特許 6983590 光変調器及びその製造方法

(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】6983590

(24)【登録日】2021年11月26日

(45)【発行日】2021年12月17日

(54)【発明の名称】光変調器及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/025 20060101AFI20211206BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/025

【請求項の数】14

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2017-173090(P2017-173090)

(22)【出願日】2017年9月8日

(65)【公開番号】特開2019-49612(P2019-49612A)

(43)【公開日】2019年3月28日

【審査請求日】2020年3月24日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２５年度国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「超低消費電力型光エレクトロニクス実装システム技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】513065077

【氏名又は名称】技術研究組合光電子融合基盤技術研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100140109

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 新次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100120112

【弁理士】

【氏名又は名称】中西 基晴

(74)【代理人】

【識別番号】100138759

【弁理士】

【氏名又は名称】大房 直樹

(72)【発明者】

【氏名】藤方 潤一

(72)【発明者】

【氏名】高橋 重樹

(72)【発明者】

【氏名】竹中 充

【審査官】 野口 晃一

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１６／１２５７７２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１０９１７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０１８９２３９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１３／０６２０９６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 Feng et al.，High speed carrier-depletion modulators with 1.4V-cm VπL integrated on 0.25μm silicon-on-insulator waveguides，Optics Express，米国，Optical Society of America，2010年03月31日，Vol. 18, No. 8，pp. 7994-7999

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／００−１／１２５

１／２１−７／００

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に横方向に形成されたＳｉ又はＳｉ_１−ｙＧｅ_ｙからなるＰＮ接合又はＰＩＮ接合であって、ｐ型領域とｎ型領域を含む、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合と、
ｐ型不純物でドーピングされ、前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合と電気的に接続されるように、前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合上に積層される少なくとも１層からなるｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層と
を含むリブ型導波路構造を備え、
前記リブ型導波路構造は、光の伝搬方向に沿って実質的に一様な構造を有し、
前記基板と平行且つ前記光の伝搬方向と垂直な方向において、前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合の接合界面の位置は、前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合の電気容量が大きくなるように、前記ｐ型領域の方向へ、前記ｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層の中心からオフセットしていることを特徴とする光位相変調器。

【請求項2】

前記リブ型導波路構造に隣接する、第１の導電タイプの第１の電極及び第２の導電タイプの第２の電極を備え、
前記第１の電極及び前記第２の電極に電圧を印加することにより、前記リブ型導波路構造におけるキャリア密度が変化されることを特徴とする請求項１に記載の光位相変調器。

【請求項3】

前記少なくとも１層からなるｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層が格子歪を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光位相変調器。

【請求項4】

前記基板上に横方向に形成されたＰＮ接合又はＰＩＮ接合が、ＳｉからなるＰＮ接合又はＰＩＮ接合と、Ｓｉ_１−ｙＧｅ_ｙからなるＰＮ接合又はＰＩＮ接合との積層構造からなることを特徴とする請求項１及至３のいずれか１項に記載の光位相変調器。

【請求項5】

前記基板上に横方向に形成されたＳｉおよびＳｉ_１−ｙＧｅ_ｙの積層構造からなるＰＮ接合又はＰＩＮ接合が、リブ型導波路構造を備えることを特徴とする請求項４に記載の光位相変調器。

【請求項6】

前記少なくとも１層からなるｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層が、
前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合上に積層されたＳｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層と、
前記Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層上に積層されたＳｉ_１−ｘ２Ｇｅ_ｘ２層と
を備え、ｘ２はｘ１より小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光位相変調器。

【請求項7】

前記少なくとも１層からなるｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層が、上部あるいは側面に形成された歪誘起膜を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光位相変調器。

【請求項8】

前記基板上に横方向に形成されたＰＮ接合もしくはＰＩＮ接合、又はその上に電気的に接続されるように積層された少なくとも１層からなるｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層において、第１の導電タイプのドーピング濃度は第２の導電タイプのドーピング濃度よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光位相変調器。

【請求項9】

前記第１の導電タイプがｐ型であり、前記第２の導電タイプがｎ型であることを特徴とする請求項８に記載の光位相変調器。

【請求項10】

前記ＰＮ接合が、前記光の伝搬方向に延在する単一のｐ型領域及び単一のｎ型領域からなる単一のＰＮ接合によって構成されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光位相変調器。

【請求項11】

前記ｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層において０≦ｘ＜０．６であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光位相変調器。

【請求項12】

前記基板の結晶方位は＜１１０＞であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光位相変調器。

【請求項13】

請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光位相変調器を備える光強度変調器。

【請求項14】

横方向に形成されたＳｉ又はＳｉ_１−ｙＧｅ_ｙからなるＰＮ接合又はＰＩＮ接合を形成するステップであって、前記ＰＮ接合又はＰＩＮ接合はｐ型領域とｎ型領域を含む、ステップと、
前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合に隣接する領域を第１の導電タイプ及び第２の導電タイプでドープして、第１の導電タイプの第１の電極及び第２の導電タイプの第２の電極を形成するステップと、
前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合上に、ｐ型不純物でドーピングされ、前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合と電気的に接続される少なくとも１層からなるｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層を形成するステップと
を備え、
前記ＰＮ接合又はＰＩＮ接合と前記ｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層とによって、光の伝搬方向に沿って実質的に一様な構造を有するリブ型導波路構造が形成され、
基板と平行且つ前記光の伝搬方向と垂直な方向において、前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合の接合界面の位置は、前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合の電気容量が大きくなるように、前記ｐ型領域の方向へ、前記ｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層の中心からオフセットしていることを特徴とする光位相変調器の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は光変調器及びその製造方法に関し、より詳細には、シリコン（Ｓｉ）のキャリアプラズマ効果を利用した光位相変調器及び光強度変調器並びにその製造方法に関する。

