特許 6409299 光変調用素子および光変調器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6409299

(24)【登録日】2018年10月5日

(45)【発行日】2018年10月24日

(54)【発明の名称】光変調用素子および光変調器

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/025 20060101AFI20181015BHJP

   G02F 1/015 20060101ALI20181015BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/025

   G02F1/015 502

【請求項の数】9

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-67114(P2014-67114)

(22)【出願日】2014年3月27日

(65)【公開番号】特開2015-191069(P2015-191069A)

(43)【公開日】2015年11月2日

【審査請求日】2017年2月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004237

【氏名又は名称】日本電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100134544

【弁理士】

【氏名又は名称】森 隆一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100150197

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 直樹

(72)【発明者】

【氏名】藤方 潤一

(72)【発明者】

【氏名】高橋 重樹

【審査官】 佐藤 宙子

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０２３７４４４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０２５１０２９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−２０５１５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１８０５９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００６−５１５０８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１５４９８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００４−５０６９３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００２／０１２６９７６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／００−１／１２５，１／２１−７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

千鳥配置された複数の電極パッドと、
前記電極パッドを避けるように折り曲げられ、かつ各電極パッドから入力される駆動電圧によって複数の部分で光位相変調する２つのアームと、
前記２つのアームが光の入力側で分岐する光分岐構造と、
前記２つのアームが光の出力側で結合する光結合構造とを備え、
前記複数の電極パッドのうち隣接する２つの電極パッドの間の最短距離は、
前記隣接する２つの電極において１つの電極パッドの端面へ最も隣接する電極パッドの端面の延長線から引いた垂線の長さより長く、
前記２つのアームは、シリコンベース電気光学素子からなることを特徴とする光変調用素子。

【請求項2】

前記シリコンベース電気光学素子が、
基板上に、前記基板と反対側に矩形に突出するリブ導波路構造を有する第１導電型半導体層と、前記リブ導波路構造の上に積層された誘電体層と、前記誘電体層上に積層された第２導電型半導体層とを有し、
前記第１導電型半導体層は、第１導電型の不純物が他の部分より高濃度にドープされた第１コンタクト部を介して、第１電極配線に接続され、
前記第２導電型半導体層は、第２導電型の不純物が他の部分より高濃度にドープされた第２コンタクト部を介して、第２電極配線に接続されており、
さらに前記第１コンタクト部は、前記第１導電型半導体層のスラブ部に対して矩形に突出していることを特徴とする請求項１に記載の光変調用素子。

【請求項3】

前記第１コンタクト部が、光の導波方向に対して連続して形成され、
前記第２導電型半導体層が、光の導波方向に対して分割されていることを特徴とする請求項２に記載の光変調用素子。

【請求項4】

前記第１コンタクト部および前記第２導電型半導体層が、光の導波方向に対して分割されていることを特徴とする請求項２に記載の光変調用素子。

【請求項5】

前記２つのアームが隣接しており、
前記２つのアームそれぞれを構成するシリコンベース電気光学素子が、同一基板上に形成され、
かつ隣接面側の第１電極及び第１コンタクト層を共有していることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の光変調用素子。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれか一項に記載の光変調用素子と、前記光変調用素子の電極パッドに接合された駆動回路と、前記駆動回路に接続された駆動電源とを備える光変調器。

【請求項7】

前記駆動回路が信号遅延部を有することを特徴とする請求項６に記載の光変調器。

【請求項8】

前記駆動回路にクロック信号源が接続され、前記信号遅延部にクロック信号が加えられていることを特徴とする請求項７に記載の光変調器。

【請求項9】

前記複数の電極パッドにより光位相変調される光変調部間のアームを、
駆動回路からの電気信号の速度と、光変調用素子内を導波する光の速度が整合するように調整することを特徴とする請求項６〜８に記載の光変調器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光変調用素子および光変調器に関する。

【背景技術】

【0002】

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

【0003】

シリコンベースの光通信デバイスとしては、導波路、光結合器、波長フィルタ、光変調器などの様々なデバイスが幅広く研究されており、中でも能動的なデバイスとして光変調器が注目されている。光変調器は、電気信号を光信号に変換することができるデバイスであり、屈折率変化を利用した構造としては、マッハツェンダ干渉計を利用したものが一般的である。このマッハツェンダ干渉計を利用した光変調器は、二本の光導波路からなるアームの光の位相差を干渉させて、光の強度変調信号を得る。

