(57)【要約】  下部クラッド層（１０２）と、下部クラッド層（１０２）の上に形成され、コア（１０４）およびコア（１０４）の両脇に配置されてコアに接続するスラブ領域（１０５）とを備えて第１導電型のシリコンから一体に形成された第１シリコン層（１０３）と、コア（１０４）の上面に形成された凹部（１０４ａ）と、凹部（１０４ａ）の内部に誘電体層（１０８）を介して凹部（１０４ａ）の内部を充填するように形成された第２導電型の第２シリコン層（１０９）とを備える。
2010098248.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された下部クラッド層と、
この下部クラッド層の上に形成され、コアおよびコアの両脇に配置されて前記コアに接続するスラブ領域とを備えて第１導電型のシリコンから一体に形成された第１シリコン層と、
前記コアの上面に形成された凹部と、
この凹部の内部に誘電体層を介して前記凹部の内部を充填するように形成された第２導電型の第２シリコン層と、
前記コアの上部に形成された上部クラッド層と、
前記第２シリコン層に接続して前記コアの上部に形成された第１電極取り出し部と、
前記スラブ領域に接続された第２電極取り出し部と
を少なくとも備えることを特徴とする光変調構造。
【請求項２】
請求項１記載の光変調構造において、
前記凹部は、前記コアの上部の部分より開口幅が広い中央部領域を備え、
この中央部領域の側面は、曲面で構成されている
ことを特徴とする光変調構造。
【請求項３】
請求項１記載の光変調構造において、
前記第２シリコン層の幅は、自由キャリアが、前記誘電体層の両側で蓄積，除去，または反転する領域の広がり幅の２倍以下である
ことを特徴とする光変調構造。
【請求項４】
請求項１記載の光変調構造において、
前記コアよりなる光導波路を導波する光信号の電界が感じる実効的な屈折率をｎeff、前記光信号の波長をλとすると、前記第２シリコン層の高さは、λ／ｎeff以下である
ことを特徴とする光変調構造。
【請求項５】
請求項１記載の光変調構造において、
前記誘電体層の両側で、自由キャリアが蓄積，除去，または反転する領域内に、前記コアよりなる光導波路を導波する光信号の電界がピーク強度を有する領域が配置される
ことを特徴とする光変調構造。
【請求項６】
請求項１記載の光変調構造において、
前記第１シリコン層は、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、歪シリコン、単結晶シリコン、およびＳｉxＧｅ1-xの中より選択される少なくとも１つから構成されている
ことを特徴とする光変調構造。
【請求項７】
請求項１記載の光変調構造において、
前記第１電極取り出し部は、前記第２シリコン層より高濃度に不純物が導入されて第２導電型とされ、
前記第２電極取り出し部は、前記第１シリコン層より高濃度に不純物が導入されて第１導電型とされている
ことを特徴とする光変調構造。
【請求項８】
基板の上に形成された下部クラッド層と、
この下部クラッド層の上に形成され、コアおよびコアの両脇に配置されて前記コアに接続するスラブ領域とを備えて第１導電型のシリコンから一体に形成された第１シリコン層と、
前記コアの上面に形成された凹部と、
この凹部の内部に誘電体層を介して前記凹部の内部を充填するように形成された第２導電型の第２シリコン層と、
前記コアの上部に形成された上部クラッド層と、
前記第２シリコン層に接続して前記コアの上部に形成された第１電極取り出し部と、
前記スラブ領域に接続された第２電極取り出し部と
を少なくとも備える光変調構造を各々備える第１アームおよび第２アームを備えてマッハ・ツェンダー干渉計型の構造を備えることを特徴とする光変調器。
【請求項９】
請求項８記載の光変調器において、
複数の前記マッハ・ツェンダー干渉計型の構造を備えることを特徴とする光変調器。
【請求項１０】
請求項９記載の光変調器において、複数の前記マッハ・ツェンダー干渉計型の構造は、並列および直列のいずれかの状態に配置されていることを特徴とする光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報処理および通信分野において必要となる、シリコンを用いた高速電気信号を光信号に高速に変換する光変調構造および光変調器に関するものである。
【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１３３０ｎｍおよび１５００ｎｍの光ファイバ通信波長で、シリコンをベースとした光通信デバイスが用いられている。シリコンベースの光通信デバイスは、ＣＭＯＳ技術を利用し、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が、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ための重要な技術として、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非常に注目されている。しかしながら、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適用できない。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重要となる。【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、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（文献１：特表２００６−５１５０８２号公報，文献２：特表２００２−５４０４６９号公報，文献３：特表平９−５０３８６９号公報参照）。純シリコンは、線形電気光学効果（Pokels）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が非常に小さい。このため、シリコンを用いた変調器では、上述したキャリアプラズマ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、シリコン中を伝播する光吸収の変化により、出力を直接変調している。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る。マッハ・ツェンダー干渉計では、２本のアームにおける光位相差を干渉させ、光の強度変調信号を得ている。