JP7276452B2 - 光変調器 - Google Patents
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Description
本発明は、光変調器に関する。
シリコン基板上に光変調素子（光変調器）を作製する技術は、光集積回路の低コスト化に向けて注目されている。一般的に、シリコン光変調器では、キャリアプラズマ効果を用いて。光の強度や位相が変調される。特に、光強度を変調するシリコン光変調器は、強度変調信号の生成、光スイッチ、可変光減衰器などの様々な通信用デバイスへの応用が期待されている。代表的な強度変調素子として知られるシリコンキャリア注入型素子は、断面形状が四角形のコアの両脇にスラブを備えたリブ型導波路とされている。
この素子について、図７を参照して説明する。この素子は、下部クラッド層３０１の上に形成されたリブ型導波路のコア３０２の両脇のスラブに、ｐ型領域３０３，ｎ型領域３０４を形成し、横方向にｐ－ｉ－ｎダイオードを形成している。ｐ型領域３０３には、ｐ電極３０５が接続し、ｎ型領域３０４には、ｎ電極３０６が接続している。また、コア３０２の上には、上部クラッド層３０７が形成されている。この素子のｐ型領域３０３とｎ型領域３０４との間に順バイアスを印加し、コア３０２自由キャリアを注入することで、コア３０２による光導波路を導波する光の強度を減衰させることが可能となる。
上述した強度変調器の消費電力は、注入電流の２乗に比例することから、低電力のためには必要な注入電流量を低減することが必要である。注入電流量は、材料におけるキャリアの移動度に反比例する自由キャリア吸収係数で決定される。この種の低移動度材料としては、アモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）などの非晶質半導体が提案されている（非特許文献１参照）。
K. Narayanan et al., "Broadband all-optical modulation in hydrogenated-amorphous silicon waveguides", Optics Express, vol. 18, no. 10, pp. 9809-9814, 2010.
しかしながら、非晶質半導体は、キャリアの移動度が低いため、非晶質半導体のみで前述したダイオード構造を作製すると、素子抵抗が大きくなり、消費電力増大の要因となる。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光変調器の素子抵抗が大きくなることを抑制して、注入電流量を低減することを目的とする。
本発明に係る光変調器は、クラッド層の上に形成された、非晶質の半導体からなるコアと、クラッド層の上で、コアを挾んで配置され、コアに接して形成されたｐ型層およびｎ型層とを備え、ｐ型層およびｎ型層は、単結晶シリコンから構成されている。
以上説明したように、本発明によれば、コアは、非晶質の半導体から構成し、ｐ型層およびｎ型層は、単結晶シリコンから構成したので、光変調器の素子抵抗が大きくなることを抑制して、注入電流量を低減することができる。
以下、本発明の実施の形態に係る光変調器について図１を参照して説明する。この光変調器は、下部クラッド層１０１の上に形成された、非晶質のアンドープの半導体（ｉ型）からなるコア１０２と、下部クラッド層１０１の上で、コア１０２を挾んで配置され、コア１０２に接して形成されたｐ型層１０３およびｎ型層１０４とを備える。コア１０２は、ｐ型層１０３およびｎ型層１０４より厚く形成されている。ｐ型層１０３およびｎ型層１０４は、単結晶シリコンから構成されている。
コア１０２は、例えば、アモルファスシリコンから構成することができる。また、コア１０２は、欠陥が水素もしくは重水素で終端されたシリコンを含むアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ：Ｈ，ａ－Ｓｉ：Ｄ）から構成することもできる。これらの材料は、太陽電池などの用途で用いられてきた実績があり、単結晶シリコンよりも低い移動度が報告されている。
また、この光変調器は、ｐ型層１０３の上に形成されたｐ電極１０５と、ｎ型層１０４の上に形成されたｎ電極１０６とを備える。ｐ電極１０５は、ｐ型層１０３にオーミック接続し、ｎ電極１０６は、ｎ型層１０４にオーミック接続している。
