CN107003549B - 光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种光调制器，包括：基板、以及基板上的相位调制部，所述相位调制部包括：光波导、第一行波电极、以及第二行波电极，所述光波导包括：第一包层、半导体层、以及第二包层，所述半导体层层叠在第一包层上，并具有高于第一包层的折射率，所述第二包层层叠在半导体层上，并具有低于半导体层的折射率，半导体层具备：肋部，形成于光波导的光轴方向，作为光波导的芯；第一平板部，沿光轴方向形成于肋部的一侧；第二平板部，沿光轴方向形成于肋部的另一侧；第三平板部，沿光轴方向形成于第一平板部的与肋部相反侧；以及第四平板部，沿光轴方向形成于第二平板部的与肋部相反侧，第一平板部形成为比肋部和第三平板部薄，第二平板部形成为比肋部和第四平板部薄。

Description

光调制器
技术领域
本发明涉及一种用于光通信系统、光信息处理系统的光调制器，具体而言，涉及一种在低电压下工作且波导损耗小的马赫-曾德尔型光调制器。
背景技术
马赫-曾德尔型(MZ型)光调制器具有如下结构：通过光分路器将入射至光波导的光分路到两个波导，并在使分路后的光传播固定长度后，通过光合波器再次使其合波。在分路成两个的光波导分别设置有相位调制器，使传输至各光波导的光的相位变化，改变被合波的光的干涉条件，调制光的强度或者光的相位。
作为构成MZ型光调制器的光波导的材料，使用LiNbO3等电介质、InP、GaAs以及Si等半导体，通过配置于光波导附近的行波电极来对光波导施加电压，由此使光的相位变化。作为使光的相位变化的原理，主要使用LiNbO3的普克尔斯效应(Pockels Effect)、InP和GaAs的普克尔斯效应和量子限制斯塔克效应(Quantum Confined Stark Effect：QCSE)、Si的载流子等离子体效应(Carrier Plasma Effect)。
为了进行高速且低耗电的光通信，需要调制速度快、驱动电压低的光调制器。为了进行10Gbps以上的高速且几伏的振幅电压下的光调制，需要一种行波电极，该行波电极使高速的电信号与在相位调制器中传播的光的速度匹配，使其一边传输一边进行相互作用。目前，将行波电极的电极长度设为几毫米到几十毫米的光调制器已被投入使用(例如非专利文献1)。使用了行波电极的光调制器要求具有能不降低电信号、在波导中传播的光的强度地进行传输的低光损耗且反射少的电极结构以及光波导结构，以使。
此外，在MZ型光调制器中，存在由硅来构成光波导的硅光调制器。硅光调制器通过如下方法进行制作：由对Si基板的表面进行热氧化后的氧化膜(BOX)层上粘贴有Si薄膜的SOI(Silicon on Insulator)基板，加工出能使光在SOI层中进行波导的Si的细线，然后注入掺杂剂，以使加工出的细线成为p型/n型的半导体，并进行构成光的包层的SiO2的堆积、行波电极的形成等。此时，光的波导需要进行设计/加工，以使光损耗变小，加工出的细线的p型/n型的掺杂、以及行波电极的制作需要进行设计/加工，以将光的损耗发生抑制得较小，并且将高速电信号的反射、损耗抑制得较小。
图1是表示现有的MZ型光调制器100的构成的俯视透视图。MZ型光调制器100是硅光调制器，具备：输入光波导101、将从输入光波导101入射的光1：1分路的光分路器102、以及供来自光分路器102的光入射的光波导103和104。此外，MZ型光调制器100具备：对在光波导103中传输的光的相位进行调制的相位调制部111、对在光波导104中传输的光的相位进行调制的相位调制部112、传输来自相位调制部111的光的光波导105、以及传输来自相位调制部112的光的光波导106。此外，MZ型光调制器100具备：将来自光波导105和106的被调制了相位的光合波的光合波器107、以及将通过光合波器107合波后的光出射的输出光波导108。
相位调制部111具备沿x轴方向延伸的行波电极121和122、以及光波导123，通过对行波电极121和122施加电压，使在光波导123内进行波导的光的相位变化。此外，相位调制部112具备沿x轴方向延伸的行波电极124和125、以及光波导126，通过对行波电极124和125施加电压，使在光波导126内进行波导的光的相位变化。光波导123和126具有厚度存在差异的被称为肋波导的结构，由Si形成，上下形成有SiO2包层。
图2是图1所记载的现有的MZ型光调制器100的相位调制部111的沿II-II的剖视图。图2是相位调制部111的与光的波导方向(x轴方向)垂直方向(y-z平面)的剖视图，相位调制部111具备：Si基板201、以及形成在Si基板上的光波导123。光波导123具备：Si基板201上的第一SiO2包层202、第一SiO2包层202上的Si半导体层203、以及Si半导体层203上的第二SiO2包层204。Si半导体层203的两侧形成有第三包层205、206。需要说明的是，相位调制部112也采用同一构成。
