JP6527021B2 - Light circuit - Google Patents
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Description
本発明は、シリコン系材料を用いた光導波路型位相変調器を搭載した光回路に関するものである。 The present invention relates to an optical circuit provided with the optical waveguide type phase modulator using a silicon-based material.
量子暗号通信は、各々の光子に信号を載せて通信することで、原理的に第三者による盗聴が不可能となる暗号技術である。そのシステムでは、単一光子の情報を送受信するために超伝導素子が用いられることが多く、例えば、受信系では超伝導単一光子検出器が用いられる。近年、このような超伝導素子と光回路をシリコン基板上で一体集積することにより、小型かつ低コストの量子暗号通信システムを構築することが期待されている。 Quantum cryptographic communication is a cryptographic technology that makes it impossible for third parties to eavesdrop on in principle by carrying a signal on each photon and communicating. In such systems, superconducting elements are often used to transmit and receive single photon information, for example, a superconducting single photon detector in a receiver system. In recent years, it is expected to construct a small-sized and low-cost quantum cryptography communication system by integrally integrating such a superconducting element and an optical circuit on a silicon substrate.
図８にdifferential phase-shift keying（ＤＰＳＫ）方式で信号が伝送されるシステムの受信部の構成例を示す。量子暗号通信システムの受信部は、光を２分岐させるパワースプリッタ１００と、光ファイバ１０１，１０２と、光ファイバ１０１で伝送される光に１ビットに相当する遅延時間が発生するように光路長差を生じさせる１ビット遅延干渉計１０３と、位相変調器１０４と、１ビット遅延干渉計１０３および位相変調器１０４を通過した光と光ファイバ１０２で伝送される光とを合波するパワースプリッタ１０５と、超伝導単一光子検出器１０６，１０７とを有する。 FIG. 8 shows a configuration example of a receiver of a system in which a signal is transmitted by the differential phase-shift keying (DPSK) method. The receiving unit of the quantum cryptography communication system is an optical path length difference such that a delay time corresponding to one bit is generated in the light transmitted through the power splitter 100 that splits the light into two, the optical fibers 101 and 102, and the optical fiber 101. A phase modulator 104, and a power splitter 105 for combining the light passing through the 1-bit delay interferometer 103 and the phase modulator 104 with the light transmitted through the optical fiber 102. , Superconducting single photon detectors 106 and 107.
図８に示したようなシステムをシリコン導波路素子により集積する際には、超伝導素子とシリコン導波路干渉計素子とが同一基板上に形成され、超伝導転移温度以下の環境で用いられる。ここで、１ビット遅延干渉計１０３のような素子をシリコン導波路で構成するためには、導波路位相誤差を補償するための位相変調器１０４が必要となる。 When the system as shown in FIG. 8 is integrated with a silicon waveguide element, the superconducting element and the silicon waveguide interferometer element are formed on the same substrate and used in an environment below the superconducting transition temperature. Here, in order to configure an element such as the 1-bit delay interferometer 103 with a silicon waveguide, a phase modulator 104 for compensating for a waveguide phase error is required.
シリコン導波路素子の位相変調の原理として、室温においては、熱光学効果（温度変化により屈折率を変調）とキャリアプラズマ効果（電子・正孔密度変化により屈折率を変調）とが報告されている。キャリアプラズマ効果については、非特許文献１に開示されている。しかし、超伝導性が発現する極低温（〜４Ｋ）では、シリコンの熱光学係数は室温の１／１００００程度となるため、超伝導素子と集積されるシリコン導波路の位相変調器の原理として熱光学効果を用いることはできない。一方、キャリアプラズマ効果は〜４Ｋにおいても用いることができるので、超伝導素子と集積されるシリコン導波路の位相変調器の原理として有望である。 As the principle of phase modulation of silicon waveguide elements, at room temperature, thermo-optical effect (refractive index is modulated by temperature change) and carrier plasma effect (refractive index is modulated by electron and hole density change) are reported. . The carrier plasma effect is disclosed in Non-Patent Document 1. However, at the cryogenic temperature (~ 4 K) at which superconductivity appears, the thermo-optic coefficient of silicon is about 1 / 10,000 of room temperature, so heat is used as the principle of the phase modulator of silicon waveguides integrated with superconducting elements. Optical effects can not be used. On the other hand, since the carrier plasma effect can also be used at ~ 4 K, it is promising as a principle of a phase modulator of a silicon waveguide integrated with a superconducting element.
キャリアプラズマ効果を用いた位相変調器は、極低温環境下のシリコン導波路光回路内の任意の位相変調領域にキャリアを発生させなければならない。室温では、キャリアを局所的に発生させるため、ｐｎ（ｐｉｎ）ダイオードを形成してキャリア注入する位相変調器が報告されている（非特許文献２）。 A phase modulator using the carrier plasma effect must generate carriers in any phase modulation region in a silicon waveguide optical circuit under a cryogenic environment. At room temperature, in order to generate carriers locally, there has been reported a phase modulator which forms a pn (pin) diode and injects carriers (Non-patent Document 2).
