JP2015212768A - 電界吸収型変調器および集積化ｔｗ−ｅａ−ｄｆｂレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術のＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザや光変調器では、進行波電極に光導波路上形成されていない領域が存在していた。進行波型電極には、ある一定区間のある一定の割合で、光導波路上で電極が形成されていない領域が存在する。このため、光導波路の単位長さ当たりの変調効率が非効率になる。結果としてｏｎ／ｏｆｆ比などで十分な特性を持つ光変調器を構成するため、素子長を長くする必要が生じる。レーザ素子の全長が大きくなり、必要変調電圧が高くなり、変調部における光損失が大きくなる問題があった。【解決手段】本発明の光変調器集積半導体レーザおよび光変調器は、導波路上の進行波型の変調電極に加え、変調電極から分岐して構成された静電容量を付加する子電極（分岐電極）を備える。子電極は、静電容量付加部として光変調器の光導波路とは光学的に結合していない導波路状の構成を持つことができる。子電極は、例えばＴ字状またはＬ字状の形状のものとでき、変調電極の片側または両側に、離間して複数個備えることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、光通信に利用される光変調器に関する。より詳細には、進行波型の半導体光変調器および半導体光変調器を集積化したＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザに関する。

インターネットの普及に伴うネットワーク量の爆発的な増大により、光ファイバ伝送の高速・大容量化が進んでいる。半導体レーザをはじめとして、光通信における光送信装置に利用される光デバイスにも、高速、大容量化が求められている。光送信装置における電界吸収型（ＥＡ: Electro Absorption）変調器は、素子寸法が小さく、駆動電圧も低いという優れた特徴を持っている。ＥＡ−ＤＦＢレーザは、ＥＡ変調器および分布帰還型（ＤＦＢ: Distributed FeedBack）レーザを集積した光通信用光源であり、現在、伝送速度１０Ｇｂ／ｓ〜４０Ｇｂ／ｓに対応のものが広く実用化されている。現在のＥＡ−ＤＦＢレーザは、集中定数型の電極を有するものが利用されており、ＥＡ変調器の動作速度は素子の寄生静電容量（電気容量）に制限される。

図４は、従来技術の集中定数型電極のＥＡ−ＤＦＢレーザの構成を説明する図である。図４の（ａ）は、斜め上から導波路構造を導波路に沿って切り取って見た三次元断面図である。図４の（ｂ）は、ＥＡ−ＤＦＢレーザを真上から見てより簡略化して示した図である。図４の（ａ）に示すように、ＥＡ−ＤＦＢ１００はＤＦＢレーザ１０１とＥＡ変調器１０３をｎ−ＩｎＰ基板１０９上に集積したものである。ＤＦＢレーザの活性層１０５とＥＡ変調器の光吸収層１０８はともにＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱＷ: Multi-Quantum Well）構造からなり、バットジョイント１０６によって接続されている。活性層１０５および光吸収層１０８の上には、ｐ−ＩｎＰ層１０７がありメサ状に加工されたのち、半絶縁（ＳＩ: Semi-Insulating）ＩｎＰ１０４によって埋め込まれている。図４の（ｂ）も参照すると、ＤＦＢレーザ１０１の電極１１２とＥＡ変調器１０３の電極１１１との間には分離溝１０２が設けられている。ＥＡ変調器の電極１１１にはワイヤを打つためのパット電極１１０が設けられている。ＤＦＢレーザ１０１の長さは例えば４５０μｍ、ＥＡ変調器の長さは例えば１５０μｍである。

図４の集中定数型電極のＥＡ−ＤＦＢレーザで可能な伝送速度を越えて、さらに４０Ｇｂ／ｓを超える伝送速度の高速大容量通信に対応するのが、動作速度が寄生静電容量に制限されない進行波（ＴＷ: Travelling Wave）電極構造を有するＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザである。

