JP2012042849A - Optical waveguide device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信網の構築に必要な光機能素子を一つの光回路チップに集積した光導波路デバイスに関するものである。 The present invention relates to an optical waveguide device in which optical functional elements necessary for construction of an optical communication network are integrated in one optical circuit chip.
通信網の高速大容量化を支える光通信技術において波長多重伝送が重要な技術となっており、例えば、波長多重伝送技術と伝送パス管理技術とを組み合わせたＲＯＡＤＭ（reconfigurable optical add/drop multiplexer）技術が挙げられる。
ＲＯＡＤＭ技術を適用した光通信網の構築には、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）による波長合分波器と、各波長チャネル毎に設けられた可変光減衰器（ＶＯＡ）とが一つの光回路チップに集積されたＶＭＵＸと呼ばれる光デバイスが用いられている。
Wavelength multiplexing is an important technology in optical communication technology that supports high-speed and large-capacity communication networks. For example, ROADM (reconfigurable optical add / drop multiplexer) technology that combines wavelength multiplexing transmission technology and transmission path management technology Is mentioned.
For the construction of an optical communication network to which ROADM technology is applied, a wavelength multiplexer / demultiplexer using an arrayed waveguide diffraction grating (AWG) and a variable optical attenuator (VOA) provided for each wavelength channel constitute one optical circuit. An optical device called VMUX integrated on a chip is used.
現在のＶＭＵＸは、コアおよびクラッドが石英系材料からなる石英系光導波路を基に構成されている。光回路として石英系光導波路素子は広く使用されており、低損失、高信頼性などの優れた特徴を有する（非特許文献１参照）。
消費電力が小さいＶＯＡとして、シリコン細線光導波路内の自由キャリア吸収を動作原理とした素子がある（非特許文献２参照）。
The current VMUX is configured based on a silica-based optical waveguide whose core and clad are made of a silica-based material. Silica-based optical waveguide elements are widely used as optical circuits, and have excellent characteristics such as low loss and high reliability (see Non-Patent Document 1).
As a VOA with low power consumption, there is an element based on the principle of free carrier absorption in a silicon fine wire optical waveguide (see Non-Patent Document 2).
しかし、石英系光導波路を基に構成されるＶＭＵＸには、以下のような問題があった。
すなわち、ＶＯＡとして、熱光学効果を原理とする位相シフタを備えるマッハツェンダー干渉計を用いており、光の減衰動作に数ミリ秒の時間を要することと、素子単体のサイズが大きく、チャネル数が多くなるとデバイスサイズが大きくなってしまうことと、消費電力が大きいことである。
However, the VMUX configured based on the quartz optical waveguide has the following problems.
In other words, a Mach-Zehnder interferometer equipped with a phase shifter based on the thermo-optic effect is used as the VOA. It takes several milliseconds for the light attenuation operation, and the element size is large, and the number of channels is large. When the number increases, the device size increases and the power consumption increases.
一方、高速動作可能で、素子サイズが小さく、消費電力が小さいＶＯＡとして、シリコン細線光導波路内の自由キャリア吸収を動作原理とした素子がある。しかし、このようなＶＯＡを用いる場合には、シリコン光導波路と石英系光導波路とを低損失で接続する必要があるが、シリコン光導波路と石英系光導波路とを同一基板上にモノリシック集積することが難しいという問題があった。 On the other hand, as a VOA that can operate at high speed, has a small element size, and low power consumption, there is an element based on the principle of free carrier absorption in a silicon fine wire optical waveguide. However, when such a VOA is used, it is necessary to connect the silicon optical waveguide and the silica-based optical waveguide with low loss. However, the silicon optical waveguide and the silica-based optical waveguide should be monolithically integrated on the same substrate. There was a problem that was difficult.
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、石英系光導波路素子とシリコン光導波路素子とをモノリシック集積することができ、かつこれらの素子を低損失で接続することができる光導波路デバイスを提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. An optical waveguide capable of monolithically integrating a silica-based optical waveguide element and a silicon optical waveguide element and connecting these elements with low loss. The purpose is to provide a device.
