注入を行い、光変調部１０５を導波する光の強度変調を行う。後述する上部クラッド層１２０を貫通してｐ型半導体領域１０３およびｎ型半導体領域１０４の各々に接続する電極（不図示）を形成し、この電極を用いれば電圧の印加が行える。

また、シリコンコア１０１よりなるリブ型導波路の途中には、導波路型の光分岐部１０９が接続され、光強度検出部１０６が接続されているシリコンコア（第１コア）１０１ａよりなるモニター導波路に、一部の光を分岐する。光強度検出部１０６は、例えば、フォトダイオード光検出器であり、電極１０６ａおよび電極１０６ｂを備え、例えば、電極１０６ｂが、スラブ層１０２に接続している。モニター導波路に分岐された光の強度が、光強度検出部１０６で測定され、この測定信号を元に、本線に設置されている光変調部１０５を動作させる（制御する）。

また、スラブ層１０２，シリコンコア１０１，およびシリコンコア１０１ａの上には、絶縁材料からなる上部クラッド層１２０が形成されている。なお、上部クラッド層１２０は、下部クラッド層１０８の上に形成されており、スラブ層１０２，シリコンコア１０１，およびシリコンコア１０１ａを覆うように形成してもよい。図１では、上部クラッド層１２０を省略している。

加えて、本実施の形態における集積光デバイスは、光強度検出部１０６を囲うようにスラブ層１０２に形成された下部クラッド層に達する溝部１０７を備える。溝部１０７により、光強度検出部１０６が、他の領域（スラブ層１０２）より、電気的に分離された状態となる。

また、溝部１０７により、モニター導波路のシリコンコア１０１ａも分離されるが、この分離された間に、溝部１０７によるシリコンコア１０１ａの２つの端部の各々に接続（連続）し、互いに離間するシリコンコア（第２コア）１１１ａおよびシリコンコア（第３コア）１１１ｂを備える。また、シリコンコア１１１ａおよびシリコンコア１１１ｂの間を中心として一部のシリコンコア１１１ａおよび一部のシリコンコア１１１ｂを覆うスポットサイズ変換部コア１１３を備える。スポットサイズ変換部コア１１３は、絶縁材料から構成し、シリコンと上部クラッド層１２０との間の屈折率とすればよい。例えば、スポットサイズ変換部コア１１３は、酸化シリコン，窒化シリコン，および酸窒化シリコンなどから構成することができる。

また、シリコンコア１１１ａおよびシリコンコア１１１ｂは、スポットサイズ変換部コア１１３に覆われた領域で、シリコンコア１１１ａおよびシリコンコア１１１ｂの間の間隙に向かって先細りに形成された、テーパ部１１２ａおよびテーパ部１１２ｂを備える。シリコンコア１１１ａおよびシリコンコア１１１ｂは、分離されたシリコンコア１０１ａの間のシリコンコア１０１ａの延長線上に配置されている。また、シリコンコア１１１ａおよびシリコンコア１１１ｂは、テーパ部１１２ａおよびテーパ部１１２ｂの先端が対向して配置されている。

例えば、テーパ部１１２ａおよびテーパ部１１２ｂは、この幅が先端に行くほど狭くなっている。この場合、テーパ部１１２ａおよびテーパ部１１２ｂは、高さ（厚さ）は、変化しないので、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術により容易に形成できる。なお、テーパ部１１２ａおよびテーパ部１１２ｂは、幅に加えて厚さも、先端に行くほど小さくなるように形成してもよい。

なお、説明の便宜上、シリコンコア１１１ａの先端部をテーパ部１１２ａとしている。同様に、シリコンコア１１１ｂの先端部をテーパ部１１２ｂとしている。従って、テーパ部１１２ａは、シリコンコア１１１ａの一部であり、これらが別の部分から構成されているものではない。同様に、テーパ部１１２ｂは、シリコンコア１１１ｂの一部であり、これらが別の部分から構成されているものではない。

ここで、シリコンコア１１１ａ，シリコンコア１１１ｂ，テーパ部１１２ａ，およびテーパ部１１２ｂは、溝部１０７を形成するときに、シリコンコア１０１ａの部分は残し、この周囲のスラブ層１０２を除去することで形成できる。シリコンコア１１１ａ（テーパ部１１２ａ）およびシリコンコア１１１ｂ（テーパ部１１２ｂ）により、いわゆるチャネル型光導波路が構成される。また、このようにすることで、シリコンコア１０１ａとシリコンコア１１１ａ（テーパ部１１２ａ）およびシリコンコア１１１ｂ（テーパ部１１２ｂ）とは、一体に形成されることになる。

テーパ部１１２ａ，テーパ部１１２ｂ，およびスポットサイズ変換部コア１１３より構成した光結合部では、テーパ部１１２ａとテーパ部１１２ｂとが離間しているが、互いの先細りの先端部を対向して配置されているため、光が結合される（非特許文献５参照）。

一方、テーパ部１１２ａ，テーパ部１１２ｂ，およびスポットサイズ変換部コア１１３より構成した光結合部では、テーパ部１１２ａおよびテーパ部１１２ｂは、互いに離間している。また、テーパ部１１２ａおよびテーパ部１１２ｂの周囲は、絶縁材料で構成された下部クラッド層１０８およびスポットサイズ変換部コア１１３で覆われている。このように、シリコンコア１１１ａおよびシリコンコア１１１ｂは、電気的に分離されている。従って、光分岐部１０９の側と、光強度検出部１０６の側とは、電気的に分離さた状態で、光が導波（伝播）可能な状態とされている。このように、本実施の形態によれば、電気的に分離された状態で光強度が測定できるので、より正確な光強度の測定が可能となる。

