JP6823571B2

JP6823571B2 - 光回路

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Publication number: JP6823571B2
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Authority: JP
Inventors: 才田　隆志; 隆志才田; 真地蔵堂
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2021-02-03
Anticipated expiration: 2037-09-05
Also published as: JP2019045749A

Description

本発明は、光通信用の光回路に関する。より詳細には、ウェハレベルでの測定を可能とする光回路に関する。

旺盛な通信需要を背景として、光通信装置の大容量化に向けた検討が精力的に行われている。光通信装置の大容量化の実現においては、電気信号と光信号との間を変換する光インターフェースの高速化とともに、光インターフェースの小型化および経済化が重要である。小型化によって光通信装置一台あたりの光インターフェースの実装可能数を増やすと同時に、大容量化に伴う投資規模を抑制するため光インターフェースの低コスト化も重要である。ＣＭＯＳ製造技術を用いて光回路を実現するシリコンフォトニクスは、光インターフェースの小型化および経済化に資する技術として注目されている。

シリコンフォトニクスを用いた光回路の経済性をより発揮するためには、光回路の作製後に個々の光回路をウェハから切り出してチップ化してから測定するのではなく、ウェハレベルでの光回路の性能・機能の検査を行うことが重要である。シリコンフォトニクスでは、コア材料であるシリコンが高い屈折率（１．５５μｍ帯で約３．７）を有するのに対し、クラッド材料である石英は低い屈折率（１．５５μｍ帯で約１．５）を有する。この屈折率差のため、ウェハから斜め垂直方向に光を取り出すグレーティングカプラを用いることができる。グレーティングカプラは、チップ化する前のウェハ状態でシリコン光回路との間で光を入出力できるため、ウェハレベルの光回路の性能・機能の検査に有用である（非特許文献１）。

グレーティングカプラは、光を入出力する際の光結合特性に、本質的に波長依存性を有する。このため、シリコン基板上に作製された光回路と光ファイバとの間で光を入出力する手段として、波長依存性の極少なく、基板端面で光を入出力する端面接続が多く採用される。通常の使用状態において端面接続によって光ファイバと接続する光回路の場合、チップレベルでの検査を実行するためは、目的の光回路とは別個にグレーティングカプラを配置し、グレーティングカプラからシリコン光回路に光を入力することとなる。

図１は、従来技術の検査用回路を有する光回路の構成を示す図である。図１の（ａ）は、通常使用状態で動作させる目的の光回路に加えて同等の検査用光回路を持っている構成例を、図１の（ｂ）は、目的の光回路の導波路の途中に挿入された検査用光回路を備えた構成例を示している。図１の（ａ）および（ｂ）いずれの構成も、光回路等が作製されたシリコン基板面を垂直に見た上面図である。図１の（ａ）の光回路は、基板９上に、入力光ポート１ａと、出力光ポート１ｂと、入力光ポート１ａおよび出力光ポート１ｂに光学的に接続された光機能回路２ａとを備える。例えば、入力光ポート１ａへ入射光７が入力され、所定の光信号処理などの機能が実施され、出力光ポート１ｂから出射する。上述の要素は、通常使用状態で動作させる目的の光回路であって、実際に使用される光回路である。さらに目的の光回路に隣接して、チップレベルでの検査のためのモニタ用光回路を備えている。モニタ用光回路は、グレーティングカプラ３ａ、３ｂと、グレーティングカプラ３ａ、３ｂに光学的に接続され、光機能回路２ａと同等に設計された光機能回路２ｂとを備える。

図１の（ａ）のようなモニタ用光回路により、グレーティングカプラ３ａにウェハ斜め垂直方向から光を入力し、光機能回路２ｂを通過した光を、グレーティングカプラ３ｂでウェハ斜め垂直方向に取り出すことができる。ウェハレベル検査で、モニタ用光回路の光機能回路２ｂの特性を知ることで、目的の回路の光機能回路２ａの特性も推測できる。
A. Mekis, S. Gloeckner, G. Masini， A. Narasimha, T. Pinguet, S. Sahni and P. D. Dobbelaere，"A Grating-Coupler-Enabled CMOS Photonics Platform，"IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，２０１１年, vol.17，no.3，pp.597-608

しかしながら、従来技術の検査用光回路を有する光回路には、次のような問題があった。第１の問題として、目的の光回路とは別のモニタ用光回路を用いた検査では、目的の光回路の特性値の推定精度に限界があった。図１の（ａ）の光回路では、目的の光回路である光機能回路２ａの特性を、モニタ用光回路である隣接した光機能回路２ｂの特性を用いて推測する。これは、２つの光機能回路が全く同一の特性を持っていることが前提である。しかしながら、同一設計による光機能回路２ａおよび光機能回路２ｂをウェハ上で隣接して作製したとしても、一般に両者のアナログ的な特性は完全に一致することはない。例えば、同一構成の光回路の損失値を測定すると、回路毎に±１ｄＢ程度の誤差があった。モニタ用光回路による、目的の光回路の光機能回路２ａの特性推定の精度には限界があった。また、目的の光回路および検査用光回路を備えていれば、チップ面積が大きくなってしまう問題もある。

