(57)【要約】【課題】高速に任意の偏光状態を制御可能な半導体偏波制御素子を小型に提供すること。【解決手段】低電圧動作可能な小型・高速偏波制御素子を作製すべく、閃亜鉛鉱形結晶の化合物半導体光導波路に対して、基板垂直方向及び基板水平方向へ電界をそれぞれ独立にかけることが出来るように、導波路コアの両サイドクラッド層及びオーバークラッド層に導電性のドーパントをドーピングし、前記それぞれ三か所のドーピング層上に制御電極を設ける。【選択図】図３
2014215316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
閃亜鉛鉱形半導体結晶を用いた偏波制御素子であって、半絶縁性の基板上に、少なくとも一組の、第一のｐクラッド層と、導波層と、第二のｐクラッド層とを有し、前記第一のｐクラッド層及び前記第二のｐクラッド層が前記導波層を前記基板の水平方向に挟んだ構造を有し、且つ前記導波層の上に少なくとも１つの第一のｎクラッド層を有していることを特徴とする半導体偏波制御素子。
【請求項２】
閃亜鉛鉱形半導体結晶を用いた偏波制御素子であって、半絶縁性の基板上に、少なくとも一組の、第一のｐクラッド層と、導波層と、第一のｎクラッド層とを有し、前記第一のｐクラッド層及び前記第一のｎクラッド層が前記導波層を前記基板の水平方向に挟んだ構造を有し、且つ前記導波層の上に少なくとも１つの第二のｐクラッド層を有していることを特徴とする半導体偏波制御素子。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体偏波制御素子であって、前記第一のｐクラッド層と前記第二のｐクラッド層との間に前記基板の水平方向に電界が印加されるように電極Ｘ、Ｚが前記第一のｐクラッド層と前記第二のｐクラッド層の上にそれぞれ設けられ、且つ前記導波層へ前記基板の垂直方向に電界が印加されるように電極Ｙが前記第一のｎクラッド層上に設けられていることを特徴とする半導体偏波制御素子。
【請求項４】
請求項２に記載の半導体偏波制御素子であって、前記第一のｐクラッド層と前記第一のｎクラッド層との間に前記基板の水平方向に電界が印加されるように電極Ｘ、Ｚが前記第一のｐクラッド層と前記第一のｎクラッド層上にそれぞれ設けられ、且つ前記導波層へ前記基板の垂直方向に電界が印加されるように電極Ｙが前記第二のｐクラッド層上に設けられていることを特徴とする半導体偏波制御素子。
【請求項５】
閃亜鉛鉱形半導体結晶を用いた偏波制御素子であって、半絶縁性の基板上に、少なくとも一組の、第一のｐクラッド層と、導波層と、第二のｐクラッド層とを有し、前記第一のｐクラッド層及び前記第二のｐクラッド層が前記導波層を前記基板の水平方向に挟んだ構造を有し、且つ前記導波層の上に少なくとも１つの絶縁膜と、前記少なくとも１つの絶縁膜のそれぞれの上に電極Ｙとを有していることを特徴とする半導体偏波制御素子。
【請求項６】
閃亜鉛鉱形半導体結晶を用いた偏波制御素子であって、半絶縁性の基板上に、少なくとも一組の、第一のｐクラッド層と、導波層と、第一のｎクラッド層とを有し、前記第一のｐクラッド層及び前記第一のｎクラッド層が前記導波層を前記基板の水平方向に挟んだ構造を有し、且つ前記導波層の上に少なくとも１つの絶縁膜と、前記少なくとも１つの絶縁膜のそれぞれの上に電極Ｙとを有していることを特徴とする半導体偏波制御素子。
【請求項７】
閃亜鉛鉱形半導体結晶を用いた偏波制御素子であって、半絶縁性の基板上に、請求項１または５または６に記載の半導体偏波制御素子のいずれかを少なくとも３つ有し、前記少なくとも３つの半導体偏波制御素子のそれぞれの導波層が互いに同一の導波路を形成するように前記少なくとも３つの半導体偏波制御素子は直列に配置されていることを特徴とする半導体偏波制御素子。
【請求項８】
