JP2014191085A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ＭＺ変調器では、低動作電圧化のため素子長を長くすることが困難であった。高速動作可能にするために進行波電極を採用したものはインピーダンス整合条件および電気と光との間の速度整合条件を満たすために変調効率が下がってしまう問題があった。進行波型電極が構成される領域で、一定割合の部分には電極は形成されない。電極がない部分では光導波路に電界を掛けられず、変調に寄与しない領域が存在していた。
【解決手段】本発明の光変調器では、半導体コア層として、光の伝搬方向に沿って、厚さの異なる２種類のコア層を周期的に配した構造を用いる。２種類のコア層の周期構造における繰り返しピッチ（長さ）は、変調器電極に加えられる電気信号の波長に対して十分に小さい長さに設定する。コア層の周期構造の繰り返しピッチをこのように設定することによって、特性インピーダンスＺ_０および電気速度は、２種類のコア層のそれぞれの長さの割合に応じて加重平均された値とみなすことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信システムや光情報処理システムにおいて用いられる半導体光変調器に関する。より詳細には、進行波型電極が構成された高い変調効率を持つ小型の半導体光変調器に関する。

スマートフォンをはじめとする新たなインターネット通信端末が幅広く普及する現在、携帯電話やインターネットを支える光通信の利用も爆発的に広がっている。光通信に対してはますますの高速化・大容量化が要請されている。光通信の高速・大容量化に対応するための技術として、波長の異なる複数の光信号を同時に利用することによって光ファイバーを多重利用する、波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：以下ＷＤＭ）光通信が利用されている。

ＷＤＭ光通信システムの大容量化を実現するには、１波長あたりの伝送レートを増加することが有用である。伝送レートを増加するためには、簡単なものとして、光伝送路に送出する変調信号のシンボルレートを上げる方法がある。しかしながら、シンボルレートを上げる場合、変調によって占有周波数帯域幅もシンボルレートに比例して増大することになる。シンボルレートを増大させて行けば、やがては所定のグリッド間隔で並ぶ隣接チャネルとの符号間干渉が発生することなり、伝送特性の劣化が生じる。そのため近年では、シンボルレートを上げることなく、１シンボル当たりの信号多重度を上げることによって、システムの大容量化を実現する研究が盛んに行われている。

信号多重度を上げる方式として、例えば、１シンボルに２値（多重度２）を割り当てることによって伝送容量を２倍にするＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）方式や、１シンボルに４値（多重度４）を割り当てることによって伝送容量を４倍にする１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）方式、１６ＡＰＳＫ（Amplitude Phase Shift Keying）方式等の多値変調方式が知られている。

これらの多値変調を実装する場合には、通常、光変調器としてＩ／Ｑ変調器が用いられる。Ｉ／Ｑ変調器は直交変調器とも呼ばれ、お互いに直交する２つのチャネル（Ｉチャンネル、Ｑチャンネル）の光電界成分に独立して情報を付与できる変調器である。具体的な実現方法としては、例えばマッハツェンダ（ＭＺ：Mach-Zehnder）変調器を並列に接続した特殊な構成をとる（例えば、特許文献１を参照）。

ＭＺ変調器の代表的なものとしては、ＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）の誘電体を用いたＬＮ変調器が広く用いられている。ＬＮ変調器では、直流または光周波数に比べて十分低い周波数の電界をＬＮへ印加することによって媒質の屈折率が変化する、電気光学効果を用いて動作する。しかしながら、材料の物理定数からＬＮ変調器では必要な素子長が比較的長いものとなる。このため、ＬＮ変調器を含む光送信器モジュールが大きくなってしまう問題があった。

最近では、光送信器モジュールの小型化に向けて、半導体を用いたＭＺ変調器の開発も盛んに行われている。代表的な半導体ＭＺ変調器の例としては、例えば、集中定数型電極を採用したｐ−ｉ−ｎ構造を有する光変調器（非特許文献１）が挙げられる。この光変調器では、光信号が伝播するコア層厚が比較的薄く、コア層に対して効率良く電界を印加することができる。しかしながら、その薄いコア層厚の故に、変調信号を加える電極などの静電容量Ｃの値が大きくなり、出力インピーダンス（抵抗Ｒ）との関係で決まるＣＲ時定数による帯域制限によって、１０Ｇｂａｕｄを超える伝送速度での高速動作は難しい。

また、半導体ＭＺ変調器では、ｐクラッド層における光吸収も大きいため、低動作電圧化のため素子長を長くすることが困難であった。半導体ＭＺ変調器の他の例として、高速動作可能にするために進行波電極を採用した構成のものも提案されている（非特許文献２）。しかしながら、この構成の半導体ＭＺ変調器では、進行波型電極を動作させるために重要な、５０Ωインピーダンス整合条件および電気と光との間の速度整合条件を満たすために、変調効率が下がってしまう問題があった。すなわち、進行波型電極が構成されている領域では、ある一定区間における一定の割合の部分には電極が光導波路上に形成されていない。したがって、電極が形成されていない部分では光導波路に電界を掛けることができず、変調に全く寄与しない領域（非変調領域）が存在する。このことは、進行波電極を採用した構成の半導体ＭＺ変調器が、素子の単位長さ当たりの変調効率としては非効率であることを意味する。

