JP5369737B2

JP5369737B2 - 光通信システムとその製造方法

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Publication number: JP5369737B2
Application number: JP2009028858A
Authority: JP
Inventors: 淳牛田; 潤一藤方; 大典岡本; 寿夫馬場
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Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2029-02-10
Also published as: JP2010185966A

Description

本発明は、キャパシタ構造を利用した光変調器に接続される接続路および光通信システムと、それらの製造方法に関する。

業務用が中心であった光ファイバ通信が、家庭用にも幅広く普及してきている。それに伴い、高性能な光通信デバイスが求められている。家庭用光ファイバおよびローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）などの様々な光通信システム用の光通信デバイスとして、１３３０ｎｍおよび１５００ｎｍの光ファイバ通信波長で機能するシリコン・ベースの光通信デバイスがある。このシリコン・ベースの光通信デバイスは、ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）技術を利用することで、光機能素子および電子回路をシリコンプラットフォーム上に集積化することが可能となる非常に有望なデバイスである。

シリコン・ベースの光通信デバイスとして、導波路や光結合器、および波長フィルタなどの受動デバイスが幅広く研究されている。また、前述した光通信システム用の光信号を操作する手段の重要な要素として、シリコン・ベースの光変調器や光スイッチなどの能動デバイスが挙げられ、非常に注目されている。シリコンの熱光学効果を利用して屈折率を変化させる光変調器や光スイッチは低速であるため、光変調周波数が1Ｍｂ／秒以下の装置にしか使用できない。それよりも大きい光変調周波数の装置において用いるためには、電気光学効果を利用した光変調器が必要である。

純シリコンは、Ｐｏｃｋｅｌｓ効果による屈折率の変化を示さず、またＦｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果やＫｅｒｒ効果による屈折率の変化も非常に小さい。そのため、現在提案されている電気光学効果を利用した光変調器の多くは、キャリアプラズマ効果を利用して、シリコン層中の自由キャリア密度を変化させることにより、屈折率の実数部と虚数部を変化させ、光の位相や強度を変化させるデバイスである。

電気光学光変調器における自由キャリア密度は、自由キャリアの注入、蓄積、除去、または反転によって変えることが出来る。現在までに検討されたこのような装置の多くは、光変調効率が悪く、光位相変調に必要な長さが１ｍｍ以上であり、１ｋＡ／ｃｍ³より高い注入電流密度を要していた。このような装置の小型・高集積化、さらには低消費電力化を実現するためには、高い光変調効率が得られるデバイス構造が必要であり、これが実現することにより光位相変調に必要な長さを短くすることが可能である。また、光通信デバイスのサイズが大きい場合、シリコン基板上での温度の影響を受け易くなり、熱光学効果に起因するシリコン層の屈折率変化により、本来なら得られるはずであった電気光学効果を打ち消してしまうことも考えられる。

図１２は、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に形成されたリブ導波路を利用した、シリコン・ベースの電気光学光変調器の関連技術の一例である。基板３の上に、埋め込み酸化層２、リブ形状をした部分を含む真性半導体１の順に積層されている。真性半導体１のリブ形状の部分の両側に間隔をおいて、ｐ＋ドープ半導体４とｎ＋ドープ半導体５がそれぞれ形成されている。ｐ＋ドープ半導体４とｎ＋ドープ半導体５は、真性半導体１に部分的に高濃度にドープ処理することによって形成されたものである。図１２に示した光変調器の構造は、ＰＩＮ（Ｐ−ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−Ｎ）ダイオードであり、順方向および逆方向バイアス電圧を印加することにより、真性半導体１内の自由キャリア密度を変化させ、キャリアプラズマ効果を利用することにより、屈折率を変化させる構造となっている。この例では、真性半導体１のリブ形状の部分の一方の側方に、電極コンタクト層６が配置され、その電極コンタクト層６と対向する位置に、前記したｐ＋ドープ半導体４が形成されている。同様に、真性半導体１のリブ形状の部分の他方の側方にも電極コンタクト層６が配置され、その電極コンタクト層６と対向する位置にｎ＋ドープ半導体５が形成されている。また、リブ形状の部分を含む導波路は酸化物クラッド７により、覆われている。上記したＰＩＮダイオードの構造においては、半導体４、５のキャリア密度が１０²⁰／ｃｍ³程度になるように高濃度にドープ処理することが可能である。

