WO2022180730A1 - 光導波路 - Google Patents

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毅彦 俵
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    • G02B2006/1208—Rare earths

Definitions

  • the present invention relates to optical waveguides using rare earth oxides.
  • Si-based photonic integrated circuits are considered one of the most promising and low-cost technologies for realizing high-speed, low-power interconnects, for example, in data centers.
  • Rare earth additive materials are one of the promising solutions for realizing Si-based optical amplifiers and lasers for constructing Si photonics integrated circuits. Rare earth materials are widely used as active media for optical amplifiers and lasers.
  • erbium-doped fiber amplifiers EDFAs
  • EDWA erbium-doped optical waveguide amplifier
  • single crystal Rare Earth Oxides (REO) thin films have a higher Er concentration and higher crystal quality than any other material, and can be epitaxially grown on a Si substrate. REOs are therefore promising candidates for application in Si-based photonic integrated circuit technology.
  • an optical waveguide structure with low propagation loss and high optical confinement factor using REO is desirable.
  • a higher index core surrounded by a lower index cladding is usually important to ensure light propagation in an optical waveguide.
  • the following two optical waveguide structures are known for conventional Er-containing amorphous or polycrystalline base materials.
  • Non-Patent Document 1 there is a configuration in which a high refractive index base material (Al 2 O 3 ) is used as the Er-doped core and a low refractive index material is used as the clad (Non-Patent Document 1).
  • the lower clad is typically made of SiO2 and the upper clad is made of SiO2 or air.
  • Non-Patent Document 2 there is a configuration in which a high refractive index material (eg, SiN) is used as a core and a low refractive index base material doped with Er is used as an upper clad.
  • a high refractive index material eg, SiN
  • a low refractive index base material doped with Er is used as an upper clad
  • An optical waveguide structure using single-crystal REO is a Si optical waveguide structure with REO as the upper clad. This structure can be produced by growing an REO thin film on an SOI (Silicon on Insulator) substrate and sequentially patterning the grown REO thin film and the surface silicon layer of the SOI substrate by etching or the like.
  • SOI Silicon on Insulator
  • the optical waveguide structure described above has two problems. First, since the refractive index of REO ( ⁇ 1.6-2.0) is much lower than that of Si ( ⁇ 3.45), most of the guided modes are concentrated in the Si layer. For this reason, the optical confinement factor ( ⁇ REO ) of a layer of REO is typically very small, typically less than 10%.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and aims to facilitate the fabrication of optical waveguides for realizing optical amplifiers, lasers, and the like.
  • An optical waveguide according to the present invention comprises a clad layer, a Si layer made of single crystal Si formed on the clad layer, and a REO layer made of single crystal rare earth oxide formed on the Si layer. , and a striped cap layer formed on the REO layer and extending in the optical waveguide direction.
  • the cap layer is provided on the REO layer, optical waveguides for realizing optical amplifiers, lasers, etc. can be easily manufactured.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of an optical waveguide according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows the calculation results of the leakage loss of guided light with a wavelength of 1462 nm for an optical waveguide with the width of the cap layer 104 ranging from 0.5 to 3 ⁇ m using a numerical simulation based on a finite element optical waveguide mode solver. It is a characteristic diagram showing.
  • FIG. 4 is a characteristic diagram showing calculation results of optical confinement factors in the REO layer 103 for optical waveguides using cap layers 104 with different widths.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of an optical waveguide according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows the calculation results of the leakage loss of guided light with a wavelength of 1462 nm for an optical waveguide with the width of the cap layer 104 ranging from
  • FIG. 5A is a cross-sectional view showing the state of the optical waveguide in an intermediate step for explaining the method of manufacturing the optical waveguide according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view showing the state of the optical waveguide in an intermediate step for explaining the method of manufacturing the optical waveguide according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5C is a cross-sectional view showing the state of the optical waveguide in an intermediate step for explaining the method of manufacturing the optical waveguide according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5D is a cross-sectional view showing the state of the optical waveguide in an intermediate step for explaining the method of manufacturing the optical waveguide according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5E is a cross-sectional view showing the state of the optical waveguide in an intermediate step for explaining the method of manufacturing the optical waveguide according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing measurement results of propagation loss when light with a wavelength of 1490 nm is guided through the fabricated optical waveguide.
