(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光波信号を入力するための入力光導波路と、第１及び第２の分岐光導波路と、前記入力光導波路に接続して前記光波信号を前記第１及び第２の分岐光導波路に２分岐して伝搬させる分波部と、前記第１及び第２の分岐光導波路の少なくとも一方に設けられ、当該分岐光導波路を伝搬する光波信号を変調する光変調部と、前記第１及び第２の分岐光導波路からの光波信号を再び合波する合波部と、合波した光波信号を出力するための出力光導波路と、を有する光機能素子であって、
前記光変調部は、対応する前記分岐光導波路に光学的に結合するように配置されたリング型光導波路と、前記対応する分岐光導波路と前記リング型光導波路との間の振幅分岐比を変化させる手段と、を備え、
前記振幅分岐比を変化させる手段は、前記対応する分岐光導波路に直列に挿入された２つの多モード干渉方式の３ｄＢカプラと、前記２つの３ｄＢカプラ間にあって前記対応する分岐光導波路に挿入され前記対応する分岐光導波路を伝搬する光波信号の位相を変化させる位相変調部と、を有し、前記対応する分岐光導波路と前記リング型光導波路は、前記各３ｄＢカプラの位置で対応する３ｄＢカプラを介して接続していることを特徴とする、光機能素子。
【請求項２】
前記位相変調部は、該位相変調部における分岐光導波路に形成されたｐｎ接合またはｐｉｎ接合と、前記ｐｎ接合またはｐｉｎ接合に電圧を印加する手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の光機能素子。
【請求項３】
前記第１及び第２の分岐光導波路のそれぞれに前記光変調部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光機能素子。
【請求項４】
前記分波部及び合波部は光導波路構造を有し、前記入力光導波路と前記分波部と前記第１及び第２の分岐光導波路と前記合波部と前記出力光導波路と前記リング型光導波路とが半導体材料から構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項５】
前記分波部及び合波部は光導波路構造を有し、前記入力光導波路と前記分波部と前記第１及び第２の分岐光導波路と前記合波部と前記出力光導波路と前記リング型光導波路とがシリコン半導体基板上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項６】
前記光変調部を駆動する駆動回路が、前記シリコン半導体基板上にモノリシックに集積されていることを特徴とする請求項５に記載の光機能素子。
【請求項７】
前記振幅分岐比を変化させる手段は、入力する光波信号を変調するための変調信号に応じて前記ｐｎ接合またはｐｉｎ接合に電圧を印加することを特徴とする、請求項２に記載の光機能素子。
【請求項８】
請求項３に記載の光機能素子の駆動方法であって、位相遅れ量に対する基準値を定めておき、前記第１の分岐光導波路の光変調部では、位相遅れ量に関する基準値から位相遅れ方向となる範囲で変調を行い、前記第２の分岐光導波路の光変調部では、前記第１の分岐光導波路の光変調部での変調と相補的になるように、前記基準値から位相進み方向となる範囲で変調を行うことを特徴とする駆動方法。
【請求項９】
光波信号を入力するための入力光導波路と、第１及び第２の分岐光導波路と、前記入力光導波路に接続して前記光波信号を前記第１及び第２の分岐光導波路に２分岐して伝搬させる分波部と、前記第１及び第２の分岐光導波路の少なくともに一方に挿入され当該分岐光導波路を伝搬する光波信号の位相を変化させる位相変調部と、前記位相変調部を挟んで該位相変調部に対応する分岐光導波路に直列に挿入された２つの多モード干渉方式の３ｄＢカプラと、前記各３ｄＢカプラの位置で対応する３ｄＢカプラを介して前記対応する分岐光導波路に接続するリング型光導波路と、前記第１及び第２の分岐光導波路からの光波信号を再び合波する合波部と、合波した光波信号を出力するための出力光導波路と、を有する光機能素子の製造方法であって、
シリコン基板上に第１のシリコン酸化膜が積層されたＳＯＩ基板の上部に第１の導電型のシリコン層を積層し、
前記第１の導電型のシリコン層の上に、第２のシリコン酸化膜を積層し、
前記第２のシリコン酸化膜上に、前記第１の導電型とは反対導電型である第２の導電型のシリコン層を積層し、
前記第２の導電型のシリコン層の上に、前記各光導波路の形成位置に対応した第１のレジストパターンを形成し、感光性レジスト膜によって、前記位相変調部を除く光導波路に対応する光導波路パターンを形成し、
前記第１のレジストパターンをマスクとして前記第２の導電型のシリコン層をエッチングしてリッジ光導波路を形成し、そののち、前記第１のレジストパターンを除去し、
前記第２のシリコン酸化膜及び前記リッジ光導波路の上に、第３のシリコン酸化膜を積層し、
前記第３のシリコン酸化膜の全体を、前記リッジ光導波路の上部が露出するまで均一にエッチングし、その後、第１の電極を形成するための第１のレジストマスクパターンを形成し、
前記第１のレジストマスクパターンをマスクとして、前記第１の導電型のシリコン層の一部が露出するまで前記第３のシリコン酸化膜をエッチングし、前記第１の導電型のシリコン層及び前記第１のレジストマスクパターン上に、第１のポリシリコン層及び第１の金属電極層を積層形成し、そののち、前記第１のレジストマスクパターンをリフトオフ法で除去して前記第１の電極を形成し、
前記第１の電極の形成ののち、前記位相変調部における光導波路を形成するための第２のレジストマスクパターンを形成し、
前記第２のレジストマスクパターンをマスクとして、前記第１の導電型のシリコン層の一部が露出するまで前記第３のシリコン酸化膜及び前記第２のシリコン酸化膜をエッチングし、前記第１の導電型のシリコン層及び前記第２のレジストマスクパターン上に、第２のポリシリコン層及び第２の金属電極層を積層形成し、そののち、前記第２のレジストマルクパターンをリフトオフ法で除去して前記位相変調部におけるリッジ光導波路及び第２の電極を形成する、
光機能素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信、光情報処理及び光インターコネクション等に用いられる光機能素子に関し、特に、電気信号を光信号に変換する光変調器や可変光減衰器などの光機能素子と、そのような光機能素子の駆動方法及び製造方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
変調信号である電気信号を光信号に変換する光変調器や、減衰量を表わす電気信号に応じて光信号を減衰させる光減衰器によって代表される光機能素子は、近年の光通信市場における通信トラフィックの急速な増大に関連して極めて重要な役割を果たしている基幹部品である。そして、光通信技術の進展とともにこれらの光変調器や光減衰器などの光機能素子は、高性能化と低コストが進んでおり、そのため、光通信分野のみならず、光情報処理や光インターコネクションなどに代表されるような、より使用数量の多い分野へのその適用が検討され始めている。光変調器も光減衰器も電気信号に応じて光波強度を変化させる点では同じであり、ただ、光波強度の変化を高速に行うのか（光変調器）、あるいは低速に行うか（光減衰器）の違いだけであるので、ここでは、これらの光機能素子の代表として、光変調器を取り上げる。光変調器としては、化合物半導体材料を用いた電界吸収型変調器やＬｉＮｂＯ3材料を用いたマッハ−ツェンダー変調器が実用化されている。
