JP5013377B2 - Optical device - Google Patents
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Description
本発明は、光デバイスに関し、より詳細には、非線形光学材料とシリコン基板とを組み合わせた光デバイスに関する。 The present invention relates to an optical device, and more particularly to an optical device in which a nonlinear optical material and a silicon substrate are combined.
データ伝送速度の高速化にともない、さらなる高速化、小型化および低コスト化が期待される、シリコン基板上に光部品を集積化した光デバイスが研究されている。 Optical devices in which optical components are integrated on a silicon substrate, which is expected to be further increased in speed, size, and cost as the data transmission speed is increased, are being studied.
このような光デバイスとして、シリコン導波路を用いた波長変換の技術が報告されている（例えば、非特許文献１を参照。）。非特許文献１によれば、シリコン導波路を用い、コヒーレントアンチストークスラマン散乱（ｃｏｈｅｒｅｎｔ ａｎｔｉ−Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＣＡＲＳ）によるデジタル信号（１５４２ｎｍ）からアナログ変調信号（１３２８ｎｍ）への波長変換が報告されている。しかしながら、その変換効率は１．３７×１０−５と極めて小さく、実用には値しない。したがって、シリコン基板に集積可能な波長変換素子、その他の光機能を実現する素子があれば望ましい。
本発明の目的は、光機能を実現するシリコン基板上に集積化された光デバイスおよびその製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide an optical device integrated on a silicon substrate that realizes an optical function, and a manufacturing method thereof.
発明１は、波長変換、および、光変調の少なくとも一方を行う光調整構造を有する光デバイスであって、結晶基板と、前記結晶基板とは異なる材質の結晶体とを備え、前記結晶基板と前記結晶体とが一体化されていて、前記結晶基板は、導波路を有し、前記結晶体は、前記光調整構造と、前記導波路と光学的に結合するさらなる導波路とを有し、前記光調整構造は、分極反転構造であることを特徴とする。
発明２は、発明１に記載の光デバイスにおいて、前記結晶基板がシリコン基板であることを特徴とする。
発明３は、発明１から２のいずれかに記載の光デバイスにおいて、前記光調整構造を構成する結晶体は、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ＫＮｂＯ３、および、ＬｉＮｂ（１−ｘ）ＴａＸＯ３（０≦ｘ≦１）からなる群から選択されることを特徴とする。
発明４は、発明１から３のいずれかに記載の光デバイスにおいて、前記導波路が前記結晶基板内に形成してあることを特徴とする。
発明５は、発明１から４のいずれかに記載の光デバイスにおいて、前記導波路に前記光調整構造へと導波される光を供給する光源と、この光源の動作を制御する電子回路とを有することを特徴とする。
発明６は、発明１から５のいずれかに記載の光デバイスにおいて、前記光調整構造に電界を印加して、前記光変調の度合いを変化させる電界印加構造が設けられていることを特徴とする。
Invention 1, wavelength conversion, and an optical device having an optical adjustment structure for performing at least one of the optical modulation, and crystal substrate, and a crystal of a material different from that of the crystal substrate, the crystal substrate And the crystal body, the crystal substrate includes a waveguide, and the crystal body includes the light adjustment structure and a further waveguide optically coupled to the waveguide. The light adjusting structure is a domain-inverted structure.
Invention 2 is the optical device according to Invention 1, wherein the crystal substrate is a silicon substrate.
Invention 3 is the optical device according to any one of Inventions 1 to 2, wherein the crystal constituting the light adjusting structure is LiTaO 3 , LiNbO 3 , KTiOPO 4 , KNbO 3 , and LiNb (1-x) Ta It is selected from the group consisting of X O 3 (0 ≦ x ≦ 1).
Invention 4 is the optical device according to any one of Inventions 1 to 3, wherein the waveguide is formed in the crystal substrate.
A fifth aspect of the present invention provides the optical device according to any one of the first to fourth aspects of the present invention, comprising: a light source that supplies light guided to the light adjusting structure to the waveguide; and an electronic circuit that controls the operation of the light source. It is characterized by having.
A sixth aspect of the present invention is the optical device according to any one of the first to fifth aspects, further comprising an electric field application structure that applies an electric field to the light adjustment structure to change a degree of the light modulation. .
本発明による光学通信技術により信号伝達を行い所定の機能を発揮させる光デバイスは、シリコン基板表面の光信号系に該当する箇所に単結晶薄膜が設置されており、単結晶薄膜が分極反転構造を有していることを特徴とする。これにより、シリコン基板上においても単結晶薄膜の有する非線形光学定数を利用した光機能を発現させることができる。 An optical device that transmits a signal by optical communication technology according to the present invention and exhibits a predetermined function has a single crystal thin film installed at a location corresponding to the optical signal system on the surface of the silicon substrate, and the single crystal thin film has a polarization inversion structure. It is characterized by having. Thereby, the optical function using the nonlinear optical constant of the single crystal thin film can be exhibited even on the silicon substrate.
さらに、本発明による光デバイスは、シリコン基板と単結晶薄膜とが導波路を介して光学的に結合しているので、既存のシリコン電子デバイスと、単結晶薄膜による非線形光学を利用した光通信の高速伝送技術とを合わせることができる。この結果、既存のシリコン電子デバイスの高速化、大容量化を可能にする。このような光デバイスには、単結晶薄膜に加えて、その他の電子部品（例えば、電子回路、光源、レンズ、フィルタ等）も同一のシリコン基板上に搭載できるので、小型化を可能にする。また、本発明による光デバイスを用いれば、回路内配線、素子間配線、ボード間配線が可能となるので、データ伝送の高速化が可能となる。 Furthermore, in the optical device according to the present invention, since the silicon substrate and the single crystal thin film are optically coupled via the waveguide, the existing silicon electronic device and the optical communication using the nonlinear optics by the single crystal thin film are used. It can be combined with high-speed transmission technology. As a result, it is possible to increase the speed and capacity of existing silicon electronic devices. In such an optical device, in addition to the single crystal thin film, other electronic components (for example, an electronic circuit, a light source, a lens, a filter, and the like) can be mounted on the same silicon substrate, thereby enabling miniaturization. In addition, when the optical device according to the present invention is used, intra-circuit wiring, inter-element wiring, and inter-board wiring are possible, so that data transmission can be speeded up.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図中、同様の要素には同一の参照符号を付し、重複して説明するのを避ける。実施の形態に先立って、本発明の基本構成を説明する。本願発明者は、単結晶薄膜が貼り合わされたシリコン基板における光機能の発現、ならびに、単結晶薄膜とシリコン基板とを導波路を介して光学的に結合することによるシリコンハイブリッドの実現を鋭意工夫により達成した。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the figure, the same reference numerals are assigned to similar elements to avoid redundant description. Prior to the embodiment, the basic configuration of the present invention will be described. The inventor of the present application has devised to develop a silicon hybrid by optically coupling a single crystal thin film and a silicon substrate through a waveguide, and exhibiting optical functions in a silicon substrate to which a single crystal thin film is bonded. Achieved.
（基本構成）
図１は、本発明による光デバイスの模式図を示す。
(Basic configuration)
FIG. 1 shows a schematic diagram of an optical device according to the present invention.
光デバイス１００には、シリコン基板（結晶基板）１００上に単結晶薄膜（結晶体）１２０が一体化されている。 In the optical device 100, a single crystal thin film (crystal body) 120 is integrated on a silicon substrate (crystal substrate) 100.
