WO2007091465A1 - 光導波路 - Google Patents

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WO2007091465A1
WO2007091465A1 PCT/JP2007/051605 JP2007051605W WO2007091465A1 WO 2007091465 A1 WO2007091465 A1 WO 2007091465A1 JP 2007051605 W JP2007051605 W JP 2007051605W WO 2007091465 A1 WO2007091465 A1 WO 2007091465A1
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waveguide
optical waveguide
region
optical
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Inventor
Hirohito Yamada
Original Assignee
Nec Corporation
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
    • G02F1/025—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction in an optical waveguide structure

Definitions

  • the present invention relates to a functional optical waveguide, and in particular, electrically controls the characteristics of the waveguide (light wave propagation loss, light wave propagation constant, group velocity, dispersion, etc.) at high speed by applying external voltage or current injection. It relates to a possible optical waveguide device.
  • optical waveguide devices optical switches, optical multiplexers / demultiplexers, optical modulators, etc.
  • optical waveguides with cores of semiconductors such as Si and Ge or compound semiconductors such as AlGaAs and InGaAsP
  • Optical waveguide devices with Si as the core can be expected to be significantly smaller than conventional optical waveguide devices with silica as the core.
  • the core is made of semiconductor, current is injected into the core itself.
  • active characteristic control by electricity such as applying a voltage is possible.
  • conventional optical waveguides with silica as the core since silica is an insulator, current cannot flow, and control by heat is generally used.
  • thermo-optic (T-0) effect or the acousto-optic (A-O) effect is used.
  • T-0 thermo-optic
  • A-O acousto-optic
  • MO magneto-optic effect
  • E-0 electro-optic
  • carrier plasma effect methods that use the carrier plasma effect.
  • E-0 electro-optic
  • methods that use the electro-optic (E-0) effect, in which the refractive index changes when voltage is applied, and methods that control the refractive index using the carrier plasma effect by injecting current are less than lnsec. Can be used for high-speed characteristic control.
  • an optical waveguide having Si as a core there are a Si rib waveguide and a Si fine wire waveguide.
  • an oxide film and a control electrode are provided on the upper portion of the waveguide to form a MOS structure.
  • the refractive index control of the waveguide by applying a voltage is realized.
  • a Si high-speed optical modulator using a MOS structure with this Si rib waveguide has also been realized.
  • the Si rib waveguide has a low degree of confinement of light in the core, so a few / zm It cannot cope with steep bending at the radius of curvature.
  • Si wire waveguides can cope with steep bending with a radius of curvature of several / zm, where the degree of optical confinement in the core is very strong, so it is attracting attention as a technology that can make optical devices small. Has been.
  • the cross-sectional size of the core of the Si optical fiber waveguide is about a submicron angle, and the periphery is usually covered with an insulating material such as silica or air, the core is uniform and effective. Therefore, it is difficult to inject current or apply voltage.
  • a variable optical attenuator that can provide an arbitrary amount of optical attenuation by electrical control in a waveguide in which a Si thin wire is a core and is covered with a clad such as an insulator is disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-170836). Gazette).
  • an upper cladding layer made of silicon (for example, polysilicon) doped with oxygen or nitrogen is formed so as to cover the upper part and both side surfaces of the Si core, and constitutes a waveguide together with the core.
  • a p-type carrier supply unit in which a p-type impurity is introduced into a part of the side surface and an n-type carrier supply unit in which an n-type impurity is introduced are provided on the opposite side surface. Even in the region where these p-type and n-type carrier supply parts are formed, the surroundings of the core become a material having a lower refractive index by adding oxygen or nitrogen, and light is confined in the core. I am doing so.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-303836
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-303836
  • a triangular lattice photonic crystal structure and a line defect waveguide are formed in a non-doped Si layer of a SO I wafer, and impurities are implanted on both sides of the line defect waveguide.
  • the photonic band structure of the photonic crystal in the line defect waveguide where light propagates changes, and line defects that exist in the photonic band gap are changed.
  • Waveguide It has been shown that the waveguide mode is cut off (the state in which light cannot propagate), which prevents light from propagating through the line-defect waveguide and functions as an optical switch.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-170836
  • Patent Document 2 JP-A-2002-303836 (0054-0060, 012)
  • Patent Document 1 carriers are injected into the waveguide core via the p-type and n-type carrier supply units, and the propagation loss of the waveguide is made variable. Since the core is in contact with the core, a considerable amount of impurities are also doped into the core portion where doping is not desired, and light propagating in the waveguide is expected to experience a large propagation loss.
  • the present invention provides a structure for realizing electrical characteristic control and a method for manufacturing the same in an optical waveguide having such a semiconductor as a core.
  • the inventor of the present invention has arrived at the present invention as a result of intensive studies to solve the above problems. That is, according to the present invention, in an optical waveguide having a semiconductor as a core, the optical waveguide has two external regions in the very vicinity of the core, and the core and the external region are electrically connected by a bridge structure.
  • the external region force has a structure that allows current injection or voltage application via the bridge structure, and the external region separated from the waveguide core by the bridge structure is
  • the present invention relates to an optical waveguide characterized by being optically separated.
