CN100370317C

CN100370317C - 半导体光调制器

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Publication number: CN100370317C
Application number: CNB2004800007857A
Authority: CN
Inventors: 都筑健; 伊藤猛; 伊贺龙三
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: CN1701259A

Abstract

本发明涉及一种主要用于光通信系统或者光信息处理系统的半导体光调制器，本发明的在SI-InP基板(11)上依次层叠n-InP包覆层(12)、光波导层(13)、SI-InP包覆层(14)、n-InP包覆层(15)，并从与n-InP包覆层(15)连接的电极(16)、和与n-InP包覆层(12)连接的接地电极(17)加载电压，本发明特别适合作为以低电压操作且波导损失小的半导体相位调制器或者半导体马赫-曾德尔型光调制器。

Description

半导体光调制器

技术领域

本发明涉及一种半导体光调制器，特别涉及一种能够适合作为半导体相位调制器或者半导体马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)型光调制器的半导体光调制器。

背景技术

光调制器等波导型光控制设备是一种高速光通信系统、光信息处理系统的重要元件。光调制器包括诸如使用LiNbO₃(LN)等电介质的光调制器、或者使用InP或GaAs等半导体的光调制器等。期待在这些光调制器中，能够将激光器或光拾取器等其它光元件或电子电路集成化，并易于小型化、低电压化的半导体光调制器。

已知一种电场吸收型光调制器和马赫-曾德尔型光调制器的具有代表性的半导体光调制器。

电场吸收型光调制器是如下的光调制器，例如，利用如大型半导体的弗朗兹-凯尔迪什效应(Franz-Keldysh效应)或多层量子井结构中量子关入的斯塔克效应(Quantum Confined Stark Effect：QCSE)的、利用通过加载电场使吸收端向长波长侧偏移的效应的光调制器。

此外，马赫-曾德尔型光调制器是如下的光调制器，利用大型半导体的光电效应(普克耳斯效应)或多层量子井结构中量子关入的斯塔克效应的、利用通过加载电场来改变折射率的效应的光调制器。

电场吸收型光调制器消耗电力小且很小型化，由于不产生被视为LN调制器的由直流电压导致的漂移，所以有希望被考虑为光调制器。但是，电场吸收型光调制器，因调制时产生的波长脉冲，产生光纤传送后的光信号的波形恶化。

更详细地说，由于波长脉冲，调制后的光信号矢量与调制前相比变宽。如果利用光纤来传送调制后的光信号，则光信号的波形出现源于纤维介质的分散效果的波形恶化。结果，传送特性恶化。传送速度越快或者传送距离越长，波形恶化越显著。

另一方面，由于马赫-曾德尔型光调制器原理上能够没有波长脉冲，所以可期待作为超高速、长距离通信用调制器。

例如，在C.Rolland et al.、10Gbit/s，1.56μm multiquantum wellInP/InGaAsP Mach-Zehnder optical modulator Electron Lett.1993年第29卷第5号p.471-472(下面称为文献1)中，记载了半导体的马赫-曾德尔型光调制器。该调制器是具有pin结构的集总常数型调制器。在具有pin结构的集总常数型调制器中，光在夹在p型和n型半导体层中的层厚0.4μm的非掺杂多层量子井(MQW)区域进行波导，所以高效率接受电场导致的折射率调制。因此，能够极大地缩短相位调制部的长度，例如，相对于LN调制器中相位调制部的长度20～30mm，集总常数型调制器中能够形成为600μm。

但是，集总常数型调制器在p型半导体部分光损失大，例如全插入损失高达13dB。此外，由于集总常数型调制器通过CR时间常数进行速度限制，所以10Gbit/s以上的操作很困难。

图13是前进波型电极结构的马赫-曾德尔型光调制器的波导路径的简略截面图，表示电场加载部分的截面结构。具有图13所示的结构的马赫-曾德尔型光调制器是使用肖特基电极的前进波电极型调制器，是已解决所述集总常数型调制器的问题的目前盛行研究的调制器，例如，在R.Spickermann et al.、GaAs/AlGaAs electro-optic modulator withbandwidth＞40GHz、Electron Lett.1995年第31卷第11号p.915-916(下面称为文献2)中有所记载。

如图13所示，该电场加载部分由SI(Semi-Insulate：半绝缘)-InP包覆层71、层叠在SI-InP包覆层71上的光波导层72、脊(ridge)状的SI-InP包覆层73、接地电极74、脊上面的肖特基电极75构成。SI-InP包覆层71和73也能够用i(非掺杂)-InP置换。此外，不仅仅InP，也可以由GaAs系列材料形成。

目前的具有pin结构的集总常数型调制器，通过由p型电极中电信号的波导损失和pin结构的电容成分产生的光和电场的速度不匹配，难于实现前进波型电极结构。

具有图13所示结构的马赫-曾德尔型光调制器通过使用肖特基电极，实现了前进波型电极结构。此外，该前进波电极型调制器，能够使用SI层或者非掺杂层作为半导体，消除在集总常数型调制器的说明中所述的缺点。

但是，在具有图13所示结构的马赫-曾德尔型光调制器中，肖特基电极75和包覆电极74的距离GAP由于加工上的限制既使最小也约为9μm，是比较大的。因此，光波导层72的电场强度(图13中由箭头表示)变小。结果，光调制器的折射率的调制效率降低。

