(57)【要約】【課題】　半導体導波路において、波長選択性を高め、選択波長の光信号の強度変調時の誘起損失を小さくする。【解決手段】　光変調器は、シリカ基板(１)上に設けられたシリコン導波路(２)を組み込んでいるプレーナ型光波回路により構成される。シリコン導波路の内部には共振キャビティ(５)が形成されている。共振キャビティ(５)は、フォトニックバンドギャップデバイスを画成する孔の周期アレイとして、便宜よく実現できる。導波路はフォトニック結晶導波路とすることもできる。共振キャビティ(５)のＱ値、したがって伝送特性、をＭＯＳ効果によるかまたはｐ−ｎ接合の空乏領域の幅の変化によって変えるため、共振キャビティ(５)に電場が印加される。制御ユニット(１０)が共振キャビティ(５)に印加される電圧を制御し、よって、キャビティ(５)の単一または複数の共振周波数における光の変調を制御する。【選択図】　図３
2004126582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　光信号の変調方法において、
　前記光信号の光路を画成する導波路(２)を提供する工程、
　前記光路に共振キャビティ(５)を設ける工程、及び
　前記光路内を伝搬する選択された周波数の光の伝送度を制御するために、前記共振キャビティ(５)の伝送特性を変える工程、
を含むことを特徴とする変調方法。
【請求項２】
　前記導波路を提供する工程が、フォトニック結晶導波路、内部全反射導波路、及びフォトニック結晶導波路の原理と内部全反射導波路の原理が複合されている導波路からなる群から選ばれる導波路(２)を提供する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の変調方法。
【請求項３】
　前記共振キャビティを設ける工程が、前記導波路にフォトニックバンドギャップデバイスを画成する複数の孔を設ける工程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の変調方法。
【請求項４】
　前記導波路を提供する工程が、シリカ(ＳｉＯ２)でクラッドしたシリコン(Ｓｉ)コア層を有する導波路を提供する工程を含むことを特徴とする請求項１，２または３に記載の変調方法。
【請求項５】
　前記伝送特性を変える工程が、ＭＯＳ効果を生じさせて、前記共振キャビティ(５)のＱ値を変えるために、前記共振キャビティ(５)に電場を印加する工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
　前記共振キャビティにおいて前記導波路にｐ−ｎ接合を設ける工程を含み、前記伝送特性を変える工程が前記共振キャビティ(５)のＱ値を変えるために前記ｐ−ｎ接合にバイアス電場を印加する工程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の変調方法。
【請求項７】
　光信号変調器において、
　光信号の光路を画成する導波路(２)、
　前記光路にある共振キャビティ(５)、及び
　前記光路を伝搬する選択された周波数の光の伝送度を制御するために前記共振キャビティの伝送特性を変えるための制御ユニット(１０)、
を備えることを特徴とする光信号変調器。
【請求項８】
　前記導波路(２)が、フォトニック結晶導波路、内部全反射導波路、及びフォトニック結晶導波路の原理と内部全反射導波路の原理が複合されている導波路からなる群から選ばれることを特徴とする請求項７に記載の光信号変調器。
【請求項９】
　前記共振キャビティ(５)が、前記導波路にフォトニックバンドギャップデバイスを画成する複数の孔を含むことを特徴とする請求項７または８に記載の光信号変調器。
【請求項１０】
　前記導波路が、シリカ(ＳｉＯ２)でクラッドしたシリコン(Ｓｉ)コア層を有することを特徴とする請求項７，８または９に記載の光信号変調器。
【請求項１１】
　前記制御ユニットが、使用において、ＭＯＳ効果を生じさせて、前記共振キャビティ(５)のＱ値を変えるために、前記共振キャビティ(５)に電場を印加するように適合されていることを特徴とする請求項１０に記載の光信号変調器。
【請求項１２】
　前記共振キャビティにおいて前記導波路に設けられたｐ−ｎ接合を備え、前記制御ユニットが、使用時に、前記共振キャビティ(５)のＱ値を変えるために前記ｐ−ｎ接合にバイアス電場を印加するように適合されていることを特徴とする請求項７または８に記載の光信号変調器。
【請求項１３】
　光路を画成するプレーナ型シリコン導波路において、前記導波路が前記光路に形成された共振キャビティ(５)を有することを特徴とするプレーナ型シリコン導波路。
【請求項１４】