図１の（ｂ）は、精度を向上させるために目的の光回路の途中に検査用光回路を備えた光回路の構成例である。図１の（ａ）の目的の光回路に併置したモニタ用光回路に代えて、目的の光回路の入力側および出力側の光導波路の途中に、モニタ用光回路を備えている。すなわち、入力側にはタップカプラ４ａおよびグレーティングカプラ５ａを、出力側にはタップカプラ４ｂおよびグレーティングカプラ５ｂを備えている。

図１の（ｂ）の光回路の構成によって、光機能回路２ａの特性を直接測定することが可能となるが、目的の光回路の光導波路途中にモニタ用光回路を挿入している。このため第２の問題として、グレーティングカプラ５ａ、５ｂが有する低い光反射減衰量によって、光回路全体の反射減衰量が低下する（つまり反射量は増大する）問題が生じていた。グレーティングカプラ５ａ、５ｂは、典型的には１５ｄＢ程度の光反射減衰量しか実現できない。図１の（ｂ）では、グレーティングカプラ５ａ、５ｂによって、生じる反射光８ａ、８ｂを模式的に示している。これらの反射光８ａ、８ｂは、光回路の入力光ポート１ａに戻り、光回路の入力側への反射光となって、光回路全体としての反射減衰量が低下する。このため、光通信で通常求められる光反射減衰量の仕様（例えば３０ｄＢ程度）を満たせなくなるという問題があった。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、光反射減衰量の低下を抑えながらウェハレベル検査が可能な光回路を提供することにある。

本発明はこのような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板上の絶縁体上のシリコン層に形成された光回路において、光ファイバと端面接続が可能な１以上の光入出力ポートと、複数の入力を有し、前記１以上の光入出力ポートに入力された光から生じた光を結合する第１の光カプラと、複数の出力を有し、前記第１の光カプラから生じた光を結合する第２の光カプラと、前記第１の光カプラの前記複数の入力の内の少なくとも１つの入力に、一端が光学的に接続され、３ｄＢ以上の損失を与える損失付与手段と、前記損失付与手段の他端に光学的に接続され、前記基板の略垂直方向から光を入力可能なグレーティングカプラと、前記第２の光カプラの前記複数の出力の内の少なくとも１つの出力に光学的に接続された光検出手段とを備えたことを特徴とする光回路である。

請求項２に記載の発明は、請求項１の光回路であって、前記光検出手段は、前記基板上に形成された光受光器であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１の光回路であって、前記光検出手段は、少なくとも３ｄＢ以上の損失を付与できる第２の損失付与手段と、前記第２の損失付与手段に光学的に接続された第２のグレーティングカプラとを含むことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかの光回路であって、前記損失付与手段は、イオン添加されたシリコン導波路、または、曲げ半径１０μｍ以下の曲げ導波路のいずれかであることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、基板上の絶縁体上のシリコン層に形成された光回路において、光ファイバと端面接続が可能な１以上の光入出力ポートと、複数の入力を有し、前記１以上の光入出力ポートに入力された光から生じた光を結合する第１の光カプラと、複数の出力を有し、前記第１の光カプラから生じた光を結合する第２の光カプラと、前記第１の光カプラの前記複数の入力の内の少なくとも１つの入力に、一端が光学的に接続され、付与する損失量を変えることができる損失付与手段と、前記損失付与手段の他端に光学的に接続され、前記基板の略垂直方向から光を入力可能なグレーティングカプラと、前記第２の光カプラの前記複数の出力の内の少なくとも１つの出力に光学的に接続された光検出手段とを備えたことを特徴とする光回路である。

請求項６に記載の発明は、請求項５の光回路であって、前記損失付与手段は、前記グレーティングカプラから試験光が入力され、前記光検出手段によって前記試験光を検出するときの第１の損失量、または前記光回路の所定の機能で動作させるときの、前記第１の損失量よりも大きい第２の損失量のいずれかに設定されることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項５または６の光回路であって、前記損失付与手段は、光導波路型マッハツェンダ干渉計またはＰＮ接合型光減衰器のいずれかであることを特徴とする。

以上説明したように、本発明の光回路により、光反射減衰量の低下を抑制しながらウェハレベルの検査が可能な光回路を提供できる。

図１は、従来技術の検査用回路を有する光回路の構成を示す図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る光回路の構成を表す図である。図３は、本発明の光回路における損失付与手段の構成を示す図である。図４は、本発明の光回路における損失付与手段の別構成を示す図である。図５は、本発明の光回路による光特性評価の一例を示す図である。図６は、本発明の第２の実施形態に係る光回路の構成を示す図である。図７は、第２の実施形態の光回路の損失付与手段の構成を示す図である。図８は、第２の実施形態の光回路の損失付与手段の別構成を示す図である。図９は、本発明の光回路による光特性評価の別の例を示す図である。図１０は、本発明を適用できる光回路の別の例を示す図である。図１１は、本発明を適用できる光回路のさらに別の例を示す図である。

本発明の光回路は、目的の光回路として通常使用状態で動作させるときに基板端面で光ファイバと結合されることになる光回路（例えば、ＩＱ変調器）に加えて、ウェハレベルで光回路の特性値の測定や機能の検査が可能な検査用光回路を備える。本発明の光回路では、検査の対象である目的の光回路の少なくとも一部を、検査用光回路として共用する。例えば、ＩＱ変調器の２×２光カプラは、検査用光回路の検査用の試験光の入力点または出力点として利用される。２×２光カプラとグレーティングカプラとの間に、損失付与手段を備える。損失付与手段による損失量を考慮して、光検出手段によって被測定光回路であるＩＱ変調器の特性値を評価する。一方、ＩＱ変調器を目的の光回路として実際に通常使用状態で動作させるときには、損失付与手段はグレーティングカプラで生じる反射光を抑えるよう動作する。損失付与手段によって付与される損失量は３ｄＢ以上であることが好ましい。

