JP6118834B2 - Mode conversion element and optical functional element - Google Patents
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Description
この発明は、例えば、基本モードのTM(Transverse Magnetic)偏波を、1次モードのTE(Transverse Electric)偏波に変換するモード変換素子、及び、このモード変換素子と光電子デバイスを備える光機能素子に関する。 The present invention provides, for example, a mode conversion element that converts a TM (Transverse Magnetic) polarization in a basic mode into a TE (Transverse Electric) polarization in a primary mode, and an optical functional element including the mode conversion element and an optoelectronic device About.
近年、小型化や量産性に有利な光機能素子の開発に当たり、Si(シリコン)を細線導波路の材料として用いるSi細線導波路が注目を集めている。 In recent years, in the development of optical functional elements that are advantageous for miniaturization and mass productivity, Si fine wire waveguides that use Si (silicon) as a material for fine wire waveguides have attracted attention.
Si細線導波路では、実質的に光の伝送路となる光導波路コアを、Siを材料として形成する。そして、Siよりも屈折率の低い例えばシリカ等を材料としたクラッドで、光導波路コアの周囲を覆う。このような構成により、光導波路コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きくなるため、光導波路コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、曲げ半径を例えば1μm程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができる。そのため、電子回路と同程度の大きさの光回路を作成することが可能であり、光機能素子全体の小型化に有利である。 In the Si thin wire waveguide, an optical waveguide core that substantially becomes a light transmission path is formed using Si as a material. Then, the periphery of the optical waveguide core is covered with a clad made of, for example, silica having a refractive index lower than that of Si. With such a configuration, the refractive index difference between the optical waveguide core and the clad becomes extremely large, so that light can be strongly confined in the optical waveguide core. As a result, a small curved waveguide having a bending radius reduced to, for example, about 1 μm can be realized. For this reason, it is possible to create an optical circuit having the same size as an electronic circuit, which is advantageous for downsizing the entire optical functional element.
また、Si細線導波路では、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等の半導体装置の製造過程を流用することが可能である。そのため、チップ上に電子機能回路と光機能回路とを一括形成する光電融合(シリコンフォトニクス)の実現が期待されている。 In addition, in the Si wire waveguide, it is possible to divert the manufacturing process of a semiconductor device such as a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Therefore, realization of photoelectric fusion (silicon photonics) in which electronic functional circuits and optical functional circuits are collectively formed on a chip is expected.
ところで、Si細線導波路に集積される光電子デバイスとして、PIN構造のフォトダイオード(以下、PIN−PDとも称する。)が知られている(例えば、非特許文献1参照)。PIN−PDは、例えば以下のようにSi細線導波路に集積される。先ず、Siのコアに対して、不純物添加することにより、P型又はN型の導電性を付与する。次に、Siのコア上に例えば、Ge(ゲルマニウム)を積層する。その後、Geの表面に不純物添加することにより、Siのコアと逆の導電性を付与する。すなわち、SiがP型の場合は、GeをN型とし、SiがN型の場合は、GeをP型とする。この結果、P型の領域とN型の領域の間にI型領域と呼ばれる真性半導体領域が存在するPIN−PDが得られる。 Incidentally, a photodiode having a PIN structure (hereinafter also referred to as PIN-PD) is known as an optoelectronic device integrated in a Si wire waveguide (see, for example, Non-Patent Document 1). The PIN-PD is integrated in the Si fine wire waveguide as follows, for example. First, impurities are added to the Si core to impart P-type or N-type conductivity. Next, for example, Ge (germanium) is stacked on the Si core. Thereafter, by adding impurities to the surface of Ge, conductivity opposite to that of the Si core is imparted. That is, Ge is N-type when Si is P-type, and Ge is P-type when Si is N-type. As a result, a PIN-PD in which an intrinsic semiconductor region called an I-type region exists between a P-type region and an N-type region is obtained.
一般にP型領域、I型領域及びN型領域が積層された構造の縦型のPIN−PDは、基板上に光吸収層をエピタキシャル成長させて形成される。このとき、光吸収層に残留する歪によってPDの受光効率に偏波依存性が生じることが知られている。無歪又は圧縮歪を持つ光吸収層は、TEモードの受光効率が高く、引っ張り歪みを持つ光吸収層はTMモードの受光効率が高い(例えば、特許文献1参照)。 Generally, a vertical PIN-PD having a structure in which a P-type region, an I-type region, and an N-type region are stacked is formed by epitaxially growing a light absorption layer on a substrate. At this time, it is known that polarization dependency occurs in the light receiving efficiency of the PD due to the strain remaining in the light absorption layer. A light absorbing layer having no strain or compressive strain has a high light receiving efficiency in the TE mode, and a light absorbing layer having a tensile strain has a high light receiving efficiency in the TM mode (see, for example, Patent Document 1).
