JPWO2014155450A1 - シリコンベース電気光学変調装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この光変調器30では、導波路構造において、pドープシリコン層34とnドープシリコン層38とが比較的薄い誘電体層42を介して積層されている。この光変調器30は、図2に示すように、シリコン基板(支持基板)31、酸化物層32、酸化物クラッド層33および電極配線41を有する。酸化物層32の上面に、第1の導電性タイプにドープ処理された比較的薄いシリコン表面層34が形成されている。この第1の導電性タイプにドープ処理(例えばpタイプドーパント)された比較的薄いシリコン表面層を本体領域34と称することにする。本体領域34の上面において、この本体領域34と少なくとも一部がオーバーラップするようにゲート領域38が形成されている。ゲート領域38は、第2の導電性タイプにドープ処理(例えばnタイプドーパント)された比較的薄いシリコン領域で形成されている。そして、本体領域34とゲート領域38との間には薄いゲート誘電体42が挟まれている。
さらに、光変調効率を増加させるために、Si層の厚さを薄くした場合、引出し電極の抵抗が大きくなり、高速動作が困難であった。
そこで本発明の目的は、自由キャリア密度が変化する領域と光フィールドとのオーバーラップを改善すると共にキャリアプラズマ効果をエンハンスし、さらに引出し電極抵抗を低減した小型かつ高速動作可能なシリコンベース電気光学変調装置を提供することにある。
第1の導電タイプを呈するようにドープ処理された第1シリコン半導体層と第2の導電タイプを呈するようにドープ処理された第2シリコン半導体層との少なくとも一部が積層され、前記第1シリコン半導体層と前記第2シリコン半導体層とが積層された界面に、比較的薄い誘電体が形成されたSIS(semiconductor-insulator-semiconductor)型接合を有し、前記第1シリコン半導体層および前記第2シリコン半導体層にそれぞれ結合された電気端子からの電気信号により、自由キャリアが、前記比較的薄い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シリコンベース電気光学変調装置であって、
第1シリコン半導体層は、リブ導波路のコアとなる部分であって突起する形状に形成されたリブ部と、前記リブ部の両側にあって前記リブ部に接続されるスラブ部と、を有するリブ導波路形状に加工されており、
前記第1シリコン半導体層の前記スラブ部に隣接する位置において、高濃度ドープされた第1高濃度ドープ領域と、
第2シリコン半導体層の一部が高濃度ドープされて形成された第2高濃度ドープ領域と、を有し、
前記第1高濃度ドープ領域は、前記リブ導波路の前記リブ部と同等の高さを有する
ことを特徴とする。
eは電荷、λは光波長、ε0は真空中の誘電率、nは真性半導体シリコンの屈折率、meは電子キャリアの有効質量、mhはホールキャリアの有効質量、μeは電子キャリアの移動度、μhはホールキャリアの移動度、ΔNeは電子キャリアの濃度変化、ΔNhはホールキャリアの濃度変化である。
そして、Si1−xGex(x=0.01〜0.9)層は、シリコン半導体層に比較して屈折率が大きいため、自由キャリア密度が変化する領域と光フィールドとのオーバーラップを改善する効果があり、アクティブ層の長さを顕著に小さくすることが可能である。
また、Si1−xGex層におけるGe組成を増加することにより、キャリアプラズマ効果はよりエンハンスされる。このとき、光通信システムで使用する1310nmおよび1550nm波長において、Si1−xGex層中の電子エネルギー遷移に起因する光吸収を避けるために、組成としては、x=0.01〜0.9が望ましい。また、Si1−xGex(x=0.01〜0.9)層に歪を印加することにより、電子およびホールキャリアの有効質量がより小さくなり、より大きなキャリアプラズマ効果を得ることが可能である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
SOI基板上にシリコン半導体−誘電体層−シリコン半導体接合からなる自由キャリアプラズマ効果を用いた電気光学位相変調装置を以下に開示する。
電気光学変調装置100は、支持基板としてのシリコン基板110の上面に酸化物層111を有する。酸化物層111の上面には、第1の導電性タイプ(例えばpタイプ)にドープ処理された第1シリコン半導体層120が形成されている。第1シリコン半導体層120は、その中央領域がリブ導波路130となっており、リブ導波路130の両側には高濃度ドープ領域140、140が形成されている。
(本明細書では突起部をリブ部と称することもある。)
そして、スラブ部132のさらに外側において、高濃度ドープ領域140、140が形成されている。さらに、この高濃度ドープ領域140、140の上面に第1電気コンタクト部141、141が形成されている。
第1電気コンタクト部141、141は、例えば、シリサイド層である。このとき、第1電気コンタクト部141、141の高さはスラブ部132、132よりも高くなっている。
(つまり、高濃度ドープ領域140、140の厚みがスラブ部132、132の厚みよりも厚く、高濃度ドープ領域140、140の上面の高さがスラブ部132、132よりも高くなっている。)図3では、具体的には、第1電気コンタクト部141、141の高さは、リブ導波路130の突起部(リブ部131)とほぼ同等の高さに形成されている。
(つまり、高濃度ドープ領域140、140の上面の高さがリブ導波路130の突起部(リブ部131)の高さとほぼ同等である。)
