JP2681044B2 - 光変調器 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光・電子デバイス、具体的には、少なくと
も１つのｐ−ｎの接合を含む、SOI（silcon−on−insul
ator）ベースの光変調器に関するものである。
も１つのｐ−ｎの接合を含む、SOI（silcon−on−insul
ator）ベースの光変調器に関するものである。
［従来の技術］ シリコンベースの回路の動作速度が速くなるにつれ
て、高速コンピュータにおいてチツプ間の遅延が制限要
因となる。この問題を解決するために、チツプ間の遅延
を制限するための手段として、光学的なチツプ間の通信
が提案されてきた。しかしながら、シリコンは能動光学
物質ではない。従つて、シリコン集積回路に配設される
光源を、ハイブリツド物質またはハイブリツド実装技術
のいずれか一方で製造する必要がある。例えば、完全な
集積化のために、GaAs/Siおよび他のハイブリツド構造
体を製造しなければならない。このようなハイブリツド
構造体の技術において、直接光源を変調させること、ま
たは物質の電子光学的活性を利用して光自身を変調させ
ることによつて、シリコン集積回路を通つて伝わる光信
号を変調させるために、高速のGaAs回路機構が使用され
る。また、例えば、GaAs光源をGaAs基板上に成長させ
て、他のチツプからシリコン回路機構によつて駆動する
ような別のハイブリツド実装技術は、変調速度および柔
軟性について制限を有する。１つの制限は、独立して変
調する必要のある多くのチヤネルに光源を分割する場合
に起こる。
て、高速コンピュータにおいてチツプ間の遅延が制限要
因となる。この問題を解決するために、チツプ間の遅延
を制限するための手段として、光学的なチツプ間の通信
が提案されてきた。しかしながら、シリコンは能動光学
物質ではない。従つて、シリコン集積回路に配設される
光源を、ハイブリツド物質またはハイブリツド実装技術
のいずれか一方で製造する必要がある。例えば、完全な
集積化のために、GaAs/Siおよび他のハイブリツド構造
体を製造しなければならない。このようなハイブリツド
構造体の技術において、直接光源を変調させること、ま
たは物質の電子光学的活性を利用して光自身を変調させ
ることによつて、シリコン集積回路を通つて伝わる光信
号を変調させるために、高速のGaAs回路機構が使用され
る。また、例えば、GaAs光源をGaAs基板上に成長させ
て、他のチツプからシリコン回路機構によつて駆動する
ような別のハイブリツド実装技術は、変調速度および柔
軟性について制限を有する。１つの制限は、独立して変
調する必要のある多くのチヤネルに光源を分割する場合
に起こる。
一般的には、このようなハイブリツド物質は、基本的
な物質およびプロセスの問題を含む。したがつて、ハイ
ブリツド物質の光変調器を必要とせず、シリコンベース
の集積回路にDC駆動光放射源のオンチツプ変調を与える
ことが望まれる。また、チツプに生じる電気信号に従つ
て光が変調されるように、電気信号に応答する光変調
器、即ち光・電子変調器を提供することが望まれる。
な物質およびプロセスの問題を含む。したがつて、ハイ
ブリツド物質の光変調器を必要とせず、シリコンベース
の集積回路にDC駆動光放射源のオンチツプ変調を与える
ことが望まれる。また、チツプに生じる電気信号に従つ
て光が変調されるように、電気信号に応答する光変調
器、即ち光・電子変調器を提供することが望まれる。
米国特許第4,745,449号は、III−Ｖ族FET型光導電体
を開示している。米国特許第4,517,581号は、ゲートが
光吸収光導波路としても作用するリブ（脈）として規定
される、JFET型の光検出器を開示している。米国特許第
4,360,246号は、集積された導波路及びFET検出器を開示
している。前記米国特許第4,517,581号及び第4,360,246
号のデバイスは、III−Ｖ族物質で構成される。
を開示している。米国特許第4,517,581号は、ゲートが
光吸収光導波路としても作用するリブ（脈）として規定
される、JFET型の光検出器を開示している。米国特許第
4,360,246号は、集積された導波路及びFET検出器を開示
している。前記米国特許第4,517,581号及び第4,360,246
号のデバイスは、III−Ｖ族物質で構成される。
米国特許第4,729,618号は、例えば回路の一部がInPま
たはGaAsであり、一方、他の部分が例えば低コストの基
板物質で形成される曲導波路などの比較的低い集積度を
有するように、高コストかつ高性能の基板物質を提供す
るハイブリツド集積光学回路を開示している。
たはGaAsであり、一方、他の部分が例えば低コストの基
板物質で形成される曲導波路などの比較的低い集積度を
有するように、高コストかつ高性能の基板物質を提供す
るハイブリツド集積光学回路を開示している。
米国特許第4,438,447号は、光導波路の層によって置
換されたオンチツプ電気接続を有する電子光学集積回路
を開示している。この半導体チツプは、III−Ｖ族の物
質から構成される。
換されたオンチツプ電気接続を有する電子光学集積回路