このため、特許文献1に開示されている受光器では、InP基板上に光吸収層としてInGaAsをエピタキシャル成長させたPDに対して、無歪又は圧縮歪光吸収層を前段に配置し、引っ張り歪光吸収層を後段に配置している。無歪又は圧縮歪光吸収層では、TEモード光が吸収され、TMモード光は透過し、引っ張り歪光吸収層では、TMモード光が吸収されるので、受信感度が偏波無依存化される。 For this reason, in the light receiver disclosed in Patent Document 1, a strain-free or compressive-strained light absorption layer is disposed in the previous stage with respect to a PD in which InGaAs is epitaxially grown as a light absorption layer on an InP substrate, and tensile strained light is obtained. The absorption layer is arranged in the subsequent stage. The TE mode light is absorbed and the TM mode light is transmitted through the unstrained or compressive strain light absorbing layer, and the TM mode light is absorbed at the tensile strain light absorbing layer, so that the reception sensitivity is made polarization independent. .
しかしながら、この特許文献1に開示されている技術は、3元又は4元の化合物半導体を用いたPDには適用可能であるが、Si基板上にGeをエピタキシャル成長させた光吸収層を有するPDには適用できない。この理由は以下の通りである。 However, although the technique disclosed in Patent Document 1 can be applied to a PD using a ternary or quaternary compound semiconductor, the PD has a light absorption layer obtained by epitaxially growing Ge on a Si substrate. Is not applicable. The reason is as follows.
InP基板上にエピタキシャル成長させるInGaAs光吸収層のInとGaの組成(InxGa1−xAs)を制御することにより、格子定数をGaAs(x=0)の5.653ÅからInAs(x=1)の6.06Åまで変えることができる。x=0.53のIn0.53Ga0.47Asのとき、格子定数が5.8687ÅのInPと位相整合する。従って、xを0.53よりも小さくするとInPよりも格子定数が小さくなり、InGaAsに引っ張り歪を入れることができる。また、xを0.53よりも大きくするとInPよりも格子定数が大きくなり、InGaAsに圧縮歪を入れることができる。 By controlling the composition of In and Ga (In x Ga 1-x As) of the InGaAs light absorption layer epitaxially grown on the InP substrate, the lattice constant is changed from 5.6535 of GaAs (x = 0) to InAs (x = 1). ) To 6.06mm. When In 0.53 Ga 0.47 As with x = 0.53, phase matching is achieved with InP with a lattice constant of 5.8687Å. Therefore, when x is smaller than 0.53, the lattice constant is smaller than InP, and tensile strain can be applied to InGaAs. Further, when x is larger than 0.53, the lattice constant becomes larger than that of InP, and compressive strain can be applied to InGaAs.
これに対し、Si基板上にGeをエピタキシャル成長させる場合は、Si基板の格子定数が5.44Åであるのに対し、Geの格子定数が5.65Åであるため、Geには圧縮歪しか入れることができない。 On the other hand, when Ge is epitaxially grown on the Si substrate, the lattice constant of the Si substrate is 5.44Å whereas the lattice constant of Ge is 5.65Å, so that only compressive strain is included in Ge. I can't.
このように、特許文献1に開示されている、無歪又は圧縮歪光吸収層を前段に配置し、引っ張り歪光吸収層を後段に配置することにより、受信感度を偏波無依存化する技術は、Si基板上にGeをエピタキシャル成長させるPDには適用できない。発明者らが行った受信感度の測定結果によれば、TEモード光では、受信感度が0.74A/Wであり、TMモード光では、受信感度が0.56A/Wであり、約1.2dBの偏波依存性が存在する。 As described above, a technique disclosed in Patent Document 1 in which a non-strained or compression-strained light absorption layer is disposed in the previous stage and a tensile-strained light absorption layer is disposed in the subsequent stage, thereby making the reception sensitivity polarization independent. Is not applicable to PDs in which Ge is epitaxially grown on a Si substrate. According to the measurement results of the reception sensitivity performed by the inventors, the reception sensitivity is 0.74 A / W for the TE mode light, and the reception sensitivity is 0.56 A / W for the TM mode light. There is a 2 dB polarization dependency.
この出願に係る発明者は、鋭意検討の結果、PDの入力側に下部スラブ部と、下部スラブ部上に形成された、上部テーパ部とを備えて構成されるモード変換素子を配置して、入力される基本モードのTE偏波を、変換せず出力し、入力される基本モードのTM偏波を、1次モードのTE偏波に変換して出力することで、受信感度に偏波依存性が有る場合であっても、受光効率の偏波依存性を小さくできることに想到した。 As a result of earnest examination, the inventor according to this application arranges a mode conversion element including a lower slab portion on the PD input side and an upper taper portion formed on the lower slab portion, The input fundamental mode TE polarized wave is output without conversion, and the input fundamental mode TM polarized wave is converted to the primary mode TE polarized wave and output, so that the reception sensitivity depends on the polarization. The inventors have conceived that the polarization dependence of the light receiving efficiency can be reduced even in the case where there is a characteristic.
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、受信感度に偏波依存性がある光電子デバイスに対して好適なモード変換素子を提供すること、及び、このモード変換素子と光電子デバイスを備える光機能素子を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a mode conversion element suitable for an optoelectronic device having a polarization dependency in reception sensitivity, and An optical functional element including a mode conversion element and an optoelectronic device is provided.