損失付与手段により付与する損失量を変えることもできる。ウェハレベルでの検査時と、光回路の通常使用状態の動作時との間で、損失付与手段により与える損失量を変化させて、より微小レベルの光信号を扱う測定・検査を実施できる。本発明の光回路により、光反射減衰量の低下を抑制しつつ、ウェハレベル検査が可能な光回路が提供される。以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

−第１の実施形態−
図２は、本発明の第１の実施形態の光回路の構成を示す図である。図２の光回路１００は、通常使用状態で動作させる、目的の光回路としてのＩＱ変調器１７と、検査用光回路とを含み、絶縁体上のシリコン層を含む基板１０上に作製されている。通常、基板材料はＳｉであって、Ｓｉ基板、絶縁層（ＳｉＯ₂）、Ｓｉ層がこの順に積層されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板上に、シリコンフォトニクス技術を使って、以下の光回路の構成要素が作製される。

ＩＱ変調器１７は、光入出力ポート１１ａと、光入出力ポート１１ａに光学的に接続された２×２光カプラ１２ａと、２×２光カプラ１２ａの２つの出力にそれぞれ光学的に接続されたマッハツェンダ変調器１３ａ、１３ｂと、マッハツェンダ変調器１３ａ、１３ｂに光学的に接続された２×２光カプラ１２ｂと、２×２光カプラ１２ｂに光学的に接続された光入出力ポート１１ｂを備えている。ＩＱ変調器１７は、光回路１００において検査の対象となる被測定光回路である。ＩＱ変調器１７を通常使用状態で動作させるときには、光回路をチップに切り出した後の光入出力ポート１１ａ、１１ｂの端部（端面）で、それぞれ光ファイバに接続される。図２に示した光回路１００は、ウェハ上で複数個が作製される光回路の１つの領域を示しており、別個のチップに切り離されれば、光入出力ポート１１ａ、１１ｂの端部は、基板の端面となる。本発明の光回路１００は、目的の光回路として通常使用状態で動作させるときに基板端面で光ファイバと結合される光回路（ＩＱ変調器１７）に加えて、ウェハレベルで光回路の特性値の測定や機能の検査が可能な検査用光回路を備える。

図２を再び参照すれば、光回路１００は、検査用光回路として、グレーティングカプラ１４と、グレーティングカプラに光学的に接続された損失付与手段１５と、損失付与手段１５に光学的に接続され被測定光回路に含まれた２×２光カプラ１２ａおよび２×２光カプラ１２ｂと、２×２光カプラ１２ｂに光学的に接続された受光器１６とを備えている。本発明の光回路では、検査用光回路は検査の対象となるＩＱ変調器１７の主要な部分を経由しており、検査の対象である目的の光回路の少なくとも一部を、検査用光回路として共用している。具体的には、図２の目的の光回路であるＩＱ変調器１７における２×２光カプラ１２ａおよび２×２光カプラ１２ｂを、検査用光回路の検査用の試験光の入力点および出力点として利用していることに留意されたい。以下、まず検査用光回路の各構成要素の実現方法について、次に検査用光回路の動作について説明する。

図３は、本発明の光回路における損失付与手段の構成例を示す図である。損失付与手段の簡単な実現例として、Ｎ型不純物を添加したインプランテーション領域で構成されたシリコン光導波路２１を用いた。図３の（ａ）は、基板１０上に作製されたクラッド層２２の内部に構成された光導波路２１による損失付与手段１５−１を基板面に垂直に見た上面図である。図３の（ｂ）は、Ｂ−Ｂ´線を通り、導波路コア２１の光進行方向に垂直に切った断面図である。図３の（ｂ）において、シリコン基板２３上のＳｉＯ₂のクラッド層２２の内部に構成された光導波路２１には、Ｎ型不純物がインプランテーションされている。不純物添加をしたシリコン導波路により、光反射の発生を抑えながら効果的に損失を付与することができる。図３の損失付与手段１５−１の構成ではＮ型インプランテーション領域で構成されたシリコン光導波路２１を備えたものとて説明したが、Ｎ型不純物の代わりにＰ型不純物を添加して、Ｐ型インプランテーション領域で構成されたシリコン光導波路２１としても良い。

図３の（ｂ）では、ＳＯＩ基板上に作製された損失付与手段の基板上層部の光導波路近傍のみを描いてある。図３の各図では、損失付与手段１５−１は外形を持ったもののように描かれているが、シリコンフォトニクス技術を利用してＳＯＩ基板上に作製される図２の光回路１００の一部として光回路１００と一体に構成できる。さらに、本発明の光回路における損失付与手段は、図３に示したような不純物添加シリコン導波路を利用した形態だけに限定されない。

