(57)【要約】【課題】短絡破壊を抑制することが可能な光変調器を提供する。【解決手段】半導体で形成され、一端から光が入射される導波路と、前記導波路の上に設けられ、前記導波路の一部と重なる第１電極と、を具備し、前記導波路は前記光の伝搬方向に沿って、前記一端側から順に第１領域、第２領域および第３領域を有し、前記第１領域、および前記第２領域のうち前記伝搬方向において前記第１領域側の部分は前記第１電極に重ならず、前記第２領域のうち前記伝搬方向において前記第３領域側の部分、および前記第３領域は前記第１電極に重なり、前記第１領域は第１の幅を有し、前記第２領域は第２の幅を有し、前記第３領域は第３の幅を有し、前記第２の幅は前記第１の幅および前記第３の幅よりも大きい光変調器。【選択図】  図３
2020095131.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体で形成され、一端から光が入射される導波路と、
前記導波路の上に設けられ、前記導波路の一部と重なる第１電極と、を具備し、
前記導波路は前記光の伝搬方向に沿って、前記一端側から順に第１領域、第２領域および第３領域を有し、
前記第１領域、および前記第２領域のうち前記伝搬方向において前記第１領域側の部分は前記第１電極に重ならず、
前記第２領域のうち前記伝搬方向において前記第３領域側の部分、および前記第３領域は前記第１電極に重なり、
前記第１領域は第１の幅を有し、前記第２領域は第２の幅を有し、前記第３領域は第３の幅を有し、
前記第２の幅は前記第１の幅および前記第３の幅よりも大きい光変調器。
【請求項２】
前記導波路は、前記伝搬方向に沿って、前記第１領域と前記第２領域との間に第４領域を有し、前記第２領域と前記第３領域との間に第５領域を有し、
前記第１領域側から前記第２領域側にかけて前記第４領域の幅は大きくなり、
前記第２領域側から前記第３領域側にかけて前記第５領域の幅は小さくなり、
前記第４領域および前記第５領域の前記伝搬方向からの傾斜角度の正接は０．００２以上、０．０５以下である請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記第２の幅は前記第１の幅の２倍以上である請求項１または２に記載の光変調器。
【請求項４】
前記第２の幅は２μｍ以上、５μｍ以下である請求項１から３のいずれか一項に記載の光変調器。
【請求項５】
前記第３の幅は前記第１の幅に等しい請求項１から４のいずれか一項に記載の光変調器。
【請求項６】
基板と、
前記基板の上に設けられ、第１の導電型を有する第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられたコア層と、
前記導波路層の上に設けられ、第２の導電型を有する第２半導体層と、
前記第１半導体層と電気的に接続された第２電極と、を具備し、
前記第１電極は前記第２半導体層と電気的に接続され、
前記導波路は前記第１半導体層、前記コア層および前記第２半導体層を含む請求項１から５のいずれか一項に記載の光変調器。
【請求項７】
前記第１半導体層および前記第２半導体層はインジウムリンおよびインジウムガリウム砒素を含み、
前記導波路層はガリウムインジウム砒素リンを含む請求項６に記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体層で形成され、光を変調する光変調器が開発されている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】M. Yuda, M. Fukuda and H. Miyazawa, Degradation mode in semiconductor optical modulators, ELECTRONICS LETTERS, 1995, September 28th, Vol. 31, No. 20, pp.1778-1779
