JP5227351B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光変調器に関し、より詳細には、ｎ−ｉ−ｎ構造の光変調器に関する。

高速光通信システムや光情報処理システムにおけるキーデバイスの１つとして光変調器がある。光変調器の例としては、ＬｉＮｂＯ₃（ＬＮ)等の誘電体を用いたものと、ＩｎＰやＧａＡｓの半導体を用いたものとが用いられている。ＬｉＮｂＯ₃変調器は現在広く用いられているが、ＬｉＮｂＯ₃材料は導電性が無いため、印加電圧はシグナル電極とグラウンド電極の間でかけられる。電極間の距離は１０数μｍ程度になり、光の変調に必要な屈折率の変化を得るには、３から５Ｖ程度の高い駆動電圧と２０〜４０ｍｍ程度の電極長が必要となる。また、ＤＣドリフトや温度ドリフトによって駆動条件が変化してしまうため、駆動条件の制御機構が必要となっている。半導体を材料とする光変調器の代表的な形としては、バルク半導体のフランツケルディッシュ効果（Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ Ｅｆｆｅｃｔ）や多重量子井戸構造における量子閉じ込めシュタルク効果(Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｓｔａｒｋ Ｅｆｆｅｃｔ：ＱＣＳＥ)のように電界を印加することにより吸収端が長波長側へシフトする効果を利用した電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）と、電界を印加することにより屈折率が変化する電気光学効果（ポッケルス効果）を利用した電気光学変調器（ＥＯ変調器）がある。

電界吸収型光変調器は、消費電力が小さく、小型であり、ＬｉＮｂＯ₃変調器にみられるような直流電圧によるドリフトも生じないことから有望と考えられている。しかし、電界吸収型光変調器では変調時に波長チャーピングが生じ、これによるファイバ伝送後の波形劣化が問題となっている。つまり波長チャーピングにより、変調後の光信号スペクトルは変調前に比べて広がることになる。この光信号を光ファイバで伝送すると、ファイバ媒質の分散の効果による波形劣化が起こり、伝送特性に好ましくない影響を及ぼす。この現象はビットレートが高いほど、また、伝送距離が長いほど顕著となる。

一方、電気光学変調器としては、屈折率を変化させることにより光の位相を変調させる位相変調器と、位相変調器を組み合わせてマッハツェンダ干渉系を構成し光の強度変調や位相変調を行うマッハツェンダ変調器などが用いられる。この光変調器では原理的にチャーピングを零にすることができ、超高速・長距離通信用変調器として期待がもたれている。半導体のマッハツェンダ変調器の例としては第１に、ｐ−ｉ−ｎ構造を有した集中定数型の変調器（非特許文献１参照）が挙げられる。光はｐ型とｎ型の半導体層にはさまれた層厚０．４μｍ程度のノンドープ層領域を導波し、電圧はこのノンドープ層間に印加されるため、ＬｉＮｂＯ₃変調器に比べ、屈折率変調を高効率で受ける。このため位相変調部の長さが６００μｍと、ＬｉＮｂＯ₃の２０〜４０ｍｍに比べ非常に短くすることができる。しかし、集中定数型ではｐ型半導体部分での光損失が大きい(全挿入損失１３ｄＢ)こと、ＣＲ時定数による速度制限のため１０Ｇｂ／ｓ以上の動作が困難であることが問題となる。

また、ショットキー電極による進行波電極型の変調器（非特許文献２参照）なども盛んに研究されている。ショットキー電極を用いるとｐ−ｉ−ｎ構造ではｐ型電極の導波損失とｐ−ｉ−ｎ構造の容量成分による光と電界の速度不整合により困難であった進行波電極構造が実現できる。この場合半導体はノンドープ層またはＳＩ（Ｓｅｍｉ−Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ、半絶縁）層を用いるので集中定数型で挙げたような欠点は回避できるが、電極間の距離は９μｍ程度となり光導波層での電界密度が小さくなるため屈折率の変調効率が小さく、位相変調部が１０ｍｍと集中定数型ほどの小型化ができないこと、動作電圧が高くなること（Ｖπ＝２８Ｖ）が問題として挙げられる。