を開示している。この半導体チツプは、III−Ｖ族の物
質から構成される。
特開昭55−138889は、単結晶基板の光導波路を通るFE
Tおよび集積形成された光オシレータを有する半導体光
パルス発生器を開示している。
Tおよび集積形成された光オシレータを有する半導体光
パルス発生器を開示している。
「ブリーチング誘発の自由キヤリアに基づく導波GaAs
/AlGaAs FET光変調器（Guidedwave GaAs/AlGaAs FET op
tical modulator based on free carrier induced blea
ching）」（Electron.Lett.（UK）、Vol.23、No.24、19
87年11月19日、PP.1302〜1304）は、自由キヤリアのブ
リーチング効果に基づくIII−Ｖ族の光変調器を開示し
ている。そのデバイスは、導波路に自己整合されたFET
ゲートを有する単一量子ウエルFET光変調器である。同
様のデバイスが、「エグジトン・ブリーチングに基づく
新しい単一量子ウエル光・電子デバイス（Novel Single
Quantum Well Optoeleotronic Devices Based on Exit
on Bleaching）」（Journal of Lightwave Technolog
y、Vol.LT−５、No.9、1987年９月）にも開示されてい
る。
/AlGaAs FET光変調器（Guidedwave GaAs/AlGaAs FET op
tical modulator based on free carrier induced blea
ching）」（Electron.Lett.（UK）、Vol.23、No.24、19
87年11月19日、PP.1302〜1304）は、自由キヤリアのブ
リーチング効果に基づくIII−Ｖ族の光変調器を開示し
ている。そのデバイスは、導波路に自己整合されたFET
ゲートを有する単一量子ウエルFET光変調器である。同
様のデバイスが、「エグジトン・ブリーチングに基づく
新しい単一量子ウエル光・電子デバイス（Novel Single
Quantum Well Optoeleotronic Devices Based on Exit
on Bleaching）」（Journal of Lightwave Technolog
y、Vol.LT−５、No.9、1987年９月）にも開示されてい
る。
「集積光エレクトロニクス用の高効率導波路位相変調
（Highly efficient waveguide phase modulator for i
ntegrated optoelectronics）」（Appl.Phys.Lett.,Vo
l.48、No.19、1986年５月12日）は、逆バイアスのリツ
ジ導波されたAlGaAsダブルヘテロ構造を開示している。
（Highly efficient waveguide phase modulator for i
ntegrated optoelectronics）」（Appl.Phys.Lett.,Vo
l.48、No.19、1986年５月12日）は、逆バイアスのリツ
ジ導波されたAlGaAsダブルヘテロ構造を開示している。
しかしながら、この先行技術は、シリコンベースの集
積回路用の光変調器を開示してはいない。
積回路用の光変調器を開示してはいない。
フアイバ光学系用の集積全光変調器および論理ゲート
（Integrated All−Optical Modulator and Logic Gate
for Fiber Optics Systems）」（IGWO 1988年、PP.351
〜354）は、1.32ないし1.55μｍの範囲内の放射用のシ
リコンベースの変調器を開示している。変調光は導波路
内に吸収され、間接的なバンド間吸収によつて電子正孔
対を生み、それによつて導かれた光の波長において、効
果的に導波路の屈折率を低下させる。この変調器は、電
気式号ではなく光信号によつて制御される。
（Integrated All−Optical Modulator and Logic Gate
for Fiber Optics Systems）」（IGWO 1988年、PP.351
〜354）は、1.32ないし1.55μｍの範囲内の放射用のシ
リコンベースの変調器を開示している。変調光は導波路
内に吸収され、間接的なバンド間吸収によつて電子正孔
対を生み、それによつて導かれた光の波長において、効
果的に導波路の屈折率を低下させる。この変調器は、電
気式号ではなく光信号によつて制御される。
「自由キヤリア吸収の効果を用いたリツジ型光導波構
造の赤外光変調器（Infra−red−Light Modulator of R
idge−Type Optical Waveguide Structure Using Effec
t of Free−Carrier Absorption）」（Electronics Let
t.,1986年８月14日、Vol.22、No.17、PP.922〜923）
は、p+Si基板（キヤリア濃度は５×1018cm-3）およびそ
の基板上のp-Si導波路（キヤリア濃度は１×1014cm-3）
