JP2003177368A - 半導体光変調器、マッハツェンダ型光変調器、及び光変調器一体型半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光導波路コア層に効率的に電界を印加し、尚
且つ変調波の伝搬特性を劣化させない半導体光変調器、
マッハツェンダ型光変調器、及び光変調器一体型半導体
レーザを提供する。 【解決手段】 半絶縁性の半導体基板１０１上にｎ型ク
ラッド層１０２を積層し、この上に光導波路層１０３を
形成する。光導波路層１０３は、クラッド層１０３ｂ及
び１０３ｃと、クラッド層１０３ｂ及び１０３ｃで挟ま
れた光導波路コア層１０３ａとより成る。また、光導波
路層１０３上にはｎ型クラッド層１０４を形成する。こ
のように、光導波路層１０３の上下に形成するクラッド
層として、導電率が比較的高く、光吸収が比較的小さ
く、不純物が比較的拡散しにくいｎ型の半導体を用い、
更にｎ型クラッド層１０２及び１０４間に半絶縁性の層
を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体光変調器、
マッハツェンダ型光変調器、及び光変調器一体型半導体
レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術における半導体光変調器、特に
光の位相を操作する光位相変調器及びマッハツェンダ型
光変調器は、素子の小型化が可能であったり半導体レー
ザとの集積が可能であったり等の利点を有している。更
に、他の光変調器と比較してローコスト化が図れるとい
う利点も有している。

【０００３】このような利点を有することから、特に長
距離大容量光通信において、短距離から中長距離までを
カバーする電気−光変換素子として半導体光変調器は広
く研究されている。また、マッハツェンダ型光変調器は
伝送距離を制限する波長チャーピングを原理的になくす
ことが可能なため、４０Ｇｂｐｓを超える高速動作変調
器として期待されている。

【０００４】しかしながら、半導体光変調器では電極の
容量及びリード線のインダクタンスにより素子の動作速
度が制限される。このため、高速動作可能な光変調器を
作成する場合、進行波型電極を用いることが不可欠であ
る。また、進行波型電極を有する素子においては、伝搬
する変調波の損失を極力減らすことが重要となってく
る。

【０００５】従来では、このような変調波の伝搬損失を
減らすために変調波の単位長さあたりの減衰係数を小さ
くすることや素子長を短くすること等が施されてきた。
一般的に、変調波の減衰係数を小さくするためには導電
層間の空隙を広くすることが有効であり、また、素子長
を短くするためには電界光学効果を持つコア層に効率よ
く電界をかけること、即ち導電層間を狭めることで単位
長さあたりの位相変調量を増すことが有効である。

【０００６】以上のことを前提として、以下に、従来技
術による光位相変調器の層構造を２種類例示する。但
し、以下の説明において‘ｉ−’は絶縁性であることを
意味し、‘ｐ−’はｐ型の導電性であることを意味し、
‘ｎ−’はｎ型の導電性であることを意味するものとす
る。

【０００７】図１（ａ）は、従来技術において各層がド
ーピングされていない（ノンドープ型）の光位相変調器
の一例を光軸に対して垂直に切断した場合の層構造を示
す断面図である。この層構造を持つ光位相変調器１１０
０を以下の説明において従来技術１という。

【０００８】図１（ａ）を参照すると、光位相変調器１
１００は、絶縁性の基板（ＩｎＰ基板）１１０１上に、
ノンドープ、即ち導電性でないクラッド層（ｉ−ＩｎＰ
クラッド層１１０２，１１０４）で挟まれたｉ−光導波
路コア層１１０３が形成されている。また、このように
形成された素子の上面及び下面には、それぞれ金属電極
（シグナル）１１０５ａ，金属電極（グランド）１１０
５ｂが形成されている。

【０００９】この構成において、金属電極１１０５ａと
１１０５ｂとの間の領域、即ち、光位相変調器を構成す
るｉ−ＩｎＰ基板１１０１，ｉ−ＩｎＰクラッド層１１
０２，ｉ−光導波路コア層１１０３，ｉ−ＩｎＰクラッ
ド層１１０４の何れの層もドーピングが施されていない
ため導電性を持たない。これにより、金属電極１１０５
ａ，１１０５ｂを介して光位相変調器へ電界を加える場
合、変調波の伝搬特性、特に変調波の単位長さあたり損
失量を小さく抑えることができる。

【００１０】このように従来技術１による光位相変調器
１１００は、位相変調器を形成するいずれの層もドーピ
ングが施されておらず、導電性を持たない。そのため、
変調波の伝搬特性、特に変調波の単位長さあたりの損失
への影響が小さいという利点がある。

【００１１】また、図１（ｂ）は、従来技術において導
波路がｐｉｎ型素子として構成された光位相変調器の一
例を光軸に対して垂直に切断した場合の層構造を示す断
面図である。この層構造を持つ光位相変調器１２００を
以下の説明において従来技術２という。