このような問題を解決するため、またこれらの半導体マッハツェンダ変調器より更に低電圧化、小型化、高速化を目指すため、ｎ−ｉ−ｎ構造の半導体光変調器が検討されている。ｎ−ｉ−ｎ構造の半導体光変調器においても、電圧の印加は光が閉じ込められている厚さ１μｍ程度のｎ型電極層間で行なわれるため、ＬｉＮｂＯ₃変調器やショットキー電極による半導体光変調器に比べ、光の導波する領域に対して高密度な電界印加が可能である。このため、位相変調部の長さが３ｍｍ程度で、駆動電圧が３Ｖ以下の、小型で低駆動電圧の光変調器が実現されている。

ｎ−ｉ−ｎ構造の半導体光変調器の例として、次に挙げるものが知られている。１つは、ＩｎＰ系導波路を有するｎ−ｉ−ｎ構造の光変調器である（特許文献１参照）。図１（特許文献１の図１に対応）にその構造を示す。当該光変調器は、ＳＩ（半絶縁性）−ＩｎＰ基板１１上にｎ−ＩｎＰクラッド層１２、光導波層１３、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層１４、ｎ−ＩｎＰクラッド層１５が順次積層された構造体を、エッチングプロセスによりメサ状に加工した光導波路構造１０を有する。ｎ−ＩｎＰクラッド層１５の上にシグナル電極１６が、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２の上面にグランド電極１７が配置されている。シグナル電極層であるｎ−ＩｎＰクラッド層１５と、グランド電極層であるｎ−ＩｎＰクラッド層１２とを共にｎ型とすることで、低損失・低電圧駆動の光変調器が作製可能となっている。クラッド層の一部にＳＩ−ＩｎＰ層を用いて電子の流れを阻止し、電圧印加を可能にする。特許文献２には、ｐ型半導体層を電子阻止層として用いる構造が記載されており、特許文献３には、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ層を電子阻止層として用いるものが記載されている（特許文献３図２及び３）。

２つ目の例は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ導波路を有するｎ−ｉ−ｎ型の光変調器である（特許文献４参照）。図２（特許文献４の図４に対応）にその構造を示す。当該光変調器は、（０００１）面サファイア基板３１上に、低温成長ＧａＮバッファ層３２、ｎ−ＧａＮクラッド層３３ａ〜３３ｃ、ｉ（ノンドープ）−ＩｎＧａＮ光導波層３４、絶縁型ＧａＮ層３５、およびｎ−ＧａＮクラッド層３３ｄが、順次積層されている。エッチングプロセスにより、ｉ−ＩｎＧａＮ光導波層３４の下までエッチングを行い、ハイメサ導波路構造の光導波路を作製している。コア層であるｉ−ＩｎＧａＮ光導波層３４の上に絶縁型ＧａＮ層３５が配置され、電子ブロック層として機能している。

国際公開第０４／０８１６３８号パンフレット 特開２００５−９９３８７号公報 国際公開第０６／０９５７７６号パンフレット 特開２００６−２５１０８９号公報

C. Rolland et al., ‘‘10 Gbit/s, 1.56μm multiquantum well InP/InGaAsP Mach-Zehnder optical modulator,’’ Electron. Lett., vol. 29, no. 5, pp. 471-472, 1993. R. Spickermann et al., ‘‘GaAs/AlGaAs electro-optic modulator with bandwidth >40 GHz,’’ Electron. Lett., vol. 31, no. 11, pp. 915-916, 1995.

