(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リブ部と、前記リブ部を挟んでその両側に位置し、かつ前記リブ部よりも厚みの薄い第一及び第二スラブ部と、から形成されたコアを有する光導波路を備える光学素子であって、
前記コアは、単一の半導体単結晶により前記リブ部と前記第一及び第二スラブ部とが一体に形成され、
前記第一スラブ部は、Ｐ型にドープされたＰ型領域を有し、
前記第二スラブ部は、Ｎ型にドープされたＮ型領域を有し、
前記リブ部は、前記第一スラブ部に設けられたＰ型領域に接しているＰ型領域と、前記第二スラブ部に設けられたＮ型領域に接しているＮ型領域とを有し、
前記リブ部のＰ型領域とＮ型領域とが互いに接することによりＰＮ接合部を構成し、
前記リブ部は、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記第一及び第二スラブ部よりも上方に位置する上端部を有し、
前記リブ部の上端部は、イントリンシック領域、又は、隣接する前記Ｐ型領域若しくはＮ型領域のドーパント濃度の１／１０以下のドーパント濃度でドープされた低濃度ドーピング領域のいずれかから形成されるアンドープ領域を有する光学素子。
【請求項２】
前記リブ部におけるＰ型領域とＮ型領域との境界が、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記コアの下面に垂直である請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記リブ部のＰ型領域は、前記第一スラブ部と同じ高さに位置し、
前記リブ部のＮ型領域は、前記第二スラブ部と同じ高さに位置する請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記リブ部のＰ型領域は、前記第一スラブ部の上面よりも高い位置まで延在し、
前記リブ部のＮ型領域は、前記第二スラブ部の上面よりも高い位置まで延在している請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第一スラブ部のＰ型領域及び前記リブ部のＰ型領域で形成される全Ｐ型領域のドーパント濃度が、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記ＰＮ接合部に向かって減少し、
前記第二スラブ部のＮ型領域及び前記リブ部のＮ型領域で形成される全Ｎ型領域のドーパント濃度が、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記ＰＮ接合部に向かって減少している請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子。
【請求項６】
前記全Ｐ型領域は、ドーパント濃度が異なる２以上の領域を有し、
前記全Ｎ型領域は、ドーパント濃度が異なる２以上の領域を有している請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記半導体単結晶がＳｉからなる請求項１〜６のいずれかに記載の光学素子。
【請求項８】
金属からなる第一電極及び第二電極をさらに備え、
前記第一スラブ部のＰ型領域は、前記第一電極に接続され、前記第一スラブ部のＰ型領域のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を有するＰ＋領域を有し、
前記第二スラブ部のＮ型領域は、前記第二電極に接続され、前記第二スラブ部のＮ型領域のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を有するＮ＋領域を有する請求項１〜７のいずれかに記載の光学素子。
【請求項９】
前記第一電極及び前記第二電極が、前記光導波路の長手方向に沿って連続して形成された進行波型電極である請求項８に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記進行波型電極は、コプレーナ線路型電極、又はスロット線路型電極を構成する請求項９に記載の光学素子。
【請求項１１】
２つのアームが同一の基板上に集積されたマッハツェンダ型光導波路素子であって、
請求項１〜１０のいずれかに記載の光学素子が、少なくとも前記２つのアームの一方の光導波路に用いられているマッハツェンダ型光導波路素子。
【請求項１２】
２つのアームが同一の基板上に集積されたマッハツェンダ型光導波路素子であって、
請求項１〜１０のいずれかに記載の光学素子が、前記２つのアームの各光導波路に用いられ、
前記各光導波路に用いられた前記各光学素子の前記第一スラブ部が前記２つのアーム間に配されているか、又は、前記各光学素子の前記第二スラブ部が前記２つのアーム間に配されているマッハツェンダ型光導波路素子。
【請求項１３】
前記光導波路は、その長手方向においてその始点と終点とが接続されてリング形状を形成している請求項１〜７のいずれかに記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信等に利用される光学素子及びこれを用いたマッハツェンダ型光導波路素子に関する。
本願は、２０１１年１０月２６日に、日本に出願された特願２０１１−２３４９６４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光通信で利用される情報量は、増加の一途をたどっている。こうした情報量の増加に対応するため、バックボーンネットワーク、メトロネットワーク、アクセスネットワーク等の各種の光通信ネットワークでは、信号速度の高速化や、波長多重通信によるチャネル数の増加等の対策が進められている。しかし、こうした対策に伴い、光通信に必要なシステムは複雑になり、大型化、高額化、消費電力増大などの課題を生じる。
また、近年増加しているデータセンタにおいても同様に、情報量の増加への対応が迫られている。データセンタ内のコンピュータ間の通信では、従来、主にメタルケーブルにより電気信号が伝送されていた。しかしながら、より一層の高速化や消費電力低減の要請から、近年、光ファイバを用いた光通信の利用が進められている。さらに、機器内通信においても、コンピュータのボード内やＣＰＵ内などの各レベルで、光通信の導入が課題になっている。【０００３】
このような光通信ネットワークにおける課題の解決、さらには新規分野への光通信の導入を実現する技術として、シリコン等の高屈折率材料を用いた光デバイスが注目を集めている。
媒質中の光の波長は、その媒質内の屈折率に反比例する。したがって、屈折率が約３．５と高いシリコン（Ｓｉ）では、光導波路のコア寸法（幅や高さ等）が小さくなる。また、シリカ（ＳｉＯ２）のように、シリコンに対する屈折率差の大きい媒質をクラッドとして用いることで、閉じ込めの強い光導波路が得られる。このような光導波路では、曲がり半径を小さくすることができる。したがって、光導波路を用いた光デバイスの小型化が可能になり、同じ機能であればより小型に、また、同じ大きさであればより多くの機能を持たせること（多機能化）や高密度化を実現できる。【０００４】
また、シリコン等の高屈折率材料は、半導体材料であるため、一般的に電気的な制御が可能である。このような半導体材料を用いることにより光変調器等の特性可変のデバイスを実現することが可能である。さらに、半導体を光導波路コアに用いた光デバイスは、製造プロセスに関する技術や装置において、従来のＣＰＵやメモリ等の半導体デバイスとの共通要素が多いため、量産によって低コストな光デバイスの実現が期待できる。
また、半導体を利用した光導波路を、電気信号を用いる従来の半導体デバイスと同一の基板上に集積することにより、即ち、これまでメタル配線が用いられていた箇所を光導波路で置き換えることにより、さらなる機器の高速化や低消費電力化の可能性がある。
光変調器は、電気信号を光信号に変換する光通信における主要デバイスの一つであり、他のデバイスと同様に、光集積デバイスの実現に向けた要素の一つとして、各機関により研究されてきた。【０００５】
まず、シリコンの光学特性について、説明する。ドーピングされたシリコンの通信波長領域での屈折率は、半導体中のキャリア密度に依存することが知られている。非特許文献１によれば、Ｐ型、Ｎ型シリコンにおける、波長１．５５μｍの光に対するシリコンの屈折率ｎ、及び吸光係数αの変化は、電子及び正孔のキャリア密度（１ｃｍ３当たりの個数）の変化を、それぞれΔＮｅ及びΔＮｈとして、次の（式１）、及び（式２）により表される。【０００６】
【数１】
0005853026.tif 000002
【０００７】
【数２】
0005853026.tif 000003
【０００８】
従って、ドーピングされたシリコン中のキャリア密度が高くなれば、屈折率は低くなり、キャリア密度が低くなれば、屈折率は高くなる。同様に、キャリア密度が高くなれば、吸光係数は高くなり、キャリア密度が低くなれば、吸光係数は低くなる。また、上述したように、媒質中の光の波長は、その媒質内の屈折率に反比例する。したがって、光導波路の長さが変わることなく、その屈折率が変化すれば、この光導波路を通過した後の位相が変化することになる。
したがって、吸光係数が低い領域において、光導波路にドーピングしたシリコンを用い、何らかの方法でキャリア密度を変化させることができれば、そのキャリア密度の変化により、この光導波路を通過させた後の位相を変化させることができる。そのような光導波路は、光位相変調器として機能する。【０００９】
そこで、リブ型導波路中にＰＮ接合、又はＰＩＮ接合を形成した光位相変調器がこれまでに提案されている（例えば特許文献１〜３参照）。
特許文献１では、リブ型導波路のリブ中に、垂直方向の境界を有するＰＮ接合が設けられている。ＰＮ接合の接合境界付近では、空乏層と呼ばれるキャリアの少ない領域が存在する。ＰＮ接合に逆バイアス電圧を印加することで、この空乏層が拡がり、結果的にリブ部のキャリアは減少する。この減少を利用することで、電圧によりキャリア密度を制御し、光位相変調器を実現することができる。
特許文献２では、ＰＮ接合を有する光位相変調器が開示され、その第２図では、多結晶シリコンからなるストリップを積層した導波路（Strip Loaded Waveguide）に適用した例が挙げられている。
特許文献３では、ＰＩＮ接合を形成した光位相変調器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第００／５８７７６号
【特許文献２】米国特許第７０８５４４３号明細書
【特許文献３】米国特許第６８０１７０２号明細書
