JP4526548B2 - 面型光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、基板上に成長した垂直入射型の面型光変調器に関する。

従来の半導体レーザの構造は以下のようなものがある（図１２、例えば特許文献１参照）。同図に於いて、１０１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、１０２はｎ−ＧａＡｓとｎ−ＡｌＡｓが交互に積層されているＳｉドープ・ミラー、１０３はアンドープのＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ、１０４はアンドープのＩｎＧａＡｓ活性層、１０５はアンドープのＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ、１０６はｐ−ＧａＡｓとｐ−ＡｌＡｓが積層されたＢｅドープ・ミラー、１０７はｐ−ＧａＡｓ（３λ厚）、１０８は３つのＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層とＧａＡｓバリア層(46ｎｍ厚)から成る光吸収層、１０９はアンドープのＧａＡｓ（λ厚）。１１０はｎ−ＧａＡｓ（λ／４厚、ｎ＝２×１０¹⁸ｃｍ^-3）とｎ−ＡｌＡｓ（λ／４厚、ｎ＝２×１０¹⁸ｃｍ^-3）が交互に２４．５周期積層されて形成されたＳｉドープ・ミラーである。１１１はＳｉＮ膜、１１４と１１２はｎ側電極、１１３はｐ側電極である。

素子はｎ側電極１１４を接地し、ｐ側電極１１３に正の電圧、ｎ側電極１１２に負の電圧をかけて使用する。光吸収層１０８には逆バイアスがかかり、電界が印加されるので、フランツ・ケルデッシュ効果でバンド端が、長波側にシフトし、ＩｎＧａＡｓ活性層１０４から出た光をオン、オフできる。そして、Ｂｅドープ・ミラー１０６とＳｉドープ・ミラー１１０に光吸収層１０８が挿まれた効果で、実際の光吸収層１０８の層厚は３０ｎｍしかないにもかかわらず、１００％近い吸収を電圧印加時に実現できている。

なお、面型変調器には他にも先行例がある（例えば、特許文献２及び３参照）。
特開平５−１５２６７４号公報（笠原他） 特開平７−３０７４６４号公報（特に段落[００１０]） 特開２０００−２７５６９２号公報

上記従来例では、光吸収層１０８による吸収係数が１，０００〜１０，０００ｃｍ^-1しかないために、Ｂｅドープ・ミラー１０６とＳｉドープ・ミラー１１０のあいだで、光を反射・往復させることで消光比を大きくしようとしている。しかしながら、光吸収層１０８で変調された光はＳｉドープ・ミラー１１０で反射されるため、出射される光の強度が著しく低いという問題があった。

本発明は前記課題を解決することを目的としてなされたものである。

上記目的を達成するために、本発明に係る面型変調器は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、組成の異なる複数の半導体層からなる量子井戸構造を有する空乏領域調整層と、前記空乏領域調整層の上面に設けられた複数の金ドットからなる上部金ドット層と、前記空乏領域調整層の下面に電気的に接続された下部電極と、前記空乏領域調整層の上面に電気的に接続された上部電極とを備え、前記下部電極と前記上部電極との間に電圧を印加していない場合には、前記上部金ドット層から入射してきた光が透過し、前記下部電極と前記上部電極との間に電圧を印加した場合には、前記上部金ドット層から入射してきた光が前記空乏領域調整層において吸収される。

１つの実施態様においては、前記下部電極と前記上部電極との間に電圧を印加した場合には、前記各金ドットに対応する前記空乏領域調整層の内部の領域が空乏化し得る。

１つの実施態様においては、前記空乏化した領域にプラズモンが形成され得る。

１つの実施態様においては、前記量子井戸構造が、複数のＩｎＰ層と複数のＩｎＧａＡｓＰ層とを交互に積層してなり得る。

１つの実施態様においては、前記上部金ドット層の上部に、ＳｉＯ_２からなる保護層が形成され得る。

１つの実施態様においては、前記各金ドット間の間隔が４００ｎｍ以下であり得る。

１つの実施態様においては、前記基板がＩｎＰからなり得る。

１つの実施態様においては、前記基板と前記下部電極との間に下部コンタクト層が挟まれ得る。

１つの実施態様においては、前記基板と前記空乏領域調整層との間に下部コンタクト層が挟まれ得る。

１つの実施態様においては、前記基板が導電性を有しており、前記下部電極は前記基板を前記空乏領域調整層との間に挟むように形成され得る。

１つの実施態様においては、前記空乏領域調整層と前記上部電極との間に上部コンタクト層が挟まれ得る。

１つの実施態様においては、前記空乏領域調整層がｎ型不純物を含有し得る。

本発明は、以上に説明したような構成を有し、出射される光の強度が大きいという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（参考形態１）
本発明の半導体発光素子の参考形態１として、図１に屈折率調整層を有する面型変調器構造を示す。

以下、この素子の製造方法と構造と動作方法について説明する。

入射光の波長は１．３μｍとした。まず、図１３(a)に示したように、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、アンドープ下部反射層２、Siをドーピングしたｎ型ＩｎＰ下部コンタクト層３（１００ｎｍ厚）、屈折率調整層４、Znをドーピングしたｐ型ＩｎＰ上部コンタクト層５（１００ｎｍ厚）、アンドープ上部反射層６をＭＯＶＰＥ法等によりエピタキシャル成長した。下部反射層２および上部反射層６は、それぞれ５ペアーのIn_0.8Ga_0.2P層（λ/4厚、格子歪-1％）とInAs_0.2P_0.8層（λ/4厚、格子歪1％）からなる歪量子井戸構造である。不純物を意図的に添加せず、アンドープとしたのは、価電子帯吸収や自由電子吸収を抑制するためである。

屈折率調整層４は、８ペアーで、アンドープＩｎＰ層（１０ｎｍ厚）とアンドープＩｎ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ_0.2Ｐ_0.8層（１０ｎｍ厚、格子歪-1から1％）よりなる歪量子井戸構造である。

その後、図１３(b)に示したようにSiO₂膜５３を堆積して、円形状にエッチングしてエッチングマスクとし、このエッチングマスクを用いて硫酸系エッチャントで上部コンタクト層５まで円筒状にエッチングを行う。これは、光が導波する円形領域を形成すると共に、なるべく屈折率調整層４の面積を小さくして動作速度を高くするためである。