を含むリツジ導波構造を有する10.6μｍ放射の光変調を
開示している（第４図参照）。トンネルMISダイオード
は、キヤリア注入用の電極として働く。
造の赤外光変調器（Infra−red−Light Modulator of R
idge−Type Optical Waveguide Structure Using Effec
t of Free−Carrier Absorption）」（Electronics Let
t.,1986年８月14日、Vol.22、No.17、PP.922〜923）
は、p+Si基板（キヤリア濃度は５×1018cm-3）およびそ
の基板上のp-Si導波路（キヤリア濃度は１×1014cm-3）
を含むリツジ導波構造を有する10.6μｍ放射の光変調を
開示している（第４図参照）。トンネルMISダイオード
は、キヤリア注入用の電極として働く。
「λ＝1.3および1.6μｍのための全シリコン活性およ
び不活性導波構成要素All−Silicon Active and Passiv
e Guided−Wave Components for λ＝1.3 and 1.6μ
ｍ）」（Journal of Quantum Electronics、Vol.QE−2
2、No.6、1986年６月）は、多量にドープしたシリコン
基板に成長させた単結晶シリコン層において製造される
1.3μｍのチヤネル導波路および終端結合されたプレー
ナを開示している。
び不活性導波構成要素All−Silicon Active and Passiv
e Guided−Wave Components for λ＝1.3 and 1.6μ
ｍ）」（Journal of Quantum Electronics、Vol.QE−2
2、No.6、1986年６月）は、多量にドープしたシリコン
基板に成長させた単結晶シリコン層において製造される
1.3μｍのチヤネル導波路および終端結合されたプレー
ナを開示している。
第５図は、前記開示と同様のリツジ導波デバイス10の
断面図である。このデバイス10は、３×1019cm-3の濃度
でドープされたn+＜111＞シリコン基板12を含む。基板1
2の上のｎ型エピタキシヤル・シリコン層14は、リツジ
構造16を有する。層14は、９×1014cm-3の濃度でドープ
される。導かれる光（GL）は、デバイス10のチヤネル−
導波路領域を占有する。層14および層12の屈折率の差
が、比較的小さいので、層をかなり厚くする必要があ
る。例えば、第５図のデバイス10の寸法は、Ａ＝10μ
ｍ、Ｂ＝2.8μｍおよびＣ＝4.2μｍである。その結果、
この型のデバイスは、シリコンベースのVLSIの集積化規
則に適合する構造を与えるための最適値よりも小さな寸
法を有する。
断面図である。このデバイス10は、３×1019cm-3の濃度
でドープされたn+＜111＞シリコン基板12を含む。基板1
2の上のｎ型エピタキシヤル・シリコン層14は、リツジ
構造16を有する。層14は、９×1014cm-3の濃度でドープ
される。導かれる光（GL）は、デバイス10のチヤネル−
導波路領域を占有する。層14および層12の屈折率の差
が、比較的小さいので、層をかなり厚くする必要があ
る。例えば、第５図のデバイス10の寸法は、Ａ＝10μ
ｍ、Ｂ＝2.8μｍおよびＣ＝4.2μｍである。その結果、
この型のデバイスは、シリコンベースのVLSIの集積化規
則に適合する構造を与えるための最適値よりも小さな寸
法を有する。
「SOI導波路における光−光変調（Light−by−Light
Modulation in Silicon−on−Insulator Waveguide
s）」（IGWO,1989年 PP.86〜87）は、リツジ導波構造に
向けられる800nmの光を伴う1.3μｍの光の光変調を開示
している。第６図は、同様の変調器20の断面図である。
ｎ型シリコン基板22は、その表面上をおおつて形成され
る厚さ0.4μｍ（Ｄ）の酸化物層24を有する。酸化物層2
4の上には、厚さ0.3μｍのエピタキシヤル成長したシリ
コン層およびその上の厚さ0.15μｍの結晶シリコン層26
が形成される（Ｃ＋Ｂ）。シリコンのエピ層において、
５、10、20または40μｍの幅（Ａ）を有するストライプ
の導波路がエツチングされた。このデバイスは、文献で
報告された最初のSi−on−SiO2リツジ導波路であると言
われている。しかしながら、このデバイスは、光・電子
的にではなく光学的制御によつて動作する。
Modulation in Silicon−on−Insulator Waveguide
s）」（IGWO,1989年 PP.86〜87）は、リツジ導波構造に
向けられる800nmの光を伴う1.3μｍの光の光変調を開示
している。第６図は、同様の変調器20の断面図である。
ｎ型シリコン基板22は、その表面上をおおつて形成され
る厚さ0.4μｍ（Ｄ）の酸化物層24を有する。酸化物層2
4の上には、厚さ0.3μｍのエピタキシヤル成長したシリ
コン層およびその上の厚さ0.15μｍの結晶シリコン層26
が形成される（Ｃ＋Ｂ）。シリコンのエピ層において、
５、10、20または40μｍの幅（Ａ）を有するストライプ
の導波路がエツチングされた。このデバイスは、文献で
