JP2006343412A

JP2006343412A - 光変調器

Info

Publication number: JP2006343412A
Application number: JP2005167005A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Katagiri; 祥雅片桐
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2006-12-21

Abstract

【課題】数Ｇｂｐｓを越えるより高速な変調が可能な光変調器を提供する。
【解決手段】光導波路コア１０２は、ｐ型半導体層１２１、ｎ型半導体層１２２、絶縁層１２３、ｐ型半導体からなる変調層１２４、絶縁層１２５、ｐ型半導体層１２６、ｎ型半導体層１２７が積層されて構成されている。ｐ型半導体からなる変調層１２４と絶縁層１２５との接合界面に垂直に電場を印加すると、界面近傍で変調層１２４のバンドが電場による歪みを生じる。電場を絶縁層１２５から変調層１２４へ入射する方向で印加する場合、変調層１２４のバンドは界面近傍で負の方向に歪み、変調層１２４の界面近傍の伝導帯のバンドの底が変調層１２４のフェルミ準位よりも下になると、界面近傍に反転層が形成されて少数キャリアである電子が蓄積される。
【選択図】図１

Description

本発明は、高速な変調が可能な光変調器に関するものである。

現在、高密度光集積回路の実現に向けて，微小光回路の研究開発が進展している。この中で、高屈折率光導波路材料として、通信波長帯（近赤外）で透明なシリコンやゲルマニウムなどのＩＶ族元素半導体及びこれらの混晶が着目されている。この理由は、ＩＶ族元素は、化合物半導体よりも結晶品質にすぐれて大規模集積化の見通しがある上、既存の半導体素子と融合させることにより、多様な機能を発現させる可能性を有しているためである。

このようなＩＶ族半導体の光機能素子として、光位相変調器及びこれを応用した光強度変調器が提案されまた検証されている。このような従来よりある光位相変調器としては、例えば図７の断面図に示すように、基板７０１の上に光導波路となるシリコンからなるリッジ形状のコア７０２を備え、コア７０２の一部にコア７０２を挾むようにｐ型領域７０３及びｎ型領域７０４を備え、各々正孔及び電子を注入可能としている。コア７０２の一部には、導波方向に垂直な方向に延在する鍔部を備え、この鍔部にイオン注入をすることで、ｐ型領域７０３及びｎ型領域７０４が形成されている。

ｐ型領域７０３及びｎ型領域７０４及びこれらに挾まれたコア７０２により所謂ｐｉｎ接合が形成され、この領域のコア７０２には空乏領域が形成される。従って、ｐ型領域７０３及びｎ型領域７０４に順方向に電圧を印加すると、各々より正孔と電子とが、コア７０２に形成された空乏領域に注入されるようになる。なお、ｐ型領域７０３及びｎ型領域７０４には、各々電極７０５，電極７０６が設けられている。上記空乏領域では、注入されたキャリアが結合して消滅する速度と注入速度がつりあいをとりながらも、キャリア密度は電流を印加する前よりも高くなっている。

電子及び正孔の両方を含めたキャリア密度の増大分をΔＮとすると、これにより、空乏領域の誘電率はプラズマ効果により低下する。従って、誘電関数の変化分Δεは、以下の（１）式により示せる。

Δε（ω）＝−（ｅ²Δｎ）／（ｍω²ε₀）・・・（１）
なお、（１）式で、ｍは電子の（有効）質量、ｅは素電荷、ωは光角周波数、ε₀は真空の誘電率である。

上述した空乏領域における誘電率の変化は、実数部分の変化であって、屈折率の実数部分の変化Δｎとして、以下の（２）式で示される状態を感受する。

Δｎ＝Δε／｛２（ε_s）^1/2｝・・・（２）

このような屈折率変化を受ける導波路部分をＬだけ進行する光は、以下の（３）式で示されるΔφだけの位相変化を受けることになる。従って、キャリア注入により誘電率を介して位相変調できることになる。