特表２００４−５１６７４３号公報 明細書

C. Rolland et al., "10 Gbit/s, 1.56um multiquantum well InP/InGaAsP Mach-Zehnder optical modulator," Electron. Lett., vol. 29, no.5, pp. 471-472, 1993 L. Morl et al., "A travelling wave electrode Mach-Zehnder 40 Gb/s demultiplexer based on strain compensated GaInAs/AlInAs tunnelling barrier MQW structure," 1998 International Conference on Indium Phosphide and Related Materials, pp. 403-406, 1998

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、インピーダンス整合条件および電気と光との間の速度整合条件を満たし、かつ、非変調領域の少ない、高効率で小型の進行波型の半導体光変調器を提供することにある。

本発明はこのような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、第１の導電性半導体クラッド層と、ノンドープ半導体コア層と、第２の導電性半導体クラッド層とが順次積層して形成された導波路構造を備え、光の伝搬方向に沿って、前記半導体コア層が、第１の厚さを有する第１のコア層および第２の厚さを有する第２のコア層を含む、少なくとも２種類以上の異なる厚さのコア層が交互に形成された周期的構造を持つことを特徴とする光変調器である。前記周期的構造の繰り返しピッチは、前記コア層に印加される高周波電気信号の波長の長さよりも十分に短いことが好ましい。

請求項２に記載の発明は、請求項１の光変調器であって、前記周期的構造の繰り返しピッチは、前記コア層に印加される高周波電気信号の波長の長さよりも十分に短く、前記第１のコア層および前記第２のコア層の組成が異なることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２の光変調器であって、前記第１の導電性半導体クラッド層および前記第２の導電性半導体クラッド層のうち、一方はｎ型半導体であって、他方はｐ型半導体であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２の光変調器であって、前記第１の導電性半導体クラッド層および前記第２の導電性半導体クラッド層の両方がｎ型半導体であって、前記ノンドープ半導体コア層と前記第１の導電性半導体クラッド層との間、または、前記ノンドープ半導体コア層と前記第２の導電性半導体クラッド層との間の少なくとも一方に、ｐ型の第３の導電性半導体クラッド層が挿入されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１または２の光変調器であって、前記第１の導電性半導体クラッド層および前記第２の導電性半導体クラッド層の両方がｎ型半導体であって、前記ノンドープ半導体コア層と前記第１の導電性半導体クラッド層との間、または、前記ノンドープ半導体コア層と前記第２の導電性半導体クラッド層との間の少なくとも一方に、第３のノンドープクラッド層もしくはｐ型の半導体クラッド層が挿入され、前記ノンドープ半導体コア層と、前記第３のノンドープクラッド層もしくはｐ型の半導体クラッド層とがヘテロ接合を構成し、前記ヘテロ接合の接合面において、前記第３の半導体クラッド層の電子親和力は前記ノンドープ半導体コア層の電子親和力に比べ小さいことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかの光変調器であって、前記ノンドープ半導体コア層の少なくとも一部は、多重量子井戸層構造を有することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、入射された信号光を分岐させる光分岐手段と、前記分岐手段からの分岐された信号光がそれぞれ伝播する、請求項１乃至５いずれかに記載の導波路構造を有する少なくとも２本の導波手段と、前記少なくとも２本の導波手段の各々で高周波電気信号により変調を受けた変調光を合流させる光合流手段とを備えたことを特徴とするマッハツェンダ干渉計型光変調器である。

請求項８に記載の発明は、請求項７のマッハツェンダ干渉計型光変調器であって、前記第１の導電性半導体クラッド層に接続された第１の電極と、前記第２の導電性クラッド層に接続された第２の電極とで構成された進行波型電極、または、前記少なくとも２本の導波路構造において、各々の導波路構造の前記第２の導電性クラッド層に接続された少なくとも２本以上の電極により構成された進行波型電極を備えたこと特徴とする。

本発明によれば、進行波型電極が構成された、高変調効率で小型の半導体光変調器が実現できる。

図１は、本発明の実施例１の光変調器における導波路の断面構造を示す図である。 図２は、本発明の光変調器における導波路幅に対する特性インピーダンスおよび電気の屈折率の関係を示す図である。 図３は、本発明の実施例２の光変調器における導波路の断面構造を示す図である。 図４は、本発明の実施例３の光変調器における導波路の断面構造を示す図である。 図５は、本発明の実施例４の光変調器の２電極型のマッハツェンダ変調器の概略の構成を示す図である。 図６は、本発明の実施例４の光変調器の単電極型のマッハツェンダ変調器の概略の構成を示す図である。

本発明の光変調器は、コア層の構造にその特徴がある。本発明の光変調器では、半導体コア層として、光の伝搬方向に沿って、厚さの異なる２種類のコア層を周期的に配した構造を用いることを特徴としている。また、２種類のコア層の周期構造における繰り返しピッチ（長さ）は、変調器電極に加えられる電気信号の波長に対して十分小さい長さに設定する。コア層の周期構造の繰り返しピッチをこのように設定することによって、特性インピーダンスＺ_０や電気速度は、２種類のコア層のそれぞれの長さの割合に応じて加重平均された値とみなすことができる。