図５は、従来技術のＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザの電極構成を説明する図である。図４の（ａ）と同様にレーザの構成面を真上から見た図であって、図４の（ｂ）の構成と対比して描いている。ＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザ２００は、ＤＦＢレーザ部２０１およびＥＡ変調器部２０３を備え、両者は分離溝２０２によって分離されている。図４に示したＥＡ−ＤＦＢレーザと構成上の違いは、進行波型電極と呼ばれるＥＡ変調器部２０３の電極構造にある。進行波電極の構成では、ＥＡ変調器２０３の両端にマイクロ波信号の入力部２１２および出力部２１０が設けてある。この極構造により、入力部２１２から入ったマイクロ波電気信号は、変調器電極２１１上をＤＦＢレーザ２１３からの入射光と同方向に併走して光に相互作用を及ぼした後、出力部２１０から終端抵抗によって終端される。その結果、ＥＡ変調器部２０３の電極を伝送線路として見なすことが可能となり、変調器全体の電気容量によって動作周波数が制限されなくなる。このため、ＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザでは高帯域な変調動作が可能になる。ＤＦＢレーザ部２０１の長さは例えば４００μｍ、ＥＡ変調器２０３の長さは例えば２００μｍである。（非特許文献１を参照）

図５に示した進行波電極は、光吸収層を導波する光波の速度と、変調器電極２１１を伝搬するマイクロ波電気信号の速度とをできるだけ一致させ、両者の位相整合をとるようにすることで、変調帯域を上げることができる電極構造である。マイクロ波電気信号のロスがなく、光波とマイクロ波電気信号との間の速度整合条件が完全に満足されれば、変調帯域は無限大になる。実際には、光波とマイクロ波電気信号と間で位相ずれが起こり、これにより変調帯域が制限される。より具体的には、入力部２１２および出力部２１３の間の特性インピーダンスは例えば、５０Ωに設計される。進行波電極のインピーダンスが特性インピーダンス５０Ωからずれると電気的な反射が起こり、マイクロ波電気信号を効率的に電極に印加できなくなる。そこで、インピーダンスを５０Ωに近づけ、変調帯域を延ばすための改善された構造が提案されている（非特許文献２を参照）。

図６は、別の従来技術のＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザの電極構成を説明する図である。図６の（ａ）は斜め上から見てＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）３１１通して内部を透視した三次元図であり、図６の（ｂ）はＥＡ−ＤＦＢレーザを真上から見てより簡略化して示した図である。ＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザ３００は、ＤＦＢレーザ部３２１および変調器部３２２からなり、ｎ型基板３０６上の形成されたＱＷ層３０５、活性層３１２、ＤＦＢレーザ電極３０１などから構成される。ここでは、変調器の電極に絞って説明すれば、入力パッド３０３に入力されたマイクロ波電気信号は、変調器電極を経て、終端抵抗３０１に至る。変調器電極は、３つに分割された進行波電極（Active TWEAM segments）３０９ａ、３０９ｂ、３０９ｃを、接続用の電極３０８ａ、３０８ｂによって接続した構造を持つ。この構成は、接続用の電極３０８ａ、３０８ｂによって進行波電極にインダクタンスＬを付与するのと等価になり、このＬによって進行波電極のインピーダンスを調整することができる。進行波電極のインピーダンスを調整は、以下のように実現できる。

高速な光変調器の実現には、進行波型電極構造が有用である。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信号との間の速度整合が重要となる。電気信号に対する伝送線路モデルでは、特性インピーダンスＺ_０および伝播定数γは次式によって表される。

ここで、Ｒ、 Ｇ、 Ｌ、Ｃはそれぞれ単位長さ当たりの抵抗、コンダクタンス、インダクタンス、キャパシタンスを表しており、ωＬ≫Ｒ, ωＣ≫Ｇの場合、特性インピーダンスＺ_０および伝播定数γはさらに次式で表される。

この時、電気信号の速度ｖは、次式によって表される。

式（５）は、光変調器の高周波配線部におけるインダクタンス成分Ｌまたは容量成分Ｃを制御することによって、特性インピーダンスＺ_０および電気信号の速度ｖを調整することができることを定性的に示している。すなわち、図６のＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザ３００では、式（３）および式（５）に基づいて、接続用の電極３０８ａ、３０８ｂをインピーダンスおよび電気信号の速度を調整するためのインダクタンスとして用いている。

具体的なインピーダンス整合条件としては、進行波型電極構造のインピーダンスＺ_０が外部電気回路のインピーダンスである５０Ωに近い値になることが望ましい。具体的なインピーダンス整合条件としては、外部電気回路の特定インピーダンスである５０Ωから±１０Ω程度の範囲の誤差であれば許容できる。進行波型電極構造のインピーダンスＺ_０が５０Ωからずれると、電気信号の反射が起こり、進行波型電極へ効率的に電圧を印加できなくなる。

