JP2002540469A - 半導体導波路の位相変調器 - Google Patents

半導体導波路の位相変調器

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JP2002540469A
JP2002540469A JP2000608217A JP2000608217A JP2002540469A JP 2002540469 A JP2002540469 A JP 2002540469A JP 2000608217 A JP2000608217 A JP 2000608217A JP 2000608217 A JP2000608217 A JP 2000608217A JP 2002540469 A JP2002540469 A JP 2002540469A
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junction
optical
phase modulator
semiconductor
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JP2000608217A
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ハウス，アンドリュー，アラン
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ブックハム テクノロジー ピーエルシー
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
    • G02F1/025—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction in an optical waveguide structure

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Abstract

(57)【要約】 光位相変調器は、リブの光路に沿ってＰＮ接合部を形成するＰ型及びＮ型のドーピング領域を有する半導体リブ導波路を含んで構成され、これらの領域は、キャリア空乏領域を拡張して屈折率を変化させるために上記接合部に逆バイアスを掛けるための端子を備える。ＰＮ接合部は、リブの中心軸からオフセットされているが、逆バイアスの印加時において上記空乏領域は、導波路の中心軸を越えて拡張される。

Description

【発明の詳細な説明】
（技術分野） 本発明は、半導体導波路で伝送される光の位相変調装置及び方法、並びにその
ような位相変調が行われる光スイッチに関する。
【０００１】 （背景技術） 光位相変調器は、光スイッチや、例えばマッハツェンダー干渉計等の干渉計を
含めた光変調器を含め、様々な装置において使用される。位相シフトは、光伝送
媒体における屈折率を変化させることで生じさせることが可能である。シリコン
等の半導体材料を使用する場合、伝送される光の屈折率は、熱光学効果により変
化させたり、あるいは光学路における荷電キャリアの数を変化させることで変化
させる場合がある。シリコンは、１．１ミクロン波長を超えるスペクトル領域の
赤外光を伝送する光導波路を形成する際に使用される。位相変調器は、熱若しく
は電流注入に基づくＰＩＮダイオード構造を採用したシリコン導波路に関して公
知である。熱的構成においては、シリコン導波路の温度を変化させるための手段
が提供されるとともに、公知の熱光学効果を利用して屈折率を変化させる。この
ような装置は、多くの応用例において動作が非常に遅くなる。電流注入に基づく
ＰＩＮダイオードによる場合は、一方がＰ型でありかつ他方がＮ型であるドーピ
ングされたシリコン領域の間に真性シリコンを配置することで、半導体ダイオー
ドが形成される。Ｐ及びＮ領域に電位ポテンシャルを印加して、ダイオードを正
バイアスすると、ドーピング領域が真性シリコンに荷電キャリアを注入し、その
