JP4493452B2 - 光機能素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、光機能素子およびその製造方法に関し、より特定的には、光信号の波長変換および波形整形を行なう光機能素子およびその製造方法に関するものである。

通信の大容量化および超高速化に伴って、処理時間をロスさせる光−電気−光変換を行わない全光信号処理の実現が推進されている。そのため、光の状態で信号処理が可能な機能素子の需要が急激に高まっている。光の状態で信号処理を行うためには、光導波路中において、利得、位相、および光路を変調することが必要になる。

そのため、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifer）の活性層中に光を導波させることによって、波長変換および波形整形をすることが可能な光機能素子の開発が行なわれている。この光機能素子によれば、活性層中を導波する光が誘導放出を起こすため、出力される光は増幅される。このような光機能素子は、基本的には、半導体レーザと同じ構造である。そのため、このような光機能素子の製造方法には、半導体レーザの製造方法を応用することが可能である。その製造方法を用いれば、小型で簡潔な光機能素子を得ることができる。したがって、光機能素子の製造方法として、前述のような方法は広く普及している。

しかしながら、ＳＯＡにおいては、自然放出光雑音（ＡＳＥ雑音：Amplified Spontaneous Emission Noise）が生じ易いため、出力光は、信号として使用できないレベルまで、Ｓ／Ｎ（Sound／Noise）比が低下してしまう。また、電流を用いてＳＯＡの動作特性を制御するためには、大きな電力が必要となる。そのため、ＳＯＡを将来の大容量かつ高速な光通信において使用することは困難である。

一方、近年、フォトニック結晶中に光を導波させて、低雑音で高速応答も可能な光機能素子を製造する技術の研究が盛んになっている。たとえば、後述する非特許文献１には、フォトニック結晶中に２本の光導波路を有する方向性結合器が設られた分波器が開示されている。

フォトニック結晶は、光の絶縁領域（フォトニックバンドギャップ）を利用して、無損失で光を結晶の中に閉じ込めることができる。このフォトニックバンドギャップは、結晶中に光の波長程度の周期的な微細構造を設けることによって得られる。フォトニック結晶を用いた光導波路の製造方法は、多数存在するが、周期構造同士の間に欠陥領域を設けることによって光導波路を製造する手法が一般的である。

非特許文献１に開示されている光機能素子の構造が図５に示されている。図５に示されている構造には、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハ上に、線欠陥光導波路を有するフォトニック結晶スラブが形成されている。このフォトニック結晶スラブには、非常に微細な間隔をあけて周期的に円形孔を開けることによって周期構造が形成されている。また、フォトニック結晶スラブには一直線上に円形孔が開けられていない線欠陥領域が２本設けられている。この２本の線欠陥領域が２本の光導波路である。

また、２本の光導波路は非常に小さな間隔をおいて平行に設けられている。したがって、２本の光導波路によって方向性結合器が構成されている。方向性結合器には、入力用のＳｉチャネル光導波路からなる入力ポートＩｎ１、ならびに、出力用のＳｉチャネル光導波路からなる出力ポートＯｕｔ１およびＯｕｔ２が接続されている。

入力ポートＩｎ１から一方の光導路内へ入射した光は、一方の光導路内を伝搬していくうちに、特定の波長成分が他方の光導波路に強く結合する。その結果、光は、入力ポートＩｎ１のクロスポートである出力ポートＯｕｔ２から出力される（Ｉｎ１→Ｏｕｔ２）。入力ポートＩｎ１に入力された光のうち前述の特定の波長以外の波長の光は、前述のような強い光導波路同士の間における結合が生じないため、出力ポートＯｕｔ２から出力されず、出力ポートＯｕｔ１から出力される。つまり、光機能素子は、多重波光から特定の波長の光のみを取り出す分波機能を有している。
五明明子（他３名）、「フォトニック結晶線欠陥光導波路の導波モード端付近での群速度異常を用いる分波器」、２００３年秋季第６４回応用物理学会学術講演会講演１ｐ−ＺＭ−１３、予稿集ｐ．９４７

上述のように、ＳＯＡを用いた光機能素子は、波長変換および波形整形の双方の機能を有している。しかしながら、ＳＯＡを用いた光機能素子は、大きなＡＳＥ雑音の発生を避けられないとともに、大きな電力を必要とする。そのため、ビットエラーレートの低い高速な信号が必要とされる光通信において使用することが困難である。

一方、フォトニック結晶を用いた光機能素子は、雑音が小さくかつ高速応答が可能であり、分波機能を有するが、光の状態で波長変換および波形整形を行なうことができない。

本発明は、上述の問題に鑑みなされたものであり、その一の目的は、雑音が小さくかつ高速応答が可能であって、光の状態で波長変換および波形整形を行うことが可能な光機能素子およびその製造方法を提供することである。

