WO2023218533A1 - 光回路 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to silicon photonics optical circuits, and more particularly to inspection circuits for optical circuits.
  • Si photonics whose core material is silicon (Si), which is widely used as a semiconductor
  • Si photonics optical circuits can be significantly smaller than conventional optical circuits.
  • the refractive index of Si is extremely high, compared to conventional optical circuits that have been developed based on low-refractive-index materials, the confinement of light is stronger and the waveguide can be constructed with a smaller bending radius.
  • Si photonics optical circuits can realize desired functions such as optical transceivers by integrating various circuit elements.
  • the Si photonics chip is packaged into an optical module, and input/output terminals for optical and electrical signals are configured.
  • the optical module By incorporating the optical module into a transmission device, etc., it becomes possible to efficiently construct and operate an optical communication system.
  • CMOS circuits and the like that use the same Si and have only electric circuits
  • general-purpose wafer inspection technology can be used, and it is easy to select non-defective products in the wafer state.
  • testing of Si photonics optical circuits is performed using both optical and electrical signals. For this reason, testing of Si photonics optical circuits is extremely complicated, leading to increased costs in terms of equipment costs and testing time, as shown in Patent Document 1.
  • test circuit elements in addition to this circuit leads to an increase in chip area.
  • One aspect of the present invention is an optical circuit formed on a silicon substrate, which includes a Mach-Zehnder interferometer type modulator including two arm waveguides in which a PN junction is formed in a cross section, and a test circuit for the modulator.
  • an input section including a rectangular waveguide into which test light is input; a PN junction connected to the rectangular waveguide and having the same configuration as at least one of the arm waveguides in parallel with the two arm waveguides; and a test circuit including an optical branch configured with a rectangular waveguide, which branches the test light into equal intensities and propagates the two branched lights in mutually opposite directions to the test waveguide. It is an optical circuit equipped with
  • the optical circuit of the present invention provides an inspection circuit that accurately reflects manufacturing errors in the circuit including the modulator and achieves miniaturization.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical module including a Si photonics chip.
  • 1 is a diagram showing a Si photonics chip configuration including a modulator test circuit.
  • FIG. FIG. 3 is a diagram showing a Si photonics chip configuration including other optical circuits of a modulator.
  • 1 is a diagram showing the configuration of a general Mach-Zehnder interferometer type modulator.
  • FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional structure of a waveguide in two arm waveguides.
  • 1 is a diagram showing the configuration of a conventional inspection circuit in an optical circuit including a modulator;
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of another test circuit in an optical circuit including a modulator.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a mask shift mode in a zigzag modulation waveguide.
  • 1 is a diagram showing the configuration of an inspection circuit for an optical circuit according to Embodiment 1 including a modulator.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of optical branching in the test circuit of Embodiment 1.
  • FIG. 7 is a diagram showing the configuration of an optical circuit inspection circuit according to a second embodiment including a modulator.
  • FIG. FIG. 7 is a diagram showing the configuration of an optical circuit inspection circuit of Embodiment 3 including a modulator.
  • the optical circuit of the present disclosure provides a test circuit with a novel configuration that accurately reflects manufacturing errors in an optical circuit including a modulator formed on a silicon substrate.
  • a test circuit is disclosed that accurately reflects the influence of manufacturing errors that occur in the modulator of this circuit during the manufacturing process of the optical circuit, and at the same time achieves miniaturization.
  • the configuration of a test circuit in a conventional Si photonics chip and its problems will be explained.
  • the configuration and operation of the inspection circuit in the optical circuit of the present disclosure will be explained.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical module including a Si photonics chip.
  • the optical module 100 includes a Si photonics chip 10 including a plurality of optical modulators 11.
  • the Si photonics chip 10 interfaces an electrical signal 17 with the outside through an electrical input/output wiring 15. Further, an optical fiber 13 fixed by an optical fiber assembly 12 interfaces light with the outside.
  • the optical circuit in the chip 10 includes four optical modulators 11 connected in parallel to the input waveguide 14 and an output waveguide 16, but the configuration shown in FIG. 1 is only an example of the optical circuit. . It is assumed that the Si photonics chip 10 described below includes at least one optical modulator 11. In the manufacturing process of the optical module 100, inspection can be easily performed using the electrical input/output wiring 15 and the input/output interface of the optical fiber assembly 12.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a Si photonics chip including a modulator inspection circuit.
  • the Si photonics chip 10 will be referred to as the Si chip 10 for simplicity.
  • the Si chip 10 includes the four optical modulators 11 described in FIG. 1, and is the main circuit 10-1 that will be actually used after being mounted in an optical module.
  • the Si chip 10 includes a test circuit 20 in addition to the four optical modulators (Mod) 11 of the present circuit 10-1.
  • test modulator (Test Mod) 21 for the modulator is provided in the Si chip 10 as a test circuit, and this test modulator 21 is evaluated in place of the optical modulator 11 of the circuit 10-1. It becomes possible to predict the performance of this circuit.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of a Si photonics chip including other optical circuits of the modulator.
  • the Si photonics circuit may include an optical circuit 14 that performs other functions and may have a more complex configuration depending on its use.
  • an element circuit 22 corresponding to the optical circuit 14 used in the present circuit 10-1 can be provided.
  • FIGS. 2 and 3 by evaluating the Test Mod 21 and the element circuit 22 in the test circuit 20 and predicting the performance of this circuit 10-1, practical Si chip testing becomes possible. .
  • the optical modulator 11 occupies a very large area.
  • the Test Mod 21 in the test circuit 20 also occupies a large area.
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of a general Mach-Zehnder interferometer modulator.
  • FIG. 4(a) shows a top view (xy plane) of a Mach-Zehnder interferometer (MZI) optical modulator fabricated on a Si substrate
  • FIG. 4(b) shows a waveguide.
  • a cross-sectional view (xz plane) of the portion is shown.
  • the optical waveguide MZI type modulator 11 consists of two couplers 32 and 33 and two arm waveguides 35a and 35b connecting them.
  • the light input to the coupler 32 on the input side is branched, propagates in the y-axis direction through two arm waveguides, and is combined by the coupler 33 on the output side.
  • the two couplers 32 and 33 are also referred to as optical wiring sections 30-1 and 30-2 because they have the function of splitting/combining light and distributing the light.
  • the arm waveguides 35a and 35b are configured as modulation waveguides for modulating electrical signals, and function as the modulation section 31.
  • the optical waveguide MZI type modulator 11 is widely used in Si photonics, and will be simply referred to as a modulator hereinafter.
  • FIG. 4(b) shows a cross section perpendicular to the length direction of each waveguide, and the modulator 11 is composed of two types of optical waveguides.
  • a Y branch circuit is used as the input-side coupler 32 and the output-side coupler 33, respectively. It has the function of optical wiring to distribute light from/to the arm waveguide, and generally uses a rectangular waveguide.
  • the diagram on the right side of FIG. 4(b) shows, for example, a cross section of a rectangular waveguide of the coupler 32 on the input side, and a ridge-shaped rectangular waveguide (core) 32 is placed on a substrate 50 that acts as a cladding. It is formed. Both parts of the coupler 32, which splits light into two, and the coupler 33, which combines two lights, are formed by rectangular waveguides.
  • the two arm waveguides 35a and 35b are each configured as a modulation waveguide, and a special form such as a rib-type waveguide is used to convert information of an electrical signal into an optical signal.
  • the diagram on the left side of FIG. 4(b) shows a cross section of the rib-type waveguide which is the arm waveguide 35a for modulation. Different impurity doping is performed with the center of the rib portion having a step structure in the x direction as a boundary, and one side is a P-type region 51 and the other side is an N-type region 52.
  • the refractive index of the core is modulated.
  • the refractive index modulation of the core by the electrical signal changes the phase difference between the lights propagating through the two arm waveguides, and the interference state when the lights are combined in the coupler 33 changes in accordance with the electrical signal.
  • the optical modulator 11 also includes rectangular waveguide phase shifters 34a and 34b.
  • a desired modulated light can be obtained by adjusting the phase modulated light in the rib waveguide of the modulation section 31 to an appropriate interference state using the phase shifters 34a and 34b.
  • the arm waveguide that performs modulation in the modulation section 31 has a point where a PN junction is formed by two doped regions in the core cross section.
  • the structure is significantly different from the rectangular waveguides in the waveguides 32 and 33.
  • the overall length of the modulator is generally from several 100 ⁇ m to several mm depending on the design conditions. Therefore, if a modulator having the same structure as that shown in FIG. 4A is provided in a chip as a test circuit, the chip area will be significantly increased. In order to inspect optical loss in a modulator, it is important to accurately reproduce the loss in the modulation waveguide. If the characteristics of the modulator in this circuit deteriorate due to manufacturing variations as described later, it is necessary to accurately reproduce the deterioration in the test circuit.
  • the loss of the modulating arm waveguide having a rib-type structure greatly affects the modulator characteristics. Therefore, when inspecting a modulator, it is important to accurately evaluate the loss of a modulation arm waveguide in which a PN junction is formed by two types of doping regions.
  • FIG. 5 is a diagram showing the cross-sectional structure of the waveguide in two arm waveguides.
  • FIG. 5(a) shows the cross-sectional structure when there is no mask displacement
  • FIG. 5(b) shows the cross-sectional structure when the mask for generating the P-type region is displaced in the ⁇ x direction.
  • the modulator 11 includes two arm waveguides 35a and 35b, and in the following explanation, in order to distinguish between the two arm waveguides, the A waveguide The right side of the waveguide is called the B waveguide.
  • the arm waveguides 35a and 35b have a rib-type structure in which a silicon portion is processed into a convex step.
  • the impurity is introduced so that the center position of the convex portion of the rib in the x-axis direction is the boundary position between the P-type region and the N-type region.
  • impurities are implanted by ion implantation (hereinafter referred to as implantation).
  • FIG. 5(a) shows an ideal state in which the mask for the implantation process does not shift and the PN junction is accurately formed at the center of the core.
  • the cross-sectional structure (xz plane) of the A waveguide 35a and the B waveguide 35b is designed such that the P-type region 51 and the N-type region 52 are symmetrical. ing.
  • a PN junction is formed with the center line along the length direction of each of the arm waveguides 35a and 35b as a boundary.
  • the P-type region and the N-type region are arranged symmetrically with respect to the center line of the modulator 11 along the light traveling direction (y direction). That is, a symmetrical design is used both in the shape of the arm waveguide and in the arrangement of the two impurity regions. In order to suppress characteristic deterioration due to various manufacturing process variations of the two modulation waveguides of MZI, it is possible to use the above-mentioned symmetrical structure.
  • Characteristic deterioration of rib-type waveguides due to manufacturing errors can occur in various ways, but one typical example is an increase in waveguide loss.
  • One of the causes of increased loss is the misalignment of the respective implant positions for forming the P-type region 51 and the N-type region 52, which is independently caused by the respective mask misalignment for the P-type region and the N-type region. .
  • Another factor contributing to the increase in waveguide loss is a deviation in the shape of the waveguide due to process errors in manufacturing the convex structure of the rib-type waveguide. When there is no mask shift or waveguide shape shift and the PN junction is formed symmetrically as shown in FIG. 5(a), the same loss is given to the light propagating through the two arm waveguides. Therefore, the A waveguide and the B waveguide will have the same characteristics.
  • FIG. 5(b) shows a state in which the mask for the implantation process of the P-type region is misaligned due to manufacturing errors, and the PN junction is formed deviating from the ideal structure. Specifically, a case is shown in which the mask of the P-type region is shifted in the -x direction, and in the A waveguide 35a, a blank region 53 in which no impurity is introduced is formed in the center of the core. Furthermore, in the B waveguide 35b, P-type impurities are introduced overlappingly into the N-type region side beyond the core center, and the substantial impurity concentration is reduced in this overlapping region 54.
  • FIG. 6 is a diagram showing the configuration of a conventional inspection circuit in an optical circuit including a modulator.
  • a part of the substrate (chip) of the Si photonics circuit is shown, and the MZI modulator 11 in the main circuit and the MZI modulator 21 in the test circuit are shown.
  • the A waveguide 35a and B waveguide 35b used in the modulator 11 of this circuit the A waveguide 35a and B waveguide 35b having the same length and the same PN junction structure are used in the modulator of the test circuit. 21 in the chip.