  • optically separated means that the tail of the electromagnetic field distribution of light confined in the waveguide core and guided along the waveguide core is in the external region. This means that the influence of the external area is negligible. That is, the light propagating along the waveguide core is not affected at all by the presence or absence of the external region.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of an optical waveguide according to the present invention.
  • FIG. 2 is another conceptual diagram of the optical waveguide of the present invention.
  • FIG. 3 is a structural diagram of a normal Si wire optical waveguide.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view showing a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view showing a second embodiment which is an improved version of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view supplementing the first embodiment of the present invention and the second embodiment which is an improved version thereof, wherein (a) is the first embodiment and (b) is the improved version. A second embodiment is shown.
  • FIG. 7 is a view of a Mach-Zehnder interferometer type optical switch (optical modulator) using the waveguide of the present invention, where (a) is an enlarged plan view of a branch portion and (b) is a perspective view.
  • FIG. 1 and FIG. 2 are conceptual diagrams of the waveguide structure of the present invention.
  • the basic configuration of this waveguide is that the core 1 made of Si and the core 1 are not optically coupled (separated), and two or more external regions 2 placed at a distance from each other 2
  • the bridge 3 connects the outer region 2 and the core 1 electrically.
  • Light propagating through the waveguide core 1 is The light transmitted through the core 1 is strongly confined in the waveguide core 1 while being optically blocked from the sub-region 2 (coupled! /). It can propagate through the waveguide core 1 without being affected. Since the waveguide core 1 and the external region 2 are electrically connected via the bridge 3, a voltage can be applied to the core 1 from the external region 2 or a current can be passed.
  • the bridges 3 are arranged as narrow as possible and at equal intervals.
  • the external region 2 is provided with electrodes (positive electrode and negative electrode) for applying a voltage and flowing a current.
  • the outer region 2 and the bridge 3 and further the waveguide core 1 are appropriately doped with impurities so that the electrical resistance of the portion has an appropriately low value. It is preferable to do. However, if impurities are excessively doped, the electrical resistance decreases, and this is desirable for the amount of current that flows. However, it causes a large absorption loss for light propagating through that portion.
  • the portion of the core through which light propagates is intentionally not doped with impurities, or even if doped, it should remain at a low concentration. Therefore, as a desirable impurity doping method, it is desirable to dope the core as low as possible, the bridge portion to a medium concentration, and the outer region to be highly doped. As a result, the electrical resistance value of each part decreases in the order of core>bridge> outer region, and the magnitude of the optic-optical absorption loss increases in the order of core ⁇ bridge ⁇ outer region.
  • the type of impurity to be doped there is no difference between p-type and n-type as long as current is simply injected or voltage is applied.
  • the two external regions be doped with impurities of different polarities p and n. In this case, it is desirable to form a pn junction interface immediately after the core portion. In this way, the carrier density in the core can be effectively increased or decreased depending on the polarity (forward bias or reverse bias force) of the applied voltage. If the carrier density in the core is modulated in this way, the refractive index of the core region also changes due to the carrier plasma effect, and the propagation constant (phase) of light propagating through the core can be controlled.
  • the board (not shown)
  • One structure is conceivable in which two external regions 2 are arranged in the vertical direction and the external region 2 and the core 1 are connected to the substrate by a bridge 3 in the vertical direction.
  • a structure in which two external regions 2 are arranged in parallel to the substrate 4 and these external regions 2 and the core 1 are connected to the substrate 4 by a bridge 3 in the parallel direction is also considered. It is done.
  • the positional relationship of the outer region with respect to the waveguide core is not particularly required to be opposed, and may be a right angle or any other angle. What kind of configuration is taken may be appropriately selected depending on the structure of the device realized using the waveguide.
  • Si fine wire waveguide having Si as a core as a semiconductor will be described as an example.
  • the present invention is not limited to this, and other semiconductors such as Ge, or compound semiconductors such as AlGaAs and InGaAsP are used.
  • the present invention can also be applied to an optical waveguide having a core.
  • the Si wire waveguide has a significantly lower refractive index (less than 10 m) compared to the refractive index of Si (approximately 3.5), such as Si as the core and the cladding surrounding it as silica, polymer, or air. In order to realize a curvature radius of 2), it is desirable that the refractive index value be 2 or less) and a material that is electrically insulating.
  • As the cross-sectional size of the Si wire waveguide core a width of about 0.3 to 0.5 / ⁇ ⁇ and a thickness of about 0.3 to 0.3 are preferable in order to function as a single mode waveguide. When the cross section of the core is larger than this size, it functions as a multimode waveguide.
  • Figure 3 shows the structure of a normal Si wire waveguide. In Fig. 3, Si core 11 force S width 0.3-0.5 m is formed inside SiO clad 12 on Si substrate 13 and single mode waveguide is formed.
  • FIG. Good As a structure for uniformly and effectively injecting current into a Si core having such a small cross-sectional area, a structure in which the side force of the Si core is injected as shown in FIG. Good.
