JP2004077767A - 光半導体素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】印加される電界に応じて光を変調する光半導体素子の変調周波数帯域を広げる。
【解決手段】光導波路コア層で連結された複数の微小ＥＡ変調器３を離散的に形成するとともに、金属電極７に接続されたシグナルライン電極１２およびｎ型ＩｎＰクラッド層１０に接続されたグランドライン電極１１を、微小ＥＡ変調器３を挟んで形成する。入力された電気信号は、シグナルライン電極１２から金属電極７へと伝わり、その下のＭＱＷ光導波路コア層に電界が印加され、各微小ＥＡ変調器３で光が変調される。シグナルライン電極１２ならびにグランドライン電極１１および隣り合う微小ＥＡ変調器３をそれぞれ適当に配置することで、素子全体の入力インピーダンスを所望の値に合わせることができる。これにより、入力電気信号をその反射を抑えて効果的に印加して変調周波数帯域を広げるようにする。
【選択図】 図１
【解決手段】光導波路コア層で連結された複数の微小ＥＡ変調器３を離散的に形成するとともに、金属電極７に接続されたシグナルライン電極１２およびｎ型ＩｎＰクラッド層１０に接続されたグランドライン電極１１を、微小ＥＡ変調器３を挟んで形成する。入力された電気信号は、シグナルライン電極１２から金属電極７へと伝わり、その下のＭＱＷ光導波路コア層に電界が印加され、各微小ＥＡ変調器３で光が変調される。シグナルライン電極１２ならびにグランドライン電極１１および隣り合う微小ＥＡ変調器３をそれぞれ適当に配置することで、素子全体の入力インピーダンスを所望の値に合わせることができる。これにより、入力電気信号をその反射を抑えて効果的に印加して変調周波数帯域を広げるようにする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光半導体素子に関し、特に光通信システムにおける光送信器の光変調器として用いられ、入力電気信号の波形を基に連続光を変調する機能を有する光半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムにおける光送信器には、入力電気信号の波形を基に連続光を変調光に変換する光変調器として機能する光半導体素子が内蔵されている。近年では、１０〜８０Ｇｂｉｔｓ／ｓｅｃ．あるいはそれ以上の超高速通信に対応する光変調器の開発が進められている。
【０００３】
このような光変調器として用いられる光半導体素子には、例えば、入力された電圧信号に応じて光を変調する電界吸収型（ＥｌｅｃｔｒｏＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎ，ＥＡ）変調器がある。
【０００４】
図２１は従来のＥＡ変調器の模式図である。
ＥＡ変調器１００は、導電性半導体であるｎ型ＩｎＰ基板１０１上に、多重量子井戸層（ＭＱＷ）からなるＭＱＷ光導波路コア層１０２、このＭＱＷ光導波路コア層１０２上に形成されたｐ型クラッド層１０３、および素子の上面ならびに下面にそれぞれ形成された金属電極１０４，１０５を有している。このＥＡ変調器１００において、ｎ型ＩｎＰ基板１０１は、ＭＱＷ光導波路コア層１０２をｐ型クラッド層１０３と挟むｎ型クラッド層としての役割も果たしている。
【０００５】
ＭＱＷ光導波路コア層１０２の光の吸収端波長は、光通信で用いられる光の波長よりも若干短波長側に設定されており、そのため、ＥＡ変調器１００は、光通信で用いられる光に対しては透明である。このＭＱＷ光導波路コア層１０２に対して電界を印加した場合、光の吸収端波長は長波長側へとシフトし、光通信で用いられる光の波長に対して大きな吸収係数をもつようになる。これにより、光はこのＥＡ変調器１００を透過せず、内部に吸収されるようになる。
【０００６】
ＥＡ変調器１００は、このような電界によるＭＱＷの吸収係数の変化（量子閉じ込めシュタルク効果）を利用して光の変調を行う。すなわち、ＥＡ変調器１００は、金属電極１０４，１０５間に高周波の電圧信号が印加されると、それにより生じるＭＱＷ光導波路コア層１０２の吸収係数の変化に応じて透過する光の強度を変調する。
【０００７】
ところで、この図２１に示したようなＥＡ変調器１００においては、ｎ型クラッド層としてのｎ型ＩｎＰ基板１０１とｐ型クラッド層１０３とによって挟まれたＭＱＷ光導波路コア層１０２が、電気的にキャパシタンスとみなされる。この場合、キャパシタンスの電気容量で決まるＣＲ時定数より大きな周波数においては、ＭＱＷ光導波路コア層１０２に対して効果的な高周波電圧の印加が行えなくなる。その結果、ＥＡ変調器１００の光の変調帯域は、効果的な高周波電圧の印加が行えるような電気信号の周波数帯域に制限されてしまうことになる。
【０００８】
そのため、従来は主に、ＥＡ変調器がこのような変調周波数帯域の制限を受けないよう、４０Ｇｂｉｔｓ／ｓｅｃ．システム用のＥＡ変調器に対し、その素子長を８０〜１００μｍと小さく抑えることでその電気容量を低減し、変調周波数帯域を広くとれるようにしていた。
【０００９】
また、図２２は従来の別の形態のＥＡ変調器の模式図である。
このＥＡ変調器２００は、基板として高抵抗ＩｎＰ基板２０１が用いられ、ＭＱＷ光導波路コア層２０２に電圧を印加するための金属電極２０３，２０４が、ｎ型クラッド層２０６上およびｐ型クラッド層２０５上にそれぞれ形成されている。これらの金属電極２０３，２０４は進行波型電極になっており、図２１に示したＥＡ変調器１００の集中定数型電極とは異なる。そのため、このＥＡ変調器２００は、その進行波型電極の特性インピーダンスを駆動電気回路の特性インピーダンス、例えば５０Ωに合わせることで、原理的には電気容量による変調周波数帯域の制限を受けない構造となっている。
【００１０】
また、特開２０００−２５８７３９号公報には、上記のＥＡ変調器１００，２００とは異なる形態のＥＡ変調器が提案されている。この提案におけるＥＡ変調器は、ＭＱＷ光導波路コア層の上部に形成されている金属電極が、ＭＱＷ光導波路コア層の軸線方向に不連続に形成されている。すなわち、ＭＱＷ光導波路コア層上に形成されたｐ型半導体と金属電極とが接して形成されている２つのＥＡ変調器領域と、その間の、金属電極がｐ型半導体から部分的に分離して形成されて２つのＥＡ変調器領域を電気的に接続する接続領域とに分けられた構造を有している。このＥＡ変調器は、実質的には２つのＥＡ変調器を直列に接続した構造になっており、全体として１つのＥＡ変調器として機能するようになっている。
【００１１】
このような構造のＥＡ変調器では、接続領域における金属電極の断面積は比較的小さく、その長さはある程度長くなるため、この金属電極を電気的なインダクタンスとみなすことができる。一方、２つのＥＡ変調器領域は、電気容量を持ったキャパシタンスとみなすことができる。そのため、このＥＡ変調器では、接続領域における金属電極のインダクタンスの値およびＥＡ変調器領域のキャパシタンスの値をそれぞれ適切に設定することで、素子全体の入力インピーダンスを、例えば５０Ωに、マッチングさせるようにしている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のそれぞれの形態のＥＡ変調器においては、次に示すような問題点があった。
【００１３】
まず、図２１に示したＥＡ変調器１００においては、電気容量を低減して高周波電気信号を効果的にＭＱＷ光導波路コア層１０２に印加することができるよう、素子長を短くする。しかし、その場合には、一定の駆動電圧において消光比が小さくなってしまうという問題がある。これは、ＭＱＷ光導波路コア層１０２に電圧を印加することによって消光する際、素子長が短いために充分に光がＭＱＷ光導波路コア層１０２に吸収されなくなるためである。
【００１４】
また、図２２に示したＥＡ変調器２００のように、進行波型電極にすることによって変調周波数帯域が制限されるのを抑えようとした場合には、素子断面の単位長さあたりの電気容量は比較的大きくなるという問題がある。そのため、実際には、素子上の進行波型電極の断面が有している特性インピーダンスは３５Ω程度かあるいはそれ以下であり、素子全体の入力インピーダンスを５０Ωなどの所定の値にマッチングさせることは困難である。この場合、素子からの高周波電気信号の反射は大きくなり、効果的にＭＱＷ光導波路コア層２０２に高周波電気信号を印加することができず、変調周波数帯域は狭まることになる。さらに、素子から反射した高周波電気信号が駆動回路系に悪影響を及ぼすという問題もある。
【００１５】
また、ＥＡ変調器領域と接続領域とを有するＥＡ変調器において、素子全体の入力インピーダンスを所定の値にマッチングする場合には、ＥＡ変調器領域の比較的大きな電気容量に対し、接続領域ではそれに見合うだけのインダクタンスにする必要がある。そのためには、接続領域を長くしてこの領域の金属電極の長さを長くしたり、この領域の金属電極の断面積を小さくしたりすることで、そのインダクタンスを大きくすることができる。
【００１６】
ここで、接続領域は、ＥＡ変調器領域と同様、ＭＱＷ光導波路コア層とこれを上下に挟むｐ型，ｎ型ＩｎＰクラッド層を有している。一般に、導電性半導体は、高周波電気信号に対して損失媒体として働く。したがって、前述のように、接続領域を長くすると、この接続領域に存在する導電性半導体であるｐ型，ｎ型ＩｎＰにより、印加した高周波電気信号の損失が増大することになる。さらに、前述のように、接続領域における金属電極の断面積が小さい場合には、高周波電気信号が伝播する際の抵抗が大きくなり、印加した高周波電気信号の損失が増大する。このような高周波電気信号の損失増大により、変調周波数帯域は制限される可能性がある。
【００１７】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、入力された電気信号を効果的に光導波路コア層に印加することができ、広い変調周波数帯域で光を変調することのできる光半導体素子を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、図１に例示するような構成で実現可能な光半導体素子が提供される。本発明の光半導体素子は、入力電気信号に応じて光導波路コア層を伝播する光を吸収して変調するＥＡ変調器としての機能を有する光半導体素子において、高抵抗半導体基板上に形成されて、第１の導電性半導体上に形成されたひとつの連続した光導波路コア層の上部に第２の導電性半導体を介して離散的に形成された複数の金属電極を有し前記金属電極が形成された領域において印加される電界に応じて前記光導波路コア層を伝播する光を吸収して変調する微小ＥＡ変調器と、前記高抵抗半導体基板上に形成されて前記金属電極に電気的に接続されたシグナルライン電極と、前記シグナルライン電極と前記光導波路コア層を挟んで反対側の前記高抵抗半導体基板上に、前記第１の導電性半導体に接して形成されたグランドライン電極と、を有することを特徴とする。
【００１９】
このような光半導体素子によれば、シグナルライン電極１２およびグランドライン電極１１間に電気信号が与えられると、その電気信号はシグナルライン電極１２から金属電極７へと伝わり、その下のＭＱＷ光導波路コア層４に電界が印加される。これにより、ＭＱＷ光導波路コア層４を伝播する光が変調される。ＥＡ変調器１においては、複数の微小ＥＡ変調器３がひとつの光導波路コア層によって連結されて離散的に形成されており、各微小ＥＡ変調器３が光の変調に寄与し、素子全体でひとつのＥＡ変調器１として動作する。
【００２０】
また、このような光半導体素子では、シグナルライン電極１２およびグランドライン電極１１のそれぞれの幅と互いの間隔、および隣り合う微小ＥＡ変調器３の間隔をそれぞれ適当な値に設計することができる。そのため、スロットライン型電極の特性インピーダンスと微小ＥＡ変調器３の電気容量とを適当に設定し、素子全体の入力インピーダンスを所望の値に合わせることが可能になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
まず、第１の実施の形態について説明する。
【００２２】