  • the two arm waveguides of the present circuit and the two arm waveguides of the test circuit are arranged to be completely parallel, and that the positions in the waveguide length direction are also the same.
  • the effects of misalignment of the implant position and manufacturing errors of the convex structure that occur during the manufacturing process on the modulator characteristics can be minimized. are the same.
  • the performance of the modulator 11 of this circuit can be estimated.
  • the size of the modulator 11 of the main circuit and the modulator 21 of the test circuit are the same, and an increase in the chip area becomes a problem. Furthermore, since it is necessary to adjust the interference state using the phase shifters 34a and 34b, a complicated inspection system using optical and electrical signals is required. Although not clearly shown in FIG. 6, the rectangular waveguides of the optical wiring sections 30-1 and 30-2 of the inspection circuit 21 extend to the end face of the Si chip and are connected to optical fibers etc. via the end face of the substrate, thereby reducing loss. will be inspected. Two fibers need to be connected to the optical measurement system.
  • FIG. 7 is a diagram showing the configuration of another inspection circuit in an optical circuit including a modulator.
  • the test circuit 21A on the right side of FIG. 7 differs from the modulator 21 of the test circuit shown in FIG. 6 in that it does not have the form of a modulator, but is a test circuit that estimates the performance of the A waveguide 35a of this circuit. . It has the same length as the A waveguide 35a of this circuit, and is miniaturized by the modulation waveguide 36 having a zigzag folded shape.
  • the rectangular waveguides of the optical wiring sections 30-1A and 30-2A have the same length as the optical wiring sections 30-1 and 30-2 of this circuit.
  • the manufacturing error of the rib shape (convex structure) in the manufacturing process is the same between the main circuit and the test circuit, and the test accuracy equivalent to that of the test modulator 21 in FIG. 6 can be obtained. It looks like that. However, when a mask shift occurs in either the P-type region or the N-type region, the amount of implant position shift and the manner of the shift are significantly different between the modulator 11 of this circuit and the inspection circuit 21A, as described below. ing.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a mode of mask displacement in a zigzag modulation waveguide.
  • FIG. 8A is the same as the test circuit 21A shown in FIG. 7, and shows three parts of the modulation waveguide 36 through which light propagates.
  • the light input to the optical wiring section 30-1A constituted by a rectangular waveguide first propagates through the i portion of the modulation waveguide 36 in the +y direction. Next, the light propagates through part ii in the +x direction, and then further propagates through part iii in the -y direction.
  • the modulation waveguide 36 the light changes direction in a zigzag pattern and propagates while feeling the waveguide structure. Therefore, in estimating the performance of the circuit, it is important to determine whether the waveguide structure of the test circuit that allows light to be sensed along the propagation direction accurately reflects the state of the circuit.
  • FIG. 8(b) shows a waveguide structure in which light is felt in the modulation waveguide 36 folded in a zigzag shape when the mask for the P-type region is shifted in the -x direction.
  • the cross-sectional structure of the waveguide of the modulation waveguide 36 of FIG. 8(a) corresponding to the A waveguide is shown in the order of the i section, the ii section, and the iii section along the propagation direction.
  • each diagram in FIG. 8(b) shows a waveguide structure in which light is felt as it propagates.
  • FIG. 8 shows a modulation waveguide (not shown) that has the same shape as the modulation waveguide 36 in (a) and corresponds to the B waveguide 35b of this circuit, along the propagation direction.
  • the cross-sectional structure of the waveguide is shown in the order of parts, ii, and iii.
  • the modulation waveguide for the B waveguide is not shown, the overall shape of the modulation waveguide 21A in FIG. 8(a) may be reversed horizontally, and the P-type region and the N-type region may also be reversed.
  • FIG. 8(b) what should be noted in FIG. 8(b) is that when the cross-sectional structure of the zigzag modulation waveguide 36 is viewed along the light propagation direction, the PN junction that occurs due to mask displacement depending on the light propagation direction. are different in shape. In other words, the cross-sectional structure of the waveguide that the light perceives changes depending on the direction in which the light propagates.
  • the inspection circuit 21A folded in a zigzag shape does not accurately reflect the influence caused by manufacturing errors of the modulation waveguide in this circuit, and the accuracy as an optical circuit inspection circuit is reduced.
  • the performance change of the modulation waveguide caused by mask displacement differs between the main circuit and the test circuit.
  • the rectangular waveguides of the optical wiring sections 30-1A and 30-2A of the inspection circuit 21 extend to the end surface of the Si chip and connect the optical fibers through the end surface of the substrate. etc., and a loss test is performed. It is necessary to optically connect two fibers at the end faces of two opposing sides of the chip.
  • test circuit 21 shown in FIG. 6 has an increased chip size, whereas the test circuit 21A shown in FIG. None of them were sufficient in that they could not be done.
  • test circuit 21A For optical circuits including modulators, there is a need for a test circuit that can accurately reproduce the amount of variation in characteristics due to manufacturing errors that occur in the modulator of this circuit, while at the same time realizing miniaturization.
  • the optical circuit of the present disclosure provides a test circuit that accurately reflects the influence of manufacturing errors occurring in the optical modulator of the present circuit, and at the same time achieves miniaturization.
  • the new test circuit described below employs a test method that uses only test light without using electrical signals, thereby simplifying the test process for MZI modulators.
  • a modulator typically has electrical terminals that control the phase difference. By applying a control voltage to this electrical terminal, the phase difference is adjusted so that the loss of the entire modulator is minimized. Loss inspection is performed by inputting light into the modulator while a control voltage is applied.
  • testing using electricity and light requires a complex testing system and complicated procedures. In order to simplify the inspection process, it is important to use an inspection method that uses only light for inspection.
  • a modulator When a modulator is realized using an MZI type configuration including two arm waveguides as shown in FIG. 4, it is ideally designed so that the transmittances of the A waveguide 35a and the B waveguide 35b are equal.
  • the above-mentioned implant position shift or process error in manufacturing the convex structure of the waveguide occurs, a difference occurs in the transmittance of the A waveguide and the B waveguide.
  • the electric field transmittance of the A waveguide is t A
  • the electric field transmittance of the B waveguide is t B
  • the phase difference between the arm waveguides is ⁇
  • the above equation expresses the principle of amplitude modulation by the MZI modulator, and by controlling this phase difference ⁇ with an electrical signal, the overall transmittance can be modulated and the modulator can be used as an optical modulator.
  • the transmittances t A and t B of the A waveguide and the B waveguide can be determined individually, the overall transmittance T M as a modulator can be estimated. . Therefore, if the transmittances t A and t B of the A waveguide and the B waveguide can be measured using a highly accurate inspection circuit, the influence of manufacturing errors can be accurately grasped and reflected in the quality evaluation of the manufacturing process.
  • the optical circuit of the present disclosure is equipped with a test waveguide half the length of the arm waveguide of this circuit.
  • the configuration is such that light propagates in two directions on the test waveguide, achieving reproduction of the same characteristics as the modulator of this circuit.
  • a loop-shaped path configured between the branch ports of the optical branch is used. Embodiments with different configurations are disclosed depending on the manner in which the two branched lights of the test light are guided to the test waveguide.
  • the optical branch divides the test light with equal intensity, and after each branched light propagates along a loop-shaped path, the two branched lights are combined in the same phase.
  • test circuit in the optical circuit of the present disclosure makes it possible to accurately estimate the modulator characteristics in the circuit from the test waveguide characteristics.
  • FIG. 9 is a diagram showing the configuration of a test circuit in the optical circuit of Embodiment 1 including the modulator of the present disclosure.
  • FIG. 9(a) shows the top surface (xy plane) of the test circuit 61A formed on the Si substrate of the optical circuit including the modulator.
  • the optical circuit includes the main circuit 10-1 and the test circuit 20, and the test circuit 61A corresponds to Test Mod 21, which is a part of the test circuit 20.
  • FIG. 9B shows a waveguide cross section (xz plane) of the test waveguide 60a, which corresponds to the modulation arm waveguide 35a of this circuit.
  • the test circuit 61A includes a rectangular waveguide 37-1 (input section) into which the test light 40 is input, a test waveguide 60a connected to the rectangular waveguide 37-1, A light reflecting section is provided to reflect the test light propagating in the +y direction through the test waveguide 60 in the opposite direction (-y direction).
  • the light reflecting section includes a rectangular waveguide 37-2, an optical branch 38, and a loop-shaped rectangular waveguide 39.
  • FIG. 10 is a diagram showing the configuration of the light reflecting section in the test circuit of Embodiment 1.
  • (a) of FIG. 10 shows the propagation of the test light on the outward path
  • (b) shows the propagation of the test light on the return path.
  • the test light 40 propagates in the y direction from the test waveguide 60a and reaches the optical branch 38.
  • the optical branch divides the input light into equal parts and outputs branched lights 41a and 41b having the same intensity in two directions of the loop-shaped rectangular waveguide 39.
  • the branched lights 41a and 41b propagated around the loop-shaped rectangular waveguide 39 are combined in the same phase by the optical branch 38, and the combined test light 42 is passed through the test waveguide.
  • the optical branch 38 of the light reflection section branches the test light propagating on the outgoing path of the test waveguide into equal intensities, and further combines the branched lights again to propagate to the test waveguide as the return path. It works like that.
  • the light reflecting section shown in FIG. 10 propagates the test light in two directions on the test waveguide 60a and operates as a loopback mirror for reciprocating the test light.
  • the left diagram in (b) shows the waveguide structure of the i section where the test light traveling along the outgoing path of the test waveguide 60a in the y direction is felt, and the mask for the P-type region is shifted in the -x direction. ing. That is, since only the P-type region 51 is shifted in the -x direction, a blank region 53 into which impurities are not introduced is generated.
  • the right figure in (b) shows the waveguide structure of the ii section where the test light traveling in the return path of the test waveguide 60a in the -y direction is felt, and shows the case where the mask for the P-type region is shifted in the -x direction. It shows.
  • the waveguide structure felt by the test light on the outbound and return trips differs only in that the positions of the P-type region and N-type region are reversed left and right, and the profile of the PN junction caused by mask misalignment is be substantially the same. Since the outward and return paths of the physically identical test waveguide 60a are used, the test light senses a cross-sectional structure that is symmetrical with respect to the center line of the rib structure.
  • the waveguide structures of the outbound path i section and the return path section ii which are felt by the test light, are the same. Therefore, the waveguide loss caused by the mask shift for the P-type region is also the same in the outgoing and returning paths.
  • the consistency of the cross-sectional structure felt by the test light through the outbound and return passes is the same even if a shift occurs only in the mask in the N-type region, or even if shifts occur simultaneously and independently in both the P-type and N-type masks. .
  • the length of the test waveguide 60a in the test circuit 61A is set to half (1/2) of the length of the arm waveguide 35a, which is the modulation waveguide of this circuit, the Changes in the cross-sectional structure due to mask displacement or the like can be accurately reproduced in the test waveguide 60a.
  • the test light propagates substantially the same length as the arm waveguide 35a of the circuit through the outgoing and returning paths of the test waveguide 60a. Therefore, the influence of manufacturing errors that occur in the optical modulator of this circuit during the manufacturing process can be accurately reflected in the inspection circuit 61A.
  • the arm waveguide 35a of this circuit and the test waveguide 60a of the test circuit 61A must be configured in parallel. Note that the length of the test waveguide 60a is not necessarily limited to half (1/2) the length of the arm waveguide 35a, which will be explained at the end.
  • the present invention provides a Mach-Zehnder interferometer type modulator including two arm waveguides 35a and 35b in which a PN junction is formed in the cross section in an optical circuit formed on a silicon substrate, and a test circuit 61A for the modulator.
  • an input section including a rectangular waveguide 37-1 into which the test light 40 is input; It is composed of at least one test waveguide 60a having a PN junction of the same configuration and a rectangular waveguide, splits the test light into equal intensities, and propagates the two branched lights to the test waveguide in mutually opposite directions.
  • the inspection circuit including the optical branch 38 can be implemented.
  • the total length of the at least one test waveguide mentioned above may be 1/2 of the length of the arm waveguide.
  • the input section is a single rectangular waveguide 37-1, and at least one test waveguide is a single test waveguide 60a having a length of 1/2 of the arm waveguide.
  • One end of the single test waveguide is connected to the single rectangular waveguide of the input section, and the other end of the single test waveguide is connected to the input side port of the optical branch 38.