【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できる。しかしながら、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／ｃｍ3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る。高い光変調効率が得られれば、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る。このため、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、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いて作製されたリブ導波路形状を利用した、シリコンベースの電気光学位相変調器の典型例である。この電気光学位相変調器は、まず、ＳＯＩ基板を構成する支持基板１２０１の上に形成され、埋め込み絶縁層１２０２を下部のクラッドとして用いている。また、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層１２０３に、リブ型のコア１２０５およびスラブ領域１２０４を形成している。従って、コア１２０５およびスラブ領域１２０４は、真性半導体の領域となる。また、この電気光学位相変調器は、コア１２０５の両側に横方向に延びるスラブ領域１２０４に、ｐ型不純物およびｎ型不純物がドープされたｐ＋領域１２０６，ｎ＋領域１２０７を備えている。【０００７】
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、コア１２０５などの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。【０００８】
この例では、真性半導体シリコンからなる一方のスラブ領域１２０４は、第１電極コンタクト層１２０８と接触する領域に高濃度にｐ型不純物がドープ処理されたｐ＋領域１２０６を含むように形成されている。また、他方のスラブ領域１２０４は、第２電極コンタクト層１２０９と接触する領域に、高濃度にｎ型不純物がドープ処理されたｎ＋領域１２０７を備えている。【０００９】
このようなＰＩＮダイオードの構造において、ｐ＋領域１２０６およびｎ＋領域１２０７は、ｃｍ3毎に約１０20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＋領域１２０６およびｎ＋領域１２０７は、真性半導体であるコア１２０５の両側に間隔（スラブ領域１２０４）を置いて配置されている。また、コア１２０５は、酸化シリコンからなる上部クラッド１２１０に覆われ、光導波路を構成している。【００１０】
この電気光学位相変調器の光変調動作について説明すると、第１電極コンタクト層１２０８および第２電極コンタクト層１２０９を用い、ＰＩＮダイオードに対して順方向バイアスを印加する。このバイアス印加により、コア１２０５よりなる光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。このバイアス印加による自由キャリアの増加により、コア１２０５の屈折率が変化し、導波路を通して伝達される光の位相変調が行われる。【００１１】
また、文献１には、ＳＩＳ（silicon-insulator-silicon）型構造からなるシリコン・ベース電気光学変調器について記載されている。この電気光学光変調器は、図１３に示すように、ＳＯＩ基板を構成する支持基板１３０１，埋め込み絶縁層１３０２の上に形成され、ｐ型の本体領域と、これと部分的に重なるように積層されたｎ型のゲート領域を備えている。ｐ型の本体領域は、ｐ型ドープされたｐシリコン層１３０３と、高濃度にｐ型ドープされたｐ＋シリコン層１３０４と、電極コンタクト層１３０５とを備えている。【００１２】
また、ｎ型のゲート領域は、ｎ型ドープされたｎシリコン層１３０７と、高濃度にｎ型ドープされたｎ＋シリコン層１３０８と、電極コンタクト層１３０９とを備えている。電極コンタクト層１３０５，１３０９は、例えば、金属のシリサイドとされている。また、ｐシリコン層１３０３（本体領域）とｎシリコン層１３０７（ゲート領域）とが重なる領域には、誘電体層１３０６が形成されている。また、本体領域およびゲート領域を覆うように、酸化シリコンからなるクラッド層１３１１が形成されている。【００１３】
ｐシリコン層１３０３およびｎシリコン層１３０７は、キャリア密度変化が外部信号電圧により制御されるように不純物濃度が規定されている。誘電体層１３０６の両側のｐシリコン層１３０３およびｎシリコン層１３０７で、自由キャリアが蓄積，除去，または反転されることにより、光位相変調がなされる。理想的には、光信号電界とキャリア密度が動的に外部制御される領域が一致していることが望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述したシリコンベースのキャリアプラズマ効果に基づく光変調器では、以下に説明するように、素子の寸法を小さくして高速動作を得ることが容易ではないという問題がある。【００１５】
まず、図１２を用いて説明した電気光学位相変調器の光変調動作速度は、コア１２０５内の自由キャリア寿命と、順方向バイアスが取り除か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ＰＩＮダイオード構造の電気光学位相変調器は、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（コア１２０５）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。しかしながら、コア１２０５に不純物を導入することで、光変調効率が低下するという課題がある。【００１６】
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る。上述した電気光学位相変調器では、順方向バイアス印加時の静電容量（Ｃ）が、ＰＮ接合部のキャリア空乏層の減少により非常に大きくなる。理論的には、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。【００１７】
