WO2011030593A1 - 電気光学変調器 - Google Patents

Abstract

　第１の半導体層８上に、導電型が異なる第２の半導体層９が、誘電体膜１１を介して積層されてリブ導波路が形成され、 半導体層８および９が、高ドープ部４および１０を介して外部端子に接続可能であり、　半導体層８および９は、誘電体膜１１との接触面付近の領域において、前記外部端子からの電気信号による自由キャリアの蓄積、除去、または反転により、光信号電界領域の前記自由キャリア濃度が変調され、光信号の位相変調が可能であり、　半導体層８および９の少なくとも一方が、前記積層部分よりも広い幅を有し、高ドープ部４および１０の少なくとも一方が、前記積層部分の外側に設けられていることを特徴とする電気光学変調器。

Description

電気光学変調器

　本発明は、電気光学変調器に関する。

　シリコン・ベース光通信デバイスは、ＣＭＯＳ技術を利用して、光機能素子および電子回路をシリコンプラットフォーム上に集積化可能とする非常に有望な技術である。シリコン・ベース光通信デバイスは、例えば、家庭用光ファイバおよびローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）などの様々なシステム用の、１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍの光ファイバ通信波長で機能する。

　近年、シリコン・ベースの導波路、光結合器、および波長フィルタなどの受動デバイスは、非常に広く研究されている。また、このような通信システム用の光信号を操作する手段として重要な技術として、シリコン・ベースの光変調器や光スイッチなどの能動素子が挙げられ、非常に注目されている。シリコンの熱光学効果を利用して屈折率を変化させる光スイッチや変調素子は、低速であり、１Ｍｂ／秒の変調周波数までの装置速度にしか使用出来ない。従って、より多くの光通信システムにおいて要求される高い変調周波数を実現するためには、電気光学効果を利用した電気光学変調器が必要である。

　現在提案されている電気光学変調器の多くは、キャリアプラズマ効果を利用して、シリコン層中の自由キャリア密度を変化させることにより、屈折率の実数部と虚数部を変化させ、光の位相や強度を変化させるデバイスである。自由キャリア吸収を利用した変調器では、Ｓｉ中を伝播する光吸収の変化により、出力が直接変調される。

　図１８の断面図に、一般的な電気光学変調器（例えば、特許文献１の図１、および特許文献２の図２参照）の構造の一例を示す。この電気光学変調器は、ＳＯＩ基板上に形成されたリブ導波路形状を利用した、シリコン・ベース電気光学位相変調器である。図示のとおり、この電気光学位相変調器は、真性半導体シリコン領域１からなるリブ形状の両側に横方向に延びるスラブ領域がｐ^＋ドープ半導体シリコン４またはｎ^＋ドープ半導体シリコン５として形成されている。上記リブ導波路構造は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板３上のＳｉ層（埋め込み酸化層）２を利用して形成される。図１８に示した構造は、ＰＩＮダイオード型変調器であり、順方向および逆方向バイアスを印加することにより、真性半導体領域内の自由キャリア密度を変化させ、キャリアプラズマ効果を利用することにより、屈折率を変化させる構造となっている。この例では、真性半導体シリコン層１は、第１の電極コンタクト層６と接触する領域に高濃度にドープ処理されたｐタイプ領域４を含むように形成されている。図１８では、真性半導体シリコン層１は、さらに高濃度にｎタイプドープ処理された領域５および、これに接続する第２の電極コンタクト層６を含む。上記ＰＩＮダイオードの構造においては、領域４、５は、ｃｍ^３毎に約１０^２０のキャリア密度を呈するようにドープ処理することも可能である。また、上記ＰＩＮ構造においては、ｐタイプ領域４およびｎタイプ領域５は、リブ１の両側に間隔を置いて配置されており、リブ１は真性半導体層である。真性半導体シリコン１の上面は、酸化物クラッド７で覆われている。

　また、特許文献１では、第２の導電性型を有する本体領域と、これと部分的に重なるように積層され、前記本体領域と異なる第１の導電型を有するゲート領域とを含み、この積層界面に比較的薄い誘電体層を形成したシリコン・ベース電気光学変調器が提案されている。図１９の断面図に、特許文献１による、ＳＩＳ（ｓｉｌｉｃｏｎ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－ｓｉｌｉｃｏｎ）型構造からなるシリコン・ベース電気光学変調器を例示する。図示のとおり、このシリコン・ベース電気光学変調器は、支持基板３とその上に形成された埋め込み酸化層２とからなるＳＯＩプラットフォーム上に形成される。本体領域８は、ＳＯＩ基板を構成する比較的薄いｐドープシリコン表面層として形成されている。ゲート領域９は、ＳＯＩ基板（本体領域）８上に絶縁層を介して積層される比較的薄いｎドープ多結晶シリコン層として形成されている。ゲートおよび本体領域内はドープ処理され、ドープされた領域は、キャリア密度変化が外部信号電圧により制御されるように規定されている。本体領域８の端部は、ｐ^＋ドープ半導体シリコン４として形成されており、その上に電極コンタクト層６が形成されている。ゲート領域９の端部は、ｎ^＋ドープ多結晶シリコン１０として形成されており、その上にもう一つの電極コンタクト層６が形成されている。本体領域８およびゲート領域９の上面、ならびにＳＯＩプラットフォームとの間の空隙は、酸化物クラッド７で埋め込まれている。このシリコン・ベース電気光学変調器においては、前記誘電体層の両側で、自由キャリアが蓄積、除去、または反転されることにより、光位相変調がなされる。理想的には、光信号電界とキャリア密度が動的に外部制御される領域は一致させる。

特表２００６－５１５０８２ 特表２００２－５４０４６９

Ｗｉｌｌｉａｍ　Ｍ．　Ｊ．　Ｇｒｅｅｎ，　Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｊ．　Ｒｏｏｋｓ，　Ｌｉｄｉｊａ　Ｓｅｋａｒｉｃ，　ａｎｄ　Ｙｕｒｉｉ　Ａ．　Ｖｌａｓｏｆ，　Ｏｐｔ．　Ｅｘｐｒｅｓｓ　１５，　１７１０６－１７１１３　（２００７），　"Ｕｌｔｒａ－ｃｏｍｐａｃｔ，　ｌｏｗ　ＲＦ　ｐｏｗｅｒ，　１０Ｇｂ／ｓ　ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ　ｍｏｄｕｌａｔｏｒ"．

　電気光学変調器における自由キャリア密度は、自由キャリアの注入、蓄積、除去、または反転によって変えることが出来る。現在までに検討された電気光学変調器の多くは、光変調効率が悪く、光位相変調に必要な長さがｍｍオーダーであり、１ｋＡ／ｃｍ^３より高い注入電流密度が必要である。小型・高集積化、さらには低消費電力化を実現するためには、高い光変調効率が得られる素子構造が必要であり、これにより光位相変調長さを小さくすることが可能である。また、素子サイズが大きい場合、シリコンプラットフォーム上での温度分布の影響を受け易くなり、熱光学効果に起因するシリコン層の屈折率変化により、本来の電気光学効果を打ち消す問題も想定される。

　例えば、図１８に示した電気光学変調器では、光変調動作に関しては、第１および第２の電極を用いて、ＰＩＮダイオードに対して順方向バイアスを印加し、それによって導波路内に自由キャリアを注入するように、電源に接続されている。この時、自由キャリアの増加により、シリコン層１の屈折率が変化し、それによって導波路を通して伝達される光の位相変調が行われる。しかし、この光変調動作の速度は、リブ１内の自由キャリア寿命と、順方向バイアスが取り除かれた場合のキャリア拡散によって制限される。図１８のようなＰＩＮダイオード位相変調器は、通常、順方向バイアス動作時に１０～５０Ｍｂ／秒の範囲内の動作速度を有する。これに対し、キャリア寿命を短くするために、シリコン層内に不純物を導入することによって、切換速度を増加させることが可能である。しかし、導入された不純物は光変調効率を低下させるという課題がある。さらに、動作速度に影響する大きな因子として、ＲＣ時定数がある。すなわち、順方向バイアス印加時の静電容量（Ｃ）が、ＰＮ接合部のキャリア空乏層の減少により非常に大きくなる。理論的には、ＰＮ接合部の高速動作は逆バイアスを印加することにより達成可能であるが、大きな駆動電圧あるいは大きな素子サイズを必要とする。

