(57)【要約】【課題】電圧印加により導波路のコア部の屈折率を設定した後は、電圧印加を継続することなく、設定した屈折率を保持することができる光位相シフタを提供する。【解決手段】光位相シフタ２０では、コア部３０は、オーバークラッド２３とアンダークラッド２２に囲まれている。コア部３０は、Ｎ型シリコン３１、厚い下側絶縁膜３２、電荷保持層３３、薄い上側絶縁膜３４、Ｐ型シリコン３５を、この順に形成した積層構造になっている。Ｐ型シリコン３５に負の高電圧を印加し、自由電子量または正孔量を変化させることにより屈折率を変化させ、その後、印加電圧を取り除いても、変化させた屈折率を保持できる。【選択図】図１
2017053879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンダークラッド上にコア部が形成され、前記コア部を埋め込むオーバークラッドが形成されており、
前記コア部は、前記アンダークラッド上に、下側シリコン、下側絶縁膜、電荷保持層、上側絶縁膜、上側シリコンがこの順に形成された積層構造になっており、
前記上側絶縁膜は、前記上側シリコンに予め設定した負の電圧が印加されたときに、電子及び正孔がトンネリングにより当該上側絶縁膜を通過する厚さになっており、
前記下側絶縁膜は、前記上側絶縁膜よりも厚く、前記上側シリコンまたは前記下側シリコンに前記負の電圧が印加されたときでも、電子及び正孔がトンネリングにより当該下側絶縁膜を通過することがない厚さになっている
ことを特徴とする光位相シフタ。
【請求項２】
アンダークラッド上にコア部が形成され、前記コア部を埋め込むオーバークラッドが形成されており、
前記コア部は、前記アンダークラッド上に、下側シリコン、下側絶縁膜、電荷保持層、上側絶縁膜、上側シリコンがこの順に形成された積層構造になっており、
前記下側絶縁膜は、前記下側シリコンに予め設定した負の電圧が印加されたときに、電子及び正孔がトンネリングにより当該下側絶縁膜を通過する厚さになっており、
前記上側絶縁膜は、前記下側絶縁膜よりも厚く、前記上側シリコンまたは前記下側シリコンに前記負の電圧が印加されたときでも、電子及び正孔がトンネリングにより当該上側絶縁膜を通過することがない厚さになっている
ことを特徴とする光位相シフタ。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記上側シリコンに電圧を印加するための第１の金属電極と、前記下側シリコンに電圧を印加するための第２の金属電極を備えている
ことを特徴とする光位相シフタ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項において、
前記上側シリコンはＰ型シリコンであり、前記下側シリコンはＮ型シリコンであることを特徴とする光位相シフタ。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか一項において、
前記上側シリコンはＮ型シリコンであり、前記下側シリコンはＰ型シリコンであることを特徴とする光位相シフタ。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項において、
前記電荷保持層は、そのバンドギャップが前記上側絶縁膜や下側絶縁膜のバンドギャップよりも小さく、電子や正孔を保持できる半導体または絶縁膜であることを特徴とする光位相シフタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光回路の光スイッチや、光位相調整部に応用可能な光位相シフタに関するものであり、電圧印加によりシリコン導波路（コア部）の屈折率を設定した後は、電圧印加を継続することなく、設定した屈折率を保持できるように工夫したものである。
【背景技術】
【０００２】
高い屈折率により小さな曲げ半径の光回路を実現でき、さらにCMOS回路技術に基づく各種電子回路や各種光電気アクティブデバイスが一体集積可能なことから、光電子デバイスの小型集積プラットフォームとして、シリコンフォトニクス技術は、次世代の光通信技術の一つとして期待され研究開発が進められている。
【０００３】