【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）などの様々なシステム用の１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍの光ファイバ通信波長で機能するシリコン・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】

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

【0004】

現在提案されている電気光学変調器の多くは、キャリアプラズマ効果を利用して、シリコン層中の自由キャリア密度を変化させることにより、屈折率の実数部と虚数部を変化させ、光の位相や強度を変化させるデバイスである。純シリコンは、線形電気光学効果（Ｐｏｃｋｅｌｓ）効果を示さず、またＦｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果やＫｅｒｒ効果による屈折率の変化は非常に小さいため、上記の効果が広く利用されている。自由キャリア吸収を利用した変調器では、Ｓｉ中を伝播する光吸収の変化により、出力が直接変調される。屈折率変化を利用した構造としては、マッハ・ツェンダー干渉計を利用したものが一般的であり、二本のアームにおける光位相差を干渉させて、光の強度変調信号を得ることが可能である。

【0005】

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

【0006】

図１２は、非特許文献１および特許文献１に開示されている、ＳＯＩ基板上に形成されたリブ導波路形状を利用した、シリコン・ベース電気光学位相変調器の典型例である。電気光学位相変調器は、真性半導体領域からなるリブ形状の両側に横方向に延びるスラブ領域がｐ，ｎドープされて形成されている。上記リブ導波路構造は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板上のＳｉ層を利用して形成される。図１２に示した構造は、ＰＩＮダイオード型変調器であり、順方向および逆方向バイアスを印加することにより、真性半導体領域内の自由キャリア密度を変化させ、キャリアプラズマ効果を利用することにより、屈折率を変化させる構造となっている。この例では、真性半導体シリコン層２５０１は、第１の電極コンタクト層２５０６と接触する領域に高濃度にドープ処理されたｐタイプ領域２５０４を含むように形成されている。図では、真性半導体シリコン層２５０１は、さらに高濃度にｎタイプドープ処理された領域２５０５および、これに接続する第２の電極コンタクト層２５０６を含む。上記ＰＩＮダイオードの構造においては、領域２５０４、２５０５は、ｃｍ^３毎に約１０^２０のキャリア密度を呈するようにドープ処理することも可能である。また、上記ＰＩＮ構造においては、ｐタイプ領域２５０４およびｎタイプ領域２５０５は、リブ２５０１の両側に間隔を置いて配置されており、リブ２５０１は真性半導体層である。また、図１２には、支持基板２５０３、埋め込み酸化膜層２５０２、電極配線２５０７及び酸化物クラッド２５０８が示されている。

【0007】

光変調動作に関しては、第１及び第２の電極コンタクト層２５０６を用いて、ＰＩＮダイオードに対して順方向バイアスを印加し、それによって導波路内に自由キャリアを注入するように、電源に接続されている。この時、自由キャリアの増加により、シリコン層２５０１の屈折率が変化し、それによって導波路を通して伝達される光の位相変調が行われる。しかし、この光変調動作の速度は、リブ２５０１内の自由キャリア寿命と、順方向バイアスが印加された場合のキャリア拡散によって制限される。このような従来技術のＰＩＮダイオード位相変調器は、通常、順方向バイアス動作時に１０〜５０Ｍｂ／秒の範囲内の動作速度を有する。これに対し、キャリア寿命を短くするために、シリコン層内に不純物を導入することによって、切り換え速度を増加させることが可能であるが、導入された不純物は光変調効率を低下させるという課題がある。また、動作速度に影響する最も大きな因子は、ＲＣ時定数によるものであり、この場合順方向バイアス印加時の静電容量（Ｃ）が、ＰＮ接合部のキャリア拡散容量に起因して非常に大きくなる。一方、ＰＮ接合部の高速動作は逆バイアスを印加することにより達成可能であるが、比較的大きな駆動電圧あるいは大きな素子サイズを必要とする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１３−２１４０４４号公報

【特許文献2】国際公開第２０１６／１２５７７２号

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】William M. J. Green, Michael J. Rooks, Lidija Sekaric, and Yurii A. Vlasof, Opt. Express 15, 17106-171113 (2007), “Ultra-compact, low RF power, 10Gb/s silicon Mach-Zehnder modulator.”

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

したがって、光損失が小さく、サイズが小さく、所要電圧が低く、高速動作が可能な光変調器が必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の実施例において、光位相変調器は、基板上に横方向に形成されたＳｉ又はＳｉ_１−ｙＧｅ_ｙからなるＰＮ接合又はＰＩＮ接合と、第１の導電タイプ又は第２の導電タイプを呈するように不純物ドーピングされ、前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合と電気的に接続されるように、前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合上に積層される少なくとも１層からなるＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層とを含むリブ型導波路構造を備え、前記リブ型導波路構造は、光の伝搬方向に沿って実質的に一様な構造を有し、前記基板と平行且つ前記光の伝搬方向と垂直な方向において、前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合の接合界面の位置が前記Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層の中心からオフセットしている。

【0012】

本発明の実施例において、前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合の接合界面の位置は、前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合の電気容量が大きくなるように、前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合を構成するｐ型領域又はｎ型領域の方向へオフセットしている。

【0013】

本発明の実施例において、光位相変調器は、前記リブ型導波路構造に隣接する、前記第１の導電タイプの第１の電極及び前記第２の導電タイプの第２の電極を備え、前記第１の電極及び前記第２の電極に電圧を印加することにより、前記リブ型導波路構造におけるキャリア密度が変化される。

【0014】

本発明の実施例において、前記少なくとも１層からなるＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層が格子歪を有する。

【0015】

本発明の実施例において、前記基板上に横方向に形成されたＰＮ接合又はＰＩＮ接合が、ＳｉからなるＰＮ接合又はＰＩＮ接合と、Ｓｉ_１−ｙＧｅ_ｙからなるＰＮ接合又はＰＩＮ接合との積層構造からなる。