また、文献１における電気光学変調器では、実際にはキャリア密度が動的に変化する領域が、数十ｎｍ程度と非常に薄く、このために、ｍｍオーダーの光変調長さが必要となる。この結果、特許文献１における電気光学変調器では、電気光学変調器のサイズが大きくなり、また、高速動作が難しいという課題がある。また、ＳＯＩ基板上にゲート領域を設けているため、この領域を挟むように前後に形成されるシリコン導波路との光結合が難しいという問題がある。この電気光学変調器では、光フィールドサイズを整合させるためスポットサイズ変換器構造などの形成が必要であり、光損失の増大や製造コストが高くなるという課題がある。【００１８】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、シリコンベースのキャリアプラズマ効果に基づく光変調構造で、より高速な変調が、サブミクロンの寸法でも実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係る光変調構造は、基板の上に形成された下部クラッド層と、この下部クラッド層の上に形成され、コアおよびコアの両脇に配置されてコアに接続するスラブ領域とを備えて第１導電型のシリコンから一体に形成された第１シリコン層と、コアの上面に形成された凹部と、この凹部の内部に誘電体層を介して凹部の内部を充填するように形成された第２導電型の第２シリコン層と、コアの上部に形成された上部クラッド層と、第２シリコン層に接続してコアの上部に形成された第１電極取り出し部と、スラブ領域に接続された第２電極取り出し部とを少なくとも備える。【００２０】
また、本発明に係る光変調器は、上述した光変調構造を各々備える第１アームおよび第２アームを備えてマッハ・ツェンダー干渉計型の構造を備える。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明によれば、第１導電型のシリコンからなる第１シリコン層によりスラブ領域と一体に形成されたコアの上面に形成された凹部と、この凹部の内部に誘電体層を介して凹部の内部を充填するように形成された第２導電型の第２シリコン層を備えるようにしたので、シリコンベースのキャリアプラズマ効果に基づく光変調構造で、より高速な変調が、サブミクロンの寸法でも実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における光変調構造の構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１における光変調構造の構成を示す平面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２における光変調構造の構成を示す斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２における光変調構造の構成を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態３における光変調構造の構成を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態３における光変調構造の構成を示す断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の実施の形態４における光変調構造の製造方法を説明するための各工程における構成を示す断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の実施の形態４における光変調構造の製造方法を説明するための各工程における構成を示す断面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明の実施の形態４における光変調構造の製造方法を説明するための各工程における構成を示す断面図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、本発明の実施の形態４における光変調構造の製造方法を説明するための各工程における構成を示す断面図である。
【図７Ｅ】図７Ｅは、本発明の実施の形態４における光変調構造の製造方法を説明するための各工程における構成を示す断面図である。
【図７Ｆ】図７Ｆは、本発明の実施の形態４における光変調構造の製造方法を説明するための各工程における構成を示す断面図である。
【図７Ｇ】図７Ｇは、本発明の実施の形態４における光変調構造の製造方法を説明するための各工程における構成を示す断面図である。
【図７Ｈ】図７Ｈは、本発明の実施の形態４における光変調構造の製造方法を説明するための各工程における構成を示す断面図である。
【図７Ｉ】図７Ｉは、本発明の実施の形態４における光変調構造の製造方法を説明するための各工程における構成を示す断面図である。
【図８】図８は、「埋め込み無し」構造と、「埋め込みあり」構造とにおける位相シフト量の光信号伝播方向の長さ依存を示す特性図である。
【図９】図９は、「埋め込み無し」構造と「埋め込みあり」構造とにおける動作周波数帯域を、キャリア密度に対して示す特性図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、コア上部の電極引き出し部（第１電極取り出し部）を備える導波路における光強度分布および実効屈折率（ｎeff）のシミュレーション結果を示す断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、導波路における光強度分布および実効屈折率（ｎeff）のシミュレーション結果を示す断面図である。
【図１１】図１１は、コア上部の電極引き出し部（第１電極取り出し部）が無い導波路における光強度分布および実効屈折率（ｎeff）のシミュレーション結果を示す断面図である。
【図１２】図１２は、ＳＯＩ基板を用いて作製されたリブ導波路形状を利用した、シリコンベースの電気光学位相変調器の構成を示す断面図である。
【図１３】図１３は、特許文献１に記載されたＳＩＳ型構造からなるシリコン・ベース電気光学変調器の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。【００２４】
［実施の形態１］
始めに、本発明の実施の形態１につい図１，図２を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における光変調器の構成を示す斜視図である。図１では、断面も示している。また、図２は、平面図である。【００２５】