非特許文献２に開示された素子を４Ｋ程度の極低温に適用しようとすると、ｎ，ｐ型シリコンは極めて高抵抗の拡散層配線となるため、電源から注入されるエネルギーの多くがシリコン層内の熱となる。特にシリコンは、低温になるにつれて熱容量が小さくなり発熱量が増大する一方、熱伝導率は大きくなる特性を有する。そのため、位相変調器で発生する熱が同一シリコン層上に形成される超伝導素子に容易に伝わり、超伝導素子の特性が劣化するという問題があった。 If the element disclosed in Non-Patent Document 2 is applied to a cryogenic temperature of about 4 K, n and p-type silicon become extremely high resistance diffusion layer interconnections, so most of the energy injected from the power supply is in the silicon layer. The heat of In particular, silicon has a characteristic that as its temperature decreases, its heat capacity decreases and its calorific value increases, while its heat conductivity increases. Therefore, there is a problem that the heat generated by the phase modulator is easily transmitted to the superconducting element formed on the same silicon layer, and the characteristic of the superconducting element is deteriorated.
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、極低温環境下におけるシリコン導波路の光の位相を低発熱かつ局所的に変化させることができる光回路を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and aims to provide an optical circuit the phase Ru can be low heat and locally changes in light of the silicon waveguide under very low temperatures Do.
本発明の光回路は、光導波路型位相変調器と、この光導波路型位相変調器と同一の半導体基板上に集積され、前記光導波路型位相変調器を通過した信号光が入力される超伝導素子とを備え、前記光導波路型位相変調器は、前記半導体基板上に形成された第１のシリコン導波路と、前記半導体基板上に形成され、コアの材料としてシリコンよりもワイドバンドギャップの材料を用いた励起光導波路と、前記半導体基板上に形成され、前記励起光導波路と前記第１のシリコン導波路とを、シリコンが吸収可能な波長において光学的に結合する位相変調領域と、この位相変調領域の前後の前記第１のシリコン導波路に、コアの材料として絶縁体を用いて形成された拡散防止導波路とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の光回路の１構成例において、前記拡散防止導波路は、前記コアの材料として、極低温における熱伝導率がシリコンよりも低い材料を用いて形成されることを特徴とするものである。
また、本発明の光回路の１構成例において、前記励起光導波路と前記拡散防止導波路とは、同一のコア材料を用いて形成されることを特徴とするものである。
また、本発明の光回路の１構成例において、前記位相変調領域は、前記励起光導波路のコアと前記第１のシリコン導波路のコアとがクラッド層を挟んで積層された構造を有し、前記励起光導波路中を伝搬する励起光が前記第１のシリコン導波路に吸収され、前記第１のシリコン導波路中を伝搬する信号光の波長においてはシングルモード導波路となるように寸法および材料が設定されることを特徴とするものである。
The optical circuit of the present invention includes an optical waveguide type phase modulator and a semiconductor substrate integrated with the optical waveguide type phase modulator on which the signal light transmitted through the optical waveguide type phase modulator is input. An optical waveguide type phase modulator comprising: a first silicon waveguide formed on the semiconductor substrate; and a material having a wider band gap than silicon formed on the semiconductor substrate as a core material And a phase modulation region formed on the semiconductor substrate and optically coupling the excitation optical waveguide and the first silicon waveguide at a wavelength that can be absorbed by silicon, and the phase modulation region The invention is characterized in that the first silicon waveguide before and after the modulation region is composed of a diffusion preventing waveguide formed using an insulator as a core material.
Further, in one configuration example of the optical circuit according to the present invention, the diffusion preventing waveguide is formed by using a material whose thermal conductivity at cryogenic temperature is lower than that of silicon as a material of the core. It is.
In one configuration example of the optical circuit according to the present invention, the excitation optical waveguide and the diffusion preventing waveguide are formed by using the same core material.
In one configuration example of the optical circuit according to the present invention, the phase modulation region has a structure in which the core of the excitation optical waveguide and the core of the first silicon waveguide are stacked with a cladding layer interposed therebetween. Excitation light propagating in the excitation optical waveguide is absorbed by the first silicon waveguide, and the dimensions and materials are such that it becomes a single mode waveguide at the wavelength of signal light propagating in the first silicon waveguide. Is set.
