(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光変調器と光検出器とを備え、
前記光変調器は、
第１の媒質からなる基板に、前記第１の媒質よりも屈折率の小さい空気孔が第２の媒質として周期的に配列されたフォトニック結晶と、
前記第２の媒質を前記第１の媒質に置換した領域に埋め込まれた、前記第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第３の媒質からなる光変調層と、
光変調器の光軸と平行な前記光変調層の一方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｎ型の第１の不純物領域と、
前記光軸と平行な前記光変調層の他方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｐ型の第２の不純物領域と、
前記フォトニック結晶に形成された負荷抵抗となるｎ型またはｐ型の第３の不純物領域と、
前記第１の不純物領域と前記第３の不純物領域の一端とを接続するように前記フォトニック結晶上に形成された第１の電極と、
前記第２の不純物領域と前記第３の不純物領域の他端とを接続するように前記フォトニック結晶上に形成された第２の電極とを備え、
前記光検出器は、
前記第２の媒質を前記第１の媒質に置換した領域に埋め込まれた、前記第３の媒質または前記第３の媒質と異なる、前記第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第４の媒質からなる光吸収層と、
光検出器の光軸と平行な前記光吸収層の一方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｎ型の第４の不純物領域と、
前記光検出器の光軸と平行な前記光吸収層の他方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｐ型の第５の不純物領域と、
前記第４の不純物領域上に形成された第３の電極とを備え、
前記第１の電極は、前記第１の不純物領域と前記第３の不純物領域の一端と前記第５の不純物領域とを接続するように前記フォトニック結晶上に形成されることを特徴とする光波長変換回路。
【請求項２】
光変調器と光検出器とを備え、
前記光変調器は、
第１の媒質からなる基板に、前記第１の媒質よりも屈折率の小さい空気孔が第２の媒質として周期的に配列されたフォトニック結晶と、
前記第２の媒質を前記第１の媒質に置換した領域に埋め込まれた、前記第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第３の媒質からなる光変調層と、
光変調器の光軸と平行な前記光変調層の一方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｎ型の第１の不純物領域と、
前記光軸と平行な前記光変調層の他方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｐ型の第２の不純物領域と、
前記フォトニック結晶に形成された負荷抵抗となるｎ型またはｐ型の第３の不純物領域と、
前記第１の不純物領域と前記第３の不純物領域の一端とを接続するように前記フォトニック結晶上に形成された第１の電極と、
前記第２の不純物領域と前記第３の不純物領域の他端とを接続するように前記フォトニック結晶上に形成された第２の電極とを備え、
前記光検出器は、
前記第２の媒質を前記第１の媒質に置換した領域に埋め込まれた、前記第３の媒質または前記第３の媒質と異なる、前記第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第４の媒質からなる光吸収層と、
光検出器の光軸と平行な前記光吸収層の一方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶上に形成された第１のショットキー電極と、
前記光検出器の光軸と平行な前記光吸収層の他方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶上に形成された第２のショットキー電極とを備え、
前記第２のショットキー電極は、前記第１の電極と一体で形成されることを特徴とする光波長変換回路。
【請求項３】
光変調器と光検出器とを備え、
前記光変調器は、
第１の媒質からなる基板に、前記第１の媒質よりも屈折率の小さい空気孔が第２の媒質として周期的に配列されたフォトニック結晶と、
前記第２の媒質を前記第１の媒質に置換した領域に埋め込まれた、前記第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第３の媒質からなる光変調層と、
光変調器の光軸と平行な前記光変調層の一方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｎ型の第１の不純物領域と、
前記光軸と平行な前記光変調層の他方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｐ型の第２の不純物領域と、
前記フォトニック結晶に形成された負荷抵抗となるｎ型またはｐ型の第３の不純物領域と、
前記第１の不純物領域と前記第３の不純物領域の一端とを接続するように前記フォトニック結晶上に形成された第１の電極と、
前記第２の不純物領域と前記第３の不純物領域の他端とを接続するように前記フォトニック結晶上に形成された第２の電極とを備え、
前記光検出器は、
前記第２の媒質を前記第１の媒質に置換した領域に埋め込まれた、前記第３の媒質または前記第３の媒質と異なる、前記第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第４の媒質からなる光吸収層と、
光検出器の光軸と平行な前記光吸収層の一方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｎ型の第４の不純物領域と、
前記光検出器の光軸と平行な前記光吸収層の他方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｎ型の第５の不純物領域と、
前記第４の不純物領域上に形成された第３の電極とを備え、
前記第１の電極は、前記第１の不純物領域と前記第３の不純物領域の一端と前記第５の不純物領域とを接続するように前記フォトニック結晶上に形成されることを特徴とする光波長変換回路。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光波長変換回路において、
さらに、前記光変調層よりも出力側に配置された前記フォトニック結晶からなる第１のミラー領域と、
前記光変調層を挟んで前記出力側と反対側に配置された前記フォトニック結晶からなる第２のミラー領域とを備えることを特徴とする光波長変換回路。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光波長変換回路において、
さらに、前記光変調層よりも入力側の前記光変調器の光軸方向に沿った前記第２の媒質を前記第１の媒質に置換した領域である第１の入力導波路と、
前記光変調層よりも出力側の前記光変調器の光軸方向に沿った前記第２の媒質を前記第１の媒質に置換した領域である出力導波路とを備え、
前記第１の入力導波路および前記出力導波路の幅は、前記光変調層の幅よりも広く、
