JP2017072807A - Semiconductor optical waveguide, semiconductor optical modulator, and semiconductor optical modulation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、外部から印加される変調電圧に応じて光を変調する半導体光導波路、半導体光変調器、及び半導体光変調システムに関する。 The present invention relates to a semiconductor optical waveguide that modulates light according to a modulation voltage applied from the outside, a semiconductor optical modulator, and a semiconductor optical modulation system.
半導体からなるコア及びクラッドを備えている半導体光導波路、例えばシリコン光導波路が知られている。シリコン光導波路は、シリカ製の基板の内部にシリコン製の高屈折率領域を設け、この高屈折率領域の一部または全部をコアとした光導波路である。シリコン光導波路においては、シリカとシリコンとの屈折率差によりコアへの光の閉じ込めが実現される。 A semiconductor optical waveguide having a core and a clad made of a semiconductor, for example, a silicon optical waveguide is known. The silicon optical waveguide is an optical waveguide in which a silicon high refractive index region is provided inside a silica substrate, and a part or all of the high refractive index region is a core. In the silicon optical waveguide, light confinement in the core is realized by the difference in refractive index between silica and silicon.
また、シリコン光導波路の高屈折率領域内にPIN接合(P型半導体層/I型半導体層/N型半導体層、非特許文献1及び特許文献1参照)又はPN接合(P型半導体層/N型半導体層、特許文献2参照)の接合面を形成することによって、シリコン光導波路から出力される光の位相を接合構造の両端に印加する電圧に応じて変化させることができる。このため、2つのシリコン光導波路を組み合わせ、少なくとも何れか一方のシリコン光導波路の構造としてPIN接合構造又はPN接合構造を採用することにより、マッハツェンダ型の光変調器を構成することができる。なお、PIN接合のI型半導体層を絶縁体層に置換したシリコン光導波路も知られている。 Also, a PIN junction (P-type semiconductor layer / I-type semiconductor layer / N-type semiconductor layer, see Non-Patent Document 1 and Patent Document 1) or PN junction (P-type semiconductor layer / N) in the high refractive index region of the silicon optical waveguide. By forming the bonding surface of the type semiconductor layer (see Patent Document 2), the phase of light output from the silicon optical waveguide can be changed according to the voltage applied to both ends of the bonding structure. For this reason, a Mach-Zehnder type optical modulator can be configured by combining two silicon optical waveguides and adopting a PIN junction structure or a PN junction structure as the structure of at least one of the silicon optical waveguides. A silicon optical waveguide in which a PIN junction I-type semiconductor layer is replaced with an insulator layer is also known.
PIN接合が形成されたシリコン光導波路で構成されている光変調器の場合、PIN接合構造の両端に印加する電圧(以下、「変調電圧」と記載)を順バイアス方向に印加することが多い。このように変調電圧を順バイアス方向に印加するシリコン光導波路のコアは、順バイアス型の位相変調部として機能する。順バイアス型の位相変調部として機能するコアを備えているシリコン光導波路のことを「順バイアス型のシリコン光変調器」と称する。一方、PN接合の接合面をコア内に形成する場合、変調電圧を逆バイアス方向に印加することが多い。このように変調電圧を逆バイアス方向に印加するシリコン光導波路のコアは、逆バイアス型の位相変調部として機能する。逆バイアス型の位相変調部として機能するコアを備えているシリコン光導波路のことを「逆バイアス型のシリコン光変調器」と称する。なお、逆バイアス型のシリコン光変調器では、PN接合構造の両端に一定の逆バイアス電圧をかけたうえで、片側振幅が逆バイアス電圧以下の変調電圧を印加する構成が採用されることが多い。 In the case of an optical modulator composed of a silicon optical waveguide in which a PIN junction is formed, a voltage applied to both ends of the PIN junction structure (hereinafter referred to as “modulation voltage”) is often applied in the forward bias direction. As described above, the core of the silicon optical waveguide that applies the modulation voltage in the forward bias direction functions as a forward bias type phase modulation section. A silicon optical waveguide provided with a core functioning as a forward bias type phase modulator is referred to as a “forward bias type silicon optical modulator”. On the other hand, in the case where the junction surface of the PN junction is formed in the core, the modulation voltage is often applied in the reverse bias direction. Thus, the core of the silicon optical waveguide that applies the modulation voltage in the reverse bias direction functions as a reverse bias type phase modulation section. A silicon optical waveguide having a core functioning as a reverse bias type phase modulation unit is referred to as a “reverse bias type silicon optical modulator”. Note that a reverse bias type silicon optical modulator often employs a configuration in which a constant reverse bias voltage is applied to both ends of a PN junction structure, and then a modulation voltage whose one-side amplitude is equal to or less than the reverse bias voltage is applied. .
非特許文献1には、シリコン光導波路内にPIN接合の接合面が形成された順バイアス型のシリコン光変調器が記載されている。順バイアス型のシリコン光変調器は、逆バイアス型のシリコン光変調器と比較して、シリコン光導波路のコアにおけるキャリア密度の変化量を容易に高めることができる。このため、順バイアス型のシリコン変調器では、変調電圧の振幅を大きくせずとも、コアを導波する光の位相を十分に変化させることができる。言い換えれば、変調電圧の低電圧化を図ることができる。 Non-Patent Document 1 describes a forward-bias type silicon optical modulator in which a PIN junction surface is formed in a silicon optical waveguide. The forward-bias type silicon optical modulator can easily increase the amount of change in the carrier density in the core of the silicon optical waveguide, as compared with the reverse-bias type silicon optical modulator. For this reason, in the forward bias type silicon modulator, the phase of the light guided through the core can be sufficiently changed without increasing the amplitude of the modulation voltage. In other words, the modulation voltage can be lowered.
その一方で、順バイアス型のシリコン光変調器では、PIN接合の両半導体層間に電流が流れるために、変調電圧を印加する電極として進行波電極を採用することができない。また、順バイアス型のシリコン光変調器は、逆バイアス型のシリコン光変調器と比較して、変調電圧の変化に対するキャリア密度変化の応答速度が遅い。このため、順バイアス型のシリコン光変調器は、逆バイアス型のシリコン光変調器と比較して、動作速度を高速化することが難しいという課題を有する。言い換えれば、順バイアス型のシリコン光変調器は、伝送帯域の広帯域化が難しいという課題を有する。 On the other hand, in a forward-bias type silicon optical modulator, since a current flows between both semiconductor layers of a PIN junction, a traveling wave electrode cannot be adopted as an electrode for applying a modulation voltage. Further, the forward bias type silicon optical modulator has a slower response speed of the carrier density change to the change of the modulation voltage than the reverse bias type silicon optical modulator. For this reason, the forward bias type silicon optical modulator has a problem that it is difficult to increase the operation speed as compared with the reverse bias type silicon optical modulator. In other words, the forward bias type silicon optical modulator has a problem that it is difficult to widen the transmission band.
また、順バイアス型のシリコン光変調器においては、上述したようにPIN接合の両半導体層間に大きな電流が流れるために、逆バイアス型のシリコン光変調器と比較して、消費電力が大きくなりやすいという課題を有する。 Further, in the forward bias type silicon optical modulator, since a large current flows between both semiconductor layers of the PIN junction as described above, the power consumption tends to be larger than that of the reverse bias type silicon optical modulator. It has a problem.
特許文献1には、コア内にPN接合の接合面が形成された逆バイアス型のシリコン光変調器が記載されている。逆バイアス型のシリコン光変調器は、順バイアス型のシリコン光変調器と比較して、容易に動作速度の高速化を図れるという点で有利である。これは、(1)変調電圧を印加する電極の構成として、進行波電極を採用することができることと、(2)変調電圧の変化に対するキャリア密度変化の応答速度が速いこととに起因する。また、PN接合構造の両端に逆バイアス方向の変調電圧が印加されるため、PN接合構造の両端の間には、微弱な電流しか流れない。したがって、逆バイアス型のシリコン光変調器は、順バイアス型のシリコン光変調器と比較して、消費電力を抑制しやすいという点でも有利である。 Patent Document 1 describes a reverse bias type silicon optical modulator in which a PN junction surface is formed in a core. The reverse bias type silicon optical modulator is advantageous in that the operation speed can be easily increased as compared with the forward bias type silicon optical modulator. This is because (1) the traveling wave electrode can be adopted as the configuration of the electrode to which the modulation voltage is applied, and (2) the response speed of the change in the carrier density with respect to the change in the modulation voltage is high. Further, since a modulation voltage in the reverse bias direction is applied to both ends of the PN junction structure, only a weak current flows between both ends of the PN junction structure. Therefore, the reverse-bias type silicon optical modulator is advantageous in that the power consumption can be easily suppressed as compared with the forward-bias type silicon optical modulator.
しかしながら、逆バイアス型のシリコン光変調器には、順バイアス型のシリコン光変調器と比較して変調効率が悪い、すなわち、変調電圧の低電圧化を図ることが難しいという問題があった。 However, the reverse bias type silicon optical modulator has a problem that the modulation efficiency is poor as compared with the forward bias type silicon optical modulator, that is, it is difficult to lower the modulation voltage.
従来の逆バイアス型のシリコン光導波路の構造の例としては、図14の(a)又は(b)に示す構造が挙げられる。 As an example of the structure of a conventional reverse bias type silicon optical waveguide, there is a structure shown in FIG. 14 (a) or (b).
図14の(a)に示すシリコン光導波路500は、側面同士が接合されたP型半導体層511とN型半導体層512とからなる高屈折率領域510を備えている。この高屈折率領域510においては、PN接合の接合面513を含む中央部(以下、「リブ」とも記載する)の厚みをその他の部分(以下、「スラブ」とも記載する)の厚みよりも厚くする構成が採用されている。このような構成を採用することによって、PN接合の接合面513を含む高屈折率領域510のリブを、シリコン光導波路500のコア514として機能させることができる。 A silicon optical waveguide 500 shown in FIG. 14A includes a high refractive index region 510 including a P-type semiconductor layer 511 and an N-type semiconductor layer 512 whose side surfaces are bonded to each other. In this high refractive index region 510, the thickness of the central portion (hereinafter also referred to as “rib”) including the PN junction surface 513 is thicker than the thickness of other portions (hereinafter also referred to as “slab”). The structure to be adopted is adopted. By adopting such a configuration, the rib of the high refractive index region 510 including the bonding surface 513 of the PN junction can function as the core 514 of the silicon optical waveguide 500.
図14の(b)に示すシリコン光導波路500は、上面端部と下面端部とが接合されたP型半導体層511とN型半導体層512とからなる高屈折率領域510を備えている。この高屈折率領域510においては、P型半導体層511とN型半導体512とが重なる中央部の厚みがスラブの厚みよりも厚くなる。このため、P型半導体層511とN型半導体512とが重なる(すなわち、PN接合の接合面513を含む)高屈折率領域510の中央部を、導波する光が局在するコア514として機能させることができる。 A silicon optical waveguide 500 shown in FIG. 14B includes a high refractive index region 510 composed of a P-type semiconductor layer 511 and an N-type semiconductor layer 512 whose upper end and lower end are joined. In the high refractive index region 510, the thickness of the central portion where the P-type semiconductor layer 511 and the N-type semiconductor 512 overlap is greater than the thickness of the slab. Therefore, the central portion of the high refractive index region 510 where the P-type semiconductor layer 511 and the N-type semiconductor 512 overlap (that is, including the junction surface 513 of the PN junction) functions as a core 514 in which guided light is localized. Can be made.
しかしながら、図14の(a)に示す構成を採用したとしても、図14の(b)に示す構成を採用したとしても、シリコン光導波路500が導波する光の一部は、コア514の外部にまで広がっている。すなわち、これらの構成には、変調効率を改善する余地が未だ残されている。 However, even if the configuration shown in FIG. 14A or the configuration shown in FIG. 14B is adopted, a part of the light guided by the silicon optical waveguide 500 is outside the core 514. It has spread to. That is, these configurations still have room for improving the modulation efficiency.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、逆バイアス型の位相変調部として機能するコアを備えた半導体光導波路において、変調効率の更なる改善を図ることにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to further improve modulation efficiency in a semiconductor optical waveguide having a core functioning as a reverse bias type phase modulation unit. .
上記の課題を解決するために、本発明は、側面同士、又は、一方の上面端部と他方の下面端部とが接合されたP型半導体層とN型半導体層とからなる高屈折率領域を備えた半導体光導波路であって、上記高屈折率領域は、他の部分よりも厚く、逆バイアス型の位相変調部として機能するコアを含み、当該コアは、上記P型半導体層と上記N型半導体層との接合面を含み、上記高屈折率領域の上記コア以外の部分には、上記コアとの境界に沿うように複数の孔が周期的に形成されている、ことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a high refractive index region composed of a P-type semiconductor layer and an N-type semiconductor layer in which side surfaces or one upper surface end and the other lower surface end are joined. The high refractive index region includes a core that is thicker than other portions and functions as a reverse bias type phase modulation unit, and the core includes the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor optical waveguide. A plurality of holes are periodically formed along the boundary with the core in a portion other than the core of the high refractive index region, including a bonding surface with the type semiconductor layer. .
上記の構成によれば、上記高屈折率領域の上記コア以外の部分に上記複数の孔が形成されていない場合と比べて、上記高屈折率領域を導波する光を上記コア内に形成された接合面(pn接合面)近傍により集中させることができる。このため、上記高屈折率領域の上記コア以外の部分に上記複数の孔が形成されていない場合と比べて、当該半導体光導波路の変調効率をより高くすることができる。 According to said structure, compared with the case where the said several hole is not formed in parts other than the said core of the said high refractive index area | region, the light which guides the said high refractive index area | region is formed in the said core. It is possible to concentrate in the vicinity of the junction surface (pn junction surface). For this reason, the modulation efficiency of the semiconductor optical waveguide can be further increased as compared with the case where the plurality of holes are not formed in a portion other than the core of the high refractive index region.
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、上記孔は、上記コアに接しているか、又は、上記孔と上記コアとの間隔は、上記コアの幅の0.25倍以下である、ことが好ましい。 In the semiconductor optical waveguide according to one embodiment of the present invention, the hole is in contact with the core, or the interval between the hole and the core is 0.25 times or less the width of the core. preferable.
