JP2011186057A - 半導体マッハツェンダ型光変調器、光伝送装置、半導体マッハツェンダ型光変調器の製造方法及び半導体マッハツェンダ型光変調器の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ＭＺ光変調器を備えた光伝送装置であって、消光比が高く、かつ、チャープが少ない形で光を変調できる光伝送装置を提供する。
【解決手段】光伝送装置は、一方のアーム１１_１に、その光吸収係数が他の部分に比べて大きな、出力光の強度が最小となる電圧を各電極１５に印加した場合におけるアーム１１_１の伝搬損失とアーム１１_２の伝搬損失とが一致するように、その形状が定められた損失調整部１４が設けられている半導体ＭＺ光変調器１０と、半導体ＭＺ光変調器１０の各電極１５に、同時刻における時間変化率の正負が逆の，振幅が等しい変調電圧を印加する駆動回路１８とを、備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体マッハツェンダ型光変調器と、半導体マッハツェンダ型光変調器を備えた光伝送装置と、半導体マッハツェンダ型光変調器の製造方法と、半導体マッハツェンダ型光変調器の駆動方法とに、関する。

現存する，大部分の光伝送装置（光送信機、光中継器）は、光変調器として、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：以下、ＬＮと表記する）を用いたマッハツェンダ(Mach-Zehnder)型光変調器を備えたものとなっている。

ここで、マッハツェンダ型光変調器（以下、ＭＺ光変調器と表記する）とは、図８に示したように、２本のアーム（分岐導波路）と、入力光を各アームへの２波に分ける光分配器と、各アームからの光を干渉・合波させる光結合器と、各アームに電圧を印加するための電極とを備えた光デバイスのことである。また、ＬＮを用いたＭＺ光変調器（以下、ＬＮ−ＭＺ光変調器と表記する）とは、ＬＮ基板を用いて製造される，各アームの屈折率が，誘電体であるＬＮの電気光学効果により変化するＭＺ光変調器のことである。なお、図８に示したＭＺ光変調器は、光分配器／光結合器としてＹ分岐導波路が使用されたものであるが、光分配器／光結合器として方向性結合器やＭＭＩ(Multi-Mode Interference：マルチモード干渉) カプラが使用されたＭＺ光変調器も知られている。

そして、一般的な光伝送装置は、ＬＮ−ＭＺ光変調器用の駆動回路として、ＬＮ−ＭＺ光変調器の各アーム（電極）に、Ｖ_ＭからＶ_Ｍ＋ΔＶまで変化する変調電圧Ｖ_１と、Ｖ_Ｍ−ΔＶからＶ_Ｍまで、ｄＶ_２／ｄｔ＝−ｄＶ_１／ｄｔが成立するように変化する変調電圧Ｖ_２とを印加する回路を備えたものとなっている。

ＬＮ−ＭＺ光変調器に対して上記のような変調電圧の印加（以下、プッシュ・プル駆動と表記する）が行われているのは、プッシュ・プル駆動を行えば、ＬＮ−ＭＺ光変調器を、光周波数変動(チャープ)の小さな変調器として機能させることが出来るためである。

具体的には、ＬＮ−ＭＺ光変調器は、出力光の電界強度Ｅ_Ｏと、入力光の電界強度Ｅ_ｉとの間に、以下の関係がほぼ成立する光デバイスとなっている。

なお、この（１）式及び以下の各式において、κは、両アームを伝搬する光の強度比であり、φ_１、φ_２は、各アームにおける光の位相変化量である。

従って、ＬＮ−ＭＺ光変調器から出力される光は、以下の（２）、（３）式で示される強度Ｉ、位相φの光であることになる。

これらの式から、ＬＮ−ＭＺ光変調器のαパラメータ（チャープ量の指標）が、φ_１′（＝ｄφ_１／ｄｔ）、φ_２′（＝ｄφ_２／ｄｔ）等によって以下のように表せることになる。

この（４）式は、φ_１′＝−φ_２′である場合、以下のように変形できるものである。

従って、κ＝１となっている（光の両アームへの分岐比が１：１となっている）ＬＮ−ＭＺ光変調器の各アームに、φ_１′＝−φ_２′となるように電圧を印加すれば、チャープを理想的に抑制できる（α＝０とすることができる）ことになる。

そして、図９（ａ）、（ｂ）に示してあるように、ＬＮ−ＭＺ光変調器の各アームの屈折率は、各アームへの印加電圧に対してほぼ線形に変化するため、ＬＮ−ＭＺ光変調器の各アームにおける位相変化量も、各アームへの印加電圧に対してほぼ線形に変化する。

従って、図９（ｂ）、（ｃ）に示してあるように、ｄＶ_２／ｄｔ＝−ｄＶ_１／ｄｔが成立する、Ｖ_ＭからＶ_Ｈ（＝Ｖ_Ｍ＋ΔＶ）まで変化する変調電圧Ｖ_１及びＶ_Ｌ（＝Ｖ_Ｍ−ΔＶ）からＶ_Ｍまで変化する変調電圧Ｖ_２を、ＬＮ−ＭＺ光変調器の各アームに印加してやれば、ＬＮ−ＭＺ光変調器を、チャープの小さな変調器（変調時における出力光位相が一定となる変調器）として機能させられることになる。

