WO2013051095A1 - 光半導体素子、その制御方法及びその製造方法 - Google Patents

光半導体素子、その制御方法及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

　光半導体素子には、リング変調器と、リング変調器を導波する被変調光の経路から離間した位置に設けられ、リング変調器のリング導波路（３）から漏れた光を吸収し、リング導波路（３）の温度を上昇させる光吸収材（９）と、が設けられている。

Description

光半導体素子、その制御方法及びその製造方法
　本発明は、光半導体素子、その制御方法及びその製造方法に関する。
　光送受信器の小型大容量化及び低消費電力化のためには、シリコンを光導波路の材料に用いた光デバイスの実用化が重要である。これは、屈折率差の大きい光導波路が使えることから他の材料と比較して小型化に有利であり、電子回路との集積が容易なことから１チップで多数の光送受信器を集積することが可能になるためである。光デバイスの中でも特に変調器は、その特性が光送受信器の消費電力及びサイズに大きな影響を与える。そして、変調器の中でも、特にリング変調器は、素子自体が小型なこと、及び変調電圧が小さく、光損失も小さいことから、小型化及び低消費電力化に有利である。
　しかしながら、リング変調器では、波長帯域と変調効率とがトレードオフの関係にある。このため、高い変調効率を得ようとすると、波長帯域が狭くなり、ＣＷ（continuous wave）光等の入射光の波長と共振波長とを一致させることが困難となる。このような課題を解決することを目的とした技術も提案されているが、安定した制御を実現することは困難である。
米国特許出願公開第２００９／０１６９１４９号明細書 特開２００９－２０００９１号公報
　本発明は、リング変調器のリング共振波長を安定して制御することができる光半導体素子、その制御方法及びその製造方法を提供することを目的とする。
　光半導体素子の一態様には、リング変調器と、前記リング変調器を導波する被変調光の経路から離間した位置に設けられ、前記リング変調器のリング導波路から漏れた光を吸収し、前記リング導波路の温度を上昇させる光吸収材と、が設けられている。
　光半導体素子の制御方法の一態様では、リング変調器と、前記リング変調器を導波する被変調光の経路から離間した位置に設けられ、前記リング変調器のリング導波路から漏れた光を吸収し、前記リング導波路の温度を上昇させる光吸収材と、を有する光半導体素子に対し、ヒータを用いて前記リング変調器の温度を所定の温度以上に加熱し、前記リング変調器への被変調光の入射を開始する。次いで、前記ヒータを用いた加熱を終了する。前記リング導波路のリング共振波長と共振光の吸収に伴う発熱の量との第１の関係と、前記リング導波路の発熱の量とそれに伴って変化するリング共振波長との第２の関係とを比較したときに、前記第１の関係の極大を与えるリング共振波長において、前記第１の関係における発熱の量が、前記第２の関係における発熱の量よりも大きい。また、前記所定の温度は、前記第１の関係を示すグラフと前記第２の関係を示すグラフとの交点のうちで、前記第１の関係の極大を与えるリング共振波長より短波長側の直近のものに該当する温度である。
　光半導体素子の製造方法の一態様では、リング変調器を形成し、前記リング変調器を導波する被変調光の経路から離間した位置に、前記リング変調器のリング導波路から漏れた光を吸収し、前記リング導波路の温度を上昇させる光吸収材を形成する。
　上記の光半導体素子等によれば、光吸収材の作用により、リング共振波長を変調に適したものに安定して制御することができる。
図１Ａは、リング変調器の例を示す図である。 図１Ｂは、図１Ａに示すリング変調器の特性を示す図である。 図２Ａは、リング変調器の他の例を示す図である。 図２Ｂは、図２Ａに示すリング変調器の特性を示す図である。 図３Ａは、リング変調器の更に他の例を示す図である。 図３Ｂは、図３Ａに示すリング変調器の特性を示す図である。 図４Ａは、リング導波路の発熱量とリング共振波長との関係を示す図である。 図４Ｂは、共振光の吸収に伴う発熱量とリング共振波長との関係を示す図である。 図４Ｃは、図４Ａに示すグラフと図４Ｂに示すグラフとを重ね合わせた図である。 図５Ａは、初期状態の特性を示す図である。 図５Ｂは、加熱後の特性を示す図である。 図５Ｃは、加熱終了後の特性を示す図である。 図６は、変調電圧Ｖと透過率との関係を示す図である。 図７Ａは、変調を考慮したリング共振波長と発熱量との関係を示す図である。 図７Ｂは、図７Ａに示すグラフと図４Ｂに示すグラフとを重ね合わせた図である。 図８は、図６に示すグラフとロックされた波長との関係を示す図である。 図９は、バーストオフ状態及びバーストオン状態が混在するバースト信号に対する動作を示す図である。 図１０Ａは、第２の実施形態に係る光半導体素子のレイアウトを示す図である。 