(57)【要約】【課題】光変調器へ入力される光の波長や光強度によって変調特性が変動してしまう問題点を改善し、変調器の安定動作を実現すること。【解決手段】一実施形態による、光変調器に用いられる光変調導波路は、半導体クラッド層（バリア層）としての半絶縁型クラッド層に接する第２のｎ型半導体クラッド層の一部、または第２のｎ型半導体クラッド層と半絶縁型クラッド層（半導体クラッド層）の一部を、ｐ型の導電性を持つｐ型半導体領域とする。このｐ型半導体領域は、光変調導波路の光進行方向に繰り返し複数配置される。入力光が半導体光導波層において光吸収されて発生したホールは、このｐ型半導体領域を介して、第２のｎ型半導体クラッド層と共通の電極から引き抜かれる。これにより、バリア層である半絶縁型クラッド層に、ホールが蓄積することを防止ないしは軽減することができる。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のｎ型半導体クラッド層と、半導体コア層と、半絶縁型の半導体クラッド層と、第２のｎ型半導体クラッド層とを順次積層して形成された導波路構造を備えた半導体光変調器であって、
ｐ型の導電性を持つ領域であるｐ型半導体領域であって、前記導波路構造の光進行方向に一定長さ区間の、少なくとも前記第２のｎ型半導体クラッド層の一部またはすべてに形成された、少なくとも１つのｐ型半導体領域と、
前記ｐ型半導体領域上に形成され、前記ｐ型半導体領域に電気的接続された電極と
を備えたことを特徴とする半導体光変調器。
【請求項２】
前記ｐ型半導体領域は、前記導波路構造の光進行方向に一定長さ区間の、前記第２のｎ型半導体クラッド層および前記第２のｎ型半導体クラッド層に接する前記半導体クラッド層の一部に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体光変調器。
【請求項３】
前記電極は、前記ｐ型半導体領域および前記第２のｎ型半導体クラッド層上に形成されており、前記ｐ型半導体領域および前記ｎ型半導体クラッド層は、前記電極に共通に電気的接続されていることを特徴とする請求項１記載の半導体光変調器。
【請求項４】
前記導波路構造は、ハイメサ導波路構造またはリッジ導波路構造であることを特徴とする請求項１記載の半導体光変調器。
【請求項５】
入力光を２つに分岐して２つの出力端からそれぞれ出力する分岐手段であって、前記２つの出力端はそれぞれ、別個の前記導波路構造の入力端に連結されている分岐手段と、
前記２つの導波路構造にそれぞれ連結され、該２つの導波路構造から出力された光を合波して出力する合波手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の半導体光変調器。
【請求項６】
前記第１のｎ型半導体クラッド層上の領域であって、前記半導体コア層が形成されていない領域上に形成された第２の電極をさらに備え、
前記電極は、前記ｐ型半導体領域および前記第２のｎ型半導体クラッド層上に形成されており、
前記電極および第２の電極は、進行波型電極構造であることを特徴とする請求項１記載の半導体光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光変調器に関し、より詳細には、光通信システムや光情報処理システムの分野に用いられる半導体光変調器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の高度情報化から、インターネット等のネットワークを伝送する情報の大容量化が望まれており、大容量の情報を高速で伝送可能な通信システムとして、光通信システムや光情報処理システムが注目されている。
【０００３】
近年の光通信システムや光情報処理システムは、上記要望に答えるべくますます大容量化が進んでいる。このような光通信システムや光情報処理システムにおいて高速で伝送距離を長くするためには、波形劣化の原因であるファイバの分散の影響を受けにくくするため、波長チャーピングの少ない光信号を用いる必要がある。そのため、現在では、光信号の発生には、ＤＣ動作の光源と外部変調器を組み合わせた形態が主流を占めている。
【０００４】
ところで、導波路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ひとつである。導波路型光制御デバイスの中でも、光変調器は音声や画像などの電気信号を光の強弱に変換するために必要不可欠のデバイスである。光変調器は、大別して、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）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がある。
【０００５】
外部変調器（光変調器）の代表的なものとしては、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）等の誘電体を用いたＬＮ変調器が、現在、広く用いられている。これは、直流、または光周波数に比べて十分低い周波数の電界を印加することによって媒質の屈折率が変化する電気光学効果を用いて動作するものである。
【０００６】
このような電気光学効果を用いた光変調器は、電気光学効果を有する誘電体を屈折率変化させることにより光の位相を変調する位相変調器や、この位相変調器とマッハツェンダ干渉系を組み合わせた光強度変調器がある。マッハツェンダ型光変調器は、原理的に波長チャーピングを零にでき、超高速・長距離伝送に適した変調器である。
【０００７】
しかしながら、従来のＬＮ変調器は素子長が比較的長いため、光送信器モジュールが大きくなってしまい、また、駆動電圧も３〜５Ｖ程度の高い電圧が必要である。さらに、ＤＣドリフト（直流電圧ドリフト）や温度ドリフトによって駆動条件が変化してしまうため、安定動作には、別途制御回路が必要であった。すなわち、上記駆動条件の変化のため、駆動条件の制御機構が必要となる課題があった。
【０００８】
一方、半導体を用いた光変調器は、次の２つが代表的なものである。一つは、バルク半導体のフランツケルディッシュ効果（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（Quantum Confined Stark 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電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）である。もう一つは、電界を印加することにより屈折率が変化する電気光学効果（ポッケルス効果）を利用した電気光学変調器（ＥＯ変調器）である。
【０００９】
電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）は、小型で消費電力が小さく、ＬｉＮｂＯ３変調器にみられるような直流電圧によるドリフトも生じないことから有望視されている。しかし、電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）では変調時に波長チャーピングが生じ、チャーピングが原因で、光ファイバ伝送後に波形劣化が生じることが問題となっている。すなわち、波長チャーピングにより、変調後の光信号スペクトルは変調前に比べて広がる。このスペクトルが広がった光信号を光ファイバで伝送すると、光ファイバ媒質の分散の効果による波形劣化が起こり、さらに伝送特性に好ましくない影響を及ぼす。この波形劣化の現象は、ビットレートが高いほど、また、伝送距離が長いほど顕著となる。
