(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のクラッド層と、
前記第一のクラッド層の上部に形成されたメサ状のコア層と、
前記コア層の上部にメサ状に形成され、前記コア層のメサ幅よりもメサ幅が狭い第二のクラッド層と、
を備える二段メサ型光導波路を有し、
前記二段メサ型光導波路は、
電界を印加または電流を注入する第一の多モード光導波路領域と、
前記第一の多モード光導波路領域から離間して設けられ、電界を印加または電流を注入する第二の多モード光導波路領域と、
前記第一の多モード光導波路領域の一端に接続し、電界を印加せず、かつ、電流を注入しない第一の単一モード光導波路領域と、
前記第一の多モード光導波路領域の他端に接続し、電界を印加せず、かつ、電流を注入しない第二の単一モード光導波路領域と、
前記第二の多モード光導波路領域の一端に接続し、電界を印加せず、かつ、電流を注入しない第三の単一モード光導波路領域と、
前記第二の多モード光導波路領域の他端に接続し、電界を印加せず、かつ、電流を注入しない第四の単一モード光導波路領域と、
を含み、
前記第一の単一モード光導波路領域及び前記第三の単一モード光導波路領域は分波器に接続されており、
前記第二の単一モード光導波路領域及び前記第四の単一モード光導波路領域は合波器に接続されており、
前記第一の多モード光導波路領域のコア層のメサ幅をＷｍｅｓａ１、前記第一の単一モード光導波路領域又は前記第二の単一モード光導波路領域のコア層のメサ幅をＷｍｅｓａ２としたとき、Ｗｍｅｓａ１＞Ｗｍｅｓａ２を満たす、半導体光変調器。
【請求項２】
前記第一の多モード光導波路領域のコア層のメサ幅をＷｍｅｓａ１、前記第一の多モード光導波路領域の前記第二のクラッド層のメサ幅をＷｒｉｂ１とし、前記第一の単一モード光導波路領域又は前記第二の単一モード光導波路領域のコア層及び前記第二のクラッド層のメサ幅をそれぞれＷｍｅｓａ２及びＷｒｉｂ２としたとき、式（１）〜（３）を満たす、請求項１に記載の半導体光変調器。
（１）ｄ１＝（Ｗｍｅｓａ１−Ｗｒｉｂ１）
（２）ｄ２＝（Ｗｍｅｓａ２−Ｗｒｉｂ２）
（３）１．０μｍ≦ｄ１−ｄ２
【請求項３】
前記第一の多モード光導波路領域の前記第二のクラッド層のメサ幅Ｗｒｉｂ１と前記第一の単一モード光導波路領域又は前記第二の単一モード光導波路領域の前記第二のクラッド層のメサ幅Ｗｒｉｂ２とが略同一である、請求項１または２に記載の半導体光変調器。
【請求項４】
前記第一の多モード光導波路領域の前記二段メサ型光導波路を伝搬した光が前記第二の単一モード光導波路領域の前記二段メサ型光導波路に入射される、請求項１乃至３いずれか１項に記載の半導体光変調器。
【請求項５】
前記二段メサ型光導波路は、前記第一の多モード光導波路領域のコア層と前記第一の単一モード光導波路領域又は前記第二の単一モード光導波路領域のコア層とを接続している接続領域をさらに含み、前記接続領域の前記コア層がテーパー構造を有する請求項１乃至４いずれか１項に記載の半導体光変調器。
【請求項６】
前記第一の単一モード光導波路領域、前記第二の単一モード光導波路領域、前記第三の単一モード光導波路領域、及び前記第四の単一モード光導波路領域に曲線状の前記二段メサ型光導波路が設けられている、請求項１乃至５いずれか１項に記載の半導体光変調器。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれか１項に記載の光変調器を含む、半導体光集積素子。
【請求項８】
第一のクラッド層と、
前記第一のクラッド層の上部に形成されたメサ状のコア層と、
前記コア層の上部にメサ状に形成され、前記コア層のメサ幅よりもメサ幅が狭い第二のクラッド層と、
を備える二段メサ型光導波路を形成する工程を含み、
前記二段メサ型光導波路は、
電界を印加または電流を注入する第一の多モード光導波路領域と、
前記第一の多モード光導波路領域から離間して設けられ、電界を印加または電流を注入する第二の多モード光導波路領域と、
前記第一の多モード光導波路領域の一端に接続し、電界を印加せず、かつ、電流を注入しない第一の単一モード光導波路領域と、
前記第一の多モード光導波路領域の他端に接続し、電界を印加せず、かつ、電流を注入しない第二の単一モード光導波路領域と、
前記第二の多モード光導波路領域の一端に接続し、電界を印加せず、かつ、電流を注入しない第三の単一モード光導波路領域と、
前記第二の多モード光導波路領域の他端に接続し、電界を印加せず、かつ、電流を注入しない第四の単一モード光導波路領域と、
を含み、
前記第一の単一モード光導波路領域及び前記第三の単一モード光導波路領域は分波器に接続されており、
前記第二の単一モード光導波路領域及び前記第四の単一モード光導波路領域は合波器に接続されており、
前記第一の多モード光導波路領域のコア層のメサ幅をＷｍｅｓａ１、前記第一の単一モード光導波路領域又は前記第二の単一モード光導波路領域のコア層のメサ幅をＷｍｅｓａ２としたとき、Ｗｍｅｓａ１＞Ｗｍｅｓａ２を満たす、半導体光変調器の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の光変調器の製造方法を用いる半導体光集積素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光変調器、これを用いた半導体光集積素子、および、これらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
幹線系における波長多重（ＷＤＭ）光通信システムでは、高速化、大容量化が進んでいる。このシステムで用いられる光変調器は、低電圧駆動、高速動作はもちろん、小型であること、光変調特性が波長に依存しないこと、帯域利用効率の高い多値符号化変調にも対応可能であること、が求められている。【０００３】
現在実用化されている光変調方式は、変調原理の観点から、光源（レーザ）を直接変調する方式、電界吸収型光変調器、マッハツェンダー干渉計を利用した光変調器（マッハツェンダー光変調器）に分類される。中でも、マッハツェンダー（ＭＺ）光変調器は、光変調器幹線系のような長距離伝送に使用でき、かつ、光変調特性の波長依存性が小さい点に優れている。【０００４】
ＭＺ光変調器には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３，以下ＬＮ）を用いたＬＮ光変調器が典型的に用いられてきた。しかし、ＬＮが誘電体材料であるため、ＬＮ光変調器には、高度な作製プロセスが必要とされていた。また、その素子長が比較的長いため、光通信システムに組み込む上で小型化の点で課題があった。【０００５】
