(57)【要約】  本実施形態に係る光制御素子は、第１の誘電体層５２１上に設けられた３層以上のシリコン薄膜層５２２、５２４、５２６と、３層以上のシリコン薄膜層５２２、５２４、５２６の間に配置された第２の誘電体層５２３、５２５と、シリコン薄膜層、及び第２の誘電体層を囲むように配置された第３の誘電体層５２９と、を備えている。３層以上のシリコン薄膜層は一部が互いに重なるように配置されている。シリコン薄膜層が重なっている部分では、シリコン薄膜層の間に第２の誘電体層が配置されている。３層以上のシリコン薄膜層において、互いに隣接しているシリコン薄膜層が異なる導電タイプになっている。
2009157128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層上に設けられた３層以上のシリコン薄膜層と、
前記３層以上のシリコン薄膜層の間に配置された第２の誘電体層と、
前記シリコン薄膜層、及び前記第２の誘電体層を囲むように配置された第３の誘電体層と、を備え、
前記３層以上のシリコン薄膜層は一部が互いに重なるように配置されており、
前記シリコン薄膜層が重なっている部分のシリコン薄膜層の間に第２の誘電体層が配置され、
前記３層以上のシリコン薄膜層において、互いに隣接しているシリコン薄膜層が異なる導電タイプになっている光制御素子。
【請求項２】
前記３層以上のシリコン薄膜層の内、少なくとも１層のシリコン薄膜層の厚さが他のシリコン薄膜層の厚さと異なっていることを特徴とする請求項１に記載の光制御素子。
【請求項３】
前記３層以上のシリコン薄膜層の内、光の電界強度が強い部分におけるシリコン薄膜層の厚さが、他の部分におけるシリコン薄膜層の厚さより薄くなっていることを特徴とする請求項１、又は２に記載の光制御素子。
【請求項４】
前記３層以上のシリコン薄膜層の内、少なくとも１層のシリコン薄膜層のドーピング濃度が他のシリコン薄膜層のドーピング濃度と異なっていることを特徴とする請求項１、２、又は３に記載の光制御素子。
【請求項５】
前記３層以上のシリコン薄膜層の内、光の電界強度が強い部分におけるシリコン薄膜層のドーピング濃度が、他の部分におけるシリコン薄膜層のドーピング濃度より低くなっていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光制御素子。
【請求項６】
少なくとも１組の隣接するシリコン薄膜層の重なった領域の幅が、他の組の隣接するシリコン薄膜層の重なった領域の幅と異なることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光制御素子。
【請求項７】
光の電界強度が強い部分の１組の隣接するシリコン薄膜層の重なった領域の幅が、他の組の隣接するシリコン薄膜層の重なった領域の幅よりも広いことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光制御素子。
【請求項８】
前記基板がシリコンで形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光制御素子。
【請求項９】
前記第１の誘電体層が酸化シリコンで形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光制御素子。
【請求項１０】
前記基板、前記第１の誘電体層、及び最下層の前記シリコン薄膜層が、それぞれＳＯＩ(Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ)ウエハの基板、埋め込み酸化膜、及び表面シリコン層であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光制御素子。
【請求項１１】
前記３層以上のシリコン薄膜層の内、少なくと１層がポリシリコンであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光制御素子。
【請求項１２】
前記第２の誘電体層が、酸化シリコン(ＳｉＯ２)、窒化シリコン(ＳｉＮ)、酸窒化シリコン(ＳｉＯＮ)、酸化ハフニウム(ＨｆＯ２)、酸珪化ハフニウム(ＨｆＳｉＯ)、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、及び酸化ランタン(Ｌａ２Ｏ３)のいずれかひとつの膜、あるいはそれらの複合膜であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光制御素子。
【請求項１３】
マッハツェンダ干渉計を構成する光導波路回路であって、
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光制御素子を有する位相変調導波路と、
前記位相変調導波路と光学的に結合された分岐導波路と、
前記分岐導波路を介して前記位相変調導波路と光学的に結合された入力導波路と、
前記位相変調導波路と光学的に結合された合流導波路と、
前記合流導波路を介して前記位相変調導波路と光学的に結合された出力導波路と、を備える光導波路回路。
【請求項１４】
リング共振器を構成する光導波路回路であって、
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光制御素子を有するリング導波路と、
前記リング導波路と光学的に結合された入力導波路と、
前記リング導波路と光学的に結合された出力導波路と、を備える光導波路回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光制御素子、及び光導波路回路に関し、特に詳しくは、光ファイバ通信、光インターコネクション、光信号処理等に用いられる光変調器、光スイッチ、光可変減衰器、波長可変フィルタ等の光制御素子、及び光導波路回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信、光インターコネクション、光信号処理等の分野において、電気信号を光信号に変換する光変調器、光信号の経路や強度を制御する光スイッチ、光可変減衰器、波長可変フィルタ等は重要な機能である。平面光導波路回路によって、このような機能を実現することができる。例えば、平面光導波路でマッハツェンダ干渉計またはリング共振器等を構成する。そして、干渉計または共振器内の屈折率を制御することで、干渉または共振の状態を変化させる。これにより、出力光の強度や伝搬方向を制御することができ、上記の機能を実現できることが知られている。【０００３】
例えば、長距離光ファイバ通信で１０Ｇｂｐｓ以上のビットレートの伝送では、ニオブ酸リチウム光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計型光変調器が広く用いられている。しかしながら、上記のニオブ酸リチウム光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計型光変調器は、素子のサイズが数センチメーター程度と大型、駆動電圧も数ボルト程度と高いため専用の駆動回路が必要、他の光素子との集積化が困難、高価等の課題がある。【０００４】
近年、上記ニオブ酸リチウム光変調器の課題を改善できるものとして、シリコン光導波路を用いた光変調器の開発・製品化が進められている（特許文献１〜３）。シリコン光導波路は、ニオブ酸リチウム光導波路に比べて光を導波路内に閉じ込める作用が強い。このため、素子サイズを小型化できる、駆動電圧を低くできる、他の光素子や電子回路との集積化が可能、ＬＳＩの製造リソースを利用することで高生産性・低価格にできる、等の特徴がある。【０００５】