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】R. A. Soref and B. R. Benette、“Electrooptical effect in Silicon”、ＩＥＥＥ  J. Quantum Electron. QE-23、１９８７年、ｐ．１２３−１２９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
シリコン等ではキャリア密度の変化（電圧印加）により屈折率変化と同時に損失が変化するため、挿入損失は目的とする光の位相によって異なる。
また、特許文献２の第２図に示された構成では、リブ型導波路の中央部に材料の境界が存在する。光導波路の内部に材料の境界が存在すると、光の進行方向におけるその境界面の不均一さ（荒れ）による光の散乱が発生し、光導波路における挿入損失の増加を招くおそれがある。【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、キャリア密度の変化による損失の変化量を低減し、また、挿入損失を低減することが可能な光学素子及びこれを用いたマッハツェンダ型光導波路素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一態様に係る光学素子は、リブ部と、前記リブ部を挟んでその両側に位置し、かつ前記リブ部よりも厚みの薄い第一及び第二スラブ部と、から形成されたコアを有する光導波路を備え、前記コアは、単一の半導体単結晶により前記リブ部と前記第一及び第二スラブ部とが一体に形成され、前記第一スラブ部は、Ｐ型にドープされたＰ型領域を有し、前記第二スラブ部は、Ｎ型にドープされたＮ型領域を有し、前記リブ部は、前記第一スラブ部に設けられたＰ型領域に接しているＰ型領域と、前記第二スラブ部に設けられたＮ型領域に接しているＮ型領域とを有し、前記リブ部のＰ型領域とＮ型領域とが接してＰＮ接合部を構成し、前記リブ部は、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記第一及び第二スラブ部よりも上方に位置する上端部を有し、前記リブ部の上端部は、イントリンシック領域、又は、隣接する前記Ｐ型領域若しくはＮ型領域のドーパント濃度の１／１０以下のドーパント濃度でドープされた低濃度ドーピング領域のいずれかから形成されるアンドープ領域を有する。
【００１５】
前記リブ部におけるＰ型領域とＮ型領域との境界が、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記コアの下面に垂直であってもよい。
前記リブ部のＰ型領域は、前記第一スラブ部と同じ高さに位置し、前記リブ部のＮ型領域は、前記第二スラブ部と同じ高さに位置してもよい。
前記リブ部のＰ型領域は、前記第一スラブ部の上面よりも高い位置まで延在し、前記リブ部のＮ型領域は、前記第二スラブ部の上面よりも高い位置まで延在していてもよい。
前記第一スラブ部のＰ型領域及び前記リブ部のＰ型領域で形成される全Ｐ型領域のドーパント濃度が、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記ＰＮ接合部に向かって減少し、前記第二スラブ部のＮ型領域及び前記リブ部のＮ型領域で形成される全Ｎ型領域のドーパント濃度が、前記光導波路の長手方向に垂直な断面において、前記ＰＮ接合部に向かって減少していてもよい。
前記全Ｐ型領域は、ドーパント濃度が異なる２以上の領域を有し、前記全Ｎ型領域は、ドーパント濃度が異なる２以上の領域を有していてもよい。
上記光学素子が、金属からなる第一電極及び第二電極をさらに備え、
前記第一スラブ部のＰ型領域は、前記第一電極に接続され、前記第一スラブ部のＰ型領域のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を有するＰ＋領域を有し、
前記第二スラブ部のＮ型領域は、前記第二電極に接続され、前記第二スラブ部のＮ型領域のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を有するＮ＋領域を有していてもよい。
前記第一電極及び前記第二電極が、前記光導波路の長手方向に沿って連続して形成された進行波型電極であってもよい。
前記進行波型電極が、コプレーナ線路型電極、又はスロット線路型電極を構成してもよい。【００１６】
また、本発明の一態様に係るマッハツェンダ型光導波路素子は、２つのアームが同一の基板上に集積されたマッハツェンダ型光導波路素子であって、上記光学素子が、少なくとも前記２つのアームの一方の光導波路に用いられている。
また、本発明の一態様に係るマッハツェンダ型光導波路素子は、２つのアームが同一の基板上に集積されたマッハツェンダ型光導波路素子であって、上記光学素子が、前記２つのアームの各光導波路に用いられ、前記各光導波路に用いられた前記各光学素子の第一スラブ部が前記２つのアーム間に配されているか、又は、前記各光学素子の第二スラブ部が前記２つのアーム間に配されている。
【発明の効果】
【００１７】
上記本発明の態様によれば、光導波路の断面において、ドーピングされた領域において、電圧印加によりキャリア密度の変化する領域の割合を高めることができる。すなわち、リブ型導波路のリブ全域にドーピングする場合と比較して、電圧印加時の空乏層の幅の変化を増大させることができ、ドーピングされている領域に対するキャリア密度の変化する領域の割合を増加させることができる。
また、ＰＮ接合部と一体に形成されたリブ上方のアンドープ領域にキャリアが拡散することにより、キャリア密度の低い部分が生じる。よって、屈折率変化時の損失の変化量、すなわち光学素子動作時の損失の変化量を低減させることができる。
光導波路の単位長さ当たりの接合容量は減少するため、高周波領域における反応時間の改善が期待できる。また、電極からスラブ部にかけてドーピング濃度を変更する必要がないため、寄生抵抗の増大は回避可能である。
リブ型導波路の中央部に材料の境界が存在しないため、光導波路として用いたときの挿入損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】本発明の実施形態１に係る光学素子を示す断面図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態１の一変形例に係る光学素子を示す断面図である。
【図２Ａ】図１Ａの光学素子に電極を設けた例を示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの光学素子を示す斜視図である。
【図２Ｃ】図２Ａの光学素子にグランド電極を設けた例を示す断面図である。
【図３】図１Ａの光学素子に電極を設けた例を示す斜視図である。
【図４Ａ】図２Ａの光学素子の製造工程の一例を示す断面図である。
【図４Ｂ】図２Ａの光学素子の製造工程の一例を示す断面図である。
【図４Ｃ】図２Ａの光学素子の製造工程の一例を示す断面図である。
【図４Ｄ】図２Ａの光学素子の製造工程の一例を示す断面図である。
【図４Ｅ】図２Ａの光学素子の製造工程の一例を示す断面図である。
【図４Ｆ】図２Ａの光学素子の製造工程の一例を示す断面図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態２に係る光学素子を示す断面図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態２に係る光学素子を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態３に係る光学素子を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態４に係る光学素子を示す断面図である。
【図８Ａ】本発明の実施形態５に係る光学素子を示す断面図である。
【図８Ｂ】本発明の実施形態５の一変形例に係る光学素子を示す断面図である。
【図９】本発明の実施形態６に係る光学素子を示す断面図である。
【図１０】マッハツェンダ型光導波路素子の一例を示す模式図である。
【図１１Ａ】本発明の実施形態７に係るマッハツェンダ型光導波路素子を示す平面図である。
【図１１Ｂ】本発明の実施形態７に係るマッハツェンダ型光導波路素子のＴ部を示す部分拡大図である。
【図１２Ａ】図１１Ａに示す位相変化部の一例を示す断面図である。
【図１２Ｂ】図１１Ａに示す位相変化部の一例を示す断面図である。
【図１３】マッハツェンダ型光導波路素子における電極配置の一例を示す平面図である。
【図１４】マッハツェンダ型光導波路素子における電極配置の他の一例を示す平面図である。
【図１５Ａ】図１１Ａに示す位相変化部の他の例を示す断面図である。
【図１５Ｂ】図１１Ａに示す位相変化部の他の例を示す断面図である。
【図１６】光路長調整部を有するマッハツェンダ型光導波路素子の一例を示す模式図である。
【図１７】キャリア密度と、Δｎ／Δαの比との関係の一例を示すグラフである。
【図１８】実施例１の断面構造を示す断面図である。
【図１９Ａ】実施例１について、コアの中心部の断面構造を示す断面図である。
【図１９Ｂ】比較例１について、コアの中心部の断面構造を示す断面図である。
【図２０】バイアスを０Ｖから−４Ｖへ変化させたときの実効屈折率の変化を示すグラフである。
【図２１】バイアスを−４Ｖから０Ｖへ変化させたときの実効屈折率の変化を示すグラフである。
【図２２Ａ】実施例１におけるキャリア密度分布のシミュレーション結果を示す図面代用写真である。
【図２２Ｂ】実施例１におけるキャリア密度分布のシミュレーション結果を示す図面代用写真である。
【図２３Ａ】図２２Ａのシミュレーション結果を説明する模式図である。
【図２３Ｂ】図２２Ｂのシミュレーション結果を説明する模式図である。
【図２４Ａ】比較例１におけるキャリア密度分布のシミュレーション結果を示す図面代用写真である。
【図２４Ｂ】比較例１におけるキャリア密度分布のシミュレーション結果を示す図面代用写真である。
【図２５Ａ】図２４Ａのシミュレーション結果を説明する模式図である。
【図２５Ｂ】図２４Ｂのシミュレーション結果を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、好適な実施の形態に基づき、本発明を説明する。
まず、光位相変調器の位相変化部における挿入損失について考察する。
位相変化部の主目的は、導波路を通過した後の出射光の位相を変化させることである。
位相変化部の屈折率を変化させて位相変調を行う場合、出力時の位相変化Δφは、Δφ＝２πＬΔｎeff／λで表される。ここで、Δｎeffは、光導波路の断面構造における導波モードの実効屈折率ｎeffの変化であり、Ｌは、位相変化部の長さであり、λは光の波長であり、πは円周率である。つまり、出力時の位相変化は、実効屈折率の変化Δｎeffと位相変化部長Ｌとの積を含む式として表される。