本実施の形態における光変調構造は、下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成され、コア１０４およびコア１０４の両脇に配置されてコアに接続するスラブ領域１０５とを備えて第１導電型のシリコンから一体に形成された第１シリコン層１０３と、コア１０４の上面に形成された凹部１０４ａと、凹部１０４ａの内部に誘電体層１０８を介して凹部１０４ａの内部を充填するように形成された第２導電型の第２シリコン層１０９とを備える。凹部１０４ａに形成されている誘電体層１０８および第２シリコン層１０９を含めてコア１０４が構成されている。なお、本実施の形態では、凹部１０４ａが、コア１０４の断面の幅方向のほぼ中央部に配置されているが、これに限るものではなく、左右のいずれかに偏って配置されていてもよい。【００２６】
本実施の形態では、図２の平面図に示すように、誘電体層１０８および第２シリコン層１０９は、コア１０４が延在する方向に延在して形成されている。このことからわかるように、本実施の形態では、凹部１０４ａは、コア１０４が延在する方向に延在する溝である。また、コア１０４の上部に形成された上部クラッド層１１０と、第２シリコン層１０９に接続してコア１０４の上部に形成された第１電極取り出し部１１１を備える。例えば、第１電極取り出し部１１１は、上部クラッド層１１０を貫通して形成されている。また、スラブ領域１０５には、第２電極取り出し部（不図示）が接続されている。【００２７】
上述した光変調構造は、例えば、よく知られたＳＯＩ基板を用いて形成され、下部クラッド層１０２は、支持基板１０１の上に形成された埋め込み絶縁層であり、第１シリコン層１０３は、埋め込み絶縁層の上のＳＯＩ層である。また、第１シリコン層１０３は、例えば、ｐ型の不純物が導入されてｐ型とされ、第２シリコン層１０９は、例えば、ポリシリコンから構成され、ｎ型の不純物が導入されてｎ型とされている。【００２８】
また、第１電極取り出し部１１１は、第２シリコン層１０９に比較してより高濃度にｎ型不純物が導入されたポリシリコンから構成されている。ここで、図示していない第２電極引き出し部は、例えば、スラブ領域１０５のコア１０４より所定距離離間した領域に、ｐ型不純物をスラブ領域１０５より高濃度に導入することで形成したｐ＋領域と、このｐ＋領域の上に形成された電極コンタクト層から構成することができる。電極コンタクト層は、例えば、シリサイドである。【００２９】
このように、本実施の形態では、リブ型のコア１０４が、埋め込み絶縁層１０２と上部クラッド層１１０とで挟まれた、リブ型導波路構造を有している。加えて、コア１０４と誘電体層１０８と第２シリコン層１０９とにより、ＳＩＳ接合を形成している。【００３０】
ここで、コア１０４よりなるリブ型光導波路構造における光学的な損失を低減するために、コア１０４の上に突き出ている第１電極取り出し部１１１の幅は、コア１０４よりなる光導波路との実効的な屈折率差が５％以下となるように設計されるとよい。これにより、第１電極取り出し部１１１にかかる光フィールドが顕著に低減され、光吸収損失が低減される。加えて、光導波路を接続したときの接続損失も低減できるようになる。【００３１】
ＳＩＳ型接合からなる本実施の形態１における光変調構造においては、電気信号を駆動電圧として印加した際に、誘電体層１０８の両側のコア１０４および第２シリコン層１０９で、キャリアの蓄積，空乏化，あるいは反転などのキャリア密度が変調する領域が形成される（生じる）。ここで、キャリア密度が変調する領域の厚み（広がり幅）は、１００ｎｍ以下であると見積もられる。従って、ＳＩＳ型は、一般には、光信号電界の広がりに対してキャリア密度が変調される領域が非常に小さく、変調効率が悪いことが問題となっている。【００３２】
これに対し、本実施の形態によれば、キャリア密度が変調される領域となるＳＩＳ接合の形状を、コア１０４の表面（上面）から埋め込んだ形状とし、ＳＩＳ接合の領域を広くしている。この結果、本実施の形態によれば、光信号電界とキャリア密度が変調される領域の重なりがより広くなり、高い変調効率が得られるようになる。なお、誘電体層１０８は、これを介した両側のシリコン層に電圧が印加されたときに、上述したようなキャリア密度の変調が発現される程度の層厚とされていればよい。【００３３】
なお、キャリア密度が変調される領域の厚みをＷとした時、第２シリコン層１０９の延在方向の幅は、２Ｗ以下であることが望ましい。第２シリコン層１０９の幅を２Ｗより大きくすると、キャリア密度が変調される領域が到達しない部分が第２シリコン層１０９の中央部に形成されるようになり、変調効率の低下を招く。【００３４】
また、光信号の反射をおさえるために、光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎeff、光信号波長をλとした時、λ／ｎeff以下であることが望ましい。自由キャリアが、誘電体層１０８の両側で蓄積，除去，または反転する領域（キャリア密度が変調される領域）内に、光信号電界がピーク強度を有する領域が配置される時、最も高い光変調効率が得られるからである。【００３５】
次に、上述した本実施の形態における光変調器の動作（変調メカニズム）について説明する。本実施の形態における光変調構造は、以下に説明する電気光学効果（自由キャリアプラズマ効果）を利用するものである。【００３６】
純粋な電気光学効果は、シリコン内には存在しない、または、非常に弱い。このため、シリコンベースの素子では、自由キャリアプラズマ効果と熱光学効果が、光変調動作に利用される。本発明が目的とする高速動作（Ｇｂ／秒以上）のためには、自由キャリアプラズマ効果が効果的である。自由キャリアプラズマ効果は、以下の式（１）および式（２）の関係式の一次近似値で説明される。【００３７】
【数１】
2010098248.tif 000003
式中、ΔｎおよびΔｋは、シリコン層の屈折率変化の実部および虚部を表しており、ｅは電荷、λは光波長であり、ε0は真空中の誘電率であり、ｎは真性半導体シリコンの屈折率、ｍeは電子キャリアの有効質量、ｍhはホールキャリアの有効質量であり、μeは電子キャリアの移動度、μhはホールキャリアの移動度、ΔＮeは電子キャリアの濃度変化、ΔＮhはホールキャリアの濃度変化である。【００３８】
