JP6151958B2 - 光変調素子および光変調素子の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、光通信用の伝送装置及び光信号処理装置に関するものであり、より詳細には、変調信号を発生させるための変調素子に関するものである。

近年のインターネットの普及に伴うネットワークトラフィックの爆発的な増大により、光ファイバ伝送の高速・大容量化が求められている。大容量化に向けては、これまで変調速度の高速化と多重度の増大が重要な役割を果たしてきた。特に多重化においては、複数波長を用いて情報を多重化する波長多重技術（ＷＤＭ）の進展によりファイバ１本あたり１０００波を超える伝送が可能となり、Ｔ（テラ）ｂ／ｓ級の伝送が報告されている。また、変調速度の高速化も進展し、バックボーンにおいて４０Ｇｂ／ｓベースの伝送装置が導入され始めているほか、アクセス・メトロネットワークにおいても１０Ｇｂ／ｓベースの技術が採用されつつある。変調方式としては、信号の強度変化をビット列に対応させる２値の振幅偏移変調（ＡＳＫ）方式が主流となり発展してきた。

ＡＳＫ方式の変調手法として代表的な構成は、一つはレーザの駆動電流に変調信号を重畳して変調信号を生成する直接変調方式、もう一つはレーザから発振されたＣＷ光源を外部変調器で変調する外部変調方式である。

前者の直接変調方式においては、分布反射型（ＤＦＢ）レーザや面発光レーザを用いた１０Ｇｂ／ｓ用送信器が既に市場に出ており、また、研究レベルにおいては５０Ｇｂｐｓ動作が実現されている。この構成は非常に簡易であるという面で優れているが、高速変調動作の為には駆動電流が高くなってしまう問題がある。また、変調に伴う発振波長の変動が避けられず、光ファイバ伝送時に伝送波形が劣化し、伝送距離が制限される点が問題となる。

後者の外部変調方式として用いられる材料系としては、化合物半導体、ＬｉＮｂＯ_３素子、シリコンが挙げられる。化合物半導体変調素子を用いた構成としては、ＤＦＢレーザと電界吸収型変調器との集積素子が代表的である。電界吸収変調器は、半導体材料に電界を印加することで光吸収スペクトルの吸収端をシフトさせて強度変調を行うものであり、バルク構造ではフランツケルディッシュ効果、量子井戸構造においては量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を用いる。この構成は、光源と変調素子の集積性に優れており、また低電力駆動を実現できるが、変調時の波長変動が課題となる。

この波長変動の問題を解決し、高速長距離伝送に対応するため、マッハ・ツェンダ型光変調器が提案されている。図１は、マッハ・ツェンダ型光変調器の構成を示す図である。マッハ・ツェンダ型光変調器１００は、光を３ｄＢカプラの分波器１０１で分岐した後、分岐光に対し、変調領域１１０において、変調電極１０２により電圧を印加してそれぞれ個別の屈折率変化を付与することによりそれぞれの分岐光に対して位相差を設け、合波器１０４で合波させる。位相調整領域１２０を設け、位相調整電極１０３において電流注入または逆バイアス電圧を印加することで、２本のアーム（導波路）から出力される分岐光の出力誤差を補正することもできる。出力光の位相量、チャープ量は自由に制御することが可能であり、位相変調器、周波数変調器としての利用も可能である。特に両アームの屈折率変化を対称駆動させることで、原理的に周波数変動の無い動作、いわゆるプッシュ・プル駆動によりゼロチャープ駆動が実現できることから、長距離伝送用の変調器として採用されている。

また、近年長距離伝送化に向けては、ＡＳＫ方式に代わり、周波数利用効率を上げることのできる変調技術として、無線技術に応用されてきた多値変調方式の光ファイバ伝送への適用が進められてきている。多値変調方式は、強度情報に加えて光信号の位相情報を用い、１つの信号で複数のビットを表現できるため、同一ビットレートで比較した場合に周波数利用効率面でＡＳＫ方式よりも優位である。具体的には、位相情報をビット情報に対応させる位相偏移変調（ＰＳＫ）方式、四値位相偏移変調（ＱＰＳＫ）方式、また、位相の差分をビット情報に対応させる差動位相偏移変調（ＤＰＳＫ）方式、差動四値位相偏移変調（ＤＱＰＳＫ）方式などが挙げられる。また、更なる多値数の増大に向けては、強度変調と位相変調を併せた直角位相振幅変調方式（ＱＡＭ）が検討されており、実験的には６４ＱＡＭ、５１２ＱＡＭなども報告されている。いずれの変調方式においてもマッハ・ツェンダ型光変調器が用いられており、マッハ・ツェンダ型光変調器への期待は更なる高まりを見せている。

マッハ・ツェンダ型光変調器においては、素子の屈折率の動的制御の為に、低電圧、かつ高速応答可能な、高い屈折率変化量を得る為の材料選択が重要である。通信波長帯においては、これまでにＬｉＮｂＯ_３、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、シリコンを用いた報告がなされており、主流となっているのはＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）素子である。ＬＮ素子においては、電気光学効果を用いることで４０ＧＨｚを超える高速動作が可能であるが、素子が大きく、また駆動電圧が最低でも４Ｖ程度と高くなるという問題がある。

