(57)【要約】【課題】逆バイアス型の位相変調部として機能するコアを備えた半導体光導波路において、変調効率の更なる改善を図ること。【解決手段】高屈折率領域（１１）は、他の部分（１３，１４）よりも厚く、逆バイアス型の位相変調部として機能するコア（１２）を含み、コア（１２）は、Ｐ型半導体層（１２ａ，１３）と上記Ｎ型半導体層（１２ｂ，１４）との接合面を含み、高屈折率領域（１１）のコア以外の部分（１３，１４）には、コア（１２）との境界に沿うように複数の孔（１３ａ，１４ａ）が周期的に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
側面同士、又は、一方の上面端部と他方の下面端部とが接合されたＰ型半導体層とＮ型半導体層とからなる高屈折率領域を備えた半導体光導波路であって、
上記高屈折率領域は、他の部分よりも厚く、逆バイアス型の位相変調部として機能するコアを含み、
当該コアは、上記Ｐ型半導体層と上記Ｎ型半導体層との接合面を含み、
上記高屈折率領域の上記コア以外の部分には、上記コアとの境界に沿うように複数の孔が周期的に形成されている、
ことを特徴とする半導体光導波路。
【請求項２】
上記孔は、上記コアに接しているか、又は、上記孔と上記コアとの間隔は、上記コアの幅の０．２５倍以下である、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体光導波路。
【請求項３】
上記孔は、上記コアに接している、
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体光導波路。
【請求項４】
上記複数の孔の周期、及び、上記複数の孔の各々の、上記高屈折率領域を伝搬する光の伝搬方向の長さは、それぞれ、上記高屈折率領域を伝搬する光の実効波長より短い、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光導波路。
【請求項５】
上記複数の孔の各々の、上記高屈折率領域を伝搬する光の伝搬方向、及び、該孔の深さ方向の双方に直交する方向の幅は、上記コアの幅の０．３７５倍以上２．５倍以下である、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体光導波路。
【請求項６】
上記高屈折率領域を取り囲むクラッドを更に備えており、
上記孔の内部には、上記クラッドを構成する材料が充填されている、
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体光導波路。
【請求項７】
上記高屈折率領域は、シリコンにドーパントを添加した半導体又はインジウムリンにドーパントを添加した半導体からなり、上記クラッドは、シリカ、インジウムリンにドーパントを添加した半導体、及び空気のいずれか１つからなる、
ことを特徴とする請求項６に記載の半導体光導波路。
【請求項８】
上記Ｐ型半導体層に接続された第１の進行波電極と、上記Ｎ型半導体層に接続された第２の進行波電極とを更に備えている、
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体光導波路。
【請求項９】
少なくとも一方のアーム部に光変調部が設けられたマッハツェンダ型の半導体光変調器であって、上記光変調部として請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体光導波路を備えている、
ことを特徴とする半導体光変調器。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体光変調器と、
上記Ｐ型半導体層及び上記Ｎ型半導体層に逆バイアス方向の電圧を印加する電圧源と、を備えている、
ことを特徴とする半導体光変調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部から印加される変調電圧に応じて光を変調する半導体光導波路、半導体光変調器、及び半導体光変調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体からなるコア及びクラッドを備えている半導体光導波路、例えばシリコン光導波路が知られている。シリコン光導波路は、シリカ製の基板の内部にシリコン製の高屈折率領域を設け、この高屈折率領域の一部または全部をコアとした光導波路である。シリコン光導波路においては、シリカとシリコンとの屈折率差によりコアへの光の閉じ込めが実現される。
【０００３】
また、シリコン光導波路の高屈折率領域内にＰＩＮ接合（Ｐ型半導体層／Ｉ型半導体層／Ｎ型半導体層、非特許文献１及び特許文献１参照）又はＰＮ接合（Ｐ型半導体層／Ｎ型半導体層、特許文献２参照）の接合面を形成することによって、シリコン光導波路から出力される光の位相を接合構造の両端に印加する電圧に応じて変化させることができる。このため、２つのシリコン光導波路を組み合わせ、少なくとも何れか一方のシリコン光導波路の構造としてＰＩＮ接合構造又はＰＮ接合構造を採用することにより、マッハツェンダ型の光変調器を構成することができる。なお、ＰＩＮ接合のＩ型半導体層を絶縁体層に置換したシリコン光導波路も知られている。
【０００４】
ＰＩＮ接合が形成されたシリコン光導波路で構成されている光変調器の場合、ＰＩＮ接合構造の両端に印加する電圧（以下、「変調電圧」と記載）を順バイアス方向に印加することが多い。このように変調電圧を順バイアス方向に印加するシリコン光導波路のコアは、順バイアス型の位相変調部として機能する。順バイアス型の位相変調部として機能するコアを備えているシリコン光導波路のことを「順バイアス型のシリコン光変調器」と称する。一方、ＰＮ接合の接合面をコア内に形成する場合、変調電圧を逆バイアス方向に印加することが多い。このように変調電圧を逆バイアス方向に印加するシリコン光導波路のコアは、逆バイアス型の位相変調部として機能する。逆バイアス型の位相変調部として機能するコアを備えているシリコン光導波路のことを「逆バイアス型のシリコン光変調器」と称する。なお、逆バイアス型のシリコン光変調器では、ＰＮ接合構造の両端に一定の逆バイアス電圧をかけたうえで、片側振幅が逆バイアス電圧以下の変調電圧を印加する構成が採用されることが多い。
【０００５】
非特許文献１には、シリコン光導波路内にＰＩＮ接合の接合面が形成された順バイアス型のシリコン光変調器が記載されている。順バイアス型のシリコン光変調器は、逆バイアス型のシリコン光変調器と比較して、シリコン光導波路のコアにおけるキャリア密度の変化量を容易に高めることができる。このため、順バイアス型のシリコン変調器では、変調電圧の振幅を大きくせずとも、コアを導波する光の位相を十分に変化させることができる。言い換えれば、変調電圧の低電圧化を図ることができる。
【０００６】
その一方で、順バイアス型のシリコン光変調器では、ＰＩＮ接合の両半導体層間に電流が流れるために、変調電圧を印加する電極として進行波電極を採用することができない。また、順バイアス型のシリコン光変調器は、逆バイアス型のシリコン光変調器と比較して、変調電圧の変化に対するキャリア密度変化の応答速度が遅い。このため、順バイアス型のシリコン光変調器は、逆バイアス型のシリコン光変調器と比較して、動作速度を高速化することが難しいという課題を有する。言い換えれば、順バイアス型のシリコン光変調器は、伝送帯域の広帯域化が難しいという課題を有する。
【０００７】
また、順バイアス型のシリコン光変調器においては、上述したようにＰＩＮ接合の両半導体層間に大きな電流が流れるために、逆バイアス型のシリコン光変調器と比較して、消費電力が大きくなりやすいという課題を有する。
【０００８】
特許文献１には、コア内にＰＮ接合の接合面が形成された逆バイアス型のシリコン光変調器が記載されている。逆バイアス型のシリコン光変調器は、順バイアス型のシリコン光変調器と比較して、容易に動作速度の高速化を図れるという点で有利である。これは、（１）変調電圧を印加する電極の構成として、進行波電極を採用することができることと、（２）変調電圧の変化に対するキャリア密度変化の応答速度が速いこととに起因する。また、ＰＮ接合構造の両端に逆バイアス方向の変調電圧が印加されるため、ＰＮ接合構造の両端の間には、微弱な電流しか流れない。したがって、逆バイアス型のシリコン光変調器は、順バイアス型のシリコン光変調器と比較して、消費電力を抑制しやすいという点でも有利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−６３７６９号公報（２０１２年３月２９日公開）
【特許文献２】特開２０１４−１２６７２８公報（２０１４年７月７日公開）
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】S. Akiyama et. al.，OPTICS EXPRESS, Vol.20, No.3, p.2911，2012
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、逆バイアス型のシリコン光変調器には、順バイアス型のシリコン光変調器と比較して変調効率が悪い、すなわち、変調電圧の低電圧化を図ることが難しいという問題があった。
【００１２】
従来の逆バイアス型のシリコン光導波路の構造の例としては、図１４の（ａ）又は（ｂ）に示す構造が挙げられる。
