WO2010146926A1 - 接続路 - Google Patents

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WO2010146926A1
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shaped portion
connection path
rib
optical
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淳 牛田
藤方　潤一
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日本電気株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a connection path for connecting an optical waveguide and an optical device.
  • Information and communication networks represented by the Internet are spread all over the world as an indispensable infrastructure for people's lives.
  • Silicon-based optical communication devices that can use the 1.3 ⁇ m band and 1.55 ⁇ m band in the optical fiber communication wavelength band use optical technology elements and electronic circuits by using CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) technology. It is a very promising device that can be integrated on a silicon platform.
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • One method of dealing with information communication network traffic that increases year by year is to increase the information transmission rate per channel.
  • an optical modulator that converts a signal from an LSI (Large Scale Integration) circuit that handles information processing in an optical communication device to an optical signal at high speed is important. Therefore, it is desired to realize such an optical modulator on a silicon platform.
  • Non-Patent Document 1 describes an optical modulator using a pn (positive-negative) junction that operates by applying a reverse bias voltage.
  • MOS Metal-Oxide-Semiconductor
  • FIG. 1 shows an example of a related technology of a silicon-based optical modulator that is one of optical devices and uses a waveguide formed on an SOI (Silicon on Insulator) substrate (see Non-Patent Document 1). .
  • SOI Silicon on Insulator
  • an oxide layer 25 and a doped p-doped silicon layer 23 are sequentially laminated to constitute an SOI substrate.
  • an inverted-rib-shaped n-doped silicon layer 21 is deposited, and one side of the n-doped silicon layer 21 is highly doped.
  • An n + doped silicon layer 20 is located.
  • a p + doped silicon layer 22 that is highly doped is formed.
  • An electrode 27 is connected to the n + doped silicon layer 20 and the p + doped silicon layer 22. The entire optical modulator is covered with the oxide layer 25.
  • a waveguide is formed by the rib-shaped portion 23 ′ of the p-doped silicon layer 23 and the reverse rib-shaped portion 21 ′ of the n-doped silicon layer 21.
  • a reverse bias voltage By applying a reverse bias voltage to the electrode 27, light is transmitted within the waveguide. Modulation is performed.
  • the optical modulator is composed of a pn junction as described above or a MOS capacitor
  • the structure of the waveguide of the optical modulator and the optical The structure of the waveguide of the waveguide is different.
  • Such a sudden change in the shape of the waveguide at the connecting portion of both waveguides having different structures causes light reflection, resulting in light coupling loss at the coupling portion between the optical waveguide and the optical modulator. End up.
  • This coupling loss may decrease the optical modulation efficiency of the optical modulator in addition to an increase in the insertion loss of light into the optical modulator. Therefore, it is necessary to provide a connection path that reduces the coupling loss between the optical modulator and the optical waveguide.
  • a single tip is provided for each of the input portion and the output portion of each layer of silicon (Si) stacked in two stages.
  • a pointed taper any one of input increase taper, output decrease taper, input decrease taper, and output increase taper
  • the optical loss at the connection between the optical waveguide and the optical modulator is reduced. Yes.
  • connection path of the silicon (Si) layers stacked in two stages as shown in FIG. 29 and FIG. 30 of Patent Document 1. That is, coupling loss occurs due to the fact that the taper tip of the Si layer formed in the connection path has a certain width. Furthermore, there is a problem in that coupling loss increases due to misalignment due to manufacturing errors of upper Si and lower Si in the connection path.
  • FIG. 2A to FIG. 3 are examples of the related art, and are schematic views of the vicinity of the connection path when the optical waveguide and the connection path are connected.
  • FIG. 2A is a connection path side of the optical waveguide at the position AA ′ in FIG. 2B is a schematic diagram of a cross section of the connection path at the position AA ′ in FIG. 3, and
  • FIG. 3 is a top view when the optical waveguide and the connection path are connected.
  • the optical waveguide shown in FIG. 1 as one of the optical devices is connected below the position AA ′ in FIG. 3 and above the position BB ′, but the optical modulator is not shown. Further, the oxide layer 25 is omitted from the illustration.
  • the optical waveguide includes an SOI substrate formed of a substrate 24, an oxide layer 25, and a doped p-doped silicon layer 23.
  • the p-doped silicon layer 23 is a waveguide. And a rib-shaped portion 23 ′.
  • the end portion of the connection path on the side of the optical waveguide is provided with an SOI substrate similarly to the optical waveguide shown in FIG. 2A, and has a rib-shaped portion 23 ′ formed in the p-doped silicon layer 23.
  • a polycrystalline silicon layer 26 is provided above the rib-shaped portion 23 '.
  • the polycrystalline silicon 26 has a taper shape on the rib-shaped portion 23 ′ made of p-doped silicon 23, and the tip of the taper of the polycrystalline silicon 26 is located at the position AA ′. Yes.
  • the tip of the taper of the polycrystalline silicon layer 26 has a wide width to some extent. Theoretically, no optical loss occurs when the tip of the taper is sharp at the atomic level, but in practice there is a limit to making the tip of the taper thinner. Therefore, the shape of the waveguide changes abruptly by the width of the tip of the taper, light is reflected at this portion, and light scattering loss occurs.
  • An object of the present invention is an optical device and an optical waveguide that solve the above-described problems that the connection path of the related technology has a low manufacturing margin, a light loss is likely to occur, and the connection path is low in reliability. It is to provide a connection path connecting the two.
  • the first silicon layer having a rib-shaped portion extending in the longitudinal direction of the connection path and the first silicon layer laminated on the upper layer of the first silicon layer so as to partially overlap the rib-shaped portion.
  • a second silicon layer extending in the longitudinal direction.
  • the second silicon layer has a tapered portion that tapers toward one end portion in the longitudinal direction, and is located at a position away from above the rib-shaped portion on the end face of the one end portion in the longitudinal direction.
  • the coupling loss when the optical device and the optical waveguide are connected via the connection path, the coupling loss can be further reduced, and the manufacturing tolerance and reliability of the connection path can be improved.
  • route of related technology is the schematic of the cross section of the connection path side edge part of the optical waveguide in position AA 'of FIG.
  • route of related technology is the schematic of the connection path
  • route of related technology is the schematic of the cross section of the connection path
  • the upper surface of an example of the connection path of related technology is the schematic which showed one Embodiment of the connection path which concerns on this invention, and is the schematic of the cross section of the connection path side edge part of an optical waveguide in position AA 'of FIG. 5C.
  • FIG. 5B is a schematic diagram showing an embodiment of a connection path according to the present invention, and is a schematic view of a cross-section of a connection path side end portion of the optical modulator at a position BB ′ in FIG. 5C.
  • FIG. 7B is a schematic view showing another embodiment of the connection path according to the present invention, and is a schematic view of a cross section of an end portion of the connection path on the optical waveguide side at a position AA ′ in FIG. 6C.
  • FIG. 7B is a schematic view showing another embodiment of the connection path according to the present invention, and is a schematic view of a cross section of an end portion of the connection path on the optical modulator side at a position BB ′ in FIG. 6C.
  • connection path which concerns on this invention, and is the schematic of the upper surface of a connection path. It is the schematic which showed other embodiment of the connection path which concerns on this invention, and is the schematic of the cross section of the optical waveguide side edge part of a connection path in position AA 'of FIG. 7C. It is the schematic which showed other embodiment of the connection path which concerns on this invention, and is the schematic of the cross section of the optical modulator side edge part of a connection path in position BB 'of FIG. 7C. It is the schematic which showed other embodiment of the connection path which concerns on this invention, and is the schematic of the upper surface of a connection path.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of an upper surface when the connection paths in FIGS. 8A to 8C are connected to both the input and output sides of the optical modulator.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of a light intensity modulator of the Mach-Zehnder interferometer type using the connection path in FIGS. 8A to 8C.