このシリコン光変調器の例として、特許文献１の図８に記載された光変調器の概略断面構造を図８に示す。図８は、光変調器の屈折率制御部分の光導波路を示している。この光導波路の断面構造は、シリコン基板１０と、埋め込み酸化膜層１１と、比較的薄いサブミクロンの表面シリコン層１２と、ゲート誘電体層１３と、比較的薄いポリシリコン・ゲート層１４、重畳誘電体層１９からなる。そして、表面シリコン層１２とポリシリコン・ゲート層１４の一部がゲート誘電体層１３を介して重なるように配置されている。表面シリコン層１２はＰ型、ポリシリコン・ゲート層１４はＮ型にドーピングされており、これらはＭＯＳ構造を構成している。表面シリコン層１２及びポリシリコン・ゲート層１４には、領域２１２、２１４がそれぞれ形成されている。領域２１２、２１４は外部と電気的に接続するために高濃度にドープされた高濃度ドープ領域となる。領域２１２、２１４は、それぞれ、表面シリコン層１２とポリシリコン・ゲート層１４とが重なった領域から離れた部分に配置される。また、表面シリコン層１２のゲート誘電体層１３近傍の領域を領域１１２とし、ポリシリコン・ゲート層１４のゲート誘電体層１３近傍の領域を領域１１４とする。領域１１２、及び領域１１４はキャリア密度が変化するキャリア変調領域となる。【０００６】
表面シリコン層１２およびポリシリコン・ゲート層１４の屈折率は３．５程度である。また、埋め込み酸化膜層１１および重畳誘電体層（通常、シリコン酸化膜が用いられる）１９の屈折率は１．４５程度である。従って、光は表面シリコン層１２とポリシリコン・ゲート層１４が重なった部分付近の領域１０１に閉じ込められ、紙面と垂直な方向に伝搬する。表面シリコン層１２の領域２１２とポリシリコン・ゲート層１４の領域２１４間に電圧を印加すると、その電圧の向きによって、領域１１２、及び領域１１４でフリー・キャリア（電子またはホール）が蓄積または空乏状態となる。このキャリア密度の変化がキャリア・プラズマ効果を介して屈折率を変化させ、領域１０１を伝搬する光の位相を変調することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００６−５１５０８２号公報
【特許文献２】特開２００６−３４３４１２号公報
【特許文献３】特表２００７−５２５７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載のシリコン光変調器では、フリー・キャリア密度の変化によって屈折率が変化する領域が、表面シリコン層１２の領域１１２、およびポリシリコン・ゲート層１４の領域１１４に限られる。すなわち、表面シリコン層１２のうち、ゲート誘電体層１３の近傍の領域１１２のみ、屈折率が変化する。ポリシリコン・ゲート層１４のうち、ゲート誘電体層１３の近傍の領域１１４のみ、屈折率が変化する。一方、光の電界分布は、領域１０１に分布する。そのため、屈折率変調領域と光の電界分布の重なりが小さく、変調効率が低いという課題がある。【０００９】
変調効率が低いと、所望の位相シフト量を得るのに必要な光の伝搬距離が長くなり光制御素子が大型になる、または高い電圧が必要になり特殊な駆動回路が必要になる、消費電力が増大するという課題がある。なお、表面シリコン層１２とポリシリコン・ゲート層１４の厚さを、キャリアが蓄積または空乏状態となる厚さと同程度まで薄くすれば、表面シリコン層１２とポリシリコン・ゲート層１４の厚さ全体に渡って屈折率を変化させることができる。しかしながら、キャリアが蓄積および空乏となる厚さは光がシリコンに閉じ込められる厚さに比べて薄い。表面シリコン層１２とポリシリコン・ゲート層１４が薄くなると、光の厚さ方向の閉じ込めが弱くなる。これにより、光が埋め込み酸化膜層１１および重畳誘電体層１９に漏れてしまう。そのため、屈折率変調領域と光の電界分布の重なりが小さくなってしまう。更に、表面シリコン層１２とポリシリコン・ゲート層１４を薄くすると、表面シリコン層１２とポリシリコン・ゲート層１４の横方向の電気抵抗が大きくなり、応答速度が低下するという課題も生じる。【００１０】
本発明は、このような問題点を鑑みてなされてものであって、小型で、高性能な光制御素子、及び光導波路回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明にかかる光制御素子は、基板上に設けられた第１の誘電体層と、前記第１の誘電体層上に設けられた３層以上のシリコン薄膜層と、前記３層以上のシリコン薄膜層の間に配置された第２の誘電体層と、前記シリコン薄膜層、及び前記第２の誘電体層を囲むように配置された第３の誘電体層と、を備えている。そして、前記３層以上のシリコン薄膜層は一部が互いに重なるように配置されている。また、前記シリコン薄膜層が重なっている部分のシリコン薄膜層の間に第２の誘電体層が配置されている。前記３層以上のシリコン薄膜層において、互いに隣接しているシリコン薄膜層が異なる導電タイプになっている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、小型で高性能な光制御素子、及び光導波路回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明にかかる光制御素子の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態１にかかる光制御素子の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態２にかかる光導波路回路の構成を示す平面図である。
【図４】本発明の実施形態２にかかる光導波路回路を示す図であり、図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。
【図５】本発明の実施形態２にかかる光導波路回路を示す図であり、図３のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】本発明の実施形態２にかかる光導波路回路の別の構成を示す図であり、図３のＶ−Ｖ断面図である。
【図７】本発明の実施形態３にかかる光導波路回路の構成を示す平面図である。
【図８】本発明の実施形態４にかかる光制御素子の構成を示す断面図である。
【図９】特許文献１に記載された光制御素子の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明にかかる光制御素子について、図１を用いて説明する。図１は、光制御素子の構成を示す断面図である。光制御素子は、基板５２０上に設けられた第１の誘電体層５２１と、第１の誘電体層５２１上に設けられた３層以上のシリコン薄膜層５２２、５２４、５２６と、３層以上のシリコン薄膜層５２２、５２４、５２６の間に配置された第２の誘電体層５２３、５２５と、前記シリコン薄膜層、及び前記第２の誘電体層を囲むように配置された第３の誘電体層５２９と、を備えている。３層以上のシリコン薄膜層５２２、５２４、５２６は一部が互いに重なるように配置されている。シリコン薄膜層５２２、５２４、５２６が重なっている部分では、シリコン薄膜層の間に第２の誘電体層５２３、５２５が配置されている。３層以上のシリコン薄膜層５２２、５２４、５２６において、互いに隣接しているシリコン薄膜層が異なる導電タイプになっている。なお、シリコン薄膜層は４層以上であってもよい。また、シリコン薄膜層が４層以上の場合、第２の誘電体薄膜層の数も、シリコン薄膜層の数に応じて増加する。