【００１２】図１（ｂ）を参照すると、光位相変調器１
２００は、ｎ型の導電性を有するＩｎＰ基板（ｎ−Ｉｎ
Ｐ基板）１２０１上に、ｎ型の導電性を持つクラッド層
（ｎ−ＩｎＰクラッド層）１２０２とｐ型の導電性を持
つクラッド層（ｐ−ＩｎＰクラッド層）１２０４とで挟
まれた絶縁性の光導波路コア層（ｉ−光導波路コア層）
１２０３が形成されている。また、このように形成され
た素子において、ｐ−ＩｎＰクラッド層１２０４の上部
には金属電極（シグナル）１２０５ａが、ｎ−ＩｎＰ基
板１２０１上には金属電極（グランド）１２０５ｂがそ
れぞれ形成されている。

【００１３】このように、ノンドープの光導波路コア層
１２０３をｎ型及びｐ型のクラッド層で挟み込むことで
構成されたｐｉｎ型ダイオード構造を有する素子は、逆
バイアスを印加することでｉ−光導波路コア層１２０３
に効率的に電界を印加することができる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術１では、電界をｉ−光導波路コア層１１０３に効率的
に印加することができないため、印加した電圧に対して
屈折率変化が小さいという問題が存在する。また、この
問題を解決するためには、所望の位相変化を得るために
素子長を長くする、若しくは高い電圧をかけることが必
要となるが、素子長を長くすることは素子の小型化とい
う半導体素子の利点に反し、更に変調波の損失を大きく
するという問題にもつながる。また、高い電圧をかける
ことは、素子の消費電力を高くし、更に素子の駆動回路
の形成が困難となるという問題にもつながる。

【００１５】また、従来技術２では、ｉ−光導波路コア
層１２０３上部のクラッド層にｐ型半導体を用いること
で、光、変調波に対する損失が大きくなるという問題を
有する。

【００１６】また、このクラッド層にドーピングしたｐ
型の不純物は他の領域に拡散しやすい。このため、ｐ型
の不純物がｉ−光導波路コア層１２０３に拡散すること
により、ｐ型不純物イオンやキャリアがｉ−光導波路コ
ア層１２０３中に進入してしまうという問題が存在す
る。これは、ｉ−光導波路コア層１２０３中にｐ型不純
物イオンやキャリアが、ｉ−光導波路コア層１２０３を
伝搬する変調波の伝搬特性に悪影響を及ぼし、ｉ−光導
波路コア層１２０３に効率的な電界が印加できなくなる
ためである。

【００１７】また、上記のような問題を解決ために、ノ
ンドープである絶縁性の層をｉ−光導波路コア層１２０
３とｐ−ＩｎＰクラッド層１２０４との間に設けるよう
構成し、これにより不純物拡散を軽減する方法が存在す
るか、このように構成した場合では、ｉ−光導波路コア
層１２０３へ効率的に電界を印加することが困難となる
問題を有する。

【００１８】また、ｐｉｎ型ダイオード構造を有する素
子では、必らず逆バイアスするように電界を印加しなけ
ればならず、素子の駆動電圧が制限される。

【００１９】従って、本発明は上記問題に鑑みてなされ
たものであり、光導波路コア層に効率的に電界を印加
し、尚且つ変調波の伝搬特性を劣化させない半導体光変
調器、マッハツェンダ型光変調器、及び光変調器一体型
半導体レーザを提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】係る目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、光導波路層と、該光導波路
層に電界を印加する一対の電極とを有し、印加された前
記電界に基づいて前記光導波路層中を伝搬する光を変調
する半導体光変調器であって、前記光導波路層が、前記
一対の電極の間において、同一である所定の導電性の第
１及び第２のクラッド層間に形成されていることを特徴
としている。

【００２１】これにより、請求項１記載の発明では、光
導波路層に効率的に電界を印加し、任意の電界を印加す
ることができる半導体光変調器を提供することが可能と
なる。

【００２２】更に、請求項２記載の発明は、前記所定の
導電性が、ｎ型であることを特徴としている。

【００２３】これにより、請求項２記載の発明では、光
導波路層の上下に形成するクラッド層にドーピングする
不純物として、比較的拡散しにくいｎ型の不純物を用い
ることにより、光導波路層に不純物が拡散し、変調波の
伝搬損失が生じることを防止することが可能となる。ま
た、ｎ型半導体はｐ型半導体と比べ、導電率が高く、光
吸収が小さいため、光及び変調波の損失の低減が可能と
なる。

【００２４】更に、請求項３記載の発明は、前記第１及
び第２のクラッド層間に形成された光導波路層が、光導
波路コア層を含む１層以上の層より形成され、前記光導
波路層の少なくとも何れか１層以上が第１の半絶縁性半
導体層であることを特徴としている。

【００２５】これにより、請求項３記載の発明では、光
導波路層を挟むクラッド層間を電気的に切断して、効率
よく発生した電界を光導波路層へ印加することが可能と
なる。

【００２６】また、請求項４記載の発明は、入射光を第
１及び第２の光路に分派する分派器と、前記第１の光路
を構成する第１の光導波路と、前記第２の光路を構成す
る第２の光導波路と、前記第１の光導波路と前記第２の
光導波路とを合波する合波器と、前記第１及び第２の光
導波路の少なくとも一方上に形成された請求項１から３
のいずれか１項に記載の前記半導体光変調器と、を有す
ることを特徴としている。

