JP6412969B2

JP6412969B2 - 光導波路素子

Info

Publication number: JP6412969B2
Application number: JP2017048300A
Authority: JP
Inventors: 高橋　博之; 博之高橋
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; Photonics Electronics Technology Research Association
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; Photonics Electronics Technology Research Association
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2017-03-14
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2037-03-14
Also published as: JP2018151538A

Description

この発明は、光変調器として利用可能な光導波路素子に関する。

近年、光配線層として機能する光導波路が形成されたＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に、ＧａＡｓ又はＩｎＰ等の化合物半導体素子をハイブリット集積し、光トランシーバ等の光デバイスを構成する技術が注目されている。このような光デバイスでは、光源である半導体レーザからの出力光を、用途に応じて変調する光変調器が必要とされる。

ＳＯＩ基板に作り込まれる光変調器としては、マッハツェンダ型の変調器（非特許文献１）、フォトニック結晶を利用したｐｎ変調器（非特許文献２）又はグレーティングを利用したｐｎ変調器（非特許文献３）等がある。

Ｏｐｔ．ＥｘｐｒｅｓｓＮｏ．１５，Ｐ．１７１０６−１７１１３（２００７）ＩＥＥＥＪ．Ｓｅｌ．Ｔｏｐｉｃｓ．Ｑｕａｎｔｕｍ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｎｏ．１９，Ｐ．３４００８１１（２０１３）Ｏｐｔ．ＥｘｐｒｅｓｓＮｏ．２４，Ｐ．２４１３−２４１９（２０１６）

しかしながら、マッハツェンダ型の変調器は、構造中にマルチモード干渉（ＭＭＩ：ＭｕｌｔｉＭｏｄｅＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラ又はＹ字状の分岐（Ｙ分岐）等の、光を合分波する合分波部を含む。この合分波部における分岐比にずれが生じた場合や、分岐後の一方の光と他方の光の損失に差が生じた場合において、変調された光の消光比が劣化する。

また、フォトニック結晶又はグレーティングは微細な構造であるため、これらを利用するｐｎ変調器は、製造の容易さという観点で不利である。

そこで、この発明の目的は、光変調器として利用可能な光導波路素子であって、カプラ又はＹ分岐等の合分波部を含まず、かつ製造の容易な光導波路素子を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明による光導波路素子は、入力部、マルチモード干渉部、スラブ導波路部及び出力部を含む光導波路コアと、光導波路コアを包含するクラッドと、電極とを備えている。入力部、マルチモード干渉部及び出力部は、光伝播方向に沿ってこの順に直列に、かつ中心線を一致させて接続されている。マルチモード干渉部は、少なくともｐ次モード（ｐは０又は偶数）及びｑ次モード（ｑはｐよりも大きな偶数）の光を伝播させ、入力部から出力部へ向かう方向に対して右側の領域にｐ型不純物が導入されたｐ型領域又はｎ型不純物が導入されたｎ型領域の一方が形成され、入力部から出力部へ向かう方向に対して左側の領域にｐ型領域又はｎ型領域の他方が形成され、ｐ型領域とｎ型領域との境界においてｐｎ接合が形成されており、かつｐ次モードの光とｑ次モードの光とを干渉させる。スラブ導波路部は、マルチモード干渉部よりも小さい厚さで、かつマルチモード干渉部の光伝播方向に沿った両側面に、それぞれマルチモード干渉部と一体的に形成されている。電極は、クラッドの上面からスラブ導波路部の上面まで、クラッドを貫通して形成されている。

この発明の光導波路素子は、ＭＭＩ部においてｐ次モードの光とｑ次モードの光との干渉が生じる。そして、例えば電極を用いてＭＭＩ部に電圧を印加することによって、ＭＭＩ部の屈折率を変化させることができる。その結果、この発明の光導波路素子は、出力部からの出力光の波長を変化させることができ、光変調器として機能させることができる。

そして、この発明の光導波路素子は、構造中に合分波部を含まないため、合分波部における分岐比のずれや分岐による光損失に起因する消光比の劣化という問題が生じない。また、この発明の光導波路素子は、フォトニック結晶又はグレーティングといった微細な構造を含まないため、製造の容易さという観点で有利である。

