特許 7144056 半導体光位相変調器、ハイブリッド変調器及びＳＳＢ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】

(24)【登録日】2022-09-20

(45)【発行日】2022-09-29

(54)【発明の名称】半導体光位相変調器、ハイブリッド変調器及びＳＳＢ変調器

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/025 20060101AFI20220921BHJP

【ＦＩ】

G02F1/025

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2019043986

(22)【出願日】2019-03-11

(65)【公開番号】P2020148826

(43)【公開日】2020-09-17

【審査請求日】2021-08-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(72)【発明者】

【氏名】井上 大介

(72)【発明者】

【氏名】山下 達弥

(72)【発明者】

【氏名】市川 正

(72)【発明者】

【氏名】中尾 朱里

(72)【発明者】

【氏名】鎌田 裕樹

(72)【発明者】

【氏名】小田 敏宏

【審査官】坂上 大貴

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１５１５３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０１４２０１９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－１３０７７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２１５４７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１４６７３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０８１０７５０７（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１４１８２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００２－５４０４６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】Subhradeep Pal and Sumanta Gupta，Proposal and Analysis of a Silicon MMI Coupler-Based Electronically Controllable Photonic Switch，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，米国，IEEE，2016年03月23日，Volume: 22, Issue: 6，pp.3600214-1 - 3600214-14

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５

１／２１－７／００

Ｇ０２Ｂ ６／１２－６／１４

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シングルモードの光をマルチモードの光に変換し、光の干渉により鏡像が形成される第１の箇所、及び、前記第１の箇所より光のパワー密度が低い第２の箇所を有し、干渉させた光を伝播するマルチモード導波路と、
伝播する光を前記第２の箇所で挟むように対向して設けられると共に前記第１の箇所に設けられることなく、それぞれが周囲の領域のドーピング濃度より高いドーピング濃度を有する一対のチャネルと、
を備える半導体光位相変調器。

【請求項2】

前記マルチモード導波路は、多モード干渉導波路である、
請求項１に記載の半導体光位相変調器。

【請求項3】

前記一対のチャネルは、互いに異なる導電型であり、
前記チャネルにおける光に近接する部分に、ドーピング濃度が他の部分より低い低濃度部を有する、
請求項1又は２に記載の半導体光位相変調器。

【請求項4】

前記一対のチャネルは、互いに異なる導電型であり、
前記チャネルにおける光に近接する部分に、隣接する前記マルチモードの光の隙間に向かって突出するように設けられた突出部を有する、
請求項１～３のいずれか一項に記載の半導体光位相変調器。

【請求項5】

前記一対のチャネルは、互いに異なる導電型であり、ＰＮ接合と前記マルチモードの光とが重なるように、前記マルチモード導波路の内側で接合する、
請求項１～４のいずれか一項に記載の半導体光位相変調器。

【請求項6】

前記一対のチャネルのうちＰ型の前記チャネルを光の伝播する方向に直交する面で断面した際の断面積が、前記一対のチャネルのうちＮ型の前記チャネルの前記断面積より大きい、
請求項５に記載の半導体光位相変調器。

【請求項7】

前記第２の箇所において隣接する前記マルチモードの光の間に、周囲の領域より高いドーピング濃度を有するＰ型の高濃度部が設けられている、
請求項６に記載の半導体光位相変調器。

【請求項8】

前記マルチモード導波路は、位相変調部と、前記位相変調部に接続され前記位相変調部に向かうに従って断面積が大きくなる第１の入力導波路を有し、
前記第１の入力導波路によって前記位相変調部に入力される前記シングルモードの光のパワー密度を低下させる、
請求項１に記載の半導体光位相変調器。

【請求項9】

前記マルチモード導波路は、位相変調部と、前記位相変調部に接続され前記位相変調部に向かうに従って断面積が小さくなる第２の入力導波路を有し、
前記第２の入力導波路によって前記位相変調部に入力される前記シングルモードの光のパワー密度を低下させる、
請求項１に記載の半導体光位相変調器。

【請求項10】

前記一対のチャネルの間に、前記一対のチャネルのそれぞれに接合して設けられた中間部を更に備え、
前記一対のチャネル及び前記中間部は、同じ導電型である、
請求項１又は２に記載の半導体光位相変調器。

【請求項11】

請求項１～１０のいずれか一項に記載の半導体光位相変調器と、
前記半導体光位相変調器に接合された誘電体の第３の入力導波路と、
を備えるハイブリッド変調器。

【請求項12】

請求項１～１０のいずれか一項に記載の半導体光位相変調器、
を備えるＳＳＢ変調器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体光位相変調器、並びに、この半導体光位相変調器を用いたハイブリッド変調器及びＳＳＢ変調器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、レーザレーダー探知機のレーザ光源やＳＳＢ(Single Side Band)変調器等において使用される光位相変調器として、特許文献１に記載の半導体光変調素子や、特許文献２に記載の光変調器が知られている。特許文献１の半導体光変調素子及び特許文献２の光変調器では、伝播する光の導波路としてシリコン（Ｓｉ）等の半導体材料が用いられている。以下、半導体光位相変調器を、単に「位相変調器」とも称する。