なお、下部クラッド層１０１は、例えばシリコンからなる基板１０１ａの上に形成されている。また、コア１０２の上には、上部クラッド層１０７が形成されている。例えば、よく知られたＳＯＩ（silicon-on-insulator）基板を用い、この埋め込み絶縁層を下部クラッド層１０１とすることができる。また、ＳＯＩ基板の表面シリコン層を、公知のパターン形成技術によりパターニングすることで、ｐ型層１０３およびｎ型層１０４のパターンが形成できる。また、このパターンに、公知のイオン注入技術によりｐ型不純物、ｎ型不純物を各々イオン注入することで、ｐ型層１０３およびｎ型層１０４とすることができる。
また、ｐ型層１０３およびｎ型層１０４を形成した下部クラッド層１０１の上に、よく知られた化学的気相成長法、スパッタ法などの堆積技術によりシリコンを堆積してアモルファスシリコン膜を形成し、このアモルファスシリコン膜を、公知のパターン形成技術によりパターニングすることで、コア１０２を形成することができる。また、公知のリフトオフ法などにより、ｐ電極１０５、ｎ電極１０６を形成することができる。
上述した実施の形態に係る光変調器の、ｐ電極１０５とｎ電極１０６との間に順バイアス電圧を印加すると、低抵抗な単結晶シリコンからなるｐ型層１０３、ｎ型層１０４を介し、コア１０２に自由キャリアが注入される。光導波路を構成しているコア１０２には、導波している光が強く閉じ込められており、上述した自由キャリアの注入により、導波している光の強度を変調することができる。なお、変調対象となる光は、図１の紙面の手前から奥の方向に導波する。実施の形態によれば、コア１０２を非晶質半導体から構成しているので、コア１０２における自由キャリア吸収が大きく、注入電流量を低減することができる。一方、ｐ型層１０３、ｎ型層１０４は、低抵抗な単結晶シリコンから構成しているので、素子抵抗が大きくなることが抑制できる。
なお、図２に示すように、ｐ型層１０３のコア１０２の側の側面１０３ａおよびｎ型層１０４のコア１０２の側の側面１０４ａと、下部クラッド層１０１の平面とのなす角を、鋭角とすることもできる。
よく知られているように、単結晶シリコンは、結晶面によって、アルカリ性のエッチング液に対する溶解度（エッチング速度）が異なり、（１１１）面の方が（１００）面よりエッチングされにくい。従って、主表面を（１００）面とし、ウエットエッチングにより、（１１１）面を側面１０３ａ，側面１０４ａとしてｐ型層１０３、ｎ型層１０４を形成することで、側面１０３ａ，側面１０４ａを、上述したような傾斜面とすることができる。また、ウエットエッチングにより形成した表面は、ドライエッチングを用いた場合に比較して、平坦で欠陥が少ない。また、一般的に、非晶質半導体の化学的気相成長法やスパッタリング法による堆積では、垂直な側面に比較して、上方より見ることができる傾斜面の方が、被覆性がよい。
以上のことより、コア１０２と接するｐ型層１０３の側面１０３ａ、ｎ型層１０４の側面１０４ａを、上述したような傾斜面とすることで、これらの間のヘテロ接合を、より良質な状態で形成することができる。
また、図３に示すように、ｐ電極１０５が形成されているｐ型層１０３ｂの厚さ、およびｎ電極１０６が形成されているｎ型層１０４ｂの厚さを、コア１０２に接する領域のｐ型層１０３およびｎ型層１０４より厚くすることもできる。この構成とすることで、断面視で、コア１０２を中心とした光閉じ込め領域から、ｐ電極１０５，ｎ電極１０６をより離すことができ、光閉じ込めを損なうことなく、素子の低抵抗化が可能となる。
ところで、光変調器は、他の光導波路に光学的に接続（光接続）して用いられる。以下、光変調器と他光導波路との光接続構造について説明する。
例えば、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃに示すように、光変調器のコア１０２より構成された光導波路１３１と、他光導波路１３２とを、光接続部１３３を介して光接続することができる。図４Ｂは、図４Ａのａａ’線の断面を示し、図４Ｃは、図４Ａのｂｂ’線の断面を示している。なお、図４Ａのｃｃ’線の断面は、図１に示している。
他光導波路１３２は、下部クラッド層１０１の上に形成された、単結晶シリコンからなる他コア１１１を備える。他コア１１１は、ｐ型層１０３およびｎ型層１０４に連続して形成されたシリコン層のアンドープの領域から構成されている。他コア１１１は、コア１０２と同じ厚さ、同じ幅に形成され、接続部１２１において、端面結合されている。光接続部１３３は、ｐ型層１０３およびｎ型層１０４に連続するスラブ１１２を備える。光接続部１３３では、他コア１１１がスラブ１１２に挾まれている。スラブ１１２は、平面視で、光導波路１３１より離れるほど幅が小さくなり、他光導波路１３２では、無くなる。