【０００３】
マッハ−ツェンダー型の光変調器は、光波信号を入力するための入力光導波路と、第１及び第２の導波路部分と、入力光導波路に接続して光波信号を第１及び第２の導波路部分に２分岐して伝搬させる分波部と、第１及び第２の導波路部分からの光波信号を再び合波する合波部と、合波した光波信号を出力するための出力光導波路と、備えるマッハ−ツェンダー型干渉光学系の基本構成において、第１及び第２の導波路部分を伝搬する光波信号間の位相差を変化させることによって、マッハ−ツェンダー型干渉効果により出力光における光波強度の変動を行うことを可能にするものである。
【０００４】
マッハ−ツェンダー型光変調器は、第１及び第２の導波路部分の間での位相差を用いるものであるから、入力光の波長を変化させた場合には、波長に応じて出力光の強度も変化する。したがって、マッハ−ツェンダー型変調器を応用した波長可変フィルタなども提案されている。例えば特開平８−９５１０８号公報（特許文献１）には、上述したマッハ−ツェンダー型干渉光学系の基本構成において第１の導波路部分にモード結合するリング型光導波路を設け、このように構成されたものを単位構造を複数段縦続接続して構成された光信号処理器が開示されている。この光信号処理器では、縦続接続される単位構造を適宜に設計することにより、例えば、所望の特性を有する光フィルタを構成することができ、また、導波路部分に位相制御部を設けることによって、特性を可変とすることができる。しかしながら、特許文献１に記載のものは、リング型光導波路と導波路部分との結合係数（振幅分岐比）によって素子特性が大きく変化するものであるが、構造上の誤差などの影響によって振幅分岐比が大きくばらつくので、所望の特性を得るための製造や調整が難しくなる。また、特開２００４−１０２０９７号公報（特許文献２）には、上述したマッハ−ツェンダー型干渉光学系の基本構成において、第１の導波路部分にモード結合する第１のリング型光導波路と、第２の導波路部分にモード結合する第２のリング型光導波路と、を設けた波長可変フィルタが開示されている。この波長可変フィルタでは、リング型光導波路に対して電流注入あるいは電圧印加などを行うことによってその屈折率を変化させてリング型光導波路の光学距離（＝物理的長さ×屈折率）を変化させることにより、透過波長を変化させる。
【０００５】
特許文献１の光信号処理器あるいは特許文献２の波長可変フィルタでは、入力光の波長が一定である場合には、電気信号に応じて、出力光の強度が変化する。
【０００６】
さらに光変調器についての先行技術を説明すると、化合物半導体材料による電界吸収型変調器の例として、ＩｎＰ材料による変調器集積化光源がIshizakaらによって発表されており（非特許文献１）、この変調器集積化光源は、長距離光通信用光源として実用化されている。ＬｉＮｂＯ3材料によるマッハ−ツェンダー変調器の例としては、Sugiyamaらによって、特に小型化されたものが報告されている（非特許文献２）。しかしながら、前者は、ウェハー材料や製造コストの点から低コスト化に難点があり、後者も小型化されたものの１ｃｍ以上の素子サイズを有しており、低コスト化に限界がある。
【０００７】
これに対して、最近、安価に製造できるＳｉ半導体を用いた光変調器が、Ansheng Liuらにより発表されている（非特許文献３）。Ｓｉ半導体を用いることのメリットは、成熟したプロセス技術を利用できること以外に、ＣＭＯＳ  ＬＳＩとの親和性からＳｉウェハーによるＯＥＩＣ（光−電気集積回路）の可能性を示唆している点にある。Liuらによって発表された光変調器は、光の受動導波路部だけでなく能動導波路部をもＳｉウェハー上に形成した点が画期的であった。しかしながら、素子構造としては、ＰＮ接合近傍の電界印加による屈折率変化を単純なマッハ−ツェンダー干渉系により光強度に変換しているだけであり、１ｃｍ以上の素子サイズが必要となっている。センチメートルオーダの素子サイズでは、ウェハー一枚あたりから得られる収量の点から低コスト化に限界があるばかりでなく、ＣＭＯＳ  ＬＳＩ等の集積化の観点からもＯＥＩＣ化が困難であり、Ｓｉ半導体材料を用いる利点を十分に生かせないという問題点を抱えている。
【特許文献１】特開平８−９５１０８号公報
【特許文献２】特開２００４−１０２０９７号公報
【非特許文献１】M. Ishizaka et al., "Modulator Integrated DFB Lasers with More Than 600-km Transmission Capability at 2.5Gb/s," IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 9, No. 10, pp. 1406-1408 (1997)
【非特許文献２】M. Sugiyama et al., "Compact Zero-Chirp LiNbO3 Modulator for 10-GB/s Small-Form-Factor Transponder," 30th European Conference on Optical Communication, Post-Deadline Session 3, Th4.3.5 (2004)
【非特許文献３】Ansheng Liu et al., "A high-speed silicon optical modulator based on a metal-oxide-semiconductor capacitor," Nature, Volo. 427, pp. 615-618 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光変調器や光減衰器などの光機能素子は、光通信分野において使用されるだけでなく、光情報処理や光インターコネクションの分野においてもその適用が検討され始めている。しかしながら光情報処理や光インターコネクションの分野において広く使用されるようになるためには、光機能素子は大量生産に耐えるものであるとともに、その製造コストの大幅な削減が不可欠である。光情報処理や光インターコネクションの分野で使用される製品の製造コストとしては、光通信分野における製品に比べ、２桁以上の削減が必要であると言われている。製造コストの削減という観点からすれば、所望の変調特性あるいは減衰特性を有しながら、かつ、サイズを小さく製造できることが重要である。また、大量生産に耐えるものであるためには、構造上のばらつきによる特性への影響が小さいものであることが望まれる。
【０００９】