  • connection path described below is interposed between the optical waveguide and the optical modulator, which is one of the optical devices, to connect the optical waveguide and the optical modulator.
  • the actual optical waveguides, connection paths, and optical modulators are covered with an oxide layer. However, in the figure showing the top surface, the oxide layer covering them is shown in order to make the internal structure change easier to understand. The figure is omitted.
  • connection path A first embodiment of a connection path according to the present invention will be described.
  • FIGS. 5B and 5B are schematic views of a cross section of an end portion on the connection path side of the optical modulator at a position BB ′ in FIG. 5C.
  • FIG. 5C is a schematic view of an upper surface when the optical waveguide and the optical modulator are connected through the connection path.
  • the optical waveguide is below the position AA ′
  • the connection path is between the positions AA ′ and BB ′
  • the optical modulator is above the position BB ′.
  • the optical waveguide is provided with an SOI substrate formed of a substrate 4, an oxide layer 5, and a doped p-doped silicon layer 3.
  • the p-doped silicon layer 3 has a rib-shaped portion 3 ', and this rib-shaped portion 3' serves as a waveguide.
  • the entire optical waveguide is covered with the oxide layer 5.
  • a substrate 4 As shown in FIG. 4B, at the end of the connection path on the side of the optical waveguide, there are a substrate 4, an oxide layer 5, and a first silicon layer 3 (hereinafter referred to as a “doped p-doped silicon layer”).
  • An SOI substrate formed in (1) is provided. Similar to the optical waveguide described above, the p-doped silicon layer 3 of the SOI substrate has a rib-shaped portion 3 ', and this rib-shaped portion 3' serves as a waveguide.
  • a second silicon layer 6 (hereinafter referred to as “polycrystalline silicon layer”) is provided at a position above the rib-shaped portion 3 ′ and at a distance from the rib-shaped portion 3 ′.
  • a waveguide formed by the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3 of the SOI substrate is formed at the end of the connection path on the optical modulator side, similarly to the end on the optical waveguide side. Yes.
  • the upper portion of the rib-shaped portion 3 ′ is covered with the polycrystalline silicon layer 6. Further, the entire connection path is covered with the oxide layer 5.
  • an optical modulator which is one of the optical devices, is provided with an SOI substrate formed of a substrate 4, an oxide layer 5, and a doped p-doped silicon layer 3. .
  • the p-doped silicon layer 3 has a rib-shaped portion 3 '.
  • p + doped silicon layers 12 that are highly doped are provided on both sides of the p-doped silicon layer 3.
  • a doped n-doped silicon layer 11 is provided above the rib-shaped portion 3 ', and this n-doped silicon layer has an inverted rib-shaped portion 11'.
  • a waveguide is formed by the two rib-shaped portions 3 'and 11'.
  • an n + doped silicon layer 10 that is highly doped is provided on the side of the n-doped silicon layer 11.
  • An electrode 17 is connected to each of the p + doped silicon layer 12 and the n + doped silicon layer 10, and the oxide layer 5 is covered except for the portion where the electrode 17 is connected.
  • the rib-shaped portion 3 'of the p-doped silicon layer 3, that is, the waveguide is connected between the optical waveguide and the optical modulator via a connection path.
  • the connection path the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3, that is, the waveguide is a straight line extending in the longitudinal direction of the connection path.
  • the width of the polycrystalline silicon layer 6 at the end of the connection path on the optical modulator side is equal to the total width of the n-doped silicon layer 11 and the n + doped silicon layer 10 of the optical modulator.
  • Polycrystalline silicon layer 6 is connected to n-doped silicon layer 11 and n + -doped silicon layer 10.
  • the polycrystalline silicon layer 6 of the connection path is laminated on the p-doped silicon layer 3 so as to extend in the longitudinal direction of the connection path and partially overlap the rib-shaped portion 3 ′. Specifically, the polycrystalline silicon layer 6 covers the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3 at the end on the optical modulator side. Further, the polycrystalline silicon layer 6 has a linear tapered portion W in which one side surface of the polycrystalline silicon layer 6 approaches the other side surface, that is, tapers as it approaches the end on the optical waveguide side. Yes.
  • the polycrystalline silicon layer 6 moves from a relative position overlapping the rib-shaped portion 3 ′ to a relative position not overlapping the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3 in the middle of the tapered shape portion W (intermediate position). It has migrated. Therefore, the polycrystalline silicon layer 6 is located at a position away from above the rib-shaped portion of the p-doped silicon layer 3 at the end on the optical waveguide side. Note that the other side surface is linear along the traveling direction of light.
  • the polycrystalline silicon layer 6 has a connection path configuration having the tapered portion W, so that the polycrystalline silicon layer 6 gradually covers the upper portion of the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3. .
  • the p-doped silicon layer 3 and the polycrystalline silicon layer 6 begin to overlap at the position where they are orthogonal to each other, they propagate through the waveguide. The reflected light is reflected there, and light loss occurs.
  • a coupling loss occurs because the tip of the tapered shape of the upper Si layer (corresponding to the polycrystalline silicon layer 6 in the present embodiment) has a certain width.
  • the tapered tip of the polycrystalline silicon layer 6 is provided at a position spaced from the waveguide made of the p-doped silicon layer 3. Furthermore, the occurrence of optical loss can be reduced by gradually changing the shape of the waveguide so that the p-doped silicon layer 3 and the polycrystalline silicon 6 do not intersect at the position where they begin to overlap.
  • connection path of the present invention is a connection path with a very high manufacturing margin, it is easy to manufacture and there is no difference in optical loss between the connection paths, so that the reliability is very high.
  • connection path A second embodiment of the connection path according to the present invention will be described.
  • the structure of an optical waveguide and an optical modulator is the same as that of the above-mentioned embodiment, only a connection path is demonstrated below.
  • FIG. 6A to 6C are schematic views showing a second embodiment of the connection path according to the present invention.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view of the end portion of the connection path on the side of the optical waveguide at position AA ′ in FIG. 6C.
  • FIG. 6B is a schematic diagram of a cross section of an end portion of the connection path on the optical modulator side at a position BB ′ in FIG. 6C, and
  • FIG. 6C is a schematic diagram of an upper surface of the connection path.
  • an optical waveguide is connected below the position AA ', and an optical modulator is connected above the position BB'.
  • the description of the same configuration as that in the above embodiment is omitted.
  • an SOI substrate formed of a substrate 4, an oxide layer 5, and a doped p-doped silicon layer 3 is provided at an end of the connection path on the optical waveguide side.
  • the p-doped silicon layer 3 of the SOI substrate has a rib-shaped portion 3 ', and this rib-shaped portion 3' serves as a waveguide.
  • the polycrystalline silicon layer 6 is provided in a position above the rib-shaped portion 3 ′ and at a distance from the rib-shaped portion 3 ′.
  • a waveguide is formed at the end of the connection path on the optical modulator side by the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3 of the SOI substrate, similarly to the end on the optical waveguide side. Yes.
  • the upper portion of the rib-shaped portion 3 ′ is covered with the polycrystalline silicon layer 6.
  • the entire connection path is covered with the oxide layer 5.
  • the polycrystalline silicon layer 6 is provided at the same position at the end on the optical waveguide side of the connection path and the end on the optical modulator side.
  • the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3 and the polycrystalline silicon layer 6 do not overlap with each other and have a gap.
  • the rib-shaped portion 3 ′ is located below and overlaps the polycrystalline silicon layer 6, and the rib-shaped portion 3 ′ is the end portion on the optical waveguide side and the end on the optical modulator side. It is in a different position from the part.
  • the polycrystalline silicon layer 6 is linear from the end on the optical modulator side to the end on the optical waveguide side, and is formed without changing the width.
  • the position of the rib-shaped portion 3 ′ formed in the p-doped silicon layer 3 is different between the end portion on the optical modulator side and the end portion on the optical waveguide side.