図１０Ｂは、図１０Ａ中のＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 図１０Ｃは、図１０Ａ中のＩＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 図１１Ａは、第３の実施形態に係る光半導体素子のレイアウトを示す図である。 図１１Ｂは、図１１Ａ中のＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 図１１Ｃは、図１１Ａ中のＩＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 図１２Ａは、第４の実施形態に係る光半導体素子のレイアウトを示す図である。 図１２Ｂは、図１１Ａ中のＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 図１２Ｃは、図１１Ａ中のＩＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 図１３Ａは、第５の実施形態に係る光半導体素子のレイアウトを示す図である。 図１３Ｂは、図１３Ａ中のＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 図１３Ｃは、図１３Ａ中のＩＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 図１４Ａは、第６の実施形態に係る光半導体素子の制御方法の例を示すフローチャートである。 図１４Ｂは、第６の実施形態に係る光半導体素子の制御方法の他の例を示すフローチャートである。 図１５Ａは、第７の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す断面図である。 図１５Ｂは、図１５Ａに引き続き、光半導体素子の製造方法を示す断面図である。 図１５Ｃは、図１５Ｂに引き続き、光半導体素子の製造方法を示す断面図である。 図１５Ｄは、図１５Ｃに引き続き、光半導体素子の製造方法を示す断面図である。 図１５Ｅは、図１５Ｄに引き続き、光半導体素子の製造方法を示す断面図である。 図１５Ｆは、図１５Ｅに引き続き、光半導体素子の製造方法を示す断面図である。 図１５Ｇは、図１５Ｆに引き続き、光半導体素子の製造方法を示す断面図である。 図１５Ｈは、図１５Ｇに引き続き、光半導体素子の製造方法を示す断面図である。 図１５Ｉは、図１５Ｈに引き続き、光半導体素子の製造方法を示す断面図である。 図１５Ｊは、図１５Ｉに引き続き、光半導体素子の製造方法を示す断面図である。 図１５Ｋは、図１５Ｊに引き続き、光半導体素子の製造方法を示す断面図である。 図１５Ｌは、図１５Ｋに引き続き、光半導体素子の製造方法を示す断面図である。 図１５Ｍは、図１５Ｌに引き続き、光半導体素子の製造方法を示す断面図である。 図１５Ｎは、図１５Ｍに引き続き、光半導体素子の製造方法を示す断面図である。 図１５Ｏは、図１５Ｎに引き続き、光半導体素子の製造方法を示す断面図である。 図１５Ｐは、図１５Ｏに引き続き、光半導体素子の製造方法を示す断面図である。 図１６Ａは、第８の実施形態に係る光半導体素子の構造を示す図である。 図１６Ｂは、第８の実施形態に係る光半導体素子の動作を示す図である。 図１７は、第９の実施形態に係る光半導体素子を示す図である。
　以下、実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
　（第１の実施形態）
　先ず、第１の実施形態について説明する。図１Ａは、リング変調器の一例を示す図である。このリング変調器には、２本の直線状の導波路１及び２と、その間に設けられたリング導波路３とが含まれている。更に、リング導波路３の外側に変調電極４が設けられ、リング導波路３の内側に変調電極５が設けられている。
　そして、導波路１の入力ポート６に入射されるＣＷ光は、リング導波路３の周回光路長により決まるリング共振波長（周回光路長の整数分の１）と当該ＣＷ光の波長とが一致する場合に、導波路２の出力ポート８に導かれる。一方、リング共振波長と当該ＣＷ光の波長とが一致しない場合は、導波路１の出力ポート７に導かれる。また、リング導波路３に印加する変調電圧Ｖを変化させて、リング導波路３に屈折率変化を生じさせ、リング導波路３の周回光路長を変化させると、リング共振波長が変化する。従って、特定波長で見た場合の透過率が変化するため、これを光強度変調に利用することができる。例えば図１Ｂに示す波長を持つＣＷ光を入射すると、出力ポート７への出力光のパワーは変調電圧Ｖが電圧Ｖｌｏｗのときに大きくなり、変調電圧Ｖが電圧Ｖｈｉｇｈのときに小さくなる。一方、出力ポート８への出力光のパワーは変調電圧Ｖが電圧Ｖｌｏｗのときに小さくなり、変調電圧Ｖが電圧Ｖｈｉｇｈのときに大きくなる。従って、変調電圧Ｖを電圧Ｖｈｉｇｈ及び電圧Ｖｌｏｗの間で変化させることにより、光強度変調がかかった信号を出力ポート７及び８から得ることができる。
