JP7315118B1

JP7315118B1 - マッハツェンダ型光変調器及び光送信装置

Info

Publication number: JP7315118B1
Application number: JP2023500385A
Authority: JP
Inventors: 鴻介木村; 崇柳楽
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2022-09-20
Filing date: 2022-09-20
Publication date: 2023-07-26
Anticipated expiration: 2042-09-20
Also published as: WO2024062518A1

Abstract

半絶縁性又はｐ型の基板（１０）の上にｎ型拡散防止層（１１ｂ，３０ｂ）が設けられている。ｎ型拡散防止層（１１ｂ，３０ｂ）の上にｐ型クラッド層（１２ｂ，１３ｂ）が設けられている。第１及び第２の量子井戸活性層（１４ｂ，１４ｃ）がｐ型クラッド層（１２ｂ，１３ｂ）の上に互いに離間して設けられている。第１及び第２のｎ型クラッド層（１５ｂ，１５ｃ）が第１及び第２の量子井戸活性層（１４ｂ，１４ｃ）の上にそれぞれ設けられている。第１及び第２の進行波電極（２０ａ，２０ｂ）が第１及び第２のｎ型クラッド層（１５ｂ，１５ｃ）にそれぞれ接続されている。ＤＣバイアス電極（２７）がｐ型クラッド層（１２ｂ，１３ｂ）に接続され、ｎ型拡散防止層（１１ｂ，３０ｂ）には直接的に接続されていない。

Description

本開示は、マッハツェンダ型光変調器及び光送信装置に関する。

クラウドサービスの拡張により通信トラフィックは増大している。また、ＩｏＴ（Internet of Things）及び５Ｇと呼ばれる第５世代移動通信システムの技術が普及し、膨大なデータを処理するＡＩ（Artificial Intelligence）なども社会に浸透してくることが想定される。これにより益々の光通信システムの高速化と大容量化が要請される可能性がある。これらの要求に答えるため、光の強度だけでなく、位相又は偏波にも信号が付与可能なデジタルコヒーレント通信技術を用いた多値化技術が進展しており、多値光変調器においては光の振幅及び位相をそれぞれ制御でき、ゼロチャープの光変調信号が生成可能なマッハツェンダ変調器が用いられている。また、時間当たりの信号容量を増大させるため、変調器に求められる応答速度はますます増大し続けており、６４ＧＢａｕｄ又は９６ＧＢａｕｄ以上の変調電気信号を低損失で入力し、電気－光相互作用により高速な変調光信号が生成可能な光変調器が望まれている。

上記の光変調器の実現のため、進行波型電極を備えたマッハツェンダ型光変調器が精力的に開発されている。進行波電極は光導波路を伝搬する光波と相互作用する。差動信号によって駆動されるように進行波電極を最適化した高周波線路構造を採用することで、電力効率の高い差動ドライバによる駆動を可能としている。

上記の進行波電極には、１つ目としてドライバの特性インピーダンス、終端抵抗、進行波電極のインピーダンスを整合させることが求められる。２つ目として電極内を伝搬するマイクロ波と電極近傍に設置した導波路内を進行する光の伝搬速度を整合させることが求められる。３つ目として電極内を伝搬するマイクロ波の損失を低減することが求められる。

１つ目のインピーダンス整合が得られていないと、ドライバから進行波電極に電気信号を入力する際に反射が生じて電力ロスになり、また終端抵抗部分ではインピーダンス不整合により反射した電気信号が進行波電極内を後進し、その後進波とも光が相互作用することで変調波形の劣化が生じる。２つ目の速度整合が得られていないと、マイクロ波と共に伝搬しながら電界振幅による変調を受ける変調光と位相ズレが生じる。特にマイクロ波の波長が短くなる高周波ほど顕著に位相ズレがあらわれることになり、変調帯域の劣化につながる。３つ目の低損失化は、単位長さあたりの電気－光相互作用（屈折率変化）を大きくし、結果的に必要な位相回転量を得るための変調器長を短くすることでも達成され得るが、より本質的には進行波電極間の半導体抵抗を低減することで達成される。特に高周波では進行波電極間の半導体抵抗とコンタクト抵抗に起因した損失が支配的であり、これらの抵抗低減が変調帯域の向上にとって重要である。

基板上に下層ｎ型クラッド層、ｐ型キャリアブロック層、コア層、上層ｎ型クラッド層を順に積層し、下側ｎ型クラッド層にＤＣバイアスを印加するマッハツェンダ型光変調器が開示されている（例えば、特許文献１の図７，８を参照）。このように下層のクラッド層がｎ型の場合は下層半導体抵抗が小さくなる。