上記の構成によれば、上記高屈折率領域の上記コア以外の部分に上記複数の孔が形成されていない場合と比べて、確実に上記高屈折率領域を伝搬する光を上記コアの内部により集中させることができる。このため、上記高屈折率領域の上記コア以外の部分に上記複数の孔が形成されていない場合と比べて、確実に当該半導体光導波路の変調効率をより高くすることができる。 According to said structure, compared with the case where the said several hole is not formed in parts other than the said core of the said high refractive index area | region, the light which propagates the said high refractive index area | region reliably is carried out by the inside of the said core. Can concentrate. For this reason, it is possible to reliably increase the modulation efficiency of the semiconductor optical waveguide as compared with the case where the plurality of holes are not formed in a portion other than the core of the high refractive index region.
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、上記孔は、上記コアに接している、ことがより好ましい。 In the semiconductor optical waveguide according to one aspect of the present invention, it is more preferable that the hole is in contact with the core.
上記の構成によれば、上記高屈折率領域を伝搬する光を概ね上記コアの接合面近傍に局在させることができる。このため、当該半導体光導波路の変調効率を概ね最大化することができる。 According to the above configuration, the light propagating through the high refractive index region can be localized in the vicinity of the joint surface of the core. For this reason, the modulation efficiency of the semiconductor optical waveguide can be substantially maximized.
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、上記複数の孔の周期、及び、上記複数の孔の各々の、上記高屈折率領域を伝搬する光の伝搬方向の長さは、それぞれ、上記高屈折率領域を伝搬する光の実効波長より短い、ことが好ましい。 In the semiconductor optical waveguide according to one aspect of the present invention, the period of the plurality of holes and the length of the propagation direction of light propagating through the high refractive index region of each of the plurality of holes are It is preferably shorter than the effective wavelength of light propagating through the refractive index region.
上記の構成によれば、高屈折率領域を伝搬する光と、孔の周期的な構造との間に生じる相互作用を抑制することができる。したがって、高屈折率領域を伝搬する光の光損失を生じさせることなく、光をコアの接合面近傍に局在させることができる。 According to said structure, the interaction which arises between the light which propagates a high refractive index area | region, and the periodic structure of a hole can be suppressed. Therefore, the light can be localized near the joint surface of the core without causing an optical loss of the light propagating through the high refractive index region.
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、上記複数の孔の各々の、上記高屈折率領域を伝搬する光の伝搬方向、及び、該孔の深さ方向の双方に直交する方向の幅は、上記コアの幅の0.375倍以上2.5倍以下である、ことが好ましい。 In the semiconductor optical waveguide according to one aspect of the present invention, each of the plurality of holes has a width in a direction orthogonal to both the propagation direction of light propagating through the high refractive index region and the depth direction of the hole. The core width is preferably 0.375 to 2.5 times the width of the core.
複数の孔の各々の、上記高屈折率領域を伝搬する光の伝搬方向、及び、該孔の深さ方向の双方に直交する方向の幅がコアの幅の0.375倍以上であることによって、コアから高屈折率領域の上記コア以外の部分に光が浸み出すことを抑制し、光をコアの接合面近傍によく局在させることができる。また、複数の孔の各々の、上記高屈折率領域を伝搬する光の伝搬方向、及び、該孔の深さ方向の双方に直交する方向の幅がコアの幅の2.5倍以下であることによって、高屈折率領域の上記コア以外の部分の電気抵抗値が無用に高くなることを防止できる。すなわち、上記の構成によれば、高屈折率領域の上記コア以外の部分の電気抵抗値を抑制しつつ、光をコアの接合面近傍によく局在させることができる。 Each of the plurality of holes has a width in the direction perpendicular to both the propagation direction of the light propagating through the high refractive index region and the depth direction of the hole being 0.375 times or more of the width of the core. Further, it is possible to suppress light from oozing out from the core to portions other than the core in the high refractive index region, and to localize the light well in the vicinity of the joint surface of the core. Further, the width of each of the plurality of holes in the direction perpendicular to both the propagation direction of the light propagating through the high refractive index region and the depth direction of the hole is 2.5 times or less of the width of the core. As a result, it is possible to prevent the electrical resistance value of the portion other than the core in the high refractive index region from being unnecessarily increased. That is, according to said structure, light can be well localized near the joint surface of a core, suppressing the electrical resistance value of parts other than the said core of a high refractive index area | region.
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、上記高屈折率領域を取り囲むクラッドを更に備えており、上記孔の内部には、上記クラッドを構成する材料が充填されている、ことが好ましい。 The semiconductor optical waveguide according to one aspect of the present invention preferably further includes a clad surrounding the high refractive index region, and the hole is filled with a material constituting the clad.
上記の構成によれば、当該半導体光導波路の製造を簡単化すると共に、上記高屈折率領域の劣化を防止することができる。例えば、高屈折率領域がシリコン製、クラッドがシリカ製の場合に、高屈折率領域を構成するシリコンの酸化や、高屈折率領域を構成するシリコンの表面が異物により汚染されることを防止することができる。 According to said structure, manufacture of the said semiconductor optical waveguide can be simplified, and deterioration of the said high refractive index area | region can be prevented. For example, when the high refractive index region is made of silicon and the cladding is made of silica, the silicon constituting the high refractive index region is prevented from being oxidized and the surface of the silicon constituting the high refractive index region is prevented from being contaminated by foreign substances. be able to.
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、上記高屈折率領域は、シリコンにドーパントを添加した半導体又はインジウムリンにドーパントを添加した半導体からなり、上記クラッドは、シリカ、インジウムリンにドーパントを添加した半導体、及び空気のいずれか1つからなる、ことが好ましい。 In the semiconductor optical waveguide according to one aspect of the present invention, the high refractive index region is made of a semiconductor in which a dopant is added to silicon or a semiconductor in which a dopant is added to indium phosphorus, and the cladding is doped with a dopant in silica and indium phosphorus. It is preferable that it consists of any one of the above-mentioned semiconductor and air.
上記の構成によれば、半導体光導波路を作製するために、既存の半導体技術を利用することができる。したがって、半導体光導波路を作製するコストを抑制することができる。 According to said structure, in order to produce a semiconductor optical waveguide, the existing semiconductor technology can be utilized. Therefore, it is possible to suppress the cost for manufacturing the semiconductor optical waveguide.
本発明の一態様に係る半導体光導波路は、上記P型半導体層に接続された第1の進行波電極と、上記N型半導体層に接続された第2の進行波電極とを更に備えている、ことが好ましい。 The semiconductor optical waveguide according to an aspect of the present invention further includes a first traveling wave electrode connected to the P-type semiconductor layer and a second traveling wave electrode connected to the N-type semiconductor layer. It is preferable.
上記の構成によれば、当該半導体光導波路を位相変調部として用いる場合に、位相変調部の動作を高速化することができる。 According to said structure, when using the said semiconductor optical waveguide as a phase modulation part, operation | movement of a phase modulation part can be sped up.
本発明の一態様に係る半導体光変調器は、少なくとも一方のアーム部に光変調部が設けられたマッハツェンダ型の半導体光変調器であって、上記光変調部として本発明の一態様に係る半導体光導波路を備えている、ことが好ましい。 A semiconductor optical modulator according to an aspect of the present invention is a Mach-Zehnder type semiconductor optical modulator in which an optical modulation unit is provided in at least one arm, and the semiconductor according to an aspect of the present invention is used as the optical modulation unit. It is preferable to provide an optical waveguide.
本発明の一態様に係る半導体光変調システムは、本発明の一態様に係る半導体光変調器と、上記P型半導体層及び上記N型半導体層に逆バイアス方向の電圧を印加する電圧源と、を備えている、ことが好ましい。 A semiconductor optical modulation system according to an aspect of the present invention includes a semiconductor optical modulator according to an aspect of the present invention, a voltage source that applies a reverse bias voltage to the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer, It is preferable to comprise.
上記の構成によれば、本発明の一態様に係る半導体光変調器及び半導体光変調システムは、本発明の半導体光導波路と同様の効果を奏する。 According to said structure, the semiconductor optical modulator and semiconductor optical modulation system which concern on 1 aspect of this invention have an effect similar to the semiconductor optical waveguide of this invention.
本発明は、逆バイアス型の位相変調部として機能するコアを備えた半導体光導波路において、変調効率の更なる改善を図ることができる。また、本発明の半導体光導波路を備えた半導体光変調器において、変調効率の更なる改善を図ることができる。 The present invention can further improve the modulation efficiency in a semiconductor optical waveguide having a core functioning as a reverse bias type phase modulation section. Further, in the semiconductor optical modulator provided with the semiconductor optical waveguide of the present invention, the modulation efficiency can be further improved.
本発明に係る半導体光導波路は、側面同士、又は、一方の上面端部と他方の下面端部とが接合されたP型半導体層とN型半導体層とからなる高屈折率領域を備えた半導体光導波路である。上記高屈折率領域は、他の部分よりも厚く、逆バイアス型の位相変調部として機能するコアを含む。当該コアは、上記P型半導体層と上記N型半導体層との接合面を含み、上記高屈折率領域の上記コア以外の部分には、上記コアとの境界に沿うように複数の孔が周期的に形成されている。 The semiconductor optical waveguide according to the present invention includes a semiconductor having a high refractive index region including side surfaces or a P-type semiconductor layer and an N-type semiconductor layer in which one upper surface end and the other lower surface end are joined. It is an optical waveguide. The high refractive index region is thicker than other portions and includes a core that functions as a reverse bias type phase modulation unit. The core includes a joint surface between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer, and a plurality of holes are periodically formed along a boundary with the core in a portion other than the core in the high refractive index region. Is formed.
本実施形態では、P型半導体層(12a,13)とN型半導体層(12b,14)との側面同士が接合された高屈折率領域11を備えた半導体光導波路10について説明する。 In the present embodiment, a semiconductor optical waveguide 10 including a high refractive index region 11 in which side surfaces of a P-type semiconductor layer (12a, 13) and an N-type semiconductor layer (12b, 14) are joined will be described.
〔第1の実施形態〕
本発明の第1の実施形態に係る半導体光導波路について、図1及び図2を参照して説明する。図1の(a)は、本実施形態に係る半導体光導波路10の構成を示す斜視図である。図1の(b)は、図1の(a)に示した半導体光導波路10が備えている高屈折率領域11の構成を示す斜視図である。図2の(a)は、図1の(a)に示した半導体光導波路10の構成を示す断面図であり、図1の(a)に示したA−A’線に沿った断面における断面図である。図2の(b)は、図1の(a)に示した半導体光導波路10の構成を示す断面図であり、図1の(a)に示したB−B’線に沿った断面における断面図である。
[First Embodiment]
A semiconductor optical waveguide according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1A is a perspective view showing a configuration of a semiconductor optical waveguide 10 according to the present embodiment. FIG. 1B is a perspective view showing the configuration of the high refractive index region 11 provided in the semiconductor optical waveguide 10 shown in FIG. 2A is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor optical waveguide 10 shown in FIG. 1A, and is a cross section taken along the line AA ′ shown in FIG. FIG. 2B is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor optical waveguide 10 shown in FIG. 1A, and is a cross section taken along the line BB ′ shown in FIG. FIG.
(半導体光導波路10の構成)
図1の(a)に示すように、半導体光導波路10は、高屈折率領域11と、下部クラッド19a及び上部クラッド19bからなるクラッド19と、第1の電極15と、第1の信号線16と、第2の電極17と、第2の信号線18とを備えている。クラッド19を構成する材料の屈折率は、高屈折率領域11を構成する材料の屈折率よりも低い。高屈折率領域11は、下部クラッド19aの上面に形成されている。また、上部クラッド19bは、高屈折率領域11の周囲を取り囲むように下部クラッドの上面及び高屈折率領域11の上面に形成されている。
(Configuration of Semiconductor Optical Waveguide 10)
As shown in FIG. 1A, the semiconductor optical waveguide 10 includes a high refractive index region 11, a clad 19 composed of a lower clad 19a and an upper clad 19b, a first electrode 15, and a first signal line 16. A second electrode 17 and a second signal line 18. The refractive index of the material constituting the clad 19 is lower than the refractive index of the material constituting the high refractive index region 11. The high refractive index region 11 is formed on the upper surface of the lower cladding 19a. The upper clad 19 b is formed on the upper surface of the lower clad and the upper surface of the high refractive index region 11 so as to surround the periphery of the high refractive index region 11.
図2の(b)に示すように、高屈折率領域11は、P型半導体部12a及びN型半導体部12bからなるコア12と、第1の半導体層13と、第2の半導体層14とを備えている。第1の半導体層13は、第1の電極15とP型半導体部12aとを接続する。第2の半導体層14は、第2の電極17とN型半導体部12bとを接続する。第1の電極15及び第2の電極17は、コア12の両端に逆バイアス方向の変調電圧を印加するための電極である。半導体光導波路10では、コア12の両端に一定の逆バイアス電圧を印加したうえで、片側振幅が逆バイアス電圧以下の変調電圧を印加する構成を採用する。 As shown in FIG. 2B, the high refractive index region 11 includes a core 12 including a P-type semiconductor portion 12a and an N-type semiconductor portion 12b, a first semiconductor layer 13, and a second semiconductor layer 14. It has. The first semiconductor layer 13 connects the first electrode 15 and the P-type semiconductor unit 12a. The second semiconductor layer 14 connects the second electrode 17 and the N-type semiconductor portion 12b. The first electrode 15 and the second electrode 17 are electrodes for applying a modulation voltage in the reverse bias direction to both ends of the core 12. The semiconductor optical waveguide 10 employs a configuration in which a constant reverse bias voltage is applied to both ends of the core 12 and then a modulation voltage whose one-side amplitude is equal to or less than the reverse bias voltage is applied.