　次に、入射光の損失について説明する。ここでは、図２Ａに示すように、導波路２が設けられていないものとする。リング変調器では、入射光波長がリング共振波長近傍になると、入射光はリング導波路３内を周回し、その間に損失を受ける。このため、図２Ｂに示すように、出力ポートへの透過光のパワー１１は、リング共振波長から離れている場合と比べて小さくなる。このときに受ける損失には２種類あり、一つはリング導波路３の側面荒れにより散乱されたり、リング曲面で曲がりきれず放射されたりすることによる損失である。つまり、リング導波路３から漏れた光のパワー１３の分の損失である。もう一つは、リング導波路３の材料による光吸収がもたらす損失である。つまり、吸収された光のパワー１２の分の損失である。この光のパワー１２は熱エネルギに変換され、リング導波路３が発熱する。
　そこで、第１の実施形態には、リング導波路３から漏れた光を有効活用すべく、図３Ａに示すように、リング変調器を導波する光の経路から離間した位置に、リング導波路３から漏れた光を吸収し、リング導波路３の温度を上昇させる光吸収材９が設けられている。光吸収材９は、光を吸収し、この光のパワー１３を熱のパワー１４に変換する。そして、リング導波路３の温度を上昇させる。この結果、図３Ｂに示すように、漏れた光のパワーの分の損失がほとんど消失し、吸収及び発熱に寄与するパワー１２及び１４の和が大きくなる。つまり、光吸収材９が設けられていない場合に失われていたエネルギの大半を占めている散乱光及び放射光を熱エネルギに変換し、リング導波路３の温度の上昇に寄与させることが可能になる。
　次に、リング導波路３の温度の上昇に伴う効果について説明する。一般的に、リング共振波長はリング導波路の温度上昇に伴う屈折率増大により長波長化する。従って、リング導波路の発熱量とリング共振波長との間には、図４Ａに示すような関係がある。また、リング共振波長がＣＷ光の波長に近づくと、ＣＷ光がリング導波路中を周回する回数が増大し、発熱量が増大する。従って、共振光の吸収に伴う発熱量とリング共振波長との間には、図４Ｂに示すような関係がある。このため、リング導波路の発熱量及びリング共振波長は、図４Ａに示す関係及び図４Ｂに示す関係の双方が満たされる３つ交点２１、２２及び２３のいずれかに安定化することになる。
　但し、３交点のうち交点２２は不安定点である。例えば、交点２２よりリング共振波長が長波長側にずれると、共振光の吸収による発熱量が増加し、更に長波長化するという正帰還がかかる。この結果、最終的に交点２３に安定化する。また、交点２２よりリング共振波長が短波長側にずれると、共振光の吸収による発熱量が減少し、更に短波長化するという正帰還がかかる。この結果、最終的に交点２１に安定化する。また、交点２２の周辺のみならず、広い波長範囲で見ても、図４Ｃ中の直線上の矢印が示すように、交点２２を境に、これより長波長側にリング共振波長がある場合は交点２３に安定化し、交点２２より短波長側にある場合は交点２１に安定化する。
　従って、図４Ｃに示すように、リング導波路のリング共振波長と共振光の吸収に伴う発熱の量との第１の関係と、リング導波路の発熱の量とそれに伴って変化するリング共振波長との第２の関係とを比較したときに、第１の関係の極大を与えるリング共振波長（ＣＷ光波長）において、第１の関係における発熱の量が、第２の関係における発熱の量よりも大きい場合には、次のような現象が生じる。すなわち、初期状態で図５Ａに示す関係が成り立つリング変調器に対し、図５Ｂに示すように、ヒータを用いた加熱により強制的にリング共振波長を交点２２より長波長側に設定した後、図５Ｃに示すように、加熱を終了すると、リング共振波長は交点２３に安定化することになる。このように安定化させた後には、ヒータを動作させなくても、リング共振波長は交点２３にロックされるため、ヒータの消費電力はゼロにできる。また、一度ロックすれば自動的にロックし続けるため、出射光の観察及びフィードバック制御等は不要である。
　なお、図５Ｂに示す例では、リング共振波長が交点２３よりも長波長になるまで加熱を行っているが、交点２２よりも長波長になるように加熱を行えばよい。すなわち、上記の第１の関係を示すグラフ（図４Ｂ）と上記の第２の関係を示すグラフ（図４Ａ）との交点２１～２３のうちで、第１の関係の極大を与えるリング共振波長（ＣＷ光波長）より短波長側の直近のもの（交点２２）に該当する温度を超える温度まで加熱を行えばよい。
　このような安定点の波長は、ＣＷ光に対してオンオフの変調をかけるのに適した波長である。以下これに関して説明する。リング変調器では、図６に示すように、変調電圧Ｖを電圧Ｖｌｏｗ及び電圧Ｖｈｉｇｈの間で変化させることによって、リング共振波長をシフトさせてＣＷ光に変調をかける。また、共振光の吸収による発熱量は、図７Ａに示すように、変調電圧Ｖに応じて変化する。変調をかけた際のリング共振波長は時間的に変化しているため一意に決まらないが、便宜上、図７Ａでは、変調電圧Ｖが電圧Ｖｌｏｗのときのリング共振波長と定義している。図７Ａに示すように、変調電圧Ｖが電圧Ｖｌｏｗのときと変調電圧Ｖが電圧Ｖｈｉｇｈのときとで、共振光の吸収による発熱量を示す曲線が変化する。また、リング導波路の温度変化は、変調電圧Ｖの切り替えに比べて低速である。このため、マーク率が５０％であれば、これらの２曲線の時間平均が共振光吸収に伴う発熱量を示す曲線３１となる。このように変調をかけた場合であっても、図５Ａ～図５Ｃに示す関係と同様に、図７Ｂに示すように、交点２２より長波長側にリング共振波長をヒータでシフトさせた後に加熱を終了することにより、交点２３に安定化させることができる。このとき、ＣＷ光波長は透過スペクトルに対して図８に示す位置にあり、電圧Ｖｌｏｗの透過率と電圧Ｖｈｉｇｈの透過率との間で変調をかけることが可能な波長にリング共振波長がロックされる。