  • the branch side ports of the optical branch are connected in a loop shape by a single rectangular waveguide 39.
  • the test circuit 61A shown in FIG. 9 is a test circuit for the A waveguide 35a of the circuit shown in FIG.
  • a test circuit 61B for the B waveguide 35b of this circuit is obtained.
  • Two test circuits corresponding to the two arm waveguides of this circuit can test the transmittance (t A , t B ) of each arm waveguide.
  • inspection can be performed using only test light without using electrical signals, and a simplified measurement system with only one optical input/output fiber is required, making the inspection procedure simpler. becomes.
  • the inspection system is greatly simplified compared to the conventional inspection circuit 21, which required two fibers for measurement at the end faces on two sides of the chip. Further, the round-trip transmittance of the test waveguide 60a, which is configured with half the length of the modulation waveguide 35a of the present circuit, matches the electric field transmittance of the modulation waveguide 35a of the present circuit. Therefore, by simply substituting the electric field transmittances (t A , t B ) obtained from the A waveguide test circuit and the B waveguide test circuit into equation (2), the loss of the MZI modulator of this circuit can be reduced. Estimation becomes possible.
  • test circuit 61A In the test circuit 61A, a certain amount of excessive loss occurs in the rectangular waveguide 37-1 that serves as the light input/output section and in the loopback mirror that serves as the light reflection section. Therefore, it is necessary to separately calculate the excess loss using a test circuit or the like provided for the light reflecting section and compensate for the electric field transmittance of the test circuit.
  • the arm waveguides 35a and 35b of the main circuit and the test waveguides 60a and B waveguide for the A waveguide of the test circuit are arranged so that there is no difference in the cross-sectional structure of the modulation waveguide between the test circuit and the main circuit.
  • the waveguide test waveguides 60b are designed to be parallel to each other. As a result, even if an implant position shift or the like occurs, the characteristic fluctuation of the modulator of this circuit can be accurately estimated in the test circuit.
  • the implant position etc. may be changed in the longitudinal direction in the A waveguide and the B waveguide. Even in that case, by halving the length while maintaining the longitudinal design, the characteristics of this circuit can be estimated from the test circuit as shown in FIG.
  • the PN junctions of the two arm waveguides of this circuit were configured symmetrically with respect to the center line along the direction of optical propagation of the modulator.
  • the structure of the PN junction in the cross section of the first arm waveguide (A waveguide) and the structure of the PN junction in the cross section of the second arm waveguide (B waveguide) are two parallel to the propagation direction of light. is symmetrical about the center line of the arm waveguide.
  • a first test circuit 61A corresponding to the first arm waveguide and a second test circuit 62B corresponding to the second arm waveguide are provided. It should be noted that if the A waveguide and the B waveguide do not have a symmetrical structure but have the same structure, a single common test circuit is sufficient.
  • a light reflecting section including an optical branch is provided at one end of the single test waveguide 60a, and the test light is transmitted to the single test waveguide 60a for test light.
  • the outbound and return trips were realized.
  • the test light i.e., the two branched lights
  • the test waveguide 60a is propagating on the return path.
  • the test circuit can be realized by a different configuration of the optical branches, in which the two branched lights are propagated in opposite directions to the test waveguide.
  • FIG. 11 is a diagram showing the configuration of a test circuit in the optical circuit of Embodiment 2 including the modulator of the present disclosure.
  • FIG. 11(a) shows the top surface (xy plane) of the test circuit 62B formed on the Si substrate of the optical circuit including the modulator.
  • the optical circuit includes a main circuit 10-1 and a test circuit 10-2, and the test circuit 62B in FIG. 11 corresponds to Test Mod 21, which is a part of the test circuit 20 in FIG. .
  • (b) of FIG. 11 shows the i section of the test waveguide 60-1 of the two test waveguides, which corresponds to the arm waveguide 35b (B waveguide) of this circuit, and the test waveguide 60-2.
  • the cross-sectional structure (xz plane) of part ii is shown.
  • the test circuit 62B has a configuration in which two test waveguides 60-1 and 60-2 are included in the loop path of the light reflecting section shown in FIG. .
  • the lengths of the two test waveguides 60-1 and 60-2 in the test circuit 62B are half (1/2) of the length of the arm waveguide 35b, which is the modulation waveguide of this circuit.
  • the two test waveguides 60-1 and 60-2 have the same cross-sectional structure in terms of the PN junction structure. Therefore, in the cross section of the xz plane, the P-type region and the N-type region have the same positional relationship.
  • the test light 40 is input from the lowermost rectangular waveguide 37 to the input port of the optical branch 38.
  • the optical branch 38 divides the test light equally, and outputs branched light of the same intensity from the branch port to two directions of the loop path including the two test waveguides.
  • One branched light output from one branch port of the optical branch 38 propagates in the y direction through the test waveguide 60-1, passes through the rectangular waveguide 39-2, and then passes through the test waveguide 60-2. is propagated in the opposite direction (-y direction).
  • One branched light propagates clockwise along the loop path and reaches the other branched port.
  • the other branch light output from the other branch port of the optical branch 38 propagates counterclockwise along the loop path and reaches the branch port.
  • the two branched lights propagating in opposite directions each pass through two test waveguides 60-1 and 60-2, and suffer loss over the entire length of the test waveguides 60-1 and 60-2. .
  • the two branched lights propagated through the loop path are combined in phase and output from the rectangular waveguide 37 as test light that has passed through the test waveguides 60-1 and 60-2.
  • FIG. 11(b) the cross-sectional structure of the waveguides that the test light senses in the two test waveguides 60-1 and 60-2 described above is shown.
  • the left diagram in (b) shows the waveguide structure of the i section where the test light traveling through the test waveguide 60-1 in the y direction is felt, and the mask for the N-type region is shifted in the -x direction. ing. That is, since only the N-type region 51 is shifted in the ⁇ x direction, N-type impurities are introduced into the P-type region side in duplicate, resulting in an overlapping region 54.
  • the figure on the right in (b) shows the waveguide structure of part ii where the test light traveling through the test waveguide 60-2 in the -y direction is felt, and shows the case where the mask for the N-type region is shifted in the -x direction. It shows.
  • the waveguide structure that the test light senses in the two test waveguides 60-1 and 60-2 differs only in that the positions of the P-type region and the N-type region are reversed left and right, which is caused by mask misalignment.
  • the profiles of the PN junctions are essentially the same.
  • the test light traveling around the loop path will perceive a cross-sectional structure that is symmetrical about the centerline of the rib structure. In that only the N-type region crosses the center line of the rib structure and forms an overlapping region 54 with the P-type region, the waveguide structures of the i section and the ii section that the test light senses are the same.
  • the waveguide loss caused by the mask shift for the N-type region is also the same.
  • the consistency of the cross-sectional structure felt by the test light through the two test waveguides 60-1 and 60-2 is independent at the same time for both the P-type and N-type masks, even if only the mask in the P-type region is misaligned. The same thing applies if there is a shift.
  • the input section is a single rectangular waveguide 37 connected to an optical branch 38, and the at least one test waveguide has a length of 1/2 of the arm waveguide.
  • two test waveguides 60-1 and 60-2 having one end of each of the two test waveguides connected to a branch side port of the optical branch; The other end is connected by a rectangular waveguide 39-2, and the two test waveguides can be connected in a loop between the branch ports.
  • the optical branch 38 operates to propagate two test lights split with equal intensity to the test waveguide.
  • the optical branch 38 multiplexes two branched lights and then propagates them to the return path of a single test waveguide.
  • the optical branch 38 propagates the two branched lights to the test waveguide in the loop path in opposite directions.
  • Embodiment 1 and Embodiment 2 The difference between Embodiment 1 and Embodiment 2 is based on whether the test waveguide is outside the loop path or included within the loop path.
  • test light travels back and forth in a single test waveguide, so that the test waveguide is reflected at different timings. Test light propagates in two directions.
  • the test light propagates simultaneously in two directions on the test waveguide.
  • the overall transmittance of the two test waveguides 60-1 and 60-2 in the test circuit 62B of this embodiment matches the transmittance of the arm waveguide 35b of this circuit.
  • Two test circuits corresponding to the two arm waveguides of this circuit can test the transmittance (t A , t B ) of each arm waveguide.
  • the MZI type modulation of this circuit can be performed as in Embodiment 1. It becomes possible to estimate the loss of the device.
  • the arm waveguides 35a and 35b of the main circuit and the two test waveguides of the test circuit are arranged so that there is no difference in the cross-sectional structure of the modulation waveguide between the test circuit 62B and the main circuit.
  • 60-1 and 60-2 are designed so that they are all parallel to each other. Even with the inspection circuit 62B in FIG. 11, inspection is possible by using only the test light without using electrical signals, and a simplified measurement system with only one optical input/output fiber is required, making the inspection procedure simpler. It is.
  • the lengths of the two test waveguides 60-1 and 60-2 are not necessarily limited to half (1/2) of the length of the arm waveguide 35a.
  • a configuration example of a test circuit is shown in which a test waveguide further divided into a large number of parts is provided in the loop path of the optical branch to further shorten the length of one test waveguide.
  • the total length of the test waveguide of the test circuit is maintained at half the length of the arm waveguide of the main circuit, and is divided into a plurality of test waveguides.
  • this circuit accurately reflects the influence of manufacturing errors occurring in the optical modulator, and at the same time achieves miniaturization of the test circuit.
  • FIG. 12 is a diagram showing the configuration of an optical circuit inspection circuit according to Embodiment 3 including the modulator of the present disclosure.
  • FIG. 12(a) shows the top surface (xy plane) of the test circuit 63A formed on the Si substrate of the optical circuit including the modulator.
  • the test circuit 63A in FIG. 12 corresponds to Test Mod 21, which is a part of the test circuit 20 in FIG. (b) of FIG. 12 shows the i section of the test waveguide 60-1 and the test waveguide 60-2 of the four test waveguides corresponding to the arm waveguide 35a (A waveguide) of this circuit.
  • the waveguide cross-sectional structure (xz plane) of part ii is shown.
  • the test circuit 63A has a configuration in which four test waveguides 60-1 to 60-4 are included in the loop path of the light reflecting section shown in FIG. .
  • the length of each of the four test waveguides 60-1 to 60-4 in the test circuit 63A is set to 1/4 of the length of the arm waveguide 35a, which is the modulation waveguide of this circuit.
  • the four test waveguides 60-1 to 60-4 have the same cross-sectional structure in terms of the PN junction structure. Therefore, in the cross section of the xz plane, the P-type region and the N-type region have the same positional relationship.
  • the lengths of the four test waveguides 60-1 to 60-4 are not necessarily limited to 1/4 of the length of the arm waveguide 35a.
  • the test light 40 is input from the lowermost rectangular waveguide 37 to the input port of the optical branch 38.
  • the optical branch 38 divides the test light into equal parts, and outputs branched light of the same intensity from the branch port to two directions of the loop path including the four test waveguides.
  • One branched light output from one branch port of the optical branch 38 propagates through the test waveguide 60-1 in the y direction, passes through the rectangular waveguide 39-1, and then passes through the test waveguide 60-2. It propagates in the opposite direction (-y direction).
  • the signal propagates through the test waveguide 60-3 in the y direction via the rectangular waveguide 39-2, and then propagates through the test waveguide 60-4 in the opposite direction (-y) via the rectangular waveguide 39-3. direction).
  • the four test waveguides of the test circuit 63A are connected in series between adjacent test waveguides by rectangular waveguides so that the propagation direction of the test light changes alternately. is connected in a loop between the branch side ports of the optical branch.
  • one of the branched lights propagates clockwise along the loop path from the first branch port and reaches the second branch port.
  • the other branched light propagates counterclockwise from the second branch port through the loop path and reaches the first branch port.
  • the two branched lights propagating in opposite directions each successively pass through four test waveguides 60-1 to 60-4, and loss occurs over the entire length of the test waveguides 60-1 to 60-4. receive.
  • the two branched lights that have propagated through the four test waveguides in the loop path are combined in phase and output from the rectangular waveguide 37 as test light that has passed through the test waveguides 60-1 to 60-4. Ru.
  • FIG. 12(b) shows the cross-sectional structure of the waveguides that the test light senses in the four test waveguides 60-1 to 60-4 described above.
