(57)【要約】【課題】Ｐ型領域とＮ型領域との間の電圧印加により位相を変調させる際の応答速度を高めることができる光変調器を提供する。【解決手段】光導波路素子１が位相変調部に用いられた光変調器。光導波領域４は、光の導波方向に沿って延在する厚板部３と、厚板部３の幅方向一方側および他方側にある薄板部２（２Ａ、２Ｂ）とを有する。光導波領域４は、厚板部３にてＰ型領域５とＮ型領域６とに分離されている。Ｐ型領域５とＮ型領域６の薄板部２Ａ、２Ｂには、それぞれ電圧印加用の電極７Ａ、７Ｂが接続されている。薄板部２Ａ、２Ｂの厚さは８０〜１１０ｎｍとされる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を導波する光導波領域を有する光導波路素子が位相変調部に用いられた光変調器であって、
前記光導波領域が、前記光の導波方向に沿って延在する厚みの厚い厚板部と、前記厚板部の幅方向一方側および他方側にあって前記厚板部より厚みの薄い薄板部とを有し、
前記光導波領域が、前記厚板部にて幅方向一方側のＰ型領域と他方側のＮ型領域とに分離され、
前記一方側および他方側の薄板部には、前記厚板部から離れた位置に、それぞれ電圧印加用の電極が接続され、
前記一方側および他方側の薄板部の厚さは、８０〜１１０ｎｍであることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記厚板部は、前記薄板部の一方の面から突出して形成されていることを特徴とする請求項１記載の光変調器。
【請求項３】
前記Ｐ型領域は、前記一方側の薄板部と、前記厚板部の部分領域であって前記分離位置よりも一方側の厚板領域とを有し、
前記Ｎ型領域は、前記他方側の薄板部と、前記厚板部の部分領域であって前記分離位置よりも他方側の厚板領域とを有することを特徴とする請求項１または２記載の光変調器。
【請求項４】
前記光導波領域がシリコンからなることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の光変調器。
【請求項５】
光が入射される入力導波路と、前記入力導波路からの光を複数に分配する分配部と、前記分配部に接続された複数の分配導波路と、前記分配導波路に接続された合波部と、前記合波部からの合波光を出射する出力導波路とを有し、
前記位相変調部が、前記分配導波路に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の光変調器。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか１項記載の光変調器に用いられることを特徴とする光導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信に利用される光変調器およびこれに用いられる光導波路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信で伝送される情報量は増加の一途をたどっている。これに対しては、（Ｉ）信号の伝送速度を増す、（ＩＩ）波長多重通信のチャンネル数を増す、といった対策が進められているが、光部品の数が増すとともに伝送経路も複雑になるため、光通信設備の大型化、複雑化、高額化、消費電力増大という問題が生じる。
光通信設備が使用されるデータセンター等では、高速化や消費電力低減の要請から、近年、シリコン（Ｓｉ）などの屈折率の高い材料を用いた光導波路素子の使用が検討されている。
媒質中の光の波長はその媒質の屈折率に反比例するため、屈折率が高い材料を使用すると、光導波路のコア幅などの寸法を小さくできる。また、高屈折率材料（シリコン等）に対し屈折率が大きく異なるシリカ等をクラッドとすることで、閉じ込めが強い光導波路が得られ、曲げ半径を小さくすることができ、光導波路素子の小型化が可能となる。
さらに、シリコン等を用いた光導波路素子では、従来のＣＰＵ、メモリ等の半導体デバイス製造で使用する半導体プロセスに関する技術・装置と共通の要素が多く、低コスト化を図ることができる。また、従来の半導体デバイスとの同一基板上での集積も可能である。
このように、シリコン等を用いた小型かつ低価格の光導波路素子の実現により、情報通信機器で使用している電気処理の一部を光で置き換え、システム全体の消費電力を削減できる可能性が議論されている。
【０００３】
