(57)【要約】【課題】光損失の低減、低駆動電圧化、小型化、および製造工程の簡易化を可能とする。【解決手段】リブ領域（１０１ｒ）と、両スラブ領域（１０１ｓ）とを有しているリブ導波路コア（１０１）を備えており、リブ領域（１０１ｒ）から２つのスラブ領域（１０１ｓ）にまで延伸する空乏層（１１３）が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
突出部と、第１方向に沿って該突出部を挟むように配置された、該突出部よりも高さの低い２つの非突出部とを有するリブ導波路をコア部として含み、
上記コア部は、互いに上記第１方向に対して垂直な第２方向に重ねて配置された、ＰＮ接合を形成する第１コア領域および第２コア領域を有しており、
上記第１コア領域と上記第２コア領域との間に、上記突出部から２つの上記非突出部の少なくとも何れか一方にまで延伸する空乏層が形成されることを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
上記空乏層は、上記突出部から２つの上記非突出部のうち両方にまで延伸していることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項３】
上記コア部における導波光の電界ピーク値に対して、上記導波光の電界の減衰率が１３ｄＢ以内になるように、上記空乏層の上記第１方向における端が定められていることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路素子。
【請求項４】
少なくとも１つの上記非突出部において、上記第１コア領域の上記第２方向の厚みと、上記第２コア領域の上記第２方向の厚みとが等しいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項５】
少なくとも１つの上記非突出部における上記空乏層の上記第２方向の位置は、上記突出部における上記空乏層の上記第２方向の位置と異なっていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項６】
少なくとも１つの上記非突出部における上記空乏層の上記第２方向の位置は、上記突出部における上記空乏層の上記第２方向の位置より低いことを特徴とする請求項５に記載の光導波路素子。
【請求項７】
上記光導波路素子は、
光の入射側および出射側の一方に近いほど上記第１方向に沿った各上記非突出部の幅が小さくなるようなテーパ形状を有する第１テーパ部と、
上記第１テーパ部における光の入射側および出射側の他方の端部と隣接して配置されており、光の入射側および出射側の一方に近いほど上記第１方向に沿った上記突出部の幅が小さくなるようなテーパ形状を有する第２テーパ部とを有していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項８】
上記第２方向に関し、
上記コア部の下面の高さを基準とした、少なくとも１つの上記非突出部における上記空乏層の高さは、
ｈｓ／２  （但し、ｈｓ：該非突出部の厚み）
であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項９】
上記第２方向に関し、
上記コア部の下面の高さを基準とした、上記突出部における上記空乏層の高さは、
ｈｓ／２以上、かつ、ｈｒ−ｈｓ／２以下  （但し、ｈｓ：少なくとも１つの上記非突出部の厚み、ｈｒ：上記突出部の厚み）
であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項１０】
上記空乏層と導波光の電界との重なりが最大となる場合、
上記第２方向に関し、
上記コア部の下面の高さを基準とした、上記突出部における上記第１コア領域の下面の高さは、
ｈｒ／２−ｈｓ／２
であり、
上記コア部の下面の高さを基準とした、上記突出部における上記第２コア領域の上面の高さは、
ｈｒ／２＋ｈｓ／２
であることを特徴とする請求項９に記載の光導波路素子。
【請求項１１】
上記突出部は、上記第１コア領域および上記第２コア領域の直上、ならびに、上記第１コア領域および上記第２コア領域の直下のうち少なくとも一方に、ドーパントが意図的に注入されていないアンドープ領域を有していることを特徴とする請求項９に記載の光導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光集積回路に用いられる光導波路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光導波路素子を含む光集積回路を、光ファイバ通信用の各種デバイスに応用することが検討されている。光ファイバ通信用のデバイスとしては、例えば、長距離・メトロ系の波長多重光ファイバ通信で用いられる光トランスポート装置や、データセンタ等で用いられる光インタコネクト装置等が挙げられる。
【０００３】
光集積回路に用いられる光導波路素子として、特許文献１には、相異なる導電性を有する２つのシリコン層と、これら２つのシリコン層に挟まれた誘電体層とを有するコアを備えたものが開示されている。特許文献１に記載の光導波路素子においては、２つのシリコン層としてＰ型シリコン層およびＮ型シリコン層を用い、誘電体層として二酸化シリコンを用いた、いわゆるＳＩＳＣＡＰ（シリコンキャパシタ）構造が採用されている。
【０００４】
特許文献１に記載の光導波路素子では、各シリコン層の側壁（基板の面に沿う方向における該シリコン層の終端）とクラッドとの屈折率の差により光の閉じ込めが実現されており、コアを導波する光の電界は、上記２つのシリコン層と上記誘電体層とに拡がるように分布する。このため、上記２つのシリコン層のキャリア密度を変化させることにより、上記誘電体層を介して上記２つのシリコン層が重なりあったコアの中央部分において、コアを導波する光に対する屈折率を変化させることができる。
【０００５】
また、特許文献１には、Ｐ型シリコン層またはＬ型シリコン層のいずれかをＬ字型に折り曲げたＳＩＳＣＡＰ構造が開示されている。このような構造を採用することにより、キャリア密度が変化する領域を、基板の面に対して平行な方向のみならず、基板の面に対して垂直な方向にも延設することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許公開２００４／０２０８４５４号公報（２００４年１０月２１日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の光導波路素子では、上述したように、各シリコン層の側壁（基板の面に沿う方向における該シリコン層の終端）とクラッドとの屈折率の差により光の閉じ込めが実現される。このため、各シリコン層の側壁が荒れていると、その側壁にてコアを導波する光が散乱されてしまい、光損失が大きくなるという問題が発生する。
【０００８】
また、特許文献１に記載の光導波路素子では、上述したように、キャリア密度が変化する領域が、誘電体層を介して２つのシリコン層が重なりあったコアの中央部分に限定され、コアを導波する光の電界が分布する領域全体には及ばない。したがって、屈折率変調の効率を高めて駆動電圧を低下させるためには、（１）各シリコン層のドーピング密度を高くするか、または、（２）素子長を長くする必要がある。各シリコン層のドーピング密度を高くした場合、キャリアがより多くの光を吸収してしまい、結果、光損失が大きくなるという問題が発生する。一方、素子長を長くした場合、光導波路素子の大型化を招くという問題が発生する。
【０００９】
さらに、副次的な問題として、特許文献１に記載の光導波路素子では、その製造工程のうち、誘電体層にシリコン層を積層する工程が特殊なものとなるため、その製造工程が複雑となる。この結果、特許文献１に記載の光導波路素子は、その製造が難しく、また、他の光回路との間でデザインルールを統一することも困難であるため、他の光回路と共に集積することが困難であるという問題が発生する。例えば、光損失低減および光学特性のバラつきを抑えるため、積層膜厚の変動を１ｎｍ（ナノメートル）以下に低減する技術が必要になる。
【００１０】