また、光と電気信号との間の速度差による制限を受ける場合の、変調信号の周波数帯域Δｆは、光速をｃ、光導波路を伝搬する光の群速度をｖ_０、電極長をｌとして、次のように表される。

式（６）から、光の群速度ｖ_０と電気信号の速度ｖとが一致した時に最大の周波数帯域を得ることができることがわかる。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、許容される光の群屈折率と電気の屈折率との間の差は、±１．１程度の範囲内となる。以上述べたように、図６のＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザでは、最適なインダクタンスの付加量を設計することによって、光波とマイクロ波電気信号との間の速度整合を向上させることができる。同時に、進行波電極の５０Ωの特性インピーダンスへの整合も取れるようになり、その結果、高速な変調が可能になった。

Ho-Gyeong Yun et.al, "Fabrication and Characteristics of 40-Gb/s Travelling wave Electroabsorption Modulator-Integrated DFB Lase Modules", IEEE Transactions on Advanced Packaging, Vol. 31, No. 2, May 2008 Marek Chacinski et al., "Monolithically Integrated DFB-LD for 100 Gb/s Ethernet", IEEE Electron Device Letters, vol. 29, no. 12, pp. 1312-1314, Dec. 2008

しかしながら、図６に示したＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザの構成は、進行波型電極として重要な５０Ωインピーダンス整合およびマイクロ波と光波との間の位相整合条件を満たすために、変調効率を低下させていた問題があった。図６の（ａ）からわかるように、３つの進行波電極３０９ａ、３０９ｂ、３０９ｃの間には、電極が光導波路上形成されていない領域が存在する。図６の（ｂ）に示した上面図からもわかるように、変調器部３２２において、入力電極３２５から出力電極３２４までの進行波型電極が構成されている領域には、ある一定区間のある一定の割合で、光導波路上で電極が形成されていない領域３１０ａ、３１０ｂが存在する。すなわち、この電極が形成されていない領域３１０ａ、３１０ｂでは、光導波路に電界を掛けることができず、変調に寄与しない領域（非変調領域）となる。このため、光導波路の単位長さ当たりの変調効率としては非効率になる。結果として、ｏｎ／ｏｆｆ比などにおいて十分な特性を持つ光変調器を構成するためには、素子長を長くする必要が生じる。このような場合、ＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザの素子の全長が大きくなったり、必要な変調電圧が高くなったり、変調部における光損失が大きくなったりするなどの欠点があった。

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およびマイクロ波と光波との間の位相整合条件を満たし、かつ非変調領域が存在しない、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有する少なくとも１本の光導波路を備え、前記ノンドープ半導体コア層への電圧印加によって光の吸収特性を変化させる電界吸収型半導体変調器において、前記少なくとも１本の光導波路のコア層へ、変調信号を印加する進行波型の変調電極と、前記変調電極から分岐し、前記少なくとも１本の光導波路から光学的に結合しない位置において静電容量を付加する構造を持つ１つ以上の分岐電極とを備えたことを特徴とする電界吸収型半導体変調器である。

請求項２の発明は、請求項１の電界吸収型半導体変調器であって、前記分岐電極は、前記変調電極から概ね垂直に分岐する分岐部分と、前記分岐部分から前記変調電極に概ね平行に沿って伸び、その下に、前記第１の導電性半導体クラッド層、前記ノンドープ半導体コア層および前記第２の導電性半導体クラッド層が順次積層して形成された導波路構造を有し、前記少なくとも１本の光導波路と光学的に結合しない静電容量付加部分とを有することを特徴とする。

ここで、分岐電極は、各実施形態における子電極に対応する。また、分岐部分は、子電極の実施形態における変調（進行波）電極から垂直に分岐する部分に対応する。また、静電容量付加部分は、実施形態における変調電極に沿って概ね平行に形成された子電極の部分に対応する。

請求項３の発明は、請求項１または２の電界吸収型半導体変調器であって、前記分岐電極は、前記変調電極に沿って離間して配置された複数の分岐電極から構成されるか、または、前記分岐電極は、前記変調電極の両側に、前記変調電極に沿って離間して配置された複数の分岐電極から構成されることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至３いずれかの電界吸収型半導体変調器であって、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は、一方がｎ型半導体であって、他方がｐ型半導体であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至３いずれかの電界吸収型半導体変調器であって、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いずれかに、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６の発明は、請求項１乃至５いずれかに記載の電界吸収型変調器、および、素子内部に回折格子を有する分布帰還型半導体レーザが、同一の半導体基板上に集積されたことを特徴とする進行波電極付き電界吸収型変調器集積半導体レーザである。

