JP2014109594A - 光変調器及び光送信器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光変調器を、半導体材料からなる光導波路コア2と、電極3と、n型又はp型にドーピングされた半導体材料からなり、光導波路コアと電極とを電気的に接続する複数のチャネル4とを備え、複数のチャネル4は、光の伝搬方向に沿って互いに間隔をあけて設けられており、光導波路コア2は、n型又はp型にドーピングされたドーピング領域2X及び非ドーピング領域2Yを光の伝搬方向に沿って交互に有し、複数のチャネル4は、それぞれ、ドーピング領域2Xに接続されているものとする。
【選択図】図1
Description
このような光変調器としては、例えば、pnダイオードを用いたリブ導波路型光変調器、pinダイオードを用いた側面格子導波路型光変調器などがある。
そこで、伝搬損失が増大しないようにしながら、より高速で動作しうる側面格子導波路型光変調器及びこれを備える光送信器を実現したい。
本実施形態にかかる光変調器は、半導体材料からなり、pnダイオードを用いた光変調器であり、図1(A)〜図1(C)に示すように、pn接合部1を含む光導波路コア2と、電極3と、n型又はp型にドーピングされた半導体材料からなり、光導波路コア2と電極3とを電気的に接続する複数のチャネル4とを備える。ここでは、光導波路コア2は、直線状に延びており、電極3は、光導波路コア2に平行に設けられている。そして、電極3から複数のチャネル4を介して光導波路コア2に供給する電気信号を変化させることで、光を変調するようになっている。なお、光変調器5を半導体光変調器ともいう。また、光導波路コア2を光導波路コア層ともいう。
そして、本側面格子導波路型光変調器5の変調動作は、電気抵抗Rを介して電気容量Cに電流(高周波電流)を流し、電気容量Cに溜まる電荷を増減させることと等価である。
そこで、本側面格子導波路型光変調器5では、図1(A)〜図1(C)に示すように、光導波路コア2を、光の伝搬方向に沿って交互に設けられたドーピング領域2X及び非ドーピング領域2Yを有するものとしている。つまり、光導波路コア2は、光の伝搬方向に沿って互いに間隔をあけて設けられた複数のドーピング領域2Xと、光の伝搬方向に沿って互いに間隔をあけて設けられた複数の非ドーピング領域2Yとを有する。このように、光導波路コア2のドーピング濃度を光の伝搬方向に沿って不均一にする。ここでは、トーピング領域2X及び非ドーピング領域2Yは、それぞれ、光導波路コア2の幅方向の全長にわたって延びている。つまり、ドーピング領域2X及び非ドーピング領域2Yは、それぞれ、光導波路コア2の一方の側面から他方の側面まで延びている。そして、複数のチャネル4、即ち、複数の格子を、それぞれ、光導波路コア2のドーピング領域2X(即ち、複数のドーピング領域2X)に接続している。ここで、光導波路コア2のドーピング領域2Xは、チャネル4が光導波路コア2に接している部分を含む。このため、光導波路コア2のドーピング領域2Xは、その両側にチャネル4が接続されている領域であり、光導波路コア2の非ドーピング領域2Yは、その両側にチャネル4が接続されていない領域である。
一方、後述の製造方法[図4(A)〜図4(M)参照]によって製造する場合、図1(A)に示すように、光導波路コア2のドーピング領域2Xの幅は、チャネル4の幅(格子幅)よりもわずかに広くなる。ここでは、チャネル4の幅は約70nmであるのに対し、光導波路コア2のドーピング領域2Xの幅は約100nmである。つまり、後述の製造方法[図4(A)〜図4(M)参照]では、光導波路コア2に部分的にドーピングを行なった後、そのドーピング領域2Xに合わせてチャネル4(格子)を残すようにエッチングを行なうようにしている。このため、光導波路コア2のドーピング領域2Xの両側に、エッチングによって残されるチャネル4の位置が一致するように、光導波路コア2のドーピング領域2Xの幅をチャネル4の幅よりも予め少し広くして、位置合わせのためのマージンを設けている。この場合、光導波路コア2のドーピング領域2Xの幅は、チャネル4の幅よりも若干広くなる。