上述した目的を達成するために、この発明のモード変換素子は、細線導波路部と、段差スラブ部と、スラブ部とが、一体的なチャネル導波路として順次接続されて構成される光導波路を備える。段差スラブ部は、下部スラブと、下部スラブ上に、細線導波路部側から、スラブ部側に向けて、幅が増大する上部テーパ部とを備える。細線導波路部から段差スラブ部に入力された、基本モードのTE偏波は、偏波及びモードが変換されずにスラブ部に出力される。また、細線導波路部から段差スラブ部に入力された、基本モードのTM偏波は、1次モードのTE偏波に変換されてスラブ部に出力される。 To achieve the above object, the mode converter of the invention includes a thin-ray waveguide section, and the step slab part, and the slab portion, the optical waveguide configured by sequentially connected as an integral channel waveguide Is provided . The step slab portion includes a lower slab and an upper taper portion whose width increases from the thin waveguide portion side toward the slab portion side on the lower slab. The fundamental mode TE polarized wave input from the thin waveguide section to the step slab section is output to the slab section without being converted in polarization and mode. The fundamental mode TM polarized wave input from the thin wire waveguide section to the step slab section is converted into a primary mode TE polarized wave and output to the slab section.
また、この発明の光機能素子は、上述のモード変換素子と、モード変換素子の上部テーパ部の幅が広い側から出力される光が入力される、光電子デバイスとを備えて構成される。この光電子デバイスとして、例えば、フォトダイオードやEA変調器が用いられる。 An optical functional element according to the present invention includes the above-described mode conversion element and an optoelectronic device to which light output from the wide side of the upper taper portion of the mode conversion element is input. As this optoelectronic device, for example, a photodiode or an EA modulator is used.
この発明のモード変換素子によれば、入力される基本モードのTE偏波を変換せずにそのまま出力し、基本モードのTM偏波を1次モードのTE偏波に変換して出力する。このため、後段に偏波依存性の大きな光電子デバイスを用いる場合であっても、その偏波依存性の影響を小さくすることができる。 According to the mode conversion element of the present invention, the input fundamental mode TE polarized wave is output as it is without being converted, and the fundamental mode TM polarized wave is converted into the primary mode TE polarized wave and output. For this reason, even when an optoelectronic device having a large polarization dependency is used in the subsequent stage, the influence of the polarization dependency can be reduced.
また、このモード変換素子と光電子デバイスとして、受信感度に偏波依存性のあるフォトダイオードを用いた場合に、受光効率の偏波依存性を小さくすることができる。 In addition, when a photodiode having a polarization dependency in the reception sensitivity is used as the mode conversion element and the optoelectronic device, the polarization dependency of the light receiving efficiency can be reduced.
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the shape, size, and arrangement relationship of each component are merely schematically shown to the extent that the present invention can be understood. In the following, a preferred configuration example of the present invention will be described. However, the material and numerical conditions of each component are merely preferred examples. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments, and many changes or modifications that can achieve the effects of the present invention can be made without departing from the scope of the configuration of the present invention.
(第1実施形態)
図1及び図2を参照して、第1実施形態の光機能素子(以下、第1光機能素子とも称する。)について説明する。第1光機能素子は、モード変換素子と、光電子デバイスとしてフォトダイオードを備えて構成される。
(First embodiment)
The optical functional element of the first embodiment (hereinafter also referred to as the first optical functional element) will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The first optical functional element includes a mode conversion element and a photodiode as an optoelectronic device.
図1(A)は、第1光機能素子の模式的な斜視図である。また、図1(B)は、第1光機能素子を上面から見た、模式的な平面図である。第1光機能素子は、導波路コアと、導波路コアの周囲のクラッド等を備えて構成されるが、図1(A)及び(B)では、クラッドなど他の構成要素の図示を一部省略している。 FIG. 1A is a schematic perspective view of the first optical functional element. FIG. 1B is a schematic plan view of the first optical functional element as viewed from above. The first optical functional element includes a waveguide core and a cladding around the waveguide core. In FIGS. 1A and 1B, some other components such as the cladding are illustrated. Omitted.
図2(A)及び(B)は、第1光機能素子の切断端面を示す図である。図2(A)は、図1(B)のI−I線に沿って取った切断端面を示し、図2(B)は、図1(B)のII−II線に沿って取った切断端面を示している。 2A and 2B are views showing a cut end surface of the first optical functional element. 2A shows a cut end surface taken along line II in FIG. 1B, and FIG. 2B shows a cut taken along line II-II in FIG. 1B. The end face is shown.
