JPH07191290A - 半導体マッハツェンダ変調器およびその製造方法 - Google Patents
半導体マッハツェンダ変調器およびその製造方法Info
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- JPH07191290A JPH07191290A JP5331409A JP33140993A JPH07191290A JP H07191290 A JPH07191290 A JP H07191290A JP 5331409 A JP5331409 A JP 5331409A JP 33140993 A JP33140993 A JP 33140993A JP H07191290 A JPH07191290 A JP H07191290A
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- G02F1/01708—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells in an optical wavequide structure
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- G02B2006/12166—Manufacturing methods
- G02B2006/12178—Epitaxial growth
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 低電圧で動作し、かつ低導波損失の光通信・
光情報処理用半導体マッハツェンダ型光変調器をＭＯＶ
ＰＥ選択成長技術を用いて提供する。 【構成】 選択ＭＯＶＰＥ成長を用いると、バンドギャ
ップ波長が部分的に異なるウェハを一回の結晶成長で形
成できる。選択成長の際のマスクの幅を部分的に変える
ことによりバンドギャップ波長を５０ｍｅＶ以上異なら
しめることが容易にできる。位相変調器部１２２のバン
ドギャップ波長は入射光波長λo p よりも少し短波長側
（λa ）とし、３ｄＢ分岐部１２１および合流部１２３
としてはバンドギャップ波長をλa よりもさらに短波長
側で入射光波長λo p に対し吸収係数の小さい波長に設
定することができる。即ち、位相変調器部と３ｄＢ分岐
部、合流部とで異なる幅のマスクを用いて選択ＭＯＶＰ
Ｅ成長し、それぞれを最適のバンドギャップ波長に設定
すれば、低電圧かつ低損失のマッハツェンダ変調器が歩
留り良く実現できる。
光情報処理用半導体マッハツェンダ型光変調器をＭＯＶ
ＰＥ選択成長技術を用いて提供する。 【構成】 選択ＭＯＶＰＥ成長を用いると、バンドギャ
ップ波長が部分的に異なるウェハを一回の結晶成長で形
成できる。選択成長の際のマスクの幅を部分的に変える
ことによりバンドギャップ波長を５０ｍｅＶ以上異なら
しめることが容易にできる。位相変調器部１２２のバン
ドギャップ波長は入射光波長λo p よりも少し短波長側
（λa ）とし、３ｄＢ分岐部１２１および合流部１２３
としてはバンドギャップ波長をλa よりもさらに短波長
側で入射光波長λo p に対し吸収係数の小さい波長に設
定することができる。即ち、位相変調器部と３ｄＢ分岐
部、合流部とで異なる幅のマスクを用いて選択ＭＯＶＰ
Ｅ成長し、それぞれを最適のバンドギャップ波長に設定
すれば、低電圧かつ低損失のマッハツェンダ変調器が歩
留り良く実現できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信システムや光情
報処理システムにおいて重要なエレメントとなる光変調
器に関し、特に低電圧で動作し、かつ導波損失の小さい
マッハツェンダ型光変調器の構造および製造方法に関す
る。
報処理システムにおいて重要なエレメントとなる光変調
器に関し、特に低電圧で動作し、かつ導波損失の小さい
マッハツェンダ型光変調器の構造および製造方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】光変調器などの導波型光制御デバイスは
高速光通信システム、光情報処理システムのキーエレメ
ントの１つと考えられ、各所で研究開発が活発化してき
ている。光変調器としては、ＬｉＮｂＯ3 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
とが考えられるが、光アンプ等の他の光素子やＦＥＴ等
の電子回路との集積化が可能で、小型化、低電圧化も容
易な半導体光変調器への期待が近年高まりつつある。半
導体変調器としては、バルク半導体のフランツケルディ
シュ効果（Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果）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（Ｓｔ
ａｒｋ効果）（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｓ
ｔａｒｋ 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
利用した吸収型光変調器と、バルク半導体の電気光学効
果（ポッケルス効果）や多重量子井戸構造における量子
閉じ込めＳｔａｒｋ効果のように電界を印加することに
より屈折率が変化する効果を利用したマッハツェンダ型
変調器が代表的なものである。
高速光通信システム、光情報処理システムのキーエレメ
ントの１つと考えられ、各所で研究開発が活発化してき
ている。光変調器としては、ＬｉＮｂＯ3 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
とが考えられるが、光アンプ等の他の光素子やＦＥＴ等
の電子回路との集積化が可能で、小型化、低電圧化も容
易な半導体光変調器への期待が近年高まりつつある。半
導体変調器としては、バルク半導体のフランツケルディ
シュ効果（Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果）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（Ｓｔ
ａｒｋ効果）（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｓ
ｔａｒｋ 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
利用した吸収型光変調器と、バルク半導体の電気光学効
果（ポッケルス効果）や多重量子井戸構造における量子
閉じ込めＳｔａｒｋ効果のように電界を印加することに
より屈折率が変化する効果を利用したマッハツェンダ型
変調器が代表的なものである。
【０００３】近年、光ファイバ通信の高速・長距離化に
伴い、従来の半導体レーザ直接変調方式の問題点が顕在
化しつつある。すなわち、半導体レーザ直接変調方式に
おいては変調時に波長チャーピングが生じ、これにより
ファイバ伝送後の波形が劣化するが、この現象は信号伝
送速度が速いほど、また伝送距離が長いほど顕著とな
る。特に、既存の１．３μｍ零分散ファイバを用いたシ
ステムにおいてこの問題は深刻であり、ファイバの伝搬
損失の小さい波長１．５５μｍ帯の光源を用いて伝送距
離を伸ばそうとしても、チャーピングに起因する分散制
限により伝送距離が制限される。この問題は、半導体レ
ーザは一定の光出力で発光させておき、半導体レーザ出
射光を半導体レーザとは別の光変調器により変調する外
部変調方式を採用することにより解決できる。そのた
め、近年半導体光変調器の開発が活発化している。
伴い、従来の半導体レーザ直接変調方式の問題点が顕在
化しつつある。すなわち、半導体レーザ直接変調方式に
おいては変調時に波長チャーピングが生じ、これにより
ファイバ伝送後の波形が劣化するが、この現象は信号伝
送速度が速いほど、また伝送距離が長いほど顕著とな
る。特に、既存の１．３μｍ零分散ファイバを用いたシ
ステムにおいてこの問題は深刻であり、ファイバの伝搬
損失の小さい波長１．５５μｍ帯の光源を用いて伝送距
離を伸ばそうとしても、チャーピングに起因する分散制
限により伝送距離が制限される。この問題は、半導体レ
ーザは一定の光出力で発光させておき、半導体レーザ出
射光を半導体レーザとは別の光変調器により変調する外
部変調方式を採用することにより解決できる。そのた
め、近年半導体光変調器の開発が活発化している。
【０００４】ところで、吸収型変調器は半導体レーザ直
接変調方式に比べると波長チャ−ピングははるかに小さ
いが、それでも零ではない。一方、マッハツェンダ変調
器は原理的にチャーピングを零にすることができ、将来
の超高速・長距離光通信用変調器として大きな期待がか
けられている。半導体マッハツェンダ変調器の例として