国際公開第２０１６／１９４３６９号

しかし、基板上にｐ型クラッド層、活性層、ｎ型クラッド層を順に積層し、ｐ型クラッド層にＤＣバイアスを印加するマッハツェンダ型光変調器では、下層のクラッド層がｐ型である。従って、下層半導体抵抗が大きくなるため、変調帯域を向上できないという問題があった。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、下層のクラッド層がｐ型の場合でも下層半導体抵抗を低減して変調帯域を向上することができるマッハツェンダ型光変調器及び光送信装置を得るものである。

本開示に係るマッハツェンダ型光変調器は、半絶縁性又はｐ型の基板と、前記基板の上に設けられたｎ型拡散防止層と、前記ｎ型拡散防止層の上に設けられたｐ型クラッド層と、前記ｐ型クラッド層の上に互いに離間して設けられた第１及び第２の量子井戸活性層と、前記第１及び第２の量子井戸活性層の上にそれぞれ設けられた第１及び第２のｎ型クラッド層と、前記第１及び第２のｎ型クラッド層にそれぞれ接続された第１及び第２の進行波電極と、前記ｐ型クラッド層に接続され、前記ｎ型拡散防止層には直接的に接続されていないＤＣバイアス電極とを備え、前記ＤＣバイアス電極、前記ｐ型クラッド層、前記第１の量子井戸活性層、前記第１のｎ型クラッド層、及び前記第１の進行波電極が第１の光変調部を構成し、前記ＤＣバイアス電極、前記ｐ型クラッド層、前記第２の量子井戸活性層、前記第２のｎ型クラッド層、及び前記第２の進行波電極が第２の光変調部を構成することを特徴とする。

本開示に係るマッハツェンダ型光変調器では、ＤＣバイアス電極がｐ型クラッド層に接続されているため、下層のクラッド層がｐ型である。また、基板とｐ型クラッド層の間にｎ型拡散防止層が設けられているため、ｐ型半導体からなる下層半導体抵抗に対してｎ型半導体抵抗が並列接続される。従って、下層のクラッド層がｐ型の場合でも下層半導体抵抗を低減することができる。この結果、２つの光変調部間の半導体抵抗が大幅に低下するため、進行波電極を伝搬するマイクロ波の損失を低減し、変調帯域を大幅に向上させることができる。

本開示に係る他のマッハツェンダ型光変調器では、ｐ型半導体基板の厚さが１０μｍ以上である。従って、下層半導体の抵抗を低減して、変調帯域を更に向上することができる。

実施の形態１に係る光送信装置を示す図である。実施の形態１に係るマッハツェンダ型光変調器の屈折率変調領域を示す断面図である。実施の形態１に係るマッハツェンダ型光変調器のＤＣバイアス電極の周囲を示す断面図である。実施の形態１に係る変調帯域の周波数依存性を計算した結果を示す図である。実施の形態１に係るマッハツェンダ型光変調器の屈折率変調領域の変形例を示す断面図である。実施の形態１においてｎ型拡散防止層の厚みを変えて変調帯域を計算した結果を示す図である。実施の形態２に係るマッハツェンダ型光変調器の屈折率変調領域を示す断面図である。実施の形態２においてｎ型拡散防止層の厚みを変えて変調帯域を計算した結果を示す図である。実施の形態３に係るマッハツェンダ型光変調器の屈折率変調領域を示す断面図である。実施の形態３に係る変調帯域の周波数依存性を計算した結果を示す図である。実施の形態４に係るマッハツェンダ型光変調器の屈折率変調領域を示す断面図である。実施の形態４に係る変調帯域のアクセプタ拡散長依存性を計算した結果を示す図である。実施の形態４に係る変調帯域のアクセプタ拡散長依存性を計算した結果を示す図である。実施の形態４に係る変調帯域のアクセプタ拡散長依存性を計算した結果を示す図である。実施の形態４に係る変調帯域の周波数依存性を計算した結果を示す図である。実施の形態４に係る変調帯域の周波数依存性を計算した結果を示す図である。実施の形態４に係る変調帯域の周波数依存性を計算した結果を示す図である。実施の形態４に係る変調帯域のアクセプタ拡散長依存性を計算した結果を示す図である。実施の形態４に係る変調帯域のアクセプタ拡散長依存性を計算した結果を示す図である。実施の形態４に係る変調帯域の周波数依存性を計算した結果を示す図である。実施の形態４に係る変調帯域の周波数依存性を計算した結果を示す図である。