このように、ＬＮ−ＭＺ光変調器は、チャープを抑制できるものとはなっている。ただし、ＬＮ−ＭＺ光変調器は、誘電体の電気光学効果を利用するもの（電圧印加時における各アームの屈折率変化量が比較的に小さいもの）であるが故に、モジュールサイズを小さくできないものとなっている。

そして、電圧印加時の屈折率変化量がより大きい半導体を用いれば、より小型かつ消費
電力の小さなＭＺ光変調器を実現できる。そのため、半導体を用いたＭＺ光変調器（以下、半導体ＭＺ光変調器と表記する）の開発が進められているのであるが、半導体ＭＺ光変調器は、上記内容のプッシュ・プル駆動では、チャープを充分に小さくできないものとなっている。

具体的には、電界印加時における半導体の屈折率変化に寄与する効果としては、Pockels効果・Franz-Keldysh効果(以下、FK効果と表記する)・Stark効果等が、知られている。Pockels効果は、等方性結晶への電場印加で生じる，複屈折性による屈折率変化現象（効果）である。また、FK効果は、電子・正孔の波動関数が禁止帯へ浸み出すことによる基礎吸収端の変化によって屈折率変化を生じる現象である。Stark効果は、励起子と電界の相互
作用による励起子吸収波長の変化によって屈折率変化を生じる現象である。特に量子井戸構造中では励起子の解離が妨げられることにより、Stark効果が増強され、支配的な屈折
率変化機構となる（非特許文献１参照）。

そして、半導体ＭＺ光変調器としては、上記量子閉じ込めStark効果（Quantum Confined Stark Effect: 以下、ＱＣＳＥと表記する)を利用したものを中心に検討されているの
であるが、そのような半導体ＭＺ光変調器におけるアームの屈折率変化Δｎは、以下の（６）式で表せることが知られている（非特許文献１、２参照)。なお、この（６）式及び
以下の各式において、ｎ_０は、電界（電圧）印加がない状態での屈折率であり、Ｅは、量子井戸に印加されている電界の電界強度である。また、ｓは、半導体材料によって定まる係数（定数）である。

量子井戸に印加される電界の電界強度Ｅは、半導体内のキャリア拡散に伴うビルトインポテンシャルＥ_Ｂと、外部からの電圧印加により生ずる電界の電界強度Ｅ_Ｄとの和となる。また、外部からの電圧印加により生ずる電界の電界強度Ｅ_Ｄは、印加電圧Ｖを、活性層厚ｄで割った値となる。

従って、（６）式、Ｅ＝Ｅ_Ｂ＋Ｅ_Ｄ、及び、Ｅ_Ｄ＝Ｖ／ｄから、電圧Ｖの印加により生ずる屈折率変化量Δｎ′（＝電圧Ｖ印加時の屈折率−電圧未印加時の屈折率）は、以下の（７）式で表せることになる。

そして、各アームにおける位相変化量は、屈折率変化量Δｎ′に、電極長と、活性層への光閉じ込め係数Γとを乗ずれば得られる値（つまり、Δｎ′と比例する値）である。従って、半導体ＭＺ光変調器では、各アームにおける光の位相変化量φ_１、φ_２が、以下の（８）、（９）式に示すように、Ｖ_１、Ｖ_２に対して非線形に変化することになる。なお、これらの式における“ｒ”とは、“２ｓＥ_Ｂ”のこと（（７）式参照）である。

このように、半導体ＭＺ光変調器は、各アームにおける光の位相変化量φ_１、φ_２が、Ｖ_１、Ｖ_２に対して非線形に変化するものとなっている。そして、φ_１、φ_２が、Ｖ_１、Ｖ_２に対して非線形に変化する場合、図１０（ａ）、（ｂ）に模式的に示したように、ｄＶ_２／ｄｔ＝−ｄＶ_１／ｄｔが成立するＶ_１、Ｖ_２を各アームに印加しても、φ_１′＝−φ_２′とすることが出来ない。そのため、上記プッシュ・プル駆動では、半導体ＭＺ光変調器のチャープを充分に小さくできないのである。

さらに、半導体ＭＺ光変調器の，半導体のバンド間遷移波長近傍の波長（つまり、ＱＣＳＥによる屈折率変化を有効に利用できる波長）の光に対する吸光係数の変化量Δαに、以下の（１０）式で近似される電圧依存性があることが知られている（非特許文献３参照）。なお、この（１０）式におけるＫ、Ｒは、半導体材料と量子井戸構造によって定まる定数である。

すなわち、図１１に示したように、ＬＮ−ＭＺ光変調器が各アームの損失（伝搬損失）が印加電圧によって殆ど変わらないものであるのに対し、半導体ＭＺ光変調器は、各アームの損失が印加電圧によって比較的に大きく変化するものとなっている。

そのため、半導体ＭＺ光変調器のチャープ抑制時には、この損失の変化に起因する消光比の劣化も抑制できることが望まれる。ただし、半導体ＭＺ光変調器によって、消光比が高く、かつ、チャープが少ない形で光を変調できる技術は、未だ、開発されていないのが現状である。

特開２００６−３０９１２４号公報 特開平７−１９１２９０号公報 特開平８−１４６３６５号公報 特開平９−４９９３５号公報

J. S. Weiner, et al, Appl. Phys. Lett., vol.50, pp.842-844 (1987) M. Glick, et al, Appl.Phys.Lett.,vol.48, pp.989-991 (1986) Nishimura, et al, IEEE Photon. Technol. Lett., vol.4, pp.1123-1126 (1992) L. B. Soldano, et al, J. Lightwave Technol., vol.13, pp.615-627 (1995)