【0003】

Ｓｉ等を用いた位相変調器では、キャリア密度の変化に応じて導波路中での光の屈折率が変化するキャリアプラズマ効果の応用によって、入力光の位相を変化させて出力可能である。具体的には、導波路中の特定の位置に、電界を印加、或いは電流を注入するためのチャネルを設けてキャリア密度を増大させることによって、キャリアプラズマ効果を発生させることが可能である。キャリアプラズマ効果による変調の場合、ヒーター等で導波路を加熱して屈折率を変化させる変調の場合と比べ、変調動作の線形性を向上できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１３－１９０４９２号公報

【文献】特開２０１７－１７３３６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

位相変調器が、例えばＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）のように強い投光パワーが求められる装置の中で使用される場合、求められる投光パワーに応じて、位相変調器に入力される光も高出力（ハイパワー）になる。

【0006】

ここで、位相変調器の導波路がシングル（単一）モードの光を伝搬するシングルモード導波路である場合、導波路の断面積が比較的小さくなることによって、導波路中での光のパワー密度が高くなる傾向がある。光のパワー密度が高くなると、二光子吸収等の非線形効果の影響が大きくなるため、変調制御が困難になるという問題がある。

【0007】

また、キャリア密度が増大すると自由（フリー）キャリアが多く発生するため、散乱の影響が大きくなり、光学損失が増加するという問題がある。特に、鏡像が形成されるような光のパワー密度が高い部分に対してチャネルが設けられると、パワー密度の高さと相俟ってキャリア密度が更に増大し、光学損失が一層増加するという問題がある。

【0008】

本発明は上記した問題に着目して為されたものであって、変調する光が高出力であっても光学損失を低減できる位相変調器、ハイブリッド変調器及びＳＳＢ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】

【0009】

上記課題を解決するために、請求項１に記載の半導体光位相変調器は、シングルモードの光をマルチモードの光に変換し、光の干渉により鏡像が形成される第１の箇所、及び、前記第１の箇所より光のパワー密度が低い第２の箇所を有し、干渉させた光を伝播するマルチモード導波路と、伝播する光を前記第２の箇所で挟むように対向して設けられ、それぞれが周囲の領域のドーピング濃度より高いドーピング濃度を有する一対のチャネルと、を備える。

【0010】

請求項２に記載の半導体光位相変調器では、前記マルチモード導波路は、多モード干渉導波路である。

【0011】

請求項３に記載の半導体光位相変調器では、前記一対のチャネルは、互いに異なる導電型であり、前記チャネルにおける光に近接する部分に、ドーピング濃度が他の部分より低い低濃度部を有する。

【0012】

請求項４に記載の半導体光位相変調器では、前記一対のチャネルは、互いに異なる導電型であり、前記チャネルにおける光に近接する部分に、隣接する前記マルチモードの光の隙間に向かって突出するように設けられた突出部を有する。

【0013】

請求項５に記載の半導体光位相変調器では、前記一対のチャネルは、互いに異なる導電型であり、ＰＮ接合と前記マルチモードの光とが重なるように、前記マルチモード導波路の内側で接合する。

【0014】

請求項６に記載の半導体光位相変調器では、前記一対のチャネルのうちＰ型の前記チャネルを光の伝播する方向に直交する面で断面した際の断面積が、前記一対のチャネルのうちＮ型の前記チャネルの前記断面積より大きい。

【0015】

請求項７に記載の半導体光位相変調器では、前記第２の箇所において隣接する前記マルチモードの光の間に、周囲の領域より高いドーピング濃度を有するＰ型の高濃度部が設けられている。

【0016】

請求項８に記載の半導体光位相変調器では、前記マルチモード導波路は、位相変調部と、前記位相変調部に接続され前記位相変調部に向かうに従って断面積が大きくなる第１の入力導波路を有し、前記第１の入力導波路によって前記位相変調部に入力される前記シングルモードの光のパワー密度を低下させる。

【0017】

請求項９に記載の半導体光位相変調器では、前記マルチモード導波路は、位相変調部と、前記位相変調部に接続され前記位相変調部に向かうに従って断面積が小さくなる第２の入力導波路を有し、前記第２の入力導波路によって前記位相変調部に入力される前記シングルモードの光のパワー密度を低下させる。

【0018】

請求項１０に記載の半導体光位相変調器では、前記一対のチャネルの間に、前記一対のチャネルのそれぞれに接合して設けられた中間領域を更に備え、前記一対のチャネル及び前記中間部は、同じ導電型である。

【0019】

請求項１１に記載のハイブリッド変調器は、請求項１～１０のいずれか一項に記載の半導体光位相変調器と、前記半導体光位相変調器に接合された誘電体の第３の入力導波路と、を備える。

【0020】

請求項１２に記載のＳＳＢ変調器は、請求項１～１０のいずれか一項に記載の半導体光位相変調器を備える。

【発明の効果】

【0021】

本発明に係る位相変調器、ハイブリッド変調器及びＳＳＢ変調器によれば、変調する光が高出力であっても光学損失を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１（Ａ）は、本発明の実施形態に係る位相変調器の構成を模式的に説明する平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）中の１Ｂ－１Ｂ線の位置におけるチャネルの構造を模式的に説明する断面図である。