本発明の光導波路デバイスは、石英系光導波路によって構成される光機能素子と、シリコン光導波路によって構成される光機能素子と、前記石英系光導波路によって構成される光機能素子と前記シリコン光導波路によって構成される光機能素子を接続するスポットサイズ変換器とを備え、前記石英系光導波路によって構成される光機能素子と前記シリコン光導波路によって構成される光機能素子と前記スポットサイズ変換器とは、同一の基板上にモノリシック集積され、前記石英系光導波路のコアと前記シリコン光導波路の第１のオーバークラッドとは、前記基板上の同一層の膜からなることを特徴とするものである。 The optical waveguide device of the present invention includes an optical functional element configured by a silica optical waveguide, an optical functional element configured by a silicon optical waveguide, an optical functional element configured by the silica optical waveguide, and the silicon optical waveguide. A spot size converter for connecting an optical functional element configured by: an optical functional element configured by the silica-based optical waveguide; an optical functional element configured by the silicon optical waveguide; and the spot size converter. These are monolithically integrated on the same substrate, and the core of the silica-based optical waveguide and the first overclad of the silicon optical waveguide are made of the same layer film on the substrate.
また、本発明の光導波路デバイスの１構成例において、前記石英系光導波路は、前記基板上に形成されたアンダークラッドと、このアンダークラッド上に形成されたコアと、このコアを覆うオーバークラッドとから構成され、前記シリコン光導波路は、前記基板上に形成されたアンダークラッドと、このアンダークラッド上に形成されたシリコンからなるコアと、このコアを覆う第１のオーバークラッドと、この第１のオーバークラッドを覆う第２のオーバークラッドとから構成され、前記スポットサイズ変換器は、前記基板上に形成されたアンダークラッドと、このアンダークラッド上に前記石英系光導波路の方向に向かって幅が漸次細くなるように形成されたシリコンからなる第１のコアと、この第１のコアを覆う第２のコアと、この第２のコアを覆うオーバークラッドとから構成され、前記石英系光導波路のアンダークラッドと前記シリコン光導波路のアンダークラッドと前記スポットサイズ変換器のアンダークラッドとは、同一層の膜からなり、前記シリコン光導波路のコアと前記スポットサイズ変換器の第１のコアとは、同一層の膜からなり、前記石英系光導波路のコアと前記シリコン光導波路の第１のオーバークラッドと前記スポットサイズ変換器の第２のコアとは、同一層の膜からなり、前記石英系光導波路のオーバークラッドと前記シリコン光導波路の第２のオーバークラッドと前記スポットサイズ変換器のオーバークラッドとは、同一層の膜からなることを特徴とするものである。
また、本発明の光導波路デバイスの１構成例において、前記シリコン光導波路は、コアの寸法がサブミクロンオーダであるシリコン細線光導波路である。
In one configuration example of the optical waveguide device of the present invention, the silica-based optical waveguide includes an underclad formed on the substrate, a core formed on the underclad, and an overclad covering the core. The silicon optical waveguide includes an underclad formed on the substrate, a core made of silicon formed on the underclad, a first overclad covering the core, and the first The spot size converter includes an underclad formed on the substrate, and a width gradually increasing toward the silica-based optical waveguide on the underclad. A first core made of silicon formed to be thin; a second core covering the first core; and The under-clad of the silica-based optical waveguide, the under-clad of the silicon optical waveguide, and the under-clad of the spot size converter are formed of the same layer, and the silicon optical waveguide And the first core of the spot size converter are made of the same layer film, the core of the silica-based optical waveguide, the first overclad of the silicon optical waveguide, and the second of the spot size converter. The core of the same is made of a film of the same layer, and the over clad of the silica-based optical waveguide, the second over clad of the silicon optical waveguide, and the over clad of the spot size converter are made of the same layer of film. It is characterized by.
Moreover, in one configuration example of the optical waveguide device of the present invention, the silicon optical waveguide is a silicon fine wire optical waveguide having a core dimension of submicron order.
本発明によれば、石英系光導波路からなるアレイ導波路回折格子の出力とシリコン光導波路からなる可変光減衰器の入力とを接続するスポットサイズ変換器を、アレイ導波路回折格子および可変光減衰器と同一の基板上に設け、石英系光導波路のコアとシリコン光導波路の第１のオーバークラッドとを基板上の同一層の膜から構成することにより、石英系光導波路素子とシリコン光導波路素子とをモノリシック集積することができ、かつこれらの素子を低損失で接続することができる。 According to the present invention, a spot size converter for connecting an output of an arrayed waveguide diffraction grating made of a silica-based optical waveguide and an input of a variable optical attenuator made of a silicon optical waveguide, the arrayed waveguide diffraction grating and the variable optical attenuation The silica-based optical waveguide device and the silicon optical waveguide device are provided on the same substrate as the container, and the core of the silica-based optical waveguide and the first overcladding of the silicon optical waveguide are formed of the same layer film on the substrate. Can be monolithically integrated, and these elements can be connected with low loss.