本発明の一の局面の光機能素子は、第一の光導波路および第二の光導波路を有する方向性光結合器を備えている。第一の光導波路と第二の光導波路との間であって、第一の光導波路および第二の光導波路のそれぞれの近傍に可飽和吸収領域が設けられている。第一の光導波路および第二の光導波路は、一方に制御光が入射され、他方に信号光が入射される。この構成によれば、低雑音かつ高速な通信が可能であって、光の状態で波長変換および波形整形を行うことが可能な光機能素子が実現される。

前述の光機能素子は、好ましくは、第一の光導波路と第二の光導波路が平行に設けられている。この構成によれば、第一の光導波路と第二の光導波路との間の領域であれば、いずれの位置であっても、可飽和吸収領域を設けることができる。

また、本発明の他の局面の光機能素子は、第一の光導波路と第一の光導波路に交差する第二の光導波路を備えている。第一の光導波路と第二の光導波路とが交差する領域に可飽和吸収領域が設けられている。第一の光導波路および第二の光導波路は、一方に制御光が入射され、他方に信号光が入射される。この構成によっても、低雑音かつ高速な通信が可能であって、光の状態で波長変換および波形整形を行うことが可能な光機能素子が実現される。

前述の一および他の局面の光機能素子においては、制御光の強度が、可飽和吸収領域における光吸収が飽和する強度以下であることが望ましい。これによれば、信号光の強度が可飽和吸収領域における光吸収が飽和する強度以下であるか否かによって、波長変換および波形整形を行なうことができる。

また、前述の一および他の局面の光機能素子においては、制御光の波長と信号光の波長とが同一であってもよい。これによれば、波長整形を行なうことができる。

また、前述の一および他の局面の光機能素子においては、制御光の波長と信号光の波長とは異なっていてもよい。これによれば、波長変換を行なうことができる。

また、前述の一および他の局面の光機能素子においては、第一の光導波路および第二の光導波路がフォトニック結晶の線欠陥領域によって形成されていてもよい。これによれば、低雑音かつ高速な通信を容易に実現することが可能になる。

本発明の光機能素子の製造方法は、光の状態で波長変換および波形整形を行なう光機能素子の製造方法である。その方法は、第一の光導波路と第二の光導波路とを形成する第一の工程と、可飽和吸収領域を形成する第二の工程とを備えている。その第二の工程においては、可飽和吸収領域を構成する物質を含むガスの雰囲気中で、所定の位置に、集束イオンビーム法を用いてイオンを照射し、物質を堆積させることによって、可飽和吸収領域が形成される。この製法によれば、微細な可飽和吸収領域を形成することができる。

この発明によれば、雑音が小さくかつ高速応答が可能であって、光の状態で波長変換および波形整形を行うことが可能な光機能素子およびその製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の光機能素子およびその製造方法を、図面を参照して詳しく説明する。なお、各図において機能が同一の部位には同一符号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における光機能素子の上面図である。

まず、本実施の形態の光機能素子の構造を説明する。本実施の形態の光機能素子は、フォトニック結晶１０を用いて形成されている。フォトニック結晶１０には微細な間隔で周期的に円形孔が設けられている。また、フォトニック結晶１０には、円形孔が設けられていない線欠陥光導波路１および２が設けられている。線欠陥光導波路１および２においては光が導かれ、フォトニック結晶１０の線欠陥光導波路１および２以外の部分は、導波路内に光を閉じ込める機能を有している。

また、線欠陥光導波路１と線欠陥光導波路２との間には、可飽和吸収領域６が設けられている。線欠陥光導波路１と線欠陥光導波路２とは、互いに平行であり、かつ、非常に小さな間隔をおいて設けられている。したがって、可飽和吸収領域６は、線欠陥光導波路１および線欠陥光導波路２のそれぞれに非常に接近して設けられている。この可飽和吸収領域６は、光の強度が所定値になるまでは光を吸収し、所定値の強度の光を吸収すると飽和状態となり、光の強度が所定値以上になると光を透過させるものである。

次に、本実施の形態の光機能素子の製造方法を説明する。

まず、３６０μｍ厚さのＩｎＰ基板上に、有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ：Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）によって、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓＰ層（厚さ０．５μｍ、バンドギャップ波長λｇ＝１．２μｍ）を積層する。次に、ＩｎＧａＡｓＰ層の表面に電子線露光を用いてマスクパターンを形成する。その後、ドライエッチングすることによってマスクパターンをＩｎＧａＡｓＰ層に転写し、図１に示すような円形孔を規則的にあけた三角格子周期構造からなるフォトニック結晶１０を形成する。