【図2】第１変形例に係る位相変調器の構成を模式的に説明する平面図である。

【図3】第２変形例に係る位相変調器の構成を模式的に説明する平面図である。

【図4】第３変形例に係る位相変調器の構成を模式的に説明する平面図である。

【図5】第４変形例に係る位相変調器の構成を模式的に説明する平面図である。

【図6】第５変形例に係る位相変調器の構成を模式的に説明する平面図である。

【図7】図７（Ａ）は、第６変形例に係る位相変調器の構成を模式的に説明する平面図であり、図７（Ｂ）は、第７変形例に係る位相変調器の構成を模式的に説明する平面図である。

【図8】図８（Ａ）は、第８変形例に係る位相変調器の構成を模式的に説明する平面図であり、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）中の８Ｂ－８Ｂ線の位置におけるチャネルの構造を模式的に説明する断面図である。

【図9】図９（Ａ）は、第８変形例に係る位相変調器の他の構成を模式的に説明する平面図であり、図９（Ｂ）は、第８変形例に係る位相変調器の更に他の構成を模式的に説明する平面図である。

【図10】図１０（Ａ）は、応用例１に係るハイブリッド変調器の構成を模式的に説明する図であり、図１０（Ｂ）は、ハイブリッド変調器の一部を説明する平面図である。

【図11】応用例２に係るＳＳＢ変調器の構成を模式的に説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各装置や各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。このため、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判定すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

【0024】

また、以下の説明における「左右」や「上下」の方向は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。よって、例えば、紙面を９０度回転すれば「左右」と「上下」とは交換して読まれ、紙面を１８０度回転すれば「左」が「右」に、「右」が「左」になることは勿論である。

【0025】

また、本明細書及び添付図面においては、Ｎ又はＰを冠した領域や層では、それぞれ電子又は正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ＮやＰに付す＋や－は、＋及び－が付記されていない半導体領域に比して、それぞれ相対的に不純物濃度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。但しＮ＋とＮ＋のように同じ濃度を示す表記であっても、実際に同じ不純物濃度であることに限定するものではない。

【0026】

本発明の実施形態に係る半導体光位相変調器（位相変調器）１０は、Ｓｉ等の半導体が用いられた位相変調器であり、図１（Ａ）に示すように、マルチモード導波路１２と、一対のチャネル１４，１５と、を備える。なお、図１中に示した位相変調器１０の構成は説明の便宜のため、一部を強調して例示されており、図中に示されていない他の半導体領域の層や素子等であっても位相変調器を構成する部材として使用できる。

【0027】

位相変調器１０では、マルチモード導波路１２として、多モード干渉（Multi Mode Interference：ＭＭＩ）導波路が採用されている。マルチモード導波路１２は、位相変調部１２Ａ、入力部１８Ａ、及び出力部１８Ｂを有する。位相変調部１２Ａは、図１中の下側の入力部１８Ａから入力されたシングルモードの入力光ＰＩをマルチ（多）モードの光に変換し、変換したマルチモードの光は、位相変調部１２Ａの内側で干渉しつつ伝播する。位相変調部１２Ａにおいて光が伝播する部分の断面積は、入力部１８Ａ及び出力部１８Ｂのそれぞれの断面積より大きく構成されている。以下、「断面積」は、特に言及しない限り、光の伝播する方向（図１（Ａ）中の上下方向）に直交する面で断面した場合の断面積のことを意味する。

【0028】

位相変調部１２Ａの内側には、第１の箇所Ａ１及び第２の箇所Ａ２が設定されている。図１（Ａ）中では、第２の箇所Ａ２は、矩形状の破線囲みの領域で例示されていると共に、第１の箇所Ａ１は、上下方向に沿って連続する３個の第２の箇所Ａ２の間に位置する。すなわち、第１の箇所Ａ１及び第２の箇所Ａ２は、光の伝播方向に並んで位置する。

【0029】

第１の箇所Ａ１は、光の干渉により鏡像が形成される位置であり、第２の箇所Ａ２は、第１の箇所Ａ１より光のパワー密度（電界密度）が低い位置である。なお、「第２の箇所Ａ２における光のパワー密度が、第１の箇所Ａ１における光のパワー密度より低い」とは、第２の箇所Ａ２における光のパワー密度のピーク値が、第１の箇所Ａ１における光のパワー密度のピーク値より低いことを意味する。

【0030】

入力光ＰＩを入力してマルチモード導波路１２を動作させると、位相変調部１２Ａでは低次モード及び高次モードの空間的な光ビートが生じるため、光学モードが収縮した光と拡張した光とが、周期的に形成される。すなわち、光のパワー密度が異なる箇所が繰り返される。第１の箇所Ａ１及び第２の箇所Ａ２の位置は、光のパワー密度の大きさに応じて配置されている。

【0031】

図１（Ａ）中の第１の箇所Ａ１では、収縮光学モードＰＭ１が、光学モードが収縮した光として小さな楕円状で例示されている。また、第２の箇所Ａ２では、拡張光学モードＰＭ２が、光学モードが拡張した光として、収縮光学モードＰＭ１より大きな楕円状で例示されている。