図１は第１の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図、図２は図１のＡ−Ａ断面模式図、図３は図１のＢ−Ｂ断面模式図、図４は図１のＣ−Ｃ断面における微小ＥＡ変調器領域の模式図である。
【００２３】
光導波路コア層に印加される電界に応じてその吸収係数を変化させ、光導波路コア層を伝播する光を変調する光半導体素子であるＥＡ変調器１は、その基板に高抵抗ＩｎＰ基板２を用いて形成されている。このＥＡ変調器１には、印加される電界に応じてそれぞれが光の変調に寄与する領域となる複数の微小ＥＡ変調器３が離散的に形成されている。これらの微小ＥＡ変調器３は、ひとつの連続したＭＱＷ層からなるＭＱＷ光導波路コア層４によって光学的に連結されている。
【００２４】
微小ＥＡ変調器３として機能する領域において、ＭＱＷ光導波路コア層４上には、導電性半導体として、順にｐ型ＩｎＰクラッド層５およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６が積層形成されている。このうち、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６上には、Ａｕを用いた金属電極７が形成されている。一方、微小ＥＡ変調器３として機能する領域以外の領域、すなわち金属電極７が形成されている領域以外の領域にあるＭＱＷ光導波路コア層４上には、高抵抗半導体である高抵抗ＩｎＰ層８が形成されている。
【００２５】
さらに、このＥＡ変調器１の素子全体にわたり、ＭＱＷ光導波路コア層４、ｐ型ＩｎＰクラッド層５およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６の側壁およびその近傍には、高抵抗ＩｎＰ層９が形成されている。
【００２６】
そして、ＭＱＷ光導波路コア層４および高抵抗ＩｎＰ層９の下部で高抵抗ＩｎＰ基板２上には、導電性半導体であるｎ型ＩｎＰクラッド層１０が形成されている。このｎ型ＩｎＰクラッド層１０は、ＭＱＷ光導波路コア層４下部から軸線方向の側方の一方の側の高抵抗ＩｎＰ基板２上に引き出されるようにして、微小ＥＡ変調器３の側方に形成されている。
【００２７】
さらに、高抵抗ＩｎＰ基板２上には、ＭＱＷ光導波路コア層４を挟むそれぞれの表面領域であってＭＱＷ光導波路コア層４から互いに一定距離だけ離れた表面領域に、Ａｕを用いて形成された金属電極であるグランドライン電極１１およびシグナルライン電極１２が形成されている。グランドライン電極１１は、高抵抗ＩｎＰ基板２上と共にｎ型ＩｎＰクラッド層１０上にも部分的に形成され、微小ＥＡ変調器３と電気的に接続されている。
【００２８】
微小ＥＡ変調器３の金属電極７は、ＭＱＷ光導波路コア層４の軸線方向の側方へ、高抵抗ＩｎＰ基板２との間に空間を残した状態で引き出されたＡｕのエアブリッジ配線１３により、シグナルライン電極１２と接続されている。これにより、微小ＥＡ変調器３はシグナルライン電極１２と電気的に接続される。
【００２９】
これらのグランドライン電極１１およびシグナルライン電極１２は、ＥＡ変調器１において、高周波伝送路となるスロットライン型電極を構成している。
さらに、このシグナルライン電極１２は、軸線方向の両端部において、エアブリッジ配線１４によりＭＱＷ光導波路コア層４を挟んだ反対側の領域、すなわちグランドライン電極１１が形成されている領域の側に向かって配線され、高周波電気信号の入出力用の電極パッド１５に接続されている。
【００３０】
ここで、この第１の実施の形態のＥＡ変調器１における各微小ＥＡ変調器３の軸線方向の長さはそれぞれ５０μｍであり、隣り合う微小ＥＡ変調器３の軸線方向の間隔は１００μｍである。
【００３１】
また、ＭＱＷ光導波路コア層４は、膜厚０．３μｍ、幅１．５μｍである。このＭＱＷ光導波路コア層４を構成する井戸層およびバリヤ層はいずれもＩｎＧａＡｓＰで形成され、ＭＱＷ光導波路コア層４の発光波長は１．５０μｍに設定されている。井戸層の層数は１５層、また、ＭＱＷ光導波路コア層４はアンドーピング層である。
【００３２】
微小ＥＡ変調器３において、ｐ型ＩｎＰクラッド層５，ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６の膜厚はそれぞれ２μｍ，０．２μｍであり、幅は共にＭＱＷ光導波路コア層４と同じ１．５μｍである。これらのドーピング濃度は、それぞれ１．５×１０１８／ｃｍ３，２．０×１０１９／ｃｍ３としている。ｎ型ＩｎＰクラッド層１０は、膜厚約２μｍ、幅５０μｍであり、そのドーピング濃度は１．０×１０１８／ｃｍ３としている。
【００３３】
ｎ型ＩｎＰクラッド層１０上のＭＱＷ光導波路コア層４、ｐ型ＩｎＰクラッド層５，ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６および高抵抗ＩｎＰ層８，９によって構成されているメサ構造の幅は８μｍとなるように形成されている。
【００３４】
グランドライン電極１１，シグナルライン電極１２の幅はそれぞれ１５０μｍ，１００μｍであり、その膜厚は共に５μｍである。グランドライン電極１１とシグナルライン電極１２との間隔はここでは６０μｍとなるよう形成されており、シグナルライン電極１２とｎ型ＩｎＰクラッド層１０との間隔は４０μｍで形成されている。シグナルライン電極１２と金属電極７とを接続するエアブリッジ配線１３の膜厚は５μｍであり、その幅は２０μｍで形成している。
【００３５】
このような構成のＥＡ変調器１においては、グランドライン電極１１および一方の側の電極パッド１５に対し、高周波電気信号源２０によって高周波電気信号が与えられる。もう一方の側に形成されている電極パッド１５とグランドライン電極１１との間には終端抵抗３０が接続されている。シグナルライン電極１２に接続された一方の側の電極パッド１５とグランドライン電極１１との間に高周波電気信号源２０によって高周波電気信号が与えられると、高周波電気信号は、もう一方の側の電極パッド１５に向かって伝播する。その際、高周波電気信号は、シグナルライン電極１２からエアブリッジ配線１３を介して、離散的に形成された各微小ＥＡ変調器３の金属電極７へと伝播され、その下部のＭＱＷ光導波路コア層４に電界が印加される。この印加される電界に応じてＭＱＷ光導波路コア層４の吸収係数が変化し、これを伝播する光が吸収による変調を受けるようになる。
【００３６】
以上のように、このＥＡ変調器１では、離散的に形成された微小ＥＡ変調器３を光学的に連結して素子全体でひとつのＥＡ変調器として動作する構造としているので、各微小ＥＡ変調器３の長さの合計が、必要とされる消光比を実現する長さとなるような設計が可能である。したがって、与えられた駆動電圧の下でＭＱＷ光導波路コア層４を伝播する光を充分に吸収させることが可能になる。
【００３７】
また、このＥＡ変調器１では、グランドライン電極１１，シグナルライン電極１２の２枚の電極からなるスロットライン型電極に、各微小ＥＡ変調器３が電気的に接続される構造としている。このような構造では、素子全体の入力インピーダンスが、グランドライン電極１１，シグナルライン電極１２のそれぞれの幅と互いの間隔で定まるスロットライン型電極のみの特性インピーダンスと、微小ＥＡ変調器３の電気容量とによって決まる。
【００３８】
そのため、微小ＥＡ変調器３がスロットライン型電極に電気的に接続されていない場合には、素子の入力インピーダンスはスロットライン型電極のみの特性インピーダンスに等しい。これに対し、スロットライン型電極に微小ＥＡ変調器３が接続された場合、素子の入力インピーダンスは、スロットライン型電極のみの特性インピーダンスが微小ＥＡ変調器３の実効的な電気容量に対応した量だけ下げられた値となる。この実効的な電気容量とは、微小ＥＡ変調器３の電気容量を、その微小ＥＡ変調器３の長さとこれに隣り合う微小ＥＡ変調器３との間隔との和で割った単位長さあたりの電気容量をいう。
【００３９】
したがって、スロットライン型電極に接続された微小ＥＡ変調器３の実効的な電気容量を考慮し、スロットライン型電極をその特性インピーダンスを５０Ωより大きくなるように形成することで、素子全体の入力インピーダンスを５０Ωにマッチングさせることが可能になる。このマッチングに当たっては、前述のように、微小ＥＡ変調器３の実効的な電気容量は、その微小ＥＡ変調器３の軸線方向の長さとこれに隣り合う微小ＥＡ変調器３との間隔を変化させることで調整可能である。また、スロットライン型電極のみの特性インピーダンスは、グランドライン電極１１，シグナルライン電極１２のそれぞれの幅および互いの間隔を変化させることで調整可能である。
【００４０】
このように、ＥＡ変調器１においては、素子全体の入力インピーダンスを所望の値にマッチングさせる設計が可能である。そのため、ＭＱＷ光導波路コア層４に高周波電気信号をその反射を抑えて効果的に印加することができ、ＥＡ変調器１の変調周波数帯域を広くとることができる。
【００４１】
また、このＥＡ変調器１は、スロットライン型電極を素子表面に充分な幅で形成することで、高周波電気信号がスロットライン型電極を伝播する際の抵抗を小さくし、高周波電気信号の伝播損失を低減することができる。
【００４２】
さらに、このＥＡ変調器１では、高抵抗ＩｎＰ基板２を用い、さらに、グランドライン電極１１とＭＱＷ光導波路コア層４とを接続するｎ型ＩｎＰクラッド層１０の体積が小さくなるように配慮されている。このように、導電性半導体の使用量を低減することで、導電性半導体による高周波電気信号の損失を小さく抑えることが可能になる。
【００４３】
さらに、このＥＡ変調器１では、ＭＱＷ光導波路コア層４上部において、ｐ型ＩｎＰクラッド層５およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６が微小ＥＡ変調器３の領域にのみ形成され、この領域以外の領域には高抵抗ＩｎＰ層８が形成されている。このように、各微小ＥＡ変調器３の領域間に、高周波電気信号の伝播損失の小さい高抵抗ＩｎＰ層８を用いることで、導電性半導体を用いる場合よりも高周波電気信号の損失を低減することができる。
【００４４】
また、このＥＡ変調器１においては、ＭＱＷ光導波路コア層４の両側が高抵抗ＩｎＰ層９により埋め込まれ、微小ＥＡ変調器３の断面がＳＩ−ＢＨ構造に形成されていることで、次のような製造上の利点がある。すなわち、一般に光導波路コア層の上部に露出したｐ型コンタクト層のように幅２μｍ以下程度の狭い領域にのみ金属電極を形成することは製造プロセス上困難である。これに対し、このＥＡ変調器１では、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６を含め合計８μｍの幅で露出している高抵抗ＩｎＰ層８，９の表面に跨った領域にも金属電極７を形成することができ、ＥＡ変調器１の製造が容易になる。
【００４５】
次に、上記構成のＥＡ変調器１の製造方法について図５から図１０を参照して説明する。ここで、図５は各層の結晶成長工程、図６は高抵抗ＩｎＰ層の再成長工程、図７はＭＱＷ光導波路コア層の形成工程、図８は高抵抗ＩｎＰ層の埋め込み成長工程、図９はメサ構造の形成工程、図１０はｎ型ＩｎＰクラッド層のエッチング工程の説明図である。
【００４６】
まず、高抵抗ＩｎＰ基板２上に、ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０、アンドーピングのＭＱＷ層４０、ｐ型ＩｎＰクラッド層５およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６を、この順でそれぞれ一様に結晶成長させ、図５に示すような積層構造のウェハを形成する。ただし、図５および以下の図６ならびに図７においては、ｐ型ＩｎＰクラッド層５およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６をひとつの層で図示している。
【００４７】