結果として公知の自由キャリア分散効果が生じる。自由キャリアが注入された真
性シリコンがシリコン導波路の光学路に配置されるとともに、自由荷電キャリア
の集中度が変化すると、屈折率が変化する。自由キャリアの注入に要する時間に
限らず、それらの再結合時間もまた、非常に高速な光スイッチにとって充分に短
いものとは言えない。再結合時間が０．０１〜１０マイクロ秒のオーダーとなる
場合もあり、この場合には、１００ＭＨｚか又はそれよりも遅い速度の光スイッ
チしか得られない。光スイッチに対して、１ＧＨｚ（１０9 Ｈｚ）までの又はそ
れを超える速度が要求されることが予想される。
【０００２】 本発明は、キャリアの空乏化を利用してシリコン光導波路において位相変調を
生じさせる改良された装置及び方法を提供することを目的とする。 （発明の開示） 本発明は、光伝送路を形成する直立リブを備える半導体層で構成される半導体
導波路を含んで構成され、この導波路の半導体は、位相変調領域の長さに渡って
リブの光路に沿って延伸する少なくとも１つのＰＮ接合部を形成するＰ型及びＮ
型のドーピング領域をともに有し、Ｐ型半導体は、上記半導体の表面に、位相変
調領域に沿って延伸する高濃度にドーピングされたオーミック接触領域を有し、
また、Ｎ型半導体は、上記半導体の表面に、位相変調領域に沿って延伸する高濃
度にドーピングされたオーミック接触領域を有し、アノード及びカソード端子が
、これらのオーミック接触領域にそれぞれで接触するとともに、これらの端子の
間を延伸する絶縁層により相互に分離され、選択的に操作可能な電源回路がアノ
ード及びカソード端子に接続されて、上記少なくとも１つのＰＮ接合部を選択的
に逆バイアスさせ、もって各ＰＮ接合部においてキャリア空乏領域の幅を拡張さ
せて、導波路に沿った屈折率を変化させることを特徴とする光位相変調器を提供
する。
【０００３】 １つの実施形態では、１つのＰＮ接合部が形成され、この接合部は、基板から
リブの頂部にまで上記半導体を通して上方に向けて延伸するとともに、リブの側
壁の間に配置される。 このＰＮ接合部は、リブの幅の中央からオフセットした位置においてリブの長
さの方向に沿って縦に延伸して、接合部の逆バイアス時に導波路の光軸が上記空
乏領域の拡張部分に位置すると好適である。
【０００４】 このＰＮ接合部は、Ｎ型半導体により形成されるリブの側面に向けてオフセッ
トされて、上記空乏領域の拡幅時にリブの幅の中央がＰ型半導体における空乏領
域の拡張部分に位置すると好適である。 リブの幅及びＰＮ接合部の位置は、この接合部にポテンシャルバイアスが印加
されていないときには、接合部におけるキャリア空乏領域が、導波路により伝送
される光の光学プロファイルの中心から横方向にオフセットされる一方で、逆バ
イアスポテンシャルの印加時には、拡張されたキャリア空乏領域が、導波路を介
して伝送される光の光学プロファイルの中心を越えて延伸すると好適である。
【０００５】 リブの幅は、上記接合部に逆バイアスが掛けられたときに、拡張された空乏領
域がそのリブの幅の少なくとも半分を占めると好適である。 アノード及びカソード端子は、それぞれ、アルミニウム又はアルミニウム合金
等の金属層を含んで構成されると好適である。 本発明は、２つの平行な光伝送アームを備える光学干渉計を含んでおり、これ
らのアームのうちの少なくとも一方が、以上に述べた光位相変調器を含んで構成
される。
【０００６】 本発明は、そのような光学干渉計を含んで構成される光スイッチを含んでいる
。 本発明は、半導体層で構成される半導体導波路において光学的な位相シフトを
行う方法を含んでおり、この半導体層上に直立したリブは、光伝送路を形成する
。導波路の半導体は、位相変調領域に沿って延伸する少なくとも１つのＰＮ接合
部を形成するＰ型及びＮ型のドーピング済み半導体をともに含んで構成され、Ｐ
型半導体は、上記半導体層の表面に、リブの一側の領域に沿って延伸する高濃度
にドーピングされたオーミック接触領域を有し、また、Ｎ型半導体は、上記半導
体層の表面に、リブの他側の領域に沿って延伸する高濃度にドーピングされたオ