（Ａ）は、第１の光導波路素子を示す概略的平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の第１の光導波路素子をＩ-Ｉ線で切り取った概略的端面図である。波長と等価屈折率との関係を示す図である。（Ａ）は、光強度と波長との関係を示す図であり、（Ｂ）は、第１の光導波路素子を伝播する光の電界分布を示す図である。（Ａ）は、光強度と波長との関係を示す図であり、（Ｂ）は、第１の光導波路素子を伝播する光の電界分布を示す図である。マルチモード干渉部の長さと出力光の波長間隔を示す図である。マルチモード干渉部に電圧を印加しない状態の第１の光導波路素子と電圧を印加した状態の第１の光導波路素子との出力波長を示す図である。第２の光導波路素子を示す概略的平面図である。マルチモード干渉部に電圧を印加しない状態の第２の光導波路素子と電圧を印加した状態の第２の光導波路素子との出力波長を示す図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（第１の光導波路素子）
図１を参照して、この発明の第１の実施の形態による光導波路素子（以下、第１の光導波路素子とも称する）について説明する。図１（Ａ）は、第１の光導波路素子を示す概略平面図である。なお、図１（Ａ）では、後述する支持基板及びクラッドを省略して示してある。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す構造体をＩ−Ｉ線で切り取った概略的端面図である。

なお、以下の説明では、各構成要素について、光伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、支持基板の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。また、長さ方向及び厚さ方向に直交する方向を幅方向とする。

第１の光導波路素子１００は、支持基板１０、クラッド２０、光導波路コア３０並びに電極４１及び４３を備えて構成されている。

支持基板１０は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体で構成されている。

クラッド２０は、支持基板１０上に、支持基板１０の上面を被覆し、かつ光導波路コア３０を包含して形成されている。クラッド２０は、例えばＳｉＯ_２を材料として形成されている。

光導波路コア３０は、クラッド２０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉを材料として形成されている。その結果、光導波路コア３０は、実質的な光の伝送路として機能し、入力された光が光導波路コア３０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。また、光導波路コア３０は、伝播する光が支持基板１０へ逃げるのを防止するために、支持基板１０から例えば少なくとも３μｍ以上離間して形成されているのが好ましい。

また、光導波路コア３０は、入力部３１、マルチモード干渉（ＭＭＩ：ＭｕｌｔｉＭｏｄｅＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）部３３、第１スラブ導波路部３７及び第２スラブ導波路部３９、並びに出力部３５を含んで構成されている。入力部３１、ＭＭＩ部３３及び出力部３５は、光伝播方向に沿ってこの順に直列に接続されている。

ＭＭＩ部３３は、一端３３ａから他端３３ｂまで一定の幅のマルチモード光導波路として構成されている。ＭＭＩ部３３は、少なくともｐ次モード（ｐは０又は偶数）及びｑ次モード（ｑはｐよりも大きな偶数）の光を伝播させる幅で形成されている。ここでは、ＭＭＩ部３３が、２次モードまでの光を伝播させる幅で形成された場合について説明する。従って、ＭＭＩ部３３では、少なくとも基本モード（０次モード）及び２次モードの光が伝播する。

また、ＭＭＩ部３３の長さは、ｐ次モードの光とｑ次モードの光と（ここでは、基本モードの光と２次モードの光と）を干渉させる干渉条件、及び当該光導波路素子によって取り出す波長に応じて決定される。なお、ＭＭＩ部３３の長さに関する設計条件の詳細は後述する。

また、ＭＭＩ部３３は、リブ型導波路として形成されている。そして、ＭＭＩ部３３の長さ方向に沿った両側面には、それぞれＭＭＩ部３３と一体的に形成されたスラブ導波路部（第１スラブ導波路部３７及び第２スラブ導波路部３９）が設けられている。すなわち、第１スラブ導波路部３７及び第２スラブ導波路部３９は、ＭＭＩ部３３を挟み込んで設けられている。