一方、化合物半導体を用いた半導体ＭＺ光変調器は、小型化できる上に、発光デバイスとのモノリシック集積が可能である。半導体ＭＺ光変調器では、光導波路のコアの部分に効果的に電界が印加され、屈折率が変化することで実効的な光路長が変化するような素子層構造となっている。【０００６】
半導体ＭＺ光変調器には、位相変調器に適した光導波路が必要である。位相変調器に適した光導波路の特徴として、特性面では、高屈折率変化、低損失、単一モード性、低曲げ損失であること、作製面では、作製容易（トレランス大）であること、が挙げられる。【０００７】
導波路構造は、その光閉じ込めタイプから、リブ型（リッジ型）、ハイメサ型、埋め込み型に分けられる。リブ型、ハイメサ型、埋め込み型のそれぞれの導波路の断面図を図１０、図１１、図１２に示す。９０１は第一のクラッド層であり、９０２はコア層であり、９０３は第二のクラッド層であり、９０４はブロック領域である。ブロック領域９０４は、光導波路としてはクラッドの役割を果たす領域である。リブ型導波路は、再成長工程が不要なため素子作製プロセス工程が簡略化できることに加え、コア層９０２が露出しない構造であることから、酸化しやすい半導体材料（例えばＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｌＡｓ系材料など）においても、素子信頼性を劣化させない点で優れている。また、リブ型導波路は、エッチング側面のラフネスの影響を受けにくい構造であるという特長がある。そこで、リブ型導波路による半導体ＭＺ光変調器が期待されている。【０００８】
リブ型導波路には、図１０の形状にとどまらず、図１１のようにコア層９０２が一部除去された導波路構造等も提案されている（例えば特許文献１）。この場合におけるリブ型導波路の光モード制御は、図１０のリブ型導波路と同様に、第二のクラッド層９０３のリブ部の幅Ｗで行っている。特許文献１では、コア層９０２を一部除去することで、寄生素子を低減し、高速な応答を実現する構造を提供できることが記載されている。【０００９】
また、特許文献２には、（０００１）面サファイア基板上に、低温成長ＧａＮバッファ層、ｎ−ＧａＮクラッド層、ノンドープＩｎＧａＮ光導波路層、およびｐ−ＧａＮクラッド層が、順次積層されて構成される光変調器が記載されている。また、エッチングプロセスにより、ノンドープＩｎＧａＮ光導波層の上まで、エッチングを行い、リッジ型光導波路構造が作製されることが記載されている。さらに、ウルツ鉱型結晶構造を有する結晶ではイオン結合性が強く、圧電効果が大きく、ポッケルス効果も大きくなることから、低電圧化、小型化、高速化を同時に実現することができることが記載されている。【００１０】
また、特許文献３には、リッジ形状に構成される光導波路構造が単一導波モード条件を満たすようになし、かつ、この導波モード条件に影響を与えない程度にリッジ形状から離れた領域で導電型の第二のクラッド層を除去した光変調器が記載されている。これにより、結合損失の低減、ＤＣ逆バイアス特性の改善、高速変調を可能とすることが記載されている。【００１１】
さらに、特許文献４には、高強度で光を誘導する部分と、中間部により結合されてなる低強度で光を誘導する部分と、低強度で光が誘導される部分と高強度で光が誘導される部分との間でモード閉じ込めが徐々に変わる中間部とを具備するリッジ型光導波路構造が記載されている。中間部の幅がテーパーによって狭くなるのに伴って、モードの閉じ込めが変化してモードのスクイージングが起こり、低強度誘導部と高強度誘導部との結合におけるモード不整合が低減されることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−０６９１５３号公報
【特許文献２】特開２００６−２５１０８９号公報
【特許文献３】特開平０７−２７０７３１号公報
【特許文献４】特開平１０−０７３７９２号公報
【発明の概要】
【００１３】
しかしながら、リブ型導波路を半導体ＭＺ光変調器に適用しようとした場合、電界印加時の高屈折率変化及び低光損失と高次モード抑制とを同時に実現することが難しいという課題があることがわかった。
【００１４】
高屈折率変化及び低損失の条件を満たすためには、井戸層数を多くし、低電界においても十分な屈折率変化を実現する必要がある。動作電圧の低減のため、コア層の井戸層厚及び層数は、一般に層厚は厚く、層数は多くなる。つまり、光閉じ込めが強いコア層構造が特性向上に有利である。また、一般的に、一定の電界を超えると徐々に光吸収が増すことが知られている。このことから、強い光閉じ込め構造は低挿入損失化の点でも効果がある。
【００１５】
一方、単一モード化の観点からは、光閉じ込めの強い構造は望ましくない。ＭＺ光変調器の場合、両アーム間でπ位相差をつけることにより消光する。しかし、高次モードがあると、モード毎に印加電界に対する位相回転量が異なるため、ＭＺ光変調器として消光比を大きくすることができない。したがって、高次モードがカットオフされた光導波路を利用することが必要で、高い光閉じ込めを避ける必要がある。一般的にリブ型導波路の単一モード化は、リブ幅（図１０のＷ）を狭くすることによって実現されるが、それは、リブ部のみでモード制御できる程度に光閉じ込めが弱い導波路に適用できる手法であり、光閉じ込めの強い導波路には適用できない場合がある。
【００１６】
以上のことから、ＭＺ光変調器に用いるような高屈折率変化及び低損失を満たす半導体光導波路では、リブ幅（Ｗ）で単一モード化の条件を満足できない場合が存在する。逆に、単一モード化の条件を満足する導波路構造とすると、動作電圧が高くなり、挿入損失が増えるなど、ＭＺ光変調器としての特性が劣化してしまう。したがって、このままでは、リブ型導波路を用いて良好な特性の半導体ＭＺ光変調器を実現することができない。
【００１７】
また、コア層と、コア層よりもメサ幅が狭い第二のクラッド層とを備える二段メサ型光導波路構造に電界を印加する場合において、コア層のメサ幅と第二のクラッド層のメサ幅との差が小さくなるほど、第二のクラッド層のメサ上部につけた電極から印加された電界が、露出したコア層の端面において生じるリーク電流などの影響をうけることがわかった。そのため、有効に電界をかけることができなくなり、これにより、動作電圧がさらに高くなってしまうという問題が明らかとなった。
【００１８】