【００２７】これにより、請求項４記載の発明では、光
導波路層に効率的に電界を印加し、尚且つ変調波の伝搬
特性を劣化させない半導体光変調器が適用されたマッハ
ツェンダ型光変調器を提供することが可能となる。

【００２８】また、請求項５記載の発明は、同一の半導
体基板上に、請求項１から３の何れか１項に記載の前記
半導体光変調器と、半導体レーザと、が形成され、前記
半導体光編著器と前記半導体レーザとが、前記光導波路
層により光学的に接続されていることを特徴としてい
る。

【００２９】これにより、請求項５記載の発明では、光
導波路層に効率的に電界を印加し、尚且つ変調波の伝搬
特性を劣化させない半導体光変調器が同一基板上にモノ
リシックに形成された半導体レーザを提供することが可
能となる。

【００３０】

【発明の実施の形態】〔原理〕本発明を説明するにあた
り、本発明の原理を先に述べる。

【００３１】本発明は、光導波路層を挟むように形成さ
れるクラッド層の材料としてｎ型の不純物が拡散された
半導体を用いる。また、本発明は、両クラッド層間に半
絶縁性半導体層を設けることで、両クラッド層が電気的
に接続されることを防止する。

【００３２】本発明では、上記のように構成すること
で、本発明では変調波の損失に与える影響を低減し、尚
且つ光導波路層におけるコア層に効率的に電界を印加す
ることが可能となり、小型で、且つ高速、低電圧動作が
可能である半導体光位相変調器、マッハツェンダ型光変
調器、及び光変調器一体型半導体レーザを提供すること
が可能となる。

【００３３】以下、本発明を好適に実施した形態につい
て図面を用いて詳細に説明する。 〔第１の実施例〕まず、本発明の第１の実施例につい
て、図面を用いて詳細に説明する。

【００３４】図２は本実施例による光位相変調器１００
を、光軸方向に対して垂直に切断した際の層構造を示す
断面図である。

【００３５】図２を参照すると、光位相変調器１００
は、半絶縁性の半導体基板１０１上に、ｎ型の不純物が
拡散されたクラッド層（ｎ型クラッド層１０２）が積層
されている。また、ｎ型クラッド層１０２上には、光導
波路層１０３が形成される。

【００３６】光導波路層１０３は、クラッド層１０３ｂ
及び１０３ｃと、クラッド層１０３ｂ及び１０３ｃで挟
まれた光導波路コア層１０３ａとより構成される。ま
た、光導波路層１０３上には、ｎ型の不純物が拡散され
たクラッド層（ｎ型クラッド層１０４）が形成される。

【００３７】ここで、光導波路層１０３は電界光学効果
を有するものである。また、光導波路層１０３を構成す
る光導波路コア層１０３ａは半絶縁性となるようドーピ
ングされた半導体材料又は、ノンドープの半導体材料に
より形成される。ここで、本実施例では光導波路コア層
１０３ａの膜厚を少なくとも０．２μｍ以上０．８μｍ
以下とする。また、光導波路コア層１０３ａの上部又は
下部に形成されるクラッド層１０３ｂ又は１０３ｃは半
絶縁性となるようドーピングされた半導体材料又は、ノ
ンドープの半導体材料により形成される。

【００３８】但し、光導波路コア層１０３ａをノンドー
プの半導体材料により形成した場合、クラッド層１０３
ｂ，１０３ｃの少なくとも何れか一方を半絶縁性の半導
体材料で形成するか、若しくは、ｎ型クラッド層１０２
及び１０４間の何れかに半絶縁性の半導体材料による層
を形成する。また、光導波路コア層１０３ａを半絶縁性
の半導体材料により形成した場合、クラッド層１０３
ｂ，１０３ｃを半絶縁性の半導体材料を用いて形成して
もノンドープの半導体材料で形成してもよく、更には形
成しなくてもよい。本実施例では、このようにｎ型クラ
ッド層１０２及び１０４間に半絶縁性の層を設けること
で、ｎ型クラッド層１０２及び１０４間を電気的に切り
離す。

【００３９】また、本実施例において、ｎ型クラッド層
１０４上には金属電極１０５ａが形成され、また、ｎ型
クラッド層１０２上には光導波路層１０３と同じ側に金
属電極１０５ｂが形成される。

【００４０】この構成において、２つの金属電極１０５
ａ，１０５ｂに電圧を印加すると、光導波路層１０３の
上面及び下面間に電位差が生じ、電界が発生する。この
電界は、光導波路層１０３に集中する。従って、電界光
学効果により光導波路コア層１０３ａの屈折率が変化す
る。

【００４１】このように、本実施例では、光導波路層１
０３の上部又は下部に形成されるｎ型クラッド層１０
２，１０４がｎ型の導電性を有する半導体材料で形成さ
れ、また、ｎ型クラッド層１０２，１０４間には１層以
上の半絶縁性半導体層が形成される。これにより、光導
波路コア層１０３ａに不純物が拡散することなく、且つ
効率的に光導波路コア層１０３ａに電界を印加するよう
構成することが可能となる。