ここで、InAsP層は、エッチング速度が速いが、上部反射層を形成するInGaP層と上部及び下部InP層のバルク層のエッチング速度は同程度である。しかしながら、InGaP層は膜厚が薄くかつInAsP層からのAsの拡散によりエッチング速度はInP層より速くなっている。したがって、エッチングは上部コンタクト層５で選択的に停止する。

その後、図１３(ｃ)に示したように、SiO₂膜５４を堆積して、円形状にエッチングしてエッチングマスクとし、このエッチングマスクを用いて、塩酸系エッチャントで上部コンタクト層５をエッチング除去する。その後、硫酸系エッチャントで、屈折率調整層４をエッチング除去する。この場合も、屈折率調整層４を構成するInP層は10nmと薄く，InGaAsP層からAsが拡散しているために硫酸系エッチャントでエッチングされる。その結果、図１３(ｃ)に示したように下部コンタクト層３においてエッチングが選択的に停止する。

その後、上部電極７としてCr/Pt/Au電極を、下部電極８としてAu-Sn電極を蒸着し、リフトオフにより図１３(d)のように形成して図１に示した構造を得た。なお、下部反射層２、屈折率調整層４、及び上部反射層６の構成は、上記のものに限られないが、屈折率調整層４の量子井戸構造のバリア層及び井戸層のバンドギャップが、下部反射層２及び上部反射層６の量子井戸構造のバリア層及び井戸層のバンドギャップより小さいことが必要である。

以下、この素子の動作方法について図１１を用いて説明する。図１１(a)に示したように、電圧を印加していない場合には、屈折率調整層４の吸収端波長を１．２８μｍとしておく。この場合の屈折率（ｎ‘）は（ｎ‘＝３．２）＜（ｎ＝３．６）であった。１．３μｍの光に対する反射層の距離（ｄ／ｎ‘）は１．１μmとなり、光の波長（ｎλ）と同じ長さとなるように屈折率調整層の厚み（ｄ）を設定したｄ／ｎ＝λ＝１．３μmにならないために、光は透過してしまう。一方、図１１(b)に示したように、５V程度の逆バイアス電圧を印加して、フランツケルディッシュ効果で吸収端を１．２９μｍまで長波長化することにより、ＩｎＧａＡｓＰ層からなる屈折率調整層４の屈折率は５．０程度に増大する。その結果、反射層２・６間の多層膜のトータルの屈折率はｎ＝３．６まで増加して、１．３μｍの光に対する距離が１．３μmとなって、反射層２・６間に定在波が形成され反射層全体で反射されるようになる。すなわち、下部反射層２と上部反射層４の間隔が光学的に信号光の波長と同一となる。その結果、光が反射されるため透過されにくくなる。さらに大きい逆バイアス電圧を印加すると、図１１(ｃ)に示したように、下部反射層２と上部反射層６の間隔が光学的に信号光の波長より長くなり、光が反射されにくくなるために透過光の強度が増加する。電気信号に対して出力される光信号を図１０(d)の点線（タイプB）でしめす。ここから明らかなように、電気信号がONからOFF、あるいは、OFFからONに変化した場合には光強度が減少する特性を示す。電気信号の開始の状態をOFFからONときめておくことで、光信号が弱くなるパルスを測定すると電気信号がONかOFFかが明らかになる。この変調方式の場合には、電気信号の立上がりや立下り特性が劣化しても、光のパルスは同様に形成されるために、良好な伝送を行うことができる。また、さらに印加する逆バイアスを大きくして１０V以上にすると、屈折率調整層４による光吸収が発生し、さらに透過光強度が減少することになる。

一方、ｎ型反射層ではSiを、ｐ型反射層ではZnをInGaP層にのみドーピングして、導電性を持たせた場合には、多少価電子帯吸収や自由電子吸収があるものの、素子構造や製造方法は極めて簡単になる。図１４(a)に示したように、ｐ型ＩｎＰ基板１上に、Znをドープしたｐ型下部反射層２、屈折率調整層４、Siをドープしたｎ型上部反射層６をＭＯＶＰＥ法等によりエピタキシャル成長した。上部反射層６をｎ型にしたのは、ｎ型のほうがキャリアが充分広がるために、受光領域全面に均一な特性が期待されるためである。下部反射層２および上部反射層６は、それぞれ５ペアーのSiあるいはZnをドーピングしたInGaP層（λ/4厚）とアンドープのInAsP層（λ/4厚）からなる。屈折率調整層４は、８ペアーで、アンドープＩｎＰ層（１０ｎｍ厚）とアンドープＩｎＧａＡｓＰ層（１０ｎｍ厚）よりなる。その後、受光領域にSiO₂膜を堆積して、円形状にエッチングしてエッチングマスクとし、このエッチングマスクを用いて硫酸系エッチャントで下部反射層２までエッチングを行う。この場合、選択的にエッチングがストップしないため、下部反射層２までエッチングが到達したことをエッチング時間で制御する。その後、In₂O₃透明電極５５を形成した後、Au-Sn上部電極７と基板裏面にCr/Pt/Au下部電極８を蒸着とリフトオフにより形成する。動作方法は、図１の構造と同様であるため、省略する。

変調器の上部電極７の開口領域は円形をしており、ファイバからの光を開口領域に入射する。以降この光の透過領域である上部電極７の開口領域を受光領域と呼ぶ。上部反射層６の直径は、ファイバの芯線の大きさ＋フェルールのアローアンスとすればよい。シングルモードファイバの場合には、芯線は数μmなので、上部反射層６の直径は１０μm程度で良い。なお、下部電極８は屈折率調整層４に近接するように形成され、下部コンタクト層（図示せず）を覆っている。下部電極８と屈折率調整層４の間隔は１０μm以下が望ましい。これは、通常ファイバからの光は上部電極７の開口領域内に入射するが、ファイバのコア形が大きい場合には、上部電極７の一部にかかることが考えられる。そこで、上部電極７の幅は、１０μm以上として、ファイバからの光が上部電極７の外部に漏れないようにしている。しかしながら、充分ファイバの軸があってない場合には、光が上部電極７の外部に漏れてしまうことがある。この場合にも、できるだけ光が下部電極８で反射されて、透過しないように下部電極８と屈折率調整層４の間隔は１０μm以下としている。