　また、図１９で説明した特許文献１の電気光学変調器では、実際にはキャリア密度が動的に変化する領域は数十ｎｍ程度と非常に薄いことが問題である。これにより、ｍｍオーダーの光変調長さが必要となり、電気光学変調器のサイズが大きく、高速動作が難しい。

　すなわち、図１８のＰＩＮ構造や図１９のＳＩＳ構造では、光フィールドとキャリア密度が変調される領域とのオーバーラップが小さく、電気光学変調器のサイズが大きくなるという欠点がある。

　上記各問題は、電極付加抵抗低減と電極による光損失低減の両立の困難性が一因である。すなわち、電気光学変調器を高速動作させる際、電極を光変調領域に近づけて付加抵抗を小さくする必要があるが、この時電極層と光フィールドが重なることによる光損失が生じる。したがって、電極付加抵抗と電極による光損失の両方を同時に低減することは難しい。

　そこで、本発明は、変調部の電極付加抵抗と、電極による光損失の両方とを同時に低減させた小型・低電力な電気光学変調器の提供を目的とする。

　前記目的を達成するために、本発明の電気光学変調器は、
　第１の半導体層と、第２の半導体層と、誘電体膜とを含み、
　前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とはそれぞれドープ処理されており、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とは導電型が異なり、
　前記第１の半導体層の一部が、前記第１の半導体層の他の部分よりもドープ濃度が高い第１の高ドープ部であり、
　前記第２の半導体層の一部が、前記第２の半導体層の他の部分よりもドープ濃度が高い第２の高ドープ部であり、
　前記第１の高ドープ部および前記第２の高ドープ部は、直接または他の部材を介して外部端子に接続可能であり、
　前記第２の半導体層が前記誘電体膜を介して前記第１の半導体層上に積層されることによりリブ導波路が形成され、
　前記第１の半導体層および前記第２の半導体層は、前記誘電体膜との接触面付近の領域において、前記外部端子からの電気信号による自由キャリアの蓄積、除去、または反転により、光信号電界領域の前記自由キャリア濃度が変調され、これにより光信号の位相変調が可能であり、
　前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の少なくとも一方が、前記第１の半導体層と前記誘電体膜と前記第２の半導体層との積層部分よりも広い幅を有し、前記第１の高ドープ部および前記第２の高ドープ部の少なくとも一方が、前記積層部分の外側に設けられていることを特徴とする。

　また、本発明のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器は、
　第１のアームと、第２のアームと、光分岐路と、光結合路とを有し、
　前記第１のアームと、前記第２のアームとは、それぞれ、前記本発明の電気光学変調器を含み、かつ、入力機能と出力機能とを有し、
　前記光分岐路および前記光結合路は、リブ導波路を含み、
　前記光分岐路は、前記第１のアームおよび前記第２のアームの入力側に結合し、前記光分岐路に入射した光信号を分岐させて前記第１のアームおよび第２のアームに入力可能であり、
　前記第１のアームおよび第２のアームは、入力された前記光信号を位相変調させて出力することが可能であり、
　前記光結合路は、前記第１のアームおよび前記第２のアームの出力側に結合し、前記第１のアームおよび第２のアームで位相変調されて出力された前記光信号を結合して位相干渉させ、光強度変調信号に変換可能であることを特徴とする。

　本発明のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器集積構造（integrated　structure）は、前記本発明のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器を複数含むことを特徴とする。

　本発明によれば、変調部の電極付加抵抗と、電極による光損失の両方を同時に低減させた小型・低電力な電気光学変調器を提供することができる。

本発明の一実施形態における電気光学変調器の構造を例示する断面斜視図である。 図１の電気光学変調器の構造の変形例を示す断面斜視図である。 本発明の別の一実施形態における電気光学変調器の構造を例示する断面斜視図である。 図３の電気光学変調器の構造の変形例を示す断面斜視図である。 本発明のさらに別の一実施形態における電気光学変調器の構造を例示する断面斜視図である。 本発明のさらに別の一実施形態における電気光学変調器の構造を例示する断面斜視図である。 本発明のさらに別の一実施形態における電気光学変調器の構造を例示する断面斜視図である。 本発明のさらに別の一実施形態における電気光学変調器の構造を例示する断面斜視図である。 図３の電気光学変調器の一部の構成要素を取り除いた上断面図である。 （ａ）は、図１の電気光学変調器の断面図であり、（ｂ）は、図１の電気光学変調器における積層構造の一部を模式的に示す、光伝播方向（光導波方向）の断面図である。 （ａ）は、図５の電気光学変調器の断面図であり、（ｂ）は、図５の電気光学変調器における積層構造の一部を模式的に示す、光伝播方向（光導波方向）の断面図である。 （ａ）は、図７の電気光学変調器の断面図であり、（ｂ）は、図７の電気光学変調器における積層構造の一部を模式的に示す、光伝播方向（光導波方向）の断面図である。 図１の電気光学変調器の製造工程の一部を示す断面工程図である。 図１３Ａに続く製造工程の一部を示す断面工程図である。 図１３Ｂに続く製造工程の一部を示す断面工程図である。 図１３Ｃに続く製造工程の一部を示す断面工程図である。 本発明の電気光学変調器における光変調長さと位相シフト量との相関関係を例示するグラフである。 本発明の電気光学変調器における、変調領域のキャリア密度と周波数帯域との相関関係を例示するグラフである。 本発明の電気光学変調器における、光電界強度分布図の一例である。 本発明のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器の構造の一例を模式的に示す平面図である。 ＰＩＮダイオード型変調器であるシリコン・ベース電気光学変調器の構造の一例を模式的に示す断面図である。 ＳＩＳ型構造を有するシリコン・ベース電気光学変調器の構造の一例を模式的に示す断面図である。

　本発明の電気光学変調器は、前述の構造を有することにより、前記高ドープ部による光損失を低減することができる。これにより、変調部の電極付加抵抗と、電極による光損失の両方を同時に低減させた小型・低電力な電気光学変調器を提供することができるのである。

　本発明の電気光学変調器は、
　さらに、第１の電極コンタクト層と、第２の電極コンタクト層とを含み、
　前記第１の高ドープ部に前記第１の電極コンタクト層が接合され、
　前記第２の高ドープ部に前記第２の電極コンタクト層が接合され、
　前記第１の高ドープ部は、他の部材を介して外部端子に接続可能であり、前記他の部材が少なくとも前記第１の電極コンタクト層を含み、
　前記第２の高ドープ部は、他の部材を介して外部端子に接続可能であり、前記他の部材が少なくとも前記第２の電極コンタクト層を含むことが好ましい。前記第１の電極コンタクト層および第２の電極コンタクト層により、前記外部端子と本発明の電気光学変調器との接続抵抗を小さくすることができる。

　前記第１の半導体層および前記第２の半導体層は、シリコンから形成されていることが好ましい。すなわち、本発明の電気光学変調器は、シリコン・ベースの電気光学変調器であることが好ましい。前記シリコンは、純シリコンが、線形電気光学効果（Ｐｏｃｋｅｌｓ効果）を示さず、またＦｒａｎｚ－Ｋｅｌｄｙｓｈ効果やＫｅｒｒ効果による屈折率の変化が非常に小さいという理由によりさらに好ましい。ただし、本発明の電気光学変調器は、これに制限されず、シリコン以外の半導体から形成されていてもよい。

