WO2013062096A1 - 光学素子及びマッハツェンダ型光導波路素子 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an optical element used for optical communication and the like and a Mach-Zehnder type optical waveguide element using the same.
- optical communication networks such as a backbone network, a metro network, and an access network are taking measures such as increasing the signal speed and increasing the number of channels by wavelength multiplexing communication.
- the system required for optical communication becomes complicated, and problems such as an increase in size, an increase in cost, and an increase in power consumption are caused.
- data centers that have been increasing in recent years are also required to cope with an increase in the amount of information.
- electrical signals are mainly transmitted by metal cables.
- the use of optical communication using optical fibers has been promoted in order to further increase the speed and reduce power consumption.
- introduction of optical communication is a problem at each level such as in a computer board or in a CPU.
- Optical devices using high-refractive-index materials such as silicon have attracted attention as a technique for solving such problems in optical communication networks and further introducing optical communication into new fields.
- the wavelength of light in the medium is inversely proportional to the refractive index in the medium. Therefore, in silicon (Si) having a high refractive index of about 3.5, the core dimensions (width, height, etc.) of the optical waveguide are reduced.
- a medium such as silica (SiO 2 ) having a large refractive index difference as compared with silicon as a clad, an optical waveguide with high confinement can be obtained. In such an optical waveguide, the bending radius can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the size of optical devices using optical waveguides. If they have the same function, they can be made smaller, and if they are the same size, they can have more functions (multifunction) and high density. Can be realized.
- optical devices using semiconductors in the optical waveguide core have many common elements with conventional semiconductor devices such as CPUs and memories in technologies and equipment related to the manufacturing process, so it is expected to realize low-cost optical devices through mass production. it can. Further, by integrating an optical waveguide using a semiconductor on the same substrate as a conventional semiconductor device using an electric signal, that is, by replacing a place where metal wiring has been used so far with an optical waveguide, There is a possibility of speeding up equipment and reducing power consumption.
- the optical modulator is one of the main devices in optical communication that converts electrical signals into optical signals. Like other devices, it is studied by various organizations as one of the elements for realizing optical integrated devices. I came.
- the refractive index in the communication wavelength region of doped silicon depends on the carrier density in the semiconductor.
- Non-Patent Document 1 in P-type and N-type silicon, the change in the refractive index n of silicon and the light absorption coefficient ⁇ with respect to light having a wavelength of 1.55 ⁇ m depends on the carrier density of electrons and holes (number per 1 cm 3. ) Are expressed by the following (Expression 1) and (Expression 2), respectively, as ⁇ N e and ⁇ N h .
- the wavelength of light in a medium is inversely proportional to the refractive index in the medium. Therefore, if the refractive index changes without changing the length of the optical waveguide, the phase after passing through the optical waveguide will change. Therefore, if the carrier density can be changed by some method using silicon doped in the optical waveguide in the region where the extinction coefficient is low, the phase after passing through the optical waveguide is changed by the change in the carrier density. be able to.
- Such an optical waveguide functions as an optical phase modulator.
- Patent Document 1 discloses an optical phase modulator having a PN junction, and FIG. 2 shows an example applied to a waveguide (Strip Loaded Waveguide) in which strips made of polycrystalline silicon are laminated.
- Patent Document 3 discloses an optical phase modulator in which a PIN junction is formed.
- the loss changes simultaneously with the change in refractive index due to the change in carrier density (voltage application), so the insertion loss varies depending on the phase of the target light.
- the present invention has been made in view of the above circumstances, an optical element capable of reducing the amount of change in loss due to a change in carrier density and reducing insertion loss, and a Mach-Zehnder optical waveguide using the same.
- An object is to provide an element.
- An optical element includes a core formed of a rib portion and first and second slab portions that are located on both sides of the rib portion and are thinner than the rib portion.
- the rib portion and the first and second slab portions of the core are integrally formed of a semiconductor single crystal, and the first slab portion is a P-type region doped into P-type.
- the second slab portion has an N-type region doped in N-type, and the rib portion is in contact with a P-type region provided in the first slab portion; An N-type region in contact with the N-type region provided in the second slab portion, and the P-type region and the N-type region of the rib portion constitute a PN junction, and the rib portion is The cross section perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide is positioned above the first and second slab portions. An upper end portion of the rib portion, and the upper end portion of the rib portion is one of a lightly doped region doped with a dopant concentration of 1/10 or less of the dopant concentration of the intrinsic region and the adjacent P-type region or N-type region. Having an undoped region.
- the boundary between the P-type region and the N-type region in the rib portion may be perpendicular to the lower surface of the core in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide.
- the P-type region of the rib part may be located at the same height as the first slab part, and the N-type region of the rib part may be located at the same height as the second slab part.
- the P-type region of the rib portion extends to a position higher than the upper surface of the first slab portion, and the N-type region of the rib portion extends to a position higher than the upper surface of the second slab portion. May be.
- the dopant concentration of all P-type regions formed by the P-type region of the first slab part and the P-type region of the rib part decreases toward the PN junction in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide.
- the dopant concentration of the entire N-type region formed by the N-type region of the second slab part and the N-type region of the rib part is directed toward the PN junction in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide. May be decreased.
- the all P-type region may have two or more regions having different dopant concentrations, and the all N-type region may have two or more regions having different dopant concentrations.
- the optical element further includes a first electrode and a second electrode made of metal,
- the P-type region of the first slab part has a P + region connected to the first electrode and having a doping concentration higher than the doping concentration of the P-type region of the first slab part
- the N-type region of the second slab part may have an N + region connected to the second electrode and having a doping concentration higher than that of the N-type region of the second slab part.
- the first electrode and the second electrode may be traveling wave electrodes formed continuously along the longitudinal direction of the optical waveguide.
- the traveling wave type electrode may constitute a coplanar line type electrode or a slot line type electrode.
- the Mach-Zehnder type optical waveguide device is a Mach-Zehnder type optical waveguide device in which two arms are integrated on the same substrate, and the optical device is at least one of the two arms. Used in optical waveguides.
- the Mach-Zehnder type optical waveguide device is a Mach-Zehnder type optical waveguide device in which two arms are integrated on the same substrate, and the optical device includes each optical waveguide of the two arms.
- the first slab part of each optical element used for each optical waveguide is disposed between the two arms, or the second slab part of each optical element is between the two arms. It is arranged in.
- the cross section of the optical waveguide it is possible to increase the ratio of the region where the carrier density is changed by voltage application in the doped region. That is, compared to the case where the entire rib of the rib-type waveguide is doped, the change in the width of the depletion layer at the time of voltage application can be increased, and the ratio of the region where the carrier density changes to the doped region can be increased. Can be increased. Further, carriers are diffused in an undoped region above the rib formed integrally with the PN junction portion, thereby generating a portion with a low carrier density. Therefore, the amount of change in loss when the refractive index changes, that is, the amount of change in loss when the optical element operates can be reduced.
- junction capacitance per unit length of the optical waveguide decreases, an improvement in reaction time in the high frequency region can be expected. Further, since there is no need to change the doping concentration from the electrode to the slab portion, an increase in parasitic resistance can be avoided. Since there is no material boundary at the center of the rib-type waveguide, insertion loss when used as an optical waveguide can be reduced.
- FIG. 11A It is sectional drawing which shows an example of the phase change part shown to FIG. 11A. It is a top view which shows an example of electrode arrangement
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of Example 1.
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a central portion of a core in Example 1.
- FIG. 6 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a central portion of a core in Comparative Example 1. It is a graph which shows the change of an effective refractive index when changing a bias from 0V to -4V. It is a graph which shows the change of an effective refractive index when changing a bias from -4V to 0V.
- FIG. 6 is a drawing-substituting photograph showing a simulation result of carrier density distribution in Example 1.
- FIG. 6 is a drawing-substituting photograph showing a simulation result of carrier density distribution in Example 1.
- FIG. 22A It is a schematic diagram explaining the simulation result of FIG. 22B.
- 6 is a drawing-substituting photograph showing a simulation result of carrier density distribution in Comparative Example 1.
- FIG. 6 is a drawing-substituting photograph showing a simulation result of carrier density distribution in Comparative Example 1.
- FIG. 24A It is a schematic diagram explaining the simulation result of FIG. 24B.
- phase change unit The main purpose of the phase change unit is to change the phase of the outgoing light after passing through the waveguide.
- ⁇ n eff is a change in the effective refractive index n eff of the waveguide mode in the cross-sectional structure of the optical waveguide
- L is the length of the phase change portion
- ⁇ is the wavelength of light
- ⁇ is a circle.
- Peripheral rate That is, the phase change at the time of output is expressed as an equation including the product of the effective refractive index change ⁇ n eff and the phase change portion length L.
- the waveguide loss due to carrier absorption also depends on the phase change length L.
- the initial power is P 0 with respect to the effective absorption coefficient ⁇ of the waveguide
- the effective extinction coefficient ⁇ changes according to the change of the depletion layer during the operation of the phase change unit. If the extinction coefficient when the phase change unit is operated so that the depletion layer is expanded is expressed as ⁇ eff , and the extinction coefficient when the phase change unit is operated so that the depletion layer is narrowed is expressed as ⁇ eff + ⁇ eff , then ⁇ eff is a contribution from a region that is not affected by the application of the reverse bias. In other words, ⁇ eff is a contribution from a region where carriers are distributed but the carrier distribution does not change. On the other hand, ⁇ eff can be considered as a contribution from a region where the carrier distribution has changed due to a change in reverse bias.
- the operating loss reciprocates between ⁇ eff and ⁇ eff + ⁇ eff . That is, in order to reduce insertion loss as an optical waveguide, it is necessary to reduce ⁇ eff and ⁇ eff + ⁇ eff . In order to reduce the amount of change in loss, it is necessary to reduce ⁇ eff . Therefore, it is necessary to reduce the two parameters ⁇ eff and ⁇ eff for both of these problems.
- the extinction coefficient ⁇ eff itself is important in addition to the contribution of the extinction coefficient change ⁇ eff . It is considered that the insertion loss of the phase change part can be reduced also by shortening the phase change part length L.
- the phase change unit length L is determined by the bias voltage range V bias that can be handled by the optical phase modulator and the required modulation efficiency, it cannot be shortened freely.
- the loss ⁇ eff L req ( 10 log 10 e) of the optical phase modulator is expressed by the following (Expression 4) by substituting (Expression 3) for this.
- ⁇ n eff / ⁇ eff which is the ratio of the effective refractive index change to the absorption coefficient (loss) change
- ⁇ n eff / ⁇ eff which is the ratio of the effective refractive index change to the absorption coefficient (loss)
- ⁇ n eff / ⁇ eff which is the ratio of the effective refractive index change to the absorption coefficient (loss)
- the loss and the ratio of the effective refractive index change to the loss change ( ⁇ n eff / ⁇ eff and ⁇ n eff / ⁇ eff )
- the ratio of loss and phase change amount to loss change ( ⁇ / ⁇ eff and ⁇ / ⁇ eff ) can be used as an index.
- doping is performed in the lower portion of the rib structure, and an undoped region is provided in the upper portion of the rib structure. According to this structure, it is possible to increase the ratio of the region in which carriers change by voltage application to the doped region of the entire optical waveguide region. Moreover, loss change at the time of refractive index change can be reduced by carrier diffusion to the undoped region above the rib. By taking such a structure, the following effects are produced.
- the width change of the depletion layer at the time of voltage application can be increased, and the ratio of the region where the carrier density changes to the doped region Can be increased.
- the width change of the depletion layer at the time of voltage application can be increased, and the ratio of the region where the carrier density changes to the doped region Can be increased.
- the amount of change in loss when the refractive index changes that is, the amount of change in loss during operation can be reduced.
- the junction capacitance per unit length of the optical waveguide decreases, an improvement in reaction time in the high frequency region can be expected. Further, since there is no need to change the doping concentration from the electrode to the slab portion, the parasitic resistance does not increase.
- the optical element 1 shown in FIG. 1A has an optical waveguide 6 made of a rib-type waveguide.
- the core 4 of the optical waveguide 6 is formed of a rib part 10 and slab parts 11 and 12.
- the slab parts 11 and 12 are thinner than the rib part 10 and are located on both sides of the rib part 10.
- the first slab part 11 has a P-type region 13b doped P-type
- the second slab part 12 has an N-type region 14b doped N-type.
- the rib portion 10 has a P-type region 13a in contact with the P-type region 13b provided in the first slab portion 11, and an N-type region 14a in contact with the N-type region 14b provided in the second slab portion 12. is doing.
- the P-type region 13a and the N-type region 14a are in contact with each other to form the PN junction portion 15. That is, in the PN junction portion 15, the P-type region 13a and the N-type region 14a are in contact with each other.
- the rib portion 10 has an upper end portion 10 a located above the slab portions 11 and 12 in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide 6.
- the rib part 10 has the undoped area
- the undoped region 16 may be an intrinsic region or a lightly doped region doped with a dopant concentration of 1/10 or less of the dopant concentration of the adjacent P-type region 13a and / or the adjacent N-type region 14a.
- Examples of the lightly doped region include a lightly doped P doped region doped in P-type with a dopant concentration of 1/10 or less of the P-type region 13a adjacent to the undoped region 16, and an N-type region 14a adjacent to the undoped region 16.
- a low-concentration N-doped region doped N-type with a dopant concentration of 1/10 or less, and P-type and N-type dopants with a dopant concentration of 1/10 or less of the adjacent P-type region 13a and N-type region 14a Examples include areas.
- the rib portion 10 and the slab portions 11 and 12 are integrally formed of a semiconductor single crystal.
- the P-type region 13a of the rib part 10 and the P-type region 13b of the first slab part 11 constitute an integrated P-type region 13 (all P-type regions).
- the N-type region 14a of the rib portion 10 and the N-type region 14b of the second slab portion 12 constitute an integrated N-type region 14 (all N-type region).
- a depletion layer in the PN junction changes by forming a PN junction in the optical waveguide, connecting an electrode to the PN junction, and applying a voltage from the outside.
- the depletion layer expands and the carrier density of the PN junction decreases, so that the refractive index increases at the PN junction.
- the effective refractive index of the waveguide mode of the rib-type waveguide changes, and the phase of the light passing through the waveguide at the output position can be changed.
- the presence of carriers not only changes the refractive index but also increases the extinction coefficient ⁇ .
- the loss of the waveguide is increased.
- An increase in the amount of phase change and a reduction in loss are in a trade-off relationship.
- the insertion loss is one of important characteristics of the phase change unit. Loss due to the presence of carriers is one of the main factors of waveguide insertion loss, and therefore it is important to reduce the insertion loss.
- the optical characteristics of the material itself are expressed by the above-described (Expression 1) and (Expression 2), it is necessary to consider the mode profile of light in order to calculate the effective refractive index and propagation loss of guided light.
- the power density in the central portion (particularly the rib portion) in the cross-sectional structure of the optical waveguide is high. Therefore, the change in the central portion has a higher rate of change in the refractive index than the change in the outer peripheral portion.
- the distribution of carriers in the PN junction is determined as an equilibrium state between the diffusion current generated by the carrier concentration gradient and the drift current generated by the carrier, the dopant, and the external electric field. As a result, a depletion layer in which carriers are empty occurs in the PN junction.
- the contribution to the change in the refractive index due to the change in the carrier density at both ends of the PN junction portion is the power density of the light when considering the light mode profile. Since the PN junction is provided in the low region, the amount is very small (see, for example, the simulation results in FIGS. 24A to 25B).
- this boundary region (the upper end of the PN junction 15) is the power density in the mode profile of the guided light. It is formed in a high region.
- the thickness of the region where the carrier density changes on the upper surface and the lower surface is independent of the thickness of the doped region, the upper end of the PN junction 15 with respect to the whole is better when the doped region is thinner.
- the degree of influence can be increased.
- a region where the carrier density changes from the upper end of the PN junction 15 to the undoped region 16 occupies a large proportion. Note that a method of performing the simulation of FIGS. 22A to 25B will be described later.
- the rib portion 10 including the PN junction portion 15 and the undoped region 16 and the slab portions 11 and 12 are integrally formed of a semiconductor single crystal, and the PN junction portion Since no crystal grain boundary or electrical insulating layer is interposed between the undoped region 15 and the undoped region 16, carriers are diffused also into the undoped region 16 above the ribs. Above the rib, carriers are diffused over a wide range because the electric field generated is weaker than the boundary between the P-type region and the N-type region. Therefore, the carrier density in this region is lower than that in the P-type region and the N-type region. From the viewpoint of insertion loss, the ratio of the refractive index change to the loss change described above (see FIG.
- the junction capacitance generated between the PN junctions is one of the factors that hinder high-speed operation.
- the junction capacitance can be reduced because the area between PNs per unit waveguide length is reduced. It is conceivable to increase the waveguide length in order to improve the modulation efficiency. However, in this case, the junction capacitance increases as the waveguide length increases, and the resistivity of the slab portion decreases, so the effect of improving the modulation efficiency is negated. Therefore, it is considered that the reduction of the junction capacity per unit length contributes to the increase in speed.
- FIG. 1A is a cross-sectional view showing an optical element according to Embodiment 1 of the present invention.
- 2A, 2B and 3 show a configuration example in which electrodes are provided on this optical element.
- 1A and 2A are cross-sectional views of a plane perpendicular to the light traveling direction (longitudinal direction of the optical waveguide).
- an SOI (Silicon On Insulator) substrate made of silicon (Si) -silica (SiO 2 ) -silicon (Si) can be used as a substrate used for manufacturing.
- the lower clad 3 of the optical waveguide 6 is made of SiO 2 in the middle of the SOI substrate, and the core 4 is made of an upper Si layer. The lower Si layer becomes the substrate 2.
- the core 4 is a rib-type silicon waveguide having a thick rib 10 at the center.
- the light guided to the waveguide is distributed around the rib portion 10.
- the thin slab portions 11 and 12 have contact portions 11 a and 12 a that are in contact with the electrodes at positions separated from the rib portion 10.
- the contact portions 11 a and 12 a can be formed over the entire thickness of the slab portions 11 and 12.
- the contact portions 11a and 12a are doped with a dopant at a high concentration so that ohmic contacts can be formed with the metal electrodes 7 and 8 (P + region, N + region).
- the material of the electrodes 7 and 8 is not particularly limited as long as it can form an ohmic contact with a silicon material such as aluminum, and may be an elemental element or an alloy. In FIGS. 1A and 1B, the electrodes 7 and 8 are omitted.
- the upper clad 5 of the optical waveguide 6 may be formed by again laminating a low refractive index material such as SiO 2 or a resin material, or may be an air clad by omitting the lamination of the low refractive index material. Good.
- the clads 3 and 5 are made of a material having a refractive index lower than that of the core 4 so as to have an appropriate refractive index difference with respect to the core 4.
- a part of the core 4 is doped P-type or N-type.
- the 1st slab part 11 is doped to P type
- the 2nd slab part 12 is doped to N type.
- the dopant (impurity) imparting conductivity to the semiconductor can be appropriately selected according to the base material of the semiconductor.
- the base medium is a group IV semiconductor such as silicon (Si) or germanium (Ge) as in the present embodiment
- III such as boron (B) or aluminum (Al) is used as a dopant that imparts P-type polarity.
- Examples of dopants that give N-type polarity include group V elements such as phosphorus (P) and arsenic (As).
- the P-type region 13 is arranged in the first slab portion 11 and the rib lower region in contact therewith, and the N-type region 14 is arranged in the second slab portion 12 and the rib lower region in contact therewith.
- the P-type region 13 and the N-type region 14 are in contact with each other at the rib portion 10, and a depletion layer is generated at the boundary.
- an undoped region 16 is provided in the upper portion of the rib, and the undoped region 16 is not actively doped. A small amount of dopant may unintentionally diffuse into the undoped region 16.
- the material used for the substrate may be slightly doped into P-type or N-type. For this reason, the undoped region 16 may contain a slight amount of dopant due to the material used for the substrate.
- the undoped region 16 has a dopant concentration of 1/10 or less of the dopant concentration of the P-type region 13 or N-type region 14 (the average dopant concentration of those regions 13 and 14). It is formed to be 10 ⁇ 1 times or less.
- the dopant concentration of the undoped region 16 may be 10 ⁇ 2 times or less, 10 ⁇ 3 times or less, etc. of the dopant concentration of the P-type region 13 or the N-type region 14.
- a part of the slab portions 11 and 12 including the upper surface away from the rib portion 10 has a higher doping concentration than other portions. Thereby, an ohmic contact with the electrodes 7 and 8 can be formed.
- FIG. 3 is a perspective view of the optical element 1 according to this embodiment.
- the phase change portion has a structure in which the cross-sectional structure shown in FIG. 1A or 2A is continuous in the longitudinal direction of the optical waveguide.
- the length in the longitudinal direction is determined from conditions such as a required phase change amount and an applicable voltage range. For example, when the assumed operating voltage is 4 Vpp (peak-to-peak voltage) and the phase change amount per unit length (1 mm) in this operating voltage is ⁇ / 4 radians, the phase change amount required as the phase change unit is ⁇ / If it is 2 radians, the device length (phase change portion length) can be determined to be 2 mm. If the required phase change amount is ⁇ radians, the device length can be determined to be 4 mm.
- the electrodes 7 and 8 can also be traveling wave electrodes.
- the traveling wave electrode is disposed in the longitudinal direction in parallel with the rib optical waveguide 6, and the voltage is transmitted to the traveling wave electrode in the same direction as the light guiding direction.
- a signal source is provided at the end portions 7 a and 8 a before the electrodes 7 and 8. Are connected to the back end portions 7 b and 8 b, and a voltage is applied to the electrode 7.
- FIG. 2B shows a perspective view of the optical element 1 having the cross-sectional structure of FIG. 2A.
- a signal source is provided at the end portions 7a and 8a on the front side of the electrodes 7 and 8. Are connected to the back end portions 7 b and 8 b, and a voltage is applied to the electrode 7.
- the electrodes 7 and 8 are continuously formed along the longitudinal direction of the optical waveguide 6.
- the electrodes 7 and 8 may be traveling wave electrodes.