は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸を導波層
としたリッジ型マッハツェンダ変調器が佐野らにより１
９９３年電子情報通信学会春季大会講演論文集，分冊
４，４−１８６ページ（講演番号Ｃ−１５０）に報告さ
れている。１．５５μｍの入射光波長に対し、６．５ｎ
ｍのＩｎＧａＡｓウェルと６．０ｎｍのＩｎＡｌＡｓバ
リヤでＭＱＷを構成しそのバンドギャップ波長を１．４
５μｍとしている。導波層はこのＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡ
ｌＡｓ３０周期ＭＱＷよりなり、素子全長は１．２ｍ
ｍ、電界が印加される位相変調器部の長さは０．５ｍｍ
である。なお、この素子では、受動部である３ｄＢ分岐
部および合流部も位相変調器部と全く同一の層構造、す
なわちバンドギャップ波長１．４５μｍのＭＱＷが導波
層として用いられる構造、が採用されている。波長１．
５５μｍの入射光に対する変調電圧（半波長電圧）は、
４．２Ｖ、そのときの消光比は１３ｄＢ、ファイバ間挿
入損失は１２ｄＢである。このように、半導体材料、特
に多重量子井戸構造を屈折率変化媒体として用いてマッ
ハツェンダ変調器を構成すると、ＬｉＮｂＯ3 などの誘
電体材料を用いる場合に比べて非常に小型の変調器が実
現できるという利点が有る。
接変調方式に比べると波長チャ−ピングははるかに小さ
いが、それでも零ではない。一方、マッハツェンダ変調
器は原理的にチャーピングを零にすることができ、将来
の超高速・長距離光通信用変調器として大きな期待がか
けられている。半導体マッハツェンダ変調器の例として
は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸を導波層
としたリッジ型マッハツェンダ変調器が佐野らにより１
９９３年電子情報通信学会春季大会講演論文集，分冊
４，４−１８６ページ（講演番号Ｃ−１５０）に報告さ
れている。１．５５μｍの入射光波長に対し、６．５ｎ
ｍのＩｎＧａＡｓウェルと６．０ｎｍのＩｎＡｌＡｓバ
リヤでＭＱＷを構成しそのバンドギャップ波長を１．４
５μｍとしている。導波層はこのＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡ
ｌＡｓ３０周期ＭＱＷよりなり、素子全長は１．２ｍ
ｍ、電界が印加される位相変調器部の長さは０．５ｍｍ
である。なお、この素子では、受動部である３ｄＢ分岐
部および合流部も位相変調器部と全く同一の層構造、す
なわちバンドギャップ波長１．４５μｍのＭＱＷが導波
層として用いられる構造、が採用されている。波長１．
５５μｍの入射光に対する変調電圧（半波長電圧）は、
４．２Ｖ、そのときの消光比は１３ｄＢ、ファイバ間挿
入損失は１２ｄＢである。このように、半導体材料、特
に多重量子井戸構造を屈折率変化媒体として用いてマッ
ハツェンダ変調器を構成すると、ＬｉＮｂＯ3 などの誘
電体材料を用いる場合に比べて非常に小型の変調器が実
現できるという利点が有る。
【０００５】ところで、ＭＱＷのバンドギャップ波長を
入射光波長に近づけるほど同一の電界強度に対する屈折
率変化は大きくなり、動作電圧は低減できるが、伝搬光
の伝搬損失も増加する。上述のマッハツェンダ変調器に
おいては受動導波路部である３ｄＢ分岐部および合流部
にも位相変調器部と全く同一の組成のＭＱＷが導波層と
して用いられている。そのため、ある程度の屈折率変化
が期待でき、かつ受動導波路部での伝搬損失もある程度
小さくなるようにＭＱＷのバンドギャップ波長が選ばれ
ている。しかしながら、この屈折率変化の大きさと伝搬
損失とのトレードオフにより素子の特性は制限を受け
る。実際、上述の例においては半波長電圧、ファイバ間
挿入損失のいずれも、実際のシステム適用は困難な中途
半端な値となっている。この問題を解決するためには、
能動部である位相変調器部と受動導波路である３ｄＢ分
岐部および合流部とで導波層のバンドギャプを変えれば
良い。すなわち，位相変調器部では入射光波長に近いバ
ンドギャップ波長を採用し電界印加により大きな屈折率
変化が得られるようにし、３ｄＢ分岐部および合流部で
はバンドギャップ波長を位相変調器部に比べはるかに短
波長側に設定して伝搬損失がほとんど生じないようにす
れば良い。しかしながら、通常、このようにバンドギャ
ップ波長を部分的に変えるためには、結晶成長とエッチ
ングを繰り返す必要があり、工程が煩雑で歩留りも悪化
する。
入射光波長に近づけるほど同一の電界強度に対する屈折
率変化は大きくなり、動作電圧は低減できるが、伝搬光
の伝搬損失も増加する。上述のマッハツェンダ変調器に
おいては受動導波路部である３ｄＢ分岐部および合流部
にも位相変調器部と全く同一の組成のＭＱＷが導波層と
して用いられている。そのため、ある程度の屈折率変化
が期待でき、かつ受動導波路部での伝搬損失もある程度
小さくなるようにＭＱＷのバンドギャップ波長が選ばれ
ている。しかしながら、この屈折率変化の大きさと伝搬
損失とのトレードオフにより素子の特性は制限を受け
る。実際、上述の例においては半波長電圧、ファイバ間
挿入損失のいずれも、実際のシステム適用は困難な中途
半端な値となっている。この問題を解決するためには、
能動部である位相変調器部と受動導波路である３ｄＢ分
岐部および合流部とで導波層のバンドギャプを変えれば
良い。すなわち，位相変調器部では入射光波長に近いバ
ンドギャップ波長を採用し電界印加により大きな屈折率
変化が得られるようにし、３ｄＢ分岐部および合流部で
はバンドギャップ波長を位相変調器部に比べはるかに短
波長側に設定して伝搬損失がほとんど生じないようにす
れば良い。しかしながら、通常、このようにバンドギャ
ップ波長を部分的に変えるためには、結晶成長とエッチ
ングを繰り返す必要があり、工程が煩雑で歩留りも悪化
する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
半導体マッハツェンダ変調器で受動導波路部である３ｄ
Ｂ分岐部および合流部にも位相変調器部と全く同一の組
成のＭＱＷが導波層として用いられているため、屈折率
変化の大きさと伝搬損失とのトレードオフにより素子特
性が制限され、半波長電圧、ファイバ間挿入損失のいず
れも、実際のシステム適用は困難な中途半端な値となっ
てしまうという問題点があった。この問題を解決するた
めには、能動部である位相変調器部と受動導波路部であ
る３ｄＢ分岐部および合流部とで導波層のバンドギャッ
プを変えれば良いが、通常、このようにバンドギャップ
波長を部分的に変えるためには、結晶成長とエッチング
を繰り返す必要があり、工程が煩雑で歩留りも悪化する
という問題があった。
半導体マッハツェンダ変調器で受動導波路部である３ｄ
Ｂ分岐部および合流部にも位相変調器部と全く同一の組
成のＭＱＷが導波層として用いられているため、屈折率
変化の大きさと伝搬損失とのトレードオフにより素子特
性が制限され、半波長電圧、ファイバ間挿入損失のいず
れも、実際のシステム適用は困難な中途半端な値となっ
てしまうという問題点があった。この問題を解決するた
めには、能動部である位相変調器部と受動導波路部であ
る３ｄＢ分岐部および合流部とで導波層のバンドギャッ
プを変えれば良いが、通常、このようにバンドギャップ
波長を部分的に変えるためには、結晶成長とエッチング
を繰り返す必要があり、工程が煩雑で歩留りも悪化する
という問題があった。
【０００７】本発明が解決しようとする課題は、半導体
マッハツェンダ変調器の低電圧化と伝搬損失の低減化を
同時に行うことができる半導体マッハツェンダ変調器の
構造を提供すること、および結晶成長とエッチングを繰
り返すことなく上記の構造を実現し、低電圧かつ損失な
マッハツェンダ変調器を歩留り良く製造する方法を提供
することにある。
マッハツェンダ変調器の低電圧化と伝搬損失の低減化を
同時に行うことができる半導体マッハツェンダ変調器の
構造を提供すること、および結晶成長とエッチングを繰
り返すことなく上記の構造を実現し、低電圧かつ損失な
マッハツェンダ変調器を歩留り良く製造する方法を提供
することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上述のような問題点を解
決するために、本発明においては、半導体基板上に少な
くとも半導体第一クラッド層、半導体導波層、半導体第
二クラッド層が順次積層さた層構造を有し、入射光を２
本の導波路へ１：１に分配する３ｄＢ分岐部、３ｄＢ分
岐部により分岐された２本の導波路の各々に接続された
位相変調器部および２つの位相変調器の出力を合流し１
本の出力光導波路へと導く合流部よりなる導波型マッハ
ツェンダ変調器であって、前記３ｄＢ分岐部および合流
部の半導体導波層のバンドギャップ波長が該位相変調部
の導波層のバンドギャップ波長よりも短波長であること
を特徴とする半導体マッハツェンダ変調器の構造、もし
