JP2019215488A - 電気光学変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】リブ型Ｓｉ導波路と高効率に光結合し、変調効率を高めると共に、積層された半導体層における電気容量や引出抵抗の低減を実現する、Ｓｉ基板上に集積化可能なＳＩＳ型電気光学変調器を提供する。【解決手段】導電型の異なる第１の半導体層４及び第２の半導体層５と両半導体層間の誘電体層１１で構成されるＳＩＳ型接合において、両半導体層に結合された電極からの電気信号により、自由キャリアが、誘導体層１１の両側で蓄積、除去、または反転することにより、光信号電界が感じる自由キャリア濃度が変調されることを利用した電気光学変調器であって、ＳＩＳ型接合の幅方向に直交する偏光成分を有する光が誘電体層１１に入射され、該入射する光の波長をλ、該入射光に対する実効屈折率をｎｅｆｆとした時、ＳＩＳ型接合の幅Ｗが、λ／ｎｅｆｆ以下であることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、情報処理および通信分野において必要となる、高速電気信号を光信号に高速に変換する電気光学変調器に関する。

家庭用光ファイバおよびローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）などの様々なシステム用の１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍの光ファイバ通信波長で機能するシリコンフォトニクスを利用した光通信デバイスは、ＣＭＯＳ技術を利用して、光機能素子および電子回路をシリコンプラットフォーム上に集積化可能とする非常に有望な技術である。

近年、シリコン・ベースの導波路、光結合器、および波長フィルタなどの受動デバイスは、非常に広く研究されている。また、このような通信システム用の光信号を操作する手段として重要な技術として、シリコン・ベースの光変調器や光スイッチなどの能動素子が挙げられ、非常に注目されている。シリコンの熱光学効果を利用して屈折率を変化させる光スイッチや変調素子は、低速であり、１Ｍｂ／秒の変調周波数までの装置速度にしか使用出来ない。従って、より多くの光通信システムにおいて要求される高い変調周波数を実現するためには、電気光学効果を利用した光変調素子が必要である。

現在提案されている電気光学変調器の多くは、キャリアプラズマ効果を利用して、シリコン層中の自由キャリア密度を変化させることにより、屈折率の実数部と虚数部を変化させ、光の位相や強度を変化させるデバイスである。純シリコンは、線形電気光学効果（Ｐｏｃｋｅｌｓ）効果を示さず、またＦｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果やＫｅｒｒ効果による屈折率の変化は非常に小さいため、上記の効果が広く利用されている。自由キャリア吸収を利用した変調器では、Ｓｉ中を伝播する光吸収の変化により、出力が直接変調される。屈折率変化を利用した構造としては、マッハ・ツェンダー干渉計を利用したものが一般的であり、二本のアームにおける光位相差を干渉させて、光の強度変調信号を得ることが可能である。

電気光学変調器における自由キャリア密度は、自由キャリアの注入、蓄積、除去、または反転によって変えることが出来る。現在までに検討されたこのような装置の多くは、光変調効率が悪く、光位相変調に必要な長さがｍｍオーダーであり、１ｋＡ／ｃｍ^３より高い注入電流密度が必要である。小型・高集積化、さらには低消費電力化を実現するためには、高い光変調効率が得られる素子構造が必要であり、これにより光位相変調長さを小さくすることが可能である。また、素子サイズが大きい場合、シリコンプラットフォーム上での温度分布の影響を受け易くなり、熱光学効果に起因するシリコン層の屈折率変化により、本来の電気光学効果を打ち消すことも想定され、問題である。

特許文献１にはＳＩＳ（semiconductor-insulator-semiconductor）型構造からなるシリコン・ベース電気光学変調器が開示されている。この変調器は、ｐ−Ｓｉ４からなる第１の導電型の本体領域とこれと部分的に重なるように積層されたｎ−Ｓｉ５からなる第２の導電型のゲート領域からなり、この積層界面に比較的薄い誘電体層１１を形成したシリコン・ベース電気光学変調器である。図１には従来技術によるＳＩＳ型構造からなるシリコン・ベース電気光学変調器を示す。このようなシリコン・ベース電気光学変調器は、ＳＯＩプラットフォーム（Ｓｉ支持基板１及びＢＯＸ層２）上に形成され、前記本体領域は、ＳＯＩ基板の比較的薄いシリコン表面層４に形成されており、ゲート領域はＳＯＩ構造に積層される比較的薄いシリコン層５で出来ている。ゲートおよび本体領域内はドープ処理され、ドープ処理された領域は、キャリア密度変化が外部信号電圧により制御されるように規定されている。この時、理想的には、光信号電界とキャリア密度が動的に外部制御される領域は一致させることが望ましく、前記誘電体層１１の両側で、自由キャリアが蓄積、除去、または反転されることにより、光位相変調がなされる。しかし、実際にはキャリア密度が動的に変化する領域は十ｎｍ程度と非常に薄いことが問題であり、これによりｍｍオーダーの光変調長さが必要となり、電気光学変調器のサイズが大きく、電気容量が大きいために高速動作が難しいという課題がある。

また、特許文献２には、図２に示すように第１の導電型の第１のシリコン半導体層４と第２の導電型の第２のシリコン半導体層５との積層構造がリブ導波路形状を有して光の閉じ込め領域を構成し、リブ導波路のスラブ部分に、金属電極（９及び１０）が接続された領域（６及び７）を設ける。金属電極が接続された領域においてスラブ部分の厚さをその周囲のスラブ部分の厚さよりも大きくする。金属電極が接続された領域までのリブ導波路からの距離を変化させたときにリブ導波路の０次モードの実効屈折率が変化しないようなその距離の範囲内に、金属電極が接続された領域を設定するシリコン光変調器が開示されている。第１の導電型のシリコン半導体層と第２の導電型の第２のシリコン半導体層に隣接して形成される電極層が干渉しないように、第１の導電型のシリコン半導体層に隣接する電極層を離す必要があり、第１の導電型のシリコン半導体層から電極層に至る引出抵抗が高くなる場合があった。一方、第２の導電型の第２のシリコン半導体層に隣接して形成される電極層を、リブ型導波路に近づけた場合、光損失が大きくなる。