そこで、開示の技術の課題は、消光比が高く、かつ、チャープが少ない形で光を変調できる光伝送装置、そのような光伝送装置を実現できる半導体ＭＺ光変調器、そのような半導体ＭＺ光変調器を製造できる“半導体ＭＺ光変調器の製造方法”を、提供することにある。

また、開示の技術の他の課題は、半導体ＭＺ光変調器をチャープが少ない形で駆動できる“半導体ＭＺ光変調器の駆動方法”を、提供することにある。

上記課題を解決するために、開示の技術の一態様の半導体マッハツェンダ光変調器は、マッハツェンダ干渉計を成す、半導体量子井戸構造を有する第１及び第２の光導波路と、前記第１の光導波路に電圧を印加するための第１電極と、前記第２の光導波路に電圧を印加するための第２電極とを備えた構成であって、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路の少なくとも一方の光導波路の一部に、その光吸収係数が当該光導波路の他の部分に比べて大きな損失調整部であって、出力光の強度が最小となる電圧を前記第１電極及び前記第２電極に印加した場合における前記第１の光導波路の伝搬損失と前記第２の光導波路の伝搬損失とが一致するように、その形状が定められた損失調整部が、設けられている構成を有する。

また、開示の技術の一態様の光伝送装置は、上記のような構成を有する半導体マッハツェンダ光変調器と、当該半導体マッハツェンダ型光変調器の前記第１電極と前記第２電極とに、同時刻における時間変化率の正負が逆の，振幅が等しい変調電圧を印加することによって、前記半導体マッハツェンダ型光変調器を駆動する駆動回路と、を備える。

また、開示の技術の一態様の半導体マッハツェンダ型光変調器の製造方法は、半導体基板上に、マッハツェンダ干渉計を成す、半導体量子井戸構造を有する第１及び第２の光導波路を形成する光導波路形成工程と、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路の少なくとも一方の光導波路の一部に、その光吸収係数が当該光導波路の他の部分に比べて大きな損失調整部であって、出力光の強度が最小となる電圧を前記第１電極及び前記第２電極に印加した場合における前記第１の光導波路の伝搬損失と前記第２の光導波路の伝搬損失とが一致するように、その形状が定められた損失調整部を形成する損失調整部形成工程とを含む。

また、開示の技術の一態様の半導体マッハツェンダ型光変調器の駆動方法では、半導体マッハツェンダ型光変調器を駆動するために、前記半導体マッハツェンダ型光変調器の，マッハツェンダ干渉計を成している２つの光導波路に、同時刻における時間変化率の正負が逆の，振幅が等しい変調電圧を印加する。

上記構成を採用しておけば、消光比が高く、かつ、チャープが少ない形で光を変調できる光伝送装置を得ることができる。また、上記構成を有する半導体マッハツェンダ型光変調器を用いておけば、消光比が高く、かつ、チャープが少ない形で光を変調できる光伝送装置を実現でき、上記製造方法によれば、そのような半導体マッハツェンダ型光変調器を製造できる。そして、上記駆動方法によれば、半導体マッハツェンダ型光変調器をチャー
プが少ない形で駆動できる。

実施形態に係る光伝送装置の概略構成図。 実施形態に係る光伝送装置における半導体ＭＺ光変調器の駆動原理の説明図。 既存構成の半導体ＭＺ光変調器を用いた場合に生ずる不具合を説明するための図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の、変調時における両アームの損失量の説明図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための断面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための断面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための、図５Ｂの断面図に対応する平面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための断面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための断面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための断面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための断面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための、図５Ｆの断面図に対応する平面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための断面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための断面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための平面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための断面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための、図５Ｌの断面図に対応する平面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための断面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための断面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための、図５Ｏの断面図に対応する平面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための断面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための平面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の製造手順を説明するための断面図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の変形形態の説明図。 実施形態に係る半導体ＭＺ光変調器の他の変形形態の説明図。 マッハツェンダ型光変調器の構成図。 ＬＮ−ＭＺ光変調器のプッシュ・プル駆動時の動作内容を説明するための図。 半導体ＭＺ光変調器の駆動時に生ずる問題の説明図。 ＬＮ−ＭＺ光変調器と半導体ＭＺ光変調器とについての損失の印加電圧依存性の説明図。

以下、発明者が開発した光伝送装置の一例（以下、実施形態に係る光伝送装置と表記する。）を、図面を参照して詳細に説明する。

まず、図１を用いて、実施形態に係る光伝送装置の構成を、説明する。

実施形態に係る光伝送装置は、半導体ＭＺ光変調器１０、光源１７、駆動回路１８を主要構成要素として備えた光送信機である。

この光伝送装置が備える光源１７は、レーザー光を出力する半導体レーザー（ダイオードレーザー）である。半導体ＭＺ光変調器１０は、光源１７からのレーザー光を変調する（パルス化する）ための光変調器（詳細は後述）である。

