JP4493452B2 - Optical functional element and manufacturing method thereof - Google Patents

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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。   The present invention relates to an optical functional element and a method for manufacturing the same, and more particularly to an optical functional element that performs wavelength conversion and waveform shaping of an optical signal and a method for manufacturing the same.

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。   With the increase in communication capacity and ultra-high speed, realization of all-optical signal processing without performing optical-electrical-optical conversion that loses processing time has been promoted. Therefore, the demand for functional elements capable of signal processing in the light state is rapidly increasing. In order to perform signal processing in the state of light, it is necessary to modulate the gain, phase, and optical path in the optical waveguide.

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。   For this reason, optical functional elements capable of wavelength conversion and waveform shaping have been developed by guiding light in an active layer of a semiconductor optical amplifier (SOA). According to this optical functional element, the light guided in the active layer causes stimulated emission, so that the output light is amplified. Such an optical functional element basically has the same structure as a semiconductor laser. Therefore, a semiconductor laser manufacturing method can be applied to such an optical functional device manufacturing method. If the manufacturing method is used, a small and simple optical functional element can be obtained. Therefore, the above-described method is widely used as a method for manufacturing an optical functional element.

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。   However, in SOA, spontaneous emission light noise (ASE noise) is likely to occur, and thus the S / N (Sound / Noise) ratio of the output light is reduced to a level that cannot be used as a signal. In addition, large electric power is required to control the operating characteristics of the SOA using current. Therefore, it is difficult to use the SOA in future large-capacity and high-speed optical communication.

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。   On the other hand, in recent years, research on a technique for producing an optical functional element capable of guiding light in a photonic crystal and capable of high-speed response with low noise has been actively conducted. For example, Non-Patent Document 1 described later discloses a duplexer in which a directional coupler having two optical waveguides is provided in a photonic crystal.

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。   A photonic crystal can confine light in a crystal without loss using an insulating region (photonic band gap) of light. This photonic band gap can be obtained by providing a periodic fine structure of the order of the wavelength of light in the crystal. There are many methods for manufacturing an optical waveguide using a photonic crystal, but a general method is to manufacture an optical waveguide by providing a defect region between periodic structures.

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。   The structure of the optical functional device disclosed in Non-Patent Document 1 is shown in FIG. In the structure shown in FIG. 5, a photonic crystal slab having a line defect optical waveguide is formed on an SOI (Silicon On Insulator) wafer. In this photonic crystal slab, a periodic structure is formed by periodically opening circular holes at very fine intervals. The photonic crystal slab is provided with two line defect regions in which no circular hole is formed on a straight line. These two line defect regions are two optical waveguides.

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。   The two optical waveguides are provided in parallel with a very small interval. Therefore, a directional coupler is constituted by two optical waveguides. The directional coupler is connected to an input port In1 composed of an input Si channel optical waveguide and output ports Out1 and Out2 composed of an output Si channel optical waveguide.

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 As light entering the one optical path from the input port In1 propagates in one optical path, a specific wavelength component is strongly coupled to the other optical waveguide. As a result, light is output from the output port Out2 that is a cross port of the input port In1 (In1 → Out2). Of the light input to the input port In1, light having a wavelength other than the specific wavelength described above is not output from the output port Out2 because no coupling occurs between the strong optical waveguides as described above, and the output port Out1. Is output from. That is, the optical functional element has a demultiplexing function for extracting only light of a specific wavelength from the multiplexed wave light.
Akiko Gomeki (3 others), “Duplexer using group velocity anomaly near waveguide mode end of photonic crystal line defect optical waveguide”, Lecture 1st lecture at the 64th JSAP Autumn Meeting in 2003 ZM-13, Proceedings 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。   As described above, the optical functional element using the SOA has both functions of wavelength conversion and waveform shaping. However, an optical functional element using SOA cannot avoid generation of a large ASE noise and requires a large amount of power. For this reason, it is difficult to use in optical communication that requires a high-speed signal with a low bit error rate.

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。   On the other hand, an optical functional element using a photonic crystal has low noise and a high-speed response, and has a demultiplexing function, but cannot perform wavelength conversion and waveform shaping in the state of light.

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。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an optical function capable of performing wavelength conversion and waveform shaping in a light state with low noise and high-speed response. It is providing a device and a method for manufacturing the device.

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。   An optical functional element of one aspect of the present invention includes a directional optical coupler having a first optical waveguide and a second optical waveguide. A saturable absorption region is provided between the first optical waveguide and the second optical waveguide and in the vicinity of each of the first optical waveguide and the second optical waveguide. Control light is incident on one of the first optical waveguide and the second optical waveguide, and signal light is incident on the other. According to this configuration, an optical functional element capable of performing low-noise and high-speed communication and capable of performing wavelength conversion and waveform shaping in a light state is realized.