次に、本マッハツェンダ型光変調器6の製造方法について、上述の側面格子導波路型光変調器5の部分を中心に、図4(A)〜図4(M)を参照しながら説明する。
次に、図4(C)、図4(D)に示すように、SOI層(シリコン層)12のパッド9となる領域及び各チャネル4のパッド9側の領域4AA,4BAとなる領域を、例えばリソグラフィー及びイオン注入技術を用いて、高濃度にn型又はp型にドーピングする。ここでは、一方の側のパッド9Aとなる領域及び各チャネル4Aのパッド9A側の領域4AAとなる領域を、ドーピング濃度約1020/cm3の高濃度でn型にドーピングし、他方の側のパッド9Bとなる領域及び各チャネル4Bのパッド9B側の領域4BAとなる領域を、ドーピング濃度約1020/cm3の高濃度でp型にドーピングする。なお、図4(C)、図4(D)では、高濃度でn型にドーピングした領域をn+型ドーピング領域14として示し、高濃度でp型にドーピングした領域をp+ドーピング領域15として示している。
また、光導波路コア2の厚さと各チャネル4の厚さは、同一であり、約220nmである。また、2本のアーム7(図3参照)及び光導波路コア5は、約450nmの幅に形成される[図1(A)参照]。
その後、パッド9の直上のSiO2膜18を除去して、例えばアルミニウムなどの金属からなる電極3を形成する。ここでは、一方の側に設けられた第1パッド9A上に第1電極3Aを形成し、他方の側に設けられた第2パッド9B上に第2電極3Bを形成する。
このようなマッハツェンダ型光変調器6を動作させる場合、即ち、マッハツェンダ型光変調器6に含まれる側面格子導波路型光変調器5を動作させる場合、動作時のDCバイアス電圧として、pn接合部1に順方向に+0.8Vの電圧を与える。この場合、側面格子導波路型光変調器5の電気容量Cは非常に大きくなるため、遮断周波数f3dBは通常100MHz程度の低周波数となる。これに対して、本側面格子導波路型光変調器5は、約12.5Gb/s以上の高速広帯域動作(最大動作周波数f=約12.5GHz)を行なう。つまり、本側面格子導波路型光変調器5においては、プリエンファシス信号(例えば非特許文献1参照)などの予め光変調器の周波数特性を補償した駆動信号を用いることで、遮断周波数f3dBよりも高い動作周波数による駆動を行なうことで、高速広帯域動作が可能である。
上述の側面格子導波路型光変調器5の透過スペクトルにおけるストップバンドは、チャネル(格子)4の周期で決まる。上述の側面格子導波路型光変調器5では、チャネル(格子)4が周期約285nmで周期的に設けられている。このため、上述の側面格子導波路型光変調器5の透過スペクトルでは、図5に示すように、この側面格子構造に起因するストップバンド(反射波長帯)が約1470nm近傍の波長に見られる。一方、ストップバンドよりも長波側の波長、即ち、ストップバンド以外の透過波長帯においては、比較的平坦な透過特性が得られている。このため、この透過特性が比較的平坦になる透過波長帯に含まれる波長を動作波長として用いれば良い。例えば、上述の側面格子導波路型光変調器5の動作波長を約1550nmに設定すれば良い。ここで、動作波長を約1550nmに設定するには、本側面格子導波路型光変調器5に入力される連続光の波長(入力波長)を約1550nmにすれば良い。例えば、連続光を出力する半導体レーザと、半導体レーザからの連続光を変調する光変調器5とを備える光送信器において、半導体レーザが出力する連続光の波長を約1550nmに設定すれば良い。このように、透過波長帯に含まれる波長を動作波長として設定した場合、上述の側面格子導波路型光変調器5の光導波路コア2を伝搬する伝搬光の強度分布は、図6に示すように、概ね伝搬方向に一様になる。