由于具有图13所示结构的马赫-曾德尔型光调制器调制效率低，所以为了充分地进行相位调制，需要加长相位调制部，或者需要高的操作电压。结果，已知前进波电极型调制器不能进行集总常数型等的小型化(例如约10mm)，或者操作电压变高(例如Vπ＝28V)。

作为前进波型电极结构的半导体调制器的目前技术的其它例子，已经知道一种美国专利第5647029号说明书(下面称为文献5)中所示的发明。图14是美国第5647029号说明书所示的半导体调制器的波导路径的截面结构图。如图14所示，光调制器80是高台面(high mesa)波导路径型，在SI-InP基板81上，依次层叠n型InAlAs下部包覆层82、包含量子井的光波导层83、n型InAlAs上部包覆层84。

图14所示的半导体光调制器，用n型InAlAs包覆层82、84夹持光波导层83的上下面，并通过电极85和86，在该两个包覆层82和84之间加载电压。

作为图14所示的半导体光调制器的其它方面，通过改变半导体光波导路径的光波导层83和电极85的距离s、或者光波导层83和SI-InP基板81之间的包覆层82的厚度t等，并满足信号光和电信号的速度匹配条件以及阻抗匹配条件，可实现驱动频率带在40GHz的高速光调制。

但是，由于图14所示的半导体光调制器的结构没有势垒，所以如果加载电压就流动大电流。这里，该元件是以使用BRAQWET层(Barrier-Reservoir And Quantum-Well Electron-Transfer层)作为光波导层83为前提。关于BRAQWET层，例如，在T.Y.Chang，et al.、Novelmodulator structure permitting synchronous band filling of multiplequantum wells and extremely large phase shifts、Electron Device Meeting1989，Technical Digest，International，3-6Dec.1989.，p.737-740(下面称为文献3)中有所详细说明。

BRAQWET层具有依次层叠n型半导体层、MQW光波导层、p型半导体层、n型半导体层的结构。图15A及图15B是表示BRAQWET层的频带结构的图。图15A表示没有加载电压的状态，图15B表示加载了电压的状态。如图15A所示，BRAQWET层的频带结构利用了n型半导体部分和p型半导体部分的费米能级的不同，并利用p型半导体部分作为相对电子的势垒。此外，如图15B所示，由于存在屏障使得加载电压时在两个电极间不流动电子，所以成为对光波导路径进行电压加载的结构。

该结构利用由向MQW光波导层注入电子引起频带填充效应，即利用吸收系数的变化和折射率的变化。仅向MQW光波导层注入电子，空穴(hole)对于电压加载时的响应没有帮助。由于BRAQWET层没有介于移动度小的空穴之间，所以能够对高速电信号进行响应。

实际上，为了p型半导体部分的带隙提高有效地屏蔽电流，n型半导体和p型半导体需要非常精密的浓度控制。但是，很难在层界面急剧地控制n型载流子浓度和p型载流子浓度。此外，如果加大非掺杂的区域，则对非掺杂区域加载电场，并且电光效应的效率降低。

因此，采用BRAQWET结构的实用的光调制器的制造非常困难。所述文献的光调制器的带隙增加，从而通过使用p型半导体作为屏障层来提高屏障。至此还不知道如上结构且具有实际能够使用的消光特性的光调制器。

此外，虽然不是光调制器的例子，但是作为由n型包覆层夹着光波导层的上下的例子，存在具有图16所示的截面结构的前进波型电极光电二极管(Jin-Wei Shi and Chi-Kuang Sun、Design and Analysis ofLong Absorption-Length Traveling-Wave Photodetectors、Journal ofLightwave Thechnology 2000年12月第18卷第12号p.2176-2187(下面称为文献4))。图16所示的前进波型电极光电二极管90具有在SI-GaAs基板91上层叠n型包覆层92、光波导层93和n型包覆层94的叠层结构。为了在加载电压时抑制电流，夹在n型包覆层92和n型包覆层94间的光波导层93使用高电阻GaAs(LTG-GaAs)。前进波型电极光电二极管90具有n型AlGaAs包覆层94上的电极96、n型AlGaAs包覆层92上的电极95。

但是，由于使用低温成长GaAs(LTG-GaAs)作为高电阻GaAs，所以会因低温成长中导入的缺陷产生光损失。

如上所述，在目前讨论的半导体马赫-曾德尔型光调制器中，由于集总常数型调制器在p型半导体部分的光损失大，并根据CR时间常数进行速度限制，所以难于进行10Gbit/s以上的操作。此外，前进波电极型调制器的折射率的调制效率很低，相位调制部的小型化困难，操作电压变高。

发明内容

本发明鉴于上述情况，目的在于提供一种同时实现低电压化、小型化和高速化的半导体马赫-曾德尔型光调制器、半导体相位调制器等半导体光调制器。

解决所述问题的本发明的第一方面为，半导体光调制器具有在基板上依次层叠半绝缘型包覆层、半导体光波导层、半绝缘型包覆层的层结构，其中，至少一个所述半绝缘型包覆层的、包含与所述半导体光波导层的叠层面相对的面的一部分或者全部，为n型包覆层。