【００１３】
図１４の（ａ）に示すシリコン光導波路５００は、側面同士が接合されたＰ型半導体層５１１とＮ型半導体層５１２とからなる高屈折率領域５１０を備えている。この高屈折率領域５１０においては、ＰＮ接合の接合面５１３を含む中央部（以下、「リブ」とも記載する）の厚みをその他の部分（以下、「スラブ」とも記載する）の厚みよりも厚くする構成が採用されている。このような構成を採用することによって、ＰＮ接合の接合面５１３を含む高屈折率領域５１０のリブを、シリコン光導波路５００のコア５１４として機能させることができる。
【００１４】
図１４の（ｂ）に示すシリコン光導波路５００は、上面端部と下面端部とが接合されたＰ型半導体層５１１とＮ型半導体層５１２とからなる高屈折率領域５１０を備えている。この高屈折率領域５１０においては、Ｐ型半導体層５１１とＮ型半導体５１２とが重なる中央部の厚みがスラブの厚みよりも厚くなる。このため、Ｐ型半導体層５１１とＮ型半導体５１２とが重なる（すなわち、ＰＮ接合の接合面５１３を含む）高屈折率領域５１０の中央部を、導波する光が局在するコア５１４として機能させることができる。
【００１５】
しかしながら、図１４の（ａ）に示す構成を採用したとしても、図１４の（ｂ）に示す構成を採用したとしても、シリコン光導波路５００が導波する光の一部は、コア５１４の外部にまで広がっている。すなわち、これらの構成には、変調効率を改善する余地が未だ残されている。
【００１６】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、逆バイアス型の位相変調部として機能するコアを備えた半導体光導波路において、変調効率の更なる改善を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の課題を解決するために、本発明は、側面同士、又は、一方の上面端部と他方の下面端部とが接合されたＰ型半導体層とＮ型半導体層とからなる高屈折率領域を備えた半導体光導波路であって、上記高屈折率領域は、他の部分よりも厚く、逆バイアス型の位相変調部として機能するコアを含み、当該コアは、上記Ｐ型半導体層と上記Ｎ型半導体層との接合面を含み、上記高屈折率領域の上記コア以外の部分には、上記コアとの境界に沿うように複数の孔が周期的に形成されている、ことを特徴とする。
【００１８】
上記の構成によれば、上記高屈折率領域の上記コア以外の部分に上記複数の孔が形成されていない場合と比べて、上記高屈折率領域を導波する光を上記コア内に形成された接合面（ｐｎ接合面）近傍により集中させることができる。このため、上記高屈折率領域の上記コア以外の部分に上記複数の孔が形成されていない場合と比べて、当該半導体光導波路の変調効率をより高くすることができる。
【００１９】
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、上記孔は、上記コアに接しているか、又は、上記孔と上記コアとの間隔は、上記コアの幅の０．２５倍以下である、ことが好ましい。
【００２０】
上記の構成によれば、上記高屈折率領域の上記コア以外の部分に上記複数の孔が形成されていない場合と比べて、確実に上記高屈折率領域を伝搬する光を上記コアの内部により集中させることができる。このため、上記高屈折率領域の上記コア以外の部分に上記複数の孔が形成されていない場合と比べて、確実に当該半導体光導波路の変調効率をより高くすることができる。
【００２１】
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、上記孔は、上記コアに接している、ことがより好ましい。
【００２２】
上記の構成によれば、上記高屈折率領域を伝搬する光を概ね上記コアの接合面近傍に局在させることができる。このため、当該半導体光導波路の変調効率を概ね最大化することができる。
【００２３】
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、上記複数の孔の周期、及び、上記複数の孔の各々の、上記高屈折率領域を伝搬する光の伝搬方向の長さは、それぞれ、上記高屈折率領域を伝搬する光の実効波長より短い、ことが好ましい。
【００２４】
上記の構成によれば、高屈折率領域を伝搬する光と、孔の周期的な構造との間に生じる相互作用を抑制することができる。したがって、高屈折率領域を伝搬する光の光損失を生じさせることなく、光をコアの接合面近傍に局在させることができる。
【００２５】
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、上記複数の孔の各々の、上記高屈折率領域を伝搬する光の伝搬方向、及び、該孔の深さ方向の双方に直交する方向の幅は、上記コアの幅の０．３７５倍以上２．５倍以下である、ことが好ましい。
【００２６】
複数の孔の各々の、上記高屈折率領域を伝搬する光の伝搬方向、及び、該孔の深さ方向の双方に直交する方向の幅がコアの幅の０．３７５倍以上であることによって、コアから高屈折率領域の上記コア以外の部分に光が浸み出すことを抑制し、光をコアの接合面近傍によく局在させることができる。また、複数の孔の各々の、上記高屈折率領域を伝搬する光の伝搬方向、及び、該孔の深さ方向の双方に直交する方向の幅がコアの幅の２．５倍以下であることによって、高屈折率領域の上記コア以外の部分の電気抵抗値が無用に高くなることを防止できる。すなわち、上記の構成によれば、高屈折率領域の上記コア以外の部分の電気抵抗値を抑制しつつ、光をコアの接合面近傍によく局在させることができる。
【００２７】
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、上記高屈折率領域を取り囲むクラッドを更に備えており、上記孔の内部には、上記クラッドを構成する材料が充填されている、ことが好ましい。
【００２８】
上記の構成によれば、当該半導体光導波路の製造を簡単化すると共に、上記高屈折率領域の劣化を防止することができる。例えば、高屈折率領域がシリコン製、クラッドがシリカ製の場合に、高屈折率領域を構成するシリコンの酸化や、高屈折率領域を構成するシリコンの表面が異物により汚染されることを防止することができる。
【００２９】
本発明の一態様に係る半導体光導波路において、上記高屈折率領域は、シリコンにドーパントを添加した半導体又はインジウムリンにドーパントを添加した半導体からなり、上記クラッドは、シリカ、インジウムリンにドーパントを添加した半導体、及び空気のいずれか１つからなる、ことが好ましい。
【００３０】
上記の構成によれば、半導体光導波路を作製するために、既存の半導体技術を利用することができる。したがって、半導体光導波路を作製するコストを抑制することができる。
【００３１】
本発明の一態様に係る半導体光導波路は、上記Ｐ型半導体層に接続された第１の進行波電極と、上記Ｎ型半導体層に接続された第２の進行波電極とを更に備えている、ことが好ましい。
【００３２】
上記の構成によれば、当該半導体光導波路を位相変調部として用いる場合に、位相変調部の動作を高速化することができる。
【００３３】
本発明の一態様に係る半導体光変調器は、少なくとも一方のアーム部に光変調部が設けられたマッハツェンダ型の半導体光変調器であって、上記光変調部として本発明の一態様に係る半導体光導波路を備えている、ことが好ましい。
【００３４】
本発明の一態様に係る半導体光変調システムは、本発明の一態様に係る半導体光変調器と、上記Ｐ型半導体層及び上記Ｎ型半導体層に逆バイアス方向の電圧を印加する電圧源と、を備えている、ことが好ましい。
【００３５】
上記の構成によれば、本発明の一態様に係る半導体光変調器及び半導体光変調システムは、本発明の半導体光導波路と同様の効果を奏する。
【発明の効果】
【００３６】
本発明は、逆バイアス型の位相変調部として機能するコアを備えた半導体光導波路において、変調効率の更なる改善を図ることができる。また、本発明の半導体光導波路を備えた半導体光変調器において、変調効率の更なる改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光導波路の構成を示す斜視図である。（ｂ）は、上記光導波路が備えている高屈折率領域の構成を示す斜視図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、上記高屈折率領域の構成を示す断面図である。
【図３】（ａ）は、本発明の実施例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。（ｂ）は、本発明の第１の変形例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。（ｃ）は、本発明の第２の変形例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。
【図４】（ａ）は、本発明の第３の変形例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。（ｂ）は、本発明の第４の変形例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。