  • FIG. 7 is a characteristic diagram showing calculation results of leakage loss and light confinement coefficient when the cap layer is made of Si and the width of the cap layer is changed.
  • FIG. 8 is an electric field profile when the cap layer is composed of Si.
  • This optical waveguide comprises a cladding layer 101 , a Si layer 102 , a REO layer 103 and a cap layer 104 .
  • the cladding layer 101 is formed on the substrate 111 .
  • the cladding layer 101 can be made of silicon oxide, for example.
  • the Si layer 102 is made of single crystal Si and formed on the clad layer 101 .
  • the surface of the Si layer 102 can be, for example, the (111) plane or the (100) plane.
  • a well-known SOI (Silicon on Insulator) substrate can be used, the silicon substrate portion of the SOI substrate being the substrate 111, the buried insulating layer being the cladding layer 101, and the surface Si layer being the Si layer 102.
  • the clad layer 101 generally has a thickness of 2 ⁇ m or more, and the Si layer 102 has a thickness of 50 to 200 nm.
  • the REO layer 103 is composed of a single crystal rare earth oxide and formed on the Si layer 102 .
  • the REO layer 103 can be composed of ( ErxGd1 -x ) 2O3 , for example. Also, the REO layer 103 can have a thickness of 50 to 200 nm.
  • Cap layer 104 is formed on the REO layer 103 .
  • Cap layer 104 may be composed of a material that is transparent to the light to be guided.
  • the cap layer 104 can be composed of SiN or Si.
  • the cap layer 104 has a stripe shape (mesa shape) extending in the optical waveguide direction.
  • the cap layer 104 can have a thickness of 300 to 500 nm, for example, if it is made of SiN.
  • the REO layer 103 is formed on the Si layer 102, and the cap layer 104 having a higher refractive index than air is further formed thereon, so that the waveguide mode moves to the cap layer 104 side.
  • the center of the mode of guided light is near the interface between the Si layer 102 and the REO layer 103 in the region where the cap layer 104 is formed.
  • the optical waveguide according to the embodiment can be optically connected to, for example, a Si optical waveguide with a Si core formed by patterning the Si layer 102 in another region of the cladding layer 101 .
  • TM-polarized light propagates (guiding), and the electric field component thereof is a component perpendicular to the surface of the substrate 111 (cladding layer 101).
  • the wavelength range of the guided light of this optical waveguide is near the S band, C band, and L band of the wavelength bands used in optical communication.
  • the width of cap layer 104 is important to achieve low propagation loss.
  • FIG. 2 shows the calculation result of the leakage loss of guided light with a wavelength of 1462 nm for the optical waveguide with the width of the cap layer 104 ranging from 0.5 to 3 ⁇ m using numerical simulation based on the finite element optical waveguide mode solver. show.
  • the clad layer 101 has a thickness of 2 ⁇ m
  • the Si layer 102 has a thickness of 70 nm
  • the REO layer 103 has a thickness of 60 nm
  • the cap layer 104 made of SiN has a thickness of 300 nm.
  • This width is hereinafter referred to as the optimized width.
  • the width W the leakage loss can be optimized.
  • Optical waveguides with different parameters (REO composition, layer thickness, wavelength) from the conditions described above can have different optimized cap layer 104 widths.
  • the optimized width of cap layer 104 can be set using a similar numerical simulation method.
  • FIG. 4 shows calculated optical confinement factors in the REO layer 103 for optical waveguides using cap layers 104 of different widths.
  • the optical confinement factor is a value used to characterize the optical confinement strength in the REO layer 103; the larger the confinement factor, the stronger the light-matter interaction.
  • the optical confinement factor at the optimized cap layer 104 width of 1.20 ⁇ m was calculated to be 17.4%. Further, when the optical confinement coefficient at the optimized width of the cap layer 104 of 2.45 ⁇ m was calculated, it was 18.8%. These values are larger than those for ordinary Si optical waveguides.
  • an SOI substrate having a buried insulating layer to be the cladding layer 101 and a surface Si layer to be the Si layer 102 is prepared. or a known cleaning method using a chemical such as hydrofluoric acid.