円形孔のそれぞれの大きさは直径０．３μｍであり、それらの間隔は０．４μｍである。このとき、円形孔をあけずに周期構造に欠陥を有する領域が線状に形成される。それにより、線欠陥光導波路１と線欠陥光導波路２とが平行に形成される。線欠陥光導波路１は、入力ポートＩｎ１と出力ポートＯｕｔ１を備え、入力ポートＩｎ１から“０”または“１”の二値のＲＺ信号光３（波長λ１）が入射される。線欠陥光導波路２は、入力ポートＩｎ２と出力ポートＯｕｔ２を備え、入力ポートＩｎ２から制御光４（波長λ２）が入射される。

線欠陥光導波路１と線欠陥光導波路２との間に設けられた可飽和吸収領域６は、Ｇｅ雰囲気中でＧａ⁺イオンによって形成された集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）を用いて、Ｇｅを所定の位置に堆積させることによって形成される。具体的には、ガス銃によってフォトニック結晶１０にＧｅガスを吹き付けながら、可飽和吸収領域６を設ける位置にイオンビームを照射し、その位置に局所的にＧｅを堆積させる。

次に、本実施の形態の光機能素子の動作原理を説明する。

本実施の形態では、この光機能素子の２本の光導波路に異なる波長の光を入射させることにより波長変換を行なっている。可飽和吸収領域６は、前述のように、光を吸収するが、ある一定以上の強度の光が入力されて吸収が飽和すると、光に対し透明となり、光を透過させる。

可飽和吸収領域６と線欠陥光導波路１および２のそれぞれとは、近接して設けられ、光機能素子は方向性結合器となっている。また、線欠陥光導波路１と可飽和吸収領域６とは、光が結合する位置関係を有し、また、線欠陥光導波路２と可飽和吸収領域６とも、光が結合する位置関係を有している。したがって、線欠陥光導波路１と線欠陥光導波路２とは、可飽和吸収領域６が吸収状態のときは独立している。一方、可飽和吸収領域６が飽和して光を透過する状態では、可飽和吸収領域６を介して線欠陥光導波路１と線欠陥光導波路２とは結合し、一方の光導波路内を伝搬する光波の一部が他方の光導波路を伝搬するようになる。

図１において、線欠陥光導波路１には波長λ１＝１５５０ｎｍの二値の信号光３（実線）が入力され、線欠陥光導波路２には波長λ２＝１５５１．６ｎｍの一定強度の制御光４（ＣＷ光：Continuous Wave、点線）が入力される。制御光４の強度は可飽和吸収領域６が飽和する閾値を越えない強度に設定されており、可飽和吸収領域６が飽和しないかぎり、制御光４は一部の光が可飽和吸収領域６に吸収されながらＯｕｔ２からのみ出射される。

したがって、信号光３が可飽和吸収領域６を飽和させない弱い強度、すなわち信号光３が“０”の状態で線欠陥光導波路１に入射されるときは、制御光４は可飽和吸収領域６にその一部の光が吸収されるだけで線欠陥光導波路１に伝播されず、出力ポートＯｕｔ２からのみ出射される。一方、信号光３が“１”となって強い強度を有する光が線欠陥光導波路１に入射されると、可飽和吸収領域６は、飽和して光が透過する状態になり、制御光４が線欠陥光導波路１内を伝搬する。このため、制御光４の線欠陥光導波路２から線欠陥光導波路１への伝搬のオン／オフが信号光３の“０”または“１”と同期し、出力ポートＯｕｔ１から波長λ２の光を出射するか否かが切り替えられる。

なお、出力ポートＯｕｔ１からの出射光５に含まれる波長λ１の光は、光フィルタ７により容易に除去され得る。したがって、本実施の形態の光機能素子によれば、波長λ１の信号光３を、信号光３と同様に変調された波長λ２の光へ波長変換することができる。すなわち、本実施の形態における制御光４は、信号光３の“０”または“１”のデータ列に従って変調され、波長変換後の光信号として出力ポートＯｕｔ１から出射される。

このとき、信号光３の消光比が伝送途中で劣化していて“０”の信号の強度が完全に０ではなかったとしても、可飽和吸収領域６が飽和する量に達しなければ、出力ポートＯｕｔ１から波長λ２の光は出射されないため、波長変換後の消光比が向上する。また、本実施の形態の光機能素子によれば、利得領域が無いため、電流注入は不要であり、かつ、ＡＳＥ雑音が生じないため、出力される光信号の劣化を防止することができる。また、本実施の形態の光機能素子は、光導波路の一部品として設けられ得るため、小さい構成かつ低い消費電力で波長変換を行うことができる。

また、本実施の形態では、光導波路として、フォトニック結晶の線欠陥光導波路を用いているため、光導波路の光閉じ込め効果が良好となり、光の伝搬損失を低減することができる。