　前記第１の半導体層において、前記誘電体膜および前記第２の半導体層が積層される部分が凹凸形状であり、前記誘電体膜および前記第２の半導体層が前記凹凸形状に嵌合するように積層されていることが好ましい。これにより、キャリア密度が変調される領域と光フィールドとのオーバーラップがさらに改善され、変調効率が一層向上する。この場合において、前述の効果をさらに優れたものとする観点から、前記第１の半導体層の前記凹凸形状が、曲率を有する形状であることがより好ましい。なお、本発明において、「曲率を有する形状」とは、表面が曲線および曲面の少なくとも一方を含む形状をいう。また、本発明において、「リブ導波路」あるいは「リブ型導波路」とは、半導体層により形成され、凸状部分を含む導波路をいう。例えば、本発明の電気光学変調器は、前述のとおり、前記第２の半導体層が前記誘電体膜を介して前記第１の半導体層上に積層されることによりリブ導波路が形成されている。すなわち、前記第１の半導体と前記誘電体膜と前記第２の半導体との積層部分が前記第１の半導体上に凸状部分を形成することにより、リブ導波路が形成される。

　本発明の電気光学変調器は、前記第２の半導体層における前記自由キャリアが蓄積、除去、または反転される領域の厚みＷ（ｎｍ）に対し、前記第１の半導体層の前記凹凸形状における凸部の最大幅、および、前記第１の半導体層の凹部に埋め込まれた部分における前記第２の半導体層の最大幅の少なくとも一方が２Ｗ（ｎｍ）以下であることがより好ましい。なお、「自由キャリア」とは、電子または正孔をいう。また、以下、前記Ｗを「最大空乏層厚」ということがある。

　本発明の電気光学変調器において、前記第１の半導体層と前記誘電体膜と前記第２の半導体層との積層部分が凹凸形状を有する場合、光信号電界が感じる実効屈折率ｎ_ｅｆｆ、光信号波長λ（ｎｍ）に対し、前記第１の半導体の前記凹凸形状における凸部の高さまたは前記第１の半導体層の前記凹部に埋め込まれた部分における前記第２の半導体層の深さ（埋め込み部分の長さ）がλ／ｎ_ｅｆｆ（ｎｍ）以下であることがより好ましい。このように、前記凹部に埋め込まれた第２の半導体層の形状を、光フィールドとキャリア密度変調が行われる領域との重なりが大きくなるように制御することにより、さらに効率的な光位相変調が実現される。なお、本発明において、光信号電界が感じる（feel）実効屈折率は、光信号電界に影響または作用する屈折率をいう。光信号電界が実効屈折率を「感じる（feel）」は、光信号電界が、前記実効屈折率により影響または作用を受けることをいう。

　本発明の電気光学変調器は、前記第２の半導体層において、前記リブ導波路部分の上方に形成された部分の実効屈折率が、前記リブ導波路の実効屈折率と比較して１０％以上小さいことが好ましい。これにより、リブ導波路（光変調部）を導波される光が、前記リブ導波路の上部に形成した第２の半導体層へ漏れる成分を無視出来る程度に小さくすることが可能となる。したがって、電気光学変調器の電極による光損失をさらに低減させ、変調効率をより一層向上させることが可能となる。

　前記第２の半導体層は、特に制限されないが、多結晶半導体層であることが好ましい。

　本発明の電気光学変調器は、前記自由キャリアが蓄積、除去、または反転される領域内に、光信号電界がピーク強度を示す領域が存在することが好ましい。

　前記第１の半導体層は、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Ｓｉ_ｘＧｅ_１－ｘ（０≦Ｘ＜１）からなる群から選択される少なくとも一つの半導体層から形成されていることが好ましい。前記第２の半導体層においても同様である。前記第１の半導体層および前記第２の半導体層は、それぞれ、一層から形成されていても良いが、複数の層の積層体であっても良い。

　本発明の電気光学変調器は、
　下記条件（Ａ）および（Ｂ）の少なくとも一方の条件を満たすことが好ましい。下記の少なくとも一方の条件を満たすと、変調部の電極付加抵抗と、電極による光損失の両方とを同時に低減することが、より達成しやすい。この観点から、下記条件（Ａ）と下記条件（Ｂ）の両方を満たすことがさらに好ましい。
 
（Ａ）　前記第１の半導体層が、前記第１の半導体層と前記誘電体膜と前記第２の半導体層との積層部分から、前記積層方向および前記リブ導波路方向の双方と直交する方向の両方向に向かって突出しており、かつ、前記突出した部分の両方に前記第１の高ドープ部が設けられているという条件
（Ｂ）　前記第２の半導体層が、前記第１の半導体層と前記誘電体膜と前記第２の半導体層との積層部分から、前記積層方向および前記リブ導波路方向の双方と直交する方向の両方向に向かって突出しており、かつ、前記突出した部分の両方に前記第２の高ドープ部が設けられているという条件
 
　なお、「リブ導波路方向」は、前記リブ導波路において光が導波される方向をいう。また、以下において、前記積層方向および前記リブ導波路方向の双方と直交する方向を、単に「左」「右」または「左右」ということがある。

　本発明の電気光学変調器は、前記第１の高ドープ部および第２の高ドープ部の少なくとも１つに電気変調信号を入力することで、前記電気変調信号を光変調信号に変換可能であることが好ましい。

　次に、本発明のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器は前記光分岐路および前記光結合路において、前記リブ導波路がＳｉ（シリコン）導波路であることが好ましい。すなわち、本発明のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器は、シリコン・ベースのマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器であることが好ましい。前記シリコンは、純シリコンが、線形電気光学効果（Ｐｏｃｋｅｌｓ効果）を示さず、またＦｒａｎｚ－Ｋｅｌｄｙｓｈ効果やＫｅｒｒ効果による屈折率の変化が非常に小さいという理由によりさらに好ましい。ただし、本発明のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器は、これに制限されず、シリコン以外の半導体から形成されていてもよい。

　前記光分岐路および前記光結合路のリブ導波路において、光信号電界が感じる実効屈折率が、前記第１のアームおよび前記第２のアームにおいて位相変調部を行う部位の前記実効屈折率に対して９５～１０５％の範囲であることが好ましい。

　本発明のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器は、前記第１のアームと前記第２のアームとの長さが異なることが好ましい。

　前記光分岐路は、前記第１のアームおよび前記第２のアームに対して異なる強度の信号を入力可能であることが好ましい。

　本発明のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器は、前記のとおり、複数集合させてマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器集積構造として用いても良い。すなわち、本発明のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器は、例えば複数連結させて用いても良い。本発明のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器集積構造は、前記本発明のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器が複数、並列に配置されていても良いし、直列に配置されていても良い。例えば、マッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器を３つ以上配置する場合は、直列と並列の両方の配置を併用しても良い。

　本発明によれば、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ことができる。したがって、本発明によれば、前述のとおり、光変調部の電極付加抵抗と、電極による光損失の両方を同時に低減し、小型・低電力な電気光学変調器を実現することができる。本発明によれば、例えば、Ｓｉ基板上に集積化可能なシリコン・ベース電気光学変調器において、低コスト、低電流密度、低消費電力、高い変調度、低電圧駆動、および高速変調を、サブミクロンの領域内で実現可能な、キャリアプラズマ効果に基づく光変調器構造を実現することも可能である。

　本発明の電気光学変調器は、例えば、情報処理および通信分野において必要となる、高速電気信号を光信号に高速に変換するシリコン・ベース電気光学変調器として用いることができる。その構造は、例えば、十分な高速動作を行うように、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板上に形成された、シリコン－絶縁体－シリコンからなるキャパシタ構造としても良い。また、屈折率変化を利用した構造としては、例えば前述のように、本発明の電気光学変調素子を複数、マッハ・ツェンダー干渉計型に配置することができる。これによれば、例えば、二本のアームにおける光位相差を干渉させて、光の強度変調信号を得ることが可能である。