第１スラブ導波路部３７及び第２スラブ導波路部３９は、ＭＭＩ部３３よりも小さい厚さで形成されている。

また、ＭＭＩ部３３は、ｐ型不純物が導入されたｐ型領域５１、及びｎ型不純物が導入されたｎ型領域５３を含んでいる。ｐ型不純物としては、例えばホウ素（Ｂ）又はアルミニウム（Ａｌ）等を用いることができる。また、ｎ型不純物としては、例えばリン（Ｐ）又はヒ素（Ａｓ）等を用いることができる。

ＭＭＩ部３３の、入力部３１から出力部３５へ向かう方向に対して右側の領域には、ｐ型領域５１又はｎ型領域５３の一方が形成されている。また、ＭＭＩ部３３の、入力部から出力部へ向かう方向に対して左側の領域には、ｐ型領域５１又はｎ型領域５３の他方が形成されている。従って、ｐ型領域５１及びｎ型領域５３は、幅方向に沿って隣接して形成されている。そして、ＭＭＩ部３３の長さ方向（すなわち光の伝播方向）に沿って、ｐ型領域５１とｎ型領域５３との境界５０が存在する。この境界５０において、光の伝播方向に沿ったｐｎ接合が形成されている。図１（Ａ）及び（Ｂ）に示す構成例では、入力部３１から出力部３５へ向かう方向に対して、境界５０の左側にｐ型領域５１が、また、右側にｎ型領域５３が形成されている。

なお、ｐ型不純物及びｎ型不純物は、ＭＭＩ部３３と一体的に形成されている第１スラブ導波路部３７及び第２スラブ導波路部３９にまで渡って導入されている。従って、ＭＭＩ部３３のｐ型領域５１側の側面に形成されたスラブ導波路部（ここでは第１スラブ導波路部３７）には、ｐ型不純物が導入されている。また、ＭＭＩ部３３のｎ型領域５３側の側面に形成されたスラブ導波路部（ここでは第２スラブ導波路部３９）には、ｎ型不純物が導入されている。

入力部３１及び出力部３５は、ＭＭＩ部３３の幅方向に沿った両端面３３ａ及び３３ｂ側から、ＭＭＩ部３３を挟んで互いに対向する位置に配設さている。また、入力部３１、ＭＭＩ部３３及び出力部３５は、長さ方向に沿った中心線Ｃが一致するように配置されている。また、入力部３１、ＭＭＩ部３３及び出力部３５は共通の厚さで形成されている。

入力部３１の一端３１ａは、当該光導波路素子１００における、光の入力端として使用される。また、入力部３１は、他端３１ｂでＭＭＩ部３３と接続される。入力部３１は、シングルモード条件を達成する幅で形成される。なお、図１（Ａ）に示す構成例では、入力部３１は、一端３１ａから他端３１ｂまで連続的に幅が拡大するテーパ形状で形成されている。また、逆バイアス駆動の場合、キャリアプラズマ効果による屈折率変化は電子よりもホールの方が大きいため、アクセプタ濃度よりもドナー濃度を大きくすることが多い。これにより、バイアス印加によって空乏層はｐ側に広がる。したがって、ｐｎ接合の境界５０はアクセプタおよびドナー濃度に応じてＭＭＩ部３３の中心線Ｃよりｎ側にずらして形成すると印加電圧の変化で生じた空乏層の変化がＭＭＩ部３３の中心付近で起こるため、ＭＭＩ部３３を伝播する光の電界との重なりが大きくなり効率が良くなる。

出力部３５は、一端３５ａでＭＭＩ部３３と接続される。また、出力部３５の他端３５ｂは、当該光導波路素子１００における、光の出力端として使用される。出力部３５は、シングルモード条件を達成する幅で形成される。なお、図１（Ａ）に示す構成例では、出力部３５は、一端３５ａから他端３５ｂまで連続的に幅が縮小するテーパ形状で形成されている。

電極４１は、第１スラブ導波路部３７と接続されている。電極４１は、クラッド２０の上面から第１スラブ導波路部３７の上面まで、クラッド２０を貫通して形成されている。また、電極４３は、第２スラブ導波路部３９と接続されている。電極４３は、クラッド２０の上面から第２スラブ導波路部３９の上面まで、クラッド２０を貫通して形成されている。電極４１及び４３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）を材料として形成されている。

