JP5817321B2 - 光半導体素子 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体素子に関する。

光送受信器の小型大容量化・低消費電力化を行う上で、シリコン基板上に光デバイスを実現することが重要な役割を担う。シリコン基板上に形成した光デバイスでは屈折率差の大きい光導波路が使えることから、他材料と比較して小型化に有利であり電子回路との集積も容易なことから、１チップで多数の光送受信器を集積することが可能になる。

光デバイスの中でも特に変調器は、その特性が光送受信器の消費電力やサイズに大きな影響を与える。特に、リング型変調器は、素子自体が小型であり、変調電圧が小さく、光損失も小さいため、小型化・低消費電力化に有利である。

米国特許出願公開２００９／０１６９１４９号明細書 特開２００５−０５５８８２号公報

しかしながら、リング型変調器では、変調効率を高くすると変調可能な波長帯域が狭くなることがあった。

本発明の目的は、変調の高効率化と波長帯域の広範囲化とを両立しうる光半導体素子を提供することにある。

実施形態の一観点によれば、入力光が入力される導波路と、前記導波路と光学的に結合するように配されたリング変調器と、前記リング変調器内の光パワーをモニタする光検出器と、前記リング変調器と前記光検出器との間に接続され、前記光検出器により検出された信号に基づいて変調信号を前記リング変調器に印加する制御部とをそれぞれ有する複数の変調部とを有し、前記複数の変調部は、前記リング変調器の周回光路長が互いに異なっており、前記制御部は、前記光検出器により検出された前記信号の大きさに基づいて、前記リング変調器に印加する前記変調信号を重み付けする光半導体素子が提供される。

開示の光半導体素子によれば、変調の高効率化と波長帯域の広範囲化とを両立することができる。

図１は、第１実施形態による光半導体素子の構造を示す概略図である。 図２は、第１実施形態による光半導体素子の構造を示す断面図（その１）である。 図３は、第１実施形態による光半導体素子の構造を示す断面図（その２）である。 図４は、第１実施形態による光半導体素子の変調部の構造を示す概略図である。 図５は、第１実施形態による光半導体素子の変調部における光損失の波長特性を示すグラフ（その１）である。 図６は、第１実施形態による光半導体素子の変調部における光電流及び電圧Ｖ_ｍの波長特性を示すグラフである。 図７は、第１実施形態による光半導体素子の動作を示す概略図である。 図８は、第１実施形態による光半導体素子の変調部における光損失の波長特性を示すグラフ（その２）である。 図９は、第１実施形態による光半導体素子における透過率の波長特性を示すグラフ（その１）である。 図１０は、第１実施形態による光半導体素子の変調部における光損失の波長特性を示すグラフ（その３）である。 図１１は、第１実施形態による光半導体素子における透過率の波長特性を示すグラフ（その２）である。 図１２は、参考例による光半導体素子の構造を示す概略図である。 図１３は、参考例による光半導体素子における変調光出力パワーの波長特性を示すグラフ（その１）である。 図１４は、参考例による光半導体素子における変調光出力パワーの波長特性を示すグラフ（その２）である。 図１５は、参考例による光半導体素子における変調光出力パワーの波長特性を示すグラフ（その３）である。 図１６は、参考例による光半導体素子における変調光出力パワーの波長特性を示すグラフ（その４）である。 図１７は、第２実施形態による光半導体素子の構造を示す概略図である。 図１８は、第２実施形態による光半導体素子の構造を示す断面図である。 図１９は、第３実施形態による光半導体素子の構造を示す概略図である。 図２０は、第３実施形態による光半導体素子の構造を示す断面図（その１）である。 図２１は、第３実施形態による光半導体素子の構造を示す断面図（その２）である。 図２２は、第２実施形態による光半導体素子の変調部における光損失の波長特性を示すグラフ（その１）である。 図２３は、第２実施形態による光半導体素子の変調部における光損失の波長特性を示すグラフ（その２）である。 図２４は、第４実施形態による光半導体素子の構造を示す概略図である。 図２５は、第４実施形態による光半導体素子の構造を示す断面図（その１）である。 図２６は、第４実施形態による光半導体素子の構造を示す断面図（その２）である。 図２７は、第４実施形態による光半導体素子の構造を示す断面図（その３）である。 図２８は、第５実施形態による光半導体素子の構造を示す概略図である。 図２９は、第５実施形態による光半導体素子の構造を示す断面図（その１）である。 図３０は、第５実施形態による光半導体素子の構造を示す断面図（その２）である。 図３１は、第６実施形態による光半導体素子の構造を示す概略図である。

［第１実施形態］
第１実施形態による光半導体素子について図１乃至図１６を用いて説明する。

図１は、本実施形態による光半導体素子の構造を示す概略図である。図２及び図３は、本実施形態による光半導体素子の構造を示す断面図である。図４は、本実施形態による光半導体素子の変調部の構造を示す概略図である。図５、図８及び図１０は、本実施形態による光半導体素子の変調部における光損失の波長特性を示すグラフである。図６は、本実施形態による光半導体素子の変調部における光電流及び電圧Ｖ_ｍの波長特性を示すグラフである。図７は、本実施形態による光半導体素子の動作を示す概略図である。図９及び図１１は、本実施形態による光半導体素子における透過率の波長特性を示すグラフである。図１２は、参考例による光半導体素子の構造を示す概略図である。図１３乃至図１６は、参考例による光半導体素子における変調光出力パワーの波長特性を示すグラフである。