また、本発明では、シリコン光導波路を、コアの寸法がサブミクロンオーダであるシリコン細線光導波路とする。シリコン光導波路においては、コアとなるシリコンが石英系材料と比べて高い屈折率を有しており、サブミクロンオーダの断面形状を有する小さなコアに光を閉じ込めて光を伝搬させるシリコン細線光導波路を用いることにより、素子の小型化による高速化、低消費電力化を実現することができる。 In the present invention, the silicon optical waveguide is a silicon fine-wire optical waveguide having a core dimension of submicron order. In silicon optical waveguides, silicon cores have a higher refractive index than silica-based materials, and silicon thin-line optical waveguides that confine light in a small core with a submicron-order cross-sectional shape and propagate the light. By using it, it is possible to realize high speed and low power consumption by downsizing the element.
以下に、本発明に係る実施の形態を、図と共に示す。図１は本実施の形態に係るモノリシック集積光導波路デバイスの構造を示す説明図である。
本実施の形態の光導波路デバイスは、シリコン細線光導波路素子と石英系光導波路素子とを同一基板上にモノリシック集積したものであり、モードフィールドサイズ変換を行うスポットサイズ変換器（ＳＳＣ）１０１と、コアの寸法がサブミクロンオーダのシリコン細線光導波路１０２からなる光機能素子であるキャリア注入型可変光減衰器（ＶＯＡ）と、石英系光導波路１０３からなる光機能素子であるアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）とを備えている。なお、図１では、構造を見易くするために、ＳＳＣ１０１とシリコン細線光導波路１０２の内部を透視して記載している。
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view showing the structure of a monolithic integrated optical waveguide device according to this embodiment.
The optical waveguide device of the present embodiment is a monolithically integrated silicon thin-wire optical waveguide element and a silica-based optical waveguide element on the same substrate, and a spot size converter (SSC) 101 that performs mode field size conversion; Carrier-injection variable optical attenuator (VOA), which is an optical functional element composed of a silicon fine wire optical waveguide 102 having a core dimension of the order of submicron, and an arrayed waveguide diffraction grating (optical functional element composed of a silica-based optical waveguide 103) AWG). In FIG. 1, the insides of the SSC 101 and the silicon fine wire optical waveguide 102 are seen through in order to make the structure easy to see.
図２はシリコン細線光導波路１０２と石英系光導波路１０３を接続するＳＳＣ１０１の拡大図である。図３はＳＳＣ１０１を図２のＡ−Ａ’面で切断した断面図であり、ＳＳＣ１０１の断面構造を示す。ＳＳＣ１０１は、シリコン（Ｓｉ）基板２００上に形成された酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなるアンダークラッド２０１と、長手方向（図３の紙面に垂直な方向）にテーパー状に形成されたシリコン（Ｓｉ）コア２０２と、シリコンコア２０２を覆う酸化シリコン（ＳｉＯx）からなる石英系光導波路コア２０３と、石英系光導波路コア２０３を覆う酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜２０４とから構成される。なお、ＳＳＣ１０１の構造および機能については、例えば特開２００４−１８４９８６号公報に開示されている。 FIG. 2 is an enlarged view of the SSC 101 that connects the silicon thin wire optical waveguide 102 and the silica-based optical waveguide 103. FIG. 3 is a cross-sectional view of the SSC 101 taken along the plane AA ′ in FIG. 2 and shows a cross-sectional structure of the SSC 101. The SSC 101 includes an underclad 201 made of silicon oxide (SiO 2 ) formed on a silicon (Si) substrate 200 and silicon (Si) formed in a taper shape in a longitudinal direction (a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 3). The core 202 includes a silica-based optical waveguide core 203 made of silicon oxide (SiO x ) that covers the silicon core 202, and a silicon oxide (SiO 2 ) film 204 that covers the silica-based optical waveguide core 203. The structure and function of the SSC 101 are disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-184986.
図４はシリコン細線光導波路１０２を図２のＢ−Ｂ’面で切断した断面図であり、シリコン細線光導波路１０２の断面構造を示す。シリコン細線光導波路１０２は、シリコン基板２００上に形成された酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなるアンダークラッド３０１と、アンダークラッド３０１上に形成されたシリコンコア３０２と、シリコンコア３０２を覆う酸化シリコン（ＳｉＯx）膜３０３と、酸化シリコン膜３０３を覆う酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜３０４とから構成される。 FIG. 4 is a cross-sectional view of the silicon fine wire optical waveguide 102 taken along the plane BB ′ of FIG. 2 and shows a cross-sectional structure of the silicon fine wire optical waveguide 102. The silicon thin wire optical waveguide 102 includes an underclad 301 made of silicon oxide (SiO 2 ) formed on a silicon substrate 200, a silicon core 302 formed on the underclad 301, and silicon oxide (SiO 2 ) covering the silicon core 302. x ) a film 303 and a silicon oxide (SiO 2 ) film 304 covering the silicon oxide film 303.