請求項７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有する少なくとも１本の光導波路を備え、前記ノンドープ半導体コア層への電圧印加によって光の吸収特性を変化させる電界吸収型半導体変調器において、前記少なくとも１本の光導波路のコア層へ、変調信号を印加する進行波型の変調電極と、前記変調電極から分岐し、前記少なくとも１本の光導波路から光学的に結合しない位置において静電容量を付加する構造を持つ１つ以上の分岐電極とを備え、前記分岐電極は、前記変調電極から概ね垂直に分岐する分岐部分と、前記分岐部分から前記変調電極に概ね平行に沿って伸び、その下に、前記第１の導電性半導体クラッド層、前記ノンドープ半導体コア層および前記第２の導電性半導体クラッド層が順次積層して形成された導波路構造を有し、前記少なくとも１本の光導波路と光学的に結合しない静電容量付加部分とを有することを特徴とする電界吸収型半導体変調器である。

以上説明したように、本発明の子電極を持つ進行波電極の構成によって、インピーダンス整合およびマイクロ波と光波との間の位相整合条件を満たし、さらに非変調領域の無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。この半導体光変調器を集積化した界吸収型変調器集積半導体レーザも実現できる。

図１は、本発明の進行波電極付き電界吸収型光変調器集積半導体レーザの各実施形態の構成を説明する図である。 図２は、本発明の電界吸収型光変調器集積半導体レーザの進行波電極部分を斜め上から見た構成図である。 図３は、本発明の電界吸収型光変調器集積半導体レーザの進行波電極部分の各部の断面を示す図である。 図４は、従来技術の集中定数型電極のＥＡ−ＤＦＢレーザの構成を説明する図である。 図５は、従来技術のＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザの電極構成を説明する図である。 図６は、別の従来技術のＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザの電極構成を説明する図である。

本発明の光変調器集積半導体レーザまたは光変調器は、導波路上の進行波型の変調電極に加えて、変調電極から分岐して構成された静電容量を付加する子電極（分岐電極）を備えている。この子電極は、静電容量付加部として光変調器の光導波路とは光学的に結合していない導波路状の構成を持つことができる。子電極は、これに限定されないが、例えばＴ字状またはＬ字状の形状のものとすることが可能であって、変調電極の片側にまたは両側に、離間して複数個を備えることができる。

子電極の数、配置する間隔、分岐する部分の長さ、導波路への接触長などを最適に設計することで、静電容量の付加量を自由に設計することができる。光波とマイクロ波電気信号との間の位相整合を向上させることができるとともに、特性インピーダンスの例えば５０Ωに対して良好なインピーダンス整合も実現可能となる。従来技術のように、変調に寄与しない領域（非変調領域）が存在せず、変調効率をより高めることができる。ＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザの素子の全長が大きくなったり、必要な変調電圧が高くなったり、変調部における光損失が大きくなったりするなどの問題を克服することができる。

以下に、図面を参照しながら本発明の各実施形態について説明をする。以下の説明では、進行波型電極付き電界吸収型光変調器集積半導体レーザでの構成例について説明するが、本発明の電極構造が、電界吸収型光変調器の単体にもそのまま適用できることは言うまでもない。

（第１の実施形態）
図１の（ａ）は、本発明の進行波電極付き電界吸収型光変調器集積半導体レーザの第１の実施形態の構成を説明する図である。光変調器集積半導体レーザ１ａの構成は、図５に示した従来技術のＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザ２００構成と同様であり、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ部３と、電界吸収型（ＥＡ）変調器部２を集積したものである。ＤＦＢレーザ部３で発生した光信号は、ＥＡ変調器部２において高周波電気信号によって変調を受け、信号光８が出力される。図５の構成との相違点は、進行波電極５に沿って形成された１つ以上の子電極９〜１１にある。

