JP2017072808A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

【課題】ｐｎ接合が形成された半導体光導波路において、変調効率の更なる向上を図る。【解決手段】リブスラブ型のコア（１１）のリブ（１２）をｐ型半導体領域（１２ａ）とｎ型半導体領域（１２ｂ）とに二分する境界面（１２Ｓ）は、横型ｐｎ接合（Ｊ１）の接合面となる第１の平面（Ｓ１）と、縦型ｐｎ接合（Ｊ２）の接合面となる第２の平面（Ｓ２）と、横型ｐｎ接合（Ｊ３）の接合面となる第３の平面（Ｓ３）とからなる。【選択図】図２

Description

本発明は、コアにｐ型半導体領域とｎ型半導体領域とが形成された半導体光導波路に関する。また、そのような半導体光導波路を備えた半導体光変調器、及び、そのような半導体光変調器を備えた半導体光変調システムに関する。
半導体（例えばシリコン）からなるコアを有する半導体光導波路が知られている。また、コアにｐ型半導体領域とｎ型半導体領域とが形成された半導体光導波路は、ｐｎ接合の接合面近傍において光を位相変調する位相変調器として機能することが知られている。ｐｎ接合の接合面近傍を導波する光は、ｐｎ接合の両端に外部から印加される電圧である変調電圧に応じて、その位相を変調される。このような半導体光導波路は、例えば通信用トランシーバーの送信部に用いられている。
近年、通信用トランシーバーに対して低消費電力化や広帯域化などを図りたいという要望がある。このような要望を満たすために、位相変調器に対しては、光の変調効率を向上させることや、高周波特性を向上させることなどが求められている。
特許文献１には、半導体光導波路を上面視した場合に、ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域と境界面（ｐｎ接合の接合面）がのこぎり刃形状（特許文献１の図６参照）又はサイン波形状（特許文献１の図７参照）となるｐｎ接合を採用することによって、光の変調効率を向上させたｐｎダイオード光変調器（本願の半導体光導波路に相当する）が記載されている。
このような構成によれば、ｐｎ接合の接合面の総面積が拡大されるため、接合面近傍に形成される空乏層の体積がコア全体の体積に対して占める割合を増大させることができる。その結果、位相変調に寄与するキャリア数が増大するので、変調効率を向上させる（光の位相シフト量をπにするために必要とされる電圧である半波長電圧Ｖｐｉを小さくする）ことができる。
しかしながら、特許文献１に記載された半導体光導波路には、高周波特性の劣化を避けることが難しいという問題があった。ｐｎ接合を備えた半導体光導波路において、ｐｎ接合の接合面の総面積を拡大することは、ｐｎ接合の静電容量を増大させることを意味する。特許文献１に記載された半導体光導波路において、その増大した静電容量は、高周波特性の劣化を招く。換言すれば、特許文献１に記載された半導体光導波路は、高周波特性に関する配慮がされていないため、変調効率を向上させることができるものの高周波特性の劣化を避けられず、変調効率と高周波特性とを両立させることが難しい。
この問題の解決に資する技術として、特許文献１の図６及び図７に記載されたｐｎ接合とは異なる構造を有するｐｎ接合を採用した電気−光シリコン変調器（本願の半導体光導波路に相当する）が特許文献２に記載されている。
特許文献２の図１及び図２に示された半導体光導波路は、何れも、リブスラブ型のコアを備えた半導体光導波路である。
特許文献２の図１に示された半導体光導波路は、リブの内部に形成されたｐｎ接合であって、ｐｎ接合の接合面が２つの平面によって構成されているｐｎ接合を採用している。ｐｎ接合の接合面を構成する２つの平面のうち、（１）第１の平面は、横型ｐｎ接合の接合面をなす、下端がリブの下面に至る平面であり、（２）第２の平面は、縦型ｐｎ接合の接合面をなす、左端が第１の平面の上端に連なり、右端がリブの右側面に至る平面である。すなわち、図１に示された半導体光導波路は、Ｌ字型のｐｎ接合面を有する。
特許文献２の図２に示された半導体光導波路は、リブとスラブとにまたがって形成されたｐｎ接合であって、接合面が３つの平面によって構成されているｐｎ接合を採用している。接合面を構成する３つの平面のうち、（１）第１の平面は、横型ｐｎ接合の接合面をなす、上端がスラブの上面に至る平面であり、（２）第２の平面は、縦型ｐｎ接合の接合面をなす、右端が第１の平面の下端に連なる平面であり、（３）第３の平面は、横型ｐｎ接合の接合面をなす、上端が第１の平面の左端に連なり、下端がリブの下面に至る平面である。すなわち、図２に示された半導体光導波路が備えている位相変調部は、クランク型のｐｎ接合面を有する。
以上のように、半導体光導波路を光がコアを導波する方向に沿って矢視した場合に、特許文献２の図１に示された半導体光導波路は、接合面がＬ字型のｐｎ接合を採用しており、図２に示された半導体光導波路は、接合面がクランク型のｐｎ接合を採用している。
これらのｐｎ接合は、ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域と境界面がリブの上面から下面に至る横型ｐｎ接合、及び、ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域と境界面がリブの左側面から右側面に至る縦型ｐｎ接合と比較した場合、ｐｎ接合の接合面の総面積を大幅に拡大することなく変調効率を高めることができると考えられる。すなわち、特許文献２の図１及び図２に示された半導体光導波路は、変調効率と高周波特性とを両立させるための有効な技術であると考えられる。
米国特許第７，１３６，５４４号明細書（２００６年１１月１４日） 米国特許第８，１４９，４９３号明細書（２０１２年４月３日）
しかし、特許文献２の図１に示された半導体光導波路のリブに形成されたｐｎ接合において、縦型ｐｎ接合の接合面となる第２の平面は、リブの右側面に至る構成を採用している。そのため、第２の平面の右端近傍は、リブの内部の領域のうち非常に光密度が低い領域に形成されざるを得ない。なぜなら、コアを導波する光の幅方向の光密度は、リブの中央において最も高く、リブの中央から遠ざかるにしたがって低下するためである。
以上のように、特許文献２の図１に示された半導体光導波路は、リブに形成されたｐｎ接合の接合面をＬ字型とすることによって、接合面の総面積を拡大したものの、その総面積の拡大を変調効率改善のために有効に利用できていない。
また、特許文献２の図２に示された半導体光導波路のリブに形成されたｐｎ接合において、横型ｐｎ接合の接合面となる第１の平面は、リブの内部ではなくスラブの内部に形成されている。また、縦型ｐｎ接合の接合面となる第２の平面は、リブの側面近傍とスラブとにまたがって形成されている。
したがって、スラブに形成された第１の平面と、ｐｎ接合の接合面となる第２の平面の一部とは、非常に光密度が低い領域に形成されざるを得ない。なぜなら、コアを導波する光の幅方向の光密度は、リブの中央において最も高く、リブの中央から遠ざかるにしたがって低下し、リブの外部であるスラブにおいて更に低下するためである。
以上のように、特許文献２の図２に示された半導体光導波路は、ｐｎ接合の接合面をクランク型とすることによって、接合面の総面積を拡大したものの、その総面積の拡大を変調効率改善のために有効に利用できていない。
以上のように、特許文献１の図１及び図２に記載された半導体光導波路は、変調効率と高周波特性とを両立させているものの、その変調効率には、改善の余地がある。
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、コアにｐ型半導体領域とｎ型半導体領域とが形成された半導体光導波路において、変調効率と高周波特性とを両立させたうえで、変調効率の更なる向上を図ることにある。