　なお、信号がない状態（バーストオフ状態）と信号のある状態（バーストオン状態）とが混在するバースト信号に対してもリング共振波長を被変調光にロックさせ続けることが可能である。すなわち、図９に示すように、変調電圧Ｖが常に電圧Ｖｌｏｗである状態（バーストオフ状態）と、変調電圧Ｖが電圧Ｖｌｏｗ及び電圧Ｖｈｉｇｈでランダムに切り替わる状態（バーストオン状態）とが混在するバースト信号に対してもリング共振波長を被変調光にロックさせ続けることが可能である。図９には、バーストオン状態のマーク率が５０％の場合を示している。バーストオフ状態での曲線３３と直線３２との交点は、バーストオン状態での曲線３１と直線３２との交点２２、２３とは異なる。そこで、ここでは、交点２２、２３に相当するバーストオフ状態の交点を２２´、２３´と記述する。
　バーストオン状態で交点２３にリング共振波長がロックされた状態のときに、バーストオフ状態に切り替わると、交点２３は安定状態でなくなる。但し、交点２３´は交点２２´より長波長側に位置するため、最終的に交点２３´に安定化する。また、交点２３´に安定した状態でバーストオン状態に切り替わると、同様に交点２３´は安定状態でなくなるが、交点２２より長波長側に位置するため、交点２３に安定化する。このように、バーストオン状態とバーストオフ状態とが切り替わった場合には、リング共振波長は交点２３と交点２３´との間で遷移する。そして、このような遷移が生じても、ロックが外れることはなく、バーストオン状態になれば交点２３に戻ることが可能である。
　（第２の実施形態）
　次に、第２の実施形態について説明する。図１０Ａは、第２の実施形態に係る光半導体素子のレイアウトを示す図であり、図１０Ｂは、図１０Ａ中のＩ－ＩＩ線に沿った断面図であり、図１０Ｃは、図１０Ａ中のＩＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。
　第２の実施形態では、図１０Ｂ及び図１０Ｃに示すように、Ｓｉ基板１０１上にＳｉＯ２膜１０２が形成されている。そして、図１０Ａ～図１０Ｃに示すように、ＳｉＯ２膜１０２上に、リング状のｎ＋層１０５ｎ、ｎ－層１０４ｎ、ｐ－層１０４ｐ及びｐ＋層１０５ｐがこの順で内側から配列して形成されている。ｎ＋層１０５ｎ、ｎ－層１０４ｎ、ｐ－層１０４ｐ及びｐ＋層１０５ｐには、例えば、不純物がドーピングされたＳｉが用いられる。また、ｎ＋層１０５ｎ、ｎ－層１０４ｎ、ｐ－層１０４ｐ及びｐ＋層１０５ｐを覆うＳｉＯ２膜１０６がＳｉＯ２膜１０２上に形成され、ＳｉＯ２膜１０６上でｎ－層１０４ｎ及びｐ－層１０４ｐの上方にリング状のヒータ１０７が形成されている。ＳｉＯ２膜１０６はクラッド層として機能する。更に、ヒータ１０７を覆うＳｉＯ２膜１０８がＳｉＯ２膜１０６上に形成されている。ＳｉＯ２膜１０８及びＳｉＯ２膜１０６に、ｎ＋層１０５ｎまで達する孔及びｐ＋層１０５ｐまで達する孔が形成されており、ＳｉＯ２膜１０８上に、ｎ＋層１０５ｎまで達する孔を介してｎ＋層１０５ｎに接続された変調電極１１０ｎ、及びｐ＋層１０５ｐまで達する孔を介してｐ＋層１０５ｐに接続された変調電極１１０ｐが形成されている。そして、変調電極１１０ｎ及び１１０ｐを覆うＳｉＯ２膜１１１がＳｉＯ２膜１０８上に形成されている。このようにして、リング導波路が構成されている。なお、図１０Ａでは、ＳｉＯ２膜１０２、１０６、１０８及び１１１をまとめてＳｉＯ２膜１２５と表している。
　また、リング導波路の近傍に、リング導波路との間で光が行き来する直線状の導波路１２１が形成されている。そして、リング導波路の周囲に、リング導波路と導波路１２１との間の光の経路から離間して、略リング状の光吸収材１１４ａが設けられている。光吸収材１１４ａはＳｉ基板１０１の表面よりも低い位置からＳｉＯ２膜１１１の表面まで達するようにして形成されている。また、光吸収材１１４ａの周囲に溝１１５が形成されており、導波路１２１のリング導波路とは反対側に溝１２２が形成されている。
　更に、ヒータ１０７に電流を流す２個の電極１２４が設けられている。２個の電極１２４間に所定の電圧が印加されることにより、ヒータ１０７に電流が流れ、ジュール熱が発生する。ヒータ１０７には、例えば、Ｔｉが用いられる。ヒータ１０７に、Ｗ、Ｐｔ、又はドーピングを行ったＳｉが用いられてもよい。安定した高抵抗膜を形成できる材料であれば、これらに限定されるのもではない。また、それぞれが変調電極１１０ｎ、１１０ｐに接続される２個の電極１２３も設けられている。