【図５】（ａ）は、本発明の第５の変形例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。（ｂ）は、本発明の第６の変形例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。（ｃ）は、本発明の第７の変形例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。
【図６】（ａ）は、本発明の第８の変形例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。（ｂ）は、本発明の第９の変形例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。（ｃ）は、本発明の第１０の変形例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、本発明の第１１の変形例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。（ｂ）は、本発明の第１２の変形例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。
【図８】（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る光導波路が備えている高屈折率領域の構成を示す斜視図である。（ｂ）及び（ｃ）は、上記高屈折率領域の構成を示す断面図である。
【図９】（ａ）は、本発明の第２の実施例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。（ｂ）は、本発明の第１３の変形例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る光変調器の構成を示す斜視図である。
【図１１】（ａ）は、本発明の第１の参考例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。（ｂ）は、本発明の第１の比較例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。（ｃ）は、本発明の第２の参考例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。（ｄ）は、本発明の第２の比較例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。
【図１２】（ａ）は、本発明の第３の比較例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。（ｂ）は、本発明の第４の比較例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。（ｃ）は、本発明の第５の比較例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。
【図１３】（ａ）は、本発明の第６の比較例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。（ｂ）は、本発明の第７の比較例に係る光導波路を伝搬する光の電界分布を示すグラフである。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は、従来の光導波路の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明に係る半導体光導波路は、側面同士、又は、一方の上面端部と他方の下面端部とが接合されたＰ型半導体層とＮ型半導体層とからなる高屈折率領域を備えた半導体光導波路である。上記高屈折率領域は、他の部分よりも厚く、逆バイアス型の位相変調部として機能するコアを含む。当該コアは、上記Ｐ型半導体層と上記Ｎ型半導体層との接合面を含み、上記高屈折率領域の上記コア以外の部分には、上記コアとの境界に沿うように複数の孔が周期的に形成されている。
【００３９】
本実施形態では、Ｐ型半導体層（１２ａ，１３）とＮ型半導体層（１２ｂ，１４）との側面同士が接合された高屈折率領域１１を備えた半導体光導波路１０について説明する。
【００４０】
〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係る半導体光導波路について、図１及び図２を参照して説明する。図１の（ａ）は、本実施形態に係る半導体光導波路１０の構成を示す斜視図である。図１の（ｂ）は、図１の（ａ）に示した半導体光導波路１０が備えている高屈折率領域１１の構成を示す斜視図である。図２の（ａ）は、図１の（ａ）に示した半導体光導波路１０の構成を示す断面図であり、図１の（ａ）に示したＡ−Ａ’線に沿った断面における断面図である。図２の（ｂ）は、図１の（ａ）に示した半導体光導波路１０の構成を示す断面図であり、図１の（ａ）に示したＢ−Ｂ’線に沿った断面における断面図である。
【００４１】
（半導体光導波路１０の構成）
図１の（ａ）に示すように、半導体光導波路１０は、高屈折率領域１１と、下部クラッド１９ａ及び上部クラッド１９ｂからなるクラッド１９と、第１の電極１５と、第１の信号線１６と、第２の電極１７と、第２の信号線１８とを備えている。クラッド１９を構成する材料の屈折率は、高屈折率領域１１を構成する材料の屈折率よりも低い。高屈折率領域１１は、下部クラッド１９ａの上面に形成されている。また、上部クラッド１９ｂは、高屈折率領域１１の周囲を取り囲むように下部クラッドの上面及び高屈折率領域１１の上面に形成されている。
【００４２】
図２の（ｂ）に示すように、高屈折率領域１１は、Ｐ型半導体部１２ａ及びＮ型半導体部１２ｂからなるコア１２と、第１の半導体層１３と、第２の半導体層１４とを備えている。第１の半導体層１３は、第１の電極１５とＰ型半導体部１２ａとを接続する。第２の半導体層１４は、第２の電極１７とＮ型半導体部１２ｂとを接続する。第１の電極１５及び第２の電極１７は、コア１２の両端に逆バイアス方向の変調電圧を印加するための電極である。半導体光導波路１０では、コア１２の両端に一定の逆バイアス電圧を印加したうえで、片側振幅が逆バイアス電圧以下の変調電圧を印加する構成を採用する。
【００４３】
特許請求の範囲に記載のＰ型半導体層は、Ｐ型半導体部１２ａと第１の半導体層１３とによって構成され、Ｎ型半導体層は、Ｎ型半導体部１２ｂと第２の半導体層１４とによって構成される。第１の半導体層１３及び第２の半導体層１４は、特許請求の範囲に記載の高屈折率領域１１のコア１２以外の部分である。
【００４４】
上部クラッド１９ｂの表面上であって、第１の電極１５及び第２の電極１７が形成されている領域には、第１の信号線１６及び第２の信号線１８が形成されている。信号線１６，１８は、電極１５，１７と、コア１２に変調電圧を印加するための電気信号を出力する電圧源とを接続可能なように構成されている。
【００４５】
電圧源は、高屈折率領域１１の高屈折率領域１１のコア１２以外の部分である半導体層１３，１４に逆バイアス方向の変調電圧を印加するように構成されている。換言すれば、電圧源は、コア１２に逆バイアス方向の変調電圧を印加するように構成されている。逆バイアス方向の変調電圧は、一定の逆バイアス電圧と片側振幅が逆バイアス電圧以下の変調電圧との和によって与えられる。電圧源は、変調電圧を直接出力する１台の電圧源によって構成されていてもよいし、一定の逆バイアス電圧を印加する第１の電圧源と、片側振幅が逆バイアス電圧以下の変調電圧を印加する第２の電圧源とによって構成されていてもよい。
【００４６】
半導体光導波路１０は、上記電源から供給される逆バイアス方向の変調電圧に応じて、高屈折率領域１１を伝搬する光を変調することができる。すなわち、半導体光導波路１０は、電気信号を光信号に変換することができる。
【００４７】
（高屈折率領域１１）
高屈折率領域１１は、半導体（例えばシリコン（Ｓｉ）やインジウムリン（ＩｎＰ））により構成されている。高屈折率領域１１の自由キャリア密度及び屈折率は、ベースとなる半導体にドーパントを添加することによって所望の値に制御されている。本実施形態に係る半導体光導波路１０において、ベースとなる半導体は、シリコンである。したがって、本実施形態に係る半導体光導波路１０は、シリコン光導波路１０である。以下において、シリコン光導波路１０のことを単に光導波路１０と称する。高屈折率領域１１の屈折率は、ドーパントの添加量に依存するが、光通信に利用される１２００〜１６００ｎｍの波長では３．５程度である。
【００４８】
クラッド１９を構成する材料としては、シリカ（ＳｉＯ２）やドーパントを添加したＩｎＰなどを採用することができる。また、上部クラッド１９ｂを形成する工程を省略して、空気が上部クラッドとして機能する構成を採用してもよい。本実施形態に係る光導波路１０において、下部クラッド１９ａ及び上部クラッド１９ｂは、いずれもＳｉＯ２製である。クラッド１９の屈折率は、およそ１．４程度である。
【００４９】
図２の（ａ）に示すように、第１の半導体層１３及び第２の半導体層１４の厚さＨＳは、共通であり、位相変調部として機能するコア１２の厚さＨＬより薄い。すなわち、高屈折率領域１１は、厚いコア１２と、薄い半導体層１３，１４とによって構成されている。以下では、厚さが厚いコア１２のことをリブとも称し、厚さが薄い半導体層１３，１４のことをスラブとも称する。すなわち、高屈折率領域１１は、リブスラブ型の断面形状を有している。
【００５０】