上記の課題を解決するために、本発明は、リブスラブ型のコアを備えた半導体光導波路であって、上記コアは、リブに含まれる境界面によって、ｐ型半導体からなるｐ型半導体領域とｎ型半導体からなるｎ型半導体領域とに二分され、上記境界面は、横型ｐｎ接合の接合面となる第１の平面であって、上端が上記リブの上面に至る第１の平面と、縦型ｐｎ接合の接合面となる第２の平面であって、左端が上記第１の平面の下端に連なる第２の平面と、横型ｐｎ接合の接合面となる第３の平面であって、上端が上記第２の平面の右端に連なり、下端が上記リブの下面に至る第３の平面とからなる、ことを特徴とする。
上述のように、ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域との境界面（ｐｎ接合の接合面）は、第１の平面、第２の平面、及び第３の平面からなるクランク型であり、これらの平面は、何れもリブの内部に形成されている。
上記の構成によれば、特許文献２の図１に示された、ｐｎ接合の接合面がＬ字型になる構成、及び、特許文献２の図２に示された、ｐｎ接合の接合面がクランク型に構成と比べて、ｐｎ接合の接合面の近傍に形成される空乏層を、リブの幅方向に関して、リブの中央により近い領域、すなわち、光密度のより高い領域に設けることができる。
このため、特許文献２の図１，２に示された構成と同様に優れた高周波特性を有し、かつ、特許文献２の図１，２に示された構成よりも優れた変調効率を有する半導体導波路素子を実現することができる。
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、上記リブの左側面から上記第１の平面までの距離は、上記リブの上面から上記第２の平面までの距離の１．８倍以下である、ことが好ましい。
リブの左側面から第１の平面までの距離がリブの上面から第２の平面までの距離より短い場合、特許文献２の図１に示された、ｐｎ接合の接合面がＬ字型になる構成と比較して、ｐｎ接合の接合面の総面積を拡大できる。その結果として、ｐｎ接合の接合面の近傍に形成される空乏層の体積を拡大できるため、位相変調に寄与するキャリア数を増加させることができる。
リブの左側面から第１の平面までの距離をリブの上面から第２の平面までの距離より更に長くする場合、ｐｎ接合の接合面がＬ字型である構成と比較して、ｐｎ接合の接合面の総面積が縮小される。接合面の総面積の縮小は、ｐｎ接合の接合面の近傍に形成される空乏層の体積が小さくなることを意味し、位相変調に寄与するキャリア数を減少させる負の効果を奏する。その一方で、リブの左側面から第１の平面までの距離を長くすることに起因して、第１の平面を光密度のより高い領域に設けることができる。このことは、位相変調に寄与するキャリア数を増加させる正の効果を奏する。
リブの左側面から第１の平面までの距離がリブの上面から第２の平面までの距離の１．８倍以下である場合には、正の効果が負の効果を上回るため、ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域との境界面がＬ字型である構成（第１の平面が、第２の平面の左端からリブの左側面に至る構成）と比較して、半波長電圧Ｖｐｉを抑制することができる。すなわち、変調効率を向上させることができる。
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、上記リブの左側面から上記第１の平面までの距離は、上記リブの上面から上記第２の平面までの距離の１．１倍以上１．８倍以下である、ことが好ましい。
リブの左側面から第１の平面までの距離を長くするほど、ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域との境界面（ｐｎ接合の接合面）の総面積が小さくなる。したがって、ｐｎ接合の接合面の総面積が小さくなることによって、ｐｎ接合の静電容量が抑制されるため、高周波特性を向上させる効果を奏する。ｐｎ接合の接合面がＬ字型である構成と比較して、高周波特性が向上するのは、リブの左側面から第１の平面までの距離をリブの上面から第２の平面までの距離の１．１倍以上とした場合であった。
また、上述の通り、リブの左側面から第１の平面までの距離をリブの上面から第２の平面までの距離の１．８倍以下とした場合には、変調効率を向上させることができた。したがって、リブの左側面から第１の平面までの距離が、リブの上面から第２の平面までの距離の１．１倍以上１．８倍以下である構成によれば、変調効率と高周波特性とをより高い水準で両立可能である。
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、上記第２の平面は、上記リブの中心から離間した位置に形成されており、当該リブの中心は、上記ｐ型半導体領域に包含されている、ことが好ましい。
リブの高さ方向に関して、第２の平面がリブの中心から離間した位置に形成されていることは、リブの上面から第２の平面までの距離と、リブの下面から第２の平面までの距離とが互いに異なることを意味する。すなわち、ｐ型半導体領域の厚さとｎ型半導体領域の厚さとは、互いに異なる。
そのうえで、リブの中心がｐ型半導体領域に包含されていることは、ｐ型半導体領域の厚さがｎ型半導体領域の厚さより厚いことを意味する。
ここで、キャリア１個当たりの位相変化量を比較すると、ｐキャリア（正孔）の位相変化量がｎキャリア（電子）の位相変化量より大きい。また、リブスラブ型のコアを導波する光の高さ方向の光密度が最も高くなるのは、リブの中心又はリブの中心よりも低い部分である。
上記の構成によれば、リブの高さ方向に関して、光密度が最も高くなるリブの中心又はリブの中心よりも低い部分は、位相変化量がより大きいｐ型半導体領域に包含されているため、リブの中心がｐ型半導体領域とｎ型半導体領域との境界面である第２の平面上に形成されている場合、及び、リブの中心がｎ型半導体領域に包含されている場合と比較して、変調効率をさらに向上させることができる。
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、上記リブの中心と、上記第２の平面との距離は、内蔵電位によって形成される空乏層の厚さの５０％以上１００％以下である、ことが好ましい。
外部から印加される変調電圧に応じて変化するキャリア密度の変化量が大きいほど、光の位相シフト量は、大きくなる。ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域との境界面近傍において、キャリア密度の変化量は、内蔵電位によって形成される空乏層の外側近傍において最大になる。
上記の構成によれば、リブの中心は、キャリア密度の変化量が大きな空乏層の外側近傍に位置するため、変調効率をさらに向上させることができる。
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、上記ｎ型半導体領域の電子密度に対する上記ｐ型半導体領域の正孔密度の割合は、３５％より大きく１００％より小さい、ことが好ましい。
本願の発明者らは、ｎ型半導体領域の電子密度に対するｐ型半導体領域の正孔密度の割合を１００％とした場合、すなわち、ｐ型半導体領域の正孔密度とｎ型半導体領域の電子密度とを等しくした場合と比較して、当該割合が３５％より大きく１００％より小さい場合に、位相シフト量を大きくできることを確認した。したがって、上記の構成によれば、変調効率をさらに向上させることができる。
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、上記ｎ型半導体領域の電子密度に対する上記ｐ型半導体領域の正孔密度の割合が３５％より大きく１００％より小さい場合には、上記リブの中心と、上記第２の平面との距離は、内蔵電位によって形成される空乏層の厚さの５０％以上２００％以下である、ことが好ましい。