さらに、別の副次的な問題として、特許文献１に記載の光導波路素子では、各シリコン層に拡がるように、コアを導波する光の電界が分布する。このため、コアを導波する光のプロファイルは、基板面と平行な方向において非対称となり、コアを導波する光は、横電界（ＴＥ）成分と横磁界（ＴＭ）成分とを偏波成分として含むこととなる。この結果、特許文献１に開示されている光導波路素子と偏波多重光回路とを集積化すると偏波クロストークが生じ、偏波多重光信号伝送が困難になるという問題が発生する。
【００１１】
本発明は、上記の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、光損失の低減、低駆動電圧化、および小型化を可能とする光導波路素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明の光導波路素子は、突出部と、第１方向に沿って該突出部を挟むように配置された、該突出部よりも高さの低い２つの非突出部とを有するリブ導波路をコア部として含み、上記コア部は、互いに上記第１方向に対して垂直な第２方向に重ねて配置された、ＰＮ接合を形成する第１コア領域および第２コア領域を有しており、上記第１コア領域と上記第２コア領域との間に、上記突出部から２つの上記非突出部の少なくとも何れか一方にまで延伸する空乏層が形成されることを特徴としている。
【００１３】
上記の構成によれば、リブ導波路をコア部としているため、導波光（コア部を導波する光）が突出部およびその近傍に局在し、その電界分布がコア部の側壁（非突出部の先端）にまで至らない。このため、コア部の側壁に荒れがあっても、側壁の粗さに起因する光の散乱が低減され、その結果、光損失が低減される。また、上記の構成によれば、第１コア領域と第２コア領域との間に、突出部から２つの非突出部の少なくとも何れか一方にまで延伸する空乏層が形成されているので、（１）第１コア領域および第２コア領域のドーピング密度を高くしたり、（２）素子長を長くしたりせずとも、屈折率変調の効率を高めて駆動電圧を低下させることが可能になる。すなわち、光損失の増大および光導波路素子の大型化を招来することなく、低駆動電圧化を実現することができる。
【００１４】
また、本発明の光導波路素子において、上記空乏層は、上記突出部から２つの上記非突出部のうち両方にまで延伸していることが好ましい。
【００１５】
上記の構成によれば、非突出部において、導波光の電界プロファイルと空乏層との空間的重なりを増すことができる。これにより、キャリア密度を変化させる効率を高め、さらなる低駆動電圧化が可能となる。
【００１６】
また、本発明の光導波路素子は、上記コア部における導波光の電界ピーク値に対して、上記導波光の電界の減衰率が１３ｄＢ以内になるように、上記空乏層の上記第１方向における端が定められていることが好ましい。
【００１７】
空乏層の第１方向の拡がりが導波光の電界ピーク値に対して約１３ｄＢ減衰した点を越えると、第１コア領域および第２コア領域によるＰＮ接合容量が増大し、ＲＣ時定数に起因する速度制限が顕著になる。これを避けるように、空乏層の第１方向における端を配置することが好ましい。
【００１８】
また、本発明の光導波路素子は、少なくとも１つの上記非突出部において、上記第１コア領域の上記第２方向の厚みと、上記第２コア領域の上記第２方向の厚みとが等しいことが好ましい。
【００１９】
また、本発明の光導波路素子において、少なくとも１つの上記非突出部における上記空乏層の上記第２方向の位置は、上記突出部における上記空乏層の上記第２方向の位置と異なっていることが好ましい。
【００２０】
そして、本発明の光導波路素子において、少なくとも１つの上記非突出部における上記空乏層の上記第２方向の位置は、上記突出部における上記空乏層の上記第２方向の位置より低いことが好ましい。
【００２１】
上記の構成によれば、コア部の全領域において、導波光の電界プロファイルと空乏層との空間的重なりを増すことができる。これにより、キャリア密度を変化させる効率を高め、さらなる低駆動電圧化が可能となる。
【００２２】
また、本発明の光導波路素子において、上記光導波路素子は、光の入射側および出射側の一方に近いほど上記第１方向に沿った各上記非突出部の幅が小さくなるようなテーパ形状を有する第１テーパ部と、上記第１テーパ部における光の入射側および出射側の他方の端部と隣接して配置されており、光の入射側および出射側の一方に近いほど上記第１方向に沿った上記突出部の幅が小さくなるようなテーパ形状を有する第２テーパ部とを有していることが好ましい。
【００２３】
上記の構成によれば、本発明の光導波路素子を、マッハ−ツェンダー干渉計の各アームの位相変調部として用いた場合に、光損失の増大および高次モード励起が引き起こされることを防ぐことができる。
【００２４】
また、本発明の光導波路素子は、上記第２方向に関し、上記コア部の下面の高さを基準とした、少なくとも１つの上記非突出部における上記空乏層の高さは、ｈｓ／２（但し、ｈｓ：該非突出部の厚み）であることが好ましい。
【００２５】
上記の構成によれば、非突出部での導波光の電界のプロファイルと空乏層との重なりが最大となる。
【００２６】
また、本発明の光導波路素子は、上記第２方向に関し、上記コア部の下面の高さを基準とした、上記突出部における上記空乏層の高さは、ｈｓ／２以上、かつ、ｈｒ−ｈｓ／２以下（但し、ｈｓ：少なくとも１つの上記非突出部の厚み、ｈｒ：上記突出部の厚み）であることが好ましい。
【００２７】
上記の構成によれば、突出部での導波光の電界のプロファイルと空乏層との重なりが最大となる。
【００２８】
また、本発明の光導波路素子は、上記空乏層と導波光の電界との重なりが最大となる場合、上記第２方向に関し、上記コア部の下面の高さを基準とした、上記突出部における上記第１コア領域の下面の高さは、ｈｒ／２−ｈｓ／２であり、上記コア部の下面の高さを基準とした、上記突出部における上記第２コア領域の上面の高さは、ｈｒ／２＋ｈｓ／２であることが好ましい。
【００２９】
また、本発明の光導波路素子において、上記突出部は、上記第１コア領域および上記第２コア領域の直上、ならびに、上記第１コア領域および上記第２コア領域の直下のうち少なくとも一方に、ドーパントが意図的に注入されていないアンドープ領域を有していることが好ましい。
【００３０】
上記の各構成によれば、コア部全体での導波光の電界のプロファイルと空乏層との重なりをさらに増すことができるとともに、光損失の低減が可能である。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、光損失の低減、低駆動電圧化、小型化、および製造工程の簡易化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光導波路素子の断面図である。
【図２】図１に示す断面における導波光の電界プロファイルである。
【図３】（ａ）はマッハ−ツェンダー干渉計のブロック図であり、（ｂ）はマッハ−ツェンダー干渉計を備えた光変調器の斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る光導波路素子の上面図である。
【図５】空乏層における導波光の電界プロファイルである。
【図６】空乏層における導波光の別の電界プロファイルである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明を実施するための形態について、図１〜図６を参照して詳細に説明する。
【００３４】
〔実施の形態１〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光導波路素子１００の断面図である。なお、図１では、水平方向（第１方向）および垂直方向（第２方向）を併せて示している。
【００３５】
光導波路素子１００は、リブ導波路コア（コア部）１０１、基板１０２、下部クラッド１０３、および上部クラッド１０４を備えている。下部クラッド１０３は、基板１０２上に形成されている。リブ導波路コア１０１は、下部クラッド１０３上に形成されている。上部クラッド１０４は、リブ導波路コア１０１上に形成されている。
【００３６】
光導波路素子１００において、基板１０２と下部クラッド１０３との界面は平坦である。図１に示す水平方向は、この界面と平行な方向であり、図１に示す垂直方向は、この界面と直交する方向であると言える。また、垂直方向に関し、上部クラッド１０４側が上であり、基板１０２側が下である。