なお、半導体光導波路１０において、コア１２の上面には、ドーパントを添加していない半導体からなる無添加コアが更に形成されていてもよい。この無添加コアの幅は、コア１２の幅と共通であることが好ましい。
【００５１】
（孔１３ａ，１４ａ）
高屈折率領域１１の高屈折率領域の上記コア以外の部分である第１の半導体層１３には、コア１２との境界に沿うように複数の孔１３ａが周期的に形成されている。同様に、高屈折率領域１１の高屈折率領域の上記コア以外の部分である第２の半導体層１４には、コア１２との境界に沿うように複数の孔１４ａが周期的に形成されている。
【００５２】
高屈折率領域１１を上面視して、（１）孔１３ａ，１４ａは、コア１２に接しているか、（２）孔１３ａ，１４ａとコア１２との間隔ＷＯＦＦは、コア１２の幅ＷＬの０．２５倍以下であることが好ましい。本実施形態に係る光導波路１０では、孔１３ａ，１４ａがコア１２に接している構成、すなわち、ＷＯＦＦ＝０μｍを採用している。すなわち、孔１３ａを形成する４つの側面のうち１つの側面が、コア１２の側面と一致している（図２の（ｂ）参照）。孔１４ａについても同様である。
【００５３】
孔１３ａ，１４ａの高屈折率領域１１を伝搬する光の伝搬方向、及び、孔１３ａ，１４ａの深さ方向の双方に直交する方向の幅Ｗａｐは、コア１２の幅ＷＬの０．３７５倍以上２．５倍以下であることが好ましい。幅Ｗａｐが幅ＷＬの０．３７５倍以上であることによって、コア１２から半導体層１３，１４に光が浸み出すことを抑制し、光をコア１２の接合面１２ｊ近傍によく局在させることができる。また、幅Ｗａｐが幅ＷＬの２．５倍以下であることによって、半導体層１３，１４の電気抵抗値が無用に高くなることを防止できる。すなわち、幅Ｗａｐが幅ＷＬの０．３７５倍以上２．５倍以下であることによって、半導体層１３，１４の電気抵抗値を抑制しつつ、光をコア１２の接合面１２ｊ近傍によく局在させることができる。
【００５４】
コア１２と半導体層１３，１４との境界に孔１３ａ，１４ａを形成する周期ＬＣ、及び、孔１３ａ，１４ａの長さＬａｐの各々は、高屈折率領域１１を伝搬する光の実効波長λｅｆｆより短いことが好ましい。実効波長λｅｆｆは、真空中での光の波長をλ、算出された高屈折率領域１１の実効屈折率をＮｅｆｆとして、λｅｆｆ＝λ／Ｎｅｆｆで与えられる。したがって、周期ＬＣ及び長さＬａｐの各々は、λ／Ｎｅｆｆより短いことが好ましい。
【００５５】
周期ＬＣ及び長さＬａｐが実効波長λｅｆｆより十分に短いことによって、コア１２を伝搬する光と孔１３ａ，１４ａとの相互作用を抑制することができる。その結果、光は、コア１２と半導体層１３，１４との境界に、Ｓｉの屈折率（例えば３．４８）とＳｉＯ２の屈折率（例えば１．４４）との中間の屈折率を有する領域が形成されている導波路構造の場合と同様に、コア１２を伝搬することとなる。この中間の屈折率は、（１）Ｓｉの屈折率（例えば３．４８）、（２）ＳｉＯ２の屈折率（例えば１．４４）、（３）周期ＬＣに対するＬａｐの割合である開口比率に依存する。
【００５６】
上述のように、高屈折率領域１１を伝搬する光にとって、孔１３ａ，１４ａの周期的な構造との相互作用を抑制する構成を採用しているために、孔１３ａ，１４ａがグレーティングとして作用することがない。したがって、光導波路１０は、高屈折率領域１１を伝搬する光の光損失を抑制することができる。
【００５７】
（第１の電極１５及び第２の電極１７）
第１の電極１５及び第２の電極１７は、進行波電極であることが好ましい。進行波電極を採用することによって、光導波路１０の動作速度を高速化することができる。すなわち、光導波路１０の動作帯域を広帯域化することができる。
【００５８】
ここで、図１の（ａ）に示す座標系を次のように定義する。（１）コア１２が延設されている方向と平行な軸をｙ軸とする。ｙ軸の向きは、図１の（ａ）において手前から奥に向かう向きが正の向きとなるように定める。（２）コア１２の厚さ方向に平行な軸をｚ軸とする。ｚ軸の向きは、下部クラッド１９ａから上部クラッド１９ｂに向かう向きが正の向きとなるように定める。（３）コア１２の幅方向に平行な軸をｘ軸とする。ｘ軸の向きは、このｘ軸が上述したｙ軸及びｚ軸と共に右手系を構成するように定める。
【００５９】
本実施形態に係る光導波路１０において、孔１３ａ，１４ａは、半導体層１３，１４の上面から下面に向かって貫通する構成を採用している。しかし、孔１３ａ，１４ａは、上面から下面に向かって貫通する構成に限定されるものではない。すなわち、孔１３ａ，１４ａの下層に半導体層１３，１４の一部が形成されていてもよい。
【００６０】
孔１３ａ，１４ａの内部には、上部クラッド１９ｂを構成するＳｉＯ２が充填されていてもよい。すなわち、孔１３ａ，１４ａの内部の一部又は全体に、上部クラッド１９ｂを構成するＳｉＯ２が充填されていてもよいし、その内部が空隙であってもよい。
【００６１】
この構成によれば、高屈折率領域１１を形成した後に上部クラッドを形成するＳｉＯ２を堆積するだけでよいため、光導波路１０の製造を簡単化することができる。また、ＳｉＯ２が充填されていることにより、孔１３ａ，１４ａの側面がＳｉＯ２によって被覆される。したがって、高屈折率領域１１の劣化（例えばＳｉの酸化）を防止することができる。
【００６２】
本実施形態に係る光導波路１０では、孔１３ａ，１４ａの内部全体にＳｉＯ２が充填された構成を採用している。
【００６３】
以上のように構成された光導波路１０において、コア１２の外側の半導体層１３，１４には、周期的に配置された複数の孔１３ａ，１４ａが形成されている。また、孔１３ａ，１４ａの内部にはＳｉＯ２が充填されている。このことによって、コア１２と第１の半導体層１３との境界領域（孔１３ａが周期的に形成されている領域）のコア１２を伝搬する光に対する実質的な屈折率、及び、コア１２と第２の半導体層１４との境界領域（孔１４ａが周期的に形成されている領域）のコア１２を伝搬する光に対する実質的な屈折率は、（１）半導体層１３，１４を構成するドーパントを添加されたＳｉの屈折率と、（２）上部クラッド１９ｂを構成するＳｉＯ２の屈折率と、を平均化することによって決定される。また、コア１２を伝搬する光に対する光導波路１０の実効屈折率は、これらの屈折率と、光導波路１０の形状とを用いて算出される。
【００６４】
上記境界領域の実質的な屈折率が、Ｓｉの屈折率とＳｉＯ２の屈折率とを平均化した屈折率になることによって、光導波路１０は、孔１３ａ，１４ａが形成されていないリブスラブ型の光導波路と比較して、高屈折率領域１１を伝搬する光をコア１２により強く閉じ込めることができる。そのため、光導波路１０は、コア１２の接合面１２ｊの近傍に形成される空乏層領域に分布する光の電界強度を高めることができ、結果として、光を変調するときの効率である変調効率を向上させることができる。
【００６５】
本実施形態に係る光導波路１０は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いて作製することができる。この場合、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層（埋め込み酸化層）を下部クラッド１９ａとして用い、ＢＯＸ層上に形成されたＳｉ層を高屈折率領域１１の形状にパターニングすればよい。高屈折率領域１１が備えているＰ型半導体部１２ａ、Ｎ型半導体部１２ｂ、及び半導体層１３，１４の各々は、ＢＯＸ層上に形成されたＳｉ層にドーパントを添加することによって実現することができる。なお、ＳＯＩ基板を用いて光導波路１０を作製する場合、下部クラッド１９ａの下層にはＳｉ層（図１の（ａ）には不図示）が存在する。
【００６６】
これらの光導波路１０を作製するためのプロセスには、既存の半導体光導波路を作製するためのプロセスを適用することができる。光導波路１０を作製するためには、従来のリブスラブ型の半導体光導波路を作製するためのプロセスをベースにして、高屈折率領域１１の外形をパターニングするためのマスクパターンを、孔１３ａ，１４ａを併せてパターニング可能なマスクパターンに変更するだけでよい。したがって、光導波路１０は、従来のリブスラブ型の半導体光導波路を作製するためのプロセスに対して新規のプロセスを追加することなく作製することができる。したがって、光導波路１０の製造コストが高騰することを防ぐことができる。
【００６７】
（第１の実施例）
本発明の第１の実施例に係る光導波路１０について、図３の（ａ）を参照して説明する。図３の（ａ）は、本実施例に係る光導波路１０を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちｚｘ平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
【００６８】
本実施例において、光導波路１０は、ＢＯＸ層上に形成されたＳｉ層の厚さが２２０ｎｍであるＳＯＩ基板を用いて作製することを想定している。そのため、コア１２の厚さＨＬとして２２０ｎｍを採用した。厚さＨＬ＝２２０ｎｍである点は、本明細書に記載の他の変形例についても同様である。
【００６９】
本実施例の光導波路１０において、厚さＨＬ以外のパラメータは、以下の通りである。
・半導体層１３，１４の厚さＨＳとして、１００ｎｍを採用した。
・高屈折率領域１１（コア１２及び半導体層１３，１４）を形成するシリコンの屈折率として、３．４８を採用した。
・クラッド１９を形成するＳｉＯ２の屈折率として、１．４４を採用した。