図４は、本発明の光回路における損失付与手段の別の構成例を示す図である。図４の損失付与手段１５−２を、曲げ部分が特定の半径を持つような小曲げの光導波路２４によって実現することもできる。小曲げの光導波路２４では、曲げ部分の曲げ半径を１０μｍ以内にすることで、光反射の発生を抑えながら効果的に損失を付与することができる。図４でも、損失付与手段１５−２は外形を持ったもののように描かれているが、シリコンフォトニクス技術を利用して図２の光回路１００の一部として光回路と一体に構成できる。さらに、図３および図４の構成以外の、例えば、光導波路を細幅にする、光導波路の一部を欠落させるなどの別の手段を用いても構わない。

したがって本発明の光回路は、基板上の絶縁体上のシリコン層に形成された光回路１００において、光ファイバと端面接続が可能な１以上の光入出力ポート１１ａ、１１ｂと、複数の入力を有し、前記１以上の光入出力ポートに入力された光から生じた光を結合する第１の光カプラ１２ａと、複数の出力を有し、前記第１の光カプラから生じた光を結合する第２の光カプラ１２ｂと、前記第１の光カプラの前記複数の入力の内の少なくとも１つの入力に、一端が光学的に接続された損失付与手段１５と、前記損失付与手段の他端に光学的に接続され、前記基板の略垂直方向から光を入力可能なグレーティングカプラ１４と、前記第２の光カプラの前記複数の出力の内の少なくとも１つの出力に光学的に接続された光検出手段１６とを備えたものとして実施できる。

図２の本発明の光回路１００において、検査用光回路は、検査の対象となる被測定光回路のＩＱ変調器１７の主要な部分を経由しており、かつ、被測定光回路のＩＱ変調器１７の構成要素の一部である光結合手段を利用している。すなわち、第１の実施形態の光回路では、光回路１００が目的の光回路としてのＩＱ変調器１７の機能を実現するために元より備えている２つの２×２光カプラ１２ａ、１２ｂを検査用光回路の光結合手段として用いている。これによって、従来技術のように光回路の導波路の途中に専用の検査用光回路を挿入することによる損失増加を生じさせずに、さらに光反射減衰量の低下を抑制しながらウェハレベルの検査が可能となる。光回路内に、複数の入力ポートおよび複数の出力ポートを有する光結合手段が含まれ、これらのポートの中に未使用のものがあれば、この未使用のポートを利用して、本発明の検査用光回路を構成できる。後述するように、被測定光回路の構成要素の一部である光結合手段としては、例えばコヒーレント検波回路に用いられる４×４光カプラを用いても良いし、アレイ導波路格子光フィルタのＮ×Ｍスラブカプラ（ＮおよびＭは２以上の整数、一般的には１０）を用いても良い。

図２の光回路におけるＩＱ変調器１７に対する検査のため、検査用の試験光がグレーティングカプラ１４へ入力され、損失付与手段１５を経て、試験光は２×２光カプラ１２ａからＩＱ変調器１７へ入力される。２組のマッハツェンダ変調器１３ａ、１３ｂはＩＱ変調器１７としての性能・機能を検査確認するための動作状態に設定される。２組のマッハツェンダ変調器１３ａ、１３ｂによって変調動作を受けた検査用の試験光は、さらに２×２光カプラ１２ｂを経て、受光器１６によって受光される。本発明の光回路における検査用光回路は、グレーティングカプラ１４と被測定回路が備えている光結合手段との間に、損失付与手段１５を備えることで、後述するような効果を発揮する。損失付与手段１５によってグレーティングカプラ１４で生じる反射光を減衰させることで、次により具体的に述べるように光回路全体としての反射減衰量の低下を抑えるよう動作する。

図２の本発明の光回路１００の効果を確認するため、損失付与手段１５として図３に示した不純物添加シリコン光導波路を用い、損失付与手段１５による損失量が使用波長１５５０ｎｍで１０ｄＢとなるように設定した。このように設定することで、ウェハレベル検査時にグレーティングカプラ１４から試験光を入力したとき、受光器１６では損失付与手段１５により１０ｄＢ減衰された光が検出される。損失付与手段１５による損失量１０ｄＢを考慮して、被測定光回路であるＩＱ変調器１７の特性値を評価できる。一方、被測定光回路のＩＱ変調器１７を目的の光回路として実際に通常動作させるときには、損失付与手段１５はグレーティングカプラ１４で生じる反射光を抑えるよう動作する。ＩＱ変調器１７の２×２光カプラ１２ａとグレーティングカプラ１４との間を伝搬する光は、損失付与手段１５によって一回の通過あたり１０ｄＢの損失が付与される。グレーティングカプラ１４の光反射減衰量は１５ｄＢ程度なので、光入出力ポート１１ｂから見たときのグレーティングカプラ１４に起因する光反射減衰量は、１５（グレーティングカプラ）＋２×１０（損失付与手段の往復）＋６（２×２光カプラによる減衰量）＝４１ｄＢとなる。光回路全体の光反射減衰量を、光通信で一般的に求められる３０ｄＢ程度以上とすることができる。

上述の第１の実施形態の光回路では、損失付与手段１５による損失量を１０ｄＢと設定した。１０ｄＢの値は、グレーティングカプラ１４に試験光を入力したときに受光器１６に導かれる十分な光量を確保しつつ、光回路全体の反射減衰量を３０ｄＢ以上にできるものである。しかしながら、本発明の光回路の損失付与手段の損失量設定はこの例だけに限定されず、次に述べるように少なくとも３ｄＢ以上であれば本発明の効果を発揮することができる。ここで、光回路全体の光反射減衰量の仕様値を２７ｄＢ以上、被測定光回路の光入出力ポートから見たグレーティングカプラ１４までの損失６ｄＢ、グレーティングカプラ１４での光反射減衰量を１５ｄＢとする。このとき上記各値に基づいて、３ｄＢの値は、（２７−６−１５）／２により算出される。

