JP2014126728A - 光導波路素子及び光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】長距離の波長多重光ファイバ通信に用いられる全波長領域を対象として、強度変調における高い消光比、又は位相変調における高いＱ値を有し、高速かつ低い光損失の光導波路素子。
【解決手段】リブ部２２とその両側にそれぞれ接続された一対のスラブ部２３，２４とからなるコア１２を有するリブ型導波路を備え、コア１２は、特定の偏光状態にある基本モード及び高次モードを伝搬可能であり、リブ部２２は、ＰＮ接合を形成するＰ型半導体部３ａ及びＮ型半導体部４ａを有し、第１スラブ部２３のＰ型半導体部３ｂはリブ部２２のＰ型半導体部３ａと接続され、第２スラブ部２４のＮ型半導体部４ｂはリブ部２２のＮ型半導体部４ａと接続され、Ｐ型半導体部３ａ，３ｂ又はＮ型半導体部４ａ，４ｂよりも高濃度にドーパントを含有する半導体材料からなるＰ型導体部５及びＮ型導体部６が、高次モードが伝搬される領域に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高速かつ低い光損失の光導波路素子、及びこれを備えた光変調器に関する。

近年、基板型光導波路等の光集積回路を、光ファイバ通信用のデバイス、とりわけ長距離の波長多重光ファイバ通信に使用することが検討されている。
特許文献１には、横方向にＰＩＮ接合を有し、ＰＩＮ接合中のキャリア密度を変化させて屈折率を制御する単一モードのシリコンリブ型導波路について開示されている。
特許文献２には、横方向にＰＮダイオードを有するシリコンリブ型導波路であり、Ｐ及びＮ領域のドーパント密度は一様でなく非線形的に変化しており、Ｐ及びＮ領域の各々の電極に隣接する部分でドーパント密度が最高値をとり、導波モードの中心でドーパント密度が最低値をとる光変調器が記載されている。
非特許文献１には、位相変調部として横方向にＰＮダイオードを有するシリコンリブ型導波路を有するマッハ−ツェンダー型導波路を用いた１０Ｇｂｐｓ（ギガビット毎秒）の高速な光変調器が開示され、消光比が１０ｄＢ以上、光損失が１０．５ｄＢ以下であることが報告されている。

国際公開第９５／０８７８７号 米国特許第７０８５４４３号明細書

Kensuke Ogawa, Kazuhiro Goi, Yong Tsong Tan, Tsung-Yang Liow, Xiaoguang Tu, Qing Fang, Guo-Qiang Lo, and Dim-Lee Kwong, "Silicon Mach-Zehnder modulator of extinction ratio beyond 10 dB at 10.0-12.5 Gbps", Optics Express, ２０１１年、第１９巻、第２６号、ｐｐ．Ｂ２６−Ｂ３１

特許文献１の電気光学素子は、単一モードのシリコン導波路における屈折率制御を利用している。しかし、コアの幅及び厚さがサブミクロンスケールのシリコン導波路を用いると、導波路コアの側壁ラフネスにより生じる光散乱のため、光損失が増大してしまい、長距離の波長多重光ファイバ通信用の光集積回路に対して求められる低い光損失を実現することができない。

特許文献２が開示するＰＮダイオードのドーパント密度の分布に基づくと、導波路コアの側壁ラフネスによる光損失を低減するために、コア幅を広げた場合、高次モードが発生する。その結果、強度変調信号又は位相変調信号に高次モード成分が重畳すると、強度変調における消光比、又は位相変調におけるＱ値（Q-factor）が低下して、ビットエラーレートが増大し、良好な光通信システムが構築されない。

非特許文献１が開示するＰＮダイオードを有するシリコンマッハ−ツェンダー型導波路では、Ｃバンド（1530〜1565nm）及びＬバンド（1565〜1625nm）を含む波長領域で光損失を１０ｄＢよりも低減することは困難である。よって、長距離の波長多重光ファイバ通信用の光部品に対して求められる低い光損失を実現することができない。

以上より、本発明の解決すべき課題は、長距離の波長多重光ファイバ通信に用いられる全波長領域を対象として、強度変調における高い消光比、又は位相変調における高いＱ値を有し、高速かつ低い光損失の光変調器等の光集積回路に好適な光導波路素子を実現することにある。

前記課題を解決するため、本発明は、リブ部とその両側にそれぞれ接続された一対のスラブ部とからなるコアを有するリブ型導波路を備え、前記リブ部は、特定の偏光状態にある基本モード及び高次モードを伝搬可能な断面寸法を有し、前記リブ部は、Ｐ型半導体部及びＮ型半導体部を有し、これらＰ型半導体部及びＮ型半導体部がＰＮ接合を形成し、前記一対のスラブ部の一方である第１スラブ部は、互いに接続されたＰ型半導体部及びＰ型導体部を有し、前記第１スラブ部のＰ型半導体部は、前記リブ部のＰ型半導体部と接続され、前記一対のスラブ部の一方である第２スラブ部は、互いに接続されたＮ型半導体部及びＮ型導体部を有し、前記第２スラブ部のＮ型半導体部は、前記リブ部のＮ型半導体部と接続され、前記Ｐ型導体部及び前記Ｎ型導体部は、それぞれ電極と電気的に接続され、前記Ｐ型半導体部は、Ｐ型ドーパントを含有する半導体材料からなり、前記Ｎ型半導体部は、Ｎ型ドーパントを含有する半導体材料からなり、前記Ｐ型導体部は、前記Ｐ型半導体部よりも高濃度にＰ型ドーパントを含有する半導体材料からなり、前記Ｎ型導体部は、前記Ｎ型半導体部よりも高濃度にＮ型ドーパントを含有する半導体材料からなり、前記Ｐ型導体部及び前記Ｎ型導体部が、前記高次モードが伝搬される領域に設けられていることを特徴とする光導波路素子を提供する。

