JP7037287B2 - 光導波路素子 - Google Patents

Description

本発明は、光集積回路に用いられる光導波路素子に関する。

近年、光導波路素子を含む光集積回路を、光ファイバ通信用の各種デバイスに応用することが検討されている。光ファイバ通信用のデバイスとしては、例えば、長距離・メトロ系の波長多重光ファイバ通信で用いられる光トランスポート装置や、データセンタ等で用いられる光インタコネクト装置等が挙げられる。

光集積回路に用いられる光導波路素子として、特許文献１には、相異なる導電性を有する２つのシリコン層と、これら２つのシリコン層に挟まれた誘電体層とを有するコアを備えたものが開示されている。特許文献１に記載の光導波路素子においては、２つのシリコン層としてＰ型シリコン層およびＮ型シリコン層を用い、誘電体層として二酸化シリコンを用いた、いわゆるＳＩＳＣＡＰ（シリコンキャパシタ）構造が採用されている。

特許文献１に記載の光導波路素子では、各シリコン層の側壁（基板の面に沿う方向における該シリコン層の終端）とクラッドとの屈折率の差により光の閉じ込めが実現されており、コアを導波する光の電界は、上記２つのシリコン層と上記誘電体層とに拡がるように分布する。このため、上記２つのシリコン層のキャリア密度を変化させることにより、上記誘電体層を介して上記２つのシリコン層が重なりあったコアの中央部分において、コアを導波する光に対する屈折率を変化させることができる。

また、特許文献１には、Ｐ型シリコン層またはＮ型シリコン層のいずれかをＬ字型に折り曲げたＳＩＳＣＡＰ構造が開示されている。このような構造を採用することにより、キャリア密度が変化する領域を、基板の面に対して平行な方向のみならず、基板の面に対して垂直な方向にも延設することができる。

特許文献２に記載の光導波路素子は、リブ導波路において、リブ領域の直下で空乏層が水平方向にまたは水平方向から僅かに傾斜した構造である。

また、特許文献３には、リブ領域と、水平方向に沿ってリブ領域を挟むように配置された、リブ領域よりも高さの低い２つのスラブ領域とを有するリブ導波路をコア部として含み、コア部は、互いに垂直方向に重ねて配置された、ＰＮ接合を形成する第１コア領域および第２コア領域を有しており、第１コア領域と第２コア領域との間に、リブ領域から２つのスラブ領域の少なくとも何れか一方にまで延伸する空乏層が形成される光導波路素子が開示されている。

米国特許公開２００４／０２０８４５４号公報（２００４年１０月２１日公開） 米国特許公開２０１１／０２０６３１３号公報（２０１１年８月２５日公開） 特開２０１７－０１５７７３号公報（２０１７年１月１９日公開）

特許文献１に記載の光導波路素子では、上述したように、各シリコン層の側壁（基板の面に沿う方向における該シリコン層の終端）とクラッドとの屈折率の差により光の閉じ込めが実現される。このため、各シリコン層の側壁が荒れていると、その側壁にてコアを導波する光が散乱されてしまい、光損失が大きくなるという問題が発生する。

また、特許文献１に記載の光導波路素子では、上述したように、キャリア密度が変化する領域が、誘電体層を介して２つのシリコン層が重なりあったコアの中央部分に限定され、コアを導波する光の電界が分布する領域全体には及ばない。したがって、屈折率変調の効率を高めて駆動電圧を低下させるためには、（１）各シリコン層のドーピング密度を高くするか、または、（２）素子長を長くする必要がある。各シリコン層のドーピング密度を高くした場合、キャリアがより多くの光を吸収してしまい、結果、光損失が大きくなるという問題が発生する。一方、素子長を長くした場合、光導波路素子の大型化を招くという問題が発生する。

さらに、副次的な問題として、特許文献１に記載の光導波路素子では、その製造工程のうち、誘電体層にシリコン層を積層する工程が特殊なものとなるため、その製造工程が複雑となる。この結果、特許文献１に記載の光導波路素子は、その製造が難しく、また、他の光回路との間でデザインルールを統一することも困難であるため、他の光回路と共に集積することが困難であるという問題が発生する。例えば、光損失低減および光学特性のバラつきを抑えるため、積層膜厚の変動を１ｎｍ（ナノメートル）以下に低減する技術が必要になる。

さらに、別の副次的な問題として、特許文献１に記載の光導波路素子では、各シリコン層に拡がるように、コアを導波する光の電界が分布する。このため、コアを導波する光のプロファイルは、基板面と平行な方向において非対称となり、コアを導波する光は、横電界（ＴＥ）成分と横磁界（ＴＭ）成分とを偏波成分として含むこととなる。この結果、特許文献１に開示されている光導波路素子と偏波多重光回路とを集積化すると偏波クロストークが生じ、偏波多重光信号伝送が困難になるという問題が発生する。

特許文献２に記載の光導波路素子では、リブ導波路におけるリブ領域とスラブ領域とにおいて、空乏層の垂直方向の位置が同じまたはほぼ同じであるため、導波モードと空乏層との重なりを十分に高めることはできない。よって、特許文献２に記載の光導波路素子においては、駆動電圧を低減するためにリブ領域およびスラブ領域のドーピング密度を上げる必要が生じ、特許文献１に開示されている技術と同様に、光損失が増大するという問題が生ずる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の主たる課題は、光損失の低減、低駆動電圧化、および小型化を可能とした光導波路素子を提供することにある。

なお、特許文献３に記載の光導波路素子では、上記の主たる課題は解決することができるものの、スラブ領域の厚みが変動したときに、または、第１コア領域および第２コア領域の形成時においてドーパントの注入密度が変動したときに、第１コア領域および第２コア領域のそれぞれが、リブ領域とスラブ領域との境界にて電気的に切断されてしまう可能性がある。このため、特許文献３に記載の光導波路素子においては、製造誤差に対する許容性が低いという点で、換言すれば、歩留まりが低いという点で、改善の余地が残されている。本願明細書には、これらの点の改善を図るための発明も含まれる。

上記の主たる課題を解決するために、本発明の一態様に係る光導波路素子は、第１の高さを有するリブ領域と、第１方向に沿って該リブ領域を挟むように配置された、上記第１の高さよりも低い第２の高さを有する２つのスラブ領域とを有するリブ導波路をコア部として含み、上記コア部は、互いに上記第１方向に対して垂直な第２方向に重ねて配置された、ＰＮ接合を形成する第１コア領域および第２コア領域を有しており、上記第１コア領域と上記第２コア領域との間に、上記リブ領域から２つの上記スラブ領域の両方にまで延伸する空乏層が形成され、上記２つのスラブ領域のそれぞれにおける上記空乏層の上記第２方向の位置は、上記リブ領域における上記空乏層の上記第２方向の位置より低く、上記第２の高さにおける上記リブ領域の幅が、上記第１の高さにおける上記リブ領域の幅よりも広い、ことを特徴としている。

上記の構成によれば、リブ導波路をコア部としているため、導波光（コア部を導波する光）がリブ領域およびその近傍に局在する。このため、コア部の側壁に荒れがあっても、側壁の粗さに起因する光の散乱が低減され、その結果、光損失が低減される。また、上記の構成によれば、第１コア領域と第２コア領域との間に、リブ領域から２つのスラブ領域の少なくとも何れか一方にまで延伸する空乏層が形成されているので、（１）第１コア領域および第２コア領域のドーピング密度を高くしたり、（２）素子長を長くしたりせずとも、屈折率変調の効率を高めて駆動電圧を低下させることが可能になる。すなわち、光損失の増大および光導波路素子の大型化を招来することなく、低駆動電圧化を実現することができる。

また、上記の構成によれば、スラブ領域において、導波光の電界プロファイルと空乏層との空間的重なりを増すことができる。これにより、キャリア密度を変化させる効率を高め、さらなる低駆動電圧化が可能となる。

また、上記の構成によれば、コア部の全領域において、導波光の電界プロファイルと空乏層との空間的重なりを増すことができる。これにより、キャリア密度を変化させる効率を高め、さらなる低駆動電圧化が可能となる。

さらに、上記の構成によれば、第１コア領域および第２コア領域の厚みが一定又は略一定の場合、上記リブ領域における第２コア領域の下端の幅が、上記リブ領域における上記第１コア領域の上端の幅よりも広く、かつ、上記リブ領域における第１コア領域の下端の幅が、上記リブ領域において上記第１コア領域の下方に配置されたアンドープ領域の上端の幅よりも広くなる。したがって、第１コア領域および第２コア領域について、リブ領域とスラブ領域との間で狭窄が生じ難くなる。このため、第１コア領域および第２コア領域が、リブ領域とスラブ領域との境界にて電気的に切断され難くなる。この結果、製造誤差に対して許容性を有する光導波路素子を実現することができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光導波路素子は、第１の高さを有するリブ領域と、第１方向に沿って該リブ領域を挟むように配置された、上記第１の高さよりも低い第２の高さを有する２つのスラブ領域とを有するリブ導波路をコア部として含み、上記コア部は、互いに上記第１方向に対して垂直な第２方向に重ねて配置された、ＰＮ接合を形成する第１コア領域および第２コア領域を有しており、上記第１コア領域と上記第２コア領域との間に、上記リブ領域から２つの上記スラブ領域の両方にまで延伸する空乏層が形成され、上記２つのスラブ領域のそれぞれにおける上記空乏層の上記第２方向の位置は、上記リブ領域における上記空乏層の上記第２方向の位置より低く、上記リブ領域における第２コア領域の下端の幅が、上記リブ領域における上記第１コア領域の上端の幅よりも広い、ことを特徴としている。