　具体的な実施形態の説明に先立ち、本発明の電気光学変調器の変調メカニズムについて、シリコン・ベースの電気光学変調器を例にとって説明する。ただし、以下の説明、数式等は、あくまで理論的考察の一例であり、本発明を何ら限定しない。また、実際の電気光学変調器の動作等は、理論と完全には一致しない場合がある。本発明において、数値限定により発明を特定する場合は、厳密にその数値でも良いし、約その数値でも良い。

　図示した実施形態のいくつかのものが変調構造に関連しているが、本発明のシリコン・ベース電気光学変調器は、例えば、以下に説明する電気光学効果（自由キャリアプラズマ効果）を利用する。純粋な電気光学効果はシリコン内には存在しない、または非常に弱いため、自由キャリアプラズマ効果と熱光学効果だけが光変調動作に利用出来る。本発明が目的とする高速動作（Ｇｂ／秒以上）のためには、自由キャリアプラズマ効果だけが効果的であり、以下の数１および数２の関係式の一次近似値で説明される。

　上記数１および数２の式中、ΔｎおよびΔｋは、シリコン層の屈折率変化の実部および虚部を表しており、ｅは電荷、λは光波長であり、ε_０は真空中の誘電率であり、ｎは真性半導体シリコンの屈折率、ｍ_ｅは電子キャリアの有効質量、ｍ_ｈはホールキャリアの有効質量であり、μ_ｅは電子キャリアの移動度、μ_ｈはホールキャリアの移動度、ΔＮ_ｅは電子キャリアの濃度変化、ΔＮ_ｈはホールキャリアの濃度変化である。なお、シリコン中の電気光学効果の実験的な評価により、光通信システムで使用する１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍ波長でのキャリア密度に対する屈折率変化は、Ｄｒｕｄｅの式（上記数１および数２）と良く一致することが知られている。また、これを利用した電気光学変調器においては、位相変化量は以下の数３の式で定義される。

　上記数３の式中、Ｌは電気光学変調器の光伝播方向に沿ったアクティブ層の長さである。

　本発明では、上記位相変化量は光吸収に比較して大きな効果であり、本発明では、電気光学変調器は基本的に位相変調器としての特徴を示すことが出来る。

　以下、本発明の具体的な実施形態について説明する。ただし、以下の実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、図面においては、説明の便宜上、各部の構造は適宜簡略化して示す場合があり、各部の寸法比等は、実際とは異なる場合がある。

［実施形態１］
　図１の断面斜視図に、本発明の電気光学変調器の一実施形態を示す。この電気光学変調器は、ＳＯＩ基板上にＳＩＳ接合（シリコン半導体－誘電体層－シリコン半導体接合）構造を形成した、自由キャリアプラズマ効果を用いた電気光学位相変調器である。なお、図１においては、図示の簡略化のため、断面部分以外は、詳細な構造の図示を省略している。以下の全ての断面斜視図においても同様である。

　図１に示すとおり、この電気光学位相変調器は、ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）と、ｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）と、誘電体膜１１と、複数の電極コンタクト層６（第１の電極コンタクト層と第２の電極コンタクト層）とを含む。これらは、支持基板３の上面に埋め込み酸化層２が形成されたシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板の、埋め込み酸化層２上に配置されている。なお、ｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）は、便宜上、後述のリブ導波路を形成する部分９－１と、リブ導波路以外の部分９－２とに分けて図示している。リブ導波路以外の部分９－２は、リブ導波路部分９－１の上面に積層されている。しかしながら、実際は、リブ導波路部分９－１とリブ導波路以外の部分９－２は一体に形成されており、その境界は明確ではない。ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）は、埋め込み酸化層２の上面全体に形成されている。ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）上の一部には、誘電体膜１１を介してｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）のうちリブ導波路部分９－１が積層されている。リブ導波路１００は、第１の半導体層８と誘電体膜１１と第２の半導体層のリブ導波路部分９－１とで形成されている。第１の半導体層８は、前記積層部分の左右両端から突出している。その突出部分の左右両方の端部は、ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）の他の部分よりもドープ濃度が高いｐ^＋ドープ半導体シリコン４（第１の高ドープ部）を形成している。左右のｐ^＋ドープ半導体シリコン４の上面には、それぞれ、電極コンタクト層６（第１の電極コンタクト層）が接合されている。ｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）のうちリブ導波路以外の部分９－２は、リブ導波路部分９－１の上面に積層され、かつ、前記積層部分よりも広い幅を有し、図で見て前記積層部分よりも右側から突出している。前記突出部分の右端部は、ｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）の他の部分よりもドープ濃度が高いｎ^＋ドープ半導体シリコン１０（第２の高ドープ部）を形成している。ｎ^＋ドープ半導体シリコン１０（第２の高ドープ部）の上面には、電極コンタクト層６（第２の電極コンタクト層）が接合されている。各電極コンタクト層６（第１の電極コンタクト層および第２の電極コンタクト層）の上面には、それぞれビア配線１３が設けられている。ビア配線１３は、電気光学変調器の上面まで達し、前記上面におけるビア配線１３の露出部分で、外部端子を介してこの電気光学変調器と他の装置、電源、回路等との接続が可能である。これにより、ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）と誘電体膜１１とｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）との積層部分においては、前記第１の高ドープ部および前記第２の高ドープ部からの電気信号によって、第１の半導体層および第２の半導体層における誘電体膜１１との接触面付近の領域で自由キャリアが蓄積、除去、または反転される。これにより、光信号電界領域の前記自由キャリア濃度を変調可能である。前記自由キャリア濃度の変調により、前記光信号電界の位相速度が変化して光信号の位相変調ができる。なお、図１の電気光学変調器は、シリコンから形成されているシリコン・ベースの電気光学変調器であるので、ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）と誘電体膜１１とｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）との積層部分は、ＳＩＳ接合部分ということができる。埋め込み酸化層２上に形成された前記各構成要素の空隙は、酸化物クラッド７で埋め込まれている。ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）およびｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）は、例えば、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、歪シリコン、および単結晶Ｓｉ、Ｓｉ_ｘＧｅ_１－ｘからなる群から選択される少なくとも一層により形成されている。電極コンタクト層６の材質は特に制限されないが、例えば、シリコンと金属との合金であり、より具体的には、シリコンとニッケルとの合金、シリコンとチタンとの合金等が挙げられる。

　なお、本発明において、「上に（upper　side）」は、特に断らない限り、上面に直接接触している状態（on）に限定されず、間に他の構成要素等が存在し、直接接触していない状態（above）も含む。同様に、「下に（lower　side）」は、特に断らない限り、下面に直接接触している状態（on）でも良いし、間に他の構成要素等が存在し、直接接触していない状態（below）でも良い。また、「上面に（on　the　upper　surface）」は、上面に直接接触している状態を指す。同様に、「下面に（on　the　lower　surface）」は、下面に直接接触している状態を指す。「片面側に（at　the　one　side）」は、特に断らない限り、片面側に直接接触している状態でも良いし、間に他の構成要素等が存在し、直接接触していない状態でも良い。「両面側に（at　the　both　side）」も、同様とする。「片面に（on　the　one　side）」は、片面に直接接触している状態を指す。「両面に（on　the　both　side）」も、同様とする。

　このような構成を有する本実施形態の電気光学変調器によれば、高ドープ層（高ドープ部）による光損失を低減すると共に、直列抵抗成分を小さくし、ＲＣ時定数を小さくすることが可能である。

　さらに、本実施形態の電気光学変調器では、図示のとおり、前記ＳＩＳ接合部分において、ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）が凹凸形状を有している。ＳＯＩ層であるｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）の表面は、前記ＳＩＳ接合部分において、上面および前記凹部の全てが誘電体膜１１で覆われている。誘電体膜１１およびｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）は、前記凹凸形状の凹部を埋め込むように形成され、ＳＩＳ接合を形成している。すなわち、前記ＳＩＳ接合部分において、誘電体膜１１およびｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）は、ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）の前記凹凸形状に嵌合するように積層されている。これにより、キャリア密度が変調される領域と光フィールドとのオーバーラップがさらに改善され、変調効率が一層向上する。