光変調動作時に、電極コンタクト層６に接続された電源から、ＰＩＮダイオードに対して順方向バイアス電圧を印加し、それによって導波路内に自由キャリアを注入する。この時、自由キャリアの増加により、真性半導体１の屈折率が変化し、それによって、導波路を通して伝播される光の位相変調が行われる。しかし、この光変調動作の速度は、真性半導体１のリブ形状の内部の自由キャリア寿命と、順方向バイアス電圧が取り除かれた場合のキャリア拡散によって制限される。このような関連技術のＰＩＮダイオード構造をした電気光学光変調器は、通常、順方向バイアス電圧印加時に１０〜５０Ｍｂ／秒の範囲内の動作速度を有する。これに対し、キャリア寿命を短くするために、真性半導体１内に不純物を導入することによって、切換速度を増加させることが可能であるが、導入された不純物は光変調効率を低下させるという問題がある。また、動作速度に影響する最も大きな因子は、ＲＣ時定数によるものであり、順方向バイアス電圧印加時の静電容量が、ＰＮ接合部のキャリア空乏層の減少により非常に大きくなる。理論的には、ＰＮ接合部の高速動作は逆バイアス電圧を印加することにより達成可能であるが、比較的大きな駆動電圧あるいは大きな素子サイズを必要とする。

関連技術の他の一例として、基板３上に埋め込み酸化層２、第１導電型の本体領域が順に積層されており、この本体領域と、本体領域と部分的に重なるように積層された第２導電型のゲート領域とからなり、この積層界面に薄い誘電体層１１を形成したキャパシタ構造のシリコン・ベースの電気光学光変調器が特許文献１に開示されている。なお、これ以降「薄い」とは、サブミクロンオーダー（１μｍ未満）を意図している。

図１３には関連技術によるＳＩＳ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｓｉｌｉｃｏｎ）構造からなるシリコン・ベースの電気光学光変調器を示す。電気光学光変調器は、基板３と埋め込み酸化層２と本体領域とで構成されたＳＯＩ基板に形成され、本体領域は、ＳＯＩ基板のシリコン層にドープ処理して形成したｐドープ半導体８と、高濃度にドープ処理して形成したｐ＋ドープ半導体４と、電極コンタクト層６とで構成されている。ゲート領域はＳＯＩ基板上に積層された薄いシリコン層にドープ処理して形成したｎドープ半導体９と、高濃度にドープ処理して形成したｎ＋ドープ半導体５と、電極コンタクト層６とで構成されている。そして、埋め込み酸化層２と本体領域とゲート領域との隙間、および本体領域とゲート領域の上方は、酸化物クラッド７を有している。

ドープ処理された領域は、キャリア密度変化が外部信号電圧により制御されるようになっている。また、電圧を電極コンタクト層６に印加すると、誘電体層１１の両側で、自由キャリアが蓄積、除去、または反転される。このことにより、光位相変調がなされる。そのため、光信号電界とキャリア密度が動的に外部制御される領域は一致させることが望ましい。

特表２００６−５１５０８２号公報

特許文献１によると、光位相変調は可能だが、実際にはキャリア密度が動的に変化する領域の厚さは数十ｎｍ程度と非常に薄くなってしまうため、ミリメートルオーダー（１ｍｍ以上）の光変調長さが必要であり、光変調器のサイズも大きくなり、かつ高速動作が難しくなる。したがって、シリコン基板上に集積が可能なシリコン・ベースの光変調器において、低コスト、低電流密度、低消費電力、高い変調度、低電圧駆動、および高速変調を厚さがサブミクロンオーダー（１μｍ未満）の領域内で実現可能なキャリアプラズマ効果に基づく光変調器を実現することは困難である。

また、光変調器の外部に設けられた光導波路と結合される光変調器において、その結合部分での光損失は、光変調器への光の挿入損失の増加に加え、光変調器による光変調効率を低下させる可能性がある。そのため、光導波路と光変調器との間に、光損失を低減させるための接続路を設けるようにしている。例えば特許文献１の図２９および図３０にみられるように、光変調器の入出力部分において、２段に積層されたシリコンの各層の入力部と出力部のそれぞれに単一のテーパー（入力増加テーパー、出力減少テーパー、入力減少テーパー、および出力増加テーパーのいずれか）を配置することで、光導波路と光変調器との結合部分での光損失の低減を図っている。高効率の光変調を行うためには、光変調器自体の性能を向上させるだけではなく、光変調器に適した接続路を用いて、光変調器と光変調器外部に設けられた光導波路を接続したほうがよい。すなわち、小型で高位相かつ高速の変調度を有する光変調器が実現したとしても、それに適した接続路を用いて光導波路と接続しないと、光損失が大きく光変調度が悪くなってしまう。

本発明の目的は、上記課題である、小型で高位相かつ高速な変調度を有する光変調器を光導波路に直接接続すると、光損失が大きく光変調度が悪くなる、という問題を解決する、光変調器と光導波路とに接続される接続路と、そのような光変調器および接続路で構成された光通信システムと、それらの製造方法を提供することである。

本発明の接続路は、光変調器の外部に設けられた光導波路と光変調器を接続する。接続路の内部には、第１導電型を呈するようにドープ処理された半導体層の少なくとも一部と、第２導電型を呈するようにドープ処理された半導体層の少なくとも一部とが誘電体層を挟んで重なり合って設けられている。また、光変調器から光導波路に向かって第１導電型の半導体層と、第２導電型の半導体層と、誘電体層とが、テーパー形状または逆テーパー形状を有するように幅および／または高さが変化している。