Δφ＝｛（２πΔｎ）／λ｝Ｌ＝（Ｌπ／λ）｛Δε／（ε_s）^1/2｝・・・（３）

このような位相変調を利用して、強度変調器を構成することも容易である。例えば、図８に示すように、マッハツェンダー（Mach-Zehnder）干渉計８０１を構成し、この一方のアーム８０２の一部に、前述同様にｐ型領域８０３及びｎ型領域８０４を配して位相変調の機構を組み込むことにより、以下の（４）式に示すように、干渉計の透過波を変調することができる。

｜Ｅ_eff｜²＝｜Ｅ＋Ｅｅｘｐ（ｉΔφ）｜²＝２Ｅ²（１＋ｃｏｓΔφ）・・・（４）

従って、Δφが０とπとなるように位相変調の領域を調整することにより、変調度が１近くの良好な強度変調を達成することができる（非特許文献１参照）。

A.Liu, et al.,"A High-speed silicon optical modulator based on a metal-oxide-semiconductor capacitor", Nature, Vol.427, pp.615-618, 2004.

前述したように、従来では、キャリアの注入によって光導波路領域の誘電率を制御することにより位相変調を行うようにしていた。しかしながら、半導体光導波路は、高屈折率により光を狭いところに閉じ込めて伝播しているが、波動性に支配されているため、シングルモード導波路であっても、導波路（コア）の大きさ（断面の直径）は少なくともλ／（２ｎ）程度は必要である。例えばλ＝１５５μｍ、ｎ＝３．５としても、断面の直径は２２０ｎｍである。

さらに、各々２００ｎｍ程度のｐ型領域及びｎ型領域を設けてキャリア注入機構を構成すると、変調に必要なキャリアの移動量は３００〜４００ｎｍに達する。これらに加え、ｐ型領域及びｎ型領域へキャリアを注入する外部回路は、数μｍから場合によっては数ｍｍの伝播距離を有しており、ＲＣ時定数が高速なキャリアの注入を阻害している。従って、従来の光変調器におけるキャリア注入による位相変調では、変調速度が数Ｇｂｐｓ程度にとどまっており、より高速な変調には適用できない状況である。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、数Ｇｂｐｓを越えるより高速な変調が可能な光変調器を提供することを目的とする。

本発明に係る光変調器は、絶縁体から構成された第１クラッド層と、この第１クラッド層の主表面の上に形成されてｐ型不純物が導入されたｐ型半導体からなる変調層と、この変調層の上に接して形成された絶縁層と、絶縁層の上に形成された絶縁体から構成された第２クラッド層と、第１クラッド層と変調層との間に配置されてｐ型不純物が導入されたｐ型半導体からなる第１ｐ型半導体層と、この第１ｐ型半導体層と変調層との間に配置されてｎ型不純物が導入されたｎ型半導体からなる第１ｎ型半導体層と、変調層と第２クラッド層との間に配置されてｐ型不純物が導入されたｐ型半導体からなる第２ｐ型半導体層と、この第２ｐ型半導体層と第２クラッド層との間に配置されてｎ型不純物が導入されたｎ型半導体からなる第２ｎ型半導体層と、第１クラッド層の裏面に形成された第１電極と、第２クラッド層の上に形成された第２電極とを少なくとも備え、第１ｐ型半導体層、第１ｎ型半導体層，変調層，絶縁層，第２ｐ型半導体層、及び第２ｎ型半導体層から光導波路コアが構成されているようにしたものである。第２電極から第１電極にかけて正の電圧が印加されると、変調層の絶縁層との界面近傍に反転層が形成され少数キャリアである電子が蓄積されるようになる。