一方で、将来の伝送容量の大容量化にあたっては素子数の急激な増大が見込まれ、省スペース化、低コスト化の為に、小型化、低電力駆動化が急務となっている。したがって、低電力駆動化のために消費電力の課題を解決すべく、従来使用しているＬＮ素子よりも電気光学効果が大きく、また、光源との集積が容易な化合物半導体素子を使用したマッハ・ツェンダ型光変調素子が開発されている。半導体における屈折率変化は、前記の吸収係数変化同様、量子閉じ込めシュタルク（ＱＣＳＥ）効果、フランツケルディッシュ効果、電気光学（ＥＯ）効果が用いられる。

図２は、図１の破線Ａ−Ａ´におけるマッハ・ツェンダ型光変調器の断面構造を示す図である。マッハ・ツェンダ型光変調器１００は、（００１）ｎドープＩｎＰ基板２０１上に形成されたｎ型ＩｎＰクラッド層２０２、ｉ層ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸変調層２０３、ｐ型ＩｎＰクラッド層２０４、ｐコンタクト層２０５の上下にｎ電極２０６、ｐ電極２０７が設けられており、ｐ−ｉ−ｎダイオード構造が形成され、ｐ電極２０７は図１の変調電極１０２に接続されている。２本の変調層２０３はハイメサ導波路２３０から形成されており、導波路間は素子の保護のためにＢＣＢ樹脂２０８で埋め込まれている。ｎ電極２０６とｐ電極２０７との間に逆バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果に伴い変調領域の屈折率が変化し、位相変調動作を行うことができる。

R. G. Walker, "High-Speed III-V Semiconductor Intensity Modulators," IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 27, NO. 3, MARCH 1991, pp. 654-667. B. R. BENNET et al, "Carrier-Induced Change in Refractive Index of InP, GaAs, and InGaAsP"IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 26, NO. I , JANUARY 1990, pp. 113-122.

光変調器の駆動方法においては、現在の主流であるＬＮ（リチウム・ナイオベイト）では、駆動信号が一つ、すなわちシングル駆動によるプッシュ・プル動作が広く用いられている。ここで、図３はＬＮ光変調器３００の構造を示す図であり、図４は図３のＢ−Ｂ´におけるＬＮ光変調器３００の断面図においてＬＮ光変調器３００の駆動構成を示した図である。ＬＮのＸ基板３０１上にＺ方向に対して垂直方向に変調用の導波路３０２が２本作製されており、両導波路３０２間に信号電極３０３、両導波路３０２の外側に接地電極３０４を設ける。この信号電極３０３と接地電極３０４との間に電圧を印加すると、各導波路３０２にはＸ基板３０１と水平方向、すなわちＺ方向に沿って電界が印加される。このとき、各導波路３０２を伝搬する光に対しては、電気光学効果により、電界印加の方向の符号に従って屈折率変化の符号が変化する。このとき２本の変調領域には逆符号の電界が印加されるため、屈折率変化も逆符号となり、プッシュ・プル動作を行うことができる。

しかし、従来のマッハ・ツェンダ型光変調器においては、図３に示すＬＮ光変調器と同様の構成をとっても伝搬光に対する屈折率変化の符号が逆符号にならないため、シングル駆動によるプッシュ・プル駆動ができない。したがって、従来のマッハ・ツェンダ型光変調器においてプッシュ・プル動作を行うためには、図５に示したように、２つのアーム用電源５０１、５０２により２つのアーム（変調領域）５０３、５０４に別々に変調信号を与える、いわゆるデュアル駆動により変調が行う必要がある。このような構造にする場合、変調用のドライバを二つ必要とするため、集積数の増大に伴い電気配線の複雑化をもたらすことが課題であった。

従来のマッハ・ツェンダ型光変調器のこのような問題に対処するため、R.G.Walkerはアーム間に位相変調を与える駆動回路を考案し、単一ドライブによる駆動方法を提案している（非特許文献１）。

図６は、非特許文献１において提案されている提案されているマッハ・ツェンダ型光変調器の駆動回路の電源接続を示す図でありを示す図であり、（ａ）はマッハ・ツェンダ型光変調器に回路を接続した状態を示す図であり、（ｂ）は回路の駆動の様子を示す図である。ここで、マッハ・ツェンダ型光変調器６００の素子の断面構造は図２と同様である。変調領域６１０全体にバイアス電圧Ｖ_ＤＣを印加し、各アーム６０１間にそれぞれ変調信号電圧Ｖｍを与えることで、各変調領域６１０に逆符号の電圧Ｖｍ／２が印加され、単一ドライブ駆動によるプッシュ・プル動作が実現される。

この方法においては、ＡＣ駆動の場合には対称駆動が行われるが、ＤＣ駆動の場合は対称駆動とならずに片側アームのみの変調となるため、素子の評価が複雑になる。この課題を解決するには、ＬＮ変調器と同様に単一の電界印加により両アームに逆符号の屈折率変化を起こす必要があるが、電気光学効果やＱＣＳＥ効果やフランツケルディッシュ効果を用いた場合、印加電圧の増大により屈折率が一方向に増大するため、ＬＮ変調器と同様の動作回路の実現は困難であった。