一方、図１４(a)に示したように、基板裏面に電極を形成した場合には、下部電極８の内径を上部電極７の外径より小さくしている。この場合も、充分ファイバの軸があってない場合にでも光が上部電極７の外部に漏れてしまわないように、すなわち、できるだけ光が下部電極８で反射されて透過しないように、下部電極８と上部電極７が光の入射方向に対して重なるようにしてある。

以降に、面型変調器の実装方法と面型変調器を使用するシステム構成に関して説明するが、これらは、以降の実施の形態および参考形態全てにおいて同様に用いることができるため、本参考形態で代表して説明するが、以降の実施の形態および参考形態でも同様な構成を取るものである。

それでは、本参考形態で作製した面型変調器の実装方法を図６に示す。図に示したように、固定冶具９のｎ側電極４０につけたはんだ１０と下部電極８をはんだ付けすることにより固定する。また、上部電極７は固定冶具のｐ側電極４１に電極リボンを用いて結線する。その後、この状態で、図７(a)に示したように、この固定冶具９を電子回路２２と結線した上でフォトダイオード２１とともに、コネクタ２３にモールドする。フォトダイオードはファイバ２６からの漏れ光を受光することで動作する。ファイバ２６を支持するフェルール２５をコネクタ２３に差しこむことでロックされ図７(b)に示した形態となる。同軸ケーブル２４は、１０Gbpsのイーサ規格となっている。ここで、図７(b)に示したように、ファイバ２６は面型変調器に同一の中心軸を有する形で接触している。その結果、従来のコネクタでファイバを接続すると同程度の容易さで、外部変調器を挿入することが可能となる。

一方、従来のモジュール構造は図７(ｃ)に記載したように、導波路型変調器４４を使用していたために、断面が１μm角の導波路ストライプにファイバー2本から出る光を光学結合する必要があった。そのために、変調器の両側にレンズ４３を１つづつ、計２つ挿入して光を導波路に絞りこむ必要があった。その結果、ファイバ２６−レンズ４３、レンズ４３−変調器４４、変調器４４−レンズ４３‘、レンズ４３’−ファイバ２６‘の４箇所で、光学結合を取る必要が生じた。光学結合を取るには、１個所で数分かかるとともに、ファイバなどの部材をモジュールに固定する必要があり、導波路型変調器の作製には、多くの工数が必要であった。一方、面型変調器の場合には、ファイバの芯線の太さと同じか大きい大きさの変調領域を形成しているために、図７(a)に示したようにファイバをつき合わせただけでよく、製造工数も少なく安価で小型化に向いている。故障した場合にも、ファイバをはずすだけで容易に交換できる。

さらに、マルチモードファイバやプラスチックファイバを使用する場合には、芯線の大きさが大きくなる。たとえば、プラスチックファイバの場合、１００μm程度に大きくなる。この場合、上部反射層の大きさを１００μmにすると変調器の面積が大きくなって変調器の寄生容量が上昇してしまう。図８(a)に示したように、先球ファイバを使用することで、図７のファイバからの出射光のままの状態である図８(b)から、図８(ｃ)のように光を絞りこむことができ、変調器の受光面積を小さくして、低容量化すなわち、高速動作が可能となる。受光領域を５０μm以下にすることで、１０Gbps以上の動作が可能となる。ここで、受光領域と上部反射層の位置がずれた場合には、透過光となってしまうため、図１(b)に示したように素子のほぼ全面を電極金属で覆って、上部反射層の領域以外からの透過光を抑制している。

本実施例の変調器の動作方法としては、電圧を印加しないときには、変調器はON状態で、５V以上の電圧を印加することで変調器はOFF状態となる。この変調方法では、屈折率調整層で光を吸収しないため、電荷の生成消滅がなく、キャリアの速度に影響をされない高速のスイッチングが可能となる。１０Gbpsでも、アイパターンの開いた伝送が可能となった。

本実施例の情報コンセントの構成を図１８に示す。情報コンセント２０５は家庭用コンセントの上部に情報ライン（１０Ｇｂｐｓイーサネット（登録商標）コネクタ）６７用の差込口２０２が設置されている。ここでは、情報ライン６７が組み込まれた情報プラグ７１を用いて、電源ライン（１００V）６８用コネクタを接続すると同時に情報ラインが接続されるようになっている。情報ライン６７は、シールド７２と、信号用グラウンド６５、信号ライン６６よりなり、従来のアースラインはシールドラインと同様である。光信号が電気信号に変換されて直接１芯のケーブル構成で機器まで伝送される。したがって、ツイストペアのように、全二重の通信は行っていない。

本実施例の変調器を用いた光伝送システムを図９に示す。キャリアの局社からアクセス系光ファイバ（単一モードファイバ）２０１を用いて伝送されてきた光信号は、いったん下り用PD３６にて受光し、下り電気信号６２に変換する。この下り電気信号により、面型変調器LD６９を変調する。ここでは、端面発光型の１．３μm半導体レーザをDC駆動で使用した。下り信号を各機器に伝送する場合には、面型変調器LD６９以外の全ての面型変調器はON（透明）にしておき、各コネクタに内蔵されているフォトダイオード２１（図７）で受光して、電気信号として１０Gｂｐｓイーサの同軸ケーブル２４（図７）から各機器に供給する。下り信号は、高い伝送レートでも１Gbps程度であるため、１０Gbpsで伝送が行われているLAN内での伝送にはさらに情報を追加する余裕がある。この空き時間を利用して各コネクタ間の伝送を行う。すなわち、下り信号のない場合には、面型変調器LD６９はONのままとして、例えば、面型変調器２０Aで、DC光を変調し、面型変調器20 D の受光素子でその信号を受光することになる。逆に、面型変調器20Dから面型変調器20Aに信号を伝送する場合には、いったん、LAN用PD３８で受光して、電気信号LAN６４に変換して記憶した後、下り信号の隙間を使って面型変調器LD６９を変調して送信し、面型変調器Aで受信することになる。また、LAN外部へ光信号を送出する場合には、LAN用PD３８で変換した上り電気信号６３で上り用LDを変調することになる。本システムの特徴は、光ファイバのループを形成していることにある。その結果、発光素子は、１つあれば良くシステムの信頼性が向上するとともに、レーザに比べて低価格な面型変調器を使用することで、システムの価格も低価格なものにできる。また、発光素子としてはレーザだけでなくより安価な発光ダイオードも使用することが可能となる。これは、発光ダイオードの強度は、発光面積に比例しているためである。したがって、面積の大きい面型変調器を用いたほうがより強い強度の信号光を変調できるようになる。さらに、面型変調器は、コネクタタイプになっているため、素子の交換や追加が容易に行えると共に、故障モードの解析も容易となる。また、ループとなっているために、各コネクタ間の通信も容易に実現されるだけでなく、光スイッチなどは不要で、メディアコンバータの価格を低減できる。また、変調器は、表面あるいは裏面を電極で覆うことで、透過光を抑制する構造となっているために、ファイバは大口径のPOFファイバを使用することが可能となる。