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光変調器に光を入射し、かつ電極に電圧を印加することで光変調器を動作させる。光変調器の半導体層は、光を吸収し電流を発生させる。こうした光吸収電流により短絡破壊が発生することがある。そこで、短絡破壊を抑制することが可能な光変調器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る光変調器は、半導体で形成され、一端から光が入射される導波路と、前記導波路の上に設けられ、前記導波路の一部と重なる第１電極と、を具備し、前記導波路は前記光の伝搬方向に沿って、前記一端側から順に第１領域、第２領域および第３領域を有し、前記第２領域のうち前記伝搬方向において前記第３領域側の部分、および前記第３領域は前記第１電極に重なり、前記第１領域、および前記第２領域のうち前記伝搬方向において前記第１領域側の部分は前記第１電極に重ならず、前記第１領域は第１の幅を有し、前記第２領域は第２の幅を有し、前記第３領域は第３の幅を有し、前記第２の幅は前記第１の幅および前記第３の幅よりも大きい光変調器である。
【発明の効果】
【０００６】
上記発明によれば、短絡破壊を抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は実施例１に係る半光変調器の導波路部分の平面図である。
【図２】図２は実施例１に係る半光変調器の平面図である。
【図３】図３は変調用電極付近を拡大した平面図である。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）はアーム導波路付近の断面図である。
【図５】図５は比較例における変調用電極付近を拡大した平面図である。
【図６】図６（ａ）および図６（ｂ）は比較例におけるＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図７】図７（ａ）および図７（ｂ）は実施例１におけるＩ−Ｖ特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
【０００９】
本願発明の一形態は、（１）半導体で形成され、一端から光が入射される導波路と、前記導波路の上に設けられ、前記導波路の一部と重なる第１電極と、を具備し、前記導波路は前記光の伝搬方向に沿って、前記一端側から順に第１領域、第２領域および第３領域を有し、前記第１領域、および前記第２領域のうち前記伝搬方向において前記第１領域側の部分は前記第１電極に重ならず、前記第２領域のうち前記伝搬方向において前記第３領域側の部分、および前記第３領域は前記第１電極に重なり、前記第１領域は第１の幅を有し、前記第２領域は第２の幅を有し、前記第３領域は第３の幅を有し、前記第２の幅は前記第１の幅および前記第３の幅よりも大きい光変調器である。第２領域の幅が大きくなることで、光の密度が低下し、光吸収により生じる電流の密度も低下する。このため電流が流れることによる発熱量が低減し、電流の増大が抑制される。この結果、短絡破壊が抑制される。また、第３部分の幅を小さくすることで、不要な光の導波モードの発生を抑制することができる。
（２）前記導波路は、前記伝搬方向に沿って、前記第１領域と前記第２領域との間に第４領域を有し、前記第２領域と前記第３領域との間に第５領域を有し、前記第１領域側から前記第２領域側にかけて前記第４領域の幅は大きくなり、前記第２領域側から前記第３領域側にかけて前記第５領域の幅は小さくなり、前記第４領域および前記第５領域の前記伝搬方向からの傾斜角度の正接は０．００２以上、０．０５以下でもよい。第４領域および第５領域において導波路の幅が徐々に変化することで、不要なモードの発生および変調効率の低下を抑制することができる。
（３）前記第２の幅は前記第１の幅の２倍以上でもよい。これにより電流密度が低下するため、短絡破壊を効果的に抑制することができる。
（４）前記第２の幅は２μｍ以上、５μｍ以下でもよい。これにより電流密度が低下するため、短絡破壊を効果的に抑制することができる。また、不要な導波モードの発生を抑制することができる。
