(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波方向に順に配列された第１、第２及び第３の領域を含む第１の光導波路と、
光導波方向に順に配列された第４、第５及び第６の領域を含む第２の光導波路と、
前記第１及び第２の光導波路の一端に結合されており、入射光を前記第１及び第２の光導波路それぞれに分波する入射側分波器と、
前記第１及び第２の光導波路の他端に結合されており、前記第１及び第２の光導波路それぞれを伝搬した光を合波する出射側合波器と、
前記第１の光導波路の前記第２の領域上に設けられた第１の電極と、
前記第２の光導波路の前記第５の領域上に設けられた第２の電極と、
を備え、
前記第１の光導波路の前記第１、第２及び第３の領域、前記第２の光導波路の前記第４、第５及び第６の領域、前記入射側分波器、並びに前記出射側合波器は、
半導体基板上に設けられておりｎ型半導体からなる第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に設けられておりアンドープ半導体からなるコア層と、
を有し、
前記第１の光導波路の前記第２の領域及び前記第２の光導波路の前記第５の領域は、
前記コア層上に設けられておりｐ型半導体又は半絶縁半導体からなる中間半導体層と、
前記中間半導体層上に設けられておりｎ型半導体からなる第２のクラッド層と、
を有し、
前記第１の光導波路の前記第１及び第３の領域、前記第２の光導波路の前記第４及び第６の領域、前記入射側分波器、並びに前記出射側合波器は、前記コア層上に設けられた第３のクラッド層を有し、
前記第１の光導波路の前記第１及び第３の領域、前記第２の光導波路の前記第４及び第６の領域、前記入射側分波器、並びに前記出射側合波器の前記第３のクラッド層のうちの少なくとも一つの第３のクラッド層は、
前記コア層上に配置された第１のクラッド領域と、
前記第１のクラッド領域上に配置された第２のクラッド領域と、
を含み、
前記第２のクラッド領域は半絶縁半導体からなり、
前記第１のクラッド領域はアンドープ半導体又はｎ型半導体からなり、
前記第２のクラッド領域は、前記第２のクラッド領域が含まれる前記第１の導波路の前記第１及び第３の領域、前記第２の導波路の前記第４及び第６の領域、前記入射側分波器、並びに前記出射側合波器の全体にわたっている、
ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
光導波方向に順に配列された第１、第２及び第３の領域を含む第１の光導波路と、
光導波方向に順に配列された第４、第５及び第６の領域を含む第２の光導波路と、
前記第１及び第２の光導波路の一端に結合されており、入射光を前記第１及び第２の光導波路それぞれに分波する入射側分波器と、
前記第１及び第２の光導波路の他端に結合されており、前記第１及び第２の光導波路それぞれを伝搬した光を合波する出射側合波器と、
前記第１の光導波路の前記第２の領域上に設けられた第１の電極と、
前記第２の光導波路の前記第５の領域上に設けられた第２の電極と、
を備え、
前記第１の光導波路の前記第１、第２及び第３の領域、前記第２の光導波路の前記第４、第５及び第６の領域、前記入射側分波器、並びに前記出射側合波器は、
半導体基板上に設けられておりｎ型半導体からなる第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に設けられておりアンドープ半導体からなるコア層と、
を有し、
前記第１の光導波路の前記第２の領域及び前記第２の光導波路の前記第５の領域は、
前記コア層上に設けられておりｐ型半導体又は半絶縁半導体からなる中間半導体層と、
前記中間半導体層上に設けられておりｎ型半導体からなる第２のクラッド層と、
を有し、
前記第１の光導波路の前記第１及び第３の領域、前記第２の光導波路の前記第４及び第６の領域、前記入射側分波器、並びに前記出射側合波器は、前記コア層上に設けられた第３のクラッド層を有し、
前記第１の光導波路の前記第１及び第３の領域、前記第２の光導波路の前記第４及び第６の領域、前記入射側分波器、並びに前記出射側合波器の前記第３のクラッド層のうちの少なくとも一つの第３のクラッド層は、
前記コア層上に配置された第１のクラッド領域と、
前記第１のクラッド領域上に配置された第２のクラッド領域と、
を含み、
前記第２のクラッド領域は半絶縁半導体からなり、
前記第１の光導波路の前記第１及び第３の領域、前記第２の光導波路の前記第４及び第６の領域、前記入射側分波器、並びに前記出射側合波器の前記第３のクラッド層のうちの一部の第３のクラッド層は、前記光導波方向に配列された複数の半導体領域からなり、
前記複数の半導体領域のうちの一部の半導体領域は、半絶縁半導体からなり、
前記複数の半導体領域のうちの他の半導体領域は、アンドープ半導体又はｎ型半導体からなり、
前記第１の光導波路の前記第１及び第３の領域、前記第２の光導波路の前記第４及び第６の領域、前記入射側分波器、並びに前記出射側合波器の前記第３のクラッド層のうち他の第３のクラッド層は、アンドープ半導体又はｎ型半導体からなる、
ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項３】
光導波方向に順に配列された第１、第２及び第３の領域を含む第１の光導波路と、
光導波方向に順に配列された第４、第５及び第６の領域を含む第２の光導波路と、
前記第１及び第２の光導波路の一端に結合されており、入射光を前記第１及び第２の光導波路それぞれに分波する入射側分波器と、
前記第１及び第２の光導波路の他端に結合されており、前記第１及び第２の光導波路それぞれを伝搬した光を合波する出射側合波器と、
前記第１の光導波路の前記第２の領域上に設けられた第１の電極と、
前記第２の光導波路の前記第５の領域上に設けられた第２の電極と、
を備え、
前記第１の光導波路の前記第１、第２及び第３の領域、前記第２の光導波路の前記第４、第５及び第６の領域、前記入射側分波器、並びに前記出射側合波器は、
半導体基板上に設けられておりｎ型半導体からなる第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に設けられておりアンドープ半導体からなるコア層と、
を有し、
前記第１の光導波路の前記第２の領域及び前記第２の光導波路の前記第５の領域は、
前記コア層上に設けられておりｐ型半導体又は半絶縁半導体からなる中間半導体層と、
前記中間半導体層上に設けられておりｎ型半導体からなる第２のクラッド層と、
を有し、
前記第１の光導波路の前記第１及び第３の領域、前記第２の光導波路の前記第４及び第６の領域、前記入射側分波器、並びに前記出射側合波器は、前記コア層上に設けられた第３のクラッド層を有し、
前記第１の光導波路の前記第１及び第３の領域、前記第２の光導波路の前記第４及び第６の領域、前記入射側分波器、並びに前記出射側合波器の前記第３のクラッド層のうちの少なくとも一つの第３のクラッド層は、
前記コア層上に配置された第１のクラッド領域と、
前記第１のクラッド領域上に配置された第２のクラッド領域と、
を含み、
前記第２のクラッド領域は半絶縁半導体からなり、
前記第１の光導波路の前記第１及び第３の領域、前記第２の光導波路の前記第４及び第６の領域、前記入射側分波器、並びに前記出射側合波器の前記第３のクラッド層のうちの一部の第３のクラッド層は、前記光導波方向に配列された複数の半導体領域からなり、
前記複数の半導体領域のうちの一部の半導体領域は、前記第１のクラッド領域と前記第２のクラッド領域とを含み、
前記第１のクラッド領域はアンドープ半導体又はｎ型半導体からなり、
前記複数の半導体領域のうちの他の半導体領域は、アンドープ半導体又はｎ型半導体からなり、
前記第１の光導波路の前記第１及び第３の領域、前記第２の光導波路の前記第４及び第６の領域、前記入射側分波器、並びに前記出射側合波器の前記第３のクラッド層のうちの他の第３のクラッド層は、アンドープ半導体又はｎ型半導体からなる、
ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項４】
前記半絶縁半導体は、遷移金属元素がドープされたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であり、
前記遷移金属元素は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ及びＣｏのうちの何れかであり、
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ及びＡｌＩｎＡｓのうちの何れかである、
