JP5263718B2 - 半導体光変調器 - Google Patents

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本発明は、光変調装置の構造に関する。この出願は、２００７年３月９日に出願された日本特許出願２００７−６１０８３号を基礎とする。その日本特許出願の開示はこの参照により、ここに取り込まれる。

インターネットや映像配信等の広帯域マルチメディア通信サービスの爆発的な需要増加に伴って、幹線系やメトロ系ではより長距離大容量かつ高信頼な高密度波長多重光ファイバ通信システムの導入が急速に進んでいる。また加入者系においても光ファイバアクセスサービスの普及が急速に進んでいる。そうした光ファイバ通信システムでは、光伝送路である光ファイバの敷設コスト低減や光ファイバ１本当たりの伝送帯域利用効率を高める観点から、複数の異なる波長の信号光を多重化して伝送する波長多重技術が広く用いられている。

高速光変調が可能で、その信号光波長依存性も小さく、さらに長距離信号伝送時の受信光波形劣化を招く不要な光位相変調（波長チャーピング）も小さな光変調器は、波長多重光ファイバ通信システム向け光送信機のキーコンポーネントである。こうした用途にはマッハ・ツェンダー（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ、ＭＺ）干渉計に光導波路型の光位相変調器を組み込んだＭＺ型光強度変調器が適している。現在実用化されているＭＺ光強度変調器は、代表的な電気光学結晶であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３、ＬＮ）基板上にチタン（Ｔｉ）拡散プレーナ光導波路をベースとする導波路型光位相変調器と光合分波器をモノリシック光集積してＭＺ干渉計を構成し、この導波路型光位相変調器に電場を印加するための電極を近傍に設けた構造のものが一般的である。現在商用化されているＬＮベースのＭＺ光変調器は、その大きさ（電極長：約５ｃｍ、モジュール長： 約１５ｃｍ）や駆動電圧（約５Ｖ_ｐ−ｐ）に課題はあるものの、高速長距離光伝送特性の面でこれを凌ぐ実用的な光変調器が現在のところまだ無いことから、様々な光通信システムの光送信機ユニット等で広く用いられている。

こうした光変調器を用いて高速光変調を行う場合、特に駆動信号である変調ＲＦ信号の周波数が１ＧＨｚを超えるような領域では、変調ＲＦ信号の伝搬波長がＬＮ光変調器における光位相変調器領域の電極長に対して無視できない程度にまで短くなる。このため、光位相変調器に電場を印加する手段である電極構造の電位分布はもはや長手軸方向に均一とは見なせない。こうした場合に光変調特性を正しく見積もるためには、この電極構造をマイクロ波伝送路として、またここを伝わる変調ＲＦ信号を進行波として、それぞれ取り扱う必要がある。その場合、進行波電極構造が必要となる。進行波電極構造では、光位相変調器領域を伝搬する被変調光信号と変調ＲＦ信号との実効的な相互作用長をできるだけ稼げるよう、それぞれの位相速度ｖ_ｏ、ｖ_ｍが互いにできるだけ近づける（速度整合させる）工夫が施される。

光源素子を実現するうえで有用なＧａＡｓやＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いて光導波路型の光位相変調器やＭＺ型光変調器を実現する際には、ｐ−ｉ−ｎ型ダイオード構造の単一モード光導波路を構成し、これに逆方向バイアス電圧を印加する手法が広く用いられる。ｐ−ｉ−ｎ型ダイオード構造は、（複素）屈折率が電場強度で変化する媒質をアンドープのコア層として、これをｐ型／ｎ型それぞれの導電性を有するクラッド層で挟み込むことにより構成される。

光ファイバ通信で一般的な１３１０〜１６５０ｎｍ帯にて実用的なｐ−ｉ−ｎ型ダイオード構造の単一モード光導波路へ電極を設けてこれを変調ＲＦ信号に対する伝送線路として取り扱おうとした場合、次の問題が生じる。ｎ型にくらべて一般的に低い導電率のｐ型半導体クラッド層の影響により、変調ＲＦ信号が感じるこの伝送線路の（複素）特性インピーダンス（の絶対値）が２０Ω程度と、マイクロ波回路の代表的な特性インピーダンス（５０Ω）の１／２程度にまで低下してしまう。その結果、駆動回路とのインピーダンス不整合に起因した反射等による変調周波数帯域の制約や駆動電流増加を招くという実用上の課題があった。また、変調ＲＦ信号が感じる実効的な複素屈折率ｎ_ｍ（＝ｃ_０／ｖ_ｍ， ｃ_０：自由空間中での光速）も同じ理由から平均して７前後と、被変調光信号の実効屈折率ｎ_ｏ（＝ｃ_０／ｖ_ｏ、約３．５、ｖ_ｏ：媒質中での光速）との間に約２倍もの差が生じてしまう。こうした、被変調信号光と変調ＲＦ信号との間の速度不整合は、両者間の実効的な相互作用長を制約し、インピーダンス不整合がある場合と同様な変調周波数帯域や駆動電圧に関する課題を招く難点がある。

このように、ｐ−ｉ−ｎ型ダイオード構造は、光導波路型の光位相変調器や電界吸収型光強度変調器を進行波型電極構造とする際、動作電圧低減や広帯域化を図るうえで問題を抱えている。