光波导123采用肋波导的结构，在第一SiO2包层202与第二SiO2包层204之间，夹有供光进行波导的Si半导体层203。Si半导体层203具备：作为光波导123的芯的、中央的较厚的Si半导体层区域即肋部A0；以及配置于肋部A0的两侧的、比肋部A0薄的Si半导体层区域即第一平板部A1和第二平板部A2。光波导123利用Si半导体层203与周围的第一SiO2包层202和第二SiO2包层204的折射率差来限制光。
此外，行波电极121沿x轴方向形成于Si半导体层203的第一平板部A1的与肋部0相反侧的端部的上表面，行波电极122沿x轴方向形成于Si半导体层203的第二平板部A2的与肋部A0相反侧的端部的上表面。
硼(B)、磷(P)、砷(As)等原子通过离子注入等方式掺杂于Si，由此Si半导体层203具有导电性。此处，Si半导体层203由掺杂浓度不同的四个区域构成。Si半导体层203的第一平板部A1的与肋部A0相反侧的端部为高浓度p型半导体区域203-3，Si半导体层203的第二平板部A2的与肋部A0相反侧的端部为高浓度n型半导体区域203-4。此外，Si半导体层203的第一平板部A1的肋部A0侧、以及肋部A0的第一平板部A1侧为中浓度p型半导体区域203-1。此外，Si半导体层203的第二平板部A2的肋部A0侧、以及肋部A0的第二平板部A2侧为中浓度n型半导体区域203-2。
高浓度p型半导体区域203-3与中浓度p型半导体区域203-1的边界相接，高浓度n型半导体区域203-4与中浓度n型半导体区域203-2的边界也相接。这些边界可以互相重叠进行掺杂。此外，肋部A0为中浓度p型半导体区域203-1与中浓度n型半导体区域203-2相接的pn结结构。此外，作为其它例子，也可以采用在中浓度p型半导体区域203-1与中浓度n型半导体区域203-2之间夹有i型(本征)半导体区域的pin结结构。
行波电极121连接于高浓度p型半导体区域203-3，行波电极122连接于高浓度n型半导体区域203-4。通过行波电极121和122来对pn结部或pin结部施加反向偏置场，使Si半导体层203的肋部A0内部的载流子密度变化，改变Si半导体层203的折射率(载流子等离子体效应)，由此能调制光的相位。
由于Si半导体层203的尺寸取决于构成芯/包层的材料的折射率，因此无法唯一地确定。其中，举一个例子，在采用通常具备Si半导体层肋部A0以及两侧的平板部A1和A2的肋波导结构的情况下，Si半导体层203的尺寸为光波导123的芯宽(Si半导体层203的肋宽)400～600nm×高度150～300nm×平板厚度50～200nm×长度几mm左右。
此外，为了长距离传输调制后的光信号，光调制器要求光损耗少。在光波导内的掺杂为p型/n型的导电性半导体层，通过电子/空穴等载流子来吸收所传输的光的一部分，因此，为了抑制光损耗，需要以达到一定值以下的载流子浓度的方式设定掺杂条件。对于掺杂后的区域的载流子密度而言，在高浓度p型半导体区域203-3(p++)中，载流子密度约为1020[cm-3]左右，在中浓度p型半导体区域203-1(p+)中，载流子密度约为1017-18[cm-3]左右，在中浓度n型半导体区域203-2(n+)中，载流子密度约为1017-18[cm-3]左右，在高浓度n型半导体区域203-4(n++)中，载流子密度约为1020[cm-3]左右。
光被限制于折射率高于周围的SiO2包层202和204的Si半导体层203，沿图1的x轴正方向传输。高浓度p型半导体区域203-3和高浓度n型半导体区域203-4为了确保与行波电极的接触电阻少的导通，以及为了将构成Si半导体层203的半导体层自身的电阻抑制得较小而设置。另一方面，构成作为芯的肋部A0的中浓度p型半导体区域203-1和中浓度n型半导体区域203-2的载流子浓度设定为低于高浓度p型半导体区域203-3和高浓度n型半导体区域203-4。这是由于，通过掺杂产生的载流子会吸收光，因此必须降低掺杂浓度来减少光损耗。通过降低掺杂浓度，就光波导内的光损耗而言，相对于不进行掺杂的无源光波导为3dB/cm，能抑制为6dB/cm左右。在Si半导体层203的肋部A0中传播的光的场还会超出并分布于肋部A0的区域的外侧，因此，当接近肋部A0地配置高浓度p型半导体区域203-3和高浓度n型半导体区域203-4时，光波导123的光损耗会增加。因此，理想的是，以不使高浓度p型半导体区域203-3和高浓度n型半导体区域203-4接近肋部A0的方式，使高浓度p型半导体区域203-3与高浓度n型半导体区域203-4之间的距离wpn为1600nm以上。
为了实现调制速度快、低光损耗且驱动电压低的光调制器，需要实现能以不降低波导内的光的强度的方式传输光的低损耗且反射少的光波导结构、将工作频带高频化、以及降低相位反转电压Vπ。
此处，在MZ型光调制器中，调制效率通过相位反转电压Vπ×行波(相位调制)电极的长度L来求出。这样一来，当不改变调制效率地缩短行波电极的长度L来减小相位调制部的光损耗时，相位反转电压Vπ会变大，驱动电压会增加。另一方面，存在如下的互偿关系：当缩小相位反转电压Vπ时，行波电极的长度L变大，相位调制部的光损耗增加。因此，为了实现低光损耗且驱动电压低的光调制器，需要使其即使在行波电极的长度L长的情况下也能进行高速工作。当能将行波电极的长度L设定得较长时，无需增大相位反转电压Vπ。