次いで、図６に示すように、ＭＱＷ層４０上に成長させたｐ型ＩｎＰクラッド層５およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６を、最終的に上記の微小ＥＡ変調器３が形成される領域が残るようにして、帯状に除去する。これは、通常の半導体製造プロセスにおいて用いられるリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて行われる。そして、ｐ型ＩｎＰクラッド層５およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６が部分的に除去されているＭＱＷ層４０上に、再度ＭＯＶＰＥ法により、高抵抗ＩｎＰ層８を成長させる。
【００４８】
次いで、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０、ＭＱＷ層４０、ｐ型ＩｎＰクラッド層５、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６、および高抵抗ＩｎＰ層８を、ドライエッチング技術により加工し、図７に示すように、ひとつの連続したＭＱＷ光導波路コア層４を含む導波路構造を形成する。
【００４９】
次いで、図８に示すように、先の導波路構造の形成時に行ったドライエッチングにより取り除いて露出したｎ型ＩｎＰクラッド層１０上に、ＭＯＶＰＥ法による埋め込み成長技術を用いて、高抵抗ＩｎＰ層９を成長させる。これにより、表面に露出するｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６の部分を除き、ウェハ表面に高抵抗ＩｎＰが一様に形成される。
【００５０】
次いで、図９に示すように、ドライエッチング技術により、ＭＱＷ光導波路コア層４の側方の領域に形成されている大部分の高抵抗ＩｎＰ層９を除去し、その下部のｎ型ＩｎＰクラッド層１０を露出させ、メサ構造を形成する。このメサ構造の形成の際には、ＭＱＷ光導波路コア層４の側壁およびその近傍に高抵抗ＩｎＰ層９が残るようにする。これにより、ＭＱＷ光導波路コア層４上には高抵抗ＩｎＰ層８が、ＭＱＷ光導波路コア層４の側壁およびその近傍には高抵抗ＩｎＰ層９が、それぞれ残ることになり、ＭＱＷ光導波路コア層４を含む導波路構造が高抵抗ＩｎＰによって囲まれた状態になる。
【００５１】
次いで、図１０に示すように、ドライエッチング技術により、ＭＱＷ光導波路コア層４を含む導波路構造の側方にある片側一部の領域を除いて、表面に露出したｎ型ＩｎＰクラッド層１０を除去し、高抵抗ＩｎＰ基板２を露出させる。その際、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０は、軸線方向に対して最終的に微小ＥＡ変調器３が形成される領域の側方に残るようにエッチングする。このエッチングにより除去しないで表面に露出する部分のｎ型ＩｎＰクラッド層１０は、メサのエッジ部からの幅がここでは４２μｍとなるように形成する。
【００５２】
最後に、Ａｕメッキを施し、電極形成を行う。このＡｕメッキは、２回に分けて行う。まず１回目のＡｕメッキにより、図１から図３に示した所定の領域に、スロットライン型電極となるグランドライン電極１１およびシグナルライン電極１２をそれぞれ形成する。そして、続く２回目のＡｕメッキにより、ＭＱＷ光導波路コア層４上にｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６が露出している部分において、その上部に金属電極７を形成する。この金属電極７が形成されている領域が微小ＥＡ変調器３として機能するようになる。その際、金属電極７とシグナルライン電極１２との間、およびシグナルライン電極１２と電極パッド１５との間を、それぞれＡｕメッキのエアブリッジ配線１３，１４により接続する。
【００５３】
これにより、図１から図４に示したような、離散的に形成された複数の微小ＥＡ変調器３が光学的および電気的に連結されたＥＡ変調器１が形成される。
次に、第２の実施の形態について説明する。
【００５４】
図１１は第２の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図、図１２は図１１のＤ−Ｄ断面における微小ＥＡ変調器領域の模式図である。ただし、図１１および図１２においては、図１から図４に示した構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００５５】
第２の実施の形態のＥＡ変調器１ａは、ＭＱＷ光導波路コア層４上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層５ａが軸線方向に一様に形成されており、この点で、微小ＥＡ変調器３の領域以外の領域では高抵抗ＩｎＰ層８が形成されている第１の実施の形態のＥＡ変調器１と相違する。このｐ型ＩｎＰクラッド層５ａ上に形成されるｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６は、第１の実施の形態と同じく、微小ＥＡ変調器３の領域にのみ形成されている。その他の点についても、第１の実施の形態と同じである。
【００５６】
この第２の実施の形態のＥＡ変調器１ａの製造は、第１の実施の形態のＥＡ変調器１の製造と同様に行うことができる。ただし、このＥＡ変調器１ａの製造においては、第１の実施の形態において図６に示した高抵抗ＩｎＰ層８の再成長工程を省略する。さらに、図８に示した高抵抗ＩｎＰ層９の埋め込み成長工程の後に、微小ＥＡ変調器３が形成される領域以外の領域のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６をウェットエッチングにより除去する工程を追加する。これにより、上記構成のＥＡ変調器１ａを形成することができる。
【００５７】
このＥＡ変調器１ａでは、微小ＥＡ変調器３の領域以外の領域においてもｐ型ＩｎＰクラッド層５ａが形成されるため、この領域のｐ型ＩｎＰクラッド層５ａによる高周波電気信号の損失が生じることになる。しかし、スロットライン型電極によって高周波電気信号を効率的に伝送することができ、その他の構成も第１の実施の形態と同じであるため、高周波電気信号の損失を、第１の実施の形態の場合ほどではないものの、充分低く抑えることができる。
【００５８】
また、図６に示したようなエッチング後に再び結晶成長を行うといった工程を省略することができ、さらに、ＥＡ変調器１ａの構造を簡素化できるので、生産性を向上させることが可能になる。
【００５９】
次に、第３の実施の形態について説明する。
図１３は第３の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図、図１４は図１３のＥ−Ｅ断面模式図である。ただし、図１３および図１４においては、図１から図４に示した構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００６０】
第３の実施の形態のＥＡ変調器１ｂは、ＥＡ変調器領域５０と分布帰還（ＤＦＢ）レーザ領域６０とが同一基板上に集積された構造を有している。ＥＡ変調器１ｂのＥＡ変調器領域５０は、第１の実施の形態のＥＡ変調器１と同様の構造で形成されている。
【００６１】
ＤＦＢレーザ領域６０のＭＱＷ光導波路コア層６１の発光波長は、１．５５μｍ付近に調整されており、ＥＡ変調器領域５０のＭＱＷ光導波路コア層４とは異なる組成、構造になっている。ＭＱＷ光導波路コア層４，６１は、その結合損失を低く抑えられるバットジョイントにて光結合される。
【００６２】
ここで、図１３および図１４においては図示を省略しているが、ＤＦＢレーザ領域６０には、通常のＤＦＢレーザと同様に、ＭＱＷ光導波路コア層６１の近くに回折格子を形成しておく。ＭＱＷ光導波路コア層６１の組成および回折格子の形状は、このＤＦＢレーザ領域６０での発振波長が１．５５μｍとなるようにそれぞれ調整される。
【００６３】
ＤＦＢレーザ領域６０のＭＱＷ光導波路コア層６１は、ＥＡ変調器領域５０のＭＱＷ光導波路コア層４と同じ膜厚で形成される。このＭＱＷ光導波路コア層６１上には、ｐ型ＩｎＰクラッド層６２およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６３が、ＥＡ変調器領域５０のｐ型ＩｎＰクラッド層５およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６と同じ膜厚で形成されている。
【００６４】
ＭＱＷ光導波路コア層６１の下部には、ｎ型ＩｎＰクラッド層６４が、膜厚約２μｍ、幅１９０μｍで形成され、ＥＡ変調器領域５０のｎ型ＩｎＰクラッド層１０と同様、ＭＱＷ光導波路コア層６１の軸線方向の側方に表面露出した状態で引き出されている。さらに、ｎ型ＩｎＰクラッド層６４上であってＭＱＷ光導波路コア層６１の側壁部には、高抵抗ＩｎＰ層６５が、ＭＱＷ光導波路コア層６１などの幅を含めて合計１５０μｍの幅で、かつ膜厚３μｍで形成されている。
【００６５】
ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６３上ならびに高抵抗ＩｎＰ層６５上、およびｎ型ＩｎＰクラッド層６４の一部を含む高抵抗ＩｎＰ基板２上には、Ａｕメッキによる金属電極６６，６７が、それぞれ幅１５０μｍ，１３０μｍ、膜厚が共に５μｍで形成されている。金属電極６６，６７は、共に高抵抗ＩｎＰによってＥＡ変調器領域５０とは電気的にアイソレーションされており、ＤＦＢレーザ領域６０およびＥＡ変調器領域５０が共に適正な動作を行えるようになっている。
【００６６】
このＥＡ変調器１ｂでは、光源となる半導体レーザとレーザ光をデータ変調するための光変調器とが集積されているため、これらにより構成される光送信モジュールを小型化することができる。
【００６７】
また、このような構成のＥＡ変調器１ｂの製造においては、ＭＱＷ光導波路コア層４，６１の構成が異なるが、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０，６４などその他の構成要素の材質としては、同じものを用いることができる。したがって、ＭＱＷ光導波路コア層４，６１は別工程で形成してバットジョイントで光結合し、その他の構成要素は同じ工程内で所定の形状で形成することができる。
【００６８】
次に、第４の実施の形態について説明する。
図１５は第４の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図である。ただし、図１５においては、図１から図４に示した構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００６９】
第４の実施の形態のＥＡ変調器１ｃは、スロットライン型電極を構成しているグランドライン電極１１とシグナルライン電極１２ｃとの間隔が、第１の実施の形態のＥＡ変調器１の場合よりも大きい１２０μｍで形成されている。これは、スロットライン型電極のみの特性インピーダンスを、ＥＡ変調器１の場合よりも大きくするためである。
【００７０】
この場合、ＥＡ変調器１ｃにおいて、素子の入力インピーダンスを５０Ωにマッチングさせるために必要な隣り合う微小ＥＡ変調器３の間隔は８０μｍとなり、ＥＡ変調器１に比べて小さくなる。したがって、全体の素子長を小さくすることが可能になる。
【００７１】
なお、この第４の実施の形態のＥＡ変調器１ｃにおいては、シグナルライン電極１２ｃを、微小ＥＡ変調器３と相対する領域において、ＭＱＷ光導波路コア層４の側に６０μｍ程度引き出す構造としている。これは、シグナルライン電極１２ｃと金属電極７とを接続するエアブリッジ配線１３が長くなると作製が困難になるためである。このＥＡ変調器１ｃでは、スロットライン型電極の間隔が１２０μｍと大きくても、シグナルライン電極１２ｃと金属電極７との間のエアブリッジ配線１３を長くすることなく電気的に接続することができ、素子の作製を容易に行うことができる。
【００７２】
次に、第５の実施の形態について説明する。
図１６は第５の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図、図１７は図１６のＦ−Ｆ断面模式図である。ただし、図１６および図１７においては、図１から図４に示した構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００７３】