閃亜鉛鉱形半導体結晶を用いた偏波制御素子であって、半絶縁性の基板上に、請求項２に記載の半導体偏波制御素子を少なくとも３つ有し、前記少なくとも３つの半導体偏波制御素子のそれぞれの導波層が互いに同一の導波路を形成し、かつ前記少なくとも３つの半導体偏波制御素子のうちの隣り合う２つの半導体偏波制御素子の第一のｐクラッド層と第一のｎクラッド層とが互い違いに配置されるように前記少なくとも３つの半導体偏波制御素子は直列に配置されていることを特徴とする半導体偏波制御素子。
【請求項９】
閃亜鉛鉱形半導体結晶を用いた偏波制御素子であって、半絶縁性の基板上に、請求項２に記載の半導体偏波制御素子を少なくとも３つ有し、前記少なくとも３つの半導体偏波制御素子のそれぞれの導波層が互いに同一の導波路を形成し、かつ前記少なくとも３つの半導体偏波制御素子のうちの隣り合う２つの半導体偏波制御素子の第一のｐクラッド層と第一のｎクラッド層とが同方向に配置されるように前記少なくとも３つの半導体偏波制御素子は直列に配置されており、前記隣り合う２つの半導体偏波制御素子の第一のｐクラッド層の間に第二のｎクラッド層が、前記隣り合う２つの半導体偏波制御素子の第一のｎクラッド層の間に第三のｐクラッド層が配置されていることを特徴とする半導体偏波制御素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体偏波制御素子に関し、より詳しくは任意の偏光状態を高速に制御可能な導波路型の半導体偏波制御素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速な偏波の制御は光通信システムにおいて重要な役割を担う技術である。例えば通常の長距離光通信で用いられている単一モードファイバ中では光の偏光状態が時間と共に複雑に変動するため、偏波依存性を有する光集積回路に接続する場合には偏波依存損失（ＰＤＬ）が問題となる。また、直交する各偏波に光変調信号をのせた偏波多重伝送においては、光受信側でランダムに変動する偏光状態を高速に解析、制御しなければ各直交偏波にのせた信号を正確に受信することはできない。さらに、光伝送速度の高速化に伴う偏波モード分散（ＰＭＤ）が無視できなくなる。これら背景を鑑みて、近年、無限追従可能な高速偏波コントローラの提案がなされている（例えば特許文献１）。
【０００３】
無限追従可能な偏波コントローラとしては主に回転波長板を機械的に回転させることによって入射偏光を目標の出射偏光に変換するもの、及びニオブ酸リチウム（ＬＮ）に代表される電気光学効果をもつ結晶を基板材料とした導波路型のものがある。前者は、たとえば直交する２つの固有偏光軸間の位相差がそれぞれπ／２、πである１／４波長板と１／２波長板とが用いられ、入射側から１／４波長板、１／２波長板、１／４波長板を順次配置し、各波長板の軸方向を回転調整することによって、任意の出射偏光に変換出力できる。また後者は、結晶の圧電性を利用した電気光学効果を用いるため、機械的制御の前者に比べて、より高速（ＭＨｚ以上）に偏波を制御できる点で優れている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１１３８７７号公報
【特許文献２】特許第２６４６５５８号公報
【特許文献３】特開昭６３−１１８７０９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Optics letters Vol. 11, No. 1, pp. 39-41, Suwat Thaniyavarn
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図２はＸ軸カットＬＮ偏波制御素子（Ｚ軸導波路形成）の断面概略図であり、図中の電極Ｐに一定のバイアス電圧を印加した状態で、偏波を回転させるための電圧を電極Ｒに印加して、偏波を制御する。ここでは一次の電気光学（ポッケルス）効果による媒質の複屈折制御を利用することで偏波の制御を行っている。ここで、その詳細について以下に述べる。