【００１５】
このような光制御素子では、素子のサイズを小さくすること、駆動電圧を低くすることができる。更に、素子のサイズが小さくなると、静電容量も小さくなるため、高速の制御が可能になるという効果もある。また、駆動電圧が低くなると、消費電力が小さくなる、昇圧回路等の特殊な駆動回路が不要になる、等の効果もある。また、シリコン薄膜層５２２、５２４、５２６の各層の厚さを薄くしても、シリコン薄膜層全体の厚さを相対的に厚く出来るの。よって、シリコン薄膜層全体での横方向の抵抗を相対的に低くでき、相対的に高速応答が可能になる。よって、小型で高性能の光制御素子を実現することができる。
【００１６】
発明の実施の形態１．
本発明の実施の形態１にかかる光制御素子の構成について、図２を用いて説明する。図１は本実施の形態にかかる光制御素子の構成を示す断面図である。実施の形態１にかかる光制御素子は、シリコン基板２０と、埋め込み酸化膜層２１と、シリコン薄膜層２２と、誘電体薄膜層２３と、シリコン薄膜層２４と、誘電体薄膜層２５と、シリコン薄膜層２６と、クラッド層２９とを有している。
【００１７】
シリコン薄膜層２２は、領域２２２と、領域１２２を有している。シリコン薄膜層２４は、領域１２４と、領域２２４とを有している。シリコン薄膜層２６は、領域１２６と領域２２６とを有している。ここで、領域１２４、及び領域１２６は、キャリア密度が変化するキャリア変調領域である。また、領域２２４、及び領域２２６は、不純物が、高濃度にドープされた高濃度ドープ領域である。
【００１８】
シリコン基板２０上には、第１の誘電体層である埋め込み酸化膜層２１が形成される。埋め込み酸化膜層２１は、酸化シリコンで形成されている。埋め込み酸化膜層２１の上には、シリコン薄膜層２２、２４、２６が配置されている。３層のシリコン薄膜層２２、２４、２６は、互いに重複するように形成されている。３層のシリコン薄膜層２２、２４、２６が重複する部分には、誘電体薄膜層２３、２５が配置されている。すなわち、シリコン薄膜層２２の一部がシリコン薄膜層２４の一部と、誘電体薄膜層２３を挟んで、対向配置されている。同様に、シリコン薄膜層２６の一部がシリコン薄膜層２４の一部と、誘電体薄膜層２５を挟んで対向配置されている。
【００１９】
従って、埋め込み酸化膜層２１の上には、シリコン薄膜層２２、２４、２６と誘電体薄膜層２３、２５が交互に積層されている。シリコン薄膜層２２、２４、２６の間に、誘電体薄膜層２３、２５が形成された積層構造が設けられている。そして、この積層構造のうち、最下層、及び最上層がシリコン薄膜層となっている。また、シリコン薄膜層２２とシリコン薄膜層２４とが重複する部分と、シリコン薄膜層２６とシリコン薄膜層２４とが重複する部分は、同じ位置になっている。すなわち、誘電体薄膜層２３と誘電体薄膜層２５が重複するように形成されている。従って、下から順に、シリコン薄膜層２２、誘電体薄膜層２３、シリコン薄膜層２４、誘電体薄膜層２５、シリコン薄膜層２６が配置されている。以下、シリコン薄膜層２２、誘電体薄膜層２３、シリコン薄膜層２４、誘電体薄膜層２５、及びシリコン薄膜層２６が積層されている部分を重複部分と称する。図２では、シリコン薄膜層２２、２６は重複部分から右側に延設され、シリコン薄膜層２４は重複部分から左側に延設されている。なお、図２では、３層のシリコン薄膜層２２、２４、２６が形成されているが、３層以上のシリコン薄膜層を形成してもよい。
【００２０】
第３の誘電体層であるクラッド層２９が、シリコン薄膜層２２、２４、２６及び誘電体薄膜層２３、２５を囲むように形成されている。すなわち、誘電体薄膜層２３、２５の外側に、クラッド層２９が形成されている。図２では、クラッド層２９が、シリコン薄膜層２２の左横であって、シリコン薄膜層２４の下に配置されている。また、シリコン薄膜層２４の右横のクラッド層２９は、シリコン薄膜層２２とシリコン薄膜層２６の間に形成されている。さらに、クラッド層２９は、シリコン薄膜層２４の上、及びシリコン薄膜層２６の上に形成されている。すなわち、クラッド層２９は、シリコン薄膜層２４、及びシリコン薄膜層２６を覆うように形成されている。
【００２１】
シリコン薄膜層２２、２４、２６には、Ｐ型又はＮ型の不純物が添加されている。また、互いに隣接するシリコン薄膜層が異なる導電タイプになるように、不純物が添加されている。従って、Ｐ型のシリコン薄膜層には、Ｎ型のシリコン薄膜層が隣接し、Ｎ型のシリコン薄膜層には、Ｐ型のシリコン薄膜層が隣接している。例えば、シリコン薄膜層２２、２６がＰ型の場合、シリコン薄膜層２４はＮ型にドーピングされている。逆にシリコン薄膜層２２、２６がＮ型の場合、シリコン薄膜層２４はＰ型にドーピングされている。Ｐ型のシリコンを形成するには、ホウ素（Ｂ）等のアクセプタ不純物を、Ｎ型のシリコンを形成するには、りん（Ｐ）等のドナー不純物を添加する。このように、異なる導電層のシリコン薄膜層が交互に配置されるよう、３層以上のシリコン薄膜層が積層されている。
【００２２】
以下、シリコン薄膜層２２、２６がＰ型、シリコン薄膜層２４がＮ型にドーピングされているものとして説明する。シリコン薄膜層２２、２４、２６には、それぞれ、外部と電気的に接続するために高濃度にドープされた領域２２２、２２４、２２６がそれぞれ設置されている。領域２２２、２２４、２２６は、重複部分から十分離れている。なお、上記の「十分離れた」とは、領域１０２を伝搬する光が領域２２２、２２４、２２６によって損失を受けない程度に離れているという意味である。
【００２３】
シリコン基板２０、埋め込み酸化膜層２１、及びシリコン薄膜層２２には、例えば、市販されているＳＯＩ(Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ)基板を用いることができる。なお、１層以上のシリコン薄膜層をポリシリコン膜とすることが好ましい。従って、シリコン薄膜層２２以外のシリコン薄膜層２４、２６として、ポリシリコン膜を用いることが好ましい。誘電体薄膜層２３、２５には、制御する光に対して透明であり、電気的に絶縁性の高い材料を用いる。光の波長を光通信で通常用いられる近赤外領域（波長：１．３〜１．６μｍ程度）とすると、このような光に対して透明な材料としては、酸化シリコン(ＳｉＯ２)、窒化シリコン(ＳｉＮ)、酸窒化シリコン(ＳｉＯＮ)またはそれらの複合膜等が好適である。また、いわゆるｈｉｇｈ-ｋ材料を用いるとキャリア密度の変化を大きくできる点で更に好適である。ｈｉｇｈ-ｋ材料としては、酸化ハフニウム(ＨｆＯ２)、酸珪化ハフニウム(ＨｆＳｉＯ)、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ランタン(Ｌａ２Ｏ３)等が挙げられる。第２の誘電体層である誘電体薄膜層２３、２５として、酸化ハフニウム(ＨｆＯ２)、酸珪化ハフニウム(ＨｆＳｉＯ)、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ランタン(Ｌａ２Ｏ３)の単層膜、あるいはこれらの複合膜を用いることが好ましい。クラッド層２９は、屈折率がシリコン薄膜層２２、２４、２６より低く、制御する光に対して透明であり、電気的に絶縁性の高い材料を用いる。このような材料としては、酸化シリコン(ＳｉＯ２)、窒化シリコン(ＳｉＮ)、酸窒化シリコン(ＳｉＯＮ)またはそれらの複合膜等が最適である。