上記光変調器において、変調層と絶縁層との界面は、光導波路コアの層厚方向の中央部に配置されるようにしてもよく、変調層と絶縁層との界面は、光導波路コアの層厚方向の中央部より外側に配置されていてもよい。また、複数の組の変調層及び絶縁層を備え、変調層及び絶縁層からなる各組の間の絶縁層の側に配置されてｐ型不純物が導入されたｐ型半導体からなる層間ｐ型半導体層と、変調層及び絶縁層からなる各組の間の変調層の側に配置されてｎ型不純物が導入されたｎ型半導体からなる層間ｎ型半導体層とを少なくとも備えるようにしてもよい。なお、変調層の絶縁層が形成されている側とは異なる面に接して形成された他の絶縁層を備えるようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、光導波路コアにｐ型半導体からなる変調層及び絶縁層を備え、電圧の印加により、変調層の絶縁層との界面近傍に反転層が形成されて少数キャリアである電子が蓄積されるようにしたので、屈折率をより高速に変化させることが可能となり、数Ｇｂｐｓを越えるより高速な変調が可能な光変調器が実現できるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における光変調器の構成例を模式的に示す断面図である。図１において、（ａ）は導波方向に平行な断面を示し、（ｂ）は、導波方向に垂直な断面を示している。図１に示す光変調器は、下部クラッド層１０１、この上に形成された光導波路コア１０２、この上に形成された上部クラッド層１０３、この上に形成された上部電極（第２電極）１０４、下部クラッド層１０１の下に形成された下部電極（第１電極）１０５を備えている。

また、光導波路コア１０２は、ｐ型半導体層１２１、ｎ型半導体層１２２、絶縁層１２３、ｐ型半導体からなる変調層１２４、絶縁層１２５、ｐ型半導体層１２６、ｎ型半導体層１２７が積層されて構成されている。光導波路コア１０２は、厚さ４００ｎｍ程度に形成されていればよく、この中で、上記各層は１０ｎｍ以上の厚さがあればよい。例えば、ｐ型半導体層１２１が６０ｎｍ、ｎ型半導体層１２２が６０ｎｍ、絶縁層１２３が６５ｎｍ、変調層１２４が６０ｎｍ、絶縁層１２５が３０ｎｍ、ｐ型半導体層１２６が６０ｎｍ、ｎ型半導体層１２７が６０ｎｍ程度の膜厚に形成されていればよい。

また、図１（ｂ）に示すように、下部クラッド層１０１の一部から光導波路コア１０２及び上部クラッド層１０３は、リッジ状に形成され、これらの側部を埋めるように、埋め込み絶縁層１０６が形成されている。なお、下部クラッド層１０１，上部クラッド層１０３は、例えば酸化シリコンから構成され、上記ｐ型半導体層は、例えば不純物としてホウ素が導入されたシリコンから構成され、上記ｎ型半導体層は、例えば不純物としてリンが導入されたシリコンから構成されている。また、変調層１２４を挾む絶縁層１２３，絶縁層１２５は、例えば酸化シリコンから構成され、埋め込み絶縁層１０６は、例えばポリイミドなどの樹脂から構成されている。なお、シリコンに限らず、他の半導体から構成されていてもよい。

以下、図１に示す光変調器の動作について説明する。図２に示すように、ｐ型半導体からなる変調層１２４と絶縁層１２５との接合界面に垂直に電場を印加すると、界面近傍で変調層１２４のバンドが電場による歪みを生じる。電場を絶縁層１２５から変調層１２４へ入射する方向で印加する場合、変調層１２４のバンドは界面近傍で負の方向に歪む。電場の増大とともにこの歪みは大きくなり、変調層１２４の界面近傍の伝導帯のバンドの底が変調層１２４のフェルミ準位（Ｆ_E）よりも下になると、界面近傍に反転層２０１が形成されて少数キャリアである電子が蓄積される。この電子は、ｐ型半導体である変調層１２４の価電子帯から供給されたものである。なお、図２において、変調層１２４のフェルミ準位近傍に示している複数の点は、変調層１２４をｐ型とするために添加されているドーパント（アクセプタ）の準位を示している。

このような反転層２０１に出現する電子は、プラズマ効果により従来技術と同様に変調層１２４の誘電率を低下させて屈折率を変化させる。一方、電場が印加されずに電子が価電子帯にある場合には、これは半導体原子に局在している電子とみなせ、原子の電子分極による寄与として誘電率への算出に組み込まれる。従って、電場が印加される反転層２０１が形成されていない場合は、原子の平均の屈折率は大きく変化することない。これに対し、電場が印加され、反転層２０１へ引き出されたことによりフリーキャリアとなった電子は、屈折率変化の主因となる。