しかしながら、上述した従来の光機能素子においては、特許文献１に示す光信号処理器あるいは特許文献２に示す波長変化フィルタにおいても、導波路における屈折率変化を通じてその導波路を伝搬する光波信号に対して伝搬遅延を与え、その伝搬遅延に基づく位相遅れを介してマッハ−ツェンダー型干渉効果による出力光の強度変化を得る構成となっているので、原理的に、サイズを小さくすることが難しい、という問題点を有する。サイズが大きいということは、電気的な寄生容量が大きくなることも意味するので、高速動作を難しくする。非特許文献３に示したＳｉ材料を用いた変調器においても、成熟した半導体製造技術を用いるため、特性の安定したものを大量に生産することが可能であるが、やはり、サイズを小さくすることができず、コスト低減に限界がある。
【００１０】
本発明の目的は、光変調器や光減衰器などのマッハ−ツェンダー型の光機能素子であって、上述した課題を解決することができて製造や調整が容易であり、素子サイズを小さくでき、また高速動作が可能な光機能素子を提供することにある。
【００１１】
本発明の別の目的は、本発明の光機能素子の駆動方法を提供することにある。
【００１２】
本発明のさらに別の目的は、本発明の光機能素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の光機能素子は、光波信号を入力するための入力光導波路と、第１及び第２の分岐光導波路と、入力光導波路に接続して光波信号を第１及び第２の分岐光導波路に２分岐して伝搬させる分波部と、第１及び第２の分岐光導波路の少なくとも一方に設けられ、その分岐光導波路を伝搬する光波信号を変調する光変調部と、第１及び第２の分岐光導波路からの光波信号を再び合波する合波部と、合波した光波信号を出力するための出力光導波路と、を有する光機能素子であって、光変調部は、対応する分岐光導波路に光学的に結合するように配置されたリング型光導波路と、対応する分岐光導波路とリング型光導波路との間の振幅分岐比を変化させる手段と、を備える。この光機能素子では、振幅分岐比を変化させることにより、第１及び第２の分岐光導波路を伝搬する光波信号の位相差が変化し、出力光導波路から出力される光波信号の強度が制御される。
【００１４】
このような光機能素子は、例えば、光変調器あるいは光減衰器、光スイッチとして使用されるものである。
【００１５】
本発明において、上述した対応する分岐光導波路とリング型光導波路とが光学的に結合しているとは、例えば、これら両方の光導波路のコアが近接して配置することによって両方の光導波路がモード結合している場合と、両方の光導波路がカプラなどを介して接続しており、モード結合の場合と同様に一方の光導波路から他方の光導波路への光波信号の分岐と他方の光導波路から一方の光導波路への光波信号の分岐とがともに起こりうる場合とを含む。
【００１６】
［作用］
本発明の光機能素子では、マッハ−ツェンダー型の干渉光学系を用いているので、第１及び第２の分岐光導波路をそれぞれ伝搬する光波信号間にΔφの位相差が生じたとすると、入力光強度Ｐに対して出力光強度はＰ・ｃｏｓ2（Δφ／２）となり、位相差Δφに応じて、出力光は減衰消光することになる。そこで本発明では、第１及び第２の分岐光導波路の少なくとも一方に、その分岐光導波路を伝搬する光波信号を変調する光変調部を設けている。光変調部は、光変調部は、対応する分岐光導波路に光学的に結合するように配置されたリング型光導波路と、対応する分岐光導波路とリング型光導波路との間の振幅分岐比Ｋを変化させる手段と、を備える。この構成においては、後述するように振幅分岐比Ｋを０≦Ｋ≦０．１程度の範囲で変化させるだけで、光変調部を通過する光波信号に対し、０からπ程度までの位相遅れを与えることができるので、光変調部によりこのような位相遅れを少なくとも一方の分岐光導波路に導入することによって、出力光強度を制御することが可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、光変調部における分岐光導波路とリング型光導波路との間の振幅分岐比Ｋを変化させることで、光変調や光減衰、光スイッチの機能を実現する。振幅分岐比Ｋは、例えば、分岐光導波路とリング型光導波路とが光学的に結合している部位での屈折率を変化させることによって容易に変化させることができ、この部位の面積は小さいのでそれに伴う寄生容量も小さい。そのため、本発明によれば、印加電圧や消費電力などを伴うことなく、素子サイズを小さくしつつ、高速動作が可能な光機能素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細を説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の光機能素子の構成を示している。ここでは光機能素子はマッハ−ツェンダー型の光変調器として設けられている。
【００２０】
シリコン基板１の上部の同一平面上に、一端から光波信号が入力される入力光導波路９と、入力光導波路９の他端に接続する分波部８と、一対の分岐光導波路７Ａ、７Ｂと、両方の分岐光導波路７Ａ、７Ｂから伝搬してきた光波信号を合波する合波部６と、合波導波路部６において合波された光波信号を出力するための出力光導波路５が形成されるとともに、一方の分岐光導波路７Ａに近接して、この分岐光導波路７Ａに対してモード結合するリング型光導波路３が形成されている。図において分岐光導波路７Ａ，７Ｂは、それぞれ直線状に設けられているが、曲線状に設けられていてもよい。分波部８は、入力光導波路９から伝搬してきた光波信号を分岐光導波路７Ａ、７Ｂに２分岐するものである。
【００２１】
これらの光導波路３，５，７Ａ，７Ｂ，９や合波部６、分波部８は、いずれもシリコン基板１において光導波路構造を有するものとして形成されている。以下、このような光導波路構造の構成について説明する。図２は、図１におけるＢ１−Ｂ２断面を示す模式図である。シリコン基板１上にＳｉＯ2膜２１、ｎ型シリコン層２２が順次積層されており、ｎ型シリコン層２２の上部には、リング型光導波路３および分岐光導波路７Ａ，７Ｂがリッジ光導波路として、それぞれｐ型シリコン層で形成されている。図示したものでは、ｐ型シリコン層４６は分岐光導波路７Ａに対応し、ｐ型シリコン層４７はリング型光導波路３に対応する。光波強度が集中する領域には、ｎ型シリコン層２２とｐ型シリコン層４６，４７とによるｐｎ接合５１，５２が形成されている。また、ｐ型シリコン層４６，４７の両側は、ＳｉＯ2膜２３で埋め込まれており、さらに、ｐ型シリコン層４６，４７の上部には、ｐ型ポリシリコン層４８、電圧印加のための陰極電極４９が順次積層されており、陰極電極４９には、パッド電極４が電気的に接続された状態で形成されている。図３は、図１におけるＣ１−Ｃ２断面を示す模式図であるが、ｎ型シリコン層２２の一部上部には、ｎ型ポリシリコン層２９と電圧印加のための陽極電極１１が順次積層された構成となっている。図示していないが、入力光導波路９、分波部８、分岐光導波路７Ｂ、合波部６及び出力光導波路５も、ｐ型シリコン層からなるリッジ光導波路として構成されている。
【００２２】
なお、このような光機能素子の一例では、分岐光導波路７Ａとリング型光導波路３が光学的に結合して相互作用する導波路部の長さ（すなわち相互作用長）が１００μｍとなり、このときの両方の光導波路間のモード結合定数が１×１０-3 ｒａｄ／μｍとなるように、相互作用する部分の導波路部の構造が定められている。
