JP4656459B2 - 半導体光機能装置および半導体光機能素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，光通信および光信号処理システムに有用な，電気―光変換を行う半導体光機能装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムの構築には，光導波路構造を有し，電気―光変換を行う半導体光機能装置が有用である。それらは一般に，半導体基板上に，第一導電型半導体層，光導波層，第二導電型半導体層が積層されたＰ−ｉ−Ｎヘテロ接合構造で構成されており，第一導電型半導体層と第二導電型半導体層に接続された電極を通して光導波層（ｉ層）に逆バイアス電圧を印加してフォトキャリアの掃き出しを行うようになっている。
【０００３】
Ｍ．ＩＳＨＩＫＡＷＡらによる文献「Ｔｈｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａ １０ Ｇｂ／ｓ Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＤＦＢ Ｌａｓｅｒ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｏｆｆｓｅｔ Ｂｉａｓ Ｃｈｉｒｐ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ」 （ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．９，Ｎｏ．１２，ｐｐ．１６２８−１６３０，１９９７）によれば，上記構造を有し，ｉ層に印加される逆バイアス電圧で光の吸収係数を変化させる，いわゆる電界吸収型光強度変調器を作製し，電気―光変換装置として用いている。そして，この光強度変調器と半導体レーザを同一基板上に形成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光変調器の透過率の電圧依存性は，線形であることが好ましい。しかしながら，上記のような光変調器の透過率の電圧依存性は，指数関数的に変化する。このため，デジタル変調時においては，ランダムなデジタル光変調の際に波形（アイパターン）のクロスポイントがＬｏｗレベル側にシフトする。これによって伝送誤り率特性において，「０」と「１」の判定レベルの最適点がＬｏｗレベル側にシフトすることになり，Ｑファクターが劣化するという問題があった。
【０００５】
アナログ変調時においては，透過率の電圧依存性が指数関数的であるため，多チャンネルのアナログ変調時に発生する相互変調歪み成分が大きいという問題があった。相互変調歪み成分が大きいと，チャンネル間クロストークが起こり，好ましくない。
【０００６】
また，デジタル変調，アナログ変調時両方において，透過率の電圧依存性とは別に，許容光入力パワー（ハンドリングパワー）に関する問題があった。すなわち，Ｓ／Ｎ比やリンクゲインの向上のため，光強度変調器に数十ミリワット級以上の光パワーを入力する必要があるが，吸収飽和が生じて変調効率や相互変調歪特性が劣化するなどの問題があった。
【０００７】
本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，電圧変化時の透過率曲線の線形性を改善し，許容光入力パワーを大きくすることが可能な半導体光機能装置および半導体光機能素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，半導体基板上のｐ層とｎ層の間に形成された光吸収層を持つ半導体光機能素子であって，互いに異なるバンドギャップを持つ領域が少なくとも２つ集積され，マルチモード干渉器を構成する上記光吸収層と，上記光吸収層の少なくとも２つの領域を含む光変調器領域に同時に電気信号を入力するための電極と，光の入出力面とを有することを特徴とする半導体光機能素子が提供される。これにより，同一の半導体基板上に複数の光変調器領域を集積化できるので，同一電極から電圧を印加でき，位相調整器が不要になる。また，変調器間結合損失は短面結合損失に比べて小さいので，電気―光変換効率も向上する。さらに，装置の小型化が可能になり，低コスト化も達成できる。また，マルチモード干渉器中での光パワー密度を十分に小さくすることが可能なので，リンクゲインを改善することができる。
【００１３】
さらに，本発明の別の観点によれば，半導体基板上のｐ層とｎ層の間に形成された光吸収層を持つ半導体光機能素子であって，バンドギャップが連続的に変化する領域を少なくとも１つ有し，マルチモード干渉器を構成する上記光吸収層と，上記光吸収層の少なくとも１つの領域を含む光変調器領域に同時に電気信号を入力するための電極と，光の入出力面とを有することを特徴とする半導体光機能素子が提供される。これにより，結晶成長工程を減らすことができる。また，異なる吸収層の接続部で生じていた散乱光や結晶欠陥の発生を抑えることができる。また，マルチモード干渉器中での光パワー密度を十分に小さくすることが可能なので，リンクゲインを改善することができる。
【００１４】
その際に，光吸収層のバンドギャップ波長の最大値と最小値の差が２０ｎｍ以上であるとすることが好ましく，これにより，トータルの光変調特性を改善することができる。さらに，異なるバンドギャップをもつ複数の領域を成長面に対し垂直方向に積層したり，あるいは，成長面内方向に成長して形成してもよい。また，異なるバンドギャップをもつ複数の領域が成長面に対し垂直方向に積層され，かつ，成長面内方向にも異なるバンドギャップをもつ複数の領域が成長されているようにしてもよい。
【００１５】
さらに，ある特定の特性インピーダンスに整合する給電ラインを有するようにすれば，マルチモード干渉器の設計と高周波給電の設計とを分離することが可能になり，応答速度の改善が実現できる。
【００１６】
さらに，本発明の別の観点によれば，上記素子を用いた半導体光機能装置が提供される。そして，上記装置は同一基板上に光機能素子（半導体レーザ，半導体光増幅器，半導体過飽和吸収器，半導体モード変換器，もしくはフォトダイオードなど）または電気素子（駆動電気回路もしくは電気フィルタなど）を集積化した半導体光機能装置に適用可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下，図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は，本発明の第１の実施の形態に係る基本構成を示すブロック図である。図１（ａ）は，個別の２つの半導体光強度変調器１０ａ，１０ｂを光学的に縦続接続した例を示す。図１（ｂ）は，ｎ個の半導体光強度変調器１０ａ，…１０ｎを光学的に縦続接続した例を示す。図１（ｃ）は個別の２つの半導体光強度変調器１０ａ，１０ｂ，光分波器１２０，光合波器１３０を光学的に並列接続した例を示す。図１（ｄ）はｎ個の半導体光強度変調器１０ａ，…，１０ｉ，…，１０ｎ，光分波器１２０，光合波器１３０を光学的に並列接続した例を示す。光学的な接続は，光ファイバや光導波路等を用いて行うことができる。
【００１８】
以下，図１（ａ）に示す個別の２つの半導体光強度変調器が縦続接続された構成を例にとり説明する。用いる２つの半導体光強度変調器は，区別するために以下では，第１変調器，第２変調器と記述することにする。例として，第１変調器，第２変調器ともに，光導波路型の素子であり，電界吸収型光変調器（以下，ＥＡ変調器と称する）である場合について述べる。第１変調器は，ＩｎＧａＡｓＰウエル／ＩｎＧａＡｓＰバリアの多重量子井戸型光変調器を有し，そのバンドギャップ波長は１．５１ミクロンとする。第２変調器は，ＩｎＧａＡｓＰバルク吸収層を有し，そのバンドギャップ波長は１．５０ミクロンとする。
【００１９】
２つの変調器ともに，光導波路型の素子であり，縦続接続の場合の透過率について考察する。第１変調器の片端面当たりの導波路結合効率をη１とし，導波路内部の光閉じ込め係数をΓ１，印加電圧に対する光吸収層の光吸収係数をα１（Ｖ），光吸収層の長さをＬ１とすると，第１変調器の透過率Ｔ１は次式で表される。