駆動回路１８は、外部から与えられるデータに基づき、そのデータに応じた内容の光信号が半導体ＭＺ光変調器１０から出力されるように、半導体ＭＺ光変調器１０の各アーム１１_Ｘ（Ｘ＝１，２）上の電極１５に変調電圧を印加する回路である。この駆動回路１８は、各アーム１１_Ｘ（電極１５）に、各時刻における時間変化率の正負が逆の，振幅（電圧の変化範囲）が等しい変調電圧を印加する回路となっている。また、駆動回路１８は、各アーム１１_Ｘを伝搬する光におよそ−π／４ラジアン〜＋π／４ラジアンの位相変化が生じることになる変調電圧を各アーム１１_Ｘに印加する回路ともなっている。

半導体ＭＺ光変調器１０は、２本のアーム１１_１及び１１_２と、光分配器１２と、光結合器１３と、２つの電極１５とを、備えた光変調器である。

光分配器１２は、光源１７からのレーザー光（以下、入力光と表記する）を、各アーム１１_Ｘへの２波に分けるためのデバイスである。この光分配器１２は、入力光を、強度が等しい２波に分けて、各アーム１１_Ｘ（Ｘ＝１，２）に供給するもの（本実施形態では、ＭＭＩカプラ）となっている。

アーム１１_１、アーム１１_２は、いずれも、半導体量子井戸構造を有する光導波路である。図示してあるように、半導体ＭＺ光変調器１０が備えるアーム１１_１は、その一部に、損失調整部１４（詳細は後述）を備えたものとなっている。なお、半導体ＭＺ光変調器１０が備える各光導波路（アーム１１_Ｘ、アーム１１_Ｘ以外の各光導波路）は、変調光波長において導波モードが単一となる幅を有するものである。

光結合器１３は、アーム１１_１からの光とアーム１１_２からの光とを干渉・合波させ、合波結果を図１における上側の光導波路に出力するデバイスである。半導体ＭＺ光変調器１０は、この光結合器１３としても、ＭＭＩカプラが採用されたものとなっている。

電極１５は、アーム１１_Ｘの一部の領域に電圧を印加するための電極である。図示してあるように、半導体ＭＺ光変調器１０の各電極１５は、アーム１１_Ｘの一部の領域を覆う矩形電極に、駆動回路１８からの信号線を接続するためのパッド１５ａを接続した形状のものとなっている。

損失調整部１４は、他の部分（アーム１１_１の損失調整部１４以外の部分）よりも、量子井戸の層厚が厚くなるように形成した部分である。量子井戸の層厚を厚くすると、励起子吸収光波長が長波化し、その結果として、光吸収係数が大きくなる。従って、この損失調整部１４は、他の部分よりも、光吸収係数が大きな部分となっていることになる。

半導体ＭＺ光変調器１０は、この損失調整部１４の形状（主としてアーム１１_１の長さ方向の長さ）を、オフ状態におけるアーム１１_１（損失調整部１４を含むアーム１１_１全体）の損失（伝搬損失）とアーム１１_２の損失とが一致するように定めたものとなっている。なお、オフ状態とは、出力光の強度が最小となる電圧が各アーム１１_Ｘ（電極１５）に印加されている状態のことである。

また、半導体ＭＺ光変調器１０は、電圧が印加されていない状態にあるアーム１１_１及び１１_２から出力される光の位相差（以下、初期位相差と表記する）が、“π／２＋２ｎπ”ラジアン（ｎは、整数）となるように設計・製造されたものともなっている。

次に、実施形態に係る光伝送装置に、上記構成を採用している理由を説明する。

上記したように、実施形態に係る光伝送装置は、半導体ＭＺ光変調器１０の各アーム１１_Ｘに、各時刻における時間変化率の正負が逆の，振幅が等しい変調電圧を印加する駆動回路１８を備えている。

光伝送装置に、そのような駆動回路１８を採用しているのは、各時刻における時間変化率の正負が逆の，振幅が等しい変調電圧を各アーム１１_Ｘに印加すれば、半導体ＭＺ光変調器１０をチャープが少ない光変調器として機能させることが出来るためである。

すなわち、半導体ＭＺ変調器１０の各アーム１１_Ｘに、上記のように変化する変調電圧を印加した場合、図２に示してあるように、各アーム１１_Ｘにおける最大位相変化量Δφ_１、Δφ_２の絶対値が一致することになる。なお、最大位相変化量とは、出力光強度が最大となる電圧（図２における矢印の先端側の電圧）の印加によりアーム１１_Ｘを伝搬する光に生ずる，出力光強度が最小となる電圧（図２における矢印の根本側の電圧）印加時の位相を基準とした位相変化量のことである。

従って、各時刻における時間変化率の正負が逆の，振幅が等しい変調電圧を各アーム１１_Ｘに印加すれば（上記駆動回路１８を採用しておけば）、半導体ＭＺ光変調器１０をチャープが少ない光変調器として機能させることが出来ることになる。

ただし、既に説明したように、半導体ＭＺ変調器は、各アームの損失が印加電圧によって比較的に大きく変化するもの（図１１参照）となっている。そのため、上記内容の制御を既存構成の半導体ＭＺ変調器に対して行った場合には、図３に示してあるように、オフ状態における各アームの損失α_１、α_２が大きく異なってしまい、その結果として、オフ状態における出力光の強度がさほど小さくならないことになる。

半導体ＭＺ変調器１０のアーム１１_１に、損失調整部１４を設けているのは、この不具合が発生しないようにするためである。

すなわち、アーム１１_１に、“光吸収係数が他の部分よりも大きな、オフ状態におけるアーム１１_１の損失とアーム１１_２の損失とが一致するように、その形状を定めた損失調整部１４”を設けておけば、図４に模式的に示したように、オフ状態における各アーム１１_Ｘ（図では、アームＸ）の損失α_１、α_２を一致させることが出来る。