前記第１の入力導波路にＣＷ光が入力され、前記出力導波路から変調出力光が出力されることを特徴とする光波長変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶構造の光変調器とフォトニック結晶構造の光検出器とを組み合わせた光波長変換回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の光素子の作製技術向上により、サブマイクロメートルのサイズに加工された様々な光素子が実現可能になってきている。そのようなナノフォトニクス技術の一つとしてフォトニック結晶と呼ばれる微細構造がある。特に、数百ｎｍ厚の半導体薄膜（スラブ）に周期的に円孔を形成した構造は、フォトニック結晶スラブ構造と呼ばれ、これを利用した光導波路や光共振器を基盤として、非常に微小なサイズ、かつ低消費パワーで動作可能な様々な光素子が実現されている。
【０００３】
光信号の波長を変換する技術は、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）方式を利用した光ルーティング回路において非常に重要であり、電子回路に比べて高いビットレートをもつ光信号の処理を可能にする。しかし、半導体中で光波長変換を行うためには一般的にミリメートルオーダの半導体導波路などが必要とされているため、これまで波長変換回路の小型化が困難であり、また消費パワーもミリワットオーダと大きい。
【０００４】
小型化の困難性や消費パワーの大きさの問題は、光素子を高密度に集積し、微小面積で光ルーティング回路を構成する上で大きなボトルネックである。上記のような微小なフォトニック結晶構造を用いることで、このような光波長変換がミクロンオーダのサイズやマイクロワットオーダの消費パワーで可能になれば、様々な光回路の構成に向けて極めて有用である。
【０００５】
光素子と電気素子の組み合わせにより光信号の入力と出力を行う機能素子として、図６のような光入出力型スイッチ回路がある（特許文献１）。図６において、８０は光変調部、８１は増幅部、８２は受光部である。この光入出力型スイッチ回路は、光検出器（ＰＤ：Photo Detector）８５と負荷抵抗８６の組み合わせにより光信号Ｐinを信号電圧に変換して、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）８４により信号増幅を行った後に、量子井戸型の光変調器（もしくは半導体レーザ）８３により再度光信号Ｐoutに変換して送信するものである。
【０００６】
つまり、図６の光入出力型スイッチ回路は、光変調器８３の動作波長を任意に設計すれば、光波長変換回路として機能する。このとき、光入出力型スイッチ回路の動作波長は、光変調器８３に入射する無変調光であるバイアス光Ｐbiasの波長もしくは半導体レーザの発振波長によって決まる。
【０００７】
しかし、図６の光入出力型スイッチ回路は、光変調器８３で十分な光変調を行うために電気信号を増幅する必要があるため、消費パワーがミリワットオーダと大きくなる。また、素子サイズに関しても数百ミクロン程度と大きく、回路素子のキャパシタンスが大きいため、ＲＣ帯域が数百ＭＨｚと制限されるという問題があった。したがって、このような光入出力型素子を低消費パワーかつ高速に動作させるためには、微小かつ低キャパシタンスの光素子が必要であり、上記のフォトニック結晶構造のようなナノフォトニクス技術を導入することが有用である。
【０００８】
フォトニック結晶導波路を利用すると、ＰＤ素子を微小化できる（特許文献２）。図７（Ａ）は特許文献２に開示されたＰＤの平面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＰＤのｂ−ｂ’線（光導波路の光軸方向）断面図、図７（Ｃ）は図７（Ａ）のＰＤのｃ−ｃ’線（光軸と垂直な方向）断面図である。図７（Ａ）〜図７（Ｃ）において、４１はフォトニック結晶、４２は吸収層、４３はｎドープ領域、４４はｐドープ領域、４５はＩｎＰからなる媒質に設けられた円孔である。
【０００９】
特許文献２に開示されたＰＤは、図７（Ａ）〜図７（Ｃ）のように、厚さ２５０ｎｍ程度の非常に薄いＩｎＰのフォトニック結晶４１中にＩｎＧａＡｓ吸収層４２を埋め込んだ構造であり、フォトニック結晶４１による光閉じ込めと、吸収層４２によるキャリア拡散の抑制とが可能である。このＰＤは、フォトニック結晶４１とＩｎＧａＡｓ吸収層４２の両者の効果により、３μｍ以下の素子長でも高効率に光から電流へ変換することができる。
【００１０】
さらに、このＰＤは、ＩｎＧａＡｓ吸収層４２が短い分、ｐｎ接合自体も短くできるため、接合キャパシタンスの低減が可能である。これらの高効率性や低キャパシタンスという特徴を利用すると、ＰＤにトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ：Transimpedance amplifier）やその他の電圧増幅器を接続するのではなく、ＰＤに負荷抵抗を接続して光電流を電圧へ変換することにより、十分大きいトランスインピーダンスが可能な光受信回路が実現可能になる。
【００１１】
例えば、ＰＤのキャパシタンスが１ｆＦのとき、負荷抵抗２０ｋΩを接続することにより、ＲＣ帯域１０ＧＨｚ、受光感度−２０ｄＢｍというＴＩＡ回路を用いる際と同等の受光性能を得ることができる。ＰＤのキャパシタンスが大きいと、ＲＣ帯域の制限により動作速度が制限されてしまうため、フォトニック結晶導波路のような微小な構造が必要である。
【００１２】
図８（Ａ）のように、ＰＤ１００に対して直列に、負荷抵抗１０１と光変調器１０２とを並列化した回路を接続すれば、光波長変換回路を実現することができる。このときの負荷抵抗１０１の値ＲloadはＰＤ１００および光変調器１０２の逆バイアス時の抵抗よりも小さいものとする（１ＧΩ以下）。
【００１３】
図８（Ｂ）は図８（Ａ）の光波長変換回路の等価回路図である。なお、この等価回路図では、ＰＤ１００および光変調器１０２におけるｐ，ｎドープ層による直列抵抗は無視している。
【００１４】
図８（Ａ）の光波長変換回路に外部からバイアス電圧Ｖbiasを加えると、ほぼ全てＰＤ１００への逆バイアス電圧として印加されるため、ＰＤ１００は高速に動作する。光信号をＰＤ１００へ入射させると光信号電流が生成され、この光信号電流が負荷抵抗１０１に流れることにより信号電圧Ｖが発生し、この信号電圧Ｖが光変調器１０２へ直接印加される。
【００１５】
この信号電圧Ｖにより光変調器１０２が駆動され、光変調器１０２に別途入射させたバイアス光であるＣＷ（Continuous Wave）光が変調されて出力される。すなわち、光変調器１０２の動作波長が所望の値になるように設計すれば、ＰＤ１００へ入射された光信号が、光変調器１０２において任意の波長へ変換（すなわちＣＷ光の波長へ変換）されて出力される。
【００１６】
ＰＤ１００でのキャリア引き抜き速度が十分に高速であると仮定すると、光波長変換回路の波長変換動作の帯域は、負荷抵抗１０１と光変調器１０２のキャパシタンスＣjmとによるＲＣ帯域でほぼ制限される。ＰＤ１００での光信号電流ＩPDに対して光変調器両端でのトランスインピーダンスの計算結果を図９に示す。このときの計算では、負荷抵抗１０１の値Ｒload＝１０ｋΩとして、光変調器１０２のキャパシタンスＣjmを変化させている。
【００１７】