【００２４】
埋め込み酸化膜層２１は光導波路を伝搬する光がシリコン基板２０に漏れないようにする役割がある。そのため、埋め込み酸化膜層２１を概ね２μｍ以上の厚さにすることが望ましい。シリコン薄膜層２２、２４、２６の合計の厚さは、伝搬する光が厚さ方向にシングルモードになるように設定される。そのため、シリコン薄膜層２２、２４、２６の合計の厚さを、概ね２００〜１５００ｎｍ程度とすることが望ましい。また、横方向において、光はシリコン薄膜層２２、２４、２６が重なった重複部分に閉じ込められる。このため、この重複部分の幅は光が横方向にシングルモードになるように設定される。重複部分の幅は、概ね２００〜１５００ｎｍ程度とすることが望ましい。誘電体薄膜層２３、２５の厚さは、シリコン薄膜層２２、２４、２６間の絶縁性が保たれる範囲で出来るだけ薄いことが望ましい。光の電界分布が厚さ方向に節を持たないように、誘電体薄膜層２３、２５の厚さを、概ね１０ｎｍ以下が望ましい。クラッド層２９の厚さは、伝搬する光がクラッド層の表面の影響を受けないように設定される。このため、クラッド層２９の厚さを概ね１μｍ以上とすることが望ましい。
【００２５】
次に、実施の形態１にかかる光制御素子の動作を説明する。シリコン薄膜層２２、２４、２６の屈折率は３．５程度である。埋め込み酸化膜層２１の屈折率は１．４５程度である。クラッド層２９の屈折率はシリコン薄膜層２２、２４、２６の屈折率より低い。また、誘電体薄膜層２３、２５の厚さは光の波長に比べて十分薄い。このため、厚さ方向において、光はシリコン薄膜層２２、２４、２６に閉じ込められる。シリコン薄膜層２２、２４、２６の重複部分のみ、他の部分に比べて等価屈折率が高くなる。この等価屈折率の差によって、水平方向において、光はシリコン薄膜層２２、２４、２６の重複部分に閉じ込められる。従って、光の電界分布は概ね領域１０２に分布する。このように、領域１０２は、光の電界分布が分布する電界分布領域となる。
【００２６】
Ｐ型に高濃度にドープされた領域２２２、２２６に相対的に正の電圧を、Ｎ型に高濃度にドープされた領域２２４に相対的に負の電圧を印加したとする。この場合、誘電体薄膜層２３、２５に接するシリコン薄膜層２２、２４、２６の領域１２２、１２４、１２６が蓄積状態となる。Ｐ型のシリコン薄膜層２２、２６の領域１２２、１２６ではホールの密度が、Ｎ型のシリコン薄膜層２４の領域１２４では電子の密度が増加する。逆にＰ型に高濃度にドープされた領域２２２、２２６に相対的に負の電圧を、Ｎ型に高濃度にドープされた領域２２４に相対的に正の電圧を印加したとする。この場合、シリコン薄膜層２２、２４、２６の領域１２２、１２４、１２６が空乏状態となる。従って、Ｐ型のシリコン薄膜層２２、２６の領域１２２、１２６ではホールの密度が、Ｎ型のシリコン薄膜層２４の領域１２４では電子の密度が減少する。このように、印加する電圧によって、シリコン薄膜層２２、２４、２６の領域１２２、１２４、１２６のキャリア密度が変化する。そして、キャリア・プラズマ効果を介して屈折率が変化し、そこを伝搬する光の位相を制御できる。
【００２７】
なお、図２では、シリコン薄膜層２４のキャリア密度が変調される領域１２４を１つの領域として描いているが、この領域１２４が図２のように１つの領域となるか、上下に分離した領域となるかは、シリコン薄膜層２４の厚さと、電圧印加によって形成される蓄積および空乏領域の厚さとの大小関係で決まる。すなわち、蓄積および空乏領域の厚さが、シリコン薄膜層２４に比べて十分薄い場合、領域１２４は、誘電体薄膜層２３および誘電体薄膜層２５に近接した上下に分離した領域となる。すなわち、領域１２４が誘電体薄膜層２３に近接した下の領域と、誘電体薄膜層２５に近接した上の領域に分離される。
【００２８】
この蓄積および空乏領域の厚さは、蓄積および空乏領域のドーピング濃度および印加電圧等に依存する。厚さ方向において、光の電界分布はシリコン薄膜層２４の中央付近で最大となる。よって、高い変調効率を得るためには、キャリア密度が変調される領域１２４は上下に分離せずに一体となることが望ましい。そのため、シリコン薄膜層２４は他のシリコン薄膜層２２、２６に比べて薄くすると効果的である。少なくとも１層のシリコン薄膜層の厚さが他のシリコン薄膜層の厚さと異なっている。そして、光の電界強度が強い部分でシリコン薄膜層を厚くする。すなわち、３層以上のシリコン薄膜層の内、光の電界強度が強い部分におけるシリコン薄膜層の厚さが、他の部分におけるシリコン薄膜層の厚さより薄くなっている。膜厚の厚いシリコン薄膜層２４では、膜厚の薄いシリコン薄膜層２２、２６よりも、光の電界強度が強くなっている。
【００２９】
また、シリコン薄膜層２４のドーピング濃度を他のシリコン薄膜層２２、２６に比べて低くすることで、同様の効果を得ることができる。更にこの場合は、ドーピングによる光の吸収損失を低減できるという効果を得ることができる。すなわち、厚さ方向において中間に配置されているシリコン薄膜層２４が、厚さ方向における両端のシリコン薄膜層２２、２６よりも高濃度にドープされている。
【００３０】
このように、少なくとも１層のシリコン薄膜層のドーピング濃度が他のシリコン薄膜層のドーピング濃度と異なっている。そして、光の電界強度が強い部分でシリコン薄膜層を厚くする。すなわち、３層以上のシリコン薄膜層の内、光の電界強度が強い部分におけるシリコン薄膜層のドーピング濃度が、他の部分におけるシリコン薄膜層のドーピング濃度より低くなっている。高ドーピング濃度のシリコン薄膜層では、低ドーピング濃度のシリコン薄膜層よりも、光の電界強度が高くなる。このように、光の電界強度に応じて、ドーピング濃度を選択する。
【００３１】
次に、特許文献１に記載のシリコン光変調器と、本実施形態にかかる光制御素子とを比較する。特許文献１に記載のシリコン光変調器では、シリコン層が表面シリコン層１２とポリシリコン・ゲート層１４の２つしかない。このため、厚さ方向において、光を表面シリコン層１２およびポリシリコン・ゲート層１４内に十分閉じ込めるためには、表面シリコン層１２とポリシリコン・ゲート層１４のそれぞれの厚さをある程度厚くする必要がある。一方、本実施の形態にかかる光制御素子では、シリコン層の数がシリコン薄膜層２２、２４、２６の３層になっている。このため、特許文献１に記載のシリコン光変調器に比べて、シリコン薄膜層２２、２４、２６の各層の厚さを薄くすることができる。すなわち、シリコン薄膜層を薄くした場合でも、厚さ方向において、光をシリコン薄膜層２２、２４、２６内に効率よく閉じ込めることができる。
【００３２】
また、特許文献１に記載のシリコン光変調器では、キャリア密度が変化するキャリア変調領域は領域１１２、１１４だけであるが、本実施の形態にかかる光制御素子ではキャリア密度が変化するキャリア変調領域は領域１２２、１２４、１２６となる。このため、キャリア密度が変化する部分の断面積が広くなる。更に光の電界強度が最も強くなる付近では、シリコン薄膜層２４の厚さ方向全体に渡って領域１２４を形成できる。このため、特許文献１よりも、屈折率変調領域と光の電界分布の重なりを大きくすることが出来る。
【００３３】