また、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃに示すように、光変調器のコア１０２より構成された光導波路１３１と、他光導波路１３２ａとを、光接続部１３３ａを介して光接続することができる。図５Ｂは、図５Ａのａａ’線の断面を示し、図５Ｃは、図５Ａのｂｂ’線の断面を示している。
他光導波路１３２ａは、下部クラッド層１０１の上に形成された、単結晶シリコンからなる他コア１１３を備える。他コア１１３は、ｐ型層１０３およびｎ型層１０４に連続して形成されたシリコン層のアンドープの領域から構成されている。また、この例において、他コア１１３、ｐ型層１０３およびｎ型層１０４と同じ厚さに形成されている。また、他コア１１３は、光接続部１３３ａにおいて、平面視で、光導波路１３１より離れるほど幅が小さくなり、他光導波路１３２ａにおいて、コア１０２の主部と、平面視で同じ幅となる。
また、コア１０２は、他光導波路１３２ａの側に延在し、他コア１１３の上に形成された延在部１０２ａを備える。また、延在部１０２ａは、光導波路１３１から離れるほど、平面視の幅が小さくなる。
また、図６Ａ、図６Ｂに示すように、光変調器のコア１０２より構成された光導波路１３１と、他光導波路１３２ｂとを、光接続部１３３ｂを介して光接続することができる。図６Ｂは、図６Ａのａａ’線の断面を示している。
他光導波路１３２ａは、下部クラッド層１０１の上に形成された、単結晶シリコンからなる他コア１１３を備える。他コア１１３は、ｐ型層１０３およびｎ型層１０４に連続して形成されたシリコン層のアンドープの領域から構成されている。また、この例において、他コア１１３、ｐ型層１０３およびｎ型層１０４と同じ厚さに形成されている。また、他コア１１３は、光接続部１３３ａにおいて、平面視で、光導波路１３１より離れるほど幅が小さくなり、他光導波路１３２ａにおいて、コア１０２の主部と、平面視で同じ幅となる。
また、コア１０２は、他光導波路１３２ａの側に延在し、他コア１１３の上に形成された延在部１０２ｂを備える。延在部１０２ｂは、コア１０２と、平面視の幅が同一とされている。
以上に説明したように、本発明によれば、コアは、非晶質の半導体から構成し、ｐ型層およびｎ型層は、単結晶シリコンから構成したので、光変調器の素子抵抗が大きくなることを抑制して、注入電流量を低減することができるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、図４Ａ，図５Ａ，図６Ａに示した光導波路１３１の部分においても、図２，図３を用いて説明した構成とすることができる。
１０１…下部クラッド層、１０１ａ…基板、１０２…コア、１０３…ｐ型層、１０４…ｎ型層、１０５…ｐ電極、１０６…ｎ電極１０６、１０７…上部クラッド層。
Claims (6)
- クラッド層の上に形成された、非晶質の半導体からなるコアと、
前記クラッド層の上で、前記コアを挾んで配置され、前記コアに接して形成されたｐ型層およびｎ型層と
を備え、
前記ｐ型層および前記ｎ型層は、単結晶シリコンから構成され、
前記コアより構成された光導波路に、光学的に接続して形成された他光導波路を備え、
前記他光導波路を構成する他コアは、前記ｐ型層および前記ｎ型層に連続して形成されたシリコン層から構成され、
前記他コアは、前記クラッド層の上に配置されている
ことを特徴とする光変調器。 - 請求項１記載の光変調器において、
前記ｐ型層および前記ｎ型層の前記コアの側の側面と、前記クラッド層の平面とのなす角は、鋭角とされていることを特徴とする光変調器。 - 請求項１または２記載の光変調器において、
前記ｐ型層の上に形成されたｐ電極と、
前記ｎ型層の上に形成されたｎ電極と
を備え、
前記ｐ電極が形成されている前記ｐ型層の厚さ、および前記ｎ電極が形成されている前記ｎ型層の厚さは、前記コアに接する領域の前記ｐ型層および前記ｎ型層より厚く形成されている
ことを特徴とする光変調器。 - 請求項１～３のいずれか１項に記載の光変調器において、
前記コアは、アモルファスシリコンから構成され、
前記アモルファスシリコンは、水素もしくは重水素で終端されたシリコンを含むことを特徴とする光変調器。 - 請求項１～４のいずれか１項に記載の光変調器において、
前記コアは、前記他光導波路の側に延在して形成され、
前記コアの延在する部分は前記他コアの上に形成されている
ことを特徴とする光変調器。 - 請求項５記載の光変調器において、
前記コアの延在する部分は、前記光導波路から離れるほど、平面視の幅が小さくなる
ことを特徴とする光変調器。
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