JPH0572561B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0572561B2 JPH0572561B2 JP59170144A JP17014484A JPH0572561B2 JP H0572561 B2 JPH0572561 B2 JP H0572561B2 JP 59170144 A JP59170144 A JP 59170144A JP 17014484 A JP17014484 A JP 17014484A JP H0572561 B2 JPH0572561 B2 JP H0572561B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical
- optical waveguide
- germanium
- light
- waveguide region
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/125—Bends, branchings or intersections
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Description
（発明の技術分野）
本発明は半導体から成る光スイツチや光変調器
等の光半導体素子に関するものである。 （従来技術とその問題点） 光スイツチや光変調器などの光半導体素子は光
フアイバ伝送の分野だけでなく、光交換あるいは
光情報処理の分野においても注目されつつあり、
一部開発が進められている。従来のこのような素
子は、LiNbO3、LiTaO3などの絶縁体、又は
AlGaAs系、InGaAsP系から成る半導体で構成さ
れていた。その理由は、例えば、LiNbO3などで
は電気光学効果が大きく、また、AlGaAs、
InGaAsP系などでは発光源や光検出器といつた
光素子としての開発がかなり進んでいることなど
である。しかしながら、これらの結晶材料は、価
格が高く例えば、光交換機のように大量の光スイ
ツチを必要とするものには適用が困難である。ま
た、光導波領域を再現性良く形成するのが難し
く、LiNbO3等では信頼性の点で問題があつた。 〔また、信頼性の面では大きな利点を有する半
導体材料については、特願昭49−22952号におい
てシリコン（Si）にゲルマニウム（Ge）を添加
した光波伝送路が開示されている。然るに、Siに
Geを拡散したり、Siの気相成長の際Geを添加す
るのでは、Siに対する屈折率は一般に少数点以下
２桁目が僅かに大きくなる程度であり、（例えば、
電子通信学会論文誌、vol.1， Ｊ−60−Ｃ No.
10，pp610−617にLiNbO3へのTi拡散の例が表示
されている。）、光波伝送路として機能するために
は、例えば光フアイバのコアのように導波路部分
の大きさが10μm乃至数10μmと大きくなり、半導
体の特徴である1μmあるいはそれ以下の薄膜を利
用した小型導波路を形成したことができない。従
つてSiにGeを添加した従来の光導波路は、半導
体技術の観点から見れば大きすぎてしかも極めて
高価となり、実用化ができないという欠点があつ
た。 （発明の目的と特徴） 本発明は、上述のような従来の光素子材料の有
する欠点を解決するためになされたもので、高い
製造精度で大量生産でき、かつ集積電子回路との
整合性も良い光スイツチや光変調器などの光半導
体素子を提供することを目的としており、シリコ
ン基板上の光導波領域をゲルマニウムの組成が16
％以上のシリコンとゲルマニウムの混晶を用いて
構成するところに特徴がある。 （発明の構成と作用） 以下に図面を用いて本発明を詳細に説明する。
等の光半導体素子に関するものである。 （従来技術とその問題点） 光スイツチや光変調器などの光半導体素子は光
フアイバ伝送の分野だけでなく、光交換あるいは
光情報処理の分野においても注目されつつあり、
一部開発が進められている。従来のこのような素
子は、LiNbO3、LiTaO3などの絶縁体、又は
AlGaAs系、InGaAsP系から成る半導体で構成さ
れていた。その理由は、例えば、LiNbO3などで
は電気光学効果が大きく、また、AlGaAs、
InGaAsP系などでは発光源や光検出器といつた
光素子としての開発がかなり進んでいることなど
である。しかしながら、これらの結晶材料は、価
格が高く例えば、光交換機のように大量の光スイ
ツチを必要とするものには適用が困難である。ま
た、光導波領域を再現性良く形成するのが難し
く、LiNbO3等では信頼性の点で問題があつた。 〔また、信頼性の面では大きな利点を有する半
導体材料については、特願昭49−22952号におい
てシリコン（Si）にゲルマニウム（Ge）を添加
した光波伝送路が開示されている。然るに、Siに
Geを拡散したり、Siの気相成長の際Geを添加す
るのでは、Siに対する屈折率は一般に少数点以下
２桁目が僅かに大きくなる程度であり、（例えば、
電子通信学会論文誌、vol.1， Ｊ−60−Ｃ No.