・コア１２の幅ＷＬとして、５００ｎｍを採用した。
・孔１３ａ，１４ａの幅Ｗａｐとして、１５０ｎｍを採用した。
・孔１３ａ，１４ａを形成する周期ＬＣとして、３００ｎｍを採用した。
・孔１３ａ，１４ａの長さＬａｐとして、１５０ｎｍを採用した。すなわち、周期ＬＣに対するＬａｐの割合である開口比率として５０％を採用した。
・高屈折率領域１１を伝搬する光の波長λとして、１．５５μｍを採用した。
【００７０】
以上のように構成した光導波路１０を用いて高屈折率領域１１を伝搬する光の電界分布をシミュレーションした結果を、図３の（ａ）に示す。
【００７１】
なお、Ｓｉの屈折率、ＳｉＯ２の屈折率、及び開口比率を用いて平均化した数値を、コア１２と半導体層１３，１４との境界領域の屈折率として採用した。この点は、本明細書に記載の他の変形例及び他の実施例についても同様である。
【００７２】
本実施例の光導波路１０において算出された、光導波路１０を伝搬する基底モードの光に対する高屈折率領域１１の実効屈折率は、２．４８だった。
【００７３】
図３の（ａ）を参照すると、（１）高屈折率領域１１を伝搬する光が、高屈折率領域１１のなかでも特にコア１２によく閉じ込められており、（２）光の電界強度の強い領域がコア１２の接合面１２ｊの近傍領域に集中していることが分かった。
【００７４】
したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、本実施例に係る光導波路１０は、変調効率を向上させることができた。なお、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路を伝搬する光の電界分布に関しては、参照する図を代えて後述する。
【００７５】
（第１の参考例）
本発明の第１の参考例に係る光導波路５０について、図１１の（ａ）を参照して説明する。図１１の（ａ）は、本参考例に係る光導波路５０を伝搬する光の電界分布を示すグラフであり、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちｚｘ平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
【００７６】
本参考例の光導波路５０は、第１の実施例の光導波路１０の高屈折率領域１１を、断面形状が矩形であるコア５２に置換することによって得られた。換言すれば、光導波路５０は、光導波路１０の高屈折率領域１１から半導体層１３，１４を省略した構成である。
【００７７】
本参考例では、コア５２の厚さとして２２０ｎｍを採用し、コア５２の幅として５００ｎｍを採用した。
【００７８】
図１１の（ａ）を参照すると、コア５２を伝搬する光は、半導体層１３，１４が存在しないことによって、コア５２の接合面近傍によく局在していることが分かった。
【００７９】
（第１の比較例）
本発明の第１の比較例に係る光導波路６０について、図１１の（ｂ）を参照して説明する。図１１の（ｂ）は、本比較例に係る光導波路６０を伝搬する光の電界分布を示すグラフであり、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちｚｘ平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
【００８０】
本比較例の光導波路６０は、第１の実施例の光導波路１０が備えている高屈折率領域１１において、半導体層１３，１４をコア１２から離間させることによって得られた。すなわち、光導波路６０において、高屈折率領域６１を構成するコア６２と半導体層６３，６４とは、互いに離間している。本比較例では、コア６２と半導体層６３，６４との間隔として、１．２μｍを採用した。
【００８１】
図１１の（ｂ）を参照すると、コア６２と半導体層６３，６４との間隔が１．２μｍと大きいにもかかわらず、光導波路６０の高屈折率領域６１を伝搬する光は、コア６２から大きく浸み出し、半導体層６３，６４に局在していることが分かった。
【００８２】
これとは対照的に、例えば第１の実施例の光導波路１０の高屈折率領域１１を伝搬する光は、図３の（ａ）に示すように、コア１２の接合面近傍によく局在していた。この効果は、高屈折率領域１１がリブスラブ型の高屈折率領域であることに加えて、半導体層１３，１４に孔１３ａ，１４ａが設けられていることに起因する。
【００８３】
（第２の参考例）
本発明の第２の参考例に係る光導波路５０について、図１１の（ｃ）を参照して説明する。図１１の（ｃ）は、本参考例に係る光導波路５０を伝搬する光の電界分布を示すグラフであり、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちｚｘ平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
【００８４】
本参考例の光導波路５０は、第１の参考例の光導波路５０において、コア５２の幅を４００ｎｍに変更することによって得られた。
【００８５】
図１１の（ｃ）を参照すると、コア５２の幅が狭くなったことに伴い、コア５２から漏れ出す光が多くなっているものの、コア５２を伝搬する光は、コア５２の接合面近傍によく局在していることが分かった。
【００８６】
（第２の比較例）
本発明の第２の比較例に係る光導波路６０について、図１１の（ｄ）を参照して説明する。図１１の（ｄ）は、本比較例に係る光導波路６０を伝搬する光の電界分布を示すグラフであり、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちｚｘ平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
【００８７】
本比較例の光導波路６０は、第１の比較例の光導波路６０において、コア６２の幅を４００ｎｍに変更することによって得られた。
【００８８】
図１１の（ｄ）を参照すると、第１の比較例に係る光導波路６０の場合（図１１の（ｂ））と同様に、光導波路６０の高屈折率領域６１を伝搬する光は、コア６２から大きく浸み出し、半導体層６３，６４に局在していることが分かった。
【００８９】
これとは対照的に、後述する第４の実施例において、光導波路１０の高屈折率領域１１を伝搬する光は、図４の（ｂ）に示すように、コア１２の接合面近傍によく局在していた。すなわち、高屈折率領域１１がリブスラブ型の断面形状を有するであることに加えて、半導体層１３，１４に孔１３ａ，１４ａが設けられていることによって、コア１２の幅ＷＬを４００ｎｍに狭めた場合であっても、第４の実施例の光導波路１０は、コア１２を伝搬する光をコア１２の接合面近傍によく局在させられることが分かった。
【００９０】
（第１の変形例）
本発明の第１の変形例に係る光導波路１０について、図３の（ｂ）を参照して説明する。図３の（ｂ）は、本変形例に係る光導波路１０を伝搬する光の電界分布を示すグラフであり、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちｚｘ平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
【００９１】
本変形例の光導波路１０は、第１の実施例の光導波路１０において、半導体層１３，１４の厚さＨＳを１４０ｎｍに変更することによって得られた。また、本実施例の光導波路１０において、算出された高屈折率領域１１の実効屈折率は、２．５１だった。
【００９２】
図３の（ｂ）を参照すると、第１の実施例の光導波路１０の場合と同様に、（１）高屈折率領域１１を伝搬する光が、高屈折率領域１１のなかでも特にコア１２によく閉じ込められており、（２）光の電界強度の強い領域がコア１２の接合面１２ｊの近傍領域に集中していることが分かった。
【００９３】
したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、本実施例に係る光導波路１０は、変調効率を向上させることができる。
【００９４】
（第２の変形例）
本発明の第２の変形例に係る光導波路１０について、図３の（ｃ）を参照して説明する。図３の（ｃ）は、本変形例に係る光導波路１０を伝搬する光の電界分布を示すグラフであり、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちｚｘ平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
【００９５】
本変形例の光導波路１０は、第１の実施例の光導波路１０において、半導体層１３，１４の厚さＨＳを１５０ｎｍに変更することによって得られた。また、本実施例の光導波路１０において、算出された高屈折率領域１１の実効屈折率は、２．５２だった。
【００９６】
図３の（ｂ）を参照すると、第１の実施例の光導波路１０の場合と同様に、（１）高屈折率領域１１を伝搬する光が、高屈折率領域１１のなかでも特にコア１２によく閉じ込められており、（２）光の電界強度の強い領域がコア１２の接合面１２ｊの近傍領域に集中していることが分かった。
【００９７】
したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、本実施例に係る光導波路１０は、変調効率を向上させることができる。
【００９８】
（第３の比較例）