図９によれば、負荷抵抗１０１の値Ｒloadと光変調器１０２のキャパシタンスＣjmで決まる動作帯域よりも十分に低速の光信号であれば、トランスインピーダンスとして１０ｋＶ／Ａが得られることが分かる。このトランスインピーダンス１０ｋＶ／Ａは、１００μＡの光電流に対して１Ｖの信号電圧が生成できることを表している。ＲＣ動作帯域はＣjm＝１ｆＦのときに約８ＧＨｚであり、またキャパシタンスＣjmが小さいほど動作帯域が広くなる。すなわち、１０ＧＨｚ以上の動作帯域を得るためには、光変調器１０２のキャパシタンスＣjmが１ｆＦを下回る必要がある。
【００１８】
光波長変換回路として、このような広帯域が実現できれば、１０Ｇｂ／ｓ以上の高速なビットレートの光信号に対して波長変換を行うことが可能になると言える。また、図８（Ａ）の光波長変換回路では、電気増幅器を用いていないことから、消費パワーに関しては光信号自体のパワーのみで決まるため、１ｍＷを下回るような非常に低い消費パワーの値が期待できる。
【００１９】
また、図７を改良したものとして、図１０や図１１のような構造も提案されている（特許文献２、特許文献３）。図１０（Ａ）はフォトニック結晶共振器型の光変調器の平面図、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）の光変調器のｂ−ｂ’線（光軸方向）断面図、図１０（Ｃ）は図１０（Ａ）の光変調器のｃ−ｃ’線（光軸と垂直な方向）断面図である。図１１（Ａ）はフォトニック結晶導波路型の光変調器の平面図、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）の光変調器のｂ−ｂ’線断面図、図１１（Ｃ）は図１１（Ａ）の光変調器のｃ−ｃ’線断面図である。
【００２０】
ここでは、最も代表的な適用例として、基板（半導体薄膜）５１となるフォトニック結晶スラブ材料をＩｎＰ、埋め込み層５２をＩｎＧａＡｓＰバルクもしくはＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸とする。ＩｎＰからなる基板５１の上下は空気層であり、基板５１を上下に貫通する円孔５５，５６が平面視三角格子状に配列されている。
【００２１】
この例では、円孔５５，５６の周期をａ［ｎｍ］としたとき、円孔５５，５６の直径は０．５ａ以下の範囲、基板５１の厚さは１ａ以下の範囲、埋め込み層５２の厚さは１ａ以下の範囲、埋め込み層５２の幅（図１０（Ａ）、図１１（Ａ）上下方向）は（√３）ａ以下の範囲となる。
【００２２】
図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）のフォトニック結晶共振器型の光変調器の場合では埋め込み層５２の長さ（図１０（Ａ）左右方向）を２０ａ以下の範囲とし、図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）のフォトニック結晶導波路型の光変調器の場合では埋め込み層５２の長さを１０００ａ以下の範囲である。
【００２３】
図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）のフォトニック結晶共振器型の光変調器では、埋め込み層５２で光が繰り返し往復する共振構造になっている。すなわち、円孔４５がミラーとして機能し光を反射する。それに対して、図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）のフォトニック結晶導波路型の光変調器では、光が埋め込み層５２を１回しか通過しない導波路構造になっている。すなわち、埋め込み層５２の端面にミラーとして光を反射する円孔４５が形成されていない。埋め込み層５２の長さは、以下で説明する変調器長さＬmodに相当する。変調器長さＬmodは、共振器型の光変調器の方が短くなっている。
【００２４】
図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）、図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）の５３はｎドープ領域、５４はｐドープ領域である。ｎドープ領域５３およびｐドープ領域５４の埋め込み層５２近傍の長さは、埋め込み層５２の長さと同等である。
【００２５】
基板５１上の光変調器の光軸（ｂ−ｂ’線）近傍のＩｎＰの領域のうち円孔４６によって挟まれた入力側（図１０（Ａ）、図１１（Ａ）左側）の領域が入力導波路５７、光軸近傍のＩｎｐの領域のうち円孔４６によって挟まれた出力側（図１０（Ａ）、図１１（Ａ）右側）の領域が出力導波路６１、入力側の円孔４６および入力導波路５７と埋め込み層５２との間にある円孔４５の領域がミラー領域５８、出力側の円孔４６および出力導波路６１と埋め込み層５２との間にある円孔４５の領域がミラー領域６０、光軸近傍の領域のうち円孔４５によって挟まれ且つ埋め込み層５２が形成されている領域が変調領域５９である。
【００２６】
均一に円孔が配列された基板５１において、埋め込み層５２の光軸上の円孔を１列だけ形成せずに、光導波路とした場合の導波路の幅（図１０（Ａ）、図１１（Ａ）上下方向）をＷ0と定義すると、入力導波路５７または出力導波路６１を挟んで対向する円孔４６の間隔Ｗ1は１．０Ｗ0から１．２Ｗ0の範囲であり、変調領域５９を挟んで対向する円孔４５の間隔Ｗ2は０．７Ｗ0から１．０Ｗ0の範囲である。
【００２７】
図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）のフォトニック結晶共振器型の光変調器の場合、入力導波路５７の出力端から変調領域５９（埋め込み層５２）の入力端までの距離、および変調領域５９の出力端から出力導波路６１の入力端までの距離は、円孔２０列以内の範囲となっている。また、図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）のフォトニック結晶導波路型の光変調器の場合、入力導波路５７の出力端から変調領域５９（埋め込み層５２）の入力端までの距離、および変調領域５９の出力端から出力導波路６１の入力端までの距離は、円孔２列以内の範囲となっている。
【００２８】
図１２（Ａ）〜図１２（Ｆ）は図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）、図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）の光変調器の作製方法を示す工程断面図である。まず、ＩｎＰ基板７１上に厚さ１μｍのＩｎＡｌＡｓ犠牲層７２と厚さ５０ｎｍのＩｎＰ層７３と厚さ１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層７４と厚さ５０ｎｍのＩｎＰ層７５とをエピタキシャル成長した基板を用意する（図１２（Ａ））。
【００２９】
次に、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ2層７６をエッチングマスクとして堆積させ、電子ビーム描画とドライエッチング、ウェットエッチングによりＩｎＧａＡｓ埋め込み領域７４ａを形成する（図１２（Ｂ））。ＩｎＧａＡｓ埋め込み領域７４ａの周囲にＩｎＰ層７７を再成長させる（図１２（Ｃ））。
【００３０】
Ｚｎ拡散法によりｎドープ領域７７ａを形成し、Ｓｉイオン注入法によりｐドープ領域７７ｂを形成する（図１２（Ｄ））。電子ビーム描画とドライエッチングにより、フォトニック結晶の円孔７８の配列を形成する（図１２（Ｅ））。金属電極７９ａ，７９ｂを形成した後、ウェットエッチングによりフォトニック結晶下部のＩｎＡｌＡｓ犠牲層７２を除去する（図１２（Ｆ））。これにより、上下が空気層となるフォトニック結晶からなる光変調器を得ることができる。