【００３７】
リブ導波路コア１０１は、図１に示す断面の水平方向における中央部分に形成されたリブ領域（突出部）１０１ｒと、水平方向に沿ってリブ領域１０１ｒを挟むように配置された２つのスラブ領域（非突出部）１０１ｓとを有している。図１では、リブ領域１０１ｒの幅（水平方向の長さ）をｗｒとし、リブ領域１０１ｒの厚み（垂直方向の長さ）をｈｒとし、両スラブ領域１０１ｓの厚みをｈｓとしている。
【００３８】
以下、リブ領域１０１ｒにおける、両スラブ領域１０１ｓを以て上の領域を、凸部と称する。つまり、リブ領域１０１ｒは、凸部と、この凸部の直下のリブ導波路コア１０１部分とを含む領域である。
【００３９】
図１に示す断面において、リブ導波路コア１０１は、リブ領域１０１ｒの水平方向における中点１０１ｒｃを通り垂直方向に伸びる軸（一点鎖線Ａ−Ａ´）に対して線対称である。また、凸部の側壁１０１ｒｓは、概ね垂直方向に延伸している。
【００４０】
導波光（リブ導波路コア１０１を導波する光）は、リブ領域１０１ｒおよびその近傍に局在し、図１に示す断面と直交する方向（第３方向）に伝搬する。リブ導波路コア１０１を伝搬する導波光のモードがＴＥ成分の基本モードのみとなるように、光導波路素子１００は設計されている。ここで、導波光の波長は、光通信および光インタコネクトにおいて適用される波長帯にあり、１２００ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲にある。
【００４１】
リブ導波路コア１０１および基板１０２の材質は例えば、結晶性シリコンである。一方、下部クラッド１０３および上部クラッド１０４の材質は例えば、二酸化シリコン（シリカ）である。リブ導波路コア１０１、基板１０２、下部クラッド１０３、および上部クラッド１０４の材質を以上のようにすれば、ＳＯＩ（Silicon-on-insulator）ウエファを用いて、光導波路素子１００を構成することができる。リブ導波路コア１０１には、結晶性シリコンからなるＳＯＩ層を用いることができる。下部クラッド１０３には、埋め込みシリカ（ＢＯＸ）層を用いることができる。上部クラッド１０４は、リブ導波路コア１０１にシリカを堆積することによって形成することができる。
【００４２】
近年、厚みが概ね２２０ｎｍであるＳＯＩ層を含むＳＯＩウエファが普及している。そこで、光導波路素子１００では、このＳＯＩウエファを用いた構成を想定し、ｈｒが２２０ｎｍである。ＴＥ成分の高次モードの導波光およびＴＭ成分の導波光の伝搬を避けるためには、ｈｓが１５０ｎｍ以上であることが好ましい。また、ＴＥ成分の基本モードの導波光がリブ導波路コア１０１外へ放射され、導波光が減衰してしまうことを避けるためには、ｈｓが１８０ｎｍ以下であり、かつ、ｗｒが４５０ｎｍ以上であることが好ましい。ｗｒが４５０ｎｍ以上であれば、側壁１０１ｒｓの粗さに起因する光損失を低減することにおいても好適である。
【００４３】
自由キャリア吸収により生じるキャリアプラズマ分散に基づいた屈折率変調を行うために、リブ導波路コア１０１にはＰＮ接合が形成されている。つまり、光導波路素子１００では、このＰＮ接合においてキャリア密度を変化させることによって、屈折率を変化させている。本願発明者は、リブ導波路コア１０１内における、導電性を有する領域（空乏層を含む）のレイアウトを新たに案出し、この新たなレイアウトにより、光損失の低減、駆動電圧の低減、および変調周波数の上昇を実現した。
【００４４】
図１に示すとおり、リブ導波路コア１０１は、中央領域（第１コア領域の一部）１０５、側方領域（第１コア領域の一部）１０６および１０７、ならびに接続領域（第１コア領域の一部）１０８を備えている。中央領域１０５、側方領域１０６および１０７、ならびに接続領域１０８は、いずれも第１の導電性を有しており、互いに電気的に接続されており、全体として第１コア領域を形成している。
【００４５】
中央領域１０５は、リブ領域１０１ｒにおける凸部の直下に設けられている。中央領域１０５、側方領域１０６、および側方領域１０７はいずれも、それらの両側部が、垂直方向に延伸している。側方領域１０６の右側の側部は、中央領域１０５の左側の側部と接しており、側方領域１０７の左側の側部は、中央領域１０５の右側の側部と接している。側方領域１０６および１０７はいずれも、対応する中央領域１０５の側部における下方の一部と、対応する側方領域１０６および１０７の側部における上方の一部とが接している。側方領域１０６および１０７はいずれも、その厚みがおよそｈｓ／２である。側方領域１０６の左側の側部は、ドーパントが意図的に注入されていないアンドープ領域と接している。側方領域１０７の右側の側部は、接続領域１０８と接している。接続領域１０８の厚みはｈｓである。中央領域１０５の幅はｗｒであり、側方領域１０６の幅はｗｄ２であり、側方領域１０７の幅はｗｄ１である。
【００４６】
また、図１に示すとおり、リブ導波路コア１０１は、中央領域（第２コア領域の一部）１０９、側方領域（第２コア領域の一部）１１０および１１１、ならびに接続領域（第２コア領域の一部）１１２を備えている。中央領域１０９、側方領域１１０および１１１、ならびに接続領域１１２は、いずれも第２の導電性を有しており、互いに電気的に接続されており、全体として第２コア領域を形成している。
【００４７】
中央領域１０９は、部分的にリブ領域１０１ｒにおける凸部に含まれており、中央領域１０５の直上に設けられている。中央領域１０９、側方領域１１０、および側方領域１１１はいずれも、それらの両側部が、垂直方向に延伸している。側方領域１１０の左側の側部は、中央領域１０９の右側の側部と接しており、側方領域１１１の右側の側部は、中央領域１０９の左側の側部と接している。側方領域１１０および１１１はいずれも、対応する中央領域１０９の側部における下方の一部と、対応する側方領域１１０および１１１の側部における上方の一部とが接している。側方領域１１０および１１１はいずれも、その厚みがおよそｈｓ／２であり、側方領域１０６および１０７の厚みと等しくなっている。側方領域１１０の右側の側部は、ドーパントが意図的に注入されていないアンドープ領域と接している。側方領域１１１の左側の側部は、接続領域１１２と接している。接続領域１１２の厚みはｈｓである。中央領域１０９の幅はｗｒであり、側方領域１１０の幅はｗｄ２であり、側方領域１１１の幅はｗｄ１である。
【００４８】
なお、光導波路素子１００において、中央領域１０９は、凸部の頂上にまで達していない。しかしながら、光導波路素子における光損失の増大を招くことなく屈折率変調の効率をさらに向上させることができる場合等においては、中央領域１０９を、凸部の頂上にまで達するように形成してもよい。
【００４９】
光導波路素子１００では、水平方向において、接続領域１０８および１１２とリブ領域１０１ｒとが離間されて配置されている。このような配置を採用した理由は、自由キャリア吸収による光損失を低減するためである。中点１０１ｒｃから接続領域１０８までの距離、および、中点１０１ｒｃから接続領域１１２までの距離はいずれも、光導波路素子１００において要求される光損失の程度、および／または光導波路素子１００の動作周波数等に応じて任意の長さに設定することができる。
【００５０】
リブ導波路コア１０１において、中央領域１０５と中央領域１０９とが、互いに垂直方向に重ねて配置されている。また、リブ導波路コア１０１において、側方領域１０６と側方領域１１１とが、互いに垂直方向に重ねて配置されている。さらに、リブ導波路コア１０１において、側方領域１０７と側方領域１１０とが、互いに垂直方向に重ねて配置されている。
【００５１】
ここで、中央領域１０５、側方領域１０６および１０７、ならびに接続領域１０８が有する第１の導電性がＰ型であり、中央領域１０９、側方領域１１０および１１１、ならびに接続領域１１２が有する第２の導電性がＮ型である場合を考える。この場合、第１の導電性（Ｐ型）を有する各領域と、第２の導電性（Ｎ型）を有する各領域とによりＰＮ接合が形成される。そして、このＰＮ接合が形成された部分に対して、所定の逆バイアス電圧を印加することによって、このＰＮ接合の境界には空乏層１１３が形成される。空乏層１１３は、リブ領域１０１ｒから両スラブ領域１０１ｓに延伸するように形成される。