【００２３】
以下に、この実施形態の動作機構について詳細に述べる。入力光導波路９に入力された光波は、分波部８で２分岐した後、分岐光導波路７Ａ、７Ｂを伝搬する。分岐光導波路７Ａとリング型光導波路３とはモード結合しているので、分岐光導波路７Ａを伝搬してきた光波は、リング型光導波路３にも分岐する。分岐光導波路７Ａを伝搬してきた光波の振幅を｜ａ｜とし、このうちリング型光導波路３に分岐する光波の振幅を｜ｃ｜とすれば、振幅分岐比Ｋは、｜ｃ｜／｜ａ｜で表わされる。ただし、０≦Ｋ≦１である。なお、リング型光導波路３と分岐光導波路７Ａとのモード結合の結合定数をｋとし、モード結合している部分の光路長をｌとすれば、Ｋ＝ｓｉｎ （ｋｌ）と表わされる。
【００２４】
リング型光導波路３に分岐した光波成分も最終的には分岐光導波路７Ａに戻るが、リング型光導波路３が有限の長さＬを有するため、結果として、分岐光導波路７Ａへの入力と出力とに着目すると、位相遅れが発生することになる。一方の分岐光導波路７Ａとリング型光導波路３とのモード結合の強さは、上述の振幅分岐比Ｋで表わすことができる。そこで、分岐光導波路７Ａとこれにモード結合したリング型光導波路３とからなる系を、リング共振型位相シフタと呼ぶことにする。図４は、リング共振型位相シフタを概念的に説明する図である。
【００２５】
ここで、分岐光導波路７Ａの一端に入射する光波振幅をａ、分岐光導波路７Ａの他端から出射する光波振幅をｂで表わすと（いずれも複素表現である）、ｂは、ａを用いて(1)式のように表わすことができる。
【００２６】
【数１】
0005433919.tif 000002
【００２７】
ここで、πは円周率、λは光波の波長、ｎeffはリング型光導波路における実効屈折率、Ｌはリング型光導波路のリング周囲長である。(1)式において、βＬは、波長λの光波がリング型光導波路を１周したときの位相遅れをラジアン単位で表わしたものである。入射光ａと出射光ｂとの位相差Δφは、光波振幅ａ，ｂの相互の複素比の偏角で表わされるから、
【００２８】
【数２】
0005433919.tif 000003
【００２９】
となる。上述したように、振幅分岐比Ｋは、０≦Ｋ≦１を満たしている。
【００３０】
(2)式から明らかなように、位相差Δφは、振幅分岐比Ｋを変化させることによって変化させることができる。図５は、半径が２００μｍの真円のリング型光導波路３（リング周囲長Ｌ＝１．２５６ｍｍ）を用いた場合の振幅分岐比Ｋと位相差Δφとの関係を示すグラフである。このリング型光導波路３のリング周囲長Ｌは、そのリング型光導波路での入射光の波長のほぼ整数倍であるが（図５におけるβＬの式の右辺第１項の「２π」で表わす）、正確に整数倍より少し長く、そのため、入射光がリング光導波路３を周回したとすると、（波長の整数倍の項を除いて）５×１０-4ラジアンだけの位相遅れを生じさせるものである。このグラフでは、縦軸の位相差Δφは、π（円周率）で正規化されている。このグラフから明らかなように、０＜Ｋ＜０．１程度の範囲で振幅分岐比Ｋを変化させれば、ほぼ０からπまでの位相の変調が可能となる。
【００３１】
図１〜図３に戻って、陰極電極４９と陽極電極１１の間に電圧を印加すると、ｎ型シリコン層の電位が変化し、ｐｎ接合５１、５２における空乏層が広がり、プラズマ効果によって、これらのｐｎ接合５１，５２の近傍の領域における屈折率が変化する。この屈折率変化により、リング型光導波路３と分岐光導波路７Ａにおける光波の断面電磁界分布が変化して、その結果、両者間の振幅分岐比Ｋも変化し、位相差Δφも変化する。
【００３２】
本実施形態の光変調器においては、入射光導波路９から入射した入力光波信号は、分波部８によって１対の分岐光導波路７Ａ，７Ｂに分岐する。分岐光導波路７Ｂに分岐した方の光波信号は位相遅れを受けることなく合波部６に入射するが、分岐光導波路７Ａに分岐した方の光波信号は、リング型光導波路３とのリング共振型位相シフタによって、０からπまでの間で可変の位相遅れを受けてから合波導波路部６に入射する。ここでの位相遅れは、陰極電極４９と陽極電極１１との間に印加された電圧に依存する。合波部６におけるマッハ−ツェンダー干渉効果により、合波部６で合波されて出力される光波信号の強度は、分岐光導波路７Ａでの位相遅れに応じて変化する。その結果、陰極電極４９と陽極電極１１の間に印加する電圧すなわち変調信号を変化させて上述の振幅分岐比Ｋを変化させることにより、合波部６から出力光導波路５を介して出射する光波信号の強度を変化させることができ、光波信号の変調を行うことができる。なお当然のことながら、本実施形態の光変調器は、陰極電極４９と陽極電極１１の間に印加する電圧に応じて出力光の強度が減衰する光減衰器あるいは光スイッチとしても使用できるものである。
【００３３】
この実施の形態においては、振幅分岐比Ｋを変化させるために、リング型光導波路３と分岐光導波路７Ａとが近接する部分において、両方の光導波路３、７Ａに接続するように陰極電極４９を設け、電圧印加によって両方の光導波路３、７Ａの屈折率を変化させる構成としている。しかしながら、いずれか一方の光導波路の屈折率を変化させるだけで、その光導波路を伝搬する光波信号の導波モードが変化し、両方の光導波路３、７Ａの結合状態が変化する。したがって、本実施形態の光変調器においては、リング型光導波路３及び分岐光導波路７Ａのいずれか一方のみの上に陰極電極４９を設け、その対応する光導波路のみに電圧を印加できる構成としてもよい。
【００３４】
本実施形態の光変調器では、振幅分岐比Ｋを０から０．１の間で変化させるだけで、実質的に１００％の光強度変調を達成することができる。振幅分岐比Ｋをこの程度変化させるために陰極電極４９及び陽極電極１１の間に印加すべき電圧は、比較的低い電圧で十分である。また、振幅分岐比Ｋを変化させるための電極は、リング型光導波路と分岐光導波路とがモード結合している部分に対して電圧を印加できればよいので、光導波路の光学距離を変化させるために用いられる電極に比べて、小さく形成することができ、そのため、その電極に寄生する静電容量も小さくできる。これらのことにより、本実施形態によれば、従来のものと比べて、少ない電力で高速に変調できる光変調器を構成することができる。また、電極を小さくできることから、本実施形態よれば光変調器を小型に形成することができ、シリコン基板上で１つの光変調器が占める面積を小さくできるので、光変調器の製造コストを低減することができる。
【００３５】
特許文献１に記載された光信号処理器では、製造上のばらつきなどにより、分波部で２分岐した光波信号のうちの一方を伝搬する光導波路とリング型光導波路との光学的な結合が変化し、そのため所望の特性を得ることが難しくなっている。これに対して本実施形態の光変調器では、分岐光導波路とリング型光導波路との光学的な結合の大きさ自体を変化させることによって変調を行うので、製造上のばらつきなどは、変調結果をフィードバックすることなどによって、容易に補正できる。したがって、本実施形態によれば、光変調器自体の製造や調整が容易になる。