　光吸収材１１４ａには、例えば、入射光波長を吸収する色素を含有する紫外線（ＵＶ）硬化ポリマー又は熱硬化ポリマーが用いられる。光吸収材１１４ａに、単結晶、多結晶又はアモルファスのＳｉ若しくはＧｅが用いられてもよく、これらに高濃度のドーピングを行って光吸収を強めたものが用いられてもよい。被変調光波長に強い吸収能を持つ材料であれば、これらに限定されるものではない。
　このように構成された光半導体素子では、リング導波路のｎ－層１０４ｎ及びｐ－層１０４ｐ間のｐｎ接合の空乏領域の大きさが変調電圧Ｖに応じて変化し、この変化に伴って導波モード１３０の屈折率の変調が実現される。また、リング導波路から光１３１が漏れるが、その一部が光吸収材１１４ａに吸収され、光を吸収した光吸収材１１４ａにおいて発熱１３２が生じ、リング導波路の温度を上昇させる。従って、変調動作を開始する前にヒータ１０７によってリング導波路を加熱してリング共振波長を第１の実施形態における交点２２と同様の波長よりも高くし、その後にヒータ１０７による加熱を終了すれば、リング共振波長をロックすることができる。
　このため、安定した制御を実現することができる。また、ヒータ１０７を動作させ続ける必要がないため、消費電力を低く抑えることができる。
　更に、溝１１５及び１２２が形成されているため、溝１１５及び１２２の外側との熱抵抗が増大しており、熱の損失を低減することができる。このため、ヒータ１０７による温度上昇、及び光吸収による温度上昇を効果的にリング導波路の温度上昇に利用することができる。
　（第３の実施形態）
　次に、第３の実施形態について説明する。図１１Ａは、第３の実施形態に係る光半導体素子のレイアウトを示す図であり、図１１Ｂは、図１１Ａ中のＩ－ＩＩ線に沿った断面図であり、図１１Ｃは、図１１Ａ中のＩＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。
　第３の実施形態では、図１１Ａ～図１１Ｃに示すように、ｎ＋層１０５ｎの内側にリング状の光吸収材１１４ｂが設けられており、その内側にも溝１１５が設けられている。他の構成は第２の実施形態と同様である。
　このような第３の実施形態では、光吸収材１１４ｂにおいても光１３１の吸収及び発熱１３２が生じる。このため、第２の実施形態よりも高効率で熱を利用することができる。
　なお、光吸収材１１４ｂが設けられていれば、光吸収材１１４ａが設けられていなくともよい。
　（第４の実施形態）
　次に、第４の実施形態について説明する。図１２Ａは、第４の実施形態に係る光半導体素子のレイアウトを示す図であり、図１２Ｂは、図１２Ａ中のＩ－ＩＩ線に沿った断面図であり、図１２Ｃは、図１２Ａ中のＩＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。
　第４の実施形態では、図１２Ａ～図１２Ｃに示すように、リング状の光吸収材１１４ｃが光吸収材１１４ａ及び１１４ｂを繋ぐようにしてＳｉＯ２膜１１１上に形成されている。従って、リング導波路のほぼ全体が光吸収材１１４ｃにより上方から覆われている。他の構成は第３の実施形態と同様である。
　このような第４の実施形態では、光吸収材１１４ｃにおいても光１３１の吸収及び発熱１３２が生じる。このため、第３の実施形態よりも更に高効率で熱を利用することができる。
　なお、光吸収材１１４ｃが設けられていれば、光吸収材１１４ａ及び１１４ｂの一方又は両方が設けられていなくともよい。
　（第５の実施形態）
　次に、第５の実施形態について説明する。図１３Ａは、第５の実施形態に係る光半導体素子のレイアウトを示す図であり、図１３Ｂは、図１３Ａ中のＩ－ＩＩ線に沿った断面図であり、図１３Ｃは、図１３Ａ中のＩＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。
　第５の実施形態では、図１３Ａ～図１３Ｃに示すように、リング状の光吸収材１１４ｄが光吸収材１１４ａ及び１１４ｂを繋ぐようにしてＳｉＯ２膜１０２下に形成されている。従って、リング導波路のほぼ全体が光吸収材１１４ｄにより下方から覆われている。また、光吸収材１１４ｄ下には空洞部１１６が存在する。他の構成は第４の実施形態と同様である。
　このような第５の実施形態では、光吸収材１１４ｄにおいても光１３１の吸収及び発熱１３２が生じる。そして、第５の実施形態では、光吸収材１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ及び１１４ｄにより、リング導波路のほぼ全体が四方から取り囲まれている。このため、第４の実施形態よりも更に高効率で熱を利用することができ、熱の損失がほとんど生じない。更に、空洞部１１６の存在も熱の損失の低減に大きく寄与する。
　なお、光吸収材１１４ｄが設けられていれば、光吸収材１１４ａ、１１４ｂ及び１１４ｃの一部又は全体が設けられていなくともよい。
　（第６の実施形態）
　次に、第６の実施形態について説明する。第６の実施形態は、第１～第５の実施形態に係る光半導体素子の制御方法に関する。図１４Ａは、第６の実施形態に係る光半導体素子の制御方法の例を示すフローチャートであり、図１４Ｂは、他の例を示すフローチャートである。