（参考形態２）
本発明の参考形態２による変調器の構造図を図２に示す。以下、この素子構造と動作方法について説明する。

図２(a),(b)に示すように、本参考形態による変調器は基板１を備えている。基板１上には、ｎ型半導体層３３（以下、ｎ型層３３と略記する）が形成され、このｎ型層３３上に、ｐ型半導体層３１（以下、ｐ型層３１と略記する）と下部電極８とが形成されている。下部電極８は中央に円形の開口を有するようにして、ｎ型層３３上に形成されている。一方、ｐ型層３１は、下部電極８の開口の内径より少し小さい径の円形の平面形状を有し、該下部電極８の開口内に該開口と同軸状に形成されている。従って、ｐ型層３１と下部電極８との間には一定の隙間が形成されている。ｐ型層３１上にはアンテナ電極３２を介してｐ型半導体層４６（以下、ｐ型層４６と略記する）が配置されている。従って、ｐ型層３１とｐ型層４６との間には空隙１１１が形成されている。ｐ型層４６及びアンテナ電極３２はｐ型層３１と同一径の円形の平面形状を有し、ｐ型層３１と同軸状に配置されている。図２(d)に示すように、アンテナ電極３２は平面視において交点１０２が欠落した網状に形成されている。つまり、アンテナ電極３２は、網の仮想の交点１０２で互いに分離されたノード（導体片）１０１が、全体として網を形成するように配置されている。この網は、ここでは、正方形の網目を有しており、従って、ノード１０１は全体として格子形状をなすように配置されている。ノード１０１の幅Ｗ2は、信号光の波長をλとしたとき、λ/3程度となるように設定され、ノード１０１の幅方向の間隔Ｗ1はλ程度となるように設定される。信号光（入射光）の波長λは、ここでは１．５μｍである。

図２(a),(b)に示すように、ｐ型層４６上には上部電極７が形成されている。上部電極７は、ｐ型層４６と同一の外形を有する円形リング状の平面形状を有し、ｐ型層４６と同軸状に配置されている。そして、基板１、ｎ型層３３、ｐ型層３１、及びｐ型層４６は光透過性の材料で構成され、下部電極８及び上部電極７は光非透過性の材料で構成されている。そして、信号光が基板１の下面から入射しｐ型層４６の上面から出射する。

次に、以上のように構成された変調器の製造方法を説明する。

図２(a),(d)を参照して、まず、半絶縁性GaAs基板１上に、Siをドープしたｎ型GaAs層３３（２００ｎｍ厚）、ｐ型GaAs層３１（１０ｎｍ厚）をＭＯＶＰＥ法等によりエピタキシャル成長した。その後、図２(d)に示すようなアンテナ電極３２を形成した。アンテナ電極３２を構成する金属としては、Wを使用したが、高融点金属であればその限りではない。その後、別のGaAs基板上に成長したｐ型GaAs層４６を、ｐ型GaAs層４６とｐ型GaAs層３１の表面を密着させて水素を含む窒素雰囲気中で４００℃以上の温度に１分以上保持することにより、アンテナ電極３２を介して融着した。融着温度は通常の結晶の融着より低いが、これはWからなるアンテナ電極３２を介した融着であるために、金属の触媒反応により低温でも融着反応が生じたと考えられる。ここで、図２(a)に示すように、２層のｐ型層が空間１１１を有して離れている。その結果、アンテナ電極３２がアンテナとして機能する領域１１１では、屈折率ｎが１である空気中を光が伝播するために、電極間隔はλ/ｎであるところ、λでよくなるため、プロセスが容易になる。

次いで、SiO₂膜をマスクとして、短円筒状にｐ型層４６とｐ型層３１をエッチングした。これは、光が導波する円形受光領域を形成すると共に、ｐｎ接合２０４の界面の面積をなるべく小さくして、動作速度を高くするためである。最後に、ｐ型層４６上にCr/Pt/Auからなる上部電極７を、ｎ型層３３上にAu/Geからなる下部電極８をそれぞれ蒸着してリフトオフし、図２(a)に示す構造を得た。

次に、以上のように構成され製作された変調器の動作を説明する。

図２(ｃ)において、ｐ型層３１とｎ型層３３と間のｐｎ接合（以下、単にｐｎ接合という）２０４の両側には空乏層２０３が形成される。この空乏層２０３は上部電極７と下部電極８の間に電圧が印加されていない状態ではｐｎ接合２０４を挟むごく狭い領域（図示せず）に形成される。図２(d)を参照して、アンテナ電極３２では、この状態においては、各ノード１０１がｐ型層３１，４６を通じて互いに導通しているため、アンテナとして機能する。従って、基板１の下面から入射し、空隙１１１を通過しようとする信号光は、電磁波であることからアンテナ電極３２で反射される。このため、変調器の透過光量が減少する。

一方、上部電極７と下部電極８の間に、ｐｎ接合２０４が逆バイアスとなる電圧（以下、逆バイアス電圧という）が印加されると、ｐ型層３１及びｎ型層３３の、ｐｎ接合２０４の両側に位置する領域に空乏層２０３が広がる。ここで、GaAsからなるｎ型層３３は不純物濃度が１０¹⁸ｃｍ^-3となるようにドープされ、GaAsからなるｐ型層３１，４６は不純物濃度が２×１０¹⁷ｃｍ^-3となるようにドープされている。これにより、空乏層２０３は、不純物濃度が低いｐ型層３１，４６側に大きく広がる。従って、図２（c）にはｐ型層３１，４６側の空乏層２０３のみが示されている。この空乏層２０３はｐ型層３１からアンテナ電極３２を介してｐ型層４６に広がる。図２(d)を参照して、この状態では、アンテナ電極３２の各ノード１０１は、交点１０２が空乏化されて互いに導通しなくなるため、電磁波の位相に対して影響を及ぼせず、アンテナとして機能しなくなる。従って、空隙１１１を通過しようとする信号光を反射しなくなる。これにより、変調器の透過光量が増大する。

