(57)【要約】  本発明は、基板と、基板上の位相変調部であって、第１のクラッド層と、第１のクラッド層上に積層され、第１のクラッド層よりも高い屈折率を有する半導体層と、半導体層上に積層され、半導体層よりも低い屈折率を有する第２のクラッド層とからなる光導波路と、第１の進行波電極と、第２の進行波電極とを含む、位相変調部とを含む光変調器であって、半導体層は、光導波路の光軸方向に形成され、光導波路のコアとなるリブ部と、リブ部の一方の脇に光軸方向に形成される第１のスラブ部と、リブ部の他方の脇に光軸方向に形成される、第２のスラブ部と、第１のスラブ部のリブ部の反対側に光軸方向に形成される、第３のスラブ部と、第２のスラブ部のリブ部の反対側に光軸方向に形成される、第４のスラブ部とを備え、第１のスラブ部は、リブ部及び第３のスラブ部よりも薄く形成され、第２のスラブ部は、リブ部及び第４のスラブ部よりも薄く形成される。
2016092829.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（４０１）と、
前記基板上の位相変調部（３１１）であって、第１のクラッド層（４０２）と、前記第１のクラッド層（４０２）上に積層され、前記第１のクラッド層（４０２）よりも高い屈折率を有する半導体層（４０３）と、前記半導体層（４０３）上に積層され、前記半導体層（４０３）よりも低い屈折率を有する第２のクラッド層（４０４）とからなる光導波路（３２３）と、第１の進行波電極（３２１）と、第２の進行波電極（３２２）とを含む、位相変調部（３１１）とを含む光変調器（３００）であって、
前記半導体層（４０３）は、
前記光導波路（３２３）の光軸方向に形成され、前記光導波路（３２３）のコアとなるリブ部（Ｃ０）と、
前記リブ部（Ｃ０）の一方の脇に前記光軸方向に形成される第１のスラブ部（Ｃ１）と、
前記リブ部（Ｃ０）の他方の脇に前記光軸方向に形成される、第２のスラブ部（Ｃ２）と、
前記第１のスラブ部（Ｃ１）の前記リブ部（Ｃ０）の反対側に前記光軸方向に形成される、第３のスラブ部（Ｃ３）と、
前記第２のスラブ部（Ｃ２）の前記リブ部（Ｃ０）の反対側に前記光軸方向に形成される、第４のスラブ部（Ｃ４）と
を備え、
前記第１のスラブ部（Ｃ１）は、前記リブ部（Ｃ０）及び前記第３のスラブ部（Ｃ３）よりも薄く形成され、
前記第２のスラブ部（Ｃ２）は、前記リブ部（Ｃ０）及び前記第４のスラブ部（Ｃ４）よりも薄く形成されることを特徴とする光変調器（３００）。
【請求項２】
前記リブ部（Ｃ０）の厚さをｔ０、前記第１のスラブ部（Ｃ１）の厚さをｔ１、前記第３のスラブ部（Ｃ３）の厚さをｔ３としたときに、厚さの関係が不等式ｔ０＞ｔ３＞ｔ１を満たし、前記第２のスラブ部（Ｃ２）の厚さをｔ２、前記第４のスラブ部（Ｃ４）の厚さをｔ４としたときに、厚さの関係が不等式ｔ０＞ｔ４＞ｔ２を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光変調器（３００）。
【請求項３】
前記厚さの関係が、更に不等式ｔ０／２＞ｔ１及び不等式ｔ０／２＞ｔ２を満たすことを特徴とする請求項２に記載の光変調器（３００）。
【請求項４】
前記第１の進行波電極（３２１）は、前記第３のスラブ部（Ｃ３）の、前記リブ部（Ｃ０）とは反対側の端部の上面に前記光軸方向に形成され、
前記第２の進行波電極（３２２）は、前記第４のスラブ部（Ｃ４）の、前記リブ部（Ｃ０）とは反対側の端部の上面に、前記光軸方向に形成される
ことを特徴とする請求項３に記載の光変調器（３００）。
【請求項５】
前記第３のスラブ部（Ｃ３）の前記第１のスラブ部（Ｃ１）と反対側の端部は、高濃度ｐ型半導体領域（４０３−３）であり、前記第４のスラブ部（Ｃ４）の前記第２のスラブ部（Ｃ２）と反対側の端部は、高濃度ｎ型半導体領域（４０３−４）であり、
前記第３のスラブ部（Ｃ３）の前記第１のスラブ部（Ｃ１）側、前記第１のスラブ部（Ｃ１）及び前記リブ部（Ｃ０）の前記第１のスラブ部（Ｃ１）側は、中濃度ｐ型半導体領域（４０３−１）であり、前記第４のスラブ部（Ｃ４）の前記第２のスラブ部（Ｃ２）側、前記第２のスラブ部（Ｃ２）及び前記リブ部（Ｃ０）の前記第２のスラブ部（Ｃ２）側は、中濃度ｎ型半導体領域（４０３−２）であることを特徴とする請求項４に記載の光変調器（３００）。
【請求項６】
前記中濃度ｐ型半導体領域（４０３−１）と、前記中濃度ｎ型半導体領域（４０３−２）との接合部は、ｐｎ接合構造であることを特徴とする請求項５に記載の光変調器。
【請求項７】
前記中濃度ｐ型半導体領域（４０３−１）と、前記中濃度ｎ型半導体領域（４０３−２）との接合部は、前記中濃度ｐ型半導体領域（４０３−１）と、前記中濃度ｎ型半導体領域（４０３−２）との間に、ドーピングされていないｉ型（真性）半導体領域をさらに挟んだｐｉｎ接合構造であることを特徴とする請求項５に記載の光変調器（３００）。
【請求項８】
前記第１のスラブ部（Ｃ１）をｗ１とし、前記第２のスラブ部（Ｃ２）の幅をｗ２としたときに、前記ｗ１の関係が、不等式６０ｎｍ＜ｗ１＜６００ｎｍを満たし、前記ｗ２の関係が、不等式６０ｎｍ＜ｗ２＜６００ｎｍを満たすことを特徴とする請求項３に記載の光変調器（３００）。
【請求項９】
前記位相変調部（３１１）と前記光変調器に形成されたリブ導波路との接続部において、前記位相変調部（３１１）の前記第１のスラブ部（Ｃ１）及び前記第２のスラブ部（Ｃ２）の領域の幅が前記位相変調器側に向かって徐々に狭くなることを特徴とする請求項２に記載の光変調器（３００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システムや光情報処理システムにおいて用いられる光変調器に関し、詳細には、低電圧で動作し、かつ、導波損失の小さいマッハツェンダ型光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
マッハツェンダ型（ＭＺ型）光変調器は、光導波路に入射した光を、光分岐器により２つの導波路に分岐し、分岐した光を一定の長さ伝播させた後に、光合波器により再度合波させる構造を持つ。２つに分岐した光導波路にはそれぞれ位相変調器が設けられ、それぞれの光導波路に伝搬する光の位相を変化させ、合波される光の干渉条件を変え、光の強度あるいは光の位相を変調させる。【０００３】
