特許 7484925 光変調素子

(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】2024-05-08

(45)【発行日】2024-05-16

(54)【発明の名称】光変調素子

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/025 20060101AFI20240509BHJP

【ＦＩ】

G02F1/025

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021550629

(86)(22)【出願日】2020-09-18

(86)【国際出願番号】 JP2020035537

(87)【国際公開番号】W WO2021065578

(87)【国際公開日】2021-04-08

【審査請求日】2022-04-12

(31)【優先権主張番号】P 2019183556

(32)【優先日】2019-10-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【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２８年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業（ＡＣＣＥＬ）、「スローライト構造体を利用した非機械式ハイレゾ光レーダーの開発」、「光レーダーシステム実証」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【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

【審査官】奥村 政人

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－２０５４５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１０３３９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第００／０７９６０１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－０３６２１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－０６６１５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５３６８０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１２６７２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１４６７３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／００６０９７０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／００－ １／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１－ ７／００

Ｈ０１Ｌ ２１／２８－２１／２８８

Ｈ０１Ｌ ２１／４４－２１／４４５

Ｈ０１Ｌ ２９／４０－２９／４７

(57)【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、ドーパントから隔離され、内部に二次元ホールガス（２ＤＨＧ）が形成された、前記Ｐ型スラブ領域の材質と電子親和力が異なる第１薄膜と、
を備えることを特徴とする光変調素子。

【請求項2】

前記第１薄膜は、前記リブ部の側壁からギャップを隔てて形成されることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。

【請求項3】

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電子親和力が異なる第２薄膜をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。

【請求項4】

前記第２薄膜は、前記リブ部の側壁からギャップを隔てて形成されることを特徴とする請求項３に記載の光変調素子。

【請求項5】

前記リブ型光導波路はＳｉを含み、前記第１薄膜はＧｅを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光変調素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光変調素子に関する。

【背景技術】

【0002】

データセンタ、５Ｇバックホールにおける大容量光ネットワークや、コネクテッドカー、自律運転における高速光情報処理においては、帯域が必要とされるブロック間やデータセンター間の通信は光ネットワークが使われる。

【0003】

光ネットワークのトランシーバとして、電気信号から光信号への変換に、光変調素子が多用され、光変調素子の高速化と低コスト化が重要な課題となっている。

【0004】

図１（ａ）は、従来の光変調素子に用いられるリブ型光導波路９００の断面図である。リブ型光導波路９００は、コア９１０と、コア９１０を挟む上側クラッド層９２０、下側クラッド層９２２を有する。コア９１０の中央にはリブ型のＰＮ接合９１２が形成され、リブ型のＰＮ接合９１２の両側には、スラブ領域９１４，９１６が接続されている。スラブ領域９１４，９１６からは電極が引き出されている。電極間には直流の逆バイアス電圧と、それに重畳した交流電圧が印加される。交流電圧を制御することにより、コア９１０の屈折率を変化させることができ、位相シフタ（光変調器）として機能する。

【0005】

図１（ｂ）は、図１（ａ）のリブ型光導波路９００の等価回路図である。リブ型光導波路９００の等価回路は、容量Ｃと抵抗Ｒの直列接続回路であり、その時定数τは、式（１）で与えられる。Ｃは、ＰＮ接合９１２の容量であり、Ｒは、金属電極からＰＮ接合９１２の間の抵抗成分である。
τ＝２ＲＣ …（１）

【0006】

したがって、リブ型光導波路９００を高速化するためには、Ｒを低減し、ＰＮ接合容量Ｃとの積ＲＣで決まる応答時定数τを短縮することが必要である。

【0007】

特許文献１には、リブ型のＰＮ接合９１２の両側のスラブ領域９１４，９１６のドーピング密度を高めて、キャリア（自由電子あるいはホール）密度を増やすことにより、直列抵抗Ｒを低減する技術が開示される。非特許文献１によれば、この技術では、周波数帯域５４ＧＨｚの光変調が可能となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２０１４－１２６７２８号公報

【文献】特開２０１９－０４９６１２号公報

【文献】特開２０１７－０７２８０８号公報

【非特許文献】

【0009】

【文献】J. Zhou et al., "Silicon Photonics Carrier Depletion Modulators Capable of 85Gbaud 16QAM and 64Gbaud 64QAM", Optical Fiber Communication Conference 2019, Page-Tu2H.2

【文献】J-H. Han, F. Boeuf, J. Fujikata, S. Takahashi, S Takagi, and M. Takenaka, “Efficient low-loss InGaAsP/Si hybrid MOS optical modulator,” Nature Photonics Vol.11, pp.486-490 (2017)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