第１の光導波路素子１００では、基本モードの光が一端３１ａから入力部３１に入力され、ＭＭＩ部３３に送られる。ＭＭＩ部３３では、入力された光の基本モード及び２次モードが励振される。基本モードの光及び２次モードの光は、モード間干渉しつつＭＭＩ部３３を伝播する。そして、ＭＭＩ部３３の長さに応じた波長の光が出力部３５から出力される。

そして、第１の光導波路素子１００では、電極４１及び４３を用いて、第１スラブ導波路部３７及び第２スラブ導波路部３９間に挟まれたＭＭＩ部３３に電圧を印加することができる。ＭＭＩ部３３に電圧を印加すると、キャリアプラズマ効果によって、ＭＭＩ部３３の屈折率を変化させることができる。その結果、ビート長が変化し、ＭＭＩ部３３における干渉条件が変化するため、出力部３５からの出力光の波長を変化させることができ、従って、第１の光導波路素子１００を、光変調器として機能させることができる。

第１の光導波路素子１００は、構造中に合分波部を含まないため、合分波部における分岐比のずれや分岐による光損失に起因する消光比の劣化という問題が生じない。また、第１の光導波路素子１００は、フォトニック結晶又はグレーティングといった微細な構造を含まないため、製造の容易さという観点で有利である。

（マルチモード干渉部の設計）
ＭＭＩ部３３の設計について説明する。まず、ＭＭＩ部３３の長さの設計に当たり基準となる、基本モード及び１次モードのビート長Ｌ_πは、下式（１）で表される。なお、基本モードの伝播定数をβ_０、１次モードの伝播定数をβ_１、波長をλ、基本モードの等価屈折率をｎ_０、及び１次モードの等価屈折率をｎ_１とする。

Ｌ_π＝π／（β_０−β_１）＝λ／２（ｎ_０−ｎ_１）・・・（１）
また、周知のＭＭＩの理論計算から、１入力Ｎ出力（Ｎ：１以上の整数）のＭＭＩ（１×ＮＭＭＩ）における入射位置や結合位置等の関係は、表１のようになる（例えばＪ．Ｌｉｇｈｔｗ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１３，６１５−６２７（１９９５）参照）。

ここでは、一例として、ＭＭＩ部３３の厚さを２００ｎｍ、ＭＭＩ部３３の幅を２．１μｍ、第１スラブ導波路部及び第２スラブ導波路部３７及び３９の厚さを９０ｎｍとする場合について、ＭＭＩ部３３の長さを設計する。なお、入力光として、波長１．５５μｍのＴＥ偏波を想定する。また、第１の光導波路素子１００におけるＭＭＩ部３３は、１つの入力部３１から光が入力され１つの出力部３５から光が出力される、１入力１出力のＭＭＩ部（１×１ＭＭＩ部）である。従って、表１より、偶数次モード（基本モードを含む）の光のみが励振される。そして、この条件におけるＭＭＩ部３３の幅では、２次モードまでの光が伝播する幅として設定されている。そのため、ここでは、ＭＭＩ部３３において、基本モードの光と２次モードの光とが干渉する。

まず、ビート長Ｌ_πを求めるに当たり、有限要素法（ＦＥＭ：ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ）を用いたモード解析により、波長と等価屈折率との関係を確認した。この結果を図２に示す。図２は、ＭＭＩ部３３における波長と等価屈折率との関係を示す図である。図２では、縦軸に等価屈折率を任意単位で、また、横軸に波長をμｍ単位でとって示してある。図２において、曲線１２１は基本モードのＴＥ偏波の等価屈折率を、曲線１２３は１次モードのＴＥ偏波の等価屈折率を、曲線１２５は２次モードのＴＥ偏波の等価屈折率を、それぞれ示している。図２の結果及び上式（１）より、ビート長Ｌ_πが約１１．８μｍであることを算出した。

第１の光導波路素子１００におけるＭＭＩ部３３は、１×１ＭＭＩ部である。従って、表１及び算出したビート長を用いて、ＭＭＩ部３３に入力された光が最初に単一像を結像する位置までの、一端３３ａからの長さ（基本長：３Ｌ_π／４）は約８．８μｍとなる。そこで、ＭＭＩ部３３の長さを基本長のＭ（Ｍ：１以上の整数）倍とする。