前記半導体材料がシリコンであることが好ましい。
前記コアの周囲には、上部クラッド及び下部クラッドが設けられ、前記電極は、前記上部クラッドの上面に形成され、前記電極と前記Ｐ型導体部及び前記Ｎ型導体部との間は、前記上部クラッドを貫通する接続導体部により電気的に接続されていることが好ましい。
前記リブ型導波路の前記リブ部の幅が、５００〜６００ｎｍであることが好ましい。

前記リブ型導波路の少なくとも１つの端には、前記リブ部と等しい幅及び厚さを有する矩形コア部を有する矩形導波路が接続され、前記リブ型導波路と前記矩形導波路との接続部には、前記一対のスラブ部の幅が、ゼロから連続的に変化する遷移領域を有することが好ましい。
前記遷移領域における前記一対のスラブ部の幅が、光の伝搬方向に沿って線形的に変化することが好ましい。
前記遷移領域における前記一対のスラブ部の幅が、光の伝搬方向に沿って二次関数的に変化することが好ましい。
前記矩形導波路の前記接続部とは反対側の端部には、先端に向かって幅が狭くなる逆テーパ型導波路が接続されることが好ましい。
２つの１×２光分岐部の間に２本のアーム部が設けられたマッハ−ツェンダー型導波路を有する光導波路素子であって、前記１×２光分岐部がマルチモード干渉計からなり、前記２本のアーム部のそれぞれが前記リブ型導波路を有し、前記リブ型導波路と前記１×２光分岐部との間が前記矩形導波路で接続されていることが好ましい。
前記光導波路素子に対して光を入射させ、又は前記光導波路素子から光を出射させる端部では、先端に向かって幅が狭くなる逆テーパ型導波路が矩形導波路の端部に接続されることが好ましい。

また、本発明は、前記光導波路素子を備え、前記Ｐ型導体部に接続された電極と、前記Ｎ型導体部に接続された電極との間に、一定の逆バイアス電圧を印加し、同時に、交流成分のみからなる電気信号をいずれかの電極に伝搬させることにより、光変調を行う光変調器を提供する。

本発明によれば、強度変調における高い消光比、又は位相変調における高いＱ値を有し、高速かつ低い光損失の光変調器等の光集積回路に好適な光導波路素子を提供することができる。

本発明の光導波路素子におけるリブ型導波路の一例を示す断面図である。 矩形導波路とリブ型導波路の間の遷移領域の一例を示す斜視図である。 マルチモード干渉計からなる１×２光分岐部の一例を示す、（ａ）平面図、及び（ｂ）斜視図である。 マッハ−ツェンダー型導波路の一例を示す平面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、それぞれ、リブ部の幅に対する基本モード（Ｎ＝１）及び高次モード（Ｎ＝２）のモード計算の結果の一例を示す図である。 基本モード（Ｎ＝１）のモード電界分布の一例を示す図である。 高次モード（Ｎ＝２）のモード電界分布の一例を示す図である。 図６の矢印Ｒで示す面に沿った基本モード（Ｎ＝１）の電界プロファイルの一例を示すグラフである。 図７の矢印Ｒで示す面に沿った高次モード（Ｎ＝２）の電界プロファイルの一例を示すグラフである。

以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１に、本発明の光導波路素子におけるリブ型導波路の断面構造の模式図を示す。図１の下部には、電極１０，１１間の等価回路を示している。
光導波路のコア１２は、リブ部２２と、その両側にそれぞれ接続された一対のスラブ部２３，２４とを有する。リブ部２２の厚さｔ_ribは、スラブ部２３，２４の厚さｔ_slabより大きい。この例では、スラブ部２３，２４は、リブ部２２の下部で側方に接続されており、下部クラッド２に面する下面を共通にしている。

コア１２の周囲には、上部クラッド７及び下部クラッド２が設けられている。これらのクラッドは、コア１２よりも屈折率の低い材料から構成される。コア１２がシリコン（Ｓｉ）等の高屈折率の半導体材料から構成される場合、クラッドは、シリカ（ＳｉＯ_２）やシリコン窒化物などから構成することができる。クラッドは、電気絶縁材料から構成することもできる。

なお、基板１は半導体基板でも絶縁体基板でもよいが、ＳＯＩ（Silicon-on-insulator）ウエファを利用する場合、シリコン基板と埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層とＳＯＩ層のそれぞれから、基板１、下部クラッド２、コア１２を構成することができる。この場合、基板１はアンドープシリコンでよく、コア１２のシリコンは後述するようにドープされる。下部クラッド２は、例えば約２μｍまたは十分な厚さがあればよい。上部クラッド７は、例えば、ＣＶＤ（化学気相成長法）等の製造方法により、シリカ（ＳｉＯ_２）等の化合物を合成して、１〜２μｍ等の厚さでリブ部２２及びスラブ部２３，２４の上に堆積することにより形成することができる。

コア１２には、ＰＮダイオードを構成するＰ型半導体部３及びＮ型半導体部４が存在する。Ｐ型半導体部３及びＮ型半導体部４の境界には、電気容量Ｃ（図１の等価回路を参照）をＰＮ接合１３が形成される。Ｐ型半導体部３は、Ｐ型ドーパントを含有する半導体材料からなり、Ｎ型半導体部４は、Ｎ型ドーパントを含有する半導体材料からなる。
Ｐ型半導体部３のＰＮ接合１３とは反対側の端部には、Ｐ型導体部５が接続されている。同様に、Ｎ型半導体部４のＰＮ接合１３とは反対側の端部には、Ｎ型導体部６が接続されている。Ｐ型導体部５は、Ｐ型半導体部３よりも高濃度にＰ型ドーパントを含有する半導体材料からなり、Ｎ型導体部６は、Ｎ型半導体部４よりも高濃度にＮ型ドーパントを含有する半導体材料からなる。
Ｐ型導体部５及びＮ型導体部６を構成する半導体材料は、Ｐ型半導体部３及びＮ型半導体部４の半導体材料と同じものを用いることが好ましい。また、Ｐ型ドーパント及びＮ型ドーパントも、半導体部と導体部とで同じものを用いることが好ましい。