【００３１】
図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）、図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）のような光変調器における効果を説明する。ＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰを材料とした光変調器では、フランツケルディッシュ効果、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ効果）、ポッケルス効果、カー効果といった非線形電気光学効果や、キャリアの注入や引き抜きによるキャリア非線形効果によって、屈折率や光吸収が変調される現象を利用する。
【００３２】
ここでは例として、非線形電気光学効果による屈折率変化係数を２．５×１０-17ｍ2／Ｖ2、ＩｎＧａＡｓＰからなる埋め込み層５２への光閉じ込め係数を０．８、基板５１（フォトニック結晶スラブ）の厚さを２５０ｎｍ、ｐｉｎ接合の空乏層幅を５００ｎｍと仮定したときに、光変調器として必要な信号電圧の計算結果を示す。
【００３３】
図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）のフォトニック結晶共振器型の光変調器を用いた場合、共振スペクトルの半値幅分の波長シフトに必要な信号電圧Ｖmod（共振型の場合には、信号電圧＝波長シフト電圧）と共振器Ｑ値との関係は図１３（Ａ）のように計算することができる。
【００３４】
共振器Ｑ値が高いほど波長シフトに必要な信号電圧Ｖmodは低くなる。実現可能な共振器Ｑ値の上限は、共振器（ミラー領域５８とミラー領域６０の間の領域）中の内部損失や、ｐｉｎ接合での吸収損失などで決まるが、現実的には１０6以下である。それでも２×１０3以上の共振器Ｑ値であれば、波長シフトに必要な信号電圧Ｖmodは５Ｖ以下と現実的に動作可能なレベルとなり、１０5以上の共振器Ｑ値であれば必要な信号電圧Ｖmodは１Ｖ以下と低くできる。
【００３５】
一方、図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）のフォトニック結晶導波路型の光変調器を用いた場合、光信号の１８０度位相変化に必要な信号電圧Ｖmod（導波路型の場合には、信号電圧＝１８０度位相変化電圧）と変調器長さＬmodとの関係は図１３（Ｂ）のように計算することができる。
【００３６】
一般の半導体導波路で期待される群屈折率ｎg＝４程度の場合は、光信号の１８０度位相変化に必要な信号電圧Ｖmodを５Ｖ以下に抑えるためには４００μｍ以上の変調器長さが必要である。ただし、フォトニック結晶導波路ではバンド端近辺でのスローライト効果を利用することができ、群屈折率ｎgを大きくすることができるので、変調器を短くできる。例えば、ｎg＝５０の場合、信号電圧Ｖmodを５Ｖ以下にするために必要な変調器長さＬmodは３０μｍ程度と短くできることが分かる。
【００３７】
また、有限要素法を用いて光変調器のｐｉｎ接合のキャパシタンスを計算した結果を図１４に示す。ここでの計算では、図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）のフォトニック結晶共振器型の光変調器を対象として、変調器長さＬmodを８ａ（＝３．３μｍ）以下の範囲で計算している。また、光変調器の幅（図１０（Ａ）の上端と下端との距離）を１０μｍとしている。
【００３８】
図１４より、期待されるｐｉｎ接合のキャパシタンス値は１ｆＦ以下であり、上記のように、Ｒload＝１０ｋΩの負荷抵抗を接続した場合でも１０ＧＨｚ以上のＲＣ帯域が期待できると言える。図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）のフォトニック結晶導波路型の光変調器の場合では、変調器長さＬmodはフォトニック結晶共振器型の光変調器に比べて１０倍かそれ以上となるため、ｐｉｎ接合のキャパシタンスも変調器長さＬmodに比例して増加するが、負荷抵抗を下げることにより、トランスインピーダンス値は下がってしまうものの、ＲＣ帯域を確保する設計が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３９】
【特許文献１】特開平６−３２４３６６号公報
【特許文献２】特開２０１４−２１６５４９号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ２０１１／０２７５５５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００４０】
以上のようにフォトニック結晶構造を用いることで微小かつ低キャパシタンスのＰＤや光変調器を実現することができる。
しかしながら、従来はフォトニック結晶構造の光変調器と負荷抵抗とを同一基板上に形成する構造は実現されていなかった。このような構造は図８（Ａ）に示したような光波長変換回路において必要となるが、従来は基板外部の負荷抵抗をフォトニック結晶構造の光変調器に接続するようにしていた。
【００４１】
また、従来はフォトニック結晶構造のＰＤとフォトニック結晶構造の光変調器とを同一基板上に形成する構造は実現されていなかった。
【００４３】
本発明は、フォトニック結晶構造のＰＤとフォトニック結晶構造の光変調器とを同一基板上に形成する構造を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４４】
本発明の光波長変換回路は、光変調器と光検出器とを備え、前記光変調器は、第１の媒質からなる基板に、前記第１の媒質よりも屈折率の小さい空気孔が第２の媒質として周期的に配列されたフォトニック結晶と、前記第２の媒質を前記第１の媒質に置換した領域に埋め込まれた、前記第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第３の媒質からなる光変調層と、光変調器の光軸と平行な前記光変調層の一方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｎ型の第１の不純物領域と、前記光軸と平行な前記光変調層の他方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｐ型の第２の不純物領域と、前記フォトニック結晶に形成された負荷抵抗となるｎ型またはｐ型の第３の不純物領域と、前記第１の不純物領域と前記第３の不純物領域の一端とを接続するように前記フォトニック結晶上に形成された第１の電極と、前記第２の不純物領域と前記第３の不純物領域の他端とを接続するように前記フォトニック結晶上に形成された第２の電極とを備え、前記光検出器は、前記第２の媒質を前記第１の媒質に置換した領域に埋め込まれた、前記第３の媒質または前記第３の媒質と異なる、前記第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第４の媒質からなる光吸収層と、光検出器の光軸と平行な前記光吸収層の一方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｎ型の第４の不純物領域と、前記光検出器の光軸と平行な前記光吸収層の他方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｐ型の第５の不純物領域と、前記第４の不純物領域上に形成された第３の電極とを備え、前記第１の電極は、前記第１の不純物領域と前記第３の不純物領域の一端と前記第５の不純物領域とを接続するように前記フォトニック結晶上に形成されることを特徴とするものである。