【００４２】上記構成において、半絶縁性の半導体基板
１０１としては、不純物として鉄がドーピングされたＩ
ｎＰ基板を用いる。

【００４３】また、光導波路コア層１０３ａには、例え
ばバンドギャップ波長が１．５μｍで膜厚が４〜１２ｎ
ｍのＧａＩｎＡｓＰ四次混晶と膜厚が５〜２０ｎｍのＩ
ｎＰとを交互に積み重ねた量子井戸構造を有するＭＱＷ
を用いる。但し、これをＡｌＧａＩｎＡｓとＡｌＩｎＡ
ｓとを用いた量子井戸構造を有するＭＱＷにより形成し
てもよい。

【００４４】また、ｎ型クラッド層１０２，１０４に
は、例えばｎ型の不純物がドーピングされたＩｎＰを用
いる。ここで、ｎ型の不純物としては、例えば１×１０
^１８ｃｍ^―３の珪素を用いる。但し、これに硫黄やセレ
ンを適用してもよい。

【００４５】また、ｎ型クラッド層１０２，１０４間に
形成する半絶縁層（クラッド層１０３ｂ，１０３ｃ、若
しくは図示しない層）には、例えば鉄がドーピングされ
た半導体（例えばＩｎＰ）を用いる。但し、この半導体
としては、膜厚が少なくとも０．２μｍ以上であり、ド
ーピングされた鉄の濃度が少なくとも１×１０^１６ｃｍ
^−３以上であるものを用いる。

【００４６】また、クラッド層１０３ｂ，１０３ｃの膜
厚は１〜３μｍ程度とする。更に、金属電極１０５ａ，
１０５ｂは、金メッキによる厚みを含んだ膜厚が５〜３
０μｍとする。

【００４７】上記のように構成された光位相変調器の金
属電極１０５ａ，１０５ｂ間に電位差を与えた場合、ｎ
型クラッド層１０２，１０４に大量の伝導電子が存在
し、この電子が電界を打ち消すように働くため、ｎ型ク
ラッド層１０２，１０４内には電界が発生しない。

【００４８】また、ｎ型クラッド層１０２，１０４間に
設けた半絶縁層（不純物として鉄がドーピングされた半
導体層とする）内部では、ドーピングされた鉄が半導体
層中で深いアクセプタとして機能し、近傍に存在する電
子を捕獲してイオン化するため、自由電子が存在しな
い。このため、この半絶縁層中では電流が流れることが
阻止され、層全体が略絶縁体として機能する。

【００４９】従って、クラッド層１０３ｂ，１０３ｃ双
方に鉄がドーピングされているとすると、図１における
層構造では、光導波路コア層１０３ａとクラッド層１０
３ｂ，１０３ｃとの合計が絶縁層として機能する。

【００５０】また通常、珪素等のｎ型の不純物は亜鉛等
のｐ型不純物と比較すると拡散しにくい。このため、本
実施例による層構造では、設計時に意図したドーピング
プロファイルが略所望する通り実現される。従って、本
実施例では、絶縁層の膜厚が光導波路コア層１０３ａと
クラッド層１０３ｂ，１０３ｃとの合計の厚さに正確に
等しく、また、この絶縁層がｐ型不純物イオンやキャリ
アによる影響を受けないため、光導波路コア層１０３ａ
に対して効率的に電界を印加することが可能となる。

【００５１】また、本実施例では、ｎ型不純物が拡散さ
れた半導体に比べ、光吸収が大きく、導電率の小さいｐ
型の不純物が拡散された半導体を使用していないため、
金属電極１０５ａを伝搬する変調波信号の伝搬損失及
び、光導波路を伝搬する光の伝搬損失を低減することが
できる。

【００５２】これに対し、例えば従来のｐｉｎ型ダイオ
ード構造では、ｐ型の不純物が拡散された層を用いてい
るため、このｐ型の不純物が光導波路コア層１０３ａへ
拡散し、光導波路コア層１０３ａに内部までキャリアが
存在してしまい、光導波路コア層１０３ａが絶縁層とな
らない。このため、金属電極１０５ａを伝搬する変調波
信号の伝搬損失が増大する。

【００５３】例えば４０ＧＨｚの変調波に関しては、ｐ
型の不純物が拡散していない状態に比べ、ｐ型の不純物
が拡散し、その濃度が１×１０^１６ｃｍ^―３程度になっ
た光導波路コア層１０３ａでは、変調波の損失が、拡散
していないものに比べて４倍程度に増大する。

【００５４】また、光導波路コア層１０３ａにｐ型の不
純物が拡散されると、光導波路コア層１０３ａに残留す
る正孔の存在のためにキャリア効果が生じ、変調速度が
制限されるという不具合が発生する可能性がある。

【００５５】更にまた、不純物拡散を制御するために、
光導波路コア層１０３ａとｐ型の不純物が拡散されたク
ラッド層との間にノンドープのＩｎＰ層を例えば０．５
μｍの膜厚で設けた場合、光導波路コア層１０３ａへの
ｐ型の不純物の拡散は減少させることが可能であるが、
ノンドープのＩｎＰ層への拡散は存在するため、変調波
の損失は増加する。更にこのように構成した場合、抵抗
率の大きいｐ型半導体層が設けられているため、本実施
例のような、膜厚０．５μｍの光導波路コア層１０３ａ
と例えば膜厚０．５μｍの半絶縁性のクラッド層とをｎ
型クラッド層１０２，１０４で挟んだ構成を有する光位
相変調器と比較して、変調波の損失は２割以上大きい。

