WO2016208732A1 - 光導波路素子 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide element used in an optical integrated circuit.
  • optical fiber communication device examples include an optical transport device used in long-distance / metro-type wavelength division multiplexing optical fiber communication, an optical interconnect device used in a data center, and the like.
  • Patent Document 1 As an optical waveguide element used in an optical integrated circuit, Patent Document 1 includes a core having two silicon layers having different conductivity and a dielectric layer sandwiched between these two silicon layers. It is disclosed.
  • the optical waveguide element described in Patent Document 1 employs a so-called SISCAP (silicon capacitor) structure in which a P-type silicon layer and an N-type silicon layer are used as two silicon layers, and silicon dioxide is used as a dielectric layer. Yes.
  • SISCAP silicon capacitor
  • Patent Document 1 discloses a SISCAP structure in which either a P-type silicon layer or an L-type silicon layer is bent into an L-shape. By adopting such a structure, the region where the carrier density changes can be extended not only in the direction parallel to the surface of the substrate but also in the direction perpendicular to the surface of the substrate.
  • the region where the carrier density changes is limited to the central portion of the core where the two silicon layers overlap through the dielectric layer. It does not reach the entire region where the electric field of the guided light is distributed. Therefore, in order to increase the efficiency of refractive index modulation and reduce the drive voltage, it is necessary to (1) increase the doping density of each silicon layer or (2) increase the element length.
  • the doping density of each silicon layer is increased, the carrier absorbs more light, resulting in a problem that the optical loss increases.
  • the element length is increased, there arises a problem that the optical waveguide element is increased in size.
  • the manufacturing process is complicated because the process of laminating the silicon layer on the dielectric layer is special among the manufacturing processes. Become.
  • the optical waveguide element described in Patent Document 1 is difficult to manufacture, and it is also difficult to unify design rules with other optical circuits, so that it can be integrated with other optical circuits.
  • the problem of difficulty arises. For example, in order to reduce optical loss and suppress variations in optical characteristics, a technique for reducing the variation of the laminated film thickness to 1 nm (nanometer) or less is required.
  • the electric field of light guided through the core is distributed so as to spread in each silicon layer.
  • the profile of the light guided through the core is asymmetric in the direction parallel to the substrate surface, and the light guided through the core has a transverse electric field (TE) component and a transverse magnetic field (TM) component as polarization components.
  • TE transverse electric field
  • TM transverse magnetic field
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an optical waveguide element that can reduce optical loss, drive voltage, and size.
  • an optical waveguide element of the present invention includes a protrusion and two non-flat members arranged so as to sandwich the protrusion along the first direction.
  • a rib waveguide having a protruding portion is included as a core portion, and the core portion is disposed so as to overlap with each other in a second direction perpendicular to the first direction.
  • a depletion layer extending from the projecting portion to at least one of the two non-projecting portions is formed between the first core region and the second core region. The position in the second direction of the depletion layer in each of the two non-projections is lower than the position in the second direction of the depletion layer in the protrusion.
  • the guided light (light guided through the core portion) is localized in the projecting portion and the vicinity thereof, and the electric field distribution is the side wall (non-projecting) of the core portion. Does not reach the tip of the part). For this reason, even if the side wall of the core portion is rough, light scattering due to the roughness of the side wall is reduced, and as a result, light loss is reduced. Further, according to the above configuration, a depletion layer extending from the projecting portion to at least one of the two non-projecting portions is formed between the first core region and the second core region.
  • the drive voltage can be reduced without increasing the optical loss and increasing the size of the optical waveguide device.
  • the spatial overlap between the electric field profile of the guided light and the depletion layer can be increased in the entire region of the core portion.
  • the efficiency of changing the carrier density is increased, and the drive voltage can be further reduced.
  • an optical waveguide element of the present invention includes a protrusion and two non-flat members arranged so as to sandwich the protrusion along the first direction.
  • a rib waveguide having a protruding portion is included as a core portion, and the core portion is disposed so as to overlap with each other in a second direction perpendicular to the first direction.
  • a depletion layer extending from the projecting portion to at least one of the two non-projecting portions is formed between the first core region and the second core region.
  • the height of the upper surface of the second core region in the projecting portion based on the height of the lower surface of the core portion is hr / 2 + hs / It is characterized by 2.
  • the guided light (light guided through the core portion) is localized in the projecting portion and the vicinity thereof, and the electric field distribution is the side wall (non-projecting) of the core portion. Does not reach the tip of the part). For this reason, even if the side wall of the core portion is rough, light scattering due to the roughness of the side wall is reduced, and as a result, light loss is reduced. Further, according to the above configuration, a depletion layer extending from the projecting portion to at least one of the two non-projecting portions is formed between the first core region and the second core region.
  • the drive voltage can be reduced without increasing the optical loss and increasing the size of the optical waveguide device.
  • the overlap between the profile of the electric field of the guided light in the entire core portion and the depletion layer can be further increased, and the optical loss can be reduced.
  • light loss can be reduced, drive voltage can be reduced, the size can be reduced, and the manufacturing process can be simplified.
  • FIG. 1 It is sectional drawing of the optical waveguide element which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is an electric field profile of the waveguide light in the cross section shown in FIG. (A) is a block diagram of a Mach-Zehnder interferometer, and (b) is a perspective view of an optical modulator equipped with a Mach-Zehnder interferometer. It is a top view of the optical waveguide device concerning Embodiment 2 of the present invention. It is an electric field profile of guided light in a depletion layer. It is another electric field profile of the guided light in a depletion layer.
  • FIG. 1 is a sectional view of an optical waveguide device 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • the horizontal direction (first direction) and the vertical direction (second direction) are also shown.
  • the optical waveguide device 100 includes a rib waveguide core (core part) 101, a substrate 102, a lower clad 103, and an upper clad 104.
  • the lower clad 103 is formed on the substrate 102.
  • the rib waveguide core 101 is formed on the lower clad 103.
  • the upper clad 104 is formed on the rib waveguide core 101.
  • the interface between the substrate 102 and the lower clad 103 is flat.
  • the horizontal direction shown in FIG. 1 is a direction parallel to the interface, and the vertical direction shown in FIG. 1 is a direction orthogonal to the interface.
  • the upper clad 104 side is on the upper side and the substrate 102 side is on the lower side.
  • the rib waveguide core 101 includes a rib region (projecting portion) 101r formed at the center portion in the horizontal direction of the cross section shown in FIG. 1 and two slab regions arranged so as to sandwich the rib region 101r along the horizontal direction. (Non-projecting part) 101s.
  • the width (length in the horizontal direction) of the rib region 101r is wr
  • the thickness of the rib region 101r is hr
  • the thickness of both slab regions 101s is hs.
  • the region above the two slab regions 101s in the rib region 101r is referred to as a convex portion. That is, the rib region 101r is a region including a convex portion and a portion of the rib waveguide core 101 immediately below the convex portion.