  • (Er x Gd 1-x ) 2 O 3 is epitaxially grown on the Si layer 102 by a well-known molecular beam epitaxy method to form a REO layer 103 as shown in FIG. 5B.
  • a solid source can be used for rare earth elements, and a gas source can be used for oxygen.
  • SiN is deposited by the well-known electron cyclotron resonance plasma CVD method to form a silicon nitride layer 201 on the REO layer 103, as shown in FIG. 5C.
  • a resist pattern 202 is formed on the silicon nitride layer 201. Then, as shown in FIG. The resist pattern 202 is formed in a stripe shape (mesa shape) extending in the optical waveguide direction.
  • a resist film is formed on the silicon nitride layer 201 by spin-coating a photoresist or an electron beam resist. Next, the resist film is exposed by known photolithography or electron beam lithography to form a latent image. Thereafter, the resist pattern 202 can be formed by developing the resist film on which the latent image is formed.
  • the silicon nitride layer 201 is etched by known reactive ion etching to form the cap layer 104 as shown in FIG. 5E. After that, by removing the remaining resist pattern 202, the optical waveguide shown in FIG. 1 is obtained.
  • the manufacturing method described above is a normal technique generally used in the manufacture of semiconductor layers at present, and the optical waveguide according to the embodiment can be manufactured easily.
  • FIG. 6 shows the measurement results of propagation loss when light with a wavelength of 1490 nm is guided through the fabricated optical waveguide. Note that the width of the cap layer 104 is 1.08 ⁇ m.
  • the x-axis indicates the length of the optical waveguide (waveguide length), and the y-axis indicates the transmittance of the optical waveguide.
  • the optical waveguide according to the present invention is not limited to the materials and dimensions described above.
  • the REO layer is not limited to (Er x Gd 1-x ) 2 O 3 but may be composed of other rare earth oxides.
  • SiO 2 instead of REO, SiO 2 , barium titanate (BaTiO 3 ), etc. can also be applied.
  • the cap layer is not limited to SiN, and may be made of other transparent materials. Examples include SiO2 , TiO2 , Si, and the like.
  • the optimized cap layer width that minimizes the propagation loss can be determined by numerical simulation once the conditions such as material, thickness, etc. are determined.
  • FIG. 7 shows calculation results of the leakage loss and the optical confinement factor when the cap layer is made of Si and the width of the cap layer is changed.
  • the thickness of the Si layer under the REO layer was 70 nm
  • the thickness of the REO layer was 60 nm
  • the thickness of the cap layer made of Si was 150 nm.
  • the wavelength of the guided light was set to 1462 nm.
  • the width of the cap layer at which the leakage loss is minimized was 0.8 ⁇ m, 1.55 ⁇ m, and 2.3 ⁇ m. Also, with a cap layer width of 0.8 ⁇ m, the minimum leakage loss is 0.37 db/cm and the optical confinement factor is 43.2%. Also, with a cap layer width of 1.55 ⁇ m, the minimum leakage loss is 0.65 db/cm and the optical confinement factor is 45.3%. Also, with a cap layer width of 2.3 ⁇ m, the minimum leakage loss is 0.36 db/cm and the optical confinement factor is 45/9%. These results are significantly greater than when the cap layer is made of SiN.
  • the mode profile of the optical waveguide with a cap layer width of 0.8 ⁇ m is shown in FIG. 8, which indicates a large amount of light confinement in the REO layer.
  • the cap layer is provided on the REO layer, optical waveguides for realizing optical amplifiers, lasers, etc. can be easily manufactured.
  • the optical waveguide according to the present invention replaces conventional optical waveguides by placing a mesa structure made of commonly used materials such as SiN and Si on top of a REO layer grown on top of a Si layer.
  • the problem of low confinement factor and fabrication difficulty can be solved.
  • the width of the cap layer is appropriately optimized according to each parameter of the optical waveguide.
  • the optical confinement factor in the REO layer can be further enhanced by using a higher refractive index cap layer.
  • the optical waveguide structure according to the present invention is general and can be applied to other functional materials grown on Si substrates.
  • the optical waveguide structure according to the present invention can realize a low-loss optical waveguide with a large optical confinement factor for the REO layer grown on the Si layer.
  • This optical waveguide can remarkably enhance the interaction between propagating light (guided light) and rare earth ions. realizable.