一方、ｎ−ｉ−ｎ型積層構造は、上記の課題の根源であるｐ型半導体クラッド層が逆の導電性を有するｎ型半導体クラッド層で置き換えられた構造を有する。ｎ−ｉ−ｎ型積層構造では、上述のインピーダンス不整合や速度不整合を本質的に小さく抑えることが可能であり、これにより素子長尺化による駆動電圧振幅低減と広帯域化の両立が期待できる。こうした特長は、電界吸収型光変調器や光位相変調器など、半導体光導波路素子ベースの光変調器の低電圧・高速変調動作を実現するうえで有利な進行波電極構造に適している。ただし、ｎ−ｉ−ｎ積層構造の両端にバイアス電圧をそのまま印加するとアンドープ層へ電子が注入されてしまいアンドープ層へ電場を印加できなくなるため、実際には半絶縁性（ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ、ＳＩ）半導体（ＳＩ）層を挟み込んだｎ−ＳＩ−ｉ−ｎ型積層構造とする必要がある。この積層構造を応用した例として、ＩｎＰ系半導体ＭＺ光強度変調器が報告されている（菊池ほか、「低電圧駆動４０Ｇｂ／ｓ半導体マッハツェンダ変調器」、電子情報通信学会 信学技報、光エレクトロニクス、ＯＰＥ２００５−９５、２００５年１１月３〜４日、以下では非特許文献１と記載する）。

光変調器に関する文献として、特開２００１−２３５７１３号公報（特許文献１）、特開２００２−１３９７１７号公報（特許文献２）及び特開平１１−１３３３６６号公報（特許文献３）を挙げる。

非特許文献１には、ハイメサ＝リッジ構造について記載がある。このハイメサ＝リッジ構造は、半導体ＭＺ光強度変調器を構成する一対の光位相変調器領域のそれぞれが、ｎ−ＩｎＰ上部クラッド層、ＳＩ−ＩｎＰ層、電子−重い正孔の各第１量子順位間の遷移波長が１３７０ｎｍで厚さ０．３μｍのアンドープＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸コア層、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層からなるｎ−ＳＩ−ｉ−ｎ積層構造がドライエッチング技術を用いて幅２μｍでメサストライプ状に加工され、その両脇がＳｉＮ膜と低誘電率樹脂（ベンゾシクロブテン：ＢＣＢ）で埋め込まれることにより形成されている。この構造は以下の理由で採用されていると考えられる。素子の小型化を図るうえで、光位相変調器領域と光合分波器とを滑らかに繋ぐ曲がり光導波路を形成することが課題となる。この曲がり光導波路における信号光放射に起因した損失をできるだけ抑えられるよう、光信号に対する光導波路としての横方向閉じ込め係数を大きくするために、ハイメサ＝リッジ構造が採用される。

しかし、こうしたハイメサ＝リッジ構造は一般に横方向光閉じ込め係数が高いが故に、逆に横方向高次モードでの信号光伝搬を招くことが懸念される。そのため、加工にあたっては光導波路幅（すなわちハイメサ＝リッジ幅）の高精度な制御が求められる。光導波路で発生するこうした高次モード成分は曲がりや不連続にて放射波に結合し、結果として光変調特性の劣化や挿入損失の増加などを招く恐れがある。非特許文献１に開示されている光導波路は、１５５０ｎｍ帯において横方向に多モード光導波路と考えられ、上述の課題は無視できない。こうした懸念があるにもかかわらず敢えて光導波路幅が２μｍに設定されているのは、このハイメサ＝リッジ構造がこの幅の条件でしか、上述の速度整合条件とインピーダンス整合条件を同時に満足できないからである。

理想的な進行波型半導体光位相変調器は以下の４つの条件を満足することが望まれる。
（１）変調ＲＦ信号を伝搬させる伝送線路としてのインピーダンス整合条件、
（２）進行波型電極としての変調ＲＦ信号と被変調光信号との速度整合条件、
（３）導波路型光位相変調器として求められる単一モード伝搬条件、
（４）限られたバイアス電圧で（複素）屈折率を変化させるに十分な電場強度を発生させる最適なアンドープ層厚。
要するに、これらの条件を同時に満足する構造を実現するためには、構造パラメータの設計自由度が１つ足りないのである。ハイメサ＝リッジ構造はこの他にも、以下の懸念がある。基本伝搬モードの楕円率が大きく、それゆえ信号光を光ファイバと入出力結合させる際にモード不整合による結合損失も生じやすい。またあるいはエッチングにより形成されたアンドープコア層側面の漏れ電流に起因した信頼性劣化を招きやすい。

一方、ｎ−ＳＩ−ｉ−ｎ構造の優れた特長を活かすために犠牲となった上記の（３）の条件を満足する構造としては、側壁を同じ屈折率を有するＳＩ層で埋め込んだ埋め込みヘテロ（ＳＩ−ＢＨ）構造が有利である。こうしたＳＩ−ＢＨ構造は、曲がり光導波路の小型化の観点からはハイメサ＝リッジ構造にやや不利であるものの、光導波路ストライプ加工時の幅の寸法精度を緩和しやすく、アンドープコア層側面が半導体内部にあるため信頼性にも優れ、同じくＳＩ−ＢＨ構造を有する光源素子とのモノリシック集積化を図るうえでも極めて有利である。ただし、ｎ−ＳＩ−ｉ−ｎ積層構造をＳＩ−ＢＨ構造とする場合にも、上述の（３）、（４）の条件は容易に満足できるが、ＳＩ−ＢＨ構造の高い比誘電率（化合物半導体では約１２程度）の影響で（１）、（２）の条件も含めた全てを同時に満たすことはやはりできない。

このように、進行波型半導体光位相変調器として理想的な高速・低電圧駆動が期待されるｎ−ＳＩ−ｉ−ｎ構造であるが、ハイメサ＝リッジ構造およびＳＩ−ＢＨ構造ともに上記（１）〜（４）の条件を同時に満たすことができず、実用的な半導体光変調器が実現されていないのが現状である。

