JP2011215486A - マッハツェンダー型光変調素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波方向における素子長を短縮することが可能なマッハツェンダー型光変調素子を提供すること。
【解決手段】マッハツェンダー型光変調素子１Ａは、半導体基板４と、導波光を反射する反射部１ｂと、導波光を合分波する光合分波器３０と、光合分波器３０まで延在する第一及び第二光導波路２Ａ，３Ａと、光合分波器３０から反射部１ｂまで延在する第三及び第四光導波路２Ｂ，３Ｂと、第三及び第四光導波路２Ｂ，３Ｂの少なくとも一方の屈折率を変化させることにより光の位相を制御する位相制御部１０とを備え、位相制御部１０は、第三及び第四光導波路２Ｂ，３Ｂの一部を各々構成し、該基板４上に設けられた下部クラッド層、該下部クラッド層上に設けられたコア層、及び該コア層上に設けられた上部クラッド層を各々含む第一及び第二光導波路構造と、第一及び第二光導波路構造の上に各々設けられた上部電極１１ａ，１１ｂと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、マッハツェンダー型光変調素子に関するものである。

特許文献１には、導波型光干渉計が記載されている。この導波型光干渉計は、基板と、基板上に設けられたガラス製若しくはプラスチック製の２本の光導波路と、互いに異なる位置でこれらの光導波路同士を結合する２つの光結合部と、これらの光結合部間に位置する光導波路に設けられ、光導波路の光路長を変化させる光位相シフト部とを備えている。光位相シフト部は、光導波路上に設けられたヒータからなり、光導波路の温度を制御して光導波路の光路長を変化させる。

特開昭６２−１８３４０６号公報

近年、上部クラッド層、下部クラッド層、及びこれらの間に挟まれクラッド層より高い屈折率を有するコア層からなる光導波路構造が、例えばマッハツェンダー型光変調素子といった種々の半導体光変調素子において採用されている。多くの場合、このような光導波路構造では、上部クラッド層及び下部クラッド層の一方がｎ型半導体によって構成され、他方がｐ型半導体によって構成され、コア層がアンドープ半導体によって構成される。

図１７及び図１８は、このような所謂ｐｉｎ構造を有する半導体光変調素子の一例として、マッハツェンダー型光変調素子１００の構成を示す図である。図１７はマッハツェンダー型光変調素子１００の平面図であり、図１８（ａ）は図１７におけるXVIIIａ−XVIIIａ断面を示す断面図であり、図１８（ｂ）は図１７におけるXVIIIｂ−XVIIIｂ断面を示す断面図である。

図１７に示すように、このマッハツェンダー型光変調素子１００は、位相制御部１１０、入射側分波器１２０、出射側合波器１３０、及び６本の光導波路１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃを備えている。これらは、共通のｎ型半導体基板１０１（図１８（ａ）及び図１８（ｂ）を参照）上に形成されている。光導波路１４０ｂ，１５０ｂの一端は入射側分波器１２０に結合されており、他端は出射側合波器１３０に結合されている。位相制御部１１０は入射側分波器１２０と出射側合波器１３０との間に配置されており、この位相制御部１１０を通過する光導波路１４０ｂ，１５０ｂの上にはそれぞれ上部電極１１１ａ，１１１ｂが設けられている。また、光導波路１４０ａ，１５０ａは、マッハツェンダー型光変調素子１００の一端１００ａから入射側分波器１２０まで延在している。一方、光導波路１４０ｃ，１５０ｃは、出射側合波器１３０からマッハツェンダー型光変調素子１００の他端１００ｂまで延在している。

図１８（ａ）及び図１８（ｂ）を参照すると、マッハツェンダー型光変調素子１００は、ｎ型下部クラッド層１０３と、コア層１０４ａ，１０４ｂと、ｐ型上部クラッド層１０５ａ，１０５ｂと、ｐ型コンタクト層１０６ａ，１０６ｂとを有する。コア層１０４ａはｎ型下部クラッド層１０３とｐ型上部クラッド層１０５ａとの間に設けられており、コア層１０４ｂはｎ型下部クラッド層１０３とｐ型上部クラッド層１０５ｂとの間に設けられている。ｐ型コンタクト層１０６ａ，１０６ｂはそれぞれｐ型上部クラッド層１０５ａ，１０５ｂ上に設けられ、上部電極１１１ａ，１１１ｂとオーミック接触を構成している。ｎ型半導体基板１０１の裏面上には、カソード電極１１２が設けられている。

また、ｎ型下部クラッド層１０３の一部と、コア層１０４ａと、ｐ型上部クラッド層１０５ａと、ｐ型コンタクト層１０６ａとは一つのメサ構造１０７ａを成しており、光導波路１４０ｂを構成する。同様に、ｎ型下部クラッド層１０３の別の一部と、コア層１０４ｂと、ｐ型上部クラッド層１０５ｂと、ｐ型コンタクト層１０６ｂとは別の一つのメサ構造１０７ｂを成しており、光導波路１５０ｂを構成する。メサ構造１０７ａ及び１０７ｂの側面がＢＣＢやポリイミドといった誘電体樹脂層１０８によって埋め込まれた所謂ハイメサ構造となっている。

このマッハツェンダー型光変調素子１００では、上部電極１１１ａ，１１１ｂとカソード電極１１２との間に逆バイアス電圧を印加してコア層１０４ａ，１０４ｂに電界を発生させ、この電界により誘起される電気光学効果やＱＣＳＥ（量子閉じ込めシュタルク）効果を利用してコア層１０４ａ，１０４ｂの屈折率を変化させることで、コア層１０４ａ，１０４ｂを導波する光の位相を変化させる。

図１７に示されるように、マッハツェンダー型光変調素子１００における光導波方向の素子長Ｌは、マッハツェンダー型光変調素子１００の一端１００ａから他端１００ｂまでの長さとなる。しかし、この光導波方向の素子長Ｌは、例えば３ｍｍ〜５ｍｍといった比較的大きなサイズであるので、このようなマッハツェンダー型光変調素子１００を小型の光モジュールへ搭載することは困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光導波方向における素子長を短縮することが可能なマッハツェンダー型光変調素子を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明によるマッハツェンダー型光変調素子は、半導体基板と、半導体基板上に設けられ、導波光を反射する反射部と、半導体基板上に設けられ、導波光を合分波する光合分波器と、半導体基板上に設けられ、光合分波器まで延在する第一及び第二光導波路と、半導体基板上に設けられ、光合分波器から反射部まで延在する第三及び第四光導波路と、第三及び第四光導波路の少なくとも一方の屈折率を変化させることにより光の位相を制御する位相制御部と、を備え、位相制御部は、第三及び第四光導波路の一部を各々構成し、半導体基板上に設けられた下部クラッド層、下部クラッド層上に設けられたコア層、及びコア層上に設けられた上部クラッド層を各々含む第一及び第二光導波路構造と、第一及び第二光導波路構造の上に各々設けられた上部電極と、を備えることを特徴とする。

このマッハツェンダー型光変調素子では、第一及び第二光導波路が、光合分波器まで延びて存在し、第三及び第四光導波路が、該光合分波器から反射部まで設けられている。第一及び第二光導波路のいずれか一方から入射光を入射すると、光は、光合分波器と、第三及び第四光導波路とを伝播した後、反射部において反射され、再び第三及び第四光導波路を伝播する。このマッハツェンダー型光変調素子には、位相制御部が含まれており、この位相制御部は、第三及び第四光導波路の一部を各々構成する第一及び第二光導波路構造を備える。この第一及び第二光導波路構造の上には上部電極が各々設けられているので、この上部電極から電圧を印加することにより、当該第三及び第四光導波路の少なくとも一方を導波する光の位相を制御できる。このマッハツェンダー型光変調素子によれば、図１７や図１８に示した従来のマッハツェンダー型光変調素子の入射側分波器１２０及び出射側合波器１３０の両方を必要とせず、１つの光合分波器に集約できる。よって、図１７や図１８に示す従来のマッハツェンダー型光変調素子の左側の半分の領域のみで、マッハツェンダー型光変調素子を動作させることができる。従って、光導波方向における素子長を短縮できる。よって、このマッハツェンダー型光変調素子を小型の光モジュールへ容易に搭載できる。

また、マッハツェンダー型光変調素子は、位相制御部と光合分波器との間に設けられ、第三及び第四光導波路の少なくとも一方の屈折率を変化させることにより光の位相を調整する位相調整部を更に含み、位相調整部は、第三及び第四光導波路の一部を各々構成し、半導体基板上に設けられた下部クラッド層、下部クラッド層上に設けられたコア層、及びコア層上に設けられた上部クラッド層を各々含む第三及び第四光導波路構造と、第三及び第四光導波路構造の上に各々設けられた上部電極と、を備えてもよい。