  • the rib waveguide core 101 is axisymmetric with respect to an axis (dotted line AA ′) extending in the vertical direction through the midpoint 101 rc in the horizontal direction of the rib region 101 r. Further, the convex side wall 101rs extends substantially in the vertical direction.
  • Guided light (light guided through the rib waveguide core 101) is localized in the rib region 101r and its vicinity, and propagates in a direction (third direction) orthogonal to the cross section shown in FIG.
  • the optical waveguide device 100 is designed so that the mode of guided light propagating through the rib waveguide core 101 is only the fundamental mode of the TE component.
  • the wavelength of the guided light is in a wavelength band applied in optical communication and optical interconnect, and is in the range of 1200 nm to 1700 nm.
  • the material of the rib waveguide core 101 and the substrate 102 is, for example, crystalline silicon.
  • the material of the lower cladding 103 and the upper cladding 104 is, for example, silicon dioxide (silica). If the materials of the rib waveguide core 101, the substrate 102, the lower clad 103, and the upper clad 104 are as described above, the optical waveguide device 100 can be configured using an SOI (Silicon-on-insulator) wafer. .
  • SOI Silicon-on-insulator
  • a buried silica (BOX) layer can be used for the lower cladding 103.
  • the upper cladding 104 can be formed by depositing silica on the rib waveguide core 101.
  • hr is 220 nm.
  • hs is preferably 150 nm or more.
  • wr is 450 nm or more. It is preferable. If wr is 450 nm or more, it is also suitable for reducing the optical loss due to the roughness of the side wall 101rs.
  • PN junction is formed in the rib waveguide core 101 in order to perform refractive index modulation based on carrier plasma dispersion caused by free carrier absorption. That is, in the optical waveguide device 100, the refractive index is changed by changing the carrier density at the PN junction.
  • the inventor of the present application has newly devised a layout of a conductive region (including a depletion layer) in the rib waveguide core 101, and this new layout reduces optical loss, drive voltage, and modulation. Increased frequency.
  • the rib waveguide core 101 includes a central region (a part of the first core region) 105, side regions (a part of the first core region) 106 and 107, and a connection region (a first core region). 108).
  • the central region 105, the side regions 106 and 107, and the connection region 108 all have first conductivity, are electrically connected to each other, and form a first core region as a whole. .
  • the central region 105 is provided immediately below the convex portion in the rib region 101r. All of the central region 105, the side region 106, and the side region 107 have their both sides extending in the vertical direction. The right side of the side region 106 is in contact with the left side of the central region 105, and the left side of the side region 107 is in contact with the right side of the central region 105. In each of the side regions 106 and 107, a part of the lower side of the corresponding central region 105 is in contact with a part of the upper side of the corresponding side region 106 and 107. Both side regions 106 and 107 have a thickness of approximately hs / 2.
  • the left side of the side region 106 is in contact with an undoped region where dopant is not intentionally implanted.
  • the right side of the side region 107 is in contact with the connection region 108.
  • the thickness of the connection region 108 is hs.
  • the width of the central region 105 is wr
  • the width of the side region 106 is wd2
  • the width of the side region 107 is wd1.
  • the rib waveguide core 101 includes a central region (a part of the second core region) 109, side regions (a part of the second core region) 110 and 111, and a connection region (the second region). 112 (part of the core region).
  • the central region 109, the side regions 110 and 111, and the connection region 112 all have the second conductivity, are electrically connected to each other, and form the second core region as a whole. .
  • the central region 109 is partially included in the convex portion in the rib region 101 r and is provided immediately above the central region 105. All of the central region 109, the side region 110, and the side region 111 have their both sides extending in the vertical direction.
  • the left side of the lateral region 110 is in contact with the right side of the central region 109, and the right side of the lateral region 111 is in contact with the left side of the central region 109.
  • a part of the lower side of the corresponding central region 109 is in contact with a part of the upper side of the corresponding side region 110 and 111.
  • Both the side regions 110 and 111 have a thickness of about hs / 2, which is equal to the thickness of the side regions 106 and 107.
  • the right side of the side region 110 is in contact with an undoped region where dopant is not intentionally implanted.
  • the left side portion of the side region 111 is in contact with the connection region 112.
  • the thickness of the connection region 112 is hs.
  • the width of the central region 109 is wr
  • the width of the side region 110 is wd2
  • the width of the side region 111 is wd1.
  • the central region 109 does not reach the top of the convex portion.
  • the central region 109 may be formed so as to reach the top of the convex portion.
  • connection regions 108 and 112 and the rib region 101r are spaced apart from each other in the horizontal direction.
  • the reason why such an arrangement is adopted is to reduce optical loss due to free carrier absorption.
  • the distance from the midpoint 101 rc to the connection region 108 and the distance from the midpoint 101 rc to the connection region 112 are both the degree of light loss required in the optical waveguide device 100 and / or the operating frequency of the optical waveguide device 100. It can be set to an arbitrary length according to the above.
  • the central region 105 and the central region 109 are arranged so as to overlap each other in the vertical direction.
  • the side region 106 and the side region 111 are arranged so as to overlap each other in the vertical direction.
  • the side region 107 and the side region 110 are arranged so as to overlap each other in the vertical direction.
  • the first conductivity of the central region 105, the lateral regions 106 and 107, and the connection region 108 is P-type
  • the conductivity of the N-type is N-type.
  • a PN junction is formed by each region having the first conductivity (P-type) and each region having the second conductivity (N-type).
  • a depletion layer 113 is formed at the boundary of the PN junction by applying a predetermined reverse bias voltage to the portion where the PN junction is formed. Depletion layer 113 is formed to extend from rib region 101r to both slab regions 101s.
  • the vertical position of the PN junction between the lateral region 106 and the lateral region 111 is lower than the vertical position of the PN junction between the central region 105 and the central region 109.
  • the vertical position of the PN junction between the lateral region 107 and the lateral region 110 is also lower than the vertical position of the PN junction between the central region 105 and the central region 109.
  • the vertical position of the depletion layer 113 in both slab regions 101s is lower than the vertical position of the depletion layer 113 in the rib region 101r.
  • the right side portion of the central region 105 and the left side portion of the side region 110 are arranged side by side in the horizontal direction, whereby a PN junction is formed. Yes.
  • the left side portion of the central region 105 and the right side portion of the side region 111 are arranged side by side in the horizontal direction, thereby forming a PN junction.
  • the depletion layer 113 is formed by applying the reverse bias voltage described above.
  • Each of the depletion layer 113 formed between the central region 105 and the side region 110 and the depletion layer 113 formed between the central region 105 and the side region 111 has a corresponding rib region 101r and slab. It extends in the vertical direction at the boundary with the region 101s.
  • FIG. 2 is an electric field profile of guided light in the cross section shown in FIG. As shown in FIG. 2, the electric field profile in the fundamental mode of the TE component of the guided light is also localized in both slab regions 101s.
  • the electric field of the guided light is displayed on a linear scale.
  • the profile is derived on the assumption that wr is 650 nm, hr is 220 nm, hs is 160 nm, and the wavelength of the guided light is 1550 nm.