光変調器を化合物半導体で構成する際には、変調ＲＦ信号の実効屈折率の増加による速度不整合ならびに特性インピーダンスの低下による駆動回路側とのインピーダンス不整合という２つに起因した光変調効率への制約が課題である。本発明の目的は、こうした課題に対し、電磁場が満たす境界条件を巧みに利用してこれらを同時に解決可能な構造を、非常に単純でかつ既存のデバイスプロセス技術にも整合する製法を用いて実現することである。この発明により、半導体光変調特性の小型化・広帯域化・低駆動電圧化・光源集積化に道を拓く、有効かつ実用的な手段が提供される。

本発明による半導体光変調器は、ヘテロ構造単一モード半導体光導波路と、一対の導体壁からなる遮断平行平板と、一対の電極とを備える。ヘテロ構造単一モード半導体光導波路は、ストライプ状光導波路と、それを左右から挟みこむ一対の半絶縁性埋め込み層とを備える。ストライプ状光導波路は、第１の導電性を持ち半導体基板上に形成された下部クラッド層と、内部を伝搬する信号光に対する複素屈折率が印加された電場強度に応じて変化するアンドープコア層と、第２の導電性を持つ上部クラッド層とが下から順に積層されることにより形成される。一対の導体壁からなる遮断平行平板は、半絶縁性埋め込み層のストライプ状光導波路に接していない側の側壁に配置され、ストライプ状光導波路の左右に配置される。一対の電極は、下部クラッド層および上部クラッド層のそれぞれに独立の電位を与えかつアンドープコア層を伝搬する信号光と並進するＲＦ信号を伝搬させるための伝送線路を成す。

本発明による半導体光変調器において、一対の遮断平行平板の少なくとも一方は、上部クラッド層と導通する上部電極あるいは下部クラッド層と導通する下部電極のいずれかと導通している。

本発明による半導体光変調器において、一対の遮断平行平板は同電位である。

本発明による半導体光変調器において、上部クラッド層と下部クラッド層は共にｎ型半導体によって形成されている。

本発明による半導体光変調器は更に、上部クラッド層と下部クラッド層との少なくとも一方とアンドープコア層との間に配置された電子注入阻止層を備える。

本発明による半導体光変調器において、電子注入阻止層はルテニウムまたは鉄がドーピングされた半絶縁性半導体によって形成されている。

本発明による半導体光変調器において、前記電子注入阻止層は亜鉛またはベリリウムまたは炭素がドーピングされたｐ型半導体によって形成されている。

本発明による半導体光変調器は更に、電子注入阻止層の、アンドープコア層に接する面から内側に厚さ１０ｎｍ以下でかつ前記電子注入阻止層の電子トラップ濃度より高い不純物濃度のｐ型半導体層を備える。

本発明による半導体光変調器において、アンドープコア層においてフランツ・ケルディッシュ効果、ポッケルス効果、量子閉じ込めシュタルク効果又は量子閉じ込めポッケルス効果により光が変調される。

本発明による半導体光変調器において、ストライプ状光導波路は、基板に形成される光合分波器を介して基板に形成される波長可変光源に結合する。

本発明による半導体マッハ・ツェンダー型光変調器は、本発明による半導体光変調器が光導波路型マッハ・ツェンダー干渉器計の一対の光導波路の少なくとも一方に組み込まれている。

本発明により、進行波型光位相変調器の広帯域性を損なうことなくかつ挿入損失も実用的な値に抑えたまま、駆動電圧低減に有利な長尺化を可能とし、その結果、高速・低電圧・低挿入損失で光源素子とのモノリシック集積も可能で、さらに高信頼化も期待できる、理想的な光変調器を実現する手段が提供される。より詳細には、以下のような効果が得られる。

本発明の効果は、進行波型半導体光変調器において課題であった、変調ＲＦ信号と被信号光との速度不整合を実用上支障の無い程度に抑えることが可能なことである。

その第１の理由は、以下の通りである。本発明に係る素子においては、アンドープコア層に印加される電場に対して遮断平行平板を成す１対の導体がこのアンドープコア層の両脇に設けられている。そのため、その１対の導体の間隔を変えることによって伝送線路としての基本伝搬特性である波数（位相定数、伝搬定数）を広範囲にわたって制御できる。なお、ここで言う遮断とは、文字通り電磁波の伝搬を完全に阻止してしまう場合だけに限られない。一対の導体板間を伝搬しこれに平行な電場成分を有する電磁波の位相速度がこの導体板の間隔に応じて変化する状態までをも含めた、広義の位相速度制御と言う概念を表す用語として遮断を用いている。当然のことながら、一対の導体板間を伝搬しこれに垂直な電場成分を有する電磁波の位相速度は、たとえこの導体板間隔を調節しても変化しない。

第２の理由は、以下の通りである。上述の速度不整合の課題を克服した上で、さらに伝送線路としての特性インピーダンスと一般的な光変調器駆動回路の出力インピーダンスとの間の不整合の緩和が図れると期待できる。なぜなら、この遮断平行平板構造によって変調ＲＦ信号の電磁界分布がアンドープコア層周辺からより半導体基板側に向かって広く分布しようとするために、基板として半絶縁性半導体を用いることによって変調ＲＦ信号が感じる実効的な特性インピーダンスがより高くなる。そのため、一般的な高周波コンポーネントの特性インピーダンスである５０Ωに整合させることが容易となるからである。

第３の理由は、以下の通りである。第１および第２の理由で述べた効果により、周波数応答特性の広帯域化および駆動電圧低減が期待できる。なぜなら、速度不整合が緩和されることによって被変調信号光と変調ＲＦ信号の相互作用長をより長くすることが可能となり、一定の位相変化を生じさせる上で必要な電場強度を小さくできるからである。また、上述のインピーダンス不整合に起因した反射による変調周波数特性の劣化を抑えることが可能となるからである。