  • the optical waveguide according to the present invention can be manufactured by processing only the cap layer without requiring REO etching. For each processing method related to the formation of the cap layer, currently established general semiconductor device manufacturing methods can be applied. Therefore, it is extremely easy to manufacture the optical waveguide according to the present invention. Furthermore, the optical waveguide structure of the present invention can be applied to other functional materials grown on Si, and can realize hetero-integrated photonic devices that cannot be realized with Si itself.

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Abstract

光導波路は、クラッド層（１０１）、Ｓｉ層（１０２）、ＲＥＯ層（１０３）、およびキャップ層（１０４）を備える。ＲＥＯ層（１０３）は、単結晶の希土類酸化物から構成され、Ｓｉ層（１０２）の上に形成されている。キャップ層（１０４）は、ＲＥＯ層（１０３）の上に形成されている。キャップ層（１０４）は、導波対象の光に対して透明な材料から構成することができる。また、キャップ層（１０４）は、光導波方向に延在するストライプ状（メサ形状）とされている。

Description

光導波路
　本発明は、希土類酸化物を用いた光導波路に関する。
　近年、Ｓｉベースのフォトニック集積回路を目指して、Ｓｉ基板上に、光導波路、レーザーなどの発光素子、光増幅器、および受光素子などの光学素子の集積化が進んでいる。Ｓｉベースのフォトニック集積回路（Ｓｉフォトニクス集積回路）は、例えば、データセンターにおける高速で低消費電力の相互接続を実現するための最も有望で低コストの技術の１つと考えられている。
　Ｓｉフォトニクス集積回路を構成するためのＳｉベースの光増幅器やレーザーを実現する有望な解決策の１つとして、希土類添加材料がある。希土類系材料は、光増幅器やレーザーの活性媒体として広く用いられている。特に、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は、長距離光ファイバ通信に使用される主要な光増幅器である。ＥＤＦＡ技術をＳｉチップに導入するためには、エルビウムドープ光導波路増幅器（ＥＤＷＡ）が採用される。しかし、この種の技術において一般に用いられている固体材料に添加できる希土類元素の濃度が低いため、１桁ｄＢ／ｃｍ以下の光学利得しか実現されていない。これは、必要な光利得を達成するために非常に長いデバイスを必要とし、Ｓｉチップ上では実現不可能である。
　上述したＥＤＷＡに対し、単結晶の希土類酸化物（Rare Earth Oxides；ＲＥＯ）の薄膜は、他のどの材料よりもＥｒ濃度が高く、結晶品質が高く、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長できる。このため、ＲＥＯは、Ｓｉベースのフォトニック集積回路の技術への応用の有望な候補である。
　ここで、例えば、Ｓｉ基板上において、レーザーや光増幅器などを実現するためには、ＲＥＯを用いた、伝搬損失が低く光閉じ込め係数が高い光導波路構造が望ましい。光導波路における光伝搬を確実にするためには、通常、より屈折率の低いクラッドで囲まれた、より屈折率の高いコアが重要となる。従来のＥｒ含有非晶質または多結晶の母材には、以下のような２つの光導波路の構造が知られている。
　第１に、Ｅｒがドープされるコアとして高屈折率の母材材料（Ａｌ2Ｏ3）が使用され、クラッドとして低屈折率の材料が使用される構成がある（非特許文献１）。この種の光導波路において、典型的には、下部クラッドはＳｉＯ2とし、上部クラッドはＳｉＯ2または空気としている。
　第２に、高屈折率の材料（例えば、ＳｉＮ）をコアとして、Ｅｒがドープされた低屈折率母材を上部クラッドとする構成がある（非特許文献２）。
S. A. Vazquez-Cordova et al., "Erbium-doped spiral amplifiers with 20 dB of net gain on silicon", Optics Express, vol. 22, no. 21, pp. 25993-26004, 2014. H. C. FRANKIS et al., "Erbium-doped TeO2-coated Si3N4 waveguide amplifiers with 5 dB net gain", Photonics Research, vol. 8, no. 2, pp. 127-134, 2020.