はじめに、本実施形態による光半導体素子の構造について図１乃至図３を用いて説明する。なお、図２は、図１におけるＡ−Ａ′線断面図である。図３は、図１におけるＢ−Ｂ′線断面図である。

本実施形態による光半導体素子は、図１に示すように、直線導波路１０と、直線導波路１０に入力された入力光を変調するための複数の変調部３３とを有している。

各変調部３３には、直線導波路１０に光学的に結合するように配置されたリング変調器１６が設けられている。リング変調器１６は、光変調部３７と、光検出部（光検出器）３８とが設けられたリング型導波路３４を有している。光変調部３７には、変調信号を印加するための電極３６ａ、３６ｂが接続されている。また、光検出部３８には、光電流を検出するための電極３６ｃ、３６ｂが接続されている。電極３６ｂは、光変調部３７と光検出部３８とで共用されている。光検出部３８の電極３６ｃは、制御部２８の入力に接続されている。また、電極３６ｃは、抵抗２４を介してＶ_ｄｄ線３２に接続されている。また、電極３６ｃとグラウンド線との間にはバイパスコンデンサ２６が形成されている。制御部２８の出力には、光変調部３７の電極３６ａが接続されている。電極３６ｂは、グラウンド線に接続されている。

制御部２８は、変調信号線３０とグラウンド線との間に直列に接続されたＰ型デプレッショントランジスタ２０とＮ型エンハンスメントトランジスタ２２とを有している。Ｐ型デプレッショントランジスタ２０及びＮ型エンハンスメントトランジスタ２２のゲート端子が、光検出部３８の電極３６ｃに接続される入力端子となる。Ｐ型デプレッショントランジスタ２０とＮ型エンハンスメントトランジスタ２２との接続端子が、光変調部３７の電極３６ａに接続される出力端子となる。なお、本明細書では、光検出部３８をも含めて制御部と呼ぶこともある。

各変調部３３は、リング変調器１６のリング型導波路３４の直径が互いに異なるように設計されている。例えば、リング変調器１６のリング型導波路３４の直径が、入力光が入力される直線導波路１０の入力端１２側から変調光が出力される出力端１４側に向かって徐々に増加するように、各変調部３３が設計されている。

例えば、リング型導波路３４の直径が９９５０ｎｍから２．５ｎｍ間隔で１００５０ｎｍまで、合計で４１個の直径の異なるリング変調器１６を有する変調部３３を、直線導波路１０の入力端１２側から順次配列する。

なお、リング型導波路３４の直径の設定範囲は、リング型導波路３４の直径（周回光路長）により規定されるリング共振器１６の共振波長の分布する波長範囲が、入力光の想定波長域を含むように、適宜設定する。変調部３３の個数は、特に限定されるものではなく、必要に応じて適宜増減することができる。図１は、ｍ個の変調部３３のうち（ｎ−１）番目〜（ｎ＋１）番目の変調部３３を示したものである。

図１に示す光導波路構造は、図２及び図３に示すように、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板５２を用いて形成することができる。

例えば、直線導波路１０及びリング型導波路３４は、ＳＯＩ層５４をメサ形状にパターニングすることにより形成される。

光変調部３７は、例えば、リング導波路３４の一部に設けられたｐ^＋型導電層５６と、ｐ^＋型導電層５６上にエピタキシャル成長されたＳｉＧｅの光吸収層５８と、光吸収層５８上に形成された多結晶シリコンのｎ^＋型導電層６０とにより形成することができる。

光検出部３８は、リング導波路３４の他の一部に設けられたｐ^＋型導電層５６ａと、ｐ^＋型導電層５６ａ上にエピタキシャル成長されたＳｉＧｅの光吸収層５８ａと、光吸収層５８上に形成された多結晶シリコンのｎ^＋型導電層６０ａとにより形成することができる。

直線導波路１０、リング型導波路３４、光変調部３７及び光検出器３８の周囲には、シリコン酸化膜層６２が形成されており、直線導波路１０、リング型導波路３４を囲うクラッドとして機能する。

電極３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、シリコン酸化膜層６２上に形成され、シリコン酸化膜６０に埋め込まれたＶＩＡ配線６４ａ，６４ｂ、６４ｃを介して、ｐ^＋型導電層５６、ｎ^＋型導電層６０，６０ａ、ｐ^＋型導伝導５６ａにそれぞれ接続されている。電極３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、例えば、銅を用いて形成することができる。ＶＩＡ配線６４ａ〜６４ｄは、例えば、タングステンを用いて形成することができる。