このような問題は、半導体ＭＺ干渉型光変調器に限るわけではなく、電界を印加ないしは電流を注入することでその屈折率を変調、すなわち、位相を変調させる導波路を用いた変調器には一般に生じる課題である。また、光を吸収することにより光振幅を変調させる電界吸収型光変調器にも同様な課題がある。
【００１９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電界印加効率及び単一モード性に優れた半導体光変調器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明によれば、第一のクラッド層と、
前記第一のクラッド層の上部に形成されたメサ状のコア層と、
前記コア層の上部にメサ状に形成され、前記コア層のメサ幅よりもメサ幅が狭い第二のクラッド層と、
を備える二段メサ型光導波路を有し、
前記二段メサ型光導波路は、
電界を印加または電流を注入する多モード光導波路領域と、
電界を印加せず、かつ、電流を注入しない単一モード光導波路領域と、
を含み、
前記多モード光導波路領域のコア層のメサ幅をＷｍｅｓａ１、前記単一モード光導波路領域のコア層のメサ幅をＷｍｅｓａ２としたとき、Ｗｍｅｓａ１＞Ｗｍｅｓａ２を満たす、半導体光変調器
を提供することができる。【００２１】
また、本発明によれば、上記の光変調器を含む、半導体光集積素子が提供される。【００２２】
また、本発明によれば、第一のクラッド層と、
前記第一のクラッド層の上部に形成されたメサ状のコア層と、
前記コア層の上部にメサ状に形成され、前記コア層のメサ幅よりもメサ幅が狭い第二のクラッド層と、
を備える二段メサ型光導波路を形成する工程を含み、
前記二段メサ型光導波路は、
電界を印加または電流を注入する多モード光導波路領域と、
電界を印加せず、かつ、電流を注入しない単一モード光導波路領域と、
を含み、
前記多モード光導波路領域のコア層のメサ幅をＷｍｅｓａ１、前記単一モード光導波路領域のコア層のメサ幅をＷｍｅｓａ２としたとき、Ｗｍｅｓａ１＞Ｗｍｅｓａ２を満たす、半導体光変調器の製造方法を提供することができる。【００２３】
また、本発明によれば、上記の光変調器の製造方法を用いる半導体光集積素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、電界印加効率及び単一モード性に優れた半導体光変調器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。【００２６】
【図１】実施の形態の半導体光変調器を模式的に示す平面図である。
【図２】（ａ）図１のＡ−Ａ’断面図である。（ｂ）図１のＢ−Ｂ’断面図である。
【図３】実施の形態の半導体光変調器の製造方法を説明する図である。
【図４】実施の形態の半導体光変調器の製造方法を説明する図である。
【図５】コア層のメサ幅と第二クラッド層のメサ幅と伝搬モードとの関係を示す図である。
【図６】第二クラッド層のメサ幅と等価屈折率と伝搬モードとの関係を示す図である。
【図７】コア層のメサ幅と等価屈折率と伝搬モードとの関係を示す図である。
【図８】第二クラッド層のメサ幅と等価屈折率と伝搬モードとの関係を示す図である。
【図９】コア層のメサ幅と等価屈折率と伝搬モードとの関係を示す図である。
【図１０】リブ型半導体光導波路の一例を示す断面図である。
【図１１】ハイメサ型半導体光導波路の一例を示す断面図である。
【図１２】埋め込み型半導体光導波路の一例を示す断面図である。
【図１３】（ａ）シミュレーションで用いた二段メサ型導波路構造を示す断面図である。（ｂ）、（ｃ）二段メサ型導波路構造のメサ幅と伝搬モードとの関係の例を示す図である。
【図１４】コア層１０２での電界の広がりをシミュレーションした結果を示す図である。
【図１５】二段メサ型導波路構造のメサ幅と伝搬モードとの関係の例を示す図である。
【図１６】二段メサ型導波路構造のメサ幅と伝搬モードとの関係の例を示す図である。
【図１７】二段メサ型導波路構造のメサ幅と伝搬モードとの関係の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００２８】
図１は、本実施形態の半導体光変調器の平面図である。図２（ａ）は、領域１のＡ−Ａ’断面図であり、図２（ｂ）は、領域３のＢ−Ｂ’断面図である。本実施形態の光変調器は、二段メサ型光導波路で構成される。図２（ａ）、（ｂ）で示すように、二段メサ型光導波路は、第一のクラッド層１０１（下部クラッド層）と、第一のクラッド層１０１の上部に形成されたメサ状のコア層１０２と、コア層１０２の上部にメサ状に形成され、コア層１０２のメサ幅よりもメサ幅が狭い第二のクラッド層１０３（上部クラッド層）と、を備える。二段メサ型光導波路は、電界を印加または電流を注入する多モード光導波路領域（領域１）と、電界を印加せず、かつ、電流を注入しない単一モード光導波路領域（領域３）と、を含む。この半導体光変調器は、領域１のコア層１０２のメサ幅をＷｍｅｓａ１、領域３のコア層のメサ幅をＷｍｅｓａ２としたとき、Ｗｍｅｓａ１＞Ｗｍｅｓａ２を満たす構造を有する。
【００２９】
本実施形態の光変調器は、たとえば、ｎ−ＩｎＰ基板のような半導体基板１０４に二段メサ型導波路構造がモノリシックに形成された半導体ＭＺ干渉型光変調器である。この半導体光変調器は大きく分けて、４つの異なる領域が形成されている。領域１は、電界をかけて位相を回転させる位相変調器領域、領域２は、変調器の光の入出力部であるＳＳＣ（スポットサイズコンバーター）領域、領域３、４は、受動導波路領域である。領域１及び領域３以外の領域の断面図は図示しないが、コア層１０２及び第二のクラッド層１０３の各メサ幅が異なる以外は、図２で示す断面図と同じである。領域１の両側には、領域３が設けられている。すなわち、一方の領域３の二段メサ型光導波路から入射され、領域１の二段メサ型光導波路を伝搬した光が他方の領域３の二段メサ型光導波路に入射されるように構成されている。なお、領域２は、本実施形態の光変調器に光を入射する際に、外部との光結合を良好にするために設けられるものであって、用途に応じてこの領域を省略することができる。
【００３０】
本実施形態において、多モード光導波路領域とは、基本モード及び一次モードのみが伝搬できる導波路領域をいう。また、単一モード光導波路領域とは、基本モードのみが伝搬できる導波路領域をいう。
【００３１】