上記の構成によれば、光損失の低減、低駆動電圧化、および小型化を可能とした光導波路素子を実現することができる。更に、上記リブ領域における第２コア領域の下端の幅が、上記リブ領域における上記第１コア領域の上端の幅よりも広いので、第２コア領域について、リブ領域とスラブ領域との間で狭窄が生じ難くなる。このため、第２コア領域が、リブ領域とスラブ領域との境界にて電気的に切断され難くなる。

また、上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光導波路素子は、第１の高さを有するリブ領域と、第１方向に沿って該リブ領域を挟むように配置された、上記第１の高さよりも低い第２の高さを有する２つのスラブ領域とを有するリブ導波路をコア部として含み、上記コア部は、互いに上記第１方向に対して垂直な第２方向に重ねて配置された、ＰＮ接合を形成する第１コア領域および第２コア領域を有しており、上記第１コア領域と上記第２コア領域との間に、上記リブ領域から２つの上記スラブ領域の両方にまで延伸する空乏層が形成され、上記２つのスラブ領域のそれぞれにおける上記空乏層の上記第２方向の位置は、上記リブ領域における上記空乏層の上記第２方向の位置より低く、上記リブ領域における第１コア領域の下端の幅が、上記リブ領域において上記第１コア領域の下方に配置されたアンドープ領域の上端の幅よりも広い、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、光損失の低減、低駆動電圧化、および小型化を可能とした光導波路素子を実現することができる。更に、上記リブ領域における第１コア領域の下端の幅が、上記リブ領域において上記第１コア領域の下方に配置されたアンドープ領域の上端の幅よりも広いので、第１コア領域について、リブ領域とスラブ領域との間で狭窄が生じ難くなる。このため、第１コア領域が、リブ領域とスラブ領域との境界にて電気的に切断され難くなる。

また、本発明の一態様に係る光導波路素子は、上記リブ領域の側壁の傾斜角が、４５度以上８０度以下であることが好ましい。

また、本発明の一態様に係る光導波路素子は、上記リブ領域における上記第１コア領域の側面の傾斜角が、４５度以上８０度以下であることが好ましい。

また、本発明の一態様に係る光導波路素子は、上記リブ領域における上記アンドープ領域の側面の傾斜角が、４５度以上８０度以下であることが好ましい。

上記傾斜角を４５度以上とすることにより、リブ領域に存在する光のモードフィールドが両スラブ領域に拡がることを抑制することができるため、光損失を小さくすることができる。上記傾斜角を８０度以下とすることにより、リブ領域とスラブ領域との接続領域を十分大きくすることが可能である。

また、本発明の一態様に係る光導波路素子は、上記コア部における導波光の電界ピーク値に対して、上記導波光の電界の減衰率が１３ｄＢ以内になるように、上記空乏層の上記第１方向における端が定められていることが好ましい。

空乏層の第１方向の拡がりが導波光の電界ピーク値に対して約１３ｄＢ減衰した点を越えると、第１コア領域および第２コア領域によるＰＮ接合容量が増大し、ＲＣ時定数に起因する速度制限が顕著になる。これを避けるように、空乏層の第１方向における端を配置することが好ましい。

また、本発明の一態様に係る光導波路素子は、少なくとも１つの上記スラブ領域において、上記第１コア領域の上記第２方向の厚みと、上記第２コア領域の上記第２方向の厚みとが等しいことが好ましい。

また、本発明の一態様に係る光導波路素子において、上記光導波路素子は、光の入射側および出射側の一方に近いほど上記第１方向に沿った各上記スラブ領域の幅が小さくなるようなテーパ形状を有する第１テーパ部と、上記第１テーパ部における光の入射側および出射側の他方の端部と隣接して配置されており、光の入射側および出射側の一方に近いほど上記第１方向に沿った上記リブ領域の幅が小さくなるようなテーパ形状を有する第２テーパ部とを有していることが好ましい。

上記の構成によれば、本発明の光導波路素子を、マッハ－ツェンダー干渉計の各アームの位相変調部として用いた場合に、光損失の増大および高次モード励起が引き起こされることを防ぐことができる。

また、本発明の一態様に係る光導波路素子は、上記第２方向に関し、上記コア部の下面の高さを基準とした、少なくとも１つの上記スラブ領域における上記空乏層の高さは、ｈｓ／２（但し、ｈｓ：該スラブ領域の厚み）であることが好ましい。

上記の構成によれば、スラブ領域での導波光の電界のプロファイルと空乏層との重なりが最大となる。

また、本発明の一態様に係る光導波路素子は、上記第２方向に関し、上記コア部の下面の高さを基準とした、上記リブ領域における上記空乏層の高さは、ｈｓ／２以上、かつ、ｈｒ－ｈｓ／２以下（但し、ｈｓ：少なくとも１つの上記スラブ領域の厚み、ｈｒ：上記リブ領域の厚み）であることが好ましい。

上記の構成によれば、リブ領域での導波光の電界のプロファイルと空乏層との重なりが最大となる。

また、本発明の一態様に係る光導波路素子は、上記空乏層と導波光の電界との重なりが最大となる場合、上記第２方向に関し、上記コア部の下面の高さを基準とした、上記リブ領域における上記第１コア領域の下面の高さは、ｈｒ／２－ｈｓ／２であり、上記コア部の下面の高さを基準とした、上記リブ領域における上記第２コア領域の上面の高さは、ｈｒ／２＋ｈｓ／２であることが好ましい。

また、本発明の一態様に係る光導波路素子において、上記リブ領域は、上記第１コア領域および上記第２コア領域の直上、ならびに、上記第１コア領域および上記第２コア領域の直下のうち少なくとも一方に、ドーパントが意図的に注入されていないアンドープ領域を有していることが好ましい。

上記の各構成によれば、コア部全体での導波光の電界のプロファイルと空乏層との重なりをさらに増すことができるとともに、光損失の低減が可能である。

本発明の一態様によれば、光損失の低減、低駆動電圧化、および小型化が可能な光導波路素子を実現することができる。

本発明の実施の形態１に係る光導波路素子の断面図である。 図１に示す光導波路素子の第１変形例の断面図である。 図１に示す光導波路素子の第２変形例の断面図である。 図１に示す光導波路素子の第３変形例の断面図である。 図１に示す断面における導波光の電界プロファイルを簡便な数値解析により求めたものである。 （ａ）はマッハ－ツェンダー干渉計のブロック図であり、（ｂ）はマッハ－ツェンダー干渉計を備えた光変調器の斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る光導波路素子の上面図である。 空乏層における導波光の電界プロファイルである。 空乏層における導波光の別の電界プロファイルである。

以下、本発明を実施するための形態について、図１～図９を参照して詳細に説明する。

〔実施の形態１〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光導波路素子１００の断面図である。なお、図１では、水平方向（第１方向）および垂直方向（第２方向）を併せて示している。

光導波路素子１００は、リブ導波路コア（コア部）１０１、基板１０２、下部クラッド１０３、および上部クラッド１０４を備えている。下部クラッド１０３は、基板１０２上に形成されている。リブ導波路コア１０１は、下部クラッド１０３上に形成されている。上部クラッド１０４は、リブ導波路コア１０１上に形成されている。

光導波路素子１００において、基板１０２と下部クラッド１０３との界面は平坦である。図１に示す水平方向は、この界面と平行な方向であり、図１に示す垂直方向は、この界面と直交する方向であると言える。また、垂直方向に関し、上部クラッド１０４側が上であり、基板１０２側が下である。

リブ導波路コア１０１は、図１に示す断面の水平方向における中央部分に形成されたリブ領域１０１ｒと、水平方向に沿ってリブ領域１０１ｒを挟むように配置された２つのスラブ領域１０１ｓとを有している。図１では、リブ領域１０１ｒの幅（水平方向の長さ）をｗｒとし、リブ領域１０１ｒの厚み（垂直方向の長さ）をｈｒとし、両スラブ領域１０１ｓの厚みをｈｓとしている。また、以下、リブ導波路コア１０１の下端を基準としたリブ領域１０１ｒの上端の高さを高さｈｒ（第１の高さ）と称し、リブ導波路コア１０１の下端を基準とした両スラブ領域１０１ｓの上端の高さを高さｈｓ（第２の高さ）と称する場合がある。高さｈｓは、高さｈｒより低くなっている。