为了抑制图1的现有的MZ型光调制器100的光波导123的光损耗，必须将光限制于作为光波导123的芯的Si半导体层203的肋部A0。为了将光限制于肋部A0，需要采用使光从肋部A0外逸的部分即肋部A0侧的第一平板部A1和第二平板部A2较薄的肋结构。这样一来，存在如下问题：使中浓度p型半导体区域203-1和中浓度n型半导体区域203-2较厚，无法降低Si半导体层203的电阻值，无法缩小相位反转电压Vπ。
此外，如上所述，Si半导体层203的肋部A0(光波导的芯)附近的掺杂浓度无法设为高浓度，因此，无法大幅降低构成Si半导体层203的半导体的pn结或pin结部的电阻值。因此，还存在如下问题：Si半导体层203的电阻值造成高频电信号损耗，施加于pin结部或pn结部的电压衰减，因此，无法缩小相位反转电压Vπ。
本发明是鉴于这样的问题而完成的发明，其目的在于，提供一种能同时实现调制速度快、低光损耗且驱动电压低的要求的MZ型光调制器。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：五井一宏，小田研二，日下裕幸，小川憲介，Tsung-Yang Liow，Xiaoguang Tu，Guo-Qiang Lo，Dim-Lee Kwong，“Si Mach-Zehnder推拉式调制器的20Gbps二值相位调制特性”2012年电子信息通信学会社会大会，C-3-50，2012.
发明内容
本发明的第一方案是一种光调制器，包括基板、以及所述基板上的相位调制部，所述相位调制部包括：光波导、第一行波电极、以及第二行波电极，所述光波导包括：第一包层、半导体层、以及第二包层，所述半导体层层叠在所述第一包层上，并具有高于所述第一包层的折射率，所述第二包层层叠在所述半导体层上，并具有低于所述半导体层的折射率，所述光调制器的特征在于，所述半导体层具备：肋部，形成于所述光波导的光轴方向，作为所述光波导的芯；第一平板部，沿所述光轴方向形成于所述肋部的一侧；第二平板部，沿所述光轴方向形成于所述肋部的另一侧；第三平板部，沿所述光轴方向形成于所述第一平板部的与所述肋部相反侧；以及第四平板部，沿所述光轴方向形成于所述第二平板部的与所述肋部相反侧，所述第一平板部形成为比所述肋部和所述第三平板部薄，所述第二平板部形成为比所述肋部和所述第四平板部薄。
本发明的光调制器由于能较大地降低半导体部分的电阻值，因此高频电信号的损耗少，并能进行高速工作。此外，由于光从作为光波导芯的Si半导体层的漏光少，因此能在利用掺杂区域的载流子来抑制光吸收的同时，进行高效的光调制。由此，能提供一种能同时实现调制速度快、低光损耗且驱动电压低的要求的光调制器。
附图说明
图1是表示现有的MZ型光调制器的构成的俯视图。
图2是现有的MZ型光调制器的相位调制部的沿II-II的剖视图。
图3是表示本发明的第一实施方式的MZ型光调制器的构成的俯视图。
图4是图3的MZ型光调制器的相位调制部的沿IV-IV的剖视图。
图5是表示图4所记载的光波导的剖面处的肋部以及第一～第四平板部的各尺寸参数的图。
图6是表示将图4的MZ型光调制器视为分布常数线路时的等价回路的图。
图7是表示现有的MZ型光调制器的消光特性、按照实施例的尺寸制成的MZ型光调制器的消光特性、以及按照t1＝t2＝t3＝t4＝150nm制成的MZ型光调制器的消光特性的关系的图。
图8A是表示对现有的MZ型光调制器的电气频率特性的计算值与按照实施例制成的MZ型光调制器的电气频率特性的计算值进行比较的图，示出了反射信号的频率特性。
图8B是表示对现有的MZ型光调制器电气频率特性的计算值与按照实施例制成的MZ型光调制器的电气频率特性的计算值进行比较的图，示出了透射信号的频率特性。
图9A是表示现有的MZ型光调制器的、pn结部处的电场强度分布的比较的图，示出了现有的MZ型光调制器100的pn结部处的电场强度分布。
图9B是表示与实施例的MZ型光调制器的、pn结部处的电场强度分布的比较的图，示出了本实施例的MZ型光调制器200的pn结部处的电场强度分布。
图10是表示本发明的第二实施方式的MZ型光调制器的构成的俯视透视图，特别是表示输入光波导与相位调制部的光波导的连接部分的图。图10(a)是输入光波导的与光的波导方向垂直方向的剖视图，图10(b)是输入光波导与相位调制部的光波导的连接部分的俯视图，图10(c)是相位调制部的光波导的与光的波导方向垂直方向的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
[第一实施方式]