半導体材料としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）等のＩＶ族半導体、ＡｌＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ等のＩＩ−ＶＩ族半導体が挙げられる。ＩＶ族半導体が好適であり、例えばシリコン（Ｓｉ）を用いることができる。
ＩＶ族半導体の場合、Ｐ型ドーパントとしては、ホウ素（Ｂ）等のＩＩＩ族元素が挙げられる。Ｐ型半導体部３及びＰ型導体部５を形成する方法としては、コア１２を構成する半導体材料層に、Ｐ型ドーパントをイオン注入等により添加する方法が挙げられる。
また、ＩＶ族半導体のＮ型ドーパントとしては、リン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）等のＶ族元素が挙げられる。Ｎ型半導体部４及びＮ型導体部６を形成する方法としては、コア１２を構成する半導体材料層に、Ｎ型ドーパントをイオン注入等により添加する方法が挙げられる。

リブ部２２は、Ｐ型半導体部３ａ及びＮ型半導体部４ａを有し、これらリブ部２２内のＰ型半導体部３ａ及びＮ型半導体部４ａがＰＮ接合１３を形成している。
一対のスラブ部の一方である第１スラブ部２３は、互いに接続されたＰ型半導体部３ｂ及びＰ型導体部５を有し、第１スラブ部２３のＰ型半導体部３ｂとリブ部２２のＰ型半導体部３ａとが互いに接続され、一体のＰ型半導体部３を形成している。
また、一対のスラブ部の一方である第２スラブ部２４は、互いに接続されたＮ型半導体部４ｂ及びＮ型導体部６を有し、第２スラブ部２４のＮ型半導体部４ｂとリブ部２２のＮ型半導体部４ａとが互いに接続され、一体のＮ型半導体部４を形成している。

Ｐ型導体部５及びＮ型導体部６は、ＰＮダイオードを構成するＰ型半導体部３及びＮ型半導体部４に電圧を印加するため、それぞれ電極１０，１１と電気的に接続されている。
図１に示す例では、電極１０，１１は、リブ部２２及びスラブ部２３，２４（すなわちコア１２）の上部を覆う上部クラッド７の上面に形成されている。電極１０，１１とＰ型導体部５及びＮ型導体部６との間は、上部クラッド７を貫通する接続導体部８，９により電気的に接続されている。

接続導体部８，９及び電極１０，１１は、金属等の導体をメッキや蒸着等により堆積させることで形成することができる。例えば、フォトリソグラフィー等で上部クラッド７に形成した開口部に導体を充填することにより接続導体部８，９が形成され、さらに、上部クラッド７の上面に導体を積層することにより電極１０，１１が形成される。
図１に示す例では、接続導体部８，９及び電極１０，１１は、Ｐ型導体部５及びＮ型導体部６のそれぞれの上面５ａ，６ａに接続されている。

Ｐ型導体部５に接続された電極１０と、Ｎ型導体部６に接続された電極１１との間に、一定の逆バイアス電圧を印加し、同時に、交流成分のみからなる電気信号をいずれかの電極に伝搬させることにより、光変調を行うことができる。変調に用いる電気信号は、直流成分を含まず、正負に振動する交流成分のみを有することが好ましい。電気信号としては、高速動作のためには、例えば１ＧＨｚから２０ＧＨｚ等の高周波信号を用いることが好ましい。

Ｐ型導体部５及びＮ型導体部６は、高速化を阻害する要因である電気抵抗を低減するように、高濃度にドープされている。例えば、Ｐ型半導体部３及びＮ型半導体部４におけるドーパント濃度が約１０¹⁸ｃｍ^-3であるのに対して、Ｐ型導体部５及びＮ型導体部６におけるドーパント濃度は約１０²⁰ｃｍ^-3である。Ｐ型導体部５及びＮ型導体部６の各々は、ほぼ等しい値の電気抵抗Ｒ及びインダクタンスＬ（図１の等価回路を参照）を有する。

上述したように、シリコン等の半導体材料を用いた導波路では、例えばフォトリソグラフィーを利用して導波路パターンを形成する際に生じ得る、導波路コアの側壁ラフネス（荒れ）により生じる光散乱が、導波路の光損失の大きな要因である。側壁ラフネスによる光損失を低減するには、コア幅を広げることより、コア側壁の位置を導波路の基本モードの中心より離すことが望ましい。

リブ型導波路の場合、リブ部２２が基本モードを伝搬させるコア１２の主要部となる。このため、リブ部２２の幅ｗ_ribが広いほうが、導波路の光損失を低減することができる。例えば、リブ幅ｗ_ribが、５００〜６００ｎｍであることが好ましい。
表１に、シリコンコアを有するリブ型導波路のリブ幅に対する光損失を示す。

しかしながら、リブ幅ｗ_ribを広げると、導波路コアのリブ部２２に高次モードがより強く局在する。つまり、リブ部２２は、特定の偏光状態にある基本モード及び高次モードを伝搬可能な断面寸法を有する。基板型光導波路には、基板１やスラブ部２３，２４等に対して水平なＴＥ成分と、垂直なＴＭ成分とがあるが、一般に、導波に寄与するのはＴＥ成分であり、ＴＭ成分の導波モードは寄与しない。これは、ＴＭ成分の基本モードの実効屈折率が、ＴＥ成分の高次モード（例えばＮ＝２モード）の実効屈折率よりも低いためである。