すなわち、本発明の光変調器は、第１の導電性半導体クラッド層と、ノンドープ半導体コア層と、第２の導電性半導体クラッド層とが順次積層して形成された導波路構造を備え、光の伝搬方向に沿って、前記半導体コア層が、第１の厚さを有する第１のコア層および第２の厚さを有する第２のコア層を含む、少なくとも２種類以上の異なる厚さのコア層が交互に形成された周期的構造を持つ。上記の２つのコア層の組成を異なるものとすることもできる。以下に、図面を参照しながら本発明の光変調器の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施例の光変調器の導波路構造を示す図である。図１の（ａ）は、導波路コアを含む光の進行方向の側面から見た断面図である。図１の（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ´断面を光の進行方向に見た図である。尚、（ｂ）におけるＢ−Ｂ´断面を見たものが（ａ）の断面図に対応している。

本実施例の光変調器では、半絶縁（ＳＩ）−ＩｎＰ基板１０１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０２、ノンドープの半導体コア層１０３、およびｐ−ＩｎＰクラッド層１０４が、順次積層されて構成されている。半導体コア層１０３は光導波層として機能し、図１の（ａ）では、光信号は、例えば左端から右端に向かって半導体コア層１０３に沿って伝播する。半導体コア層１０３は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓなどの材料系を用い、単一組成の四元混晶のバルク層または多重量子井戸層として構成することができる。さらに、多重量子井戸層と、その上下にあってバンドギャップが多重量子井戸層よりも大きくかつＩｎＰ層よりも小さい値を持つ光閉じ込め層とを有する構造とすることもできる。また、これらの層の上下にノンドープのＩｎＰ層をさらに挿入することも可能である。

上述の四元混晶のバルク層または多重量子井戸層のバンドギャップ波長は、使用する光波長において、電気光学効果が有効に作用し、かつ、光吸収が問題とならないように設定されている。また、光導波路は、図１の（ｂ）に示すようにハイメサ導波路構造を有し、半導体コア層１０３へ電圧印加を行うため、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０４およびｎ−ＩｎＰクラッド層１０２の上部に、それぞれ電極１０５および電極１０６ａ、１０６ｂが設けられている。電極１０５と電極１０６ａ、１０６ｂとの間に電圧を印加すると、半導体コア層１０３において電気光学効果により屈折率変化が発生する。この結果、コア層１０３を伝播する光の位相が変化する。すなわち、コアの伝播光に対して位相変調を加えることができる。

高速変調が可能な光変調器を実現するためには、進行波型電極構造が有用である。よく知られているように、進行波型電極構造では、インピーダンス整合および光変調器における光と電気との間の速度整合が重要となる。電気信号の伝送線路モデルにおいて、特性インピーダンスＺ_０および伝搬定数（位相速度）γは、それぞれ次式で表される。

ここで、Ｒ、Ｇ、Ｌ、Ｃは、それぞれ、伝送線路の単位長さの抵抗、コンダクタンス、インダクタンス、静電容量を表す。ＲおよびＧが十分小さいと考えられる場合には、上式は下のように簡略化される。

上式（３）および（４）によれば、光変調器の静電容量成分Ｃを制御することにより特性インピーダンスＺ_０または電気速度γを調整することができることを意味している。すなわち、変調効率を最大にする進行波型電極構造の決定にあたっては、ノンドープの半導体コア層１０３の厚さおよび導波路幅を適切に設計することが鍵となる。

より具体的なインピーダンス整合条件を考えると、光変調器に関連して使用される一般的な外部電気回路の特性インピーダンスである５０Ωから±１０Ω程度の誤差が許容できる。また、一般に光変調器は低電圧で駆動できることが求められている。このため、ノンドープコア層の光閉じ込め係数が極端に小さくならない限りは、ノンドープコア層の厚さはできるだけ薄くすることが好ましい。コア層を薄くすることによって、静電容量Ｃが大きくなる。

また、半導体は、ＬＮと同様に１次の電気光学効果（ポッケルス効果）と、さらにフランツケルディシュや量子閉じ込めシュタルク効果による２次の電気光学効果とを有するという特徴がある。ノンドープコア層を薄くすることによって電界強度が上げれば、それだけ１次の電気光学効果以上の変調効率の上昇が見込める。ところが、光変調器の特性インピーダンスは、式（１）のように、定性的に静電容量Ｃの平方根に反比例する。このため、ノンドープコア層があまりに薄いと、特性インピーダンスＺ_０が逆に小さくなり過ぎてしまう。すなわち、特性インピーダンスＺ_０と変調効率との間で、トレードオフが発生してしまう。

一方、速度整合の度合いによる周波数帯域ｆ_ＢＷは、次式によって表される。

ここで、ｃは光速であり、ｎ_ｏｐｔは光の群屈折率であり、ｎ_μは電気の屈折率であり、Ｌは電極長である。

光の群屈折率ｎ_ｏｐｔは、３．４〜３．７程度であり、所望の周波数帯域および電極長により、許容される電気の屈折率の範囲は決定される。例えば、帯域を４０ＧＨｚで電極長３ｍｍとすると、光の群屈折率と電気の屈折率との差（比）は、±１．１程度となる。なお、先の式（４）より定性的に半導体光導波層の静電容量Ｃを大きくすると、電気の速度γは遅くなる、すなわち、電気の屈折率は大きくなる。