  • an S-shaped portion X is provided between the end portion on the optical modulator side and the end portion on the optical waveguide side.
  • the polycrystalline silicon layer 6 is overlapped on the S-shaped portion X of the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3.
  • the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3 and the linear side portion of the polycrystalline silicon layer 6 overlap each other, the rib-shaped portion 3 ′ is perpendicular to the light traveling direction.
  • the polycrystalline silicon layer 6 gradually overlaps. Therefore, optical loss can be reduced. Even if the misalignment due to the manufacturing error of the polycrystalline silicon layer 6 and the p-doped silicon layer 3 occurs, it is sufficient that the polycrystalline silicon layer 6 and the p-doped silicon layer 3 start to overlap at the S-shaped portion X of the waveguide. .
  • the S-shaped portion X of the waveguide is larger than the positional shift due to the manufacturing error, the positional shift due to the manufacturing error is unlikely to increase the optical loss. Therefore, the coupling loss does not change due to the position shift, and the connection path always has a constant coupling loss. As a result, it is possible to realize a highly reliable connection path between a modulator and a waveguide, which has a high manufacturing margin with respect to misalignment.
  • connection path A third embodiment of the connection path according to the present invention will be described. Since the structure of the optical waveguide and the optical modulator is the same as that of the above-described embodiment, the description thereof is omitted below.
  • FIG. 7A to 7C are schematic views showing a third embodiment of the connection path according to the present invention
  • FIG. 7A is a schematic cross-sectional view of the end portion of the connection path on the side of the optical waveguide at position AA ′ in FIG. 7C
  • FIG. 7B is a schematic diagram of a cross section of an end portion of the connection path on the optical modulator side at a position BB ′ in FIG. 7C
  • FIG. 7C is a schematic diagram of an upper surface of the connection path.
  • an optical waveguide is connected below the position AA ', and an optical modulator is connected above the position BB'.
  • the description of the same configuration as that in the above embodiment is omitted.
  • an SOI substrate formed of a substrate 4, an oxide layer 5, and a doped p-doped silicon layer 3 is provided at the end of the connection path on the optical waveguide side.
  • the p-doped silicon layer 3 of the SOI substrate has a rib-shaped portion 3 ', and this portion is a waveguide.
  • the polycrystalline silicon layer 6 is provided in a position above the rib-shaped portion 3 ′ and at a distance from the rib-shaped portion 3 ′.
  • a waveguide is formed by the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3 in the same manner as the end on the optical waveguide side.
  • the upper portion of the rib-shaped portion 3 ′ is covered with the polycrystalline silicon layer 6.
  • the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3 moves away from the polycrystalline silicon layer 6 at the end on the optical modulator side as compared with the end on the optical waveguide side. Further, the position of the side portion of the polycrystalline silicon layer 6 on the side away from the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3 is not changed. However, the end near the rib-shaped portion 3 ′ moves to the rib-shaped portion side, passes through the upper portion of the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3, and covers the upper portion of the rib-shaped portion 3 ′. Yes.
  • the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3 is separated from the rib-shaped portion 3 ′ as it goes from the end portion on the optical modulator side to the end portion on the optical waveguide side in the connection path. It has a gentle S-shape so as to approach the side of the polycrystalline silicon layer 6 on the other side.
  • the polycrystalline silicon layer 6 in the connection path covers the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3 at the end on the optical modulator side. However, as it approaches the end on the optical waveguide side, one side surface of the polycrystalline silicon layer approaches the other side surface, that is, has a linear tapered portion Y that tapers.
  • the polycrystalline silicon layer 6 overlaps above the rib-shaped portion 3 ′ with respect to the gentle S-shaped portion of the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3 in the tapered shape portion Y.
  • the relative position has shifted to a non-overlapping relative position.
  • the other side surface is close to one side surface of the polycrystalline silicon layer 6.
  • the rib-shaped portion 3 ′ is linear, but in the present embodiment, the polycrystalline silicon layer 6 is made of the p-doped silicon layer 3 by being gently or S-shaped. The distance required to cross over the rib-shaped portion 3 ′ becomes longer. That is, the shape of the waveguide is further gradually changed in the present embodiment compared to the first embodiment, and the optical loss can be further reduced.
  • connection path A fourth embodiment of the connection path according to the present invention will be described. Since the structure of the optical waveguide and the optical modulator is the same as that of the above-described embodiment, the description thereof is omitted below.
  • FIG. 8A to 8C are schematic views showing a fourth embodiment of the connection path according to the present invention
  • FIG. 8A is a schematic cross-sectional view of the end portion of the connection path on the side of the optical waveguide at position AA ′ in FIG. 8C
  • 8B is a schematic diagram of a cross-section of the end portion of the connection path on the optical modulator side at a position BB ′ in FIG. 8C
  • FIG. 8C is a schematic diagram of the top surface of the connection path.
  • an optical waveguide is connected below the position AA ', and an optical modulator is connected above the position BB'.
  • the description of the same configuration as that in the above embodiment is omitted.
  • the structure of the end portion on the optical waveguide side of the connection path of this embodiment and the structure of the end portion on the optical modulator side are the same as those in the third embodiment described above ( FIG. 7A and FIG. 7B).
  • the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3 moves from the end portion on the optical modulator side to the end portion on the optical waveguide side. It has a gentle S-shape that approaches the side portion of the polycrystalline silicon layer 6 on the side away from the rib-shaped portion 3 ′.
  • the polycrystalline silicon layer 6 in the connection path covers the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3 at the end portion on the optical modulator side, and as it approaches the end portion on the optical waveguide side, the polycrystalline silicon layer 6.
  • One of the side surfaces has a tapered portion Z that approaches the other side surface.
  • both side surfaces are linearly tapered, but in this embodiment, one side surface is curved. More specifically, the curve has a large curvature in which the width of the polycrystalline silicon layer 6 gradually increases from the optical waveguide side to the optical modulator side.
  • the taper-shaped portion Z of the polycrystalline silicon layer 6 and the curved portion on the optical waveguide side of the S-shaped portion of the rib-shaped portion 3 ′ are curved in the same direction, and the curve of the tapered-shaped portion Z of the polycrystalline silicon layer 6 Has a curvature larger than the curvature of the curved portion of the rib-shaped portion 3 ′ on the optical waveguide side. If the curvature of the curve of the taper-shaped portion Z is smaller than the curvature of the rib-shaped portion 3 ′ on the optical waveguide side, the polycrystalline silicon layer 6 and the rib-shaped portion are difficult to overlap and the manufacturing margin is reduced. . Further, as will be described later, since the distance from when the polycrystalline silicon layer 6 begins to overlap the rib-shaped portion 3 ′ to when the polycrystalline silicon layer 6 completely overlaps becomes short, light loss is likely to occur.
  • the polycrystalline silicon layer 6 can reduce optical loss when it has a curved taper shape as in the present embodiment rather than a linear taper shape as in the third embodiment. Can do.
  • the gentle S-shaped portion of the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3 and the tapered-shaped portion Z of the polycrystalline silicon layer 6 are larger than the positional shift caused by the manufacturing error. Therefore, optical loss does not increase due to manufacturing errors, and a connection path with a constant coupling loss is obtained as in the above-described embodiment. Therefore, it is possible to realize a highly reliable connection path with a high manufacturing margin.
  • FIG. 9 shows a schematic view of the upper surface when connection paths are provided on both the input and output sides of an optical modulator, which is one of the optical devices.
  • the connection path As the connection path, the connection path of the fourth embodiment described above was used. Between the position AA 'and the position BB', between the position CC 'and the position DD' is a connection path, and between the position BB 'and the position CC' is an optical modulator. Since the structure of the optical waveguide and the optical modulator is the same as that of the above-described embodiment, the description thereof is omitted below.
  • the BB ′ side of the optical modulator is the input side
  • the CC ′ side is the output side.