特許請求の範囲に記載のP型半導体層は、P型半導体部12aと第1の半導体層13とによって構成され、N型半導体層は、N型半導体部12bと第2の半導体層14とによって構成される。第1の半導体層13及び第2の半導体層14は、特許請求の範囲に記載の高屈折率領域11のコア12以外の部分である。 The P-type semiconductor layer described in the claims is composed of the P-type semiconductor portion 12 a and the first semiconductor layer 13, and the N-type semiconductor layer is composed of the N-type semiconductor portion 12 b and the second semiconductor layer 14. Composed. The 1st semiconductor layer 13 and the 2nd semiconductor layer 14 are parts other than the core 12 of the high refractive index area | region 11 as described in a claim.
上部クラッド19bの表面上であって、第1の電極15及び第2の電極17が形成されている領域には、第1の信号線16及び第2の信号線18が形成されている。信号線16,18は、電極15,17と、コア12に変調電圧を印加するための電気信号を出力する電圧源とを接続可能なように構成されている。 A first signal line 16 and a second signal line 18 are formed on the surface of the upper clad 19b in the region where the first electrode 15 and the second electrode 17 are formed. The signal lines 16 and 18 are configured so that the electrodes 15 and 17 can be connected to a voltage source that outputs an electrical signal for applying a modulation voltage to the core 12.
電圧源は、高屈折率領域11の高屈折率領域11のコア12以外の部分である半導体層13,14に逆バイアス方向の変調電圧を印加するように構成されている。換言すれば、電圧源は、コア12に逆バイアス方向の変調電圧を印加するように構成されている。逆バイアス方向の変調電圧は、一定の逆バイアス電圧と片側振幅が逆バイアス電圧以下の変調電圧との和によって与えられる。電圧源は、変調電圧を直接出力する1台の電圧源によって構成されていてもよいし、一定の逆バイアス電圧を印加する第1の電圧源と、片側振幅が逆バイアス電圧以下の変調電圧を印加する第2の電圧源とによって構成されていてもよい。 The voltage source is configured to apply a modulation voltage in the reverse bias direction to the semiconductor layers 13 and 14 that are portions of the high refractive index region 11 other than the core 12 of the high refractive index region 11. In other words, the voltage source is configured to apply a modulation voltage in the reverse bias direction to the core 12. The modulation voltage in the reverse bias direction is given by the sum of a constant reverse bias voltage and a modulation voltage whose one-side amplitude is equal to or less than the reverse bias voltage. The voltage source may be constituted by a single voltage source that directly outputs a modulation voltage, or a first voltage source that applies a constant reverse bias voltage, and a modulation voltage whose one-side amplitude is equal to or less than the reverse bias voltage. You may comprise by the 2nd voltage source to apply.
半導体光導波路10は、上記電源から供給される逆バイアス方向の変調電圧に応じて、高屈折率領域11を伝搬する光を変調することができる。すなわち、半導体光導波路10は、電気信号を光信号に変換することができる。 The semiconductor optical waveguide 10 can modulate the light propagating through the high refractive index region 11 in accordance with the modulation voltage in the reverse bias direction supplied from the power source. That is, the semiconductor optical waveguide 10 can convert an electrical signal into an optical signal.
(高屈折率領域11)
高屈折率領域11は、半導体(例えばシリコン(Si)やインジウムリン(InP))により構成されている。高屈折率領域11の自由キャリア密度及び屈折率は、ベースとなる半導体にドーパントを添加することによって所望の値に制御されている。本実施形態に係る半導体光導波路10において、ベースとなる半導体は、シリコンである。したがって、本実施形態に係る半導体光導波路10は、シリコン光導波路10である。以下において、シリコン光導波路10のことを単に光導波路10と称する。高屈折率領域11の屈折率は、ドーパントの添加量に依存するが、光通信に利用される1200〜1600nmの波長では3.5程度である。
(High refractive index region 11)
The high refractive index region 11 is configured by a semiconductor (for example, silicon (Si) or indium phosphide (InP)). The free carrier density and refractive index of the high refractive index region 11 are controlled to desired values by adding a dopant to the base semiconductor. In the semiconductor optical waveguide 10 according to the present embodiment, the base semiconductor is silicon. Therefore, the semiconductor optical waveguide 10 according to this embodiment is the silicon optical waveguide 10. Hereinafter, the silicon optical waveguide 10 is simply referred to as an optical waveguide 10. The refractive index of the high refractive index region 11 depends on the amount of dopant added, but is about 3.5 at a wavelength of 1200 to 1600 nm used for optical communication.
クラッド19を構成する材料としては、シリカ(SiO2)やドーパントを添加したInPなどを採用することができる。また、上部クラッド19bを形成する工程を省略して、空気が上部クラッドとして機能する構成を採用してもよい。本実施形態に係る光導波路10において、下部クラッド19a及び上部クラッド19bは、いずれもSiO2製である。クラッド19の屈折率は、およそ1.4程度である。 As a material constituting the clad 19, silica (SiO 2 ), InP to which a dopant is added, or the like can be employed. Moreover, the process of forming the upper clad 19b may be omitted, and a configuration in which air functions as the upper clad may be employed. In the optical waveguide 10 according to the present embodiment, the lower clad 19a and the upper clad 19b are both made of SiO 2. The refractive index of the clad 19 is about 1.4.
図2の(a)に示すように、第1の半導体層13及び第2の半導体層14の厚さHSは、共通であり、位相変調部として機能するコア12の厚さHLより薄い。すなわち、高屈折率領域11は、厚いコア12と、薄い半導体層13,14とによって構成されている。以下では、厚さが厚いコア12のことをリブとも称し、厚さが薄い半導体層13,14のことをスラブとも称する。すなわち、高屈折率領域11は、リブスラブ型の断面形状を有している。 As shown in FIG. 2A, the thickness H S of the first semiconductor layer 13 and the second semiconductor layer 14 is common and is thinner than the thickness H L of the core 12 functioning as a phase modulation unit. . That is, the high refractive index region 11 is constituted by the thick core 12 and the thin semiconductor layers 13 and 14. Hereinafter, the thick core 12 is also referred to as a rib, and the thin semiconductor layers 13 and 14 are also referred to as a slab. That is, the high refractive index region 11 has a rib slab type cross-sectional shape.
なお、半導体光導波路10において、コア12の上面には、ドーパントを添加していない半導体からなる無添加コアが更に形成されていてもよい。この無添加コアの幅は、コア12の幅と共通であることが好ましい。 In the semiconductor optical waveguide 10, an additive-free core made of a semiconductor to which no dopant is added may be further formed on the upper surface of the core 12. The width of the additive-free core is preferably the same as the width of the core 12.
(孔13a,14a)
高屈折率領域11の高屈折率領域の上記コア以外の部分である第1の半導体層13には、コア12との境界に沿うように複数の孔13aが周期的に形成されている。同様に、高屈折率領域11の高屈折率領域の上記コア以外の部分である第2の半導体層14には、コア12との境界に沿うように複数の孔14aが周期的に形成されている。
(Hole 13a, 14a)
A plurality of holes 13 a are periodically formed along the boundary with the core 12 in the first semiconductor layer 13 that is a portion of the high refractive index region 11 other than the core in the high refractive index region. Similarly, a plurality of holes 14 a are periodically formed along the boundary with the core 12 in the second semiconductor layer 14 that is a portion of the high refractive index region 11 other than the core in the high refractive index region 11. Yes.
高屈折率領域11を上面視して、(1)孔13a,14aは、コア12に接しているか、(2)孔13a,14aとコア12との間隔WOFFは、コア12の幅WLの0.25倍以下であることが好ましい。本実施形態に係る光導波路10では、孔13a,14aがコア12に接している構成、すなわち、WOFF=0μmを採用している。すなわち、孔13aを形成する4つの側面のうち1つの側面が、コア12の側面と一致している(図2の(b)参照)。孔14aについても同様である。 When the high refractive index region 11 is viewed from the top, (1) the holes 13a, 14a are in contact with the core 12, or (2) the interval W OFF between the holes 13a, 14a and the core 12 is the width W L of the core 12. It is preferable that it is 0.25 times or less. The optical waveguide 10 according to the present embodiment employs a configuration in which the holes 13a and 14a are in contact with the core 12, that is, W OFF = 0 μm. In other words, one of the four side surfaces forming the hole 13a coincides with the side surface of the core 12 (see FIG. 2B). The same applies to the hole 14a.
孔13a,14aの高屈折率領域11を伝搬する光の伝搬方向、及び、孔13a,14aの深さ方向の双方に直交する方向の幅Wapは、コア12の幅WLの0.375倍以上2.5倍以下であることが好ましい。幅Wapが幅WLの0.375倍以上であることによって、コア12から半導体層13,14に光が浸み出すことを抑制し、光をコア12の接合面12j近傍によく局在させることができる。また、幅Wapが幅WLの2.5倍以下であることによって、半導体層13,14の電気抵抗値が無用に高くなることを防止できる。すなわち、幅Wapが幅WLの0.375倍以上2.5倍以下であることによって、半導体層13,14の電気抵抗値を抑制しつつ、光をコア12の接合面12j近傍によく局在させることができる。 The width W ap in the direction orthogonal to both the propagation direction of the light propagating through the high refractive index region 11 of the holes 13 a and 14 a and the depth direction of the holes 13 a and 14 a is 0.375 of the width W L of the core 12. It is preferable that they are 2 times or more and 2.5 times or less. By the width W ap is equal to or greater than 0.375 times the width W L, and suppress the out light only is immersed in the semiconductor layers 13 and 14 from the core 12, light well in the vicinity of the junction surface 12j of the core 12 Localization Can be made. Further, the width W ap is equal to or less than 2.5 times the width W L, the electric resistance of the semiconductor layers 13 and 14 can be prevented from being unnecessarily increased. That is, by the width W ap is equal to or less than 2.5 times 0.375 times the width W L, while suppressing the electric resistance of the semiconductor layers 13 and 14, light well in the vicinity of the junction surface 12j of the core 12 Can be localized.
コア12と半導体層13,14との境界に孔13a,14aを形成する周期LC、及び、孔13a,14aの長さLapの各々は、高屈折率領域11を伝搬する光の実効波長λeffより短いことが好ましい。実効波長λeffは、真空中での光の波長をλ、算出された高屈折率領域11の実効屈折率をNeffとして、λeff=λ/Neffで与えられる。したがって、周期LC及び長さLapの各々は、λ/Neffより短いことが好ましい。 Each of the period L C for forming the holes 13 a and 14 a at the boundary between the core 12 and the semiconductor layers 13 and 14 and the length L ap of the holes 13 a and 14 a is an effective wavelength of light propagating through the high refractive index region 11. It is preferably shorter than λ eff . The effective wavelength λ eff is given by λ eff = λ / N eff where λ is the wavelength of light in vacuum and N eff is the calculated effective refractive index of the high refractive index region 11. Thus, each cycle L C and the length L ap is preferably shorter than lambda / N eff.
周期LC及び長さLapが実効波長λeffより十分に短いことによって、コア12を伝搬する光と孔13a,14aとの相互作用を抑制することができる。その結果、光は、コア12と半導体層13,14との境界に、Siの屈折率(例えば3.48)とSiO2の屈折率(例えば1.44)との中間の屈折率を有する領域が形成されている導波路構造の場合と同様に、コア12を伝搬することとなる。この中間の屈折率は、(1)Siの屈折率(例えば3.48)、(2)SiO2の屈折率(例えば1.44)、(3)周期LCに対するLapの割合である開口比率に依存する。 When the period L C and the length L ap are sufficiently shorter than the effective wavelength λ eff , the interaction between the light propagating through the core 12 and the holes 13 a and 14 a can be suppressed. As a result, light has an intermediate refractive index at the boundary between the core 12 and the semiconductor layers 13 and 14 between the refractive index of Si (eg, 3.48) and the refractive index of SiO 2 (eg, 1.44). As in the case of the waveguide structure in which is formed, the light propagates through the core 12. The refractive index of the intermediate, (1) the refractive index of Si (e.g. 3.48), (2) the refractive index of SiO 2 (e.g. 1.44) is the ratio of L ap for (3) the period L C opening Depends on the ratio.
上述のように、高屈折率領域11を伝搬する光にとって、孔13a,14aの周期的な構造との相互作用を抑制する構成を採用しているために、孔13a,14aがグレーティングとして作用することがない。したがって、光導波路10は、高屈折率領域11を伝搬する光の光損失を抑制することができる。 As described above, because the light propagating through the high refractive index region 11 is configured to suppress the interaction with the periodic structure of the holes 13a and 14a, the holes 13a and 14a act as a grating. There is nothing. Therefore, the optical waveguide 10 can suppress the optical loss of light propagating through the high refractive index region 11.
(第1の電極15及び第2の電極17)
第1の電極15及び第2の電極17は、進行波電極であることが好ましい。進行波電極を採用することによって、光導波路10の動作速度を高速化することができる。すなわち、光導波路10の動作帯域を広帯域化することができる。
(First electrode 15 and second electrode 17)
The first electrode 15 and the second electrode 17 are preferably traveling wave electrodes. By employing the traveling wave electrode, the operation speed of the optical waveguide 10 can be increased. That is, the operating band of the optical waveguide 10 can be widened.
ここで、図1の(a)に示す座標系を次のように定義する。(1)コア12が延設されている方向と平行な軸をy軸とする。y軸の向きは、図1の(a)において手前から奥に向かう向きが正の向きとなるように定める。(2)コア12の厚さ方向に平行な軸をz軸とする。z軸の向きは、下部クラッド19aから上部クラッド19bに向かう向きが正の向きとなるように定める。(3)コア12の幅方向に平行な軸をx軸とする。x軸の向きは、このx軸が上述したy軸及びz軸と共に右手系を構成するように定める。 Here, the coordinate system shown in FIG. 1A is defined as follows. (1) The axis parallel to the direction in which the core 12 is extended is taken as the y-axis. The direction of the y-axis is determined so that the direction from the front to the back in FIG. (2) The axis parallel to the thickness direction of the core 12 is taken as the z-axis. The direction of the z axis is determined so that the direction from the lower clad 19a to the upper clad 19b is a positive direction. (3) The axis parallel to the width direction of the core 12 is taken as the x-axis. The direction of the x axis is determined so that the x axis forms a right-handed system together with the y axis and the z axis described above.