以上の課題を解決するために、本発明に関わる光変調器は、マッハ・ツェンダ型光変調器構造を採用し、ｐ型クラッドとｎ型クラッドの間のコア層にｎ型不純物層を設け、さらに、２本のアーム間で、バイアス電圧を変え、電界印加方向に対して各アームの屈折率変化が逆方向になるように設定した。

具体的には、請求項１に記載の発明は、半導体基板上の第１の導波路と、第２の導波路と、ｐ型クラッド層と、ｎ型クラッド層とを備えるマッハ・ツェンダ型光変調器であって、前記第１の導波路は第１の変調領域を備え、前記第２の導波路は第２の変調領域を備え、前記第１の変調領域及び第２の変調領域は、それぞれコアとしてＩｎＰ系化合物半導体からなる変調層を備え、前記変調層はｎドープされた不純物層であり、前記第１の変調領域に、第１のバイアス電圧を印加し、前記第２の変調領域に、第２のバイアス電圧を印加し、前記第１の変調領域と、第２の変調領域とに変調電圧をさらに印加することにより変調動作を行い、前記第１のバイアス電圧及び前記第２のバイアス電圧は、前記変調電圧の印加方向に対して前記第１の導波路及び前記第２の導波路の屈折率変化がそれぞれ逆方向になるように設定されることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のマッハ・ツェンダ型光変調器であって、前記第１の導波路及び前記第２の導波路は、それぞれ位相調整領域をさらに備え、前記それぞれの位相調整領域に電流注入または逆バイアス印加を行うことにより変調条件の調整を行うことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のマッハ・ツェンダ型光変調器であって、前記半導体基板上面の前記第１の導波路上及び前記第２の導波路上に第１の電極を設け、前記半導体基板裏面に第２の電極を設け、前記第１の電極がｎ電極かつ前記第２の電極がｐ電極であり、もしくは前記第１の電極がｐ電極かつ前記第２の電極がｎ電極であり、前記ｐ電極と、前記ｎ電極に変調電圧を印加することにより、前記半導体基板に垂直に変調電圧を印加することを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、半導体基板上の第１の導波路と、第２の導波路とを備えるマッハ・ツェンダ型光変調器であって、前記第１の導波路は第１の変調領域を備え、前記第２の導波路は第２の変調領域を備え、前記第１の変調領域及び第２の変調領域は、それぞれコアとしてＩｎＰ系化合物半導体からなる変調層を備え、前記変調層はｎドープされた不純物層であり、前記第１の変調領域の、水平方向の一方の側に隣接してｐ型クラッド層を設け、水平方向の他方の側に隣接してｎ型クラッド層を設け、前記第２の変調領域の、水平方向の一方の側に隣接してｐ型クラッド層を設け、水平方向の他方の側に隣接してｎ型クラッド層を設け、前記ｐ型クラッド層はｐ電極に接続され、前記ｎ型クラッド層はｎ電極に接続され、前記ｐ電極と、前記ｎ電極に変調電圧を印加し、前記第１の変調領域に、第１のバイアス電圧を印加し、前記第２の変調領域に、第２のバイアス電圧を印加し、前記第１の変調領域と、第２の変調領域とに変調電圧をさらに印加することにより変調動作を行い、前記第１のバイアス電圧及び前記第２のバイアス電圧は、前記変調電圧の印加方向に対して前記第１の導波路及び前記第２の導波路の屈折率変化がそれぞれ逆方向になるように設定されることにより、前記半導体基板の水平方向に変調電圧を印加することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のマッハ・ツェンダ型光変調器であって、前記ｐ型クラッド層及び前記ｎ型クラッド層と、前記第１及び第２の変調領域は、異なる材料により形成されることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項４に記載のマッハ・ツェンダ型光変調器であって、前記ｐ型クラッド層及び前記ｎ型クラッド層と、前記第１及び第２の変調領域は、同一の材料により形成されることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項５または６に記載のマッハ・ツェンダ型光変調器であって、前記半導体基板と、前記第１の導波路及び前記第２の導波路との間は、エアブリッジ型構造により形成されることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、半導体基板上の第１の変調領域を備える第１の導波路と、第２の変調領域を備える第２の導波路と、ｐ型クラッド層と、ｎ型クラッド層とを備えるマッハ・ツェンダ型光変調器の駆動方法であって、前記第１の変調領域に、第１のバイアス電圧を印加するステップと、前記第２の変調領域に、第２のバイアス電圧を印加するステップと、前記第１の変調領域と、第２の変調領域とに変調電圧をさらに印加するステップとを含み、前記マッハ・ツェンダ型光変調器の前記第１の変調領域及び前記第２の変調領域は、それぞれコアとしてＩｎＰ系化合物半導体からなる変調層を備え、前記変調層はｎドープされた不純物層であり、前記第１のバイアス電圧及び前記第２のバイアス電圧は、前記変調電圧の印加方向に対して前記第１の導波路及び前記第２の導波路の屈折率変化がそれぞれ逆方向になるように設定されることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の駆動方法であって、前記第１の導波路及び前記第２の導波路は、それぞれ位相調整領域をさらに備え、前記それぞれの位相調整領域に電流注入または逆バイアス印加を行うことにより変調条件の調整を行うステップをさらに備えることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、単一の変調電源を用いて簡易にプッシュ・プル動作による強度変調を生成し、小型で低消費電力な変調器を実現することができる。