報告された最初のSi−on−SiO2リツジ導波路であると言
われている。しかしながら、このデバイスは、光・電子
的にではなく光学的制御によつて動作する。
［発明が解決しようとする課題］ 本発明の目的は、シリコン導波領域および隣接する絶
縁体領域を含む、シリコンベース集積デバイス用の光・
電子変調器を提供することである。
縁体領域を含む、シリコンベース集積デバイス用の光・
電子変調器を提供することである。
本発明の別の目的は、VLSI回路と共に製造できる寸法
を有するSOI光・電子変調器を提供することである。
を有するSOI光・電子変調器を提供することである。
本発明の別の目的は、電化キヤリアの注入によつて生
じる屈折率の変化によつて変調が起こるような光・電子
変調器構造体を提供することである。
じる屈折率の変化によつて変調が起こるような光・電子
変調器構造体を提供することである。
本発明の別の目的は、ハイブリツド物質のプロセス技
術を必要としないオンチツプ光・電子変調器を有するシ
リコンベースの集積回路を提供することである。
術を必要としないオンチツプ光・電子変調器を有するシ
リコンベースの集積回路を提供することである。
［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、シリコン基板と、シリコン基板上に
設けられた絶縁体層と、絶縁体上に設けられた半導体層
と、半導体層内に形成された横方向バイポーラ・トラン
ジスタとを有し、前記トランジスタを流れる電流を制御
することにより、前記トランジスタのベースおよびコレ
クタ領域内の屈折率を変化させ、前記領域内を通過する
光の透過特性または周波数特性を変化させることを特徴
とする光変調器が提供される。そして、本発明の変調器
は、半導体レーザのような外部ソースによつて得られる
放射を変調するシリコンベース集積回路と共に製造する
のに適している。本発明の様々な実施例は、導波モード
において動作するか、または消滅モードにおける動作ス
イツチとして働く。例えば非消滅モードにおいて操作さ
れる場合、そこを通る導かれた放射の位相変化を誘発す
るために、マツハ・ツエンダ型の輝度変調器の１つの腕
（光路）に本発明の変調器を形成し、それによつてデバ
イスの出力において輝度を変調させる。
設けられた絶縁体層と、絶縁体上に設けられた半導体層
と、半導体層内に形成された横方向バイポーラ・トラン
ジスタとを有し、前記トランジスタを流れる電流を制御
することにより、前記トランジスタのベースおよびコレ
クタ領域内の屈折率を変化させ、前記領域内を通過する
光の透過特性または周波数特性を変化させることを特徴
とする光変調器が提供される。そして、本発明の変調器
は、半導体レーザのような外部ソースによつて得られる
放射を変調するシリコンベース集積回路と共に製造する
のに適している。本発明の様々な実施例は、導波モード
において動作するか、または消滅モードにおける動作ス
イツチとして働く。例えば非消滅モードにおいて操作さ
れる場合、そこを通る導かれた放射の位相変化を誘発す
るために、マツハ・ツエンダ型の輝度変調器の１つの腕
（光路）に本発明の変調器を形成し、それによつてデバ
イスの出力において輝度を変調させる。
光の変調とは光の透過特性または周波数特性を変える
ことを意味する。
ことを意味する。
［実施例］ 以下、本発明の実施例について説明する。なお、以下
の説明には、本発明の実施例についての理解を容易にす
るために、本発明に関連する従来技術に関する説明も含
まれている。
の説明には、本発明の実施例についての理解を容易にす
るために、本発明に関連する従来技術に関する説明も含
まれている。
例えば1.3μｍにおいて動作するGaInAsPレーザのよう
な、DC光信号を供給するためのオフチツプ放射源は、第
１図ないし第３図には示されていない。GLで示される導
波領域内を通つて導かれるDC光信号は、周知の手段によ
つて本発明のシリコン・リブ導波デバイスに終端結合さ
れている。
な、DC光信号を供給するためのオフチツプ放射源は、第
１図ないし第３図には示されていない。GLで示される導
波領域内を通つて導かれるDC光信号は、周知の手段によ
つて本発明のシリコン・リブ導波デバイスに終端結合さ
れている。
第１図は（スケールは必らずしも合つていないが）、
本発明に関連する従来例に従つて構成される光・電子SO
I消滅型変調デバイス30の断面図である。変調デバイス3
0は、電荷を注入するために単一ｐ−ｎ接合を有し、そ
れによつて導波チヤネル領域の屈折率が変えられる。
本発明に関連する従来例に従つて構成される光・電子SO
I消滅型変調デバイス30の断面図である。変調デバイス3
0は、電荷を注入するために単一ｐ−ｎ接合を有し、そ
れによつて導波チヤネル領域の屈折率が変えられる。
デバイス30は、シリコン基板32、その上のSiO2等の電
気絶縁体の層34、およびその上のシリコンエピ層36を含
む。エピ層36は、リツジ導波路38を形成するためにエツ
チングされ、さらに層36の下の部分がｎ型でかつ上の部
分がp+になるように選択的にドープされる。
気絶縁体の層34、およびその上のシリコンエピ層36を含
む。エピ層36は、リツジ導波路38を形成するためにエツ
