(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のクラッドの上に形成された半導体スラブ層に凸部が形成されたリブ光導波路を備えたリング共振器と、前記リブ光導波路の上部を覆う第二のクラッドと、前記リング共振器に光学的に結合した少なくとも１本の入出力光導波路と、前記リング共振器の内側の半導体スラブ層に設けられた第一導電型の領域と、前記リング共振器の外側の半導体スラブ層に設けられた第二導電型の領域とを有するリング光変調器において、
前記第二のクラッドの少なくとも一部は熱光学係数が負の材料からなり、かつ、前記凸部の外側の半導体スラブ層の厚さを前記凸部の内側の半導体スラブ層の厚さの半分以下とし、
前記凸部の外側の半導体スラブ層の厚さが３０ｎｍ以下であり、
前記リング共振器の半径が１０μｍ以下であることを特徴とする、アサーマル・リング光変調器。
【請求項２】
前記リング共振器を構成するリブ光導波路は、ＴＥ導波モードが一つのみの単一モード導波路であることを特徴とする、請求項１に記載のアサーマル・リング光変調器。
【請求項３】
前記第二のクラッドの少なくとも一部を構成する熱光学係数が負の材料は、ポリマーであることを特徴とする、請求項１または２に記載のアサーマル・リング光変調器。
【請求項４】
前記ポリマーの主成分はポリウレタン・ジアクリレートであることを特徴とする、請求項３に記載のアサーマル・リング光変調器。
【請求項５】
前記凸部の外側の半導体スラブ層の厚さが、前記リング共振器と前記入出力光導波路が近接した部分において他の部分より厚くなっていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のアサーマル・リング光変調器。
【請求項６】
前記凸部が形成された半導体スラブ層はシリコンからなることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のアサーマル・リング光変調器。
【請求項７】
前記半導体スラブ層の凸部のシリコンは、アモルファス・シリコンであることを特徴とする、請求項６に記載のアサーマル・リング光変調器。
【請求項８】
前記半導体スラブ層の第一の導電型の領域と第二の導電型の領域のシリコンは、多結晶シリコンであることを特徴とする、請求項７記載のアサーマル・リング光変調器。
【請求項９】
前記第一のクラッドの少なくとも一部に熱光学係数が負の材料が用いられていることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか１項に記載のアサーマル・リング光変調器。
【請求項１０】
前記第一のクラッドの少なくとも一部を構成する熱光学係数が負の材料は、少なくともＴｉを主構成元素の一つとして含む酸化物であることを特徴とする、請求項９に記載のアサーマル・リング光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、アサーマル・リング光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
コアと周囲の屈折率のコントラストが大きなシリコン（Ｓｉ）光細線導波路を利用することで、光素子の小型化が実現された。波長１．５５μｍ帯のＳｉ光細線導波路の典型的な断面寸法は２２０ｎｍ×４５０ｎｍであり、高屈折率差による強い光閉じ込めにより、曲率半径の小さな曲がり導波路でも放射損失を小さく抑えることができる。高度に発達したＣＭＯＳプロセス技術を応用すれば、微細な光・電子デバイスを多数集積化した光集積回路を量産可能なことから、機器間・ボード間光インターコネクションだけでなく、波長多重（ＷＤＭ：wavelength division
multiplexing）技術を使ったチップ間・チップ内の大容量光配線への応用も期待されている。
【０００３】