【００２０】
一方、キャリアの吸収による導波路損失も位相変化部長Ｌに依存する。導波路の実効的な吸光係数αに対して、初期パワーをＰ0とすると、導波路を通過した後の出射光（透過光）のパワーＰ1は、Ｐ1＝Ｐ0×ｅｘｐ（−αＬ）＝Ｐ0×ｅ−αＬで表される。この場合、位相変化部の挿入損失をデシベルで表示すると、１０ｌｏｇ10（Ｐ0／Ｐ1）＝１０ｌｏｇ10（ｅαＬ）＝αＬ（１０ｌｏｇ10ｅ）で表される。
【００２１】
実効的な吸光係数αは、位相変化部の動作時の空乏層の変化に応じて変化する。空乏層が広がるように位相変化部を動作させている状態における吸光係数をαeff、空乏層が狭まるように位相変化部を動作させている状態における吸光係数をαeff＋Δαeffと表せば、αeffは、逆バイアスの印加による影響を受けない領域からの寄与である。換言すると、αeffは、キャリアは分布しているがそのキャリア分布が変化しない領域からの寄与である。一方、Δαeffは、逆バイアスの変化によりキャリア分布が変化した領域からの寄与と考えることができる。
【００２２】
動作時の損失は、αeffとαeff＋Δαeffとの間で往復する。つまり、光導波路として挿入損失を低減するためには、αeffやαeff＋Δαeffを低減する必要がある。損失の変化量を低減させるためには、Δαeffを低減する必要がある。よって、その両方の課題に対しては、αeffと、Δαeffの２つのパラメータをそれぞれ低減する必要がある。
【００２３】
位相変化部の挿入損失の低減のためには、吸光係数の変化Δαeffの寄与の他に、吸光係数αeffそのものが重要である。位相変化部長Ｌを短くすることでも、位相変化部の挿入損失を低減することが可能であると考えられる。しかしながら、位相変化部長Ｌは、光位相変調器において対応可能なバイアス電圧の範囲Ｖbiasや、要求される変調効率により決まるため、自由に短くすることはできない。
【００２４】
要求される位相変調量をφreqとし、印加可能な信号のバイアス電圧の範囲Ｖbiasにおけるキャリア密度変化による実効屈折率の変化をΔｎeffとすると、光位相変調器に必要な長さＬreqは、次の（式３）で表される。（式３）は、上述の出力時の位相変化を表す式より得られるφreq＝２πＬreqΔｎeff／λを変形することにより得られる。
【００２５】
【数３】
0005853026.tif 000004
【００２６】
光位相変調器の損失αeffＬreq（１０ｌｏｇ10ｅ）は、これに（式３）を代入すると、次の（式４）で表される。
【００２７】
【数４】
0005853026.tif 000005
【００２８】
（式４）より、必要な位相変調量φreqと波長λが決まっている場合、光位相変調器の損失は、Δｎeffとαeffとの比によって決まることが分かる。
従って、位相変化部の損失を低減するには、光導波路の断面構造において、光導波路領域全体のキャリアがドーピングされた領域において、電圧印加によりキャリア密度の変化する領域の割合を高めることが重要であることが分かる。
つまり、Ｆ１＝Δｎeff／αeffを、位相変調量の性能指数（Figure of merit）として用いると、低損失な光位相変調器を実現するには、このＦ１の高くなるような導波路構造を作製すればよいと言うことができる。
【００２９】
一方、挿入損失の変化量に関しては、損失量の変化Δαeffのみを考慮すればよく、この変化は、次の（式５）で表される。
【００３０】
【数５】
0005853026.tif 000006
【００３１】
ΔｎeffとΔαeffは共に、キャリア密度の変化によって生じるものであり、したがって、同じ領域からの寄与を受ける変化である。従って、この挿入損失の変化量の低減には、キャリア密度の変化による、吸光係数変化の実効屈折率変化に対する比Δαeff／Δｎeffを下げることが有効であることが分かる。
この場合、前述のＦ１と同様に、挿入損失の変化量について、Ｆ２＝Δｎeff／Δαeffを定義すると、このＦ２の最大化を図ることが、挿入損失の変化量の低減に寄与すると言うことができる。
【００３２】
なお、吸光係数（損失）変化に対する実効屈折率変化の比であるΔｎeff／Δαeffや、吸光係数（損失）に対する実効屈折率変化の比であるΔｎeff／αeffを、光学素子（光デバイス）の設計に応用する場合、実際にはドーピングされた材料の屈折率及び実効屈折率の測定は難しい。上述のΔφ＝２πＬΔｎeff／λによれば、位相変化量Δφは、実効屈折率変化Δｎeffに比例することから、次の（式６）、及び（式７）が得られる。これらの式によれば、波長λ、及び位相変化部長Ｌが定められた条件では、損失、及び損失変化に対する実効屈折率変化の比（Δｎeff／αeff、及びΔｎeff／Δαeff）の代わりに、損失、及び損失変化に対する位相変化量の比（Δφ／αeff、及びΔφ／Δαeff）を、指標として用いることができる。
【００３３】
【数６】
0005853026.tif 000007
【００３４】
【数７】
0005853026.tif 000008
【００３５】
上述の挿入損失の低減と挿入損失の変化量の低減という課題を解決するために、本発明の一態様では、ドーピングをリブ構造の下部に行い、リブ構造の上部にはアンドープ領域を設ける。
この構造によれば、光導波路領域全体のドーピングされた領域に対する、電圧印加によりキャリアの変化する領域の割合を高めることができる。また、リブ上方のアンドープ領域へのキャリアの拡散により、屈折率変化時の損失変化を低減することができる。
このような構造をとることにより、次の効果が奏される。
（１）リブ型導波路の全域にドーピングされた構造と比較して、電圧印加時の空乏層の幅変化を増大させることができ、ドーピングされている領域に対するキャリア密度の変化する領域の割合を増加させることができる。
（２）リブ上方のアンドープ領域にキャリアが拡散することにより、キャリア密度の低い部分が生じ、屈折率変化時の損失の変化量、すなわち動作時の損失の変化量を低減させることができる。
（３）光導波路の単位長さ当たりの接合容量は減少するため、高周波領域における反応時間の改善が期待できる。また、電極からスラブ部にかけてドーピング濃度を変更する必要がないため、寄生抵抗の増加は生じない。
【００３６】
図１Ａに示す光学素子１は、リブ型導波路からなる光導波路６を有する。光導波路６のコア４は、リブ部１０と、スラブ部１１，１２とから形成されている。スラブ部１１，１２は、リブ部１０より厚みの薄く、リブ部１０を挟んでその両側に位置する。
第一スラブ部１１は、Ｐ型にドープされたＰ型領域１３ｂを有し、第二スラブ部１２は、Ｎ型にドープされたＮ型領域１４ｂを有する。
また、リブ部１０は、第一スラブ部１１に設けられたＰ型領域１３ｂに接するＰ型領域１３ａと、第二スラブ部１２に設けられたＮ型領域１４ｂに接するＮ型領域１４ａとを有している。これらのＰ型領域１３ａとＮ型領域１４ａとが互いに接することによりＰＮ接合部１５を構成する。すなわち、ＰＮ接合部１５において、Ｐ型領域１３ａとＮ型領域１４ａとが互いに接している。
リブ部１０は、光導波路６の長手方向に垂直な断面において、スラブ部１１，１２より上方に位置する上端部１０ａを有する。リブ部１０は、上端部１０ａの少なくとも一部にアンドープ領域１６を有する。アンドープ領域１６は、図１Ａに示すように、リブ部１０内のＰ型領域１３ａ及びＮ型領域１４ａの上から、リブ部１０の上面（上部クラッド５との境界）まで存在していることが好ましい。
【００３７】
アンドープ領域１６は、イントリンシック領域でもよく、又は、隣接するＰ型領域１３ａ及び／又は隣接するＮ型領域１４ａのドーパント濃度の１／１０以下のドーパント濃度でドープされた低濃度ドーピング領域でもよい。低濃度ドーピング領域の例としては、アンドープ領域１６に隣接するＰ型領域１３ａの１／１０以下のドーパント濃度でＰ型にドープされた低濃度Ｐドーピング領域、アンドープ領域１６に隣接するＮ型領域１４ａの１／１０以下のドーパント濃度でＮ型にドープされた低濃度Ｎドーピング領域、隣接するＰ型領域１３ａ及びＮ型領域１４ａの１／１０以下のドーパント濃度でＰ型及びＮ型のドーパントを含む領域などが挙げられる。
【００３８】
リブ部１０とスラブ部１１，１２とは、半導体単結晶により一体に形成されている。リブ部１０のＰ型領域１３ａと第一スラブ部１１のＰ型領域１３ｂとは、一体化されたＰ型領域１３（全Ｐ型領域）を構成する。また、リブ部１０のＮ型領域１４ａと第二スラブ部１２のＮ型領域１４ｂとは、一体化されたＮ型領域１４（全Ｎ型領域）を構成する。
【００３９】
このように、光導波路内にＰＮ接合部を形成し、これに電極を接続して外部から電圧を印加することで、ＰＮ接合部での空乏層が変化する。逆バイアス電圧の印加により、空乏層は拡大してＰＮ接合部のキャリア密度が減少するため、ＰＮ接合部において屈折率が上昇する。結果的にリブ型導波路の導波モードの実効屈折率が変化し、この導波路を通過する光の、出力位置における位相を変化させることができる。
一方、（式２）に示すように、キャリアの存在は屈折率を変化させるのみならず、吸光係数αを増大させる。つまり、キャリア密度の変化を起こすために導波路にドーピングを行うと、導波路の損失を増加させることになる。位相変化量の増加と、損失の低減はトレードオフの関係にある。
挿入損失は、位相変化部の重要な特性の一つとして挙げられる。キャリアの存在による損失は、導波路の挿入損失の主たる要因の一つであり、従って、挿入損失を低減することが重要である。
【００４０】
材料自体の光学特性は上述の（式１）及び（式２）で表されるが、導波光の実効屈折率及び伝播損失を計算するには、光のモードプロファイルを考察する必要がある。リブ型導波路におけるモードプロファイルでは、光導波路の断面構造における中心部（特にリブ部）のパワー密度が高くなる。従って中心部での変化は、外周部での変化よりも屈折率変化の割合が高い。
ＰＮ接合部におけるキャリアの分布は、キャリアの濃度勾配により生じる拡散電流と、キャリアとドーパント及び外部電界により生じるドリフト電流と、の平衡状態として決まる。この結果、ＰＮ接合部には、キャリアが空である空乏層が生じる。
【００４１】
このとき、導波路の断面構造においてＰＮ接合部から十分に離れた構造内部においては、空間電荷分布はなく、キャリアの濃度勾配は殆ど見られない。しかし、リブ上面等の構造端部（表層部など）では電界が生じている。リブ上面等の構造端部（表層部など）では、構造内部とは異なって、ＰＮ接合部から十分に離れていても、キャリアの濃度勾配が生じる。