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。   In the optical functional element described above, the first optical waveguide and the second optical waveguide are preferably provided in parallel. According to this configuration, the saturable absorption region can be provided at any position as long as it is a region between the first optical waveguide and the second optical waveguide.

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。   An optical functional element according to another aspect of the present invention includes a first optical waveguide and a second optical waveguide that intersects the first optical waveguide. A saturable absorption region is provided in a region where the first optical waveguide and the second optical waveguide intersect. Control light is incident on one of the first optical waveguide and the second optical waveguide, and signal light is incident on the other. This configuration also realizes an optical functional element capable of low-noise and high-speed communication and capable of performing wavelength conversion and waveform shaping in the light state.

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。   In the above-described optical functional element of one and other aspects, it is desirable that the intensity of the control light is equal to or less than the intensity at which the light absorption in the saturable absorption region is saturated. According to this, wavelength conversion and waveform shaping can be performed depending on whether or not the intensity of the signal light is equal to or less than the intensity at which the light absorption in the saturable absorption region is saturated.

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。   Further, in the optical functional element of the above-described one and other aspects, the wavelength of the control light and the wavelength of the signal light may be the same. According to this, wavelength shaping can be performed.

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。   Further, in the optical functional element according to one and other aspects described above, the wavelength of the control light and the wavelength of the signal light may be different. According to this, wavelength conversion can be performed.

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。   In the optical functional element of the above-described one and other aspects, the first optical waveguide and the second optical waveguide may be formed by a line defect region of the photonic crystal. According to this, low-noise and high-speed communication can be easily realized.

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。   The method for manufacturing an optical functional element of the present invention is a method for manufacturing an optical functional element that performs wavelength conversion and waveform shaping in the state of light. The method includes a first step of forming a first optical waveguide and a second optical waveguide, and a second step of forming a saturable absorption region. In the second step, saturable by irradiating ions at a predetermined position using a focused ion beam method in a gas atmosphere containing a substance constituting the saturable absorption region, and depositing the substance. An absorption region is formed. According to this manufacturing method, a fine saturable absorption region can be formed.

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。   According to the present invention, it is possible to provide an optical functional element that is small in noise and capable of high-speed response and that can perform wavelength conversion and waveform shaping in the state of light, and a method for manufacturing the same.

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。   Hereinafter, an optical functional element and a method for manufacturing the same according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the site | part with the same function, and the description is not repeated.

（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。 (Embodiment 1)
FIG. 1 is a top view of an optical functional element according to Embodiment 1 of the present invention.

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。   First, the structure of the optical functional element of this embodiment will be described. The optical functional element of the present embodiment is formed using the photonic crystal 10. The photonic crystal 10 is periodically provided with circular holes at fine intervals. The photonic crystal 10 is provided with line-defect optical waveguides 1 and 2 that are not provided with circular holes. Light is guided in the line defect optical waveguides 1 and 2, and portions other than the line defect optical waveguides 1 and 2 of the photonic crystal 10 have a function of confining light in the waveguide.

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。   Further, a saturable absorption region 6 is provided between the line defect optical waveguide 1 and the line defect optical waveguide 2. The line defect optical waveguide 1 and the line defect optical waveguide 2 are parallel to each other and provided at a very small interval. Therefore, the saturable absorption region 6 is provided very close to each of the line defect optical waveguide 1 and the line defect optical waveguide 2. The saturable absorption region 6 absorbs light until the light intensity reaches a predetermined value, becomes saturated when absorbing light having the predetermined value, and transmits light when the light intensity exceeds a predetermined value. It is.

次に、本実施の形態の光機能素子の製造方法を説明する。   Next, a method for manufacturing the optical functional element of the present embodiment will be described.

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。   First, an InGaAsP layer (thickness 0.5 μm, band gap wavelength λg = 1) lattice-matched to InP by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) on a 360 μm thick InP substrate. .2 μm). Next, a mask pattern is formed on the surface of the InGaAsP layer using electron beam exposure. Thereafter, the mask pattern is transferred to the InGaAsP layer by dry etching, and the photonic crystal 10 having a triangular lattice periodic structure in which circular holes are regularly formed as shown in FIG. 1 is formed.