このような反転層２０１へのキャリア（電子）の出現に必要な距離は、きわめて短い。実効的に、バイアス電圧印加により価電子帯の電子の一部が励起してフリーキャリアになるとみなせる。このような電圧印加による電子の遷移は本質的に高速であり、キャリアが移動することによる速度制限を受けることはない。

また、反転層２０１の電子数は、印加電圧により次のように制御可能であり、印加電圧を変化させることにより、屈折率を連続的に変化させることが可能である。まず、真性半導体のフェルミエネルギーをＥ_Iとした（５）式により定義されるポテンシャルを、（６）式に導入することで、反転層２０１への電子数は計算される。なお、（６）式中のＦ（ｕ，ｕ_B）は、以下の（７）式を用いる。

ｕ_B≡｛ｅ／（ｋＴ）｝（Ｅ_F−Ｅ_I）・・・（５）

Ｆ（ｕ，ｕ_B）＝２^1/2｛cosh（ｕ）−cosh（ｕ_b）＋（ｕ−ｕ_B）sinh（ｕ_B）｝^1/2・・・（７）

なお、Ｌ_Dはデバイス長、ｕ_sは表面ポテンシャル、Ｎ_iは真性キャリア密度である。またキャリア密度Ｎ（ｕ）はボルツマン近似により以下の（８）式で与えられる。

Ｎ（ｕ）＝Ｎ_iｅｘｐ（ｕ）・・・（８）

以上示したように、反転層２０１の電子の総数は印加電圧に関連した実効的なポテンシャルｕの直接的な関数である。従って、印加電圧により反転層２０１の電子の総数を制御することが可能である。このように、電子密度を外部電圧によりアナログ的に制御することが可能であり、光の位相も、印加する電圧によりアナログ的に制御することが可能である。なお、これらの定量的な評価は、ポテンシャルｕを実効的に定める内部構造を考慮すればよい。

ところで、図１に示す光変調器においては、光導波路コア１０２が絶縁体の下部クラッド層１０１及び上部クラッド層１０３挟まれ、これらの外側に設けられた下部電極１０５及び上部電極１０４より、変調層１２４に対して層厚方向に電圧が印加される。このように、図１に示す光変調器では、下部電極１０５及び上部電極１０４の間隔が比較的広く、光導波路コア１０２の中心部に配置される変調層１２４に印加される実効電場が小さくなる。

このため、ｐ型半導体層１２１、ｎ型半導体層１２２及びｐ型半導体層１２６、ｎ型半導体層１２７を備え、図３と図４とに比較して示すように、電圧が印加されるときに分極が形成されて内部電場が増強されるようにしている。なお、図３は、電圧が印加されていない状態のポテンシャルダイヤグラムを示し、図４は、電圧が印加されている状態のポテンシャルダイヤグラムを示している。また、ｐ型半導体層１２１、ｎ型半導体層１２２及びｐ型半導体層１２６、ｎ型半導体層１２７を備えることで、逆に電流が流れる状態が抑制され、電圧が印加されたときに変調層１２４において励起されてフリーキャリアとなった電子が、下部クラッド層１０１の側へ流れていくことを抑制している。

ところで、反転層２０１が、光導波路コア１０２の中心部（中央部）に形成されるようにすれば、光導波路コア１０２を伝播する光が、図１（ｂ）に点線の楕円で示すように単一横モードの場合、最もモードフィールドが高い部分が反転層２０１と重なる。例えば、変調層１２４と絶縁層１２５との界面が、光導波路コア１０２の中心部に配置されていればよい。このように構成すれば、形成される反転層２０１の屈折率変化により効率よく伝播する光に位相変化を与えることができる。なお、前述したように、反転層２０１は、変調層１２４と絶縁層１２５との界面近傍に形成されるものであり、絶縁層１２３は、必ずしも必要なものではない。ただし、光導波路コア１０２における反転層２０１の形成領域を中心とした屈折率の対称性を考慮した場合、絶縁層１２５に対応して絶縁層１２３を設けるようにした方がよい。