ＭＭＩ部３３の長さを基本長とする（すなわちＭを１とする）ことによって、基本モードの光と２次モードの光とが、ＭＭＩ部３３の他端３３ｂにおいて干渉する。従って、基本モードの光と２次モードの光とが干渉した出力光を低損失で出力することができる。

また、Ｍを２以上とする場合には、ＭＭＩ部３３における基本モードの光と２次モードの光との干渉がＭ回繰り返される。そして、Ｍ回目の干渉がＭＭＩ部３３の他端３３ｂにおいて生じる。従って、この場合にも、ＭＭＩ部３３の長さを基本長とする場合と同様に、基本モードの光と２次モードの光とが干渉した出力光を低損失で出力することができる。

次に、ビーム伝播法（ＢＰＭ：ＢｅａｍＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ）及び時間領域有限差分（ＦＤＴＤ：Ｆｉｎｉｔｅ−ＤｉｆｆｅｒｒｅｎｃｅＴｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて、ＭＭＩ部３３の長さと出力波長との関係を確認した。ここでは、ＭＭＩ部３３の長さを基本長３Ｌ_π／４に近似の９μｍとした場合、及びＭＭＩ部３３の長さを基本長の約１０倍である９０μｍとした場合において、出力波長に関するシミュレーションを行った。

図３（Ａ）に、ＭＭＩ部３３の長さを９μｍとした場合の結果を示す。図３（Ａ）は、波長と光強度との関係を示す図である。図３（Ａ）では、縦軸に光強度をｄＢ目盛で、また、横軸に波長をμｍ単位でとって示してある。図３（Ａ）において、曲線１３１は、ＦＤＴＤ法によるシミュレーション結果であって、入力部３１に入力される光の強度を示している。また、曲線１３３は、ＦＤＴＤ法によるシミュレーション結果であって、ＭＭＩ部３３を伝播し出力部３５から出力される光の強度を示している。また、曲線１３５は、ＢＰＭによるシミュレーション結果であって、ＭＭＩ部３３を伝播し出力部３５から出力される光の強度を示している。

図３（Ａ）に示すように、ＭＭＩ部３３の長さを基本長とした場合には、ＭＭＩに対する出力光の波長依存性が小さく、広い波長帯の光が出力される。

また、図３（Ｂ）に、ＢＰＭによって解析した、ＭＭＩ部３３の長さを９μｍとした場合の、第１の光導波路素子１００を伝播する光の電界分布を示す。図３（Ｂ）は、第１の光導波路素子１００の厚さ方向に直交する平面に沿った電界分布を示しており、縦軸に幾何学的な長さをμｍ単位で、また、横軸に幾何学的な幅をμｍ単位でとって示してある。

図３（Ｂ）に示すように、ＭＭＩ部３３の長さを基本長とした場合には、ＭＭＩ部３３を伝播する光が１回干渉する様子が確認できる。

図４（Ａ）に、ＭＭＩ部３３の長さを９０μｍとした場合の結果を示す。図４（Ａ）は、波長と光強度との関係を示す図である。図４（Ａ）では、縦軸に光強度をｄＢ目盛で、また、横軸に波長をμｍ単位でとって示してある。図４（Ａ）において、曲線１４１は、ＦＤＴＤ法によるシミュレーション結果であって、入力部３１に入力される光の強度を示している。また、曲線１４３は、ＦＤＴＤ法によるシミュレーション結果であって、ＭＭＩ部３３を伝播し出力部３５から出力される光の強度を示している。また、曲線１４５は、ＢＰＭによるシミュレーション結果であって、ＭＭＩ部３３を伝播し出力部３５から出力される光の強度を示している。

図４（Ａ）に示すように、ＭＭＩ部３３の長さを基本長の整数倍（ここでは約１０倍）とした場合には、一定の波長間隔で複数のピークを有する出力光が出力される。

また、図４（Ｂ）に、ＢＰＭによって解析した、ＭＭＩ部３３の長さを基本長の約１０倍とした場合の、第１の光導波路素子１００を伝播する光の電界分布を示す。図４（Ｂ）は、第１の光導波路素子１００の厚さ方向に直交する平面に沿った電界分布を示しており、縦軸に幾何学的な長さをμｍ単位で、また、横軸に幾何学的な幅をμｍ単位でとって示してある。