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の半導体光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、導波路型干渉計が記載されている。この導波型光干渉計は、基板と、基板上に設けられたガラス製若しくはプラスチック製の２本の光導波路と、互いに異なる位置でこれらの光導波路同士を結合する２つの光結合部と、これらの光結合部間に位置する光導波路に設けられ、光導波路の光路長を変化させる光位相シフト部とを備えている。光位相シフト部は、光導波路上に設けられたヒータからなり、光導波路の温度を制御して光導波路の光路長を変化させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−１８３４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、外部から付与された電気信号に応じて光を変調する光変調器が、光通信システムや光情報処理システムを構成する上での必須のコンポーネントの一つとなっており、その需要が急増している。特に、上記の技術のように、２本の光導波路を用いるマッハツェンダー型の光変調器は、４０Ｇｂｐｓ超といった極めて高速な変調が可能であることに加え、動作条件を適宜調整することにより、波長のチャープ量を正から負に至る広範な範囲で任意に設定でき、個々の伝送毎に最適なチャープ量を選択できることから、今後の超高速かつ大容量通信のための変調器として有望である。特に、半導体によって構成されるマッハツェンダー型光変調素子は、小型かつ低消費電力であり、レーザダイオードといった他の半導体光素子とのモノリシック集積による多機能化も可能であることから、今後大きな需要が見込まれている。
【０００５】
このようなマッハツェンダー型光変調素子としては、所謂ｎｐｉｎ型のものが知られている。ｎｐｉｎ型のマッハツェンダー型光変調素子は、２つのｎ型半導体のクラッド層によってアンドープ半導体のコア層（ｉ層）を挟み、更に、このコア層と一方のクラッド層との間に薄いｐ型半導体の層を挿入して形成される光導波路を備える。図１３及び図１４は、このようなｎｐｉｎ型のマッハツェンダー型光変調素子の一例を示す図である。
【０００６】
図１３に示されるように、このマッハツェンダー型光変調素子１００は、２本の光導波路１１０，１２０、入射側分波器１３０、出射側合波器１４０及び上部電極１５０，１６０を備えている。これらは、共通のｎ型半導体基板１０１（図１４（ａ），（ｂ）参照）上に形成されている。光導波路１１０，１２０の各々は、光導波方向に順に配列された光導波領域１１１，１２１、位相制御領域１１２，１２２及び光導波領域１１３，１２３からなる。位相制御領域１１２，１２２は、上部電極１５０，１６０がそれぞれ設けられた領域であって、信号電圧が印加される領域である。このような光導波路１１０，１２０の各々は、一端が入射側分波器１３０に結合されており、他端が出射側合波器１４０に結合されている。
【０００７】
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）を参照すると、マッハツェンダー型光変調素子１００は、ｎ型下部クラッド層１０３と、コア層１０４ａ，１０４ｂと、ｐ型半導体層１０５ａ，１０５ｂと、ｎ型上部クラッド層１０６ａ，１０６ｂとを有する。コア層１０４ａは、ｎ型下部クラッド層１０３とｎ型上部クラッド層１０６ａとの間に設けられており、ｐ型半導体層１０５ａは、コア層１０４ａとｎ型上部クラッド層１０６ａとの間に設けられている。コア層１０４ｂは、ｎ型下部クラッド層１０３とｎ型上部クラッド層１０６ｂとの間に設けられており、ｐ型半導体層１０５ｂは、コア層１０４ｂとｎ型上部クラッド層１０６ｂとの間に設けられている。ｎ型上部クラッド層１０６ａは上部電極１５０と接触しており、ｎ型クラッド層１０６ｂは上部電極１６０と接触している。ｎ型半導体基板１０１の裏面には、下部電極１７０が設けられている。
【０００８】
また、ｎ型下部クラッド層１０３の一部と、コア層１０４ａと、ｐ型半導体層１０５ａと、ｎ型上部クラッド層１０６ａとは、一つのメサ構造１０７ａを成しており、光導波路１１０を構成する。同様に、ｎ型下部クラッド層１０３の別の一部と、コア層１０４ｂと、ｐ型半導体層１０５ｂと、ｎ型上部クラッド層１０６ｂとは、別の一つのメサ構造１０７ｂを成しており、光導波路１２０を構成する。メサ構造１０７ａ，１０７ｂの側面は、ＢＣＢやポリイミドといった誘電体樹脂層１０８によって埋め込まれている。
【０００９】
このマッハツェンダー型光変調素子１００では、上部電極１５０，１６０と下部電極１７０との間に逆バイアス電圧を印加してコア層１０４ａ，１０４ｂに電界を発生させ、この電界により誘起される電気光学効果やＱＣＳＥ（量子閉じ込めシュタルク効果）を利用してコア層１０４ａ，１０４ｂの屈折率を変化させることで、コア層１０４ａ，１０４ｂを導波する光の位相を変化させる。
【００１０】
このようなｎｐｉｎ型のマッハツェンダー型光変調素子１００では、ｎ型上部クラッド層１０６ａ，１０６ｂが、上部電極１５０，１６０と接触する半導体層として、光導波路１１０，１２０、入射側分波器１３０及び出射側合波器１４０にわたって連続して形成される。ｎ型の半導体層は、電極とのコンタクト抵抗が低く、移動度の大きい電子が電気伝導の主体となるので、電子に対する電気抵抗が非常に小さい。このため、ｎｐｉｎ型のマッハツェンダー型光変調素子１００では、例えば、上部電極１５０と下部電極１７０との間に逆バイアス電圧を印加した際に、光導波路１１０の位相制御領域１１２のｎ型上部クラッド層１０６ａから、光導波領域１１１のｎ型上部クラッド層１０６ａ及び入射側分波器１３０のｎ型上部クラッド層を伝って、他方の光導派路１２０へリーク電流が流れてしまい、電気的なクロストークが生じてしまう。このようなクロストークは、マッハツェンダー型光変調素子１００の素子特性を劣化させる場合がある。
【００１１】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、素子特性の劣化を抑制可能な半導体光素子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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明による半導体光素子は、光導波方向に順に配列された第１、第２及び第３の領域を含む第１の光導波路と、光導波方向に順に配列された第４、第５及び第６の領域を含む第２の光導波路と、第１及び第２の光導波路の一端に結合されており、入射光を第１及び第２の光導波路それぞれに分波する入射側分波器と、第１及び第２の光導波路の他端に結合されており、第１及び第２の光導波路それぞれを伝搬した光を合波する出射側合波器と、第１の光導波路の第２の領域上に設けられた第１の電極と、第２の光導波路の第５の領域上に設けられた第２の電極と、を備え、第１の光導波路の第１、第２及び第３の領域、第２の光導波路の第４、第５及び第６の領域、入射側分波器、並びに出射側合波器は、半導体基板上に設けられておりｎ型半導体からなる第１のクラッド層と、第１のクラッド層上に設けられておりアンドープ半導体からなるコア層と、を有し、第１の光導波路の第２の領域及び第２の光導波路の第５の領域は、コア層上に設けられておりｐ型半導体又は半絶縁半導体からなる中間半導体層と、中間半導体層上に設けられておりｎ型半導体からなる第２のクラッド層と、を有し、第１の光導波路の第１及び第３の領域、第２の光導波路の第４及び第６の領域、入射側分波器、並びに出射側合波器は、コア層上に設けられた第３のクラッド層を有し、第１の光導波路の第１及び第３の領域、第２の光導波路の第４及び第６の領域、入射側分波器、並びに出射側合波器の第３のクラッド層のうちの少なくとも一つの第３のクラッド層は、コア層上に配置された第１のクラッド領域と、第１のクラッド領域上に配置された第２のクラッド領域と、を含み、第２のクラッド領域は半絶縁半導体からなる、ことを特徴とする。
【００１３】
この半導体光素子は、第１の光導波路の第１及び第３の領域、第２の光導波路の第４及び第６の領域、入射側分波器、並びに出射側合波器の第３のクラッド層のうちの少なくとも一つの第３のクラッド層が、半絶縁半導体からなる領域を含んでいる。半絶縁半導体からなる領域を含む第３のクラッド層は、電子に対する電気抵抗が比較的大きくなる。これにより、第１及び第２の電極を用いて第１の光導波路の第２の領域及び第２の光導波路の第５の領域に逆バイアス電圧を印加する際の、一方の光導波路から他方の光導波路へ流れるリーク電流が低減される。その結果、電気的なクロストークの発生を抑え、当該素子の素子特性の劣化を抑制することができる。