特表２００６−５１５０８２号公報 特開２０１１−１８０５９５号公報

従って、小型・低電圧化が可能なＳＩＳ型電気光学変調器に関して、変調効率を高めると共に、電気容量の低減による低消費電力化や周波数帯域の改善が課題である。

本発明の目的は、リブ型Ｓｉ導波路と高効率に光結合し、変調効率を高めると共に、積層された半導体層における電気容量や引出抵抗の低減を実現する、Ｓｉ基板上に集積化可能なＳＩＳ型電気光学変調器を提供することにある。

本発明の電気光学変調器は、第１の導電型を呈するようにドープ処理された第１の半導体層と第２の導電型を呈するようにドープ処理された第２の半導体層の少なくとも一部が積層された構造からなり、前記積層された両半導体層の界面に、誘電体層が形成されたＳＩＳ（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型接合において、前記第１および第２の半導体層に結合された電極からの電気信号により、自由キャリアが、前記誘導体層の両側で蓄積、除去、または反転することにより、光信号電界が感じる自由キャリア濃度が変調されることを利用した電気光学変調器であって、
前記ＳＩＳ型接合の幅方向に直交する偏光成分を有する光が前記誘電体層に入射され、該入射する光の波長をλ、前記電気光学変調器の入射光に対する実効屈折率をｎ_ｅｆｆとした時、前記ＳＩＳ型接合の幅が、λ／ｎ_ｅｆｆ以下であることを特徴とする。

本発明に依れば、リブ型Ｓｉ導波路と高効率に光結合し、変調効率を高めると共に、積層された半導体層における電気容量や引出抵抗の低減を実現する、Ｓｉ基板上に集積化可能なＳＩＳ型電気光学変調器を提供することができる。

従来技術のＳＩＳ構造からなる電気光学変調器の構造例の断面図。 従来技術のＳＩＳ構造からなる電気光学変調器の構造例の断面図。 本発明の一実施形態に係る電気光学変調器の構造例の断面図。 本発明の第１のモード変換器においてＴＥ０モードをＴＥ１モードに変換する構造の概略図。 本発明の第１のモード変換器においてＴＥ１モードをＴＭ０モードに変換する構造の概略図。 本発明の一実施形態に係る電気光学変調器の構造例の断面図。 本発明の一実施形態に係る電気光学変調器の構造例の断面図。 本発明の一実施形態に係る電気光学変調器の構造例の断面図。 本発明の一実施形態に係る電気光学変調器の製造工程（ａ）〜（ｅ）を示す断面図。 本発明の一実施形態に係る電気光学変調器の製造工程（ｆ）〜（ｉ）を示す断面図。 本発明と従来型の電気光学変調器の光変調効率の導波路幅依存を比較したグラフ。 本発明と従来型の電気光学変調器の光変調特性の周波数依存を比較したグラフ。 本発明の電気光学変調器を用いたマッハ・ツェンダー干渉計型の光強度変調器の実施例を示す概略図。

以下、本発明の実施の形態について例を挙げて説明する。
図３は、本発明の一実施形態に係る電気光学変調器の一例を示す断面図である。ここでは、第１の導電型をｐ型、第２の導電型をｎ型として説明するが、逆に第１の導電型をｎ型、第２の導電型をｐ型としてもよい。

図３において、ＳＯＩ基板の支持基板１に対して下部クラッドとなる埋め込み酸化物層（ＢＯＸ層）２を介して平行に配置された第１の導電型（ｐ）を呈するようにドープ処理された第１の半導体層４と第２の導電型（ｎ）を呈するようにドープ処理された第２の半導体層５の少なくとも一部が積層された構造からなり、積層された両半導体層の界面に、誘電体層１１が形成されたＳＩＳ型接合を有する。図３においては、第１の半導体層４がリブ導波路構造に形成されており、このリブ導波路上に誘電体層１１が形成され、さらにその上に第２の半導体層５が積層されている。また、第１の半導体層４のリブ導波路構造の両側にスラブ領域が形成され、該スラブ領域の一部と、リブ導波路構造と同等の高さに形成された領域に高濃度の第１の導電型（ｐ＋）にドープ処理された第１コンタクト領域６を設けている。なお、ＳＯＩ基板の支持基板１とＢＯＸ層２を合わせて単に基板ということがある。

第１の半導体層４に隣接して、リブ導波路と同等の高さの高濃度ドープされた第１コンタクト領域６が形成されているために、電極引出し抵抗、すなわち直列抵抗成分を小さくし、ＲＣ時定数を小さくすることが可能である。さらに、第２の半導体層５の厚さを調整することにより、光フィールドとキャリア密度が変調される領域とのオーバーラップが改善され、電気光学変調器の小型化も可能である。

なお、第１コンタクト領域６は、必ずしもリブ導波路と同等の高さに形成する必要は無く、スラブ領域高さの第１の半導体層４に高濃度ドープして第１コンタクト領域６とすることもできる。また、この例では、ＳＩＳ型接合の幅方向は基板面と平行な方向、すなわち、第１の半導体層４、誘電体層１１及び第２の半導体層５を基板上に積層する構成としているが、これに限定されず、基板面に垂直な方向にＳＩＳ型接合の幅方向が向くように構成してもよい。後述する光モード変換器を同一基板上に同時に形成することを考慮すると、ＳＩＳ型接合の幅方向は基板面と平行な方向であり、第１の半導体層４はリブ導波路構造に形成することが好ましい。