【0004】

図１１は、マッハツェンダ干渉計を利用した光変調用素子を模式的に図示したものである。光変調器は、第１のアームＡ１および第２アームＡ２からなり、これに入力側で分岐する光分岐構造Ａ３と、出力側で結合する光結合構造Ａ４とが接続されている。光分岐構造Ａ３に入力した光は、第１アームＡ１および第２アームＡ２を導波する間に光の位相が変化し、光結合構造Ａ４で再度合成される。第１アームＡ１および第２アームＡ２はシリコンベース電気光学素子からなり、電圧を印加することにより電気光学効果または熱光学効果等により光の位相が変化する。

【0005】

第１アームＡ１および第２アームＡ２の長さが同一で、かつ電圧が印加されなかった場合、位相差はゼロとなり、光結合構造Ａ４から出力される光は、同波調の光が重畳されるため最大となる。一方、第１アームＡ１および第２アームＡ２で位相がπだけずれた場合は、光結合構造Ａ４で合成された際にそれぞれの光が打ち消し合い、出力される光は最小となる。
なお一般に、出力される光の消光比を最大とするために、出力光の強度が最大になる電圧と出力光の強度が最小になる電圧の、中間の電圧を印加した時の出力光強度を動作点として設定する。すなわち、いずれか一方のアームに、光の位相差が半波長分だけずれる電圧を印加した状態を初期状態とし、その時の光強度を基準（動作点）とする。

【0006】

上記のように、二本のアームの光の位相差は、二本のアームの少なくとも一方に電圧を印加することにより生じる。二本のアームは、例えばシリコンベース電気光学素子からなり、電圧を印加することで、電気光学効果または熱光学効果等により光導波部の屈折率が変化する。光導波部の屈折率が変化すると光の導波条件が変化し、二本のアームが同一長さでも光の位相差が生じる。
この位相差を生み出す電圧は、光変調用素子の電極パッドに駆動電源からの電圧が加えられることで生じる。このとき電極パッドと駆動電源との接続は、電極パッドが設けられた駆動回路基板を介して行われ、駆動回路基板の電極パッドと光変調用素子の電極パッドとが接合される。

【0007】

このような光変調器では、小型化および低電圧駆動の検討が進められている。
例えば、特許文献１に記載のシリコンベース電気光学変調器は、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層との間に、誘電体層を挟んでいる。そのため、ＰＩＮダイオード構造となり、応答速度を向上させ小型化を実現させている。
また特許文献２に記載の光変調器は、電極パッドを分割することで低電圧駆動の光変調器を実現している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特表２００６−５１５０８２号公報

【特許文献2】特開２００６−６５０８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、低電圧駆動を実現するために電極パッドを複数に分割したり、光変調用素子を小型化すると、光変調用素子の電極パッドと駆動回路の電極パッドの接合精度が必要になる。分割された各電極パッド間は、接合誤差以上の距離を離して配置する必要があり、高集積化された光変調器を実現することができなかった。

【0010】

例えば、上述の特許文献１に記載のシリコンベース電気光学変調器は、キャリア密度が動的に変化する領域は数１０ｎｍ程度と非常に薄く、ｍｍオーダーの光位相変調長が必要であり、小型化も十分とは言えなかった。そのため、光変調用素子が必然的に大きくなり、高集積化された光変調器を得ることができなかった。

【0011】

また上述の特許文献２に記載の光変調器は、電極パッドが並列に配置しているため、隣接する電極間を接合誤差以上に広くとる必要があり、高集積化された光変調器を実現するができないという問題があった。

【0012】

本発明は、上述の課題を解決する光変調用素子および光変調器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の光変調用素子は、千鳥配置された複数の電極パッドと、前記電極パッドを避けるように折り曲げられ、かつ各電極パッドから入力される駆動電圧によって、複数の部分で光位相変調する２つのアームと、前記２つのアームが光の入力側で分岐する光分岐構造と、前記２つのアームが光の出力側で結合する光結合構造とを備える。