単結晶薄膜１２０は、非線形光学効果を発現可能な非線形光学単結晶である。好ましくは、単結晶薄膜１２０は、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ＫＮｂＯ３、および、ＬｉＮｂ（１−ｘ）ＴａＸＯ３（０≦ｘ≦１）からなる群から選択される。これらの材料は、非線形光学効果を発現可能な非線形光学単結晶として入手可能である。特に、ＬｉＴａＯ３およびＬｉＮｂＯ３は、非線形光学定数が大きい材料であるため有望である。なお、ＬｉＴａＯ３およびＬｉＮｂＯ３は、ノンドープ、または、Ｍｇ、Ｚｎ、ＩｎおよびＳｃからなる群から選択される元素をドープした、コングルエント組成および実質的に定比組成のいずれをも意図する。これらのドーパントは、光損傷を低減することができるため好ましい。また、ＬｉＴａＯ３およびＬｉＮｂＯ３は、Ｔｉまたはプロトンを拡散したコングルエント組成および実質的に定比組成のいずれをも意図する。Ｔｉまたはプロトンを拡散したＬｉＴａＯ３およびＬｉＮｂＯ３は、導波路として好ましい。 The single crystal thin film 120 is a nonlinear optical single crystal that can exhibit a nonlinear optical effect. Preferably, the single crystal thin film 120 is selected from the group consisting of LiTaO 3 , LiNbO 3 , KTiOPO 4 , KNbO 3 , and LiNb (1-x) Ta X O 3 (0 ≦ x ≦ 1). These materials are available as nonlinear optical single crystals that can exhibit nonlinear optical effects. In particular, LiTaO 3 and LiNbO 3 are promising because they are materials having a large nonlinear optical constant. Note that LiTaO 3 and LiNbO 3 are both non-doped or doped with an element selected from the group consisting of Mg, Zn, In, and Sc, both congruent and substantially stoichiometric compositions. These dopants are preferable because they can reduce optical damage. LiTaO 3 and LiNbO 3 are intended to have a congruent composition in which Ti or protons are diffused and a substantially stoichiometric composition. LiTaO 3 and LiNbO 3 in which Ti or protons are diffused are preferable as the waveguide.
また、本明細書において、実質的に「定比組成である」とは、Ｌｉ２Ｏ／（Ｎｂ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率が完全に０．５０ではないものの、コングルエント組成よりも化学量論比に近い組成（Ｌｉ２Ｏ／（Ｎｂ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率＝０．４９５〜０．５）を有しており、そのことに起因するデバイスの特性の低下が通常のデバイスの設計において問題にならない程度であることをいう。同様に、ＬｉＴａＯ３において、実質的に「定比組成である」とは、Ｌｉ２Ｏ／（Ｔａ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率が完全に０．５０ではないものの、コングルエント組成よりも化学両論比に近い組成（Ｌｉ２Ｏ／（Ｔａ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率＝０．４９５〜０．５）を有しており、そのことに起因するデバイスの特性の低下が通常のデバイスの設計において問題にならない程度であることをいう。特に、実質的に定比組成のＬｉＴａＯ３およびＬｉＮｂＯ３の抗電界は、コングルエント組成のＬｉＴａＯ３およびＬｉＮｂＯ３のそれに比べて小さく、後述する分極反転構造を形成しやすいため、好ましい。中でも、実質的に定比組成のＬｉＴａＯ３の吸収端は２５６ｎｍであり、紫外領域まで透明であるため、紫外領域の光を発振する光デバイスに有利である。 Further, in the present specification, the phrase “substantially stoichiometric composition” means that although the molar fraction of Li 2 O / (Nb 2 O 5 + Li 2 O) is not completely 0.50, Also has a composition close to the stoichiometric ratio (mol fraction of Li 2 O / (Nb 2 O 5 + Li 2 O) = 0.495 to 0.5), This means that the degradation is not a problem in normal device design. Similarly, in LiTaO 3 , “having a stoichiometric composition” means that although the molar fraction of Li 2 O / (Ta 2 O 5 + Li 2 O) is not completely 0.50, Also has a composition close to the stoichiometric ratio (molar fraction of Li 2 O / (Ta 2 O 5 + Li 2 O) = 0.495 to 0.5), resulting in a decrease in device characteristics. Means that it does not become a problem in normal device design. In particular, the coercive electric field of LiTaO 3 and LiNbO 3 having a substantially stoichiometric composition is smaller than that of LiTaO 3 and LiNbO 3 having a congruent composition, which is preferable because a domain-inverted structure described later is easily formed. Among them, the absorption edge of LiTaO 3 having a substantially stoichiometric composition is 256 nm and is transparent up to the ultraviolet region, which is advantageous for an optical device that oscillates light in the ultraviolet region.
単結晶薄膜１２０は、分極反転構造（光調整構造）１３０と、導波路１４０とを有する。図１では、単結晶薄膜１２０は、周期分極反転構造を有する例を示すが、分極反転構造１３０はこれに限定されない。例えば、レンズ状の分極反転構造であってもよい。また、単結晶薄膜１２０がマッハツェンダー導波路型の形状を有し、その一方の分岐導波路全体が分極反転した分極反転構造であってもよいし、あるいは、分岐導波路ともに互い違いとなる周期分極反転構造を有してもよい。分極反転構造１３０が周期分極反転構造である場合、その周期は、単結晶薄膜１２０に入力される入力光１６０が擬似位相整合条件を満たすように設定される。当業者であれば、このような設定は、入力光１６０の波長、単結晶薄膜１２０の材料等に応じて、適宜設定可能である。 The single crystal thin film 120 includes a polarization inversion structure (light adjustment structure) 130 and a waveguide 140. Although FIG. 1 shows an example in which the single crystal thin film 120 has a periodic polarization inversion structure, the polarization inversion structure 130 is not limited to this. For example, a lens-like domain-inverted structure may be used. Moreover, the single crystal thin film 120 may have a Mach-Zehnder waveguide type shape, and one of the branch waveguides may have a polarization inversion structure in which polarization is inverted, or periodic polarization in which both branch waveguides are staggered. You may have an inversion structure. When the domain-inverted structure 130 is a periodic domain-inverted structure, the period is set so that the input light 160 input to the single crystal thin film 120 satisfies the quasi phase matching condition. Those skilled in the art can appropriately set such settings according to the wavelength of the input light 160, the material of the single crystal thin film 120, and the like.
導波路１４０は、分極反転構造１３０を導波した光１７０をシリコン基板１１０内へと導波するよう、テーパ状である。なお、図１では、導波路１４０のテーパ状は、光１７０の進行方向に導波路１４０の厚さは一定で幅が先細となっているが、これに限定されない。例えば、導波路１４０のテーパ状を、光１７０の進行方向に導波路１４０の幅は一定で厚さが薄くなっていてもよい（図示せず）。 The waveguide 140 is tapered so that the light 170 guided through the domain-inverted structure 130 is guided into the silicon substrate 110. In FIG. 1, the tapered shape of the waveguide 140 has a constant thickness and a tapered width in the traveling direction of the light 170, but is not limited thereto. For example, the waveguide 140 may have a tapered shape, and the waveguide 140 may have a constant width and a small thickness in the traveling direction of the light 170 (not shown).