图3是表示本发明的第一实施方式的MZ型光调制器300的构成的俯视透视图。MZ型光调制器300是硅光调制器，具备：输入光波导301、将从输入光波导301入射的光1：1分路的光分路器302、以及供来自光分路器302的光入射的光波导303和304。此外，MZ型光调制器300具备：对在光波导303中传输的光的相位进行调制的相位调制部311、对在光波导304中传输的光的相位进行调制的相位调制部312、传输来自相位调制部311的光的光波导305、以及传输来自相位调制部312的光的光波导306。此外，MZ型光调制器300具备：将来自光波导305和306的被调制了相位的光合波的光合波器307、以及将通过光合波器307合波后的光出射的输出光波导308。
相位调制部311具备沿x轴方向延伸的行波电极321和322、以及光波导323，通过对行波电极321和322施加电压，使在光波导323中进行波导的光的相位变化。此外，相位调制部312具备沿x轴方向延伸的行波电极324和325、以及光波导326，通过对行波电极324和325施加电压，使在光波导326中进行波导的光的相位变化。光波导323、326具有Si半导体层，该Si半导体层由形成于光轴方向的作为光波导的芯的肋部、以及形成于两侧并比肋部薄的平板部构成，光波导323、326具有上下形成有SiO2包层的被称为肋波导的结构。
图4是图3的MZ型光调制器300的相位调制部311的沿IV-IV的剖视图。图3是相位调制部311的与光的波导方向垂直方向(y-z平面)的剖视图，相位调制部311具备：Si基板401、以及Si基板上的光波导323。光波导323具备：基板401上的第一SiO2包层402、第一包层402上的Si半导体层403、以及Si半导体层403上的第二SiO2包层404。此外，Si半导体层403的两侧形成有第三SiO2包层405或406。此外，可替代地，该区域可以由与作为光波导层的肋部C0相同厚度的Si半导体层形成。需要说明的是，相位调制部312也采用同一构成。
光波导323采用将肋波导进一步变形的结构，在第一SiO2包层402与第二SiO2包层404之间，夹有供光进行波导的Si半导体层403。Si半导体层403具备作为芯的、中央的较厚的Si半导体层区域即肋部C0。此外，Si半导体层403具备配置于肋部C0的两侧的比肋部C0的Si半导体层区域即第一平板部C1和第二平板部C2。进而，Si半导体层403具备：配置于第一平板部C1的与肋部C0相反侧的端部，比肋部C0薄且比邻接的第一平板部C1厚的Si半导体层区域即第三平板部C3；以及配置于第二平板部C2的与肋部C0相反侧的端部，比肋部C0薄且比邻接的第二平板部C2厚的Si半导体层区域即第四平板部C4。
也就是说，半导体层403可以说具有如下结构：在作为光波导323的芯的肋部C0与形成于肋部C0的一侧的第三平板部C3之间插入有第一平板部C1，在作为光波导323的芯的肋部C0与形成于所述肋部C0的另一侧的第四平板部C4之间插入有第二平板部C2。
光波导323利用Si半导体层403与周围的第一SiO2包层402和第二SiO2包层404的折射率差来限制光。
此外，行波电极321沿x轴方向形成于Si半导体层403的第三平板部C3的与第一平板部C1相反侧的端部的上表面，行波电极322沿x轴方向形成于Si半导体层403的第四平板部C4的与第二平板部C2相反侧的端部的上表面。
硼(B)、磷(P)、砷(As)等原子通过离子注入等方式掺杂于Si，由此Si半导体层403具有导电性。此处，Si半导体层403由掺杂浓度不同的五个区域构成。Si半导体层403的第三平板部C3的与第一平板部C1相反侧的端部为高浓度p型半导体区域403-3，Si半导体层403的第四平板部C4的与第二平板部C2相反侧的端部为高浓度n型半导体区域403-4。此外，Si半导体层403的第三平板部C3的第一平板部C1侧、第一平板部C1、以及肋部C0的第一平板部C1侧为中浓度p型半导体区域403-1。此外，Si半导体层403的第四平板部C4的第二平板部C2侧、第二平板部C2、以及肋部C0的第二平板部C2侧为中浓度n型半导体区域403-2。
高浓度p型半导体区域403-3与中浓度p型半导体区域403-1的边界相接，高浓度n型半导体区域403-4与中浓度n型半导体区域403-2的边界也相接。这些边界可以互相重叠进行掺杂。此外，肋部C0为中浓度p型半导体区域403-1与中浓度n型半导体区域403-2相接的pn结结构。此外，作为其它例子，也可以采用在中浓度p型半导体区域403-1与中浓度n型半导体区域403-2之间夹有i型(本征)半导体区域的pin结结构。
在肋部C0的pn结部或pin结部，通过施加反向偏置场，光波导323的芯(Si半导体层403的肋部C0)内部的载流子密度发生变化，光波导的折射率改变(载流子等离子体效应)，由此光的相位被调制。
接着，对图4所记载的Si半导体层403的剖面处的肋部以及第一～第四平板部的各尺寸的确定方法进行说明。图5是表示图4所记载的Si半导体层403的剖面处的肋部以及第一～第四平板部的各尺寸参数的图。此处，肋部C0的厚度设为t0，第一平板部C1的厚度设为t1，第二平板部C2的厚度设为t2，第三平板部C3的厚度设为t3，第四平板部C4的厚度设为t4。此外，肋部C0的宽度设为w0，第一平板部C1的宽度设为w1，第二平板部C2的宽度设为w2，第三平板部C3的宽度设为w3，第四平板部C4的宽度设为w4。