【0014】

本発明の光変調器は、上記の光変調用素子と、前記光変調用素子の電極パッドに接合された駆動回路と、前記駆動回路に接続された駆動電源とを備える。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、小型、低消費電力駆動で、かつ高集積化することができる光変調用素子および光変調器を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態に係る光変調用素子を模式的に示した図である。

【図2】２本のアームにおけるシリコンベース電気光学素子の断面模式図である。

【図3】電極パッドの配置を模式的に示した図であり、（ａ）は並列配置であり、（ｂ）は千鳥配置である。

【図4】シリコンベース電気光学素子の一例を平面視した模式図を示す。

【図5】シリコンベース電気光学素子のその他の例を平面視した模式図を示す。

【図6】隣接する２つのアームが、第１電極配線および第１コンタクト部を共有するように接続したシリコンベース電気光学素子の断面図を示す。

【図7】シリコンベース電気光学素子の製造方法を模式的に示した図である。

【図8】本発明の一実施形態に係る光変調器を模式的に示した図である。

【図9】本発明の一実施形態に係る光変調器の回路を模式的に示した図である。

【図10】本発明の一実施形態に係る光変調器であって、クロック信号源を備える光変調器の回路を模式的に示した図である。

【図11】マッハツェンダ干渉計を利用した光変調用素子を模式的に図示したものである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施形態である光変調用素子および光変調器について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

【0018】

図１は、本発明の一実施形態に係る光変調用素子を模式的に示した図である。また、図２は、２本のアームにおけるシリコンベース電気光学素子の断面模式図である。
本発明の光変調用素子１００は、千鳥配置された複数の電極パッド１０と、電極パッド１０を避けるように折り曲げられ、かつ各電極パッド１０から入力される駆動電圧によって、複数の部分で光位相変調する２つのアーム２０と、２つのアーム２０が光の入力側で分岐する光分岐構造３０と、２つのアームが光の出力側で結合する光結合構造４０とを備える。
また２つのアーム２０は、シリコンベース電気光学素子からなり、基板上に、基板と反対側に矩形に突出するリブ導波路構造１ａを有する第１導電型半導体層１と、リブ導波路構造１ａの上に積層された誘電体層２と、誘電体層２上に積層された第２導電型半導体層３とを有する。第１導電型半導体層１は、第１導電型の不純物が他の部分より高濃度にドープされた第１コンタクト部４を介して、第１電極配線５に接続される。また、第２導電型半導体層３は、第２導電型の不純物が他の部分より高濃度にドープされた第２コンタクト部６を介して、第２電極配線７に接続される。さらに、第１コンタクト部４は、第１導電型半導体層１のスラブ部１ｃに対して矩形に突出している。なお、スラブ部１ｃは、第１導電型半導体層１の突出していない部分を意味する。
電極パッド１０に接続された駆動電源からの電圧は、シリコンベース電気光学素子において第１電極配線５及び第２電極配線７を介して印加される。この印加された電圧により、第１導電型半導体層１と第２導電型半導体層３の界面において、キャリアが注入または空乏化することで光の導波部の屈折率が変化する。ここで、光の導波部は、第１導電型半導体層１（主にリブ導波路構造１ａ）、誘電体層２、第２導電型半導体層３である。

【0019】

（光変調用素子）
図１に示すように、本発明の光変調用素子１００は、千鳥配置された複数の電極パッド１０と、電極パッド１０を避けるように折り曲げられ、かつ各電極パッド１０から入力される駆動電圧によって、複数の部分で光位相変調する２つのアーム２０と、２つのアーム２０が光の入力側で分岐する光分岐構造３０と、２つのアームが光の出力側で結合する光結合構造４０とを備える。また光変調用素子１００は、出力信号を２つに分岐し、一方を出力し、もう一方をモニター用のフォトダイオード１０１で検出し、動作時の動作点のずれ等を測定してもよい。さらに、２つのアームには、動作点のずれを補正するための光変調部２１を有していてもよい。図１では、光変調用素子１００は基板上に複数配列され、それぞれが１２５μｍ〜２５０μｍの幅で並べられ、高密度に集積されている。