第５の実施の形態のＥＡ変調器１ｄは、第１の実施の形態のＥＡ変調器１に比較して導電性半導体を低減した構造となっている。
すなわち、ＭＱＷ光導波路コア層４下部のｎ型ＩｎＰクラッド層１０ｄは、ＭＱＷ光導波路コア層４下部から各微小ＥＡ変調器３の側方にそれぞれ引き出されて形成されている。この場合、各微小ＥＡ変調器３の間の領域においてｎ型ＩｎＰクラッド層１０ｄは側方へ引き出されておらず、メサ側方において高抵抗ＩｎＰ基板２が最表面の半導体層となっている。これらすべてのｎ型ＩｎＰクラッド層１０ｄ上および高抵抗ＩｎＰ基板２上に、スロットライン型電極の１枚のグランドライン電極１１が形成される。その他の構造および作用については、第１の実施の形態の場合と同様である。
【００７４】
このようなＥＡ変調器１ｄによれば、高周波電気信号が素子を伝播する際の損失がより小さくなり、その結果、変調周波数帯域を大きくとることができるようになる。
【００７５】
次に、第６の実施の形態について説明する。
図１８は第６の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図、図１９は図１８のＧ−Ｇ断面模式図、図２０は図１８のＨ−Ｈ断面模式図である。ただし、図１８から図２０においては、図１から図４に示した構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００７６】
第６の実施の形態のＥＡ変調器１ｅは、第５の実施の形態の場合と同様、第１の実施の形態のＥＡ変調器１に比較して導電性半導体を低減した構造となっている。
【００７７】
すなわち、ＭＱＷ光導波路コア層４下部のｎ型ＩｎＰクラッド層１０ｅは、ＭＱＷ光導波路コア層４下部から各微小ＥＡ変調器３の側方にそれぞれ引き出されて形成されている。この場合、各微小ＥＡ変調器３の間の領域においてｎ型ＩｎＰクラッド層１０ｅは側方へ引き出されておらず、メサ側方において高抵抗ＩｎＰ基板２が最表面の半導体層となっている。そのため、高周波電気信号が素子を伝播する際の損失を小さくし、変調周波数帯域を大きくとることができる。
【００７８】
さらに、このＥＡ変調器１ｅでは、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０ｅ上に金属電極１１ｅが形成されており、この金属電極１１ｅと、ここから離れて高抵抗ＩｎＰ基板２上に形成されているグランドライン電極１１とが、電気的に接続されている。このような電極構造とすることで、スロットライン型電極の間隔を１１０μｍと、第１の実施の形態のＥＡ変調器１に比べて大きくすることができる。これにより、スロットライン型電極のみの特性インピーダンスは、第１の実施の形態の場合に比較して大きくなる。その結果、このＥＡ変調器１ｅでは、素子の入力インピーダンスを５０Ωにマッチングさせるために必要な隣り合う微小ＥＡ変調器３の間隔を８５μｍとすることができ、素子長を短くすることができる。
【００７９】
なお、以上の説明では、３つの微小ＥＡ変調器３を有するＥＡ変調器１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅについて述べたが、例えば６つの微小ＥＡ変調器３を形成してその変調器として機能する領域の長さを長くするなど、形成する微小ＥＡ変調器３の数はこれに限定されるものではない。また、光導波路コア層は、上記のＭＱＷ構造のほか、バルク構造とすることもできる。さらに、上記のエアブリッジ配線１３は、高抵抗ＩｎＰ基板２との間に空間をもたせずに配線を形成することもできる。
【００８０】
以上の説明における構造上の設計値は例であって、素子の使用条件に応じて最適化することができる。
さらに、上記説明においては、隣り合う微小ＥＡ変調器３の間には、高抵抗ＩｎＰ層８またはｐ型ＩｎＰクラッド層５ａが形成されるようにしたが、これらのほか、ここに絶縁性誘電体が形成されるようにしてもよい。この場合、クラッド層としての役割を果たすことのできる物性、例えば屈折率を有しているものを用いるようにする。このように隣り合う微小ＥＡ変調器３の間に形成される高抵抗半導体、導電性半導体および絶縁性誘電体は、それ単独でまたは他の材料と組み合わせて用いることも可能である。また、隣り合う微小ＥＡ変調器３の間には何も形成しないようにすることも可能である。
【００８１】
また、以上の説明では、入力インピーダンスを主に５０Ωにマッチングさせる場合について述べたが、この値は他の所望の値であってよく、その値に合わせて構造上の設計値を決定するようにする。また、所望の入力インピーダンスに完全にマッチングさせることが困難な場合は、所望の入力インピーダンスに近づける構造設計値にするだけでも効果が得られる。消光比についても同様に、所望の値に従って、微小ＥＡ変調器の合計長さを設定することができる。
【００８２】
また、入力インピーダンスのマッチングや消光比の増大以外にも、素子上に形成した電極を高周波電気信号が伝播する速度とＭＱＷ光導波路コア層を光が伝播する速度を整合させることを素子構造の設計の指針として、スロットライン電極の間隔や素子全体の長さに占める微小ＥＡ変調器の長さの割合などの設計値を定めてもよい。入力インピーダンスを所望の値にある程度マッチングさせた上でこのような伝播速度の整合を行えば、更にＥＡ変調器の変調周波数帯域を広くすることができる。
【００８３】
（付記１） 入力電気信号に応じて光導波路コア層を伝播する光を吸収して変調する電界吸収型変調器としての機能を有する光半導体素子において、
高抵抗半導体基板上に形成されて、第１の導電性半導体上に形成されたひとつの連続した光導波路コア層の上部に第２の導電性半導体を介して離散的に形成された複数の金属電極を有し前記金属電極が形成された領域において印加される電界に応じて前記光導波路コア層を伝播する光を吸収して変調する微小電界吸収型変調器と、
前記高抵抗半導体基板上に形成されて前記金属電極に電気的に接続されたシグナルライン電極と、
前記シグナルライン電極と前記光導波路コア層を挟んで反対側の前記高抵抗半導体基板上に、前記第１の導電性半導体に接して形成されたグランドライン電極と、
を有することを特徴とする光半導体素子。
【００８４】
（付記２） 隣り合う前記微小電界吸収型変調器の間隔および前記シグナルライン電極と前記グランドライン電極との間隔を調整することによって素子全体の入力インピーダンスを設定することができるようにしたことを特徴とする付記１記載の光半導体素子。
【００８５】
（付記３） 離散的に形成された複数の前記金属電極のうち、隣り合う一方の金属電極の下に形成されている一方の導電性半導体と、他方の金属電極の下に形成されている他方の導電性半導体との間の少なくとも一部に、高抵抗半導体、絶縁性誘電体のいずれかを有していることを特徴とする付記１記載の光半導体素子。
【００８６】
（付記４） 前記微小電界吸収型変調器における前記光導波路コア層および前記第２の導電性半導体の側部には高抵抗半導体が形成され、前記金属電極は、前記第２の導電性半導体および前記高抵抗半導体の表面に跨って形成されることを特徴とする付記１記載の光半導体素子。
【００８７】
（付記５） 前記高抵抗半導体基板上に半導体レーザと共に集積形成されており、前記光導波路コア層上部の前記第２の導電性半導体が前記半導体レーザの光導波路コア層上部の導電性半導体と高抵抗の半導体を介して電気的にアイソレーションされていることを特徴とする付記１記載の光半導体素子。
【００８８】
（付記６） 前記シグナルライン電極は、前記微小電界吸収型変調器と相対する部分が前記微小電界吸収型変調器の側に引き出されて形成されていることを特徴とする付記１記載の光半導体素子。
【００８９】
（付記７） 前記第１の導電性半導体は、前記光導波路コア層の下部から前記グランドライン電極の側に向かって、前記微小電界吸収型変調器および前記微小電界吸収型変調器間の領域の全体または少なくとも一部分において、引き出されて形成されていることを特徴とする付記１記載の光半導体素子。
【００９０】
（付記８） 前記第１の導電性半導体上に形成された電極を有し、前記電極は、前記グランドライン電極と電気的に接続されていることを特徴とする付記７記載の光半導体素子。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、光導波路コア層で連結された複数の微小ＥＡ変調器を離散的に形成するとともに、微小ＥＡ変調器の金属電極に接続されたシグナルライン電極および光導波路コア層下部の第１の導電性半導体に接したグランドライン電極の２枚の電極を、光導波路コア層を挟んで形成する。これにより、光の変調に寄与する各微小ＥＡ変調器の長さの合計を適当に設定することができ、消光比を大きくすることが可能になる。さらに、シグナルライン電極およびグランドライン電極のそれぞれの幅と互いの間隔、および隣り合う微小ＥＡ変調器の間隔をそれぞれ設定することができるため、素子全体の入力インピーダンスを所望の値に合わせることができる。したがって、入力電気信号を効果的に印加することができ、広い変調周波数帯域で光を変調することのできる光半導体素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面模式図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面模式図である。
【図４】図１のＣ−Ｃ断面における微小ＥＡ変調器領域の模式図である。
【図５】各層の結晶成長工程の説明図である。
【図６】高抵抗ＩｎＰ層の再成長工程の説明図である。
【図７】ＭＱＷ光導波路コア層の形成工程の説明図である。
【図８】高抵抗ＩｎＰ層の埋め込み成長工程の説明図である。
【図９】メサ構造の形成工程の説明図である。
【図１０】ｎ型ＩｎＰクラッド層のエッチング工程の説明図である。
【図１１】第２の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図である。
【図１２】図１１のＤ−Ｄ断面における微小ＥＡ変調器領域の模式図である。
【図１３】第３の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図である。
【図１４】図１３のＥ−Ｅ断面模式図である。
【図１５】第４の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図である。
【図１６】第５の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図である。
【図１７】図１６のＦ−Ｆ断面模式図である。
【図１８】第６の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図である。
【図１９】図１８のＧ−Ｇ断面模式図である。
【図２０】図１８のＨ−Ｈ断面模式図である。
【図２１】従来のＥＡ変調器の模式図である。
【図２２】従来の別の形態のＥＡ変調器の模式図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ ＥＡ変調器
２ 高抵抗ＩｎＰ基板
３ 微小ＥＡ変調器
４，６１ ＭＱＷ光導波路コア層
５，５ａ，６２ ｐ型ＩｎＰクラッド層
６，６３ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
７，１１ｅ，６６，６７ 金属電極
８，９，６５ 高抵抗ＩｎＰ層
１０，１０ｄ，１０ｅ，６４ ｎ型ＩｎＰクラッド層
１１ グランドライン電極
１２，１２ｃ シグナルライン電極
１３，１４ エアブリッジ配線
１５ 電極パッド
２０ 高周波電気信号源
３０ 終端抵抗
４０ ＭＱＷ層
５０ ＥＡ変調器領域
６０ ＤＦＢレーザ領域
【発明の属する技術分野】