首先，对肋部C0的厚度t0、第一平板部C1的厚度t1、第二平板部C2的厚度t2、第三平板部C3的厚度t3、以及第四平板部C4的厚度t4进行说明。在光波导323中，光被限制于作为光波导323的芯的Si半导体层403的肋部C0内。此处，当存在接近肋部C0的具有同等的有效折射率或更高的有效折射率的Si半导体层即第三平板部C3和第四平板部C4时，发生模耦合，光以固定的传播长度转移至接近肋部C0的第三平板部C3和第四平板部C4。因此，转移至接近肋部C0的第三平板部3和第四平板部C4的光成为调制器的光损耗的原因。此外，转移至第三平板部C3和第四平板部C4的光在肋部C0与第三平板部C3和第四平板部C4之间重复往返，损耗因传输的波长而变动。为了防止这样的光损耗，可以考虑以下三种方法。
首先，第一方法是不使第三平板部C3和第四平板部C4接近肋部C0的方法。第二方法是将第三平板部C3和第四平板部C4的、接近肋部C0的部分的长度抑制得较短的方法。第三方法是使接近肋部C0的第三平板部C3和第四平板部C4的有效折射率小于供光进行传输的肋部C0的有效折射率的方法。以下，对三种方法进行讨论。
对第一方法的不使第三平板部C3和第四平板部C4接近肋部C0的方法进行讨论。为了不使第三平板部C3和第四平板部C4接近肋部C0，有增大第一平板部C1的宽度w1和第二平板部C2的宽度w2的方法，但w1越大，中浓度p型半导体区域403-1的截面积越小，并且w2越大，中浓度n型半导体区域403-2的截面积越小，Si半导体层403的电阻越高。因此，与图1所记载的现有的MZ型光调制器100的结构相同，因此高速的频率下的工作变难。由此，在本发明中，无法采用该方法。
对第二方法的将第三平板部C3和第四平板部C4的、接近肋部C0的部分的长度抑制得较短的方法进行讨论。在Si半导体层403，为了缩短第三平板部C3和第四平板部C4的接近肋部C0的部分，需要缩短第三平板部C3和第四平板部C4的长度，也就是说，缩短相位调制部311的整体长度。通过缩短相位调制部311的长度，能抑制模耦合。但是，在该情况下，行波电极的长度L也必须缩短。这样一来，由于调制效率由VπL决定，为了具有一定的调制效率，需要增大相位反转电压Vπ。在该情况下，无法低耗电地驱动MZ型光调制器300，在本实施方式中，难以采用。
对第三方法的使接近肋部C0的第三平板部C3和第四平板部C4的有效折射率小于供光进行传输的肋部C0的有效折射率的方法进行讨论。为了使接近肋部C0的第三平板部C3和第四平板部C4的有效折射率小于供光进行传输的肋部C0的有效折射率，能通过使接近的第三平板部C3和第四平板部C4的厚度较薄，使光外逸至Si半导体层403的上下的第一包层402以及第二包层404来实现。
在本实施方式中，使t0、t1以及t3的关系满足不等式t0＞t3＞t1。通过t0、t1以及t3满足该不等式，能使在第三平板部C3中传播的光的有效折射率小于在肋部C0中传播的光的有效折射率。此外，使t0、t2以及t4的关系满足不等式t0＞t4＞t2。通过t0、t2以及t4满足该不等式，能使在第四平板部C4中传播的光的有效折射率小于在肋部C0中传播的光的有效折射率。因此，即使肋部C0与第三平板部C3或第四平板部C4接近，光也不会移向第三平板部C3和第四平板部C4侧，能抑制光损耗。此处，t1和t2可以是相同的值，也可以是不同的值，此外，t3和t4可以是相同的值，也可以是不同的值。而且，w1和w2可以是相同的值，也可以是不同的值，此外，w3和w4可以是相同的值，也可以是不同的值。
此外，本实施方式也与图1所记载的现有的MZ型光调制器100相同，在高浓度p型半导体区域403-3上连接行波电极321，在高浓度n型半导体区域403-4上连接行波电极322，并通过行波电极321和322来对pn结部或pin结部施加反向偏置场。通过施加电压，使作为光波导323的芯的Si半导体层403的肋部C0内部的载流子密度(载流子等离子体效应)变化，改变Si半导体层403的折射率，由此对光的相位进行调制。在本实施方式的光的相位调制中，为了能进行高速调制，需要将MZ型光调制器300的行波电极321和322设为高频电信号能传播至几mm长度的行波电极。此处，图6是表示将图4的MZ型光调制器300视为分布常数线路时的等价回路的图。pn结部(或pin结部)为电容C，将从行波电极321至pn结部(或pin结部)设为电阻R1，将从行波电极322至pn结部(或pin结部)设为电阻R2，可以描述为R1-C-R2的串联回路。在该串联回路中，为了实现衰减少的行波电极，需要缩小电阻R1和R2的电阻值。此处，电阻值取决于载流子浓度少的中浓度p型半导体区域403-1和中浓度n型半导体区域403-2。
为了降低电阻R1和R2的电阻值，可以考虑以下两种方法。首先，第一，有如下方法：提高中浓度p型半导体区域403-1和中浓度n型半导体区域403-2的掺杂浓度，增大载流子密度。第二，有如下方法：使肋部C0的两侧的第一平板部C1和第二平板部C2较厚。