ＰＮ接合部に逆バイアス電圧を印加すると、キャリアが減少して空乏層が広がる。このようなキャリアの減少は、前述の接合部以外の構造の端でも存在し、したがって、ＰＮ接合部に逆バイアス電圧を印加するとキャリア密度が変化することが分かる。
【００４２】
特許文献１のようにリブ部全体にＰＮ接合が設けられた従来構造では、ＰＮ接合部の両端におけるキャリア密度変化による屈折率変化への寄与は、光のモードプロファイルを考えると、光のパワー密度の低い領域にＰＮ接合が設けられているために微量である（例えば図２４Ａ〜２５Ｂのシミュレーション結果を参照）。
一方、図１Ａに示すように、リブ上部にアンドープ領域１６を設けた本発明の各実施形態に係る構造では、この境界領域（ＰＮ接合部１５の上端）が、導波光のモードプロファイルにおけるパワー密度の高い領域に形成される。また、上面及び下面のキャリア密度の変化する領域の厚みは、ドープされている領域の厚みとは独立していることから、ドープされた領域を薄くする方が、全体に対するＰＮ接合部１５の上端の影響の度合いを大きくすることができる。このことにより、ＰＮ接合部１５のみではなく、その周囲のキャリア密度の変化を有効に活用することが可能である。その結果、キャリア全体に対する、キャリア密度の変化する領域の割合を高めることができる。これにより、例えば図２２Ａ〜２３Ｂのシミュレーション結果に示されるように、ＰＮ接合部１５の上端からアンドープ領域１６にかけて、キャリア密度の変化する領域が大きな割合を占めるようになる。
なお、図２２Ａ〜２５Ｂのシミュレーションの実施方法については、後述する。
【００４３】
また、本発明の各実施形態に係る構造では、ＰＮ接合部１５とアンドープ領域１６とを含むリブ部１０、及びスラブ部１１，１２が、半導体単結晶により一体で形成されており、ＰＮ接合部１５とアンドープ領域１６との間に結晶粒界や電気絶縁層が介在しないため、リブ上方のアンドープ領域１６にもキャリアが拡散する。リブ上方では、Ｐ型領域やＮ型領域との境界と比較して生じる電界が弱いため、キャリアは広範囲に拡散する。従って、この領域におけるキャリア密度は、Ｐ型領域やＮ型領域と比較して、低くなる。
挿入損失の観点から実用的なキャリア密度１０16〜１０18／ｃｍ３における、前述の損失変化に対する屈折率変化の比（図１７参照）は、Ｎ型領域よりもＰ型領域において、より高くなる。さらに、Ｐ型領域においてキャリア密度が低い方が（特に、後述する実施形態２参照）、損失変化に対する屈折率変化の比は高くなる。従って、本発明の各実施形態に係る構造によれば、キャリア密度の低い領域での電圧印加による屈折率変化は、損失変化のより低減された、位相変化を実現することが可能である。
【００４４】
また、ＰＮ接合間に生じる接合容量は、高速動作を阻む要因の一つである。しかし、本発明の各実施形態によれば、単位導波路長さ当たりのＰＮ間の面積が減少することから、接合容量を低減することが可能である。変調効率の向上のために導波路長を長くすることも考えられる。しかしながら、この場合、導波路長が長くなるにしたがって接合容量が増えると共に、スラブ部の抵抗率が低減するため、変調効率の向上の効果が打ち消される。したがって、単位長さ当たりの接合容量の低減が、高速化に寄与すると考えられる。
【００４５】
＜実施形態１＞
図１Ａは、本発明の実施形態１に係る光学素子を示す断面図である。また、図２Ａ，２Ｂ及び３に、この光学素子に電極を設けた構成例を示す。
図１Ａ及び図２Ａには、光の進行方向（光導波路の長手方向）に垂直な面の断面図が示されている。本実施形態では、製造に用いる基板として、シリコン（Ｓｉ）−シリカ（ＳｉＯ２）−シリコン（Ｓｉ）からなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いることができる。光導波路６の下部クラッド３は、ＳＯＩ基板の中間のＳｉＯ２から形成され、コア４は、上部のＳｉ層から形成される。下部のＳｉ層は基板２となる。
【００４６】
コア４は、中央部に厚みの厚いリブ部１０をもつリブ型シリコン導波路である。この導波路に導波された光は、リブ部１０を中心に分布する。
一方、厚みの薄いスラブ部１１，１２は、リブ部１０から離間した位置に、電極に接触する接触部１１ａ，１２ａを有する。図１Ｂに示すように、接触部１１ａ，１２ａは、スラブ部１１，１２の全厚みに亘って形成することも可能である。接触部１１ａ，１２ａには、メタル電極７，８とオーミックコンタクトを形成できるように、ドーパントが高濃度にドープされる（Ｐ＋領域、Ｎ＋領域）。電極７，８の材料は、アルミ等、シリコン材料とのオーミックコンタクトが形成可能な材料であれば、特に限定されず、元素単体でも合金でもよい。なお、図１Ａ及び１Ｂでは、電極７，８が省略されている。
光導波路６の上部クラッド５は、再度ＳｉＯ２や樹脂材料などの低屈折率材料を積層することより形成してもよいし、低屈折率材料の積層を省略して、エアクラッドであってもよい。
クラッド３，５は、コア４に対して適切な屈折率差を有するように、コア４よりも屈折率の低い材料から構成される。
【００４７】
コア４の一部は、Ｐ型に、又はＮ型にドープされている。本実施形態では、第一スラブ部１１はＰ型に、第二スラブ部１２はＮ型にドープされている。半導体に導電性を付与するドーパント（不純物）は、半導体の母体媒質に応じて適宜選択することができる。
例えば、本実施形態のように、母体媒質がシリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）等のＩＶ族半導体であれば、Ｐ型極性を与えるドーパントとして、ホウ素（Ｂ）やアルミニウム（Ａｌ）等のIII族元素が挙げられ、Ｎ型極性を与えるドーパントとして、リン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）等のＶ族元素が挙げられる。
【００４８】
ドーピング領域の配置に関し、本実施形態では、第一スラブ部１１及びそれに接するリブ下部領域にＰ型領域１３を、第二スラブ部１２及びそれに接するリブ下部領域にＮ型領域１４を配置している。Ｐ型領域１３とＮ型領域１４とはリブ部１０において接しており、その境界には空乏層が生じる。
【００４９】
また、リブ上部にはアンドープ領域１６が設けられ、アンドープ領域１６には積極的にドーピングを行わない。アンドープ領域１６に意図せず少量のドーパントが拡散する可能性がある。また、ＳＯＩ基板など基板材料の製造方法等に起因して、基板に用いる材料によっては、わずかにＰ型又はＮ型にドープされる場合もあり得る。このため、アンドープ領域１６には、基板に用いる材料に起因して、わずかなドーパントが含まれる場合もある。しかし、いずれの場合においても、アンドープ領域１６は、そのドーパント濃度がＰ型領域１３又はＮ型領域１４のドーパント濃度（それらの領域１３，１４の平均的なドーパント濃度）の１／１０以下、すなわち、１０−１倍以下であるように形成される。なお、アンドープ領域１６のドーパント濃度は、Ｐ型領域１３又はＮ型領域１４のドーパント濃度の１０−２倍以下、１０−３倍以下などであってもよい。
また、スラブ部１１，１２のうち、リブ部１０から離れた上面を含む一部は、他の箇所に比べてドーピング濃度を高くする。これによって、電極７，８とオーミックコンタクトを形成することができる。
【００５０】
図３に、本実施形態に係る光学素子１の斜視図を示す。位相変化部は、図１Ａや図２Ａに示す断面構造が光導波路の長手方向に連続する構造を有する。長手方向の長さは、要求される位相変化量や、印加可能な電圧範囲等の条件から決められる。例えば、想定する動作電圧が４Ｖpp（ピーク間電圧）で、この動作電圧における単位長さ（１ｍｍ）当たりの位相変化量がπ／４ラジアンのとき、位相変化部として必要な位相変化量がπ／２ラジアンであれば、デバイス長（位相変化部長）は２ｍｍと決めることができる。また、必要な位相変化量がπラジアンであればデバイス長は４ｍｍと決めることができる。
【００５１】
また、電極７，８は、進行波型電極とすることもできる。この場合、図３に示すように、進行波型電極を長手方向にリブ型光導波路６と並行に配置し、光の導波方向と同方向に進行波型電極に電圧を伝送させる。図３において、例えば光導波路６を導波する光が、矢印Ａに示すように図の手前から奥へ向かって伝播する場合には、電極７，８の手前の端部７ａ，８ａに信号源を、奥の端部７ｂ，８ｂに終端を接続して、電極７に電圧を印加する。その反対に、光が矢印Ｂに示すように図の奥から手前へ向かって伝播する場合には、奥側の端７ｂ，８ｂに信号源を、手前の端部７ａ，８ａに終端を接続して、電極７に電圧を印加する。
図２Ｂには、図２Ａの断面構造を有する光学素子１の斜視図を示す。図２Ｂにおいて、例えば光導波路６を導波する光が、矢印Ａに示すように図の手前から奥へ向かって伝播する場合には、電極７，８の手前の端部７ａ，８ａに信号源を、奥の端部７ｂ，８ｂに終端を接続して、電極７に電圧を印加する。また、光が矢印Ｂに示すように図の奥から手前へ向かって伝播する場合には、奥の端部７ｂ，８ｂに信号源を、手前の端部７ａ，８ａに終端を接続して、電極７に電圧を印加する。図２Ｂの例では、電極７，８が光導波路６の長手方向に沿って連続して形成されている。電極７，８が進行波型電極であってもよい。この場合、たとえば、電極７，８が、グランド（ＧＮＤ）とシグナル電極とが光導波路６の長手方向に沿って所定の間隔を保ちながら連続して形成されたスロット線路型電極を構成することもできる。このスロット線路型電極においては、電極の厚み，電極の間隔を調整することにより線路の特性インピーダンスを調整することができる。
図２Ｃの例では、光導波路６の長手方向に垂直な断面において、グランド（ＧＮＤ）が、電極８の側方に設けられている。この場合、電極７，８は、グランド（ＧＮＤ）と共に、コプレーナ線路型電極を構成することができる。
【００５２】
＜光学素子の製造方法＞
次に、上記実施形態に係る光学素子１の製造方法について説明する。
図４Ａ〜４Ｆに、製造方法の一例を順に示す。
（１）  図４Ａに示すように、基板２と下部クラッド３と単結晶半導体層２１とを有する積層基板２０を用意する。積層基板２０としては、例えばＳｉ−ＳｉＯ２−ＳｉからなるＳＯＩ基板を使用できる。この場合、下部Ｓｉ層が基板２に、中間ＳｉＯ２層が下部クラッド３に、上部Ｓｉ層が単結晶半導体層２１に対応する。単結晶半導体層２１は、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）等で上面２１ａを研磨し、所望のリブ高さが得られる厚みとすることができる。単結晶半導体層２１の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば数十ｎｍ〜数百ｎｍである。より具体的な例として、２２０ｎｍが挙げられる。