また、本発明の光回路は、第１のシリコン導波路を含む光導波路型位相変調器と、信号光を２分岐させ、一方の信号光を前記第１のシリコン導波路への入力光とする第１のパワースプリッタと、この第１のパワースプリッタで２分岐された信号光のうちの他方を導く第２のシリコン導波路と、前記第１のシリコン導波路中に配置される１ビット遅延干渉計と、この１ビット遅延干渉計および前記光導波路型位相変調器を通過した信号光と前記第２のシリコン導波路で伝送される信号光とを合波して、合波した光を２分岐させる第２のパワースプリッタと、この第２のパワースプリッタで２分岐された信号光を受ける２つの超伝導素子とを、半導体基板上に備え、前記光導波路型位相変調器は、前記半導体基板上に形成された前記第１のシリコン導波路と、前記半導体基板上に形成され、コアの材料としてシリコンよりもワイドバンドギャップの材料を用いた励起光導波路と、前記半導体基板上に形成され、前記励起光導波路と前記第１のシリコン導波路とを、シリコンが吸収可能な波長において光学的に結合する位相変調領域と、この位相変調領域の前後の前記第１のシリコン導波路に、コアの材料として絶縁体を用いて形成された拡散防止導波路とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の光回路の１構成例は、さらに、前記第２のシリコン導波路に、前記光導波路型位相変調器内の拡散防止導波路と同一の材料、同一の構造、同一の長さを有する拡散防止導波路を備えることを特徴とするものである。
In the optical circuit of the present invention, an optical waveguide type phase modulator including a first silicon waveguide, signal light is branched into two, and one signal light is used as input light to the first silicon waveguide. A first power splitter, a second silicon waveguide for guiding the other of the signal light branched into two by the first power splitter, and 1-bit delay interference disposed in the first silicon waveguide , And the signal light transmitted through the 1-bit delay interferometer and the optical waveguide type phase modulator and the signal light transmitted through the second silicon waveguide are multiplexed and branched into two branched light beams. a second power splitter for, and two superconducting element which receives two branched signal light in the second power splitter, provided on a semi-conductor substrate, the optical waveguide type phase modulator, the semiconductor The first silico formed on a substrate A waveguide, an excitation optical waveguide formed on the semiconductor substrate and using a material having a wider band gap than silicon as a core material, and the excitation optical waveguide formed on the semiconductor substrate, the excitation optical waveguide and the first silicon A phase modulation region optically coupled with a waveguide at a wavelength that can be absorbed by silicon, and the first silicon waveguide before and after the phase modulation region are formed using an insulator as a core material And a diffusion prevention waveguide .
Further, according to one configuration example of the optical circuit of the present invention, the second silicon waveguide further has the same material, the same structure, and the same length as the diffusion preventing waveguide in the optical waveguide phase modulator. And an anti-diffusion waveguide having
本発明によれば、励起光パワーをシリコン導波路に結合させることで位相変調領域の箇所のシリコン導波路内に局所的にキャリアを発生させることができるため、極低温環境下で信号光の位相を低発熱かつ局所的に変化させることができる。 According to the present invention, by coupling the excitation light power to the silicon waveguide, carriers can be generated locally in the silicon waveguide at the position of the phase modulation region, so that the phase of the signal light in a very low temperature environment It has low heat and can be changed locally.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る光導波路型位相変調器の構成を示す図である。本実施の形態の光導波路型位相変調器は、ＳＯＩ（silicon-on-insulator）基板上にシリコン導波路１０と、励起光導波路１１と、拡散防止導波路１２，１３と、位相変調領域１４とが形成された構造を有し、図示しない光源から伝送される励起光パワーを極低温環境下におけるシリコン導波路１０に結合させることで導波路内に局所的にキャリアを発生させる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a view showing the configuration of an optical waveguide phase modulator according to an embodiment of the present invention. The optical waveguide type phase modulator according to the present embodiment includes a silicon waveguide 10, an excitation optical waveguide 11, diffusion preventing waveguides 12 and 13, and a phase modulation region 14 on an SOI (silicon-on-insulator) substrate. The carrier light is generated locally in the waveguide by coupling the excitation light power transmitted from the light source (not shown) to the silicon waveguide 10 in a cryogenic environment.
励起光の波長は、シリコン導波路１０にキャリアを発生させるため、シリコンが高い吸収係数を示す波長（＜１．０ｅＶ）とする。励起光導波路１１は、シリコンよりもワイドバンドギャップの材料（＞１．０ｅＶ）を用いて形成されるため、光回路内の位相変調領域１４となる任意箇所に励起光パワーを伝送できる。これにより、極低温下で発熱源となり得るシリコン拡散層配線を用いることなくシリコン導波路１０にキャリアを供給できる。 The wavelength of the excitation light is set to a wavelength (<1.0 eV) at which silicon exhibits a high absorption coefficient in order to generate carriers in the silicon waveguide 10. The excitation light waveguide 11 is formed using a material (> 1.0 eV) of a wider band gap than silicon, so that the excitation light power can be transmitted to an arbitrary position to be the phase modulation region 14 in the optical circuit. As a result, carriers can be supplied to the silicon waveguide 10 without using a silicon diffusion layer wiring that can be a heat source at a very low temperature.
位相変調領域１４は、励起光導波路１１とシリコン導波路１０とを、シリコンが吸収可能な波長において光学的に結合させるように形成されている。
シリコン導波路１０内に光励起されたキャリアを位相変調領域１４内のみに閉じ込める必要があるため、位相変調領域１４の前後のシリコン導波路１０に絶縁体で構成される拡散防止導波路１２，１３を形成する。シリコンに対して絶縁体となる材料のうち、シリコン微細加工プロセスで一般に用いられる絶縁体はＳｉＯ2、ＳｉＮ等のシリコン化合物である。これらの絶縁体をコアとして用いた非晶質の拡散防止導波路１２，１３は、低温になるにつれて熱伝導率がシリコンよりも小さくなることから、キャリア再結合などによりシリコン導波路１０内で発生する熱が同一シリコン層上に形成される超伝導素子に拡散することを防ぐ役割も果たす。
The phase modulation region 14 is formed to optically couple the excitation optical waveguide 11 and the silicon waveguide 10 at a wavelength at which silicon can absorb.