关于夹着半导体光波导层的半绝缘型包覆层的一个列举有，包括与半导体光波导层的叠层面相对的面的一部分或半绝缘型包覆层全部为n型包覆层的情况；对于夹着半导体光波导层的半绝缘型包覆层的两个列举有，包括与半导体光波导层的叠层面相对的面的一部分或者半绝缘型包覆层全部为n型包覆层的情况(其中，两个半绝缘型包覆层不都是n型包覆层)。

换言之，作为第一个例子，在基板上依次层叠n型包覆层(下面称为n层)、半绝缘型包覆层(下面称为SI层)、半导体光波导层(下面称为光波导层)、SI层、n层。作为第二个例子，在基板上依次层叠n层、SI层、光波导层、SI层。作为第三个例子，在基板上依次层叠SI层、光波导层、SI层、n层。作为第四个例子，在基板上依次层叠SI层、光波导层、n层。作为第五个例子，在基板上依次层叠n层、光波导层、SI层。作为第六个例子，在基板上依次层叠n层、光波导层、SI层、n层。作为第七个例子，在基板上依次层叠n层、SI层、光波导层、n层。

解决所述问题的本发明的第二方面为，半导体光调制器具有层叠n型包覆层、光波导层、n型包覆层的层结构，其中，半绝缘型包覆层被层叠在所述n型包覆层的至少一个和光波导路径层之间。

换言之，在本发明的第一方面存在第一个例子、第六个例子和第七个例子的情况。

由于本发明的半导体光调制器，在n型包覆层和半导体光波导层之间插入半绝缘型包覆层，所以与所述文献1中公开的光调制器不同。此外，本发明的半导体光调制器与所述文献4中公开的前进波电极型光电二极管也不同。即，本发明的半导体光调制器，使用不是高电阻的半导体光波导层(例如非掺杂光波导层)，并在不是高电阻的半导体光波导层和n型包覆层之间插入半绝缘型包覆层。

换言之，本发明的半导体光调制器中，在半导体光波导层的上下面的至少一个上配置半绝缘型包覆层，而且，在所述半导体光波导层上面的半绝缘型包覆层的上表面或者所述半导体光波导层下面的半绝缘型包覆层的下表面的至少一个上，配置n型掺杂层。这样，由于不使用p型掺杂层，故没有p型半导体的光吸收损失或p型电极的导体损失，能够实现低损失的光波导路径和前进波型电极结构。

此外，通过在半导体光波导层的上下面的至少一个上配置半绝缘型包覆层，既使在半导体光波导层的上侧以及下侧两方存在n电极，也能够不流动电流地进行电压加载。

本发明的半导体光调制器，能够将电极层间的距离形成为5μm以下。即，与目前的前进波型电极结构的半导体光调制器比较，本发明的半导体光调制器能够加大电场强度。因此，本发明的半导体光调制器，折射率的调制效率很高，并可以使相位调制器小型化，而且能够降低操作电压。此外，本发明的半导体光调制器，通过采用前进波型电极结构，可不像集总常数电极一样受到CR时间常数的限制，即使在10Gbit/s以上的高频带域也能够操作。

本发明的半导体光调制器能够使用非掺杂半导体层作为半导体光波导层。即，可以有意地掺杂Fe等半绝缘性杂质，或者可以不谋求通过低温成长来实现高电阻化。在使用非掺杂半导体层作为半导体光波导层的情况下，光波导层的光损失变小。在本发明的半导体光调制器中，特别是在仅在半导体光波导层的上面或下面的一面配置半绝缘型包覆层的情况下，可以通过半绝缘型包覆层的势垒，在半导体光波导层上形成大的电场。

解决所述问题的本发明的第三方面为，在第一方面或者第二方面的任意一个方面所涉及的半导体光调制器中，波导路径结构为高台面波导路径结构或脊波导路径结构。

高台面波导路径结构为通过蚀刻形成直到半导体光波导层的下方(向着基板侧的方向)的层的光波导路径的结构。脊波导路径结构为通过蚀刻形成直到半导体光波导层的上方(离开基板侧的方向)的层的光波导路径的结构。

解决所述课题的本发明的第四方面为，在第一方面或者第二方面的任何一个方面所涉及的半导体光调制器中，在紧贴基板的n型包覆层或者半绝缘型包覆层、和包括与层叠在基板上的半导体光波导层的叠层面相对的面的n型包覆层或者半绝缘型包覆层上，连接电极，并进行电压加载。

由于在本发明的第一方面说明的、在第一、第六或第七的例子中，紧贴基板以及层叠在基板上的最上层存在n型包覆层，所以两个电极与这些n型包覆层连接。此外，在第2～第5的例子中，由于一个是n型包覆层，另一个是半绝缘型包覆层，所以一个电极与n型包覆层连接，另一个电极与半绝缘型包覆层连接。

n型包覆层具有导电性，并起到与电极相同的作用。因此，可以使在半导体光波导层发生电场的实质电极间隔小于实际的电极-电极间的间隔。

解决所述问题的本发明的第五方面为，在本发明的第四方面所涉及的半导体光调制器中，所述电极为共面波导线路结构。

解决所述问题的本发明的第六方面为，半导体马赫-曾德尔型光调制器具有，第一方面到第五方面的任何一个方面所涉及的半导体光调制器、对输入光进行二分的光分波器、和对由所述半导体光调制器调制的光进行合波的合波器。