チングされ、さらに層36の下の部分がｎ型でかつ上の部
分がp+になるように選択的にドープされる。
本発明に従うと、エピ層36および絶縁層34の屈折率
（それぞれｎ＝3.5およびｎ＝1.5の差が大きいので、シ
リコンエピ層36は導波路として働く。サブミクロン厚さ
のシリコンは屈折率が大きく異なるので使用でき、した
がつて確実にVLSIの寸法と適合することができる。1.3
μｍにおける単一モード伝搬のための代表的な寸法は、
シリコン導波層の厚さ（Ｃ）が4000Åであり、シリコン
酸化物の厚さ（Ｄ）も4000Åであり、メーサ（リブ）高
さ（Ｂ）は4000Åでリブ幅（Ａ）は4000Åである。シリ
コン基板32の厚さは、任意の値で構わない。本発明の様
々な実施例に関連して、本明細書で与えられる寸法がお
およその値にすぎず、これらの値が本発明に教示する態
様の範囲内にあることは、理解されるであろう。
（それぞれｎ＝3.5およびｎ＝1.5の差が大きいので、シ
リコンエピ層36は導波路として働く。サブミクロン厚さ
のシリコンは屈折率が大きく異なるので使用でき、した
がつて確実にVLSIの寸法と適合することができる。1.3
μｍにおける単一モード伝搬のための代表的な寸法は、
シリコン導波層の厚さ（Ｃ）が4000Åであり、シリコン
酸化物の厚さ（Ｄ）も4000Åであり、メーサ（リブ）高
さ（Ｂ）は4000Åでリブ幅（Ａ）は4000Åである。シリ
コン基板32の厚さは、任意の値で構わない。本発明の様
々な実施例に関連して、本明細書で与えられる寸法がお
およその値にすぎず、これらの値が本発明に教示する態
様の範囲内にあることは、理解されるであろう。
本発明に従うと、図中鎖線で示されるｐ−ｎ接合38a
は、リツジ38の下に形成され、ｐ−ｎ接合38aが適切に
バイアス印加される際に、リツジ38の中に電荷を注入す
る。このため、n++領域40は、層36のｎ型部分を電気的
に接続させるために使用され、コンタクト金属42は、層
36のp+部分を電気的に接続させるためにリツジ38に施さ
れる。
は、リツジ38の下に形成され、ｐ−ｎ接合38aが適切に
バイアス印加される際に、リツジ38の中に電荷を注入す
る。このため、n++領域40は、層36のｎ型部分を電気的
に接続させるために使用され、コンタクト金属42は、層
36のp+部分を電気的に接続させるためにリツジ38に施さ
れる。
第１図のデバイス30は、２つの別個のモードにおいて
動作する。第１のモードは、光が導かれるが、電荷注入
によつて誘発される屈折率変化によつて導かれた光が位
相変化するような状態を含む。第４図に示されているよ
うに、マツハ−ツエンダ位相変調器の１つの腕の中に第
３図のデバイスを統合して製造することによつて、この
特性は利用される。適切な長さのデバイス30、即ち所定
の位相変化を与えるための適切な長さλ/2δｎのデバイ
スは、出力において100％変調を起こす。例えば、1018c
m-3のキヤリア注入に対して、導波路における0.1％の有
効屈折率変化が起こり（図面において寸法は示され
る）、それによつて500波長分の長さ即ち650μｍの長さ
のデバイスが、1.3μｍの導かれた光の100％変調を与え
る。
動作する。第１のモードは、光が導かれるが、電荷注入
によつて誘発される屈折率変化によつて導かれた光が位
相変化するような状態を含む。第４図に示されているよ
うに、マツハ−ツエンダ位相変調器の１つの腕の中に第
３図のデバイスを統合して製造することによつて、この
特性は利用される。適切な長さのデバイス30、即ち所定
の位相変化を与えるための適切な長さλ/2δｎのデバイ
スは、出力において100％変調を起こす。例えば、1018c
m-3のキヤリア注入に対して、導波路における0.1％の有
効屈折率変化が起こり（図面において寸法は示され
る）、それによつて500波長分の長さ即ち650μｍの長さ
のデバイスが、1.3μｍの導かれた光の100％変調を与え
る。
動作の第２のモードは、注入された約1019cm-3のキヤ
リア濃度が導かれた光を消滅させ、即ちリブ38がもはや
導波路として働かないような状態を含む。そして、デバ
イスは消滅モードの変調器として働く。
リア濃度が導かれた光を消滅させ、即ちリブ38がもはや
導波路として働かないような状態を含む。そして、デバ
イスは消滅モードの変調器として働く。
消滅モードにおいて働く第１図のデバイス30は、デバ
イスの寸法が小さく構造および動作が簡便なので、好ま
しい実施例として表されている。約50μｍというデバイ
スのさは、約1019cm-3のキヤリア濃度では、出力におい
て100％の変調を与えるのに十分である。
イスの寸法が小さく構造および動作が簡便なので、好ま
しい実施例として表されている。約50μｍというデバイ
スのさは、約1019cm-3のキヤリア濃度では、出力におい
て100％の変調を与えるのに十分である。
デバイス30の導波および消滅の両方の動作モードにお
ける主な問題は、デバイスのスイツチング速度である。
GHz動作で、シリコンの再結合時間は、一般的にはマイ
クロ秒のオーダであり、変調速度は、ナノ秒のオーダで
ある。キヤリアの寿命は、再結合中心を導入することに