図２は、ノンドープ半導体コア層の厚さが０．４μｍと０．７μｍと１．０μｍの場合において、導波路幅に対する特性インピーダンスＺ_０および電気の屈折率をそれぞれ示したグラフである。

本発明の光変調器では、半導体コア層１０３として、光の伝搬方向に沿って、厚さの異なる２種類のコア層を周期的に配した構造を用いることを特徴としている。すなわち、第１の導電性半導体クラッド層１０２と、ノンドープ半導体コア層１０３と、第２の導電性半導体クラッド層１０４とが順次積層して形成された導波路構造を備え、光の伝搬方向に沿って、半導体コア層１０３が、第１の厚さを有する第１のコア層および第２の厚さを有する第２のコア層を含む、少なくとも２種類以上の異なる厚さのコア層が交互に形成された周期的構造を持つ。コア層の種類は２つだけに限られず、３以上の異なる厚さを持っていて、これらの異なる厚さの導波路を周期的に配した繰り返し構造を持つ場合であっても良い。

コア層が２種類の場合を例にすると、２種類のコア層の周期構造における繰り返しピッチ（長さ）は、変調器電極に加えられる電気信号の波長に対して十分小さい長さに設定する。例えば、電気信号の波長に対して、繰り返しピッチを最大で１／１０程度までの長さに留めておくのが好ましい。具体例を挙げれば、電気信号を４０ＧＨｚとするとき、その波長は真空中で７．５ｍｍとなる。さらに、電気信号に対する媒質の屈折率を３〜４ぐらいとすると、伝送線路上（媒質中）では、電気信号の波長は１．８ｍｍ〜２．５ｍｍ程度の長さとなる。ここで、繰り返しピッチを、最大で電気信号の波長の１／１０の長さまで許容するとすれば、１８０μｍ〜２５０μｍの範囲となる。概ね、電気信号の波長は、伝送線路上では数ミリ程度となるので、最大で１／１０の長さまで許容するとすれば、繰り返しピッチは数百ミクロン（μｍ）程度までが好ましい。

コア層の周期構造の繰り返しピッチをこのように設定することによって、特性インピーダンスＺ_０や電気速度は、２種類のコア層のそれぞれの長さの割合に応じて加重平均された値とみなすことができる。

例えば、厚い半導体コア層部の厚さを１．０μｍ、薄い半導体コア層部の厚さを０．４μｍ、導波路の幅を１．５μｍとし、その長さの割合を１：１とした場合を考える。このとき、特性インピーダンスＺ_０はおよそ４０Ω、電気の屈折率はおよそ３．８程度となり、インピーダンス整合条件および速度整合条件のいずれも、許容値内に収まることになる。

半導体コア層を、上記周期構造の例の加重平均値である０．７μｍの均一の厚さとし、同じ導波路幅で形成した場合、特性インピーダンスＺ_０はおよそ４０Ω程度、電気の屈折率はおよそ３．７程度となる。均一の厚さを持つ従来技術のコア層の構造の場合も、２つのコア層厚さを周期的に配した構造とほぼ同様の値が得られる。しかしながら、ここで注目すべきは、電極に変調信号電圧を印加した時に単位長さ当たりに受ける屈折率変化Δｎの差異である。屈折率変化Δｎは、コア層に印加される電圧Ｅ（Ｖ）との関係で次式の関係を持つ。

ここで、ａは１次の電気光学効果（ポッケルス効果）の係数、ｂは２次の電気光学効果の係数である。簡単のために半導体コア層に１Ｖ印加したとして、コア層の繰り返し構造の１周期分で受ける屈折率変化は、式（６）に基づくと、次の数値に比例する。
（１/１＋１/０．４）a ×１０^６ ＋（(１/１)^２ ＋（１/０．４)^２）ｂ×１０^１２
＝３．５ａ ×１０^６ ＋ ７．２５ｂ × １０^１２

一方、従来技術のコア層が均一の構造で上記１周期分に相当する長さで受ける屈折率変化は、次の数値に比例する。
(１/０．７) ×２ａ × １０^６ ＋ (１/０．７)^２×２ｂ × １０^１２
＝２．８６ａ× １０^６ ＋ ４．０８ｂ × １０^１２

上記の２つの数値を比較すれば、光学係数ａ、ｂのいずれに関しても、その比例項は、２種類のコア層を周期的に配している本発明の構成（３．５０および７．２５）の方が、従来技術の加重平均値の厚さで均一に半導体コア層を形成する構成（２．８６および４．０８）よりも大きい。したがって、屈折率変化Δｎは、本発明の構成のほうが大きく、変調効率が良いことがわかる。このように、本発明の光変調器のコア層構成によれば、進行波型電極構成で重要なインピーダンス整合条件および速度整合条件を満たし、かつ、従来技術の構成と比べてより高変調効率で小型の半導体ＭＺ変調器が実現できる。

図１に示した本発明の光変調器における、光の伝搬方向に沿って厚さの異なる半導体コア層は、次のような手順で形成できる。一例として、まず、厚い半導体コア層１０３を全面に結晶成長したのち、ドライエッチングやウェットエッチングによって一部を選択エッチング除去して、薄いコア層を形成する。その後、上部半導体クラッド層１０４を一括成長することによって形成することができる。