  • the depletion layer 113 is bent by 90 °.
  • the bent portion may be rounded by being affected by the implantation profile of the dopant element during ion implantation and thermal diffusion during annealing. The rounding of the bent portion does not significantly affect the effect of the depletion layer 113.
  • the horizontal spread (width) in the depletion layer 113 is substantially constant.
  • the vertical extent (vertical position or thickness) of the depletion layer 113 changes at this time. According to the profile of the guided light localized in the rib waveguide core 101, the vertical spread is as small as approximately half or less of the horizontal spread. Therefore, it is easier to change the thickness of the depletion layer 113 than to change the width of the depletion layer 113 to improve the efficiency of refractive index modulation and reduce the drive voltage of the optical waveguide device 100.
  • the optical waveguide device 100 has the following effects.
  • each of the above-described regions having the first conductivity and each of the regions having the second conductivity are optimized so as to reduce the driving voltage. At this time, since the optical loss is reduced and the driving voltage is reduced by means different from the enlargement of the optical waveguide element 100, the enlargement of the optical waveguide element 100 can be avoided.
  • the depletion layer 113 is extended to both slab regions 101s.
  • the vertical position of the depletion layer 113 in both slab regions 101s is different from the vertical position of the depletion layer 113 in the rib region 101r (specifically, the vertical direction of the depletion layer 113 in the rib region 101r). Lower than position).
  • the spatial overlap between the electric field profile of the guided light and the depletion layer 113 can be increased in the entire region of the rib waveguide core 101.
  • the efficiency of changing the carrier density is increased, and the drive voltage can be further reduced.
  • each of the connection regions 108 and 112 is hs, which is the thickness of the corresponding slab region 101s itself. This reduces series resistance (resistance from a low resistance region 114 to be described later to a boundary with the side region 107 and resistance from a low resistance region 115 to be described later to a boundary to the side region 111). For this reason, the RC time constant determined from this series resistance and the capacitance by the PN junction can be reduced. As a result, the optical waveguide device 100 can increase the modulation frequency.
  • the electric field profile of the guided light is optimized by the cross-sectional shape of the rib waveguide core 101 shown in FIG.
  • the shape of the depletion layer 113 is optimized by the arrangement of the regions having the first conductivity and the regions having the second conductivity, and the dopant distribution, independently of the electric field profile of the guided light. The Therefore, in the optical waveguide device 100, it is easy to reduce optical loss and drive voltage.
  • wr is 650 nm
  • hr is 220 nm
  • hs is 160 nm.
  • the values of wr, hr, and hs are not limited thereto. . That is, various dimensions of the optical waveguide device 100 can be changed as appropriate as long as the guided light propagating through the rib waveguide core 101 is ideally only in a single mode and the depletion layer 113 is appropriately formed. it can.
  • the first conductivity is P-type and the second conductivity is N-type.
  • the first conductivity is N-type and the second conductivity is P type may be sufficient.
  • hs is preferably 100 nm or more.
  • Each region having the first conductivity and each region having the second conductivity are formed by doping.
  • a method for performing this doping for example, ion implantation can be employed.
  • ion implantation can be employed.
  • the distance that the ions enter the rib region 101r is approximately equal to the distance that the ions enter the two slab regions 101s. Therefore, the depletion layer 113 can be formed at a desired position by adjusting the vertical position of the depletion layer 113 between the upper surface of the rib region 101r and the upper surfaces of both slab regions 101s.
  • the side region 106, the side region 107, the side region 110, and the side region 111 have the same thickness in the vertical direction.
  • the vertical center of the depletion layer 113 in each slab region 101s coincides with the vertical center of the corresponding slab region 101s.
  • the thickness of each of the side region 106, the side region 107, the side region 110, and the side region 111 varies within about 5%, the optical characteristics and electrical characteristics of the optical waveguide device 100 are not affected. Has little effect. Therefore, the side region 106, the side region 107, the side region 110, and the side region 111 can be regarded as having the same thickness within the range of variation.
  • the vertical positions of the upper surface of the rib region 101r and the upper surfaces of both slab regions 101s are generally compatible with the formation of the PN junction by simultaneously performing ion implantation into the rib region 101r and both slab regions 101s.
  • ion implantation the manufacturing process of the optical waveguide device 100 can be simplified, and the manufacturing accuracy of the optical waveguide device 100 is improved. Therefore, it becomes easy to integrate the optical waveguide device 100 together with other circuits.
  • the vertical center of the depletion layer 113 in the rib region 101r and the vertical center of the depletion layer 113 in each slab region 101s are individually set. Think about when you need to adjust to.
  • ion implantation for the rib region 101r and ion implantation for each slab region 101s may be performed separately.
  • annealing treatment may be performed in each ion implantation step as necessary.
  • the first conductivity and the second conductivity may be a combination of P-type and N-type, or may be a combination of N-type and P-type. . Which of these combinations is adopted may be determined according to characteristics such as the diffusion coefficient of the element to be implanted.
  • the central region 105, the side region 106, and the side region 107 can be formed by one ion implantation by self-alignment.
  • the material of the rib waveguide core 101 is crystalline silicon, for example, boron can be used as the P-type ions to be implanted.
  • the central region 105 is formed in the rib region 101r, and the side regions 106 and 107 are formed in the lower half of the corresponding slab region 101s.
  • connection region 108 in order to form the connection region 108, two-stage ion implantation is required.
  • the first-stage ion implantation is common to the above-described self-alignment ion implantation.
  • the connection region 108 is formed substantially in the lower half of the right slab region 101s.
  • the ion implantation region is limited to a direction perpendicular to the connection region 108 by using an optical mask or the like, the acceleration voltage is reduced, and the connection region 108 is roughly aligned with the right slab region 101s. Form in the upper half.
  • ion implantation is performed with increasing the dose amount in the region including the upper surface in the connection region 108, and the low resistance region 114 having the first conductivity is formed in the connection region 108 in the slab region 101s. To do.
  • the optical waveguide device 100 includes vertical through-wirings 116 and 117 provided in the horizontal direction with respect to the upper clad 104, a surface electrode 118 provided above the vertical through-wiring 116, and the vertical through-wiring 117. And a surface electrode 119 provided.
  • one end of the vertical through wiring 116 is connected to the upper surface of the low resistance region 114, and the surface electrode 118 is connected to the other end of the vertical through wiring 116.
  • the central region 109, the side region 110, and the side region 111 can be formed by self-alignment.
  • arsenic can be used as the N-type ions to be implanted.
  • the central region 109 is formed above the central region 105 in the rib region 101r, and the side regions 110 and 111 are formed in approximately the upper half of the corresponding slab region 101s. .
  • connection region 112 two-stage ion implantation is required as in the formation of the connection region 108.
  • the first-stage ion implantation is common to the above-described self-alignment ion implantation.
  • the connection region 112 is formed substantially in the lower half of the left slab region 101s.
  • an ion implantation region is limited to a direction perpendicular to the connection region 112 by using an optical mask or the like, the acceleration voltage is reduced, and the connection region 112 is substantially the same as the left slab region 101s. Form in the upper half.
