(57)【要約】【課題】本発明は、良好な高周波特性と変調損失の低減を両立した半導体光変調器の提供を目的とする。【解決手段】本発明に係る半導体光変調器は、多重量子井戸層１ａの両側に設けられたＰ型クラッド層１６とＮ型クラッド層１１に逆バイアス電圧を印加して駆動する半導体光変調器であって、多重量子井戸層１ａは、交互に積層された複数の井戸層と障壁層を備え、逆バイアス電圧の増大に伴って多重量子井戸層１ａに印加される電界の変化量が、所定値の基準逆バイアス電圧を印加するまでに極大値を持つことを特徴とする。【選択図】図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重量子井戸層の両側に設けられたＰ型クラッド層とＮ型クラッド層に逆バイアス電圧を印加して駆動する半導体光変調器であって、
前記多重量子井戸層は、
交互に積層された複数の井戸層と障壁層を備え、
前記逆バイアス電圧の増大に伴って前記多重量子井戸層に印加される電界の変化量が、所定値の基準逆バイアス電圧を印加するまでに極大値を持つことを特徴とする、
半導体光変調器。
【請求項２】
前記基準逆バイアス電圧を前記所定値まで増大させたときに、
前記多重量子井戸層の中心よりも前記Ｐクラッド層側の前記多重量子井戸層に印加される電界の変化量が、
前記多重量子井戸層の中心よりも前記Ｎクラッド層側の前記多重量子井戸層に印加される電界の変化量よりも大きいことを特徴とする、
請求項１に記載の半導体光変調器。
【請求項３】
前記多重量子井戸層の中心よりも前記Ｎクラッド層側の前記多重量子井戸層に印加される電界の変化量の極大値を与える基準逆バイアス電圧が、
前記多重量子井戸層の中心よりも前記Ｐクラッド層側の前記多重量子井戸層に印加される電界の変化量の極大値を与える基準逆バイアス電圧よりも大きいことを特徴とする、
請求項２に記載の半導体光変調器。
【請求項４】
前期多重量子井戸層において、Ｐ型クラッド層側からＮ型クラッド層側へ向かって、前記井戸層の厚みが増大することを特徴とする、
請求項２または３に記載の半導体光変調器。
【請求項５】
前記多重量子井戸層と前記Ｐ型クラッド層との間に配設された、前記井戸層よりもバンドギャップの大きいＰ側中間層と、
前記多重量子井戸層と前記Ｎ型クラッド層との間に配設された、前記井戸層よりもバンドギャップの大きいＮ側中間層と、
を備え、
前記Ｐ側中間層および前記Ｎ側中間層は、Ｐ型またはＮ型であることを特徴とする、
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体光変調器。
【請求項６】
前記Ｐ側中間層および前記Ｎ側中間層がＰ型である場合は、前記Ｎ側中間層と前記Ｎ型クラッド層との間に、前記Ｎ型クラッド層よりも不純物濃度の高いＮ型ハイドープ層をさらに備え、
前記Ｐ側中間層および前記Ｎ側中間層がＮ型である場合は、前記Ｎ側中間層と前記Ｐ型クラッド層との間に、前記Ｐ型クラッド層よりも不純物濃度の高いＰ型ハイドープ層をさらに備えることを特徴とする、
請求項５に記載の半導体光変調器。
【請求項７】
前記Ｐ側中間層の組成は、Ｎ型の不純物がドープされたＩｎＡｌＡｓであり、
前記基準逆バイアス電圧の増大に伴って、前記多重量子井戸層の中心よりも前記Ｎ型クラッド層側の前記多重量子井戸層に印加される電界の変化量は極大値を持ち、
前記極大値を与える前記基準逆バイアス電圧をＶｋとし、
前記基準逆バイアス電圧ゼロにおける電界の変化量をＥｃとし、
前記極大値と前記Ｅｃとの差をＥａとし、
前記基準逆バイアス電圧（Ｖｋ＋２［Ｖ］）における電界の変化量と、前記Ｅｃとの差をＥｂとしたとき、
Ｅａ×Ｅｂ／Ｅｃ≧１０［ｋＶ／ｃｍ］を満たすことを特徴とする、
請求項６に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、特に、多重量子井戸層の両側に設けられたＰ型クラッド層とＮ型クラッド層に逆バイアス電圧を印加して駆動する半導体光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムで用いる光変調器には、大きく分けて強度変調用の電界吸収型変調器（以下、ＥＡ変調器）と位相変調用のマッハツェンダ型変調器（以下、ＭＺ変調器）とがある。ＭＺ変調器は、ＥＡ変調器よりも波長のチャープを小さくできるため、特に長距離伝送に向いているデバイスである。
【０００３】
ＭＺ変調器に入射した光は２つに分岐され、基板上に形成された上下の導波路に導かれる。このとき、導波路に基板を介して垂直に逆バイアス電圧を印加することにより、光の位相を変化させることができる。位相変化を受けた２つの光は合波されて出力される。合波される際に２つの光の位相がそろった状態であれば、出力光は最大となる。一方、２つの光の位相がπ異なる状態であれば、出力光は最小となる。
【０００４】
ＭＺ変調器には、ポッケルス効果による屈折率変化を利用したＬｉＮｂＯ３型変調器（以下、ＬＮ−ＭＺ変調器）と、量子閉じ込めシュタルク効果による屈折率変化を利用した多重量子井戸構造の半導体ＭＺ変調器とがある（半導体ＭＺ変調器については、例えば特許文献１参照）。
【０００５】
ＬＮ−ＭＺ変調器は、駆動時の吸収を無視できるが、半波長電圧２Ｖπが６Ｖ程度までと大きい。ここで、半波長電圧２Ｖπとは光出力が最大となるプッシュプル電圧である。一方、半導体ＭＺ変調器は、半波長電圧２Ｖπが３Ｖ程度までと、ＬＮ−ＭＺ変調器に比べて小さいものの、動作時に吸収が発生するため、伝送時の変調損失が大きい。
【０００６】
一般に、光変調器において変調損失が小さいほど伝送に有利であり、また、半波長電圧が小さいほど消費電力の削減となるため、どちらも重要な特性である。
【０００７】
典型的な半導体ＭＺ変調器において変調を行う変調部の構成について説明する。変調部は、ＰドープされたＰ型クラッド層と、ＮドープされたＮ型クラッド層と、Ｐ型クラッド層とＮ型クラッド層に挟まれた絶縁体の活性層からなるＰ−Ｉ−Ｎ構造である。この活性層は、複数の井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸層である。
【０００８】