  • the current is injected from the side surface of the waveguide core 1 or is electrically connected to the external region 2 via the bridge structure 3 so that a voltage can be applied.
  • the external region 2 electrically connected to the core 1 by the bridge structure 3 has an electrode (not shown) through which a current flows through the core 1 and a voltage is applied.
  • the structure of the bridge 3 is a structure in which rectangular slit-shaped holes 5 as shown in Fig. 4 are regularly opened.
  • the shape of the hole need not be limited to a rectangle, but can be a circle, an ellipse, a triangle, or the like. It can be square.
  • the waveguide core 1 and the external region 2 are optically separated so that the light is strongly confined in the waveguide core 1, but electrically, the external region 2 is connected to the waveguide core 1 via the bridge 3. Any structure can be used so long as current can be injected.
  • the core 1, the bridge 3 and the external region 2 are appropriately doped with impurities so as to have an appropriate electric resistance value. It is desirable.
  • the core region is doped so that the carrier concentration is 1 ⁇ 10 17 or less, the bridge region is about 1 ⁇ 10 18 , and the outer region is 1 ⁇ 10 18 or more.
  • the refractive index of the core can be controlled by electrical control via the carrier-plasma effect.
  • the positions of the slit holes 5 are shifted on both sides of the waveguide core 1.
  • the phase of the periodic repetition of the slits is shifted by ⁇ on both sides (left and right) of the waveguide core 1. That is, at the position where the slit hole is to the left of the core, there is a bridge on the right side, and conversely, at the position where the bridge is on the left side of the core, there is a slit force S on the right side (see Fig. 6 (b)). )
  • the light propagating through the core is slit-ordered, unlike the case where the slit positions coincide on both sides of the waveguide core in Fig.
  • Patent Document 2 the change in the photonic band structure of the photonic crystal is used.
  • the core layer can be formed by current injection or voltage application even if there is no such band structure change. Switching can be performed by directly changing the refractive index and modulating the propagation constant of the waveguide.
  • an optical waveguide structure as a first embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described.
  • an SOI substrate having a surface Si layer thickness of about 200 to 300 nm and a buried oxide (BOX) layer thickness force of about 3 to 111 is prepared.
  • Such SOI substrates are currently commercially available and are readily available.
  • a slit-like hole 5 penetrating the Si layer is opened in the Si layer on the surface to form a waveguide core region.
  • a Si dry etcher such as a commercially available ICP device may be used.
  • a channel waveguide having Si as a core is formed.
  • current can be injected from the external region 2 into the core 1 or a voltage can be applied via the bridge 3 having the slit structure.
  • the waveguide core 1 is electrically connected to the external region 2 via the bridge 3, but the light propagating through the waveguide is sufficiently confined in the core region 1, and is hardly affected by the external region 2. can do.
  • the slit 5 size is, for example, a rectangle with a width of 200 nm and a length of 1 m or more, and at lOOnm intervals. It only has to be arranged.
  • the size of the slits described here is only a guideline. More precisely, the electromagnetic field distribution of the guided mode is calculated by electromagnetic field analysis, and the ratio of the light electromagnetic field to the external region should be minimized. ,.
  • the core region has a carrier concentration of 1 X 10 17 or less, Doping should be performed so that the bridge region is about 1 ⁇ 10 18 and the external region is 1 ⁇ 10 18 or more.
  • one of the outer regions is doped p-type and the other is doped n-type so that the ⁇ junction interface is formed in or near the core region.
  • Such p, n impurity doped regions are preferably formed before the SOI wafer is cleaned.
  • ion implantation is first performed on the SOI wafer or the p and n regions are selectively formed by impurity diffusion, and then the impurities are activated by heat treatment, and etching is performed in accordance with the formed p type and n type regions.
  • the method of forming a bridge structure is the simplest.
  • an electrode is further formed in order to pass a current through the core and to apply a voltage.
  • the optical waveguide structure shown in the first embodiment there is a wavelength band in which Bragg reflection occurs, and it is necessary to avoid that wavelength band.
  • Bragg reflection does not occur in the structure where the position of the slit hole 5 is shifted by ⁇ on both sides of the waveguide core 1, and it can function over a wide wavelength range. it can.
  • the structure of FIG. 5 is exactly the same as the waveguide and structure of the first embodiment except that the position of the hole is shifted.
  • FIG. 7 shows an example of a Mach's zender interferometer type optical switch.
  • FIG. 4A is an enlarged plan view of a branch portion
  • FIG. 4B is a schematic perspective view of a Mach-Zehnder interferometer type optical switch.
  • a Si wire waveguide core 705 is formed in each of the two branches of the Manno and Zender interferometers, and external regions are formed on both sides of the Si waveguide core via bridges.
  • the waveguide core is surrounded by a lower cladding 706 and an upper cladding 707.
  • a pn junction is formed in the waveguide core portion of each branch, and current flows from the electrode 704 provided in the external region to the waveguide core of each branch. Controls the refractive index of the waveguide core of each branch by the carrier-plasma effect and realizes optical switching It is.