従来のマッハ・ツェンダ型光変調器の構成を示すである。 図１のマッハ・ツェンダ型光変調器の断面を示す図である。 従来のＬＮ変調器の構成を示す図である。 図３のＬＮ変調器の断面を示す図である。 従来のマッハ・ツェンダ型光変調器においてデュアル駆動を行うための構成を示す図である。 従来のマッハ・ツェンダ型光変調器の駆動構成を説明する図である。 本発明の実施例１にかかるマッハ・ツェンダ型光変調器の構成を示す図である。 図７に記載のマッハ・ツェンダ型光変調器の断面を示す図である。 図７のマッハ・ツェンダ型光変調器の電源接続を示す図である。 ＩｎＧａＡｓＰにおける屈折率のキャリア濃度依存性を説明する図表である。 本発明の半導体マッハ・ツェンダ型光変調器の屈折率変化の電圧依存性を説明する図である。 本発明の半導体マッハ・ツェンダ型光変調器の位相差と透過率の電圧依存性を説明する図である。 本発明の実施例２にかかるマッハ・ツェンダ型光変調器の構成を示す図である。 図１３に記載のマッハ・ツェンダ型光変調器の断面を示す図である。 本発明の実施例３にかかるマッハ・ツェンダ型光変調器の構成を示す図である。 図１５に記載のマッハ・ツェンダ型光変調器の断面を示す図である。 本発明の実施例４にかかるマッハ・ツェンダ型光変調器の構成を示す図である。 図１７に記載のマッハ・ツェンダ型光変調器の断面を示す図である。 本発明の実施例５にかかるマッハ・ツェンダ型光変調器の構成を示す図である。 図１９に記載のマッハ・ツェンダ型光変調器の断面を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

［実施例１］
図７は、本発明の第１の実施例（実施例１）にかかるマッハ・ツェンダ型光変調器７００の構成を示し、図８は、図７に記載のマッハ・ツェンダ型光変調器７００の破線部Ｃ−Ｃ´における断面を示す図である。

実施例１のマッハ・ツェンダ型光変調器７００の構成は、光を３ｄＢカプラの分波器７０１で分岐した後、分岐光に対し、変調領域７１０において、それぞれ個別の屈折率変化を付与することによりそれぞれの分岐光に対して位相差を設け、合波器７０４で合波させる。マッハ・ツェンダ型光変調器７００の素子は、変調領域７１０と位相調整領域７２０を有する。

マッハ・ツェンダ型光変調器７００は、ドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型ＩｎＰ基板８０１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層８０２が形成され、そこに第１の変調領域７１０−１及び第２の変調領域７１０−２に対応する二つのハイメサ変調導波路８３０が形成されている。第１及び第２の変調領域７１０−１、７１０−２のコアにはバンドギャップ波長１．３μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ変調層８０３が形成されており、第１及び第２の変調領域の不純物ドーピング濃度は４×１０^１７ｃｍ^−３を与える。コアとなる変調層８０３の上側にはドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ＩｎＰクラッド層８０４が形成される。コアとなる変調層８０３の厚さは３００ｎｍ、上部ｐクラッド層８０４の厚さは１．５ｕｍである。２つのハイメサ導波路８３０の間はＢＣＢ樹脂８０８で保護され、基板８０１の下にはｎ電極８０６、導波路８１０のコンタクト層８０５の上にはｐ電極８０７（図７の変調電極７０２に接続）が設けられており、半導体素子の下のｎ電極と上のｐ電極との間で逆バイアスを印加する。変調領域の長さは１０００μｍ、位相調整領域の長さは２００μｍとした。実施例１のマッハ・ツェンダ型光変調器の素子は、ＭＯＶＰＥや半導体エッチング等、一般的な化合物半導体の手法で作製することができる。

図９は、図７のマッハ・ツェンダ型光変調器７００の駆動回路の電源接続を示す図である。半導体基板を接地し、第１の変調領域７１０−１には第１のＤＣ電源９０２−１によりバイアス電圧Ｖ_ＤＣ１、第２変調領域７１０−２には第２のＤＣ電源９０２−２によりバイアス電圧Ｖ_ＤＣ２を印加し、両アームには変調電源９０３により共通の変調電圧Ｖｍを印加する。変調条件の微調のために、位相調整領域７２０には位相調整電源９０４−１及び９０４−２により電流注入または逆バイアス印加を行う。

第１の実施例のマッハ・ツェンダ型光変調器７００は、基板上面の第１の導波路上及び第２の導波路上にｐ電極が設けられ、基板裏面にｎ電極を設が設けられているため、ｐ電極とｎ電極とに変調電圧を印加することにより、基板に垂直に変調電圧を印加することができる。

以下、本素子の動作を説明する。ｎ型ドーピングを施した半導体材料に逆バイアスを印加すると、キャリアの空乏化が生じる。このとき、キャリア濃度が減少することによって、キャリア効果による屈折率変化が生じる。キャリア効果による屈折率変化はキャリアプラズマ効果、バンドフィリング効果、バンドギャップ縮小効果の３つの効果が要因であることが、例えばBRIAN R.BENNETTらによって報告されている（非特許文献２）。

図１０は、ＩｎＰ材料系の半導体の屈折率のキャリア濃度依存性を示す図表である。キャリア濃度の増加に伴い、全体的に屈折率Ｎが減少していくが、キャリア濃度のある領域において、屈折率変化ΔＮが増加する領域が存在する。