なお、本発明は、上述した実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
例えば、図10に示すように、本側面格子導波路型光変調器5を、吸収型光変調器21として用いても良い。この場合、光導波路コア2に注入された電子/ホールのプラズマ効果による光の吸収係数の変化を利用して光の変調を行なうことになる。また、この場合、本側面格子導波路型光変調器5は、上述の実施形態のようなマッハツェンダ型干渉計の2本のアーム7(図3参照)に設けるのではなく、図10に示すように、単一の導波路20に設けることになる。また、本側面格子導波路型光変調器5に備えられた電極3に電圧信号源8を接続し、変調信号としての高周波電圧を印加するようにすれば良い。そして、光導波路コア2内部のキャリア濃度を変化させることで、光導波路コア2の吸収係数を変化させ、これにより、光導波路コア2から出力される光の強度を変調することになる。なお、図10中、点線で囲まれた領域Xの拡大図は、上述の実施形態の側面格子導波路型光変調器5の構成[図1(A)参照]、上述の実施形態の変形例の構成[図8、図9(A)参照]のいずれかと同一である。また、これを第3変形例という。このような第3変形例の吸収型光変調器21は、マッハツェンダ型光変調器6と比較して、構成が簡便になるという利点がある。例えば、マッハツェンダ型光変調器6では、マッハツェンダ干渉計の2本のアーム7の間で初期位相差の調整を行なう必要があるのに対し、吸収型光変調器21では、このような調整を必要としないという利点がある。但し、一般に、本側面格子導波路型光変調器5を用いてシリコン中のプラズマ効果を利用する場合、吸収係数の変化を利用するよりも屈折率の変化を利用する方が、得られる光の変調は大きくなる。このため、吸収型光変調器21として用いた場合、その変調効率は、マッハツェンダ型光変調器6に用いた場合よりも一般に小さくなる。
(付記1)
半導体材料からなる光導波路コアと、
電極と、
n型又はp型にドーピングされた半導体材料からなり、前記光導波路コアと前記電極とを電気的に接続する複数のチャネルとを備え、
前記複数のチャネルは、光の伝搬方向に沿って互いに間隔をあけて設けられており、
前記光導波路コアは、n型又はp型にドーピングされたドーピング領域及び非ドーピング領域を光の伝搬方向に沿って交互に有し、
前記複数のチャネルは、それぞれ、前記ドーピング領域に接続されていることを特徴とする光変調器。
前記複数のチャネルは、光の伝搬方向に沿って一定の間隔をあけて周期的に設けられていることを特徴とする、付記1に記載の光変調器。
(付記3)
前記電極は、前記光導波路コアを挟んで両側に設けられた第1電極及び第2電極であり、
前記ドーピング領域は、
n型にドーピングされたn型ドーピング領域と、
前記n型ドーピング領域に接合され、p型にドーピングされたp型ドーピング領域とを含み、
前記n型ドーピング領域及び前記p型ドーピング領域の少なくとも一方と前記非ドーピング領域とが光の伝搬方向に沿って交互に設けられており、
前記複数のチャネルは、
n型にドーピングされた半導体材料からなり、前記光導波路コアと前記第1電極とを電気的に接続し、光の伝搬方向に沿って互いに間隔をあけて設けられ、前記n型ドーピング領域に接続されている複数のn型チャネルと、
p型にドーピングされた半導体材料からなり、前記光導波路コアと前記第2電極とを電気的に接続し、光の伝搬方向に沿って互いに間隔をあけて設けられ、前記p型ドーピング領域に接続されている複数のp型チャネルとを含むことを特徴とする、付記1に記載の光変調器。
前記n型ドーピング領域と前記非ドーピング領域とが光の伝搬方向に沿って交互に設けられており、