  • the external region is divided into three forces, each of which is doped with impurities to form a p-type or n-type region.
  • the area between Matsuno and the two branches of the Zender interferometer consists of an n-type semiconductor 702, and the areas outside the two branches of the Mach Zender interferometer are both p-type semiconductors. 1 and 703.
  • a common electrode is formed in the external region composed of the n-type semiconductor 702, which is the region sandwiched between the two branches of the Mach's interferometer, and is formed in the external region composed of the p-type semiconductors 701 and 703. If a positive or negative voltage is applied to the connected electrode, carriers are injected into the core of one branch (the refractive index is lowered by the carrier 'plasma effect'), and carriers are injected from the core of the other branch. It is pulled out (the refractive index is increased by the carrier plasma effect), and a push-pull operation can be performed. Therefore, the switching operation can be performed at about half the voltage as compared with the case where the push-pull operation is not performed.

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Abstract

　Ｓｉ等の半導体からなるコア１と、コアとは光学的に結合しておらず、ある距離隔てられて設置された２つの外部領域２および、この外部領域とコアを電気的に接続するブリッジ３から成る導波路構造とすることにより、導波路コアを伝搬する光は、導波路コア内に強く閉じ込められるようになっており、外部領域とは光学的に遮断されている（結合していない）ため、外部領域の存在に影響されることなく、導波路を伝搬できる。また、導波路コアと外部領域とはブリッジを介して電気的に繋がっているために、外部領域からコアに電圧を印加したり電流を流したりすることができる。

Description

明 細 書
光導波路
技術分野
[0001] 本発明は機能性光導波路に関し、特に外部電圧の印加または電流注入によって、 導波路の特性 (光波の伝搬損失、光波の伝搬定数、群速度、分散など)を電気的に 高速に制御可能な光導波路デバイスに関する。
背景技術
[0002] 近年、 Siや Geなどの半導体あるいは、 AlGaAsや InGaAsPなどの化合物半導体 をコアとする光導波路による各種光デバイス (光スィッチや光合分波器、光変調器な ど）が試作されている。 Siをコアとする光導波路デバイスは、従来のシリカをコアとする 光導波路デバイスに比べて、大幅な小型化が期待できると同時に、コアが半導体か ら成るために、コアそのものに電流を注入したり、電圧を印加したりする電気によるァ クティブな特性制御が可能となる。これに対して、従来のシリカをコアとする光導波路 では、シリカは絶縁体であるために電流を流すことができず、熱による制御が一般的 に用いられていた。光導波路の特性 (光波の伝搬損失、光波の伝搬定数、群速度、 分散など)を制御する方法としては、熱光学 (T—0)効果を用いる方法、音響光学（ A— O)効果を用いる方法、磁気光学効果 (M— O)効果を用いる方法、電気光学 (E -0)効果 (ポッケルス効果とも言う）を用いる方法、キャリア ·プラズマ効果を用いる方 法などが知られている。この内、電圧を印加することによって屈折率が変化する電気 光学 (E— 0)効果を用いる方法や、電流を注入することによりキャリア 'プラズマ効果 を用いて屈折率を制御する方法は、 lnsec以下の速い応答が可能であるため、高速 の特性制御に用いられる。