また、バットジョイント技術を用いて、半導体コア層の一部を別のバンドギャップ波長の組成のものや層構造の異なるものに置き換えても良い。すなわち、第１のコア層および第２のコア層の組成が異なるものとすることができる。さらに、特性インピーダンスや速度を微調整するために、導波路幅も均一でなく光の導波方向に変化させても良い。尚、本実施例では、導波路構造として、ハイメサ導波路構造を用いているが、これに限らず、リッジ導波路構造を用いても良い。また、光導波路を形成する材料は、ＩｎＰ系材料に限定されるものではなく、例えば、ＧａＡｓ基板と整合する材料系を用いても構わない。

なお、光導波路のシングルモード条件と伝搬損失の観点、ならびに、インピーダンス整合条件および速度整合条件を満たすことを考えると、光導波路幅は、１．２μｍ〜２．５μｍ程度、ノンドープ半導体コア層厚は、０．４μｍ〜２．０μｍ程度で調整されることが好ましい。

また、アーム導波路が２本以上による干渉計を構成した場合でも適用可能であるので、本発明に特有のコア層の構成は、本実施例に示したアーム導波路が２本の場合だけには限定されない。

以上述べたように、本発明の光変調器は、半導体コア層１０３として、光の伝搬方向に沿って、厚さの異なる２種類のコア層を周期的に配した構造を用いることによって、従来技術のコア層構造を持つ光変調器と比べて、進行波型電極構成で重要なインピーダンス整合条件および速度整合条件を満たしながら、かつ、従来技術の構成と比べてより高変調効率で小型の半導体変調器を実現できる。

図３は、本発明の第２の実施例の光変調器の導波路構造を示す図である。図３の（ａ）は、導波路コアを含む光の進行方向の側面から見た断面図である。図３の（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ´断面を光の進行方向に見た図である。尚、図３の（ｂ）におけるＢ−Ｂ´断面を見たものが（ａ）の断面図に対応している。実施例１の光変調器との相違点は、半導体クラッド層の層構造にあり、それ以外の構成は実施例１と同様である。したがって、以下では、本実施例に関する特有の層構造について絞って説明する。

本実施形例の光変調器では、ＳＩ−ＩｎＰ基板３０１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層３０２、ノンドープの半導体コア層３０３、ｐ−ＩｎＰクラッド層３０４およびｎ−ＩｎＰクラッド層３０５が順次積層されて構成されている。半導体コア層３０３は、光導波層として機能し、図１の（ａ）では、光信号は、例えば左端から右端に向かって半導体コア層１０３に沿って伝播する。半導体コア層３０３は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓなどの材料系を用い、単一組成の四元混晶のバルク層や多重量子井戸層で構成することができる。さらに、多重量子井戸層と、その上下にバンドギャップが多重量子井戸層よりも大きくかつＩｎＰ層よりも小さい値を持つ光閉じ込め層とを有する構造とすることもできる。また、これらの層の上下にノンドープのＩｎＰ層を挿入することも可能である。

上述の四元混晶のバルク層や多重量子井戸層のバンドギャップ波長は、使用する光波長において、電気光学効果が有効に作用し、かつ、光吸収が問題とならないように設定されている。また、光導波路は、図３の（ｂ）に示すようにハイメサ導波路構造を有し、半導体コア層３０３へ電圧印加を行うため、ｎ−ＩｎＰクラッド層３０５およびｎ−ＩｎＰクラッド層３０２の上部に、それぞれ電極３０６と電極３０７ａ、３０７ｂが設けられている。ここで、電極３０７ａ、３０７ｂをグランドとし、電極３０６に負のバイアス電圧を印加した場合を考える。このとき、負の印加電圧によってｎ−ＩｎＰクラッド層３０５から電子が半導体コア層３０３側へ流れ込もうするが、ｐ−ＩｎＰクラッド層３０４がポテンシャルバリアとなり、電子の流入をブロックする。これにより、半導体コア層３０３に効率的に電界を印加することが可能となり、半導体コア層３０３における電気光学効果によって屈折率変化が発生する。この結果、コア層を伝播する光の位相が変化する。すなわち、コアの伝播光に対して位相変調を加えることができる。

したがって、本実施例の光変調器は、第１の導電性半導体クラッド層および第２の導電性半導体クラッド層の両方がｎ型半導体であって、ノンドープ半導体コア層と第１の導電性半導体クラッド層との間、または、ノンドープ半導体コア層と第２の導電性半導体クラッド層との間の少なくとも一方に、ｐ型の第３の導電性半導体クラッド層が挿入されている構成を持つ。

また、本実施例では、実施例１の構成に比べて光吸収損失の大きなｐ型層が薄くなっている。この薄いｐ−ＩｎＰクラッド層３０４によって、光フィールドとｐクラッド層３０４とのオーバーラップが小さくなる。一般に、光フィールドがｐクラッド層の領域に掛るほど損失が増大する。このため、本実施例の構成に拠れば、実施例１と比べてより低挿入損失の光変調器が実現できる。なお、本実施例では、半導体コア層３０３とｎ−ＩｎＰクラッド層３０５の間にｐ−ＩｎＰクラッド層を挿入した構成例を示したが、半導体コア層３０３とｎ−ＩｎＰクラッド層３０２との間にｐ−ＩｎＰクラッド層を挿入しても良い。この場合、印加電圧の符号は反転させて動作させる。さらに、半導体コア層３０３とｎ−ＩｎＰクラッド層３０５の間および半導体コア層３０３とｎ−ＩｎＰクラッド層３０２の間のどちらにもｐ−ＩｎＰクラッド層を挿入して動作させることも可能である。