  • connection region 112 ion implantation is performed with increasing the dose amount in a region including the upper surface in the connection region 112, and a low resistance region 115 having second conductivity is formed inside the connection region 112 in the slab region 101s. To do.
  • one end of the vertical through wiring 117 is connected to the upper surface of the low resistance region 115, and the surface electrode 119 is connected to the other end of the vertical through wiring 117.
  • the surface electrodes 118 and 119 are part of a high-frequency electrode.
  • the material of the vertical through wiring 116, the vertical through wiring 117, the surface electrode 118, and the surface electrode 119 is, for example, metallic aluminum or metallic copper.
  • a high-frequency electric signal is applied to at least one of the surface electrodes 118 and 119 via a capacitor (not shown) that functions as a DC (Direct current) block.
  • a capacitor not shown
  • high-speed optical modulation is possible by applying a DC reverse bias voltage through an inductor (not shown) functioning as an AC (Alternating Current) block.
  • the width of the depletion layer 113 is set to a value that covers substantially all of the spread of the guided light in the horizontal direction.
  • wd2 becomes about 300 nm or more.
  • the both ends of the depletion layer 113 in the horizontal direction are points where the electric field by the guided light attenuates by about 13 dB with respect to the peak value of the electric field by the guided light in the rib waveguide core 101. It is preferable to be located at.
  • the end of the depletion layer 113 in the horizontal direction.
  • Wd1 is preferably 700 nm to 1200 nm.
  • the horizontal distance between the midpoint 101 rc and the connection region 108 and the horizontal distance between the midpoint 101 rc and the connection region 112 are both approximately 1000 nm to 1500 nm.
  • FIG. 3A is a block diagram of the Mach-Zehnder interferometer
  • FIG. 3B is a perspective view of the optical modulator 1 including the Mach-Zehnder interferometer.
  • Mach-Zehnder interferometers are widely used in optical modulators for optical communications because they have advantages such as being less susceptible to external noise and having high stability of modulation operation against temperature changes. .
  • the Mach-Zehnder interferometer shown in FIG. 3A has the following configuration.
  • the incident end of the incident side waveguide 305 is used for optical coupling with an incident side optical fiber (not shown).
  • the exit end of the incident-side waveguide 305 is connected to the incident end of the optical branching unit 303.
  • One outgoing end of the optical branching section 303 is connected to the incident end of the arm waveguide 306, and the other outgoing end of the optical branching section 303 is connected to the incident end of the arm waveguide 307.
  • the exit end of the arm waveguide 306 is connected to the entrance end of the phase modulation unit 301.
  • the exit end of the arm waveguide 307 is connected to the entrance end of the phase modulation unit 302.
  • the exit end of the phase modulation unit 301 is connected to the entrance end of the arm waveguide 308.
  • the exit end of the phase modulation unit 302 is connected to the entrance end of the arm waveguide 309.
  • the exit end of the arm waveguide 308 is connected to one incident end of the optical multiplexing unit 304.
  • the exit end of the arm waveguide 309 is connected to the other entrance end of the optical multiplexing unit 304.
  • the exit end of the optical multiplexing unit 304 is connected to the entrance end of the exit side waveguide 310.
  • the exit end of the exit side waveguide 310 is used for optical coupling with an exit side optical fiber (not shown).
  • the arm waveguide 306, the phase modulation unit 301, and the arm waveguide 308 form a first arm unit
  • the arm waveguide 307, the phase modulation unit 302, and the arm waveguide 309 form a second arm unit. Is forming.
  • Each of the phase modulation section 301 and the phase modulation section 302 includes one optical waveguide device 100 shown in FIG. More specifically, the DD ′ cross section shown in FIG. 3A is equal to the cross section shown in FIG.
  • the optical modulator 1 is an optical modulator that can be used for optical communication, and applies a modulation electric field corresponding to a modulation signal to a PN junction based on silicon (Si).
  • This is a silicon light modulator that modulates incident light.
  • the optical modulator 1 has a layered structure in which a substrate 102, a lower clad 103, and an upper clad 104 are laminated in that order.
  • each member shown in FIG. 3A is provided between the lower clad 103 and the upper clad 104 as an optical waveguide constituting the Mach-Zehnder interferometer.
  • the incident side waveguide 305, the arm waveguide 306, the arm waveguide 307, the arm waveguide 308, the arm waveguide 309, and the emission side waveguide 310 are rectangular waveguides having a rectangular core.
  • the material of the rectangular core is, for example, crystalline silicon.
  • the width and thickness of this rectangular core are wi and hr, respectively.
  • wi is 500 nm
  • the fundamental mode of the TE component is waveguided light.
  • 310 is propagated.
  • the optical branching unit 303 and the optical multiplexing unit 304 are configured by, for example, a 1 ⁇ 2 multimode interferometer and a 2 ⁇ 2 multimode interferometer, respectively.
  • the thickness of each of these multimode interferometers is hr.
  • Each of these members is configured using an SOI wafer.
  • phase modulators 301 and 302 By inputting a high-frequency electric signal to at least one of the phase modulators 301 and 302, light intensity modulation can be performed.
  • optical phase modulation can be performed by inputting mutually complementary high-frequency electrical signals to the phase modulation units 301 and 302 and performing push-pull driving.
  • the symbol rate of the high frequency electrical signal is 10 Gbaud or higher.
  • the width of the rib region 101 r and both slab regions 101 s in the optical waveguide device 100 portion is avoided in order to avoid an increase in optical loss and higher-order mode excitation. It is preferable to form a tapered shape that gradually changes. The same applies to the connection between the arm waveguide 307, the phase modulation unit 302, and the arm waveguide 309.
  • FIG. 4 is a top view of the optical waveguide device 100 ′ according to the second embodiment of the present invention.
  • the horizontal direction and the guided light propagation direction are shown together.
  • the guided light propagation direction is a direction perpendicular to both the horizontal direction and the vertical direction (see FIG. 1).
  • the optical waveguide device 100 ′ is the same as the optical waveguide device 100 shown in FIG. 1 except that the horizontal width of the rib region 101r and both slab regions 101s varies depending on the position in the guided light propagation direction. It has a configuration.
  • the cross section DD ′ of the optical waveguide device 100 ′ shown in FIG. 4 is equal to the cross section of the optical waveguide device 100 shown in FIG.
  • the optical waveguide device 100 ′ On the incident end side in the phase modulation unit 301, the optical waveguide device 100 ′ has a first taper portion 401 along the guided light propagation direction for connection with the arm waveguide 306.
  • the first taper portion 401 has a tapered shape such that the width of both slab regions 101s along the horizontal direction becomes smaller as closer to the guided light incident side, and the width of both slab regions 101s at the incident end is as follows. It is almost zero.
  • the horizontal width of the rib region 101 r in the first taper portion 401 is wi in the entire area of the first taper portion 401.