[0003] ところで、 Siをコアとする光導波路としては、 Siリブ導波路や Si細線導波路があるが 、 Siリブ導波路においては、導波路上部に酸化膜と制御電極を設けて MOS構造と することにより、電圧印加による導波路の屈折率制御が実現されている。最近では、 この Siリブ導波路による MOS構造を用いた Si高速光変調器も実現されて 、る。しか し、そもそも Siリブ導波路は、コアへの光の閉じ込めの程度が弱いため、数 /z mの曲 率半径での急峻な曲げには対応できない。従って、 Siリブ導波路では導波路を大き く緩やかに曲げる必要があるため、本導波路を用いたデバイス (光スィッチや光変調 器など）は自ずとサイズが大きくなつてしまう。これに対して Si細線導波路は、コアへ の光閉じ込めの度合いが非常に強ぐ数/ z mの曲率半径での急峻な曲げにも対応 できるため、光デバイスを小さく作ることができる技術として注目されている。
[0004] し力しながら、 Si細線光導波路のコアの断面サイズはサブミクロン角程度であり、そ の周りが通常シリカや空気等の絶縁材料で覆われて 、るため、コアに均一かつ効果 的に電流を注入したり、電圧を印加したりすることは困難であった。
[0005] Si細線をコアとし、これを絶縁物などのクラッドで覆った導波路で、電気制御により 任意の光減衰量を与えられる可変光減衰器が、特許文献 1 (特開 2004— 170836 号公報）に記載されている。ここでは、 Siコアの上部および両側面を覆うように、酸素 或いは窒素が添加されたシリコン (例えばポリシリコン)からなる上部クラッド層が形成 され、コアと共に導波路を構成しており、上部クラッドの側面の一部に p型不純物が導 入された p型キャリア供給部と、対向する側面に n型不純物が導入された n型キャリア 供給部とを設けて ヽる。これら p型および n型キャリア供給部が形成されて ヽる領域に おいても、酸素または窒素が添加されていることで、コアの周囲がより屈折率の低い 材料となり、光がコアに閉じ込められるようにしている。
[0006] 一方、光の波長程度の周期的な屈折率分布を持つフォトニック結晶の中では、そ の周期に対応する波長域の光の存在が禁止される、いわゆるフォトニックバンドギヤ ップが存在し、その結晶中に周期的な構造を乱す人為的な欠陥を導入することによ り、フォトニックバンドギャップ内に光が存在することが可能となり、様々な光の制御が 可能となることが知られて 、る。
[0007] このようなフォトニック結晶構造を有する光スィッチが、特許文献 2 (特開 2002— 30 3836号公報）に記載されている。特許文献 2の（0054〜0060)及び図 12には、 SO Iウェハのノンドープ Si層に三角格子フォトニック結晶構造と線欠陥導波路を形成し、 線欠陥導波路の両側に不純物注入を行って電極を形成し、電流注入或いは逆バイ ァス電圧をかけることで、光が伝搬する線欠陥導波路部分のフォトニック結晶のフォト ニックバンド構造が変化し、フォトニックバンドギャップ内に存在する線欠陥導波路の 導波モードがカットオフ (光が伝搬できない状態)となり、線欠陥導波路を光が伝搬で きなくなり、光スィッチとして機能することが示されている。
特許文献 1：特開 2004— 170836号公報
特許文献 2：特開 2002— 303836号公報（0054〜0060、 012)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] 特許文献 1では、 p型及び n型キャリア供給部を介して導波路コアにキャリアを注入 し、導波路の伝搬損失を可変とするものであるが、 p型及び n型キャリア供給部がコア に接触しているため、ドーピングが望まれないコア部分にもかなりの不純物がドープ されることとなり、導波路を伝搬する光は大きな伝搬損失を受けることが予測される。
[0009] 本発明は、このような半導体をコアとして有する光導波路において、電気的な特性 制御を実現するための構造およびその作製方法を提供するものである。
課題を解決するための手段
[0010] 本発明者は、上記課題を解決するべく鋭意検討した結果、本発明に到達した。す なわち本発明は、半導体をコアとして有する光導波路において、前記コアのごく近傍 に 2つの外部領域を有し、前記コアと前記外部領域とが、ブリッジ構造によって電気 的に接続されていることにより、前記コアに前記外部領域力 ブリッジ構造を介して電 流注入或いは電圧印加を可能とする構造を有し、前記導波路コアと前記ブリッジ構 造を介して隔てられている外部領域とは、光学的に分離されていることを特徴とする 光導波路に関するものである。
[0011] ここで、「光学的に分離されている」とは、導波路コア内に閉じ込められて、導波路コ ァに沿って導波される光の電磁界分布の裾が、外部領域に力かる割合は非常に小さ ぐ外部領域の影響を無視できることを言う。つまり、導波路コアに沿って伝搬する光 は、外部領域の有る無しに全く影響されない。
発明の効果
[0012] 本発明の効果としては、本電気制御による光導波路を用いて、高速応答動作の光 スィッチや光変調器が実現できる。 図面の簡単な説明
[0013] [図 1]本発明の光導波路の一概念図である。
[図 2]本発明の光導波路の他の概念図である。
[図 3]通常の Si細線光導波路の構造図である。
[図 4]本発明の第一の実施例を示す概略透視斜視図である。
[図 5]本発明の第一の実施例の改良型である第二の実施例を示す概略透視斜視図 である。
[図 6]本発明の第一の実施例及びその改良型である第二の実施例を補足する平面 図であり、（a)が第一の実施例、（b)がその改良型である第二の実施例を示す。
[図 7]本発明の導波路によるマッハ 'ツェンダー干渉計型光スィッチ (光変調器)の図 であり、（a)がブランチ部分の拡大平面図、（b)が透視斜視図を示す。