【００１４】
また、この半導体光素子では、第１の光導波路の第１及び第３の領域、第２の光導波路の第４及び第６の領域、入射側分波器、並びに出射側合波器の第３のクラッド層は、第１のクラッド領域と第２のクラッド領域とを含み、第１のクラッド領域は半絶縁半導体からなる、ことを特徴としてもよい。この場合、第１の光導波路の第１及び第３の領域、第２の光導波路の第４及び第６の領域、入射側分波器、並びに出射側合波器が有する全ての第３のクラッド層の各々が半絶縁半導体からなる領域を含むこととなるので、第３のクラッド層の電子に対する電気抵抗を一層大きくすることができる。このため、リーク電流を確実に低減できる。
【００１５】
また、この半導体光素子では、第１の光導波路の第１及び第３の領域、第２の光導波路の第４及び第６の領域、入射側分波器、並びに出射側合波器の第３のクラッド層は、第１のクラッド領域と第２のクラッド領域とを含み、第１のクラッド領域はアンドープ半導体又はｎ型半導体からなる、ことを特徴としてもよい。この場合、第１の光導波路の第１及び第３の領域、第２の光導波路の第４及び第６の領域、入射側分波器、並びに出射側合波器の第３のクラッド層の各々において、第２のクラッド領域が半絶縁半導体で構成されているので、リーク電流を低減できる。さらに、導波光が強く分布する領域である第１のクラッド領域が、光吸収が比較的小さいアンドープ半導体又はｎ型半導体で構成されているので、光の伝搬損を低減できる。
【００１６】
また、この半導体光素子では、第１の光導波路の第１及び第３の領域、第２の光導波路の第４及び第６の領域、入射側分波器、並びに出射側合波器の第３のクラッド層のうちの一部の第３のクラッド層は、光導波方向に配列された複数の半導体領域からなり、複数の半導体領域のうちの一部の半導体領域は、半絶縁半導体からなり、複数の半導体領域のうちの他の半導体領域は、アンドープ半導体又はｎ型半導体からなり、第１の光導波路の第１及び第３の領域、第２の光導波路の第４及び第６の領域、入射側分波器、並びに出射側合波器の第３クラッド層のうち他の第３のクラッド層は、アンドープ半導体又はｎ型半導体からなる、ことを特徴としてもよい。この場合、第１の光導波路の第１及び第３の領域、第２の光導波路の第４及び第６の領域、入射側分波器、並びに出射側合波器の第３のクラッド層のうちの一部の第３のクラッド層の、さらに一部の領域が半絶縁半導体で構成され、残部がアンドープ半導体又はｎ型半導体で構成されている。このため、リーク電流を低減できると共に導波光の伝搬損を一層低減できる。
【００１７】
また、この半導体光素子では、第１の光導波路の第１及び第３の領域、第２の光導波路の第４及び第６の領域、入射側分波器、並びに出射側合波器の第３のクラッド層のうちの一部の第３のクラッド層は、光導波方向に配列された複数の半導体領域からなり、複数の半導体領域のうちの一部の半導体領域は、第１のクラッド領域と第２のクラッド領域とを含み、第１のクラッド領域はアンドープ半導体又はｎ型半導体からなり、複数の半導体領域のうちの他の半導体領域は、アンドープ半導体又はｎ型半導体からなり、第１の光導波路の第１及び第３の領域、第２の光導波路の第４及び第６の領域、入射側分波器、並びに出射側合波器の第３のクラッド層のうちの他の第３のクラッド層は、アンドープ半導体又はｎ型半導体からなる、ことを特徴としてもよい。この場合、第１の光導波路の第１及び第３の領域、第２の光導波路の第４及び第６の領域、入射側分波器、並びに出射側合波器の第３のクラッド層のうちの一部の第３のクラッド層の、さらに一部の領域において、第２のクラッド領域のみが半絶縁半導体で構成され、導波光が強く分布する側の領域である第１のクラッド領域が光吸収が比較的小さいアンドープ半導体又はｎ型半導体で構成しされている。このため、リーク電流を低減できると共に、導波光の伝搬損を一層確実に低減できる。
【００１８】
さらに、この半導体光素子では、半絶縁半導体は、遷移金属元素がドープされたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であり、遷移金属元素は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ及びＣｏのうちの何れかであり、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ及びＡｌＩｎＡｓのうちの何れかである、ことを特徴としてもよい。この場合、半絶縁半導体を含む領域を、周知の結晶成長装置を用いて容易に形成することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、素子特性の劣化を抑制可能な半導体光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明による半導体光素子の第１実施形態として、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの構成を示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示したマッハツェンダー型光変調素子１ＡのＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示す図である。
【図３】図３は、図１に示したマッハツェンダー型光変調素子１ＡのＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面を示す図である。
【図４】図４は、図１に示したマッハツェンダー型光変調素子１ＡのＩＶ−ＩＶ線に沿った断面を示す図である。
【図５】図５は、図１に示したマッハツェンダー型光変調素子１Ａの主要な製造工程を示す図である。
【図６】図６は、図１に示したマッハツェンダー型光変調素子１Ａの主要な製造工程を示す図である。
【図７】図７は、図１に示したマッハツェンダー型光変調素子１Ａの主要な製造工程を示す図である。
【図８】図８は、本発明による半導体光素子の第２実施形態として、マッハツェンダー型光変調素子１Ｂの構成を示す平面図である。
【図９】図９（ａ）は図８に示したマッハツェンダー型光変調素子１ＢのＩＸａ−ＩＸａ線に沿った断面を示す図であり、図９（ｂ）は図８に示したマッハツェンダー型光変調素子１ＢのＩＸｂ−ＩＸｂ線に沿った断面を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明による半導体光素子の第３実施形態として、マッハツェンダー型光変調素子１Ｃの構成を示す平面図である。
【図１１】図１１（ａ）は図１０に示したマッハツェンダー型光変調素子１ＣのＸＩａ−ＸＩａ線に沿った断面を示す図であり、図１１（ｂ）は図１０に示したマッハツェンダー型光変調素子１ＣのＸＩｂ−ＸＩｂ線に沿った断面を示す図である。
【図１２】図１０に示したマッハツェンダー型光変調素子１Ｃの変形例のＸＩａ−ＸＩａ線に沿った断面を示す図である。
【図１３】図１３は、マッハツェンダー型光変調素子の一例として、ｎｐｉｎ型のマッハツェンダー型光変調素子１００の構成を示す平面図である。
【図１４】図１４（ａ）は図１３に示したマッハツェンダー型光変調素子１００のＸａ−Ｘａ線に沿った断面を示す図であり、図１４（ｂ）は図１３に示したマッハツェンダー型光変調素子１００のＸｂ−Ｘｂ線に沿った断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体光素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２２】
（第１実施形態）
以下では、本発明に係る半導体光素子の一実施形態として、マッハツェンダー型光変調素子について説明する。図１を参照すると、本実施形態のマッハツェンダー型光変調素子１Ａは、２本の光導波路１０，２０と、入射側分波器３０と、出射側合波器４０と、２つの上部電極５０，６０と、を備えている。光導波路１０，２０、入射側分波器３０及び出射側合波器４０は、図２に示された共通のｎ型半導体基板２の主面２ａ上に形成されている。ｎ型半導体基板２としては、例えばｎ型ＩｎＰ基板が好適である。マッハツェンダー型光変調素子１Ａは、ｎ型半導体基板２の裏面２ｂ上に形成された下部電極７０を更に備えている（図２〜４参照）。
【００２３】