目前的pin结构的调制器能够高效率地利用由电场产生的折射率调制。但是，目前的pin结构的调制器具有，p型半导体的光吸收损坏或p型电极的导体损失、因光和电场的速度不匹配导致难于形成前进波型电极结构的缺点。

本发明的半导体马赫-曾德尔型光调制器，可以通过采用所述本发明的第一方面到第五方面的结构，能够实现可以高效率地发生由电场产生的折射率调制的前进波型电极结构。

附图说明

图1是第一实施方式的半导体光调制器的电场加载部分的波导路径(高台面结构)的简略截面图。

图2是第一实施方式的半导体光调制器的电场加载部分的波导路径(脊结构)的简略截面图。

图3是SI半导体层的厚度和耐压的关系图。

图4A是第一实施方式的半导体光调制器的频带图，表示无电场的状态。

图4B是第一实施方式的半导体光调制器的频带图，表示加载电场的状态。

图5是第二实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的简略外观图。

图6是第二实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的相位调制光波导路径部分的简略截面图。

图7A是表示第二实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的相位调制波导路径的电压-电流特性的曲线图。

图7B是表示第二实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的相位调制波导路径的电压-电流特性的曲线图。

图8A是表示第二实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的电压加载时的透过光强度特性的图。

图8B是表示第二实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的电压加载时的透过光强度特性的图。

图9A是表示第二实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的小信号响应特性的图。

图9B是表示第二实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的40Gbit/s的目视图的图。

图9C是表示第二实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的40Gbit/s的误码率的图。

图10A是表示第二实施方式的带有前进波型电极的马赫-曾德尔型光调制器的速度匹配条件的台面依赖性的图。

图10B是表示第二实施方式的带有前进波型电极的马赫-曾德尔型光调制器的阻抗匹配条件的台面依赖性的图。

图11是第三实施方式的半导体光调制器的电场加载部分的波导路径(高台面结构)的简略截面图。

图12是第三实施方式的半导体光调制器的电场加载部分的波导路径(脊结构)的简略截面图。

图13是目前的前进波型电极结构的半导体光调制器的电场加载部分的波导路径的简略截面图。

图14是目前的前进波型电极结构的半导体光调制器的其它例子，是该光调制器的电场加载部分的波导路径的简略截面图。

图15A是表示没有加载电压的状态的BRAQWET层的频带结构的图。

图15B是表示加载电压的状态的BRAQWET层的频带结构的图。

图16是具有由n型包覆层夹着光波导层的上下之结构的前进波型电极光电二极管的简略截面图。

具体实施方式

<第1实施方式>

图1是第一实施方式的InP系列多层量子井半导体光调制器的波导路径的简略截面图，表示波导路径的电场加载部分的截面结构。

本实施方式的半导体光调制器具有，通过蚀刻处理将在SI-InP基板11上依次层叠n-InP包覆层12、光波导层13、SI-InP包覆层14、n-InP包覆层15的叠层体加工成台面状的光波导路径结构。

第一实施方式的半导体光调制器为，被蚀刻到光波导层13以下(本实施方式中，光波导层13的下层是n-InP包覆层12)的高台面波导路径结构10。

图1所示的半导体光调制器在n-InP包覆层15的上面具有电极16，在n-InP包覆层12的上面具有接地电极17。由于在电极16和接地电极17之间加载高频信号，所以电极结构采用具有在两个接地电极17之间夹着电极16的结构的共面波导线路(CPW)结构。

作为波导路径结构，也能够采用蚀刻到光波导层之上的脊波导路径结构。图2是表示适用于脊波导路径结构20的波导路径的电场加载部分的截面结构。图2所示的波导路径，在SI-InP基板21上依次层叠n-InP包覆层包覆层22、光波导层23、SI-InP包覆层24、n-InP包覆层25，并被蚀刻到作为光波导层23的上层的SI-InP包覆层24。

图2所示的半导体光调制器在n-InP包覆层25的上面具有电极26。接地电极需要连接在作为光波导层的下层的n-InP包覆层。图2所示的脊波导路径结构具有从SI-InP包覆层24的表面到n-InP包覆层22的槽，并以与n-InP包覆层22连接的方式配置接地电极27。

在连接接地电极27和n-InP包覆层22的情况下，通过接地电极27和光波导层23的接触，在电压加载时电子流入光波导层23，存在电光学特性恶化的可能性。但是，由于光波导层23是非掺杂层，所以通过在充分离开脊波导路径部分的情况下形成接地电极27和n-InP包覆层22的连接部分(槽)，可以解决上述问题。

例如，在图1所示的半导体光调制器的情况下，通过操作时在电极16和接地电极17之间加载电压，能够在光波导层13发生信号电场(在图1中以箭头表示)。在第一实施方式中，n-InP包覆层15和n-InP包覆层12具有导电性，并起到与电极同样的作用。不会在光波导层13产生电场的电极的间隔，实质上是n-InP包覆层15和n-InP包覆层12的间隔。

由此，第一实施方式的半导体光调制器，与目前例子(参照图13)比较，可实质减少电极间隔，增加光波导层13中的电场强度，提高电光效应。

接着，对于决定实际的电极间隔的、光波导路径13和SI-InP包覆层14的层厚，特别是SI-InP包覆层14的层厚进行说明。

经过电极16以及接地电极17，在n-InP包覆层15和n-InP包覆层12之间可加载的电压值，由在两个n型半导体层之间夹持的SI-InP包覆层14的耐压决定。图3表示SI-InP包覆层的厚度和耐压的关系。