次に、本発明の実施の形態における他の光変調器について説明する。図５は、本発明の実施の形態における光変調器の構成例を模式的に示す断面図である。なお、図５は、導波方向に平行な断面を示している。図５に示す光変調器は、下部クラッド層５０１、この上に形成された光導波路コア５０２、この上に形成された上部クラッド層５０３、この上に形成された上部電極５０４、下部クラッド層５０１の下に形成された下部電極５０５を備えている。

図５に示す光変調器においても、光導波路コア５０２は、ｐ型半導体層５２１、ｎ型半導体層５２２、絶縁層５２３、ｐ型半導体からなる変調層５２４、絶縁層５２５、ｐ型半導体層５２６、ｎ型半導体層５２７が積層されて構成されている。これらは、図１に示す光変調器とほぼ同様である。ただし、図５に示す光変調器では、ｐ型半導体層５２１、ｎ型半導体層５２２が、光導波路コア５０２を構成する他の層に比較して厚く形成され、反転層の形成される変調層５２４と絶縁層５２５との界面領域が、光導波路コア５０２のＸＸ’線で示すコア中心より上部電極５０４の側にずれて配置されている。従って、図５に示す光変調器によれば、光導波路コア５０２による導波路を導波する光の、上部電極５０４の部分が位相変調の対象となる。言い換えると、図５に示す光変調器では、導波路コア５０２に異なる２つの屈折率の領域が形成されるようになる。

ここで、光導波の媒質となる光導波路コア５０２の不均一性について示す。まず、以下の（９）式に示す光変調器の伝搬距離Ｌに対する光の電場の合成を考える。

ただし、一般に、伝搬距離Ｌが大きくなると散乱によるモード間でのエネルギー交換が発生し、Ｌが無限大の極限では、２つの領域の屈折率が合成して得られる単一の伝搬モードが形成されるが、ここでは、Ｌが十分に小さいものとし、上記モードが形成されないものとしている。さらに、一般性を損なわない範囲で簡単化できるものとし、ａ＝０とするとともに、横モードの分布関数を以下の（１０）式で示されるものとすると、合成電場は、以下の（１１）式で示されるものとなる。

Ａ（ｙ）＝１（｜ｙ｜≦ｈ／２）；０（｜ｙ｜＞ｈ／２）・・・（１０）

従って、２πΔｎＬ／λ＝πを満足するようにＬを定めると、屈折率変化Δｎの有無により、透過強度を変調度１で強度変調することが可能となる。このような強度変調は、従来よりあるマッハツェンダー（Mach-Zehnder）共振器を用いた強度変調と同様となる。また、図５に示す光変調器によれば、マッハツェンダー共振器に比較して分岐光回路が必要ないため、同様の強度変調がより簡略された構成で実現できるようになる。

次に、本発明の実施の形態における他の光変調器について説明する。図６は、本発明の実施の形態における光変調器の構成例を模式的に示す断面図である。なお、図６は、導波方向に平行な断面を示している。図６に示す光変調器は、下部クラッド層６０１、この上に形成された光導波路コア６０２、この上に形成された上部クラッド層６０３、この上に形成された上部電極６０４、下部クラッド層６０１の下に形成された下部電極６０５を備えている。

また、図６に示す光変調器では、光導波路コア６０２に複数の反転層が形成されるように、複数組の変調層６２４及び絶縁層６２５（及び絶縁層６２３）を備えている。また、各変調層６２４及び絶縁層６２５の組を挾むように、ｐ型半導体層６２１及びｎ型半導体層６２２からなる複数のｐｎ接合層を備えている。図６では、３組の変調層６２４及び絶縁層６２５を備える例を示している。