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。   The size of each circular hole is 0.3 μm in diameter, and the distance between them is 0.4 μm. At this time, a region having a defect in the periodic structure is formed in a linear shape without making a circular hole. Thereby, the line defect optical waveguide 1 and the line defect optical waveguide 2 are formed in parallel. The line defect optical waveguide 1 includes an input port In1 and an output port Out1, and a binary RZ signal light 3 (wavelength λ1) of “0” or “1” is incident from the input port In1. The line defect optical waveguide 2 includes an input port In2 and an output port Out2, and the control light 4 (wavelength λ2) is incident from the input port In2.

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。 The saturable absorption region 6 provided between the line defect optical waveguide 1 and the line defect optical waveguide 2 uses a focused ion beam (FIB) formed by Ga + ions in a Ge atmosphere. It is formed by depositing Ge in place. Specifically, an ion beam is irradiated to a position where the saturable absorption region 6 is provided while Ge gas is blown onto the photonic crystal 10 by a gas gun, and Ge is deposited locally at that position.

次に、本実施の形態の光機能素子の動作原理を説明する。   Next, the operation principle of the optical functional element of this embodiment will be described.

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。   In the present embodiment, wavelength conversion is performed by causing light of different wavelengths to enter the two optical waveguides of the optical functional element. As described above, the saturable absorption region 6 absorbs light, but when light having a certain intensity or more is input and the absorption is saturated, the saturable absorption region 6 becomes transparent to light and transmits light.

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。   The saturable absorption region 6 and each of the line defect optical waveguides 1 and 2 are provided close to each other, and the optical functional element is a directional coupler. Further, the line defect optical waveguide 1 and the saturable absorption region 6 have a positional relationship where light is coupled, and the line defect optical waveguide 2 and the saturable absorption region 6 also have a positional relationship where light is coupled. ing. Therefore, the line defect optical waveguide 1 and the line defect optical waveguide 2 are independent when the saturable absorption region 6 is in the absorption state. On the other hand, in a state where the saturable absorption region 6 is saturated and transmits light, the line defect optical waveguide 1 and the line defect optical waveguide 2 are coupled via the saturable absorption region 6 and propagate in one optical waveguide. A part of the light wave propagates through the other optical waveguide.

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。   In FIG. 1, binary signal light 3 (solid line) having a wavelength λ1 = 1550 nm is input to the line defect optical waveguide 1, and control light 4 (wavelength λ2 = 1551.6 nm) having a constant intensity is input to the line defect optical waveguide 2. CW light: Continuous Wave (dotted line) is input. The intensity of the control light 4 is set to an intensity that does not exceed a threshold at which the saturable absorption region 6 is saturated. Unless the saturable absorption region 6 is saturated, a part of the control light 4 enters the saturable absorption region 6. It is emitted only from Out2 while being absorbed.

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。   Therefore, when the signal light 3 is weak enough not to saturate the saturable absorption region 6, that is, when the signal light 3 is incident on the line defect optical waveguide 1 in a state of “0”, the control light 4 enters the saturable absorption region 6. Only a part of the light is absorbed and is not propagated to the line defect optical waveguide 1, but is emitted only from the output port Out2. On the other hand, when the signal light 3 becomes “1” and light having strong intensity is incident on the line defect optical waveguide 1, the saturable absorption region 6 is saturated and light is transmitted, and the control light 4 Propagates in the line defect optical waveguide 1. For this reason, on / off of propagation of the control light 4 from the line defect optical waveguide 2 to the line defect optical waveguide 1 is synchronized with “0” or “1” of the signal light 3, and the light having the wavelength λ 2 is output from the output port Out 1. Whether to emit or not is switched.

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。   Note that the light of wavelength λ1 included in the outgoing light 5 from the output port Out1 can be easily removed by the optical filter 7. Therefore, according to the optical functional element of the present embodiment, the signal light 3 having the wavelength λ1 can be wavelength-converted into the light having the wavelength λ2 that is modulated in the same manner as the signal light 3. That is, the control light 4 in the present embodiment is modulated according to the data string “0” or “1” of the signal light 3 and is emitted from the output port Out1 as an optical signal after wavelength conversion.

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。   At this time, even if the extinction ratio of the signal light 3 is deteriorated during transmission and the intensity of the signal of “0” is not completely zero, if the saturable absorption region 6 does not reach the saturation level, the output port Since the light of wavelength λ2 is not emitted from Out1, the extinction ratio after wavelength conversion is improved. Further, according to the optical functional element of the present embodiment, since there is no gain region, no current injection is required and no ASE noise is generated, so that it is possible to prevent deterioration of the output optical signal. In addition, since the optical functional element of this embodiment can be provided as a component of an optical waveguide, wavelength conversion can be performed with a small configuration and low power consumption.