Since it is necessary to confine carriers photoexcited in the silicon waveguide 10 only in the phase modulation region 14, the silicon waveguides 10 before and after the phase modulation region 14 are provided with diffusion prevention waveguides 12 and 13 made of an insulator. Form. Among the materials to be insulators with respect to silicon, insulators generally used in silicon microfabrication processes are silicon compounds such as SiO 2 and SiN. The amorphous diffusion preventing waveguides 12 and 13 using these insulators as cores have thermal conductivity smaller than that of silicon as the temperature becomes lower, so they occur in the silicon waveguide 10 due to carrier recombination or the like. It also plays a role of preventing heat from diffusing to the superconducting element formed on the same silicon layer.
ワイドバンドギャップ材料からなる導波路はシリコン中のキャリアにとって絶縁体となるため、励起光導波路１１と拡散防止導波路１２，１３の両方を同じ材料で構成することも可能である。 Since a waveguide made of a wide band gap material serves as an insulator for carriers in silicon, it is possible to configure both the excitation light waveguide 11 and the diffusion preventing waveguides 12 and 13 with the same material.
以下、本実施の形態の光導波路型位相変調器について更に具体的に説明する。図２は本実施の形態に係る量子暗号通信システムの受信部の構成を示す図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。光回路である受信部は、信号光を２分岐させるパワースプリッタ１と、パワースプリッタ１で２分岐された信号光のうちシリコン導波路１０で伝送される信号光に１ビットに相当する遅延時間が発生するように光路長差を生じさせる１ビット遅延干渉計２と、導波路位相誤差を補償するための光導波路型位相変調器３と、１ビット遅延干渉計２および光導波路型位相変調器３を通過した信号光とパワースプリッタ１で２分岐された信号光のうちシリコン導波路１５で伝送される信号光とを合波して、合波した光を２分岐させるパワースプリッタ４と、超伝導素子５，６とを有する。これらパワースプリッタ１，４と１ビット遅延干渉計２と光導波路型位相変調器３と超伝導素子５，６とは、同一の半導体基板上に形成される。超伝導素子５，６としては、単一光子を検出する超伝導単一光子検出器がある。 Hereinafter, the optical waveguide phase modulator according to the present embodiment will be described more specifically. FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the receiving unit of the quantum cryptography communication system according to the present embodiment, and the same components as in FIG. 1 are assigned the same reference numerals. The receiving unit, which is an optical circuit, includes a power splitter 1 that splits the signal light into two and a delay time corresponding to one bit of the signal light transmitted through the silicon waveguide 10 among the signal lights split into two by the power splitter 1 1-bit delay interferometer 2 which causes an optical path length difference to occur, an optical waveguide type phase modulator 3 for compensating a waveguide phase error, 1 bit delay interferometer 2 and an optical waveguide type phase modulator 3 And a power splitter 4 that multiplexes the signal light transmitted through the silicon waveguide 15 among the signal light split into two by the power splitter 1 and splits the combined light into two, superconductivity And elements 5 and 6. The power splitters 1 and 4, the 1-bit delay interferometer 2, the optical waveguide phase modulator 3, and the superconducting elements 5 and 6 are formed on the same semiconductor substrate. As superconducting elements 5 and 6, there are superconducting single photon detectors that detect single photons.
パワースプリッタ１，４は、シリコンで形成される２×２ＭＭＩ（Multi-Mode Interference）カプラである。１ビット遅延干渉計２は、シリコン導波路１０を必要な光路長の分だけ形成することで実現される。光導波路型位相変調器３は、上記のとおり、シリコン導波路１０と、励起光導波路１１と、拡散防止導波路１２，１３と、位相変調領域１４とから構成される。 The power splitters 1 and 4 are 2 × 2 MMI (Multi-Mode Interference) couplers formed of silicon. The 1-bit delay interferometer 2 is realized by forming the silicon waveguide 10 by the required optical path length. As described above, the optical waveguide phase modulator 3 includes the silicon waveguide 10, the excitation optical waveguide 11, the diffusion preventing waveguides 12 and 13, and the phase modulation region 14.
図３（Ａ）は励起光導波路１１および拡散防止導波路１２，１３の構成を示す断面図、図３（Ｂ）はシリコン導波路１０の構成を示す断面図である。励起光導波路１１および拡散防止導波路１２，１３は、シリコン基板２００（半導体基板）と、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）からなるＢＯＸ層２０１と、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ、バンドギャップ：４．５〜５．０ｅＶ、屈折率：１．７）からなるコア２０２と、ＢＯＸ層２０１上にコア２０２を覆うように形成されたシリコン酸化膜からなるクラッド層２０３とから構成される。コア２０２の厚さは３００ｎｍ、コア２０２の幅は４００ｎｍである。コア２０２は、下端がＢＯＸ層２０１の表面から３００ｎｍ上方に位置するように形成される。 FIG. 3A is a cross-sectional view showing the configuration of the excitation optical waveguide 11 and the diffusion preventing waveguides 12 and 13, and FIG. 3B is a cross-sectional view showing the configuration of the silicon waveguide 10. The excitation optical waveguide 11 and the diffusion preventing waveguides 12 and 13 are a silicon substrate 200 (semiconductor substrate), a BOX layer 201 made of a silicon oxide film (SiO 2 ), and a silicon oxynitride film (SiON, band gap: 4.5) It comprises a core 202 of -5.0 eV and a refractive index of 1.7, and a cladding layer 203 of silicon oxide film formed on the BOX layer 201 so as to cover the core 202. The thickness of the core 202 is 300 nm, and the width of the core 202 is 400 nm. The core 202 is formed so that the lower end is located 300 nm above the surface of the BOX layer 201.