　ところで、単結晶ＲＥＯ薄膜の場合、高品質のＲＥＯはＳｉＯ2上では成長できず、単結晶Ｓｉ上でのみ成長する。このため、前述した２つの光導波路構造のどちらも適用することはできない。単結晶ＲＥＯを用いた光導波路構造としては、上部クラッドをＲＥＯとした、Ｓｉ光導波路構造となる。この構造は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板の上にＲＥＯ薄膜を成長し、成長したＲＥＯ薄膜およびＳＯＩ基板の表面シリコン層を、順次にエッチング加工などによりパターニングすることによって作製することが考えられる。
　しかしながら、上述した光導波路構造には２つの問題がある。まず、ＲＥＯの屈折率（約１．６～２．０）は、Ｓｉの屈折率（～３．４５）よりもはるかに低いため、ほとんどの導波モードは、Ｓｉの層に集中する。このため、ＲＥＯの層の光閉じ込め係数（ΓREO）は通常非常に小さく、通常は１０％未満となる。ＥＤＷＡのモード利得（ｇmodal）は、材料利得（ｇmaterial）と光閉じ込め係数の両方に関連しており、「ｇmodal＝ΓREO×ｇmaterial」で示すことができる。このように、上述した光導波路構造では、達成可能なモード利得は、低い光閉じ込め係数によって制限される。
　また、ＲＥＯは、エッチングが非常に難しいことが知られており、ＲＥＯの加工方法は確立されていない。従って、上述した光導波路構造は、現時点で作製することができない。
　上述したように、従来、高性能Ｓｉベースの光増幅器やレーザーなどと集積可能なＲＥＯを用いた光導波路を作製することが容易ではなく、光増幅器やレーザーなどを実現するための光導波路が容易に作製できないという問題があった。
　本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光増幅器やレーザーなどを実現するための光導波路が容易に作製できるようにすることを目的とする。
　本発明に係る光導波路は、クラッド層と、クラッド層の上に形成された、単結晶ＳｉからなるＳｉ層と、Ｓｉ層の上に形成された、単結晶の希土類酸化物からなるＲＥＯ層と、ＲＥＯ層の上に形成されて光導波方向に延在するストライプ状のキャップ層とを備える。
　以上説明したように、本発明によれば、ＲＥＯ層の上にキャップ層を設けたので、光増幅器やレーザーなどを実現するための光導波路が容易に作製できる。
図１は、本発明の実施の形態に係る光導波路の構成を示す構成図である。 図２は、有限要素光導波路モードソルバーに基づく数値シミュレーションを用いて、キャップ層１０４の幅を０．５から３μｍの範囲とした光導波路について、１４６２ｎｍの波長の導波光の漏れ損失の計算結果を示す特性図である。 図３は、キャップ層１０４を最適化された幅Ｗ＝１．２０μｍとした光導波路の基本ＴＭモードの電界プロファイルである。 図４は、各々異なる幅のキャップ層１０４を用いた光導波路に対する、ＲＥＯ層１０３における光閉じ込め係数の計算結果を示す特性図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態に係る光導波路の製造方法を説明するための途中工程の光導波路の状態を示す断面図である。 図５Ｂは、本発明の実施の形態に係る光導波路の製造方法を説明するための途中工程の光導波路の状態を示す断面図である。 図５Ｃは、本発明の実施の形態に係る光導波路の製造方法を説明するための途中工程の光導波路の状態を示す断面図である。 図５Ｄは、本発明の実施の形態に係る光導波路の製造方法を説明するための途中工程の光導波路の状態を示す断面図である。 図５Ｅは、本発明の実施の形態に係る光導波路の製造方法を説明するための途中工程の光導波路の状態を示す断面図である。 図６は、作製した光導波路に波長１４９０ｎｍの光を導波させたときの伝搬損失の測定結果を示す特性図である。 図７は、キャップ層をＳｉから構成し、また、キャップ層の幅を変化させた場合の、漏れ損失および光閉じ込め係数の計算結果を示す特性図である。 図８は、キャップ層をＳｉから構成した場合の電界プロファイルである。