この時、このドーピング密度を上昇させた領域と光フィールドとのオーバーラップによる光吸収損失を低減するために、本発明では図に示すようなリブ／リッジ形状からなる導波路形状とし、スラブ領域のドーピング密度を上昇させた構造とすることにより、光損失が小さく、ＲＣ時定数の小さい、高速動作する電気光学変調器を得ることが可能となる。また、リブ導波路と同等の高さの第１コンタクト領域を、リブ型導波路構造に近づけた時に生じる、高次光伝搬モードの励振を抑制することも可能となる。

第２の半導体層５にも同様に、高濃度の第２の導電型（ｎ＋）にドープ処理された第２コンタクト領域７を備える。これらの半導体層は上部クラッドとなる酸化物クラッド８で覆われており、下部クラッドとなるＢＯＸ層２とともに光閉じ込め構造が形成されている。さらに、第１コンタクト領域６に接続される第１電極９、第２コンタクト領域７に接続される第２電極１０が配されて、図示する電気光学変調器が構成される。なお、図１及び図２、さらに後述する図６〜９において、同じ符号は同等の構成を示す。

この電気光学変調器は、その構造自体は図２に示す従来構造と類似しているが、第１の半導体層４と第２の半導体層５と両半導体層の界面に形成された比較的薄い誘電体層１１とで形成されるＳＩＳ型接合の幅Ｗが図２のものよりも狭く形成されている。また、このＳＩＳ型接合に対して入射する光は、符号１２に示すように、ＳＩＳ型接合の幅方向（紙面の左右方向）に対して直交する方向に偏光成分を有する光である点が特徴である。

従来、ＳＩＳ型構造のシリコン・ベース電気光学変調器では、ＳＩＳ型接合の幅方向に平行な偏光成分を有する光、例えば、図１及び図２に示すように、ＳＩＳ型接合の幅方向がＳＯＩ基板の基板面に平行な方向となる横方向電界（ＴＥ(transverse electric)）モードの光が入射されていた。このとき、ＳＩＳ型接合の幅を小さくしていくと、光変調効率が低下して実用的でなくなる。したがって、入射する光の波長をλ、入射光に対する実効屈折率をｎ_ｅｆｆとした時、ＳＩＳ型接合の幅をλ／ｎ_ｅｆｆ以上とすることが通常である。

一方、本発明者らの検討により、ＳＩＳ型接合の幅方向に直交する偏光成分を有する光を入射光として用いた場合、ＳＩＳ型接合の幅をλ／ｎ_ｅｆｆ以下としても光変調効率が低下し難いことを見出した。また、ＳＩＳ型接合の幅を狭くできる結果、ＳＩＳ型接合を構成する第１の半導体層４に隣接して形成される第１コンタクト領域６をＳＩＳ型接合の幅が狭くなった分だけ近づけることが可能となり、半導体層から電極に至る引出抵抗を低減することが可能となる。ＳＩＳ型接合の幅としては、λ／２ｎ_ｅｆｆ以下とすることがより好ましい。つまり、従来のＳＩＳ型接合の幅の１／２以下としても十分な変調効率を得ることが可能である。すなわち、従来のＳＩＳ型接合構造からなる電気光学変調器に対して、変調効率を維持しながら、１／２以下の低消費電力化、２倍以上の広帯域化が実現可能である。さらに、本発明においては、電極引出抵抗の低減により、低抵抗かつ低電気容量で高速動作可能な電気光学変調器を実現することが可能である。

この時、ＳＩＳ型接合の幅方向に直交する偏光成分を有する光は、入力側の光モード変換器（第１の光モード変換器という）により形成されるスロットモードの光であることが好ましい。つまり、第１の光モード変換器において、スロットモード以外の光をスロットモードの光に変換して電気光学変調器に入射することができる。これにより、前記ＳＩＳ型接合の幅をλ／ｎ_ｅｆｆ以下としても、比較的高い変調効率を実現することが可能である。

本実施形態における電気光学変調器にて変調された光は、その出力側に結合された光モード変換器（第２の光モード変換器）により、第１の光モード変換器に入力された光と同じモードに変換されることが好ましい。つまり、電気光学変調器にて変調されたスロットモードの光が第２の光モード変換器により第１の光モード変換器に入力された前記スロットモード以外の光に戻されて出力される。これにより、電気光学変調器が集積された光回路における偏光方向を電気光学変調器の入出力光と統一することが可能となり、光パワー分岐デバイスや光結合器における光損失が小さい高集積光回路が実現可能となる。

これらの第１及び第２の光モード変換器は、本実施形態に係る電気光学変調器と同一基板に形成（備え）られていることが、光損失の低減の観点から好ましい。例えば、図３に示すような基板面に平行な方向にＳＩＳ型接合の幅方向がある場合、第１の光モード変換器は、入力側に略単峰のパワー密度を有するＴＥモード（ＴＥ０）が入射され、略単峰のパワー密度を有する横方向磁界（０次のＴＭ(transverse magnetic):ＴＭ０）モードの光に変換されて出力される。これにより、レーザダイオードの発振モードであるＴＥモードで出力された光モードおよびレーザダイオードと結合したＴＥモードで伝播する光導波路との光結合が容易となる。