言い換えると、図3の断面図において、第1シリコン半導体層120は、スラブ部132、132の部分で凹み、リブ部131と第1コンタクト部141、141のところで凸になっている。第1コンタクト部141、141には電極配線142、142が接続されている。
(なお、誘電体層150は比較的薄いものであるが、図を見やすくするため、ある程度の厚みで図示している。)
図4および図5に示すように、第2シリコン半導体層160において、高濃度ドープ領域161、161の厚みが、リブ部131および誘電体層150の直上に位置する領域の厚みよりも厚くなっている。逆にいうと、第2シリコン半導体層160において、リブ部131および誘電体層150の直上に位置する領域の厚みが、高濃度ドープ領域161、161の厚みよりも薄い。なお、図4では、リブ部131および誘電体層150の直上に対応する位置において第2シリコン半導体層160の上面側を窪ませることにより、前記の構造を実現している。逆に、図5では、リブ部131および誘電体層150の直上に対応する位置において第2シリコン半導体層160の下面側を窪ませることにより、前記の構造を実現している。
本発明の第2実施形態を説明する。
第2実施形態の基本的構成は第1実施形態と同様であるが、リブ部の上部領域にSi1−xGex(x=0.01〜0.9)からなる層131Aを有する点に特徴を有する。図6において、リブ導波路130のリブ部131において、上側の領域にSi1−xGex(x=0.01〜0.9)層131Aを形成している。このような構成にすることにより、変調効率をさらに高めることが可能である。本明細書では、リブ部131の上側の領域、つまり、誘電体層150に隣接する領域を、リブ上部領域と称する。
本発明の第3実施形態として製造工程の一例を説明する。
図8Aは、シリコンベース電気光学変調装置を形成するために用いるSOI基板の断面図である。
このSOI基板は、埋め込み酸化層111上に100−1000nm程度のSi層が積層された構造からなり、光損失を低減するために、埋め込み酸化層111の厚みを1000nm以上とする構造を適用した。この埋め込み酸化層111上のSi層は、第1の導電タイプ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、P(リン)あるいはB(ホウ素)を表面層にドープ処理した後、熱処理しても良い。このようにして、第1シリコン半導体層120が形成される。
本発明の第4実施形態として、マッハ・ツェンダー干渉計型の光強度変調器500を示す。
図10において、第1アーム510としてのシリコンベース電気光学変調装置と第2アーム520としてのシリコンベース電気光学変調装置とが平行に配置されている。
なお、第1アーム510と第2アーム520とをそれぞれ挟むように電極パッド531、532、533が設けられている。そして、光分岐構造541が入力側に設けられ、光合波構造542が出力側に設けられている。
光入力は光分岐構造541によって分岐され、それぞれ第1アーム510と第2アーム520とに入射する。そして、第1アーム510および第2アーム520でそれぞれ光信号の位相変調が行われ、光合波構造542により位相干渉が行われる。
このようにして、光強度が変調された信号(光強度変調)が生成される。
ここで、第1アーム510にプラスの電圧を印加することにより、薄い誘電体層150の両側でキャリア蓄積が生じ、第2アーム520にマイナスの電圧を印加することにより、薄い誘電体層150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シリコンベース電気光学変調装置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510、520での光信号位相差が最大となる。この両アーム510、520を伝送する光信号を出力側の光合波構造542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。本実施形態のシリコンベース電気光学変調装置500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。
図11は、マッハ・ツェンダー干渉計からなる電気光学変調装置500を複数並列に並べた状態を示す図である。
図12は、マッハ・ツェンダー干渉計からなる電気光学変調装置500を直列に配置した状態を示す図である。
例えば、上記実施形態を適切に組み合わせられることはもちろんである。
第1の導電タイプを呈するようにドープ処理された第1シリコン半導体層と第2の導電タイプを呈するようにドープ処理された第2シリコン半導体層との少なくとも一部が積層され、前記第1シリコン半導体層と前記第2シリコン半導体層とが積層された界面に、比較的薄い誘電体が形成されたSIS(semiconductor−insulator−semiconductor)型接合を有し、前記第1シリコン半導体層および前記第2シリコン半導体層にそれぞれ結合された電気端子からの電気信号により、自由キャリアが、前記比較的薄い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シリコンベース電気光学変調装置であって、
第1シリコン半導体層は、リブ導波路のコアとなる部分であって突起する形状に形成されたリブ部と、前記リブ部の両側にあって前記リブ部に接続されるスラブ部と、を有するリブ導波路形状に加工されており、
前記第1シリコン半導体層の前記スラブ部に隣接する位置において、高濃度ドープされた第1高濃度ドープ領域と、
第2シリコン半導体層の一部が高濃度ドープされて形成された第2高濃度ドープ領域と、を有し、