したがって、本実施の形態による光制御素子は、特許文献１に記載のシリコン光変調器に比べて、素子のサイズを小さくすること、駆動電圧を低くすることができる。更に、素子のサイズが小さくなると、静電容量も小さくなるため、高速の制御が可能になるという効果もある。また、駆動電圧が低くなると、消費電力が小さくなる、昇圧回路等の特殊な駆動回路が不要になる、等の効果もある。また、シリコン薄膜層２２、２４、２６の各層の厚さを薄くしても、シリコン薄膜層全体の厚さを相対的に厚く出来るので、シリコン薄膜層全体での横方向の抵抗を相対的に低くでき、相対的に高速応答が可能になる。よって、小型で高性能の光制御素子を実現することができる。
【００３４】
発明の実施の形態２．
本発明の実施の形態２にかかる光導波路回路の構成について、図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態にかかる光導波路回路を示す平面図である。なお、光導波路回路は、実施の形態１にかかる光制御素子が利用されている。図２で示した断面構成を有する光制御素子が位相変調導波路３０３、３０４の部分に用いられている。
【００３５】
本発明の実施の形態２にかかる光導波路回路は、シリコン基板２０上に、入力導波路３０１、分岐導波路３０５、位相変調導波路３０３、３０４、合流導波路３０６、出力導波路３０２が順次光学的に接続されてマッハツェンダ干渉計を構成している。入力導波路３０１、分岐導波路３０５、位相変調導波路３０３、位相変調導波路３０４、合流導波路３０６、及び出力導波路３０２は、同一のシリコン基板２０上に形成されている。
【００３６】
入力導波路３０１は、分岐導波路３０５に結合されている。分岐導波路３０５は、三叉形状を有しており、入力導波路３０１を２本に分岐する。すなわち、１本の入力導波路３０１は、分岐導波路３０５によって、２本に分岐される。そして、分岐導波路３０５で分岐された一方の導波路が位相変調導波路３０３に結合され、他方の導波路が位相変調導波路３０４に結合される。すなわち、入力導波路３０１は、分岐導波路３０５を介して、２つの位相変調導波路３０３、３０４に結合される。そして、位相変調導波路３０３と位相変調導波路３０４は合流導波路３０６に結合される。合流導波路３０６は、三叉形状を有しており、位相変調導波路３０３と位相変調導波路３０４を１本の導波路に合流する。すなわち、位相変調導波路３０３、及び位相変調導波路３０４は、合流導波路３０６を介して、出力導波路３０２に結合されている。従って、入力導波路３０１からの光は、位相変調導波路３０３、又は位相変調導波路３０４を通って、出力導波路３０２まで伝播する。
【００３７】
図４は図３のＩＶ−ＩＶ部分、すなわち位相変調導波路３０３、３０４部分の断面図である。それぞれの位相変調導波路３０３、３０４の断面構成は、本発明の実施の形態１で説明した光制御素子の断面構成を同一のシリコン基板２０上に近接配置した構成となっている。従って、位相変調導波路３０３の断面構成は、位相変調導波路３０４の断面構成と略同じになっている。なお、図２で示したシリコン薄膜層２２が図４のシリコン薄膜層３２、４２に対応し、図２で示したシリコン薄膜層２４が図４のシリコン薄膜層３４、４４に対応し、図２で示したシリコン薄膜層２６が図４のシリコン薄膜層３６、４６に対応する。同様に、図２で示した誘電体薄膜層２３が図４の誘電体薄膜層３３、４３に対応し、図２で示した誘電体薄膜層２３が図４の誘電体薄膜層３３、４３に対応する。以下の説明では、シリコン薄膜層３２、３６、４２、４６がＰ型、シリコン薄膜層３４、４４がＮ型にドーピングされているとして説明する。
【００３８】
シリコン基板２０上を覆うように埋め込み酸化膜層２１が形成されている。埋め込み酸化膜層２１には、シリコン薄膜層３２、３４、３６と、シリコン薄膜層４２、４４、４６が形成されている。なお、シリコン薄膜層３２とシリコン薄膜層４２は同一レイヤーによって形成されている。このため、シリコン薄膜層３２とシリコン薄膜層４２は、略同じ膜厚になっている。同様に、シリコン薄膜層３４はシリコン薄膜層４４と、シリコン薄膜層３６はシリコン薄膜層４６と略同じ膜厚になっている。誘電体薄膜層３３は誘電体薄膜層４３と、誘電体薄膜層３５は誘電体薄膜層４５と略同じ膜厚になっている。
【００３９】
位相変調導波路３０３と、位相変調導波路３０４とは、互いに離間して形成されている。すなわち、位相変調導波路３０３のシリコン薄膜層３２、３４、３６は、位相変調導波路３０４のシリコン薄膜層４２、４４、４６から離間して形成されている。従って、位相変調導波路３０３と位相変調導波路３０４に対して独立した電圧を印加することが可能になる。
【００４０】
図５は図３のＶ−Ｖ部分、すなわち入力導波路３０１又は出力導波路３０２部分の断面図である。入力導波路３０１と出力導波路３０２は、基本的に同一の断面構成を有しおり、その断面構成が図５に示されている。入力導波路３０１および出力導波路３０２部分は屈折率の変調をする必要がないため、従来から知られている導波路の断面構造となっている。具体的にはシリコン基板２０上に埋め込み酸化膜層２１を介してシリコンコア５２が設置されている。シリコンコア５２の断面は矩形状になっている。シリコンコア５２は、埋め込み酸化膜層２１上に形成されている。そして、シリコンコア５２を覆うようにクラッド層５９が設置されている。このように、シリコンコア５２が、埋め込み酸化膜層２１及びクラッド層５９で囲まれている。すなわち、シリコンコア５２の下面が埋め込み酸化膜層２１と接し、シリコンコア５２の上面、および側面がクラッド層５９と接している。
【００４１】
次に、実施の形態２にかかる光導波路回路の動作を説明する。入力導波路３０１に入射した光は分岐導波路３０５で２等分される。２等分された光の一方は、位相変調導波路３０３に入射し、他方は位相変調導波路３０４に入射する。位相変調導波路３０３、３０４それぞれでの屈折率変調の動作原理は本発明の実施の形態１と同じである。ここで、位相変調導波路３０３と位相変調導波路３０４で屈折率変化が逆になるように電圧を印加している。このため、プッシュプル動作により変調効率を２倍にすることができる。例えば、領域２３２、２３６、２４４に相対的に正の電圧を印加し、領域２３４、２４２、２４６に相対的に負の電圧を印加する。こうすることで、位相変調導波路３０３の領域１３２、１３４、１３６を蓄積状態、位相変調導波路３０４の領域１４２、１４４、１４６を空乏状態にすることができる。従って、プッシュプル動作を実現できる。これにより、位相変調導波路３０３を伝播する光と、位相変調導波路３０４を伝播する光とに対して、独立した位相制御が可能になる。位相変調導波路３０３、及び位相変調導波路３０４でそれぞれ逆方向の位相変調を受けた光は、合流導波路３０６で合流する。このとき、位相変調導波路３０４からの光と、分岐導波路３０５からの光は、合流導波路３０６で干渉する。すなわち、位相変調導波路３０４からの光と、分岐導波路３０５からの光は、その位相差に応じて光の強度が変調されるように、合成される。すなわち、２つの光が分岐導波路３０５で合成して、干渉光となる。そして、合成された光は、出力導波路３０２から出射される。このように、本実施の形態にかかる光導波路回路は、マッハツェンダ干渉計として機能する。
【００４２】
なお、入力導波路３０１および出力導波路３０２の断面形状は、上記の断面形状に限られるものではない。例えば、図５に示した断面形状が矩形のシリコンコア５２の代わりに、図６に示す断面形状のシリコンコア５３を用いることができる。図６では、シリコンコア５６の断面形状が凸型になっている。