通常、このような光モード変換器は、１段階でＴＥ０モードからＴＭ０モードに変換されるものは構造が複雑であることから、一旦、入力されたＴＥ０モードの光が略双峰のパワー密度分布を持つＴＥ１モードの光に変換され、さらにＴＥ１モードの光がＴＭ０モードの光に変換されるように、２つの部分で構成されることが好ましい。

ＴＥ０モードの光をＴＥ１モードの光に変換するには、図４に示すような２本の幅の異なる光導波路を並列に配置した方向性結合器２０などが適用可能である。図４において、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線での断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線での断面図を示す。図４に示す方向結合器２０は、幅の狭いＴＥ０導波路２１と幅の広いＴＥ１導波路２２が、入力側では（ｂ）に示すように離れて配置されているが、（ｃ）に示すように近接して配置される部分でＴＥ０導波路２１からＴＥ１導波路２２に光２３が滲み出し、両者の導波路幅を最適化することで次数変換が可能となる。両導波路２１及び２２は、本実施形態に係る電気光学変調器と同一基板に備えられる時、ＳＯＩ基板上の第１の半導体で形成することができる。

また、前記略双峰のパワー密度分布を持つＴＥ１モードの光をＴＭ０モードに変換するには、図５に示すようなモード変換部３０を用いる。図５（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’線での断面図、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ’線での断面図を示す。同図に示すように、テーパー形状からなる導波路３１を用いることが有効である。導波路３１は、図４に示すＴＥ１導波路２２を延在させて形成することができ、第１の半導体層４とすることができる。ＴＭ０モードに変換された光は、本実施形態に係る電気光学変調器へとそのまま入射されるように、導波路３１（第１の半導体層４）のテーパー形状と逆方向に広がるテーパー形状を有する第２の半導体層５からなる上部層３２およびその間に比較的薄い誘電体層１１が積層された構造を適用することが有効である。導波路３１のテーパー先端部３３は、本実施形態に係る電気光学変調器におけるＳＩＳ型接合の幅Ｗまで狭めることができる。

これにより、前記電気光学変調器において、スロットモードと呼ばれる前記比較的薄い誘電体層に局在したＴＭ０の光モードを生成することが可能となる。この時、ＴＭ０モードの光電界方向は、ＳＩＳ型接合に直交するように設計される。これによりＳＩＳ型接合の幅Ｗを小さくし、電気容量を小さくした場合においても、比較的大きな変調効率が得られ、高効率で低消費電力・広帯域な電気光学変調器を実現することが可能となる。

一方、第２の光モード変換器は、第１の光モード変換器とは逆の構成を有しており、本実施形態に係る電気光学変調器によって変調されたＴＭ０モードの光信号を図５の逆方向の構成によりＴＥ１モードに変換し、さらに図４の逆方向の構成によりＴＥ１導波路２２からＴＥ０導波路２１へ光を変換して、出力側にＴＥ０モードの光として取り出す。

本発明において、積層された第１の半導体層４と第２の半導体層５の界面に介在する比較的薄い誘電体層１１は、第１及び第２の半導体層よりも屈折率の低い無機材料、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物、ハフニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、希土類酸化物、電気光学効果を有する強誘電体膜から選択されるいずれか１種類、あるいはこれらの少なくとも２種類からなる混合膜または積層膜とすることができる。誘電体層１１の厚みとしては、特に制限されるものではないが、ＳｉＯ２換算膜厚として、１〜１０ｎｍ程度が好ましい。

電気光学効果を有する強誘電体層を用いる場合には、電圧印加時に第１あるいは第２の半導体層における屈折率変化と強誘電体層のポッケルス効果による屈折率変化の符号が逆になるため、強誘電体層のポッケルス効果による屈折率変化がより大きくなるように強誘電体層厚や材料構成を選択することが好ましい。

本発明においては、前記第１および第２の半導体層は、多結晶シリコン、歪シリコン、単結晶シリコン、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ、化合物半導体からなる群から選択される少なくとも一層から構成されることができる。

また、ＳＩＳ型接合の幅方向に直交する偏光成分を有する光モード電界方向に対して平行な方向に、第１あるいは第２の半導体層の結晶方位が自由キャリアの有効質量が小さい結晶方位に選択されることが好ましい。これにより、より大きな光変調効率を実現することが可能となる。

さらに、本発明においては、前記第１および第２コンタクト領域に形成された電極（電気端子）は、光信号損失を小さくするように、さらに低い直列抵抗を与えながら配置されていることが好ましい。

以下の説明は、本発明に係る電気光学変調器の動作を、これに基づく半導体層内の変調メカニズムの概要として説明するものである。図示した実施形態のいくつかのものが変調構造に関連しているが、本発明の電気光学変調器は、以下に説明する電気光学効果（自由キャリアプラズマ効果）を利用するものである。

純粋な電気光学効果はシリコン内には存在しないか、または非常に弱いため、自由キャリアプラズマ効果と熱光学効果だけが光変調動作に利用出来る。本発明が目的とする高速動作（Ｇｂ／秒以上）のためには、自由キャリアプラズマ効果だけが効果的であり、屈折率の変化は以下の関係式（１）及び（２）の１次近似値で説明される。

式中、ΔｎおよびΔｋは、半導体層の屈折率変化の実部および虚部を表わしており、ｅは電荷、λは光波長であり、ε_０は真空中の誘電率であり、ｎは真性半導体の屈折率、ｍ_ｅは電子キャリアの有効質量、ｍ_ｈはホールキャリアの有効質量であり、μ_ｅは電子キャリアの移動度、μ_ｈはホールキャリアの移動度、ΔＮ_ｅは電子キャリアの濃度変化、ΔＮ_ｈはホールキャリアの濃度変化である。従って、電子およびホールキャリアの有効質量を小さくすること、すなわちＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層や化合物半導体であるＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰなどを適用することにより、自由キャリアの有効質量が大幅に低減され、より大きな屈折率変化を得ることが可能である。