したがって、電界印加によるキャリア濃度の減少に伴い、屈折率が減少する領域と屈折率が増加する領域を各変調領域に変調バイアスによって個別に設定することにより、両アームに対して同一方向の変調電圧を印加した場合に屈折率の変化が逆符号となり、単一信号の駆動によりプッシュ・プル動作を実現することができる。

図１１は、実施例１の構成における電圧印加に伴う第１の変調領域と第２の変調領域とにおける屈折率変化を示す図表である。逆バイアス電圧を増加すると、空乏化によりコアのキャリアが減少し、第１の変調領域における電圧Ｖ１とＶ１＋ΔＶの範囲では屈折率Ｎが減少し、第２の変調領域における電圧Ｖ２とＶ２＋ΔＶの範囲では屈折率Ｎが増加する。屈折率変化ΔＮがほぼ対称であるため、バイアス電圧を変えて同一変調バイアスΔＶを印加することによって、マッハ・ツェンダ型光変調器のプッシュ・プル動作を行うことができる。

図１２は、印加電圧に対する各変調領域間の位相変化（ａ）と透過率の変化（ｂ）を示す。なお、位相調整領域に電流を印加し、変調電圧０Ｖの際に透過率が最大となるように調整した。変調電圧をΔＶまで印加することにより、両変調領域の位相差がπとなり、単一変調電源を用いて消光動作が実現できる。また、ｎ型のキャリア効果を用いるために変調時の素子の光損失変化は小さく、ほぼゼロチャープ動作を実現することができる。また、本素子の駆動方法は従来のシングル変調型のＬＮ変調器と同様の動作手法であり、ドライバ構成を変更することなくＬＮ変調器の置き換えとして使用し、従来システムの省電力化に寄与することができる。

［実施例２］
本発明の実施形態は先述の実施例１にとどまるものではない。図１３は、本発明の他の実施例（実施例２）にかかるマッハ・ツェンダ型光変調器１３００の構成を示す図であり、図１４は、図１３のマッハ・ツェンダ型光変調器１３００の破線部Ｄ−Ｄ´における断面を示す図である。マッハ・ツェンダ型光変調器１３００の素子は変調領域１３１０と位相調整領域１３２０を有する。

マッハ・ツェンダ型光変調器１３００は、半絶縁性ＩｎＰ基板１４０１上に、厚さ２００ｎｍのスラブ構造が形成され、第１の変調領域１３０１−１と第２の変調領域１３０１−２に対応する二つの変調導波路１４３０がＩｎＰクラッド層に埋め込まれて形成されている。第１の変調領域１３１０−１と第２の変調領域１３１０−２のコアにはバンドギャップ波長１．３μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ変調層１４０３が形成されており、第１と第２の変調領域の不純物ドーピング濃度は４×１０^１７ｃｍ^−３を与える。第１と第２の変調領域のコアの間は濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型ドーピングが施されたｎ−ＩｎＰクラッド層１４０２（図１３のｎ領域１３３０）が形成され、２つのコアの外側にはｐ型ドーピングが施されたｐ−ＩｎＰクラッド層１４０４（図１３のｐ領域１３４０）が形成されている。また、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ変調層１４０３の上にはｉ−ＩｎＰクラッド層１４０８が形成され、コア層の上下に光を閉じ込める。

ｐ型ドーピング領域には濃度１×１０^１９ｃｍ^−３のＩｎＧａＡｓコンタクト層１４０５が形成され、さらにその上にはｐ電極１４０７（図１３の変調電極１３０２に接続）が形成されている。

実施例２のマッハ・ツェンダ型光変調器１３００の素子も一般的な化合物半導体プロセスにより作製可能である。特に、コアおよび埋め込み領域の不純物ドーピングはエピタキシャル成長を用いても作製できるが、本構造は横型構造であるために、エピタキシャル表面からのドーパント材料の選択的イオン注入や熱拡散を用いても作製できる。

導波路１４３０間のｎドーピング領域１４０２はアーム間の外側に伸ばされ、表面側からＩｎＧａＡｓコンタクト層を通してｎ電極を取り出し、図１３の接地電極１３０５に接続された構成になっている。

実施例２のマッハ・ツェンダ型光変調器１３００は、基板上面の前記第１の導波路及び前記第２の導波路の外側に隣接してｐ型クラッド層が設けられ、基板上面の第１の変調領域及び第２の変調領域の間に隣接してｎ型クラッドが設けられ、ｐ型クラッド層はｐ電極に接続され、ｎ型クラッド層はｎ電極に接続されているため、ｐ電極と、ｎ電極とに変調電圧を印加することにより、基板の水平方向に変調電圧を印加することができる。

本構造においても、図９のマッハ・ツェンダ型光変調器７００の駆動回路と同一の回路により、表面のｎ電極（図１３の接地電極１３０５に接続）及び２つｐ電極１４０７の間に実施例１と同様の電圧を印加することによって、両アームに逆方向の屈折率変化を与えることができるため、単一の駆動電圧の印加によって強度変調信号を生成することができる。また、反絶縁性基板１４０１を用いることで同一電圧に対する素子容量を実施例１よりも抑制できるため、高速な変調動作を実現できる。