本発明の第３の比較例に係る光導波路７０について、図１２の（ａ）を参照して説明する。図１２の（ａ）は、本比較例に係る光導波路７０を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちｚｘ平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
【００９９】
本比較例の光導波路７０は、第１の実施例の光導波路１０において、半導体層１３，１４の厚さＨＳを１６０ｎｍに変更することによって得られた。光導波路７０の高屈折率領域７１は、光導波路１０の高屈折率領域１１の対応する部材である。また、本実施例の光導波路７０において算出された、光導波路７０を伝搬する基底モードの光に対する高屈折率領域７１の実効屈折率は、２．５４だった。
【０１００】
図１２の（ａ）を参照すると、高屈折率領域７１を伝搬する光の一部が、コア７２と半導体層７３，７４との境界領域（孔７３ａ，７４ａが形成されている領域）を介して半導体層１３，１４に浸み出すことが分かった。したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、本変形例に係る光導波路７０は、変調効率を向上させることができない。
【０１０１】
（半導体層１３，１４の厚さについて）
以上のように、半導体層１３，１４の厚さＨＳを１００ｎｍ以上１６０ｎｍ以下の範囲内で変化させた。その結果、厚さＨＳが１６０ｎｍに達した光導波路７０は、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、変調効率を向上させることができないことが分かった。
【０１０２】
したがって、コア１２の厚さＨＬで規格化した半導体層１３，１４の厚さＨＳは、有効数字１桁で記載すると６８．２％以下であることが好ましい。
【０１０３】
厚さＨＳを薄くすればするほど、高屈折率領域１１を伝搬する光をコア１２の接合面近傍に強く局在させることができるというメリットが生じる。一方、厚さＨＳを薄くしすぎると、第１の電極とＰ型半導体部１２ａとの間の抵抗値、及び、第２の電極とＮ型半導体部１２ｂとの間の抵抗値が増大し、光導波路１０を駆動するために必要となる変調電圧の電圧値が高くなるというデメリットが生じる。これらのメリットとデメリットとを考慮して、厚さＨＬで規格化した厚さＨＳは、６８．２％以下の範囲内になるように適宜選択することができる。
【０１０４】
（第４の比較例）
本発明の第４の比較例に係る光導波路８０について、図１２の（ｂ）を参照して説明する。図１２の（ｂ）は、本比較例に係る光導波路８０を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちｚｘ平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
【０１０５】
本比較例の光導波路８０は、第１の実施例の光導波路１０において、コア１２の幅ＷＬを４００ｎｍに変更し、半導体層１３，１４に形成された孔１３ａ，１４ａを省略することによって得られた。換言すれば、後述する第４の変形例に係る光導波路１０（図４の（ｂ）参照）から半導体層１３，１４に形成された孔１３ａ，１４ａを省略することによって得られた。光導波路８０の高屈折率領域８１は、光導波路１０の高屈折率領域１１の対応する部材である。また、本実施例の光導波路８０において算出された、光導波路８０を伝搬する基底モードの光に対する高屈折率領域８１の実効屈折率は、２．４７だった。
【０１０６】
図１２の（ｂ）を参照すると、光導波路８０の高屈折率領域８１を伝搬する光の多くがコア８２から半導体層８３，８４に浸み出すことが分かった。したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域８１であって、コア８２の幅ＷＬが４００ｎｍである高屈折率領域８１を採用した場合、コア８２から光が大きく浸み出すことに起因して、光導波路８０は、変調効率を向上させることができない。
【０１０７】
（第５の比較例）
本発明の第５の比較例に係る光導波路８０について、図１２の（ｃ）を参照して説明する。図１２の（ｃ）は、本比較例に係る光導波路９０を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちｚｘ平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
【０１０８】
本比較例の光導波路９０は、第１の実施例の光導波路１０において、半導体層１３，１４に形成された孔１３ａ，１４ａを省略することによって得られた。光導波路９０の高屈折率領域７１は、光導波路１０の高屈折率領域１１の対応する部材である。また、本比較の光導波路９０において算出された、光導波路９０を伝搬する基底モードの光に対する高屈折率領域９１の実効屈折率は、２．５６だった。
【０１０９】
（第３の変形例）
本発明の第３の変形例に係る光導波路１０について、図４の（ａ）を参照して説明する。図４の（ａ）は、本変形例に係る光導波路１０を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちｚｘ平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
【０１１０】
本変形例の光導波路１０は、第１の実施例の光導波路１０において、コア１２の幅ＷＬを４００ｎｍに変更し、孔１３ａ，１４ａの幅Ｗａｐを４５０ｎｍに変更することによって得られた。本変形例の光導波路１０において算出された、光導波路１０を伝搬する基底モードの光に対する高屈折率領域１１の実効屈折率は、２．２９だった。
【０１１１】
図４の（ａ）を参照すると、第１の実施例の光導波路１０の場合と同様に、（１）高屈折率領域１１を伝搬する光が、高屈折率領域１１のなかでも特にコア１２によく閉じ込められており、（２）光の電界強度の強い領域がコア１２の接合面１２ｊの近傍領域に集中していることが分かった。
【０１１２】
したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、本実施例に係る光導波路１０は、変調効率を向上させることができる。
【０１１３】
（第４の変形例）
本発明の第４の変形例に係る光導波路１０について、図４の（ｂ）を参照して説明する。図４の（ｂ）は、本変形例に係る光導波路１０を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちｚｘ平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
【０１１４】
本変形例の光導波路１０は、第３の変形例の光導波路１０において、孔１３ａ，１４ａの幅Ｗａｐを１５０ｎｍに変更することによって得られた。本変形例の光導波路１０において算出された、光導波路１０を伝搬する基底モードの光に対する高屈折率領域１１の実効屈折率は、２．３２だった。
【０１１５】
図４の（ｂ）を参照すると、第１の実施例の光導波路１０の場合と同様に、（１）高屈折率領域１１を伝搬する光が、高屈折率領域１１のなかでも特にコア１２によく閉じ込められており、（２）光の電界強度の強い領域がコア１２の接合面１２ｊの近傍領域に集中していることが分かった。
【０１１６】
したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、本実施例に係る光導波路１０は、変調効率を向上させることができる。
【０１１７】
（孔１３ａ，１４ａの幅について）
以上のように、孔１３ａ，１４ａを構成する孔１３ａ，１４ａの幅Ｗａｐを１５０ｎｍと４５０ｎｍとに変化させたところ、いずれの場合でも本発明の一変形例に係る光導波路１０は、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、変調効率を向上させることができることが分かった。
【０１１８】
したがって、孔１３ａ，１４ａの幅Ｗａｐは、コア１２の幅ＷＬの０．３７５倍以上であることが好ましい。
【０１１９】
幅Ｗａｐを広くすればするほど、高屈折率領域１１を伝搬する光をコア１２の接合面近傍に強く局在させることができるというメリットが生じる。一方、幅Ｗａｐを広くしすぎると、第１の電極とＰ型半導体部１２ａとの間の抵抗値、及び、第２の電極とＮ型半導体部１２ｂとの間の抵抗値が増大し、光導波路１０を駆動するために必要となる変調電圧の電圧値が高くなるというデメリットが生じる。これらのメリットとデメリットとを考慮して、幅Ｗａｐは、コア１２の幅ＷＬの０．３７５倍以上の範囲内になるように適宜選択することができる。
【０１２０】
（第５〜第７の変形例）
本発明の第５〜第７の変形例に係る光導波路１０について、図５の（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。図５の（ａ）〜（ｃ）の各々は、それぞれ、第５〜第７の変形例に係る光導波路１０を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちｚｘ平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
【０１２１】