　以下、本発明の実施の形態に係る光導波路について図１を参照して説明する。この光導波路は、クラッド層１０１、Ｓｉ層１０２、ＲＥＯ層１０３、およびキャップ層１０４を備える。
　クラッド層１０１は、基板１１１の上に形成されている。クラッド層１０１は、例えば、酸化シリコンから構成することができる。Ｓｉ層１０２は、単結晶Ｓｉから構成され、クラッド層１０１の上に形成されている。Ｓｉ層１０２の表面は、例えば、（１１１）面または（１００）面とすることができる。例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用い、ＳＯＩ基板のシリコン基板部を基板１１１とし、埋め込み絶縁層をクラッド層１０１とし、表面Ｓｉ層をＳｉ層１０２とすることができる。この場合、一般に、クラッド層１０１は、厚さ２μｍ以上となり、Ｓｉ層１０２は、厚さ５０～２００ｎｍとなる。
　ＲＥＯ層１０３は、単結晶の希土類酸化物から構成され、Ｓｉ層１０２の上に形成されている。ＲＥＯ層１０３は、例えば、（ＥｒxＧｄ1-x）2Ｏ3から構成することができる。また、ＲＥＯ層１０３は、厚さ５０～２００ｎｍとすることができる。
　キャップ層１０４は、ＲＥＯ層１０３の上に形成されている。キャップ層１０４は、導波対象の光に対して透明な材料から構成することができる。例えば、キャップ層１０４は、ＳｉＮまたはＳｉから構成することができる。また、キャップ層１０４は、光導波方向に延在するストライプ状（メサ形状）とされている。キャップ層１０４は、例えば、ＳｉＮから構成する場合、厚さ３００～５００ｎｍとすることができる。
　上述した実施の形態によれば、Ｓｉ層１０２の上にＲＥＯ層１０３を形成しているが、さらにこの上に、空気より高い屈折率となるキャップ層１０４を形成しているので、導波モードがキャップ層１０４の側に移動する。この結果、導波する光のモードの中心は、キャップ層１０４が形成されている領域のＳｉ層１０２とＲＥＯ層１０３との界面近傍となる。実施の形態に係る光導波路は、例えば、クラッド層１０１の他の領域に、Ｓｉ層１０２をパターニングすることで形成されたＳｉコアによるＳｉ光導波路に、光学的に接続することができる。
　以下、より詳細に説明する。上述した実施の形態に係る光導波路は、ＴＭ偏光を有する光が伝搬（導波）し、その電界成分は、基板１１１（クラッド層１０１）の表面に垂直な方向の成分となる。この光導波路の導波光の波長範囲は、光通信で用いられる波長帯のＳバンド、Ｃバンド、およびＬバンド付近である。
　キャップ層１０４の幅は、低伝搬損失を達成するために重要である。図２に、有限要素光導波路モードソルバーに基づく数値シミュレーションを用いて、キャップ層１０４の幅を０．５から３μｍの範囲とした光導波路について、１４６２ｎｍの波長の導波光の漏れ損失の計算結果を示す。なお、ＲＥＯ層１０３は（ＥｒxＧｄ1-x）2Ｏ3、Ｅｒ組成はｘ＝０．０５７としている。また、クラッド層１０１の厚さは２μｍ、Ｓｉ層１０２の厚さは７０ｎｍ、ＲＥＯ層１０３の厚さは６０ｎｍ、ＳｉＮから構成したキャップ層１０４の厚さは３００ｎｍである。
　図２に示されているように、漏れ損失（Leakage Loss）は、キャップ層１０４の幅Ｗに強く依存し、Ｗ＝１．２０μｍおよびＷ＝２．４５μｍで２つの極小値を示した。以下、この幅を、最適化した幅と称する。対応する損失最小値は、Ｗ＝１．２０μｍで４．９６ｄＢ／ｃｍ、Ｗ＝２．４５μｍで０．３７ｄＢ／ｃｍである。これらの損失は、従来のＳｉ光導波路の最先端のものと同等であり、光導波路増幅器、レーザーなどの多くのデバイス用途に十分に用いることができる低さである。また、幅Ｗを制御することで、漏れ損失を最適化することができる。
　図３に、キャップ層１０４を最適化された幅Ｗ＝１．２０μｍとした光導波路の基本ＴＭモードの電界プロファイルを示す。これは、光導波路のモードが、ＲＥＯ層１０３に十分に閉じ込められ、光が最小の損失で光導波路に沿って伝搬できることを示している。上述した条件と異なるパラメータ（ＲＥＯ組成、層厚、波長）の光導波路は、異なる最適化されたキャップ層１０４の幅とすることができる。キャップ層１０４の最適化された幅は、同様の数値シミュレーション法を用いて設定することができる。