しかしながら、ＩｎＰ系導波路は、材料の屈折率が高く光のモードフィールドが２μｍ程度と小さくなるため、モードフィールド径が８μｍ程度であるファイバや、４μｍ〜８μｍ程度の範囲でモードフィールド径が調整可能なＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）との接続時にレンズによるモードフィールドの拡大、又はスポットサイズ変換機構が必要となる。したがって、ＩｎＰ系導波路を有する光変調器は結合損失が大きい。レンズの使用は収差による損失に加え、既存レンズを使用することによるモードフィールド径の不一致による損失が低減しきれない上、部品点数や作製工程が増えるという問題がある。スポットサイズ変換機構は作製工程が煩雑である上、実装トレランスを増加させるが損失が大きい。加えて、ＩｎＰ系導波路は材料が脆く、ファイバやＰＬＣとの突き合わせ（バットジョイント）結合が困難である。

一方、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ導波路を有するＧａＮ系光変調器にも問題がある。ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮは、格子定数のミスマッチが大きい。また、ＩｎＧａＮは熱的に不安定であり成長が困難である。加えて、絶縁型ＧａＮを電子のブロック層として用いる場合は、層厚を一定値以上の厚さにする必要がある。このため、光の閉じ込め構造と電界の印加構造の両方を設計する必要のある光変調器においては、素子構造の自由度が制限される要因となっていた。さらに、光導波路に印加される電界は絶縁型ＧａＮ層内でも絶縁性に応じた電界降下を起こすため、結晶内の残留ドナー濃度やドーピング濃度の制御を厳密にしなければ、光変調器の特性が作製毎に変わり、素子特性の安定性に問題がある。

さらに、従来のＩｎＰ系及びＧａＮ系のｎ−ｉ−ｎ構造半導体光変調器は、電子ブロック層として、それぞれＳＩ−ＩｎＰ層又はｐ型ＩｎＡｌＡｓ層及び絶縁型ＧａＮ層を用いている。これらはその隣接する層の電子のエネルギー準位に対して電子ブロック層の電子のエネルギー準位が高いため、電圧印加時の電子の通過を抑え、光導波領域に電圧を印加することを可能としている。しかし、これら電子ブロック層の正孔（ホール）のエネルギー準位は隣接する層の正孔のエネルギー準位よりも低い。このようなエネルギー準位の形態はタイプIIと呼ばれる。タイプIIのエネルギー準位を持つ電子ブロック層には、正孔が蓄積し排出されにくい特徴がある。光導波路を伝播する光や外部からの光が半導体に吸収されると、生成した正孔は電子ブロック層内に蓄積し、エネルギー準位を変化させてしまう。このため、光変調器に入力光のパワー依存性が現れたり、周波数応答特性の劣化などの特性の劣化をもたらす。

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来よりも特性の安定した、窒化物半導体で構成されたｎ−ｉ−ｎ構造の光変調器を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、窒化物半導体で構成されたｎ−ｉ−ｎ構造の光変調器において、ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層を有し、Ａｌ濃度ｘ’’が、ｘ’’＞０を満たすことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層のＡｌ濃度ｘ’’が不等式０．２＜ｘ’’＜０．４を満たすことを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層の層厚ｔが不等式０．０１μｍ＜ｔ＜０．０６μｍを満たすことを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第３の態様において、基板上に形成された第１のｎ型電極層と、第１のｉ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層と、ｉ−ＧａＮ光導波層と、第２のｉ−Ａｌ_x'Ｇａ_1-x'Ｎクラッド層と、前記ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層と、第２のｎ型電極層と
を順次積層した構造を有し、前記第１のｉ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層および前記第２のｉ−Ａｌ_x'Ｇａ_1-x'Ｎクラッド層のＡｌ濃度は、共に前記ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層のＡｌ濃度よりも小さいことを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、第４の態様において、導波路構造がハイメサ導波路構造又はリッジ導波路構造であることを特徴とする。

また、本発明の第６の態様は、第４の態様において、前記第１のｉ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層のＡｌ濃度ｘおよび前記第２のｉ−Ａｌ_x'Ｇａ_1-x'Ｎクラッド層のＡｌ濃度ｘ’が共に０．０７未満であることを特徴とする。

また、本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記第１のｉ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層および前記第２のｉ−Ａｌ_x'Ｇａ_1-x'Ｎクラッド層の層厚が共に０．５μｍより大きいことを特徴とする。

また、本発明の第８の態様は、第３の態様において、基板上に形成された第１のｎ型電極層と、第１のｉ−ＧａＮクラッド層と、ｉ−ＩｎＧａＮ光導波層と、第２のｉ−ＧａＮクラッド層と、前記ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層と、第２のｎ型電極層とを順次積層した構造を有することを特徴とする。