ーミック接触領域を有する。アノード及びカソード端子は、これらのオーミック
接触領域とそれぞれで接触するとともに、これらの端子の間でリブ上を延伸する
絶縁層により相互に分離される。この方法は、上記アノード及びカソード端子に
電圧を印加して、上記各ＰＮ接合部を逆バイアスさせ、もってリブ内でキャリア
空乏領域の幅を拡張して、導波路に沿った屈折率を変化させる。
【０００７】 １つの実施形態では、ＰＮ接合部は、リブを通して上方に向けて形成される。
そして、導波路を介して光が伝送され、光学プロファイルの中心は、ＰＮ接合部
の一側にオフセットされる。このオフセットは、Ｐ型半導体により形成される側
である。 光学プロファイルの中心は、ＰＮ接合部にバイアス電圧が印加されていないと
きには、この接合部において上記空乏領域の一側にオフセットされる一方で、ブ
レークダウン電圧未満のバイアス電圧により逆バイアスが掛けられたときには、
拡張された欠乏領域内に位置すると好適である。
【０００８】 （発明を実施するための最良の形態） 本発明の幾つかの実施形態を、以下に添付図面を参照して、例示として説明す
る。 図１は、シリコンオンインシュレータウェーハ上に一体化されたシリコンリブ
導波路を示している。シリコン層１１は、導波路用の光伝送路を形成する直立リ
ブ１２を備えている。シリコン層１１は、シリコン基板１４上に形成された埋込
二酸化シリコン層１３をおおって形成されている。シリコン層１１及びリブ１２
は、二酸化シリコン層１５により被覆されている。このような導波路は、シリコ
ンオンインシュレータ（ＳＩＭＯＸ）ウェーハにエッチングして、１．１ミクロ
ン波長を超えるスペクトル領域の赤外光を案内する際に使用できる。光は、図１
の矢印１６で示す方向に導波路に沿って伝送され、導波路を介して伝送される光
の光学プロファイルは、図１において符号１７で示すようである。
【０００９】 図１に示す形態のシリコン導波路の断面図が図２に示されており、ここでは、
導波路が修正されて、位相変調領域が提供されている。導波路の同様な構成要素
には、同じ符号を付している。この構成では、ＰＩＮダイオード変調器が形成さ
れ、自由キャリア分散効果を利用してシリコンの屈折率が変化されるようにされ
ている。ここで、シリコン層１１は、アノード２１と接触させて、高濃度にドー
ピングされたＰ型領域２０を備えている。また、カソード２３と接触させて、高
濃度にドーピングされたＮ型領域２２を備えている。これらのドーピング領域２
０及び２２は、いずれも、１立法センチメートル当たりに約１０20個のキャリア
を提供するレベルにまでドーピングされている。これらがアノード２１及びカソ
ード２３とのオーミック接触を形成するとともに、リブ１２を中心として反対側
に離れて配置されることで、リブ１２及びリブ下方には、ドーピング領域の間に
真性シリコンが設けられている。実際には、ダイオードに正バイアスを掛けるこ
とで自由キャリアを真性シリコン領域２４に注入するために、アノード及びカソ
ードが電源に接続される。自由キャリアの増加によりシリコンの屈折率が変化さ
れるので、この増加を利用して、導波路を介して伝送される光の位相変調を実現
できる。しかしながら、光スイッチとして動作するには、シリコン領域２４にお
ける自由キャリアの持続時間と、正バイアスが停止されたときのキャリア拡散比
率とのために、動作速度が制限されてしまう。そのようなＰＩＮダイオード位相
変調器は、一般的に、１０〜５０ＭＨｚの動作速度を持っている。キャリア持続
時間キラーとして作用する不純物をシリコンに混入させることでその速度を上昇
させ得るが、しかしながら、それらは、位相変調効率（ダイオードを通過する単
位電流当たりで達成される位相シフト）を低減させてしまう。
【００１０】 １００ＭＨｚを超える周波数にまで、また可能な限り数ＧＨｚの周波数にまで
切換速度を高めるために、図３に示す実施形態は、キャリアの空乏化により動作
する。導波路は、図１に示した形式の一体型シリコン構造からなり、図１におい