首先，对第一方法进行讨论。提高中浓度p型半导体区域403-1和中浓度n型半导体区域403-2的掺杂浓度将会提高作为光波导323的芯的Si半导体层403的肋部C0的掺杂浓度。该情况下，在Si半导体层403的肋部C0的掺杂区域，载流子所进行的光吸收变大，因此无法抑制光波导323的光损耗。因此，第一方法在本实施方式中并不适当。
接着，对第二方法进行讨论。本实施方式中，在第一平板部C1和第二平板部C2的更外侧，设置比第一平板部C1和第二平板部C2厚的第三平板部C3和第四平板部C4。通过设置第三平板部C3和第四平板部C4，来增大中浓度p型半导体区域403-1和中浓度n型半导体区域403-2的截面积。这样一来，电阻R1和R2的电阻值能降低。此时，当使高浓度p型半导体区域403-3与高浓度n型半导体区域403-4之间的区域的距离wpn内的光波导在可能的范围内变宽、变厚时，更能得到效果。
另一方面，当使第一平板部C1和第二平板部C2的厚度接近肋部C0的厚度时，光场向第三平板部C3和第四平板部C4的超出幅度变大，光场作用于高浓度p型半导体区域403-3或高浓度n型半导体区域403-4，光波导的损耗增加。而且，存在于折射率受到载流子等离子体效应而发生改变的区域的光场变少，因此调制效率也会随之变差。因此，理想的是，第一平板部C1的厚度t1和第二平板部C2的厚度t2为肋部C0的厚度t0的一半以下，即满足不等式t0/2＞t1、和不等式t0/2＞t2。
而且，高浓度p型掺杂区域403-3和高浓度n型掺杂区域403-4具有充分的载流子浓度，电阻率低，因此即使t1和t2为满足上述不等式的厚度，电阻值的增加也几乎不影响调制器的特性。因此，为了能最大地获得发明效果，理想的是，高浓度p型半导体区域403-3与中浓度p型半导体区域403-1的边界、以及高浓度n型半导体区域403-4与中浓度n型半导体区域403-2的边界分别位于形成于第一平板部C1和第二平板部C2的外侧的厚度t3的第三平板部C3和厚度t4的第四平板部C4的区域内。
接着，对肋部C0的宽度w0、第一平板部C1的宽度w1、第二平板部C2的宽度w2、第三平板部C3的宽度w3、以及第四平板部C4的宽度w4进行说明。在本实施方式中，如上所述，尽量缩小第一平板部C1的宽度w1和第二平板部C2的宽度w2的方法更能得到效果。但是，可以想到：由于制作MZ型光调制器300时的光掩膜的对准精度为±60nm左右，因此，当将w1和w2的宽度设为60nm以下时，会因制作时的不均而无法形成w1和w2。这样一来，肋部C0的旁边为厚度仅次于肋部C0的第三平板部C3和第二平板部C4，因此，光场大而超出肋部C0，导致光损耗增加、调制效率降低。另一方面，当w1和w2大时，接近图1所示的现有的MZ型光调制器100的结构，本发明效果变小。此处，表1中示出了使图5的MZ型光调制器300的w1和w2的值变化时的相位调制部的电场强度、与现有的MZ型光调制器100(图1)比较的MZ型光调制器300的电场强度的增加率、MZ型光调制器300的高频信号的衰减常数α的计算值。需要说明的是，表1的例子示出了调制频率10GHz时的计算值。
[表1]
与现有的MZ型光调制器100相比，在w1(w2)为200nm时，电场强度增大25.6％，在w1(w2)为400nm时，电场强度增大16.2％，但在w1(w2)为1000nm时，电场强度仅增大1.1％，几乎得不到效果。由此，为了最能获得发明效果，理想的是，w1的值满足不等式60nm＜w1(w2)＜600nm。
此外，第三平板部C3和第四平板部C4的外侧也可以设为与作为光波导层的肋部C0相同厚度的Si半导体层。该情况下，当在接近供光进行波导的肋部C0的区域存在相同厚度的Si半导体层时，在肋部C0中传播的光会泄露至接近的相同厚度的Si半导体层，因此，第三平板部C3的宽度w3和第四平板部C4的宽度w4需要设为200nm以上，以使肋部C0不接近外侧的Si半导体层。
[实施例]
根据如上所述计算出的肋部C0的厚度t0、第一平板部C1的厚度t1、第二平板部C2的厚度t2、第三平板部C3的厚度t3、以及第四平板部C4的厚度t4、肋部C0的宽度w0、第一平板部C1的宽度w1、第二平板部C2的宽度w2、第三平板部C3的宽度w3、第四平板部C4宽度w4，作为一例，如下制定MZ型光调制器300的Si半导体层403的剖面结构的尺寸。此外，关于掺杂浓度，设置如下。
肋部C0
t0＝220nm w0＝500nm
第一平板部C1
t1＝80nm w1＝100nm
第二平板部C2
t2＝80nm w2＝100nm
第三平板部C3
t3＝150nm w3＞200nm
第四平板部C4
t4＝150nm w4＞200nm
高浓度p型半导体区域403-3
p++：1×1020cm-3
高浓度n型半导体区域403-4
n++：1×1020cm-3
中浓度p型半导体区域403-1
p+：2.7×1017cm-3
中浓度n型半导体区域403-2
n+：3.0×1017cm-3