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。   In this embodiment, since a photonic crystal line-defect optical waveguide is used as the optical waveguide, the optical confinement effect of the optical waveguide is improved, and light propagation loss can be reduced.

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。   In this embodiment, since two optical waveguides are provided in parallel to each other, the saturable absorption region may be provided at any position as long as it is between the optical waveguides. Therefore, the controllability of light propagating between the optical waveguides is good. In addition, since the coupling coefficient of light between the optical waveguide and the saturable absorption region can be kept constant regardless of the position of the saturable absorption region 6 in the optical waveguide direction, the light propagating between the optical waveguides The strength of is stable.

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。   Although the control light 4 is CW light in the present embodiment, the control light 4 may be modulated. In this case, power consumption is reduced, but the control light 4 and the signal light 3 need to be synchronized. At this time, the signal light 3 and the control light 4 emitted from the output port Out2 may be used. In this case, for example, the intensity of the incident control light 4 can be adjusted by detecting and monitoring the state of the light emitted from the output port Out2 with a light receiving element such as a photodiode.

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。 In the present embodiment, since the embedding action by the FIB is used to form the saturable absorption region 6, it is possible to form a minute saturable absorption region 6 in a desired region. . However, the method of forming the saturable absorption region 6 is not limited to this, and ion implantation may be used. In this case, for example, Si + ions or As + ions are selectively implanted into a part of the InGaAsP layer using a mask, and then RTA (Rapid Thermal Anneal) processing is performed. According to this method, the number of annealing treatment steps increases, but the saturable absorption region 6 can be formed more easily than FIB.

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。   In addition to ion implantation, a selective epitaxial growth method may be used. According to this method, since InGaAs is grown in a circular hole opened at a position where the saturable absorption region 6 is provided, the saturable absorption region 6 can be formed more easily than FIB.

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。   At this time, the material of the saturable absorption region 6 is not limited to the material of the saturable absorption region 6 of the present embodiment, and any other material may be used as long as the material has saturable absorption characteristics. There may be.

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。   In this embodiment, the periodic structure is exposed on the surface of the optical functional element, but an InP layer may be laminated as a cladding layer on each of the upper surface and the lower surface of the InGaAsP layer. In this case, since the layer provided with the periodic structure is sandwiched between the same upper and lower InP layers, the refractive index of the optical functional element is symmetrical in the vertical direction, and the light confinement effect is improved.

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。   Instead of laminating the InP layer, a part of the InP substrate under the InGaAs layer in which the optical waveguide is formed may be pierced by wet etching. In this case, since the layer provided with the periodic structure is sandwiched by the same air layer from above and below, the refractive index of the optical functional element becomes symmetrical in the vertical direction, and the light confinement effect is improved.

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。   In this embodiment, an InGaAsP / InP wafer is used to form an optical waveguide. However, the material of the optical waveguide is not limited to this, and is an SOI (Silicon On Insulator) wafer. May be.

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。 For example, EB (Electron Beam) exposure and dry etching are performed on an SOI wafer having a 1 μm thick SiO 2 layer on a 650 μm thick Si substrate and further having a 0.2 μm thick Si layer thereon. It is conceivable to form a saturable absorption region by forming a periodic structure by introducing impurities that satisfy the conditions for becoming a saturable absorption region into the Si layer.

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。 According to this method, since the Si layer can be easily processed, the yield of the optical functional elements is improved. At this time, a saturable absorption region is formed when Ge is embedded in a circular hole in the Si layer. However, FIB does not need to be used for the formation method, and ion implantation may be used. In this case, a method is conceivable in which, for example, Ge + ions or P + ions are selectively implanted into the saturable absorption region using a mask, and then RTA treatment is performed. According to this method, the annealing step increases, but the saturable absorption region can be formed more easily than FIB.

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。   In addition to ion implantation, a method of introducing a saturable absorption region into the Si layer by selective epitaxial growth may be used. In this method, Ge or InGaAs grows in a circular hole opened at a position where a saturable absorption region is provided. According to this method, the saturable absorption region can be formed more easily than FIB.

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。   At this time, the material of the saturable absorption region is not limited to the material of the present embodiment, and other materials may be used as long as they have saturable absorption characteristics.

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。 At this time, an SiO 2 layer may be stacked as a cladding layer on each of the upper and lower surfaces of the Si layer in which the optical waveguide is formed. In this case, the refractive index becomes vertically symmetric, and the light confinement effect is improved.