図４（Ｂ）に示すように、ＭＭＩ部３３の長さを基本長の約１０倍とした場合には、ＭＭＩ部３３を伝播する光が１０回干渉する様子が確認できる。

ここで、出力光の波長間隔ΔλとＭＭＩ部３３の長さＬ_ｃとの関係は、波長をλ、基本モードの等価屈折率をｎ_０、及び２次モードの等価屈折率をｎ_２として、下式（２）で表される。

Δλ＝λ^２／｛Ｌ_ｃ（ｎ_２−ｎ_０）｝・・・（２）
従って、ＭＭＩ部３３の長さＬ_ｃを長くするほど、波長間隔Δλが狭くなる。

発明者は、上式（２）を用いて、ＭＭＩ部３３の長さと出力光の波長間隔の関係を確認した。図５に、ＭＭＩ部３３の長さと出力光の波長間隔を示す。図５では、縦軸に出力光の波長間隔をμｍ単位で、また、横軸にＭＭＩ部３３の長さをμｍ単位でとって示してある。

図５に示す直線１５７は、上式（２）を用いて算出したＭＭＩ部３３の長さと出力光の波長間隔を示す直線である。また、図５に示す点１５１は、図３（Ａ）に係るシミュレーションで算出した波長間隔をプロットした点であり、点１５３は、図４（Ａ）に係るシミュレーションで算出した波長間隔をプロットした点である。また、点１５５は、図３（Ａ）及び図４（Ａ）と同様のシミュレーションにおいて、ＭＭＩ部３３の長さを３５０μｍとした場合の波長間隔をプロットした点である。このように、上式（２）により算出したＭＭＩ部３３の長さと出力光の波長間隔との関係は、ＢＰＭ及びＦＤＴＤ法によるシミュレーションと一致することが確認された。

そして、ＭＭＩ部３３の長さを基本長のＭ倍（Ｍ：１以上の整数）に設定することで、ＭＭＩ部３３の長さに応じた波長の出力光を出力させることができる。従って、第１の光導波路素子１００は、波長フィルタとして機能させることができる。

さらに、発明者は、光変調器としての観点から、ＭＭＩ部３３の長さの最適値を算出した。

ここでは、上述した図３〜図５に係るシミュレーションの構成例と同様に、ＭＭＩ部３３の厚さを２００ｎｍ、ＭＭＩ部３３の幅を２．１μｍ、第１スラブ導波路部及び第２スラブ導波路部３７及び３９の厚さを９０ｎｍとする構成例を想定した。ｐ型領域５１に導入するｐ型不純物としてホウ素、及びｎ型領域５３に導入するｎ型不純物としてリンを用い、ともに濃度を１．０Ｅ１７ｃｍ^−３とした。なお、入力光として、波長１．５５μｍのＴＥ偏波を想定した。

印加する電圧が０ＶからｘＶへ変化した場合の、ＭＭＩ部３３のビート長の変化ΔＬ_πは、下式（３）で表される。なお、ｘＶのときのビート長をＬ_π（ｘ）、０Ｖのときのビート長をＬ_π（０）、波長をλ、０Ｖのときの基本モードと１次モードとの等価屈折率差をΔｎ_０、ｘＶのときの基本モードと１次モードとの等価屈折率差をΔｎ_ｘとする。

ΔＬ_π＝Ｌ_π（ｘ）−Ｌ_π（０）＝λ｛（Δｎ_０−Δｎ_ｘ）／（Δｎ_０Δｎ_ｘ）｝／２・・・（３）
印加電圧を６Ｖとした場合、ＦＥＭを用いたモード解析により、上式（３）からビート長の変化ΔＬ_πは約７．６×１０^−３μｍと算出される。

ＭＭＩ部３３の長さを基本長のＭ倍（Ｍ：１以上の整数）に設定する場合には、ビート長の変化量ΔＬ_πもＭ倍となる。

ここで、ＢＰＭによる電界分布の解析結果（図３（Ｂ）参照）から、ＭＭＩ部３３の長さを基本長のＭ倍としたときのビート長の変化量（ＭΔＬ_π）が、基本長の１／２と等しいときに出力が最小となる。従って、下式（４）を満たすようにＭを決定し、ＭＭＩ部の長さを設定することによって、出力光の消光比が最大となる。