  • the cross-sectional shape of the rib region 101 r in the first taper portion 401 is substantially the same as the cross-sectional shape of the rectangular core of the arm waveguide 306.
  • the length la of the first tapered portion 401 in the guided light propagation direction is 30 ⁇ m (micrometer).
  • the outgoing end of the first tapered portion 401 is connected to the incident end of the second tapered portion 402. That is, the second taper portion 402 is disposed adjacent to the end portion of the first taper portion 401 on the guided light emission side.
  • the second tapered portion 402 has a tapered shape such that the closer to the guided light incident side, the smaller the width of the rib region 101r along the horizontal direction.
  • the horizontal width of the rib region 101r at the incident end of the second tapered portion 402 is the same wi as the same width of the first tapered portion 401, and the horizontal width of the rib region 101r at the outgoing end of the second tapered portion 402 is wr.
  • the length lb of the second tapered portion 402 in the guided light propagation direction is 30 ⁇ m.
  • both la and lb are not limited to 30 ⁇ m, and may be as short as possible to prevent an increase in optical loss and higher-order mode excitation in the optical waveguide device 100 ′.
  • the width (wi) of the rectangular core of the arm waveguide 306 is larger than 500 nm, there is a high possibility that higher-order mode excitation occurs.
  • higher-order mode excitation occurs, the extinction ratio in light intensity modulation or the Q value in optical phase modulation decreases.
  • regions 101s is expanded gradually.
  • the horizontal width of the rib region 101r is gradually increased from wi (500 nm) to wr (650 nm). In this way, it is possible to configure an optical modulation element with a small optical loss and a high extinction ratio or Q value. Further, when the optical waveguide device 100 ′ is used as the phase modulation unit 301 of the Mach-Zehnder interferometer, it is possible to prevent an increase in optical loss and high-order mode excitation.
  • connection between the arm waveguide 306 and the phase modulation unit 301 has been described as an example.
  • connection between the arm waveguide 307 and the phase modulation unit 302 also includes the configuration of the optical waveguide element 100 ′. Can be applied.
  • the configuration of the optical waveguide element 100 ′ can also be applied to the connection between the phase modulation unit 301 and the arm waveguide 308 and the connection between the phase modulation unit 302 and the arm waveguide 309.
  • the input end and the output end may be reversed with respect to the connection example between the arm waveguide 306 and the phase modulation unit 301.
  • the length of the phase modulation units 301 and 302 in the guided light propagation direction is, for example, 3 mm (millimeters).
  • FIGS. 5 and 6 are electric field profiles of guided light in the depletion layer 113, respectively.
  • an example of the profile of the depletion layer 113 is displayed together with contour lines of the electric field absolute value of the guided light (TE mode) and the outline of the rib waveguide core 101.
  • the contour lines are standardized to 1 in the peak of the electric field absolute value of the guided light, and the electric field absolute values are drawn at 1 dB intervals.
  • the point indicated as “0” indicates the peak (0 dB) of the electric field absolute value.
  • the depletion layer 113 having the profile shown in FIG. 5 maximizes the overlap between the waveguide optical field profile and the depletion layer 113, thereby maximizing the effect of reducing the driving voltage of the optical waveguide device 100.
  • the positions of both ends in the horizontal direction of the depletion layer 113 are approximately at points where the absolute value of the guided light electric field is attenuated by 13 dB from the peak value.
  • the spread in the horizontal direction of the depletion layer 113 is about 1 ⁇ m on both sides in the horizontal direction around the position of the peak value.
  • the electric capacity due to the above-described PN junction is about 12 pF. Since the series electric resistance connected to the PN junction is about 8 ohms in total for both sides of the PN junction, the RC time constant is about 100 ps.
  • the RC time constant is required to be approximately 100 ps or less, and the electric capacity by this PN junction is preferably 12 pF. Since the capacitance is substantially proportional to the horizontal spread of the depletion layer 113, the positions of both ends of the depletion layer 113 in the horizontal direction are more depleted than the point where the absolute value of the guided light electric field is attenuated by about 13 dB from the peak value. It is preferable to exist on the center side of 113. The same can be said even when the profile of the depletion layer 113 is different from that shown in FIG.
  • the vertical position (height) of the depletion layer 113 is a half of the thickness of both slab regions 101 s with respect to the lower surface of the rib waveguide core 101, that is, hs. / 2. This maximizes the overlap between the electric field profile of the guided light and the depletion layer 113 in both slab regions 101s. Therefore, the height of the depletion layer 113 in both slab regions 101s with respect to the height of the lower surface of the rib waveguide core 101 is preferably hs / 2 (where hs is the thickness of both slab regions 101s). .
  • the lower surface of both the slab regions 101s and the lower surface of the rib region 101r have the same vertical position, and the lower surface of the rib waveguide core 101 is flat.
  • the side region 106 and the side region 107 are formed in the lower half, and the side region 110 and the side region 111 are formed in the upper half. Resistance has been reduced.
  • the thickness of the side region 106, the side region 107, the side region 110, and the side region 111 is hs / 2.
  • the height of the depletion layer 113 in the rib region 101r with reference to the height of the lower surface of the rib waveguide core 101. Is hr / 2.
  • the central region 105 thicker than the side regions 106 and 107 and the central region 109 thicker than the side regions 110 and 111 can be formed from the viewpoint of reducing the series electric resistance.
  • the thickness of the central region 105 is the same as that of the side regions 106 and 107
  • the thickness of the central region 109 is the same as that of the side regions 110 and 111.
  • the height of the lower surface of the rib waveguide core 101 is hr / 2 ⁇ hs / 2, and the height of the upper surface of the central region 109 in the rib region 101r.
  • the height is hr / 2 + hs / 2.
  • rib region 101r has an undoped region in which P-type or N-type dopant is not intentionally implanted immediately above central regions 105 and 109 and at least one of right under central regions 105 and 109. Yes.
  • the undoped region there may be a case where the dopant distribution is slightly caused by diffusion, but this case hardly affects the optical characteristics of the optical waveguide device 100.
  • the rib waveguide core 101 is formed by optical lithography and dry etching, and then ion implantation is separately performed in the rib region 101r and both slab regions 101s. Either ion implantation in the rib region 101r or ion implantation in both slab regions 101s may be performed first. If the series resistance needs to be reduced, the thickness of the central regions 105 and 109 may be increased.
  • the depletion layer 113 extends in the vertical direction at the boundary between the rib region 101r and both slab regions 101s.
  • at least one of the electrical resistances associated with the connection between the central region 109 and the side region 111 is increased. This may increase the series electric resistance.
  • the depletion layer 113 may be formed in a straight line in the horizontal direction (so that there is no portion extending in the vertical direction) as shown in FIG.
  • the height of the depletion layer 113 in the rib region 101r is set to hs / 2, which is the same as the height of the depletion layer 113 in both slab regions 101s.
  • the height of the upper surface of the central region 109 in the rib region 101r is hs.
  • ion implantation is simultaneously performed on the rib region 101r and both slab regions 101s.