（５）前記第３の幅は前記第１の幅に等しくてもよい。第１領域および第３領域の幅が小さいため、不要な導波モードの発生を抑制することができる。
（６）基板と、前記基板の上に設けられ、第１の導電型を有する第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられたコア層と、前記導波路層の上に設けられ、第２の導電型を有する第２半導体層と、前記第１半導体層と電気的に接続された第２電極と、を具備し、前記第１電極は前記第２半導体層と電気的に接続され、前記導波路は前記第１半導体層、前記コア層および前記第２半導体層を含んでもよい。第１電極と第２電極との間に直流電圧を印加することで層の積層方向に電界が生じる。導波路層が光を吸収することで、電流は導波路層、第１半導体層および第２半導体層を流れる。導波路の幅を大きくすることで電流密度が低下し、短絡破壊を抑制することができる。
（７）前記第１半導体層および前記第２半導体層はインジウムリンおよびインジウムガリウム砒素を含み、前記導波路層はガリウムインジウム砒素リンを含んでもよい。これらの層の熱による破壊を抑制することができる。
【００１０】
［本願発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る光変調器の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【実施例１】
【００１１】
（光変調器）
図１は実施例１に係る光変調器１００の導波路部分の平面図である。Ｘ軸方向は光の伝搬方向であり、Ｙ軸方向はアーム導波路３４ａおよび３４ｂ（導波路）の幅方向であり、Ｚ軸方向は半導体層の積層方向である。これらの方向は互いに直交する。
【００１２】
図１のように、光変調器１００は、基板１０上に、入力導波路３１ａ、出力導波路３１ｂ、光カプラ３２ａ，３２ｂ、及び複数のマッハツェンダ光変調器３０が設けられている。入力導波路３１ａ、出力導波路３１ｂ、及び光カプラ３２ａ，３２ｂは、メサ状の導波路からなる。光カプラ３２ａ，３２ｂは、ＭＭＩ（Multimode Interferometer）型の光カプラである。複数のマッハツェンダ光変調器３０は、メサ状の導波路の経路を組み合わせた構成をしている。入力導波路３１ａから入力された光は、光カプラ３２ａで分岐され、マッハツェンダ光変調器３０を経由した後、光カプラ３２ｂで合波されて、出力導波路３１ｂに出力される。光変調器１００の大きさは、例えば１０ｍｍ×４ｍｍである。
【００１３】
マッハツェンダ光変調器３０は、基板１０上に、２つの光カプラ３３ａ，３３ｂと、２つの光カプラ３３ａ，３３ｂの間に接続された２本のアーム導波路３４ａ，３４ｂと、を備える。光カプラ３３ａ，３３ｂおよびアーム導波路３４ａ，３４ｂは、メサ状の導波路からなる。
【００１４】
光カプラ３３ａは、入力導波路３１ａから入力された光を分岐する。２本のアーム導波路３４ａ，３４ｂはＸ軸方向に延伸し、光カプラ３３ａで分岐された光は−Ｘ側から＋Ｘ側に向けてアーム導波路３４ａおよび３４ｂを伝搬する。光カプラ３３ｂは、２本のアーム導波路３４ａ，３４ｂを伝搬した光を合波する。光カプラ３３ａ，３３ｂは、ＭＭＩ型の光カプラである。アーム導波路３４ａ，３４ｂを伝搬させる光は例えば基本モードである。
【００１５】
図２は光変調器１００の平面図である。図２では、図１で説明した導波路部分を細点線で図示している。第１実施形態に係る光変調器１００では、メサ状の導波路が樹脂によって埋め込まれている。
【００１６】
配線パターンは、変調用電極３５、グランド電極３６、及び位相調整用電極３７を含む。変調用電極３５は、マッハツェンダ光変調器３０のアーム導波路３４ａ，３４ｂ上に設けられ、接続配線４１を介してシグナル用のボンディングパッド３８に接続されている。グランド電極３６は、アーム導波路３４ａとアーム導波路３４ｂとの間に設けられ、接続配線４１を介してグランド用のボンディングパッド３９に接続されている。位相調整用電極３７は、マッハツェンダ光変調器３０のアーム導波路３４ａ，３４ｂ上に変調用電極３５とは異なる位置に設けられ、ＤＣ電極パッド４０に接続されている。