【0032】

なお、図１（Ａ）中では、繰り返されるマルチモードの光の一周期の構成として、収縮光学モードＰＭ１が１回生じた後、拡張光学モードＰＭ２が２回生じ、更にその後、収縮光学モードＰＭ１が１回生じた状態が例示されている。また、この光の一周期が３回連続する場合が例示されている。しかし、本発明では、これに限定されず、一周期の構成及び繰り返し回数は適宜、変更可能である。同様に、第１の箇所Ａ１及び第２の箇所Ａ２の位置及び個数も、適宜変更され得る。

【0033】

（チャネル）
一対のチャネル１４，１５は、伝播するマルチモードの光を挟むように、図１（Ａ）中の第２の箇所Ａ２の左右に、互いに対向して設けられている。一対のチャネル１４，１５のそれぞれの内側の端部は、位相変調部１２Ａと重なる。図１中に例示した位相変調器１０の場合、図１（Ａ）中の左側のチャネル１４の導電型はＰ型（Ｐ＋）であり、右側のチャネル１５の導電型はＮ型（Ｎ＋）である。

【0034】

一対のチャネル１４，１５は、それぞれのチャネル１４，１５の周囲において、同じ導電型の領域のドーピング濃度より高いドーピング濃度を有する。図１中では、周囲の領域のドーピング濃度の表示は省略されている。なお、図１中に示した「Ｐ＋」及び「Ｎ＋」のドーピング濃度は例示であり、本発明では、チャネル１４，１５のドーピング濃度がチャネル１４，１５の周囲の領域のドーピング濃度より高い限り、例えば「Ｐ」及び「Ｎ」であっても構わない。

【0035】

一対のチャネル１４，１５は、ベース部１４Ａ，１５Ａをそれぞれ有する。図１（Ｂ）に示すように、ベース部１４Ａ，１５Ａの上部における外側の端部には、コンタクト領域１４Ｂ，１５Ｂが、それぞれ設けられている。コンタクト領域１４Ｂ，１５Ｂは、図１（Ａ）中では説明の便宜のため図示を省略する。また、コンタクト領域１４Ｂ，１５Ｂの上には、例えばアルミニウム（Ａｌ）等を用いた電極１６Ａ，１６Ｂが、それぞれ接合されている。

【0036】

本発明の実施形態に係る位相変調器１０では、電極１６Ａ，１６Ｂを介して位相変調器１０の外部から駆動電流が注入されることによって、対向する一対のチャネル１４，１５間に電流が流れ、第２の箇所Ａ２でキャリアプラズマ効果が生じる。第２の箇所Ａ２に集中的に高濃度のドーピングが実行されているため、キャリアプラズマ効果は、鏡像が形成され光のパワー密度が高い第１の箇所Ａ１ではなく、第１の箇所Ａ１より光のパワー密度が低い第２の箇所Ａ２で発生する。そして、第２の箇所Ａ２におけるマルチモード導波路１２の屈折率が変化し、伝搬する光の位相が所望の値に変調される。変調された光は、出力光ＰＯとして、図１中の上側の出力部１８Ｂから出力される。

【0037】

ここで、例えば、鏡像が形成される第１の箇所Ａ１に対応してチャネルを設けてキャリアプラズマ効果を発生させる場合、第１の箇所Ａ１での光の高いパワー密度と、入力された高出力の光とが相俟って、二光子吸収が、第１の箇所Ａ１で容易に発生してしまう。

【0038】

（作用効果）
本発明の実施形態では、鏡像が形成される第１の箇所Ａ１でキャリアプラズマ効果を発生させる場合に比べて、二光子吸収の発生が防止され、散乱の原因となる自由キャリアの発生が抑制される。よって、変調する光が高出力であっても、変調した光を安定して出力でき、光学損失を低減できる。

【0039】

また、本発明の実施形態では、位相変調部１２Ａの断面積が、入力部１８Ａの断面積より大きいため、位相変調部１２Ａに入力する光のパワー密度を低く抑えることができる。

【0040】

また、本発明の実施形態では、マルチモード導波路１２がＭＭＩ導波路であるため、シングルモード導波路とマルチモード導波路１２とが、光学的に不連続に接合し、光ビートを生じさせることが可能になる。すなわち、ＭＭＩ導波路単独で、光学モードを拡大することが可能になる。

【0041】

この点、ＭＭＩ導波路を用いることなく、例えば、順テーパ状又は逆テーパ状の導波路を位相変調部１２Ａに接続して、光学モードを拡大することは可能である。しかし、位相変調器を含む装置全体の寸法が長くなるため、製造時のフットプリントが増大し、製造コストが増加する。一方、マルチモード導波路１２がＭＭＩ導波路である場合、装置全体の寸法を短く抑えてコンパクトに製造することが可能になると共に、製造コストを低減できる。

【0042】

＜第１変形例＞
次に、本発明の実施形態に係る位相変調器の変形例及び応用例を説明する。以下の変形例及び応用例の説明においては、図１に示した位相変調器１０と異なる構成を中心に説明すると共に、位相変調器１０における同名の部材と等価な部材については、重複説明を適宜省略する。