【００５６】光の損失については、例えば、従来のｐｉ
ｎ型ダイオード構造では、ｐ型半導体での光吸収により
本実施例の構造より光損失は２倍程度大きい。

【００５７】また、本実施例の層構造を有する光位相変
調器１００では、例えば金属電極１０５ａ，１０５ｂ間
に５Ｖの電位差を与えた場合、光導波路コア層１０３ａ
に約５×１０４Ｖ／ｃｍ以上の電界が印加されるが、上
記従来のｐｉｎ型ダイオード構造を有する光位相変調器
では、ｐ型の不純物が拡散していないと仮定しても、同
等かそれ以下の電界しか印加することができない。

【００５８】このように本実施例による光位相変調器１
００は、従来のものと比較して、光損失や印加させる電
界の効率の面でも非常に大きなメリットを有している。

【００５９】次に、図３を用いて本実施例による光位相
変調器１００の具体的構成例を説明する。ここで、図３
（ａ）は光位相変調器１００を集中定数型で構成した場
合の集中定数型光位相変調器２００の俯瞰図であり、図
３（ｂ）は光位相変調器１００を分布定数型（進行波
型）で構成した場合の分布定数型光位相変調器３００の
俯瞰図である。

【００６０】図３（ａ）に示す集中定数型光位相変調器
２００において、金属電極１０５ａにはバイアス電源３
のマイナス（−）側が接続され、金属電極１０５ｂには
バイアス電源３のプラス（＋）側が接続される。また、
容量６を介して信号電源４が金属電極１０５ａ，１０５
ｂに接続される。ここで、電界光学効果により光導波路
コア層１０３ａの屈折率が変化すると、これを伝搬する
光の速度が変化する。従って、光導波路コア層１０３ａ
に入力された光１は、光位相変調器２００を通過するこ
とにより位相が変調される。但し、変調させる位相値
は、光導波路コア層１０３ａを形成する半導体材料に対
応して、印加する電圧値を設定することにより制御する
ことができる。

【００６１】また、図３（ｂ）に示す分布定数型光位相
変調器３００において、金属電極１０５ａにバイアス電
源３のマイナス側が、金属電極１０５ｂにバイアス電源
３のプラス側が接続され、金属電極１０５ａ及び１０５
ｂにそれぞれ信号電源４が容量６を介して接続される。
また、信号電源４から出力された変調波信号２は金属電
極１０５ａを伝搬し、並列して伝搬する光１を変調す
る。従って、光導波路コア層１０３ａに入力された光１
は、光位相変調器３００を通過することにより位相が変
調される。但し、変調させる位相値は、光導波路コア層
１０３ａを形成する半導体材料に対応して、入力する変
調波信号２の電圧値を設定することにより制御すること
ができる。 〔第２の実施例〕次に、本発明の第２の実施例について
以下に図面を用いて詳細に説明する。

【００６２】本実施例は、第１の実施例で例示した位相
変調器１００をマッハツェンダ型光変調器１０に適用し
たものである。図４に本実施例によるマッハツェンダ型
光変調器の俯瞰図を示す。

【００６３】図４を参照すると、マッハツェンダ型光変
調器１０は、半導体基板１１上に、入力された光２０を
２分派する分派器１４と、２分派された光の位相を印加
された電圧に基づいてそれぞれ変調する光位相変調器１
２，１３と、光位相変調器１２，１３によりそれぞれ変
調された光を合波する合波器１５と、を有して構成され
る。また、分派器１４と光位相変調器１２と合波器１５
とは導波路１８により光学的に接続され、分派器１４と
光位相変調器１３と合波器１５とは導波路１９により光
学的に接続されている。

【００６４】本実施例において、半導体基板１１には、
例えば鉄が不純物としてドーピングされたＩｎＰ基板を
用いる。また、分派器１４，合波器１５には、例えばマ
ルチモード干渉結合器（ＭＭＩカプラ）を用いる。

【００６５】この構成において光２０は、分派器１４に
より均等の強度及び波長を有する光２１ａ，２１ｂに分
派され、導波路１８，１９にそれぞれ出力される。その
後、導波路１８に入力された光２１ａは光位相変調器１
２により変調され、また、導波路１９に入力された光２
１ｂは光位相変調器１３により変調される。

【００６６】ここで、光位相変調器１２，１３には、第
１の実施例による光位相変調器１００が適用される。ま
た、光位相変調器１２，１３は、それぞれ同じ電圧でバ
イアスされており、どちらか一方のみ、又は双方の金属
電極（１０５ａ，１０５ｂ間）に信号電圧が印加され
る。但し、双方の金属電極（１０５ａ，１０５ｂ間）に
信号電圧を印加する場合、それぞれに印加する信号電圧
は、位相が揃って且つ反対向きであるものとする。