また、本発明の光波長変換回路は、光変調器と光検出器とを備え、前記光変調器は、第１の媒質からなる基板に、前記第１の媒質よりも屈折率の小さい空気孔が第２の媒質として周期的に配列されたフォトニック結晶と、前記第２の媒質を前記第１の媒質に置換した領域に埋め込まれた、前記第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第３の媒質からなる光変調層と、光変調器の光軸と平行な前記光変調層の一方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｎ型の第１の不純物領域と、前記光軸と平行な前記光変調層の他方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｐ型の第２の不純物領域と、前記フォトニック結晶に形成された負荷抵抗となるｎ型またはｐ型の第３の不純物領域と、前記第１の不純物領域と前記第３の不純物領域の一端とを接続するように前記フォトニック結晶上に形成された第１の電極と、前記第２の不純物領域と前記第３の不純物領域の他端とを接続するように前記フォトニック結晶上に形成された第２の電極とを備え、前記光検出器は、前記第２の媒質を前記第１の媒質に置換した領域に埋め込まれた、前記第３の媒質または前記第３の媒質と異なる、前記第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第４の媒質からなる光吸収層と、光検出器の光軸と平行な前記光吸収層の一方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶上に形成された第１のショットキー電極と、前記光検出器の光軸と平行な前記光吸収層の他方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶上に形成された第２のショットキー電極とを備え、前記第２のショットキー電極は、前記第１の電極と一体で形成されることを特徴とするものである。
また、本発明の光波長変換回路は、光変調器と光検出器とを備え、前記光変調器は、第１の媒質からなる基板に、前記第１の媒質よりも屈折率の小さい空気孔が第２の媒質として周期的に配列されたフォトニック結晶と、前記第２の媒質を前記第１の媒質に置換した領域に埋め込まれた、前記第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第３の媒質からなる光変調層と、光変調器の光軸と平行な前記光変調層の一方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｎ型の第１の不純物領域と、前記光軸と平行な前記光変調層の他方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｐ型の第２の不純物領域と、前記フォトニック結晶に形成された負荷抵抗となるｎ型またはｐ型の第３の不純物領域と、前記第１の不純物領域と前記第３の不純物領域の一端とを接続するように前記フォトニック結晶上に形成された第１の電極と、前記第２の不純物領域と前記第３の不純物領域の他端とを接続するように前記フォトニック結晶上に形成された第２の電極とを備え、前記光検出器は、前記第２の媒質を前記第１の媒質に置換した領域に埋め込まれた、前記第３の媒質または前記第３の媒質と異なる、前記第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第４の媒質からなる光吸収層と、光検出器の光軸と平行な前記光吸収層の一方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｎ型の第４の不純物領域と、前記光検出器の光軸と平行な前記光吸収層の他方の辺に近接するように、前記フォトニック結晶に形成されたｎ型の第５の不純物領域と、前記第４の不純物領域上に形成された第３の電極とを備え、前記第１の電極は、前記第１の不純物領域と前記第３の不純物領域の一端と前記第５の不純物領域とを接続するように前記フォトニック結晶上に形成されることを特徴とするものである。
【００４５】
また、本発明の光波長変換回路の１構成例は、さらに、前記光変調層よりも出力側に配置された前記フォトニック結晶からなる第１のミラー領域と、前記光変調層を挟んで前記出力側と反対側に配置された前記フォトニック結晶からなる第２のミラー領域とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の光波長変換回路の１構成例は、さらに、前記光変調層よりも入力側の前記光変調器の光軸方向に沿った前記第２の媒質を前記第１の媒質に置換した領域である第１の入力導波路と、前記光変調層よりも出力側の前記光変調器の光軸方向に沿った前記第２の媒質を前記第１の媒質に置換した領域である出力導波路とを備え、前記第１の入力導波路および前記出力導波路の幅は、前記光変調層の幅よりも広く、前記第１の入力導波路にＣＷ光が入力され、前記出力導波路から変調出力光が出力されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００５０】
本発明によれば、光変調器を、第１の媒質からなる基板に、第１の媒質よりも屈折率の小さい空気孔が第２の媒質として周期的に配列されたフォトニック結晶と、第２の媒質を第１の媒質に置換した領域に埋め込まれた、第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第３の媒質からなる光変調層と、ｎ型の第１の不純物領域と、ｐ型の第２の不純物領域と、フォトニック結晶に形成されたｎ型またはｐ型の第３の不純物領域と、第１の電極と、第２の電極とを備えた構造とすることにより、光変調器のｐｉｎ接合（第２の不純物領域、光変調層、第１の不純物領域）を作製する際に負荷抵抗を同時に形成することができ、フォトニック結晶構造の変調器と負荷抵抗とを同一基板上に形成することができる。その結果、本発明では、変調器と負荷抵抗とを並列に接続した構造を従来よりも小さいサイズで実現することができる。
【００５１】
また、本発明では、光変調層よりも出力側に配置されたフォトニック結晶からなる第１のミラー領域と、光変調層を挟んで出力側と反対側に配置されたフォトニック結晶からなる第２のミラー領域とを設けることにより、フォトニック結晶共振器型の光変調器を実現することができる。
【００５２】
また、本発明では、光波長変換回路を、光変調器と、第２の媒質を第１の媒質に置換した領域に埋め込まれた、第３の媒質または第３の媒質と異なる、第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第４の媒質からなる光検出器の光吸収層と、ｎ型の第４の不純物領域と、ｐ型の第５の不純物領域と、第３の電極とを備えた構造とすることにより、フォトニック結晶構造の光検出器とフォトニック結晶構造の変調器と負荷抵抗とを同一基板上に形成することができる。その結果、本発明では、光波長変換回路を従来よりも小さいサイズで実現することができる。
【００５３】