本実施形態に係る光導波路10において、孔13a,14aは、半導体層13,14の上面から下面に向かって貫通する構成を採用している。しかし、孔13a,14aは、上面から下面に向かって貫通する構成に限定されるものではない。すなわち、孔13a,14aの下層に半導体層13,14の一部が形成されていてもよい。 In the optical waveguide 10 according to the present embodiment, the holes 13a and 14a are configured to penetrate from the upper surface to the lower surface of the semiconductor layers 13 and 14. However, the holes 13a and 14a are not limited to the structure penetrating from the upper surface toward the lower surface. That is, part of the semiconductor layers 13 and 14 may be formed below the holes 13a and 14a.
孔13a,14aの内部には、上部クラッド19bを構成するSiO2が充填されていてもよい。すなわち、孔13a,14aの内部の一部又は全体に、上部クラッド19bを構成するSiO2が充填されていてもよいし、その内部が空隙であってもよい。 The holes 13a and 14a may be filled with SiO 2 constituting the upper clad 19b. That is, part or all of the insides of the holes 13a and 14a may be filled with SiO 2 constituting the upper clad 19b, or the inside thereof may be a void.
この構成によれば、高屈折率領域11を形成した後に上部クラッドを形成するSiO2を堆積するだけでよいため、光導波路10の製造を簡単化することができる。また、SiO2が充填されていることにより、孔13a,14aの側面がSiO2によって被覆される。したがって、高屈折率領域11の劣化(例えばSiの酸化)を防止することができる。 According to this configuration, it is only necessary to deposit SiO 2 that forms the upper clad after forming the high refractive index region 11, so that the manufacturing of the optical waveguide 10 can be simplified. Further, since the SiO 2 is filled, the hole 13a, the side surface of 14a is covered by the SiO 2. Therefore, deterioration of the high refractive index region 11 (for example, oxidation of Si) can be prevented.
本実施形態に係る光導波路10では、孔13a,14aの内部全体にSiO2が充填された構成を採用している。 In the optical waveguide 10 according to the present embodiment, a configuration in which the entire inside of the holes 13a and 14a is filled with SiO 2 is adopted.
以上のように構成された光導波路10において、コア12の外側の半導体層13,14には、周期的に配置された複数の孔13a,14aが形成されている。また、孔13a,14aの内部にはSiO2が充填されている。このことによって、コア12と第1の半導体層13との境界領域(孔13aが周期的に形成されている領域)のコア12を伝搬する光に対する実質的な屈折率、及び、コア12と第2の半導体層14との境界領域(孔14aが周期的に形成されている領域)のコア12を伝搬する光に対する実質的な屈折率は、(1)半導体層13,14を構成するドーパントを添加されたSiの屈折率と、(2)上部クラッド19bを構成するSiO2の屈折率と、を平均化することによって決定される。また、コア12を伝搬する光に対する光導波路10の実効屈折率は、これらの屈折率と、光導波路10の形状とを用いて算出される。 In the optical waveguide 10 configured as described above, a plurality of holes 13 a and 14 a arranged periodically are formed in the semiconductor layers 13 and 14 outside the core 12. Furthermore, holes 13a, the inside of 14a SiO 2 is filled. As a result, the substantial refractive index with respect to the light propagating through the core 12 in the boundary region between the core 12 and the first semiconductor layer 13 (the region where the holes 13a are periodically formed), and the core 12 and the first semiconductor layer 13 The refractive index with respect to the light propagating through the core 12 in the boundary region with the semiconductor layer 14 (region in which the holes 14a are periodically formed) is as follows: (1) The dopant constituting the semiconductor layers 13 and 14 It is determined by averaging the refractive index of the added Si and (2) the refractive index of SiO 2 constituting the upper cladding 19b. Further, the effective refractive index of the optical waveguide 10 with respect to light propagating through the core 12 is calculated using these refractive indexes and the shape of the optical waveguide 10.
上記境界領域の実質的な屈折率が、Siの屈折率とSiO2の屈折率とを平均化した屈折率になることによって、光導波路10は、孔13a,14aが形成されていないリブスラブ型の光導波路と比較して、高屈折率領域11を伝搬する光をコア12により強く閉じ込めることができる。そのため、光導波路10は、コア12の接合面12jの近傍に形成される空乏層領域に分布する光の電界強度を高めることができ、結果として、光を変調するときの効率である変調効率を向上させることができる。 When the substantial refractive index of the boundary region becomes a refractive index obtained by averaging the refractive index of Si and the refractive index of SiO 2 , the optical waveguide 10 has a rib slab type in which the holes 13a and 14a are not formed. Compared with the optical waveguide, the light propagating through the high refractive index region 11 can be confined more strongly by the core 12. Therefore, the optical waveguide 10 can increase the electric field intensity of light distributed in the depletion layer region formed in the vicinity of the joint surface 12j of the core 12, and as a result, the modulation efficiency, which is the efficiency when modulating light, is improved. Can be improved.
本実施形態に係る光導波路10は、例えばSOI(Silicon on Insulator)基板を用いて作製することができる。この場合、SOI基板のBOX層(埋め込み酸化層)を下部クラッド19aとして用い、BOX層上に形成されたSi層を高屈折率領域11の形状にパターニングすればよい。高屈折率領域11が備えているP型半導体部12a、N型半導体部12b、及び半導体層13,14の各々は、BOX層上に形成されたSi層にドーパントを添加することによって実現することができる。なお、SOI基板を用いて光導波路10を作製する場合、下部クラッド19aの下層にはSi層(図1の(a)には不図示)が存在する。 The optical waveguide 10 according to the present embodiment can be manufactured using, for example, an SOI (Silicon on Insulator) substrate. In this case, the BOX layer (buried oxide layer) of the SOI substrate may be used as the lower clad 19a, and the Si layer formed on the BOX layer may be patterned into the shape of the high refractive index region 11. Each of the P-type semiconductor part 12a, the N-type semiconductor part 12b, and the semiconductor layers 13 and 14 provided in the high refractive index region 11 is realized by adding a dopant to the Si layer formed on the BOX layer. Can do. When the optical waveguide 10 is manufactured using an SOI substrate, an Si layer (not shown in FIG. 1A) exists below the lower clad 19a.
これらの光導波路10を作製するためのプロセスには、既存の半導体光導波路を作製するためのプロセスを適用することができる。光導波路10を作製するためには、従来のリブスラブ型の半導体光導波路を作製するためのプロセスをベースにして、高屈折率領域11の外形をパターニングするためのマスクパターンを、孔13a,14aを併せてパターニング可能なマスクパターンに変更するだけでよい。したがって、光導波路10は、従来のリブスラブ型の半導体光導波路を作製するためのプロセスに対して新規のプロセスを追加することなく作製することができる。したがって、光導波路10の製造コストが高騰することを防ぐことができる。 As a process for manufacturing these optical waveguides 10, an existing process for manufacturing a semiconductor optical waveguide can be applied. In order to manufacture the optical waveguide 10, a mask pattern for patterning the outer shape of the high refractive index region 11 is formed on the holes 13a and 14a on the basis of a process for manufacturing a conventional rib slab type semiconductor optical waveguide. In addition, it is only necessary to change to a mask pattern that can be patterned. Therefore, the optical waveguide 10 can be manufactured without adding a new process to the process for manufacturing the conventional rib slab type semiconductor optical waveguide. Therefore, it is possible to prevent the manufacturing cost of the optical waveguide 10 from rising.
(第1の実施例)
本発明の第1の実施例に係る光導波路10について、図3の(a)を参照して説明する。図3の(a)は、本実施例に係る光導波路10を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちzx平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
(First embodiment)
The optical waveguide 10 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3A is a graph showing an electric field distribution of light propagating through the optical waveguide 10 according to the present embodiment, and shows light in a cross section perpendicular to the light propagation direction, that is, a cross section along the zx plane. It is a graph which shows electric field distribution.
本実施例において、光導波路10は、BOX層上に形成されたSi層の厚さが220nmであるSOI基板を用いて作製することを想定している。そのため、コア12の厚さHLとして220nmを採用した。厚さHL=220nmである点は、本明細書に記載の他の変形例についても同様である。 In this embodiment, it is assumed that the optical waveguide 10 is manufactured using an SOI substrate in which the thickness of the Si layer formed on the BOX layer is 220 nm. Therefore, 220 nm is adopted as the thickness HL of the core 12. The point that the thickness H L = 220 nm is the same for the other modified examples described in this specification.
本実施例の光導波路10において、厚さHL以外のパラメータは、以下の通りである。
・半導体層13,14の厚さHSとして、100nmを採用した。
・高屈折率領域11(コア12及び半導体層13,14)を形成するシリコンの屈折率として、3.48を採用した。
・クラッド19を形成するSiO2の屈折率として、1.44を採用した。
・コア12の幅WLとして、500nmを採用した。
・孔13a,14aの幅Wapとして、150nmを採用した。
・孔13a,14aを形成する周期LCとして、300nmを採用した。
・孔13a,14aの長さLapとして、150nmを採用した。すなわち、周期LCに対するLapの割合である開口比率として50%を採用した。
・高屈折率領域11を伝搬する光の波長λとして、1.55μmを採用した。
In the optical waveguide 10 of the present embodiment, parameters other than the thickness H L are as follows.
The thickness H S of the semiconductor layers 13 and 14 is 100 nm.
-3.48 was adopted as the refractive index of silicon forming the high refractive index region 11 (core 12 and semiconductor layers 13 and 14).
- the clad 19 as a refractive index of SiO 2 forming was employed 1.44.
-As the width W L of the core 12, 500 nm was adopted.
-Adopted 150 nm as the width W ap of the holes 13a, 14a.
· Hole 13a, as the period L C to form the 14a, was adopted 300 nm.
· Hole 13a, as the length L ap of 14a, has adopted a 150 nm. That was adopted 50% as the aperture ratio is the ratio of L ap to the period L C.
-The wavelength λ of light propagating through the high refractive index region 11 is 1.55 μm.
以上のように構成した光導波路10を用いて高屈折率領域11を伝搬する光の電界分布をシミュレーションした結果を、図3の(a)に示す。 FIG. 3A shows the result of simulating the electric field distribution of light propagating through the high refractive index region 11 using the optical waveguide 10 configured as described above.
なお、Siの屈折率、SiO2の屈折率、及び開口比率を用いて平均化した数値を、コア12と半導体層13,14との境界領域の屈折率として採用した。この点は、本明細書に記載の他の変形例及び他の実施例についても同様である。 A numerical value averaged using the refractive index of Si, the refractive index of SiO 2 , and the aperture ratio was adopted as the refractive index of the boundary region between the core 12 and the semiconductor layers 13 and 14. This also applies to other modified examples and other examples described in this specification.
本実施例の光導波路10において算出された、光導波路10を伝搬する基底モードの光に対する高屈折率領域11の実効屈折率は、2.48だった。 The effective refractive index of the high refractive index region 11 with respect to the fundamental mode light propagating through the optical waveguide 10 calculated in the optical waveguide 10 of the present example was 2.48.
図3の(a)を参照すると、(1)高屈折率領域11を伝搬する光が、高屈折率領域11のなかでも特にコア12によく閉じ込められており、(2)光の電界強度の強い領域がコア12の接合面12jの近傍領域に集中していることが分かった。 Referring to FIG. 3A, (1) the light propagating through the high refractive index region 11 is particularly well confined in the core 12 in the high refractive index region 11, and (2) the electric field strength of the light is It was found that the strong region was concentrated in the vicinity of the joint surface 12j of the core 12.
したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、本実施例に係る光導波路10は、変調効率を向上させることができた。なお、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路を伝搬する光の電界分布に関しては、参照する図を代えて後述する。 Therefore, the optical waveguide 10 according to the present example can improve the modulation efficiency as compared with the existing optical waveguide employing the rib slab type high refractive index region. The electric field distribution of light propagating through an optical waveguide employing an existing rib slab type high refractive index region will be described later with reference to another drawing.
(第1の参考例)
本発明の第1の参考例に係る光導波路50について、図11の(a)を参照して説明する。図11の(a)は、本参考例に係る光導波路50を伝搬する光の電界分布を示すグラフであり、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちzx平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
(First reference example)
An optical waveguide 50 according to a first reference example of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 11A is a graph showing the electric field distribution of light propagating through the optical waveguide 50 according to this reference example, and the light in the cross section perpendicular to the light propagation direction, that is, the cross section along the zx plane. It is a graph which shows electric field distribution.
本参考例の光導波路50は、第1の実施例の光導波路10の高屈折率領域11を、断面形状が矩形であるコア52に置換することによって得られた。換言すれば、光導波路50は、光導波路10の高屈折率領域11から半導体層13,14を省略した構成である。 The optical waveguide 50 of this reference example was obtained by replacing the high refractive index region 11 of the optical waveguide 10 of the first example with a core 52 having a rectangular cross-sectional shape. In other words, the optical waveguide 50 has a configuration in which the semiconductor layers 13 and 14 are omitted from the high refractive index region 11 of the optical waveguide 10.
本参考例では、コア52の厚さとして220nmを採用し、コア52の幅として500nmを採用した。 In this reference example, the thickness of the core 52 is 220 nm and the width of the core 52 is 500 nm.
図11の(a)を参照すると、コア52を伝搬する光は、半導体層13,14が存在しないことによって、コア52の接合面近傍によく局在していることが分かった。 Referring to (a) of FIG. 11, it was found that the light propagating through the core 52 is well localized near the joint surface of the core 52 due to the absence of the semiconductor layers 13 and 14.
(第1の比較例)
本発明の第1の比較例に係る光導波路60について、図11の(b)を参照して説明する。図11の(b)は、本比較例に係る光導波路60を伝搬する光の電界分布を示すグラフであり、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちzx平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
(First comparative example)
An optical waveguide 60 according to a first comparative example of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 11B is a graph showing the electric field distribution of the light propagating through the optical waveguide 60 according to this comparative example, and the light in the cross section perpendicular to the light propagation direction, that is, the cross section along the zx plane. It is a graph which shows electric field distribution.