従って、このデバイスは、上部電極７と下部電極８との間の逆バイアス電圧をオン／オフすることにより、その信号光の透過光量が減少／増大し、変調器として機能する。

ここで、空乏層２０３は、２Vの逆バイアス電圧を印加するとｐｎ接合２０４から１００ｎｍの範囲まで広がり、それにより、図２(ｃ)に示すように、ｐ型層３１は完全に空乏化され、ｐ型層４６も部分的に空乏化される。従って、逆バイアス電圧は２Ｖ以上印加する必要がある。

以上説明したように、本参考形態による変調器は、電圧を印加しないときはOFF（反射）状態であり、２V以上の電圧を印加するとON（透過）する。つまり、OFF時には入射光を反射して出力光量を低下させるため、ON時には大きな出力強度が得られる。また、ON/OFFの際、この変調器では、空乏層２０３の動く早さだけが動作速度を決めるため、１０Gbps以上の動作速度が容易に実現される。

また、この変調器では、信号光の波長がアンテナ電極３２の幅方向の間隔Ｗ1＝λ以上の場合には、信号光はすべて反射されるため、波長に依存しない変調器が可能となる。

図１４(b)は、本参考形態の変形例を示す断面図である。

本参考形態では、自由電子による損失が存在しても構わない場合には、基板１として、半絶縁性GaAs基板に代えて、導電性基板、例えばｎ型GaAs基板を用いてもよい。この場合には、図１４(b)に示するように、基板１の裏面に下部電極８を設けることができる。

なお、本参考形態では、アンテナ電極３２を正方形の網目を有する網状としたが、網目は任意の形状とすることができる。

また、アンテナ電極３２の材料は、金属には限られず、導電性であればよい。例えば、不純物をドープして導電性を持たせた半導体でもよい。

また、アンテナ電極の周囲の媒質を空気ではなく、他の誘電体で構成してもよい。すなわち、図２(a)の空隙１１１に代えて誘電体層を設け、この誘電体層中にアンテナ電極３２が位置するようにしてもよい。この場合、アンテナ電極３２のノード間隔を広くするため、誘電体層の屈折率ｎは１に近いことが望ましい。

また、基板１は、例えばInPで構成してもよい。この場合には耐圧が高くなる。

また、基板１上にｐ型層を形成し、その上にアンテナ電極を含むｎ型層を形成してもよい。

また、ｐ型層３１とｐ型層４６とを一体とし、ｎ型層３３を厚み方向に２分割してそれらの間に空隙１１１とアンテナ電極３２とを設けてもよい。

（参考形態３）
本発明の参考形態３による変調器の構造図を図３(a)に示す。以下、この素子の製造方法と構造について説明する。入射光の波長は１．３μｍとした。図３(b)に示したように、半絶縁性GaAs基板１上に、ｎｉｐｉ構造を繰り返してＭＯＶＰＥ法等によりエピタキシャル成長した。このｎｉｐｉ構造は、Siをドープしたｎ型AlGaAs層１２（１０３ｎｍ厚）、１０層よりなるキャリアキラー用ドーパントを添加した半絶縁性GaAs/AlGaAs-MQW層（５ｎｍ＋５ｎｍ）１４、Mgをドープしたｐ型AlGaAs層１３（１０３ｎｍ厚）、半絶縁性MQW層１４を繰り返し成長したものである。ｎ型AlGaAs層１２とｐ型AlGaAs層１３のAl組成は、半絶縁性GaAs/AlGaAs-MQW層１４の平均Al組成と同一とした。AlGaAs層１３と半絶縁性MQW層１４の層厚の和はλ／２となるようにした。

その後、図３(ｃ)に示したように、両側面をエッチングにより除去する。さらに、図３(d)に示したように、それぞれの側面に、ｎ型ヘビードープ層４９、ｎ型ライトドープ層５０、ｐ型ライトドープ層５１、ｐ型ヘビードープ層５２を拡散あるいはイオン注入で形成した。その結果、ヘビードープ領域はそれぞれの導電型の領域であるｎ型領域４７とｐ型領域４８が形成された、また、ライトドープ領域では、ドーパントと同じ導電型のところはその導電型が維持される。導電型が逆の領域では、コドープとなり高抵抗領域（半絶縁性の接続領域２０１）となる。また、半絶縁性結晶のところは、キャリアキラー用ドーパントでキャリアが殺されるので、半絶縁性のままである。その結果、全てのｎ型層がｎ型領域に繋がり、全てのｐ型層がｐ型領域に繋がると共に、ｎ型層とｐ型層は、半絶縁性MQW層で分離絶縁されて、図３(a)の構造が出来上がる。

また、自由電子による損失が許容される状況では、導電性基板は、例えばｎ型GaAs基板を用いることが可能となる。その結果、図１４(ｃ)に示したように、基板裏面に円形の透過領域を有する下部電極を設けても良い。

動作方法について以下に示す。電圧を印加してない場合には、ｎ型AlGaAs層１２、ｐ型AlGaAs層１３、半絶縁性MQW層１４のいずれも、同じ平均Al組成になっているために、屈折率に変化はなく、光は同一の物質として捉えるため、反射されない。しかしながら、逆バイアス電圧をｎ型電極１５とｐ型電極１６との間に印加することで、半絶縁性MQW層１４に電界がかかり、量子閉じ込め効果により、半絶縁性MQW層１４の屈折率のみが大きくなり、周期構造が出現して、反射層として作用する。その結果、入射光が反射され、透過光が減少するために、外部変調器として動作する。この場合の動作原理は、半絶縁性MQW層１４での電界発生であり、光が吸収されるわけではないため、キャリアは生成されない。その結果、変調器のOFF時には入射光を反射して出力光量を低下させるため、ON時には大きな出力強度が得られる。また、空乏層の動きと同じスピードのデバイス動作速度すなわち、１０Gbps以上が実現される。