次に、本実施形態による光半導体素子の動作について図４乃至図１６を用いて説明する。

まず、各変調部３３の基本動作について説明する。

入力光である波長λのＣＷ（Continuous Wave）光は、図４に示すように、直線導波路１０の入力端１２から入力される。ＣＷ光の波長とリング変調器１６の共振波長とが一致しているとき、直線導波路１０の入力端１２から入力されたＣＷ光は、リング変調器１６のリング導波路３４に導かれる。リング導波路３４に導かれた光は、リング導波路３４を周回したのち、直線導波路１０に導かれ、出力光となる。

ここで、リング導波路３４の一部には、光変調部３７が設けられている。光変調部３７には、電界の強さによって吸収係数が変化する電界吸収材料（ＥＡ材料）が設けられている。このＥＡ材料に印加することにより、リング導波路３４内の吸収係数を変化することができる。ＥＡ材料として、例えば上述のＳｉＧｅのような、電界の増加に伴い吸収係数が増大する材料を用いると、図５に矢印で示すように、光変調部３７に印加する電圧の増加に伴い、リング導波路３４内における光損失が増大する。

この結果、リング共振器１６の共振波長付近では、変調信号Ｖが大きくなるほどにリング変調器１６内における損失は大きくなり、リング変調器１６から直線導波路１０に導かれる光の強度は減少する。これにより、直線導波路１２の出力端１４から出力される出力光の強度は減少する。

したがって、ＣＷ光の波長とリング共振器１６の共振波長とが近似しているときには、光変調部３７に印加する電圧によって光強度の変調が可能となる。

また、リング導波路３４の他の一部には、光検出器３８が設けられている。光検出器３８は、リング導波路３４内に導かれた光の強度を検出するためのものである。光検出器３８には、抵抗２４を介して印加される電圧Ｖ_ｄｄによって逆バイアスが印加されている。これにより、リング変調器１６に導かれた光は、光検出器３８の光吸収層５８ａに吸収され、光電流Ｉ_ｐとして検出される。

光検出器３８により検出される光電流Ｉ_ｐは、リング変調器１６内の光パワーＰにほぼ比例する。このため、ＣＷ光の波長と光電流Ｉ_ｐとは、例えば図６に示すように、ＣＷ光の波長とリング変調器１６の共振波長とが一致する波長域にピークを有する関係となる。

ＣＷ光の波長とリング変調器１６の共振波長とが一致するときの光電流Ｉ_ｐの最大値をＩ_ｐ,maxと表すと、Ｉ_ｐ＝Ｉ_ｐ,maxのとき、光検出器３８に印加される電圧（電極３６ｃの電圧）は最小となる。光検出器３８の電極３６ｃの電圧をＶ_ｍ、抵抗２４の抵抗値をＲ_ｍとすると、電圧Ｖ_ｍは式（１）のように表される。

Ｖ_ｍ＝Ｖ_ｄｄ−Ｒ_ｍＩ_ｐ …（１）
ここで、抵抗２４の抵抗値Ｒ_ｍをＶ_ｄｄ／Ｉ_ｐ,maxに設定すると、ＣＷ光の波長とリング変調器１６の共振波長とが一致するとき、電圧Ｖ_ｍはゼロになる。また、ＣＷ光の波長がリング変調器１６の共振波長からずれるほど、電圧Ｖ_ｍは電圧Ｖ_ｄｄに漸近する。

電極３６ｃは、制御部２８の入力にも接続されており、電極３６ｃの電圧Ｖ_ｍは、制御部２８の入力にも印加される。

電圧Ｖ_ｍがゼロのとき、ｐ型デプレッショントランジスタ２０はオン状態となり、ｎ型エンハンスメントトランジスタ２２はオフ状態になる。これにより、変調信号Ｖがリング変調器１６の電極３６ａに印加される。

一方、電圧Ｖ_ｍがＶ_ｄｄ近傍のとき、ｐ型デプレッショントランジスタ２０はオフ状態となり、ｎ型エンハンスメントトランジスタ２２はオン状態になる。これにより、リング変調器１６の電極３６ａには、変調信号Ｖが印加されない。

このように、制御部２８は、光検出器３８により検出された信号の大きさに基づいて、変調信号の入力端子とリング変調器１６との間のインピーダンスを変化し、リング変調器１６に印加される変調信号を重み付けするものである。

このようにして、光変調部３３では、ＣＷ光の波長とリング変調器１６の共振波長とが一致するときには、光変調部３７に変調信号Ｖが印加され、変調信号Ｖによる光強度の変調が行われる。一方、ＣＷ光の波長とリング変調器１６の共振波長とが異なるときには、光変調部３７に変調信号Ｖが印加されず、光強度の変調は行われない。

本実施形態による光半導体素子は、前述のように、互いにリング長の異なるリング変調器１６を有する複数の変調部３３を有している。このため、これら複数の変調部３３のうち、ＣＷ光の波長と一致する共振波長を有するリング変調器１６を有する変調部３３では、図７に矢印で示すように、リング変調器１６に変調信号Ｖが印加される。これに対し、ＣＷ光の波長と異なる共振波長を有するリング変調器１６を有するその他の変調部３３では、図７に×付きの矢印で示すように、リング変調器１６に変調信号Ｖが印加されない。