　前記共振キャビティ(５)がフォトニックバンドギャップデバイスにより構成されていることを特徴とする請求項１３に記載のプレーナ型シリコン導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、光信号の強度変調及びスイッチングの分野に関する。さらに詳しくは、本発明は光強度変調方法及びこの方法を実施するデバイスに関する。
【０００２】
　本明細書で称される“変調”または“強度変調”が、信号が消滅するような程度までの変調を含むこと、言い換えれば、“変調”という表現がスイッチング機能を包含すると理解されたい。また、“導波路”という表現が光を搬送するあらゆる構造も含み、したがって“導波路”は光波光回路導波路及び光ファイバに限定されるものではない。
【背景技術】
【０００３】
　マルチメディア情報の伝送に使用される広帯域通信システムは増加の一途をたどっている。そのようなシステムで実施される重要な機能は光信号の強度変調及びスイッチングである。
【０００４】
　シリコン導波路内で伝搬する光信号に電気−光吸収変調を施すものなど、様々な光変調及びスイッチング技法が知られている。自由電荷キャリアの存在がシリコン、実際には半導体一般、の屈折率及び損失係数(光吸収)の両方を変化させることは周知である。図１は、自由キャリア濃度の１×１０１５/ｃｍ３から１×１０１８/ｃｍ３までの増加にともない、シリコンの屈折率がどのように変化するかを示す。図２は、自由キャリア濃度の５×１０１６/ｃｍ３から８.５×１０１７/ｃｍ３までの増加にともない、シリコンの光損失がどのように変化するかを示す。いずれの場合にも、キャリア濃度が１０１７/ｃｍ３に達し、これをこえない限り、キャリア濃度増加の効果は顕著にならない。このレベルより高いキャリア濃度の場合、屈折率の変化及び光損失の変化はいずれもキャリア濃度の変化に比例する。しかし、シリコン導波路の電気−光吸収に基づく既知の変調器は波長選択性が劣り、この変調法は導波路全体に比較的高い損失を招く。
【非特許文献１】ジェイ・ディー・ジョアノポウロス(J. D. Joannopoulos)、アール・ミーデ(R. Meade)及びジェイ・エヌ・ウィン(J. N. Winn)著の書籍，「光流をモデル化するフォトニック結晶」，プリンストン大学出版(Princeton University Press)，１９９５年
【非特許文献２】オー・ぺインター(O. Painter)、ジェイ・バコビック(J. Vuckovic)及びエイ・シェラー(A. Scherer)著，「光学的薄誘電体スラブにおける２次元フォトニック結晶の欠陥モデル」，ジャーナル・オブ・・ジ・オプティカル・ソサエティ・オブ・アメリカ(Journal of the Optical Society of America)Ｂ，第１６巻，第２号，１９９９年２月，ｐ.２７５−２８５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
　本発明の好ましい実施態様は、改善された光信号強度変調方法及びこの方法を実施するデバイスを提供する。
【０００６】
　特に、本発明の好ましい実施態様は、導波路内を伝搬する選択された波長の光信号に対して強度変調が達成され、導波路における総損失が低く抑えられる、光変調技法を提供する。
【０００７】
　また、本発明の好ましい実施態様は、(寸法が数μｍから数１００μｍの)超小型デバイスにおいて有用な変調度を達成する光変調器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
　詳細には、本発明は光信号の強度を変調する方法を提供し、本方法は、光信号に対する光路を定める導波路を提供する工程、光路に共振キャビティを設ける工程、及び、光路内を伝搬する、少なくとも１つの選択された周波数の光の伝送量を制御するために、共振キャビティの伝達関数を変える工程を含む。
【０００９】
　共振キャビティ内の自由電荷キャリアの濃度を変えることにより、共振キャビティの伝達関数を変えることが有利である。半導体内のキャリア濃度を変えるには、例えば、温度を変えることまたは外部光を与えることを含む、様々な方法を用いることができる。しかし、本発明にしたがえば、電圧の印加によりキャリア濃度を制御することが好ましい。
【００１０】