くは半導体基板上に少なくとも半導体第一クラッド層、
半導体導波層、半導体第二クラッド層順次積層された層
構造を有し、入射光を２本の導波路へ１：１に分配する
３ｄＢ分岐部、３ｄＢ分岐部により分岐された２本の導
波路の各々に接続された位相変調器部および２つの位相
変調器の出力を合流し１本の出力光導波路へと導く合流
部よりなる導波型マッハツェンダ変調器であって、前記
３ｄＢ分岐部、位相変調器部および合流部の各々の接続
部分で半導体導波層が途切れることなく光導波路が連続
して形成されており、かつ前記３ｄＢ分岐部および合流
部の半導体導波層のバンドギャップ波長が該位相変調器
部の導波層のバンドギャップ波長よりも短波長であるこ
とを特徴とする半導体マッハツェンダ変調器の構造、お
よび、上記２つの構造において半導体導波層が多重量子
井戸構造よりなることを特徴とする半導体マッハツェン
ダ変調器の構造を採用した。
決するために、本発明においては、半導体基板上に少な
くとも半導体第一クラッド層、半導体導波層、半導体第
二クラッド層が順次積層さた層構造を有し、入射光を２
本の導波路へ１：１に分配する３ｄＢ分岐部、３ｄＢ分
岐部により分岐された２本の導波路の各々に接続された
位相変調器部および２つの位相変調器の出力を合流し１
本の出力光導波路へと導く合流部よりなる導波型マッハ
ツェンダ変調器であって、前記３ｄＢ分岐部および合流
部の半導体導波層のバンドギャップ波長が該位相変調部
の導波層のバンドギャップ波長よりも短波長であること
を特徴とする半導体マッハツェンダ変調器の構造、もし
くは半導体基板上に少なくとも半導体第一クラッド層、
半導体導波層、半導体第二クラッド層順次積層された層
構造を有し、入射光を２本の導波路へ１：１に分配する
３ｄＢ分岐部、３ｄＢ分岐部により分岐された２本の導
波路の各々に接続された位相変調器部および２つの位相
変調器の出力を合流し１本の出力光導波路へと導く合流
部よりなる導波型マッハツェンダ変調器であって、前記
３ｄＢ分岐部、位相変調器部および合流部の各々の接続
部分で半導体導波層が途切れることなく光導波路が連続
して形成されており、かつ前記３ｄＢ分岐部および合流
部の半導体導波層のバンドギャップ波長が該位相変調器
部の導波層のバンドギャップ波長よりも短波長であるこ
とを特徴とする半導体マッハツェンダ変調器の構造、お
よび、上記２つの構造において半導体導波層が多重量子
井戸構造よりなることを特徴とする半導体マッハツェン
ダ変調器の構造を採用した。
【０００９】また、上述のような問題点を解決するため
に、本発明においては半導体マッハツェンダ変調器の製
造方法として、半導体基板上に半導体第一クラッド層を
形成する工程と、該半導体第一クラッド層の上に、空隙
部のパターンがマッハツェンダ変調器の導波路パターン
に対応する選択成長用の誘電体マスクを形成する工程
と、半導体バッファ層、半導体導波層、半導体第二クラ
ッド層を順次前記マスクの空隙部に積層して半導体導波
層を含むメサ構造のマッハツェンダ変調器のパターンを
形成する工程と、前記選択成長用の誘電体マスクの空隙
部の幅を広げる工程と、該広げられた空隙部の上および
前記半導体導波層を含むメサの上に半導体第三クラッド
層および半導体キャップ層を積層して前記半導体導波層
を含むメサを半導体第三クラッド層および半導体キャッ
プ層で埋め込む工程と、基板の上面全体に誘電体保護膜
を形成する工程と、マッハツェンダ変調器の位相変調器
部に相当する部位の該保護膜を除去する工程と、該保護
膜が除去され露出した前記半導体キャップ層の上に位相
変調器部半導体導波層に電界を印加するための電極を形
成する工程とを含み、前記空隙部のパターンがマッハツ
ェンダ変調器の導波路パターンに対応する選択成長用の
誘電体マスクにおいて、位相変調器部の誘電体マスク幅
が３ｄＢ分岐部および合流部の誘電体マスク幅よりも広
いことを特徴とする半導体マッハツェンダ変調器の製造
方法。更に、上記製造方法において半導体導波層が多重
量子井戸構造よりなることを特徴とする半導体マッハツ
ェンダ変調器の製造方法、を採用した。
に、本発明においては半導体マッハツェンダ変調器の製
造方法として、半導体基板上に半導体第一クラッド層を
形成する工程と、該半導体第一クラッド層の上に、空隙
部のパターンがマッハツェンダ変調器の導波路パターン
に対応する選択成長用の誘電体マスクを形成する工程
と、半導体バッファ層、半導体導波層、半導体第二クラ
ッド層を順次前記マスクの空隙部に積層して半導体導波
層を含むメサ構造のマッハツェンダ変調器のパターンを
形成する工程と、前記選択成長用の誘電体マスクの空隙
部の幅を広げる工程と、該広げられた空隙部の上および
前記半導体導波層を含むメサの上に半導体第三クラッド
層および半導体キャップ層を積層して前記半導体導波層
を含むメサを半導体第三クラッド層および半導体キャッ
プ層で埋め込む工程と、基板の上面全体に誘電体保護膜
を形成する工程と、マッハツェンダ変調器の位相変調器
部に相当する部位の該保護膜を除去する工程と、該保護
膜が除去され露出した前記半導体キャップ層の上に位相
変調器部半導体導波層に電界を印加するための電極を形
成する工程とを含み、前記空隙部のパターンがマッハツ
ェンダ変調器の導波路パターンに対応する選択成長用の
誘電体マスクにおいて、位相変調器部の誘電体マスク幅
が３ｄＢ分岐部および合流部の誘電体マスク幅よりも広
いことを特徴とする半導体マッハツェンダ変調器の製造
方法。更に、上記製造方法において半導体導波層が多重
量子井戸構造よりなることを特徴とする半導体マッハツ
ェンダ変調器の製造方法、を採用した。
【００１０】
【作用】本発明においては、半導体マッハツェンダ変調
器において、３ｄＢ分岐部および合流部の半導体導波層
のバンドギャップ波長が位相変調器部の導波層のバンド
ギャップ波長に比べて短波長に設定されている。このた
め、位相変調器部では入射光波長に近いバンドギャップ
波長を採用され、電界印加により大きな屈折率変化が得
られるようにされており、一方３ｄＢ分岐部および合流
部ではバンドギャップ波長を位相変調器部に比べてはる
かに短波長側に設定されているので、伝搬損失がほとん
で生じない構造となっている。
器において、３ｄＢ分岐部および合流部の半導体導波層
のバンドギャップ波長が位相変調器部の導波層のバンド
ギャップ波長に比べて短波長に設定されている。このた
め、位相変調器部では入射光波長に近いバンドギャップ
波長を採用され、電界印加により大きな屈折率変化が得
られるようにされており、一方３ｄＢ分岐部および合流
部ではバンドギャップ波長を位相変調器部に比べてはる
かに短波長側に設定されているので、伝搬損失がほとん
で生じない構造となっている。
【００１１】そして、そのような半導体マッハツェンダ
変調器の構造を実現するために、本発明においては、バ
ンドギャップ制御選択ＭＯＶＰＥ結晶成長法をも用い
る。選択ＭＯＶＰＥ成長を用いると、バンドギャップ波
長が部分的に異なるウェハを一回の結晶成長で形成でき
る。具体的には、選択成長の際の誘電体マスクの幅を部
分的に変えることにより、バンドギャップエネルギが５
０ｍｅＶ以上異なった領域を、一回の結晶成長で同一ウ
ェハ内に形成することができる。この選択ＭＯＶＰＥ成
長法を本発明では採用しており、バンドギャップ波長を
部分的に変えるために結晶成長とエッチングを繰り返す
必要が全く無い。したがって、能動部である位相変調器
部と受動導波路部である３ｄＢ分岐部および合流部とで
導波層のバンドギャップが異なる理想的なマッハツェン
ダ変調器を、本発明の製造方法を用いれば歩留り良く製
造できる。
変調器の構造を実現するために、本発明においては、バ
ンドギャップ制御選択ＭＯＶＰＥ結晶成長法をも用い
る。選択ＭＯＶＰＥ成長を用いると、バンドギャップ波
長が部分的に異なるウェハを一回の結晶成長で形成でき
る。具体的には、選択成長の際の誘電体マスクの幅を部
分的に変えることにより、バンドギャップエネルギが５
０ｍｅＶ以上異なった領域を、一回の結晶成長で同一ウ
ェハ内に形成することができる。この選択ＭＯＶＰＥ成
長法を本発明では採用しており、バンドギャップ波長を
部分的に変えるために結晶成長とエッチングを繰り返す
必要が全く無い。したがって、能動部である位相変調器
部と受動導波路部である３ｄＢ分岐部および合流部とで
導波層のバンドギャップが異なる理想的なマッハツェン
ダ変調器を、本発明の製造方法を用いれば歩留り良く製
造できる。
【００１２】
【実施例】以下図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。
る。
【００１３】図１は本発明による半導体マッハツェンダ
変調器の一例としてＩｎＰ系多重量子井戸（ＭＱＷ）マ
ッハツェンダ変調器の実施例を示す斜視図である。
変調器の一例としてＩｎＰ系多重量子井戸（ＭＱＷ）マ
ッハツェンダ変調器の実施例を示す斜視図である。