如图3所示，在SI-InP包覆层14的层厚是0.5μm时，耐压是±2.5V，在层厚是1.0μm时，耐压是±7.0V，在层厚是2.0μm时，耐压是±25V。

这里，由于第一实施方式的半导体光调制器与目前例子的半导体光调制器(参照图13)比较，实质的电极间隔(n-InP包覆层15和n-InP包覆层12的间隔)很小，所以能够以较低的加载电压产生高强度的电场，并能够高效率地利用电光效应。

目前例子的半导体光调制器，电极间隔大到约9μm，并且需要随之加载高电压(28V左右)。第一实施方式的半导体光调制器，不但减少了实质的电极间隔，还可以提高电光效应的效率，并能够实现驱动电压的低电压化、元件小型化等。

在第一实施方式的半导体光调制器中，在光波导层13到电极16的距离为1μm以下的情况下，信号光的损耗因构成电极16的金属而增大。因此，第一实施方式的半导体光调制器中，光波导层13到电极16的距离优选为1μm以上。

光波导层13到电极16的距离，由n-InP包覆层15和SI-InP包覆层14的层厚所决定。第一实施方式的半导体光调制器，既使在为了得到速度匹配和阻抗匹配而减少SI-InP包覆层14的层厚的情况下，也可以通过调整(加大)n-InP包覆层15的层厚，将光波导层13到电极16的距离维持在1μm以上。因此，能够形成可防止由电极16导致的光损失的、高效率地利用电光效应的相位调制部。

图4A及图4B表示第一实施方式的InP系列多层量子井半导体光调制器的频带图。图4A表示了没有加载电压的状态的频带图，图4B表示了加载电压的状态的频带图。图4A及图4B表示，与由从图右侧开始在SI-InP基板上依次层叠的n-InP包覆层12、光波导层13、SI-InP包覆层14、n-InP包覆层15构成的结构相对应的方式的频带结构。图4A及图4B表示光波导层13是由带隙波长1370nm的非掺杂多层量子井层(MQW)13a、和在其上下配置的带隙波长1300nm的非掺杂InGaAsP光关入层13b构成的情况的频带结构。

SI-InP包覆层14的频带结构，通过掺杂的Fe原子作为在深能级离子化的受体进行移动，并通过离子化的受体的电荷使频带弯曲，形成相对电子1的势垒。通过势垒防止电子1的泄漏电流，在电压加载时，能够有效地对光波导层13加载电场。

另外，本发明的第一实施方式的半导体光调制器，不限于上述方式，也可以在光波导层13和电极16之间仅形成SI-InP包覆层。此外，本发明的第一实施方式的半导体光调制器，还可以使光波导层13和电极16之间为n-InP包覆层，用SI-InP包覆层代替n-InP包覆层12。此外，本发明的第一实施方式的半导体光调制器，也可以为使光波导层13和电极16之间为n-InP包覆层，以SI-InP包覆层和n-InP包覆层的叠层结构(在光波导层13的正下面形成SI-InP包覆层)来代替n-InP包覆层12的层叠结构。

以上，基于图1所示的具有高台面波导路径结构的半导体光调制器，说明了第一实施方式，图2所示的具有脊波导路径结构的半导体光调制器也能够得到同样的效果。

<第2实施方式>

图5表示第2实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的简略外观。如图5所示，马赫-曾德尔型光调制器60具有：在基板上形成的、将输入光进行二分的2×2多模式干涉型(MMI)耦合器68a；基于加载二分的光的相位的电压，分别进行调制的两根相位调制波导路径69a、69b；合波被调制的光的2×2多模式干涉型耦合器68b；对相位调制波导路径69a、69b加载电场的信号电极66以及接地电极67。这里，相位调制波导路径69a、69b的长度L(相位调制区域)是3mm。

图6表示第二实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的相位调制波导路径的简略截面图。如图6所示，第二实施方式的马赫-曾德尔型光调制器在SI-InP基板61上依次层叠：n-InP包覆层62，由MQW和配置在其上下面的InGaAsP光关入层所构成的光波导层63，SI-InP包覆层64，n-InP包覆层65，以及波导路径台面上部具有的信号电极66，台面底部(n-InP包覆层62上)具有的接地电极67。

MQW的吸收波长是1370nm，是充分离开信号光1550nm的波长。波导路径的台面是2.0μm、台面高度是3.0μm、SI-InP包覆层64的层厚是1.0μm。

图7A及图7B表示本实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的相位调制波导路径的电压-电流特性。图7A表示加载的电压和泄漏电流的关系，图7B以对数方式表示图7A的电压0V以上的区域的泄漏电流。图7A及图7B表示相位调制波导路径69a、69b具有泄漏电流非常小的±15V左右的耐压性，以及有效地对光波导层63和SI-InP包覆层64加载电压。

理解得到，层厚1.0μm的SI-InP包覆层64具有泄漏电流200μA以下的优异的势垒特性。另外，通过SI-InP包覆层64的Fe掺杂量比第一实施方式的SI-InP包覆层14(参照图1)的Fe掺杂量多，使耐压提高约2倍。