変調電圧ＶがＶ_lowのとき、共振波長がＣＷ光の波長に一致するリング変調器１６（例えば、ｎ番目の変調部３３のリング変調器１６）では、変調電圧Ｖは印加されるがその値が低いため、光損失は増加しない。また、共振波長がＣＷ光の波長と異なるリング変調器１６では、変調電圧Ｖは印加されないため、光損失は増加しない。このため、総てのリング変調器１６に変調電圧Ｖ_lowが印加されたと等価の状態となり、複数のリング変調器１６の共振波長域に渡って損失は一様に小さくなる。

すなわち、（ｎ−１）〜（ｎ＋１）番目のリング変調器の損失曲線は、図８に示す損失曲線Ｓ１〜Ｓ３のようになり、総てのリング変調器による損失を足し合わせると、損失曲線Ｓ４のようになる。この結果、総てのリング変調器１６において生じる光の損失を考慮すると、本実施形態による光半導体素子の透過特性は、図９に示すようになる。

図９に示すように、各リング変調器１６の透過率曲線は、均等に重なり合っている。変調電圧Ｖ＝Ｖ_lowのとき、総てのリング変調器１６で生じる光の損失は僅かであるため、全てのリング変調器１６の透過特性としては、透過率が高く、平坦な曲線を示す。

これに対し、変調電圧ＶがＶ_highのとき、共振波長がＣＷ光の波長に一致するリング変調器１６（例えば、ｎ番目の変調部３３の変調器１６）では、変調電圧Ｖ_highは印加されて光損失が増加する。また、共振波長がＣＷ光の波長と異なるリング変調器１６では、変調電圧Ｖは印加されないため、光損失は増加しない。このため、ＣＷ光の波長近傍においてのみ光損失が増加し、他の波長域では損失は一様に小さくなる。

すなわち、（ｎ−１）〜（ｎ＋１）番目のリング変調器の損失曲線は、図１０に示す損失曲線Ｓ１〜Ｓ３のようになり、総てのリング変調器による損失を足し合わせると、損失曲線Ｓ４のようになる。この結果、総てのリング変調器１６において生じる光の損失を考慮すると、本実施形態による光半導体素子の透過特性は、図１１に示すようになる。

このようにして、被変調光であるＣＷ光の波長に共振するリング共振器１６のみを選択的に駆動することにより、高効率である一方狭い波長帯域を持つリング共振器を使用しながら、様々な波長のＣＷ光に対する動作が可能になる。

次に、本実施形態による光半導体素子を用いるメリットについて、参考例による光半導体素子と比較して説明する。

比較例による光半導体素子８０は、図１２に示すように、直線導波路８２，８４と、その間に設けられたリング型導波路８６とを有するものである。直線導波路８２の一端部から入力されたＣＷ光は、直線導波路８２の他端部から出力される。ドライバ回路８８から電極９４ａ，９４ｂと電極９４ｃとの間に印加される変調信号によってリング型導波路８６の共振波長を変化することにより、直線導波路８２の他端部から出力される出力光を変調する。この光半導体素子８０では、直線導波路８４に接続された光検出器９６により検出されたモニタ電流に基づいて制御部９８がヒータ１００を制御することにより、ＣＷ光の波長とリング型導波路８６の共振波長とを一致させる。

図１２に示す光半導体素子８０において、直線導波路８２とリング型導波路８６との間隔によって設定されるパワー透過率をＴ_１、直線導波路８４とリング型導波路８６との間隔によって設定されるパワー透過率をＴ_２とする。パワー透過率とは、ある導波路から別の導波路へ光が伝搬する割合である。導波路間の間隔が狭いほど、パワー透過率は高くなる。変調光出力パワー曲線のピークの波長帯域は、パワー透過率が高いほど、即ち、導波路間の間隔が狭いほど広くなる。

パワー透過率が低いとき、例えばＴ_１＝Ｔ_２＝１％の場合、図１３に示すような変調光パワー曲線が得られる。リング型導波路８８に変調信号を印加していない状態（電圧Ｖ_０）では、実線で示すような変調光出力パワー曲線が得られる。また、リング型導波路８８に変調信号をした状態（電圧Ｖ_on）では、点線で示すような変調光出力パワー曲線が得られる。

このように、パワー透過率が低いときには、変調光出力パワー曲線のピークが急峻になり、変調光出力パワー曲線のピークの波長帯域は狭くなる。このことは、変調信号の変化に対する変調光出力パワーの変化が大きいことを意味するものであり、急峻な変調光出力パワー曲線は、光半導体素子の変調効率を高めるうえで有効である。

一方、パワー透過率が高いとき、例えばＴ_１＝Ｔ_２＝４０％の場合、図１４に示すような光変調パワー曲線が得られる。リング型導波路８８に変調信号を印加していない状態（電圧Ｖ_０）では、実線で示すような変調光出力パワー曲線が得られる。また、リング型導波路８６に変調信号をした状態（電圧Ｖ_on）では、点線で示すような変調光出力パワー曲線が得られる。