【００３６】
上述した構成では、振幅分岐比Ｋを変えるためにｐｎ接合におけるプラズマ効果を利用しているが、当業者には自明であるように、ｐｎ接合の代わりにｐｉｎ接合を設け、このｐｉｎ接合におけるプラズマ効果を利用するようにしてもよい。ｐｉｎ接合とする場合、ｉ型シリコン層が、ｎ型シリコン層２２とｐ型シリコン層４６、４７との間に設けられることになる。このとき、ｉ型シリコン層は、ｐ型シリコン層４６、４７が設けられる位置においてｐ型シリコン層４６、４７の直下の位置にのみ形成されていてもよいし、ｎ型シリコン層２２の上面の全面に形成されていてもよい。
【００３７】
次に、図１に示した光変調器の製造方法を説明する。図６は第１の実施形態の光変調器の製造工程を順に追って示す模式図であり、図１のＧ１−Ｇ２線に沿う断面に対応するものである。
【００３８】
シリコン基板１上にＳｉＯ2膜２１が積層されたＳＯＩ基板を使用し（工程Ａ）、このＳＯＩ基板の上面にｎ型シリコン層２２を積層する（工程Ｂ）。ｎ型シリコン層２２の上にｐ型シリコン層１５４を積層し（工程Ｃ）、ｐ型シリコン層１５４の上面に、感光性レジスト膜を用いた通常の露光工程により、光導波路パターン１５５を形成する（工程Ｄ）。その後、光導波路パターン（レジストパターン）１５５をマスクとしたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法によりｐ型シリコン層１５４をエッチングし、リング型光導波路３となるべきｐ型リッジ導波路１５６（ｐ型シリコン層４７）を形成する。図では示されていないが、このとき、分岐光導波路７Ａ，７Ｂとなるリッジ光導波路も同時に形成される。しかる後、光導波路パターン１５５を除去し（工程Ｅ）、ｎ型シリコン層２２及びｐ型シリコン層４７の上にＳｉＯ2膜１５７を積層する（工程Ｆ）。ＲＩＥ法により、ＳｉＯ2膜１５７の全体を、ｐ型リッジ光導波路の上部が露出するまで均一にエッチングし（工程Ｇ）、陽極電極１１を形成するためのレジストマスクパターン１５９を形成し、ＲＩＥ法により、レジストマスクパターン１５９をマスクとしてｎ型シリコン層２２の一部が露出するまで均一にＳｉＯ2膜１５７エッチングする（工程Ｉ）。その後、ｎ型シリコン層２２、レジストマスクパターン１５９の上に、ｎ型ポリシリコン層１６０及び金属電極層１６１を積層形成し（工程Ｊ）、レジストマスクパターン１５９を有機溶剤等で除去するリフトオフ法により、ｎ型ポリシリコン層２９及び陽極電極１１を形成する（工程Ｋ）。その後、一般的なフォトリソグラフィ工程を経てｐ型ポリシリコン層４８及び陰極電極４９を設けることにより、第１の実施形態の光変調器が完成する。ｐ型ポリシリコン層４８及び陰極電極４９は、例えば、陰極電極４９を形成するためのレジストマスクパターンを形成し、このレジストマスクパターン上にｐ型ポリシリコン層と金属電極を積層し、その後、レジストマスクパターンをリフトオフ法で除去することによって、設けることができる。
【００３９】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態として、低消費電力で動作するマッハ−ツェンダー型の光減衰器について説明する。図７は、第２の実施形態の光減衰器を示しており、図８は、図７のＤ１−Ｄ２線に沿う断面を示している。図７、図８において、図１〜図３において示したものと同じ構成要素には、同じ参照符号が付与されている。
【００４０】
この光減衰器も、第１の実施形態の光変調器と同様に、リング型光導波路３と分岐光導波路７Ａからなるリング共振型位相シフタを使用し、リング型光導波路３と分岐光導波路７Ａの間の振幅分岐比Ｋを制御することで、出力光導波路５から出射される光波信号の強度を変化させている。ただしこの実施形態では、リング型光導波路３と分岐光導波路７Ａとがモード結合している部位の表面にヒータ６５を設け、このヒータに通電して発熱させることにより、リング型光導波路３と分岐光導波路７Ａとがモード結合している位置での各光導波路３，７Ａの屈折率を温度変化によって変化させている。温度変化による屈折率変化によって、リング型光導波路３と分岐光導波路７Ａにおける光波の断面電磁界分布が変化し、両者間の振幅分岐比Ｋが変化する。したがって、ヒータ６５に対する通電量を変化させて振幅分岐比Ｋを変化させることにより、光波信号における分岐光導波路７Ａでの位相遅れが変化し、出力光導波路５から出射される光波信号の強度が変化する。この光減衰器で得たいとする所望の減衰量に応じて、ヒータ６５に対する通電量を定めればよい。ヒータ６５に対して通電するためのパッド電極６６、６７も、光減衰器の表面に設けられている。
【００４１】
本実施形態では、温度変化に基づく屈折率変化に応じて振幅分岐比Ｋを変化させているので、その応答の時定数は数十ミリ秒程度となる。したがってこの構成は、変調信号によって光波信号を高速に変調するための光変調器には不向きであるが、動作時間が数十ミリ秒程度と、減衰器やスイッチとしては高速で動作する光減衰器（さらには光スイッチ）として使用でき、変調信号が極めて低速である場合には光変調器としても使用できることになる。ｐｎ接合にけるプラズマ効果を用いて振幅分岐比Ｋを変化させるのか、温度変化による屈折率変化によって振幅分岐比を変化させるかの違いはあるが、その他の点では動作原理としては第１の実施形態と同じである。
【００４２】
なお、この実施の形態においては、振幅分岐比Ｋを変化させるために、リング型光導波路３と分岐光導波路７Ａとが近接する部分において、両方の光導波路３、７Ａにまたがるようにヒータ６５を配置し、ヒータ６５への通電によって両方の光導波路３、７Ａの温度を変えて両方の光導波路３、７Ａの屈折率を変化させる構成としている。しかしながら、いずれか一方の光導波路の屈折率を変化させるだけで、その光導波路を伝搬する光波信号の導波モードが変化し、両方の光導波路３、７Ａの結合状態が変化する。したがって、本実施形態の光変調器においては、リング型光導波路３及び分岐光導波路７Ａのいずれか一方のみの上にヒータ６５を設け、その対応する光導波路のみを加熱できる構成としてもよい。
【００４３】
この光減衰器の断面構成を説明する。シリコン基板６０上に、ＳｉＯ2クラッド層６１が積層されており、ＳｉＯ2クラッド層６１上の一部にＳｉＯＮコア層６２，６３が形成され、さらにこれらＳｉＯ2クラッド層６１及びＳｉＯＮコア層６２，６３を覆うように、ＳｉＯ2クラッド層６４が設けられている。ＳｉＯＮコア層６２，６３は、それぞれ、分岐光導波路７Ａ及びリング型光導波路３に対応する。ＳｉＯＮコア層６２，６３（分岐光導波路７Ａ及びリング型光導波路３）がモード結合する位置において、ＳｉＯ2クラッド層６４の表面にヒータ６５が形成されており、ヒータ６５には、電流通電用のパッド電極６６、６７が接続されている。ここでは示されていないが、入力光導波路９、分波部８、分岐光導波路７Ｂ、合波部６及び出力光導波路５も、ＳｉＯ2クラッド層とＳｉＯＮコア層により構成されている。
【００４４】