変調部には、多重量子井戸層の吸収端からΔλ離調した波長を持つレーザー光が入射される。変調時には、変調部にＤＣバイアス電圧にプッシュプル電圧ΔＶが加えられた電圧が逆バイアス電圧として印加される。逆バイアス電圧が大きいほど、また、Δλが小さいほど変調部における屈折率変化が大きくなる。また、逆バイアス電圧が大きいほど、多重量子井戸における光の吸収が増大するため、変調時の損失（変調損失）が大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２５１０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
伝送において良好な高周波特性を得るためには、所定値以上の逆バイアス電圧で駆動する必要がある。一方、変調損失を低減させるために、なるべく小さなＤＣバイアス電圧で駆動するのが望ましい。
【００１１】
一定の半波長電圧Ｖπで駆動する場合、比較的小さい離調量Δλのレーザー光を用いると、屈折率変化が比較的大きいため、一定のＶπを満たすために変調部に印加するＤＣバイアス電圧を小さくする必要がある。この場合、変調損失は低減されるが、所定値よりも逆バイアス電圧が小さくなり周波数特性が劣化してしまう。よって、Ｖπを一定としたままで高周波特性の劣化を避けるためには、所定値以上の逆バイアス電圧で動作するΔλを選ぶ必要がある。即ち、比較的大きな離調量Δλを選ぶ必要があるが、Δλが増大すると、屈折率変化が小さくなるため、大きいＤＣバイアス電圧で駆動する必要があり、変調時の損失が増大してしまう。
【００１２】
本発明は以上で述べた課題を解決するためになされたものであり、良好な高周波特性と変調損失の低減を両立した半導体光変調器の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る半導体光変調器は、多重量子井戸層の両側に設けられたＰ型クラッド層とＮ型クラッド層に逆バイアス電圧を印加して駆動する半導体光変調器であって、多重量子井戸層は、交互に積層された複数の井戸層と障壁層を備え、逆バイアス電圧の増大に伴って前記多重量子井戸層に印加される電界の変化量が、所定値の基準逆バイアス電圧を印加するまでに極大値を持つことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る半導体光変調器において、多重量子井戸層に印加される電界の変化量が、所定値の基準逆バイアス電圧を印加するまでに極大値を持つことは、０Ｖから所定値までの範囲の基準逆バイアス電圧印加時に、多重量子井戸層に印加される電界の変化量が従来よりも低減されて、例えば２Ｖまでの逆バイアス電圧において屈折率変化を従来よりも低く抑え、屈折率変化の逆バイアス電圧依存性の非線形性を大きくすることができる。
【００１５】
よって、半波長電圧Ｖπを一定とした場合、ＤＣバイアス電圧を従来よりも小さくできるため、高周波特性の劣化を避けるために、より大きいΔλを選んだ場合であっても、従来よりも変調損失を低減することが可能である。よって、良好な高周波特性と変調損失の低減を両立することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】前提技術に係る半導体光変調器の概略図である。
【図２】前提技術に係る半導体光変調器の光出力特性を示す図である。
【図３】前提技術に係る半導体光変調器の帯域と逆バイアス電圧の関係を示す図である。
【図４】前提技術に係る半導体光変調器の吸収スペクトルを示す図である。
【図５】前提技術に係る半導体光変調器の屈折率変化と逆バイアス電圧の関係を示す図である。
【図６】前提技術に係る半導体光変調器の半波長電圧とＤＣバイアス電圧の関係を示す図である。
【図７】前提技術に係る半導体光変調器の変調損失とＤＣバイアス電圧の関係を示す図である。
【図８】前提技術に係る半導体光変調器の逆バイアス電圧に対するポテンシャル変化を示す図である。
【図９】前提技術に係る半導体光変調器の電界の変化量と基準逆バイアス電圧の関係を示す図である。
【図１０】前提技術に係る半導体光変調器の屈折率と逆バイアス電圧の関係を示す図である。
【図１１】前提技術に係る半導体光変調器において井戸層の厚みを変化させた場合の半波長電圧−変調損失特性の関係を示す図である。
【図１２】実施の形態１に係る半導体光変調器の変調部の断面図である。
【図１３】実施の形態１に係る半導体光変調器の変調部のバンドダイアグラムを示す図である。
【図１４】実施の形態１に係る半導体光変調器の変調部の逆バイアス電圧に対するポテンシャル変化を示す図である。
【図１５】実施の形態１に係る半導体光変調器の電界の変化量と基準逆バイアス電圧の関係を示す図である。
【図１６】実施の形態１に係る半導体光変調器の井戸層の厚みと屈折率の関係を示す図である。
【図１７】実施の形態１に係る半導体光変調器の変調損失と半波長電圧の関係を示す図である。
【図１８】実施の形態２に係る半導体光変調器の逆バイアス電圧に対するポテンシャル変化を示す図である。
【図１９】実施の形態２に係る半導体光変調器の電界の変化量と基準逆バイアス電圧の関係を示す図である。
【図２０】実施の形態３に係る半導体光変調器の変調部の断面図である。
【図２１】実施の形態３に係る半導体光変調器のバンドダイアグラムを示す図である。
【図２２】実施の形態３に係る半導体光変調器の逆バイアス電圧に対するポテンシャル変化を示す図である。
【図２３】実施の形態３に係る半導体光変調器の電界の変化量と基準逆バイアス電圧の関係を示す図である。
【図２４】実施の形態４に係る半導体光変調器の変調部の断面図である。
【図２５】実施の形態４に係る半導体光変調器の電界の変化量と基準逆バイアス電圧の関係を示す図である。
【図２６】実施の形態４に係る半導体光変調器の電界の変化量と基準逆バイアス電圧の関係を模式的に表した図である。
【図２７】実施の形態４に係る半導体光変調器においてＰ側中間層（厚み１０ｎｍ）のドーピング濃度とＥａ×Ｅｂ／Ｅｃの関係を示す図である。
【図２８】実施の形態４に係る半導体光変調器においてＰ側中間層（厚み３０ｎｍ）のドーピング濃度とＥａ×Ｅｂ／Ｅｃの関係を示す図である。
【図２９】実施の形態４に係る半導体光変調器においてＰ側中間層（厚み５０ｎｍ）のドーピング濃度とＥａ×Ｅｂ／Ｅｃの関係を示す図である。
【図３０】実施の形態４に係る半導体光変調器の変調損失が改善されるＰ側中間層の厚みとドーピング濃度の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜前提技術＞