シリコン中の電気光学効果の実験的な評価が行われており、光通信システムで使用する１３３０ｎｍおよび１５００ｎｍ波長でのキャリア密度に対する屈折率変化は、「Ｄｒｕｄｅ」の式と良く一致することが判明している。また、これを利用した電気光学変調器においては、位相変化量は以下の式（３）で定義される。【００３９】
【数２】
2010098248.tif 000004
式中、Ｌは電気光学変調器の光伝播方向に沿ったアクティブ層の長さである。【００４０】
本発明では、上記位相変化量は光吸収に比較して大きな効果であり、以下に述べる光学変調器は、基本的に位相変調器としての特徴を示すこことになる。【００４１】
図１２および図１３を用いて説明したＰＩＮ構造やＳＩＳ構造では、光フィールドとキャリア密度が変調される領域とのオーバーラップが小さく、光変調構造のサイズが大きくなるという欠点がある。【００４２】
これに対し、本実施の形態における光変調構造では、コア１０４の上面より、コア１０４とは異なる導電型のシリコン層を誘電体層を介して埋め込んでＳＩＳ構造としているので、上述した光信号電界と自由キャリアの濃度変調領域との重なりを大きくすることができる。この結果、素子全体の寸法を小さくすることが可能となる。【００４３】
また、シリコン半導体（第１シリコン層）−誘電体層−シリコン半導体（第２シリコン層）の各シリコン層に接続する高濃度領域を設けることで、ＳＩＳ構造における直列抵抗成分を小さくし、ＲＣ時定数を小さくすることが可能である。【００４４】
また、図１に示すようなリブ／リッジ形状からなる導波路形状とし、スラブ領域１０５の一部に不純物ドーピング密度を上昇させた構造を形成することにより、電極取り出し部と、コア１０４による光フィールドとのオーバーラップによる光吸収損失を低減することができる。この結果、光損失が小さく、ＲＣ時定数の小さい高速動作する電気光学装置を得ることが可能となる。【００４５】
また、本実施の形態における光変調構造の光導波方向の前後に、実効屈折率差が５％以下のリブ／リッジ構造のシリコン光導波路を形成して接続すれば、非常に高効率に光接続を行うことが可能である。【００４６】
次に、第２シリコン層１０９の幅について説明する。前述したキャリア密度が変調される領域の厚みＷは、熱平衡状態では下記式（４）で与えられる。【００４７】
【数３】
2010098248.tif 000005
ここでεsは、シリコン半導体層の誘電率、ｋはボルツマン定数、Ｎcはキャリア密度、ｎiは真性キャリア濃度、ｅは電荷量である。【００４８】
例えば、Ｎcが１０17／ｃｍ3の時、最大空乏層厚は０．１μｍ程度であり、キャリア密度が上昇するに従い、空乏層厚、すなわちキャリア密度の変調が生じる領域の厚みＷは薄くなる。【００４９】
一方、コア１０４の上面より埋め込まれた第２シリコン層１０９の高さは、光変調構造における光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎeff、光信号波長をλとした時、λ／neff以下であることが望ましい。この状態であれば、コア１０４による光フィールドと、誘電体層１０８が形成されている領域のキャリア密度変調が行われる領域との重なりが最大となり、効率的な光位相変調が実現される。【００５０】
なお、第２シリコン層１０９および第１電極取り出し部１１１は、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、歪シリコン、単結晶Ｓｉ、ＳｉxＧｅ1-xからなる群から選択される少なくとも１つから構成されていればよい。【００５１】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図３，図４を用いて説明する。図３は、本実施の形態２における斜視図であり、断面も示している。本実施の形態においては、コア１０４の上面より形成された凹部３０４ａが、コア１０４の上部の部分より開口幅が広い中央部領域を備え、この中央部領域の側面が曲面で構成されているようにしている。図３では、凹部３０４ａの断面形状を、上部の矩形状部分と下部の円形状部分とから構成した場合を示している。従って、誘電体層３０８を介して形成される第２導電型の第２シリコン層３０９も、断面形状が、上部の矩形状部分と下部の円形状部分とから構成されることになる。本実施の形態においても、凹部３０４ａに形成されている誘電体層３０８および第２シリコン層３０９を含めてコア１０４が構成されている。【００５２】
このようにすることで、前述した実施の形態１に比較して、誘電体層３０８が形成される領域をより広くすることができる。これにより、コア１０４よりなる導波路部分における光信号電界とキャリア密度が変調される領域との重なりがより改善され、より高い変調効率を得ることが可能となる。また、曲面で構成することで、電解の集中しやすい過度の部分が形成されることが抑制されるので、より低電圧でキャリア密度を変調させることが可能となる。【００５３】
なお、図４の断面図に示すように、誘電体層３０８および第２シリコン層３０９は、コア１０４が延在する方向に延在して形成されている。図４は、図３のａａ’線の断面である。このことからわかるように、本実施の形態でも、凹部３０４ａは、コア１０４が延在する方向に延在する溝である。【００５４】
また、本実施の形態では、第２電極取り出し部となるｐ＋領域１０６と、このｐ＋領域の上に形成された電極コンタクト層１０７とを備える。ｐ＋領域１０６は、スラブ領域１０５のコア１０４より所定距離離間した領域に配置する。また、ｐ型不純物をスラブ領域１０５より高濃度に導入することでｐ＋領域１０６を形成すればよい。なお、他の構成は、前述した実施の形態１と同様である。また、前述した実施の形態１において、本実施の形態２と同様の構成とした第２電極取出し部を設けるようにしてもよい。【００５５】
ここで、例えば、スラブ領域１０５の厚さを１００ｎｍ以下とすれば、ｐ＋領域１０６をよりコア１０４に近づけて配置することができる。スラブ領域１０５の厚さを薄くすることで、コア１０４を中心とした光信号電界の広がりを抑制でき、ｐ＋領域１０６をコア１０４に近づけても、ｐ＋領域１０６における光信号電界の大きさを小さくすることができる。このように、ｐ＋領域１０６をコア１０４に近づけることで、コア１０４，誘電体層３０８，第２シリコン層３０９，および第１電極取り出し部１１１にかけての直列抵抗成分を低減することができる。また、これにともない、誘電体層３０８の領域における、キャリアの蓄積や除去などを高速に行うことができる。この結果、光変調構造による素子のサイズを小さくできると共に、高速化や低電力化を実現することができるようになる。【００５６】