　図４に、各々異なる幅のキャップ層１０４を用いた光導波路に対する、ＲＥＯ層１０３における計算された光閉じ込め係数を示す。光閉じ込め係数は、ＲＥＯ層１０３における光閉じ込め強度を特性化するために用いられる値であり、閉じ込め係数が大きいほど、光－物質相互作用は強くなる。最適化したキャップ層１０４の幅１．２０μｍにおける光閉じ込め係数を計算したところ、１７．４％になった。また、最適化したキャップ層１０４の幅２．４５μｍにおける光閉じ込め係数を計算したところ、１８．８％になった。これらの値は、通常のＳｉ光導波路の場合の値より大きい。
　次に、実施の形態に係る光導波路の製造方法について、図５Ａ～図５Ｅを参照して説明する。
　まず、図５Ａに示すように、基板１１１の上に、クラッド層１０１となる埋め込み絶縁層、Ｓｉ層１０２となる表面Ｓｉ層を備えるＳＯＩ基板を用意し、これを、濃硫酸、過酸化水素水溶液との混合液や、フッ酸などの薬液を用いた、公知の洗浄により洗浄する。
　次に、よく知られた分子線エピタキシー法により、Ｓｉ層１０２の上に（ＥｒxＧｄ1-x）2Ｏ3をエピタキシャル成長して、図５Ｂに示すように、ＲＥＯ層１０３を形成する。分子線エピタキシー法において、希土類は固体ソースを用い、酸素はガスソースを用いることができる。
　次に、よく知られた電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ法によりＳｉＮを堆積することで、図５Ｃに示すように、ＲＥＯ層１０３の上に窒化シリコン層２０１を形成する。
　次に、図５Ｄに示すように、窒化シリコン層２０１の上にレジストパターン２０２を形成する。レジストパターン２０２は、光導波方向に延在するストライプ状（メサ形状）に形成する。例えば、窒化シリコン層２０１の上に、フォトレジストまたは電子線レジストを回転塗布することで、レジスト膜を形成する。次に、公知のフォトリソグラフィーまたは電子線リソグラフィーにより、レジスト膜を露光して潜像を形成する。この後、潜像が形成されたレジスト膜を現像することで、レジストパターン２０２を形成することができる。
　次に、レジストパターン２０２をマスクとし、公知の反応性イオンエッチングにより窒化シリコン層２０１をエッチングすることで、図５Ｅに示すように、キャップ層１０４を形成する。この後、残ったレジストパターン２０２を除去することで、図１に示す光導波路が得られる。上述した製造方法は、現在、半導体層の製造において、一般に用いられている通常の技術であり、実施の形態に係る光導波路は、容易に製造可能である。
　図６に、作製した光導波路に波長１４９０ｎｍの光を導波させたときの伝搬損失の測定結果を示す。なお、キャップ層１０４の幅は、１．０８μｍである。図６において、ｘ軸は光導波路の長さ（導波長）を示し、ｙ軸は光導波路の透過率を示す。これらのデータを線形関数でフィッティングすることにより、伝搬損失をフィッティング曲線の勾配として抽出することができ、伝搬損失は７．７７ｄＢ／ｃｍの低さであった。この値は、前述した計算結果と一致する。
　なお、本発明に係る光導波路は、上述した材料や各寸法に限定されるものではない。例えば、ＲＥＯ層は、（ＥｒxＧｄ1-x）2Ｏ3に限るものではなく、他の組成の希土類酸化物から構成することができる。また、ＲＥＯの代わりに、ＳｉＯ2、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）などにも適用することができる。また、キャップ層は、ＳｉＮに限らず、他の透明材料から構成することができる。例としては、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ｓｉなどがある。上述したように、伝搬損失が最小となる最適化されたキャップ層の幅は、材料、厚さなどの各条件が決定されると、数値シミュレーションによって決定することが可能である。