【0043】

図２に示すように、第１変形例に係る位相変調器１０Ａでは、図１に示した位相変調器１０の一対のチャネル１４，１５と同様、一対のチャネル２４，２５は、互いに異なる導電型である。しかし、第１変形例では、チャネル２４，２５には、拡張光学モードＰＭ２のベース部２４Ａ，２５Ａにおける光に近接する部分に、低濃度部２４Ｃ，２５Ｃが、それぞれ設けられている。

【0044】

図２中の左側の低濃度部２４Ｃのドーピング濃度は、チャネル２４における周囲の他の部分であるベース部２４Ａより低い「Ｐ－」である。また、図２中の右側の低濃度部２５Ｃのドーピング濃度は、チャネル２５における周囲の他の部分であるベース部２５Ａより低い「Ｎ－」である。

【0045】

ここで、チャネル２４，２５のドーピング濃度が高くなるに従って、位相変調器１０Ａにおける光学損失も大きくなる。このため、低濃度部２４Ｃ，２５Ｃを有する第１変形例では、チャネル２４，２５における拡張光学モードＰＭ２の分布に近い部分を、周囲より低いドーピング濃度となるように調整することによって、光学損失をより低減することができる。第１変形例に係る位相変調器１０Ａの他の作用効果については、図１に示した位相変調器１０と同様である。

【0046】

＜第２変形例＞
図３に示すように、第２変形例に係る位相変調器１０Ｂでは、図１に示した位相変調器１０の一対のチャネル１４，１５と同様、一対のチャネル３４，３５は、互いに異なる導電型である。しかし、第２変形例では、チャネル３４，３５のうち拡張光学モードＰＭ２のベース部３４，３５Ａにおける光に近接する部分に、突出部３４Ｃ，３５Ｃが、隣接して分布する拡張光学モードＰＭ２の隙間に向かって突出するように、それぞれ設けられている。

【0047】

図３中の左側の突出部３４Ｃは、ベース部３４Ａと同じＰ＋型であり、図３中の右側の突出部３５Ｃは、ベース部３５Ａと同じＮ＋型である。突出部３４Ｃ，３５Ｃは、平面視で、第２の箇所Ａ２における拡張光学モードＰＭ２の隙間を縫うように配置されている。換言すると、突出部３４Ｃ，３５Ｃは、拡張光学モードＰＭ２を避けるように、ドーピングされ形成されている。図３中に例示された突出部３４Ｃ，３５Ｃは、拡張光学モードＰＭ２間に向かって断面積が小さくなるような逆テーパ状に突出して形成されている。なお、本発明では、突出部の形状は、拡張光学モードＰＭ２の隙間に向かって突出する限り、図３中に例示されたものに限定されない。

【0048】

第２変形例によれば、突出部３４Ｃ，３５Ｃによって、拡張光学モードＰＭ２に対する通電時のチャネル３４，３５のキャリアプラズマ効果をより強化することができる。第２変形例に係る位相変調器１０Ｂの他の作用効果については、図１に示した位相変調器１０と同様である。

【0049】

＜第３変形例＞
図４に示すように、第３変形例に係る位相変調器１０Ｃでは、図１に示した位相変調器１０の一対のチャネル１４，１５と同様、一対のチャネル４４，４５は、互いに異なる導電型である。しかし、第３変形例では一対のチャネル４４，４５は、ＰＮ接合とマルチモードの光とが重なるように、マルチモード導波路１２の内側で接合して設けられている。

【0050】

図４中の左側のチャネル４４は、ベース部４４Ａの右側に、接合面形成部４４Ｃを有する。また、図４中の右側のチャネル４５は、ベース部４５Ａの左側に、接合面形成部４５Ｃを有する。接合面形成部４４Ｃは、ベース部４４Ａより低いドーピング濃度であるＰ－型の半導体領域であり、接合面形成部４５Ｃは、ベース部４５Ａより低いドーピング濃度であるＮ－型の半導体領域である。

【0051】

一対の接合面形成部４４Ｃ，４５Ｃは、位相変調部１２Ａの導波路と重なる（オーバーラップする）ように配置され、一対の接合面形成部４４Ｃ，４５Ｃの接合界面が、ＰＮ接合Ｊを形成する。ＰＮ接合Ｊは、マルチモード導波路１２の軸中心と重なっている。マルチモード導波路１２の軸中心は、平面視で、図４中の左右方向の中心に位置する。

【0052】

第３変形例によれば、接合面形成部４４Ｃ，４５Ｃによって、マルチモード導波路１２の内側にＰＮ接合Ｊが形成されているため、駆動時に、順バイアスだけでなく、逆バイアスを印加して自由キャリアを引き抜くことが可能になる。第３変形例に係る位相変調器１０Ｃの他の作用効果については、図１に示した位相変調器１０と同様である。

【0053】

なお、図４中では、接合面形成部４４Ｃ，４５Ｃのドーピング濃度は、周囲の領域より低かったが、本発明ではこれに限定されず、例えば、周囲の領域と同程度等、ドーピング濃度を変更することも可能である。ただし、第３変形例のように、接合面形成部４４Ｃ，４５Ｃのドーピング濃度を周囲の領域より低く設定すれば、位相変調器１０Ｃの光学損失を低減できる点で有利である。