て示したものと同様の構成要素には同じ符号を付してある。ここでは、シリコン
層１１及びリブ１２は、直線５１で表示したＰＮ接合部を形成する低濃度にドー
ピングされたＰ型シリコン及びＮ型シリコンから形成されている。この接合部は
、二酸化シリコン層１３により形成される基板からシリコンを通してリブ１２の
頂部に至るまで上方に向けて延伸するとともに、リブの側壁５２及び５３の間に
配置されている。これらのドーピング領域５４及び５５は、１立方センチメート
ル当たりに５×１０16個のオーダーのキャリア濃度をもってドーピングされてい
る。Ｐ型シリコンには、シリコン層１１の上面でアノード５７と接続する高濃度
にドーピングされたオーミック接触領域５６が設けられている。同様に、Ｎ型シ
リコン５５には、シリコンの上面でカソード５９とのオーミック接触を形成する
高濃度にドーピングされたＮ型領域５８が設けられている。これらのドーピング
領域５６及び５８は、いずれも、１立方センチメートル当たり１０20個のオーダ
ーのキャリア濃度を有している。アノード及びカソードは、いずれも、シリコン
の上面において金属層により形成されており、アルミニウム又はアルミニウム合
金から作成できる。シリコン層１１の上面は、アノード５７及びカソード５９の
間でリブ１２を越えて延伸する、二酸化シリコンからなる絶縁層１５により被覆
されている。アノード５７及びカソード５９は、電気回路において、選択的に操
作可能なスイッチ６１を介してバイアス回路６０に接続されている。このように
すれば、スイッチ６１の操作に応じて、ＰＮ接合部５１にバイアス電圧を印加し
たり、除去したりすることが可能である。
【００１１】 バイアスが何も掛けられていないときには、Ｐ型領域５４及びＮ型領域５５の
間の直線５１上の接合部は、中央のハッチングを施した部分６２で示すキャリア
空乏領域を形成する。ＰＮ接合部に逆バイアスが掛けられるとこの空乏領域が拡
張することとなるが、これを幅広なハッチングを施した部分６３で示している。
逆バイアスが掛けられた状態での空乏領域の幅は、領域５４及び５５のシリコン
のドーピングレベルばかりでなく、逆バイアス電圧の大きさにも依存する。この
逆バイアス電圧は、常にブレークダウン電圧未満でなくてはならない。
【００１２】 本実施形態では、符号５１で示すＰＮ接合部の直線を、リブ１２の中央からオ
フセットさせて位置させている。ここでの接合部は、Ｎ型シリコン５５の方向に
オフセットした位置に配置されている。リブ１２の中心軸が、直線６５で示され
ている。ＰＮ接合部にバイアスが掛けられていないときには、空乏領域６２の全
体が上記中心軸６５の一側に配置することで、通常時の空乏領域が、導波路を介
して伝送される光の光学プロファイル１７の中心軸に重なることはない。しかし
ながら、この接合部に逆バイアスが掛けられると、空乏領域が幅において成長し
て、リブの壁部５２及び５３に向けて外側に拡張する。このとき、拡張された空
乏領域がリブの中心軸６５に重なるために、光学プロファイルの中心軸は、Ｐ型
シリコン５４内に形成される空乏領域と一致することとなる。
【００１３】 好適な例では、壁部５２及び５３の間のリブ１２の幅は、１μｍ（１ミクロン
）のオーダーであり、また、シリコン層１１のドーピングレベルは、リブ１２の
幅に対して、拡張後の空乏領域６３において所望の幅が得られるように選択でき
る。 ＰＮ接合部は、リブ１２の光路長さに沿って充分な軸方向距離を延伸しており
、リブの長さに沿って伸びる空乏領域を形成して、導波路に沿って伝送される光
に要求された位相シフトを生じさせることが理解できる。実際には、少なくとも
πの位相シフトを達成できる。
【００１４】 空乏領域の拡幅は、層１１におけるシリコンのドーピングレベルとは反比例し
て変わってくる。その一方で、ドーピングレベルが高いほど、空乏領域が拡張さ
れたときの屈折率は大きく変化し、そのために、空乏領域において単位長さ毎に
大きな位相変調が得られる。また、シリコン層１１のドーピングレベルが低いほ