第三及び第四光導波路を伝播し、反射部で反射する導波光には、素子の製造時に生じる誤差に起因して、反射特性の差が生じる。この反射特性の差によって、反射部における位相変化量の差が生じる。また、このような位相変化量の差は、素子毎に異なる。その結果、位相制御部における最適な動作電圧の値が素子毎に異なってしまい、安定動作や素子特性の再現性の確保が困難となる。そこで、このマッハツェンダー型光変調素子では、第三及び第四光導波路の少なくとも一方の屈折率を変化させることにより光の位相を調整する位相調整部を更に含んでいる。この位相調整部の第三及び第四光導波路構造の上に各々設けられた上部電極の少なくとも一方に電圧を印加することよって、位相調整部を通過する光の屈折率を変化させることができる。この屈折率の変化により、反射部における位相変化量の差を補正できる。従って、位相制御部における動作電圧の条件をほぼ一定に保つことが容易となる。以上により、素子の安定動作や素子特性の再現性の確保を容易にできる。また、第三光導波路及び第四光導波路を伝播した光は、反射部で反射されて、位相調整部を往復するため、同じ位相変化を得るための位相調整部の長さ、またはサイズを半分に低減することができる。従って、従来の位相調整部を有するマッハツェンダー型変調素子に比べて、素子サイズを低減することができる。さらに、位相調整部に起因した素子容量も低減することができる。

また、マッハツェンダー型光変調素子において、反射部は分布ブラッグ反射部であり、該分布ブラッグ反射部は、第三及び第四光導波路の一部を各々構成し、半導体基板上に設けられた下部クラッド層、該下部クラッド層上に設けられ、回折格子が形成されたコア層、及び該コア層上に設けられた上部クラッド層を各々含む第五及び第六光導波路構造を備える構成としてもよい。

マッハツェンダー型光変調素子の反射部である第二端面での反射を効率よくするために、高反射膜を用いる場合、半導体基板をへき開しチップ化した後、該チップをＣＶＤや蒸着、スパッタ等の成膜装置にセットして、第二端面となる面に高反射膜を成膜する工程が必要となる。従って、製造工程の増加や歩留まりの低下が懸念される。これに対し、このマッハツェンダー型光変調素子では、反射部である分布ブラッグ反射部には、コア層に回折格子が形成されている。つまり、当該素子を作製する半導体プロセスの一工程として、分布ブラッグ反射部を形成可能である。従って、高反射膜を用いる場合に比べて作製工程を簡略化でき、歩留まり改善が期待できる。

また、マッハツェンダー型光変調素子において、反射部は分布ブラッグ反射部であり、該分布ブラッグ反射部は、光導波方向において、複数の半導体部と、複数の誘電体部とが交互に並んだ構造を有し、半導体部は、第三及び第四光導波路の一部を各々構成し、半導体基板上に設けられた下部クラッド層、該下部クラッド層上に設けられたコア層、及び該コア層上に設けられた上部クラッド層を各々含む第七及び第八光導波路構造を備え、誘電体部は、誘電体からなる構成としてもよい。

上述したように、マッハツェンダー型光変調素子の反射部である第二端面での反射を効率よくするために高反射膜を用いる場合、製造工程の増加や歩留まりの低下が懸念される。これに対し、このマッハツェンダー型光変調素子においては、位相制御部と第二端面との間に形成されている分布ブラッグ反射部は、複数の半導体部と複数の誘電体部とが交互に並んだ構造を有する。該半導体部は、上部クラッド層、コア層、及び下部クラッド層からなり、該誘電体部は、誘電体からなる。従って、当該素子を作製する半導体プロセスの一工程として、分布ブラッグ反射部を形成可能である。従って、高反射膜を用いる場合に比べて作製工程を簡略化でき、歩留まり改善が期待できる。また、半導体部と誘電体部との屈折率差は一般に大きいため、上述したコア層に半導体材料のみからなる回折格子を形成した分布ブラッグ反射部を用いる場合よりも、高い反射率を容易に得られるという利点もある。

また、マッハツェンダー型光変調素子は、光を反射する第二端面を有し、反射部は第二端面であり、第二端面は、第一、第二、第三、及び第四光導波路の光導波方向と交差する方向に配置されていることが好ましい。このマッハツェンダー型光変調素子では、光を反射する第二端面を反射部として好適に用いることができる。

また、マッハツェンダー型光変調素子において、位相制御部と第二端面とは、所定の間隔をおいて配置されていてもよい。第二端面は、例えば、へき開で形成される。第二端面が、上部電極を有する位相制御部で終端されている場合、へき開時に上部電極の材料が引っ張られ、第二端面に電極材料が付着するおそれがある。電極材料が第二端面に接触すると、位相制御部の電圧印加時に、第二端面を伝うリーク電流が増えてしまう。これ故、上下のクラッド層間が低抵抗化し、コア層に充分な電圧を印加することが困難となり、変調動作に支障をきたすおそれがある。また、リーク電流の増加により、第二端面での非発光再結合が盛んとなり、これに起因して第二端面の結晶欠陥が増殖して、第二端面の結晶が劣化するおそれがある。一方、マッハツェンダー型光変調素子において、上部電極を有しない光導波部によって、第二端面が終端されていれば、第二端面近傍に電極材料は存在しないため、上述のような問題は生じず、良好な変調動作を確保でき、結晶劣化を抑制できる。

また、マッハツェンダー型光変調素子において、第二端面には、導波光を反射する高反射膜が設けられていることが好ましい。この高反射膜により、第二端面における反射を効果的に行うことができる。

また、マッハツェンダー型光変調素子において、半導体基板上に設けられ、第一及び第二光導波路のいずれか一方へ導波光を入力するための光源を更に備えていてもよい。このマッハツェンダー型光変調素子では、光源が、半導体基板上に設けられている。よって、マッハツェンダー型光変調素子を含む光伝送システムの全体として、小型化を図ることができる。

また、マッハツェンダー型光変調素子は、光を透過する第一端面を有し、第一端面は、第一、第二、第三、及び第四光導波路の光導波方向と交差する方向に配置されており、第一端面には、導波光の反射を防ぐ低反射膜が設けられ、第一及び第二光導波路は、第一端面から光合分波器まで延在することが好ましい。

このマッハツェンダー型光変調素子では、低反射膜が、光を透過する第一端面に設けられているので、第一端面における入射光や出射光の乱反射を抑制できる。また、低反射膜が設けられているので、マッハツェンダー型光変調素子に接続される光ファイバと該素子との光学的結合効率の低下を抑制できる。また、低反射膜が設けられているので、第一端面で出射光が反射して該素子の内部へ戻ることが抑制される。よって、該素子の変調動作への悪影響を低減できる。

また、マッハツェンダー型光変調素子において、光合分波器は、２入力２出力の多モード干渉型の光合分波器とすることができる。このマッハツェンダー型光変調素子では、２入力２出力の多モード干渉型の光合分波器を用いているので、導波光が、第一及び第二光導波路のいずれか一方から入射されて、光合分波器を通った後、第三及び第四光導波路に分岐され、第二端面で反射し、再び第三及び第四光導波路を伝播し光合分波器を通った後、第一及び第二光導波路に分岐される構成とすることができる。よって、マッハツェンダー型光変調素子における変調動作を容易に実現できる。

また、マッハツェンダー型光変調素子において、コア層が、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、及びＧａＩｎＡｓのうちいずれかの半導体材料によって構成されていてもよい。

また、マッハツェンダー型光変調素子において、クラッド層が、ＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、及びＡｌＩｎＡｓのうちいずれかの半導体材料によって構成されていてもよい。

また、マッハツェンダー型光変調素子において、半導体基板がＩｎＰから構成されていてもよい。

また、マッハツェンダー型光変調素子において、半導体基板は、ＦｅがドープされたＩｎＰから構成されていてもよい。このマッハツェンダー型光変調素子では、半導体基板が導電性である場合と比較して、素子容量を低減できる。よって、高速変調動作を実現できる。