シリコン導波路１０は、シリコン基板２００と、ＢＯＸ層２０１と、シリコンからなるコア２０４と、ＢＯＸ層２０１上にコア２０４を覆うように形成されたシリコン酸化膜からなるクラッド層２０３とから構成される。コア２０４の厚さは２００ｎｍ、コア２０４の幅は４００ｎｍである。コア２０４は、シリコン基板２００とＢＯＸ層２０１と上層シリコン層とからなるＳＯＩ基板の上層シリコン層を加工することで形成される。
ＢＯＸ層２０１は、クラッド層２０３と共に、シリコン導波路１０、励起光導波路１１および拡散防止導波路１２，１３のクラッドとして機能することは言うまでもない。
The silicon waveguide 10 includes a silicon substrate 200, a BOX layer 201, a core 204 made of silicon, and a cladding layer 203 made of a silicon oxide film formed on the BOX layer 201 so as to cover the core 204. . The thickness of the core 204 is 200 nm, and the width of the core 204 is 400 nm. The core 204 is formed by processing the upper silicon layer of the SOI substrate including the silicon substrate 200, the BOX layer 201, and the upper silicon layer.
It goes without saying that the BOX layer 201 functions as the cladding of the silicon waveguide 10, the excitation optical waveguide 11 and the diffusion preventing waveguides 12 and 13 together with the cladding layer 203.
拡散防止導波路１２，１３は、シリコン導波路１０の途中に形成されるので、拡散防止導波路１２，１３の入力側（図２左側）と出力側（図２右側）で、拡散防止導波路１２，１３とシリコン導波路１０とを結合する必要がある。 Since the diffusion preventing waveguides 12 and 13 are formed in the middle of the silicon waveguide 10, the diffusion preventing waveguides are provided on the input side (left side in FIG. 2) and the output side (right side in FIG. 2) of the diffusion preventing waveguides 12 and 13. 12, 13, and the silicon waveguide 10 need to be coupled.
具体的な層間結合構造として、シリコン導波路１０のコア２０４は、拡散防止導波路１２，１３との結合部において先端（結合相手の拡散防止導波路１２，１３に向かう方向）に行くほど幅が細くなるテーパ構造となっており、同様に拡散防止導波路１２，１３のコア２０２は、シリコン導波路１０との結合部において先端（結合相手のシリコン導波路１０に向かう方向）に行くほど幅が細くなるテーパ構造となっている。コア２０２とコア２０４との間には、シリコン酸化膜からなるクラッド層２０３が形成されている。こうして、拡散防止導波路１２，１３のコア２０２の先端部とシリコン導波路１０のコア２０４の先端部とをクラッド層２０３を挟んで対向させることにより、拡散防止導波路１２，１３とシリコン導波路１０とを結合することができる。 As a specific interlayer coupling structure, the core 204 of the silicon waveguide 10 has a width toward the tip (direction toward the diffusion preventing waveguides 12 and 13 of the coupling partner) at the coupling portion with the diffusion preventing waveguides 12 and 13 It has a tapered structure that becomes thinner, and the cores 202 of the diffusion preventing waveguides 12 and 13 have a width that increases toward the tip (direction toward the coupling partner silicon waveguide 10) at the coupling portion with the silicon waveguide 10 It has a tapered structure that becomes thinner. Between the core 202 and the core 204, a cladding layer 203 made of a silicon oxide film is formed. Thus, the tip of the core 202 of the diffusion preventing waveguides 12 and 13 and the tip of the core 204 of the silicon waveguide 10 are opposed to each other with the cladding layer 203 interposed therebetween, thereby the diffusion preventing waveguides 12 and 13 and the silicon waveguide 10 can be combined.
なお、上記のようなテーパを用いた層間結合構造における光の位相を正確に計算することは困難である。そこで、導波路アームを構成しているシリコン導波路１０と対になる導波路アームを構成するシリコン導波路１５の途中にも、シリコン導波路１０と同じ拡散防止導波路１２，１３を形成することで、層間結合構造によって生じる光の位相の変化を２つの導波路アーム間でキャンセルすることが望ましい。シリコン導波路１５の構成は、シリコン導波路１０と同じであり、拡散防止導波路１２，１３とシリコン導波路１５との層間結合構造は、拡散防止導波路１２，１３とシリコン導波路１０との層間結合構造と同じである。 In addition, it is difficult to accurately calculate the phase of light in the interlayer coupling structure using the above-mentioned taper. Therefore, the same diffusion preventing waveguides 12 and 13 as the silicon waveguide 10 are formed in the middle of the silicon waveguide 15 that forms the waveguide arm that forms a pair with the silicon waveguide 10 that forms the waveguide arm. It is desirable to cancel the change in light phase caused by the interlayer coupling structure between the two waveguide arms. The configuration of the silicon waveguide 15 is the same as that of the silicon waveguide 10, and the interlayer coupling structure between the diffusion preventing waveguides 12 and 13 and the silicon waveguide 15 is the same as that of the diffusion preventing waveguides 12 and 13 and the silicon waveguide 10. It is the same as the interlayer coupling structure.