図５は、本発明の第１の実施形態の光回路による光特性評価の一例を示す図である。ウェハレベルで図２の検査用光回路でＩＱ変調器１７の半波長電圧を測定した結果と、チップ切り分け後に同じ光回路１００を光ファイバで結合して半波長電圧を測定した結果を示している。図５のグラフの横軸は、ウェハレベル検査時に、グレーティングカプラ１４より光を入力して上述の損失付与手段１５による損失量を１０ｄＢと設定したときに、受光器１６により測定して得られた半波長電圧である。図５のグラフの縦軸は、ウェハレベル検査を完了したウェハをチップに切り分けた後で、光回路１００の光入出力ポート１１ａ、１１ｂにそれぞれ光ファイバを接続して測定して得られた半波長電圧である。

半波長電圧は、１つのマッハツェンダ変調器において電気光学位相が１８０°シフトするための所要電圧を表しており、電気光学変調器等の性能を示すのに使用される値である。本実施形態では、半波長電圧は、各マッハツェンダ変調器が備えている図２には図示していない薄膜ヒータ位相シフタにより位相を変化させて測定された。

図５のグラフより、横軸のウェハレベル検査による半波長電圧と、光ファイバ接続を行って測定した半波長電圧とは、ほぼ一致している。本発明の光回路によるウェハレベル検査によって、電気光学変調器の半波長電圧が±１％の範囲で、精度良く測定できていることがわかる。

上述の第１の実施形態の光回路では、測定対象である被測定光回路としてＩＱ変調器１７を例に説明をしたが、本発明の光回路における検査用光回路はこの例だけに限定されない。被測定光回路としては、例えばコヒーレント検波に用いる光ハイブリッド回路や、アレイ導波路格子光フィルタなど、通常使用状態で動作させる目的の光回路の一部に光結合手段を備え、空きポートを持っている光回路において本発明を適用できる。

−第２の実施形態−
図６は、本発明の第２の実施形態に係る光回路の構成を示す図である。図６の光回路３００は、通常使用状態で動作させる、目的の光回路としてのＩＱ変調器３６、および、検査用光回路を含み、絶縁体上のシリコン層を含む基板３０上に作製されている。ＩＱ変調器３６は、光入出力ポート３１ａと、光入出力ポート３１ａに光学的に接続された２×２光カプラ３２ａと、２×２光カプラ３２ａの２つの出力にそれぞれ光学的に接続された２つのマッハツェンダ変調器３３ａ、３３ｂと、マッハツェンダ変調器３３ａ、３３ｂに光学的に接続された２×２光カプラ３２ｂと、２×２光カプラ３２ｂに光学的に接続された光入出力ポート３１ｂを備えている。ＩＱ変調器３６は、光回路３００における検査の対象である被測定光回路である。ＩＱ変調器３６を通常使用状態で動作させるときには、光入出力ポート３１ａ、３１ｂの端部（端面）は、それぞれ光ファイバに接続される。図６の光回路３００は、ウェハ上で複数個が作製される光回路の１つの領域を示しており、別個のチップに切り離されれば、光入出力ポート３１ａ、３１ｂの端部は、基板３０の端面となる。本実施形態の光回路３００も、目的の光回路として通常使用状態で動作させるときに基板端面で光ファイバと結合される光回路（ＩＱ変調器３６）に加えて、ウェハレベルで光回路の特性値の測定や機能の検査が可能な検査用光回路を備える。

図６の光回路３００は、さらに検査用光回路として、グレーティングカプラ３４ａと、グレーティングカプラに光学的に接続された損失付与手段３５ａと、損失付与手段３５ａに光学的に接続され被測定光回路に含まれた２×２光カプラ３２ａ、３２ｂと、２×２光カプラ３２ｂに光学的に接続された第２の損失付与手段３５ｂと、第２のグレーティングカプラ３４ｂとを備えている。本実施形態の光回路３００でも、目的の光回路であって検査の対象であるＩＱ変調器３６の少なくとも一部を、検査用光回路として共用している。具体的には、図６のＩＱ変調器３６における２×２光カプラ３２ａおよび２×２光カプラ３２ｂを、検査用光回路の試験光の入力点および出力点としてそれぞれ利用している。

図２に示した第１の実施形態の光回路１００では、図３および図４に示したような光導波路を用いて固定値の損失を与える損失付与手段を利用していた。これに対し図６に示した本実施形態の光回路３００では、損失値を変えることができる損失付与手段を利用する。ウェハレベルでの検査時と、光回路の通常使用状態で動作させる時との間で、損失付与手段による損失付与量を変化させ、第１の実施形態と比べてより微小レベルの光信号を測定・検査できる。

