JP6649194B2

JP6649194B2 - 光位相・強度シフタ

Info

Publication number: JP6649194B2
Application number: JP2016131455A
Authority: JP
Inventors: 英隆西; 松尾　慎治; 慎治松尾
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2016-07-01
Publication date: 2020-02-19
Anticipated expiration: 2036-07-01
Also published as: JP2018004932A

Description

本発明は、導波路を伝搬する光の位相と強度を変調可能な光位相・強度シフタに関するものである。

高速大容量な光通信ネットワークサービスの持続的発展に向けて、通信用光デバイスの更なる高速化・小型低消費電力化が同時に求められている。
中でも光変調器は重要な要素デバイスとなっている。従来、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）光導波路内を伝搬する光に対して、ＬＮの電気光学効果によって屈折率を変化させることで位相変化を与え、この光導波路を位相シフタとして用いて光変調器を構成することで、４０Ｇｂｉｔ／ｓを超える光変調が実現されている。しかし、ＬＮ光変調器は光導波路が大きいためにサイズが大きくなり、また光源や受光器といった他の光通信デバイスと同一基板上に集積することが困難であるという課題があった。

この課題を解決すべく、近年、シリコン（Ｓｉ）導波路内に半導体電子デバイス構造を作製し、キャリアプラズマ効果によって屈折率変化を得る光位相・強度シフタが広く検討されている（非特許文献１参照）。図４に、光位相・強度シフタの断面構造の一例を示す。光位相・強度シフタは、ＳｉＯ₂からなる下部クラッド層１００と、下部クラッド層１００の上に形成された幅６００ｎｍ、高さ２００ｎｍのＰ型Ｓｉからなるリブ型導波路コア１０１と、リブ型導波路コア１０１の左右の下部クラッド層１００上に形成されたＰ⁺⁺型Ｓｉ領域１０２およびＮ⁺⁺型Ｓｉ領域１０３と、リブ型導波路コア１０１を覆うように形成されたＳｉＯ₂からなる上部クラッド層１０４と、Ｐ⁺⁺型Ｓｉ領域１０２の上に形成された電極１０５と、Ｎ⁺⁺型Ｓｉ領域１０３の上に形成された電極１０６とから構成されている。

このように、光位相・強度シフタには、横型ダイオード構造が埋め込まれている。この光位相・強度シフタにおいては、電極１０５，１０６を介した横型ダイオード構造への順バイアス印加によってリブ型導波路コア１０１内にキャリアを注入し、リブ型導波路コア１０１内の総体的なキャリア量を変化させてＳｉ導波路の実効屈折率変化を生じさせることで、Ｓｉ導波路を伝搬する光の位相および強度を変化させることができる。

なお、このＳｉ導波路を基本素子としてＳｉベースウェハ上に光デバイスを構築するシリコンフォトニクスと呼ばれる技術は、ＣＭＯＳ電子デバイスとほぼ同一な材料・作製技術を用いて構成可能なため、光通信に必要となる光電子デバイスを同一チップ上にモノリシックに集積する技術としても期待されている。

William M.J.Green，Michael J.Rooks，Lidija Sekaric，and Yurii A.Vlasov，"Ultra-compact,low RF power,10 Gb/s silicon Mach-Zehnder modulator"，OPTICS EXPRESS，Vol.15，No.25，pp.17106-17113，2007

しかし、Ｓｉ導波路を用いた従来の光位相・強度シフタには、コアサイズが２００ｎｍ×６００ｎｍと大きいという問題があった。現状のＳｉ電子デバイスにおいて例えばＳｉトランジスタのゲート長は１００ｎｍ以下にまで低減されており、Ｓｉトランジスタのサイズは光位相・強度シフタのような光デバイスのサイズと１桁違いがある。先端半導体プロセスではこのような大きく異なるサイズを有する構造体を同一プロセスで精度良く作製し、所望の特性を得ることが困難であり、光電子デバイスをモノリシックに集積する際の大きな問題となっていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、電子デバイスと同様のサイズまで小型化が可能な光位相・強度シフタを提供することを目的とする。