  • connection path is arranged so as to be line-symmetrical on the light input side and output side with the light modulator in between.
  • the rib-shaped portion 3 ′ of the p-doped silicon layer 3 and the polycrystalline silicon layer 6 are displaced on the horizontal plane due to manufacturing errors on either the input / output side or on any connection path (toward FIG. 9). Therefore, it is possible to realize a connection structure having a manufacturing margin at both the input and output ends.
  • the structure has low coupling loss and high reliability.
  • FIG. 10 shows a schematic diagram of a light intensity modulator of the Mach-Zehnder interferometer type using the connection path of the fourth embodiment.
  • connection path Between the position AA 'and the position BB', between the position CC 'and the position DD' is a connection path, and between the position BB 'and the position CC' is an optical modulator. Since the structure of the optical waveguide and the optical modulator is the same as that of the above-described embodiment, the description thereof is omitted below.
  • connection paths are arranged so as to be line symmetric between the input side and the output side with the optical modulator interposed therebetween.
  • the two arms are not symmetrical and are arranged in parallel with the same configuration.
  • the tip of the tapered shape is located at the portion where the polycrystalline silicon layer 6 passes over the rib-shaped portion 3 ′ (waveguide) of the p-doped silicon layer 3 as in the related art. Not. For this reason, light scattering caused by the tapered tip is eliminated. In addition, optical loss due to misalignment due to manufacturing errors does not occur, so optical loss is reduced, and furthermore, optical loss due to misalignment due to manufacturing errors does not increase or decrease, so a highly reliable connection path Can be realized. At the same time, an optical communication system using a waveguide, a connection path, and an optical device with high reliability and low optical loss can be realized.

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Abstract

作製裕度があり、光損失が抑制可能であり、さらには接続路の信頼性を向上させる、光学装置と光導波路とを接続する接続路を提供する。 本発明の接続路は、接続路の長手方向に延びているリブ形状部(３')を有する第１のシリコン層(３)と、一部がリブ形状部３'の上に重なるように第１のシリコン層(３)の上層に積層され、長手方向に延びている第２のシリコン層(６)とを有している。第２のシリコン層(６)は長手方向の一端部に向かって先細になるテーパー形状部(Ｗ)を有し、長手方向の一端部の端面ではリブ形状部(３')の上方から離れた位置に位置している。

Description

接続路
　本発明は、光導波路と光学装置とを接続する接続路に関する。
　インターネットに代表される情報通信ネットワークは、人々の生活に欠くことのできないインフラとして世界中に張り巡らされている。この情報通信ネットワークのトラフィックを支えている技術として光ファイバを用いた光通信技術がある。光ファイバ通信波長帯の中でも１.３μｍ帯および１．５５μｍ帯を利用可能なシリコン・ベースの光通信デバイスは、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）技術を利用することで、光機能素子および電子回路をシリコンプラットフォーム上に集積化することが可能となる非常に有望なデバイスである。
　年々増加する情報通信ネットワークのトラフィックに対応する方法の１つとして、チャネルあたりの情報伝送速度を増加させる方法がある。その実現には、光通信デバイス内で情報処理を担っているＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ　Ｓｃａｌｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）回路からの信号を、光学装置の１つであり、高速で光信号に変換する光変調器が重要であり、このような光変調器をシリコンプラットフォームで実現することが望まれている。
　これまでに提案されている光変調器の代表的なものは、キャリアプラズマ効果を利用して、シリコン材料の屈折率を変化させ光の導波特性を変える変調器である。例えば、非特許文献１には、逆バイアス電圧を印加することで動作するｐｎ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ－ｎｅｇａｔｉｖｅ）接合を用いた光変調器が記されている。その他にも、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）キャパシタを用いた光変調器などがあり、ともに高速動作が可能となっている。
　図１に、光学装置の１つであり、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に形成された導波路を利用した、シリコン・ベースの光変調器の関連技術の一例（非特許文献１参照）を示す。
　基板２４の上に、酸化物層２５と、ドープ処理したｐドープシリコン層２３とが順に積層され、ＳＯＩ基板が構成されている。リブ形状をしたｐドープシリコン層２３の上層には、逆リブ形状をしておりドープ処理したｎドープシリコン層２１が堆積し、ｎドープシリコン層２１の一方の側部に高濃度にドープ処理したｎ＋ドープシリコン層２０が位置している。また、ｐドープシリコン層２３の両側部には、高濃度にドープ処理したｐ＋ドープシリコン層２２が形成されている。ｎ＋ドープシリコン層２０とｐ＋ドープシリコン層２２には電極２７が接続されている。そして、酸化物層２５によって光変調器全体が覆われている。ｐドープシリコン層２３のリブ形状部２３’とｎドープシリコン層２１の逆リブ形状部２１’で導波路が形成されており、電極２７に逆バイアス電圧を印加することで、導波路内で光変調が行われる。
　光変調器を上記のようなｐｎ接合、またはＭＯＳキャパシタで構成した場合、光変調器と光変調器の外部に設けられている光導波路とを接続すると、光変調器の導波路の構造と光導波路の導波路の構造とが異なる。このように互いに構造が異なる両導波路の接続部分における導波路の急激な形状変化は、光の反射を生じさせてしまい、光導波路と光変調器との結合部で光の結合損失が生じてしまう。この結合損失は、光変調器への光の挿入損失の増加に加え、光変調器による光変調効率を低下させる可能性がある。そのため、光変調器と光導波路との間に結合損失を低減させる接続路を設ける必要がある。
　例えば特許文献１の図２９および図３０に見られるように、光変調器の入出力部分において、２段に積層されたシリコン（Ｓｉ）の各層の入力部と出力部のそれぞれに単一の先端の尖ったテーパー（入力増加テーパー、出力減少テーパー、入力減少テーパー、および出力増加テーパーのいずれか）を形成することで、光導波路と光変調器との接続部分での光損失の低減を図っている。