シリコンは、その屈折率が温度に依存する。そのため、光ヒータ(発熱用の抵抗)により、光導波路の屈折率を調整することができ、熱光学効果による光位相シフタとして用いることができる。熱光学効果による光位相シフタは、光回路において、製造誤差による導波路の位相ずれの修正に用いたり、直交振幅変調器の構成部品として１対のマッハツェンダ型変調器の片方に取り付けたり、そして、光の位相変化を利用して光路切り替えを行う光スイッチングデバイスとして応用されている（非特許文献１参照）。
【０００４】
図１０に、従来の熱光学効果による光位相シフタ１０の構造を示す。破線の面は切断面を表しており、導波路の断面構造が見えるように描いてある（なお以下の説明において使用する各図においても、同様に、破線の面は切断面を示している。）。
この光位相シフタ１０では、シリコン基板１１上にアンダークラッド１２が形成され、アンダークラッド１２上にシリコン導波路（コア部）１３が形成され、シリコン導波路１３を埋め込むオーバークラッド１４が形成されている。これによりシリコン導波路１３は、オーバークラッド１４とアンダークラッド１２に囲まれている。シリコン導波路１３の直上のオーバークラッド１４上に、発熱用の抵抗（ヒータ）１５が形成されている。
オーバークラッド１４およびアンダークラッド１２は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜で形成される。
【０００５】
抵抗１５に電流を流すことによって抵抗１５が発熱し、シリコン導波路１３の温度が変化する。これによる熱光学効果により、シリコン導波路１３の屈折率を変化させ、シリコン導波路１３を通る光の位相変化を起こすことができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Y. Shoji, et al,“ Low-crosstalk 2 × 2 thermo-optic switch with silicon wire waveguides", OPTICS EXPRESS, vol. 18, no.9, pp. 9071-9075, 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、図１０に示すような、従来の抵抗１５による位相変化を用いた、熱光学効果による光位相シフタでは、位相を変化させている間、常に抵抗１５に電流を流し続け、電力が消費され続けるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記従来技術に鑑み、導波路のコア部の屈折率を設定した後は、電力供給（電圧印加）を継続することなく、設定した屈折率を保持することができる、光位相シフタ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】
【０００９】
上記課題を解決する本願の第１発明は、
アンダークラッド上にコア部が形成され、前記コア部を埋め込むオーバークラッドが形成されており、
前記コア部は、前記アンダークラッド上に、下側シリコン、下側絶縁膜、電荷保持層、上側絶縁膜、上側シリコンがこの順に形成された積層構造になっており、
前記上側絶縁膜は、前記上側シリコンに予め設定した負の電圧が印加されたときに、電子及び正孔がトンネリングにより当該上側絶縁膜を通過する厚さになっており、
前記下側絶縁膜は、前記上側絶縁膜よりも厚く、前記上側シリコンまたは前記下側シリコンに前記負の電圧が印加されたときでも、電子及び正孔がトンネリングにより当該下側絶縁膜を通過することがない厚さになっていることを特徴とする。
【００１０】
また本願の第２発明は、
アンダークラッド上にコア部が形成され、前記コア部を埋め込むオーバークラッドが形成されており、
前記コア部は、前記アンダークラッド上に、下側シリコン、下側絶縁膜、電荷保持層、上側絶縁膜、上側シリコンがこの順に形成された積層構造になっており、
前記下側絶縁膜は、前記下側シリコンに予め設定した負の電圧が印加されたときに、電子及び正孔がトンネリングにより当該下側絶縁膜を通過する厚さになっており、
前記上側絶縁膜は、前記下側絶縁膜よりも厚く、前記上側シリコンまたは前記下側シリコンに前記負の電圧が印加されたときでも、電子及び正孔がトンネリングにより当該上側絶縁膜を通過することがない厚さになっていることを特徴とする。