特許文献１の技術では、スラブ領域のドーピング濃度（キャリア密度）が、４倍程度に高められる。その結果、自由キャリアによる光吸収が３０％程度増加する。すなわち特許文献１の技術では、高速化と光損失がトレードオフの関係にある。光損失の増大を補うためには、入射レーザ光の強度増加もしくは光増幅が必要となり、消費電力が増大する。

【0011】

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、光損失の増加を抑制しつつ高速化した光変調素子の提供にある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明のある態様は、光変調素子に関する。光変調素子は、ＰＮ接合を有するリブ部と、リブ部のＰ型領域と連続するＰ型スラブ領域と、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、Ｐ型スラブ領域の上に形成され、Ｐ型スラブ領域の材質とホールに対する電子親和力が異なる第１薄膜と、を備える。

【0013】

この態様によると、Ｐ型スラブ領域にドーパントが局在し、それと接する第１薄膜に二次元ホール系、すなわち薄い正孔層が形成される。二次元ホール系の易動度は従来の光変調素子の電子／ホール易動度より高いため、直接抵抗を大幅に削減でき、高速化が可能となる。また、高密度な自由キャリアは第１薄膜に存在するため、Ｐ型スラブ領域の光損失の増加を抑制できる。

【0014】

第１薄膜は、リブ部の側壁からギャップを隔てて形成されてもよい。ギャップを設けることにより、リブ部を導波する光が、第１薄膜およびＰ型スラブ領域に漏れるのを抑制できる。

【0015】

光変調素子は、Ｎ型スラブ領域の上に形成され、Ｎ型スラブ領域の材質と電子親和力が異なる第２薄膜をさらに備えてもよい。この態様によると、第２薄膜にドーパントが局在し、それと接するＮ型スラブ領域に、二次元電子系が形成される。二次元電子系の易動度は従来の光変調素子の電子／ホール易動度より高いため、直接抵抗を大幅に削減でき、高速化が可能となる。また、自由キャリアはＮ型スラブ領域に存在することとなるが、キャリア濃度は従来と同程度であるから、光損失も同程度である。

【0016】

第２薄膜は、リブ部の側壁からギャップを隔てて形成されてもよい。ギャップを設けることにより、リブ部を導波する光が、第２薄膜およびＮ型スラブ領域に漏れるのを抑制できる。

【0017】

リブ部のＰＮ接合は、横型構造を有してもよい。リブ部のＰＮ接合は、縦型構造を有してもよい。

【0018】

リブ型光導波路はＳｉを含み、第１薄膜（および第２薄膜）はＧｅを含んでもよい。これによりＣＭＯＳベースのプラットフォームに、光変調素子を容易に集積化できる。

【発明の効果】

【0019】

本発明のある態様によれば、損失増加を抑制しつつ、高速化を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】図１（ａ）は、従来の光変調素子に用いられるリブ型光導波路の断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のリブ型光導波路の等価回路図である。

【図2】実施の形態に係る光変調素子の断面図である。

【図3】ＳｉとＧｅのＴｙｐｅＩＩヘテロ接合のバンド図である。

【図4】図４（ａ）、（ｂ）は、図２の光変調素子のＰ型領域、Ｎ型領域それぞれのキャリアおよびドーパントの分布を模式的に示す図である。

【図5】Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓの易動度と、不純物濃度の関係を示す図である。

【図6】実施の形態に係る光変調素子の電界強度のシミュレーション結果を示す図である。

【図7】実施形態に係る光変調素子を利用したマッハツェンダー光変調器のシミュレーション結果を示す図である。

【図8】変形例２に係る光変調素子の断面図である。

【図9】変形例３に係る光変調素子の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0022】

図２は、実施の形態に係る光変調素子１００の断面図である。光変調素子１００は、リブ形状のコア１１０と、それを挟み込む上側クラッド層１２０および下側クラッド層１２２と、を備えるリブ型導波路を有する。

【0023】

コア１１０は、横型のＰＮ接合を有するリブ部１１２と、リブ部１１２のＰ型領域と連続するＰ型スラブ領域１１４と、リブ部のＮ型領域と連続するＮ型スラブ領域１１６と、を有する。コア１１０はさらに第１薄膜１３０および第２薄膜１３２を備える。

【0024】

第１薄膜１３０は、Ｐ型スラブ領域１１４の上に形成される。第１薄膜１３０は、Ｐ型スラブ領域１１４の材質とホールに対する電子親和力が異なる半導体材料で構成することができる。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ーである。