10，pp610−617にLiNbO3へのTi拡散の例が表示
されている。）、光波伝送路として機能するために
は、例えば光フアイバのコアのように導波路部分
の大きさが10μm乃至数10μmと大きくなり、半導
体の特徴である1μmあるいはそれ以下の薄膜を利
用した小型導波路を形成したことができない。従
つてSiにGeを添加した従来の光導波路は、半導
体技術の観点から見れば大きすぎてしかも極めて
高価となり、実用化ができないという欠点があつ
た。 （発明の目的と特徴） 本発明は、上述のような従来の光素子材料の有
する欠点を解決するためになされたもので、高い
製造精度で大量生産でき、かつ集積電子回路との
整合性も良い光スイツチや光変調器などの光半導
体素子を提供することを目的としており、シリコ
ン基板上の光導波領域をゲルマニウムの組成が16
％以上のシリコンとゲルマニウムの混晶を用いて
構成するところに特徴がある。 （発明の構成と作用） 以下に図面を用いて本発明を詳細に説明する。
【表】
表１はシリコン（Si）とゲルマニウム（Ge）
の格子定数ａ、屈折率ｎ、および禁制帯幅Egを
示したものである。SiとGeの混晶Si1-xGexの格
子定数、屈折率、および禁制帯幅は線形近似を用
いて、すなわち、SiからGeまでｘに対して直線
的に変化すると仮定して、推定できる。例えば、
ｘ＝0.1とすると、Si0.9Ge0.1の屈折率は3.56と見
積もることができる。逆に、Si1-xGexを光導波領
域として用いる場合、周囲のSiとの屈折率差Δn
が約0.1程度必要とすれば、ｘ0.16となり、そ
の時の格子不整合Δa／ａ（Si）は約0.6％、禁制
帯幅の差ΔEgは約0.07eVとなる。これらの諸定
数データをもとに、次に具体的な光半導体素子の
〔構造例〕について説明する。 第１図は本発明の〔原理的構成〕を示したもの
で、光スイツチや光変調器として作動する光方向
性結合器の模式図である。ｎ型Si基板１の表面
に、光導波領域となる場所に溝４が形成されてお
り、その上にｎ型のSiとGeの混晶Si1-xGex２、
およびn-型のSi３が積層されている。５および６
は電極であり、７は変調用信号電源を示してい
る。 第２図は第１図のＡ−Ｂ面に沿う断面を示した
もので、８はイオン打込み又は拡散によりｐ型と
なつた領域である。SiとGeの混晶比ｘを前述の
ように、例えば約0.16とすれば、Si0.84Ge0.16光導
波路２とSiとの屈折率差が約0.1となり、第２図
のような溝４を設けることにより、点線で示した
光導波領域９が容易に形成される。溝に沿つて導
びかれる光は、二つの溝４の間隔を適当に設定す
ることにより一方の溝から他方の溝へ移つてい
く。すなわち方向性結合器が生じる。ここで、例
えば変調信号源７から電極５およびｐ型Si領域８
を通して変調電流を溝と溝との間のSi1-xGex層２
に注入すると、その部分の屈折率がプラズマ振動
効果により変化する。従つて、二つの光導波領域
間の結合定数が変化するため、導波される光は変
調を受けることになる。 第３図は本発明の実施例を示したものである。
Si基板１０の表面に溝４が設けられており、その
上にSi1-xGexとSi1-yGeyとの超格子層１１および
Si１２が積層されている。ここで、０ｘ≠ｙ
１である。例えば、ｘ＝0.5、ｙ＝０とすれば、
１１はSi0.5Ge0.5とSiとの超格子層となる。１３
は光遮断膜、１４は変調光を示している。光はこ
の場合も第２図と同様に溝部の光導波領域９に沿
つて導波される。溝と溝との間の超格子部分に変
調光を照射することにより、その部分の屈折率が
変化し、二つの光導波路間の結合定数が変化す
る。従つて、導波される光は変調を受けることに
なる。 以上の説明では、光導波領域を形成するためSi
基板表面に溝が設けられていたが、例えばSi1-x
Gexの周囲が全てSiとなつているような埋込み型
の光導波路も可能である。また、方向性結合器型
の素子を例として説明したがマツハツエンダー干
渉器型の光変調素子あるいは受光素子など他の光
半導体素子も同様に実現されることは言うまでも
ない。 （発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、〔半導