このような単結晶薄膜１２０は、例えば、数μｍの厚さである。この厚さは、単結晶薄膜１２０が、光を導波させ非線形光学効果を発現するに十分な厚さであるとともに、上述の分極反転構造１３０を容易に形成可能な厚さである。 Such a single crystal thin film 120 is, for example, several μm thick. This thickness is sufficient to allow the single crystal thin film 120 to guide light and to exhibit a nonlinear optical effect, and to form the above-described domain-inverted structure 130 easily.
このような厚さの単結晶薄膜１２０は、物理的気相成長法または化学的気相成長法などによる薄膜成長によって得ることも考えられるが、シリコン基板上へエピタキシャル成長した良質な単結晶薄膜を得るのは困難なことから、チョクラルスキー法等による単結晶育成によって得られる。このような観点から、すでに単結晶育成技術（例えば、登録３５５１２４２参照）が確立し、良質な単結晶が得られるＬｉＴａＯ３およびＬｉＮｂＯ３が、好ましい。 The single crystal thin film 120 having such a thickness can be obtained by thin film growth by a physical vapor deposition method or a chemical vapor deposition method, but a high-quality single crystal thin film epitaxially grown on a silicon substrate is obtained. Therefore, it can be obtained by growing a single crystal by the Czochralski method or the like. From such a point of view, LiTaO 3 and LiNbO 3 that have already established a single crystal growth technique (see, for example, registration 3551242) and can obtain a high-quality single crystal are preferable.
シリコン基板１１０は、市販で入手可能な任意のシリコン基板である。シリコン基板１１０の厚さは、例えば、５００μｍである。シリコン基板１１０には、導波路１４０に光学的に結合した導波路１５０が形成されている。導波路１５０の導波路１４０と光学的に結合する部位はテーパ状である。 The silicon substrate 110 is an arbitrary silicon substrate that is commercially available. The thickness of the silicon substrate 110 is, for example, 500 μm. A waveguide 150 optically coupled to the waveguide 140 is formed on the silicon substrate 110. A portion of the waveguide 150 that is optically coupled to the waveguide 140 is tapered.
図１では、シリコン基板１１０と単結晶薄膜１２０との水平方向のサイズを同じサイズで示したが、これに限定されない。本発明による光デバイス１００は、シリコン基板１１０上に単結晶薄膜１２０に加えて、他の要素（例えば、光源、電子回路、レンズ、フィルタ、電極等）を集積化してもよい。 In FIG. 1, the horizontal size of the silicon substrate 110 and the single crystal thin film 120 is shown as the same size, but it is not limited to this. The optical device 100 according to the present invention may be integrated with other elements (for example, a light source, an electronic circuit, a lens, a filter, an electrode, etc.) in addition to the single crystal thin film 120 on the silicon substrate 110.
次に、このような光デバイスの動作の一例について説明する。 Next, an example of the operation of such an optical device will be described.
図１の光デバイス１００は、上述したようにシリコン基板１１０上に周期分極反転構造１３０を有する単結晶薄膜１２０が配置されており、これにより波長変換を達成できる。 In the optical device 100 of FIG. 1, the single crystal thin film 120 having the periodically poled structure 130 is disposed on the silicon substrate 110 as described above, and thereby wavelength conversion can be achieved.
入力光１６０は、光デバイス１００の単結晶薄膜１２０に入力する。入力光１６０は、単結晶薄膜１２０を導波するにつれて、単結晶薄膜１２０内に形成された周期分極反転構造１３０による擬似位相整合条件を満たし、入力光１６０の波長とは異なる波長の出力光１７０に変換される。変換された出力光１７０は、導波路１４０を導波し、次いで、導波路１５０へと進み、シリコン基板１１０を進行し、光デバイス１００から出射する。導波路１４０および導波路１５０のテーパ状の重なり部分は、光学的に結合しており、導波路１４０から出力光１７０が出射される際に、光の損失が低減される。その結果、全体として、低損失な光デバイス１００が提供される。単結晶薄膜１２０の周期分極反転構造１３０を利用した波長変換は、和周波、差周波、第２高調波、パラメトリック発振等任意である。 The input light 160 is input to the single crystal thin film 120 of the optical device 100. As the input light 160 is guided through the single crystal thin film 120, it satisfies the quasi-phase matching condition by the periodically poled structure 130 formed in the single crystal thin film 120, and the output light 170 has a wavelength different from the wavelength of the input light 160. Is converted to The converted output light 170 is guided through the waveguide 140, then travels to the waveguide 150, travels through the silicon substrate 110, and exits from the optical device 100. The tapered overlapping portions of the waveguide 140 and the waveguide 150 are optically coupled, and light loss is reduced when the output light 170 is emitted from the waveguide 140. As a result, the low-loss optical device 100 is provided as a whole. Wavelength conversion using the periodically poled structure 130 of the single crystal thin film 120 is arbitrary such as sum frequency, difference frequency, second harmonic, parametric oscillation, and the like.
図２は、本発明による別の光デバイスの模式図を示す。 FIG. 2 shows a schematic diagram of another optical device according to the invention.
図２の光デバイス２００は、導波路２１０が図１の光デバイス１００の導波路１４０と異なる以外は同一である。光デバイス２００の導波路２１０は、セグメントから構成されている。各セグメントは、導波路１５０と光学的に結合する領域に向かって先細となっている。このようなセグメント状導波路２１０もまた、図１の導波路１４０と同様に、分極反転構造１３０を導波した光１７０をシリコン基板１１０内へと導波するよう機能する。 The optical device 200 of FIG. 2 is the same except that the waveguide 210 is different from the waveguide 140 of the optical device 100 of FIG. The waveguide 210 of the optical device 200 is composed of segments. Each segment tapers toward a region that is optically coupled to the waveguide 150. Such a segmented waveguide 210 also functions to guide the light 170 guided through the domain-inverted structure 130 into the silicon substrate 110, similarly to the waveguide 140 of FIG.
図３は、本発明によるさらに別の光デバイスの模式図を示す。 FIG. 3 shows a schematic diagram of yet another optical device according to the invention.
図３の光デバイス３００は、導波路３１０が図１の光デバイス１００の導波路１４０と異なる以外は同一である。光デバイス３００の導波路３１０は、フォトニク結晶から構成されている。このようなフォトニック結晶状導波路３１０もまた、図１の導波路１４０と同様に、分極反転構造１３０を導波した光１７０をシリコン基板１１０内へと導波するよう機能する。 The optical device 300 of FIG. 3 is the same except that the waveguide 310 is different from the waveguide 140 of the optical device 100 of FIG. The waveguide 310 of the optical device 300 is composed of a photonic crystal. Such a photonic crystal waveguide 310 also functions to guide the light 170 guided through the domain-inverted structure 130 into the silicon substrate 110, similarly to the waveguide 140 of FIG.
次に、このような光デバイス１００、２００、３００の製造プロセスを説明する。本発明の光デバイス１００、２００、３００は、シリコン基板１１０（図１）に導波路１５０を形成するか、または、導波路１５０が形成されたシリコン基板１１０を用いる。 Next, a manufacturing process of such an optical device 100, 200, 300 will be described. In the optical devices 100, 200, and 300 of the present invention, the waveguide 150 is formed on the silicon substrate 110 (FIG. 1) or the silicon substrate 110 on which the waveguide 150 is formed is used.