実施の形態に係るマッハツェンダ型光変調器及び光送信装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る光送信装置を示す図である。ここでは一つの光送信装置のみを示しているが、同様の光送信装置が複数並ぶ構成にしてもよい。ＩＱ信号発生器１０２が差動変調信号を生成する。ドライバ１０３が差動変調信号を増幅する。利得制御部１０４がドライバ１０３の利得を制御する。マッハツェンダ型光変調器１０６が、ドライバ１０３からの信号に応じて、レーザー等の光源１０５からの光を変調し、光変調信号を光出力導波路１０８に出力する。

マッハツェンダ型光変調器１０６は、分波器１０９、アーム導波路２１ａ，２１ｂ、光変調部２２ａ，２２ｂ、位相調整部１１０ａ，１１０ｂ、位相調整用バイアス制御部１１１ａ，１１１ｂ、合波器１１２、光出力モニタ１１３を有する。

アーム導波路２１ａ、光変調部２２ａ、位相調整部１１０ａは第１アームを構成する。アーム導波路２１ｂ、光変調部２２ｂ、位相調整部１１０ｂは第２アームを構成する。分波器１０９は、光源１０５から出力された光を分岐して第１アームと第２アームに入力する。

光変調部２２ａは、光信号が通過する導波路の屈折率を、ＩＱ信号発生器１０２から入力されたＩチャネル変調信号と、変調用バイアス制御部１０７から入力されたバイアス信号とに基づいて変化させる。これにより、光変調部２２ａは光信号の位相を変調して第１光変調信号を生成する。光変調部２２ｂは、導波路の屈折率を、ＩＱ信号発生器１０２から入力されたＩチャネル変調信号と、変調用バイアス制御部１０７から入力されたバイアス信号とに基づいて変化させる。これにより、光変調部２２ｂは光信号の位相を変調して第２光変調信号を生成する。なお、ＩＱ信号発生器１０２から入力される多値信号はどのような変調方式でもよい。

位相調整部１１０ａは、第１光変調信号の位相を位相調整用バイアス制御部１１１ａからのバイアス信号に基づいて決定される位相回転率で調整する。位相調整部１１０ｂは第２光変調信号の位相を位相調整用バイアス制御部１１１ｂからのバイアス信号に基づいて決定される位相回転率で調整する。合波器１１２は、位相調整部１１０ａの出力信号と位相調整部１１０ｂの出力信号を合波する。

光出力モニタ１１３は合波器１１２の出力信号をモニタする。位相調整用バイアス制御部１１１ａ，１１１ｂは、光出力モニタ１１３の検出信号に応じて位相調整部１１０ａ，１１０ｂに印加するバイアスを調整する。具体的には、位相調整部１１０ａ，１１０ｂから出力される光信号の位相差がπ／２となるように位相調整部１１０ａ，１１０ｂが位相を調整する。このように第１アームと第２アームから出力された光は合波され、光出力導波路１０８を介して外部に出力される。

光変調部２２ａ，２２ｂは例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）又はリン化インジウム（ＩｎＰ）等の化合物半導体からなる。ニオブ酸リチウムを用いた場合には、ポッケルス効果により導波路内の屈折率を変化させ、位相変調を行う。この場合、光吸収と温度依存性が小さいという利点があるが、高周波特性が課題となる。一方、化合物半導体を用いた場合には、量子閉じ込めシュタルク効果により位相変調を行うことができる。この場合、高い移動度から優れた高周波特性を得ることができる。また、化合物半導体は集積性にも優れており、マッハツェンダ型光変調器１０６の小型化が可能となる。光変調部２２ａ，２２ｂだけでなく、化合物半導体基板上に分波器１０９、アーム導波路２１ａ，２１ｂ、合波器１１２、光出力モニタ１１３、光源１０５等を一体形成してもよい。素子間を光導波路にて接続する構造にすることで、小型であり集積された光送信装置を形成できる。なお、光変調部２２ａ，２２ｂの代わりにマッハツェンダ型以外の光変調器素子を用いてもよい。

図２は、実施の形態１に係るマッハツェンダ型光変調器の屈折率変調領域を示す断面図である。屈折率変調領域は、電圧印可によって量子井戸活性層に電気光学効果を引き起こすことによりコア層の屈折率を変調する領域であり、図１の光変調部２２ａ，２２ｂに対応する。