【００１４】まず図１に示したＩｎＰ系ＭＱＷマッハツ
ェンダ変調器の製造方法について、図２の製造製作工程
図を用いて説明する。なお、図２においては、（ａ−
１），（ｂ−１），（ｃ−１），（ｄ−１），（ｅ−
１）には図１い示したＡ−Ａ’断面を、（ａ−２），
（ｂ−２），（ｃ−２），（ｄ−２），（ｅ−２）には
Ｂ−Ｂ’断面を示している。すなわち図２においては、
（ａ−１），（ｂ−１），（ｃ−１），（ｄ−１），
（ｅ−１）では３ｄＢ分岐部１２１および合流部１２３
の断面構造が（ａ−２），（ｂ−２），（ｃ−２），
（ｄ−２），（ｅ−２）では位相変調器部１２２の断面
構造が示されている。
ェンダ変調器の製造方法について、図２の製造製作工程
図を用いて説明する。なお、図２においては、（ａ−
１），（ｂ−１），（ｃ−１），（ｄ−１），（ｅ−
１）には図１い示したＡ−Ａ’断面を、（ａ−２），
（ｂ−２），（ｃ−２），（ｄ−２），（ｅ−２）には
Ｂ−Ｂ’断面を示している。すなわち図２においては、
（ａ−１），（ｂ−１），（ｃ−１），（ｄ−１），
（ｅ−１）では３ｄＢ分岐部１２１および合流部１２３
の断面構造が（ａ−２），（ｂ−２），（ｃ−２），
（ｄ−２），（ｅ−２）では位相変調器部１２２の断面
構造が示されている。
【００１５】まず、（１００）面方位のｎ−ＩｎＰ基板
１０１上に、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ法と
略する）等を用いて、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０２を約
０．３μｍに全面に形成する（図２（ａ−１）および
（ｂ−１））。ここで、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０２の
キャリア濃度は２×１０- 1 7 ｃｍ- 3 程度と低濃度と
しておく。次に選択成長用の誘電体マスクとなるＳｉＯ
2 膜をｎ−ＩｎＰクラッド層１０２の上に全面に形成す
る。その後、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて上
記ＳｉＯ2 膜をパターニングする。
１０１上に、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ法と
略する）等を用いて、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０２を約
０．３μｍに全面に形成する（図２（ａ−１）および
（ｂ−１））。ここで、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０２の
キャリア濃度は２×１０- 1 7 ｃｍ- 3 程度と低濃度と
しておく。次に選択成長用の誘電体マスクとなるＳｉＯ
2 膜をｎ−ＩｎＰクラッド層１０２の上に全面に形成す
る。その後、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて上
記ＳｉＯ2 膜をパターニングする。
【００１６】図３に選択成長用ＳｉＯ2 マスク２０１の
ウェハ上面からみたパターンを示す。空隙部２０２のパ
ターンがマッハツェンダ変調器の導波路パターンとなる
ように選択成長用ＳｉＯ2 マスク２０１パターニングさ
れる。３ｄＢ分岐部１２１、位相変調器部１２２、合流
部１２３のいずれにおいても空隙部２０２が一対のスト
ライプ形状選択成長用ＳｉＯ2 マスク２０１にはさまれ
たマスクパターンを基本としている。ここで、空隙部２
０２の幅Ｗw は３ｄＢ分岐部１２１、位相変調器部１２
２、合流部１２３のいずれにおいても２μｍである。一
方、選択成長用ＳｉＯ2 マスク２０１の幅は３ｄＢ分岐
部１２１および合流部１２３と位相変調器部１２２とで
異なる。図３に示すように、選択成長用ＳｉＯ2 マスク
２０１の幅は、３ｄＢ分岐部１２１および合流部１２３
ではＷｍ１＝Ｗｍ３＝５μｍであるのに対し、位相変調
器部１２２ではＷｍ２＝１２μｍと、位相変調器部１２
２の方がマスク幅が広くなっている。なお、図３では、
図１に示す２つのｐ側電極１１０ａ、１１０ｂの間で電
気的アイソレーションを確保するために、電極分離用マ
スク部３０１が形成され、結晶成長後にキャップ層など
をエッチングしなくても２つのｐ型電極１１０ａ、１１
０ｂの間で電気的アイソレーションを確保される。選択
成長用ＳｉＯ2 マスク２０１がパターニングされた後の
断面構造を図２（ｂ−１）と図２（ｂ−２）に示す。な
お、空隙部２０２のストライプ方向は［０１１］方向で
ある。
ウェハ上面からみたパターンを示す。空隙部２０２のパ
ターンがマッハツェンダ変調器の導波路パターンとなる
ように選択成長用ＳｉＯ2 マスク２０１パターニングさ
れる。３ｄＢ分岐部１２１、位相変調器部１２２、合流
部１２３のいずれにおいても空隙部２０２が一対のスト
ライプ形状選択成長用ＳｉＯ2 マスク２０１にはさまれ
たマスクパターンを基本としている。ここで、空隙部２
０２の幅Ｗw は３ｄＢ分岐部１２１、位相変調器部１２
２、合流部１２３のいずれにおいても２μｍである。一
方、選択成長用ＳｉＯ2 マスク２０１の幅は３ｄＢ分岐
部１２１および合流部１２３と位相変調器部１２２とで
異なる。図３に示すように、選択成長用ＳｉＯ2 マスク
２０１の幅は、３ｄＢ分岐部１２１および合流部１２３
ではＷｍ１＝Ｗｍ３＝５μｍであるのに対し、位相変調
器部１２２ではＷｍ２＝１２μｍと、位相変調器部１２
２の方がマスク幅が広くなっている。なお、図３では、
図１に示す２つのｐ側電極１１０ａ、１１０ｂの間で電
気的アイソレーションを確保するために、電極分離用マ
スク部３０１が形成され、結晶成長後にキャップ層など
をエッチングしなくても２つのｐ型電極１１０ａ、１１
０ｂの間で電気的アイソレーションを確保される。選択
成長用ＳｉＯ2 マスク２０１がパターニングされた後の
断面構造を図２（ｂ−１）と図２（ｂ−２）に示す。な
お、空隙部２０２のストライプ方向は［０１１］方向で
ある。
【００１７】次に、再度ＭＯＶＰＥ法を用いて、上述の
空隙部２０２の上のみに選択的にｎ−ＩｎＰバッファ層
１０３、ｉ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ ＭＱＷ導
波層１０４、ｉ−ＩｎＰクラッド層１０５、ｐ−ＩｎＰ
クラッド層を順次積層してダブルヘテロ構造のメサ２０
３を形成する。（図２（ｃ−１）、（ｃ−２））。形成
されたメサ２０３の側面は（１１１）Ｂ面となり、平滑
なメサ側面が得られる。各々の層の厚さはｎ−ＩｎＰバ
ッファ層１０３が０．１μｍ、ｉ−ＩｎＰクラッド層１
０５が０．１μｍ、ｐ−ＩｎＰクラッド層が０．２μｍ
とし、ｐ−ＩｎＰクラッド層のキャリア濃度は５×１０
1 7 ｃｍ- 1 とする。また、ｉ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧ
ａＡｓＰ ＭＱＷ導波層１０４は、位相変調器部１２２
においてＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｓを井戸層、
組成波長１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰを障壁層とする
２５周期の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造である。位相変
調器部１２２での井戸層の厚さは３５Ａ（オングストロ
ーム）、障壁層の厚さは６５Ａであり、位相変調器部１
２２においてバンドギャップ波長が１．４５μｍとなる
ように設定されている。なお、ｉ−ＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ
ＧａＡｓＰ ＭＱＷ導波層１０４における量子井戸数は
２５であり、ｉ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ ＭＱ
Ｗ導波層１０４全体の厚さは０．２５μｍである。
空隙部２０２の上のみに選択的にｎ−ＩｎＰバッファ層
１０３、ｉ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ ＭＱＷ導
波層１０４、ｉ−ＩｎＰクラッド層１０５、ｐ−ＩｎＰ
クラッド層を順次積層してダブルヘテロ構造のメサ２０
３を形成する。（図２（ｃ−１）、（ｃ−２））。形成
されたメサ２０３の側面は（１１１）Ｂ面となり、平滑
なメサ側面が得られる。各々の層の厚さはｎ−ＩｎＰバ
ッファ層１０３が０．１μｍ、ｉ−ＩｎＰクラッド層１
０５が０．１μｍ、ｐ−ＩｎＰクラッド層が０．２μｍ
とし、ｐ−ＩｎＰクラッド層のキャリア濃度は５×１０
1 7 ｃｍ- 1 とする。また、ｉ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧ
ａＡｓＰ ＭＱＷ導波層１０４は、位相変調器部１２２
においてＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｓを井戸層、
組成波長１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰを障壁層とする
２５周期の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造である。位相変
調器部１２２での井戸層の厚さは３５Ａ（オングストロ
ーム）、障壁層の厚さは６５Ａであり、位相変調器部１
２２においてバンドギャップ波長が１．４５μｍとなる
ように設定されている。なお、ｉ−ＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ
ＧａＡｓＰ ＭＱＷ導波層１０４における量子井戸数は
２５であり、ｉ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ ＭＱ
Ｗ導波層１０４全体の厚さは０．２５μｍである。
【００１８】ところで、本発明においては、図３に示し
たように３ｄＢ分岐部１２１および合流部１２３と位相
変調器部１２２とで、選択成長の際のＳｉＯ2 マスクの
幅が異なっている。このとき、ＩｎＧａＡｓ井戸層の厚
さはマスク幅が広いほど厚くなり、ＩｎＧａＡｓの組成
はマスク幅が広いほど長波長となるので、ＳｉＯ2 マス
ク幅が広いほどｉ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ Ｍ
ＱＷ導波層１０４のバンドギャップ波長は長くなる。マ
スク幅とＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ ＭＱＷのフォ
トルミネッサンス・ピーク波長の関係を測定した結果を
図４に示す。本実施例においては、位相変調器部１２２
のマスク幅を１２μｍ、３ｄＢ分岐部１２１および合流
部１２３のマスク幅を５μｍとしている。したがって、
図４より判るように、位相変調器部１２２のバンドギャ
ップ波長は、１．４５μｍとなり、一回の選択ＭＯＶＰ
Ｅ成長で両者のバンドギャップ波長を異ならしめること
ができる。
たように３ｄＢ分岐部１２１および合流部１２３と位相
変調器部１２２とで、選択成長の際のＳｉＯ2 マスクの
幅が異なっている。このとき、ＩｎＧａＡｓ井戸層の厚
さはマスク幅が広いほど厚くなり、ＩｎＧａＡｓの組成
はマスク幅が広いほど長波長となるので、ＳｉＯ2 マス
ク幅が広いほどｉ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ Ｍ
ＱＷ導波層１０４のバンドギャップ波長は長くなる。マ
スク幅とＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ ＭＱＷのフォ
トルミネッサンス・ピーク波長の関係を測定した結果を
図４に示す。本実施例においては、位相変調器部１２２
のマスク幅を１２μｍ、３ｄＢ分岐部１２１および合流
部１２３のマスク幅を５μｍとしている。したがって、
図４より判るように、位相変調器部１２２のバンドギャ
ップ波長は、１．４５μｍとなり、一回の選択ＭＯＶＰ
Ｅ成長で両者のバンドギャップ波長を異ならしめること
ができる。
【００１９】次に選択成長用ＳｉＯ2 マスク２０１のダ
ブルヘテロ構造メサ２０３脇の部分を除去してマスクの
間の空隙部２０２の幅を広げる。すなわち、ダブルヘテ
ロ構造メサ２０３の両脇に幅２μｍ程度の空隙部を通常
のフォトリソグラフィ工程を用いて形成する。そしてこ
の新たに形成された空隙部の上およびダブルヘテロ構造
メサ２０３の上にｐ−ＩｎＰクラッド層１０７およびｐ
−ＩｎＧａＡｓキャップ層１０８を再度選択ＭＯＶＰＥ
成長により形成する（図２（ｄ−１）および（ｄ−
２））。ここで、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０７およびｐ
−ＩｎＧａＡｓキャップ層１０８厚さはそれぞれ１μｍ
および、０．２μｍ、キャリア濃度はそれぞれ５×１０
1 7 ｃｍ- 3 および２×１０1 8 ｃｍ- 3 である。次に
ＳｉＯ2 保護膜１０９を基板上面全体に形成し、位相変
調器部１２２のみＳｉＯ2 膜１０９にｐ側電極コンタク
ト用の窓を形成後ＣｒとＡｕよりなるｐ側電極１１０ａ
および１１０ｂを形成する（図２（ｅ−１）、（ｅ−
２））。最後に、ｎ−ＩｎＰ基板１０１を１００μｍ程
度の厚さに研磨した後ｎ−ＩｎＰ基板１０１側にＣｒ／
Ａｕよりなるｎ側電極１１１を形成し、素子をへき開
し、入出射端面に無反射コーティングを施して素子製作
を終了する。
ブルヘテロ構造メサ２０３脇の部分を除去してマスクの
間の空隙部２０２の幅を広げる。すなわち、ダブルヘテ
ロ構造メサ２０３の両脇に幅２μｍ程度の空隙部を通常
のフォトリソグラフィ工程を用いて形成する。そしてこ
の新たに形成された空隙部の上およびダブルヘテロ構造
メサ２０３の上にｐ−ＩｎＰクラッド層１０７およびｐ
−ＩｎＧａＡｓキャップ層１０８を再度選択ＭＯＶＰＥ
成長により形成する（図２（ｄ−１）および（ｄ−
２））。ここで、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０７およびｐ
−ＩｎＧａＡｓキャップ層１０８厚さはそれぞれ１μｍ
および、０．２μｍ、キャリア濃度はそれぞれ５×１０
1 7 ｃｍ- 3 および２×１０1 8 ｃｍ- 3 である。次に
ＳｉＯ2 保護膜１０９を基板上面全体に形成し、位相変
調器部１２２のみＳｉＯ2 膜１０９にｐ側電極コンタク
ト用の窓を形成後ＣｒとＡｕよりなるｐ側電極１１０ａ
および１１０ｂを形成する（図２（ｅ−１）、（ｅ−
２））。最後に、ｎ−ＩｎＰ基板１０１を１００μｍ程
度の厚さに研磨した後ｎ−ＩｎＰ基板１０１側にＣｒ／
Ａｕよりなるｎ側電極１１１を形成し、素子をへき開
し、入出射端面に無反射コーティングを施して素子製作
を終了する。
【００２０】以上の製造方法により製作された図１に示
したＩｎＰ系多重量子井戸（ＭＱＷ）マッハツェンダ変
調器の動作について以下に説明する。
したＩｎＰ系多重量子井戸（ＭＱＷ）マッハツェンダ変
調器の動作について以下に説明する。
【００２１】図１に示したＩｎＰ系多重量子井戸マッハ
ツェンダ変調器の入射端より入射された波長１．５５μ
ｍの光波はまず３ｄＢ分岐部１２１で２本の導波路へ
１：１に分岐される。分岐された導波路の各々には量子
閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ効果）を利用する位
相変調器が接続されている。２つの位相変調器の内の一
方の位相変調器のｐ側電極はｎ側電極１１１と接続する
ことにより接地し、もう一方のｐ側電極のみに逆バイア
ス電圧を印加することとする。逆バイアス電圧が０Ｖの
とき、２つの位相変調器出射光の位相は同相であり、合
流部１２３で合流しも弱め合うことはない。したがっ
て、マッハツェンダ変調器の出射端からは光出力が得ら
れ、ＯＮ状態となる。これに対して、逆バイアス電圧を
印加して一方の位相変調器出射光の位相をπだけシフト
させると、合流部１２３で合流する際弱め合い、出射端
からは光出力は得られず、ＯＦＦ状態となる。このよう
すを、図５に示す。本実施例の場合、逆バイアス電圧０
ＶでＯＮ状態、３．０ＶでＯＦＦ状態が実現できる。
ツェンダ変調器の入射端より入射された波長１．５５μ
ｍの光波はまず３ｄＢ分岐部１２１で２本の導波路へ
１：１に分岐される。分岐された導波路の各々には量子
閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ効果）を利用する位
相変調器が接続されている。２つの位相変調器の内の一
方の位相変調器のｐ側電極はｎ側電極１１１と接続する
ことにより接地し、もう一方のｐ側電極のみに逆バイア
ス電圧を印加することとする。逆バイアス電圧が０Ｖの
とき、２つの位相変調器出射光の位相は同相であり、合
流部１２３で合流しも弱め合うことはない。したがっ
て、マッハツェンダ変調器の出射端からは光出力が得ら
れ、ＯＮ状態となる。これに対して、逆バイアス電圧を
印加して一方の位相変調器出射光の位相をπだけシフト
させると、合流部１２３で合流する際弱め合い、出射端
からは光出力は得られず、ＯＦＦ状態となる。このよう
すを、図５に示す。本実施例の場合、逆バイアス電圧０
ＶでＯＮ状態、３．０ＶでＯＦＦ状態が実現できる。
【００２２】ところで、図１に示したマッハツェンダ変
調器においては３ｄＢ分岐部１２１および合流部１２３
と位相変調器部１２２とでｉ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａ
ＡｓＰ導波相１０４のバンドギャップ波長が異なってい
る。図６にＭＱＷの吸収スペクトルおよびＱＣＳＥによ