以下、リブ領域１０１ｒのうち、両スラブ領域１０１ｓの上面よりも上方に位置する部分を、凸部と称する。つまり、リブ領域１０１ｒは、凸部と、この凸部の直下のリブ導波路コア１０１部分とを含む領域である。

図１に示す断面において、リブ導波路コア１０１は、リブ領域１０１ｒの水平方向における中点１０１ｒｃを通り垂直方向に伸びる軸（一点鎖線Ａ－Ａ´）に対して線対称である。また、凸部の側壁１０１ｒｓは、水平方向と垂直方向とのそれぞれから傾斜している。以下、当該傾斜の方向を「斜め方向」と称する。なお、各実施の形態を通して、リブ領域１０１ｒの幅ｗｒは、側壁１０１ｒｓの垂直方向の中点１０１ｒｓｃを端部としたときの幅（水平方向の長さ）として与えられる。後述する幅ｗｄ１および幅ｗｄ２についても同様である。

導波光（リブ導波路コア１０１を導波する光）は、リブ領域１０１ｒおよびその近傍に局在し、図１に示す断面と直交する方向（第３方向）に伝搬する。リブ導波路コア１０１を伝搬する導波光のモードがＴＥ成分の基本モードのみとなるように、光導波路素子１００は設計されている。ここで、導波光の波長は、光通信および光インタコネクトにおいて適用される波長帯にあり、１２００ｎｍ～１７００ｎｍの範囲にある。

リブ導波路コア１０１および基板１０２の材質は例えば、結晶性シリコンである。一方、下部クラッド１０３および上部クラッド１０４の材質は例えば、二酸化シリコン（シリカ）である。リブ導波路コア１０１、基板１０２、下部クラッド１０３、および上部クラッド１０４の材質を以上のようにすれば、ＳＯＩ（Silicon-on-insulator）ウエファを用いて、光導波路素子１００を構成することができる。リブ導波路コア１０１には、結晶性シリコンからなるＳＯＩ層を用いることができる。下部クラッド１０３には、埋め込みシリカ（ＢＯＸ）層を用いることができる。上部クラッド１０４は、リブ導波路コア１０１にシリカを堆積することによって形成することができる。

近年、厚みが概ね２２０ｎｍであるＳＯＩ層を含むＳＯＩウエファが普及している。そこで、光導波路素子１００では、このＳＯＩウエファを用いた構成を想定し、ｈｒが２２０ｎｍである。ＴＥ成分の高次モードの導波光およびＴＭ成分の導波光の伝搬を避けるためには、ｈｓが１５０ｎｍ以上であることが好ましい。また、ＴＥ成分の基本モードの導波光がリブ導波路コア１０１外へ放射され、導波光が減衰してしまうことを避けるためには、ｈｓが１８０ｎｍ以下であり、かつ、ｗｒが４５０ｎｍ以上であることが好ましい。ｗｒが４５０ｎｍ以上であれば、側壁１０１ｒｓの粗さに起因する光損失を低減することにおいても好適である。

自由キャリア吸収により生じるキャリアプラズマ分散に基づいた屈折率変調を行うために、リブ導波路コア１０１にはＰＮ接合が形成されている。つまり、光導波路素子１００では、このＰＮ接合においてキャリア密度を変化させることによって、屈折率を変化させている。本願発明者は、リブ導波路コア１０１内における、導電性を有する領域（空乏層を含む）のレイアウトを新たに案出し、この新たなレイアウトにより、光損失の低減、駆動電圧の低減、および変調周波数の上昇を実現した。

図１に示すとおり、リブ導波路コア１０１は、（１）第１のドーパント（例えば、Ｐ型ドーパント）がドープされた、第１の導電性を有する第１コア領域（図１においてクロスハッチングを施した部分）と、（２）第２のドーパント（例えば、Ｎ型ドーパント）がドープされた、第２の導電性を有する第２コア領域（図１において濃いドットハッチングが施された部分）と、（３）ドーパントが意図的にドープされていないアンドープ領域（図１においてハッチングが施されていない部分）とに大別される。

第１コア領域は、中央領域（第１コア領域の一部）１０５、側方領域（第１コア領域の一部）１０６および１０７、ならびに接続領域（第１コア領域の一部）１０８を備えている。中央領域１０５、側方領域１０６および１０７、ならびに接続領域１０８は、いずれも第１の導電性を有しており、互いに電気的に接続されており、全体として第１コア領域を形成している。

中央領域１０５は、第１コア領域のうち、リブ領域１０１ｒに属する領域である。側方領域１０６は、第１コア領域のうち、一方のスラブ領域１０１ｓに属する領域であり、側方領域１０７は、第１コア領域のうち、他方のスラブ領域１０１ｓに属する領域である。中央領域１０５の上面および下面の垂直方向の位置は、それぞれ、側方領域１０７～１０８の上面および下面の垂直方向の位置よりも高くなっている。中央領域１０５の下方において２つの側方領域１０７～１０８に挟まれた箇所には、アンドープ領域１２０が配置されている。中央領域１０５および側方領域１０６～１０７の厚みは、およそｈｓ／２であり、中央領域１０５の下面（アンドープ領域１２０の上面）の垂直方向の位置は、側方領域１０６～１０７の上面の垂直方向の位置よりも低い。このため、側方領域１０６の右側の側面の上端は、中央領域１０５の左側の側面の下端と接しており、側方領域１０７の左側の側面の上端は、中央領域１０５の右側の側面の下端と接している。なお、側方領域１０６の左側の側面は、アンドープ領域１２１と接しており、側方領域１０７の右側の側面は、接続領域１０８と接している。この接続領域１０８の厚みはｈｓである。中央領域１０５の幅はｗｒであり、側方領域１０６の幅はｗｄ２であり、側方領域１０７の幅はｗｄ１である。

第２コア領域は、中央領域（第２コア領域の一部）１０９、側方領域（第２コア領域の一部）１１０および１１１、ならびに接続領域（第２コア領域の一部）１１２を備えている。中央領域１０９、側方領域１１０および１１１、ならびに接続領域１１２は、いずれも第２の導電性を有しており、互いに電気的に接続されており、全体として第２コア領域を形成している。

中央領域１０９は、第２コア領域のうち、リブ領域１０１ｒに属する領域である。側方領域１１１は、第２コア領域のうち、一方のスラブ領域１０１ｓに属する領域であり、側方領域１１０は、第２コア領域のうち、他方のスラブ領域１０１ｓに属する領域である。中央領域１０９の上面および下面の垂直方向の位置は、それぞれ、側方領域１１０～１１１の上面および下面の垂直方向の位置よりも高くなっている。中央領域１０９の下方において２つの側方領域１１０～１１１に挟まれた箇所には、上述した第１コア領域の中央領域１０５が配置されている。中央領域１０９および側方領域１１０～１１１の厚みは、およそｈｓ／２であり、中央領域１０９の下面（第１コア領域の中央領域１０５の上面）の垂直方向の位置は、側方領域１１０～１１１の上面の垂直方向の位置よりも低い。このため、側方領域１１１の右側の側面の上端は、中央領域１０５の左側の側面の下端と接しており、側方領域１１０の左の側面の上端は、中央領域１０５の右側の側面の下端と接している。なお、側方領域１１０の右側の側面は、アンドープ領域１２２と接しており、側方領域１０７の左側の側面は、接続領域１１２と接している。この接続領域１１２の厚みはｈｓである。中央領域１０９の幅はｗｒであり、側方領域１１０の幅はｗｄ２であり、側方領域１１１の幅はｗｄ１である。

なお、光導波路素子１００において、第２コア領域の中央領域１０９は、リブ領域１０１ｒの頂上にまで達していない。しかしながら、光導波路素子における光損失の増大を招くことなく屈折率変調の効率をさらに向上させることができる場合等においては、第２コア領域の中央領域１０９を、リブ領域１０１ｒの頂上にまで達するように形成してもよい。

光導波路素子１００では、水平方向において、接続領域１０８および１１２とリブ領域１０１ｒとが離間されて配置されている。このような配置を採用した理由は、自由キャリア吸収による光損失を低減するためである。中点１０１ｒｃから接続領域１０８までの距離、および、中点１０１ｒｃから接続領域１１２までの距離はいずれも、光導波路素子１００において要求される光損失の程度、および／または光導波路素子１００の動作周波数等に応じて任意の長さに設定することができる。

リブ導波路コア１０１のリブ領域１０１ｒにおいて、第１コア領域の中央領域１０５と第２コア領域の中央領域１０９とが、互いに垂直方向に重ねて配置されている。また、リブ導波路コア１０１の一方のスラブ領域１０１ｓにおいて、第１コア領域の側方領域１０６と第２コア領域の側方領域１１１とが、互いに垂直方向に重ねて配置されている。さらに、リブ導波路コア１０１の他方のスラブ領域１０１ｓにおいて、第１コア領域の側方領域１０７と第２コア領域の側方領域１１０とが、互いに垂直方向に重ねて配置されている。