なお、ｎ型層１２及びｐ型層１３をInGaAsPで、半絶縁性MQW１４をInP/ InGaAsP−MQWで構成してもよい。この場合、ｎ型層１２、ｐ型層１３、及び半絶縁性MQW１４のGaAsの組成比を一定にする必要がある。また、GaとAsとの比を１：２とすることが必要である。

（参考形態４）
本発明の参考形態４による変調器の構造図を図４(a)に示す。以下、この素子の製造方法と構造について説明する。入射光の波長は１．３μｍとした。図４(a)に示したように、サファイア基板１上に、GaN低温バッファ層（図示せず）を成長した後、Siを2×10¹⁸cm^-3ドーピングしたｎ型GaN下部コンタクト層３（４μm厚）、Al_0.5Ga_0.5N/In_0.1Ga_0.9Nバンド間吸収層１７、Mgをドーピングしたｐ型GaN上部コンタクト層５（５００ｎｍ厚）をＭＯＶＰＥ法によりエピタキシャル成長した。このバンド間吸収層１７は、５層よりなり、Ｓｉを5×10¹⁸cm^-3ドーピングしたAlGaNバリア層（３ｎｍ厚）とＳｉを5×10¹⁷cm^-3ドーピングしたInGaN井戸層（２nm厚）を繰り返し成長したものである。その後、全面にＮｉ（５ｎｍ厚）／Ａｕ（１０ｎｍ厚）上部透明電極７を蒸着した後、SiO₂膜をマスクにして、上部透明電極７をスパッタした後、塩素系ドライエッチングで上部コンタクト層５、バンド間吸収層１７までをエッチング除去する。さらに、Al/Pt/Au下部電極８を蒸着して、図４(a)の構造を得る。

また、自由電子による損失が許容される状況では、導電性基板１として、例えばｎ型GaN基板あるいは、ｎ型SiC基板を用いることが、可能となる。その結果、図４(b)に示したように、基板裏面に下部電極８を設けても良い。

動作方法について示す。図４(ｃ)に示したように、電圧を印加していない状況において、伝導帯のバンド不連続量は１．５ｅＶ程度となる。このときの1次のエネルギー状態E1は、井戸層より０．３ｅＶ程度上部にある。ここで、井戸層のピエゾ電界は6.5MV/ｃｍ、バリア層のピエゾ電界は−6.5MV/ｃｍとした。2次のエネルギー状態E2は、井戸層より１．２ｅＶ上部にあるので、吸収される光の波長は１．３７μm程度となり、１．３μmの光が吸収される。一方、図４(d)に示したように、電極７・８間に５Vの電圧を印加すると、各井戸層に１Vの電界がかかり、等価的に井戸層の厚みが１／２となって、1次のエネルギー状態E1は０．４ｅＶとなる。また、2次のエネルギー状態E2は１．４Vとなってバリア層のレベル近くまで上昇する。その結果、吸収される光の波長は１．２４μm程度に短波長化して、１．３μmの波長の光は透過するようになる。ここで、電圧を印加しない場合も、バンド間エネルギー差は１．３７μmとなるが、バンドと共鳴しないために、吸収されない。したがって、電圧を２．５V印加して、バンド間エネルギーと光のエネルギーが同一になるようにすると、図１０(b)のように、１．３μmの光は井戸層において吸収されるようになる。この場合の変調光の強度は図１０(d)の点線（タイプB）で示したように変調されることになる。吸収スペクトルの半値幅は３０ｍｅＶ程度なので、２．５Vの電圧印加によるスペクトルシフトで充分な消光比が得られることになる。ここで、このバンド間吸収の場合にはキャリアが伝導帯内でエネルギーを失うために、キャリア寿命は非常に短くなり、電界吸収型の場合と異なり、高速の動作が可能となる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１による変調器の構造図を図５(a)に示す。以下、この素子の製造方法と構造について説明する。入射光の波長は１．３μｍとした。図１６(a)に示したように、半絶縁性ＩｎＰ基板１上に、Siをドーピングしたｎ型InP下部コンタクト層３（１００ｎｍ厚）、アンドープ空乏領域調整層７４、Znをドーピングしたｐ型ＩｎＰ上部コンタクト層５（１００ｎｍ厚）をＭＯＶＰＥ法等によりエピタキシャル成長した。空乏領域調整層７４は、5ペアーで、アンドープＩｎＰ層（10ｎｍ厚）とアンドープＩｎＧａＡｓＰ層（5ｎｍ厚）よりなる。その後、図１６(b)に示したように、SiO₂膜を堆積して、円形状にエッチングしてエッチングマスク５３とし、このエッチングマスクを用いて上部電極７より外側のＩｎＰ上部コンタクト層５を塩酸系エッチャントによりエッチング除去した後、硫酸系エッチャントで下部コンタクト層３までエッチングを行う。ここでも、参考形態１で説明したように、空乏領域調整層７４は選択的にエッチングされ、エッチングは下部コンタクト層３で停止する。その後、図１６(ｃ)に示したように、改めてSiO₂膜５４を堆積して、受光領域をエッチングするエッチングマスクとし、このエッチングマスクを用いて、塩酸系エッチャントで受光領域の上部コンタクト層をエッチング除去する。その後、図１６(d)に示したように、受光領域に直径２ｎｍの複数の金ドット１９を２００ｎｍ程度の間隔で配置し、上部はSiO₂で保護する。金ドット１９の形成方法を以下に示す。まず、受光領域のアンドープ空乏領域調整層の表面をシランカップリング材（APTES）等の５％溶液につける。その後、Auコロイド溶液を表面にたらして、１時間程度放置する。Auコロイド溶液を除去した後、水洗および乾燥を行って、１００℃でベークする。その後、表面の有機物を除去するために酸素プラズマで６０℃６０Wで１０分間クリーニングする。その後、３２０℃でSiO₂をプラズマCVDを用いて堆積した。今回は、２ｎｍの直径のAuドット１９を形成することにしたので、２．５×１０⁹ｃｍ²とするために、ｐＨを８から９とした。Auドット１９が５ｎｍの場合は、ｐＨは９から１０程度となる。表面の金ドット１９の間隔は、吸収する光の空乏領域調整層７４の内部の波長より短い間隔にする必要がある。ここでは、空乏領域調整層７４の屈折率を３．２として、金ドット１９の間隔が４００ｎｍ以下になるようにした。その後、上部電極７としてCr/Pt/Au電極を、下部電極８としてAu-Sn電極を蒸着し、リフトオフにより図１６(d)のように形成して図５(a)に示した構造を得た。