本比較例の光導波路60は、第1の実施例の光導波路10が備えている高屈折率領域11において、半導体層13,14をコア12から離間させることによって得られた。すなわち、光導波路60において、高屈折率領域61を構成するコア62と半導体層63,64とは、互いに離間している。本比較例では、コア62と半導体層63,64との間隔として、1.2μmを採用した。 The optical waveguide 60 of this comparative example was obtained by separating the semiconductor layers 13 and 14 from the core 12 in the high refractive index region 11 included in the optical waveguide 10 of the first example. That is, in the optical waveguide 60, the core 62 and the semiconductor layers 63 and 64 constituting the high refractive index region 61 are separated from each other. In this comparative example, 1.2 μm was adopted as the distance between the core 62 and the semiconductor layers 63 and 64.
図11の(b)を参照すると、コア62と半導体層63,64との間隔が1.2μmと大きいにもかかわらず、光導波路60の高屈折率領域61を伝搬する光は、コア62から大きく浸み出し、半導体層63,64に局在していることが分かった。 Referring to FIG. 11B, the light propagating through the high refractive index region 61 of the optical waveguide 60 is transmitted from the core 62 even though the distance between the core 62 and the semiconductor layers 63 and 64 is as large as 1.2 μm. It was found that it leaked greatly and was localized in the semiconductor layers 63 and 64.
これとは対照的に、例えば第1の実施例の光導波路10の高屈折率領域11を伝搬する光は、図3の(a)に示すように、コア12の接合面近傍によく局在していた。この効果は、高屈折率領域11がリブスラブ型の高屈折率領域であることに加えて、半導体層13,14に孔13a,14aが設けられていることに起因する。 In contrast, for example, the light propagating through the high refractive index region 11 of the optical waveguide 10 of the first embodiment is well localized near the joint surface of the core 12 as shown in FIG. Was. This effect is attributed to the fact that the semiconductor layers 13 and 14 are provided with holes 13a and 14a in addition to the high refractive index region 11 being a rib slab type high refractive index region.
(第2の参考例)
本発明の第2の参考例に係る光導波路50について、図11の(c)を参照して説明する。図11の(c)は、本参考例に係る光導波路50を伝搬する光の電界分布を示すグラフであり、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちzx平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
(Second reference example)
An optical waveguide 50 according to a second reference example of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 11C is a graph showing the electric field distribution of light propagating through the optical waveguide 50 according to this reference example, and the light in a cross section perpendicular to the light propagation direction, that is, a cross section along the zx plane. It is a graph which shows electric field distribution.
本参考例の光導波路50は、第1の参考例の光導波路50において、コア52の幅を400nmに変更することによって得られた。 The optical waveguide 50 of this reference example was obtained by changing the width of the core 52 to 400 nm in the optical waveguide 50 of the first reference example.
図11の(c)を参照すると、コア52の幅が狭くなったことに伴い、コア52から漏れ出す光が多くなっているものの、コア52を伝搬する光は、コア52の接合面近傍によく局在していることが分かった。 Referring to (c) of FIG. 11, the light leaking from the core 52 increases as the width of the core 52 becomes narrow, but the light propagating through the core 52 is near the joint surface of the core 52. It turns out that it is well localized.
(第2の比較例)
本発明の第2の比較例に係る光導波路60について、図11の(d)を参照して説明する。図11の(d)は、本比較例に係る光導波路60を伝搬する光の電界分布を示すグラフであり、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちzx平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
(Second comparative example)
An optical waveguide 60 according to a second comparative example of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 11D is a graph showing the electric field distribution of the light propagating through the optical waveguide 60 according to this comparative example, and the light in the cross section perpendicular to the light propagation direction, that is, the cross section along the zx plane. It is a graph which shows electric field distribution.
本比較例の光導波路60は、第1の比較例の光導波路60において、コア62の幅を400nmに変更することによって得られた。 The optical waveguide 60 of this comparative example was obtained by changing the width of the core 62 to 400 nm in the optical waveguide 60 of the first comparative example.
図11の(d)を参照すると、第1の比較例に係る光導波路60の場合(図11の(b))と同様に、光導波路60の高屈折率領域61を伝搬する光は、コア62から大きく浸み出し、半導体層63,64に局在していることが分かった。 Referring to FIG. 11D, as in the case of the optical waveguide 60 according to the first comparative example (FIG. 11B), the light propagating through the high refractive index region 61 of the optical waveguide 60 is the core. It was found that the material leaked greatly from 62 and was localized in the semiconductor layers 63 and 64.
これとは対照的に、後述する第4の実施例において、光導波路10の高屈折率領域11を伝搬する光は、図4の(b)に示すように、コア12の接合面近傍によく局在していた。すなわち、高屈折率領域11がリブスラブ型の断面形状を有するであることに加えて、半導体層13,14に孔13a,14aが設けられていることによって、コア12の幅WLを400nmに狭めた場合であっても、第4の実施例の光導波路10は、コア12を伝搬する光をコア12の接合面近傍によく局在させられることが分かった。 In contrast to this, in the fourth embodiment to be described later, the light propagating through the high refractive index region 11 of the optical waveguide 10 is well near the joint surface of the core 12 as shown in FIG. It was localized. That is, in addition to the high refractive index region 11 is has a Ribusurabu-shaped cross section, by holes 13a, 14a are provided on the semiconductor layers 13 and 14, narrowing the width W L of the core 12 to 400nm Even in this case, the optical waveguide 10 of the fourth example was found to be able to well localize the light propagating through the core 12 in the vicinity of the joint surface of the core 12.
(第1の変形例)
本発明の第1の変形例に係る光導波路10について、図3の(b)を参照して説明する。図3の(b)は、本変形例に係る光導波路10を伝搬する光の電界分布を示すグラフであり、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちzx平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
(First modification)
An optical waveguide 10 according to a first modification of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3B is a graph showing the electric field distribution of the light propagating through the optical waveguide 10 according to this modification, and the light in the cross section perpendicular to the light propagation direction, that is, the cross section along the zx plane. It is a graph which shows electric field distribution.
本変形例の光導波路10は、第1の実施例の光導波路10において、半導体層13,14の厚さHSを140nmに変更することによって得られた。また、本実施例の光導波路10において、算出された高屈折率領域11の実効屈折率は、2.51だった。 Optical waveguide 10 of this modification, the optical waveguide 10 of the first embodiment were obtained by changing the thickness H S of the semiconductor layers 13 and 14 to 140 nm. Further, in the optical waveguide 10 of the present example, the calculated effective refractive index of the high refractive index region 11 was 2.51.
図3の(b)を参照すると、第1の実施例の光導波路10の場合と同様に、(1)高屈折率領域11を伝搬する光が、高屈折率領域11のなかでも特にコア12によく閉じ込められており、(2)光の電界強度の強い領域がコア12の接合面12jの近傍領域に集中していることが分かった。 Referring to FIG. 3B, as in the case of the optical waveguide 10 of the first embodiment, (1) the light propagating through the high refractive index region 11 is the core 12 in the high refractive index region 11 in particular. (2) It was found that the region where the electric field intensity of light is strong is concentrated in the region near the joint surface 12j of the core 12.
したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、本実施例に係る光導波路10は、変調効率を向上させることができる。 Therefore, the optical waveguide 10 according to the present embodiment can improve the modulation efficiency as compared with the existing optical waveguide employing the rib slab type high refractive index region.
(第2の変形例)
本発明の第2の変形例に係る光導波路10について、図3の(c)を参照して説明する。図3の(c)は、本変形例に係る光導波路10を伝搬する光の電界分布を示すグラフであり、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちzx平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
(Second modification)
An optical waveguide 10 according to a second modification of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3C is a graph showing the electric field distribution of light propagating through the optical waveguide 10 according to this modification, and the light in the cross section perpendicular to the light propagation direction, that is, the cross section along the zx plane. It is a graph which shows electric field distribution.
本変形例の光導波路10は、第1の実施例の光導波路10において、半導体層13,14の厚さHSを150nmに変更することによって得られた。また、本実施例の光導波路10において、算出された高屈折率領域11の実効屈折率は、2.52だった。 Optical waveguide 10 of this modification, the optical waveguide 10 of the first embodiment were obtained by changing the thickness H S of the semiconductor layers 13 and 14 to 150 nm. Further, in the optical waveguide 10 of the present example, the calculated effective refractive index of the high refractive index region 11 was 2.52.
図3の(b)を参照すると、第1の実施例の光導波路10の場合と同様に、(1)高屈折率領域11を伝搬する光が、高屈折率領域11のなかでも特にコア12によく閉じ込められており、(2)光の電界強度の強い領域がコア12の接合面12jの近傍領域に集中していることが分かった。 Referring to FIG. 3B, as in the case of the optical waveguide 10 of the first embodiment, (1) the light propagating through the high refractive index region 11 is the core 12 in the high refractive index region 11 in particular. (2) It was found that the region where the electric field intensity of light is strong is concentrated in the region near the joint surface 12j of the core 12.
したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、本実施例に係る光導波路10は、変調効率を向上させることができる。 Therefore, the optical waveguide 10 according to the present embodiment can improve the modulation efficiency as compared with the existing optical waveguide employing the rib slab type high refractive index region.
(第3の比較例)
本発明の第3の比較例に係る光導波路70について、図12の(a)を参照して説明する。図12の(a)は、本比較例に係る光導波路70を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちzx平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
(Third comparative example)
An optical waveguide 70 according to a third comparative example of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12A is a graph showing the electric field distribution of light propagating through the optical waveguide 70 according to this comparative example, and shows light in a cross section perpendicular to the light propagation direction, that is, a cross section along the zx plane. It is a graph which shows electric field distribution.
本比較例の光導波路70は、第1の実施例の光導波路10において、半導体層13,14の厚さHSを160nmに変更することによって得られた。光導波路70の高屈折率領域71は、光導波路10の高屈折率領域11の対応する部材である。また、本実施例の光導波路70において算出された、光導波路70を伝搬する基底モードの光に対する高屈折率領域71の実効屈折率は、2.54だった。 The optical waveguide 70 of this comparative example, the optical waveguide 10 of the first embodiment were obtained by changing the thickness H S of the semiconductor layers 13 and 14 to 160 nm. The high refractive index region 71 of the optical waveguide 70 is a member corresponding to the high refractive index region 11 of the optical waveguide 10. In addition, the effective refractive index of the high refractive index region 71 for the fundamental mode light propagating through the optical waveguide 70 calculated in the optical waveguide 70 of this example was 2.54.
図12の(a)を参照すると、高屈折率領域71を伝搬する光の一部が、コア72と半導体層73,74との境界領域(孔73a,74aが形成されている領域)を介して半導体層13,14に浸み出すことが分かった。したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、本変形例に係る光導波路70は、変調効率を向上させることができない。 Referring to FIG. 12A, a part of the light propagating through the high refractive index region 71 passes through the boundary region between the core 72 and the semiconductor layers 73 and 74 (region where the holes 73a and 74a are formed). It was found that the semiconductor layers 13 and 14 ooze out. Therefore, the optical waveguide 70 according to this modification cannot improve the modulation efficiency as compared with the existing optical waveguide adopting the rib slab type high refractive index region.
(半導体層13,14の厚さについて)
以上のように、半導体層13,14の厚さHSを100nm以上160nm以下の範囲内で変化させた。その結果、厚さHSが160nmに達した光導波路70は、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、変調効率を向上させることができないことが分かった。
(About the thickness of the semiconductor layers 13 and 14)
As described above, the thickness H S of the semiconductor layers 13 and 14 varied in the range of 100nm or more 160nm or less. As a result, the optical waveguide 70 with a thickness H S reaches 160nm, compared with an optical waveguide employing a high refractive index region existing Ribusurabu type, it was found that it is impossible to improve modulation efficiency.
したがって、コア12の厚さHLで規格化した半導体層13,14の厚さHSは、有効数字1桁で記載すると68.2%以下であることが好ましい。 Therefore, the thickness H S of the semiconductor layers 13 and 14 normalized by the thickness H L of the core 12 is preferably 68.2% or less when described in one significant digit.
厚さHSを薄くすればするほど、高屈折率領域11を伝搬する光をコア12の接合面近傍に強く局在させることができるというメリットが生じる。一方、厚さHSを薄くしすぎると、第1の電極とP型半導体部12aとの間の抵抗値、及び、第2の電極とN型半導体部12bとの間の抵抗値が増大し、光導波路10を駆動するために必要となる変調電圧の電圧値が高くなるというデメリットが生じる。これらのメリットとデメリットとを考慮して、厚さHLで規格化した厚さHSは、68.2%以下の範囲内になるように適宜選択することができる。 The more you reduce the thickness H S, merit light propagating the high refractive index region 11 can be strongly localized to the joint surface near the core 12 may occur. On the other hand, an excessively thin thickness H S, the resistance value between the first electrode and the P-type semiconductor portion 12a, and the resistance between the second electrode and the N-type semiconductor portion 12b is increased The demerit that the voltage value of the modulation voltage required for driving the optical waveguide 10 becomes high arises. In consideration of these merits and demerits, the thickness H S normalized by the thickness HL can be appropriately selected so as to be in the range of 68.2% or less.
(第4の比較例)
本発明の第4の比較例に係る光導波路80について、図12の(b)を参照して説明する。図12の(b)は、本比較例に係る光導波路80を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちzx平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
(Fourth comparative example)
An optical waveguide 80 according to a fourth comparative example of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12B is a graph showing the electric field distribution of light propagating through the optical waveguide 80 according to this comparative example, and shows light in a cross section perpendicular to the light propagation direction, that is, a cross section along the zx plane. It is a graph which shows electric field distribution.
本比較例の光導波路80は、第1の実施例の光導波路10において、コア12の幅WLを400nmに変更し、半導体層13,14に形成された孔13a,14aを省略することによって得られた。換言すれば、後述する第4の変形例に係る光導波路10(図4の(b)参照)から半導体層13,14に形成された孔13a,14aを省略することによって得られた。光導波路80の高屈折率領域81は、光導波路10の高屈折率領域11の対応する部材である。また、本実施例の光導波路80において算出された、光導波路80を伝搬する基底モードの光に対する高屈折率領域81の実効屈折率は、2.47だった。 The optical waveguide 80 of this comparative example, the optical waveguide 10 of the first embodiment, by changing the width W L of the core 12 to 400 nm, the hole 13a formed in the semiconductor layers 13 and 14, by omitting 14a Obtained. In other words, it was obtained by omitting the holes 13a and 14a formed in the semiconductor layers 13 and 14 from the optical waveguide 10 (see FIG. 4B) according to a fourth modification described later. The high refractive index region 81 of the optical waveguide 80 is a corresponding member of the high refractive index region 11 of the optical waveguide 10. In addition, the effective refractive index of the high refractive index region 81 for the fundamental mode light propagating through the optical waveguide 80 calculated in the optical waveguide 80 of this example was 2.47.