　本発明の好ましい一実施態様において、ＭＯＳ効果の使用により自由キャリア濃度を変化させる。さらに詳しくは、ＭＯＳ(金属−酸化物−半導体)構造が共振キャビティに設けられ、半導体のエネルギーバンドに曲がりを生じさせるように電圧が金属電極に印加される。バンドの曲がりは、価電子帯にある荷電キャリアを伝導帯に入らせ、半導体と酸化物の間の界面において半導体に反転領域を形成するに十分である。この反転領域において、自由キャリアは半導体のドーピング型とは逆の極性をもつ。例えば、バイアス印加金属電極を載せている酸化物層に隣接するｐ型半導体(例えばｐ型シリコン)層を用いるデバイスでは、金属電極に印加される比較的高いバイアス電圧により、ｐ型半導体と隣接酸化物の間の界面に自由電子の蓄積がおこる。
【００１１】
　本発明の第２の好ましい実施態様において、ｐ−ｎ接合の両側にバイアス電圧を印加することにより、自由キャリア濃度を変化させる。これにより、ｐ−ｎ接合の空間電荷領域における局所キャリア濃度が変わる。ｐ−ｎ接合の空間電荷(したがって、局所キャリア濃度)は、接合の電気バイアスに強く依存する。逆バイアス下では、キャリアの空乏が生じ、キャリア濃度が(接合から数μｍまでの範囲で)大きく減少する。
【００１２】
　本発明はさらに、光信号のための光路を定める導波路と、光路に設けられた共振キャビティと、光路を伝搬する、少なくとも１つの選択された周波数の光の伝送量を制御するために共振キャビティの伝送特性を変えるための制御ユニットとを備える光信号変調器を提供する。
【００１３】
　導波路は様々な方法で作成することができる。フォトニック結晶導波路の原理または内部全反射導波路の原理を用いて導波路を作成することが有利であり、あるいはこれら２つを組み合わせてもよい。
【００１４】
　本発明の好ましい実施態様では、フォトニック結晶を画成する複数の孔を導波路に設けることにより、光共振キャビティが光路に設けられる。そのようなフォトニック結晶は、数μｍの範囲内で高いＱ値を有する共振キャビティを実現する。したがって、そのようなキャビティは“マイクロキャビティ”と称される。
【００１５】
　本発明の好ましい実施態様において、導波路はシリコン導波路である。すなわち、導波路はシリコン(Ｓｉ)コア層を有する。シリコン導波路は、シリコン−オン−インシュレーター(ＳＯＩ)基板の、最上部の、シリコン層に形成してもよい。シリコンは光学活性材料すなわち光学非線形材料ではない。それにもかかわらず、本発明にしたがえば、導波路に共振キャビティを設け、共振キャビティの伝送特性を制御することにより、シリコン導波路を効率の高い変調器として用いることができる。
【００１６】
　本発明の第１の好ましい実施態様にしたがえば、シリカ(ＳｉＯ２)のような誘電体でシリコンコア層がクラッドされるか、または誘電体の下部層が設けられ、伝送特性は、共振キャビティに相当する導波路領域においてシリコンコアとクラッド層(または下部層)の間の界面に電場を印加することにより制御される。共振キャビティ体に自由キャリアを効率的に注入する上述のＭＯＳ効果により、印加電場がシリコンの界面領域における自由キャリア濃度を変える。本発明の第２の好ましい実施形態にしたがえば、共振キャビティに相当するシリコン導波路領域にｐ−ｎ接合が形成される。印加電場が接合における自由キャリア濃度を変える。
【００１７】
　自由キャリア濃度を高めることにより、共振キャビティのクオリティファクター、すなわち“Ｑ”が低められ、伝送量が減少する。逆に、自由キャリア濃度を低めることにより、共振キャビティのＱ値が高められ、伝送量が増加する。印加バイアス電圧を極端に大きく変化させなくとも、自由キャリア濃度を少なくとも３桁変化させることが可能である。これにより、対応する大きさの変化がＱ値に生じ、導波路内を伝搬する光の対応する大きさの変調がおこる。しかし、変調は共振波長に対してだけ達成される。すなわち、変調は波長限定であり、導波路の総損失は低く抑えられる。
【００１８】
　光吸収が変調されている半導体材料は共振キャビティ内におかれているから、半導体材料の実効光吸収はおおよそキャビティのＱ値倍である。数１０００までのＱ値を有する光共振器は稀ではない。これにより、超小型光デバイス、すなわち寸法が数μｍから数１００μｍ程度の光デバイスで、大きな信号変調度を達成することが可能になる。そのようなデバイスの大きさは、従来の既知の光変調器の１/１００程度になる。(共振キャビティを用いていない)シリコン自体の光吸収の変調は、上記の大きさの光デバイスにおいて有用な変調度を得るには不十分である。
【００１９】
　本発明はさらにまた、光信号のための光路を定め、光路に共振キャビティを有するプレーナ型シリコン導波路を提供する。共振キャビティはフォトニック結晶として実施されることが好ましい。
【００２０】
　本発明のさらに別の特徴及び利点は、例として与えられる、以下の本発明の好ましい実施形態の説明を、添付図面を参照しながら読むことにより明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