【００１７】
変調用電極３５にボンディングパッド３８から高周波の電気信号が供給されると、グランド電極３６との間で高周波（例えば２０ＧＨｚ程度）の電気信号が流れる。これにより、アーム導波路３４ａ，３４ｂの屈折率が変化し、アーム導波路３４ａ，３４ｂを伝搬する光の位相が変化する。これにより、アーム導波路３４ａ，３４ｂを伝搬する光は位相変調を受けて、変調された光信号となって出力導波路３１ｂに出力される。
【００１８】
位相調整用電極３７にＤＣ電極パッド４０から直流電圧が供給されると、アーム導波路３４ａ，３４ｂの屈折率が一定値だけシフトする。直流電圧の大きさは、変調用電極３５に供給される電気信号によってアーム導波路３４ａ，３４ｂを伝搬する光の変調が良好に行われるような値（最適値）に設定される。すなわち、アーム導波路３４ａ，３４ｂを伝搬する光が良好に変調されるように、位相調整用電極３７によってアーム導波路３４ａ，３４ｂを伝搬する光の位相が調整される。なお２つのアーム導波路３４ａおよび３４ｂをアーム導波路３４と総称することがある。
【００１９】
位相調整用電極３７に供給される直流電圧の最適値は、アーム導波路３４ａ，３４ｂ間の光路長差に依存する。アーム導波路３４ａ，３４ｂ間の光路長差は、例えばアーム導波路３４ａ，３４ｂを伝搬する光の波長によって変化する。光変調器１００は、例えば波長１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの範囲で、第１の瞬間には第１の波長の光が入射され、別の第２の瞬間には波長が切り替って第２の波長の光が入射される。このため、入射される光の波長と供給する直流電圧の値との関係表を予め作成しておき、動作時にはこの関係表に基づいて直流電圧の値が決定される。また、アーム導波路３４ａ，３４ｂ間の光路長差は、アーム導波路３４ａ，３４ｂ間の温度差によっても変化する。このため、光変調器１００は、ＴＥＣ（Thermo-electric Cooler）上に搭載されて一定の温度（例えば７０℃）に保たれて使用される。
【００２０】
変調用電極３５のＸ軸方向の長さは例えば３ｍｍである。アーム導波路３４ａ，３４ｂが変調用電極３５と重なり始める、長さ数十μｍ程度の部分を領域Ｒ０とする。
【００２１】
図３は変調用電極３５付近を拡大した光変調器１００の平面図であり、図２の領域Ｒ０を示す。図３に示すように、アーム導波路３４は、−Ｘ側から＋Ｘ側にかけて領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４およびＲ５を有する。領域Ｒ１およびＲ２は変調用電極３５に重ならない。領域Ｒ３のうちＲ１側の部分は変調用電極３５に重ならず、Ｒ５側の部分は変調用電極３５に重なる。領域Ｒ４およびＲ５は変調用電極３５に重なる。
【００２２】
領域Ｒ１（第１領域）は幅Ｗ１（第１の幅）を有し、幅Ｗ１は例えば１．５μｍである。領域Ｒ２（第４領域）の幅は、−Ｘ側から＋Ｘ側にかけて徐々に大きくなる。領域Ｒ３（第２領域）は幅Ｗ２（第２の幅）を有し、幅Ｗ２は例えば３μｍである。領域Ｒ４（第５領域）の幅は、−Ｘ側から＋Ｘ側にかけては徐々に小さくなる。領域Ｒ５（第３領域）は幅Ｗ１を有する。つまりアーム導波路３４の幅は変調用電極３５と重ならない領域で大きく、重なる領域で小さい。
【００２３】
領域Ｒ１、Ｒ３およびＲ５はＸ軸方向に沿う直線状である。領域Ｒ３の長さは例えば６０μｍである。領域Ｒ２およびＲ４は例えば直線状または曲線状であり、階段型など幅が急変する部分は有さない。このためアーム導波路３４の幅は連続的に変化する。領域Ｒ２およびＲ４のＸ軸からの傾斜角度はθである。つまり、領域Ｒ１の後端（＋Ｘ側端部）から領域Ｒ３の前端（−Ｘ側端部）までの角度、および領域Ｒ３の後端から領域Ｒ５の前端までの角度はともにθである。θは例えば３°以下であり、正接（ｔａｎθ）は０．００２以上、０．０５以下である。なお、図４（ａ）および図４（ｂ）で説明する層の厚さはいずれの領域でも等しく、領域間で違いはない。
【００２４】