【００４３】
また、分岐導波路３０５および合流導波路３０６は、図２に示したようにＹ分岐型導波路に限られるものではない。例えば、分岐導波路３０５および合流導波路３０６として、方向性結合器型、マルチモード干渉計（ＭＭＩ）型等を用いることが可能である。その場合、２×２の方向性結合器またはＭＭＩを用いれば、２×２の光スイッチとしても機能する。また、位相変調導波路３０３、及び位相変調導波路３０４において、光の伝搬方向に沿った全体で断面形状が同一であってもよいし、途中で断面形状が変わっていてもよい。すなわち、光の伝搬方向に沿った全体で、図４に示すような断面構造で一定であってもよい。あるいは、一部だけが図４に示すような断面構造で、残りの部分は図５または図６に示すような断面構造の導波路が並置されていてもよい。また、図４では位相変調導波路３０３と位相変調導波路３０４の長さは等しく描かれているが、互いに異なっていてもよい。その場合、光の透過率に周期的な波長依存性が生じ、波長可変フィルタとしても機能する。
【００４４】
実施の形態２にかかる光導波路回路は、実施の形態１にかかる光制御素子を有している。位相変調導波路３０３、及び位相変調導波路３０４に実施形態１の光制御素子が利用されている。したがって、実施形態１で説明した理由と同様の理由で、位相変調導波路３０３、及び位相変調導波路３０４の長さを短くすることができる。このため、特許文献１に記載のシリコン光変調器に比べて、素子のサイズを小さくすること、駆動電圧を低くすることができる。更に、素子のサイズが小さくなると、静電容量も小さくなる。これにより、高速の制御が可能になるという効果もある。また、駆動電圧が低くなると、消費電力が小さくなる、昇圧回路等の特殊な駆動回路が不要になる、等の効果もある。よって、小型で高性能の光導波路回路を実現することができる。このように、実施の形態１にかかる光制御素子は、光導波路を用いたマッハチェンダ干渉計に好適である。
【００４５】
発明の実施の形態３．
本発明の実施の形態３にかかる光導波路回路の構成について、図７を用いて説明する。図７は実施の形態３にかかる光導波路回路を示す平面図である。実施形態３にかかる光導波路回路は、シリコン基板２０上に、入力導波路４０１、出力導波路４０２、リング導波路４０３が配置されている。入力導波路４０１および出力導波路４０２はそれぞれ結合部４０４、及び結合部４０５を介してリング導波路４０３と光学的に結合している。すなわち、入力導波路４０１は、結合部４０４を介して、リング導波路４０３と結合されている。同様に、出力導波路４０２は、結合部４０５を介して、リング導波路４０３と結合されている。入力導波路４０１、及び出力導波路４０２の断面構造は図５または図６に示す断面構造と同じである。また、リング導波路４０３の断面構造は図２に示す断面構造と同じである。結合部４０４、及び結合部４０５には、方向性結合器またはマルチモード干渉計等が適用できる。
【００４６】
シリコン基板２０上には、円環状のリング導波路４０３は、形成されている。円環状のリング導波路４０３の両側には、直線状の入力導波路４０１、及び出力導波路４０２が配置される。すなわち、直線状の入力導波路４０１と出力導波路４０２の間に、リング導波路４０３が配設される。図７では、入力導波路４０１と出力導波路４０２は、ほぼ平行に形成されている。そして、円環状のリング導波路４０３と隣接して、結合部４０４、４０５が配置されている。リング導波路４０３と入力導波路４０１が近接する位置に、結合部４０４が配置されている。リング導波路４０３と出力導波路４０２が近接する位置に、結合部４０５が配置されている。入力導波路４０１、出力導波路４０２、リング導波路４０３、結合部４０４、及び結合部４０５は同一のシリコン基板２０上に形成されている。
【００４７】
入力導波路４０１とリング導波路４０３が結合部４０４によって光学的に結合している。さらに、出力導波路４０２とリング導波路４０３が、結合部４０５によって、光学的に結合している。このよう結合することで、光導波路回路がリング共振器を構成する。
【００４８】
実施の形態３にかかる光導波路回路の動作を説明する。入力導波路４０１に入射した光は、リング導波路４０３の共振条件を満たす波長付近の光だけが結合部４０４を介してリング導波路４０３に結合する。さらに、共振条件を満たす波長付近の光は、結合部４０５を介して出力導波路４０２に結合して、出力導波路４０２から出射される。すなわち、入力導波路４０１を伝播する光のうち、共振条件を満たす波長の光のみ、結合部４０４を通って、リング導波路４０３に入射する。この光はリング導波路４０３に沿って伝播して、結合部４０５に入射する。そして、共振条件を満たす光は、結合部４０５において、出力導波路４０２に入射する。すなわち、共振条件を満たす光は、入力導波路４０１、結合部４０４、リング導波路４０３、結合部４０５、出力導波路４０２の順番で伝播する。一方、共振条件を満たさない波長の光はリング導波路４０３と結合せず、入力導波路４０１の他端から出射される。すなわち、共振条件を満たさない波長の光は入力導波路４０１に沿って伝播する。
【００４９】
リング導波路４０３の断面構造は実施形態１の断面構造と同じである。従って、実施形態１と同じ動作原理でリング導波路４０３の屈折率を変調することができる。リング導波路４０３の屈折率が変化すると、リング共振器の共振波長が変化し、入力導波路４０１に入射する光の波長、及び出力導波路４０２から出射する光の波長が変化する。これにより、共振波長付近のある固定波長に対しては強度変調器として動作し、複数の異なる波長の光に対しては波長可変フィルタとして動作する。
【００５０】
実施の形態３にかかる光導波路回路では、共振器のクオリティ・ファクター（通常Ｑ値と呼ばれる）を高くすることで、透過率に鋭い波長依存性を与えることが可能となる。Ｑ値を高くするほど、リング導波路４０３の僅かな屈折率変化で大きな透過率の変化を得ることができる。そのため、実施の形態３にかかる光導波路回路は、実施の形態２の光導波路回路に比べて、更に小型化、低電圧化、低消費電力化が可能になるという特徴がある。よって、より小型で高性能な光導波路回路を実現することができる。このように、実施の形態１にかかる光制御素子は、光導波路を用いたリング共振器に好適である。
【００５１】
発明の実施の形態４．
本発明の実施の形態４にかかる光制御素子の構成について図８を用いて説明する。図８は本実施の形態にかかる光制御素子の構成を示す断面図である。本実施の形態にかかる光制御素子では、実施の形態１にかかる光制御素子に比べて、シリコン薄膜層、及び誘電体薄膜層が１層増えている。換言すると、本実施の形態にかかる光制御素子は、図２で示した光制御素子において、シリコン薄膜層が４層になった構成を有している。なお、上記以外の構成は、基本的に実施の形態１と同様であるため、重複する内容については、説明を省略する。
【００５２】
実施の形態１と比べて、シリコン薄膜層と、誘電体薄膜層が１層づつ増えた構成となっている。従って、図８に示すように、４層のシリコン薄膜層２２、２４、２６、２８と、３層の誘電体薄膜層２３、２５、２７とが、シリコン基板２０上に設けられている。そして、シリコン薄膜層２２とシリコン薄膜層２４の間に誘電体薄膜層２３が配置されている。同様に、シリコン薄膜層２４とシリコン薄膜層２６の間に誘電体薄膜層２５が配置され、シリコン薄膜層２６とシリコン薄膜層２８の間に誘電体薄膜層２７が配置されている。このように、厚さ方向において、シリコン薄膜層と誘電体薄膜層とが交互に配置されている。シリコン薄膜層２８には、他のシリコン薄膜層２２、２４、２６と同様に、領域１２８、領域２２８が設けられている。