図５は石英系光導波路１０３を図２のＣ−Ｃ’面で切断した断面図であり、石英系光導波路１０３の断面構造を示す。石英系光導波路１０３は、シリコン基板２００上に形成された酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなるアンダークラッド４０１と、アンダークラッド４０１上に形成された酸化シリコン（ＳｉＯx）からなる石英系光導波路コア４０３と、石英系光導波路コア４０３を覆う酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜４０４とから構成される。 FIG. 5 is a cross-sectional view of the silica-based optical waveguide 103 taken along the line CC ′ of FIG. 2, and shows a cross-sectional structure of the silica-based optical waveguide 103. The quartz optical waveguide 103 includes an underclad 401 made of silicon oxide (SiO 2 ) formed on the silicon substrate 200 and a quartz optical waveguide core 403 made of silicon oxide (SiO x ) formed on the underclad 401. And a silicon oxide (SiO 2 ) film 404 covering the quartz optical waveguide core 403.
ここで、図３、図４、図５に示した断面を構成する各層は、以下のように共通化されることで、モノリシック集積化が可能となる。
すなわち、ＳＳＣ１０１のアンダークラッド２０１は、シリコン細線光導波路１０２のアンダークラッド３０１および石英系光導波路１０３のアンダークラッド４０１と同層である。
Here, the layers constituting the cross section shown in FIGS. 3, 4 and 5 are made common as follows, and thus monolithic integration can be achieved.
That is, the underclad 201 of the SSC 101 is in the same layer as the underclad 301 of the silicon fine wire optical waveguide 102 and the underclad 401 of the silica-based optical waveguide 103.
ＳＳＣ１０１のシリコンコア２０２は、シリコン細線光導波路１０２のシリコンコア３０２と同層である。図２に示すようにシリコンコア２０２は、ＳＳＣ１０１内において石英系光導波路１０３の方向に向かって幅（図３の左右方向の寸法）が漸次細くなるようにテーパー状に形成されている。このシリコンコア２０２は、石英系光導波路１０３内には形成されない。すなわち、石英系光導波路１０３においては、図５に示したように、シリコン層がない構造となっている。 The silicon core 202 of the SSC 101 is the same layer as the silicon core 302 of the silicon fine wire optical waveguide 102. As shown in FIG. 2, the silicon core 202 is formed in a tapered shape in the SSC 101 so that the width (dimension in the left-right direction in FIG. 3) gradually decreases in the direction of the silica-based optical waveguide 103. The silicon core 202 is not formed in the quartz optical waveguide 103. That is, the quartz optical waveguide 103 has a structure without a silicon layer as shown in FIG.
ＳＳＣ１０１の石英系光導波路コア２０３は、シリコン細線光導波路１０２の酸化シリコン膜３０３および石英系光導波路１０３の石英系光導波路コア４０３と同層である。ＳＳＣ１０１および石英系光導波路１０３においては、石英系光導波路コア２０３および石英系光導波路コア４０３がコアとして機能するようにその幅（図３、図５の左右方向の寸法）が規定されている。一方、シリコン細線光導波路１０２においては、酸化シリコン膜３０３の幅は規定されていない。すなわち、酸化シリコン膜３０３は、シリコン細線光導波路１０２のオーバークラッドとして機能するように形成されている。 The silica-based optical waveguide core 203 of the SSC 101 is the same layer as the silicon oxide film 303 of the silicon fine-wire optical waveguide 102 and the silica-based optical waveguide core 403 of the silica-based optical waveguide 103. In the SSC 101 and the silica-based optical waveguide 103, the width (dimension in the left-right direction in FIGS. 3 and 5) is defined so that the silica-based optical waveguide core 203 and the silica-based optical waveguide core 403 function as cores. On the other hand, in the silicon fine wire optical waveguide 102, the width of the silicon oxide film 303 is not defined. That is, the silicon oxide film 303 is formed so as to function as an overclad of the silicon fine wire optical waveguide 102.
ＳＳＣ１０１の酸化シリコン膜２０４は、シリコン細線光導波路１０２の酸化シリコン膜３０４および石英系光導波路１０３の酸化シリコン膜４０４と同層である。すなわち、酸化シリコン膜２０４，３０４，４０４は、いずれも各光導波路素子のオーバークラッドとして機能するように形成されている。 The silicon oxide film 204 of the SSC 101 is the same layer as the silicon oxide film 304 of the silicon fine wire optical waveguide 102 and the silicon oxide film 404 of the silica-based optical waveguide 103. That is, the silicon oxide films 204, 304, and 404 are all formed so as to function as an overcladding of each optical waveguide element.