  • the thickness of the rib waveguide core 101 at the position where it will later become both slab regions 101s is equal to the thickness of the rib region 101r and is hr.
  • the rib waveguide core 101 is formed by optical lithography and dry etching, and the height of both slab regions 101s becomes hs.
  • the rib waveguide core 101 is formed by optical lithography and dry etching before ion implantation, and ion implantation is simultaneously performed on the rib region 101r and both slab regions 101s in order to simplify the ion implantation process.
  • the depletion layer 113 is formed.
  • the profile of the depletion layer 113 is different from that shown in FIGS.
  • the vertical position of the depletion layer 113 is hr-hs / 2
  • the height of the lower surface of the central region 105 is hr-hs.
  • the first priority is to reduce the driving voltage by increasing the overlap between the electric field profile of the guided light and the depletion layer 113, high-speed refractive index modulation by reducing the series electrical resistance, and simplifying the processing process for integration.
  • the profile of the depletion layer 113 is different.
  • the vertical position (height) of the depletion layer 113 in the rib region 101r is measured from the height of the lower surface of the rib waveguide core 101 in the direction away from the substrate 102 (upward). It is in the range of hs / 2 or more and hr-hs / 2 or less.
  • hs is the thickness of both slab regions 101s
  • hr is the thickness of the rib region 101r.
  • the optical waveguide element 100 has been described above, the same applies to the optical waveguide element 100 ′.
  • the above description is valid even if the first conductivity / second conductivity is a combination of P-type and N-type, and also a combination of N-type and P-type.
  • the optical waveguide element according to the present invention includes a rib guide having a protruding portion and two non-projecting portions that are arranged so as to sandwich the protruding portion along the first direction.
  • a core is included as a core portion, and the core portion includes a first core region and a second core region that form a PN junction and are stacked in a second direction perpendicular to the first direction.
  • a depletion layer extending from the projecting portion to at least one of the two non-projecting portions may be formed between the first core region and the second core region.
  • the guided light (light guided through the core portion) is localized in the projecting portion and the vicinity thereof, and the electric field distribution is the side wall (non-projecting) of the core portion. Does not reach the tip of the part). For this reason, even if the side wall of the core portion is rough, light scattering due to the roughness of the side wall is reduced, and as a result, light loss is reduced. Further, according to the above configuration, a depletion layer extending from the projecting portion to at least one of the two non-projecting portions is formed between the first core region and the second core region.
  • the drive voltage can be reduced without increasing the optical loss and increasing the size of the optical waveguide device.
  • the depletion layer may extend from the protruding portion to both of the two non-projecting portions.
  • the spatial overlap between the electric field profile of the guided light and the depletion layer can be increased in the non-projecting portion.
  • the efficiency of changing the carrier density is increased, and the drive voltage can be further reduced.
  • the optical waveguide element of the present invention has an end in the first direction of the depletion layer so that the attenuation factor of the electric field of the guided light is within 13 dB with respect to the electric field peak value of the guided light in the core portion. May be defined.
  • the thickness of the first core region in the second direction and the thickness of the second core region in the second direction are equal in at least one non-projecting portion. Good.
  • the position in the second direction of the depletion layer in the at least one non-projecting part may be different from the position in the second direction of the depletion layer in the projecting part.
  • the position of the depletion layer in the second direction of the depletion layer in at least one non-projection may be lower than the position of the depletion layer in the projection in the second direction.
  • the optical waveguide element has a tapered shape such that the width of each non-projecting portion along the first direction becomes smaller as it is closer to one of the incident side and the outgoing side of light.
  • a first taper portion having the first taper portion and the other end portion on the light incident side and the light emission side of the first taper portion, the first direction being closer to one of the light incident side and the light emission side.
  • a second tapered portion having a tapered shape such that the width of the projecting portion along the width is reduced.
  • the optical waveguide element of the present invention when used as a phase modulation unit of each arm of a Mach-Zehnder interferometer, it is possible to prevent an increase in optical loss and high-order mode excitation. it can.
  • the height of the depletion layer in the at least one non-projecting portion with respect to the height in the second direction with respect to the height of the lower surface of the core portion is hs / 2 (however, Hs: thickness of the non-projecting portion).
  • the overlap between the profile of the electric field of the guided light at the non-projecting portion and the depletion layer is maximized.
  • the height of the depletion layer in the projecting portion is greater than or equal to hs / 2 and hr ⁇ with respect to the height of the lower surface of the core portion in the second direction. It may be hs / 2 or less (where hs is the thickness of at least one non-projecting portion, and hr is the thickness of the projecting portion).
  • the overlap between the profile of the electric field of the guided light at the protrusion and the depletion layer is maximized.
  • the protrusion in the projecting portion with respect to the height of the lower surface of the core portion in the second direction is used.
  • the height of the lower surface of the first core region is hr / 2 ⁇ hs / 2
  • the height of the upper surface of the second core region in the protruding portion is based on the height of the lower surface of the core portion. Hr / 2 + hs / 2.
  • the protrusion is at least one of the first core region and the second core region, and the first core region and the second core region. It may have an undoped region where dopant is not intentionally implanted.
  • the overlap between the profile of the electric field of the guided light and the depletion layer in the entire core portion can be further increased, and the optical loss can be reduced.
  • the present invention can be used for an optical waveguide device used in an optical integrated circuit.