本発明は光半導体素子に関し、特に光通信システムにおける光送信器の光変調器として用いられ、入力電気信号の波形を基に連続光を変調する機能を有する光半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムにおける光送信器には、入力電気信号の波形を基に連続光を変調光に変換する光変調器として機能する光半導体素子が内蔵されている。近年では、１０〜８０Ｇｂｉｔｓ／ｓｅｃ．あるいはそれ以上の超高速通信に対応する光変調器の開発が進められている。
【０００３】
このような光変調器として用いられる光半導体素子には、例えば、入力された電圧信号に応じて光を変調する電界吸収型（ＥｌｅｃｔｒｏＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎ，ＥＡ）変調器がある。
【０００４】
図２１は従来のＥＡ変調器の模式図である。
ＥＡ変調器１００は、導電性半導体であるｎ型ＩｎＰ基板１０１上に、多重量子井戸層（ＭＱＷ）からなるＭＱＷ光導波路コア層１０２、このＭＱＷ光導波路コア層１０２上に形成されたｐ型クラッド層１０３、および素子の上面ならびに下面にそれぞれ形成された金属電極１０４，１０５を有している。このＥＡ変調器１００において、ｎ型ＩｎＰ基板１０１は、ＭＱＷ光導波路コア層１０２をｐ型クラッド層１０３と挟むｎ型クラッド層としての役割も果たしている。
【０００５】
ＭＱＷ光導波路コア層１０２の光の吸収端波長は、光通信で用いられる光の波長よりも若干短波長側に設定されており、そのため、ＥＡ変調器１００は、光通信で用いられる光に対しては透明である。このＭＱＷ光導波路コア層１０２に対して電界を印加した場合、光の吸収端波長は長波長側へとシフトし、光通信で用いられる光の波長に対して大きな吸収係数をもつようになる。これにより、光はこのＥＡ変調器１００を透過せず、内部に吸収されるようになる。
【０００６】
ＥＡ変調器１００は、このような電界によるＭＱＷの吸収係数の変化（量子閉じ込めシュタルク効果）を利用して光の変調を行う。すなわち、ＥＡ変調器１００は、金属電極１０４，１０５間に高周波の電圧信号が印加されると、それにより生じるＭＱＷ光導波路コア層１０２の吸収係数の変化に応じて透過する光の強度を変調する。
【０００７】
ところで、この図２１に示したようなＥＡ変調器１００においては、ｎ型クラッド層としてのｎ型ＩｎＰ基板１０１とｐ型クラッド層１０３とによって挟まれたＭＱＷ光導波路コア層１０２が、電気的にキャパシタンスとみなされる。この場合、キャパシタンスの電気容量で決まるＣＲ時定数より大きな周波数においては、ＭＱＷ光導波路コア層１０２に対して効果的な高周波電圧の印加が行えなくなる。その結果、ＥＡ変調器１００の光の変調帯域は、効果的な高周波電圧の印加が行えるような電気信号の周波数帯域に制限されてしまうことになる。
【０００８】
そのため、従来は主に、ＥＡ変調器がこのような変調周波数帯域の制限を受けないよう、４０Ｇｂｉｔｓ／ｓｅｃ．システム用のＥＡ変調器に対し、その素子長を８０〜１００μｍと小さく抑えることでその電気容量を低減し、変調周波数帯域を広くとれるようにしていた。
【０００９】
また、図２２は従来の別の形態のＥＡ変調器の模式図である。
このＥＡ変調器２００は、基板として高抵抗ＩｎＰ基板２０１が用いられ、ＭＱＷ光導波路コア層２０２に電圧を印加するための金属電極２０３，２０４が、ｎ型クラッド層２０６上およびｐ型クラッド層２０５上にそれぞれ形成されている。これらの金属電極２０３，２０４は進行波型電極になっており、図２１に示したＥＡ変調器１００の集中定数型電極とは異なる。そのため、このＥＡ変調器２００は、その進行波型電極の特性インピーダンスを駆動電気回路の特性インピーダンス、例えば５０Ωに合わせることで、原理的には電気容量による変調周波数帯域の制限を受けない構造となっている。
【００１０】
また、特開２０００−２５８７３９号公報には、上記のＥＡ変調器１００，２００とは異なる形態のＥＡ変調器が提案されている。この提案におけるＥＡ変調器は、ＭＱＷ光導波路コア層の上部に形成されている金属電極が、ＭＱＷ光導波路コア層の軸線方向に不連続に形成されている。すなわち、ＭＱＷ光導波路コア層上に形成されたｐ型半導体と金属電極とが接して形成されている２つのＥＡ変調器領域と、その間の、金属電極がｐ型半導体から部分的に分離して形成されて２つのＥＡ変調器領域を電気的に接続する接続領域とに分けられた構造を有している。このＥＡ変調器は、実質的には２つのＥＡ変調器を直列に接続した構造になっており、全体として１つのＥＡ変調器として機能するようになっている。
【００１１】
このような構造のＥＡ変調器では、接続領域における金属電極の断面積は比較的小さく、その長さはある程度長くなるため、この金属電極を電気的なインダクタンスとみなすことができる。一方、２つのＥＡ変調器領域は、電気容量を持ったキャパシタンスとみなすことができる。そのため、このＥＡ変調器では、接続領域における金属電極のインダクタンスの値およびＥＡ変調器領域のキャパシタンスの値をそれぞれ適切に設定することで、素子全体の入力インピーダンスを、例えば５０Ωに、マッチングさせるようにしている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のそれぞれの形態のＥＡ変調器においては、次に示すような問題点があった。
【００１３】
まず、図２１に示したＥＡ変調器１００においては、電気容量を低減して高周波電気信号を効果的にＭＱＷ光導波路コア層１０２に印加することができるよう、素子長を短くする。しかし、その場合には、一定の駆動電圧において消光比が小さくなってしまうという問題がある。これは、ＭＱＷ光導波路コア層１０２に電圧を印加することによって消光する際、素子長が短いために充分に光がＭＱＷ光導波路コア層１０２に吸収されなくなるためである。
【００１４】
また、図２２に示したＥＡ変調器２００のように、進行波型電極にすることによって変調周波数帯域が制限されるのを抑えようとした場合には、素子断面の単位長さあたりの電気容量は比較的大きくなるという問題がある。そのため、実際には、素子上の進行波型電極の断面が有している特性インピーダンスは３５Ω程度かあるいはそれ以下であり、素子全体の入力インピーダンスを５０Ωなどの所定の値にマッチングさせることは困難である。この場合、素子からの高周波電気信号の反射は大きくなり、効果的にＭＱＷ光導波路コア層２０２に高周波電気信号を印加することができず、変調周波数帯域は狭まることになる。さらに、素子から反射した高周波電気信号が駆動回路系に悪影響を及ぼすという問題もある。
【００１５】
また、ＥＡ変調器領域と接続領域とを有するＥＡ変調器において、素子全体の入力インピーダンスを所定の値にマッチングする場合には、ＥＡ変調器領域の比較的大きな電気容量に対し、接続領域ではそれに見合うだけのインダクタンスにする必要がある。そのためには、接続領域を長くしてこの領域の金属電極の長さを長くしたり、この領域の金属電極の断面積を小さくしたりすることで、そのインダクタンスを大きくすることができる。
【００１６】
ここで、接続領域は、ＥＡ変調器領域と同様、ＭＱＷ光導波路コア層とこれを上下に挟むｐ型，ｎ型ＩｎＰクラッド層を有している。一般に、導電性半導体は、高周波電気信号に対して損失媒体として働く。したがって、前述のように、接続領域を長くすると、この接続領域に存在する導電性半導体であるｐ型，ｎ型ＩｎＰにより、印加した高周波電気信号の損失が増大することになる。さらに、前述のように、接続領域における金属電極の断面積が小さい場合には、高周波電気信号が伝播する際の抵抗が大きくなり、印加した高周波電気信号の損失が増大する。このような高周波電気信号の損失増大により、変調周波数帯域は制限される可能性がある。
【００１７】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、入力された電気信号を効果的に光導波路コア層に印加することができ、広い変調周波数帯域で光を変調することのできる光半導体素子を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、図１に例示するような構成で実現可能な光半導体素子が提供される。本発明の光半導体素子は、入力電気信号に応じて光導波路コア層を伝播する光を吸収して変調するＥＡ変調器としての機能を有する光半導体素子において、高抵抗半導体基板上に形成されて、第１の導電性半導体上に形成されたひとつの連続した光導波路コア層の上部に第２の導電性半導体を介して離散的に形成された複数の金属電極を有し前記金属電極が形成された領域において印加される電界に応じて前記光導波路コア層を伝播する光を吸収して変調する微小ＥＡ変調器と、前記高抵抗半導体基板上に形成されて前記金属電極に電気的に接続されたシグナルライン電極と、前記シグナルライン電極と前記光導波路コア層を挟んで反対側の前記高抵抗半導体基板上に、前記第１の導電性半導体に接して形成されたグランドライン電極と、を有することを特徴とする。
【００１９】
このような光半導体素子によれば、シグナルライン電極１２およびグランドライン電極１１間に電気信号が与えられると、その電気信号はシグナルライン電極１２から金属電極７へと伝わり、その下のＭＱＷ光導波路コア層４に電界が印加される。これにより、ＭＱＷ光導波路コア層４を伝播する光が変調される。ＥＡ変調器１においては、複数の微小ＥＡ変調器３がひとつの光導波路コア層によって連結されて離散的に形成されており、各微小ＥＡ変調器３が光の変調に寄与し、素子全体でひとつのＥＡ変調器１として動作する。
【００２０】
また、このような光半導体素子では、シグナルライン電極１２およびグランドライン電極１１のそれぞれの幅と互いの間隔、および隣り合う微小ＥＡ変調器３の間隔をそれぞれ適当な値に設計することができる。そのため、スロットライン型電極の特性インピーダンスと微小ＥＡ変調器３の電気容量とを適当に設定し、素子全体の入力インピーダンスを所望の値に合わせることが可能になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
まず、第１の実施の形態について説明する。
【００２２】
図１は第１の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図、図２は図１のＡ−Ａ断面模式図、図３は図１のＢ−Ｂ断面模式図、図４は図１のＣ−Ｃ断面における微小ＥＡ変調器領域の模式図である。
【００２３】
光導波路コア層に印加される電界に応じてその吸収係数を変化させ、光導波路コア層を伝播する光を変調する光半導体素子であるＥＡ変調器１は、その基板に高抵抗ＩｎＰ基板２を用いて形成されている。このＥＡ変調器１には、印加される電界に応じてそれぞれが光の変調に寄与する領域となる複数の微小ＥＡ変調器３が離散的に形成されている。これらの微小ＥＡ変調器３は、ひとつの連続したＭＱＷ層からなるＭＱＷ光導波路コア層４によって光学的に連結されている。
【００２４】
微小ＥＡ変調器３として機能する領域において、ＭＱＷ光導波路コア層４上には、導電性半導体として、順にｐ型ＩｎＰクラッド層５およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６が積層形成されている。このうち、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６上には、Ａｕを用いた金属電極７が形成されている。一方、微小ＥＡ変調器３として機能する領域以外の領域、すなわち金属電極７が形成されている領域以外の領域にあるＭＱＷ光導波路コア層４上には、高抵抗半導体である高抵抗ＩｎＰ層８が形成されている。
【００２５】
さらに、このＥＡ変調器１の素子全体にわたり、ＭＱＷ光導波路コア層４、ｐ型ＩｎＰクラッド層５およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６の側壁およびその近傍には、高抵抗ＩｎＰ層９が形成されている。
【００２６】
そして、ＭＱＷ光導波路コア層４および高抵抗ＩｎＰ層９の下部で高抵抗ＩｎＰ基板２上には、導電性半導体であるｎ型ＩｎＰクラッド層１０が形成されている。このｎ型ＩｎＰクラッド層１０は、ＭＱＷ光導波路コア層４下部から軸線方向の側方の一方の側の高抵抗ＩｎＰ基板２上に引き出されるようにして、微小ＥＡ変調器３の側方に形成されている。