【００１０】
一方、電気光学変調器（ＥＯ変調器）には、屈折率を変化させることにより光の位相を変調させる位相変調器と、位相変調器とを組み合わせてマッハツェンダ干渉計を構成し光の強度変調を行うマッハツェンダ変調器が実用化されている。現在の光通信は、光強度の強・弱によって信号を送るため、強度変調を行うマッハツェンダ変調器が主に用いられる。このマッハツェンダ変調器は、原理的に波長チャーピングを零にすることができ、超高速・長距離通信用変調器として期待が大きい。半導体のマッハツェンダ変調器の例として、非特許文献１には、ｐ−ｉ−ｎ構造を有した集中定数型の変調器が開示されている。非特許文献１に記載の光変調器では、ｐ−ｉ−ｎ構造を有しているので、リーク電流が小さく、効率良くコア層に電界を印加することが可能である。
【００１１】
また、非特許文献２では、ショットキー電極を用いた変調器が開示されている。非特許文献２に記載の変調器では、電極構造として進行波電極構造を用いることで広帯域化を実現している。また、特許文献１には、これらより更に低電圧化、小型化、高速化を目指したｎ−ｉ−ｎ 構造半導体マッハツェンダ変調器も検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】国際公開第２００４／０８１６３８号パンフレット
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】C.Rolland et al.,“10 Gbit/s, 1.56μm multiquantum well InP/InGaAsP Mach-Zehnder optical modulator,” Electron, Lett.,vol.29, no.5, pp.471-472, 1993
【非特許文献２】R.Spickerman et al., “GaAs/AlGaAs electro-optic modulator with bandwidth > 40GHz,” Electron, Lett., vol.31, no.11, pp.915-916, 1995
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、非特許文献１に記載の光変調器では、ｐクラッド層の抵抗が高いことにより電気信号の伝搬ロスが大きく、高速動作が難しい上、ｐクラッド層の光吸収も大きいため、低動作電圧化のため素子長を長くすることが困難であった。また、非特許文献２に記載の変調器においては、動作電圧が高いという問題があった。
【００１５】
このような問題から最近では、上述の特許文献１に開示された、ｎ−ｉ−ｎ構造を有する変調器が提案されている。特許文献１に記載の変調器では、ｎ型クラッド層、コア層、ｎ型クラッド層を順次積層することによってｎ−ｉ−ｎ構造を形成しており、ｎ−ｉ−ｎ構造を形成する上側のｎ型クラッド層には電極が設けられている。
【００１６】
図１１は、従来の、ｎ−ｉ−ｎ構造の光導波路を持つ光変調器の位相変調導波路の断面図である。基板上に、ｎ型クラッド層１０２と、光導波コア層１０３と、半絶縁型クラッド層１０４と、ｎ型クラッド層１０５とが順次積層された層構造を持っている。ｎ型クラッド層１０５とｎ型クラッド層１０２には、それぞれ、電極１０８，１０９が接続されている。
【００１７】
このような構成によって、２つのｎ型クラッド層１０２、１０５間に設けられた光導波コア層１０３へ電圧を印加して動作させている。この構造では、非特許文献１に係るｐ−ｉ−ｎ構造と同様、効率よくコア層に電界印加が可能であり、また、クラッド層にはｎ型を用いているため、ｐ−ｉ−ｎ構造で問題であったｐクラッド層による電気信号、及び、光の伝搬ロスを低減でき、低動作電圧化が図れ、また、当時としては十分に安定な出力を得ることができた。しかしながら、近年は、光通信システムの更なる発展に伴い、光変調器の出力の更なる安定化が求められている。
【００１８】
しかし、特許文献１などのｎ−ｉ−ｎ 構造の位相変調導波路を持つ光変調器においては、以下に述べるような問題点があった。
【００１９】
図１２は、ｎ−ｉ−ｎ 構造の光導波路を持つ光変調器の導波路バンドダイヤグラムを示す図である。ｎ−ｉ−ｎ 構造の光導波路においては、少ないながらも光導波コア層１０３において光吸収がある。したがって、図１２に示すように光吸収により発生したホール１０６−１は、バリア層である半絶縁型クラッド層１０４において、蓄積されたホール１０６−２となる。このホールが蓄積されると、バンドダイヤグラム上において、電子に対する半絶縁型クラッド層１０４のバリアが下がり、ｎ型クラッド層１０５からｎ型クラッド層１０２へリーク電流が流れるという現象（寄生フォトトランジスタ効果）が発生する。すなわち、トランジスタ動作の場合で言えば、ベースが開放状態でベースのホール濃度が上昇した場合に、エミッタ／ベース接合が順バイアスされているのと同じ状態が発生する。
【００２０】
さらに、蓄積されたホール１０６−２により発生した上述の順バイアスの効果により、光導波コア層１０３にかかる電圧も、この順バイアス相当の電圧分だけ低下する。したがって、光変調器に入力される光の波長や光強度によって、変調特性が変わってしまう問題が起こっていた。例えば、波長が変わると光変調器の駆動条件を変える必要があるため、制御回路が必要となる。また、光強度が強くなると変調特性が変動劣化するため、光入力レベルを制限する必要があった。この変調特性の変動と不安定さを回避するために、変動が問題とならないような波長や光強度の範囲内で、光変調器を使用しなくてはならないという制限が生じていた。結果的に、光変調器として利用できる範囲は制限されていた。
【００２１】
以上述べたように、バリア層である半絶縁型クラッド層１０４にホールが蓄積することに起因する寄生フォトトランジスタ効果は、ｎ−ｉ−ｎ 構造の位相変調導波路を持つ光変調器の安定動作を妨げる問題となっていた。本発明が解決しようとする課題の１つは、上に述べた半絶縁型クラッド層におけるホール蓄積と寄生フォトトランジスタ効果を抑制し、これらに起因する変調特性の変動を抑制して、変調器の安定動作を実現する構造を提供することにある。
【００２２】
ところで、ｎ−ｉ−ｎ構造のコア層へ電界印加するためには、ｎ型クラッド層とコア層との間に、電子の漏れ電流を抑制するための電子のポテンシャルバリアが必要であるが、特許文献１に記載の変調器では、このポテンシャルバリアを形成するためにＦｅドープの半絶縁層を上記電極が形成されたｎ型クラッド層とコア層との間に設けている。しかしながら、この構造では、変調強度に周波数分散を持ってしまい、現在求められている出力の安定性への阻害要因に繋がっていた。
【００２３】