光インターコネクションや光配線に用いるためには、最低限、光信号の送信機能と受信機能が必要である。チップ間・チップ内光配線への応用を考えると、素子の小型化、低消費電力化（高効率化）、高速化が重要である。受信側に関しては、Ｓｉ細線光導波路に集積化された長さ５〜１０μｍ、幅数μｍの導波路型Ｇｅ系受光素子やＩｎＧａＡｓ系受光素子で、１ｍＡ／ｍＷ前後の効率と数〜数十ＧＨｚの帯域が実現されている。送信側については、間接遷移半導体であるＳｉで高効率のレーザを実現することは極めて困難なため、外部光源とＳｉ系光変調素子の組み合わせが一般的である。Ｓｉ系光変調器には、電界吸収型光変調器、マッハ・ツェンダ光変調器、リング光変調器などがあるが、チップ内の大容量光配線へ適用できる超小型（フットプリント＝＜１００μｍ２）の光変調器はリング光変調器のみである。
【０００４】
リング光変調器は、小型・高効率、高速で、反射戻り光も小さいという利点を有する。しかし、Ｓｉは＋２×１０−４／Ｋ程度の大きな正の熱光学係数（屈折率の温度係数）ｄｎ／ｄＴを有しており、共振波長が温度（Ｔ）に極めて敏感である。チップ内光配線応用では、個々のリング光変調器に温度制御機構を搭載することは現実的でないため、リング共振器のアサーマル化が実用化に向けての大きな課題となっていた。
【０００５】
パッシブなＳｉ細線リング光フィルタでは、熱光学係数（屈折率の温度係数）ｄｎ／ｄＴが負のポリマーをクラッド材料として用いることで、アサーマル化することができる。一般的なポリマーでは熱光学係数が−（１〜３）×１０−４／Ｋの範囲にあるものが多いが、中には−４．５×１０−４／Ｋと大きな負の熱光学材料を有するもの（ポリウレタン・ジアクリレート：ＰＵＡ）もある。
【０００６】
Ｓｉの屈折率（波長１５５０ｎｍで３．４８）がポリマーの屈折率（１．４〜１．６）より大きいため、かなりの光をポリマーに染み出させないと、導波路の実効屈折率の温度係数を０に近づけることができない。すなわち、アサーマル化されていないＳｉ細線導波路と比べてＳｉの断面積をかなり小さくした、閉じ込めの弱い導波路を用いることになる。このような光閉じ込めの弱い導波路では、半径を小さくすると放射損失が大きくなるので、小型化しにくいという問題があった。
【０００７】
Ｓｉリング光変調器では、電流注入や電圧印加のために外部と電気的な接続をとる必要がある。リング共振器の上下に接続するのはプロセス的に困難なため、リング共振器をリブ導波路で構成し、リングの内側と外側のＳｉ半導体スラブに電極を形成するのが一般的である。この場合、リング共振器の外側に屈折率の高いＳｉ半導体スラブがあるため、放射損失が大きくなりやすく、小径化はいっそう難しい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｐ．Ａｌｉｐｏｕｒ，ｅｔ  ａｌ．，  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．３５，  ｐｐ．３４６２−３４６４（２０１０年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、リブ導波路構造のＳｉリング光変調器には、アサーマル化するとＳｉスラブ（半導体スラブ層）を介した放射損失が起こりやすくなるため、半径をあまり小さくできないという課題があった。
【００１０】
この実施形態の目的は、上記の課題を解決して、小型のＳｉアサーマル・リング光変調器を実現する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この実施形態のアサーマル・リング光変調器は、第一のクラッドの上に形成された半導体スラブ層に凸部（メサ）が形成されたリブ光導波路からなるリング共振器と、前記リブ光導波路の上部を覆う第二のクラッドと、前記リング共振器に光学的に結合した少なくとも1本の入出力光導波路と、前記リング共振器の内側の半導体スラブ層に設けられた第一導電型の領域と、前記リング共振器の外側の半導体スラブ層に設けられた第二導電型の領域とを有するリング光変調器において、前記第二のクラッドの少なくとも一部は熱光学係数が負の材料からなり、かつ、前記凸部の外側の半導体スラブ層の厚さを前記凸部の内側の半導体スラブ層の厚さの半分以下とし、前記凸部の外側の半導体スラブ層の厚さが３０ｎｍ以下であり、前記リング共振器の半径が１０μｍ以下であることを特徴とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態に係わるアサーマル・リング光変調器の平面構成を説明するための概略図である。