图7是表示现有的MZ型光调制器100(图1)的消光特性、按照本实施例的尺寸制成的MZ型光调制器300的消光特性、以及按照t1＝t2＝t3＝t4＝150nm制成的MZ型光调制器的消光特性的关系的图。在图7中，现有的MZ型光调制器100的消光特性由曲线701表示，按照本实施例的尺寸制成的MZ型光调制器300的消光特性由曲线702表示，按照t1＝t2＝t3＝t4＝150nm制成的MZ型光调制器的消光特性由曲线703表示。当对MZ型光调制器的相位调制部施加电压时，可以看到如下特性：在MZ干涉系统内的两个根光波导中传播的光的相位发生变化，一旦光强度减少后，相位反转的光被输出。对于按照t1＝t2＝t3＝t4＝150nm制成的MZ型光调制器的消光特性(曲线701)而言，光场超出作为芯的肋部，因此光损耗大。此外，还可知：存在于折射率受到载流子等离子体效应而发生变化的区域的光场变少，因此调制效率变差。因此可知，理想的是，厚度t0、t1以及t3的关系如本实施例，满足不等式t0＞t3＞t1并且满足t0/2＞t1的关系。此外，可知理想的是，厚度t0、t2以及t4的关系也如本实施例满足不等式t0＞t4＞t2并且满足t0/2＞t4的关系。
图8是表示对现有的MZ型光调制器100的电气频率特性(S-parameter：S-参数)的计算值与按照本实施例制成的MZ型光调制器300的电气频率特性的计算值进行比较的图。图8A表示反射信号(S11)的频率特性，图8B表示透射信号(S21)的频率特性。此处，在图8A中，现有的MZ型光调制器100的反射信号(S11)的频率特性由曲线801表示，本实施例的MZ型光调制器300的反射信号(S11)的频率特性由曲线802表示。此外，现有的MZ型光调制器100的透射信号(S21)的频率特性由曲线803表示，本实施例的MZ型光调制器300的透射信号(S21)的频率特性由曲线804表示。可知，在本实施例的MZ型光调制器300中，行波电极处的高频电信号的损耗小，因此透射信号(S21)的衰减小，6dB限制的频带为18GHz，大于现有的MZ型光调制器100的16GHz。
图9是表示现有的MZ型光调制器100与本实施例的MZ型光调制器300在pn结部处的电场强度分布的比较的图。图9A表示现有的MZ型光调制器100的Si半导体层203内的pn结部处的电场强度分布，图9B表示本实施例的MZ型光调制器300的Si半导体层403内的pn结部处的电场强度分布。在调制频率10GHz时，本实施例的Si半导体层403内的pn结部处的电场强度比现有的Si半导体层203内的pn结部处的电场强度大25.6％，高频信号的衰减常数α为67.1Np/m，也比现有结构的85.5Np/m小。根据图8以及图9的结果可知，在本发明中，能实现高频信号的损耗少的良好的Si光调制器。
[第二实施方式]
图10是表示本发明的第二实施方式的MZ型光调制器1000的结构的俯视透视图，特别是表示光波导1003与相位调制部1011的光波导1023的连接部分。图10(a)是光波导1003的与光的波导方向(x轴方向)垂直方向的剖视图，图10(b)是光波导1003与相位调制部1011的光波导1023的连接部分的俯视透视图，图10(c)是相位调制部1011的光波导1023的与光的波导方向(x轴方向)垂直方向的剖视图。第二实施方式的MZ型光调制器1000是将第一实施方式的MZ型光调制器300中光波导303与相位调制部311的光波导323的连接部分设为图10(b)的结构的光调制器。在连接部分，连接有入射侧的光波导1003和相位调制部1011的光波导1023，入射侧的光波导1003对应于第一实施方式的波导303，相位调制部1011对应于相位调制部311，光波导1023对应于光波导323。需要说明的是，光波导1003由肋部C0、以及第一平板部C1和第二平板部C2构成。
在连接部分，沿着光的波导方向，第一平板部C1的区域的宽度逐渐变窄，达到宽度w1。同样，第二平板部C2的区域的宽度逐渐变窄，达到宽度w2。通过将连接部分设为这样的结构，能使肋波导1003和相位调制部1011的光波导1023的光模场徐徐变化，能制成损耗少的波导连接部。光场存在于相位调制部、光波导、以及超出肋部C0的区域。因此，在光波导中传播的光的有效折射率也受到位于远离肋部C0的部位的第三平板部C3和第四平板部C4的折射率的影响。通过使第三平板部C3和第四平板部C4徐徐接近肋部C0，能防止有效折射率的急剧变化，能将反射损耗、散射损耗抑制得较小。
对于第三平板部C3和第四平板部C4的接近方法，理想的是，相对于传播长度L为10μm接近1μm等，相对于光的波长充分长的长度L，以10％以下的长度比例接近。
附图标记说明
100、300：MZ型相位调制器；
101、103、104、105、106、108、123、301、303、304、305、306、308、323：光波导；
102、302：光分路器；
107、307：光合波器；
111、112、311、312：相位调制部；
121、122、124、125、321、322、324、325：行波电极；
201、401：Si基板；