- the electrodes 7 and 8 may constitute a slot line type electrode in which the ground (GND) and the signal electrode are continuously formed while maintaining a predetermined distance along the longitudinal direction of the optical waveguide 6. it can.
- the characteristic impedance of the line can be adjusted by adjusting the thickness of the electrode and the interval between the electrodes.
- a ground is provided on the side of the electrode 8 in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide 6.
- the electrodes 7 and 8 can constitute a coplanar line type electrode together with the ground (GND).
- a method for manufacturing the optical element 1 according to the embodiment will be described.
- 4A to 4F sequentially show an example of the manufacturing method.
- a laminated substrate 20 having a substrate 2, a lower cladding 3, and a single crystal semiconductor layer 21 is prepared.
- the laminated substrate 20 for example, an SOI substrate made of Si—SiO 2 —Si can be used.
- the lower Si layer corresponds to the substrate 2
- the intermediate SiO 2 layer corresponds to the lower cladding 3
- the upper Si layer corresponds to the single crystal semiconductor layer 21.
- the single crystal semiconductor layer 21 can have a thickness that allows a desired rib height to be obtained by polishing the upper surface 21a by chemical mechanical polishing (CMP) or the like.
- the thickness of the single crystal semiconductor layer 21 is not particularly limited, but is, for example, several tens nm to several hundreds nm. A more specific example is 220 nm. Note that the ratio of the thicknesses of the substrate 2, the lower cladding 3 and the single crystal semiconductor layer 21 in the multilayer substrate 20 of FIG. 4A does not represent the actual thickness ratio.
- a P-type region 13 is formed by implanting a P-type dopant using a mask 22. At this time, by adjusting the energy of the implanted ions 23, the implantation depth of the P-type dopant is made to be about the thickness of the first slab portion 11 formed in the following (4).
- a more specific example is a boron (B) implant with a dose of 5 ⁇ 10 12 / cm 3 and an implantation energy of 40 eV.
- the mask 22 is provided so as to cover a region where the P-type region 13 is not formed.
- an N-type region 14 is formed by implanting an N-type dopant using a mask 24.
- the energy of the implanted ions 25 is adjusted so that the implantation depth of the N-type dopant is about the thickness of the second slab portion 12 formed in the following (4).
- a specific example is an implant with phosphorus (P) at a dose of 3 ⁇ 10 12 / cm 3 and an implantation energy of 110 eV.
- the mask 24 is provided so as to cover a region where the N-type region 14 is not formed.
- the core 4 having ribs in the cross section is formed by etching. Further, highly doped regions (P + region, N + region) that become contact portions 11a and 12a with the metal electrode are formed by further doping. A portion not actively doped in the upper portion of the rib portion 10 becomes an undoped region 16. As shown in the figure, when the P-type region 13 is positioned at the same height as the first slab portion 11 and the N-type region 14 is positioned at the same height as the second slab portion 12, the height of the doping region in the rib portion 10 is increased. However, the height of the doping regions in the slab portions 11 and 12 can be made the same, so that the ion implantation process can be performed more simply.
- the boundary between the P-type region 13 and the N-type region 14 is perpendicular to the lower surface of the core 4 (upper surface of the lower cladding 3) in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide, the boundary is perpendicular to the surface of the substrate 2
- ion implantation in the direction mixing of the P-type dopant and the N-type dopant at the boundary can be suppressed.
- the upper clad 5 is formed on the core 4 by depositing (depositing) SiO 2 or the like. In the case of an air clad, the formation of the upper clad 5 by the deposition of SiO 2 or the like can be omitted. Further, the upper clad 5 can also be formed by application of resin or the like.
- the rib portion 10 is formed with the PN junction 15 formed below the rib portion 10 while leaving the undoped region 16 formed from one of the intrinsic region and the lightly doped region above the rib portion 10. It is possible to manufacture an optical element 1 that can be used as a mold phase change unit.
- 4A to 4F illustrate the case where the P-type region 13 is located at the same height as the first slab portion 11 and the N-type region 14 is located at the same height as the second slab portion 12. The invention is not limited to this case.
- the doping region is positioned higher than the slab portions 11 and 12 It is also possible to realize a structure extending up to. Further, the height of the doping region in the rib portion 10 is made lower than the height of the doping region in the slab portions 11 and 12 by adjusting the configuration of the mask, the implantation depth, and the like. , 12 can be formed at different heights.
- ⁇ N e is used for electrons and ⁇ N h is used for holes. Also, the numerical values in FIG. 17 are displayed in a format where 1 ⁇ 10 ⁇ m is 1E ⁇ m ( ⁇ m is an integer). As is clear from FIG. 17, ⁇ n / ⁇ is high in the P-type low concentration region, and therefore, by increasing the ratio of the P-type low concentration doping region in the carrier density changing region, ⁇ n / ⁇ is improved. It is possible to reduce the amount of change in loss.
- the loss concentration and the modulation efficiency can be improved by making the dopant concentration of the N-type region 14a below the rib portion 10 higher than the dopant concentration of the P-type region 13a.
- the P ⁇ region provided below the rib portion 10 may be provided not only below the rib portion 10 but also in a region close to the rib portion 10 of the slab portion 11.
- the dopant concentrations in the P region and the N region do not necessarily match.
- the P ⁇ region in contact with the N region has a lower dopant concentration than the P region, and the dopant concentration in the P ⁇ region is lower than the dopant concentration in the N region.
- the rib-type waveguide has a center position of the PN junction 15 as shown in FIG. 5B in consideration of the high power density of the guided light in the central portion of the waveguide (the rib portion 10 and its vicinity).
- the rib portion 10 can be shifted (displaced) from the center in the width direction toward the second slab portion 12 having the N-type region 14.
- the P ⁇ region having a relatively low dopant concentration expands, the occurrence of loss due to the N region having a relatively high dopant concentration can be reduced.
- ⁇ n / ⁇ can be improved and the loss can be further reduced.
- the high-concentration doping region for making contact with the metal electrodes 7 and 8 is formed above the slab portions 11 and 12. Since the metal material used for the electrodes 7 and 8 has large light absorption, it is necessary to sufficiently separate the electrodes 7 and 8 from the region where the guided light is distributed in order to further reduce the absorption. However, the distance between the electrodes 7 and 8 and the PN junction 15 increases as the electrodes 7 and 8 are separated from the region where the guided light is distributed. Then, the resistance value in the semiconductor between the electrodes 7 and 8 and the PN junction 15 is increased, and the high frequency characteristics are deteriorated due to a decrease in response speed of the semiconductor constituting the core.
- the contact portions 17 and 18 extending to a position higher than the upper surfaces of the slab portions 11 and 12 can be provided at positions farther from the rib portion 10.
- symbol of the contact part extended to a position higher than the upper surface of a slab part is set to 17 and 18.
- the height of the contact parts 17 and 18 is the same height as the upper end part 10a of the rib part 10, or higher than the upper end part 10a.
- the metal material which comprises the electrodes 7 and 8 is arrange
- the electrodes 7 and 8 can be arranged at the positions. Thereby, the resistance value by the slab parts 11 and 12 can be reduced, the response speed of the semiconductor which comprises a core can be improved, and high-speed operation
- the surface contacting the P type region 13 and the N type region 14 of the slab portions 11 and 12 is the lower surface of the core 4 (lower cladding 3 Is preferably perpendicular to the boundary.
- the resistance value by the slab portions 11 and 12 is reduced, and the core It is possible to improve the response speed of the semiconductor that constitutes and realize high-speed operation.
- the contact portion 17 is moved to a position higher than the upper surfaces of the slab portions 11 and 12 by changing the etching depth of the single crystal semiconductor layer 21. , 18 can be etched.
- the thickness of the single crystal semiconductor layer 21 prepared in FIG. 4A is set to be equal to or greater than the intended thickness of the contact portions 17 and 18 when the height of the contact portions 17 and 18 is larger than the thickness of the rib portion 10.
- the upper surfaces of the contact portions 17 and 18 and the upper surface of the rib portion 10 are etched so as to form the slab portions 11 and 12. do it.
- the region where the electric field is most concentrated is the central portion (rib portion 10 and its vicinity) in the horizontal direction of the cross section of the waveguide. Therefore, the change in the carrier density in the central portion brings about a larger refractive index change ⁇ n compared with the change in the carrier density in the periphery, and ⁇ n / ⁇ is improved.
- the depletion layer exists at the center position of the waveguide. Since the depletion layer has a certain width when the bias is zero (at the time of zero bias), no carrier exists in the center even at the time of zero bias (or the carrier density is extremely low). The carrier density changes at a portion shifted from the center of the waveguide.
- the PN junction 15 can be formed at a position where the center position of the PN junction 15 is shifted laterally from the center in the width direction of the rib portion 10.
- carriers can exist at the center position of the waveguide at the time of zero bias, and the change in the carrier density at the center can be maximized in the range of the target bias voltage.
- a larger refractive index change ⁇ n is brought about, ⁇ n / ⁇ is improved, and a further reduction in loss can be achieved.
- the center position of the PN junction 15 may be shifted toward the first slab portion 11 having the P-type region 13, contrary to FIG. 7.
- the modulation in the portion where the dopant concentration in the P-type region is low is effective for reducing the loss change amount during the phase modulation. Therefore, the amount of change in loss during modulation can be further reduced by shifting the center position of the PN junction 15 toward the second slab portion 12 having the N-type region 14.
- the P-type region and the N-type region do not need to be uniform, and the dopant concentration may have a distribution (change) in the horizontal direction of the cross-section.
- the dopant concentration of the P-type region 13 provided from the first slab portion 11 to the rib portion 10 decreases toward the N-type region 14 (PN junction 15) in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide 6. It is also possible to adopt the configuration. In this case, the P-type dopant concentration in the P-type region 13 may be continuously changed.
- the P-type dopant concentration may change stepwise so that the P-type region 13 has two or more regions having different P-type dopant concentrations.
- the dopant concentration of the N-type region 14 provided from the second slab portion 12 to the rib portion 10 decreases toward the P-type region 13 (PN junction 15) in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide 6. It is also possible to adopt the configuration. In this case, the N-type dopant concentration in the N-type region 14 may be continuously changed. Further, the N-type dopant concentration may change stepwise so that the N-type region 14 has two or more regions having different N-type dopant concentrations.
- FIG. 8A shows an example in which the dopant concentration is changed in two steps.
- the P-type region 13 and the N-type region 14 are each divided into two concentration regions (P1 region and P2 region, and N1 region and N2 region).
- P1 region and P2 region concentration regions
- N1 region and N2 region concentration regions
- the resistance value can be lowered by increasing the doping concentration.
- Increasing the doping concentration leads to an increase in the extinction coefficient (loss), but the refractive index change ⁇ n also increases with an increase in carrier density. In the region away from the PN junction 15, the depletion layer is difficult to reach there, so that the carrier density does not change.
- the P1 region and the N1 region having a high doping concentration are brought as close as possible to the central portion of the optical waveguide within a range that does not affect the loss, and doping is performed in the rib portion 10 and the vicinity thereof, which is a light distribution region.
- the dopant concentrations in the P1 region and the N1 region do not necessarily match, and the dopant concentrations in the P2 region and the N2 region do not necessarily match.
- the dopant concentration in the P1 region is higher than that in the P2 region
- the dopant concentration in the N1 region is higher than that in the N2 region.
- the dopant concentration in the P1 region may be lower than or similar to the dopant concentration in the P + region in the contact portion 11a.
- the dopant concentration in the N1 region may be lower than or similar to the dopant concentration in the N + region in the contact portion 12a.
- the structure by which the contact parts 11a and 12a were formed over the full thickness of the slab parts 11 and 12 is also employable.
- a contact portion 11a (12a) that forms an ohmic contact with the metal electrode 7 (8), that is, a P + (N + ) region is formed separately from the P1 (N1) region.
- a P + (N + ) region that forms an ohmic contact with the metal electrode 7 (8) is formed over the entire thickness of the slab portion 11 (12). That is, the example shown in FIG. 8B has a structure in which the P1 region and P + in FIG. 8A are replaced with one P + . Also in the structure shown in FIG.
- each of the P-type region and the N-type region has two regions (P + region, P2 region; and N + region, N2 region) having different dopant concentrations.
- the dopant concentrations in the P + region, the P2 region, the N + region, and the N2 region in the example of FIG. 8B are the same as the dopant concentrations in the P1 region, the P2 region, the N1 region, and the N2 region in the example of FIG. It can be set similarly. Therefore, even with the structure shown in FIG. 8B, it is possible to reduce the resistance value in the semiconductor between the electrodes 7 and 8 and the PN junction 15 while suppressing the loss in the central portion of the optical waveguide. Further, according to the structure shown in FIG.
- the P + (N + ) region and the P1 (N1) region in the structure of FIG. 8A can be formed simultaneously.
- the P + (N + ) region can be formed over the entire thickness of the slab part 11 (12) by one implant, so that the number of implants can be reduced. Is possible.
- the doping region in the rib portion 10 extends to a position higher than the upper surfaces of the slab portions 11 and 12.
- the doping depth is set higher depending on the ion implantation conditions, and the upper portions of the doping regions in the slab portions 11, 12 are removed depending on the etching conditions of the slab portions 11, 12.
- the P-type region 13a of the rib portion 10 extends to a position higher than the upper surface of the first slab portion 11 in contact therewith, and the N-type region 14a of the rib portion 10 extends from the upper surface of the second slab portion 12 in contact therewith. It is possible to realize a cross-sectional structure extending to a higher position.
- the height of the doping region of the rib portion 10 can be arranged according to the light distribution shape regardless of the thickness of the slab portions 11 and 12, and low-loss modulation is realized. can do.
- the distribution center of the guided light is higher than the height of the upper surfaces of the slab portions 11 and 12.
- the optical element according to each of the above embodiments can be used as a waveguide in a ring resonator.
- a document (Optics Express Vol. 18, 18242) discloses a ⁇ ring resonator using a silicon waveguide.
- the optical element according to each of the above embodiments can be applied to the ring-shaped modulator in the ⁇ ring resonator. Note that the ring shape does not have to be a circle, and the start point and the end point only have to be connected.
- the optical phase modulator can be used alone in the optical transmission line. Particularly in long-distance communication, it is also used as a Mach-Zehnder type optical modulator in which an optical phase modulator is arranged on the arm of a Mach-Zehnder interferometer.
- a schematic configuration of the Mach-Zehnder type optical waveguide device 30 is shown in FIG.
- the light incident on the Mach-Zehnder type optical waveguide device 30 from the incident part 31 is demultiplexed into two by the demultiplexing part 32 and guided to the two arms 33 and 34, respectively.
- Each of the arms 33 and 34 is provided with a phase changing unit, and phase modulation is performed for each of the arms 33 and 34.
- the light that has passed through the arms 33 and 34 is combined by the combining unit 35 and output to the emitting unit 36. Therefore, intensity modulation or phase modulation according to the phase difference of the light after passing through both arms 33 and 34 becomes possible.
- the frequency of the output signal from the Mach-Zehnder type optical waveguide device 30 to the emission unit 36 is set by reversing the phase change of both arms 33 and 34, that is, the phase is advanced in one arm and the phase is delayed in the other arm. Modulation with reduced chirp is possible.
- a Mach-Zehnder optical modulation method capable of reducing such frequency chirp is used.
- the optical elements exemplified in Embodiments 1 to 6 described above can operate as an optical phase modulator even with one phase change unit itself.
- Embodiments 7 to 9 shown below are examples in which the optical element as exemplified in Embodiments 1 to 6 is applied to a Mach-Zehnder optical modulator.
- the waveguide in the portion other than the phase change portion may be a rib-type waveguide having a rib portion and a slab portion, or may be a rectangular waveguide without a slab portion.
- 11A and 11B show a core shape in which a rectangular waveguide is used in a portion other than the phase change portion.
- a semiconductor such as silicon can be used as a material for the core including the rib portion, the slab portion, and the rectangular portion.
- an insulator such as SiO 2 or resin can be used for the clad (not shown).
- the upper cladding can also be an air cladding.
- 11A and 11B, components corresponding to those in FIG. 10 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
- the incident portion 31, the demultiplexing portion 32, the arms 33 and 34, the multiplexing portion 35, and the emitting portion 36 can be integrated on the same substrate to constitute a substrate type optical waveguide.
- Phase modulation is performed by the phase changing portions 33a and 34a of the arms 33 and 34, and the light is combined in the combining portion 35, so that the output portion is output according to the phase difference of the light after passing through the arms 33 and 34.
- the state of the output light from 36 changes, and intensity modulation and phase modulation become possible. For example, if a phase difference of ⁇ radians is provided, the light waves that have passed through the arms 33 and 34 cancel each other, so that a part of the power of the guided light spreads around the core in the multiplexing unit 35. The power of the light coupled to the emission part 36 is reduced.
- the phases of the light beams that have passed through the arms 33 and 34 coincide with each other in the multiplexing unit 35, the waves of the light are combined without canceling each other and coupled to the emission unit 36.
- a modulation operation is called intensity modulation.
- the phase change portions 33a and 34a of both arms 33 and 34 are simultaneously driven to modulate the phase of the guided light of each arm 33 and 34 to the opposite side, that is, the phase is advanced on the one hand and the phase on the other hand.
- frequency chirp can be reduced and an optical signal suitable for long-distance transmission can be obtained as an output.
- the incident part 31 can adopt an appropriate configuration according to the type of optical transmission line connected thereto.
- a mode field converter can be used to reduce connection loss due to a difference in mode field shape.
- the demultiplexing unit 32 distributes incident light to the two arms 33 and 34.
- the branching unit 32 may employ a Y-branch optical waveguide, an MMI (multimode interference) coupler, a directional coupler, or the like.
- the combining unit 35 combines light from the two arms 33 and 34 to the emitting unit 36. Similar to the demultiplexing unit 32, a Y branch optical waveguide, an MMI coupler, a directional coupler, or the like can be used for the multiplexing unit 35. If the light incident direction and the light emitting direction at the branching part of the demultiplexing part are reversed, it can be used as the multiplexing part 35.
- the demultiplexing unit 32 and the multiplexing unit 35 may have the same configuration or different configurations.
- the incident part 31 and the emission part 36 are rectangular waveguides, and the branching part 32 and the multiplexing part 35 also employ rectangular waveguides.
- a rib type waveguide has a lower waveguide loss than a rectangular type waveguide.
- the demultiplexing unit 32 and the multiplexing unit 35 may be rib-type waveguides.
- the Y-branch optical waveguide, MMI coupler, directional coupler, and the like can be configured from a rib-type waveguide.
- a rib-type waveguide is used for the incident part 31 and the output part 36, or a rectangular rib conversion is performed between the incident part 31 and the demultiplexing part 32, or between the multiplexing part 35 and the output part 36.
- the part can be formed.
- the rectangular rib conversion unit will be described later.
- an optical phase modulator using the optical element according to the above-described embodiment of the present invention is used for the phase changing units 33a and 34a located in the arms 33 and 34 divided into two hands.
- both arms 33 and 34 are provided with phase changing portions 33a and 34a.
- a chirp reduction operation or the like is possible.
- simple intensity modulation it is possible to provide a phase change unit only on one arm. Thereby, it is possible to reduce the cost by reducing the manufacturing cost, the terminal for voltage application, and the simplification of the control.
- the phase change portions 33a and 34a are used as rib type waveguides. Then, as shown in the first to sixth embodiments, the P-type region, the N-type region, the undoped region, and the electrode for applying the reverse bias are formed on the rib portion 37 and the slab portions 38, 38 on both sides thereof. To do.
- the optical waveguide other than the phase change portions 33a and 34a may be appropriately doped, but may not be doped.
- the optical element according to each embodiment of the present invention may be used for one arm 33, 34 or may be used for both arms 33, 34.
- a rectangular rib conversion unit 39 is provided in each of the arms 33 and 34, between the demultiplexing unit 32 and the phase change units 33a and 34a, and between the phase change units 33a and 34a and the multiplexing unit 35.
- a rectangular rib conversion unit 39 is provided in FIG. 11B.
- the rectangular rib converting portion 39 has slab portions 38 formed continuously from both sides of the rectangular waveguide, and the width of the slab portion 38 is continuously increased along the light guiding direction. Is wide (or narrow).
- the length of the rectangular rib converting portion 39 in the waveguide direction is preferably long enough to convert the waveguide mode from the rectangular waveguide to the rib waveguide in an adiabatic manner.
- the change in mode shape is smaller than in the region where the slab portion 38 is narrow, so that the width of the slab portion 38 can be made steeper. is there. Thereby, the length of the rectangular rib conversion part 39 can be reduced.
- phase change units 33a and 34a can be configured as shown in FIG. 12A, FIG. 12B, FIG. 15A, or FIG. 15B, for example.
- Each part of the phase change parts 33a and 34a can be comprised with the various materials illustrated in Embodiment 1.
- FIG. As a specific example, silicon (Si) can be used for the core of the substrate 2 and the arms 33 and 34, and silica (SiO 2 ) can be used for the lower clad 3 and the upper clad 5.
- the phase change unit is disposed on both of the two arms 33 and 34.
- the positional relationship between the P-type region and the N-type region in the two phase change portions is reversed. That is, in the case of FIG. 12A, the doping region disposed between both arms 33 and 34 is an N-type region.
- the second slab portions 12 of the phase change portions 33 a and 34 a are arranged between the arms 33 and 34.
- the doping regions disposed outside the arms 33 and 34 are both P-type regions.
- the doping region disposed between the arms 33 and 34 is a P-type region.
- the first slab portions 11 of the phase change portions 33a and 34a are disposed between the arms 33 and 34.
- the doping regions disposed outside the arms 33 and 34 are both N-type regions.
- the two slab portions arranged between the arms 33 and 34 have the same kind of doping region (either the P-type region or the N-type region).
- a common electrode can be connected to two slab parts.
- a common GND can be disposed between the arms 33 and 34 (inner side), and a signal electrode for driving the phase change portions 33a and 34a can be disposed on the outer side.
- a negative voltage is applied to the Signal electrode connected to the outer P-type region in order to apply a reverse bias voltage.
- a positive voltage is applied to the signal electrode in order to apply a reverse bias voltage.