特表２００６－５１５０８２号公報
A.　Liu　et　al.,　OPTICS　EXPRESS,　vol.15　no.2　(2007)　pp.　660-668.
　しかしながら、特許文献１の図２９および図３０に示されているような２段に積層されたシリコン（Ｓｉ）層の接続路には問題点がある。それは、接続路内に形成されたＳｉ層のテーパーの先端にある程度広い幅を有していることに起因して結合損失が生じることである。さらに、接続路内の上部Ｓｉと下部Ｓｉの作製誤差による位置ずれに起因して結合損失が増大するという問題がある。
　この問題点について、図２Ａ～図３を用いて、より具体的に説明する。
　図２Ａ～図３は、関連技術の一例であり、光導波路と接続路とを接続した場合の接続路付近の概略図であり、図２Ａは、図３の位置ＡＡ’における光導波路の接続路側端部の断面の概略図、図２Ｂは図３の位置ＡＡ’における接続路の断面の概略図、図３は光導波路と接続路とを接続したときの上面図である。図３の位置ＡＡ’より下方に光導波路、位置ＢＢ’より上方に、光学装置の１つである、図１に示す光導波路が接続されるが、光変調器に関しては図示していない。また、酸化物層２５を省略して図示している。
　図２Ａに示すように、光導波路は、基板２４と、酸化物層２５と、ドープ処理したｐドープシリコン層２３とで形成されたＳＯＩ基板が設けられており、ｐドープシリコン層２３は導波路となるリブ形状部２３’を有している。
　図２Ｂに示すように、接続路の光導波路側の端部は、図２Ａに示す光導波路と同様にＳＯＩ基板が設けられ、ｐドープシリコン層２３に形成されたリブ形状部２３’を有する。リブ形状部２３’の上層には多結晶シリコン層２６が設けられている。
　図３に示すように、多結晶シリコン２６はｐドープシリコン２３からなるリブ形状部２３’上にテーパー形状を有しており、位置ＡＡ’　において、多結晶シリコン２６のテーパーの先端が位置している。
　図３に示すように、多結晶シリコン層２６のテーパーの先端はある程度広い幅を有している。理論上、テーパーの先端が原子レベルで尖っている場合は光損失が生じないのだが、実際には、テーパーの先端を細くするには限界がある。したがって、テーパーの先端の幅の分だけ、導波路の形状が急激に変化することになり、この部分で光が反射してしまい、光散乱損失が生じる。
　また、上部Ｓｉ層（図２Ａ～図３では多結晶シリコン層２６）と下部Ｓｉ層（図２Ａ～図３ではｐドープシリコン層のリブ形状部２３’）を作製するときには、作製誤差が生じるため位置ずれが起こる。仮にテーパーの先端の位置が光の伝搬方向に対して垂直方向にずれると、テーパーの先端が導波路の中心からずれるため光フィールドの中心位置がずれたり、テーパーが導波路上で左右非対称になることで伝送される光が予定とは別モードになってしまったりすることに起因する光損失が生じてしまう。さらに、作製誤差により結合損失が増減することから、結合損失が接続路ごとに異なり、信頼性の面でも課題が残る。
　本発明の目的は、上述した課題である、関連技術の接続路では作製裕度が低く、光損失が生じやすく、さらに接続路の信頼性が低い、という問題を解決する、光学装置と光導波路とを接続する接続路を提供することである。
　本発明の接続路には、接続路の長手方向に延びているリブ形状部を有する第１のシリコン層と、一部がリブ形状部の上に重なるように第１のシリコン層の上層に積層され、長手方向に延びている第２のシリコン層とが設けられている。第２のシリコン層は長手方向の一端部に向かって先細になるテーパー形状部を有し、長手方向の一端部の端面ではリブ形状部の上方から離れた位置に位置している。
　本発明によると、光学装置と光導波路とを接続路を介して接続したときに、結合損失をより小さくし、かつ接続路の作製裕度や信頼性を向上させることができる。
関連技術の光変調器の一例の断面の概略図である。 関連技術の接続路の一例であり、図３の位置ＡＡ’における光導波路の接続路側端部の断面の概略図である。 関連技術の接続路の一例であり、図３の位置ＡＡ’における接続路の断面の概略図である。 関連技術の接続路の一例の上面の概略図である。 本発明に係る接続路の一実施形態を示した概略図であり、図５Ｃの位置ＡＡ’における、光導波路の接続路側端部の断面の概略図である。 本発明に係る接続路の一実施形態を示した概略図であり、図５Ｃの位置ＡＡ’における、接続路の光導波路側端部の断面の概略図である。 本発明に係る接続路の一実施形態を示した概略図であり、図５Ｃの位置ＢＢ’における、接続路の光変調器側端部の断面の概略図である。 本発明に係る接続路の一実施形態を示した概略図であり、図５Ｃの位置ＢＢ’における、光変調器の接続路側端部の断面の概略図である。 本発明に係る接続路の一実施形態を示した概略図であり、接続路で光導波路と光変調器を接続したときの上面の概略図である。 本発明に係る接続路の他の実施形態を示した概略図であり、図６Ｃの位置ＡＡ’における、接続路の光導波路側端部の断面の概略図である。 本発明に係る接続路の他の実施形態を示した概略図であり、図６Ｃの位置ＢＢ’における、接続路の光変調器側の端部の断面の概略図である。 本発明に係る接続路の他の実施形態を示した概略図であり、接続路の上面の概略図である。 本発明に係る接続路のさらに他の実施形態を示した概略図であり、図７Ｃの位置ＡＡ’における、接続路の光導波路側端部の断面の概略図である。 本発明に係る接続路のさらに他の実施形態を示した概略図であり、図７Ｃの位置ＢＢ’における、接続路の光変調器側端部の断面の概略図である。 本発明に係る接続路のさらに他の実施形態を示した概略図であり、接続路の上面の概略図である。 本発明に係る接続路のさらに他の実施形態を示した概略図であり、図８Ｃの位置ＡＡ’における、接続路の光導波路側端部の断面の概略図である。 本発明に係る接続路のさらに他の実施形態を示した概略図であり、図８Ｃの位置ＢＢ’における、接続路の光変調器側端部の断面の概略図である。 本発明に係る接続路のさらに他の実施形態を示した概略図であり、接続路の上面の概略図である。 光変調器の入出力側両方に、図８Ａ～図８Ｃにおける接続路を接続したときの上面の概略図である。 図８Ａ～図８Ｃにおける接続路を用いたマッハ・ツェンダー干渉計型の光強度変調器の概略図である。
　以下に、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。なお、同一の機能を有する構成には添付図面中、同一の番号を付与し、その説明を省略することがある。
　以下に説明する接続路は、光導波路と光学装置の１つである光変調器との間に介在して光導波路と光変調器とを接続させるものである。なお、実際の光導波路、接続路、および光変調器は酸化物層で覆われているが、上面を示した図では内部構造の変化をわかりやすくするために、それらを覆っている酸化物層を省略して図示している。
　本発明に係る接続路の第１の実施形態について説明する。
　図４Ａ～図５Ｃは、本発明に係る接続路の第１の実施形態を示した概略図であり、図４Ａは図５Ｃの位置ＡＡ’における、光導波路の接続路側端部の断面の概略図、図４Ｂは図５Ｃの位置ＡＡ’における、接続路の光導波路側端部の断面の概略図、図５Ａは図５Ｃの位置ＢＢ’における、接続路の光変調器側端部の断面の概略図、図５Ｂは図５Ｃの位置ＢＢ’における光変調器の接続路側端部の断面の概略図、図５Ｃは接続路で光導波路と光変調器を接続したときの上面の概略図である。
　なお、図５Ｃにおいて、位置ＡＡ’より下方が光導波路、位置ＡＡ’と位置ＢＢ’の間が接続路、位置ＢＢ’より上方が光変調器である。
　図４Ａに示すように、光導波路には、基板４と、酸化物層５と、ドープ処理したｐドープシリコン層３とで形成されたＳＯＩ基板が設けられている。ｐドープシリコン層３は、リブ形状部３’を有しており、このリブ形状部３’が導波路となっている。そして、光導波路全体は酸化物層５で覆われている。