【００６７】このように信号電圧を印加すると、それぞ
れの光位相変調器１２，１３に入力された光２１ａ，２
１ｂは異なる位相変調を受け、その後、合波器１５によ
り合波される。

【００６８】このとき、合波器１５で合波される光２１
ａ，２１ｂの位相差が２ｎπ（ｎは整数）である場合、
合波器１５における干渉の結果、出力導波路１７から光
２０ａと同等の強度（多少の減衰は含まれるが従来と比
較して十分な程度の強度が保たれている）である光２０
ｂが出力される。これに対して、光２１ａ，２１ｂの位
相差が２（ｎ＋１）πである場合、干渉の結果、打ち消
し合い、出力導波路１７には光２０ｂが出力されない。

【００６９】従って、マッハツェンダ型光変調器１０で
は、光位相変調器１２，１３に印加した電圧によって、
出力される光２０ｂの強度が変調される。そこで、第１
の実施例による光位相変調器１００を適用することによ
り、変調波の伝搬損失が低減され、且つ、光導波路コア
層１０３ａへの効率的な電界の印加が可能となり、伝送
速度の向上が可能となる。 〔第３の実施例〕次に、第１の実施例で例示した光位相
変調器１００の凸部（又はメサともいう）の両側に半絶
縁性の半導体壁を設けた層構造を有する光位相変調器１
１０を第３の実施例として説明する。

【００７０】図５は、本実施例による光位相変調器１１
０を光軸に対して垂直に切断した際の層構造を示す断面
図である。

【００７１】図５を参照すると、本実施例による光位相
変調器１１０は、第１の実施例で図２を用いて説明した
構造において、ｎ型クラッド層１０２の上部と光導波路
層１０３とｎ型クラッド層１０４とより成る凸部の両側
に半絶縁性の半導体層（半絶縁性半導体層１１６ａ，１
１６ｂ）が形成された構成となっており、金属電極１１
５ａは、この半絶縁性半導体層１１６ａ，１１６ｂに架
橋する形で、ｎ型クラッド層１０４に接するように形成
されている。

【００７２】本実施例では、このようにメサ形状となる
共振器部分を半絶縁性の半導体で側面より挟み込むこと
により、より効率よく電界を光導波路コア層１０３ａに
存在させることが可能となる。

【００７３】また、半絶縁性半導体層１１６ａ，１１６
ｂは、例えば鉄がドーピングされた半導体（例えばＩｎ
Ｐ）を用いて形成する。但し、この半絶縁性の半導体と
しては、横方向の膜厚が少なくとも０．２μｍ以上であ
り、ドーピングされた鉄の濃度が少なくとも１×１０
^１６ｃｍ^−３以上であるものを用いる。 〔第４の実施例〕次に、本実施例において、第１の実施
例で例示した光位相変調器１００と、半導体レーザと、
を同一の基板上にモノリシックに形成した場合のレーザ
一体型光位相変調器１２０を例に挙げて説明する。

【００７４】図６は、本実施例によるレーザ一体型光位
相変調器１２０を光軸と平行に半導体基板１０１に対し
て垂直に切断した際の層構造を示す断面図である。

【００７５】図６を参照すると、レーザ一体型光位相変
調器１２０は、半導体レーザが形成された領域（半導体
レーザ領域１００Ｂ）と光位相変調器１００が形成され
た領域（光位相変調領域１００Ａ）とを有して構成され
ている。

【００７６】また、本実施例では、半導体レーザ領域１
００Ｂと光位相変調領域１００Ａとの間に、これらを電
気的に切断するためのアイソレーション領域１００Ｃを
設ける。これらの層構造は、半導体基板１０１とｎ型ク
ラッド層１０２とが光位相変調領域１００Ａから、アイ
ソレーション領域１００Ｃ，半導体レーザ領域１００Ｂ
まで、それぞれ同一層として形成されている。

【００７７】半導体レーザ領域１００Ｂに着目すると、
ｎ型クラッド層１０２上に、クラッド層１２３ｂがクラ
ッド層１０３ｂの上面と同一面になるように、また、活
性層１２３ａが光導波路コア層１０３ａと光結合できる
ように形成され、その後にｐ型クラッド層１０４ａがｎ
型クラッド層１０４の上面と同一面になるまで積層され
た後、金属電極１２５ａが形成される。

【００７８】また、アイソレーション領域１００Ｃに注
目すると、ｎ型クラッド層１０２上のクラッド層１０３
ｂ及び光導波路コア層１０３ａが光位相変調領域１００
Ａとアイソレーション領域１００Ｃとで同一層として形
成されており、その上にｎ型クラッド層１０４の上面と
同一面となるまで半絶縁性の半導体層（半絶縁性半導体
層１２６）が積層されている。但し、この半絶縁性の半
導体としては、鉄が少なくとも１×１０^１６ｃｍ^−３以
上の濃度でドーピングされたものを用いる。

【００７９】但し、本実施例では、図６のように、光導
波路コア層１０３ａの例えば上面に半絶縁性半導体層を
設ける構成でなく、光導波路コア層１０３ａの下部や、
その両方に、半絶縁性半導体層や誘電体層や空気又は真
空等の層、又はこれらのうち何れか２つ以上より成る層
を設けることで、半導体レーザ１００Ｂと光位相変調領
域１００Ａとを電気的に分離するよう構成してもよい。