ど、ブレークダウン電圧に至るまでに高い逆バイアス電圧を掛けることが可能で
ある。ドーピング濃度の要求絶対値を選択することに加えて、ブレークダウン電
圧が低くなることを回避するために、ドーピングプロファイルの空間的変化を、
おおまかな線形性を維持した状態で変化させることも可能である。本実施形態で
は、領域５４及び５５においてドーピングに線形な勾配が与えられており、ＰＮ
接合部の近傍においてドーパント濃度が最低となっている。ゼロバイアス時での
空乏領域６２の端部のドーパント濃度を、３．２５×１０16［ｃｍ-3］のオーダ
ーとする場合がある。そのような接合部では、ブレークダウン電圧が逆バイアス
で約３５ボルトとなる。
【００１５】 図示のごとく直線５５がオフセットされるようにＰＮ接合部をオフセットする
ことで、光学モードの最大パワー密度は、通常時において直線５５上に形成され
、そのため、バイアスが掛けられていない状態では、キャリアの空乏化がない領
域に設けられることになる。逆バイアスが掛けられると、光学プロファイルの最
大値は、Ｐ型シリコンに形成される空乏領域に形成され、正孔が電子と比較して
より効率的な位相変調要素となる。リブの幅が１ミクロンのオーダーであれば、
６５００μｍのオーダーの軸長を有する空乏領域により、πの位相シフトが得ら
れる。オフセットされた接合部を採用することで、空乏領域の長さをより短くし
て要求された位相シフトを達成できる。
【００１６】 図３に示す例を切換バイアス回路６０とともに使用して、数ＧＨｚのオーダー
の切換周波数を発生させることも可能である。 図３の示す位相変調器は、図４に示すようなマッハツェンダー干渉計等の干渉
計に結合してもよい。このような装置は、光スイッチ又は強度変調器として使用
できる。本実施形態における導波路構造では、２つの平行なアーム４３及び４４
に繋がるエバネッセント結合器４２に接続された２つの入力部４０及び４１が設
けられている。これらのアームは、別の結合器４５を介して２つの出力部４６及
び４７に接続されている。アーム４３には、図３に示す形式の位相変調器５０が
設けられている。アーム４３に沿った変調器の光路長さは、平行なアーム４４を
介して伝送される光に対して、要求される位相シフトを生じさせるのに充分なも
のとされており、結合器４５において再結合されるときに、必要な振幅変調を与
える弱め合いの若しくは強め合いの結合を生じさせることで、スイッチとしての
機能が得られる。
【００１７】 図４に示す光学回路は、位相変調器５０以外にも、光学回路の一部に、幅が標
準的な４μｍのシリコン導波路を備えている。図３を参照して既に述べた通り、
位相変調器５０の導波路の幅は１μｍである。ここでは、狭い導波路を、位相変
調器の入力部及び出力部において使用されるより広い導波路と位相変調器上で相
互に接続させるために、位相変調器５０の入力部及び出力部にテーパ状の導波路
コネクタを設けている。
【００１８】 上記の例では、各シリコンリブの高さ（すなわち、埋込酸化層からそのシリコ
ンリブの頂部までの距離）は、シリコンリブの幅とほぼ同じである。高さは、幅
の±２０％であるとよい。 リブの幅は、１．５ミクロン未満とすることも可能である。 図５は、本発明の他の実施形態の図３に対応する図であり、ここでは、２つの
ＰＮ接合部が設けられている。同様の構成要素には、図３及び５で同じ符号を付
している。この修正された構成では、シリコン層１１は、Ｎ型ドーパントを使用
して全体的に低濃度にドーピングされている。より高濃度にドーピングされたＮ
型領域が、端子５７及び５９とのオーミック接触を形成している。これらの端子
は、バイアス回路７０に接続されている。リブ１２がＰ型ドーパントを使用して
低濃度にドーピングされることで、２つのＰＮ接合部７１及び７２が形成されて
いる。これらの接合部は、シリコン層１１を通ってリブ１２の中心軸を中心とし
て対称的に延伸している。ＰＮ接合部は、埋込酸化層１３から上方に向けて延伸
するとともに、リブ１２内に延伸してリブ１２の反対側の側壁において終結する