［実施例３］
図１５は、本発明の他の実施例（実施例３）にかかるマッハ・ツェンダ型光変調器１５００の構成を示す図であり、図１６は、図１５に記載のマッハ・ツェンダ型光変調器１５００の破線部Ｅ−Ｅ´における断面を示す図である。マッハ・ツェンダ型光変調器１５００の素子は、変調領域１５１０と位相調整領域１５２０を有している。

マッハ・ツェンダ型光変調器１５００は、半絶縁性ＩｎＰ基板１６０１上に、犠牲層１６０９及び空気層１６１０からなる厚さ２００ｎｍのエアブリッジ型スラブが形成され、第１の変調領域１５１０−１及び第２の変調領域１５１０−２に対応する二つの変調導波路１６３０がＩｎＰ層に埋め込まれて形成されている。第１の変調領域１５１０−１及び第２の変調領域１５１０−２のコアにはバンドギャップ波長１．３μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ変調層１６０３が形成されており、第１及び第２の変調領域の不純物ドーピング濃度は４×１０^１７ｃｍ^−３を与える。第１と第２の変調領域のコアの間は濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型ドーピングが施されたｎ−ＩｎＰクラッド層１６０２（図１５のｎ領域１５３０）が形成され、コアの外側は濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ドーピングが施されたｐ−ＩｎＰクラッド層１６０４（図１５のｐ領域１５４０）が形成されている。また、ｐ型ドーピング領域には濃度１×１０^１９ｃｍ^−３のＩｎＧａＡｓコンタクト層１６０５が形成されている。また、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ変調層１６０３の上下にはｉ−ＩｎＰクラッド層１６０８が形成され、コア層の上下に光を閉じ込める。強度の増強のために、スラブ下の空気層１６１１はＢＣＢやポリイミド樹脂などの樹脂で埋めても構わない。

実施例３のマッハ・ツェンダ型光変調器１５００の素子も一般的な化合物半導体プロセスにより作製可能である。特に、コアおよび埋め込み領域の不純物ドーピングはエピタキシャル成長を用いても作製できるが、本構造は横型構造であるために、エピタキシャルの表面からのドーパント材料のイオン注入や熱拡散を用いても作製できる。本構造においても、本実施例の図９のマッハ・ツェンダ型光変調器７００の駆動回路と同一の回路により、実施例１と同様に表面のｎ電極（図１５の接地電極１５０５に接続）及び２つのｐ電極１６０７の間に電圧を印加することによって両アームに逆方向の屈折率変化を与えることができるため、単一の駆動電圧の印加によって強度変調信号を生成することができる。本実施例についても、実施例２と同様に、基板の水平方向に変調電圧を印加することができる。

さらにエアブリッジ構造が形成されていることから、実施例２に対して光の閉じ込めを高くすることができ、効率の高い変調動作を実現することができる。

［実施例４］
図１７は本発明の他の実施例（実施例４）にかかるマッハ・ツェンダ型光変調器１７００の構成を示す図であり、図１８は、図１３のマッハ・ツェンダ型光変調器１７００の破線部Ｆ−Ｆ´における断面を示す図である。マッハ・ツェンダ型光変調器１７００の素子は変調領域１７１０と位相調整領域１７２０を有している。

マッハ・ツェンダ型光変調器１７００は、半絶縁性ＩｎＰ基板１８０１上に第１の変調領域１７１０−１及び第２の変調領域１７１０−２に対応する二つの変調導波路１８３０が形成されている。第１の変調領域１７１０−１及び第２の変調領域１７１０−２のコアはｎ型ドーピングが施されたｎ型ＩｎＧａＡｓＰ変調層１８０３により形成され、第１及び第２の変調領域の不純物ドーピング濃度は４×１０^１７ｃｍ^−３を与える。第１と第２の変調領域のコアの間は濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型ドーピングが施されたｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層１８０２、コアの外側には濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ドーピングが施されたｐ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層１８０４が形成されている。また、ｐ型ドーピング領域には濃度１×１０^１９ｃｍ^−３のＩｎＧａＡｓコンタクト層１８０５が形成されている。

実施例４のマッハ・ツェンダ型光変調器１７００の素子も一般的な化合物半導体プロセスにより作製可能である。特に、不純物ドーピングはエピタキシャルの表面からドーパント材料の部分的なイオン注入や熱拡散を用いて作製できる。本構造においても、図９のマッハ・ツェンダ型光変調器７００の駆動回路と同一の回路により、実施例１と同様に表面のｎ電極（図１７の接地電極１７０５に接続）及び２つのｐ電極１８０７の間に電圧を印加することによって両アームに逆方向の屈折率変化を与えることができるため、単一の駆動電圧の印加によって強度変調信号を生成することができる。本実施例についても、実施例２と同様に、基板の水平方向に変調電圧を印加することができる。また、本構造は、実施例２がＩｎＰ埋め込み構造を採用しているのに対し、スラブ導波路と導波路をＩｎＧａＡｓＰの単一構造で作製しているため、エピタキシャル成長の回数が少なく、簡易な手法により作製することができる。