本発明が解決しようとする別の課題は、ｎ−ｉ−ｎ構造半導体光変調器の特長を生かしつつ、安定動作可能で、かつ、電界に対する耐圧特性の優れた半導体光変調器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、第１のｎ型半導体クラッド層と、半導体コア層と、半導体クラッド層と、第２のｎ型半導体クラッド層とを順次積層して形成された導波路構造を備え、前記半導体クラッド層の電子親和力は、前記第２のｎ型半導体クラッド層の電子親和力よりも小さいことを特徴とする。
【００２５】
上記第１の態様において、前記半導体クラッド層と前記第２のｎ型半導体クラッド層とのヘテロ接合はタイプＩＩ型であっても良い。
【００２６】
上記第１の態様において、前記半導体クラッド層の正孔に対するポテンシャルエネルギーは、前記半導体コア層の正孔に対するポテンシャルエネルギーに比べて小さくても良い。
【００２７】
また、上記第１の態様において、前記半導体クラッド層と前記第２のｎ型半導体クラッド層との間に、前記半導体クラッド層に比べ、正孔に対するポテンシャルエネルギーが小さい第３のｎ型半導体クラッド層が挿入されていても良い。
【００２８】
また、上記第１の態様において、前記第１のｎ型半導体クラッド層と前記半導体コア層との間に、ノンドープクラッド層が挿入されていても良い。
【００２９】
また、上記第１の態様において、前記半導体コア層と前記半導体クラッド層との間に、ノンドープクラッド層が挿入されていても良い。前記半導体クラッド層の正孔に対するポテンシャルエネルギーは、前記半導体コア層と前記半導体クラッド層との間に挿入されたノンドープクラッド層の正孔に対するポテンシャルエネルギーに比べて小さくても良い。
【００３０】
また、上記第１の態様において、前記半導体クラッド層はＩｎＡｌＡｓであっても良い。
【００３１】
また、上記第１の態様において、前記半導体クラッド層は、ｐ型にドーピングされていても良い。
【００３２】
また、上記第１の態様において、前記導波路構造は、ハイメサ導波路構造またはリッジ導波路構造であっても良い。
【００３３】
また、上記第１の態様において、入力光を２つに分岐して２つの出力端からそれぞれ出力する分岐手段であって、前記２つの出力端はそれぞれ、別個の前記導波路構造の入力端に連結されている分岐手段と、前記２つの導波路構造にそれぞれ連結され、該２つの導波路構造から出力された光を合波して出力する合波手段とをさらに備えても良い。
【００３４】
また、上記第１の態様において、前記第１のｎ型半導体クラッド層上の領域であって、前記半導体コア層が形成されていない領域上に形成された第１の電極と、前記第２の半導体クラッド層上に形成された第２の電極とをさらに備え、前記第１の電極および第２の電極は、進行波型電極構造であっても良い。
【００３５】
本発明の第２の態様は、ｎ型ＩｎＰからなる第１のｎ型半導体クラッド層と、ノンドープのＩｎＰからなる第１のノンドープクラッド層とノンドープの半導体コア層とノンドープのＩｎＰからなる第２のノンドープクラッド層とを順次積層して形成された半導体光導波層と、ｐ型ＩｎＡｌＡｓからなる半導体クラッド層と、ｎ型ＩｎＰからなる第２のｎ型半導体クラッド層とを順次積層して形成された導波路構造を備えることを特徴とする。
【００３６】
本発明の第３の態様は、ｎ型ＩｎＰからなる第１のｎ型半導体クラッド層と、ノンドープのＩｎＰからなる第１のノンドープクラッド層とノンドープの半導体コア層とノンドープのＩｎＰからなる第２のノンドープクラッド層とを順次積層して形成された半導体光導波層と、ｐ型ＩｎＡｌＡｓからなる半導体クラッド層と、ｎ型ＩｎＰからなる第２のｎ型半導体クラッド層と、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰまたはｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓからなる第３のｎ型半導体クラッド層を順次積層して形成された導波路構造を備えることを特徴とする。
【００３７】
本発明の第４の態様は、第１のｎ型半導体クラッド層と、半導体コア層と、半絶縁型の半導体クラッド層と、第２のｎ型半導体クラッド層とを順次積層して形成された導波路構造を備えた半導体光変調器であって、ｐ型の導電性を持つ領域であるｐ型半導体領域であって、前記導波路構造の光進行方向に一定長さ区間の、少なくとも前記第２のｎ型半導体クラッド層の一部またはすべてに形成された、少なくとも１つのｐ型半導体領域と、前記ｐ型半導体領域上に形成され、前記ｐ型半導体領域に電気的接続された電極とを備えたことを特徴とする。
【００３８】
上記第４の態様において、前記ｐ型半導体領域は、前記導波路構造の光進行方向に一定長さ区間の、前記第２のｎ型半導体クラッド層および前記第２のｎ型半導体クラッド層に接する前記半導体クラッド層の一部に形成されていても良い。
【００３９】
また、上記第４の態様において、前記電極は、前記ｐ型半導体領域および前記第２のｎ型半導体クラッド層上に形成されており、前記ｐ型半導体領域および前記ｎ型半導体クラッド層は、前記電極に共通に電気的接続されていても良い。
【００４０】
また、上記第４の態様において、前記導波路構造は、ハイメサ導波路構造またはリッジ導波路構造であっても良い。
【００４１】
また、上記第４の態様において、入力光を２つに分岐して２つの出力端からそれぞれ出力する分岐手段であって、前記２つの出力端はそれぞれ、別個の前記導波路構造の入力端に連結されている分岐手段と、前記２つの導波路構造にそれぞれ連結され、該２つの導波路構造から出力された光を合波して出力する合波手段とをさらに備えても良い。
【００４２】
また、上記第４の態様において、前記第１のｎ型半導体クラッド層上の領域であって、前記半導体コア層が形成されていない領域上に形成された第２の電極をさらに備え、前記電極は、前記ｐ型半導体領域および前記第２のｎ型半導体クラッド層上に形成されており、前記電極および第２の電極は、進行波型電極構造であっても良い。
【発明の効果】
【００４３】
このように、本発明の一実施形態に係る半導体光変調器では、低損失で、電界に対する耐圧特性に優れ、低電圧駆動で、安定動作する半導体光変調器を実現できる。すなわち、本発明の一実施形態においては、半導体クラッド層の電子親和力が第２のｎ型半導体クラッド層の電子親和力よりも小さく設定されているため、半導体クラッド層が第２のｎ型半導体クラッド層の電子に対してポテンシャルバリアとなるため、電界に対する耐圧特性に優れ、強度変調における周波数分散が低減、ないしは生じない。
【００４４】
また、本発明の一実施形態によれば、半導体クラッド層（例えば、半絶縁型クラッド層）に接する第２のｎ型半導体クラッド層の一部または第２のｎ型半導体クラッド層と、半導体クラッド層の一部をｐ型の導電性を持つｐ型半導体領域とすることで、光吸収により発生したホールはｐ型半導体領域を介して、電極から引き抜かれる。これにより、バリア層である半導体クラッド層にホールが蓄積することが防止ないしは軽減される。このため、リーク電流の発生や、半導体コア層にかかる電圧の低下を抑えられ、光吸収による変調特性の変動を抑制し、変調器の安定動作を実現することが可能となる。
【００４５】