　先に説明したように、本発明は半導体、特にシリコン、の光学特性が半導体内の自由キャリア濃度にしたがって変化するという事実を利用するものである。図１及び２に戻れば、キャリア濃度が１０１７/ｃｍ３をこえて高くなるにつれて、屈折率の％変化は(屈折率は比較的大きな値から出発するから)比較的小さいが、光損失の％変化は光損失の出発値(実質的にゼロ)に比較して大きいことがわかるであろう。したがって、本発明の好ましい実施形態は共振キャビティの自由キャリア濃度を変えることで共振キャビティの光損失を変更することにより動作する。
【００２２】
　本発明にしたがう光変調器の第１の好ましい実施形態が、図３に簡略に示される。図示されるように、この光変調器は誘電体材料、本例ではシリカ(ＳｉＯ２)、でつくられ、上にプレーナ型シリコン導波路が形成された基板１を備える(図示されるように内部全反射型導波路が用いられるが、代わりにフォトニック結晶導波路を用いることもできる)。プレーナ型導波路は、単一モードシリコン導波路を構成する、シリコンコア層２及びシリカオーバークラッド層４を備える。オーバークラッド層４は誘電体材料、本例ではシリカ、で形成される。ちなみに、図３では、シリカオーバークラッド層４が透明であるかのように表わされている。導波路には共振キャビティ５が組み込まれ、導波路を伝搬する全ての光子は共振キャビティ５を通過しなければならない。
【００２３】
　フォトニックバンドギャップ構造、特にシリコンコア層２に形成された孔のアレイを用いて共振キャビティ５を実現することが有利である。アレイの孔のピッチは、導波路コアにおける信号の波長の１/２と同程度である。例えば、１.５５μｍの波長に対し、孔のピッチは(アレイ及び導波路の形状寸法に依存して)０.３５μｍ〜０.７μｍの範囲になる。さらに、フォトニック結晶は、フォトニックバンドギャップが信号波長を包含するように設計される。そのような構造は、シリコンコア層のパターニングに用いられるリソグラフィ及びエッチング工程中に形成することができる。したがって、光変調器の作成にかかわる工程の数が必要以上に増えることはない。ちなみに、図３では、図示を簡単にするために、フォトニックバンドギャップデバイスを画成するアレイに示される孔の数は、実際に存在するはずの数より少ない。
【００２４】
　共振キャビティ５にＭＯＳ構造を形成するように、電極Ｅ１が共振キャビティ５の上部のシリカに取付けられている。本例において、ＭＯＳ構造の金属層は電極Ｅ１により形成され、酸化物はＳｉＯ２オーバークラッド層４により形成され、半導体はシリコンコア層２から形成されている。電圧を電極Ｅ１に印加することによって、半導体一酸化物の界面に電場をかけることができる。図３においては、より明確にするために、電極Ｅ１が共振キャビティ５から距離をあけて示されている。適切な極性の印加電圧Ｖｇにより、シリコン導波路の価電子帯のエネルギーを、界面近傍で伝導帯のエネルギーを上まわるように高めることが可能である。これにより反転条件が生じ、自由電荷キャリアが界面に蓄積する。周知のように、ｐ型ドープシリコンコア層の場合は、所望の反転条件を生じさせるためには、印加電圧Ｖｇを正にする必要があり、ｎ型シリコンコア層２の場合は、Ｖｇを負にする必要がある。
【００２５】
　酸化物オーバークラッド層４は、酸化物層４とシリコン導波路コア層２の間の界面においてシリコンコア層２に導電性反転がおこり得る程度に低い界面準位レベルを有するべきである。適切な界面準位レベルは、１０１１/ｃｍ２以下である。界面準位(または“界面トラップ電荷”)の数が界面の形成に用いられる技術及びプロセス条件に依存することが当業者に分かるであろう。
【００２６】
　図４は、シリコン導波路コア２とシリカオーバークラッド層４の間の界面領域を示す。二酸化シリコン層４の厚さはＸ０で表わされる。シリコン層２にかかる電圧降下をψｓで表わし、二酸化シリコンとシリコンの間の界面における電場をεｓで表わせば、バイアス電圧Ｖｇは、関係式：
【数１】
2004126582.tif 000003
【００２７】
にしたがう。ここでＫｓはシリコン層２の比誘電率であり、Ｋｏｘは二酸化シリコン層４の比誘電率である。一般に、Ｋｓは１１.９であり、Ｋｏｘは３.９であって３.４の(Ｋｓ/Ｋｏｘ)を与える。
【００２８】
　シリコンコア層２が、１０１５/ｃｍ３にドープされたｎ型であって、界面電荷が１０１１/ｃｍ２の場合は、電極Ｅ１を介して、−１.１５Ｖのバイアス電圧を印加することによって、シリカ／シリコン界面に１５ｋＶ/ｃｍの電場が生じ、シリコン層に０.６４１Ｖのバンド曲がりが生じて、界面において５×１０１５/ｃｍ３であるが、界面から１００ｎｍ離れたシリコンコア層において２.４×１０１３/ｃｍ３に減少するｐ型蓄積がシリコンコア層２に生じる。ｐ型自由電荷キャリアは共振キャビティのＱ値を下げ、よって共振波長における光の伝送量を低下させる。