【図２】第１の実施形態に係わるアサーマル・リング光変調器の断面を説明するための概略図である。
【図３】第１の実施形態に係わるアサーマル・リング光変調器の作製工程の一例を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係わるアサーマル・リング光変調器における、リング共振器の半径・メサ幅とＴＥ周回モードの実効屈折率の温度係数の関係を説明する図である。
【図５】第１の実施形態に係わるアサーマル・リング光変調器における、リング共振器を周回するＴＥモードのモードプロファイルを示す図である。
【図６】リング共振器内外のＳｉ半導体スラブ層厚をいずれも５０ｎｍとしたアサーマル・リング光変調器における、リング共振器の半径・メサ幅とＴＥ周回モードの実効屈折率の温度係数の関係を説明する図である。
【図７】リング共振器内外のＳｉ半導体スラブ層厚をいずれも５０ｎｍとしたアサーマル・リング光変調器における、リング共振器を周回するＴＥモードのモードプロファイルを示す図である。
【図８】第２の実施形態に係わるアサーマル・リング光変調器とＳｉ半導体スラブ層厚をいずれも５０ｎｍとしたアサーマル・リング光変調器における、リング共振器を周回するＴＥモードのモードプロファイルを比較する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
この実施形態のアサーマル・リング光変調器は、第一のクラッドの上に形成された半導体スラブ層に凸部（メサ）が形成されたリブ光導波路からなるリング共振器と、前記リブ光導波路の上部を覆う第二のクラッドと、前記リング共振器に光学的に結合した少なくとも1本の入出力光導波路と、前記リング共振器の内側の半導体スラブ層に設けられた第一導電型の領域と、前記リング共振器の外側の半導体スラブ層に設けられた第二導電型の領域とを有するリング光変調器において、前記第二のクラッドの少なくとも一部は熱光学係数が負の材料からなり、かつ、前記凸部の外側の半導体スラブ層の厚さを前記凸部の内側の半導体スラブ層の厚さより薄くしたことを特徴とするものである。
本実施の形態は、このような構成を備えることによって、小型のＳｉアサーマル・リング光変調器を実現することが可能になる。
【００１４】
望ましい実施態様の一つは、前記リング共振器を構成するリブ光導波路が、ＴＥ(transverse
electric)導波モードが一つしかない単一モード導波路であることを特徴とするものである。その理由は、モード間の干渉による変調特性の悪化や不安定化を避けることができるからである。
【００１５】
望ましい実施態様のもう一つは、前記第二のクラッドの少なくとも一部を構成する熱光学係数が負の材料として、ポリマーを用いたものである。特に、ポリマーが熱光学係数の絶対値の大きなポリウレタン・ジアクリレートであることが最も望ましい。この実施の形態において、ポリマーを用いることによって、比較的容易にアサーマルを実現することができるばかりでなく、加工も容易で、製造の作業性に優れている。特に、ポリウレタン・ジアクリレートを用いた場合には、アサーマル条件を満たす前記凸部の断面積を大きくできるので、より小型で変調効率の高いＳｉアサーマル光変調器を実現することが可能になる。
【００１６】
別の望ましい実施態様は、前記凸部の外側の半導体スラブ層の厚さを３０ｎｍ以下にしたものである。さらに好ましくは、前記凸部の外側の半導体スラブ層の厚さが前記凸部の内側の半導体スラブ層の厚さの半分以下であることが好ましい。その理由は、小径化に伴うリング共振器からの光の放射損失の増大を抑制しつつ、電気的な抵抗の増大も小さく抑えることが可能になるからである。