第1光機能素子10は、支持基板12と、支持基板12上に形成された下部クラッド14と、下部クラッド14上に形成された光導波路16と、下部クラッド14及び光導波路16上に形成された上部クラッド18とを備えて構成される。支持基板12及び光導波路16は、は、シリコン(Si)で形成され、下部クラッド14及び上部クラッド18は、酸化シリコン(SiO2)で形成されている。
The first optical
先ず、モード変換素子20の構造について説明する。モード変換素子20の光導波路16は、細線導波路部22と、段差スラブ部24と、スラブ部28とが順次接続されて構成されている。
First, the structure of the
モード変換素子20の光導波路16の厚さは、例えば300nmである。細線導波路部22の幅は、波長1460nm〜1530nmのSバンドの信号光に対して、シングルモード導波路となるように300nmとしている。スラブ部28は、フォトダイオードと接続される部分であり、スラブ部28の幅を約2μmとしている。なお、ここでは支持基板の上面に直交する方向を厚さ方向とし、光の伝搬方向と厚さ方向の両方に直交する方向を幅方向とする。
The thickness of the
段差スラブ部24は、下部スラブ部25と、下部スラブ部25上に形成された、上部テーパ部27とを備えて構成される。下部スラブ部25は、平面形状が矩形の平板状に形成されていて、下部スラブ部25の厚さは、細線導波路部22の半分の150nmである。
The
上部テーパ部27は、下部スラブ部25の1つの辺から対向する辺に向けて幅が広がるテーパ状に形成されている。ここでは、上部テーパ部27は、細線導波路部22側から、スラブ部28側に向けて、幅が増大する。すなわち、上部テーパ部27は、細線導波路部22側からスラブ部28側に向けた導波方向に沿って幅が増大する逆テーパ状に形成されている。上部テーパ部27の厚さは、下部スラブ部25と同じく、細線導波路部22の半分の150nmである。上部テーパ部27と下部スラブ部25の厚さは、必ずしも等しくなっている必要はないが、等しくするとモード変換効率が高まるので有利である。
The
図1に示す構成例では、上部テーパ部27の細線導波路部22側の端部の幅が、細線導波路部22の幅と等しく最小である。また、上部テーパ部27のスラブ部28側の端部の幅が、スラブ部28の幅と等しく最大である。
In the configuration example shown in FIG. 1, the width of the end portion of the
なお、モード変換効率の低下や、光信号の損失を考慮すると、段差スラブ部24の上部テーパ部27が等幅の領域を備えず、かつ、細線導波路部22及びスラブ部28がテーパ状の領域を備えない構成にするのが良い。しかし、多少の性能の低下はありうるが、上部テーパ部27の幅が変化する部分に対応する領域よりも、下部スラブ部25が設けられる領域を大きくしたり、小さくしたりしてもよい。
In consideration of a decrease in mode conversion efficiency and loss of an optical signal, the
また、下部スラブ部25の幅は、少なくとも上部テーパ部27の最大幅と等しい大きさであれば良い。しかし、製造誤差を考慮すると、下部スラブ部25の幅は、上部テーパ部27の最大幅以上にするのが良い。なお、幅に対して長さの方が大きいため、長さ方向については製造誤差を無視することができる。
Further, the width of the
また、モード変換素子として主に機能するのは、段差スラブ部24である。従って、上部テーパ部27の幅の狭い側に接続される他の素子や、上部テーパ部27の幅の広い側に接続される光電子デバイスの構造等によっては、細線導波路部22やスラブ部28を備えない構成にしても良い。
The
次に、フォトダイオード30について説明する。フォトダイオード30は、モード変換素子20のスラブ部28(上部テーパ部27の幅が大きい)側に配置される。モード変換素子20の、上部テーパ部27の幅が広い側から出力される光が、フォトダイオード30に入力される。
Next, the
フォトダイオード30の光導波路16には、低濃度の不純物が添加された低濃度p−Si領域32が形成されている。低濃度p−Si領域32上にGe層42が形成されている。低濃度p−Si領域32のGe層42が形成されていない領域の一部には、高濃度の不純物が添加された高濃度p−Siコンタクト領域34が形成されている。また、Ge層42の上側の領域に、高濃度n−Geコンタクト領域44が形成されている。高濃度p−Siコンタクト領域34及び高濃度nーGeコンタクト領域44上には、それぞれコンタクト電極50が形成され、コンタクト電極50上にはパット電極52が形成されている。光導波路16及びGe層42は、上部クラッド18で覆われているが、コンタクト電極50上のパット電極52は露出している。
In the
図3を参照して、第1光機能素子の動作について説明する。図3は、第1光機能素子の動作を説明するための模式図である。図3(A)は、基本モードのTE偏波(以下、TE0と称することもある。)が入力される場合を示し、図3(B)は、基本モードのTM偏波(以下、TM0と称することもある。)が入力される場合を示している。図3(A)及び(B)では、図1(B)と同様に、光導波路のみを示し、クラッドなど他の構成要素の図示を省略している。 The operation of the first optical functional element will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the operation of the first optical functional element. FIG. 3A shows a case where a TE mode polarized wave (hereinafter also referred to as TE0) is input, and FIG. 3B shows a fundamental mode TM polarized wave (hereinafter referred to as TM0). It may be referred to as “)”. 3A and 3B, like FIG. 1B, only the optical waveguide is shown, and other components such as the cladding are not shown.