【００２９】
　シリコンコア層２が、１０１５/ｃｍ３にドープされたｎ型であって、界面電荷が１０１２/ｃｍ２の場合は、電極Ｅ１を介して、−６.６Ｖのバイアス電圧を印加することによって、シリカ／シリコン界面に１６８ｋＶ/ｃｍの電場が生じ、シリコン層に０.８０９８Ｖのバンド曲がりが生じて、界面において３×１０１６/ｃｍ３であるが、界面から１００ｎｍ離れたシリコンコア層において７×１０１４/ｃｍ３に減少するｐ型蓄積がシリコンコア層２に生じる。
【００３０】
　シリコンコア層２が、１０１５/ｃｍ３にドープされたｎ型であって、界面電荷が１０１３/ｃｍ２の場合は、電極Ｅ１を介して、−５５Ｖのバイアス電圧を印加することによって、シリカ／シリコン界面に１.７７×１０６Ｖ/ｃｍの電場が生じ、シリコン層に０.９３４２Ｖのバンド曲がりが生じて、界面において４.５×１０２０/ｃｍ３であるが、界面から１００ｎｍ離れたシリコンコア層において７.７×１０１７/ｃｍ３に減少するｐ型蓄積がシリコンコア層２に生じる。
【００３１】
　図５は、共振キャビティ５の領域におけるシリカ層４とシリコンコア層２の間の界面における、誘起キャリア濃度対印加電圧のグラフである。図５は、共振キャビティにおけるキャリア濃度が電極Ｅ１への印加電圧にしたがってどのように変化するかを示す。
【００３２】
　自由電荷キャリアの存在は共振キャビティ５の損失を自由キャリア濃度に比例して高める。この損失が共振キャビティのＱ値をやはり自由キャリア濃度に比例して変化させる。自由キャリア濃度が高くなるほど、共振キャビティのＱ値は下がる。適度の電圧変化で自由キャリア濃度に３桁ないしそれより大きい変化を生じさせることができる。したがって、キャビティのＱ値を数桁にわたって変化させることができる。図６は(１５５０ｎｍの共振波長に対する)光吸収対電極Ｅ１への印加電圧のグラフである。図６から、比較的小さな印加電圧に対して共振キャビティ５の光吸収係数が劇的に増加することがわかるであろう。
【００３３】
　図５及び６に表わされた結果を得るために用いられた実験構成は、外部源からシリコン導波路への光の結合を伴うものであった。この目的のためテーパ付光ファイバを用い、テーパ付光ファイバとシリコン導波路の間の結合を、シリコン導波路からの出力が最大になるように光ファイバとシリコン導波路の相対位置を変えることにより、最適化した。共振キャビティの波長選択は、伝送量対波長を測定することによりチェックした。次いで、選択された波長におけるシリコン導波路からの出力を、電極Ｅ１への様々な印加電圧値に対して測定した。
【００３４】
　図３の変調器は、選択された波長λｓ(あるいは、望ましければ、高調波関係を有する必要のない複数の波長)の光の変調が可能になるように設計される。変調される波長がキャビティの共振周波数に対応するならば、波長選択は、共振キャビティ５の適切な設計によりなされる。共振キャビティ５がシリコンコア層２に形成された孔の周期アレイからなるフォトニックバンドギャップデバイスとして実施されている場合には、１つ(または複数)の共振周波数の設定は、アレイの選択された孔を埋める(または単に、適切な位置に孔を形成しない)ことでなされる。
【００３５】
　フォトニック結晶共振器の理論は周知であり、よって共振器設計の詳細をここには記載しない。必要であれば、全般的なフォトニック結晶に関するより多くの情報を、非特許文献１に見ることができ、プレーナ型フォトニック結晶の設計の例を、非特許文献２に見ることができる。
【００３６】
　シリコン導波路内を伝搬する光の選択波長λｓを変調するため、制御ユニット１０が共振キャビティに印加される電圧Ｖｇのレベルを制御する。印加電圧Ｖｇの絶対値を大きくすることにより、共振キャビティのＱ値が低められ、よって、選択された波長λｓにおける、光の伝送量が減少する。
【００３７】
　また、印加電圧 (以降、“遮断電圧”と称される) が十分なレベルに設定されれば、選択された波長λｓの導波路に沿っても遠くに伝搬することはない。すなわち、変調器は、選択された波長λｓの伝送を可能にするかまたは阻止するように選択的にはたらくことができるスイッチとして動作できる。選択された波長λｓの光を通過させるときは、制御手段は電極Ｅ１に電圧を印加しない。選択された波長λｓの光を通過させないときは、制御ユニット１０が電極Ｅ１に遮断電圧を印加する。
【００３８】
　ここで、シリコン導波路及び共振キャビティ５を組み込んでいる図３のプレーナ型構造の作成を、図７Ａ〜７Ｅを参照して説明する。