よつて、短くすることができる。しかしながら、この方
法は効率（即ち印加電流に対する有効キヤリア濃度）を
も低下させる。本発明の教示によつて得ることができる
SOI導波路の形状は、キヤリアの寿命を短くするのを助
ける。界面における再結合は、一般的に速いので、デバ
イスの速度は主として界面への拡散時間によつて決定さ
れる。この時間は、与えられる形状に対して、一般的に
１ナノ秒以下である。
ける主な問題は、デバイスのスイツチング速度である。
GHz動作で、シリコンの再結合時間は、一般的にはマイ
クロ秒のオーダであり、変調速度は、ナノ秒のオーダで
ある。キヤリアの寿命は、再結合中心を導入することに
よつて、短くすることができる。しかしながら、この方
法は効率（即ち印加電流に対する有効キヤリア濃度）を
も低下させる。本発明の教示によつて得ることができる
SOI導波路の形状は、キヤリアの寿命を短くするのを助
ける。界面における再結合は、一般的に速いので、デバ
イスの速度は主として界面への拡散時間によつて決定さ
れる。この時間は、与えられる形状に対して、一般的に
１ナノ秒以下である。
速い再結合を得るための別の方法では、空乏モードに
おいてｐ−ｎ接合38aを動作させ、もはや再結合はデバ
イス動作での役割りを果たさない。しかしながら、単一
接合38aでは、与えられるキヤリア濃度に対する空乏部
分の制限がある。例えば、1018cm-3のドーピング濃度に
対しては、空乏幅は200Åである。
おいてｐ−ｎ接合38aを動作させ、もはや再結合はデバ
イス動作での役割りを果たさない。しかしながら、単一
接合38aでは、与えられるキヤリア濃度に対する空乏部
分の制限がある。例えば、1018cm-3のドーピング濃度に
対しては、空乏幅は200Åである。
この問題の１つの解決策は、MBE（分子ビームエピタ
キシ）のような成長技術を使用し、第２図に示されるよ
うなｐ−ｎ積層体を製造することである。第２図は（ス
ケールは必らずしも合つていないが）、本発明に関連す
る別の従来例に従つて構成される光・電子SOI消滅型変
調デバイス50の断面図であり、変調デバイス50は互い違
いに積層されたｐ−ｎ接合を複数有する。デバイス50
は、シリコン基板52、その上のSiO2層54およびその上の
ｎ型シリコンエピ層56を含む。複数の互い違いのp+型お
よびｎ型の薄い層を含む積層体58は、エピ層56の上に配
設される。交互の層は、複数の垂直にぃ配設されたｐ−
ｎ接合を形成する。垂直に配設されたp+領域60は、p+層
を電気的に接続させるために施され、垂直に配設された
n+領域62は、積層体58のｎ層を電気的に接続させるため
に施される。導かれた光が伝播される導波チヤネルは、
概ね図示されるように配置され、積層体58のp+およびｎ
の交互の層を部分的に含む。寸法Ａは、一般的に4000Å
であり、寸法Ｂは約2000ないし8000Åの範囲内にあり、
寸法ＣおよびＤは、それぞれ約2000Åである。各層は約
100Åの厚さである。
キシ）のような成長技術を使用し、第２図に示されるよ
うなｐ−ｎ積層体を製造することである。第２図は（ス
ケールは必らずしも合つていないが）、本発明に関連す
る別の従来例に従つて構成される光・電子SOI消滅型変
調デバイス50の断面図であり、変調デバイス50は互い違
いに積層されたｐ−ｎ接合を複数有する。デバイス50
は、シリコン基板52、その上のSiO2層54およびその上の
ｎ型シリコンエピ層56を含む。複数の互い違いのp+型お
よびｎ型の薄い層を含む積層体58は、エピ層56の上に配
設される。交互の層は、複数の垂直にぃ配設されたｐ−
ｎ接合を形成する。垂直に配設されたp+領域60は、p+層
を電気的に接続させるために施され、垂直に配設された
n+領域62は、積層体58のｎ層を電気的に接続させるため
に施される。導かれた光が伝播される導波チヤネルは、
概ね図示されるように配置され、積層体58のp+およびｎ
の交互の層を部分的に含む。寸法Ａは、一般的に4000Å
であり、寸法Ｂは約2000ないし8000Åの範囲内にあり、
寸法ＣおよびＤは、それぞれ約2000Åである。各層は約
100Åの厚さである。
積層体58のキヤパシタンスは接合の数の関数で増加す
るが、抵抗はその総数と共に減少する。その結果、RC時
間定数は本質的に一定であり、電気信号の変化に対する
デバイスの応答性は影響を受けない。第１図の位相変調
デバイス30と同じ変調効果を達成するために、1018cm-3
のドーピング即ちキヤリア濃度が要求される。積層体58
に必要な接合数は、約20である。
るが、抵抗はその総数と共に減少する。その結果、RC時
間定数は本質的に一定であり、電気信号の変化に対する
デバイスの応答性は影響を受けない。第１図の位相変調
デバイス30と同じ変調効果を達成するために、1018cm-3
のドーピング即ちキヤリア濃度が要求される。積層体58
に必要な接合数は、約20である。
さらに別の高速動作を達成するための方法は、電荷を
注入して次々と通すように、リブのまわりに三端子デバ
イスを提供することである。第３図は（スケールは必ら
ずしも合つていないが）、本発明の実施例に従つて構成
される三端子光・電子SOI変調デバイス70の断面図であ