以下、この素子の動作方法について説明する。電圧を印加していない場合には、アンドープ空乏領域調整層７４は、10¹⁷cm^-3程度のｎ型を示しているため、プラズモンは形成されない。一方、空乏領域調整層７４に電圧を印加すると、空乏領域調整層７４は空乏化して、図５(ｃ)に示したように、空乏領域調整層７４の内部の金ドット１９に対応した領域にプラズモンが形成される。この、プラズモンが形成された場所（すなわち、プラズモン形成領域５８）では、屈折率が大きくなるために、屈折率変調周期に光が共鳴して吸収されることになる。

一方、基板１に導電性を持たせた場合には、図５(b)に示したように、多少価電子帯吸収や自由電子吸収があるものの、素子構造や製造方法は極めて簡単になる。アンドープ空乏領域調整層７４、Znをドーピングしたｐ型ＩｎＰ上部コンタクト層５（１００ｎｍ厚）をＭＯＶＰＥ法等によりエピタキシャル成長した。その後、図１６(b)に示したように、SiO₂膜を堆積して、円形状にエッチングしてエッチングマスク５３とし、このエッチングマスクを用いて上部電極７より外側のＩｎＰ上部コンタクト層５を塩酸系エッチャントによりエッチング除去した後、硫酸系エッチャントで基板１まで選択的にエッチングを行う。その後は、図１６と同様に工程を進め、最後に基板裏面に下部電極８を蒸着して、リフトオフすることで、下部電極８を形成する。動作方法は、図５(a)の構造と同様であるため、省略する。

（参考形態５）
本発明の参考形態５による変調器の構造図を図１５(a)に示す。以下、この素子の製造方法と構造について説明する。入射光の波長は１．３μｍとした。図１７(a)に示したように、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、直径２ｎｍの複数の下部金ドット１８を１０から３０ｎｍの間隔で堆積し、InP５９をスパッタによりλ／４の厚さである１００ｎｍ堆積する。再び下部金ドット１８’を堆積して、さらにλ／４の厚みにInP５９’をスパッタで堆積して図１７(b)を得る。ここで、2層のInP層は、意図的にドーピングは行ってないが、下部金ドット１８からのディスチャージを目的にしているために、いずれも５×１０¹⁷ｃｍ^-3程度のｎ型導電性を示す堆積条件とした。一方、図１７(ｃ)に示したように、別なＩｎＰ基板５８上に上部コンタクト層であるZnをドーピングしたｐ型InP層５（１００ｎｍ厚）と、アンドープ屈折率調整層４とを順に成長しておく。屈折率調整層４は、８周期のアンドープＩｎＰ層（１０ｎｍ厚）とアンドープＩｎＧａＡｓＰ層（１０ｎｍ厚）よりなる。その後、図１７(b)の基板上に図１７(ｃ)の基板を逆さにして接触させ、４００℃で水素含む雰囲気中で加熱して融着する。その結果、図１７(d)が得られる。基板５８をメカノケミカルポリッシュと塩素系エッチャントを用いたエッチングにより除去した後、図１７(e)に示したように、SiO₂膜５３を堆積して、円形状にエッチングしてエッチングマスクとし、このエッチングマスクを用いて上部電極７より外側のＩｎＰ上部コンタクト層５を塩酸系エッチャントによりエッチング除去した後、硫酸系エッチャントでアンドープＩｎＰ膜５９’までエッチングを行う。ここでも、参考形態１で説明したように、屈折率調整層４は選択的にエッチングされ、エッチングはアンドープＩｎＰ膜で停止する。その後、受光領域に上部金ドット１９を堆積し、アンドープＩｎＰ膜６０でカバーした。上部金ドット１９の形成方法は実施の形態１と同様であるが、表面の有機物を除去するために酸素プラズマで６０℃６０Wで１０分間クリーニングした後、室温でInPをスパッタで堆積した。今回は、２ｎｍの直径のAuドットを用いたので、２．５×１０¹¹ｃｍ²とするために、ｐＨを５から７とした。Auドットが５ｎｍの場合は、ｐＨは２から３程度となる。下部金ドット１８’と上部金ドット１９の間隔は３６０ｎｍとなり、１．３μｍの光に対応する。このアンドープＩｎＰ膜６０も、金ドットのディスチャージ用のために、５×１０¹⁷ｃｍ^-3程度のｎ型導電性を示す堆積条件としている。以上のようにして、図１５(a)の構造を得た。

以下、この素子の動作方法について説明する。ここでは、参考形態１で用いた反射層の代りに金ドット層１８・１９を用いる。金ドット層１８・１９はそれ自体に多くのキャリアを有すると共に、アンドープInP層内にも多くのプラズモンを形成する。その結果、参考形態１のように反射層を多数層重ねなくても充分な効果が得られる。すなわち、下段に２層、上段に１層の金ドット層１８・１９を形成することで、フォトニック結晶の効果が得られる。これは、複数の金ドット１８・１９がそれぞれ１０から３０ｎｍと非常に密に並んでいるために、３次元のフォトニック結晶となっているためである。電圧を印加していない場合には、屈折率調整層４の吸収端波長を１．２８μｍとしておく。

この場合の屈折率は３．２であった。１．３μｍの光に対する上下金ドット層１８・１９間の距離は１．１５μmとなり、光の波長λ＝１．３μmにならないために、光は金ドットで反射されて透過しない。一方、５V程度の逆バイアスを印加して、フランツケルディッシュ効果で吸収端を１．２９μｍまで長波長化することにより、ＩｎＧａＡｓＰ層の屈折率は５．０程度に増大する。その結果、金ドット層１８・１９間の多層膜のトータルの屈折率は３．６まで増加して、１．３μｍの光に対する距離が１．３μmとなって、金ドット１８・１９間に定在波が形成され光が透過するようになる。また、それ以上電圧を大きくすると金ドット１８・１９間の距離が波長より長くなりすぎて、光が反射されるようになる。この現象が、いわゆる３次元のフォトニックバンドギャップ現象ということになるので、波長範囲がブロードであり、スペクトルの広い発光ダイオードなどへの適応が可能となる。その結果、図１０(a)に示した透過特性が得られるようになり、図１０(ｃ)の信号で変調した光信号は図１０(d)の実線（タイプA）で描いた形状になる。