【００５２】
また、リブ導波路コア１０１において、側方領域１０６と側方領域１１１とによるＰＮ接合の垂直方向の位置、および、側方領域１０７と側方領域１１０とによるＰＮ接合の垂直方向の位置はいずれも、中央領域１０５と中央領域１０９とによるＰＮ接合の垂直方向の位置に比べて低い。このため、両スラブ領域１０１ｓにおける空乏層１１３の垂直方向の位置は、リブ領域１０１ｒにおける空乏層１１３の垂直方向の位置より低くなる。これにより、リブ導波路コア１０１において、導波光の電界プロファイルと空乏層１１３との空間的重なりを増すことができる。これにより、キャリア密度を変化させる効率を高め、さらなる低駆動電圧化が可能となる。
【００５３】
さらに、リブ導波路コア１０１では、中央領域１０５の右側の側部と側方領域１１０の左側の側部とが、互いに水平方向に並んで配置されており、これにより、ＰＮ接合が形成されている。同様に、リブ導波路コア１０１では、中央領域１０５の左側の側部と側方領域１１１の右側の側部とが、互いに水平方向に並んで配置されており、これにより、ＰＮ接合が形成されている。これらのＰＮ接合についても、上述した逆バイアス電圧の印加によって空乏層１１３が形成される。中央領域１０５と側方領域１１０との間に形成される空乏層１１３、および、中央領域１０５と側方領域１１１との間に形成される空乏層１１３はいずれも、対応するリブ領域１０１ｒとスラブ領域１０１ｓとの境界にて、垂直方向に延伸している。
【００５４】
図２は、図１に示す断面における導波光の電界プロファイルである。図２に示すとおり、導波光のＴＥ成分の基本モードにおける電界プロファイルは、両スラブ領域１０１ｓにも局在することとなる。
【００５５】
なお、図２において、導波光の電界は線形スケールによって表示されている。また、図２では、ｗｒが６５０ｎｍであり、ｈｒが２２０ｎｍであり、ｈｓが１６０ｎｍであり、導波光の波長が１５５０ｎｍであるものとしてプロファイルを導出している。両スラブ領域１０１ｓにおける空乏層１１３の垂直方向の位置を、リブ領域１０１ｒにおける空乏層１１３の垂直方向の位置より低くすることによって、リブ導波路コア１０１において、導波光の電界プロファイルと空乏層１１３との空間的重なりを増すことができる。
【００５６】
光導波路素子１００では、空乏層１１３が９０°折れ曲がっている部分が存在している。但し、実際は、イオン注入時のドーパント元素の注入プロファイル、および、アニーリング時の熱拡散に影響されることによって、この折れ曲がり部分が丸みを帯びる場合がある。この折れ曲がり部分が丸みを帯びることは、空乏層１１３による効果にさほど影響を及ぼさない。
【００５７】
上記ＰＮ接合が形成された部分に対する逆バイアス電圧が変化したとき、空乏層１１３における水平方向の拡がり（幅）は実質的に一定である。一方、このとき、空乏層１１３における垂直方向の拡がり（垂直方向の位置、または厚み）は変化する。リブ導波路コア１０１に局在する導波光のプロファイルによれば、この垂直方向の拡がりは、この水平方向の拡がりの概ね半分以下と小さい。従って、空乏層１１３の厚みを変化させるほうが、空乏層１１３の幅を変化させるよりも、屈折率変調の効率を向上させ、光導波路素子１００の駆動電圧を低減することが容易である。
【００５８】
以上の構成およびメカニズムによって、光導波路素子１００により、下記の効果を奏する。
【００５９】
凸部の存在のみにより、導波光がリブ領域１０１ｒおよびその近傍に局在されるため、側壁の粗さに起因する光の散乱が低減され、これにより、光導波路素子１００では光損失が低減される。また、光導波路素子１００では、その低駆動電圧化を実現するように、上述した第１の導電性を有する各領域および第２の導電性を有する各領域を最適化している。このとき、光導波路素子１００の大型化とは異なる手段で、上記光損失の低減、および低駆動電圧化を図っているため、光導波路素子１００の大型化を避けることができる。
【００６０】
また、空乏層１１３が両スラブ領域１０１ｓに延伸されている。そして、両スラブ領域１０１ｓにおける空乏層１１３の垂直方向の位置は、リブ領域１０１ｒにおける空乏層１１３の垂直方向の位置と異なっている（具体的には、リブ領域１０１ｒにおける空乏層１１３の垂直方向の位置より低い）。これにより、リブ導波路コア１０１の全領域において、導波光の電界プロファイルと空乏層１１３との空間的重なりを増すことができる。これにより、キャリア密度を変化させる効率を高め、さらなる低駆動電圧化が可能となる。
【００６１】
また、接続領域１０８および１１２の厚みはいずれもｈｓであり、対応するスラブ領域１０１ｓの厚みそのものである。これにより、直列抵抗（後述する低抵抗領域１１４から側方領域１０７との境界までの抵抗、および後述する低抵抗領域１１５から側方領域１１１との境界までの抵抗）が低減されるため、この直列抵抗と、上記ＰＮ接合による容量とから決まるＲＣ時定数を小さくすることができる。この結果、光導波路素子１００では、変調周波数の上昇を図ることができる。
【００６２】
光導波路素子１００では、図１に示したリブ導波路コア１０１の断面形状によって、導波光の電界プロファイルが最適化される。一方、空乏層１１３の形状は、導波光の電界プロファイルと独立して、上述した第１の導電性を有する各領域および第２の導電性を有する各領域の配置、ひいてはドーパント分布によって最適化される。従って、光導波路素子１００では、光損失の低減、および低駆動電圧化が容易である。
【００６３】
なお、図２では、光導波路素子１００において、ｗｒが６５０ｎｍであり、ｈｒが２２０ｎｍであり、ｈｓが１６０ｎｍであるものとして説明を行ったが、ｗｒ、ｈｒ、およびｈｓの値はこれらに限定されない。すなわち、リブ導波路コア１０１を伝搬する導波光が理想的に単一のモードのみであり、かつ空乏層１１３が適切に形成される範囲で、光導波路素子１００の各種寸法は適宜変更することができる。
【００６４】
また、光導波路素子１００では、第１の導電性がＰ型であり、第２の導電性がＮ型であるとしたが、第１の導電性がＮ型であり、第２の導電性がＰ型であってもよい。
【００６５】
ここからは、光導波路素子１００における上記ＰＮ接合の形成方法、および高周波電極が設けられた高速光変調素子について説明を行う。第１の導電性を有する各領域と、第２の導電性を有する各領域とを、互いに垂直方向に重ねて配置するためには、ｈｓが１００ｎｍ以上であることが好ましい。
【００６６】
第１の導電性を有する各領域および第２の導電性を有する各領域は、ドーピングによって形成される。このドーピングを行う方法として例えば、イオン注入を採用することができる。光導波路素子１００の上方から垂直方向に沿ってイオン注入を行う場合であって、リブ領域１０１ｒと両スラブ領域１０１ｓとに同時にイオン注入を行う際、リブ領域１０１ｒに対してイオンが侵入する距離と、両スラブ領域１０１ｓに対してイオンが侵入する距離とが概ね等しくなる。従って、リブ領域１０１ｒの上面と両スラブ領域１０１ｓの上面との空乏層１１３の垂直方向の位置を調節することによって、空乏層１１３を所望の位置に形成することが可能となる。また、リブ領域１０１ｒと両スラブ領域１０１ｓとに同時にイオン注入を行うことを可能とするためには、導波光の高次モードの伝搬を避けること、かつ、導波光の放射損失が増大しないことを条件として、ｈｒおよびｈｓを最適値に調節することが必要である。
【００６７】
ここで、図２に示した導波光の電界プロファイルより、リブ領域１０１ｒでは、凸部の頂上から８０ｎｍ〜１００ｎｍ程度下方に、空乏層１１３の垂直方向の中心を配置すると、導波光の電界が最大となる位置と垂直方向に概ね一致するため、導波光の電界プロファイルと空乏層１１３との重なりが概ね最大となる。また、各スラブ領域１０１ｓでは、対応するスラブ領域１０１ｓの垂直方向の中心付近に、空乏層１１３の垂直方向の中心を配置すると、導波光の電界が最大となる位置と垂直方向に概ね一致するため、導波光の電界プロファイルと空乏層１１３との重なりが概ね最大となる。
【００６８】