第４の理由は、以下の通りである。製造プロセスの工程簡略化と歩留り向上、およびそれにともなうコスト低減が期待できる。なぜなら、この遮断平行平板構造が一般的な半導体製造プロセスで実現できるためである。これにより、本発明になる半導体光変調器を製造するためだけに新規設備を導入する必要も無く、新たな条件出し等の工数も最小限に抑えられる。

図１Ａは、遮断平行平板を備えた半導体光変調器を示す断面図である。 図１Ｂは、遮断平行平板に平行な電場成分の分布を示す。 図２Ａは、光変調器の特性インピーダンスを示す。 図２Ｂは、光変調器の実効屈折率を示す。 図２Ｃは、光変調器の減衰定数を示す。 図３Ａは、従来の光変調器の特性インピーダンスを示す。 図３Ｂは、従来の光変調器の実効屈折率を示す。 図３Ｃは、従来の光変調器の減衰定数を示す。 図４Ａは、光変調器の平面図である。 図４Ｂは、光変調器の製造プロセスの一工程を示す。 図４Ｃは、光変調器の製造プロセスの一工程を示す。 図４Ｄは、光変調器の製造プロセスの一工程を示す。 図４Ｅは、光変調器の製造プロセスの一工程を示す。 図４Ｆは、光変調器の断面を示す。 図４Ｇは、光変調器の断面を示す。 図５Ａは、光変調器の平面図である。 図５Ｂは、光変調器の製造プロセスの一工程を示す。 図５Ｃは、光変調器の製造プロセスの一工程を示す。 図５Ｄは、光変調器の製造プロセスの一工程を示す。 図５Ｅは、光変調器の製造プロセスの一工程を示す。 図５Ｆは、光変調器の断面を示す。 図５Ｇは、光変調器の断面を示す。 図６Ａは、ＭＺ光強度変調器の平面図である。 図６Ｂは、ＭＺ光強度変調器の製造プロセスの一工程を示す。 図６Ｃは、ＭＺ光強度変調器の製造プロセスの一工程を示す。 図６Ｄは、ＭＺ光強度変調器の製造プロセスの一工程を示す。 図６Ｅは、ＭＺ光強度変調器の製造プロセスの一工程を示す。 図６Ｆは、ＭＺ光強度変調器の断面を示す。 図６Ｇは、ＭＺ光強度変調器の断面を示す。 図７Ａは、ＭＺ光強度変調器の平面図である。 図７Ｂは、ＭＺ光強度変調器の製造プロセスの一工程を示す。 図７Ｃは、ＭＺ光強度変調器の製造プロセスの一工程を示す。 図７Ｄは、ＭＺ光強度変調器の製造プロセスの一工程を示す。 図７Ｅは、ＭＺ光強度変調器の製造プロセスの一工程を示す。 図７Ｆは、ＭＺ光強度変調器の断面を示す。 図７Ｇは、ＭＺ光強度変調器の断面を示す。

（実施の第１形態）
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。本実施の形態においては、アンドープコア層に印加される電場にほぼ平行な一対の導体壁がこのアンドープコア層両脇に設けられ、これが変調ＲＦ信号に対する遮断平行平板として機能する。

図１Ａは、その具体的な構成を示す断面図である。本実施の形態における光変調器は、半絶縁性半導体基板１０３上に形成されたバッファ層１０４、バッファ層１０４上に形成された下部クラッド層１０５、下部クラッド層１０５上に形成されたアンドープコア層１０６、アンドープコア層１０６上に形成された電子注入阻止層１０７、電子注入阻止層１０７上に形成された上部クラッド層１０８、上部クラッド層１０８、上部クラッド層１０８上に形成されたコンタクト層１０９を備える。この積層構造は、図１Ａの紙面奥行方向を導波路の長手方向（光信号の進行方法）とする帯状をなす。この積層構造の上にはコンタクト層１０９と導通する上部電極１１０が形成される。

この帯状構造の長手方向に垂直な一方の側壁には、埋め込み層を介して第一導体壁部Ｗ１が配置される。この帯状構造に対して第一導体壁部Ｗ１と反対側の側壁には、埋め込み層を介して、第一導体壁部Ｗ１と平行に第二導体壁部Ｗ２が配置される（ＳＩ−ＢＨ構造）。図１Ａにおいては、第一導体壁部Ｗ１と第二導体壁部Ｗ２とは上部電極１１０を形成するプロセスで共に形成される膜の一部である。第一導体壁部Ｗ１と第二導体壁部Ｗ２とは、アンドープコア層１０６に対して印加される電場を遮断する平行平板をなす。

図１Ｂは、この平行平板と電磁波の分布を示す。平行平板１０１により、アンドープコア層に印加される電場は図１Ｂに示すように一対の平行な導体壁の間で半波長共振した電磁波の分布１０２となり、光導波路の長手軸方向に沿った変調ＲＦ信号の波数（または位相定数、伝搬定数）がこの半波長共振の影響で減少する。これはすなわち、変調ＲＦ信号の波数を一対の導体壁の間隔で制御できることを意味する。

図２Ａ〜２Ｃは、本実施の形態の光変調器における特性インピーダンス、実効屈折率及び減衰定数をそれぞれ示す。それぞれの図に対応する従来の光変調器の特性を図３Ａ〜３Ｂに示す。図２Ｂに示されるように、変調ＲＦ信号の波数が導体壁の間隔Ｗｍによって制御されていることが分かる。なお、一対の導体壁のそれぞれの電位については特に制約は無く、例えば異なる電位でもあるいはまた同電位でも、電磁波の位相速度に与える影響に関しては基本的に同じである。同様に、これらが上下いずれかの電極に導通している場合でも同様である。このため、例えば遮断平行平板を成すこれら一対の導体壁を上部電極と一体形成したような構造などが、主に製造プロセスの簡略化の観点などから実用的であると考えられる。