前提技術における半導体ＭＺ変調器の概略図を図１（ａ）に示す。また、半導体ＭＺ変調器の変調部の断面図を図１（ｂ）に示す。図１（ａ）において、単一波長のレーザー光が入射光導波路１０ｅ入射にすると、分岐部１０ｂにて分岐され、上下の導波路１０ｃを通過する。この時、それぞれの変調部１０ａにおいて、導波路１０ｃにＮ−ＩｎＰ基板１ｄを介して垂直に逆バイアス電圧をかけることで、光の位相を変化させることができる。それぞれの変調部で位相変化された光は合波部１０ｄで再び合成されて、出力光導波路１０ｆを通って出力される。合波部１０ｄで合成される際に、２つの光の位相が揃った状態であれば、出力が最大となる。なお、図１（ａ）において下側の導波路１０ｃの変調部１０ａの出力側にはπシフタ１０ｇが設けられているため、どちらの変調部１０ａにおいても位相の変化が無かった場合には、πシフタ１０ｇにより位相差がπとなるため、出力光は最小となる。
【００１８】
図１（ａ）の線分ＡＡ’における変調部の断面を図１（ｂ）に示す。Ｎ−ＩｎＰ基板１ｄ上には、ＮドープされたＮ型クラッド層２、多重量子井戸層１ａ、ＰドープされたＰ型クラッド層３が順に積層される。また、Ｎ型クラッド層２側、Ｐ型クラッド層側には、Ｎ側電極１ｃ、Ｐ側電極１ｂがそれぞれ設けられる。この電極間に逆バイアス電圧が印加される。
【００１９】
多重量子井戸層１ａは、厚みが８ｎｍの井戸層と厚みが８ｎｍの障壁層がそれぞれ１３層ずつ交互に積層されて構成される。なお、変調部１０ａの長さは０．８ｍｍである。
【００２０】
以下では、典型的な半導体ＭＺ変調器の動作特性を説明する。半導体ＭＺ変調器は、２つの変調部１０ａの電極（即ち、Ｐ側電極１ｂおよびＮ側電極１ｃ）に中心バイアス電圧としてＤＣバイアス電圧をかけ、さらに互いに符号を反転させたプッシュプル電圧ΔＶをＲＦ電圧として与えて、プッシュプル動作を行うことで駆動される。
【００２１】
図２に、光出力とプッシュプル電圧の関係を示す。プッシュプル電圧ΔＶが０Ｖのときは、変調部１０ａにはＤＣバイアス電圧のみが印加されている。このとき、図１（ａ）に示すように、片側の導波路１０ｃにはπシフタ１０ｇが設けられているため、合波される２つの光の位相はπずれた状態であり、光出力は最小となる。
【００２２】
一方、±Ｖπのプッシュプル電圧ΔＶが印加されると、変調部１０ａを通過した２つの光は、位相がπずれた状態となり、光出力が最大となる。
【００２３】
光出力が最大となる状態では、２つの光の位相はπ異なっており、この位相差を変調に用いるのが位相変調である。出力光の位相をπ変化させるのに必要なＲＦ電圧の振幅の半分のことを、半波長電圧Ｖπと呼ぶ。また、図２において、最大光出力の、０ｄＢからのずれを変調損失と呼ぶ。
【００２４】
例えば、ＤＣバイアス電圧を４Ｖ、半波長電圧Ｖπを１．５Ｖとした場合には、上側導波路には最大５．５Ｖ（最小２．５Ｖ）の逆バイアス電圧、下側導波路には、最小２．５Ｖ（最大５．５Ｖ）の逆バイアス電圧がそれぞれ印加される。
【００２５】
一般に、半導体ＭＺ変調器においては、図３に示すように変調部１０ａに印加する逆バイアス電圧の大きさによって変調周波数帯域が変化する。逆バイアス電圧が小さい領域（例えば２Ｖ以下；領域Ｂ）では帯域が劣化する。従って、帯域の劣化を避けるために変調時の逆バイアス電圧は２Ｖ以上（領域Ａ）とする必要性が生じる。プッシュプル動作時に変調部１０ａに印加される逆バイアス電圧は、逆バイアス電圧が、ＤＣバイアス電圧−Ｖπの時に最も小さくなる。従って、帯域劣化を避けるためには、変調部１０ａに印加される逆バイアス電圧の最小値（即ち、ＤＣ逆バイアス電圧−Ｖπ）を２Ｖ以上にする必要がある。
【００２６】
以上のような特性を持つ半導体ＭＺ変調器を、波長可変レーザーを入射光の光源として用いて、半波長電圧Ｖπを一定として動作させる場合を考える。
【００２７】
図４に、多重量子井戸層１ａにおける吸収スペクトルと逆バイアス電圧の関係を示す。多重量子井戸層１ａは、逆バイアス電圧非印加時に井戸層の吸収端波長において吸収のピークを示す。逆バイアス電圧を印加すると、ピーク強度が弱まる一方、入射されるレーザー光の波長範囲において吸収係数が高まる。レーザー光の波長はある範囲で可変であり、吸収端からのレーザー光波長の離調量をΔλと表す。なお、本明細書において、レーザー光の波長可変範囲において、吸収端に近い波長を短波側波長、吸収端から遠い波長を長波側波長と呼ぶ。
【００２８】
図５に、半波長電圧Ｖπを一定とした場合の、屈折率変化−逆バイアス電圧特性の離調量Δλ依存性を示す。図５において、領域１００Ｂは、帯域が劣化する領域（図３の領域Ｂ）で動作を行った場合に、一定の半波長電圧Ｖπを満たす領域である。一方、領域１００Ａは、帯域が劣化しない領域（図３の領域Ａ）で動作を行った場合に、一定の半波長電圧Ｖπを満たす領域である。Δλを小さくするほど、屈折率変化の逆バイアス電圧に対する非線形性が大きくなる。また、それぞれの領域１００Ａ，１００Ｂにおいて、領域の上端は短波側波長に、領域の下端は長波側波長に対応している。
【００２９】
図６に、半波長電圧Ｖπ−ＤＣバイアス電圧特性のΔλ依存性を示す。離調量Δλを固定した場合、ＤＣバイアス電圧を増大させる、即ち逆バイアス電圧を増大させると、屈折率変化が大きくなり、２つの変調部１０ａの屈折率差も大きくなる。そのため、半波長電圧Ｖπは小さくなる。また、離調量Δλが比較的小さい場合には、屈折率変化がより大きくなるため、半波長電圧Ｖπを一定とした場合、より小さいＤＣバイアス電圧で動作する。
【００３０】
図７に、半波長電圧Ｖπを一定とした場合の、変調損失とＤＣバイアス電圧および離調量Δλの関係を示す。ＤＣバイアス電圧の増大に伴って逆バイアス電圧も増大するため、多重量子井戸層１ａにおける光吸収が大きくなり、変調損失が増大する。また、離調量Δλを大きくすると、Ｖπ一定とするためには、ＤＣバイアス電圧を大きくする必要があり、やはり変調損失が増大する。
【００３１】
以上で述べたように、屈折率の変化が大きい、比較的小さい短波側のΔλのレーザー光を用いる場合は、一定のＶπを満たすために、変調部に印加するＤＣバイアス電圧を小さくする必要がある。ＤＣバイアス電圧を小さくすることは逆バイアス電圧を小さくすることと同じであるため、図３における領域Ｂで駆動することになってしまい、高周波特性が劣化してしまう。