光変調器は、光通信における主要デバイスの一つであり、他のデバイス同様、光集積デバイスの実現に向けた要素の一つとして研究開発が進められている（特許文献１、２、非特許文献１等を参照）。
図１２は、光変調器の一例であり、この光変調器３０は、マッハツェンダ型の光変調器であり、分配導波路３１、３１にそれぞれ位相変調部３２が設けられている。
図１１は、位相変調部３２に用いられる光導波路素子２１の断面図であり、光導波路素子２１は、薄板部２２と、薄板部２２の一方の面から突出する厚板部２３とを備えたリブ型形状の光導波領域２４を有する。
光導波領域２４は、厚板部２３の幅方向中央にてＰ型領域２５とＮ型領域２６とに分離されている。
Ｐ型領域２５は、第１薄板部２２Ａと第１厚板部２３Ａとを有する。Ｎ型領域２６は、第２薄板部２２Ｂと第２厚板部２３Ｂとを有する。
Ｐ型領域２５の第１薄板部２２Ａには第１電極２７Ａが設けられ、Ｎ型領域２６の第２薄板部２２Ｂには第２電極２７Ｂが設けられている。
光導波路素子２１は、第１電極２７Ａと第２電極２７Ｂとの間に印加する電圧によって屈折率を調整し、これを利用して位相変調が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第００／５８７７６号
【特許文献２】米国特許第７０８５４４３号明細書
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Tsung-Yang Liow, Kah-Wee Ang, Qing Fang, Jun-Feng Song, Yong-Zhong Xiong, Ming-Bin Yu, Guo-Qiang Lo,“Silicon Modulators and Germanium Photodetectors on SOI: Monolithic Integration, Compatibility, and Performance Optimization”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.16, No.1, pp.307-315 (2010).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の光変調器３０では、Ｐ型領域２５とＮ型領域２６との間の電圧印加により位相を変調させる際の応答速度が十分とはいえず、改善が要望されていた。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、Ｐ型領域とＮ型領域との間の電圧印加により位相を変調させる際の応答速度を高めることができる光変調器およびこれに用いられる光導波路素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、光を導波する光導波領域を有する光導波路素子が位相変調部に用いられた光変調器であって、前記光導波領域が、前記光の導波方向に沿って延在する厚みの厚い厚板部と、前記厚板部の幅方向一方側および他方側にあって前記厚板部より厚みの薄い薄板部とを有し、前記光導波領域が、前記厚板部にて幅方向一方側のＰ型領域と他方側のＮ型領域とに分離され、前記一方側および他方側の薄板部には、前記厚板部から離れた位置に、それぞれ電圧印加用の電極が接続され、前記一方側および他方側の薄板部の厚さは、８０〜１１０ｎｍである光変調器を提供する。
前記厚板部は、前記薄板部の一方の面から突出している形状とすることができる。
本発明の光変調器は、前記Ｐ型領域が、前記一方側の薄板部と、前記厚板部の部分領域であって前記分離位置よりも一方側の厚板領域とを有し、前記Ｎ型領域が、前記他方側の薄板部と、前記厚板部の部分領域であって前記分離位置よりも他方側の厚板領域とを有する構造とすることができる。
前記光導波領域は、シリコンからなることが好ましい。
本発明は、光が入射される入力導波路と、前記入力導波路からの光を複数に分配する分配部と、前記分配部に接続された複数の分配導波路と、前記分配導波路に接続された合波部と、前記合波部からの合波光を出射する出力導波路とを有し、前記位相変調部が、前記分配導波路に設けられている光変調器を提供する。
本発明は、前記光変調器に用いられる光導波路素子を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、位相変調部に用いられる光導波路素子の薄板部の厚みを８０〜１１０ｎｍとすることによって、Ｐ型領域とＮ型領域との間の電圧印加により位相を変調させる際の応答速度を高め、しかも位相変化量の低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態の光変調器に用いられる光導波路素子の断面を示す図である。