【００３９】
　図７Ａに示されるように、二酸化シリコン(ＳｉＯ２)基板１上に設けられたシリコン層２からなるウエハが初めに形成される。次いで、図７Ｂに示されるように、ウエハがポリメチルメタクリレート(ＰＭＭＡ)レジスト膜３で被覆される。次いで、ＰＭＭＡ膜の選択された部分が、電子ビームリソグラフィパターン発生器において電子ビーム露光により鋭感化される。すなわち、鋭感化ＰＭＭＡレジスト膜部分は所望のパターンを再現している。鋭感化部分は図７Ｃで灰色に塗られて表わされる。このパターンが現像され、次いで、シリコン層２の不要部分を除去して図７Ｄに示される構造をつくるための、プラズマエッチング(ここではイオンビームエッチングであるが、反応性イオンエッチング(ＲＩＥ)，誘導結合プラズマ(ＩＣＰ)エッチング等を使用することができよう)のためのマスクとして用いられる。次いで、図７Ｅに示されるようなプレーナ型光波回路を作成するため、この構造を二酸化シリコンオーバークラッド層４で被覆することが有利である。
【００４０】
　上述の作成プロセスの変更例として、リソグラフィ及びエッチング工程を、初期段階においてシリコン導波路構造だけを作成し、共振キャビティ５を次の段階で形成するように適合させてもよい。
【００４１】
　共振キャビティ５は導波路に孔のアレイを設けることにより形成されることが好ましい。上述したように、特定の共振波長は、アレイの選択された孔を埋めることによるか、または、より簡単には、初めからそのような孔を形成しないことにより、選択される。本プロセスと様々なピッチの音をだすためにフルートの穴をふさぐことの間で適切な類推を行うことができる。一般に光遠距離通信にかかわる波長(特に１.５５μｍ)で動作する場合は、キャビティ５を１０〜２０μｍより小さくすることができる。
【００４２】
　シリコン導波路２及び共振キャビティ５を組み込んでいるプレーナ型光波回路が作成されてしまえば、既知の技法を用い、別のリソグラフィ及びエッチング工程により電極Ｅ１を所定の場所に形成することができ、超小型電子集積回路で既知の通常のワイヤボンディング法を用いて、ボンディングワイヤを取り付けることができる。
【００４３】
　本発明の第１の好ましい実施形態では、共振キャビティにおける自由キャリアの数が、シリコンコアと隣接する誘電体層の間の界面における条件を調整することにより制御される。図３，４及び７を参照する上記の説明において、隣接誘電体層はシリカオーバークラッド層である。言い換えれば、界面は(図３の配置にあるように)シリコン層の上面である。しかし、適切な界面をシリコンコア層の下面に設けることもできる。これは、所要の制御電圧を印加できるように、シリカアンダークラッド層の下に導電層を配することを要する。これは、周知のシリコン−オン−インシュレーター基板を基板１として用いることにより、比較的簡単に行うことができる。
【００４４】
　本発明の第１の好ましい実施形態の上記の説明では、変調器にプレーナ型シリコン導波路が用いられ、共振キャビティが孔のアレイを用いて定められるフォトニック結晶により設けられる。しかし、フォトニック結晶導波路及び導波路にまたは導波路に隣接して設けられたマイクロキャビティを用いて同じ効果を得ることができ、マイクロキャビティが共振キャビティを構成する。図８Ａ(及び8Ｂ)は、そのようなデバイスの一般的な構造を示す。本発明の第１の実施形態がフォトニック結晶導波路及びマイクロキャビティを用いて実施される場合には、一般に、シリコンコア層２の厚さは３００ｎｍであり、シリカオーバークラッド層４の厚さは１００ｎｍないしそれより小さい。
【００４５】
　本発明の第１の好ましい実施形態にしたがう変調器は、上述のプレーナ型導波路構造を通って進行する光の変調に有効である。しかし、計算によれば、シリカオーバークラッド層４との界面においてシリコンコア層２内につくられる反転領域がインターフェースから広がる物理的距離は短いものでしかない。さらに詳しくは、自由キャリア濃度が１０１７/ｃｍ３を上まり得る領域は、一般に、オーバークラッド層４との界面からコア層２内にせいぜい１０ｎｍ程度の深さまでしか広がらない。この領域の大きさを(理想的にはシリコンコア層の寸法に一致するように)広げることができれば、変調器の効率を改善できるであろう。
【００４６】
　導波路コア内の自由キャリア濃度を導波路内のより広い領域にわたって変調することができ、よって変調効率を改善できる、本発明の第２の好ましい実施形態を次に説明する。
【００４７】