本実施例の光変調器でも、半導体コア層として、光の伝搬方向に沿って、厚さの異なる２種類のコア層を周期的に配した構造を用いることによって、従来技術のコア層構造を持つ光変調器と比べて、進行波型電極構成において重要なインピーダンス整合条件および速度整合条件を満たしながら、かつ、従来技術の構成よりも高変調効率で小型の半導体変調器を実現することができる。

図４は、本発明の第３の実施例の光変調器の導波路構造を示す図である。図４の（ａ）は、導波路コアを含む光の進行方向の側面から見た断面図である。図４の（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ´断面を光の進行方向に見た図である。尚、（ｂ）におけるＢ−Ｂ´断面を見たものが（ａ）の断面図に対応している。本実施例の光変調器の構成の第１の実施例との相違点は、半導体クラッド層の層構造にあり、それ以外の構成は実施例１と同様である。したがって、以下では、本実施例に関する特有の層構造について絞って説明する。

本実施例の光変調器では、ＳＩ−ＩｎＰ基板４０１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層４０２、ノンドープの半導体コア層４０３、ノンドープのＩｎＡｌＡｓクラッド層４０４およびｎ−ＩｎＰクラッド層４０５が順次積層されて構成されている。ノンドープの半導体コア層４０３は光導波層として機能し、図４の（ａ）では、光信号は、例えば左端から右端に向かって半導体コア層４０３に沿って伝播する。半導体コア層４０３は、たとえば、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓなどの材料系を用い、単一組成の四元混晶のバルク層または多重量子井戸層で構成することができる。さらに、多重量子井戸層と、その上下にバンドギャップが多重量子井戸層よりも大きくかつＩｎＰ層よりも小さい値を持つ光閉じ込め層とを有する構造とすることもできる。また、これらの層の上下にノンドープのＩｎＰ層を挿入することも可能である。

上述の四元混晶のバルク層または多重量子井戸層のバンドギャップ波長は、使用する光波長において、電気光学効果が有効に作用し、かつ、光吸収が問題とならないように設定されている。また、光導波路は、図４の（ｂ）に示すようにハイメサ導波路構造を有し、半導体コア層４０３へ電圧印加を行うため、ｎ−ＩｎＰクラッド層４０５およびｎ−ＩｎＰクラッド層４０２の上部に、それぞれ電極４０６および電極４０７ａ、４０７ｂが設けられている。

ＩｎＡｌＡｓは、ＩｎＰに対して電子親和力が小さく、伝導体バンド不連続（文献値で０．３９ｅＶ）により電子に対するポテンシャルバリアとして機能する。よって、電極４０７ａ、４０７ｂをグランドとし、電極４０６に負のバイアス電圧を印加した場合を考える。このとき、負の電圧を印加することによって、ｎ−ＩｎＰクラッド層４０５から、電子が半導体コア層４０３側へ流れ込もうするが、ノンドープのＩｎＡｌＡｓ層４０４がポテンシャルバリアとなり、電子の流入をブロックする。これにより、半導体コア層４０３に効率的に電界を印加することが可能となり、半導体コア層４０３における電気光学効果により屈折率変化が発生する。この結果、コア層４０３を伝播する光の位相が変化する。すなわち、コア層の伝播光に対して位相変調を加えことができる。

すなわち、本実施例の光変調器は、第１の導電性半導体クラッド層および第２の導電性半導体クラッド層の両方がｎ型半導体であって、ノンドープ半導体コア層と第１の導電性半導体クラッド層との間、または、ノンドープ半導体コア層と第２の導電性半導体クラッド層との間の少なくとも一方に、第３のノンドープクラッド層もしくはｐ型の半導体クラッド層が挿入され、ノンドープ半導体コア層と、第３のノンドープクラッド層もしくはｐ型の半導体クラッド層とがヘテロ接合を構成し、前記ヘテロ接合の接合面において前記第３の半導体クラッド層の電子親和力は前記ノンドープ半導体コア層の電子親和力に比べ小さいことを特徴とする。

本実施例の光変調器は、実施例１または実施例２と比べて、光吸収損失の要因となるｐ型層が存在していない。このため、実施例１または実施例２よりもさらに低挿入損失の光変調器が実現できる。なお、本実施例では、半導体コア層４０３とｎ−ＩｎＰクラッド層４０５の間にＩｎＡｌＡｓクラッド層を挿入した構成例を示したが、半導体コア層４０３とｎ−ＩｎＰクラッド層４０２との間にＩｎＡｌＡｓクラッド層を挿入しても良い。この場合、印加電圧の符号は反転させて動作させる。さらに、半導体コア層４０３とｎ−ＩｎＰクラッド層４０５の間および半導体コア層４０３とｎ−ＩｎＰクラッド層４０２の間のどちらにもｐ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層を挿入しても動作させることも可能である。また、より耐圧特性を向上（ブレークダウン電圧向上）させるために、ＩｎＡｌＡｓ層をｐ型層としても良い。