図１の（ａ）の半導体レーザ１ａは、図５に示した従来技術のＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザ２００の構成と同様に、入力電極７から出力電極６までの進行波電極を用い、光吸収層を導波する光波の速度と、進行波電極５を伝搬するマイクロ波電気信号の速度とをできるだけ一致させ、両者の位相整合をとるようにするよう動作する。これによって、変調器における変調帯域を拡大することができる。本発明ではさらに、進行波電極５から分岐し、分岐後に再び進行波電極５に沿うように構成された子電極９〜１１を設ける。子電極９〜１１は、進行波電極５に対して静電容量を付加するよう動作する。子電極の数、配置する間隔、分岐する部分の長さ、導波路への接触長などを最適に設計することで、静電容量の付加量を自由に設計することができる。光波とマイクロ波電気信号との間の位相整合を向上させることができるとともに、特性インピーダンスの５０Ωに対して良好なインピーダンス整合も実現可能となる。その結果、高速で広帯域な変調が可能になる
図１の（ａ）で示した構成では、図面の上では、進行波電極５に対して子電極を３個形成した例を示したが、その数は３個だけに限定されない。１個でも、２個でも、または３個より多くても構わない。

図２は、本発明の光変調器集積半導体レーザにおける進行波電極部分を斜め上からみた構成を示す図である。図２で、進行波電極２９は、図面の手前の断面で示されたメサ構造の光導波路２２の上部に形成されている。子電極は、進行波電極２９からその長さ方向に垂直に分岐して進行波電極２９から離れた後（分岐部分３０ｂ）、再び進行波電極２９に平行に沿うように伸びている（静電容量付加部分３０ａ）。進行波電極および子電極（分岐電極）の構造をさらにその断面について説明する。
図３は、本発明の光変調器集積半導体レーザにおける電極部分の各部の断面を示す図である。図３の（ａ）は図２のａ−ａ´の断面を、（ｂ）は図２のｂ−ｂ´の断面を、（ｃ）は図２のｃ−ｃ´の断面をそれぞれ示す。図３の（ａ）を参照すると、ａ−ａ´の断面では、進行波電極２９のみが存在している状態が示されている。ただし、子電極は進行波電極２９の右側に、図面の奥にあるものとして描かれていることに注意されたい。図２に示した変調器集積半導体レーザの変調器部分は、下部クラッド層２１、コア層２３、上部クラッド層２６が順次形成され、メサ構造を持っている。メサの両側は絶縁層２８で埋め込まれ、メサ構造に沿って絶縁層２８の上には進行波電極２９が形成されている。光波は、進行波電極２９の下のコア層２３を伝搬する。上部クラッド層は、例えばｐ−ＩｎＰによって作製され、コア層はノンドープの多重量子井戸（ｉ−ＭＱＷ）によって、下部クラッド層はｎ−ＩｎＰによって作製することができる。これらの材料は、ＩｎＰ系だけでなくＧａＡｓ系も適用可能である。

次に図３の（ｂ）を参照すると、進行波電極２９から子電極が分岐する部分にあるコア層２３に加え、子電極３０ａの直下にもコア層２５およびその上部クラッド層２７が形成されている。さらに図３の（ｃ）を参照すれば、子電極は、進行波電極２９から子電極が分岐する分岐部分３０ｂと、進行波電極２９から離れるまで伸びた後で、進行波電極２９に沿って概ね平行に子電極をさらに形成させる領域３０ａ（静電容量付加部分）を持っている。子電極３０ａの直下には、進行波電極２９の下にあるメサ構造と同様の導波路構造が形成されている。

図３の（ｃ）に示したように、子電極３０ａの下にも下部クラッド層２１、コア層２５、上部クラッド層２７が形成されている。子電極の下に、メサ構造の光導波路と同様の構成を持つことによって、子電極３０ａ（静電容量付加部分）は一定の素子容量を持つことができる。通常、下部クラッド２１は導電性を持っているので、進行波電極２９と下部クラッド２１の間には、導電性の無いコア層２３および上部クラッド２６を介して第１の容量素子が構成される。同様に、子電極３０ａと下部クラッド２１の間には、導電性の無いコア層２５および上部クラッド２７を介して第２の容量素子が構成される。下部クラッド層２１は、通常接地されることになるので、等価的には、進行波電極２９下のコア層２３で構成されるコンデンサと、子電極（静電容量付加部分）３０ａ下のコア層２５で構成されるコンデンサとが直列接続された静電容量が、進行波電極２９に並列に付加されることになる。なお、子電極３０ａの下のコア層２５には光波が導波することはない。子電極３０ａの下のコア層２５は、変調器のメサ型の導波路２２から光学的に結合しない位置において静電容量を付加するように機能する。