【図２】図１の光導波路素子を用いた光変調器を模式的に示す図である。
【図３】図２の光変調器の等価回路を模式的に示す図である。
【図４】薄板部の厚みと抵抗との関係、および薄板部の厚みと位相変化量との関係を示す図である。
【図５】図１の光導波路素子を用いた光変調器を示す図である。
【図６】図５の光変調器で得られたアイパターンを示す図である。
【図７】図５の光変調器に入力されたＲＦ信号を示す図である。
【図８】マスクテストの結果を示す図である。
【図９】マスクテストの結果を示す図である。
【図１０】マスクテストの結果を示す図である。
【図１１】従来の光導波路素子の一例の断面を示す図である。
【図１２】前図の光導波路素子を用いた光変調器を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図２は、本発明の一実施形態の光変調器であり、この光変調器１０はマッハツェンダ型の光変調器である。
光変調器１０は、光が入射される入力導波路１１と、入力導波路１１からの光を２つに分配する分配部１２と、分配部１２に接続された２つの分配導波路１３、１３と、分配導波路１３、１３に設けられた位相変調部１４、１４（光導波路素子）と、分配導波路１４、１４に接続された合波部１５と、合波部１５からの合波光を出射する出力導波路１６とを有する。
【００１１】
図１は、位相変調部１４に使用される光導波路素子１を模式的に示す断面図であり、図２のＡ１−Ａ１断面図である。以下の説明において、幅方向とは、薄板部２に沿い、かつ光の導波方向に直交する方向であり、図１の左右方向である。
この光導波路素子１は、光が導波する光導波領域４（コア領域）を有する。
光導波領域４は、光の導波方向（例えば図１の紙面に垂直な方向）に沿って延在する厚みの厚い厚板部３と、厚板部３の幅方向の一方側および他方側にあって厚板部３より厚みの薄い薄板部２（２Ａ、２Ｂ）とを有する。
光導波領域４は、薄板部２（平板部）と、薄板部２の上面２ａ（一方の面）から上方に突出する厚板部３（凸状部）とからなるリブ型形状をなす。
【００１２】
光導波路素子１は、光導波領域４の一方の面４ａ側および他方の面４ｂ側に、それぞれ光導波領域４より屈折率が低いクラッド（図示略）が形成された構造が好ましい。
光導波路素子１は、ＳＯＩ基板を加工して作製することができる。光導波領域４は、前記クラッド（例えばＳＯＩ基板のＳｉＯ２層）よりも屈折率が高い材料、好ましくはＳｉ（シリコン）からなる。光導波領域４は、ＳＯＩ基板の最上層のシリコン（Ｓｉ）層を加工して形成することができる。
【００１３】
図示例では、薄板部２は、一定の厚みを有する平板状とされている。厚板部３は、断面略矩形状に形成され、光の導波方向に沿って延在する。
【００１４】
光導波領域４は、厚板部３の幅方向中央の分離箇所９（ＰＮ接合箇所）にて、一方側（図１の左側）のＰ型領域５と、他方側（図１の右側）のＮ型領域６とに電気的に分離されている。Ｐ型領域５とＮ型領域６とは、分離箇所９において対向配置されている。
なお、Ｐ型領域５とＮ型領域６との分離箇所９は、厚板部３の幅方向中央に限らず、厚板部３の幅方向のいずれの位置にあってもよい。
【００１５】
Ｐ型領域５は、Ｐ型の導電性が付与された領域であり、一方側の第１薄板部２Ａと、第１薄板部２Ａの内方側の縁部から上方に突出して形成された第１厚板部３Ａとを有する形状である。
第１薄板部２Ａは、薄板部２の部分領域であって、厚板部３よりも一方側（左側）の領域である。第１厚板部３Ａは、厚板部３の部分領域であって、分離箇所９よりも一方側（左側）の領域（厚板領域）である。
Ｐ型の導電性を与える添加物としてはホウ素（Ｂ）等のＩＩＩ族元素がある。Ｐ型領域５は、前記添加物（ホウ素等）を光導波領域４の当該領域にイオン注入することにより得られる。
【００１６】
Ｎ型領域６は、Ｎ型の導電性が付与された領域であり、他方側の第２薄板部２Ｂと、第２薄板部２Ｂの内方側の縁部から上方に突出して形成された第２厚板部３Ｂとを有する形状である。
第２薄板部２Ｂは、薄板部２の部分領域であって、厚板部３よりも他方側（右側）の領域である。第２厚板部３Ｂは、厚板部３の部分領域であって、分離箇所９よりも他方側（右側）の領域（厚板領域）である。