ＭＺ型光変調器の光導波路を構成する材料としては、ＬｉＮｂＯ3等の誘電体、ＩｎＰ、ＧａＡｓ及びＳｉ等の半導体が用いられ、光導波路近傍に配置された進行波電極によって光導波路に電圧を印加することで、光の位相を変化させる。光の位相を変化させる原理としては、ＬｉＮｂＯ3ではポッケルス効果が、ＩｎＰ及びＧａＡｓではポッケルス効果及び量子閉じ込めシュタルク効果（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｎｆｉｎｅｄ  Ｓｔａｒｋ  Ｅｆｆｅｃｔ：ＱＣＳＥ）が、Ｓｉではキャリアプラズマ効果が主に用いられる。【０００４】
高速で低消費電力な光通信を行うためには、変調速度が速く、駆動電圧の低い光変調器が必要となる。１０Ｇｂｐｓ以上の高速で、数ボルトの振幅電圧での光変調を行うためには、高速の電気信号と位相変調器の中を伝播する光の速度を整合させ、伝搬させながら相互作用を行うようにする進行波電極が必要となる。現在、進行波電極の電極長を数ミリメートルから数十ミリメートルにした光変調器が実用化されている（例えば非特許文献１）。進行波電極を使用した光変調器では、電気信号や導波路を伝播する光の強度を落とさずに伝搬することができるよう、低光損失で反射の少ない電極構造および光導波路構造が求められる。【０００５】
また、ＭＺ型光変調器には、光導波路をシリコンにより構成したシリコン光変調器がある。シリコン光変調器は、Ｓｉ基板の表面を熱酸化した酸化膜（ＢＯＸ）層上にＳｉの薄膜を張り付けたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板から、ＳＯＩ層を光が導波できるようＳｉの細線を加工した後、加工した細線がｐ型・ｎ型の半導体となるようドーパントを注入し、光のクラッド層となるＳｉＯ2の堆積、進行波電極の形成等を行い作製する。このとき、光の導波路は光損失が小さくなるように設計・加工する必要があり、加工した細線のｐ型・ｎ型のドーピング、及び進行波電極の作製は光の損失発生を小さく抑えるとともに、高速電気信号の反射や損失を小さく抑えるように設計・加工する必要がある。【０００６】
図１は、従来のＭＺ型光変調器１００の構成を示す上面透視図である。ＭＺ型光変調器１００は、シリコン光変調器であり、入力光導波路１０１と、入力光導波路１０１から入射した光を１：１に分岐する光分岐器１０２と、光分岐器１０２からの光が入射される光導波路１０３及び１０４とを備える。また、ＭＺ型光変調器１００は、光導波路１０３を伝搬する光の位相を変調する位相変調部１１１と、光導波路１０４を伝搬する光の位相を変調する位相変調部１１２と、位相変調部１１１からの光を伝搬する光導波路１０５と、位相変調部１１２からの光を伝搬する光導波路１０６とを備える。また、ＭＺ型光変調器１００は、光導波路１０５及び１０６からの位相が変調された光を合波する光合波器１０７と、光合波器１０７により合波された光を出射する出力光導波路１０８とを備える。【０００７】
位相変調部１１１は、ｘ軸方向に伸びる進行波電極１２１及び１２２と、光導波路１２３とを備え、進行波電極１２１及び１２２に電圧を印加することにより、光導波路１２３内を導波する光の位相を変化させる。また位相変調部１１２は、ｘ軸方向に伸びる進行波電極１２４及び１２５と、光導波路１２６とを備え、進行波電極１２４及び１２５に電圧を印加することにより、光導波路１２６内を導波する光の位相を変化させる。光導波路１２３及び１２６は、厚さに差があるリブ導波路と呼ばれる構造を有し、Ｓｉにより形成され、上下にＳｉＯ2クラッド層が形成されている。【０００８】
図２は、図１に記載の従来のＭＺ型光変調器１００の位相変調部１１１のII−IIにおける断面図である。図２は、位相変調部１１１の光の導波方向（ｘ軸方向）と垂直方向（ｙ−ｚ平面）の断面図であり、位相変調部１１１は、Ｓｉ基板２０１と、Ｓｉ基板上に形成された光導波路１２３とを備える。光導波路１２３は、Ｓｉ基板２０１上の第１のＳｉＯ2クラッド層２０２と、第１のＳｉＯ2クラッド層２０２上のＳｉ半導体層２０３と、Ｓｉ半導体層２０３上の第２のＳｉＯ2クラッド層２０４とを備える。Ｓｉ半導体層２０３の両脇は、第３のクラッド層２０５、２０６が形成されている。なお、位相変調部１１２についても、同一の構成を取っている。【０００９】
光導波路１２３は、リブ導波路の構造を取り、第１のＳｉＯ2クラッド層２０２と第２のＳｉＯ2クラッド層２０４との間に、光が導波するＳｉ半導体層２０３が挟まれている。Ｓｉ半導体層２０３は、光導波路１２３のコアとなる中央の厚いＳｉ半導体層領域であるリブ部Ａ０と、リブ部Ａ０の両脇に配置されてリブ部Ａ０よりも薄いＳｉ半導体層領域である第１のスラブ部Ａ１及び第２のスラブ部Ａ２を備える。光導波路１２３は、Ｓｉ半導体層２０３と、周囲の第１のＳｉＯ2クラッド層２０２及び第２のＳｉＯ2クラッド層２０４との屈折率差を利用して光を閉じ込める。【００１０】
また、進行波電極１２１は、Ｓｉ半導体層２０３の第１のスラブ部Ａ１のリブ部０と反対側の端部の上面にｘ軸方向に形成され、進行波電極１２２は、Ｓｉ半導体層２０３の第２のスラブ部Ａ２のリブ部Ａ０と反対側の端部の上面にｘ軸方向に形成される。【００１１】
Ｓｉ半導体層２０３は、Ｓｉにボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）などの原子がイオン注入などの方法によりドーピングされることにより、導電性を有する。ここで、Ｓｉ半導体層２０３は、ドーピング濃度の異なる４つの領域から構成されている。Ｓｉ半導体層２０３の第１のスラブ部Ａ１の、リブ部Ａ０と反対側の端部は、高濃度ｐ型半導体領域２０３−３となり、Ｓｉ半導体層２０３の第２のスラブ部Ａ２の、リブ部Ａ０と反対側の端部は、高濃度ｎ型半導体領域２０３−４となる。また、Ｓｉ半導体層２０３の第１のスラブ部Ａ１のリブ部Ａ０側と、リブ部Ａ０の第１のスラブ部Ａ１側とは、中濃度ｐ型半導体領域２０３−１となる。また、Ｓｉ半導体層２０３の第２のスラブ部Ａ２のリブ部Ａ０側と、リブ部Ａ０の第２のスラブ部Ａ２側とは、中濃度ｎ型半導体領域２０３−２となる。【００１２】