このように、パワー透過率が高いときには、波長の変化に対する変調光出力パワーの変化は小さく、図１４に矢印の範囲で示すように、変調効率は高いとは言えない。その一方、変調光出力パワー曲線のピークの波長帯域は広いため、入力光の波長とリング型導波路８８の共振波長との間のずれの許容量を大きくすることができる。

光半導体素子８０の変調効率を高く設定すると、ＣＷ光の波長とリング型導波路８６の共振波長とが一致するとき、例えば、電極９４ａ，９４ｂと電極９４ｃとの間に電圧を印加していない状態（電圧Ｖ_０）では、図１５の実線上の●部に相当する出力パワーを得ることができる。また、電極９４ａ，９４ｂと電極９４ｃとの間に電圧を印加した状態（電圧Ｖ_on）では、図１５の点線上の●部に相当する出力パワーを得ることができる。

このように、ＣＷ光の波長とリング型導波路８８の共振波長とが一致すると、電極９４ａ，９４ｂと電極９４ｃとの間に電圧を印加することにより変調光出力パワーを十分変調することができる。

しかしながら、ＣＷ光の波長とリング型導波路８６の共振波長とは、製造ばらつきや環境温度等によって必ずしも一致しているとは限らない。ＣＷ光の波長とリング型導波路８６の共振波長とが一致してない場合、例えば図１６に示すように、リング型導波路８６に電圧が印加されても変調光出力パワーに十分な変化が生じないことがある。

そのような場合、リング型導波路８６の共振波長がＣＷ光の波長と一致するようにヒータ１００を用いて制御するが、上述したように、変調光出力パワーの波長帯域が狭いため、ＣＷ光の波長とリング型導波路８６の共振波長とを一致させることが困難である。

このように、参考例による光半導体素子８０において、変調効率を向上することと、入力光の波長とリング共振器の共振波長との間のずれの許容量を大きくすることとは、相反する要求である。

これに対し、本実施形態による光半導体素子では、共振波長の異なるリング共振器を複数設けるため、入力光の波長とリング共振器の共振波長との間のずれの許容量を大きくすることができる。また、ＣＷ光の波長に一致する共振波長を有するリング共振器を選択的に駆動するため、変調光出力パワーの波長帯域が狭いリング共振器を用いることができる。これにより、変調効率の向上と、入力光の波長とリング共振器の共振波長との間のずれの許容量の増加との双方の要求を同時に実現することができる。また、様々な波長のＣＷ光に対する動作も可能となる。

このように、本実施形態によれば、共振波長の異なるリング変調器を複数設け、ＣＷ光の波長に一致する共振波長を有するリング変調器を選択的に駆動するので、変調の高効率化と広範囲の波長制御とを両立することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態による光半導体素子について図１７及び図１８を用いて説明する。図１乃至図１６に示す第１実施形態による光半導体素子と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。

図１７は、本実施形態による光半導体素子の構造を示す概略図である。図１８は、図１７におけるＡ−Ａ′線断面図である。

本実施形態による光半導体素子は、図１７に示すように、リング変調器１６が直線導波路１０の上方で光学的に結合するように配置されているほかは、第１実施形態による光半導体素子と同様である。

リング型導波路３４は、例えば図１８に示すように、ＳＯＩ層５４上に形成されたＳｉＧｅ層５８とアモルファスシリコン層１０１とにより形成することができる。この場合、光変調部３７及び光検出器３８はＳｉＧｅ層５８を用いて形成し、その他の部分は、アモルファスシリコン層１０１を用いて形成する。

リング変調器１６が直線導波路１０の上方で光学的に結合する場合でも、第１実施形態による光半導体素子と同様に機能することができる。

このように、本実施形態においても、共振波長の異なるリング変調器を複数設け、ＣＷ光の波長に一致する共振波長を有するリング変調器を選択的に駆動するため、変調の高効率化と広範囲の波長制御とを両立することができる。

［第３実施形態］
第３実施形態による光半導体素子について図１９乃至図２３を用いて説明する。図１乃至図１８に示す第１及び第２実施形態による光半導体素子と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。

図１９は、本実施形態による光半導体素子の構造を示す概略図である。図２０は、図１９におけるＡ−Ａ′線断面図である。図２１は、図１９におけるＢ−Ｂ′線断面図である。図２２及び図２３は、本実施形態による光半導体素子の変調部における光損失の波長特性を示すグラフである。

本実施形態による光半導体素子は、図１９に示すように、光変調部３７及び光検出器３８の構造が異なっているほかは、第１実施形態による光半導体素子と同様である。

光変調部３７は、例えば図２０に示すように、光の導波方向に沿ってリング型導波路３４の外周側及び内周側に形成されたｎ型領域１０２とｐ型領域１０３とを有している。ｎ型領域１０２とｐ型領域１０３とは、逆に配置してもよい。

光検出器３８は、例えば図２１に示すように、光の導波方向に沿って外周側及び内周側に形成されたｎ型領域１０２ａ及びｐ型領域１０３ａと、ｎ型領域１０２ａ及びｐ型領域１０３ａ上にエピタキシャル成長されたＳｉＧｅの光吸収層５８ａとを有している。