従って、損失調整部１４がアーム１１_１に設けられている半導体ＭＺ光変調器１０は、上記不具合が生じない光変調器（換言すれば、消光比が高い光変調器）として機能することになる。

また、損失調整部１４を量子井戸の層厚調整により形成しているのは、そのようにしておけば、損失調整部１４を簡単に実現（製造）できることになることに加え、両アーム間に、光波長に依存する損失差を付けることが可能になるからである。

具体的には、量子井戸の層厚調整以外の方法、例えば、両アームの形状を非対称にする（例えば、導波路幅を両アーム間で変える）といった方法や、バンドギャップ波長が長波になるように組成を変化させるといった方法によっても、半導体ＭＺ光変調器の両アーム間に損失差をつけることができる。ただし、前者の方法により所望の損失差を有する２アームを製造するためには、導波路幅等を極めて高精度に制御しなければならない。そのため、両アームの形状を非対称にすることによって半導体ＭＺ光変調器の両アーム間に損失
差を付けることは、非現実的である。

また、半導体ＭＺ光変調器では、屈折率変化と吸収変化の関係自体に波長依存性がある。従って、半導体ＭＺ光変調器を広い波長範囲に渡って使用する場合には、両アーム間の損失差についても波長依存性を持たせておかないと、波長毎にオフ状態の損失差を零とすることが出来ない。しかしながら、前者の方法は、両アーム間に、光波長に依存する損失差を付けることができないという欠点を有するものともなっている。

一方、後者の方法によれば、両アーム間に光波長に依存する損失差を付けることができる。ただし、この方法を採用した場合、製造手順が複雑にならざるを得ないが、損失調整部１４を量子井戸の層厚調整により形成するようにしておけば、マスクを用いた選択成長（詳細は後述）により、損失調整部１４を簡単に実現できる。しかも、量子井戸の層厚調整によれば、両アーム間に、光波長に依存する損失差を付けることも可能である。そのため、損失調整部１４を量子井戸の層厚調整により形成しているのである。

さらに、アーム１１_１及び１１_２間の初期位相差を“π／２＋２ｎπ”ラジアン（ｎは、整数）としておけば、図２に示したように、各アーム１１xへの変調電圧の最大値と最
小値を揃えた駆動が出来るため、チャープ量を最小にすることが出来る。そのため、半導体ＭＺ光変調器１０を、アーム１１_１及び１１_２間の初期位相差が“π／２＋２ｎπ”ラジアンであるものとした上で、駆動回路１８として、各アーム１１_Ｘを伝搬する光に、−π／４ラジアン〜＋π／４ラジアンの位相変化を生じさせる変調電圧を出力するものを採用しているのである。

次に、本実施形態に係る半導体ＭＺ変調器１０の製造手順の一例を説明する。

上記した半導体ＭＺ変調器１０は、例えば、図５Ａ〜図５Ｓに示した手順で製造できるものである。

すなわち、この手順による半導体ＭＺ変調器１０の製造時には、まず（図５Ａ参照）、ｎ−ＩｎＰ基板２１上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法によ
りＳｉＯ_２膜２２が形成される。次いで、『ＳｉＯ_２膜２２上へフォトレジストを塗布し、塗布したフォトレジストを露光し、露光したフォトレジストを現像する』といった手順で、ＳｉＯ_２膜２２上に所定形状（詳細は後述）のレジストパターン４０が形成される。

そして、レジストパターン４０をマスクとしてＳｉＯ_２膜２２がＢＨＦ（Buffered HF
）等によりウェットエッチングされる。その後、レジストパターン４０が除去されることにより、ｎ−ＩｎＰ基板２１上に、図５Ｂ、図５Ｃに示したような形状の２つの選択成長マスク領域２３（ＳｉＯ_２膜２２の一部）が設けられている構造が製造される。

なお、各選択成長マスク領域２３（以下、マスク領域２３とも表記する）の形状及び位置（レジストパターン４０の形状）は、さまざまなことを考慮して決定しておく。

具体的には、各マスク領域２３の幅Ｗｍ、マスク領域２３間の間隙幅Ｗｇは、２つのマスク領域２３に挟まれた領域（以下、“高成長速度領域”と表記する）内の活性層成長速度（平均的なもの：以下、同様）の，他領域における活性層成長速度に対する比が、所望の値（例えば、１．２）となるように決定しておく。また、各マスク領域２３の長さＬｍは、その後に形成されるアーム１１_１の損失と、アーム１１_２の損失とが、オフ状態において一致する長さ（例えば５００μｍ）となるように、活性層組成、井戸層厚、駆動条件等から決定しておく。

マスク領域２３の形成後には、ｎ−ＩｎＰ基板２１のマスク領域２３が形成されている側の面上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成
長法）により、１００ｎｍ程度の厚さの，ｎ型のＩｎＰバッファ層２４が積層される（図５Ｄ）。次いで、そのＩｎＰバッファ層２４上に、ＩｎＧａＡｓＰ−井戸とＩｎＰ−障壁から成るＭＱＷ（Multi-Quantum Wells：多重量子井戸）層２５が形成される。