前記p型ドーピング領域と前記非ドーピング領域とが光の伝搬方向に沿って交互に設けられていることを特徴とする、付記3に記載の光変調器。
前記n型ドーピング領域と前記非ドーピング領域とが光の伝搬方向に沿って交互に設けられており、
前記p型ドーピング領域は、光の伝搬方向に沿って連続的に設けられていることを特徴とする、付記3に記載の光変調器。
前記p型ドーピング領域と前記非ドーピング領域とが光の伝搬方向に沿って交互に設けられており、
前記n型ドーピング領域は、光の伝搬方向に沿って連続的に設けられていることを特徴とする、付記3に記載の光変調器。
前記複数のn型チャネルは、光の伝搬方向に沿って一定の間隔をあけて周期的に設けられており、
前記複数のp型チャネルは、光の伝搬方向に沿って一定の間隔をあけて周期的に設けられていることを特徴とする、付記3〜6のいずれか1項に記載の光変調器。
前記電極は、前記光導波路コアを挟んで両側に設けられた第1電極及び第2電極であり、
前記ドーピング領域は、p型にドーピングされたp型ドーピング領域を含み、
前記複数のチャネルは、
n型にドーピングされた半導体材料からなり、前記光導波路コアと前記第1電極とを電気的に接続し、光の伝搬方向に沿って互いに間隔をあけて設けられ、前記ドーピング領域の一方の側に接続されている複数の第1n型チャネルと、
n型にドーピングされた半導体材料からなり、前記光導波路コアと前記第2電極とを電気的に接続し、光の伝搬方向に沿って互いに間隔をあけて設けられ、前記ドーピング領域の前記一方の側の反対側に接続されている複数の第2n型チャネルとを含むことを特徴とする、付記1に記載の光変調器。
前記複数の第1n型チャネルは、光の伝搬方向に沿って一定の間隔をあけて周期的に設けられており、
前記複数の第2n型チャネルは、光の伝搬方向に沿って一定の間隔をあけて周期的に設けられていることを特徴とする、付記8に記載の光変調器。
前記光導波コアと前記複数のチャネルは、厚さが同一であることを特徴とする、付記1〜9のいずれか1項に記載の光変調器。
(付記11)
連続光を出力する半導体レーザと、
前記半導体レーザからの連続光を変調する光変調器とを備え、
前記光変調器は、
半導体材料からなる光導波路コアと、
電極と、
n型又はp型にドーピングされた半導体材料からなり、前記光導波路コアと前記電極とを電気的に接続する複数のチャネルとを備え、
前記複数のチャネルは、光の伝搬方向に沿って互いに間隔をあけて設けられており、
前記光導波路コアは、n型又はp型にドーピングされたドーピング領域及び非ドーピング領域を光の伝搬方向に沿って交互に有し、
前記複数のチャネルは、それぞれ、前記ドーピング領域に接続されており、
前記複数のチャネルは、光の伝搬方向に沿って一定の間隔をあけて周期的に設けられており、
前記半導体レーザが出力する連続光の波長が、前記光変調器の透過スペクトルのストップバンドの長波長側のバンドエッジ近傍の波長に設定されていることを特徴とする光送信器。
2 光導波路コア
2X ドーピング領域
2Y 非ドーピング領域
2A n型ドーピング領域
2B p型ドーピング領域
2AX 第1n型ドーピング領域
2AY 第2n型ドーピング領域
3 電極
3A 第1電極
3B 第2電極
4 チャネル(格子)
4A n型チャネル
4B p型チャネル
4AA,4BA チャネルのパッド側の領域(高濃度ドーピング領域)
4AB,4BB チャネルの光導波路コア側の領域(低濃度ドーピング領域)
4AX 第1n型チャネル
4AY 第2n型チャネル
5 側面格子導波路型光変調器
6 マッハツェンダ型光変調器
7 アーム
8 電圧信号源
9 パッド
9A 第1パッド
9B 第2パッド
10 シリコン基板
11 埋め込み酸化膜(BOX)層
12 結晶シリコン(SOI)層
13 SOI基板
14 n+型ドーピング領域