【0020】

複数の電極パッドが千鳥配置にされていると、隣接する光変調用素子１０同士が、基板上に高い密度で集積化された光変調用素子を得ることができる。
例えば、図３（ａ）に示すように、複数の電極パッドが並列に配置されていると、第１の光変調用素子Ａと、第２の光変調用素子Ｂの間隔は、駆動回路と接合する際の精度の関係上ｄだけ離す必要がある。この場合、第１の光変調用素子Ａと第２の光変調用素子Ｂの間には、距離ｄだけ無駄な空間が生じる。
一方、図３（ｂ）に示すように、複数の電極パッドを千鳥配置にすると、この距離ｄは斜めに設定することができる。すなわち、第１の光変調用素子Ａと第２の光変調用素子Ｂの間隔は距離ｄより短くすることができ、無駄な空間を削減することができる。すなわち、千鳥配置にすることで、基板上に隣接する光変調用素子１０同士を高い密度で集積化することができる。

【0021】

また図３（ａ）に示すように、電極パッド１０を並列に配置した場合、駆動回路の電極パッドとの接続精度の関係上、その最短距離はａとなる。例えば、図３（ａ）で示すように、５つの電極パッド１０を並列に配置した場合、電極パッド１０の幅をｗとすると、光変調用素子の全長は５ｗ＋４ａとなる。
一方、図３（ｂ）に示すように、電極パッド１０を千鳥配置にすると、電極パッド１０間の最短距離ａは斜め方向となる。そのため、１つの電極パッドの端面へ最も隣接する電極パッドの端面から引いた垂線の長さはｂとなる。例えば、図３（ｂ）で示すように、５つの電極パッドが千鳥配置されている場合に、電極パッドの幅をｗとすると、光変調用素子の全長は５ｗ＋４ｂとなる。図３（ａ）の並列配置と、図３（ｂ）の千鳥配置とを比較すると、ａはｂよりも長いことは明らかであるため、電極パッドを千鳥配置にすることで、光変調用素子の全長を短くすることができる。すなわち、基板上に高い密度で集積化することができる。

【0022】

また、光変調用素子１００は、各電極パッド１０からの駆動電圧によって、複数の部分で光位相変調する。そのため、１つの電極パッドのみを用いて一度に光位相を変調する場合と比較して、各電極パッドに加える電圧を低減することができ、光変調用素子１００を低電圧駆動することができる。すなわち、光変調用素子１００の低消費電力化を実現することができる。

【0023】

（シリコンベース電気光学素子）
また、２つのアーム２０は特定のシリコンベース電気光学素子からなることが好ましい。以下に、このシリコンベース電気光学素子について説明する。

【0024】

このシリコンベース電気光学装置は、電気光学効果（自由キャリアプラズマ効果）を利用するものである。以下に、半導体層がシリコンからなる場合を例にして、シリコンベース電気光学素子における動作原理である、光の位相変調メカニズムの概要を説明する。

【0025】

純粋な電気光学効果はシリコン内では得られない、または得られにくいため、自由キャリアプラズマ効果と熱光学効果だけが光変調動作に利用出来る。本発明が目的とする高速動作（Ｇｂ／秒以上）を得るためには、自由キャリアプラズマ効果だけが有効であり、以下の関係式（１）、（２）の１次近似値で説明される。

【0026】

【数1】

【0027】

【数2】

【0028】

式（１）のΔｎおよび式（２）のΔｋは、それぞれ、シリコン層の屈折率変化の実部および虚部を表わしており、ｅは電荷、λは光の波長、ε_０は真空中の誘電率、ｎはシリコン層の屈折率、ｍ_ｅは電子キャリアの有効質量、ｍ_ｈはホールキャリアの有効質量、μ_ｅは電子キャリアの移動度、μ_ｈはホールキャリアの移動度、ΔＮ_ｅは電子キャリアの濃度変化、ΔＮ_ｈはホールキャリアの濃度変化を表している。

【0029】

シリコン層の電気光学効果の実験的な評価が行われており、光通信システムで使用する１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍの波長でのキャリア密度に対する屈折率変化は、Ｄｒｕｄｅの式と良く一致することが分かっている。また、これを利用した電気光学素子においては、位相変化量Δθは以下の式で定義される。