【００３２】
そこで、Ｖπを一定としたまま、高周波特性の劣化を避けて図３における領域Ａの逆バイアス電圧で駆動するためには、長波側のΔλを選択する必要がある。長波側のレーザー光は、屈折率変化が小さいため、半波長電圧Ｖπ一定で動作させるためには、変調部１０ａに印加するＤＣバイアス電圧を大きくする必要がある。図４に示したように、ＤＣバイアス電圧の増大は、吸収係数の増加を招くため、変調損失の増大という問題が生じる。
【００３３】
このように、半波長電圧Ｖπを一定とした場合、高周波特性の劣化を避けるために、離調量Δλの選択は制限を受ける。
【００３４】
図８に、前提技術における半導体ＭＺ変調器の変調部１０ａの逆バイアス電圧に対するポテンシャル変化を示す。逆バイアス電圧が０Ｖの場合であっても、多重量子井戸層１ａには電界が印加されている。これは、Ｎ型クラッド層２とＰ型クラッド層３によるビルトイン電界のためである。また、逆バイアス電圧の増大にともなって、多重量子井戸層１ａのポテンシャルの傾き（即ち電界）も大きくなっていることがわかる。
【００３５】
図９に、多重量子井戸層１ａにおけるＮ側電界およびＰ側電界の変化量と基準逆バイアス電圧の関係を示す。ここで、Ｎ側電界とは、多重量子井戸層１ａの中心よりもＮ型クラッド層２側の多重量子井戸層１ａにかかる電界を意味し、Ｐ側電界とは、多重量子井戸層１ａの中心よりもＰ型クラッド層３側の多重量子井戸層１ａにかかる電界を意味する。また、電界の変化量とは、基準逆バイアス電圧から逆バイアス電圧を１Ｖ増大させた場合の電界の変化量である。つまり、逆バイアス電圧Ｖを印加したときの電界をＥ（Ｖ）、基準逆バイアス電圧をＶｓとすると、電界の変化量ΔＥは、Ｅ（Ｖｓ＋１［Ｖ］）−Ｅ（Ｖｓ）と表すことができる。なお、図９の電界は、積層方向について平均化されたものである。
【００３６】
例えば、基準逆バイアス電圧０Ｖには、逆バイアス電圧を０Ｖから１Ｖに増大させた場合の電界の変化量が示される。
【００３７】
図９に示すように、前提技術においては、逆バイアス電圧が０Ｖから１Ｖに変化する時にＮ側電界、Ｐ側電界ともに電界変化量が最大を示し、その後は、基準逆バイアス電圧の増大に対してゆるやかに変化している。
【００３８】
図９のように電界変化量が変化する場合の、屈折率変化の逆バイアス電圧依存性を図１０に示す。逆バイアス電圧が０Ｖから２Ｖにかけて屈折率変化の増大が始まり、２Ｖからさらに逆バイアス電圧をかけていくと屈折率変化はさらに増大していく。
【００３９】
このため、図３中の領域Ａの範囲で逆バイアス電圧を印加して動作させると、図１０のような屈折率変化の逆バイアス電圧依存性を持つΔλは、所定の半波長電圧Ｖπよりも小さいＶπで動作してしまう。よって、Ｖπを一定として動作させるためには、ＤＣバイアス電圧を小さくする必要があり、高周波特性が劣化する領域（図３の領域Ｂ）で動作させることになってしまう。
【００４０】
高周波特性の劣化を避けるためには、逆バイアス電圧の最小値（ＤＣバイアス電圧−Ｖπ）を２Ｖ以上（即ち、図３の領域Ａ）とする必要がある。そのためには、図５に示すように、小さい屈折率変化を持つ大きなΔλを選択することになる。その結果、一定のＶπで動作させるために、最も小さな屈折率変化を持つ長波側波長のレーザー光を用いることになり、それに伴って、ＤＣバイアス電圧を大きくする必要が生じ、変調損失が増大する。
【００４１】
図１１に、多重量子井戸層１ａの井戸層の厚みを８ｎｍ，１０ｎｍ，１２ｎｍ，１３ｎｍと変化させて変調損失を調べた結果を示す。なお、図１１において、レーザー光の波長として最も変調損失が大きくなる長波側の波長を用いた。
【００４２】
図１１から、１３ｎｍ，１２ｎｍ，１０ｎｍと、井戸層の厚みが薄くなるほど変調損失が低減されていることがわかる。井戸層の厚みが薄いほど、逆バイアス電圧に対する量子閉じ込めシュタルク効果による吸収端の波長シフト量は小さくなる。よって、同じ波長で比較すると、井戸層の厚みが薄いほど屈折率変化が小さいため、厚みが薄い井戸層において同じ屈折率変化を得るためには、より大きいＤＣバイアス電圧を印加する必要がある。即ち、Δλが小さくても、井戸層の厚みを薄くすることで、高周波特性が劣化しない領域（図３の領域Ａ）で動作させることができる。また、より小さなΔλを用いることが可能となるため、図５に示したように、長波側においても屈折率変化の逆バイアス電圧に対する非線形性が大きくなり、変調損失を低減することが可能となる。
【００４３】
しかし、図１１において、井戸層の厚み１０ｎｍと８ｎｍとでは、変調損失がほぼ同じであり、井戸層の厚みを減少させることによる損失の改善には限界があることがわかる。
【００４４】
＜実施の形態１＞
＜構成＞
本実施の形態における半導体ＭＺ変調器（即ち、半導体光変調器）の概略図は、前提技術（図１（ａ））と同様であるので説明を省略する。図１２に、本実施の形態における半導体ＭＺ変調器の変調部の断面図を示す。変調部はハイメサ構造であり、ＮドープされたＮ−ＩｎＰ基板１ｄ上には、ＮドープされたＮ型クラッド層１１が形成され、Ｎ型クラッド層１１上には、Ｎ側中間層１２が形成される。Ｎ側中間層１２の上には、多重量子井戸層１ａが積層される。ここで、多重量子井戸層１ａは、交互に積層された複数の井戸層と障壁層を備え、すべての井戸層は、無電界状態で吸収端が一致している。多重量子井戸層１ａの上には、電界緩和層８として、Ｐ側中間層１３、ＰドープされたＰ型クラッド層１４、ＰドープされたＰ型ハイドープ層１５が順に形成される。Ｐ型ハイドープ層１５上には、さらにＰドープされたＰ型クラッド層１６が形成される。また、Ｎ−ＩｎＰ基板１ｄ上とＰ型クラッド層１６上には、それぞれＮ側電極１ｃとＰ側電極１ｂが形成される。
【００４５】
ここで、Ｐ型クラッド層１４，１６は、ＰドープされたＩｎＰであり、Ｎ型クラッド層１１は、ＮドープされたＩｎＰである。また、Ｐ側中間層１３およびＮ側中間層１２は、ＮドープされたＩｎＡｌＡｓであり、そのキャリア密度は１０１８ｃｍ−３程度のオーダーであることが好ましい。また、Ｐ側中間層１３およびＮ側中間層１２は、井戸層よりもバンドギャップが大きい。ＰドープされたＩｎＰからなるＰ型ハイドープ層１５は、隣接するＰ型クラッド層１４，１６よりもドーピング濃度が高く、そのキャリア密度は１０１８ｃｍ−３程度のオーダーが好ましい。