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。 Further, instead of gain SiO 2 layer, the SiO 2 layer beneath the Si layer which is built an optical waveguide may be hollowed out by wet etching. In this case, since the layer provided with the periodic structure is sandwiched by the same air layer from above and below, the refractive index becomes vertically symmetric and the light confinement effect is improved.

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。   In the present embodiment, a line defect optical waveguide made of a photonic crystal is used. However, an optical functional element that can obtain the same effect can be manufactured even if a Si fine wire waveguide is used.

（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。 (Embodiment 2)
Next, the optical functional element of Embodiment 2 will be described with reference to FIG. The optical functional element of this embodiment is the same as the optical functional element of Embodiment 1 except that both the wavelength of the signal light 13 and the wavelength of the control light 14 are λ. The method for manufacturing an optical functional element described in the first embodiment is used.

次に、本実施の形態の光機能素子の動作原理を説明する。   Next, the operation principle of the optical functional element of this embodiment will be described.

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。   In the present embodiment, waveform shaping is performed by making the wavelength of the signal light 13 incident on the two optical waveguides in the optical functional element the same as the wavelength of the control light 14.

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。   In FIG. 2, binary signal light 13 (solid line) having a wavelength λ = 1550.0 nm is input to the line defect optical waveguide 1, and similarly, control light 14 (dotted line) having the wavelength λ is also input to the line defect optical waveguide 2. Entered. The control light 14 is modulated in synchronization with the signal light 13 and is turned on / off in synchronization with “0” or “1” of the signal light 13 to function as gate light.

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。   The saturable absorption region 6 is not saturated when the control light 14 is on and the signal light 13 is “0”, and is saturated only when the control light 14 is on and the signal light 13 is “1”. It is formed on the condition which permeate | transmits. When the signal light 13 is incident on the line defect optical waveguide 1, when the control light 14 is off, the signal light 13 is partly absorbed in the saturable absorption region 6 and emitted only from the output port Out1. .

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。   On the other hand, when the control light 14 is turned on and strong light is incident on the input port In2, the saturable absorption region 6 is saturated and transmits light. Therefore, the signal light 13 is emitted from the output port Out2 through the saturable absorption region 6. As a result, on / off of the control light 14 at the output port Out2 corresponds to transmission and non-transmission of the output port Out2, and when the control light 14 is off, no light is emitted from the output port Out2, and the control light 14 is on. Only when the signal light 13 and the control light 14 are emitted from the output port Out2.

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。   Accordingly, the output light 15 is emitted from the output port Out2 which has an extinction ratio higher than that of the incident signal light 13 and is modulated so as to be synchronized with the signal light 13. That is, wavelength-shaped output light is obtained.

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。   Similarly to the optical functional element of the first embodiment, the optical functional element of the present embodiment does not have a gain region, so that current injection is unnecessary and no ASE noise is generated, thereby preventing signal deterioration. can do. In addition, since the optical functional element of the present embodiment is provided as one component of the optical waveguide, wavelength shaping can be performed with a small configuration and low power consumption.

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。   At this time, the signal light 13 and the control light 14 emitted from the output port Out1 may be used. In that case, for example, the intensity of the control light incident on the input port In2 can be adjusted by detecting and monitoring the state of the light emitted from the output port Out1 with a light receiving element such as a photodiode.

（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。 (Embodiment 3)
FIG. 3 is a perspective view of an optical functional element according to Embodiment 3 of the present invention.

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。   First, the structure of the optical functional element of this embodiment will be described. The optical functional element of the present embodiment is provided with Si fine wire optical waveguides 31 and 32. The Si fine wire optical waveguides 31 and 32 have a function of confining light inside. Further, in the optical functional element of the present embodiment, the Si fine wire optical waveguide 31 and the Si fine wire optical waveguide 32 intersect each other. A saturable absorption region 36 is provided at this intersection. That is, the saturable absorption region 36 is provided inside each of the Si fine wire optical waveguide 31 and the Si fine wire optical waveguide 32. The saturable absorption region 36 absorbs light until the light intensity reaches a predetermined value, enters a saturated state when light having a predetermined intensity is absorbed, and transmits light having a predetermined intensity or more.

次に、本実施の形態の光機能素子の製造方法を説明する。   Next, a method for manufacturing the optical functional element of the present embodiment will be described.

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。   In the method for manufacturing an optical functional element of the present embodiment, first, a 1 μm thick SiO 2 layer is formed on a 650 μm thick Si substrate. Next, a 0.2 μm thick Si layer is formed on the SiO 2 layer. Therefore, an SOI wafer is formed. Next, Si thin-line optical waveguides 31 and 32 having a width of 0.5 μm as shown in FIG. 3 are formed on the SOI wafer by electron beam (EB) exposure and dry etching. At this time, the Si wire optical waveguide 31 and the Si wire optical waveguide 32 are formed so as to intersect each other.