15 p+ドーピング領域
16 n−型ドーピング領域
17 p−ドーピング領域
18 SiO2膜
20 単一の導波路
21 吸収型光変調器
Claims (6)
- 半導体材料からなる光導波路コアと、
電極と、
n型又はp型にドーピングされた半導体材料からなり、前記光導波路コアと前記電極とを電気的に接続する複数のチャネルとを備え、
前記複数のチャネルは、光の伝搬方向に沿って互いに間隔をあけて設けられており、
前記光導波路コアは、n型又はp型にドーピングされたドーピング領域及び非ドーピング領域を光の伝搬方向に沿って交互に有し、
前記複数のチャネルは、それぞれ、前記ドーピング領域に接続されていることを特徴とする光変調器。 - 前記複数のチャネルは、光の伝搬方向に沿って一定の間隔をあけて周期的に設けられていることを特徴とする、請求項1に記載の光変調器。
- 前記電極は、前記光導波路コアを挟んで両側に設けられた第1電極及び第2電極であり、
前記ドーピング領域は、
n型にドーピングされたn型ドーピング領域と、
前記n型ドーピング領域に接合され、p型にドーピングされたp型ドーピング領域とを含み、
前記n型ドーピング領域及び前記p型ドーピング領域の少なくとも一方と前記非ドーピング領域とが光の伝搬方向に沿って交互に設けられており、
前記複数のチャネルは、
n型にドーピングされた半導体材料からなり、前記光導波路コアと前記第1電極とを電気的に接続し、光の伝搬方向に沿って互いに間隔をあけて設けられ、前記n型ドーピング領域に接続されている複数のn型チャネルと、
p型にドーピングされた半導体材料からなり、前記光導波路コアと前記第2電極とを電気的に接続し、光の伝搬方向に沿って互いに間隔をあけて設けられ、前記p型ドーピング領域に接続されている複数のp型チャネルとを含むことを特徴とする、請求項1に記載の光変調器。 - 前記電極は、前記光導波路コアを挟んで両側に設けられた第1電極及び第2電極であり、
前記ドーピング領域は、p型にドーピングされたp型ドーピング領域を含み、
前記複数のチャネルは、
n型にドーピングされた半導体材料からなり、前記光導波路コアと前記第1電極とを電気的に接続し、光の伝搬方向に沿って互いに間隔をあけて設けられ、前記ドーピング領域の一方の側に接続されている複数の第1n型チャネルと、
n型にドーピングされた半導体材料からなり、前記光導波路コアと前記第2電極とを電気的に接続し、光の伝搬方向に沿って互いに間隔をあけて設けられ、前記ドーピング領域の前記一方の側の反対側に接続されている複数の第2n型チャネルとを含むことを特徴とする、請求項1に記載の光変調器。 - 前記光導波コアと前記複数のチャネルは、厚さが同一であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の光変調器。
- 連続光を出力する半導体レーザと、
前記半導体レーザからの連続光を変調する光変調器とを備え、
前記光変調器は、
半導体材料からなる光導波路コアと、
電極と、
n型又はp型にドーピングされた半導体材料からなり、前記光導波路コアと前記電極とを電気的に接続する複数のチャネルとを備え、
前記複数のチャネルは、光の伝搬方向に沿って互いに間隔をあけて設けられており、
前記光導波路コアは、n型又はp型にドーピングされたドーピング領域及び非ドーピング領域を光の伝搬方向に沿って交互に有し、
前記複数のチャネルは、それぞれ、前記ドーピング領域に接続されており、
前記複数のチャネルは、光の伝搬方向に沿って一定の間隔をあけて周期的に設けられており、
前記半導体レーザが出力する連続光の波長が、前記光変調器の透過スペクトルのストップバンドの長波長側のバンドエッジ近傍の波長に設定されていることを特徴とする光送信器。
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