本発明によれば、光導波方向における素子長を短縮することが可能なマッハツェンダー型光変調素子を提供することができる。

図１は、マッハツェンダー型光変調素子の一例を示す平面図である。 図２（ａ）は、図１に示したマッハツェンダー型光変調素子のIIA−IIA線に沿った断面を示す図である。図２（ｂ）は、図１に示したマッハツェンダー型光変調素子のIIB−IIB線に沿った断面を示す図である。 図３は、図１に示したマッハツェンダー型光変調素子のIII−III線に沿った断面を示す図である。 図４は、マッハツェンダー型光変調素子の変形例１を示す平面図である。 図５は、マッハツェンダー型光変調素子の変形例２を示す平面図である。 図６は、図５に示したマッハツェンダー型光変調素子のVI−VI線に沿った断面を示す図である。 図７は、マッハツェンダー型光変調素子の変形例３を示す平面図である。 図８は、マッハツェンダー型光変調素子の変形例４を示す平面図である。 図９は、マッハツェンダー型光変調素子の変形例５を示す平面図である。 図１０は、図９に示したマッハツェンダー型光変調素子のX−X線に沿った断面を示す図である。 図１１は、マッハツェンダー型光変調素子の変形例６を示す平面図である。 図１２は、図１１及び図１３に示したマッハツェンダー型光変調素子のXII−XII線に沿った断面を示す図である。 図１３は、マッハツェンダー型光変調素子の変形例７を示す平面図である。 図１４は、マッハツェンダー型光変調素子の変形例８を示す平面図である。 図１５は、マッハツェンダー型光変調素子の変形例９を示す平面図である。 図１６は、図１５に示したマッハツェンダー型光変調素子のXVI−XVI線に沿った断面を示す図である。 図１７は、従来のマッハツェンダー型光変調素子の一例を示す平面図である。 図１８（ａ）は図１７におけるXVIIIａ−XVIIIａ断面を示す断面図であり、図１８（ｂ）は図１７におけるXVIIIｂ−XVIIIｂ断面を示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明によるマッハツェンダー型光変調素子の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第一実施形態）
外部から付与された電気信号電圧に応じて光を変調する光変調器は、光通信システムや光情報処理システムを構成する上での必須のコンポーネントの一つであり、近年その需要が急増している。中でもマッハツェンダー型の光変調器は、４０Ｇｂｐｓ超といった極めて高速な変調が可能であることに加え、動作条件を適宜調整することにより、波長のチャープ量を正から負に至る広範な範囲で任意に設定でき、個々の伝送毎に最適なチャープ量を選択できることから、今後の超高速かつ大容量通信のための変調器として有望である。特に、半導体によって構成されるマッハツェンダー型光変調素子は、小型かつ低消費電力であり、レーザダイオードといった他の半導体光素子とのモノリシック集積による多機能化も可能であることから、今後大きな需要が見込まれる素子である。以下、このようなマッハツェンダー型光変調素子について説明する。

図１は、マッハツェンダー型光変調素子の一例を示す平面図である。図１を参照すると、本実施形態のマッハツェンダー型光変調素子１Ａは、光を透過する第一端面１ａと、光を反射する第二端面１ｂと、を有している。第二端面１ｂは、本実施形態における反射部である。このマッハツェンダー型光変調素子１Ａは、光導波部２０Ａ、光合分波器３０、光導波部２０Ｂ、及び位相制御部１０を備えている。光合分波器３０は、光導波部２０Ａと光導波部２０Ｂとの間に配置されている。光導波部２０Ｂは、光合分波器３０と位相制御部１０との間に配置されている。位相制御部１０、光導波部２０Ａ及び２０Ｂ、並びに光合分波器３０は、図２〜図３に示された共通の半導体基板４上に形成されている。半導体基板４には、導電性の基板が用いられ、例えばｎ型ＩｎＰ基板が好適である。

マッハツェンダー型光変調素子１Ａは４本の光導波路２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂを備えている。本実施形態において、光導波路２Ａは第一光導波路であり、光導波路３Ａは第二光導波路であり、光導波路２Ｂは第三光導波路であり、光導波路３Ｂは第四光導波路である。

光導波路２Ａ，３Ａは、半導体基板４上に設けられ、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの第一端面１ａから光合分波器３０まで延在している。光導波路２Ａ，３Ａは、光導波部２０Ａに存在しており、且つその延在方向と交差する方向に並んで配置されている。光導波路２Ｂ，３Ｂは、半導体基板４上に設けられ、光合分波器３０からマッハツェンダー型光変調素子１Ａの第二端面１ｂまで延在している。光導波路２Ｂ，３Ｂは、光導波部２０Ｂ及び位相制御部１０にわたって延在しており、且つその延在方向と交差する方向に並んで配置されている。なお、第一端面１ａ及び第二端面１ｂは、光導波路２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂの光導波方向と交差する方向に沿って延び、その光導波方向に並んで配置されている。

位相制御部１０を通過する光導波路２Ｂ，３Ｂの上には、上部電極１１ａ，１１ｂが各々設けられている。位相制御部１０を通過する光導波路２Ｂ，３Ｂの下には、共通の下部電極１８が設けられている。

光導波路２Ａ，３Ａのいずれか一方に、外部から入射光が入射される。図１に示す例では、外部に設けられた光源Ｓに光導波路２Ａが光学的に結合されており、外部から光導波路２Ａへ入射光Ｌ１が入力される。光源Ｓには、例えば分布帰還型（ＤＦＢ）のレーザなどを用いることができる。

光合分波器３０は、導波光を合分波する機能を有する。光合分波器３０は、光導波路２Ａ，３Ａのいずれか一方によって、外部からマッハツェンダー型光変調素子１Ａに入射した入射光を、光導波路２Ｂ，３Ｂそれぞれに分波する。光合分波器３０は、例えば２入力２出力の多モード干渉型の光合分波器によって好適に構成される。

光合分波器３０は、第一ポートＰ１〜第四ポートＰ４を有している。光導波路２Ａの一端は、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの第一端面１ａと結合されており、他端は、光合分波器３０の第一ポートＰ１と結合されている。光導波路３Ａの一端は、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの第一端面１ａと結合されており、他端は、光合分波器３０の第四ポートＰ４と結合されている。光導波路２Ｂの一端は、光合分波器３０の第二ポートＰ２と結合されており、他端は、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの第二端面１ｂと結合されている。光導波路３Ｂの一端は、光合分波器３０の第三ポートＰ３と結合されており、他端は、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの第二端面１ｂと結合されている。

光合分波器３０は、第一端面１ａから第二端面１ｂに向かう方向（図中のＹ方向）では、光導波路２Ａ及び光導波路３Ａのいずれか一方から入射した入射光を光導波路２Ｂ及び光導波路３Ｂそれぞれに分波し、第二端面１ｂから第一端面１ａに戻る方向では、光導波路２Ｂ及び光導波路３Ｂそれぞれを伝搬した光を合波して光導波路２Ａ及び光導波路３Ａそれぞれに分波する。

位相制御部１０は、光導波路２Ｂ，３Ｂの少なくとも一方の屈折率を変化させることにより、光の位相を制御する。

図２（ａ）は、図１に示したマッハツェンダー型光変調素子のIIA−IIA線に沿った断面を示す図である。図２（ａ）を参照すると、位相制御部１０は、光導波路２Ｂ，３Ｂの一部を各々構成する。位相制御部１０は、上述した上部電極１１ａ，１１ｂ及び下部電極１８に加え、下部クラッド層１３と、２つのメサ構造部１９ａ，１９ｂとを有している。下部クラッド層１３は、半導体基板４の主面４ａ上の全面にわたって設けられている。

メサ構造部１９ａは、下部クラッド層１３上の領域のうち光導波路２Ｂに対応する一部の領域上に設けられている。メサ構造部１９ｂは、下部クラッド層１３上の領域のうち光導波路３Ｂに対応する別の一部の領域上に設けられている。

メサ構造部１９ａは、本実施形態における光導波路構造（第一光導波路構造）である。メサ構造部１９ａは、下部クラッド層１３の一部と、コア層１４ａと、上部クラッド層１５ａと、コンタクト層１６ａとを含む。メサ構造部１９ｂは、本実施形態における光導波路構造（第二光導波路構造）である。メサ構造部１９ｂは、下部クラッド層１３の一部と、コア層１４ｂと、上部クラッド層１５ｂと、コンタクト層１６ｂとを含む。

下部クラッド層１３は、半導体基板４上に設けられている。コア層１４ａは下部クラッド層１３上に設けられている。上部クラッド層１５ａはコア層１４ａ上に設けられている。コア層１４ａの屈折率は下部クラッド層１３の屈折率より大きく、上部クラッド層１５ａの屈折率はコア層１４ａの屈折率より小さい。メサ構造部１９ａのこれらの層は、コア層１４ａを中心として光導波路２Ｂの一部を構成する。上部クラッド層１５ａは、例えばｐ型半導体からなる。

コア層１４ｂは下部クラッド層１３上に設けられている。上部クラッド層１５ｂはコア層１４ｂ上に設けられている。コア層１４ｂの屈折率は下部クラッド層１３の屈折率より大きく、上部クラッド層１５ｂの屈折率はコア層１４ｂの屈折率より小さい。メサ構造部１９ｂのこれらの層は、コア層１４ｂを中心として光導波路３Ｂの一部を構成する。上部クラッド層１５ｂは、例えばｐ型半導体からなる。