本発明に係る面型変調器は、光通信システム等に用いる光変調器として有用である。

本発明に係る面型変調器の製造方法は、光通信システム等に用いる光変調器の製造方法として有用である。

本発明の参考形態１における面型変調器の構造を示す図である。 本発明の参考形態２における面型変調器の構造を示す図である。 本発明の参考形態３における面型変調器の構造と製造方法を示す図である。 本発明の参考形態２における面型変調器の構造を示す図である。 本発明の実施の形態１における面型変調器の構造を示す図である。 本発明の面型変調器の実装方法を示す図である。 本発明の面型変調器の実装方法を示す図である。 本発明の面型変調器の実装方法を示す図である。 本発明の面型変調器を用いたシステムを示す図である。 本発明の参考形態４・５における面型変調器を用いた変調方式を示す図である。 本発明の参考形態１における面型変調器の変調原理を示す図である。 従来の面型変調器の構造を示す図である。 本発明の参考形態１における面型変調器の製造方法を示す図である。 本発明の参考形態１・２・３における面型変調器構造の変形例を示す図である。 本発明の参考形態５における面型変調器の構造を示す図である。 本発明の実施の形態１における面型変調器の製造方法を示す図である。 本発明の参考形態５における面型変調器の製造方法を示す図である。 本発明の面型変調器を用いた情報コンセントの構造を示す図である。

符号の説明

１ 基板
２ 下部反射層
３ 下部コンタクト層
４ 屈折率調整層
５ 上部コンタクト層
６ 上部反射層
７ 上部電極（上部透明電極）
８ 下部電極
９ 固定治具
１０ はんだ
１２ ｎ型層
１３ ｐ型層
１４ 半絶縁性ＭＱＷ
１５ ｎ型電極
１６ ｐ型電極
１７ バンド間吸収層
１８ 金ドット
１９ 上部金ドット層
２０ 面型変調器
２１ フォトダイオード
２２ 電子回路
２３ コネクタ
２４ 同軸ケーブル
２５ フェルール
２６，２６‘ ファイバ
３１ ｐ型層
３２ アンテナ電極
３３ ｎ型層
３４ 先球ファイバ
３５ 上り用ＬＤ
３６ 下り用ＬＤ
３７ ＬＡＮ用ＬＤ
３８ ＬＡＮ用ＰＤ
３９ メディアコンバータ
４０ ｎ側電極
４１ ｐ側電極
４２ 電極リボン
４３，４３‘ レンズ
４４ 導波路型変調器
４５ 変調器モジュール
４６ ｐ型層
４７ ｎ型領域
４８ ｐ型領域
４９ ｎ型ヘビードープ層
５０ ｎ型ライトドープ層
５１ ｐ型ライトドープ層
５２ ｐ型ヘビードープ層
５３，５４ SiO_２膜
５５ 透明電極
５６ SiN膜
５７ SiO_２膜
５８ 基板
５９，５９’，６０ アンドープInP膜
６１ ディスチャージ電極
６２ 下り電気信号
６３ 上り電気信号
６４ 電気信号ＬＡＮ
６５ 信号用グランド
６６ 信号ライン
６７ 情報ライン
６８ 電源ライン
６９ 面型変調器
７１ 情報プラグ
７２ シールド
７４ 空乏領域調整層
１１１ 空隙
１０１ ノード（導体片）
１０２ 交点
２０１ アクセス系ファイバ
２０３ 空乏層
２０４ ｐｎ接合
２０５ 情報コンセント

Claims (12)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に設けられ、組成の異なる複数の半導体層からなる量子井戸構造を有する空乏領域調整層と、
   前記空乏領域調整層の上面に設けられた複数の金ドットからなる上部金ドット層と、
   前記空乏領域調整層の下面に電気的に接続された下部電極と、
   前記空乏領域調整層の上面に電気的に接続された上部電極とを備え、
   前記複数の金ドットの間隔は、吸収する光の前記空乏領域調整層の内部の波長より短く、
   前記下部電極と前記上部電極との間に電圧を印加していない場合には、前記空乏領域調整層が空乏化されておらず、前記上部金ドット層から入射してきた光が透過し、
   前記下部電極と前記上部電極との間に電圧を印加した場合には、前記上部金ドット層から入射してきた光が前記空乏領域調整層において吸収される、面型光変調器。
2. 前記下部電極と前記上部電極との間に電圧を印加した場合には、前記各金ドットに対応する前記空乏領域調整層の内部の領域が空乏化する、請求項１に記載の面型光変調器。
3. 前記空乏化した領域にプラズモンが形成されている、請求項２に記載の面型光変調器。
4. 前記量子井戸構造が、複数のＩｎＰ層と複数のＩｎＧａＡｓＰ層とを交互に積層してなる、請求項１に記載の面型光変調器。
5. 前記上部金ドット層の上部に、ＳｉＯ₂からなる保護層が形成されている、請求項１に記載の面型光変調器。
6. 前記各金ドット間の間隔が４００ｎｍ以下である、請求項１に記載の面型光変調器。
7. 前記基板がＩｎＰからなる、請求項１に記載の面型光変調器。
8. 前記基板と前記下部電極との間に下部コンタクト層が挟まれている、請求項１に記載の面型光変調器。
9. 前記基板と前記空乏領域調整層との間に下部コンタクト層が挟まれている、請求項１に記載の面型光変調器。
10. 前記基板が導電性を有しており、
    前記下部電極は前記基板を前記空乏領域調整層との間に挟むように形成されている、請求項１に記載の面型光変調器。
11. 前記空乏領域調整層と前記上部電極との間に上部コンタクト層が挟まれている、請求項１に記載の面型光変調器。
12. 前記空乏領域調整層がｎ型不純物を含有する、請求項１に記載の面型光変調器。

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