高濃度ｐ型半導体領域２０３−３と中濃度ｐ型半導体領域２０３−１との境界は接しており、高濃度ｎ型半導体領域２０３−４と中濃度ｎ型半導体領域２０３−２との境界も接している。これらの境界は重なり合ってドーピングがなされていても良い。また、リブ部Ａ０は、中濃度ｐ型半導体領域２０３−１と中濃度ｎ型半導体領域２０３−２とが接するｐｎ接合構造となる。また、他の例として中濃度ｐ型半導体領域２０３−１と中濃度ｎ型半導体領域２０３−２との間にｉ型（真性）半導体領域が挟まれたｐｉｎ接合構造としてもよい。【００１３】
進行波電極１２１は高濃度ｐ型半導体領域２０３−３に接続され、進行波電極１２２は高濃度ｎ型半導体領域２０３−４に接続される。進行波電極１２１及び１２２によりｐｎ接合部又はｐｉｎ接合部に逆バイアス電界を印加して、Ｓｉ半導体層２０３のリブ部Ａ０内部のキャリア密度を変化させ、Ｓｉ半導体層２０３の屈折率を変えることで（キャリアプラズマ効果）、光の位相を変調することができる。【００１４】
Ｓｉ半導体層２０３の寸法は、コア／クラッドとなる材料の屈折率に依存するため、一意には決定できない。ただし、１例を挙げると、一般的にＳｉ半導体層リブ部Ａ０と両側のスラブ部Ａ１及びＡ２を備えるリブ導波路構造を取った場合、光導波路１２３のコア幅（Ｓｉ半導体層２０３のリブ幅）４００〜６００ｎｍ×高さ１５０〜３００ｎｍ×スラブ厚５０〜２００ｎｍ×長さ数ｍｍ程度になる。【００１５】
また、光変調器は変調した光信号を長い距離伝送させるために、光損失が少ないことが求められる。光導波路内のｐ型・ｎ型にドーピングした導電性半導体層においては、電子・ホールなどのキャリアによって伝搬する光の一部が吸収されるため、光損失を抑えるためには一定値以下のキャリア濃度になるようドーピングの条件を設定する必要がある。ドーピングした領域のキャリア密度は、高濃度ｐ型半導体領域２０３−３（ｐ++）においてキャリア密度：約１０20［ｃｍ-3］、中濃度ｐ型半導体領域２０３−１（ｐ+）においてキャリア密度：約１０17-18［ｃｍ-3］、中濃度ｎ型半導体領域２０３−２（ｎ+）においてキャリア密度：約１０17-18［ｃｍ-3］、高濃度ｎ型半導体領域２０３−４（ｎ++）においてキャリア密度：約１０20［ｃｍ-3］程度となる。【００１６】
光は周囲のＳｉＯ2クラッド層２０２及び２０４よりも屈折率の高い、Ｓｉ半導体層２０３に閉じ込められ、図１のｘ軸正方向に伝搬する。高濃度ｐ型半導体領域２０３−３及び高濃度ｎ型半導体領域２０３−４は進行波電極との接触抵抗の少ない導通を確保するため、及びＳｉ半導体層２０３を構成する半導体層自体の電気抵抗を小さく抑えるために設けられている。一方、コアとなるリブ部Ａ０を構成する中濃度ｐ型半導体領域２０３−１及び中濃度ｎ型半導体領域２０３−２のキャリア濃度は、高濃度ｐ型半導体領域２０３−３及び高濃度ｎ型半導体領域２０３−４に比べて低く設定されている。ドーピングによって発生するキャリアが光を吸収するために、ドーピング濃度を低くして光損失を低減させなければならないからである。ドーピング濃度を低くすることによって、光導波路内の光損失は、ドーピングを行わないパッシブ光導波路が３ｄＢ／ｃｍであるのに対し、６ｄＢ／ｃｍ程度に抑えることができる。Ｓｉ半導体層２０３のリブ部Ａ０を伝播する光のフィールドは、リブ部Ａ０の領域より外側にも染み出て分布するため、高濃度ｐ型半導体領域２０３−３及び高濃度ｎ型半導体領域２０３−４をリブ部Ａ０に近づけて配置すると、光導波路１２３の光損失は増加する。従って、高濃度ｐ型半導体領域２０３−３及び高濃度ｎ型半導体領域２０３−４をリブ部Ａ０に近接させないように、高濃度ｐ型半導体領域２０３−３と高濃度ｎ型半導体領域２０３−４と間の距離ｗpnは、１６００ｎｍ以上とすることが望ましい。【００１７】
変調速度が速く、低光損失で、さらに駆動電圧が低い光変調器を実現するためには、導波路内の光の強度を落とさずに光を伝搬することができる低損失で反射の少ない光導波路構造を実現すること、動作周波数帯域を高周波化すること、および位相反転電圧Ｖπを下げることが必要である。【００１８】
ここで、ＭＺ型光変調器において、変調効率が、位相反転電圧Ｖπ×進行波（位相変調）電極の長さＬにより求められる。そうすると、変調効率を変えずに、進行波電極の長さＬを短くして位相変調部の光損失を小さくすると位相反転電圧Ｖπが大きくなり、駆動電圧が増加する。一方で、位相反転電圧Ｖπを小さくすると、進行波電極の長さＬが大きくなり、位相変調部の光損失が増加するというトレードオフの関係がある。このため、低光損失で駆動電圧が低い光変調器を実現するためには、進行波電極の長さＬが長くても高速動作を可能にすることが必要である。進行波電極の長さＬを長く設定することができると、位相反転電圧Ｖπを大きくする必要がなくなる。【００１９】
図１の従来のＭＺ型光変調器１００の光導波路１２３の光損失を抑えるためには、光導波路１２３のコアとなるＳｉ半導体層２０３のリブ部Ａ０に光を閉じ込めなければならない。リブ部Ａ０に光を閉じ込めるためには、リブ部Ａ０から光が染み出す部分であるリブ部Ａ０の脇の第１のスラブ部Ａ１及び第２のスラブ部Ａ２を薄くしたリブ構造を取る必要がある。そうすると、中濃度ｐ型半導体領域２０３−１及び中濃度ｎ型半導体領域２０３−２を厚くしてＳｉ半導体層２０３の抵抗値を下げることができず、位相反転電圧Ｖπを小さくすることができないという問題がある。【００２０】
また、前述の通りＳｉ半導体層２０３のリブ部Ａ０（光導波路のコア）付近のドーピング濃度は高濃度にすることができないため、Ｓｉ半導体層２０３を構成する半導体のｐｎ接合もしくはｐｉｎ接合部の電気的な抵抗値を大きく下げることができない。このため、Ｓｉ半導体層２０３の抵抗値が高周波電気信号の損失となり、ｐｉｎ接合部あるいはｐｎ接合部に印加する電圧が減衰するため、位相反転電圧Ｖπを小さくすることができないという問題もある。【００２１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、変調速度が速く、低光損失で、さらに駆動電圧が低いという要求を同時に実現することができるＭＺ型光変調器を提供することにある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】五井一宏，小田研二，日下裕幸，小川 憲介， Tsung-Yang Liow， Xiaoguang Tu， Guo-Qiang Lo， Dim-Lee Kwong，「Ｓｉ  Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒプッシュプル変調器の２０Ｇｂｐｓ二値位相変調特性」２０１２年電子情報通信学会ソサイエティ大会，Ｃ−３−５０，２０１２．