前記第1高濃度ドープ領域は、前記リブ導波路の前記リブ部と同等の高さを有する
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。
(付記2)
付記1に記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
前記第2シリコン半導体層において前記リブ部の直上に位置する領域の厚みは、前記第2高濃度ドープ領域の厚みよりも薄い
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。
(付記3)
付記1または付記2に記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
前記リブ部の上部領域がSi1−xGex(x=0.01〜0.9)層からなる
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。
(付記4)
付記3に記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
前記リブ部の上部領域が、Si1−xGex(x=0.01〜0.9)層からなり、かつ、少なくとも2種類以上のSi1−xGex(x=0.01〜0.9)組成の積層構造からなる
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。
(付記5)
付記3に記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
前記リブ部の上部領域が、Si1−xGex(x=0.01〜0.9)層からなり、かつ、Si1−xGex(x=0.01〜0.9)の組成が膜厚方向に変調された構造からなる
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。
(付記6)
付記3に記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
前記リブ部の上部領域が、格子歪のあるSi1−xGex(x=0.01〜0.9)層からなる
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。
(付記7)
付記1から付記6のいずれかに記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
前記第1シリコン半導体層および前記第2シリコン半導体層は、
多結晶シリコン、アモルファスシリコン、歪シリコン、単結晶シリコンおよびSi1−xGexからなる群より選択される少なくとも一層を含む
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。
(付記8)
付記1から付記7のいずれかに記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
少なくとも1つの電気変調信号が前記第1高濃度ドープ領域および前記第2高濃度ドープ領域の少なくとも1つに入力として加えられることにより、光変調信号が生成される
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。
(付記9)
付記1から付記8のいずれかに記載のシリコンベース電気光学変調装置である第1アームと、
付記1から付記8のいずれかに記載のシリコンベース電気光学変調装置であって、前記第1アームに対して平行に配置された第2アームと、
入力側において光を分岐する光分岐部と、
出力側において光を結合する光結合部と、を備え、
前記第1アームおよび前記第2アームで光信号の位相変調を行い、さらに、前記光結合部により位相干渉を行うことにより、光強度変調信号を生成する
ことを特徴とするマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置。
(付記10)
付記9に記載のマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置において、
前記第1アームと第2アームとは非対称な構成である
ことを特徴とするマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置。
(付記11)
付記9または付記10に記載のマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置において、
前記光分岐部は、前記第1アームおよび第2アームに対して1対1以外の入力信号分配比を与える
ことを特徴とするマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置。
(付記12)
付記9から付記11のいずれかに記載のマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置を複数備え、
前記複数のマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置を並列に配置した
ことを特徴とするマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置。
(付記13)
付記9から付記11のいずれかに記載のマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置を複数備え、
前記複数のマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置を直列に配置した
ことを特徴とするマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置。