　図１４Ａに示す制御方法では、初期状態（ステップＳ１１）からヒータ１０７を動作させる（ステップＳ１２）。次いで、多波長光源も動作させ（ステップＳ１３）、その後に、ヒータ１０７への電圧の印加を終了してヒータ１０７の動作を終了させる（ステップＳ１４）。そして、変調動作を開始する（ステップＳ１５）。
　図１４Ｂに示す制御方法では、初期状態（ステップＳ２１）から多波長光源を動作させる（ステップＳ２２）。次いで、ヒータ１０７も動作させ（ステップＳ２３）、その後に、ヒータ１０７への電圧の印加を終了してヒータ１０７の動作を終了させる（ステップＳ２４）。そして、変調動作を開始する（ステップＳ２５）。
　このような制御を行うことにより、いずれの例によってもリング共振波長をロックすることができる。
　なお、初期状態でのリング共振波長は被変調光波長より短波長になるように設定する。つまり、初期状態でのリング共振波長は作製精度及び温度によりばらつくため、これを考慮して最も長波長側にばらついた場合においても被変調光波長より短波長になるように設定する。また、動作時のヒータ１０７の電圧Ｖｈｅａｔｅｒ，ｏｎは、初期状態でのリング共振波長が最も短波長側にばらついた場合においても、ヒータ１０７の動作時に被変調光波長よりも長波長になるように設定する。
　（第７の実施形態）
　次に、第７の実施形態について説明する。第７の実施形態は、第５の実施形態と同様の光半導体素子を製造する方法に関する。図１５Ａ～図１５Ｐは、第７の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を工程順に示す断面図である。
　先ず、図１５Ａに示すように、Ｓｉ基板２０１上にＳｉＯ２膜２０２を形成し、その上にＳｉ膜２０３を形成する。次いで、図１５Ｂに示すように、ｎ＋層を形成する予定の領域及びｐ＋層を形成する予定の領域の周囲においてＳｉ膜２０３をエッチングすることにより、Ｓｉ膜２０３にメサ部２０３ａを形成する。その後、ｎ＋層を形成する予定の領域及びｎ－層を形成する予定の領域にｎ型不純物を低濃度でドーピングしてｎ－層２０４ｎを形成し、ｐ＋層を形成する予定の領域及びｐ－層を形成する予定の領域にｐ型不純物を低濃度でドーピングしてｐ－層２０４ｐを形成する。ｎ－層２０４ｎ、ｐ－層２０４ｐはどちらを先に形成してもよい。続いて、図１５Ｄに示すように、ｎ＋層を形成する予定の領域にｎ型不純物を更にドーピングしてｎ＋層２０５ｎを形成し、ｐ＋層を形成する予定の領域に更にｐ型不純物をドーピングしてｐ＋層２０５ｐを形成する。ｎ＋層２０５ｎ、ｐ＋層２０５ｐはどちらを先に形成してもよい。次いで、図１５Ｅに示すように、ｎ＋層２０５ｎの一部及びｐ＋層２０５ｐの一部をエッチングして、リング導波路を構成する領域のみにｎ＋層２０５ｎ及びｐ＋層２０５ｐを残存させる。
　その後、図１５Ｆに示すように、ｎ＋層２０５ｎ、ｎ－層２０４ｎ、ｐ－層２０４ｐ及びｐ＋層２０５ｐを覆うＳｉＯ２膜２０６をＳｉＯ２膜２０２上に形成する。ＳｉＯ２膜２０６はクラッド層として機能する。続いて、図１５Ｇに示すように、ＳｉＯ２膜２０６上でｎ－層２０４ｎ及びｐ－層２０４ｐの上方の位置にリング状のヒータ２０７を形成する。次いで、図１５Ｈに示すように、ヒータ２０７を覆うＳｉＯ２膜２０８をＳｉＯ２膜２０６上に形成する。
　その後、図１５Ｉに示すように、ＳｉＯ２膜２０８及びＳｉＯ２膜２０６に、ｎ＋層２０５ｎまで達する孔２０９ｎ及びｐ＋層２０５ｐまで達する孔２０９ｐを形成する。続いて、図１５Ｊに示すように、ＳｉＯ２膜２０８上に、孔２０９ｎを介してｎ＋層２０５ｎに接続される変調電極２１０ｎ、及び孔２０９ｐを介してｐ＋層２０５ｐに接続される変調電極２１０ｐを形成する。次いで、図１５Ｋに示すように、変調電極２１０ｎ及び変調電極２１０ｐを覆うＳｉＯ２膜２１１をＳｉＯ２膜２０８上に形成する。
　その後、図１５Ｌに示すように、光吸収材を形成する予定の領域、つまりリング導波路の内側及び外側に溝２１２を形成する。溝２１２の深さは、例えばＳｉ基板２０１の内部まで達する程度とする。続いて、図１５Ｍに示すように、溝２１２を介してＳｉ基板２０１の表層部を等方的にエッチングすることにより、溝２１２同士を繋ぐ空洞部２１３を形成する。次いで、図１５Ｎに示すように、空洞部２１３内及び溝２１２内に光吸収材２１４を形成する。このとき、光吸収材２１４は、ＳｉＯ２膜２１１上においても溝２１２同士を繋ぐように形成する。
　その後、図１５Ｏに示すように、光吸収材２１４の両脇に溝２１５を形成する。このとき、溝２１５の底面の位置は、光吸収材２１４の底面よりも深くする。続いて、図１５Ｐに示すように、溝２１５を介してＳｉ基板２０１の表層部を等方的にエッチングすることにより、溝２１５同士を繋ぐ空洞部２１６を形成する。