【００５３】
換言すると、実施の形態１にかかる光制御素子における３層のシリコン薄膜層２２、２４、２６を、本実施の形態では、４層のシリコン薄膜層２２、２４、２６、２８に置き換えている。同様に、実施の形態１にかかる光制御素子における２層の誘電体薄膜層２３、２５の部分を本実施の形態では３層の誘電体薄膜層２３、２５、２７に置き換えている。そして、実施の形態１と同様に、互いに隣接しているシリコン薄膜層２２、２４、２６、２８が異なる導電タイプになるように不純物が添加されている。
【００５４】
さらに、本実施の形態では、重複部分の面積を、レイヤーに応じて変化させている。具体的には、シリコン薄膜層２２とシリコン薄膜層２４との重複部分の幅、及びシリコン薄膜層２６とシリコン薄膜層２８の重複部分の幅を、シリコン薄膜層２４とシリコン薄膜層２６の重複部分の幅に比べて狭くしている。すなわち、厚さ方向において中間に位置する誘電体薄膜層２５を挟むシリコン薄膜層２４、２６で、重複部分が最も大きくなるようにしている。厚さ方向において中央に位置する組では、両端に位置する組よりも、重複部分の面積が大きくなっている。
【００５５】
このように、少なくとも１組の隣接するシリコン薄膜層の重なった領域の幅が、他の組の隣接するシリコン薄膜層の重なった領域の幅と異なっている。そして、光の電界強度が強い部分で重複部分の幅を広くする。光の電界強度が強い部分の１組の隣接するシリコン薄膜層の重なった領域の幅が、他の組の隣接するシリコン薄膜層の重なった領域の幅よりも広くなっている。すなわち、シリコン薄膜層の重なった領域の幅が、他の組よりも広くなっている組のシリコン薄膜層では、光の電界強度が強くなっている。
【００５６】
実施の形態４にかかる光制御素子の動作は、実施の形態１とほぼ同じである。さらに、実施の形態１に加えて、キャリア密度すなわち屈折率が変調されるシリコン薄膜層の数を増加させている。こうすることで、シリコン薄膜層一層あたりの厚さを薄くしても十分な光の閉じ込め効果および横方向の導電率を得ることができる。シリコン薄膜層を薄くすることで、各シリコン薄膜層の厚さ全体に渡ってキャリアを蓄積または空乏状態にすることが可能になる。そして、屈折率変調領域と光の電界分布の重なりが更に大きくなり、より効率的な光制御が可能になる。なお、光の電界分布は概ね領域１０３に分布する。したがって、領域１０３は、光の電界分布が分布する電界分布領域となる。
【００５７】
更に、シリコン薄膜層２２とシリコン薄膜層２４が重なる幅、及びシリコン薄膜層２６とシリコン薄膜層２８が重なる幅を、シリコン薄膜層２４とシリコン薄膜層２６が重なる幅に比べて狭くしている。こうすることで、電界が集中してキャリア密度が大きく変調されやすい部分を光の電界強度が強い部分に近づけることができる。よって、より効率的な光制御が可能になる。なお、電界が集中してキャリア密度が大きく変調されやすい部分は、シリコン薄膜層２２、及びシリコン薄膜層２８の端部となっている。
【００５８】
実施の形態２にかかる光導波路回路の位相変調導波路３０３、３０４に対して、本実施形態にかかる光制御素子を用いてもよい。さらに、実施の形態３にかかる光導波路回路のリング導波路４０３に対して、本実施形態にかかる光制御素子を用いてもよい。すなわち、位相変調導波路３０３、位相変調導波路３０４、又はリング導波路４０３の断面構造を、実施の形態４で示した断面構造に置き換えてもよい。
【００５９】
その他の実施の形態．
また、これまでシリコン薄膜層が３層および４層の場合の導波路断面を説明したが、シリコン薄膜層が５層以上の同様の構成にしてもよい。
【００６０】
また、製造工程を簡素化できる利点から、市販のＳＯＩ基板を用いる構成について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、シリコン基板２０、その上の誘電体層として埋め込み酸化膜層２１を例示して説明したが、シリコン基板２０はその上の構造を支えうる強度があれば他の材料でも構わない。また、酸化膜層２１の代わりに誘電体膜を用いても良い。すなわち、誘電体層の材料は、屈折率がシリコン薄膜層より低く、制御する光に対して透明であり、電気的に絶縁性の高い材料であれば、酸化膜以外の材料でも構わない。上記の光制御素子は、光ファイバ通信、光インターコネクション、光信号処理等に用いられる光変調器、光スイッチ、光可変減衰器、波長可変フィルタ等に好適である。
【００６１】
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、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。また、実施の形態１乃至５、及びその他の実施の形態を適宜組み合わせてもよい。
【００６２】
この出願は、２００８年６月２６日に出願された日本出願特願２００８−１６６９９７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、光制御素子、及び光導波路回路に適用可能であり、特に詳しくは、光ファイバ通信、光インターコネクション、光信号処理等に用いられる光変調器、光スイッチ、光可変減衰器、波長可変フィルタ等の光制御素子、及び光導波路回路に適用可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１０  シリコン基板
１１  埋め込み酸化膜層
１２  表面シリコン層
１３  ゲート誘電体層
１４  ポリシリコン・ゲート層
１９  重畳誘電体層
２０  シリコン基板
２１  埋め込み酸化膜層
２２  シリコン薄膜層
２３  誘電体薄膜層
２４  シリコン薄膜層
２５  誘電体薄膜層
２６  シリコン薄膜層
２７  誘電体薄膜層
２８  シリコン薄膜層
２９  クラッド層
３２  シリコン薄膜層
３３  誘電体薄膜層
３４  シリコン薄膜層
３５  誘電体薄膜層
３６  シリコン薄膜層
３９  クラッド層
４２  シリコン薄膜層
４３  誘電体薄膜層
４４  シリコン薄膜層
４５  誘電体薄膜層
４６  シリコン薄膜層
４９  クラッド層
５２  シリコンコア
５３  シリコンコア
５９  クラッド層
１０１  領域（電界分布領域）
１０２  領域（電界分布領域）
１０３  領域（電界分布領域）
１１２  領域（キャリア変調領域）
１１４  領域（キャリア変調領域）
１２２  領域（キャリア変調領域）
１２４  領域（キャリア変調領域）
１２６  領域（キャリア変調領域）
１２８  領域（キャリア変調領域）
１３２  領域（キャリア変調領域）
１３４  領域（キャリア変調領域）
１３６  領域（キャリア変調領域）
１４２  領域（キャリア変調領域）
１４４  領域（キャリア変調領域）
１４６  領域（キャリア変調領域）
２１２  領域（高濃度ドープ領域）
２１４  領域（高濃度ドープ領域）
２２２  領域（高濃度ドープ領域）
２２４  領域（高濃度ドープ領域）
２２６  領域（高濃度ドープ領域）
２２８  領域（高濃度ドープ領域）
２３２  領域（高濃度ドープ領域）
２３４  領域（高濃度ドープ領域）
２４２  領域（高濃度ドープ領域）