　本発明の第２の好ましい実施形態にしたがえば、光変調器は導波路２により定められる光路に共振キャビティ５を有し、ｐ−ｎ接合が共振キャビティに設けらる。図９は、そのような変調器の、共振キャビティにおける断面を簡略に示す。ここでは、ドープ型が相異なる材料の層の重ね合わせ(図９ではｐ型シリコンがｎ型シリコンに重なっているとして示される)を用いて導波路及び共振キャビティを形成することによりｐ−ｎ接合が確立される。共振キャビティにおいては、ｎ型ドープ領域とｐ型ドープ領域の間の空乏領域で荷電キャリア濃度が減少しており、したがって、この領域における光損失は隣接するｎ型ドープ領域及びｐ型ドープ領域における光損失より低い。逆バイアス電圧を(電極Ｅ１及びＥ２と電圧制御ユニット１０を用いて)ｐ−ｎ接合に印加することにより、空乏領域の寸法が大きくなり、よってキャビティの光損失が減少する。共振キャビティにおいてｐ−ｎ接合に印加される逆バイアス電圧レベルの適切な制御により、導波路を通過する選択された波長(共振波長)の光を変調させることができる。
【００４８】
　本発明の第２の好ましい実施形態の光変調器の作成は、ｐ−ｎ接合の形状寸法を変えることにより簡易化できることがわかった。さらに詳しくは、ドープ型が相異なる層の重ね合わせを用いる代わりに、ドープ型が相異なる領域を並行して配置することができる。この配置が図１０に示される。
【００４９】
　図１１は、シリコンに実施された、並行配置型ｐ−ｎ接合において自由キャリア濃度(及び空乏領域厚)が印加逆バイアス電圧にしたがってどのように変わるかを示すグラフである。図１１の作成に用いられた例では、接合の両側でのドープレベルは１０１８/ｃｍ３である。グラフの左側の曲線は電圧無印加時の自由キャリア濃度及び空乏層厚を示し、グラフの右側の曲線は２Ｖの逆バイアス印加時の自由キャリア濃度及び空乏層厚を示す。２Ｖの逆バイアス印加により、空乏領域(低自由キャリア濃度/光損失減少領域)の寸法がほぼ２０ｎｍ拡大することがわかるであろう。言い換えると、図１４を参照すれば、２Ｖのバイアス電圧印加により、(市松模様で表わされている)空乏領域３０が図の右側に向かってさらに広がることになる。
【００５０】
　図１２は、フォトニック結晶導波路及びマイクロキャビティを用い、図１０のように構成された、第２の好ましい実施形態にしたがう光変調器の全体構造を簡略に表わす。図１２では、理解しやすくするために電極が示されていない。
【００５１】
　図１３はマイクロキャビティのさらに詳細な断面図を示す。本例では、シリコン基板２１がｎ型シリコン領域２２を支持している。このシリコン領域２２は例えば１０１７/ｃｍ３または１０１８/ｃｍ３のバックグラウンドドーピングレベルを有し、その下側に共振キャビティ(マイクロキャビティ２５)を構成するエアポケットがある。ｐ＋領域２６及びｎ＋領域２８は所望のｐ−ｎ接合を形成するようにはたらく。金属コンタクト２７がｐ＋領域に設けられ、金属コンタクト２９がｎ＋領域に設けられる。ｐ＋領域２６及びｎ＋領域２８のそれぞれは、一般に、ｐ型ドーパント(例：ホウ素)及びｎ型ドーパント(例：リン)のイオン注入または拡散により形成される。
【００５２】
　ｐ＋領域２６とｎ＋領域２８の間に、キャリア濃度が強いｐ型から強いｎ型に変化する遷移領域がある。マイクロキャビティにおける損失は、この領域で最も小さい。ｐ−ｎ接合にかけて逆バイアス電圧を印加することにより、この低損失領域の幅を拡大することができ、よって、キャビティの損失を低下させ、キャビティのＱ値を高めることができる。
【００５３】
　図１４は図１３のｐ−ｎ接合への逆バイアス印加の効果を示す。参照数字３２が付された領域は、図１３に示される対応する領域２２のバックグラウンドドーピングレベルのため、高濃度の自由電子を有する。逆バイアス印加により、バイアス電圧が高くなるとともに図の右側に向かってさらに一層広がる(図１４で市松模様で示される)空乏領域３０がつくられ、対応してキャビティの光損失が漸減する。最終的に、高バイアス電圧により空乏領域３０がマイクロキャビティの全幅に広がり(すなわち、領域２６から領域２８まで広がり)、よって、アバランシェ降伏がおこらない限り、最小光損失構造が達成される。ｐ−ｎ接合に印加される逆バイアス電圧を変化させることにより、光損失を変更できることは明白である。この変更機能が利用可能であるためには、ゼロ印加バイアス電圧時に、空乏領域３０が既にキャビティの全幅に広がっていることのないように、キャビティの幅が十分広くなければならないことは明らかである。
【００５４】
　フォトニック結晶導波路の現行の設計では、マイクロキャビティが単一欠陥を用いて形成されていれば、導波路の断面寸法は３００ｎｍ(図１４における高さ)×５００ｎｍ(図１４における幅)になるであろう。
【００５５】