シリコン酸化膜層６２上に形成された電極３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、シリコン酸化膜層６２内に埋め込まれたＶＩＡ配線６４ｅ〜６４ｈを介してｎ型領域１０２，１０２ａ及びｐ型領域１０３，１０３ａに接続されている。ＶＩＡ配線６４ｅ〜６４ｈは、例えば、タングステンを用いて形成することができる。

本実施形態による光半導体素子は、電極３６ａと電極３６ｂとの間に印加される変調信号Ｖによってリング変調器１６の共振波長を変化することにより、直線導波路１０の出力端１４から出力される出力光を変調する。リング変調器１６の共振波長は、電極３６ａ，３６ｂ間に電圧を印加してリング導波路３４の材料の屈折率を変化することにより、変化することができる。

変調電圧ＶがＶ_lowのとき、（ｎ−１）〜（ｎ＋１）番目のリング変調器の損失曲線は、図２２に示す損失曲線Ｓ１〜Ｓ３のようになり、総てのリング変調器による損失を足し合わせると、損失曲線Ｓ４のようになる。

これに対し、変調電圧ＶがＶ_highのとき、共振波長がＣＷ光の波長に一致するリング変調器１６（例えば、ｎ番目の変調部３３のリング変調器１６）では、リング変調器１６の共振波長は長波長側にシフトする。これに伴い、損失曲線もまた長波長側にシフトする。また、共振波長がＣＷ光の波長と異なるリング変調器１６では、変調電圧Ｖは印加されないため、リング変調器１６の共振波長は変化しない。このため、ＣＷ光の波長近傍においてのみ光損失が減少し、変化したリング変調器１６の共振波長近傍では光損失は大きくなる。

すなわち、（ｎ−１）〜（ｎ＋１）番目のリング変調器の損失曲線は、図２３に示す損失曲線Ｓ１〜Ｓ３のようになり、総てのリング変調器による損失を足し合わせると、損失曲線Ｓ４のようになる。この結果、本実施形態による光半導体素子においても、第１実施形態による光半導体素子と同様の変調効果を得ることができる。

このように、本実施形態においても、共振波長の異なるリング変調器を複数設け、ＣＷ光の波長に一致する共振波長を有するリング変調器を選択的に駆動するため、変調の高効率化と広範囲の波長制御とを両立することができる。

［第４実施形態］
第４実施形態による光半導体素子について図２４及び図２７を用いて説明する。図１乃至図２３に示す第１乃至第３実施形態による光半導体素子と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。

図２４は、本実施形態による光半導体素子の構造を示す概略図である。図２５は、図２４におけるＡ−Ａ′線断面図である。図２６は、図２４におけるＢ−Ｂ′線断面図である。図２７は、図２４におけるＣ−Ｃ′線断面図である。

本実施形態による光半導体素子は、図２４に示すように、第３実施形態による光半導体素子において、光検出部３８がリング型導波路３４にではなく、リング型導波路３４の外に設けられている。

リング型導波路３４内に導かれた光は、リング型導波路３４と光学的に結合されるように配された導波路１０４を介して、リング型導波路３４の外に設けられた光検出器３８により検出される。また、光検出器３８には、光電流Ｉ_ｐを検出するための電極３６ｄ，３６ｅが接続されている。光検出器３８の電極３６ｄは、抵抗２４を介してＶ_ｄｄ線３２に接続されている。また、制御部２８の入力に接続されている。電極３６ｅは、グラウンド線に接続されている。

リング型導波路３４及び導波路１０４は、例えば図２５及び図２６に示すような構造を有している。導波路１０４は、例えばＳＯＩ層５４を例えばメサ形状にパターニングすることにより形成される。

光検出器３８は、例えば図２７に示すように、リング型導波路３４と同様の材料のｎ型層１０５及びｐ型層１０６と、ｎ型層１０５及びｐ型層１０６上にエピタキシャル成長されたＳｉＧｅの光吸収層５８ａとによって形成される。

シリコン酸化膜層６２上に形成された電極３６ｄ，３６ｅは、ＶＩＡ配線６４ｉ，６４ｊを介してｎ型層１０５及びｐ型層１０６に接続されている。電極３６ｄ，３６ｅは、例えば、銅を用いて形成することができる。ＶＩＡ配線６４ｉ，６４ｊは、例えば、タングステンを用いて形成することができる。

このように、光検出器３８をリング型導波路３４の外に設けて、この光検出器３８によって光電流Ｉ_ｐを検出するようにしてもよい。

［第５実施形態］
第５実施形態による光半導体素子について図２８及び図３０を用いて説明する。図１乃至図２７に示す第１乃至第４実施形態による光半導体素子と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。