　キャップ層の屈折率が増加すると、光閉じ込め係数も大きくすることができる。これは、ＳｉＮをＳｉに置き換えることで実現できる。一例として、図７に、キャップ層をＳｉから構成し、また、キャップ層の幅を変化させた場合の、漏れ損失および光閉じ込め係数の計算結果を示す。なお、ＲＥＯ層の下のＳｉ層の厚さは７０ｎｍ、ＲＥＯ層の厚さは６０ｎｍ、Ｓｉから構成したキャップ層の厚さは１５０ｎｍとした。また、ＲＥＯ層は、Ｅｒ組成はｘ＝０．０５７とした（ＥｒxＧｄ1-x）2Ｏ3から構成した。また、導波光の波長は、１４６２ｎｍとした。
　図７に示されているように、漏れ損失が極小となるキャップ層の幅は、０．８μｍ，１．５５μｍ，２．３μｍとなった。また、キャップ層の幅０．８μｍでは、最小漏れ損失が０．３７ｄｂ／ｃｍ，光閉じ込め係数が４３．２％である。また、キャップ層の幅１．５５μｍでは、最小漏れ損失が０．６５ｄｂ／ｃｍ，光閉じ込め係数が４５．３％である。また、キャップ層の幅２．３μｍでは、最小漏れ損失が０．３６ｄｂ／ｃｍ，光閉じ込め係数が４５／９％である。これらの結果は、キャップ層をＳｉＮから構成した場合に比較して、かなり大きい。キャップ層の幅０．８μｍとした場合の光導波路のモードプロファイルを図８に示すが、これはＲＥＯ層に大量の光が閉じ込められていることを示している。
　以上に説明したように、本発明によれば、ＲＥＯ層の上にキャップ層を設けたので、光増幅器やレーザーなどを実現するための光導波路が容易に作製できるようになる。
　本発明に係る光導波路は、Ｓｉ層の上に成長させたＲＥＯ層の上に、ＳｉＮやＳｉのような一般に使用される材料から作製されるメサ構造を配置することにより、従来の光導波路における低閉じ込め率と作製困難性の問題が解決できる。低伝搬損失を達成するためには、光導波路の各パラメータに従ってキャップ層の幅を、適宜に最適化する。ＲＥＯ層中の光閉じ込め係数は、より高い屈折率のキャップ層を使用することによってさらに高めることができる。本発明に係る光導波路の構造は、一般的であり、Ｓｉ基板上に成長させた他の機能性材料に適用することができる。
　本発明に係る光導波路構造により、Ｓｉ層の上に成長させたＲＥＯ層のための大きな光閉じ込め係数をもつ低損失光導波路が実現できる。この光導波路により、伝搬光（導波光）と希土類イオン間の相互作用を著しく増強することができ、光導波路型光増幅器、レーザー、オンチップ光量子メモリなどの希土類イオンに基づく高性能光導波路デバイスが実現できる。
　本発明に係る光導波路は、ＲＥＯのエッチング処理を必要とせずに、キャップ層のみを加工することによって製造できる。キャップ層の形成に関わる各処理方法は、現在確立されている一般的な半導体装置の製造方法が適用できる。従って、本発明に係る光導波路の製造は、極めて容易である。さらに、本発明の光導波路構造は、Ｓｉ上に成長させた他の機能性材料にも適用することができ、Ｓｉ自体では実現できないヘテロ集積フォトニックデバイスを実現することができる。
　なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
　１０１…クラッド層、１０２…Ｓｉ層、１０３…ＲＥＯ層、１０４…キャップ層、１１１…基板。

Claims (4)

  1. 　クラッド層と、
    　前記クラッド層の上に形成された、単結晶ＳｉからなるＳｉ層と、
    　前記Ｓｉ層の上に形成された、単結晶の希土類酸化物からなるＲＥＯ層と、
    　前記ＲＥＯ層の上に形成されて光導波方向に延在するストライプ状のキャップ層と
    　を備える光導波路。
  2. 　請求項１記載の光導波路において、
    　前記キャップ層は、ＳｉＮまたはＳｉから構成されていることを特徴とする光導波路。
  3. 　請求項１または２記載の光導波路において、
    　前記クラッド層は、酸化シリコンから構成されていることを特徴とする光導波路。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の光導波路において、
    　導波する光のモードの中心は、前記キャップ層が形成されている領域の前記Ｓｉ層と前記ＲＥＯ層との界面近傍とされていることを特徴とする光導波路。
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