一般に、ＳＩ−ＢＨ構造単一モード光導波路においては、アンドープコア層の側壁からＳＩ−ＢＨ層に向かって２μｍ以上入り込んだ位置では被変調光信号の基本伝搬モードは十分減衰している。そのため、この近辺に一対の導体壁を設けても被変調信号光の基本伝搬モードの伝搬特性への影響は実用上充分無視できる程度に抑えることができる。この特性は、単に一対の導体壁の間隔を変えるだけで、被変調光信号の伝搬特性に何ら影響を与えることなく変調ＲＦ信号の実効屈折率を自由に制御できるということを意味する。即ち、光変調特性の低電圧化・広帯域化などを図るうえで重要な設計自由度を獲得できる。このような導体壁は、例えばエッチング等によってＳＩ−ＢＨ層に溝を設けてここに上部電極や下部電極の一部を這わせるように形成するだけで容易に実現できる。

また、変調ＲＦ信号の減衰についても図２Ｃに示されるように例えば４０ＧＨｚ帯でも長さ数ｍｍの範囲であれば光変調特性への影響が必要最小限に留まると考えられる実用的な値に抑えることが可能である。さらに、本構造を伝搬する変調ＲＦ信号が感じる特性インピーダンスは、光ファイバ通信システム向け半導体光導波路素子の実用的な構造寸法の範囲で、マイクロ波機器のＲＦ信号入出力経路にて広く用いられる値である５０Ωにほぼ整合させる（実用的な範囲としては約±１０％以内）ことが可能である。なお、この特性インピーダンスの値は、一対の導体壁と導通する電極部分とバッファ層との間隔や対向面積などを変えることによっても制御可能である。

［発明の開示］で説明したように、進行波型光変調器として理想的な広帯域・低電圧変調が期待されるｎ−ＳＩ−ｉ−ｎ積層構造を、単一モード化が容易で信頼性にも優れ光源集積にも適した埋め込み構造とする際に、（１）〜（４）に示した４つの条件を同時に満たせないという問題があった。本実施の形態による半導体光変調器によれば、この問題に関して、平行な一対の導体壁を設け、これをアンドープコア層に印加される電場の遮断平行平板として機能させることにより、変調ＲＦ信号の実効屈折率を単に一対の導体壁の間隔を変えるだけで容易に制御することが可能な構造が実現される。

なお、以上述べた本発明の効果については、この他にも例えば電子注入阻止層を持たないｐ−ｉ−ｎ積層構造や、またストライプ状光導波路をなす各層の積層の順番を入れ替えたｎ−ｉ−ＳＩ−ｎ積層構造、さらには電子注入阻止層をもう１層加えて無バイアス状態でのビルトイン電場を抑えたｎ−ＳＩ−ｉ−ＳＩ−ｎ層のような積層構造についても成り立つ。また、光変調動作に要する電圧振幅を低減する観点から、電子注入阻止層がアンドープコア層に接する近傍において、ｐ型半導体層を有する構造も有効である。このｐ型半導体層の不純物濃度は、電子注入阻止層の電子トラップ濃度より高い。なお、このｐ型半導体層は信号光の伝搬損失を抑える観点から厚さは１０ｎｍ程度で、アンドープコア層と電子注入阻止層との接触面から電子注入阻止層に向かって２０ｎｍ以内程度の位置に設けるのが適している。さらに、ＳＩ−ＢＨ層や電子注入阻止層に用いている半絶縁性半導体としては、不純物として鉄（Ｆｅ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）をドーピングした半絶縁性半導体が適している。特に、Ｒｕは、代表的なｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）とＩｎＰ中で相互固相拡散を起こしにくい理想的な特長を備えており、上述のｐ型半導体を挟み込んだ構造を製造する場合などに特に適している。なお、電子注入阻止層としては、ＳＩ−ＩｎＰの代わりに、亜鉛またはベリリウムまたは炭素がドーピングされたｐ−ＩｎＰ層を用いることも可能である。

（実施の第２形態）
図４Ａは、本発明の実施の第２形態における半導体光変調器の構成を示す平面図である。図４Ｂ〜４Ｇは、半導体光変調器の製造プロセスを示す断面図である。図４Ｂは第１の結晶成長までが完了した時点の断面構造を示す。図４Ｃはエッチングによるストライプ加工がなされた時点の断面構造を示す。図４Ｄは埋め込み成長まで完了した時点の断面構造を示す。図４Ｅは光導波路ストライプ両脇に溝が形成された時点の断面構造を示す。図４Ｆ、４Ｇは電極形成後のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’における断面構造を、それぞれ示す図である。上部電極２１４、下部電極２１５は、下部クラッド層および上部クラッド層のそれぞれに独立の電位を与え、かつアンドープコア層を伝搬する信号光と並進するＲＦ信号を伝搬させるための伝送線路を成す。

すなわち本素子は、以下のように形成される。半絶縁性半導体基板２０１上へ下から順にバッファ層２０２、下部クラッド層２０３、アンドープコア層２０４、絶縁層２０５、上部クラッド層２０６、コンタクト層２０７が第１の結晶成長によって連続して形成される。コンタクト層２０７の表面にストライプ状のエッチング阻止マスク２０８が設けられてエッチングされることによりストライプ状光導波路２０９が形成される。第２の結晶成長でこのストライプ状光導波路２０９が埋め込み層２１０および埋め込みコンタクト層２１１で埋め込まれることにより、いわゆる高抵抗埋め込み（ＳＩ−ＢＨ）構造が形成される。埋め込み層２１０は、ストライプ状光導波路２０９を左右から、すなわち導波方向に垂直な方向に両側から挟み込む。