また、本発明の第９の態様は、第８の態様において、導波路構造がハイメサ導波路構造またはリッジ導波路構造であることを特徴とする。

また、本発明の第１０の態様は、第８の態様において、前記基板はＧａＮで構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、窒化物半導体で構成されたｎ−ｉ−ｎ構造の光変調器において、ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層を用いることにより、電圧印加時の電子の通過を抑えると共に、正孔の蓄積が起こらない電子ブロック層を形成することができる。これによって、光変調器に入力光のパワー依存性が現れることや、周波数応答特性の劣化などの特性の劣化を防ぎ、特性の安定したｎ−ｉ−ｎ構造の光変調器を提供することができる。

従来のＩｎＰ系光変調器の導波路断面構造を説明するための図である。 従来のＧａＮ系光変調器の導波路断面構造を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る光変調器の導波路断面構造を説明するための図である。 （ａ）は、第１の実施形態による光変調器のバンドダイアグラムを示す図であり、（ｂ）は、従来のＩｎＰ系光変調器のバンドダイアグラムを示す図である。 第２の実施形態に係る光変調器を説明するための図である。 第３の実施形態に係る光変調器を説明するための図である。 第６の実施形態に係る光変調器の導波路断面構造を説明するための図である。 第７の実施形態に係る光変調器の形態を示す図である。

（本発明の概要）
本発明は、上述の問題を解決するために、窒化物半導体で構成されたｎ−ｉ−ｎ構造の光変調器において、電子ブロック層としてＡｌＧａＮを用いる。ＡｌＮはＩｎＮに比べＧａＮとの格子定数が近く、熱的にもＩｎＮに比べて安定であるため、ＡｌＧａＮ混晶はＩｎＧａＮの結晶成長よりも容易である。ＡｌＮとＧａＮの結合長の違いは３％程度であるが、ＩｎＮとＧａＮの結合長は１１％程度異なる。また、ＩｎＮは融点が１３７３ＫとＧａＮ（＞２０００Ｋ）やＡｌＮ（３２７３Ｋ）と比べて低いため、多層構造を形成する際Ｉｎの脱離が起こり、高品質な結晶を得ることが困難になる。電子ブロック層としてＡｌＧａＮを用いることにより、窒化物半導体で構成されたｎ−ｉ−ｎ構造の光変調器を容易に実現でき、かつ光変調器に入力光のパワー依存性が現れることや、周波数特性の劣化などを防ぎ、特性の安定化を図ることができる。以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図３に、第１の実施形態に係る窒化物半導体で構成されたｎ−ｉ−ｎ構造の光変調器を示す。「窒化物半導体」とは一般に、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等のＩＩＩ族元素のうち少なくとも１つ以上の元素と、Ｖ族元素である窒素との化合物であり、一般式Ａｌ_1-a-b-cＢ_aＧａ_bＩｎ_cＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で表されるが、本発明では、ａ＝０の窒化物半導体が用いられる。また、「ｎ−ｉ−ｎ構造」とは、シグナル電極層及びグラウンド電極層がｎ型にドーピングされ、両電極層に挟まれたｉ型（ノンドープ）層に電圧を印加することができるようにした半導体層構造を言う。電圧を印加した際に、一方のｎ型層から他方のｎ型層に電流が流れるのを防止するため、電子の障壁層となる電子ブロック層をｎ型層とｉ型層の間に設ける。