【００４６】
多重量子井戸層１ａは、厚みが８ｎｍの井戸層と厚みが８ｎｍの障壁層がそれぞれ１３層ずつ交互に積層されて構成される。なお、井戸層および障壁層の材質は、Ｎ−ＩｎＰ基板１ｄとの格子整合を考えて、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓの４元系半導体とする。また、同様の理由から、Ｐ側中間層１３およびＮ側中間層１２は、ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓを含むのが好ましい。
【００４７】
図１３に図１２の構成に対応した、無電界状態でのバンドダイアグラムを示す。図１３に示すように、多重量子井戸層１ａにおいて吸収端がそろっており、また、Ｐ側中間層１３およびＮ側中間層１２は、多重量子井戸層１ａよりもバンドギャップが大きい。
【００４８】
＜動作＞
図１４に、変調部１０ａのポテンシャルの逆バイアス電圧依存性を示す。図１４では、０Ｖ〜２Ｖの比較的小さい逆バイアス電圧においては、多重量子井戸層１ａのポテンシャルの傾き（即ち電界）はあまり変化しない。一方、電界緩和層８においてポテンシャルの傾きが変化し、電界緩和層８、特にＰ側中間層１３およびＰ型ハイドープ層１５において電界が消費されていることがわかる。
【００４９】
図１０に、図１４のようにポテンシャルが変化する場合の、屈折率変化と逆バイアス電圧の関係を示す。小さい逆バイアス電圧（例えば２Ｖ）において屈折率変化が前提技術よりも低減されているが、逆バイアス電圧の増大にともなって、屈折率変化が急激に増大している。即ち、前提技術と比較して、屈折率変化の逆バイアス電圧依存性の非線形性がより大きくなっている。
【００５０】
また、図１４のようにポテンシャルが変化する場合の、多重量子井戸層１ａにおけるＰ側電界およびＮ側電界の電界変化量と基準バイアス電圧の関係を図１５に示す。ここで、電界の変化量および基準バイアス電圧の定義は前述した通りである。Ｐ側電界、Ｎ側電界の電界変化量は、それぞれ基準逆バイアス電圧が１Ｖ、２Ｖのときに極大値を持つ。これは、逆バイアス電圧が０Ｖから１Ｖの範囲において、Ｎ側電界の変化量が前提技術よりも低減されて、Ｎ側電界が小さくなっていることを意味する。同様に、逆バイアス電圧が０Ｖから２Ｖの範囲において、Ｐ側電界の変化量が前提技術よりも低減されて、Ｐ側電界が小さくなっていることを意味する。
【００５１】
以上のことから、多重量子井戸層１ａ全体において、基準逆バイアス電圧が２Ｖまでの範囲において、電界の変化量が低減され、電界変化量は、基準逆バイアス電圧に対して２Ｖまでに極大値を持つことがわかる。本明細書では特に記載のない限り、この２Ｖを基準逆バイアス電圧の所定値とする。
【００５２】
前提技術における多重量子井戸層１ａは、基準逆バイアス電圧が０Ｖにおいて電界の変化量が最大値を示していたが、本実施の形態の多重量子井戸層１ａにおける電界の変化量は基準逆バイアス電圧２Ｖまでに極大値を持つ。これは基準逆バイアス電圧が２Ｖまでの電界の変化量が電界緩和層８（Ｐ側中間層１３、Ｐ型クラッド層１４、Ｐ型ハイドープ層１５）によって低減されたためである。
【００５３】
また、図１５から、基準逆バイアス電圧が２Ｖまでの範囲において、Ｐ側電界の変化量がＮ側電界の変化量を上回っていることがわかる。また、Ｎ側電界の変化量の極大値を与える基準逆バイアス電圧が、Ｎ側電界の変化量の極大値を与える基準逆バイアス電圧よりも大きいことがわかる。
【００５４】
また、前提技術（図９）と比較して、図１５の方が、４Ｖよりも深い基準逆バイアス電圧における電界変化量の絶対値が大きい。従って、本実施の形態における半導体光変調器の電界−逆バイアス電圧特性は、前提技術よりも高い非線形性を持つと考えられる。
【００５５】
従って、図１５の電界変化量は、浅い基準逆バイアス電圧（例えば２Ｖ以下）において変化量が小さく、所定の基準逆バイアス電圧（２Ｖ）までに極大値を示し、深い基準逆バイアス（例えば４Ｖ以上）において変化量の絶対値が大きい特性を持つ。この結果として、図１０に示したように、本実施の形態における屈折率変化−逆バイアス電圧特性は、前提技術と比較して、高い非線形性を有する。即ち、逆バイアス電圧が２Ｖまでの範囲では、屈折率変化はほぼゼロであり、前提技術よりも低減されている。一方、逆バイアス電圧を２Ｖからさらに増大させていくと、屈折率変化は、前提技術よりも高い上昇率で増大する。
【００５６】
よって、本実施の形態と前提技術とで同じ半波長電圧Ｖπを設定した場合、本実施の形態は、より小さいＤＣバイアス電圧で半波長電圧Ｖπを満たすことが可能である。従がって、高周波特性の劣化を避けるために、長波側のΔλを用いた場合であっても、より小さいＤＣバイアス電圧で一定のＶπを満たすため、従来よりも変調損失を低減することが可能となる。よって、良好な高周波特性と変調損失の低減を両立することが可能である。
【００５７】
図１７（ａ）に、本実施の形態における半導体光変調器と、前提技術における半導体光変調器の長波側波長における変調損失の比較を示す。本実施の形態における半導体光変調器は、前提技術と比較して０．５〜０．７５ｄＢ程度変調損失を低減できていることがわかる。
【００５８】
＜井戸層の厚みを変化させた場合＞
図１６に、多重量子井戸層１ａにおいて、井戸層の厚みをそれぞれ８ｎｍ、１２ｎｍとした場合の屈折率の電界依存性を示す。同じ電界で比較すると、井戸層の厚みを１２ｎｍとした場合の方がより屈折率変化が大きいことがわかる。また、比較的小さい電界においては、井戸層の厚みによる屈折率変化の差はあまり大きくないが、電界の増大にともなって、屈折率変化の差が非線形的に増大していることがわかる。
【００５９】
図１５と図１６で述べた特性から、多重量子井戸層１ａの中心よりもＮ型クラッド層１１側に厚み１２ｎｍの井戸層を積層し、多重量子井戸層１ａの中心よりもＰ型クラッド層１６側に厚み８ｎｍの井戸層を積層する構成、即ち、多重量子井戸層１ａにおいて、Ｐ型クラッド層１６側からＮ型クラッド層１１側へ向かって、井戸層の厚みが増大する構成とすれば、小さい逆バイアス電圧（例えば、ＤＣバイアス電圧−Ｖπ）が印加される際の屈折率変化を低減させたまま、大きい逆バイアス電圧（例えば、ＤＣバイアス電圧＋Ｖπ）が印加される際の屈折率変化をより増大させることが可能となる。よって、図１０に示した、屈折率変化の逆バイアス電圧依存性の非線形性をより高めることができる。