なお、ＱＣＳＥによって実用上十分な大きさの屈折率変化を得るには、ＭＱＷ層２５のバンド端遷移波長と入力光波長とが近いことが望ましい。ただし、入力光波長がバンド端遷移波長に近すぎると吸収の影響も大きくなる。そのため、入力光波長を１．５５μｍ付近とする場合には、バンド端遷移波長が１.４μｍ程度となるように、ＭＱＷ層２５の組
成（例えば、Ｉｎ（０．６）Ｇａ（０．４）Ａｓ（０．８５）Ｐ（０．１５））と層厚（例えば１０ｎｍ）とを決定しておくことが望ましい。この時、上記高成長速度領域では、成長速度比に応じてＭＱＷ層厚が大きく(ここでは１２ｎｍに)なる。

ＭＱＷ層２５の形成後には、マスク領域２３が、ＢＨＦ等によりウェットエッチングされる。その後、ＭＯＣＶＤ法により、ｐ型のＩｎＰクラッド層２６と、ｐ型のＩｎＧａＡｓコンタクト層２７とが、形成される（図５Ｅ）。

次いで、マスク領域２３形成時と同様の手順で、導波路形成用の，Ｓｉ０_２からなるマスクパターン４１が形成される（図５Ｆ）。そして、形成したマスクパターン４１をマスクとした、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)によるドライエッチングが行われることにより、ｎ−ＩｎＰ基板２１上にメサストライプが形成される（図５Ｇ）。

なお、上記工程中で形成されるマスクパターン４１は、図５Ｈに示したような形状を有するものである。ただし、上記工程中で実際に形成されるマスクパターン４１は、それをマスクとしたドライエッチングによって、図１を用いて既に説明した機能・構成を有する光分配器１２、アーム１１_Ｘ等が得られるように、その形状が設計されたものである。

メサストライプの形成が完了した場合には、ＭＯＣＶＤ法によって、メサストライプ周囲に、ＳＩ（Semi-Insulated：高抵抗）−ＩｎＰ層３１（図５Ｉ）を成長させてから、マスクパターン４１が除去される（図５Ｊ）。そして、『ＩｎＧａＡｓコンタクト層２７上へのレジストマスクの形成工程』等を含む一連の工程により、ＩｎＧａＡｓコンタクト層２７の，Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極３３′を形成する部分以外の部分がウェットエッチングされる（図５Ｋ）。なお、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極３３′とは、各アーム１１_Ｘ（ＩｎＰバッファ層２４、ＭＱＷ層２５等が積層されたストライプ状部分）の電圧を印加する部分上に形成される，電極１５の一部を成す電極（図５Ｏ参照）のことである。

ＩｎＧａＡｓコンタクト層２７のパターニング後には、一連の工程を経たｎ−ＩｎＰ基板２１の，ＳＩ−ＩｎＰ層３１が形成されている側の全面に、ＣＶＤ法によりＳｉＯ_２膜３２（図５Ｌ参照）が形成される。

次いで、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極３３′を形成する部分が開口部４２ａとなっているレジストマスク４２（図５Ｍ参照）が、ＳｉＯ_２膜３２上に形成される。

レジストマスク４２の形成後には、そのレジストマスク４２をマスクとしたエッチングにより、ＳｉＯ_２膜３２の，Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極３３′を形成する部分上の部分が除去される（図５Ｌ、図５Ｍ）。その後、真空蒸着法により、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ膜３３が形成される(図５Ｎ)。そして、レジストマスク４２を、その上に形成されているＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ膜３３と共に除去することにより、各アーム１１Ｘ上に、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極３３′が存在する構造(図５Ｏ、図５Ｐ)が製造される。

その後、図５Ｒに示してあるような形状のＡｕ電極３４を形成するためのレジストマスク４４が形成される（図５Ｑ）。そして、メッキにより、Ａｕ電極３４が形成されてから（Ａｕ電極３４とＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極３３′とからなる電極１５（図１参照）が形成されてから）、レジストマスク４４が除去される（図５Ｒ）。

レジストマスク４４の除去後には、裏面電極３７が形成される(図５Ｓ)。この裏面電極３７は、通常、ＡｕＧｅ／Ａｕ膜３５を蒸着してから、Ａｕメッキ層３６を形成するといった手順で形成される。

このような手順を採用しておけば、変調電圧の中心バイアスが−３Ｖ程度、変調振幅（全幅）が２Ｖ程度の変調電圧により駆動できる、オフ状態における両アーム１１_１、１１_２間のＱＣＳＥによる過剰損失差（図３におけるα_２−α_１）が、例えば、０．５ｄＢである半導体ＭＺ光変調器１０であって、それと同じ伝搬損失が発生する損失調整部１４を備えているが故に、消光比が高い半導体ＭＺ光変調器１０を、容易且つ確実に製造できることになる。

《変形形態》
上記した光伝送装置は、各種の変形を行うことが出来るものである。例えば、光伝送装置を、図６に示した構成を有する半導体ＭＺ光変調器１０を備えた装置、すなわち、光分配器１２及び光結合器１３として、ＭＭＩカプラではなく、Ｙ分岐導波路が使用されている半導体ＭＺ光変調器１０を備えた装置に変形することが出来る。また、光伝送装置を、光分配器１２及び光結合器１３として、方向性結合器が使用されている半導体ＭＺ光変調器１０を備えた装置に変形することも出来る。