【００８０】これにより、本実施例では、半導体レーザ
や光位相変調器１００に電気信号を入力した際に、各々
における相互作用が改善されたレーザ一体型光位相変調
器１２０を実現することができる。

【００８１】また、本実施例による半導体レーザの層構
造としては、図２に示す光位相変調器１００の層構造に
おいて、光導波路コア層１０３ａを活性層１２３ａとし
たものとなっている。この活性層１２３ａとしては、光
導波路コア層１０３ａと同一の材料で形成しても、異な
る材料で形成してもよい。但し、異なる材料を用いて形
成した場合、光の反射が生じないように、電気信号を入
力した際の双方の屈折率が同等となるように構成すると
よい。

【００８２】また、本実施例では、図６のように、光位
相変調領域１００Ａ（光位相変調器）を設けているが、
この部分にマッハツェンダ形光変調器を設けて、光の変
調を行うようにしてもよい。 〔他の実施例〕また、上記した各実施例は、本発明を好
適に実施した形態の一例に過ぎず、本発明は、その主旨
を逸脱しない限り、種々変形して実施することが可能な
ものである。 （付記１）光導波路層と、該光導波路層に電界を印加す
る一対の電極とを有し、印加された前記電界に基づいて
前記光導波路層中を伝搬する光を変調する半導体光変調
器であって、前記光導波路層が、前記一対の電極の間に
おいて、同一である所定の導電性の第１及び第２のクラ
ッド層間に形成されていることを特徴とする半導体光変
調器。 （付記２）半絶縁性半導体基板上に形成された第１のク
ラッド層と、該第１のクラッド層上に形成された光導波
路層と、該光導波路層上に形成された第２のクラッド層
と、前記第２のクラッド層上に形成された第１の電極
と、前記第１のクラッド層上に形成された第２の電極
と、を有し、前記第１及び第２のクラッド層は、同一の
所定の導電性を有することを特徴とする半導体光変調
器。 （付記３）前記所定の導電性は、ｎ型であることを特徴
とする付記１又は２に記載の半導体光変調器。 （付記４）前記第１及び第２のクラッド層間に形成され
た光導波路層は、光導波路コア層を含む１層以上の層よ
り形成され、前記光導波路層の少なくとも何れか１層以
上が第１の半絶縁性半導体層であることを特徴とする付
記１から３の何れか１項に記載の半導体光変調器。 （付記５）前記光導波路コア層は、ノンドープ層であ
り、前記第１の半絶縁性半導体層は、前記光導波路コア
層の上部及び下部の少なくとも一方に形成されているこ
とを特徴とすることを特徴とする付記４に記載の半導体
光変調器。 （付記６）前記光導波路コア層は、量子井戸構造を有す
ることを特徴とする付記４又は５記載の半導体光変調
器。 （付記７）前記光導波路層の両側面に、各々第２又は第
３の半絶縁性半導体層を有することを特徴とする付記１
から５の何れか１項に記載の半導体光変調器。 （付記８） 前記第１及び第２の電極は、進行波型電極
であることを特徴とする付記２記載の半導体光変調器。 （付記９）入射光を第１及び第２の光路に分派する分派
器と、前記第１の光路を構成する第１の光導波路と、前
記第２の光路を構成する第２の光導波路と、前記第１の
光導波路と前記第２の光導波路とを合波する合波器と、
前記第１及び第２の光導波路の少なくとも一方上に形成
された請求項１から７のいずれか１項に記載の前記半導
体光変調器と、を有することを特徴とするマッハツェン
ダ型光変調器。 （付記１０）前記半導体光変調器は、同一の半導体基板
上に形成されていることを特徴とする付記９記載のマッ
ハツェンダ型光変調器。 （付記１１） 同一の半導体基板上に、請求項１から７
の何れか１項に記載の前記半導体光変調器と、半導体レ
ーザと、が形成され、前記半導体光変調器と前記半導体
レーザとが、前記光導波路層により光学的に接続されて
いることを特徴とする光変調器一体型半導体レーザ。 （付記１２） 前記半導体光変調器と前記半導体レーザ
との間に、該半導体光変調器と該半導体レーザとを電気
的に切断するアイソレーション領域を有することを特徴
とする付記１１に記載の光変調器一体型半導体レーザ。 （付記１３）前記アイソレーション領域は、前記半導体
光変調器と前記半導体レーザとを光学的に接続する前記
光導波路層の上部及び下部の少なくとも何れか一方に、
第３の半絶縁性半導体層が形成されていることを特徴と
する付記１２に記載の光変調器一体型半導体レーザ。

【００８３】

【発明の効果】以上、説明したように、請求項１記載の
発明によれば、光導波路層に効率的に電界を印加し、尚
且つ印加する電界の方向が任意の半導体光変調器を提供
することが可能となる。