- each electrode is disposed along the longitudinal direction of the waveguide, another GND is disposed outside the signal electrode, and the width between the electrode and the electrode is appropriately adjusted, so that the coplanar line is Can be configured. In this case, higher speed transmission is possible.
- each electrode can be arranged so that each end is extended to the periphery as shown in FIG. 14 in consideration of packaging. At this time, by uniformly extending the cross-sectional structure of each electrode, it is possible to make the impedance constant and transmit the drive signal without causing unnecessary reflection.
- 12A to 14 show a structure in which a common electrode is disposed between the arms 33 and 34.
- two electrodes are disposed between the arms 33 and 34, and the two phase change portions 33a and 33a are disposed. It is also possible to drive 34a independently. In this case, it is possible to reduce the coupling of the voltages applied to the two phase change portions 33a and 34a.
- the polarity of the core doping region may be PNPN or NPNP in order from left to right.
- the electrode connected to the N-type region is GND
- a negative voltage is applied to the Signal electrode connected to the P-type region in order to apply the reverse bias voltage.
- a positive voltage is applied to the Signal electrode connected to the N-type region in order to apply a reverse bias voltage.
- optical path length adjustment unit of Mach-Zehnder type optical modulator When configuring a Mach-Zehnder type optical modulator, a slight difference is generally caused in the optical path length between the two arms due to manufacturing errors. Moreover, since this optical path length difference changes with temperature, it is desirable to adjust the optical path length difference with respect to changes in environmental temperature. As a means for adjusting the optical path length of the arm, the optical path length can also be changed by changing the DC (direct current) component in each phase changing section that can apply a reverse bias voltage as shown in the first to sixth embodiments. Can be adjusted.
- the optical path length adjustment parts 33b and 34b are provided on the two arms 33 and 34, respectively.
- the optical path length adjusters 33b and 34b only need to be able to adjust the optical path length of the arm according to environmental conditions such as temperature changes, and are not required to have high frequency characteristics or high speed operation.
- the optical path length adjusting units 33b and 34b are not limited to the configuration controlled by applying the reverse bias voltage, and can also be configured by phase modulation means using a thermo-optic effect.
- phase modulation means using the thermo-optic effect it is possible to adjust the temperature of the optical waveguide by providing a conductive portion such as vapor deposition of nichrome that functions as a heating wire or doped silicon around the optical waveguide.
- a conductive portion such as vapor deposition of nichrome that functions as a heating wire or doped silicon around the optical waveguide.
- the thing comprised as follows is mentioned.
- the conductive portion can be provided outside the clad (for example, on the upper clad), or can be provided in the slab portion as long as it is away from the region where the guided light is distributed. Further, the conductive portion is preferably provided so as to have a predetermined length along the longitudinal direction of the optical waveguide.
- the optical path length adjusting units 33b and 34b using the thermo-optic effect are not suitable for high-speed operation, but since there is no loss due to carrier absorption, it is possible to form a low-loss optical path length adjusting unit. Further, in FIG. 16, the optical path length adjusting units 33b and 34b are provided in both arms 33 and 34, but it is also possible to provide the optical path length adjusting unit only in one arm.
- the rib has a cross-sectional structure protruding upward, but a cross-sectional structure in which the rib protrudes downward or a cross-sectional structure in which the rib protrudes both in the up and down direction may be employed.
- these cross-sectional structures similarly, by providing a PN junction and an undoped region inside the rib, carriers can diffuse into the undoped region, and the proportion of the region where the carrier density changes due to voltage application can be increased. The same effect as the cross-sectional structure protruding upward is obtained.
- FIG. 18 shows a cross-sectional structure of the optical waveguide used in the simulation (Example 1).
- the core 4 is made of silicon (Si), and the upper and lower sides of the core 4 are covered with an upper clad 5 and a lower clad 3 made of silica (SiO 2 ), respectively.
- the doping of the core 4 is provided in the range from the lower surface of the core 4 to 90 nm equal to the slab thickness T s , and the doping concentration is 5 ⁇ 10 17 / cm 3 in the P-type region 13 and the N-type region 14. 2 ⁇ 10 17 / cm 3 .
- the lower part of the rib portion 10 is doped from the lower surface to the same height as the slab thickness T s, and the upper part is made of intrinsic silicon. An undoped region 16 is arranged.
- the P-type and N-type doping regions were arranged at the same concentration from the lower surface to the upper end of the rib.
- the doping concentration was the same as in Example 1 (P type was 5 ⁇ 10 17 / cm 3 and N type was 2 ⁇ 10 17 / cm 3 ).
- the simulation was performed according to the following procedure. 1. The change in carrier density distribution was determined for each predetermined bias voltage. For this calculation, a simulator ATLAS manufactured by Silvaco was used. 2. 1. From the carrier density distribution obtained in step 1, the carrier density was converted into a complex refractive index using the above (formula 1) and (formula 2). 3. 2. From the complex refractive index distribution obtained in step 1, the effective refractive index and the effective extinction coefficient of the optical waveguide were obtained. For this calculation, a simulator BeamProp manufactured by Rsoft was used.
- the wavelength and the waveguide length are determined as described by (Equation 6) and (Equation 7), the amount of phase change with respect to the waveguide loss instead of the effective refractive index change with respect to the waveguide loss. Can be used as an indicator. Therefore, in this simulation, the wavelength is set to 1550 nm and the waveguide length is set to a length that can obtain a phase change amount of 0.5 ⁇ .
- the amount of phase change per unit length, waveguide loss (at ⁇ 4 V bias), and change in waveguide loss (variation width of insertion loss between operating voltages 0 to ⁇ 4 V) are obtained, Table 1 It becomes as follows.
- the waveguide loss in Table 1 considers only the loss due to the absorption of carriers, and other losses that occur in the actual device, for example, the absorption of the material and the waveguide in the fine unevenness at the core-cladding boundary Loss due to scattering is not considered. Therefore, in consideration of the actual measurement value in the actual device, the loss amount of 0.06 dB was added to the above result to obtain “waveguide loss including all effects”. The results are shown in Table 2 as waveguide loss (total).
- the response speed was simulated.
- the response speed can be obtained as the time required until a change in refractive index corresponding to the bias voltage after the change is obtained when an abrupt voltage change is applied.
- the Rsoft simulator BeamProp is used to determine the effective refractive index and effective extinction coefficient of the waveguide mode. It was.
- FIG. 20 shows the change in the effective refractive index n eff when the bias voltage is changed from 0V to ⁇ 4V
- FIG. 21 shows the change when the bias voltage is changed from ⁇ 4V to 0V.
- the change in the effective refractive index n eff of (Ramp off) is shown respectively.
- the horizontal axis represents the elapsed time when the point in time when a sudden voltage change is applied is 0 (ps).
- the vertical axis represents the normalized effective refractive index n eff , where the effective refractive index is 0 when a low refractive index is applied at 0V and the effective refractive index is 1 when a high refractive index is applied at ⁇ 4V.
- To estimate the response time compare the time required for the normalized effective refractive index to change between 10% and 90% (from 0.1 to 0.9, or from 0.9 to 0.1). Table 4 shows the results.
- FIGS. 22A to 23B One of the simulation methods described above. 22A to 23B for the first embodiment and FIGS. 24A to 25B for the first comparative example.
- the rib width is 600 nm
- the rib thickness is 220 nm
- the slab thickness is 90 nm.
- the vertical and horizontal scales of FIGS. 22A to 25B are different.
- Example 1 As shown in FIGS. 22A to 23B, it can be seen that also in the undoped region above the rib, a change in carrier density occurs and a large change in carrier density occurs throughout the rib.
- Comparative Example 1 As shown in FIGS. 24A to 25B, it can be seen that the change in carrier density when a reverse bias is applied is relatively large at the upper and lower ends of the rib and small at the center of the rib.
- a device according to Embodiment 1 (Example 2) was fabricated so as to have the cross-sectional structure shown in FIG. 2A.
- the rib width is 600 nm
- the rib thickness is 220 nm
- the slab thickness is 95 nm.
- the following steps (1) to (6) are performed.
- An SOI substrate is prepared, and the substrate is polished by CMP so that the upper Si layer has a thickness of 220 nm.
- a high concentration doping region is formed on the upper portion of the slab portion by doping.
- SiO 2 is deposited on the core to form an upper cladding.
- the formed contact hole is filled with aluminum (Al) by sputtering to form an electrode.
- Example 2 the implantation energy of (2) and (3) was adjusted so that an undoped region was provided on the upper part of the rib as shown in FIG. 19A by the etching of (4). Moreover, in Comparative Example 2, as shown in FIG. 19B, the implantation energies of (2) and (3) were adjusted so as to be doped to the upper end of the rib.
- phase modulation efficiency can be considered by measuring the amount of phase change per unit length.
- the measurement conditions are a bias voltage of 0 to ⁇ 4 V and a wavelength of 1550 nm. Obtained. By dividing the measured value by the waveguide length, the amount of phase change per unit length and the waveguide loss were obtained. The results are shown in Table 5.
- the required waveguide length and waveguide loss when the required phase change amount is ⁇ radians are as shown in Table 6 respectively.
- an optical element capable of reducing the amount of change in light loss due to a change in carrier density and reducing insertion loss, and a Mach-Zehnder type optical waveguide element using the same.
- Optical element (optical phase modulator, etc.) DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Substrate 3 ... Lower clad 4 ... Core 5 ... Upper clad 6 ... Optical waveguide 7, 8 ... Electrode 10 ... Rib part 11 ... First slab part 12 ... Second slab part 13, 13a, 13b ... P-type area
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Abstract
リブ部と、前記リブ部を挟んでその両側に位置し、かつ前記リブ部よりも厚みの薄い第一及び第二スラブ部と、から形成されたコアを有する光導波路を備える光学素子であって、前記コアの、前記リブ部と前記第一及び第二スラブ部とは半導体単結晶により一体に形成され、前記第一スラブ部は、P型にドープされたP型領域を有し、前記第二スラブ部は、N型にドープされたN型領域を有し、前記リブ部は、前記第一スラブ部に設けられたP型領域に接しているP型領域と、前記第二スラブ部に設けられたN型領域に接しているN型領域とを有し、前記リブ部のP型領域とN型領域とが接してPN接合部を構成し、前記リブ部は、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記第一及び第二スラブ部よりも上方に位置する上端部を有し、前記リブ部の上端部は、イントリンシック領域及び隣接する前記P型領域又はN型領域のドーパント濃度の1/10以下のドーパント濃度でドープされた低濃度ドーピング領域の一方から形成されるアンドープ領域を有する。
Description
本発明は、光通信等に利用される光学素子及びこれを用いたマッハツェンダ型光導波路素子に関する。
本願は、2011年10月26日に、日本に出願された特願2011-234964号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、2011年10月26日に、日本に出願された特願2011-234964号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
現在、光通信で利用される情報量は、増加の一途をたどっている。こうした情報量の増加に対応するため、バックボーンネットワーク、メトロネットワーク、アクセスネットワーク等の各種の光通信ネットワークでは、信号速度の高速化や、波長多重通信によるチャネル数の増加等の対策が進められている。しかし、こうした対策に伴い、光通信に必要なシステムは複雑になり、大型化、高額化、消費電力増大などの課題を生じる。