また、初期位相差が“π／２＋２ｎπ”ラジアン（ｎは、整数）となるように、アーム１１_１及びアーム１１_２を設計するのではなく、アーム１１_２及び／又はアーム１１_１に、初期位相差を調整（制御）するための位相調整機構を設けておくことも出来る。そのような位相調整機構としては、電圧印加による屈折率変化を利用して位相を調整する機構、電流注入による自由キャリア密度の変化に伴う屈折率変化を利用して位相を調整する機構、温度変化に伴う屈折率変化を利用して位相を調整する機構が考えられる。ただし、電圧／電流を利用する機構は、屈折率変化に伴い吸収の変化が起こるため、制御が難しいものとなる。従って、半導体ＭＺ光変調器１０に位相調整機構を実装する場合には、図７に示したように、半導体ＭＺ光変調器１０のアーム１１_２上（又は、アーム１１_１上）にヒータ電極１９を設けておくことが好ましい。

また、損失調整部１４は、“光吸収係数が他の部分よりも大きな、オフ状態におけるアーム１１_１の損失とアーム１１_２の損失とが一致するように、その形状を定めた”ものでありさえすれば良い。従って、形成後の損失調整部１４（半導体ＭＺ光変調器１０が備える損失調整部１４）が、実際に、オフ状態におけるアーム１１_１の損失とアーム１１_２の損失とを完全に一致させるものとなっている必要はない。

また、損失調整部１４を、電極１５下に設けておくことも出来る。ただし、そのような構成を採用した場合、損失調整部１４のサイズを決定するのが困難になる。そのため、損失調整部１４は、上記した半導体ＭＺ光変調器１０のように、電極１５下ではない部分に設けておくことが望ましい。

半導体ＭＺ光変調器１０を、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子井戸以外の活性層を備えたもの（例えば、Ｚｎ，Ｃｄ，Ｈｇ，Ａｌ，Ｎ，Ｓｂ，Ｓ，Ｔｅ等のII，III，Ｖ，ＶＩ族元
素からなる混晶を活性層としたもの）に変形することも出来る。また、半導体ＭＺ光変調
器１０を、双方のアーム１１_１及び１１_２に、それぞれ、損失調整部１４相当のものが設けられているもの（オフ状態における両アーム１１_１及び１１_２間の損失が一致するように、各アーム１１_Ｘで損失が調整される構成を有するもの）に変形することも出来る。

半導体ＭＺ光変調器１０を、上記構造（ＳＩ−ＢＨ構造）とは異なる構造の導波路（例えば、ＰＮＰＮ型の埋め込み導波路や、半導体での埋め込みを行わないハイメサ型導波路）を備えたものに変形することも出来る。さらに、半導体ＭＺ光変調器１０の光結合器１３を、合波した光の何％かを図１における下側の光導波路に出力するものとしておいても良いことや、光伝送装置を、光中継器に変形しても良いことなどは、当然のことである。

以上、開示した技術に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１） マッハツェンダ干渉計を成す，半導体量子井戸構造を有する第１及び第２の光導波路と、
前記第１の光導波路に電圧を印加するための第１電極と、
前記第２の光導波路に電圧を印加するための第２電極と、
を備え、
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路の少なくとも一方の光導波路の一部に、その光吸収係数が当該光導波路の他の部分に比べて大きな損失調整部であって、出力光の強度が最小となる電圧を前記第１電極及び前記第２電極に印加した場合における前記第１の光導波路の伝搬損失と前記第２の光導波路の伝搬損失とが一致するように、その形状が定められた損失調整部が、設けられている
ことを特徴とする半導体マッハツェンダ型光変調器。

（付記２） 前記損失調整部が、
前記光導波路の前記他の部分の量子井戸よりも層厚が厚い量子井戸である
ことを特徴とする付記１に記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。

（付記３） 前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路の少なくとも一方が、
前記損失調整部として機能する部分を含む、光伝播方向に沿って連続的に厚みの変化する量子井戸構造を有する光導波路である
ことを特徴とする付記１に記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。

（付記４） 前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間の初期位相差が、π／２＋２ｎπ（ｎは、整数）ラジアンである
ことを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか一項に記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。

（付記５） 第１の光導波路と前記第２の光導波路との間の初期位相差を調整するための位相調整機構を、さらに、備える
ことを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか一項に記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。

（付記６） 前記損失調整部が、
前記第１の光伝送路の前記第１電極により覆われていない部分、又は、前記第２の光伝送路の前記第２電極により覆われていない部分に設けられている
ことを特徴とする付記１乃至付記５のいずれか一項に記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。

（付記７） 付記１乃至付記６のいずれか一項に記載の半導体マッハツェンダ型光変調
器と、
前記半導体マッハツェンダ型光変調器の前記第１電極と前記第２電極とに、同時刻における時間変化率の正負が逆の，振幅が等しい変調電圧を印加することによって、前記半導体マッハツェンダ型光変調器を駆動する駆動回路と、
を備えることを特徴とする光伝送装置。

（付記８） 半導体基板上に、マッハツェンダ干渉計を成す，半導体量子井戸構造を有する第１及び第２の光導波路を形成する光導波路形成工程と、
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路の少なくとも一方の光導波路の一部に、その光吸収係数が当該光導波路の他の部分に比べて大きな損失調整部であって、出力光の強度が最小となる電圧を前記第１電極及び前記第２電極に印加した場合における前記第１の光導波路の伝搬損失と前記第２の光導波路の伝搬損失とが一致するように、その形状が定められた損失調整部を形成する損失調整部形成工程と、
を含むことを特徴とする半導体マッハツェンダ型光変調器の製造方法。