本発明の一実施形態による半導体の電気光学変調器（ＥＯ変調器）では、バリア層である半導体クラッド層（例えば、半絶縁型クラッド層）にホールが蓄積しない、ないしはホールの蓄積を軽減できるため、リーク電流の発生や、コア層にかかる電圧の低下を抑えることが可能となる。
【００４６】
このため、光波長や光強度によって光変調器の変調特性が変動してしまう従来の問題点を改善し、変調器の安定動作を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態に係るタイプＩＩ型へテロ接合のバンド図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る導波路構造の断面図を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る導波路のバンドダイヤグラムを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る、導波路構造に逆バイアスを印加したときの電圧−電流特性を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る、マッハツェンダ変調器の位相変調領域の長さが３ｍｍのときの、Ｅ／Ｅ高周波応答特性を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る、マッハツェンダ変調器をプッシュプル動作させた４０Ｇｂｉｔ／ｓのアイダイヤグラムを示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る導波路のバンドダイヤグラムを示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の概略図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る光変調器の導波路構造を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係るマッハツェンダ変調器の構造図である。
【図１１】従来のｎ−ｉ−ｎ構造の光変調器の導波路の断面図である。
【図１２】従来のｎ−ｉ−ｎ構造の光変調器の導波層バンドダイヤグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。  
本発明の一実施形態は、第１のｎ型半導体クラッド層と、第１のｎ型半導体クラッド層上に形成された、電気光学効果を有する半導体光導波層と、半導体光導波層上に形成された半導体クラッド層と、半導体クラッド層上に形成された第２のｎ型半導体クラッド層との積層体からなるｎ−ｉ−ｎ構造を有する半導体光変調器である。上記半導体クラッド層は、第２のｎ型半導体クラッド層からの電子に対するバリア層（ポテンシャルバリア層）である。
【００４９】
本発明の一実施形態では、上記バリア層を良好に機能させることが重要である。すなわち、半導体導波層での光吸収にて発生したホールの、バリア層への影響を軽減することが重要なのである。
【００５０】
上記発生したホールは、バリア層に蓄積される可能性があり、バリア層に蓄積されると、電子に対するポテンシャルバリアを押し下げることがある。よって、半導体導波層に入射される光の強度に依存して変調特性が変わったり、強度変調における周波数分散が生じたり、ポテンシャルバリアの低下により第１のｎ型半導体層から第２のｎ型半導体層に向かうリーク電流の発生などが起こってしまうことがある。そこで、半導体導波層にて発生したホールがバリア層に蓄積することによってバリア層に与える影響を軽減することにより、変調特性の変動を抑え、安定動作が可能な半導体光変調器を提供することができる。
【００５１】
上記ホールのバリア層への影響を軽減するために、第１〜３の実施形態では、ホールがバリア層に蓄積しても、電子に対して良好なバリアとして機能するように、バリア層としての半導体クラッド層と、第２のｎ型半導体クラッド層との間に、電子親和力に起因した伝導帯バンド不連続が生じるようにしている。また、第４および５の実施形態では、上記ホールのバリア層への影響を軽減するために、光吸収にて発生したホールがバリア層に流れ込んできても、ポテンシャルバリアを維持、またはポテンシャルバリアの低下を低減するようにしている。
【００５２】
（第１の実施形態）  
本実施形態に係る半導体光変調器では、第１のｎ型半導体クラッド層、電気光学効果を有する半導体光導波層、半導体クラッド層、第２のｎ型半導体クラッド層が順次積層されている。このような積層体はｎ−ｉ−ｎ構造であり、本実施形態では、半導体クラッド層と第２のｎ型半導体クラッド層とはヘテロ接合となり、かつ半導体クラッド層の電子親和力は、第２のｎ型半導体クラッド層の電子親和力よりも小さく設計される。このようにすることで、半導体クラッド層が第２のｎ型半導体クラッド層の電子に対してポテンシャルバリアとなる。これにより、ｎ−ｉ−ｎ構造の半導体光変調器の特長（光の伝播ロスの低減、低作動電圧化、小型化、高速化等）を損なうことなく、より安定で電界に対する耐圧特性の優れた光変調器が実現できる。
【００５３】
さて、タイプＩＩ型へテロ接合について説明する。図１は、このタイプＩＩ型へテロ接合のバンド図を示したものである。ｑχ（ｑ：素電子）は、電子親和力と呼ばれ、伝導体の底から真空中に電子を取り出すために必要なエネルギーである。また、Ｅｇとは、バンドギャップと呼ばれ、伝導体と荷電子帯とのエネルギー差である。さて、タイプII型へテロ接合とは、半導体２の電子親和力が半導体１のそれよりも小さく、かつ、半導体２の電子親和力とエネルギーギャップの和（ｑχ＋Ｅｇ）とが、半導体１のそれよりも小さい場合をいう。ここで、半導体１側から半導体２側へ流れようとする伝導体の電子について考えてみると、伝導体バンド不連続（ΔＥｃ＝Ｅｃ２−Ｅｃ１）は、ポテンシャル障壁となり、この障壁を乗り越えられるエネルギーを持つ電子しか半導体２へは流れることはできない。言い換えれば、半導体１側から半導体２側へ流れる電子にとって、この接合は高抵抗であり、伝導体バンド不連続を大きく取れば取るほど、その効果は大きくなり、耐圧特性の優れた特性を示すことになる。
【００５４】
図２は、本実施形態に係る半導体光変調器の導波路構造の断面図で、図３は、図２に示された導波路構造のバンドダイヤグラムを示した図である。  
本実施形態に係る半導体光変調器では、半絶縁性の（ＳＩ）−ＩｎＰ基板１０上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層（第１のｎ型半導体クラッド層）１１、半導体光導波層１９、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層（ポテンシャルバリア層としての半導体クラッド層）１５、ｎ−ＩｎＰクラッド層（第２のｎ型半導体クラッド層）１６とが順次積層されている。半導体光導波層１９では、ノンドープのＩｎＰクラッド層１２、電気光学効果を有する、ノンドープの半導体コア層１３、ノンドープのＩｎＰクラッド層１４が積層されており、ＩｎＰクラッド層１４の上部にｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１５が積層されることになる。  