半導体層中の自由キャリアプラズマ効果に基づく電気光学効果の実験的な評価が行われており、光通信システムで使用する１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍ波長でのキャリア密度に対する屈折率変化は、Ｄｒｕｄｅの式と良く一致することが分かっている。また、これを利用した電気光学変調器においては、位相変化量Δθは以下の式（３）で定義される。

式中、Ｌは電気光学変調器の光伝播方向に沿ったアクティブ層の長さである。Δｎ_effは実効屈折率の変化量である。
本発明では、実効屈折率の変化量を大きくできる結果、所望の位相変化量Δθを得るためのアクティブ層の長さＬを短くすることができる。

上記実施形態では、電気光学変調器として図３に示す構造を例に説明したが、本発明はこの実施形態のみに限定されず、以下のような実施形態を例示的に挙げることができる。

図６に示す本発明の別の実施形態例に係る構造では、図３の構成に加え、ＳＩＳ接合を形成する２層の半導体層のうち、第１の半導体層（ｐ型Ｓｉ層）４のリブ導波路形状部分に同じ導電型（ｐ型）のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（０＜ｘ≦０．９、好ましくは０．０１≦ｘ０．９）層（以下、ＳｉＧｅ層）１３が設けられており、第１の半導体層４に積層プロセスによる歪応力の印加がなされている。該ＳｉＧｅ層１３は、Ｇｅ濃度の異なる層の積層構造とすることもできる。この時、リブ上部領域に形成されるＳｉＧｅ層１３の厚さは、自由キャリアが誘電体層１１の両側で蓄積、除去、または反転する半導体層の最大空乏層厚さＸｄに対して、その２倍を越えても変調効率を改善する効果はあるが、より効果的には２倍以下であることが好ましい。
最大空乏層厚Ｘｄは、熱平衡状態では下記数式（４）で与えられる。

ここでε_ｓは、半導体層の誘電率、ｋはボルツマン定数、Ｎ_ｃはキャリア密度、ｎ_ｉは真性キャリア濃度、ｅは電荷量である。例えば、Ｎ_ｃが１０^１７／ｃｍ^３の時、最大空乏層厚は０．１μｍ程度であり、キャリア密度が上昇するに伴い、空乏層厚、すなわちキャリア密度の変調が生じる領域の厚みは薄くなる。したがって、この場合は、ＳｉＧｅ層１３の厚さは０．２μｍ以下に形成されることが好ましい。

さらに、本発明の別の実施形態では、図７に示すように左右非対称なＳＩＳ型接合構造を形成することができる。図７では、第１の半導体層４’に対して第１コンタクト領域６が片側（紙面左側）に形成され、第２の半導体層５’に対して第２コンタクト領域７が第１コンタクト領域６の形成される側と反対側（紙面右側）に形成される。あるいは図８に示すように、ＳＩＳ型接合の幅方向に直交する偏光成分を有する光のモード電界方向に対して平行な方向（すなわちＳＩＳ型接合の幅方向）にリブ導波路構造に形成された第１の半導体層４”がテーパー状に広がっている構造、すなわちＳＩＳ型接合の幅Ｗに対して、リブ導波路構造の裾部分の幅Ｗ_Ｔが広がっている構造とすることもできる。これらの構造により、寄生電気容量が低減し、さらなる高速動作が可能となる。また、第２の半導体５の一部が誘電体層１１との接触面から上方向に向かってテーパー状に広がっている構造としてもよい。つまり、第１あるいは第２の半導体層が、前記比較的薄い誘電体層に対して直交する方向にテーパー状に広がっている構造とすることができる。これにより、ＳＩＳ型接合部における寄生電気容量を小さくすることが可能となると共に、光モードフィールドをより効率的に第１あるいは第２の半導体層中に閉じ込めることが可能となる。

さらに、上記実施形態では、第１及び第２の半導体層としてシリコン系の半導体について説明したが、第１の半導体層４に対して誘電体層１１を介して積層される第２の半導体層としては、ＩｎＧａＡｓＰなどのIII−Ｖ族化合物半導体層を用いることもできる。第２の半導体層としてこのような化合物半導体層を用いることで、光変調効率の改善と共に、光損失の増大を低減することが可能となる。

次に，本発明に係る電気光学変調器の製造方法について、図７に示す左右非対称構造を有するＳＩＳ型接合を有する実施形態を例に説明する。他の実施形態についても同様に製造できることは当業者に自明である。
図９−１及び図９−２における工程（ａ）−（ｉ）は、図７に示す電気光学変調器を形成する方法の一例を示す工程断面図である。

工程（ａ）は、本実施形態の電気光学変調器を形成するために用いるＳＯＩ基板３を準備する工程である。このＳＯＩ基板は、支持基板１と埋め込み酸化層２とその上に１００−１０００ｎｍ程度のＳｉ層が第１の半導体層４として積層された構造からなる。光損失を低減するために、埋め込み酸化層２の厚みは１０００ｎｍ以上である構造を適用することが好ましい。この埋め込み酸化層２上のＳｉ層は、第１の導電型（例えば、ｐ型）を呈するように予めドーピング処理された基板を用いるか、あるいはイオン注入などにより、リン（Ｐ：ｎ型）あるいはボロン（Ｂ：ｐ型）を表面層にドープ処理した後、熱処理しても良い。