なお、図４Ａの積層基板２０における基板２と下部クラッド３と単結晶半導体層２１との厚みの比率は、実際の厚みの比率を表すものではない。
【００５３】
（２）  図４Ｂに示すように、マスク２２を使用して、Ｐ型ドーパントのインプラントにより、Ｐ型領域１３を形成する。このとき、注入イオン２３のエネルギーを調整することにより、Ｐ型ドーパントの注入深さが、下記（４）で形成される第一スラブ部１１の厚み程度になるようにする。より具体的な例として、ドーズ量５×１０12／ｃｍ３、注入エネルギー４０ｅＶにてホウ素（Ｂ）のインプラントが挙げられる。マスク２２は、Ｐ型領域１３を形成しない領域を覆うように設けられる。
【００５４】
（３）  図４Ｃに示すように、マスク２４を使用して、Ｎ型ドーパントのインプラントにより、Ｎ型領域１４を形成する。このとき、注入イオン２５のエネルギーを調整することにより、Ｎ型ドーパントの注入深さが、下記（４）で形成される第二スラブ部１２の厚み程度になるようにする。具体例として、リン（Ｐ）をドーズ量３×１０12／ｃｍ３、注入エネルギー１１０ｅＶによるインプラントが挙げられる。マスク２４は、Ｎ型領域１４を形成しない領域を覆うように設けられる。
【００５５】
（４）  図４Ｄに示すように、エッチングにより、断面においてリブを有するコア４を形成する。また、メタル電極との接触部１１ａ，１２ａとなる高濃度ドーピング領域（Ｐ＋領域、Ｎ＋領域）を、さらなるドーピングにより形成する。リブ部１０の上部において積極的にドーピングをしなかった部分が、アンドープ領域１６となる。
図示のように、Ｐ型領域１３が第一スラブ部１１と同じ高さに位置し、Ｎ型領域１４が第二スラブ部１２と同じ高さに位置する場合、リブ部１０におけるドーピング領域の高さが、スラブ部１１，１２におけるドーピング領域の高さと同じにできるので、イオン注入の工程をより単純に実施することができる。
Ｐ型領域１３とＮ型領域１４との境界が、光導波路の長手方向に垂直な断面において、コア４の下面（下側クラッド３の上面）に垂直である場合、基板２の表面に垂直な方向でイオン注入を行って境界におけるＰ型ドーパントとＮ型ドーパントの混在を抑制することができる。なお、上記製造方法において、基板２に対して斜めの方向でイオン注入を行ったり、Ｐ型領域１３とＮ型領域１４との境界をコア４の下面に対して傾斜させたりすることも可能である。
【００５６】
（５）  図４Ｅに示すように、コア４の上に、ＳｉＯ２等を堆積（デポジション）することにより、上部クラッド５を形成する。エアクラッドとする場合は、このＳｉＯ２等の堆積による上部クラッド５の形成を省略することができる。また、樹脂の塗布などによって上部クラッド５を形成することもできる。
（６）  図４Ｆに示すように、電極７，８をスラブ部１１，１２の接触部１１ａ，１２ａに接続するためのコンタクトホールを上部クラッド５に形成した後、スパッタ等により形成したコンタクトホールをメタルで充填して電極７，８を形成する。電極の材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）やシリコン合金等が挙げられる。
【００５７】
以上の工程により、リブ部１０の上部に、イントリンシック領域、及び、低濃度ドーピング領域の一方から形成されるアンドープ領域１６を残し、リブ部１０の下部にＰＮ接合部１５が形成された、リブ型位相変化部として利用可能な光学素子１を製造することが可能である。
なお、図４Ａ〜４Ｆでは、Ｐ型領域１３が第一スラブ部１１と同じ高さに位置し、Ｎ型領域１４が第二スラブ部１２と同じ高さに位置する場合を例示したが、本発明は、この場合に限定されるものではない。ドーピング領域（Ｐ型領域１３、及びＮ型領域１４）の厚みをスラブ部１１，１２の厚みより大きくすることにより（後述する実施形態６参照）、ドーピング領域がスラブ部１１，１２よりも高い位置にまで延在するする構造を実現することも可能である。また、マスクの構成や注入深さ等を調整することにより、リブ部１０におけるドーピング領域の高さを、スラブ部１１，１２におけるドーピング領域の高さよりも低くする等、リブ部１０とスラブ部１１，１２とで高さの異なるドーピング領域を形成することも可能である。
【００５８】
＜実施形態２＞
上述した（式１）、及び（式２）より、Δｎ／Δαを求めると、Ｐ型領域では、電子密度変化ΔＮｅを無視すれば、Δｎ／Δαはおおよそ正孔密度ΔＮｈの０．２乗に反比例する〔すなわち、Δｎ／Δα∝１／（ΔＮｈ）0.2〕。一方、Ｎ型領域では、正孔密度変化ΔＮｈを無視すれば、Δｎ／Δαは電子密度ΔＮｅによらずおおよそ一定になる。
これらの関係を、グラフに表すと、図１７に示すとおりである。ここで、図１７の横軸のキャリア密度に関し、電子についてはΔＮｅ、正孔についてはΔＮｈが用いられている。また、図１７の数値は、１×１０±ｍを、１Ｅ±ｍとする形式（±ｍは整数）で表示している。
図１７から明らかなように、Δｎ／Δαは、Ｐ型の低濃度領域で高いことから、キャリア密度の変化領域におけるＰ型の低濃度ドーピング領域の割合を大きくすることで、Δｎ／Δαを向上させ、損失の変化量を低減することが可能である。
【００５９】
ＰＮ接合部における空乏層は、接合部におけるＰ型領域とＮ型領域との間にドーパント濃度差がある場合には、濃度の低い方に空乏層が広がる。したがって、図５Ａに示すように、リブ部１０の下方におけるＮ型領域１４ａのドーパント濃度を、Ｐ型領域１３ａのドーパント濃度よりも高くすることで、低損失化と変調効率の向上とを実現できる。ここで、リブ部１０の下方に設けられるＰ−領域は、リブ部１０の下方のみならず、スラブ部１１のリブ部１０に近接する領域に設けても良い。
ここで、Ｐ領域、Ｐ−領域、Ｎ領域のドーパント濃度の関係について、必ずしもＰ領域とＮ領域とでのドーパント濃度が一致していなくてもよい。本実施形態においては、Ｎ領域と接するＰ−領域が、Ｐ領域よりもドーパント濃度が低く、かつ、このＰ−領域のドーパント濃度が、Ｎ領域のドーパント濃度よりも低い。
【００６０】
また、リブ型導波路は、導波路の中心部（リブ部１０及びその近傍）で導波光のパワー密度が大きいことを考慮して、図５Ｂに示すように、ＰＮ接合部１５の中心位置を、リブ部１０の幅方向中央から、Ｎ型領域１４を有する第二スラブ部１２寄りにシフト（変位）させることも可能である。この場合、ドーパント濃度が比較的低いＰ−領域が拡大するため、ドーパント濃度が比較的高いＮ領域による損失の発生を低減することができる。さらに、導波光のパワー密度の高い領域においてパワー密度が変化することにより、Δｎ／αを向上し、一層の低損失化を図ることができる。
【００６１】
＜実施形態３＞
実施形態１〜２においては、メタル電極７，８とコンタクトを取るための高濃度ドーピング領域は、スラブ部１１，１２の上部に形成されている。電極７，８に用いられる金属材料は光の吸収が大きいため、この吸収をより低減するためには、導波光の分布する領域から電極７，８を十分に離す必要がある。しかし、電極７，８を導波光の分布する領域から離すほど、電極７，８とＰＮ接合部１５との距離も大きくなる。すると、電極７，８とＰＮ接合部１５との間の半導体中の抵抗値が大きくなり、コアを構成する半導体の応答速度の低下などにより高周波特性の悪化を招く。
【００６２】
そこで、図６に示すように、スラブ部１１，１２の上面よりも高い位置まで延在する接触部１７，１８を、リブ部１０からより離れた位置に設けることもできる。図６において、スラブ部の上部に形成された接触部と区別するため、スラブ部の上面よりも高い位置まで延在する接触部の符号を１７，１８としている。
接触部１７，１８の高さは、リブ部１０の上端部１０ａと同じ高さ、又は上端部１０ａよりも高いことが好ましい。この場合、電極７，８を構成する金属材料がコア４の上面よりも高い位置に配置されるため、スラブ部１１，１２の上部に接触部１１ａ，１２ａを設ける場合と比較して、より近い位置に電極７，８を配置することができる。これにより、スラブ部１１，１２による抵抗値を低減し、コアを構成する半導体の応答速度を向上させ、高速動作を実現することができる。
【００６３】
高濃度ドーピング領域であるＰ＋領域、及びＮ＋領域の位置を考慮すると、スラブ部１１，１２のＰ型領域１３、及びＮ型領域１４と接触する面が、コア４の下面（下部クラッド３との境界）に垂直であることが好ましい。この場合、ドーピング濃度を高くすることで抵抗値を下げた高濃度ドーピング領域と、ＰＮ接合部１５との距離を、全体的に短縮できるので、スラブ部１１，１２による抵抗値を低減し、コアを構成する半導体の応答速度を向上させ、高速動作を実現することができる。
【００６４】
本実施形態に係る光学素子を、図４Ａ〜４Ｆに示す方法で製造する場合、単結晶半導体層２１のエッチング深さを変えることで、スラブ部１１，１２の上面よりも高い位置まで接触部１７，１８が延在するように、エッチングすることが可能である。図４Ａにおいて準備する単結晶半導体層２１の厚みは、接触部１７，１８の高さをリブ部１０の厚みより大きくする場合、目的とする接触部１７，１８の厚み以上とする。接触部１７，１８の高さと、リブ部１０の高さとが等しい場合、接触部１７，１８の上面、及びリブ部１０の上面がエッチングされないようにエッチングを行って、スラブ部１１，１２を形成すればよい。
【００６５】
＜実施形態４＞
リブ型導波路において、最も電界が集中する領域は、導波路の断面水平方向の中心部（リブ部１０、及びその近傍）である。したがって、中心部のキャリア密度変化は、その周囲におけるキャリア密度変化と比較して、より大きな屈折率変化Δｎをもたらし、Δｎ／αが向上する。
図１Ａ及び２Ａに示す実施形態１に係る構造では、空乏層が導波路の中心位置に存在する。空乏層はバイアスがゼロの時点（ゼロバイアス時）で一定の幅をもっているため、中心部にはゼロバイアス時でもキャリアが存在しない（又はキャリア密度が著しく低い）。キャリア密度は導波路の中心からずれた部分において変化する。
【００６６】
そこで、図７に示すように、ＰＮ接合部１５の中心位置を、リブ部１０の幅方向中央から横方向にシフトした位置にＰＮ接合部１５を形成することができる。これにより、導波路の中心位置において、ゼロバイアス時にキャリアを存在させておき、目的とするバイアス電圧の範囲において、中心部のキャリア密度変化を最大にすることが可能になる。これにより、より大きな屈折率変化Δｎをもたらし、Δｎ／αが向上し、一層の低損失化を図ることができる。上記と同様の効果を得るために、ＰＮ接合部１５の中心位置を、図７とは反対に、Ｐ型領域１３を有する第一スラブ部１１寄りにシフトさせてもよい。