【００６０】
また、図１７（ｂ）に、井戸層の厚みを単一とした場合（厚み８ｎｍ）と、Ｐ型クラッド層側からＮ型クラッド層側へ向かって、井戸層の厚みを増大させた場合の変調損失の比較を示す。図１７（ｂ）において、例えば、Ｐ：８ｎｍ，Ｎ：１０ｎｍの表記は、Ｐ型クラッド層１６側に８ｎｍの井戸層を６層、Ｎ型クラッド層１１側に１０ｎｍの井戸層を７層積層したことを意味する。全体的な傾向として、井戸層の厚みを単一とした場合よりも、井戸層の厚みを２種類として、Ｎ型クラッド層１１側により厚い井戸層を積層した場合の方が、変調損失を低減できていることがわかる。
【００６１】
＜効果＞
本実施の形態における半導体光変調器（即ち、半導体ＭＺ変調器）は、多重量子井戸層１ａの両側に設けられたＰ型クラッド層とＮ型クラッド層に逆バイアス電圧を印加して駆動する半導体光変調器であって、多重量子井戸層１ａは、交互に積層された複数の井戸層と障壁層を備え、逆バイアス電圧の増大に伴って多重量子井戸層１ａに印加される電界の変化量が、所定値の基準逆バイアス電圧を印加するまでに極大値を持つことを特徴とする。
【００６２】
従って、多重量子井戸層１ａに印加される電界の変化量が、所定値の基準逆バイアス電圧を印加するまでに極大値を持つことは、０Ｖから所定値までの範囲の基準逆バイアス電圧印加時に、多重量子井戸層１ａに印加される電界の変化量が従来よりも低減されて、２Ｖまでの逆バイアス電圧において屈折率変化を従来よりも低く抑え、屈折率変化の逆バイアス電圧依存性の非線形性を大きくすることができる。
【００６３】
よって、半波長電圧Ｖπを一定とした場合、ＤＣバイアス電圧を従来よりも小さくできるため、高周波特性の劣化を避けるために、長波側のΔλを選んだ場合であっても、従来よりも変調損失を低減することが可能である。よって、良好な高周波特性と変調損失の低減を両立することが可能である。
【００６４】
また、本実施の形態における半導体光変調器は、基準逆バイアス電圧を所定値まで増大させたときに、多重量子井戸層１ａの中心よりもＰ型クラッド層１６側の多重量子井戸層１ａに印加される電界の変化量が、多重量子井戸層１ａの中心よりもＮクラッド層１１側の多重量子井戸層１ａに印加される電界の変化量よりも大きいことを特徴とする。
【００６５】
従って、多重量子井戸層１ａにおいて、Ｐ型クラッド層１６側からＮ型クラッド層１１側へ向かって、井戸層の厚みが増大する構成であれば、小さい逆バイアス電圧（例えば、ＤＣバイアス電圧−Ｖπ）印加時の変調部の屈折率変化を低減させたまま、大きい逆バイアス電圧（例えば、ＤＣバイアス電圧＋Ｖπ）印加時に、変調部の屈折率変化をより増大させることができるため、従来よりも変調損失をより低減することが可能である。
【００６６】
また、本実施の形態における半導体光変調器は、多重量子井戸層１ａの中心よりもＮ型クラッド層１１側の多重量子井戸層１ａに印加される電界の変化量の極大値を与える基準逆バイアス電圧が、多重量子井戸層１ａの中心よりもＰ型クラッド層１６側の多重量子井戸層１ａに印加される電界の変化量の極大値を与える基準逆バイアス電圧よりも大きいことを特徴とする。
【００６７】
従って、多重量子井戸層１ａにおいて、Ｐ型クラッド層側からＮ型クラッド層側へ向かって、井戸層の厚みが増大する構成であれば、小さい逆バイアス電圧（例えば、ＤＣバイアス電圧−Ｖπ）印加時の変調部の屈折率変化をより低減させたままにできるため、さらに屈折率変化の逆バイアス電圧依存性に非線形性を持たすことができ、従来よりも変調損失をさらに低減することが可能である。
【００６８】
また、本実施の形態における半導体光変調器は、多重量子井戸層１ａにおいて、Ｐ型クラッド層側からＮ型クラッド層側へ向かって、井戸層の厚みが増大することを特徴とする。
【００６９】
従って、小さい逆バイアス電圧（例えば、ＤＣバイアス電圧−Ｖπ）印加時の変調部の屈折率変化を低減させたまま、大きい逆バイアス電圧（例えば、ＤＣバイアス電圧＋Ｖπ）印加時に、変調部の屈折率変化をより増大させることができるため、従来よりも変調損失をより低減することが可能である。
【００７０】
また、本実施の形態における半導体光変調器は、多重量子井戸層１ａとＰ型クラッド層１６との間に配設された、井戸層よりもバンドギャップの大きいＰ側中間層１３と、多重量子井戸層１ａとＮ型クラッド層１１との間に配設された、井戸層よりもバンドギャップの大きいＮ側中間層１２とを備え、Ｐ側中間層１３およびＮ側中間層１２は、Ｐ型またはＮ型であることを特徴とする。
【００７１】
従って、本実施の形態では、Ｐ側中間層１３およびＮ側中間層１２はＮ型であるため、Ｐ側中間層１２が電界緩和層８として機能する。電界緩和層８を設けることによって、逆バイアス電圧の増大に伴って多重量子井戸層１ａに印加される電界の変化量が、所定値の基準逆バイアス電圧を印加するまでに極大値を持つ。よって、前述した様に、半波長電圧Ｖπを一定とした場合、ＤＣバイアス電圧を従来よりも小さくできるため、高周波特性の劣化を避けるために、長波側のΔλを選んだ場合であっても、従来よりも変調損失を低減することが可能である。よって、良好な高周波特性と変調損失の低減を両立することが可能である。
【００７２】
また、本実施の形態における半導体光変調器は、前記Ｐ側中間層および前記Ｎ側中間層がＮ型である場合は、Ｐ側中間層１３とＰ型クラッド層１６との間に、Ｐ型クラッド層１６よりも不純物濃度の高いＰ型ハイドープ層１５をさらに備えることを特徴とする。
【００７３】
従って、Ｐ側中間層１３に加えてＰ型ハイドープ層１５も電界緩和層８として機能する。よって、前述した様に、半波長電圧Ｖπを一定とした場合、ＤＣバイアス電圧を従来よりも小さくできるため、高周波特性の劣化を避けるために、長波側のΔλを選んだ場合であっても、従来よりも変調損失をより低減することが可能である。
【００７４】
＜実施の形態２＞
本実施の形態における半導体光変調器の構成は、実施の形態１（図１２）においてＰ型ハイドープ層１５を除いた構成である。その他の構成は実施の形態１と同じであるので、説明を省略する。
【００７５】
図１８に、変調部のポテンシャル変化の逆バイアス電圧依存性を示す。図２０から、逆バイアス電圧が小さいとき（例えば１Ｖ）の電界は、電界緩和層８であるＰ側中間層１３で消費されていることがわかる。