Ｔ１＝η１ ２ｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１｝
同様に第２変調器の片端面当たりの導波路結合効率をη２とし，導波路内部の光閉じ込め係数をΓ２，印加電圧に対する光吸収層の光吸収係数をα２（Ｖ），光吸収層の長さをＬ２とすると，第２変調器の透過率Ｔ２は次式で表される。
Ｔ２＝η２ ２ｅｘｐ｛−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
縦続接続の場合の透過率Ｔ０はそれぞれの透過率の積であるから，Ｔ０は以下のように表される。
Ｔ０＝Ｔ１×Ｔ２
＝η１ ２ｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１｝×η２ ２ｅｘｐ｛−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
＝（η１η２）２ｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
ここで，端面結合損失を考慮せず，導波路内部の損失のみを考慮した場合の透過率をＴとすると，以下の様に表される。
Ｔ＝ｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
【００２０】
図２は，前述の２つの変調器およびそれらを縦続接続した本実施の形態を実際に作製したときの規格化透過率の印加電圧依存性を示す図である。細線は第１変調器に関し，点線は第２変調器に関するものである。図に示すように，第１変調器と第２変調器の透過率曲線は少なくとも１つの交点を有するように設定してあり，ここでは，電圧約１．３Ｖで交差している。第１変調器の透過率曲線は，低電圧領域では上に凸，高電圧領域では下に凸となっている。第２変調器の透過率曲線は，全電圧領域で下に凸の指数関数的単調減少を示している。
【００２１】
図２の太線は，上述の第１変調器と第２変調器を縦続接続した本実施の形態に関するものである。本実施の形態の透過率曲線は，低電圧領域では主として第２変調器，高電圧領域では主として第１変調器の透過率に依存していることがわかる。
【００２２】
図３，図４，図５はそれぞれ，第１変調器，第２変調器，本実施の形態の透過率曲線と，その１次導関数と３次導関数である。１次導関数は，電気―光変換効率を表す１つの指数であり，絶対値が大きい程良い。また，その値が広い電圧領域で得られるかどうかが，線形性を表す指標となる。一方，３次導関数は，相互変調歪みの大きさを表す一つの指数であり，小さいほど良い。なお一般に，個別の変調器で，広い電圧領域で１次導関数の値を大きくし，かつ，３次導関数の値を小さくすることは，非常に困難とされている。
【００２３】
図３において，第１変調器の３次導関数が”０”をよぎる電圧では，１次導関数がその最大値の半分程度になっている。つまり，相互変調歪みを抑制する電圧にバイアスした場合には，電気―光変換効率が大きく劣化することを意味している。図４において，第２変調器の３次導関数が”０”をよぎる電圧は無い。
【００２４】
図５において，本実施の形態の１次導関数の値は，電圧が０〜１．５Ｖの範囲では，大きく変動せず−０．５〜−０．６５Ｖ‐１が得られている。これは，線形な変調領域が拡大されていることを示す。また，３次導関数の値が”０”をよぎる電圧（約０．６Ｖ）では，１次導関数は−０．５Ｖ‐１である。これは，アナログ変調において電気―光変換効率の劣化を抑制して，なおかつ３次の内部相互変調歪みを小さくすることが可能であることを意味している。このように，二つの変調器を組み合わせることにより，トータルの変調特性を改善できる。以上は，透過率曲線の線形性の改善についての説明である。
【００２５】
一方，上述の第２変調器は０Ｖ付近のアルファパラメータ（ＦＭ変調とＡＭ変調の比を表すパラメータ）を”０”付近に設定できる。また，第１変調器は深いバイアス電圧で負のアルファパラメータを実現できるので，”Ｈｉｇｈ”レベルから”Ｌｏｗ”レベルに渡って負のアルファパラメータが期待でき，デジタル方式での光伝送距離を大幅に拡大できるものと考えられる。さらに，上述のように線形性が向上されているので，アイパターンのクロスポイントを”Ｈｉｇｈ”レベルと”Ｌｏｗ“レベルの中間に保つことができ，Ｑファクターの向上も期待できる。なお，本実施の形態では，個別の変調器に印加する電圧の位相を一致させるために，電気的な位相調整器を用いて位相調整を行った。
【００２６】
以上より，本実施の形態によれば，バンドギャップが異なり，その透過率曲線が交点を有するような２つの変調器を接続することにより，透過率曲線の線形性が改善できる。アナログ変調方式に本装置を適用した場合には，相互変調歪みの小さい変調が可能となり，結果としてチャンネル問クロストークを減少させることができ，チャンネル数の増加，周波数の利用効率の向上を実現できる。また，デジタル変調方式に本装置を適用した場合には，”Ｈｉｇｈ”レベルから，Ｌｏｗ”レベルに渡って負のアルファパラメータが期待でき，デジタルブ式での光伝送距離を大幅に拡大できるものと考えられる。上記効果に加えて，アイパターンのクロスポイントを”Ｈｉｇｈ”レベルと”Ｌｏｗ”レベルの中間に保つことができ，Ｑファクターの向上の実現も期待できる。
【００２７】
第１の実施の形態では，２つの光強度変調器へ印加する電気信号の位相を，電気位相器により調整する必要があり，長期的な安定動作などに問題がある。また，装置自体が大がかりになる，低コストの実現が難しいなどの問題がある。以下に述べる第２の実施の形態では，このような問題点を解決することを目的としたものである。
【００２８】
第２の実施の形態では，同一の半導体基板上に第１変調器領域と第２変調器領域を集積化する。本実施の形態において，通常の電界吸収型光変調器と異なる基本構成要素は，第１光吸収層２０ａを含む第１変調器領域２１０，第２光吸収層２０ｂを含む第２変調器領域２２０，第１変調器領域２１０と第２変調器領域２２０に電気信号を印加するための共通電極２３０である。第１，第２変調器領域２１０，２２０を結晶成長面内方向に集積化し，共通電極２３０を両領域にまたがせて形成した例の構造の斜視図を図６（ａ）に示す。また，光吸収層近傍の導波路方向の部分断面図を図６（ｂ）に示す。
【００２９】
実際に作製した本実施の形態は，第１の実施の形態の個別の変調器と同一の構造を有しており，第１変調器領域２１０はＩｎＧａＡｓＰウエル／ＩｎＧａＡｓＰバリアの多重量子井戸型光変調器（バンドギャップ波長１．５１ミクロン）を用い，第２変調器領域２２０はＩｎＧａＡｓＰバルク吸収層（バンドギャップ波長１．５０ミクロン）を有している。コア層である第１，第２光吸収層２０ａ，２０ｂは，ｐ−ＩｎＰからなる上側クラッド層２４０とｎ‐ＩｎＰからなる下側クラッド層２５０の間に形成されている。また，水平方向の光の綴じ込めと電界の狭窄のための横側クラッド層２６０にはポリイミドを用いている。導波路方向に垂直な側面には反射防止のためのＡＲ層２９０を設けている。また，基板２７０には，下側クラッド層２５０と同じｎ‐ＩｎＰウエハを用い，その下側の面に接地側の電極２８０を形成する。
【００３０】
同一基板上に集積化していることから，２つの変調器領域の電極を共通にすることが可能となる。従って，一つの給電ラインから電気信号を印加することが可能となり，第１の実施の形態で必要であった位相調整器が不要となる。
【００３１】
また，同一基板上に縦続接続で集積化した場合には，透過率Ｔ。は，第１の実施の形態の場合に似て，以下の様に表される。
Ｔ０＝Ｔ１×Ｔ２
＝η１ｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１｝×Ｃ×η２ｅｘｐ｛−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
＝Ｃη１η２ｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