基板１０は、例えばＦｅ－ＩｎＰからなる半絶縁性半導体基板であるが、ｐ型半導体基板でもよい。基板１０の上にｎ型半導体からなるｎ型拡散防止層１１ａ，１１ｂ，１１ｃが互いに離間して設けられている。ｎ型拡散防止層１１ａ，１１ｂ，１１ｃは例えばキャリア濃度が２．０Ｅ＋１８ｃｍ^－３のｎ型のＩｎＰからなる。ｎ型拡散防止層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの上にｐ型半導体からなるｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ａ，１２ｂ，１２ｃがそれぞれ設けられている。ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ａ，１２ｂ，１２ｃのキャリア濃度は例えば１．５Ｅ＋１９ｃｍ^－３である。

ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ａ，１２ｂ，１２ｃの上にｐ型半導体からなるｐ型クラッド層１３ａ，１３ｂ，１３ｃがそれぞれ設けられている。ｐ型クラッド層１３ａ，１３ｂ，１３ｃは例えばキャリア濃度が２．０Ｅ＋１８ｃｍ^－３のｐ型のＩｎＰからなる。ｐ型クラッド層１３ａの上に量子井戸活性層１４ａが設けられている。ｐ型クラッド層１３ｂの上に量子井戸活性層１４ｂ，１４ｃが互いに離間して設けられている。ｐ型クラッド層１３ｃの上に量子井戸活性層１４ｄが設けられている。量子井戸活性層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは例えばＡｌＧａＩｎＡｓ混晶からなる。

量子井戸活性層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの上にｎ型半導体からなるｎ型クラッド層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄがそれぞれ設けられている。ｎ型クラッド層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは例えばキャリア濃度が２．０Ｅ＋１８ｃｍ^－３のｎ型のＩｎＰからなる。ｎ型クラッド層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの上にｎ型半導体からなるｎ型コンタクト層１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄがそれぞれ設けられている。ｎ型コンタクト層１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄは例えばキャリア濃度が１．０Ｅ＋１９ｃｍ^－３のｎ型ＩｎＧａＡｓからなる。

アーム導波路２１ａは、基板１０と、基板１０の上に順に積層されたｎ型拡散防止層１１ｂ、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ｂ、ｐ型クラッド層１３ｂ、量子井戸活性層１４ｂ、ｎ型クラッド層１５ｂ、ｎ型コンタクト層１６ｂを備える。アーム導波路２１ｂは、基板１０と、基板１０の上に順に積層されたｎ型拡散防止層１１ｂ、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ｂ、ｐ型クラッド層１３ｂ、量子井戸活性層１４ｃ、ｎ型クラッド層１５ｃ、ｎ型コンタクト層１６ｃを備える。アーム導波路２１ａ，２１ｂはｐ型クラッド層１３ｂの上で互いに離間している。

量子井戸活性層１４ｂ，１４ｃ、ｎ型クラッド層１５ｂ，１５ｃ、ｎ型コンタクト層１６ｂ，１６ｃの側面は、半絶縁性の半導体埋め込み層１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄと絶縁膜１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄにより覆われている。ｎ型コンタクト層１６ａ，１６ｄの上にそれぞれ半導体埋め込み層１７ａ，１７ｄ及び絶縁膜１８ａ，１８ｄを介して接地電極１９ａ，１９ｂが設けられている。ｎ型コンタクト層１６ｂ，１６ｃの上にそれぞれ進行波電極２０ａ，２０ｂが設けられ電気的に接続されている。

図３は、実施の形態１に係るマッハツェンダ型光変調器のＤＣバイアス電極の周囲を示す断面図である。ＤＣバイアス電極２７がｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ｂに接合されている。従って、ＤＣバイアス電極２７はｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ｂを介してｐ型クラッド層１３ｂに接続されている。

ＤＣバイアス電極２７、アーム導波路２１ａ、及び進行波電極２０ａが光変調部２２ａを構成する。同様に、ＤＣバイアス電極２７、アーム導波路２１ｂ、及び進行波電極２０ｂが光変調部２２ｂを構成する。光変調部２２ａ，２２ｂは、ｐ型クラッド層１３ｂの上方で互いに離間している。一方、光変調部２２ａのｐ型クラッド層１３ｂと光変調部２２ｂのｐ型クラッド層１３ｂは互いに離間していない。

ＤＣバイアス電極２７と進行波電極２０ａ，２０ｂの間に所定のＤＣバイアスを印加して量子井戸活性層１４ｂ，１４ｃに逆方向電界を印加する。そして、ドライバ１０３から出力された高周波差動変調信号を進行波電極２０ａ，２０ｂに印加する。これにより、マッハツェンダ型光変調器を変調器として駆動させる。なお、リーク電流の増大を防いで光変調器の電気的な長期信頼性を確保するため、ＤＣバイアス電極２７はｎ型拡散防止層１１ａ，１１ｂ，１１ｃに直接的に接続しない。