子電極３０ａ、３０ｂによって、進行波電極２９に静電容量を付加する導波路構造は、本発明のＭＺ光変調器において光導波路の機能を果たす必要はない。このため、子電極の幅、進行波電極との距離、長さ等の構成寸法を、光導波路としての機能を一切考慮せずに自由に設計できることになる。さらに、光導波路と相互作用をする主線路（進行波電極）は、電極の無い部分が存在せず、全域にわたって光導波路上に進行波電極が形成される。このため、図５に示した従来技術のＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザのような変調に寄与しない部分は存在せず、変調効率が劣化することもない。

したがって本発明は、進行波電極付き電界吸収型光変調器集積半導体レーザにおける電界吸収型半導体変調器として実現可能である。すなわち本発明は、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有する少なくとも１本の光導波路を備え、前記ノンドープ半導体コア層への電圧印加によって光の吸収特性を変化させる電界吸収型半導体変調器において、前記少なくとも１本の光導波路のコア層へ、変調信号を印加する進行波型の変調電極と、前記変調電極から分岐し、前記少なくとも１本の光導波路から光学的に結合しない位置において静電容量を付加する構造を持つ１つ以上の分岐電極とを備えたことを特徴とする電界吸収型半導体変調器として適用できる。

さらに、前記分岐電極は、前記変調電極から概ね垂直に分岐する分岐部分と、前記分岐部分から前記変調電極に概ね平行に沿って伸び、その下に、前記第１の導電性半導体クラッド層、前記ノンドープ半導体コア層および前記第２の導電性半導体クラッド層が順次積層して形成された導波路構造を有し、前記少なくとも１本の光導波路と光学的に結合しない静電容量付加部分とを有することになる。

図１の（ａ）の構成において、コア層２３の厚みは１μｍ、コア層２３の幅は２μｍである。コア層２３とコア層２５との間隔は１０μｍである。なお、通常の構成では下部クラッド層２１はｎ−ＩｎＰであり、上部クラッド層２６、２７はｐ−ＩｎＰであるが、ｎ層とｐ層が逆でも構わない。またＩｎＰに限らず、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＮＡｓ、ＧａＡｓＮ、ＩｎＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ等の組成でも構わない。コア層２３はＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＮＡｓ、ＧａＡｓＮ、ＩｎＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ等を組み合わせたＭＱＷ構造でもよければ、バルク構造でも構わない。

子電極の形状は、図１および図２で示したようにＴ字型形状のものとすることができるが、この形状だけに限定されない。進行波電極２９に平行な部分が片方だけのＬ字型構成でも良い。子電極の各部の幅も一様である必要はない。また、進行波電極に平行でない構成も取り得る。さらには、子電極に容量を与える部分の構成は、図３の（ｂ）および（ｃ）に示した上部クラッド２７およびコア層２５のように、必ずしも進行波電極２９の下の光導波路と同一の構造でなくても良い。光変調器の作製工程に適合する限り、下部クラッド層２１と子電極との間で静電容量を生じ得る材料および構造であれば、メサ構造の光導波路の構成に限られない。

（第２の実施形態）
図１の（ｂ）は、本発明の進行波電極付き電界吸収型光変調器集積半導体レーザの第２の実施形態の構成を説明する図である。本実施形態の光変調器集積半導体レーザは、図１の（ａ）と基本的に同じ構成であるが、進行波電極の一方側の子電極９〜１１に加えて、反対側にさらに子電極１２〜１４を持ち、進行波電極の両側に子電極を持つことだけが異なる。本実施形態のように進行波電極の両側に沿って子電極を持つことよって、従来技術のＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザにあるような変調に寄与しない部分は存在せず、変調効率が劣化することもない。進行波電極の両側に子電極を持つことより、子電極の幅や長さ等の設計の自由度がさらに増え、変調器部の本体を含めてより自由に回路構成を設計できるようになる。

尚、図１の（ｂ）に示した構成においては、進行波電極の両側にある子電極の数や形状は同一のものを規則的に並べて配置したものとして描いてあるが、進行波電極の両側の間で分岐する位置がずれていたり、数が異なっていたりしも構わないし、形状が異なっても構わない。また、個々の子電極の形状が異なるものであっても良い。