本発明によると、小型で高位相かつ高速な変調度を持つ光変調器を、それに適した接続路を用いて光導波路に接続することができ、それによって光損失を抑え、高い光変調効率を実現することができる。

本発明において用いられる光変調器の一例の概略図である。図１における光変調器のＡＡ’断面図である。図１における光変調器とその外部に設けられた光導波路とを接続する接続路の一実施形態の要部断面斜視図である。本発明において用いられる光変調器の他の一例の概略図である。図４における光変調器とその外部に設けられた光導波路とを接続する接続路の一実施形態の要部断面斜視図である。本発明において用いられる光変調器のさらに他の一例の概略図であり、（ａ）は光の伝播方向から見た図、（ｂ）は（ａ）におけるＢＢ’断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＣＣ’断面図である。図６における光変調器とその外部に設けられた光導波路とを接続する接続路の一実施形態の要部断面斜視図である。図３における接続路の製造過程を示した図である。図８の続きの接続路の製造過程を示した図である。本発明において用いられる光変調器と従来技術の光変調器における光変調長さと光位相シフト量との関係を示した図である。本発明において用いられる光変調器と従来技術の光変調器におけるキャリア密度と周波数帯域の関係を示した図である。従来技術の光変調器の一例の概略構成図である。従来技術の光変調器の他の一例の概略構成図である。

以下に、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。なお、同一の機能を有する構成には添付図面中、同一の番号を付与し、その説明を省略することがある。

本発明において用いられる光変調器の例示的な構造を説明する前に、その動作の基となっているシリコン層内のキャリア密度の変調メカニズムについて説明する。本発明において用いられるシリコン・ベースの電気光学光変調器は、以下に説明するキャリアプラズマ効果を利用するものである。

前述したように、純シリコンはＰｏｃｋｅｌｓ効果による屈折率の変化を示さず、またＦｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果やＫｅｒｒ効果による屈折率の変化も非常に小さい。そのため、キャリアプラズマ効果と熱光学効果だけが光変調動作に利用できる。しかし、熱光学効果を利用して屈折率を変化させる光変調器は低速である。したがって、高速動作（Ｇｂ／秒以上）のためには、キャリアプラズマ効果によるキャリア拡散だけが効果的である。キャリアプラズマ効果による屈折率の変化は、クラマース・クローニッヒの関係式とＤｒｕｄｅの式から導かれる以下の関係式の一次近似値で説明される。

式中、ΔｎおよびΔｋは、シリコン層の屈折率変化の実部および虚部を表しており、ｅは電荷、λは光波長であり、ε₀は真空中の誘電率であり、ｎは真性シリコンの屈折率、ｍ_eは電子キャリアの有効質量、ｍ_hはホールキャリアの有効質量であり、μ_eは電子キャリアの移動度、μ_hはホールキャリアの移動度、ΔＮ_eは電子キャリアの濃度変化、ΔＮ_hはホールキャリアの濃度変化である。シリコン中のキャリアプラズマ効果の実験的な評価が行われており、光通信システムで使用する１３３０ｎｍおよび１５００ｎｍ波長でのキャリア密度に対する屈折率変化は、上記の式で求めた場合とよく一致することが分かった。また、キャリアプラズマ効果を利用した電気光学光変調器においては、位相変化量は以下の式で定義される。

式中、Ｌは電気光学光変調器の光伝播方向に沿ったアクティブ層の長さである。

本発明では、上記位相変化量は光吸収に比較して大きな効果であり、以下に述べる電気光学光変調器は基本的に位相変調器としての特徴を示すことが出来る。

ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上にシリコン−誘電体層−シリコンのキャパシタ構造をしている自由キャリアプラズマ効果を用いた光変調器および、光変調器と光導波路を接続する接続路を以下に説明する。

図１は本発明において用いられる光変調器の一例における概略断面図である。この光変調器の基本構成を説明すると、基板３上に埋め込み酸化層２が形成され、さらにその上にリブ構造を有する第１導電型の半導体８と、誘電体層１１と、第２導電型の半導体層９が順番に積層されている。基板３と、埋め込み酸化層２と、第１導電型の半導体８によってＳＯＩ基板が構成されている。なお、図中において、矢印が光の伝播方向を示している。ＳＯＩ基板に形成されたリブ導波路を構成する第１導電型の半導体（以降すべて「ｐドープ半導体」とする）８の表面は、光の伝播方向に対して直交する方向に窪み（窪みの長手方向が光の伝播方向に平行になっている）が掘られ、凹凸形状が形成されている。そしてこの凹凸形状が形成されているすべての部分を、薄い（以後「薄い」とはサブミクロンオーダー（１μｍ未満）を指す）誘電体層１１が覆っている。薄い誘電体層１１上には第２導電型の半導体（以後すべて「ｎドープ半導体」とする）９がさらに堆積することで、リブ形状が形成されている。リブ形状の両側のスラブ領域には、高濃度にドープ処理されたドープ領域（以後すべて「ｐ＋ドープ半導体」とする）４が形成され、第２導電型の半導体９上にも、高濃度にドープ処理されたドープ領域（以後すべて「ｎ＋ドープ半導体」とする）５が形成されている。また、ｐ＋ドープ半導体４とｎ＋ドープ半導体５の上には、電極コンタクト層６がそれぞれ設けられている。また、導波路全体を酸化物クラッド７で覆っている。