また、本発明では、光波長変換回路を、光変調器と、光吸収層と、第１のショットキー電極と、第２のショットキー電極とを備えた構造とすることにより、フォトニック結晶構造の光検出器とフォトニック結晶構造の変調器と負荷抵抗とを同一基板上に形成することができる。その結果、本発明では、光波長変換回路を従来よりも小さいサイズで実現することができる。また、本発明では、光検出器の低い接合抵抗が期待でき、光波長変換回路の高速動作の実現性を高めることができる。
【００５４】
また、本発明では、光波長変換回路を、光変調器と、光吸収層と、ｎ型の第４の不純物領域と、ｎ型の第５の不純物領域と、第３の電極とを備えた構造とすることにより、フォトニック結晶構造の光検出器とフォトニック結晶構造の変調器と負荷抵抗とを同一基板上に形成することができる。その結果、本発明では、光波長変換回路を従来よりも小さいサイズで実現することができる。また、本発明では、光波長変換回路の動作に必要な光検出器への光入射パワーの低減の実現性を高めることができる。
【００５５】
また、本発明では、光波長変換回路を、フォトニック結晶と、光変調層と、ｐ型の第１の不純物領域と、ｎ型の第２の不純物領域と、光吸収層と、ｎ型の第３の不純物領域と、ｐ型の第４の不純物領域と、第１の電極と、第２の電極とを備えた構造とすることにより、フォトニック結晶構造の光検出器とフォトニック結晶構造の変調器とを同一基板上に形成することができる。その結果、本発明では、光波長変換回路を従来よりも小さいサイズで実現することができる。また、本発明では、光波長変換回路の動作に必要な光信号パワーの低減の実現性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光変調器の構造を示す平面図および断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る光波長変換回路の構造を示す平面図および断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る光波長変換回路の構造を示す平面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る光波長変換回路の構造を示す平面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係る光波長変換回路の構造を示す平面図である。
【図６】従来の光入出力型スイッチ回路の構成を示す回路図である。
【図７】フォトニック結晶導波路を利用した従来の光検出器の構造を示す平面図および断面図である。
【図８】光波長変換回路の構成を示す回路図および等価回路図である。
【図９】光波長変換回路における光検出器から光変調器へのトランスインピーダンス値を計算した結果を示す図である。
【図１０】従来のフォトニック結晶共振器型の光変調器の構造を示す平面図および断面図である。
【図１１】従来のフォトニック結晶導波路型の光変調器の構造を示す平面図および断面図である。
【図１２】図１０、図１１の光変調器の作製方法を示す工程断面図である。
【図１３】図１０、図１１の光変調器に必要な信号電圧の計算結果を示す図である。
【図１４】図１０の光変調器に用いられるｐｉｎ接合に対するキャパシタンスの計算結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る光変調器の平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の光変調器のｂ−ｂ’線（光軸方向）断面図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）の光変調器のｃ−ｃ’線（光軸と垂直な方向）断面図である。本実施の形態の光変調器は、フォトニック結晶共振器型の変調器１０と負荷抵抗７とを同一基板上に形成したものである。
【００５８】
図１（Ａ）〜図１（Ｃ）に示すように、変調器１０は、ＩｎＰのフォトニック結晶からなる基板１中に形成された光変調層（埋め込み層）２と、ｎドープ領域３（第１の不純物領域）と、ｐドープ領域４（第２の不純物領域）と、円孔５，６と、金属電極８，９とを有する。光変調層２は、ＩｎＰよりも大きな屈折率を有する第３の媒質、具体的にはＩｎＧａＡｓＰバルクもしくはＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸からなる。
【００５９】
基板１の上下は空気層であり、基板１を上下に貫通する円孔５，６が平面視三角格子状に配列されている。これにより、円孔５，６が第１の媒質（ＩｎＰ）よりも屈折率の小さい第２の媒質となる。
【００６０】
本実施の形態では、従来と同様に、円孔５，６の周期をａ［ｎｍ］としたとき、円孔５，６の直径は０．５ａ以下の範囲、基板１の厚さは１ａ以下の範囲、光変調層２の厚さは１ａ以下の範囲、光変調層２の幅（図１（Ａ）上下方向）は（√３）ａ以下の範囲となる。光変調層２の長さ（図１（Ａ）左右方向）は２０ａ以下である。ｎドープ領域３およびｐドープ領域４の光変調層２近傍の長さは、光変調層２の長さと同等である。
【００６１】
基板１上の変調器１０の光軸（ｂ−ｂ’線）近傍のＩｎＰの領域のうち円孔６によって挟まれた入力側（図１（Ａ）左側）の領域が入力導波路５７、光軸近傍のＩｎＰの領域のうち円孔６によって挟まれた出力側（図１（Ａ）右側）の領域が出力導波路６１、入力側の円孔６および入力導波路５７と光変調層２との間にある円孔５の領域がミラー領域５８、出力側の円孔６および出力導波路６１と光変調層２との間にある円孔５の領域がミラー領域６０、光軸近傍のＩｎＰの領域のうち円孔５によって挟まれ且つ光変調層２が形成されている領域が変調領域５９である。
【００６２】
従来と同様に、均一に円孔が配列された基板１において、光変調層２の光軸上の円孔を１列だけ形成せずに、光導波路とした場合の導波路の幅（図１（Ａ）上下方向）をＷ0と定義すると、入力導波路５７または出力導波路６１を挟んで対向する円孔６の間隔Ｗ1は１．０Ｗ0から１．２Ｗ0の範囲であり、変調領域５９を挟んで対向する円孔５の間隔Ｗ2は０．７Ｗ0から１．０Ｗ0の範囲である。したがって、入力導波路５７および出力導波路６１の幅は、変調領域５９（光変調層２）の幅よりも広い。
【００６３】
また、入力導波路５７の出力端から変調領域５９（光変調層２）の入力端までの距離、および変調領域５９の出力端から出力導波路６１の入力端までの距離は、円孔２０列以内の範囲となっている。
【００６４】
以上のような光変調器の作製方法は図１２（Ａ）〜図１２（Ｆ）で説明した従来の作製方法と同様であるが、異なる点は、Ｚｎ拡散法によりｎドープ領域３を形成する際に、同時に負荷抵抗７の形成予定領域にＺｎをドープしてｎ−ＩｎＰからなる負荷抵抗７（第３の不純物領域）を形成する点である。
【００６５】
そして、従来と同様に基板１に円孔５，６を形成した後に、基板１の上に、ｎドープ領域３と負荷抵抗７の一端とを接続するように金属電極８（カソード電極）を形成し、ｐドープ領域４と負荷抵抗７の他端とを接続するように金属電極９（アノード電極）を形成すればよい。こうして、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）のような構造の光変調器を作製することができる。
【００６６】
以上のように、本実施の形態では、光変調器のｐｉｎ接合（ｐドープ領域４、光変調層２、ｎドープ領域３）を作製する際に負荷抵抗７を同時に形成することができ、フォトニック結晶共振器型の変調器と負荷抵抗とを同一基板上に形成することができる。その結果、本実施の形態では、光変調器と負荷抵抗とを並列に接続した構造を従来よりも小さいサイズで実現することができる。