半導体基板１０４から１段目のメサ（コア層のメサ１０）は、第一のクラッド層１０１とコア層１０２と第二のクラッド層１０３とが順に積層された積層体からなる。コア層のメサ１０の第二のクラッド層１０３の層厚ｄＣｌａｄは、薄い程、光モードが存在しにくくなる。そのため、コア層のメサ１０の上部に存在する第二のクラッド層１０３を一部除去することにより、光モードを除去していない場所に誘導することができ、すなわち、存在位置を制御することができる。具体的には、第二のクラッド層１０３の層厚ｄＣｌａｄは、０≦ｄＣｌａｄ≦３００ｎｍとすることができる。
【００３２】
コア層１０２は、第一のクラッド層１０１及び第二のクラッド層１０３よりも屈折率が大きい層である。具体的にはコア層１０２に量子井戸を用いた場合には、井戸幅については、ＱＣＳＥ（量子閉じ込めシュタルク効果）が観測されるサイズであり、例えば、４ｎｍ〜１５ｎｍとする。井戸数については、変調の効率と電界強度とのバランスを考慮して、６〜２０層とする。一般に、電界印加型の変調器の効率は、井戸幅と井戸数との積に依存し、おおむね６０ｎｍを超えるのが望ましい。たとえば、井戸幅は１０ｎｍ程度を用いるならば、井戸数として６層以上になるのが望ましい。コア層１０２には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＮＡｓ等を用いることができる。
【００３３】
半導体基板１０４から二段目のメサ（第二のクラッド層のメサ２０）には、第二のクラッド層１０３が形成されている。第一のクラッド層１０１は、ｎ−ＩｎＰとし、第二のクラッド層１０３は、ｐ−ＩｎＰとすることができる。第二のクラッド層のメサ２０のメサ幅は、０．５μｍ〜３．０μｍとすることができ、好ましくは、０．５μｍ〜２．０μｍとすることができる。０．５μｍ以上とすることで、ばらつきなく安定して製造することができる。
【００３４】
領域１の第二のクラッド層１０３のメサ幅Ｗｒｉｂ１と領域３の第二のクラッド層１０３のメサ幅Ｗｒｉｂ２とを略同一としてもよい。本実施形態において、「略同一」とは、領域３のメサ幅Ｗｒｉｂ２が、領域１における第二のクラッド層１０３のメサ幅Ｗｒｉｂ１の平均値の±１０％の範囲にあることをいう。
【００３５】
第二のクラッド層のメサ２０は、第二のクラッド層１０３の上部にコンタクト層（図示しない）が形成されていてもよい。コンタクト層には、たとえば、ＩｎＧａＡｓを用いることができる。
【００３６】
領域１の第二のクラッド層１０３上及び半導体基板１０４の裏面には、Ｔｉ，Ａｕなどの金属電極（図示しない）が形成されている。たとえば、領域１には、０〜−１０Ｖの電界を印加することができる。
【００３７】
また、本実施形態の二段メサ型光導波路は、領域１のコア層１０２と領域３のコア層１０２とを接続している接続領域のコア層１０２に、テーパー構造を導入してもよい。こうすることで急峻に接続した場合の光の伝搬損失を避けつつ、メサ幅の異なる領域のコア層１０２を接続することができる。
【００３８】
領域２は、電界を印加せずかつ電流を注入しない領域であるが、コア層のメサ１０のメサ幅及び第二のクラッド層のメサ２０のメサ幅を制御し、素子端面の光モードの形状を整形させるための領域である。つまり、光モード形状の制御のために、第一及び第二のメサ幅の制御を行う。なお、領域２から出力または入力される光の波長は、理論上制限はないが、光ファイバ通信の応用には、実用上、１．２５μｍ〜１．６５μｍとすると好ましい。
【００３９】
図１で示すように、領域３、及び、領域２と領域４との間には、曲線状の二段メサ型光導波路が設けられている。曲線状の二段メサ型光導波路は、曲がり部分を伝搬する際に高次モードが励起されやすい。そこで、この領域では、高次モードがカットオフされるよう、基本モードのみを伝搬できる単一モード光導波路領域とする。この領域を曲線状の二段メサ型光導波路にすることで、図１１に示すハイメサ構造と比較して、コア部分の側壁を光モードの中心から離すことができることから、より低損失にすることができ、一方で、コア部分の側壁が存在するため、比較的曲率半径を小さくすることができ、素子のサイズを小さくすることができる。
【００４０】
領域４は、多モード干渉（ＭＭＩ：ＭｕｌｔｉＭｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）光導波路領域である。この領域は、片側に入力された光を２分割して反対側のアームに出力する分波器として、あるいは、適切な位相差をもった二つの光を上下のアームに入力し、反対側のアームから合波した光を取り出す、合波器として用いることができる。
【００４１】
ここで、図１３（ａ）に示す二段メサ型光導波路構造の光閉じ込めは、下記式（４）のαで表すことができる。
（４）α（ｎｍ）＝｛（コア層１０２を構成する各層の層厚にて加重平均を行った平均屈折率）−（第二のクラッド層１０１と第一のクラッド層１０３の屈折率の平均値）｝×（コア層の全層厚（ｎｍ））
【００４２】
本実施形態の光導波路構造は、上記式（４）のα≧５０ｎｍを満たすように設計することが好ましい。αの上限は、単一モード光導波路領域と多モード光導波路領域とが設けられる限りにおいて、どのような値をとることもできる。
【００４３】
例として、図１３（ａ）で示す二段メサ型導波路構造Ａ〜Ｅにおいて、メサ幅と伝搬モードとの関係をＦＭＭ（Ｆｉｌｍ  Ｍｏｄｅ  Ｍａｔｃｈｉｎｇ）法に基づくシミュレーションにより調べた結果を図１３（ｂ）、（ｃ）に示す。図１３（ｂ）は、一次モードが出現するメサ幅の関係を示すグラフである。図１３（ｂ）で示す曲線よりも原点から見て外側、すなわち、第二のクラッド層のメサ幅およびコア層のいずれかのメサ幅を広くすることで一次モードを許容する導波路構造となる。図１３（ｃ）は、二次モードが出現するメサ幅の関係を示すグラフである。図１３（ｃ）で示す曲線よりも原点から見て外側、すなわち、第二のクラッド層のメサ幅およびコア層のいずれかのメサ幅を広くすることで二次モードを許容する導波路構造となる。なお、ｄｃｌａｄは５０ｎｍとした。二段メサ型導波路構造Ａ〜Ｅのαを表１に示す。
【００４４】
【表１】
0005626203.tif 000002
【００４５】
図１３（ｂ）で示すように、光閉じ込めの弱い構造Ａでは、第二のクラッド層１０３のメサ幅を２．０μｍ以下にすると、一次モードが出現しない。また、メサ幅によらず、二次モードは出現しない。したがって、構造Ａを採用すれば、光変調器のすべての領域が単一モード光導波路領域とすることができる。一方、構造Ａは、光閉じ込めがα＝４５と弱いため、変調器の動作電圧を十分に低減するためには、より光閉じ込めの強い構造が好ましい。