さらに、実施形態２で説明したように、位相変調時の損失変化量を低減に対しては、Ｐ型領域のドーパント濃度が低い部分における変調が有効である。したがって、ＰＮ接合部１５の中心位置を、Ｎ型領域１４を有する第二スラブ部１２寄りにシフトさせることで、変調時の損失変化量をより低減することが可能である。
【００６７】
＜実施形態５＞
導波路の断面構造において、Ｐ型領域及びＮ型領域が一様である必要はなく、断面の水平方向に、ドーパント濃度が分布（変化）を有することも可能である。
例えば、第一スラブ部１１からリブ部１０にかけて設けられるＰ型領域１３のドーパント濃度が、光導波路６の長手方向に垂直な断面において、Ｎ型領域１４（ＰＮ接合部１５）に向かって減少している構成を採用することもできる。この場合、Ｐ型領域１３におけるＰ型のドーパント濃度が連続的に変化していてもよい。また、Ｐ型領域１３において、Ｐ型のドーパント濃度が異なる２以上の領域を有するように、Ｐ型のドーパント濃度が段階的に変化していてもよい。
また、第二スラブ部１２からリブ部１０にかけて設けられるＮ型領域１４のドーパント濃度が、光導波路６の長手方向に垂直な断面において、Ｐ型領域１３（ＰＮ接合部１５）に向かって減少している構成を採用することもできる。この場合、Ｎ型領域１４におけるＮ型のドーパント濃度が連続的に変化していてもよい。また、Ｎ型領域１４において、Ｎ型のドーパント濃度が異なる２以上の領域を有するように、Ｎ型のドーパント濃度が段階的に変化していてもよい。
【００６８】
図８Ａには、ドーパント濃度を２段階で変化させた例が示されている。Ｐ型領域１３及びＮ型領域１４が、それぞれ二つの濃度の領域（Ｐ１領域とＰ２領域、及びＮ１領域とＮ２領域）に分割されている。高速動作を行うためには、電極７，８からＰＮ接合部１５までの抵抗値を下げることが有効である。抵抗値はドーピング濃度を高くすることで下げることができる。
ドーピング濃度を上げると、吸光係数（損失）の増大を招くが、キャリア密度の増大により屈折率変化Δｎも増大する。ＰＮ接合部１５から離れた領域においては、そこまで空乏層が到達しがたいため、キャリア密度の変化は生じない。一方で、導波光の一部は、通常スラブ部１１，１２にも到達することから、この領域でドーピング濃度を上げると、屈折率変化による変調効率は増大せず、損失のみ増大することになる。そこで、ドーピング濃度の高い、Ｐ１領域、及びＮ１領域を、損失に影響のない範囲で、可能な限り光導波路の中央部に近づけ、光の分布領域である、リブ部１０及びその近傍に、ドーピング濃度の低い、Ｐ２領域、及びＮ２領域を設けることにより、高速動作と損失低減を両立させることができる。
【００６９】
ここで、各領域のドーパント濃度の関係について、必ずしもＰ１領域とＮ１領域とでのドーパント濃度が一致していなくてもよく、Ｐ２領域とＮ２領域とでのドーパント濃度が一致していなくてもよい。本実施形態においては、Ｐ２領域よりもＰ１領域のドーパント濃度が高く、Ｎ２領域よりもＮ１領域のドーパント濃度が高い。
Ｐ１領域のドーパント濃度は、接触部１１ａにおけるＰ＋領域のドーパント濃度より低くても、同程度でもよい。また、Ｎ１領域のドーパント濃度は、接触部１２ａにおけるＮ＋領域のドーパント濃度より低くても、同程度でもよい。
なお、図８Ｂに示すように、接触部１１ａ，１２ａがスラブ部１１，１２の全厚みに亘って形成された構成を採用することもできる。図８Ａの例では、Ｐ１（Ｎ１）領域とは別に金属電極７（８）とのオーミックコンタクトを形成する接触部１１ａ（１２ａ）、すなわちＰ＋（Ｎ＋）領域が形成されている。これに対し、図８Ｂの例では、金属電極７（８）とのオーミックコンタクトを形成するＰ＋（Ｎ＋）領域がスラブ部１１（１２）の全厚みに亘って形成されている。すなわち、図８Ｂに示された例は、図８ＡにおけるＰ１領域とＰ＋とを１つのＰ＋で置き換えた構造を有している。
図８Ｂに示された構造においても、Ｐ型領域及びＮ型領域それぞれが、ドーパント濃度の異なる２つの領域（Ｐ＋領域，Ｐ２領域；及びＮ＋領域，Ｎ２領域）を有する。また、図８Ｂの例におけるＰ＋領域，Ｐ２領域，Ｎ＋領域，及びＮ２領域の各ドーパント濃度は、上述した図８Ａの例におけるＰ１領域，Ｐ２領域，Ｎ１領域，及びＮ２領域のドーパント濃度と同様に設定できる。したがって、図８Ｂに示された構造によっても、光導波路の中央部における損失を抑制しつつ電極７，８とＰＮ接合部１５との間の半導体中の抵抗値を低減することができる。
また、図８Ｂに示された構造によれば、図８Ａの構造におけるＰ＋（Ｎ＋）領域及びＰ１（Ｎ１）領域を同時に形成することができる。特に、スラブ部１２，１３の厚みが薄い場合には、一度のインプラントによりスラブ部１１（１２）の全厚みに亘ってＰ＋（Ｎ＋）領域を形成できるので、インプラント回数を低減することが可能である。
【００７０】
＜実施形態６＞
図９に示す実施形態では、リブ部１０におけるドーピング領域が、スラブ部１１，１２の上面よりも高い位置まで延在している。
図４Ａ〜４Ｆに示した製造方法において、イオン注入の条件によりドーピング深さをより高く設定するとともに、スラブ部１１，１２のエッチング条件により、スラブ部１１，１２におけるドーピング領域の上部を除去することにより、図９に示すような断面構造を実現することができる。すなわち、リブ部１０のＰ型領域１３ａが、それに接する第一スラブ部１１の上面よりも高い位置まで延在し、リブ部１０のＮ型領域１４ａが、それに接する第二スラブ部１２の上面よりも高い位置まで延在している断面構造を実現することが可能である。
【００７１】
本実施形態によれば、スラブ部１１，１２の厚みによらず、リブ部１０のドーピング領域の高さを、光の分布形状に合わせて配置することが可能になり、低損失な変調を実現することができる。例えば、リブ部１０の厚み（コア下面からの厚みをいう。図１８のＴｒ参照）が厚い場合に、導波光の分布中心が、スラブ部１１，１２の上面の高さよりも高い位置となることがある。その場合、ドーピング領域とアンドープ領域との境界を、導波光の分布中心の近傍に配置することが好ましい。
【００７２】
＜リング型共振器＞
上記各実施形態に係る光学素子は、リング型共振器における導波路として利用することができる。たとえば、文献（Optics Express Vol. 18, 18242）には、シリコン導波路を用いたμリング型共振器が開示されている。このμリング型共振器におけるリング状の変調器に、上記各実施形態に係る光学素子を適用することが可能である。なお、リングの形状は円である必要はなく、始点と終点とが接続されていればよい。
【００７３】
＜マッハツェンダ型光導波路素子＞
光位相変調器は、光伝送路において、単体で使用することができる。特に長距離通信においては、光位相変調器をマッハツェンダ干渉計のアームに配置した、マッハツェンダ型光変調器としても使用されている。マッハツェンダ型光導波路素子３０の概略構成を図１０に示す。入射部３１よりマッハツェンダ型光導波路素子３０に入射した光は、分波部３２で２つに分波され、それぞれ２つのアーム３３，３４に導波する。各アーム３３，３４には、それぞれ位相変化部が設けられ、アーム３３，３４ごとに位相変調を行う。アーム３３，３４を通過した光は、合波部３５で合波されて出射部３６に出力される。したがって、両アーム３３，３４を通過した後の光の位相差に応じた、強度変調や、位相変調が可能になる。
【００７４】
両アーム３３，３４の位相変化を逆方向にする、すなわち、一方のアームでは位相を進め、他方のアームでは位相を遅らせることにより、マッハツェンダ型光導波路素子３０から出射部３６への出力信号の周波数チャープを低減した変調が可能である。特に、光導波路の波長分散（周波数分散）の影響が問題となる長距離光通信では、このような周波数チャープを低減できるマッハツェンダ型光変調方式が用いられている。
上述した実施形態１〜６に例示される光学素子は、１つの位相変化部自体でも光位相変調器として動作可能である。以下に示す実施形態７〜９は、実施形態１〜６に例示したような光学素子をマッハツェンダ型光変調器に適用した例である。
【００７５】
＜実施形態７＞
図１１Ａ及び１１Ｂの平面図に示すように、少なくとも各アーム３３，３４の位相変化部において、リブ部３７とその両側のスラブ部３８，３８を設ける必要がある。位相変化部以外の部分における導波路は、リブ部とスラブ部とを有するリブ型導波路であってもよく、また、スラブ部のない矩形型導波路であってもよい。図１１Ａ及び１１Ｂでは、位相変化部以外の部分に矩形型導波路が用いられたコア形状が示されている。リブ部、スラブ部、矩形部からなるコアの材料には、シリコン等の半導体を用いることができる。また、クラッド（図示せず）には、ＳｉＯ２や樹脂等の絶縁体を用いることができる。上部クラッドは、エアクラッドとすることも可能である。
なお、図１１Ａ及び１１Ｂにおいて、図１０に対応する構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。入射部３１、分波部３２、各アーム３３，３４、合波部３５、及び出射部３６は、同一の基板上に一体化されて基板型光導波路を構成することも可能である。
【００７６】
各アーム３３，３４の位相変化部３３ａ，３４ａにより位相変調を行い、合波部３５において合波を行うことにより、各アーム３３，３４を通過した後の光の位相差に応じて、出射部３６からの出力光の状態が変化し、強度変調や、位相変調が可能になる。
例えば、相対的にπラジアンの位相差がつけば、各アーム３３，３４を通過した光の波が互いに打ち消しあうことにより、合波部３５において導波光のパワーの一部はコアの周囲に広がり、出射部３６に結合する光のパワーは減少する。一方、合波部３５において各アーム３３，３４を通過した光の位相が一致する場合には、その光の波は互いに打ち消しあうことなく合成されて出射部３６に結合する。このような変調動作は、強度変調と呼ばれる。
特に、両者のアーム３３，３４の位相変化部３３ａ，３４ａを同時に駆動して、各アーム３３，３４の導波光の位相を反対側に変調する、つまり、一方では位相を進め、他方では位相を遅らせるというプッシュプル動作を行うことにより、周波数チャープを低減して、長距離伝送に適した光信号を出力として得ることができる。
【００７７】
次に、マッハツェンダ型光導波路素子３０の各部について説明する。
入射部３１は、これに接続される光伝送路の種類に応じて、適宜の構成を採用することができる。例えば、光学素子３０を直接光ファイバに接続する場合には、モードフィールド形状の違いによる接続損失を低減するために、モードフィールドコンバータを用いることができる。例えば、コアが光の進行方向に向かって逆テーパ状であるモードフィールドコンバータが挙げられる。また、光学素子３０と同一基板上に作製した、別の光学素子と接続することも可能である。その場合には、入射部３１のコアを延長して、別の光学素子と接続することが可能である。もちろん、接続先の導波路に応じて、導波路の幅や高さ等の寸法を変更することも可能である。