光導波路１０は本実施形態における第１の光導波路であり、光導波路２０は本実施形態における第２の光導波路である。光導波路１０，２０は、入射側分波器３０と出射側合波器４０との間に延設されており、その一端は入射側分波器３０に結合され、他端は出射側合波器４０に結合されている。また、光導波路１０，２０は、その延在方向に交差する方向に並んで配置されている。
【００２４】
光導波路１０は、光導波領域１１、位相制御領域１２及び光導波領域１３を含む。光導波領域１１、位相制御領域１２及び光導波領域１３は、光導波方向（すなわち光導波路１０の延在方向）にこの順で配列されている。光導波領域１１は本実施形態における第１の領域であり、位相制御領域１２は本実施形態における第２の領域であり、光導波領域１３は本実施形態における第３の領域である。
【００２５】
光導波路２０は、光導波領域２１、位相制御領域２２及び光導波領域２３を含む。光導波領域２１、位相制御領域２２及び光導波領域２３は、光導波方向（すなわち光導波路２０の延在方向）にこの順で配列されている。光導波領域２１は本実施形態における第４の領域であり、位相制御領域２２は本実施形態における第５の領域であり、光導波領域２３は本実施形態における第６の領域である。
【００２６】
入射側分波器３０は、外部からマッハツェンダー型光変調素子１Ａに入射した入射光Ｌ１を、光導波路１０，２０それぞれに分波する。出射側合波器４０は、光導波路１０，２０それぞれを伝搬した光を合波する。入射側分波器３０及び出射側合波器４０は、例えばＭＭＩカプラによって好適に構成される。
【００２７】
上部電極５０は位相制御領域１２上に形成されており、上部電極６０は位相制御領域２２上に形成されている。
【００２８】
図２を参照して、位相制御領域１２及び位相制御領域２２について説明する。位相制御領域１２は、下部クラッド層４ａと、コア層５ａと、中間半導体層６ａと、上部クラッド層７ａと、を有している。下部クラッド層４ａ、コア層５ａ、中間半導体層６ａ及び上部クラッド層７ａは、１つのメサ構造８ａを成している。位相制御領域２２は、下部クラッド層４ｂと、コア層５ｂと、中間半導体層６ｂと、上部クラッド層７ｂと、を有している。下部クラッド層４ｂ、コア層５ｂ、中間半導体層６ｂ及び上部クラッド層７ｂは、１つのメサ構造８ｂを成している。これらのメサ構造８ａ，８ｂの両側面は、ＢＣＢやポリイミドといった誘電体樹脂層９により埋め込まれている。すなわち、誘電体樹脂層９は、メサ構造８ａ，８ｂの高さと等しい厚さでもって、メサ構造８ａ，８ｂが設けられていないｎ型半導体基板２の主面２ａ上の領域に設けられている。
【００２９】
ｎ型半導体基板２の主面２ａ上には、下部クラッド層４が設けられている。下部クラッド層４ａ，４ｂは、この下部クラッド層４と一体に構成されている。下部クラッド層４，４ａ，４ｂは、本実施形態における第１のクラッド層である。下部クラッド層４，４ａ，４ｂは、ｎ型半導体からなる。ｎ型半導体としては、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ及びＡｌＩｎＡｓ等を例示することができる。コア層５ａは下部クラッド層４ａ上に設けられており、コア層５ｂは下部クラッド層４ｂ上に設けられている。コア層５ａ，５ｂは、アンドープ半導体からなる。アンドープ半導体としては、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ及びＧａＩｎＡｓ等を例示することができる。コア層５ａ，５ｂは、単一の層（バルク層）からなってもよく、井戸層を該井戸層よりバンドギャップが大きいバリア層によって挟み込んだ量子井戸構造を有していてもよい。
【００３０】
中間半導体層６ａはコア層５ａ上に設けられており、中間半導体層６ｂはコア層５ｂ上に設けられている。中間半導体層６ａ，６ｂは、ｐ型半導体からなる。ｐ型半導体としては、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ及びＧａＩｎＡｓ等を例示することができる。上部クラッド層７ａは中間半導体層６ａ上に設けられており、上部クラッド層７ｂは中間半導体層６ｂ上に設けられている。上部クラッド層７ａ及び７ｂは、本実施形態における第２のクラッド層である。上部クラッド層７ａは上部電極５０に接触しており、上部クラッド層７ｂは上部電極６０に接触している。上部クラッド層７ａ，７ｂは、ｎ型半導体からなる。
【００３１】
続いて、図３を参照して、光導波領域１１及び光導波領域２１について説明する。光導波領域１１は、下部クラッド層１４ａと、コア層１５ａと、中間半導体層１６ａと、上部クラッド層１７ａと、を有している。下部クラッド層１４ａ、コア層１５ａ、中間半導体層１６ａ及び上部クラッド層１７ａは、１つのメサ構造１８ａを成している。光導波領域２１は、下部クラッド層１４ｂと、コア層１５ｂと、中間半導体層１６ｂと、上部クラッド層１７ｂと、を有している。下部クラッド層１４ｂ、コア層１５ｂ、中間半導体層１６ｂ及び上部クラッド層１７ｂは、１つのメサ構造１８ｂを成している。これらのメサ構造１８ａ，１８ｂの両側面は、誘電体樹脂層９により埋め込まれている。
【００３２】
ｎ型半導体基板２の主面２ａ上には、下部クラッド層１４が設けられている。下部クラッド層１４ａ，１４ｂは、この下部クラッド層１４と一体に構成されている。下部クラッド層１４，１４ａ，１４ｂは、本実施形態における第１のクラッド層である。下部クラッド層１４ａは下部クラッド層４ａと一体に構成されてもよく、下部クラッド層１４ｂは下部クラッド層４ｂと一体に構成されてもよい。下部クラッド層１４，１４ａ，１４ｂは、ｎ型半導体からなる。コア層１５ａは下部クラッド層１４ａ上に設けられており、コア層１５ｂは下部クラッド層１４ｂ上に設けられている。コア層１５ａはコア層５ａと一体に構成されてもよく、コア層１５ｂはコア層５ｂと一体に構成されてもよい。コア層１５ａ，１５ｂは、アンドープ半導体からなる。コア層１５ａ，１５ｂは、単一の層（バルク層）からなってもよく、井戸層を該井戸層よりバンドギャップが大きいバリア層によって挟み込んだ量子井戸構造を有していてもよい。
【００３３】
中間半導体層１６ａはコア層１５ａ上に設けられており、中間半導体層１６ｂはコア層１５ｂ上に設けられている。中間半導体層１６ａは中間半導体層６ａと一体に構成されてもよく、中間半導体層１６ｂは中間半導体層６ｂと一体に構成されてもよい。中間半導体層１６ａ及び１６ｂは、ｐ型半導体からなる。
【００３４】
上部クラッド層１７ａはコア層１５ａ上に設けられている。本実施形態では、上部クラッド層１７ａは、特に、中間半導体層１６ａ上に配置されている。上部クラッド層１７ａは、本実施形態における第３のクラッド層である。上部クラッド層１７ａは、第１のクラッド領域２９ａと第２のクラッド領域３１ａとを含む。第１のクラッド領域２９ａは、コア層１５ａ上に配置されている。本実施形態では、第１のクラッド領域２９ａは、特に、中間半導体層１６ａ上に配置されている。第２のクラッド領域３１ａは、第１のクラッド領域２９ａ上に配置されている。第１のクラッド領域２９ａ及び第２のクラッド領域３１ａは、半絶縁半導体からなる。つまり、上部クラッド層１７ａは、半絶縁半導体からなる。
【００３５】
半絶縁半導体は、電子に対して高い電気抵抗を示すものであり、その抵抗値は、抵抗率として例えば１０５Ωｃｍ以上であることが好ましい。このような半絶縁半導体は、例えば電子トラップ準位を形成可能な遷移金属元素がドープされたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とすることができる。この場合、遷移金属元素をドープすることにより生じた多数の電子トラップが、自由電子を捕獲するため、自由電子の流れが阻害される。その結果、電子に対して高抵抗化した半絶縁半導体が得られる。このような半絶縁半導体は、周知の結晶成長装置を用いて、遷移金属元素を添加しながら結晶を成長させる方法が確立されている。このため、半絶縁半導体を含む領域を周知の結晶成長装置を用いて容易に形成することができる。なお、例えば結晶成長後にイオン注入や熱拡散といった手法を用いて、遷移金属元素を結晶中に拡散させることにより、半絶縁半導体を得ることもできる。遷移金属元素としては、例えばＦｅ、Ｔｉ、Ｃｒ及びＣｏ等が好適であり、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としては、例えばＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ及びＡｌＩｎＡｓ等が好適である。
【００３６】