Ｎ型の導電性を与える添加物としてはリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）等のＶ族元素が挙げられる。Ｎ型領域６は、前記添加物（リン等）を光導波領域４の当該領域にイオン注入することにより得られる。
【００１７】
Ｐ型領域５の第１薄板部２Ａには、厚板部３から一方側に離れた位置に、電圧印加用の第１電極７Ａが設けられている。図示例の第１電極７Ａは第１薄板部２Ａの上面２ａに設けられている。
Ｎ型領域６の第２薄板部２Ｂには、厚板部３から他方側に離れた位置に、電圧印加用の第２電極７Ｂが設けられている。図示例の第２電極７Ｂは第２薄板部２Ｂの上面２ａに設けられている。
【００１８】
光導波路素子１は、第１電極７Ａと第２電極７Ｂとの間に印加する電圧を調整することによってキャリア密度を変化させることができる。導波路を伝搬する光の実効屈折率は、その導波光の分布する領域の屈折率により決まり、その屈折率はキャリア密度に依存するため、電極７Ａ、７Ｂ間に印加する電圧によって実効屈折率を調整することができ、これを利用して位相変調が可能となる。
第１電極７Ａと第２電極７Ｂとの間に印加する電圧は、高速変調に適した逆バイアス電圧であることが好ましい。
【００１９】
図１に示すように、厚板部３の幅（Ｗ）は、例えば３００〜１０００ｎｍとすることができる。高さ（ｔＲ）は、例えば１５０〜５００ｎｍとすることができる。
厚板部３の幅および高さを前記範囲とすることによって、電圧印加時のキャリア密度変化領域と導波光の分布の重なりを大きくし、効率的な（印加電圧の変化に対する屈折率変化量の大きい）動作を行うことができる。
位相変調器において、印加する逆バイアスの差が大きいほど、出力部におけるその２つの状態間の位相変化量は大きくなり、また、２つの状態の印加電圧を一定であっても、位相変調器の光の導波方向の長さが長いほど、位相変化量が大きくなる。そこで、一定の長さの導波路において、一定の逆バイアスを印加するという条件において、より大きな位相変化量を得られることを、ここでは「効率的」と表現した。
【００２０】
薄板部２（２Ａ、２Ｂ）の厚み（ｔＳ）（詳しくは電極７Ａ、７Ｂから厚板部３までの領域８Ａ、８Ｂにおける薄板部２（２Ａ、２Ｂ）の厚み）は、８０〜１１０ｎｍとされる。
薄板部２の厚みが前記範囲を下回ると、抵抗が大きくなり、Ｐ型領域５とＮ型領域６との間の電圧印加により位相を変調させる際の応答速度が低下する。薄板部２の厚みが前記範囲を越えると、導波光のパワー密度が低下するため損失が大きくなり、位相変化量が低下する。
薄板部２の厚みを前記範囲とすることによって、Ｐ型領域５とＮ型領域６との間の電圧印加により位相を変調させる際の応答速度を高め、しかも位相変化量の低下を抑えることができる。
【００２１】
以下、薄板部２の厚みが応答速度および位相変化量に及ぼす影響について検証を行った結果を説明する。
図１の構造の光導波路素子１について、電極からＰＮ接合までの抵抗Ｒ（寄生抵抗）と、ＰＮ接合のキャパシタＣ（接合容量Ｃ）とが直列に接続された等価回路を考えると（図３参照）、光変調器の応答時間は２ＲＣで表すことができる。抵抗Ｒは、薄板部２の厚みに大きく依存する。薄板部の厚みを増すと、導波方向単位長さ当たりの面積が増大し、薄板部における抵抗値は厚みに反比例して低減すると考えられる。
【００２２】
図４に薄板部２の厚みと抵抗Ｒとの関係を示す。図１に示す構造において、厚板部３の幅（Ｗ）が６００ｎｍ、高さ（ｔＲ）が２２０ｎｍ、薄板部２の厚み（ｔＳ）が９５ｎｍ、導波方向の長さが４ｍｍである光導波路素子１（以下、実施例１という）では、抵抗Ｒは５．７Ωとなった。これに対し、薄板部２の厚みが６０ｎｍであること以外は実施例１と同様の光導波路素子（以下、比較例１という）における抵抗Ｒは、８．２Ωであった。実施例１における抵抗Ｒは、比較例１に比べ、約２／３となっており、薄板部２を厚く形成することで、抵抗Ｒを低くできることが確認された。
【００２３】
実施例１の光導波路素子１では容量Ｃは１．６ｐＦであるため、応答時間の指標となる２ＲＣは１８ｐｓとなる。この値は、比較例１の光変調器における２ＲＣ（２６ｐｓ）に比べ、約２／３となる。
このため、実施例１の光導波路素子１では、応答速度を高めることができ、高速動作が期待できる。
【００２４】
薄板部２の厚みが増加すると、導波光の密度が低下するため位相変化量が低下することが考えられる。