図４は、本発明による光デバイス１００、２００、３００の製造プロセスを示すフローチャートである。 FIG. 4 is a flowchart showing a manufacturing process of the optical devices 100, 200 and 300 according to the present invention.
ステップＳ４１０：導波路１５０が形成されたシリコン基板１１０（図１）に貼り合わされた単結晶薄膜１２０（図１）に分極反転構造に対応するレジストをパターニングする。単結晶薄膜１２０は、シリコン基板１１０に対して分極面が表面となるように貼り合わされている。例えば、単結晶薄膜１２０がＬｉＮｂＯ３である場合、Ｚ面（より詳細には、＋Ｚ面）が表面となるように、シリコン基板１１０に貼り合わされる。 Step S410: A resist corresponding to the domain-inverted structure is patterned on the single crystal thin film 120 (FIG. 1) bonded to the silicon substrate 110 (FIG. 1) on which the waveguide 150 is formed. The single crystal thin film 120 is bonded to the silicon substrate 110 so that the polarization plane is the surface. For example, when the single crystal thin film 120 is LiNbO 3 , the single crystal thin film 120 is bonded to the silicon substrate 110 such that the Z plane (more specifically, the + Z plane) is the surface.
レジストは、フォトレジストである。フォトリソグラフィ法により、分極反転構造に対応するレジストを形成し、パターニングする。分極反転構造が周期分極反転構造の場合には、周期状のレジストパターンとなる。 The resist is a photoresist. A resist corresponding to the domain-inverted structure is formed by photolithography and patterned. When the domain-inverted structure is a periodic domain-inverted structure, a periodic resist pattern is obtained.
ステップＳ４２０：レジストがパターニングされた単結晶薄膜１２０上に第１の電極を、単結晶薄膜１２０と対向するシリコン基板１１０上に第２の電極を付与する。このような電極の付与は、スパッタ等の物理的気相成長法により行われる。電極は、例えば、Ｃｒである。 Step S420: A first electrode is provided on the single crystal thin film 120 on which the resist is patterned, and a second electrode is provided on the silicon substrate 110 facing the single crystal thin film 120. The application of such an electrode is performed by a physical vapor deposition method such as sputtering. The electrode is, for example, Cr.
ステップＳ４３０：第１の電極と第２の電極との間に電界を印加する。これにより、レジストが形成されていない単結晶薄膜１２０の領域のみが分極反転する。 Step S430: An electric field is applied between the first electrode and the second electrode. Thereby, only the region of the single crystal thin film 120 where the resist is not formed undergoes polarization inversion.
ステップＳ４４０：単結晶薄膜１２０の所定の領域をエッチングする。このようなエッチングはドライエッチングにより行われる。なお、所定の領域とは、例えば、シリコン基板上で光を導波させたい領域以外の領域である。これにより、導波路１４０、２１０、３１０が形成される。 Step S440: A predetermined region of the single crystal thin film 120 is etched. Such etching is performed by dry etching. The predetermined region is, for example, a region other than a region where light is to be guided on the silicon substrate. Thereby, the waveguides 140, 210, and 310 are formed.
以上のステップＳ４１０〜Ｓ４４０によって、光デバイス１００、２００、３００が形成される。以上説明してきたように、本発明者は、シリコン基板上にシリコン基板とは異種材料である単結晶薄膜を貼り合わせにより配置し、これらを光学的に結合させることで、光機能を発現させることに成功した。通常、シリコン基板を用いる半導体技術において、シリコン基板の格子定数とマッチングするように異種材料およびその配置方法を選択することが必要とされるため、本発明におけるシリコン基板と単結晶薄膜との組み合わせ、および、貼り合わせは、極めて新規な発想であり、実験により初めてその効果が確認された。 Through the above steps S410 to S440, the optical devices 100, 200, and 300 are formed. As described above, the present inventor arranges a single crystal thin film, which is a different material from a silicon substrate, on a silicon substrate by bonding, and optically couples them to express an optical function. succeeded in. Usually, in a semiconductor technology using a silicon substrate, it is necessary to select a different material and an arrangement method thereof so as to match the lattice constant of the silicon substrate. Therefore, the combination of the silicon substrate and the single crystal thin film in the present invention, Bonding is a very new idea, and its effect was confirmed for the first time by experiments.
光デバイス１００、２００、３００では、導波路１４０、２１０、３１０は、単結晶薄膜１２０の一部として説明してきた。導波路１４０、２１０、３１０を単結晶薄膜１２０とは異なる材料を用いてもよいが、製造プロセスの簡略化、光デバイスの簡素化および性能の観点から、単結晶薄膜１２０の一部とすることが好ましい。 In the optical devices 100, 200, and 300, the waveguides 140, 210, and 310 have been described as part of the single crystal thin film 120. The waveguides 140, 210, and 310 may be made of a material different from that of the single crystal thin film 120. Is preferred.
また、光デバイス１００、２００、３００では、入力光１６０が単結晶薄膜１２０を導波し、出力光１７０に波長変換され、導波路１４０、２１０、３１０から導波路１５０へと導波する例を示したが、これに限定されない。例えば、入力光が、導波路１５０から導波路１４０、２１０、３１０へと導波し、次いで、単結晶薄膜１２０へと進行後、出力光に波長変換されて出射するように、光デバイス１００、２００、３００を用いてもよい。 Further, in the optical devices 100, 200, and 300, an example in which the input light 160 is guided through the single crystal thin film 120, is wavelength-converted to the output light 170, and is guided from the waveguides 140, 210, and 310 to the waveguide 150. Although shown, it is not limited to this. For example, the optical device 100, so that the input light is guided from the waveguide 150 to the waveguides 140, 210, and 310, then travels to the single crystal thin film 120, and then is converted into an output light. 200, 300 may be used.
このような選択は、導波路１５０を導波する光の波長によって決定できる。これは、波長１．１μｍ未満の光がシリコン基板に吸収されるためである。例えば、分極反転構造１３０において波長１．１μｍ以上の波長を有する光に変換させる場合には、光デバイス１００（２００、３００）の構成を採用でき、波長１．１μｍ以上の波長を有する光を分極反転構造１３０において波長１．１μｍ未満の波長を有する光に変換させる場合には、上述の入力光が、導波路１５０から導波路１４０（２１０、３１０）へと導波する構成を採用できる。 Such selection can be determined by the wavelength of light guided through the waveguide 150. This is because light having a wavelength of less than 1.1 μm is absorbed by the silicon substrate. For example, when converting to light having a wavelength of 1.1 μm or more in the polarization inversion structure 130, the configuration of the optical device 100 (200, 300) can be adopted, and light having a wavelength of 1.1 μm or more is polarized. When the inversion structure 130 is converted into light having a wavelength of less than 1.1 μm, a configuration in which the above-described input light is guided from the waveguide 150 to the waveguide 140 (210, 310) can be employed.
さらに、デバイス１００、２００、３００では、単結晶薄膜１２０とシリコン基板１１０との光学的結合部位を１つとして説明してきたが、シリコン基板１１０内を導波した光を単結晶薄膜１２０へと導波させるために、さらなる光学的結合部位を設けてもよい。 Further, in the devices 100, 200, and 300, the optical coupling portion between the single crystal thin film 120 and the silicon substrate 110 has been described as one, but the light guided in the silicon substrate 110 is guided to the single crystal thin film 120. Additional optical binding sites may be provided for the wave.