ｎ型半導体領域の電子密度とｐ型半導体領域の電子密度とが等しい場合と比較して、上記ｎ型半導体領域の電子密度に対する上記ｐ型半導体領域の正孔密度の割合が３５％より大きく１００％より小さい場合、空乏層は、第２の平面からｐ型半導体領域の内側に向かって広がる。
したがって、上記の構成によれば、リブの中心は、キャリア密度の変化量が大きな空乏層の外側近傍に位置するため、変調効率をさらに向上させることができる。
本発明の一態様に係る半導体光導波路は、上記コアを取り囲むクラッドを更に備えており、上記ｐ型半導体領域及び上記ｎ型半導体領域は、それぞれ、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。
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。
本発明の一態様に係る半導体光導波路は、上記コアを構成する一対のスラブのうち、第１のスラブに接続された第１の進行波電極と、第２のスラブに接続された第２の進行波電極とを更に備えている、ことが好ましい。
上記の構成によれば、当該半導体光導波路を用いて光を位相変調する場合に、位相変調動作を高速化することができる。
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。
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型半導体領域及び上記ｎ型半導体領域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。
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。
なお、特許請求の範囲に記載された「上端」「下端」「右端」「左端」は、単に本発明に係る半導体光導波路の断面を特定の向きから見たときに「上」「下」「右」「左」に位置する端部のことを意味するに過ぎず、半導体光導波路の配置を限定するものではない。
本発明は、コアにｐ型半導体領域とｎ型半導体領域とが形成された半導体光導波路において、変調効率と高周波特性とを両立させたうえで、変調効率を更に向上させる効果を奏する。
（ａ）は、第１の実施形態に係る半導体光導波路の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は、上記半導体光導波路が備えているコアの構成を示す斜視図である。 （ａ）は、上記半導体光導波路の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、上記半導体光導波路が備えているコアの構成を示す断面図である。 （ａ）は、第１の実施形態に係る半導体光導波路の第１の変形例が備えているコアの構成を示す断面図であり、（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体光導波路の第２の変形例が備えているコアの構成を示す断面図であり、（ｃ）は、第１の実施形態に係る半導体光導波路の第３の変形例が備えているコアの構成を示す断面図である。 （ａ）は、本発明の第１〜第２の実施例の半導体光導波路の位相変化量の逆バイアス電圧依存性のシミュレーション結果を示すグラフであり、（ｂ）は、上記半導体光導半導体光導波路の減衰定数の動作周波数依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。 （ａ）は、本発明の第３の実施例群の半導体光導波路において、Ｗｖｅｒ２を８０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内で変化させた場合の半波長電圧Ｖｐｉのシミュレーション結果を示すグラフであり、（ｂ）は、第３の実施例群の半導体光導波路の３ｄＢバンド幅のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の第４の実施例の半導体光導波路において、ｎ型半導体領域の電子密度に対するｐ型半導体領域の正孔密度を３０％以上１３０％以下の範囲内で変化させた場合の位相変化量を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る半導体光変調器の構成を示す斜視図である。 従来の半導体光導波路の構成を示す断面図である。
本発明に係る半導体光導波路は、リブスラブ型のコアを備えた半導体光導波路である。上記コアは、リブに含まれる境界面によって、ｐ型半導体からなるｐ型半導体領域とｎ型半導体からなるｎ型半導体領域とに二分されている。上記境界面は、横型ｐｎ接合の接合面となる第１の平面であって、上端が上記リブの上面に至る第１の平面と、縦型ｐｎ接合の接合面となる第２の平面であって、左端が上記第１の平面の下端に連なる第２の平面と、横型ｐｎ接合の接合面となる第３の平面であって、上端が上記第２の平面の右端に連なり、下端が上記リブの下面に至る第３の平面とからなる。
本発明の第１の実施形態では、リブ１２及びスラブ１３，１４からなるリブスラブ型のコア１１であって、リブ１２に含まれる境界面１２Ｓによって、リブ１２がｐ型半導体領域１２ａとｎ型半導体領域１２ｂとに二分されているコア１１を備えた半導体光導波路１０について説明する。
本発明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。
本発明の第２の実施形態では、一方のアーム部に光変調部１０ａが設けられ、他方のアーム部に光変調部１０ｂが設けられたマッハツェンダ型の半導体光変調器１であって、光変調部１０ａ，１０ｂとして、第１の実施形態に係る半導体光導波路１０を備えている半導体光変調器１について説明する。
〔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１０について、図１及び図２を参照して説明する。図１の（ａ）は、半導体光導波路の１０構成を示す斜視図である。図１の（ｂ）は、半導体光導波路１０が備えているコア１１の構成を示す斜視図である。
（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、コア１１と、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は、下部クラッド１９ａと上部クラッド１９ｂとからなる。コア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、コア１１を取り囲むように、下部クラッド１９ａ及びコア１１の上に形成されている。
コア１１を構成する材料は、下部クラッド１９ａ及び上部クラッド１９ｂを構成する材料より高い屈折率を有する。コア１１を構成する材料は、例えばシリコンに代表される半導体製であり、下部クラッド１９ａ及び上部クラッド１９ｂを構成する材料は、例えばシリカに代表される絶縁体である。下部クラッド１９ａ及び上部クラッド１９の各々は、同じ材料によって構成されていてもよいし、異なる材料によって構成されていてもよい。
また、クラッド１９は、上部クラッド１９ｂを省略する構成を採用していてもよい。この場合、コア１１を取り囲む空気がエアクラッドとして機能する。
ここで、図１の（ａ）に示す座標系を次のように定義する。（１）リブ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）リブ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）リブ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。
図１の（ｂ）に示すように、コア１１は、リブ１２と、第１のスラブ１３と、第２のスラブ１４とからなる。スラブ１３，１４の高さは、リブ１２の高さより低い。すなわち、リブ１１は、リブスラブ型のコアである。
（リブ１２）