【０００７】
ＬＮ結晶において、Ｘ軸方向に電界を印加し、Ｚ軸方向に光を伝搬させる場合には、媒質の屈折率楕円体は以下のように表される。
【０００８】
【数１】
2014215316.tif 000003
【０００９】
この式を図示すると図１のように表される。すなわち、電圧を印加しない場合にはＸＹ面の屈折率楕円体は真円（等方性結晶）であったのに対し、電界印加により屈折率楕円体は真円を歪ませ（異方性結晶）、さらに主軸が４５°傾く。これは波長板を４５°傾けた状態と等価であり、この状態で、例えば結晶面に水平なＴＥ偏波を当該媒質に入射させ適切な電圧値を印加させれば、偏波はＴＥモードからＴＭモード（基板垂直方向の偏光）に変換することができる。しかし、チタン（Ｔｉ）拡散で形成されるＬＮの光導波路は、導波路自体に構造的異方性を有するため、これら構造的異方性を何らかの方法で制御しなければ、前記電気光学効果によるＴＥ−ＴＭモード変換を効率的（低電圧制御）に行うことができない。下式はＴＥ偏光入射に対して、ＴＭモードに偏波変換される割合をモード結合理論に基づいて表した式である。
【００１０】
【数２】
2014215316.tif 000004
【００１１】
【数３】
2014215316.tif 000005
【００１２】
ここでκとは結合係数であり、ＴＥモード⇔ＴＭモード間のパワー移行のしやすさを表している。また、Ｐ0は全光出力パワー、δβはＴＥ−ＴＭ間の伝搬定数差（複屈折）、ｚは伝搬方向の変数、αは光と電界の重なり合い（１≧α≧０）、ｒはポッケルス定数、noは媒質屈折率、Ｖは印加電圧、Ｇａｐは電極間距離である。
【００１３】
上式より、ＴＭモード変換効率を高めるためにはδβを小さくするか、κを大きくする必要がある。ＬＮデバイスの場合、前述した導波路構造上の複屈折によって無バイアス時にδβをゼロとすることは困難である。そこで、例えば図２に示すように（非特許文献１）電極Ｐに適切なバイアス電圧を印加し、導波路に対して基板水平方向電界を印加することによって、ＴＥ−ＴＭ間の伝搬定数差δβをゼロにしている。しかし、図中のＧａｐ２は＞１０μｍと大きな間隔が求められるため、所望の電界強度を得るための印加電圧値は高くなってしまう（２０Ｖ以上）といった問題がある。また、偏波変換に寄与するＬＮのポッケルス定数ｒは３．４ｐｍ／Ｖと決して大きな値とはいえず、図２に示すＧａｐ１の値も＞３．５μｍと大きいギャップ間隔が求められるため、偏波回転を行う上で必要な電極Ｒに印加する電圧値も高くなってしまう（電極長１ｃｍに対し７Ｖ）といった問題がある。結果として、低い電圧値で偏波を制御しようとする場合には、電圧印加領域の長さをさらに長くする等の必要が生じてしまい、デバイスサイズが肥大化してしまうほか、長尺化に伴い複雑な電圧制御も求められる。なお、当該制御効率低下に対して、ＬＮを薄膜化し、裏面電極を設けることで低電圧化を図る方法が提案されているが（例えば特許文献２）、複雑なデバイス構造が要求され、また大幅な低電圧化は困難であるため、依然としてＬＮ材料による偏波制御素子の低電圧化、小型化には課題が残る。
【００１４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、導波路型の偏波制御素子を低電圧制御かつ小型に実現させることで簡易構成による高速偏波制御素子の実現を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、第１の発明に係る偏波制御素子では、閃亜鉛鉱形半導体結晶の半絶縁性基板面上に、少なくとも第一のｐクラッド層及び第二のｐクラッド層が導波光を基板水平方向から挟んだ構造を有し、且つ導波層の上層に少なくとも第一のｎクラッド層を設ける。さらに、前記ｐクラッド層間に水平方向電界が印加されるように電極Ａ、Ｂが前記ｐクラッド層上にそれぞれ設けられ、且つ導波層へ基板垂直方向電界が印加されるように電極Ｃを前記ｎクラッド層上に設けることとした。