【００６７】
特許文献１に開示されたような構成では、例えば５０Ωの負荷抵抗を光変調器に並列に接続して外部信号源とのインピーダンス整合をとるような構成となっている。これに対して、本実施の形態の負荷抵抗７は例えば１ｋΩ以上の高抵抗となる。負荷抵抗７が１ｋΩ以上の高抵抗になると、従来の光変調器のような外部信号源からの駆動には適していないが、本実施の形態では光変調器の直近にＰＤを形成することを想定しているので、ＰＤからの信号電流を負荷抵抗７で信号電圧に変換して、この信号電圧で光変調器を駆動することは可能である。
【００６８】
なお、本実施の形態では、負荷抵抗７の材料としてｎドープされたｎ−ＩｎＰを用いたが、ｎ−ＩｎＰを用いた理由は、ｐ−ＩｎＰよりもｎ−ＩｎＰの方が一般的に光損失が小さいためである。負荷抵抗７が入力導波路５７または出力導波路６１と交叉する面積が十分に小さい場合には、負荷抵抗７の材料としてｐドープされたｐ−ＩｎＰを用いても構わない。この場合には、Ｓｉイオン注入法によりｐドープ領域４を形成する際に、同時に負荷抵抗７の形成予定領域にＳｉイオンをドープしてｐ−ＩｎＰからなる負荷抵抗７を形成すればよい。
【００６９】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図２（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る光波長変換回路の平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の光波長変換回路のｃ−ｃ’線（光軸と垂直な方向）断面図であり、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の光波長変換回路は、フォトニック結晶共振器型の変調器１０と負荷抵抗７とフォトニック結晶構造のＰＤ１１とを同一基板上に形成したものである。
【００７０】
図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示すように、ＰＤ１１は、基板１中に形成された光吸収層（埋め込み層）１２と、ｎドープ領域１３（第４の不純物領域）と、ｐドープ領域１４（第５の不純物領域）と、円孔１５，１６と、金属電極１７，１８とを有する。
【００７１】
光吸収層１２は、ＩｎＰよりも大きな屈折率を有する第３の媒質、具体的にはＩｎＧａＡｓＰからなる。なお、後述のように、光変調層２と異なる第４の媒質（ＩｎＧａＡｓまたは光変調層２と組成の異なるＩｎＧａＡｓＰ）を光吸収層１２として用いてもよい。
【００７２】
第１の実施の形態で説明したとおり、基板１の上下は空気層であり、円孔５，６と同様に、基板１を上下に貫通する円孔１５，１６が平面視三角格子状に配列されている。円孔１５，１６の周期は円孔５，６の周期ａと同じで構わない。このとき、円孔１５，１６の直径は０．５ａ以下の範囲、光吸収層１２の厚さは１ａ以下の範囲、光吸収層１２の幅（図２（Ａ）上下方向）は（√３）ａ以下の範囲となる。光吸収層１２の長さ（図２（Ａ）左右方向）は２０ａ以下である。ｎドープ領域１３およびｐドープ領域１４の光吸収層１２近傍の長さは、光吸収層１２の長さと同等である。
【００７３】
基板１上のＰＤ１１の光軸（ｄ−ｄ’線）近傍のＩｎＰの領域のうち円孔１６によって挟まれた入力側（図２（Ａ）左側）の領域が入力導波路６２、ＰＤ１１の光軸近傍のＩｎＰの領域のうち円孔１５によって挟まれ且つ光吸収層１２が形成されている領域が光吸収領域である。
【００７４】
第１の実施の形態と同様に、均一に円孔が配列された基板１において、光吸収層１２の光軸上の円孔を１列だけ形成せずに、光導波路とした場合の導波路の幅（図２（Ａ）上下方向）をＷ0と定義すると、入力導波路６２を挟んで対向する円孔１６の間隔Ｗ3は１．０Ｗ0から１．２Ｗ0の範囲であり、光吸収領域を挟んで対向する円孔１５の間隔Ｗ4は０．７Ｗ0から１．０Ｗ0の範囲である。したがって、入力導波路６２の幅は、光吸収領域（光吸収層１２）の幅よりも広い。
【００７５】
以上のような光波長変換回路の作製方法は第１の実施の形態と同様であるが、異なる点は、光変調層２の形成と同時に、または光変調層２とは別に光吸収層１２を形成し、ｎドープ領域３の形成と同時にｎドープ領域１３を形成し、ｐドープ領域４の形成と同時にｐドープ領域１４を形成し、円孔５，６の形成と同時に円孔１５，１６を形成する点である。
【００７６】
そして、ｐドープ領域４と負荷抵抗７の他端とを接続するように金属電極９（変調器１０のアノード電極）を形成し、ｎドープ領域３とｐドープ領域１４と負荷抵抗７の一端とを接続するように金属電極１７（変調器１０のカソード電極およびＰＤ１１のアノード電極）を形成し、ｎドープ領域１３の上に金属電極１８（ＰＤ１１のカソード電極）を形成すればよい。こうして、図２（Ａ）、図２（Ｂ）のような構造の光波長変換回路を作製することができる。
【００７７】
この光波長変換回路の回路図は図８（Ａ）と同様になる。動作原理は図８（Ａ）で説明したとおりである。以上のように、本実施の形態では、フォトニック結晶構造のＰＤとフォトニック結晶共振器型の変調器と負荷抵抗とを同一基板上に形成することができる。その結果、本実施の形態では、光波長変換回路を従来よりも小さいサイズで実現することができる。
【００７８】
従来のＰＤや光変調器は数十μｍから長ければｍｍオーダの長さをもっており、接合キャパシタンスが大きいため、１０ｋΩを超えるような負荷抵抗を接続すると、ＲＣ時定数の制限により光波長変換回路の動作帯域がＭＨｚオーダとなってしまう。しかし、本実施の形態のようなフォトニック結晶構造を用いると、１ｆＦを下回るような接合キャパシタンスが実現可能であるため、光波長変換回路の動作帯域を１０ＧＨｚ以上まで引き上げることが可能である。
【００７９】
しかも、フォトニック結晶による光閉じ込めの効果により、ＰＤ１１に関しては微小サイズでも吸収効率が高めることができ、また変調器１０に関しても共振器構造やスローライト効果をもつ導波路を利用することによって微小サイズでも変調効率を高めることができる。結果として、光波長変換回路全体として２０×２０μｍ2に収まる程度の非常に微小な面積で動作が可能である。
【００８０】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図３は本発明の第３の実施の形態に係る光波長変換回路の平面図であり、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）、図２（Ａ）、図２（Ｂ）と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態は、第２の実施の形態のＰＤ１１の代わりに、ＰＤ１１ａを設けるものである。
【００８１】
本実施の形態では、ＰＤ１１で用いているｐｉｎ接合（ｐドープ領域１４、光吸収層１２、ｎドープ領域１３）を形成する代わりに、光吸収層１２の近傍の基板１上に金属（典型的にはＴｉ／Ａｕ）からなるショットキー電極１９（ＰＤ１１ａのカソード電極）およびショットキー電極２０（ＰＤ１１ａのアノード電極）を形成する。こうして、光吸収層１２にショットキー電極１９，２０を結合させる。
【００８２】
このとき、ショットキー電極２０については、ｎドープ領域３と負荷抵抗７の一端とを接続するように基板１上に形成され、ＰＤ１１ａのアノード電極として機能すると同時に、変調器１０のカソード電極としても機能する。