各構成要素の寸法と屈折率の一例を以下に示す。シリコン基板２００上に形成されたアンダークラッド２０１，３０１，４０１は、厚さが３μｍで屈折率が１．４５ である。
ＳＳＣ１０１のシリコンコア２０２とシリコン細線光導波路１０２のシリコンコア３０２は、屈折率が３．４８で厚さが２００ｎｍである。シリコンコア３０２の幅は４００ｎｍである。一方、シリコンコア２０２の幅は、シリコン細線光導波路１０２とＳＳＣ１０１との境界ではシリコンコア３０２と同じ４００ｎｍであるが、石英系光導波路１０３に近づくにつれてテーパー状に狭くなり、テーパー終端部では８０ｎｍとなっている。
An example of the dimension and refractive index of each component is shown below. The underclads 201, 301, and 401 formed on the silicon substrate 200 have a thickness of 3 μm and a refractive index of 1.45.
The silicon core 202 of the SSC 101 and the silicon core 302 of the silicon fine wire optical waveguide 102 have a refractive index of 3.48 and a thickness of 200 nm. The width of the silicon core 302 is 400 nm. On the other hand, the width of the silicon core 202 is 400 nm, which is the same as that of the silicon core 302, at the boundary between the silicon thin-line optical waveguide 102 and the SSC 101, but becomes narrower as it approaches the silica-based optical waveguide 103, and is 80 nm at the end of the taper. It has become.
ＳＳＣ１０１の石英系光導波路コア２０３とシリコン細線光導波路１０２の酸化シリコン膜３０３と石英系光導波路１０３の石英系光導波路コア４０３は、屈折率が１．５０で厚さが３μｍである。石英系光導波路コア２０３，４０３の幅は３μｍである。
ＳＳＣ１０１の酸化シリコン膜２０４とシリコン細線光導波路１０２の酸化シリコン膜３０４と石英系光導波路１０３の酸化シリコン膜４０４は、いずれも厚さが５μｍで屈折率が１．４７である。
The silica-based optical waveguide core 203 of the SSC 101, the silicon oxide film 303 of the silicon thin-line optical waveguide 102, and the silica-based optical waveguide core 403 of the silica-based optical waveguide 103 have a refractive index of 1.50 and a thickness of 3 μm. The width of the quartz optical waveguide cores 203 and 403 is 3 μm.
The silicon oxide film 204 of the SSC 101, the silicon oxide film 304 of the silicon thin wire optical waveguide 102, and the silicon oxide film 404 of the silica-based optical waveguide 103 all have a thickness of 5 μm and a refractive index of 1.47.
ＳＳＣ１０１のシリコンコア２０２とシリコン細線光導波路１０２のシリコンコア３０２の材質は、アモルファスシリコン、ポリシリコンなどでも良い。
また、本実施の形態では、ＳＳＣ１０１の石英系光導波路コア２０３とシリコン細線光導波路１０２の酸化シリコン膜３０３と石英系光導波路１０３の石英系光導波路コア４０３に石英系材料として酸化シリコン（ＳｉＯx）を用いているが、屈折率が調整された酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）やポリイミドなどを用いても良い。ただし、シリコン細線光導波路１０２および石英系光導波路１０３がシングルモード条件を満たすように、形状および屈折率が調整されていることが望ましい。
The material of the silicon core 202 of the SSC 101 and the silicon core 302 of the silicon thin wire optical waveguide 102 may be amorphous silicon, polysilicon, or the like.
In the present embodiment, the silica-based optical waveguide core 203 of the SSC 101, the silicon oxide film 303 of the silicon thin-line optical waveguide 102, and the silica-based optical waveguide core 403 of the silica-based optical waveguide 103 are made of silicon oxide (SiO x However, silicon oxynitride (SiON) or polyimide whose refractive index is adjusted may be used. However, it is desirable that the shape and the refractive index are adjusted so that the silicon fine wire optical waveguide 102 and the silica-based optical waveguide 103 satisfy the single mode condition.