符号の説明
[0014] 1 導波路コア
2 外部領域
3 ブリッジ
4 基板
5 スリットの孔
701, 703 p型半導体
702 n型半導体
704 電極
705 Siコア
706 下言クラッド
707 上言クラッド
発明を実施するための最良の形態
[0015] 図 1および図 2に本発明の導波路構造の概念図を示す。本導波路の基本構成とし ては、 Siからなるコア 1と、コア 1とは光学的に結合しておらず (分離された）、ある距離 隔てられて設置された 2つ以上の外部領域 2および、この外部領域 2とコア 1を電気 的に接続するブリッジ 3から成る。導波路コア 1を伝搬する光は、ブリッジ 3によって外 部領域 2とは光学的に遮断されて 、る（結合して!/、な 、)ため、コア 1内を伝搬する光 は導波路コア 1内に強く閉じ込められながら、外部領域 2の存在に影響されることなく 、導波路コア 1を伝搬できる。また、導波路コア 1と外部領域 2とはブリッジ 3を介して 電気的に繋がって 、るために、外部領域 2からコア 1に電圧を印加したり電流を流し たりすることができる。従って、導波路コア 1に均一に電圧を印加したり電流を流したり するために、ブリッジ 3はなるべく狭 、間隔で等間隔に配列されて 、ることが好ま ヽ 。図には示していないが、外部領域 2には、電圧を印加したり電流を流したりするため の電極 (正極と負極）が設けられる。また、電流を流したり電圧を印加したりするため に、外部領域 2およびブリッジ 3、さらには導波路コア 1には、その部分の電気抵抗が 適度に低い値となるように不純物を適宜にドープすることが好ましい。ただし、不純物 を過度にドープすると電気抵抗が下がり、電流を流す分においては望ましいが、その 部分を伝搬する光にとっては大きな吸収損失となる。従って、光を伝搬させるコアの 部分は故意には不純物をドープしないか或いは、たとえドーピングしても低濃度に留 めておくことが望ましい。従って、望ましい不純物ドーピングの仕方としては、コアは 極力低濃度に、ブリッジ部分は中程度の濃度に、外部領域は高濃度にドーピングす ることが望ましい。これによつて、各部の電気抵抗の値は、コア〉ブリッジ〉外部領域 の順に小さくなる力 光学的な吸収損失の大きさは、コア <ブリッジ <外部領域の順 に大きくなる。また、ドープする不純物の種類としては、単に電流を注入したり電圧を 印加したりするだけならば、 p型、 n型の区別を問わない。つまり全て p型の不純物の みでドープしても良いし、逆に全て n型の不純物のみでドープしてもよい。し力し、印 加する電圧の向き (極性）によってコア部分のキャリア濃度を制御したい場合、 2つの 外部領域は p、 n別の極性の不純物をドープするのが望ましい。この場合、コア部分 にちようど pn接合界面が形成されるようにすることが望ましい。こうすることにより、印 加電圧の極性 (順バイアスか逆バイアス力）によって効果的にコア内のキャリア密度を 高くしたり或いは低くしたり制御することができるようになる。このようにコア内のキヤリ ァ密度が変調されれば、キャリア 'プラズマ効果によってコア領域の屈折率も変化し、 コアを伝搬する光の伝搬定数 (位相）を制御することができる。
外部領域 2の配置とブリッジ 3のとり方に関しては、図 1に示す様に、基板 (不図示） に垂直方向に 2つの外部領域 2を配置して、これらの外部領域 2とコア 1とを基板に垂 直方向にブリッジ 3で結ぶ構造が一つは考えられる。或いはまた、図 2に示す様に、 基板 4に平行方向に 2つの外部領域 2を配置して、これらの外部領域 2とコア 1とを基 板 4に平行方向にブリッジ 3で結ぶ構造も考えられる。或いはまた、図には示していな いが、外部領域の導波路コアに対する位置関係は、対向している必要は特に無ぐ 直角でもそれ以外の任意の角度を成して ヽても良 、。どのような構成をとるのかは、 その導波路を用いて実現するデバイスの構造によって適宜選択すればよい。次に、 本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明 では半導体として Siをコアとする Si細線導波路を例として説明するが、本発明はこれ に限定されず、 Ge等の他の半導体、或いは、 AlGaAsや InGaAsPなどの化合物半 導体をコアとして有する光導波路にも適用できるものである。
[0017] Si細線導波路は、コアが Si、その周りを覆うクラッドがシリカやポリマーまたは空気な どの、 Siの屈折率 (約 3. 5)に比べて屈折率が大幅に小さく（10 m以下の曲率半 径を実現するためには、屈折率の値として 2以下が望ましい）かつ、電気的に絶縁性 を有している材料によって構成される。 Si細線導波路コアの断面サイズとしては、単 一モード導波路として機能させるため、幅 0. 3〜0. 5 /ζ πι、厚さ 0. 3〜0. 程度 が好ましい。コアの断面がこのサイズよりも大きい場合には、マルチモードの導波路と して機能する。図 3に、通常の Si細線導波路の構造を示す。図 3では、 Si基板 13上 の SiOクラッド 12内部に Siコア 11力 S幅 0. 3〜0. 5 mに形成され、単一モード導波
2
路を構成している。