ここで、中央領域１０５、側方領域１０６および１０７、ならびに接続領域１０８により構成される第１コア領域が有する第１の導電性がＰ型であり、中央領域１０９、側方領域１１０および１１１、ならびに接続領域１１２により構成される第２コア領域が有する第２の導電性がＮ型である場合を考える。この場合、第１の導電性（Ｐ型）を有する第１コア領域と、第２の導電性（Ｎ型）を有する第２コア領域とによりＰＮ接合が形成される。そして、このＰＮ接合が形成された部分に対して、所定の逆バイアス電圧を印加することによって、このＰＮ接合の境界には空乏層１１３が形成される。空乏層１１３は、リブ領域１０１ｒから両スラブ領域１０１ｓに延伸するように形成される。

本実施形態に係る光導波路素子１００においては、アンドープ領域１２０の上端の幅がアンドープ領域１２０の下端の幅よりも狭くなるように、アンドープ領域１２０の側壁１２０ｓを傾斜させる構成を採用している。アンドープ領域１２０の上に積層される第１コア領域の中央領域１０５の下端の幅（側方領域１０６～１０７の上面の高さで測った中央領域１０５の幅）は、通常、アンドープ領域１２０の下端の幅に一致する。このため、上記の構成を採用すれば、第１コア領域１０５の下端の幅が、アンドープ領域１２０の上端の幅よりも広くなる。したがって、アンドープ領域１２０の側壁１２０ｓを下部クラッド１０３の上面に直交させる構成を採用する場合と比べて、中央領域１０５と側方領域１０６との間、および、中央領域１０５と側方領域１０７との間において、第１コア領域の狭窄が生じ難くなる。このため、第１コア領域の厚みが変動した場合、又は、Ｐ型あるいはＮ型のドーパントの注入密度が変動した場合においても、中央領域１０５と側方領域１０６との間、および、中央領域１０５と側方領域１０７との間において、第１コア領域の電気的な切断が生じ難くなる。

また、本実施形態に係る光導波路素子１００においては、第１コア領域の中央領域１０５の上端の幅が第１コア領域の中央領域１０５の下端の幅（第１コア領域の側方領域１０６～１０７の上面の高さで測った第１コア領域の中央領域１０５の幅）よりも狭くなるように、第１コア領域の中央領域１０５の側壁１０５ｓを傾斜させる構成を採用している。第１コア領域の中央領域１０５の上に積層される第２コア領域の中央領域１０９の下端の幅（側方領域１１０～１１１の上面の高さで測った中央領域１０９の幅）は、通常、第１コア領域の中央領域１０５の下端の幅に一致する。このため、上記の構成を採用すれば、第２コア領域の中央領域１０９の下端の幅は、第１コア領域の中央領域１０５の上端の幅よりも広くなる。したがって、第１コア領域の中央領域１０５の側壁１０５ｓを下部クラッド１０３の上面に直交させる構成を採用する場合と比べて、中央領域１０９と側方領域１１０との間、および、中央領域１０９と側方領域１１１との間において、第２コア領域の狭窄が生じ難くなる。このため、第２コア領域の厚みが変動した場合、又は、Ｐ型あるいはＮ型のドーパントの注入密度が変動した場合においても、中央領域１０９と側方領域１１０との間、および、中央領域１０９と側方領域１１１との間において、第２コア領域の電気的な切断が生じ難くなる。

なお、第１コア領域および第２コア領域の厚みが一定又は略一定である場合、スラブ領域１０１ｓの高さｈｓにおけるリブ領域１０１ｒの幅がリブ領域１０１ｒの高さｈｒにおけるリブ領域１０１ｒの幅よりも広くなるように、リブ領域１０１ｒの側壁１０１ｒｓが傾斜していれば、アンドープ領域１２０の側壁１２０ｓおよび第１コア領域の中央領域１０５の側壁１０５ｓも上記のように傾斜することになる。これにより、第１コア領域１０５の下端の幅が、アンドープ領域１２０の上端の幅よりも広くなり、第２コア領域の中央領域１０９の下端の幅が、第１コア領域の中央領域１０５の上端の幅よりも広くなる。このため、中央領域１０５と側方領域１０６との間、および、中央領域１０５と側方領域１０７との間において、第１コア領域の電気的な切断が生じ難くなり、中央領域１０９と側方領域１１０との間、および、中央領域１０９と側方領域１１１との間において、第２コア領域の電気的な切断が生じ難くなる。

ここで、リブ領域１０１ｒの側壁１０１ｒｓの水平方向からの角度（側壁の傾斜角）θ１は、４５度以上８０度以下であることが好ましい。角度θ１を４５度以上とすることにより、リブ領域１０１ｒに存在する光のモードフィールドが両スラブ領域１０１ｓに拡がることを抑制することができるため、光損失を小さくすることができる。また、角度θ１を８０度以下とすることにより、第１コア領域における中央領域１０５と各側方領域１０６～１０７との間の接続領域、および、第２コア領域における中央領域１０９と各奏法領域１１０～１１１との間の接続領域を十分に拡げることができる。このため、両スラブ領域１０１ｓの厚みｈｓ、または、Ｐ型あるいはＮ型のドーパントの注入密度のいずれかが例えば１０％程度変動した場合に、第１コア領域および第２コア領域が上記接続領域において電気的に切断されることを防ぎ、歩留まりを改善することが可能である。中央領域１０５の側面１０５ｓの傾斜角θ２、および、アンドープ領域１２０の側壁１２０ｓの傾斜角θ３についても同様である。

また、リブ導波路コア１０１において、側方領域１０６と側方領域１１１とによるＰＮ接合の垂直方向の位置、および、側方領域１０７と側方領域１１０とによるＰＮ接合の垂直方向の位置はいずれも、中央領域１０５と中央領域１０９とによるＰＮ接合の垂直方向の位置に比べて低い。このため、両スラブ領域１０１ｓにおける空乏層１１３の垂直方向の位置は、リブ領域１０１ｒにおける空乏層１１３の垂直方向の位置より低くなる。これにより、リブ導波路コア１０１において、導波光の電界プロファイルと空乏層１１３との空間的重なりを増すことができる。これにより、キャリア密度を変化させる効率を高め、さらなる低駆動電圧化が可能となる。

さらに、リブ導波路コア１０１では、中央領域１０５の右側の側部と側方領域１１０の左側の側部とが、互いに水平方向に並んで配置されており、これにより、ＰＮ接合が形成されている。同様に、リブ導波路コア１０１では、中央領域１０５の左側の側部と側方領域１１１の右側の側部とが、互いに水平方向に並んで配置されており、これにより、ＰＮ接合が形成されている。これらのＰＮ接合についても、上述した逆バイアス電圧の印加によって空乏層１１３が形成される。中央領域１０５と側方領域１１０との間に形成される空乏層１１３、および、中央領域１０５と側方領域１１１との間に形成される空乏層１１３はいずれも、対応するリブ領域１０１ｒとスラブ領域１０１ｓとの境界にて、斜め方向に延伸している。その方向は、おのおのの直上にある側壁１０１ｒｓの傾斜の方向と概ね平行である。

なお、図１に示す断面において、側壁１０１ｒｓは斜め方向に直線状に延伸しているが、これに限定されない。すなわち、図１に示す断面において、側壁１０１ｒｓは、斜め方向に曲線状に延伸（図２参照）していてもよいし、段差状に延伸（図３参照）していてもよい。すなわち、高さｈｓにおけるリブ領域１０１ｒの幅が高さｈｒにおけるリブ領域１０１ｒの幅よりも広くなっていればよい。そしてこれにより、第１コア領域１０５の下端の幅が、アンドープ領域１２０の上端の幅よりも広く、かつ、第２コア領域の中央領域１０９の下端の幅が、第１コア領域の中央領域１０５の上端の幅よりも広くなっていればよい。

また、本実施形態においては、図１～図３に示すように、アンドープ領域１２０の側壁１２０ｓおよび第１コア領域の中央領域１０５の側壁１０５ｓを傾斜させる構成を採用している。これにより、中央領域１０５と側方領域１０６との間、および、中央領域１０５と側方領域１０７との間において生じ得る第１コア領域の狭窄を防止している。しかしながら、本発明は、これに限定されない。すなわち、図４に示すように、第１コア領域の中央領域１０５の幅をアンドープ領域１２０の幅よりも広くする構成を採用してもよい。これにより、アンドープ領域１２０の側壁１２０ｓおよび第１コア領域の中央領域１０５の側壁１０５ｓを傾斜させなくても、上述したような第１コア領域の狭窄を防止することができる。また、本実施形態においては、図１～図３に示すように、第１コア領域の中央領域１０５の側壁１０５ｓおよび第２コア領域の中央領域１０９の側壁（リブ領域１０１ｒの側壁１０１ｒｓ）を傾斜させる構成を採用している。これにより、中央領域１０９と側方領域１１０との間、および、中央領域１０９と側方領域１１１との間において生じ得る第２コア領域の狭窄を防止している。しかしながら、本発明は、これに限定されない。すなわち、図４に示すように、第２コア領域の中央領域１０９の幅（リブ領域１０１ｒの幅）を第１コア領域の中央領域１０５の幅よりも広くする構成を採用してもよい。これにより、第１コア領域の中央領域１０５の側壁１０５ｓおよび第２コア領域の中央領域１０９の側壁を傾斜させなくとも、上述したような第２コア領域の狭窄を防止することができる。アンドープ領域１２０の側壁１２０ｓおよび第１コア領域の中央領域１０５の側壁１０５ｓを傾斜させる構成と、第１コア領域の中央領域１０５の幅をアンドープ領域１２０の幅よりも広くする構成とを組み合わせることにより、狭窄の防止効果はさらに高くなる。