光機能素子10のモード変換素子20に入力された、信号光のTE0成分及びTM0成分は、細線導波路22、段差スラブ部24及びスラブ部28を伝播し、モード変換素子20から出力される。
The TE0 component and the TM0 component of the signal light input to the
このとき、導波方向に入力される光のTE0成分は、段差スラブ部24において、偏波及びモードが変換されず、TE0成分のまま、モード変換素子20から出力される。このモード変換素子20から出力されたTE0成分はフォトダイオード30に入力される。
At this time, the TE0 component of the light input in the waveguide direction is output from the
一方、導波方向に入力される光のTM0成分は、段差スラブ部24において、1次モードのTE偏波(以下、TE1と称することもある。)に変換され、TE1成分として、モード変換素子20から出力される。このモード変換素子20から出力されたTE1成分はフォトダイオード30に入力される。
On the other hand, the TM0 component of the light input in the waveguide direction is converted into a first-order mode TE polarized wave (hereinafter also referred to as TE1) in the
このように第1光機能素子10では、モード変換素子20において、信号光の基本モードのTM偏波が1次モードのTE偏波に変換される。このため、フォトダイオード30の受信感度に大幅な偏波依存性が存在しても、光機能素子全体として、受光効率の偏波依存性を低減することができる。
As described above, in the first optical
発明者らによる検討によれば、段差スラブ部24及びスラブ部28の形状を適切に設計することで、Sバンド、特に波長1520nmの信号光に対して、TM0成分からTE1成分への変換損失が約0.2dBとなることを見出している。この結果、光機能素子としての受信感度の偏波依存性を約1.2dBから約0.2dBへ減少させることができる。
According to the study by the inventors, by appropriately designing the shapes of the
このように、このモード変換素子20を用いると、光電子デバイスとして受信感度に偏波依存性のあるフォトダイオードを用いた場合であっても、光機能素子全体として受光効率の偏波依存性を小さくすることができる。
As described above, when the
図4〜6を参照して、第1光機能素子の製造方法について説明する。図4〜6は、第1光機能素子の製造方法を説明するための工程図である。 With reference to FIGS. 4-6, the manufacturing method of a 1st optical function element is demonstrated. 4-6 is process drawing for demonstrating the manufacturing method of a 1st optical function element.
先ず、Si基板上にSiO2層及びSi層が積層されたSOI基板を用意する。Si基板、SiO2層及びSi層がそれぞれ支持基板、下部クラッド層及び光導波路層として用いられる。 First, an SOI substrate in which a SiO 2 layer and a Si layer are stacked on a Si substrate is prepared. A Si substrate, a SiO 2 layer, and a Si layer are used as a support substrate, a lower cladding layer, and an optical waveguide layer, respectively.
次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、Si層をパターニングして、ハーフエッチパターン60を形成する(図4(A)、(B)及び(C)参照)。図4(A)は、ハーフエッチパターン60の斜視図である。図4(B)は、図4(A)のI−I線に沿って取った、ハーフエッチパターン60が形成されたSOI基板の切断端面を示している。また、図4(C)は、図4(A)のII−II線に沿って取った、ハーフエッチパターン60が形成されたSOI基板の切断端面を示している。
Next, the Si layer is patterned by photolithography and dry etching to form a half-etch pattern 60 (see FIGS. 4A, 4B, and 4C). FIG. 4A is a perspective view of the half-
次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、ハーフエッチパターン60をパターニングして、光導波路16を形成する(図5(A)、(B)及び(C)参照)。図5(A)は、光導波路16の斜視図である。図5(B)は、図5(A)のI−I線に沿って取った、光導波路16が形成されたSOI基板の切断端面を示している。また、図5(C)は、図5(A)のII−II線に沿って取った、光導波路16が形成されたSOI基板の切断端面を示している。
Next, the half-
次に、フォトダイオードを形成する工程について、図6(A)〜(D)を参照して説明する。図6(A)〜(D)は、図4(A)及び図5(A)のII−II線に沿って取った、切断端面に対応する端面を示している。 Next, a process for forming a photodiode will be described with reference to FIGS. 6 (A) to 6 (D) show end faces corresponding to the cut end faces taken along the line II-II in FIGS. 4 (A) and 5 (A).
先ず、下部クラッド14及び光導波路16上に、フォトリソグラフィによりレジストパターン80を形成する。このレジストパターン80には、フォトダイオード形成領域の光導波路16をほぼ露出する開口81が形成されている。この開口81の面積は、数μm×数十μm程度である。その後、この開口81から光導波路16に、p型の不純物として例えばホウ素(B)を不純物添加して、低濃度p−Si領域32を形成する。この低濃度p−Si領域の不純物濃度は、例えば1×1019cm−3程度である(図6(A))。
First, a resist
次に、レジストパターン80を除去した後、下部クラッド14及び光導波路16上に、フォトリソグラフィによりレジストパターン82を形成する。このレジストパターン82には、光導波路16の低濃度p−Si領域32の一部を露出する矩形状の開口83が、光の伝播方向に平行に2箇所設けられている。その後、この開口83から光導波路の低濃度p−Si領域32に、p型の不純物として例えばホウ素(B)を不純物添加して、高濃度p−Siコンタクト領域34を形成する。この高濃度p−Siコンタクト領域34の不純物濃度は、例えば1×1020cm−3程度である(図6(B))。
Next, after removing the resist
次に、レジストパターン82を除去した後、低濃度p−Si領域32上に、厚さ1μm程度のGe層42を選択成長させる(図6(C))。
Next, after removing the resist
次に、下部クラッド14、光導波路16及びGe層42上に、フォトリソグラフィによりレジストパターン84を形成する。このレジストパターン84には、Ge層42の一部領域を露出する開口85が形成されている。その後、この開口85からGe層42に、n型の不純物として例えばリン(P)を不純物添加して、高濃度n−Geコンタクト領域44を形成する。この高濃度n−Geコンタクト領域44の不純物濃度は、例えば1×1020cm−3程度である(図6(D))。
Next, a resist
次に、レジストパターン84を除去した後、下部クラッド14上に、光導波路16及びGe層18を覆うSiO2膜を形成する。このSiO2膜が上部クラッド18となる。その後、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、上部クラッド18にコンタクトホールを形成する。次に、電極材料として例えばアルミニウム(Al)を真空蒸着してコンタクトホールを埋め込むことにより、コンタクト電極50を形成する。最後に、上部クラッド18上に、電極材料として例えばアルミニウム(Al)を真空蒸着した後、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによりAl膜をパターニングして、コンタクト電極50上にパッド電極52を形成し、図1及び図2を参照して説明した第1光機能素子を得る。
Next, after removing the resist
(第2実施形態)
図7(A)及び(B)を参照して、第2実施形態の光機能素子(以下、第2光機能素子とも称する。)について説明する。なお、第1光機能素子と重複する説明を省略する場合がある。
(Second Embodiment)
With reference to FIG. 7 (A) and (B), the optical function element (henceforth a 2nd optical function element) of 2nd Embodiment is demonstrated. In addition, the description which overlaps with a 1st optical function element may be abbreviate | omitted.