体技術の特徴が十分に生かされ、薄膜の導波路を
用いた小型の〕光スイツチや光変調器等の光半導
体素子がプロセス技術の極めて進んでいるSi基板
を用いて実現されるため、安価にかつ精密に大量
生産することができる。また、同一のSi基板上
に、それらの光半導体素子を駆動させるための電
子回路を集積化することも可能であり、大規模な
集積光スイツチが実現されるので、光交換機にも
応用できその効果は極めて大である。
の格子定数ａ、屈折率ｎ、および禁制帯幅Egを
示したものである。SiとGeの混晶Si1-xGexの格
子定数、屈折率、および禁制帯幅は線形近似を用
いて、すなわち、SiからGeまでｘに対して直線
的に変化すると仮定して、推定できる。例えば、
ｘ＝0.1とすると、Si0.9Ge0.1の屈折率は3.56と見
積もることができる。逆に、Si1-xGexを光導波領
域として用いる場合、周囲のSiとの屈折率差Δn
が約0.1程度必要とすれば、ｘ0.16となり、そ
の時の格子不整合Δa／ａ（Si）は約0.6％、禁制
帯幅の差ΔEgは約0.07eVとなる。これらの諸定
数データをもとに、次に具体的な光半導体素子の
〔構造例〕について説明する。 第１図は本発明の〔原理的構成〕を示したもの
で、光スイツチや光変調器として作動する光方向
性結合器の模式図である。ｎ型Si基板１の表面
に、光導波領域となる場所に溝４が形成されてお
り、その上にｎ型のSiとGeの混晶Si1-xGex２、
およびn-型のSi３が積層されている。５および６
は電極であり、７は変調用信号電源を示してい
る。 第２図は第１図のＡ−Ｂ面に沿う断面を示した
もので、８はイオン打込み又は拡散によりｐ型と
なつた領域である。SiとGeの混晶比ｘを前述の
ように、例えば約0.16とすれば、Si0.84Ge0.16光導
波路２とSiとの屈折率差が約0.1となり、第２図
のような溝４を設けることにより、点線で示した
光導波領域９が容易に形成される。溝に沿つて導
びかれる光は、二つの溝４の間隔を適当に設定す
ることにより一方の溝から他方の溝へ移つてい
く。すなわち方向性結合器が生じる。ここで、例
えば変調信号源７から電極５およびｐ型Si領域８
を通して変調電流を溝と溝との間のSi1-xGex層２
に注入すると、その部分の屈折率がプラズマ振動
効果により変化する。従つて、二つの光導波領域
間の結合定数が変化するため、導波される光は変
調を受けることになる。 第３図は本発明の実施例を示したものである。
Si基板１０の表面に溝４が設けられており、その
上にSi1-xGexとSi1-yGeyとの超格子層１１および
Si１２が積層されている。ここで、０ｘ≠ｙ
１である。例えば、ｘ＝0.5、ｙ＝０とすれば、
１１はSi0.5Ge0.5とSiとの超格子層となる。１３
は光遮断膜、１４は変調光を示している。光はこ
の場合も第２図と同様に溝部の光導波領域９に沿
つて導波される。溝と溝との間の超格子部分に変
調光を照射することにより、その部分の屈折率が
変化し、二つの光導波路間の結合定数が変化す
る。従つて、導波される光は変調を受けることに
なる。 以上の説明では、光導波領域を形成するためSi
基板表面に溝が設けられていたが、例えばSi1-x
Gexの周囲が全てSiとなつているような埋込み型
の光導波路も可能である。また、方向性結合器型
の素子を例として説明したがマツハツエンダー干
渉器型の光変調素子あるいは受光素子など他の光
半導体素子も同様に実現されることは言うまでも
ない。 （発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、〔半導
体技術の特徴が十分に生かされ、薄膜の導波路を
用いた小型の〕光スイツチや光変調器等の光半導
体素子がプロセス技術の極めて進んでいるSi基板
を用いて実現されるため、安価にかつ精密に大量
生産することができる。また、同一のSi基板上
に、それらの光半導体素子を駆動させるための電
子回路を集積化することも可能であり、大規模な
集積光スイツチが実現されるので、光交換機にも
応用できその効果は極めて大である。
第１図は本発明の〔原理的構成を示す〕斜視
図、第２図は第１図Ａ−Ｂ部分の断面模式図、第
３図は本発明の実施例の断面模式図である。 １……ｎ型Si基板、２……Si1-xGex層、３……