【0016】

本発明の実施例において、前記基板上に横方向に形成されたＳｉおよびＳｉ_１−ｙＧｅ_ｙの積層構造からなるＰＮ接合又はＰＩＮ接合が、リブ型導波路構造を備える。

【0017】

本発明の実施例において、前記少なくとも１層からなるＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層が、前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合上に積層されたＳｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層と、前記Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層上に積層されたＳｉ_１−ｘ２Ｇｅ_ｘ２層とを備え、ｘ２はｘ１より小さい。

【0018】

本発明の実施例において、前記少なくとも１層からなるＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層が、上部あるいは側面に形成された歪誘起膜を備える。

【0019】

本発明の実施例において、前記基板上に横方向に形成されたＰＮ接合もしくはＰＩＮ接合、又はその上に電気的に接続されるように積層された少なくとも１層からなるＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層において、前記第１の導電タイプのドーピング濃度は前記第２の導電タイプのドーピング濃度よりも小さい。

【0020】

本発明の実施例において、前記第１の導電タイプがｐ型であり、前記第２の導電タイプがｎ型である。

【0021】

本発明の実施例において、前記ＰＮ接合が、前記光の伝搬方向に延在する単一のｐ型領域及び単一のｎ型領域からなる単一のＰＮ接合によって構成される。

【0022】

本発明の実施例において、光強度変調器は、上記のような光位相変調器を備える。

【0023】

本発明の実施例において、光位相変調器の製造方法は、横方向に形成されたＳｉ又はＳｉ_１−ｙＧｅ_ｙからなるＰＮ接合又はＰＩＮ接合を形成するステップと、前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合に隣接する領域を第１の導電タイプ及び第２の導電タイプでドープして、第１の導電タイプの第１の電極及び第２の導電タイプの第２の電極を形成するステップと、前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合上に、前記第１の導電タイプ又は前記第２の導電タイプを呈するように不純物ドーピングされ、前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合と電気的に接続される少なくとも１層からなるＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層を形成するステップとを備え、前記ＰＮ接合又はＰＩＮ接合と前記Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層とによって、光の伝搬方向に沿って実質的に一様な構造を有するリブ型導波路構造が形成され、基板と平行且つ前記光の伝搬方向と垂直な方向において、前記ＰＮ接合又は前記ＰＩＮ接合の接合界面の位置が前記Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層の中心からオフセットしている。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、光損失が小さく、サイズが小さく、所要電圧が低く、高速動作が可能な光位相変調器を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の１つの実施例による光位相変調器１００の断面図を概略的に示す。

【図2】図１に示される光位相変調器１００の斜視図を概略的に示す。

【図3】ＰＮ接合１０６の接合界面１０６ａのオフセット量と性能指数Ｖ_πＬとの関係の例示的な計算結果を示す。

【図4】ＰＮ接合１０６の電気容量Ｃと変調効率（性能指数）Ｖ_πＬとの関係の例示的な実験結果を示す。

【図5】本発明の１つの実施例による光位相変調器５００の断面図を概略的に示す。

【図6】本発明の１つの実施例による光位相変調器６００の断面図を概略的に示す。

【図7】本発明の１つの実施例による光位相変調器７００の断面図を概略的に示す。

【図8】本発明の１つの実施例による光位相変調器８００の断面図を概略的に示す。

【図9】本発明の１つの実施例による光位相変調器９００の断面図を概略的に示す。

【図10】本発明の１つの実施例による光位相変調器１０００の断面図を概略的に示す。

【図11A】図１に示される本発明の実施例による光位相変調器の製造工程を説明する図である。

【図11B】図１に示される本発明の実施例による光位相変調器の製造工程を説明する図である。

【図11C】図１に示される本発明の実施例による光位相変調器の製造工程を説明する図である。

【図11D】図１に示される本発明の実施例による光位相変調器の製造工程を説明する図である。

【図11E】図１に示される本発明の実施例による光位相変調器の製造工程を説明する図である。

【図11F】図１に示される本発明の実施例による光位相変調器の製造工程を説明する図である。

【図11G】図１に示される本発明の実施例による光位相変調器の製造工程を説明する図である。

【図11H】図１に示される本発明の実施例による光位相変調器の製造工程を説明する図である。

【図12】従来のシリコン・ベース電気光学位相変調器の典型例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0026】

本発明の実施例に関して、図面を参照しながら以下に詳細に説明する。図１は、本発明の１つの実施例による光位相変調器１００の断面図を概略的に示す。本実施例において、光位相変調器１００は、シリコンフォトニクス技術を利用して、シリコン（Ｓｉ）基板１０２に堆積されたシリカガラス（ＳｉＯ_２）からなる埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）層１０４上に形成される。光位相変調器１００はリブ型導波路構造１１０を備える。リブ型導波路構造１１０は、基板に対して横方向（基板に対して水平な方向）に形成されたＳｉからなるＰＮ接合１０６を含む。ＰＮ接合１０６は、ｐ型Ｓｉ領域１３０及びｎ型Ｓｉ領域１３２を含む。後述するように、ＰＮ接合１０６はＳｉ_１−ｙＧｅ_ｙ（ｙは０以上１以下）からなってもよい。リブ型導波路構造１１０は、ＰＮ接合１０６に代えて、ＰＩＮ接合を含んでもよい。このようなＰＩＮ接合は、意図的に形成されたＰＩＮ接合と、ＰＮ接合から変化することによって意図せずに形成されたＰＩＮ接合の両方を含み得る。意図しない場合とは、ＰＮ接合１０６において電子と正孔が熱拡散により再結合してＩ層になる場合である。リブ型導波路構造１１０はまた、不純物ドーピングによって導電性を有する、ＰＮ接合１０６上に積層される少なくとも１層からなるＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘは０以上１以下）層１０８を含む。本実施例において、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８の導電タイプはｐ型であるが、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８の導電タイプはｎ型であってもよい。このように、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８は導電性を有し、したがって、ＰＮ接合１０６と電気的に接続される。