（付記９） 前記半導体基板の前記損失調整部を形成すべき部分の近傍に，前記第１及び前記第２の光導波路の量子井戸の構成材料がその上に積層されないマスクを形成する工程を、さらに、含み、
前記光導波路形成工程及び前記損失調整部形成工程として、
前記量子井戸の構成材料を堆積させることにより、前記マスクが形成された前記半導体基板上に、少なくとも一方の光導波路の一部に、前記損失調整部として機能する，他の部分の量子井戸よりも層厚が厚い部分が存在する、マッハツェンダ干渉計を成す，半導体量子井戸構造を有する第１及び第２の光導波路を形成する工程が行われる
ことを特徴とする付記８に記載の半導体マッハツェンダ型光変調器の製造方法。

（付記１０） 半導体マッハツェンダ型光変調器の駆動方法であって、
前記半導体マッハツェンダ型光変調器の，マッハツェンダ干渉計を成している２本の光導波路に、同時刻における時間変化率の正負が逆の，振幅が等しい変調電圧を印加することによって、前記半導体マッハツェンダ型光変調器を駆動する
ことを特徴とする半導体マッハツェンダ型光変調器の駆動方法。

（付記１１） 前記半導体マッハツェンダ型光変調器が、
出力光の強度が最小となる電圧を各光導波路に印加した場合における両光導波路の伝搬損失が等しい変調器である
ことを特徴とする付記１０に記載の半導体マッハツェンダ型光変調器の駆動方法。

１０ 半導体ＭＺ光変調器
１１_１，１１_２ アーム
１２ 光分配器
１３ 光結合器
１４ 損失調整部
１５ 電極
１５ａ パッド
１７ 光源
１８ 駆動回路
１９ ヒータ電極
２１ ｎ−ＩｎＰ基板
２２，３２ ＳｉＯ_２膜
２３ 選択成長マスク領域
２４ ＩｎＰバッファ層
２５ ＭＱＷ層
２６ ＩｎＰクラッド層
２７ ＩｎＧａＡｓコンタクト層
３１ ＳＩ−ＩｎＰ層
３３ Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極
３４ Ａｕ電極
３５ ＡｕＧｅ／Ａｕ膜
３６ Ａｕメッキ層
３７ 裏面電極
４０ レジストパターン
４１ マスクパターン
４２，４４ レジストマスク
４２ａ 開口部

Claims (8)

1. マッハツェンダ干渉計を成す、半導体量子井戸構造を有する第１及び第２の光導波路と、
   前記第１の光導波路に電圧を印加するための第１電極と、
   前記第２の光導波路に電圧を印加するための第２電極と、
   を備え、
   前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路の少なくとも一方の光導波路の一部に、その光吸収係数が当該光導波路の他の部分に比べて大きな損失調整部であって、出力光の強度が最小となる電圧を前記第１電極及び前記第２電極に印加した場合における前記第１の光導波路の伝搬損失と前記第２の光導波路の伝搬損失とが一致するように、その形状が定められた損失調整部が、設けられている
   ことを特徴とする半導体マッハツェンダ型光変調器。
2. 前記損失調整部が、
   前記光導波路の前記他の部分の量子井戸よりも層厚が厚い量子井戸である
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
3. 前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路の少なくとも一方が、
   前記損失調整部として機能する部分を含む、光伝播方向に沿って連続的に厚みの変化する量子井戸構造を有する光導波路である
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
4. 前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間の初期位相差が、π／２＋２ｎπ（ｎは、整数）ラジアンである
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体マッハツェンダ型光変調器。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体マッハツェンダ型光変調器と、
   前記半導体マッハツェンダ型光変調器の前記第１電極と前記第２電極とに、同時刻における時間変化率の正負が逆の，振幅が等しい変調電圧を印加することによって、前記半導体マッハツェンダ型光変調器を駆動する駆動回路と、
   を備えることを特徴とする光伝送装置。
6. 半導体基板上に、マッハツェンダ干渉計を成す、半導体量子井戸構造を有する第１及び第２の光導波路を形成する光導波路形成工程と、
   前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路の少なくとも一方の光導波路の一部に、その光吸収係数が当該光導波路の他の部分に比べて大きな損失調整部であって、出力光の強度が最小となる電圧を前記第１電極及び前記第２電極に印加した場合における前記第１の光導波路の伝搬損失と前記第２の光導波路の伝搬損失とが一致するように、その形状が定められた損失調整部を形成する損失調整部形成工程と、
   を含むことを特徴とする半導体マッハツェンダ型光変調器の製造方法。
7. 半導体基板の前記損失調整部を形成すべき部分の近傍に量子井戸の構成材料がその上に積層されないマスクを設け、その後、前記半導体基板上に量子井戸の構成材料を堆積することにより、前記他の部分の量子井戸よりも層厚が厚くなるように形成する工程を含む
   ことを特徴とする請求項７に記載の半導体マッハツェンダ型光変調器の製造方法。
8. 半導体マッハツェンダ型光変調器の駆動方法であって、
   前記半導体マッハツェンダ型光変調器の，マッハツェンダ干渉計を成している２つの光
   導波路に、同時刻における時間変化率の正負が逆の，振幅が等しい変調電圧を印加することによって、前記半導体マッハツェンダ型光変調器を駆動する
   ことを特徴とする半導体マッハツェンダ型光変調器の駆動方法。

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