図１に示す断面における導波光の電界プロファイル（モードフィールド）を簡便な数値解析により求めるため、側壁１０１ｒｓが垂直方向に沿った構造を用いてシミュレーションを行なった。その結果を図５に示す。側壁１０１ｒｓの水平方向からの角度は４５度よりも大きいと、垂直方向に沿った構造での電界プロファイルと概ね同じである。よって、垂直方向に沿った構造での電界プロファイルを用いた解析のみによって、本発明での効果を見積もることが可能である。以下の議論において、電界プロファイルはすべて垂直方向に沿った構造での結果である。図５に示すとおり、導波光のＴＥ成分の基本モードにおける電界プロファイルは、両スラブ領域１０１ｓにも局在することとなる。

なお、図５において、導波光の電界は線形スケールによって表示されている。また、図５では、ｗｒが６５０ｎｍであり、ｈｒが２２０ｎｍであり、ｈｓが１６０ｎｍであり、導波光の波長が１５５０ｎｍであるものとしてプロファイルを導出している。両スラブ領域１０１ｓにおける空乏層１１３の垂直方向の位置を、リブ領域１０１ｒにおける空乏層１１３の垂直方向の位置より低くすることによって、リブ導波路コア１０１において、導波光の電界プロファイルと空乏層１１３との空間的重なりを増すことができる。

図５に示した構造では、空乏層１１３が９０°折れ曲がっている部分が存在している。但し、実際は、イオン注入時のドーパント元素の注入プロファイル、および、アニーリング時の熱拡散に影響されることによって、この折れ曲がり部分が丸みを帯びる場合がある。この折れ曲がり部分が丸みを帯びることは、空乏層１１３による効果にさほど影響を及ぼさない。

上記ＰＮ接合が形成された部分に対する逆バイアス電圧が変化したとき、空乏層１１３における水平方向の拡がり（幅）は実質的に一定である。一方、このとき、空乏層１１３における垂直方向の拡がり（垂直方向の位置、または厚み）は変化する。リブ導波路コア１０１に局在する導波光のプロファイルによれば、この垂直方向の拡がりは、この水平方向の拡がりの概ね半分以下と小さい。従って、空乏層１１３の厚みを変化させるほうが、空乏層１１３の幅を変化させるよりも、屈折率変調の効率を向上させ、光導波路素子１００の駆動電圧を低減することが容易である。

以上の構成およびメカニズムによって、光導波路素子１００により、下記の効果を奏する。

凸部の存在のみにより、導波光がリブ領域１０１ｒおよびその近傍に局在されるため、側壁の粗さに起因する光の散乱が低減され、これにより、光導波路素子１００では光損失が低減される。また、光導波路素子１００では、その低駆動電圧化を実現するように、上述した第１の導電性を有する各領域および第２の導電性を有する各領域を最適化している。このとき、光導波路素子１００の大型化とは異なる手段で、上記光損失の低減、および低駆動電圧化を図っているため、光導波路素子１００の大型化を避けることができる。

また、空乏層１１３が両スラブ領域１０１ｓに延伸されている。そして、両スラブ領域１０１ｓにおける空乏層１１３の垂直方向の位置は、リブ領域１０１ｒにおける空乏層１１３の垂直方向の位置と異なっている（具体的には、リブ領域１０１ｒにおける空乏層１１３の垂直方向の位置より低い）。これにより、リブ導波路コア１０１の全領域において、導波光の電界プロファイルと空乏層１１３との空間的重なりを増すことができる。これにより、キャリア密度を変化させる効率を高め、さらなる低駆動電圧化が可能となる。

また、接続領域１０８および１１２の厚みはいずれもｈｓであり、対応するスラブ領域１０１ｓの厚みそのものである。これにより、直列抵抗（後述する低抵抗領域１１４から側方領域１０７との境界までの抵抗、および後述する低抵抗領域１１５から側方領域１１１との境界までの抵抗）が低減されるため、この直列抵抗と、上記ＰＮ接合による容量とから決まるＲＣ時定数を小さくすることができる。この結果、光導波路素子１００では、変調周波数の上昇を図ることができる。

光導波路素子１００では、図１に示したリブ導波路コア１０１の断面形状によって、導波光の電界プロファイルが最適化される。一方、空乏層１１３の形状は、導波光の電界プロファイルと独立して、上述した第１の導電性を有する各領域および第２の導電性を有する各領域の配置、ひいてはドーパント分布によって最適化される。従って、光導波路素子１００では、光損失の低減、および低駆動電圧化が容易である。

なお、図５では、光導波路素子１００において、ｗｒが６５０ｎｍであり、ｈｒが２２０ｎｍであり、ｈｓが１６０ｎｍであるものとして説明を行ったが、ｗｒ、ｈｒ、およびｈｓの値はこれらに限定されない。すなわち、リブ導波路コア１０１を伝搬する導波光が理想的に単一のモードのみであり、かつ空乏層１１３が適切に形成される範囲で、光導波路素子１００の各種寸法は適宜変更することができる。

また、光導波路素子１００では、第１の導電性がＰ型であり、第２の導電性がＮ型であるとしたが、第１の導電性がＮ型であり、第２の導電性がＰ型であってもよい。

ここからは、光導波路素子１００における上記ＰＮ接合の形成方法、および高周波電極が設けられた高速光変調素子について説明を行う。第１の導電性を有する各領域と、第２の導電性を有する各領域とを、互いに垂直方向に重ねて配置するためには、ｈｓが１００ｎｍ以上であることが好ましい。

第１の導電性を有する各領域および第２の導電性を有する各領域は、ドーピングによって形成される。このドーピングを行う方法として例えば、イオン注入を採用することができる。光導波路素子１００の上方から垂直方向に沿ってイオン注入を行う場合であって、リブ領域１０１ｒと両スラブ領域１０１ｓとに同時にイオン注入を行う際、リブ領域１０１ｒに対してイオンが侵入する距離と、両スラブ領域１０１ｓに対してイオンが侵入する距離とが概ね等しくなる。従って、リブ領域１０１ｒの上面と両スラブ領域１０１ｓの上面との空乏層１１３の垂直方向の位置を調節することによって、空乏層１１３を所望の位置に形成することが可能となる。また、リブ領域１０１ｒと両スラブ領域１０１ｓとに同時にイオン注入を行うことを可能とするためには、導波光の高次モードの伝搬を避けること、かつ、導波光の放射損失が増大しないことを条件として、ｈｒおよびｈｓを最適値に調節することが必要である。

ここで、図５に示した導波光の電界プロファイルより、リブ領域１０１ｒでは、凸部の頂上から８０ｎｍ～１００ｎｍ程度下方に、空乏層１１３の垂直方向の中心を配置すると、導波光の電界が最大となる位置と垂直方向に概ね一致するため、導波光の電界プロファイルと空乏層１１３との重なりが概ね最大となる。また、各スラブ領域１０１ｓでは、対応するスラブ領域１０１ｓの垂直方向の中心付近に、空乏層１１３の垂直方向の中心を配置すると、導波光の電界が最大となる位置と垂直方向に概ね一致するため、導波光の電界プロファイルと空乏層１１３との重なりが概ね最大となる。

側方領域１０６、側方領域１０７、側方領域１１０、および側方領域１１１は、垂直方向に互いに同じ厚みを有している。その結果、各スラブ領域１０１ｓにおける空乏層１１３の垂直方向の中心は、対応するスラブ領域１０１ｓの垂直方向の中心と一致する。側方領域１０６、側方領域１０７、側方領域１１０、および側方領域１１１の各々の厚みにおよそ５％以内のバラつきがあったとしても、光導波路素子１００の光学特性および電気特性に対してほとんど影響を及ぼさない。よって、このバラつきの範囲内で、側方領域１０６、側方領域１０７、側方領域１１０、および側方領域１１１は同じ厚みとみなすことができる。

リブ領域１０１ｒの上面と両スラブ領域１０１ｓの上面とのそれぞれの垂直方向の位置は、リブ領域１０１ｒと両スラブ領域１０１ｓとに同時にイオン注入を行うことによる上記ＰＮ接合の形成に概ね適合する。このようなイオン注入によって、光導波路素子１００の製造プロセスを簡易化することができ、光導波路素子１００の製造精度が向上する。従って、光導波路素子１００を、他の回路と共に集積することが容易となる。このようなイオン注入に適合する条件を達成することが困難である場合、もしくは、リブ領域１０１ｒにおける空乏層１１３の垂直方向の中心と各スラブ領域１０１ｓにおける空乏層１１３の垂直方向の中心とを個別に調節する必要がある場合、リブ領域１０１ｒに対するイオン注入と、各スラブ領域１０１ｓに対するイオン注入とを個別に行えばよい。イオン注入された元素を活性化して導電性を向上させるため、必要に応じて各イオン注入段階において、アニール処理を行ってもよい。