次に、図１の光デバイス１００に基づくさらなる応用例について説明する。 Next, a further application example based on the optical device 100 of FIG. 1 will be described.
（実施の形態１）
図５は、本発明による別の光デバイス５００の模式図である。
(Embodiment 1)
FIG. 5 is a schematic diagram of another optical device 500 according to the present invention.
光デバイス５００は、差周波を利用した光通信用波長変換（例えば、ＣバンドからＬバンドへの波長変換）を実現するデバイスである。光デバイス５００は、シリコン基板１１０と、単結晶薄膜１２０と、導波路１４０と、導波路１５０と、光源部５１０と、導波路５２０と、電子回路５３０とを備える。 The optical device 500 is a device that realizes wavelength conversion for optical communication using the difference frequency (for example, wavelength conversion from C band to L band). The optical device 500 includes a silicon substrate 110, a single crystal thin film 120, a waveguide 140, a waveguide 150, a light source unit 510, a waveguide 520, and an electronic circuit 530.
シリコン基板１１０とそれに貼り合わされた単結晶薄膜１２０、および、光学的に結合した導波路１４０と導波路１５０は、図１を参照して説明した光デバイス１００と同様である。図５では、単結晶薄膜１２０は、ＭｇをドープしたＬｉＮｂＯ３であり、１６〜１７μｍの周期を有する周期分極反転構造を有する。単結晶薄膜１２０の長手方向の長さ（導波路長）は１２ｍｍであり、短手方向の長さは１０μｍであり、単結晶薄膜１２０の厚さは４μｍである。なお、単結晶薄膜１２０の仕様はこれに限定されない。 The silicon substrate 110, the single crystal thin film 120 bonded thereto, and the optically coupled waveguide 140 and waveguide 150 are the same as those of the optical device 100 described with reference to FIG. In FIG. 5, the single crystal thin film 120 is Mg-doped LiNbO 3 and has a periodically poled structure having a period of 16 to 17 μm. The length in the longitudinal direction (waveguide length) of the single crystal thin film 120 is 12 mm, the length in the short direction is 10 μm, and the thickness of the single crystal thin film 120 is 4 μm. Note that the specification of the single crystal thin film 120 is not limited thereto.
光源部５１０は、第１の光源５４０と第２の光源５５０とをさらに含む。第１の光源５４０は、Ｃバンド光に相当する１．５５μｍ帯の波長の光を出射する半導体レーザである。第２の光源５５０は、ポンプ光であり０．７８μｍ帯の波長の光を出射する半導体レーザである。第１の光源５４０および第２の光源５５０には、既存の半導体レーザが適用される。 The light source unit 510 further includes a first light source 540 and a second light source 550. The first light source 540 is a semiconductor laser that emits light having a wavelength of 1.55 μm band corresponding to C-band light. The second light source 550 is a semiconductor laser that emits light having a wavelength of 0.78 μm as pump light. An existing semiconductor laser is applied to the first light source 540 and the second light source 550.
導波路５２０は、光源部５１０および単結晶薄膜１２０と光結合しており、光源部５１０からの光を単結晶薄膜１２０へと導波させる。このような導波路５２０は、単結晶薄膜１２０と同じ材料であってもよいし、異なっていてもよいが、同じ材料の方が製造プロセスを簡略化できるので好ましい。 The waveguide 520 is optically coupled to the light source unit 510 and the single crystal thin film 120, and guides light from the light source unit 510 to the single crystal thin film 120. Such a waveguide 520 may be made of the same material as the single crystal thin film 120 or may be different, but the same material is preferable because the manufacturing process can be simplified.
電子回路５３０は、光源部５１０の動作を制御する。例えば、電子回路５３０は、光源部５１０の第１の光源５４０と第２の光源５５０とのレーザ光の出射のタイミングを制御する。これにより、最終的に光デバイス５００から出射されるＣバンド光およびＬバンド光のオン／オフのタイミングが制御される。 The electronic circuit 530 controls the operation of the light source unit 510. For example, the electronic circuit 530 controls the emission timing of the laser light from the first light source 540 and the second light source 550 of the light source unit 510. Thereby, the on / off timing of the C-band light and the L-band light finally emitted from the optical device 500 is controlled.
次に、このような光デバイス５００の動作を説明する。 Next, the operation of such an optical device 500 will be described.
電子回路５３０は、所定のタイミングで光源部５１０の第１の光源５４０と第２の光源５５０とのレーザ光の出射のタイミングを制御する。電子回路５３０が、第１の光源５４０および第２の光源５５０の両方を駆動すると、第１の光源５４０および第２の光源５５０は、それぞれ、Ｃバンド光およびポンプ光を出射する。Ｃバンド光およびポンプ光は、導波路５２０を導波し、単結晶薄膜１２０に入射する。Ｃバンド光およびポンプ光は、単結晶薄膜１２０の周期分極反転構造を導波するにつれて、擬似位相整合条件を満たし、Ｃバンド光およびポンプ光の差周波に相当するＬバンド光（１．５８μｍ）に変換される。変換されたＬバンド光は、導波路１４０および導波路１５０を導波し、シリコン基板１１０内へと進行する。これにより、Ｓｉ回路への入出力が可能となるので、既存の回路（例えば、受光素子）を適宜利用することができる。 The electronic circuit 530 controls the emission timing of the laser light from the first light source 540 and the second light source 550 of the light source unit 510 at a predetermined timing. When the electronic circuit 530 drives both the first light source 540 and the second light source 550, the first light source 540 and the second light source 550 emit C-band light and pump light, respectively. The C-band light and the pump light are guided through the waveguide 520 and are incident on the single crystal thin film 120. As the C-band light and the pump light are guided through the periodically poled structure of the single crystal thin film 120, the L-band light (1.58 μm) that satisfies the quasi-phase matching condition and corresponds to the difference frequency between the C-band light and the pump light. Is converted to The converted L-band light is guided through the waveguide 140 and the waveguide 150 and travels into the silicon substrate 110. Thereby, since input / output to / from the Si circuit is possible, an existing circuit (for example, a light receiving element) can be used as appropriate.
なお、光デバイス５００は、差周波発生の例を示したが、これに限定されない。光デバイス５００を周期分極反転構造の周期を変更することによって、和周波発生、第２高調波発生等に用いてもよい。例えば、第２高調波発生の場合、光デバイス５００において、光源部５１０は１つの光源で足り得る。 In addition, although the optical device 500 showed the example of difference frequency generation, it is not limited to this. The optical device 500 may be used for sum frequency generation, second harmonic generation, etc. by changing the period of the periodically poled structure. For example, in the case of second harmonic generation, in the optical device 500, the light source unit 510 may be a single light source.
（実施の形態２）
図６は、本発明によるさらに別の光デバイス６００の模式図である。
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a schematic diagram of yet another optical device 600 according to the present invention.
光デバイス６００は、マッハツェンダー導波路型光変調器を実現するデバイスである。光デバイス６００は、シリコン基板１１０と、単結晶薄膜１２０と、導波路１４０、１５０と、電子回路５３０と、一対の電極６１０、６２０とを備える。導波路１４０と導波路１５０とは、図１を参照して説明したように、光学的に結合している。 The optical device 600 is a device that realizes a Mach-Zehnder waveguide type optical modulator. The optical device 600 includes a silicon substrate 110, a single crystal thin film 120, waveguides 140 and 150, an electronic circuit 530, and a pair of electrodes 610 and 620. The waveguide 140 and the waveguide 150 are optically coupled as described with reference to FIG.