  • the left diagram in (b) shows the waveguide structure of the i section where the test light traveling through the test waveguide 60-1 in the y direction is felt, and shows the case where the mask for the P-type region is shifted in the +x direction. There is. That is, since only the P-type region 51 is shifted in the +x direction, the P-type impurity is introduced into the N-type region side in an overlapping manner, resulting in an overlapping region 54.
  • the figure on the right in (b) shows the waveguide structure in section ii where the test light traveling through the test waveguide 60-2 in the -y direction is felt, and the mask for the P-type region is shifted in the +x direction. ing.
  • the waveguide structure that the test light senses in the two test waveguides 60-1 and 60-2 is different only in that the positions of the P-type region and the N-type region are reversed left and right, and the mask shift
  • the profiles of the resulting PN junctions are virtually identical.
  • the test light traveling around the loop path will perceive a cross-sectional structure that is symmetrical about the centerline of the rib structure.
  • the waveguide structures of the i section and the ii section that are sensitive to the test light are the same. Furthermore, the same applies to the remaining test waveguides 60-3 and 60-4, and the waveguide loss caused by mask shift for the P-type region is also the same in the four test waveguides 60-1 to 60-4. Become. The consistency of the cross-sectional structure felt by the test light through the four test waveguides 60-1 to 60-4 is independent at the same time for both the P-type and N-type masks, even if only the mask in the N-type region is misaligned. The same thing applies if there is a shift.
  • the optical branch 38 operates to propagate two test lights split with equal intensity to the test waveguide. As in the second embodiment, the optical branch 38 propagates two branched lights to the test waveguide in opposite directions. Similar to Embodiment 2, in Embodiment 3 in which the four test waveguides 60-1 to 60-4 are included inside the loop path formed by the optical branch 38, the test light travels through the test waveguides in two directions. Note that both are propagating at the same time.
  • the overall transmittance of the four test waveguides 60-1 to 60-4 in the test circuit 63A of this embodiment matches the transmittance of the arm waveguide 35a of this circuit.
  • Two test circuits corresponding to the two arm waveguides 35a and 35b of this circuit can test the transmittance (t A , t B ) of each arm waveguide.
  • the present invention can be performed as in Embodiment 1 and Embodiment 2.
  • the loss of the MZI modulator of the circuit can be estimated.
  • the four test waveguides of the arm waveguides 35a and 35b of the main circuit and the test circuit are arranged so that there is no difference in the cross-sectional structure of the modulation waveguide between the test circuit 63A and the main circuit.
  • 60-1 to 60-4 are all designed to be parallel to each other. Even with the inspection circuit 63A in Fig. 12, inspection can be performed by using only the test light without using electrical signals, and a simplified measurement system with only one optical input/output fiber is required, making the inspection procedure simpler. It is.
  • the test circuit 63A in FIG. 12 looks similar to the conventional zigzag test circuit shown in FIG. 7 at first glance.
  • the four test waveguides have the same configuration as the arm waveguide of this circuit, and adjacent test waveguides are connected in series by rectangular waveguides so that the propagation direction of the test light changes alternately. They differ in some respects. Another difference is that four test waveguides are connected in a loop between the branch ports of the optical branch.
  • the configuration in which a plurality of divided test waveguides are provided in the optical branch loop path shown in FIG. 12 can be further expanded.
  • the length of each of the six test waveguides is equal to 1 of the length of the arm waveguide, which is the modulation waveguide of this circuit. /6 can be done.
  • the length of each of the eight test waveguides can be set to 1 of the length of the arm waveguide, which is the modulation waveguide of this circuit. /8.
  • the length of the test circuit can be significantly shortened.
  • the effective length of the test waveguide was made to be the same length as each arm waveguide of the main circuit.
  • the length of the test waveguide is set to 1/N (or x times: 0 ⁇ x ⁇ 1) of the length of the arm waveguide of this circuit. Even if the measured waveguide loss is multiplied by N/2 (or x/2), the loss of the arm waveguide of this circuit can be estimated.
  • the length of the test waveguide 60a was set to 1/2 of the arm waveguide 35a of this circuit, but the length of the test waveguide 60a was set to 1/2 of that of the arm waveguide 35a of this circuit, but the length of the test waveguide 60a was further reduced to 1/4 of that of the arm waveguide 35a of this circuit. can do.
  • the loss obtained from the two test circuits of waveguide A and waveguide B is halved, so by doubling this loss, the MZI loss of this circuit can be estimated using equation (2). can.
  • the loss of the arm waveguide of this circuit can be estimated by setting the length of the test waveguide to 1/N instead of 1/2 and multiplying the loss measured by the test circuit by N/2.
  • the degree of shortening may be selected depending on the quality level required in the manufacturing process.
  • the length (1/2, 1/4) of the test waveguide with respect to the length of the arm waveguide of this circuit can be set to an arbitrary length by the above-mentioned shortening.