　図４Ｂに示すように、接続路の光導波路側の端部には、基板４と、酸化物層５と、第１のシリコン層３（以下「ドープ処理したｐドープシリコン層」とする）とで形成されたＳＯＩ基板が設けられている。前述の光導波路と同様にＳＯＩ基板のｐドープシリコン層３はリブ形状部３’を有しており、このリブ形状部３’が導波路となっている。さらに、リブ形状部３’の上層であり、かつリブ形状部３’とは間隔を有する位置に第２のシリコン層６（以下「多結晶シリコン層」とする）が設けられている。
　図５Ａに示すように、接続路の光変調器側の端部には、光導波路側の端部と同様にＳＯＩ基板のｐドープシリコン層３のリブ形状部３’による導波路が形成されている。リブ形状部３’の上部は多結晶シリコン層６によって覆われている。また、接続路全体が酸化物層５で覆われている。
　図５Ｂに示すように、光学装置の１つである光変調器には、基板４と、酸化物層５と、ドープ処理したｐドープシリコン層３とで形成されたＳＯＩ基板が設けられている。ｐドープシリコン層３はリブ形状部３’を有している。また、ｐドープシリコン層３の両側部には、高濃度にドープ処理されたｐ＋ドープシリコン層１２が設けられている。リブ形状部３’の上部にはドープ処理されたｎドープシリコン層１１が設けられており、このｎドープシリコン層は、逆リブ形状部１１’を有している。この２つのリブ形状部３’、１１’により、導波路が形成されている。ｎドープシリコン層１１の側部には高濃度にドープ処理されたｎ＋ドープシリコン層１０が設けられている。そして、ｐ＋ドープシリコン層１２とｎ＋ドープシリコン層１０のそれぞれには電極１７が接続され、電極１７が接続されている部分以外は酸化物層５に覆われている。
　次に、図５Ｃに示すように、ｐドープシリコン層３のリブ形状部３’つまり導波路は、光導波路と光変調器との間を、接続路を介して接続されている。接続路内でｐドープシリコン層３のリブ形状部３’、つまり導波路は接続路の長手方向に延びる直線状になっている。また、接続路の光変調器側の端部における多結晶シリコン層６の幅と、光変調器のｎドープシリコン層１１とｎ＋ドープシリコン層１０の合計の幅とが等しくなっている。多結晶シリコン層６は、ｎドープシリコン層１１とｎ＋ドープシリコン層１０とに接続されている。
　接続路の多結晶シリコン層６は、接続路の長手方向に延び、一部がリブ形状部３’の上に重なるようにｐドープシリコン層３の上に積層されている。具体的には、多結晶シリコン層６は、光変調器側の端部ではｐドープシリコン層３のリブ形状部３’上を覆っている。また、多結晶シリコン層６は、光導波路側の端部に近づくにつれて、多結晶シリコン層６の一方の側面が他方の側面に近づく、つまり先細になる直線状のテーパー形状部Ｗを有している。そして、多結晶シリコン層６は、テーパー形状部Ｗの途中（中間位置）でｐドープシリコン層３のリブ形状部３’に対して、リブ形状部の上方に重なる相対位置から重ならない相対位置へ移行している。したがって、多結晶シリコン層６は、光導波路側の端部では、ｐドープシリコン層３のリブ形状部の上方から離れた位置に位置している。なお、他方の側面は、光の進行方向に沿う直線状である。
　このように多結晶シリコン層６がテーパー形状部Ｗを有する接続路の構成にすることで、ｐドープシリコン層３のリブ形状部３’の上部を多結晶シリコン層６が徐々に覆うようになる。上述したが、導波路の急激な形状変化があると、具体的には、ｐドープシリコン層３と多結晶シリコン層６とが重なり始める位置で両者が直交してしまうと、導波路内を伝播する光はそこで反射をしてしまい、光損失が生じてしまう。関連技術では、上部Ｓｉ層（本実施形態では多結晶シリコン層６に相当）のテーパー形状の先端がある程度広い幅を有することで結合損失が生じていた。しかしながら、本実施形態では多結晶シリコン層６のテーパー形状の先端をｐドープシリコン層３からなる導波路とは間隔を有した位置に設けた。さらに、ｐドープシリコン層３と多結晶シリコン６とが重なり始める位置で両者が直交しないように、徐々に導波路の形状を変化させることで、光損失の発生を低減させることができる。
　さらに、多結晶シリコン層６とｐドープシリコン層３の作製誤差により多結晶シリコン層６とｐドープシリコン層３の位置が予定の配置位置よりも前後左右にずれたとしても、作製誤差に比べて多結晶シリコン層６のテーパー形状部Ｗやｐドープシリコン層３のリブ形状部３’は十分に大きい。そのため、多結晶シリコン層６とｐドープシリコン層３との位置ずれに起因する接続路での光損失が生じることがない。
　前述した関連技術では、接続路の作製裕度が小さかったため、接続路ごとに光損失が異なってしまうことがあった。しかし、本発明の接続路は非常に作製裕度の高い接続路であるため、製造もしやすく、接続路ごとに光損失が異なることがないため、信頼性が非常に高くなっている。
　本発明に係る接続路の第２の実施形態について説明する。なお、光導波路と光変調器の構造は上述の実施形態と同様なので、以下では接続路のみを説明する。
　図６Ａ～図６Ｃは、本発明に係る接続路の第２の実施形態を示した概略図であり、図６Ａは、図６Ｃの位置ＡＡ’における、接続路の光導波路側端部の断面の概略図、図６Ｂは、図６Ｃの位置ＢＢ’における、接続路の光変調器側の端部の断面の概略図、図６Ｃは接続路の上面の概略図である。
　なお、実際は図６Ｃにおいて、位置ＡＡ’より下方に光導波路、位置ＢＢ’より上方に光変調器が接続されている。また、上述の実施形態と同様な構成については説明を省略する。
　図６Ａに示すように、接続路の光導波路側の端部は、基板４と、酸化物層５と、ドープ処理したｐドープシリコン層３とで形成されたＳＯＩ基板が設けられている。また、ＳＯＩ基板のｐドープシリコン層３はリブ形状部３’を有しており、このリブ形状部３’が導波路となっている。さらに、リブ形状部３’の上層であり、かつリブ形状部３’とは間隔を有する位置に多結晶シリコン層６が設けられている。
　図６Ｂに示すように、接続路の光変調器側の端部には、光導波路側の端部と同様にＳＯＩ基板のｐドープシリコン層３のリブ形状部３’により導波路が形成されている。そして、リブ形状部３’の上部は多結晶シリコン層６によって覆われている。そして、接続路全体は酸化物層５で覆われている。
　接続路の光導波路側の端部と、光変調器側の端部とで、多結晶シリコン層６は同様の位置に設けられている。光導波路側の端部ではｐドープシリコン層３のリブ形状部３’と多結晶シリコン層６とは重なり合わず間隔を有している。しかしながら、光変調器側の端部ではリブ形状部３’が多結晶シリコン層６の下に位置して重なり合っており、リブ形状部３’は光導波路側の端部と光変調器側の端部とでは異なった位置にある。
　図６Ｃに示すように、光変調器側の端部から光導波路側の端部まで多結晶シリコン層６は直線状であり、幅を変化させることなく形成されている。本実施形態では、ｐドープシリコン層３に形成されたリブ形状部３’は、光変調器側の端部と光導波路側の端部では位置が異なる。さらに、光変調器側の端部と光導波路側の端部との間にＳ字形状部Ｘを有している。そして、このｐドープシリコン層３のリブ形状部３’のＳ字形状部Ｘ上において、多結晶シリコン層６が重なるようになっている。
　ｐドープシリコン層３のリブ形状部３’のＳ字形状部Ｘと、多結晶シリコン層６の直線状の側部が重なりあうため、光の進行方向に対して垂直にリブ形状部３’と多結晶シリコン層６とが徐々に重なる。そのため、光損失を低減させることができる。また、多結晶シリコン層６とｐドープシリコン層３の作製誤差による位置ずれが生じても、導波路のＳ字形状部Ｘで多結晶シリコン層６とｐドープシリコン層３とが重なり始めればよい。作製誤差による位置ずれに比べ導波路のＳ字状の部分Ｘは大きいため、作製誤差による位置ずれが、光損失を増大させる可能性は低い。したがって、位置ずれにより結合損失が変化することはなく、常に結合損失が一定の接続路となる。このことにより、位置ずれに対して作製裕度が高く、信頼性の高い変調器と導波路の接続路を実現できる。