【００１７】
また、リング共振器の半径は、１０μｍ以下であることが好ましい。その理由は、オンチップ光配線の高密度集積化や、波長帯域の拡大が図れるからである。
【００１８】
別の望ましい実施態様は、前記凸部の外側の半導体スラブ層の厚さが、前記リング共振器と前記入出力光導波路が近接した部分において他の部分より厚くなっているものである。その理由は、リング共振器と入出力光導波路との間に十分な光学的結合を実現できるからである。
【００１９】
別の望ましい実施態様は、前記凸部が形成された半導体スラブ層が主としてシリコンからなるものである。シリコンを用いることで、高度に発達した高精度のＣＭＯＳプロセスにより大量の素子を安価に作製することができ、また、ＬＳＩとの一体集積化も容易になる。そのさらに望ましい実施態様は、このシリコンの凸部がアモルファス・シリコンからなるものである。アモルファス・シリコンを用いても、結晶シリコンを用いた場合と遜色のない低損失のリング共振器を作製することができる。アモルファス・シリコンを用いれば、高価なＳＯＩ（silicon on insulator）基板を使う必要がなくなるだけでなく、ＣＭＯＳバックエンド・プロセスによるＬＳＩ回路やその電気配線層との三次元的な集積化も容易となる。さらに望ましい実施態様は、半導体スラブ層の第一の導電型の領域と第二の導電型の領域が、多結晶シリコンからなるものである。第一、第二の導電型の領域に多結晶シリコンを用いると、アモルファス・シリコンを用いた場合より低抵抗化できるので、消費電力の低減や高速動作が可能となる。
別の望ましい実施態様は、前記第一のクラッドの少なくとも一部にも熱光学係数が負の材料が用いられているものである。その理由は、アサーマル条件を満たす前記凸部の断面積を大きくできるので、より小型で変調効率の高いＳｉアサーマル光変調器を実現することが可能になるからである。そのような材料としては、主構成元素の一つとして少なくともＴｉを含む酸化物を用いるのが好ましい。その理由は、熱光学係数が負の材料の中でも特に安定な材料であり、アモルファス・シリコンを堆積する際の下地層として使用可能な材料であるからである。
【００２０】
以下、好ましい実施の形態についてさらに詳細に説明する。
【００２１】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に関わるＳｉリング光変調器の概略構成を示すための平面図である。このリング光変調器は、一本の入出力光導波路１と半径８μｍのリング共振器２が、光カプラ３で結合してなる。光カプラ３のギャップ（導波路側壁間の距離）は３００ｎｍである。リング共振器の内側には電極４、外側には電極５が形成されている。電極５の一部５ｂは、入出力導波路１のリング共振器２と反対の側に形成されている。この基本構成は、従来技術のリング光変調器とほぼ同じである。
【００２２】
図２は第１の実施形態に関わるアサーマル・リング光変調器の、リング共振器２の中心と光カプラ３を含む垂直断面Ｘ−Ｘ’を模式的に示す図である。Ｓｉ基板１０上に形成された厚さ３μｍのＳｉＯ２層（第一のクラッド層）１１の上に、トップＳｉ層１２が形成されている。トップＳｉ層１２には、いずれもメサ厚２２０ｎｍのリブ導波路からなる入出力導波路１とリング共振器２が形成されている。入出力導波路１のメサ幅は４５０ｎｍ、リング共振器２のメサ幅は２１０ｎｍである。リング共振器の内側の半導体スラブ層１３ａの厚さは７０ｎｍ、リング共振器の外側の半導体スラブ層１３ｂの厚さは３０ｎｍである。ただし、光カプラ３のギャップ部の半導体スラブ厚は、導波路間隔が狭くなるにしたがって徐々に厚くなっており、最近接位置で約５０ｎｍとなっている。
【００２３】