【００７６】
また、図１９に、多重量子井戸層１ａにかかる電界の変化量を示す。Ｐ側電界は、前提技術（図９）と同じく、基準電圧０Ｖにおいて最大となるが、Ｎ側電界は基準電圧１Ｖにおいて極大値を持つため、多重量子井戸層１ａ全体としての電界変化量は、所定値の基準逆バイアス電圧（２Ｖ）までに極大値を持つ。従って、実施の形態１と同様に、０Ｖから所定値までの範囲の逆バイアス電圧印加時に、多重量子井戸層１ａに印加される電界の変化量が従来よりも低減されて、所定値までの基準逆バイアス電圧において屈折率変化を従来よりも低く抑え、屈折率変化の逆バイアス電圧依存性の非線形性を大きくすることができる。
【００７７】
よって、半波長電圧Ｖπを一定とした場合、ＤＣバイアス電圧を従来よりも小さくできるため、高周波特性の劣化を避けるために、長波側のΔλを選んだ場合であっても、従来よりも変調損失を低減することが可能である。よって、良好な高周波特性と変調損失の低減を両立することが可能である。
【００７８】
図１７（ａ）に、本実施の形態における半導体光変調器と、前提技術における半導体光変調器の長波側波長における変調損失の比較を示す。本実施の形態と実施の形態１の変調損失の値はほぼ同じであり、前提技術と比較して０．５０〜０．７５ｄＢ程度変調損失を低減できていることがわかる。
【００７９】
＜実施の形態３＞
図２０に、本実施の形態における半導体光変調器の変調部の断面を示す。本実施の形態では、Ｎ型クラッド層側に電界緩和層８が配置される点が実施の形態１と異なる。図２０において、Ｎ−ＩｎＰ基板１ｄ上に、Ｎ型クラッド層２１が積層され、Ｎ型クラッド層２１上に、電界緩和層８として、ＮドープされたＮ型ハイドープ層２２、Ｎ型クラッド層２３、Ｎ側中間層２４が順に積層される。電界緩和層８上には、光閉じ込め層２０として、ＰドープされたＰ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層２５、ＮドープされたＮ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層２６、ＮドープされたＮ−ＩｎＡｌＡｓ層２７が順に積層される。光閉じ込め層２０上には、多重量子井戸層１ａが積層される。多重量子井戸層１ａ上には、さらにＰ側中間層２８、Ｐ型クラッド層２９が順に積層される。なお、Ｎ−ＩｎＰ基板１ｄ上とＰ型クラッド層２９上には、逆バイアス電圧を印加する電極として、Ｎ側電極１ｃとＰ側電極１ｂがそれぞれ形成される。
【００８０】
また、多重量子井戸層１ａは、厚みが８ｎｍの井戸層と厚みが８ｎｍの障壁層がそれぞれ交互に１３層ずつ積層されて構成される。また、Ｎ型ハイドープ層２２は、隣接するＮ型クラッド層２１，２３よりもドーピング濃度が高く、そのキャリア密度は１０１８ｃｍ−３程度のオーダーであることが好ましい。その他の構成、各層の組成等は実施の形態１と同じであるので説明を省略する。
【００８１】
図２１に、図２０の構成に対応した変調部のバンドダイアグラムを示す。多重量子井戸層１ａの両側の層、即ち電界緩和層８、光閉じ込め層２０およびＰ側中間層２８のバンドギャップは、多重量子井戸層１ａよりも大きい。
【００８２】
また、光閉じ込め層２０およびＰ側中間層２８は、電界緩和層８と多重量子井戸層１ａ、またはＰ型クラッド層２９と多重量子井戸層１ａのバンドギャップの差を階段状にして、光吸収に伴って発生するキャリア（電子・正孔）をＮ型クラッド層２１側またはＰ型クラッド層２９側に効果的に逃がす機能を持つ。また、光閉じ込め層２０およびＰ側中間層２８は、屈折率が比較的小さいため、多重量子井戸層１ａに光を閉じ込める機能も有する。
【００８３】
図２２に、本実施の形態における変調部のポテンシャルの逆バイアス電圧依存性を示す。図２２から、小さい逆バイアス電圧（例えば１Ｖ）印加時に、主として電界緩和層８（特に、Ｎ型ハイドープ層２２、Ｎ側中間層２４）において電界が消費されることがわかる。
【００８４】
図２３に、電界の変化量と基準逆バイアス電圧の関係を示す。図２３に示すように、Ｐ側電界、Ｎ側電界で同じような特性を持つ。Ｐ側電界、Ｎ側電界ともに、基準電圧０Ｖにおいて最大とならない。これは、電界緩和層８によって、基準逆バイアス電圧２Ｖまでの範囲において電界変化量が低減されたためである。電界緩和層８を設けたことによって、電界変化量は、基準逆バイアス電圧２Ｖまでに極大値を持つ。
【００８５】
以上で述べたように、電界緩和層８を設けたことによって、所定値の逆バイアス電圧において、屈折率変化を従来よりも低く抑え、屈折率変化の逆バイアス電圧依存性の非線形性を大きくすることができる。よって、半波長電圧Ｖπを一定とした場合、ＤＣバイアス電圧を従来よりも小さくできるため、高周波特性の劣化を避けるために、長波側のΔλを選んだ場合であっても、従来よりも変調損失を低減することが可能である。
【００８６】
図１７（ａ）に、本実施の形態における半導体光変調器と、前提技術における半導体光変調器の長波側波長における変調損失の比較を示す。本実施の形態における半導体光変調器は、前提技術と比較して、０．２５ｄＢ程度変調損失を低減できていることがわかる。
【００８７】
本実施の形態における半導体光変調器は、多重量子井戸層１ａとＰ型クラッド層２９との間に配設された、井戸層よりもバンドギャップの大きいＰ側中間層２８と、多重量子井戸層１ａとＮ型クラッド層２１との間に配設された、井戸層よりもバンドギャップの大きいＮ側中間層２４とを備え、Ｐ側中間層２８およびＮ側中間層２４は、Ｐ型またはＮ型であることを特徴とする。
【００８８】
従って、本実施の形態では、Ｐ側中間層２８およびＮ側中間層２４はＰ型であるため、Ｎ側中間層２４が電界緩和層８として機能する。電界緩和層８を設けることによって、基準逆バイアス電圧の増大に伴って多重量子井戸層１ａに印加される電界の変化量が、所定値の基準逆バイアス電圧を印加するまでに極大値を持つ。よって、前述した様に、半波長電圧Ｖπを一定とした場合、ＤＣバイアス電圧を従来よりも小さくできるため、高周波特性の劣化を避けるために、長波側のΔλを選んだ場合であっても、従来よりも変調損失を低減することが可能である。よって、良好な高周波特性と変調損失の低減を両立することが可能である。
【００８９】