【００１６】
また、第２の発明に係る偏波制御素子では、閃亜鉛鉱形半導体結晶の半絶縁性基板面上に、少なくとも第一のｐクラッド層及びｎクラッド層が導波光を基板水平方向から挟んだ構造を有し、且つ導波層の上層に少なくとも第二のｐクラッド層を設ける。さらに、前記第一のｐクラッド層及びｎクラッド層間に水平方向電界が印加されるように電極Ａ、Ｂが前記第一のｐクラッド層及びｎクラッド層上にそれぞれ設けられ、且つ導波層へ基板垂直方向電界が印加されるように電極Ｃが第二のｐクラッド層上に設けることとした。
【００１７】
上記手段について図３を用いてより詳しく説明する。ＩｎＰ等の閃亜鉛鉱構造結晶の場合、[１１０]方向と等価な方向に電圧を印加することで前記ＬＮと同様な原理でＴＥ−ＴＭ偏波変換を行うことができる。具体的には、例えば（１００）面基板を用いた場合、[０１１]方向と等価な方向に導波路ストライプを形成し、当該導波路に対して基板水平法電界をかけることで、図１に示すように導波路断面の屈折率楕円体が４５°傾いて歪む。また当該導波路に対して基板垂直（１００）方向に電界をかけた場合にはＴＥ−ＴＭ間の伝搬定数差が変化することが知られている。すなわち、ＬＮデバイス同様に、導波路に対して基板垂直及び水平方向への印加電圧値をそれぞれ独立して制御できる機構を設けることで、閃亜鉛鉱形の半導体においても任意の偏波制御素子が実現可能となる。
【００１８】
ＩｎＰ等の閃亜鉛鉱形結晶を用いて前記偏波制御素子を作製する主な利点の一つとして、ｐ−ｉ−ｎ、ｐ−ｉ−ｐ構造の採用による、コア層へ局所的に高電圧を印加することができる点が挙げられる。ＬＮをはじめとする絶縁材料の場合には電極間隔が電界強度の大小を決めているのに対して、ｐｉｎ構造等ではｉ層幅（例えばＧａｐ３）が電界強度の大小を決めている。すなわち、Ｇａｐ１では、電極構造上、少なくても１０μｍ以上の電極間隔が求められていたのに対して、Ｇａｐ３では２μｍ以下に狭めることが可能であるため、より低い印加電圧で所望の電界強度を得ることができる。また、前記半導体の材料誘電率もＬＮの大よそ１／３程度であるため、前記Ｇａｐを狭めたとしても素子容量増大を抑制できることから、高速な偏波制御を行う上でも有用な材料といえる。
【００１９】
さらに、ＬＮに比べＩｎＰ等の化合物半導体は導波路メサ加工や、原子のイオン注入・熱拡散が容易であることから、図３のｐ型クラッド層のようにメタライズされた導電性クラッド層が対向電極として作用するため、光と電界の相互作用（前述した、重なり合いαの値）が大きい。例えばδβを調整する場合には基板水平方向電界を導波路に対して印加するが、その際の光-電界重なり合いαはプレーナ電極構造のＬＮは約０．５であるのに対して本発明構造の場合には０．９以上にすることができる。
【００２０】
以上のように、構造的・材料的観点から本発明に係るデバイスの前記κの値を見積もると大よそＬＮの場合と比べて７倍の結合効率向上が見込まれ、さらに、δβを調整するためのＴＥ−ＴＭ間位相シフトもＬＮの場合に比べて１０倍のシフト効率向上が見込まれる。すなわち、既存のＬＮ偏波制御素子に比べて素子の低駆動電圧化、小型化等が期待できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ｐｎ接合による強い電界閉じ込め、光と電気の強い相互作用等の点で優位なＩｎＰ系材料を用いて、電界制御型の偏波制御デバイスを作製することで、当該デバイスの小型且つ低駆動電圧動作が実現可能となる。これにより、光通信システムで問題となる偏波の経時的変動を補償する偏波制御素子を、他の小型半導体デバイスと一体集積させた新規伝送システム、及び超小型偏波制御システム等を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】電場印加による屈折率楕円体の変化を示すグラフである。