また、本実施の形態では、２本の光導波路が互いに平行に設けられているため、可飽和吸収領域は光導波路の間であれば、いずれの位置に設けられていてもよい。そのため、光導波路同士の間を伝搬する光の制御性が良好となる。また、光導波路と可飽和吸収領域との間の光の結合係数を光導波路方向の可飽和吸収領域６の位置によらず一定に維持することができるため、光導波路同士の間を伝播する光の強度が安定する。

なお、本実施の形態では制御光４をＣＷ光としたが、制御光４は変調されてもよい。その場合、消費電力が低減されるが、制御光４と信号光３とを同期させる必要がある。このとき、出力ポートＯｕｔ２から出射する信号光３と制御光４とを利用してもよい。その場合、たとえば、出力ポートＯｕｔ２からの出射光の状態をフォトダイオードなどの受光素子で検知しモニターすることで、入射させる制御光４の強度を調整することができる。

また、本実施の形態では、可飽和吸収領域６の形成のためにＦＩＢによる埋め込み作用を利用しているため、所望の領域に微小な可飽和吸収領域６を形成することが可能となっている。ただし、可飽和吸収領域６の形成方法は、これに限定されるものではなく、イオン注入が用いられてもよい。この場合、マスクを用いてＩｎＧａＡｓＰ層の一部に、たとえば、Ｓｉ⁺イオンまたはＡｓ⁺イオンが選択的に注入され、その後、ＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal）処理が行なわれる。この方法によれば、アニール処理の工程が増加するが、ＦＩＢよりも簡便に可飽和吸収領域６を形成することができる。

また、イオン注入以外に、選択エピタキシャル成長法が用いられてもよい。この方法によれば、可飽和吸収領域６を設ける位置に開けた円形孔にＩｎＧａＡｓを成長させるため、ＦＩＢよりも簡便に可飽和吸収領域６を形成することができる。

また、このとき、可飽和吸収領域６の材料は、本実施の形態の可飽和吸収領域６の材料に限定されるのではなく、可飽和吸収特性を有する材料であれば、他の如何なる材料であってもよい。

また、本実施の形態では、周期構造は光機能素子の表面に露出しているが、ＩｎＧａＡｓＰ層の上面および下面のそれぞれにクラッド層としてＩｎＰ層が積層されてもよい。この場合、周期構造が設けられた層が上下同一のＩｎＰ層によって挟まれるため、光機能素子の屈折率が上下方向において対称になり、光の閉じ込め効果が向上する。

また、ＩｎＰ層を積層する代わりに、光導波路が作り込まれたＩｎＧａＡｓ層の下のＩｎＰ基板の一部をウェットエッチングによって刳り貫いてもよい。この場合、周期構造が設けられた層が上下から同一の空気の層によって挟まれているため、光機能素子の屈折率が上下方向において対称になり、光の閉じ込め効果が向上する。

また、本実施の形態では、光導波路を形成するためにＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰウエハが用いられているが、光導波路の材料は、これに限定されるものではなく、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハであってもよい。

たとえば、６５０μｍ厚さのＳｉ基板上に１μｍ厚さのＳｉＯ₂層を備え、さらにその上に０．２μｍ厚さのＳｉ層を備えるＳＯＩウエハに、電子ビーム（ＥＢ：Electron Beam）露光とドライエッチングとによって周期構造を形成し、Ｓｉ層に可飽和吸収領域となる条件を満たす不純物を導入することで可飽和吸収領域を形成する方法が考えられる。

この方法によれば、Ｓｉ層は加工が容易であるため、光機能素子の歩留まりが向上する。また、このとき、Ｓｉ層中の円形孔にＧｅを埋め込むと可飽和吸収領域が形成されるが、その形成方法には、ＦＩＢが用いられる必要はなく、イオン注入が用いられてもよい。この場合、マスクを用いて、可飽和吸収領域となる位置に、選択的に、たとえば、Ｇｅ⁺イオンまたはＰ⁺イオンを注入し、その後、ＲＴＡ処理を行う方法が考えられる。この方法によれば、アニール工程が増加するが、ＦＩＢよりも簡便に可飽和吸収領域を形成することができる。

また、イオン注入以外に、選択エピタキシャル成長法によってＳｉ層に可飽和吸収領域を導入する方法が用いられてもよい。この方法では、可飽和吸収領域を設ける位置に開けた円形孔において、ＧｅまたはＩｎＧａＡｓなどが成長する。この方法によれば、ＦＩＢよりも簡便に可飽和吸収領域を形成することができる。

また、このとき、可飽和吸収領域の材料は本実施の形態の材料に限定されるものではなく、可飽和吸収特性を有する材料であれば、他の材料が用いられてもよい。

また、このとき、光導波路が作り込まれたＳｉ層の上面および下面のそれぞれにクラッド層としてＳｉＯ₂層を積んでもよい。この場合、屈折率が上下対称になり、光の閉じ込め効果が向上する。