  • the rectangular waveguide phase shifters 34a and 34b provided in the conventional inspection circuit are not required, and the adjustment of the phase shifter is also not necessary.
  • the present invention is superior in that the loss can be measured using one input/output fiber for one test circuit, and the test system and measurement procedure can be greatly simplified compared to the conventional technology.
  • the present invention can be used for optical communication.

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Abstract

光回路の製造工程において本回路の変調器に生じる製造誤差の影響を正確に反映させると同時に、小型化を実現した検査回路が開示される。　検査回路（６１Ａ）は、本回路のアーム導波路の半分の長さの検査導波路（６０ａ）を備え、試験光（４０）が検査導波路上の２つの方向を伝搬する構成とし、本回路の変調器と同等の特性の再現を実現する。検査回路（６１Ａ）における検査導波路（６０ａ）の２つの方向に試験光（４０）を伝搬させるために、光分岐（３８）の分岐ポート間に構成されたループ状の経路（３９）を利用する。試験光（４０）の２つの分岐光を検査導波路（６０ａ）に導く態様によって、異なる構成の実施形態が開示される。検査導波路（６０ａ）の長さを本回路のアーム導波路に対して任意の比率で短縮することもできる。

Description

光回路
　本発明は、シリコンフォトニクス光回路、より詳細には光回路の検査回路に関する。
　光通信システムの進展と共に、システムを構成する様々な光学部品は集積型の光回路により実現され、システムの小型化、経済化、大容量化に寄与してきた。光回路では、広く半導体として使用されているシリコン（Ｓｉ）をコア材料とする、Ｓｉフォトニクスが注目され、研究開発が盛んに行われている。Ｓｉフォトニクス光回路は、これまでの光回路に比べ大幅に回路を小型化できる。Ｓｉの屈折率が非常に大きいため、低屈折率材料をベースに開発されてきたこれまでの光回路に比べ、光の閉じ込めが強く、小さな曲げ半径で導波路を構成できる。光カプラ、合波器、フィルタ、変調器、光受信器など、様々な回路要素をそれぞれ小型化し、これらを１つのチップに集積して、非常に小型な光回路を実現できる。
　Ｓｉフォトニクス光回路は、様々な回路要素を集積することで光送受信器等の所望の機能を実現できる。Ｓｉフォトニクス光回路を実際に使用するためには、Ｓｉフォトニクスチップを光モジュールにパッケージングし、光や電気信号の入出力端子を構成する。光モジュールの状態で、伝送装置等に組み込むことで、効率的に光通信システムを構築し運用することが可能となる。
　Ｓｉフォトニクスチップが組み込まれた光モジュールを、低コストで製造するためには、光モジュールの完成前の途中工程で、チップ性能の適切な特性検査することが重要である。光モジュールの最終的な性能歩留まりを確保するためには、性能を満たすＳｉフォトニクスチップを選別し、良品のみをモジュール化することが特に重要である。
　同じＳｉを使い電気回路のみを有するＣＭＯＳ回路等では、汎用のウェハ検査技術を活用でき、ウェハ状態での良品選別は簡便である。ＣＭＯＳ回路等の検査に比べ、Ｓｉフォトニクス光回路の検査は光および電気信号の両方を使って実施される。このため、Ｓｉフォトニクス光回路の検査は非常に煩雑であり、特許文献１に示されているように装置コストや検査時間の点でコスト増大つながる。
　Ｓｉフォトニクスチップの検査を簡易化するために、チップ内のＳｉフォトニクス光回路のすべてを検査せず、Ｓｉフォトニクス光回路を構成する回路要素のみを検査する方法がある。Ｓｉフォトニクスチップ内の、実際に使用されることになるＳｉフォトニクス光回路である本回路の脇に、本回路内で使用されるのと同一の回路要素を集積する。本回路の検査するためには、本回路を動作させる光または電気信号を同時に駆動する必要がある。一方、回路要素のみの検査であれば、駆動する光または電気信号の数が各段に少なくなる。本回路に代えて回路要素のみを検査し、本回路全体の特性を推定して性能の合否判定を行うことで、より低コストで、Ｓｉフォトニクスチップの検査が可能となる。
特開２０１９－９６７６３号　明細書
　しかしながら、本回路の他に検査用の回路要素を設けることは、チップ面積の増大につながる。特に大きな面積を占める変調器において発生する製造誤差による特性劣化量を正確に再現し、同時に光回路を小型化することは、未だ実現されていなかった。
　本発明の１つの態様は、シリコン基板に形成された光回路において、断面においてＰＮ接合が形成された２本のアーム導波路を含むマッハツェンダ干渉計型の変調器と、前記変調器の検査回路であって、試験光を入力する、矩形導波路を含む入力部、前記矩形導波路に接続され、前記２本のアーム導波路と平行に、少なくとも一方の前記アーム導波路と同一構成のＰＮ接合を有する少なくとも１つの検査導波路、および、矩形導波路で構成され、前記試験光を等しい強度に分岐し、２つの分岐光を前記検査導波路へ互いに逆方向に伝搬させる光分岐を含む検査回路とを備えた光回路である。
　本発明の光回路により、変調器を含む本回路の製造誤差を正確に反映し、小型化を実現する検査回路を提供する。
Ｓｉフォトニクスチップを含む光モジュール構成を示す図である。 変調器の検査回路を含むＳｉフォトニクスチップ構成を示す図である。 変調器の他の光回路を含むＳｉフォトニクスチップ構成を示す図である。 一般的なマッハツェンダ干渉計型変調器の構成を示す図である。 ２本のアーム導波路における導波路の断面構造を示す図である。 変調器を含む光回路における従来技術の検査回路の構成を示す図である。 変調器を含む光回路における別の検査回路の構成を示す図である。 ジグザグ状の変調用導波路におけるマスクずれ態様を説明する図である。 変調器を含む実施形態１の光回路の検査回路の構成を示す図である。 実施形態１の検査回路における光分岐の構成を示す図である。 変調器を含む実施形態２の光回路の検査回路の構成を示す図である。 変調器を含む実施形態３の光回路の検査回路の構成を示す図である。
　本開示の光回路は、シリコン基板上に形成された変調器を含む光回路において、製造誤差を正確に反映させる新規な構成の検査回路を提供する。光回路の製造工程において本回路の変調器に生じる製造誤差の影響を正確に反映させると同時に、小型化を実現した検査回路が開示される。以下の説明では、まず、従来技術のＳｉフォトニクスチップにおける検査回路の構成とその問題点を説明する。次に、本開示の光回路における検査回路の構成および動作を説明する。
　図１は、Ｓｉフォトニクスチップを含む光モジュールの構成を示す図である。光モジュール１００は、複数の光変調器１１を含むＳｉフォトニクスチップ１０を備えている。Ｓｉフォトニクスチップ１０は、電気入出力用配線１５によって、電気信号１７を外部との間でインタフェースする。また、光ファイバアセンブリ１２で固定した光ファイバ１３によって、光を外部との間でインタフェースする。チップ１０内の光回路としては、入力導波路１４に並列に接続された４つの光変調器１１と、出力導波路１６が含まれているが、図１の構成は光回路の一例に過ぎない。以下で説明するＳｉフォトニクスチップ１０は、少なくとも１つの光変調器１１が含まれているものとする。光モジュール１００の製造工程では、電気入出力用配線１５、光ファイバアセンブリ１２の入出力インタフェースを用いて簡単に検査も可能である。
　図２は、変調器の検査回路を含むＳｉフォトニクスチップの構成を示す図である。以下の説明では、簡単のため、Ｓｉフォトニクスチップ１０をＳｉチップ１０と呼ぶ。Ｓｉチップ１０は、図１で説明した４つの光変調器１１を含み、光モジュール内に搭載された後で、実際に使用されることになる本回路１０－１である。Ｓｉチップ１０は、本回路１０－１の４つの光変調器（Ｍｏｄ）１１に加えて、検査回路２０を含んでいる。
　前述のように、光モジュール１００に組み込む前の、Ｓｉチップ１０単体では、図１に示したような構成と同様に本回路１０－１の検査を実施するのは難しい。そこで、検査回路としてＳｉチップ１０内に変調器用の検査用変調器（Ｔｅｓｔ Ｍｏｄ）２１を設け、本回路１０－１の光変調器１１に代えて、この検査用変調器２１を評価することで本回路の性能予測が可能となる。
　図３は、変調器の他の光回路を含むＳｉフォトニクスチップの構成を示す図である。図３の本回路１０－１に示したように、Ｓｉフォトニクス回路ではその用途によって、他の機能を実施する光回路１４を含み、より複雑な構成であり得る。このような場合でも、検査回路２０の検査用変調器２１に加えて、本回路１０－１に使用している光回路１４に対応する要素回路２２を備えることができる。図２および図３に示したように検査回路２０内のＴｅｓｔ Ｍｏｄ２１、要素回路２２を評価して、本回路１０－１の性能を予測することにより、実用的なＳｉチップの検査が可能となる。
　しかしながら、本回路１０－１に加えて、Ｓｉチップ内に検査用の各種回路要素を設けることは、チップサイズの増大につながる。Ｓｉフォトニクス回路において利用されている光回路の内で、非常に大きな面積を占めるのが、光変調器１１である。検査回路２０の内のＴｅｓｔ Ｍｏｄ２１も大きな面積を占めることになる。
　図４は、一般的なマッハツェンダ干渉計変調器の構成を示す図である。図４の（ａ）は、Ｓｉ基板上に作製されたマッハツェンダ干渉計（Mach-Zehnder interferometer：ＭＺＩ）光変調器の上面図（ｘ－ｙ面）を示し、図４の（ｂ）は導波路部分の断面図（ｘ－ｚ面）を示している。光導波路ＭＺＩ型変調器１１は、２つの結合器３２、３３と、その間を連結する２本のアーム導波路３５ａ、３５ｂから成る。入力側の結合器３２へ入力された光は、分岐されて２本のアーム導波路をｙ軸方向に伝搬し、出力側の結合器３３で合波される。２つの結合器３２、３３は、光を分岐／合波して光を配分する機能を持つため、光配線部３０－１、３０－２とも言う。アーム導波路３５ａ、３５ｂは、電気信号による変調を行うため変調用導波路で構成され、変調部３１として機能する。光導波路ＭＺＩ型変調器１１はＳｉフォトニクスで広く利用され、以下では、簡単に変調器と呼ぶことにする。
　図４の（ｂ）は各導波路の長さ方向に垂直な断面を示しており、変調器１１は２種類の形態の光導波路から構成される。入力側の結合器３２および出力側の結合器３３としては、それぞれ例えばＹ分岐回路が利用される。アーム導波路から／アーム導波路へ光を分配するため光配線の機能を持っており、一般的に矩形導波路を用いる。図４の（ｂ）の右側の図は、例えば入力側の結合器３２の矩形導波路の断面を示しており、クラッドとして動作する基板５０上に、リッジ状の矩形導波路（コア）３２が形成されている。光を２分岐する結合器３２、２つの光を合波する結合器３３のいずれの部分も矩形導波路によって構成される。
　２本のアーム導波路３５ａ、３５ｂは、それぞれ変調用導波路として構成され、電気信号の情報を光信号に変換するため、リブ型導波路等の特殊な形態が用いられる。図４の（ｂ）の左側の図は、変調用のアーム導波路３５ａであるリブ型導波路の断面を示している。段差構造を持つリブ部分のｘ方向の中心を境界として異なる不純物ドーピングがされており、一方がＰ型領域５１、他方がＮ型領域５２となっている。外部から２つの領域に逆バイアス電圧を掛け、境界の近傍でＰＮ接合の空乏層容量を変化させることで、コアの屈折率を変調する。電気信号によるコアの屈折率変調によって２本のアーム導波路を伝搬する光の位相差が変化し、結合器３３で合波されるときの干渉状態を電気信号に応じて変化させる。
　光変調器１１は、電気信号で駆動される変調用導波路に加えて、矩形導波路の位相シフタ３４ａ、３４ｂも備える。変調部３１のリブ型導波路で位相変調された光を、位相シフタ３４ａ、３４ｂを用いて適切な干渉状態に調整することで、所望の変調光が得られる。
　図４の（ｂ）の断面図で示したように、変調部３１で変調を行うアーム導波路は、コア断面で２つのドーピング領域によりＰＮ接合が形成されている点で、光配線を行う結合器３２、３３における矩形導波路と構成が大きく異なっている。
　図４の（ａ）に示した変調器１１では、設計条件によって、変調器の全体長さは一般的に数１００μｍから数ｍｍとなる。このため、検査回路としてに図４の（ａ）と同一構造の変調器をチップ内に設ければ、チップ面積を大幅に大きくしてしまう。変調器における光損失の検査のためには、変調用導波路の損失を正確に再現することが重要である。後述するような製造バラツキ等が発生し、本回路内の変調器の特性が劣化した場合、その劣化を正確に検査回路においても再現する必要がある。
　図４の（ａ）、（ｂ）に示した変調器１１では、リブ型構造を持った変調用のアーム導波路の損失が変調器特性に大きく影響する。従って変調器の検査においては、２種類のドーピング領域によりＰＮ接合が形成される変調用のアーム導波路の損失評価を、如何に正確に行うかが重要である。