なお，Ｃは，第１変調器と第２変調器の間の光結合損失（変調器間結合損失）である。そして，規格化透過率Ｔは以下の様に表される。
Ｔ＝Ｃｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
通常，変調器間結合損失Ｃは端面結合損失に比べて小さいために，透過率の大きさそのものは約１／（η１η２）分だけ大きくなる。従って，電気―光変換効率が向上する。なお，本実施の形態の透過率は，二つの領域の透過率の積で決まり，その光入力方向に対する順番には依存しない。
【００３２】
以上より，本実施の形態によれば，同一基板上に２つの変調器領域を集積化したので，第１の実施の形態に比べ，以下の点において優れた効果を有する。耐環境性に強い安定した光変調が実現でき，かつ，低コスト，小寸法を実現することが可能となる。また，電気―光変換効率も向上する。さらに，位相調整器が不要になり，同一電極から電圧を印加できるので，周波数特性が向上する。
【００３３】
第２の実施の形態では，二つの光強度変調器領域が異なる構造の光吸収層を持つために，結晶成長回数が多くなる。また，二つの異なる吸収層の接続部では散乱・残留反射が生じる。これは，アナログ光変調においては干渉雑音を増加させ，デジタル光変調においてはＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ−ｔｏ−Ｚｅｒｏ）光パルス列の間に別のＲＺ光パルス列をインターリーブする光ＭＵＸ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）動作で生じる干渉揺らぎ等を引き起こす原因となる。また，二つの異なる吸収層の接続部では結晶欠陥などが生じる可能性も有る。これは，長期的にみて信頼性の劣化原因になりうる。以下に述べる第３の実施の形態では，このような問題点を解決することを目的としたものである。
【００３４】
第３の実施の形態では，同一の半導体基板上に，異なるバンドギャップを有する光吸収層を一括成長し，再成長による結合箇所が無い変調器領域を有するようにする。すなわち，本実施の形態において，通常の電界吸収型光変調器と異なる基本構成要素は，バンドギャップが連続的に変化する光吸収層，前記光吸収層に電気信号を印加するための共通電極である。バンドギャップが連続的に変化するように形成するには，領域選択成長法により，吸収層を成長させればよく，これは周知の技術である。光吸収層を結晶成長面内方向に形成し，共通電極を全光領域にまたがせて形成した例の構造の斜視図を図７（ａ），図８（ａ）に，それらの光吸収層近傍の導波路方向の部分断面図を図７（ｂ），図８（ｂ）に示す。
【００３５】
図７，図８において，図６と同一もしくは類似の部分は同一符号をつけることにより重複説明を省略する。図７は，バンドギャップが連続的に変化し，それが単調増加あるいは単調減少である場合の光吸収層３０ａを有する例を示す。図８は，バンドギャップが連続的に変化し，１つの光吸収層内で増加と減少の両方が起こる場合の光吸収層３０ｂを有する例を示す。
【００３６】
本実施の形態では，吸収層のバンドギャップや厚さが連続的に変化しているので，光が導波路内を伝搬する間に，その導波モードの形状が急激に変化することはない。よって，モード変換時の散乱，反射がほとんど生じない。さらに，第２の実施の形態で考慮した二つの変調器領域の結合部での損失Ｃを，ほとんど無視できるくらいに小さくすることが可能となる。従って，本実施の形態の透遇率は，
Ｔ０＝Ｔ１×Ｔ２
＝η１ｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１｝×η２ｅｘｐ｛−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
＝η１η２ｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
そして，規格化透過率Ｔは以下の様に表される。
Ｔ＝ｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
従って，第２の実施の形態に比べ，透過率は１／Ｃ分だけ大きくなる。よって，電気―光変換効率が向上する。
【００３７】
以上より，本実施の形態によれば，バンドギャップが連続的に変化する光吸収層を採用したので，選択的エッチング工程，および１回分の結晶成長工程を減らすことができ，作製工程が簡略化できる。異なる吸収層の接続部で生じていた不要な散乱光が発生しないので，モジュール化の歩留まりを改善できる。また，異なる吸収層の接続部で発生していた結晶欠陥の可能性もなくなり，素子の長期的信頼性が向上する。本素子をシステムに用いた場合，アナログ光変調で問題となる干渉雑音や，デジタル光変調における光ＭＵＸ動作で生じる干渉揺らぎ等をなくすことが可能となり，高品質の光伝送が実現できる。
【００３８】
次に，第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は，課題の項で述べた光強度変調器の許容光入力パワーに関する問題について，その解決方法を提供するものである。本実施の形態は，ＥＡ変調器自体がマルチモ一ド干渉器（以下，ＭＭＩと称する）を構成するものである。
【００３９】
通常，ＭＭＩは通常１：ＮやＮ：１の光分波器，光合波器として用いたり，あるいは光の波長により分岐先を変えたいときなどに用いる。すなわち，受動的な素子として用いられている。一方，本実施の形態では，ＭＭＩをＥＡ変調器のような能動的な素子として活用するものである。
【００４０】
図９にさまざまな光吸収層から構成されるＭＭＩを示す。図９（ａ）は，ＭＭＩを構成する光吸収層が単一のバンドギャップを持つ場合を示し，図９（ｂ），（ｃ）は，それぞれ２つの異なるバンドギャップ，３つの異なるバンドギャップを持つ光吸収層の場合を示す。図９（ｄ），（ｅ）は連続的に変化するバンドギャップを持つ光吸収層の場合を示す。
【００４１】
以上，本実施の形態によれば，ＭＭＩ中での光パワー密度を十分に小さくすることが可能であり，従って，許容光入力パワーを大きくすることが可能となる。よって，本実施の形態をアナログ方式の電気―光変換器として用いると，光源の光パワーを１００ｍＷ以上に大きくすることが可能となり，結果として，リンクゲインを大幅に（２０ｄＢ以上）改善することができる。
【００４２】
第４の実施の形態では，ＥＡ変調器自体をＭＭＩにしている。この場合，ｐ−ｎ接含面の面積が極めて大きくなるため，そのキャパシタンスが増加し，結果として，変調速度の劣化が予想される。以下に述べる第５の実施の形態では，このような応答速度の改善を目的としたものである。
【００４３】
図１０に示す第５の実施の形態では，第４の実施の形態同様にＭＭＩ自体を光強度変調器として用い，ＭＭＩの上に直接インピーダンス整合した給電線，すなわちＳｌＧ．ライン５１０，ＧＮＤライン５２０を設ける。そして，給電線を通した給電の方向を，光の進行方向と一致させ，かつ，光と電気の実効的な速度を一致させたいわゆる進行波型電極を設ける。なお，コプレーナ型，ストリップライン型およびその他の給電線のタイプに適用可能であるが，電気力線がＭＭＩの断面を上下に通過する様に，ＳｌＧ．ライン５１０，ＧＮＤライン５２０の配置を考慮する。
【００４４】
ＥＡ変調器自体をＭＭＩにした場合には，前述のようにキャパシタンスの増加により，変調速度の劣化が予想される。しかし，本実施の形態では，光と電気の実効的な速度を一致させた進行波型電極となっているので，キャパシタンスに依存しない高速動作を実現できる。しかも，その進行波電極のＳｌＧ．ラインの幅を広く設定できるので，マイクロ波損失の過剰増加を抑制することが可能となる。
【００４５】
本実施の形態によれば，第４実施の形態で述べた効果に加えて，以下の効果が期待できる。すなわち，ＭＭＩの設計と高周波給電の設計とを分離することが可能となり，ＭＭＩ−ＥＡ変調器の接合容量に依存しない応答速度を実現できる。また，通常のＥＡ変調器の光導波路上に進行波型電極を形成する場合に比べて，本実施の形態では，ＳｌＧ．ラインの幅を広く設計できるので，マイクロ波損失が小さく抑えられ，従って，給電ライン自体の広帯域化も実現できる。