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。   The Si thin-line optical waveguide 31 includes an input port In1 and an output port Out1, and a binary RZ signal light 33 (wavelength λ1) of “0” or “1” is incident from the input port In1. The Si thin-line optical waveguide 32 includes an input port In2 and an output port Out2, and control light 34 (wavelength λ2) is incident from the input port In2.

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。 In a region where the Si fine wire optical waveguide 31 and the Si fine wire optical waveguide 32 intersect, Ge constituting the saturable absorption region 36 is deposited by performing ion irradiation by the FIB method using Ga + ions in a Ge atmosphere. Is done. Specifically, an ion beam is irradiated to the position where the saturable absorption region 36 is provided while Ge gas is blown onto the wafer by a gas gun, and Ge is deposited locally at that position.

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。   Next, the operation principle of this optical functional element will be described. In the third embodiment, wavelength conversion is performed by causing light of different wavelengths to enter the two optical waveguides of the optical functional element.

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。   The saturable absorption region 36 absorbs light. However, when light having a certain intensity or more is input and the absorption is saturated, the saturable absorption region 36 becomes transparent to light and transmits light.

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。   In FIG. 3, the Si thin-line optical waveguide 31 has a binary signal light 33 (solid line) having a wavelength λ1 = 1550 nm, and the Si thin-line optical waveguide 32 has a constant intensity control light 34 (CW light, wavelength λ2 = 1551.6 nm). (Dotted line) is input. The intensity of the control light 34 is set to an intensity that does not exceed a threshold at which the saturable absorption region 36 saturates. Unless the saturable absorption region 36 is saturated, the control light 34 is absorbed by the saturable absorption region 36 and output. The light is not emitted from the port Out2.

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。   Therefore, when the signal light 33 is weakly intensity that does not saturate the saturable absorption region 36, that is, when the signal light 33 is incident on the Si thin-line optical waveguide 31 in a state of “0”, the control light 34 enters the saturable absorption region 36. It is only absorbed and is not emitted from the output port Out2.

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。   On the other hand, when the signal light 33 becomes “1” and light having strong intensity is incident on the input port In1, the saturable absorption region 36 is saturated and light is transmitted, and the wavelength λ2 is output from the output port Out2. Output light 35 is emitted. Therefore, on / off of propagation of the control light 34 to the output port Out2 is synchronized with “0” or “1” of the signal light, and emission and non-emission of the emission light 35 having the wavelength λ2 from the output port Out2 are performed. Can be switched.

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。   Note that the light of wavelength λ1 included in the outgoing light 35 from the output port Out2 can be easily removed by the optical filter 37. Therefore, the wavelength conversion of the signal light 33 having the wavelength λ1 into the light having the wavelength λ2 that is modulated in the same manner as the signal light 33 is performed. That is, the control light 34 in the third embodiment is modulated according to the data string “0” or “1” of the signal light 33 and is emitted from the output port Out2 as an optical signal after wavelength conversion.

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。   At this time, even if the extinction ratio of the signal light 33 is deteriorated during transmission and the intensity of “0” is not completely zero, if the saturable absorption region 36 does not reach the saturation level, the signal from the output port Out2 Since the light of wavelength λ2 is not emitted, the extinction ratio after wavelength conversion is improved. In addition, since the optical functional element of the present embodiment does not have a gain region, current injection is unnecessary and ASE noise does not occur, so that signal degradation can be prevented. Further, since the optical functional element can be provided as one component of the optical waveguide, wavelength conversion can be performed with a small configuration and low power consumption.

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。 According to the optical functional element of the third embodiment, since the thin Si wire is used as the optical waveguide, it is possible to realize miniaturization of the optical waveguide. Further, the Si fine wire has an advantage that the band gap is narrower than that of SiO 2 often used for forming an optical waveguide, and a saturable absorption region can be easily formed by ion implantation.

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。   In addition, according to the optical functional element of the present embodiment, since it is not necessary to form a periodic structure like a photonic crystal, the manufacturing method thereof is facilitated.

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。   In the present embodiment, since the Si thin wire waveguides intersect, the saturable absorption region 36 can be formed inside the optical waveguide. Therefore, it is easy to couple light between the optical waveguide and the saturable absorption region.

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。   Although the control light 34 is CW light in the present embodiment, the control light 34 may be modulated. In this case, power consumption is reduced, but it is necessary to synchronize the control light 34 and the signal light 33.