【0027】

図１に示されるように、一例として、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８の幅は０．４μｍであり、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８の厚さは２０〜８０ｎｍである。また、一例として、リブ型導波路構造１１０におけるＰＮ接合の高さは、図１に示すように、スラブ層に対して８０〜１００ｎｍである。また、一例として、電極１１２及び１１４の厚さは０．１０〜０．１８μｍである。

【0028】

ＰＮ接合１０６の接合界面１０６ａは、ＰＮ接合１０６上に積層されたＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８の中心１０８ａと異なる位置に配置される。すなわち、ＰＮ接合１０６の接合界面１０６ａの位置は、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８の中心１０８ａからオフセットしている。オフセットの方向は、基板１０２に対して平行であって且つリブ型導波路構造１１０の長手方向（すなわち光の伝搬方向）と垂直な方向である。図１に示される例では、ＰＮ接合１０６の接合界面１０６ａの位置は、ｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８の中心１０８ａからｐ型Ｓｉ領域１３０の方向（以下、マイナス方向と称する）へオフセットしている。そのため、リブ型導波路構造１１０の部分において、ｐ型のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８がｎ型Ｓｉ領域１３２と接する接触面積は、ｐ型Ｓｉ領域１３０と接する接触面積よりも大きい。換言すれば、本実施例による光位相変調器１００では、ＰＮ接合１０６の接合界面１０６ａがＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８の中心１０８ａと一致するように配置されている構成と比較して、ｐ型のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８とｎ型Ｓｉ領域１３２との接触面積が拡大している。

【0029】

光位相変調器１００はまた、リブ型導波路構造１１０に隣接する第１の導電タイプ（例えば、ｐ型）の第１の電極１１２及び第２の導電タイプ（例えば、ｎ型）の第２の電極１１４、接地電極１１６及び信号電極１１８、並びにクラッド１２０を備える。接地電極１１６及び信号電極１１８は、例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＡｌＳｉＣｕ、ＴｉＮなどからなってもよい。接地電極１１６及び信号電極１１８を介して第１の電極１１２及び第２の電極１１４に電圧を印加することにより、リブ型導波路構造１１０におけるキャリア密度が変化される。

【0030】

図２は、図１に示される光位相変調器１００の斜視図を概略的に示す。図２に示されるように、光位相変調器１００のリブ型導波路構造１１０は、その長手方向（すなわち光の伝搬方向）に沿って一様な構造を有する。より詳しくは、リブ型導波路構造１１０において、ｐ型Ｓｉ領域１３０は、光の伝搬方向に沿って単一の領域として一体的に延在し、光の伝搬方向と垂直な面によるｐ型Ｓｉ領域１３０の断面形状は、その切断位置によらず不変である。同様に、ｎ型Ｓｉ領域１３２は、光の伝搬方向に沿って単一の領域として一体的に延在し、光の伝搬方向と垂直な面によるｎ型Ｓｉ領域１３２の断面形状は、その切断位置によらず不変である。したがって、ＰＮ接合１０６の接合界面１０６ａは、光の伝搬方向に沿うリブ型導波路構造１１０の全長にわたって延在する、光の伝搬方向と平行な１枚の平面として形成されている。このように、リブ型導波路構造１１０におけるＰＮ接合１０６は、光の伝搬方向に延在する単一のｐ型Ｓｉ領域１３０及び単一のｎ型Ｓｉ領域１３２からなる単一のＰＮ接合によって構成される。

【0031】

光位相変調器１００は、キャリアプラズマ効果を利用して光を位相変調する。キャリアプラズマ効果におけるプラズマ分散効果による屈折率の変化は次の式によって表すことができる。

【0032】

【数1】

【0033】

ここで、Δｎは屈折率の変化、ｅは単位電荷、λは光波長、ｃは光速度、ε_０は真空中の誘電率、ｎはＳｉの屈折率、ΔＮ_ｅは電子密度の変化、ｍ^＊_ｃｅは電子の有効質量、ΔＮ_ｈは正孔密度の変化、ｍ^＊_ｃｈは正孔の有効質量である。式（１）から理解されるように、電子の有効質量又は正孔の有効質量が減少すると、屈折率の変化Δｎが増大する。

【0034】

光位相変調器１００のリブ型導波路構造１１０に生じる位相変化量Δφは、式（１）の屈折率変化Δｎを用いて次の式のように表すことができる。

【0035】

【数2】

【0036】

ここで、Ｌはリブ型導波路構造１１０の光伝搬方向に沿った長さ、ＣはＰＮ接合１０６の電気容量、ＶはＰＮ接合１０６への印加電圧である。式（２）は、ある一定の位相変化量Δφを生じさせるのに必要な印加電圧Ｖは、ＰＮ接合１０６の電気容量Ｃに反比例することを示している。一般に、光位相変調器における変調効率の指標として、性能指数Ｖ_πＬが用いられる。Ｖ_πＬは、光位相シフタにおいて位相をπだけシフトさせるのに必要な電圧と長さとの積である。式（２）及びＶ_πＬの定義から、光位相変調器１００の性能指数Ｖ_πＬは、次の式のようにＰＮ接合１０６の電気容量Ｃに反比例することが理解される。