【００２７】
さらに、高抵抗ＩｎＰ基板２上には、ＭＱＷ光導波路コア層４を挟むそれぞれの表面領域であってＭＱＷ光導波路コア層４から互いに一定距離だけ離れた表面領域に、Ａｕを用いて形成された金属電極であるグランドライン電極１１およびシグナルライン電極１２が形成されている。グランドライン電極１１は、高抵抗ＩｎＰ基板２上と共にｎ型ＩｎＰクラッド層１０上にも部分的に形成され、微小ＥＡ変調器３と電気的に接続されている。
【００２８】
微小ＥＡ変調器３の金属電極７は、ＭＱＷ光導波路コア層４の軸線方向の側方へ、高抵抗ＩｎＰ基板２との間に空間を残した状態で引き出されたＡｕのエアブリッジ配線１３により、シグナルライン電極１２と接続されている。これにより、微小ＥＡ変調器３はシグナルライン電極１２と電気的に接続される。
【００２９】
これらのグランドライン電極１１およびシグナルライン電極１２は、ＥＡ変調器１において、高周波伝送路となるスロットライン型電極を構成している。
さらに、このシグナルライン電極１２は、軸線方向の両端部において、エアブリッジ配線１４によりＭＱＷ光導波路コア層４を挟んだ反対側の領域、すなわちグランドライン電極１１が形成されている領域の側に向かって配線され、高周波電気信号の入出力用の電極パッド１５に接続されている。
【００３０】
ここで、この第１の実施の形態のＥＡ変調器１における各微小ＥＡ変調器３の軸線方向の長さはそれぞれ５０μｍであり、隣り合う微小ＥＡ変調器３の軸線方向の間隔は１００μｍである。
【００３１】
また、ＭＱＷ光導波路コア層４は、膜厚０．３μｍ、幅１．５μｍである。このＭＱＷ光導波路コア層４を構成する井戸層およびバリヤ層はいずれもＩｎＧａＡｓＰで形成され、ＭＱＷ光導波路コア層４の発光波長は１．５０μｍに設定されている。井戸層の層数は１５層、また、ＭＱＷ光導波路コア層４はアンドーピング層である。
【００３２】
微小ＥＡ変調器３において、ｐ型ＩｎＰクラッド層５，ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６の膜厚はそれぞれ２μｍ，０．２μｍであり、幅は共にＭＱＷ光導波路コア層４と同じ１．５μｍである。これらのドーピング濃度は、それぞれ１．５×１０１８／ｃｍ３，２．０×１０１９／ｃｍ３としている。ｎ型ＩｎＰクラッド層１０は、膜厚約２μｍ、幅５０μｍであり、そのドーピング濃度は１．０×１０１８／ｃｍ３としている。
【００３３】
ｎ型ＩｎＰクラッド層１０上のＭＱＷ光導波路コア層４、ｐ型ＩｎＰクラッド層５，ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６および高抵抗ＩｎＰ層８，９によって構成されているメサ構造の幅は８μｍとなるように形成されている。
【００３４】
グランドライン電極１１，シグナルライン電極１２の幅はそれぞれ１５０μｍ，１００μｍであり、その膜厚は共に５μｍである。グランドライン電極１１とシグナルライン電極１２との間隔はここでは６０μｍとなるよう形成されており、シグナルライン電極１２とｎ型ＩｎＰクラッド層１０との間隔は４０μｍで形成されている。シグナルライン電極１２と金属電極７とを接続するエアブリッジ配線１３の膜厚は５μｍであり、その幅は２０μｍで形成している。
【００３５】
このような構成のＥＡ変調器１においては、グランドライン電極１１および一方の側の電極パッド１５に対し、高周波電気信号源２０によって高周波電気信号が与えられる。もう一方の側に形成されている電極パッド１５とグランドライン電極１１との間には終端抵抗３０が接続されている。シグナルライン電極１２に接続された一方の側の電極パッド１５とグランドライン電極１１との間に高周波電気信号源２０によって高周波電気信号が与えられると、高周波電気信号は、もう一方の側の電極パッド１５に向かって伝播する。その際、高周波電気信号は、シグナルライン電極１２からエアブリッジ配線１３を介して、離散的に形成された各微小ＥＡ変調器３の金属電極７へと伝播され、その下部のＭＱＷ光導波路コア層４に電界が印加される。この印加される電界に応じてＭＱＷ光導波路コア層４の吸収係数が変化し、これを伝播する光が吸収による変調を受けるようになる。
【００３６】
以上のように、このＥＡ変調器１では、離散的に形成された微小ＥＡ変調器３を光学的に連結して素子全体でひとつのＥＡ変調器として動作する構造としているので、各微小ＥＡ変調器３の長さの合計が、必要とされる消光比を実現する長さとなるような設計が可能である。したがって、与えられた駆動電圧の下でＭＱＷ光導波路コア層４を伝播する光を充分に吸収させることが可能になる。
【００３７】
また、このＥＡ変調器１では、グランドライン電極１１，シグナルライン電極１２の２枚の電極からなるスロットライン型電極に、各微小ＥＡ変調器３が電気的に接続される構造としている。このような構造では、素子全体の入力インピーダンスが、グランドライン電極１１，シグナルライン電極１２のそれぞれの幅と互いの間隔で定まるスロットライン型電極のみの特性インピーダンスと、微小ＥＡ変調器３の電気容量とによって決まる。
【００３８】
そのため、微小ＥＡ変調器３がスロットライン型電極に電気的に接続されていない場合には、素子の入力インピーダンスはスロットライン型電極のみの特性インピーダンスに等しい。これに対し、スロットライン型電極に微小ＥＡ変調器３が接続された場合、素子の入力インピーダンスは、スロットライン型電極のみの特性インピーダンスが微小ＥＡ変調器３の実効的な電気容量に対応した量だけ下げられた値となる。この実効的な電気容量とは、微小ＥＡ変調器３の電気容量を、その微小ＥＡ変調器３の長さとこれに隣り合う微小ＥＡ変調器３との間隔との和で割った単位長さあたりの電気容量をいう。
【００３９】
したがって、スロットライン型電極に接続された微小ＥＡ変調器３の実効的な電気容量を考慮し、スロットライン型電極をその特性インピーダンスを５０Ωより大きくなるように形成することで、素子全体の入力インピーダンスを５０Ωにマッチングさせることが可能になる。このマッチングに当たっては、前述のように、微小ＥＡ変調器３の実効的な電気容量は、その微小ＥＡ変調器３の軸線方向の長さとこれに隣り合う微小ＥＡ変調器３との間隔を変化させることで調整可能である。また、スロットライン型電極のみの特性インピーダンスは、グランドライン電極１１，シグナルライン電極１２のそれぞれの幅および互いの間隔を変化させることで調整可能である。
【００４０】
このように、ＥＡ変調器１においては、素子全体の入力インピーダンスを所望の値にマッチングさせる設計が可能である。そのため、ＭＱＷ光導波路コア層４に高周波電気信号をその反射を抑えて効果的に印加することができ、ＥＡ変調器１の変調周波数帯域を広くとることができる。
【００４１】
また、このＥＡ変調器１は、スロットライン型電極を素子表面に充分な幅で形成することで、高周波電気信号がスロットライン型電極を伝播する際の抵抗を小さくし、高周波電気信号の伝播損失を低減することができる。
【００４２】
さらに、このＥＡ変調器１では、高抵抗ＩｎＰ基板２を用い、さらに、グランドライン電極１１とＭＱＷ光導波路コア層４とを接続するｎ型ＩｎＰクラッド層１０の体積が小さくなるように配慮されている。このように、導電性半導体の使用量を低減することで、導電性半導体による高周波電気信号の損失を小さく抑えることが可能になる。
【００４３】
さらに、このＥＡ変調器１では、ＭＱＷ光導波路コア層４上部において、ｐ型ＩｎＰクラッド層５およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６が微小ＥＡ変調器３の領域にのみ形成され、この領域以外の領域には高抵抗ＩｎＰ層８が形成されている。このように、各微小ＥＡ変調器３の領域間に、高周波電気信号の伝播損失の小さい高抵抗ＩｎＰ層８を用いることで、導電性半導体を用いる場合よりも高周波電気信号の損失を低減することができる。
【００４４】
また、このＥＡ変調器１においては、ＭＱＷ光導波路コア層４の両側が高抵抗ＩｎＰ層９により埋め込まれ、微小ＥＡ変調器３の断面がＳＩ−ＢＨ構造に形成されていることで、次のような製造上の利点がある。すなわち、一般に光導波路コア層の上部に露出したｐ型コンタクト層のように幅２μｍ以下程度の狭い領域にのみ金属電極を形成することは製造プロセス上困難である。これに対し、このＥＡ変調器１では、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６を含め合計８μｍの幅で露出している高抵抗ＩｎＰ層８，９の表面に跨った領域にも金属電極７を形成することができ、ＥＡ変調器１の製造が容易になる。
【００４５】
次に、上記構成のＥＡ変調器１の製造方法について図５から図１０を参照して説明する。ここで、図５は各層の結晶成長工程、図６は高抵抗ＩｎＰ層の再成長工程、図７はＭＱＷ光導波路コア層の形成工程、図８は高抵抗ＩｎＰ層の埋め込み成長工程、図９はメサ構造の形成工程、図１０はｎ型ＩｎＰクラッド層のエッチング工程の説明図である。
【００４６】
まず、高抵抗ＩｎＰ基板２上に、ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０、アンドーピングのＭＱＷ層４０、ｐ型ＩｎＰクラッド層５およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６を、この順でそれぞれ一様に結晶成長させ、図５に示すような積層構造のウェハを形成する。ただし、図５および以下の図６ならびに図７においては、ｐ型ＩｎＰクラッド層５およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６をひとつの層で図示している。
【００４７】
次いで、図６に示すように、ＭＱＷ層４０上に成長させたｐ型ＩｎＰクラッド層５およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６を、最終的に上記の微小ＥＡ変調器３が形成される領域が残るようにして、帯状に除去する。これは、通常の半導体製造プロセスにおいて用いられるリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて行われる。そして、ｐ型ＩｎＰクラッド層５およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６が部分的に除去されているＭＱＷ層４０上に、再度ＭＯＶＰＥ法により、高抵抗ＩｎＰ層８を成長させる。
【００４８】
次いで、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０、ＭＱＷ層４０、ｐ型ＩｎＰクラッド層５、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６、および高抵抗ＩｎＰ層８を、ドライエッチング技術により加工し、図７に示すように、ひとつの連続したＭＱＷ光導波路コア層４を含む導波路構造を形成する。
【００４９】
次いで、図８に示すように、先の導波路構造の形成時に行ったドライエッチングにより取り除いて露出したｎ型ＩｎＰクラッド層１０上に、ＭＯＶＰＥ法による埋め込み成長技術を用いて、高抵抗ＩｎＰ層９を成長させる。これにより、表面に露出するｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６の部分を除き、ウェハ表面に高抵抗ＩｎＰが一様に形成される。
【００５０】
次いで、図９に示すように、ドライエッチング技術により、ＭＱＷ光導波路コア層４の側方の領域に形成されている大部分の高抵抗ＩｎＰ層９を除去し、その下部のｎ型ＩｎＰクラッド層１０を露出させ、メサ構造を形成する。このメサ構造の形成の際には、ＭＱＷ光導波路コア層４の側壁およびその近傍に高抵抗ＩｎＰ層９が残るようにする。これにより、ＭＱＷ光導波路コア層４上には高抵抗ＩｎＰ層８が、ＭＱＷ光導波路コア層４の側壁およびその近傍には高抵抗ＩｎＰ層９が、それぞれ残ることになり、ＭＱＷ光導波路コア層４を含む導波路構造が高抵抗ＩｎＰによって囲まれた状態になる。