コア層１４ａ，１４ｂは、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、及びＧａＩｎＡｓのうちいずれかの半導体材料によって構成されることが好ましい。これらの半導体材料はＩｎＰと格子整合できるので、良好な結晶性を有するコア層１４ａ，１４ｂを、ＩｎＰ基板である半導体基板４上に容易に成長できる。また、これらの半導体材料は１．３μｍ〜１．５５μｍといった光通信波長帯に対応するバンドギャップを有するので、これらの半導体材料によってコア層１４ａ，１４ｂを構成することにより、光通信用途に好適な光変調素子を実現できる。コア層１４ａ，１４ｂは、単一の層（バルク層）から成ってもよく、井戸層を該井戸層よりバンドギャップが大きいバリア層によって挟み込んだ量子井戸構造を有しても良い。

下部クラッド層１３及び上部クラッド層１５ａ，１５ｂは、例えばＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、及びＡｌＩｎＡｓのうちいずれかの半導体材料であって、屈折率がコア層１４ａ，１４ｂより小さく、且つバンドギャップがコア層１４ａ，１４ｂより大きい材料によって構成されることが好ましい。特に、ＩｎＰはＧａＩｎＡｓＰ系の半導体材料の中で最大のバンドギャップと最小の屈折率とを有している。したがって、下部クラッド層１３及び上部クラッド層１５ａ，１５ｂをＩｎＰによって構成することにより、コア層１４ａ，１４ｂにキャリアや光を強く閉じ込めることができる。また、ＩｎＰはＡｌを含まないので酸化されにくく、クラッド用の材料として好適である。

コンタクト層１６ａは、上部クラッド層１５ａ上に設けられている。コンタクト層１６ｂは、上部クラッド層１５ｂ上に設けられている。コンタクト層１６ａは、その直上に設けられた上部電極１１ａとの間でオーミック接触を実現する。コンタクト層１６ｂは、その直上に設けられた上部電極１１ｂとの間でオーミック接触を実現する。コンタクト層１６ａ，１６ｂを構成する半導体材料としては、例えばバンドギャップが小さいＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓＰが好適である。

なお、上部電極１１ａは、上部クラッド層１５ａ上（本実施形態ではコンタクト層１６ａ上）に設けられる。上部電極１１ｂは、上部クラッド層１５ｂ上（本実施形態ではコンタクト層１６ｂ上）に設けられる。また、本実施形態では、半導体基板４の裏面４ｂ上には、下部電極１８が全面に設けられている。

メサ構造部１９ａ及び１９ｂの両側面がＢＣＢやポリイミドといった誘電体樹脂層１７によって埋め込まれたハイメサ構造となっている。すなわち、誘電体樹脂層１７は、メサ構造部１９ａ及び１９ｂの高さと等しい厚さでもって、メサ構造部１９ａ及び１９ｂが設けられていない半導体基板４上の領域に設けられている。

図２（ｂ）は、図１に示したマッハツェンダー型光変調素子のIIB−IIB線に沿った断面を示す図である。図２（ｂ）を参照すると、光導波部２０Ａ及び２０Ｂは、下部クラッド層２３と、メサ構造部２９とをそれぞれ有している。メサ構造部２９は、本実施形態における光導波路構造である。メサ構造部２９は、下部クラッド層２３の一部と、コア層２４と、上部クラッド層２５とを含む。メサ構造部２９は、下部クラッド層２３上の領域のうちそれぞれ光導波路２Ａ及び２Ｂに対応する一部の領域上に設けられている。すなわち、光導波路２Ａ及び２Ｂは、下部クラッド層２３と、コア層２４と、上部クラッド層２５とを含んでいる。

下部クラッド層２３は、上述した位相制御部１０の下部クラッド層１３と一体として構成されてもよい。コア層２４は、上述した位相制御部１０のコア層１４ａと一体として構成されてもよい。上部クラッド層２５は、上述した位相制御部１０の上部クラッド層１５ａと一体として構成されてもよい。

メサ構造部２９の両側面は、位相制御部１０のメサ構造部１９ａ及び１９ｂと同様に、誘電体樹脂層１７によって埋め込まれている。

コア層２４は下部クラッド層２３上に設けられており、上部クラッド層２５はコア層２４上にそれぞれ設けられている。コア層２４の屈折率は下部クラッド層２３の屈折率より大きく、上部クラッド層２５の屈折率はコア層２４の屈折率より小さい。メサ構造部２９のこれらの層は、コア層２４を中心として光導波路２Ａ，２Ｂの一部をそれぞれ構成する。なお、コア層２４を構成する半導体材料やコア層２４の内部構成は、上述したコア層１４ａ，１４ｂと同様とすることができる。また、下部クラッド層２３及び上部クラッド層２５を構成する半導体材料は、上述した下部クラッド層１３及び上部クラッド層１５ａ,１５ｂと同様とすることができる。

図３は、図１に示したマッハツェンダー型光変調素子のIII−III線に沿った断面を示す図である。図３を参照すると、光合分波器３０は、下部クラッド層３３と、メサ構造部３９とを有している。下部クラッド層３３は、上述した下部クラッド層１３や下部クラッド層２３と一体として構成されてもよい。メサ構造部３９は、本実施形態における光導波路構造である。メサ構造部３９は、下部クラッド層３３上の領域の一部の上に設けられている。メサ構造部３９は、下部クラッド層３３の一部と、コア層３４と、上部クラッド層３５とを含む。メサ構造部３９の両側面は、メサ構造部１９ａ，１９ｂ,２９と同様に、誘電体樹脂層１７によって埋め込まれている。

コア層３４は下部クラッド層３３上に設けられており、上部クラッド層３５はコア層３４上に設けられている。コア層３４の屈折率は下部クラッド層３３の屈折率より大きく、上部クラッド層３５の屈折率はコア層３４の屈折率より小さい。光合分波器３０のコア層３４は、上述したコア層２４と光結合されている。なお、コア層３４を構成する半導体材料やコア層３４の内部構成は、上述したコア層１４ａ，１４ｂ,２４と同様である。なお、下部クラッド層３３及び上部クラッド層３５を構成する半導体材料は、上述した下部クラッド層１３及び上部クラッド層１５ａ,１５ｂと同様である。

続いて、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの動作について説明する（図１を参照）。以下では、説明の便宜上、変調のための電気信号電圧Ｖは、光導波路２Ｂの位相制御部１０の上部電極１１ａにのみ印加されるものとする。光源Ｓから、例えばＣＷ光などの入射光をマッハツェンダー型光変調素子１Ａの光導波路２Ａ，３Ａのいずれか一方に入射する。また、光源Ｓから光アイソレータＨを経由してマッハツェンダー型光変調素子１Ａに入射光を入射させてもよい。図１に示す例では、光源Ｓから光アイソレータＨを経由して、光導波路２Ａから入射光Ｌ１を入射させる。光導波路２Ａを伝播した導波光は、光合分波器３０の第一ポートＰ１に入力される。

ここで、光合分波器３０の第二ポートＰ２及び第三ポートＰ３において、導波光が１対１のパワーで分岐され、なおかつ第二ポートＰ２に対して第三ポートＰ３に出力される導波光の位相がπ／２遅れるように、光合分波器３０を最適設計しておく。

第二ポートＰ２及び第三ポートＰ３に分岐された導波光は、光導波路２Ｂ，３Ｂの光導波部２０Ｂ及び位相制御部１０を経由して第二端面１ｂ側に導波し、第二端面１ｂで反射する。この反射光は、逆方向、すなわち第一端面１ａ側に向かって、光導波路２Ｂ，３Ｂを再び経由し、第二ポートＰ２及び第三ポートＰ３に戻る。

ここで、光導波路２Ｂの位相制御部１０の上部電極１１ａに、０レベルの電気信号電圧を印加する場合、第二ポートＰ２及び第三ポートＰ３に分岐された導波光が、第二端面１ｂで反射されて再び第二ポートＰ２及び第三ポートＰ３に戻ってくるまでに、光導波路３Ｂの導波光の位相に対して、光導波路２Ｂの導波光の位相がπ進むものとする。対して、光導波路２Ｂの位相制御部１０に、１レベルの電気信号電圧を印加する場合、光導波路３Ｂの導波光の位相と、光導波路２Ｂの導波光の位相との間に位相差が生じないものとする。

まず、光導波路２Ｂの位相制御部１０の上部電極１１ａに、１レベルの電気信号電圧が印加されている場合、上記のように、第二ポートＰ２及び第三ポートＰ３に分岐された２つの導波光が光導波路２Ｂ，３Ｂをそれぞれ導波し、第二端面１ｂで反射されて戻ってくる過程では、光導波路２Ｂの導波光の位相と光導波路３Ｂの導波光の位相との間には、位相の差が生じない。よって、２つの導波光が第二ポートＰ２及び第三ポートＰ３に再度達した時点では、最初に光合分波器３０で分岐された時点と同様に、第二ポートＰ２に戻る導波光の位相に対し、第三ポートＰ３に戻る導波光の位相が、π／２だけ遅れている状態が保持されることとなる。