図４は位相変調領域１４の構成を示す断面図である。位相変調領域１４は、シリコン基板２００と、ＢＯＸ層２０１と、シリコン酸窒化膜からなるコア２０２と、シリコンからなるコア２０４と、ＢＯＸ層２０１上にコア２０２，２０４を覆うように形成されたシリコン酸化膜からなるクラッド層２０３とから構成される。このように位相変調領域１４は、シリコン導波路１０のコア２０４と励起光導波路１１のコア２０２とがクラッド層２０３を挟んで積層された構造となっている。 FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the phase modulation area 14. The phase modulation region 14 is formed of a silicon substrate 200, a BOX layer 201, a core 202 made of a silicon oxynitride film, a core 204 made of silicon, and a silicon formed on the BOX layer 201 so as to cover the cores 202 and 204. And a cladding layer 203 made of an oxide film. As described above, the phase modulation region 14 has a structure in which the core 204 of the silicon waveguide 10 and the core 202 of the excitation optical waveguide 11 are stacked with the cladding layer 203 interposed therebetween.
位相変調領域１４は、励起光の波長（本実施の形態では４８８ｎｍ）においては励起光導波路１１とシリコン導波路１０間がエバネッセント結合することで励起光導波路１１中を伝搬する励起光がシリコン導波路１０に吸収され、また信号光の波長（本実施の形態では〜１．５５μｍ）においては１ビット遅延干渉計２を構成するシングルモード導波路となるように設計される。本実施の形態では、上記のとおり、コア２０２の厚さを３００ｎｍ、コア２０２の幅を４００ｎｍ、コア２０４の厚さを２００ｎｍ、コア２０４の幅を４００ｎｍ、コア２０２とコア２０４との間に存在するクラッド層２０３の厚さを１００ｎｍとした。 The phase modulation region 14 is a silicon waveguide in which the excitation light propagating in the excitation optical waveguide 11 is evanescently coupled by evanescent coupling between the excitation optical waveguide 11 and the silicon waveguide 10 at the wavelength of the excitation light (488 nm in this embodiment). 10, and is designed to be a single mode waveguide constituting the 1-bit delay interferometer 2 at the wavelength of the signal light (̃1.55 μm in this embodiment). In the present embodiment, as described above, the thickness of the core 202 is 300 nm, the width of the core 202 is 400 nm, the thickness of the core 204 is 200 nm, the width of the core 204 is 400 nm, and the core 202 exists between the core 202 and the core 204. The thickness of the cladding layer 203 was set to 100 nm.
励起光導波路１１から入射された励起光のシリコン導波路１０への吸収効率と結合長との関係を図５に示す。図５の横軸は位相変調領域１４における励起光導波路１１とシリコン導波路１０との結合長、縦軸は吸収効率である。励起光導波路１１から入射される励起光はエバネッセント結合によりシリコン導波路１０に結合する。図５によれば、励起光導波路１１とシリコン導波路１０との結合長が２５０μｍ程度の長さでほぼ１００％の励起光パワーがシリコン導波路１０に吸収される。よって、位相変調領域１４の長さＬsは２５０μｍ以上であればよい。以下の例では、位相変調領域１４の長さＬsを２５０μｍとした。 The relationship between the absorption efficiency of the excitation light incident from the excitation light waveguide 11 to the silicon waveguide 10 and the coupling length is shown in FIG. The horizontal axis in FIG. 5 is the coupling length between the excitation optical waveguide 11 and the silicon waveguide 10 in the phase modulation region 14, and the vertical axis is the absorption efficiency. The excitation light incident from the excitation light waveguide 11 is coupled to the silicon waveguide 10 by evanescent coupling. According to FIG. 5, when the coupling length between the excitation optical waveguide 11 and the silicon waveguide 10 is about 250 μm, approximately 100% of the excitation light power is absorbed by the silicon waveguide 10. Therefore, the length L s of the phase modulation area 14 may be 250 μm or more. In the following example, the length L s of the phase modulation area 14 is 250 μm.
拡散防止導波路１２，１３によりキャリアが２５０μｍの長さのシリコン導波路１０内のみに閉じ込められるとき、４Ｋの極低温における注入キャリア密度とキャリアプラズマ効果による光路長変化量との関係を図６に示す。信号光の位相をπシフトさせる光路長変化量はλ／２＝〜０．７８μｍ（λは信号光の波長）であり、図６によると、位相をπシフトさせるのに必要なキャリア注入量は〜３．０×１０18／ｃｍ3程度である。 When carriers are confined only in the 250 μm long silicon waveguide 10 by the diffusion preventing waveguides 12 and 13, FIG. 6 shows the relationship between the injected carrier density at an extremely low temperature of 4 K and the optical path length change due to the carrier plasma effect. Show. The amount of change in the optical path length that shifts the phase of the signal light by π is λ / 2 = ̃0.78 μm (λ is the wavelength of the signal light). According to FIG. 6, the amount of carrier injection necessary to shift the phase by π is It is about -3.0 * 10 < 18 > / cm < 3 >.