202、204、205、206、402、404、405、406：SiO2包层；
203、403：Si半导体层；
203-3、403-3：高浓度p型半导体区域；
203-4、403-4：高浓度n型半导体区域；
203-1、403-1：中浓度p型半导体区域；
203-2、403-2：中浓度n型半导体区域；
A0、C0：肋部；
A1～A2、C1～C4：平板部；
C：电容；
R1、R2：电阻。

Claims (8)

1.一种光调制器(300)，包括：
基板(401)、以及
所述基板上的相位调制部(311)，所述相位调制部(311)包括：光波导(323)、第一行波电极(321)、以及第二行波电极(322)，所述光波导(323)包括：第一包层(402)、半导体层(403)、以及第二包层(404)，所述半导体层(403)层叠在所述第一包层(402)上，并具有高于所述第一包层(402)的折射率，所述第二包层(404)层叠在所述半导体层(403)上，并具有低于所述半导体层(403)的折射率，
所述光调制器(300)的特征在于，
所述半导体层(403)具备：
肋部(C0)，形成于所述光波导(323)的光轴方向，作为所述光波导(323)的芯；
第一平板部(C1)，沿所述光轴方向形成于所述肋部(C0)的一侧；
第二平板部(C2)，沿所述光轴方向形成于所述肋部(C0)的另一侧；
第三平板部(C3)，沿所述光轴方向形成于所述第一平板部(C1)的与所述肋部(C0)相反侧；以及
第四平板部(C4)，沿所述光轴方向形成于所述第二平板部(C2)的与所述肋部(C0)相反侧，
所述第一平板部(C1)形成为比所述肋部(C0)和所述第三平板部(C3)薄，
所述第二平板部(C2)形成为比所述肋部(C0)和所述第四平板部(C4)薄，
当将所述肋部(C0)的厚度设为t0，将所述第一平板部(C1)的厚度设为t1，并将所述第三平板部(C3)的厚度设为t3时，厚度的关系满足不等式t0＞t3＞t1，当将所述第二平板部(C2)的厚度设为t2并将所述第四平板部(C4)的厚度设为t4时，厚度的关系满足不等式t0＞t4＞t2，
所述第三平板部(C3)的与所述第一平板部(C1)相反侧的端部为高浓度p型半导体区域(403-3)，所述第四平板部(C4)的与所述第二平板部(C2)相反侧的端部为高浓度n型半导体区域(403-4)，
所述第三平板部(C3)的所述第一平板部(C1)侧、所述第一平板部(C1)以及所述肋部(C0)的所述第一平板部(C1)侧为中浓度p型半导体区域(403-1)，所述第四平板部(C4)的所述第二平板部(C2)侧、所述第二平板部(C2)以及所述肋部(C0)的所述第二平板部(C2)侧为中浓度n型半导体区域(403-2)，
所述高浓度p型半导体区域与所述中浓度p型半导体区域的边界位于所述第三平板部内，所述高浓度n型半导体区域与所述中浓度n型半导体区域的边界位于所述第四平板部内。
2.根据权利要求1所述的光调制器(300)，其特征在于，
所述厚度的关系进一步满足不等式t0/2＞t1和不等式t0/2＞t2。
3.根据权利要求2所述的光调制器(300)，其特征在于，
所述第一行波电极(321)沿所述光轴方向形成于所述第三平板部(C3)的与所述肋部(C0)相反侧的端部的上表面，
所述第二行波电极(322)沿所述光轴方向形成于所述第四平板部(C4)的与所述肋部(C0)相反侧的端部的上表面。
4.根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于，
所述中浓度p型半导体区域(403-1)与所述中浓度n型半导体区域(403-2)的接合部为pn结结构。
5.根据权利要求1所述的光调制器(300)，其特征在于，
所述中浓度p型半导体区域(403-1)与所述中浓度n型半导体区域(403-2)的接合部为：在所述中浓度p型半导体区域(403-1)与所述中浓度n型半导体区域(403-2)之间进一步夹有无掺杂的i型半导体区域的pin结结构。
6.根据权利要求2所述的光调制器(300)，其特征在于，
当将所述第一平板部(C1)的宽度设为w1并将所述第二平板部(C2)的宽度设为w2时，所述w1的值满足不等式60nm＜w1＜600nm，所述w2的值满足不等式60nm＜w2＜600nm。
7.根据权利要求1所述的光调制器(300)，其特征在于，
在所述相位调制部(311)与形成于所述光调制器的肋波导的连接部，所述相位调制部(311)的所述第一平板部(C1)和所述第二平板部(C2)的区域的宽度随着朝向所述相位调制部侧而逐渐变窄。
8.根据权利要求1所述的光调制器(300)，其特征在于，
所述高浓度p型半导体区域的掺杂浓度为1020cm-3数量级，
所述高浓度n型半导体区域的掺杂浓度为1020cm-3数量级，
所述中浓度p型半导体区域的掺杂浓度为1017cm-3数量级，
所述中浓度n型半导体区域的掺杂浓度为1017cm-3数量级。
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