また、近年増加しているデータセンタにおいても同様に、情報量の増加への対応が迫られている。データセンタ内のコンピュータ間の通信では、従来、主にメタルケーブルにより電気信号が伝送されていた。しかしながら、より一層の高速化や消費電力低減の要請から、近年、光ファイバを用いた光通信の利用が進められている。さらに、機器内通信においても、コンピュータのボード内やCPU内などの各レベルで、光通信の導入が課題になっている。
また、近年増加しているデータセンタにおいても同様に、情報量の増加への対応が迫られている。データセンタ内のコンピュータ間の通信では、従来、主にメタルケーブルにより電気信号が伝送されていた。しかしながら、より一層の高速化や消費電力低減の要請から、近年、光ファイバを用いた光通信の利用が進められている。さらに、機器内通信においても、コンピュータのボード内やCPU内などの各レベルで、光通信の導入が課題になっている。
このような光通信ネットワークにおける課題の解決、さらには新規分野への光通信の導入を実現する技術として、シリコン等の高屈折率材料を用いた光デバイスが注目を集めている。
媒質中の光の波長は、その媒質内の屈折率に反比例する。したがって、屈折率が約3.5と高いシリコン(Si)では、光導波路のコア寸法(幅や高さ等)が小さくなる。また、シリカ(SiO2)のように、シリコンに対する屈折率差の大きい媒質をクラッドとして用いることで、閉じ込めの強い光導波路が得られる。このような光導波路では、曲がり半径を小さくすることができる。したがって、光導波路を用いた光デバイスの小型化が可能になり、同じ機能であればより小型に、また、同じ大きさであればより多くの機能を持たせること(多機能化)や高密度化を実現できる。
媒質中の光の波長は、その媒質内の屈折率に反比例する。したがって、屈折率が約3.5と高いシリコン(Si)では、光導波路のコア寸法(幅や高さ等)が小さくなる。また、シリカ(SiO2)のように、シリコンに対する屈折率差の大きい媒質をクラッドとして用いることで、閉じ込めの強い光導波路が得られる。このような光導波路では、曲がり半径を小さくすることができる。したがって、光導波路を用いた光デバイスの小型化が可能になり、同じ機能であればより小型に、また、同じ大きさであればより多くの機能を持たせること(多機能化)や高密度化を実現できる。
また、シリコン等の高屈折率材料は、半導体材料であるため、一般的に電気的な制御が可能である。このような半導体材料を用いることにより光変調器等の特性可変のデバイスを実現することが可能である。さらに、半導体を光導波路コアに用いた光デバイスは、製造プロセスに関する技術や装置において、従来のCPUやメモリ等の半導体デバイスとの共通要素が多いため、量産によって低コストな光デバイスの実現が期待できる。
また、半導体を利用した光導波路を、電気信号を用いる従来の半導体デバイスと同一の基板上に集積することにより、即ち、これまでメタル配線が用いられていた箇所を光導波路で置き換えることにより、さらなる機器の高速化や低消費電力化の可能性がある。
光変調器は、電気信号を光信号に変換する光通信における主要デバイスの一つであり、他のデバイスと同様に、光集積デバイスの実現に向けた要素の一つとして、各機関により研究されてきた。
また、半導体を利用した光導波路を、電気信号を用いる従来の半導体デバイスと同一の基板上に集積することにより、即ち、これまでメタル配線が用いられていた箇所を光導波路で置き換えることにより、さらなる機器の高速化や低消費電力化の可能性がある。
光変調器は、電気信号を光信号に変換する光通信における主要デバイスの一つであり、他のデバイスと同様に、光集積デバイスの実現に向けた要素の一つとして、各機関により研究されてきた。
まず、シリコンの光学特性について、説明する。ドーピングされたシリコンの通信波長領域での屈折率は、半導体中のキャリア密度に依存することが知られている。非特許文献1によれば、P型、N型シリコンにおける、波長1.55μmの光に対するシリコンの屈折率n、及び吸光係数αの変化は、電子及び正孔のキャリア密度(1cm3当たりの個数)の変化を、それぞれΔNe及びΔNhとして、次の(式1)、及び(式2)により表される。
従って、ドーピングされたシリコン中のキャリア密度が高くなれば、屈折率は低くなり、キャリア密度が低くなれば、屈折率は高くなる。同様に、キャリア密度が高くなれば、吸光係数は高くなり、キャリア密度が低くなれば、吸光係数は低くなる。また、上述したように、媒質中の光の波長は、その媒質内の屈折率に反比例する。したがって、光導波路の長さが変わることなく、その屈折率が変化すれば、この光導波路を通過した後の位相が変化することになる。
したがって、吸光係数が低い領域において、光導波路にドーピングしたシリコンを用い、何らかの方法でキャリア密度を変化させることができれば、そのキャリア密度の変化により、この光導波路を通過させた後の位相を変化させることができる。そのような光導波路は、光位相変調器として機能する。
したがって、吸光係数が低い領域において、光導波路にドーピングしたシリコンを用い、何らかの方法でキャリア密度を変化させることができれば、そのキャリア密度の変化により、この光導波路を通過させた後の位相を変化させることができる。そのような光導波路は、光位相変調器として機能する。
そこで、リブ型導波路中にPN接合、又はPIN接合を形成した光位相変調器がこれまでに提案されている(例えば特許文献1~3参照)。
特許文献1では、リブ型導波路のリブ中に、垂直方向の境界を有するPN接合が設けられている。PN接合の接合境界付近では、空乏層と呼ばれるキャリアの少ない領域が存在する。PN接合に逆バイアス電圧を印加することで、この空乏層が拡がり、結果的にリブ部のキャリアは減少する。この減少を利用することで、電圧によりキャリア密度を制御し、光位相変調器を実現することができる。
特許文献2では、PN接合を有する光位相変調器が開示され、その第2図では、多結晶シリコンからなるストリップを積層した導波路(Strip Loaded Waveguide)に適用した例が挙げられている。
特許文献3では、PIN接合を形成した光位相変調器が開示されている。
特許文献1では、リブ型導波路のリブ中に、垂直方向の境界を有するPN接合が設けられている。PN接合の接合境界付近では、空乏層と呼ばれるキャリアの少ない領域が存在する。PN接合に逆バイアス電圧を印加することで、この空乏層が拡がり、結果的にリブ部のキャリアは減少する。この減少を利用することで、電圧によりキャリア密度を制御し、光位相変調器を実現することができる。
特許文献2では、PN接合を有する光位相変調器が開示され、その第2図では、多結晶シリコンからなるストリップを積層した導波路(Strip Loaded Waveguide)に適用した例が挙げられている。
特許文献3では、PIN接合を形成した光位相変調器が開示されている。
R. A. Soref and B. R. Benette、"Electrooptical effect in Silicon"、IEEE J. Quantum Electron. QE-23、1987年、p.123-129
シリコン等ではキャリア密度の変化(電圧印加)により屈折率変化と同時に損失が変化するため、挿入損失は目的とする光の位相によって異なる。
また、特許文献2の第2図に示された構成では、リブ型導波路の中央部に材料の境界が存在する。光導波路の内部に材料の境界が存在すると、光の進行方向におけるその境界面の不均一さ(荒れ)による光の散乱が発生し、光導波路における挿入損失の増加を招くおそれがある。
また、特許文献2の第2図に示された構成では、リブ型導波路の中央部に材料の境界が存在する。光導波路の内部に材料の境界が存在すると、光の進行方向におけるその境界面の不均一さ(荒れ)による光の散乱が発生し、光導波路における挿入損失の増加を招くおそれがある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、キャリア密度の変化による損失の変化量を低減し、また、挿入損失を低減することが可能な光学素子及びこれを用いたマッハツェンダ型光導波路素子の提供を目的とする。
本発明の一態様に係る光学素子は、リブ部と、前記リブ部を挟んでその両側に位置し、かつ前記リブ部よりも厚みの薄い第一及び第二スラブ部と、から形成されたコアを有する光導波路を備え、前記コアの、前記リブ部と前記第一及び第二スラブ部とは半導体単結晶により一体に形成され、前記第一スラブ部は、P型にドープされたP型領域を有し、前記第二スラブ部は、N型にドープされたN型領域を有し、前記リブ部は、前記第一スラブ部に設けられたP型領域に接しているP型領域と、前記第二スラブ部に設けられたN型領域に接しているN型領域とを有し、前記リブ部のP型領域とN型領域とが接してPN接合部を構成し、前記リブ部は、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記第一及び第二スラブ部よりも上方に位置する上端部を有し、前記リブ部の上端部は、イントリンシック領域及び隣接する前記P型領域又はN型領域のドーパント濃度の1/10以下のドーパント濃度でドープされた低濃度ドーピング領域の一方から形成されるアンドープ領域を有する。
前記リブ部におけるP型領域とN型領域との境界が、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記コアの下面に垂直であってもよい。
前記リブ部のP型領域は、前記第一スラブ部と同じ高さに位置し、前記リブ部のN型領域は、前記第二スラブ部と同じ高さに位置してもよい。
前記リブ部のP型領域は、前記第一スラブ部の上面よりも高い位置まで延在し、前記リブ部のN型領域は、前記第二スラブ部の上面よりも高い位置まで延在していてもよい。
前記第一スラブ部のP型領域及び前記リブ部のP型領域で形成される全P型領域のドーパント濃度が、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記PN接合部に向かって減少し、前記第二スラブ部のN型領域及び前記リブ部のN型領域で形成される全N型領域のドーパント濃度が、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記PN接合部に向かって減少していてもよい。
前記全P型領域は、ドーパント濃度が異なる2以上の領域を有し、前記全N型領域は、ドーパント濃度が異なる2以上の領域を有していてもよい。
上記光学素子が、金属からなる第一電極及び第二電極をさらに備え、
前記第一スラブ部のP型領域は、前記第一電極に接続され、前記第一スラブ部のP型領域のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を有するP+領域を有し、
前記第二スラブ部のN型領域は、前記第二電極に接続され、前記第二スラブ部のN型領域のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を有するN+領域を有していてもよい。
前記第一電極及び前記第二電極が、前記光導波路の長手方向に沿って連続して形成された進行波型電極であってもよい。
前記進行波型電極が、コプレーナ線路型電極、又はスロット線路型電極を構成してもよい。
前記リブ部のP型領域は、前記第一スラブ部と同じ高さに位置し、前記リブ部のN型領域は、前記第二スラブ部と同じ高さに位置してもよい。
前記リブ部のP型領域は、前記第一スラブ部の上面よりも高い位置まで延在し、前記リブ部のN型領域は、前記第二スラブ部の上面よりも高い位置まで延在していてもよい。
前記第一スラブ部のP型領域及び前記リブ部のP型領域で形成される全P型領域のドーパント濃度が、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記PN接合部に向かって減少し、前記第二スラブ部のN型領域及び前記リブ部のN型領域で形成される全N型領域のドーパント濃度が、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記PN接合部に向かって減少していてもよい。
前記全P型領域は、ドーパント濃度が異なる2以上の領域を有し、前記全N型領域は、ドーパント濃度が異なる2以上の領域を有していてもよい。
上記光学素子が、金属からなる第一電極及び第二電極をさらに備え、
前記第一スラブ部のP型領域は、前記第一電極に接続され、前記第一スラブ部のP型領域のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を有するP+領域を有し、
前記第二スラブ部のN型領域は、前記第二電極に接続され、前記第二スラブ部のN型領域のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を有するN+領域を有していてもよい。
前記第一電極及び前記第二電極が、前記光導波路の長手方向に沿って連続して形成された進行波型電極であってもよい。
前記進行波型電極が、コプレーナ線路型電極、又はスロット線路型電極を構成してもよい。
また、本発明の一態様に係るマッハツェンダ型光導波路素子は、2つのアームが同一の基板上に集積されたマッハツェンダ型光導波路素子であって、上記光学素子が、少なくとも前記2つのアームの一方の光導波路に用いられている。
また、本発明の一態様に係るマッハツェンダ型光導波路素子は、2つのアームが同一の基板上に集積されたマッハツェンダ型光導波路素子であって、上記光学素子が、前記2つのアームの各光導波路に用いられ、前記各光導波路に用いられた前記各光学素子の第一スラブ部が前記2つのアーム間に配されているか、又は、前記各光学素子の第二スラブ部が前記2つのアーム間に配されている。
また、本発明の一態様に係るマッハツェンダ型光導波路素子は、2つのアームが同一の基板上に集積されたマッハツェンダ型光導波路素子であって、上記光学素子が、前記2つのアームの各光導波路に用いられ、前記各光導波路に用いられた前記各光学素子の第一スラブ部が前記2つのアーム間に配されているか、又は、前記各光学素子の第二スラブ部が前記2つのアーム間に配されている。
上記本発明の態様によれば、光導波路の断面において、ドーピングされた領域において、電圧印加によりキャリア密度の変化する領域の割合を高めることができる。すなわち、リブ型導波路のリブ全域にドーピングする場合と比較して、電圧印加時の空乏層の幅の変化を増大させることができ、ドーピングされている領域に対するキャリア密度の変化する領域の割合を増加させることができる。
また、PN接合部と一体に形成されたリブ上方のアンドープ領域にキャリアが拡散することにより、キャリア密度の低い部分が生じる。よって、屈折率変化時の損失の変化量、すなわち光学素子動作時の損失の変化量を低減させることができる。
光導波路の単位長さ当たりの接合容量は減少するため、高周波領域における反応時間の改善が期待できる。また、電極からスラブ部にかけてドーピング濃度を変更する必要がないため、寄生抵抗の増大は回避可能である。
リブ型導波路の中央部に材料の境界が存在しないため、光導波路として用いたときの挿入損失を低減することができる。
また、PN接合部と一体に形成されたリブ上方のアンドープ領域にキャリアが拡散することにより、キャリア密度の低い部分が生じる。よって、屈折率変化時の損失の変化量、すなわち光学素子動作時の損失の変化量を低減させることができる。
光導波路の単位長さ当たりの接合容量は減少するため、高周波領域における反応時間の改善が期待できる。また、電極からスラブ部にかけてドーピング濃度を変更する必要がないため、寄生抵抗の増大は回避可能である。
リブ型導波路の中央部に材料の境界が存在しないため、光導波路として用いたときの挿入損失を低減することができる。
以下、好適な実施の形態に基づき、本発明を説明する。
まず、光位相変調器の位相変化部における挿入損失について考察する。
位相変化部の主目的は、導波路を通過した後の出射光の位相を変化させることである。
位相変化部の屈折率を変化させて位相変調を行う場合、出力時の位相変化Δφは、Δφ=2πLΔneff/λで表される。ここで、Δneffは、光導波路の断面構造における導波モードの実効屈折率neffの変化であり、Lは、位相変化部の長さであり、λは光の波長であり、πは円周率である。つまり、出力時の位相変化は、実効屈折率の変化Δneffと位相変化部長Lとの積を含む式として表される。
まず、光位相変調器の位相変化部における挿入損失について考察する。
位相変化部の主目的は、導波路を通過した後の出射光の位相を変化させることである。
位相変化部の屈折率を変化させて位相変調を行う場合、出力時の位相変化Δφは、Δφ=2πLΔneff/λで表される。ここで、Δneffは、光導波路の断面構造における導波モードの実効屈折率neffの変化であり、Lは、位相変化部の長さであり、λは光の波長であり、πは円周率である。つまり、出力時の位相変化は、実効屈折率の変化Δneffと位相変化部長Lとの積を含む式として表される。
一方、キャリアの吸収による導波路損失も位相変化部長Lに依存する。導波路の実効的な吸光係数αに対して、初期パワーをP0とすると、導波路を通過した後の出射光(透過光)のパワーP1は、P1=P0×exp(-αL)=P0×e-αLで表される。この場合、位相変化部の挿入損失をデシベルで表示すると、10log10(P0/P1)=10log10(eαL)=αL(10log10e)で表される。
実効的な吸光係数αは、位相変化部の動作時の空乏層の変化に応じて変化する。空乏層が広がるように位相変化部を動作させている状態における吸光係数をαeff、空乏層が狭まるように位相変化部を動作させている状態における吸光係数をαeff+Δαeffと表せば、αeffは、逆バイアスの印加による影響を受けない領域からの寄与である。換言すると、αeffは、キャリアは分布しているがそのキャリア分布が変化しない領域からの寄与である。一方、Δαeffは、逆バイアスの変化によりキャリア分布が変化した領域からの寄与と考えることができる。
動作時の損失は、αeffとαeff+Δαeffとの間で往復する。つまり、光導波路として挿入損失を低減するためには、αeffやαeff+Δαeffを低減する必要がある。損失の変化量を低減させるためには、Δαeffを低減する必要がある。よって、その両方の課題に対しては、αeffと、Δαeffの2つのパラメータをそれぞれ低減する必要がある。
位相変化部の挿入損失の低減のためには、吸光係数の変化Δαeffの寄与の他に、吸光係数αeffそのものが重要である。位相変化部長Lを短くすることでも、位相変化部の挿入損失を低減することが可能であると考えられる。しかしながら、位相変化部長Lは、光位相変調器において対応可能なバイアス電圧の範囲Vbiasや、要求される変調効率により決まるため、自由に短くすることはできない。
要求される位相変調量をφreqとし、印加可能な信号のバイアス電圧の範囲Vbiasにおけるキャリア密度変化による実効屈折率の変化をΔneffとすると、光位相変調器に必要な長さLreqは、次の(式3)で表される。(式3)は、上述の出力時の位相変化を表す式より得られるφreq=2πLreqΔneff/λを変形することにより得られる。
光位相変調器の損失αeffLreq(10log10e)は、これに(式3)を代入すると、次の(式4)で表される。
(式4)より、必要な位相変調量φreqと波長λが決まっている場合、光位相変調器の損失は、Δneffとαeffとの比によって決まることが分かる。
従って、位相変化部の損失を低減するには、光導波路の断面構造において、光導波路領域全体のキャリアがドーピングされた領域において、電圧印加によりキャリア密度の変化する領域の割合を高めることが重要であることが分かる。
つまり、F1=Δneff/αeffを、位相変調量の性能指数(Figure of merit)として用いると、低損失な光位相変調器を実現するには、このF1の高くなるような導波路構造を作製すればよいと言うことができる。
従って、位相変化部の損失を低減するには、光導波路の断面構造において、光導波路領域全体のキャリアがドーピングされた領域において、電圧印加によりキャリア密度の変化する領域の割合を高めることが重要であることが分かる。
つまり、F1=Δneff/αeffを、位相変調量の性能指数(Figure of merit)として用いると、低損失な光位相変調器を実現するには、このF1の高くなるような導波路構造を作製すればよいと言うことができる。
一方、挿入損失の変化量に関しては、損失量の変化Δαeffのみを考慮すればよく、この変化は、次の(式5)で表される。
ΔneffとΔαeffは共に、キャリア密度の変化によって生じるものであり、したがって、同じ領域からの寄与を受ける変化である。従って、この挿入損失の変化量の低減には、キャリア密度の変化による、吸光係数変化の実効屈折率変化に対する比Δαeff/Δneffを下げることが有効であることが分かる。
この場合、前述のF1と同様に、挿入損失の変化量について、F2=Δneff/Δαeffを定義すると、このF2の最大化を図ることが、挿入損失の変化量の低減に寄与すると言うことができる。
この場合、前述のF1と同様に、挿入損失の変化量について、F2=Δneff/Δαeffを定義すると、このF2の最大化を図ることが、挿入損失の変化量の低減に寄与すると言うことができる。
なお、吸光係数(損失)変化に対する実効屈折率変化の比であるΔneff/Δαeffや、吸光係数(損失)に対する実効屈折率変化の比であるΔneff/αeffを、光学素子(光デバイス)の設計に応用する場合、実際にはドーピングされた材料の屈折率及び実効屈折率の測定は難しい。上述のΔφ=2πLΔneff/λによれば、位相変化量Δφは、実効屈折率変化Δneffに比例することから、次の(式6)、及び(式7)が得られる。これらの式によれば、波長λ、及び位相変化部長Lが定められた条件では、損失、及び損失変化に対する実効屈折率変化の比(Δneff/αeff、及びΔneff/Δαeff)の代わりに、損失、及び損失変化に対する位相変化量の比(Δφ/αeff、及びΔφ/Δαeff)を、指標として用いることができる。
上述の挿入損失の低減と挿入損失の変化量の低減という課題を解決するために、本発明の一態様では、ドーピングをリブ構造の下部に行い、リブ構造の上部にはアンドープ領域を設ける。
この構造によれば、光導波路領域全体のドーピングされた領域に対する、電圧印加によりキャリアの変化する領域の割合を高めることができる。また、リブ上方のアンドープ領域へのキャリアの拡散により、屈折率変化時の損失変化を低減することができる。
このような構造をとることにより、次の効果が奏される。
(1)リブ型導波路の全域にドーピングされた構造と比較して、電圧印加時の空乏層の幅変化を増大させることができ、ドーピングされている領域に対するキャリア密度の変化する領域の割合を増加させることができる。
(2)リブ上方のアンドープ領域にキャリアが拡散することにより、キャリア密度の低い部分が生じ、屈折率変化時の損失の変化量、すなわち動作時の損失の変化量を低減させることができる。
(3)光導波路の単位長さ当たりの接合容量は減少するため、高周波領域における反応時間の改善が期待できる。また、電極からスラブ部にかけてドーピング濃度を変更する必要がないため、寄生抵抗の増加は生じない。
この構造によれば、光導波路領域全体のドーピングされた領域に対する、電圧印加によりキャリアの変化する領域の割合を高めることができる。また、リブ上方のアンドープ領域へのキャリアの拡散により、屈折率変化時の損失変化を低減することができる。
このような構造をとることにより、次の効果が奏される。
(1)リブ型導波路の全域にドーピングされた構造と比較して、電圧印加時の空乏層の幅変化を増大させることができ、ドーピングされている領域に対するキャリア密度の変化する領域の割合を増加させることができる。
(2)リブ上方のアンドープ領域にキャリアが拡散することにより、キャリア密度の低い部分が生じ、屈折率変化時の損失の変化量、すなわち動作時の損失の変化量を低減させることができる。
(3)光導波路の単位長さ当たりの接合容量は減少するため、高周波領域における反応時間の改善が期待できる。また、電極からスラブ部にかけてドーピング濃度を変更する必要がないため、寄生抵抗の増加は生じない。
図1Aに示す光学素子1は、リブ型導波路からなる光導波路6を有する。光導波路6のコア4は、リブ部10と、スラブ部11,12とから形成されている。スラブ部11,12は、リブ部10より厚みの薄く、リブ部10を挟んでその両側に位置する。
第一スラブ部11は、P型にドープされたP型領域13bを有し、第二スラブ部12は、N型にドープされたN型領域14bを有する。
また、リブ部10は、第一スラブ部11に設けられたP型領域13bに接するP型領域13aと、第二スラブ部12に設けられたN型領域14bに接するN型領域14aとを有している。これらのP型領域13aとN型領域14aとが互いに接することによりPN接合部15を構成する。すなわち、PN接合部15において、P型領域13aとN型領域14aとが互いに接している。
リブ部10は、光導波路6の長手方向に垂直な断面において、スラブ部11,12より上方に位置する上端部10aを有する。リブ部10は、上端部10aの少なくとも一部にアンドープ領域16を有する。アンドープ領域16は、図1Aに示すように、リブ部10内のP型領域13a及びN型領域14aの上から、リブ部10の上面(上部クラッド5との境界)まで存在していることが好ましい。
第一スラブ部11は、P型にドープされたP型領域13bを有し、第二スラブ部12は、N型にドープされたN型領域14bを有する。
また、リブ部10は、第一スラブ部11に設けられたP型領域13bに接するP型領域13aと、第二スラブ部12に設けられたN型領域14bに接するN型領域14aとを有している。これらのP型領域13aとN型領域14aとが互いに接することによりPN接合部15を構成する。すなわち、PN接合部15において、P型領域13aとN型領域14aとが互いに接している。
リブ部10は、光導波路6の長手方向に垂直な断面において、スラブ部11,12より上方に位置する上端部10aを有する。リブ部10は、上端部10aの少なくとも一部にアンドープ領域16を有する。アンドープ領域16は、図1Aに示すように、リブ部10内のP型領域13a及びN型領域14aの上から、リブ部10の上面(上部クラッド5との境界)まで存在していることが好ましい。
アンドープ領域16は、イントリンシック領域でもよく、又は、隣接するP型領域13a及び/又は隣接するN型領域14aのドーパント濃度の1/10以下のドーパント濃度でドープされた低濃度ドーピング領域でもよい。低濃度ドーピング領域の例としては、アンドープ領域16に隣接するP型領域13aの1/10以下のドーパント濃度でP型にドープされた低濃度Pドーピング領域、アンドープ領域16に隣接するN型領域14aの1/10以下のドーパント濃度でN型にドープされた低濃度Nドーピング領域、隣接するP型領域13a及びN型領域14aの1/10以下のドーパント濃度でP型及びN型のドーパントを含む領域などが挙げられる。
リブ部10とスラブ部11,12とは、半導体単結晶により一体に形成されている。リブ部10のP型領域13aと第一スラブ部11のP型領域13bとは、一体化されたP型領域13(全P型領域)を構成する。また、リブ部10のN型領域14aと第二スラブ部12のN型領域14bとは、一体化されたN型領域14(全N型領域)を構成する。
このように、光導波路内にPN接合部を形成し、これに電極を接続して外部から電圧を印加することで、PN接合部での空乏層が変化する。逆バイアス電圧の印加により、空乏層は拡大してPN接合部のキャリア密度が減少するため、PN接合部において屈折率が上昇する。結果的にリブ型導波路の導波モードの実効屈折率が変化し、この導波路を通過する光の、出力位置における位相を変化させることができる。