図12の(b)を参照すると、光導波路80の高屈折率領域81を伝搬する光の多くがコア82から半導体層83,84に浸み出すことが分かった。したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域81であって、コア82の幅WLが400nmである高屈折率領域81を採用した場合、コア82から光が大きく浸み出すことに起因して、光導波路80は、変調効率を向上させることができない。 Referring to FIG. 12B, it was found that most of the light propagating through the high refractive index region 81 of the optical waveguide 80 oozes from the core 82 into the semiconductor layers 83 and 84. Thus, a high refractive index region 81 of the existing Ribusurabu type, when the width W L of the core 82 has adopted the high refractive index region 81 which is 400 nm, due to the light from the core 82 is oozed large The optical waveguide 80 cannot improve the modulation efficiency.
(第5の比較例)
本発明の第5の比較例に係る光導波路80について、図12の(c)を参照して説明する。図12の(c)は、本比較例に係る光導波路90を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちzx平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
(Fifth comparative example)
An optical waveguide 80 according to a fifth comparative example of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12C is a graph showing the electric field distribution of light propagating through the optical waveguide 90 according to this comparative example, and shows light in a cross section perpendicular to the light propagation direction, that is, a cross section along the zx plane. It is a graph which shows electric field distribution.
本比較例の光導波路90は、第1の実施例の光導波路10において、半導体層13,14に形成された孔13a,14aを省略することによって得られた。光導波路90の高屈折率領域71は、光導波路10の高屈折率領域11の対応する部材である。また、本比較の光導波路90において算出された、光導波路90を伝搬する基底モードの光に対する高屈折率領域91の実効屈折率は、2.56だった。 The optical waveguide 90 of this comparative example was obtained by omitting the holes 13a and 14a formed in the semiconductor layers 13 and 14 in the optical waveguide 10 of the first example. The high refractive index region 71 of the optical waveguide 90 is a member corresponding to the high refractive index region 11 of the optical waveguide 10. Further, the effective refractive index of the high refractive index region 91 for the fundamental mode light propagating through the optical waveguide 90 calculated in the optical waveguide 90 of this comparison was 2.56.
(第3の変形例)
本発明の第3の変形例に係る光導波路10について、図4の(a)を参照して説明する。図4の(a)は、本変形例に係る光導波路10を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちzx平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
(Third Modification)
An optical waveguide 10 according to a third modification of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4A is a graph showing the electric field distribution of light propagating through the optical waveguide 10 according to this modification, and shows light in a cross section perpendicular to the light propagation direction, that is, a cross section along the zx plane. It is a graph which shows electric field distribution.
本変形例の光導波路10は、第1の実施例の光導波路10において、コア12の幅WLを400nmに変更し、孔13a,14aの幅Wapを450nmに変更することによって得られた。本変形例の光導波路10において算出された、光導波路10を伝搬する基底モードの光に対する高屈折率領域11の実効屈折率は、2.29だった。 The optical waveguide 10 of this modification is obtained by changing the width W L of the core 12 to 400 nm and changing the width W ap of the holes 13a and 14a to 450 nm in the optical waveguide 10 of the first embodiment. . The effective refractive index of the high refractive index region 11 for the fundamental mode light propagating through the optical waveguide 10 calculated in the optical waveguide 10 of the present modification was 2.29.
図4の(a)を参照すると、第1の実施例の光導波路10の場合と同様に、(1)高屈折率領域11を伝搬する光が、高屈折率領域11のなかでも特にコア12によく閉じ込められており、(2)光の電界強度の強い領域がコア12の接合面12jの近傍領域に集中していることが分かった。 Referring to FIG. 4A, as in the case of the optical waveguide 10 of the first embodiment, (1) the light propagating through the high refractive index region 11 is the core 12 in the high refractive index region 11 in particular. (2) It was found that the region where the electric field intensity of light is strong is concentrated in the region near the joint surface 12j of the core 12.
したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、本実施例に係る光導波路10は、変調効率を向上させることができる。 Therefore, the optical waveguide 10 according to the present embodiment can improve the modulation efficiency as compared with the existing optical waveguide employing the rib slab type high refractive index region.
(第4の変形例)
本発明の第4の変形例に係る光導波路10について、図4の(b)を参照して説明する。図4の(b)は、本変形例に係る光導波路10を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちzx平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
(Fourth modification)
An optical waveguide 10 according to a fourth modification of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4B is a graph showing the electric field distribution of light propagating through the optical waveguide 10 according to this modification, and light in a cross section perpendicular to the light propagation direction, that is, a cross section along the zx plane. It is a graph which shows electric field distribution.
本変形例の光導波路10は、第3の変形例の光導波路10において、孔13a,14aの幅Wapを150nmに変更することによって得られた。本変形例の光導波路10において算出された、光導波路10を伝搬する基底モードの光に対する高屈折率領域11の実効屈折率は、2.32だった。 The optical waveguide 10 of the present modification was obtained by changing the width W ap of the holes 13a and 14a to 150 nm in the optical waveguide 10 of the third modification. The effective refractive index of the high refractive index region 11 for the fundamental mode light propagating through the optical waveguide 10 calculated in the optical waveguide 10 of the present modification was 2.32.
図4の(b)を参照すると、第1の実施例の光導波路10の場合と同様に、(1)高屈折率領域11を伝搬する光が、高屈折率領域11のなかでも特にコア12によく閉じ込められており、(2)光の電界強度の強い領域がコア12の接合面12jの近傍領域に集中していることが分かった。 Referring to FIG. 4B, as in the case of the optical waveguide 10 of the first embodiment, (1) the light propagating through the high refractive index region 11 is the core 12 in the high refractive index region 11 in particular. (2) It was found that the region where the electric field intensity of light is strong is concentrated in the region near the joint surface 12j of the core 12.
したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、本実施例に係る光導波路10は、変調効率を向上させることができる。 Therefore, the optical waveguide 10 according to the present embodiment can improve the modulation efficiency as compared with the existing optical waveguide employing the rib slab type high refractive index region.
(孔13a,14aの幅について)
以上のように、孔13a,14aを構成する孔13a,14aの幅Wapを150nmと450nmとに変化させたところ、いずれの場合でも本発明の一変形例に係る光導波路10は、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、変調効率を向上させることができることが分かった。
(About the width of the holes 13a and 14a)
As described above, when the widths W ap of the holes 13a and 14a constituting the holes 13a and 14a are changed to 150 nm and 450 nm, in any case, the optical waveguide 10 according to the modified example of the present invention It has been found that the modulation efficiency can be improved as compared with an optical waveguide employing a rib slab type high refractive index region.
したがって、孔13a,14aの幅Wapは、コア12の幅WLの0.375倍以上であることが好ましい。 Therefore, the width W ap of the holes 13 a and 14 a is preferably 0.375 times or more the width W L of the core 12.
幅Wapを広くすればするほど、高屈折率領域11を伝搬する光をコア12の接合面近傍に強く局在させることができるというメリットが生じる。一方、幅Wapを広くしすぎると、第1の電極とP型半導体部12aとの間の抵抗値、及び、第2の電極とN型半導体部12bとの間の抵抗値が増大し、光導波路10を駆動するために必要となる変調電圧の電圧値が高くなるというデメリットが生じる。これらのメリットとデメリットとを考慮して、幅Wapは、コア12の幅WLの0.375倍以上の範囲内になるように適宜選択することができる。 As the width W ap is increased, there is an advantage that the light propagating through the high refractive index region 11 can be strongly localized near the joint surface of the core 12. On the other hand, if the width W ap is too large, the resistance value between the first electrode and the P-type semiconductor portion 12a and the resistance value between the second electrode and the N-type semiconductor portion 12b increase. There is a demerit that the voltage value of the modulation voltage required to drive the optical waveguide 10 becomes high. Taking into account and these advantages and disadvantages, the width W ap may be appropriately selected to be in the range of more than 0.375 times the width W L of the core 12.
(第5〜第7の変形例)
本発明の第5〜第7の変形例に係る光導波路10について、図5の(a)〜(c)を参照して説明する。図5の(a)〜(c)の各々は、それぞれ、第5〜第7の変形例に係る光導波路10を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちzx平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
(5th-7th modification)
Optical waveguides 10 according to fifth to seventh modifications of the present invention will be described with reference to FIGS. Each of (a) to (c) of FIG. 5 is a graph showing an electric field distribution of light propagating through the optical waveguide 10 according to the fifth to seventh modified examples, and with respect to the light propagation direction. It is a graph which shows electric field distribution of light in a perpendicular section, ie, a section along a zx plane.
第5の変形例の光導波路10は、第1の実施例の光導波路10において、コア12の幅WLを400nmに変更し、開口比率を25%に変更することによって得られた。第6の変形例及び第7の変形例に係る光導波路10の各々は、それぞれ、第5の変形例に係る光導波路10の開口比率を、50%及び75%に変更することによって得られた。第5〜第7の変形例に係る光導波路10の各々において算出された、光導波路10を伝搬する基底モードの光に対する高屈折率領域11の実効屈折率は、それぞれ、2.39,2.32,2.26であった。 The optical waveguide 10 of the fifth modification, in the optical waveguide 10 of the first embodiment, by changing the width W L of the core 12 to 400 nm, the opening ratio obtained by changing to 25%. Each of the optical waveguides 10 according to the sixth modification and the seventh modification was obtained by changing the opening ratio of the optical waveguide 10 according to the fifth modification to 50% and 75%, respectively. . The effective refractive index of the high refractive index region 11 for the fundamental mode light propagating through the optical waveguide 10 calculated in each of the optical waveguides 10 according to the fifth to seventh modifications is 2.39, 2. 32, 2.26.
図5の(a)〜(c)を参照すると、第1の実施例の光導波路10の場合と同様に、(1)高屈折率領域11を伝搬する光が、高屈折率領域11のなかでも特にコア12によく閉じ込められており、(2)光の電界強度の強い領域がコア12の接合面12jの近傍領域に集中していることが分かった。 Referring to FIGS. 5A to 5C, as in the case of the optical waveguide 10 of the first embodiment, (1) the light propagating through the high refractive index region 11 is in the high refractive index region 11. However, it is particularly well confined in the core 12, and (2) it was found that the region where the electric field strength of light is strong is concentrated in the region near the joint surface 12j of the core 12.
したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、第5〜第7の変形例に係る光導波路10の各々は、変調効率を向上させることができる。 Therefore, each of the optical waveguides 10 according to the fifth to seventh modifications can improve the modulation efficiency as compared with the existing optical waveguide employing the rib slab type high refractive index region.
(第8〜第10の変形例)
本発明の第8〜第10の変形例に係る光導波路10について、図6の(a)〜(c)を参照して説明する。図6の(a)〜(c)の各々は、それぞれ、第8〜第10の変形例に係る光導波路10を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちzx平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
(Eighth to tenth modifications)
The optical waveguide 10 according to the eighth to tenth modified examples of the present invention will be described with reference to FIGS. Each of (a) to (c) of FIG. 6 is a graph showing an electric field distribution of light propagating through the optical waveguide 10 according to the eighth to tenth modification examples, with respect to the light propagation direction. It is a graph which shows electric field distribution of light in a perpendicular section, ie, a section along a zx plane.
第8〜第10の変形例に係る光導波路10の各々は、第5〜第7の変形例に係る光導波路10の各々において、コア12の幅WLを500nmに変更することによって得られた。第8〜第10の変形例に係る光導波路10の各々において算出された、光導波路10を伝搬する基底モードの光に対する高屈折率領域11の実効屈折率は、それぞれ、2.52,2.48,2.44であった。 Each of the optical waveguide 10 according to the eighth to tenth modified example is characterized in that in each of the optical waveguide 10 according to the fifth to seventh modification, obtained by changing the width W L of the core 12 to 500nm . The effective refractive index of the high refractive index region 11 for the fundamental mode light propagating through the optical waveguide 10 calculated in each of the optical waveguides 10 according to the eighth to tenth modified examples is 2.52, 2.. 48, 2.44.
図6の(a)〜(c)を参照すると、第1の実施例の光導波路10の場合と同様に、(1)高屈折率領域11を伝搬する光が、高屈折率領域11のなかでも特にコア12によく閉じ込められており、(2)光の電界強度の強い領域がコア12の接合面12jの近傍領域に集中していることが分かった。 Referring to FIGS. 6A to 6C, as in the case of the optical waveguide 10 of the first embodiment, (1) the light propagating through the high refractive index region 11 is in the high refractive index region 11. However, it is particularly well confined in the core 12, and (2) it was found that the region where the electric field strength of light is strong is concentrated in the region near the joint surface 12j of the core 12.
したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、第8〜第10の変形例に係る光導波路10の各々は、変調効率を向上させることができる。 Therefore, each of the optical waveguides 10 according to the eighth to tenth modified examples can improve the modulation efficiency as compared with the existing optical waveguide employing the rib slab type high refractive index region.
(開口比率について)
以上のように、幅WLが400nmである光導波路10と、幅WLが500nmである光導波路10とにおいて、開口比率を25%以上75%以下の範囲内で変化させた。その結果、幅WLが400nmであっても500nmであっても、開口比率が25%以上75%以下の範囲内であれば、本発明の一変形例に係る光導波路10は、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、変調効率を向上させることができることが分かった。
(About opening ratio)
As described above, the optical waveguide 10 width W L is 400 nm, in the optical waveguide 10 Metropolitan width W L is 500 nm, and the aperture ratio varied in the range of 75% or less than 25%. As a result, even 500nm even 400nm width W L, if the aperture ratio is in the range of 75% or less than 25% optical waveguide 10 according to a modified example of the present invention, existing Ribusurabu It was found that the modulation efficiency can be improved as compared with the optical waveguide employing the high refractive index region of the mold.