【００５１】
次いで、図１０に示すように、ドライエッチング技術により、ＭＱＷ光導波路コア層４を含む導波路構造の側方にある片側一部の領域を除いて、表面に露出したｎ型ＩｎＰクラッド層１０を除去し、高抵抗ＩｎＰ基板２を露出させる。その際、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０は、軸線方向に対して最終的に微小ＥＡ変調器３が形成される領域の側方に残るようにエッチングする。このエッチングにより除去しないで表面に露出する部分のｎ型ＩｎＰクラッド層１０は、メサのエッジ部からの幅がここでは４２μｍとなるように形成する。
【００５２】
最後に、Ａｕメッキを施し、電極形成を行う。このＡｕメッキは、２回に分けて行う。まず１回目のＡｕメッキにより、図１から図３に示した所定の領域に、スロットライン型電極となるグランドライン電極１１およびシグナルライン電極１２をそれぞれ形成する。そして、続く２回目のＡｕメッキにより、ＭＱＷ光導波路コア層４上にｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６が露出している部分において、その上部に金属電極７を形成する。この金属電極７が形成されている領域が微小ＥＡ変調器３として機能するようになる。その際、金属電極７とシグナルライン電極１２との間、およびシグナルライン電極１２と電極パッド１５との間を、それぞれＡｕメッキのエアブリッジ配線１３，１４により接続する。
【００５３】
これにより、図１から図４に示したような、離散的に形成された複数の微小ＥＡ変調器３が光学的および電気的に連結されたＥＡ変調器１が形成される。
次に、第２の実施の形態について説明する。
【００５４】
図１１は第２の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図、図１２は図１１のＤ−Ｄ断面における微小ＥＡ変調器領域の模式図である。ただし、図１１および図１２においては、図１から図４に示した構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００５５】
第２の実施の形態のＥＡ変調器１ａは、ＭＱＷ光導波路コア層４上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層５ａが軸線方向に一様に形成されており、この点で、微小ＥＡ変調器３の領域以外の領域では高抵抗ＩｎＰ層８が形成されている第１の実施の形態のＥＡ変調器１と相違する。このｐ型ＩｎＰクラッド層５ａ上に形成されるｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６は、第１の実施の形態と同じく、微小ＥＡ変調器３の領域にのみ形成されている。その他の点についても、第１の実施の形態と同じである。
【００５６】
この第２の実施の形態のＥＡ変調器１ａの製造は、第１の実施の形態のＥＡ変調器１の製造と同様に行うことができる。ただし、このＥＡ変調器１ａの製造においては、第１の実施の形態において図６に示した高抵抗ＩｎＰ層８の再成長工程を省略する。さらに、図８に示した高抵抗ＩｎＰ層９の埋め込み成長工程の後に、微小ＥＡ変調器３が形成される領域以外の領域のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６をウェットエッチングにより除去する工程を追加する。これにより、上記構成のＥＡ変調器１ａを形成することができる。
【００５７】
このＥＡ変調器１ａでは、微小ＥＡ変調器３の領域以外の領域においてもｐ型ＩｎＰクラッド層５ａが形成されるため、この領域のｐ型ＩｎＰクラッド層５ａによる高周波電気信号の損失が生じることになる。しかし、スロットライン型電極によって高周波電気信号を効率的に伝送することができ、その他の構成も第１の実施の形態と同じであるため、高周波電気信号の損失を、第１の実施の形態の場合ほどではないものの、充分低く抑えることができる。
【００５８】
また、図６に示したようなエッチング後に再び結晶成長を行うといった工程を省略することができ、さらに、ＥＡ変調器１ａの構造を簡素化できるので、生産性を向上させることが可能になる。
【００５９】
次に、第３の実施の形態について説明する。
図１３は第３の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図、図１４は図１３のＥ−Ｅ断面模式図である。ただし、図１３および図１４においては、図１から図４に示した構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００６０】
第３の実施の形態のＥＡ変調器１ｂは、ＥＡ変調器領域５０と分布帰還（ＤＦＢ）レーザ領域６０とが同一基板上に集積された構造を有している。ＥＡ変調器１ｂのＥＡ変調器領域５０は、第１の実施の形態のＥＡ変調器１と同様の構造で形成されている。
【００６１】
ＤＦＢレーザ領域６０のＭＱＷ光導波路コア層６１の発光波長は、１．５５μｍ付近に調整されており、ＥＡ変調器領域５０のＭＱＷ光導波路コア層４とは異なる組成、構造になっている。ＭＱＷ光導波路コア層４，６１は、その結合損失を低く抑えられるバットジョイントにて光結合される。
【００６２】
ここで、図１３および図１４においては図示を省略しているが、ＤＦＢレーザ領域６０には、通常のＤＦＢレーザと同様に、ＭＱＷ光導波路コア層６１の近くに回折格子を形成しておく。ＭＱＷ光導波路コア層６１の組成および回折格子の形状は、このＤＦＢレーザ領域６０での発振波長が１．５５μｍとなるようにそれぞれ調整される。
【００６３】
ＤＦＢレーザ領域６０のＭＱＷ光導波路コア層６１は、ＥＡ変調器領域５０のＭＱＷ光導波路コア層４と同じ膜厚で形成される。このＭＱＷ光導波路コア層６１上には、ｐ型ＩｎＰクラッド層６２およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６３が、ＥＡ変調器領域５０のｐ型ＩｎＰクラッド層５およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６と同じ膜厚で形成されている。
【００６４】
ＭＱＷ光導波路コア層６１の下部には、ｎ型ＩｎＰクラッド層６４が、膜厚約２μｍ、幅１９０μｍで形成され、ＥＡ変調器領域５０のｎ型ＩｎＰクラッド層１０と同様、ＭＱＷ光導波路コア層６１の軸線方向の側方に表面露出した状態で引き出されている。さらに、ｎ型ＩｎＰクラッド層６４上であってＭＱＷ光導波路コア層６１の側壁部には、高抵抗ＩｎＰ層６５が、ＭＱＷ光導波路コア層６１などの幅を含めて合計１５０μｍの幅で、かつ膜厚３μｍで形成されている。
【００６５】
ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６３上ならびに高抵抗ＩｎＰ層６５上、およびｎ型ＩｎＰクラッド層６４の一部を含む高抵抗ＩｎＰ基板２上には、Ａｕメッキによる金属電極６６，６７が、それぞれ幅１５０μｍ，１３０μｍ、膜厚が共に５μｍで形成されている。金属電極６６，６７は、共に高抵抗ＩｎＰによってＥＡ変調器領域５０とは電気的にアイソレーションされており、ＤＦＢレーザ領域６０およびＥＡ変調器領域５０が共に適正な動作を行えるようになっている。
【００６６】
このＥＡ変調器１ｂでは、光源となる半導体レーザとレーザ光をデータ変調するための光変調器とが集積されているため、これらにより構成される光送信モジュールを小型化することができる。
【００６７】
また、このような構成のＥＡ変調器１ｂの製造においては、ＭＱＷ光導波路コア層４，６１の構成が異なるが、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０，６４などその他の構成要素の材質としては、同じものを用いることができる。したがって、ＭＱＷ光導波路コア層４，６１は別工程で形成してバットジョイントで光結合し、その他の構成要素は同じ工程内で所定の形状で形成することができる。
【００６８】
次に、第４の実施の形態について説明する。
図１５は第４の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図である。ただし、図１５においては、図１から図４に示した構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００６９】
第４の実施の形態のＥＡ変調器１ｃは、スロットライン型電極を構成しているグランドライン電極１１とシグナルライン電極１２ｃとの間隔が、第１の実施の形態のＥＡ変調器１の場合よりも大きい１２０μｍで形成されている。これは、スロットライン型電極のみの特性インピーダンスを、ＥＡ変調器１の場合よりも大きくするためである。
【００７０】
この場合、ＥＡ変調器１ｃにおいて、素子の入力インピーダンスを５０Ωにマッチングさせるために必要な隣り合う微小ＥＡ変調器３の間隔は８０μｍとなり、ＥＡ変調器１に比べて小さくなる。したがって、全体の素子長を小さくすることが可能になる。
【００７１】
なお、この第４の実施の形態のＥＡ変調器１ｃにおいては、シグナルライン電極１２ｃを、微小ＥＡ変調器３と相対する領域において、ＭＱＷ光導波路コア層４の側に６０μｍ程度引き出す構造としている。これは、シグナルライン電極１２ｃと金属電極７とを接続するエアブリッジ配線１３が長くなると作製が困難になるためである。このＥＡ変調器１ｃでは、スロットライン型電極の間隔が１２０μｍと大きくても、シグナルライン電極１２ｃと金属電極７との間のエアブリッジ配線１３を長くすることなく電気的に接続することができ、素子の作製を容易に行うことができる。
【００７２】
次に、第５の実施の形態について説明する。
図１６は第５の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図、図１７は図１６のＦ−Ｆ断面模式図である。ただし、図１６および図１７においては、図１から図４に示した構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００７３】
第５の実施の形態のＥＡ変調器１ｄは、第１の実施の形態のＥＡ変調器１に比較して導電性半導体を低減した構造となっている。
すなわち、ＭＱＷ光導波路コア層４下部のｎ型ＩｎＰクラッド層１０ｄは、ＭＱＷ光導波路コア層４下部から各微小ＥＡ変調器３の側方にそれぞれ引き出されて形成されている。この場合、各微小ＥＡ変調器３の間の領域においてｎ型ＩｎＰクラッド層１０ｄは側方へ引き出されておらず、メサ側方において高抵抗ＩｎＰ基板２が最表面の半導体層となっている。これらすべてのｎ型ＩｎＰクラッド層１０ｄ上および高抵抗ＩｎＰ基板２上に、スロットライン型電極の１枚のグランドライン電極１１が形成される。その他の構造および作用については、第１の実施の形態の場合と同様である。
【００７４】
このようなＥＡ変調器１ｄによれば、高周波電気信号が素子を伝播する際の損失がより小さくなり、その結果、変調周波数帯域を大きくとることができるようになる。
【００７５】
次に、第６の実施の形態について説明する。
図１８は第６の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図、図１９は図１８のＧ−Ｇ断面模式図、図２０は図１８のＨ−Ｈ断面模式図である。ただし、図１８から図２０においては、図１から図４に示した構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００７６】
第６の実施の形態のＥＡ変調器１ｅは、第５の実施の形態の場合と同様、第１の実施の形態のＥＡ変調器１に比較して導電性半導体を低減した構造となっている。
【００７７】
すなわち、ＭＱＷ光導波路コア層４下部のｎ型ＩｎＰクラッド層１０ｅは、ＭＱＷ光導波路コア層４下部から各微小ＥＡ変調器３の側方にそれぞれ引き出されて形成されている。この場合、各微小ＥＡ変調器３の間の領域においてｎ型ＩｎＰクラッド層１０ｅは側方へ引き出されておらず、メサ側方において高抵抗ＩｎＰ基板２が最表面の半導体層となっている。そのため、高周波電気信号が素子を伝播する際の損失を小さくし、変調周波数帯域を大きくとることができる。