なお、本明細書では、「ｎ−半導体」および「ｎ型半導体」とは、ｎ型ドーピングされた半導体のことを指す。もちろん、ｐ型ドーピングについても同様に表記する。
【００５５】
半導体コア層１３には、たとえば、多重量子井戸層と、その上下（半導体コア層１３のＩｎＰクラッド層１２側およびＩｎＰクラッド層１４側）にバンドギャップが多重量子井戸層よりも大きく、かつ、ＩｎＰクラッド層１２および１４よりも小さい値を持つ、光閉じ込め層を有する構造を用いることができる。また、多重量子井戸層のバンドギャップ波長は、使用する光波長において、電気光学効果が有効に作用し、かつ、光吸収が問題とならないように設定されている。
【００５６】
また、本実施形態に係る導波路構造は、図２に示すようにハイメサ導波路構造を有し、半導体光導波層１９へ電圧印加を行うため、ｎ−ＩｎＰクラッド層１１、及び、ｎ−ＩｎＰクラッド層１６の上部に、それぞれ電極１７，１８が設けられている。  
なお、本実施形態では、導波路構造として、ハイメサ導波路構造を用いているが、これに限定されず、リッジ導波路構造を用いても良い。
【００５７】
さて、図３に示す、本実施形態に係る半導体光変調器への電圧印加時のバンドダイヤグラムから理解されるように、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１５は、ｎ−ＩｎＰクラッド層１６よりも電子親和力が小さいため、両者のヘテロ界面では、伝導帯バンド不連続が生ずる。そのため、ｎ−ＩｎＰクラッド層１６の電子に対するポテンシャルバリアが生じる。また、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１５がｐ型であり、ｎ−ＩｎＰクラッド層１６がｎ型であるため、それらのヘテロ接合に起因するポテンシャルバリアに加え、ｐｎ接合によるポテンシャルバリアも生ずる。よって、ｎ−ＩｎＰクラッド層１６から注入される電子に対しては、これら二つの要素がトータルとしてポテンシャルバリアとして機能することになる。
【００５８】
本実施形態では、図３に示される通り、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１５とｎ−ＩｎＰクラッド層１６とのヘテロ接合は、電子とホールとが空間的に異なる場所に閉じ込められるタイプＩＩ型となっている。また、半導体光導波層の光吸収にてわずかに発生したホールがノンドープＩｎＰクラッド層１４側からｎ−ＩｎＰクラッド層１６へ流れ込みやすい構造がよく、本実施形態では、ノンドープＩｎＰクラッド層１４とｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１５との接合において、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１５のホールに対するポテンシャルエネルギーは、ノンドープＩｎＰクラッド層１４のホールに対するポテンシャルエネルギーに比べて小さくなっている。すなわち、半導体光導波層とポテンシャルバリア層としての半導体クラッド層との接合において、半導体クラッド層のホールに対するポテンシャルエネルギーを半導体光導波層のホールに対するポテンシャルエネルギーに比べて小さくすることが好ましい。半導体コア層と半導体クラッド層との間にクラッド層（本実施形態では、ノンドープＩｎＰクラッド層１４）を設けない場合は、半導体光導波層の、半導体クラッド層と接する層は、半導体コア層となる。この場合は、半導体コア層とポテンシャルバリア層としての半導体クラッド層との接合において、半導体クラッド層のホールに対するポテンシャルエネルギーを半導体コア層のホールに対するポテンシャルエネルギーに比べて小さくすれば良い。
【００５９】
さて、半導体光変調器の動作時には、僅かであるが、半導体コア層１３中での光吸収によって電子とホールが生成され、その電子は、容易にｎ−ＩｎＰクラッド層１１に到達するが、一方、ホールは、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１５付近に蓄積してしまう可能性がある。これは、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１５のポテンシャルバリアを押し下げる。このことは、ｐｎ接合によるポテンシャルバリアが小さくなることに対応しており、耐圧特性を十分保つことができない可能性がでてくる。しかしながら、本実施形態に係る構造では、上述のようなｐｎ接合によるポテンシャルバリアが小さくなっても、伝導帯バンド不連続が相変わらずポテンシャルバリアとして機能することができるため、耐圧特性の優れた半導体光変調器を提供することが可能である。
【００６０】
すなわち、半導体コア層１３にて発生したホールがバリア層であるｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１５に蓄積しても、ｐｎ接合によるポテンシャルバリアは小さくなるが、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１５の電子親和力を、ｎ−ＩｎＰクラッド層１６の電子親和力よりも小さくすることによって生じた伝導帯バンド不連続によるポテンシャルバリアは良好に機能することになる。よって、ｎ−ＩｎＰクラッド層１１からｎ−ＩｎＰクラッド層１６側に向かうリーク電流を低減することができる。また、この伝導帯バンド不連続によるポテンシャルバリアは、半導体コア層１３への入射光の強度や波長によらず、良好に機能するので、上記入射光の強度や波長によってｐｎ接合によるポテンシャルバリアが変動しても、安定に変調動作を行うことができる。
【００６１】
このように本実施形態では、バリア層であるｐ−ＩｎＡｌＡｓ層（半導体クラッド層）１５にホールが蓄積しても、該ホールの蓄積に影響されないポテンシャルバリアを形成することが重要である。そのために、本実施形態では、半導体クラッド層としてのｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１５の電子親和力を、第２のｎ型半導体クラッド層としてのｎ−ＩｎＰクラッド層１６の電子親和力よりも小さくしているのである。
【００６２】
ところで、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１５をｐ型とすることで懸念されることは、価電子帯バンド間遷移に起因する光吸収である。しかし、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１５とＩｎＰクラッド１４との間の伝導帯バンド不連続値は十分大きく（文献値で０．３９ｅＶ）、あまり層厚を取る必要がない。たとえば、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１５の層厚として０．０５μｍもあれば、１５Ｖ程度の耐圧特性を持つことが可能である。また、光吸収の大きさは、ｐ層の光閉じ込め係数に比例するので、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１５を必要以上に厚くせず、かつ、半導体コア層１３との距離を離すこと、すなわち、ノンドープのＩｎＰクラッド層１４を適当に厚くすることにより光吸収によるロスを抑制することは可能である。このように、本実施形態では、ｎ−ｉ−ｎ構造の半導体光変調器の特長を損なうことなく、電界に対する耐圧特性の優れ、低損失で安定動作する半導体光変調器を実現できる。