図１に示す構造では、キャパシタ構造の接合界面に凹凸形状を設けることにより、光フィールドとキャリア密度変調領域のオーバーラップが大きくなり、光変調長さが短くても光の変調が十分可能であるため、光変調器の寸法を小さくすることができる。また、キャパシタ構造の接合界面に隣接した第１導電型を呈するようにドープされた領域および第２の導電型を呈するようにドープされた領域のドーピング密度をさらに上昇させることにより、直列抵抗成分を小さくし、ＲＣ時定数を小さくすることも可能である。

このドーピング密度を上昇させた領域と光フィールドとのオーバーラップによる光吸収損失を低減するために、図１に示すようなリブ導波路とし、スラブ領域のドーピング密度を上昇させた構造とすることにより、光損失が小さく、ＲＣ時定数の小さい高速動作する光変調器を得ることも可能となる。

キャパシタ構造の接合界面付近の領域で、キャリア変調が生じる部分の厚みをＷとすると、最大空乏層厚（キャリア変調が引き起こされる厚み）Ｗは、熱平衡状態では下記数式で与えられる。

ここでε_sは、半導体層の誘電率、ｋはボルツマン定数、Ｎ_cはキャリア密度、ｎ_iは真性キャリア濃度、ｅは電荷量である。例えば、Ｎ_cが１０¹⁷／ｃｍ³の時、最大空乏層厚は０．１μｍ程度であり、キャリア密度が上昇するに従い、空乏層厚、すなわちキャリア密度の変調が生じる領域の厚みは薄くなる。

図２に図１のＡＡ’断面図を示す。ｐドープ半導体８上に設けられた凹部と凸部の間隔をＸとすると、Ｘは２Ｗ以下であることが望ましい。凹部と凸部の間隔を２Ｗ以下とすると、隣接する凹凸間のキャリア変調領域がオーバーラップするので、より高い光変調効果が得られる。ただし、隣接する凹凸形状の凹部と凸部の間隔を２Ｗ以上にした場合でも光変調効率を改善する効果を得ることは可能である。

光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎ_eff、光信号波長をλとした時、光のフィールドサイズはλ／ｎ_effとなる。そのため、図１で示した光変調器において、ｐドープ半導体８表面に設けられた凹部から凸部までの高さは、λ／ｎ_eff以下であることが望ましい。そうすることで、光フィールドとキャリア密度変調が行われる領域との重なりが最大となり、効率的な光位相変調を実現することができる。

次に接続路について説明する。

図３は、光変調器と光導波路とを接続する、本発明の主要な特徴部分である接続路３０を示す要部断面斜視図である。図３の断面４は図１で示した光変調器に接続される部分であり、図３の断面１は光変調器の外部に設けられた光導波路に接続される部分である。そして断面１と断面４との間が本発明の接続路３０によってつながれている。光導波路は断面１と同様の、矩形断面をもつシリコン細線光導波路であり、光変調器は断面４と同様のリブ導波路（図１参照）である。これらの２つの導波路を接続路３０を介さないで接続した場合には、各導波路に閉じ込められる光フィールドの分布が異なっているため、光接続損失を生じる。そこで接続路３０は、光導波路側端部では光導波路の断面形状と一致する断面１の形状であり、光変調器側端部では光変調器の断面形状と一致する断面４の形状になっており、さらに、断面１の形状から、断面２の形状および断面３の形状を経て、断面４の形状へと徐々に変化している。このように断面形状が変化する接続路３０を用いることによって、この接続路３０と光変調器との間でも、この接続路３０と光導波路との間でも光損失を抑えることができる。その結果、小型で高位相かつ高速な変調度を有する光変調器の特性を損なうことなく、高い光変調効率を実現することができる。

以下に接続路３０の構造について詳しく説明する。

断面１において、光導波路３０は、基板３上に埋め込み酸化層２が形成され、さらにその上に矩形断面を有する第１導電型の半導体（以降すべて「ｐドープ半導体」とする）８で構成されている。