シリコン基板１１０に貼り合わされた単結晶薄膜１２０は、マッハツェンダー導波路型の形状を有し、分岐導波路６３０および６４０を有する。分岐導波路６３０は分極反転構造を有する。例えば、単結晶薄膜１２０は、ＬｉＮｂＯ３である。分岐導波路６３０および６４０の自発分極の向きは、互いに逆向きである。 The single crystal thin film 120 bonded to the silicon substrate 110 has a Mach-Zehnder waveguide type shape and includes branched waveguides 630 and 640. The branch waveguide 630 has a polarization inversion structure. For example, the single crystal thin film 120 is LiNbO 3 . The directions of spontaneous polarization of the branching waveguides 630 and 640 are opposite to each other.
一対の電極６１０、６２０は、単結晶薄膜１２０の分岐導波路６３０、６４０それぞれに同じ向きで同じ大きさの電界が印加されるように配置されている。一対の電極６１０、６２０は、例えば、ＴｉまたはＡｕである。 The pair of electrodes 610 and 620 are arranged so that electric fields of the same magnitude are applied to the branch waveguides 630 and 640 of the single crystal thin film 120 in the same direction. The pair of electrodes 610 and 620 is, for example, Ti or Au.
電子回路５３０は、一対の電極６１０、６２０に電力を供給し、単結晶薄膜１２０の分岐導波路６３０、６４０それぞれへの電界の印加を制御する。なお、一対の電極６１０、６２０と、電子回路５３０とをまとめて、電界印加構造と呼ぶ。 The electronic circuit 530 supplies power to the pair of electrodes 610 and 620 and controls application of an electric field to each of the branched waveguides 630 and 640 of the single crystal thin film 120. The pair of electrodes 610 and 620 and the electronic circuit 530 are collectively referred to as an electric field application structure.
次に、このような光デバイス６００の動作を説明する。 Next, the operation of such an optical device 600 will be described.
光デバイス６００に入力光６５０が入力される。入力光６５０は、単結晶薄膜１２０を導波し、分岐導波路６３０、６４０で２等分され、入力光６６０、６７０となる。 Input light 650 is input to the optical device 600. The input light 650 is guided through the single crystal thin film 120 and is divided into two equal parts by the branching waveguides 630 and 640 to become the input light 660 and 670.
電子回路５３０は、一対の電極６１０、６２０に、例えば、「１００１０」のデジタル信号を送り、分岐導波路６３０、６４０それぞれに電界を印加するように制御する。デジタル信号に基づいて、分岐導波路６３０、６４０には、「Ｖ１→Ｖ０→Ｖ０→Ｖ１→Ｖ０」の電界が印加される。ここで、Ｖ１は、電界を印加した状態であり、Ｖ０は、電界を印加しない状態である。 The electronic circuit 530 sends a digital signal of “10010” to the pair of electrodes 610 and 620, for example, and controls to apply an electric field to each of the branching waveguides 630 and 640. Based on the digital signal, an electric field of “V1 → V0 → V0 → V1 → V0” is applied to the branch waveguides 630 and 640. Here, V1 is a state where an electric field is applied, and V0 is a state where no electric field is applied.
分岐導波路６３０、６４０に電界Ｖ１が印加されると、分岐導波路６３０、６４０はそれぞれ逆向きの自発分極を有するので、分岐導波路６３０、６４０で誘起される屈折率変化は逆符号となる。その結果、分岐導波路６３０を導波する入力光６６０の位相は、−π／２ずれ、分岐導波路６４０を導波する入力光６７０の位相は、＋π／２ずれる。２等分された入力光６６０、６７０の位相差の合計は、πとなる。 When the electric field V1 is applied to the branching waveguides 630 and 640, the branching waveguides 630 and 640 have spontaneous polarizations in opposite directions, so that the refractive index change induced in the branching waveguides 630 and 640 has an opposite sign. . As a result, the phase of the input light 660 guided through the branching waveguide 630 is shifted by −π / 2, and the phase of the input light 670 guided through the branching waveguide 640 is shifted by + π / 2. The sum of the phase differences of the input lights 660 and 670 divided into two equal parts is π.
２等分され、互いに位相がπ／２ずれた入力光６６０、６７０は、分岐導波路６３０および６４０が結合する点において、合流する。ここで、合流した際に、入力光６６０、６７０は、位相差πのために、互いに打ち消しあって、出力０となる。 The input lights 660 and 670 that are divided into two equal parts and shifted in phase by π / 2 are merged at the point where the branching waveguides 630 and 640 are coupled. Here, when the lights are merged, the input lights 660 and 670 cancel each other and become an output 0 because of the phase difference π.
一方、分岐導波路６３０、６４０に電界Ｖ０が印加されると（電界が印加されない状態の場合）、分岐導波路６３０、６４０それぞれを導波する入力光６６０、６７０の位相差は生じない。したがって、２等分された入力光６６０、６７０は、分岐導波路６３０、６４０が結合する点において、合流し、出力１となり、出力光６８０を出力する。出力光６８０は、光学的に結合した導波路１４０と、導波路１５０とを進行し、シリコン基板１１０内を進み、Ｓｉ回路への入出力を可能にする。 On the other hand, when the electric field V0 is applied to the branch waveguides 630 and 640 (when no electric field is applied), there is no phase difference between the input lights 660 and 670 that are guided through the branch waveguides 630 and 640, respectively. Accordingly, the input lights 660 and 670 divided into two equal parts are merged at the point where the branching waveguides 630 and 640 are coupled, and the output becomes the output 1 and the output light 680 is output. The output light 680 travels through the optically coupled waveguide 140 and waveguide 150, travels through the silicon substrate 110, and enables input and output to the Si circuit.
以上により、光デバイス６００は、「０１１０１」の光のパルスを生成する。光デバイス６００によれば、単結晶薄膜１２０の一部である分岐導波路６３０が分極反転構造を有することにより、分岐導波路６３０、６４０の両方に同じ電界を印加することにより、同じ変調作用を得ることができるので、駆動電圧を１／２にできる。また、電界を印加するための電極も一対で十分であるため、製造プロセスを簡略化できる。 Thus, the optical device 600 generates a pulse of “01101” light. According to the optical device 600, since the branch waveguide 630 which is a part of the single crystal thin film 120 has a domain-inverted structure, the same modulation action can be obtained by applying the same electric field to both the branch waveguides 630 and 640. Therefore, the drive voltage can be halved. In addition, since a pair of electrodes for applying an electric field is sufficient, the manufacturing process can be simplified.
また、図６では、分岐導波路６３０と６４０との自発分極の向きが反転する例を示したが、これに限定されない。例えば、分岐導波路６３０、６４０それぞれに周期分極反転構造を形成し、それらが互い違い（すなわち市松模様）となるように配置してもよい。これにより、擬似位相整合技術と組み合わせ、高周波領域において高効率動作可能な光変調器を実現できる。 FIG. 6 illustrates an example in which the direction of spontaneous polarization of the branching waveguides 630 and 640 is reversed, but the present invention is not limited to this. For example, a periodic polarization inversion structure may be formed in each of the branched waveguides 630 and 640 and arranged so that they are staggered (that is, a checkered pattern). Thereby, in combination with the quasi phase matching technique, an optical modulator capable of operating efficiently in a high frequency region can be realized.