［実施例５］
図１９は本発明にかかる他の実施例（実施例５）にかかるマッハ・ツェンダ型光変調器１９００の構成を示す図であり、図２０は、図１９のマッハ・ツェンダ型光変調器１９００の破線Ｇ−Ｇ´における断面を示す図である。マッハ・ツェンダ型光変調器１９００の素子は変調領域１９１０と位相調整領域１９２０を有している。

マッハ・ツェンダ型光変調器１９００は、半絶縁性ＩｎＰ基板２００１上に、犠牲層２００９及び空気層２０１０からなる厚さ２００ｎｍのエアブリッジ型のバンドギャップ波長１．３μｍＩｎＧａＡｓＰスラブが形成され、第１の変調領域１９１０−１と第２の変調領域１９１０−２に対応する高さ５００ｎｍの二つの変調リブ導波路が形成されている。第１の変調領域１９１０−１と第２の変調領域１９１０−２のコアはｎ型ドーピングが施されたｎ型ＩｎＧａＡｓＰ変調層２００３により形成され、第１と第２の変調領域の不純物ドーピング濃度は４×１０^１７ｃｍ^−３を与える。第１と第２の変調領域のコアの間は濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型ドーピングが施されたｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層２００２、コアの外側には濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ドーピングが施されたｐ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層２００４が形成されている。また、ｐ型ドーピング領域には濃度１×１０^１９ｃｍ^−３のＩｎＧａＡｓコンタクト層２００５が形成されている。強度の増強のために、スラブ下はＢＣＢやポリイミド樹脂などで埋めても構わない。特に、不純物ドーピングはエピタキシャルの表面からドーパント材料の部分的なイオン注入や熱拡散を用いて作製できる。

本構造においても、図９のマッハ・ツェンダ型光変調器７００の駆動回路と同一の回路により、実施例１と同様に表面のｎ電極（図１９の接地電極１９０５に接続）及びｐ電極２００７の間で電圧を印加することによって両アームに逆方向の屈折率変化を与えることができるため、単一の駆動電圧の印加によって強度変調信号を生成することができる。本実施例についても、実施例２と同様に、基板の水平方向に変調電圧を印加することができる。また、本構造は、実施例３がＩｎＰ埋め込み構造を採用しているのに対し、スラブ導波路と導波路をＩｎＧａＡｓＰの単一構造で作製しているため、エピタキシャル成長の回数が少なく、容易な手法により作製することができる。また、実施例４と比較して、エアブリッジ構造が形成されていることから、実施例２に対して光の閉じ込め効果を上げることができ、効率の高い変調動作を実現することができる。

［その他の構成］
本実施例においては、ＩｎＧａＡｓＰ材料を用いたが、ＩｎＡｌＧａＡｓ材料など、化合物半導体におけるキャリア効果を用いることのできる材料であればどのような光半導体材料系にも適用可能である。また、使用波長に従って、本原理に従う範囲でバンドギャップ波長やキャリアのドーピング濃度の設計変更を行うことができる。

１００、６００、７００、１３００、１５００、１７００、１９００
マッハ・ツェンダ型光変調器
１０１、７０１、１３０１、１５０１、１７０１、１９０１ 分波器
１０２、７０２、１３０２、１５０２、１７０２、１９０２ 変調電極
１０３、７０３、１３０３、１５０３、１７０３、１９０３ 位相調整電極
１０４、７０４、１３０４、１５０４、１７０４、１９０４ 合波器
１１０、７１０、１３１０、１５１０、１７１０、１９１０ 変調領域
１２０、７２０、１３２０、１７２０、１９２０ 位相変調領域
２０１、８０１、９０１ ｎ−ＩｎＰ基板
２０２、８０２、１４０２、１６０２ ｎ−ＩｎＰクラッド層
２０３ ｉ層ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸変調層
２０４、８０４、１４０４、１６０４ ｐ−ＩｎＰクラッド層
２０５、８０５、１４０５、１６０５、１８０５、２００５ コンタクト層
２０６、８０６ ｎ電極
２０７、８０７、１４０７、１６０７、１８０７、２００７ ｐ電極
２０８、８０８、１６１１ 樹脂層
２３０、８３０、１４３０、１６３０、１８３０、２０３０ ハイメサ導波路
３００ ＬＮ変調器
３０１ ＬＮ基板
３０２ 導波路
３０３ 信号電極
３０４ 接地電極
５０１、５０２ アーム用電源
５０３、６０１、７１０−１、１３１０−１、１５１０−１、１７１０−１、
１９１０−１ 第１の変調領域
５０４、６０１、７１０−２、１３１０−２、１５１０−２、１５１０−２、
１９１０−２ 第２の変調領域
８０３、１４０３、１６０３、１８０３、２００３ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ変調層
９０２−１ 第１のＤＣ電源
９０２−２ 第２のＤＣ電源
９０３ 変調電源
９０４−１、９０４−２ 位相変調電源
１３０５、１７０５、１９０５ 接地電極
１３３０、１５３０、１７３０、１９３０ ｎ領域
１３４０、１５４０、１７４０、１９４０ ｐ領域
１４０１、１６０１、１８０１、２００１ 半絶縁性ＩｎＰ基板
１４０８、１６０８ ｉ−ＩｎＰクラッド層
１６０９、２００９ 犠牲層
１６１０、２０１０ 空気
１８０２、２００２ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層
１８０４、２００４ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層

Claims (9)