次に、信号光波長１．５５μｍにおける位相変調領域１４の導波路のモードフィールド計算結果を図７に示す。位相変調領域１４は、図７に示すモード以外は伝搬しないシングルモード導波路であり、４Ｋの極低温におけるこのシングルモード導波路の群屈折率の計算結果は４．１２３であった。 Next, the calculation results of the mode field of the waveguide of the phase modulation region 14 at the signal light wavelength of 1.55 μm are shown in FIG. The phase modulation region 14 is a single mode waveguide which does not propagate other than the mode shown in FIG. 7, and the calculation result of the group refractive index of this single mode waveguide at a cryogenic temperature of 4 K was 4.123.
なお、本実施の形態では、位相変調領域１４以外のシリコン導波路１０を、コア２０４の幅が４００ｎｍ、コア２０４の厚さが２００ｎｍのシングルモード導波路とし、この構造の４Ｋの極低温における群屈折率を計算した結果、４．１４９であった。 In the present embodiment, the silicon waveguides 10 other than the phase modulation region 14 are single-mode waveguides with a core 204 width of 400 nm and a core 204 thickness of 200 nm, and the group at this very low temperature of 4K. The refractive index was calculated to be 4.149.
以上の構造を用いて、１０Ｇｂ／ｓ−ＤＰＳＫ信号用の１ビット遅延干渉計を設計する場合、２つの導波路アームの導波路長は下記の式を満たせばよい。
｛ｎg1（Ｌ1−Ｌs）＋ｎg2Ｌs｝−ｎg1Ｌ2＝ｃ／ｆ ・・・（１）
When designing a 1-bit delay interferometer for 10 Gb / s DPSK signal using the above structure, the waveguide lengths of the two waveguide arms may satisfy the following equation.
{N g1 (L 1 -L s ) + n g2 L s} -n g1 L 2 = c / f ··· (1)
ｎg1は位相変調領域１４以外のシリコン導波路１０の群屈折率（λ＝１．５５μｍ）、ｎg2は位相変調領域１４におけるシリコン導波路１０の群屈折率（λ＝１．５５μｍ）、Ｌ1はシリコン導波路１０の全導波路長、Ｌ2はシリコン導波路１５の全導波路長、Ｌsは位相変調領域１４の長さ、ｃは光速、ｆはビットレートである。 n g1 is the group refractive index (λ = 1.55 μm) of the silicon waveguide 10 other than the phase modulation region 14, n g2 is the group refractive index of the silicon waveguide 10 in the phase modulation region 14 (λ = 1.55 μm), L 1 Zenshirube waveguide length of the silicon waveguide 10, L 2 is Zenshirube waveguide length of the silicon waveguide 15, the L s the length of the phase modulation region 14, c is the speed of light, f is the bit rate.
上記のとおり、拡散防止導波路１２，１３は２つの導波路アームに同じ長さで形成され、拡散防止導波路１２，１３を設けることによる光路長の差がキャンセルされるようになっているため、熱とキャリアの超伝導素子５，６への拡散を防ぐために必要な任意の長さの拡散防止導波路１２，１３を形成することができる。式（１）を用いて計算した結果、本実施の形態においては２つの導波路アーム長差：Ｌ1−Ｌ2＝７．２３ｍｍとすればよい。 As described above, the diffusion preventing waveguides 12 and 13 are formed in the same length in the two waveguide arms, and the difference in optical path length due to the provision of the diffusion preventing waveguides 12 and 13 is canceled. The diffusion preventing waveguides 12 and 13 of any length required to prevent the diffusion of heat and carriers to the superconducting elements 5 and 6 can be formed. As a result of calculation using equation (1), in the present embodiment, two waveguide arm length differences may be set to L 1 −L 2 = 7.23 mm.
本発明は、極低温環境下において使用される光導波路素子の位相変調に関する技術に適用することができる。 The present invention can be applied to techniques relating to phase modulation of an optical waveguide device used in a cryogenic environment.
１，４…パワースプリッタ、２…１ビット遅延干渉計、３…光導波路型位相変調器、５，６…超伝導素子、１０，１５…シリコン導波路、１１…励起光導波路、１２，１３…拡散防止導波路、１４…位相変調領域、２００…シリコン基板、２０１…ＢＯＸ層、２０２，２０４…コア、２０３…クラッド層。 1, 4 ... power splitter, 2 ... 1-bit delay interferometer, 3 ... optical waveguide type phase modulator, 5, 6 ... superconducting element, 10, 15 ... silicon waveguide, 11 ... excitation optical waveguide, 12, 13 ... Diffusion preventing waveguide, 14: phase modulation region, 200: silicon substrate, 201: BOX layer, 202, 204: core, 203: cladding layer.
Claims (6)
この光導波路型位相変調器と同一の半導体基板上に集積され、前記光導波路型位相変調器を通過した信号光が入力される超伝導素子とを備え、
前記光導波路型位相変調器は、
前記半導体基板上に形成された第１のシリコン導波路と、
前記半導体基板上に形成され、コアの材料としてシリコンよりもワイドバンドギャップの材料を用いた励起光導波路と、
前記半導体基板上に形成され、前記励起光導波路と前記第１のシリコン導波路とを、シリコンが吸収可能な波長において光学的に結合する位相変調領域と、
この位相変調領域の前後の前記第１のシリコン導波路に、コアの材料として絶縁体を用いて形成された拡散防止導波路とから構成されることを特徴とする光回路。 An optical waveguide phase modulator,
And a superconducting element integrated on the same semiconductor substrate as the optical waveguide phase modulator and to which the signal light having passed through the optical waveguide phase modulator is input .