第2光機能素子70は、順次に接続されたモード変換素子20と、光電子デバイスとして電界吸収型(EA:Electro−Absorption)変調器72と、出力側導波路74を備えて構成される。
The second optical
図7(A)及び(B)は、第2光機能素子の構成及び動作を説明するための模式図である。図7(A)は、TE0成分が入力される場合を示し、図7(B)は、TM0成分が入力される場合を示している。図7(A)及び(B)では、図1、図3(A)及び(B)と同様に、光導波路のみを示し、クラッドなど他の構成要素の図示を省略している。 FIGS. 7A and 7B are schematic views for explaining the configuration and operation of the second optical functional element. FIG. 7A shows a case where the TE0 component is input, and FIG. 7B shows a case where the TM0 component is input. 7A and 7B, like FIG. 1, FIG. 3A and FIG. 3B, only the optical waveguide is shown, and other components such as the cladding are not shown.
第2光機能素子のモード変換素子は、第1光機能素子のモード変換素子と同様に構成されるので重複する説明を省略する。 Since the mode conversion element of the second optical functional element is configured in the same manner as the mode conversion element of the first optical functional element, redundant description is omitted.
EA変調器72は、モード変換素子20のスラブ部28側に配置される。モード変換素子20の、上部テーパ部27の幅が広い側から出力される光が、EA変調器72に入力される。EA変調器72としては、任意好適な従来公知のものを用いることができる。
The
出力側導波路74は、EA変調器72の出力側に設けられる。出力側導波路74は、テーパ部75と等幅導波路77とを備えて構成される。テーパ部75がEA変調器72側に配置される。
The
テーパ部75は、EA変調器72側から、等幅導波路77側に向けて、幅が縮小する。等幅導波路77はTE1成分が伝搬するように構成される。
The
光機能素子70のモード変換素子20に入力された、信号光のTE0成分及びTM0成分は、細線導波路部22、段差スラブ部24及びスラブ部28を伝播し、モード変換素子20から出力される。
The TE0 component and TM0 component of the signal light input to the
このとき、TE0成分は、段差スラブ部24において、偏波及びモードが変換されず、TE0成分のまま、モード変換素子20から出力される。このモード変換素子20から出力されたTE0成分はEA変調器72に入力される。EA変調器72で所定の変調を受けたTE0成分は、テーパ部75及び等幅導波路76を経て第2光機能素子70から出力される。
At this time, the TE0 component is output from the
一方、TM0成分は、段差スラブ部24において、TE1成分に変換され、TE1成分として、モード変換素子20から出力される。このモード変換素子20から出力されたTE1成分はEA変調器72に入力される。EA変調器72で所定の変調を受けたTE1成分は、テーパ部75及び等幅導波路77を経て第2光機能素子70から出力される。
On the other hand, the TM0 component is converted into the TE1 component in the
このように第2光機能素子70では、モード変換素子20において、信号光の基本モードのTM偏波が1次モードのTE偏波に変換された後、EA変調器72に入力される。このため、EA変調器72の受信感度に大幅な偏波依存性が存在しても、光機能素子全体として、受光効率の偏波依存性を低減することができる。
As described above, in the second optical
図8を参照して、第2光機能素子の製造方法について説明する。図8は、第2光機能素子の製造方法を説明するための工程図である。 With reference to FIG. 8, the manufacturing method of a 2nd optical function element is demonstrated. FIG. 8 is a process diagram for explaining a method of manufacturing the second optical functional element.
先ず、Si基板上にSiO2層及びSi層が積層されたSOI基板を用意する。 First, an SOI substrate in which a SiO 2 layer and a Si layer are stacked on a Si substrate is prepared.