【0054】

＜第４変形例＞
図５に示すように、第４変形例に係る位相変調器１０Ｄでは、ＰＮ接合Ｊが、マルチモード導波路１２の中心軸の位置からＮ型のチャネル４５寄りに変位して配置されている点が、図４に示した第３変形例に係る位相変調器１０Ｃと異なる。このため、第４変形例では、Ｐ型のチャネル４４の断面積の方が、Ｎ型のチャネル４５の断面積より大きい。

【0055】

ここで、位相変調器１０Ｄに駆動電流を流す際、逆バイアス時にはホールの密度を変動させた方が、変調効率を高くすることが可能になる。第４変形例に係る位相変調器１０Ｄのマルチモード導波路１２の内側では、Ｐ型の接合面形成部４４Ｃ１の方が、Ｎ型の接合面形成部４５Ｃ１より断面積が大きくなるように配置されている。このため、より多くのホールの密度を変動でき、変調効率を一層高めることができる。第４変形例に係る位相変調器１０Ｄの他の作用効果については、図１に示した位相変調器１０及び図４に示した位相変調器１０Ｃと同様である。

【0056】

＜第５変形例＞
図６に示すように、第５変形例に係る位相変調器１０Ｅでは、マルチモード導波路１２の中心軸に沿って、複数の高濃度部４４Ｄが設けられている点が、図５に示した第４変形例に係る位相変調器１０Ｄと異なる。高濃度部４４Ｄは、Ｐ－型の接合面形成部４４Ｃにおける周囲の領域より高いドーピング濃度のＰ＋を有する半導体領域であり、光の伝播方向に沿って生じた２個の拡張光学モードＰＭ２の中間に配置されている。

【0057】

マルチモード導波路１２の内側で、隣接して分布する拡張光学モードＰＭ２の中間の位置では、周囲の領域に比べ、マルチモードの光のパワー密度が低くなる。なお、図６中の拡張光学モードＰＭ２の個数や配置パターンは例示であり、本発明では、適宜変更可能である。同様に高濃度部４４Ｄの個数や配置パターンについても、適宜変更され得る。

【0058】

第５変形例では、高濃度部４４Ｄによって、チャネル４４，４５の電気抵抗を下げることが可能になる。ここで、変調時の周波数特性を定める時定数は、接合容量と抵抗成分によって変動する。このため、第５変形例によれば、チャネル４４，４５の電気抵抗を下げることによって、位相変調器１０Ｅの周波数特性を改善することができる。第５変形例に係る位相変調器１０Ｅの他の作用効果については、図１に示した位相変調器１０及び図５に示した位相変調器１０Ｄと同様である。

【0059】

＜第６変形例＞
図７（Ａ）に示すように、第６変形例に係る位相変調器１０Ｆは、マルチモード導波路２２と、一対のチャネル１４，１５とを備える。マルチモード導波路２２は、位相変調部１２Ａと、第１の入力導波路５２Ａと、第１の出力導波路５２Ｂとを有する。図示を省略するが、チャネル１４，１５は、拡張光学モードＰＭ２の位置に対応して設けられている。第１の入力導波路５２Ａは、図１に示した位相変調器１０における入力部１８Ａの代わりに設けられると共に、第１の出力導波路５２Ｂは、位相変調器１０における出力部１８Ｂの代わりに設けられている。

【0060】

第１の入力導波路５２Ａは、外部から位相変調部１２Ａに向かうに従って断面積が大きくなる、順テーパ状である。マルチモード導波路２２への入力光ＰＩの光ビームが、順テーパ状の第１の入力導波路５２Ａを通過することによって断熱的に拡大するため、シングルモードの入力光ＰＩのパワー密度が低下する。第６変形例では、第１の入力導波路５２Ａがシングルモードの入力光ＰＩのパワー密度を低下させることで、図１に示した位相変調器１０のように、ＭＭＩ導波路を用いる必要がない。

【0061】

第１の出力導波路５２Ｂは、第１の入力導波路５２Ａと対称的に逆テーパ状であり、位相変調部１２Ａを通過した光は、第１の出力導波路５２Ｂによって縮小され、出力光ＰＯとして出力される。

【0062】

第６変形例によれば、順テーパ状の第１の入力導波路５２Ａによって、マルチモード導波路２２への入力光ＰＩのパワー密度を下げることが可能になるため、自由電子の散乱が抑制される。このため、図１に示した位相変調器１０の場合と同様に、変調する光が高出力であっても光学損失を低減できる。

【0063】

＜第７変形例＞
図７（Ｂ）に示す第７変形例に係る位相変調器１０Ｇのように、位相変調部１２Ａに向かうに従って断面積が小さくなる、逆テーパ状の第２の入力導波路５４Ａが用いられてもよい。第７変形例では、マルチモード導波路２２への入力光ＰＩの光ビームが、逆テーパ状の第２の入力導波路５４Ａを通過する際、導波路から一部漏出して拡大するため、シングルモードの入力光ＰＩのパワー密度が低下する。また、第１の入力導波路５２Ａと対称的に順テーパ状である第２の出力導波路５４Ｂが、位相変調部１２Ａに設けられている。位相変調部１２Ａを通過した光は、第２の出力導波路５４Ｂを通過して出力光ＰＯとして出力される。