変調動作の高速化のためには、インピーダンス整合と、光－マイクロ波間の速度整合を満足する必要がある。例として、進行波電極２０ａ，２０ｂの厚さは約１４μｍ、幅は約４．４μｍ、電極中心間の距離は約１１μｍとする。量子井戸活性層１４ｂ，１４ｃ、ｎ型クラッド層１５ｂ，１５ｃ、ｎ型コンタクト層１６ｂ，１６ｃの幅は約１１μｍとする。ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ｂの厚さは約０．８μｍとする。ｐ型クラッド層１３ｂの厚さは約２．０μｍとする。量子井戸活性層１４ｂ，１４ｃの厚さは約１．０μｍとする。ｎ型クラッド層１５ｂ，１５ｃの厚さは約１．２μｍ、ｎ型コンタクト層１６ｂ，１６ｃの厚さは約０．３μｍとする。量子井戸活性層１４ｂ，１４ｃ及び半絶縁性の半導体埋め込み層１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの誘電率は１４程度とする。この条件で差動インピーダンスを６５Ωに整合させ、マイクロ波の伝搬速度を屈折率３．５の導波路を導波する光の伝搬速度と整合させることができる。なお、上記パラメータに限らず、進行波電極及び半導体層の厚さと幅、進行波電極の間隔、進行波電極と接地電極の間隔などもインピーダンス整合及び伝搬速度の整合に影響する。

さらに変調帯域の向上を図る際には、進行波電極構造長を短縮することが有効である。アーム導波路２１ａ，２１ｂは、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、又はリン化インジウム（ＩｎＰ）等の化合物半導体からなる。ニオブ酸リチウムを用いた場合には、ポッケルス効果により導波路内の屈折率を変化させ、位相変調を行う。この場合、光吸収及び温度依存性が小さいという利点があるが、高周波特性が課題となる。一方、化合物半導体を用いた場合には、量子閉じ込めシュタルク効果により位相変調を行うことができる。この場合、高い移動度から優れた高周波特性を得ることができる。

基板１０の表面の面方位は＜１００＞である。導波路形成後の再成長形状の制約からｐ型クラッド層１３ｂ、量子井戸活性層１４ｂ，１４ｃ、ｎ型クラッド層１５ｂ，１５ｃの延伸方向は＜０１１＞であることが望ましい。この延伸方向の場合に基板１０の上にｐ型クラッド層、量子井戸活性層、ｎ型クラッド層の順に積層することで、量子閉じ込めシュタルク効果とポッケルス効果の相乗による位相変調効率の向上が見込める。従って、マッハツェンダ型光変調器の主要特性の一つであり、変調帯域とトレードオフの関係性となる、半波長電圧特性の低減が期待でき、進行波電極長短縮による変調帯域向上が期待できる。

また、主要な抵抗成分を低減することも帯域向上に有効である。このため、進行波電極及び半導体層の厚さと幅、進行波電極の間隔等は、インピーダンス整合及び伝搬速度の整合を満たした上で、各種抵抗成分が最小となるように構成するのが一般的である。上記構造における主な抵抗成分は、進行波電極２０ａ，２０ｂの電極抵抗、ｎ型コンタクト層１６ｂ，１６ｃ及びｎ型クラッド層１５ｂ，１５ｃの上層半導体抵抗、ｐ型クラッド層１３ｂ及びｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ｂの下層半導体抵抗である。変調信号の通過経路に対して電極抵抗は直列接続され、上層及び下層半導体抵抗は並列接続されている。

分離形成した光変調部２２ａ，２２ｂをｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ｂ及びｐ型クラッド層１３ｂで接続しているため、光変調部２２ａ，２２ｂ間の抵抗値はｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ｂ及びｐ型クラッド層１３ｂが有する下層半導体抵抗が支配的となる。従って、マッハツェンダ型光変調器において電極抵抗と下層半導体抵抗を低減することが変調帯域の向上に有効であると考えられる。

そこで、本実施の形態では、基板１０とｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ｂ及びｐ型クラッド層１３ｂとの間にｎ型拡散防止層１１を設けている。図４は、実施の形態１に係る変調帯域の周波数依存性を計算した結果を示す図である。ｎ型拡散防止層１１を設けることで変調帯域の向上が可能であることを電磁界解析により確認した。