また、ＳｉＯ₂層を積む代わりに、光導波路が作り込まれたＳｉ層の下のＳｉＯ₂層をウェットエッチングによって刳り貫いてもよい。この場合、周期構造が設けられた層が上下から同一の空気の層によって挟まれているため、屈折率が上下対称になり、光の閉じ込め効果が向上する。

また、本実施の形態では、フォトニック結晶による線欠陥光導波路を用いたが、Ｓｉ細線導波路を用いても同じ効果が得られる光機能素子を製造することができる。

（実施の形態２）
次に、図２を用いて、実施の形態２の光機能素子を説明する。本実施の形態の光機能素子は、信号光１３の波長と制御光１４の波長とが共にλであること以外は全て実施の形態１の光機能素子と同様であり、その製造方法としては、実施の形態１において説明された光機能素子の製造方法が用いられる。

次に、本実施の形態の光機能素子の動作原理を説明する。

本実施の形態では、光機能素子内の２本の光導波路に入射する信号光１３の波長と制御光１４の波長とを同一にすることにより、波形整形が行なわれる。

図２において、線欠陥光導波路１には波長λ＝１５５０．０ｎｍの二値の信号光１３（実線）が入力され、線欠陥光導波路２にも同様に波長λの制御光１４（点線）が入力される。制御光１４は、信号光１３と同期して変調されており、信号光１３の“０”または“１”と同期してオン／オフされ、ゲート光として機能する。

可飽和吸収領域６は、制御光１４がオンかつ信号光１３が“０”の状態のときは飽和せず、制御光１４がオンかつ信号光１３が“１”の状態のときのみ飽和し光を透過する条件で、形成されている。線欠陥光導波路１に信号光１３が入射されると、制御光１４がオフのとき、信号光１３は、可飽和吸収領域６に光波の一部が吸収され、出力ポートＯｕｔ１からのみ出射される。

一方、制御光１４がオンとなって強い光が入力ポートＩｎ２に入射されると、可飽和吸収領域６は飽和して光を透過する状態になる。そのため、信号光１３が可飽和吸収領域６を介して出力ポートＯｕｔ２から出射される。その結果、出力ポートＯｕｔ２では制御光１４のオン／オフが出力ポートＯｕｔ２の透過および非透過に対応し、制御光１４がオフのときは出力ポートＯｕｔ２から光が出射されず、制御光１４がオンのときのみ信号光１３と制御光１４とが共に出力ポートＯｕｔ２から出射される。

したがって、入射した信号光１３よりも消光比が向上し、かつ、信号光１３と同期するように変調された出射光１５が出力ポートＯｕｔ２から出射される。すなわち、波長整形された出力光が得られる。

本実施の形態の光機能素子によっても、実施の形態１の光機能素子と同様に、利得領域を有していないため電流注入が不要であり、かつＡＳＥ雑音が生じないため信号の劣化を防止することができる。また、本実施の形態の光機能素子は、光導波路の一部品として設けられるため、小さい構成でかつ低い消費電力で波長整形を行うことができる。

このとき、出力ポートＯｕｔ１から出射される信号光１３と制御光１４とを利用してもよい。その場合、たとえば、出力ポートＯｕｔ１からの出射光の状態をフォトダイオードなどの受光素子で検知しモニターすることで、入力ポートＩｎ２に入射させる制御光の強度を調整することができる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における光機能素子の斜視図である。

まず、本実施の形態の光機能素子の構造を説明する。本実施の形態の光機能素子は、Ｓｉ細線光導波路３１および３２が設けられている。Ｓｉ細線光導波路３１および３２は、内部に光を閉じ込める機能を有している。また、本実施の形態の光機能素子においては、Ｓｉ細線光導波路３１とＳｉ細線光導波路３２とは、交差している。この交差点に、可飽和吸収領域３６が設けられている。つまり、可飽和吸収領域３６は、Ｓｉ細線光導波路３１およびＳｉ細線光導波路３２のそれぞれの内部に設けられている。この可飽和吸収領域３６は、光の強度が所定値までは光を吸収し、所定値の強度の光を吸収すると飽和状態となり、所定値以上の強度の光を透過させるものである。

次に、本実施の形態の光機能素子の製造方法を説明する。

本実施の形態の光機能素子の製造方法においては、まず、６５０μｍ厚さのＳｉ基板の上に１μｍ厚さのＳｉＯ２層を形成する。次に、ＳｉＯ２層の上に０．２μｍ厚さのＳｉ層を形成する。したがって、ＳＯＩウエハが形成される。次に、ＳＯＩウエハに電子ビーム（ＥＢ）露光およびドライエッチングによって図３に示すような幅０．５μｍのＳｉ細線光導波路３１および３２を形成する。このとき、Ｓｉ細線光導波路３１とＳｉ細線光導波路３２とは交差するように形成される。