　なお、ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）における前記凹部（溝）は、例えば、エッチング等による加工で設けてもよい。また、前記リブ導波路の上部に形成されるｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）の実効屈折率は、前述のように、前記リブ導波路の実効屈折率と比較して１０％以上小さいことが好ましい。

　さらに、前記第２の半導体層における前記自由キャリアが蓄積、除去、または反転される領域の厚みＷ（ｎｍ）に対し、前記第１の半導体層の凹部に埋め込まれた前記第２の半導体層の最大幅が２Ｗ（ｎｍ）以下であることが好ましい。２Ｗ以上でも変調効率を改善する効果は得られるが、２Ｗ以下であるとより効果的である。最大空乏層厚Ｗは、熱平衡状態では下記数４の式で与えられる。

　前記数４の式において、ε_ｓは、半導体層の誘電率、ｋはボルツマン定数、Ｎ_ｃはキャリア密度、ｎ_ｉは真性キャリア濃度、ｅは電荷量である。例えば、Ｎ_ｃが１０^１７／ｃｍ^３の時、最大空乏層厚は０．１μｍ程度であり、キャリア密度が上昇するに従い、空乏層厚、すなわちキャリア密度の変調が生じる領域の厚みは薄くなる。ただし、上記数４は理論式であるから、実際の電気光学変調器の動作は、この式と完全に一致しない場合もある。

　一方、前記電気光学変調器において光信号電界が感じる実効屈折率ｎ_ｅｆｆ、光信号波長λ（ｎｍ）に対し、前記第１の半導体層の前記凹部に埋め込まれた前記第２の半導体層の深さ（埋め込み部分の長さ）がλ／ｎ_ｅｆｆ（ｎｍ）以下であることが好ましい。前述のとおり、このように、前記凹部に埋め込まれた第２の半導体層の形状を、光フィールドとキャリア密度変調が行われる領域との重なりが大きくなるように制御することにより、さらに効率的な光位相変調が実現される。

　図１に示す電気光学変調器の製造方法は特に制限されないが、例えば、以下のとおりである。

　図１３Ａ～図１３Ｄは、図１の電気光学変調器の製造方法を例示する断面工程図である。図示のとおり、この製造方法は、工程（ａ）～（ｍ）を含む。

　まず、図１３（ａ）に示すとおり、電気光学変調器を形成するために用いるＳＯＩ基板を準備する。このＳＯＩ基板は、支持基板３の上面に形成された埋め込み酸化層２上面に、さらに厚み３００～１０００ｎｍ程度のＳｉ層（ｐドープ半導体シリコン８）が形成されている。光損失を低減するために、埋め込み酸化層２の厚みは１０００ｎｍ以上が好ましい。この埋め込み酸化層２上のＳｉ層（ｐドープ半導体シリコン８）は、所望の導電型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あるいはＢを表面層にドープ処理した後、熱処理しても良い。

　次に、ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）上面にレジストパターンを形成した後、図１３（ｂ）に示すように、反応性エッチング法によりリブ型導波路形状に加工する。さらに、レジストパターンをマスクとして、ｐ^＋ドープ領域（ｐ^＋ドープ半導体シリコン４）をイオン注入により形成し、熱処理を行う。

　次に図１３（ｃ）に示すように、３００～７００ｎｍの厚さのＳｉＯ_２膜を酸化物クラッド層７として積層して形成し、ＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ）などによりＳｉリブ表面層が露出するように平坦化を行う。

　次にリブ表面にレジストマスクパターンを形成した後、図１３（ｄ）に示すように、反応性エッチング法によりＳｉ層（ｐドープ半導体シリコン８）中に溝を形成する。

　次に上記パターニングに用いたマスク層を除去した後、図１３（ｅ）に示すように、比較的薄い誘電体層（誘電体膜）であるシリコン酸化層１１を熱酸化処理により、ＳＯＩ（ｐドープ半導体シリコン８）上に形成する。前記誘電体膜は、例えば、シリコン酸化層、窒化シリコン層、他のｈｉｇｈ－ｋ絶縁層等から選択される少なくとも一層でも良い。

　次に図１３（ｆ）に示すように、誘電体膜１１上に多結晶シリコン層（ｎドープ多結晶シリコン９）を、ＣＶＤ法あるいはスパッタ法により、溝部を十分被覆して電極引き出し層を形成するように成膜する。この時、ＳＯＩ（ｐドープ半導体シリコン８）上の凹凸に起因して、多結晶シリコン層（ｎドープ多結晶シリコン９）上にも凹凸が転写して形成される。このような多結晶シリコン層上の凹凸は、後に電極コンタクト層を形成するため、ＣＭＰにより平滑化することが望ましい。また、上記多結晶シリコン層は、第２の導電型を呈するように、成膜中にドーピング処理するか、あるいは成膜後にイオン注入法などにより、ＢあるいはＰをドープ処理しても良い。

　次に図１３（ｇ）に示すように、上記ｎドープ多結晶シリコン層（ｎドープ多結晶シリコン９）をＣＭＰにより平滑化するとともに、上部電極層が１００ｎｍ程度となるように膜厚制御する。

　次に図１３（ｈ）に示すように、多結晶シリコン層（ｎドープ多結晶シリコン９）の表面層にレジストパターンを形成し、イオン注入法などにより、ＢあるいはＰをドープ処理して、ｎ^＋ドープ半導体シリコン１０（第２の高ドープ部）を形成する。

　次に図１３（ｉ）に示すように、上部電極層となる上記多結晶シリコン層（ｎドープ多結晶シリコン９）上面にレジストパターンを形成した後、反応性エッチング法によりパターニングして電極に対応した形状に加工する。なお、図１３（ｉ）～（ｍ）では、ｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）を、リブ導波路部分９－１とリブ導波路以外の部分９－２とに分けて図示している。しかしながら、これは便宜上であり、前述のように、実際は、リブ導波路部分９－１とリブ導波路以外の部分９－２は一体に形成されており、その境界は明確ではない。

　次に図１３（ｊ）に示すように、酸化物クラッド７を形成して、ＣＭＰにより平坦化を行う。

　次に図１３（ｋ）に示すように、高ドープ濃度領域（ｐ^＋ドープ半導体シリコン４およびｎ^＋ドープ半導体シリコン１０）上の酸化物クラッド７に電極取り出しのためのコンタクトホール１２を形成する。さらに、図１３（ｌ）に示すように、ｐ^＋ドープ半導体シリコン４およびｎ^＋ドープ半導体シリコン１０上面にＮｉを成膜してシリサイド層（電極コンタクト層６）を形成する。そして、図１３（ｍ）に示すように、前記コンタクトホール内にＴａＮ／Ａｌ（Ｃｕ）などからなるビア配線１３を形成して、本実施形態の電気光学変調器を製造することができる。駆動回路との接続は、ビア配線１３の電気光学変調器上面に露出した部分を介して外部端子との接触により行う。

　なお、図２の断面斜視図に、図１の電気光学変調器の構造の変形例を示す。図示の通り、この電気光学変調器は、ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）と誘電体膜１１とｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）との積層部分（ＳＩＳ接合部分）において、ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）が凹凸形状を有さず平坦である。これ以外は、図２の電気光学変調器の構造は、図１の電気光学変調器と同じである。なお、図２において、ｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）のリブ導波路部分９－１とリブ導波路以外の部分９－２とは、図１と同様、一体に形成されているが、その形成工程はそれぞれ別でもよい。また、リブ導波路部分９－１とリブ導波路以外の部分９－２とは、別工程で形成する場合であっても、材質（組成）は同一でも良い。本発明の電気光学変調器は、図２のように、前記第１の半導体層と前記誘電体膜と前記第２の半導体層との積層部分において、前記第１の半導体層が凹凸形状を有さず平坦であっても良い。しかし、前記第１の半導体層と前記誘電体膜と前記第２の半導体層との積層部分において、前記第１の半導体層が凹凸形状を有し、前記誘電体膜および前記第２の半導体層が前記凹凸形状に嵌合するように積層されていることが好ましい。これにより、前述の通り、キャリア密度が変調される領域と光フィールドとのオーバーラップがさらに改善され、変調効率が一層向上する。