る屈折率変化のスペクトルを模式的に示す。位相変調器
部１２２においては、吸収が若干生じることを犠牲にし
ても電圧印加によって大きな屈折率変化が得られるよう
に、バンドギャップ波長λａを１．４５μｍに設定す
る。これにより低電圧での変調動作が可能となる。ここ
で、入射光波長λo p （＝１．５５μｍ）は１．５５μ
ｍである。一方、３ｄＢ分岐部１２１および合流部１２
３は受動導波路部であり、電圧印加により屈折率変化が
生じる必要はない。すなわち、３ｄＢ分岐部１２１およ
び合流部１２３では、バンドギャップ波長はできるだけ
短波長に設定して、吸収による損失を低減することが望
まれる。
調器においては３ｄＢ分岐部１２１および合流部１２３
と位相変調器部１２２とでｉ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａ
ＡｓＰ導波相１０４のバンドギャップ波長が異なってい
る。図６にＭＱＷの吸収スペクトルおよびＱＣＳＥによ
る屈折率変化のスペクトルを模式的に示す。位相変調器
部１２２においては、吸収が若干生じることを犠牲にし
ても電圧印加によって大きな屈折率変化が得られるよう
に、バンドギャップ波長λａを１．４５μｍに設定す
る。これにより低電圧での変調動作が可能となる。ここ
で、入射光波長λo p （＝１．５５μｍ）は１．５５μ
ｍである。一方、３ｄＢ分岐部１２１および合流部１２
３は受動導波路部であり、電圧印加により屈折率変化が
生じる必要はない。すなわち、３ｄＢ分岐部１２１およ
び合流部１２３では、バンドギャップ波長はできるだけ
短波長に設定して、吸収による損失を低減することが望
まれる。
【００２３】そこで、本実施例においては、３ｄＢ分岐
部１２１および合流部１２３のバンドギャップ波長λb
を位相変調器部に比べて短波長の１．４１μｍに設定し
ている。このとき、図６より判るように、３ｄＢ分岐部
１２１および合流部１２３の入射光波長λo p での吸収
係数は小さく、３ｄＢ分岐部１２１および合流部１２３
のバンドギャップ波長をも位相変調器部１２２のバンド
ギャップ波長と同じ１．４５μｍとする場合に比べて大
幅に伝搬損失を低減できる。しかも、３ｄＢ分岐部１２
１および合流部１２３と位相変調器１２２とで、ｉ−Ｉ
ｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ導波層１０４のバンドギャ
ップ波長が異ならしめる方法として、本発明では選択Ｍ
ＯＶＰＥ成長法を用いている。選択ＭＯＶＰＥ成長法に
おいては、ＳｉＯ2 マスクの幅を部分的に変えるだけ
で、１回の結晶成長でバンドギャップ波長を部分的に変
えることができる。この方法では、エッチングと結晶成
長を繰り返すことなくウェハ内でバンドギャップ波長が
異なる部分を形成することができ、製造方法が簡便であ
り歩留りは大幅に向上する。また、３ｄＢ分岐部１２１
および合流部１２３と位相変調器部１２２とでバンドギ
ャップ波長が異なっていながら、導波路は各々の部位の
接続点で途切れることなく連続している。このため、３
ｄＢ分岐部１２１と位相変調器部１２２および位相変調
器部１２２と合流部１２３の接続点において伝搬光はほ
ぼ１００％結合する。したがって、ウェハ内でバンドギ
ャップ波長が異なる部分を形成しても本発明を用いれば
低伝搬損失のマッハツェンダ変調器が実現できる。さら
に、前述したように、選択成長によりダブルヘテロ構造
のメサ２０３を形成するとメサ２０３の側面は（１１
１）Ｂ結晶面となり、平滑なメサ側面が得られる。した
がって、エッチングによりメサを形成する場合に比べて
メサ側面ははるかに平滑であり、伝搬光の散乱による損
失は大幅に減少する。以上により、本発明によれば従来
よりも大幅に低損失のマッハツェンダ変調器が実現でき
る。
部１２１および合流部１２３のバンドギャップ波長λb
を位相変調器部に比べて短波長の１．４１μｍに設定し
ている。このとき、図６より判るように、３ｄＢ分岐部
１２１および合流部１２３の入射光波長λo p での吸収
係数は小さく、３ｄＢ分岐部１２１および合流部１２３
のバンドギャップ波長をも位相変調器部１２２のバンド
ギャップ波長と同じ１．４５μｍとする場合に比べて大
幅に伝搬損失を低減できる。しかも、３ｄＢ分岐部１２
１および合流部１２３と位相変調器１２２とで、ｉ−Ｉ
ｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ導波層１０４のバンドギャ
ップ波長が異ならしめる方法として、本発明では選択Ｍ
ＯＶＰＥ成長法を用いている。選択ＭＯＶＰＥ成長法に
おいては、ＳｉＯ2 マスクの幅を部分的に変えるだけ
で、１回の結晶成長でバンドギャップ波長を部分的に変
えることができる。この方法では、エッチングと結晶成
長を繰り返すことなくウェハ内でバンドギャップ波長が
異なる部分を形成することができ、製造方法が簡便であ
り歩留りは大幅に向上する。また、３ｄＢ分岐部１２１
および合流部１２３と位相変調器部１２２とでバンドギ
ャップ波長が異なっていながら、導波路は各々の部位の
接続点で途切れることなく連続している。このため、３
ｄＢ分岐部１２１と位相変調器部１２２および位相変調
器部１２２と合流部１２３の接続点において伝搬光はほ
ぼ１００％結合する。したがって、ウェハ内でバンドギ
ャップ波長が異なる部分を形成しても本発明を用いれば
低伝搬損失のマッハツェンダ変調器が実現できる。さら
に、前述したように、選択成長によりダブルヘテロ構造
のメサ２０３を形成するとメサ２０３の側面は（１１
１）Ｂ結晶面となり、平滑なメサ側面が得られる。した
がって、エッチングによりメサを形成する場合に比べて
メサ側面ははるかに平滑であり、伝搬光の散乱による損
失は大幅に減少する。以上により、本発明によれば従来
よりも大幅に低損失のマッハツェンダ変調器が実現でき
る。
【００２４】なお、図１に示したマッハツェンダ変調器
おいてはｐ側電極１１０ａ、１１０のパッド部直下にも
ｐｎ接合が存在するので素子容量が大きいことが懸念さ
れる。素子容量を減少させ、高速変調を可能にするに
は、図７に示す別の実施例のように、マッハツェンダ変
調器の導波路パターン以外の選択成長層を除去し、パッ
ドの直下には厚いポリイミド膜７０１を挿入すれば良
い。このように、電極容量低減化の手法を用いることに
より、本発明によるマッハツェンダ変調器はＧｂ／ｓオ
ーダの高速変調にも対応できる。
おいてはｐ側電極１１０ａ、１１０のパッド部直下にも
ｐｎ接合が存在するので素子容量が大きいことが懸念さ
れる。素子容量を減少させ、高速変調を可能にするに
は、図７に示す別の実施例のように、マッハツェンダ変
調器の導波路パターン以外の選択成長層を除去し、パッ
ドの直下には厚いポリイミド膜７０１を挿入すれば良
い。このように、電極容量低減化の手法を用いることに
より、本発明によるマッハツェンダ変調器はＧｂ／ｓオ
ーダの高速変調にも対応できる。
【００２５】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば低動
作電圧かつ低損失の半導体マッハツェンダ変調器を、複
雑な製造プロセスなしに簡便な方法で歩留り良く実現で
きる。本発明においては、マッハツェンダ変調器を製作
する際に半導体のエッチングは用いずに、選択成長の際
のマスクとなる薄い誘電体膜（例えばＳｉＯ2 ）をエッ
チングによりパターニングし、選択的な結晶成長により
形成する。しかも、部分的にバンドギャップ波長を変え
るのにもＳｉＯ2 マスクの幅を部分的に変えるだけで良
い。薄い誘電体膜を広い面積に渡って、再現性良く、微
細にパターニングすることは半導体をμｍオーダの深さ
にエッチングする場合に比べるとはるかに容易である。
したがって本製造法によれば、部分的にバンドギャップ
波長の異なる理想的な半導体マッハツェンダ変調器を再
現性良く、広い面積に渡って製造することができる。
作電圧かつ低損失の半導体マッハツェンダ変調器を、複
雑な製造プロセスなしに簡便な方法で歩留り良く実現で
きる。本発明においては、マッハツェンダ変調器を製作
する際に半導体のエッチングは用いずに、選択成長の際
のマスクとなる薄い誘電体膜（例えばＳｉＯ2 ）をエッ
チングによりパターニングし、選択的な結晶成長により
形成する。しかも、部分的にバンドギャップ波長を変え
るのにもＳｉＯ2 マスクの幅を部分的に変えるだけで良
い。薄い誘電体膜を広い面積に渡って、再現性良く、微
細にパターニングすることは半導体をμｍオーダの深さ
にエッチングする場合に比べるとはるかに容易である。
したがって本製造法によれば、部分的にバンドギャップ
波長の異なる理想的な半導体マッハツェンダ変調器を再
現性良く、広い面積に渡って製造することができる。
【００２６】なお、本発明は上記の実施例に限定される
ものではない。実施例としては、ＩｎＰ系の多重量子井
戸構造のマッハツェンダ変調器を取り上げたが、これに