なお、光導波路素子１００では、第１の導電性・第２の導電性が、Ｐ型・Ｎ型の組み合わせであってもよいし、Ｎ型・Ｐ型の組み合わせであってもよい旨上述した。これらの組み合わせのいずれを採用するかについては、注入する元素の拡散係数等の特性に応じて決定すればよい。

中央領域１０５、側方領域１０６、側方領域１０７は、セルフアラインメントによって、１回のイオン注入により形成することができる。ここで、リブ導波路コア１０１の材質が結晶性シリコンであれば、注入するＰ型イオンとして例えば、ホウ素を用いることができる。イオン注入の加速電圧を調節することによって、中央領域１０５がリブ領域１０１ｒに形成され、側方領域１０６および１０７は、それぞれ対応するスラブ領域１０１ｓの概ね下半分に形成される。

また、接続領域１０８を形成するためには、２段階のイオン注入が必要である。第１段階のイオン注入は、上述したセルフアラインメントによるイオン注入と共通である。これにより、接続領域１０８は、右側のスラブ領域１０１ｓの概ね下半分に形成される。また、第２段階のイオン注入では、光学マスク等を用いてイオンの注入領域を接続領域１０８の垂直方向に制限し、加速電圧を低減して、接続領域１０８を、右側のスラブ領域１０１ｓの概ね上半分に形成する。

また、接続領域１０８におけるその上面を含む領域に対して、ドーズ量を増加させてイオン注入を行い、スラブ領域１０１ｓにおける接続領域１０８の内部に、第１の導電性を有する低抵抗領域１１４を形成する。

また、光導波路素子１００は、上部クラッド１０４に対して水平方向に設けられた垂直貫通配線１１６および１１７と、垂直貫通配線１１６の上方に設けられた表面電極１１８と、垂直貫通配線１１７の上方に設けられた表面電極１１９とをさらに備えている。ここでは、低抵抗領域１１４の上面に、垂直貫通配線１１６の一端を接続し、垂直貫通配線１１６の他端に、表面電極１１８を接続する。

中央領域１０９、側方領域１１０、側方領域１１１は、セルフアラインメントによって、形成することができる。注入するＮ型イオンとして例えば、ヒ素を用いることができる。イオン注入の加速電圧を調節することによって、中央領域１０９がリブ領域１０１ｒにおける中央領域１０５の上に形成され、側方領域１１０および１１１は、それぞれ対応するスラブ領域１０１ｓの概ね上半分に形成される。

また、接続領域１１２を形成するためには、接続領域１０８の形成と同様に、２段階のイオン注入が必要である。第１段階のイオン注入は、上述したセルフアラインメントによるイオン注入と共通である。これにより、接続領域１１２は、左側のスラブ領域１０１ｓの概ね下半分に形成される。また、第２段階のイオン注入では、光学マスク等を用いてイオンの注入領域を接続領域１１２の垂直方向に制限し、加速電圧を低減して、接続領域１１２を、左側のスラブ領域１０１ｓの概ね上半分に形成する。

また、接続領域１１２におけるその上面を含む領域に対して、ドーズ量を増加させてイオン注入を行い、スラブ領域１０１ｓにおける接続領域１１２の内部に、第２の導電性を有する低抵抗領域１１５を形成する。

ここでは、低抵抗領域１１５の上面に、垂直貫通配線１１７の一端を接続し、垂直貫通配線１１７の他端に、表面電極１１９を接続する。

表面電極１１８および１１９は、高周波電極の一部である。垂直貫通配線１１６、垂直貫通配線１１７、表面電極１１８、および表面電極１１９の材質は例えば、金属アルミニウムまたは金属銅である。表面電極１１８および１１９の少なくとも一方に対して、ＤＣ（Direct current）ブロックとして機能するキャパシタ（図示しない）を介して、高周波電気信号を印加すると同時に、ＡＣ（Alternative current）ブロックとして機能するインダクタ（図示しない）を介して、ＤＣ逆バイアス電圧を印加することによって、高速光変調が可能である。

ここで、空乏層１１３の幅は、導波光の水平方向における拡がりを実質的に全てカバーするような値に設定する。これにより、ｗｄ２は約３００ｎｍ以上となる。導波光の水平方向における拡がりをカバーすることに関し、空乏層１１３の水平方向における両端は、リブ導波路コア１０１における導波光による電界のピーク値に対して、導波光による電界が約１３ｄＢ減衰した点に位置することが好ましい。すなわち、空乏層１１３の水平方向の拡がりが導波光の電界ピーク値に対して約１３ｄＢ減衰した点を越えると、上記ＰＮ接合による容量が増大し、ＲＣ時定数に起因する速度制限が顕著になる。これを避けるように、空乏層１１３の水平方向における端を配置することが好ましい。

ｗｄ１は、７００ｎｍ～１２００ｎｍであることが好ましい。これにより、中点１０１ｒｃと接続領域１０８との水平方向の距離、および、中点１０１ｒｃと接続領域１１２との水平方向の距離はいずれも、概ね１０００ｎｍ～１５００ｎｍとなる。

〔実施の形態２〕
図６の（ａ）はマッハ－ツェンダー干渉計のブロック図であり、図６の（ｂ）はマッハ－ツェンダー干渉計を備えた光変調器１の斜視図である。マッハ－ツェンダー干渉計は、外部からのノイズの影響を受けにくい、温度変化に対して変調動作の安定性が高い等の利点を有することから、光通信用の光変調器に多く採用されている。

図６の（ａ）に示すマッハ－ツェンダー干渉計は、下記の構成を有している。入射側導波路３０５の入射端は、入射側の光ファイバ（図示しない）との光結合に用いられる。入射側導波路３０５の出射端は、光分岐部３０３の入射端と接続されている。光分岐部３０３の一方の出射端は、アーム導波路３０６の入射端と接続されており、光分岐部３０３の他方の出射端は、アーム導波路３０７の入射端と接続されている。アーム導波路３０６の出射端は、位相変調部３０１の入射端と接続されている。アーム導波路３０７の出射端は、位相変調部３０２の入射端と接続されている。位相変調部３０１の出射端は、アーム導波路３０８の入射端と接続されている。位相変調部３０２の出射端は、アーム導波路３０９の入射端と接続されている。アーム導波路３０８の出射端は、光合波部３０４の一方の入射端と接続されている。アーム導波路３０９の出射端は、光合波部３０４の他方の入射端と接続されている。光合波部３０４の出射端は、出射側導波路３１０の入射端と接続されている。出射側導波路３１０の出射端は、出射側の光ファイバ（図示しない）との光結合に用いられる。

アーム導波路３０６、位相変調部３０１、およびアーム導波路３０８が、第１のアーム部を形成しており、アーム導波路３０７、位相変調部３０２、およびアーム導波路３０９が、第２のアーム部を形成している。

位相変調部３０１および位相変調部３０２はそれぞれ、図１に示した光導波路素子１００を１つ含んでいる。より具体的に、図６の（ａ）に示すＤ－Ｄ´断面が、図１に示した断面と等しい。

図６の（ｂ）に示すとおり、光変調器１は、光通信に利用可能な光変調器であって、シリコン（Ｓｉ）をベースとする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、入射した光を変調するシリコン光変調器である。光変調器１は、基板１０２と、下部クラッド１０３と、上部クラッド１０４とが、その順で積層された層状構造を有している。

光変調器１には、マッハ－ツェンダー干渉計を構成する光導波路として、図６の（ａ）に示した各部材が、下部クラッド１０３と上部クラッド１０４とに挟まれて設けられている。

入射側導波路３０５、アーム導波路３０６、アーム導波路３０７、アーム導波路３０８、アーム導波路３０９、および出射側導波路３１０は、矩形コアを有する矩形導波路である。この矩形コアの材質は例えば、結晶性シリコンである。この矩形コアの幅および厚みは、それぞれｗｉおよびｈｒである。ここで、ｗｉは５００ｎｍであり、ＴＥ成分の基本モードが導波光として、入射側導波路３０５、アーム導波路３０６、アーム導波路３０７、アーム導波路３０８、アーム導波路３０９、および出射側導波路３１０を伝搬する。光分岐部３０３および光合波部３０４は例えば、それぞれ、１×２多モード干渉計および２×２多モード干渉計によって構成されている。これらの各多モード干渉計の厚みはｈｒである。これらの各部材は、ＳＯＩウエファを用いて構成されている。