湾曲した上向きの接合線を形成している。リブ１２の頂部は、溝７４により分割
された直立した複数の隆起部７３により形成されている。図５に示すように、隆
起部及び溝はリブ１２の方向に沿って延伸しているが、他の実施形態では、それ
らがリブ１２の横断方向に延伸するように配置することも可能である。隆起部７
３の上部は、Ｐ型材料を使用して高濃度にドーピングされたことで、リブの頂部
をおおって形成された金属製接触層７５とのオーミック接触を形成している。接
触層７５がスイッチ７６を介してバイアス回路７０と接続されており、装置のＰ
及びＮ型領域の間に電気ポテンシャルを印加できるようになっている。バイアス
が掛けられる前には、キャリア空乏領域は、ＰＮ接合部７１及び７２の近傍に形
成され、各接合部において対向する両側でドットを施した領域７７及び７８によ
り示されている。スイッチ７６が閉じられて、各ＰＮ接合部７１及び７２に逆バ
イアスが掛けられると、空乏領域７７及び７８は、横方向のハッチ線を施して示
した領域８０及び８１に拡張される。空乏領域７８は、半導体１１内に外側へ拡
張されて、拡張された空乏領域８１を形成する。空乏領域７７は、リブ１２内に
上方へ拡張されて、拡張された空乏領域８０を形成する。空乏領域８０は、ほぼ
Ｖ字形状の領域であり、このＶ字の中心をリブを通る中心垂直軸上に一致させて
、リブの幅全体に渡って延伸する。このようにして、バイアスを掛ける前の空乏
領域では、その相当部分が、リブ１２のうちでシリコン層１１の上方に突出する
部分の下方に配置される。バイアスを掛けた後では、空乏領域が拡張される結果
、拡張部分８０が、リブ１２のうちのシリコン層１１上方の相当部分に広がると
ともに、導波路を最大パワー密度の軸に沿って伝送される光に対して著しい効果
を及ぼす。接合部は、逆バイアスが掛けられる前は、導波路において光学プロフ
ァイルの中心からオフセットされているが、逆バイアスが掛けられると、空乏領
域が拡張して、光学プロファイルの中心を包含することとなる。
【００１９】 リブの頂部に隆起部７３及び溝７４が形成されたことで、高濃度にドーピング
された領域７３を設けて、導波路を介して伝送される光モードとの光学的な相互
作用を生じさせることなく外部接触層７５とのオーミック接触を形成することが
可能である。隆起部７３及び溝７４の幾何学構造により、伝送される光モードの
隆起部７３への進入が防止され、これにより、隆起部７３の高濃度にドーピング
された領域を介した光学的な損失が回避される。溝には、二酸化シリコンや、充
分に低い屈折率を有するポリマー等の材料が満たされ、リブ１２の頂部外の光の
伝送がなされないようにしている。
【００２０】 本発明は、以上の例の詳細に限定されるものではない。例えば、位相変調器は
、図４に示す干渉計において、双方のアームに結合させてもよい。 導波路には、シリコン以外の半導体材料を使用することも可能である。例えば
、ガリウム、インジウム及びアルミニウムを、ヒ素、リン又はアンチモンととも
に下記に従って使用してもよい。
【００２１】 ａ，ｂ，ｘ及びｙを濃度として（但し、ａ，ｘ，ｙ＜１；ｘ＋ｙ，ａ＋ｂ＜１
）、Ｉｎを（１−ｘ−ｙ）、Ｇａをｘ、Ａｌをｙ、Ａｓを（１−ａ−ｂ）、Ｐを
ａ、及びＳｂをｂとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 公知のシリコン導波路の斜視図である。
【図２】 位相変調器を備える公知のシリコン導波路の断面図である。
【図３】 本発明の一実施形態に係るシリコン導波路の断面図である。
【図４】 本発明に係る位相変調器を備える光スイッチの概念図である。
【図５】 本発明の他の実施形態を図３と同様に示したものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光伝送路を形成する直立リブを備える半導体層で構成される半導体導波路を含
    んで構成され、該導波路の半導体は、位相変調領域の長さに渡って前記リブの光