【００４６】
αが５０以上の光閉じ込めの強い構造Ｂ〜Ｅでは、単一モード光導波路領域を実現するためには、コア層のメサ幅、すなわち、コア層のメサ１０のメサ幅Ｗｍｅｓａを制御する必要がある。
【００４７】
図５を用いてコア層のメサ１０のメサ幅Ｗｍｅｓａを制御する方法の一例を以下に説明する。図５では、上記二段メサ型導波路構造Ｄのメサ幅と伝搬モードとの関係を示す。Ｄ０は基本モードが出現する境界を示し、Ｄ１は一次モードが出現する境界を示し、Ｄ２は二次モードが出現する境界を示す。すなわち、Ｒ０は基本モードのみが出現する領域であり、Ｒ１は基本モード及び一次モードが出現し、かつ、二次モードが出現しない領域である。単一モード光導波路領域の二段メサ型導波路を作製するときは、図５の領域Ｒ０の範囲でコア層１０２及び第二のクラッド層１０３のメサ幅を選択する。また、多モード光導波路領域の二段メサ型導波路を作製するときは、図５の領域Ｒ１の範囲で、コア層１０２及び第二のクラッド層１０３のメサ幅を選択する。このような組み合わせを用いることで、光閉じ込めの強い領域と単一モード化できる領域とを任意の場所に設けることができる。
【００４８】
さらに、領域１では、コア層のメサ１０と第二のクラッド層のメサ２０とのメサ幅の差を、他の領域よりも広くとるようにする。たとえば、第二のクラッド層１０３のメサ幅Ｗｒｉｂ１、Ｗｒｉｂ２を一定にとり、領域１のコア層１０２のメサ幅Ｗｍｅｓａ１を領域３のコア層１０２のメサ幅Ｗｍｅｓａ２よりも広くなるようにする。こうすることで、領域１におけるエッチング端面からのリーク電流を低減させる。
【００４９】
領域１におけるコア層のメサ１０と第二のクラッド層のメサ２０とのメサ幅の差（ｄ１）と、領域３におけるコア層のメサ１０と第二のクラッド層のメサ２０とのメサ幅の差（ｄ２）との関係は、一定範囲とすることが好ましい。たとえば、本実施形態の光変調器は、式（１）〜（３）を満たす構造を採用することもできる。（式中、領域１の第二のクラッド層１０３のメサ幅をＷｒｉｂ１とし、領域３の第二のクラッド層１０３のメサ幅をＷｒｉｂ２とする。）。
（１）ｄ１＝（Ｗｍｅｓａ１−Ｗｒｉｂ１）
（２）ｄ２＝（Ｗｍｅｓａ２−Ｗｒｉｂ２）
（３）１μｍ≦ｄ１−ｄ２
【００５０】
上記式（３）の下限は、逆方向電圧をかけた際の許容される逆方向電流から決定される。２段メサ型導波路の片側の段差を考えると、図２において、ΔＷ１−ΔＷ２が大きくなればなるほど、活性層を切断しているコア層のメサ１０の側面にかかる電界は小さくなる。光閉じ込めの強いコア層１０２を用いて基本モードのみを伝搬させる構造を実現するとき、単一モード性を得るために、コア層１０２の幅が狭くなるため、コア層１０２の側面の電界強度が強くなってしまう。そのため、リーク電流などの影響が大きいという問題が生じる。そこで、少なくとも、１μｍ≦ｄ１−ｄ２とすることで、領域１では、リーク電流を低減し、かつ、領域３では、単一モード化することができる。一方、式（３）の上限は、領域１における光導波路の光モードとして二次モードが存在せず、領域３における光導波路の光モードとして単一モード条件を満たすように決定される。なお、図２中、ΔＷ１及びΔＷ２は下記式（５）、（６）で表すことができる。
（５）ΔＷ１＝（Ｗｍｅｓａ１−Ｗｒｉｂ１）／２
（６）ΔＷ２＝（Ｗｍｅｓａ２−Ｗｒｉｂ２）／２
【００５１】
ここで、図１４に、コア層１０２での電界の広がりをシミュレーションした結果を示す。図示するように、電界を印加する領域１のコア層を０．５μｍ広げた場合の電界強度分布から、変調器の電界強度は１／１０になると見積もることができた。つまり、二段メサ型導波路の両側の段差を考慮して、ｄ１−ｄ２＝２（ΔＷ１−ΔＷ２）≧１μｍ、すなわち、ｄ１−ｄ２を、１μｍ以上とすることで、ｄ１−ｄ２が０であった場合と比較して、コア層１０２の端面にかかる電界強度を１／１０以下にすることができ、エッチング端面に起こるリーク電流の影響を低減することができる。また、ｄ１−ｄ２＝２（ΔＷ１−ΔＷ２）≧２μｍ、すなわち、ｄ１−ｄ２を、２μｍ以上とすることで、ｄ１−ｄ２が０であった場合と比較して、コア層１０２の端面にかかる電界強度を１／１００以下にすることができる。なお、ΔＷ１やΔＷ２が小さいほど、メサ構造の加工時における損傷などにより、第二のクラッド層のメサ上部につけた電極から印加された電界が、露出したコア層のメサ端面において生じるリーク電流などの影響をうけやすくなる。
【００５２】
図１３（ｂ）では一次モードが出現するメサ幅の関係を示し、図１３（ｃ）では二次モードが出現するメサ幅の関係を示したが、これらのグラフから求められる、一次モードは許容するが二次モードは許容しない領域は、コア層１０２の光閉じ込めを強くするほど小さくなる。そのため、上記二段メサ型光導波路構造Ｂは、上記構造Ｂ〜Ｅの中で、上記式（３）の値を最も広くとることができる。そこで、二段メサ型光導波路構造Ｂのメサ幅と伝搬モードとの関係図から、図１３（ａ）で示す二段メサ型光導波路構造における、ｄ１−ｄ２の上限を導くことができる。図１５は、二段メサ型光導波路構造Ｂのメサ幅と伝搬モードとの関係を示すグラフである。この関係図から、図１３（ａ）で示す構造の上記式（３）について、ｄ１−ｄ２＜１３μｍを導くことができる。なお、Ｂ０は基本モードが出現する境界を示し、Ｂ１は一次モードが出現する境界を示し、Ｂ２は二次モードが出現する境界を示す。
【００５３】
図１６に、上記二段メサ型導波路構造Ｅのメサ幅と伝搬モードとの関係を示す。Ｅ０は基本モードが出現する境界を示し、Ｅ１は一次モードが出現する境界を示し、Ｅ２は二次モードが出現する境界を示す。図１７は、上記二段メサ型導波路構造Ｄのメサ幅と伝搬モードとの関係を示す。Ｄ０は基本モードが出現する境界を示し、Ｄ１は一次モードが出現する境界を示し、Ｄ２は二次モードが出現する境界を示す。図１６中、ＲＥ０は、単一モードのみが出現する単一モード領域を示す。領域３の構造として、たとえば、ＸＥ０を採用したとき、変調器の動作電圧を効果的に低減した変調器を得るためには、領域１の構造をＲ’Ｅ１で示す範囲から選択する。また、図１７の二段メサ型光導波路構造Ｄでは、領域３の構造として、たとえば、ＸＤ０を採用したとき、変調器の動作電圧を効果的に低減した変調器を得るためには、領域１の構造をＲ’Ｄ１で示す範囲から選択する。
【００５４】
このように、領域１におけるコア層のメサ１０と第二のクラッド層のメサ２０とのメサ幅の差（ｄ１）と領域３におけるコア層のメサ１０と第二のクラッド層のメサ２０とのメサ幅の差（ｄ２）との関係を上記の範囲とすることで、領域１では、良好な電気的特性を得ることができる一方、領域３では、単一モード条件を満たし、領域１に基本モードの光のみを導入できるという効果を得ることができる。