　図５は、２本のアーム導波路における導波路の断面構造を示す図である。図５の（ａ）はマスクずれのない場合の断面構造を、（ｂ）はＰ型領域を生成するためのマスクが－ｘ方向にずれた場合の断面構造を示している。図４の（ａ）でも示したように、変調器１１は２本のアーム導波路３５ａ、３５ｂを備えており、以下の説明では、２本を区別するために光伝搬方向の左側をＡ導波路、右側をＢ導波路と呼ぶ。アーム導波路３５ａ、３５ｂは、シリコン部を凸状に段差加工したリブ型構造を持つ。リブの凸部分のｘ軸方向の中心位置が、Ｐ型領域およびＮ型領域の境界位置となるように不純物が導入される。例えばイオンインプランテーション（以下、インプラ）によって、不純物が打ち込まれる。
　図５の（ａ）は、インプラ工程のためのマスクにずれが生じない場合で、ＰＮ接合がコアの中心位置に正確に形成された理想的な状態を示している。図５に示したリブ型構造を持つ変調用導波路では、Ａ導波路３５ａおよびＢ導波路３５ｂの断面構造（ｘ－ｚ面）は、Ｐ型領域５１とＮ型領域５２が対称に設計されている。図４の（ａ）の上面図（ｘ－ｙ面）で見た場合、アーム導波路３５ａ、３５ｂのそれぞれの長さ方向に沿った中心線を境界として、ＰＮ接合が形成される。また、光進行方向（ｙ方向）に沿った変調器１１の中心線に対して、Ｐ型領域およびＮ型領域が対称に配置されている。すなわち、アーム導波路の形状においても、２つの不純物領域の配置においても対称な設計が用いられる。ＭＺＩの２つの変調用導波路の様々な製造工程バラツキによる特性劣化を抑えるため、上述のような対称構造を用いることが可能である。
　リブ型導波路の製造誤差による特性劣化は様々な態様が考えられるが、典型的な態様の１つは、導波路損失の増加である。損失増加の要因の１つは、Ｐ型領域５１およびＮ型領域５２を形成するためのそれぞれのインプラ位置のずれであり、Ｐ型領域およびＮ型領域のためのそれぞれのマスクずれによって独立に生じる。導波路の損失増加のもう１つの要因は、リブ型導波路の凸型構造を作製するプロセス誤差による、導波路形状のズレである。図５の（ａ）のようにマスクずれ、導波路形状ずれが無く、ＰＮ接合が対称に形成された場合、２本のアーム導波路を伝搬する光に対しては同一の損失を与える。従って、Ａ導波路およびＢ導波路は同一の特性を持つことになる。
　図５の（ｂ）は、製造誤差によりＰ型領域のインプラ工程のためのマスクにずれが生じた場合で、ＰＮ接合が理想的な構造からずれて形成された状態を示している。具体的には、Ｐ型領域のマスクが－ｘ方向にずれた場合を示しており、Ａ導波路３５ａでは、コア中央部に不純物が導入されていない空白領域５３ができている。また、Ｂ導波路３５ｂでは、コア中心を越えてＮ型領域側にＰ型不純物が重複して導入されおり、この重複領域５４では実質的な不純物濃度が減少している。図５の（ｂ）のようなマスクずれが発生した場合、Ａ導波路３５ａおよびＢ導波路３５ｂではいずれも不純物ドーピングのプロファイルが理想状態から逸脱し、ＰＮ接合の構造・特性に誤差が生じる。このため、２本のアーム導波路における導波路損失が変動し、インプラ工程ごとに変動量のばらつきが生じる。変調器を含む光回路の本回路で、上述のような製造誤差による特性劣化が発生した場合、この特性劣化を検査回路において正確に検出できることが求められる。
　図６は、変調器を含む光回路における従来技術の検査回路の構成を示す図である。Ｓｉフォトニクス回路の基板（チップ）の一部を示しており、本回路内のＭＺＩ型変調器１１と、検査回路のＭＺＩ型変調器２１とを示している。本回路の変調器１１に使用しているＡ導波路３５ａとＢ導波路３５ｂに対し、同一長さおよび同一のＰＮ接合構造を有するＡ導波路３５ａとＢ導波路３５ｂを、検査回路の変調器２１としてチップ内に配置する。本回路の２本のアーム導波路と検査回路の２本のアーム導波路は完全に平行となるように配置され、導波路長さ方向の位置も同じであることが好ましい。本回路の変調器１１および検査回路の変調器２１が同じ設計となるため、製造工程において発生するインプラ位置のずれや凸型構造の製造誤差の変調器特性への影響も、本回路と検査回路で同一となる。検査回路の変調器２１のＡ導波路とＢ導波路を、光配線部３０－１、３０－２の矩形導波路を通じて検査することで、本回路の変調器１１の性能が推定可能となる。
　前述の通り、図６に示した構成では、本回路の変調器１１と検査回路の変調器２１のサイズが同じとなり、チップ面積の増大が問題となる。さらに、位相シフタ３４ａ、３４ｂにより干渉状態の調整が必要なため、光および電気信号を利用した煩雑な検査系が必要となる。図６では明示していないが、検査回路２１の光配線部３０－１、３０－２の矩形導波路は、Ｓｉチップの端面まで延びて、基板端面を介して光ファイバなどと接続し、損失の検査が行われる。２本のファイバによって、光学測定系に接続する必要がある。
　図７は、変調器を含む光回路における別の検査回路の構成を示す図である。図７の右側の検査回路２１Ａは、図６に示した検査回路の変調器２１とは異なり、変調器の形態を持たないが、本回路のＡ導波路３５ａの性能を推定する検査回路である。本回路のＡ導波路３５ａと同じ長さを持ち、ジグザグに折り畳んだ形状の変調用導波路３６によって小型化されている。光配線部３０－１Ａ、３０－２Ａの矩形導波路は、本回路の光配線部３０－１、３０－２と同じ長さを持つ。このような検査回路では、製造工程におけるリブ型形状（凸型構造）の製造誤差は、本回路と検査回路とで同一となり、図６の検査用の変調器２１と同等の検査精度が得られるようにも見える。しかしながら、Ｐ型領域およびＮ型領域いずれかのマスクずれが生じたときのインプラ位置ずれ量、ずれの態様は、次に述べるように、本回路の変調器１１と検査回路２１Ａの間で大きく異なっている。
　図８は、ジグザグ状の変調用導波路におけるマスクずれの態様を説明する図である。図８の（ａ）は、図７に示した検査回路２１Ａと同じであり、光が伝搬する変調用導波路３６の３つの部分を示している。矩形導波路で構成される光配線部３０－１Ａへ入力された光は、まず変調用導波路３６のｉ部分を＋ｙ方向に伝搬する。次に、光はii部を＋ｘ方向に向きを変えて伝搬し、続いて、iii部を－ｙ方向にさらに伝搬する。変調用導波路３６において、光はジグザグ状に方向を変えて導波路構造を感じながら伝搬する。したがって、伝搬方向に沿って光が感じる検査回路の導波路構造が本回路の状態を正確に反映しているか否かが、本回路における性能を推定する上で問題となる。
　図８の（ｂ）は、Ｐ型領域のためのマスクが－ｘ方向にずれた場合のジグザグ状に折り畳んだ形状の変調用導波路３６において光が感じる導波路構造を示している。左側には、Ａ導波路に対応する図８の（ａ）の変調用導波路３６について、伝搬方向に沿ってｉ部、ii部、iii部の順に導波路の断面構造を示している。つまり、図８の（ｂ）の各図は光の伝搬とともに光が感じる導波路構造を示している点に留意されたい。図８の（ｂ）の右側は、（ａ）の変調用導波路３６と同一形状で本回路のＢ導波路３５ｂに対応する変調用導波路（図示せず）について、伝搬方向に沿ってｉ部、ii分、iii部の順に導波路の断面構造を示している。Ｂ導波路に対する変調用導波路は図示していないが、図８の（ａ）の変調用導波路２１Ａの全体形状を左右反転し、Ｐ型領域とＮ型領域も反転すれば良い。
　図８の（ｂ）の左上のｙ方向に光が伝搬するｉ部では、Ｐ型領域のみが－ｘ方向にずれているため、不純物が導入されてない空白領域５３が生じている。（ｂ）の左中のｘ方向に光が伝搬するii部では、Ｐ型領域、Ｎ型領域のためのマスクのいずれもｙ方向のずれが無いと仮定すれば、理想的なＰＮ接合の状態となる。さらに（ｂ）の左下の－ｙ方向に光が伝搬するiii部では、Ｐ型領域のみが－ｘ方向にずれているため、コア中心を越えてＮ型領域側にＰ型不純物が重なった、この重複領域５４が生じている。
　図８の（ｂ）で留意すべきは、ジグザグ状の変調用導波路３６の断面構造を、光の伝搬方向に沿って見ると、光の伝搬する向きによって、マスクずれのために生じるＰＮ接合の形状が異なることである。言い換えると、光の伝搬する向きに応じて、光が感じる導波路の断面構造が変化することになる。図７に示した本回路のＡ導波路３５ａにおいて図８の場合と同様に、Ｐ型領域のためのマスクが－ｘ方向にずれた場合は、その断面は全長で図８の（ｂ）の左上に示したｉ部の構造となる。したがって、図８の（ａ）に示したようなジグザグ状に折り畳んだ変調用導波路３６による検査回路２１Ａは、本回路のＡ導波路３５ａで起きるマスクずれの態様を正確に表していない。ジグザグ状に折り畳んだ検査回路２１Ａは、本回路における変調用導波路の製造誤差で生じる影響を正しく反映しておらず、光回路の検査回路としての精度は低下する。
　図８の例では、Ｐ型領域、Ｎ型領域のためのマスクのいずれもｙ方向のずれが無いと仮定したが、ｙ方向のマスクずれが生じれば、図８の（ｂ）の左中のii部の断面も変化する。本回路のＡ導波路３５ａは、ｙ方向が導波路の長さ方向なので、ｙ方向にマスクずれが生じても、導波路断面構造には何も問題が生じない。ところが、ジグザグ状に折り畳んだ変調用導波路による検査回路２１Ａでは、本来起こり得ない導波路構造の変化さえ生じることになる。さらに、Ｐ型領域のためのマスクおよびＮ型領域のためのマスクずれは、Ｐ型領域およびＮ型領域で独立に生じる。マスクずれによって生じる変調用導波路の性能変化は、本回路と検査回路とで異なってくる。測定系の観点でも、図７では明示していないが、検査回路２１の光配線部３０－１Ａ、３０－２Ａの矩形導波路は、Ｓｉチップの端面まで延びて、基板端面を介して光ファイバなどと接続し、損失の検査が行われる。チップの対向する２辺の端面において、２本のファイバと光学接続する必要がある。
　図６に示した検査回路２１はチップサイズの増大の点で、図７に示した検査回路２１Ａは本回路の変調用導波路の特性変動を正確に反映し、製造誤差による特性劣化を検出ができない点で、いずれも十分ではなかった。変調器を含む光回路では、本回路の変調器で発生する製造誤差による特性の変動量を正確に再現しながら、同時に小型化を実現する検査回路が求められている。
　本開示の光回路では、本回路の光変調器に生じる製造誤差の影響を正確に反映させると同時に、小型化を実現した検査回路が提示される。以下に説明する新規な検査回路では、電気信号を利用しないで試験光のみを利用する検査方法を採用し、ＭＺＩ型変調器の検査工程を簡略化する。最初に、電気信号を加えない状態のアーム導波路の損失だけによって、製造誤差の影響によるＭＺＩ型変調器の特性変化を検出する原理を説明する。
　一般に、変調器は、位相差を制御する電気端子を有している。この電気端子への制御電圧によって、変調器全体の損失が最も低くなるように、位相差を調整する。制御電圧を加えた状態で、変調器へ光を入射することで損失検査を行う。変調器を含む光回路では、この電気および光を使った検査は、検査系が複雑で手順も煩雑である。検査工程を簡略化するためには、検査のために光のみを使った検査方法が重要である。
　図４に示したような２本のアーム導波路を含むＭＺＩ型構成によって変調器を実現する場合、理想的にはＡ導波路３５ａおよびＢ導波路３５ｂの透過率が等しくなるように設計する。しかしながら、前述のインプラ位置のずれや導波路の凸型構造の作製のプロセス誤差が発生した場合、Ａ導波路およびＢ導波路の透過率に差異が生じる。このような状況を考慮して、Ａ導波路の電界透過率をｔA、Ｂ導波路の電界透過率をｔBとし、アーム導波路間の位相差をφとすると、ＭＺＩの透過率ＴMは、次式で表現できる。
　上式は、ＭＺＩ型変調器による振幅変調の原理を表しており、この位相差φを電気信号によって制御することで全体の透過率を変調し、光変調器として使用できる。ＭＺＩ型変調器が最も光を透過させる（損失最小）場合の位相差φ（ｃｏｓφ＝１）を変調器に与えた場合、式（１）の透過率ＴMは次式となる。
　式（２）に示したように、Ａ導波路およびＢ導波路の透過率ｔA、ｔBをそれぞれ個別に求めることができれば、変調器としての全体の透過率ＴMを推定することができる。したがって、精度の良い検査回路でＡ導波路およびＢ導波路の透過率ｔA、ｔBを測定できれば、製造誤差の影響を正確に把握し、製造工程の品質評価に反映させることができる。
　本開示の光回路では、より小型化された検査回路で本回路の変調器と同一の特性の再現を実現するため、本回路のアーム導波路の半分の長さの検査導波路を備え、試験光が検査導波路上の２つの方向を伝搬する構成とし、本回路の変調器と同等の特性の再現を実現する。検査回路における検査導波路の２つの方向に試験光を伝搬させるために、光分岐の分岐ポート間に構成されたループ状の経路を利用する。試験光の２つの分岐光を検査導波路に導く態様によって、異なる構成の実施形態が開示される。光分岐は、試験光を等しい強度で分配し、分岐光がループ状の経路をそれぞれ伝搬した後に、２つの分岐光を同位相で合波する。検査導波路を複数に分割することで、検査導波路の長さをさらに短縮することもできる。さらに検査導波路の長さを、本回路のアーム導波路に対して所定の比率（１／Ｎ）で短縮化して、その比率に応じて検査回路で測定された導波路損失を修正（Ｎ／２倍）することで、変調器の実質的に同じ損失推定もできる。
　本開示の光回路における検査回路の構成によって、検査導波路の特性から本回路内の変調器特性の正確な推定が可能となる。
　[実施形態１]
　図９は、本開示の変調器を含む実施形態１の光回路における検査回路の構成を示す図である。図９の（ａ）は、変調器を含む光回路のＳｉ基板上に形成された検査回路６１Ａの上面（ｘ－ｙ面）を示している。図３に示したように光回路には本回路１０－１および検査回路２０が含まれ、検査回路６１Ａは、検査回路２０の一部であるＴｅｓｔ Ｍｏｄ２１に相当する。図９の（ｂ）は、本回路の変調用のアーム導波路３５ａに相当する検査導波路６０ａの導波路断面（ｘ－ｚ面）を示す。