【発明の概要】
【００２３】
本発明の第１の態様は、基板と、前記基板上の位相変調部であって、第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に積層され、前記第１のクラッド層よりも高い屈折率を有する半導体層と、前記半導体層上に積層され、前記半導体層よりも低い屈折率を有する第２のクラッド層とからなる光導波路と、第１の進行波電極と、第２の進行波電極とを含む、位相変調部とを含む光変調器であって、前記半導体層は、前記光導波路の光軸方向に形成され、前記光導波路のコアとなるリブ部と、前記リブ部の一方の脇に前記光軸方向に形成される第１のスラブ部と、前記リブ部の他方の脇に前記光軸方向に形成される、第２のスラブ部と、前記第１のスラブ部の前記リブ部の反対側に前記光軸方向に形成される、第３のスラブ部と、前記第２のスラブ部の前記リブ部の反対側に前記光軸方向に形成される、第４のスラブ部とを備え、前記第１のスラブ部は、前記リブ部及び前記第３のスラブ部よりも薄く形成され、前記第２のスラブ部は、前記リブ部及び前記第４のスラブ部よりも薄く形成されることを特徴とする。
【００２４】
本発明に係る光変調器においては、半導体部分の電気的な抵抗値を大きく下げることができるため、高周波電気信号の損失が少なく、高速動作が可能となる。また、光導波路コアであるＳｉ半導体層からの光の漏れが少ないため、ドーピング領域のキャリアによる光吸収を抑えることができるとともに、高効率な光変調が可能である。このため、変調速度が速く、低光損失で、さらに駆動電圧が低いという要求を同時に実現することができる光変調器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来のＭＺ型光変調器の構成を示す上面図である。
【図２】従来のＭＺ型光変調器の位相変調部のII−IIにおける断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るＭＺ型光変調器の構成を示す上面図である。
【図４】図３のＭＺ型光変調器の位相変調部のIV−IVにおける断面図である。
【図５】図４に記載の光導波路の断面におけるリブ部及び第１〜第４のスラブ部の各寸法のパラメータを示す図である。
【図６】図４のＭＺ型光変調器を分布定数線路と見たときの等価回路を示す図である。
【図７】従来のＭＺ型光変調器の消光特性、実施例の通りの寸法により作成したＭＺ型光変調器の消光特性、及びｔ１＝ｔ２＝ｔ３＝ｔ４＝１５０ｎｍとして作成したＭＺ型光変調器の消光特性の関係を示す図である。
【図８Ａ】従来のＭＺ型光変調器と、実施例の通りに作成したＭＺ型光変調器との、変調器の電気の周波数特性の計算値の比較を示す図であり、反射信号の周波数特性を示している。
【図８Ｂ】従来のＭＺ型光変調器と、実施例の通りに作成したＭＺ型光変調器との、変調器の電気の周波数特性の計算値の比較を示す図であり、は透過信号の周波数特性を示している。
【図９Ａ】従来のＭＺ型光変調器の、ｐｎ接合部における電界強度分布の比較を示す図であり、従来のＭＺ型光変調器１００のｐｎ接合部における電界強度分布を示している
【図９Ｂ】実施例のＭＺ型光変調器との、ｐｎ接合部における電界強度分布の比較を示す図であり、本実施例のＭＺ型光変調器２００のｐｎ接合部における電界強度分布を示す。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係るＭＺ型光変調器の構成を示す上面透視図で、特に入力光導波路と位相変調部の光導波路との接続部分を示す図である。（ａ）は入力光導波路の光の導波方向と垂直方向の断面図、（ｂ）は入力光導波路と位相変調部の光導波路との接続部分の上面図、（ｃ）は位相変調部の光導波路の光の導波方向と垂直方向の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２７】
［第１の実施形態］
図３は、本発明の第１の実施形態に係るＭＺ型光変調器３００の構成を示す上面透視図である。ＭＺ型光変調器３００は、シリコン光変調器であり、入力光導波路３０１と、入力光導波路３０１から入射した光を１：１に分岐する光分岐器３０２と、光分岐器３０２からの光が入射される光導波路３０３及び３０４とを備える。また、ＭＺ型光変調器３００は、光導波路３０３を伝搬する光の位相を変調する位相変調部３１１と、光導波路３０４を伝搬する光の位相を変調する位相変調部３１２と、位相変調部３１１からの光を伝搬する光導波路３０５と、位相変調部３１２からの光を伝搬する光導波路３０６とを備える。また、ＭＺ型光変調器３００は、光導波路３０５及び３０６からの位相が変調された光を合波する光合波器３０７と、光合波器３０７により合波された光を出射する出力光導波路３０８とを備える。
【００２８】
位相変調部３１１は、ｘ軸方向に伸びる進行波電極３２１及び３２２と、光導波路３２３とを備え、進行波電極３２１及び３２２に電圧を印加することにより、光導波路３２３を導波する光の位相を変化させる。また位相変調部３１２は、ｘ軸方向に伸びる進行波電極３２４及び３２５と、光導波路３２６とを備え、進行波電極３２４及び３２５に電圧を印加することにより、光導波路３２６を導波する光の位相を変化させる。光導波路３２３，３２６は、光軸方向に形成された光導波路のコアとなるリブ部と、両脇に形成され、リブ部よりも薄いスラブ部とから構成されるＳｉ半導体層を有し、上下にＳｉＯ2クラッド層が形成されるリブ導波路と呼ばれる構造を有している。
【００２９】
図４は、図３のＭＺ型光変調器３００の位相変調部３１１のIV−IVにおける断面図である。図３は、位相変調部３１１の光の導波方向と垂直方向（ｙ−ｚ平面）の断面図であり、位相変調部３１１は、Ｓｉ基板４０１と、Ｓｉ基板上の光導波路３２３とを備える。光導波路３２３は、基板４０１上の第１のＳｉＯ2クラッド層４０２と、第１のクラッド層４０２上のＳｉ半導体層４０３と、Ｓｉ半導体層４０３上の第２のＳｉＯ2クラッド層４０４とを備える。また、Ｓｉ半導体層４０３の両脇は、第３のＳｉＯ2クラッド層４０５又は４０６が形成される。また、代替的に、この領域は、光導波層であるリブ部Ｃ０と同じ厚さのＳｉ半導体層により形成されていても良い。なお、位相変調部３１２についても、同一の構成を取っている。