【００１１】
また本願の第３発明は、
前記第１発明または前記第２発明において、
前記上側シリコンに電圧を印加するための第１の金属電極と、前記下側シリコンに電圧を印加するための第２の金属電極を備えていることを特徴とする。
【００１２】
また本願の第４発明は、
前記第１発明から前記第３発明のいずれか一つにおいて、
前記上側シリコンはＰ型シリコンであり、前記下側シリコンはＮ型シリコンであることを特徴とする。
【００１３】
また本願の第５発明は、
前記第１発明から前記第３発明のいずれか一つにおいて、
前記上側シリコンはＮ型シリコンであり、前記下側シリコンはＰ型シリコンであることを特徴とする。
【００１４】
また本願の第６発明は、
前記第１発明から前記第５発明のいずれか一つにおいて、
前記電荷保持層は、そのバンドギャップが前記上側絶縁膜や下側絶縁膜のバンドギャップよりも小さく、電子や正孔を保持できる絶縁膜であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の光位相シフタは、電圧印加によりコア部の屈折率が変化し、その後は電圧を印加し続けなくても、コア部の屈折率変化が保持される光位相シフタである。このため、従来の熱光学効果による光位相シフタと比べて、常に電力が消費されることなく、屈折率変化を保持でき、コア部を通る光の位相変化を保持でき、消費電力の削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光位相シフタを示す構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る光位相シフタの具体例を示す構成図。
【図３】第１の実施の形態において、熱平衡状態を示すバンド図。
【図４】第１の実施の形態において、Ｐ側に負の高電圧を掛けた時の状態を示すバンド図。
【図５】第１の実施の形態において、シリコン窒化膜に電子が捕獲された時の状態を示すバンド図。
【図６】第１の実施の形態において、Ｎ側に負の高電圧を掛けた時の状態を示すバンド図。
【図７】第１の実施の形態において、正孔がシリコン窒化膜に捕獲された時の状態を示すバンド図。
【図８】本発明の実施例１に係る光位相シフタを示す構成図。
【図９】本発明の実施例２に係る光位相シフタを示す構成図
【図１０】従来の熱光学効果による光位相シフタを示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［第１の実施の形態］
本発明では、自由電子量または正孔量に比例して屈折率が変化するキャリアプラズマ効果を用いており、電圧印加によりコア部の中の自由電子量または正孔量が変化することで、コア部の屈折率を変化させる。本発明の導波路は、その屈折率変化により、光位相を変化させる機能を有する光位相シフタである。
また、本発明の導波路は、コア部の屈折率が変化した後は電圧を印加し続けなくても、コア部の中の自由電子量または正孔量の変化が保持される構造を持つことにより、キャリアプラズマ効果によるコア部の屈折率の変化は保持され、導波路を通る光の位相変化量が保持される光位相シフタである。
【００１８】
図１を基に、本発明の第１の実施の形態に係る光位相シフタ２０の具体的な構成を説明する。この光位相シフタ２０は、シリコン基板２１上にアンダークラッド２２が形成され、アンダークラッド２２上に光導波路部分となるコア部３０が形成され、コア部３０を埋め込むオーバークラッド２３が形成されている。これによりコア部３０は、オーバークラッド２３とアンダークラッド２２に囲まれている。
【００１９】
コア部３０は、アンダークラッド２２上に、Ｎ型シリコン（下側シリコン）３１、下側絶縁膜３２、電荷保持層３３、上側絶縁膜３４、Ｐ型シリコン（上側シリコン）３５を、この順に形成した積層構造になっている。
【００２０】
上側絶縁膜３４と下側絶縁膜３２は、電荷保持層３３や、Ｎ型シリコン（下側シリコン）３１や、Ｐ型シリコン（上側シリコン）３５よりバンドギャップが大きい材料であれば、どのようなものでも良い。
上側絶縁膜３４は下側絶縁膜３２よりも薄く作製している。