図４（ａ）および図４（ｂ）はアーム導波路３４付近の断面図である。図４（ａ）は図３の領域Ｒ３内の線Ａ−Ａに沿った断面を図示し、図４（ｂ）は領域Ｒ５内の線Ｂ−Ｂに沿った断面を図示している。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、基板１０の上に下部クラッド層１２、下部クラッド層１３、コア層１４、上部クラッド層１６およびコンタクト層１８が順に積層されている。
【００２５】
基板１０は例えば半絶縁性のインジウムリン（ＩｎＰ）で形成された半導体基板である。下部クラッド層１２および１３は、例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされたｎ型ＩｎＰで形成されている。下部クラッド層１２の厚さは例えば５００ｎｍであり、下部クラッド層１３の厚さは例えば８００ｎｍである。コア層１４は、例えば厚さ５００ｎｍのガリウムインジウム砒素リン（ＧａＩｎＡｓＰ）で形成され、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有する。上部クラッド層１６は例えば亜鉛（Ｚｎ）がドープされた厚さ１３００ｎｍのｐ型ＩｎＰで形成されている。コンタクト層１８は、例えばＺｎがドープされた厚さ２００ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓで形成されている。
【００２６】
基板１０上の化合物半導体層（下部クラッド層１２、下部クラッド層１３、コア層１４、上部クラッド層１６およびコンタクト層１８）はアーム導波路３４ａおよび３４ｂを形成する。アーム導波路３４ａからアーム導波路３４ｂにかけて設けられた下部クラッド層１２により、アーム導波路３４ａおよび３４ｂは電気的に接続されている。下部クラッド層１３、コア層１４、上部クラッド層１６およびコンタクト層１８はメサを形成する。なお、図３で説明したアーム導波路３４の幅とは、下部クラッド層１３、コア層１４、上部クラッド層１６およびコンタクト層１８が形成するメサのＹ軸方向の幅である。
【００２７】
基板１０の上には樹脂層２０および２１、絶縁膜２２、２３、２４および２５が設けられている。絶縁膜２２は基板１０の上面、アーム導波路３４の側面および上面、アーム導波路３４ａおよび３４ｂの側面を覆う。樹脂層２０は、絶縁膜２２の上面に設けられ、アーム導波路３４ａおよび３４ｂの側面を埋め込む。樹脂層２０の上面に絶縁膜２３が設けられ、絶縁膜２３の上面に樹脂層２１が設けられている。樹脂層２１の上面に絶縁膜２４が設けられ、絶縁膜２４の上面に絶縁膜２５が設けられている。
【００２８】
アーム導波路３４の上にオーミック層２８、メッキ層２６および配線層２７が順に積層され、これらが変調用電極３５として機能する。オーミック層２８はコンタクト層１８の上面に接触し、メッキ層２６はオーミック層２８の上面に接触し、配線層２７はメッキ層２６の上面に接触する。
【００２９】
オーミック層２８は例えば厚さ３０ｎｍのＰｔ層、５０ｎｍのＴｉ層、５０ｎｍのＰｔ層および２００ｎｍのＡｕ層を順に積層したものである。オーミック層２８の幅は例えば１μｍである。メッキ層２６および配線層２７はそれぞれ、例えば厚さ５０ｎｍのチタンタングステン（ＴｉＷ）層、厚さ５０ｎｍの白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）を順に積層した金属層（ＴｉＷ／Ｐｔ／Ａｕ）である。メッキ層２６の厚さは例えば１μｍであり、配線層２７の厚さは例えば４μｍである。
【００３０】
アーム導波路３４ａおよび３４ｂの間であって絶縁膜２２の上面にはグランド電極３６が設けられている。グランド電極３６は、順に積層されたｎ電極３６ａおよび電極３６ｂを含み、図２に示したボンディングパッド３９と電気的に接続されている。ｎ電極３６ａは例えばＡｕ、ゲルマニウム（Ｇｅ）およびニッケル（Ｎｉ）の合金で形成され、厚さは２００ｎｍである。電極３６ｂは例えば厚さ５０ｎｍのＴｉ層、厚さ５０ｎｍのＰｔ層、および厚さ９００ｎｍのＡｕ層を順に積層したものである。ｎ電極３６ａの幅は例えば１７μｍであり、電極３６ｂの幅は例えば１５μｍである。