【0030】

【数3】

【0031】

式（３）のＬは、シリコンベース電気光学素子の光伝播方向に沿ったアクティブ層（有効変調領域）の長さである。Δｎ_ｅｆｆは、ΔｎおよびΔｋから得ることができる実効屈折率である。式（３）からわかるように、実効屈折率の変化Δｎ_ｅｆｆが大きければ、アクティブ長さＬが短くても、大きな位相変化を生み出すことができる。

【0032】

図２に示すように、シリコンベース電気光学素子は、基板９の上に、基板９と反対側に矩形に突出したリブ導波路構造１ａを有する第１導電型半導体層１と、リブ導波路構造１ａの上に積層された誘電体層２と、誘電体層２上に積層された第２導電型半導体層３とを有する。第１導電型半導体層１は、第１導電型の不純物が他の部分より高濃度にドープされた第１コンタクト部４を介して、第１電極配線５に接続する。また、第２導電型半導体層３は、第２導電型の不純物が他の部分より高濃度にドープされた第２コンタクト部６を介して、第２電極配線７に接続する。さらに、第１コンタクト部４は、第１導電型半導体層１のスラブ部１ｃに対して矩形に突出している。
なお、図２では、電気光学素子を構成する基板９として、シリコン基板９ａ上に酸化膜９ｂが積層されたＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレーター）基板を用いる例を示しているが、基板はシリコンベースのものであればよい。

【0033】

このシリコンベース電気光学素子は、リブ導波路構造１ａを有する。そのため、光導波部と屈折率が変化する領域とが重なるため、シリコンベース電気光学装置の駆動電圧に対する、光の変調効率が高くなる。すなわち、光変調のアクティブ層の長さを短くすることができ、光変調用素子を小型化することができる。
ここで、屈折率が変化する領域は、キャリア密度が変化する領域であり、第１導電型半導体層１及び第２導電型半導体層３のうち、誘電体層２との接合界面付近となる。

【0034】

また、このリブ導波路構造１ａを有することで、高濃度でドーピングした領域と、光導波部との重なりを低減することもできる。
ここで、高濃度でドーピングした領域とは、図１の第１コンタクト部４および第２コンタクト部６であり、この領域に光が伝播するとドーパントによる光吸収が生じてしまう。リブ導波路構造１ａをもたせることにより、高濃度でドーピングした領域での光吸収による損失を低減することができる。

【0035】

ここで、キャリア密度が変化する領域の厚みを（最大空乏層厚）Ｗは、熱平衡状態では下記数式で与えられる。

【0036】

【数4】

【0037】

ε_ｓは半導体層の誘電率、ｋはボルツマン定数、Ｎｃはキャリア密度、ｎ_ｉは真性キャリア濃度、ｅは電荷量である。例えば、Ｎｃが１０^１７／ｃｍ^３の時、最大空乏層厚は０．１μｍ程度であり、キャリア密度が上昇するに伴い、空乏層厚、すなわちキャリア密度の変調が生じる領域の厚みは薄くなる。
そのため、リブ導波路構造１ａの基板９からの高さはＷ以上であることが好ましい。リブ導波路構造１ａの高さがＷ以上であれば、キャリア密度が変化する領域をリブ導波路構造１ａ内とすることができ、光導波部との重なりを高くすることができる。

【0038】

また、第１導電型半導体層１は、第１導電型の不純物が他の部分より高濃度にドープされた第１コンタクト部４において、第１電極配線５に接続している。同様に、第２導電型半導体層３は、第２導電型の不純物が他の部分より高濃度にドープされた第２コンタクト部６において、第２電極配線７に接続している。高濃度ドープを行うことにより、第１導電型半導体層１と第１電極配線５の界面、第２導電型半導体層３と第２電極配線７の界面における接触抵抗を低減することができる。その結果として、直列抵抗成分を小さくし、ＲＣ時定数を小さくすることができる。すなわち、光変調動作の速度を向上することができる。