ＥＣＲプラズマは、低圧下で原料ガスが十分に解離したプラズマを生成することが可能であり、屈折率制御のために良好な成膜前駆体が得られる。また、容量結合型プラズマのように、ガスを十分に解離させるために、投入電力量を増大させて温度が上昇してしまう問題がない。このようにＥＣＲプラズマＣＶＤ法によって、光導波路用の高品質な膜が得られる。 The ECR plasma can generate a plasma in which the source gas is sufficiently dissociated under a low pressure, and a good film precursor can be obtained for controlling the refractive index. Further, unlike the capacitively coupled plasma, there is no problem that the temperature rises by increasing the amount of input power in order to sufficiently dissociate the gas. Thus, a high quality film for an optical waveguide can be obtained by the ECR plasma CVD method.
図６に、本実施の形態のモノリシック集積光導波路デバイスの平面図を示す。図６において、５０１ａ，５０１ｂは図３のＳＳＣ１０１と同じものである。５０２はシリコン細線光導波路１０２を用いて作製したキャリア注入型可変光減衰器（ＶＯＡ）、５０３は石英系光導波路１０３を用いて作製したアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）である。また、５０４に示す領域はシリコン細線光導波路１０２によって構成されており、５０５に示す領域は石英系光導波路１０３によって構成されている。 FIG. 6 shows a plan view of the monolithic integrated optical waveguide device of the present embodiment. In FIG. 6, 501a and 501b are the same as the SSC 101 of FIG. Reference numeral 502 denotes a carrier injection variable optical attenuator (VOA) manufactured using the silicon fine wire optical waveguide 102, and reference numeral 503 denotes an arrayed waveguide diffraction grating (AWG) manufactured using the silica-based optical waveguide 103. Further, the region indicated by 504 is constituted by the silicon fine wire optical waveguide 102, and the region indicated by 505 is constituted by the silica-based optical waveguide 103.
ＡＷＧ５０３に入力された光信号は、２００ＧＨｚ間隔の１６チャネルに分波される。ＳＳＣ５０１ａは１６チャネル分設けられている。ＡＷＧ５０３の各出口ポートは、それぞれ対応するチャネルのＳＳＣ５０１ａを介して、ＶＯＡ５０２を構成するシリコン細線光導波路に接続される。これにより、ＡＷＧ５０３によって分波され各出力ポートから出力される光信号は、ＶＯＡ５０２の対応するチャネルの入力ポートに入力される。このとき、ＳＳＣ５０１ａによって導波路のモードフィールド径は縮小される。 The optical signal input to the AWG 503 is demultiplexed into 16 channels at intervals of 200 GHz. The SSC 501a is provided for 16 channels. Each outlet port of the AWG 503 is connected to a silicon fine wire optical waveguide constituting the VOA 502 via the SSC 501a of the corresponding channel. Thereby, the optical signal demultiplexed by the AWG 503 and output from each output port is input to the input port of the corresponding channel of the VOA 502. At this time, the mode field diameter of the waveguide is reduced by the SSC 501a.
ＶＯＡ５０２は、１６チャネル分設けられており、各チャネルの光信号の強度調整をチャネル毎に独立に行うことが可能である。ＳＳＣ５０１ａと同様に、ＳＳＣ５０１ｂは１６チャネル分設けられている。ＶＯＡ５０２の各出力ポートは、それぞれ対応するチャネルのＳＳＣ５０１ｂを介して石英系光導波路（不図示）に接続される。このとき、ＳＳＣ５０１ｂによって導波路のモードフィールド径は拡大される。そして、各チャネルの石英系光導波路は、それぞれデバイス外部の光ファイバと結合される。こうして、出力信号が得られる。なお、ＡＷＧの構造と機能については非特許文献１に開示され、ＶＯＡの構造と機能については非特許文献２に開示されている。 The VOA 502 is provided for 16 channels, and the intensity adjustment of the optical signal of each channel can be performed independently for each channel. Similar to the SSC 501a, the SSC 501b is provided for 16 channels. Each output port of the VOA 502 is connected to a silica-based optical waveguide (not shown) via the SSC 501b of the corresponding channel. At this time, the mode field diameter of the waveguide is expanded by the SSC 501b. The silica-based optical waveguide of each channel is coupled to an optical fiber outside the device. In this way, an output signal is obtained. The structure and function of AWG are disclosed in Non-Patent Document 1, and the structure and function of VOA are disclosed in Non-Patent Document 2.
本実施の形態のモノリシック集積光導波路デバイスの作製プロセスの概略は以下のとおりである。まず、シリコン基板と、シリコン基板の上に形成された絶縁層と、絶縁層の上に形成された上層シリコン層とからなるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板を準備する。このＳＯＩ基板の絶縁層が、図３〜図５のアンダークラッド２０１，３０１，４０１となることは言うまでもない。 The outline of the manufacturing process of the monolithic integrated optical waveguide device of the present embodiment is as follows. First, a silicon-on-insulator (SOI) substrate including a silicon substrate, an insulating layer formed on the silicon substrate, and an upper silicon layer formed on the insulating layer is prepared. It goes without saying that the insulating layer of this SOI substrate becomes the underclad 201, 301, 401 of FIGS.