1. 半導体基板上の第１の導波路と、第２の導波路と、ｐ型クラッド層と、ｎ型クラッド層とを備えるマッハ・ツェンダ型光変調器であって、
   前記第１の導波路は第１の変調領域を備え、
   前記第２の導波路は第２の変調領域を備え、
   前記第１の変調領域及び第２の変調領域は、それぞれコアとしてＩｎＰ系化合物半導体からなる変調層を備え、前記変調層はｎドープされた不純物層であり、
   前記第１の変調領域に、第１のバイアス電圧を印加し、
   前記第２の変調領域に、第２のバイアス電圧を印加し、
   前記第１の変調領域と、第２の変調領域とに変調電圧をさらに印加することにより変調動作を行い、
   前記第１のバイアス電圧及び前記第２のバイアス電圧は、前記変調電圧の印加方向に対して前記第１の導波路及び前記第２の導波路の屈折率変化がそれぞれ逆方向になるように設定される
   ことを特徴とするマッハ・ツェンダ型光変調器。
2. 前記第１の導波路及び前記第２の導波路は、それぞれ位相調整領域をさらに備え、前記それぞれの位相調整領域に電流注入または逆バイアス印加を行うことにより変調条件の調整を行うことを特徴とする請求項１に記載のマッハ・ツェンダ型光変調器。
3. 前記半導体基板上面の前記第１の導波路上及び前記第２の導波路上に第１の電極を設け、前記半導体基板裏面に第２の電極を設け、前記第１の電極がｎ電極かつ前記第２の電極がｐ電極であり、もしくは前記第１の電極がｐ電極かつ前記第２の電極がｎ電極であり、
   前記ｐ電極と、前記ｎ電極に変調電圧を印加することにより、前記半導体基板に垂直に変調電圧を印加することを特徴とする請求項１または２に記載のマッハ・ツェンダ型光変調器。
4. 半導体基板上の第１の導波路と、第２の導波路とを備えるマッハ・ツェンダ型光変調器であって、
   前記第１の導波路は第１の変調領域を備え、
   前記第２の導波路は第２の変調領域を備え、
   前記第１の変調領域及び第２の変調領域は、それぞれコアとしてＩｎＰ系化合物半導体からなる変調層を備え、前記変調層はｎドープされた不純物層であり、
   前記第１の変調領域の、水平方向の一方の側に隣接してｐ型クラッド層を設け、水平方向の他方の側に隣接してｎ型クラッド層を設け、
   前記第２の変調領域の、水平方向の一方の側に隣接してｐ型クラッド層を設け、水平方向の他方の側に隣接してｎ型クラッド層を設け、
   前記ｐ型クラッド層はｐ電極に接続され、前記ｎ型クラッド層はｎ電極に接続され、
   前記ｐ電極と、前記ｎ電極に変調電圧を印加することにより、前記半導体基板の水平方向に変調電圧を印加し、
   前記第１の変調領域に、第１のバイアス電圧を印加し、
   前記第２の変調領域に、第２のバイアス電圧を印加し、
   前記第１の変調領域と、第２の変調領域とに変調電圧をさらに印加することにより変調動作を行い、
   前記第１のバイアス電圧及び前記第２のバイアス電圧は、前記変調電圧の印加方向に対して前記第１の導波路及び前記第２の導波路の屈折率変化がそれぞれ逆方向になるように設定される
   ことを特徴とするマッハ・ツェンダ型光変調器。
5. 前記ｐ型クラッド層及び前記ｎ型クラッド層と、前記第１及び第２の変調領域は、異なる材料により形成されることを特徴とする請求項４に記載のマッハ・ツェンダ型光変調器。
6. 前記ｐ型クラッド層及び前記ｎ型クラッド層と、前記第１及び第２の変調領域は、同一の材料により形成されることを特徴とする請求項４に記載のマッハ・ツェンダ型光変調器。
7. 前記半導体基板と、前記第１の導波路及び前記第２の導波路との間は、エアブリッジ型構造により形成されることを特徴とする請求項５または６に記載のマッハ・ツェンダ型光変調器。
8. 半導体基板上の第１の変調領域を備える第１の導波路と、第２の変調領域を備える第２の導波路と、ｐ型クラッド層と、ｎ型クラッド層とを備えるマッハ・ツェンダ型光変調器の駆動方法であって、
   前記第１の変調領域に、第１のバイアス電圧を印加するステップと、
   前記第２の変調領域に、第２のバイアス電圧を印加するステップと、
   前記第１の変調領域と、第２の変調領域とに変調電圧をさらに印加するステップと
   を含み、
   前記マッハ・ツェンダ型光変調器の前記第１の変調領域及び前記第２の変調領域は、それぞれコアとしてＩｎＰ系化合物半導体からなる変調層を備え、前記変調層はｎドープされた不純物層であり、
   前記第１のバイアス電圧及び前記第２のバイアス電圧は、前記変調電圧の印加方向に対して前記第１の導波路及び前記第２の導波路の屈折率変化がそれぞれ逆方向になるように設定される
   ことを特徴とする駆動方法。
9. 前記第１の導波路及び前記第２の導波路は、それぞれ位相調整領域をさらに備え、前記それぞれの位相調整領域に電流注入または逆バイアス印加を行うことにより変調条件の調整を行うステップをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の駆動方法。

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