　このようにして、第５の実施形態と同様の光半導体素子を製造することができる。なお、第４の実施形態と同様の光半導体素子を製造する場合には、空洞部２１３の形成を省略して光吸収材２１４がリング導波路の下方まで入り込まないようにし、更に、溝２１５及び空洞部２１６の形成を省略すればよい。第３の実施形態と同様の光半導体素子を製造する場合には、更に、光吸収材２１４がＳｉＯ２膜２１１上に形成されないようにすればよい。例えば、マスクを形成しておけばよい。第２の実施形態と同様の光半導体素子を製造する場合には、更に、リング導波路の内側の溝２１２の形成を省略し、溝２１２をリング導波路の外側にのみ形成すればよい。
　（第８の実施形態）
　次に、第８の実施形態について説明する。図１６Ａは、第８の実施形態に係る光半導体素子の構造を示す図である。
　第８の実施形態では、図１６Ａに示すように、導波路１に沿って第５の実施形態と同様のＮ個のリング変調器４１１～４１Ｎが設けられている。つまり、Ｎ個のリング変調器４１１～４１Ｎが縦列接続されている。リング変調器４１１～４１Ｎのリング周回光路長は互いに異なっており、図１６Ｂに示すように、リング変調器４１１～４１Ｎの初期状態の各リング共振波長はλ１´、λ２´、…、λＮ´である。また、導波路１の入力部には多波長光源４２が接続されており、多波長光源４２から導波路１に、Ｎ種の発振波長λ１、λ２、…、λＮを持つ多波長光が入力される。ここで、図１６Ｂに示すように、発振波長λ１、λ２、…、λＮは、それぞれ初期状態におけるリング共振波長λ１´、λ２´、…、λＮ´より長波長となっている。また、発振波長λ１、λ２、…、λＮ、及びリング共振波長λ１´、λ２´、…、λＮ´は、リング変調器４１１～４１Ｎの各ヒータを動作させたときに、リング共振波長λ１´、λ２´、…、λＮ´が発振波長λ１、λ２、…、λＮより長波長になるように設定されている。
　このような第８の実施形態に対し、第６の実施形態と同様に、各ヒータを動作させると、図１６Ｂに示すように、リング共振波長λ１´、λ２´、…、λＮ´が、発振波長λ１、λ２、…、λＮより長波長になる。この状態で、第６の実施形態と同様に、各ヒータの動作を終了させると、図１６Ｂに示すように、共振波長λ１´、λ２´、…、λＮ´が、それぞれ発振波長λ１、λ２、…、λＮの変調に適した波長にロックされる。そして、この波長において、適切な変調をかけることが可能になる。
　なお、本実施形態では、リング変調器４１１～４１Ｎの共振波長λ１´、λ２´、…、λＮ´が入力側（光源側）から出力側に向かって長波長になっているが、つまり、「λ１´＜λ２´＜、…、＜λＮ´」の関係が成り立っているが、共振波長λ１´、λ２´、…、λＮ´の並びの順序はこれに限定されるものではなく、どのような順序でリング変調器４１１～４１Ｎが配列していてもよい。
　また、本実施形態では、第５の実施形態と同様のリング変調器４１１～４１Ｎが設けられているが、リング変調器４１１～４１Ｎが第１～第４の実施形態と同様の構造を備えていてもよい。また、図１６Ｂには、ヒータの動作時にリング共振波長が共振波長の１つのみを横切るような制御が図示されているが、２つ以上の共振波長を横切ってもよい。
　（第９の実施形態）
　次に、第９の実施形態について説明する。第９の実施形態は、光送受信器に関する。図１７は、第９の実施形態に係る光半導体素子を示す図である。
　第９の実施形態に係る光送受信器５１には、８種の発振波長λ１、λ２、…、λ８を持つ多波長光を発する多波長光源５２が設けられており、多波長光源５２に複数の導波路５９が接続されている。導波路５９毎に、８個のリング変調器を備えたリング変調器群５０が設けられている。８個のリング変調器の初期状態のリング共振波長はλ１´、λ２´、…、λ８´である。更に、各リング変調器の変調を制御する変調器ドライバ５３が設けられている。変調器ドライバ５３は、例えば各リング変調器の変調電圧を制御する。そして、各導波路５９に出力ポート５７が設けられている。
　更に、光送受信器５１には、複数の入力ポート５８が設けられており、各入力ポート５８に、例えば波長分割多重方式（ＷＤＭ：wavelength division multiplexing）の分波器５６が接続されている。そして、分波器５６から出力された光信号を受光するフォトダイオード５５が設けられており、フォトダイオード５５の出力を入力するＴＩＡ（trance impedance amplifier）／ＬＡ（limiting
amplifier）５４が設けられている。
　このような第９の実施形態では、リング変調器群５０が第８の実施形態と同様の動作を行う。従って、共振波長λ１´～λ８´が、それぞれ発振波長λ１～λ８の変調に適した波長にロックされ、この波長において、適切な変調をかけることが可能である。
　なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
　これらの光半導体素子等によれば、光吸収材の作用により、リング共振波長を変調に適したものに安定して制御することができる。

Claims (18)

  1. 　リング変調器と、
    　前記リング変調器を導波する被変調光の経路から離間した位置に設けられ、前記リング変調器のリング導波路から漏れた光を吸収し、前記リング導波路の温度を上昇させる光吸収材と、
