JP2013214044A - 光変調器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Siで形成された光導波路12と、前記光導波路12に電界を印加する一対の電極13,21とを備える光変調器1Aにおいて、前記光導波路12は歪みが生じていることを特徴とする。
【選択図】図2
Description
ところが、上記特許文献1及び2に係る変調器は、いずれも特殊な材料を用いるので、大量生産に適さない、という問題があった。
そこで、本発明は、電気光学効果を用いた従来の光変調器と同等以上の性能を有する、Siで形成した光変調器を提供することを目的とする。
同様に、自由キャリア吸収による吸光度の変化Δαは、以下の関係式で表される。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図1に示す光変調器1Aは、マッハツェンダー干渉計2に設けられている。マッハツェンダー干渉計2は、入力部3、分岐部4、第1の分岐導波路5、第2の分岐導波路6、合波部7、及び出力部8を備え、第1の分岐導波路5に光変調器1Aが設けられている。本実施形態に係る光変調器1Aは、キャリアプラズマ効果により、入射した光の屈折率を変化させる。
第2実施形態に係る光変調器1Bについて、図2と同様の構成について同様の符号を付した図3を参照して説明する。本図における光変調器1Bは、光導波路12を挟んで一側及び他側に形成された不純物半導体部としてのP型半導体部25とN型半導体部26が形成されており、それぞれ一般式Si1−xGex(0<x<1)(以下、「SiGe」と示す。)を含有する。これにより、P型半導体部25とN型半導体部26は真正半導体層18の光導波路12が形成された部分27に圧縮応力を付与する。この圧縮応力に比例して真正半導体層18の光導波路12が形成された部分27には、1軸の圧縮歪みが生じる。真正半導体層18の光導波路12が形成された部分27の圧縮歪みにより、半導体のバンド構造が変調することで、正孔の有効質量が減少する。なお、SiGeのGe濃度が高い方が、部分27により大きな歪みを生じさせ得る。この場合、Ge濃度は、x≧0.1以上であれば真正半導体層18の部分27により確実に歪みを生じさせることができる。
第3実施形態に係る光変調器1Cについて、図2と同様の構成について同様の符号を付した図4を参照して説明する。本図における光変調器1Cは、光導波路30に歪生成部としてのSiGe層31が形成されている。光導波路30は、真正半導体層18、SiGe層31、真正半導体層18の順に積層されており、当該SiGe層31に圧縮応力が生じている。この圧縮応力に比例して、SiGe層31そのものに2軸の圧縮歪みが生じている。この圧縮歪みにより、半導体のバンド構造が変調することで、SiGe層31における正孔の有効質量が減少する。
第4実施形態に係る光変調器1Eについて、図2と同様の構成について同様の符号を付した図6を参照して説明する。光変調器1Eは、SOI(Silicon on Insulator)基板に形成された凸条の光導波路41を有するMOS(Metal Oxide Semiconductor)型トランジスタと同様の構造を有する。この光変調器1Eは、Si基板16と、Si基板16上に積層されたSiO2からなる埋め込み酸化層17とを備え、埋め込み酸化層17上に不純物半導体部としてのP型半導体層35、歪生成部としての量子井戸(Quantum well)層36、ゲート絶縁膜37、導電部としてのN型半導体層38、電極としての入力電極39が順に積層されている。ゲート絶縁膜37、N型半導体層38、及び入力電極39を備える光導波路41は、図面に対し垂直方向、すなわち手前から奥へ伸びるように形成されている。光導波路12を挟んで両側にそれぞれ電極としての接地電極40が設けられている。
第5実施形態に係る光変調器1Fについて、図6と同様の構成について同様の符号を付した図7を参照して説明する。本実施形態に係る光変調器1Fは、埋め込み酸化層17上に不純物半導体部としてのN型半導体層42、ゲート絶縁膜37、導電部としてのP型半導体層45、入力電極39が順に積層されている。ゲート絶縁膜37、P型半導体層45、及び入力電極39を備える光導波路43は、図面に対し垂直方向、すなわち手前から奥へ伸びるように形成されている。
一方、圧縮応力を付与し得るようにSiN膜44を形成してもよい。この場合、図示しないが、光変調器は、埋め込み酸化層上に不純物半導体部としてのP型半導体層、ゲート絶縁膜、導電部としてのN型半導体層、入力電極が順に積層される。SiN膜は、P型半導体層、及びN型半導体層に対し圧縮応力を付与する。この圧縮応力に比例してP型半導体層、及びN型半導体層には、1軸の圧縮歪みが生じる。このP型半導体層の圧縮歪みにより、半導体のバンド構造が変調することで、正孔の有効質量が減少する。光変調器は、P型半導体層に形成された光導波路に1軸の圧縮歪みが生じているので、歪みが生じていない場合に比べ、キャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δnを3倍程度に増大することができる。
図8は、Si基板上にSiGe層を成長させた場合のGe濃度の変化と正孔の有効質量の変化とを計算した結果である。本図からGe濃度が高くなるに従い、正孔の有効質量が小さくなっていくのが確認できる。
次に、上記第4実施形態に対応する光変調器1Cに係る実施例について説明する。本実施例に係る光変調器1Cは、市販のSOI基板を用いて形成した。使用したSOI基板の埋め込み層17の膜厚は2μm、埋め込み層17上のSi層18Bの膜厚は260nmである。まず、埋め込み層17上のSi層18Bを熱酸化し、形成した熱酸化膜を除去することにより、厚さ100nmに薄膜化した。次いで、厚さ30nmのSiGe層31と、70nmのSi層18Bとを化学蒸着(CVD:Chemical Vapor Deposition)法によりSOI基板上に形成した(図17A)。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
12 :光導波路
13 :入力電極(電極)
18 :真正半導体層
19 :P型半導体部
20 :N型半導体部
22 :SiN膜(歪生成部)
Claims (9)
- Siで形成された光導波路と、
前記光導波路に電界を印加する一対の電極と
を備える光変調器において、
前記光導波路は歪みが生じていることを特徴とする光変調器。 - 前記光導波路は、一般式Si1−xGex(0<x<1)で表される化合物を含有する歪生成部を備えることを特徴とする請求項1に記載の光変調器。
- 前記光導波路は、ゲート絶縁膜を挟んで一対の前記電極が配置されており、
前記歪生成部は、前記ゲート絶縁膜と一方の前記電極の間に形成されていることを特徴とする請求項2に記載の光変調器。 - 前記歪生成部は、量子井戸構造を有することを特徴とする請求項3に記載の光変調器。
- 前記ゲート絶縁膜は、高誘電率ゲート絶縁膜であることを特徴とする請求項3又は4に記載の光変調器。
- 前記光導波路の表面が、前記歪生成部で覆われていることを特徴とする請求項2に記載の光変調器。
- 前記光導波路を挟んで一対の不純物半導体部が配置され、一対の前記不純物半導体部は、前記電極に接続されていることを特徴とする請求項6に記載の光変調器。
- 前記光導波路は、ゲート絶縁膜を挟んで一対の前記電極が配置されていることを特徴とする請求項6に記載の光変調器。
- 前記光導波路を挟んで一対の不純物半導体部が配置され、
一対の前記不純物半導体部は、前記電極に接続されており、一般式Si1−xGex(0<x<1)で表される化合物を含有する
ことを特徴とする請求項1に記載の光変調器。
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