【００４６】
以上，本発明にかかる好適な実施の形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４７】
例えば，本発明の第１，第２実施の形態では，第１変調器は多重量子井戸層を有し，第２変調器はバルク吸収層を有する場合について述べたが，これに限定するものではなく，バンドギャップ波長も上述の値に限定するものではない。第１，第２変調器の光吸収層がともに多重量子井戸層，あるいはバルク吸収層であってもよく，その場合は，両者の光吸収層のバンドギャップ波長の差が２０ｎｍ以上有するように設定すれば，第１，第２変調器の透過率曲線が異なり，上述と同様の効果が得られる。
【００４８】
第２，第３の実施の形態では，２つの変調器領域を有する場合について述べたが，当然のことながら，さらに多数の変調器領域を有する場合にも適用できる。また，本発明の第２実施の形態によれば，一方の変調器もしくは，両方の変調器の領域を，バンドギャップが連続的に変化する光吸収層に替えることが可能であることはいうまでもない。そのいくつかのバリエーションの導波路方向の部分断面図を図１１に示す。
【００４９】
図１１（ａ），（ｂ）は，２つの変調器領域を有し，そのうちの一方は単一バンドギャップをもつ光吸収層２０ｃ，２０ｄ，他方はバンドギャップが連続的に変化する光吸収層３０ｃ，３０ｄを有する場合を示す。図１１（ｃ），（ｄ）は，３つの変調器領域を有し，そのうちの１つは単一バンドギャップをもつ吸収層２０ｅ，２０ｆ，残り２つはバンドギャップが連続的に変化する光吸収層３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｈを有する場合を示す。図１１（ｅ）は，２０ｇ，２０ｈ，…，２０ｎの複数個の変調器領域を有する場合を示す。
【００５０】
本発明の第２，第３実施の形態では，異なるバンドギャップをもつ光吸収層が成長面と垂直方向に積層されていてもよい。また，異なるバンドギャップをもつ光吸収層が成長面内方向に成長されていてもよい。あるいは，前記光吸収層自体が積層方向に複数の異なるバンドギャップを持ち，かつ，成長面内方向にも複数の異なる構造の光吸収層が形成されていてもよい。
【００５１】
また，第５実施の形態で述べたインピーダンス整合した給電線については，第１から第３に示した構造の変調器に適用できることは明らかである。
【００５２】
また，本発明の第１から第５の実施の形態は，光変調器に，ハイブリッドにもしくはモノリシックに，他の半導体素子（たとえば，半導体レーザ，半導体光増幅器，半導体過飽和吸収器，半導体モード変換器，フォトダイオードなどの光機能素子や，あるいは駆動電気回路や電気フィルタなどの電気素子）を適切な組み合わせで集積化したものを実現した素子についても適用できる。特に，同一基板上に半導体レーザ（以下，ＬＤと称する），もしくは半導体光増幅器（以下，ＳＯＡと称する）を集積化する可能性は非常に高い。その場合の斜視図を図１２に，その導波路方向の部分断面図を図１３に示す。なお，図１３は，光変調器領域の光吸収層と，ＬＤｏｒＳＯＡ領域の活性層のバリエーションを示したものである。
【００５３】
図１２では，第１変調器領域６１０，第２変調器領域６２０，電気的アイソレーション領域６３０，ＬＤｏｒＳＯＡ領域６４０が同一基板上に集積化されている。図１３（ａ）では，第２変調器領域，電気的アイソレーション領域，ＬＤｏｒＳＯＡ領域全てを一括成長して形成できる。図１３（ｂ）は各々分割成長で形成する例を示す。図１３（ｃ）では，第１変調器領域，電気的アイソレーション領域，ＬＤｏｒＳＯＡ領域全てを一括成長して形成できる。図１３（ｄ）では，全領域を一括成長して形成できる。
【００５４】
上記本実施の形態では，半導体の材科はＩｎＰとして説明しているが，ＧａＡｓ等の他の材料でも良い。また，本実施の形態では，光導波層がＩｎＧａＡｓＰ系の結晶であるとしたが，他にＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系の結晶を用いても実現可能である。
【００５５】
また，上記本実施の形態では，電気的絶縁層をポリイミドとしたが，他の有機絶縁材科や，Ｆｅ‐ＩｎＰやＵｎ‐ｄｏｐｅｄＩｎＰなどの電気的絶縁性の高い半導体層，あるいは，Ａ１２０３，ＳｉＯ２，ＳｉＮなどの誘電体，あるいは，それらの適切な組み合わせを用いても何ら差し支えない。
【００５６】
本実施の形態では，電圧印加によって導波層の主に複素屈折率の虚部（吸収係数）を制御する電界吸収型光強度変調器を例に説明したが，本発明の構造あるいは構成が，電界印加によって主に複素屈折率の実部（屈折率）を変え，それにより光の位相に変調をかける光位相変調器やマッハツェンダ干渉計を構成した光強度変調器にも適用できることは明らかである。
【００５７】
【発明の効果】
以上，詳細に説明したように本発明によれば，電圧変化時の透過率曲線の線形性を改善し，許容光入力パワーを大きくすることが可能な半導体光機能装置および半導体光機能素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係る基本構成を示すブロック図である。
【図２】 本発明の第１の実施の形態に係る透過率の印加電圧依存性を示す図である。
【図３】 図２の第１変調器の透過率とその導関数の印加電圧依存性を示す図である。
【図４】 図２の第２変調器の透過率とその導関数の印加電圧依存性を示す図である。
【図５】 図２の第１の実施の形態の透過率とその導関数の印加電圧依存性を示す図である。
【図６】 本発明の第２の実施の形態に係る素子の斜視図と部分断面図である。
【図７】 本発明の第３の実施の形態に係る素子の斜視図と部分断面図である。
【図８】 本発明の第３の実施の形態に係る素子の斜視図と部分断面図である。
【図９】 本発明の第４の実施の形態に係るマルチモード干渉器の構成例を示す図である。
【図１０】 本発明の第５の実施の形態に係る素子の概略構造図である。
【図１１】 図6の素子の光吸収層の変形例を示す部分断面図である。
【図１２】 本発明を集積化素子に適用した例の斜視図である。
【図１３】 図１２の素子の変形例を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１０ａ，１０ｂ，１０ｉ，１０ｎ 半導体光強度変調器
２０ａ 第１光吸収層
２０ｂ 第２光吸収層
３０ａ，３０ｂ 光吸収層
１２０ 光分波器
１３０ 光合波器
２１０ 第１変調器領域
２２０ 第２変調器領域
２３０ 共通電極
４１０ マルチモ一ド干渉器領域
５１０ ＳｌＧ．ライン
５２０ ＧＮＤライン
６１０ 第１変調器領域
６２０ 第２変調器領域
６３０ 電気的アイソレーション領域
６４０ ＬＤｏｒＳＯＡ領域
【発明の属する技術分野】
本発明は，光通信および光信号処理システムに有用な，電気―光変換を行う半導体光機能装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムの構築には，光導波路構造を有し，電気―光変換を行う半導体光機能装置が有用である。それらは一般に，半導体基板上に，第一導電型半導体層，光導波層，第二導電型半導体層が積層されたＰ−ｉ−Ｎヘテロ接合構造で構成されており，第一導電型半導体層と第二導電型半導体層に接続された電極を通して光導波層（ｉ層）に逆バイアス電圧を印加してフォトキャリアの掃き出しを行うようになっている。
【０００３】