次に、リソグラフィーとエッチングによってＳＯＩ基板の上層シリコン層を選択的に除去して、ＳＳＣ５０１ａ，５０１ｂのシリコンコア２０２およびＶＯＡ５０２のシリコンコア３０２を形成し、さらにイオン注入と電極作製を行い、ＶＯＡ５０２を作製する。 Next, the upper silicon layer of the SOI substrate is selectively removed by lithography and etching to form the silicon core 202 of the SSCs 501a and 501b and the silicon core 302 of the VOA 502. Further, ion implantation and electrode fabrication are performed to fabricate the VOA 502. To do.
次に、石英系光導波路による光機能素子（ここではＡＷＧ）を作製する領域において、ＳＯＩ基板の上層シリコン層を除去する。これによってシリコン光導波路機能素子と石英系光導波路機能素子の同一基板上でのモノリシック集積が可能となる。 Next, the upper silicon layer of the SOI substrate is removed in a region where an optical functional element (here, AWG) using a quartz optical waveguide is manufactured. This enables monolithic integration of the silicon optical waveguide functional element and the silica-based optical waveguide functional element on the same substrate.
続いて、ＳＯＩ基板の絶縁層（アンダークラッド４０１）の上に、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によってＡＷＧ５０３（石英系光導波路１０３）のコアとなる酸化シリコン（ＳｉＯx）膜を堆積する。そして、フォトリソグラフィーとエッチングによって酸化シリコン膜を選択的に除去して、ＡＷＧ５０３の石英系光導波路コア４０３を作製する。
最後に、オーバークラッドとなる酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜２０４，３０４，４０４を堆積する。
Subsequently, a silicon oxide (SiO x ) film serving as a core of the AWG 503 (quartz optical waveguide 103) is deposited on the insulating layer (underclad 401) of the SOI substrate by ECR plasma CVD. Then, the silicon oxide film is selectively removed by photolithography and etching, and the quartz optical waveguide core 403 of the AWG 503 is manufactured.
Finally, silicon oxide (SiO 2 ) films 204, 304, and 404 to be overclad are deposited.
図７は本実施の形態のモノリシック集積光導波路デバイスを通過する光信号のスペクトルを示す図である。図７によれば、ＡＷＧ５０３によって各チャネルに分波した光信号を、ＶＯＡ５０２によってチャネルごとに光レベル制御することが可能となっていることが分かる。 FIG. 7 is a diagram showing a spectrum of an optical signal passing through the monolithic integrated optical waveguide device of the present embodiment. As can be seen from FIG. 7, the optical level of the optical signal demultiplexed into each channel by the AWG 503 can be controlled for each channel by the VOA 502.
図８にＶＯＡ５０２の応答速度を示す。ここでは、ＶＯＡ５０２の電極に印加するバイアス電圧を０Ｖとしている。図８から明らかなように、ＶＯＡ５０２の応答速度は１５ｎｓであり、ＡＷＧ５０３とＶＯＡ５０２をモノリシック集積することで、石英系光導波路からなるＶＯＡでは実現できない高速なレベル制御動作が可能となった。
以上のように、本実施の形態によれば、石英系光導波路素子とシリコン細線光導波路素子との集積化が可能となったために、高性能な光素子を実現することができる。
FIG. 8 shows the response speed of the VOA 502. Here, the bias voltage applied to the electrode of the VOA 502 is 0V. As is clear from FIG. 8, the response speed of the VOA 502 is 15 ns, and by monolithically integrating the AWG 503 and the VOA 502, a high-speed level control operation that cannot be realized with a VOA composed of a silica-based optical waveguide becomes possible.
As described above, according to the present embodiment, the integration of the silica-based optical waveguide device and the silicon fine-wire optical waveguide device is possible, so that a high-performance optical device can be realized.
本発明は、石英系光導波路素子とシリコン光導波路素子とをモノリシック集積する技術に適用することができる。 The present invention can be applied to a technique for monolithically integrating a silica-based optical waveguide element and a silicon optical waveguide element.