第５の変形例の光導波路１０は、第１の実施例の光導波路１０において、コア１２の幅ＷＬを４００ｎｍに変更し、開口比率を２５％に変更することによって得られた。第６の変形例及び第７の変形例に係る光導波路１０の各々は、それぞれ、第５の変形例に係る光導波路１０の開口比率を、５０％及び７５％に変更することによって得られた。第５〜第７の変形例に係る光導波路１０の各々において算出された、光導波路１０を伝搬する基底モードの光に対する高屈折率領域１１の実効屈折率は、それぞれ、２．３９，２．３２，２．２６であった。
【０１２２】
図５の（ａ）〜（ｃ）を参照すると、第１の実施例の光導波路１０の場合と同様に、（１）高屈折率領域１１を伝搬する光が、高屈折率領域１１のなかでも特にコア１２によく閉じ込められており、（２）光の電界強度の強い領域がコア１２の接合面１２ｊの近傍領域に集中していることが分かった。
【０１２３】
したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、第５〜第７の変形例に係る光導波路１０の各々は、変調効率を向上させることができる。
【０１２４】
（第８〜第１０の変形例）
本発明の第８〜第１０の変形例に係る光導波路１０について、図６の（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。図６の（ａ）〜（ｃ）の各々は、それぞれ、第８〜第１０の変形例に係る光導波路１０を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちｚｘ平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
【０１２５】
第８〜第１０の変形例に係る光導波路１０の各々は、第５〜第７の変形例に係る光導波路１０の各々において、コア１２の幅ＷＬを５００ｎｍに変更することによって得られた。第８〜第１０の変形例に係る光導波路１０の各々において算出された、光導波路１０を伝搬する基底モードの光に対する高屈折率領域１１の実効屈折率は、それぞれ、２．５２，２．４８，２．４４であった。
【０１２６】
図６の（ａ）〜（ｃ）を参照すると、第１の実施例の光導波路１０の場合と同様に、（１）高屈折率領域１１を伝搬する光が、高屈折率領域１１のなかでも特にコア１２によく閉じ込められており、（２）光の電界強度の強い領域がコア１２の接合面１２ｊの近傍領域に集中していることが分かった。
【０１２７】
したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、第８〜第１０の変形例に係る光導波路１０の各々は、変調効率を向上させることができる。
【０１２８】
（開口比率について）
以上のように、幅ＷＬが４００ｎｍである光導波路１０と、幅ＷＬが５００ｎｍである光導波路１０とにおいて、開口比率を２５％以上７５％以下の範囲内で変化させた。その結果、幅ＷＬが４００ｎｍであっても５００ｎｍであっても、開口比率が２５％以上７５％以下の範囲内であれば、本発明の一変形例に係る光導波路１０は、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、変調効率を向上させることができることが分かった。
【０１２９】
したがって、開口比率は、２５％以上であることが好ましい。
【０１３０】
開口比率を高くすればするほど、高屈折率領域１１を伝搬する光をコア１２の接合面近傍に強く局在させることができるというメリットが生じる。一方、開口比率を高くしすぎると、第１の電極とＰ型半導体部１２ａとの間の抵抗値、及び、第２の電極とＮ型半導体部１２ｂとの間の抵抗値が増大し、光導波路１０を駆動するために必要となる変調電圧の電圧値が高くなるというデメリットが生じる。これらのメリットとデメリットとを考慮して、開口比率は、２５％以上の範囲内になるように適宜選択することができる。
【０１３１】
（第１１〜第１２の変形例）
本発明の第１１〜第１２の変形例に係る光導波路１０について、図７の（ａ）〜（ｂ）を参照して説明する。図７の（ａ）〜（ｂ）の各々は、それぞれ、第１１〜第１２の変形例に係る光導波路１０を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の導波方向に対して垂直な断面、すなわちｚｘ平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
【０１３２】
第１１の変形例に係る光導波路１０は、第１の実施例に係る光導波路１０において、孔１３ａ，１４ａとコア１２との間隔ＷＯＦＦを１００ｎｍに変更することによって得られた。
【０１３３】
第１２の変形例に係る光導波路１０は、第４の変形例に係る光導波路１０において、間隔ＷＯＦＦを１００ｎｍに変更することによって得られた。
【０１３４】
図７の（ａ）及び図７の（ｂ）を参照すると、第１の実施例及び第４の変形例に係る光導波路１０の場合には及ばないものの、（１）高屈折率領域１１を伝搬する光が、高屈折率領域１１のなかでも特にコア１２によく閉じ込められており、（２）光の電界強度の強い領域がコア１２の接合面１２ｊの近傍領域に集中していることが分かった。
【０１３５】
したがって、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、第１１〜第１２の変形例に係る光導波路１０の各々は、変調効率を向上させることができる。
【０１３６】
（孔１３ａ，１４ａとコア１２との間隔について）
以上のように、幅ＷＬが４００ｎｍである光導波路１０と、幅ＷＬが５００ｎｍである光導波路１０とにおいて、間隔ＷＯＦＦを０ｎｍから１００ｎｍに変化させた。その結果、幅ＷＬが４００ｎｍであっても５００ｎｍであっても、本発明の一変形例に係る光導波路１０は、既存のリブスラブ型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、変調効率を向上させることができることが分かった。
【０１３７】
したがって、間隔ＷＯＦＦは、０ｎｍに限定されるものではなく、１００ｎｍであってもよい。すなわち、孔１３ａ，１４ａは、コア１２に接しているか、又は、間隔ＷＯＦＦは、コア１２の幅ＷＬの０．２５倍以下であることが好ましい。なお、孔１３ａ，１４ａを半導体層１３，１４に設けることによって得られる効果は、孔１３ａ，１４ａがコア１２に接している場合が最も大きく、間隔ＷＯＦＦが広くなれば広くなるほど小さくなる。
【０１３８】
〔第２の実施形態〕
本実施形態では、Ｐ型半導体層（１２ａ，１３）の上面端部と、Ｎ型半導体層（１２ｂ，１４）の下面端部とが接合された高屈折率領域３１を備えた半導体光導波路３０について説明する。このように、Ｐ型半導体層の上面端部とＮ型半導体層の下面端部とが接合されたＰＮ接合のことを縦型ＰＮ接合と呼び、縦型ＰＮ接合を含む高屈折率領域のことを積層型の高屈折率領域と呼ぶ。
【０１３９】
本発明の第２の実施形態に係る光導波路３０について、図８を参照して説明する。図８の（ａ）は、本実施形態に係る光導波路３０が備えている高屈折率領域３１の構成を示す斜視図である。図８の（ｂ）は、図８の（ａ）に示した半導体光導波路３０の構成を示す断面図であり、図８の（ａ）に示したＣ−Ｃ’線に沿った断面における断面図である。図８の（ｃ）は、図８の（ａ）に示した半導体光導波路３０の構成を示す断面図であり、図８の（ａ）に示したＤ−Ｄ’線に沿った断面における断面図である。
【０１４０】
（光導波路３０の構成）
本実施形態に係る光導波路３０は、第１の実施形態に係る光導波路１０が備えている高屈折率領域１１を、図８の（ａ）に示す高屈折率領域３１に置換することによって得られる。すなわち、光導波路３０の高屈折率領域３１以外の部材は、光導波路１０と同様に構成されている。したがって、光導波路１０と同様の部材に関しては、同様の部材番号を付し、その説明を省略する。また、高屈折率領域３１に関する各パラメータに対して付す略号は、高屈折率領域１１と同様である。
【０１４１】
図８の（ａ）に示すように、高屈折率領域３１は、Ｐ型半導体層（３２ａ，３３）とＮ型半導体層（３２ｂ，３４）とからなる。Ｐ型半導体層は、Ｐ型半導体部３２ａと第１の半導体層３３とからなる。同様に、Ｎ型半導体層は、Ｎ型半導体部３２ｂと第２の半導体層３４とからなる。
【０１４２】
図８の（ｂ）に示すように、高屈折率領域３１は、高屈折率領域の上記コア以外の部分（半導体層３３，３４）よりも厚いコア３２を有している。コア３２は、その一部にＰ型半導体層（３２ａ，３３）とＮ型半導体層（３２ｂ、３４）との接合面３２ｊ（ＰＮ接合の接合面）を含む。言い換えれば、Ｎ型半導体層（３２ｂ、３４）の上面端部とＰ型半導体層（３２ａ，３３）の下面段部とが接合されることによって、内部に接合面３２ｊを有するコア３２が形成される。コア３２は、Ｐ型半導体層（３２ａ，３３）とＮ型半導体層（３２ｂ、３４）とが重なりあった部分であり、縦型のＰＮ接合である。
【０１４３】
図８の（ａ）及び（ｃ）に示すように、第１の半導体層３３には、コア３２との境界に沿うように孔３３ａが周期的に形成されている。同様に、第２の半導体層３４には、コア３２との境界に沿うように孔３４ａが周期的に形成されている。
【０１４４】
以上のように構成された光導波路３０は、第１の実施形態に係る光導波路１０と同様の効果を奏する。
【０１４５】
（第２の実施例）