本発明の光位相・強度シフタは、絶縁体からなる下部クラッド層と、この下部クラッド層の上に形成されたリブ部とこのリブ部の両側に形成された１対のスラブ部とを有するＩ型半導体からなるコアを備えたプラズモン導波路と、一方の前記スラブ部と接するように前記下部クラッド層の上に形成されたＰ型半導体の領域と、他方の前記スラブ部と接するように前記下部クラッド層の上に形成されたＮ型半導体の領域と、前記Ｐ型半導体の領域および前記リブ部の一方の側壁と接するように形成された第１の電極と、前記Ｎ型半導体の領域および前記リブ部の他方の側壁と接するように形成された第２の電極と、前記プラズモン導波路のコアを覆うように形成された上部クラッド層とを有し、前記リブ部は、導波路伝搬光の波長に対して回折限界以下のサイズであり、前記Ｐ型半導体の領域と前記Ｉ型半導体からなるコアと前記Ｎ型半導体の領域とは、Ｐ−Ｉ−Ｎ接合のダイオードを構成し、前記第１、第２の電極は、前記ダイオードの電極と前記プラズモン導波路の金属膜としての構造を兼ねるように形成され、前記ダイオードと前記第１、第２の電極とは、前記プラズモン導波路のコア内にキャリアを注入可能なキャリア注入構造を構成することを特徴とするものである。
また、本発明の光位相・強度シフタの１構成例は、さらに、前記プラズモン導波路のコアと前記第１、第２の電極とを隔てるように前記コアの表面に接して形成された絶縁層を有し、前記第１の電極は、前記Ｐ型半導体の領域に接すると共に、前記絶縁層のうち前記リブ部の一方の側壁とこの側壁の側の前記スラブ部とを覆う部分に接するように形成され、前記第２の電極は、前記Ｎ型半導体の領域に接すると共に、前記絶縁層のうち前記リブ部の他方の側壁とこの側壁の側の前記スラブ部とを覆う部分に接するように形成されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、プラズモン導波路を用いることで、従来の光位相・強度シフタのサイズを律速していた導波路の小型化が可能となり、Ｓｉトランジスタなどの電子デバイスとほぼ同様のコアサイズを有する光位相・強度シフタが作製可能となるので、電子デバイスと光位相・強度シフタを同一のプロセスで精度良く作製することができ、光電子デバイスの集積が容易になる。

また、本発明では、プラズモン導波路のコアと第１、第２の電極とを隔てるようにコアの表面に絶縁層を形成することにより、電極間の電流のリークを抑えることができる。

本発明の実施の形態に係る光位相・強度シフタの構造を示す断面図である。キャリアを注入していない状態でのプラズモン導波路の伝搬モードの例を示す図である。キャリア注入によってリブ型導波路コアの屈折率を変化させた際の伝搬モードの実効屈折率変化および伝搬モードの損失変化の計算結果を示す図である。従来の光位相・強度シフタの構造を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る光位相・強度シフタの構造を示す断面図である。本実施の形態の光位相・強度シフタは、ＳｉＯ₂からなる下部クラッド層１と、下部クラッド層１の上に形成された幅８０ｎｍ、厚さ８０ｎｍのリブ部２ａとこのリブ部２ａの両側に形成された厚さ３０ｎｍの１対のスラブ部２ｂ，２ｃとを備えたＰ型Ｓｉ（Ｉ型半導体）からなるリブ型導波路コア２と、一方のスラブ部２ｂと接するように下部クラッド層１の上に形成されたＰ⁺⁺型Ｓｉ（Ｐ型半導体）領域３と、他方のスラブ部２ｃと接するように下部クラッド層１の上に形成されたＮ⁺⁺型Ｓｉ（Ｎ型半導体）領域４と、リブ型導波路コア２の表面を覆うように形成された厚さ６ｎｍの熱酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる絶縁層５と、Ｐ⁺⁺型Ｓｉ領域３および絶縁層５に覆われたスラブ部２ｂの上に形成された電極６と、Ｎ⁺⁺型Ｓｉ領域４および絶縁層５に覆われたスラブ部２ｃの上に形成された電極７と、リブ型導波路コア２および電極６，７の一部を覆うように形成されたＳｉＯ₂からなる上部クラッド層８とから構成されている。

電極６，７は、それぞれＰ⁺⁺型Ｓｉ領域３、Ｎ⁺⁺型Ｓｉ領域４と接しており、Ｐ⁺⁺−Ｉ−Ｎ⁺⁺接合の横型ダイオード構造（キャリア注入構造）における電極となっている。同時に、この電極６，７は、リブ型導波路コア２のリブ部２ａの両脇の上部クラッド層５と接しており、リブ部２ａへの光を閉じ込めを可能にするプラズモン導波路の金属膜としての役割も有する。

金属と半導体（Ｓｉ）あるいは金属と絶縁体（ＳｉＯ₂）との界面では電界の集中により、光の電磁界の広がりが抑えられ、導波路伝搬光の波長に対して回折限界以下のサイズ（８０ｎｍ×８０ｎｍ）のリブ部２ａに光が閉じ込められる。こうして、特定の１次元方向（本実施の形態の例では図１の紙面に垂直な方向）にのみ光が伝搬するプラズモン導波路を実現することができる。