【0037】

【数3】

【0038】

Ｓｉ層の上にＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層を積層すると、Ｓｉの格子定数とＳｉ_１−ｙＧｅ_ｙの格子定数との差を起因として、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層に歪（格子歪）が誘起される。Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層に歪が誘起されると、キャリアの有効質量が小さくなる。Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８を用いることにより、自由キャリアの有効質量が低減される。したがって、式（１）から理解されるように、プラズマ分散効果による屈折率の変化が大きくなるため、キャリアプラズマ効果をエンハンスすることができる。したがって、より短い距離で必要な位相シフト量を得ることができるため、光位相変調器１００の変調効率を改善することができ、光位相変調器１００のサイズを小さくすることができ、光位相変調器１００の損失を小さくすることができる。また、自由キャリアの有効質量が小さくなるので、有効質量と逆数の関係にある自由キャリアの移動度が高くなる。したがって、光位相変調器１００の高速動作が可能となる。

【0039】

また、上述したように、光位相変調器１００は、ｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８とｎ型Ｓｉ領域１３２との接触面積が大きいため、ＰＮ接合１０６の接合界面１０６ａがＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８の中心１０８ａと一致するように配置されている構成と比較して、より大きな電気容量Ｃを有する。したがって、式（３）から理解されるように、光位相変調器１００の変調効率をより一層改善することができる。

【0040】

ＰＮ接合１０６及び／又はＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８において、ｐ型のドーピング濃度はｎ型のドーピング濃度よりも小さくてもよい。ＳｉＧｅにおけるキャリアプラズマ効果の正孔によるエンハンスメントファクターは、電子によるエンハンスメントファクターと比較して２倍程度大きい。したがって、ｐ型ＳｉＧｅ層のドーピング濃度をｎ型ＳｉＧｅ層のドーピング濃度より小さくすることにより、屈折率差と吸収係数との間のトレードオフの関係を緩和することができる。結果として、光吸収係数の増大を抑制し、高速化が可能となる。

【0041】

図３は、上述した光位相変調器１００について、ＰＮ接合１０６の接合界面１０６ａのオフセット量と性能指数Ｖ_πＬとの関係の例示的な計算結果を示す。図３において、グラフの横軸のマイナス符号は、ＰＮ接合１０６の接合界面１０６ａのオフセット方向がマイナス方向であることを表す。光位相変調器は、Ｖ_πＬが小さいほどその性能が高いといえる。図３に示されるように、本実施例の光位相変調器１００においては、ＰＮ接合１０６の接合界面１０６ａのマイナス方向へのオフセット量が大きくなるほど、Ｖ_πＬは小さくなっていく。例えば、オフセット量がゼロのときはＶ_πＬ＝０．５２Ｖｃｍであるのに対して、オフセット量が−１５０ｎｍになるとＶ_πＬ＝０．２８Ｖｃｍである。このように、ＰＮ接合１０６の接合界面１０６ａをマイナス方向へオフセットさせることにより、Ｖ_πＬが低下して光位相変調器１００の変調効率を向上させることができる。また、所望の屈折率変化を得るために必要とされる変調器の長さが短くなるため、光位相変調器１００のサイズを小さくすることができる。

【0042】

図４は、上述した光位相変調器１００を含むいくつかの異なる構造の光位相変調器について、ＰＮ接合の電気容量Ｃと変調効率（性能指数）Ｖ_πＬとの関係の例示的な実験結果を示す。図４において、「ＳｉＧｅ−ＭＯＤ（−３０ｎｍ−ｏｆｆｓｅｔ）」と記された測定値は、ＰＮ接合１０６の接合界面１０６ａをマイナス方向へ３０ｎｍオフセットさせた光位相変調器１００についての結果を示し、「ＳｉＧｅ−ＭＯＤ（３０ｎｍ−ｏｆｆｓｅｔ）」と記された測定値は、ＰＮ接合１０６の接合界面１０６ａをプラス方向へ３０ｎｍオフセットさせた光位相変調器１００についての結果を示し、「ＳｉＧｅ−ＭＯＤ（０ｎｍ−ｏｆｆｓｅｔ）」と記された測定値は、ＰＮ接合１０６の接合界面１０６ａをオフセットさせていない光位相変調器１００についての結果を示す。但し、プラス方向とは、マイナス方向と反対の方向、すなわち、ＰＮ接合１０６の接合界面１０６ａがｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８の中心１０８ａよりもｎ型Ｓｉ領域１３２の側へオフセットするような方向を指す。また、図４において、「Ｓｉ−ＭＯＤ」と記された測定値は、ＰＮ接合１０６の上にＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８が設けられていない構造の光位相変調器についての結果を参考として示す。

【0043】

図４の実験結果を得るために使用した光位相変調器１００は、次のような製造方法により作製された。すなわち、ＰＮ接合１０６の上に、超高真空ＣＶＤ法を用いてＳｉ_０．８Ｇｅ_０．２／Ｓｉ層を積層した。またＳｉ_０．８Ｇｅ_０．２／Ｓｉ層の成膜中に、制御された濃度のジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）ガスを混合することによって、Ｓｉ_０．８Ｇｅ_０．２／Ｓｉ層にボロン（Ｂ）をドーピングした。これにより、ｐ型Ｓｉ_０．８Ｇｅ_０．２層１０８が形成された。

【0044】

上記のような製造方法を用いた場合、ＳｉのＰＮ接合１０６とＳｉ_０．８Ｇｅ_０．２層１０８とのヘテロ接合が比較的良好に形成される。そのため、ＰＮ接合１０６の接合界面１０６ａの位置をマイナス方向にオフセットさせ、ｐ型Ｓｉ_０．８Ｇｅ_０．２層１０８とｎ型Ｓｉ領域１３２との接触面積を大きくすることによって、ＰＮ接合１０６の電気容量Ｃを大きくすることができる。したがって、式（３）に関して上述したように、光位相変調器１００の変調効率を大きく改善することができる。図４の実験結果はこれを裏付けており、「ＳｉＧｅ−ＭＯＤ（−３０ｎｍ−ｏｆｆｓｅｔ）」の構成の場合に、電気容量Ｃが大きくなり性能指数Ｖ_πＬが低減する（すなわち変調効率が改善される）ことを示している。