【００５５】
つづいて、本実施形態の光変調器の製造方法について図２〜図４を用いつつ説明する。まず、第一のクラッド層１０１とコア層１０２と第二のクラッド層１０３とを、それぞれ、順番に結晶成長などにより積層し層構造を作製する。コア層１０２は、第一のクラッド層１０１及び第二のクラッド層１０３よりも屈折率が高くなるように、材料及び構造を設計する。コア層１０２は、量子井戸やあるいはバルク層などを用いる。電界印加に対する効率の良い位相変調器を実現するため、コア層１０２の光閉じ込め係数は、大きくとることが好ましい。
【００５６】
ついで、第二のクラッド層１０３の上部にマスク１０５を形成する（図３（ａ））。マスク１０５は、ＳｉＯ２膜などの誘電体膜やレジスト膜を用いるのが簡易である。マスク１０５は、半導体とマスクのエッチング速度差を考慮して厚みを設計するとよい。
【００５７】
ついで、第二のクラッド層１０３の一部を、光導波路方向に除去し、第二のクラッド層のメサ２０を作製する（図３（ｂ））。ここでは、例として、領域１のメサ幅Ｗｒｉｂ１と領域３のメサ幅Ｗｒｉｂ２とは略同一にし、それに合致するように、第二のクラッド層１０３は０．５μｍ〜２．５μｍの範囲で設定する。領域２の第二のクラッド層のメサ２０のメサ幅は、上記範囲内でテーパー構造を利用して設定し、各領域のメサをエッチングにて一括で形成する。エッチングは、ドライエッチング法を用いても良いし、ウェットエッチング法を用いても良い。
【００５８】
ついで、作製した第二のクラッド層のメサ２０が覆われるようにマスク１０６を形成する（図４（ａ））。マスク１０６は、ＳｉＯ２膜などの誘電体膜やレジスト膜を用いるのが簡易である。また、深さ方向にエッチングされると同時にサイドエッチングされることが懸念される。この場合は、あらかじめサイドエッチングの量を考慮してマスク１０６の幅を広くしておくとよい。
【００５９】
ついで、コア層１０２を、光導波路方向に除去し、コア層のメサ１０を作製する。コア層１０２は、１μｍ〜１３．５μｍの範囲で各領域の目的に応じたメサ幅となるようエッチングにて一括で形成する。
【００６０】
具体的には、領域１のコア層１０２は、基本モード及び一次モードが伝搬できるようにエッチングする。一方、領域３のコア層１０２は、基本モードのみが伝搬するようにエッチングする。上述のように、二段メサ型光導波路を伝搬する光のモードは、コア層１０２のメサ幅と、第二のクラッド層のメサ２０の第二のクラッド層１０３のメサ幅と、コア層１０２の光閉じ込め係数と、の三者の関係で決定することができる。したがって、これら三者の関係を適宜制御することで、各領域において目的のモードの光を伝搬させることができる。
【００６１】
ついで、第二のクラッド層のメサ２０が形成された第二のクラッド層１０３に電極を形成する。具体的には、エッチング後にマスク１０６を除去してＳｉＮｘ膜を形成し、ポリイミドなどを用いて段差緩和した後、ＳｉＮｘ膜にて絶縁し、第二のクラッド層１０３の上部のＳｉＮｘ膜をエッチングして電流注入窓を形成する。ついで、形成された電流注入窓上に電極（たとえば、Ｔｉ／Ａｕ）を堆積した後、領域１以外の電極をパターニングによって除去する。ついで、半導体基板１０４を研磨して薄膜化した後、裏面に電極を堆積し、本実施形態の半導体光変調器を完成させる。
【００６２】
つづいて、本実施形態の作用効果について説明する。本実施形態の半導体光変調器では、電界を印加または電流を注入する多モード光導波路領域１のコア層１０２のメサ幅Ｗｍｅｓａ１を単一モード光導波路領域３のコア層１０２のメサ幅Ｗｍｅｓａ２よりも広くする。これにより、電界を印加する多モード光導波路領域１では、単一モード光導波路領域３よりもエッチング端面に起こるリーク電流の影響を低減することができ、電界強度を高めて動作電圧を効果的に抑制することができる。また、電界を印加せずかつ電流を注入しない領域３では、多モード光導波路領域１よりもメサ幅Ｗｍｅｓａ２を狭めるだけで、領域１で許容される高次モードをカットオフすることができ、製造容易性の点で有利である。したがって、電界印加効率及び良好な消光比を有する半導体光変調器を容易に得ることができる。
【００６３】
従来のリブ型半導体光導波路構造では、第二のクラッド層１０３のメサ幅によって光モードを制御していた。しかしながら、コア層１０２の光閉じ込め係数を向上させようとすると、単一モード化に限界があった。一方、本実施形態では、第二のクラッド層のメサ２０の第二のクラッド層１０３のメサ幅だけでなく、コア層１０２のメサ幅を制御して、伝搬モードを制御する。したがって、コア層１０２に光閉じ込めの高い構造を用いても、必要な箇所で単一モードの特性をもたせることができる。また、電界を印加または電流を注入する箇所では、コア層１０２のメサ幅を広くすることで、エッチング端面でコア層１０２が露出する影響を小さくすることができる。
【００６４】
二段メサ型導波路構造における基本モードは、第二のクラッド層のメサ２０の第二のクラッド層１０３のメサ領域の影響を強く受けている。そこで、第二のクラッド層のメサ２０のメサ幅を光導波方向に固定し、コア層のメサ１０のメサ幅を光導波方向に一定でないようにする。こうすることで、モード制御と光導波とを比較的独立に制御することができる。
【００６５】
また、二段メサ型光導波路では、コア層１０２のメサ幅によって光モードが制御されている。そのため、図１１におけるハイメサ型と同様に比較的小さい曲率半径を持つ曲げ導波路においても放射損失が小さくすることができる。
【００６６】
二段メサ型光導波路に存在できる光モードの等価屈折率のシミュレーション結果の例を図６及び図７に示す。この導波路の場合、第二のクラッド層のメサ２０のメサ幅の制御のみでは単一モード化できず、第二のクラッド層のメサ２０をなくしても高次モードが存在できる。このような特性は光閉じ込めが強い導波路をリブ型に形成した場合の典型的なモード特性である。
【００６７】
しかし、図７で示すように、コア層１０２のメサ幅を狭くすることで、単一モード化できることがわかる。また、第二のクラッド層のメサ２０の第二のクラッド層１０３のメサ幅を変えずにコア層１０２のメサ幅によって単一モード化すると、メサ幅を比較的広い範囲でとることができ、かつ、基本モードの等価屈折率に大きな影響を与えることなく、単一モード化を実現することができる。