【0064】

第７変形例によれば、逆テーパ状の第２の入力導波路５４Ａによって、マルチモード導波路２２への入力光ＰＩのパワー密度を下げることが可能になるため、自由電子の散乱が抑制される。このため、図１に示した位相変調器１０の場合と同様に、変調する光が高出力であっても光学損失を低減できる。

【0065】

＜第８変形例＞
図８（Ａ）に示すように、第８変形例に係る位相変調器１０Ｈは、マルチモード導波路１２と、一対のチャネル１４，１４と、一対のチャネル１４，１４の間に設けられた中間部５６と、を備える。中間部５６は、一対のチャネル１４，１４のそれぞれに接合している。すなわち、第８変形例は、一対のチャネル１４，１４が同じ導電型であると共に、図８（Ｂ）に示すように、一対のチャネル１４，１４の隙間を埋めるように中間部５６を更に備える点が、図１に示した位相変調器１０と異なる。

【0066】

第８変形例では、一対のチャネル１４，１４及び中間部５６の導電型は、Ｐ型のチャネルとして一体化されている。一対のチャネル１４，１４に電界が印加されると、一対のチャネル１４，１４及び中間部５６が、ジュール発熱によって昇温する。第８変形例では、図１～図７に示した位相変調器１０，１０Ａ～１０Ｇのようにキャリアプラズマ効果を用いて導波路の屈折率を変化させるのではなく、ジュール発熱による熱光学効果を用いて屈折率を変化させる。

【0067】

図８に示した位相変調器１０Ｈでは、マルチモード導波路１２としてＭＭＩ導波路が用いられていたが、図９（Ａ）に示すように、ＭＭＩ導波路を用いることなく、位相変調器１０Ｉを実現することもできる。具体的には、第６変形例で説明した順テーパ状の第１の入力導波路５２Ａ及び逆テーパ状の第１の出力導波路５２Ｂが、位相変調部１２Ａに接続されている。また、図９（Ｂ）に示すように、第７変形例で説明した逆テーパ状の第２の入力導波路５４Ａ及び順テーパ状の第２の出力導波路５４Ｂが、位相変調部１２Ａに接続されることによって、位相変調器１０Ｊを実現してもよい。

【0068】

第８変形例のように、本発明では、電流注入型だけでなく、電界印加型の位相変調器１０Ｈ～１０Ｊであっても、変調する光が高出力であっても光学損失を低減することができる。なお、図８及び図９では、一対のチャネル１４，１４及び中間部５６の導電型がＰ型である場合が例示されたが、本発明ではこれに限定されず、Ｎ型の一対のチャネル及び中間部を用いてジュール発熱を生じさせてもよい。また、半導体領域の濃度の表記も「Ｐ－」に限定されず、例えば「Ｐ」等であってもよい。

【0069】

＜第１応用例＞
図１０（Ａ）に示すように、応用例１に係るハイブリッド変調器６０は、第８変形例に係る位相変調器１０Ｈと、位相変調器１０Ｈに接続された第３の入力導波路６２と、位相変調器１０に接続された第３の出力導波路６４とを備える。図１０（Ａ）中では、第３の入力導波路６２の上側の一端がＹ字状に分岐し、第３の入力導波路６２の分岐部分のそれぞれと２個の位相変調器１０Ｈの入力部とが接続された場合が例示されている。また、図１０（Ａ）中では、第３の出力導波路６４の下側の一端がＹ字状に分岐し、第３の出力導波路６４の分岐部分のそれぞれと２個の位相変調器１０の出力部とが接続されている。

【0070】

第３の入力導波路６２及び第３の出力導波路６４は、ＳｉＮやＳｉＯ_２等の誘電体を用いたシングルモードの導波路である。図１０（Ａ）中では、ＳｉＮを用いた場合が例示されている。なお、第３の入力導波路６２及び第３の出力導波路６４は、互いに等価な部材であり、逆に入れ替えても同様に機能し得る。

【0071】

第３の入力導波路６２は、位相変調器１０と光結合され、図１０（Ｂ）に示すように、位相変調器１０Ｈに近接するに従って断面積が小さくなる逆テーパ状である。また、第３の出力導波路６４も第３の入力導波路６２と同様に位相変調器１０と光結合され、位相変調器１０Ｈから離間するに従って断面積が大きくなる順テーパ状である。

【0072】

ここで、誘電体の導波路では、Ｓｉ等の半導体の導波路の場合と比較して、高出力の光を通過させても二光子吸収等の非線形効果が発生し難いという利点がある。一方、位相変調器のような能動素子（デバイス）を製造する場合、現状、Ｓｉ等の半導体やリチウムナイオベイト（ニオブ酸リチウム、ＬｉＮｂＯ_３）等の素材の使用を避けることが難しい。