一方、(式2)に示すように、キャリアの存在は屈折率を変化させるのみならず、吸光係数αを増大させる。つまり、キャリア密度の変化を起こすために導波路にドーピングを行うと、導波路の損失を増加させることになる。位相変化量の増加と、損失の低減はトレードオフの関係にある。
挿入損失は、位相変化部の重要な特性の一つとして挙げられる。キャリアの存在による損失は、導波路の挿入損失の主たる要因の一つであり、従って、挿入損失を低減することが重要である。
一方、(式2)に示すように、キャリアの存在は屈折率を変化させるのみならず、吸光係数αを増大させる。つまり、キャリア密度の変化を起こすために導波路にドーピングを行うと、導波路の損失を増加させることになる。位相変化量の増加と、損失の低減はトレードオフの関係にある。
挿入損失は、位相変化部の重要な特性の一つとして挙げられる。キャリアの存在による損失は、導波路の挿入損失の主たる要因の一つであり、従って、挿入損失を低減することが重要である。
材料自体の光学特性は上述の(式1)及び(式2)で表されるが、導波光の実効屈折率及び伝播損失を計算するには、光のモードプロファイルを考察する必要がある。リブ型導波路におけるモードプロファイルでは、光導波路の断面構造における中心部(特にリブ部)のパワー密度が高くなる。従って中心部での変化は、外周部での変化よりも屈折率変化の割合が高い。
PN接合部におけるキャリアの分布は、キャリアの濃度勾配により生じる拡散電流と、キャリアとドーパント及び外部電界により生じるドリフト電流と、の平衡状態として決まる。この結果、PN接合部には、キャリアが空である空乏層が生じる。
PN接合部におけるキャリアの分布は、キャリアの濃度勾配により生じる拡散電流と、キャリアとドーパント及び外部電界により生じるドリフト電流と、の平衡状態として決まる。この結果、PN接合部には、キャリアが空である空乏層が生じる。
このとき、導波路の断面構造においてPN接合部から十分に離れた構造内部においては、空間電荷分布はなく、キャリアの濃度勾配は殆ど見られない。しかし、リブ上面等の構造端部(表層部など)では電界が生じている。リブ上面等の構造端部(表層部など)では、構造内部とは異なって、PN接合部から十分に離れていても、キャリアの濃度勾配が生じる。
PN接合部に逆バイアス電圧を印加すると、キャリアが減少して空乏層が広がる。このようなキャリアの減少は、前述の接合部以外の構造の端でも存在し、したがって、PN接合部に逆バイアス電圧を印加するとキャリア密度が変化することが分かる。
PN接合部に逆バイアス電圧を印加すると、キャリアが減少して空乏層が広がる。このようなキャリアの減少は、前述の接合部以外の構造の端でも存在し、したがって、PN接合部に逆バイアス電圧を印加するとキャリア密度が変化することが分かる。
特許文献1のようにリブ部全体にPN接合が設けられた従来構造では、PN接合部の両端におけるキャリア密度変化による屈折率変化への寄与は、光のモードプロファイルを考えると、光のパワー密度の低い領域にPN接合が設けられているために微量である(例えば図24A~25Bのシミュレーション結果を参照)。
一方、図1Aに示すように、リブ上部にアンドープ領域16を設けた本発明の各実施形態に係る構造では、この境界領域(PN接合部15の上端)が、導波光のモードプロファイルにおけるパワー密度の高い領域に形成される。また、上面及び下面のキャリア密度の変化する領域の厚みは、ドープされている領域の厚みとは独立していることから、ドープされた領域を薄くする方が、全体に対するPN接合部15の上端の影響の度合いを大きくすることができる。このことにより、PN接合部15のみではなく、その周囲のキャリア密度の変化を有効に活用することが可能である。その結果、キャリア全体に対する、キャリア密度の変化する領域の割合を高めることができる。これにより、例えば図22A~23Bのシミュレーション結果に示されるように、PN接合部15の上端からアンドープ領域16にかけて、キャリア密度の変化する領域が大きな割合を占めるようになる。
なお、図22A~25Bのシミュレーションの実施方法については、後述する。
一方、図1Aに示すように、リブ上部にアンドープ領域16を設けた本発明の各実施形態に係る構造では、この境界領域(PN接合部15の上端)が、導波光のモードプロファイルにおけるパワー密度の高い領域に形成される。また、上面及び下面のキャリア密度の変化する領域の厚みは、ドープされている領域の厚みとは独立していることから、ドープされた領域を薄くする方が、全体に対するPN接合部15の上端の影響の度合いを大きくすることができる。このことにより、PN接合部15のみではなく、その周囲のキャリア密度の変化を有効に活用することが可能である。その結果、キャリア全体に対する、キャリア密度の変化する領域の割合を高めることができる。これにより、例えば図22A~23Bのシミュレーション結果に示されるように、PN接合部15の上端からアンドープ領域16にかけて、キャリア密度の変化する領域が大きな割合を占めるようになる。
なお、図22A~25Bのシミュレーションの実施方法については、後述する。
また、本発明の各実施形態に係る構造では、PN接合部15とアンドープ領域16とを含むリブ部10、及びスラブ部11,12が、半導体単結晶により一体で形成されており、PN接合部15とアンドープ領域16との間に結晶粒界や電気絶縁層が介在しないため、リブ上方のアンドープ領域16にもキャリアが拡散する。リブ上方では、P型領域やN型領域との境界と比較して生じる電界が弱いため、キャリアは広範囲に拡散する。従って、この領域におけるキャリア密度は、P型領域やN型領域と比較して、低くなる。
挿入損失の観点から実用的なキャリア密度1016~1018/cm3における、前述の損失変化に対する屈折率変化の比(図17参照)は、N型領域よりもP型領域において、より高くなる。さらに、P型領域においてキャリア密度が低い方が(特に、後述する実施形態2参照)、損失変化に対する屈折率変化の比は高くなる。従って、本発明の各実施形態に係る構造によれば、キャリア密度の低い領域での電圧印加による屈折率変化は、損失変化のより低減された、位相変化を実現することが可能である。
挿入損失の観点から実用的なキャリア密度1016~1018/cm3における、前述の損失変化に対する屈折率変化の比(図17参照)は、N型領域よりもP型領域において、より高くなる。さらに、P型領域においてキャリア密度が低い方が(特に、後述する実施形態2参照)、損失変化に対する屈折率変化の比は高くなる。従って、本発明の各実施形態に係る構造によれば、キャリア密度の低い領域での電圧印加による屈折率変化は、損失変化のより低減された、位相変化を実現することが可能である。
また、PN接合間に生じる接合容量は、高速動作を阻む要因の一つである。しかし、本発明の各実施形態によれば、単位導波路長さ当たりのPN間の面積が減少することから、接合容量を低減することが可能である。変調効率の向上のために導波路長を長くすることも考えられる。しかしながら、この場合、導波路長が長くなるにしたがって接合容量が増えると共に、スラブ部の抵抗率が低減するため、変調効率の向上の効果が打ち消される。したがって、単位長さ当たりの接合容量の低減が、高速化に寄与すると考えられる。
<実施形態1>
図1Aは、本発明の実施形態1に係る光学素子を示す断面図である。また、図2A,2B及び3に、この光学素子に電極を設けた構成例を示す。
図1A及び図2Aには、光の進行方向(光導波路の長手方向)に垂直な面の断面図が示されている。本実施形態では、製造に用いる基板として、シリコン(Si)-シリカ(SiO2)-シリコン(Si)からなるSOI(Silicon On Insulator)基板を用いることができる。光導波路6の下部クラッド3は、SOI基板の中間のSiO2から形成され、コア4は、上部のSi層から形成される。下部のSi層は基板2となる。
図1Aは、本発明の実施形態1に係る光学素子を示す断面図である。また、図2A,2B及び3に、この光学素子に電極を設けた構成例を示す。
図1A及び図2Aには、光の進行方向(光導波路の長手方向)に垂直な面の断面図が示されている。本実施形態では、製造に用いる基板として、シリコン(Si)-シリカ(SiO2)-シリコン(Si)からなるSOI(Silicon On Insulator)基板を用いることができる。光導波路6の下部クラッド3は、SOI基板の中間のSiO2から形成され、コア4は、上部のSi層から形成される。下部のSi層は基板2となる。
コア4は、中央部に厚みの厚いリブ部10をもつリブ型シリコン導波路である。この導波路に導波された光は、リブ部10を中心に分布する。
一方、厚みの薄いスラブ部11,12は、リブ部10から離間した位置に、電極に接触する接触部11a,12aを有する。図1Bに示すように、接触部11a,12aは、スラブ部11,12の全厚みに亘って形成することも可能である。接触部11a,12aには、メタル電極7,8とオーミックコンタクトを形成できるように、ドーパントが高濃度にドープされる(P+領域、N+領域)。電極7,8の材料は、アルミ等、シリコン材料とのオーミックコンタクトが形成可能な材料であれば、特に限定されず、元素単体でも合金でもよい。なお、図1A及び1Bでは、電極7,8が省略されている。
光導波路6の上部クラッド5は、再度SiO2や樹脂材料などの低屈折率材料を積層することより形成してもよいし、低屈折率材料の積層を省略して、エアクラッドであってもよい。
クラッド3,5は、コア4に対して適切な屈折率差を有するように、コア4よりも屈折率の低い材料から構成される。
一方、厚みの薄いスラブ部11,12は、リブ部10から離間した位置に、電極に接触する接触部11a,12aを有する。図1Bに示すように、接触部11a,12aは、スラブ部11,12の全厚みに亘って形成することも可能である。接触部11a,12aには、メタル電極7,8とオーミックコンタクトを形成できるように、ドーパントが高濃度にドープされる(P+領域、N+領域)。電極7,8の材料は、アルミ等、シリコン材料とのオーミックコンタクトが形成可能な材料であれば、特に限定されず、元素単体でも合金でもよい。なお、図1A及び1Bでは、電極7,8が省略されている。
光導波路6の上部クラッド5は、再度SiO2や樹脂材料などの低屈折率材料を積層することより形成してもよいし、低屈折率材料の積層を省略して、エアクラッドであってもよい。
クラッド3,5は、コア4に対して適切な屈折率差を有するように、コア4よりも屈折率の低い材料から構成される。
コア4の一部は、P型に、又はN型にドープされている。本実施形態では、第一スラブ部11はP型に、第二スラブ部12はN型にドープされている。半導体に導電性を付与するドーパント(不純物)は、半導体の母体媒質に応じて適宜選択することができる。
例えば、本実施形態のように、母体媒質がシリコン(Si)やゲルマニウム(Ge)等のIV族半導体であれば、P型極性を与えるドーパントとして、ホウ素(B)やアルミニウム(Al)等のIII族元素が挙げられ、N型極性を与えるドーパントとして、リン(P)や砒素(As)等のV族元素が挙げられる。
例えば、本実施形態のように、母体媒質がシリコン(Si)やゲルマニウム(Ge)等のIV族半導体であれば、P型極性を与えるドーパントとして、ホウ素(B)やアルミニウム(Al)等のIII族元素が挙げられ、N型極性を与えるドーパントとして、リン(P)や砒素(As)等のV族元素が挙げられる。
ドーピング領域の配置に関し、本実施形態では、第一スラブ部11及びそれに接するリブ下部領域にP型領域13を、第二スラブ部12及びそれに接するリブ下部領域にN型領域14を配置している。P型領域13とN型領域14とはリブ部10において接しており、その境界には空乏層が生じる。
また、リブ上部にはアンドープ領域16が設けられ、アンドープ領域16には積極的にドーピングを行わない。アンドープ領域16に意図せず少量のドーパントが拡散する可能性がある。また、SOI基板など基板材料の製造方法等に起因して、基板に用いる材料によっては、わずかにP型又はN型にドープされる場合もあり得る。このため、アンドープ領域16には、基板に用いる材料に起因して、わずかなドーパントが含まれる場合もある。しかし、いずれの場合においても、アンドープ領域16は、そのドーパント濃度がP型領域13又はN型領域14のドーパント濃度(それらの領域13,14の平均的なドーパント濃度)の1/10以下、すなわち、10-1倍以下であるように形成される。なお、アンドープ領域16のドーパント濃度は、P型領域13又はN型領域14のドーパント濃度の10-2倍以下、10-3倍以下などであってもよい。
また、スラブ部11,12のうち、リブ部10から離れた上面を含む一部は、他の箇所に比べてドーピング濃度を高くする。これによって、電極7,8とオーミックコンタクトを形成することができる。
また、スラブ部11,12のうち、リブ部10から離れた上面を含む一部は、他の箇所に比べてドーピング濃度を高くする。これによって、電極7,8とオーミックコンタクトを形成することができる。
図3に、本実施形態に係る光学素子1の斜視図を示す。位相変化部は、図1Aや図2Aに示す断面構造が光導波路の長手方向に連続する構造を有する。長手方向の長さは、要求される位相変化量や、印加可能な電圧範囲等の条件から決められる。例えば、想定する動作電圧が4Vpp(ピーク間電圧)で、この動作電圧における単位長さ(1mm)当たりの位相変化量がπ/4ラジアンのとき、位相変化部として必要な位相変化量がπ/2ラジアンであれば、デバイス長(位相変化部長)は2mmと決めることができる。また、必要な位相変化量がπラジアンであればデバイス長は4mmと決めることができる。
また、電極7,8は、進行波型電極とすることもできる。この場合、図3に示すように、進行波型電極を長手方向にリブ型光導波路6と並行に配置し、光の導波方向と同方向に進行波型電極に電圧を伝送させる。図3において、例えば光導波路6を導波する光が、矢印Aに示すように図の手前から奥へ向かって伝播する場合には、電極7,8の手前の端部7a,8aに信号源を、奥の端部7b,8bに終端を接続して、電極7に電圧を印加する。その反対に、光が矢印Bに示すように図の奥から手前へ向かって伝播する場合には、奥側の端7b,8bに信号源を、手前の端部7a,8aに終端を接続して、電極7に電圧を印加する。
図2Bには、図2Aの断面構造を有する光学素子1の斜視図を示す。図2Bにおいて、例えば光導波路6を導波する光が、矢印Aに示すように図の手前から奥へ向かって伝播する場合には、電極7,8の手前の端部7a,8aに信号源を、奥の端部7b,8bに終端を接続して、電極7に電圧を印加する。また、光が矢印Bに示すように図の奥から手前へ向かって伝播する場合には、奥の端部7b,8bに信号源を、手前の端部7a,8aに終端を接続して、電極7に電圧を印加する。図2Bの例では、電極7,8が光導波路6の長手方向に沿って連続して形成されている。電極7,8が進行波型電極であってもよい。この場合、たとえば、電極7,8が、グランド(GND)とシグナル電極とが光導波路6の長手方向に沿って所定の間隔を保ちながら連続して形成されたスロット線路型電極を構成することもできる。このスロット線路型電極においては、電極の厚み,電極の間隔を調整することにより線路の特性インピーダンスを調整することができる。
図2Cの例では、光導波路6の長手方向に垂直な断面において、グランド(GND)が、電極8の側方に設けられている。この場合、電極7,8は、グランド(GND)と共に、コプレーナ線路型電極を構成することができる。
図2Bには、図2Aの断面構造を有する光学素子1の斜視図を示す。図2Bにおいて、例えば光導波路6を導波する光が、矢印Aに示すように図の手前から奥へ向かって伝播する場合には、電極7,8の手前の端部7a,8aに信号源を、奥の端部7b,8bに終端を接続して、電極7に電圧を印加する。また、光が矢印Bに示すように図の奥から手前へ向かって伝播する場合には、奥の端部7b,8bに信号源を、手前の端部7a,8aに終端を接続して、電極7に電圧を印加する。図2Bの例では、電極7,8が光導波路6の長手方向に沿って連続して形成されている。電極7,8が進行波型電極であってもよい。この場合、たとえば、電極7,8が、グランド(GND)とシグナル電極とが光導波路6の長手方向に沿って所定の間隔を保ちながら連続して形成されたスロット線路型電極を構成することもできる。このスロット線路型電極においては、電極の厚み,電極の間隔を調整することにより線路の特性インピーダンスを調整することができる。
図2Cの例では、光導波路6の長手方向に垂直な断面において、グランド(GND)が、電極8の側方に設けられている。この場合、電極7,8は、グランド(GND)と共に、コプレーナ線路型電極を構成することができる。
<光学素子の製造方法>
次に、上記実施形態に係る光学素子1の製造方法について説明する。
図4A~4Fに、製造方法の一例を順に示す。
(1) 図4Aに示すように、基板2と下部クラッド3と単結晶半導体層21とを有する積層基板20を用意する。積層基板20としては、例えばSi-SiO2-SiからなるSOI基板を使用できる。この場合、下部Si層が基板2に、中間SiO2層が下部クラッド3に、上部Si層が単結晶半導体層21に対応する。単結晶半導体層21は、化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)等で上面21aを研磨し、所望のリブ高さが得られる厚みとすることができる。単結晶半導体層21の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば数十nm~数百nmである。より具体的な例として、220nmが挙げられる。
なお、図4Aの積層基板20における基板2と下部クラッド3と単結晶半導体層21との厚みの比率は、実際の厚みの比率を表すものではない。
次に、上記実施形態に係る光学素子1の製造方法について説明する。
図4A~4Fに、製造方法の一例を順に示す。
(1) 図4Aに示すように、基板2と下部クラッド3と単結晶半導体層21とを有する積層基板20を用意する。積層基板20としては、例えばSi-SiO2-SiからなるSOI基板を使用できる。この場合、下部Si層が基板2に、中間SiO2層が下部クラッド3に、上部Si層が単結晶半導体層21に対応する。単結晶半導体層21は、化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)等で上面21aを研磨し、所望のリブ高さが得られる厚みとすることができる。単結晶半導体層21の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば数十nm~数百nmである。より具体的な例として、220nmが挙げられる。
なお、図4Aの積層基板20における基板2と下部クラッド3と単結晶半導体層21との厚みの比率は、実際の厚みの比率を表すものではない。
(2) 図4Bに示すように、マスク22を使用して、P型ドーパントのインプラントにより、P型領域13を形成する。このとき、注入イオン23のエネルギーを調整することにより、P型ドーパントの注入深さが、下記(4)で形成される第一スラブ部11の厚み程度になるようにする。より具体的な例として、ドーズ量5×1012/cm3、注入エネルギー40eVにてホウ素(B)のインプラントが挙げられる。マスク22は、P型領域13を形成しない領域を覆うように設けられる。
(3) 図4Cに示すように、マスク24を使用して、N型ドーパントのインプラントにより、N型領域14を形成する。このとき、注入イオン25のエネルギーを調整することにより、N型ドーパントの注入深さが、下記(4)で形成される第二スラブ部12の厚み程度になるようにする。具体例として、リン(P)をドーズ量3×1012/cm3、注入エネルギー110eVによるインプラントが挙げられる。マスク24は、N型領域14を形成しない領域を覆うように設けられる。
(4) 図4Dに示すように、エッチングにより、断面においてリブを有するコア4を形成する。また、メタル電極との接触部11a,12aとなる高濃度ドーピング領域(P+領域、N+領域)を、さらなるドーピングにより形成する。リブ部10の上部において積極的にドーピングをしなかった部分が、アンドープ領域16となる。
図示のように、P型領域13が第一スラブ部11と同じ高さに位置し、N型領域14が第二スラブ部12と同じ高さに位置する場合、リブ部10におけるドーピング領域の高さが、スラブ部11,12におけるドーピング領域の高さと同じにできるので、イオン注入の工程をより単純に実施することができる。
P型領域13とN型領域14との境界が、光導波路の長手方向に垂直な断面において、コア4の下面(下側クラッド3の上面)に垂直である場合、基板2の表面に垂直な方向でイオン注入を行って境界におけるP型ドーパントとN型ドーパントの混在を抑制することができる。なお、上記製造方法において、基板2に対して斜めの方向でイオン注入を行ったり、P型領域13とN型領域14との境界をコア4の下面に対して傾斜させたりすることも可能である。
図示のように、P型領域13が第一スラブ部11と同じ高さに位置し、N型領域14が第二スラブ部12と同じ高さに位置する場合、リブ部10におけるドーピング領域の高さが、スラブ部11,12におけるドーピング領域の高さと同じにできるので、イオン注入の工程をより単純に実施することができる。
P型領域13とN型領域14との境界が、光導波路の長手方向に垂直な断面において、コア4の下面(下側クラッド3の上面)に垂直である場合、基板2の表面に垂直な方向でイオン注入を行って境界におけるP型ドーパントとN型ドーパントの混在を抑制することができる。なお、上記製造方法において、基板2に対して斜めの方向でイオン注入を行ったり、P型領域13とN型領域14との境界をコア4の下面に対して傾斜させたりすることも可能である。
(5) 図4Eに示すように、コア4の上に、SiO2等を堆積(デポジション)することにより、上部クラッド5を形成する。エアクラッドとする場合は、このSiO2等の堆積による上部クラッド5の形成を省略することができる。また、樹脂の塗布などによって上部クラッド5を形成することもできる。
(6) 図4Fに示すように、電極7,8をスラブ部11,12の接触部11a,12aに接続するためのコンタクトホールを上部クラッド5に形成した後、スパッタ等により形成したコンタクトホールをメタルで充填して電極7,8を形成する。電極の材料としては、例えばアルミニウム(Al)やシリコン合金等が挙げられる。
(6) 図4Fに示すように、電極7,8をスラブ部11,12の接触部11a,12aに接続するためのコンタクトホールを上部クラッド5に形成した後、スパッタ等により形成したコンタクトホールをメタルで充填して電極7,8を形成する。電極の材料としては、例えばアルミニウム(Al)やシリコン合金等が挙げられる。
以上の工程により、リブ部10の上部に、イントリンシック領域、及び、低濃度ドーピング領域の一方から形成されるアンドープ領域16を残し、リブ部10の下部にPN接合部15が形成された、リブ型位相変化部として利用可能な光学素子1を製造することが可能である。
なお、図4A~4Fでは、P型領域13が第一スラブ部11と同じ高さに位置し、N型領域14が第二スラブ部12と同じ高さに位置する場合を例示したが、本発明は、この場合に限定されるものではない。ドーピング領域(P型領域13、及びN型領域14)の厚みをスラブ部11,12の厚みより大きくすることにより(後述する実施形態6参照)、ドーピング領域がスラブ部11,12よりも高い位置にまで延在するする構造を実現することも可能である。また、マスクの構成や注入深さ等を調整することにより、リブ部10におけるドーピング領域の高さを、スラブ部11,12におけるドーピング領域の高さよりも低くする等、リブ部10とスラブ部11,12とで高さの異なるドーピング領域を形成することも可能である。
なお、図4A~4Fでは、P型領域13が第一スラブ部11と同じ高さに位置し、N型領域14が第二スラブ部12と同じ高さに位置する場合を例示したが、本発明は、この場合に限定されるものではない。ドーピング領域(P型領域13、及びN型領域14)の厚みをスラブ部11,12の厚みより大きくすることにより(後述する実施形態6参照)、ドーピング領域がスラブ部11,12よりも高い位置にまで延在するする構造を実現することも可能である。また、マスクの構成や注入深さ等を調整することにより、リブ部10におけるドーピング領域の高さを、スラブ部11,12におけるドーピング領域の高さよりも低くする等、リブ部10とスラブ部11,12とで高さの異なるドーピング領域を形成することも可能である。
<実施形態2>
上述した(式1)、及び(式2)より、Δn/Δαを求めると、P型領域では、電子密度変化ΔNeを無視すれば、Δn/Δαはおおよそ正孔密度ΔNhの0.2乗に反比例する〔すなわち、Δn/Δα∝1/(ΔNh)0.2〕。一方、N型領域では、正孔密度変化ΔNhを無視すれば、Δn/Δαは電子密度ΔNeによらずおおよそ一定になる。
これらの関係を、グラフに表すと、図17に示すとおりである。ここで、図17の横軸のキャリア密度に関し、電子についてはΔNe、正孔についてはΔNhが用いられている。また、図17の数値は、1×10±mを、1E±mとする形式(±mは整数)で表示している。
図17から明らかなように、Δn/Δαは、P型の低濃度領域で高いことから、キャリア密度の変化領域におけるP型の低濃度ドーピング領域の割合を大きくすることで、Δn/Δαを向上させ、損失の変化量を低減することが可能である。
上述した(式1)、及び(式2)より、Δn/Δαを求めると、P型領域では、電子密度変化ΔNeを無視すれば、Δn/Δαはおおよそ正孔密度ΔNhの0.2乗に反比例する〔すなわち、Δn/Δα∝1/(ΔNh)0.2〕。一方、N型領域では、正孔密度変化ΔNhを無視すれば、Δn/Δαは電子密度ΔNeによらずおおよそ一定になる。
これらの関係を、グラフに表すと、図17に示すとおりである。ここで、図17の横軸のキャリア密度に関し、電子についてはΔNe、正孔についてはΔNhが用いられている。また、図17の数値は、1×10±mを、1E±mとする形式(±mは整数)で表示している。
図17から明らかなように、Δn/Δαは、P型の低濃度領域で高いことから、キャリア密度の変化領域におけるP型の低濃度ドーピング領域の割合を大きくすることで、Δn/Δαを向上させ、損失の変化量を低減することが可能である。
PN接合部における空乏層は、接合部におけるP型領域とN型領域との間にドーパント濃度差がある場合には、濃度の低い方に空乏層が広がる。したがって、図5Aに示すように、リブ部10の下方におけるN型領域14aのドーパント濃度を、P型領域13aのドーパント濃度よりも高くすることで、低損失化と変調効率の向上とを実現できる。ここで、リブ部10の下方に設けられるP-領域は、リブ部10の下方のみならず、スラブ部11のリブ部10に近接する領域に設けても良い。
ここで、P領域、P-領域、N領域のドーパント濃度の関係について、必ずしもP領域とN領域とでのドーパント濃度が一致していなくてもよい。本実施形態においては、N領域と接するP-領域が、P領域よりもドーパント濃度が低く、かつ、このP-領域のドーパント濃度が、N領域のドーパント濃度よりも低い。
ここで、P領域、P-領域、N領域のドーパント濃度の関係について、必ずしもP領域とN領域とでのドーパント濃度が一致していなくてもよい。本実施形態においては、N領域と接するP-領域が、P領域よりもドーパント濃度が低く、かつ、このP-領域のドーパント濃度が、N領域のドーパント濃度よりも低い。
また、リブ型導波路は、導波路の中心部(リブ部10及びその近傍)で導波光のパワー密度が大きいことを考慮して、図5Bに示すように、PN接合部15の中心位置を、リブ部10の幅方向中央から、N型領域14を有する第二スラブ部12寄りにシフト(変位)させることも可能である。この場合、ドーパント濃度が比較的低いP-領域が拡大するため、ドーパント濃度が比較的高いN領域による損失の発生を低減することができる。さらに、導波光のパワー密度の高い領域においてパワー密度が変化することにより、Δn/αを向上し、一層の低損失化を図ることができる。