限るものではなく、同じくＩｎＰ系のＩｎＧａＡｓＰ／
ＩｎＰ多重量子井戸やＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重
量子井戸に対しても本発明は適用できる。また、ＩｎＰ
系のバルク導波路構造のマッハツェンダ変調器やＧａＡ
ｓ系などの他の半導体材料を用いたマッハツェンダ変調
器対しても本発明は同様に適用可能である。光導波層と
してバルク半導体を用いても、選択成長の際にその組成
はマスク幅によって変化するので、部分的にバンドギャ
ップ波長の異なる領域を一回の選択成長で形成すること
が可能であり、本発明はバルク半導体を導波層とするマ
ッハツェンダ変調器においても有効である。また本発明
は、実施例で示した素子形状、すなわち各層の厚さや各
層の組成及び導波路寸法等、に限定されるものではない
ことは言うまでもない。
ものではない。実施例としては、ＩｎＰ系の多重量子井
戸構造のマッハツェンダ変調器を取り上げたが、これに
限るものではなく、同じくＩｎＰ系のＩｎＧａＡｓＰ／
ＩｎＰ多重量子井戸やＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重
量子井戸に対しても本発明は適用できる。また、ＩｎＰ
系のバルク導波路構造のマッハツェンダ変調器やＧａＡ
ｓ系などの他の半導体材料を用いたマッハツェンダ変調
器対しても本発明は同様に適用可能である。光導波層と
してバルク半導体を用いても、選択成長の際にその組成
はマスク幅によって変化するので、部分的にバンドギャ
ップ波長の異なる領域を一回の選択成長で形成すること
が可能であり、本発明はバルク半導体を導波層とするマ
ッハツェンダ変調器においても有効である。また本発明
は、実施例で示した素子形状、すなわち各層の厚さや各
層の組成及び導波路寸法等、に限定されるものではない
ことは言うまでもない。
【図１】本発明の一実施例であるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧ
ａＡｓＰ多重量子井戸マッハツェンダ変調器の構造を示
す斜視図である。
ａＡｓＰ多重量子井戸マッハツェンダ変調器の構造を示
す斜視図である。
【図２】本発明によるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多
重量子井戸マッハツェンダ変調器の製造方法を説明する
ための図である。
重量子井戸マッハツェンダ変調器の製造方法を説明する
ための図である。
【図３】本発明の一実施例であるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧ
ａＡｓＰ多重量子井戸マッハツェンダ変調器を製造する
際の選択成長用のマスクのパターンの例を示す斜視図で
ある。
ａＡｓＰ多重量子井戸マッハツェンダ変調器を製造する
際の選択成長用のマスクのパターンの例を示す斜視図で
ある。
【図４】選択成長によるバンドギャップ制御の実験結果
を示す図である。
を示す図である。
【図５】本発明の一実施例であるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧ
ａＡｓＰ多重量子井戸マッハツェンダ変調器の消光特性
を示す図である。
ａＡｓＰ多重量子井戸マッハツェンダ変調器の消光特性
を示す図である。
【図６】本発明によりマッハツェンダ変調器が低損失化
される原理について示す図である。
される原理について示す図である。
【図７】本発明による高速変調対応マッハツェンダ変調
器の構造を示す斜視図である。
器の構造を示す斜視図である。
１０１ ｎ−ＩｎＰ基板 １０２ ｎ−ＩｎＰクラッド層 １０３ ｎ−ＩｎＰバッファ層 １０４ ｉ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ ＭＱＷ導
波層 １０５ ｉ−ＩｎＰクラッド層 １０６ ｐ−ＩｎＰクラッド層 １０７ ｐ−ＩｎＰクラッド層 １０８ ｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層 １０９ ＳｉＯ2 保護膜 １１０ａ、１１０ｂ ｐ側電極 １１１ ｎ側電極 １２１ ３ｄＢ分岐部 １２２ 位相変調器部 １２３ 合流部 ２０１ 選択成長用ＳｉＯ2 マスク ２０２ 空隙部 ２０３ ダブルヘテロ構造メサ ３０１ 電極分離用マスク部 ７０１ ポリイミド膜
波層 １０５ ｉ−ＩｎＰクラッド層 １０６ ｐ−ＩｎＰクラッド層 １０７ ｐ−ＩｎＰクラッド層 １０８ ｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層 １０９ ＳｉＯ2 保護膜 １１０ａ、１１０ｂ ｐ側電極 １１１ ｎ側電極 １２１ ３ｄＢ分岐部 １２２ 位相変調器部 １２３ 合流部 ２０１ 選択成長用ＳｉＯ2 マスク ２０２ 空隙部 ２０３ ダブルヘテロ構造メサ ３０１ 電極分離用マスク部 ７０１ ポリイミド膜
Claims (5)
- 【請求項１】 半導体基板上に少なくとも半導体第一ク
ラッド層と、半導体導波層と、半導体第二クラッド層が
順次積層された層構造を有し、入射光を２本の導波路へ
１：１に分配する３ｄＢ分岐部と、３ｄＢ分岐部により
分岐された２本の導波路の各々に接続された位相変調器
部及び２つの位相変調器の出力を合流し１本出力光導波
路へと導く合流部よりなる導波型マッハツェンダ変調器
であって、前記３ｄＢ分岐部および合流部の半導体導波
層のバンドギャップ波長が該位相変調器部の導波層のバ
ンドギャップ波長よりも短波長であることを特徴とする
半導体マッハツェンダ変調器。 - 【請求項２】 半導体基板上に少なくとも半導体第一ク
ラッド層と、半導体導波層と、半導体第二クラッド層が
順次積層された層構造を有し、入射光を２本の導波路へ
１：１に分配する３ｄＢ分岐部と、３ｄＢ分岐部により
分岐された２本の導波路の各々に接続された位相変調器
および２つの位相変調器の出力を合流し１本の出力光導
波路へと導く合流部よりなる導波型マッハツェンダ変調
器であって、前記３ｄＢ分岐部と、位相変調器部および
合流部の各々の接続部分で半導体導波層が途切れること
なく光導波路が連続して形成されており、かつ前記３ｄ
Ｂ分岐部および合流部の半導体導波層のバンドギャップ
波長が該位相変調器部の導波層のバンドギャップ波長よ
りも短波長であることを特徴とする半導体マッハツェン
ダ変調器。 - 【請求項３】 半導体基板上に半導体第一クラッド層を
形成する工程と、該半導体第一クラッド層の上に、空隙
部のパターンがマッハツェンダ変調器の導波路パターン
に対応する選択成長用の誘電体マスクを形成する工程
と、半導体バッファ層、半導体導波層、半導体第二クラ
ッド層を順次前記マスクの空隙部に積層して半導体導波
層を含むメサ構造のマッハツェンダ変調器のパターンを
形成する工程と、前記選択成長用の誘電体マスクの空隙
部の幅を広げる工程と、該広げられた空隙部の上および
前記半導体導波層を含むメサの上に半導体第三クラッド
層および半導体キャップ層を積層して前記半導体導波層
を含むメサを半導体第三クラッド層および半導体キャッ
プ層で埋め込む工程と、基板の上面全体に誘電体保護膜
を形成する工程と、マッハツェンダ変調器の位相変調器
部に相当する部位の該保護膜を除去する工程と、該保護
膜が除去され露出した前記半導体キャップ層の上に位相
変調器部半導体導波層に電界を印加するための電極を形
成する工程とを含み、前記空隙部のパターンがマッハツ
ェンダ変調器の導波路パターンに対応する選択成長用の
誘電体マスクにおいて、位相変調部器部の誘電体マスク
幅が３ｄＢ分岐部および合流部の誘電体マスク幅よりも
広いことを特徴とする半導体マッハツェンダ変調器の製
造方法。 - 【請求項４】 半導体導波層が多重量子井戸構造よりな
ることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導
体マッハツェンダ変調器。 - 【請求項５】 半導体導波層として、多重量子井戸構造
を形成することを特徴とする請求項３記載の半導体マッ
ハツェンダ変調器の製造方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5331409A JP2817602B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 半導体マッハツェンダ変調器およびその製造方法 |
| DE69424395T DE69424395T2 (de) | 1993-12-27 | 1994-12-27 | Optischer Halbleiter-Mach-Zehnder-Modulator mit mehren Quantenquellen |
| EP94120676A EP0662628B1 (en) | 1993-12-27 | 1994-12-27 | Semiconductor multiple quantum well Mach-Zehnder optical modulator |
| CA002139193A CA2139193C (en) | 1993-12-27 | 1994-12-28 | Semiconductor multiple quantum well mach-zehnder optical modulator and method for fabricating the same |
| US08/589,584 US6278170B1 (en) | 1993-12-27 | 1996-01-22 | Semiconductor multiple quantum well mach-zehnder optical modulator and method for fabricating the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5331409A JP2817602B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 半導体マッハツェンダ変調器およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07191290A true JPH07191290A (ja) | 1995-07-28 |
| JP2817602B2 JP2817602B2 (ja) | 1998-10-30 |
Family
ID=18243369
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5331409A Expired - Lifetime JP2817602B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 半導体マッハツェンダ変調器およびその製造方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0662628B1 (ja) |
| JP (1) | JP2817602B2 (ja) |
| CA (1) | CA2139193C (ja) |
| DE (1) | DE69424395T2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09101491A (ja) * | 1995-10-05 | 1997-04-15 | Nec Corp | 半導体マッハツェンダ変調装置およびその製造方法 |
| US6122414A (en) * | 1997-05-28 | 2000-09-19 | Nec Corporation | Semiconductor Mach-Zehnder modulator |
| JP2010256761A (ja) * | 2009-04-28 | 2010-11-11 | Nec Corp | 半導体マッハツェンダー光変調器及びその製造方法、半導体光集積素子及びその製造方法 |
| JP2012141395A (ja) * | 2010-12-28 | 2012-07-26 | Mitsubishi Electric Corp | 光半導体装置 |
| CN103246088A (zh) * | 2013-05-10 | 2013-08-14 | 北京工业大学 | 一种矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08146365A (ja) * | 1994-11-16 | 1996-06-07 | Nec Corp | 半導体マッハツェンダー変調装置及びその製造方法 |
| US5790719A (en) * | 1995-11-28 | 1998-08-04 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Optical control device |
| DE19605794A1 (de) * | 1996-02-16 | 1997-08-21 | Sel Alcatel Ag | Monolithisch integriertes optisches oder optoelektronisches Halbleiterbauelement und Herstellungsverfahren |
| JP4613304B2 (ja) | 2004-09-07 | 2011-01-19 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 量子ナノ構造半導体レーザ |
| US11841563B2 (en) | 2021-03-31 | 2023-12-12 | IMEC USA NANOELECTRONICS DESIGN CENTER, Inc. | Electro-optic modulators that include caps for optical confinement |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01219828A (ja) * | 1988-02-29 | 1989-09-01 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光スイッチ |
| JPH06268316A (ja) * | 1993-03-12 | 1994-09-22 | Hitachi Ltd | 半導体光素子 |
-
1993
- 1993-12-27 JP JP5331409A patent/JP2817602B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1994
- 1994-12-27 EP EP94120676A patent/EP0662628B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1994-12-27 DE DE69424395T patent/DE69424395T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1994-12-28 CA CA002139193A patent/CA2139193C/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01219828A (ja) * | 1988-02-29 | 1989-09-01 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光スイッチ |
| JPH06268316A (ja) * | 1993-03-12 | 1994-09-22 | Hitachi Ltd | 半導体光素子 |
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| JPH09101491A (ja) * | 1995-10-05 | 1997-04-15 | Nec Corp | 半導体マッハツェンダ変調装置およびその製造方法 |
| US6122414A (en) * | 1997-05-28 | 2000-09-19 | Nec Corporation | Semiconductor Mach-Zehnder modulator |
| JP2010256761A (ja) * | 2009-04-28 | 2010-11-11 | Nec Corp | 半導体マッハツェンダー光変調器及びその製造方法、半導体光集積素子及びその製造方法 |
| JP2012141395A (ja) * | 2010-12-28 | 2012-07-26 | Mitsubishi Electric Corp | 光半導体装置 |
| CN103246088A (zh) * | 2013-05-10 | 2013-08-14 | 北京工业大学 | 一种矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0662628B1 (en) | 2000-05-10 |
| DE69424395D1 (de) | 2000-06-15 |
| JP2817602B2 (ja) | 1998-10-30 |
| DE69424395T2 (de) | 2000-10-12 |
| CA2139193C (en) | 1999-08-31 |
| EP0662628A1 (en) | 1995-07-12 |
| CA2139193A1 (en) | 1995-06-28 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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