光変調器３００は、サファイア基板３０１上に、低温成長ＧａＮバッファ層３０２、第１のｎ−ＧａＮ電極層３０３、第１のｉ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層３０４、ｉ−ＧａＮ光導波層３０５、第２のｉ−Ａｌ_x'Ｇａ_1-x'Ｎクラッド層３０６、ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層３０７、第２のｎ−ＧａＮ電極層３０８が順次積層されている。エッチングプロセスにより第１のｎ−ＧａＮ電極層３０３に至るまでエッチングを行い、ハイメサ導波路構造の光導波路３２０を作製している。第１のｎ−ＧａＮ電極層３０３の上には電極３０９、第２のｎ−ＧａＮ電極層３０８の上には電極３１０が形成される。ＢＣＢ３１１は、第２のｎ−ＧａＮ電極層３０８上の電極３１０の電極形成を容易にさせるための基板平坦化膜、および光導波路３２０の保護膜である。電極形成に問題が無く、光導波路３２０の保護膜をＳｉＯ₂やＳｉＮなどの非晶質膜で代用する場合、または保護膜を必要としない場合には必要ではない。電極３１０にはマイナス電圧を印加するので、図中の矢印はマイナス電界の印加方向を示している。

ここで、第１のｉ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層３０４のＡｌ濃度ｘ及び第２のｉ−Ａｌ_x'Ｇａ_1-x'Ｎクラッド層３０６のＡｌ濃度ｘ’は、ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層３０７のＡｌ濃度ｘ’’よりも小さい。たとえば、ｘ＝ｘ’＝０．０５、ｘ’’＝０．３とすることができる。ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層３０７は、第１及び第２のクラッド層３０４、３０６に対してＡｌ濃度ｘ’’が大きいため、第２のｎ−ＧａＮ電極層３０８に対して充分に大きい電子のエネルギー準位を持つ。このエネルギー準位の差によって電子の障壁層として作用し、光導波路への電圧の印加を可能にしている。たとえばｉ−ＧａＮに対する電子のエネルギー準位の差はｘ’’＝０．３で、０．５ｅＶ程度のエネルギー準位差を得ることができる。第２のｎ−ＧａＮ電極層３０８はｎ型化で伝導帯のエネルギー準位が下がり、伝導帯オフセットは拡大するので、電子ブロック層のエネルギー障壁はより高くなり、数ボルト以上の高い印加電圧が可能となる。一方、第１のｉ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層３０４のＡｌ濃度ｘ及び第２のｉ−Ａｌ_x'Ｇａ_1-x'Ｎクラッド層３０６のＡｌ濃度ｘ’は電子ブロック層に対してＡｌ濃度が小さく、ＧａＮとの格子定数の差が小さいため、厚い結晶成長が可能となる。このため、光導波路のコア層であるｉ−ＧａＮ層３０５の上下に充分な層厚をもったｉ−ＡｌＧａＮ層を形成することができ、コア層への光の閉じ込めを可能にするという効果を持つ。

光導波路３２０は、コア層であるｉ−ＧａＮ光導波層３０５を、屈折率の小さい第１のｉ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層３０４及び第２のｉ−Ａｌ_x'Ｇａ_1-x'Ｎクラッド層３０６で挟んで光閉じ込めを行うＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ光導波路であり、当該光導波路に印加される電圧により光の位相変調が実現される。

Ａｌ濃度ｘ＝０．０５、ｉ−ＧａＮ光導波層３０５の厚さ０．６μｍ、メサ幅４μｍのとき、ｎ_eff＝２．３０、Δｎ＝１．５７％であり、モードフィールド径が１／ｅ_x ²〜６．８μｍ、１／ｅ_y ²〜７．２μｍとなる。したがって、ＩｎＰ系の光変調器と比較して、ファイバやＰＬＣとの結合トレランスが大きくなり、接続が容易になる。

耐電圧特性に優れたｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ層を用いることで、電子のブロック層を薄くすることができ、従来のＧａＮ系光変調器よりも素子構造設計の自由度が増加すると共に、電子ブロック層内での電圧降下も小さく抑えることができる。

従来と同じく、ｐ−ｉ−ｎ構造を用いた光変調器では、ｐ型半導体は光の吸収が大きく光の伝播損失が増加すること、ｐ型半導体は電気の導電率が低く高周波電気信号の減衰が起こるため高速光変調が困難であるという問題があるのに対し、ｐ型半導体層を用いないｎ−ｉ−ｎ構造の光変調器は低光伝播損失、高速駆動の光変調器が実現できる。また、ＧａＮ系材料はｐ型層の成長およびｐ型層の導電率の制御が困難であるのに対し、ｎ−ｉ−ｎ構造の光変調器はＧａＮのｐ型層を用いていないため作製が容易である。