この光減衰器では、パッド電極６５、６６の間に電圧を印加することにより、ヒータ６５をジュール加熱する。その結果、ＳｉＯＮコア層６２，６３やその近傍のＳｉＯ2クラッド層６４に温度上昇が生じ、熱光学効果により、これらの層６２〜６４の屈折率が変化する。これによって、振幅分岐比Ｋが変化することとなり、第１の実施形態の場合と同じ原理によって、出力光強度を変えることができる。本実施形態では、分岐光導波路７Ａ及びリング型光導波路３とがモード結合している領域のみを加熱できればよいので、ヒータ面積を小さくすることができ、その分、ヒータ６５に供給すべき電力も低下し、低消費電力が可能となる。もちろん、ヒータ６５に供給する電力に応じて発熱量が変化し、これによって振幅分岐比Ｋが変化するので、任意の減衰度を設定できる可変光減衰器を実現することができる。
【００４５】
本実施形態では、リング型光導波路３と分岐光導波路７Ａとがモード結合している位置のみの温度を変化させればよいので、例えばリング型光導波路の全体、あるいは一方の分岐光導波路の全体の温度を変化させるような従来の光減衰器と比較して、ヒータで消費される電力を大幅に削減することができる。また、温度を変化させる部分の熱容量も小さいから、高速で動作させることが可能になる。
【００４６】
また本実施形態の光減衰器は、リング型光導波路３と分岐光導波路７Ａにおける温度変化に伴う屈折率変化によって動作するので、光導波路として、例えば、シリコン基板上に形成される石英光導波路構造を用いることができる。したがって本実施形態によれば、数十ミリ秒程度という速い動作速度を有する光減衰器あるいは光スイッチを、簡単なプロセスで低コストに製造することができる。また、石英光導波路構造を用いる場合には、シリコン光導波路を用いる場合に比べ、可視光などより短波長側でも使用することができる。
【００４７】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態の光変調器について説明する。図９は本発明の第３の実施形態の光変調器を示す断面図である。この光変調器は第１の実施形態の光変調器と同様のものであり、図９は図１におけるＢ１−Ｂ２線に沿う断面に対応するものである。しかしながら本実施形態の光変調器は、分岐光導波路７Ａとリング型光導波路３との振幅分岐比Ｋを可変とするために、ｐｎ接合におけるプラズマ効果を用いるのではなく、分岐光導波路７Ａとリング型光導波路３とがモード結合する領域において両方の光導波路３，７Ａのコアの間の領域に電気光効果（ＥＯ効果）を有する物質からなるＥＯ効果層（電気光効果素子）１３０を設けている。この光変調器では、ＥＯ効果層１３０に印加される電圧に応じてＥＯ効果が大きさが異なるので、印加電圧に応じて両方の光導波路３，７Ａ間の結合状態を変化させることができ、両方の光導波路３，７Ａ間の振幅分岐比Ｋを変化させることができる。ＥＯ効果層１３０は、例えば、ＬｉＮｂＯ3などによって形成される。ＥＯ効果層１３０は、その下面がｎ型シリコン層２２に接し、上面には電極１３１が設けられている。また、両方の光導波路３，７Ａのコアとして、ｐ型シリコン層ではなく、電気絶縁性のＳｉＯ2コア層１３２、１３３が設けられている。図示していないが、入力光導波路９、分波部８、分岐光導波路７Ｂ、合波部６及び出力光導波路５も、コアとして、ＳｉＯ2を用いている。
【００４８】
この光変調器では、電極１３１と陽極電極１１（図１参照）との間に電圧を印加することにより、ＥＯ効果層１３０にその電圧が印加される。ＥＯ効果層１３０への印加電圧を制御することによって振幅分岐比Ｋを制御することができ、光波信号の変調を行うことができる。この光変調器も、ＥＯ効果層１３０に印加される電圧に応じて出力光の強度が減衰する光減衰器あるいは光スイッチとして使用できるものである。
【００４９】
本実施形態の光変調器では、リング型光導波路３のコアと分岐光導波路７Ａのコアとの間に配置したＥＯ効果層１３０に電圧を印加することによって振幅分岐比Ｋを変化させるので，ＥＯ効果層１３０に用いる物質としてＥＯ効果が大きいものを使用すれば、比較的小さな電圧で振幅分岐比Ｋを大きく変化させることができ、したがって、電圧振幅の小さな変調信号を用いても、出力光における大きな変調を達成できる。また、各導波路として石英光導波路構造を使用できるので、可視光などの比較的波長の短い光の変調を行うことができる。
【００５０】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態の光変調器について説明する。図１０は、本発明の第４の実施形態の光変調器を示している。
【００５１】
この光変調器では、第１の実施形態の光変調器と同様に、シリコン基板１の上部の同一平面上に、一端から光波信号が入力される入力光導波路９と、入力光導波路９の他端に接続する分波部８と、一対の分岐光導波路７Ａ、７Ｂと、両方の分岐光導波路７Ａ、７Ｂから伝搬してきた光波信号を合波する合波部６と、合波導波路部６において合波された光波信号を出力するための出力光導波路５が形成されるとともに、リング型光導波路３が形成されている。この光変調器が第１の実施形態のものと異なる点は、リング型光導波路３が、わずかな距離を挟んで配置された２組のＭＭＩ（multi-mode interference；多モード干渉方式）３ｄＢ光カプラ８１，８２を介して、２箇所で一方の分岐光導波路７Ａと結合するとともに、分岐光導波路７Ａに位相変調部８３が挿入されている点である。位相変調部８３は、分岐光導波路７Ａにおいて、２つの３ｄＢ光カプラ８１、８２の挿入点の中間の位置に設けられている。位相変調部８３としては、分岐光導波路７Ａを伝搬する光波信号に対し、ｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合によるプラズマ効果によって位相遅れを与えるものなどが好ましく使用される。このような２つの３ｄＢカプラ８１，８２と位相変調部８３とによって、分岐光導波路７Ａとリング型光導波路３とは光学的に結合し、この光学的な結合は、分岐光導波路７Ａとリング型光導波路３とがモード結合しているものとして扱うことができ、両者間の振幅分岐比Ｋを上述と同様に定義することができる。そしてこの構成においては、位相変調部８３における位相遅れ量を調整することにより、上述した振幅分岐比Ｋが変化する。この場合、位相変調部８３のみによる位相遅れの変化に比べ、振幅分岐比Ｋが変化したことによるリング共振型位相シフタとしての位相遅れの変化は、例えば１０倍以上に拡大される。したがって、分岐光導波路７Ａに挿入される位相変調部８３として、サイズの小さなものを使用することが可能になる。
【００５２】
図１１は、図１０におけるＡ１−Ａ２断面を示す模式図であり、図１２は、図１０におけるＢ１−Ｂ２断面を示す模式図である。第１の実施形態のものと同様に、シリコン基板１上にＳｉＯ2膜２１、ｎ型シリコン層２２が順次積層されており、ｎ型シリコン層２２の上部には、リング型光導波路３および分岐光導波路７Ａ，７Ｂがリッジ光導波路として、それぞれｐ型シリコン層で形成されている。図では、リング型光導波路３に対応して、Ｓｉコア層２７が設けられている。また、分岐光導波路７Ａのうち、位相変調部８３に当たる部分は、図１２に示すように、ｐ型ポリシリコン層３１で形成されている。リング型光導波路３のＳｉコア層２７をｎ型シリコン層２２から電気的に分離するために、両者の界面にＳｉＯ2膜３０が設けられている。位相変調部８３においては、ｐ型ポリシリコン層３１はｎ型シリコン層とｐｎ接合を形成するとともに、ｐ型ポリシリコン層３１に接続するように、陰極電極１０が形成されている。Ｓｉコア層２７及びｐ型ポリシリコン層３１の両側はＳｉＯ2膜２３で埋め込まれており、ｎ型シリコン層２２の一部の上部には、ｎ型ポリシリコン層２９と電圧印加のための陽極電極１１とが順次積層されている。
