JP2012053399A - 光変調素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 p型a−Si層5、アンドープa−Si層6、n型a−Si層7からなるpinダイオード構造の外側に、アンドープ−a−Si層4とn型a−Si層3からなるp型a−Si層5内の電子に対するドレイン19と、アンドープa−Si層8とp型a−Si層9からなるn型a−Si層7内の正孔に対するドレイン20が付加されている。p型a−Si層5とn型a−Si層7における実効的なキャリア寿命が大幅に短縮されるので、ドレインのない従来のpinダイオード構造キャリア注入型光変調器と比べて一桁以上高い周波数まで応答させることができる。
【選択図】 図1
Description
この実施の形態の目的は、上記の課題を解決して、数〜数十Gbpsでも低電圧のCMOS駆動で十分な光変調をかけることができるSi系光変調器を実現する技術を提供することにある。
Si系光変調器の原理としては、
(i)電界吸収効果(フランツ・ケルディッシュ効果、量子閉じ込めシュタルク効果)
(ii)キャリア・プラズマ効果
の二つが一般的である。
で近似できることが知られている。ここで、Neは電子密度、Nhは正孔密度である。係数 ae、ahは波長の二乗に比例する量で、波長1.55μmでは、a e =−8.8×10−22cm3、an =−8.5×10−18cm2.4である。光位相変調器をマッハ・ツェンダ干渉計やマイクロ・リング共振器の中に入れれば、光強度変調器として機能させることができる。
(iia)二つの半導体層の間に薄い絶縁膜を挟んだキャパシタ型、
(iib)pnダイオード構造の光導波路に逆方向電圧を印加して空乏化させるもの、
(iic)pinダイオード構造の光導波路に順方向電流を流してキャリア注入するもの、
に分類できる。
以下、さらに具体的に実施の形態について説明する。
図1は、第1の実施形態の光変調素子(レーストラック共振器型光変調器)の光導波方向に垂直な断面の構造を模式的に示す図である。
τt=Wp 2/(2De)=qWp 2/(2μekT) 式(IIa)
により推算できる。ここでDeはp領域内の電子の拡散係数であり、アインシュタインの関係より、D=μkT/qである。ただし、qは電子の素電荷、μeは電子の移動度、kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。同様に、n−Si層7内の正孔走行時間は、
τt=qWn 2/(2μhkT) 式(IIb)
となる。ただし、Wnはn−Si層7の厚さ、μhは正孔の移動度である。
を仮定すると、式(IIIa)、(IIIb)より電子と正孔の移動度はμe=338cm2/V/s、μh=126cm2/V/sと推算される。この値を式(IIa)、(IIb)に代入すれば、p−Si層5内の電子走行時間は0.5ps、n−Si層7内の正孔走行時間は1.4psと推算される。すなわち、ドレイン19、20の存在により、実効的な少数キャリア寿命は1ps程度にまで短縮されることになる。厚さ70nmのi−Si層6内のキャリア輸送の影響を加えたとしても。応答時定数は5ps前後(遮断周波数〜30GHz)となる。
の関係があるから、実効的なキャリア寿命τの短い本実施の形態の光変調器には、同じキャリア密度変化ΔNを得るために必要な電流密度が大きくなるというデメリットもある。ここで、Vはキャリア密度変化の起こる部分の体積である。しかし、本実施形態はマイクロ・リング共振器型光変調器であり、十分な変調を得るためのキャリア密度変化は、前述の従来技術のマッハ・ツェンダ干渉計型光変調器の1/30の1×1017cm−3程度でよい。また、i―Si層6の体積V(厚さ70nm×幅450nm×周回長約40μm)は従来技術のマッハ・ツェンダ干渉計型光変調器のi−Si領域103の体積より一桁以上小さい。したがって、i−Si領域103の光閉じ込め係数を30%とすれば、電流振幅は従来技術の光変調器のDC駆動の場合とほとんど同じ24mAとなる。
図7は実施形態2の光変調素子(対称マッハ・ツェンダ干渉計型光変調器)の概略構成を示すための平面図である。このマッハ・ツェンダ干渉計は、入力光導波路51、マルチモード干渉計(MMI)型1×2光カプラ52、第一の分岐53a、第二の分岐53b、マルチモード干渉計(MMI)型2×2光カプラ54、出力光導波路55a、55bからなり、他の光導波路、光素子とともに光集積回路の一部を構成している。
図10は、実施形態3に係わる光変調素子(差動出力型のマッハ・ツェンダ干渉計型光変調器)の位相変調器の断面構造を概略的に示す図である。
i−Si層203とi−SiGe層204は第1の低不純物密度半導体層、p型ポリSi層213、214は第1のp型半導体層(正孔注入層)、n型ポリSi層215、216は第1のn型半導体層(電子注入層)、p+−Si領域206は第2のp型半導体層(正孔に対するドレイン)、n+−Si領域205は第2のn型半導体層(電子に対するドレイン)に相当する。