一例として、図５に、いくつかのリブ幅に対する基本モード（Ｎ＝１）及び高次モード（Ｎ＝２）のモード計算の結果（強度分布プロファイル）を示す。波長は１５５０ｎｍ、偏光はＴＥ成分である。コアにはシリコンの屈折率３．５、クラッドにはシリカの屈折率１．４５を設定し、コア底面からのリブ部の厚さｔ_ribは２２０ｎｍ、側方のスラブ部の厚さｔ_slabは９５ｎｍとした。
リブ幅４００ｎｍでは、Ｎ＝２の高次モードはスラブ側に局在するため、リブ型導波路は単一モード導波路であるが、表１より、光損失は高い。リブ幅が大きいほど光損失は小さく、しかし高次モードがリブ中央に局在する傾向を有する。リブ幅を最大７００ｎｍまで大きくして同様のモード計算を実施したところ、Ｎ＝２より高い次数のＴＥ成分のモードはリブ型導波路を伝搬しないことを確認した。
以下、「基本モード」はＴＥ成分のＮ＝１モードを、「高次モード」はＴＥ成分のＮ＝２モードを指す。

そこで、本発明の光導波路素子では、高次モードの伝搬による消光比やＱ値の低下を避けるため、基本モードを減衰させることなく、高次モードを減衰させる手段を設ける。これにより、コア断面の寸法では、高次モードが伝搬可能な多モード導波路でありながら、実質的に、単一モード導波路として機能する光導波路を構成することができる。
具体的には、スラブ部２３，２４にＰ型導体部５及びＮ型導体部６を設けている。従来技術では、スラブ部において電極との電気的接続を良好にするため、電極との接続部の周辺にドーパント濃度の高い領域を設けるものがある（例えば特許文献２参照）。本発明では、Ｐ型導体部５及びＮ型導体部６の形成範囲をリブ部２２の近くまで伸ばし、高次モードが伝搬される領域に設けている。

Ｐ型導体部５及びＮ型導体部６では、キャリアとして各々正孔及び電子が高密度に分布しているため、自由キャリア吸収により光の減衰が生じる。自由キャリア吸収による光吸収係数は、キャリア密度に比例して増大することが知られている。
上述したように、高次モードはスラブ部２３，２４にも広がっているため、Ｐ型導体部５及びＮ型導体部６での減衰は、高次モードに対して強く生じる。これにより、高次モードを選択的に減衰させることができる。よって、本発明によるリブ型導波路は、リブ幅を広げて側壁荒れによる光損失の影響を低減しながらも、基本モードのみが伝搬する単一モード導波路としての透過損失を実現することができ、変調における特性の劣化（例えば強度変調における消光比の低下や、位相変調におけるＱ値の低下など）を避けることができる。

自由キャリア吸収は、屈折率の変化を引き起こす。これは、一般にプラズマ分散（plasma dispersion）等の名称で知られている現象である。シリコン導波路を用いた光変調器では、プラズマ分散により、キャリア密度を高周波電気信号により変化させ、導波路の実効屈折率を高速で変調することができる。

本発明の光導波路素子では、高周波信号を印加すると、導波路コア１２のリブ部２２に位置するＰＮ接合１３の周辺でキャリア密度が変化する。これにより、導波路の実効屈折率を高速で変調することができる。一方、Ｐ型導体部５及びＮ型導体部６の電気抵抗Ｒは小さく、Ｐ型導体部５及びＮ型導体部６での電圧降下は小さいので、Ｐ型導体部５及びＮ型導体部６のキャリア密度変化は無視できる。よって、高周波電気信号の印加時でも、時間的な変動がなく、高次モードの減衰を行うことができる。

リブ幅ｗ_ribに応じて、Ｐ型導体部５とＮ型導体部６との間隔ｗ_PNを最適化することが可能である。例えば、光損失ができるだけ小さくなり、かつ変調における特性（例えば強度変調における消光比や、位相変調におけるＱ値など）ができるだけ向上するように、間隔ｗ_PNを調節する。一つの手順を例示すると、強度変調器又は位相変調器を構成して、因子Ｉ_ER／Ｉ_lossやＩ_ER／Ｉ_Qが最大になるように間隔ｗ_PNを調節することで、間隔ｗ_PNを最適化することが可能である。ここで、Ｉ_ER、Ｉ_loss及びＩ_Qは、各々ｄＢを単位とする消光比、Ｑ値、光損失を表す。

具体例としては、５００〜６００ｎｍのリブ幅ｗ_ribに対して、Ｐ型導体部５とＮ型導体部６との間隔ｗ_PNを約２μｍ（２０００ｎｍ）とすることができる。例えば、間隔ｗ_PNを、リブ幅ｗ_ribの２〜５倍程度としてもよい。リブ幅方向（横方向）における間隔ｗ_PNの中点は、概ねリブ部２２の中央にある。高次モードの励起を抑圧するためには、ＰＮ接合１３もおおむねリブ部２２の中央に存在することが好ましい。これは、高次モードの電界プロファイルが横方向に非対称であるので、ＰＮ接合１３の位置がリブ部２２の中央からずれて横方向に非対称になるほど、高次モードの励起が容易になるためである。
図１の例では、ＰＮ接合１３はコアの底面から概ね垂直に形成されている。ＰＮ接合をコアの底面に対して傾斜させたり、コアの底面と平行にしたりすることも考えられるが、図１に示すように横向きのＰＮダイオードが構成されることが望ましい。
また、高次モードの励起を抑圧するためには、Ｐ型導体部５及びＮ型導体部６のドーピング密度（ドーパント濃度）の分布は概ね一様であることが好ましい。ドーピング密度が不均一であると、高速の電気信号を印加した場合に、スラブ部２３，２４での強度変調により高次モードが励起されて、消光比やＱ値等の特性の劣化につながるためである。