Ｍ．ＩＳＨＩＫＡＷＡらによる文献「Ｔｈｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａ １０ Ｇｂ／ｓ Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＤＦＢ Ｌａｓｅｒ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｏｆｆｓｅｔ Ｂｉａｓ Ｃｈｉｒｐ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ」 （ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．９，Ｎｏ．１２，ｐｐ．１６２８−１６３０，１９９７）によれば，上記構造を有し，ｉ層に印加される逆バイアス電圧で光の吸収係数を変化させる，いわゆる電界吸収型光強度変調器を作製し，電気―光変換装置として用いている。そして，この光強度変調器と半導体レーザを同一基板上に形成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光変調器の透過率の電圧依存性は，線形であることが好ましい。しかしながら，上記のような光変調器の透過率の電圧依存性は，指数関数的に変化する。このため，デジタル変調時においては，ランダムなデジタル光変調の際に波形（アイパターン）のクロスポイントがＬｏｗレベル側にシフトする。これによって伝送誤り率特性において，「０」と「１」の判定レベルの最適点がＬｏｗレベル側にシフトすることになり，Ｑファクターが劣化するという問題があった。
【０００５】
アナログ変調時においては，透過率の電圧依存性が指数関数的であるため，多チャンネルのアナログ変調時に発生する相互変調歪み成分が大きいという問題があった。相互変調歪み成分が大きいと，チャンネル間クロストークが起こり，好ましくない。
【０００６】
また，デジタル変調，アナログ変調時両方において，透過率の電圧依存性とは別に，許容光入力パワー（ハンドリングパワー）に関する問題があった。すなわち，Ｓ／Ｎ比やリンクゲインの向上のため，光強度変調器に数十ミリワット級以上の光パワーを入力する必要があるが，吸収飽和が生じて変調効率や相互変調歪特性が劣化するなどの問題があった。
【０００７】
本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，電圧変化時の透過率曲線の線形性を改善し，許容光入力パワーを大きくすることが可能な半導体光機能装置および半導体光機能素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，半導体基板上のｐ層とｎ層の間に形成された光吸収層を持つ半導体光機能素子であって，互いに異なるバンドギャップを持つ領域が少なくとも２つ集積され，マルチモード干渉器を構成する上記光吸収層と，上記光吸収層の少なくとも２つの領域を含む光変調器領域に同時に電気信号を入力するための電極と，光の入出力面とを有することを特徴とする半導体光機能素子が提供される。これにより，同一の半導体基板上に複数の光変調器領域を集積化できるので，同一電極から電圧を印加でき，位相調整器が不要になる。また，変調器間結合損失は短面結合損失に比べて小さいので，電気―光変換効率も向上する。さらに，装置の小型化が可能になり，低コスト化も達成できる。また，マルチモード干渉器中での光パワー密度を十分に小さくすることが可能なので，リンクゲインを改善することができる。
【００１３】
さらに，本発明の別の観点によれば，半導体基板上のｐ層とｎ層の間に形成された光吸収層を持つ半導体光機能素子であって，バンドギャップが連続的に変化する領域を少なくとも１つ有し，マルチモード干渉器を構成する上記光吸収層と，上記光吸収層の少なくとも１つの領域を含む光変調器領域に同時に電気信号を入力するための電極と，光の入出力面とを有することを特徴とする半導体光機能素子が提供される。これにより，結晶成長工程を減らすことができる。また，異なる吸収層の接続部で生じていた散乱光や結晶欠陥の発生を抑えることができる。また，マルチモード干渉器中での光パワー密度を十分に小さくすることが可能なので，リンクゲインを改善することができる。
【００１４】
その際に，光吸収層のバンドギャップ波長の最大値と最小値の差が２０ｎｍ以上であるとすることが好ましく，これにより，トータルの光変調特性を改善することができる。さらに，異なるバンドギャップをもつ複数の領域を成長面に対し垂直方向に積層したり，あるいは，成長面内方向に成長して形成してもよい。また，異なるバンドギャップをもつ複数の領域が成長面に対し垂直方向に積層され，かつ，成長面内方向にも異なるバンドギャップをもつ複数の領域が成長されているようにしてもよい。
【００１５】
さらに，ある特定の特性インピーダンスに整合する給電ラインを有するようにすれば，マルチモード干渉器の設計と高周波給電の設計とを分離することが可能になり，応答速度の改善が実現できる。
【００１６】
さらに，本発明の別の観点によれば，上記素子を用いた半導体光機能装置が提供される。そして，上記装置は同一基板上に光機能素子（半導体レーザ，半導体光増幅器，半導体過飽和吸収器，半導体モード変換器，もしくはフォトダイオードなど）または電気素子（駆動電気回路もしくは電気フィルタなど）を集積化した半導体光機能装置に適用可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下，図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は，本発明の第１の実施の形態に係る基本構成を示すブロック図である。図１（ａ）は，個別の２つの半導体光強度変調器１０ａ，１０ｂを光学的に縦続接続した例を示す。図１（ｂ）は，ｎ個の半導体光強度変調器１０ａ，…１０ｎを光学的に縦続接続した例を示す。図１（ｃ）は個別の２つの半導体光強度変調器１０ａ，１０ｂ，光分波器１２０，光合波器１３０を光学的に並列接続した例を示す。図１（ｄ）はｎ個の半導体光強度変調器１０ａ，…，１０ｉ，…，１０ｎ，光分波器１２０，光合波器１３０を光学的に並列接続した例を示す。光学的な接続は，光ファイバや光導波路等を用いて行うことができる。
【００１８】
以下，図１（ａ）に示す個別の２つの半導体光強度変調器が縦続接続された構成を例にとり説明する。用いる２つの半導体光強度変調器は，区別するために以下では，第１変調器，第２変調器と記述することにする。例として，第１変調器，第２変調器ともに，光導波路型の素子であり，電界吸収型光変調器（以下，ＥＡ変調器と称する）である場合について述べる。第１変調器は，ＩｎＧａＡｓＰウエル／ＩｎＧａＡｓＰバリアの多重量子井戸型光変調器を有し，そのバンドギャップ波長は１．５１ミクロンとする。第２変調器は，ＩｎＧａＡｓＰバルク吸収層を有し，そのバンドギャップ波長は１．５０ミクロンとする。
【００１９】
２つの変調器ともに，光導波路型の素子であり，縦続接続の場合の透過率について考察する。第１変調器の片端面当たりの導波路結合効率をη１とし，導波路内部の光閉じ込め係数をΓ１，印加電圧に対する光吸収層の光吸収係数をα１（Ｖ），光吸収層の長さをＬ１とすると，第１変調器の透過率Ｔ１は次式で表される。
Ｔ１＝η１ ２ｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１｝
同様に第２変調器の片端面当たりの導波路結合効率をη２とし，導波路内部の光閉じ込め係数をΓ２，印加電圧に対する光吸収層の光吸収係数をα２（Ｖ），光吸収層の長さをＬ２とすると，第２変調器の透過率Ｔ２は次式で表される。
Ｔ２＝η２ ２ｅｘｐ｛−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
縦続接続の場合の透過率Ｔ０はそれぞれの透過率の積であるから，Ｔ０は以下のように表される。
Ｔ０＝Ｔ１×Ｔ２
＝η１ ２ｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１｝×η２ ２ｅｘｐ｛−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
＝（η１η２）２ｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
ここで，端面結合損失を考慮せず，導波路内部の損失のみを考慮した場合の透過率をＴとすると，以下の様に表される。
Ｔ＝ｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