　図９の（ａ）を参照すると、検査回路６１Ａは、試験光４０が入力される矩形導波路３７－１（入力部）と、矩形導波路３７－１に接続された検査導波路６０ａと、検査導波路６０を＋ｙ方向に伝搬してきた試験光を逆方向（－ｙ方向）に反射する光反射部を備える。光反射部は、矩形導波路３７－２、光分岐３８およびループ状の矩形導波路３９を含む。試験光は、矩形導波路３７－１に入力されると、そのまま検査導波路６０ａをｙ方向に伝搬し、光反射部において全反射する。全反射した試験光は、検査導波路６０ａを逆方向の－ｙ方向に伝搬して、矩形導波路３７－１に達する。矩形導波路３７－１の端部を、チップの切断面とすれば、光ファイバによって外部と接続することができる。矩形導波路で作製される部分は、本回路の光配線部と対応付けることができる。
　図１０は、実施形態１の検査回路における光反射部の構成を示す図である。図１０の（ａ）は、往路における試験光の伝搬を示し、（ｂ）は復路における試験光の伝搬を示している。図１０の（ａ）では、検査導波路６０ａから試験光４０がｙ方向に伝搬して、光分岐３８に到達する。光分岐は、入力光を等分に分配し、ループ状の矩形導波路３９の２方向へ同一強度の分岐光４１ａ、４１ｂを出力する。図１０の（ｂ）では、ループ状の矩形導波路３９を周って伝搬した分岐光４１ａ、４１ｂは、同相で光分岐３８により合波され、合波された試験光４２として、検査導波路６０ａを逆方向（－ｙ方向）に伝搬する。このように光反射部の光分岐３８は、検査導波路の往路を伝搬してきた試験光を、等しい強度に分岐し、さらに分岐光を再び合波して、復路としての検査導波路に伝搬させるよう動作する。図１０に示した光反射部は、検査導波路６０ａ上で２つの方向に試験光を伝搬させ、試験光を往復させるためのループバックミラーとして動作する。
　図９の（ｂ）を再び参照すると、検査導波路６０ａにおける往路および復路において試験光が感じる導波路の断面構造が示されている。（ｂ）の左の図は、ｙ方向に検査導波路６０ａの往路を進む試験光が感じるｉ部の導波路構造であって、Ｐ型領域用のマスクが－ｘ方向にずれた場合を示している。すなわち、Ｐ型領域５１のみが－ｘ方向にずれているために、不純物の導入されていない空白領域５３が生じている。（ｂ）の右の図は、－ｙ方向に検査導波路６０ａの復路を進む試験光が感じるii部の導波路構造であって、Ｐ型領域用のマスクが－ｘ方向にずれた場合を示している。ここで注目すべきは、往路と復路で試験光が感じる導波路構造は、Ｐ型領域とＮ型領域の位置が左右逆転していることだけ相違し、マスクずれにより生じたＰＮ接合のプロファイルは実質的に同一であることである。物理的に同一の検査導波路６０ａの往路および復路を利用しているため、試験光はリブ構造の中心線に対して対称な断面構造を感じることになる。Ｐ型領域のみがリブ構造の中心線から離れて空白領域５３ができている点で、試験光が感じる往路のｉ部および復路のii部の導波路構造は同一となる。したがって、往路および復路では、Ｐ型領域のためのマスクずれによって生じる導波路損失も同一となる。往路および復路を通じた試験光が感じる断面構造の一致性は、Ｎ型領域のマスクのみにずれが生じても、Ｐ型およびＮ型の両方のマスクで同時に独立にずれが生じても同様である。
　検査回路６１Ａにおける検査導波路６０ａの長さを、本回路の変調用導波路であるアーム導波路３５ａの長さの半分（１／２）としておけば、本回路のアーム導波路３５ａで生じたマスクずれなどによる断面構造の変化が、検査導波路６０ａにおいても正確に再現できる。試験光が、検査導波路６０ａの往路および復路を通じて、実質的に本回路のアーム導波路３５ａと同じ長さを伝搬するからである。したがって、製造工程において本回路の光変調器に生じる製造誤差の影響を、検査回路６１Ａで正確に反映させることができる。マスクずれの態様を同じものとするために、本回路のアーム導波路３５ａと、検査回路６１Ａの検査導波路６０ａは、平行に構成されていなければならない。尚、検査導波路６０ａの長さについては、必ずしもアーム導波路３５ａの長さの半分（１／２）とするだけに限られない点は最後に説明する。
　したがって本発明は、シリコン基板に形成された光回路において、断面においてＰＮ接合が形成された２本のアーム導波路３５ａ、３５ｂを含むマッハツェンダ干渉計型の変調器と、前記変調器の検査回路６１Ａであって、試験光４０を入力する、矩形導波路３７－１を含む入力部、前記矩形導波路に接続され、前記２本のアーム導波路と平行に、少なくとも一方の前記アーム導波路３５ａと同一構成のＰＮ接合を有する少なくとも１つの検査導波路６０ａ、および、矩形導波路で構成され、前記試験光を等しい強度に分岐し、２つの分岐光を前記検査導波路へ互いに逆方向に伝搬させる光分岐３８を含む検査回路とを備えたものとして実施できる。上述の少なくとも１つの検査導波路の全長は、前記アーム導波路の長さの１／２とすることができる。
　具体的には、入力部は、単一の矩形導波路３７－１であり、少なくとも１つの検査導波路は、前記アーム導波路の１／２の長さの単一の検査導波路６０ａであって、当該単一の検査導波路の一端は前記入力部の前記単一の矩形導波路に接続されており、前記単一の検査導波路の他端は前記光分岐３８の入力側ポートに接続され、前記光分岐の分岐側ポートが単一の矩形導波路３９によってループ状に接続されている。
　図９に示した検査回路６１Ａは、図４に示した本回路のＡ導波路３５ａのための検査回路である。検査回路６１Ａにおいて、検査導波路６０ａのＰ型領域とＮ型領域の位置を逆にすれば、本回路のＢ導波路３５ｂのための検査回路６１Ｂとなる。本回路の２本のアーム導波路に対応した２つの検査回路で、それぞれのアーム導波路の透過率（ｔA、ｔB）を検査することができる。図９の検査回路６１Ａでは、電気信号を使用しないで、試験光のみの使用により検査が可能であり、１本の光入出力ファイバのみの簡略化された測定系で済み、検査手順もよりシンプルとなる。従来技術の検査回路２１においては、チップの２辺の端面において、測定用の２本ファイバが必要であったのと比べて、検査系が大幅に簡略化される。また、本回路の変調用導波路３５ａの半分の長さで構成された検査導波路６０ａの往復の透過率は、本回路の変調用導波路３５ａの電界透過率と一致する。従って、Ａ導波路の検査回路とＢ導波路の検査回路より求められた電界透過率（ｔA、ｔB）を式（２）に代入するだけで、本回路のＭＺＩ型変調器の損失が推定可能となる。
　検査回路６１Ａでは、光の入出力部となる矩形導波路３７－１や、光反射部のループバックミラーにおいてある程度の過剰損失が発生する。このため、別途、光反射部のために設けた検査回路等により過剰損分求めて、検査回路の電界透過率を補償する必要がある。検査回路と本回路との間で、変調用導波路の断面構造に差が出ないように、本回路のアーム導波路３５ａ、３５ｂおよび検査回路のＡ導波路用の検査導波路６０ａ、Ｂ導波路用の検査導波路６０ｂが、お互いに平行となるように設計する。これによりインプラ位置ずれ等が発生しても、検査回路おいて本回路の変調器の特性変動を正確に推定できる。
　変調器の設計によっては、Ａ導波路およびＢ導波路において、それぞれ長手方向にインプラ位置等を変化させる場合がある。その場合であっても、長手方向の設計を維持したまま、長さを半分にすることで、図９のような検査回路から、本回路の特性を推定できる。
　図９の例では、本回路の２本のアーム導波路のＰＮ接合が、変調器の光伝播の方向に沿った中心線に対して対称に構成されていた。第１のアーム導波路（Ａ導波路）の断面におけるＰＮ接合の構成、および、第２のアーム導波路（Ｂ導波路）の断面におけるＰＮ接合の構成は、光の伝搬方向に平行な２本のアーム導波路の中心線に対して対称である。この時は、第１のアーム導波路に対応する第１の検査回路６１Ａと、第２のアーム導波路に対応する第２の検査回路６２Ｂとを備えことになる。Ａ導波路とＢ導波路が対称構造をとらずに、同一の構造であれば、共通の単一の検査回路で済むことに留意されたい。
　[実施形態２]
　実施形態１の光回路における検査回路６１Ａでは、単一の検査導波路６０ａの一方の端部に光分岐を含む光反射部を設けて、単一の検査導波路６０ａに対して試験光のための往路および復路を実現していた。光分岐の分岐側ポートが単一の矩形導波路３９によってループ状に接続されることで、２つの分岐光が合波された後で、試験光（すなわち２つの分岐光）は検査導波路６０ａの復路を伝搬している。２つの分岐光を検査導波路へ互いに逆方向に伝搬させる光分岐の別の構成によって、検査回路を実現できる。
　図１１は、本開示の変調器を含む実施形態２の光回路における検査回路の構成を示す図である。図１１の（ａ）は、変調器を含む光回路のＳｉ基板上に形成された検査回路６２Ｂの上面（ｘ－ｙ面）を示している。図３に示したように光回路には本回路１０－１および検査回路１０－２が含まれ、図１１の検査回路６２Ｂは、図３の検査回路２０の一部であるＴｅｓｔ Ｍｏｄ２１に相当する。図１１の（ｂ）は、本回路のアーム導波路３５ｂ（Ｂ導波路）に相当する、２本の検査導波路の内の検査導波路６０－１のｉ部および、検査導波路６０－２のii部の断面構造（ｘ－ｚ面）を示す。
　図１１の（ａ）を参照すると、検査回路６２Ｂは、図１０に示した光反射部のループ経路内に２本の検査導波路６０－１、６０－２が含まれた構成になっている。検査回路６２Ｂにおける２本の検査導波路６０－１、６０－２の各長さを、本回路の変調用導波路であるアーム導波路３５ｂの長さの半分（１／２）としている。２本の検査導波路６０－１、６０－２は、ＰＮ接合の構造の点で、同一の断面構造を持つ。したがって、ｘ－ｚ面の断面において、Ｐ型領域およびＮ型領域の位置関係は同じである。
　試験光４０は、最下部の矩形導波路３７から光分岐３８の入力ポートに入力される。光分岐３８によって、試験光を等分に分配し、分岐ポートから２本の検査導波路を含むループ経路の２方向へ同一強度の分岐光を出力する。
　光分岐３８の一方の分岐ポートから出力された一方の分岐光は、検査導波路６０－１をｙ方向に伝搬して、矩形導波路３９－２を経由して、さらに検査導波路６０－２を逆方向（－ｙ方向）に伝搬する。一方の分岐光は、ループ経路を時計回りに伝搬して、他方の分岐ポートに到達する。光分岐３８の他方の分岐ポートから出力された他方の分岐光は、ループ経路を反時計回りに伝搬して、分岐ポートに到達する。お互いに逆方向に伝搬する２つの分岐光は、それぞれ、２本の検査導波路６０－１、６０－２を経ており、検査導波路６０－１、６０－２の全長に渡って損失を受ける。光分岐３８では、ループ経路を伝搬した２つの分岐光が同相で合波され、検査導波路６０－１、６０－２を経た試験光として矩形導波路３７から出力される。
　ここで図１１の（ｂ）を参照すれば、上述の２本の検査導波路６０－１、６０－２において試験光が感じる導波路の断面構造が示されている。（ｂ）の左の図は、ｙ方向に検査導波路６０－１を進む試験光が感じるｉ部の導波路構造であって、Ｎ型領域用のマスクが－ｘ方向にずれた場合を示している。すなわち、Ｎ型領域５１のみが－ｘ方向にずれているために、Ｐ型領域側にＮ型の不純物が重複して導入されおり、重複領域５４が生じている。（ｂ）の右の図は、－ｙ方向に検査導波路６０－２を進む試験光が感じるii部の導波路構造であって、Ｎ型領域用のマスクが－ｘ方向にずれた場合を示している。
　ここでも、２本の検査導波路６０－１、６０－２で試験光が感じる導波路構造は、Ｐ型領域とＮ型領域の位置が左右逆転していることだけ相違し、マスクずれにより生じたＰＮ接合のプロファイルは実質的に同一である。ループ経路を周る試験光はリブ構造の中心線に対して対称な断面構造を感じることになる。Ｎ型領域のみがリブ構造の中心線を越えてＰ型領域との重複領域５４ができている点で、試験光が感じるｉ部およびii部の導波路構造は同一となる。したがって、２本の検査導波路６０－１、６０－２では、Ｎ型領域のためのマスクずれによって生じる導波路損失も同一となる。２本の検査導波路６０－１、６０－２を通じて試験光が感じる断面構造の一致性は、Ｐ型領域のマスクのみにずれが生じても、Ｐ型およびＮ型の両方のマスクで同時に独立にずれが生じても同様である。
　したがって本実施形態の光回路は、入力部は、光分岐３８へ接続された単一の矩形導波路３７であり、前記少なくとも１つの検査導波路は、アーム導波路の１／２の長さを有する２本の検査導波路６０－１、６０－２であって、前記光分岐の分岐側ポートに前記２本の検査導波路の各々の一端が接続され、前記２本の検査導波路の各々の他端が、矩形導波路３９－２によって接続されており、前記２本の検査導波路が前記分岐側ポートの間にループ状に接続されているものとして実施できる。
　本実施形態の検査回路でも、光分岐３８は、等しい強度に分岐された２つの試験光を、検査導波路に伝搬させるよう動作している。実施形態１では、光分岐３８は、２つの分岐光を合波した後で、単一の検査導波路の復路へ伝搬させている。これに対して実施形態２では、光分岐３８は、２つの分岐光をループ経路内の検査導波路へ互いに逆向きに伝搬させている。実施形態１と実施形態２の差異は、検査導波路がループ経路の外にあるのか、ループ経路内に含まれるのかの違いによる。光分岐によるループ経路を含む光反射部を、検査導波路の端部に備えた実施形態１の場合は、試験光が単一の検査導波路を往復することで、異なるタイミングで検査導波路の２つの方向を試験光が伝搬する。一方、光分岐によるループ経路の内部に２本の検査導波路が含まれる実施形態２の場合は、検査導波路上の２つの方向で同時に試験光が伝搬していることに留意されたい。