次に、この表面にエッチング阻止マスク２１２が形成され、埋め込み層２１０および埋め込みコンタクト層２１１が所望の幅にエッチングされる。続いて、その表面に絶縁膜２１３が設けられ、コンタクト層近傍に開口が設けられた後、電極膜が全面に成膜される。この電極はアンドープコア層２０４に印加される変調ＲＦ信号の電場に対して遮断平行平板として機能する。エッチング阻止マスク２１２の幅を調整してこの平行平板の幅を制御することにより、ここを伝搬する変調ＲＦ信号の実効屈折率と特性インピーダンスが制御される。

続いて、この電極が、フォトリソグラフィ技術とエッチングにより上部電極２１４と下部電極２１５に分離される。信号光入出射端面近傍においては、ここを変調ＲＦ信号が伝搬することを抑えるため、コンタクト層２０７と埋め込みコンタクト層２１１が部分的に取り除かれた後、イオン注入によって導電率を抑えた高抵抗化領域２１６が形成される。最後に、光導波路の両端が劈開され、両端面とも低反射膜２１７が施されることによって信号光入出射面が形成される。

次に、第２の実施の形態における光半導体光変調器の動作について説明する。上部電極２１４、下部電極２１５を駆動回路に接続し、アンドープコア層２０４に電場が印加される。その結果、上部電極２１４と同じ膜によって形成された遮断平行平板の効果を受けて変調ＲＦ信号の電磁場の波数が小さくなり、その実効屈折率が信号光のそれに近づくとともに変調ＲＦ信号の感じる特性インピーダンスの低下も抑えられる。これにより、本実施の形態の光変調器を、上述の速度整合およびインピーダンス整合をほぼ両立した理想的な進行波型光位相変調器として動作させることが可能となる。

図５Ａは、本発明の第２の実施の形態を、半導体光位相変調器にて検証した実施例を示す平面図である。図５Ｂ〜Ｇはこの実施例の製造プロセスを示す断面図である。図５Ｂは第１の結晶成長までが完了した時点の断面構造を示す。図５Ｃは同じくこれをエッチングによりストライプ加工された時点の断面構造を示す。図５Ｄはこれを埋め込み成長まで完了した時点の断面構造を示す。図５Ｅは光導波路ストライプ両脇に溝を形成した時点の断面構造を示す。図５Ｆ、５Ｇはそれぞれ電極形成後のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’における断面構造を示す。

本素子の活性層ストライプは、半絶縁性ＩｎＰ基板上３０１へ下から順にｎ−ＩｎＰバッファ層３０２、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３０３、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸コア層３０４（井戸厚１０ｎｍ、井戸層１２層、障壁層厚１０ｎｍ、遷移波長１３７０ｎｍ）、ルテニウム（Ｒｕ）ドープ半絶縁ＩｎＰ層３０５、ｎ−ＩｎＰ上部クラッド層３０６、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０７が積層された構造によって形成される。これら各層は、次のように処理されて形成される。有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いた第１回目の結晶成長によってこれらの層が積層される。この積層構造の表面にストライプ状のエッチング阻止マスク３０８を設けてエッチングすることによりストライプ状光導波路３０９が形成される。第２の結晶成長でこのストライプ状光導波路３０９がルテニウム（Ｒｕ）ドープ半絶縁ＩｎＰ層３１０およびｎ−ＩｎＧａＡｓ埋め込みコンタクト層３１１で埋め込まれることにより、いわゆる高抵抗埋め込みヘテロ（ＳＩ−ＢＨ）構造が形成される。

次に、この表面にＳｉＮエッチング阻止マスク３１２が形成され、ルテニウム（Ｒｕ）ドープ半絶縁ＩｎＰ層３１０およびｎ−ＩｎＧａＡｓ埋め込みコンタクト層３１１が所望の幅にエッチングされる。続いて、その表面にＳｉＮ膜３１３が設けられ、コンタクト層近傍に開口が設けられた後、Ｔｉ−Ｐｄ−Ａｕ電極膜が全面に成膜される。この電極はアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸コア層３０４に印加される変調ＲＦ信号の電場に対して遮断平行平板を形成する。ＳｉＮエッチング阻止マスク３１２の幅を変えることにより、ここを伝搬する変調ＲＦ信号の実効屈折率と特性インピーダンスが制御される。

続いて、この電極がフォトリソグラフィ技術とエッチングによりＴｉ−Ｐｄ−Ａｕ上部電極３１４、Ｔｉ−Ｐｄ−Ａｕ下部電極３１５に分離される。信号光入出射端面近傍においては、ここを変調ＲＦ信号が伝搬することを抑えるため、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０７とｎ−ＩｎＧａＡｓ埋め込みコンタクト層３１１が部分的に取り除かれた後、Ｔｉイオン注入によって導電率を抑えた高抵抗化領域３１６が形成される。最後に、光導波路の両端が劈開され、両端面とも反射率０．１％以下の低反射膜３１７を施すことによって信号光入出射面が形成される。本素子の長さは２ｍｍ、信号光と電極との相互作用長は１．９ｍｍである。