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。   At this time, the outgoing light 38 from the output port Out1 may be used. In that case, for example, the control of making the light incident by detecting and monitoring the state of at least one of the signal light 33 and the control light 34 included in the outgoing light 38 from the output port Out1 with a light receiving element such as a photodiode. It can be used to adjust the intensity of the light 34.

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。   In this embodiment, the filling action by the FIB is used for forming the saturable absorption region, but the formation method is not limited to this, and ion implantation may be used.

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。 In this case, a mask is used to selectively implant, for example, Ge + ions or P + ions into a part of the Si layer, and then an RTA process is performed. According to this method, the annealing step increases, but the saturable absorption region 36 can be formed more easily than FIB.

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。   In addition to ion implantation, a method of introducing the saturable absorption region 36 into the Si layer by a selective epitaxial growth method may be used. In this method, Ge, InGaAs, or the like grows at a position where the saturable absorption region 36 is provided. Also by this method, a saturable absorption region can be formed more easily than FIB.

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。   At this time, the material of the saturable absorption region 36 is not limited to the material of the third embodiment, and other materials may be used as long as they have saturable absorption characteristics.

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。 In the third embodiment, the optical waveguide is exposed on the surface of the optical functional element, but an SiO 2 layer may be laminated as a cladding layer on each of the upper and lower surfaces of the Si layer in which the optical waveguide is formed. In this case, since the layer provided with the periodic structure is sandwiched between the same upper and lower SiO 2 layers, the refractive index is vertically symmetric and the light confinement effect is improved.

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。 Further, instead of gain SiO 2 layer, the SiO 2 layer beneath the Si layer which is built an optical waveguide may be hollowed out by wet etching. In this case, since the layer provided with the periodic structure is sandwiched by the same air layer from above and below, the refractive index becomes vertically symmetric and the light confinement effect is improved.

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。   In this embodiment, the Si fine wire waveguide is used, but instead, the optical functional element that can obtain the same effect is produced even if the line defect waveguide in the photonic crystal is used. be able to.

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。   In this embodiment, an SOI wafer is used to form an optical waveguide. However, the material of the optical waveguide is not limited to this, and an InGaAsP / InP wafer may be used.

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。   For example, an InGaAsP layer (thickness 0.5 μm, bandgap wavelength λg = 1.2 μm) lattice-matched to InP is stacked on a 360 μm thick InP substrate by MOCVD, and electron beam exposure is performed on the surface of this InGaAsP layer. A method of forming an optical waveguide having a width of 0.5 μm by performing dry etching after forming a mask pattern by use may be used.

（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。 (Embodiment 4)
Next, the optical functional element of Embodiment 4 is demonstrated using FIG. The optical functional element of this embodiment is the same as the optical functional element of Embodiment 1 except that both the wavelength of the signal light 43 and the wavelength of the control light 44 are λ. The method for manufacturing an optical functional element described in the third embodiment is used.

本実施の形態の光機能素子の動作原理を説明する。   The operation principle of the optical functional element of this embodiment will be described.

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。   In the present embodiment, waveform shaping is performed by making the wavelengths of light incident on the two waveguides of the optical functional element the same.

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。   In FIG. 4, binary signal light 43 (solid line) having a wavelength λ = 1550.0 nm is input to the Si thin-line optical waveguide 31, and similarly, control light 44 (dotted line) having the wavelength λ is also input to the Si thin-line optical waveguide 32. Entered. The control light 44 is modulated in synchronization with the signal light 43, and the control light 44 is turned on / off in synchronization with “0” or “1” of the signal light 43 and functions as gate light. The saturable absorption region 36 is not saturated when the control light 44 is on and the signal light 43 is “0”, and is saturated only when the control light 44 is on and the signal light 43 is “1”. It is formed on the condition which permeate | transmits.

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。   When the signal light 43 is incident on the Si thin wire optical waveguide 31, when the control light 44 is off, the signal light 43 is absorbed by the saturable absorption region 36 and is not emitted from the output port Out1. On the other hand, when the control light 44 is turned on and strong light is incident on the input port In2, the saturable absorption region 36 is saturated, and thus light passes through the saturable absorption region 36. Therefore, the signal light 43 is emitted from the output port Out1 through the saturable absorption region 36. Therefore, on / off of the control light 44 at the output port Out1 corresponds to transmission or non-transmission of Out1, and when the control light 44 is off, no light is emitted from the output port Out1, and when the control light 44 is on Only the outgoing light 45 having the wavelength λ is emitted from the output port Out1. As a result, the outgoing light 45 modulated so as to be synchronized with the signal light 43 and having an extinction ratio higher than that of the incident signal light 43 is emitted from the output port Out1. That is, wavelength-shaped light is obtained.