【００７８】
分波部３２は、入射光を２つのアーム３３，３４に分配する。分波部３２には、Ｙ分岐光導波路や、ＭＭＩ（マルチモード干渉）カプラ、方向性結合器などを採用することができる。
また、合波部３５は、２つのアーム３３，３４から出射部３６に光を合波する。合波部３５には、分波部３２と同様に、Ｙ分岐光導波路や、ＭＭＩカプラ、方向性結合器などを採用することができる。分波部の分岐部における光の入射方向と出射方向とを逆にすれば、合波部３５として使用することができる。光学素子３０において、分波部３２と合波部３５とが同一の構成を有しても、異なる構成を有してもよい。
【００７９】
図１１Ａ及び１１Ｂに示す例において、入射部３１、及び出射部３６は、矩形型導波路であり、分波部３２、及び合波部３５にも、矩形型導波路を採用している。一般に、導波路単体においては、矩形型導波路よりも、リブ型導波路のほうが、導波路損失が低いことが知られている。分波部３２や合波部３５をリブ型導波路とすることもできる。具体的には、Ｙ分岐光導波路、ＭＭＩカプラ、方向性結合器等を、リブ型導波路から構成することが可能である。
この場合には、入射部３１や出射部３６にリブ型導波路を用いるか、入射部３１と分波部３２との間、又は合波部３５と出射部３６との間に、矩形リブ変換部を形成することができる。矩形リブ変換部については、後述する。
【００８０】
二手に分かれた各アーム３３，３４に位置する位相変化部３３ａ，３４ａには、たとえば、上述の本発明の実施形態に係る光学素子を用いた光位相変調器が用いられる。
図１１Ａ及び１１Ｂに示す例においては、両方のアーム３３，３４に位相変化部３３ａ，３４ａが設けられている。これにより、チャープ低減動作などが可能である。単純な強度変調であれば、片側のアームにのみ、位相変化部を設けることも可能である。これにより、製造コストや、電圧印加用の端子の削減、さらには制御の簡略化により、低コスト化を図ることができる。
【００８１】
本発明の各実施形態に係る光学素子を、マッハツェンダ型光導波路素子３０に適用する場合には、少なくとも、その位相変化部３３ａ，３４ａにリブ型導波路として用いる。そして、実施形態１〜６に示したように、リブ部３７とその両側のスラブ部３８，３８にＰ型領域、Ｎ型領域、及びアンドープ領域と、逆バイアスを印加するための電極とを形成する。
位相変化部３３ａ，３４ａ以外の光導波路には、適宜ドーピングをしてもよいが、ドーピングをしなくてもよい。本発明の各実施形態に係る光学素子を、一方のアーム３３，３４に用いてもよく、両方のアーム３３，３４に用いてもよい。
【００８２】
本実施形態では、図１１Ａに示すように、各アーム３３，３４において、分波部３２と位相変化部３３ａ，３４ａとの間、及び位相変化部３３ａ，３４ａと合波部３５との間に、矩形リブ変換部３９が設けられている。
矩形リブ変換部３９は、図１１Ｂに示すように、矩形型導波路の両側方から連続的にスラブ部３８が形成されて、光の導波方向に沿って連続的に、スラブ部３８の幅が広く（又は狭く）なっている。矩形リブ変換部３９の導波方向の長さは、矩形型導波路からリブ型導波路への導波モードの変換が、断熱的に行われるために十分な長さであることが好ましい。実際には、図１１Ｂの右側においてスラブ部３８が広い領域では、スラブ部３８が狭い領域よりもモード形状の変化が小さいため、スラブ部３８の幅の広がり方をより急峻にすることが可能である。これにより、矩形リブ変換部３９の長さを低減することが可能である。
【００８３】
位相変化部３３ａ，３４ａは、例えば、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１５Ａ又は図１５Ｂに示すように構成することができる。
位相変化部３３ａ，３４ａの各部は、実施形態１で例示した各種の材料で構成することができる。具体例としては、基板２、及び各アーム３３，３４のコアには、シリコン（Ｓｉ）を用い、下部クラッド３、及び上部クラッド５には、シリカ（ＳｉＯ２）を用いることができる。
【００８４】
本実施形態においては、位相変化部が２つのアーム３３，３４の両方に配置されている。図１２Ａ、及び図１２Ｂの間では、２つの位相変化部におけるＰ型領域とＮ型領域との位置関係が、逆転している。
つまり、図１２Ａの場合、両アーム３３，３４間に配置されるドーピング領域が、いずれもＮ型領域である。たとえば、位相変化部３３ａ，３４ａに、図１Ａの光学素子１を用いた場合には、位相変化部３３ａ，３４ａの各第二スラブ部１２が両アーム３３，３４間に配置される。アーム３３，３４の外側に配置されるドーピング領域は、いずれもＰ型領域である。
一方、図１２Ｂの場合、両アーム３３，３４間に配置されるドーピング領域が、いずれもＰ型領域である。たとえば、位相変化部３３ａ，３４ａに、図１Ａの光学素子１を用いた場合には、位相変化部３３ａ，３４ａの各第一スラブ部１１が両アーム３３，３４間に配置される。アーム３３，３４の外側に配置されるドーピング領域は、いずれもＮ型領域である。
このように、両アーム３３，３４間に配置された２つのスラブ部が、同種（Ｐ型領域又はＮ型領域のいずれか一方）のドーピング領域を有することにより、両アーム３３，３４間の２つのスラブ部に共通の電極を接続することができる。
【００８５】
図１２Ａの場合、両アーム３３，３４間（内側）に共通のＧＮＤを配置し、外側に、それぞれの位相変化部３３ａ，３４ａを駆動するＳｉｇｎａｌ電極を配置することができる。この場合、内側のＮ型領域に接続される電極がＧＮＤであるので、逆バイアス電圧を印加するためには、外側のＰ型領域に接続されるＳｉｇｎａｌ電極に負電圧を印加する。図１２Ａの図示とは反対に、内側にＳｉｇｎａｌ電極を配置し、外側にＧＮＤを配置した場合、逆バイアス電圧を印加するためには、Ｓｉｇｎａｌ電極に正電圧を印加する。
【００８６】
図１２Ｂの場合、内側のＰ型領域に接続される電極がＧＮＤであるので、逆バイアス電圧を印加するためには、外側のＮ型領域に接続されるＳｉｇｎａｌ電極に正電圧を印加する。図１２Ｂの図示とは反対に、内側にＳｉｇｎａｌ電極を配置し、外側ＧＮＤを配置した場合、逆バイアス電圧を印加するためには、Ｓｉｇｎａｌ電極に負電圧を駆動する。
【００８７】
高周波特性を高めるため、図３を参照して説明したように、進行波電極構造を用いることが可能である。例えば、図１３に示すように、導波路長手方向に沿って電極を配置し、さらにＳｉｇｎａｌ電極の外側に別のＧＮＤを配置し、電極及び電極間の幅を適宜調整することで、コプレーナ線路を構成することができる。この場合は、より高速な伝送が可能になる。
デバイスを構成する場合には、パッケージングを考慮して、各端部が図１４に示すように、周囲に引き延ばされるように各電極を配置することができる。この際に、各電極の断面構造を均一に延長することにより、インピーダンスを一定にし、不要な反射を引き起こさずに駆動信号を伝送することが可能である。
【００８８】
図１２Ａ〜１４では、アーム３３，３４間に共通の電極を配置した構造を挙げたが、別の構造として、アーム３３，３４間に電極を２つ配置して、２つの位相変化部３３ａ，３４ａを独立に駆動することも可能である。この場合、２つの位相変化部３３ａ，３４ａに印加する電圧のカップリングを低減することができる。
【００８９】
さらに別の構造として、図１５Ａ及び１５Ｂに示すように、コアのドーピング領域の極性を、左から右へ、ＰＮＰＮ、又はＮＰＮＰの順にすることもできる。
図１５Ａ、及び図１５Ｂでは、Ｎ型領域に接続される電極をＧＮＤとしているので、逆バイアス電圧を印加するためには、Ｐ型領域に接続されるＳｉｇｎａｌ電極に負電圧を印加する。これらの図示例とは反対に、Ｐ型領域に接続される電極がＧＮＤである場合、逆バイアス電圧を印加するためには、Ｎ型領域に接続されるＳｉｇｎａｌ電極に正電圧を印加する。
【００９０】
＜マッハツェンダ型光変調器の光路長調整部＞
マッハツェンダ型光変調器を構成する際、製造誤差のために、一般には２つのアーム間の光路長にわずかな差が生じる。また、この光路長差は、温度により変化するため、環境温度の変化に対して、光路長差を調整することが望ましい。アームの光路長を調整する手段として、前述の実施形態１〜６に示したような、逆バイアス電圧を印加可能にした各位相変化部において、ＤＣ（直流）成分を変化させることでも、光路長を調整することが可能である。
【００９１】
しかしながら、ＤＣ成分を変化させれば、同時にＡＣ（交流）成分も影響を受けるため、例えば両アームで同一の特性を得ることが好ましいプッシュプル動作には上記の手段が適さない場合もある。このため、図１６に示すように、アーム３３，３４に、位相変化部３３ａ，３４ａとは別に、光路長調整部３３ｂ，３４ｂを設けることが可能である。
図１６では、２つに分かれたアーム３３，３４に、各々光路長調整部３３ｂ，３４ｂを設けている。光路長調整部３３ｂ，３４ｂは、温度変化等の環境条件に応じてアームの光路長を調整できればよく、高周波特性や高速動作が要求されない。このため、光路長調整部３３ｂ，３４ｂは、逆バイアス電圧の印加により制御される構成に限られず、熱光学効果を用いた位相変調手段によって構成することも可能である。
【００９２】
熱光学効果を用いた位相変調手段の具体例としては、光導波路の周囲に、電熱線として機能するニクロムの蒸着や、不純物を添加したシリコンなどの導電部を設け、光導波路の温度調整が可能なように構成したものが挙げられる。導電部は、クラッドの外側（例えば上部クラッドの上）に設けることもでき、また、導波光の分布する領域から離れていれば、スラブ部に設けることもできる。また、導電部は、光導波路の長手方向に沿って所定の長さを有するように設けることが好ましい。
熱光学効果を用いた光路長調整部３３ｂ，３４ｂは、高速動作には適さないが、キャリア吸収による損失がないため、低損失な光路長調整部を形成することが可能である。
また、図１６では両方のアーム３３，３４に光路長調整部３３ｂ，３４ｂを設けているが、一方のアームのみに光路長調整部を設けることも可能である。
【００９３】
以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
上述の実施形態では、リブが上方に突出した断面構造を有しているが、リブが下方に突出した断面構造や、リブが上下両方に突出した断面構造を採用することもできる。これら断面構造においても、同様にリブの内部にＰＮ接合部とアンドープ領域を設けることで、アンドープ領域にキャリアが拡散し、電圧印加によりキャリア密度の変化する領域の割合を高めることができ、リブが上方に突出した断面構造と同様の効果を奏する。