【００３０】
光導波路３２３は、リブ導波路を更に変形した構造を取り、第１のＳｉＯ2クラッド層４０２と第２のＳｉＯ2クラッド層４０４との間に、光が導波するＳｉ半導体層４０３が挟まれている。Ｓｉ半導体層４０３は、コアとなる中央の厚いＳｉ半導体層領域であるリブ部Ｃ０を備える。また、Ｓｉ半導体層４０３は、リブ部Ｃ０の両脇に配置されてリブ部Ｃ０よりも薄いＳｉ半導体層領域である第１のスラブ部Ｃ１及び第２のスラブ部Ｃ２を備える。さらに、Ｓｉ半導体層４０３は、第１のスラブ部Ｃ１の、リブ部Ｃ０の反対側の端部に配置され、リブ部Ｃ０よりも薄く、隣接する第１のスラブ部Ｃ１よりも厚いＳｉ半導体層領域である第３のスラブ部Ｃ３と、第２のスラブ部Ｃ２の、リブ部Ｃ０の反対側の端部に配置され、リブ部Ｃ０よりも薄く、隣接する第２のスラブ部Ｃ２よりも厚いＳｉ半導体層領域である第４のスラブ部Ｃ４とを備える。
【００３１】
つまり、半導体層４０３は、光導波路３２３のコアとなるリブ部Ｃ０と、リブ部Ｃ０の一方の脇に形成される第３のスラブ部Ｃ３との間に第１のスラブ部Ｃ１が挿入され、前記リブ部Ｃ０の他方の脇に形成される第４のスラブ部Ｃ４との間に第２のスラブ部Ｃ２が挿入された構造であるということができる。
【００３２】
光導波路３２３は、Ｓｉ半導体層４０３と、周囲の第１のＳｉＯ2クラッド層４０２及び第２のＳｉＯ2クラッド層４０４との屈折率差を利用して光を閉じ込める。
【００３３】
また、進行波電極３２１は、Ｓｉ半導体層４０３の第３のスラブ部Ｃ３の第１のスラブ部Ｃ１と反対側の端部の上面にｘ軸方向に形成され、進行波電極３２２は、Ｓｉ半導体層４０３の第４のスラブ部Ｃ４の第２のスラブ部Ｃ２と反対側の端部の上面にｘ軸方向に形成される。
【００３４】
Ｓｉ半導体層４０３は、Ｓｉにボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）などの原子がイオン注入などの方法によりドーピングされることにより、導電性を有する。ここで、Ｓｉ半導体層４０３は、ドーピング濃度の異なる５つの領域から構成されている。Ｓｉ半導体層４０３の第３のスラブ部Ｃ３の、第１のスラブ部Ｃ１と反対側の端部は、高濃度ｐ型半導体領域４０３−３となり、Ｓｉ半導体層４０３の第４のスラブ部Ｃ４の、第２のスラブ部Ｃ２と反対側の端部は、高濃度ｎ型半導体領域４０３−４となる。また、Ｓｉ半導体層４０３の第３のスラブ部Ｃ３の第１のスラブ部Ｃ１側と、第１のスラブ部Ｃ１と、リブ部Ｃ０の第１のスラブ部Ｃ１側とは、中濃度ｐ型半導体領域４０３−１となる。また、Ｓｉ半導体層４０３の第４のスラブ部Ｃ４の第２のスラブ部Ｃ２側と、第２のスラブ部Ｃ２と、リブ部Ｃ０の第２のスラブ部Ｃ２側とは、中濃度ｎ型半導体領域４０３−２となる。
【００３５】
高濃度ｐ型半導体領域４０３−３と中濃度ｐ型半導体領域４０３−１との境界は接しており、高濃度ｎ型半導体領域４０３−４と中濃度ｎ型半導体領域４０３−２との境界も接している。これらの境界は重なり合ってドーピングがなされていても良い。また、リブ部Ｃ０は、中濃度ｐ型半導体領域４０３−１と中濃度ｎ型半導体領域４０３−２とが接するｐｎ接合構造となる。また、他の例として中濃度ｐ型半導体領域４０３−１と中濃度ｎ型半導体領域４０３−２との間にｉ型（真性）半導体領域が挟まれたｐｉｎ接合構造としてもよい。
【００３６】
リブ部Ｃ０のｐｎ接合部又はｐｉｎ接合部において、逆バイアス電界を印加することにより、光導波路３２３のコア（Ｓｉ半導体層４０３のリブ部Ｃ０）内部のキャリア密度が変化し、光導波路の屈折率が変わることで（キャリアプラズマ効果）、光の位相が変調される。
【００３７】
次に、図４に記載のＳｉ半導体層４０３の断面におけるリブ部及び第１〜第４のスラブ部の各寸法の決定方法について説明する。図５は、図４に記載のＳｉ半導体層４０３の断面におけるリブ部及び第１〜第４のスラブ部の各寸法のパラメータを示す図である。ここで、リブ部Ｃ０の厚さはｔ０、第１のスラブ部Ｃ１の厚はｔ１、第２のスラブ部Ｃ２の厚はｔ２、第３のスラブ部Ｃ３の厚さはｔ３、第４のスラブ部Ｃ４の厚さはｔ４とする。また、リブ部Ｃ０の幅はｗ０、第１のスラブ部Ｃ１の幅はｗ１、第２のスラブ部Ｃ２の幅はｗ２、第３のスラブ部Ｃ３の幅はｗ３、第４のスラブ部Ｃ４の幅はｗ４とする。
【００３８】
まず、リブ部Ｃ０の厚さｔ０と、第１のスラブ部Ｃ１の厚さｔ１と、第２のスラブ部Ｃ２の厚さｔ２と、第３のスラブ部Ｃ３の厚さｔ３と、第４のスラブ部Ｃ４の厚さｔ４について説明する。光導波路３２３において、光は光導波路３２３のコアとなるＳｉ半導体層４０３のリブ部Ｃ０内に閉じ込められる。ここで、リブ部Ｃ０に近接して同等の実効屈折率又はより高い実効屈折率のＳｉ半導体層である第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４があると、モード結合を起こし、一定の伝播長でリブ部Ｃ０に近接した第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４に乗り移っていく。このため、リブ部Ｃ０に近接する第３のスラブ部３及び第４のスラブ部Ｃ４に乗り移った光は変調器の光損失の原因となる。また、第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４に乗り移った光が、リブ部Ｃ０と、第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４との間で行き来を繰り返し、伝搬する波長によって損失が変動する。このような光の損失を防ぐには、以下の３つの方法が考えられる。
【００３９】
まず第１の方法は、リブ部Ｃ０に第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４を近接させないことである。第２の方法は、第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４の、リブ部Ｃ０に近接している部分の長さを短く抑えることである。第３の方法は、リブ部Ｃ０に近接した第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４の実効屈折率を、光が伝搬しているリブ部Ｃ０の実効屈折率よりも小さくすることである。以下、３つの方法について検討する。