リング共振器２の内側の半導体スラブ層１３ａにはｐ＋領域１５、リング共振器２の外側の半導体スラブ層１３ｂにはｎ＋領域１６が形成されており、それぞれの上にはシリサイド電極４、５が形成されている。トップＳｉ層１２のそれ以外の部分は、故意に不純物をドーピングしていないイントリンシック領域となっている。入出力導波路１とリング共振器２のリブ導波路の上部は、ポリウレタン・ジアクリレート（ＰＵＡ）からなるポリマー１７（第二のクラッド層、上部クラッド層）で覆われている。シリサイド電極４、５は、ポリマー１７の開口部に設けられた配線金属１８を介して外部と電気的に接続されている。
【００２４】
図３に、この実施形態のリング光変調器の主要な作製工程の一例（概略）を示す。他の部分を作製するための工程、発明の本質に係わらない各工程の詳細等の説明は省く。
このリング光変調器は、Ｓｉ基板１０、ＳｉＯ２層１１、トップＳｉ層１２からなるＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板を用いて作製される。まず、トップＳｉ層１２の表面を熱酸化して、光導波路加工マスクとなるＳｉＯ２層２１を形成する（図３（ａ））。酸化されずに残るトップＳｉ層１２の厚さは２２０ｎｍとした。次に、ＳｉＯ２層２１をパターニングして、入出力導波路１、リング共振器２等の光導波路を形成する部分のみ残して除去する（図３（ｂ））。
【００２５】
次に、レジスト２２ａを全面に塗布し、リング内側をカバーするようにパターニングする。ＳｉＯ２層２１とレジスト２２ａをマスクとしてトップＳｉ層１２を１９０ｎｍエッチングする。このとき、ＳｉＯ２層２１のパターン幅が、レジスト２２ａのエッジ位置のマージン（エッチング時の後退の影響も含む）となる。（図３（ｃ））。レジスト２２ａを除去した後、再びレジスト２２ｂを塗布し、リング共振器２の外側をカバーするようにパターニングする。ＳｉＯ２層２１とレジスト２２ｂをマスクとしてトップＳｉ層１２を１５０ｎｍエッチングする（図３（ｄ））。レジスト２２ｂとマスクとして使用したＳｉＯ２層２１を除去する。一連のエッチングの結果、入出力導波路１、リング共振器２、光カプラ３、リング共振器２の内側のＳｉ半導体スラブ層１３ａ（厚さは７０ｎｍ）、リング共振器２の外側のＳｉ半導体スラブ層１３ｂ（厚さ３０ｎｍ）が形成される（図１３（ｅ））。ただし、導波路間隔が狭い光カプラのギャップの半導体スラブ厚は、マイクロローディング効果でやや厚めになる。
【００２６】
その後、レジスト２２ｃをマスクとしたＢＦ３のイオン注入（図３（ｆ））、レジスト２２ｄをマスクとしたＡｓのイオン注入（図３（ｇ））、アニール等の工程により、リング内のＳｉ半導体スラブ層１３ａにｐ＋領域１５、リング外のＳｉ半導体スラブ層１３ｂにｎ＋領域１６を形成する。次に、ｐ＋領域１５、ｎ＋領域１６の上にニッケルを蒸着・リフトオフにより形成し、アニールしてシリサイド化し、電極４，５が形成される（図３（ｈ））。
最後に、表面に感光性ポリマー１７を塗布し（図３（ｉ））、電極部に開口部を設けて固めた後、配線１８を行い、光変調器が完成する。
【００２７】
以上は、製造方法の一例であって、様々な変形が可能である。例えば、熱酸化ＳｉＯ２層２１の代わりに、ＳｉＮ層を堆積してもよい。この場合、上記のレジスト２２ａ、２２ｂを、ＳｉＯ２膜とレジストの２層マスクに変更してもよい。その他、リング共振器の内側と外側の加工工程の順番の入れ替え、注入イオン種や電極材料の変更など、様々な変形が可能である。
【００２８】
本実施形態のリング光変調器の基本的な動作原理は、従来技術のリング光変調器と同様である。すなわち、入出力導波路の入射端１ａから光カプラ３に入射した光のうち、共振波長λｐから外れた光はほとんど損失を受けずに出力端１ｂに出力されるが、共振波長近傍の光はリング共振器２にトラップされ、リング共振器２を周回する間に減衰する。入射光波長を電流無注入時の共振波長の一つに合わせておくと、無変調時に出力端１ｂにはほとんど光が出力されないことになる。
【００２９】