上側絶縁膜３４の厚さは、後述するように、Ｐ型シリコン３５に負の高電圧を印加したとき（「第１の動作」のとき）に、電子及び正孔がトンネリングにより通過できる程度の厚さにしている。
下側絶縁膜３２の厚さは、後述するように、Ｐ型シリコン３５に負の高電圧を印加したとき（「第１の動作」のとき）、及び、後述するようにＮ型シリコン３１に負の高電圧を印加したとき（「第２の動作」のとき）に、電子及び正孔が通過できない程度の厚さにしている。
【００２１】
更に電荷保持層３３は、バンドギャップが、上側絶縁膜３４及び下側絶縁膜３２で使う絶縁膜のバンドギャップよりも小さく、電子や正孔をその電荷保持層３３中のトラップや準位に保持できるような半導体材料または絶縁膜であれば、どのようなものでも良い。
【００２２】
本発明の動作原理を、絶縁膜３２，３４としてシリコン酸化膜を用い、電荷保持層３３としてシリコン窒化膜を用いた場合について説明する。
【００２３】
その場合の光位相シフタ２０ａの構造を図２に示す。この例では、オーバークラッド２３ａとアンダークラッド２２ａに囲まれたシリコン系のコア部３０ａは、アンダークラッド２２ａ上に、Ｎ型シリコン（下側シリコン）３１ａ、下側絶縁膜（シリコン酸化膜）３２ａ、電荷保持層（シリコン窒化膜）３３ａ、上側絶縁膜（シリコン酸化膜）３４ａ、Ｐ型シリコン（上側シリコン）３５ａを、この順に形成した積層構造になっている。なお、２１ａはシリコン基板である。
この光位相シフタ２０ａのイニシャル状態における熱平衡状態のバンド図は図３のようになる。
【００２４】
この光位相シフタ２０ａにおける屈折率変化の原理を、「第１の動作」と「第２の動作」に分けて説明する。
第１の動作は、イニシャルの状態からコア部３０ａの屈折率を変化させるための動作、即ち、コア部３０ａを通る光の位相を変化させるための動作である。第２の動作は、第１の動作の後に、第１の動作を行う前のイニシャルの屈折率に戻すための動作、即ち、コア部３０ａを通る光の位相変化量を第１の動作を行う前の状態に戻すための動作である。
【００２５】
「第１の動作」
コア部３０ａの屈折率を変化させるには、まずＰ型シリコン３５ａ側に負の高電圧を印加する。すると、電子が、Ｐ型シリコン３５ａ側からシリコン酸化膜（上側絶縁膜）３４ａをトンネリングし、シリコン窒化膜（電荷保持層）３３ａの電子捕獲準位に捕獲される。一方で、もともとシリコン窒化膜（電荷保持層）３３ａに正孔が捕獲されていた場合には、その正孔はトンネリングによりシリコン酸化膜（上側絶縁膜）３４ａからＰ型シリコン３５ａへと流れ出る。その様子をバンド図で図４に示す。
【００２６】
印加電圧を取り去った後は、シリコン窒化膜（電荷保持層）３３ａに捕獲された電子により、図５のようなバンドの曲がり方となる。その際、Ｐ型シリコン３５ａとシリコン酸化膜（上側絶縁膜）３４ａの界面には正孔が蓄積する。
【００２７】
これにより、Ｎ型シリコン３１ａ、下側絶縁膜（シリコン酸化膜）３２ａ、電荷保持層（シリコン窒化膜）３３ａ、上側絶縁膜（シリコン酸化膜）３４ａ、Ｐ型シリコン３５ａをこの順に形成した積層構造のコア部３０ａは、蓄積した正孔によるキャリアプラズマ効果により、屈折率が変化する。このため、第１の動作を行った後には、第１の動作を行う前のイニシャル状態と比べて、コア部３０ａを通る光の位相は変化する。
【００２８】
シリコン窒化膜（電荷保持層）３３ａに捕獲された電子は半永久的にとどまるため、図５のバンドの曲がり方と、蓄積した正孔は保持され、コア部３０ａの屈折率変化は、印加電圧を取り去った後も保持される。よって、コア部３０ａを通る光の位相の変化は保持される。
【００２９】
ここの説明に用いた負の高電圧とは、図４に示すようなバンドの曲がりを生み出し、電子及び正孔を上側絶縁膜（シリコン酸化膜）３４ａにトンネリングさせるのに十分な高電圧である。印加するべき電圧は、上側絶縁膜（シリコン酸化膜）３４ａの膜厚に依存するが、トンネリングが起きやすいように３nm以下の上側絶縁膜（シリコン酸化膜）３４ａを用いた場合には、数V〜数十V程度（例えば５V〜５０V）の電圧印加が必要である。
【００３０】