【0045】

図５は、本発明の１つの実施例による光位相変調器５００の断面図を概略的に示す。光位相変調器５００の構造は、ＰＮ接合５０６上に２つのｐ型ＳｉＧｅ層（ｐ型Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層５０８及びｐ型Ｓｉ_１−ｘ２Ｇｅ_ｘ２層５２２）が積層されていることを除いて、図１の光位相変調器１００と同様である。ｐ型Ｓｉ_１−ｘ２Ｇｅ_ｘ２層５２２におけるＧｅの割合は、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層５０８におけるＧｅの割合よりも小さくてもよい（すなわち、ｘ１＞ｘ２）。例えば、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層５０８がｐ型Ｓｉ_０．７Ｇｅ_０．３層であり、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ２Ｇｅ_ｘ２層５２２がｐ型Ｓｉ_０．８Ｇｅ_０．２層であってもよい。また、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ２Ｇｅｘ_２層５２２は、Ｓｉ層であってもよい。図１と同様に、図５には、Ｓｉ基板５０２、ＢＯＸ層５０４、ＰＮ接合５０６、ｐ型Ｓｉ領域５３０、ｎ型Ｓｉ領域５３２、第１の電極５１２、第２の電極５１４、接地電極５１６、信号電極５１８及びクラッド５２０が示されており、ＰＮ接合５０６の接合界面５０６ａの位置は、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層５０８の中心５０８ａからｐ型Ｓｉ領域５３０の方向（すなわちマイナス方向）へオフセットしている。ＰＮ接合５０６はＳｉ_１−ｙＧｅ_ｙからなってもよい。リブ型導波路構造５１０は、ＰＮ接合に代えて、ＰＩＮ接合を含んでもよい。Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層５０８及びＳｉ_１−ｘ２Ｇｅ_ｘ２層５２２の導電タイプはｎ型であってもよい。

【0046】

図５の光位相変調器５００においては、ｐ型ＳｉＧｅ層５０８及び５２２の厚さを増すことによって大きな歪を誘起することができる。しかしながら、Ｓｉ層上に積層されるＳｉＧｅ層の厚さがある膜厚に達すると、ＳｉＧｅ層の歪の絶対量が非常に大きくなり、Ｓｉ層とＳｉＧｅ層との間の界面で結合が切れてしまう（格子緩和と呼ばれる）。したがって、積層することができる歪ＳｉＧｅ層の厚さには限界（臨界膜厚）がある。

【0047】

ＳｉＧｅ層の組成を膜厚方向に徐々に変えることにより、格子欠陥を低減することができる。したがって、組成の異なる複数のＳｉＧｅ層を積層することは有効である。一方、Ｇｅ組成が大きくなると、Ｇｅ酸化膜が水に溶けるなど、化学的に不安定な性質を有しやすくなる。従って、ＳｉＧｅ層の最上層としてＧｅ組成の小さい層を用いると、当該最上層が保護膜として機能するので有用である。したがって、複数のＳｉＧｅ層を積層する場合、Ｇｅ組成が大きい層の上にＧｅ組成が小さい層やＳｉ層を積層することは有効である。

【0048】

図６は、本発明の１つの実施例による光位相変調器６００の断面図を概略的に示す。光位相変調器６００の構造は、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ２Ｇｅ_ｘ２層６２２上に歪誘起膜６２４が積層されていることを除いて、図５の光位相変調器５００と同様である。図６の光位相変調器６００においては、厚いＳｉＧｅ層を積層する代わりに、歪誘起膜６２４を積層することによって、大きな歪を可能としている。歪誘起膜６２４は、例えば、ＳｉＮ_xやアルミナを含んでもよい。図５と同様に、図６には、Ｓｉ基板６０２、ＢＯＸ層６０４、ＰＮ接合６０６、ｐ型Ｓｉ領域６３０、ｎ型Ｓｉ領域６３２、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層６０８、第１の電極６１２、第２の電極６１４、接地電極６１６、信号電極６１８及びクラッド６２０が示されており、ＰＮ接合６０６の接合界面６０６ａの位置は、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層６０８の中心６０８ａからｐ型Ｓｉ領域６３０の方向（すなわちマイナス方向）へオフセットしている。ＰＮ接合６０６はＳｉ_１−ｙＧｅ_ｙからなってもよい。リブ型導波路構造６１０は、ＰＮ接合に代えて、ＰＩＮ接合を含んでもよい。Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層６０８及びＳｉ_１−ｘ２Ｇｅ_ｘ２層６２２の導電タイプはｎ型であってもよい。

【0049】

図７は、本発明の１つの実施例による光位相変調器７００の断面図を概略的に示す。光位相変調器７００の構造は、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ２Ｇｅ_ｘ２層７２２の側面に隣接する歪誘起膜７２４が形成されていることを除いて、図５の光位相変調器５００と同様である。図７に示されるように、歪誘起膜７２４は、ＰＮ接合７０６上から第１の電極７１２及び第２の電極７１４の上に渡って延在してもよい。歪誘起膜７２４は、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層７０８の側面に隣接するように形成されてもよい。図７の光位相変調器７００においては、厚いＳｉＧｅ層を積層する代わりに、歪誘起膜層７２４を形成することによって、大きな歪を可能としている。歪誘起膜７２４は、例えば、ＳｉＮ_xやアルミナを含んでもよい。図５と同様に、図７には、Ｓｉ基板７０２、ＢＯＸ層７０４、ＰＮ接合７０６、ｐ型Ｓｉ領域７３０、ｎ型Ｓｉ領域７３２、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層７０８、第１の電極７１２、第２の電極７１４、接地電極７１６、信号電極７１８及びクラッド７２０が示されており、ＰＮ接合７０６の接合界面７０６ａの位置は、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層７０８の中心７０８ａからｐ型Ｓｉ領域７３０の方向（すなわちマイナス方向）へオフセットしている。ＰＮ接合７０６はＳｉ_１−ｙＧｅ_ｙからなってもよい。リブ型導波路構造７１０は、ＰＮ接合に代えて、ＰＩＮ接合を含んでもよい。Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層７０８及びＳｉ_１−ｘ２Ｇｅ_ｘ２層７２２の導電タイプはｎ型であってもよい。