［実施形態２］
　図３の断面斜視図に、本発明の電気光学変調器の別の一実施形態を示す。図示のとおり、この電気光学変調器は、ｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）が、前記積層部分の右側だけでなく左側からも突出している。ｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）の他の部分よりもドープ濃度が高いｎ^＋ドープ半導体シリコン１０（第２の高ドープ部）は、前記突出部分の右端部だけでなく左端部にも形成されている。電極コンタクト層６（第２の電極コンタクト層）は、左右両端のｎ^＋ドープ半導体シリコン１０（第２の高ドープ部）の上面に接合されている。これにより、高ドープ層（高ドープ部）による光損失をより低減すると共に、直列抵抗成分をさらに小さくし、ＲＣ時定数をさらに小さくすることが可能である。したがって、より低抵抗な電気接続が可能となる。前記以外の構造は、実施形態１の電気光学変調器（図１）と同じである。製造方法も特に制限されず、実施形態１の電気光学変調器（図１）に準じてよい。

　なお、図４の断面斜視図に、図３の電気光学変調器の構造の変形例を示す。図示の通り、この電気光学変調器は、ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）と誘電体膜１１とｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）との積層部分（ＳＩＳ接合部分）において、ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）が凹凸形状を有さず平坦である。これ以外は、図４の電気光学変調器の構造は、図３の電気光学変調器と同じである。本発明の電気光学変調器は図４のような構造でも良い。しかしながら、例えば図３のように、ＳＩＳ接合部分において、ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）が凹凸形状を有している方が好ましい。より具体的には、図１と図２のと対比説明において述べた通りである。

［実施形態３］
　図５の断面斜視図に、本発明の電気光学変調器のさらに別の一実施形態を示す。図示のとおり、この電気光学変調器は、ｐドープ半導体シリコン８（第一の半導体層）の前記凹部の表面が曲面および曲線を含む。すなわち、前記凹部は、曲率を含む（曲率が形成されている）形状である。これにより、さらに低電圧での光変調が可能となると共に、キャリア変調領域と光フィールドとの重なりがより大きくなり、いっそう高効率な光変調が可能となる。前記以外の構造は、実施形態１の電気光学変調器（図１）と同じである。製造方法も特に制限されず、実施形態１の電気光学変調器（図１）に準じてよい。

［実施形態４］
　図６の断面斜視図に、本発明の電気光学変調器のさらに別の一実施形態を示す。図示のとおり、この電気光学変調器は、ｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）が、前記積層部分の右側だけでなく左側からも突出している。ｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）の他の部分よりもドープ濃度が高いｎ^＋ドープ半導体シリコン１０（第２の高ドープ部）は、前記突出部分の右端部だけでなく左端部にも形成されている。電極コンタクト層６（第２の電極コンタクト層）は、左右両端のｎ^＋ドープ半導体シリコン１０（第２の高ドープ部）の上面に接合されている。これにより、高ドープ層（高ドープ部）による光損失をより低減すると共に、直列抵抗成分をさらに小さくし、ＲＣ時定数をさらに小さくすることが可能である。したがって、より低抵抗な電気接続が可能となる。前記以外の構造は、実施形態３の電気光学変調器（図５）と同じである。製造方法も特に制限されず、前記各実施形態の電気光学変調器に準じてよい。

［実施形態５］
　図７の断面斜視図に、本発明の電気光学変調器のさらに別の一実施形態を示す。図示のとおり、この電気光学変調器は、ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）と誘電体膜１１とｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）との積層部分（ＳＩＳ接合部分）において、ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）が、それ以外の部分に対し突出した部分（凸部）を有することにより、凹凸形状が形成されている。誘電体膜１１およびｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）は、前記ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）の凸部の上面および側面の全体、および前記凸部の下端近傍のｐドープ半導体シリコン８表面を覆っている。前記以外の構造は、実施形態１の電気光学変調器（図１）と同じである。前記第１の半導体層と前記誘電体膜と前記第２の半導体層との積層部分の凹凸形状が図７のような形状であっても、図１の構造と同様、キャリア密度が変調される領域と光フィールドとのオーバーラップがさらに改善され、変調効率が一層向上するという効果がある。図７の電気光学変調器の製造方法も特に制限されず、実施形態１の電気光学変調器（図１）に準じてよい。なお、図７において、ｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）のリブ導波路部分９－１とリブ導波路以外の部分９－２とは、図１と同様、一体に形成されているが、その形成工程はそれぞれ別でもよい。また、リブ導波路部分９－１とリブ導波路以外の部分９－２とは、別工程で形成する場合であっても、材質（組成）は同一でも良い。

　なお、本発明において「凹凸形状」とは、例えば、周囲の平坦な部分に対して凸部または凹部の一方のみを有する場合と、両方を有する場合とを含むものとする。例えば、前記第１の半導体層における前記凹凸形状とは、例えば図７のように、周囲の平面部分に対し凸部のみを含む形状でも良いし、また、例えば図１や図５のような形状でもよい。

［実施形態６］
　図８の断面斜視図に、本発明の電気光学変調器のさらに別の一実施形態を示す。図示のとおり、この電気光学変調器は、ｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）が、前記積層部分の右側だけでなく左側からも突出している。ｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）の他の部分よりもドープ濃度が高いｎ^＋ドープ半導体シリコン１０（第２の高ドープ部）は、前記突出部分の右端部だけでなく左端部にも形成されている。電極コンタクト層６（第２の電極コンタクト層）は、左右両端のｎ^＋ドープ半導体シリコン１０（第２の高ドープ部）の上面に接合されている。これにより、高ドープ層（高ドープ部）による光損失をより低減すると共に、直列抵抗成分をさらに小さくし、ＲＣ時定数をさらに小さくすることが可能である。したがって、より低抵抗な電気接続が可能となる。前記以外の構造は、実施形態５の電気光学変調器（図７）と同じである。製造方法も特に制限されず、前記各実施形態の電気光学変調器に準じてよい。

　なお、図９に、図１および３（実施形態１および２）に示した電気光学変調器の上断面図を示す。ただし、図示の便宜のために、一部の構成要素は省略してある。前述のようにこれらの電気光学変調器において、キャリア密度が変調される領域の厚み（最大空乏層厚）をＷとした時、埋め込まれた多結晶シリコン層（ｎドープ多結晶シリコン９）の幅は、２Ｗ以下であることが望ましい。また、前記凹凸形状は、例えば、光の伝播方向に周期性をもつグレーティング形状でも良い。その周期は、光信号の群速度を遅くするように周期的に形成されるか、あるいは、光信号の反射を抑制するために、非周期的に光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎ_ｅｆｆ、光信号波長をλとした時、λ／ｎ_ｅｆｆ以下の間隔となるように並べても良い。

　図１０から図１２は、前記実施形態１、３および５の電気光学変調器における、構造断面図および光伝播方向（光導波方向）を模式的に示す断面図である。図示のとおり、図１０から１２において、それぞれ、（ａ）が構造断面図であり、（ｂ）が、光伝播方向（光導波方向）を模式的に示す断面図である。構造断面図は、図１、５および７に示す断面とそれぞれ同様である。光伝播方向（光導波方向）を模式的に示す断面図は、支持基板３上面に形成された埋め込み酸化層２の上面に、さらにｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）、誘電体膜１１、およびｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）がこの順番に形成されている。光伝播方向（光導波方向）を模式的に示す断面図は、図１０から１２において全て同じである。すなわち、これらの電気光学変調器は、ｐドープ半導体シリコン８（第１の半導体層）およびｎドープ多結晶シリコン９（第２の半導体層）の界面に、比較的薄い誘電体（誘電体膜）が形成されたＳＩＳ（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型接合構造が形成されている。このＳＩＳ型接合において、前記第１および第２の半導体層（ドープ領域）に結合された電極からの電気信号により、自由キャリアが、誘電体膜１１との接触面付近で蓄積、除去、または反転されることにより、光信号電界領域の自由キャリア濃度が変調される。