側方領域１０６、側方領域１０７、側方領域１１０、および側方領域１１１は、垂直方向に互いに同じ厚みを有している。その結果、各スラブ領域１０１ｓにおける空乏層１１３の垂直方向の中心は、対応するスラブ領域１０１ｓの垂直方向の中心と一致する。側方領域１０６、側方領域１０７、側方領域１１０、および側方領域１１１の各々の厚みにおよそ５％以内のバラつきがあったとしても、光導波路素子１００の光学特性および電気特性に対してほとんど影響を及ぼさない。よって、このバラつきの範囲内で、側方領域１０６、側方領域１０７、側方領域１１０、および側方領域１１１は同じ厚みとみなすことができる。
【００６９】
リブ領域１０１ｒの上面と両スラブ領域１０１ｓの上面とのそれぞれの垂直方向の位置は、リブ領域１０１ｒと両スラブ領域１０１ｓとに同時にイオン注入を行うことによる上記ＰＮ接合の形成に概ね適合する。このようなイオン注入によって、光導波路素子１００の製造プロセスを簡易化することができ、光導波路素子１００の製造精度が向上する。従って、光導波路素子１００を、他の回路と共に集積することが容易となる。このようなイオン注入に適合する条件を達成することが困難である場合、もしくは、リブ領域１０１ｒにおける空乏層１１３の垂直方向の中心と各スラブ領域１０１ｓにおける空乏層１１３の垂直方向の中心とを個別に調節する必要がある場合、リブ領域１０１ｒに対するイオン注入と、各スラブ領域１０１ｓに対するイオン注入とを個別に行えばよい。イオン注入された元素を活性化して導電性を向上させるため、必要に応じて各イオン注入段階において、アニール処理を行ってもよい。
【００７０】
なお、光導波路素子１００では、第１の導電性・第２の導電性が、Ｐ型・Ｎ型の組み合わせであってもよいし、Ｎ型・Ｐ型の組み合わせであってもよい旨上述した。これらの組み合わせのいずれを採用するかについては、注入する元素の拡散係数等の特性に応じて決定すればよい。
【００７１】
中央領域１０５、側方領域１０６、および側方領域１０７は、セルフアラインメントによって、１回のイオン注入により形成することができる。ここで、リブ導波路コア１０１の材質が結晶性シリコンであれば、注入するＰ型イオンとして例えば、ホウ素を用いることができる。イオン注入の加速電圧を調節することによって、中央領域１０５がリブ領域１０１ｒに形成され、側方領域１０６および１０７は、それぞれ対応するスラブ領域１０１ｓの概ね下半分に形成される。
【００７２】
また、接続領域１０８を形成するためには、２段階のイオン注入が必要である。第１段階のイオン注入は、上述したセルフアラインメントによるイオン注入と共通である。これにより、接続領域１０８は、右側のスラブ領域１０１ｓの概ね下半分に形成される。また、第２段階のイオン注入では、光学マスク等を用いてイオンの注入領域を接続領域１０８の垂直方向に制限し、加速電圧を低減して、接続領域１０８を、右側のスラブ領域１０１ｓの概ね上半分に形成する。
【００７３】
また、接続領域１０８におけるその上面を含む領域に対して、ドーズ量を増加させてイオン注入を行い、スラブ領域１０１ｓにおける接続領域１０８の内部に、第１の導電性を有する低抵抗領域１１４を形成する。
【００７４】
また、光導波路素子１００は、上部クラッド１０４に対して水平方向に設けられた垂直貫通配線１１６および１１７と、垂直貫通配線１１６の上方に設けられた表面電極１１８と、垂直貫通配線１１７の上方に設けられた表面電極１１９とをさらに備えている。ここでは、低抵抗領域１１４の上面に、垂直貫通配線１１６の一端を接続し、垂直貫通配線１１６の他端に、表面電極１１８を接続する。
【００７５】
中央領域１０９、側方領域１１０、および側方領域１１１は、セルフアラインメントによって、形成することができる。注入するＮ型イオンとして例えば、ヒ素を用いることができる。イオン注入の加速電圧を調節することによって、中央領域１０９がリブ領域１０１ｒにおける中央領域１０５の上方に形成され、側方領域１１０および１１１は、それぞれ対応するスラブ領域１０１ｓの概ね上半分に形成される。
【００７６】
また、接続領域１１２を形成するためには、接続領域１０８の形成と同様に、２段階のイオン注入が必要である。第１段階のイオン注入は、上述したセルフアラインメントによるイオン注入と共通である。これにより、接続領域１１２は、左側のスラブ領域１０１ｓの概ね下半分に形成される。また、第２段階のイオン注入では、光学マスク等を用いてイオンの注入領域を接続領域１１２の垂直方向に制限し、加速電圧を低減して、接続領域１１２を、左側のスラブ領域１０１ｓの概ね上半分に形成する。
【００７７】
また、接続領域１１２におけるその上面を含む領域に対して、ドーズ量を増加させてイオン注入を行い、スラブ領域１０１ｓにおける接続領域１１２の内部に、第２の導電性を有する低抵抗領域１１５を形成する。
【００７８】
ここでは、低抵抗領域１１５の上面に、垂直貫通配線１１７の一端を接続し、垂直貫通配線１１７の他端に、表面電極１１９を接続する。
【００７９】
表面電極１１８および１１９は、高周波電極の一部である。垂直貫通配線１１６、垂直貫通配線１１７、表面電極１１８、および表面電極１１９の材質は例えば、金属アルミニウムまたは金属銅である。表面電極１１８および１１９の少なくとも一方に対して、ＤＣ（Direct current）ブロックとして機能するキャパシタ（図示しない）を介して、高周波電気信号を印加すると同時に、ＡＣ（Alternative current）ブロックとして機能するインダクタ（図示しない）を介して、ＤＣ逆バイアス電圧を印加することによって、高速光変調が可能である。
【００８０】
ここで、空乏層１１３の幅は、導波光の水平方向における拡がりを実質的に全てカバーするような値に設定する。これにより、ｗｄ２は約３００ｎｍ以上となる。導波光の水平方向における拡がりをカバーすることに関し、空乏層１１３の水平方向における両端は、リブ導波路コア１０１における導波光による電界のピーク値に対して、導波光による電界が約１３ｄＢ減衰した点に位置することが好ましい。すなわち、空乏層１１３の水平方向の拡がりが導波光の電界ピーク値に対して約１３ｄＢ減衰した点を越えると、上記ＰＮ接合による容量が増大し、ＲＣ時定数に起因する速度制限が顕著になる。これを避けるように、空乏層１１３の水平方向における端を配置することが好ましい。
【００８１】
ｗｄ１は、７００ｎｍ〜１２００ｎｍであることが好ましい。これにより、中点１０１ｒｃと接続領域１０８との水平方向の距離、および、中点１０１ｒｃと接続領域１１２との水平方向の距離はいずれも、概ね１０００ｎｍ〜１５００ｎｍとなる。
【００８２】
〔実施の形態２〕
図３の（ａ）はマッハ−ツェンダー干渉計のブロック図であり、図３の（ｂ）はマッハ−ツェンダー干渉計を備えた光変調器１の斜視図である。マッハ−ツェンダー干渉計は、外部からのノイズの影響を受けにくい、温度変化に対して変調動作の安定性が高い等の利点を有することから、光通信用の光変調器に多く採用されている。
【００８３】
図３の（ａ）に示すマッハ−ツェンダー干渉計は、下記の構成を有している。入射側導波路３０５の入射端は、入射側の光ファイバ（図示しない）との光結合に用いられる。入射側導波路３０５の出射端は、光分岐部３０３の入射端と接続されている。光分岐部３０３の一方の出射端は、アーム導波路３０６の入射端と接続されており、光分岐部３０３の他方の出射端は、アーム導波路３０７の入射端と接続されている。アーム導波路３０６の出射端は、位相変調部３０１の入射端と接続されている。アーム導波路３０７の出射端は、位相変調部３０２の入射端と接続されている。位相変調部３０１の出射端は、アーム導波路３０８の入射端と接続されている。位相変調部３０２の出射端は、アーム導波路３０９の入射端と接続されている。アーム導波路３０８の出射端は、光合波部３０４の一方の入射端と接続されている。アーム導波路３０９の出射端は、光合波部３０４の他方の入射端と接続されている。光合波部３０４の出射端は、出射側導波路３１０の入射端と接続されている。出射側導波路３１０の出射端は、出射側の光ファイバ（図示しない）との光結合に用いられる。
【００８４】
アーム導波路３０６、位相変調部３０１、およびアーム導波路３０８が、第１のアーム部を形成しており、アーム導波路３０７、位相変調部３０２、およびアーム導波路３０９が、第２のアーム部を形成している。
【００８５】