【0050】

図８は、本発明の１つの実施例による光位相変調器８００の断面図を概略的に示す。光位相変調器８００の構造は、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ２Ｇｅ_ｘ２層８２２の上及び側面に隣接する歪誘起膜８２４が形成されていることを除いて、図５の光位相変調器５００と同様である。歪誘起膜８２４は、図６の光位相変調器６００と同様に、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ２Ｇｅ_ｘ２層８２２上に積層される。歪誘起膜８２４はまた、図７の光位相変調器７００と同様に、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ２Ｇｅ_ｘ２層８２２の側面に隣接するように形成される。歪誘起膜８２４は、ＰＮ接合８０６上から第１の電極８１２及び第２の電極８１４の上に渡って延在してもよい。歪誘起膜８２４は、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層８０８の側面に隣接するように形成されてもよい。図８の光位相変調器８００においては、厚いＳｉＧｅ層を積層する代わりに、歪誘起膜層８２４を形成することによって、大きな歪を可能としている。歪誘起膜８２４は、例えば、ＳｉＮやアルミナを含んでもよい。図５と同様に、図８には、Ｓｉ基板８０２、ＢＯＸ層８０４、ＰＮ接合８０６、ｐ型Ｓｉ領域８３０、ｎ型Ｓｉ領域８３２、第１の電極８１２、第２の電極８１４、接地電極８１６、信号電極８１８及びクラッド８２０が示されており、ＰＮ接合８０６の接合界面８０６ａの位置は、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層８０８の中心８０８ａからｐ型Ｓｉ領域８３０の方向（すなわちマイナス方向）へオフセットしている。ＰＮ接合８０６はＳｉ_１−ｙＧｅ_ｙからなってもよい。リブ型導波路構造８１０は、ＰＮ接合に代えて、ＰＩＮ接合を含んでもよい。Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層８０８及びＳｉ_１−ｘ２Ｇｅ_ｘ２層８２２の導電タイプはｎ型であってもよい。

【0051】

図９は、本発明の１つの実施例による光位相変調器９００の断面図を概略的に示す。光位相変調器９００の構造は、ＰＮ接合９０６がｐ型Ｓｉ_１−ｙＧｅ_ｙ層９２６及びｎ型Ｓｉ_１−ｙＧｅ_ｙ層９２８を含むことを除いて、図１の光位相変調器１００と同様である。但し、ＰＮ接合９０６に含まれる層の構造は上記構成に限定されない。ｐ型Ｓｉ_１−ｙＧｅ_ｙ層９２６及びｎ型Ｓｉ_１−ｙＧｅ_ｙ層９２８において、Ｇｅの割合は任意の値をとることができる。また、ｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層９０８は、２つ以上のｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層（ｐ型Ｓｉ_０．７Ｇｅ_０．３層、ｐ型Ｓｉ_０．８Ｇｅ_０．２層など）を含んでもよい。図１と同様に、図９には、Ｓｉ基板９０２、ＢＯＸ層９０４、ｐ型Ｓｉ領域９３０、ｎ型Ｓｉ領域９３２、第１の電極９１２、第２の電極９１４、接地電極９１６、信号電極９１８及びクラッド９２０が示されており、ＰＮ接合９０６の接合界面９０６ａの位置は、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層９０８の中心９０８ａからｐ型Ｓｉ領域９３０の方向（すなわちマイナス方向）へオフセットしている。リブ型導波路構造９１０は、ＰＮ接合に代えて、ＰＩＮ接合を含んでもよい。Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層９０８の導電タイプはｎ型であってもよい。ｐ型Ｓｉ_１−ｙＧｅ_ｙ層９２６及びｎ型Ｓｉ_１−ｙＧｅ_ｙ層９２８におけるＧｅの組成は、ｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層９０８におけるＧｅの組成より小さくてもよい。例えば、ｐ型Ｓｉ_１−ｙＧｅ_ｙ層９２６及びｎ型Ｓｉ_１−ｙＧｅ_ｙ層９２８におけるＧｅの組成は１０〜２０％であってもよく、ｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層９０８におけるＧｅの組成は３０〜５０％であってもよい。図９の光位相変調器９００においても、図６乃至８と同様に、ｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層９０８の上部及び／又は側面に歪誘起膜が形成されてもよい。ＰＮ接合９０６は、ＳｉからなるＰＮ接合と、Ｓｉ_１−ｙＧｅ_ｙからなるＰＮ接合との積層構造からなる。本実施例においては、ＰＮ接合９０６がＳｉＧｅ層を含むので、ＰＮ接合９０６の屈折率が図１の光位相変調器１００と比較して高くなる。したがって、本実施例によれば、光の閉じ込め効果がより強くなり、光変調効率がより高くなる。