電極４、５間に電流を流して、リング共振器２を構成する光導波路のキャリア密度Ｎを変化させると、屈折率ｎが変化する。Ｓｉ内導波路の屈折率のキャリア密度による変化Δｎは、次の式［Ｉ］で近似できることが知られている。
【００３０】
【数１】
0005752629.tif 000002
式［Ｉ］
【００３１】
ここで、Ｎｅは電子密度、Ｎｈは正孔密度である。係数 ａｅ、ａｈは波長の二乗に比例する量で、波長１．５５μｍでは、ａｅ＝−８．８×１０−２２ｃｍ３、ａｈ＝−８．５×１０−１８ｃｍ２．４である。電流注入によりリング共振器を構成するＳｉ導波路の屈折率が低下すると、共振波長λｐが短波長側にシフトするため、入射光波長が共振スペクトル帯域外に出て、出力端１ｂに光が出力されるようになる。
【００３２】
Ｓｉの熱光学係数（屈折率の温度係数）ｄｎ／ｄＴが＋２×１０−４／Ｋと大きいため、アサーマル化されていない従来のリング光変調器のリング共振器を周回するＴＥ基本モードの実効屈折率の温度係数Δｎｅｆｆ／ΔＴも同程度の値（例えば＋２．２×１０−４／Ｋ）になる。この結果、温度が１℃上昇すると共振波長は０．０６〜０．０８ｎｍ程度レッドシフトすることになる。したがって、素子を温度安定化しないと、安定に光変調動作させることができなかった。
【００３３】
本実施形態のリング光変調器では、熱光学係数が−４．５×１０−４／Ｋのポリマー（ＰＵＡ）１６でリング共振器２をカバーすることにより、実効屈折率の温度依存性を相殺（アサーマル化）している。また、リング共振器２の外側のＳｉ半導体スラブ層１３ｂを内側のＳｉ半導体スラブ層１３ａより薄くすることで、放射損失を減らし、小径化を可能としている。リング共振器２の内側の半導体スラブ層１３ａを厚めにして電気抵抗を下げているので、共振器外側の半導体スラブ層１３ｂを薄くしたことによる直列抵抗の上昇をある程度相殺することができる。
【００３４】
リング半径ｒ、Ｓｉメサ幅ｗと、ＴＥ基本モードの実効屈折率ｎｅｆｆの温度係数Δｎｅｆｆ／ΔＴの関係の計算結果を、図４に示す。波長１５５０ｎｍ、２０℃におけるＳｉ，ＳｉＯ２、ＰＵＡの屈折率は、それぞれ３．４７６４、１．４４４４、１．４５を仮定した。また、ＳｉＯ２の熱光学係数は＋１×１０−５／Ｋを仮定した。点線は半導体スラブ層１３ｂへの放射の影響が顕著な領域、実線は放射の影響が比較的小さい領域である。半径７μｍではメサ幅２０５ｎｍ付近、半径８μｍではメサ幅２１０ｎｍ付近、半径１０μｍではメサ幅２２５ｎｍ付近でアサーマル化（｜Δｎｅｆｆ／ΔＴ｜＜３．０×１０−６／Ｋ）できる。
【００３５】
図５は、（ａ）半径７μｍ、メサ幅２０５ｎｍと、（ｂ）半径８μｍ、メサ幅２１０ｎｍの場合の基本ＴＥモードのモードプロファイルである。図の右側がリング共振器の外側になる。この導波路は、導波モードが基本ＴＥモードのみの単一モード導波路で、ＴＭモードは放射モードとの結合モードになる。リングの内側の半導体スラブ層１３ａが厚いため、メサの内側に分布が偏った非対称性の強い電界プロファイルとなっている。（ａ）ではＳｉ半導体スラブ層１３ｂへのわずかな放射の痕跡が認められるが、（ｂ）では半導体スラブ層１３ｂへの放射はほとんど無視できる。すなわち、本実施形態のアサーマル・リング光変調器によれば、ほとんど損失増なしに半径８μｍ程度まで小径化できることがわかる。
リング光変調器は、リング共振器の損失を少し大きめにした方が、共振器の光子寿命が短くなるので、高速化に有利である。このような観点から多少の放射損失を許容すれば、本実施形態を半径５〜７μｍ程度のアサーマル・リング光変調器にも適用できるものと考えられる。例えば半径６μｍの場合、メサ幅を約１９０ｎｍとしたときにアサーマル化可能である。
【００３６】
比較のため、リング共振器内外の半導体スラブ厚がともに５０ｎｍのリング光変調器について、リング半径ｒ、Ｓｉメサ幅ｗと、ＴＥ基本モードのΔｎｅｆｆ／ΔＴの関係を求めた。結果を図６に示す。外側半導体スラブ層１３ｂへの放射が顕著な領域（図４で点線で示した領域に対応）のデータは、Δｎｅｆｆ／ΔＴの値がばらついてきれいな曲線に乗らなかったため、図から省いた。放射モードとの結合が小さい範囲でアサーマル化可能な最小半径は、約１２μｍであった。半径１４μｍ以下ではメサ幅２５０ｎｍ付近、半径１６μｍの場合はメサ幅２６０ｎｍ付近でアサーマル化される。