2、62、102、202: SiO2
3: n−Si層(第2のn型半導体領域)
4: i−Si層(第2の低不純物密度半導体領域)
5: p−Si層(第1のp型半導体領域)
6: i−Si層(第1の低不純物密度半導体領域)
7: n−Si層(第1のn型半導体領域)
8: i−Si層(第3の低不純物密度半導体領域)
9: p−Si層(第2のp型半導体領域)
10: 光導波路コア
11、15: n+−Si層
12、16、71、73、211、212: SiO2層
13、17: p+−Si層
14、18、74、75、106、107、207、208、217、218: 電極
19: 電子に対するドレイン
20: 正孔に対するドレイン
21: 直線光導波路
22: レーストラック共振器
23: 方向性結合器
51: 入力光導波路
52: 1×2光カプラ
53a: 第一の分岐
53b: 第二の分岐
54: 2×2光カプラ
55a、55b: 出力光導波路
56a、56b: 位相変調器
63: i−Si領域(第1の低不純物密度半導体領域)
63a、103a: 光導波路メサ
63b,103b: スラブ
64: n+領域(第2のn型半導体領域)
65: p領域(第1のp型半導体領域)
66: n領域(第1のn型半導体領域)
67: p+領域(第2のp型半導体領域)
68: i領域(第2の低不純物密度半導体領域)
69: i領域(第3の低不純物密度半導体領域)
70、214: p+型ポリSi
72、216: n+型ポリSi
103、203: i−Si領域
104、206: p+領域
105、205: n+領域
204: i−SiGe
213: p型ポリSi
215: n型ポリSi
Claims (12)
- 少なくとも第1のp型半導体領域と第1のn型半導体領域とその間に形成された第1の低不純物密度半導体領域からなり、該第1の低不純物密度半導体領域内のキャリア密度を電流注入により変化させて、該第一の低不純物密度半導体領域の少なくとも一部を含むように設けられた光導波構造を伝搬する光の位相を変調する光変調素子において、第1のp型半導体領域の外側に第2の低不純物密度半導体領域を介して第2のn型半導体領域が設けられており、第1のn型半導体領域の外側に第3の低不純物密度半導体領域を介して第2のp型半導体領域が設けられていることを特徴とする光変調素子。
- 前記第1のp型半導体領域と第2のn型半導体領域が電気的に接続されてほぼ同電位になっており、かつ、第1のn型半導体領域と第2のp型半導体領域が電気的に接続されてほぼ同電位になっていることを特徴とする請求項1記載の光変調素子。
- 前記の各半導体領域はSiを主たる構成要素としてなることを特徴とする、請求項1ないし2記載の光変調素子。
- 前記請求項1記載の半導体領域構造がマイクロ・リング共振器型光変調器の一部として用いられていることを特徴とする請求項1ないし3記載の光変調素子。
- 前記請求項1記載の半導体領域構造が差動出力型のマッハ・ツェンダ干渉計型光変調器の一部として用いられていることを特徴とする請求項1ないし3記載の光変調素子。
- 第1の低不純物密度半導体領域を囲んで第1のp型半導体領域と第1のn型半導体領域と第2のp型半導体領域と第2のn型半導体領域とが直接相互に接しないように設けられており、第1のp型半導体領域と第1のn型半導体領域と第2のp型半導体領域と第2のn型半導体領域の少なくとも二つの間の電圧を変化させて第1の低不純物密度半導体領域内のキャリア密度を変化させることにより、該第1の低不純物密度半導体領域の少なくとも一部を含む光導波構造を伝搬する光の位相を変調する光変調素子。
- 電圧を加えて前記第1の低不純物密度半導体領域内にキャリアを注入する際に、前記第1のp型半導体領域と第2のp型半導体領域の間の正孔の流路と、前記第1のn型半導体領域と第2のn型半導体領域の間を電子の流路とが、前記第1の低不純物密度半導体領域内で交差していることを特徴とする、請求項6記載の光変調素子。
- 前記第1のp型半導体領域と第2のn型半導体領域が電気的に接続されてほぼ同電位になっており、かつ、第1のn型半導体領域と第2のp型半導体領域が電気的に接続されてほぼ同電位になっていることを特徴とする請求項6ないし7記載の光変調素子。
- 前記の各半導体領域はSiを主たる構成要素としてなることを特徴とする、請求項6ないし8記載の光変調素子。
- 少なくとも第1の低不純物密度半導体領域の光導波構造の内部に、前記半導体領域の他の部分と比べて禁制帯幅の小さい部分があることを特徴とする、請求項6ないし9記載の光変調素子。
- 前記請求項1記載の半導体領域構造がマイクロ・リング共振器型光変調器の一部として用いられていることを特徴とする請求項6ないし10記載の光変調素子。
- 前記請求項1記載の半導体領域構造が差動出力型のマッハ・ツェンダ干渉計型光変調器の一部として用いられていることを特徴とする請求項6ないし10記載の光変調素子。
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