したがって、開口比率は、25%以上であることが好ましい。 Therefore, the opening ratio is preferably 25% or more.
開口比率を高くすればするほど、高屈折率領域11を伝搬する光をコア12の接合面近傍に強く局在させることができるというメリットが生じる。一方、開口比率を高くしすぎると、第1の電極とP型半導体部12aとの間の抵抗値、及び、第2の電極とN型半導体部12bとの間の抵抗値が増大し、光導波路10を駆動するために必要となる変調電圧の電圧値が高くなるというデメリットが生じる。これらのメリットとデメリットとを考慮して、開口比率は、25%以上の範囲内になるように適宜選択することができる。 As the aperture ratio is increased, there is an advantage that the light propagating through the high refractive index region 11 can be strongly localized near the joint surface of the core 12. On the other hand, if the aperture ratio is too high, the resistance value between the first electrode and the P-type semiconductor portion 12a and the resistance value between the second electrode and the N-type semiconductor portion 12b increase, and the light guide There is a demerit that the voltage value of the modulation voltage required for driving the waveguide 10 becomes high. Considering these merits and demerits, the aperture ratio can be selected as appropriate within a range of 25% or more.
(第11〜第12の変形例)
本発明の第11〜第12の変形例に係る光導波路10について、図7の(a)〜(b)を参照して説明する。図7の(a)〜(b)の各々は、それぞれ、第11〜第12の変形例に係る光導波路10を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の導波方向に対して垂直な断面、すなわちzx平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
(11th-12th modifications)
The optical waveguide 10 according to the 11th to 12th modifications of the present invention will be described with reference to FIGS. Each of (a) to (b) of FIG. 7 is a graph showing an electric field distribution of light propagating through the optical waveguide 10 according to the 11th to twelfth modifications, with respect to the light guiding direction. 3 is a graph showing the electric field distribution of light in a cross section perpendicular to the zx plane.
第11の変形例に係る光導波路10は、第1の実施例に係る光導波路10において、孔13a,14aとコア12との間隔WOFFを100nmに変更することによって得られた。 The optical waveguide 10 according to the eleventh modification is obtained by changing the distance W OFF between the holes 13a, 14a and the core 12 to 100 nm in the optical waveguide 10 according to the first embodiment.
第12の変形例に係る光導波路10は、第4の変形例に係る光導波路10において、間隔WOFFを100nmに変更することによって得られた。 The optical waveguide 10 according to the twelfth modification is obtained by changing the interval W OFF to 100 nm in the optical waveguide 10 according to the fourth modification.
図7の(a)及び図7の(b)を参照すると、第1の実施例及び第4の変形例に係る光導波路10の場合には及ばないものの、(1)高屈折率領域11を伝搬する光が、高屈折率領域11のなかでも特にコア12によく閉じ込められており、(2)光の電界強度の強い領域がコア12の接合面12jの近傍領域に集中していることが分かった。 Referring to FIGS. 7A and 7B, the optical waveguide 10 according to the first embodiment and the fourth modification is not applicable, but (1) the high refractive index region 11 is formed. The propagating light is particularly well confined in the core 12 in the high refractive index region 11, and (2) the region where the electric field strength of light is strong is concentrated in the region near the joint surface 12j of the core 12. I understood.
したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、第11〜第12の変形例に係る光導波路10の各々は、変調効率を向上させることができる。 Therefore, each of the optical waveguides 10 according to the 11th to 12th modified examples can improve the modulation efficiency as compared with the existing optical waveguide employing the rib slab type high refractive index region.
(孔13a,14aとコア12との間隔について)
以上のように、幅WLが400nmである光導波路10と、幅WLが500nmである光導波路10とにおいて、間隔WOFFを0nmから100nmに変化させた。その結果、幅WLが400nmであっても500nmであっても、本発明の一変形例に係る光導波路10は、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、変調効率を向上させることができることが分かった。
(Regarding the distance between the holes 13a, 14a and the core 12)
As described above, the optical waveguide 10 width W L is 400 nm, in the optical waveguide 10 Metropolitan width W L is 500 nm, it was changed to 100nm apart W OFF from 0 nm. As a result, even 500nm even 400nm width W L, the optical waveguide 10 according to a modified example of the present invention is different from the optical waveguide employing the high refractive index region existing Ribusurabu type, It has been found that the modulation efficiency can be improved.
したがって、間隔WOFFは、0nmに限定されるものではなく、100nmであってもよい。すなわち、孔13a,14aは、コア12に接しているか、又は、間隔WOFFは、コア12の幅WLの0.25倍以下であることが好ましい。なお、孔13a,14aを半導体層13,14に設けることによって得られる効果は、孔13a,14aがコア12に接している場合が最も大きく、間隔WOFFが広くなれば広くなるほど小さくなる。 Therefore, the interval W OFF is not limited to 0 nm, and may be 100 nm. That is, it is preferable that the holes 13 a and 14 a are in contact with the core 12, or the interval W OFF is 0.25 times or less the width W L of the core 12. The effect obtained by providing the holes 13a and 14a in the semiconductor layers 13 and 14 is greatest when the holes 13a and 14a are in contact with the core 12, and decreases as the interval W OFF increases.
〔第2の実施形態〕
本実施形態では、P型半導体層(12a,13)の上面端部と、N型半導体層(12b,14)の下面端部とが接合された高屈折率領域31を備えた半導体光導波路30について説明する。このように、P型半導体層の上面端部とN型半導体層の下面端部とが接合されたPN接合のことを縦型PN接合と呼び、縦型PN接合を含む高屈折率領域のことを積層型の高屈折率領域と呼ぶ。
[Second Embodiment]
In the present embodiment, the semiconductor optical waveguide 30 includes a high refractive index region 31 in which the upper surface end portion of the P-type semiconductor layer (12a, 13) and the lower surface end portion of the N-type semiconductor layer (12b, 14) are joined. Will be described. A PN junction in which the upper end portion of the P-type semiconductor layer and the lower end portion of the N-type semiconductor layer are joined in this manner is called a vertical PN junction, which is a high refractive index region including the vertical PN junction. Is called a laminated high refractive index region.
本発明の第2の実施形態に係る光導波路30について、図8を参照して説明する。図8の(a)は、本実施形態に係る光導波路30が備えている高屈折率領域31の構成を示す斜視図である。図8の(b)は、図8の(a)に示した半導体光導波路30の構成を示す断面図であり、図8の(a)に示したC−C’線に沿った断面における断面図である。図8の(c)は、図8の(a)に示した半導体光導波路30の構成を示す断面図であり、図8の(a)に示したD−D’線に沿った断面における断面図である。 An optical waveguide 30 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8A is a perspective view showing the configuration of the high refractive index region 31 provided in the optical waveguide 30 according to the present embodiment. FIG. 8B is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor optical waveguide 30 shown in FIG. 8A, and a cross section taken along the line CC ′ shown in FIG. FIG. 8C is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor optical waveguide 30 shown in FIG. 8A, and a cross section taken along the line DD ′ shown in FIG. FIG.
(光導波路30の構成)
本実施形態に係る光導波路30は、第1の実施形態に係る光導波路10が備えている高屈折率領域11を、図8の(a)に示す高屈折率領域31に置換することによって得られる。すなわち、光導波路30の高屈折率領域31以外の部材は、光導波路10と同様に構成されている。したがって、光導波路10と同様の部材に関しては、同様の部材番号を付し、その説明を省略する。また、高屈折率領域31に関する各パラメータに対して付す略号は、高屈折率領域11と同様である。
(Configuration of optical waveguide 30)
The optical waveguide 30 according to the present embodiment is obtained by replacing the high refractive index region 11 included in the optical waveguide 10 according to the first embodiment with a high refractive index region 31 shown in FIG. It is done. That is, members other than the high refractive index region 31 of the optical waveguide 30 are configured in the same manner as the optical waveguide 10. Accordingly, the same members as those of the optical waveguide 10 are denoted by the same member numbers, and the description thereof is omitted. Further, the abbreviations assigned to the parameters relating to the high refractive index region 31 are the same as those for the high refractive index region 11.
図8の(a)に示すように、高屈折率領域31は、P型半導体層(32a,33)とN型半導体層(32b,34)とからなる。P型半導体層は、P型半導体部32aと第1の半導体層33とからなる。同様に、N型半導体層は、N型半導体部32bと第2の半導体層34とからなる。 As shown in FIG. 8A, the high refractive index region 31 includes a P-type semiconductor layer (32a, 33) and an N-type semiconductor layer (32b, 34). The P-type semiconductor layer includes a P-type semiconductor part 32 a and a first semiconductor layer 33. Similarly, the N-type semiconductor layer includes an N-type semiconductor portion 32 b and a second semiconductor layer 34.
図8の(b)に示すように、高屈折率領域31は、高屈折率領域の上記コア以外の部分(半導体層33,34)よりも厚いコア32を有している。コア32は、その一部にP型半導体層(32a,33)とN型半導体層(32b、34)との接合面32j(PN接合の接合面)を含む。言い換えれば、N型半導体層(32b、34)の上面端部とP型半導体層(32a,33)の下面段部とが接合されることによって、内部に接合面32jを有するコア32が形成される。コア32は、P型半導体層(32a,33)とN型半導体層(32b、34)とが重なりあった部分であり、縦型のPN接合である。 As shown in FIG. 8B, the high refractive index region 31 has a core 32 that is thicker than portions (semiconductor layers 33 and 34) other than the core in the high refractive index region. The core 32 includes, in part, a junction surface 32j (a junction surface of a PN junction) between the P-type semiconductor layers (32a, 33) and the N-type semiconductor layers (32b, 34). In other words, the core 32 having the joint surface 32j therein is formed by joining the upper surface end portion of the N-type semiconductor layer (32b, 34) and the lower surface step portion of the P-type semiconductor layer (32a, 33). The The core 32 is a portion where the P-type semiconductor layers (32a, 33) and the N-type semiconductor layers (32b, 34) overlap each other, and is a vertical PN junction.
図8の(a)及び(c)に示すように、第1の半導体層33には、コア32との境界に沿うように孔33aが周期的に形成されている。同様に、第2の半導体層34には、コア32との境界に沿うように孔34aが周期的に形成されている。 As shown in FIGS. 8A and 8C, holes 33 a are periodically formed along the boundary with the core 32 in the first semiconductor layer 33. Similarly, holes 34 a are periodically formed in the second semiconductor layer 34 along the boundary with the core 32.
以上のように構成された光導波路30は、第1の実施形態に係る光導波路10と同様の効果を奏する。 The optical waveguide 30 configured as described above has the same effects as the optical waveguide 10 according to the first embodiment.
(第2の実施例)
本発明の第2の実施例に係る光導波路30について、図9の(a)を参照して説明する。図9の(a)は、本実施例に係る光導波路30を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちzx平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
(Second embodiment)
An optical waveguide 30 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9A is a graph showing an electric field distribution of light propagating through the optical waveguide 30 according to the present embodiment, and shows light in a cross section perpendicular to the light propagation direction, that is, a cross section along the zx plane. It is a graph which shows electric field distribution.
本実施例の光導波路30において採用したパラメータは、以下の通りである。
・コア32の厚さHLとして、220nmを採用した。
・半導体層33,34の厚さHSとして、100nmを採用した。
・高屈折率領域31(コア32及び半導体層33,34)を形成するシリコンの屈折率として、3.48を採用した。
・クラッド19を形成するSiO2の屈折率として、1.44を採用した。
・コア32の幅WLとして、500nmを採用した。
・孔33a,34aの幅Wapとして、150nmを採用した。
・孔33a,34aを形成する周期である周期LCとして、300nmを採用した。
・孔33a,34aの長さLapとして、150nmを採用した。すなわち、周期LCに対するLapの割合である開口比率として50%を採用した。
・高屈折率領域31を伝搬する光の波長λとして、1.55μmを採用した。
The parameters adopted in the optical waveguide 30 of this example are as follows.
The core 32 as a thickness H L, was adopted 220 nm.
The thickness H S of the semiconductor layers 33 and 34 is 100 nm.
-3.48 was adopted as the refractive index of silicon forming the high refractive index region 31 (core 32 and semiconductor layers 33, 34).
- the clad 19 as a refractive index of SiO 2 forming was employed 1.44.
-Adopted 500 nm as the width W L of the core 32.
-Adopted 150 nm as the width W ap of the holes 33a, 34a.
· Hole 33a, as the period L C is the period of forming a 34a, was adopted 300 nm.
· Hole 33a, as the length L ap of 34a, has adopted a 150 nm. That is, 50% was adopted as the aperture ratio that is the ratio of L ap to the period LC.
-The wavelength λ of light propagating through the high refractive index region 31 is 1.55 μm.
図9の(a)を参照すると、(1)高屈折率領域31を伝搬する光が、高屈折率領域31のなかでも特にコア32によく閉じ込められており、(2)光の電界強度の強い領域がコア32の接合面32jの近傍領域に集中していることが分かった。 Referring to (a) of FIG. 9, (1) the light propagating through the high refractive index region 31 is well confined in the core 32 in the high refractive index region 31, and (2) the electric field strength of the light. It was found that the strong region was concentrated in the vicinity of the joint surface 32j of the core 32.
したがって、既存の積層型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、本実施例に係る光導波路30は、変調効率を向上させることができた。なお、既存の積層型のコアを有する高屈折率領域を採用した光導波路を伝搬する光の電界分布に関しては、参照する図を変えて後述する。 Therefore, the optical waveguide 30 according to the present example was able to improve the modulation efficiency as compared with the existing optical waveguide employing the laminated high refractive index region. Note that the electric field distribution of light propagating through an optical waveguide employing a high refractive index region having an existing laminated core will be described later with reference to different figures.