導波路の作製では、作製精度の制約により位置ずれが存在するため、±１０ｎｍオーダーの誤差が存在する。また、各層の膜厚制御において、±数十ｎｍオーダーの誤差が存在する。導波路の特性を評価するためには、同一の仕様で複数の導波路を用意し、平均値と標準偏差を求めることが望ましい。また、本明細書の記述において、導波路の寸法及び特性については、誤差の記載を省略するが、作製誤差等の誤差を考慮することが望ましい。例えば、「横方向においてＰＮ接合がリブ部の中央に存在すること」とは、ＰＮ接合の位置やリブ部両側の側壁の各々に作製誤差があり、Ｐ型半導体部やＮ型半導体部のドーパントの添加範囲にも誤差があり、また、リブ部両側の側壁にラフネス（荒れ）も存在することから、長手方向の一定の区間等の基準のもとで平均的な位置において、誤差と同程度、例えば誤差の１倍から３倍程度の範囲内で条件を満たすことが望ましい。また、「横方向においてｗ_PNの中点がリブ部の中央に存在すること」についても、ｗ_PNの両端となるＰ型又はＮ型の導体部と半導体部との境界の位置やリブ部両側の側壁の位置の各々に誤差があり、同様に誤差を考慮に入れることが望ましい。

（電界プロファイルの計算例）
図６〜９に、シリコン導波路の電界プロファイルをモード計算により求めた結果の一例を示す。
シリコン導波路の場合、コアはＳｉ、クラッドはＳｉＯ_２である。コア及びクラッドの材料屈折率は、おのおの３．５および１．４５である。コアとクラッドの屈折率差が大きく、高コントラストである。図６及び図７に、Ｗ_rib＝５００ｎｍでの基本モード（Ｎ＝１）及び高次モード（Ｎ＝２）のモード電界の分布を等高線で示す。また、図８及び図９には、スラブ部の厚さ方向の略中間の高さ（図６及び図７の等高線上に矢印Ｒで示す。）の水平線上に沿った電界プロファイルを示す。横軸に導波路上での位置をとり、縦軸に各々のプロファイルの電界の最大値で規格化した電界をとって表示している。また、図８及び図９では、Ｗrib＝５００ｎｍ，５５０ｎｍ，６００ｎｍ，６５０ｎｍ，７００ｎｍでの電界プロファイルを重ねて表示している。

基本モード（図８）では、異なるＷ_ribに対して電界プロファイルはほとんど変化がない。一方、高次モード（図９）では電界プロファイルが大きく変化し、Ｗ_ribが広くなるにつれてリブ中央により強く局在する傾向を示す。リブの水平方向での中心点は横軸の２．３５μｍに位置する。高次モード減衰の効果をより顕著とするには、Ｗ_ribが広くなるにつれてＷ_PNを狭くする必要がある。基本モードの強度減衰を１％以下にとどめるには、Ｗ_PNの最小値はＷ_rib＝５００ｎｍでは１５００ｎｍ、Ｗ_rib＝６００ｎｍでは２０００ｎｍである。ＰＮ接合への直列抵抗が増すことによる動作速度の低下を避けるには、Ｗ_PNを２５００ｎｍ以下とすることが望ましい。Ｗ_rib＝６００ｎｍでは、Ｗ_PNが２５００ｎｍより広くても高次モード減衰の効果は得られるが、高速動作の向上も加味して、最小値を２０００ｎｍとしてもよい。Ｗ_ribが広い方が基本モードの強度減衰を抑えることが容易になる。Ｗ_ribが５００ｎｍから６００ｎｍまでの間は、Ｗ_ribの最小値は線形に変化すると近似できる。

比較のため、化合物半導体導波路の場合を同様に計算した。ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系化合物半導体材料では、コアをＩｎ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ（ここで、ｘ＝０．３３，ｙ＝０．７２）、クラッドをＩｎＰとする組み合わせが可能である。この組み合わせでは、コアとクラッド間での格子不整合がなく歪の影響を除去できるので、クラッド厚みを５００ｎｍ以上としてコアへの導波光の閉じ込めを確保できる。コアおよびクラッドの材料屈折率は、おのおの３．４５および３．１８である。Ｓｉ／ＳｉＯ_２系と比較して屈折率コントラストは低い。屈折率コントラストがシリコン系と比較して低いため、高次モードの強度中心はＷ_rib＝１１００ｎｍ程度までスラブ側に局在する傾向を示す。よって、高次モードは伝搬モードとはならず、高次モードを減衰させる必要はない。Ｗ_ribが１１００ｎｍより広くなると、高次モードの強度中心はリブに局在して伝搬モードとなる。しかし、リブ内に強く局在するため、側方スラブの高ドープ領域における強度減衰の影響は非常に小さく、有効でない。なお、Ｗ_rib以外の寸法はシリコン導波路の場合と同じとしている。ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ系化合物半導体でも同様の結果である。
よって、本発明の光導波路素子において、高次モード減衰による性能向上の効果は高屈折率コントラスト導波路に対して顕著である。特にシリコン系導波路（Ｓｉコア・ＳｉＯ_２クラッド）に対して効果を発揮する。また、同様にコアとクラッドとの屈折率差（あるいは屈折率比）の大きい導波路でも本発明は有効と考えられる。