なお、第１のｎ−ＧａＮ電極層３０３及び第２のｎ−ＧａＮ電極層３０８は、ｎ−ＡｌＧａＮ層としてもよい。このときｎ−ＡｌＧａＮ電極層のＡｌ濃度はｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層３０７のＡｌ濃度ｘ’’に比べ充分に低く、電子のエネルギー準位の差が充分にとれて、電子の通過を抑えることが可能となっている必要がある。例えば、第１及び第２のｉ−ＡｌＧａＮクラッド層３０４、３０６と同程度のＡｌ濃度を持ち、ｎ型にドーピングされたｎ−ＡｌＧａＮ層を用いることができる。電極層をＡｌＧａＮ層とすると、ＧａＮ層を電極層に用いる場合と比べて、ｉ−ＧａＮ光導波層３０５に閉じ込められた光が、コア層と同じ屈折率を持つＧａＮ電極層に染み出すことを防止できる。これにより、ガウシアンビーム形状に近く光ファイバやＰＬＣとのモード整合性が良い、低損失な光結合が可能な光変調器を実現できる。

また、ｉ−ＧａＮ光導波層３０５は、ｉ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよい。基板には、ＧａＮ、ＳｉＣを用いてもよい。

図４（ａ）に、本実施形態による光変調器のバンドダイアグラムを、図４（ｂ）に、従来のＩｎＰ系光変調器のバンドダイアグラムを示す（特許文献３図３等参照）。図４（ａ）では、ｘ＝ｘ’＝０．０５、ｘ’’＝０．３として示したが、これらの数値に限定することを意図したものではない。

図４（ｂ）のｐ−Ｉｎ_1-xＡｌ_xＡｓ電子ブロック層を用いたＩｎＰ系光変調器では、電子ブロック層へのホールの蓄積により、電子ブロック障壁の高さが変動してしまう。したがって、変調光や外部光の吸収により動作が不安定になる。

一方、本実施形態に係るＧａＮ系光変調器では、電子のブロック層に絶縁型ＧａＮよりもポテンシャルギャップが大きく、制御も容易なＡｌを含むＡｌＧａＮを使用する。ＧａＮ／ＡｌＧａＮ界面ではホールの蓄積が起こらないため、フォトトランジスタ効果も発生しない。また、ＧａＮ系材料はＩｎＰ系やＧａＡｓ系材料に比べてバンドギャップが大きく、吸収する光波長は可視光から紫外光領域のものとなるため、光通信で用いられる近赤外光領域の波長の光に対しては光吸収が無く、信号光による吸収キャリアが発生しない。

ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層のＡｌ濃度ｘ’’は、不等式０．２＜ｘ’’＜０．４を満たすのが望ましい。Ａｌ濃度が０．４以上では格子定数ミスマッチが大きくなり、結晶性が劣化する。また、Ａｌ濃度０．２以下では電極層をｎ−ＧａＮ電極層とした場合のＧａＮとの伝導帯オフセットが小さくなり、耐電圧が小さくなる。不等式０．２＜ｘ’’＜０．４の範囲では、ＧａＮとの伝導帯オフセットが０．２ｅＶ＜ΔＥｃ＜０．８ｅＶである。Ａｌ濃度０．２以上とすることで、電極層との電子のエネルギー準位の差は０．２ｅＶ以上とることができ、電子の障壁層として機能する。ｎ−ＧａＮはｎ型化で伝導帯のエネルギー準位が下がり、伝導帯オフセットは拡大するので、電子ブロック層のエネルギー障壁はより高くなり、数ボルト以上の高い印加電圧が可能となる。

（第２の実施形態）
図５を参照して、本発明の第２の実施形態に係る光変調器を説明する。本実施形態の光変調器は、ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層３０７の層厚ｔが、不等式０．０１μｍ＜ｔ＜０．０６μｍの関係を満たす。ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層３０７では、格子定数ミスマッチが大きく結晶内の歪が大きいため、層厚ｔが０．０６μｍ以上では上に成長するｎ型電極層３０８の結晶性が劣化してしまう。逆に、層厚ｔが０．０１μｍ以下ではトンネル効果により電子がブロック層３０７を透過してしまう。