位相変調部３０１および位相変調部３０２はそれぞれ、図１に示した光導波路素子１００を１つ含んでいる。より具体的に、図３の（ａ）に示すＤ−Ｄ´断面が、図１に示した断面と等しい。
【００８６】
図３の（ｂ）に示すとおり、光変調器１は、光通信に利用可能な光変調器であって、シリコン（Ｓｉ）をベースとする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、入射した光を変調するシリコン光変調器である。光変調器１は、基板１０２と、下部クラッド１０３と、上部クラッド１０４とが、その順で積層された層状構造を有している。
【００８７】
光変調器１には、マッハ−ツェンダー干渉計を構成する光導波路として、図３の（ａ）に示した各部材が、下部クラッド１０３と上部クラッド１０４とに挟まれて設けられている。
【００８８】
入射側導波路３０５、アーム導波路３０６、アーム導波路３０７、アーム導波路３０８、アーム導波路３０９、および出射側導波路３１０は、矩形コアを有する矩形導波路である。この矩形コアの材質は例えば、結晶性シリコンである。この矩形コアの幅および厚みは、それぞれｗｉおよびｈｒである。ここで、ｗｉは５００ｎｍであり、ＴＥ成分の基本モードが導波光として、入射側導波路３０５、アーム導波路３０６、アーム導波路３０７、アーム導波路３０８、アーム導波路３０９、および出射側導波路３１０を伝搬する。光分岐部３０３および光合波部３０４は例えば、それぞれ、１×２多モード干渉計および２×２多モード干渉計によって構成されている。これらの各多モード干渉計の厚みはｈｒである。これらの各部材は、ＳＯＩウエファを用いて構成されている。
【００８９】
位相変調部３０１および３０２の少なくとも一方に高周波電気信号を入力することによって、光強度変調が可能となる。また、位相変調部３０１および３０２に互いに相補的な高周波電気信号を入力し、プッシュプル駆動を行うことによって、光位相変調が可能となる。なお、高周波電気信号のシンボルレートは、１０Ｇｂａｕｄ以上である。
【００９０】
アーム導波路３０６、位相変調部３０１、およびアーム導波路３０８間の接続では、光損失の増大および高次モード励起を避けるため、光導波路素子１００部分において、リブ領域１０１ｒおよび両スラブ領域１０１ｓの幅を徐々に変化させるテーパ形状を形成することが好ましい。アーム導波路３０７、位相変調部３０２、およびアーム導波路３０９間の接続についても同様である。
【００９１】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る光導波路素子１００´の上面図である。なお、図４では、水平方向および導波光伝搬方向を併せて示している。図４において、導波光伝搬方向は、水平方向および垂直方向（図１参照）の両方に対して垂直な方向である。
【００９２】
光導波路素子１００´は、リブ領域１０１ｒおよび両スラブ領域１０１ｓの水平方向の幅が、導波光伝搬方向の位置に依存して変化する点を除けば、図１に示した光導波路素子１００と同じ構成を有している。図４に示す光導波路素子１００´のＤ−Ｄ´断面が、図１に示した光導波路素子１００の断面と等しい。
【００９３】
位相変調部３０１における入射端側において、光導波路素子１００´は、アーム導波路３０６との接続のため、導波光伝搬方向に沿って、第１テーパ部４０１を有している。第１テーパ部４０１は、導波光の入射側に近いほど水平方向に沿った両スラブ領域１０１ｓの幅が小さくなるようなテーパ形状を有しており、その入射端における両スラブ領域１０１ｓの幅は概ね０である。第１テーパ部４０１におけるリブ領域１０１ｒの水平方向の幅は、第１テーパ部４０１の全域においてｗｉである。また、第１テーパ部４０１におけるリブ領域１０１ｒの断面形状は、アーム導波路３０６の矩形コアの断面形状と概ね合同である。第１テーパ部４０１の導波光伝搬方向における長さｌａは、３０μｍ（マイクロメートル）である。第１テーパ部４０１の出射端は、第２テーパ部４０２の入射端と接続されている。すなわち、第２テーパ部４０２は、第１テーパ部４０１における導波光の出射側の端部と隣接して配置されている。
【００９４】
第２テーパ部４０２は、導波光の入射側に近いほど水平方向に沿ったリブ領域１０１ｒの幅が小さくなるようなテーパ形状を有している。第２テーパ部４０２の入射端におけるリブ領域１０１ｒの水平方向の幅は第１テーパ部４０１の同幅と同じｗｉであり、第２テーパ部４０２の出射端におけるリブ領域１０１ｒの水平方向の幅はｗｒである。第２テーパ部４０２の導波光伝搬方向における長さｌｂは、３０μｍである。
【００９５】
なお、ｌａおよびｌｂはいずれも、３０μｍに限定されず、光導波路素子１００´における光損失の増大および高次モード励起を防ぐことができる限り短くしてもよい。
【００９６】
アーム導波路３０６の矩形コアの幅（ｗｉ）が５００ｎｍより大きくなると、高次モード励起が生じる虞が高くなる。高次モード励起が生じると、光強度変調における消光比または光位相変調におけるＱ値が低下する。
【００９７】
一方、光導波路素子１００´では、リブ領域１０１ｒの幅（ｗｒ）が７００ｎｍ以上に大きくならない限りは、高次モード励起が生じない。よって、第１テーパ部４０１において、矩形コアと合同の断面形状を有しているリブ領域１０１ｒに両スラブ領域１０１ｓを追加すると共に、両スラブ領域１０１ｓの水平方向の幅を徐々に拡げる。また、第２テーパ部４０２において、リブ領域１０１ｒの水平方向の幅をｗｉ（５００ｎｍ）からｗｒ（６５０ｎｍ）に徐々に拡げる。こうして、光損失が小さく、消光比またはＱ値が高い光変調素子を構成することができる。そして、光導波路素子１００´を、マッハ−ツェンダー干渉計の位相変調部３０１として用いた場合に、光損失の増大および高次モード励起が引き起こされることを防ぐことができる。
【００９８】
なお、図４では、アーム導波路３０６と位相変調部３０１との接続を例に説明を行ったが、アーム導波路３０７と位相変調部３０２との接続についても、光導波路素子１００´の構成を適用することができる。
【００９９】
さらに、位相変調部３０１とアーム導波路３０８との接続、ならびに、位相変調部３０２とアーム導波路３０９との接続についても、光導波路素子１００´の構成を適用することができる。この場合、アーム導波路３０６と位相変調部３０１との接続の例に対して、入射端と出射端とを反対にすればよい。
【０１００】
位相変調部３０１および３０２の、導波光伝搬方向における長さは例えば、３ｍｍ（ミリメートル）である。
【０１０１】
（空乏層および導電性を有する各領域のプロファイル）
図５および図６はそれぞれ、空乏層１１３における導波光の電界プロファイルである。図５および図６には、空乏層１１３のプロファイルの一例が、導波光（ＴＥモード）の電界絶対値の等高線およびリブ導波路コア１０１の輪郭と共に表示されている。なお、この等高線は、導波光の電界絶対値のピークを１に規格化し、電界絶対値が１ｄＢ間隔で描かれている。図５および図６において“０”と表示された点が、電界絶対値のピーク（０ｄＢ）を示している。図５に示されたプロファイルを有する空乏層１１３によって、導波光電界プロファイルと空乏層１１３との重なりが最大となり、光導波路素子１００の駆動電圧を低減するという効果が最大となる。
【０１０２】
図５および図６において、空乏層１１３の水平方向の両端の位置は概ね、導波光電界の絶対値がピーク値より１３ｄＢ減衰する点にある。この場合、空乏層１１３の水平方向の拡がりは、当該ピーク値の位置を中心として水平方向両側にそれぞれ約１μｍである。この場合、図３の（ａ）等に示した位相変調部３０１および３０２（それぞれ、長さ３ｍｍ）では、上述したＰＮ接合による電気容量は約１２ｐＦである。このＰＮ接合に接続される直列電気抵抗は、ＰＮ接合の両側に対して合計して約８オームであるので、ＲＣ時定数は約１００ｐｓとなる。１０Ｇｂａｕｄ以上のシンボルレートで駆動するには、ＲＣ時定数が概ね１００ｐｓ以下であることが必要とされ、このＰＮ接合による電気容量は１２ｐＦであることが好ましい。電気容量は、空乏層１１３の水平方向の拡がりに概ね比例するので、空乏層１１３の水平方向における両端の位置は、導波光電界の絶対値がピーク値より概ね１３ｄＢ減衰する点よりも、空乏層１１３の中心側に存在することが好ましい。図５または図６と異なる空乏層１１３のプロファイルを呈する場合であっても、同様のことが言える。