以上説明したように、本実施の形態では、ＤＣバイアス電極２７がｐ型クラッド層１３ｂに接続されているため、下層のクラッド層がｐ型である。また、基板１０とｐ型クラッド層１３ｂの間にｎ型拡散防止層１１が設けられているため、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ｂ及びｐ型クラッド層１３ｂからなる下層半導体抵抗に対してｎ型半導体抵抗が並列接続される。従って、下層のクラッド層がｐ型の場合でも下層半導体抵抗を低減することができる。この結果、２つの光変調部２２ａ，２２ｂ間の半導体抵抗が大幅に低下するため、進行波電極２０ａ，２０ｂを伝搬するマイクロ波の損失を低減し、変調帯域を大幅に向上させることができる。

また、スラブ導波路又は容量装荷型の進行波電極構造を用いることなく、非常に簡易な光変調部構造で変調帯域の向上が可能であるため、マッハツェンダ型光変調器及び光送信装置の小型化も期待できる。また、ｎ型拡散防止層１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ａ，１２ｂ，１２ｃと基板１０との間で互いの不純物の拡散を防止することができる。

図５は、実施の形態１に係るマッハツェンダ型光変調器の屈折率変調領域の変形例を示す断面図である。図２のｎ型拡散防止層１１ａ，１１ｂ，１１ｃを共通化してｎ型拡散防止層１１としている。図２のｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ａ，１２ｂ，１２ｃを共通化してｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２としている。図２のｐ型クラッド層１３ａ，１３ｂ，１３ｃを共通化してｐ型クラッド層１３としている。この構造においても同様の効果が得られる。また、共通化することによってコモンインピーダンスを低減できる。所望の差動ドライバのコモンインピーダンスに整合させることで、コモンモード共振による帯域劣化も抑制することができる。

また、ｎ型拡散防止層１１ａ，１１ｂ，１１ｃを厚膜化することにより、下層半導体抵抗を低減し、変調帯域を更に向上することができる。図６は、実施の形態１においてｎ型拡散防止層の厚みを変えて変調帯域を計算した結果を示す図である。ｎ型拡散防止層１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、キャリア濃度が２．０Ｅ＋１８ｃｍ^－３のｎ型のＩｎＰからなる。ｎ型拡散防止層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの膜厚を０．０５μｍ以上にすることにより、変調帯域を更に向上できることを電磁界解析により確認した。なお、ｎ型拡散防止層１１ａ，１１ｂ，１１ｃを共通化し、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ａ，１２ｂ，１２ｃを共通化し、ｐ型クラッド層１３ａ，１３ｂ，１３ｃを共通化した図５の構造でも同様の効果が得られる。また、キャリア濃度が１．０Ｅ＋１７ｃｍ^－３～２．０Ｅ＋１９ｃｍ^－３のｎ型のＩｎＰからなるｎ型拡散防止層１１ａ，１１ｂ，１１ｃでも同様の効果が得られる。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係るマッハツェンダ型光変調器の屈折率変調領域を示す断面図である。ｎ型拡散防止層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの上にそれぞれｎ型ＩｎＧａＡｓ層３０ａ，３０ｂ，３０ｃが設けられている点が実施の形態１と異なる。ｎ型拡散防止層１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、例えばキャリア濃度が２．０Ｅ＋１８ｃｍ^－３のｎ型ＩｎＰからなる。ｎ型ＩｎＧａＡｓ層３０ａ，３０ｂ，３０ｃのキャリア濃度は例えば１．０Ｅ＋１９ｃｍ^－３である。

アーム導波路２１ａは、基板１０と、基板１０の上に順に形成されたｎ型拡散防止層１１ｂ、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層３０ｂ、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ｂ、ｐ型クラッド層１３ｂ、量子井戸活性層１４ｂ、ｎ型クラッド層１５ｂ、ｎ型コンタクト層１６ｂを有する。アーム導波路２１ｂは、基板１０と、基板１０の上に順に形成されたｎ型拡散防止層１１ｂ、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層３０ｂ、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ｂ、ｐ型クラッド層１３ｂ、量子井戸活性層１４ｃ、ｎ型クラッド層１５ｃ、ｎ型コンタクト層１６ｃを有する。その他の構成は実施の形態１と同様である。