    　を有することを特徴とする光半導体素子。
  2. 　前記光吸収材の少なくとも一部は、前記リング導波路の外側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
  3. 　前記光吸収材の少なくとも一部は、前記リング導波路の内側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
  4. 　前記光吸収材の少なくとも一部は、前記リング導波路の上方に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
  5. 　前記光吸収材の少なくとも一部は、前記リング導波路の下方に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
  6. 　前記リング導波路を加熱するヒータを有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
  7. 　前記リング導波路のリング共振波長と共振光の吸収に伴う発熱の量との第１の関係と、前記リング導波路の発熱の量とそれに伴って変化するリング共振波長との第２の関係とを比較したときに、前記第１の関係の極大を与えるリング共振波長において、前記第１の関係における発熱の量が、前記第２の関係における発熱の量よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
  8. 　互いに周回光路長が相違する複数のリング変調器と、
    　前記リング変調器毎に、当該リング変調器を導波する被変調光の経路から離間した位置に設けられ、当該リング変調器のリング導波路から漏れた光を吸収し、前記リング導波路の温度を上昇させる光吸収材と、
    　を有することを特徴とする光半導体素子。
  9. 　リング変調器と、前記リング変調器を導波する被変調光の経路から離間した位置に設けられ、前記リング変調器のリング導波路から漏れた光を吸収し、前記リング導波路の温度を上昇させる光吸収材と、を有する光半導体素子に対し、ヒータを用いて前記リング変調器の温度を所定の温度超まで加熱する工程と、
    　前記リング変調器への被変調光の入射を開始する工程と、
    　次いで、前記ヒータを用いた加熱を終了する工程と、
    　を有し、
    　前記リング導波路のリング共振波長と共振光の吸収に伴う発熱の量との第１の関係と、前記リング導波路の発熱の量とそれに伴って変化するリング共振波長との第２の関係とを比較したときに、前記第１の関係の極大を与えるリング共振波長において、前記第１の関係における発熱の量が、前記第２の関係における発熱の量よりも大きく、
    　前記所定の温度は、前記第１の関係を示すグラフと前記第２の関係を示すグラフとの交点のうちで、前記第１の関係の極大を与えるリング共振波長より短波長側の直近のものに該当する温度であることを特徴とする光半導体素子の制御方法。
  10. 　前記光吸収材の少なくとも一部は、前記リング導波路の外側に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の光半導体素子の制御方法。
  11. 　前記光吸収材の少なくとも一部は、前記リング導波路の内側に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の光半導体素子の制御方法。
  12. 　前記光吸収材の少なくとも一部は、前記リング導波路の上方に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の光半導体素子の制御方法。
  13. 　前記光吸収材の少なくとも一部は、前記リング導波路の下方に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の光半導体素子の制御方法。
  14. 　リング変調器を形成する工程と、
    　前記リング変調器を導波する被変調光の経路から離間した位置に、前記リング変調器のリング導波路から漏れた光を吸収し、前記リング導波路の温度を上昇させる光吸収材を形成する工程と、
    　を有することを特徴とする光半導体素子の製造方法。
  15. 　前記光吸収材の少なくとも一部を、前記リング導波路の外側に形成することを特徴とする請求項１４に記載の光半導体素子の製造方法。
  16. 　前記光吸収材の少なくとも一部を、前記リング導波路の内側に形成することを特徴とする請求項１４に記載の光半導体素子の製造方法。
  17. 　前記光吸収材の少なくとも一部を、前記リング導波路の上方に形成することを特徴とする請求項１４に記載の光半導体素子の製造方法。
  18. 　前記光吸収材の少なくとも一部を、前記リング導波路の下方に形成することを特徴とする請求項１４に記載の光半導体素子の製造方法。
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