接続路３０の内部は、ｐドープ半導体８の層の少なくとも一部と第２導電型の半導体（以降すべて「ｎドープ半導体」とする）９の層の少なくとも一部とが誘電体層１１を挟んで重なり合っている。具体的には、断面１の形状から、次に断面２の形状になるように、ｐドープ半導体８の層に凹凸が形成され、ｐドープ半導体８の層の凹部と上部を覆うように誘電体層１１が形成される。また、ｐドープ半導体８の層の下部も水平方向に広がっている。さらに断面３の形状になるように、ｐドープ半導体８の層の凹部と凸部の間隔が大きくなり、凹部と凸部の隙間に誘電体層１１に挟まれるようにｎドープ半導体９の層が形成され、さらに誘電体層１１の上部にもｎドープ半導体９の層が形成される。ｐドープ半導体８の層の下部はさらに水平方向に広がっている。そして、断面４の形状になり、これは前記した光変調器の断面形状と一致する。接続路３０の内部は、断面１のｐドープ半導体８の形状から、ｐドープ半導体８とｎドープ半導体９の層、およびそれらの層に挟まれた誘電体層１１が、テーパー形状または逆テーパー形状を有するように、それらの幅および／または高さが徐々に変化し、断面４のｐドープ半導体８とｎドープ半導体９の層、およびそれらの層に挟まれた誘電体層１１へと変化している。この際に、断面２の形状から断面４の形状へ徐々に変化するように、ｐドープ半導体８の層の凹凸形状の凹部と凸部の間隔の幅は、光導波路側から光変調器側へ徐々に大きくなる。また、光変調器、接続路３０および光変調器は、いずれも全体が酸化物クラッド７で覆われている。このような接続路３０が前記した光変調器に接続されることによって、本発明の光通信システムが構成される。

図４は本発明において用いられる光変調器の他の例を示す概略図である。この例では、ＳＯＩ層の表面は、光の伝播方向に対して直交する方向に凹凸形状が形成されている。この光変調器はスラブ導波路形状をしているが、内部に図１の構造とは逆の向きのリブ構造を有している。凹凸形状を有するｐドープ半導体８上に薄い誘電体層１１が堆積し、さらに、ｎドープ半導体９が堆積している。光フィールドの大きさを小さくするために、電極引出しのための左右に広がるｐおよびｎドープ半導体８、９の層の厚みを１００ｎｍ以下としている。これにより、高濃度にドープ処理したｐ＋ドープ半導体４およびｎ＋ドープ半導体５の領域を光変調領域に隣接して配置することが可能となり、直列抵抗成分を低減するとともに、キャリアの蓄積、除去が高速に行われることとなり、光変調器のサイズが小さくなると共に、高速化、低電力化が実現されることとなる。ｐ＋ドープ半導体４およびｎ＋ドープ半導体５上に電極コンタクト層６が設けられ、上記以外の部分は酸化物クラッド７で覆われている。

次に接続路３０について説明する。

図５は、光変調器と光導波路とを接続する本発明の接続路３０を示す要部断面斜視図である。図５の断面４は図４で示した光変調器に接続される部分であり、図５の断面１は光変調器の外部に設けられた光導波路に接続される部分である。また、断面１と断面４との間が接続路３０によってつながれている。この場合も、適切な接続路３０による接続が行われなければ、上述した理由のために、光接続損失を生じる。

そこで接続路３０は、光導波路側端部では光導波路の断面形状と一致する断面１の形状であり、光変調器側端部では光変調器の断面形状と一致する断面４の形状になっており、さらに、断面１の形状から、断面２の形状および断面３の形状を経て、断面４の形状へと徐々に変化している。

以下に接続路３０の構造について詳しく説明する。なお、光導波路の構造は、上述したとおりである。

接続路３０の内部は、ｐドープ半導体８の層の少なくとも一部とｎドープ半導体９の層の少なくとも一部が誘電体層１１を挟んで重なり合っている。具体的には、断面１の形状から、次に断面２の形状になるように、ｐドープ半導体８の層に凹凸が形成され、ｐドープ半導体８の層の凹部と上部の一部を覆うように誘電体層１１が形成される。さらに、誘電体層１１上にはｎドープ半導体９が形成されている。さらに断面３の形状になるように、ｐドープ半導体８の層の凹部と凸部の間隔が大きくなり、凹部と凸部の隙間に誘電体層１１に挟まれるようにｎドープ半導体９が形成される。また、リブ構造の基板３とは逆側において、ｐドープ半導体８と、ｎドープ半導体９の層とが互いに逆向きに水平方向へ広がっている。そして、断面４の形状になり、これは前記した光変調器の断面形状と一致する。接続路３０の内部は、断面１のｐドープ半導体８の形状から、ｐドープ半導体８とｎドープ半導体９の層、およびそれらの層に挟まれた誘電体層１１が、テーパー形状または逆テーパー形状を有するように、それらの幅および／または高さが徐々に変化し、断面４のｐドープ半導体８とｎドープ半導体９の層、およびそれらの層に挟まれた誘電体層１１へと変化している。この際に、断面２の形状から断面４の形状へ徐々に変化するように、ｐドープ半導体８の層の凹凸形状の凹部と凸部の間隔の幅は、光導波路側から光変調器側へ徐々に大きくなる。また、光変調器、接続路３０および光変調器は、いずれも全体が酸化物クラッド７で覆われている。