【００２０】
図２は，前述の２つの変調器およびそれらを縦続接続した本実施の形態を実際に作製したときの規格化透過率の印加電圧依存性を示す図である。細線は第１変調器に関し，点線は第２変調器に関するものである。図に示すように，第１変調器と第２変調器の透過率曲線は少なくとも１つの交点を有するように設定してあり，ここでは，電圧約１．３Ｖで交差している。第１変調器の透過率曲線は，低電圧領域では上に凸，高電圧領域では下に凸となっている。第２変調器の透過率曲線は，全電圧領域で下に凸の指数関数的単調減少を示している。
【００２１】
図２の太線は，上述の第１変調器と第２変調器を縦続接続した本実施の形態に関するものである。本実施の形態の透過率曲線は，低電圧領域では主として第２変調器，高電圧領域では主として第１変調器の透過率に依存していることがわかる。
【００２２】
図３，図４，図５はそれぞれ，第１変調器，第２変調器，本実施の形態の透過率曲線と，その１次導関数と３次導関数である。１次導関数は，電気―光変換効率を表す１つの指数であり，絶対値が大きい程良い。また，その値が広い電圧領域で得られるかどうかが，線形性を表す指標となる。一方，３次導関数は，相互変調歪みの大きさを表す一つの指数であり，小さいほど良い。なお一般に，個別の変調器で，広い電圧領域で１次導関数の値を大きくし，かつ，３次導関数の値を小さくすることは，非常に困難とされている。
【００２３】
図３において，第１変調器の３次導関数が”０”をよぎる電圧では，１次導関数がその最大値の半分程度になっている。つまり，相互変調歪みを抑制する電圧にバイアスした場合には，電気―光変換効率が大きく劣化することを意味している。図４において，第２変調器の３次導関数が”０”をよぎる電圧は無い。
【００２４】
図５において，本実施の形態の１次導関数の値は，電圧が０〜１．５Ｖの範囲では，大きく変動せず−０．５〜−０．６５Ｖ‐１が得られている。これは，線形な変調領域が拡大されていることを示す。また，３次導関数の値が”０”をよぎる電圧（約０．６Ｖ）では，１次導関数は−０．５Ｖ‐１である。これは，アナログ変調において電気―光変換効率の劣化を抑制して，なおかつ３次の内部相互変調歪みを小さくすることが可能であることを意味している。このように，二つの変調器を組み合わせることにより，トータルの変調特性を改善できる。以上は，透過率曲線の線形性の改善についての説明である。
【００２５】
一方，上述の第２変調器は０Ｖ付近のアルファパラメータ（ＦＭ変調とＡＭ変調の比を表すパラメータ）を”０”付近に設定できる。また，第１変調器は深いバイアス電圧で負のアルファパラメータを実現できるので，”Ｈｉｇｈ”レベルから”Ｌｏｗ”レベルに渡って負のアルファパラメータが期待でき，デジタル方式での光伝送距離を大幅に拡大できるものと考えられる。さらに，上述のように線形性が向上されているので，アイパターンのクロスポイントを”Ｈｉｇｈ”レベルと”Ｌｏｗ“レベルの中間に保つことができ，Ｑファクターの向上も期待できる。なお，本実施の形態では，個別の変調器に印加する電圧の位相を一致させるために，電気的な位相調整器を用いて位相調整を行った。
【００２６】
以上より，本実施の形態によれば，バンドギャップが異なり，その透過率曲線が交点を有するような２つの変調器を接続することにより，透過率曲線の線形性が改善できる。アナログ変調方式に本装置を適用した場合には，相互変調歪みの小さい変調が可能となり，結果としてチャンネル問クロストークを減少させることができ，チャンネル数の増加，周波数の利用効率の向上を実現できる。また，デジタル変調方式に本装置を適用した場合には，”Ｈｉｇｈ”レベルから，Ｌｏｗ”レベルに渡って負のアルファパラメータが期待でき，デジタルブ式での光伝送距離を大幅に拡大できるものと考えられる。上記効果に加えて，アイパターンのクロスポイントを”Ｈｉｇｈ”レベルと”Ｌｏｗ”レベルの中間に保つことができ，Ｑファクターの向上の実現も期待できる。
【００２７】
第１の実施の形態では，２つの光強度変調器へ印加する電気信号の位相を，電気位相器により調整する必要があり，長期的な安定動作などに問題がある。また，装置自体が大がかりになる，低コストの実現が難しいなどの問題がある。以下に述べる第２の実施の形態では，このような問題点を解決することを目的としたものである。
【００２８】
第２の実施の形態では，同一の半導体基板上に第１変調器領域と第２変調器領域を集積化する。本実施の形態において，通常の電界吸収型光変調器と異なる基本構成要素は，第１光吸収層２０ａを含む第１変調器領域２１０，第２光吸収層２０ｂを含む第２変調器領域２２０，第１変調器領域２１０と第２変調器領域２２０に電気信号を印加するための共通電極２３０である。第１，第２変調器領域２１０，２２０を結晶成長面内方向に集積化し，共通電極２３０を両領域にまたがせて形成した例の構造の斜視図を図６（ａ）に示す。また，光吸収層近傍の導波路方向の部分断面図を図６（ｂ）に示す。
【００２９】
実際に作製した本実施の形態は，第１の実施の形態の個別の変調器と同一の構造を有しており，第１変調器領域２１０はＩｎＧａＡｓＰウエル／ＩｎＧａＡｓＰバリアの多重量子井戸型光変調器（バンドギャップ波長１．５１ミクロン）を用い，第２変調器領域２２０はＩｎＧａＡｓＰバルク吸収層（バンドギャップ波長１．５０ミクロン）を有している。コア層である第１，第２光吸収層２０ａ，２０ｂは，ｐ−ＩｎＰからなる上側クラッド層２４０とｎ‐ＩｎＰからなる下側クラッド層２５０の間に形成されている。また，水平方向の光の綴じ込めと電界の狭窄のための横側クラッド層２６０にはポリイミドを用いている。導波路方向に垂直な側面には反射防止のためのＡＲ層２９０を設けている。また，基板２７０には，下側クラッド層２５０と同じｎ‐ＩｎＰウエハを用い，その下側の面に接地側の電極２８０を形成する。
【００３０】
同一基板上に集積化していることから，２つの変調器領域の電極を共通にすることが可能となる。従って，一つの給電ラインから電気信号を印加することが可能となり，第１の実施の形態で必要であった位相調整器が不要となる。
【００３１】
また，同一基板上に縦続接続で集積化した場合には，透過率Ｔ。は，第１の実施の形態の場合に似て，以下の様に表される。
Ｔ０＝Ｔ１×Ｔ２
＝η１ｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１｝×Ｃ×η２ｅｘｐ｛−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
＝Ｃη１η２ｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
なお，Ｃは，第１変調器と第２変調器の間の光結合損失（変調器間結合損失）である。そして，規格化透過率Ｔは以下の様に表される。
Ｔ＝Ｃｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
通常，変調器間結合損失Ｃは端面結合損失に比べて小さいために，透過率の大きさそのものは約１／（η１η２）分だけ大きくなる。従って，電気―光変換効率が向上する。なお，本実施の形態の透過率は，二つの領域の透過率の積で決まり，その光入力方向に対する順番には依存しない。
【００３２】
以上より，本実施の形態によれば，同一基板上に２つの変調器領域を集積化したので，第１の実施の形態に比べ，以下の点において優れた効果を有する。耐環境性に強い安定した光変調が実現でき，かつ，低コスト，小寸法を実現することが可能となる。また，電気―光変換効率も向上する。さらに，位相調整器が不要になり，同一電極から電圧を印加できるので，周波数特性が向上する。
【００３３】