如上所述，通过使用SI-InP包覆层作为势垒，与由BRAQWET结构形成的p型半导体屏障相比，制造可以非常容易，并且可以形成耐压性能优异的优质屏障。换言之，相对于耐压是±2V左右，BRAQWET结构通过使用SI-InP包覆层作为势垒，能够得到大约±15V的耐压。

BRAQWET结构为，通过向MQW注入电子来利用吸收系数的变化或折射率的变化的结构。另一方面，第一及第二实施方式的光调制器使用利用由向光波导层加载电压产生的光电效应的方法。第一及第二实施方式的方法，与BRAQWET结构所使用的方法相比，能够较小地抑制波长脉冲以及波长依赖性。第一及第二实施方式的方法能够满足光调制器广泛需求的特性。

所述文献5提及使用BRAQWET结构。但是，文献5没有对MQW结构进行说明。第一及第二实施方式的波导路径结构，主要特征在于使用半绝缘型半导体作为阻止电流的流动的层。此外，第一及第二实施方式的波导路径结构，没有向光波导层注入电子，并利用由加载电压产生的光电效应。这样，本发明提供一种与文献5所记载的光调制器的元件结构、操作原理完全不同的波导路径结构。

图8A及图8B表示第二实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的电压加载时的透过光强度的变化。图8A及图8B表示输入光的波长在1520nm～1620nm变化时各波长的透过光强度的变化。图8A是图8B的反向偏置电压6V以下的区域的放大图。如图8A及图8B所示，本实施方式的马赫-曾德尔型光调制器，在位于输入光波长1530～1570nm的40nm的波长区域中，能够得到15dB以上的消光比，并可以在反向偏置电压2.2V的相同操作条件下进行不依赖波长的操作。

此外，图8A及图8B表示反向偏置电压处于光相位反转的电压(2Vπ)时，没有产生透过光强度的恶化。这里，Vπ是马赫-曾德尔型光调制器中为了消光所需要的电压。该特性是由在光波导层区域几乎没有光吸收得到的特性。在利用如BRAQWET结构的频带能级的变化的结构中，由于输入光波长和频带能级存在紧密的关系，所以得不到这样的不依赖波长的特性。

第二实施方式的马赫-曾德尔型光调制器，通过充分地从输入光波长分离光波导层的吸收端波长、以及形成利用光电效应的结构，能够得到如上所述的不依赖于波长以及不产生吸收的特性。

目前的肖特基电极型调制器的相位调制波导路径的长度大致是10mm。在第二实施方式中，通过减少电场加载区域，能够高效率地进行相位调制，并且能够利用短至3mm的相位调制波导路径来充分地调制信号光。

接着，说明第二实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的高速驱动特性。本发明的光调制器的光波导路径中，与两个电极连接的半导体层是n型半导体。由于本发明的光调制器的光波导路径没有使用p型半导体层，所以能够避免由p型半导体层引起的电信号损耗或者光吸收损耗。此外，本发明的光调制器的光波导路径，通过对由波导通路层的宽度、或者光波导层和SI-InP包覆层构成的电场加载区域的厚度进行控制来调整光波导路径的电容成分，能够匹配电信号和信号光的速度条件或阻抗条件。本发明的光调制器的光波导路径，通过采用匹配了速度条件和阻抗条件的前进波型电极结构，能够实现通过高速电信号调制光的高速光调制器。

图9A、图9B和图9C是表示本实施方式的马赫-曾德尔型光调制器的高频信号驱动特性的曲线图。图9A表示有对高频电信号和光调制信号的响应特性进行表示的小信号频率特性。如图9A所示，频率响应降低3dB的小信号频带域是40GHz，并在40Gbit/s的调制中得到充分的带域。此外，图9B表示40Gbit/s的曲线图。如图9B所示，能够确认明显的目视(アイ)开口，并能够高速地光调制。图9C表示以40Gbit/s进行调制时测量的误码率的结果。如图9C所示，可以得知能够实现无误差操作，本实施方式的马赫-曾德尔型光调制器具有高速光调制器的作用。

接着，说明第二实施方式的马赫-曾德尔型光调制器中与速度匹配条件、阻抗匹配条件台面相对应的容许量。通过控制调制器的光波导路径的电容成分，得到速度匹配和阻抗匹配。这里，能够通过控制波导路径层的宽度、或者由光波导层和SI-InP包覆层构成的电场加载区域的厚度，调整光波导路径的电容成分。因为电场加载区域的厚度是半导体层的层厚，所以可以通过外延式成长，进行数十埃单位的精密控制。另一方面，由于通过半导体表面的蚀刻来控制波导路径层的宽度，所以仅发生0.1μm单位的加工误差。

图10A是表示半绝缘层厚度是0.8μm、1.0μm、1.2μm的光波导路径中，通过计算求得的速度匹配条件的台面容许量的结果的图。此外，图10B是表示在半绝缘层厚度是0.8μm、1.0μm、1.2μm的光波导路径中，通过计算求得的阻抗匹配条件的台面容许量的结果的图。