図７は、本発明の第２の実施形態の光回路の損失付与手段の構成例を示す図である。図７の損失付与手段３５−１は、光入出力ポート２５ａ、２５ｂと、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）２６から構成される。ＭＺＩ２６の一方のアーム導波路上には、位相シフタ２７をさらに備えている。図７の損失付与手段３５−１の構成によれば、位相シフタ２７の制御で干渉条件を変えるだけで、簡易な構成により大きいオン−オフ比で損失量を変えることができる損失付与手段を実現できる。すなわち、ＭＺＩの簡易な構成で、損失設定値が最小時の損失値をできるだけ小さくし、損失設定値が最大時の損失値を大きくできる。図７の損失付与手段３５−１は、シリコンフォトニクス技術を利用して図６の光回路３００の一部として光回路３００と一体に構成できる。損失値を変えることができる損失付与手段は、図７の光導波路型マッハツェンダ干渉計の構成だけに限られず、他の構成でも実現できる。

図８は、本発明の第２の実施形態の光回路の損失付与手段の別の構成例を示す図である。図８の損失付与手段３５−２は、シリコンリブ導波路を備えたＰＮ接合型光減衰器であって、シリコンリブ導波路の中央付近に形成されるＰＮ接合部の空乏層におけるキャリア密度をバイアス電圧またはバイアス電流によって変化させることで、シリコンリブ導波路における損失値を変化させる。キャリアが空乏化すれば、キャリアと光との相互作用がなくなるため、損失は減少する。図８は、ＰＮ接合型光減衰器３５−２のシリコンリブ導波路４１を導波路の長さ方向に垂直に切った断面構造を示している。したがって、図８の断面図の手前のシリコンリブ導波路４１から光を入力すると、断面図の奥のシリコンリブ導波路４１から、バイアス電圧等に応じた所定の損失量が付与された光が出力される。

光の導波路に垂直な面内でＰＮ接合型光減衰器３５−２は、アンダークラッド層４０、シリコンリブ導波路４１、オーバークラッド層４４を備えている。シリコンリブ導波路４１は、Ｐ型インプランテーション領域４２およびＮ型インプランテーション領域４３から構成される。Ｐ型インプランテーション領域４２およびＮ型インプランテーション領域４３は、メタルビア４５ａ、４５ｂを介して電極４６ａ、４６ｂにそれぞれ電気的に接続されている。図８の断面図では、ＳＯＩ基板上に作製されたＰＮ接合型光減衰器３５−２を、基板最上部近傍のみを描いてある。したがって、アンダークラッド層４０の下には図８に示していないＳｉ基板がある。また、損失付与手段３５−２の断面は外形を持ったもののように描かれているが、シリコンフォトニクス技術を利用して図６の光回路３００の一部として光回路３００と一体に構成できる。

ＰＮ接合型光減衰器３５−２において、２つの電極４６ａ、４６ｂ間に順電流が流れるように駆動すると、順電流を増やすにしたがって光損失が増大する。また、２つの電極４６ａ、４６ｂ間に逆バイアス電圧を加えるように駆動すると、逆バイアス電圧を増やすにしたがって光損失が低下する。２つの電極４６ａ、４６ｂ間のバイアス電圧・電流に応じて、ＰＮ接合型光減衰器３５−２による損失値を変えることができる。

図６に示した第２の実施形態の光回路３００においても、検査用光回路は、検査の対象となる被測定光回路のＩＱ変調器３６の主要な部分を経由しており、かつ、被測定光回路であるＩＱ変調器３６の構成要素の一部である光結合手段を利用している。すなわち本実施形態の光回路では、光回路３００がＩＱ変調器３６の機能を実現するために元より備えている２つの２×２光カプラ３２ａ、３２ｂを検査用光回路の光結合手段として用いている。これによって、従来技術のように光回路に検査用光回路を挿入することによる損失増加を生じさせずに、さらに光反射減衰量の低下を抑制しながらウェハレベルの検査が可能となる。後述するように、被測定光回路の構成要素の一部である光結合手段としては、例えばコヒーレント検波回路に用いられる４×４光カプラを用いても良いし、アレイ導波路格子光フィルタのＮ×Ｍスラブカプラ（ＮおよびＭは２以上の整数、一般的には１０）を用いても良い。

図６のＩＱ変調器３６に対するウェハレベルでの検査のため、グレーティングカプラ３４ａへ検査用の試験光が入力され、損失付与手段３５ａを経て、試験光は２×２光カプラ３２ａからＩＱ変調器３６へ入力される。２組のマッハツェンダ変調器３３ａ、３３ｂは、ＩＱ変調器３６としての性能・機能を検査確認するための検査用の動作状態に設定される。２組のマッハツェンダ変調器３３ａ、３３ｂによって変調動作を受けた試験光は、さらに２×２光カプラ３２ｂを経て、第２の損失付与手段３５ｂ、さらに第２のグレーティングカプラ３４ｂに到達する。本実施形態の光回路における検査用光回路は、グレーティングカプラ３４ａと被測定回路が備えている光結合手段３２ａとの間に、損失付与手段３５ａを備え、さらにグレーティングカプラ３４ｂと被測定回路が備えている光結合手段３２ｂとの間に、損失付与手段３５ｂを備えることで後述する効果を発揮する。ウェハレベルの検査を実施する時には損失付与手段３５ａ、３５ｂを低損失に設定し、目的の光回路を通常使用状態で動作させる時には高損失に設定することよってグレーティングカプラ３４ａ、３４ｂで生じる反射光を減衰させる。