リブ１２は、境界面１２Ｓによって、ｐ型半導体領域１２ａとｎ型半導体領域１２ｂとに二分されている。ｐ型半導体領域は、半導体にｐ型ドーパントを添加したｐ型半導体からなる。ｎ型半導体領域は、半導体にｎ型ドーパントを添加したｎ型半導体からなる。すなわち、境界面１２Ｓは、ｐ型半導体領域１２ａとｎ型半導体領域１２ｂとが接合してなるｐｎ接合１２Ｊの接合面である。以下では、境界面１２Ｓのことをｐｎ接合１２Ｊの接合面１２Ｓとも称する。ｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントの濃度は特に限定されないが、一例として、何れも７×１０−１７［ｃｍ−３］が挙げられる。
図２の（ａ）は、半導体光導波路１０の構成を示す断面図であって、図１の（ａ）に図示したＡ−Ａ’線に沿った断面の断面図である。図２の（ｂ）は、半導体光導波路１０が備えているコア１１の構成を示す断面図であって、図１の（ａ）に図示したＡ−Ａ’線に沿った断面の断面図である。図１の（ａ）に図示したＡ−Ａ’線に沿った断面は、リブ１２を導波する光の導波方向に対して直行する断面である。
図２の（ａ）に示すように、リブ１２の断面形状は、その上面１ｕｓ、下面１２ｂｓ、右側面１２ｒｓ、及び左側面１２ｌｓによって四方を取り囲まれた四角形である。境界面１２Ｓは、第１の平面Ｓ１、第２の平面Ｓ２、及び第３の平面Ｓ３によって構成されている。
第１の平面Ｓ１は、上端がリブ１２の上面１２ｕｓに至る平面であり、第２の平面Ｓ２は、左端が第１の平面Ｓ１に連なる平面であり、第３の平面Ｓ３は、上端が第２の平面Ｓ２に連なり、下端がリブ１２の下面１２ｂｓに至る平面である。換言すれば、第２の平面Ｓ２は、リブ１２の上面１２ｕｓ及び下面１２ｂｓに沿って、すなわち、ｘｙ平面に沿って形成された平面であり、第１の平面Ｓ１及び第３の平面Ｓ３は、リブ１２の右側面１２ｒｓ及び左側面１２ｌｓに沿って、すなわち、ｙｚ平面に沿って形成された平面である。したがって、第１の平面Ｓ１と第２の平面Ｓ２とのなす角度、及び、第２の平面Ｓ２と第３の平面Ｓ３とのなす角度は、いずれも略９０°である。このような断面形状のことをクランク型と称する。
なお、第１の平面Ｓ１と第２の平面Ｓ２とのなす角度、及び、第２の平面Ｓ２と第３の平面Ｓ３とのなす角度である略９０°とは、設計時の角度である９０°のみならず、半導体光導波路１０を製造するときに生じる製造誤差を含む。この製造誤差は、リブ１２の内部をｐ型半導体領域１２ａとｎ型半導体領域１２ｂとを形成するときの製造プロセスにおいて想定される製造誤差である。たとえば、シリコンへのイオン注入を用いてｐ型半導体領域１２ａとｎ型半導体領域１２ｂとを形成する場合、想定される製造誤差は、設計時の角度である９０°に対して±５°である。
第１の平面Ｓ１は、リブ１２の上部領域を、左側の領域であるｐ型半導体領域１２ａと右側の領域であるｎ型半導体領域１２ｂとに二分している。したがって、第１の平面Ｓ１は、横型ｐｎ接合である第１のｐｎ接合Ｊ１の接合面をなす。
第２の平面Ｓ２は、リブ１２のうち、第１の平面Ｓ１と第３の平面Ｓ３とによって挟まれた領域であるリブ１２の中央領域を、下型の領域であるｐ型半導体領域１２ａと上側の領域であるｎ型半導体領域１２ｂとに二分している。したがって、第２の平面Ｓ２は、縦型ｐｎ接合である第２のｐｎ接合Ｊ２の接合面をなす。
第３の平面Ｓ３は、リブ１２の下部領域を、左側の領域であるｐ型半導体領域１２ａと右側の領域であるｎ型半導体領域１２ｂとに二分している。したがって、第３の平面Ｓ３は、横型ｐｎ接合である第３のｐｎ接合Ｊ３の接合面をなす。
以上のように、境界線１２Ｓの近傍領域に形成されたｐｎ接合１２Ｊは、第１のｐｎ接合Ｊ１、第２のｐｎ接合Ｊ２、及び第３のｐｎ接合Ｊ３によって構成されたクランク型のｐｎ接合である。
上記の構成によれば、特許文献２の図１に示された、ｐｎ接合の接合面がＬ字型になる構成、及び、特許文献２の図２に示された、ｐｎ接合の接合面がクランク型に構成と比べて、第１のｐｎ接合Ｊ１の接合面の近傍に形成される空乏層を、リブ１２の幅方向に関して、リブ１２の中央により近い領域、すなわち、光密度のより高い領域に設けることができる。
このため、半導体光導波路１０は、特許文献２の図１，２に示された構成と同様に優れた高周波特性を有し、かつ、特許文献２の図１，２に示された構成よりも優れた変調効率を有する。
図２の（ｂ）に示すように、コア１１において、リブ１２の厚さｔｒは、スラブ１３，１４の厚さｔｓより厚く構成されている。また、リブ１２において、リブ１２の下面１２ｂｓと第２の平面Ｓ２との間隔をｐ型半導体領域１２ａの厚さｔｐとし、リブ１２の上面１２ｕｓと第２の平面Ｓ２との間隔をｎ型半導体領域１２ｂの厚さｔｎとする。すなわち、ｔｒ＝ｔｐ＋ｔｎである。また、リブ１２の右側面１２ｒｓと第３の平面Ｓ３との間隔を幅Ｗｖｅｒ１とし、リブ１２の左側面１２ｌｓと第１の平面Ｓ１との間隔を幅Ｗｖｅｒ２とする。
リブ１２において、幅Ｗｖｅｒ２は、厚さｔｎの１．８倍以下であることが好ましい。
また、リブ１２において、幅Ｗｖｅｒ２は、厚さｔｎの１．１倍以上１．８倍以下であることがより好ましい。
図２の（ｂ）に示すように、本実施形態では、リブ１３，１４の上面と、第２の平面Ｓ２とが同一平面内に形成されている構成を採用している。この場合、ｔｓ＝ｔｐである。なお、リブ１３，１４の上面と、第２の平面Ｓ２とは、それぞれ別個の平面内に形成されていてもよい。その場合、第１の変形例として後述するように、ｔｐ＞ｔｎであることが好ましい。
また、本実施形態では、スラブ１３，１４の厚さｔｓがリブ１２の厚さｔｒの半分となる構成を採用しているが、厚さｔｓに対する厚さｔｒの割合は、５０％に限定されるものではない。厚さｔｓに対する厚さｔｒの割合は、リブ１２を導波する光がリブ１２の内部によりよく閉じこめられるように（スラブ１３，１４への漏れ出しをより抑制できるように）、適宜、定めることができる。
（ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域とにおける非対称ドーピング）
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、ｎ型半導体領域１２ｂの電子密度に対するｐ型半導体領域１２ａの正孔密度の割合は、３５％より大きく１００％より小さい、ことが好ましい。以下において、ｎ型半導体領域１２ｂの電子密度に対するｐ型半導体領域１２ａの正孔密度の割合を１００％とした場合を対称ドーピングと称し、ｎ型半導体領域の電子密度に対するｐ型半導体領域の正孔密度の割合を１００％未満とした場合を非対称ドーピングと称する。
本願の発明者らは、非対称ドーピングを採用し、ｎ型半導体領域１２ｂの電子密度に対するｐ型半導体領域１２ａの正孔密度の割合が３５％より大きく１００％より小さい場合に、対称ドーピングを採用した場合よりも位相シフト量を大きくできることを確認した。すなわち、上記の構成によれば、変調効率をさらに向上させることができる。
（コア１１及びクラッド１９の材料）
本実施形態に係る半導体光導波路１０において、シリコンをベース材料として、ｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントをドープしたコア１１を採用する場合、半導体光導波路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（熱酸化膜層）を下部クラッド１９ａとして用い、ＢＯＸ層上に形成されたＳｉ層をコア１１の形状にパターニングすればよい。コア１１が備えているｐ型半導体部１２ａ、ｎ型半導体部１２ｂ、及びスラブ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。
また、コア１１を取り囲む上部クラッド１９ｂは、シリコンより小さい屈折率を有する絶縁体、例えばシリカを、下部クラッド１９ａ及びコア１１の上に積層することによって作成することができる。
なお、ＳＯＩ基板を用いて半導体光導波路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。