(第6の比較例)
本発明の第2の実施例に係る光導波路30の比較例である光導波路100について、図13の(a)を参照して説明する。本比較例に係る光導波路100は、第2の実施例に係る光導波路30の半導体層33,34に形成された孔33a,34aを省略することによって得られた。
(Sixth comparative example)
An optical waveguide 100 that is a comparative example of the optical waveguide 30 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The optical waveguide 100 according to this comparative example was obtained by omitting the holes 33a and 34a formed in the semiconductor layers 33 and 34 of the optical waveguide 30 according to the second example.
図13の(a)を参照すると、第2の実施例に係る光導波路30と比較して、光が半導体層33,34に大きく漏れ出していることが分かった。 Referring to (a) of FIG. 13, it was found that light leaked to the semiconductor layers 33 and 34 more than in the optical waveguide 30 according to the second example.
(第13の変形例)
本発明の第13の変形例に係る光導波路30について、図9の(b)を参照して説明する。図9の(b)は、本実施例に係る光導波路30を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちzx平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
(13th modification)
An optical waveguide 30 according to a thirteenth modification of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9B is a graph showing the electric field distribution of light propagating through the optical waveguide 30 according to the present embodiment, and shows light in a cross section perpendicular to the light propagation direction, that is, a cross section along the zx plane. It is a graph which shows electric field distribution.
本変形例に係る光導波路30は、第2の実施例に係る光導波路30において、コア32の幅WLを500nmから400nmに変更することによって得られた。 An optical waveguide 30 according to the present modification, the optical waveguide 30 according to the second embodiment were obtained by changing the width W L of the core 32 from 500nm to 400 nm.
図9の(b)を参照すると、幅WLを500nmから400nmに変更した場合であっても、(1)高屈折率領域31を伝搬する光が、高屈折率領域31のなかでも特にコア32によく閉じ込められており、(2)光の電界強度の強い領域がコア32の接合面32jの近傍領域に集中していることが分かった。 Referring to FIG. 9 (b), even when the change in 400nm width W L from 500 nm, (1) the light propagating the high refractive index region 31, particularly the core Among high refractive index region 31 It was found that the region where the electric field intensity of light is strong is concentrated in the region near the joint surface 32j of the core 32.
したがって、既存の積層型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、本変形例に係る光導波路30は、変調効率を向上させることができた。 Therefore, the optical waveguide 30 according to the present modification can improve the modulation efficiency as compared with the existing optical waveguide employing the laminated high refractive index region.
(第7の比較例)
本発明の第13の変形例に係る光導波路30の比較例である光導波路100について、図13の(b)を参照して説明する。本比較例に係る光導波路100は、第13の変形例に係る光導波路30の半導体層33,34に形成された孔33a,34aを省略することによって得られた。
(Seventh comparative example)
An optical waveguide 100 that is a comparative example of the optical waveguide 30 according to the thirteenth modification of the present invention will be described with reference to FIG. The optical waveguide 100 according to this comparative example was obtained by omitting the holes 33a and 34a formed in the semiconductor layers 33 and 34 of the optical waveguide 30 according to the thirteenth modification.
図13の(b)を参照すると、第2の実施例に係る光導波路30と比較して、光が半導体層33,34に大きく漏れ出していることが分かった。 Referring to FIG. 13B, it was found that light leaked to the semiconductor layers 33 and 34 more than in the optical waveguide 30 according to the second example.
〔第3の実施形態〕
本発明の第3の実施形態に係る半導体光変調器1について、図10を参照して説明する。なお、第1の実施形態に係る光導波路10と同様の部材に関しては、その説明を省略する。図10は、本実施形態に係る半導体光変調器1の構成を示す斜視図である。
[Third Embodiment]
A semiconductor optical modulator 1 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Note that a description of the same members as those of the optical waveguide 10 according to the first embodiment is omitted. FIG. 10 is a perspective view showing the configuration of the semiconductor optical modulator 1 according to this embodiment.
半導体光変調器1は、半導体からなるPN接合に変調信号に応じた変調電界を印加することによって、入射する光を変調する。半導体光変調器1は、マッハツェンダ(Mach-Zehnder, M−Z)型の光変調器であって、マッハツェンダ型光干渉計を構成する2つのアーム部の各々に、第1の実施形態に係る光導波路10が設けられている。また、半導体光変調器1は、シリコン光変調器1である。以下において、シリコン光変調器1のことを単に光変調器1と称する。 The semiconductor optical modulator 1 modulates incident light by applying a modulation electric field corresponding to a modulation signal to a PN junction made of a semiconductor. The semiconductor optical modulator 1 is a Mach-Zehnder (MZ) type optical modulator, and each of two arm parts constituting the Mach-Zehnder type optical interferometer is provided with an optical light according to the first embodiment. A waveguide 10 is provided. The semiconductor optical modulator 1 is a silicon optical modulator 1. Hereinafter, the silicon optical modulator 1 is simply referred to as an optical modulator 1.
(光変調器1の構成)
光変調器1は、少なくとも一方のアーム部に光変調部が設けられたマッハツェンダ型の光変調器1であって、その光変調部として本発明の一態様に係る光導波路10又は光導波路30を備えている。本実施形態では、光変調器1が備えている2つのアーム部の両方に光変調部が設けられており、その光変調部の各々として第1の実施形態に係る光導波路10を備えている構成を採用している。
(Configuration of optical modulator 1)
The optical modulator 1 is a Mach-Zehnder optical modulator 1 in which an optical modulation unit is provided in at least one arm, and the optical waveguide 10 or the optical waveguide 30 according to one embodiment of the present invention is used as the optical modulation unit. I have. In the present embodiment, both of the two arm portions included in the optical modulator 1 are provided with the optical modulation unit, and each of the optical modulation units includes the optical waveguide 10 according to the first embodiment. The configuration is adopted.
光変調器1は、1枚のSOI基板を用いて作製されている。SOI基板は、下部Si層20、BOX層19a、及び上部Si層が積層された構造を有している。光変調器1及び光導波路10では、SOI基板のBOX層19aを下部クラッドとして用いている。また、SOI基板の上部Si層を加工することによって、光変調器1のコア22,23,24a,24b及び光導波路10の高屈折率領域11は、形成されている。 The optical modulator 1 is manufactured using one SOI substrate. The SOI substrate has a structure in which a lower Si layer 20, a BOX layer 19a, and an upper Si layer are stacked. In the optical modulator 1 and the optical waveguide 10, the BOX layer 19a of the SOI substrate is used as the lower cladding. Further, by processing the upper Si layer of the SOI substrate, the cores 22, 23, 24a, 24b of the optical modulator 1 and the high refractive index region 11 of the optical waveguide 10 are formed.
上部クラッド19bは、下部クラッド19a及びコア22,23,24a,24b及び高屈折率領域11の上部にSiO2を堆積させることによって得られる。上部クラッド19bは、コア22,23,24a,24b及び高屈折率領域11を取り囲むように形成されている。 The upper clad 19b is obtained by depositing SiO 2 on the lower clad 19a, the cores 22, 23, 24a, 24b and the high refractive index region 11. The upper clad 19 b is formed so as to surround the cores 22, 23, 24 a, 24 b and the high refractive index region 11.
図10に示した座標系のy軸正方向に光が伝搬すると仮定して、コア23は、入射側のコアとして機能し、コア22は、出射側のコアとして機能する。コア23は、第1のアーム部であるコア24aと、第2のアーム部であるコア24bに分岐されたのち、コア22に合流される。 Assuming that light propagates in the positive y-axis direction of the coordinate system shown in FIG. 10, the core 23 functions as an entrance-side core, and the core 22 functions as an exit-side core. The core 23 is branched into a core 24 a that is a first arm portion and a core 24 b that is a second arm portion, and then merges with the core 22.
第1のアーム部24aの中途には、第1の光導波路10aが挿入されており、第2のアーム部24bの中途には、第2の光導波路10bが挿入されている。 The first optical waveguide 10a is inserted in the middle of the first arm portion 24a, and the second optical waveguide 10b is inserted in the middle of the second arm portion 24b.
第1の光導波路10aが備えている2つの進行波電極(第1の電極及び第2の電極)の各々には、それぞれ、光の伝搬方向(y軸方向)に延設された信号線16a及び信号線18aが接続されている。同様に、第2の光導波路10bが備えている2つの進行波電極(第1の電極及び第2の電極)の各々には、それぞれ、信号線16b及び信号線18bが接続されている。 Each of the two traveling wave electrodes (first electrode and second electrode) included in the first optical waveguide 10a has a signal line 16a extending in the light propagation direction (y-axis direction). And the signal line 18a are connected. Similarly, a signal line 16b and a signal line 18b are connected to each of the two traveling wave electrodes (first electrode and second electrode) included in the second optical waveguide 10b.
本実施形態に係る光変調システムは、信号線16a及び信号線18aに対して第1の変調電圧を印加し、信号線16b及び信号線18bに対して第2の変調電圧を印加する電圧源を備えている。この電圧源が印加する第1の変調電圧及び第2の変調電圧は、いずれも逆バイアス方向の変調電圧である。 The light modulation system according to the present embodiment includes a voltage source that applies a first modulation voltage to the signal line 16a and the signal line 18a, and applies a second modulation voltage to the signal line 16b and the signal line 18b. I have. The first modulation voltage and the second modulation voltage applied by this voltage source are both modulation voltages in the reverse bias direction.
以上のように構成された光変調器1は、光導波路10と同様の効果を奏する。また、以上のように構成された光変調器1は、1枚のSOI基板上に、光導波路10を作製するプロセスと同じプロセスを用いて作製することができる。すなわち、光変調器1を作製するために、新たなプロセスを追加する必要がない。したがって、光変調器1は、光導波路10と同等のコストで作製することができる。 The optical modulator 1 configured as described above has the same effect as the optical waveguide 10. Further, the optical modulator 1 configured as described above can be manufactured by using the same process as the process of manufacturing the optical waveguide 10 on one SOI substrate. That is, it is not necessary to add a new process in order to manufacture the optical modulator 1. Therefore, the optical modulator 1 can be manufactured at the same cost as the optical waveguide 10.
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.
本発明は、外部から印加される変調電圧に応じて光を変調する半導体光導波路、半導体光変調器、及び半導体光変調システムに利用することができる。 The present invention can be used for a semiconductor optical waveguide, a semiconductor optical modulator, and a semiconductor optical modulation system that modulate light according to a modulation voltage applied from the outside.
1 光変調器(半導体光変調器)
10,10a,10b 光導波路(半導体光導波路)
11,31 高屈折率領域
12,12a,12b,32 コア
12j,32j PN接合面
13,33 第1の半導体層
14,34 第2の半導体層
15,17 進行波電極
16,16a,16b,18,18a,18b 信号線
19 クラッド
19a 下部クラッド
19b 上部クラッド
20 下部Si層
22,23 光導波路
24a 第1のアーム部
24b 第2のアーム部
1 Optical modulator (semiconductor optical modulator)
10, 10a, 10b Optical waveguide (semiconductor optical waveguide)
11, 31 High refractive index region 12, 12a, 12b, 32 Core 12j, 32j PN junction surface 13, 33 First semiconductor layer 14, 34 Second semiconductor layer 15, 17 Traveling wave electrode 16, 16a, 16b, 18 , 18a, 18b Signal line 19 Cladding 19a Lower cladding 19b Upper cladding 20 Lower Si layer 22, 23 Optical waveguide 24a First arm portion 24b Second arm portion
Claims (10)
上記高屈折率領域は、他の部分よりも厚く、逆バイアス型の位相変調部として機能するコアを含み、
当該コアは、上記P型半導体層と上記N型半導体層との接合面を含み、
上記高屈折率領域の上記コア以外の部分には、上記コアとの境界に沿うように複数の孔が周期的に形成されている、
ことを特徴とする半導体光導波路。 A semiconductor optical waveguide having a high refractive index region composed of a P-type semiconductor layer and an N-type semiconductor layer in which side surfaces or one upper surface end and the other lower surface end are joined,
The high refractive index region is thicker than other parts, and includes a core that functions as a reverse bias type phase modulation unit,
The core includes a joint surface between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer,
In a portion other than the core of the high refractive index region, a plurality of holes are periodically formed along the boundary with the core.
A semiconductor optical waveguide characterized by the above.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体光導波路。 The hole is in contact with the core, or the interval between the hole and the core is not more than 0.25 times the width of the core.
The semiconductor optical waveguide according to claim 1.
ことを特徴とする請求項2に記載の半導体光導波路。 The hole is in contact with the core;
The semiconductor optical waveguide according to claim 2.
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体光導波路。 The period of the plurality of holes and the length of each of the plurality of holes in the propagation direction of the light propagating through the high refractive index region are shorter than the effective wavelength of the light propagating through the high refractive index region, respectively. ,
The semiconductor optical waveguide according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体光導波路。 The width of each of the plurality of holes in the direction perpendicular to both the propagation direction of light propagating through the high refractive index region and the depth direction of the hole is not less than 0.375 times the width of the core. .5 times or less,
The semiconductor optical waveguide according to claim 1, wherein:
上記孔の内部には、上記クラッドを構成する材料が充填されている、
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体光導波路。 Further comprising a cladding surrounding the high refractive index region;
The inside of the hole is filled with a material constituting the cladding.
The semiconductor optical waveguide according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項6に記載の半導体光導波路。 The high refractive index region is made of a semiconductor in which a dopant is added to silicon or a semiconductor in which a dopant is added to indium phosphide, and the cladding is made of any one of silica, a semiconductor in which a dopant is added to indium phosphide, and air. ,
The semiconductor optical waveguide according to claim 6.
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体光導波路。 A first traveling wave electrode connected to the P-type semiconductor layer; and a second traveling wave electrode connected to the N-type semiconductor layer.
The semiconductor optical waveguide according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする半導体光変調器。 A Mach-Zehnder type semiconductor optical modulator in which an optical modulation unit is provided in at least one arm unit, wherein the optical modulation unit includes the semiconductor optical waveguide according to any one of claims 1 to 8.
A semiconductor optical modulator.
上記P型半導体層及び上記N型半導体層に逆バイアス方向の電圧を印加する電圧源と、を備えている、
ことを特徴とする半導体光変調システム。 A semiconductor optical modulator according to claim 9;
A voltage source that applies a reverse bias voltage to the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer.
A semiconductor light modulation system.
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