【０１０３】
リブ導波路コア１０１の両スラブ領域１０１ｓでは、空乏層１１３の垂直方向の位置（高さ）は、リブ導波路コア１０１の下面を基準として両スラブ領域１０１ｓの厚みの半分の位置、すなわち、ｈｓ／２とする。これにより、両スラブ領域１０１ｓでの導波光の電界プロファイルと空乏層１１３との重なりが最大となる。従って、リブ導波路コア１０１の下面の高さを基準とした、両スラブ領域１０１ｓにおける空乏層１１３の高さは、ｈｓ／２（但し、ｈｓ：両スラブ領域１０１ｓの厚み）であることが好ましい。
【０１０４】
ここで、リブ導波路コア１０１において、両スラブ領域１０１ｓの下面とリブ領域１０１ｒの下面とはいずれも、垂直方向の位置が同じであり、リブ導波路コア１０１の下面は平坦である。両スラブ領域１０１ｓでは、垂直方向に関し、下半分に側方領域１０６および側方領域１０７が形成されており、上半分に側方領域１１０および側方領域１１１が形成されていることにより、直列電気抵抗が低減されている。両スラブ領域１０１ｓにおいて、側方領域１０６、側方領域１０７、側方領域１１０、および側方領域１１１の厚みはそれぞれ、ｈｓ／２である。
【０１０５】
リブ領域１０１ｒにおいて、導波光の電界プロファイルと空乏層１１３との重なりを最大とするためには、リブ導波路コア１０１の下面の高さを基準とした、リブ領域１０１ｒにおける空乏層１１３の高さを、ｈｒ／２とする。
【０１０６】
リブ領域１０１ｒでは、直列電気抵抗を低減するという観点から、側方領域１０６および１０７より厚い中央領域１０５、ならびに、側方領域１１０および１１１より厚い中央領域１０９を形成することができる。一方、この場合、キャリア吸収による光損失は大きくなる。そこで、光導波路素子１００では、中央領域１０５の厚みを側方領域１０６および１０７と同じとし、中央領域１０９の厚みを側方領域１１０および１１１と同じとする。リブ導波路コア１０１の下面の高さを基準とした場合、リブ領域１０１ｒにおける中央領域１０５の下面の高さは、ｈｒ／２−ｈｓ／２であり、リブ領域１０１ｒにおける中央領域１０９の上面の高さは、ｈｒ／２＋ｈｓ／２である。
【０１０７】
また、リブ領域１０１ｒは、中央領域１０５および１０９の直上、ならびに、中央領域１０５および１０９の直下のうち少なくとも一方に、Ｐ型またはＮ型ドーパントが意図的に注入されていないアンドープ領域を有している。当該アンドープ領域では、わずかに拡散によるドーパント分布が生じるケースもあり得るが、このケースは光導波路素子１００の光学的特性にほとんど影響を与えない。
【０１０８】
このような空乏層１１３を形成するためには、光学リソグラフィとドライエッチングとにより、リブ導波路コア１０１を形成し、その後、リブ領域１０１ｒと両スラブ領域１０１ｓとに、別々にイオン注入を行う。リブ領域１０１ｒにおけるイオン注入と両スラブ領域１０１ｓにおけるイオン注入とは、どちらを先に行っても構わない。直列抵抗の低減が必要である場合、中央領域１０５および１０９の厚みを大きくすればよい。
【０１０９】
図５に示したプロファイルでは、リブ領域１０１ｒと両スラブ領域１０１ｓとの境界において、空乏層１１３が垂直方向に延伸している。これにより、中央領域１０５と側方領域１０６との接続に伴う電気抵抗、中央領域１０５と側方領域１０７との接続に伴う電気抵抗、中央領域１０９と側方領域１１０との接続に伴う電気抵抗、ならびに、中央領域１０９と側方領域１１１との接続に伴う電気抵抗のうち少なくとも１つが大きくなり、これにより直列電気抵抗が大きくなる虞がある。これを避けるために、空乏層１１３は、図６に示すように、水平方向に一直線に（垂直方向に延伸する部分が無いように）形成されてもよい。この場合、リブ領域１０１ｒにおける空乏層１１３の高さは、両スラブ領域１０１ｓにおける空乏層１１３の高さと同じくｈｓ／２とする。またこのとき、リブ領域１０１ｒにおける中央領域１０９の上面の高さは、ｈｓとなる。
【０１１０】
このような空乏層１１３を形成するためには、まず、リブ領域１０１ｒと両スラブ領域１０１ｓとに、同時にイオン注入を行う。この段階では、エッチング後において、リブ導波路コア１０１における将来両スラブ領域１０１ｓとなる位置の厚みは、リブ領域１０１ｒの厚みと等しく、ｈｒである。その後、光学リソグラフィとドライエッチングとによりリブ導波路コア１０１が形成され、両スラブ領域１０１ｓの高さがｈｓとなる。
【０１１１】
他の回路との集積化を行うという目的のため、光学リソグラフィとドライエッチングとによるリブ導波路コア１０１の形成をイオン注入前に行い、かつ、イオン注入工程の簡便化のために、リブ領域１０１ｒと両スラブ領域１０１ｓとに同時にイオン注入を行い、空乏層１１３を形成することが可能である。この場合、空乏層１１３のプロファイルは、図５および図６に示したものとは異なる。リブ領域１０１ｒにおいて、空乏層１１３の垂直方向の位置はｈｒ−ｈｓ／２であり、中央領域１０５の下面の高さはｈｒ−ｈｓである。
【０１１２】
以上より、導波光の電界プロファイルと空乏層１１３との重なりの増大による駆動電圧の低減、直列電気抵抗低減による高速屈折率変調、集積化のための加工プロセスの簡便化のいずれを第一優先に選択するかに応じて、空乏層１１３のプロファイルが異なる。これらに対して、リブ領域１０１ｒにおける空乏層１１３の垂直方向の位置（高さ）は、リブ導波路コア１０１の下面の高さから測って、基板１０２から離れる方向（上方向）に向かって、ｈｓ／２以上、かつ、ｈｒ−ｈｓ／２以下（但し、ｈｓ：両スラブ領域１０１ｓの厚み、ｈｒ：リブ領域１０１ｒの厚み）の範囲となる。
【０１１３】
なお、以上では、光導波路素子１００について説明を行ったが、光導波路素子１００´においても同様のことが言える。また、以上の説明は、第１の導電性・第２の導電性が、Ｐ型・Ｎ型の組み合わせであっても成立するし、Ｎ型・Ｐ型の組み合わせであっても成立する。
【０１１４】
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】
【０１１５】
本発明は、光集積回路に用いられる光導波路素子に利用することができる。
【符号の説明】
【０１１６】
１００および１００´  光導波路素子
１０１  リブ導波路コア（コア部）
１０１ｒ  リブ領域（突出部）
１０１ｓ  スラブ領域（非突出部）
１０５  中央領域（第１コア領域の一部）
１０６  側方領域（第１コア領域の一部）
１０７  側方領域（第１コア領域の一部）
１０８  接続領域（第１コア領域の一部）
１０９  中央領域（第２コア領域の一部）
１１０  側方領域（第２コア領域の一部）
１１１  側方領域（第２コア領域の一部）
１１２  接続領域（第２コア領域の一部）
１１３  空乏層
４０１  第１テーパ部
４０２  第２テーパ部
【図１】
2017015773.tif 000003
【図２】
2017015773.tif 000004
【図３】
2017015773.tif 000005
【図４】
2017015773.tif 000006
【図５】
2017015773.tif 000007
【図６】
2017015773.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成28年7月22日(2016.7.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
突出部と、第１方向に沿って該突出部を挟むように配置された、該突出部よりも高さの低い２つの非突出部とを有するリブ導波路をコア部として含み、
上記コア部は、互いに上記第１方向に対して垂直な第２方向に重ねて配置された、ＰＮ接合を形成する第１コア領域および第２コア領域を有しており、
上記第１コア領域と上記第２コア領域との間に、上記突出部から２つの上記非突出部の少なくとも何れか一方にまで延伸する空乏層が形成され、
上記２つの非突出部のそれぞれにおける上記空乏層の上記第２方向の位置は、上記突出部における上記空乏層の上記第２方向の位置より低いことを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