上部クラッド層１７ｂはコア層１５ｂ上に設けられている。本実施形態では、上部クラッド層１７ｂは、特に、中間半導体層１６ｂ上に配置されている。上部クラッド層１７ｂは、本実施形態における第３のクラッド層である。上部クラッド層１７ｂは、第１のクラッド領域２９ｂと第２のクラッド領域３１ｂとを含む。第１のクラッド領域２９ｂは、コア層１５ｂ上に配置されている。本実施形態では、第１のクラッド領域２９ｂは、特に、中間半導体層１６ｂ上に配置されている。第２のクラッド領域３１ｂは、第１のクラッド領域２９ｂ上に配置されている。第１のクラッド領域２９ｂ及び第２のクラッド領域３１ｂは、半絶縁半導体からなる。つまり、上部クラッド層１７ｂは、半絶縁半導体からなる。なお、光導波領域１３及び光導波領域２３は、光導波領域１１及び光導波領域２１とそれぞれ同様の構成を有する。
【００３７】
続いて、図４を参照して、入射側分波器３０について説明する。入射側分波器３０は、下部クラッド層２４ａと、コア層２５ａと、中間半導体層２６ａと、上部クラッド層２７ａと、を有している。下部クラッド層２４ａ、コア層２５ａ、中間半導体層２６ａ及び上部クラッド層２７ａは、１つのメサ構造２８ａを成している。このメサ構造２８ａの両側面は、誘電体樹脂層９により埋め込まれている。
【００３８】
ｎ型半導体基板２の主面２ａ上には、下部クラッド層２４が設けられている。下部クラッド層２４ａは、この下部クラッド層２４と一体に構成されている。下部クラッド層２４，２４ａは、本実施形態における第１のクラッド層である。下部クラッド層２４ａは、下部クラッド層１４ａ，１４ｂと一体に構成されてもよい。下部クラッド層２４，２４ａは、ｎ型半導体からなる。コア層２５ａは、下部クラッド層２４ａ上に設けられている。コア層２５ａはコア層１５ａ，１５ｂと一体に構成されてもよい。コア層２５ａは、アンドープ半導体からなる。コア層２５ａは、単一の層（バルク層）からなってもよく、井戸層を該井戸層よりバンドギャップが大きいバリア層によって挟み込んだ量子井戸構造を有していてもよい。
【００３９】
中間半導体層２６ａはコア層２５ａ上に設けられている。中間半導体層２６ａは中間半導体層１６ａ，１６ｂと一体に構成されてもよい。中間半導体層２６ａは、ｐ型半導体からなる。上部クラッド層２７ａは、コア層２５ａ上に設けられている。本実施形態においては、上部クラッド層２７ａは、特に、中間半導体層２６ａ上に設けられている。上部クラッド層２７ａは、本実施形態における第３のクラッド層である。上部クラッド層２７ａは、上部クラッド層１７ａ，１７ｂと一体に構成されてもよい。上部クラッド層２７ａは、第１のクラッド領域３９ａと第２のクラッド領域４１ａとを含む。第１のクラッド領域３９ａは、コア層２５ａ上に配置されている。本実施形態では、第１のクラッド領域３９ａは、特に、中間半導体層２６ａ上に配置されている。第２のクラッド領域４１ａは、第１のクラッド領域３９ａ上に配置されている。第１のクラッド領域３９ａ及び第２のクラッド領域４１ａは、半絶縁半導体からなる。つまり、上部クラッド層２７ａは、半絶縁半導体からなる。なお、出射側合波器４０は、入射側分波器３０と同様の構成を有する。
【００４０】
次に、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの動作について説明する。マッハツェンダー型光変調素子１Ａの外部から入射光Ｌ１（図１を参照）が入射側分波器３０のコア層２５ａに入射されると、この入射光Ｌ１は、光導波路１０の光導波領域１１及び光導波路２０の光導波領域２１のそれぞれへ分波される。その後、分波された光は、光導波路１０の位相制御領域１２及び光導波領域１３、並びに光導波路２０の位相制御領域２２及び光導波領域２３それぞれを経て、出射側合波器４０に達する。そして、これらの光は、出射側合波器４０のコア層２５ａにおいて互いに合波され、出射光Ｌ２としてマッハツェンダー型光変調素子１Ａの外部へ出射される。
【００４１】
ここで、上部電極５０，６０の一方又は双方と下部電極７０との間に逆バイアス電圧を印加し、光導波路１０の位相制御領域１２のコア層５ａ及び光導波路２０の位相制御領域２２のコア層５ｂの一方又は双方に電界を発生させる。これにより、電気光学効果やＱＣＳＥ（量子閉じ込めシュタル効果）によって当該コア層５ａ及びコア層５ｂの一方又は双方の屈折率が変化し、光導波路１０，２０それぞれを導波する光に位相差が生じる。その結果、出射側合波器４０では、これらの光の位相差による干渉が生じ、強度変調された出射光Ｌ２が生成される。
【００４２】
次に、本実施形態によるマッハツェンダー型光変調素子１Ａが奏する効果について説明する。マッハツェンダー型光変調素子１Ａにおいては、光導波路１０の光導波領域１１の上部クラッド層１７ａ、光導波路１０の光導波領域１３の上部クラッド層、光導波路２０の光導波領域２１の上部クラッド層１７ｂ、光導波路２０の光導波領域２３の上部クラッド層、入射側分波器３０の上部クラッド層２７ａ、及び出射側合波器４０の上部クラッド層が、それぞれ半絶縁半導体からなる。このため、これら上部クラッド層は、ｎ型半導体からなる層に比べて、電子に対する電気抵抗が大きい。したがって、上部電極５０及び６０と下部電極７０とを用いて、位相制御領域１２及び位相制御領域２２に逆バイアス電圧を印加した際に、一方の光導波路から他方の光導波路へ、各上部クラッド層を伝って電流が流れることが抑制される（リーク電流が低減される）。よって、電気的なクロストークの発生が抑えられ、光変調特性（素子特性）の劣化が抑制される。
【００４３】
次に、図５〜７を参照して、マッハツェンダー型光変調素子１Ａを作製する方法の一例について説明する。まず、図５（ａ）に示されるように、ｎ型ＩｎＰといったｎ型半導体基板２を用意し、その主面２ａ上に、ｎ型半導体からなる下部クラッド層３４、アンドープ半導体からなるコア層３５、ｐ型半導体からなる中間半導体層３６及びｎ型半導体からなる上部クラッド層３７を順に成長させる。これらの各層は、例えばＯＭＶＰＥやＭＢＥ等の結晶成長法を用いて好適に成長される。また、ｎ型半導体からなる各層を成長させる際には、例えばＳｉやＳｅといったｎ型ドーパントを添加し、ｐ型半導体からなる層を成長させる際には、例えばＺｎといったｐ型ドーパントを添加する。そして、上部クラッド層３７の表面上に、マスク３８を形成する。このマスク３８は、位相制御領域１２，２２の上部クラッド層７ａ，７ｂとなる領域上に形成される。マスク３８の材料としては、例えばＳｉＯ２やＳｉＮ等の誘電体材料が好適である。
【００４４】
続いて、図５（ｂ）に示されるように、マスク３８を用いて上部クラッド層３７をエッチングする。このエッチングにより、上部クラッド層３７のマスク３８で覆われていない部分が除去されて、中間半導体層３６の表面の一部が露出する。また、上部クラッド層３７がエッチングされることにより新たな上部クラッド層３７ａが形成される。エッチング方法としては、例えばドライエッチングが好適である。
【００４５】
続いて、図５（ｃ）に示されるように、マスク３８を選択成長マスクとして用いて、中間半導体層３６の表面上に上部クラッド層４７を成長させる。上部クラッド層４７は、半絶縁半導体からなる。上部クラッド層４７の成長の際には、ＦｅやＴｉといった遷移金属元素を添加する。
【００４６】
続いて、マスク３８を除去した後に、図６（ａ）に示されるように、上部クラッド層３７ａ，４７の表面上にマスク４８を形成する。マスク４８は、光導波路１０，２０、入射側分波器３０及び出射側合波器４０の外形を規定する。マスク４８のうち、位相制御領域１２，２２を規定する部分４８ａは、上部クラッド層３７ａの表面上に配置されており、光導波領域１１，１３，２１，２３、入射側分波器３０、及び出射側合波器４０を規定する部分４８ｂは、上部クラッド層４７の表面上に配置されている。マスク４８の材料としては、例えばＳｉＯ２やＳｉＮ等の誘電体材料が好適である。
【００４７】
続いて、マスク４８を用いて上部クラッド層３７ａ，４７、中間クラッド層３６、コア層３５及び下部クラッド層３４をエッチングする。このときのエッチング深さは、下部クラッド層３４の一部が残存するように設定する。エッチングにより形成されるメサ構造部とその周辺部との屈折率差を大きくして、メサ構造部へ導波光を充分に閉じ込める必要があるため、少なくとも下部クラッド層３４の一部に達するまでエッチングすることが好ましい。また、メサ構造部への光閉じ込めを更に強める必要がある場合は、更にｎ型半導体基板２の一部領域に達するまでエッチングしても良い。このエッチングにより、図６（ｂ）に示されるように、光導波路１０，２０、入射側分波器３０及び出射側合波器４０が形成される。
【００４８】