図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に、キャリアを注入していない状態でのプラズモン導波路の伝搬モードの例を示す。図２（Ａ）はプラズモン導波路のｘｙ平面における電界分布を示す図、図２（Ｂ）はｘ方向の電界強度（ａｂｓ（Ｅｘ））を示す図、図２（Ｃ）はｙ方向の電界強度を示す図である。ｘ方向とは図１の左右方向であり、ｙ方向とは図１の上下方向である。ここでは、電極６，７の材料としてＡｌを用いた。図２（Ａ）〜図２（Ｃ）によれば、８０ｎｍ×８０ｎｍのリブ部２ａの領域を中心に良好に光が閉じ込められていることが分かる。

Ｓｉ内におけるキャリアプラズマ効果としては、キャリア密度が増大すると屈折率が低下することが知られている。図３に、キャリア注入によってリブ型導波路コア２の屈折率を変化させた際の伝搬モードの実効屈折率変化および伝搬モードの損失変化の計算結果を示す。図３によれば、キャリア濃度の変化によって導波路伝搬光の位相および強度が変わることが分かる。
リブ型導波路コア２内のキャリア濃度を変えるには、電極６，７を介して横型ダイオード構造に印加する順バイアス電圧を変化させるようにすればよい。

以上のように、本実施の形態によれば、プラズモン導波路を用いることで、従来の光位相・強度シフタのサイズを律速していた導波路の小型化が可能となり、Ｓｉトランジスタなどの電子デバイスとほぼ同様のコアサイズを有する光位相・強度シフタが作製可能となるので、電子デバイスと光位相・強度シフタを同一のプロセスで精度良く作製することができ、光電子デバイスの集積が容易になる。

なお、本発明において絶縁層５は必須の構成要素ではない。すなわち、絶縁層５を省き、リブ部２ａの左右の側壁と接するように電極６，７を形成してもよい。絶縁層５を形成する場合には、電極６，７間の電流のリークを抑制することが可能である。ただし、絶縁層５が厚いと、この領域に分布する光強度の割合が増え、キャリアプラズマ効果による屈折率変化量が減少する。

本発明は、光を変調する技術に適用することができる。

１…下部クラッド層、２…リブ型導波路コア、２ａ…リブ部、２ｂ，２ｃ…スラブ部、３…Ｐ⁺⁺型Ｓｉ領域、４…Ｎ⁺⁺型Ｓｉ領域、５…絶縁層、６，７…電極、８…上部クラッド層。

Claims

絶縁体からなる下部クラッド層と、
この下部クラッド層の上に形成されたリブ部とこのリブ部の両側に形成された１対のスラブ部とを有するＩ型半導体からなるコアを備えたプラズモン導波路と、
一方の前記スラブ部と接するように前記下部クラッド層の上に形成されたＰ型半導体の領域と、
他方の前記スラブ部と接するように前記下部クラッド層の上に形成されたＮ型半導体の領域と、
前記Ｐ型半導体の領域および前記リブ部の一方の側壁と接するように形成された第１の電極と、
前記Ｎ型半導体の領域および前記リブ部の他方の側壁と接するように形成された第２の電極と、
前記プラズモン導波路のコアを覆うように形成された上部クラッド層とを有し、
前記リブ部は、導波路伝搬光の波長に対して回折限界以下のサイズであり、
前記Ｐ型半導体の領域と前記Ｉ型半導体からなるコアと前記Ｎ型半導体の領域とは、Ｐ−Ｉ−Ｎ接合のダイオードを構成し、
前記第１、第２の電極は、前記ダイオードの電極と前記プラズモン導波路の金属膜としての構造を兼ねるように形成され、
前記ダイオードと前記第１、第２の電極とは、前記プラズモン導波路のコア内にキャリアを注入可能なキャリア注入構造を構成することを特徴とする光位相・強度シフタ。
請求項１記載の光位相・強度シフタにおいて、
さらに、前記プラズモン導波路のコアと前記第１、第２の電極とを隔てるように前記コアの表面に接して形成された絶縁層を有し、
前記第１の電極は、前記Ｐ型半導体の領域に接すると共に、前記絶縁層のうち前記リブ部の一方の側壁とこの側壁の側の前記スラブ部とを覆う部分に接するように形成され、
前記第２の電極は、前記Ｎ型半導体の領域に接すると共に、前記絶縁層のうち前記リブ部の他方の側壁とこの側壁の側の前記スラブ部とを覆う部分に接するように形成されていることを特徴とする光位相・強度シフタ。