Ｓｉ細線光導波路３１は、入力ポートＩｎ１と出力ポートＯｕｔ１を備え、入力ポートＩｎ１から“０”または“１”の二値のＲＺ信号光３３（波長λ１）が入射される。Ｓｉ細線光導波路３２は、入力ポートＩｎ２と出力ポートＯｕｔ２とを備え、入力ポートＩｎ２から制御光３４（波長λ２）が入射される。

Ｓｉ細線光導波路３１とＳｉ細線光導波路３２とが交差する領域には、Ｇｅ雰囲気中でＧａ⁺イオンを用いたＦＩＢ法によるイオン照射を行なうことによって、可飽和吸収領域３６を構成するＧｅが堆積される。具体的には、ガス銃によってウエハにＧｅガスを吹き付けながら、可飽和吸収領域３６を設ける位置にイオンビームを照射し、その位置に局所的にＧｅを堆積させる。

次に、この光機能素子の動作原理を説明する。実施の形態３では、この光機能素子の２本の光導波路に異なる波長の光を入射することにより波長変換を行なっている。

可飽和吸収領域３６は、光を吸収するが、ある一定以上の強度の光が入力されて吸収が飽和すると、光に対し透明となり光を透過させる。

図３において、Ｓｉ細線光導波路３１には波長λ１＝１５５０ｎｍの二値の信号光３３（実線）、Ｓｉ細線光導波路３２には波長λ２＝１５５１．６ｎｍの一定強度の制御光３４（ＣＷ光、点線）が入力される。制御光３４の強度は可飽和吸収領域３６が飽和する閾値を越えない強度に設定されており、可飽和吸収領域３６が飽和しないかぎり、制御光３４は、可飽和吸収領域３６に吸収され、出力ポートＯｕｔ２から出射されない。

したがって、信号光３３が可飽和吸収領域３６が飽和しない弱い強度、すなわち信号光３３が“０”の状態でＳｉ細線光導波路３１に入射されるときは、制御光３４は可飽和吸収領域３６に吸収されるだけで出力ポートＯｕｔ２から出射されない。

一方、信号光３３が“１”となって強い強度を有する光が入力ポートＩｎ１に入射されると、可飽和吸収領域３６は飽和して光が透過する状態になり、出力ポートＯｕｔ２から波長λ２の出射光３５が出射される。このため、制御光３４の出力ポートＯｕｔ２への伝搬のオン／オフが信号光の“０”または“１”と同期し、出力ポートＯｕｔ２からの波長λ２の出射光３５の出射と非出射とが切り替えられる。

なお、出力ポートＯｕｔ２からの出射光３５に含まれる波長λ１の光は、光フィルタ３７によって容易に除去され得る。したがって、波長λ１の信号光３３は、信号光３３と同様の変調がなされた波長λ２の光への波長変換が行われる。すなわち、実施の形態３における制御光３４は、信号光３３の“０”または“１”のデータ列に従って変調され、波長変換後の光信号として出力ポートＯｕｔ２から出射される。

このとき、信号光３３の消光比が伝送途中で劣化していて“０”の強度が完全に０でなかったとしても、可飽和吸収領域３６が飽和する量に達しなければ出力ポートＯｕｔ２からの波長λ２の光は出射されないため、波長変換後の消光比が向上する。また、本実施の形態の光機能素子は、利得領域を有していないため、電流注入は不要であり、かつＡＳＥ雑音が生じないため、信号の劣化を防止することができる。また、光機能素子は、光導波路の一部品として設けられ得るため、小さい構成でかつ低い消費電力で波長変換を行うことができる。

本実施の形態３の光機能素子によれば、光導波路としてＳｉ細線が用いられているため、光導波路の微細化を実現することが可能である。さらに、Ｓｉ細線は、光導波路の形成のためによく用いられるＳｉＯ₂よりもバンドギャップが狭く、かつ、イオン注入によって可飽和吸収領域を形成し易いという利点がある。

また、本実施の形態の光機能素子によれば、フォトニック結晶のような周期構造を形成する必要が無いため、その製造方法が容易になる。

また、本実施の形態では、Ｓｉ細線導波路が交差しているため、可飽和吸収領域３６を光導波路の内部に形成することができる。そのため、光導波路と可飽和吸収領域との間で光を結合させ易い。

なお、本実施の形態では制御光３４をＣＷ光としたが、制御光３４は変調されてもよい。その場合、消費電力が低減されるが、制御光３４と信号光３３とを同期させる必要がある。

このとき、出力ポートＯｕｔ１からの出射光３８が利用されてもよい。その場合、たとえば、出力ポートＯｕｔ１からの出射光３８に含まれる信号光３３および制御光３４のうちの少なくともいずれか一方の状態をフォトダイオードなどの受光素子で検知しモニターすることによって、入射させる制御光３４の強度の調整に利用することができる。