続いて、図６（ｃ）に示されるように、光導波路１０，２０の全面、入射側分波器３０の入射端面３０ａ以外の面及び出射側合波器４０の出射端面４０ａ以外の面を覆うように、ＢＣＢやポリイミド等からなる誘電体樹脂層Ｍを、ｎ型半導体基板２の主面２ａ上に形成する。
【００４９】
続いて、例えばドライエッチングにより誘電体樹脂層Ｍの一部を除去し、光導波路１０，２０、入射側分波器３０及び出射側合波器４０の各上部クラッド層の表面を露出させる。このようにして、誘電体樹脂層９が形成される。そして、図７に示されるように、位相制御領域１２，２２上に上部電極５０及び上部電極６０をそれぞれ形成する。その後、ｎ型半導体基板２を裏面から研磨して所定の厚さ（例えば１００μｍ程度）まで薄くし、ｎ型半導体基板２の裏面２ｂに下部電極７０を形成する。上部電極５０，６０及び下部電極７０は、例えば蒸着やスパッタといった方法により形成することができる。以上のようにして、マッハツェンダー型光変調素子１Ａが作製される。
【００５０】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る半導体光素子の第２実施形態として、別のマッハツェンダー型光変調素子について説明する。図８を参照すると、本実施形態のマッハツェンダー型光変調素子１Ｂは、２本の光導波路１０Ｂ，２０Ｂと、入射側分波器３０Ｂと、出射側合波器４０Ｂと、２つの上部電極５０，６０と、を備えている。光導波路１０Ｂ，２０Ｂ、入射側分波器３０Ｂ及び出射側合波器４０Ｂは、図９に示された共通のｎ型半導体基板２の主面２ａ上に形成されている。マッハツェンダー型光変調素子１Ｂは、ｎ型半導体基板２の裏面２ｂ上に形成された下部電極７０を更に備えている（図９参照）。
【００５１】
光導波路１０Ｂは本実施形態における第１の光導波路であり、光導波路２０Ｂは本実施形態における第２の光導波路である。光導波路１０Ｂ，２０Ｂは、入射側分波器３０Ｂと出射側合波器４０Ｂとの間に延設されており、その一端は入射側分波器３０Ｂに結合され、他端は出射側合波器４０Ｂに結合されている。また、光導波路１０Ｂ，２０Ｂは、その延在方向に交差する方向に並んで配置されている。
【００５２】
光導波路１０Ｂは、光導波領域１１Ｂ、位相制御領域１２Ｂ及び光導波領域１３Ｂを含む。光導波領域１１Ｂ、位相制御領域１２Ｂ及び光導波領域１３Ｂは、光導波方向（すなわち光導波路１０Ｂの延在方向）にこの順で配列されている。光導波領域１１Ｂは本実施形態における第１の領域であり、位相制御領域１２Ｂは本実施形態における第２の領域であり、光導波領域１３Ｂは本実施形態における第３の領域である。
【００５３】
光導波路２０Ｂは、光導波領域２１Ｂ、位相制御領域２２Ｂ及び光導波領域２３Ｂを含む。光導波領域２１Ｂ、位相制御領域２２Ｂ及び光導波領域２３Ｂは、光導波方向（すなわち光導波路２０Ｂの延在方向）にこの順で配列されている。光導波領域２１Ｂは本実施形態における第４の領域であり、位相制御領域２２Ｂは本実施形態における第５の領域であり、光導波領域２３Ｂは本実施形態における第６の領域である。
【００５４】
入射側分波器３０Ｂは、外部からマッハツェンダー型光変調素子１Ｂに入射した入射光Ｌ１を、光導波路１０Ｂ，２０Ｂそれぞれに分波する。出射側合波器４０Ｂは、光導波路１０Ｂ，２０Ｂそれぞれを伝搬した光を合波する。入射側分波器３０Ｂ及び出射側合波器４０Ｂは、例えばＭＭＩカプラによって好適に構成される。
【００５５】
上部電極５０は位相制御領域１２Ｂ上に形成されており、上部電極６０は位相制御領域２２Ｂ上に形成されている。
【００５６】
図９を参照して、光導波領域１１Ｂ，２１Ｂ及び入射側分波器３０Ｂについて説明する。なお、位相制御領域１２Ｂは図２に示された光導波路１０の位相制御領域１２と同様の構成を有しており、位相制御領域２２Ｂは図２に示された光導波路２０の位相制御領域２２と同様の構成を有している。
【００５７】
図９（ａ）を参照すると、光導波領域１１Ｂは、図３に示された光導波路１０の光導波領域１１に対して、上部クラッド層１７ａに換えて上部クラッド層５７ａを有する点で異なっている。また、光導波領域２１Ｂは、図３に示された光導波路２０の光導波領域２１に対して、上部クラッド層１７ｂに換えて上部クラッド層５７ｂを有する点で異なっている。上部クラッド層５７ａ及び５７ｂは、本実施形態における第３のクラッド層である。
【００５８】
上部クラッド層５７ａは、第１のクラッド領域４９ａと第２のクラッド領域５１ａとを含む。第１のクラッド領域４９ａは、コア層１５ａ上に配置されている。本実施形態では、第１のクラッド領域４９ａは、特に、中間半導体層１６ａ上に配置されている。第２のクラッド領域５１ａは、第１のクラッド領域４９ａ上に配置されている。第１のクラッド領域４９ａはアンドープ半導体からなり、第２のクラッド領域５１ａは半絶縁半導体からなる。つまり、上部クラッド層５７ａは、コア層１５ａ側に位置しており中間半導体層１６ａとの界面Ｓ１を含む領域がアンドープ半導体からなり、上部クラッド層５７ａにおける該界面Ｓ１と反対側の面Ｓ２を含む領域が半絶縁半導体からなる。
【００５９】
上部クラッド層５７ｂは、第１のクラッド領域４９ｂと第２のクラッド領域５１ｂとを含む。第１のクラッド領域４９ｂは、コア層１５ｂ上に配置されている。本実施形態では、第１のクラッド領域４９ｂは、特に、中間半導体層１６ｂ上に配置されている。第２のクラッド領域５１ｂは、第１のクラッド領域４９ｂ上に配置されている。第１のクラッド領域４９ｂはアンドープ半導体からなり、第２のクラッド領域５１ｂは半絶縁半導体からなる。つまり、上部クラッド層５７ｂは、コア層１５ｂ側に位置しており中間半導体層１６ｂとの界面Ｓ３を含む領域がアンドープ半導体からなり、上部クラッド層５７ｂにおける該界面Ｓ３と反対側の面Ｓ４を含む領域が半絶縁半導体からなる。なお、光導波領域１３Ｂ及び光導波領域２３Ｂは、光導波領域１１Ｂ及び光導波領域２１Ｂとそれぞれ同様の構成を有している。
【００６０】
図９（ｂ）を参照すると、入射側分波器３０Ｂは、図４に示された入射側分波器３０に対して、上部クラッド層２７ａに換えて上部クラッド層６７ａを有する点で異なっている。上部クラッド層６７ａは、本実施形態における第３のクラッド層である。上部クラッド層６７ａは、第１のクラッド領域５９ａと第２のクラッド領域６１ａとを含む。第１のクラッド領域５９ａは、コア層２５ａ上に配置されている。本実施形態では、第１のクラッド領域５９ａは、特に、中間半導体層２６ａ上に配置されている。第２のクラッド領域６１ａは、第１のクラッド領域５９ａ上に配置されている。第１のクラッド領域５９ａはアンドープ半導体からなり、第２のクラッド領域６１ａは半絶縁半導体からなる。つまり、上部クラッド層６７ａは、コア層２５ａ側に位置しており中間半導体層２６ａとの界面Ｓ５を含む領域がアンドープ半導体からなり、上部クラッド層６７ａにおける該界面Ｓ５と反対側の面Ｓ６を含む領域が半絶縁半導体からなる。なお、第１のクラッド領域５９ａは、第１のクラッド領域４９ａ及び第１のクラッド領域４９ｂと一体に構成されてもよい。また、第２のクラッド領域６１ａは、第２のクラッド領域５１ａ及び第２のクラッド領域５１ｂと一体に構成されてもよい。また、出射側合波器４０Ｂは、入射側分波器３０Ｂと同様の構成を有している。
【００６１】
マッハツェンダー型光変調素子１Ｂの動作については、マッハツェンダー型光変調素子１Ａと同様である。
【００６２】
次に、本実施形態によるマッハツェンダー型光変調素子１Ｂが奏する効果について説明する。本実施形態のマッハツェンダー型光変調素子１Ｂにおいては、光導波領域１１Ｂの上部クラッド層５７ａの第２のクラッド領域５１ａ、光導波領域１３Ｂの上部クラッド層の第２のクラッド領域、光導波領域２１Ｂの上部クラッド層５７ｂの第２のクラッド領域５１ｂ、光導波領域２３Ｂの上部クラッド層の第２のクラッド領域、入射側分波器３０Ｂの上部クラッド層６７ａの第２のクラッド領域６１ａ、及び出射側合波器４０Ｂの上部クラッド層の第２のクラッド領域が、半絶縁半導体で構成されている。このため、光導波路１０Ｂと光導波路２０Ｂとの間のリーク電流が低減される。一方、本実施形態のマッハツェンダー型光変調素子１Ｂにおいては、光導波領域１１Ｂの上部クラッド層５７ａの第１のクラッド領域４９ａ、光導波領域１３Ｂの上部クラッド層の第１のクラッド領域、光導波領域２１Ｂの上部クラッド層５７ｂの第１のクラッド領域４９ｂ、光導波領域２３Ｂの上部クラッド層の第１のクラッド領域、入射側分波器３０Ｂの上部クラッド層６７ａの第１のクラッド領域５９ａ、及び出射側合波器４０Ｂの上部クラッド層の第１のクラッド領域は、アンドープ半導体で構成されている。アンドープ半導体は上記遷移金属を添加した半絶縁性半導体に比べて、光吸収が有意に小さい。このため光導波領域１１Ｂ、１３Ｂ、２１Ｂ、２３Ｂ、入射側分波器３０Ｂ、及び出射側合波器４０Ｂにおける、上部クラッド層の第１、第２のクラッド領域を全て半絶縁半導体で形成する場合に比べて、光導波路１０Ｂ及び光導波路２０Ｂを伝搬する光の伝搬損が低減される。