【0039】

さらに、第１コンタクト部４は、第１導電型半導体層１のスラブ部１ｃに対して矩形に突出している。そのため、より第１コンタクト部４内のドーピング密度を上昇させることができ、半導体と導電体との界面の接触抵抗をより低減することができる。すなわち、ＲＣ時定数が小さく、より光変調動作の速度が高くすることができる。

【0040】

また、第１コンタクト部４を矩形に突出させることで、スラブ部１ｃの幅を短くすることができる。スラブ部１ｃは、高濃度でドーピングした領域と、光導波部との重なりを低減するために、約０．１μｍと薄くしている。しかしながら、スラブ部１ｃを広範囲に渡って、均一に薄く形成することは難しい。

【0041】

第１導電型半導体層１及び第２導電型半導体層３は、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、歪シリコン、単結晶シリコン、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘからなる群から選択される少なくとも一層からなることが好ましい。

【0042】

このシリコンベース電気光学素子は、光変調効率が高く、長い位相変調長を必要としない。そのため、光変調用素子の小型化を実現することができる。このように小型化された光変調用素子を高集積化するためには、上述の配置の光変調用素子構造とすることは特に重要である。

【0043】

また、このシリコンベース電気光学素子において、第１コンタクト部４が、光の導波方向に対し連続して形成され、第２導電型半導体層３が、光の導波方向に対して分割されていることが好ましい。
図４は、シリコンベース電気光学素子の一例を平面視した模式図を示す。図４に示すように、基板上に第１コンタクト部４は、光の導波方向に対して連続に形成されている。一方、第２導電型半導体層３は分割されている。第１導電型半導体層１と第２導電型半導体層３の界面で光変調は生じるため、第２導電型半導体層３を分割することで、光変調が生じる部分を分割することができる。そのため、シリコンベース電気光学素子を駆動するための電圧を分割することができ、光変調用素子の駆動電圧を低減することができる。
これに対し、第１コンタクト部４は連続しているため、光変調する部分が分割された光変調用素子においても、バイアス電圧を共通化することができる。そのため、集積化された光変調用素子でも、制御端子の増加を防ぐことができる。

【0044】

またこのシリコンベース電気光学素子において、第１コンタクト部４および第２導電型半導体層３が、分割されていることも好ましい。図５は、シリコンベース電気光学素子のその他の例を平面視した模式図を示す。第１導電型半導体層１と第２導電型半導体層３の界面で光変調は生じるため、第２導電型半導体層３を分割することで、光変調が生じる部分を分割することができる。そのため、シリコンベース電気光学素子を駆動するための電圧をそれぞれの部分に印加することができ、光変調用素子の駆動電圧を低減することができる。
また、第１導電型半導体層は、光の導波する部分を確保するために連続して形成しているが、第１のコンタクト部４を分割している。これに伴い、第１コンタクト部４を介して接続される第１電極配線５も分割されるため、各部分を電気的に分離することができる。そのため、光変調用素子内での性能バラツキの補正や出力波形の整形が可能となる。

【0045】

また、シリコンベース電気光学素子からなる２つのアームが、隣接して同一基板上に形成され、隣接面側の第１電極配線及び第１コンタクト層を共有していることが好ましい。
図６は、隣接する２つのアームが第１電極配線５および第１コンタクト層４を共有するように接続したシリコンベース電気光学素子の断面図である。シリコンの光学屈折率の熱光学係数は、１．８×１０^−５／℃であり、酸化膜クラッド層などに使用されているシリコン酸化膜と比較して１桁程度大きい。そのため、２つのアーム間で環境温度差があると、光位相差が生じる。この環境温度差による位相変化は、ノイズとなるため抑制する必要がある。
これに対し、図５で示すシリコンベース電気光学素子は基板が繋がっているため、各アームが熱的に互いに繋がることで、環境温度差を抑制することが可能とする。そのため、２つのアーム間における環境温度変化による動作点のずれや、光位相誤差を非常に小さくすることができる。また第１電極配線及び第１コンタクト層を共有しているため、光変調用素子をより小型化することができる。