また、電圧印加量は、所望の屈折率変化量と電圧印加時間によっても変わり、短い電圧印加時間で大きな屈折率変化を起こすためにはより大きい電圧が必要である。これは、キャリアプラズマ効果による屈折率変化量は、Ｐ型シリコン３５ａと上側絶縁膜（シリコン酸化膜）３４ａの界面に蓄積した正孔の量に比例し、その正孔量はシリコン窒化膜（電荷保持層）３３ａ中に捕獲された電子の量と、もともと捕獲されていた正孔が流れ出した量に比例するからである。逆に言えば、印加電圧の大きさと電圧の印加時間で、シリコン窒化膜（電荷保持層）３３ａ中に捕獲される電子の量と正孔が流れ出した量をコントロールでき、任意の屈折率変化量を作り出すことができる。
【００３１】
「第２の動作」
コア部３０ａの屈折率をイニシャル状態（第１の動作を行う前の状態）へと戻すためには、Ｎ型シリコン３１ａ側に負の高電圧（数V〜数十V程度（例えば５V〜５０V））を印加すればよい。先ほどとは逆にシリコン窒化膜（電荷保持層）３３ａ中にトラップされた電子はシリコン酸化膜（上側絶縁膜）３４ａをトンネリングし、Ｐ型シリコン３５ａへと抜ける。一方で、正孔はＰ型シリコン３５ａからシリコン酸化膜（上側絶縁膜）３４ａをトンネリングしシリコン窒化膜（電荷保持層）３３ａ中に注入され、正孔捕獲準位に捕獲される。その様子をバンド図で図６に示す。
【００３２】
印加電圧を取り去った後は、シリコン窒化膜（電荷保持層）３３ａに捕獲された正孔により図７のようなバンドの曲がり方となる。その状態では、Ｐ型シリコン３５ａとシリコン酸化膜（上側絶縁膜）３４ａの界面に蓄積した正孔は、ほぼ存在しないか、非常に少ない。そのため、第１の動作を行った後の図５に示すようなシリコン窒化膜（電荷保持層）３３ａ中に電子が捕獲された状態と比べると、図７の状態ではキャリアプラズマ効果による屈折率変化量は少ない。これにより、第１の動作を行う前の屈折率に戻すことができる。即ち、第１の動作を行う前の、光の位相が変化していない状態を作りだすことができる。
【００３３】
「第１の動作及び第２の動作のまとめ」
上記のような第１の動作と第２の動作により、Ｐ型シリコン３５ａとシリコン酸化膜（上側絶縁膜）３４ａの界面に正孔が蓄積した状態（図５参照）と蓄積していない状態（図７参照）という２つの状態を作ることができる。即ち、キャリアプラズマ効果による屈折率変化が大きい状態と、その屈折率が小さい状態を作りだすことができる。よってコア部３０ａを通る光の位相変化量の多い状態と少ない状態という２つの状態を作り、かつそれぞれの状態を保持させることができる。
【００３４】
［第２の実施の形態］
上記の第１の実施の形態では、
（イ）上側シリコンはＰ型シリコン３５（３５ａ）、下側シリコンはＮ型シリコン３１（３１ａ）であり、
（ロ）上側絶縁膜３４（３４ａ）は下側絶縁膜３２（３２ａ）より薄く作製しているが、
第２の実施の形態は、（イ）の配置状態は同じにしつつ、下側絶縁膜３２（３２ａ）を上側絶縁膜３４（３４ａ）より薄く作製したものである。つまり、電子または正孔をトンネリングさせる絶縁膜を、下側絶縁膜（シリコン酸化膜）３２（３２ａ）としたものである。
【００３５】
その場合は、第１の動作をして屈折率を変化させるときには、下側のシリコン層であるＮ型シリコン３１（３１ａ）側に負の高電圧を印加する。また第２の動作をして屈折率をイニシャル状態に戻すには、上側のシリコン層であるＰ型シリコン３５（３５ａ）側に負の高電圧を印加する。
【００３６】
その場合、位相変化を引き起こすキャリアプラズマ効果に寄与するのは、Ｐ型シリコン３５（３５ａ）とシリコン酸化膜（上側絶縁膜）３４（３４ａ）の界面の正孔ではなく、Ｎ型シリコン３１（３１ａ）とシリコン酸化膜（下側絶縁膜）３２（３２ａ）の界面の電子である。
【００３７】
［第３の実施の形態］
上記の第１の実施の形態では、
（イ）上側シリコンはＰ型シリコン３５（３５ａ）、下側シリコンはＮ型シリコン３１（３１ａ）であり、
（ロ）上側絶縁膜３４（３４ａ）は下側絶縁膜３２（３２ａ）より薄く作製しているが、
第３の実施の形態は、（ロ）の厚さ状態は同じにしつつ、上側シリコンをＮ型シリコンに、下側シリコンをＰ型シリコンにしたものである。つまり、Ｐ型シリコンとＮ型シリコンの配置状態を、第１の実施の形態と逆にしたものである。
【００３８】