Claims (10)
- 第1の導電タイプを呈するようにドープ処理された第1シリコン半導体層と第2の導電タイプを呈するようにドープ処理された第2シリコン半導体層との少なくとも一部が積層され、前記第1シリコン半導体層と前記第2シリコン半導体層とが積層された界面に、比較的薄い誘電体が形成されたSIS(semiconductor-insulator-semiconductor)型接合を有し、前記第1シリコン半導体層および前記第2シリコン半導体層にそれぞれ結合された電気端子からの電気信号により、自由キャリアが、前記比較的薄い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シリコンベース電気光学変調装置であって、
第1シリコン半導体層は、リブ導波路のコアとなる部分であって突起する形状に形成されたリブ部と、前記リブ部の両側にあって前記リブ部に接続されるスラブ部と、を有するリブ導波路形状に加工されており、
前記第1シリコン半導体層の前記スラブ部に隣接する位置において、高濃度ドープされた第1高濃度ドープ領域と、
第2シリコン半導体層の一部が高濃度ドープされて形成された第2高濃度ドープ領域と、を有し、
前記第1高濃度ドープ領域は、前記リブ導波路の前記リブ部と同等の高さを有する
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。 - 請求項1に記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
前記第2シリコン半導体層において前記リブ部の直上に位置する領域の厚みは、前記第2高濃度ドープ領域の厚みよりも薄い
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。 - 請求項1または請求項2に記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
前記リブ部の上部領域がSi1−xGex(x=0.01〜0.9)層からなる
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。 - 請求項3に記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
前記リブ部の上部領域が、Si1−xGex(x=0.01〜0.9)層からなり、かつ、少なくとも2種類以上のSi1−xGex(x=0.01〜0.9)組成の積層構造からなる
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。 - 請求項3に記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
前記リブ部の上部領域が、Si1−xGex(x=0.01〜0.9)層からなり、かつ、Si1−xGex(x=0.01〜0.9)の組成が膜厚方向に変調された構造からなる
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。 - 請求項3に記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
前記リブ部の上部領域が、格子歪のあるSi1−xGex(x=0.01〜0.9)層からなる
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。 - 請求項1から請求項6のいずれかに記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
前記第1シリコン半導体層および前記第2シリコン半導体層は、
多結晶シリコン、アモルファスシリコン、歪シリコン、単結晶シリコンおよびSi1−xGexからなる群より選択される少なくとも一層を含む
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。 - 請求項1から請求項7のいずれかに記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
少なくとも1つの電気変調信号が前記第1高濃度ドープ領域および前記第2高濃度ドープ領域の少なくとも1つに入力として加えられることにより、光変調信号が生成される
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。 - 請求項1から請求項8のいずれかに記載のシリコンベース電気光学変調装置である第1アームと、
請求項1から請求項8のいずれかに記載のシリコンベース電気光学変調装置であって、前記第1アームに対して平行に配置された第2アームと、
入力側において光を分岐する光分岐部と、
出力側において光を結合する光結合部と、を備え、
前記第1アームおよび前記第2アームで光信号の位相変調を行い、さらに、前記光結合部により位相干渉を行うことにより、光強度変調信号を生成する
ことを特徴とするマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置。 - 請求項9に記載のマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置において、
前記第1アームと第2アームとは非対称な構成である
ことを特徴とするマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置。
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