【００８４】更に、請求項２記載の発明によれば、光導
波路層の上下に形成するクラッド層として導電率が比較
的高く、光吸収が比較的小さく、不純物が比較的拡散し
にくいｎ型の半導体を用いることにより、変調波の伝搬
特性を劣化させず、尚且つ光導波路層に不純物が拡散
し、変調波の伝搬損失が生じることを防止することが可
能となる。

【００８５】更に、請求項３記載の発明によれば、光導
波路層を挟むクラッド層間を電気的に切断して、効率よ
く発生した電界を光導波路層へ印加することが可能とな
る。

【００８６】また、請求項４記載の発明によれば、光導
波路層に効率的に電界を印加し、尚且つ変調波の伝搬特
性を劣化させない半導体光変調器が適用されたマッハツ
ェンダ型光変調器を提供することが可能となる。

【００８７】また、請求項５記載の発明によれば、光導
波路層に効率的に電界を印加し、尚且つ変調波の伝搬特
性を劣化させない半導体光変調器が同一基板上にモノリ
シックに形成された半導体レーザを提供することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術による光変調器の層構造を示す図であ
り、（ａ）はノンドーピング型素子として形成された光
変調器１１００の層構造を示し、（ｂ）はｐｉｎ型素子
として形成された光変調器１２００の層構造を示す。

【図２】本発明の第１の実施例による光位相変調器１０
０を光軸に対して垂直に切断した際の層構造を示す断面
図である。

【図３】本発明の第１の実施例による光位相変調器１０
０の具体的構成例を示す俯瞰図であり、（ａ）は光位相
変調器１００を用いて構成された集中定数型光位相変調
器２００を示し、（ｂ）は光位相変調器１００を用いて
構成された分布定数型（進行波型）光位相変調器３００
を示す。

【図４】本発明の第１の実施例による光位相変調器１０
０を用いて構成されたマッハツェンダ型光変調器１０の
構成を示す俯瞰図である。

【図５】本発明の第３の実施例による光位相変調器１１
０を光軸に対して垂直に切断した際の層構造を示す断面
図である。

【図６】本発明の第４の実施例によるレーザ一体型光変
調器１２０を光軸に沿って半導体基板１０１と垂直に切
断した際の層構造を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 光 ２ 変調波信号 ３ バイアス電源 ４ 信号電源 ５ 抵抗 １０ マッハツェンダ型光変調器 １１、１０１ 半導体基板 １２、１３、１００、１１０ 光位相変調器 １４ 分派器 １５ 合波器 １６ 入力導波路 １７ 出力導波路 １８、１９ 導波路 ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂ 光 １００Ａ 光位相変調領域 １００Ｂ 半導体レーザ領域 １００ アイソレーション領域 １０２、１０４ ｎ型クラッド層 １０３ 光導波路層 １０３ａ 光導波路コア層 １０３ｂ、１０３ｃ、１２３ｂ クラッド層 １０４ａ ｐ型クラッド層 １０５ａ、１０５ｂ、１２５ａ 金属電極 １１６ａ、１１６ｂ 半絶縁性半導体層 １２０ レーザ一体型光位相変調器 １２３ａ 活性層 １２６ 半絶縁性半導体層 １１００ 光変調器（ノンドーピング型素子） １１０１、１２０１ ｉ−ＩｎＰ基板 １１０２、１１０４ ｉ−ＩｎＰクラッド層 １１０３、１２０３ ｉ−光導波路層 １１０５ａ、１２０５ａ 金属電極（シグナル） １１０５ｂ、１２０５ｂ 金属電極（グランド） １２００ 光変調器（ｐｉｎ型素子） １２０２ ｎ−ＩｎＰクラッド層 １２０４ ｐ−ＩｎＰクラッド層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光導波路層と、該光導波路層に電界を印
   加する一対の電極とを有し、印加された前記電界に基づ
   いて前記光導波路層中を伝搬する光を変調する半導体光
   変調器であって、 前記光導波路層が、前記一対の電極の間において、同一
   である所定の導電性の第１及び第２のクラッド層間に形
   成されていることを特徴とする半導体光変調器。
2. 【請求項２】 前記所定の導電性は、ｎ型であることを
   特徴とする請求項１に記載の半導体光変調器。
3. 【請求項３】 前記第１及び第２のクラッド層間に形成
   された光導波路層は、光導波路コア層を含む１層以上の
   層より形成され、前記光導波路層の少なくとも何れか１
   層以上が第１の半絶縁性半導体層であることを特徴とす
   る請求項１又は２に記載の半導体光変調器。
4. 【請求項４】 入射光を第１及び第２の光路に分派する
   分派器と、 前記第１の光路を構成する第１の光導波路と、 前記第２の光路を構成する第２の光導波路と、 前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とを合波する
   合波器と、 前記第１及び第２の光導波路の少なくとも一方上に形成
   された請求項１から３のいずれか１項に記載の前記半導
   体光変調器と、 を有することを特徴とするマッハツェンダ型光変調器。
5. 【請求項５】 同一の半導体基板上に、請求項１から３
   の何れか１項に記載の前記半導体光変調器と、半導体レ
   ーザと、が形成され、 前記半導体光編著器と前記半導体レーザとが、前記光導
   波路層により光学的に接続されていることを特徴とする
   光変調器一体型半導体レーザ。