详细地说，图10A表示具有一定厚度的半绝缘层的光波导路径的宽度(图的横轴)、和对该光波导路径给予电信号时的电信号的速度(图的纵轴)的关系。根据图10A，可以得知，波导路径宽度越大，电信号的速度越慢。此外，根据图10A，还可以得知，半绝缘层的厚度越大，电信号的速度越快。结果，如从图10A所理解的，半绝缘层厚度1.0μm的光波导路径满足速度匹配条件，即，波导路径宽度为2.1μm时，电信号的速度和在波导路径中传播的信号光的速度(9.29×10⁷m/s)一致。

如果考虑低于40Gbit/s的速度的光调制特性，则可以容许由通过3mm的相位调制区域后的信号光和通过3mm的信号电极66后的电信号的速度不匹配引起的相位长度的偏差低于150μm。如果可容许的150μm的相位长度的偏差换算为电信号的容许速度范围，则该速度范围为8.83×10⁷m/s～9.75×10⁷m/s。

结果，为了满足速度匹配的波导路径宽度容许量成为速度完全匹配的2.1μm±0.3μm、即1.8μm～2.4μm。由于该容许量对于加工来说非常宽，所以既使有一些加工误差，也能够制造高成品率的光调制器。

此外，图10B表示具有一定厚度的半绝缘层的光波导路径的宽度(图的横轴)和对该光波导路径给予电信号的信号电极66的特性阻抗(图的纵轴)的关系。根据图10B可以得知，波导路径宽度越大，特性阻抗降得越低，半绝缘层的厚度越大，特性阻抗变得越大。结果，如从图10B所理解的，半绝缘层厚度1.0μm的光波导路径满足阻抗匹配条件，即波导路径宽度为2.1μm时，信号电极66的特性阻抗同与马赫-曾德尔型光调制器60连接的周边设备的阻抗50Ω一致。

这里，设备彼此连接时，如果不考虑5Ω左右的阻抗的偏差对光调制特性产生的影响，信号电极66的特性阻抗的容许范围能够是45Ω～55Ω。结果，用于满足阻抗匹配条件的波导路径宽度容许量是阻抗完全匹配的约2.1μm±0.35μm、即1.75μm～2.45μm。由于该容许量对于加工精度来说也非常宽，所以，由加工误差受到的影响很小，并且能够容易地制造可高速调制的光调制器。

目前的半导体马赫-曾德尔型光调制器在集总常数型光调制器的p型半导体部分的光损失很大，因CR时间常数产生的速度限制，很难进行10Gbit/s以上的操作。此外，目前的半导体马赫-曾德尔型光调制器的前进波电极型光调制器的折射率的调制频率很小，很难进行相位调制部的小型化，并且操作电压很高。

如上所述，第二实施方式的半导体马赫-曾德尔型光调制器和相位调制器，在两个n型掺杂包覆层之间，具有夹着光波导层和SI包覆层的层结构，由于没有使用p型掺杂层，所以没有p型半导体光吸收损坏或者p型电极的导体损失，并且能够实现消除由p型掺杂层引起的问题的光波导路径或者前进波型电极结构。

此外，与具有目前的前进波型电极结构的半导体马赫-曾德尔型光调制器相比较，由于第二实施方式的半导体马赫-曾德尔型光调制器和相位调制器，能够将电极层间的距离处于5μm以下，所以能够加大电场强度。因此，第二实施方式的半导体马赫-曾德尔型光调制器和相位调制器中，能够加大折射率的调制效率，并且能够使相位调制部小型化，还可以降低操作电压。

此外，第二实施方式的半导体马赫-曾德尔型光调制器和相位调制器，通过采用前进波型电极结构，不受CR时间常数的限制，在10Gbit/s以上的高频带域也能够进行操作，并且因为调制效率高，所以能够实现元件的小型化、低电压化。

<第3实施方式>

图11是第三实施方式的InP系列多层量子井半导体光调制器的波导路径的简略截面图，图11表示了波导路径的电场加载部分的截面结构。

第三实施方式的半导体光调制器具有，通过蚀刻工序将叠层体加工成台面状的光波导路径结构，该叠层体是在SI-InP基板41上依次层叠n-InP包覆层42、SI-InP包覆层48、光波导层43、SI-InP包覆层44、n-InP包覆层45的叠层体。

第三实施方式的半导体光调制器，在光波导层43和n-InP包覆层包覆层42之间设置SI-InP包覆层48，在通过SI-InP包覆层48、44夹持光波导层43的叠层结构这一点，与第一实施方式不同。

第三实施方式的半导体光调制器为，在蚀刻处理时蚀刻到光波导层43的下面(在本实施方式中，n-InP包覆层42)的高台面波导路径结构40。

第三实施方式的半导体光调制器，在n-InP包覆层45的上面具有电极46、在n-InP包覆层42的上面具有接地电极47。

为了向两个电极之间加载高频信号，电极结构是在两个接地电极47之间夹着电极46的结构的共面波导路线(CPW)结构。

波导路径结构也能够是在光波导层上停止蚀刻的脊波导路径结构。图12表示适用于脊波导路径结构50的第三实施方式的半导体光调制器的电场加载部分的截面结构。适用脊波导路径结构50的第三实施方式的半导体光调制器，在SI-InP基板51上依次层叠n-InP包覆层52、SI-InP包覆层58、光波导层53、SI-InP包覆层54、n-InP包覆层55，并蚀刻到作为光波导层53的上层的SI-InP包覆层54。