【0025】

第２薄膜１３２は、Ｎ型スラブ領域１１６の上に形成される。第２薄膜１３２は、Ｎ型スラブ領域１１６の材質と電子親和力が異なる半導体材料で構成することができる。

【0026】

たとえばシリコン導波路の場合、コア１１０はＳｉ、クラッドはＳｉＯ_２が選ばれる。この場合、第１薄膜１３０および第２薄膜１３２としては、Ｇｅが好適である。

【0027】

第１薄膜１３０は、リブ部１１２のＰ側の側壁からギャップｇを隔てて形成するとよく、同様に第２薄膜１３２は、リブ部１１２のＮ側の側壁からギャップｇを隔てて形成するとよい。

【0028】

光変調素子１００の例示的な寸法を説明すると、リブ部１１２の横幅は、４５０～５００ｎｍ、高さは２２０～４００ｎｍ程度とすることができる。Ｐ型スラブ領域１１４およびＮ型スラブ領域１１６の厚みは１００ｎｍ以下とすることが好ましい。第１薄膜１３０および第２薄膜１３２の膜厚は３０～５０ｎｍが好適である。また、第１薄膜１３０とリブ部１１２の横方向のギャップ、第２薄膜１３２とリブ部１１２の横方向のギャップは、１００～１５０ｎｍ程度とするとよい。

【0029】

以上が光変調素子１００の構成である。続いてその動作を説明する。第１薄膜１３０とＰ型スラブ領域１１４の界面には、ＳｉとＧｅのヘテロ接合が形成される。同様に、第２薄膜１３２とＮ型スラブ領域１１６の界面には、ＳｉとＧｅのヘテロ接合が形成される。図３は、ＳｉとＧｅのＴｙｐｅＩＩヘテロ接合のバンド図である。図３の半導体ヘテロ接合のバンド配置は、電子親和力の相違により発生する。

【0030】

図４（ａ）、（ｂ）は、図２の光変調素子１００のＰ型領域、Ｎ型領域それぞれのキャリアおよびドーパントの分布を模式的に示す図である。

【0031】

図４（ａ）を参照して、Ｐ型領域の様子を説明する。第１薄膜１３０とＰ型スラブ領域１１４の接合においては、Ｐ型スラブ領域１１４側のハッチングを付した領域にドーパントイオンが局在することとなる。そして、ドーパントイオンから隔離された第１薄膜１３０内に、二次元ホールガス（２ＤＨＧ）が形成される。二次元ホールガスの易動度は、高濃度でアクセプタをドープしたＳｉの易動度に比べて２倍以上高い。したがって、第１薄膜１３０の電気伝導率を高めることができ、電極とＰＮ接合の間の抵抗値Ｒｐを従来に比べて１／２以下に低下させることができる。

【0032】

図４（ｂ）を参照して、Ｎ型領域の様子を説明する。第２薄膜１３２とＮ型スラブ領域１１６の接合においては、第２薄膜１３２のハッチングを付した領域にドーパントが局在し、それと隔離されたＮ型スラブ領域１１６に、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成される。二次元電子ガスの易動度は、高濃度でドナーをドープしたＳｉの易動度に比べて２倍以上高い。したがってＮ型スラブ領域１１６の電気伝導度が高まり、電極とＰＮ接合間の抵抗Ｒｎを従来に比べて１／２以下に低下させることができる。

【0033】

ここで光変調素子１００の時定数は式（２）で表される。
τ＝Ｃ×（Ｒｐ＋Ｒｎ） …（２）
ＣはＰＮ接合の接合容量であり、ＲｐはＰ側の抵抗値であり、ＲｎはＮ側の抵抗値である。上述のように、抵抗値Ｒｐ，Ｒｎを低下させることができるため、高速動作が可能となる。

【0034】

光変調素子１００の光損失について説明する。図４（ａ）を参照すると、Ｐ型スラブ領域１１４には、高密度な自由キャリアが存在しないため、Ｐ型スラブ領域１１４の光損失の増加を抑制できている。図４（ｂ）を参照すると、自由キャリアである電子は、Ｎ型スラブ領域１１６に存在することとなるが、そのキャリア濃度は従来のＮ型スラブ領域１１６のそれと同程度であるから、光損失も同程度である。したがって、Ｎ型領域に関しても、光損失の増加は抑制されている。

【0035】

このように、実施の形態に係る光変調素子１００によれば、光損失の増加を抑制しつつ、高速化することができる。

【0036】

実施の形態に係る光変調素子１００と、特許文献１に記載の技術を比較する。半導体材料中の抵抗は、易動度μとキャリア濃度ｎの積に反比例する。
Ｒ∝１／（μ・ｎ） …（３）

【0037】

従来技術では、キャリア濃度ｎを増加させるために、ドーピング密度を高めると、イオン化不純物散乱が増加し、易動度μが低下する。図５は、Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓの易動度と、不純物濃度の関係を示す図である。たとえば帯域５４ＧＨｚを実現する場合、１０^１８ｃｍ^－３のドーピング密度が必要となるところ、易動度μは、非ドープの場合（１０^１４ｃｍ^－３以下）に比べて、半分以下に低下する。