<実施形態3>
実施形態1~2においては、メタル電極7,8とコンタクトを取るための高濃度ドーピング領域は、スラブ部11,12の上部に形成されている。電極7,8に用いられる金属材料は光の吸収が大きいため、この吸収をより低減するためには、導波光の分布する領域から電極7,8を十分に離す必要がある。しかし、電極7,8を導波光の分布する領域から離すほど、電極7,8とPN接合部15との距離も大きくなる。すると、電極7,8とPN接合部15との間の半導体中の抵抗値が大きくなり、コアを構成する半導体の応答速度の低下などにより高周波特性の悪化を招く。
実施形態1~2においては、メタル電極7,8とコンタクトを取るための高濃度ドーピング領域は、スラブ部11,12の上部に形成されている。電極7,8に用いられる金属材料は光の吸収が大きいため、この吸収をより低減するためには、導波光の分布する領域から電極7,8を十分に離す必要がある。しかし、電極7,8を導波光の分布する領域から離すほど、電極7,8とPN接合部15との距離も大きくなる。すると、電極7,8とPN接合部15との間の半導体中の抵抗値が大きくなり、コアを構成する半導体の応答速度の低下などにより高周波特性の悪化を招く。
そこで、図6に示すように、スラブ部11,12の上面よりも高い位置まで延在する接触部17,18を、リブ部10からより離れた位置に設けることもできる。図6において、スラブ部の上部に形成された接触部と区別するため、スラブ部の上面よりも高い位置まで延在する接触部の符号を17,18としている。
接触部17,18の高さは、リブ部10の上端部10aと同じ高さ、又は上端部10aよりも高いことが好ましい。この場合、電極7,8を構成する金属材料がコア4の上面よりも高い位置に配置されるため、スラブ部11,12の上部に接触部11a,12aを設ける場合と比較して、より近い位置に電極7,8を配置することができる。これにより、スラブ部11,12による抵抗値を低減し、コアを構成する半導体の応答速度を向上させ、高速動作を実現することができる。
接触部17,18の高さは、リブ部10の上端部10aと同じ高さ、又は上端部10aよりも高いことが好ましい。この場合、電極7,8を構成する金属材料がコア4の上面よりも高い位置に配置されるため、スラブ部11,12の上部に接触部11a,12aを設ける場合と比較して、より近い位置に電極7,8を配置することができる。これにより、スラブ部11,12による抵抗値を低減し、コアを構成する半導体の応答速度を向上させ、高速動作を実現することができる。
高濃度ドーピング領域であるP+領域、及びN+領域の位置を考慮すると、スラブ部11,12のP型領域13、及びN型領域14と接触する面が、コア4の下面(下部クラッド3との境界)に垂直であることが好ましい。この場合、ドーピング濃度を高くすることで抵抗値を下げた高濃度ドーピング領域と、PN接合部15との距離を、全体的に短縮できるので、スラブ部11,12による抵抗値を低減し、コアを構成する半導体の応答速度を向上させ、高速動作を実現することができる。
本実施形態に係る光学素子を、図4A~4Fに示す方法で製造する場合、単結晶半導体層21のエッチング深さを変えることで、スラブ部11,12の上面よりも高い位置まで接触部17,18が延在するように、エッチングすることが可能である。図4Aにおいて準備する単結晶半導体層21の厚みは、接触部17,18の高さをリブ部10の厚みより大きくする場合、目的とする接触部17,18の厚み以上とする。接触部17,18の高さと、リブ部10の高さとが等しい場合、接触部17,18の上面、及びリブ部10の上面がエッチングされないようにエッチングを行って、スラブ部11,12を形成すればよい。
<実施形態4>
リブ型導波路において、最も電界が集中する領域は、導波路の断面水平方向の中心部(リブ部10、及びその近傍)である。したがって、中心部のキャリア密度変化は、その周囲におけるキャリア密度変化と比較して、より大きな屈折率変化Δnをもたらし、Δn/αが向上する。
図1A及び2Aに示す実施形態1に係る構造では、空乏層が導波路の中心位置に存在する。空乏層はバイアスがゼロの時点(ゼロバイアス時)で一定の幅をもっているため、中心部にはゼロバイアス時でもキャリアが存在しない(又はキャリア密度が著しく低い)。キャリア密度は導波路の中心からずれた部分において変化する。
リブ型導波路において、最も電界が集中する領域は、導波路の断面水平方向の中心部(リブ部10、及びその近傍)である。したがって、中心部のキャリア密度変化は、その周囲におけるキャリア密度変化と比較して、より大きな屈折率変化Δnをもたらし、Δn/αが向上する。
図1A及び2Aに示す実施形態1に係る構造では、空乏層が導波路の中心位置に存在する。空乏層はバイアスがゼロの時点(ゼロバイアス時)で一定の幅をもっているため、中心部にはゼロバイアス時でもキャリアが存在しない(又はキャリア密度が著しく低い)。キャリア密度は導波路の中心からずれた部分において変化する。
そこで、図7に示すように、PN接合部15の中心位置を、リブ部10の幅方向中央から横方向にシフトした位置にPN接合部15を形成することができる。これにより、導波路の中心位置において、ゼロバイアス時にキャリアを存在させておき、目的とするバイアス電圧の範囲において、中心部のキャリア密度変化を最大にすることが可能になる。これにより、より大きな屈折率変化Δnをもたらし、Δn/αが向上し、一層の低損失化を図ることができる。上記と同様の効果を得るために、PN接合部15の中心位置を、図7とは反対に、P型領域13を有する第一スラブ部11寄りにシフトさせてもよい。
さらに、実施形態2で説明したように、位相変調時の損失変化量を低減に対しては、P型領域のドーパント濃度が低い部分における変調が有効である。したがって、PN接合部15の中心位置を、N型領域14を有する第二スラブ部12寄りにシフトさせることで、変調時の損失変化量をより低減することが可能である。
さらに、実施形態2で説明したように、位相変調時の損失変化量を低減に対しては、P型領域のドーパント濃度が低い部分における変調が有効である。したがって、PN接合部15の中心位置を、N型領域14を有する第二スラブ部12寄りにシフトさせることで、変調時の損失変化量をより低減することが可能である。
<実施形態5>
導波路の断面構造において、P型領域及びN型領域が一様である必要はなく、断面の水平方向に、ドーパント濃度が分布(変化)を有することも可能である。
例えば、第一スラブ部11からリブ部10にかけて設けられるP型領域13のドーパント濃度が、光導波路6の長手方向に垂直な断面において、N型領域14(PN接合部15)に向かって減少している構成を採用することもできる。この場合、P型領域13におけるP型のドーパント濃度が連続的に変化していてもよい。また、P型領域13において、P型のドーパント濃度が異なる2以上の領域を有するように、P型のドーパント濃度が段階的に変化していてもよい。
また、第二スラブ部12からリブ部10にかけて設けられるN型領域14のドーパント濃度が、光導波路6の長手方向に垂直な断面において、P型領域13(PN接合部15)に向かって減少している構成を採用することもできる。この場合、N型領域14におけるN型のドーパント濃度が連続的に変化していてもよい。また、N型領域14において、N型のドーパント濃度が異なる2以上の領域を有するように、N型のドーパント濃度が段階的に変化していてもよい。
導波路の断面構造において、P型領域及びN型領域が一様である必要はなく、断面の水平方向に、ドーパント濃度が分布(変化)を有することも可能である。
例えば、第一スラブ部11からリブ部10にかけて設けられるP型領域13のドーパント濃度が、光導波路6の長手方向に垂直な断面において、N型領域14(PN接合部15)に向かって減少している構成を採用することもできる。この場合、P型領域13におけるP型のドーパント濃度が連続的に変化していてもよい。また、P型領域13において、P型のドーパント濃度が異なる2以上の領域を有するように、P型のドーパント濃度が段階的に変化していてもよい。
また、第二スラブ部12からリブ部10にかけて設けられるN型領域14のドーパント濃度が、光導波路6の長手方向に垂直な断面において、P型領域13(PN接合部15)に向かって減少している構成を採用することもできる。この場合、N型領域14におけるN型のドーパント濃度が連続的に変化していてもよい。また、N型領域14において、N型のドーパント濃度が異なる2以上の領域を有するように、N型のドーパント濃度が段階的に変化していてもよい。
図8Aには、ドーパント濃度を2段階で変化させた例が示されている。P型領域13及びN型領域14が、それぞれ二つの濃度の領域(P1領域とP2領域、及びN1領域とN2領域)に分割されている。高速動作を行うためには、電極7,8からPN接合部15までの抵抗値を下げることが有効である。抵抗値はドーピング濃度を高くすることで下げることができる。
ドーピング濃度を上げると、吸光係数(損失)の増大を招くが、キャリア密度の増大により屈折率変化Δnも増大する。PN接合部15から離れた領域においては、そこまで空乏層が到達しがたいため、キャリア密度の変化は生じない。一方で、導波光の一部は、通常スラブ部11,12にも到達することから、この領域でドーピング濃度を上げると、屈折率変化による変調効率は増大せず、損失のみ増大することになる。そこで、ドーピング濃度の高い、P1領域、及びN1領域を、損失に影響のない範囲で、可能な限り光導波路の中央部に近づけ、光の分布領域である、リブ部10及びその近傍に、ドーピング濃度の低い、P2領域、及びN2領域を設けることにより、高速動作と損失低減を両立させることができる。
ドーピング濃度を上げると、吸光係数(損失)の増大を招くが、キャリア密度の増大により屈折率変化Δnも増大する。PN接合部15から離れた領域においては、そこまで空乏層が到達しがたいため、キャリア密度の変化は生じない。一方で、導波光の一部は、通常スラブ部11,12にも到達することから、この領域でドーピング濃度を上げると、屈折率変化による変調効率は増大せず、損失のみ増大することになる。そこで、ドーピング濃度の高い、P1領域、及びN1領域を、損失に影響のない範囲で、可能な限り光導波路の中央部に近づけ、光の分布領域である、リブ部10及びその近傍に、ドーピング濃度の低い、P2領域、及びN2領域を設けることにより、高速動作と損失低減を両立させることができる。
ここで、各領域のドーパント濃度の関係について、必ずしもP1領域とN1領域とでのドーパント濃度が一致していなくてもよく、P2領域とN2領域とでのドーパント濃度が一致していなくてもよい。本実施形態においては、P2領域よりもP1領域のドーパント濃度が高く、N2領域よりもN1領域のドーパント濃度が高い。
P1領域のドーパント濃度は、接触部11aにおけるP+領域のドーパント濃度より低くても、同程度でもよい。また、N1領域のドーパント濃度は、接触部12aにおけるN+領域のドーパント濃度より低くても、同程度でもよい。
なお、図8Bに示すように、接触部11a,12aがスラブ部11,12の全厚みに亘って形成された構成を採用することもできる。図8Aの例では、P1(N1)領域とは別に金属電極7(8)とのオーミックコンタクトを形成する接触部11a(12a)、すなわちP+(N+)領域が形成されている。これに対し、図8Bの例では、金属電極7(8)とのオーミックコンタクトを形成するP+(N+)領域がスラブ部11(12)の全厚みに亘って形成されている。すなわち、図8Bに示された例は、図8AにおけるP1領域とP+とを1つのP+で置き換えた構造を有している。
図8Bに示された構造においても、P型領域及びN型領域それぞれが、ドーパント濃度の異なる2つの領域(P+領域,P2領域;及びN+領域,N2領域)を有する。また、図8Bの例におけるP+領域,P2領域,N+領域,及びN2領域の各ドーパント濃度は、上述した図8Aの例におけるP1領域,P2領域,N1領域,及びN2領域のドーパント濃度と同様に設定できる。したがって、図8Bに示された構造によっても、光導波路の中央部における損失を抑制しつつ電極7,8とPN接合部15との間の半導体中の抵抗値を低減することができる。
また、図8Bに示された構造によれば、図8Aの構造におけるP+(N+)領域及びP1(N1)領域を同時に形成することができる。特に、スラブ部12,13の厚みが薄い場合には、一度のインプラントによりスラブ部11(12)の全厚みに亘ってP+(N+)領域を形成できるので、インプラント回数を低減することが可能である。
P1領域のドーパント濃度は、接触部11aにおけるP+領域のドーパント濃度より低くても、同程度でもよい。また、N1領域のドーパント濃度は、接触部12aにおけるN+領域のドーパント濃度より低くても、同程度でもよい。
なお、図8Bに示すように、接触部11a,12aがスラブ部11,12の全厚みに亘って形成された構成を採用することもできる。図8Aの例では、P1(N1)領域とは別に金属電極7(8)とのオーミックコンタクトを形成する接触部11a(12a)、すなわちP+(N+)領域が形成されている。これに対し、図8Bの例では、金属電極7(8)とのオーミックコンタクトを形成するP+(N+)領域がスラブ部11(12)の全厚みに亘って形成されている。すなわち、図8Bに示された例は、図8AにおけるP1領域とP+とを1つのP+で置き換えた構造を有している。
図8Bに示された構造においても、P型領域及びN型領域それぞれが、ドーパント濃度の異なる2つの領域(P+領域,P2領域;及びN+領域,N2領域)を有する。また、図8Bの例におけるP+領域,P2領域,N+領域,及びN2領域の各ドーパント濃度は、上述した図8Aの例におけるP1領域,P2領域,N1領域,及びN2領域のドーパント濃度と同様に設定できる。したがって、図8Bに示された構造によっても、光導波路の中央部における損失を抑制しつつ電極7,8とPN接合部15との間の半導体中の抵抗値を低減することができる。
また、図8Bに示された構造によれば、図8Aの構造におけるP+(N+)領域及びP1(N1)領域を同時に形成することができる。特に、スラブ部12,13の厚みが薄い場合には、一度のインプラントによりスラブ部11(12)の全厚みに亘ってP+(N+)領域を形成できるので、インプラント回数を低減することが可能である。
<実施形態6>
図9に示す実施形態では、リブ部10におけるドーピング領域が、スラブ部11,12の上面よりも高い位置まで延在している。
図4A~4Fに示した製造方法において、イオン注入の条件によりドーピング深さをより高く設定するとともに、スラブ部11,12のエッチング条件により、スラブ部11,12におけるドーピング領域の上部を除去することにより、図9に示すような断面構造を実現することができる。すなわち、リブ部10のP型領域13aが、それに接する第一スラブ部11の上面よりも高い位置まで延在し、リブ部10のN型領域14aが、それに接する第二スラブ部12の上面よりも高い位置まで延在している断面構造を実現することが可能である。
図9に示す実施形態では、リブ部10におけるドーピング領域が、スラブ部11,12の上面よりも高い位置まで延在している。
図4A~4Fに示した製造方法において、イオン注入の条件によりドーピング深さをより高く設定するとともに、スラブ部11,12のエッチング条件により、スラブ部11,12におけるドーピング領域の上部を除去することにより、図9に示すような断面構造を実現することができる。すなわち、リブ部10のP型領域13aが、それに接する第一スラブ部11の上面よりも高い位置まで延在し、リブ部10のN型領域14aが、それに接する第二スラブ部12の上面よりも高い位置まで延在している断面構造を実現することが可能である。
本実施形態によれば、スラブ部11,12の厚みによらず、リブ部10のドーピング領域の高さを、光の分布形状に合わせて配置することが可能になり、低損失な変調を実現することができる。例えば、リブ部10の厚み(コア下面からの厚みをいう。図18のTr参照)が厚い場合に、導波光の分布中心が、スラブ部11,12の上面の高さよりも高い位置となることがある。その場合、ドーピング領域とアンドープ領域との境界を、導波光の分布中心の近傍に配置することが好ましい。
<リング型共振器>
上記各実施形態に係る光学素子は、リング型共振器における導波路として利用することができる。たとえば、文献(Optics Express Vol. 18, 18242)には、シリコン導波路を用いたμリング型共振器が開示されている。このμリング型共振器におけるリング状の変調器に、上記各実施形態に係る光学素子を適用することが可能である。なお、リングの形状は円である必要はなく、始点と終点とが接続されていればよい。
上記各実施形態に係る光学素子は、リング型共振器における導波路として利用することができる。たとえば、文献(Optics Express Vol. 18, 18242)には、シリコン導波路を用いたμリング型共振器が開示されている。このμリング型共振器におけるリング状の変調器に、上記各実施形態に係る光学素子を適用することが可能である。なお、リングの形状は円である必要はなく、始点と終点とが接続されていればよい。
<マッハツェンダ型光導波路素子>
光位相変調器は、光伝送路において、単体で使用することができる。特に長距離通信においては、光位相変調器をマッハツェンダ干渉計のアームに配置した、マッハツェンダ型光変調器としても使用されている。マッハツェンダ型光導波路素子30の概略構成を図10に示す。入射部31よりマッハツェンダ型光導波路素子30に入射した光は、分波部32で2つに分波され、それぞれ2つのアーム33,34に導波する。各アーム33,34には、それぞれ位相変化部が設けられ、アーム33,34ごとに位相変調を行う。アーム33,34を通過した光は、合波部35で合波されて出射部36に出力される。したがって、両アーム33,34を通過した後の光の位相差に応じた、強度変調や、位相変調が可能になる。
光位相変調器は、光伝送路において、単体で使用することができる。特に長距離通信においては、光位相変調器をマッハツェンダ干渉計のアームに配置した、マッハツェンダ型光変調器としても使用されている。マッハツェンダ型光導波路素子30の概略構成を図10に示す。入射部31よりマッハツェンダ型光導波路素子30に入射した光は、分波部32で2つに分波され、それぞれ2つのアーム33,34に導波する。各アーム33,34には、それぞれ位相変化部が設けられ、アーム33,34ごとに位相変調を行う。アーム33,34を通過した光は、合波部35で合波されて出射部36に出力される。したがって、両アーム33,34を通過した後の光の位相差に応じた、強度変調や、位相変調が可能になる。
両アーム33,34の位相変化を逆方向にする、すなわち、一方のアームでは位相を進め、他方のアームでは位相を遅らせることにより、マッハツェンダ型光導波路素子30から出射部36への出力信号の周波数チャープを低減した変調が可能である。特に、光導波路の波長分散(周波数分散)の影響が問題となる長距離光通信では、このような周波数チャープを低減できるマッハツェンダ型光変調方式が用いられている。
上述した実施形態1~6に例示される光学素子は、1つの位相変化部自体でも光位相変調器として動作可能である。以下に示す実施形態7~9は、実施形態1~6に例示したような光学素子をマッハツェンダ型光変調器に適用した例である。
上述した実施形態1~6に例示される光学素子は、1つの位相変化部自体でも光位相変調器として動作可能である。以下に示す実施形態7~9は、実施形態1~6に例示したような光学素子をマッハツェンダ型光変調器に適用した例である。
<実施形態7>
図11A及び11Bの平面図に示すように、少なくとも各アーム33,34の位相変化部において、リブ部37とその両側のスラブ部38,38を設ける必要がある。位相変化部以外の部分における導波路は、リブ部とスラブ部とを有するリブ型導波路であってもよく、また、スラブ部のない矩形型導波路であってもよい。図11A及び11Bでは、位相変化部以外の部分に矩形型導波路が用いられたコア形状が示されている。リブ部、スラブ部、矩形部からなるコアの材料には、シリコン等の半導体を用いることができる。また、クラッド(図示せず)には、SiO2や樹脂等の絶縁体を用いることができる。上部クラッドは、エアクラッドとすることも可能である。
なお、図11A及び11Bにおいて、図10に対応する構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。入射部31、分波部32、各アーム33,34、合波部35、及び出射部36は、同一の基板上に一体化されて基板型光導波路を構成することも可能である。
図11A及び11Bの平面図に示すように、少なくとも各アーム33,34の位相変化部において、リブ部37とその両側のスラブ部38,38を設ける必要がある。位相変化部以外の部分における導波路は、リブ部とスラブ部とを有するリブ型導波路であってもよく、また、スラブ部のない矩形型導波路であってもよい。図11A及び11Bでは、位相変化部以外の部分に矩形型導波路が用いられたコア形状が示されている。リブ部、スラブ部、矩形部からなるコアの材料には、シリコン等の半導体を用いることができる。また、クラッド(図示せず)には、SiO2や樹脂等の絶縁体を用いることができる。上部クラッドは、エアクラッドとすることも可能である。
なお、図11A及び11Bにおいて、図10に対応する構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。入射部31、分波部32、各アーム33,34、合波部35、及び出射部36は、同一の基板上に一体化されて基板型光導波路を構成することも可能である。
各アーム33,34の位相変化部33a,34aにより位相変調を行い、合波部35において合波を行うことにより、各アーム33,34を通過した後の光の位相差に応じて、出射部36からの出力光の状態が変化し、強度変調や、位相変調が可能になる。
例えば、相対的にπラジアンの位相差がつけば、各アーム33,34を通過した光の波が互いに打ち消しあうことにより、合波部35において導波光のパワーの一部はコアの周囲に広がり、出射部36に結合する光のパワーは減少する。一方、合波部35において各アーム33,34を通過した光の位相が一致する場合には、その光の波は互いに打ち消しあうことなく合成されて出射部36に結合する。このような変調動作は、強度変調と呼ばれる。
特に、両者のアーム33,34の位相変化部33a,34aを同時に駆動して、各アーム33,34の導波光の位相を反対側に変調する、つまり、一方では位相を進め、他方では位相を遅らせるというプッシュプル動作を行うことにより、周波数チャープを低減して、長距離伝送に適した光信号を出力として得ることができる。
例えば、相対的にπラジアンの位相差がつけば、各アーム33,34を通過した光の波が互いに打ち消しあうことにより、合波部35において導波光のパワーの一部はコアの周囲に広がり、出射部36に結合する光のパワーは減少する。一方、合波部35において各アーム33,34を通過した光の位相が一致する場合には、その光の波は互いに打ち消しあうことなく合成されて出射部36に結合する。このような変調動作は、強度変調と呼ばれる。
特に、両者のアーム33,34の位相変化部33a,34aを同時に駆動して、各アーム33,34の導波光の位相を反対側に変調する、つまり、一方では位相を進め、他方では位相を遅らせるというプッシュプル動作を行うことにより、周波数チャープを低減して、長距離伝送に適した光信号を出力として得ることができる。
次に、マッハツェンダ型光導波路素子30の各部について説明する。
入射部31は、これに接続される光伝送路の種類に応じて、適宜の構成を採用することができる。例えば、光学素子30を直接光ファイバに接続する場合には、モードフィールド形状の違いによる接続損失を低減するために、モードフィールドコンバータを用いることができる。例えば、コアが光の進行方向に向かって逆テーパ状であるモードフィールドコンバータが挙げられる。また、光学素子30と同一基板上に作製した、別の光学素子と接続することも可能である。その場合には、入射部31のコアを延長して、別の光学素子と接続することが可能である。もちろん、接続先の導波路に応じて、導波路の幅や高さ等の寸法を変更することも可能である。
入射部31は、これに接続される光伝送路の種類に応じて、適宜の構成を採用することができる。例えば、光学素子30を直接光ファイバに接続する場合には、モードフィールド形状の違いによる接続損失を低減するために、モードフィールドコンバータを用いることができる。例えば、コアが光の進行方向に向かって逆テーパ状であるモードフィールドコンバータが挙げられる。また、光学素子30と同一基板上に作製した、別の光学素子と接続することも可能である。その場合には、入射部31のコアを延長して、別の光学素子と接続することが可能である。もちろん、接続先の導波路に応じて、導波路の幅や高さ等の寸法を変更することも可能である。
分波部32は、入射光を2つのアーム33,34に分配する。分波部32には、Y分岐光導波路や、MMI(マルチモード干渉)カプラ、方向性結合器などを採用することができる。
また、合波部35は、2つのアーム33,34から出射部36に光を合波する。合波部35には、分波部32と同様に、Y分岐光導波路や、MMIカプラ、方向性結合器などを採用することができる。分波部の分岐部における光の入射方向と出射方向とを逆にすれば、合波部35として使用することができる。光学素子30において、分波部32と合波部35とが同一の構成を有しても、異なる構成を有してもよい。
また、合波部35は、2つのアーム33,34から出射部36に光を合波する。合波部35には、分波部32と同様に、Y分岐光導波路や、MMIカプラ、方向性結合器などを採用することができる。分波部の分岐部における光の入射方向と出射方向とを逆にすれば、合波部35として使用することができる。光学素子30において、分波部32と合波部35とが同一の構成を有しても、異なる構成を有してもよい。
図11A及び11Bに示す例において、入射部31、及び出射部36は、矩形型導波路であり、分波部32、及び合波部35にも、矩形型導波路を採用している。一般に、導波路単体においては、矩形型導波路よりも、リブ型導波路のほうが、導波路損失が低いことが知られている。分波部32や合波部35をリブ型導波路とすることもできる。具体的には、Y分岐光導波路、MMIカプラ、方向性結合器等を、リブ型導波路から構成することが可能である。
この場合には、入射部31や出射部36にリブ型導波路を用いるか、入射部31と分波部32との間、又は合波部35と出射部36との間に、矩形リブ変換部を形成することができる。矩形リブ変換部については、後述する。
この場合には、入射部31や出射部36にリブ型導波路を用いるか、入射部31と分波部32との間、又は合波部35と出射部36との間に、矩形リブ変換部を形成することができる。矩形リブ変換部については、後述する。
二手に分かれた各アーム33,34に位置する位相変化部33a,34aには、たとえば、上述の本発明の実施形態に係る光学素子を用いた光位相変調器が用いられる。
図11A及び11Bに示す例においては、両方のアーム33,34に位相変化部33a,34aが設けられている。これにより、チャープ低減動作などが可能である。単純な強度変調であれば、片側のアームにのみ、位相変化部を設けることも可能である。これにより、製造コストや、電圧印加用の端子の削減、さらには制御の簡略化により、低コスト化を図ることができる。
図11A及び11Bに示す例においては、両方のアーム33,34に位相変化部33a,34aが設けられている。これにより、チャープ低減動作などが可能である。単純な強度変調であれば、片側のアームにのみ、位相変化部を設けることも可能である。これにより、製造コストや、電圧印加用の端子の削減、さらには制御の簡略化により、低コスト化を図ることができる。
本発明の各実施形態に係る光学素子を、マッハツェンダ型光導波路素子30に適用する場合には、少なくとも、その位相変化部33a,34aにリブ型導波路として用いる。そして、実施形態1~6に示したように、リブ部37とその両側のスラブ部38,38にP型領域、N型領域、及びアンドープ領域と、逆バイアスを印加するための電極とを形成する。