（第３の実施形態）
図６を参照して、本発明の第３の実施形態に係る光変調器を説明する。本実施形態の光変調器は、第１のｉ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層３０４及び第２のｉ−Ａｌ_x'Ｇａ_1-x'Ｎクラッド層３０６のＡｌ濃度が０．０７以下である。図６は、第１の電極層３０３を構成するｎ−ＧａＮ（１×１０¹⁷ｃｍ^-3）上のＡｌＧａＮ臨界膜厚のＡｌＮモル分率依存性を示すグラフである。Ａｌ濃度が０．０７より大きいと臨界膜厚が薄くなり、クラッド層を薄くする必要があるため、クラッド層より外でのフィールドが増加し、その結果、光結合損失が増加してしまう。Ａｌ濃度ｘが０．００５＜ｘ＜０．０７の範囲で、Ａｌ_xＧａ_1-xＮとＧａＮとの屈折率差Δｎが ０．１５％＜Δｎ＜２．１１％である。Δｎが０．１５％以下の領域では、屈折率差が小さいために光の閉じ込めが弱く、光のモードフィールド径が光ファイバやＰＬＣのモードフィールド径以上に拡がるため、結合損失が増加する。

（第４の実施形態）
第４の実施形態に係る光変調器は、第１のｉ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層３０４及び第２のｉ−Ａｌ_x'Ｇａ_1-x'Ｎクラッド層３０６の層厚が０．５μｍ以上である。第１及び第２のクラッド層が０．５μｍより薄いと、クラッド層より外でのフィールドが増加し、光結合損失が増加してしまう。クラッド層厚を０．５μｍ以上にするためには、図６に示した臨界膜厚とＡｌ濃度の関係より、Ａｌ濃度を０．０７以下とする必要がある。上記構成により、光導波路３２０のコア層であるｉ−ＧａＮ光導波層３０５の上下に充分な層厚をもったｉ−ＡｌＧａＮクラッド層を形成することができ、コア層への光の良好な閉じ込めを可能にしている。

（第５の実施形態）
第５の実施形態に係る光変調器は、基板上にエピタキシャル成長された窒化物半導体の合計膜厚Ｔが不等式３μｍ＜Ｔ＜８μｍを満たす。３μｍ以下では屈折率差が必要で高Ａｌ濃度が必要であるため、結晶性が劣化する。Ｔ＞８μｍにしてもモードフィールド径約８μｍのファイバとの結合損失を小さくする効果はでない。

（第６の実施形態）
図７に、第６の実施形態に係る光変調器を示す。光変調器７００は、ＧａＮ基板７０１上に、低温成長ＧａＮバッファ層７０２、第１のｎ−ＧａＮ電極層７０３、第１のｉ−ＧａＮクラッド層７０４、ｉ−ＩｎＧａＮ光導波層７０５、第２のｉ−ＧａＮクラッド層７０６、ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層７０７、第２のｎ−ＧａＮ電極層７０８が順次積層されている。エッチングプロセスにより第１のｎ−ＧａＮ電極層７０３に至るまでエッチングを行い、ハイメサ導波路構造の光導波路７２０を作製している。第１のｎ−ＧａＮ電極層７０３の上には電極７０９、第２のｎ−ＧａＮ電極層７０８の上には電極７１０が形成される。たとえば、ｉ−Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ光導波層７０５のＩｎ濃度ｙを０．０３５とするとＧａＮとの屈折率差Δｎは１．４％程度となる。

ＩｎＧａＮは熱的に不安定であり成長が困難であるため、結晶成長の問題を解決できれば、ｉ−ＩｎＧａＮをコア層、ＧａＮをクラッド層とするＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造において電子ブロック層をｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎとすることにより、モードフィールド径の拡大が容易である。基板７０１をＧａＮとすると、基板７０１もクラッド層として機能するため、エピ厚が薄くできて作製が容易になる。