次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、Si層をパターニングして、ハーフエッチパターン62を形成する(図8(A)参照)。図8(A)は、ハーフエッチパターン62の斜視図である。
Next, the Si layer is patterned by photolithography and dry etching to form a half-etch pattern 62 (see FIG. 8A). FIG. 8A is a perspective view of the half-
次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、ハーフエッチパターン62をパターニングして、光導波路17を形成する(図8(B)及び(C)参照)。図8(B)は、光導波路の斜視図である。図8(C)は、図8(B)のI−I線に沿って取った、光導波路が形成されたSOI基板の切断端面を示している。この工程で、モード変換素子20及び出力側導波路74を含む光導波路17が形成される。その後、必要に応じてモード変換素子20と出力側導波路74の間のテラス領域78に、EA変調器72に電流を供給するための電極を形成する。
Next, the half-
次に、テラス領域78に予め用意しておいたEA変調器72を実装、ダイボンディングして、図7を参照して説明した第2光機能素子70を得る。
Next, the
(第3実施形態)
図9(A)及び(B)を参照して、第3実施形態の光機能素子(以下、第3光機能素子とも称する。)について説明する。なお、第2光機能素子と重複する説明を省略する場合がある。
(Third embodiment)
With reference to FIG. 9 (A) and (B), the optical functional element (henceforth a 3rd optical functional element) of 3rd Embodiment is demonstrated. In addition, the description which overlaps with a 2nd optical function element may be abbreviate | omitted.
第3光機能素子90は、出力側導波路に換えてモード変換素子21を備える点が第2光機能素子と異なっており、その他の構成は第2光機能素子と同様に構成される。
The third optical
EA変調器72の出力側に設けられるモード変換素子21は、EA変調器72の入力側に設けられるモード変換素子20と同様の構造であり、EA変調器72に対して対称となるように配置されている。すなわち、出力側のモード変換素子21は、EA変調器72の出力側に、スラブ部98が設けられ、第3光機能素子90の出力側に細線導波路部92が設けられ、スラブ部98と細線導波路部92の間に段差スラブ部94が設けられている。
The
第3光機能素子90の入力側のモード変換素子20に入力された、信号光のTE0成分及びTM0成分は、細線導波路22、段差スラブ部24及びスラブ部28を伝播し、入力側のモード変換素子20から出力される。
The TE0 component and the TM0 component of the signal light input to the
このとき、TE0成分は、入力側のモード変換素子20の段差スラブ部24において、偏波及びモードが変換されず、TE0成分のまま、入力側のモード変換素子20から出力される。入力側のモード変換素子20から出力されたTE0成分はEA変調器72に入力される。EA変調器72で所定の変調を受けたTE0成分は、出力側のモード変換素子21を経て第3光機能素子90から出力される。
At this time, the TE0 component is output from the input-side
一方、TM0成分は、入力側のモード変換素子20の段差スラブ部24において、TE1成分に変換され、TE1成分として、入力側のモード変換素子20から出力される。この入力側のモード変換素子20から出力されたTE1成分はEA変調器72に入力される。EA変調器72で所定の変調を受けたTE1成分は、出力側のモード変換素子21の段差スラブ部94において、TM0成分に変換され、TM0成分として、第3光機能素子90から出力される。
On the other hand, the TM0 component is converted into a TE1 component in the
このように第3光機能素子90では、入力側のモード変換素子20において、信号光のTM0成分がTE1成分に変換される。このため、EA変調器72の受信感度に大幅な偏波依存性が存在しても、光機能素子全体として、受光効率の偏波依存性を低減することができる。また、出力側のモード変換素子21において、信号光のTE1成分がTM0成分に変換される。このため、第3光機能素子90に入力される信号光の偏波状態を保ったまま、EA変調器72で変調された信号光を出力することができる。
As described above, in the third optical
第3光機能素子90の製造方法については、出力側のモード変換素子21を形成するための、ハーフエッチパターンの形状を除いては、第2光機能素子と同様であるので、説明を省略する。
The manufacturing method of the third optical
(他の構成例)
上述した第1光機能素子では、光電子デバイスとしてPIN構造が縦型のPDを用いる例について説明したが、これに限定されない。PIN構造が横型のPDを用いても良い。また、第1光機能素子では、Si導波路からGe層への光の結合はエバネッセント結合であるが、バットカップリング結合でもよい。また、PIN−PDではなくアバランシェフォトダイオードを光電子デバイスとして用いても良い。
(Other configuration examples)
In the first optical functional element described above, an example in which a vertical PD with a PIN structure is used as an optoelectronic device has been described. However, the present invention is not limited to this. A PD having a horizontal PIN structure may be used. In the first optical functional element, the coupling of light from the Si waveguide to the Ge layer is evanescent coupling, but may be butt coupling coupling. Further, instead of PIN-PD, an avalanche photodiode may be used as the optoelectronic device.
また、第2光機能素子及び第3光機能素子では、予め用意したEA変調器をテラスに実装する構成であるが、第1光機能素子と同様に光導波路とEA変調器を作り込む構成にしても良い。また、実装する光電子デバイスは、EA変調器に限定されない。半導体光増幅器などを実装して、利得の偏波依存性を低減することもできる。また、PDをテラスに実装しても良い。 In the second optical functional element and the third optical functional element, a EA modulator prepared in advance is mounted on the terrace. However, as in the first optical functional element, an optical waveguide and an EA modulator are formed. May be. Moreover, the optoelectronic device to be mounted is not limited to the EA modulator. A semiconductor optical amplifier or the like can be mounted to reduce the polarization dependence of gain. A PD may be mounted on the terrace.