【００６３】
なお、本実施形態では、半導体導波層として、ＩｎＰクラッド層１２、半導体コア層１３、ＩｎＰクラッド層１４の積層体を用いているが、これに限定されない。すなわち、半導体コア層１３の上下に、ノンドープのＩｎＰクラッド層１２および１４が設けられているが、ＩｎＰクラッド層１２および１４のどちらか一方、あるいは、その両方がない構造でも構わない。本実施形態では、光を導波させることができれば良いのであって、半導体導波層として、半導体コア層のみの形態、半導体コア層の上下の少なくとも一方にノンドープのクラッド層を設ける形態のいずれも含む。また、ノンドープのＩｎＰクラッド層１２および１４は、半導体コア層１３よりもバンドギャップが広く設定されている。たとえば、ＩｎＧａＡｓＰ層やＩｎＡｌＧａＡｓ層などで形成しても、もちろん構わない。
【００６４】
なお、本実施形態において重要なことは、半導体光導波層と第２のｎ型半導体クラッド層との間に、伝導帯バンド不連続によるポテンシャルバリア層を設けることである。よって、本実施形態では、半導体クラッド層および第２のｎ型半導体クラッド層の材料はそれぞれ、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ、ｎ−ＩｎＰに限定されず、半導体クラッド層と第２のｎ型半導体クラッド層とがヘテロ接合し、かつ半導体クラッド層の電子親和力が第２のｎ型半導体クラッド層の電子親和力よりも小さくなるように、半導体クラッド層および第２のｎ型半導体クラッド層の材料を選べばよい。また、半導体クラッド層について、伝導帯バンド不連続によるポテンシャルバリア層を形成できるのであれば、ｐ型ドーピングしなくても良い。
【００６５】
また、本実施形態に係る導波路構造に印加される電圧は逆バイアスであることを考慮すると、半導体光導波層（図２では、ＩｎＰクラッド層１４）とポテンシャルバリア層としての半導体クラッド層とについて特に制限は無いが、半導体クラッド層の電子親和力は半導体光導波層（図２では、ＩｎＰクラッド層１４）の電子親和力よりも小さいことが好ましい。
【００６６】
さて、高速な光変調器実現には、進行波型電極構造が有用である。よって、電極１７、１８には進行波型電極を適用しても良い。この進行波型電極構造では、光変調器におけるインピーダンス整合や光と電気の速度整合が重要となる。このインピーダンス整合や速度整合は、光変調器の光導波路の容量成分を制御することにより可能である。すなわち、ノンドープ層である半導体光導波路層１９（半導体コア１３とその上下のノンドープＩｎＰクラッド層１２、１４）の総厚と導波路幅とを適切に設計することが大切となってくる。
【００６７】
具体的なインピーダンス整合条件としては、外部電気回路の特定インピーダンスである５０Ωから±１０Ω程度の誤差が許容できる。一般に、光変調器は低電圧で駆動できることが求められているため、ノンドープ層の光閉じ込め係数が極端に小さくならない限り、ノンドープ層の総厚はできるだけ薄くすることが好ましい（こうすることにより、容量が大きくなる）。ところが、光変調器の特性インピーダンスは、定性的に容量の平方根に反比例するため、ノンドープ層があまり薄すぎると特性インピーダンスが小さくなり過ぎてしまう。それを回避する一つの方法は、半導体光導波路層の幅を細くすることだが、あまり細くし過ぎると、今度は光伝播損失の増大や歩留まり低下を招くおそれがある。
【００６８】
一方、速度整合の度合いによる周波数帯域は、次式で表される。
【００６９】
【数１】
2010271742.tif 000003
【００７０】
ここで、Ｃは光速であり、ｎｏｐｔは群屈折率であり、ｎμは電気の屈折率であり、Ｌは電極長である。
【００７１】
光の群屈折率ｎｏｐｔは、３．４〜３．７程度であり、所望の周波数帯域と電極長とにより許容される電気の屈折率の範囲は決定される。例えば、帯域を４０ＧＨｚで電極長３ｍｍとすると、光の群屈折率と電気の屈折率との差は、±１．１程度となる。なお、定性的に半導体光導波層の容量を大きくすると、電気の速度は遅くなる、すなわち、電気の屈折率は大きくなる。これら上記に挙げた全ての条件を満たすことを考えると、光導波路幅は、１．２μｍ〜２．５μｍ程度であり、ノンドープ層（半導体光導波層）の総厚は、０．４μｍ〜２．０μｍ程度であることが好ましい。
【００７２】
（実施例）  
以下に示す実施例では、第１および第２のｎ型半導体クラッド層にはＩｎＰを用いた。電子のポテンシャルバリアとして機能する半導体クラッド層には、ｐ型のＩｎＡｌＡｓ層（ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１６）を用い、その層厚を０．０５μｍ、ドーピング密度を１×１０１８ｃｍ‐３とした。また、半導体光導波路層１９、すなわち、ノンドープ層の総厚は、０．９μｍとした。また、半導体光導波路層１９の幅は、１．６μｍとした。
【００７３】
図４〜図６は、上記パラメータを用いて作製したマッハツェンダ変調器の特性を示している。図４は、電極１７と電極１８との間において、電極１８に負電圧を掛けた場合（逆バイアス）の電圧−電流特性を示す図である。図４から分かるように、１５Ｖ以上の十分な耐圧特性を示していることが分かる。
【００７４】
また、図５は、位相変調領域の長さが３ｍｍのＥ／Ｅ高周波応答特性を示している。図５より、周波数帯域の基準となる６ｄＢダウンの周波数は４０ＧＨｚ以上であり、４０Ｇｂｉｔ／ｓの変調に十分な帯域があることが分かる。
【００７５】
さらに、図６は、実際に１．３Ｖｐｐでプッシュプル動作させた４０Ｇｂｉｔ／ｓのアイダイヤグラムである。図８から、明瞭なアイ開口が確認することができる。このように、本実施例に係るマッハツェンダ変調器が高速光変調器として有用なことが分かる。
【００７６】
（第２の実施形態）  
図７は、本実施形態に係る半導体光変調器の導波路構造のバンドダイヤグラムを示した図である。  
本実施形態に係る半導体光変調器の基本構成は、第１の実施形態と同じでありその説明は省略する。本実施形態と第１の実施形態との異なる点は、第２のｎ型半導体クラッド層であるｎ−ＩｎＰクラッド層１６とポテンシャルバリア層であるｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１５との間に、第２のｎ型半導体クラッド層であるｎ−ＩｎＰクラッド層１６に比べ、正孔に対するポテンシャルエネルギーが小さい第３のｎ型半導体クラッド層２０が挿入されていることである。この第３のｎ型半導体クラッド層２０は、たとえば、ＩｎＧａＡｓＰ層やＩｎＧａＡｌＡｓ層などで組成を適当に設定することで形成することができる。
【００７７】