これらの半導体光導波路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。そのため、半導体光導波路１０は、従来の半導体光導波路と同程度の製造コストで製造することができる。換言すれば、半導体光導波路１０は、製造コストを高騰させることなく変調効率の更なる向上を図ることができる。
なお、コア１１のベース材料として用いられる半導体は、シリコンに限定されるものではなく、例えばインジウムリンであってもよい。すなわち、ｐ型半導体領域１２ａは、インジウムリンにｐ型ドーパントを添加した半導体からなり、ｎ型半導体領域１２ｂは、インジウムリンにｎ型ドーパントを添加した半導体からなるように構成されていてもよい。
この場合、下部クラッド１９ａ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、上部クラッド１９ｂは、インジウムリンにドーパントを添加した半導体、シリカ、及び空気の何れか１つからなることが好ましい。
また、コア１１のリブ１２の上面には、真性半導体からなる真性半導体領域が更に形成されていてもよい。
（スラブ１３，１４）
ｐ型半導体領域１２ａに連なるスラブ１３は、ｐ型半導体領域１２ａと同様にｐ型半導体からなる。ｐ型半導体領域１２ａの正孔密度とスラブ１３の正孔密度とは、互いに等しくなるように構成されていてもよいし、互いに異なるように構成されていてもよい。ｐ型半導体領域１２ａの正孔密度とスラブ１３の正孔密度とが異なる構成を採用する場合、スラブ１３の正孔密度をｐ型半導体領域１２ａの正孔密度より高くすることが好ましい。
ｎ型半導体領域１２ｂに連なるスラブ１４は、ｎ型半導体領域１２ｂと同様にｎ型半導体からなる。ｎ型半導体領域１２ｂの電子密度とスラブ１４の電子密度とは、互いに等しくなるように構成されていてもよいし、互いに異なるように構成されていてもよい。ｎ型半導体領域１２ｂの電子密度とスラブ１４の電子密度とが異なる構成を採用する場合、スラブ１４の電子密度をｎ型半導体領域１２ｂの電子密度より高くすることが好ましい。
（電極１５，１７及び信号線１６，１８）
第１の電極１５は、スラブ１３の上面から上部クラッド１９ｂの表面に至るように形成された導電体からなる電極であって、スラブ１３と導通するように形成されている。第１の信号線１６は、第１の電極１５の上面及び上部クラッド１９ｂの表面に形成された導電体からなる電極であって、第１の電極１５と導通するように形成されている。すなわち、第１の信号線１６とｐ型半導体領域１２ａとは、第１の電極１５を介して導通している。
第２の電極１７は、スラブ１４の上面から上部クラッド１９ｂの表面に至るように形成された導電体からなる電極であって、スラブ１４と導通するように形成されている。第２の信号線１８は、第２の電極１７の上面及び上部クラッド１９ｂの表面に形成された導電体からなる電極であって、第２の電極１７と導通するように形成されている。すなわち、第２の信号線１８とｎ型半導体領域１２ｂとは、第２の電極１７を介して導通している。
このように構成された第１の信号線１６と第２の信号線１８とを用いて、リブ１２のｐ型半導体領域１２ａとｎ型半導体領域１２ｂとに変調電圧を印加することができる。すなわち、コア１１のリブ１２を導波する光の位相を変調する位相変調器として半導体光導波路１０を機能させることができる。
なお、リブ１２に印加される変調電圧の極性は、リブ１２の内部に形成されたｐｎ接合に対して逆バイアス方向となる極性である。
なお、第１の電極１５及び第２の電極１７は、一対の進行波電極によって構成されていることが好ましい。すなわち、第１の電極１５は、第１の進行波電極であり、第２の電極１７は、第２の進行波電極であることが好ましい。
この構成によれば、半導体光導波路１０を用いて光を位相変調する場合に、位相変調動作を高速化することができる。
〔第１の変形例〕
第１の実施形態に係る半導体光導波路１０の第１の変形例について、図３の（ａ）を参照して説明する。図３の（ａ）は、本変形例の半導体光導波路１０が備えているコア１１の構成を示す断面図である。
本変形例の半導体光導波路１０は、第１の実施形態の半導体光導波路１０（図２の（ｂ）参照）において、ｐ型半導体領域１２ａの厚さｔｐがｎ型半導体領域１２ｂの厚さｔｎよりも厚くなる構成を採用することによって得られる。
このように、半導体光導波路１０において、第２の平面Ｓ２は、リブ１２の中心Ｃから離間した位置に形成されており、リブ１２の中心Ｃは、ｐ型半導体領域１２ｂに包含されている、ことが好ましい。ここで、リブ１２の中心Ｃとは、上面１２ｕｓ、下面１２ｂｓ、右側面１２ｒｓ、及び左側面１２ｌｓによって構成された四角形が有する２本の対角線同士が交わる点のことを指す。
ここで、ｐ型半導体領域におけるキャリアである正孔の位相変化量と、ｎ型半導体領域１２ｂにおけるキャリアである電子の位相変化量とをキャリア１個当たりについて比較すると、正孔の位相変化量が電子の位相変化量を上回る。また、リブスラブ型のコアを導波する光において、リブの高さ方向の光密度が最も高くなるのは、リブ１２の中心Ｃ又はリブの中心Ｃよりも低い部分である。
本変形例の半導体光導波路１０によれば、リブの高さ方向において、光密度が最も高くなる中心Ｃ又はリブの中心Ｃよりも低い部分は、位相変化量がより大きいｐ型半導体領域１２ａに包含されているため、（１）中心Ｃが第２の平面Ｓ２上に形成されている場合、及び、（２）中心Ｃがｎ型半導体領域１２ｂに包含されている場合と比較して、光密度が高い領域をより有効に利用可能であるため、変調効率を更に向上させることができる。
また、対称ドーピングされたｐ型半導体層１２ａ及びｎ型半導体層１２ｂを採用する場合には、中心Ｃと、第２の平面Ｓ２との距離は、内蔵電位によって形成される空乏層の厚さの５０％以上１００％以下である、ことが好ましい。
変調電圧に応じて変化するキャリア数の変化量が大きいほど、光の位相シフト量は、大きくなる。ｐｎ接合において、変調電圧に応じたキャリア数の変化量は、内蔵電位によって形成される空乏層の外側近傍において最大になる。
上記の構成によれば、リブの中心は、キャリア密度の変化量が大きな空乏層の外側近傍に位置するため、リブ１２における光密度が最も高い領域と、キャリア数の変化量が最も大きい領域とを重ね合わせることができる。したがって、変調効率を更に向上させることができる。
一方、非対称ドーピングされたｐ型半導体層１２ａ及びｎ型半導体層１２ｂを採用する場合には、中心Ｃと、第２の平面Ｓ２との距離は、内蔵電位によって形成される空乏層の厚さの５０％以上２００％以下である、ことが好ましい。非対称ドーピングされたｐ型半導体層１２ａ及びｎ型半導体層１２ｂを採用する場合、対称ドーピングされたｐ型半導体層１２ａ及びｎ型半導体層１２ｂを採用する場合と比較して、空乏層は、第２の平面からｐ型半導体領域の内側に向かって広がる。
したがって、上記の構成によれば、リブの中心は、キャリア密度の変化量が大きな空乏層の外側近傍に位置するため、変調効率をさらに向上させることができる。
〔第２の変形例〕
第１の実施形態に係る半導体光導波路１０の第２の変形例について、図３の（ｂ）を参照して説明する。図３の（ｂ）は、本変形例の半導体光導波路１０が備えているコア１１の構成を示す断面図である。
本変形例の半導体光導波路１０は、第１の実施形態の半導体光導波路１０（図２の（ｂ）参照）において、（１）厚さｔｐが厚さｔｎよりも厚くなる構成を採用するとともに、（２）幅Ｗｖｅｒ２が厚さｔｎよりも小さくなる構成を採用することによって得られる。換言すれば、本変形例の半導体光導波路１０は、第１の変形例の半導体光導波路１０において、幅Ｗｖｅｒ２が厚さｔｎよりも小さくなる構成を採用することによって得られる。
この構成によれば、リブ１２の内部にクランク型の接合面１２Ｓを有するｐｎ接合１２Ｊを形成する場合に、接合面１２Ｓの総面積を拡大できるために、ｐｎ接合１２Ｊの静電容量が増大することに起因して、位相変化量を大きくすることができる。すなわち、変調効率を向上させることができる。