第２の実施の形態では，二つの光強度変調器領域が異なる構造の光吸収層を持つために，結晶成長回数が多くなる。また，二つの異なる吸収層の接続部では散乱・残留反射が生じる。これは，アナログ光変調においては干渉雑音を増加させ，デジタル光変調においてはＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ−ｔｏ−Ｚｅｒｏ）光パルス列の間に別のＲＺ光パルス列をインターリーブする光ＭＵＸ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）動作で生じる干渉揺らぎ等を引き起こす原因となる。また，二つの異なる吸収層の接続部では結晶欠陥などが生じる可能性も有る。これは，長期的にみて信頼性の劣化原因になりうる。以下に述べる第３の実施の形態では，このような問題点を解決することを目的としたものである。
【００３４】
第３の実施の形態では，同一の半導体基板上に，異なるバンドギャップを有する光吸収層を一括成長し，再成長による結合箇所が無い変調器領域を有するようにする。すなわち，本実施の形態において，通常の電界吸収型光変調器と異なる基本構成要素は，バンドギャップが連続的に変化する光吸収層，前記光吸収層に電気信号を印加するための共通電極である。バンドギャップが連続的に変化するように形成するには，領域選択成長法により，吸収層を成長させればよく，これは周知の技術である。光吸収層を結晶成長面内方向に形成し，共通電極を全光領域にまたがせて形成した例の構造の斜視図を図７（ａ），図８（ａ）に，それらの光吸収層近傍の導波路方向の部分断面図を図７（ｂ），図８（ｂ）に示す。
【００３５】
図７，図８において，図６と同一もしくは類似の部分は同一符号をつけることにより重複説明を省略する。図７は，バンドギャップが連続的に変化し，それが単調増加あるいは単調減少である場合の光吸収層３０ａを有する例を示す。図８は，バンドギャップが連続的に変化し，１つの光吸収層内で増加と減少の両方が起こる場合の光吸収層３０ｂを有する例を示す。
【００３６】
本実施の形態では，吸収層のバンドギャップや厚さが連続的に変化しているので，光が導波路内を伝搬する間に，その導波モードの形状が急激に変化することはない。よって，モード変換時の散乱，反射がほとんど生じない。さらに，第２の実施の形態で考慮した二つの変調器領域の結合部での損失Ｃを，ほとんど無視できるくらいに小さくすることが可能となる。従って，本実施の形態の透遇率は，
Ｔ０＝Ｔ１×Ｔ２
＝η１ｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１｝×η２ｅｘｐ｛−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
＝η１η２ｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
そして，規格化透過率Ｔは以下の様に表される。
Ｔ＝ｅｘｐ｛−Γ１α１（Ｖ）Ｌ１−Γ２α２（Ｖ）Ｌ２｝
従って，第２の実施の形態に比べ，透過率は１／Ｃ分だけ大きくなる。よって，電気―光変換効率が向上する。
【００３７】
以上より，本実施の形態によれば，バンドギャップが連続的に変化する光吸収層を採用したので，選択的エッチング工程，および１回分の結晶成長工程を減らすことができ，作製工程が簡略化できる。異なる吸収層の接続部で生じていた不要な散乱光が発生しないので，モジュール化の歩留まりを改善できる。また，異なる吸収層の接続部で発生していた結晶欠陥の可能性もなくなり，素子の長期的信頼性が向上する。本素子をシステムに用いた場合，アナログ光変調で問題となる干渉雑音や，デジタル光変調における光ＭＵＸ動作で生じる干渉揺らぎ等をなくすことが可能となり，高品質の光伝送が実現できる。
【００３８】
次に，第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は，課題の項で述べた光強度変調器の許容光入力パワーに関する問題について，その解決方法を提供するものである。本実施の形態は，ＥＡ変調器自体がマルチモ一ド干渉器（以下，ＭＭＩと称する）を構成するものである。
【００３９】
通常，ＭＭＩは通常１：ＮやＮ：１の光分波器，光合波器として用いたり，あるいは光の波長により分岐先を変えたいときなどに用いる。すなわち，受動的な素子として用いられている。一方，本実施の形態では，ＭＭＩをＥＡ変調器のような能動的な素子として活用するものである。
【００４０】
図９にさまざまな光吸収層から構成されるＭＭＩを示す。図９（ａ）は，ＭＭＩを構成する光吸収層が単一のバンドギャップを持つ場合を示し，図９（ｂ），（ｃ）は，それぞれ２つの異なるバンドギャップ，３つの異なるバンドギャップを持つ光吸収層の場合を示す。図９（ｄ），（ｅ）は連続的に変化するバンドギャップを持つ光吸収層の場合を示す。
【００４１】
以上，本実施の形態によれば，ＭＭＩ中での光パワー密度を十分に小さくすることが可能であり，従って，許容光入力パワーを大きくすることが可能となる。よって，本実施の形態をアナログ方式の電気―光変換器として用いると，光源の光パワーを１００ｍＷ以上に大きくすることが可能となり，結果として，リンクゲインを大幅に（２０ｄＢ以上）改善することができる。
【００４２】
第４の実施の形態では，ＥＡ変調器自体をＭＭＩにしている。この場合，ｐ−ｎ接含面の面積が極めて大きくなるため，そのキャパシタンスが増加し，結果として，変調速度の劣化が予想される。以下に述べる第５の実施の形態では，このような応答速度の改善を目的としたものである。
【００４３】
図１０に示す第５の実施の形態では，第４の実施の形態同様にＭＭＩ自体を光強度変調器として用い，ＭＭＩの上に直接インピーダンス整合した給電線，すなわちＳｌＧ．ライン５１０，ＧＮＤライン５２０を設ける。そして，給電線を通した給電の方向を，光の進行方向と一致させ，かつ，光と電気の実効的な速度を一致させたいわゆる進行波型電極を設ける。なお，コプレーナ型，ストリップライン型およびその他の給電線のタイプに適用可能であるが，電気力線がＭＭＩの断面を上下に通過する様に，ＳｌＧ．ライン５１０，ＧＮＤライン５２０の配置を考慮する。
【００４４】
ＥＡ変調器自体をＭＭＩにした場合には，前述のようにキャパシタンスの増加により，変調速度の劣化が予想される。しかし，本実施の形態では，光と電気の実効的な速度を一致させた進行波型電極となっているので，キャパシタンスに依存しない高速動作を実現できる。しかも，その進行波電極のＳｌＧ．ラインの幅を広く設定できるので，マイクロ波損失の過剰増加を抑制することが可能となる。
【００４５】
本実施の形態によれば，第４実施の形態で述べた効果に加えて，以下の効果が期待できる。すなわち，ＭＭＩの設計と高周波給電の設計とを分離することが可能となり，ＭＭＩ−ＥＡ変調器の接合容量に依存しない応答速度を実現できる。また，通常のＥＡ変調器の光導波路上に進行波型電極を形成する場合に比べて，本実施の形態では，ＳｌＧ．ラインの幅を広く設計できるので，マイクロ波損失が小さく抑えられ，従って，給電ライン自体の広帯域化も実現できる。
【００４６】
以上，本発明にかかる好適な実施の形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４７】
例えば，本発明の第１，第２実施の形態では，第１変調器は多重量子井戸層を有し，第２変調器はバルク吸収層を有する場合について述べたが，これに限定するものではなく，バンドギャップ波長も上述の値に限定するものではない。第１，第２変調器の光吸収層がともに多重量子井戸層，あるいはバルク吸収層であってもよく，その場合は，両者の光吸収層のバンドギャップ波長の差が２０ｎｍ以上有するように設定すれば，第１，第２変調器の透過率曲線が異なり，上述と同様の効果が得られる。
【００４８】
第２，第３の実施の形態では，２つの変調器領域を有する場合について述べたが，当然のことながら，さらに多数の変調器領域を有する場合にも適用できる。また，本発明の第２実施の形態によれば，一方の変調器もしくは，両方の変調器の領域を，バンドギャップが連続的に変化する光吸収層に替えることが可能であることはいうまでもない。そのいくつかのバリエーションの導波路方向の部分断面図を図１１に示す。
【００４９】