图12所示的半导体光调制器在n-InP包覆层55的上面具有电极56。接地电极需要与位于光波导层的下侧的n-InP包覆层连接。图12所示的半导体光调制器具有，从SI-InP包覆层54的表面到n-InP包覆层52的槽，并以与n-InP包覆层52连接的方式设置接地电极57。

在将接地电极57和n-InP包覆层52连接时，对于接地电极57和光波导层53接触的问题，同第一实施方式所说明的一样。

操作时，通过在电极46和接地电极47之间加载电压，在光波导层43产生信号电场(在图11中由箭头表示)。由于第三实施方式的半导体光调制器的n-InP包覆层45和n-InP包覆层42具有导电性且起到与电极同样的作用，所以能够减少实际的电极间隔，并且能够得到高效率的电光效应。

由于第三实施方式的半导体光调制器的实际的电极间隔(n-InP包覆层45和n-InP包覆层42的间隔)很小，所以也可以以较低的加载电压产生高强度的电场，并且能够实现驱动电压的低电压化、元件的小型化等。

但是，与第一实施方式的半导体光调制器相比，第三实施方式的半导体光调制器的实际电极间隔仅大SI-InP包覆层48的部分。因此，就电光效应的效率方面等，第一实施方式的半导体光调制器优于第三实施方式的半导体光调制器。但是，第三实施方式的半导体光调制器设置了SI-InP包覆层44和48，并通过形成以SI-InP包覆层44、48夹持光波导层43的叠层结构，使第三实施方式的半导体光调制器的电压的加载方向不限定于单一方向，所以其具有方便性高的优异功能。

另外，第三实施方式的半导体光调制器中的光波导层43到电极46的距离与第一实施方式的半导体光调制器相同，优选1μm以上。第三实施方式的半导体光调制器，即使在为了提高电光效应的效率而减少SI-InP包覆层44的层厚的情况，也可以通过调整(加大)n-InP包覆层45的层厚，将光波导层43到电极46的距离维持到1μm以上。因此，第三实施方式的半导体光调制器，既可以防止由电极46引起的光损失，也能够形成可高效率地利用电光效应的相位调制部。

另外，第三实施方式的半导体光调制器，也可以在光波导层43和电极46之间仅形成SI-InP包覆层，相反的，也可以将n-InP包覆层42的部分形成为SI-InP包覆层，并在光波导层43和SI-InP基板41之间仅形成SI-InP包覆层。

以上，基于具有图11所示的高台面波导路径结构的半导体光调制器，对第三实施方式进行说明，但是，即使是具有图12所示的脊波导路径结构的半导体光调制器，也能够得到同样的效果。

由于本发明的半导体光调制器没有使用p型掺杂层，所以没有p型半导体的光吸收损失或者电信号的导体损失，并且能够实现低损失的光波导路径和前进波型电极结构。此外，通过在光波导层的至少一面配设SI包覆层，不仅能够防止向光波导层流入电子，还能够进行电压加载。

由于本发明的半导体光调制器与目前的前进波型电极结构的半导体光调制器相比，电极层间的距离能够处于5μm以下，所以能够加大光波导层的电场强度。由此，可以使折射率的调制效率变大且小型化相位调制部，同时还能够降低操作电压。

此外，通过采用前进波型电极结构，并没有如集总常数电极一样对CR时间常数进行限制，不仅可以在10Gbit/s以上的高频带域进行操作，还因调制效率的提高，能够实现元件的小型化、低电压化。

Claims

1.一种具有在基板上依次层叠第一半绝缘型包覆层、半导体光波导层和第二半绝缘型包覆层的层结构的半导体光调制器，其特征在于，

所述第一半绝缘型包覆层和所述第二半绝缘型包覆层的、包含与所述半导体光波导层的叠层面相对的面的一部分或全部，为n型包覆层。

2.如权利要求1所述的半导体光调制器，其特征在于，

波导路径结构是高台面波导路径结构或者脊波导路径结构。

3.如权利要求1所述的半导体光调制器，其特征在于，

在所述基板正上方的n型包覆层或者半绝缘包覆层上、和包含与层叠在所述基板上的所述半导体光波导层的叠层面相对的面的n型包覆层或者半绝缘型包覆层上，连接电极，并进行电压加载。

4.如权利要求3所述的半导体光调制器，其特征在于，

所述电极具有共面波导线路结构。

5.一种半导体马赫-曾德尔型光调制器，其特征在于，

具有：

权利要求1到4中任意一项所述的半导体光调制器；

对输入光进行二分的光分波器；和

对由所述半导体光调制器调制的光进行合波的合波器。

6.一种具有在基板上依次层叠n型包覆层、光波导层、n型包覆层的层结构的半导体光调制器，其特征在于，

半绝缘型包覆层被层叠在所述n型包覆层的至少一个和光波导层之间。

7.如权利要求6所述的半导体光调制器，其特征在于，

波导路径结构是高台面波导路径结构或者脊波导路径结构。

8.如权利要求6所述的半导体光调制器，其特征在于，

9.如权利要求8所述的半导体光调制器，其特征在于，

所述电极具有共面波导线路结构。

10.一种半导体马赫-曾德尔型光调制器，其特征在于，

具有：

权利要求6到9中任意一项所述的半导体光调制器；

对输入光进行二分的光分波器；和

对由所述半导体光调制器调制的光进行合波的合波器。