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Abstract

光損失の低減、駆動電圧の低減、小型化、および製造工程の簡易化を可能とする。リブ領域（１０１ｒ）と、両スラブ領域（１０１ｓ）とを有しているリブ導波路コア（１０１）を備えており、リブ領域（１０１ｒ）から２つのスラブ領域（１０１ｓ）にまで延伸する空乏層（１１３）が形成される。

Description

光導波路素子
　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Ｌ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。
米国特許公開２００４／０２０８４５４号公報（２００４年１０月２１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。
　本発明は、上記の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、光損失の低減、駆動電圧の低減、および小型化を可能とする光導波路素子を提供することにある。
　上記の課題を解決するために、本発明の光導波路素子は、突出部と、第１方向に沿って該突出部を挟むように配置された、該突出部よりも高さの低い２つの非突出部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、上記突出部から２つの上記非突出部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、上記２つの非突出部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、上記突出部における上記空乏層の上記第２方向の位置より低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）が突出部およびその近傍に局在し、その電界分布がコア部の側壁（非突出部の先端）にまで至らない。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、突出部から２つの非突出部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、駆動電圧の低減を実現することができる。
　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、さらなる駆動電圧の低減が可能となる。
　上記の課題を解決するために、本発明の光導波路素子は、突出部と、第１方向に沿って該突出部を挟むように配置された、該突出部よりも高さの低い２つの非突出部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、上記突出部から２つの上記非突出部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、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、上記突出部における上記第１コア領域の下面の高さは、ｈｒ／２－ｈｓ／２　（但し、ｈｓ：少なくとも１つの上記非突出部の厚み、ｈｒ：上記突出部の厚み）であり、上記コア部の下面の高さを基準とした、上記突出部における上記第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）が突出部およびその近傍に局在し、その電界分布がコア部の側壁（非突出部の先端）にまで至らない。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、突出部から２つの非突出部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、駆動電圧の低減を実現することができる。
　また、上記の構成によれば、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。
　本発明によれば、光損失の低減、駆動電圧の低減、小型化、および製造工程の簡易化が可能となる。
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に示す断面における導波光の電界プロファイルである。 （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６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（突出部）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（非突出部）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。
　以下、リブ領域１０１ｒにおける、両スラブ領域１０１ｓを以て上の領域を、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、概ね垂直方向に延伸している。
　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、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、リブ領域１０１ｒにおける凸部の直下に設けられている。中央領域１０５、側方領域１０６、および側方領域１０７はいずれも、それらの両側部が、垂直方向に延伸している。側方領域１０６の右側の側部は、中央領域１０５の左側の側部と接しており、側方領域１０７の左側の側部は、中央領域１０５の右側の側部と接している。側方領域１０６および１０７はいずれも、対応する中央領域１０５の側部における下方の一部と、対応する側方領域１０６および１０７の側部における上方の一部とが接している。側方領域１０６および１０７はいずれも、その厚みがおよそｈｓ／２である。側方領域１０６の左側の側部は、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と接している。側方領域１０７の右側の側部は、接続領域１０８と接している。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。
　また、図１に示すとおり、リブ導波路コア１０１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、部分的にリブ領域１０１ｒにおける凸部に含まれており、中央領域１０５の直上に設けられている。中央領域１０９、側方領域１１０、および側方領域１１１はいずれも、それらの両側部が、垂直方向に延伸している。側方領域１１０の左側の側部は、中央領域１０９の右側の側部と接しており、側方領域１１１の右側の側部は、中央領域１０９の左側の側部と接している。側方領域１１０および１１１はいずれも、対応する中央領域１０９の側部における下方の一部と、対応する側方領域１１０および１１１の側部における上方の一部とが接している。側方領域１１０および１１１はいずれも、その厚みがおよそｈｓ／２であり、側方領域１０６および１０７の厚みと等しくなっている。側方領域１１０の右側の側部は、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と接している。側方領域１１１の左側の側部は、接続領域１１２と接している。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、中央領域１０９は、凸部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、中央領域１０９を、凸部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までの距離と、中点１０１ｒｃから接続領域１１２までの距離とはいずれも、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可能である。
　リブ導波路コア１０１において、中央領域１０５と中央領域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において、側方領域１０６と側方領域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において、側方領域１０７と側方領域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）を有する各領域と、第２の導電性（Ｎ型）を有する各領域とにより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。
　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は、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。また、リブ導波路コア１０１において、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、さらなる駆動電圧の低減が可能となる。
　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、垂直方向に延伸している。
　図２は、図１に示す断面における導波光の電界プロファイルである。図２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２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２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。
　光導波路素子１００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、その駆動電圧の低減を実現するように、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、および駆動電圧の低減を図っているため、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、さらなる駆動電圧の低減が可能となる。
　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。このため、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、および駆動電圧の低減が容易である。
　なお、図２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場合を考える。この場合、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２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。このため、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。このため、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を考える。この場合、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、および側方領域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、および側方領域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の上方に形成され、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。当該印加と同時に、ＡＣ（Alternating 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３の（ａ）はマッハ－ツェンダー干渉計のブロック図であり、図３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３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３の（ａ）に示すＤ－Ｄ´断面が、図１に示した断面と等しい。
　図３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３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４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４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４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４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４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５および図６はそれぞれ、空乏層１１３における導波光の電界プロファイルである。図５および図６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。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５および図６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５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５および図６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３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５または図６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５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つが大きくなる。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６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における後に両スラブ領域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、下記のことが可能である。すなわち、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。この場合、空乏層１１３のプロファイルは、図５および図６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以下の範囲となる。但し、ｈｓ：両スラブ領域１０１ｓの厚み、ｈｒ：リブ領域１０１ｒの厚みである。
　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。
　（付記事項）
　また、本発明の光導波路素子は、突出部と、第１方向に沿って該突出部を挟むように配置された、該突出部よりも高さの低い２つの非突出部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、上記突出部から２つの上記非突出部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てもよい。
　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）が突出部およびその近傍に局在し、その電界分布がコア部の側壁（非突出部の先端）にまで至らない。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、突出部から２つの非突出部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、駆動電圧の低減を実現することができる。
　また、本発明の光導波路素子において、上記空乏層は、上記突出部から２つの上記非突出部のうち両方にまで延伸していてもよい。
　上記の構成によれば、非突出部において、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、さらなる駆動電圧の低減が可能となる。
　また、本発明の光導波路素子は、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てもよい。
　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、本発明の光導波路素子は、少なくとも１つの上記非突出部において、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くてもよい。
　また、本発明の光導波路素子において、少なくとも１つの上記非突出部における上記空乏層の上記第２方向の位置は、上記突出部における上記空乏層の上記第２方向の位置と異なっていてもよい。
　そして、本発明の光導波路素子において、少なくとも１つの上記非突出部における上記空乏層の上記第２方向の位置は、上記突出部における上記空乏層の上記第２方向の位置より低くてもよい。
　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、さらなる駆動電圧の低減が可能となる。
　また、本発明の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非突出部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方向に沿った上記突出部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てもよい。
　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つの上記非突出部における上記空乏層の高さは、ｈｓ／２（但し、ｈｓ：該非突出部の厚み）であってもよい。
　上記の構成によれば、非突出部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、上記突出部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つの上記非突出部の厚み、ｈｒ：上記突出部の厚み）であってもよい。
　上記の構成によれば、突出部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、上記突出部における上記第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、上記突出部における上記第２コア領域の上面の高さは、ｈｒ／２＋ｈｓ／２であってもよい。
　また、本発明の光導波路素子において、上記突出部は、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てもよい。
　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。
　本発明は、光集積回路に用いられる光導波路素子に利用することができる。
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（突出部）
１０１ｓ　スラブ領域（非突出部）
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 (10)

  1. 　突出部と、第１方向に沿って該突出部を挟むように配置された、該突出部よりも高さの低い２つの非突出部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、上記突出部から２つの上記非突出部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、
    　上記２つの非突出部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、上記突出部における上記空乏層の上記第２方向の位置より低いことを特徴とする光導波路素子。
  2. 　上記空乏層は、上記突出部から２つの上記非突出部のうち両方にまで延伸してい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つの上記非突出部において、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非突出部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方向に沿った上記突出部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つの上記非突出部における上記空乏層の高さは、
    　ｈｓ／２　（但し、ｈｓ：該非突出部の厚み）
    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、上記突出部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つの上記非突出部の厚み、ｈｒ：上記突出部の厚み）
    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、上記突出部における上記第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、上記突出部における上記第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. 　上記突出部は、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７に記載の光導波路素子。
  10. 　突出部と、第１方向に沿って該突出部を挟むように配置された、該突出部よりも高さの低い２つの非突出部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、上記突出部から２つの上記非突出部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、
    　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、上記突出部における上記第１コア領域の下面の高さは、
    　ｈｒ／２－ｈｓ／２　（但し、ｈｓ：少なくとも１つの上記非突出部の厚み、ｈｒ：上記突出部の厚み）
    であり、
    　上記コア部の下面の高さを基準とした、上記突出部における上記第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光導波路素子。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180348430A1 (en) * 2017-06-01 2018-12-06 Fujikura Ltd. Optical waveguide element

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3163359B1 (en) * 2014-07-31 2020-04-22 Huawei Technologies Co. Ltd. Germanium-silicon electroabsorption modulator
US10162200B1 (en) * 2017-06-19 2018-12-25 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd. Electro-optic phase modulator and method of manufacturing the same
JP2019109447A (ja) * 2017-12-20 2019-07-04 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置
US11022825B2 (en) * 2018-09-03 2021-06-01 Ciena Corporation Silicon photonics modulator using TM mode and with a modified rib geometry
US11112624B2 (en) * 2019-10-14 2021-09-07 Renesas Electronics Corporation Semiconductor device and manufacturing method thereof
US11067749B2 (en) * 2019-11-21 2021-07-20 Globalfoundries U.S. Inc. Waveguides with cladding layers of gradated refractive index
EP3832381B1 (en) * 2019-12-05 2025-07-23 Fundació Institut de Ciències Fotòniques An electro-optical modulator and a method for obtaining an electro-optical modulator.