　本発明に係る接続路の第３の実施形態について説明する。なお、光導波路と光変調器の構造は上述の実施形態と同様なので、以下では説明を省略する。
　図７Ａ～図７Ｃは、本発明に係る接続路の第３の実施形態を示した概略図であり、図７Ａは図７Ｃの位置ＡＡ’における、接続路の光導波路側端部の断面の概略図、図７Ｂは図７Ｃの位置ＢＢ’における、接続路の光変調器側端部の断面の概略図、図７Ｃは接続路の上面の概略図である。
　なお、実際は図７Ｃにおいて、位置ＡＡ’より下方に光導波路、位置ＢＢ’より上方に光変調器が接続されている。また、上述の実施形態と同様な構成については説明を省略する。
　図７Ａに示すように、接続路の光導波路側の端部は、基板４と、酸化物層５と、ドープ処理したｐドープシリコン層３とで形成されたＳＯＩ基板が設けられている。また、ＳＯＩ基板のｐドープシリコン層３はリブ形状部３’を有しており、この部分が導波路となっている。さらに、リブ形状部３’の上層であり、かつリブ形状部３’とは間隔を有する位置に多結晶シリコン層６が設けられている。
　図７Ｂに示すように、接続路の光変調器側の端部は、光導波路側の端部と同様にｐドープシリコン層３のリブ形状部３’により導波路が形成されている。そして、リブ形状部３’の上部は多結晶シリコン層６によって覆われている。
　光導波路側の端部に比べ光変調器側の端部では、ｐドープシリコン層３のリブ形状部３’は多結晶シリコン層６から離れる方向へ移動している。また、ｐドープシリコン層３のリブ形状部３’とは離れている側の多結晶シリコン層６の側部の位置は変化していない。しかしながら、リブ形状部３’に近い側の端部は、リブ形状部側へ移動し、ｐドープシリコン層３のリブ形状部３’の上部を通過し、リブ形状部３’の上部を覆っている。
　図７Ｃに示すように、接続路内において、光変調器側の端部から光導波路側端部へ行くにつれて、ｐドープシリコン層３のリブ形状部３’は、リブ形状部３’とは離れている側の多結晶シリコン層６の側部へ近づくような緩やかなＳ字形状を有している。
　接続路の多結晶シリコン層６は、光変調器側の端部ではｐドープシリコン層３のリブ形状部３’上を覆っている。しかし、光導波路側の端部に近づくにつれて、多結晶シリコン層の一方の側面が他方の側面に近づく、つまり先細になる直線状のテーパー形状部Ｙを有している。本実施形態では、多結晶シリコン層６は、テーパー形状部Ｙにおいて、ｐドープシリコン層３のリブ形状部３’の緩やかなＳ字形状の部分に対して、リブ形状部３’の上方に重なる相対位置から重ならない相対位置へ移行している。そして、多結晶シリコン層６の一方の側面に他方の側面が近接する。
　第１の実施形態では、リブ形状部３’は直線状であったが、本実施形態では、緩やかなかＳ字形状を有する形状とすることで、多結晶シリコン層６がｐドープシリコン層３のリブ形状部３’上を横切るまでに要する距離が長くなる。つまり、第１の実施形態に比べて本実施形態の方がさらに徐々に導波路の形状が変化しており、より光損失を低減させることができる。
　また、作製誤差により生じる位置ずれに対し、ｐドープシリコン層３のリブ形状部３’の緩やかなＳ字形状部、および多結晶シリコン層６のテーパー形状部Ｙは大きいため、作成誤差により光損失が増大することはなく、上述の実施形態と同様に結合損失が一定の接続路となる。したがって、作製裕度が高く、信頼性の高い接続路を実現できる。
　本発明に係る接続路の第４の実施形態について説明する。なお、光導波路と光変調器の構造は上述の実施形態と同様なので、以下では説明を省略する。
　図８Ａ～図８Ｃは、本発明に係る接続路の第４の実施形態を示した概略図であり、図８Ａは図８Ｃの位置ＡＡ’における、接続路の光導波路側端部の断面の概略図、図８Ｂは図８Ｃの位置ＢＢ’における、接続路の光変調器側端部の断面の概略図、図８Ｃは接続路の上面の概略図である。
　なお、実際は図８Ｃにおいて、位置ＡＡ’より下方に光導波路、位置ＢＢ’より上方に光変調器が接続されている。また、上述の実施形態と同様な構成については説明を省略する。
　図８Ａおよび図８Ｂに示すように、本実施形態の接続路の光導波路側の端部の構造と、光変調器側の端部の構造は、上述した第３の実施形態と同様である（図７Ａおよび図７Ｂ参照）。
　図８Ｃに示すように、第３の実施形態と同様、接続路内において、光変調器側の端部から光導波路側端部へ行くにつれて、ｐドープシリコン層３のリブ形状部３’は、リブ形状部３’とは離れている側の多結晶シリコン層６の側部へ近づくような緩やかなＳ字形状を有している。
　接続路の多結晶シリコン層６は、光変調器側の端部ではｐドープシリコン層３のリブ形状部３’上を覆っており、光導波路側の端部に近づくにつれて、多結晶シリコン層６の一方の側面が他方の側面に近づくテーパー形状部Ｚを有している。第１および第３の実施形態では両側面が直線状のテーパーであったが、本実施形態では一方の側面が曲線状である。より具体的には、光導波路側から光変調器側へ行くにつれて多結晶シリコン層６の幅が徐々に大きくなる曲率の大きな曲線状である。多結晶シリコン層６のテーパー形状部Ｚとリブ形状部３’のＳ字形状部の光導波路側の曲部とは同方向に湾曲しており、多結晶シリコン層６のテーパー形状部Ｚの曲線は、リブ形状部３’の光導波路側の曲部の曲率より、大きな曲率を有している。テーパー形状部Ｚの曲線の曲率が、リブ形状部３’の光導波路側の曲部の曲率より小さいと、多結晶シリコン層６とリブ形状部が重なりづらくなり、作製裕度が小さくなってしまう。また、後述するが、多結晶シリコン層６がリブ形状部３’上に重なり始めてから、すべて重なりきるまでの距離が短くなってしまうため、光損失が生じやすくなる。
　第３の実施形態と本実施形態の違いについて説明する。多結晶シリコン層６がｐドープシリコン層３のリブ形状部３’に対してリブ形状部３’の上方に重なる相対位置から重ならない相対位置までの直線距離が同じだと仮定する。しかしながら、本実施形態では多結晶シリコン層６のテーパーが曲線状であるため、多結晶シリコン層６は、より長い距離をかけてリブ形状部３’の上方に重なることになる。導波路の形状は少しずつ変化させたほうが良く、急激な形状の変化は光が反射しやすく、光損失が生じやすい。そのため、多結晶シリコン層６は、第３の実施形態のように直線状のテーパーを有する形状よりも、本実施形態のように曲線状のテーパーを有する形状にしたほうが、光損失を低減させることができる。
　また、上述と同様に、作製誤差により生じる位置ずれに対し、ｐドープシリコン層３のリブ形状部３’の緩やかなＳ字形状部、および多結晶シリコン層６のテーパー形状部Ｚの方が大きいため、作製誤差により光損失が増大することはなく、上述の実施形態と同様に結合損失が一定の接続路となる。そのため、作製裕度が高く、信頼性の高い接続路を実現できる。
　図９に、光学装置の１つである光変調器の入出力側両方に、接続路を設けたときの上面の概略図を示す。接続路として、上述した第４の実施形態の接続路を用いた。位置ＡＡ’と位置ＢＢ’の間と位置ＣＣ’と位置ＤＤ’の間が接続路であり、位置ＢＢ’と位置ＣＣ’の間が光変調器である。なお、光導波路と光変調器の構造は上述の実施形態と同様なので、以下では説明を省略する。
　図中の矢印の方向（左から右）に光が進むと仮定し、説明する。つまり、光変調器のＢＢ’側が入力側であり、ＣＣ’側が出力側である。
　接続路は、光変調器を挟んで光の入力側と出力側で、線対称になるように配置する。このような構成にすることで、入出力側、いずれの接続路でも製作誤差によるｐドープシリコン層３のリブ形状部３’と多結晶シリコン層６の水平面上での位置ずれ（図９に向かって上下左右の位置ずれ）に対して、入出力端の両方で作製裕度のある接続構造を実現できる。もちろん、上述のとおり、結合損失が少なく、信頼性が高い構造である。