実施の形態１ではｎ型拡散防止層１１ｂとｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ｂとの界面が空乏化し、変調帯域を劣化させる要因となることが懸念される。これに対して、本実施の形態では、ｎ型拡散防止層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの上に、ｎ型拡散防止層として高キャリア濃度のｎ型ＩｎＧａＡｓ層３０ａ，３０ｂ，３０ｃを形成している。ｎ型ＩｎＧａＡｓのバンドギャップが非常に小さいため、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ｂとｎ型ＩｎＧａＡｓ層３０ｂを接合すると、空乏層を薄くでき、トンネル効果による容量を低減することができる。この結果、２つの光変調部間の半導体抵抗が大幅に低下するため、進行波電極を伝搬するマイクロ波の損失を低減し、変調帯域を大幅に向上させることができる。

図８は、実施の形態２においてｎ型拡散防止層の厚みを変えて変調帯域を計算した結果を示す図である。ｎ型拡散防止層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの厚みを２．０μｍに設定し、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層３０ａ，３０ｂ，３０ｃの厚みを変えている。ｎ型ＩｎＧａＡｓ層３０ａ，３０ｂ，３０ｃのキャリア濃度は１．０Ｅ＋１９ｃｍ^－３である。ｎ型ＩｎＧａＡｓ層３０ａ，３０ｂ，３０ｃを０．０５μｍ以上の膜厚で形成することで、更なる変調帯域の向上が可能であることを電磁界解析により確認した。

なお、ｎ型拡散防止層１１ａ，１１ｂ，１１ｃを共通化し、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層３０ａ，３０ｂ，３０ｃを共通化し、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ａ，１２ｂ，１２ｃを共通化し、ｐ型クラッド層１３ａ，１３ｂ，１３ｃを共通化した構造においても同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図９は、実施の形態３に係るマッハツェンダ型光変調器の屈折率変調領域を示す断面図である。本実施の形態では、半絶縁性半導体基板である基板１０の代わりに、例えばキャリア濃度が２．０Ｅ＋１８ｃｍ^－３のｐ型のＩｎＰからなるｐ型半導体基板４０を用いている。また、ｎ型拡散防止層１１ａ，１１ｂ，１１ｃが無い。

アーム導波路２１ａは、ｐ型半導体基板４０と、ｐ型半導体基板４０上に順に積層されたｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ｂ、ｐ型クラッド層１３ｂ、量子井戸活性層１４ｂ、ｎ型クラッド層１５ｂ、ｎ型コンタクト層１６ｂを有する。アーム導波路２１ｂは、ｐ型半導体基板４０と、ｐ型半導体基板４０上に順に積層されたｐ型ＩｎＧａＡｓ層１２ｂ、ｐ型クラッド層１３ｂ、量子井戸活性層１４ｃ、ｎ型クラッド層１５ｃ、ｎ型コンタクト層１６ｃを有する。その他の構成は実施の形態１と同様である。

図１０は、実施の形態３に係る変調帯域の周波数依存性を計算した結果を示す図である。ｐ型半導体基板４０の厚さを１０μｍ以上にすることで、さらなる変調帯域の向上が可能であることを電磁界解析により確認した。そこで、本実施の形態では、ｐ型半導体基板４０の厚さを１０μｍ以上にする。これにより、下層半導体抵抗が低減してマイクロ波損失を抑制できるため、変調帯域が向上する。

なお、実施の形態１，２の構造において、基板１０の代わりに、例えばドーピング濃度が２．０Ｅ＋１８ｃｍ^－３のｐ型ＩｎＰからなるｐ型半導体基板４０を用いても同等の効果が得られることは言うまでもない。

実施の形態４．
図１１は、実施の形態４に係るマッハツェンダ型光変調器の屈折率変調領域を示す断面図である。本実施の形態では、量子井戸活性層１４ｂ，１４ｃとｐ型クラッド層１３ｂの間に、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどのＡｓを含む混晶材料からなる拡散防止層５０ａ，５０ｂをそれぞれ設けている。その他の構成は実施の形態１と同様である。

拡散防止層５０ａ，５０ｂを設けることでアクセプタ拡散長の低減によるキャリア走行距離を短縮できる。また、ｐ型クラッド層１３ｂのドーピング濃度を増やして抵抗を低減できる。このため、帯域を向上することができる。なお、量子井戸活性層とｐ型クラッド層との屈折率差を補間するようにＡｓを含む混晶材料の組成を選択してもよい。

図１２－１４は、実施の形態４に係る変調帯域のアクセプタ拡散長依存性を計算した結果を示す図である。図１５－１７は、実施の形態４に係る変調帯域の周波数依存性を計算した結果を示す図である。図１２，１５はアクセプタ拡散長が１００ｎｍ、図１３，１６はアクセプタ拡散長が２００ｎｍ、図１４，１７はアクセプタ拡散長が３００ｎｍである。何れの場合もｐ型クラッド層のドーピング濃度は１．０Ｅ＋１７ｃｍ^－３である。点線で示したｐ型クラッド層のアクセプタ拡散長が大きくなるほど、変調帯域が－３ｄＢになる周波数が小さくなる。従って、アクセプタ拡散長が大きくなるにつれて、変調帯域が劣化していくことが判った。