次に工程（ｂ）では、リブ導波路形状を形成するためのマスクとして酸化膜マスク４１とＳｉＮ_ｘハードマスク層４２の積層構造を形成し、ＵＶリソグラフィとドライエッチング法などによりパターニングする。このとき、第１コンタクト領域６を形成する部分にも積層構造を形成しておく。

次に工程（ｃ）では、酸化膜マスク４１とＳｉＮ_ｘハードマスク４２をマスクにして、第１の半導体層４をパターニングして、リブ導波路形状４ａとする。第１コンタクト領域６を形成する部分も４ｂとして残り、その他はスラブ領域４ｃとなる。また、この時、同じＳＯＩ基板上に、電気光学変調器に入力されるＴＥ０モードの光をＴＥ１モードに変換して、さらにＴＭ０モードに変換する第１および第２のモード変換器を構成するシリコン導波路部もパターニングして形成する。さらに、図示しないエッチングマスクで４ａ、４ｂ及び４ａと４ｂ間のスラブ領域４ｃを保護し、露出するスラブ領域４ｃの一部は除去する。

次に工程（ｄ）では、リブ導波路形状と同等の高さの隣接する第１コンタクト領域６を形成する部分とスラブ領域の一部にイオン注入法などにより高濃度の第１の導電型の不純物（例えばボロン（Ｂ）をドープして、第１コンタクト領域６を形成する。

次に工程（ｅ）では、酸化物クラッド８の一部８ａを積層し、ＣＭＰ （ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法により平坦化を行う。

次に工程（ｆ）に示すように、残存するＳｉＮ_ｘハードマスク４２および酸化膜マスク４１を熱リン酸および希フッ酸処理などにより除去し、リブ導波路形状４ａの上層部に２〜１０ｎｍ程度の比較的薄い誘電体層１１を形成する。また、第１および第２のモード変換器を構成するシリコン導波路部分にも同様に誘電体層１１を形成してもよい。誘電体層の形成方法としては、熱酸化法、原子層堆積法（ＡＬＤ法）、ＣＶＤ法などの公知の方法が挙げられる。

さらに第２の導電型を呈するようにドープ処理された第２の半導体層５として、ｎドープ多結晶シリコン層を積層し、第２コンタクト領域が形成出来る程度の幅にドライエッチング法などによりパターニングする。また、図５に示すモード変換部３０の上層３２を構成する多結晶シリコン層も同様に積層し、ドライエッチング法などによりパターニングする。

次に工程（ｇ）において、第２の半導体層５の一部に高濃度の第２導電型の不純物（例えばリン（Ｐ））のドープをイオン注入法などにより行い、第２コンタクト領域７を形成する。

次に工程（ｈ）に示すように、酸化物クラッド８をさらに１μｍ程度積層し、工程（ｉ）に示すように、第１コンタクト領域６および第２コンタクト領域７との電気接続を取る為のコンタクトホール４３及び４４をドライエッチング法などにより形成する。

最後にコンタクトホール４３及び４４に、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ａｌ（Ｃｕ）あるいはＴｉ／ＴｉＮ／Ｗなどの金属層をスパッタ法やＣＶＤ法により成膜し、反応性エッチングによりパターニングすることにより、図７に示す第１コンタクト領域６に接続される第１電極９、第２コンタクト領域７に接続される第２電極１０を形成して、駆動回路との接続を行う。

次に、本発明の効果について説明する。
図１０はＳＩＳ接合型電気光変調器において、前記比較的薄い誘電体層として２ｎｍのＳｉＯ_２を採用した場合における、本発明に係るスロット光モードであるＴＭ０モードの光を適用した場合（Ｉ）と、従来のＴＥ０モードの光を適用した場合（ＩＩ）の光変調効率（Ｖ_πＬ）のＳＩＳ型接合の幅依存性を示すグラフである。この時、光変調効率の性能指標であるＶ_πＬは、変調効率が高い時により小さい値となる。また、この例において、ＳＩＳ型接合の幅は導波路幅と同等とした。また、０．４μｍにおいて、おおよそλ／ｎ_ｅｆｆとなるものとする。なお、実際には波長λが１．３１μｍに対して実効屈折率ｎ_ｅｆｆが２．８程度のため、λ／ｎ_ｅｆｆは４６８ｎｍ程度となる。本発明のＴＭ０モードを用いた場合（Ｉ）では、導波路幅を小さくしても比較的高い変調効率が得られることが分かる。つまり、従来の導波路幅を０．４μｍとすると、その１／２である０．２μｍでは、本発明（Ｉ）と従来例（ＩＩ）とでは変調効率に明確な差が確認でき、さらにそれよりも狭くすると、本発明では多少の変調効率の低下で収まるのに対し、従来例では大きく低下していることが分かる。このように、本発明に係る電気光学変調器では、電気容量を顕著に小さくすることが可能となり、低消費電力化と広帯域化が実現可能であった。

図１１は本発明のスロットモードにより導波路幅を０．２μｍにした場合（Ｉ）と従来型のＴＥモードで導波路幅を０．４μｍとした場合（ＩＩ）の電気光学変調器における光変調周波数特性である。導波路幅を従来の半分とし、さらに電極を近づけ直列抵抗を低減することにより、ＲＣ時定数が小さくなり、従来型と比較してより広帯域である３０ＧＨｚ程度の周波数帯域が得られた。

上記に加えて、周波数帯域を改善するためには、キャリアの移動度が非常に重要である。特に、第２の半導体層として使用する多結晶シリコン層におけるキャリアの移動度は、高速動作する上で課題として挙げられる。従って、アニール処理による再結晶化により粒子径を大きくし、キャリア移動度を改善するか、あるいは第２の半導体層に関して、エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯ）法などを用いて結晶品質を改善することが有効である。