本発明においては、バイアス電圧印加時のキャリア密度の変化は、主として厚板部に生じる。従って、実効屈折率の変化は、導波光のパワーのうちこのキャリア密度変化領域に位置する割合（パワー割合）に比例すると考えることができる。そこで、導波光の厚板部へのパワー割合をシミュレーションにより求め、実施例１の位相変化量と比較した。図４には、このパワー割合について、実施例１の位相変化量に対する比を、「位相変化量の比」として、前述の抵抗値の結果と共に示す。
実施例１の光導波路素子１（薄板部２の厚み９５ｎｍ）の位相変化量の低下についてのシミュレーションの結果、比較例１の光変調器（薄板部２の厚み６０ｎｍ）に比べて、位相変化量の低下は約３％に留まるという結果が得られた。
これらの結果より、薄板部２の厚みを前記範囲とすることによって、応答速度を高め、しかも位相変化量の低下を抑えることができることが確認された。
【００２５】
図５に示すように、光導波路素子１を位相変調部１４に使用して、図２の光変調器１０と同じ構成の光変調器１０Ａを作製した。
光変調器１０Ａで得られた強度変調信号のアイパターンを図６に示す。光導波路素子１（位相変調部１４）に入力したＲＦ信号を図７に示す。
本試験ではBessel-Thomsonフィルタは使用せず、伝送速度は１０Ｇｐｓとした。駆動電圧は７Ｖｐｐとし、ＤＣバイアス電圧は−５Ｖとした。測定に使用したオシロスコープはＡｇｉｌｅｎｔ８６１００Ｃ／８６１０７Ｃである。
【００２６】
実施例１の光導波路素子１を用いた場合には、アイパターンの立上がりおよび立下がり時間は４４ｐｓであり、消光比は１３．９ｄＢと高い値になった。
これに対し、比較例１の光導波路素子を用いた場合には、立上がりおよび立下がり時間は６９ｐｓであり、消光比は７ｄＢ未満と低い値になった。
【００２７】
光変調器１０Ａを、各動作速度に応じたBessel-Thomsonフィルタを用いたマスクテストに供した。結果を表１および図８〜図１０に示す。図８〜図１０は、それぞれ実施例２〜４の結果である。
測定に使用したオシロスコープはＡｇｉｌｅｎｔ８６１００Ｂ／８６１０５Ｂであり、使用したマスクは１０ＧＢＥ（実施例２）、ＳＴＭ−６４／ＯＣ−１９２（実施例３、４）である。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
表１および図８〜図１０より、各伝送速度において、１０ｄＢを越える高い消光比が得られたことがわかる。
【００３０】
図２に示すマッハツェンダ型の光変調器１０では、入力導波路１１から入射された光が分配部１２で２つに分配され、分配導波路１３、１３の位相変調部１４、１４で位相変調がなされ、合波部１５において２つの位相変調部１４からの光の位相差に応じた強度変調や位相変調がなされた合波光が得られ、出力導波路１６から出射される。
なお、本発明の光変調器は図示例に限らず、例えば分配導波路１３、１３の一方にのみ位相変調部１４を設けた構造であってもよい。また、分配構造をもたず、１つの導波路に光変調器を設けた構造も可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１・・・光導波路素子、２・・・薄板部、２Ａ・・・第１薄板部（一方側の薄板部）、２Ｂ・・・第２薄板部（他方側の薄板部）、３・・・厚板部、３Ａ・・・第１厚板部（一方側の厚板領域）、３Ｂ・・・第２厚板部（他方側の厚板領域）、４・・・光導波領域、５・・・Ｐ型領域、６・・・Ｎ型領域、７Ａ・・・第１電極（一方側の薄板部の電極）、７Ｂ・・・第２電極（他方側の薄板部の電極）、９・・・分離位置、１０、１０Ａ・・・光変調器、１１・・・入力導波路、１２・・・分配部、１３・・・分配導波路、１４・・・位相変調部、１５・・・合波部、１６・・・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１１】
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【図１２】
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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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