【0046】

（シリコンベース電気光学素子の製造方法）
図７に示したシリコンベース電気光学素子２０の製造方法について、図７（ａ）〜（ｇ）を用いて説明する。まず、図７（ａ）に示すように、厚さが１００〜１０００ｎｍ程度の埋め込み酸化膜９ｂが内部に形成された基板９を準備する。基板９は、ＳＯＩ基板であり、少なくとも埋め込み酸化膜９ｂより積層面に近い側の部分が、ｐ型、ｎ型のいずれかの導電型を有しているものとする。基板９は、一般の方法で作製してもよく、市販品を購入してもよい。

【0047】

積層面に近い側の半導体層（第１導電型半導体層）１に対するホウ素、リン、ヒ素等の不純物ドープ（イオン注入）は、基板９を製造する前に行ってもよいし、後に行ってもよい。

【0048】

次に、図７（ｂ）で示すように、フォトリソグラフィ法を用いて、矩形の突出部１ａ、１ｂとの間の部分を選択的にエッチングし、スラブ部１ｃを形成する。これにより、矩形の突出部１ａ、第１コンタクト部４に相当する部分が、他の部分に対して矩形に突出した形状となる。

【0049】

ここで行うエッチングは、ウェットエッチング、ドライエッチングの何れであってもよい。ただし、スラブ部１ｃに相当する部分が完全に除去されてしまわないように、エッチング条件を調整する必要がある。エッチング条件の調整は、温度等を変えることによって行うことができる。スラブ部１ｃの厚さは、５０〜１５０ｎｍとするのが好ましい。

【0050】

次に、図７（ｃ）で示すように、第１導電型半導体層１の突出した矩形の突出部１ｂに、イオン注入法により、第１導電型の不純物をドーピングし、第１コンタクト部４を形成する。これにより、第１コンタクト部４は、第１導電型の不純物が他の部分より高濃度でドープされた状態となる。続いて、第１導電型半導体層１の矩形に突出したリブ導波路構造１ａ上に、誘電体層２を積層する。

【0051】

次に、プラズマＣＶＤ法などの成膜法により、第１導電型半導体層１、誘電体層２上を覆うように酸化膜クラッド層８を一旦形成する。そして、図７（ｄ）で示すように、第１導電型半導体層１、誘電体層２の形状に伴って、酸化膜クラッド層８の突出した突出部をＣＭＰ法によって除去することにより、平坦化する。

【0052】

次に、図７（ｅ）に示すように、多結晶半導体層を０．１〜０．３μｍの厚みで積層し、第２導電型をイオン注入することにより、第２導電型半導体層３を形成する。不純物の注入は、成膜中に行っても良い。さらに、第２導電型半導体層３の両端に、第２導電型の不純物のイオン注入を行い、当該不純物が他の部分より高濃度でドープされた第２コンタクト部６を形成する。

【0053】

次に、図７（ｆ）に示すように、再度、酸化膜クラッド層８をプラズマＣＶＤ法などにより積層し、反応性エッチングによりコンタクトホールを形成する。そして、図７（ｇ）に示すように、スパッタ法やＣＶＤ法によりコンタクトホールを埋めるようにＴｉ／ＴｉＮ／Ａｌ（Ｃｕ）あるいはＴｉ／ＴｉＮ／Ｗなどの金属層を形成し、コンタクトホールの外部に延びる金属層に対して、反応性エッチングによるパターニングを行い、第１電極配線５、第２電極配線７を形成することにより、シリコンベース電気光学素子を得ることができる。なお、第１電極配線５および第２電極配線７の形成により、駆動回路との電気的な接続が可能になる。

【0054】

（光変調器）
図８は、本発明の一実施形態に係る光変調器を模式的に示した図である。本発明の光変調器１０００は、前述の光変調用素子１００の電極パッド１０に接合された駆動回路２００と、駆動回路２００に接続された駆動電源３００とを備える。光変調用素子１００の電極パッド１０は、駆動回路２００の電極パッド２１０と接合されている。これらの電極パッドは、フリップチップボンディングによって接合されることが好ましい。