なお、ｉ−ＩｎＧａＮ光導波層７０５は、ｉ−ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよい。基板には、サファイア、ＳｉＣを用いてもよい。

（第７の実施形態）
図８（ａ）及び（ｂ）に、第７の実施形態に係る光変調器モジュールを示す。図８（ａ）及び（ｂ）の光変調器モジュールはそれぞれ、第１〜第７の実施形態のいずれかに係るＧａＮ系光変調器を備えるマッハツェンダ干渉計及びネスト型マッハツェンダ干渉計である。このように、第１〜第７の実施形態のいずれかに係るＧａＮ系光変調器を組み込むことにより、機能光デバイスを実現することができる。

３００ 光変調器
３０１ 基板
３０２ 低温成長ＧａＮバッファ層
３０３ 第１のｎ−ＧａＮ電極層（「第１のｎ型電極層」に対応）
３０４ 第１のｉ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層
３０５ ｉ−ＧａＮ光導波層
３０６ 第２のｉ−Ａｌ_xＧａ_1-x'Ｎクラッド層
３０７ ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層
３０８ 第２のｎ−ＧａＮ電極層（「第２のｎ型電極層」に対応）
３０９ 電極
３１０ 電極
３２０ 光導波路
７００ 光変調器
７０１ 基板
７０２ 低温成長ＧａＮバッファ層
７０３ 第１のｎ−ＧａＮ電極層
７０４ 第１のｉ−ＧａＮクラッド層
７０５ ｉ−ＩｎＧａＮ光導波層
７０６ 第２のｉ−ＧａＮクラッド層
７０７ ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層
７０８ 第２のｎ−ＧａＮ電極層
７０９ 電極
７１０ 電極
７２０ 光導波路

Claims (10)

1. 窒化物半導体で構成されたｎ−ｉ−ｎ構造の光変調器において、ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層を有し、Ａｌ濃度ｘ’’が、ｘ’’＞０を満たすことを特徴とする光変調器。
2. 前記ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層のＡｌ濃度ｘ’’は、不等式０．２＜ｘ’’＜０．４を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層の層厚ｔは、不等式０．０１μｍ＜ｔ＜０．０６μｍを満たすことを特徴とする請求項２に記載の光変調器。
4. 基板上に形成された第１のｎ型電極層と、
   第１のｉ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層と、
   ｉ−ＧａＮ光導波層と、
   第２のｉ−Ａｌ_x'Ｇａ_1-x'Ｎクラッド層と、
   前記ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層と、
   第２のｎ型電極層と
   を順次積層した構造を有し、
   前記第１のｉ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層および前記第２のｉ−Ａｌ_x'Ｇａ_1-x'Ｎクラッド層のＡｌ濃度は、共に前記ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層のＡｌ濃度よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の光変調器。
5. 導波路構造がハイメサ導波路構造又はリッジ導波路構造であることを特徴とする請求項４に記載の光変調器。
6. 前記第１のｉ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層のＡｌ濃度ｘおよび前記第２のｉ−Ａｌ_xＧａ_1-x'Ｎクラッド層のＡｌ濃度ｘ’は、共に０．０７未満であることを特徴とする請求項４に記載の光変調器。
7. 前記第１のｉ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層および前記第２のｉ−Ａｌ_xＧａ_1-x'Ｎクラッド層の層厚は、共に０．５μｍより大きいことを特徴とする請求項６に記載の光変調器。
8. 基板上に形成された第１のｎ型電極層と、
   第１のｉ−ＧａＮクラッド層と、
   ｉ−ＩｎＧａＮ光導波層と、
   第２のｉ−ＧａＮクラッド層と、
   前記ｉ−Ａｌ_x''Ｇａ_1-x''Ｎ電子ブロック層と、
   第２のｎ型電極層と
   を順次積層した構造を有することを特徴とする請求項３に記載の光変調器。
9. 導波路構造がハイメサ導波路構造またはリッジ導波路構造であることを特徴とする請求項８に記載の光変調器。
10. 前記基板はＧａＮで構成されていることを特徴とする請求項８に記載の光変調器。

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