【００５３】
この光変調器においては、陽極電極１１と陰極電極１０との間に電圧を印加すると、位相変調部８３において、リッジ光導波路（分岐光導波路７Ａの一部）であるｐ型ポリシリコン層３１と、その下側に位置するｎ型シリコン層２２からなるｐｎ接合におけるプラズマ効果により、ｐ型ポリシリコン層３１を伝搬する光波信号に位相遅れが発生する。この位相遅れにより、上述したようにリング型光導波路３と分岐光導波路７Ａとの振幅分岐比Ｋが変化し、その結果、分岐光導波路７Ａを伝搬する光波信号に大きな位相遅れが発生する。陽極電極１１と陰極電極１０との間の印加電圧を変化させることによって振幅分岐比Ｋが変化するので、本実施形態によれば、光波信号の変調を行うことができる。本実施形態の光変調器も、陰極電極１０と陽極電極１１の間に印加する電圧に応じて出力光の強度が減衰する光減衰器あるいは光スイッチとしても使用できるものである。
【００５４】
次に、図１０〜図１２に示した光変調器の製造工程について、図１３ａ、図１３ｂ、図１４ａ、図１４ｂを用いて説明する。図１３ａ、図１４ａは、図１０のＡ１−Ａ２線での断面に対応する図であり、図１３ｂ、図１４ｂは、図１０のＢ１−Ｂ２線での断面に対応する図である。
【００５５】
まず、シリコン基板１上にＳｉＯ2膜２１が積層されたＳＯＩ基板を使用し（工程Ａ）、このＳＯＩ基板の上面にｎ型シリコン層２２を積層する（工程Ｂ）。ｎ型シリコン層２２の上に、薄いＳｉＯ2膜２０３を形成し（工程Ｃ）、ＳｉＯ2膜２０３上にシリコン層２０４を積層し（工程Ｄ）、シリコン層２０４の上面に、感光性レジスト膜２０５を塗布する（工程Ｅ）。その後、感光性レジスト膜２０５をパターニングして光導波路パターン２０５を形成する（工程Ｆ）。その後、光導波路パターン（感光性レジスト膜２０５によるパターン）２０５をマスクとしたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法によりｐ型シリコン層２０４をエッチングし、リング型光導波路３となるべきリッジ光導波路（Ｓｉコア層２７）を形成する（工程Ｇ）。図では示されていないが、このとき、分岐光導波路７Ａ，７Ｂとなるリッジ光導波路も同時に形成される。ただし、位相変調部となるべき部分の光導波路はこの時点では形成されない。
【００５６】
しかる後、光導波路パターン２０５を除去し、ｎ型シリコン層２２及びＳｉコア層２７の上にＳｉＯ2膜２０６を積層する（工程Ｈ）。ＲＩＥ法により、ＳｉＯ2膜２０６の全体を、リッジ光導波路の上部が露出するまで均一にエッチングし（工程Ｉ）、陽極電極１１を形成するためのレジストマスクパターン２０９を形成し（工程Ｊ）、ＲＩＥ法により、レジストマスクパターン２０９をマスクとしてｎ型シリコン層２２の一部が露出するまで均一にＳｉＯ2膜２０６をエッチングする（工程Ｋ）。その後、ｎ型シリコン層２２、レジストマスクパターン２０９の上に、ｎ型ポリシリコン層２１０及び金属電極層２１１を積層形成し（工程Ｌ）、レジストマスクパターン２０９を有機溶剤等で除去するリフトオフ法により、ｎ型ポリシリコン層２９及び陽極電極１１を形成する（工程Ｍ）。
【００５７】
次に、位相変調部における光導波路を形成するためのレジストマスクパターン２１２を形成し（工程Ｎ）、このレジストマスクパターン２１２をマスクとして、ＲＩＥ法などのドライエッチングにより、ｎ型シリコン層２２の一部が露出するまで均一にＳｉＯ2膜２０６をエッチングする（工程Ｏ）。次に、ｎ型シリコン層２２、レジストマスクパターン２０９の上に、ｐ型ポリシリコン層２１３及び金属電極層２１４を積層形成し（工程Ｐ）、レジストマスクパターン２０９を有機溶剤等で除去するリフトオフ法により、位相変調部での光導波路を構成するｎ型ポリシリコン層３１と、そのｎ型ポリシリコン層３１上に設けられる陰極電極１０を形成する（工程Ｑ）。
【００５８】
以上の工程を経て、第４の実施形態の光変調器が完成する。
【００５９】
図１５及び図１６は、このような光変調器の具体的な構成例を示す図であり、図１５は平面図、図１６（ａ）は図１５のＡ−Ｂ線での断面図、図１６（ｂ）は図１５のＣ−Ｄ線での断面図である。ここでは、陰極電極が裏面電極としてｎ型シリコン（Ｓｉ）基板の裏面側に設けられている構成を説明する。
【００６０】
ここでは、分岐光導波路７Ａ及びリング型光導波路３のコア部分は、幅が２．５μｍ、厚さが１．５μｍのｉ型シリコンあるいはｐ型ポリシリコン（不純物濃度３×１０16 ｃｍ-3）からなっている。ＭＭＩ方式の３ｄＢカプラ８１，８２として、それぞれ、光結合部の長さが６５μｍ、幅が５μｍのものを用いている。このような分岐光導波路７Ａ及びリング型光導波路３は、裏面に裏面電極が形成されたｎ型シリコン基板（不純物濃度が１．７×１０16 ｃｍ-3）上に形成されている。分岐光導波路７Ａの位相変調部８３の光路長は、２５０μｍである。位相変調部８３の部分では、ｐ型ポリシリコンからなる分岐光導波路７Ａのコア上に、電極１０が形成されている。
【００６１】
図１７は、図１５及び図１６に示した光変調器における、電極１０と裏面電極との間に印加された電圧をＶとしたときに、電圧Ｖと振幅分岐比Ｋとの関係を示すグラフである。位相変調部８３の光路長が２５０μｍであるとして、印加電圧Ｖを約１０Ｖ変化させることで、Ｋを０から０．１までの範囲で変化させることができる。第１の実施形態でも説明したように、Ｋを０から０．１までの範囲で変化させると、０からほぼπまでの位相差を与えることができるから、結果として、十分な消光比を有する光変調器を、光路長２５０μｍの位相変調部を用いて実現できることになる。この位相変調部は、電圧印加によって屈折率を変化させるものであるが、同じく電圧印加による屈折率の変化で光変調を行う非特許文献３に記載のものでは、本実施形態のものと同じ消光比を得るために、ｍｍオーダの光路長を必要としている。言い換えれば、本実施形態のものは、非特許文献３に比べ、位相変調部に用いられる電極サイズを１／１０以下にすることができるので、寄生容量も１／１０以下となり、その分、高速に光波信号の変調を行えることになる。
【００６２】
第４の実施形態の光変調器は、リング型光導波路３と分岐光導波路７Ａとを近接して配置することにより両者をモード結合させるのではなく、２箇所の３ｄＢカプラ８１，８２によって両者を結合させており、見た目では構成が複雑であるが、製造誤差の影響を受けにくい構造となっている。したがって、第４の実施形態によれば、特性の安定した光変調器を大量に生産すること可能である。