また、ここでは、光導波路をSiで構成する例を説明したが、光導波路は、クラッドを形成する材料よりも高い屈折率を持つ材料で構成しても良い。例えば、クラッドにSiO2を用いた場合、モード変換素子を形成する材料として、SiOx(0<x<2)や、SiON、SiNを用いても良い。また、光導波路をSiで構成した場合は、クラッドを形成する材料として、SiOx(0<x<2)や、SiON、SiNを用いても良い。 Although an example in which the optical waveguide is made of Si has been described here, the optical waveguide may be made of a material having a higher refractive index than the material forming the cladding. For example, when SiO 2 is used for the cladding, SiO x (0 <x <2), SiON, or SiN may be used as a material for forming the mode conversion element. When the optical waveguide is made of Si, SiO x (0 <x <2), SiON, or SiN may be used as a material for forming the cladding.
10 第1光機能素子
12 支持基板
14 下部クラッド
16、17 光導波路
18 上部クラッド
20、21 モード変換素子
22、92 細線導波路部
24、94 段差スラブ部
25 下部スラブ部
27 上部テーパ部
28、98 スラブ部
30 フォトダイオード
32 低濃度p−Si領域
34 高濃度p−Siコンタクト領域
42 Ge層
44 高濃度n−Geコンタクト領域
50 コンタクト電極
52 パット電極
60、62 ハーフエッチパターン
70 第2光機能素子
72 EA変調器
74 出力側導波路
75 テーパ部
77 等幅導波路
80、82、84 レジストパターン
90 第3光機能素子
DESCRIPTION OF
44 High-concentration n-
Claims (10)
段差スラブ部と、
スラブ部と
が、一体的なチャネル導波路として順次接続されており、
前記段差スラブ部は、
下部スラブ部と、
前記下部スラブ部上に、前記細線導波路部側から、前記スラブ部側に向けて、幅が増大する上部テーパ部と
を備え、
前記細線導波路部から前記段差スラブ部に入力された、基本モードのTE偏波は、偏波及びモードが変換されずに前記スラブ部に出力され、
前記細線導波路部から前記段差スラブ部に入力された、基本モードのTM偏波は、1次モードのTE偏波に変換されて前記スラブ部に出力される
ことを特徴とするモード変換素子。 A thin wire waveguide section;
Step slab part,
With the slab
Are sequentially connected as an integral channel waveguide,
The step slab part is
The lower slab part,
On the lower slab part, an upper taper part whose width increases from the thin wire waveguide part side toward the slab part side;
With
The fundamental mode TE polarization input to the step slab part from the thin wire waveguide part is output to the slab part without polarization and mode conversion,
Wherein the wire waveguide section is inputted to the stepped slab section, TM polarization of the fundamental mode, features and to makes the chromophore at the distal end o de be output are converted to TE-polarized first-order mode in the slab portion Conversion element.
ことを特徴とする請求項1に記載のモード変換素子。 The width of the lower slab portion, mode converter according to claim 1, wherein at the maximum width or more upper tapered portion.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のモード変換素子。 Mode conversion device according to claim 1 or 2, characterized in that equal the thickness of the upper tapered portion and the lower slab section.
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のモード変換素子。 The mode conversion element according to any one of claims 1 to 3 , wherein the material is silicon.
前記シリコン基板が支持基板として用いられ、
前記酸化シリコン層が下部クラッド層として用いられ、
前記シリコン層が光導波路層として用いられる
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のモード変換素子。 The mode conversion element is formed using an SOI substrate in which a silicon oxide layer and a silicon layer are stacked on a silicon substrate,
The silicon substrate is used as a support substrate,
The silicon oxide layer is used as a lower cladding layer;
Mode conversion device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said silicon layer is used as an optical waveguide layer.
前記上部テーパ部の幅が広い側から出力される光が入力される、光電子デバイスと
を備えることを特徴とする光機能素子。 The mode conversion element according to any one of claims 1 to 5 ,
An optical functional element, comprising: an optoelectronic device to which light output from a wide side of the upper tapered portion is input.
入力側のモード変換素子の上部テーパ部の幅の広い側から出力される光が前記光電子デバイスに入力され、
前記光電子デバイスから出力される光が、出力側のモード変換素子の上部テーパ部の幅が広い側に入力される
ことを特徴とする光機能素子。 The input and output sides of the optoelectronic device are each provided with the mode conversion element according to any one of claims 1 to 5 ,
Light output from the wide side of the upper taper portion of the mode conversion element on the input side is input to the optoelectronic device,
The optical functional element, wherein the light output from the optoelectronic device is input to the wide side of the upper taper portion of the output mode conversion element.
ことを特徴とする請求項6に記載の光機能素子。 The optical functional device according to claim 6 , wherein the optoelectronic device is a photodiode.
ことを特徴とする請求項8に記載の光機能素子。 9. The optical functional element according to claim 8 , wherein a material of the light absorption layer of the photodiode is germanium.
ことを特徴とする請求項6又は7に記載の光機能素子。 8. The optical functional element according to claim 6, wherein the optoelectronic device is an EA modulator.
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