　本実施形態の検査回路６２Ｂにおける２本の検査導波路６０－１、６０－２の全体の透過率は、本回路のアーム導波路３５ｂの透過率と一致する。本回路の２本のアーム導波路に対応した２つの検査回路で、それぞれのアーム導波路の透過率（ｔA、ｔB）を検査することができる。Ａ導波路の検査回路とＢ導波路検査回路より求められた電界透過率（ｔA、ｔB）を式（２）に代入するだけで、実施形態１と同様に、本回路のＭＺＩ型変調器の損失が推定可能となる。本実施形態でも、検査回路６２Ｂと本回路との間で、変調用導波路の断面構造に差が出ないように、本回路のアーム導波路３５ａ、３５ｂおよび検査回路の２本の検査導波路６０－１、６０－２が、すべて、お互いに平行となるように設計する。図１１の検査回路６２Ｂでも、電気信号を使用しないで、試験光のみの使用により検査が可能であり、１本の光入出力ファイバのみの簡略化された測定系で済み、検査手順もよりシンプルである。
　上述の２本の検査導波路６０－１、６０－２の長さについて、必ずしもアーム導波路３５ａの長さの半分（１／２）とするだけに限られない点は最後に説明する。
　[実施形態３]
　本実施形態では、光分岐のループ経路内に、さらに多数に分割した検査導波路を設けて、１本の検査導波路の長さをより短縮化した、検査回路の構成例を示す。本実施形態では、検査回路の検査導波路の全長を本回路のアーム導波路の半分の長さに維持しつつ、複数本に分轄している。図７に示した従来技術のジグザグ状の検査回路とは異なり、本回路の光変調器に生じる製造誤差の影響を正確に反映させ、同時に検査回路の小型化と実現する。
　図１２は、本開示の変調器を含む実施形態３の光回路の検査回路の構成を示す図である。図１２の（ａ）は、変調器を含む光回路のＳｉ基板上に形成された検査回路６３Ａの上面（ｘ－ｙ面）を示している。図１２の検査回路６３Ａは、図３の検査回路２０の一部であるＴｅｓｔ Ｍｏｄ２１に相当する。図１２の（ｂ）は、本回路のアーム導波路３５ａ（Ａ導波路）に相当する４本の検査導波路の内の、検査導波路６０－１のｉ部および、検査導波路６０－２のii部の導波路断面構造（ｘ－ｚ面）を示す。
　図１２の（ａ）を参照すると、検査回路６３Ａは、図１０に示した光反射部のループ経路内に４本の検査導波路６０－１～６０－４が含まれた構成になっている。検査回路６３Ａにおける４本の検査導波路６０－１～６０－４の各長さを、本回路の変調用導波路であるアーム導波路３５ａの長さの１／４としている。４本の検査導波路６０－１～６０－４は、ＰＮ接合の構造の点で、同一の断面構造を持つ。したがって、ｘ－ｚ面の断面において、Ｐ型領域およびＮ型領域の位置関係は同じである。４本の検査導波路６０－１～６０－４の長さについては、必ずしもアーム導波路３５ａの長さの１／４とするだけに限られない点は最後に説明する。
　試験光４０は、最下部の矩形導波路３７から光分岐３８の入力ポートに入力される。光分岐３８によって、試験光を等分に分配し、分岐ポートから４本の検査導波路を含むループ経路の２方向へ同一強度の分岐光を出力する。光分岐３８の一方の分岐ポートから出力された一方の分岐光は、検査導波路６０－１をｙ方向に伝搬して、矩形導波路３９－１を経由して、検査導波路６０－２を逆方向（－ｙ方向）に伝搬する。さらに矩形導波路３９－２を経由して、検査導波路６０－３を再びｙ方向に伝搬して、矩形導波路３９－３を経由して、検査導波路６０－４を逆方向（－ｙ方向）に伝搬する。このように、検査回路６３Ａの４本の検査導波路は、試験光の伝搬方向が交互に変わるように、隣接する検査導波路間が矩形導波路によって直列に接続され、４本の検査導波路が光分岐の分岐側ポートの間にループ状に接続されている。
　上述のように、分岐光の一方は、第１の分岐ポートから、ループ経路を時計回りに伝搬して、第２の分岐ポートに到達する。同様に、分岐光の他方は、第２の分岐ポートから、ループ経路を反時計回りに伝搬して、第１の分岐ポートに到達する。お互いに逆方向に伝搬した２つの分岐光は、それぞれ、順次、４本の検査導波路６０－１～６０－４を経ており、検査導波路６０－１～６０－４の全長に渡って損失を受ける。
　光分岐３８では、ループ経路の４本の検査導波路を伝搬した２つの分岐光が同相で合波され、検査導波路６０－１～６０－４を経た試験光として矩形導波路３７から出力される。
　図１２の（ｂ）は、上述の４本の検査導波路６０－１～６０－４において試験光が感じる導波路の断面構造が示している。（ｂ）の左の図は、ｙ方向に検査導波路６０－１を進む試験光が感じるｉ部の導波路構造であって、Ｐ型領域用のマスクが＋ｘ方向にずれた場合を示している。すなわち、Ｐ型領域５１のみが＋ｘ方向にずれているために、Ｎ型領域側へＰ型不純物が重複して導入されおり、重複領域５４が生じている。（ｂ）の右の図は、－ｙ方向に検査導波路６０－２を進む試験光が感じるii部の導波路構造であって、Ｐ型領域用のマスクが＋ｘ方向にずれた場合を示している。本実施形態でも、２本の検査導波路６０－１、６０－２で試験光が感じる導波路構造は、Ｐ型領域とＮ型領域の位置が左右逆転していることだけ相違し、マスクずれにより生じたＰＮ接合のプロファイルは実質的に同一である。ループ経路を周る試験光はリブ構造の中心線に対して対称な断面構造を感じることになる。Ｐ型領域のみがリブ構造の中心線を越えて重複領域５４ができている点で、試験光が感じるｉ部およびii部の導波路構造は同一となる。さらに残りの検査導波路６０－３、６０－４でも同様であって、４本の検査導波路６０－１～６０－４では、Ｐ型領域のためのマスクずれによって生じる導波路損失も同一となる。４本の検査導波路６０－１～６０－４を通じて試験光が感じる断面構造の一致性は、Ｎ型領域のマスクのみにずれが生じても、Ｐ型およびＮ型の両方のマスクで同時に独立にずれが生じても同様である。
　本実施形態の検査回路でも、光分岐３８は、等しい強度に分岐された２つの試験光を、検査導波路に伝搬させるよう動作している。実施形態２の場合と同様に、光分岐３８は２つの分岐光を検査導波路へ互いに逆方向に伝搬させている。実施形態２と同様に、４本の検査導波路６０－１～６０－４が、光分岐３８によるループ経路の内部に含まれる実施形態３の場合は、試験光が検査導波路を２つの方向に同時に伝搬していることに留意されたい。
　本実施形態の検査回路６３Ａにおける４本の検査導波路６０－１～６０－４の全体の透過率は、本回路のアーム導波路３５ａの透過率と一致する。本回路の２本のアーム導波路３５ａ、３５ｂに対応した２つの検査回路で、それぞれのアーム導波路の透過率（ｔA、ｔB）を検査することができる。Ａ導波路の検査回路とＢ導波路の検査回路より求められた電界透過率（ｔA、ｔB）を式（２）に代入するだけで、実施形態１、実施形態２と同様に、本回路のＭＺＩ型変調器の損失が推定可能となる。本実施形態でも、検査回路６３Ａと本回路との間で、変調用導波路の断面構造に差が出ないように、本回路のアーム導波路３５ａ、３５ｂおよび検査回路の４本の検査導波路６０－１～６０－４が、すべて、お互いに平行となるように設計する。図１２の検査回路６３Ａでも、電気信号を使用しないで、試験光のみの使用により検査が可能であり、１本の光入出力ファイバのみの簡略化された測定系で済み、検査手順もよりシンプルである。
　図１２の検査回路６３Ａは、図７に示した従来技術のジグザグ状の試験回路と一見して似ている。しかし、４本の検査導波路が、本回路のアーム導波路と同一構成であり、試験光の伝搬方向が交互に変わるように、隣接する検査導波路が矩形導波路によって直列に接続されている点で異なる。さらに４本の検査導波路が、光分岐の分岐側ポートの間にループ状に接続されている点でも異なっている。
　図１２の、光分岐のループ経路内に複数の分割した検査導波路を設ける構成は、さらに拡張できることが容易に理解できる。例えば、６本の検査導波路を交互に矩形導波路によって直列に接続すれば、６本の検査導波路の各長さを、本回路の変調用導波路であるアーム導波路の長さの１／６とできる。また、８本の検査導波路を交互に矩形導波路によって直列に接続すれば、８本の検査導波路の各長さを、本回路の変調用導波路であるアーム導波路の長さの１／８となる。検査回路の長さを大幅に短縮化できる。
　上述の３つの実施形態では、それぞれの検査回路において、検査用導波路の実効的な長さが本回路の各アーム導波路と同じ長さとなるようにしていた。検査回路の導波路長さ方向のサイズをさらに縮小するために、検査導波路の長さを本回路のアーム導波路の長さの１／Ｎ（またはｘ倍：０＜ｘ＜１）にして、測定される導波路損失をＮ／２倍（またはｘ／２倍）しても、本回路のアーム導波路の損失を推定することができる。
　例えば、実施形態１の検査回路６１Ａでは、検査導波路６０ａの長さは本回路のアーム導波路３５ａの１／２としていたが、検査回路６１Ａの構成はそのままで、さらに半分の１／４とすることができる。この場合は、Ａ導波路およびＢ導波路の２つ検査回路から得られる損失は、半分になっているので、この損失を２倍すれば、式（２）によって本回路のＭＺＩの損失を推定できる。このように、検査導波路の長さを１／２に限らず１／Ｎとして、検査回路で測定される損失をＮ／２倍することで、本回路のアーム導波路の損失を推定できる。変調器を含む光回路の製造工程において、工程の変化およびばらつきを把握するためには、損失値の変化を検出することができれば良い場合もある。上述のような検査導波路の短縮化は、推定精度の低下を伴う場合もあるので、製造工程で求められる品質レベルに応じて、短縮化の程度（Ｎの値）を選べば良い。
　したがって実施形態１～３では、本回路のアーム導波路の長さに対する検査導波路の長さ（１／２、１／４）は上述の短縮化によって任意の長さとすることもできる点に留意されたい。また本開示の光回路での検査回路では、従来技術の検査回路で備えていた矩形導波路の位相シフタ３４ａ、３４ｂが不要となり、位相シフタの調整も不要である。さらには、１つの検査回路に対して１本の入出力ファイバで損失の測定ができる点でも、従来技術と比べて検査系、測定手順を大幅に簡略化できる点で優れている。
　本発明は、光通信に利用できる。

Claims (7)

  1. 　シリコン基板に形成された光回路において、
    　断面においてＰＮ接合が形成された２本のアーム導波路を含むマッハツェンダ干渉計型の変調器と、
    　前記変調器の検査回路であって、
    　　試験光を入力する、矩形導波路を含む入力部、
    　　前記矩形導波路に接続され、前記２本のアーム導波路と平行に、少なくとも一方の前記アーム導波路と同一構成のＰＮ接合を有する少なくとも１つの検査導波路、および、
    　　矩形導波路で構成され、前記試験光を等しい強度に分岐し、２つの分岐光を前記検査導波路へ互いに逆方向に伝搬させる光分岐
    を含む検査回路と
    　を備えた光回路。
  2. 　前記入力部は、単一の矩形導波路であり、
    　前記少なくとも１つの検査導波路は、前記アーム導波路の１／２の長さの単一の検査導波路であって、当該単一の検査導波路の一端は前記入力部の前記単一の矩形導波路に接続されており、
    　前記単一の検査導波路の他端は前記光分岐の入力側ポートに接続され、前記光分岐の分岐側ポートが矩形導波路によってループ状に接続されている
    　請求項１に記載の光回路。
  3. 　前記入力部は、前記光分岐へ接続された単一の矩形導波路であり、
    　前記少なくとも１つの検査導波路は、前記アーム導波路の１／２の長さを有する２本の検査導波路であって、前記光分岐の分岐側ポートに前記２本の検査導波路の各々の一端が接続され、
    　前記２本の検査導波路の各々の他端が、矩形導波路によって接続されており、前記２本の検査導波路が前記分岐側ポートの間にループ状に接続されている
    　請求項１に記載の光回路。
  4. 　前記入力部は、前記光分岐へ接続された単一の矩形導波路であり、
    　前記少なくとも１つの検査導波路は、前記アーム導波路の１／４の長さを有する４本の検査導波路であって、前記４本の検査導波路は、前記試験光の伝搬方向が交互に変わるように、隣接する検査導波路が矩形導波路によって直列に接続され、前記４本の検査導波路が前記光分岐の分岐側ポートの間にループ状に接続されている
    　請求項１に記載の光回路。
  5. 　前記２本のアーム導波路はリブ型導波路であり、前記矩形導波路は、ＰＮ接合を含まないリッジ型導波路である請求項１乃至４いずれかに記載の光回路。
  6. 　前記２本のアーム導波路の内の第１のアーム導波路の断面におけるＰＮ接合の構成、および、第２のアーム導波路の断面におけるＰＮ接合の構成は、光の伝搬方向に平行な前記２本のアーム導波路の中心線に対して対称であり、前記第１のアーム導波路に対応する第１の検査回路と、前記第２のアーム導波路に対応する第２の検査回路とを備えた請求項１乃至４いずれかに記載の光回路。
  7. 　前記２本のアーム導波路の内の第１のアーム導波路の断面におけるＰＮ接合の構成、および、第２のアーム導波路の断面におけるＰＮ接合の構成は、同一であって、前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路に共通の単一の検査回路を備えた請求項１乃至４いずれかに記載の光回路。
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