る。デバイス70は、シリコン基板72、その上のSiO2層7
4、およびその上のシリコンエピ層を含む。このエピ層
は、トランジスタのコレクタを形成するためのｎ型領域
76、コレクタに電気的接続を与えるためのn+領域78、ト
ランジスタのベースを形成するためのｐ型領域80、およ
びトランジスタのエミツタを形成するためのn+領域82に
区別される。光は、軽くドーピングしたｎ型およびｐ型
の領域76および80を通つて導かれる。トランジスタがオ
ン状態にバイアス印加されると、約1018cm-3のキヤリア
濃度が導波領域に現われる。この電流密度は、一般的に
消滅変調器としてデバイス70を動作するに十分ではな
い。
注入して次々と通すように、リブのまわりに三端子デバ
イスを提供することである。第３図は（スケールは必ら
ずしも合つていないが）、本発明の実施例に従つて構成
される三端子光・電子SOI変調デバイス70の断面図であ
る。デバイス70は、シリコン基板72、その上のSiO2層7
4、およびその上のシリコンエピ層を含む。このエピ層
は、トランジスタのコレクタを形成するためのｎ型領域
76、コレクタに電気的接続を与えるためのn+領域78、ト
ランジスタのベースを形成するためのｐ型領域80、およ
びトランジスタのエミツタを形成するためのn+領域82に
区別される。光は、軽くドーピングしたｎ型およびｐ型
の領域76および80を通つて導かれる。トランジスタがオ
ン状態にバイアス印加されると、約1018cm-3のキヤリア
濃度が導波領域に現われる。この電流密度は、一般的に
消滅変調器としてデバイス70を動作するに十分ではな
い。
しかしながら、第４図に示されるように、１つの腕の
中に配置された変調デバイス70を有するマツハ・ツエン
ダ変調器92と共に、集積回路チツプ90は容易に組み立て
られる。デバイス70の長さ（Ｌ）は、一般的に数百ミク
ロンである。変調速度はキヤリアの寿命とは無関係であ
り、バイポーラ・トランジスタのON/OFF切換時間によつ
て決定される。トランジスタをバイアス印加し動作させ
て光源94からの1.3μｍの光を変調させるために、コレ
クタ（Ｃ）、ベース（Ｂ）およびエミツタ（Ｅ）の端子
を電気的に接続させる。
中に配置された変調デバイス70を有するマツハ・ツエン
ダ変調器92と共に、集積回路チツプ90は容易に組み立て
られる。デバイス70の長さ（Ｌ）は、一般的に数百ミク
ロンである。変調速度はキヤリアの寿命とは無関係であ
り、バイポーラ・トランジスタのON/OFF切換時間によつ
て決定される。トランジスタをバイアス印加し動作させ
て光源94からの1.3μｍの光を変調させるために、コレ
クタ（Ｃ）、ベース（Ｂ）およびエミツタ（Ｅ）の端子
を電気的に接続させる。
一般的にｐ型およびｎ型の物質は、本発明の様々な実
施例の動作に影響を与えなければ、交換することができ
ることは明らかであろう。SiO2のかわりに、シリコン窒
化物（Si3N4）のような絶縁物質を用いることもでき
る。
施例の動作に影響を与えなければ、交換することができ
ることは明らかであろう。SiO2のかわりに、シリコン窒
化物（Si3N4）のような絶縁物質を用いることもでき
る。
［発明の効果］ 本発明は、シリコン導波領域および隣接する絶縁体領
域を含む、シリコンベース集積デバイス用の光・電子変
調器を提供することができる。
域を含む、シリコンベース集積デバイス用の光・電子変
調器を提供することができる。
第１図は、本発明に関連する従来例に従う単一ｐ−ｎ接
合を有する光・電子SOI消滅型変調器の断面図である。 第２図は、本発明に関連する従来例に従うｐ−ｎ接合の
積層体を有する光・電子SOI消滅型変調器の断面図であ
る。 第３図は、本発明の実施例に従う三端子光・電子SOI変
調器の断面図である。 第４図は、第３図のデバイスを有するマツハ・ツエンダ
輝度変調器を含むシリコンベース集積回路チツプの一部
の平面図である。 第５図および第６図は、従来技術の導波路光変調器の断
面図である。 12、22、32、52、72……シリコン基板、14、24、34、5
4、74……シリコン酸化物層、16、28、38……リツジ導
波路、26……シリコン層、36、56、76……シリコンエピ
層、38a……ｐ−ｎ接合、40……n++領域、42……コンタ
クト金属、58……積層体、60……p+領域、62、78、82…
…n+領域、80……ｐ型領域、90……集積回路チツプ、92
……マツハ・ツエンダ輝度変調器、94……光源。
合を有する光・電子SOI消滅型変調器の断面図である。 第２図は、本発明に関連する従来例に従うｐ−ｎ接合の
積層体を有する光・電子SOI消滅型変調器の断面図であ
る。 第３図は、本発明の実施例に従う三端子光・電子SOI変
調器の断面図である。 第４図は、第３図のデバイスを有するマツハ・ツエンダ
輝度変調器を含むシリコンベース集積回路チツプの一部
の平面図である。 第５図および第６図は、従来技術の導波路光変調器の断
面図である。 12、22、32、52、72……シリコン基板、14、24、34、5
4、74……シリコン酸化物層、16、28、38……リツジ導
波路、26……シリコン層、36、56、76……シリコンエピ