図６は本発明において用いられる光変調器のさらに他の例を示す概略図である。図６（ａ）は、光の伝播方向から見た図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＢＢ’断面を示した図であり、図６（ｃ）は、図６（ａ）のＣＣ’断面を示した図である。なお、矢印の方向が光の伝播方向である（図６（ａ）においては、手前から奥方向）。

この例では、ＳＯＩ基板上に形成されたリブ導波路内のｐドープ半導体８の表面は、光の伝播方向に対して平行に窪み（窪みの長手方向が光の伝播方向に直交している）が掘られ、凹凸形状が形成されており、その凹凸形状上のすべての部分を、薄い誘電体層１１で覆っている。この薄い誘電体層１１上にはｎドープ半導体９が堆積している。さらにこのｎドープ半導体９の上には高濃度にドープ処理されたｎ＋ドープ半導体５が堆積している。リブ形状をした領域の両側のスラブ領域には、高濃度にドープ処理されたｐ＋ドープ半導体４が形成されている。また、ｐ＋ドープ半導体４と、ｎ＋ドープ半導体５には、電極コンタクト層６が設けられており、さらに導波路全体を酸化物クラッド７で覆っている。

ｐドープ半導体８に形成された凹凸形状の凹部と凸部の間隔をＹとし、キャリア密度が変調される領域の厚みをＷとすると、前述の理由からやはりＹは２Ｗ以下が好ましい。また、凹凸形状の周期が、光信号の群速度を遅くするように形成されるか、あるいは光信号の反射を抑制するために、非周期的に光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎ_eff、光信号波長をλとすると、λ／ｎ_eff以下の間隔となるように形成されてもよい。

次に接続路３０について説明する。

図７は、光変調器と光導波路とを接続する本発明の接続路３０を示す要部断面斜視図である。図７の断面４は図６で示した光変調器に接続される部分であり、図７の断面１は光変調器の外部に設けられた光導波路に接続される部分である。そして断面１と断面４との間が本発明の接続路３０によってつながれている。この場合も、適切な接続路３０による接続が行われなければ、上述した理由のために、光接続損失を生じる。

接続路３０の内部は、ｐドープ半導体８の層の少なくとも一部とｎドープ半導体９の層の少なくとも一部が誘電体層１１を挟んで重なり合っている。具体的には、断面１の形状から、次に、断面２の形状になるように、ｐドープ半導体８の層上に誘電体層１１が形成され、さらに誘電体層１１の上層の中央部にｎドープ半導体９の層が形成されている。また、ｐドープ半導体９の層の下部が水平方向に広がっている。次に、断面３の形状になるように、ｎドープ半導体９の層は、中央部から水平方向に広がっている。さらに、ｐドープ半導体８の層全体が、水平方向に広がっている。そして、断面４の形状になり、これは前記した光変調器の断面形状と一致する。接続路３０の内部は、断面１のｐドープ半導体８の形状から、ｐドープ半導体８とｎドープ半導体９の層、およびそれらの層に挟まれた誘電体層１１が、テーパー形状または逆テーパー形状を有するように、それらの幅および／または高さが徐々に変化し、断面４のｐドープ半導体８とｎドープ半導体９の層、およびそれらの層に挟まれた誘電体層１１へと変化している。また、光変調器、接続路３０および光変調器は、いずれも全体が酸化物クラッド７で覆われている。

図８、図９および図１０に、本発明の接続路３０において、凹凸形状を有するキャリア変調領域を有する前記した光変調器に適した形状になるように形成する方法の一例を示す。

図８（ａ）は、本発明の接続路３０を形成するために用いるＳＯＩ基板の断面図である。このＳＯＩ基板は、基板３上に埋め込み酸化層２が積層され、さらにその上に１００から１０００ｎｍ（１μｍ）程度のシリコン層８が積層された構造からなる。光損失を低減するために、埋め込み酸化層２の厚さは１０００ｎｍ（１μｍ）以上とした。この埋め込み酸化層２上のシリコン層８は、第１導電型を呈するように予めドーピング処理された基板を用いるか、あるいはイオン注入などで、リンまたはホウ素をシリコン表面層にドープ処理をした後、熱処理をしてもよい。図８（ａ）ではホウ素をドープしたと仮定し、シリコン層８をｐドープ半導体とする。

次に図８（ｂ）に示すように、ｐドープ半導体８上に熱処理により１０から３０ｎｍ程度の熱酸化層１２を形成し、さらにその上に低圧ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの製膜法によりＳｉＮ_x層１３を形成する。