【００６３】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態として、プッシュプル動作により、低電圧駆動が可能な光変調器について説明する。図１８は、本発明の第５の実施形態の光変調器を示している。この光変調器は、上述した第１の実施形態の変調器と同様のものであるが、１対の分岐光導波路７Ａ，７Ｂのうち、他方の分岐光導波路７Ｂに対してモード結合する第２のリング型光導波路３Ｂが設けられている点で、第１の実施形態のものと相違する。第２のリング型光導波路３Ｂは分岐光導波路７Ｂとともに第２のリング共振型位相シフタを構成しており、この光変調器では、２本の分岐光導波路７Ａ，７Ｂのそれぞれごとに、リング共振型位相シフタが設けられていることになる。構造としては両方のリング共振型位相シフタは同等のものであり、そのため、分岐光導波路７Ｂの側にも、陰極電極４９Ｂ、パッド電極４Ｂ、陽極電極１１Ｂが設けられている。なお、陽極電極１１、１１Ｂはいずれもｎ型シリコン層２２に電気的に接続するものであるから、陽極電極としては、陽極電極１１、１１Ｂのいずれか一方のみを設けるようにしてもよい。
【００６４】
次に、この光変調器の動作を説明する。この光変調器ではそれぞれの両方の分岐光導波路７Ａ，７Ｂに対して別々の位相遅れを設定することができる。そこで、陽極電極１１，１１Ｂを共通電極とし、陰極電極４９、４９Ｂに印加する電圧の基準値Ｒとして、対応する分岐光導波路においてπ／２だけの位相遅れが生じるような電圧を設定する。陰極電極４９、４９Ｂの電圧がともにこの基準値であれば、分岐光導波路７Ａ，７Ｂ間での位相差は生じず、最大強度の出力光を得ることができる。そして、出力光を最小にするためには、一方の陰極電極４９に対してπだけの位相遅れが生じる電圧を印加し、他方の陰極電極４９Ｂに対して位相遅れが生じないような電圧を印加する。このような電圧は、基準値からの電圧差として考えると、いずれも、一方の分岐光導波路において０からπまでの位相遅れを生成するために必要な電圧差Ｅの概ね半分である。したがって、陰極電極４９，４９Ｂを駆動する駆動回路としては、一方はＲからＲ＋（Ｅ／２）までの電圧を印加できる機能を備え、他方は、ＲからＲ−（Ｅ／２）までの電圧を印加できる機能を備えればよい。すなわち２つの駆動回路は、基準値Ｒを中心として、基準値Ｒからの電位差がたかだかＥ／２であるような相補的な信号を印加できるようなものであればよい。
【００６５】
本実施形態では、各駆動回路としては、変調信号に応じた電圧信号であってたかだかＥ／２だけの電圧変化を与えるものを用いることができるので、一方の分岐光導波路のみで変調を行う場合に比べ、駆動回路が出力する信号における電圧変化の振幅を半分に低減することが可能となる。一般に、変調信号に応じて電圧を変化させる回路では、その電圧変化幅が大きいと、回路各部に存在する寄生容量などの問題によって、消費電力が電圧変化幅の例えば２乗に比例して増加するとともに、高速では電圧を変化させることができなくなる。本実施形態では、個々の駆動回路に要求される電圧変化幅を小さくすることができるので、高速動作が可能になるとともに、駆動回路を２個必要としても、一方の分岐光導波路のみにおいて変調を行う場合に比べ、消費電力を削減することができる。
【００６６】
上述した第５の実施形態では、第１の実施形態の構成において両方の分岐光導波路に対してそれぞれリング共振型位相シフタを設けるようにしているが、第２乃至第４の実施形態において、それらの実施形態におけるリング共振型位相シフタを両方の分岐光導波路に対して設けるようにしてもよい。第２乃至第４の実施形態においてリング共振型位相シフタを両方の分岐光導波路に設ける構成とした場合も、駆動回路は、π／２の位相遅れを基準として相補的な信号をそれぞれのリング共振型位相シフタに印加するようなものであればよい。
【００６７】
以上説明した本発明の各実施形態の光機能素子（光変調器、光減衰器）は、いずれも、シリコン半導体基板上に、半導体装置製造技術を用いて形成されるものである。そこで本発明においては、各リング共振型位相シフタを駆動するための駆動回路やその他の信号信号処理回路も、光機能素子が設けられたシリコン半導体基板上に設けることができる。例えば、駆動回路は、ＣＭＯＳ  ＬＳＩ回路としてシリコン半導体基板上にモノリシックに集積することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の第１の実施形態の光変調器の構成を示す概略平面図である。
【図２】図１のＢ１−Ｂ２線に沿う断面図である。
【図３】図１のＣ１−Ｃ２線に沿う断面図である。
【図４】リング共振型位相シフタの動作原理を説明する図である。
【図５】振幅分岐比Ｋと位相差Δφとの関係をグラフである。
【図６】第１の実施形態の光変調器の作成方法を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の光減衰器の構成を示す概略平面図である。
【図８】図６のＤ１−Ｄ２線に沿う断面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態の光変調器の構成を示す概略断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態の光変調器の構成を示す概略平面図である。
【図１１】図９のＢ１−Ｂ２線に沿う断面図である。
【図１２】図９のＣ１−Ｃ２線に沿う断面図である。
【図１３ａ】第４の実施形態の光変調器の作成方法を示す図である。
【図１３ｂ】第４の実施形態の光変調器の作成方法を示す図である。
【図１４ａ】第４の実施形態の光変調器の作成方法を示す図である。
【図１４ｂ】第４の実施形態の光変調器の作成方法を示す図である。
【図１５】第４の実施形態の光変調器の具体例を示す図である。
【図１６】図１３に示した光変調器の断面図である。
【図１７】印加電圧と振幅分岐比の関係を示すグラフである。
【図１８】本発明の第５の実施形態の光変調器の構成を示す概略平面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１    シリコン基板
３，３Ｂ    リング型光導波路
４，６６，６７    パッド電極
５    出力光導波路
６    合波部
７Ａ，７Ｂ    分岐光導波路
８    分波部
９    入力光導波路
１０，４９，４９Ｂ    陰極電極
１１，１１Ｂ    陽極電極
２１，２３，３０    ＳｉＯ2膜
２２    ｎ型シリコン層
２７    Ｓｉコア層
２９    ｎ型ポリシリコン層
３１，４８    ｐ型ポリシリコン層
４６，４７    ｐ型シリコン層
５１，５２    ｐｎ接合
６１，６５    ＳｉＯ2クラッド層
６２，６３    ＳｉＯＮコア層
６５    ヒータ
８１，８２    ３ｄＢカプラ
８３    位相変調部
１３０    ＥＯ効果層
１３１    電極
１３２，１３３    ＳｉＯ2コア層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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