【００４０】
第１の方法のリブ部Ｃ０に第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４を近接させないことについて検討する。リブ部Ｃ０に第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４を近接させないためには、第１のスラブ部Ｃ１の幅ｗ１及び第２のスラブ部Ｃ２の幅ｗ２を大きくとる方法があるが、ｗ１が大きいほど中濃度ｐ型半導体領域４０３−１の断面積が小さくなり、また、ｗ２が大きいほど中濃度ｎ型半導体領域４０３−２の断面積が小さくなり、Ｓｉ半導体層４０３の抵抗が高くなる。従って、図１に記載の従来のＭＺ型光変調器１００の構造と変わらなくなるため、高速な周波数での動作が難しくなる。よって、本発明においてこの方法は採用できない。
【００４１】
第２の方法の第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４の、リブ部Ｃ０に近接している部分の長さを短く抑えることについて検討する。Ｓｉ半導体層４０３において、第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４のリブ部Ｃ０に近接している部分を短くするためには、第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４の長さを短くする、つまり、位相変調部３１１の全体の長さを短くする必要がある。位相変調部３１１の長さを短くすることにより、モード結合を抑制することができる。しかし、この場合進行波電極の長さＬも短くしなければならない。そうすると、変調効率はＶπＬで決定されることから、変調効率を一定にするために位相反転電圧Ｖπを大きくする必要がある。この場合、ＭＺ型光変調器３００を低消費電力で駆動することができず、本実施形態において採用が困難である。
【００４２】
第３の方法のリブ部Ｃ０に近接した第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４の実効屈折率を、光が伝搬しているリブ部Ｃ０の実効屈折率よりも小さくすることについて検討する。リブ部Ｃ０に近接した第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４の実効屈折率を、光が伝搬しているリブ部Ｃ０の実効屈折率よりも小さくするためには、近接した第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４の厚さを薄くして、Ｓｉ半導体層４０３の上下の第１のクラッド層４０２及び第２のクラッド層４０４に光が染み出るようにすることで実現できる。
【００４３】
本実施形態では、ｔ０、ｔ１及びｔ３の関係を、不等式ｔ０＞ｔ３＞ｔ１を満たすようにする。ｔ０、ｔ１及びｔ３がこの不等式を満たすことにより、第３のスラブ部Ｃ３を伝播する光の実効屈折率を、リブ部Ｃ０を伝播する光の実効屈折率より小さくすることができる。また、ｔ０、ｔ２及びｔ４の関係を、不等式ｔ０＞ｔ４＞ｔ２を満たすようにする。ｔ０、ｔ２及びｔ４がこの不等式を満たすことにより、第４のスラブ部Ｃ４を伝播する光の実効屈折率を、リブ部Ｃ０を伝播する光の実効屈折率より小さくすることができる。従って、リブ部Ｃ０と第３のスラブ部Ｃ３又は第４のスラブ部Ｃ４とが近接していても、光が第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４側へ移ることなく、光損失を抑えることができる。ここで、ｔ１とｔ２とは、同一の値であっても異なる値であってもよく、また、ｔ３とｔ４とは、同一の値であっても異なる値であってもよい。さらに、ｗ１とｗ２とは、同一の値であっても異なる値であってもよく、また、ｗ３とｗ４とは、同一の値であっても異なる値であってもよい。
【００４４】
また、本実施形態においても、図１に記載の従来のＭＺ型光変調器１００と同じく、高濃度ｐ型半導体領域４０３−３上に進行波電極３２１を、高濃度ｎ型半導体領域４０３−４上に進行波電極３２２を接続し、進行波電極３２１及び３２２によりｐｎ接合部又はｐｉｎ接合部に逆バイアス電界を印加する。電圧の印加により、光導波路３２３のコアとなるＳｉ半導体層４０３のリブ部Ｃ０内部のキャリア密度を変化させ（キャリアプラズマ効果）、Ｓｉ半導体層４０３の屈折率を変えることで、光の位相を変調する。本実施形態の光の位相の変調において、高速変調を行うことを可能にするためには、ＭＺ型光変調器３００の進行波電極３２１及び３２２を、高周波電気信号が数ｍｍの長さにわたって伝播することのできる進行波電極とする必要がある。ここで、図６は、図４のＭＺ型光変調器３００を分布定数線路と見たときの等価回路を示す図である。ｐｎ接合部（又はｐｉｎ接合部）は容量Ｃであり、進行波電極３２１からｐｎ接合部（又はｐｉｎ接合部）までを抵抗Ｒ１、進行波電極３２２からｐｎ接合部（又はｐｉｎ接合部）までを抵抗Ｒ２として、Ｒ１−Ｃ−Ｒ２の直列回路として記述できる。この直列回路において、減衰の少ない進行波電極を実現するためには、抵抗Ｒ１及びＲ２の抵抗値を小さくする必要がある。ここで、抵抗値は、キャリア濃度の少ない中濃度ｐ型半導体領域４０３−１及び中濃度ｎ型半導体領域４０３−２に依存する。
【００４５】
抵抗Ｒ１及びＲ２の抵抗値を下げるためには、以下の２つの方法が考えられる。まず、第１に、中濃度ｐ型半導体領域４０３−１及び中濃度ｎ型半導体領域４０３−２のドーピング濃度を上げ、キャリア密度を増大させるという方法がある。第２に、リブ部Ｃ０の両脇の第１のスラブ部Ｃ１及び第２のスラブ部Ｃ２を厚くする、という方法がある。
【００４６】
まず、第１の方法について検討する。中濃度ｐ型半導体領域４０３−１及び中濃度ｎ型半導体領域４０３−２のドーピング濃度を上げることは、光導波路３２３のコアとなるＳｉ半導体層４０３のリブ部Ｃ０のドーピング濃度を上げることになる。この場合、Ｓｉ半導体層４０３のリブ部Ｃ０のドーピング領域において、キャリアによる光吸収が大きくなるため、光導波路３２３の光損失を抑えることができない。したがって、第１の方法は本実施形態において適切でない。
【００４７】