【実施例】
【００９４】
以下、本発明の一実施例を説明する。【００９５】
＜シミュレーションによる比較＞
図１８に、シミュレーション（実施例１）で用いた光導波路の断面構造を示す。リブ部１０の幅はＷｒ＝６００ｎｍ、リブ厚はＴｒ＝２２０ｎｍ、スラブ厚はＴｓ＝９０ｎｍ、スラブからリブが突出する高さはＴｒ−Ｔｓ＝１３０ｎｍとした。
コア４はシリコン（Ｓｉ）からなり、コア４の上下は、それぞれシリカ（ＳｉＯ２）からなる上部クラッド５、及び下部クラッド３で覆われる構造とした。
また、コア４のドーピングは、コア４の下面からスラブ厚Ｔｓに等しい９０ｎｍまでの範囲で設けられるものとし、ドーピング濃度は、Ｐ型領域１３で５×１０17／ｃｍ3、Ｎ型領域１４で２×１０17／ｃｍ3とした。
電極７，８とのコンタクトをとる接触部１１ａ，１２ａは、Ｐ＋領域、Ｎ＋領域ともに１×１０20／ｃｍ3の高濃度ドーピング領域で形成され、導波光の分布する領域から十分に離れるよう、リブ端からＷｓ＝６００ｎｍの距離だけ、電極７，８寄りに配置した。この場合、接触部１１ａ，１２ａとＰＮ接合部１５との距離は、Ｗｓ＋（Ｗｒ／２）＝９００ｎｍである。接触部１１ａ，１２ａの幅はＷｏ＝４０００ｎｍ、電極７，８の幅はＷｅ＝１０００ｎｍとした。
実施例１では、実施形態１に即して、図１９Ａに示すように、リブ部１０の下部に、その下面からスラブ厚Ｔｓと同じ高さまでドーピングし、その上方にはイントリンシック・シリコンからなるアンドープ領域１６を配置した。
比較例１では、特許文献１に即して、図１９Ｂに示すように、Ｐ型及びＮ型のドーピング領域を、リブの下面から上端まで、同じ濃度で配置した。ドーピング濃度は、実施例１と同じ（Ｐ型は５×１０17／ｃｍ3、Ｎ型は２×１０17／ｃｍ3）とした。【００９６】
（シミュレーション方法）
シミュレーションは、次の手順により行った。
１．  所定のバイアス電圧ごとにキャリア密度分布の変化を求めた。この計算には、Ｓｉｌｖａｃｏ社製のシミュレータＡＴＬＡＳを利用した。
２．  １．で得られたキャリア密度分布から、上記の（式１）及び（式２）を用いてキャリア密度を複素屈折率に変換した。
３．  ２．で得られた複素屈折率分布から、光導波路の実効屈折率と実効吸光係数を求めた。この計算には、Ｒｓｏｆｔ社製シミュレータＢｅａｍＰｒｏｐを利用した。【００９７】
（挿入損失のシミュレーション）
前述のシミュレーション方法の手順１．〜３．に従い、次の条件における位相変化部の損失についてシミュレーションを行った。【００９８】
必要位相変化量：０．５π
動作電圧（Bias）：０〜−４Ｖ【００９９】
この場合、上述の（式６）及び（式７）により説明したように、波長、及び導波路長が定まれば、導波路損失に対する実効屈折率変化の代わりに、導波路損失に対する位相変化量を、指標として用いることができる。そこで、本シミュレーションでは、波長を１５５０ｎｍ、導波路長は０．５πの位相変化量が得られる長さと定める。
単位長さ当たりの位相変化量と、導波路損失（−４Ｖバイアス時）、及び導波路損失の変化（動作電圧０〜−４Ｖの間での挿入損失の変動幅）を求めると、それぞれ表１のとおりになる。【０１００】
【表１】
0005853026.tif 000009
【０１０１】
ただし、表１の導波路損失は、キャリアの吸収による損失のみを考慮しており、実デバイスで発生するその他の損失、例えば材料の吸収や、コア−クラッド境界での微細な凹凸における導波路の散乱などによる損失については考慮していない。
そこで、実デバイスにおける実測値を勘案して、上記結果に損失量０．０６ｄＢを加えて、“全影響を含む導波路損失”を求めた。その結果を、導波路損失（total）として表２に示す。【０１０２】
【表２】
0005853026.tif 000010
【０１０３】
表１に示す単位長さ当たりの位相変化量より、目的とする０．５πシフトに必要な導波路長を求めることができる。そこで、０．５πシフトに最適な導波路長を有する位相変化部を設計し、導波路長、導波路損失、及び導波路損失の変化を求めた。それぞれの結果を表３に示す。【０１０４】
【表３】
0005853026.tif 000011
【０１０５】
表３に示す結果より、本実施例１によれば、比較例１に比べて、同じ位相変化量に対して、挿入損失の低減、及び動作時の損失変化が低減されている。【０１０６】
（応答速度のシミュレーション）
次に、応答速度について、シミュレーションを行った。
応答速度は、急激な電圧変化を与えたときに、変化後のバイアス電圧に応じた屈折率変化が得られるまでに要する時間として求めることができる。
前述のシミュレーション方法と同様に、Ｓｉｌｖａｃｏ社製のシミュレータＡＴＬＡＳを利用して計算したキャリア密度分布を基に、Ｒｓｏｆｔ社製シミュレータＢｅａｍＰｒｏｐを利用して導波モードの実効屈折率と実効吸光係数とを求めた。【０１０７】
図２０に、バイアス電圧を０Ｖから−４Ｖへ変化させた際の（Ramp on）の実効屈折率ｎeffの変化を、また、図２１に、バイアス電圧を−４Ｖから０Ｖへ変化させた際の（Ramp off）の実効屈折率ｎeffの変化を、それぞれ示す。図２０〜２１において、横軸は、急激な電圧変化を与えた時点を０（ｐｓ）とした経過時間を表す。また、縦軸は、屈折率が低い０Ｖ印加時の実効屈折率を０、屈折率が高い−４Ｖ印加時の実効屈折率を１として、正規化した実効屈折率ｎeffを表す。
応答時間を見積もるため、正規化した実効屈折率が、１０％と９０％の間で（０．１から０．９まで、又は０．９から０．１まで）の変化に要する時間を比較すると、それぞれ表４のとおりになる。【０１０８】
【表４】
0005853026.tif 000012
【０１０９】
図２０〜２１、及び表３に示す結果より、本実施例１によれば、比較例１に比べて、応答時間が短く、一層の高速化を実現する高速動作可能なデバイスを実現できることが分かった。【０１１０】
（キャリア分布のシミュレーション）
前述のシミュレーション方法の１．で行ったキャリア分布の計算結果を、実施例１については図２２Ａ〜２３Ｂに、比較例１については図２４Ａ〜２５Ｂに示す。なお、上述したように、リブ幅は６００ｎｍ、リブ厚は２２０ｎｍ、スラブ厚は９０ｎｍである。図２２Ａ〜２５Ｂの縦と横の縮尺は異なる。
実施例１によれば、図２２Ａ〜２３Ｂに示すように、リブ上部のアンドープ領域においても、キャリア密度の変化が起こり、リブ全体にわたって大きなキャリア密度の変化が生じていることが分かる。また、比較例１の場合、図２４Ａ〜２５Ｂに示すように、逆バイアス印加時のキャリア密度の変化は、相対的に、リブの上端と下端において大きく、リブ中央部において小さいことが分かる。【０１１１】
＜作製したデバイスの実測による比較＞
実施形態１に係るデバイス（実施例２）を、図２Ａに示す断面構造を有するように作製した。リブ幅が６００ｎｍであり、リブ厚は２２０ｎｍ、スラブ厚は９５ｎｍである。
製造方法は、図４Ａ〜４Ｆに示すように、次の工程（１）〜（６）を行うものである。
（１）ＳＯＩ基板を用意し、その上部のＳｉ層が２２０ｎｍとなるようにＣＭＰ研磨で基板を研磨する。
（２）Ｎ型領域が形成される領域をマスクで覆い、Ｐ型ドーパントとして、をドーズ量５×１０12／ｃｍ３、注入エネルギー４０ｅＶにてホウ素（Ｂ）のインプラントを行い、スラブ厚に対応する高さ範囲のみがドーピングされるように、Ｐ型領域を形成する。
（３）Ｐ型領域を形成した領域をマスクで覆い、Ｎ型ドーパントとして、ドーズ量３×１０12／ｃｍ３、注入エネルギー１１０ｅＶにてリン（Ｐ）のインプラントを行い、スラブ厚に対応する高さ範囲のみがドーピングされるように、Ｎ型領域を形成する。
（４）エッチングにより断面においてリブを有するコアを形成した後、スラブ部の上部に高濃度ドーピング領域を、ドーピングにより形成する。
（５）コアの上に、ＳｉＯ２をデポジションして上部クラッドを形成する。
（６）上部クラッドにコンタクトホールを形成した後、形成したコンタクトホールをスパッタによりアルミニウム（Ａｌ）で充填し、電極を形成する。【０１１２】
実施例２では、（４）のエッチングによって、図１９Ａに示すように、リブの上部にアンドープ領域が設けられるように、（２）及び（３）の注入エネルギーを調整した。
また、比較例２では、図１９Ｂに示すように、リブ上端までドープされるように、（２）及び（３）の注入エネルギーを調整した。【０１１３】
作製したデバイスについて、ＤＣバイアスを印加し、デバイスの位相変化量と導波路損失とを測定した。上述した（式６）及び（式７）に示すように、実効屈折率変化を調べる代わりに、単位長さ当たりの位相変化量を測定することで、位相変調の効率を考察することができる。
測定条件は、バイアス電圧０〜−４Ｖ、波長１５５０ｎｍである。得られた。測定値を導波路長で除算することにより、単位長さ当たりの位相変化量と導波路損失とを求めた。その結果を、表５に示す。【０１１４】
【表５】
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【０１１５】
さらに、要求される位相変化量がπラジアンのときに必要な導波路長、及び導波路損失を求めると、それぞれ表６のとおりになる。【０１１６】
【表６】
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【０１１７】
表６に示す結果より、本実施例２によれば、比較例２に比べて、同じ位相変化量に対する導波路損失が低く、低損失化が可能であることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明の態様によれば、キャリア密度の変化による光の損失の変化量を低減し、また、挿入損失を低減することが可能な光学素子及びこれを用いたマッハツェンダ型光導波路素子を提供できる。
【符号の説明】
【０１１９】
１…光学素子（光位相変調器等）
２…基板
３…下部クラッド
４…コア
５…上部クラッド
６…光導波路
７，８…電極
１０…リブ部
１１…第一スラブ部
１２…第二スラブ部
１３，１３ａ，１３ｂ…Ｐ型領域
１４，１４ａ，１４ｂ…Ｎ型領域
１５…ＰＮ接合部
１６…アンドープ領域
２０…積層基板
２１…単結晶半導体層
２２，２４…マスク
２３，２５…注入イオン
３０…マッハツェンダ型光導波路素子（光変調器等）
３１…入射部
３２…分波部
３３，３４…アーム
３５…合波部
３６…出射部
３７…リブ部
３８…スラブ部
３９…矩形リブ変換部。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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