位相変調部３０１および３０２の少なくとも一方に高周波電気信号を入力することによって、光強度変調が可能となる。また、位相変調部３０１および３０２に互いに相補的な高周波電気信号を入力し、プッシュプル駆動を行うことによって、光位相変調が可能となる。なお、高周波電気信号のシンボルレートは、１０Ｇｂａｕｄ以上である。

アーム導波路３０６、位相変調部３０１、およびアーム導波路３０８間の接続では、光損失の増大および高次モード励起を避けるため、光導波路素子１００部分において、リブ領域１０１ｒおよび両スラブ領域１０１ｓの幅を徐々に変化させるテーパ形状を形成することが好ましい。アーム導波路３０７、位相変調部３０２、およびアーム導波路３０９間の接続についても同様である。

図７は、本発明の第２の実施の形態に係る光導波路素子１００´の上面図である。なお、図７では、水平方向および導波光伝搬方向を併せて示している。図７において、導波光伝搬方向は、水平方向および垂直方向（図１参照）の両方に対して垂直な方向である。

光導波路素子１００´は、リブ領域１０１ｒおよび両スラブ領域１０１ｓの水平方向の幅が、導波光伝搬方向の位置に依存して変化する点を除けば、図１に示した光導波路素子１００と同じ構成を有している。図７に示す光導波路素子１００´のＤ－Ｄ´断面が、図１に示した光導波路素子１００の断面と等しい。

位相変調部３０１における入射端側において、光導波路素子１００´は、アーム導波路３０６との接続のため、導波光伝搬方向に沿って、第１テーパ部４０１を有している。第１テーパ部４０１は、導波光の入射側に近いほど水平方向に沿った両スラブ領域１０１ｓの幅が小さくなるようなテーパ形状を有しており、その入射端における両スラブ領域１０１ｓの幅は概ね０である。第１テーパ部４０１におけるリブ領域１０１ｒの水平方向の幅は、第１テーパ部４０１の全域においてｗｉである。また、第１テーパ部４０１におけるリブ領域１０１ｒの断面形状は、アーム導波路３０６の矩形コアの断面形状と概ね合同である。第１テーパ部４０１の導波光伝搬方向における長さｌａは、３０μｍ（マイクロメートル）である。第１テーパ部４０１の出射端は、第２テーパ部４０２の入射端と接続されている。すなわち、第２テーパ部４０２は、第１テーパ部４０１における導波光の出射側の端部と隣接して配置されている。

第２テーパ部４０２は、導波光の入射側に近いほど水平方向に沿ったリブ領域１０１ｒの幅が小さくなるようなテーパ形状を有している。第２テーパ部４０２の入射端におけるリブ領域１０１ｒの水平方向の幅は第１テーパ部４０１の同幅と同じｗｉであり、第２テーパ部４０２の出射端におけるリブ領域１０１ｒの水平方向の幅はｗｒである。第２テーパ部４０２の導波光伝搬方向における長さｌｂは、３０μｍである。

なお、ｌａおよびｌｂはいずれも、３０μｍに限定されず、光導波路素子１００´における光損失の増大および高次モード励起を防ぐことができる限り短くしてもよい。

アーム導波路３０６の矩形コアの幅（ｗｉ）が５００ｎｍより大きくなると、高次モード励起が生じる虞が高くなる。高次モード励起が生じると、光強度変調における消光比または光位相変調におけるＱ値が低下する。

一方、光導波路素子１００´では、リブ領域１０１ｒの幅（ｗｒ）が７００ｎｍ以上に大きくならない限りは、高次モード励起が生じない。よって、第１テーパ部４０１において、矩形コアと合同の断面形状を有しているリブ領域１０１ｒに両スラブ領域１０１ｓを追加すると共に、両スラブ領域１０１ｓの水平方向の幅を徐々に拡げる。また、第２テーパ部４０２において、リブ領域１０１ｒの水平方向の幅をｗｉ（５００ｎｍ）からｗｒ（６５０ｎｍ）に徐々に拡げる。こうして、光損失が小さく、消光比またはＱ値が高い光変調素子を構成することができる。そして、光導波路素子１００´を、マッハ－ツェンダー干渉計の位相変調部３０１として用いた場合に、光損失の増大および高次モード励起が引き起こされることを防ぐことができる。

なお、図７では、アーム導波路３０６と位相変調部３０１との接続を例に説明を行ったが、アーム導波路３０７と位相変調部３０２との接続についても、光導波路素子１００´の構成を適用することができる。

さらに、位相変調部３０１とアーム導波路３０８との接続、ならびに、位相変調部３０２とアーム導波路３０９との接続についても、光導波路素子１００´の構成を適用することができる。この場合、アーム導波路３０６と位相変調部３０１との接続の例に対して、入射端と出射端とを反対にすればよい。

位相変調部３０１および３０２の、導波光伝搬方向における長さは例えば、３ｍｍ（ミリメートル）である。

（空乏層および導電性を有する各領域のプロファイル）
図８および図９はそれぞれ、図５と同様に、側壁１０１ｒｓが垂直方向に沿った構造における導波光の電界プロファイルである。図８および図９には、空乏層１１３のプロファイルの一例が、導波光（ＴＥモード）の電界絶対値の等高線およびリブ導波路コア１０１の輪郭と共に表示されている。空乏層１１３のこれらのプロファイルは側壁１０１ｒｓが垂直方向に沿った構造でのプロファイルである。但し、斜め方向に沿った場合のプロファイルとの相違は、リブ領域１０１ｒと両スラブ領域１０１ｓとの境界の直下での接続部分が直角に屈曲するか、非直角に屈曲するかの相違のみであり、モードフィールドとの重なりへの影響は無視できる。よって、側壁１０１ｒｓが斜め方向に沿った構造でも、図８および図９の結果を適用することができる。

なお、この等高線は、導波光の電界絶対値のピークを１に規格化し、電界絶対値が１ｄＢ間隔で描かれている。図８および図９において“０”と表示された点が、電界絶対値のピーク（０ｄＢ）を示している。図８に示されたプロファイルを有する空乏層１１３によって、導波光電界プロファイルと空乏層１１３との重なりが最大となり、光導波路素子１００の駆動電圧を低減するという効果が最大となる。

図８および図９において、空乏層１１３の水平方向の両端の位置は概ね、導波光電界の絶対値がピーク値より１３ｄＢ減衰する点にある。この場合、空乏層１１３の水平方向の拡がりは、当該ピーク値の位置を中心として水平方向両側にそれぞれ約１μｍである。この場合、図６の（ａ）等に示した位相変調部３０１および３０２（それぞれ、長さ３ｍｍ）では、上述したＰＮ接合による電気容量は約１２ｐＦである。このＰＮ接合に接続される直列電気抵抗は、ＰＮ接合の両側に対して合計して約８オームであるので、ＲＣ時定数は約１００ｐｓとなる。１０Ｇｂａｕｄ以上のシンボルレートで駆動するには、ＲＣ時定数が概ね１００ｐｓ以下であることが必要とされ、このＰＮ接合による電気容量は１２ｐＦであることが好ましい。電気容量は、空乏層１１３の水平方向の拡がりに概ね比例するので、空乏層１１３の水平方向における両端の位置は、導波光電界の絶対値がピーク値より概ね１３ｄＢ減衰する点よりも、空乏層１１３の中心側に存在することが好ましい。図８または図９と異なる空乏層１１３のプロファイルを呈する場合であっても、同様のことが言える。

リブ導波路コア１０１の両スラブ領域１０１ｓでは、空乏層１１３の垂直方向の位置（高さ）は、リブ導波路コア１０１の下面を基準として両スラブ領域１０１ｓの厚みの半分の位置、すなわち、ｈｓ／２とする。これにより、両スラブ領域１０１ｓでの導波光の電界プロファイルと空乏層１１３との重なりが最大となる。従って、リブ導波路コア１０１の下面の高さを基準とした、両スラブ領域１０１ｓにおける空乏層１１３の高さは、ｈｓ／２（但し、ｈｓ：両スラブ領域１０１ｓの厚み）であることが好ましい。

ここで、リブ導波路コア１０１において、両スラブ領域１０１ｓの下面とリブ領域１０１ｒの下面とはいずれも、垂直方向の位置が同じであり、リブ導波路コア１０１の下面は平坦である。両スラブ領域１０１ｓでは、垂直方向に関し、下半分に側方領域１０６および側方領域１０７が形成されており、上半分に側方領域１１０および側方領域１１１が形成されていることにより、直列電気抵抗が低減されている。両スラブ領域１０１ｓにおいて、側方領域１０６、側方領域１０７、側方領域１１０、および側方領域１１１の厚みはそれぞれ、ｈｓ／２である。

リブ領域１０１ｒにおいて、導波光の電界プロファイルと空乏層１１３との重なりを最大とするためには、リブ導波路コア１０１の下面の高さを基準とした、リブ領域１０１ｒにおける空乏層１１３の高さを、ｈｒ／２とする。