（光変調器）
１０Ｇｂｐｓ以上の高速の強度変調器及び位相変調器に利用可能な光導波路について詳しく説明する。図１の等価回路のように、電気的にはリブ型導波路がＬＲＣ直列共振回路となるため、ＬＲＣ共振による高速性能の劣化を避ける必要がある。そこで、ＰＮ接合に一定の逆バイアス電圧を印加し、電気容量Ｃを低減させてＬＲＣ共振周波数を増大させることにより、高速動作させることができる。例えば、約１Ｖ以上の一定の逆バイアスを加えると、ＬＲＣ共振周波数を約２０ＧＨｚ以上に増大させることができる。逆バイアスを５Ｖ程度にすると、ＬＲＣ共振周波数を約３５ＧＨｚ以上に増大させることができ、１００Ｇｐｂｓのデジタルコヒーレント伝送の位相変調器として利用することができる。同時に、電気容量が低減するため、ゼロバイアス時での４０Ω以下という低インピーダンス状態を解消して、導波路のインピーダンスを５０Ω以上に増加することができる。これにより、通常５０Ωのインピーダンスを有する高速電気回路とのインピーダンス整合が可能になる。

導波路長が３ｍｍ以上の場合、出力インピーダンス５０Ωを有する電気信号発生器より交流成分のみからなる高速電気信号（出力パワー５００〜７５０ｍＷ）を、Ｐ型導体部に接続された電極、又はＮ型導体部に接続された電極の、いずれか一方の電極に沿って伝搬させる（他方の電極は接地する）と、位相変調振幅をπ以上とすることができ、高い消光比の強度変調や高いＱ値の位相変調が可能である。高速電気信号の出力パワーは波長に応じて調節される。光損失の増大や高速電気信号の波形の劣化を避けるには、導波路長は６ｍｍ程度又はそれ以下であることが好ましい。
前述のように、光損失を低減するためには、リブ幅ｗ_ribは５００ｎｍ以上とする必要がある。ｗ_ribが６００ｎｍを超えると、高次モードはリブ部により強く局在するので、Ｐ型導体部及びＮ型導体部における高次モードの減衰が不十分となり、消光比やＱ値が低減する。よって、リブ幅ｗ_ribは概ね５００〜６００ｎｍ以上の範囲にあることが好ましい。

（矩形導波路）
図１に示すようなリブ型導波路を用いて、光変調器等の光集積回路を構成するためには、矩形導波路との接続が好ましい。図２に、矩形導波路と接続されたリブ型導波路の斜視図を模式的に示す。図２に示す矩形導波路２１（図２のＡ）は、リブ型導波路（図２のＣ）のリブ部２２と同じ幅及び厚さ（図１のｗ_rib及びｔ_ribを参照）を有する。矩形導波路からリブ型導波路への遷移領域（図２のＢ）では、スラブ部２３，２４の幅がゼロから連続的に変化する部分２５を有する。遷移領域では、一対のスラブ部２３，２４の幅が、光の伝搬方向に沿って線形的、あるいは二次関数的に変化することが好ましい。線形的に変化する場合は、設計が容易である。光損失をさらに低減するためには、スラブ部２３，２４の幅を二次関数的に変化させることが好ましい。
遷移領域Ｂの長さは、光の波長よりも十分に長くすることが好ましい。特に限定されるものではないが、例えば、２０μｍ程度が挙げられる。

矩形導波路は、リブ型導波路と同様に、側壁荒れによる光損失を低減するため、高次モードを伝搬可能な断面寸法を有することが好ましく、そこで、矩形導波路の幅をリブ幅と同じにしている。よって、矩形導波路においても高次モードが伝搬するが、矩形導波路を伝搬する高次モードは、上述の原理によりリブ型導波路において減衰させることができる。これにより、単一モード導波路で構成された光集積回路よりも低損失でありながら、消光比等の機能においては、単一モード導波路で構成された光集積回路と同等の性能を有する光集積回路を構成することができる。

矩形導波路は、幅が端面（あるいは先端）に向かって徐々に狭くなる逆テーパ型導波路に接続することができる。この場合、逆テーパ型導波路は、幅が広い側の端部が、矩形導波路と接続され、矩形導波路に接続される側から先端に向かって逆テーパ型導波路の幅が狭くなる。逆テーパ型導波路が矩形導波路と接続される側の端部では、両導波路の幅が一致していてもよい。基板上の導波路を光ファイバと光結合する場合、逆テーパ型導波路の幅の狭い先端を光ファイバに向けて配置する。光結合の相手は光ファイバに限られず、モードフィールド径（ＭＦＤ）が小さいシリコンコアの導波路を、モードフィールド径が大きい光ファイバ等の他の導波路と光結合する場合に、シリコン導波路の先端に逆テーパ型導波路を設けることが好ましい。矩形導波路や逆テーパ型導波路は、リブ型導波路と同様にシリコンなどの半導体材料から構成することができる。矩形導波路や逆テーパ型導波路においては、Ｐ型またはＮ型のドープをしなくてもよい。
逆テーパ型導波路を用いると、光ファイバと矩形導波路とを光結合する際に、両者の端面の間でのモード不整合を低減し、光ファイバとの光結合における損失を低減することができる。モード不整合を低減すると、高次モードの発生を低減できるが、完全には除去できない。光集積回路を構成する場合、このモード不整合が高次モードの発生の主要因となる。本発明によるリブ型導波路は、高次モードを減衰させる手段として有効である。
なお、逆テーパ型導波路は、コアサイズを徐々に狭めることでモードフィールドを拡大するスポットサイズ変換の構造の一例である。コアのサイズの拡大する向きとモードフィールドのサイズの拡大する向きが逆であるため、「逆テーパ型」と呼ばれる。