【００６８】
二段メサ型光導波路を光変調器に用いる場合、電界を印加する位相変調領域（領域１）は、エッチング端面から離しておくと、端面起因の素子劣化や、キャリア再結合などが起こりにくくなる。そこで、位相変調領域（領域１）では、コア層１０２のメサ幅Ｗｍｅｓａ１は広くすることで、コア層１０２のエッチング端面を第二のクラッド層１０３上に形成された電極から距離をおくことができる。これにより、領域１で多モードが許容されるため、消光比の低下が懸念されるが、領域１の両側の領域３でコア層１０２のメサ幅Ｗｍｅｓａ２を狭くすることで、高次モードをカットオフすることができる。
【００６９】
このように、二段メサ型光導波路構造を用いることで、電界印加時の高屈折率変化及び低導波損失と、単一モード性とをそれぞれ独立に制御できる導波路構造を実現することができる。
【００７０】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【００７１】
たとえば、上記実施形態では、光導波路の材料として、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＮＡｓなどを例に挙げている。しかしながら、本発明の導波路は、コア層とクラッド層とを持つ光導波路一般に適用することができるので、この材料に限るわけではない。
【００７２】
また、上記実施形態では、半導体ＭＺ干渉型光変調器を例に挙げて説明したが、これに限るわけではない。電界を印加ないしは電流を注入することでその屈折率を変調させる変調器には適用することができる。また、光を吸収することにより光振幅を変調させる電界吸収型光変調器にも本発明を適用することができる。
【００７３】
さらに、本発明は、上記実施形態の半導体光変調器を他の部材とともに集積した半導体光集積素子でも実現することができる。この半導体光集積素子は、たとえば、上記実施形態に係る半導体光変調器に加え、その半導体光変調器の損失を補償するための半導体光増幅器と、半導体光変調器と半導体光増幅器との間に設けられた反射鏡とを含んでいてもよい。また、上記実施形態の半導体光変調器を外部共振器型レーザの利得媒質に用いてもよい。また、上記実施形態の半導体光変調器の位相調整領域（領域１）と波長可変フィルタとを組み合わせた半導体光変調器集積波長可変トランスミッタとしてもよい。このように、上記実施形態の半導体光変調器と他の部材とをモノリシック集積することで、電界印加時の高屈折率変化及び低導波損失と単一モード化特性とを同時に実現できる半導体光変調機能を集積することができる。したがって、特性が良好な半導体光集積素子を実現することができる。
【００７４】
なお、当然ながら、上述した実施の形態およびの変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態および変形例では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本発明を満足する範囲で各種に変更することができる。本発明によれば、良好な位相変調ができる光導波路を作製できるので、位相変調を用いた光伝送システムに小型、低損失、低電圧駆動といったメリットを生かされた形で利用することができる。
【００７５】
（実施例１）
本発明の半導体光変調器を構成する二段メサ型光導波路を作製した。二段メサ型光導波路の断面図は図２と同じである。また、作製手順は図３、４で示す手順と同様である。
【００７６】
ｎ−ＩｎＰ基板１０４上に井戸数１０層、井戸幅１０ｎｍであるＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓコア層１０２をエピタキシャル成長させた。なお、このＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓコア層１０２は、式（４）におけるαは６６であり、また、井戸数と井戸幅との積が１００ｎｍであり目安となる６０ｎｍを超えた光閉じ込めの高いコア層である。第一のクラッド層１０１は、ｎ−ＩｎＰを用い、第二のクラッド層１０３は、ｐ−ＩｎＰを用いた。
【００７７】
マスク１０５を形成した断面図を図３（ａ）に示す。第二のクラッド層１０３の層厚は、コンタクト層となるＩｎＧａＡｓを含んで２μｍであった。ついで、ＳｉＯ２膜をマスク１０５としてドライエッチング法とウェットエッチング法によりエッチングを行った。具体的には、ドライエッチング法によって１．７μｍの深さまでエッチングを行い、残りの第二のクラッド層１０３はウェットエッチングにより、０．１μｍを除去した。これにより、第二のクラッド層１０３をメサ幅１．６μｍとなるメサ型形状にした。この時点の断面図を図３（ｂ）に示す。なお、ドライエッチング法では、半導体とマスク１０５のエッチング速度に差があるため、ＳｉＯ２膜の膜厚を３００ｎｍとした。
【００７８】
ついで、コア層１０２が、メサ幅５μｍのメサ形状になるようにレジストにてマスク１０６を作製した。この時点での断面図を図４（ａ）に示す。
【００７９】
その後、ウェットエッチング法によりエッチングを行った。このとき、おおむね０．５μｍ程度の深さになるように組成に無選択なエッチングを行った。ウェットエッチングでは、深さ方向にエッチングされると同時にレジストの下部もエッチングされる（サイドエッチングされる）。そのため、あらかじめ、マスク１０６の幅を広くしておいた。ウェットエッチング後の断面図を図４（ｂ）に示す。
【００８０】
ついで、第二のクラッド層１０３に電極を形成した。具体的には、エッチング後にＳｉＮｘ膜を形成し、ポリイミドで段差緩和した後、ＳｉＮｘ膜にて絶縁した。ついで、第二のクラッド層１０３のみＳｉＮｘ膜をエッチングして電流注入窓を形成し、その上に電極Ｔｉ／Ａｕを堆積した。ついで、不要な領域の電極をパターニングによって除去し、ｎ−ＩｎＰ基板１０４を研磨して薄膜化した。その後、裏面に電極を堆積した。
【００８１】
このように作製された光導波路は、両端面ともヘキ開面にし、光ファイバにて光を導入した。その結果、ＦＰ（ファブリーペロー）リプルが観測された。また、本導波路（導波路長６００μｍ）に電圧を０〜−５Ｖまで印加した場合、ピーク位置が周期の約半分程度シフトする様子が観測された。また、０〜−３Ｖ程度であれば、振幅も変化せず、位相変調器として動作する導波路として機能することが確認された。
【００８２】
（実施例２）