【００３１】
絶縁膜２５は絶縁膜２４および配線層２７を覆う。なお、図２に示したボンディングパッド３８および３９は、化合物半導体層のメサの上であって、絶縁膜２２の上面に設けられている。
【００３２】
樹脂層２０および２１は例えばＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などで形成されている。樹脂層２０の厚さは例えば２．５μｍであり、樹脂層２１の厚さは例えば３．５μｍである。絶縁膜２４は例えば厚さ０．３μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜であり、絶縁膜２２、２３および２５は例えば厚さ０．３μｍの酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜である。
【００３３】
アーム導波路３４に光を入力し、変調用電極３５とグランド電極３６との間に直流で例えばマイナス数Ｖの逆バイアス電圧、および例えば振幅１．５Ｖ、周波数２０ＧＨｚの交流電圧を重畳して印加する。これにより変調を行う。
【００３４】
グランド電極３６はｎ型の半導体層である下部クラッド層１２に接し、下部クラッド層１２および１３はコア層１４の下に位置する。変調用電極３５はｐ型の半導体層であるコンタクト層１８に接し、コンタクト層１８および上部クラッド層１６はコア層１４の上に位置する。このため、逆バイアス電圧を印加すると、コア層１４にはＺ軸方向に沿って電界がかかる。
【００３５】
コア層１４は光を吸収して電子−正孔対を発生させ、これらのキャリアは電界によって＋Ｚ側または−Ｚ側に流れる。したがってアーム導波路３４にはＺ軸方向に沿った電流が流れる。電流密度が増大するとアーム導波路３４が短絡破壊する恐れがある。
【００３６】
実施例１では、図３から図４（ｂ）に示すように、アーム導波路３４のうち領域Ｒ３はＲ１など他の領域に比べて大きな幅Ｗ１を有する。このためアーム導波路３４内の光の強度は低下し、光吸収により生じる電流の密度も低下する。この結果、短絡破壊が抑制される。
【００３７】
（測定結果）
光変調器のＩ−Ｖ（電流−電圧）特性を実施例１と比較例とにおいて測定した。比較例に係る光変調器はアーム導波路３４の幅以外は実施例１と同じである。図５は比較例における変調用電極３５付近を拡大した平面図である。図５に示すように比較例ではアーム導波路３４の幅はＷ１で一定である。実施例１および比較例において、材料および寸法は上記のものとした。
【００３８】
図６（ａ）および図６（ｂ）は比較例におけるＩ−Ｖ特性を示す図であり、図７（ａ）および図７（ｂ）は実施例１におけるＩ−Ｖ特性を示す図である。横軸は変調用電極３５とグランド電極３６との間に印加する電圧、縦軸は電極間に流れる電流を表す。
【００３９】
図６（ａ）および図７（ａ）の測定では、アーム導波路３４に波長が１．５７μｍである一定強度の光を入射し、かつ電極間に逆バイアス電圧を印加して、Ｉ−Ｖ特性を測定した。図６（ａ）または図７（ａ）の測定後の光変調器に光を入射せずにＩＱ変調（IQ Modulation）の変調信号を入力してＩ−Ｖ特性を測定した。図６（ｂ）および図７（ｂ）は光を入射しない場合のＩ−Ｖ特性を示す図である。
【００４０】
図６（ａ）に示すように、比較例においては、−２０Ｖ付近において電流に不連続点が存在し、約−３０００μＡから約−５０００μＡへと急激に変化した。このことから、−２０Ｖ程度の逆バイアス電圧で短絡破壊が発生したと考えられる。図６（ｂ）に示すように、図６（ａ）の測定後の光変調器に逆電圧を印加すると電流が流れる。つまりＩ−Ｖ特性が整流特性を示さない。このことから、比較例に係る光変調器は、図６（ａ）の測定において光の入力によって発生する電流により短絡破壊を起こしたものと考えられる。
【００４１】
比較例では具体的に次のような現象が起きていると考えられる。コア層１４の光吸収に伴いアーム導波路３４に電流が流れ、熱が発生する。発熱によりコア層１４の光の吸収係数が上昇し、電流が増大する。これによりさらに熱および電流が発生する。こうした正のフィードバックにより、電流が急激に増加しコア層１４などの短絡破壊が起こる。