次いで、上述のように、第二端面１ｂにおいて反射されて第二ポートＰ２または第三ポートＰ３に達した２つの導波光は、光合分波器３０中を導波する際に合波され、第一ポートＰ１または第四ポートＰ４に合波光として出力される。ここで、第一ポートＰ１においては、光合分波器３０を導波中に、第二ポートＰ２からの光に対して第三ポートＰ３からの光の位相はπ／２遅れる。一方、第四ポートＰ４においては、光合分波器３０を導波中に、第三ポートＰ３からの光に対し第二ポートＰ２からの光の位相はπ／２遅れる。第四ポートＰ４について考えると、光合分波器３０の入射前には、第二ポートＰ２の導波光に対して第三ポートＰ３の導波光の位相はπ／２遅れていたが、光合分波器３０を通過中に第三ポートＰ３からの導波光に対して第二ポートＰ２からの光の位相がπ／２遅れる。結局、第二ポートＰ２からの導波光と第三ポートＰ３からの導波光との間の位相差は相殺される。よって、第四ポートＰ４では、２つの導波光は同相の状態でお互いに強めあいながら合波される。従って、第四ポートＰ４には１レベルの光信号が出力される。

一方、第一ポートＰ１について考えると、光合分波器３０への入射前には第二ポートＰ２の導波光の位相に対して、第三ポートＰ３の導波光の位相は、π／２遅れている。しかし、光合分波器３０を通過中に第二ポートＰ２からの導波光の位相に対して、第三ポートＰ３からの導波光の位相が、更にπ／２遅れる。結局、光合分波器３０への入射前の位相差π／２に、光合分波器３０を通過中の位相差π／２が加わって、第一ポートＰ１に戻った時点では、第二ポートＰ２からの導波光の位相に対して、第三ポートＰ３からの導波光の位相は、π遅れることとなる。よって、第一ポートＰ１では、２つの導波光は、逆相の状態でお互いに打ち消しあいながら合波される。従って、第一ポートＰ１には０レベルの光信号が出力される。

これに対し、光導波路２Ｂの位相制御部１０の上部電極１１ａに、０レベルの電気信号電圧が印加されている場合、上記のように、第二ポートＰ２及び第三ポートＰ３に分岐された２つの導波光が、光導波路２Ｂ，３Ｂを導波して、第二端面１ｂで反射されて戻ってくる過程においては、光導波路２Ｂの導波光の位相に対して、光導波路３Ｂの導波光の位相が、π進む。上述したように、最初に、入射光が光合分波器３０で分岐された時点では、第二ポートＰ２の導波光の位相に対して、第三ポートＰ３の導波光の位相がπ／２遅れていたので、光導波路２Ｂ，３Ｂを導波中に生じたπの位相差を考慮すると、結局、導波光が第二端面１ｂで反射されて、再び第二ポートＰ２または第三ポートＰ３に達した時点では、第二ポートＰ２の導波光に対して、第三ポートＰ３の導波光の位相が、π/2だけ進んでいることとなる。

次いで、上述した１レベルの信号電圧印加時と同様に０レベルの信号電圧印加時においても、第二ポートＰ２または第三ポートＰ３に達した２つの導波光は、光合分波器３０中を導波する際に、再び合波され、第一ポートＰ１または第四ポートＰ４から合波光が出力される。その際、第一ポートＰ１においては、光合分波器３０を導波中に、第二ポートＰ２からの導波光の位相に対して、第三ポートＰ３からの導波光の位相は、π／２遅れる。一方、第四ポートＰ４においては、光合分波器３０を導波中に、第三ポートＰ３からの導波光の位相に対して、第二ポートＰ２からの導波光の位相は、π／２遅れる。

ここで、第四ポートＰ４について考えると、光合分波器３０へ入射する前には、第二ポートＰ２の導波光の位相に対して、第三ポートＰ３の導波光の位相は、π／２進んでいたが、光合分波器３０を通過中に、第三ポートＰ３からの導波光の位相に対して、第二ポートＰ２からの導波光の位相がπ／２遅れる。その結果、第二ポートＰ２からの導波光の位相と第三ポートＰ３からの導波光の位相との間の位相差は、πとなる。よって、第四ポートＰ４において、２つの導波光は、逆相の状態でお互いに打ち消しあいながら合波される。従って、第四ポートＰ４には０レベルの光信号が出力される。

一方、第一ポートＰ１について考えると、光合分波器３０へ入射する前には、第二ポートＰ２の導波光の位相に対して、第三ポートＰ３の導波光の位相は、π／２進んでいたが、光合分波器３０を通過中に、第二ポートＰ２からの導波光の位相に対して、第三ポートＰ３からの導波光の位相がπ／２遅れる。その結果、第二ポートＰ２からの導波光の位相と第三ポートＰ３からの導波光の位相との間の位相差は相殺され、第一ポートＰ１で、２つの導波光は、同相の状態でお互いに強めあいながら合波される。従って、第一ポートＰ１には１レベルの光信号が出力される。

以上の動作をまとめると、光導波路２Ｂの位相制御部１０の上部電極１１ａに、０レベルの電気信号電圧を印加する場合、第一ポートＰ１からは１レベル、第四ポートＰ４からは０レベルの光信号が出力される。逆に、光導波路２Ｂの位相制御部１０の上部電極１１ａに、１レベルの電気信号電圧を印加する場合、第一ポートＰ１からは０レベル、第四ポートＰ４からは１レベルの光信号が出力される。つまり、第一ポートＰ１からは電気信号電圧を反転したパターンの光信号が出力され、第四ポートＰ４からは電気信号電圧と同じパターンの光信号が出力される。従って、第四ポートＰ４から出力される光信号は電気信号電圧と同じ変調信号となるので、これを出射光Ｌ３として取り出して用いることにより、光通信を行うことが可能である。

以上の説明から明らかなように、本実施形態のマッハツェンダー型光変調素子１Ａでは、分波器と合波器との機能を有する光合分波器３０を用い、反射部（図１の例では第二端面１ｂ）での反射を利用して、光導波路を導波光が往復して変調される反射型の素子構造となっている。よって、図１７や図１８に示す従来のマッハツェンダー型光変調素子の左側の半分の領域のみで、マッハツェンダー型光変調素子を動作させることができる。従って、光導波方向における素子長を短縮できる。よって、このマッハツェンダー型光変調素子を小型の光モジュールへ容易に搭載できる。また、素子サイズを低減することにより、素子容量を大幅に低減でき、例えば１０Ｇｂｐｓを超える超高速動作が可能となる。

上記実施形態においては、光導波路２Ｂの位相制御部１０の上部電極１１ａのみに、電気信号電圧Ｖを印加した場合を例示したが、これには限定されず、光導波路３Ｂの位相制御部１０の上部電極１１ｂのみに、電気信号電圧を印加しても良い。また、２つの光導波路２Ｂ，３Ｂに同時に電気信号電圧を印加し、いわゆるプッシュプル動作で変調してもよい。いずれの変調形式を用いた場合においても、上述したような素子長や素子容量に関する有意な低減が図れる。

また、第一ポートＰ１から出力される光信号(図１における出射光Ｌ２)が、光ファイバＦ１を通って光源Ｓに戻り光として入射され、光源Ｓの動作を不安定にするおそれがある。そこで、出射光Ｌ２が光源Ｓ側に戻らないように、図１に示すように、光源Ｓと光導波路２Ａとの間に、光アイソレータＨを光学的に結合しておくことが望ましい。

また、図１では、光源Ｓ、光アイソレータＨ、及びマッハツエンダー型光変調素子１Ａは個別のものを用い、これらが光ファイバＦ１で光学的に結合されている構成を示すが、本発明はこの構成に限定されず、光源Ｓ、光アイソレータＨ、及びマッハツエンダー型光変調素子１Ａが同一のモジュールパッケージ内にて光学的に結合されて実装されていても良い。

また、上述したように、本実施形態のマッハツェンダー型光変調素子１Ａでは、変調動作時において、当該素子１Ａの第一端面１ａから入射した光が、第二端面１ｂで反射される。よって、第二端面１ｂにおける反射率が高い方が導波光の反射ロスが低減できるので、動作上有利である。そこで、例えば、図１に示すように、導波光を反射し、反射率を増大させるための高反射膜ＨＲを第二端面１ｂに設けてもよい。

高反射膜ＨＲとしては、例えば、高屈折率と低屈折率の誘電体膜を交互に多数積層した多層膜を適用できる。高反射膜ＨＲの具体例として、酸化珪素、窒化珪素、または酸化アルミニウムなどの低屈折率誘電体膜と、酸化チタン、酸化タンタル、または酸化ジルコニウムなどの高屈折率誘電体膜と、を交互に積層した多層膜が挙げられる。
あるいは、高反射膜ＨＲとして、酸化珪素、窒化珪素、または酸化アルミニウムなどの低屈折率誘電体膜と、半導体膜である高屈折率の非晶質珪素膜と、を交互に積層した多層膜を用いてもよい。あるいは、高反射膜ＨＲとして、例えば金等の高反射率を有する金属膜などを用いてもよい。高反射膜ＨＲに適用可能なこれらの膜は、蒸着装置、スパッタ装置、またはＣＶＤ装置などを用いて容易に成膜できる。また、９９％以上の高反射率を実現できるように、高反射膜ＨＲの膜構造を最適化することが好ましい。

一方、図１に示すように、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの第一端面１ａには、導波光の反射を防ぐ低反射膜ＬＲを設けてもよい。この低反射膜ＬＲにより、入射光Ｌ１や出射光Ｌ２が第一端面１ａで乱反射され、光ファイバＦ１とマッハツェンダー型光変調素子１Ａとの間の光学的結合効率が低下することを抑制できる。また、第一端面１ａでの出射光Ｌ２，Ｌ３が反射して、該素子１Ａの内部に戻り光としてフィードバックされ、該素子１Ａの変調動作へ悪影響を及ぼすことを低減できる。この低反射膜ＬＲとして、例えば、酸化珪素、窒化珪素、または酸化アルミニウムなどの低屈折率膜を使用することができる。また、０．１％未満の低反射率を実現できるように、低反射膜ＬＲの膜構造を最適化することが好ましい。ただし、これらの高反射膜ＨＲや低反射膜ＬＲは必ずしも必要ではない。

（変形例１）
以下、上述したマッハツェンダー型光変調素子１Ａの変形例１について説明する。図４は、マッハツェンダー型光変調素子の変形例１を示す平面図である。

図４に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ｂが、図１〜３に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ａと異なるのは、位相制御部１０と第二端面１ｂとが、所定の間隔をおいて配置されている点である。すなわち、マッハツェンダー型光変調素子１Ｂは、位相制御部１０と第二端面１ｂとの間に、光導波部２０Ｃを含む。光導波部２０Ｃは、位相制御部１０から第二端面１ｂまで延在している。光導波部２０Ｃは、光導波路２Ｂ及び光導波路３Ｂの一部を各々構成し、半導体基板４上に設けられた下部クラッド層、該下部クラッド層上に設けられたコア層、及び該コア層上に設けられた上部クラッド層を各々含む２つの光導波路構造を備えている。この光導波路構造は、図２（ｂ）で示した構成と同様とすることができる。

第二端面１ｂは、例えばへき開によって作製される。図１に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ａのように、第二端面１ｂが、上部電極１１ａ，１１ｂを有する位相制御部１０で終端されている場合、へき開時に電極材料が引っ張られ、第二端面１ｂに該電極材料が付着するおそれがある。第二端面１ｂに電極材料が接触することにより、位相制御部１０へ電気信号電圧を印加する時に、第二端面１ｂを伝うリーク電流が増えてしまう。これ故、上部クラッド層１５ａ，１５ｂと下部クラッド層１３との間が低抵抗化し、コア層１４ａ，１４ｂに充分な電圧を印加することが困難となり、良好な変調動作に支障をきたすおそれがある。またリーク電流の増加により、第二端面１ｂでの非発光再結合が盛んとなり、これに起因して第二端面１ｂでの結晶劣化が促進されることも懸念される。

一方、図４に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ｂのように、電極を有しない光導波部２０Ｃによって、第二端面１ｂが終端されていれば、第二端面１ｂ近傍に電極材料は存在しないため、上述のような問題は生じず、良好な変調動作を確保でき、結晶劣化を抑制できる。

（変形例２）
以下、上述したマッハツェンダー型光変調素子１Ａの変形例２について説明する。図５は、マッハツェンダー型光変調素子の変形例２を示す平面図である。図６は、図５に示したマッハツェンダー型光変調素子のVI−VI線に沿った断面を示す図である。

図５及び図６に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ｃが、図１〜３に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ａと異なるのは、半導体基板として半絶縁性の基板を用いる点である。このため、マッハツェンダー型光変調素子１Ｃの位相制御部１１０の構造は、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの位相制御部１０の構造と異なる。

本変形例２において、半絶縁性の半導体基板４４として使用可能なものとして、例えば、ＦｅがドープされたＩｎＰ基板が挙げられる。このようなＦｅがドープされた半絶縁性のＩｎＰ基板は、高抵抗基板であるため、半導体基板４４の裏面に下部電極を形成できない。よって、図５及び図６に示すように、位相制御部１１０において、下部電極１１ｃ，１１ｄは、半導体基板４４の表面上における下部クラッド層１３上にそれぞれ形成されている。

本変形例のマッハツェンダー型光変調素子１Ｃによれば、半導体基板としてＦｅがドープされたＩｎＰ基板を用いるので、半導体基板が導電性である場合と比較して、素子容量を低減できる。よって、高速変調動作を実現できる。

（変形例３）
以下、上述したマッハツェンダー型光変調素子１Ａの変形例３について説明する。図７は、マッハツェンダー型光変調素子の変形例３を示す平面図である。

図７に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ｄが、図１〜３に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ａと異なるのは、光源Ｓが、当該素子１Ｄを構成する半導体基板４上に設けられている点である。この光源Ｓは、光導波路２Ａ及び光導波路３Ａのいずれか一方へ導波光を入力するためのものである。このように、マッハツェンダー型光変調素子１Ｄでは、光源Ｓが、当該素子１Ｄを構成する半導体基板４上に設けられているので、光伝送システム全体として、小型化を図ることができる。

また、光アイソレータＨを用いる場合、光源Ｓに加えて、光アイソレータＨも、当該素子１Ｄを構成する半導体基板４上に設けられていてもよい。このように、光源Ｓと同一基板上に集積可能な光アイソレータＨとしては、例えば、鉄やコバルトなどの強磁性金属薄膜を半導体に付加し、横磁気カー効果を利用して光アイソレータとして動作させるものを適用できる。この場合、光源Ｓや光アイソレータＨまで含めての光伝送システム全体としての小型化が図れる。

（変形例４）
以下、上述したマッハツェンダー型光変調素子１Ａの変形例４について説明する。図８は、マッハツェンダー型光変調素子の変形例４を示す平面図である。

図８に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ｅが、図１〜３に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ａと異なるのは、位相調整部を更に含む点である。位相調整部は、光導波路２Ｂ及び光導波路３Ｂの少なくとも一方の屈折率を変化させることにより光の位相を調整する。位相調整部は、位相制御部１０と光合分波器３０との間に設けられている。位相調整部５０Ａ，５０Ｂは、光導波路２Ｂ及び光導波路３Ｂの一部を各々構成する。

位相調整部５０Ａ，５０Ｂの各々は、半導体基板上に設けられた下部クラッド層、該下部クラッド層上に設けられたコア層、及び該コア層の上に設けられた上部クラッド層を含む光導波路構造（第三及び第四光導波路構造）と、該光導波路構造の上に各々設けられた上部電極と、を備えている。すなわち、位相調整部５０Ａ，５０Ｂの断面構造は、例えば図２（ａ）に示す位相制御部１０の断面構造と同様とすることができる。

光導波路２Ｂ及び光導波路３Ｂを伝播し、第二端面１ｂで反射する導波光には、マッハツェンダー型光変調素子の製造時に生じる誤差に起因して、反射特性の差が生じる。この反射特性の差によって、第二端面１ｂにおける位相変化量の差が生じる。また、このような位相変化量の差は、素子毎に異なる。その結果、位相制御部１０における最適な動作電圧の値が素子毎に異なってしまい、安定動作や素子特性の再現性の確保が困難であった。そこで、このマッハツェンダー型光変調素子では、位相制御部１０と光合分波器３０との間に設けられ、光導波路２Ｂ及び光導波路３Ｂの少なくとも一方の屈折率を変化させることにより光の位相を調整する位相調整部を更に含んでいる。この位相調整部の第三及び第四光導波路構造の上に各々設けられた上部電極の少なくとも一方に電圧を印加することよって、位相調整部の屈折率を変化させることができる。この屈折率の変化により、第二端面１ｂにおける位相変化量の差を補正できる。従って、位相制御部１０における動作電圧の条件をほぼ一定に保つことが容易となる。以上により、素子の安定動作や素子特性の再現性の確保を容易にできる。また、光導波路２Ｂ及び光導波路３Ｂを伝播した光は、第二端面１ｂで反射されて、位相調整部５０Ａ，５０Ｂを往復するため、同じ位相変化を得るための位相調整部の長さ、またはサイズを半分に低減することができる。従って、従来の位相調整部を有するマッハツェンダー型変調素子に比べて、素子サイズを低減することができる。さらに、位相調整部に起因した素子容量を低減することができる。

なお、変形例４のマッハツェンダー型光変調素子１Ｅにおいて、光源Ｓが、変形例３のように、半導体基板４上に設けられていてもよい。

（変形例５）
以下、上述したマッハツェンダー型光変調素子１Ａの変形例５について説明する。図９は、マッハツェンダー型光変調素子の変形例５を示す平面図である。図１０は、図９に示したマッハツェンダー型光変調素子のX−X線に沿った断面を示す図である。

図９に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ｆが、図１〜３に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ａと異なるのは、第二端面１ｂ及び高反射膜ＨＲに代えて、端面１ｃ及び分布ブラッグ反射部７０を含む点である。分布ブラッグ反射部７０は、本変形例における反射部であり、光導波路２Ｂ及び光導波路３Ｂの一部を各々構成する。図１０に示すように、分布ブラッグ反射部７０は、半導体基板４上に設けられた下部クラッド層７３、該下部クラッド層７３上に設けられ、回折格子Ｇが形成されたコア層７４、及び該コア層７４上に設けられた上部クラッド層７５を各々含む２つの光導波路構造（第五及び第六光導波路構造）を備えている。

第一実施形態のように、マッハツェンダー型光変調素子の反射部である第二端面１ｂでの反射を効率よくするために、上述した高反射膜ＨＲを用いる場合、半導体基板４をへき開してチップ化した後、該チップをＣＶＤ、蒸着、またはスパッタなどの成膜装置にセットした後、第二端面１ｂとなる面に高反射膜ＨＲを成膜する工程が必要となる。従って、製造工程の増加や歩留まりの低下が懸念される。これに対し、本変形例５に係るマッハツェンダー型光変調素子１Ｆのように、位相制御部１０に光結合され、反射部として機能する分布ブラッグ反射部７０は、コア層に回折格子Ｇを形成することで作製される。つまり、マッハツェンダー型光変調素子を作製する半導体プロセスの一工程として、分布ブラッグ反射部７０を形成可能である。従って、高反射膜ＨＲを用いる場合に比べて、作製工程を簡略化でき、歩留まり改善が期待できる。

なお、本変形例５のマッハツェンダー型光変調素子１Ｆにおいて、変形例４の位相調整部が更に設けられていてもよい。また、光源Ｓが、変形例３のように、半導体基板４上に設けられていてもよい。

（変形例６）
以下、上述したマッハツェンダー型光変調素子１Ａの変形例６について説明する。図１１は、マッハツェンダー型光変調素子の変形例６を示す平面図である。図１２は、図１１及び図１３に示したマッハツェンダー型光変調素子のXII−XII線に沿った断面を示す図である。

図１１及び図１２に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ｇが、図１〜３に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ａと異なるのは、第二端面１ｂ及び高反射膜ＨＲに代えて、端面１ｃ及び分布ブラッグ反射部８０を含む点である。分布ブラッグ反射部８０は、本変形例における反射部であり、光導波方向において、複数の半導体部８８と、複数の誘電体部Ｄとが交互に並んだ構造を有する。半導体部８８は、光導波路２Ｂ及び光導波路３Ｂの一部を各々構成し、半導体基板４上に設けられた下部クラッド層８３、該下部クラッド層８３上に設けられたコア層８４、及び該コア層８４上に設けられた上部クラッド層８５を含む２つの光導波路構造（第七及び第八光導波路構造）を備える。誘電体部Ｄは、誘電体からなる。

第一実施形態のように、マッハツェンダー型光変調素子の反射部である第二端面１ｂでの反射を効率よくするために、上述した高反射膜ＨＲを用いる場合、製造工程の増加や歩留まりの低下が懸念される。これに対し、本変形例６に係るマッハツェンダー型光変調素子１Ｇでは、位相制御部１０に光結合され、反射部として機能する分布ブラッグ反射部８０は、光導波方向（図１１及び図１２に示す例では、Ｙ方向）において、複数の半導体部と複数の誘電体部Ｄとが交互に並んだ構造を有する。半導体部８８は、上部クラッド層８５、コア層８４、及び下部クラッド層８３から構成することができる。従って、マッハツェンダー型光変調素子を作製する半導体プロセスの一工程として、分布ブラッグ反射部８０を形成可能である。従って、高反射膜ＨＲを用いる場合に比べて、作製工程を簡略化でき、歩留まり改善が期待できる。また、半導体部と誘電体部との屈折率差を大きくすることができるため、変形例５のように、コア層に回折格子Ｇを形成した分布ブラッグ反射部７０を用いる場合よりも、例えば９０％以上といった高い反射率を容易に得られるという利点がある。

なお、誘電体部Ｄの構成材料として、例えばＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、酸化珪素、窒化珪素、ポリイミドといった低屈折率の誘電体材料を使用できる。また、誘電体部Ｄをこれらの誘電体材料で埋め込まずに、空隙のまま、即ち空気層としても良い。

なお、本変形例６のマッハツェンダー型光変調素子１Ｇにおいて、変形例４の位相調整部が更に設けられていてもよい。また、光源Ｓが、変形例３のように、半導体基板４上に設けられていてもよい。

（変形例７）
以下、上述したマッハツェンダー型光変調素子１Ａの変形例７について説明する。図１３は、マッハツェンダー型光変調素子の変形例７を示す平面図である。

図１３に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ｈが、図１〜３に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ａと異なるのは、第二端面１ｂ及び高反射膜ＨＲに代えて、端面１ｃ及び複数の半導体部８８と複数の誘電体部Ｄとが交互に並んだ構造を有する分布ブラッグ反射部９０を含む点である。光導波路２Ｂ及び光導波路３Ｂは、位相制御部１０に光結合された分布ブラッグ反射部９０を含む。分布ブラッグ反射部９０は、本変形例における反射部である。本変形例７の分布ブラッグ反射部９０の構成は、基本的には変形例６の分布ブラッグ反射部８０と同様であるが、図１３に示すように、本変形例７の分布ブラッグ反射部９０では、半導体部８８が、２つの光導波路２Ｂ及び光導波路３Ｂに対して、個別形成されずに、一体形成されている。よって、マッハツェンダー型光変調素子１Ｈの断面構造は、図１２に示す断面構造と同じとなる。

分布ブラッグ反射部において、半導体部の半導体基板４に垂直な方向（図中に示すＺ方向）における高さは、例えば、３〜４μｍである一方、光の導波方向（図中に示すＹ方向）における幅は、例えば数１００ｎｍと比較的短い。よって、変形例６のように、光導波路２Ｂ側の半導体部８８と、光導波路３Ｂ側の半導体部８８とが、互いに分離形成されていると、機械的強度が低くなる。対して、本変形例７の構造では、光導波路２Ｂ側及び光導波路３Ｂ側の半導体部が一体形成され、光の導波方向（図中に示すＹ方向）に垂直な方向（図中に示すＸ方向)の幅が増加する。よって、機械的強度が高まり、素子が折れにくくなるという利点がある。

なお、本変形例７のマッハツェンダー型光変調素子１Ｈにおいて、変形例４の位相調整部が更に設けられていてもよい。また、光源Ｓが、変形例３のように、半導体基板４上に設けられていてもよい。

（変形例８）
以下、上述したマッハツェンダー型光変調素子１Ａの変形例８について説明する。図１４は、マッハツェンダー型光変調素子の変形例８を示す平面図である。

図１４に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ｉが、図１〜３に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ａと異なるのは、光導波路２Ｂ及び光導波路３Ｂが、位相制御部１０と第二端面１ｃとの間に複数の半導体部８８と複数の誘電体部Ｄとが交互に並んだ構造を有する分布ブラッグ反射部９１を更に含む点である。分布ブラッグ反射部９１は、本変形例における反射部である。本変形例８の分布ブラッグ反射部９１は、基本的には変形例７の分布ブラッグ反射部９０と同様であるが、図１４に示すように、本変形例８の分布ブラッグ反射部９１では、半導体部８８が、光の導波方向（図中に示すＹ方向）に垂直な方向（図中に示すＸ方向)において、光導波路２Ｂ及び光導波路３Ｂの外側にまではみ出している。本変形例８の構造によれば、Ｘ方向の誘電体部の幅が変形例７と比較して大きくなるため、機械的強度を更に高くすることができる。

なお、本変形例８のマッハツェンダー型光変調素子１Ｉにおいて、変形例４の位相調整部が更に設けられていてもよい。また、光源Ｓが、変形例３のように、半導体基板４上に設けられていてもよい。