その場合は、第１の動作をして屈折率を変化させるときには、上側シリコンであるＮ型シリコン側に負の高電圧を印加する。また第２の動作をして屈折率をイニシャル状態に戻すには、下側シリコンであるＰ型シリコン側に負の高電圧を印加する。
【００３９】
その場合、位相変化を引き起こすキャリアプラズマ効果に寄与するのは、上側シリコンであるＮ型シリコンとシリコン酸化膜（上側絶縁膜）３２（３２ａ）の界面の電子である。
【００４０】
［第４の実施の形態］
更に、上側シリコンをＮ型シリコン、下側シリコンをＰ型シリコンとし、且つ、下側絶縁膜を薄く、上側絶縁膜を厚くすることもできる。
その場合、位相変化を引き起こすキャリアプラズマ効果に寄与するのは、下側シリコンと下側絶縁膜の界面の正孔である。
【００４１】
［実施の形態の変形例］
上記の第１から第４の実施の形態の導波路において、第１の動作においてトンネリングを生じさせる薄い絶縁膜（第１及び第３の実施の形態では上側絶縁膜、第２及び第４の実施の形態では下側絶縁膜）としては、電荷保持層やＰ型シリコン、Ｎ型シリコンよりバンドギャップが大きければ、十分にトンネリングがおきる膜厚に設定した、シリコンフォトニクス技術に基づく光回路作製プロセスやCMOS回路作製プロセスに適用できる任意の材質の絶縁膜を採用することができる。
例えば、具体的には、ハフニウム酸化膜や、ランタン酸化膜、タンタル酸化膜等を採用することができる。
【００４２】
上記の第１から第４の実施の形態の導波路において、第１の動作及び第２の動作においてもトンネリングを生じさせない厚い絶縁膜（第１及び第３の実施の形態では下側絶縁膜、第２第４の実施の形態では上側絶縁膜）としては、電荷保持層やＰ型シリコン、Ｎ型シリコンよりバンドギャップが大きければ、第１の動作及び第２の動作において高い負電圧が印加されても、トンネリングがおきない膜厚に設定した、シリコンフォトニクス技術に基づく光回路作製プロセスやCMOS回路作製プロセスに適用できる任意の材質の絶縁膜を採用することができる。
例えば、具体的には、ハフニウム酸化膜や、ランタン酸化膜、タンタル酸化膜等を採用することができる。
【００４３】
上記の第１から第４の実施の形態の導波路において、電荷保持層としては、そのバンドギャップが上側絶縁膜や下側絶縁膜のバンドギャップよりも小さく、トンネリングされた電子または正孔が保持できる半導体材料または絶縁膜であれば、シリコンフォトニクス技術に基づく光回路作製プロセスやCMOS回路作製プロセスに適用できる任意の材質の薄膜を採用することができる。
例えば、具体的には、シリコン窒化膜以外に、結晶欠陥が多いことにより電子または正孔の捕獲準位を持ったシリコン薄膜等を採用することができる。
【００４４】
次に本発明の実施例を説明する。
【００４５】
［実施例１］
【００４６】
図８に、本発明の実施例１に係る光位相シフタ２０ａ−１を示す。この実施例１は、図２に示す光位相シフタ２０ａにおいて、シリコン基板２１ａに配置した金属電極４１と、オーバークラッド２３ａに配置した金属電極４２を取り付けたものである。
金属電極４１は、Ｎ型シリコン３１ａに電圧を印加するものであり、金属電極４２は、Ｐ型シリコン３５ａに電圧を印加するものである。
なお図８において、αは光閉じ込め領域を表している。
【００４７】
各層の膜厚に関して例を示す。電子、正孔がトンネリングする必要があるシリコン酸化膜（上側絶縁膜）３４ａは十分にトンネリングが起きるように、３nm以下とする。
また、シリコン窒化膜（電荷保持層）３３ａは十分に電子、正孔を蓄えるために、ある程度の膜厚が必要であり、少なくとも１nm以上とする。
シリコン酸化膜（下側絶縁膜）３２ａは電圧印加時にトンネリングによりシリコン窒化膜（電荷保持層）３３ａに注入された電子、正孔がさらにシリコン酸化膜（下側絶縁膜）３２ａをトンネリングすることを防ぐために十分な膜厚が必要であることから、少なくとも３nmを越える厚さとする。
【００４８】
シリコン酸化膜（下側絶縁膜）３２ａ／シリコン窒化膜（電荷保持層）３３ａ／シリコン酸化膜（上側絶縁膜）３４ａの３層は、あくまで位相を変化させるために必要な層であり、膜厚が厚すぎると光の通過ロスが大きくなることから、シリコン酸化膜（下側絶縁膜）３２ａ／シリコン窒化膜（電荷保持層）３３ａ／シリコン酸化膜（上側絶縁膜）３４ａの３層を全体で５０nm以下とする。