【００７８】
さらに、このＥＡ変調器１ｅでは、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０ｅ上に金属電極１１ｅが形成されており、この金属電極１１ｅと、ここから離れて高抵抗ＩｎＰ基板２上に形成されているグランドライン電極１１とが、電気的に接続されている。このような電極構造とすることで、スロットライン型電極の間隔を１１０μｍと、第１の実施の形態のＥＡ変調器１に比べて大きくすることができる。これにより、スロットライン型電極のみの特性インピーダンスは、第１の実施の形態の場合に比較して大きくなる。その結果、このＥＡ変調器１ｅでは、素子の入力インピーダンスを５０Ωにマッチングさせるために必要な隣り合う微小ＥＡ変調器３の間隔を８５μｍとすることができ、素子長を短くすることができる。
【００７９】
なお、以上の説明では、３つの微小ＥＡ変調器３を有するＥＡ変調器１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅについて述べたが、例えば６つの微小ＥＡ変調器３を形成してその変調器として機能する領域の長さを長くするなど、形成する微小ＥＡ変調器３の数はこれに限定されるものではない。また、光導波路コア層は、上記のＭＱＷ構造のほか、バルク構造とすることもできる。さらに、上記のエアブリッジ配線１３は、高抵抗ＩｎＰ基板２との間に空間をもたせずに配線を形成することもできる。
【００８０】
以上の説明における構造上の設計値は例であって、素子の使用条件に応じて最適化することができる。
さらに、上記説明においては、隣り合う微小ＥＡ変調器３の間には、高抵抗ＩｎＰ層８またはｐ型ＩｎＰクラッド層５ａが形成されるようにしたが、これらのほか、ここに絶縁性誘電体が形成されるようにしてもよい。この場合、クラッド層としての役割を果たすことのできる物性、例えば屈折率を有しているものを用いるようにする。このように隣り合う微小ＥＡ変調器３の間に形成される高抵抗半導体、導電性半導体および絶縁性誘電体は、それ単独でまたは他の材料と組み合わせて用いることも可能である。また、隣り合う微小ＥＡ変調器３の間には何も形成しないようにすることも可能である。
【００８１】
また、以上の説明では、入力インピーダンスを主に５０Ωにマッチングさせる場合について述べたが、この値は他の所望の値であってよく、その値に合わせて構造上の設計値を決定するようにする。また、所望の入力インピーダンスに完全にマッチングさせることが困難な場合は、所望の入力インピーダンスに近づける構造設計値にするだけでも効果が得られる。消光比についても同様に、所望の値に従って、微小ＥＡ変調器の合計長さを設定することができる。
【００８２】
また、入力インピーダンスのマッチングや消光比の増大以外にも、素子上に形成した電極を高周波電気信号が伝播する速度とＭＱＷ光導波路コア層を光が伝播する速度を整合させることを素子構造の設計の指針として、スロットライン電極の間隔や素子全体の長さに占める微小ＥＡ変調器の長さの割合などの設計値を定めてもよい。入力インピーダンスを所望の値にある程度マッチングさせた上でこのような伝播速度の整合を行えば、更にＥＡ変調器の変調周波数帯域を広くすることができる。
【００８３】
（付記１） 入力電気信号に応じて光導波路コア層を伝播する光を吸収して変調する電界吸収型変調器としての機能を有する光半導体素子において、
高抵抗半導体基板上に形成されて、第１の導電性半導体上に形成されたひとつの連続した光導波路コア層の上部に第２の導電性半導体を介して離散的に形成された複数の金属電極を有し前記金属電極が形成された領域において印加される電界に応じて前記光導波路コア層を伝播する光を吸収して変調する微小電界吸収型変調器と、
前記高抵抗半導体基板上に形成されて前記金属電極に電気的に接続されたシグナルライン電極と、
前記シグナルライン電極と前記光導波路コア層を挟んで反対側の前記高抵抗半導体基板上に、前記第１の導電性半導体に接して形成されたグランドライン電極と、
を有することを特徴とする光半導体素子。
【００８４】
（付記２） 隣り合う前記微小電界吸収型変調器の間隔および前記シグナルライン電極と前記グランドライン電極との間隔を調整することによって素子全体の入力インピーダンスを設定することができるようにしたことを特徴とする付記１記載の光半導体素子。
【００８５】
（付記３） 離散的に形成された複数の前記金属電極のうち、隣り合う一方の金属電極の下に形成されている一方の導電性半導体と、他方の金属電極の下に形成されている他方の導電性半導体との間の少なくとも一部に、高抵抗半導体、絶縁性誘電体のいずれかを有していることを特徴とする付記１記載の光半導体素子。
【００８６】
（付記４） 前記微小電界吸収型変調器における前記光導波路コア層および前記第２の導電性半導体の側部には高抵抗半導体が形成され、前記金属電極は、前記第２の導電性半導体および前記高抵抗半導体の表面に跨って形成されることを特徴とする付記１記載の光半導体素子。
【００８７】
（付記５） 前記高抵抗半導体基板上に半導体レーザと共に集積形成されており、前記光導波路コア層上部の前記第２の導電性半導体が前記半導体レーザの光導波路コア層上部の導電性半導体と高抵抗の半導体を介して電気的にアイソレーションされていることを特徴とする付記１記載の光半導体素子。
【００８８】
（付記６） 前記シグナルライン電極は、前記微小電界吸収型変調器と相対する部分が前記微小電界吸収型変調器の側に引き出されて形成されていることを特徴とする付記１記載の光半導体素子。
【００８９】
（付記７） 前記第１の導電性半導体は、前記光導波路コア層の下部から前記グランドライン電極の側に向かって、前記微小電界吸収型変調器および前記微小電界吸収型変調器間の領域の全体または少なくとも一部分において、引き出されて形成されていることを特徴とする付記１記載の光半導体素子。
【００９０】
（付記８） 前記第１の導電性半導体上に形成された電極を有し、前記電極は、前記グランドライン電極と電気的に接続されていることを特徴とする付記７記載の光半導体素子。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、光導波路コア層で連結された複数の微小ＥＡ変調器を離散的に形成するとともに、微小ＥＡ変調器の金属電極に接続されたシグナルライン電極および光導波路コア層下部の第１の導電性半導体に接したグランドライン電極の２枚の電極を、光導波路コア層を挟んで形成する。これにより、光の変調に寄与する各微小ＥＡ変調器の長さの合計を適当に設定することができ、消光比を大きくすることが可能になる。さらに、シグナルライン電極およびグランドライン電極のそれぞれの幅と互いの間隔、および隣り合う微小ＥＡ変調器の間隔をそれぞれ設定することができるため、素子全体の入力インピーダンスを所望の値に合わせることができる。したがって、入力電気信号を効果的に印加することができ、広い変調周波数帯域で光を変調することのできる光半導体素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面模式図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面模式図である。
【図４】図１のＣ−Ｃ断面における微小ＥＡ変調器領域の模式図である。
【図５】各層の結晶成長工程の説明図である。
【図６】高抵抗ＩｎＰ層の再成長工程の説明図である。
【図７】ＭＱＷ光導波路コア層の形成工程の説明図である。
【図８】高抵抗ＩｎＰ層の埋め込み成長工程の説明図である。
【図９】メサ構造の形成工程の説明図である。
【図１０】ｎ型ＩｎＰクラッド層のエッチング工程の説明図である。
【図１１】第２の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図である。
【図１２】図１１のＤ−Ｄ断面における微小ＥＡ変調器領域の模式図である。
【図１３】第３の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図である。
【図１４】図１３のＥ−Ｅ断面模式図である。
【図１５】第４の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図である。
【図１６】第５の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図である。
【図１７】図１６のＦ−Ｆ断面模式図である。
【図１８】第６の実施の形態のＥＡ変調器の平面模式図である。
【図１９】図１８のＧ−Ｇ断面模式図である。
【図２０】図１８のＨ−Ｈ断面模式図である。
【図２１】従来のＥＡ変調器の模式図である。
【図２２】従来の別の形態のＥＡ変調器の模式図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ ＥＡ変調器
２ 高抵抗ＩｎＰ基板
３ 微小ＥＡ変調器
４，６１ ＭＱＷ光導波路コア層
５，５ａ，６２ ｐ型ＩｎＰクラッド層
６，６３ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
７，１１ｅ，６６，６７ 金属電極
８，９，６５ 高抵抗ＩｎＰ層
１０，１０ｄ，１０ｅ，６４ ｎ型ＩｎＰクラッド層
１１ グランドライン電極
１２，１２ｃ シグナルライン電極
１３，１４ エアブリッジ配線
１５ 電極パッド
２０ 高周波電気信号源
３０ 終端抵抗
４０ ＭＱＷ層
５０ ＥＡ変調器領域
６０ ＤＦＢレーザ領域
Claims (5)
- 入力電気信号に応じて光導波路コア層を伝播する光を吸収して変調する電界吸収型変調器としての機能を有する光半導体素子において、
高抵抗半導体基板上に形成されて、第１の導電性半導体上に形成されたひとつの連続した光導波路コア層の上部に第２の導電性半導体を介して離散的に形成された複数の金属電極を有し前記金属電極が形成された領域において印加される電界に応じて前記光導波路コア層を伝播する光を吸収して変調する微小電界吸収型変調器と、
前記高抵抗半導体基板上に形成されて前記金属電極に電気的に接続されたシグナルライン電極と、
前記シグナルライン電極と前記光導波路コア層を挟んで反対側の前記高抵抗半導体基板上に、前記第１の導電性半導体に接して形成されたグランドライン電極と、
を有することを特徴とする光半導体素子。 - 隣り合う前記微小電界吸収型変調器の間隔および前記シグナルライン電極と前記グランドライン電極との間隔を調整することによって素子全体の入力インピーダンスを設定することができるようにしたことを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
- 離散的に形成された複数の前記金属電極のうち、隣り合う一方の金属電極の下に形成されている一方の導電性半導体と、他方の金属電極の下に形成されている他方の導電性半導体との間の少なくとも一部に、高抵抗半導体、絶縁性誘電体のいずれかを有していることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
- 前記微小電界吸収型変調器における前記光導波路コア層および前記第２の導電性半導体の側部には高抵抗半導体が形成され、前記金属電極は、前記第２の導電性半導体および前記高抵抗半導体の表面に跨って形成されることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
- 前記高抵抗半導体基板上に半導体レーザと共に集積形成されており、前記光導波路コア層上部の前記第２の導電性半導体が前記半導体レーザの光導波路コア層上部の導電性半導体と高抵抗の半導体を介して電気的にアイソレーションされていることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
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