図６に示す光変調器によれば、ｐ型半導体層６２１及びｎ型半導体層６２２からなる複数のｐｎ接合層が、絶縁層で隔離されており、電場の印加により、ｐ型半導体層６２１で正孔が、ｎ型半導体層６２２で電子が各々表面に蓄積され、分極が形成されるようになる。各ｐｎ接合内部では、外部から加えられた電場を打ち消す反転電場が形成され、反転電場が形成されるｐｎ接合部分の外側では、電場が増強される。これらの作用は、強誘電体の作用と同様である。また、図６に示す光変調器によれば、複数組の変調層６２４及び絶縁層６２５を備えるので、光導波路コア６０２の中のより広い領域に渡って、光変調が行われる反転層が形成されるようになる。これらの結果、図６に示す光変調器によれば、複数の反転層を低電圧で効率よく形成することが可能となり、より低電圧で効率よく変調することが可能となる。

本発明の実施の形態における光変調器の構成例を模式的に示す断面図である。図１に示す光変調器の動作について説明するバンド図である。図１に示す光変調器の動作について説明するバンド図である。図１に示す光変調器の動作について説明するバンド図である。本発明の実施の形態における光変調器の構成例を模式的に示す断面図である。本発明の実施の形態における光変調器の構成例を模式的に示す断面図である。従来よりある光位相変調器の構成を示す断面図である。従来よりある光変調器の構成を示す平面図である。

符号の説明

１０１…下部クラッド層、１０２…光導波路コア、１０３…上部クラッド層、１０４…上部電極、１０５…下部電極、１２１…ｐ型半導体層、１２２…ｎ型半導体層、１２３…絶縁層、１２４…変調層、１２５…絶縁層、１２６…ｐ型半導体層、１２７…ｎ型半導体層、２０１…反転層。

Claims

絶縁体から構成された第１クラッド層と、
この第１クラッド層の主表面の上に形成されてｐ型不純物が導入されたｐ型半導体からなる変調層と、
この変調層の上に接して形成された絶縁層と、
前記絶縁層の上に形成された絶縁体から構成された第２クラッド層と、
前記第１クラッド層と前記変調層との間に配置されてｐ型不純物が導入されたｐ型半導体からなる第１ｐ型半導体層と、
この第１ｐ型半導体層と前記変調層との間に配置されてｎ型不純物が導入されたｎ型半導体からなる第１ｎ型半導体層と、
前記変調層と前記第２クラッド層との間に配置されてｐ型不純物が導入されたｐ型半導体からなる第２ｐ型半導体層と、
この第２ｐ型半導体層と前記第２クラッド層との間に配置されてｎ型不純物が導入されたｎ型半導体からなる第２ｎ型半導体層と、
前記第１クラッド層の裏面に形成された第１電極と、
前記第２クラッド層の上に形成された第２電極と
を少なくとも備え、
前記第１ｐ型半導体層、前記第１ｎ型半導体層，前記変調層，前記絶縁層，前記第２ｐ型半導体層、及び前記第２ｎ型半導体層から光導波路コアが構成されている
ことを特徴とする光変調器。
請求項１記載の光変調器において、
前記変調層と前記絶縁層との界面は、前記光導波路コアの層厚方向の中央部に配置される
ことを特徴とする光変調器。
請求項１記載の光変調器において、
前記変調層と前記絶縁層との界面は、前記光導波路コアの層厚方向の中央部より外側に配置される
ことを特徴とする光変調器。
請求項１記載の光変調器において、
複数の組の前記変調層及び前記絶縁層を備え、
前記変調層及び前記絶縁層からなる各組の間の前記絶縁層の側に配置されてｐ型不純物が導入されたｐ型半導体からなる層間ｐ型半導体層と、
前記変調層及び前記絶縁層からなる各組の間の前記変調層の側に配置されてｎ型不純物が導入されたｎ型半導体からなる層間ｎ型半導体層と
を少なくとも備える
ことを特徴とする光変調器。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光変調器において、
前記変調層の前記絶縁層が形成されている側とは異なる面に接して形成された他の絶縁層を備えることを特徴とする光変調器。