【００４９】
Ｎ型シリコン３１ａ／シリコン酸化膜（下側絶縁膜）３２ａ／シリコン窒化膜（電荷保持層）３３ａ／シリコン酸化膜（上側絶縁膜）３４ａ／Ｐ型シリコン３５ａの積層構造であるコア部３０ａの膜厚は一般的なシリコン光導波路の膜厚に準じ、全体で1μm以下とする。
これにより、シリコン酸化膜（下側絶縁膜）３２ａ／シリコン窒化膜（電荷保持層）３３ａ／シリコン酸化膜（上側絶縁膜）３４ａの積層構造の導波路に電圧を印加し、上記の実施の形態にて動作原理を説明した光位相シフタを実現する。
【００５０】
なお、接触抵抗を下げるために、Ｐ型シリコン３５ａと金属電極４２の間に、よりドーピング量の多いＰ+型シリコンを用いても良く、Ｎ型シリコン３１ａと金属電極４１の間に、よりドーピング量の多いＮ+型シリコンを用いても良い。また、Ｐ型シリコン３５ａ、Ｎ型シリコン３１ａ共にポリシリコンを用いても良い。
【００５１】
［実施例２］
図９に、本発明の実施例２に係る光位相シフタ２０ａ−２を示す。この実施例２は、Ｎ型シリコン３１ａのSOI（Silicon on Insulator）基板の上に、シリコン酸化膜（下側絶縁膜）３２ａ／シリコン窒化膜（電荷保持層）３３ａ／シリコン酸化膜（上側絶縁膜）３４ａ／Ｐ型シリコン３５ａが形成されたリブ型の導波路を作製したものである。
なお図９において、αは光閉じ込め領域を表している。
【００５２】
本例では、オーバークラッド２３ａに金属電極４３，４４を取り付けている。
金属電極４３は、Ｎ型シリコン３１ａに電圧を印加するものであり、金属電極４４は、Ｐ型シリコン３５ａに電圧を印加するものである。
【００５３】
各層の膜厚は、実施例１で示した例に準ずる。
これにより、Ｎ型シリコン３１ａ／シリコン酸化膜（下側絶縁膜）３２ａ／シリコン窒化膜（電荷保持層）３３ａ／シリコン酸化膜（上側絶縁膜）３４ａ／Ｐ型シリコン３５ａの積層構造であるコア部３０ａに電圧を印加し、上記の実施の形態にて動作原理を説明した光位相シフタを実現する。
【００５４】
なお、接触抵抗を下げるために、Ｐ型シリコン３５ａと金属電極４４の間に、よりドーピング量の多いＰ+型シリコンを用いても良く、Ｎ型シリコン３１ａと金属電極４３の間に、よりドーピング量の多いＮ+型シリコンを用いても良い。また、Ｐ型シリコン３５ａ、Ｎ型シリコン３１ａ共にポリシリコンを用いても良い。
【００５５】
上記の実施例１及び実施例２は、第１の実施の形態に対応したものであるが、第２の実施の形態から第４の実施の形態に対応した実施例とすることもできる。
つまり、シリコン酸化膜（下側絶縁膜）３２ａをシリコン酸化膜（上側絶縁膜）３４ａよりも薄く作製したり、下側シリコンをＰ型シリコンとし上側シリコンをＮ型シリコンにするよう上下シリコンの配置位置を逆に構成したりしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、シリコンフォトニクス技術に基づく光回路において、シリコン系材料によるコア部を有している光導波路に適用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１０  位相変化導波路
１１  シリコン基板
１２  アンダークラッド
１３  シリコン導波路
１４  オーバークラッド
１５  抵抗（ヒータ）
２０  光位相シフタ
２１  シリコン基板
２２  アンダークラッド
２３  オーバークラッド
３０  コア部
３１  Ｎ型シリコン
３２  下側絶縁膜
３３  電荷保持層
３４  上側絶縁膜
３５  Ｐ型シリコン
２０ａ、２０ａ−１、２０ａ−２  光位相シフタ
２１ａ  シリコン基板
２２ａ  アンダークラッド
２３ａ  オーバークラッド
３０ａ  コア部
３１ａ  Ｎ型シリコン（下側シリコン）
３２ａ  下側絶縁膜（シリコン酸化膜）
３３ａ  電荷保持層（シリコン窒化膜）
３４ａ  上側絶縁膜（シリコン酸化膜）
３５ａ  Ｐ型シリコン（上側シリコン）
４１、４２、４３、４４  金属電極
【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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