【0073】

本発明の実施形態の応用例１では、受動素子部品であるシングルモード導波路の第３の出力導波路６４及び第３の入力導波路６２は、誘電体で構成される。また、能動素子部品である位相変調器は、本発明の実施形態の第８変形例に係る位相変調器１０Ｈであり、位相変調器１０Ｈは、Ｓｉ等の半導体で構成されている。すなわち、応用例１では、誘電体を用いた導波路と半導体を用いた能動素子とを組み合わせることによって、効果的なハイブリッド変調器６０が実現されている。また、第８変形例に係る位相変調器１０Ｈだけでなく、本発明の実施形態に係る他の位相変調器１０、１０Ａ～１０Ｇ，１０Ｉ，１０Ｊを用いても、効果的なハイブリッド変調器６０を同様に構成できる。

【0074】

本発明の実施形態に係る位相変調器１０、１０Ａ～１０Ｊによれば、高出力の光が入力されても自由キャリア散乱による光学損失を低減できる。このため、位相変調器１０、１０Ａ～１０Ｊを用いた応用例１によれば、モノリシックな光集積回路を構成できると共に、ＬＩＤＡＲのように、強い投光パワーが求められ、かつ、変調器の使用が不可欠な場合において、特に有利である。例えば、応用例１が適用されたＬＩＤＡＲでは、送信光の出力を強くして感度を向上させることができる。

【0075】

＜応用例２＞
図１１に示すように、応用例２に係るＳＳＢ変調器７０は、搬送波信号源７２と、９０度位相器７４と、反転位相器７６と、図１に示した位相変調器１０とを備える。搬送波信号源７２は、搬送波信号を生成する。９０度位相器７４は、搬送波信号源７２に接続され、搬送波信号源７２が生成した搬送波信号の位相を９０度変調する。

【0076】

位相変調器１０は、２個が一組で並列接続されると共に、２個が並列接続された一組どうしが、更に並列接続されている。４個の位相変調器１０Ａ～１０Ｄを接続する導波路には、９０度位相器としてのトリミング用ヒーター７８が、所定の位置に配置されている。

【0077】

反転位相器７６は、１個の入力部７６Ａと２個の出力部７６Ｂ，７６Ｃとを有する。２個の出力部７６Ｂ，７６Ｃは、入力された信号を位相変調することなくそのまま出力する第１の出力部７６Ｂと、入力された信号の位相を反転させて出力する第２の出力部７６Ｃとを有する。

【0078】

２個の反転位相器７６のうち図１１中の上側の反転位相器７６の入力部７６Ａは、搬送波信号源７２の出力側に接続され、この反転位相器７６の２個の出力部７６Ｂ，７６Ｃはそれぞれ、並列接続された２個の位相変調器１０，１０に対応して接続されている。

【0079】

また、図１１中の下側の反転位相器７６の入力部７６Ａは、９０度位相器７４の出力側に接続され、この反転位相器７６の２個の出力部７６Ｂ，７６Ｃはそれぞれ、並列接続された２個の位相変調器１０，１０のそれぞれに対応して接続されている。

【0080】

ここで、例えば、ＬＩＤＡＲにおいてＦＭＣＷ（Frequency-Modulated Continuous Wave：周波数変調連続波）法による測距を行うためには、投光する送信光を位相変調、或いは周波数変調する必要がある。このため、応用例２に係るＳＳＢ変調器７０によれば、ＬＩＤＡＲにおけるＦＭＣＷ法を用いて測距を行う場合であっても、高い出力の入力光であっても、光学損失を低減できる点で有利である。

【0081】

＜その他の実施の形態＞
本発明は上記の開示した実施の形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになると考えられるべきである。例えば、図２中に示した低濃度部２４Ｃ，２５Ｃと図３中に示した突出部３４Ｃ，３５Ｃとを両方備えたチャネルを備える位相変調器を実現してもよい。このように、図１～図１１中に示した位相変調器に含まれる構成を組み合わせて本発明を構成することもできる。

【0082】

本発明は、上記に記載していない様々な実施の形態等を含むとともに、本発明の技術的範囲は、上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

【符号の説明】

【0083】

１０，１０Ａ～１０Ｊ 半導体光位相変調器（位相変調器）
１２ マルチモード導波路
１２Ａ 位相変調部
１４ チャネル
１５ チャネル
１６Ａ，１６Ｂ 電極
１８Ａ 入力部
１８Ｂ 出力部
２２ マルチモード導波路
２４ チャネル
２４Ｃ 低濃度部
２５ チャネル
２５Ｃ 低濃度部
３４ チャネル
３４Ｃ 突出部
３５ チャネル
３５Ｃ 突出部
４４ チャネル
４４Ｃ，４４Ｃ１ 接合面形成部
４４Ｄ 高濃度部
４５ チャネル
４５Ｃ，４５Ｃ１ 接合面形成部
５２Ａ 第１の入力導波路
５４Ａ 第２の入力導波路
５６ 中間部
６０ ハイブリッド変調器
６２ 第３の入力導波路
６４ 第３の出力導波路
７０ ＳＳＢ変調器
Ａ１ 第１の箇所
Ａ２ 第２の箇所
Ｊ ＰＮ接合
ＰＩ 入力光
ＰＯ 出力光
ＰＭ１ 収縮光学モード
ＰＭ２ 拡張光学モード

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】