なお、ｐｎ接合１２Ｊの静電容量が増大することに伴い、変調効率を向上させることができる反面、高周波成分の減衰量が大きくなり、結果として高周波特性が劣化する。この静電容量の増大に伴う高周波特性の劣化については、図５の（ｂ）を参照しながら後述する。
なお、本変形例の半導体光導波路１０において、幅Ｗｖｅｒ２を狭くしすぎた場合、第１のｐｎ接合Ｊ１のｐ型半導体領域が狭くなりすぎることに起因して、このｐ型半導体領域におけるキャリア数の変化量を十分に確保することができなくなる。したがって、変調効率と高周波特性とを両立させたうえで、変調効率を更に向上させる場合であっても、キャリア数の変化量が飽和することに鑑みて、幅Ｗｖｅｒ２は、厚さｔｎの０．８倍以上であることが好ましい（図５の（ａ）参照）。
〔第３の変形例〕
第１の実施形態に係る半導体光導波路１０の第３の変形例について、図３の（ｃ）を参照して説明する。図３の（ｃ）は、本変形例の半導体光導波路１０が備えているコア１１の構成を示す断面図である。
本変形例の半導体光導波路１０は、第１の実施形態の半導体光導波路１０（図２の（ｂ）参照）において、（１）厚さｔｐが厚さｔｎよりも厚くなる構成を採用するとともに、（２）幅Ｗｖｅｒ２が厚さｔｎよりも大きくなる構成を採用することによって得られる。換言すれば、本変形例の半導体光導波路１０は、第１の変形例の半導体光導波路１０において、幅Ｗｖｅｒ２が厚さｔｎよりも大きくなる構成を採用することによって得られる。
この構成によれば、第１の変形例の半導体光導波路１０と比較して、ｐｎ接合１２Ｊの接合面１２Ｓの総面積が縮小される。接合面１２Ｓの総面積の縮小は、接合面１２Ｓの近傍に形成される空乏層の体積が小さくなることを意味し、位相変調に寄与するキャリア数を減少させる負の効果を奏する。その一方で、幅Ｗｖｅｒ２を長くすることに起因して、第１の平面Ｓ１をリブ１２の中心Ｃに近づけること、すなわち、リブ１２の幅方向に関して、光密度のより高い領域に第１の平面Ｓ１を設けることができる。このことは、位相変調に寄与するキャリア数を増加させる正の効果を奏する。
図５の（ａ）を参照して後述するが、幅Ｗｖｅｒ２を厚さｔｎより大きくしていくと、半波長電圧Ｖｐｉは、（１）Ｗｖｅｒ２がｔｎの０．８倍以上１．４倍以下の領域で横ばい状態を保っており、（２）Ｗｖｅｒ２がｔｎの１．５倍を上回る領域において顕著に増大し始め、（３）Ｗｖｅｒ２がｔｎの１．８倍を上回る領域において、Ｌ字型の接合面を有する半導体光導波路の半波長電圧Ｖｐｉを上回ることが分かる。
しがたって、リブの左側面から第１の平面までの距離がリブの上面から第２の平面までの距離の１．８倍以下である場合には、正の効果が負の効果を上回るため、ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域との境界面がＬ字型である構成（第１の平面が、第２の平面の左端からリブの左側面に至る構成）と比較して、半波長電圧Ｖｐｉを抑制することができる。すなわち、変調効率を向上させることができる。
また、接合面１２Ｓの総面積の縮小は、変調効率を悪化させる一方で、ｐｎ接合１２Ｊの静電容量を抑制することができる。したがって、接合面１２Ｓの総面積の縮小は、高周波特性を向上させる効果を奏する。図５の（ｂ）を参照して後述するように、本変形例の半導体光導波路の高周波特性は、幅Ｗｖｅｒ２がＷｖｅｒ２≧１．１×ｔｎの領域である場合に、Ｌ字型の接合面を有する半導体光導波路の高周波特性を上回る。
以上のことから、半導体光導波路１０において、幅Ｗｖｅｒ２は、厚さｔｎの１．１倍以上１．８倍以下であることがより好ましい。この構成によれば、変調効率と高周波特性とをより高い水準で両立可能である。
〔第１〜第２の実施例〕
本発明の第１〜第２の実施例の半導体光導波路１０について、図４を参照して説明する。
図４の（ａ）は、第１の実施例及び第２の実施例の半導体光導波路１０の位相変化量の逆バイアス電圧依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。位相変化量は、変調効率に対応する物理量であり、位相変化量が大きいほど変調効率が高いといえる。
図４の（ｂ）は、第１の実施例及び第２の実施例の半導体光導波路１０の減衰定数の動作周波数依存性を示すグラフである。減衰定数は、高周波特性に対応する物理量であり、減衰定数が低いほど高周波特性が良好であるといえる。
なお、図４の（ａ）には、本発明の比較例である半導体光導波路１１０の位相変化量の逆バイアス電圧依存性のシミュレーション結果を併せて示し、図４の（ｂ）には、半導体光導波路１１０の減衰定数の動作周波数依存性を併せて示す。
第１〜第２の実施例の半導体光導波路１０は、（１）図３の（ａ）に示した第１の変形例の構成を採用しており、かつ、（２）ＢＯＸ層上に形成されたシリコン層の厚さが２２０ｎｍであるＳＯＩ基板を用いて作成することを想定している。そのため、以下の構成を共通して採用している。
・ｐ型半導体領域１２ａ：シリコンにｐ型ドーパントを添加したｐ型半導体製。
・ｎ型半導体領域１２ｂ：シリコンにｎ型ドーパントを添加したｎ型半導体製。
・スラブ１３：シリコンにｐ型ドーパントを添加したｐ型半導体製。
・スラブ１４：シリコンにｎ型ドーパントを添加したｎ型半導体製。
・ｐ型半導体領域１２ａ及びスラブ１３におけるｐ型ドーパントのドーピング濃度として、７×１０−１７［ｃｍ−３］を採用。
・ｎ型半導体領域１２ｂ及びスラブ１４におけるｎ型ドーパントのドーピング濃度として、７×１０−１７［ｃｍ−３］を採用。
・下部クラッド１９ａ及び上部クラッド１９ｂ：シリカ製。
・リブ１２の幅として、５００ｎｍを採用。
・リブ１２の厚さｔｒとして、２２０ｎｍを採用。
・スラブ１３，１４の厚さｔｓとして、１００ｎｍを採用。
・ｐ型半導体領域１２ａの厚さｔｐとして、１２０ｎｍを採用。
・ｎ型半導体領域１２ｎの厚さｔｎとして、１００ｎｍを採用。
・幅Ｗｖｅｒ１として、１００ｎｍを採用。
そのうえで、第１の実施例の半導体光導波路１０は、Ｗｖｅｒ２として、Ｗｖｅｒ２＝１００ｎｍを採用し、第２の実施例の半導体光導波路１０は、Ｗｖｅｒ２として、Ｗｖｅｒ２＝１５０ｎｍを採用することによって得られた。
（比較例）
ここで、本発明の比較例である半導体光導波路１１０について、図８を参照して説明する。図８は、比較例の半導体光導波路１１０の構成を示す断面図である。半導体光導波路１１０は、リブ１１２の内部に形成された境界面１１２Ｓの形状が第１の実施例の半導体光導波路１０と異なる。
リブ１１２を、ｐ型半導体領域１１２ａとｎ型半導体領域１１２ｂとに二分する境界線１１２Ｓは、第１の平面Ｓ１０１と第２の平面Ｓ１０２とからなる。第１の平面Ｓ１０１は、左端がリブ１１２の左側面に至る平面であり、第２の平面Ｓ１０２は、上端が第１の平面Ｓ１０１の右端に連なる平面であり、下端がリブ１１２の下面に至る平面である。すなわち、半導体光導波路１１０は、Ｌ字型の境界面１１２Ｓを接合面とするｐｎ接合１１２Ｊを備えている。
第１の実施例の半導体光導波路１０において、第２の平面Ｓ２の左端に連なる第１の平面がリブ１２の上面１２ｕｓに至る構成であったのに対して、半導体光導波路１１０においては、第１の平面Ｓ１０１が第２の平面Ｓ１０２の上端からリブ１１２の左側面に至っている点が異なる。
（変調効率）
図４の（ａ）を参照すると、第１の実施例の半導体光導波路１０及び第２の実施例の半導体光導波路１０の位相変化量は、何れも、０Ｖ以上６Ｖ以下の逆バイアス電圧領域において、半導体光導波路１１０の位相変化量を上回ることが分かった。
これは、第１の平面Ｓ１がリブ１２の上面１２ｕｓに至り、且つ、Ｗｖｅｒ２を１００ｎｍ又は１５０ｎｍと設定したことによって、第１の平面Ｓ１を接合面とする第１のｐｎ接合Ｊ１がリブ１２の中心Ｃに近い領域に形成されていることに起因する。これらの構成に寄れば、第１のｐｎ接合Ｊ１の空乏層が、光密度の高い領域と重畳するため、変調電圧に応じたキャリア数の変化量を、光の位相変調に有効に利用できると考えられる。