ＭΔＬ_π＝（３Ｌ_π／４）（１／２）・・・（４）
そして、このシミュレーションにおける条件では、Ｍ＝５７９のとき、すなわちＭＭＩ部３３の長さが５１１５μｍのとき、消光比が最大となる。

この算出した値に基づき、発明者は、ＢＰＭを用いて、第１の光導波路素子１００の光変調器としての特性を評価するシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、ＭＭＩ部３３に電圧を印加していない（すなわち電圧が０Ｖ）ときの出力光の波長及び強度と、ＭＭＩ部３３に６Ｖの電圧を印加したときの出力光の波長及び強度を比較した。なお、ここでは、ＭＭＩ部３３の長さを、５１１５μｍの約１／５の１０００μｍとした。これは、ＭＭＩ部３３の長さが５１１５μｍとした場合、ＢＰＭでは誤差の蓄積により発散してしまい、また、ＦＤＴＤ法では計算能力が足りなかったためである。

この結果を図６に示す。図６では、縦軸に光強度をｄＢ目盛で、また、横軸に出力光の波長をμｍ単位でとって示してある。図６において、曲線１６１は、電圧を印加していない（すなわち電圧が０Ｖ）ときの光の強度を示している。また、曲線１６３は、６Ｖの電圧を印加したときの光の強度を示している。

図６に示すように、ＭＭＩ部３３に６Ｖの電圧を印加することによって、電圧を印加していない状態と比較して、出力波長が約１ｎｍシフトすることが確認された。なお、ここでは、上述した理由からＭＭＩ部３３の長さを１０００μｍとしたが、５１１５μｍとすれば、より大きく波長をシフトできると考えられる。

（第２の光導波路素子）
図７を参照して、この発明の第２の実施の形態による光導波路素子（以下、第２の光導波路素子とも称する）について説明する。図７は、第２の光導波路素子を示す概略的平面図である。図７では、光導波路コアのみを示してあり、その他の構成を省略して示してある。なお、上述した第１の光導波路素子と共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

第２の光導波路素子２００では、ｐ型領域５１とｎ型領域５３との境界５５が櫛歯状である、インターリーブ構造のｐｎ接合が形成されている。

ＭＭＩ部３３を伝播する光の等価屈折率の変化量は、伝播光の電界分布とＭＭＩ部３３の屈折率分布とのオーバーラップ積分で表される。そして、この変化量を伝播距離で積分した値が、位相変化量に比例する。従って、ｐ型領域５１とｎ型領域５３との境界を直線状としたｐｎ接合と比べ、インターリーブ構造のｐｎ接合では、より高効率に変調を行うことができる。

ここで、発明者は、ＦＤＴＤ法を用いて、第２の光導波路素子２００の光変調器としての特性を評価するシミュレーションを行った。ここでは、ＭＭＩ部３３の厚さを２００ｎｍ、ＭＭＩ部３３の幅を２．１μｍ、ＭＭＩ部３３の長さを３４６μｍ、第１スラブ導波路部及び第２スラブ導波路部３７及び３９の厚さを９０ｎｍとする構成例を想定した。ｐ型領域５１に導入するｐ型不純物としてホウ素、及びｎ型領域５３に導入するｎ型不純物としてリンを用い、ともに濃度を１．０Ｅ１７ｃｍ^−３とした。なお、入力光として、波長１．５５μｍのＴＥ偏波を想定した。そして、ＭＭＩ部３３に電圧を印加していない（すなわち電圧が０Ｖ）ときの出力光の波長及び光強度と、ＭＭＩ部３３に６Ｖの電圧を印加したときの出力光の波長及び光強度を比較した。

この結果を図８に示す。図８では、縦軸に光強度をｄＢ目盛で、また、横軸に出力光の波長をμｍ単位でとって示してある。図８において、曲線１８１は、電圧を印加していない（すなわち電圧が０Ｖ）ときの光の強度を示している。また、曲線１８３は、６Ｖの電圧を印加したときの光の強度を示している。