すなわち損失付与手段３５ａ、３５ｂは、グレーティングカプラ３４ａから試験光が入力され、光検出手段によって前述の試験光を検出するときの第１の損失量、または光回路の所定の機能で動作させるときの、第１の損失量よりも大きい第２の損失量のいずれかに設定される。損失量の設定は、上述の２つだけに限られず、３以上の異なる設定値を使うこともできる。また、測定項目によって複数の損失値から１つを選択しても良い。本実施形態の光回路は、以下により具体的に述べるように、ウェハレベル検査時の良好な測定精度と、光回路全体としての反射減衰量低下の抑制の両方を実現するよう動作する。

図６の本実施形態の光回路３００において、損失付与手段３５ａ、３５ｂとしては図７に示したマッハツェンダ型干渉計による損失付与手段３５−１を用いた。２つの損失付与手段３５ａ、３５ｂの損失量をウェハレベル検査時にはそれぞれ１ｄＢ程度に、目的の光回路を通常使用状態で動作させる時に時は波長１５５０ｎｍでそれぞれ１５ｄＢとなるように設定した。このように損失値を設定することで、ウェハレベル検査時には損失付与手段３５ａ、３５ｂの損失を小さくして、グレーティングカプラ３４ａから光を入力したとき、グレーティングカプラ３４ｂで取り出す光量を大きくできる。一方で、目的の光回路を通常使用状態で動作させる時には損失付与手段３５ａ、３５ｂの損失を大きくして、損失付与手段３５ａ、３５ｂの光反射減衰量を３０ｄＢ以上確保することができる。

上述の第２の実施形態の光回路では、損失付与手段３５ａ、３５ｂによる最大損失量を１５ｄＢと設定した。最大損失量としての１５ｄＢの値は、図７のシリコン光導波路によるＭＺＩで比較的小さな回路で構成しても十分に再現性良く実現できる値である。しかしながら、本発明の光回路の損失付与手段の損失量の設定はこの例だけに限定されず、次に述べるように少なくとも３ｄＢ以上であれば本発明の効果を発揮することができる。ここで、光回路全体の光反射減衰量の仕様値を２７ｄＢ、被測定光回路の光入出力ポートから見たグレーティングカプラ３４ａ、３４ｂまでの損失を６ｄＢ、グレーティングカプラ３４ａ、３４ｂでの光反射減衰量を１５ｄＢとする。このとき上記各値に基づいて、損失付与手段の損失最大値３ｄＢの値は、（２７−６−１５）／２により算出される。

図９は、本発明の第２実施形態の光回路の評価結果を示した図である。図５では実施形態１の光回路におけるＩＱ変調器の半波長電圧を示したが、図９ではＩＱ変調器の消光比をウェハレベルで測定した値と、チップ切り分け後に個々の光回路３００を光ファイバで結合して測定した値との相関関係を示している。図９のグラフの横軸は、ウェハレベル検査時に、グレーティングカプラ３４ａより光を入力してグレーティングカプラ３４ｂにより測定した消光比である。図９のグラフの縦軸は、ウェハレベル検査を完了したウェハをチップに切り分けた後で、光回路３００の光入出力ポート３１ａ、３１ｂにそれぞれ光ファイバを接続して測定した消光比である。

ＩＱ変調器における消光比測定では、ＯＦＦ時の光量を精度良く測定する必要がある。図９を参照すれば、消光比が４５ｄＢを越える範囲まで、ウェハレベルでの測定値と、光ファイバ接続での測定値とが概ね一致している。消光比が４０ｄＢ以上の領域で、ウェハレベル検査時の測定値と光ファイバ接続時の測定値との差が大きくなっているのは、この領域では測定される光量自体が微弱となるからである。一般に、光変調器の消光比は３０ｄＢ以下に抑えられていれば良い。したがって、消光比が４０ｄＢ以上の領域における測定誤差は、ＩＱ変調器を含む光回路の製造工程における検査時においては実用上問題とならない。

上述のいずれの実施形態でも、光回路に含まれる被測定光回路としてＩＱ変調器１７、３６を例に説明をしたが、本発明は別の機能目的の光回路にも適用できる。

図１０は、本発明が適用可能なコヒーレント検波に用いる光ハイブリッド回路の構成を示す図である。光ハイブリッド回路５００は、コヒーレント検波に用いられ、Ｉ信号およびＱ信号の検波回路にそれぞれ４×４光カプラ５０ａ、５０ｂを有している。４×４光カプラは空きポートを持っており、空きポートから、グレーティングカプラおよび損失付与回路を経て、試験光を入力することができる。

図１１は、本発明が適用可能なアレイ導波路格子光フィルタの構成を示す図である。アレイ導波路格子光フィルタ６００は、Ｎ×Ｍスラブカプラ（ＮおよびＭは２以上の整数）を持っており、一般的には１０以上のポートを有するカプラと見なすことができる。目的の回路として使用しない空きポートからグレーティングカプラおよび損失付与回路を経て、試験光を入力することができる。光回路内に、複数の入力ポートおよび複数の出力ポートを有する光結合手段が含まれ、これらのポートの中に未使用のものがあれば、この未使用のポートを利用して、本発明の検査用光回路を構成できる。

このように本発明の光回路では、目的の回路に元より備えられた光結合手段の一部を利用して、グレーティングカプラから検査用の試験光を入力することができる。従来技術のように光回路に検査用光回路を挿入することによって生じる損失の増加なしに、さらに光反射減衰量の低下を抑制しながらウェハレベルの検査が可能となる。空きポートを有する光結合手段（光カプラ）を含んでいれば、どのような機能の光回路でも、グレーティングカプラおよび損失付与回路を備えることで、本発明の効果を発揮できる。