図１１（ａ），（ｂ）は，２つの変調器領域を有し，そのうちの一方は単一バンドギャップをもつ光吸収層２０ｃ，２０ｄ，他方はバンドギャップが連続的に変化する光吸収層３０ｃ，３０ｄを有する場合を示す。図１１（ｃ），（ｄ）は，３つの変調器領域を有し，そのうちの１つは単一バンドギャップをもつ吸収層２０ｅ，２０ｆ，残り２つはバンドギャップが連続的に変化する光吸収層３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｈを有する場合を示す。図１１（ｅ）は，２０ｇ，２０ｈ，…，２０ｎの複数個の変調器領域を有する場合を示す。
【００５０】
本発明の第２，第３実施の形態では，異なるバンドギャップをもつ光吸収層が成長面と垂直方向に積層されていてもよい。また，異なるバンドギャップをもつ光吸収層が成長面内方向に成長されていてもよい。あるいは，前記光吸収層自体が積層方向に複数の異なるバンドギャップを持ち，かつ，成長面内方向にも複数の異なる構造の光吸収層が形成されていてもよい。
【００５１】
また，第５実施の形態で述べたインピーダンス整合した給電線については，第１から第３に示した構造の変調器に適用できることは明らかである。
【００５２】
また，本発明の第１から第５の実施の形態は，光変調器に，ハイブリッドにもしくはモノリシックに，他の半導体素子（たとえば，半導体レーザ，半導体光増幅器，半導体過飽和吸収器，半導体モード変換器，フォトダイオードなどの光機能素子や，あるいは駆動電気回路や電気フィルタなどの電気素子）を適切な組み合わせで集積化したものを実現した素子についても適用できる。特に，同一基板上に半導体レーザ（以下，ＬＤと称する），もしくは半導体光増幅器（以下，ＳＯＡと称する）を集積化する可能性は非常に高い。その場合の斜視図を図１２に，その導波路方向の部分断面図を図１３に示す。なお，図１３は，光変調器領域の光吸収層と，ＬＤｏｒＳＯＡ領域の活性層のバリエーションを示したものである。
【００５３】
図１２では，第１変調器領域６１０，第２変調器領域６２０，電気的アイソレーション領域６３０，ＬＤｏｒＳＯＡ領域６４０が同一基板上に集積化されている。図１３（ａ）では，第２変調器領域，電気的アイソレーション領域，ＬＤｏｒＳＯＡ領域全てを一括成長して形成できる。図１３（ｂ）は各々分割成長で形成する例を示す。図１３（ｃ）では，第１変調器領域，電気的アイソレーション領域，ＬＤｏｒＳＯＡ領域全てを一括成長して形成できる。図１３（ｄ）では，全領域を一括成長して形成できる。
【００５４】
上記本実施の形態では，半導体の材科はＩｎＰとして説明しているが，ＧａＡｓ等の他の材料でも良い。また，本実施の形態では，光導波層がＩｎＧａＡｓＰ系の結晶であるとしたが，他にＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系の結晶を用いても実現可能である。
【００５５】
また，上記本実施の形態では，電気的絶縁層をポリイミドとしたが，他の有機絶縁材科や，Ｆｅ‐ＩｎＰやＵｎ‐ｄｏｐｅｄＩｎＰなどの電気的絶縁性の高い半導体層，あるいは，Ａ１２０３，ＳｉＯ２，ＳｉＮなどの誘電体，あるいは，それらの適切な組み合わせを用いても何ら差し支えない。
【００５６】
本実施の形態では，電圧印加によって導波層の主に複素屈折率の虚部（吸収係数）を制御する電界吸収型光強度変調器を例に説明したが，本発明の構造あるいは構成が，電界印加によって主に複素屈折率の実部（屈折率）を変え，それにより光の位相に変調をかける光位相変調器やマッハツェンダ干渉計を構成した光強度変調器にも適用できることは明らかである。
【００５７】
【発明の効果】
以上，詳細に説明したように本発明によれば，電圧変化時の透過率曲線の線形性を改善し，許容光入力パワーを大きくすることが可能な半導体光機能装置および半導体光機能素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係る基本構成を示すブロック図である。
【図２】 本発明の第１の実施の形態に係る透過率の印加電圧依存性を示す図である。
【図３】 図２の第１変調器の透過率とその導関数の印加電圧依存性を示す図である。
【図４】 図２の第２変調器の透過率とその導関数の印加電圧依存性を示す図である。
【図５】 図２の第１の実施の形態の透過率とその導関数の印加電圧依存性を示す図である。
【図６】 本発明の第２の実施の形態に係る素子の斜視図と部分断面図である。
【図７】 本発明の第３の実施の形態に係る素子の斜視図と部分断面図である。
【図８】 本発明の第３の実施の形態に係る素子の斜視図と部分断面図である。
【図９】 本発明の第４の実施の形態に係るマルチモード干渉器の構成例を示す図である。
【図１０】 本発明の第５の実施の形態に係る素子の概略構造図である。
【図１１】 図6の素子の光吸収層の変形例を示す部分断面図である。
【図１２】 本発明を集積化素子に適用した例の斜視図である。
【図１３】 図１２の素子の変形例を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１０ａ，１０ｂ，１０ｉ，１０ｎ 半導体光強度変調器
２０ａ 第１光吸収層
２０ｂ 第２光吸収層
３０ａ，３０ｂ 光吸収層
１２０ 光分波器
１３０ 光合波器
２１０ 第１変調器領域
２２０ 第２変調器領域
２３０ 共通電極
４１０ マルチモ一ド干渉器領域
５１０ ＳｌＧ．ライン
５２０ ＧＮＤライン
６１０ 第１変調器領域
６２０ 第２変調器領域
６３０ 電気的アイソレーション領域
６４０ ＬＤｏｒＳＯＡ領域
Claims (11)
- 半導体基板上のｐ層とｎ層の間に形成された光吸収層を持つ半導体光機能素子であって，
互いに異なるバンドギャップを持つ領域が少なくとも２つ集積され，マルチモード干渉器を構成する前記光吸収層と，
前記光吸収層の少なくとも２つの領域を含む光変調器領域に同時に電気信号を入力するための電極と，
光の入出力面とを有することを特徴とする半導体光機能素子。 - 半導体基板上のｐ層とｎ層の間に形成された光吸収層を持つ半導体光機能素子であって，
バンドギャップが連続的に変化する領域を少なくとも１つ有し，マルチモード干渉器を構成する前記光吸収層と，
前記光吸収層の少なくとも１つの領域を含む光変調器領域に同時に電気信号を入力するための電極と，
光の入出力面とを有することを特徴とする半導体光機能素子。 - 前記光吸収層のバンドギャップ波長の最大値と最小値の差が２０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１，２のいずれかに記載の半導体光機能素子。
- 前記光吸収層において，異なるバンドギャップをもつ複数の領域が成長面に対し垂直方向に積層されていることを特徴とする請求項１，２のいずれかに記載の半導体光機能素子。
- 前記光吸収層において，異なるバンドギャップをもつ複数の領域が成長面内方向に成長されていることを特徴とする請求項１，２のいずれかに記載の半導体光機能素子。
- 前記光吸収層において，異なるバンドギャップをもつ複数の領域が成長面に対し垂直方向に積層され，かつ，成長面内方向にも異なるバンドギャップをもつ複数の領域が成長されていることを特徴とする請求項１，２のいずれかに記載の半導体光機能素子。
- ある特定の特性インピーダンスに整合する給電ラインを有することを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６のいずれかに記載の半導体光機能素子。
- 請求項１，２，３，４，５，６，７のいずれかに記載の半導体光機能素子を用いた半導体光機能装置。
- 同一基板上に光機能素子または電気素子を集積化したことを特徴とする請求項８に記載の半導体光機能装置。
- 前記光機能素子は，半導体レーザ，半導体光増幅器，半導体過飽和吸収器，半導体モード変換器，またはフォトダイオードであることを特徴とする請求項９に記載の半導体光機能装置。
- 前記電気素子は，駆動電気回路または電気フィルタであることを特徴とする請求項９，１０のいずれかに記載の半導体光機能装置。
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