そこで、本実施の形態では、ｐ型クラッド層１３ｂと量子井戸活性層１４ｂの間に拡散防止層５０ａを設け、ｐ型クラッド層１３ｂと量子井戸活性層１４ｃの間に拡散防止層５０ｂを設ける。これにより、アクセプタ拡散長を低減することができるため、ｐ型クラッド層のドーピング濃度を高く設定することができるようになる。

図１８，１９は、実施の形態４に係る変調帯域のアクセプタ拡散長依存性を計算した結果を示す図である。図２０，２１は、実施の形態４に係る変調帯域の周波数依存性を計算した結果を示す図である。何れの場合もアクセプタ拡散長は１００ｎｍである。図１８，２０はｐ型クラッド層のドーピング濃度が１．０Ｅ＋１６ｃｍ^－３、図１９，２１はｐ型クラッド層のドーピング濃度が１．０Ｅ＋１８ｃｍ^－３である。ｐ型クラッド層１３ｂのドーピング濃度を２桁大きくすることで、変調帯域の向上が可能であることが判った。

本実施の形態では、ｐ型クラッド層１３ｂと量子井戸活性層１４ｂの間に拡散防止層５０ａを設け、ｐ型クラッド層１３ｂと量子井戸活性層１４ｃの間に拡散防止層５０ｂを設ける。これにより、ｐ型クラッド層１３ｂのアクセプタが量子井戸活性層１４ｂ，１４ｃに拡散するのを抑制することができる。これにより、ｐ型クラッド層のドーピング濃度を高く設定できるため、変調帯域を向上することができる。

なお、本実施の形態の拡散防止層５０ａ，５０ｂは実施の形態１～３の何れのマッハツェンダ型光変調器にも適用可能であることは言うまでもない。その他、各実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いてもよい。

１０基板、１１ｂｎ型拡散防止層、１２ｂｐ型ＩｎＧａＡｓ層、１３ｂｐ型クラッド層、１４ｂ，１４ｃ量子井戸活性層、１５ｂ，１５ｃｎ型クラッド層、２０ａ，２０ｂ進行波電極、２２ａ，２２ｂ光変調部、２７ＤＣバイアス電極、３０ｂｎ型ＩｎＧａＡｓ層、４０ｐ型半導体基板、５０ａ，５０ｂ拡散防止層、１０６マッハツェンダ型光変調器

Claims

半絶縁性又はｐ型の基板と、
前記基板の上に設けられたｎ型拡散防止層と、
前記ｎ型拡散防止層の上に設けられたｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層の上に互いに離間して設けられた第１及び第２の量子井戸活性層と、
前記第１及び第２の量子井戸活性層の上にそれぞれ設けられた第１及び第２のｎ型クラッド層と、
前記第１及び第２のｎ型クラッド層にそれぞれ接続された第１及び第２の進行波電極と、
前記ｐ型クラッド層に接続され、前記ｎ型拡散防止層には直接的に接続されていないＤＣバイアス電極とを備え、
前記ＤＣバイアス電極、前記ｐ型クラッド層、前記第１の量子井戸活性層、前記第１のｎ型クラッド層、及び前記第１の進行波電極が第１の光変調部を構成し、
前記ＤＣバイアス電極、前記ｐ型クラッド層、前記第２の量子井戸活性層、前記第２のｎ型クラッド層、及び前記第２の進行波電極が第２の光変調部を構成することを特徴とするマッハツェンダ型光変調器。
前記ｐ型クラッド層はｐ型ＩｎＧａＡｓ層を有し、
前記ｎ型拡散防止層は、前記ｐ型ＩｎＧａＡｓ層と接合されたｎ型ＩｎＧａＡｓ層を有する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。
前記ｐ型クラッド層と前記第１及び第２の量子井戸活性層との間にそれぞれ設けられ、Ａｓを含む混晶材料からなる拡散防止層を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のマッハツェンダ型光変調器。
前記第１の光変調部の前記ｐ型クラッド層と前記第２の光変調部の前記ｐ型クラッド層は互いに離間していないことを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載のマッハツェンダ型光変調器。
請求項１～４の何れか１項に記載のマッハツェンダ型光変調器を備えることを特徴とする光送信装置。