    路に沿って延伸する少なくとも１つのＰＮ接合部を形成するＰ型及びＮ型のドー
    ピング領域をともに有し、前記Ｐ型半導体は、前記半導体の表面に、前記位相変
    調領域に沿って延伸する高濃度にドーピングされたオーミック接触領域を有し、
    また、前記Ｎ型半導体は、前記半導体の表面に、前記位相変調領域に沿って延伸
    する高濃度にドーピングされたオーミック接触領域を有し、アノード及びカソー
    ド端子が、前記オーミック接触領域とそれぞれで接触するとともに、これらの端
    子の間を延伸する絶縁層により相互に分離され、選択的に操作可能な電源回路が
    、前記アノード及びカソード端子と接続されて、前記少なくとも１つのＰＮ接合
    部を選択的に逆バイアスさせ、もって各ＰＮ接合部においてキャリア空乏領域の
    幅を拡張させて、前記導波路に沿った屈折率を変化させることを特徴とする光位
    相変調器。
  2. 【請求項２】 １つのＰＮ接合部が形成され、該接合部が、基板から前記リブの頂部にまで前
    記半導体を通して延伸されるとともに、前記リブの側壁の間に配置された請求項
    １に記載の光位相変調器。
  3. 【請求項３】 前記ＰＮ接合部が、前記リブの幅の中央からオフセットした位置においてリブ
    の長さの方向に沿って縦に延伸して、前記接合部に逆バイアスを掛けたときに、
    前記リブの幅の中心上の軸が、前記空乏領域の拡張部分に位置する請求項１又は
    ２に記載の光位相変調器。
  4. 【請求項４】 前記ＰＮ接合部が、前記Ｎ型半導体により形成されるリブの側部に向けてオフ
    セットされて、前記空乏領域の幅が拡張されたときに、前記リブの幅の中央が、
    前記Ｐ型半導体における前記空乏領域の拡張部分に位置する請求項３に記載の光
    位相変調器。
  5. 【請求項５】 少なくとも１つのＰＮ接合部を有し、前記リブの幅及び前記ＰＮ接合部の位置
    は、該接合部にポテンシャルバイアスが掛けられていないときには、該接合部に
    おけるキャリア空乏領域が、前記導波路により伝送される光の光学プロファイル
    の中心から横方向にオフセットされる一方で、逆バイアスポテンシャルが掛けら
    れたときには、前記拡張されたキャリア空乏領域が、前記導波路を介して伝送さ
    れる光の光学プロファイルの中心を越えて延伸する請求項１〜４のいずれか１つ
    に記載の光位相変調器。
  6. 【請求項６】 前記リブの幅が、前記接合部に逆バイアスが掛けられたときに前記拡張された
    空乏領域が前記リブの幅の少なくとも半分を占めるようにされた請求項５に記載
    の光位相変調器。
  7. 【請求項７】 第１型のドーピング領域が前記リブの上端部に設けられるとともに、他の型の
    ドーピング領域が前記半導体層において前記リブの各側に設けられ、もって２つ
    のＰＮ接合部が形成された請求項１に記載の光位相変調器。
  8. 【請求項８】 前記リブの上部がドーピングされてＰ型半導体が形成され、前記リブの各側の
    領域がドーピングされてＮ型半導体が形成された請求項７に記載の光位相変調器
    。
  9. 【請求項９】 前記リブの頂部において、複数の隆起部を分割する複数の溝が設けられた請求
    項１〜８のいずれか１つに記載の光位相変調器。
  10. 【請求項１０】 前記隆起部が第１型のドーパントを高濃度にドーピングされて、前記オーミッ
    ク接触領域のうちの１つを形成するように構成され、前記溝の下方のリブが前記
    第１型のドーパントをより低濃度にドーピングされた請求項９に記載の光位相変
    調器。
  11. 【請求項１１】 前記隆起部が前記リブの方向に沿って延伸する請求項９又は１０に記載の光位
    相変調器。
  12. 【請求項１２】 前記隆起部が前記リブに対して横方向に延伸する請求項９又は１０に記載の光
    位相変調器。
  13. 【請求項１３】 前記リブの幅がおよそ１μｍである請求項１〜１２のいずれか１つに記載の光