[0018] このような非常に小さい断面積の Siコアに電流を均一にかつ効果的に注入する構 造として、作製面も考慮すると図 4に示すような Siコアの側面力 注入する構造が望 ましい。本発明の Si細線導波路では、導波路コア 1の側面から電流を注入したり、電 圧を印加したりできるようにブリッジ構造 3を介して外部領域 2と電気的に繋がってい る。ブリッジ構造 3によりコア 1と電気的に繋がっている外部領域 2は、コア 1に電流を 流したり、電圧を印加したりする電極 (不図示）を有する。ブリッジ 3の構造としては、 図 4に示すような矩形のスリット状の孔 5を規則正しく開けた構造を示したが、孔の形 状は矩形に限る必要はなぐ円形でも楕円形でも三角形等の多角形でも構わない。 要は、光が導波路コア 1に強く閉じ込められるように、導波路コア 1と外部領域 2とが 光学的に分離されつつ、電気的には導波路コア 1にブリッジ 3を介して外部領域 2か ら電流注入が行えるような構造であれば良い。このように、導波路コアに電流を流し たり電圧を印加したりするために、コア 1、ブリッジ 3および外部領域 2は、適度な電気 抵抗値を有するように、適度に不純物をドープしておくことが望ましい。この場合、コ ァ<ブリッジ <外部領域の順に不純物の濃度が高くなるようにドープすることが望ま しい。さらに言うと、コア領域はキャリア濃度が 1 X 1017以下、ブリッジ領域は 1 X 1018 程度、外部領域は 1 X 1018以上になるようにドープするのか望ましい。また図 6 (a)に 示す様に、外部領域の一方を p型に、もう一方を n型にドープし、コア領域の内部或 いはその近傍に pn接合が形成されるようにすることにより、キャリア ·プラズマ効果を 介して電気的制御によってコアの屈折率を制御できるようになる。
[0019] ところで、導波路の長さ方向に対して周期的にスリットが並んでいる図 4の構造では 、導波路コアを伝搬する光は、伝搬方向に沿って屈折率の周期的な変調を感じるの で、ある特定波長の光に対してはブラッグ反射が生じて、伝搬しにくく（伝搬損失が大 きく）なる。このブラッグ反射が起こる波長えは、スリットによる周期的な屈折率変調の 周期を Λとすると、 l = 2nA/q (nは導波路の等価屈折率、 qは自然数)で表され る。 f列えば、、 A = 300nm、 n= 2とすると、ブラッグ反射は波長 1. 2 /ζ πι、 600nm、 4 OOnm付近で起こることになる。従って、この領域を避けて用いる必要がある。
[0020] これに対して、図 5に示すスリット構造では、導波路コア 1の両側でスリットの孔 5の 位置がずれている。つまり、導波路コア 1の両側 (左右)で、スリットの周期的繰り返し の位相が πだけシフトしている。すなわち、コアの左にスリットの孔がくる位置では、右 側にはブリッジがあり、逆に、コアの左側にブリッジがある位置では、右側にはスリット 力 Sある（図 6 (b)を参照のこと)。こうすることにより、コアを伝搬する光は、図 4の導波路 コアの両側でスリットの位置が一致して 、る場合（図 6 (a)を参照のこと）とは異なり、ス リットの規則正しい配列による屈折率の変調を感じなくなる。従って、この構造の場合 には、ブラッグ反射の影響を受けなくなるので、どの波長でも用いることができる。さら に、スリットの孔が導波路の長さ方向に周期性など無く全くランダムに形成されている 導波路の場合は、導波路コアの左右での位相などの概念は無ぐこのような構造の 場合もスリットの孔によるブラッグ反射の影響など無いが、コアへの均一な電流注入を 実現する観点力もは、ある程度の周期性が有った方が望ましい。
[0021] 特許文献 2では、フォトニック結晶のフォトニックバンド構造の変化を利用していたが 、本発明では、このようなバンド構造の変化がなくとも電流注入或いは電圧印加によ りコア層の屈折率を直接変化させ、導波路の伝搬定数を変調してスイッチングを行う ことができる。
実施例
[0022] 以下、実施例を参照して本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例 のみに限定されるものではない。
[0023] (実施例 1)
以下に、本発明の第一の実施例としての光導波路構造およびその作製法を示す。 最初に、表面の Si層の厚さが 200〜300nm程度、その下の埋め込み酸化膜 (BOX )層の厚さ力^〜 3 111程度の SOI基板を準備する。そのような SOI基板は現在市販 されており、容易に入手可能である。次に、表面の Si層に図 4に示すように Si層を貫 通するスリット状の孔 5を開けて、導波路コア領域を形成する。このような加工は、巿 販の ICP装置などの Siのドライエッチヤーを用いればよい。そして、加工した表面 Si 層を厚さ 1 m以上のシリカ層でカバーすれば、 Siをコアとするチャネル導波路が形 成される。このような構造を作ることにより、スリット構造によるブリッジ 3を介して、外部 領域 2からコア 1に電流を注入したり、電圧を印加したりできるようになる。導波路コア 1は、ブリッジ 3を介して外部領域 2と電気的に繋がっているが、導波路を伝搬する光 は、コア領域 1に十分閉じ込められており、外部領域 2の影響を殆ど受けなくすること ができる。このように、光がコア領域に十分閉じ込められて、外部領域の影響を殆ど 受けなくするためには、スリット 5のサイズとしては例えば幅 200nm、長さ 1 m以上 の長方形あって、 lOOnm間隔で配置されていればよい。ここに記したスリットのサイ ズはあくまでも目安であって、より正確には電磁界解析によって導波モードの電磁界 分布を計算し、光の電磁界が外部領域に被る割合を極力小さくすればょ 、。