本素子のＴＥモードで入射させた波長１５３０〜１５７０ｎｍの被変調信号光に対する挿入損は約３ｄＢであった。また、進行波電極の特性インピーダンスは約５０Ω、変調周波数帯域は４５ＧＨｚ、反射はＤＣ〜４５ＧＨｚにわたって−１３ｄＢ以下であった。また、バイアス電圧２．５Ｖにて波長１５３０〜１５７０ｎｍの被変調信号光の位相がπラジアン変化した。

（実施の第３形態）
図６Ａは、本発明の第３の実施の形態における半導体光変調器が適用される半導体マッハ＝ツェンダー（ＭＺ）光強度変調器の構成を示す平面図である。図６Ｂ〜６Ｇは、ＭＺ光強度変調器の製造プロセスを示す断面図である。図６Ｂは第１の結晶成長までが完了した時点の断面構造を示す。図６Ｃはエッチングによりストライプ加工がなされた時点の断面構造を示す。図６Ｄは埋め込み成長まで完了した時点の断面構造を示す。図６Ｅは光導波路ストライプ両脇に溝が形成された時点の断面構造を示す。図６Ｆ、６Ｇはそれぞれ電極形成後のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’における断面構造を示す。

本素子は、以下のように形成される。半絶縁性半導体基板４０１上へ下から順にバッファ層４０２、下部クラッド層４０３、アンドープコア層４０４、絶縁層４０５、上部クラッド層４０６、コンタクト層４０７が第１の結晶成長によって連続して形成される。この積層構造の表面にストライプ状のエッチング阻止マスク４０８を設けてエッチングすることによりＭＺ干渉計のストライプ状光導波路４０９が形成される。第２の結晶成長でこのストライプ状光導波路４０９が埋め込み層４１０および埋め込みコンタクト層４１１で埋め込まれることにより、いわゆる高抵抗埋め込み（ＳＩ−ＢＨ）構造が形成される。

次に、この表面にエッチング阻止マスク４１２が形成され、埋め込み層４１０および埋め込みコンタクト層４１１が所望の幅にエッチングされる。その際、一対のストライプ状光導波路を互いに絶縁する分離溝４１３も形成される。続いて、その表面に絶縁膜４１４が設けられ、コンタクト層近傍に開口が設けられた後、電極膜が全面に成膜される。この電極はアンドープコア層４０４に印加される変調ＲＦ信号の電場に対して遮断平行平板を形成する。エッチング阻止マスク４１２の幅を調整してこの平行平板の幅を制御することにより、ここを伝搬する変調ＲＦ信号の実効屈折率と特性インピーダンスが制御される。

続いて、この電極が、フォトリソグラフィ技術とエッチングにより上部電極４１５と下部電極４１６に分離される。信号光入出射端面近傍においては、ここを変調ＲＦ信号が伝搬することを抑えるため、コンタクト層４０７と埋め込みコンタクト層４１１が部分的に取り除かれた後、イオン注入によって導電率を抑えた高抵抗化領域４１７が形成される。１対の光導波路ストライプは２入力出力多モード干渉型光合分波器４１８に曲がり光導波路４１９を介して接続されている。最後に、光導波路の両端が劈開され、両端面とも低反射膜４２０が施されることによって信号光入出射面が形成される。

次に、第３の実施の形態における半導体ＭＺ光強度変調器の動作について説明する。上部電極４１４、下部電極４１５を駆動回路に接続し、アンドープコア層４０４に電場を印加する。その結果、上部電極４１４と同じ膜によって形成された遮断平行平板の効果を受けて変調ＲＦ信号の電磁場の波数が小さくなり、その実効屈折率が信号光のそれに近づくとともに変調ＲＦ信号の感じる特性インピーダンスの低下も抑えられる。これにより、本実施の形態の半導体ＭＺ光強度変調器を、１対のストライプ状光導波路がそれぞれ上述の速度整合およびインピーダンス整合をほぼ両立した理想的な進行波型光位相変調器として動作させることが可能となる。

図７Ａは、本発明の第３の実施の形態を、半導体光位相変調器にて検証した実施例を示す平面図である。図７Ｂ〜７Ｇはこの実施例の製造プロセスを示す断面図である。図７Ｂは第１の結晶成長までが完了した時点の断面構造を示す。図７Ｃはエッチングによりストライプ加工された時点の断面構造を示す。図７Ｄは埋め込み成長まで完了した時点の断面構造を示す。図７Ｅは光導波路ストライプ両脇に溝が形成された時点の断面構造を示す。図７Ｆ、７Ｇはそれぞれ電極形成後のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’における断面構造を、それぞれ示す。

本素子は、以下の工程によって製造される。半絶縁性ＩｎＰ基板５０１上へ下から順にｎ−ＩｎＰバッファ層５０２、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層５０３、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸コア層５０４、Ｒｕドープ半絶縁性ＩｎＰ層５０５、ｎ−ＩｎＰ上部クラッド層５０６、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０７が第１の結晶成長によって連続して形成される。この積層構造の表面にストライプ状のＳｉＮエッチング阻止マスク５０８が設けられエッチングされることによりＭＺ干渉計を成すストライプ状光導波路５０９が形成される。第２の結晶成長でこのストライプ状光導波路５０９がＲｕドープ半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層５１０およびｎ−ＩｎＧａＡｓ埋め込みコンタクト層５１１で埋め込まれることにより、いわゆる高抵抗埋め込み（ＳＩ−ＢＨ）構造が形成される。一対のストライプ状光導波路の各中心軸間の間隔は５０μｍである。