図２８は、本実施形態による光半導体素子の構造を示す概略図である。図２９は、図２８におけるＡ−Ａ′線断面図である。図３０は、図２８におけるＢ−Ｂ′線断面図である。

本実施形態による光半導体素子は、図２８に示すように、光変調部３７及び光検出器３８の構造が変化しているほかは、第１実施形態による光半導体素子と同様である。

光変調部３７は、図２９に示すように、リング型導波路３４上に設けられたｎ型ＩｎＰ層１１０と、ｎ型ＩｎＰ層１１０上に設けられた量子井戸（Multi Quantum Well）層１１２及び金属層１１６と、量子井戸層１１２上に設けられたｐ型ＩｎＰ層１１４と金属層１１８とによって形成されている。

光検出器３８は、図３０に示すように、リング型導波路３４上に設けられたｎ型ＩｎＰ層１１０ａと、ｎ型ＩｎＰ層１１０ａ上に設けられた量子井戸層１１２ａ及び金属層１１６ａと、量子井戸層１１２ａ上に設けられたｐ型ＩｎＰ層１１４ａと、ｐ型ＩｎＰ層１１４ａ上に設けられた金属層１１８ａとによって形成されている。

シリコン酸化膜層６２上に形成された電極３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、ＶＩＡ配線６４ｋ〜６４ｎを介して金属層１１６，１１６ａ，１１８，１１８ａに接続されている。

このように、光変調部３７及び光検出器３８は、量子井戸を用いて形成するようにしてもよい。

［第６実施形態］
第６実施形態による光半導体素子について図３１を用いて説明する。図１乃至図３０に示す第１乃至第５実施形態による光半導体素子と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。

図３１は、本実施形態による光半導体素子の構造を示す概略図である。

本実施形態による光半導体素子は、図３１に示すように、制御部２８の入力と電極３６ｃとの間にオペアンプ１２０が更に設けられているほかは、第１実施形態による光半導体素子と同様である。

オペアンプ１２０の非反転入力端子は、グラウンド線に接続されている。オペアンプ１２０の反転入力端子は、電極３６ｃに接続されている。オペアンプ１２０の出力端は、ｐ型デプレッショントランジスタ２０の入力とｎ型エンハンスメントトランジスタ２２の入力とに接続されている。また、抵抗２４は、オペアンプのマイナス端子側と出力端子側とに接続されている。また、電極３６ｆには、電圧Ｖ_ｄｄが印加されるようになっている。

これにより、オペアンプ１２０によって光検出器３８によって検出される光電流Ｉ_ｐを電圧Ｖ_ｍに変換し、制御部２８に入力することができる。

［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、直径の異なる複数の円形のリング変調器を設けたが、リング変調器の形状は、これに限定されるものではない。複数のリング変調器は、互いに周回光路長が異なるものであればよく、例えば、角部を円弧状とした多角形形状のリング変調器等を用いてもよい。

また、上記実施形態では、制御部２８をｐ型デプレッショントランジスタ２０及びｎ型エンハンスメントトランジスタ２２を有する回路を用いて形成したが、制御部２８を形成する回路はこれに限定されるものではない。制御部２８には、光検出器３８の出力がハイレベルのときに光変調部３７に変調信号が印加され、光検出器３７の出力がローレベルのときに光変調部３７に変調信号が印加されない回路を適宜用いることができる。

また、上記実施形態では、リング型導波路３４をシリコンにより形成したが、リング型導波路３４の形成材料は特に限定されるものではない。

また、上記第４実施形態では、第３実施形態による光半導体素子の光検出器３８をリング型導波路３４の外に設ける場合について説明したが、他の実施形態による光半導体素子の光検出器３８をリング型導波路３４の外に設けるようにしてもよい。

また、上記第５実施形態では、光変調部３７及び光検出器３８に量子井戸を用いた例を説明したが、光変調部３７及び光検出器３８に量子ドットを用いるようにしてもよい。

また、上記第６実施形態による光半導体素子のオペアンプ１２０を、第１乃至第５実施形態による光半導体素子に適用するようにしてもよい。

また、上記実施形態に記載した光半導体素子の構造、構造パラメータ、構成材料等は、一例を示したものにすぎず、当業者の技術常識等に応じて適宜修正や変更が可能である。

以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１） 入力光が入力される導波路と、
前記導波路に光学的に結合するように設けられた周回光路長の異なる複数のリング変調器と、
複数の前記リング変調器のうち、前記入力光の波長に共振波長が一致する前記リング変調器に選択的に変調信号を印加する制御部と
を有することを特徴とする光半導体素子。

（付記２） 入力光が入力される導波路と、
前記導波路と光学的に結合するように配されたリング変調器と、前記リング変調器内の光パワーをモニタする光検出器と、前記リング変調器と前記光検出器との間に接続され、前記光検出器により検出された信号に基づいて変調信号を前記リング変調器に印加する制御部とをそれぞれ有する複数の変調部とを有し、
前記複数の変調部は、前記リング変調器の周回光路長が互いに異なっている
ことを特徴とする光半導体素子。

（付記３） 付記２記載の光半導体素子において、
前記制御部は、前記光検出器により検出された前記信号の大きさに基づいて、前記リング変調器に印加する前記変調信号を重み付けする
ことを特徴とする光半導体素子。