次に、第２の方法について検討する。本実施形態では、第１のスラブ部Ｃ１及び第２のスラブ部Ｃ２の更に外側に、第１のスラブ部Ｃ１及び第２のスラブ部Ｃ２より厚い第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４を設けている。第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４を設けることにより中濃度ｐ型半導体領域４０３−１及び中濃度ｎ型半導体領域４０３−２の断面積を大きくする。そうすると抵抗Ｒ１及びＲ２の抵抗値が下げることができる。このとき高濃度ｐ型半導体領域４０３−３と高濃度ｎ型半導体領域４０３−４との間の領域の距離ｗpn内の光導波路を可能な範囲で広く、厚くするとより効果が得られる。
【００４８】
一方、第１のスラブ部Ｃ１及び第２のスラブ部Ｃ２の厚さを、リブ部Ｃ０の厚さに近づけると、第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４への光のフィールドの染み出しが大きくなり、高濃度ｐ型半導体領域４０３−３又は高濃度ｎ型半導体領域４０３−４に光のフィールドがかかり、光導波の損失の増加となる。さらに、キャリアプラズマ効果を受け屈折率が変わる領域に存在する光のフィールドが少なくなるため、変調効率の劣化にもつながる。このため、第１のスラブ部Ｃ１の厚さｔ１及び第２のスラブ部Ｃ２の厚さｔ２はリブ部Ｃ０の厚さｔ０の半分以下、すなわち不等式ｔ０／２＞ｔ１、及び不等式ｔ０／２＞ｔ２を満たすことが望ましい。
【００４９】
さらに、高濃度ｐ型ドーピング領域４０３−３及び高濃度ｎ型ドーピング領域４０３−４は十分なキャリア濃度があり、抵抗率が低いため、ｔ１及びｔ２が上述の不等式を満たす厚さであっても抵抗値の増加はほとんど変調器の特性に影響しない。このため、高濃度ｐ型半導体領域４０３−３と中濃度ｐ型半導体領域４０３−１との境界、及び高濃度ｎ型半導体領域４０３−４と中濃度ｎ型半導体領域４０３−２との境界は、第１のスラブ部Ｃ１及び第２のスラブ部Ｃ２の外側に形成される厚さｔ３の第３のスラブ部Ｃ３及び厚さｔ４の第４のスラブ部Ｃ４の領域内にそれぞれ位置することが発明の効果が最も得られて望ましい。
【００５０】
次に、リブ部Ｃ０の幅ｗ０、第１のスラブ部Ｃ１の幅ｗ１、第２のスラブ部Ｃ２の幅ｗ２、第３のスラブ部Ｃ３の幅ｗ３、第４のスラブ部Ｃ４の幅ｗ４について説明する。本実施形態において、前述の通り第１のスラブ部Ｃ１の幅ｗ１及び第２のスラブ部Ｃ２の幅ｗ２はできる限り小さくした方がより効果が得られる。しかし、ＭＺ型光変調器３００の作製時のフォトマスクの合わせ精度は±６０ｎｍ程度であるため、ｗ１及びｗ２の幅を６０ｎｍ以下としてしまうと、作製時のばらつきによりｗ１及びｗ２が形成されないことが考えられる。そうすると、リブ部Ｃ０の隣が、リブ部Ｃ０の次に厚い第３のスラブ部Ｃ３及び第２のスラブ部Ｃ４となるため、光のフィールドが大きくリブ部Ｃ０からはみ出し、光損失の増加や変調効率の低下が起こる。一方、ｗ１及びｗ２が大きいと、図１に示す従来のＭＺ型光変調器１００の構造に近づき、本発明の効果が小さくなる。ここで、表１に、図５のＭＺ型光変調器３００のｗ１及びｗ２の値を変化させたときの位相変調部の電界強度、従来のＭＺ型光変調器１００（図１）と比較したＭＺ型光変調器３００の電界強度の増加率、ＭＺ型光変調器３００の高周波信号の減衰定数αの計算値を示す。なお、表１の例は、変調周波数１０ＧＨｚのときの計算値を示している。
【００５１】
【表１】
2016092829.tif 000003
【００５２】
電界強度は、従来のＭＺ型光変調器１００に比べ、ｗ１（ｗ２）が２００ｎｍのときは２５．６％、ｗ１（ｗ２）が４００ｎｍのときは１６．２％増大しているが、ｗ１（ｗ２）が１０００ｎｍのときは１．１％しか増大しておらず、ほとんど効果が得られない。よって、ｗ１の値は不等式６０ｎｍ＜ｗ１（ｗ２）＜６００ｎｍを満たす値であることが発明の効果が最も得られて望ましい。
【００５３】
また、第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４の外側は、光導波層であるリブ部Ｃ０と同じ厚さのＳｉ半導体層とすることもできる。この場合、光が導波するリブ部Ｃ０に接近した領域で同じ厚さのＳｉ半導体層が存在すると、リブ部Ｃ０を伝播する光が近接する同じ厚さのＳｉ半導体層に漏れてしまうため、第３のスラブ部Ｃ３の幅ｗ３及び第４のスラブ部Ｃ４の幅ｗ４は、リブ部Ｃ０が外側のＳｉ半導体層に近接しないように２００ｎｍ以上とする必要がある。
【００５４】
［実施例］
上述の通り算出したリブ部Ｃ０の厚さｔ０、第１のスラブ部Ｃ１の厚さｔ１、第２のスラブ部Ｃ２の厚さｔ２、第３のスラブ部Ｃ３の厚さｔ３、及び第４のスラブ部Ｃ４の厚さｔ４、リブ部Ｃ０の幅ｗ０、第１のスラブ部Ｃ１の幅ｗ１、第２のスラブ部Ｃ２の幅ｗ２、第３のスラブ部Ｃ３の幅ｗ３、第４のスラブ部Ｃ４幅ｗ４から、一例として、以下の通りＭＺ型光変調器３００のＳｉ半導体層４０３の断面構造のサイズを作成した。また、ドーピング濃度については以下の通りとしている。
【００５５】
リブ部Ｃ０
ｔ０＝２２０ｎｍ  ｗ０＝５００ｎｍ
第１のスラブ部Ｃ１
ｔ１＝８０ｎｍ    ｗ１＝１００ｎｍ
第２のスラブ部Ｃ２
ｔ２＝８０ｎｍ    ｗ２＝１００ｎｍ
第３のスラブ部Ｃ３
ｔ３＝１５０ｎｍ  ｗ３＞２００ｎｍ
第４のスラブ部Ｃ４
ｔ４＝１５０ｎｍ  ｗ４＞２００ｎｍ
高濃度ｐ型半導体領域４０３−３
ｐ++：１×１０20  ｃｍ-3
高濃度ｎ型半導体領域４０３−４
ｎ++：１×１０20  ｃｍ-3
中濃度ｐ型半導体領域４０３−１
ｐ+  ：２．７×１０17  ｃｍ-3
中濃度ｎ型半導体領域４０３−２
ｎ+  ：        ３．０×１０17  ｃｍ-3