【0052】

図１０は、本発明の１つの実施例による光位相変調器１０００の断面図を概略的に示す。光位相変調器１０００の構造は、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ２Ｇｅ_ｘ２層１０２２がｐ型Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層１００８上に積層されることを除いて、図９の光位相変調器９００と同様である。ＰＮ接合１００６に含まれる層の構造は図１０に示される構成に限定されない。ｐ型Ｓｉ_１−ｙＧｅ_ｙ層１０２６及びｎ型Ｓｉ_１−ｙＧｅ_ｙ層１０２８において、Ｇｅの割合は任意の値をとることができる。図９と同様に、図１０には、Ｓｉ基板１００２、ＢＯＸ層１００４、ｐ型Ｓｉ領域１０３０、ｎ型Ｓｉ領域１０３２、第１の電極１０１２、第２の電極１０１４、接地電極１０１６、信号電極１０１８及びクラッド１０２０が示されており、ＰＮ接合１００６の接合界面１００６ａの位置は、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層１００８の中心１００８ａからｐ型Ｓｉ領域１０３０の方向（すなわちマイナス方向）へオフセットしている。リブ型導波路構造１０１０は、ＰＮ接合に代えて、ＰＩＮ接合を含んでもよい。Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層１００８及びＳｉ_１−ｘ２Ｇｅ_ｘ２層１０２２の導電タイプはｎ型であってもよい。図１０の光位相変調器１０００においても、図６乃至８と同様に、ｐ型Ｓｉ_１−ｘ２Ｇｅ_ｘ２層１０２２の上及び／もしくは側面、並びに／又はｐ型Ｓｉ_１−ｘ１Ｇｅ_ｘ１層１００８の側面に歪誘起膜が形成されてもよい。本実施例においては、ＰＮ接合１００６がＳｉＧｅ層を含むので、ＰＮ接合１００６の屈折率がＳｉのみからなるＰＮ接合の屈折率と比較して高くなる。したがって、本実施例によれば、光の閉じ込め効果がより強くなり、光変調効率がより高くなる。

【0053】

本発明の１つの実施例は、上述のような本発明の実施例による光位相変調器を備えた光強度変調器である。例えば、図１に示される光位相変調器１００をマッハ・ツェンダー干渉計の一方のアーム又は両方のアームにおいて用いることによって、光強度変調器を構成することができる。本発明の他の実施例の光位相変調器もまた、光強度変調器を構成するために用いることができる。本発明の実施例による光強度変調器は上記の構成に限定されない。本発明の光位相変調器を当業者に知られた方法で光強度変調器に適用することにより、本発明の特徴を備えた光強度変調器を得ることができることが理解されよう。

【0054】

本発明の１つの実施例において、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層（１０８、５０８、６０８、７０８、８０８、９０８、１００８）におけるＧｅの割合は０≦ｘ＜０．６の範囲に設定されてよい。Ｇｅの割合ｘが０．６以上になると光吸収が顕著になることから、Ｇｅの割合を０≦ｘ＜０．６の範囲とすることで、光位相変調器の挿入損失の増大を抑制することができる。

【0055】

本発明の１つの実施例において、シリコン基板（１０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２、１００２）の結晶方位は＜１１０＞であってよい。結晶方位を＜１１０＞とすることにより、自由キャリアの移動度が増大し、光吸収が低減する。これにより、高速で低損失な光位相変調器を実現できる。

【0056】

図１１Ａ乃至図１１Ｈは、図１に示される本発明の実施例による光位相変調器１００の製造工程を説明する。

【0057】

図１１Ａは、本発明の実施例に使用した基板構成を示したものである。Ｓｉ基板１０２上に積層されたＢＯＸ層（熱酸化膜）１０４上に、Ｓｉ層１０５が積層されたＳＯＩ基板からなる。

【0058】

図１１Ｂにおいて、Ｓｉ層１０５の一部を（例えば、ボロンなどで）ドープすることによって、ｐ型Ｓｉ領域１３０が形成される。また、Ｓｉ層１０５の別の部分を（例えば、リンなどで）ドープすることによって、ｎ型Ｓｉ領域１３２が形成される。これにより、基板上に横方向に形成されたＳｉからなるＰＮ接合１０６が形成される。ＰＮ接合１０６はＳｉ_１−ｙＧｅ_ｙからなっていてもよい。ＰＮ接合に代えてＰＩＮ接合が形成されてもよい。

【0059】

図１１Ｃにおいて、ｐ型Ｓｉ領域１３０のＰＮ接合１０６に隣接する一部をさらにｐ型でドープしてドーピング濃度を高めることにより、ｐ型電極１１２が形成される。また、ｎ型Ｓｉ領域１３２のＰＮ接合１０６に隣接する一部をさらにｎ型でドープしてドーピング濃度を高めることにより、ｎ型電極１１４が形成される。

【0060】

図１１Ｄにおいて、ＰＮ接合１０６、ｐ型電極１１２及びｎ型電極１１４の一部をエッチングする。

【0061】

図１１Ｅにおいて、エッチングされた部分に酸化膜マスク層１３６が形成される。さらに、ＰＮ接合１０６上の酸化膜マスク層が除去されて、凹み１３８が形成される。

【0062】

図１１Ｆにおいて、少なくとも１層からなるＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層が凹み１３８に形成され、この層がｐ型でドープされて、ｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８が形成される。したがって、ｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１０８はＰＮ接合１０６と電気的に接続される。

【0063】

図１１Ｇにおいて、酸化膜マスク層１３６が除去され、酸化膜（例えば、ＳｉＯ_２）クラッド層１２０が形成される。

【0064】

図１１Ｈにおいて、金属配線を用いて、接地電極１１６及び信号電極１１８が、ｐ型電極１１２及びｎ型電極１１４にそれぞれ接するように形成される。

【0065】

本発明は特定の実施例に関して記載されたが、本明細書に記載された実施例は、本発明を限定的に解釈することを意図したものではなく、本発明を例示的に説明することを意図したものである。本発明の範囲から逸脱することなく他の代替的な実施例を実施することが可能であることは当業者にとって明らかである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図11D】

【図11E】

【図11F】

【図11G】

【図11H】

【図12】