リブ型導波路及び矩形導波路の厚さがサブミクロンスケールであるので、逆テーパ型導波路の先端部は幅及び端面とも極微細である。よって、逆テーパ型導波路の端面付近において、高屈折率コアの断面積が入射する光に対する逆テーパ型導波路の端面における反射率を約−３０ｄＢにまで抑えることができる。その結果、低い光損失、高い消光比のみならず、高いリターンロスの（反射損失の少ない）光集積回路を構成することができる。

（マッハ−ツェンダー型導波路）
本発明の光導波路素子は、光分岐・合波部として１×２のマルチモード干渉計（ＭＭＩ）を用いたマッハ−ツェンダー型導波路を構成することもできる。図３に、１×２ＭＭＩの模式図を示す。図３（ａ）が平面図、図３（ｂ）が斜視図である。このＭＭＩ３０では、片側に１本（符号３１）、反対側の２本の矩形導波路３２，３３が接続されている。これらの矩形導波路３１，３２，３３の幅は、リブ型導波路のリブ幅と同じであることが好ましい。具体例としては、リブ幅６００ｎｍに対して、矩形導波路３１，３２，３３の幅を６００ｎｍ、同じ側の矩形導波路３２，３３の間隔を３００ｎｍ、ＭＭＩの幅を１７００ｎｍ、ＭＭＩの長さを２４００ｎｍとすることが例示される。この場合、矩形導波路３２，３３からＭＭＩ３０の長辺までの間隔は、計算上１００ｎｍが確保される。
１×２ＭＭＩは、Ｙ字型の光分岐・合波部よりも光損失を低減できるという利点がある一方、高次モードが放射モードではなく伝搬モードになるため、消光比が低下するという問題がある。本発明の光導波路素子では、１×２ＭＭＩに入射する高次モードをリブ型光導波路により除去できるため、消光比の低下という問題は解消される。

図４にマッハ−ツェンダー型導波路の模式図を示す。マッハ−ツェンダー型導波路３４は、２つのＭＭＩ３０Ａ，３０Ｂの間に２本のアーム部３５，３６が設けられ、これらのアーム部３５，３６が、図１に示すようなスラブ部２３，２４にＰ型導体部５及びＮ型導体部６（図１参照）を有するリブ型導波路とされた構成である。各アーム部３５，３６とＭＭＩ３０Ａ，３０Ｂの分岐側の導波路３２Ａ，３３Ａ，３２Ｂ，３３Ｂの間は、リブ部２２と同じ幅の矩形導波路２１で接続されている。ＭＭＩ３０Ａの入射側の導波路３１ＡやＭＭＩ３０Ｂの出射側の導波路３１Ｂの先端には、上述した逆テーパ型導波路（図示せず）を設けることもできる。

ＭＭＩ３０Ａに左側の導波路３１Ａから入射した光は、右側の２本の導波路３２Ａ，３３Ａに分岐され、マッハ−ツェンダー型導波路３４のアーム部３５，３６を伝搬する。逆テーパ型導波路やＭＭＩ等で発生した高次モードは、アーム部３５，３６を伝搬する間に減衰され、消失する。両アーム部３５，３６から合波側のＭＭＩ３０Ｂに左から入射するのは、基本モードのみとすることができる。よって、リブ型導波路に高速電気信号を入力することにより、高い消光比で光変調された信号光が合波側のＭＭＩ３０Ｂの右側の導波路３１Ｂから出力される。これにより、低い光損失で高い消光比の光変調器に好適なマッハ−ツェンダー型導波路を構成することができる。マッハ−ツェンダー型導波路を用いると、光信号のチャープを制御することができ、長距離伝送に適する高速光変調器を構成することができる。

以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
上記マッハ−ツェンダー型導波路を用いた光変調器は、本発明の光導波路素子を用いた光集積回路の一例である。マッハ−ツェンダー型導波路を多段に接続したり、複数のマッハ−ツェンダー型導波路を並列に設けたり、Ｎが３以上となる１×Ｎの光分岐・合波部（例えばＭＭＩ）を用いて多ポート光スイッチ等の光集積回路を構成することができる。

マッハ−ツェンダー型導波路において、両アーム部のリブ型導波路におけるＰ型導体部及びＮ型導体部を設ける向き（極性）は特に限定されず、次のいずれでもよい。
（１）「Ｐ型−リブ部−Ｎ型−アーム間の空間−Ｐ型−リブ部−Ｎ型」
（２）「Ｐ型−リブ部−Ｎ型−アーム間の空間−Ｎ型−リブ部−Ｐ型」
（３）「Ｎ型−リブ部−Ｐ型−アーム間の空間−Ｐ型−リブ部−Ｎ型」
（４）「Ｎ型−リブ部−Ｐ型−アーム間の空間−Ｎ型−リブ部−Ｐ型」

Ｐ型導体部及びＮ型導体部と電極との間を接続する場合、Ｐ型導体部及びＮ型導体部の側面や下面を電極に接続することもできる。
光集積回路の基板の面内に光源や受光器を設け、本発明のリブ型導波路を有する導波路と接続することもできる。
光導波路素子に対して光を入射させ、又は前記光導波路素子から光を出射させる端部には、図２の矩形導波路２１や、図４の導波路３１Ａ，３１Ｂの端部に限らず、先端に向かって幅が狭くなる逆テーパ型導波路を接続することが好ましい。