また、第２の半導体層として化合物半導体層を用いる場合には、シリコン半導体層などの第１の半導体層上に比較的薄い誘電体層を形成し、第２の半導体層として化合物半導体層を貼り合せ、リソグラフィプロセスによりエッチング加工後、電極層を形成することにより高効率かつ高速な電気光学変調器が実現可能であった。

図１２は本発明の電気光学変調器の適用例としてマッハ・ツェンダー干渉計型の光強度変調器５０を示す。同図において、平行に配置された第１のアーム５１および第２のアーム５２に本発明に係る電気光学変調器が位相変調部５６に適用され、入力されたＴＥ０モードの光が第１の光モード変換器５５によりＴＥ１モードに変換され、さらにＳＩＳ型接合部でスロットモードを形成するようにＴＭ０モードに変換されＳＩＳ型接合からなる電気光学変調器に光結合する。また、電気光学変調器の出力部において、第２の光モード変換器５７によりＴＥ０モードに変換される。光強度変調器５０に入力される光は導波路５８からこれに入力側で結合する光分岐構造５３により第１のアーム５１と第２のアーム５２に均等パワーとなるように分岐され、第１のアーム５１および第２のアーム５２で光信号の位相変調が行われ、出力側で光結合構造５４により位相干渉が行われることにより、光強度変調信号に変換され、導波路５９から出力される。

ここで、第１のアーム５１にプラスの電圧を印加することにより、薄い誘電体層の両側でキャリア蓄積が生じ、第２のアーム５２にマイナスの電圧を印加することにより、薄い誘電体層の両側のキャリアが除去されることになる。これにより、キャリア蓄積モードでは、電気光学変調器における光信号電界が感じる屈折率が小さくなり、キャリア除去（空乏化）モードでは、光信号電界が感じる屈折率が大きくなり、両アームでの光信号位相差が最大となる。この両アームを伝送する光信号を出力側の第２の光モード変換器５７によりＴＥ０モードの出力光に変換し、光結合構造５４により合波することにより、光強度変調が生じることになる。この光強度変調器５０においては、４０Ｇｂｐｓ以上の光信号の送信が可能であることを確認した。

また、このマッハ・ツェンダー干渉計構造の光強度変調器は、その複数を並列あるいは直列に配置されることにより、より高い転送レートを有する光変調器やマトリックス光スイッチなどへ応用することも可能であった。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の範囲内で当業者が理解できる様々な変更を行うことができる。

＜付記＞
（付記１）
第１の導電型を呈するようにドープ処理された第１の半導体層と第２の導電型を呈するようにドープ処理された第２の半導体層の少なくとも一部が積層された構造からなり、前記積層された両半導体層の界面に、誘電体層が形成されたＳＩＳ（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型接合において、前記第１および第２の半導体層に結合された電極からの電気信号により、自由キャリアが、前記誘導体層の両側で蓄積、除去、または反転することにより、光信号電界が感じる自由キャリア濃度が変調されることを利用した電気光学変調器であって、
前記ＳＩＳ型接合の幅方向に直交する偏光成分を有する光が前記誘電体層に入射され、該入射する光の波長をλ、前記電気光学変調器の入射光に対する実効屈折率をｎ_ｅｆｆとした時、前記ＳＩＳ型接合の幅が、λ／ｎ_ｅｆｆ以下であることを特徴とする電気光学変調器。

（付記２）
前記ＳＩＳ型接合の幅が、λ／２ｎ_ｅｆｆ以下である付記１に記載の電気光学変調器。
（付記３）
前記誘電体層に入射される光が該誘電体層に局在する光モードであるスロットモードの光であり、前記電気光学変調器の入力側に該スロットモード以外の光を該スロットモードに変換する第１の光モード変換器を備えることを特徴とする付記１又は２に記載の電気光学変調器。
（付記４）
前記電気光学変調器の出力側に、前記スロットモードの光を前記スロットモード以外の光に変換する第２の光モード変換器を備えることを特徴とする付記３に記載の電気光学変調器。
（付記５）
前記ＳＩＳ型接合の幅方向が前記第１の半導体層を支持する基板面に平行な方向であり、前記スロットモードの光が０次の横方向磁界（ＴＭ０）モードの光であり、前記前記スロットモード以外の光が０次の横方向電界（ＴＥ０）モードの光である付記３又は４に記載の電気光学変調器。

（付記６）
前記第１および第２の半導体層に結合された電極は、前記第１および第２の半導体層にそれぞれ同一導電型の不純物を前記第１および第２の半導体層よりも高濃度にドープ処理された第１及び第２コンタクト領域に接続される第１電極と第２電極とを有する付記１〜５に記載の電気光学変調器。
（付記７）
前記第１の半導体層は、リブ導波路構造を有し、前記誘電体層は、該リブ導波路上部に形成されていることを特徴とする付記６に記載の電気光学変調器。
（付記８）
前記第１コンタクト領域が前記リブ導波路構造の高さと同じ高さに形成される付記７に記載の電気光学変調器。
（付記９）
前記第１あるいは第２の半導体層が、前記ＳＩＳ型接合の幅方向に対して直交する方向に前記ＳＩＳ型接合の幅からテーパー状に広がる部分を有することを特徴とする付記１〜８に記載の電気光学変調器。