リブ領域１０１ｒでは、直列電気抵抗を低減するという観点から、側方領域１０６および１０７より厚い中央領域１０５、ならびに、側方領域１１０および１１１より厚い中央領域１０９を形成することができる。一方、この場合、キャリア吸収による光損失は大きくなる。そこで、光導波路素子１００では、中央領域１０５の厚みを側方領域１０６および１０７と同じとし、中央領域１０９の厚みを側方領域１１０および１１１と同じとする。リブ導波路コア１０１の下面の高さを基準とした場合、リブ領域１０１ｒにおける中央領域１０５の下面の高さは、ｈｒ／２－ｈｓ／２であり、リブ領域１０１ｒにおける中央領域１０９の上面の高さは、ｈｒ／２＋ｈｓ／２である。

また、リブ領域１０１ｒは、中央領域１０５および１０９の直上、ならびに、中央領域１０５および１０９の直下のうち少なくとも一方に、Ｐ型またはＮ型ドーパントが意図的に注入されていないアンドープ領域を有している。当該アンドープ領域では、わずかに拡散によるドーパント分布が生じるケースもあり得るが、このケースは光導波路素子１００の光学的特性にほとんど影響を与えない。

このような空乏層１１３を形成するためには、光学リソグラフィとドライエッチングとにより、リブ導波路コア１０１を形成し、その後、リブ領域１０１ｒと両スラブ領域１０１ｓとに、別々にイオン注入を行う。リブ領域１０１ｒにおけるイオン注入と両スラブ領域１０１ｓにおけるイオン注入とは、どちらを先に行っても構わない。直列抵抗の低減が必要である場合、中央領域１０５および１０９の厚みを大きくすればよい。

図８に示したプロファイルでは、リブ領域１０１ｒと両スラブ領域１０１ｓとの境界において、空乏層１１３が垂直方向に延伸している。これにより、中央領域１０５と側方領域１０６との接続に伴う電気抵抗、中央領域１０５と側方領域１０７との接続に伴う電気抵抗、中央領域１０９と側方領域１１０との接続に伴う電気抵抗、ならびに、中央領域１０９と側方領域１１１との接続に伴う電気抵抗のうち少なくとも１つが大きくなり、これにより直列電気抵抗が大きくなる虞がある。これを避けるために、空乏層１１３は、図９に示すように、水平方向に一直線に（垂直方向に延伸する部分が無いように）形成されてもよい。この場合、リブ領域１０１ｒにおける空乏層１１３の高さは、両スラブ領域１０１ｓにおける空乏層１１３の高さと同じくｈｓ／２とする。またこのとき、リブ領域１０１ｒにおける中央領域１０９の上面の高さは、ｈｓとなる。

このような空乏層１１３を形成するためには、まず、リブ領域１０１ｒと両スラブ領域１０１ｓとに、同時にイオン注入を行う。この段階では、エッチング後において、リブ導波路コア１０１における将来両スラブ領域１０１ｓとなる位置の厚みは、リブ領域１０１ｒの厚みと等しく、ｈｒである。その後、光学リソグラフィとドライエッチングとによりリブ導波路コア１０１が形成され、両スラブ領域１０１ｓの高さがｈｓとなる。

他の回路との集積化を行うという目的のため、光学リソグラフィとドライエッチングとによるリブ導波路コア１０１の形成をイオン注入前に行い、かつ、イオン注入工程の簡便化のために、リブ領域１０１ｒと両スラブ領域１０１ｓとに同時にイオン注入を行い、空乏層１１３を形成することが可能である。この場合、空乏層１１３のプロファイルは、図８および図９に示したものとは異なる。リブ領域１０１ｒにおいて、空乏層１１３の垂直方向の位置はｈｒ－ｈｓ／２であり、中央領域１０５の下面の高さはｈｒ－ｈｓである。

以上より、導波光の電界プロファイルと空乏層１１３との重なりの増大による駆動電圧の低減、直列電気抵抗低減による高速屈折率変調、集積化のための加工プロセスの簡便化のいずれを第一優先に選択するかに応じて、空乏層１１３のプロファイルが異なる。これらに対して、リブ領域１０１ｒにおける空乏層１１３の垂直方向の位置（高さ）は、リブ導波路コア１０１の下面の高さから測って、基板１０２から離れる方向（上方向）に向かって、ｈｓ／２以上、かつ、ｈｒ－ｈｓ／２以下（但し、ｈｓ：両スラブ領域１０１ｓの厚み、ｈｒ：リブ領域１０１ｒの厚み）の範囲となる。

なお、以上では、光導波路素子１００について説明を行ったが、光導波路素子１００´においても同様のことが言える。また、以上の説明は、第１の導電性・第２の導電性が、Ｐ型・Ｎ型の組み合わせであっても成立するし、Ｎ型・Ｐ型の組み合わせであっても成立する。

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。

１００および１００´ 光導波路素子
１０１ リブ導波路コア（コア部）
１０１ｒ リブ領域
１０１ｒｓ 凸部の側壁
１０１ｓ スラブ領域
１０５ 中央領域（第１コア領域の一部）
１０６ 側方領域（第１コア領域の一部）
１０７ 側方領域（第１コア領域の一部）
１０８ 接続領域（第１コア領域の一部）
１０９ 中央領域（第２コア領域の一部）
１１０ 側方領域（第２コア領域の一部）
１１１ 側方領域（第２コア領域の一部）
１１２ 接続領域（第２コア領域の一部）
１１３ 空乏層
４０１ 第１テーパ部
４０２ 第２テーパ部

Claims (9)

1. 第１の高さを有するリブ領域と、第１方向に沿って該リブ領域を挟むように配置された、上記第１の高さよりも低い第２の高さを有する２つのスラブ領域とを有するリブ導波路をコア部として含み、
   上記コア部は、互いに上記第１方向に対して垂直な第２方向に重ねて配置された、ＰＮ接合を形成する第１コア領域および前記第１コア領域と導電性が異なる第２コア領域を有しており、
   前記第１コア領域は、第１のドーパントがドープされた結晶性シリコンを備え、
   前記第２コア領域は、前記第１のドーパントとは異なる第２のドーパントがドープされた結晶性シリコンを備え、
   前記第２コア領域が前記第１コア領域の上側に配置され、
   上記第１コア領域と上記第２コア領域との間に、上記リブ領域から２つの上記スラブ領域の両方にまで延伸する空乏層が形成され、
   上記２つのスラブ領域のそれぞれにおける上記空乏層の上記第２方向の位置は、上記リブ領域における上記空乏層の上記第２方向の位置より低く、
   上記リブ領域における第２コア領域の下端の幅が、上記リブ領域における上記第１コア領域の上端の幅よりも広く、
   上記リブ領域における第２コア領域の側壁は、上記第２方向に対して非傾斜である、ことを特徴とする光導波路素子。
2. さらに、上記リブ領域における第１コア領域の側壁は、上記第２方向に対して非傾斜である、ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
3. 上記コア部における導波光の電界ピーク値に対して、上記導波光の電界の減衰率が１３ｄＢ以内になるように、上記空乏層の上記第１方向における端が定められていることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路素子。
4. 少なくとも１つの上記スラブ領域において、上記第１コア領域の上記第２方向の厚みと、上記第２コア領域の上記第２方向の厚みとが等しいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光導波路素子。
5. 上記光導波路素子は、
   光の入射側および出射側の一方に近いほど上記第１方向に沿った各上記スラブ領域の幅が小さくなるようなテーパ形状を有する第１テーパ部と、
   上記第１テーパ部における光の入射側および出射側の他方の端部と隣接して配置されており、光の入射側および出射側の一方に近いほど上記第１方向に沿った上記リブ領域の幅が小さくなるようなテーパ形状を有する第２テーパ部とを有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光導波路素子。
6. 上記第２方向に関し、
   上記コア部の下面の高さを基準とした、少なくとも１つの上記スラブ領域における上記空乏層の高さは、
   ｈｓ／２ （但し、ｈｓ：該スラブ領域の厚み）
   であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光導波路素子。
7. 上記第２方向に関し、
   上記コア部の下面の高さを基準とした、上記リブ領域における上記空乏層の高さは、
   ｈｓ／２以上、かつ、ｈｒ－ｈｓ／２以下 （但し、ｈｓ：少なくとも１つの上記スラブ領域の厚み、ｈｒ：上記リブ領域の厚み）
   であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光導波路素子。
8. 上記空乏層と導波光の電界との重なりが最大となる場合、
   上記第２方向に関し、
   上記コア部の下面の高さを基準とした、上記リブ領域における上記第１コア領域の下面の高さは、
   ｈｒ／２－ｈｓ／２
   であり、
   上記コア部の下面の高さを基準とした、上記リブ領域における上記第２コア領域の上面の高さは、
   ｈｒ／２＋ｈｓ／２
   であることを特徴とする請求項７に記載の光導波路素子。
9. 上記リブ領域は、上記第１コア領域および上記第２コア領域の直上、ならびに、上記第１コア領域および上記第２コア領域の直下のうち少なくとも一方に、ドーパントが意図的に注入されていないアンドープ領域を有していることを特徴とする請求項８に記載の光導波路素子。

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