【００３７】
図７に、（ａ）半径１２μｍ、メサ幅２５０ｎｍと、（ｂ）半径１６μｍ、メサ幅２６０ｎｍの場合の基本ＴＥモードの電界プロファイルを示す。図５と同じく、右側がリングの外側になる。リング内外の半導体スラブ層厚が等しいので、図５の場合のような顕著な非対称性は見られない。（ａ）の場合は放射モードとの結合が明らかである。半径を大きくするにしたがって放射モードとの結合は徐々に弱まるが、（ｂ）のケースでも電界プロファイルの裾が外側に尾を引いており、ｎ＋領域１６や電極５の吸収の影響を受けることとなる。
【００３８】
以上詳述したように、本実施形態によれば、半径８μｍ以下の放射損失の小さなアサーマル・リング光変調器を実現することができる。これに対し、リングの内外の半導体スラブ層厚が同じアサーマル・リング光変調器では、半径を１６μｍ以上にしないと、放射損失の小さなアサーマル・リング光変調器を実現することができない。すなわち、本実施形態によれば、半導体スラブ層厚一定の対称リブ導波路を用いた場合と比べて、面積を１／４に縮小できることになる。
【００３９】
なお、Ｓｉ層への光閉じ込めの低下により、変調効率はアサーマル化していない光変調器の１／２程度に低下するが、リング光変調器は元々高効率で消費電力が小さいので、実用上許容できる範囲である。素子の小型化は、単に集積度の増大だけでなく、消費電力の低減、変調波長帯域の拡大等の観点でもメリットが大きい。オンチップ光配線への適用を考えた場合、本実施形態によるアサーマル化と素子小型化の両立というメリットの方が、変調効率低下のデメリットより重要である。
【００４０】
本実施形態は、上述のキャリア注入型のＳｉ光変調器だけでなく、空乏型のＳｉ光変調器にも応用可能である。すなわち、リング共振器を構成する光導波路メサ部近傍にｐｎ接合を形成し、電圧無印加時のメサ部のキャリア密度が例えば４×１０１７ｃｍ−３程度になるようにドーピングプロファイルを調整しておく。このｐｎダイオードに逆方向電圧を印加することにより、光導波路メサ部のキャリアを空乏化することにより、共振波長をレッドシフトさせることができる。
【００４１】
Ｓｉ層内の不純物ドーピングプロファイル、光変調器としての特性（変調電圧、変調効率、変調速度、変調電力、消光比、挿入損失等）等は変わるが、アサーマル化の観点での作用、効果は上述の実施形態とまったく同じである。
【００４２】
本実施形態は、上記以外にも、発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形・応用が可能である。例えば、Ｓｉ層１２の光導波路部分は低損失のアモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ）、ｐ＋領域やｎ＋領域はポリシリコンで構成してもよい。この場合、ｐ＋領域、ｎ＋領域、電極等のアニールはレーザ・アニール等により局所的に加熱することになるが、バックエンド・プロセスで作製できるので、ＳＯＩ基板を用いた場合より低価格にでき、配置の自由度も増す。
【００４３】
光導波路にａ−Ｓｉを用いる場合、第一のクラッド（下部クラッド）にもＴｉの酸化物などの熱光学係数が負の材料を用いることができる。例えば、アモルファスＳｒＴｉＯ３（ａ−ＳＴＯ）は光学的な損失が小さい等方性材料で、屈折率は１．９５前後、熱光学係数はおおよそ−２×１０−５／Ｋである。ポリマーと比べると温度補償に寄与する効果は弱いが、熱光学係数が正（〜＋１×１０−５／Ｋ）のＳｉＯ２を下部クラッドに用いた場合よりアサーマル条件を満たすＳｉメサ幅を若干広くできるので、いっそうの小径化、変調効率改善に効果がある。
【００４４】