　図１０に、第４の実施形態の接続路を用いたマッハ・ツェンダー干渉計型の光強度変調器の概略図を示す。マッハ・ツェンダー干渉計を利用し、マッハ・ツェンダー干渉計の二本のアームにおける光位相差を干渉させることで、光強度変調信号を得ることが可能である。
　位置ＡＡ’と位置ＢＢ’の間と、位置ＣＣ’と位置ＤＤ’の間が接続路であり、位置ＢＢ’と位置ＣＣ’の間が光変調器である。なお、光導波路と光変調器の構造は上述の実施形態と同様なので、以下では説明を省略する。
　図中の黒色矢印は、曲線状のテーパーの向きを示している。つまり、光変調器を挟んで、入力側と出力側で線対称になるように接続路が配置される。そして２本のアームは対称ではなく、同様な構成で並列に配置される。
　このような構成にすることで、上述した理由と同様に、製作誤差によるｐドープシリコン層３のリブ形状部３’と多結晶シリコン層６の水平面上での位置ずれ（図１０に向かって上下左右の位置ずれ）に対して、入出力端の両方で作製裕度のある接続構造を実現できる。もちろん、上述のとおり、結合損失が少なく、信頼性が高い構造である。
　以上述べたとおり、本発明では、ｐドープシリコン層３のリブ形状部３’（導波路）上を多結晶シリコン層６が通過する部分に、関連技術のようにテーパー形状の先端部が位置していない。そのため、テーパー形状の先端部があることにより生じていた光散乱がなくなる。また、製作時の誤差による位置ずれに起因する光損失が生じることもないため、光損失が減り、さらに、作製誤差による位置ずれによる光損失が増減することもないので、信頼性の高い接続路を実現できる。また、同時に、信頼性が高く、光損失の少ない、導波路、接続路、および光学装置を用いた光通信システムも実現することができる。
　この出願は、２００９年６月１６日に出願された日本出願特願２００９－１４３４１７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
３　ｐドープシリコン層（第１のシリコン層）
３’ｐドープシリコン層のリブ形状部（導波路）
４　基板
５　酸化物層
６　多結晶シリコン層（第２のシリコン層）
１０ｎ＋ドープシリコン層
１１ｎドープシリコン層
１１’ｎドープシリコン層のリブ形状部（導波路）
１２ｐ＋ドープシリコン層
１７電極
２０ｎ＋ドープシリコン層
２１ｎドープシリコン層
２１’ｎドープシリコン層のリブ形状部（導波路）
２２ｐ＋ドープシリコン層
２３ｐドープシリコン層
２３’ｐドープシリコン層のリブ形状部（導波路）
２５酸化物層
２７電極
Ｗ，Ｙ，Ｚ　テーパー形状部
Ｘ　Ｓ字形状部

Claims (18)

  1. 　接続路の長手方向に延びているリブ形状部を有する第１のシリコン層と、
    　一部が前記リブ形状部の上に重なるように前記第１のシリコン層の上層に積層され、前記長手方向に延びており、前記長手方向の一端部に向かって先細になるテーパー形状部を有し、前記長手方向の前記一端部の端面では前記リブ形状部の上方から離れた位置に位置する第２のシリコン層と、を有している、
    　光導波路と光学装置との間に介在して前記光導波路と前記光学装置とを接続する接続路。
  2. 　前記第２のシリコン層は、前記テーパー形状部の中間位置で、前記第１のシリコン層の前記リブ形状部に対して、該リブ形状部の上方に重なる相対位置から重ならない相対位置へ移行している、請求の範囲第１項に記載の接続路。
  3. 　前記第１のシリコン層の前記リブ形状部は直線状である、請求の範囲第１項または第２項に記載の接続路。
  4. 　前記第１のシリコン層の前記リブ形状部はＳ字形状部を有しており、前記第１のシリコン層の前記Ｓ字形状部が前記第２のシリコン層の前記テーパー形状部の側面と交わる、請求の範囲第１項に記載の接続路。
  5. 　前記第２のシリコン層の前記テーパー形状部の少なくとも前記リブ形状部と交わる側面は曲線状である、請求の範囲第１項から第４項のいずれか１項に記載の接続路。
  6. 　前記第２のシリコン層の前記テーパー形状部は、前記第１のシリコン層の前記Ｓ字形状部が有する２つの湾曲部のうち他方の端部側の湾曲部と同方向に湾曲している曲線状であり、かつ、前記第１のシリコン層の他方の端部側の前記湾曲部の曲率よりも大きな曲率を有している、請求の範囲第４項に記載の接続路。
  7. 　接続路の長手方向に延びているリブ形状部を有する第１のシリコン層と、
    　前記第１のシリコン層の上層に位置し、前記接続路の長手方向の一端部では前記第１のシリコン層と重なっておらず、前記長手方向の他端部では前記第１のシリコン層とは重なっており、前記第１のシリコン層と重なり始める位置では互いに直交していない、第２のシリコン層と、を有している、
    　光導波路と光学装置との間に介在して前記光導波路と前記光学装置とを接続する接続路。
  8. 　前記第１のシリコン層の前記リブ形状部はＳ字形状部を有しており、前記Ｓ字形状部で前記第２のシリコン層と重なり始める、請求の範囲第７項に記載の接続路。
  9. 　請求の範囲第１項から第８項のいずれか１項に記載の接続路で光導波路と光学装置が接続されている、光通信システム。
  10. 　接続路の長手方向に延びるように形成したリブ形状部を有する第１のシリコン層の上層に、一部が前記リブ形状部の上に重なるように、かつ前記長手方向に延びるように、かつ第２のシリコン層には前記長手方向の一端部に向かって先細になるテーパー形状部を形成し、前記長手方向の前記一端部の端面を前記リブ形状部の上方から離れた位置に前記第２のシリコン層を積層する工程を含む、
    　光導波路と光学装置との間に介在して前記光導波路と前記光学装置とを接続させる接続路の製造方法。
  11. 　前記第２のシリコン層の前記テーパー形状部を、部分的に前記第１のシリコン層の前記リブ形状部の上方に位置するように配置する、請求の範囲第１０項に記載の接続路の製造方法。
  12. 　前記第１のシリコン層の前記リブ形状部を直線状に形成する、請求の範囲第１０項または第１１項に記載の接続路の製造方法。
  13. 　前記第１のシリコン層の前記リブ形状部にＳ字形状部を形成し、前記第１のシリコン層の前記Ｓ字形状部と前記第２のシリコン層の前記テーパー形状部を部分的に重ねる、請求の範囲第１０項に記載の接続路の製造方法。
  14. 　前記第２のシリコン層の前記テーパー形状部の少なくとも前記リブ形状部と交わる側面を曲線状に形成する、請求の範囲第１０項から第１３項のいずれか１項に記載の接続路の製造方法。
  15. 　前記第２のシリコン層の前記テーパー形状部を、前記第１のシリコン層の前記Ｓ字形状部を形成する２つの湾曲部のうち他方の端部側に設けた湾曲部と同方向に、かつ前記第１のシリコン層の他方の端部側の前記湾曲部の曲率よりも大きい曲率で湾曲させる、請求の範囲第１３項に記載の接続路の製造方法。
  16. 　リブ形状部を有する第１のシリコン層の上層に、接続路の長手方向の一端部では前記第１のシリコン層と重ならず、前記長手方向の他端部では前記第１のシリコン層と重なるように、かつ前記第１のシリコン層と第２のシリコン層とが重なり始める位置において、両者が直交しないように前記第２のシリコン層を積層する工程を含む、
    　光導波路と光学装置との間に介在して前記光導波路と前記光学装置とを接続させる接続路の製造方法。
  17. 　前記第１のシリコン層の前記リブ形状部にＳ字形状部を形成し、前記Ｓ字形状部で前記第２のシリコン層と重なり始めるようにする、請求の範囲第１６項に記載の接続路の製造方法。
  18. 　請求の範囲第１０項から第１７項のいずれか１項に記載の接続路の製造方法で製造される接続路と、光学装置と、光導波路とを一体成形する、光通信システムの製造方法。
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