上記空乏層は、上記突出部から２つの上記非突出部のうち両方にまで延伸していることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項３】
上記コア部における導波光の電界ピーク値に対して、上記導波光の電界の減衰率が１３ｄＢ以内になるように、上記空乏層の上記第１方向における端が定められていることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路素子。
【請求項４】
少なくとも１つの上記非突出部において、上記第１コア領域の上記第２方向の厚みと、上記第２コア領域の上記第２方向の厚みとが等しいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項５】
上記光導波路素子は、
光の入射側および出射側の一方に近いほど上記第１方向に沿った各上記非突出部の幅が小さくなるようなテーパ形状を有する第１テーパ部と、
上記第１テーパ部における光の入射側および出射側の他方の端部と隣接して配置されており、光の入射側および出射側の一方に近いほど上記第１方向に沿った上記突出部の幅が小さくなるようなテーパ形状を有する第２テーパ部とを有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項６】
上記第２方向に関し、
上記コア部の下面の高さを基準とした、少なくとも１つの上記非突出部における上記空乏層の高さは、
ｈｓ／２  （但し、ｈｓ：該非突出部の厚み）
であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項７】
上記第２方向に関し、
上記コア部の下面の高さを基準とした、上記突出部における上記空乏層の高さは、
ｈｓ／２以上、かつ、ｈｒ−ｈｓ／２以下  （但し、ｈｓ：少なくとも１つの上記非突出部の厚み、ｈｒ：上記突出部の厚み）
であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項８】
上記空乏層と導波光の電界との重なりが最大となる場合、
上記第２方向に関し、
上記コア部の下面の高さを基準とした、上記突出部における上記第１コア領域の下面の高さは、
ｈｒ／２−ｈｓ／２
であり、
上記コア部の下面の高さを基準とした、上記突出部における上記第２コア領域の上面の高さは、
ｈｒ／２＋ｈｓ／２
であることを特徴とする請求項７に記載の光導波路素子。
【請求項９】
上記突出部は、上記第１コア領域および上記第２コア領域の直上、ならびに、上記第１コア領域および上記第２コア領域の直下のうち少なくとも一方に、ドーパントが意図的に注入されていないアンドープ領域を有していることを特徴とする請求項７に記載の光導波路素子。
【請求項１０】
突出部と、第１方向に沿って該突出部を挟むように配置された、該突出部よりも高さの低い２つの非突出部とを有するリブ導波路をコア部として含み、
上記コア部は、互いに上記第１方向に対して垂直な第２方向に重ねて配置された、ＰＮ接合を形成する第１コア領域および第２コア領域を有しており、
上記第１コア領域と上記第２コア領域との間に、上記突出部から２つの上記非突出部の少なくとも何れか一方にまで延伸する空乏層が形成され、
上記空乏層と導波光の電界との重なりが最大となる場合、
上記第２方向に関し、
上記コア部の下面の高さを基準とした、上記突出部における上記第１コア領域の下面の高さは、
ｈｒ／２−ｈｓ／２  （但し、ｈｓ：少なくとも１つの上記非突出部の厚み、ｈｒ：上記突出部の厚み）
であり、
上記コア部の下面の高さを基準とした、上記突出部における上記第２コア領域の上面の高さは、
ｈｒ／２＋ｈｓ／２
であることを特徴とする光導波路素子。
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月25日(2016.10.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
突出部と、第１方向に沿って該突出部を挟むように配置された、該突出部よりも高さの低い２つの非突出部とを有するリブ導波路をコア部として含み、
上記コア部は、互いに上記第１方向に対して垂直な第２方向に重ねて配置された、ＰＮ接合を形成する第１コア領域および第２コア領域を有しており、
上記第１コア領域と上記第２コア領域との間に、上記突出部から２つの上記非突出部の少なくとも何れか一方にまで延伸する空乏層が形成され、
上記２つの非突出部のそれぞれにおける上記空乏層の上記第２方向の位置は、上記突出部における上記空乏層の上記第２方向の位置より低く、
上記空乏層は、上記突出部から２つの上記非突出部のうち両方にまで延伸していることを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
上記コア部における導波光の電界ピーク値に対して、上記導波光の電界の減衰率が１３ｄＢ以内になるように、上記空乏層の上記第１方向における端が定められていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項３】
少なくとも１つの上記非突出部において、上記第１コア領域の上記第２方向の厚みと、上記第２コア領域の上記第２方向の厚みとが等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路素子。
【請求項４】
上記光導波路素子は、
光の入射側および出射側の一方に近いほど上記第１方向に沿った各上記非突出部の幅が小さくなるようなテーパ形状を有する第１テーパ部と、
上記第１テーパ部における光の入射側および出射側の他方の端部と隣接して配置されており、光の入射側および出射側の一方に近いほど上記第１方向に沿った上記突出部の幅が小さくなるようなテーパ形状を有する第２テーパ部とを有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項５】
上記第２方向に関し、
上記コア部の下面の高さを基準とした、少なくとも１つの上記非突出部における上記空乏層の高さは、
ｈｓ／２  （但し、ｈｓ：該非突出部の厚み）
であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項６】
上記第２方向に関し、
上記コア部の下面の高さを基準とした、上記突出部における上記空乏層の高さは、
ｈｓ／２以上、かつ、ｈｒ−ｈｓ／２以下  （但し、ｈｓ：少なくとも１つの上記非突出部の厚み、ｈｒ：上記突出部の厚み）
であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項７】
上記空乏層と導波光の電界との重なりが最大となる場合、
上記第２方向に関し、
上記コア部の下面の高さを基準とした、上記突出部における上記第１コア領域の下面の高さは、
ｈｒ／２−ｈｓ／２
であり、
上記コア部の下面の高さを基準とした、上記突出部における上記第２コア領域の上面の高さは、
ｈｒ／２＋ｈｓ／２
であることを特徴とする請求項６に記載の光導波路素子。
【請求項８】
上記突出部は、上記第１コア領域および上記第２コア領域の直上、ならびに、上記第１コア領域および上記第２コア領域の直下のうち少なくとも一方に、ドーパントが意図的に注入されていないアンドープ領域を有していることを特徴とする請求項６に記載の光導波路素子。
【請求項９】
突出部と、第１方向に沿って該突出部を挟むように配置された、該突出部よりも高さの低い２つの非突出部とを有するリブ導波路をコア部として含み、
上記コア部は、互いに上記第１方向に対して垂直な第２方向に重ねて配置された、ＰＮ接合を形成する第１コア領域および第２コア領域を有しており、
上記第１コア領域と上記第２コア領域との間に、上記突出部から２つの上記非突出部の少なくとも何れか一方にまで延伸する空乏層が形成され、
上記空乏層と導波光の電界との重なりが最大となる場合、
上記第２方向に関し、
上記コア部の下面の高さを基準とした、上記突出部における上記第１コア領域の下面の高さは、
ｈｒ／２−ｈｓ／２  （但し、ｈｓ：少なくとも１つの上記非突出部の厚み、ｈｒ：上記突出部の厚み）
であり、
上記コア部の下面の高さを基準とした、上記突出部における上記第２コア領域の上面の高さは、
ｈｒ／２＋ｈｓ／２
であることを特徴とする光導波路素子。