【００８３】
本実施の形態のようなショットキー電極型のＰＤ１１では、ｐｉｎ型のＰＤ１１に比べると暗電流が高くなり易いという問題点があるが、低い接合抵抗が期待でき、高速化につながる可能性がある。
【００８４】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図４は本発明の第４の実施の形態に係る光波長変換回路の平面図であり、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）、図２（Ａ）、図２（Ｂ）と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態は、第２の実施の形態のＰＤ１１の代わりに、ＰＤ１１ｂを設けるものである。
【００８５】
本実施の形態の光波長変換回路は、ＰＤ１１で用いているｐｉｎ接合（ｐドープ領域１４、光吸収層１２、ｎドープ領域１３）をｎｉｎ接合（ｎドープ領域２１、光吸収層１２、ｎドープ領域１３）に変更した構造であり、フォトコンダクタと呼ばれるＰＤを用いるものである。
【００８６】
本実施の形態の光波長変換回路の作製方法は第２の実施の形態と同様であるが、異なる点はｐドープ領域１４の代わりに、ｎドープ領域２１（第５の不純物領域）をｎドープ領域３，１３と同時に形成する点である。金属電極１７（変調器１０のカソード電極およびＰＤ１１ｂのアノード電極）は、ｎドープ領域３とｎドープ領域２１と負荷抵抗７の一端とを接続するように基板１上に形成すればよい。
【００８７】
本実施の形態では、光入射によってｎｉｎ接合部のコンダクタンスが変化することで信号電流が流れる。この場合、同一の光入射パワーに対してｐｉｎ接合の場合よりも高い信号電流が発生することが期待されるため、動作に必要な光入射パワーを低減できる可能性がある。
【００８８】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図５は本発明の第５の実施の形態に係る光波長変換回路の平面図であり、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）、図２（Ａ）、図２（Ｂ）と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態は、第２の実施の形態の変調器１０のｐｉｎ接合を逆転させた変調器１０ａを用い、負荷抵抗７を取り除いたものである。
【００８９】
すなわち、変調器１０ａは、ｐドープ領域２２（第１の不純物領域）と光変調層２とｎドープ領域２３（第２の不純物領域）とからなるｐｉｎ接合を有する。本実施の形態の光波長変換回路の作製方法は第２の実施の形態と同様であるが、異なる点はｎドープ領域１３（第３の不純物領域）と同時にｎドープ領域２３を形成し、ｐドープ領域１４（第４の不純物領域）と同時にｐドープ領域２２を形成する点である。このとき、ｐドープ領域２２を、ｐドープ領域１４と一体となるように形成する。
【００９０】
したがって、本実施の形態では、変調器１０ａのカソード（ｐドープ領域２２）とＰＤ１１のアノード（ｐドープ領域１４）とを接続する電極（図２（Ａ）の例では金属電極１７）は不要である。そして、ｎドープ領域２３の上に金属電極２４（変調器１０ａのアノード電極）を形成すればよい。
【００９１】
本実施の形態の場合、ＰＤ１１に光信号を入射することで生成された信号電流がそのまま変調器１０ａへ流れ込むため、キャリア注入型の光変調器として動作させることができる。一般的に、キャリア注入による非線形効果は、電界の印可による非線形電気光学効果に比べて強いため、動作に必要な光信号パワーを低減できることが期待される。
【００９２】
なお、第２〜第５の実施の形態において光変調層２および光吸収層１２の組成は、以下の２つの場合がある。
（１）光吸収層１２がＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰからなり、光変調層２が光吸収層１２とは異なる組成のＩｎＧａＡｓＰからなる場合。
（２）光変調層２と光吸収層１２が同じ組成のＩｎＧａＡｓＰからなる場合。
【００９３】
上記の（１）の場合には、ＰＤ１１，１１ａ，１１ｂの光吸収層１２の材料として、ＩｎＧａＡｓもしくは吸収端波長が動作波長に近い組成のＩｎＧａＡｓＰ（動作波長を１．５５μｍとすると、吸収端波長が１．３μｍ以上になるような組成のＩｎＧａＡｓＰ）を用いる。吸収端波長が短くても高い逆バイアス電圧をＰＤ１１，１１ａ，１１ｂに印加することでフランツ−ケルディッシュ効果が起こり、波長１．５５μｍ帯での吸収係数が上がり、ＰＤとして使用できる。
【００９４】
一方で、変調器１０，１０ａの光変調層２には吸収端波長の制限はない。光変調層２の吸収端波長が動作波長に近い場合には吸収変調型の変調器、吸収端波長が動作波長から遠い場合には屈折率変調型の変調器として使用できる。
【００９５】
一方、（２）の場合には、（１）の場合でＰＤ１１，１１ａ，１１ｂの光吸収層１２と変調器１０，１０ａの光変調層２の組成が同じになる場合に相当する。ただし、（１）の場合で光吸収層１２と光変調層２の組成が異なる場合は、バットジョイント再成長が一つ追加されるので、作製プロセスが増える。
【００９６】
これに対し、（２）の場合にはＰＤ１１，１１ａ，１１ｂの光吸収層１２と変調器１０，１０ａの光変調層２とを同時に形成できる利点がある。光吸収層１２と光変調層２を同時に形成する場合には、動作波長１．５５μｍに対して、光吸収層１２と光変調層２共に例えば１．４５μｍの吸収端波長をもつＩｎＧａＡｓＰとする。
【００９７】
なお、第１〜第５の実施の形態では、変調器１０，１０ａとして、フォトニック結晶共振器型の光変調器を用いているが、これに限るものではなく、フォトニック結晶導波路型の変調器を用いてもよい。この場合には、第１〜第５の実施の形態の変調器１０，１０ａからミラー領域を取り除けばよい。
【００９８】
この場合、変調器１０，１０ａにおける円孔５の配置は、図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）のフォトニック結晶導波路型の光変調器における円孔４５の配置と同一になり、変調器１０，１０ａにおける円孔６の配置は、フォトニック結晶導波路型の光変調器における円孔４６の配置と同一になる。
【００９９】
また、第２〜第５の実施の形態では、ＰＤ１１，１１ａ，１１ｂに対して基板面内方向から光信号が入射するものとして説明しているが、これに限るものではなく、基板１に対して垂直な方向から光信号を入射させるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は、フォトニック結晶構造を用いた光変調器および光波長変換回路に適用することができる。
【符号の説明】
【０１０１】
１…基板、２…光変調層、３，１３，２１，２３…ｎドープ領域、４，１４，２２…ｐドープ領域、５，６，１５，１６…円孔、７…負荷抵抗、８，９，１７，１８，２４…金属電極、１０，１０ａ…変調器、１１，１１ａ，１１ｂ…光検出器、１２…光吸収層、１９，２０…ショットキー電極、５７，６２…入力導波路、５８，６０…ミラー領域、５９…変調領域、６１…出力導波路。
【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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