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。   Since the optical functional element of the present embodiment does not have a gain region, current injection is unnecessary and ASE noise does not occur, so that signal degradation can be prevented. In addition, since the optical functional element of the present embodiment can be provided as one component of the optical waveguide, wavelength shaping can be performed with a small configuration and low power consumption.

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。   At this time, the emitted light 46 from the output port Out2 may be used. In that case, for example, by detecting and monitoring the state of at least one of the signal light 43 and the control light 44 included in the outgoing light 46 from the output port Out2 by a light receiving element such as a photodiode, the input port In2 The intensity of the control light 44 incident on the light can be adjusted.

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。   The optical functional elements of the above-described embodiments can be realized by using other materials such as AlGaAs-based, GaInNAs-based, GaN-based, and II-VI group semiconductors as well as InGaAsP-based compound semiconductors. It is.

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。   In the embodiment, the optical signal is an RZ code of “0” or “1”, but may be an NRZ code, a multilevel signal, and other optical signals.

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。   In each of the above-described embodiments, light having wavelengths of 1550.0 nm and 1551.6 nm is used. When light having an intensity of a predetermined value or more is input to the saturable absorption region, the saturable absorption is performed. Light having a wavelength other than the wavelength may be used as long as the light absorption function in the region is saturated and the waveform shaping and wavelength conversion effects are obtained.

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。   As described above, according to the optical functional device of each of the above-described embodiments, optical signal wavelength conversion and waveform shaping are performed using an optical functional device including at least two optical waveguides and a saturable absorption region. It is possible to obtain an optical functional element that can be performed in a light state, has low power consumption, little heat dissipation, little burden on the circuit, a small size, and a simple configuration.

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。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

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。It is a top view which shows the structure of the optical function element in Embodiment 1 of this invention. 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。It is a top view which shows the structure of the optical function element in Embodiment 2 of this invention. 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。It is a perspective view which shows the structure of the optical function element in Embodiment 3 of this invention. 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。It is a perspective view which shows the structure of the optical function element in Embodiment 4 of this invention. 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。It is a figure which shows the structure of the branching filter using the conventional photonic crystal.

符号の説明Explanation of symbols

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。   1, 2 line defect optical waveguide, 31, 32 Si thin line optical waveguide, 3, 13, 33, 43 signal light, 4, 14, 34, 44 control light, 6, 36 saturable absorption region, 5, 15, 35, 38, 45, 46 Emission light, 7, 37 wavelength filter.

Claims (3)

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。 An optical functional element that performs wavelength conversion in the state of light,
A first optical waveguide and a second optical waveguide formed by the line defect region of the photonic crystal ;
Between the first optical waveguide and the second optical waveguide, in the vicinity of each of the first optical waveguide and the second optical waveguide, or the first optical waveguide and the first optical waveguide. A saturable absorption region provided in a region where the two optical waveguides intersect ,
The first optical waveguide and the second optical waveguide have control light incident on one side and signal light incident on the other,
The saturable absorption region is formed to receive input light including the signal light and emit output light in which the wavelength of the signal light is converted,
An optical functional element in which the intensity of the control light is equal to or less than an intensity at which light absorption in the saturable absorption region is saturated and the wavelength of the signal light is converted . 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。 An optical functional element for shaping binary signal light in a light state,
A first optical waveguide and a second optical waveguide formed by the line defect region of the photonic crystal ;
Between the first optical waveguide and the second optical waveguide, in the vicinity of each of the first optical waveguide and the second optical waveguide, or the first optical waveguide and the first optical waveguide. A saturable absorption region provided in a region where the two optical waveguides intersect ,
In the first optical waveguide and the second optical waveguide, control light is incident on one side, and the signal light is incident on the other side,
The saturable absorption region is formed so as to receive input light including the signal light, and to output output light having the extinction ratio improved by shaping the signal light,
Intensity of the control light, the friendly Ri intensity less der light absorption is saturated in the saturable absorption region and the signal light is adjusted so as to improve the extinction ratio is shaped optical functional element. 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。 A first step of forming said second optical waveguide and said first optical waveguide,
A second step of forming the saturable absorption region,
In the second step, in a gas atmosphere containing a substance that constitutes the saturable absorption region, a predetermined position is irradiated with ions using a focused ion beam method, and the substance is deposited, The method for manufacturing an optical functional element according to claim 1 , wherein the saturable absorption region is formed.
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