これにより、半導体コア層１３における、動作時に僅かではあるが、光吸収で生じる正孔は、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１５に蓄積されることなく、第２のｎ型半導体クラッド層２０へ落ち込む。落ち込んだ正孔は、第３のｎ型半導体クラッド層２０内の電子とすみやかに再結合することが可能であるため、正孔の蓄積によるポテンシャルバリアの低下を抑制することができる。すなわち、この構成によって、より電界に対する耐圧特性の優れ、安定動作する半導体光変調器を提供することができる。
【００７８】
（第３の実施形態）  
本実施形態では、第１および第２の実施形態にて説明した導波路構造（位相変調導波路）を用いたマッハツェンダ型光変調器について説明する。本実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器４０は、第１および第２の実施形態にて説明した導波路構造を備えている。
【００７９】
図８において、入力光を２つに分岐する手段としてのＭＭＩ（Multi-Mode Interference）カプラ４２ａの２つの出力端にはそれぞれ、本発明の一実施形態に係る位相変調導波路４１ａおよび４１ｂが連結されている。位相変調導波路４１ａおよび４１ｂの出力端はそれぞれ、２つの入力光を合波する手段としてのＭＭＩカプラ４２ｂの２つの入力端のそれぞれに連結されている。また、基板上に形成された第１のｎ型半導体クラッド層の所定の領域に電極４３が設けられ、位相変調導波路４１ａおよび４１ｂ上の所定の領域に電極４４が設けられている。本実施形態では、位相変調導波路４１ａおよび４１ｂの長さＬ（位相変調領域）は、３ｍｍとしている。
【００８０】
このような構成において、ＭＭＩカプラ４２ａの一方の入力端から入力光が入力されると、該入力光はＭＭＩカプラ４２ａにて２つに分岐され、分岐光のそれぞれは、位相変調導波路４１ａおよび４１ｂに導かれる。このとき、電極４３および４４により位相変調導波路４１ａおよび４１ｂの位相変調領域に印加された電圧に基づいて、位相変調導波路４１ａ、および４１ｂを通過する分岐光の位相を変調する。変調された光は、ＭＭＩカプラ４２ｂにて合波され、ＭＭＩカプラ４２ｂの一方の出力端から出力される。
【００８１】
本実施形態によれば、ｎ−ｉ−ｎ構造の半導体光変調器の特長を損なうことなく、電界に対する耐圧特性の優れ、安定動作するマッハツェンダ型光変調器を提供することができる。
【００８２】
（第４の実施形態）  
本実施形態による、光変調器に用いられる光変調導波路は、半導体クラッド層（バリア層）としての半絶縁型クラッド層に接する第２のｎ型半導体クラッド層の一部、または第２のｎ型半導体クラッド層と半絶縁型クラッド層（半導体クラッド層）の一部を、ｐ型の導電性を持つｐ型半導体領域とする。このｐ型半導体領域は、光変調導波路の光進行方向に繰り返し複数配置される。入力光が半導体光導波層において光吸収されて発生したホールは、このｐ型半導体領域を介して、第２のｎ型半導体クラッド層と共通の電極から引き抜かれる。これにより、バリア層である半絶縁型クラッド層に、ホールが蓄積することを防止ないしは軽減することができる。ホールの蓄積が起こらない、ないしはホールの蓄積を軽減することができるため、リーク電流の発生や、光導波コア層に印加される電圧の低下を抑えることが可能となる。
【００８３】
従って、本発明の目的の一つである、光変調器へ入力される光の波長や光強度によって変調特性が変動してしまう問題点を改善し、変調器の安定動作を実現することが可能となる。
【００８４】
図９は、本実施形態によって構成された半導体光変調器の導波路の構造である。半絶縁ＩｎＰ基板５１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層５２（第１のｎ型半導体クラッド層）、半導体コア層５３、半絶縁型クラッド層（ポテンシャルバリア層としての半導体クラッド層）５４およびｎ−ＩｎＰクラッド層（第２のｎ型半導体クラッド層）５５−１を順次積層した層構造を有する。光変調導波路部において、光進行方向に一定長さの区間の、半絶縁型クラッド層５４に接するｎ−ＩｎＰクラッド層５５−１と半絶縁型クラッド層５４の一部を、ｐ型の導電性を持つｐ型半導体領域５５−２ａ〜５５−２ｄとしている。このｐ型半導体領域５５−２ａ〜５５−２ｄおよびｎ−ＩｎＰクラッド層５５−１と電気的に共通に接続された電極５６を設けている。このｐ型半導体領域は、光変調導波路の全体にわたって、光進行方向に、繰り返し配置される。図９においては、一定間隔で繰り返し配置されているが、一定間隔の配置には限られない。すなわち、ランダムの間隔で配置しても良い。また、図９においては、ｐ型半導体領域は４つのみ記載されているが、４つのみに限定されるわけではなく、光変調導波路全体にわたって、繰り返し多数のｐ型半導体領域が配置される。
【００８５】
なお、本実施形態では、導波路構造として、ハイメサ導波路構造を用いているが、これに限定されず、リッジ導波路構造を用いても良い。
【００８６】
このｐ型半導体領域５５−２ａ〜５５−２ｄは、例えば、ｎ−ＩｎＰクラッド層５２からｎ−ＩｎＰクラッド層５５−１までの層を成長させた後に、ｐ型半導体領域５５−２ａ〜５５−２ｄに相当する部分をエッチングで取り除いて、ｐ型ＩｎＰ半導体領域を再成長させることで形成できる。また、ｎ−ＩｎＰクラッド層５５−１の一部にイオン注入法でＢｅアクセプタを導入することによっても形成できる。ただし、ｐ型半導体領域５５−２ａ〜５５−２ｄは、半導体コア層５３にまで突き抜けないようにすることが望ましい。このｐ型半導体領域の、光進行方向の長さとしては、例えば５０μｍ以下とすることができる。また、ｐ型半導体領域同士の間隔は、例えば、２００μｍ以下とすることができる。
【００８７】
ｎ−ＩｎＰクラッド層５５−１とｎ−ＩｎＰクラッド層５２の上には、それぞれ金属電極である電極５６と電極５７ａ、５７ｂが配置される。電極５７ａ、５７ｂに対して電極５６を負の極性として、半導体コア層５３に電圧を印加する。電極５６は、ｎ−ＩｎＰクラッド層５５−１とｐ型半導体領域５５−２ａ〜５５−２ｄの両方に、共通の電気的な接触を取る。
【００８８】
本実施形態では、半導体コア層５３での光吸収にて発生したホールの、バリア層である半絶縁型クラッド層５４への影響を軽減するために、上記ホールがｐ型半導体領域５５−２ａ〜５５−２ｄを介して電極５６へと流れ込むようにしている。このように、上記ホールが電極５６へと流れ込むので、半絶縁型クラッド層５４にホールが蓄積しなくなる、または蓄積を軽減することができる。よって、半絶縁型クラッド層５４への蓄積を防止する、ないしは軽減することができるので、半絶縁型クラッド層５４のポテンシャルバリアを維持することができる、ないしはポテンシャルバリアの低下を低減することができる。
【００８９】
本実施形態では、電極５６が、半導体コア層に電圧を印加することによって電気信号を印加する手段として機能することに加えて、ホールを吸い取る手段として機能する。このとき、電極５６がホールを吸い取るように機能するためには、半絶縁型クラッド層５４と電極５６との間にホールが通過する経路が必要であり、ｐ型半導体領域５５−２ａ〜５５−２ｄがその経路として機能するのである。すなわち、電極５６とｐ型半導体領域５５−２ａ〜５５−２ｄとにより、半絶縁型クラッド層５４にあるホールは、半絶縁型クラッド層５４の外部へと移動するので、ホールのバリア層としての半導体クラッド層（半絶縁型クラッド層５４）への影響を軽減することができる。