【0038】

これに対して、本実施の形態では、自由キャリアである電子およびホールは、イオン化不純物（ドーパント）と隔離した領域に発生するため、イオン化不純物による散乱を受けず、したがって非ドープの場合の易動度を維持することができる。これにより、本実施の形態によれば、従来技術よりもさらに抵抗値を低減することができ、周波数帯域を、従来の２倍の１００ＧＨｚまで高めることが期待できる。

【0039】

図６は、実施の形態に係る光変調素子１００の電界強度のシミュレーション結果を示す図である。図６の下段には、シミュレーションで用いた各部分の寸法が示される。光変調素子１００によれば、ビームをコア１１０のリブ部１１２およびその近傍に閉じ込めることができ、また良好なビームプロファイルを得ることができる。

【0040】

光変調素子１００の用途は特に限定されないが、２個の光変調素子を、マッハツェンダー干渉計の２本のアームに配置して、光変調器を構成してもよい。図７は、光変調素子１００を利用したマッハツェンダー光変調器の周波数特性のシミュレーション結果（実線）を示す図である。なお比較のために、同寸法の従来技術に係る変調器の周波数特性のシミュレーション結果を破線で示す。

【0041】

マッハツェンダー光変調器は、光変調素子１００のリブ型導波路を位相変調部として構成される。シミュレーションのパラメータは以下の通りである。
・位相変調部の導波路の寸法
リブ幅５００ｎｍ、リブ高３４０ｎｍ、導波路長３ｍｍ

【0042】

・位相変調部の導波路における光損失を０．５ｄＢ／ｍｍとした。なお従来技術の損失は１．０ｄＢ／ｍｍとしている。

【0043】

シミュレーションでは、直列抵抗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、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。抵抗Ｒおよび静電容量Ｃは以下の値を用いた。
・直列抵抗Ｒ 実施形態１．７Ω、 従来技術３．５Ω
・静電容量 実施形態、従来技術とも１．２ｐＦ（ＤＣ逆バイアス３Ｖ）

【0044】

このシミュレーション結果からわかるように、光損失が従来の－１０ｄＢから、本実施形態では、－５ｄＢと５ｄＢ改善されている。また帯域（－３ｄＢ）を比較すると、従来は５２ＧＨｚであったのに対して、本実施形態では１０５ＧＨｚとなり、おおよそ２倍まで帯域が広がっており、高速動作が可能であることが分かる。

【0045】

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

【0046】

（変形例１）
実施の形態では、第１薄膜１３０と第２薄膜１３２の両方を形成する場合を説明したがその限りでなく、第１薄膜１３０のみを形成することとしてもよいし、第２薄膜１３２のみを形成してもよい。

【0047】

（変形例２）
図８は、変形例２に係る光変調素子１００Ａの断面図である。この変形例では、リブ部１１２の肩の部分１４０，１４２に、不純物が低濃度でドープされている（補償ドープ）。

【0048】

（変形例３）
図９は、変形例３に係る光変調素子１００Ｂの断面図である。実施の形態では、横構造のＰＮ接合を説明したが、図９に示すように、縦型構造のＰＮ接合にも本発明は適用可能である。

【0049】

（変形例４）
実施の形態では、Ｓｉ導波路を説明したが、本発明の適用はその限りでなく、その他の半導体材料をベースとした導波路にも適用可能である。例えば、化合物半導体ＧａＡｓ／Ａｌ_１－ｘＧａ_ｘＡｓの組み合わせを利用してもよい。リブ部１１２、Ｐ型スラブ領域１１４、およびＮ型スラブ領域１１６を構成する材料としてＡｌ_１－ｘＧａ_ｘＡｓ混晶を利用し、第１薄膜１３０および第２薄膜１３２にはＧａＡｓ結晶を利用してもよい。この材料系では、ＴｙｐｅＩヘテロ接合のバンド配置となるため、２ＤＨＧおよび２ＤＥＧはそれぞれ第１薄膜１３０および第２薄膜１３２に形成される。組成比ｘは、例えば、０．７としてよい。組成比ｘはこの値に限るものでなく、必要とする２ＤＨＧおよび２ＤＥＧの密度、あるいは加工後の酸化防止などの要求条件に応じて調節すればよい。

【産業上の利用可能性】

【0050】

本発明は、光変調素子に関する。

【符号の説明】

【0051】

１００ 光変調素子
１１０ コア
１１２ リブ部
１１４ Ｐ型スラブ領域
１１６ Ｎ型スラブ領域
１３０ 第１薄膜
１３２ 第２薄膜
１２０ 上側クラッド層
１２２ 下側クラッド層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】