本発明の光変調器でも、半導体コア層として、光の伝搬方向に沿って、厚さの異なる２種類のコア層を周期的に配した構造を用いることによって、従来技術のコア層構造を持つ光変調器と比べて、進行波型電極構成において重要なインピーダンス整合条件および速度整合条件を満たしながら、かつ、従来技術よりも高変調効率で小型の半導体変調器を実現することができる。

実施例１から実施例３においては、本発明の半導体光変調器で使用される導波路構造における特徴的なコアの構成に焦点を絞って説明をしてきた。次に、この導波路構造を用いたマッハツェンダ型光変調器について説明する。本実施例におけるマッハツェンダ型光変調器は、実施例１から実施例３で説明をしてきた導波路構造の少なくともいずれかを備えている。

図５は、本発明の第４の実施例の２電極型のマッハツェンダ変調器の構成を示す図である。図５のマッハツェンダ変調器５０１では、ＣＷ光の入力光が左端部の入力導波路に与えられ、本発明に特徴的なコア層を持つ光導波路で変調を受けた後で、出力光として右端の出力導波路から出力される。入力光を２つに分岐する手段としてのＭＭＩ（Multi-Mode Interference）カプラ５０２の２つの出力端にはそれぞれ、本発明の各実施例で示した光変調導波路５０３ａ、５０３ｂが連結されている。光変調導波路５０３ａ、５０３ｂの出力端はそれぞれ、２つの入力光を合波する手段としてのＭＭＩカプラ５０４の２つの入力端に連結されている。

上述のように実施例１〜実施例３のいずれかの導波路構造を用いて、マッハツェンダ変調器を構成することができる。すなわち、マッハツェンダ変調器は、入射された信号光を分岐させる光分岐手段５０２と、前記分岐手段からの分岐された信号光がそれぞれ伝播する、実施例１〜３のいずれかの導波路構造を有する少なくとも２本の導波手段５０３ａ、５０３ｂと、前記少なくとも２本の導波手段の各々で高周波電気信号により変調を受けた変調光を合流させる光合流手段５０４とを備える。

マッハツェンダ変調器５０１の基板上に形成された、コア層より基板側（下方）にある第１の半導体クラッド層の所定の領域に、電極５０６ａ、５０６ｂ（１０６、３０７、４０７に相当）が設けられる。図５に示した電極５０６ａ、５０６ｂは、先の実施例における電極１０６ａ、１０６ｂ、３０７ａ、３０７ｂ、４０７ａ、４０７ｂに相当する。光変調導波路５０３ａ、５０３ｂ上の所定の領域に高周波信号を印加する電極５０５ａ、５０５ｂが設けられている。図５に示した電極５０５ａ、５０５ｂは、先の実施例における電極１０５、３０６、４０６に相当する。

図５に示した構成において、ＭＭＩカプラ５０２の一方の入力端から入力光が入力されると、この入力光はＭＭＩカプラ５０２によって２つに分岐される。分岐光のそれぞれは、光変調導波路５０３ａ、５０３ｂに導かれる。このとき、電極５０５ａおよび電極５０６ａにより、光変調導波路５０３ａの変調領域に印加された電圧に基づいて位相変調導波路５０３ａを通過する分岐光の位相を変調する。同様に、電極５０５ｂおよび電極５０６ｂにより、光変調導波路５０３ｂの変調領域に印加された電圧に基づいて位相変調導波路５０３ｂを通過する分岐光の位相を変調する。２つの位相変調導波路で変調された各変調光は、ＭＭＩカプラ５０４によって合波され、ＭＭＩカプラ５０４の一方の出力端から変調光が出力される。本実施例の半導体光変調器によれば、半導体変調器の持つ小型化された構成の特徴を保ちながら、従来技術よりも高い変調効率を実現するマッハツェンダ型光変調器を提供することができる。

図５に示した構成では、１つの変調導波路に対して、２つの電極を用いて変調信号を差動駆動するよう動作する。すなわち、第１の導電性半導体クラッド層に接続された第１の電極５０６ａ、５０６ｂと、第２の導電性クラッド層に接続された第２の電極５０５ａ、５０５ｂとで構成された進行波型電極が形成されている。しなしながら、本発明のマッハツェンダ型光変調器は、単電極を用いたシングルエンド駆動によっても動作させることができる。
図６は、本発明の第４の実施例の単電極型のマッハツェンダ変調器の構成を示す図である。図６において、入力光を２つに分岐する手段としてのＭＭＩカプラ６０２の２つの出力端にはそれぞれ、実施例１から実施例３のいずれかの光変調導波路６０３ａ、６０３ｂが連結されている。光変調導波路６０３ａ、６０３ｂの出力端はそれぞれ、２つの入力光を合波する手段としてのＭＭＩカプラ６０４の２つの入力端に連結されている。

図５に示したマッハツェンダ変調器と比較すれば、図６のマッハツェンダ変調器６０１は、電極の構成が相違している。光変調導波路６０３ａ、６０３ｂの、コア層の表面側（上方）にある第２の半導体クラッド層上に、それぞれ電極６０５ａ、６０５ｂが設けられる。電極６０５ａ、６０５ｂでインピーダンス整合条件や速度整合条件を満たした進行波型電極を形成することができる。