【図２】従来のＬＮ偏波制御素子の概略図である。
【図３】本発明の実施例１にかかる半導体偏波制御素子の断面図である。
【図４】本発明の実施例１にかかる半導体偏波制御素子の上面図である。
【図５】本発明の実施例１にかかる半導体偏波制御素子を直列に接続した偏波制御素子の上面図である。
【図６】本発明の実施例２にかかる半導体偏波制御素子の断面図である。
【図７】本発明の実施例２にかかる半導体偏波制御素子の上面図である。
【図８】本発明の実施例２にかかる半導体偏波制御素子を直列に接続した偏波制御素子の上面図である。
【図９】本発明の実施例１にかかる半導体偏波制御素子のクラッド層をＭＯＳ構造に置き換えた場合の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。
【００２４】
［実施例１］
図３は、本実施例の偏波制御素子の断面図である。本実施例では基板水平方向に電界がかかるように基板水平方向にｐ−ｉ−ｐ構造を採用、また同時に基板垂直方向にも独立して電界がかけられるように、ｎ型のクラッド層を導波路直上に堆積し、ｐ−ｉ−ｎ構造を形成した。なお、前記ｎ型クラッド層の代わりに、例えば図９に示すように絶縁膜（ＳｉＯ２等）２３を介したＭｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（ＭＯＳ）構造を採用したとしても、導波層に垂直方向電界を加えることができるため、本発明の有用性は失われない。結晶成長は、結晶再成長プロセスに適した有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法によって行い、基板結晶は（１００） 面方位の半絶縁性（ＳＩ）基板を用いた。なお、例えば（０１１）面方位と等価な基板を用いた場合においても、電極Ｚを接地した場合、電極Ｘと電極Ｙに加えるそれぞれの電圧を（１００）基板の場合の逆にすれば、本実施例の有用性は失われない。バルクのコア層はノンドープ層とし、そのバンドギャップ波長は動作光波長で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決定している。例えば、１．５５μｍ帯の偏波制御デバイスとする場合には、コア層を発光波長が１．２μｍのＩｎＧａＡｓＰ層によって形成するが、無論、当該波長領域で吸収の生じない、発光波長が１．５μｍ以下のＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｌＡｓ等を用いても問題ないことは明らかである。なお，コア層はバルク型でなくても例えば多重量子井戸（ＭＱＷ）型であっても、本発明の有用性は失われないことは明らかである。
【００２５】
ＳＩ-ＩｎＰ基板７上にノンドープのＩｎＰクラッド層８を０．５μｍ堆積後、前記コア層９（０．５μｍ）、ノンドープのＩｎＰクラッド層１０、及びｎ型ＩｎＰクラッド層１２（１．５μｍ）、ｎ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層１３（０．２μｍ）の順に結晶成長を行った。これらクラッド層のドーピング濃度は、コア層で効率良く電圧降下が生じるように５×１０１７ｃｍ−３以上とすることが望ましい。例えば、ｎ型ＩｎＰクラッド層のドーピング濃度を１×１０１８ｃｍ−３とし、ｎ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層のドーピング濃度をそれぞれ５×１０１８ｃｍ−３とする。なお、電極コンタクト用に積層される層は十分な伝導性が確保できれば問題ないため、ｎ型不純物がドーピングされる半導体は上記ＩｎＧａＡｓに限定されず例えば、ＩｎＧａＡｓＰなどを用いてもよい。続いて、偏波制御素子を光導波路として機能させるべく、［０１１］方向に導波路形状が模られた、例えばＳｉＯ２マスクを用いてドライエッチングによりｎ型ＩｎＰクラッド層が露出するまでエッチング加工し、続いて、塩酸、リン酸の混合液を用いたウェットエッチングによりノンドープのＩｎＧａＡｓＰコア層を露出させ、メサ構造（例えばコア幅が１．６μｍ）を作製する。
【００２６】
上記メサ構造を形成後、図４に示すｐクラッド領域以外の領域をＳｉＯ２マスク１８でカバーし、Ｚｎをイオン注入により、打ち込むことでマスク窓の開いたノンドープＩｎＧａＡｓＰ領域をｐ型化させた。なお、ｐ型化させる方法はイオン注入に限らず、例えばＺｎ雰囲気中での熱拡散等でも問題ないことは明らかである。ｎ型同様に、十分な伝導性が確保されるように、少なくても半導体表面から０．２μｍの深さはドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上となるようにした。
【００２７】
上記ｐ−ｉ−ｎ層及びｐ−ｉ−ｐ層を含む直線光導波路１９を形成後、電極Ｘ形成を安定的に行うためにメサ脇をポリイミド１４で覆った。その後、ｎ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層上に例えばＡｕＧｅＮｉ合金を、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層上に例えばＡｕＺｎＮｉ合金をそれぞれ蒸着した後にシンター炉を用いて熱処理を行った。その後、接着性を向上させるＴｉを介してＡｕを１μｍ堆積させた。
【００２８】
作製した素子を図４に示すようにチッピングを行うことで、一段構成の偏波制御素子は完成する。当該偏波コントローラにおいて任意の回転軸角、リターデーションを実現するためには電極Ｘ、Ｙに適切な電圧を印加する。印加電圧の大きさ、及び［１００］、［０１１］方向の比率によって位相差、及び、回転角度が決まる。［１００］方向の電界をＥ１００、［０１１］方向の電界をＥ０１１とすると、結晶軸の回転角θは、
θ＝（１／２）・Ｔａｎ−１（Ｅ１００／Ｅ０１１）
となる。また、波長板の厚さは、（Ｅ１００２＋Ｅ０１１２）１／２に比例する。
【００２９】
さらに、偏光状態のランダムな変動に対して偏光状態を固定させるためには、無限追従型の偏波コントローラが求められており、前記一段構成の偏波コントローラでは、低電圧駆動化での実現が困難であるため、前記偏波コントローラを直列多段に設置した構成が有効である（例えば、特許文献３）。図５は本実施例の偏波コントローラの少なくとも３つを直列多段に設けたものであり、各段のｐドーピング層はそれぞれノンドープ層を介して形成されている。これにより、各導電層間での電気的分離が可能となる。
【００３０】
このように本発明によれば、ｐｎ接合による強い電界閉じ込め、光と電気の強い相互作用等の点で優位なＩｎＰ系材料を用いて、電界制御型の偏波制御デバイスを作製することで、当該デバイスの小型且つ低駆動電圧動作が実現可能となる。
【００３１】
ここで基板材料はＩｎＰ以外にも同結晶構造を有する、例えばＧａＡｓ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅを用いた場合においてもその有用性は変わらないことは明らかである。
【００３２】
なお、本実施例においては、１．５５μｍ波長帯に対応する光変調素子を用いたが１．３μｍ波長帯に対応するものを用いてもよい。
【００３３】
また例えばＧａＡｓを用いれば０．６〜１．３μｍ波長帯にも対応できる。
【００３４】
［実施例２］
図６は、本実施例の偏波制御素子の断面図である。本実施例では基板水平方向に電界がかかるように基板水平方向にｐ−ｉ−ｎ構造を採用、また同時に基板垂直方向にも独立して電界がかけられるように、ｐ型のクラッド層を導波路直上に堆積し、ｐ−ｉ−ｐ構造を形成した。なお、前記導波路直上のｐ型クラッド層の代わりに、例えば図９に示すように絶縁膜（ＳｉＯ２等）を介したＭｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（ＭＯＳ）構造を採用したとしても、導波層に垂直方向電界を加えることができるため、本発明の有用性は失われない。結晶成長は、結晶再成長プロセスに適した有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法によって行い、基板結晶は（１００） 面方位の半絶縁性（ＳＩ）基板を用いた。なお、例えば（０１１）面方位と等価な基板を用いた場合においても、電極Ｒと電極Ｐに加えるそれぞれの電圧を（１００）基板の場合の逆にすれば、本実施形態の有用性は失われない。バルクのコア層はノンドープ層とし、そのバンドギャップ波長は動作光波長で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決定している。例えば、１．５５μｍ帯の偏波制御デバイスとする場合には、コア層を発光波長が１．２μｍのＩｎＧａＡｓＰ層によって形成するが、無論、当該波長領域で吸収の生じない、発光波長が１．５μｍ以下のＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｌＡｓ等を用いても問題ないことは明らかである。なお、コア層はバルク型でなくても例えば多重量子井戸（ＭＱＷ）型であっても、本発明の有用性は失われないことは明らかである。
【００３５】
ＳＩ-ＩｎＰ基板７上にノンドープのＩｎＰクラッド層８を０．５μｍ堆積後、前記コア層９（０．５μｍ）、ノンドープのＩｎＰクラッド層１０、及びｐ型ＩｎＰクラッド層２０（１．５μｍ）、ｐ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層２１（０．２μｍ）の順に結晶成長を行った。これらクラッド層のドーピング濃度は、コア層で効率良く電圧降下が生じるように５×１０１７ｃｍ−３以上とすることが望ましい。例えば、ｐ型及ＩｎＰクラッド層のドーピング濃度を５×１０１８ｃｍ−３とし、ｐ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層のドーピング濃度をそれぞれ１×１０１９ｃｍ−３とする。なお、電極コンタクト用に積層される層は十分な伝導性が確保できれば問題ないため、ｐ型不純物がドーピングされる半導体は上記ＩｎＧａＡｓに限定されず例えば、ＩｎＧａＡｓＰなどを用いてもよい。続いて、偏波制御素子を光導波路として機能させるべく、［０１１］方向に導波路形状が模られた、例えばＳｉＯ２マスクを用いてドライエッチングによりｐ型ＩｎＰクラッド層が露出するまでエッチング加工し、続いて、塩酸、リン酸の混合液を用いたウェットエッチングによりノンドープのＩｎＧａＡｓＰコア層を露出させ、メサ構造（例えばコア幅が１．６μｍ）を作製する。
【００３６】
上記メサ構造を形成後、図７に示すｐクラッド領域以外の領域をＳｉＯ２マスクでカバーし、Ｚｎをイオン注入により、打ち込むことマスク窓の開いたノンドープＩｎＧａＡｓＰ領域をｐ型化させた。なお、ｐ型化させる方法はイオン注入に限らず、例えばＺｎ雰囲気中での熱拡散等でも問題ないことは明らかである。続いて同様に、図７に示すｎクラッド領域以外の領域をＳｉＯ２マスクでカバーし、Ｓｉをイオン注入により、打ち込むことマスク窓の開いたノンドープＩｎＧａＡｓＰ領域をｎ型化させた。十分な伝導性が確保されるように、ｐ、ｎ型層共に少なくても半導体表面から０、２μｍの深さはドーピング濃度がそれぞれ５×１０１８ｃｍ−３以上となるようにした。
【００３７】
上記ｐ−ｉ−ｎ層及びｐ−ｉ−ｐ層を含む直線光導波路を形成後、電極Ｘ形成を安定的に行うためにメサ脇をポリイミドで覆った。その後、ｎ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層上に例えばＡｕＧｅＮｉ合金を、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層上に例えばＡｕＺｎＮｉ合金をそれぞれ蒸着した後にシンター炉を用いて熱処理を行った。その後、接着性を向上させるＴｉを介してＡｕを１μｍ堆積させた。
【００３８】
作製した素子を図７に示すようにチッピングを行うことで、一段構成の偏波制御素子は完成する。当該偏波コントローラにおいて任意の回転軸角、リターデーションを実現するためには電極Ｘ、Ｙ、Ｚに適切な電圧を印加する。印加電圧の大きさ、及び［１００］、［０１１］方向の比率によって位相差、及び、回転角度が決まる。［１００］方向の電界をＥ１００、［０１１］方向の電界をＥ０１１とすると、結晶軸の回転角θは、
θ＝（１／２）・Ｔａｎ−１（Ｅ１００／Ｅ０１１）
となる。また、波長板の厚さは、（Ｅ１００２＋Ｅ０１１２）１／２に比例する。２分の１ 波長板の場合、［１００］方向に電界を印加するために必要な電圧の最大値をＶ０、［０１１］方向に電界を印加するために必要な電圧の最大値をＶπ／２とすると、図に示す各電極に印加する電圧は、
（電極Ｘ）ＶＸ＝Ｖ０ｃｏｓ（２θ）＋Ｖπ／２ｓｉｎ（２θ）＋Ｖｂ
（電極Ｙ）ＶＹ＝０
（電極Ｚ）ＶＺ＝Ｖ０ｃｏｓ（２θ）−Ｖπ／２ｓｉｎ（２θ）−Ｖｂ
なお、逆バイアス電圧下素子を駆動させることからＶＺ＜ＶＸとする。ここで、Ｖｂはδβをゼロにするために必要なバイアス電圧である。本実施例における検討ではＶ０＝６Ｖ、Ｖπ／２＝４Ｖ、Ｖｂ＝１０Ｖとなった。
【００３９】
さらに、偏光状態のランダムな変動に対して偏光状態を固定させるためには、無限追従型の偏波コントローラが求められており、前記一段構成の偏波コントローラでは、低電圧駆動化での実現が困難であるため、前記偏波コントローラを直列多段に設置した構成が有効である（例えば、特許文献３）。図８上段は本実施例の偏波コントローラの少なくとも３つを直列多段に設けたものであり、隣り合う各段のドーピング層はノンドープ層を介してｐｎｐ・・・となるように形成されている。これにより、各導電層間での電気的分離が容易となる。なお、前記のように交互にドーピング層を入れ替えなくても、図８下段に示すように各段の間のノンドープ領域の全部又は一部をｐ型化又はｎ型化したとしても、問題はないことは明らかである。
【００４０】
このように本発明によれば、ｐｎ接合による強い電界閉じ込め、光と電気の強い相互作用等の点で優位なＩｎＰ系材料を用いて、電界制御型の偏波制御デバイスを作製することで、当該デバイスの小型且つ低駆動電圧動作が実現可能となる。
【００４１】
ここで基板材料はＩｎＰ以外にも同結晶構造を有する、例えばＧａＡｓ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅを用いた場合においてもその有用性は変わらないことは明らかである。
【００４２】
なお、本実施例においては、１．５５μｍ波長帯に対応する光変調素子を用いたが１．３μｍ波長帯に対応するものを用いてもよい。
【００４３】
また例えばＧａＡｓを用いれば０．６〜１．３μｍ波長帯にも対応できる。
【符号の説明】
【００４４】
１  ＬＮ
２  Ｔｉ拡散導波路
３  バッファ層
４  電極Ｒ
５  電極Ｐ
６  接地電極
７  半絶縁性ＩｎＰ基板
８  ｉ−クラッド層
９  ｉ−コア層
１０  ｉ−クラッド層
１１  ｐ−クラッド層
１２  ｎ−クラッド層
１３  ｎ−コンタクト層
１４  ポリイミド
１５  Ｘ電極
１６  Ｙ電極
１７  Ｚ電極
１８  ＳｉＯ２マスク
１９  光導波路
２０  ｐ−クラッド層
２１  ｐ−コンタクト層
２２  ｎ−クラッド層
２３  絶縁膜
【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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