２４４  領域（高濃度ドープ領域）
２４６  領域（高濃度ドープ領域）
３０１  入力導波路
３０２  出力導波路
３０３  位相変調導波路
３０４  位相変調導波路
３０５  分岐導波路
３０６  合流導波路
４０１  入力導波路
４０２  出力導波路
４０３  リング導波路
４０４  結合部
４０５  結合部
【図１】
2009157128.tif 000003
【図２】
2009157128.tif 000004
【図３】
2009157128.tif 000005
【図４】
2009157128.tif 000006
【図５】
2009157128.tif 000007
【図６】
2009157128.tif 000008
【図７】
2009157128.tif 000009
【図８】
2009157128.tif 000010
【図９】
2009157128.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成22年12月16日(2010.12.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
このシリコン光変調器の例として、特許文献１の図８に記載された光変調器の概略断面構造を図９に示す。図９は、光変調器の屈折率制御部分の光導波路を示している。この光導波路の断面構造は、シリコン基板１０と、埋め込み酸化膜層１１と、比較的薄いサブミクロンの表面シリコン層１２と、ゲート誘電体層１３と、比較的薄いポリシリコン・ゲート層１４、重畳誘電体層１９からなる。そして、表面シリコン層１２とポリシリコン・ゲート層１４の一部がゲート誘電体層１３を介して重なるように配置されている。表面シリコン層１２はＰ型、ポリシリコン・ゲート層１４はＮ型にドーピングされており、これらはＭＯＳ構造を構成している。表面シリコン層１２及びポリシリコン・ゲート層１４には、領域２１２、２１４がそれぞれ形成されている。領域２１２、２１４は外部と電気的に接続するために高濃度にドープされた高濃度ドープ領域となる。領域２１２、２１４は、それぞれ、表面シリコン層１２とポリシリコン・ゲート層１４とが重なった領域から離れた部分に配置される。また、表面シリコン層１２のゲート誘電体層１３近傍の領域を領域１１２とし、ポリシリコン・ゲート層１４のゲート誘電体層１３近傍の領域を領域１１４とする。領域１１２、及び領域１１４はキャリア密度が変化するキャリア変調領域となる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明にかかる光制御素子について、図１を用いて説明する。図１は、光制御素子の構成を示す断面図である。光制御素子は、基板２０上に設けられた第１の誘電体層２１と、第１の誘電体層２１上に設けられた３層以上のシリコン薄膜層２２、２４、２６と、３層以上のシリコン薄膜層２２、２４、２６の間に配置された第２の誘電体層２３、２５と、前記シリコン薄膜層、及び前記第２の誘電体層を囲むように配置された第３の誘電体層２９と、を備えている。３層以上のシリコン薄膜層２２、２４、２６は一部が互いに重なるように配置されている。シリコン薄膜層２２、２４、２６が重なっている部分では、シリコン薄膜層の間に第２の誘電体層２３、２５が配置されている。３層以上のシリコン薄膜層２２、２４、２６において、互いに隣接しているシリコン薄膜層が異なる導電タイプになっている。なお、シリコン薄膜層は４層以上であってもよい。また、シリコン薄膜層が４層以上の場合、第２の誘電体薄膜層の数も、シリコン薄膜層の数に応じて増加する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
このような光制御素子では、素子のサイズを小さくすること、駆動電圧を低くすることができる。更に、素子のサイズが小さくなると、静電容量も小さくなるため、高速の制御が可能になるという効果もある。また、駆動電圧が低くなると、消費電力が小さくなる、昇圧回路等の特殊な駆動回路が不要になる、等の効果もある。また、シリコン薄膜層２２、２４、２６の各層の厚さを薄くしても、シリコン薄膜層全体の厚さを相対的に厚く出来る。よって、シリコン薄膜層全体での横方向の抵抗を相対的に低くでき、相対的に高速応答が可能になる。よって、小型で高性能の光制御素子を実現することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
発明の実施の形態１．
本発明の実施の形態１にかかる光制御素子の構成について、図２を用いて説明する。図２は本実施の形態にかかる光制御素子の構成を示す断面図である。実施の形態１にかかる光制御素子は、シリコン基板２０と、埋め込み酸化膜層２１と、シリコン薄膜層２２と、誘電体薄膜層２３と、シリコン薄膜層２４と、誘電体薄膜層２５と、シリコン薄膜層２６と、クラッド層２９とを有している。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
この蓄積および空乏領域の厚さは、蓄積および空乏領域のドーピング濃度および印加電圧等に依存する。厚さ方向において、光の電界分布はシリコン薄膜層２４の中央付近で最大となる。よって、高い変調効率を得るためには、キャリア密度が変調される領域１２４は上下に分離せずに一体となることが望ましい。そのため、シリコン薄膜層２４は他のシリコン薄膜層２２、２６に比べて薄くすると効果的である。少なくとも１層のシリコン薄膜層の厚さが他のシリコン薄膜層の厚さと異なっている。そして、光の電界強度が強い部分でシリコン薄膜層を薄くする。すなわち、３層以上のシリコン薄膜層の内、光の電界強度が強い部分におけるシリコン薄膜層の厚さが、他の部分におけるシリコン薄膜層の厚さより薄くなっている。膜厚の薄いシリコン薄膜層２４では、膜厚の厚いシリコン薄膜層２２、２６よりも、光の電界強度が強くなっている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
また、シリコン薄膜層２４のドーピング濃度を他のシリコン薄膜層２２、２６に比べて低くすることで、同様の効果を得ることができる。更にこの場合は、ドーピングによる光の吸収損失を低減できるという効果を得ることができる。すなわち、厚さ方向において中間に配置されているシリコン薄膜層２４が、厚さ方向における両端のシリコン薄膜層２２、２６よりも低濃度にドープされている。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
このように、少なくとも１層のシリコン薄膜層のドーピング濃度が他のシリコン薄膜層のドーピング濃度と異なっている。すなわち、３層以上のシリコン薄膜層の内、光の電界強度が強い部分におけるシリコン薄膜層のドーピング濃度が、他の部分におけるシリコン薄膜層のドーピング濃度より低くなっている。低ドーピング濃度のシリコン薄膜層では、高ドーピング濃度のシリコン薄膜層よりも、光の電界強度が高くなる。このように、光の電界強度に応じて、ドーピング濃度を選択する。
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
2009157128.tif 000012
【国際調査報告】
2009157128.tif 000013
2009157128.tif 000014
2009157128.tif 000015
2009157128.tif 000016