なお、本実施の形態においても、コア１０４よりなるリブ型光導波路構造における光学的な損失を低減するために、コア１０４の上に突き出ている第１電極取り出し部１１１の幅は、コア１０４よりなる光導波路との実効的な屈折率差が５％以下となるように設計されるとよい。【００５７】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について、図５および図６を用いて説明する。図５，図６は本実施の形態３における光変調構造の構成を示す断面図である。図６は、図５のｂｂ’線における断面を示している。【００５８】
本実施の形態では、コア１０４に、複数の凹部５０４ａを設け、各々の凹部５０４ａにおいて、誘電体層５０８を介して第２シリコン層５０９が充填されているようにしたものである。また、コア１０４の上部には、各第２シリコン層５０９に各々接続する複数の第１電極取り出し部５１１を備える。複数の凹部５０４ａは、コア１０４の延在している方向（光の伝送方向）に、各々離間して配列されている。また、本実施の形態では、複数の凹部５０４ａが、等間隔で配列されている。【００５９】
また、本実施の形態では、前述した実施の形態２と同様に、凹部５０４ａは、コア１０４の上部の部分より開口幅が広い中央部領域を備え、この中央部領域の側面が曲面で構成されているようにしている。凹部５０４ａは、断面形状が、上部の矩形状部分と下部の円形状部分とから構成されている。また、凹部５０４ａは、この上下方向の中央線を中心に、図５の断面に示す形状を回転させた形状となっている。なお、他の構成は、前述した実施の形態２と同様である。【００６０】
ここで、複数の凹部５０４ａの周期は、コア１０４による光導波路を導波する光信号の群速度を遅くするように周期的に形成すればよい。また、非周期的に光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎeff、光信号波長をλとした時、複数の凹部５０４ａは、λ／ｎeff以下の間隔となるように配列してもよい。このように配列することで、光信号の反射を抑制することができる。【００６１】
なお、本実施の形態においても、コア１０４よりなるリブ型光導波路構造における光学的な損失を低減するために、コア１０４の上に突き出ている第１電極取り出し部５１１の幅は、コア１０４よりなる光導波路との実効的な屈折率差が５％以下となるように設計されるとよい。【００６２】
また、本実施の形態においても、誘電体層５０８より広がるキャリア密度が変調される領域の厚みをＷとした時、第２シリコン層の横方向の寸法（幅）は、２Ｗ以下であることが望ましい。【００６３】
［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について、製造方法と共に説明する。まず、図７Ａに示すように、支持基板１０１，下部クラッド層１０２となる埋め込み絶縁層、および第１シリコン層１０３となるＳＯＩ層を備えるＳＯＩ基板を用意する。例えば、下部クラッド層１０２は、層厚１０００ｎｍ以上とされ、第１シリコン層１０３は、層厚３００〜１０００ｎｍ程度とされている。次に、第１シリコン層１０３にホウ素をイオン注入し、また、損傷回復のためのアニール処理をすることで、第１シリコン層１０３をｐ型とする。なお、予め第１シリコン層１０３がｐ型とされているＳＯＩ基板を用いてもよい。【００６４】
次に、図７Ｂに示すように、第１シリコン層１０３をリブ型導波路形状に加工し、コア１０４およびスラブ領域１０５を形成する。例えば、公知のフォトリソグラフィ技術によりレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして公知の反応性エッチングにより第１シリコン層１０３を選択的にエッチングすることで、コア１０４およびスラブ領域１０５が形成できる。【００６５】
次に、コア１０４を形成した第１シリコン層１０３の上に膜厚３００〜７００ｎｍ程度の酸化シリコン膜を形成し、形成した酸化シリコン膜を、公知のＣＭＰ（chemical-mechanical polishing process）により平坦化する。このようにすることで、図７Ｃに示すように、コア１０４の上面が露出し、コア１０４の側部を充填する酸化シリコン層７１０を形成する。【００６６】
次に、図７Ｄに示すように、コア１０４に溝となる凹部１０４ａを形成する。例えば、まず、公知のフォトリソグラフィ技術により、凹部１０４ａとなる部分に開口を備えるレジストパターンを、コア１０４（および酸化シリコン層７１０）の上に形成する。次いで、公知の反応性エッチング技術により、レジストパターンをマスクとして選択的にエッチングして凹部１０４ａを形成する。この後、レジストパターンは除去する。【００６７】
次に、図７Ｅに示すように、コア１０４の上面および凹部１０４ａの内部を含めた露出部に、誘電体層１０８を形成する。例えば、シリコンからなるコア１０４の露出面を熱酸化処理することで、誘電体層１０８を形成すればよい。また、よく知られたスパッタ法やＣＶＤ法などにより堆積した窒化シリコンや他のｈｉｇｈ−ｋ絶縁材料の膜より、誘電体層１０８を形成してもよい。【００６８】
次に、図７Ｆに示すように、誘電体層１０８および酸化シリコン層７１０の上に、よく知られたＣＶＤ法あるいはスパッタ法により、多結晶シリコン膜７０９を形成する。多結晶シリコン膜７０９は、誘電体層１０８で覆われている凹部１０４ａの内部が充填されるように形成する。また、多結晶シリコン膜７０９は、コア１０４の上部にも形成されるようにする。ここで、凹部１０４ａなどの凹凸により、堆積した多結晶シリコン膜７０９の上面にも凹凸が形成される。このような多結晶シリコン膜７０９表面の凹凸は、例えば、よく知られたＣＭＰ法により研磨し、平滑化しておくとよい。なお、多結晶シリコン膜７０９は、成膜中のドーピング処理、もしくは成膜後のイオン注入などにより、リンを導入することで、ｎ型としておく。【００６９】
次に、多結晶シリコン膜７０９の表面部分に、イオン注入法などにリンを追加で導入し、図７Ｇに示すように、より高濃度なｎ＋シリコン層７１１を形成する。ここで、誘電体層１０８を介した凹部１０４ａの内部には、追加したリンが導入されないようにすることで、凹部１０４ａの内部に、誘電体層１０８を介して配置される第２シリコン層１０９を形成する。【００７０】