図８に示すように、ＭＭＩ部３３に６Ｖの電圧を印加することによって、電圧を印加していない状態と比較して、出力波長がシフトすることが確認された。そして、図６に係るシミュレーションと比較すると、ＭＭＩ部３３の長さをより短く設定しても、波長の変化量をより大きくできることが確かめられた。

（製造方法）
上述した第１の光導波路素子１００及び第２の光導波路素子２００は、例えばＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することによって、簡易に製造することができる。以下、光導波路素子の製造方法について説明する。

すなわち、まず、支持基板層、ＳｉＯ_２層、及びＳｉ層が順次積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する。

次に、例えばレジスト技術及びエッチング技術を用い、Ｓｉ層をパターニングすることによって、光導波路コア３０を形成する。光導波路コア３０は、ＭＭＩ部３３と第１及び第２スラブ導波路部３７及び３９とを含むため、エッチング深さを変更して、２回のエッチングを行う必要がある。その結果、支持基板１０としての支持基板層上にＳｉＯ_２層が積層され、さらにＳｉＯ_２層上に光導波路コア３０が形成された構造体を得ることができる。

次に、例えばＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯ_２層上に、ＳｉＯ_２を、光導波路コア３０を被覆して形成する。その結果、ＳｉＯ_２のクラッド２０によって光導波路コア３０が包含される。

次に、例えばレジスト技術及びエッチング技術を用いて、電極の形成位置に、クラッド２０を貫通するコンタクトホールを開口する。そして、例えばスパッタ法を用いて、コンタクトホール内に電極４１及び４３を形成する。その後、例えば劈開や端面研磨等を用いて、電極４１及び４３の端面出しを行うことによって、光導波路素子を製造することができる。

１０：支持基板
２０：クラッド
３０：光導波路コア
３１：入力部
３３：マルチモード干渉部
３５：出力部
３７：第１スラブ導波路部
３９：第２スラブ導波路部
４１，４３：電極
５０，５５：境界
５１：ｐ型領域
５３：ｎ型領域
１００：第１の光導波路素子
２００：第２の光導波路素子

Claims

入力部、マルチモード干渉部、スラブ導波路部及び出力部を含む光導波路コアと、
前記光導波路コアを包含するクラッドと、
と、
電極と
を備え、
前記入力部、前記マルチモード干渉部及び前記出力部は、光伝播方向に沿ってこの順に直列に、かつ中心線を一致させて接続され、
前記マルチモード干渉部は、
少なくともｐ次モード（ｐは０又は偶数）及びｑ次モード（ｑはｐよりも大きな偶数）の光を伝播させ、
前記入力部から前記出力部へ向かう方向に対して右側の領域に、ｐ型不純物が導入されたｐ型領域又はｎ型不純物が導入されたｎ型領域の一方が形成され、前記入力部から前記出力部へ向かう方向に対して左側の領域に前記ｐ型領域又は前記ｎ型領域の他方が形成され、前記ｐ型領域と前記ｎ型領域との境界においてｐｎ接合が形成されており、
かつｐ次モードの光とｑ次モードの光とを干渉させ、
前記スラブ導波路部は、前記マルチモード干渉部よりも小さい厚さで、かつ前記マルチモード干渉部の前記光伝播方向に沿った両側面に、それぞれ前記マルチモード干渉部と一体的に形成されており、
前記電極は、前記クラッドの上面から前記スラブ導波路部の上面まで、前記クラッドを貫通して形成されている
ことを特徴とする光導波路素子。
前記ｐ型領域と前記ｎ型領域との境界が、前記マルチモード干渉部の上面から見て櫛歯状である
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
前記マルチモード干渉部は、前記光伝播方向に沿った長さが、ビート長をＬ_πとして３Ｌ_π／４のＭ倍（Ｍは１以上の整数）である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路素子。
前記マルチモード干渉部に印加される電圧が０ＶからｘＶ（ｘは０より大きい実数）へ変化した場合における、前記マルチモード干渉部の前記長さを３Ｌ_π／４のＭ倍としたときのビート長の変化量が、３Ｌ_π／４の１／２と等しくなるように、当該マルチモード干渉部が設定されている
ことを特徴とする請求項３に記載の光導波路素子。