　シリコンの空乏特性は周知である。シリコン領域３２(２２)のバックグラウンドドーピングレベルが１０１７/ｃｍ３であれば、アバランシェ降伏は１０Ｖであろう。しかし、順バイアス及び逆バイアスを用いれば、アバランシェ降伏をおこさせずに、空乏領域３０の幅を５０ｎｍから５００ｎｍまで変化させることができる(言い換えれば、バイアス電圧印加により空乏領域３０を導波路／マイクロキャビティの全幅に広げることができる)。しかし、上記のバックグラウンドドーピングレベルでは、キャビティ損失を最大値から最小値に変化させたときでさえ、Ｑ値の変化は大きくはない。
【００５６】
　他方で、シリコン領域３２(２２)のバックグラウンドドーピングレベルが１０１８/ｃｍ３であれば、アバランシェ降伏が３Ｖでおこる。この場合、順バイアス及び逆バイアスを用いれば、空乏領域３０の幅を１０ｎｍから５０ｎｍまで変調できる(言い換えれば、空乏領域３０を導波路／マイクロキャビティの全幅に広げることはできない)。しかし、そうではあっても、キャビティ損失を最大値から最小値まで変化させたときには、より大きなキャビティのＱ値の変化を得ることができる。
【００５７】
　本発明を、特に本発明の好ましい実施形態を参照して、図示し、説明したが、特許請求の範囲に定められるような本発明の範囲を逸脱することなく、上述及びその他の変更がなされ得ることが、当業者に理解されるであろう。
【００５８】
　例えば、シリコン導波路及び共振キャビティを組み込んでいるプレーナ型光波デバイスの作成方法において、二酸化シリコン層及びシリコン層のリソグラフィ及びエッチングを、電子ビームリソグラフィ及びプラズマエッチング以外の既知の技法を用いて実施することができ(例えば反応性イオンビームエッチング(ＣＡＩＢＥ)を用いることができる)、ＰＭＭＡ以外のレジスト材料を用いることができる。
【００５９】
　さらに、本発明の第１の好ましい実施形態において、オーバークラッド(またはアンダークラッド)材料をシリカであるとして説明したが、その他の酸化物、Ｓｉ３Ｎ４等のような、別の代替誘電体材料を用いることもできよう。
【００６０】
　共振キャビティがフォトニック結晶構造を用いて実施される本発明の好ましい実施形態において、信号伝搬が導波路の軸に沿うという事実から見て、このフォトニック結晶構造を一次元構造とすることができる。実際上、１Ｄ(一次元)フォトニック結晶は、１Ｄマイクロキャビティを列の中心に配置した状態で、導波路軸に対して所望の共振周波数値にしたがう適切な角度に向けられた一列の溝として実現することができよう。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】シリコンの屈折率が自由キャリア濃度にしたがってどのように変化するかを示すグラフである
【図２】シリコンの光損失が自由キャリア濃度にしたがってどのように変化するかを示すグラフである
【図３】本発明の第１の好ましい実施形態にしたがう導波路変調器の略図である
【図４】図３にしたがう導波路変調器におけるシリコン導波路コアとシリカオーバークラッド層の間の界面領域を示す図である
【図５】図３のデバイスの共振キャビティにおいて自由キャリア濃度が印加電圧Ｖｇにしたがってどのように変化するかを示すグラフである
【図６】図３のデバイスにおいて共振キャビティにおける光吸収が印加電圧Ｖｇにしたがってどのように変化するかを示すグラフである
【図７】図３のデバイスの作成における各工程を示す図であり、図７Ａから図７Ｅはこのプロセスの連続工程を示す
【図８】フォトニック結晶導波路及び付帯するマイクロキャビティを示す図であり、図８Ａはマイクロキャビティが導波路に合せて一列に並ぶ第１の例を示し、図８Ｂはマイクロキャビティが導波路に隣接する第２の例を示す
【図９】本発明の第２の好ましい実施形態にしたがう導波路変調器の一構成の略断面図である
【図１０】本発明の第２の好ましい実施形態にしたがう導波路変調器の別の(好ましい)構成の略断面図である
【図１１】図１０の構成を有する導波路変調器において、印加電圧にしたがって空乏領域の自由キャリア濃度及び寸法がどのように変化するかを示すグラフである
【図１２】図１０の構成を有し、フォトニック結晶導波路を用いて実施された導波路変調器の略図である
【図１３】図１２の構造を導入した実用的なデバイスの断面図である
【図１４】図１３の一部を示し、空乏領域を示す
【符号の説明】
【００６２】
　１　　基板
　２　　シリコンコア層
　４　　シリカオーバークラッド層
　５　　共振キャビティ
　１０　　制御ユニット
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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