本発明の第２の実施例に係る光導波路３０について、図９の（ａ）を参照して説明する。図９の（ａ）は、本実施例に係る光導波路３０を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちｚｘ平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
【０１４６】
本実施例の光導波路３０において採用したパラメータは、以下の通りである。
・コア３２の厚さＨＬとして、２２０ｎｍを採用した。
・半導体層３３，３４の厚さＨＳとして、１００ｎｍを採用した。
・高屈折率領域３１（コア３２及び半導体層３３，３４）を形成するシリコンの屈折率として、３．４８を採用した。
・クラッド１９を形成するＳｉＯ２の屈折率として、１．４４を採用した。
・コア３２の幅ＷＬとして、５００ｎｍを採用した。
・孔３３ａ，３４ａの幅Ｗａｐとして、１５０ｎｍを採用した。
・孔３３ａ，３４ａを形成する周期である周期ＬＣとして、３００ｎｍを採用した。
・孔３３ａ，３４ａの長さＬａｐとして、１５０ｎｍを採用した。すなわち、周期ＬＣに対するＬａｐの割合である開口比率として５０％を採用した。
・高屈折率領域３１を伝搬する光の波長λとして、１．５５μｍを採用した。
【０１４７】
図９の（ａ）を参照すると、（１）高屈折率領域３１を伝搬する光が、高屈折率領域３１のなかでも特にコア３２によく閉じ込められており、（２）光の電界強度の強い領域がコア３２の接合面３２ｊの近傍領域に集中していることが分かった。
【０１４８】
したがって、既存の積層型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、本実施例に係る光導波路３０は、変調効率を向上させることができた。なお、既存の積層型のコアを有する高屈折率領域を採用した光導波路を伝搬する光の電界分布に関しては、参照する図を変えて後述する。
【０１４９】
（第６の比較例）
本発明の第２の実施例に係る光導波路３０の比較例である光導波路１００について、図１３の（ａ）を参照して説明する。本比較例に係る光導波路１００は、第２の実施例に係る光導波路３０の半導体層３３，３４に形成された孔３３ａ，３４ａを省略することによって得られた。
【０１５０】
図１３の（ａ）を参照すると、第２の実施例に係る光導波路３０と比較して、光が半導体層３３，３４に大きく漏れ出していることが分かった。
【０１５１】
（第１３の変形例）
本発明の第１３の変形例に係る光導波路３０について、図９の（ｂ）を参照して説明する。図９の（ｂ）は、本実施例に係る光導波路３０を伝搬する光の電界分布を示すグラフであって、光の伝搬方向に対して垂直な断面、すなわちｚｘ平面に沿った断面における光の電界分布を示すグラフである。
【０１５２】
本変形例に係る光導波路３０は、第２の実施例に係る光導波路３０において、コア３２の幅ＷＬを５００ｎｍから４００ｎｍに変更することによって得られた。
【０１５３】
図９の（ｂ）を参照すると、幅ＷＬを５００ｎｍから４００ｎｍに変更した場合であっても、（１）高屈折率領域３１を伝搬する光が、高屈折率領域３１のなかでも特にコア３２によく閉じ込められており、（２）光の電界強度の強い領域がコア３２の接合面３２ｊの近傍領域に集中していることが分かった。
【０１５４】
したがって、既存の積層型の高屈折率領域を採用した光導波路と比較して、本変形例に係る光導波路３０は、変調効率を向上させることができた。
【０１５５】
（第７の比較例）
本発明の第１３の変形例に係る光導波路３０の比較例である光導波路１００について、図１３の（ｂ）を参照して説明する。本比較例に係る光導波路１００は、第１３の変形例に係る光導波路３０の半導体層３３，３４に形成された孔３３ａ，３４ａを省略することによって得られた。
【０１５６】
図１３の（ｂ）を参照すると、第２の実施例に係る光導波路３０と比較して、光が半導体層３３，３４に大きく漏れ出していることが分かった。
【０１５７】
〔第３の実施形態〕
本発明の第３の実施形態に係る半導体光変調器１について、図１０を参照して説明する。なお、第１の実施形態に係る光導波路１０と同様の部材に関しては、その説明を省略する。図１０は、本実施形態に係る半導体光変調器１の構成を示す斜視図である。
【０１５８】
半導体光変調器１は、半導体からなるＰＮ接合に変調信号に応じた変調電界を印加することによって、入射する光を変調する。半導体光変調器１は、マッハツェンダ（Mach-Zehnder, Ｍ−Ｚ）型の光変調器であって、マッハツェンダ型光干渉計を構成する２つのアーム部の各々に、第１の実施形態に係る光導波路１０が設けられている。また、半導体光変調器１は、シリコン光変調器１である。以下において、シリコン光変調器１のことを単に光変調器１と称する。
【０１５９】
（光変調器１の構成）
光変調器１は、少なくとも一方のアーム部に光変調部が設けられたマッハツェンダ型の光変調器１であって、その光変調部として本発明の一態様に係る光導波路１０又は光導波路３０を備えている。本実施形態では、光変調器１が備えている２つのアーム部の両方に光変調部が設けられており、その光変調部の各々として第１の実施形態に係る光導波路１０を備えている構成を採用している。
【０１６０】
光変調器１は、１枚のＳＯＩ基板を用いて作製されている。ＳＯＩ基板は、下部Ｓｉ層２０、ＢＯＸ層１９ａ、及び上部Ｓｉ層が積層された構造を有している。光変調器１及び光導波路１０では、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層１９ａを下部クラッドとして用いている。また、ＳＯＩ基板の上部Ｓｉ層を加工することによって、光変調器１のコア２２，２３，２４ａ，２４ｂ及び光導波路１０の高屈折率領域１１は、形成されている。
【０１６１】
上部クラッド１９ｂは、下部クラッド１９ａ及びコア２２，２３，２４ａ，２４ｂ及び高屈折率領域１１の上部にＳｉＯ２を堆積させることによって得られる。上部クラッド１９ｂは、コア２２，２３，２４ａ，２４ｂ及び高屈折率領域１１を取り囲むように形成されている。
【０１６２】
図１０に示した座標系のｙ軸正方向に光が伝搬すると仮定して、コア２３は、入射側のコアとして機能し、コア２２は、出射側のコアとして機能する。コア２３は、第１のアーム部であるコア２４ａと、第２のアーム部であるコア２４ｂに分岐されたのち、コア２２に合流される。
【０１６３】
第１のアーム部２４ａの中途には、第１の光導波路１０ａが挿入されており、第２のアーム部２４ｂの中途には、第２の光導波路１０ｂが挿入されている。
【０１６４】
第１の光導波路１０ａが備えている２つの進行波電極（第１の電極及び第２の電極）の各々には、それぞれ、光の伝搬方向（ｙ軸方向）に延設された信号線１６ａ及び信号線１８ａが接続されている。同様に、第２の光導波路１０ｂが備えている２つの進行波電極（第１の電極及び第２の電極）の各々には、それぞれ、信号線１６ｂ及び信号線１８ｂが接続されている。
【０１６５】
本実施形態に係る光変調システムは、信号線１６ａ及び信号線１８ａに対して第１の変調電圧を印加し、信号線１６ｂ及び信号線１８ｂに対して第２の変調電圧を印加する電圧源を備えている。この電圧源が印加する第１の変調電圧及び第２の変調電圧は、いずれも逆バイアス方向の変調電圧である。
【０１６６】
以上のように構成された光変調器１は、光導波路１０と同様の効果を奏する。また、以上のように構成された光変調器１は、１枚のＳＯＩ基板上に、光導波路１０を作製するプロセスと同じプロセスを用いて作製することができる。すなわち、光変調器１を作製するために、新たなプロセスを追加する必要がない。したがって、光変調器１は、光導波路１０と同等のコストで作製することができる。
【０１６７】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１６８】
本発明は、外部から印加される変調電圧に応じて光を変調する半導体光導波路、半導体光変調器、及び半導体光変調システムに利用することができる。
【符号の説明】
【０１６９】
１    光変調器（半導体光変調器）
１０，１０ａ，１０ｂ  光導波路（半導体光導波路）
１１，３１  高屈折率領域
１２，１２ａ，１２ｂ，３２  コア
１２ｊ，３２ｊ  ＰＮ接合面
１３，３３  第１の半導体層
１４，３４  第２の半導体層
１５，１７  進行波電極
１６，１６ａ，１６ｂ，１８，１８ａ，１８ｂ  信号線
１９  クラッド
１９ａ  下部クラッド
１９ｂ  上部クラッド
２０  下部Ｓｉ層
２２，２３  光導波路
２４ａ  第１のアーム部
２４ｂ  第２のアーム部
【図１】
2017072807.tif 000003
【図２】
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【図８】
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【図１０】
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【図１４】
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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９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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