次に図８（ｃ）に示すように、ＳｉＮ_x層１３をｐドープ半導体８上に形成する凹凸形状の凹部と凸部の間隔に相当する間隔になるように、パターニングする。

次に図８（ｄ）に示すように、図８（ｃ）でパターニングされたＳｉＮ_x層をマスクとして熱酸化処理を行い、マスクされていない部分のｐドープ半導体８層にも熱酸化層１４を形成させる。これらのプロセスは、ＬＯＣＯＳ（ｌｏｃａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）プロセスと呼ばれ、ＣＭＯＳ加工プロセスでは一般的なプロセスであるが、１００ｎｍ以下の微細加工時には、形状の制御が十分でない場合もある。したがって、ＬＯＣＯＳプロセスの代わりに、フォトレジストをマスクとして、反応性イオンエッチングなどの方法により、所望の表面の凹凸形状を形成することも有効である。

次にＳＯＩ基板をリン酸溶液に浸してＳｉＮ_x層１３と熱酸化層１２、１４を除去した後、図９（ａ）に示すように、熱処理を行い、ｐドープ半導体８の表面層に誘電体層１１であるシリコン酸化層を形成する。誘電体層１１は、シリコン酸化層、窒化シリコン層や、他のＨｉｇｈ−ｋ絶縁層からなる少なくとも一層で良い。

次に図９（ｂ）に示すように、多結晶シリコン９をＣＶＤ法あるいはスパッタリング法により、誘電体層１１上の表面の凹凸形状が十分に被覆するように製膜する。この時、誘電体層１１の凹凸形状に起因して、同様の凹凸形状が多結晶シリコン９上にも形成される。このような多結晶シリコン９上の凹凸形状は、光信号が伝播した時の光散乱損失の原因となるため、ＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｏｌｉｓｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ）により平滑化することが望ましい。また、多結晶シリコン９は、第２導電型を呈するように、製膜中にドーピング処理するか、あるいは製膜後にイオン注入法などにより、ホウ素またはリンでドープ処理する（第１導電型の半導体層とは逆のものでドープ処理する）。図９（ｂ）ではリンでドープ処理したと仮定し、多結晶シリコン９をｎドープ半導体とする。

次に図９（ｃ）に示すように、リブ形状の導波路となるように、反応性プラズマエッチング法などにより加工する。さらに、図９（ｄ）に示すように、ｐドープ半導体８およびｎドープ半導体９に隣接する領域に高濃度にドープ処理したｐ＋ドープ半導体４およびｎ＋ドープ半導体５を形成する。

以上の方法を適宜用いれば、接続路の光導波路側端部から光変調器側端部までの接続路の成形を行うことができる。

また、光変調器は、接続路３０と一体成形されるため、光変調器の成形方法は、上記の図８および図９と同様である。

本発明において用いられる光変調器における位相シフト量の光信号伝播方向の長さ依存を、第１導電型の半導体層表面に凹凸形状がある場合とない場合について調べた。凹凸形状の凹部と凸部の間隔は１６０ｎｍ以下とした。試験結果の一例を図１０に示す。

凹部と凸部の間隔がキャリア変調される厚みと同程度の１６０ｎｍ程度以下の凹凸形状を形成することにより、位相シフトが大きくなっていることから、光変調効率が改善されることが分かる。また、試験結果を示していないが、凹部から凸部までの高さに関しても、高さを大きくすることにより、光変調効率が改善された。

また、本発明において用いられる光変調器の第１のシリコン半導体層表面に凹凸形状がある場合とない場合とについて、キャリア密度と光変調器の光変調の動作周波数帯域の関係を調べた。光変調の動作周波数帯域は、変調効率改善によるサイズ低減の効果と凹凸形状を設けることによる電気容量増加の影響とのトレードオフがある。凹凸形状の凹部と凸部の間隔が１６０ｎｍ以下であり、光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎ_eff、光信号波長をλとした時、凹部から凸部までの高さがλ／ｎ_eff以下である場合には光変調の動作周波数帯域は広くなった。

図１１に示す試験結果の一例からわかるように、キャリア密度を１０¹⁸／ｃｍ³程度とすることにより、光変調の動作周波数帯域が１０ＧＨｚ以上となり、高速動作が可能である。

また、上記に加えて、周波数帯域を改善するためには、キャリアの移動度や寿命が非常に重要である。特に、多結晶シリコン層におけるキャリアの移動度は、高速動作する上で課題として挙げられる。したがって、アニール処理による再結晶化により粒子径を大きくし、キャリア移動度を改善するか、あるいは第２導電型の半導体層に関して、エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯ）法などを用いて結晶品質を改善することが有効である。

１真性半導体
２埋め込み酸化層
３基板
４ｐ＋ドープ半導体
５ｎ＋ドープ半導体
６電極コンタクト層
７酸化物クラッド
８ｐドープ半導体
９ｎドープ半導体
１１誘電体層
１２熱酸化層
１３ＳｉＮ_x層
１４酸化層
３０接続路