次に、図７Ｈに示すように、第２シリコン層１０９に接続する第１電極取り出し部１１１を形成する。例えば、ｎ＋シリコン層７１１を公知のフォトリソグラフィ技術および反応性エッチング技術により加工し、幅が０．３μｍから２μｍの範囲の第１電極取り出し部１１１を形成する。【００７１】
次に、図７Ｉに示すように、コア１０４より離間したスラブ領域１０５にｐ＋領域１０６を形成し、ｐ＋領域１０６の上に電極コンタクト層１０７を形成し、酸化シリコン層７１０の上に第１電極取り出し部１１１の上面が露出する酸化シリコン層７１０ａを形成し、また、電極コンタクト層１０７に接続するコンタクトプラグ１２１を形成する。【００７２】
例えば、まず、酸化シリコン層７１０の一部を除去してスラブ領域１０５の一部を露出させる。次いで、露出させたスラブ領域１０５に、イオン注入法などによりホウ素を追加で導入し、ｐ＋領域１０６を形成する。また、ｐ＋領域１０６の上に例えばチタン，タングステンなどの金属層を形成して加熱することで、シリサイドからなる電極コンタクト層１０７を形成する。【００７３】
この後、電極コンタクト層１０７の上が充填され、また、第１電極取り出し部１１１が埋め込まれるように、酸化シリコン層７１０の上に酸化シリコン層７１０ａを堆積する。酸化シリコン層７１０の上に酸化シリコン膜を堆積し、この酸化シリコン膜をＣＭＰ法により研磨して平滑化することで、第１電極取り出し部１１１の上面が露出する酸化シリコン層７１０ａが形成できる。この後、酸化シリコン層７１０ａおよび酸化シリコン層７１０を貫通して電極コンタクト層１０７に到達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホール内にＴａＮ／Ａｌ（Ｃｕ）などの金属を充填すれば、コンタクトプラグ１２１が形成できる。コンタクトプラグ１２１は、図示しない駆動回路に接続する。【００７４】
次に、本実施の形態における光変調構造における光変調効率について説明する。以下では、図１２を用いて説明した電気光学位相変調器を「埋め込み無し」構造とし、本発明による光変調構造を「埋め込みあり」構造として説明する。図８は、各構造における位相シフト量の光信号伝播方向の長さ依存を示している。図８の（ａ）に示すように、キャリア変調される領域の厚みと同程度の１６０ｎｍ程度以下の幅からなる第２シリコン層１０９を埋め込んだ「埋め込みあり」構造では、光変調効率が顕著に改善されていることがわかる。また、第２シリコン層１０９の埋め込み深さについても、深さをλ／ｎeff程度に大きくすることにより、光変調効率が改善されることが確認された。なお、図８の（ｂ）は、「埋め込み無し」構造の結果を示している。【００７５】
また、図９は、「埋め込み無し」構造と「埋め込みあり」構造とにおける動作周波数帯域を、キャリア密度に対して示す特性図である。図９の（ａ）は、「埋め込みあり」構造であり、図９の（ｂ）は、「埋め込み無し」構造である。光変調の動作周波数帯域は、変調効率改善によるサイズ低減の効果と、「埋め込みあり」構造による電気容量増加の影響とトレードオフがある。基本的には、光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎeff、光信号波長をλとした時、埋め込んだ深さがλ／ｎeff以下である場合に周波数帯域は広くなる。さらに、キャリア密度を１０18／ｃｍ3程度とすることにより、１０ＧＨｚ以上の高速動作が可能であることが確認された。【００７６】
また、上述したことに加え、周波数帯域を改善するためには、キャリアの移動度や寿命が非常に重要である。特に、多結晶シリコンより構成する第２シリコン層１０９におけるキャリアの移動度は、高速動作する上で課題として挙げられる。従って、第２シリコン層１０９を多結晶シリコンより形成した場合、アニール処理による再結晶化により粒子径を大きくすることで、キャリア移動度を改善することが、より高速な動作を可能にする上で効果的である。また、第２シリコン層１０９の結晶品質を、エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯ）法などを用いて改善することも、より高速な動作を可能にする上で有効である。【００７７】
次に、コア上部の電極引き出し部（第１電極取り出し部）の有無による、導波路における光強度分布および実効屈折率（ｎeff）のシミュレーション結果について図１０Ａおよび図１０Ｂを用いて説明する。光強度分布は、リブ構造のコアの中心部から広がる濃淡の分布で示している。図１０Ａは、コアの上部に電極引き出し部を形成した場合を示し、図１０Ｂは、電極引き出し部を形成していない場合について示している。【００７８】
また、リブ構造のコアは幅を０．６μｍとし、高さを０．７〜０．９μｍとしている。また、スラブ部の厚さを０，３μｍとしている。また、図１０Ａに示す電極引き出し部は、幅０．２μｍ程度としている。また、いずれにおいても、リブ構造および電極引き出し部はシリコンから構成し、この周囲が酸化シリコンで覆われている状態とする。【００７９】
図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、実効屈折率の差は０．１％以下である。従って、図１０Ａに示す本発明による光変調構造に、図１０Ｂに示す光導波路を接続した場合、光損失が無視出来る程度に高効率に光結合可能であることが計算および実験により確認された。【００８０】
［実施の形態５］
次に、本発明の実施の形態５について説明する。以下では、上述した実施の形態における光変調構造を用いたマッハ・ツェンダー干渉型の光変調器について図１１を用いて説明する。この光変調器は、光入力された光信号が、光分岐部１１０１により、第１アーム部１１０２および第２アーム部１１０３に分岐され、また、光結合部１１０６で結合されて光出力信号として出力する。また、第１アーム部１１０２に、本発明における光変調構造１１０４が配置され、同様に、第２アーム部１１０３に本発明における光変調構造１１０５が配置される。【００８１】
この光変調器では、第１アーム部１１０２の光変調構造１１０４，および第２アーム部１１０３の光変調構造１１０５で、分岐された光信号の光変調が行われる。この光変調の後、光結合部１１０６で、光変調された分岐光が位相干渉され、光強度変調信号に変換される。この光変調器では、入力側に配置された光分岐部１１０１により、入力光が第１アーム部１１０２および第２アーム部１１０３に等しいパワーとなるように分岐される。【００８２】