図７は、従来のＭＺ型光変調器１００（図１）の消光特性、本実施例の通りの寸法により作成したＭＺ型光変調器３００の消光特性、及びｔ１＝ｔ２＝ｔ３＝ｔ４＝１５０ｎｍとして作成したＭＺ型光変調器の消光特性の関係を示す図である。図７において、従来のＭＺ型光変調器１００の消光特性は、曲線７０１により、本実施例の通りの寸法により作成したＭＺ型光変調器３００の消光特性は、曲線７０２により、及びｔ１＝ｔ２＝ｔ３＝ｔ４＝１５０ｎｍとして作成したＭＺ型光変調器の消光特性は、曲線７０３により示している。ＭＺ型光変調器の位相変調部に電圧を印加すると、ＭＺ干渉系内の２本の光導波路を伝播する光の位相が変化し、一旦光強度が減少した後、位相が反転した光が出力される特性が見られる。ｔ１＝ｔ２＝ｔ３＝ｔ４＝１５０ｎｍとして作成したＭＺ型光変調器の消光特性（曲線７０１）は、光のフィールドがコアとなるリブ部からはみ出しているため、光損失が大きい。また、キャリアプラズマ効果を受け屈折率が変わる領域に存在する光のフィールドが少なくなるため、変調効率が劣化していることもわかる。このため、厚さｔ０、ｔ１及びｔ３の関係は、本実施例のように不等式ｔ０＞ｔ３＞ｔ１を満たすとともに、ｔ０／２＞ｔ１の関係を満たすことが望ましいことがわかる。また、厚さｔ０、ｔ２及びｔ４の関係についても、本実施例のように不等式ｔ０＞ｔ４＞ｔ２を満たすとともに、ｔ０／２＞ｔ４の関係を満たすことが望ましいことがわかる。
【００５６】
図８は、従来のＭＺ型光変調器１００と、本実施例の通りに作成したＭＺ型光変調器３００との、変調器の電気の周波数特性（Ｓ−ｐａｒａｍｅｔｅｒ）の計算値の比較を示す図である。図８Ａは反射信号（Ｓ１１）の周波数特性を示し、図８Ｂは透過信号（Ｓ２１）の周波数特性を示している。ここで、図８Ａにおいて、従来のＭＺ型光変調器１００の反射信号（Ｓ１１）の周波数特性は曲線８０１により、本実施例のＭＺ型光変調器３００の反射信号（Ｓ１１）の周波数特性は曲線８０２により示している。また、従来のＭＺ型光変調器１００の透過信号（Ｓ２１）の周波数特性は曲線８０３により、本実施例のＭＺ型光変調器３００の透過信号（Ｓ２１）の周波数特性は曲線８０４により示している。本実施例のＭＺ型光変調器３００においては、進行波電極での高周波電気信号の損失が小さいため、透過信号（Ｓ２１）の減衰が小さく、６ｄＢで規定される周波数帯域が１８ＧＨｚと従来のＭＺ型光変調器１００の１６ＧＨｚより大きくなっていることがわかる。
【００５７】
図９は、従来のＭＺ型光変調器１００と、本実施例のＭＺ型光変調器３００との、ｐｎ接合部における電界強度分布の比較を示す図である。図９Ａは、従来のＭＺ型光変調器１００のＳｉ半導体層２０３内のｐｎ接合部における電界強度分布を示し、図９Ｂは、本実施例のＭＺ型光変調器３００のＳｉ半導体層４０３内のｐｎ接合部における電界強度分布を示す。変調周波数１０ＧＨｚのとき、本実施例のＳｉ半導体層４０３内のｐｎ接合部での電界強度は、従来のＳｉ半導体層２０３内のｐｎ接合部での電界強度に比べ２５．６％大きくなっており、高周波信号の減衰定数αも、６７．１Ｎｐ／ｍと従来構造の８５．５Ｎｐ／ｍに比べ小さくなっている。図８及び図９の結果により、本発明において高周波信号の損失が少ない良好なＳｉ光変調器が実現できることがわかる。
【００５８】
［第２の実施形態］
図１０は、本発明の第２の実施形態に係るＭＺ型光変調器１０００の構成を示す上面透視図で、特に光導波路１００３と位相変調部１０１１の光導波路１０２３との接続部分を示している。図１０（ａ）は光導波路１００３の光の導波方向（ｘ軸方向）と垂直方向の断面図、図１０（ｂ）は光導波路１００３と位相変調部１０１１の光導波路１０２３との接続部分の上面透視図、図１０（ｃ）は位相変調部１０１１の光導波路１０２３の光の導波方向（ｘ軸方向）と垂直方向の断面図である。第２の実施形態に係るＭＺ型光変調器１０００は、第１の実施形態のＭＺ型光変調器３００において、光導波路３０３と位相変調部３１１の光導波路３２３との接続部分を、図１０（ｂ）の構成にしたものである。接続部分において、入射側の光導波路１００３と位相変調部１０１１の光導波路１０２３とが接続されており、入射側の光導波路１００３は、第１の実施形態の導波路３０３に、位相変調部１０１１は位相変調部３１１に、光導波路１０２３は光導波路３２３に対応する。なお、光導波路１００３は、リブ部Ｃ０と、第１のスラブ部Ｃ１及び第２のスラブ部Ｃ２とから構成されている。
【００５９】
接続部分において、光の導波方向に従って、第１のスラブ部Ｃ１の領域の幅が徐々に狭くなり、幅ｗ１になる。同様に、第２のスラブ部Ｃ２の領域の幅が徐々に狭くなり、幅ｗ２になる。接続部分をこのような構造にすることにより、リブ導波路１００３と位相変調部１０１１の光導波路１０２３との光のモードフィールドを緩やかに変化させ、損失の少ない導波路接続部とすることができる。光のフィールドは、位相変調部、光導波路ともに、リブ部Ｃ０からはみ出した領域に存在している。このため、光導波路を伝播する光の実効屈折率は、リブ部Ｃ０から離れた場所にある第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４の屈折率の影響も受けている。第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４を徐々にリブ部Ｃ０に近づけることによって、実効屈折率の急激な変化を防止し、反射損失や散乱損失を小さく抑えることできる。
【００６０】
第３のスラブ部Ｃ３及び第４のスラブ部Ｃ４の近づけ方は、伝播長Ｌが１０μｍに対して１μｍ近づけるなど、光の波長に対して十分に長い長さＬに対して、１０％以下の長さの割合で近づけることが望ましい。
【符号の説明】
【００６１】
１００、３００  ＭＺ型位相変調器
１０１、１０３、１０４、１０５、１０６、１０８、１２３、３０１、３０３、３０４、３０５、３０６、３０８、３２３  光導波路
１０２、３０２  光分岐器
１０７、３０７  光合波器
１１１、１１２、３１１、３１２  位相変調部
１２１、１２２、１２４、１２５、３２１、３２２、３２４、３２５  進行波電極
２０１、４０１  Ｓｉ基板
２０２、２０４、２０５、２０６、４０２、４０４、４０５、４０６  ＳｉＯ2クラッド層
２０３、４０３  Ｓｉ半導体層
２０３−３、４０３−３  高濃度ｐ型半導体領域
２０３−４、４０３−４  高濃度ｎ型半導体領域
２０３−１、４０３−１  中濃度ｐ型半導体領域
２０３−２、４０３−２  中濃度ｎ型半導体領域
Ａ０、Ｃ０  リブ部
Ａ１〜Ａ２、Ｃ１〜Ｃ４  スラブ部
Ｃ  容量
Ｒ１、Ｒ２  抵抗
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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