【００４２】
図７（ａ）に示すように、実施例１においては、逆バイアス電圧の０Ｖから−３０Ｖにかけての変化に伴い電流が曲線に沿って連続的に変化している。このため、短絡破壊は発生していないと推測される。また、図７（ｂ）に示すように、実施例１では順電圧を印加すると電流が流れ、逆電圧を印加すると電流が流れない。つまりＩ−Ｖ特性が整流特性を示す。このことから、実施例１に係る光変調器１００は、図６（ａ）の測定において短絡破壊を起こしていないことがわかる。
【００４３】
実施例１によれば、図３に示すように、アーム導波路３４は領域Ｒ１〜Ｒ５を有する。領域Ｒ１、および領域Ｒ３のうちＲ１側の部分は変調用電極３５に重ならない。領域Ｒ１は幅Ｗ１を有し、領域Ｒ３はＷ１よりも大きな幅Ｗ２を有する。これにより光の密度、および光吸収による電流の密度も低下する。電流密度が低下することで発熱が抑制され、コア層１４における光の吸収係数の増大も抑制される。このため電流が増加しにくく、短絡破壊が抑制される。
【００４４】
アーム導波路３４の幅をＷ２で一定にすると、短絡破壊の抑制は可能だが、不要な光の導波モードが生じる。複数の導波モードの光が干渉し、光の出力強度が変動してしまう。また、変調効率も低下する。実施例１においては、アーム導波路３４のうち、変調用電極３５と重なる領域Ｒ５はＷ２よりも小さな幅Ｗ１を有する。これにより不要な導波モードの発生を抑制することができ、光出力の強度の変動、変調効率の低下が抑制される。
【００４５】
光の入射強度および電圧を低くすることで短絡破壊を回避することができる。しかし、高い強度の出力光を得るために増幅器を増設すると、光変調器１００および増幅器を含む装置が大型化してしまう。したがって高い強度の光を光変調器に入射し、増幅器を増設しないことが好ましい。また、電圧が低すぎると光の変調が困難となるため、変調にはある程度の電圧を印加する。実施例１によればアーム導波路３４の幅を大きくすることで短絡破壊を抑制する。このため、光の強度および電圧を低下させなくてよく、高い強度の光を変調することができる。
【００４６】
領域Ｒ１とＲ３との間の領域Ｒ２において幅は徐々に大きくなり、領域Ｒ３とＲ５との間の領域Ｒ４において幅は徐々に小さくなる。領域Ｒ２およびＲ４のＸ軸に対する傾斜角度はともにθであり、θは例えば３°以下である。つまり正接（ｔａｎθ）は０．００２以上、０．０５以下である。ｔａｎθを０．０５以下とすることで、幅を急激に変化させず、領域Ｒ２およびＲ４内において連続的かつ緩やかに変化させる。これにより不要なモードの励起を抑制することができる。また、ｔａｎθを０．００２以上とすることで、幅が変化する領域Ｒ２およびＲ４を短くする。幅がＷ１より大きい領域が短くなり、アーム導波路３４の例えば８割以上または９割以上など大部分は幅Ｗ１を有する。このため変調効率の低下が抑制される。
【００４７】
幅Ｗ２は幅Ｗ１の２倍以上であることが好ましく、２．５倍以上、３倍以上としてもよい。幅Ｗ２が大きいほど電流密度が低下するため、短絡破壊を効果的に抑制することができる。ただし、幅Ｗ２が大きくなると不要な導波モードが発生する。短絡破壊と不要な導波モードの両方に対策するため、幅Ｗ２は例えば２μｍ以上、５μｍ以下とすればよい。
【００４８】
領域Ｒ１と領域Ｒ５とは等しい幅Ｗ１を有する。言い換えれば、アーム導波路３４のうち領域Ｒ２〜Ｒ４以外の部分は幅Ｗ１を有し、アーム導波路３４の大部分は領域Ｒ３よりも細い。これにより不要な導波モードを抑制し、例えば基本モードのように所望のモードを有する光を伝搬することができる。領域Ｒ１の幅と領域Ｒ５の幅とが幅Ｗ２より小さく、かつ互いに異なってもよい。
【００４９】