位相変化部33a,34a以外の光導波路には、適宜ドーピングをしてもよいが、ドーピングをしなくてもよい。本発明の各実施形態に係る光学素子を、一方のアーム33,34に用いてもよく、両方のアーム33,34に用いてもよい。
位相変化部33a,34a以外の光導波路には、適宜ドーピングをしてもよいが、ドーピングをしなくてもよい。本発明の各実施形態に係る光学素子を、一方のアーム33,34に用いてもよく、両方のアーム33,34に用いてもよい。
本実施形態では、図11Aに示すように、各アーム33,34において、分波部32と位相変化部33a,34aとの間、及び位相変化部33a,34aと合波部35との間に、矩形リブ変換部39が設けられている。
矩形リブ変換部39は、図11Bに示すように、矩形型導波路の両側方から連続的にスラブ部38が形成されて、光の導波方向に沿って連続的に、スラブ部38の幅が広く(又は狭く)なっている。矩形リブ変換部39の導波方向の長さは、矩形型導波路からリブ型導波路への導波モードの変換が、断熱的に行われるために十分な長さであることが好ましい。実際には、図11Bの右側においてスラブ部38が広い領域では、スラブ部38が狭い領域よりもモード形状の変化が小さいため、スラブ部38の幅の広がり方をより急峻にすることが可能である。これにより、矩形リブ変換部39の長さを低減することが可能である。
矩形リブ変換部39は、図11Bに示すように、矩形型導波路の両側方から連続的にスラブ部38が形成されて、光の導波方向に沿って連続的に、スラブ部38の幅が広く(又は狭く)なっている。矩形リブ変換部39の導波方向の長さは、矩形型導波路からリブ型導波路への導波モードの変換が、断熱的に行われるために十分な長さであることが好ましい。実際には、図11Bの右側においてスラブ部38が広い領域では、スラブ部38が狭い領域よりもモード形状の変化が小さいため、スラブ部38の幅の広がり方をより急峻にすることが可能である。これにより、矩形リブ変換部39の長さを低減することが可能である。
位相変化部33a,34aは、例えば、図12A、図12B、図15A又は図15Bに示すように構成することができる。
位相変化部33a,34aの各部は、実施形態1で例示した各種の材料で構成することができる。具体例としては、基板2、及び各アーム33,34のコアには、シリコン(Si)を用い、下部クラッド3、及び上部クラッド5には、シリカ(SiO2)を用いることができる。
位相変化部33a,34aの各部は、実施形態1で例示した各種の材料で構成することができる。具体例としては、基板2、及び各アーム33,34のコアには、シリコン(Si)を用い、下部クラッド3、及び上部クラッド5には、シリカ(SiO2)を用いることができる。
本実施形態においては、位相変化部が2つのアーム33,34の両方に配置されている。図12A、及び図12Bの間では、2つの位相変化部におけるP型領域とN型領域との位置関係が、逆転している。
つまり、図12Aの場合、両アーム33,34間に配置されるドーピング領域が、いずれもN型領域である。たとえば、位相変化部33a,34aに、図1Aの光学素子1を用いた場合には、位相変化部33a,34aの各第二スラブ部12が両アーム33,34間に配置される。アーム33,34の外側に配置されるドーピング領域は、いずれもP型領域である。
一方、図12Bの場合、両アーム33,34間に配置されるドーピング領域が、いずれもP型領域である。たとえば、位相変化部33a,34aに、図1Aの光学素子1を用いた場合には、位相変化部33a,34aの各第一スラブ部11が両アーム33,34間に配置される。アーム33,34の外側に配置されるドーピング領域は、いずれもN型領域である。
このように、両アーム33,34間に配置された2つのスラブ部が、同種(P型領域又はN型領域のいずれか一方)のドーピング領域を有することにより、両アーム33,34間の2つのスラブ部に共通の電極を接続することができる。
つまり、図12Aの場合、両アーム33,34間に配置されるドーピング領域が、いずれもN型領域である。たとえば、位相変化部33a,34aに、図1Aの光学素子1を用いた場合には、位相変化部33a,34aの各第二スラブ部12が両アーム33,34間に配置される。アーム33,34の外側に配置されるドーピング領域は、いずれもP型領域である。
一方、図12Bの場合、両アーム33,34間に配置されるドーピング領域が、いずれもP型領域である。たとえば、位相変化部33a,34aに、図1Aの光学素子1を用いた場合には、位相変化部33a,34aの各第一スラブ部11が両アーム33,34間に配置される。アーム33,34の外側に配置されるドーピング領域は、いずれもN型領域である。
このように、両アーム33,34間に配置された2つのスラブ部が、同種(P型領域又はN型領域のいずれか一方)のドーピング領域を有することにより、両アーム33,34間の2つのスラブ部に共通の電極を接続することができる。
図12Aの場合、両アーム33,34間(内側)に共通のGNDを配置し、外側に、それぞれの位相変化部33a,34aを駆動するSignal電極を配置することができる。この場合、内側のN型領域に接続される電極がGNDであるので、逆バイアス電圧を印加するためには、外側のP型領域に接続されるSignal電極に負電圧を印加する。図12Aの図示とは反対に、内側にSignal電極を配置し、外側にGNDを配置した場合、逆バイアス電圧を印加するためには、Signal電極に正電圧を印加する。
図12Bの場合、内側のP型領域に接続される電極がGNDであるので、逆バイアス電圧を印加するためには、外側のN型領域に接続されるSignal電極に正電圧を印加する。図12Bの図示とは反対に、内側にSignal電極を配置し、外側GNDを配置した場合、逆バイアス電圧を印加するためには、Signal電極に負電圧を駆動する。
高周波特性を高めるため、図3を参照して説明したように、進行波電極構造を用いることが可能である。例えば、図13に示すように、導波路長手方向に沿って電極を配置し、さらにSignal電極の外側に別のGNDを配置し、電極及び電極間の幅を適宜調整することで、コプレーナ線路を構成することができる。この場合は、より高速な伝送が可能になる。
デバイスを構成する場合には、パッケージングを考慮して、各端部が図14に示すように、周囲に引き延ばされるように各電極を配置することができる。この際に、各電極の断面構造を均一に延長することにより、インピーダンスを一定にし、不要な反射を引き起こさずに駆動信号を伝送することが可能である。
デバイスを構成する場合には、パッケージングを考慮して、各端部が図14に示すように、周囲に引き延ばされるように各電極を配置することができる。この際に、各電極の断面構造を均一に延長することにより、インピーダンスを一定にし、不要な反射を引き起こさずに駆動信号を伝送することが可能である。
図12A~14では、アーム33,34間に共通の電極を配置した構造を挙げたが、別の構造として、アーム33,34間に電極を2つ配置して、2つの位相変化部33a,34aを独立に駆動することも可能である。この場合、2つの位相変化部33a,34aに印加する電圧のカップリングを低減することができる。
さらに別の構造として、図15A及び15Bに示すように、コアのドーピング領域の極性を、左から右へ、PNPN、又はNPNPの順にすることもできる。
図15A、及び図15Bでは、N型領域に接続される電極をGNDとしているので、逆バイアス電圧を印加するためには、P型領域に接続されるSignal電極に負電圧を印加する。これらの図示例とは反対に、P型領域に接続される電極がGNDである場合、逆バイアス電圧を印加するためには、N型領域に接続されるSignal電極に正電圧を印加する。
図15A、及び図15Bでは、N型領域に接続される電極をGNDとしているので、逆バイアス電圧を印加するためには、P型領域に接続されるSignal電極に負電圧を印加する。これらの図示例とは反対に、P型領域に接続される電極がGNDである場合、逆バイアス電圧を印加するためには、N型領域に接続されるSignal電極に正電圧を印加する。
<マッハツェンダ型光変調器の光路長調整部>
マッハツェンダ型光変調器を構成する際、製造誤差のために、一般には2つのアーム間の光路長にわずかな差が生じる。また、この光路長差は、温度により変化するため、環境温度の変化に対して、光路長差を調整することが望ましい。アームの光路長を調整する手段として、前述の実施形態1~6に示したような、逆バイアス電圧を印加可能にした各位相変化部において、DC(直流)成分を変化させることでも、光路長を調整することが可能である。
マッハツェンダ型光変調器を構成する際、製造誤差のために、一般には2つのアーム間の光路長にわずかな差が生じる。また、この光路長差は、温度により変化するため、環境温度の変化に対して、光路長差を調整することが望ましい。アームの光路長を調整する手段として、前述の実施形態1~6に示したような、逆バイアス電圧を印加可能にした各位相変化部において、DC(直流)成分を変化させることでも、光路長を調整することが可能である。
しかしながら、DC成分を変化させれば、同時にAC(交流)成分も影響を受けるため、例えば両アームで同一の特性を得ることが好ましいプッシュプル動作には上記の手段が適さない場合もある。このため、図16に示すように、アーム33,34に、位相変化部33a,34aとは別に、光路長調整部33b,34bを設けることが可能である。
図16では、2つに分かれたアーム33,34に、各々光路長調整部33b,34bを設けている。光路長調整部33b,34bは、温度変化等の環境条件に応じてアームの光路長を調整できればよく、高周波特性や高速動作が要求されない。このため、光路長調整部33b,34bは、逆バイアス電圧の印加により制御される構成に限られず、熱光学効果を用いた位相変調手段によって構成することも可能である。
図16では、2つに分かれたアーム33,34に、各々光路長調整部33b,34bを設けている。光路長調整部33b,34bは、温度変化等の環境条件に応じてアームの光路長を調整できればよく、高周波特性や高速動作が要求されない。このため、光路長調整部33b,34bは、逆バイアス電圧の印加により制御される構成に限られず、熱光学効果を用いた位相変調手段によって構成することも可能である。
熱光学効果を用いた位相変調手段の具体例としては、光導波路の周囲に、電熱線として機能するニクロムの蒸着や、不純物を添加したシリコンなどの導電部を設け、光導波路の温度調整が可能なように構成したものが挙げられる。導電部は、クラッドの外側(例えば上部クラッドの上)に設けることもでき、また、導波光の分布する領域から離れていれば、スラブ部に設けることもできる。また、導電部は、光導波路の長手方向に沿って所定の長さを有するように設けることが好ましい。
熱光学効果を用いた光路長調整部33b,34bは、高速動作には適さないが、キャリア吸収による損失がないため、低損失な光路長調整部を形成することが可能である。
また、図16では両方のアーム33,34に光路長調整部33b,34bを設けているが、一方のアームのみに光路長調整部を設けることも可能である。
熱光学効果を用いた光路長調整部33b,34bは、高速動作には適さないが、キャリア吸収による損失がないため、低損失な光路長調整部を形成することが可能である。
また、図16では両方のアーム33,34に光路長調整部33b,34bを設けているが、一方のアームのみに光路長調整部を設けることも可能である。
以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
上述の実施形態では、リブが上方に突出した断面構造を有しているが、リブが下方に突出した断面構造や、リブが上下両方に突出した断面構造を採用することもできる。これら断面構造においても、同様にリブの内部にPN接合部とアンドープ領域を設けることで、アンドープ領域にキャリアが拡散し、電圧印加によりキャリア密度の変化する領域の割合を高めることができ、リブが上方に突出した断面構造と同様の効果を奏する。
上述の実施形態では、リブが上方に突出した断面構造を有しているが、リブが下方に突出した断面構造や、リブが上下両方に突出した断面構造を採用することもできる。これら断面構造においても、同様にリブの内部にPN接合部とアンドープ領域を設けることで、アンドープ領域にキャリアが拡散し、電圧印加によりキャリア密度の変化する領域の割合を高めることができ、リブが上方に突出した断面構造と同様の効果を奏する。
以下、本発明の一実施例を説明する。
<シミュレーションによる比較>
図18に、シミュレーション(実施例1)で用いた光導波路の断面構造を示す。リブ部10の幅はWr=600nm、リブ厚はTr=220nm、スラブ厚はTs=90nm、スラブからリブが突出する高さはTr-Ts=130nmとした。
コア4はシリコン(Si)からなり、コア4の上下は、それぞれシリカ(SiO2)からなる上部クラッド5、及び下部クラッド3で覆われる構造とした。
また、コア4のドーピングは、コア4の下面からスラブ厚Tsに等しい90nmまでの範囲で設けられるものとし、ドーピング濃度は、P型領域13で5×1017/cm3、N型領域14で2×1017/cm3とした。
電極7,8とのコンタクトをとる接触部11a,12aは、P+領域、N+領域ともに1×1020/cm3の高濃度ドーピング領域で形成され、導波光の分布する領域から十分に離れるよう、リブ端からWs=600nmの距離だけ、電極7,8寄りに配置した。この場合、接触部11a,12aとPN接合部15との距離は、Ws+(Wr/2)=900nmである。接触部11a,12aの幅はWo=4000nm、電極7,8の幅はWe=1000nmとした。
実施例1では、実施形態1に即して、図19Aに示すように、リブ部10の下部に、その下面からスラブ厚Tsと同じ高さまでドーピングし、その上方にはイントリンシック・シリコンからなるアンドープ領域16を配置した。
比較例1では、特許文献1に即して、図19Bに示すように、P型及びN型のドーピング領域を、リブの下面から上端まで、同じ濃度で配置した。ドーピング濃度は、実施例1と同じ(P型は5×1017/cm3、N型は2×1017/cm3)とした。
図18に、シミュレーション(実施例1)で用いた光導波路の断面構造を示す。リブ部10の幅はWr=600nm、リブ厚はTr=220nm、スラブ厚はTs=90nm、スラブからリブが突出する高さはTr-Ts=130nmとした。
コア4はシリコン(Si)からなり、コア4の上下は、それぞれシリカ(SiO2)からなる上部クラッド5、及び下部クラッド3で覆われる構造とした。
また、コア4のドーピングは、コア4の下面からスラブ厚Tsに等しい90nmまでの範囲で設けられるものとし、ドーピング濃度は、P型領域13で5×1017/cm3、N型領域14で2×1017/cm3とした。
電極7,8とのコンタクトをとる接触部11a,12aは、P+領域、N+領域ともに1×1020/cm3の高濃度ドーピング領域で形成され、導波光の分布する領域から十分に離れるよう、リブ端からWs=600nmの距離だけ、電極7,8寄りに配置した。この場合、接触部11a,12aとPN接合部15との距離は、Ws+(Wr/2)=900nmである。接触部11a,12aの幅はWo=4000nm、電極7,8の幅はWe=1000nmとした。
実施例1では、実施形態1に即して、図19Aに示すように、リブ部10の下部に、その下面からスラブ厚Tsと同じ高さまでドーピングし、その上方にはイントリンシック・シリコンからなるアンドープ領域16を配置した。
比較例1では、特許文献1に即して、図19Bに示すように、P型及びN型のドーピング領域を、リブの下面から上端まで、同じ濃度で配置した。ドーピング濃度は、実施例1と同じ(P型は5×1017/cm3、N型は2×1017/cm3)とした。
(シミュレーション方法)
シミュレーションは、次の手順により行った。
1. 所定のバイアス電圧ごとにキャリア密度分布の変化を求めた。この計算には、Silvaco社製のシミュレータATLASを利用した。
2. 1.で得られたキャリア密度分布から、上記の(式1)及び(式2)を用いてキャリア密度を複素屈折率に変換した。
3. 2.で得られた複素屈折率分布から、光導波路の実効屈折率と実効吸光係数を求めた。この計算には、Rsoft社製シミュレータBeamPropを利用した。
シミュレーションは、次の手順により行った。
1. 所定のバイアス電圧ごとにキャリア密度分布の変化を求めた。この計算には、Silvaco社製のシミュレータATLASを利用した。
2. 1.で得られたキャリア密度分布から、上記の(式1)及び(式2)を用いてキャリア密度を複素屈折率に変換した。
3. 2.で得られた複素屈折率分布から、光導波路の実効屈折率と実効吸光係数を求めた。この計算には、Rsoft社製シミュレータBeamPropを利用した。
(挿入損失のシミュレーション)
前述のシミュレーション方法の手順1.~3.に従い、次の条件における位相変化部の損失についてシミュレーションを行った。
前述のシミュレーション方法の手順1.~3.に従い、次の条件における位相変化部の損失についてシミュレーションを行った。
必要位相変化量:0.5π
動作電圧(Bias):0~-4V
動作電圧(Bias):0~-4V
この場合、上述の(式6)及び(式7)により説明したように、波長、及び導波路長が定まれば、導波路損失に対する実効屈折率変化の代わりに、導波路損失に対する位相変化量を、指標として用いることができる。そこで、本シミュレーションでは、波長を1550nm、導波路長は0.5πの位相変化量が得られる長さと定める。
単位長さ当たりの位相変化量と、導波路損失(-4Vバイアス時)、及び導波路損失の変化(動作電圧0~-4Vの間での挿入損失の変動幅)を求めると、それぞれ表1のとおりになる。
単位長さ当たりの位相変化量と、導波路損失(-4Vバイアス時)、及び導波路損失の変化(動作電圧0~-4Vの間での挿入損失の変動幅)を求めると、それぞれ表1のとおりになる。
ただし、表1の導波路損失は、キャリアの吸収による損失のみを考慮しており、実デバイスで発生するその他の損失、例えば材料の吸収や、コア-クラッド境界での微細な凹凸における導波路の散乱などによる損失については考慮していない。
そこで、実デバイスにおける実測値を勘案して、上記結果に損失量0.06dBを加えて、“全影響を含む導波路損失”を求めた。その結果を、導波路損失(total)として表2に示す。
そこで、実デバイスにおける実測値を勘案して、上記結果に損失量0.06dBを加えて、“全影響を含む導波路損失”を求めた。その結果を、導波路損失(total)として表2に示す。
表1に示す単位長さ当たりの位相変化量より、目的とする0.5πシフトに必要な導波路長を求めることができる。そこで、0.5πシフトに最適な導波路長を有する位相変化部を設計し、導波路長、導波路損失、及び導波路損失の変化を求めた。それぞれの結果を表3に示す。
表3に示す結果より、本実施例1によれば、比較例1に比べて、同じ位相変化量に対して、挿入損失の低減、及び動作時の損失変化が低減されている。
(応答速度のシミュレーション)
次に、応答速度について、シミュレーションを行った。
応答速度は、急激な電圧変化を与えたときに、変化後のバイアス電圧に応じた屈折率変化が得られるまでに要する時間として求めることができる。
前述のシミュレーション方法と同様に、Silvaco社製のシミュレータATLASを利用して計算したキャリア密度分布を基に、Rsoft社製シミュレータBeamPropを利用して導波モードの実効屈折率と実効吸光係数とを求めた。
次に、応答速度について、シミュレーションを行った。
応答速度は、急激な電圧変化を与えたときに、変化後のバイアス電圧に応じた屈折率変化が得られるまでに要する時間として求めることができる。
前述のシミュレーション方法と同様に、Silvaco社製のシミュレータATLASを利用して計算したキャリア密度分布を基に、Rsoft社製シミュレータBeamPropを利用して導波モードの実効屈折率と実効吸光係数とを求めた。
図20に、バイアス電圧を0Vから-4Vへ変化させた際の(Ramp on)の実効屈折率neffの変化を、また、図21に、バイアス電圧を-4Vから0Vへ変化させた際の(Ramp off)の実効屈折率neffの変化を、それぞれ示す。図20~21において、横軸は、急激な電圧変化を与えた時点を0(ps)とした経過時間を表す。また、縦軸は、屈折率が低い0V印加時の実効屈折率を0、屈折率が高い-4V印加時の実効屈折率を1として、正規化した実効屈折率neffを表す。
応答時間を見積もるため、正規化した実効屈折率が、10%と90%の間で(0.1から0.9まで、又は0.9から0.1まで)の変化に要する時間を比較すると、それぞれ表4のとおりになる。
応答時間を見積もるため、正規化した実効屈折率が、10%と90%の間で(0.1から0.9まで、又は0.9から0.1まで)の変化に要する時間を比較すると、それぞれ表4のとおりになる。
図20~21、及び表3に示す結果より、本実施例1によれば、比較例1に比べて、応答時間が短く、一層の高速化を実現する高速動作可能なデバイスを実現できることが分かった。
(キャリア分布のシミュレーション)
前述のシミュレーション方法の1.で行ったキャリア分布の計算結果を、実施例1については図22A~23Bに、比較例1については図24A~25Bに示す。なお、上述したように、リブ幅は600nm、リブ厚は220nm、スラブ厚は90nmである。図22A~25Bの縦と横の縮尺は異なる。
実施例1によれば、図22A~23Bに示すように、リブ上部のアンドープ領域においても、キャリア密度の変化が起こり、リブ全体にわたって大きなキャリア密度の変化が生じていることが分かる。また、比較例1の場合、図24A~25Bに示すように、逆バイアス印加時のキャリア密度の変化は、相対的に、リブの上端と下端において大きく、リブ中央部において小さいことが分かる。
前述のシミュレーション方法の1.で行ったキャリア分布の計算結果を、実施例1については図22A~23Bに、比較例1については図24A~25Bに示す。なお、上述したように、リブ幅は600nm、リブ厚は220nm、スラブ厚は90nmである。図22A~25Bの縦と横の縮尺は異なる。
実施例1によれば、図22A~23Bに示すように、リブ上部のアンドープ領域においても、キャリア密度の変化が起こり、リブ全体にわたって大きなキャリア密度の変化が生じていることが分かる。また、比較例1の場合、図24A~25Bに示すように、逆バイアス印加時のキャリア密度の変化は、相対的に、リブの上端と下端において大きく、リブ中央部において小さいことが分かる。
<作製したデバイスの実測による比較>
実施形態1に係るデバイス(実施例2)を、図2Aに示す断面構造を有するように作製した。リブ幅が600nmであり、リブ厚は220nm、スラブ厚は95nmである。
製造方法は、図4A~4Fに示すように、次の工程(1)~(6)を行うものである。
(1)SOI基板を用意し、その上部のSi層が220nmとなるようにCMP研磨で基板を研磨する。
(2)N型領域が形成される領域をマスクで覆い、P型ドーパントとして、をドーズ量5×1012/cm3、注入エネルギー40eVにてホウ素(B)のインプラントを行い、スラブ厚に対応する高さ範囲のみがドーピングされるように、P型領域を形成する。
(3)P型領域を形成した領域をマスクで覆い、N型ドーパントとして、ドーズ量3×1012/cm3、注入エネルギー110eVにてリン(P)のインプラントを行い、スラブ厚に対応する高さ範囲のみがドーピングされるように、N型領域を形成する。
(4)エッチングにより断面においてリブを有するコアを形成した後、スラブ部の上部に高濃度ドーピング領域を、ドーピングにより形成する。
(5)コアの上に、SiO2をデポジションして上部クラッドを形成する。
(6)上部クラッドにコンタクトホールを形成した後、形成したコンタクトホールをスパッタによりアルミニウム(Al)で充填し、電極を形成する。
実施形態1に係るデバイス(実施例2)を、図2Aに示す断面構造を有するように作製した。リブ幅が600nmであり、リブ厚は220nm、スラブ厚は95nmである。
製造方法は、図4A~4Fに示すように、次の工程(1)~(6)を行うものである。
(1)SOI基板を用意し、その上部のSi層が220nmとなるようにCMP研磨で基板を研磨する。
(2)N型領域が形成される領域をマスクで覆い、P型ドーパントとして、をドーズ量5×1012/cm3、注入エネルギー40eVにてホウ素(B)のインプラントを行い、スラブ厚に対応する高さ範囲のみがドーピングされるように、P型領域を形成する。
(3)P型領域を形成した領域をマスクで覆い、N型ドーパントとして、ドーズ量3×1012/cm3、注入エネルギー110eVにてリン(P)のインプラントを行い、スラブ厚に対応する高さ範囲のみがドーピングされるように、N型領域を形成する。
(4)エッチングにより断面においてリブを有するコアを形成した後、スラブ部の上部に高濃度ドーピング領域を、ドーピングにより形成する。
(5)コアの上に、SiO2をデポジションして上部クラッドを形成する。
(6)上部クラッドにコンタクトホールを形成した後、形成したコンタクトホールをスパッタによりアルミニウム(Al)で充填し、電極を形成する。
実施例2では、(4)のエッチングによって、図19Aに示すように、リブの上部にアンドープ領域が設けられるように、(2)及び(3)の注入エネルギーを調整した。
また、比較例2では、図19Bに示すように、リブ上端までドープされるように、(2)及び(3)の注入エネルギーを調整した。
また、比較例2では、図19Bに示すように、リブ上端までドープされるように、(2)及び(3)の注入エネルギーを調整した。
作製したデバイスについて、DCバイアスを印加し、デバイスの位相変化量と導波路損失とを測定した。上述した(式6)及び(式7)に示すように、実効屈折率変化を調べる代わりに、単位長さ当たりの位相変化量を測定することで、位相変調の効率を考察することができる。
測定条件は、バイアス電圧0~-4V、波長1550nmである。得られた。測定値を導波路長で除算することにより、単位長さ当たりの位相変化量と導波路損失とを求めた。その結果を、表5に示す。
測定条件は、バイアス電圧0~-4V、波長1550nmである。得られた。測定値を導波路長で除算することにより、単位長さ当たりの位相変化量と導波路損失とを求めた。その結果を、表5に示す。
さらに、要求される位相変化量がπラジアンのときに必要な導波路長、及び導波路損失を求めると、それぞれ表6のとおりになる。
表6に示す結果より、本実施例2によれば、比較例2に比べて、同じ位相変化量に対する導波路損失が低く、低損失化が可能であることが分かる。
本発明の態様によれば、キャリア密度の変化による光の損失の変化量を低減し、また、挿入損失を低減することが可能な光学素子及びこれを用いたマッハツェンダ型光導波路素子を提供できる。
1…光学素子(光位相変調器等)
2…基板
3…下部クラッド
4…コア
5…上部クラッド
6…光導波路
7,8…電極
10…リブ部
11…第一スラブ部
12…第二スラブ部
13,13a,13b…P型領域
14,14a,14b…N型領域
15…PN接合部
16…アンドープ領域
20…積層基板
21…単結晶半導体層
22,24…マスク
23,25…注入イオン
30…マッハツェンダ型光導波路素子(光変調器等)
31…入射部
32…分波部
33,34…アーム
35…合波部
36…出射部
37…リブ部
38…スラブ部
39…矩形リブ変換部。
2…基板
3…下部クラッド
4…コア
5…上部クラッド
6…光導波路
7,8…電極
10…リブ部
11…第一スラブ部
12…第二スラブ部
13,13a,13b…P型領域
14,14a,14b…N型領域
15…PN接合部
16…アンドープ領域
20…積層基板
21…単結晶半導体層
22,24…マスク
23,25…注入イオン
30…マッハツェンダ型光導波路素子(光変調器等)