本発明に係る半導体光変調器の一例となる半導体ＭＺ干渉型光変調器を作製した。本実施例の半導体ＭＺ干渉型光変調器の上面図は、図１と同じである。本実施例の半導体光変調器もまた二段メサ型光導波路で構成されている。二段メサ型光導波路の断面図は図２と同じである。また、作製手順は図３、４で示す手順と同様である。
【００８３】
ｎ−ＩｎＰ基板１０４上に井戸数１０層、井戸幅１０ｎｍのＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓコア層１０２をエピタキシャル成長させた。なお、このＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓコア層１０２は、式（４）におけるαは６６であり、また、井戸数と井戸幅との積が１００ｎｍであり目安となる６０ｎｍを超えた光閉じ込めの高いコア層である。第一のクラッド層１０１は、ｎ−ＩｎＰを用い、第二のクラッド層１０３はｐ−ＩｎＰとｎ−ＩｎＰを積層したものを用いた。
【００８４】
図１に示す半導体光変調器を作製するにあたり、まず、第二のクラッド層１０３をメサ形状に整形した。領域１の位相変調器領域と、領域３及びその他の受動導波路領域（領域４）の第二のクラッド層１０３のメサ幅（Ｗｒｉｂ１，Ｗｒｉｂ２）は１．３μｍに、領域２（ＳＳＣ領域）の第二のクラッド層１０３のメサ幅は、そのＳＳＣ領域内で１．３μｍから１．０μｍになるテーパー構造になるようにエッチングを行った。エッチングは、ＳｉＯ２膜をマスク１０５としてドライエッチング法及びウェットエッチング法により行った。ＳｉＯ２膜の膜厚は、ドライエッチング法における半導体とマスク１０５のエッチング速度差を考慮して０．３μｍとした。第二のクラッド層１０３の層厚は、コンタクト層となるＩｎＧａＡｓを含んで２μｍであったので、ドライエッチング法によって１．７μｍの深さまでエッチングを行い、残りの第二のクラッド層１０３はウェットエッチングによる選択エッチングによって、完全に除去した。
【００８５】
ついで、コア層のメサ１０を形成した。コア層１０２のメサ幅は、領域１の位相変調器領域、及び、領域４の受動導波路領域については４μｍに、位相変調器領域の両側の領域３の受動導波路領域については３μｍに、領域２（ＳＳＣ領域）のコア層１０２のメサ幅は３μｍになるようにエッチングを行った。つまり、上記式（３）について、ｄ２−ｄ１＝１μｍとした。ここでは、おおむね０．５μｍ程度の深さになるように組成に無選択なエッチングをウェットエッチング法により行った。ウェットエッチングでは、深さ方向にエッチングされると同時にレジストの下部もエッチングされる（サイドエッチングされる）。そのため、あらかじめその量を考慮してマスク１０６の幅を広くした。
【００８６】
得られた二段メサ型光導波路に関し、光モードの等価屈折率の、第二のクラッド層１０３のメサ幅およびコア層１０２のメサ幅の依存性を計算した。その結果、第二のクラッド層１０３のメサ幅を１．３μｍで固定した場合、コア層１０２のメサ幅が４μｍだと、基本モードと一次モードが許容される多モード導波路であった。一方、コア層１０２のメサ幅が３μｍだと基本モードのみが許容される単一モード導波路であった。なお、本実施例の導波路は、図２におけるｄＣｌａｄを０に設定した。そのため、上部クラッド層１０３のメサ幅を変えると光モードの等価屈折率が変化した（図８）。一方、第二のクラッド層１０３のメサ幅を変えずにコア層１０２のメサ幅を変化させてモードの制御を行うと、基本モードの等価屈折率はほとんど変化せず、良好であった（図９）。
【００８７】
ＳＳＣ領域（領域２）は、ファイバとの光結合が高くなるように、両領域のメサ幅を設計した。
【００８８】
ついで、第二のクラッド層１０３に電極を形成した。具体的には、エッチング後にＳｉＮｘ膜を形成し、ポリイミドで段差緩和した後、ＳｉＮｘ膜にて絶縁した。ついで、クラッド上部のみＳｉＮｘ膜をエッチングして電流注入窓を形成し、その上に電極Ｔｉ／Ａｕを堆積した。その後、領域１以外の領域の電極をパターニングによって除去し、半導体基板１０４を研磨して薄膜化した後、裏面に電極を堆積した。
【００８９】
作製した光変調器は、両端面ともヘキ開後、ＡＲコート（無反射コーティング）を行い、光変調特性を測定した。位相変調器領域の長さを１．５ｍｍとした試料に対し、光ファイバにて光を導入した。その結果、印加電圧を−３Ｖ程度まで印加すると、約２０ｄＢ程度光を消光することができた。導波路の電界印加による過剰損失は−２Ｖ程度まではほぼ０であり、良好な光変調器として動作することを確認した。
【００９０】
なお、本発明の他の態様について以下に説明する。
（１）第一のクラッド領域と、前記クラッドの上部にある前記クラッドよりも屈折率の高いコア領域と、前記コア領域の上部に形成された第二のクラッド領域を有する光導波路において、第二のクラッド領域は、光導波路方向にメサ形状を有するように一部が除去された幅Ｗｒｉｂのメサ型形状であり、かつ、コア領域は光導波路方向に第二のクラッド部分のメサ領域のメサ幅Ｗｒｉｂと異なるメサ幅Ｗｍｅｓａを有するように一部が除去されたメサ型形状であることを特徴とする、半導体光導波路。
（２）（１）に記載の半導体光導波路であって、コア領域のメサ幅Ｗｍｅｓａは、光導波方向に一定でないことを特徴とする半導体光導波路。
（３）（１）ないし（２）に記載の半導体光導波路を、構成される光導波路として用いていることを特徴とする半導体光変調器。
（４）（３）に記載の半導体光変調器であって、その構成された導波路のうち、少なくとも１カ所以上の電界を印加ないしは電流を注入する領域１の導波路のコア領域のメサ幅（Ｗｍｅｓａ１）と、電界を印加せずかつ電流も注入しない領域２の導波路のメサ幅（Ｗｍｅｓａ２）が異なることを特徴とする半導体光変調器。
（５）（３）ないし（４）に記載の半導体光変調器において、その構成する導波路が存在するすくなくとも１カ所以上の領域で、その導波路が、直線でないことを特徴とする半導体光変調器。  
（６）（３）から（５）に記載の半導体光変調器をその構成要素として含むことを特徴とする半導体光集積素子。
【００９１】
この出願は、２００９年３月５日に出願された日本出願特願２００９−５１９０９を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図１】
0005626203.tif 000003
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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