以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。

（実施例１）
図１に示す構成で、基板１、下部クラッド２、及びコア１２の材料としてＳＯＩウエファを用いた。厚さ２μｍのシリカからなるＢＯＸ層を下部クラッド２とし、その上のシリコンからなるＳＯＩ層に対してイオン注入によりＰ型及びＮ型のドーパントを添加し、Ｐ型半導体部３、Ｎ型半導体部４、Ｐ型導体部５、Ｎ型導体部６を形成した。また、コア１２の一部をエッチングにより除去し、リブ部２２とスラブ部２３，２４を形成した。リブ幅ｗ_ribは５００〜６００ｎｍ、リブ厚さｔ_ribは２２０ｎｍ、スラブ厚さｔ_slabは９５ｎｍ、Ｐ型導体部５及びＮ型導体部６の間隔ｗ_PNは約２μｍとした。ＣＶＤ等により、シリカからなる上部クラッド７を１〜２μｍ程度の厚さで堆積させた。また、上部クラッド７に形成した貫通穴に金属を充填して、Ｐ型導体部５及びＮ型導体部６の上面５ａ，６ａに通ずる接続導体部８，９を形成し、さらに上部クラッド７の上面に金属の電極１０，１１を形成した。リブ型導波路の長さは、３〜６ｍｍ程度とした。
電極１０，１１から１〜５Ｖ程度の逆バイアス電圧を印加し、同時にいずれかの電極（Ｓｉｇｎａｌ電極）に交流成分のみからなる高周波信号を伝搬させ、他方の電極（ＧＮＤ）を接地することにより、１０〜１００Ｇｂｐｓの光ファイバ伝送に好適に利用可能な光変調器を構成した。

Ａ…矩形導波路、Ｂ…遷移領域、Ｃ…リブ型導波路、１…基板、２…下部クラッド、３…Ｐ型半導体部、４…Ｎ型半導体部、５…Ｐ型導体部、６…Ｎ型導体部、７…上部クラッド、８，９…接続導体部、１０，１１…電極、１２…コア（半導体材料層）、１３…ＰＮ接合、２０…光導波路素子、２１…矩形導波路、２２…リブ部、２３…第１スラブ部、２４…第２スラブ部、２５…遷移領域のスラブ部、３０，３０Ａ，３０Ｂ…１×２光分岐部（ＭＭＩ）、３４…マッハ・ツェンダー型導波路、３５，３６…アーム部。

Claims (11)

1. リブ部とその両側にそれぞれ接続された一対のスラブ部とからなるコアを有するリブ型導波路を備え、
   前記リブ部は、特定の偏光状態にある基本モード及び高次モードを伝搬可能な断面寸法を有し、
   前記リブ部は、Ｐ型半導体部及びＮ型半導体部を有し、これらＰ型半導体部及びＮ型半導体部がＰＮ接合を形成し、
   前記一対のスラブ部の一方である第１スラブ部は、互いに接続されたＰ型半導体部及びＰ型導体部を有し、前記第１スラブ部のＰ型半導体部は、前記リブ部のＰ型半導体部と接続され、
   前記一対のスラブ部の一方である第２スラブ部は、互いに接続されたＮ型半導体部及びＮ型導体部を有し、前記第２スラブ部のＮ型半導体部は、前記リブ部のＮ型半導体部と接続され、
   前記Ｐ型導体部及び前記Ｎ型導体部は、それぞれ電極と電気的に接続され、
   前記Ｐ型半導体部は、Ｐ型ドーパントを含有する半導体材料からなり、
   前記Ｎ型半導体部は、Ｎ型ドーパントを含有する半導体材料からなり、
   前記Ｐ型導体部は、前記Ｐ型半導体部よりも高濃度にＰ型ドーパントを含有する半導体材料からなり、
   前記Ｎ型導体部は、前記Ｎ型半導体部よりも高濃度にＮ型ドーパントを含有する半導体材料からなり、
   前記Ｐ型導体部及び前記Ｎ型導体部が、前記高次モードが伝搬される領域に設けられていることを特徴とする光導波路素子。
2. 前記半導体材料がシリコンであることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記コアの周囲には、上部クラッド及び下部クラッドが設けられ、前記電極は、前記上部クラッドの上面に形成され、前記電極と前記Ｐ型導体部及び前記Ｎ型導体部との間は、前記上部クラッドを貫通する接続導体部により電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路素子。
4. 前記リブ型導波路の前記リブ部の幅が、５００〜６００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路素子。
5. 前記リブ型導波路の少なくとも１つの端には、前記リブ部と等しい幅及び厚さを有する矩形コア部を有する矩形導波路が接続され、前記リブ型導波路と前記矩形導波路との接続部には、前記一対のスラブ部の幅が、ゼロから連続的に変化する遷移領域を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光導波路素子。
6. 前記遷移領域における前記一対のスラブ部の幅が、光の伝搬方向に沿って線形的に変化することを特徴とする請求項５に記載の光導波路素子。
7. 前記遷移領域における前記一対のスラブ部の幅が、光の伝搬方向に沿って二次関数的に変化することを特徴とする請求項５に記載の光導波路素子。
8. 前記矩形導波路の前記接続部とは反対側の端部には、先端に向かって幅が狭くなる逆テーパ型導波路が接続されることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の光導波路素子。
9. ２つの１×２光分岐部の間に２本のアーム部が設けられたマッハ−ツェンダー型導波路を有する光導波路素子であって、前記１×２光分岐部がマルチモード干渉計からなり、前記２本のアーム部のそれぞれが前記リブ型導波路を有し、前記リブ型導波路と前記１×２光分岐部との間が前記矩形導波路で接続されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の光導波路素子。
10. 前記光導波路素子に対して光を入射させ、又は前記光導波路素子から光を出射させる端部では、先端に向かって幅が狭くなる逆テーパ型導波路が矩形導波路の端部に接続されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の光導波路素子。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光導波路素子を備え、前記Ｐ型導体部に接続された電極と、前記Ｎ型導体部に接続された電極との間に、一定の逆バイアス電圧を印加し、同時に、交流成分のみからなる電気信号をいずれかの電極に伝搬させることにより、光変調を行う光変調器。