【００６３】
なお、上記実施形態では、アンドープ半導体からなる各領域を、ｎ型半導体からなるものとしてもよい。ｎ型半導体もアンドープ半導体と同様に、半絶縁性半導体に対し、光吸収が有意に小さい。従ってこの場合にも、光導波領域１１Ｂ、１３Ｂ、２１Ｂ、２３Ｂ、入射側分波器３０Ｂ、及び出射側合波器４０Ｂにおける、上部クラッド層の第１、第２のクラッド領域を全て半絶縁半導体で形成する場合に比べて、光導波路１０Ｂ及び光導波路２０Ｂを伝搬する光の伝搬損を低減できる。
【００６４】
（第３実施形態）
次に、本発明に係る半導体光素子の第３実施形態として、別のマッハツェンダー型光変調素子について説明する。図１０を参照すると、本実施形態のマッハツェンダー型光変調素子１Ｃは、２本の光導波路１０Ｃ，２０Ｃと、入射側分波器３０Ｃと、出射側合波器４０Ｃと、２つの上部電極５０，６０と、を備えている。光導波路１０Ｃ，２０Ｃ、入射側分波器３０Ｃ及び出射側合波器４０Ｃは、図１１に示された共通のｎ型半導体基板２の主面２ａ上に形成されている。マッハツェンダー型光変調素子１Ｃは、ｎ型半導体基板２の裏面２ｂ上に形成された下部電極７０を更に備えている（図１１参照）。
【００６５】
光導波路１０Ｃは本実施形態における第１の光導波路であり、光導波路２０Ｃは本実施形態における第２の光導波路である。光導波路１０Ｃ，２０Ｃは、入射側分波器３０Ｃと出射側合波器４０Ｃとの間に延設されており、その一端は入射側分波器３０Ｃに結合され、他端は出射側合波器４０Ｃに結合されている。また、光導波路１０Ｃ，２０Ｃは、その延在方向に交差する方向に並んで配置されている。
【００６６】
光導波路１０Ｃは、光導波領域１１Ｃ、位相制御領域１２Ｃ及び光導波領域１３Ｃを含む。光導波領域１１Ｃ、位相制御領域１２Ｃ及び光導波領域１３Ｃは、光導波方向（すなわち光導波路１０Ｃの延在方向）にこの順で配列されている。光導波領域１１Ｃは本実施形態における第１の領域であり、位相制御領域１２Ｃは本実施形態における第２の領域であり、光導波領域１３Ｃは本実施形態における第３の領域である。
【００６７】
光導波路２０Ｃは、光導波領域２１Ｃ、位相制御領域２２Ｃ及び光導波領域２３Ｃを含む。光導波領域２１Ｃ、位相制御領域２２Ｃ及び光導波領域２３Ｃは、光導波方向（すなわち光導波路２０Ｃの延在方向）にこの順で配列されている。光導波領域２１Ｃは本実施形態における第４の領域であり、位相制御領域２２Ｃは本実施形態における第５の領域であり、光導波領域２３Ｃは本実施形態における第６の領域である。
【００６８】
入射側分波器３０Ｃは、外部からマッハツェンダー型光変調素子１Ｃに入射した入射光Ｌ１を、光導波路１０Ｃ，２０Ｃそれぞれに分波する。出射側合波器４０Ｃは、光導波路１０Ｃ，２０Ｃそれぞれを伝搬した光を合波する。入射側分波器３０Ｃ及び出射側合波器４０Ｃは、例えばＭＭＩカプラによって好適に構成される。
【００６９】
上部電極５０は位相制御領域１２Ｃ上に形成されており、上部電極６０は位相制御領域２２Ｃ上に形成されている
【００７０】
続いて、光導波領域１１Ｃ，２１Ｃについて説明する。なお、位相制御領域１２Ｃは図２に示された光導波路１０の位相制御領域１２と同様の構成を有しており、位相制御領域２２Ｃは図２に示された光導波路２０の位相制御領域２２と同様の構成を有している。
【００７１】
光導波領域１１Ｃは、第１の部分１１１、第２の部分１１２及び第３の部分１１３からなる。第１の部分１１１、第２の部分１１２及び第３の部分１１３は、光導波方向に順に配列されている。光導波領域１１Ｃが光導波方向に順に配列された複数の（３つの）部分からなることに伴って、光導波領域１１Ｃの上部クラッド層１９（図１１参照）も、光導波方向に順に配列された複数の半導体領域からなる。本実施形態では、上部クラッド層１９は、第１の部分１１１に対応する第１の半導体領域、第２の部分１１２に対応する第２の半導体領域９２及び第３の部分１１３に対応する第３の半導体領域９３からなる。なお、上部クラッド層１９は、本実施形態における第３のクラッド層である。
【００７２】
図１１（ａ）を参照すると、第２の部分１１２は、図３に示された光導波路１０の光導波領域１１に対して、上部クラッド層１７ａに換えて第２の半導体領域９２を有している点で異なっている。第２の半導体領域９２は、第１のクラッド領域６９ａと第２のクラッド領域７１ａとを含む。第１のクラッド領域６９ａは、コア層１５ａ上に配置されている。本実施形態では、第１のクラッド領域６９ａは、特に、中間半導体層１６ａ上に配置されている。第２のクラッド領域７１ａは、第１のクラッド領域６９ａ上に配置されている。第１のクラッド領域６９ａ及び第２のクラッド領域７１ａは、半絶縁半導体からなる。つまり、第２の半導体領域９２は、半絶縁半導体からなる。
【００７３】
図１１（ｂ）を参照すると、第３の部分１１３は、図３に示された光導波路１０の光導波領域１１に対して、上部クラッド層１７ａに換えて第３の半導体領域９３を有する点で異なっている。第３の半導体領域９３は、第１のクラッド領域７９ａと第２のクラッド領域８１ａとを含む。第１のクラッド領域７９ａは、コア層１５ａ上に配置されている。本実施形態では、第１のクラッド領域７９ａは、特に、中間半導体層１６ａ上に配置されている。第２のクラッド領域８１ａは、第１のクラッド領域７９ａ上に配置されている。第１のクラッド領域７９ａ及び第２のクラッド領域８１ａは、アンドープ半導体からなる。つまり、第３の半導体領域９３は、アンドープ半導体からなる。なお、第１の部分１１１は、第３の部分１１３と同様の構成を有している。
【００７４】
一方、光導波領域２１Ｃは、図３に示された光導波路２０の光導波領域２１に対して、上部クラッド層１７ｂに換えて上部クラッド層７７ｂを有する点で異なっている。上部クラッド層７７ｂは、本実施形態における第３のクラッド層である。上部クラッド層７７ｂは、第１のクラッド領域６９ｂと第２のクラッド領域７１ｂとを含む。第１のクラッド領域６９ｂは、コア層１５ｂ上に配置されている。本実施形態では、第１のクラッド領域６９ｂは、特に、中間半導体層１６ｂ上に配置されている。第２のクラッド領域７１ｂは、第１のクラッド領域６９ｂ上に配置されている。第１のクラッド領域６９ｂ及び第２のクラッド領域７１ｂは、アンドープ半導体からなる。つまり、上部クラッド層７７ｂは、アンドープ半導体からなる。なお、光導波領域２３Ｃは、この光導波領域２１Ｃと同様の構成を有する。
【００７５】
また、光導波領域１３Ｃは、図３に示された光導波領域１１に対して、上部クラッド層１７ａに換えてアンドープ半導体からなる上部クラッド層を有する点で異なっている。この上部クラッド層は、本実施形態における第３のクラッド層である。
【００７６】
また、入射側分波器３０Ｃは、図４に示された入射側分波器３０に対して、半絶縁半導体からなる上部クラッド層２７ａに換えてアンドープ半導体からなる上部クラッド層を有する点で異なっている。この上部クラッド層は、本実施形態における第３のクラッド層である。また、出射側合波器４０Ｃは、入射側分波器３０Ｃと同様の構成を有する。
【００７７】
マッハツェンダー型光変調素子１Ｃの動作については、マッハツェンダー型光変調素子１Ａと同様である。
【００７８】
次に、本実施形態によるマッハツェンダー型光変調素子１Ｃが奏する効果について説明する。マッハツェンダー光変調素子１Ｃにおいては、光導波領域１１Ｃの上部クラッド層１９、光導波領域１３Ｃの上部クラッド層、光導波領域２１Ｃの上部クラッド層７７ｂ、光導波領域２３Ｃの上部クラッド層、入射側分波器３０Ｃの上部クラッド層、及び出射側合波器４０Ｃの上部クラッド層のうち、光導波領域１１Ｃの上部クラッド層１９が、光導波方向に順に配列された第１の半導体領域、第２の半導体領域９２及び第３の半導体領域９３からなる。そして、これらの半導体領域のうちの第２の半導体領域９２のみが半絶縁半導体からなり、他の半導体領域と、光導波領域１１Ｃの上部クラッド層１９以外の上部クラッド層と、は半絶縁性半導体に比べて光吸収が有意に小さいアンドープ半導体からなる。このため、リーク電流が低減されると共に、光導波領域１１Ｃ、１３Ｃ、２１Ｃ、２３Ｃ、入射側分波器３０Ｃ、及び出射側合波器４０Ｃの上部クラッド層全体を半絶縁半導体で形成する場合に比べて、導波光の伝搬損が確実に低減される。