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060133754A1 (en) * 2004-12-21 2006-06-22 Vipulkumar Patel Ultra low-loss CMOS compatible silicon waveguides
US20100060970A1 (en) * 2008-09-06 2010-03-11 Sifotonics Technologies (Usa) Inc. Electro-optic silicon modulator
US20110206313A1 (en) * 2010-02-19 2011-08-25 Po Dong Reducing optical loss in an optical modulator using depletion region
JP2012118402A (ja) * 2010-12-02 2012-06-21 Fujikura Ltd 光導波路素子
JP2013190492A (ja) * 2012-03-12 2013-09-26 Fujitsu Ltd 半導体光変調素子及び半導体光変調素子の製造方法
US20140127842A1 (en) * 2012-11-05 2014-05-08 Agency For Science, Technology And Research Method for forming an optical modulator
JP2014126728A (ja) * 2012-12-27 2014-07-07 Fujikura Ltd 光導波路素子及び光変調器
US20160004104A1 (en) * 2014-07-01 2016-01-07 Laxense Inc. Silicon optical modulator using asymmetric shallow waveguide and the method to make the same

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4974923A (en) * 1989-11-30 1990-12-04 North American Philips Corporation Gap tuned optical waveguide device
US6845198B2 (en) * 2003-03-25 2005-01-18 Sioptical, Inc. High-speed silicon-based electro-optic modulator
KR100825723B1 (ko) * 2006-07-28 2008-04-29 한국전자통신연구원 에지효과를 갖는 게이트절연막을 포함하는 광소자
KR100779091B1 (ko) * 2006-07-28 2007-11-27 한국전자통신연구원 변조된 두께의 게이트절연막을 포함하는 광소자
US7880201B2 (en) * 2006-11-09 2011-02-01 International Business Machines Corporation Optical modulator using a serpentine dielectric layer between silicon layers
JP5321598B2 (ja) * 2008-11-13 2013-10-23 日本電気株式会社 光変調器とその製造方法
US8014636B2 (en) * 2009-02-20 2011-09-06 Oracle America Electrical contacts on top of waveguide structures for efficient optical modulation in silicon photonic devices
WO2010103891A1 (ja) * 2009-03-13 2010-09-16 日本電気株式会社 光変調器とその製造方法
JP5429579B2 (ja) * 2009-09-10 2014-02-26 日本電気株式会社 電気光学変調器
US8450186B2 (en) * 2009-09-25 2013-05-28 Intel Corporation Optical modulator utilizing wafer bonding technology
GB2477131A (en) * 2010-01-22 2011-07-27 Univ Surrey Electro-optic device
US20120043527A1 (en) * 2010-08-19 2012-02-23 Agency For Science, Technology And Research Light emitting device
JP2013029826A (ja) * 2011-06-22 2013-02-07 Citizen Holdings Co Ltd 光デバイス及び光デバイスの製造方法
WO2013040138A1 (en) * 2011-09-13 2013-03-21 Massachusetts Institute Of Technology Background-free balanced optical cross correlator
KR101871295B1 (ko) * 2011-10-19 2018-08-03 삼성전자 주식회사 그래핀을 이용한 광 변조기
US9128308B1 (en) * 2012-03-26 2015-09-08 Sandia Corporation Low-voltage differentially-signaled modulators
US8889447B2 (en) * 2012-06-21 2014-11-18 International Business Machines Corporation Double layer interleaved p-n diode modulator
CN103439807A (zh) * 2013-08-28 2013-12-11 中国科学院半导体研究所 石墨烯的低折射率差波导调制器及制备方法
US10133098B2 (en) * 2014-04-18 2018-11-20 Futurewei Technologies, Inc. MOS capacitor optical modulator with transparent conductive and low-refractive-index gate

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060133754A1 (en) * 2004-12-21 2006-06-22 Vipulkumar Patel Ultra low-loss CMOS compatible silicon waveguides
US20100060970A1 (en) * 2008-09-06 2010-03-11 Sifotonics Technologies (Usa) Inc. Electro-optic silicon modulator
US20110206313A1 (en) * 2010-02-19 2011-08-25 Po Dong Reducing optical loss in an optical modulator using depletion region
JP2012118402A (ja) * 2010-12-02 2012-06-21 Fujikura Ltd 光導波路素子
JP2013190492A (ja) * 2012-03-12 2013-09-26 Fujitsu Ltd 半導体光変調素子及び半導体光変調素子の製造方法
US20140127842A1 (en) * 2012-11-05 2014-05-08 Agency For Science, Technology And Research Method for forming an optical modulator
JP2014126728A (ja) * 2012-12-27 2014-07-07 Fujikura Ltd 光導波路素子及び光変調器
US20160004104A1 (en) * 2014-07-01 2016-01-07 Laxense Inc. Silicon optical modulator using asymmetric shallow waveguide and the method to make the same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MICHAEL R. WATTS ET AL.: "Low-Voltage, Compact, Depletion-Mode, Silicon Mach-Zehnder Modulator", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, vol. 16, no. 1, 22 January 2010 (2010-01-22), pages 159 - 164, XP011344353 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180348430A1 (en) * 2017-06-01 2018-12-06 Fujikura Ltd. Optical waveguide element
JP2018205459A (ja) * 2017-06-01 2018-12-27 株式会社フジクラ 光導波路素子
US10627572B2 (en) * 2017-06-01 2020-04-21 Fujikura Ltd. Optical waveguide element
JP7037287B2 (ja) 2017-06-01 2022-03-16 株式会社フジクラ 光導波路素子

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