本実施の形態では、可飽和吸収領域の形成のためにＦＩＢによる埋め込み作用を利用しているが、その形成方法は、これに限定されるものではなく、イオン注入が用いられてもよい。

この場合、マスクが用いられて、選択的に、たとえば、Ｇｅ⁺イオンまたはＰ⁺イオンがＳｉ層の一部に注入され、その後、ＲＴＡ処理が行なわれる。この方法によれば、アニール工程が増加するが、ＦＩＢよりも簡便に可飽和吸収領域３６を形成することができる。

また、イオン注入以外に、選択エピタキシャル成長法によってＳｉ層に可飽和吸収領域３６となる位置に導入する方法が用いられてもよい。この方法では、可飽和吸収領域３６を設ける位置にＧｅまたはＩｎＧａＡｓなどが成長する。この方法によっても、ＦＩＢよりも簡便に可飽和吸収領域を形成することができる。

また、このとき、可飽和吸収領域３６の材料は実施の形態３の材料に限定されるものではなく、可飽和吸収特性を有する材料であれば、他の材料が用いられてもよい。

実施の形態３においては、光導波路が光機能素子表面に露出しているが、光導波路が作り込まれたＳｉ層の上面および下面のそれぞれにクラッド層としてＳｉＯ₂層を積層させてもよい。この場合、周期構造が設けられた層が上下同一のＳｉＯ₂層によって挟まれるため、屈折率が上下対称になり、光の閉じ込め効果が向上する。

また、ＳｉＯ₂層を積む代わりに、光導波路が作り込まれたＳｉ層の下のＳｉＯ₂層をウェットエッチングによって刳り貫いてもよい。この場合、周期構造が設けられた層が上下から同一の空気の層によって挟まれているため、屈折率が上下対称になり、光の閉じ込め効果が向上する。

また、本実施の形態においては、Ｓｉ細線導波路が用いられているが、その代わりに、フォトニック結晶中の線欠陥導波路が用いられても、同じ効果が得られる光機能素子を製造することができる。

また、本実施の形態では、光導波路を形成するためにＳＯＩウエハを用いたが、光導波路の材料はこれに限定されるものではなく、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰウエハが用いられてもよい。

たとえば、３６０μｍ厚さのＩｎＰ基板上にＭＯＣＶＤによって、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓＰ層（厚さ０．５μｍ、バンドギャップ波長λｇ＝１．２μｍ）を積層し、このＩｎＧａＡｓＰ層の表面に電子線露光を用いてマスクパターンを形成した後、ドライエッチングを行なうことによって幅０．５μｍの光導波路を形成する方法が用いられてもよい。

（実施の形態４）
次に、図４を用いて、実施の形態４の光機能素子を説明する。本実施の形態の光機能素子は、信号光４３の波長と制御光４４の波長とが共にλであること以外は全て実施の形態１の光機能素子と同様であり、その製造方法としては、実施の形態３において説明された光機能素子の製造方法が用いられる。

本実施の形態の光機能素子の動作原理を説明する。

本実施の形態では、この光機能素子の２本の導波路に入射する光の波長を同一にすることにより波形整形が行なわれている。

図４において、Ｓｉ細線光導波路３１には波長λ＝１５５０．０ｎｍの二値の信号光４３（実線）が入力され、Ｓｉ細線光導波路３２にも同様に波長λの制御光４４（点線）が入力される。制御光４４は信号光４３と同期して変調されており、制御光４４は、信号光４３の“０”または“１”と同期してオン／オフされ、ゲート光として機能する。可飽和吸収領域３６は、制御光４４がオンかつ信号光４３が“０”の状態のときは飽和せず、制御光４４がオンかつ信号光４３が“１”の状態のときのみ飽和し光を透過する条件で、形成されている。

Ｓｉ細線光導波路３１に信号光４３が入射されると、制御光４４がオフのとき、信号光４３は、可飽和吸収領域３６に吸収され、出力ポートＯｕｔ１から出射されない。一方、制御光４４がオンとなって強い光が入力ポートＩｎ２に入射されると、可飽和吸収領域３６が飽和するため、可飽和吸収領域３６を光が透過する。このため、信号光４３が可飽和吸収領域３６を介して出力ポートＯｕｔ１から出射される。したがって、出力ポートＯｕｔ１では制御光４４のオン／オフがＯｕｔ１の透過または非透過に対応し、制御光４４がオフのときは出力ポートＯｕｔ１からは光が出射されず、制御光４４がオンのときのみ波長λの出射光４５が出力ポートＯｕｔ１から出射される。その結果、入射した信号光４３よりも消光比が向上した、信号光４３と同期するように変調された出射光４５が出力ポートＯｕｔ１から出射される。すなわち、波長整形された光が得られる。