次に、この表面に幅８μｍのＳｉＮエッチング阻止マスク５１２が形成される。Ｒｕドープ半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層５１０およびｎ−ＩｎＧａＡｓ埋め込みコンタクト層５１１がエッチングされる。その際、一対のストライプ状光導波路を互いに絶縁する分離溝５１３も形成される。続いて、その表面にＳｉＮ膜５１４が設けられ、コンタクト層近傍に開口が設けられた後、Ｔｉ−Ｐｄ−Ａｕ電極膜が全面に成膜される。この電極はアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸コア層５０４に印加される変調ＲＦ信号の電場に対して遮断平行平板を形成する。ＳｉＮエッチング阻止マスク５１２の幅を変えることにより、ここを伝搬する変調ＲＦ信号の実効屈折率と特性インピーダンスが制御される。

続いて、この電極が、フォトリソグラフィ技術とエッチングによりＴｉ−Ｐｄ−Ａｕ上部電極５１５、Ｔｉ−Ｐｄ−Ａｕ下部電極５１６に分離される。信号光入出射端面近傍においては、ここを変調ＲＦ信号が伝搬することを抑えるため、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０７とｎ−ＩｎＧａＡｓ埋め込みコンタクト層５１１が部分的に取り除かれた後、Ｔｉイオン注入によって導電率を抑えた高抵抗化領域５１７が形成される。１対のストライプ状光導波路は２入力出力多モード干渉型光合分波器５１８に曲がり光導波路５１９を介して接続されている。最後に、光導波路の両端が劈開され、両端面とも反射率０．１％以下の低反射膜５２０を施すことによって信号光入出射面が形成される。本素子の長さは３ｍｍ、信号光と電極との相互作用長は１．９ｍｍである。

本素子のＴＥモードで入射させた波長１５３０〜１５７０ｎｍの被変調信号光に対する挿入損は約６ｄＢであった。また、進行波電極の特性インピーダンスは約５０Ω、変調周波数帯域は４５ＧＨｚ、反射はＤＣ〜４５ＧＨｚにわたって−１３ｄＢ以下であった。また、バイアス電圧２．５Ｖにて波長１５３０〜１５７０ｎｍの被変調信号光が消光動作し、その消光比は１５ｄＢであった。

特に幹線系光ファイバ通信システム向けの超高速光変調器およびその集積光素子を実現するうえで、速度不整合とインピーダンス不整合による光変調特性の帯域制約や駆動電圧上昇は、深刻な問題であった。以上説明したように、本発明による光変調器は、アンドープコア層に印加される電場と平行な一対の導体壁の遮断平行平板効果を用いることにより、また別途特殊な部品等を用いることなく製造プロセスも同じ工程のまま、これらの課題を効果的に改善できる構造を提供するものであり、より広帯域・低電圧のハイブリッド集積光モジュールを大量かつ安定に提供する道を拓くものである。

Claims (10)

1. 第１の導電性を持ち半導体基板上に形成された下部クラッド層と内部を伝搬する信号光に対する複素屈折率が印加された電場強度に応じて変化するアンドープコア層と第２の導電性を持つ上部クラッド層とが下から順に積層されたストライプ状光導波路と、
   前記ストライプ状光導波路を左右から挟み込む一対の半絶縁性埋め込み層と
   を備える埋め込みヘテロ構造単一モード半導体光導波路と、
   前記半絶縁性埋め込み層の前記ストライプ状光導波路に接していない側の側壁に配置され、前記ストライプ状光導波路の左右に配置される一対の導体壁からなる遮断平行平板と、
   前記下部クラッド層および前記上部クラッド層のそれぞれに独立の電位を与えかつ前記アンドープコア層を伝搬する信号光と並進するＲＦ信号を伝搬させるための伝送線路を成す一対の電極
   とを具備し、
   前記一対の遮断平行平板の少なくとも一方は、前記上部クラッド層と導通する上部電極あるいは前記下部クラッド層と導通する下部電極のいずれかと導通している
   半導体光変調器。
2. 請求項１に記載された半導体光変調器であって、
   前記一対の遮断平行平板は同電位である
   半導体光変調器。
3. 請求項１または２に記載された半導体光変調器であって、
   前記上部クラッド層と前記下部クラッド層は共にｎ型半導体によって形成されている
   半導体光変調器。
4. 請求項１または２に記載された半導体光変調器であって、
   更に、前記上部クラッド層と前記下部クラッド層との少なくとも一方と前記アンドープコア層との間に配置された電子注入阻止層
   を具備する半導体光変調器。
5. 請項４に記載された半導体光変調器であって、
   前記電子注入阻止層はルテニウムまたは鉄がドーピングされた半絶縁性半導体によって形成されている
   半導体光変調器。
6. 請求項４に記載された半導体光変調器であって、
   前記電子注入阻止層は亜鉛またはベリリウムまたは炭素がドーピングされたｐ型半導体によって形成されている
   半導体光変調器。
7. 請求項４から６のいずれかに記載された半導体光変調器であって、
   更に、前記電子注入阻止層の、前記アンドープコア層に接する面から内側に厚さ１０ｎｍ以下でかつ前記電子注入阻止層の電子トラップ濃度より高い不純物濃度のｐ型半導体層
   を具備する半導体光変調器。
8. 請求項１から７のいずれかに記載された半導体光変調器であって、
   前記アンドープコア層においてフランツ・ケルディッシュ効果、ポッケルス効果、量子閉じ込めシュタルク効果又は量子閉じ込めポッケルス効果により光が変調される
   半導体光変調器。
9. 請求項１から８のいずれかに記載された半導体光変調器であって、
   前記ストライプ状光導波路は、前記基板に形成される光合分波器を介して前記基板に形成される波長可変光源に結合する
   半導体光変調器。
10. 請求項１から９のいずれかに記載された半導体光変調器が光導波路型半導体マッハ・ツェンダー型光干渉器計の一対の光導波路の少なくとも一方に組み込まれている半導体マッハ・ツェンダー光変調器。

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