（付記１０）
前記誘電体層が、シリコン酸化物、シリコン窒化物、ハフニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、希土類酸化物、電気光学効果を有する強誘電体膜から選択されるいずれか１種類、あるいはこれらの少なくとも２種類からなる混合物または積層膜であることを特徴とする付記１〜９に記載の電気光学変調器。
（付記１１）
前記第１及び第２の半導体層が、多結晶シリコン、歪シリコン、単結晶シリコン、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（０＜ｘ≦０．９）、化合物半導体からなる群から選択される少なくとも一層を含むことを特徴とする付記１〜１０に記載の電気光学変調器。
（付記１２）
前記第１の半導体層がシリコン層と該シリコン層と前記誘電体層間に形成されたＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（０＜ｘ≦０．９）層とを含む付記１０に記載の電気光学変調器。
（付記１３）
前記第１の半導体層がシリコンを含む層であり、前記第２の半導体層が化合物半導体を含む層である付記１１又は１２に記載の電気光学変調器。
（付記１４）
前記誘電体層に入射する光の電界方向に平行な方向に、前記第１あるいは第２の半導体層の結晶方位が自由キャリアの有効質量が小さい結晶方位となるように選択されることを特徴とする付記１〜１３に記載の電気光学変調器。
（付記１５）
前記電気光学変調器は、ＳＯＩ基板上に形成されており、前記第１の半導体層が該ＳＯＩ基板の一半導体層であり、該ＳＯＩ基板の埋め込み酸化物層を下部クラッドとし、前記第２の半導体層とともに前記第１の半導体層を覆う上部クラッドとなる酸化物クラッドを有することを特徴とする付記１〜１４に記載の電気光学変調器。
（付記１６）
それぞれ平行に配置された第１及び第２のアームと、該第１及び第２のアームの入力側と光結合された光分岐構造と、該第１及び第２のアームの出力側と光結合された光合波構造とを備えたマッハ・ツェンダー干渉計であって、
前記第１及び第２のアームが、付記１〜１５に記載の電気光学変調器を含むことを特徴とするマッハ・ツェンダー干渉計。

１ 支持基板
２ 埋め込み酸化層
３ ＳＯＩ基板
４ 第１の半導体層
５ 第２の半導体層
６ 第１コンタクト領域
７ 第２コンタクト領域
８ 酸化物クラッド
９ 第１電極
１０ 第２電極
１１ 誘電体層
１２ 電気光学変調器に入射する光の偏光方向
１３ ＳｉＧｅ層
２０ 方向性結合器
２１ ＴＥ０導波路
２２ ＴＥ１導波路
２３ 光の滲みだし方向
３０ モード変換部
３１ 導波路
３２ 上層部
３３ 導波路のテーパー先端部
５０ マッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器
５１ 第１のアーム
５２ 第２のアーム
５３ 光分岐構造
５４ 光合波構造
５５ 第１の光モード変換器
５６ 位相変調部
５７ 第２の光モード変換器
５８〜５９ 導波路

Claims (10)

1. 第１の導電型を呈するようにドープ処理された第１の半導体層と第２の導電型を呈するようにドープ処理された第２の半導体層の少なくとも一部が積層された構造からなり、前記積層された両半導体層の界面に、誘電体層が形成されたＳＩＳ（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型接合において、前記第１および第２の半導体層に結合された電極からの電気信号により、自由キャリアが、前記誘導体層の両側で蓄積、除去、または反転することにより、光信号電界が感じる自由キャリア濃度が変調されることを利用した電気光学変調器であって、
   前記ＳＩＳ型接合の幅方向に直交する偏光成分を有する光が前記誘電体層に入射され、該入射する光の波長をλ、前記電気光学変調器の入射光に対する実効屈折率をｎ_ｅｆｆとした時、前記ＳＩＳ型接合の幅が、λ／ｎ_ｅｆｆ以下であることを特徴とする電気光学変調器。
2. 前記ＳＩＳ型接合の幅が、λ／２ｎ_ｅｆｆ以下である請求項１に記載の電気光学変調器。
3. 前記誘電体層に入射される光が該誘電体層に局在する光モードであるスロットモードの光であり、前記電気光学変調器の入力側に該スロットモード以外の光を該スロットモードに変換する第１の光モード変換器を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気光学変調器。
4. 前記電気光学変調器の出力側に、前記スロットモードの光を前記スロットモード以外の光に変換する第２の光モード変換器を備えることを特徴とする請求項３に記載の電気光学変調器。
5. 前記ＳＩＳ型接合の幅方向が前記第１の半導体層を支持する基板面に平行な方向であり、前記スロットモードの光が０次の横方向磁界（ＴＭ０）モードの光であり、前記前記スロットモード以外の光が０次の横方向電界（ＴＥ０）モードの光である請求項３又は４に記載の電気光学変調器。
6. 前記第１および第２の半導体層に結合された電極は、前記第１および第２の半導体層にそれぞれ同一導電型の不純物を前記第１および第２の半導体層よりも高濃度にドープ処理された第１及び第２コンタクト領域に接続される第１電極と第２電極とを有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気光学変調器。
7. 前記第１の半導体層は、リブ導波路構造を有し、前記誘電体層は、該リブ導波路上部に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の電気光学変調器。
8. 前記第１コンタクト領域が前記リブ導波路構造の高さと同じ高さに形成される請求項７に記載の電気光学変調器。
9. 前記第１あるいは第２の半導体層が、前記ＳＩＳ型接合の幅方向に対して直交する方向に前記ＳＩＳ型接合の幅からテーパー状に広がる部分を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気光学変調器。
10. それぞれ平行に配置された第１及び第２のアームと、該第１及び第２のアームの入力側と光結合された光分岐構造と、該第１及び第２のアームの出力側と光結合された光合波構造とを備えたマッハ・ツェンダー干渉計であって、
    前記第１及び第２のアームが、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電気光学変調器を含むことを特徴とするマッハ・ツェンダー干渉計。

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