１０１，５０１ａ，５０１ｂ…スポットサイズ変換器、１０２…シリコン細線光導波路、１０３…石英系光導波路、２００…シリコン基板、２０１，３０１，４０１…アンダークラッド、２０２，３０２…シリコンコア、２０３，４０３…石英系光導波路コア、２０４，３０３，３０４，４０４…酸化シリコン膜、５０２…キャリア注入型可変光減衰器、５０３…アレイ導波路回折格子。 101, 501a, 501b ... spot size converter, 102 ... silicon fine wire optical waveguide, 103 ... quartz optical waveguide, 200 ... silicon substrate, 201, 301, 401 ... underclad, 202, 302 ... silicon core, 203, 403 ... Quartz-based optical waveguide core, 204, 303, 304, 404 ... silicon oxide film, 502 ... carrier injection type variable optical attenuator, 503 ... array waveguide diffraction grating.
Claims (3)
シリコン光導波路によって構成される光機能素子と、
前記石英系光導波路によって構成される光機能素子と前記シリコン光導波路によって構成される光機能素子を接続するスポットサイズ変換器とを備え、
前記石英系光導波路によって構成される光機能素子と前記シリコン光導波路によって構成される光機能素子と前記スポットサイズ変換器とは、同一の基板上にモノリシック集積され、
前記石英系光導波路のコアと前記シリコン光導波路の第１のオーバークラッドとは、前記基板上の同一層の膜からなることを特徴とする光導波路デバイス。 An optical functional element composed of a silica-based optical waveguide;
An optical functional element constituted by a silicon optical waveguide;
An optical functional element constituted by the silica-based optical waveguide and a spot size converter for connecting the optical functional element constituted by the silicon optical waveguide;
The optical functional element constituted by the quartz optical waveguide, the optical functional element constituted by the silicon optical waveguide, and the spot size converter are monolithically integrated on the same substrate,
The core of the silica-based optical waveguide and the first overclad of the silicon optical waveguide are made of the same layer film on the substrate.
前記石英系光導波路は、前記基板上に形成されたアンダークラッドと、このアンダークラッド上に形成されたコアと、このコアを覆うオーバークラッドとから構成され、
前記シリコン光導波路は、前記基板上に形成されたアンダークラッドと、このアンダークラッド上に形成されたシリコンからなるコアと、このコアを覆う第１のオーバークラッドと、この第１のオーバークラッドを覆う第２のオーバークラッドとから構成され、
前記スポットサイズ変換器は、前記基板上に形成されたアンダークラッドと、このアンダークラッド上に前記石英系光導波路の方向に向かって幅が漸次細くなるように形成されたシリコンからなる第１のコアと、この第１のコアを覆う第２のコアと、この第２のコアを覆うオーバークラッドとから構成され、
前記石英系光導波路のアンダークラッドと前記シリコン光導波路のアンダークラッドと前記スポットサイズ変換器のアンダークラッドとは、同一層の膜からなり、
前記シリコン光導波路のコアと前記スポットサイズ変換器の第１のコアとは、同一層の膜からなり、
前記石英系光導波路のコアと前記シリコン光導波路の第１のオーバークラッドと前記スポットサイズ変換器の第２のコアとは、同一層の膜からなり、
前記石英系光導波路のオーバークラッドと前記シリコン光導波路の第２のオーバークラッドと前記スポットサイズ変換器のオーバークラッドとは、同一層の膜からなることを特徴とする光導波路デバイス。 The optical waveguide device according to claim 1, wherein
The silica-based optical waveguide is composed of an underclad formed on the substrate, a core formed on the underclad, and an overclad covering the core.
The silicon optical waveguide covers an underclad formed on the substrate, a core made of silicon formed on the underclad, a first overclad covering the core, and the first overclad. A second over clad,
The spot size converter includes a first core made of an underclad formed on the substrate, and a silicon formed on the underclad so that the width gradually decreases toward the quartz optical waveguide. And a second core that covers the first core, and an overcladding that covers the second core,
The under clad of the silica-based optical waveguide, the under clad of the silicon optical waveguide, and the under clad of the spot size converter are made of the same layer film,
The core of the silicon optical waveguide and the first core of the spot size converter are made of the same layer film,
The core of the silica-based optical waveguide, the first overclad of the silicon optical waveguide, and the second core of the spot size converter are made of the same layer film,
The optical waveguide device, wherein the overclad of the silica-based optical waveguide, the second overclad of the silicon optical waveguide, and the overclad of the spot size converter are made of the same layer.
前記シリコン光導波路は、コアの寸法がサブミクロンオーダであるシリコン細線光導波路であることを特徴とする光導波路デバイス。 The optical waveguide device according to claim 1 or 2,
2. The optical waveguide device according to claim 1, wherein the silicon optical waveguide is a silicon fine wire optical waveguide having a core dimension of submicron order.
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