　なお、周波数帯域を改善するためには、前述の各条件に加えて、キャリアの移動度や寿命が非常に重要である。特に、多結晶シリコン層におけるキャリアの移動度は、高速動作する上で大きく影響する。従って、アニール処理による再結晶化により粒子径を大きくし、キャリア移動度を改善するか、あるいは第２の半導体層に関して、エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯ）法などを用いて結晶品質を改善することが好ましい。

［実施形態７］
　図１７の平面図に、本発明のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器の構造の一例を模式的に示す。図示のとおり、このマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器は、本発明のシリコン・ベース電気光学変調器をそれぞれ含む第１のアーム１４および第２のアーム１５が平行に配置されている。第１のアーム１４および第２のアーム１５には、それぞれ、電気光学変調器駆動用電極パッド１６が設けられている。第１のアーム１４および第２のアーム１５には、これに入力側で結合する光分岐路（光分岐構造）１７と、出力側で結合する光結合路（光結合構造あるいは光合波構造）１８が接続されている。これにより、前記第１のアームおよび第２のアームで光信号の位相変調が行われ、前記光結合路により位相干渉が行われることにより、光強度変調信号に変換される。

　図１７のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器においては、例えば、入力側に配置された光分岐構造により、入力光が第１および第２のアームに等しいパワーとなるように分岐される。ここで、第１のアームにプラスの電圧を印加することにより、本発明の電気光学変調器における前記第１の半導体および前記第２の半導体の前記誘電体膜（薄い誘電体層）との接触面付近でキャリア蓄積が生じる。また、第２のアームにマイナスの電圧を印加することにより、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層における前記誘電体膜の接触面付近のキャリアが除去される。これにより、キャリア蓄積モードでは、電気光学変調器における光信号電界が感じる実効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実効屈折率が大きくなり、両アームでの光信号位相差が最大となる。この両アームを伝送する光信号を出力側の光結合構造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。本発明の電気光学変調器においては、例えば、２０Ｇｂｐｓ以上の光信号の送信が可能である。また、前記マッハ・ツェンダー干渉計からなる電気光学変調器は、並列あるいは直列に配置されることにより、より高い転送レートを有する光変調器やマトリックス光スイッチなどへ応用することも可能である。

　図１および図２に示す電気光学変調器をそれぞれ製造し、その特性を評価した。結果を、図１４～１６に示す。

　図１４のグラフに、位相シフト量の光信号伝播方向の長さ（光変調長さ）依存の相関関係を示す。同図において、縦軸が位相シフト量（π）であり、横軸が光変調長さ（ｎｍ）である。図中、「凹凸無し」は、前記第１の半導体層において、前記誘電体膜および前記第２の半導体層が積層される部分が凹凸形状を有さない図２の電気光学変調器のプロットを示す。「凹凸有り」は、前記第１の半導体層において、前記誘電体膜および前記第２の半導体層が積層される部分が凹凸形状を有する図１の電気光学変調器のプロットを示す。図示のとおり、いずれの電気光学変調器も、優れた光変調効率を有していた。特に、図１の電気光学変調器は、光変調効率が顕著に改善された。なお、本実施例で用いた図１の電気光学変調器は、前記凹部に埋め込まれた部分における前記第２の半導体層の幅を、キャリア変調される厚み（最大空乏層幅）と同程度の１６０ｎｍ程度以下の幅とした。また、本実施例では、上記凹部を埋め込む深さもλ／ｎ_ｅｆｆ程度に大きくしており、これにより光変調効率がさらに改善された。

　図１５のグラフに、動作周波数帯域とキャリア密度との相関関係を示す。同図において、縦軸が動作周波数帯域（ＧＨｚ）であり、横軸がキャリア密度（ｃｍ^３）である。図中、「凹凸無し」は、前記第１の半導体層において、前記誘電体膜および前記第２の半導体層が積層される部分（以下において、便宜上、単に「ＳＩＳ接合部分」ということがある）が凹凸形状を有さない図２の電気光学変調器のプロットを示す。「凹凸有り」は、ＳＩＳ接合部分が凹凸形状を有する図１の電気光学変調器のプロットを示す。いずれの電気光学変調器も、高い動作周波数帯域を示し、高速動作が可能であった。特に、ＳＩＳ接合部分が凹凸形状を有する図１の電気光学変調器は、図示のとおり、キャリア密度を１０^１８／ｃｍ^３以上とすることにより、１０ＧＨｚ以上ときわめて高速での動作が可能であった。なお、本実施例では、図１の電気光学変調器は、前記凹部に埋め込んだ第２の半導体層の深さ（埋め込み部分の長さ）をλ／ｎ_ｅｆｆ（ｎｍ）以上とした（ｎ_ｅｆｆは光信号電界が感じる実効屈折率、λは光信号波長（ｎｍ））。これにより、電気容量が増加し、前記の通りきわめて高速での動作が可能となっている。ただし、電気光学変調器をさらに小型化、薄型化したい場合等は、第２の半導体層の深さ（埋め込み部分の長さ）をλ／ｎ_ｅｆｆより小さくしても、十分に高速での動作が可能である。本発明の電気光学変調器は、前述のとおり、その特徴的構成により変調効率改善がされているためである。

　図１６の写真に、光電界強度（光フィールド）分布図を示す。左側の写真（ａ）が、ＳＩＳ接合部分が凹凸形状を有さない図２の電気光学変調器を示し、右側の写真（ｂ）が、ＳＩＳ接合部分が凹凸形状を有する図１の電気光学変調器を示す。図１６（ａ）（ｂ）のそれぞれにおいて、横軸は、図１あるいは図２の断面における左右方向の座標Ｘ（μｍ）を示し、縦軸は、図１あるいは図２の断面における上下方向の座標Ｙ（μｍ）を示す。座標Ｘ＝０、Ｙ＝０の地点が、前記リブ導波路のほぼ中央を示す。同図の光電界強度分布図は、光信号電界が感じる実効屈折率の変化を変色で表すことにより、光電界強度分布を示している。図１６（ｂ）中、ｈは、第１の半導体層において、前記誘電体膜および前記第２の半導体層が積層されていない部分（ＳＩＳ接合部分以外の部分）の厚みを示す。Ｈ_ｐｏｌｙは、第２の半導体層において、リブ導波路から突出した部分の厚みを示す。Ｗは、前記第２の半導体層における前記自由キャリアが蓄積、除去、または反転される領域の厚み（最大空乏層幅、ｎｍ）である。図示のとおり、ＳＩＳ接合部分が凹凸形状を有する（ＳＩＳ接合界面に凹凸を形成した）図１の電気光学変調器（図１６（ｂ））では、実効屈折率が変化した領域（光フィールド）と、導波路（キャリア変調領域）との重なりが、図２の電気光学変調器（図１６（ａ））と比較してさらに大きくなっていた。これにより、前述のように、光変調効率および動作速度がさらに向上したと考えられる。

　さらに、本実施例で用いた、ＳＩＳ接合部分が凹凸形状を有する図１の電気光学変調器を用いて図１７のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器を作製した。このマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器を用いて光信号の送信を行い、２０Ｇｂｐｓ以上の光信号の送信が可能であることを確認した。

　以上、実施形態および実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上記実施形態および実施例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