シリコン基板１１０上において波長変換機能（実施の形態１）および光変調機能（実施の形態２）を発現できるので、光デバイス５００と光デバイス６００とを、１枚のシリコン基板１１０上に形成し、組み合わせてもよい。この場合には、電子回路５３０は、光源部５１０のレーザ光の出射のタイミングに加えて、分岐導波路６３０、６４０それぞれへの電界を印加するように制御してもよい。 Since the wavelength conversion function (Embodiment 1) and the light modulation function (Embodiment 2) can be expressed on the silicon substrate 110, the optical device 500 and the optical device 600 are formed on the single silicon substrate 110, You may combine. In this case, the electronic circuit 530 may be controlled to apply an electric field to each of the branching waveguides 630 and 640 in addition to the timing of emission of the laser light from the light source unit 510.
このように、本発明による光デバイス１００、２００、３００、５００、６００は、シリコン基板上において分極反転構造を利用した光機能（すなわち、非線形光学効果）を発現する。さらに、光デバイス１００、２００、３００、５００、６００において、シリコン基板と単結晶薄膜とが導波路を介して光学的に結合しているので、シリコン電子デバイスに上述の光機能を利用した光通信の高速伝送技術を取り込むことができる。このような光デバイス１００、２００、３００、５００、６００は、回路間配線、素子間配線およびボード間配線に好適であり、小型化・低コスト化を可能にする。 As described above, the optical devices 100, 200, 300, 500, and 600 according to the present invention exhibit an optical function (that is, a nonlinear optical effect) using a polarization inversion structure on a silicon substrate. Further, in the optical devices 100, 200, 300, 500, and 600, since the silicon substrate and the single crystal thin film are optically coupled via the waveguide, the optical communication utilizing the above optical function for the silicon electronic device. High-speed transmission technology. Such optical devices 100, 200, 300, 500, and 600 are suitable for inter-circuit wiring, inter-element wiring, and inter-board wiring, and enable miniaturization and cost reduction.
次に、具体的な実施例を用いて本発明の方法を説明するが、本発明を実施例に限定するものではないことを理解されたい。 Next, the method of the present invention will be described using specific examples, but it should be understood that the present invention is not limited to the examples.
単結晶薄膜としてＺカットのＭｇをドープしたＬｉＮｂＯ３（以降では単にＬＮと呼ぶ）が貼り合わされた０．５ｍｍ厚のシリコン基板（直径３インチ）を用い、光デバイスを製造した。ＬＮの厚さは、４μｍであった。 An optical device was manufactured using a 0.5 mm-thick silicon substrate (3 inches in diameter) on which Li-NbO 3 doped with Z-cut Mg (hereinafter simply referred to as LN) was bonded as a single crystal thin film. The thickness of LN was 4 μm.
ＬＮの＋Ｚ面上に周期分極反転構造に対応するレジスト（フォトレジスト）をフォトリソグラフィ法によりパターニングした（図４のステップＳ４１０）。周期分極反転構造の周期は、それぞれ、周期１６．６μｍ、１６．８μｍおよび１７．０μｍの３種類であった。フォトレジストによりパターニングされたＬＮ上に第１の電極としてＣｒを、フォトレジストに対向する面のシリコン基板上に第２の電極としてＣｒをスパッタにより蒸着した（図４のステップＳ４２０）。Ｃｒの膜厚は、１０００Åであった。次いで、シリコン基板を長手方向に１５ｍｍ長片に切断し、チップ形状を得た。 A resist (photoresist) corresponding to the periodically poled structure was patterned on the + N surface of LN by photolithography (step S410 in FIG. 4). The period of the periodically poled structure was three types, each having a period of 16.6 μm, 16.8 μm, and 17.0 μm. Cr was deposited as a first electrode on the LN patterned with the photoresist, and Cr was deposited as a second electrode on the silicon substrate on the surface facing the photoresist by sputtering (step S420 in FIG. 4). The film thickness of Cr was 1000 mm. Next, the silicon substrate was cut into a 15 mm long piece in the longitudinal direction to obtain a chip shape.
第１の電極と第２の電極との間に電界を印加し、周期分極反転構造を形成した（図４のステップＳ４３０）。電界の印加条件は、温度１２０℃において４３．６ｋＶ／ｍｍのパルス電圧で３０パルスあった。 An electric field was applied between the first electrode and the second electrode to form a periodically poled structure (step S430 in FIG. 4). The application condition of the electric field was 30 pulses at a pulse voltage of 43.6 kV / mm at a temperature of 120 ° C.
次いで、幅３．５〜１２．０μｍ、掘り込み深さ３μｍの導波路長１１．９ｍｍとなるように、電子サイクロトロン共鳴反応性イオンビームエッチングを用いて、ドライエッチングを行った（図４のステップＳ４４０）。エッチングガスは、ＡｒおよびＣ２Ｆ６混合ガスであった。これにより、種々の導波路幅を有するリッジ型導波路が集積化された光デバイスを得た。 Next, dry etching was performed using electron cyclotron resonance reactive ion beam etching so as to obtain a waveguide length of 11.9 mm having a width of 3.5 to 12.0 μm and a digging depth of 3 μm (step of FIG. 4). S440). The etching gas was Ar and C 2 F 6 mixed gas. As a result, optical devices in which ridge-type waveguides having various waveguide widths were integrated were obtained.
得られた光デバイスの表面を、微分干渉顕微鏡を用いて観察した。観察結果から周期分極反転構造の分極反転比（反転幅／反転周期）を求めた。観察結果および分極反転比を図７および図８に示す。 The surface of the obtained optical device was observed using a differential interference microscope. From the observation results, the polarization inversion ratio (inversion width / inversion period) of the periodically poled structure was determined. The observation results and the polarization inversion ratio are shown in FIGS.
図７は、光デバイスの表面形態および分極反転比を示す図である。 FIG. 7 is a diagram showing the surface morphology and polarization inversion ratio of the optical device.
図７（Ａ）は、光デバイスの表面形態を示す。領域７１０、７２０および７３０は、それぞれ、周期１６．６μｍ、１６．８μｍおよび１７．０μｍの周期分極反転構造である。図７（Ｂ）の分極反転比から、導波路長（長手方向）全体にわたって、ほぼ分極反転比０．５の均一な周期分極反転構造が得られたことを確認した。 FIG. 7A shows a surface form of the optical device. Regions 710, 720, and 730 are periodically poled structures with periods of 16.6 μm, 16.8 μm, and 17.0 μm, respectively. From the polarization reversal ratio in FIG. 7B, it was confirmed that a uniform periodic polarization reversal structure having a polarization reversal ratio of approximately 0.5 was obtained over the entire waveguide length (longitudinal direction).
図８は、光デバイスの表面形態の別の図である。 FIG. 8 is another view of the surface morphology of the optical device.
図８は、図７（Ａ）の領域７１０の一部の拡大図である。濃淡によって示されるように、周期分極反転構造が均一に形成されていることを確認した。 FIG. 8 is an enlarged view of a part of the region 710 in FIG. As shown by the shading, it was confirmed that the periodically poled structure was formed uniformly.