n-Si層、４……溝、５，６……電極、７……変調
信号源、８……ｐ型Si、９……光導波領域、１０
……Si基板、１１……Si1-xGexとSi1-yGeyとの超
格子層、１２……Si層、１３……光遮断膜、１４
……変調光。
図、第２図は第１図Ａ−Ｂ部分の断面模式図、第
３図は本発明の実施例の断面模式図である。 １……ｎ型Si基板、２……Si1-xGex層、３……
n-Si層、４……溝、５，６……電極、７……変調
信号源、８……ｐ型Si、９……光導波領域、１０
……Si基板、１１……Si1-xGexとSi1-yGeyとの超
格子層、１２……Si層、１３……光遮断膜、１４
……変調光。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ シリコン基板上にゲルマニウムの組成が16％
以上のシリコンとゲルマニウムの混晶を用いた超
格子により光導波領域が形成されていることを特
徴とする光半導体素子。 ２ 前記光導波領域が混晶比の異なるシリコンと
ゲルマニウムの混晶の超格子から成ることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の光半導体素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17014484A JPS6147910A (ja) | 1984-08-15 | 1984-08-15 | 光半導体素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17014484A JPS6147910A (ja) | 1984-08-15 | 1984-08-15 | 光半導体素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6147910A JPS6147910A (ja) | 1986-03-08 |
| JPH0572561B2 true JPH0572561B2 (ja) | 1993-10-12 |
Family
ID=15899483
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17014484A Granted JPS6147910A (ja) | 1984-08-15 | 1984-08-15 | 光半導体素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6147910A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61198212A (ja) * | 1985-02-28 | 1986-09-02 | Tokyo Inst Of Technol | 光回路機能素子 |
| US4861129A (en) * | 1987-04-17 | 1989-08-29 | Hoechst Celanese Corp. | Inorganic-organic composite compositions exhibiting nonlinear optical response |
| JP2901333B2 (ja) * | 1990-10-12 | 1999-06-07 | 日本電気株式会社 | 能動型波長選択半導体素子 |
| JP2006133723A (ja) * | 2004-10-08 | 2006-05-25 | Sony Corp | 光導波モジュール及び光・電気複合デバイス、並びにこれらの製造方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5753561B2 (ja) * | 1972-06-19 | 1982-11-13 |
-
1984
- 1984-08-15 JP JP17014484A patent/JPS6147910A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6147910A (ja) | 1986-03-08 |
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