上述の各実施形態では、導波路の各層を様々な半導体材料によって構成できる。例えば、下部クラッド層２１、コア層２３および上部クラッド層２６が順次形成された導波路では、第１の導電性半導体クラッド層（下部クラッド層）および第２の導電性半導体クラッド層（上部クラッド層）は、一方がｎ型半導体であって、他方がｐ型半導体であり得る。また、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いずれかに、ｐ型の第３の導電性半導体クラッド層が挿入されても良い。

以上詳細に説明したように、本発明の子電極を持つ進行波電極の構成によって、インピーダンス整合およびマイクロ波と光波との間の位相整合条件を満たし、さらに非変調領域が存在しない、高効率で小型の進行波型の半導体光変調器および光変調器と集積化したＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザ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、光通信システムの送光信装置などに利用できる。

１ａ、１ｂ、１００、２００、３００ ＴＷ−ＥＡ−ＤＦＢレーザ
２、１０３、１１１、２０３、３２２ 変調器部
３、１０１、２０１、３２１ ＤＦＢレーザ部
４、１１２、２１３、３０１ レーザ電極
５、２９、２１１、３０９ａ、３０９ｂ、３０９ｃ 進行波電極（変調電極）
７、２１２、３０３ 入力電極
６、２１０、３０３ 出力電極
９〜１４、３０ａ、３０ｂ 子電極（分岐電極）
２１ 下部クラッド層
２２ メサ構造
２３、２５ コア層
２６、２７ 上部クラッド層

Claims (7)

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有する少なくとも１本の光導波路を備え、前記ノンドープ半導体コア層への電圧印加によって光の吸収特性を変化させる電界吸収型半導体変調器において、
   前記少なくとも１本の光導波路のコア層へ、変調信号を印加する進行波型の変調電極と、
   前記変調電極から分岐し、前記少なくとも１本の光導波路から光学的に結合しない位置において静電容量を付加する構造を持つ１つ以上の分岐電極と
   を備えたことを特徴とする電界吸収型半導体変調器。
2. 前記分岐電極は、
   前記変調電極から概ね垂直に分岐する分岐部分と、
   前記分岐部分から前記変調電極に概ね平行に沿って伸び、その下に、前記第１の導電性半導体クラッド層、前記ノンドープ半導体コア層および前記第２の導電性半導体クラッド層が順次積層して形成された導波路構造を有し、前記少なくとも１本の光導波路と光学的に結合しない静電容量付加部分と
   を有することを特徴とする請求項１に記載の電界吸収型半導体変調器。
3. 前記分岐電極は、前記変調電極に沿って離間して配置された複数の分岐電極から構成されるか、または、
   前記分岐電極は、前記変調電極の両側に、前記変調電極に沿って離間して配置された複数の分岐電極から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の電界吸収型半導体変調器。
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は、一方がｎ型半導体であって、他方がｐ型半導体であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の電界吸収型半導体変調器。
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いずれかに、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乃至３いずれかに記載の電界吸収型半導体変調器。
6. 請求項１乃至５いずれかに記載の電界吸収型半導体変調器、および、
   素子内部に回折格子を有する分布帰還型半導体レーザが、同一の半導体基板上に集積されたことを特徴とする進行波電極付き電界吸収型変調器集積半導体レーザ。
7. 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有する少なくとも１本の光導波路を備え、前記ノンドープ半導体コア層への電圧印加によって光の吸収特性を変化させる電界吸収型半導体変調器において、
   前記少なくとも１本の光導波路のコア層へ、変調信号を印加する進行波型の変調電極と、
   前記変調電極から分岐し、前記少なくとも１本の光導波路から光学的に結合しない位置において静電容量を付加する構造を持つ１つ以上の分岐電極と
   を備え、
   前記分岐電極は、
   前記変調電極から概ね垂直に分岐する分岐部分と、
   前記分岐部分から前記変調電極に概ね平行に沿って伸び、その下に、前記第１の導電性半導体クラッド層、前記ノンドープ半導体コア層および前記第２の導電性半導体クラッド層が順次積層して形成された導波路構造を有し、前記少なくとも１本の光導波路と光学的に結合しない静電容量付加部分と
   を有することを特徴とする電界吸収型半導体変調器。

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