本実施の形態の光機能素子は、利得領域を有していないため、電流注入が不要であり、かつＡＳＥ雑音が生じないため、信号の劣化を防止することができる。また、本実施の形態の光機能素子は、光導波路の一部品として設けることができるため、小さい構成でかつ低い消費電力で波長整形を行うことができる。

このとき、出力ポートＯｕｔ２からの出射光４６が利用されてもよい。その場合、たとえば、出力ポートＯｕｔ２からの出射光４６に含まれる信号光４３および制御光４４のうちの少なくともいずれか一方の状態をフォトダイオードなどの受光素子で検知しモニターすることによって、入力ポートＩｎ２に入射させる制御光４４の強度の調整することができる。

なお、前述の各実施の形態の光機能素子は、ＩｎＧａＡｓＰ系の化合物半導体をはじめとして、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＧａＮ系、およびＩＩ−ＶＩ族半導体など他の材料を用いても実現され得るものである。

また、実施の形態では、光信号は“０”または“１”のＲＺ符号であるが、ＮＲＺ符号または多値信号およびその他の光信号であってもよい。

また、前述の各実施の形態においては、波長が１５５０．０ｎｍおよび１５５１．６ｎｍの光が用いられているが、可飽和吸収領域に所定値以上の強度の光が入力されると、可飽和吸収領域の光の吸収作用が飽和し、波形整形および波長変換の効果が得られる波長の光であれば、他の波長の光が用いられてもよい。

以上のように、前述の各実施の形態の光機能素子によれば、少なくとも２本の光導波路と可飽和吸収領域とを備えた光機能素子を用いて、光信号の波長変換および波形整形を光の状態で行なうことができ、消費電力が低く、放熱が少なく、回路へかける負担が少なく、サイズが小さく、かつ構成が簡潔な光機能素子を得ることができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態１における光機能素子の構成を示す上面図である。 本発明の実施の形態２における光機能素子の構成を示す上面図である。 本発明の実施の形態３における光機能素子の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態４における光機能素子の構成を示す斜視図である。 従来のフォトニック結晶が用いられた分波器の構成を示す図である。

符号の説明

１，２ 線欠陥光導波路、３１，３２ Ｓｉ細線光導波路、３，１３，３３，４３ 信号光、４，１４，３４，４４ 制御光、６，３６ 可飽和吸収領域、５，１５，３５，３８，４５，４６ 出射光、７，３７ 波長フィルタ。

Claims (3)

1. 光の状態で波長の変換を行なう光機能素子であって、
   フォトニック結晶の線欠陥領域によって形成された第一の光導波路および第二の光導波路と、
   前記第一の光導波路と前記第二の光導波路との間であって、前記第一の光導波路および前記第二の光導波路のそれぞれの近傍に、または、前記第一の光導波路と前記第二の光導波路とが交差する領域に設けられた可飽和吸収領域とを備え、
   前記第一の光導波路および前記第二の光導波路は、一方に制御光が入射され、他方に信号光が入射され、
   前記可飽和吸収領域は、前記信号光を含む入力光を受けて、前記信号光の波長が変換された出力光を出射するように形成され、
   前記制御光の強度は、前記可飽和吸収領域における光吸収が飽和する強度以下であり、かつ、前記信号光の波長が変換されるように調整された、光機能素子。
2. 光の状態で二値の信号光の整形を行なう光機能素子であって、
   フォトニック結晶の線欠陥領域によって形成された第一の光導波路および第二の光導波路と、
   前記第一の光導波路と前記第二の光導波路との間であって、前記第一の光導波路および前記第二の光導波路のそれぞれの近傍に、または、前記第一の光導波路と前記第二の光導波路とが交差する領域に設けられた可飽和吸収領域とを備え、
   前記第一の光導波路および前記第二の光導波路は、一方に制御光が入射され、他方に前記信号光が入射され、
   前記可飽和吸収領域は、前記信号光を含む入力光を受けて、前記信号光が整形されて消光比が向上された出力光を出射するように形成され、
   前記制御光の強度は、前記可飽和吸収領域における光吸収が飽和する強度以下であり、かつ、前記信号光が整形されて消光比が向上するように調整された、光機能素子。
3. 前記第一の光導波路と前記第二の光導波路とを形成する第一の工程と、
   前記可飽和吸収領域を形成する第二の工程とを備え、
   前記第二の工程においては、前記可飽和吸収領域を構成する物質を含むガスの雰囲気中で、所定の位置に、集束イオンビーム法を用いてイオンを照射し、前記物質を堆積させることによって、前記可飽和吸収領域を形成する、請求項１または２に記載の光機能素子の製造方法。

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