上記の実施形態では入出力導波路１のメサ幅が４５０ｎｍあり、リング共振器２のメサ幅より広かった。入出力導波路のメサ幅を狭めてリング共振器のメサ幅に近づけると、実効屈折率の差が小さくなるため、同じギャップ幅でのパワー結合比は顕著に大きくなる。光カプラ３近傍で入出力導波路１のメサ幅を狭め、ギャップを広げれば、マイクロローディング効果によるギャップの半導体スラブ厚の変化を抑制でき、光カプラ３のパワー結合比を制御しやすくなる。
【００４５】
なお、入出力導波路１のリング光変調器から離れた部分にポリマーでカバーされていない領域がある場合、入出力導波路１の幅が狭いままだと、ポリマーの有無による不連続点で反射を生じる恐れがある。この場合、ポリマーでカバーされている領域の中で入出力導波路１の幅を光カプラから入出力端に向けてテーパ状に広げ、ポリマー端の不連続点では光の大部分がＳｉ内に閉じ込められているようにするのが好ましい。
【００４６】
［第２の実施形態］
第２の実施形態のアサーマル・リング光変調器も、第１の実施形態と基本的な構成は同じであるが、第二のクラッドとして、ＰＵＡの代わりに屈折率が１．４９で熱光学係数が−１．８×１０−４／Ｋの一般的なポリマーを用いた。入出力導波路１とリング共振器２のＳｉメサの厚さは２２０ｎｍ、リング共振器外側のＳｉ半導体スラブ層１３ｂの厚さは２５ｎｍ、内側のＳｉ半導体スラブ層１３ａの厚さは７５ｎｍとした。ポリマーの熱光学係数の絶対値が小さいため、リング共振器を構成する光導波路のメサ幅を狭めても実効屈折率の温度係数が負になることはない。しかし、メサ幅を１５０〜１７０ｎｍに狭めれば、Δｎｅｆｆ／ΔＴの値を＋３．０×１０−６／Ｋ以下にできるので、実質的にアサーマル化可能である。
【００４７】
本実施形態のアサーマル・リング光変調器では、第１の実施形態より光の閉じ込めが弱いため、放射モードとの顕著な結合を抑えるために必要な最小半径は１６μｍであった。図８（ａ）に、半径２０μｍ、メサ幅１６０ｎｍの場合の電界プロファイルを示す。放射モードとの弱い結合が見られるが、影響は比較的軽微である。
【００４８】
比較のため、リング共振器内外のＳｉ半導体スラブ層厚がいずれも５０ｎｍの場合についても電界プロファイルを計算した。図８（ｂ）は、リング半径１００μｍ、メサ幅１５０ｎｍの場合の電界プロファイルである。リング共振器内外のＳｉ半導体スラブ層厚が同じだと、半径を１００μｍまで広げても、外側半導体スラブ層への顕著な結合があることがわかる。
【００４９】
本実施形態においても、第１の実施形態の場合と同様に、様々な変形、応用が可能である。例えば、リング外側の半導体スラブ厚２５ｎｍ、リング内側の半導体スラブ厚７５ｎｍの条件を同じにして、Ｓｉメサ厚を１６０ｎｍに減らし、導波路幅を２５０ｎｍに広げても、半径２０μｍ程度までの小径化が可能であった。このときの電界プロファイルを図８（ｃ）に示す。
【００５０】
リング外側の半導体スラブ厚を３５ｎｍ、リング内側の半導体スラブ厚を６５ｎｍと、半導体スラブ厚の差を縮めた場合、半径３０μｍ程度まで小径化可能であった。
【００５１】
以上、熱光学係数の絶対値がそれほど大きくないポリマーを用いた本実施形態のアサーマル・リング光変調器においても、リング共振器内外のＳｉ半導体スラブ層厚を同じにした場合と比べて、大幅に小径化可能である。なお、第２の実施形態のアサーマル・リング光変調器の変調効率は、アサーマル化していない光変調器の１／３程度である。
【符号の説明】
【００５２】
１…入出力導波路
２…リブ光導波路／リング共振器
３…光カプラ
４…電極
５…電極
１０…Ｓｉ基板
１１…第一のクラッド層
１２…トップＳｉ層
１３…半導体スラブ層
１５…第一導電型の領域
１６…第二導電性の領域
１７…第二のクラッド層
１８…配線金属
２１…ＳｉＯ２層
２２…レジスト
【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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