なお、第２の実施例の半導体光導波路１０の位相変化量は、第１の実施例の半導体光導波路１０の位相変化量と同程度であるものの、第１の実施例の半導体光導波路１０の位相変化量をわずかに上回ることが分かった。
これは、Ｗｖｅｒ２を１００ｎｍから１５０ｎｍに変化させることに伴って生じる、正の効果（第１のｐｎ接合Ｊ１がより光密度の高い領域を利用できるため、位相変化量が大きくなる）が負の効果（ｐｎ接合１２Ｊの接合面１２Ｓの総面積が縮小するため、位相変化量が小さくなる）を上回ったためと考えられる。
（高周波特性）
図４の（ｂ）を参照すると、第１の実施例の半導体光導波路１０の減衰定数は、２０ＧＨｚ以上５０ＧＨｚ以下の動作周波数帯域において、比較例の半導体光導波路１１０の減衰定数と比較して、同程度であるもののわずかに大きいことが分かった。その一方、第２の実施例の半導体光導波路１０の減衰定数は、２０ＧＨｚ以上５０ＧＨｚ以下の動作周波数帯域において、第１の実施例の半導体光導波路１０の減衰定数、及び、比較例の半導体光導波路１１０の減衰定数と比較して、有意に小さいことが分かった。
第１の実施例の半導体光導波路１０と第２の実施例の半導体光導波路１０とにおいて生じた差異は、第１の平面Ｓ１が設けられている位置の違いに起因して、境界面１２Ｓの総面積が異なることに起因している。それぞれの幅Ｗｖｅｒ２が５０ｎｍ異なるため、第２の実施例の半導体光導波路１０が備えている境界面１２Ｓの総面積は、第１の実施例の半導体光導波路１０が備えている境界面１２Ｓの総面積に比べて狭い。したがって、第２の実施例の半導体光導波路１０の静電容量が第１の実施例の半導体光導波路１０の静電容量に比べて小さいため、減衰定数も小さくなっていると考えられる。
以上のことから、第２の実施例の半導体光導波路１０（Ｗｖｅｒ２＝１５０ｎｍ）は、第１の実施例の半導体光導波路１０（幅Ｗｖｅｒ２＝１００ｎｍ）よりも高い水準で変調効率と高周波特性とを両立させられることが分かった。
〔第３の実施例群〕
本発明の第３の実施例群の半導体光導波路１０について、図５を参照して説明する。第３の実施例群の半導体光導波路１０では、幅Ｗｖｅｒ２を変化させることによって、接合面１２Ｓの総面積が変調効率及び高周波特性に与える影響に関して調べた。
図５の（ａ）は、第３の実施例群の半導体光導波路１０の半波長電圧Ｖｐｉの幅Ｗｖｅｒ２依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。半波長電圧Ｖｐｉは、変調効率に対応する物理量であり、半波長電圧Ｖｐｉが小さいほど変調効率が高いといえる。
図５の（ｂ）は、第３の実施例群の半導体光導波路１０の３ｄＢ帯域幅の幅Ｗｖｅｒ２依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。３ｄＢ帯域幅は、高周波特性に対応する物理量であり、３ｄＢ帯域幅が広いほど高周波特性が高いといえる。
なお、図５の（ａ）には、本発明の比較例である半導体光導波路１１０の半波長電圧Ｖｐｉのシミュレーション結果を併せて示し、図５の（ａ）ｂには、半導体光導波路１１０の３ｄＢ帯域幅のシミュレーション結果を併せて示す。図５の（ａ）及び（ｂ）の各々において、Ｗｖｅｒ２＝０ｎｍに対応するプロットが、半導体光導波路１１０を用いたシミュレーション結果を示す。
第３の実施例群の半導体光導波路１０は、幅Ｗｖｅｒ２を８０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲で変化させたことを除いて、第１の実施例の半導体光導波路１０と同様の構成を採用した。
（変調効率）
図５の（ａ）を参照すると、幅Ｗｖｅｒ２が８０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下の領域、すなわち、幅Ｗｖｅｒ２が厚さｔｎの０．８倍以上１．４倍以下の領域で、半導体光導波路１０の半波長電圧Ｖｐｉは、比較例の半導体光導波路１１０の半波長電圧Ｖｐｉを下回った。
幅Ｗｖｅｒ２が１５０ｎｍを上回る領域、すなわち、幅Ｗｖｅｒ２が厚さｔｎの１．５倍を上回る領域において、半導体光導波路１０の半波長電圧Ｖｐｉは、顕著に増大し始めた。
幅Ｗｖｅｒ２が１８０ｎｍを上回る領域、すなわち、幅Ｗｖｅｒ２が厚さｔｎの１．８倍を上回る領域において、半導体光導波路１０の半波長電圧Ｖｐｉは、比較例の半導体光導波路１１０の半波長電圧Ｖｐｉを上回った。
したがって、幅Ｗｖｅｒ２が厚さｔｎの０．８倍以上１．８倍以下の領域で、本実施例の半導体光導波路１０は、比較例の半導体光導波路１１０より高い変調効率を示すことが分かった。
（高周波特性）
図５の（ｂ）を参照すると、幅Ｗｖｅｒ２が８０ｎｍ以上１１０ｎｍ未満の領域、すなわち、幅Ｗｖｅｒ２が厚さｔｎの０．８倍以上１．１倍未満の領域で、半導体光導波路１０の３ｄＢ帯域幅は、比較例の半導体光導波路１１０の３ｄＢ帯域幅より狭かった。
幅Ｗｖｅｒ２が１１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の領域、すなわち、幅Ｗｖｅｒ２が厚さｔｎの１．１倍以上２．０倍未満の領域で、半導体光導波路１０の３ｄＢ帯域幅は、比較例の半導体光導波路１１０の３ｄＢ帯域幅より広かった。
したがって、幅Ｖｅｒ２が厚さｔｎの１．１倍以上２．０倍以下の領域で、本実施例の半導体光導波路１０の高周波特性は、比較例の半導体光導波路１１０より優れた高周波特性を示すことが分かった。
以上のことから、本実施例の半導体光導波路１０は、幅Ｖｅｒ２が厚さｔｎの１．１倍以上１．８倍以下の領域である場合に、変調効率と高周波特性とを両立させたうえで、変調効率を更に向上させられることが分かった。
〔第４の実施例〕
本発明の第４の実施例の半導体光導波路１０について、図６を参照して説明する。図６は、第４の実施例の半導体光導波路１０において、ｎ型半導体領域１２ｂの電子密度に対するｐ型半導体領域１２ａの正孔密度を３０％以上１３０％以下の範囲内で変化させた場合の位相変化量を示すグラフである。
電子密度に対する正孔密度の割合が１００％である場合は、ｐ型半導体領域１２ａのドーピングレベルがｎ型半導体領域１２ｂのドーピングレベルと等しいことを意味する。このようなドーピングのことを対称ドーピングと称する。電子密度に対する正孔密度の割合が５０％である場合は、ｐ型半導体領域１２ａのドーピングレベルがｎ型半導体領域１２ｂのドーピングレベルの１／２であることを意味する。このようなドーピングのことを非対称ドーピングと称する。
図６では、正孔１個あたりの位相変化量を破線で示し、所定の変調電圧を印加したときのキャリアの移動総量を点線で示し、トータルの位相変化量を実線で示した。トータルの位相変化量は、正孔１個あたりの位相変化量と所定の変調電圧を印加したときのキャリアの移動総量との積で求まる。
図６を参照すると、正孔１個当たりの位相変化量は、電子密度に対する正孔密度の割合が増加することに伴い、単調減少を示した。また、所定の変調電圧を印加したときのキャリアの移動総量は、電子密度に対する正孔密度の割合が３０％以上１００％以下の領域においては単調増加を示し、この割合が１００％を超えた領域では単調減少を示した。
これらの積によって求められたトータルの位相変化量は、電子密度に対する正孔密度の割合が３５％より大きく１００％より小さい場合に、この割合が１００％である場合を上回った。
以上のことから、本実施例の半導体光導波路１０において、電子密度に対する正孔密度の割合が３５％より大きく１００％より小さい非対称ドーピングを施した場合に、対称ドーピングを施した半導体光導波路１０に比べて、変調効率を更に向上させられることが分かった。
〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係る半導体光変調器１について、図７を参照して説明する。なお、第１の実施形態に係る半導体光導波路１０と同様の部材に関しては、その説明を省略する。図７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。
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の実施形態に係る半導体光導波路１０が設けられている。
（半導体光変調器１の構成）
半導体光変調器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半導体光変調器１であって、その光変調部として本発明の一態様に係る半導体光導波路１０を備えている。本実施形態では、半導体光変調器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の実施形態に係る半導体光導波路１０を備えている構成を採用している。
半導体光変調器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。半導体光変調器１及び半導体光導波路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、半導体光変調器１のコア２２，２３，２４ａ，２４ｂ及び半導体光導波路１０のコア１１は、形成されている。
上部クラッド１９ｂは、下部クラッド１９ａ及びコア２２，２３，２４ａ，２４ｂ及びコア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及びコア１１を取り囲むように形成されている。
図７に示した座標系のｙ軸正方向に光が導波すると課程して、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。
第１のアーム部２４ａの中途には、第１の半導体光導波路１０ａが挿入されており、第２のアーム部２４ｂの中途には、第２の半導体光導波路１０ｂが挿入されている。
第１の半導体光導波路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、光の導波方向（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の半導体光導波路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。
本実施形態に係る半導体光変調システムは、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。
以上のように構成された半導体光変調器１は、半導体光導波路１０と同様の効果を奏する。また、以上のように構成された半導体光変調器１は、１枚のＳＯＩ基板上に、半導体光導波路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、半導体光変調器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、半導体光変調器１は、半導体光導波路１０と同等のコストで作製することができる。
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。
本発明は、コアにｐ型半導体領域とｎ型半導体領域とが形成された半導体光導波路に利用することができる。また、そのような半導体光導波路を備えた半導体光変調器、及び、そのような半導体光変調器を備えた半導体光変調システムに利用することができる。
１０ 半導体光導波路
１１ コア（リブスラブ型のコア）
１２ リブ
１２ａ ｐ型半導体領域
１２ｂ ｎ型半導体領域
１２Ｊ ｐｎ接合
１２Ｓ 接合面（ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域との境界面）
１２ｕｓ 上面
１２ｂｓ 下面
１２ｌｓ 左側面
１２ｒｓ 右側面
１３ 第１のスラブ
１４ 第２のスラブ
１５，１７ 第１の電極，第２の電極（進行波電極）
１６，１８ 第１の信号線，第２の信号線
Ｃ 中心
Ｊ１，Ｊ３ 第１のｐｎ接合，第３のｐｎ接合（横型ｐｎ接合）
Ｊ２ 第２のｐｎ接合（縦型ｐｎ接合）
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 第１の平面，第２の平面，第３の平面
１ 半導体光変調器
１０ａ，１０ｂ 第１の位相変調部，第２の位相変調部（位相変調部）

Claims (11)

  1. リブスラブ型のコアを備えた半導体光導波路であって、
    上記コアは、リブに含まれる境界面によって、ｐ型半導体からなるｐ型半導体領域とｎ型半導体からなるｎ型半導体領域とに二分され、
    上記境界面は、横型ｐｎ接合の接合面となる第１の平面であって、上端が上記リブの上面に至る第１の平面と、縦型ｐｎ接合の接合面となる第２の平面であって、左端が上記第１の平面の下端に連なる第２の平面と、横型ｐｎ接合の接合面となる第３の平面であって、上端が上記第２の平面の右端に連なり、下端が上記リブの下面に至る第３の平面とからなる、
    ことを特徴とする半導体光導波路。
  2. 上記リブの左側面から上記第１の平面までの距離は、上記リブの上面から上記第２の平面までの距離の１．８倍以下である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体光導波路。
  3. 上記リブの左側面から上記第１の平面までの距離は、上記リブの上面から上記第２の平面までの距離の１．１倍以上である、
    ことを特徴とする請求項２に記載の半導体光導波路。
  4. 上記第２の平面は、上記リブの中心から離間した位置に形成されており、当該リブの中心は、上記ｐ型半導体領域に包含されている、
    ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体光導波路。
  5. 上記リブの中心と、上記第２の平面との距離は、内蔵電位によって形成される空乏層の厚さの５０％以上１００％以下である、
    ことを特徴とする請求項４に記載の半導体光導波路。
  6. 上記ｎ型半導体領域の電子密度に対する上記ｐ型半導体領域の正孔密度の割合は、３５％より大きく１００％より小さい、
    ことを特徴とする請求項４に記載の半導体光導波路。
  7. 上記リブの中心と、上記第２の平面との距離は、内蔵電位によって形成される空乏層の厚さの５０％以上２００％以下である、
    ことを特徴とする請求項６に記載の半導体光導波路。
  8. 上記コアを取り囲むクラッドを更に備えており、
    上記ｐ型半導体領域及び上記ｎ型半導体領域は、それぞれ、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。
  9. 上記コアを構成する一対のスラブのうち、第１のスラブに接続された第１の進行波電極と、第２のスラブに接続された第２の進行波電極とを更に備えている、
    ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体光導波路。
  10. 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請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体光導波路を備えている、
    ことを特徴とする半導体光変調器。
  11. 請求項１０に記載の半導体光変調器と、
    上記ｐ型半導体領域及び上記ｎ型半導体領域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。
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