ここで、テーパ部１１２ａおよびテーパ部１１２ｂの先細りの形状は、非特許文献６の技術が参考になる。非特許文献６の「Ｆｉｇ．３」に、波長１５５０ｎｍにおけるシリコン細線導波路と石英系導波路との変換にける損失が、テーパー長さおよび先端幅をパラメータにして数値計算されている。これを参考にすると、例えば実用的な変換損失として１０％（約０．５ｄＢ）の変換損失を設定するならば、先細りとしたテーパ部１１２ａおよびテーパ部１１２ｂの先端部の幅は１００ｎｍ以下であることが好ましい。この先端幅の最大値である１００ｎｍは、コア材料であるシリコン中の伝搬光（シリコンコアよりなる導波路を導波する光）の波長の約１／４に一致する。波長が異なる場合であっても、屈折率構造が同じであればスケーリング則が成り立つので、他の波長帯においても、テーパー先端幅の最大寸法は、シリコンコアよりなる導波路の伝搬光の波長の１／４とすることができる。

また、シリコンコア１０１よりなるシリコン光導波路は、モニター導波路を分岐する光分岐デバイス（光分岐部１０９）の構築や、前述したコアサイズや偏向半径が非常に小さい導波路による集積性を活かすために、単一モードのシリコン細線導波路であることが望ましい。例えば非特許文献７には通信用の１３００〜１６５０ｎｍ帯の赤外線における様々なシリコン細線導波路が記載されているが、これらから単一モード条件を満たすコア部の最大寸法は５００ｎｍと推測される。この値は、コア材料であるシリコン中の伝搬光の波長に対し１．１〜１．２倍の大きさである。波長が異なる場合であっても、屈折率構造が同じであればスケーリング則が成り立つので、他の波長帯においても、コア部の最大寸法はシリコン中の伝搬光の波長の１．２倍とすることができる。非特許文献５のシリコン細線導波路には電極等を設けるリブ部はないが、薄いリブ部を設けても電磁波伝搬に影響はないため、上述の議論が本発明におけるコアの断面寸法の参考になる。

なお、溝部１０７は、上部クラッド層１２０が充填されいてもよく、また、上部クラッド層１２０と同等の屈折率を有し、絶縁性を持つ他の材料で充填されていてもよい。例えば、溝部１０７は、酸化シリコン，窒化シリコン，および酸窒化シリコンの中より選択された材料で充填されていればよい。なお、上部クラッド層１２０も、酸化シリコン，窒化シリコン，および酸窒化シリコンの中より選択された材料で形成されていればよい。

本発明によれば、光強度変調デバイスから光検出器に流入する漏れ電流を無くすことができるので、本発明は、高感度な光検出器および光強度変調デバイスなどのシリコンチップ上へのモノリシックな構築に好適である。

１０１…シリコンコア、１０１ａ…シリコンコア（第１コア）、１０２…スラブ層、１０３…ｐ型半導体領域、１０４…ｎ型半導体領域、１０５…光変調部、１０６…光強度検出部、１０６ａ，１０６ｂ…電極、１０７…溝部、１０８…下部クラッド層、１０９…光分岐部、１１１ａ…シリコンコア（第２コア）、１１１ｂ…シリコンコア（第３コア）、１１２ａ，１１２ｂ…テーパ部、１１３…スポットサイズ変換部コア、１２０…上部クラッド層。

Claims

酸化シリコンからなる下部クラッド層の上に形成されたシリコンからなるスラブ層および第１コアと、
この第１コアの一部を挟んで前記スラブ層に形成されたｐ型半導体領域およびｎ型半導体領域を備える光変調部と、
前記第１コアの一端に設けられた光強度検出部と、
この光強度検出部を囲って前記スラブ層に形成された前記下部クラッド層に達する溝部と、
前記第１コアの前記溝部で分離された間に配置され、前記溝部による前記第１コアの２つの端部の各々に接続して互いに離間する第２コアおよび第３コアと、
前記第２コアおよび前記第３コアの間を中心として一部の前記第２コアおよび一部の前記第３コアを覆うスポットサイズ変換部コアと、
少なくとも前記スラブ層の上に形成された上部クラッド層と
を少なくとも備え、
前記第２コアおよび前記第３コアは、前記スポットサイズ変換部コアに覆われた領域で、前記第２コアおよび前記第３コアの間の間隙に向かって先細りに形成され、
前記スポットサイズ変換部コアおよび前記上部クラッド層は絶縁材料から構成されていることを特徴とする集積光デバイス。
請求項１記載の集積光デバイスにおいて、
前記上部クラッド層は、前記溝部を充填して形成されていることを特徴とする集積光デバイス。
請求項１記載の集積光デバイスにおいて、
前記溝部は、酸化シリコン，窒化シリコン，および酸窒化シリコンの中より選択された材料で充填されていることを特徴とする集積光デバイス。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の集積光デバイスにおいて、
前記第２コアおよび前記第３コアの先端部の幅は、前記第１コアよりなる導波路を導波する光の波長の１／４よりも小さいことを特徴とする集積光デバイス。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の集積光デバイスにおいて、
前記第１コア，第２コア，および第３コアの高さおよび幅は、所望とする光をシリコン中に伝搬させた時の波長の１．２倍より小さいことを特徴とする集積光デバイス。