【００９０】
なお、ｐ型半導体領域を、半絶縁型クラッド層５４から電極５６に向かうホールの経路（半絶縁型クラッド層５４からホールを取り出すための経路）として機能させるために、ｐ型半導体領域５５−２ａ〜５５−２ｄと電極５６とを接触させることが好ましい。また、図９では、ｐ型半導体領域５５−２ａ〜５５−２ｄは、半絶縁型クラッド層５４の一部にも形成されているが、これに限らない。すなわち、本実施形態では、半絶縁型クラッド層５４内のホールを電極５６へと流すことが重要であり、ｐ型半導体領域５５−２ａ〜５５−２ｄを上述のホールの経路として機能させることが重要なのである。よって、半絶縁型クラッド層５４の一部にまでｐ型半導体領域を形成せずに、ｐ型半導体領域を半絶縁型クラッド層５４に接するように形成しても良い。また、ｐ型半導体領域５５−２ａ〜５５−２ｄが上述のホールの経路として適切に機能するのであれば、ｐ型半導体領域は、半絶縁型クラッド層５４に接していなくても良い。
【００９１】
また、本実施形態では、電気信号を印加するための電極と、ホールを吸い取るための電極とを共通にしている。すなわち、電極５６が、電気信号を印加するための機能と、ホールを吸い取るための機能とを有しているが、このように電極を共通にすることによって、装置を簡略化でき、また製造プロセスも簡略化できるので好ましい。しかしながら、これに限定されず、電気信号を印加するための電極と、ホールを吸い取るための電極とを別個に設けるようにしても良い。例えば、ｎ−ＩｎＰクラッド層５５−１の、電極５６が形成されていない側面に、ホールを吸い取るための電極を設けるようにしても良い。
【００９２】
上に述べた構造の光導波路を光変調導波路として使用して、以下に述べるように光変調器を動作させる。図９に示したメサ構造の断面（端面）に対して垂直方向に光を入射させ、光変調導波路に光を伝搬させる。この状態で、電極５６に電気信号を入力し、ｎ−ＩｎＰクラッド層５２とｎ−ＩｎＰクラッド層５５−１間に電気信号電圧を印加する。半絶縁型クラッド層５４内にドープされたＦｅ原子は、深い凖位でのアクセプタとして働く。このため、図１２でも説明したように、価電子バンドのエネルギーを持ち上げ、電子に対するポテンシャルバリアとして働く。このポテンシャルバリアにより、ｎ−ＩｎＰクラッド層５５−１からの電子注入が抑制される。よって、電極５７ａ、５７ｂから流れ込むリーク電流の発生が少ない状態で、半導体コア層５３に電気信号電圧を印加して、電気光学効果に基づく光位相の変調を行うことができる。
【００９３】
次に、本実施形態に特有の効果を示すｐ型半導体領域５５−２ａ〜５５−２ｄの動作を説明する。ｎ−ＩｎＰクラッド層５５−１と共通に電気的に接続されたｐ型半導体領域５５−２ａ〜５５−２ｄは、以下の様な作用を持つ。すなわち、従来の光変調導波路構造においては、図１２において述べた様に、半導体コア層５３の光吸収によって蓄積したホールが原因で、寄生フォトトランジスタ効果が発生してしまう。しかし、本実施形態に特徴的な部分であるｐ型半導体領域５５−２ａ〜５５−２ｄによって、バリア層である半絶縁型クラッド層５４からｐ型半導体領域５５−２ａ〜５５−２ｄへ、ホールが流れこみ、バリア層である半絶縁型クラッド層５４におけるホールの蓄積を抑制することができる。したがって、前述した寄生フォトトランジスタ効果は抑制され、光変調器の変調特性の変動を抑えることができる。
【００９４】
なお、本実施形態では、ｐ型半導体領域を複数配置しているが、これに限定されず、ｐ型半導体領域を１つだけ配置するようにしても良い。本実施形態では、絶縁型クラッド層（半導体クラッド層）から電極へとホールが流れるための経路を確立することが重要であるので、上記経路が確立できれば、ｐ型半導体領域の数は本質ではないのである。すなわち、本実施形態では、ｐ型半導体領域を少なくとも１つ配置すれば良いのである。
【００９５】
しかしながら、図９のように、ｐ型半導体領域を複数配置すると、ｎ−ＩｎＰクラッド層５５−１における、ｐ型半導体領域５５−２ａ〜５５−２ｄが形成されていない領域について、あるｐ型半導体領域から遠い領域にあるホールは、上記あるｐ型半導体領域の隣のｐ型半導体領域から吸い上げられるので、光変調導波路部全体に亘って均一にホールを吸い上げることができる。よって、ｐ型半導体領域を複数配置することは好ましい形態である。
【００９６】
（第５の実施形態）  
図１０は、本実施形態に係る半導体マッハツェンダ変調器の概観図である。マッハツェンダ変調器は、２本のｎ−ｉ−ｎ構造の光導波路を有している。２本の光導波路の一部は、それぞれ、位相変調導波路６２ａ、６２ｂを含んでおり、この位相変調導波路６２ａ、６２ｂに図９に示した構造の半導体光変調路が使用されている。位相変調導波路６２ａ、６２ｂは、それぞれ２ヶ所で光合分波器６５ａ、６５ｂと接続されている。光合分波器６５ａは、さらに入力導波路６１に接続され、もう一つの光合分波器６５ｂは、さらに出力導波路６３に接続される。入力導波路６１へは入力光が入力され、出力導波路６３からは、出力光が出力される。
【００９７】
上記のような構成のマッハツェンダ干渉計によって、光の強度変調が可能になる。すなわち、入力導波路６１の一つから入射した入力光は、光合分波器６５ａによって、２本の位相変調導波路６２ａ、６２ｂへ分けられる。それぞれの位相変調導波路６２ａ、６２ｂにおいて位相変調を行った後、再び光合分波器６５ｂにより合成される。コプレーナ導波路から入力される電気信号によって、位相変調導波路６２ａ、６２ｂの屈折率を変動させて、導波路中の光信号の位相が変調される。位相変調導波路６２ａ、６２ｂで、位相変調されたそれぞれの信号光は、光合分波器６５ｂで干渉・合成されて、出力導波路６３の一つから強度変調された出力光として出力される。高速で光変調を行うために、変調信号である高周波電界を印加する電極には、コプレーナ導波路６４の構造が採用されている。
【００９８】
上で述べた位相変調導波路６２ａ、６２ｂには、第４の実施形態で説明した本発明に特徴的なｐ型半導体領域を持ったｎ−ｉ−ｎ構造の光変調導波路が使用されている。本実施形態による半導体位相変調導波路６２ａ、６２ｂにおいては、光導波路の一部にｐ型半導体領域を備えることによって、バリア層である半絶縁型クラッド層にホールが蓄積しない、もしくはホールの蓄積が軽減される。したがって、寄生フォトトランジスタ効果は発生しない、もしくは発生を抑制でき、リーク電流の発生や、光導波コア層にかかる電圧の低下を抑えることが可能となる。この結果、光変調器に入力される光の波長や光強度によって、変調特性が変動してしまう問題点を改善し、変調器の安定動作を実現することができる。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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