このように入力光が分岐されている中で、まず、第１アーム１１０２の光変調構造１１０４にプラスの電圧を印加し、光変調構造１１０４のＳＩＳ構造を構成する誘電体層の両側でキャリア蓄積を生じさせる。一方、第２アーム１１０３の光変調構造１１０５には、マイナスの電圧を印加し、光変調構造１１０５のＳＩＳ構造を構成する誘電体層の両側のキャリアを除去させる。これにより、キャリア蓄積モードとなる光変調構造１１０４では、この領域における光信号電界が感じる屈折率が小さくなる。【００８３】
一方、キャリア除去（空乏化）モードとなる光変調構造１１０５では、光信号電界が感じる屈折率が大きくなる。これらの結果、第１アーム１１０２と第２アーム１１０３との間の光信号位相差が最大となる。このようにして両アームを伝送する光信号を、出力側の光結合部１１０６で合波すると、光強度変調が生じることになる。このように構成した本実施の形態におけるマッハ・ツェンダー干渉型の光変調器では、２０Ｇｂｐｓ以上の光信号の送信が可能であることが確認されている。【００８４】
また、マッハ・ツェンダー干渉計からなる光変調器は、並列あるいは直列に配置することで、より高い転送レートを有する光変調構造やマトリックス光スイッチなどへ応用することも可能である。【００８５】
なお、上述した実施の形態では、コアおよびスラブ領域を構成する第１シリコン層の側をｐ型とし、第２シリコン層の側をｎ型としたが、これに限るものではない。コアおよびスラブ領域を構成する第１シリコン層の側をｎ型とし、第２シリコン層の側をｐ型としてもよいことは、いうまでもない。また、各シリコン層は、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、歪シリコン、単結晶シリコン、およびＳｉxＧｅ1-xのいずれか１つから構成されていればよい。【００８６】
上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されるが、以下には限られない。【００８７】
（付記１）
基板の上に形成された下部クラッド層と、
この下部クラッド層の上に形成され、コアおよびコアの両脇に配置されて前記コアに接続するスラブ領域とを備えて第１導電型のシリコンから一体に形成された第１シリコン層と、
前記コアの上面に形成された凹部と、
この凹部の内部に誘電体層を介して前記凹部の内部を充填するように形成された第２導電型の第２シリコン層と、
前記コアの上部に形成された上部クラッド層と、
前記第２シリコン層に接続して前記コアの上部に形成された第１電極取り出し部と、
前記スラブ領域に接続された第２電極取り出し部と
を少なくとも備えることを特徴とする光変調構造。【００８８】
（付記２）
付記１記載の光変調構造において、
前記凹部は、前記コアの上部の部分より開口幅が広い中央部領域を備え、
この中央部領域の側面は、曲面で構成されている
ことを特徴とする光変調構造。【００８９】
（付記３）
付記１および２記載の光変調構造において、
前記第２シリコン層の幅は、自由キャリアが、前記誘電体層の両側で蓄積，除去，または反転する領域の広がり幅の２倍以下である
ことを特徴とする光変調構造。【００９０】
（付記４）
付記１〜３のいずれか１項に記載の光変調構造において、
前記コアよりなる光導波路を導波する光信号の電界が感じる実効的な屈折率をｎeff、前記光信号の波長をλとすると、前記第２シリコン層の高さは、λ／ｎeff以下である
ことを特徴とする光変調構造。【００９１】
（付記５）
付記１〜４のいずれか１項に記載の光変調構造において、
前記誘電体層の両側で、自由キャリアが蓄積，除去，または反転する領域内に、前記コアよりなる光導波路を導波する光信号の電界がピーク強度を有する領域が配置される
ことを特徴とする光変調構造。【００９２】
（付記６）
付記１〜５のいずれか１項に記載の光変調構造において、
前記第１シリコン層は、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、歪シリコン、単結晶シリコン、およびＳｉxＧｅ1-xの中より選択される少なくとも１つから構成されている
ことを特徴とする光変調構造。【００９３】
（付記７）
付記１〜６のいずれか１項に記載の光変調構造において、
前記第１電極取り出し部は、前記第２シリコン層より高濃度に不純物が導入されて第２導電型とされ、
前記第２電極取り出し部は、前記第１シリコン層より高濃度に不純物が導入されて第１導電型とされている
ことを特徴とする光変調構造。【００９４】
（付記８）
付記１〜７のいずれか１項に記載の光変調構造を各々備える第１アームおよび第２アームを備えてマッハ・ツェンダー干渉計型の構造を備えることを特徴とする光変調器。【００９５】
（付記９）
付記８記載の光変調器において、
複数の前記マッハ・ツェンダー干渉計型の構造を備えることを特徴とする光変調器。【００９６】
（付記１０）
付記９記載の光変調器において、複数の前記マッハ・ツェンダー干渉計型の構造は、並列に配置されていることを特徴とする光変調器。【００９７】
（付記１１）
付記９記載の光変調器において、複数の前記マッハ・ツェンダー干渉計型の構造は、直列に配置されていることを特徴とする光変調器。【００９８】
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２００９年２月２５日に出願された日本出願特願２００９−０４２３１７号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。
【符号の説明】
【００９９】
１０１…支持基板、１０２…下部クラッド層、１０３…第１シリコン層、１０４…コア、１０４ａ…凹部、１０５…スラブ領域、１０６…ｐ＋領域、１０７…電極コンタクト層、１０８…誘電体層、１０９…第２シリコン層、１１０…上部クラッド層、１１１…第１電極取り出し部。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図７Ｈ】
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【図７Ｉ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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