図６のような構成において、ＭＭＩカプラ６０２の一方の入力端から入力光が入力されると、この入力光はＭＭＩカプラ６０２にて２つに分岐され、分岐光はそれぞれ、光変調導波路６０３ａ、６０３ｂに導かれる。このとき、電極６０５ａと電極６０５ｂ間に印加された電圧に基づいて、位相変調導波路６０３ａおよび６０３ｂを通過する分岐光の位相を変調する。このとき、電極６０５ａと電極６０５ｂのいずれか一方をグランドに接続し、他方に高周波変調信号を印加する。変調された光は、ＭＭＩカプラ６０４にて合波され、ＭＭＩカプラ６０４の一方の出力端から出力される。本実施例の半導体光変調器によれば、半導体変調器の持つ小型化の特徴を持ちながら、従来技術よりも高い変調効率を実現するマッハツェンダ型光変調器を提供することができる。

以上詳細に述べてきたように、本発明によって、インピーダンス整合条件および電気と光との間の速度整合条件を満たし、かつ、非変調領域の少ない、高効率で小型の進行波型の半導体光変調器を提供することができる。

本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの光変調器に利用できる。

１０１、３０１、４０１ ＩｎＰ基板
１０２、３０２、４０２ ｎ型ＩｎＰクラッド層
１０３、３０３、４０３ ノンドープ半導体コア層
１０４、３０４ ｐ−ＩｎＰクラッド層
１０５、１０６、３０６、３０７、４０６、４０７、５０５ａ、５０５ｂ、５０６ａ、５０６ｂ、６０５ａ、６０５ｂ 電極
３０５、４０５ 第２のｎ型ＩｎＰクラッド層
４０４ 第３のノンドープＩｎＡｌＡｓクラッド層
５０１、６０１ マッハツェンダ変調器
５０２、５０４、６０２、６０４ ＭＭＩカプラ
５０３ａ、５０３ｂ、６０３ａ、６０３ｂ 光変調導波路

Claims (8)

1. 第１の導電性半導体クラッド層と、ノンドープ半導体コア層と、第２の導電性半導体クラッド層とが順次積層して形成された導波路構造を備え、
   光の伝搬方向に沿って、前記半導体コア層が、第１の厚さを有する第１のコア層および第２の厚さを有する第２のコア層を含む、少なくとも２種類以上の異なる厚さのコア層が交互に形成された周期的構造を持つことを特徴とする光変調器。
2. 前記周期的構造の繰り返しピッチは、前記コア層に印加される高周波電気信号の波長の長さよりも十分に短く、
   前記第１のコア層および前記第２のコア層の組成が異なることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記第１の導電性半導体クラッド層および前記第２の導電性半導体クラッド層のうち、一方はｎ型半導体であって、他方はｐ型半導体であることを特徴とする請求項１または２に記載の光変調器。
4. 前記第１の導電性半導体クラッド層および前記第２の導電性半導体クラッド層の両方がｎ型半導体であって、
   前記ノンドープ半導体コア層と前記第１の導電性半導体クラッド層との間、または、前記ノンドープ半導体コア層と前記第２の導電性半導体クラッド層との間の少なくとも一方に、ｐ型の第３の導電性半導体クラッド層が挿入されていること
   を特徴とする請求項１または２に記載の光変調器。
5. 前記第１の導電性半導体クラッド層および前記第２の導電性半導体クラッド層の両方がｎ型半導体であって、
   前記ノンドープ半導体コア層と前記第１の導電性半導体クラッド層との間、または、前記ノンドープ半導体コア層と前記第２の導電性半導体クラッド層との間の少なくとも一方に、第３のノンドープクラッド層もしくはｐ型の半導体クラッド層が挿入され、
   前記ノンドープ半導体コア層と、前記第３のノンドープクラッド層もしくはｐ型の半導体クラッド層とがヘテロ接合を構成し、前記ヘテロ接合の接合面において前記第３の半導体クラッド層の電子親和力は前記ノンドープ半導体コア層の電子親和力に比べ小さいこと
   を特徴とする請求項１または２に記載の光変調器。
6. 前記ノンドープ半導体コア層の少なくとも一部は、多重量子井戸層構造を有することを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の光変調器。
7. 入射された信号光を分岐させる光分岐手段と、
   前記分岐手段からの分岐された信号光がそれぞれ伝播する、請求項１乃至５いずれかに記載の導波路構造を有する少なくとも２本の導波手段と、
   前記少なくとも２本の導波手段の各々で高周波電気信号により変調を受けた変調光を合流させる光合流手段と
   を備えたことを特徴とするマッハツェンダー干渉計型光変調器。
8. 前記第１の導電性半導体クラッド層に接続された第１の電極と、前記第２の導電性クラッド層に接続された第２の電極とで構成された進行波型電極、または、
   前記少なくとも２本の導波路構造において、各々の導波路構造の前記第２の導電性クラッド層に接続された少なくとも２本以上の電極により構成された進行波型電極
   を備えたこと特徴とする請求項７に記載のマッハツェンダー干渉計型光変調器。

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