【００７９】
なお、上記の第２の半導体領域９２は、図１２に示す態様とすることができる。すなわち、この態様では、第２の半導体領域９２は、第１のクラッド領域８２ａと第２のクラッド領域８３ａとを含む。第１のクラッド領域８２ａは、コア層１５ａ上に配置されている。本実施形態では、第１のクラッド領域８２ａは、特に、中間半導体層１６ａ上に配置されている。第２のクラッド領域８３ａは、第１のクラッド領域８２ａ上に配置されている。第１のクラッド領域８２ａはアンドープ半導体からなり、第２のクラッド領域８３ａは半絶縁半導体からなる。つまり、図１２に示された態様の第２の半導体領域９２は、コア層１５ａ側に位置しており中間半導体層１６ａとの界面Ｓ７を含む領域がアンドープ半導体からなり、第２の半導体領域９２における該界面Ｓ７と反対側の面Ｓ８を含む領域が半絶縁半導体からなる。この場合、導波光の伝搬損が一層確実に低減される。
【００８０】
ここで、本実施形態においては、光導波領域１１Ｃの上部クラッド層１９が複数（３つ）の半導体領域からなり、そのうちの第２の半導体領域９２が半絶縁半導体からなる領域を含むものとしたが、これに限らない。光導波領域１１Ｃの上部クラッド層１９、光導波領域１３Ｃの上部クラッド層、光導波領域２１Ｃの上部クラッド層７７ｂ、光導波領域２３Ｃの上部クラッド層、入射側分波器３０Ｃの上部クラッド層、及び出射側合波器４０Ｃの上部クラッド層のうちの一部の上部クラッド層を、光導波方向に順に配列された複数の半導体領域からなるものとし、この複数の半導体領域のうちの一部の半導体領域が半絶縁半導体からなる領域を有するものであればよい。
【００８１】
さらに、本実施形態においてアンドープ半導体からなるとした各層及び各領域は、ｎ型半導体からなるものとすることができる。ｎ型半導体もアンドープ半導体と同様に、半絶縁性半導体に対し、光吸収が有意に小さい。従ってこの場合にも、光導波領域１１Ｃ、１３Ｃ、２１Ｃ、２３Ｃ、入射側分波器３０Ｃ、及び出射側合波器４０Ｃの上部クラッド層全体を半絶縁半導体で形成する場合に比べて、導波光の伝搬損が確実に低減される。
【００８２】
以上説明した第１〜３実施形態に係るマッハツェンダー型光変調素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃにおいては、中間半導体層をｐ形半導体以外の半導体からなるものとすることができる。例えば、位相制御領域においては、中間半導体層を半絶縁半導体からなるものとすることができるし、光導波領域、入射側分波器及び出射側合波器においては、中間半導体層を半絶縁半導体やｎ型半導体やアンドープ半導体からなるものとすることができる。この場合、ｐ型半導体に起因する導波光や電気信号の伝搬ロスを低減することができる。
【００８３】
また、以上説明した第１〜３実施形態に係るマッハツェンダー型光変調素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃにおいては、光導波領域、入射側分波器、及び出射側合波器のコア層にアンドープ半導体を用いた場合を示したが、これに限定されず、例えばこれらの領域の少なくとも一部の領域において、半絶縁性半導体でコア層が形成されていても良い。半絶縁性半導体には、例えば上記遷移金属ドープで高抵抗化した各半導体材料を使用できる。この場合、上部クラッド層に加えて、コア層も高抵抗化されるため、上記マッハツェンダー型光変調素子の光導波路間の電気的クロストークをより効果的に低減できる。
【００８４】
なお、第１〜３実施形態に係るマッハツェンダー型光変調素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃにおいては、各光導波領域の上部クラッド層、並びに各入射側分波器及び出射側合波器の上部クラッド層のうちの少なくとも一部の上部クラッド層が、コア層上に配置された第１のクラッド領域と、該第１のクラッド領域上に配置されており半絶縁半導体からなる第２のクラッド領域と、を含むものであればよい。
【００８５】
また、第１〜３実施形態に係るマッハツェンダー型光変調素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃにおいて、入射側分波器や出射側合波器としてＭＭＩカプラを例示したが、入射側分波器及び出射側合波器は、Ｙ分岐や方向性結合器等であってもよい。
【００８６】
また、上記の実施形態においては、遷移金属元素がドーピングされたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を半絶縁半導体の一例として挙げたが、半絶縁半導体はこれに限定されない。半絶縁半導体は、例えばプロトン注入により高抵抗化された半導体としてもよいし、アンドープ半導体を低温成長することにより高抵抗化された半導体としてもよい。
【００８７】
また、第１〜３実施形態に係るマッハツェンダー型光変調素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃにおいては、位相制御領域のメサ構造８ａ，８ｂと光導波領域のメサ構造１８ａ，１８ｂとのメサ幅をそれぞれ互いに略同一とし、位相制御領域のコア層５ａ，５ｂと光導波領域のコア層１５ａ，１５ｂとがそれぞれ互いに略同一の厚さと屈折率を有し、さらに、ｎ型半導体、ｐ型半導体、アンドープ半導体及び半絶縁半導体の屈折率を互いに略同一とすることが好ましい。この場合、位相制御領域と光導波領域との実効屈折率を概ね同等とすることができるので、位相制御領域と光導波領域との界面において導波光の乱反射が抑制される。その結果、当該素子の劣化を回避することができる。
【００８８】
また、第１〜３実施形態に係るマッハツェンダー型光変調素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃにおいては、各光導波路をハイメサ型導波構造としたが、これに限らず、例えばリッジ構造、埋め込みヘテロストラクチャー構造等といった導波構造とすることができる。
【００８９】
さらに、上記の各実施形態においては、本発明に係る半導体光素子の一例としてマッハツェンダー型光変調素子について説明したが、本発明の構成は、例えばレーザーアレー素子や集積光スイッチ等の、複数の光導波路が集積されたものに対して好適に適用可能である。この場合にも、上記実施形態と同様に、各光導波路間における電気的なクロストークの発生を抑制することができ、素子特性の劣化を抑制することができる。
【符号の説明】
【００９０】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…マッハツェンダー型光変調素子、１０，１０Ｂ，１０Ｃ，２０，２０Ｂ，２０Ｃ…光導波路、３０，３０Ｂ，３０Ｃ…入射側分波器、４０，４０Ｂ，４０Ｃ…出射側合波器、５０，６０…上部電極、１１，１１Ｂ，１１Ｃ，１３，１３Ｂ，１３Ｃ，２１，２１Ｂ，２１Ｃ，２３，２３Ｂ，２３Ｃ…光導波領域、１２，１２Ｂ，１２Ｃ，２２，２２Ｂ，２２Ｃ…位相制御領域、２…ｎ型半導体基板、４，４ａ，４ｂ，１４，１４ａ，１４ｂ，２４，３４…下部クラッド層、５ａ，５ｂ，１５ａ，１５ｂ，２５ａ，３５…コア層、６ａ，６ｂ，１６ａ，１６ｂ，２６ａ，３６…中間半導体層、７ａ，７ｂ，１７ａ，１７ｂ，１９，２７ａ，３７，３７ａ，４７，５７ａ，５７ｂ，６７ａ，７７ｂ…上部クラッド層、２９ａ，２９ｂ，３９ａ，４９ａ，４９ｂ，５９ａ，６９ａ，６９ｂ，７９ａ，８２ａ…第１のクラッド領域、３１ａ，３１ｂ，４１ａ，５１ａ，５１ｂ，６１ａ，７１ａ，７１ｂ，８３ａ…第２のクラッド領域、９２…第２の半導体領域、９３…第３の半導体領域。
【図１】
0005515927.tif 000002
【図２】
0005515927.tif 000003
【図３】
0005515927.tif 000004
【図４】
0005515927.tif 000005
【図５】
0005515927.tif 000006
【図６】
0005515927.tif 000007
【図７】
0005515927.tif 000008
【図８】
0005515927.tif 000009
【図９】
0005515927.tif 000010
【図１０】
0005515927.tif 000011
【図１１】
0005515927.tif 000012
【図１２】
0005515927.tif 000013
【図１３】
0005515927.tif 000014
【図１４】
0005515927.tif 000015