（付記４） 付記２又は３記載の光半導体素子において、
前記制御部は、前記光検出器により検出された前記信号の大きさに基づいて、前記変調信号の入力端子と前記リング変調器との間のインピーダンスを変化する
ことを特徴とする光半導体素子。

（付記５） 付記２乃至４のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
前記制御部は、前記入力光の波長と前記リング変調器の共振波長とが一致しているときに、前記変調信号を前記リング変調器に印加する
ことを特徴とする光半導体素子。

（付記６） 付記５記載の光半導体素子において、
前記制御部は、前記光検出器により検出された前記信号が最大値を示すとき、前記入力光の波長と前記共振波長とが一致したと判断する
ことを特徴とする光半導体素子。

（付記７） 付記２乃至６のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
前記光検出器は、前記リング変調器の一部に形成されている
ことを特徴とする光半導体素子。

（付記８） 付記７記載の光半導体素子において、
前記光検出器の電極と、前記リング変調器の電極とは、別々に形成されている
ことを特徴とする光半導体素子。

（付記９） 付記２乃至８のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
前記光検出器は、前記リング変調器の外側に形成されている
ことを特徴とする光半導体素子。

（付記１０） 付記１乃至９のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
複数の前記リング変調器の共振波長が分布する波長範囲内に、前記入力光の想定波長域が位置している
ことを特徴とする光半導体素子。

（付記１１） 付記１乃至１０のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
前記リング変調器は、光吸収量を変化させることにより前記入力光を変調する
ことを特徴とする光半導体素子。

（付記１２） 付記１乃至１０のいずれか１項に記載の半導体素子において、
前記リング変調器は、共振波長を変化させることにより前記入力光を変調する
ことを特徴とする光半導体素子。

１０…直線導波路
１２…入力端
１４…出力端
１６…リング変調器
２０…ｐ型デプレッショントランジスタ
２２…ｎ型エンハンスメントトランジスタ
２４…抵抗
２６…バイパスコンデンサ
２８…制御部
３０…変調信号線
３２…Ｖ_ｄｄ線
３３…変調部
３４…リング型導波路
３６ａ〜３６ｆ…電極
３７…光変調部
３８…光検出器
５２…ＳＯＩ基板
５４…ＳＯＩ層
５６…ｐ^＋型導電層
５８，５８ａ…光吸収層
６０…ｎ^＋型導電層
６２…シリコン酸化膜
６４ａ〜６４ｎ…ＶＩＡ配線
８０…光半導体素子
８２…直線導波路
８４…直線導波路
８６…リング型導波路
８８…ドライバ回路
９４ａ，９４ｂ，９４ｃ…電極
９６…光検出器
９８…制御部
１００…ヒータ
１０１…アモルファスシリコン層
１０２，１０２ａ…ｎ型領域
１０３，１０３ａ…ｐ型領域
１０５…ｎ型層
１０６…ｐ型層
１１０，１１０ａ…ｎ型ＩｎＰ層
１１２，１１２ａ…量子井戸層
１１４，１１４ａ…ｐ型ＩｎＰ層
１１６，１１６ａ…金属層
１１８，１１８ａ…金属層
１２０…オペアンプ
Ｓ１〜Ｓ４…損失曲線

Claims (8)

1. 入力光が入力される導波路と、
   前記導波路と光学的に結合するように配されたリング変調器と、前記リング変調器内の光パワーをモニタする光検出器と、前記リング変調器と前記光検出器との間に接続され、前記光検出器により検出された信号に基づいて変調信号を前記リング変調器に印加する制御部とをそれぞれ有する複数の変調部とを有し、
   前記複数の変調部は、前記リング変調器の周回光路長が互いに異なっており、
   前記制御部は、前記光検出器により検出された前記信号の大きさに基づいて、前記リング変調器に印加する前記変調信号を重み付けする
   ことを特徴とする光半導体素子。
2. 請求項１記載の光半導体素子において、
   前記制御部は、前記光検出器により検出された前記信号の大きさに基づいて、前記変調信号の入力端子と前記リング変調器との間のインピーダンスを変化する
   ことを特徴とする光半導体素子。
3. 請求項１又は２記載の光半導体素子において、
   前記制御部は、前記入力光の波長と前記リング変調器の共振波長とが一致しているときに、前記変調信号を前記リング変調器に印加する
   ことを特徴とする光半導体素子。
4. 請求項３記載の光半導体素子において、
   前記制御部は、前記光検出器により検出された前記信号が最大値を示すとき、前記入力光の波長と前記共振波長とが一致したと判断する
   ことを特徴とする光半導体素子。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
   前記光検出器は、前記リング変調器の一部に形成されている
   ことを特徴とする光半導体素子。
6. 請求項５記載の光半導体素子において、
   前記光検出器の電極と、前記リング変調器の電極とは、別々に形成されている
   ことを特徴とする光半導体素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
   前記光検出器は、前記リング変調器の外側に形成されている
   ことを特徴とする光半導体素子。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
   複数の前記リング変調器の共振波長が分布する波長範囲内に、前記入力光の想定波長域が位置している
   ことを特徴とする光半導体素子。

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