次に、得られた光デバイスの光機能（非線形光学効果）の発現について調べた。 Next, the expression of the optical function (nonlinear optical effect) of the obtained optical device was examined.
図９は、実験系の模式図である。 FIG. 9 is a schematic diagram of an experimental system.
実験系９００は、光源９１０と、偏波コントローラ９２０と、コリメータレンズ９３０、９５０と、集光レンズ９４０と、検出器９５０とを含む。光源９１０は、１．５５μｍ帯の波長可変レーザまたは０．７８μｍのチタンサファイアレーザを用いた。コリメータレンズ９３０、９５０の開口数ＮＡは、０．５２であった。集光レンズ９４０の開口数ＮＡは０．４０であった。図中、光デバイス９７０は、本実施例で製造された光デバイスを指す。このような実験系９００を用いて、変換効率の基本波長依存性および導波路の挿入損失を調べた。それぞれの結果を図１０および図１１に示す。 The experimental system 900 includes a light source 910, a polarization controller 920, collimator lenses 930 and 950, a condenser lens 940, and a detector 950. As the light source 910, a 1.55 μm band wavelength tunable laser or a 0.78 μm titanium sapphire laser was used. The numerical aperture NA of the collimator lenses 930 and 950 was 0.52. The numerical aperture NA of the condenser lens 940 was 0.40. In the drawing, an optical device 970 indicates an optical device manufactured in this example. Using such an experimental system 900, the fundamental wavelength dependence of the conversion efficiency and the insertion loss of the waveguide were examined. Each result is shown in FIG. 10 and FIG.
図１０は、変換効率の基本波長依存性を示す図である。 FIG. 10 is a diagram illustrating the fundamental wavelength dependence of the conversion efficiency.
実験系９００において光源９１０として１．５５μｍ帯の波長可変レーザを用い、基本波長を１．５６３μｍから１．５６９μｍまで変化させた。各基本波長を有する基本波を、導波路幅１２．０μｍおよび分極反転周期１６．８μｍの光デバイス９７０に入力し、第２高調波を発生させ、変換効率を測定した。図１０から、１５６５．９ｎｍにおいてＳＨＧ規格化変換効率は、約１２０％／Ｗであった。この値は、実用サイズの導波路長３ｃｍにおいて１２００％／ＷのＳＨＧ規格化変換効率に相当し、Ｃ−Ｌコンバータ等の実用に際して十分な値であった。 In the experimental system 900, a tunable laser in the 1.55 μm band was used as the light source 910, and the fundamental wavelength was changed from 1.563 μm to 1.569 μm. A fundamental wave having each fundamental wavelength was input to an optical device 970 having a waveguide width of 12.0 μm and a polarization inversion period of 16.8 μm, a second harmonic was generated, and conversion efficiency was measured. From FIG. 10, the SHG normalized conversion efficiency at about 1565.9 nm was about 120% / W. This value corresponds to an SHG normalized conversion efficiency of 1200% / W at a waveguide length of 3 cm of a practical size, and was a sufficient value for practical use of a CL converter or the like.
図１１は、導波路の挿入損失を示す図である。 FIG. 11 is a diagram showing the insertion loss of the waveguide.
実験系９００において光源９１０は、１．５５０μｍの波長可変レーザ、および、０．７８μｍのチタンサファイアレーザを用い、それぞれの導波路挿入損失を、分極反転周期１６．８μｍおよび種々の導波路幅を有する光デバイスについて測定した。 In the experimental system 900, the light source 910 uses a 1.550 μm wavelength tunable laser and a 0.78 μm titanium sapphire laser, each having a waveguide insertion loss, a polarization inversion period of 16.8 μm, and various waveguide widths. It measured about the optical device.
図中、１．５５０μｍの波長可変レーザの結果を▲印で、０．７８μｍのチタンサファイアレーザの結果を○印で示す。１．７７ｄＢ（＠１．５５０μｍ、導波路幅１２．０μｍ）および２．６５ｄＢ（＠０．７８μｍ、導波路幅1１．０μｍ）という低い損失が得られた。これらの値は、従来のデバイスと同等またはそれ以下であり、実用可能な値であることが確認された。 In the figure, the result of the 1.550 μm wavelength tunable laser is indicated by ▲, and the result of the 0.78 μm titanium sapphire laser is indicated by ◯. Low losses of 1.77 dB (@ 1.550 μm, waveguide width 12.0 μm) and 2.65 dB (@ 0.78 μm, waveguide width 11.0 μm) were obtained. These values were equal to or less than those of conventional devices, and were confirmed to be practical values.
以上説明してきたように、本発明によれば、シリコン基板上において、分極反転構造を有する単結晶薄膜を用いることにより、光機能を発現することができる。さらにシリコン基板と単結晶薄膜とが導波路を介して光学的に結合されているので、シリコン電子デバイスのデータ伝送速度の高速化、デバイスの小型化、低コスト化が可能になる。従来の光デバイスの機能に加えて、本発明による光機能（非線形光学効果）を搭載できるので、全光スイッチ等新規なデバイスの構築が可能になる。 As described above, according to the present invention, an optical function can be expressed by using a single crystal thin film having a domain-inverted structure on a silicon substrate. Furthermore, since the silicon substrate and the single crystal thin film are optically coupled via the waveguide, the data transmission speed of the silicon electronic device can be increased, the device can be reduced in size, and the cost can be reduced. Since the optical function (nonlinear optical effect) according to the present invention can be mounted in addition to the function of the conventional optical device, a new device such as an all-optical switch can be constructed.
１００、２００、３００、５００、６００ 光デバイス
１１０ シリコン基板
１２０ 単結晶薄膜
１３０ 分極反転構造
１４０、１５０、２１０、３１０、５２０ 導波路
１６０、６５０、６６０、６７０ 入力光
１７０、６８０ 出力光
５１０ 光源部
５３０ 電子回路
５４０ 第１の光源
５５０ 第２の光源
６１０、６２０ 一対の電極
６３０、６４０ 分岐導波路
100, 200, 300, 500, 600 Optical device 110 Silicon substrate 120 Single crystal thin film 130 Polarization inversion structure 140, 150, 210, 310, 520 Waveguide 160, 650, 660, 670 Input light 170, 680 Output light 510 Light source unit 530 Electronic circuit 540 First light source 550 Second light source 610, 620 Pair of electrodes 630, 640 Branched waveguide
Claims (6)
結晶基板と、
前記結晶基板とは異なる材質の結晶体と
を備え、
前記結晶基板と前記結晶体とが一体化されていて、
前記結晶基板は、導波路を有し、
前記結晶体は、前記光調整構造と、前記導波路と光学的に結合するさらなる導波路とを有し、
前記光調整構造は、分極反転構造であることを特徴とする光デバイス。 Wavelength conversion, and an optical device having an optical adjustment structure for performing at least one of the optical modulation,
A crystal substrate;
A crystal of a material different from that of the crystal substrate,
The crystal substrate and the crystal body are integrated,
The crystal substrate has a waveguide;
The crystal body includes the light adjusting structure and a further waveguide optically coupled to the waveguide;
The optical device is characterized in that the light adjusting structure is a polarization inversion structure.
6. The optical device according to claim 1, further comprising an electric field application structure that applies an electric field to the light adjustment structure to change a degree of the light modulation.
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