[0024] 一方、コアに電流を流すためには、コア、ブリッジおよび外部領域に適度に不純物 をドープしておく必要がある。具体的には、コア領域はキャリア濃度が 1 X 1017以下、 ブリッジ領域は 1 X 1018程度、外部領域は 1 X 1018以上になるようにドープしておけ ばよい。図 6 (a)に示すように、外部領域の一つを p型に、もう一方を n型にドープし、 ρη接合界面がコア領域の中あるいは近傍に形成されるようにする。このような p、 n不 純物ドープ領域の形成は、 SOIウェハをカ卩ェする前に行うのが望ましい。つまり、 SO Iウェハに最初にイオン打ち込み或 、は不純物拡散によって選択的に p、 n領域を形 成した後、熱処理によって不純物を活性化させ、形成された p型、 n型領域に合わせ てエッチングによりブリッジ構造を形成する方法が最も簡単である。外部領域には、コ ァに電流を流したり、電圧を印加したりするためにさらに電極 (ォーミックコンタクト）を 形成する。
[0025] (実施例 2)
次に、本発明の第二の実施例としての光導波路構造のより好ましい形態について 示す。第一の実施例に示す導波構造においては、前記したように、ブラッグ反射が 起こる波長帯が存在し、その波長帯を避けて用いる必要がある。それに対して図 5に 示すように、導波路コア 1の両側でスリットの孔 5の位置をちようど πだけずらした構造 では、ブラッグ反射は起こらず、広い波長範囲に渡って機能させることができる。図 5 の構造では、孔の位置をシフトさせたことを除いては、第一の実施例の導波路と構造 および作製は全く同様である。
[0026] (実施例 3)
上記の実施例に示した光導波路構造を用いて、電気的に特性を制御可能な様々 な光導波路デバイスを実現できる。図 7に示すのはその一例としてのマッハ'ツエンダ 一干渉計型光スィッチである。同図（a)はブランチ部分の拡大平面図、（b)はマッハ' ツェンダー干渉計型光スィッチの概略透視斜視図を示す。この光スィッチの場合、マ ッノ、'ツェンダー干渉計の二つのブランチのそれぞれに Si細線導波路コア 705が形成 され、その両側にブリッジを介して外部領域が形成されている。導波路コアは下部ク ラッド 706及び上部クラッド 707に囲まれている。同図（a)に示すように、各々のブラン チの導波路コアの部分に pn接合が形成されており、各々のブランチの導波路コアに 外部領域に設けられた電極 704から電流を流すことによってキャリア ·プラズマ効果に よって各ブランチの導波路コアの屈折率を制御し、光のスイッチングを実現するもの である。この素子の場合、外部領域は 3つに別れている力 その各々に不純物をドー プすることによって、 p型或いは n型の領域を形成している。この図に示した構造では 、マツノ、'ツェンダー干渉計の二つのブランチに挟まれた領域が n型半導体 702から なり、マッハ'ツェンダー干渉計の二つのブランチの外側の領域は共に p型半導体 70 1及び 703からなる。 pと nの領域は逆でもよい。従ってこのスィッチの場合、マッハ'ッ エンダー干渉計の二つのブランチに挟まれた領域である n型半導体 702からなる外部 領域に共通電極を形成し、 p型半導体 701及び 703からなる外部領域に形成された電 極にプラス、マイナス逆の電圧を印加すれば、一方のブランチのコアにはキャリアが 注入され (キャリア 'プラズマ効果によって屈折率が低くなる）、もう一方のブランチの コアからはキャリアが引き抜かれ (キャリア ·プラズマ効果によって屈折率が高くなる） て、プッシュプルな動作を行わせることができる。従って、プッシュプル動作をさせな い場合に比べて約半分の電圧でスイッチング動作をさせることができる。

Claims

請求の範囲
[1] 半導体をコアとして有する光導波路において、前記コアのごく近傍に 2つの外部領 域を有し、前記コアと前記外部領域とが、ブリッジ構造によって電気的に接続されて V、ることにより、前記コアに前記外部領域力 ブリッジ構造を介して電流注入或！ヽは 電圧印加を可能とする構造を有し、前記導波路コアと前記ブリッジ構造を介して隔て られている外部領域とは、光学的に分離されていることを特徴とする光導波路。
[2] 請求項 1の光導波路において、導波路コアが基板面に平行な半導体層の一部から 成り、前記半導体層に多数の孔を導波路の長さ方向に沿って形成することによって ブリッジ構造が形成され、多数の孔によって導波路コアと前記外部領域とが光学的 に分離されて！ヽることを特徴とする光導波路。
[3] 請求項 2の光導波路において、前記多数の孔がスリット状を成していることを特徴と する光導波路。
[4] 請求項 3の光導波路において、スリット状の孔が導波路の長さ方向に沿って周期的 に配列されて形成されていることを特徴とする光導波路。
[5] 請求項 4の記光導波路において、導波路の長さ方向に周期的に形成されているス リット状の孔の位置が導波路コアの両側 (左右)で位相が πだけずれて!/、ることを特 徴とする光導波路。
[6] 請求項 1乃至 5のいずれか 1項に記載の光導波路において、外部領域に電極を形 成して電圧を印加することにより、導波路コア領域に電流を注入或いは電圧を印加し て、導波路特性の電気的制御が可能な光導波路。
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