31…入射部
32…分波部
33,34…アーム
35…合波部
36…出射部
37…リブ部
38…スラブ部
39…矩形リブ変換部。
Claims (12)
- リブ部と、前記リブ部を挟んでその両側に位置し、かつ前記リブ部よりも厚みの薄い第一及び第二スラブ部と、から形成されたコアを有する光導波路を備える光学素子であって、
前記コアの、前記リブ部と前記第一及び第二スラブ部とは半導体単結晶により一体に形成され、
前記第一スラブ部は、P型にドープされたP型領域を有し、
前記第二スラブ部は、N型にドープされたN型領域を有し、
前記リブ部は、前記第一スラブ部に設けられたP型領域に接しているP型領域と、前記第二スラブ部に設けられたN型領域に接しているN型領域とを有し、
前記リブ部のP型領域とN型領域とが互いに接することによりPN接合部を構成し、
前記リブ部は、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記第一及び第二スラブ部よりも上方に位置する上端部を有し、
前記リブ部の上端部は、イントリンシック領域及び隣接する前記P型領域又はN型領域のドーパント濃度の1/10以下のドーパント濃度でドープされた低濃度ドーピング領域の一方から形成されるアンドープ領域を有する光学素子。 - 前記リブ部におけるP型領域とN型領域との境界が、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記コアの下面に垂直である請求項1に記載の光学素子。
- 前記リブ部のP型領域は、前記第一スラブ部と同じ高さに位置し、
前記リブ部のN型領域は、前記第二スラブ部と同じ高さに位置する請求項1又は2に記載の光学素子。 - 前記リブ部のP型領域は、前記第一スラブ部の上面よりも高い位置まで延在し、
前記リブ部のN型領域は、前記第二スラブ部の上面よりも高い位置まで延在している請求項1又は2に記載の光学素子。 - 前記第一スラブ部のP型領域及び前記リブ部のP型領域で形成される全P型領域のドーパント濃度が、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記PN接合部に向かって減少し、
前記第二スラブ部のN型領域及び前記リブ部のN型領域で形成される全N型領域のドーパント濃度が、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記PN接合部に向かって減少している請求項1~4のいずれかに記載の光学素子。 - 前記全P型領域は、ドーパント濃度が異なる2以上の領域を有し、
前記全N型領域は、ドーパント濃度が異なる2以上の領域を有している請求項5に記載の光学素子。 - 金属からなる第一電極及び第二電極をさらに備え、
前記第一スラブ部のP型領域は、前記第一電極に接続され、前記第一スラブ部のP型領域のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を有するP+領域を有し、
前記第二スラブ部のN型領域は、前記第二電極に接続され、前記第二スラブ部のN型領域のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を有するN+領域を有する請求項1~6のいずれかに記載の光学素子。 - 前記第一電極及び前記第二電極が、前記光導波路の長手方向に沿って連続して形成された進行波型電極である請求項7に記載の光学素子。
- 前記進行波型電極は、コプレーナ線路型電極、又はスロット線路型電極を構成する請求項8に記載の光学素子。
- 2つのアームが同一の基板上に集積されたマッハツェンダ型光導波路素子であって、
請求項1~9のいずれかに記載の光学素子が、少なくとも前記2つのアームの一方の光導波路に用いられているマッハツェンダ型光導波路素子。 - 2つのアームが同一の基板上に集積されたマッハツェンダ型光導波路素子であって、
請求項1~9のいずれかに記載の光学素子が、前記2つのアームの各光導波路に用いられ、
前記各光導波路に用いられた前記各光学素子の前記第一スラブ部が前記2つのアーム間に配されているか、又は、前記各光学素子の前記第二スラブ部が前記2つのアーム間に配されているマッハツェンダ型光導波路素子。 - 前記光導波路は、その長手方向においてその始点と終点とが接続されてリング形状を形成している請求項1~6に記載の光学素子。
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Cited By (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014103432A1 (ja) * | 2012-12-27 | 2014-07-03 | 株式会社フジクラ | 光導波路素子及び光変調器 |
CN105487263A (zh) * | 2014-06-30 | 2016-04-13 | 硅光电科技股份有限公司 | 硅基脊型波导调制器及其制造方法 |
WO2017022246A1 (ja) * | 2015-08-04 | 2017-02-09 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
JP2017111338A (ja) * | 2015-12-17 | 2017-06-22 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
JP2017156648A (ja) * | 2016-03-03 | 2017-09-07 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
WO2017159782A1 (ja) * | 2016-03-18 | 2017-09-21 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
JP2017211607A (ja) * | 2016-05-27 | 2017-11-30 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
JP2018010028A (ja) * | 2016-07-11 | 2018-01-18 | 日本電信電話株式会社 | 光集積回路および光集積回路の製造方法 |
JP2018506745A (ja) * | 2015-02-24 | 2018-03-08 | 華為技術有限公司Huawei Technologies Co.,Ltd. | 改善されたスイッチング効率を有する光スイッチ |
JP2018097093A (ja) * | 2016-12-09 | 2018-06-21 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
JP2018128506A (ja) * | 2017-02-06 | 2018-08-16 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
JPWO2018043317A1 (ja) * | 2016-08-29 | 2019-01-31 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
WO2019049681A1 (ja) * | 2017-09-08 | 2019-03-14 | 技術研究組合光電子融合基盤技術研究所 | 光変調器及びその製造方法 |
WO2019202894A1 (ja) * | 2018-04-19 | 2019-10-24 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
CN113960817A (zh) * | 2020-12-02 | 2022-01-21 | 联合微电子中心有限责任公司 | 硅光调制器及其形成方法 |
Families Citing this family (29)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014236093A (ja) * | 2013-05-31 | 2014-12-15 | サンケン電気株式会社 | シリコン系基板、半導体装置、及び、半導体装置の製造方法 |
US9891451B2 (en) * | 2014-06-30 | 2018-02-13 | Sifotonics Technologies Co., Ltd. | Rib-type waveguide silicon modulators and optical devices |
SG11201704080YA (en) | 2014-12-09 | 2017-06-29 | Nippon Telegraph & Telephone | Optical modulator |
GB2552618B (en) * | 2015-03-05 | 2021-07-28 | Rockley Photonics Ltd | Waveguide modulator structures |
US11150494B2 (en) | 2015-03-05 | 2021-10-19 | Rockley Photonics Limited | Waveguide modulator structures |
US9632390B1 (en) * | 2015-03-06 | 2017-04-25 | Inphi Corporation | Balanced Mach-Zehnder modulator |
US20160334650A1 (en) * | 2015-05-11 | 2016-11-17 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Tunable Wavelength-Flattening Element For Switch Carrying Multiple Wavelengths Per Lightpath |
GB2566781B (en) | 2015-11-12 | 2020-06-03 | Rockley Photonics Ltd | An optoelectronic component |
EP3432058B1 (en) * | 2016-03-18 | 2020-08-05 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Optical modulator |
US10101630B2 (en) * | 2016-04-28 | 2018-10-16 | Analog Photonic Llc | Optical waveguide device |
JP2017207552A (ja) * | 2016-05-16 | 2017-11-24 | 株式会社フジクラ | 基板型光導波路及び基板型光変調器 |
CN105974613B (zh) * | 2016-07-15 | 2019-01-25 | 北京大学 | 电光集总调制器 |
JP2018036399A (ja) * | 2016-08-30 | 2018-03-08 | 株式会社フジクラ | 基板型光導波路及び基板型光変調器 |
JP2018036398A (ja) * | 2016-08-30 | 2018-03-08 | 株式会社フジクラ | 基板型光導波路及び基板型光変調器 |
US11101256B2 (en) | 2016-11-23 | 2021-08-24 | Rockley Photonics Limited | Optical modulators |
GB2549606B (en) * | 2017-03-24 | 2019-09-04 | Rockley Photonics Ltd | Optical modulator |
US10330961B2 (en) * | 2017-04-28 | 2019-06-25 | Ciena Corporation | Optical modulator robust to fabrication errors |
US11049851B2 (en) * | 2017-06-08 | 2021-06-29 | Luxtera Llc | Method and system for selectively illuminated integrated photodetectors with configured launching and adaptive junction profile for bandwidth improvement |
GB2563278B (en) | 2017-06-09 | 2022-10-26 | Univ Southampton | Optoelectronic device and method of manufacturing thereof |
US10241354B1 (en) | 2018-03-14 | 2019-03-26 | International Business Machines Corporation | Electro-optic modulator with a periodic junction arrangement |
CN109324428B (zh) * | 2018-11-07 | 2021-11-12 | 三明学院 | 硅基电光调制器的调制臂长度设置方法及设备 |
JP7131425B2 (ja) * | 2019-02-19 | 2022-09-06 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
US11269201B2 (en) * | 2019-04-19 | 2022-03-08 | Source Photonics, Inc. | Multi-layer p-n junction based phase shifter and methods of manufacturing and using the same |
US10866440B1 (en) * | 2019-07-17 | 2020-12-15 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Optical modulator and package |
US10852570B1 (en) * | 2019-10-16 | 2020-12-01 | Inphi Corporation | Dual-slab-layer low-loss silicon optical modulator |
DE112021004502T5 (de) * | 2020-08-28 | 2023-08-10 | Polariton Technologies Ag | Eine plasmonische Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer plasmonischen Vorrichtung |
JP2022148652A (ja) * | 2021-03-24 | 2022-10-06 | 住友大阪セメント株式会社 | 光導波路素子、光変調器、光変調モジュール、及び光送信装置 |
CN117406471A (zh) * | 2022-07-07 | 2024-01-16 | 苏州湃矽科技有限公司 | 硅光调制器 |
US20240231132A9 (en) * | 2022-10-20 | 2024-07-11 | Nokia Solutions And Networks Oy | Silicon optical phase shifter with a series of p-n junctions |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006515082A (ja) * | 2003-03-25 | 2006-05-18 | シオプティカル インク. | 高速シリコン・ベース電気光学変調器 |
JP2013003236A (ja) * | 2011-06-14 | 2013-01-07 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光位相変調器 |
Family Cites Families (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6584239B1 (en) * | 1998-05-22 | 2003-06-24 | Bookham Technology Plc | Electro optic modulator |
GB2348293A (en) | 1999-03-25 | 2000-09-27 | Bookham Technology Ltd | Optical phase modulator |
GB2367142B (en) | 2000-08-11 | 2003-02-12 | Bookham Technology Plc | An electro optic device |
US7085443B1 (en) | 2003-08-15 | 2006-08-01 | Luxtera, Inc. | Doping profiles in PN diode optical modulators |
US7116853B2 (en) * | 2003-08-15 | 2006-10-03 | Luxtera, Inc. | PN diode optical modulators fabricated in rib waveguides |
US7136544B1 (en) * | 2003-08-15 | 2006-11-14 | Luxtera, Inc. | PN diode optical modulators fabricated in strip loaded waveguides |
US7187813B2 (en) * | 2005-01-20 | 2007-03-06 | Intel Corporation | Optical transistor |
FR2937427B1 (fr) * | 2008-10-17 | 2011-03-04 | Commissariat Energie Atomique | Procede de fabrication d'un modulateur electro-optique lateral sur silicium a zones implantees auto-alignees |
JP5565148B2 (ja) * | 2010-06-30 | 2014-08-06 | 富士通株式会社 | 半導体光素子 |
KR101070409B1 (ko) * | 2010-08-02 | 2011-10-06 | 한국전자통신연구원 | 마하-젠더 광 변조기 |
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2012
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2014
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Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006515082A (ja) * | 2003-03-25 | 2006-05-18 | シオプティカル インク. | 高速シリコン・ベース電気光学変調器 |
JP2013003236A (ja) * | 2011-06-14 | 2013-01-07 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光位相変調器 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
KAZUHIRO GOI ET AL.: "10 dB Extinction Ratio 10 Gbps Silicon Mach-Zehnder Modulator", NEN IEICE ELECTRONICS SOCIETY CONFERENCE, 20 September 2011 (2011-09-20), pages 170 * |
OGAWA K. ET AL.: "Silicon Mach-Zehnder Modulator of Extinction Ratio beyond 10dB at 10.0-12.5 Gbps", ECOC'2011 TECNICAL DIGEST, 19 September 2011 (2011-09-19), pages 1 - 3 * |
THOMSON D. J. ET AL.: "High speed silicon optical modulator with self aligned fabrication process", OPTICS EXPRESS, vol. 18, no. 18, 27 August 2010 (2010-08-27), pages 19064 - 19069 * |
Cited By (25)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9448425B2 (en) | 2012-12-27 | 2016-09-20 | Fujikura Ltd. | Optical waveguide element and optical modulator |
WO2014103432A1 (ja) * | 2012-12-27 | 2014-07-03 | 株式会社フジクラ | 光導波路素子及び光変調器 |
CN105487263A (zh) * | 2014-06-30 | 2016-04-13 | 硅光电科技股份有限公司 | 硅基脊型波导调制器及其制造方法 |
JP2018506745A (ja) * | 2015-02-24 | 2018-03-08 | 華為技術有限公司Huawei Technologies Co.,Ltd. | 改善されたスイッチング効率を有する光スイッチ |
WO2017022246A1 (ja) * | 2015-08-04 | 2017-02-09 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
US10317709B2 (en) | 2015-08-04 | 2019-06-11 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Optical modulator |
JPWO2017022246A1 (ja) * | 2015-08-04 | 2017-12-07 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
JP2017111338A (ja) * | 2015-12-17 | 2017-06-22 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
JP2017156648A (ja) * | 2016-03-03 | 2017-09-07 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
JPWO2017159782A1 (ja) * | 2016-03-18 | 2018-07-12 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
US10890787B2 (en) | 2016-03-18 | 2021-01-12 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Optical modulator |
WO2017159782A1 (ja) * | 2016-03-18 | 2017-09-21 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
JP2017211607A (ja) * | 2016-05-27 | 2017-11-30 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
JP2018010028A (ja) * | 2016-07-11 | 2018-01-18 | 日本電信電話株式会社 | 光集積回路および光集積回路の製造方法 |
US10775650B2 (en) | 2016-08-29 | 2020-09-15 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Optical modulator |
JPWO2018043317A1 (ja) * | 2016-08-29 | 2019-01-31 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
JP2018097093A (ja) * | 2016-12-09 | 2018-06-21 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
JP2018128506A (ja) * | 2017-02-06 | 2018-08-16 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
JP2019049612A (ja) * | 2017-09-08 | 2019-03-28 | 技術研究組合光電子融合基盤技術研究所 | 光変調器及びその製造方法 |
WO2019049681A1 (ja) * | 2017-09-08 | 2019-03-14 | 技術研究組合光電子融合基盤技術研究所 | 光変調器及びその製造方法 |
US11054675B2 (en) | 2017-09-08 | 2021-07-06 | Photonics Electronics Technology Research Association | Optical modulator and method for manufacturing the same |
JP2019191246A (ja) * | 2018-04-19 | 2019-10-31 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
WO2019202894A1 (ja) * | 2018-04-19 | 2019-10-24 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器 |
CN113960817A (zh) * | 2020-12-02 | 2022-01-21 | 联合微电子中心有限责任公司 | 硅光调制器及其形成方法 |
CN113960817B (zh) * | 2020-12-02 | 2024-07-19 | 联合微电子中心有限责任公司 | 硅光调制器及其形成方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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Legal Events
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121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
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ENP | Entry into the national phase |
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NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 12843249 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |