特開 2024-154317 光変調器素子、光送信器及び光トランシーバ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024154317

(43)【公開日】2024-10-30

(54)【発明の名称】光変調器素子、光送信器及び光トランシーバ

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/025 20060101AFI20241023BHJP

【ＦＩ】

G02F1/025

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023068091

(22)【出願日】2023-04-18

(71)【出願人】

【識別番号】309015134

【氏名又は名称】富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小川 憲介

【テーマコード（参考）】

2K102

【Ｆターム（参考）】

2K102AA17

2K102BA02

2K102BB01

2K102BB04

2K102BC04

2K102BD01

2K102CA11

2K102DA05

2K102DB04

2K102DD03

2K102EA08

2K102EA21

2K102EB22

(57)【要約】

【課題】高次モードの発生を抑制し、光信号の品質低下及び光損失を抑制できる光変調器素子等を提供する。
【解決手段】光変調器素子は、リブ型光導波路と、第１の薄膜と、第１の高濃度ドープ領域と、第１の金属電極とを有する。リブ型光導波路は、ＰＮ接合を有するリブ部と、前記リブ部のＰ型領域と連続するＰ型スラブ領域と、前記リブ部のＮ型領域と連続するＮ型スラブ領域と、を有する。第１の薄膜は、前記Ｐ型スラブ領域の上に形成され、前記Ｐ型スラブ領域の材質との電子親和力が異なる。第１の高濃度ドープ領域は、リブ部から離れた位置にある前記Ｐ型スラブ領域内の領域である。第１の金属電極は、前記第１の薄膜が上層に形成される前記Ｐ型スラブ領域の外側に位置する前記第１の高濃度ドープ領域と電気的に接続する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＰＮ接合を有するリブ部と、前記リブ部のＰ型領域と連続するＰ型スラブ領域と、前記リブ部のＮ型領域と連続するＮ型スラブ領域と、を有するリブ型光導波路と、
前記Ｐ型スラブ領域の上に形成され、前記Ｐ型スラブ領域の材質との電子親和力が異なる第１の薄膜と、
前記リブ部から離れた位置にある前記Ｐ型スラブ領域の第１の高濃度ドープ領域と、
前記第１の薄膜が上層に形成される前記Ｐ型スラブ領域の外側に位置する前記第１の高濃度ドープ領域と電気的に接続する第１の金属電極と、
を有することを特徴とする光変調器素子。

【請求項2】

前記第１の薄膜は、
前記第１の金属電極からギャップを隔てて前記Ｐ型スラブ領域上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。

【請求項3】

前記第１の薄膜は、
前記Ｐ型スラブ領域の材質に比較して電子親和力が小さい材質を含むことを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。

【請求項4】

前記第１の薄膜は、意図的にドーピングされていないアンドープ状態であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。

【請求項5】

前記第１の薄膜は、
前記リブ部の側壁からギャップを隔てて前記Ｐ型スラブ領域上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。

【請求項6】

前記第１の薄膜の少なくとも一部が前記第１の高濃度ドープ領域の上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。

【請求項7】

前記Ｎ型スラブ領域の上に形成され、前記Ｎ型スラブ領域の材質との電子親和力が異なる第２の薄膜と、
前記リブ部から離れた位置にある前記Ｎ型スラブ領域の第２の高濃度ドープ領域と、
前記第２の薄膜が上層に形成される前記Ｎ型スラブ領域の外側に位置する前記第２の高濃度ドープ領域と電気的に接続する第２の金属電極と、
を更に有することを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。

【請求項8】

前記リブ型光導波路は、シリコンを含み、
前記第１の薄膜及び前記第２の薄膜は、ゲルマニウムを含むことを特徴とする請求項７に記載の光変調器素子。

【請求項9】

前記第１の薄膜及び前記第２の薄膜は、ゲルマニウム組成比が少なくとも０．２～０．４のシリコン・ゲルマニウムで構成することを特徴とする請求項８に記載の光変調器素子。

【請求項10】

送信信号を用いて光を光変調して送信光を送信する光変調器素子を有する光送信器であって、
前記光変調器素子は、
ＰＮ接合を有するリブ部と、前記リブ部のＰ型領域と連続するＰ型スラブ領域と、前記リブ部のＮ型領域と連続するＮ型スラブ領域と、を有するリブ型光導波路と、
前記Ｐ型スラブ領域の上に形成され、前記Ｐ型スラブ領域の材質との電子親和力が異なる第１の薄膜と、
前記リブ部から離れた位置にある前記Ｐ型スラブ領域の第１の高濃度ドープ領域と、
前記第１の薄膜が上層に形成される前記Ｐ型スラブ領域の外側に位置する前記第１の高濃度ドープ領域と電気的に接続する第１の金属電極と、
を有することを特徴とする光送信器。

【請求項11】

送信信号を用いて光を光変調して送信光を送信する光変調器素子と、
光を用いて受信光から受信信号を受信する光受信器素子と、
を有する光トランシーバであって、
前記光変調器素子は、
ＰＮ接合を有するリブ部と、前記リブ部のＰ型領域と連続するＰ型スラブ領域と、前記リブ部のＮ型領域と連続するＮ型スラブ領域と、を有するリブ型光導波路と、
前記Ｐ型スラブ領域の上に形成され、前記Ｐ型スラブ領域の材質との電子親和力が異なる第１の薄膜と、
前記リブ部から離れた位置にある前記Ｐ型スラブ領域の第１の高濃度ドープ領域と、
前記第１の薄膜が上層に形成される前記Ｐ型スラブ領域の外側に位置する前記第１の高濃度ドープ領域と電気的に接続する第１の金属電極と、
を有することを特徴とする光トランシーバ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光変調器素子、光送信器及び光トランシーバに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、例えば、データセンタ、５Ｇフロントホール・バックホール等の通信容量の増加に伴って、大容量の光ファイバ通信の需要が増大しているため、電気信号を光信号に変調する光変調器素子を使用した光トランシーバが広く普及している。光トランシーバに使用される光変調器素子は、光損失を低減しながら、高速通信を実現している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０２２／０１８７６３５号明細書

【特許文献2】米国特許出願公開第２０２２／００２６７４７号明細書

【特許文献3】米国特許出願公開第２０２２／０２５２９１１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

光変調器素子では、導波モードの電界が伸長すると、高次モードが発生し、高次モードのモード間干渉により、光変調信号の消光比や光変調強度が低下し、ビットエラーが増大して光信号の品位が低下してしまう。しかも、高次モードが発生すると、基底モードから高次モードへと光エネルギが移行して光損失が発生する。

【0005】

一つの側面では、高次モードの発生を抑制しながら、光信号の品質低下及び光損失を抑制できる光変調器素子等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】

【0006】

一つの態様の光変調器素子は、リブ型光導波路と、第１の薄膜と、第１の高濃度ドープ領域と、第１の金属電極とを有する。リブ型光導波路は、ＰＮ接合を有するリブ部と、前記リブ部のＰ型領域と連続するＰ型スラブ領域と、前記リブ部のＮ型領域と連続するＮ型スラブ領域と、を有する。第１の薄膜は、前記Ｐ型スラブ領域の上に形成され、前記Ｐ型スラブ領域の材質との電子親和力が異なる材料を有する。第１の高濃度ドープ領域は、前記リブ部から離れた位置にある前記Ｐ型スラブ領域内の高濃度のドープ領域である。第１の金属電極は、前記第１の薄膜が上層に形成される前記Ｐ型スラブ領域の外側に位置する前記第１の高濃度ドープ領域と電気的に接続する。

【発明の効果】

【0007】

一つの側面によれば、高次モードの発生を抑制しながら、光信号の品質低下及び光損失を抑制できる光変調器素子等を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施例１の光変調器素子の略断面部分の一例を示す説明図である。

【図2】図２は、実施例１の光変調器素子のドーパント配置構成分の一例を示す説明図である。

【図3A】図３Ａは、実施例１の光変調器素子の導波モードの電界分布の一例を示す説明図である。

【図3B】図３Ｂは、比較例の光変調器素子の導波モードの電界分布の一例を示す説明図である。

【図4】図４は、比較例の光変調器素子及び実施例１の光変調器素子での基底モードの電界プロファイルの一例を示す説明図である。

【図5】図５は、Ｓｉ及びＧｅのバンドギャップの一例を示す説明図である。

【図6】図６は、電子・ホールの移動度と不純物濃度との関係の一例を示す説明図である。

【図7】図７は、ＲＦ周波数とＥＯ応答との対応関係の一例を示す説明図である。

【図8】図８は、実施例２の光変調器素子のドーパント配置構成分の一例を示す説明図である。

【図9】図９は、実施例２の光変調器素子の薄膜の略断面部分の一例を示す説明図である。

【図10】図１０は、実施例３の光変調器素子のドーパント配置構成分の一例を示す説明図である。

【図11】図１１は、実施例３の光変調器素子の略断面部分の一例を示す説明図である。

【図12】図１２は、他の光変調器素子の略断面部分の一例を示す説明図である。

【図13】図１３は、本実施例の光トランシーバの一例を示すブロック図である。

【図14】図１４は、比較例の光変調器素子の略断面部分の一例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１４は、比較例の光変調器素子１００の略断面部分の一例を示す説明図である。図１４に示す光変調器素子１００は、リブ型導波路１０１と、リブ型導波路１０１と電気的に接続すると共に、信号電極１０４と接続する金属電極１０３とを有する。リブ型導波路１０１は、リブ形状のコア１０２で構成し、コア１０２を挟み込む上部クラッド層１０６及び下部クラッド層１０５と、を有する。コア１０２は、リブ部１１１と、リブ部１１１の両側と連続するスラブ部１１２と、スラブ部１１２上に形成する薄膜１１３とを有する。

【0010】

リブ部１１１は、横型のＰＮ接合を構成するＰ型領域１１１Ａ及びＮ型領域１１１Ｂを有する。スラブ部１１２は、Ｐ型領域１１１Ａと連続するＰ型スラブ領域１１２Ａと、Ｎ型領域１１１Ｂと連続するＮ型スラブ領域１１２Ｂとを有する。薄膜１１３は、Ｐ型スラブ領域１１２Ａ上に形成された第１の薄膜１１３Ａと、Ｎ型スラブ領域１１２Ｂ上に形成された第２の薄膜１１３Ｂとを有する。金属電極１０３は、第１の薄膜１１３Ａと電気的に接続する第１の金属電極１０３Ａと、第２の薄膜１１３Ｂと電気的に接続する第２の金属電極１０３Ｂとを有する。第１の金属電極１０３Ａは、信号電極１０４内の第１の信号電極１０４Ａと電気的に接続すると共に、第２の金属電極１０３Ｂは、信号電極１０４内の第２の信号電極１０４Ｂと電気的に接続する。

【0011】

第１の薄膜１１３Ａは、Ｐ型スラブ領域１１２Ａの材質と電子親和力が異なる半導体材料で構成される。尚、半導体の電子親和力とは、外部の真空準位から半導体の伝導体の底にまで電子１個を移動させる際に得られるエネルギである。

【0012】

第２の薄膜１１３Ｂは、Ｎ型スラブ領域１１２Ｂの材質と電子親和力が異なる半導体材料で構成される。第１の薄膜１１３Ａは、リブ部１１１のＰ型領域１１１Ａの側壁からギャップｇ１１を隔ててＰ型スラブ領域１１２Ａ上に形成されている。また、第２の薄膜１１３Ｂは、リブ部１１１のＮ型領域１１１Ｂの側壁からギャップｇ１２を隔ててＮ型スラブ領域１１２Ｂ上に形成されている。

【0013】

第１の薄膜１１３ＡとＰ型スラブ領域１１２Ａとの界面には、ＳｉとＧｅとのヘテロ接合が形成される。また、第２の薄膜１１３ＢとＮ型スラブ領域１１２Ｂとの界面にも、ＳｉとＧｅとのヘテロ接合が形成される。

【0014】

従って、比較例の光変調器素子１００では、ヘテロ接合で形成される高移動度のキャリアによって第１の信号電極１０４Ａと第２の信号電極１０４Ｂとの間の電気抵抗が小さくなる。その結果、直列電気抵抗Ｒと静電容量Ｃとの積で与えられるＲＣ時定数を低減できる。

【0015】

比較例の光変調器素子１００では、第１の薄膜１１３Ａ及び第２の薄膜１１３Ｂが金属電極１０３の直下まで延びている。ヘテロ接合を形成して電子及び正孔（ホール）の移動度を高めるには、第１の薄膜１１３Ａ及び第２の薄膜１１３Ｂを形成する材料として、リブ形状のコア１０２を形成する材料に比較して高い屈折率を有する材料が使用される。量産に適するシリコンフォトニクスをプラットフォームとして設計・製造される場合、コア１０２は、例えば、シリコン結晶で構成し、第１の薄膜１１３Ａ及び第２の薄膜１１３Ｂは、例えば、ゲルマニウム結晶、あるいはシリコン・ゲルマニウム混晶で構成する。つまり、第１の薄膜１１３Ａ及び第２の薄膜１１３Ｂの屈折率はコア１０２よりも高い。その結果、導波モードの電界は、金属電極１０３及び、金属電極１０３直下のスラブ部１１２まで伸長するため、金属電子及びキャリアによる光吸収が生じて光損失が発生する。例えば、金属電極１０３の直下のスラブ部１１２を高濃度ドープ領域とした場合、電界が高濃度ドープ領域まで伸長するため、金属電子及び高濃度キャリアによる光吸収が生じて光損失が発生する。

【0016】

また、光変調器素子１００に、シリコン・ゲルマニウム以外の材料、例えば、III－Ｖ族の一つであるＧａＡｓ系を使用したとしても、コア１０２はＡｌＧａＡｓ混晶、第１の薄膜１１３Ａ及び第２の薄膜１１３ＢはＧａＡｓ結晶を含む構成となる。しかしながら、ＧａＡｓ結晶の方がＡｌＧａＡｓ混晶に比較して屈折率が高いため、やはり、光損失が発生する。

【0017】

しかも、光変調器素子１００では、導波モードの電界が伸長すると、高次モードが発生し、高次モードのモード間干渉により、光変調信号の消光比や光変調強度が低下し、ビットエラーが増大して光信号の品位が低下してしまう。しかも、高次モードが発生すると、基底モードから高次モードへと光エネルギが移行して光損失が発生する。

【0018】

また、光変調器素子１００では、金属電極１０３の直下に第１の薄膜１１３Ａ及び第２の薄膜１１３Ｂが存在しているので、金属電極１０３との低抵抗コンタクトを達成するため、第１の薄膜１１３Ａ及び第２の薄膜１１３Ｂに高い導電性を備える必要がある。そこで、第１の薄膜１１３Ａ及び第２の薄膜１１３Ｂに対するイオン注入によって高濃度のドーパントを分布させ、アニーリングによりドーパントを活性化させる必要がある。そして、格子歪みを有するヘテロ接合の場合、アニーリングによる温度上昇によって格子緩和が生じ、ヘテロ接合界面に結晶欠陥が発生してしまう。その結果、結晶欠陥による散乱により電気抵抗が大きくなって、ＲＣ時定数を小さくできなくなる。ヘテロ接合界面に発生する結晶欠陥は、ウエハ上で不規則に分布し、長期間の使用に伴って増える傾向があるため、光変調器素子１００の量産性の低下や信頼性を損なうことになる。

【0019】

そこで、高次モードの発生を抑制しながら、光信号の品質低下及び光損失を抑制できる本実施例の光変調器素子が求められている。

【0020】

以下、本願が開示する光変調器素子等の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下に示す各実施例は、矛盾を起こさない範囲で適宜組み合わせても良い。

【実施例0021】

図１は、実施例１の光変調器素子１の略断面部分の一例を示す説明図である。尚、図１は、光変調器素子１の基底モードが伝搬する方向と直交する断面である。図１に示す光変調器素子１は、リブ型導波路２と、リブ型導波路２の両端に電気的に接続すると共に、信号電極１６と電気的に接続する金属電極３とを有する。リブ型導波路２は、リブ形状のコア１０と、コア１０を挟み込む上部クラッド層１４及び下部クラッド層１３とを有する。尚、説明の便宜上、下部クラッド層１３は、支持基板上に積層されているものの、支持基板の図示は省略する。コア１０は、リブ部１１と、リブ部１１の両側と連続するスラブ部１２と、スラブ部１２上に形成する薄膜１５と、を有する。リブ部１１は、Ｐ型領域１１Ａと、Ｎ型領域１１Ｂとを有する。スラブ部１２は、リブ部１１内のＰ型領域１１Ａと連続するＰ型スラブ領域１２Ａと、リブ部１１内のＮ型領域１１Ｂと連続するＮ型スラブ領域１２Ｂとを有する。薄膜１５は、Ｐ型スラブ領域１２Ａ上に形成された第１の薄膜１５Ａと、Ｎ型スラブ領域１２Ｂ上に形成された第２の薄膜１５Ｂとを有する。

【0022】

金属電極３は、上部クラッド層１４を上下に貫通して、Ｐ型スラブ領域１２Ａと電気的に接続する第１の金属電極３Ａと、上部クラッド層１４を上下に貫通してＮ型スラブ領域１２Ｂと電気的に接続する第２の金属電極３Ｂとを有する。第１の金属電極３Ａは、信号電極１６内の第１の信号電極１６Ａと電気的に接続する。第２の金属電極３Ｂは、信号電極１６内の第２の信号電極１６Ｂと電気的に接続する。

【0023】

図２は、実施例１の光変調器素子１のドーパント配置構成の一例を示す説明図である。図２に示すコア１０は、Ｐ領域１２Ａ１と、Ｐ＋領域１２Ａ２と、Ｐ＋＋領域１２Ａ３と、Ｎ領域１２Ｂ１と、Ｎ＋領域１２Ｂ２と、Ｎ＋＋領域１２Ｂ３とを有する。Ｐ領域１２Ａ１は、Ｐ型領域１１Ａ及び、Ｐ型領域１１Ａと連続するＰ型スラブ領域１２Ａの一部で構成する。Ｐ＋領域１２Ａ２は、Ｐ領域１２Ａ１と接続するＰ型スラブ領域１２Ａの一部で高ドープ領域を構成する。Ｐ＋＋領域１２Ａ３は、Ｐ＋領域１２Ａ２と接続するＰ型スラブ領域１２Ａの一部で高濃度ドープ領域を構成する。ドーピング濃度は、Ｐ領域１２Ａ１＜Ｐ＋領域１２Ａ２＜Ｐ＋＋領域１２Ａ３の関係である。高濃度ドープ領域であるＰ＋＋領域１２Ａ３は、リブ部のＰ型領域と連続するＰ型スラブ領域の中で最もドーピング濃度が高い領域と言うことができる。

【0024】

第１の金属電極３Ａは、第１の薄膜１５Ａが上層に形成されるＰ型スラブ領域１２Ａの外側に位置するＰ＋＋領域１２Ａ３と電気的に接続する。つまり、第１の金属電極３Ａは、第１の薄膜１５Ａが上層に形成されるＰ型スラブ領域１２Ａの外側、かつリブ部１１から遠く離れた側に位置するＰ＋＋領域１２Ａ３と電気的に接続する。Ｐ＋＋領域１２Ａ３は、第１の金属電極３Ａの底部と接してＰ側のコンタクト領域となる。Ｐ＋＋領域１２Ａ３は、第１の薄膜１５Ａと接触し、かつ、水平方向で重なっている。その結果、Ｐ型スラブ領域１２Ａに比較して正孔に対する電子親和力が高いアンドープの第１の薄膜１５Ａに正孔が引き入れられて分布し、第１の薄膜１５Ａ中に高移動度の正孔が二次元キャリアとして存在することで、直列電気抵抗の低減が可能となる。Ｐ＋＋領域１２Ａ３と第１の薄膜１５Ａとの水平方向の重なりは５０ｎｍ程度とする。また、Ｐ＋＋領域１２Ａ３と第１の薄膜１５Ａとの水平方向の重なりは、加工工程における光学マスクによるパターニングの位置合わせ精度を考慮した場合、１００ｎｍ程度にすることが好ましい。

【0025】

Ｎ領域１２Ｂ１は、Ｎ型領域１１Ｂ及び、Ｎ型領域１１Ｂと連続するＮ型スラブ領域１２Ｂの一部で構成する。Ｎ＋領域１２Ｂ２は、Ｎ領域１２Ｂ１と接続するＮ型スラブ領域１２Ｂの一部で高ドープ領域を構成する。Ｎ＋＋領域１２Ｂ３は、Ｎ＋領域１２Ｂ２と接続するＮ型スラブ領域１２Ｂの一部で高濃度ドープ領域を構成する。第２の金属電極３Ｂは、第２の薄膜１５Ｂが上層に形成されるＮ型スラブ領域１２Ｂの外側に位置するＮ＋＋領域１２Ｂ３と電気的に接続する。つまり、第２の金属電極３Ｂは、第２の薄膜１５Ｂが上層に形成されるＮ型スラブ領域１２Ｂの外側、かつリブ部１１から遠く離れた側に位置するＮ＋＋領域１２Ｂ３と電気的に接続する。Ｎ＋＋領域１２Ｂ３は、第２の金属電極３Ｂの底部と接してＮ側のコンタクト領域となる。ドーピング濃度は、Ｎ領域１２Ｂ１＜Ｎ＋領域１２Ｂ２＜Ｎ＋＋領域１２Ｂ３の関係である。高濃度ドープ領域であるＮ＋＋領域１２Ｂ３は、リブ部のＮ型領域と連続するＮ型スラブ領域の中で最もドーピング濃度が高い領域と言うことができる。

【0026】

Ｎ＋＋領域１２Ｂ３は、第２の薄膜１５Ｂと接触し、かつ、水平方向で重なっている。Ｎ＋＋領域１２Ｂ３と第２の薄膜１５Ｂとの水平方向の重なりは５０ｎｍ程度とする。また、Ｎ＋＋領域１２Ｂ３と第２の薄膜１５Ｂとの水平方向の重なりは、加工工程における光学マスクによるパターニングの位置合わせ精度を考慮した場合、１００ｎｍ程度にすることが好ましい。

【0027】

尚、各領域のドーピング濃度は、例えば以下のように設定する。Ｐ領域１２Ａ１は、例えば、５×１０^１７ｃｍ^－３、Ｐ＋領域１２Ａ２は、例えば、５×１０^１８ｃｍ^－３、Ｐ＋＋領域１２Ａ３は、例えば、１×１０^２０ｃｍ^－３とする。Ｎ領域１２Ｂ１は、例えば、２×１０^１７ｃｍ^－３、Ｎ＋領域１２Ｂ２は、例えば、５×１０^１８ｃｍ^－３、Ｎ＋＋領域１２Ｂ３は、例えば、１×１０^２０ｃｍ^－３とする。但し、これらのドーピング密度の配置や設定は一例であり、これらに限るものではなく、適宜変更可能である。

【0028】

第１の金属電極３Ａは、上部クラッド層１４を上下に貫通して、Ｐ型スラブ領域１２Ａ内のＰ＋＋領域１２Ａ３と電気的に接続する。第２の金属電極３Ｂは、上部クラッド層１４を上下に貫通してＮ型スラブ領域１２Ｂ内のＮ＋＋領域１２Ｂ３と電気的に接続する。

【0029】

第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂの厚みをhOL、スラブ部１２の厚みをhslab、リブ部１１の厚みをhribとした場合、光変調器素子１のリブ部１１の厚みは、スラブ部１２及び第１の薄膜１５Ａ（又は第２の薄膜１５Ｂ）を合計した厚みに比較して厚くなる。つまり、リブ部１１の厚みは、hrib＞hslab＋hOLである。

【0030】

リブ部１１と薄膜１５との間にはギャップ領域１７が形成されている。リブ部１１と第１の薄膜１５Ａとの間には、幅ｇ１の第１のギャップ領域１７Ａが形成されている。また、リブ部１１と第２の薄膜１５Ｂとの間にも、幅ｇ２の第２のギャップ領域１７Ｂが形成されている。しかしながら、光変調器素子１に求められる光損失に応じて、第１のギャップ領域１７Ａ及び第２のギャップ領域１７Ｂは設けなくても良く、適宜変更可能である。

【0031】

金属電極３と薄膜１５との間にはギャップ領域１８が形成されている。ギャップ領域１８は、第１の薄膜１５Ａと第１の金属電極３Ａとの間に形成されている幅ｇ３の第３のギャップ領域１８Ａと、第２の薄膜１５Ｂと第２の金属電極３Ｂとの間に形成されている幅ｇ４の第４のギャップ領域１８Ｂとを有する。

【0032】

コア１０、第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂは、上部クラッド層１４で被覆されている。従って、第１のギャップ領域１７Ａ、第２のギャップ領域１７Ｂ、第３のギャップ領域１８Ａ及び第４のギャップ領域１８Ｂにも上部クラッド層１４が存在する。

【0033】

第１の薄膜１５Ａと第１の金属電極３Ａとの間に第３のギャップ領域１８Ａが存在するため、第１の薄膜１５Ａは横方向に有限である。また、第２の薄膜１５Ｂと第２の金属電極３Ｂとの間に第４のギャップ領域１８Ｂが存在するため、第２の薄膜１５Ｂも横方向に有限である。つまり、第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂは横方向に有限である。従って、コア１０を伝搬する基底モードの電界が、横方向に伸長することが抑制されると共に、第１の金属電極３Ａ及び第２の金属電極３Ｂ直下の高濃度ドープ領域（Ｐ＋＋領域１２Ａ３及びＮ＋＋領域１２Ｂ３）への伸長を抑制できる。その結果、光損失の低減及び高次モードの抑圧が可能となる。

【0034】

光変調器素子１Ａでは、第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂに意図的にドーピングすることなく、アンドープの第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂを配置したので、直列電気抵抗を低減し、ＲＣ時定数を短縮できる。

【0035】

リブ部１１の幅wribは、例えば、４５０～５００ｎｍに設定することにより、リブ部１１での高次モードの発生を抑え、かつ、側壁荒れの影響を低減したコア１０を形成し、低光損失の光変調器のための基本構造として利用できる。コア１０は、例えば、シリコン結晶、上部クラッド層１４及び下部クラッド層１３はともにシリカである。第１の金属電極３Ａ及び第２の金属電極３Ｂはアルミニウムの成膜、光学描画やエッチングにより形成される。リブ部１１の厚みhribは、例えば、２２０ｎｍ、Ｐ型スラブ領域１２Ａ及びＮ型スラブ領域１２Ｂの厚みhslabは、例えば、１００ｎｍ、第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂの厚みhOLは、例えば、１０ｎｍとする。第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂは、第１の金属電極３Ａ及び第２の金属電極３Ｂと分離され、第１の金属電極３Ａ及び第２の金属電極３Ｂの底面に比較して上側に位置している。

【0036】

第１のギャップ領域１７Ａの幅ｇ１及び第２のギャップ領域１７Ｂの幅ｇ２は、例えば、５０～２００ｎｍとする。例えば、第１のギャップ領域１７Ａの幅ｇ１及び第２のギャップ領域１７Ｂの幅ｇ２が５０ｎｍより狭くした場合を想定する。この場合、コア１０に比較して屈折率が高いゲルマニウム結晶の第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂによって基底モードの電界がＰ型スラブ領域１２Ａ及びＮ型スラブ領域１２Ｂへと拡がることになる。従って、加工における位置合わせ精度を考慮して、第１のギャップ領域１７Ａの幅ｇ１及び第２のギャップ領域１７Ｂの幅ｇ２は、例えば、５０～２００ｎｍの範囲内であることが好ましい。

【0037】

コア１０の形状の対称性を保って偏波回転を避けるため、第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂの幅は、例えば、７００ｎｍとする。また、第３のギャップ領域１８Ａの幅ｇ３及び第４のギャップ領域１８Ｂの幅ｇ４も、例えば、５００ｎｍとする。第３のギャップ領域１８Ａの幅ｇ３及び第４のギャップ領域１８Ｂの幅ｇ４は５００ｎｍに設定した場合、基底モードの電界がＰ＋＋領域１２Ａ３及びＮ＋＋領域１２Ｂ３へと拡がるのを抑制できる。

【0038】

図３Ａは、実施例１の光変調器素子１の導波モードの電界分布の一例を示す説明図である。図３Ｂは、比較例の光変調器素子１００の導波モードの電界分布の一例を示す説明図である。光変調器素子１のコア１０は、例えば、シリコン結晶、第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂは、例えば、ゲルマニウム結晶で構成するものとする。また、光変調器素子１００のコア１０２も、例えば、シリコン結晶、第１の薄膜１１３Ａ及び第２の薄膜１１３Ｂは、例えば、ゲルマニウム結晶で構成するものとする。シリコン結晶の屈折率は３．４８、ゲルマニウム結晶の屈折率は４．２８である。図３Ａに示す光変調器素子１の導波モードの電界分布は、図３Ｂに示す比較例の光変調器素子１００の導波モードの電界分布に比較して水平方向の広がりが抑制されていることが解る。

【0039】

図４は、比較例の光変調器素子１００と実施例１の光変調器素子１での基底モードの電界プロファイルの一例を示す説明図である。図４に示す電界分布では、図３Ａ及び図３Ｂにおける基底モードのプロファイルの垂直方向、すなわち、垂直方向の位置を示すｙ軸に対し、位置ｙ＝５０ｎｍでの波形が抽出されて表示されている。

【0040】

実施例１の光変調器素子１では、図４に示すように、コア１０と下部クラッド層１３との境界面（水平面）に沿う方向、すなわち、ｘ軸に対して、基底モードの電界分布の広がりが抑制されている。実施例１の光変調器素子１では、比較例の光変調器素子１００に比較して電界分布の広がりを抑制できるため、光損失の低減及び高次モードの抑圧が可能となる。しかも、金属電極３と接触するスラブ部１２をＰ＋＋領域１２Ａ３及びＮ＋＋領域１２Ｂ３の高濃度ドープ領域としているので、金属電子及び高濃度キャリアによる光吸収が比較例に比較しても半分以下に低減できる。

【0041】

図５は、Ｓｉ及びＧｅのバンドギャップの一例を示す説明図である。コア１０に、例えば、シリコン結晶、第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂに、例えば、ゲルマニウム結晶で構成する場合では、図５に示すようにヘテロ接合のバンド配置はType IIとなる。電子はバンド端のエネルギがゲルマニウムよりも低い（電子親和力がゲルマニウムよりも高い）シリコン側に分布する。しかしながら、伝導帯のバンドオフセットは小さい（電子親和力の差は小さい）ので、室温では、電子はゲルマニウム中にも分布する。従って、シリコン及びアンドープゲルマニウム両方の経路を伝導することにより、移動度が増加する。

【0042】

図６は、電子・ホールの移動度と不純物濃度との関係の一例を示す説明図である。尚、図６に示す比較例は薄膜１５なしの光変調器素子である。高移動度の二次元正孔及び電子が分布する第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂに第１の金属電極３Ａ及び第２の金属電極３Ｂを直接接続せず、Ｐ＋＋領域１２Ａ３及びＮ＋＋領域１２Ｂ３に接続し、かつ、図２に示すドーパント構成を採用する。その結果、電気特性の最適化（電気抵抗減少による高速化）及び、光学特性の最適化（モード広がり抑制による光損失の低減及び高次モードの抑圧）を同時に達成できる。

【0043】

第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂには、ドーパントによる不純物イオンが分布しないので、イオン化不純物による散乱が起こらず、電子及び正孔の移動度が上昇する。図６の特性曲線により、移動度の増加を見積もることができる。シリコン・ゲルマニウムのヘテロ接合では、アンドープゲルマニウム中を正孔が伝導することにより、正孔の移動度増加が著しい。しかしながら、正孔及び電子の移動度増加を考慮すると、光変調器素子１は、第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂが存在しない場合に比較して、半分以下に電気抵抗を低減できる。

【0044】

また、光変調器素子１は、金属電極３の直下に第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂが存在していないので、金属電極３との低抵抗コンタクトを達成するため、第１の薄膜１１３Ａ及び第２の薄膜１１３Ｂに高い導電性を備える必要がなくなる。その結果、結晶欠陥の発生が無くなるため、光変調器素子１Ａの量産性及び信頼性の向上を図ることができる。

【0045】

実施例１の光変調器素子１では、第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂが横方向に有限であるため、第１の金属電極３ＡとＰ型スラブ領域１２Ａとの間を直接接続すると共に、第２の金属電極３ＢとＮ型スラブ領域１２Ｂとの間を直接接続する。その結果、電界分布の水平方向への広がりを抑制することで、光損失の低減及び高次モードの抑圧を図ることができる。しかも、例えば、第１の金属電極３Ａ及び第２の金属電極３Ｂと高濃度ドープ領域とが重なるように配置したので、比較例の光変調器素子１００に比較して光吸収を低減できる。つまり、導波モードの電界伸長による高次モードの発生を抑制し、光信号の品質低下および光損失を抑制できる。

【0046】

光変調器素子１では、Ｐ領域１２Ａ１及びＰ＋領域１２Ａ２に比較して高いキャリア密度を有するＰ＋＋領域１２Ａ３が第１の薄膜１５Ａと接触し、かつ水平方向で重なっている。その結果、Ｐ＋領域１２Ａ２やＰ＋＋領域１２Ａ３等に存在するキャリアが第１の薄膜１５Ａに拡散して分布することになる。従って、第１の薄膜１５Ａの移動度を高くして電気抵抗の低減を図ることができる。

【0047】

光変調器素子１では、Ｎ領域１２Ｂ１及びＮ＋領域１２Ｂ２に比較して高いキャリア密度を有するＮ＋＋領域１２Ｂ３が第２の薄膜１５Ｂと接触し、かつ水平方向で重なっている。その結果、Ｎ＋領域１２Ｂ２やＮ＋＋領域１２Ｂ３等に存在するキャリアが第２の薄膜１５Ｂに拡散して分布することになる。従って、第２の薄膜１５Ｂの移動度を高くして電気抵抗の低減を図ることができる。

【0048】

尚、Ｐ領域１２Ａ１とＰ＋領域１２Ａ２との境界は、第１の薄膜１５Ａの直下にあり、水平方向で第１の薄膜１５Ａと重なっている。しかし、これは必ずしも必要でなく、Ｐ領域１２Ａ１とＰ＋領域１２Ａ２との境界は水平方向で第１の薄膜１５Ａの外側、すなわち第１の薄膜１５Ａに比較して中央のリブ部１１に近い側に存在しても良く、適宜変更可能である。

【0049】

また、Ｎ領域１２Ｂ１とＮ＋領域１２Ｂ２との境界は、第２の薄膜１５Ｂの直下にあり、水平方向で第２の薄膜１５Ｂと重なっている。しかし、これは必ずしも必要でなく、Ｎ領域１２Ｂ１とＮ＋領域１２Ｂ２との境界は水平方向で第２の薄膜１５Ｂの外側、すなわち第２の薄膜１５Ｂに比較して中央のリブ部１１に近い側に存在しても良く、適宜変更可能である。

【0050】

尚、本実施例の２個の光変調器素子１を使用してマッハツェンダ干渉計の２本のアームに配置することで、位相変調部等の光変調器を構成しても良く、適宜変更可能である。図７は、本実施例の光変調器素子１を使用した光変調器の電気－光学周波数応答のシミュレーション結果の一例を示す説明図である。尚、本実施例の光変調器素子１を採用した光変調器のシミュレーション結果を実線、比較例の光変調器素子１００を採用した光変調器のシミュレーション結果を破線、比較例の薄膜なしの光変調器素子を採用した光変調器のシミュレーション結果を点線で示すものとする。比較例の光変調器素子１００は、図１４に示す光変調器素子１００である。薄膜なしの光変調器素子は、高移動度の正孔若しくは電子が分布する第１の薄膜１１３Ａ及び第２の薄膜１１３Ｂと同等の高移動度層がスラブ部の直上に配置されていないリブ型コアで構成する。説明の便宜上、比較例の光変調器素子１００を採用した光変調器は第１の光変調器、比較例の薄膜なしの光変調器素子を採用した光変調器は第２の光変調器とする。

【0051】

各光変調器のシミュレーションのパラメータは以下の通りである。光変調器の導波路の寸法は、リブ幅Wribを５００ｎｍ、リブ厚みhribを２２０ｎｍ、導波路長３ｍｍとする。

【0052】

本実施例の光変調器の導波路における光損失は０．４ｄＢ／ｍｍと見積もることができる。これに対して、比較例の第１の光変調器及び第２の光変調器の導波路における光損失は、高次モードによる損失を考慮して０．６ｄＢ／ｍｍと見積もることができる。

【0053】

つまり、シミュレーションでは、直列電気抵抗Ｒ、静電容量Ｃからなる電気回路として電気特性を数値解析し、得られた電気特性を、光変調器である位相変調部の周波数特性として入力し、光干渉強度の周波数応答を導出した。直列電気抵抗Ｒ及び静電容量Ｃは以下の値を用いた。その結果、本実施例の光変調器及び比較例の第１の光変調器の直列電気抵抗Ｒは、例えば、１．７Ω、第２の光変調器の直列電気抵抗Ｒは、例えば、３．５Ωである。更に、本実施例の光変調器、比較例の第１の光変調器及び第２の光変調器の静電容量Ｃは、すべて１．２ｐＦ（ＤＣ逆バイアス３Ｖ）である。

【0054】

従って、図７に示すシミュレーション結果からわかるように、本実施例の光変調器の光損失は、比較例の第１の光変調器の光損失に比較して、さらに２ｄＢ改善できる。

【0055】

尚、実施例１の光変調器素子１では、シリコン・ゲルマニウム系の材料で構成する場合を例示したが、これに限定されるものではなく、III－Ｖ化合物のＧａＡｓ系やＩｎＰ系の材料でも可能である。また、これらとシリコン・ゲルマニウム系を組み合わせても良く、適宜変更可能である。尚、ＧaＡs系の材料で構成する場合、リブ部１１、Ｐ型スラブ領域１２Ａ及びＮ型スラブ領域１２Ｂは、例えば、ＡｌＧａＡｓ、第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂは、例えば、ＧａＡｌＡｓで構成しても良い。また、ＩｎＰ系の材料で構成する場合、リブ部１１、Ｐ型スラブ領域１２Ａ及びＮ型スラブ領域１２Ｂは、例えば、ＩｎＰ、第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂは、例えば、ＧａＩｎＡｓで構成しても良く、適宜変更可能である。

【0056】

本実施例では、導波モードの電界伸長による高次モードの発生を抑制し、光信号の品質低下及び光損失を抑制できる光変調器素子１を提供できる。

【0057】

尚、実施例１の光変調器素子１では、第１の薄膜１５Ａ及び第２の薄膜１５Ｂをゲルマニウム結晶で構成する場合を例示したが、ゲルマニウム結晶では、シリコン結晶との格子不整合が大きいため、格子緩和が生じない臨界膜厚は１ｎｍ以下とすることが望ましい。しかしながら、ゲルマニウム結晶を成膜して作製する際、格子緩和を発生することも考えられる。また、ゲルマニウムの光吸収端波長は１６００ｎｍ以上であり、光通信のＣ帯又はＯ帯では光吸収による損失が発生することも考えられる。

【0058】

そこで、このような事態に対処する実施の形態につき、実施例２として以下に説明する。尚、実施例１の光変調器素子１と同一の構成には同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。図８は、実施例２の光変調器素子１のドーパント配置構成の一例を示す説明図である。

【実施例0059】

例えば、シリコン・ゲルマニウム混晶を使用した場合、臨界膜厚を増すことができると同時に、光吸収端波長が短くなるため、光吸収による損失も低下できることも考えられる。そこで、図８に示すように、ゲルマニウム結晶の代わりに、シリコン・ゲルマニウム混晶を第１の薄膜１５Ａ１及び第２の薄膜１５Ｂ１として使用する。

【0060】

図９は、実施例２の光変調器素子１の薄膜１５の略断面部分の一例を示す説明図である。図９に示す光変調器素子１のシリコン・ゲルマニウム混晶を用いた薄膜１５である第１の薄膜１５Ａ１（第２の薄膜１５Ｂ１）は、ゲルマニウム結晶の薄膜１５の代わりに、シリコン・ゲルマニウム混晶の高移動度層２１と、シリコン結晶の被覆層２２とを有する。

【0061】

ゲルマニウム結晶の組成比が高いほど、正孔の有効質量が減少し、移動度を高めて電気抵抗を小さくできる。移動度の増加による電気抵抗の低減、すなわち高速化と、光損失の低減及び臨界膜厚の増加との両立を図ることができる。例えば、ゲルマニウム結晶：シリコン結晶の組成比は、例えば、０．３：０．７が好ましい。この場合、シリコン・ゲルマニウム混晶の膜厚は１０ｎｍ程度まで欠陥を生ずることなく積層することが可能である。この程度の膜厚が確保できれば、成膜時の膜厚の変動も小さく、光学特性に与える変動も小さくできる。

【0062】

高移動度層２１の厚みは、例えば、１０ｎｍ、被覆層２２の厚みは、例えば、５ｎｍとする。被覆層２２は、高移動度層２１の表面にイオン化欠陥等の発生を抑止できる。被覆層２２は、シリコン結晶で形成するため、シリコン結晶の被覆層２２の中に高移動度の電子が二次元キャリアとして存在し、さらなる電気抵抗の低減が可能となる。

【0063】

実施例２の光変調器素子１の薄膜１５（第１の薄膜１５Ａ１，第２の薄膜１５Ｂ１）は、シリコン・ゲルマニウム混晶の高移動度層２１と、シリコン結晶の被覆層２２とを有する。その結果、臨界膜厚を増すことができると同時に、光吸収端波長が短くなるため、光吸収による損失も低下できる。

【0064】

実施例２の光変調器素子１は、高移動度層２１をシリコン・ゲルマニウム混晶、被覆層２２をシリコン結晶で構成する場合を例示したが、これに限定されるものではなく、ゲルマニウム結晶、若しくはIII-Ｖ半導体系にも応用できる。ＧａＡｓ系の材料を使用した場合、高移動度層２１をＧａＡｓ、被覆層２２をＧａＡｌＡｓとする。ＩｎＰ系の材料を使用した場合、高移動度層２１をＧａＩｎＡｓ、被覆層２２をＩｎＰとしても良く、適宜変更可能である。