　この出願は、２００９年９月１０日に出願された日本出願特願２００９－２０９７６６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１　真性半導体シリコン
２　埋め込み酸化層
３　支持基板
４　ｐ^＋ドープ半導体シリコン
５　ｎ^＋ドープ半導体シリコン
６　電極コンタクト層
７　酸化物クラッド
８　ｐドープ半導体シリコン
９　ｎドープ多結晶シリコン
　　　９－１　ｎドープ多結晶シリコン（リブ導波路部分）
　　　９－２　ｎドープ多結晶シリコン（リブ導波路以外の部分）
１０　ｎ^＋ドープ多結晶シリコン
１１　誘電体層
１２　コンタクトホール
１３　ビア配線
１４　第１のアーム
１５　第２のアーム
１６　電気光学変調器駆動用電極パッド
１７　光分岐路（光分岐構造）
１８　光結合路（光合波構造）
１００　リブ導波路

Claims (22)

1. 　第１の半導体層と、第２の半導体層と、誘電体膜とを含み、
   　前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とはそれぞれドープ処理されており、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とは導電型が異なり、
   　前記第１の半導体層の一部が、前記第１の半導体層の他の部分よりもドープ濃度が高い第１の高ドープ部であり、
   　前記第２の半導体層の一部が、前記第２の半導体層の他の部分よりもドープ濃度が高い第２の高ドープ部であり、
   　前記第１の高ドープ部および前記第２の高ドープ部は、直接または他の部材を介して外部端子に接続可能であり、
   　前記第２の半導体層が前記誘電体膜を介して前記第１の半導体層上に積層されることによりリブ導波路が形成され、
   　前記第１の半導体層および前記第２の半導体層は、前記誘電体膜との接触面付近の領域において、前記外部端子からの電気信号による自由キャリアの蓄積、除去、または反転により、光信号電界領域の前記自由キャリア濃度が変調され、これにより光信号の位相変調が可能であり、
   　前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の少なくとも一方が、前記第１の半導体層と前記誘電体膜と前記第２の半導体層との積層部分よりも広い幅を有し、前記第１の高ドープ部および前記第２の高ドープ部の少なくとも一方が、前記積層部分の外側に設けられていることを特徴とする電気光学変調器。
2. 　さらに、第１の電極コンタクト層と、第２の電極コンタクト層とを含み、
   　前記第１の高ドープ部に前記第１の電極コンタクト層が接合され、
   　前記第２の高ドープ部に前記第２の電極コンタクト層が接合され、
   　前記第１の高ドープ部は、他の部材を介して外部端子に接続可能であり、前記他の部材が少なくとも前記第１の電極コンタクト層を含み、
   　前記第２の高ドープ部は、他の部材を介して外部端子に接続可能であり、前記他の部材が少なくとも前記第２の電極コンタクト層を含むことを特徴とする請求項１記載の電気光学変調器。
3. 　前記第１の半導体層および前記第２の半導体層が、シリコンから形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の電気光学変調器。
4. 　前記第１の半導体層において、前記誘電体膜および前記第２の半導体層が積層される部分が凹凸形状であり、前記誘電体膜および前記第２の半導体層が前記凹凸形状に嵌合するように積層されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電気光学変調器。
5. 　前記第１の半導体層の前記凹凸形状が、曲率を有する形状であることを特徴とする請求項４記載の電気光学変調器。
6. 　前記第２の半導体層における前記自由キャリアが蓄積、除去、または反転される領域の厚みＷ（ｎｍ）に対し、前記第１の半導体層の前記凹凸形状における凸部の最大幅、および、前記第１の半導体層の凹部に埋め込まれた部分における前記第２の半導体層の最大幅の少なくとも一方が２Ｗ（ｎｍ）以下であることを特徴とする請求項４または５記載の電気光学変調器。
7. 　前記電気光学変調器において光信号電界が感じる実効屈折率ｎ_ｅｆｆ、光信号波長λ（ｎｍ）に対し、前記第１の半導体の前記凹凸形状における凸部の高さまたは前記第１の半導体層の凹部に埋め込まれた部分における前記第２の半導体層の深さ（埋め込み部分の長さ）がλ／ｎ_ｅｆｆ（ｎｍ）以下であることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の電気光学変調器。
8. 　前記第２の半導体層において、前記リブ導波路部分の上方に形成された部分の実効屈折率が、前記リブ導波路の実効屈折率と比較して１０％以上小さいことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電気光学変調器。
9. 　前記第２の半導体層が、多結晶半導体層であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の電気光学変調器。
10. 　前記自由キャリアが蓄積、除去、または反転される領域内に、光信号電界がピーク強度を示す領域が存在することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の電気光学変調器。
11. 　前記第１の半導体層および第２の半導体層の少なくとも一方が、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Ｓｉ_ｘＧｅ_１－ｘ（０≦Ｘ＜１）からなる群から選択される少なくとも一つの半導体層から形成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気光学変調器。
12. 　下記条件（Ａ）および（Ｂ）の少なくとも一方の条件を満たすことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の電気光学変調器。
     
    （Ａ）　前記第１の半導体層が、前記第１の半導体層と前記誘電体膜と前記第２の半導体層との積層部分から、前記積層方向および前記リブ導波路方向の双方と直交する方向の両方向に向かって突出しており、かつ、前記突出した部分の両方に前記第１の高ドープ部が設けられているという条件
    （Ｂ）　前記第２の半導体層が、前記第１の半導体層と前記誘電体膜と前記第２の半導体層との積層部分から、前記積層方向および前記リブ導波路方向の双方と直交する方向の両方向に向かって突出しており、かつ、前記突出した部分の両方に前記第２の高ドープ部が設けられているという条件
13. 　前記条件（Ａ）と前記条件（Ｂ）の両方を満たすことを特徴とする請求項１２記載の電気光学変調器。
14. 　前記第１の高ドープ部および第２の高ドープ部の少なくとも１つに電気変調信号を入力することで、前記電気変調信号を光変調信号に変換可能であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の電気光学変調器。
15. 　第１のアームと、第２のアームと、光分岐路と、光結合路とを有し、
    　前記第１のアームと、前記第２のアームとは、それぞれ、請求項１から１４のいずれか一項に記載の電気光学変調器を含み、かつ、入力機能と出力機能とを有し、
    　前記光分岐路および前記光結合路は、リブ型導波路を含み、
    　前記光分岐路は、前記第１のアームおよび前記第２のアームの入力側に結合し、前記光分岐路に入射した光信号を分岐させて前記第１のアームおよび第２のアームに入力可能であり、
    　前記第１のアームおよび第２のアームは、入力された前記光信号を位相変調させて出力することが可能であり、
    　前記光結合路は、前記第１のアームおよび前記第２のアームの出力側に結合し、前記第１のアームおよび第２のアームで位相変調されて出力された前記光信号を結合して位相干渉させ、光強度変調信号に変換可能であることを特徴とするマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器。
16. 　前記光分岐路および前記光結合路において、前記リブ型導波路がＳｉ（シリコン）導波路であることを特徴とする請求項１５記載のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器。
17. 　前記光分岐路および前記光結合路のリブ型導波路において、光信号電界が感じる実効屈折率が、前記第１のアームおよび前記第２のアームにおいて位相変調部を行う部位の前記実効屈折率に対して９５～１０５％の範囲であることを特徴とする請求項１５または１６記載のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器。
18. 　前記第１のアームと前記第２のアームとの長さが異なることを特徴とする請求項１５から１７のいずれか一項に記載のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器。
19. 　前記光分岐路が、前記第１のアームおよび前記第２のアームに対して異なる強度の信号を入力可能であることを特徴とする請求項１５から１８のいずれか一項に記載のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器。
20. 　請求項１５から１９のいずれか一項に記載のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器を複数含むことを特徴とするマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器集積構造。
21. 　請求項１５から１９のいずれか一項に記載のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器が複数、並列に配置されていることを特徴とする請求項２０記載のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器集積構造。
22. 　請求項１５から１９のいずれか一項に記載のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器が複数、直列に配置されていることを特徴とする請求項２０または２１記載のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器集積構造。

Images