（変形例９）
以下、上述したマッハツェンダー型光変調素子１Ａの変形例９について説明する。図１５は、マッハツェンダー型光変調素子の変形例９を示す平面図である。図１６は、図１５に示したマッハツェンダー型光変調素子のXVI−XVI線に沿った断面を示す図である。

図１５及び図１６に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ｊが、図１〜３に示すマッハツェンダー型光変調素子１Ａと異なるのは、光導波路２Ｂ及び光導波路３Ｂが、位相制御部１０と第二端面１ｃとの間に、分布ブラッグ反射部８０及び光検出領域Ｐを更に含む点である。光検出領域Ｐは、導波光をモニターする機能を有する。光検出領域Ｐは、分布ブラッグ反射部８０と第二端面１ｃとの間に配置される。本変形例９の分布ブラッグ反射部８０には、変形例６の分布ブラッグ反射部８０を適用できる。分布ブラッグ反射部８０は、本変形例における反射部である。

図１６に示すように、分布ブラッグ反射部８０に光検出領域Ｐがバットジョイント接続されている。光検出領域Ｐには、半導体基板４上に、下部クラッド層１３ｆ、光吸収層Ｑ、上部クラッド層１５ｆ、コンタクト層１６ｆ、及び電極１１ｆがこの順に形成されている。光吸収層Ｑには、位相制御部１０のコア層１４ａに使用可能な材料と同じものを使用できる。ただし、出射光を吸収できるようにするために、出射光の波長に対応するバンドギャップより低バンドギャップの材料を光吸収層Ｑとして用いる必要がある。

なお、第一端面１ａからマッハツェンダー型光変調素子１Ｊに入力された導波光は、分布ブラッグ反射部８０にて、その大半が第一端面１ａ側に反射されるが、その残りの光は分布ブラッグ反射部８０を透過して光検出領域Ｐに入射する。光検出領域Ｐまで通過した光は、光吸収層Ｑで吸収されてフォトカレントに変換される。分布ブラッグ反射部８０の反射率が低いほど、分布ブラッグ反射部８０を透過する導波光パワーが増えるため、フォトカレントも増加する。従って、分布ブラッグ反射部８０の反射率を適宜制御することで、所望の大きさのフォトカレントを得ることができる。ここで、フォトカレントは導波光のパワーに比例するので、フォトカレントを監視することで、導波光パワーの変動が判り、光検出領域Ｐを導波光パワーモニターとして使用できる。また、受光感度改善や高速応答改善のため、光検出領域Ｐには、逆バイアス電圧を印加する。

また、本変形例９では、分布ブラッグ反射部８０に光検出領域Ｐをバットジョイント接続する構造を示したが、変形例５に示した分布ブラッグ反射部７０に光検出領域Ｐをバットジョイント接続する構造、変形例７に示した分布ブラッグ反射部９０に光検出領域Ｐをバットジョイント接続する構造、あるいは、変形例８に示した分布ブラッグ反射部９１に光検出領域Ｐをバットジョイント接続する構造としてもよい。

なお、本変形例９のマッハツェンダー型光変調素子１Ｊにおいて、変形例４の位相調整部が更に設けられていてもよい。また、光源Ｓが、変形例３のように、半導体基板４上に設けられていてもよい。

本発明によるマッハツェンダー型光変調素子は、上述した実施形態や変形例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態及び変形例においては、光導波路構造の一例としてハイメサ構造部を示したが、本発明の光導波路構造はこれに限定されず、例えばリッジ構造や埋め込みヘテロストラクチャー構造といった他の任意の光導波路構造を適用できる。何れの光導波路構造においても、同様の効果を奏する。

なお、上記実施形態及び変形例においては、例えば、半導体基板をｎ型とし、下部クラッド層をｎ型とし、コア層をアンドープとし、上部クラッド層をｐ型とすることができる。また、例えば、半導体基板をｎ型とし、下部クラッド層をｎ型とし、コア層をアンドープとし、上部クラッド層をｎ型とした構造において、更に半絶縁型の半導体層をコア層と上部クラッド層との間、またはコア層と下部クラッド層との間に設けてもよい。あるいは、例えば、半導体基板をｎ型とし、下部クラッド層をｎ型とし、コア層をアンドープとし、上部クラッド層をｎ型とした構成において、さらに、ｐ型の半導体層をコア層と上部クラッド層との間、またはコア層と下部クラッド層との間にそれぞれ設けてもよい。

１Ａ〜１Ｊ…マッハツェンダー型光変調素子、２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ…光導波路、４…半導体基板、１０…位相制御部、１１ａ，１１ｂ…上部電極、１３，２３，３３…下部クラッド層、１４ａ，１４ｂ，２４，３４…コア層、１５ａ，１５ｂ，２５，３５…上部クラッド層、１６ａ，１６ｂ…コンタクト層、１７…誘電体樹脂層、１８…下部電極、１９ａ，１９ｂ，２９，３９…メサ構造部、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…光導波部、３０…光合分波器、Ｌ１…入射光、Ｌ２，Ｌ３…出射光、Ｓ…光源。

Claims (10)

1. マッハツェンダー型光変調素子であって、
   半導体基板と、
   該半導体基板上に設けられ、導波光を反射する反射部と、
   該半導体基板上に設けられ、導波光を合分波する光合分波器と、
   該半導体基板上に設けられ、前記光合分波器まで延在する第一及び第二光導波路と、
   該半導体基板上に設けられ、前記光合分波器から前記反射部まで延在する第三及び第四光導波路と、
   前記第三及び第四光導波路の少なくとも一方の屈折率を変化させることにより光の位相を制御する位相制御部と、を備え、
   前記位相制御部は、
   前記第三及び第四光導波路の一部を各々構成し、前記半導体基板上に設けられた下部クラッド層、該下部クラッド層上に設けられたコア層、及び該コア層上に設けられた上部クラッド層を各々含む第一及び第二光導波路構造と、
   前記第一及び第二光導波路構造の上に各々設けられた上部電極と、を備える、マッハツェンダー型光変調素子。
2. 前記位相制御部と前記光合分波器との間に設けられ、前記第三及び第四光導波路の少なくとも一方の屈折率を変化させることにより光の位相を調整する位相調整部を更に含み、
   前記位相調整部は、
   前記第三及び第四光導波路の一部を各々構成し、前記半導体基板上に設けられた下部クラッド層、該下部クラッド層上に設けられたコア層、及び該コア層上に設けられた上部クラッド層を各々含む第三及び第四光導波路構造と、
   前記第三及び第四光導波路構造の上に各々設けられた上部電極と、を備える、請求項１に記載のマッハツェンダー型光変調素子。
3. 前記反射部は、分布ブラッグ反射部であり、
   前記分布ブラッグ反射部は、
   前記第三及び第四光導波路の一部を各々構成し、前記半導体基板上に設けられた下部クラッド層、該下部クラッド層上に設けられ、回折格子が形成されたコア層、及び該コア層上に設けられた上部クラッド層を各々含む第五及び第六光導波路構造を備える、請求項１または請求項２に記載のマッハツェンダー型光変調素子。
4. 前記反射部は、分布ブラッグ反射部であり、
   前記分布ブラッグ反射部は、
   前記光導波方向において、複数の半導体部と、複数の誘電体部とが交互に並んだ構造を有し、
   前記半導体部は、前記第三及び第四光導波路の一部を各々構成し、前記半導体基板上に設けられた下部クラッド層、該下部クラッド層上に設けられたコア層、及び該コア層上に設けられた上部クラッド層を各々含む第七及び第八光導波路構造を備え、
   前記誘電体部は、誘電体からなる、請求項１または請求項２に記載のマッハツェンダー型光変調素子。
5. 光を反射する第二端面を有し、
   前記反射部は前記第二端面であり、
   前記第二端面は、前記第一、第二、第三、及び第四光導波路の光導波方向と交差する方向に配置されている、請求項１または請求項２に記載のマッハツェンダー型光変調素子。
6. 前記位相制御部と前記第二端面とは、所定の間隔をおいて配置されている、請求項５に記載のマッハツェンダー型光変調素子。
7. 前記第二端面には、導波光を反射する高反射膜が設けられている、請求項５または請求項６に記載のマッハツェンダー型光変調素子。
8. 前記半導体基板上に設けられ、前記第一及び第二光導波路のいずれか一方へ導波光を入力するための光源を更に備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載のマッハツェンダー型光変調素子。
9. 光を透過する第一端面を有し、
   前記第一端面は、前記第一、第二、第三、及び第四光導波路の光導波方向と交差する方向に配置されており、
   前記第一端面には、導波光の反射を防ぐ低反射膜が設けられ、
   前記第一及び第二光導波路は、前記第一端面から前記光合分波器まで延在する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のマッハツェンダー型光変調素子。
10. 前記光合分波器は、２入力２出力の多モード干渉型の光合分波器である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のマッハツェンダー型光変調素子。

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