    位相変調器。
  14. 【請求項１４】 前記半導体がシリコンを含んで構成される請求項１〜１３のいずれか１つに記
    載の光位相変調器。
  15. 【請求項１５】 前記各ＰＮ接合部の近傍のシリコンが、１立方センチメートル当たりのキャリ
    アを１０16〜１０17個として低濃度にドーピングされた請求項１４に記載の光位
    相変調器。
  16. 【請求項１６】 前記リブを越えて延伸する絶縁層が二酸化シリコンの層を含んで構成された請
    求項１〜１５のいずれか１つに記載の光位相変調器。
  17. 【請求項１７】 前記アノード及びカソード端子が、それぞれ、アルミニウム又はアルミニウム
    合金の金属層を含んで構成される請求項１〜１６のいずれか１つに記載の光位相
    変調器。
  18. 【請求項１８】 請求項１〜１７のいずれか１つに記載の光位相変調器を含んで構成され、２つ
    の平行な光伝送アームを備えるとともに、これらのアームのうちの少なくとも一
    方に前記光位相変調器を設けた光学干渉計。
  19. 【請求項１９】 請求項１８に記載の光学干渉計を含んで構成される光スイッチ。
  20. 【請求項２０】 光伝送路を形成する直立リブを備える半導体層で構成される半導体導波路にお
    いて光学的な位相シフトを行う方法であって、 前記導波路の半導体は、位相変調領域に沿って延伸する少なくとも１つのＰＮ
    接合部を形成するＰ型及びＮ型のドーピング済み半導体をともに含んで構成され
    、前記Ｐ型半導体は、前記半導体層の表面に、前記リブの一側の領域に沿って延
    伸する高濃度にドーピングされたオーミック接触領域を有し、また、前記Ｎ型半
    導体は、前記半導体層の表面に、前記リブの他側の領域に沿って延伸する高濃度
    にドーピングされたオーミック接触領域を有し、アノード及びカソード端子が、
    前記オーミック接触領域とそれぞれで接触するとともに、これらの端子の間でリ
    ブ上を延伸する絶縁層により相互に分離され、 前記アノード及びカソード端子に電圧を印加して、前記各ＰＮ接合部に逆バイ
    アスを掛け、もって前記リブ内でキャリア空乏領域の幅を拡張して、前記導波路
    に沿った屈折率を変化させることを含んで構成される方法。
  21. 【請求項２１】 １つのＰＮ接合部を前記リブを通して上方に向けて形成し、光を、前記導波路
    を介して、その光学プロファイルの中心を前記ＰＮ接合部の一側にオフセットさ
    せて伝送し、該オフセットの方向をＰ型半導体により形成される側とした請求項
    ２０に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 前記光学プロファイルの中心を、前記ＰＮ接合部にバイアス電圧が印加されて
    いないときには、前記ＰＮ接合部において前記空乏領域の一側にオフセットさせ
    る一方で、ブレークダウン電圧未満のバイアス電圧により逆バイアスが掛けられ
    たときには、前記拡張された欠乏領域内に位置させる請求項２１に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記リブの上部を第１型のドーパントでドーピングするとともに、前記リブの
    各側における半導体領域を第２型のドーパントでドーピングして、前記リブに沿
    う光路を横断して延伸する２つのＰＮ接合部を設ける請求項２２に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 光学干渉計により形成される光スイッチを操作する方法であって、２つの平行
    な光伝送路を設け、一方にシリコン導波路を備え、該シリコン導波路において請
    求項２０〜２３のいずれか１つに記載の方法により光学的な位相シフトを行うこ
    とを含んで構成される方法。
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