【0055】

図９は、本発明の一実施形態に係る光変調器の回路を模式的に示した図である。図９では、駆動回路２００に信号遅延部２２０を有するものとして図示している。入力された光は、各電極パッド１０からの電圧印加によって位相差が生じる。電極パッド１０での電圧印加は、駆動回路２００によって制御されている。また、駆動回路２００には、動作点を制御するためのバイアス電圧Ｖ_ｂも印加されている。駆動電源から電圧ＩＮＰ，ＩＮＮが、駆動回路２００へ印加される。駆動回路２００へ印加された電圧は、信号遅延部２２０で制御され、ＯＵＴ１ＰおよびＯＵＴ１Ｎから出力される。ＯＵＴ１Ｐから出力された電圧は、電極パッド１０を介して、２つのアームの一方に印加される。また、ＯＵＴ１Ｎから出力された電圧は、隣接する電極パッド１０を介して、もう一方のアームに電圧を印加される。これら、ＯＵＴ１ＰおよびＯＵＴ１Ｎから出力された電圧によって、光の位相が変化する。図９では、ＯＵＴ１Ｐ〜４Ｐ、ＯＵＴ１Ｎ〜ＯＵＴ４Ｎの４分割された場合を図示したが、本発明はこの例に限られない。

【0056】

駆動回路２００には、信号遅延部２２０が設けられていることが好ましい。１つ目の光位相変調領域で位相を変調された光は、２つ目の光位相変調領域でさらに位相が変調される。このとき、光の進行速度に対し駆動回路からの電気信号にずれが生じると、位相の変調を効率的に重畳していくことが難しくなる。このようなずれは、出力される光の波形では時間軸のずれや揺らぎであるジッタとして発生する。位相変調領域の数が多くなればそれだけ、このずれに伴う影響は大きくなる。
信号遅延部２２０を有することで、光変調用素子に入力された光の速度と、駆動電源から印加される電気信号の速度の整合をとることができる。すなわち、光変調器の出力波形に生じる時間軸のずれや揺らぎであるジッタを抑制することができる。

【0057】

また駆動回路２００に、クロック信号源が接続され、信号遅延部２２０にクロック信号が加えられていることが好ましい。図１０は、クロック信号源を備える光変調器の回路を模式的に示した図である。クロック信号源Ｃからのクロック信号は、信号遅延部２２０での電気信号の遅延時間を調整することができる。これにより、各電極パッド１０に印加される高速電気信号の遅延時間を光速度と整合させることが可能である。

【0058】

また複数の電極パッドにより光位相変調される光変調部間のアームを、駆動回路からの電気信号の速度と、光変調用素子内を導波する光の速度が整合するように調整することが好ましい。
前述の遅延回路およびクロック信号は、駆動回路側で電気信号を調整することで、電気信号の速度と光信号の速度の整合性を得ていた。これに対し、光変調用素子側で整合性を得ることもできる。すなわち上述のように、光変調用素子内を導波する光の速度や導波距離を変化させることで、駆動回路からの電気信号が印加されるタイミングとの整合をとることができる。具体的には、光変調用素子内の光導波部の太さを太くすると、導波する光の速度を早くすることができる。また逆に細くすると、導波する光の速度を遅くすることができる。また各光変調部間のアームの長さを長くすれば、導波する光が隣接する光変調部まで到達する時間を長くすることができる。一方、短くすれば到達時間を早くすることができる。すなわち、複数の電極パッドにより光位相変調される光変調部間のアームの長さや太さ等を調整することにより、駆動回路からの電気信号の速度と、光変調用素子内を導波する光の速度が整合するように調整することができる。これらの整合性をとることができると、光変調器の出力波形に生じる時間軸のずれや揺らぎであるジッタを抑制することができる。

【符号の説明】

【0059】

１…第１導電型半導体層、１ａ…リブ導波路構造、１ｂ…矩形の突出部、１ｃ…スラブ部、２…誘電体層、３…第２導電型半導体層、４…第１コンタクト層、５…第１電極配線、６…第２コンタクト層、７…第２電極配線、８…酸化膜クラッド層、９…基板、９ａ…シリコン基板、９ｂ…酸化膜、１０…電極パッド、２０…２つのアーム、２１…位相調整部、３０…光分岐部、４０…光結合部、１００…光変調用素子、１０１…モニター用フォトダイオード、２００…駆動回路、２１０…電極パッド、２２０…信号遅延部、３００…動作回路、１０００…光変調器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】