層、38a……ｐ−ｎ接合、40……n++領域、42……コンタ
クト金属、58……積層体、60……p+領域、62、78、82…
…n+領域、80……ｐ型領域、90……集積回路チツプ、92
……マツハ・ツエンダ輝度変調器、94……光源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 サブラマニアン・スリカンテスワラ・イ ア アメリカ合衆国ニユーヨーク州ヨークタ ウン・ハイツ、シダー・ロード3172番地 (56)参考文献 特開 昭62−221169（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−217226（ＪＰ，Ａ) ＩＧＷＯ，1989年，Ｐ．86〜87
Claims (4)
- 【請求項１】シリコン基板と、 シリコン基板上に設けられた絶縁体層と、 絶縁体上に設けられた半導体層と、 半導体層内に形成された横方向バイポーラ・トランジス
タとを有し、 前記トランジスタを流れる電流を制御することにより、
前記トランジスタのベースおよびコレクタ領域内の屈折
率を変化させ、前記領域内を通過する光の透過特性また
は周波数特性を変化させることを特徴とする光変調器。 - 【請求項２】前記通過する光の波長が、約1.3μｍであ
る請求項１記載の光変調器。 - 【請求項３】前記変調器が集積回路デバイスの一部とし
て製造され、前記トランジスタのベースに接続された電
気信号に従って、前記集積回路デバイスの一部を通過す
る光の変調をおこなうことを特徴とする請求項１記載の
光変調器。 - 【請求項４】前記光変調器がマツハ・ツエンダ輝度変調
器の一方の光路中に配設されることを特徴とする請求項
３記載の光変調器。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US456006 | 1989-12-21 | ||
| US07/456,006 US4997246A (en) | 1989-12-21 | 1989-12-21 | Silicon-based rib waveguide optical modulator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03196120A JPH03196120A (ja) | 1991-08-27 |
| JP2681044B2 true JP2681044B2 (ja) | 1997-11-19 |
Family
ID=23811065
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2323413A Expired - Lifetime JP2681044B2 (ja) | 1989-12-21 | 1990-11-28 | 光変調器 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4997246A (ja) |
| EP (1) | EP0433552A3 (ja) |
| JP (1) | JP2681044B2 (ja) |
Families Citing this family (62)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5140652A (en) * | 1988-05-30 | 1992-08-18 | Koninklijke Ptt Netherland N.V. | Electro-optical component and method for making the same |
| GB2245758B (en) * | 1990-06-29 | 1994-10-26 | Gen Electric Co Plc | A combined bipolar junction transistor and an optical modulator |
| DE69125888T2 (de) * | 1990-07-09 | 1997-11-20 | Canon Kk | Verfahren zur Lichtmodulation und optischer Modulator |
| US5073041A (en) * | 1990-11-13 | 1991-12-17 | Bell Communications Research, Inc. | Integrated assembly comprising vertical cavity surface-emitting laser array with Fresnel microlenses |
| DE4119093A1 (de) * | 1991-06-10 | 1992-12-17 | Messerschmitt Boelkow Blohm | Optischer transistor |
| GB2265252B (en) * | 1992-03-17 | 1995-11-01 | Bookham Technology Ltd | An electro-optic device |
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