また、上述の２つの実施形態では、入出力ポートと光カプラは直結されており、光回路の主要な機能部分（ＩＱ変調器１７、３６）の全体をほぼすべて含む状態で、検査用光回路を動作させるものとして説明した。しかしながら、光回路の機能が複雑になり、規模が大きくなる場合には、検査用に利用できる空きポートを持つ光カプラは、入出力ポートと直結されておらず、光回路全体の内部側にあるものであっても良い。その場合でも、光入出力ポートに入力された光から生じた光を結合する光カプラを利用して、光回路の一部のブロックに対して、本発明の検査用光回路を適用できる。したがって、図２に示したグレーティングカプラ１４から受光器１６に至る検査の対象となる光回路が、別個に２組以上あっても良いし、一部が重複して２組以上あっても良い。図６に示したグレーティングカプラ３４ａからグレーティングカプラ３４ｂの間にある検査の対象となる光回路についても同様である。さらに、検査の対象となる光回路が２組以上ある場合、一部のグレーティングカプラまたは受光器を異なる組の間で共用しても良い。また光回路の入出力ポートは、図２および図６のように入力と出力の２つだけに限られず、３以上の入出力ポートあっても良い。

以上詳細に説明したように、本発明の光回路を用いれば、光反射減衰量の低下を抑制しつつ、ウェハレベル検査が可能な光回路を提供することができる。ウェハレベルでの検査によって、製造工程の早期に不良の光回路を発見し、その後の製造検査工程での歩留まりを上げて、シリコンフォトニクスによる光回路の小型化および経済化を実現できる。

本発明は、光通信に用いられる光回路に利用できる。

１ａ、１ｂ、１１ａ、１１ｂ、２５ａ、２５ｂ、３１ａ、３１ｂ入出力ポート
２ａ、２ｂ光機能回路
３ａ、３ｂ、５ａ、５ｂ、１４、３４ａ、３４ｂグレーティングカプラ
４ａ、４ｂグレーティングカプラ
９、１０、２３、３０基板
１２ａ、１２ｂ、３２ａ、３２ｂ、５０ａ、５０ｂ光カプラ
１３ａ、１３ｂ、３３ａ、３３ｂマッハツェンダ変調器
１５、１５−１，１５−２、３５ａ、３５ｂ損失付与手段
１７、３６ＩＱ変調器
２１シリコン光導波路
２２、４０、４４クラッド層
２４小曲げの光導波路
４１シリコンリブ導波路
４５ａ、４５ｂメタルビア
１００、３００、５００、６００光回路

Claims

基板上の絶縁体上のシリコン層に形成された光回路において、
光ファイバと端面接続が可能な１以上の光入出力ポートと、
複数の入力を有し、前記１以上の光入出力ポートに入力された光から生じた光を結合する第１の光カプラと、
複数の出力を有し、前記第１の光カプラから生じた光を結合する第２の光カプラと、
前記第１の光カプラの前記複数の入力の内の少なくとも１つの入力に、一端が光学的に接続され、３ｄＢ以上の損失を与える損失付与手段と、
前記損失付与手段の他端に光学的に接続され、前記基板の略垂直方向から光を入力可能なグレーティングカプラと、
前記第２の光カプラの前記複数の出力の内の少なくとも１つの出力に光学的に接続された光検出手段と
を備えたことを特徴とする光回路。
前記光検出手段は、前記基板上に形成された光受光器であることを特徴とする請求項１に記載の光回路。
前記光検出手段は、
少なくとも３ｄＢ以上の損失を付与できる第２の損失付与手段と、
前記第２の損失付与手段に光学的に接続された第２のグレーティングカプラと
を含むことを特徴とする請求項１に記載の光回路。
前記損失付与手段は、
イオン添加されたシリコン導波路、または、
曲げ半径１０μｍ以下の曲げ導波路のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光回路。
基板上の絶縁体上のシリコン層に形成された光回路において、
光ファイバと端面接続が可能な１以上の光入出力ポートと、
複数の入力を有し、前記１以上の光入出力ポートに入力された光から生じた光を結合する第１の光カプラと、
複数の出力を有し、前記第１の光カプラから生じた光を結合する第２の光カプラと、
前記第１の光カプラの前記複数の入力の内の少なくとも１つの入力に、一端が光学的に接続され、付与する損失量を変えることができる損失付与手段と、
前記損失付与手段の他端に光学的に接続され、前記基板の略垂直方向から光を入力可能なグレーティングカプラと、
前記第２の光カプラの前記複数の出力の内の少なくとも１つの出力に光学的に接続された光検出手段と
を備えたことを特徴とする光回路。
前記損失付与手段は、
前記グレーティングカプラから試験光が入力され、前記光検出手段によって前記試験光を検出するときの第１の損失量、または
前記光回路の所定の機能で動作させるときの、前記第１の損失量よりも大きい第２の損失量
のいずれかに設定されることを特徴とする請求項５に記載の光回路。
前記損失付与手段は、光導波路型マッハツェンダ干渉計またはＰＮ接合型光減衰器のいずれかであることを特徴とする請求項５または６に光回路光回路。