Claims

第１導電型を呈するようにドープ処理された半導体層で形成された、光変調器の外部に設けられた光導波路と、光変調器とを接続する接続路と、第１導電型を呈するようにドープ処理された半導体層の少なくとも一部と第２導電型を呈するようにドープ処理された半導体層の少なくとも一部とが誘電体層を挟んで重なり合った光変調器とを有する光通信システムであって、
前記接続路の内部には、前記第１導電型の半導体層の少なくとも一部と第２導電型を呈するようにドープ処理された半導体層の少なくとも一部とが誘電体層を挟んで重なり合って設けられ、前記第１導電型の半導体層と、前記第２導電型の半導体層と、前記誘電体層とが、前記光変調器から前記光導波路に向かってテーパー形状または逆テーパー形状を有するように幅および／または高さが変化しており、
前記光変調器は、前記第１導電型を呈する半導体層および前記第２導電型を呈する半導体層が前記誘電体層を挟んで重なり合った部分において、前記第１導電型の半導体層の表面は凹凸形状を有しており、前記凹凸形状の前記第１導電型の半導体層上に前記誘電体層が形成され、さらに前記誘電体層上に前記第２導電型の半導体層が形成された構成であり、前記第１導電型の半導体層の表面が有している前記凹凸形状が、光信号の伝播方向に対して、平行な方向に形成されている、光通信システム。
前記接続路は、光導波路側端部では前記光導波路と同一の断面形状を有し、光変調器側端部では前記光変調器と同一の断面形状を有する、請求項１に記載の光通信システム。
前記光変調器は、前記第１導電型の半導体層の表面が有している前記凹凸形状の凹部と凸部の間隔が、前記第１導電型の半導体層および前記第２導電型の半導体層のそれぞれの内部で自由キャリアが前記誘電体層の両側で蓄積、除去、または反転する領域の厚さＷに対して、２Ｗ以下である、請求項１または２に記載の光通信システム。
前記光変調器は、前記第１導電型の半導体層の表面が有している前記凹凸形状の凹部から凸部までの高さが、前記光変調器における光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎ_eff、光信号波長をλとしたとき、λ／ｎ_eff以下である、請求項１から３のいずれか１項に記載の光通信システム。
前記光変調器は、前記第１導電型の半導体層および前記第２導電型の半導体層が前記誘電体層を挟んで重なり合った部分を含む光信号が伝播する領域が、リブ導波路構造をしている、請求項１から４のいずれか１項に記載の光通信システム。
前記第１導電型の半導体層および前記第２導電型の半導体層が前記誘電体層を挟んで重なり合った部分を含む光信号が伝播する領域が、スラブ導波路構造をしている、請求項１から４のいずれか１項に記載の光通信システム。
第１導電型を呈するようにドープ処理された半導体層で形成された、光変調器の外部に設けられた光導波路と、光変調器とを接続する接続路と、第１導電型を呈するようにドープ処理された半導体層の少なくとも一部と第２導電型を呈するようにドープ処理された半導体層の少なくとも一部とが誘電体層を挟んで重なり合った光変調器とを有する光通信システムの製造方法であり、
前記接続路の内部で、前記第１導電型の半導体層の少なくとも一部と第２導電型を呈するようにドープ処理された半導体層の少なくとも一部とを誘電体層を挟んで重なり合わせ、前記第１導電型の半導体層と、前記第２導電型の半導体層と、前記誘電体層とをテーパー形状または逆テーパー形状になるように成形するステップと、
前記光変調器の一部において、前記第１導電型の半導体層の表面に凹凸形状を光信号の伝播方向に対して、平行な方向に設け、前記凹凸形状の前記第１導電型の半導体層上に前記誘電体層を形成し、さらに前記誘電体層上に前記第２導電型の半導体層を形成することにより、前記第１導電型の半導体層および前記第２導電型の半導体層を前記誘電体層を挟んで重なり合わせるステップと、を含む、光通信システムの製造方法。
前記第１導電型の半導体層の表面が有している前記凹凸形状の凹部と凸部の間隔を、前記第１導電型の半導体層および前記第２導電型の半導体層のそれぞれの内部で自由キャリアが前記誘電体層の両側で蓄積、除去、または反転する領域の厚さＷに対して、２Ｗ以下にする、請求項７に記載の光通信システムの製造方法。
前記第１導電型の半導体層の表面が有している前記凹凸形状の凹部から凸部までの高さを、前記光変調器における光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎ_eff、光信号波長をλとしたとき、λ／ｎ_eff以下にする、請求項７または８に記載の光通信システムの製造方法。
前記接続路と前記光変調器は、一体成形で形成される、請求項７から９のいずれか１項に記載の光通信システムの製造方法。