The optical waveguide phase modulator comprises
A first silicon waveguide formed on the semiconductor substrate;
An excitation optical waveguide formed on the semiconductor substrate and using a material having a wider band gap than silicon as a material of the core;
A phase modulation region formed on the semiconductor substrate and optically coupling the excitation optical waveguide and the first silicon waveguide at a wavelength that can be absorbed by silicon;
An optical circuit comprising: a first silicon waveguide before and after the phase modulation region; and a diffusion preventing waveguide formed using an insulator as a core material.
前記拡散防止導波路は、前記コアの材料として、極低温における熱伝導率がシリコンよりも低い材料を用いて形成されることを特徴とする光回路。 In the optical circuit according to claim 1,
The optical circuit characterized in that the diffusion preventing waveguide is formed using a material whose thermal conductivity at cryogenic temperature is lower than that of silicon as a material of the core.
前記励起光導波路と前記拡散防止導波路とは、同一のコア材料を用いて形成されることを特徴とする光回路。 In the optical circuit according to claim 1 or 2,
An optical circuit characterized in that the excitation optical waveguide and the diffusion preventing waveguide are formed using the same core material.
前記位相変調領域は、前記励起光導波路のコアと前記第１のシリコン導波路のコアとがクラッド層を挟んで積層された構造を有し、
前記励起光導波路中を伝搬する励起光が前記第１のシリコン導波路に吸収され、前記第１のシリコン導波路中を伝搬する信号光の波長においてはシングルモード導波路となるように寸法および材料が設定されることを特徴とする光回路。 The optical circuit according to any one of claims 1 to 3.
The phase modulation region has a structure in which a core of the excitation optical waveguide and a core of the first silicon waveguide are stacked with a cladding layer interposed therebetween.
Excitation light propagating in the excitation optical waveguide is absorbed by the first silicon waveguide, and the dimensions and materials are such that it becomes a single mode waveguide at the wavelength of signal light propagating in the first silicon waveguide. An optical circuit characterized by being set.
信号光を２分岐させ、一方の信号光を前記第１のシリコン導波路への入力光とする第１のパワースプリッタと、
この第１のパワースプリッタで２分岐された信号光のうちの他方を導く第２のシリコン導波路と、
前記第１のシリコン導波路中に配置される１ビット遅延干渉計と、
この１ビット遅延干渉計および前記光導波路型位相変調器を通過した信号光と前記第２のシリコン導波路で伝送される信号光とを合波して、合波した光を２分岐させる第２のパワースプリッタと、
この第２のパワースプリッタで２分岐された信号光を受ける２つの超伝導素子とを、半導体基板上に備え、
前記光導波路型位相変調器は、
前記半導体基板上に形成された前記第１のシリコン導波路と、
前記半導体基板上に形成され、コアの材料としてシリコンよりもワイドバンドギャップの材料を用いた励起光導波路と、
前記半導体基板上に形成され、前記励起光導波路と前記第１のシリコン導波路とを、シリコンが吸収可能な波長において光学的に結合する位相変調領域と、
この位相変調領域の前後の前記第１のシリコン導波路に、コアの材料として絶縁体を用いて形成された拡散防止導波路とから構成されることを特徴とする光回路。 An optical waveguide phase modulator including a first silicon waveguide;
A first power splitter that splits signal light into two, and uses one of the signal light as input light to the first silicon waveguide;
A second silicon waveguide for guiding the other of the signal light branched into two by the first power splitter;
A 1-bit delay interferometer disposed in the first silicon waveguide;
The 1-bit delay interferometer and the signal light transmitted through the optical waveguide phase modulator and the signal light transmitted through the second silicon waveguide are multiplexed, and the multiplexed light is branched into two Power splitter, and
And two superconducting element which receives two branched signal light in the second power splitter, provided on a semi-conductor substrate,
The optical waveguide phase modulator comprises
The first silicon waveguide formed on the semiconductor substrate;
An excitation optical waveguide formed on the semiconductor substrate and using a material having a wider band gap than silicon as a material of the core;
A phase modulation region formed on the semiconductor substrate and optically coupling the excitation optical waveguide and the first silicon waveguide at a wavelength that can be absorbed by silicon;
An optical circuit comprising: a first silicon waveguide before and after the phase modulation region; and a diffusion preventing waveguide formed using an insulator as a core material .
さらに、前記第２のシリコン導波路に、前記光導波路型位相変調器内の拡散防止導波路と同一の材料、同一の構造、同一の長さを有する拡散防止導波路を備えることを特徴とする光回路。 In the optical circuit according to claim 5,
Furthermore, the second silicon waveguide is characterized by comprising a diffusion preventing waveguide having the same material, the same structure, and the same length as the diffusion preventing waveguide in the optical waveguide type phase modulator. Light circuit.
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