基板１０の上に下部クラッド層１２および１３、コア層１４、上部クラッド層１６およびコンタクト層１８が設けられている。下部クラッド層１２および１３はｎ型の層でありグランド電極３６と電気的に接続されている。上部クラッド層１６およびコンタクト層１８はｐ型の層であり変調用電極３５と電気的に接続されている。コア層１４にはＺ軸方向に電界が加わるため、光吸収による電流はＺ軸方向に流れる。アーム導波路３４のＺ軸方向に交差する方向（Ｙ軸方向）の幅がＷ１からＷ２へと拡大することで、電流密度が低下し、短絡破壊を回避することができる。特に電界方向と直交する方向の幅を変化させることが好ましい。グランド電極３６は下部クラッド層１２の上面に接触しているが、例えば基板１０の下面など他の場所に設けられてもよく、アーム導波路３４にＺ軸に沿った電界が生じればよい。
【００５０】
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、アーム導波路３４の幅は下部クラッド層１３からコンタクト層１８にかけて一定である。このため電界は幅方向において一様に近い。アーム導波路３４の幅をＷ１とＷ２との間で変化させることで電流密度を低下させることができる。変調用電極３５およびグランド電極３６の幅は変えなくてよい。
【００５１】
下部クラッド層１２および１３はｎ型ＩｎＰで形成され、上部クラッド層１６はｐ型ＩｎＰで形成される。コンタクト層１８はｐ型ＩｎＧａＡｓで形成される。コア層はＧａＩｎＡｓＰで形成される。電流の増加によりこれらの層の溶融などの短絡破壊が起こることがある。特にＰを含む層は他の層よりも融点が低く、破壊されやすい。実施例１によれば上記のような化合物半導体層の短絡破壊を抑制することができる。アーム導波路３４に含まれる層は他の化合物半導体で形成されてもよい。
【００５２】
実施例１では、図３に示したようにアーム導波路３４のうち変調用電極３５に重なる位置よりも前側（−Ｘ側）で幅を大きくし、変調用電極３５下で幅を小さくする。図２に示す位相調整用電極３７にも変調用電極３５と同様に直流電圧を入力するため、アーム導波路３４には光吸収電流が発生する。短絡破壊を抑制するため、アーム導波路３４の幅を位相調整用電極３７に重なる前に大きくし、位相調整用電極３７の下で小さくしてもよい。
【００５３】
光の強度は入射端（入力導波路３１ａの端部）に近いほど大きく、＋Ｘ側から−Ｘ側にかけて小さくなる。光強度の大きい部分である変調用電極３５付近に実施例１を適用することが、より効果的である。また、例えば２つのアーム導波路３４が合流する部分では光強度が向上するため、アーム導波路３４の合流地点より後段に実施例１を適用することも有効である。
【符号の説明】
【００５４】
１０                    基板
１２、１３              下部クラッド層
１４                    コア層
１６                    上部クラッド層
１８                    コンタクト層
２０、２１              樹脂層
２２〜２５              絶縁膜
２６                    メッキ層
２７                    配線層
３１ａ                  入力導波路
３１ｂ                  出力導波路
３２ａ〜３３ｂ          光カプラ
３４、３４ａ、３４ｂ    アーム導波路
３５                    変調用電極
３６                    グランド電極
３７                    位相調整用電極
３８、３９              ボンディングパッド
４０                    ＤＣ電極パッド
４１                    接続配線
１００                  光変調器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年7月24日(2019.7.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
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