また、本実施の形態における半導体光変調器は、前記Ｐ側中間層および前記Ｎ側中間層がＰ型である場合は、Ｎ側中間層２４とＮ型クラッド層２１との間に、Ｎ型クラッド層２１よりも不純物濃度の高いＮ型ハイドープ層２２をさらに備えることを特徴とする。
【００９０】
従って、Ｎ側中間層２４に加えてＮ型ハイドープ層２２も電界緩和層８として機能する。よって、前述した様に、半波長電圧Ｖπを一定とした場合、ＤＣバイアス電圧を従来よりも小さくできるため、高周波特性の劣化を避けるために、長波側のΔλを選んだ場合であっても、従来よりも変調損失をより低減することが可能である。
【００９１】
＜実施の形態４＞
＜構成＞
図２４を用いて、本実施の形態における半導体光変調器（半導体ＭＺ変調器）の変調部の構成を説明する。変調部は実施の形態１（図１２）と同様にハイメサ構造であり、ＮドープされたＮ−ＩｎＰ基板１ｄ上には、ＮドープされたＮ型クラッド層１１が形成され、Ｎ型クラッド層１１上には、Ｎ側中間層１２が形成される。Ｎ側中間層１２の上には、多重量子井戸層１ａが積層される。ここで、多重量子井戸層１ａは、交互に積層された複数の井戸層と障壁層を備え、すべての井戸層は、無電界状態で吸収端が一致している。多重量子井戸層１ａの上には、電界緩和層８として、Ｐ側中間層１３、ＰドープされたＰ型クラッド層１４、ＰドープされたＰ型ハイドープ層１５が順に形成される。Ｐ型ハイドープ層１５上には、さらにＰドープされたＰ型クラッド層１６が形成される。また、Ｎ−ＩｎＰ基板１ｄ上とＰ型クラッド層１６上には、それぞれＮ側電極１ｃとＰ側電極１ｂが形成される。なお、図２４に示すように、Ｐ型クラッド層１４，１６は、上層１４ａ，１６ａと下層１４ｂ，１６ｂから構成される。
【００９２】
ここで、Ｎ側電極１ｃ、Ｐ側電極１ｂ、多重量子井戸層１ａおよびＰ側中間層１３以外の各層の組成、厚み、ドーピング濃度とその極性を表１に示す。
【００９３】
【表１】
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【００９４】
多重量子井戸層１ａは、Ｐ型クラッド層１６からＮ型クラッド層１１に向って、厚みが８ｎｍの井戸層と厚みが８ｎｍの障壁層が６層ずつ積層され、さらに、厚みが１２ｎｍの井戸層と厚みが８ｎｍの障壁層が７層ずつ交互に積層されて構成される。これらの障壁層の組成はＩｎＧａＡｌＡｓでありバンドギャップ波長は１０３０ｎｍである。井戸層の組成はどちらの井戸層厚みでも吸収端波長が１４５５ｎｍと揃うように成長される。多重量子井戸層１ａのドーピング濃度は１．０×１０１６ｃｍ−３である。多重量子井戸層１ａの中心よりもＮ型クラッド層１１側の多重量子井戸層１ａではドーピングの極性はＮ型、多重量子井戸層１ａの中心よりもＰ型クラッド層１６側の多重量子井戸層１ａではＰ型とする。
【００９５】
Ｐ側中間層１３の組成はＩｎＡｌＡｓであり、その厚みは１０、３０、５０ｎｍのいずれかである。ドーピング濃度は各厚みに応じて、それぞれ１．５×１０１８ｃｍ−３〜５．５×１０１８ｃｍ−３、３．４×１０１７ｃｍ−３〜１．９×１０１８ｃｍ−３、２．０×１０１７ｃｍ−３〜９．０×１０１７ｃｍ−３の範囲とした。Ｐ側中間層１３のドーピングの極性はＮ型である。Ｐ側中間層１３およびＮ側中間層１２は、多重量子井戸層１ａよりもバンドギャップが大きい。
【００９６】
＜Ｐ側中間層のドーピング濃度と変調損失の関係＞
Ｐ側中間層１３の各厚みにおいて、上記のようにドーピング濃度を設定した理由を以下で述べる。実施の形態１〜３における光変調器では、前提技術と比較して変調損失が低減されている。実施の形態１〜３における電界変化量と基準バイアス電圧の関係を示す図（図１５，図１９，図２３）において共通している特徴は、Ｎ側電界の電界変化量が、所定値の基準逆バイアス電圧までにピークを持つ（即ちＮ側電界が前提技術よりも低減されている）ことである。よって、Ｐ側電界の電界変化量よりもＮ側電界の電界変化量の方が変調損失に与える影響が大きいと考え、本実施の形態では、Ｎ側電界の電界変化量のみに着目する。
【００９７】
図２５に、Ｐ側中間層１３の厚みを３０ｎｍとし、ドーピング濃度を２．５×１０１７ｃｍ−３〜２．０×１０１８ｃｍ−３の間で変化させた場合のＮ側電界の電界変化量を示す。比較のために、Ｐ側中間層１３のドーピング極性をＰ型とし、濃度を５．０×１０１７ｃｍ−３とした場合（前提技術）のＮ側電界の変化量も併せて示す。ドーピング濃度を２．５×１０１７ｃｍ−３とした場合、浅い基準逆バイアス電圧時の電界変化量は低減されておらず、極大値も見られない。しかし、ドーピング濃度３．１×１０１７ｃｍ−３とすると、浅い基準逆バイアス電圧での電界変化量の低減が見られるようになり、さらにドーピング濃度を高くしていくと明瞭に電界変化量に極大値（図２５中のＡ１，Ａ２，Ａ３）を持つ。また、極大値を与える基準逆バイアス電圧が徐々に深く移動する。なお、電界変化量の極大値は、ドーピング濃度を２．０×１０１８ｃｍ−３と最も高くすると非常に小さくなる（図２５中のＡ４）。これは量子井戸構造には全く電界が印加されていないことを示している。
【００９８】
実施の形態１〜３では所定値の基準逆バイアス電圧（２Ｖ）までに電界変化量の極大値を持つことが特徴であった。一方、図２５においてドーピング濃度を１．４×１０１８ｃｍ−３とした場合、極大値を与える基準逆バイアス電圧（図中のＡ３）は２Ｖよりも深い。しかし、この電界変化量の基準逆バイアス電圧依存性は、実施の形態１（図１５）のＮ側電界の電界変化量の基準逆バイアス電圧依存性を、基準逆バイアスの大きい方向に平行移動させたものとほぼ同じような特性を持つ。よって、極大値を与える基準逆バイアス電圧が大きく（深く）なった分だけＤＣバイアス電圧を深くして駆動することにより、実施の形態１で述べた効果と同様の効果が得られると考えられる。また、深いＤＣバイアス電圧で駆動すれば、図３における領域Ａで動作させることになるため、高周波特性を劣化させる懸念もない。
【００９９】
以上のことから、本実施の形態においては、基準逆バイアス電圧の所定値について、実施の形態１〜３のように２Ｖに固定する必要はない。
【０１００】
図１５のＮ側電界の電界変化量の基準逆バイアス電圧依存性を模式化した、損失が改善する特徴を備える電界変化量の基準逆バイアス電圧依存性を図２６に示す。
【０１０１】
まず、第１の特徴として、図２６中のＢに示すように明瞭な極大値が存在する。明瞭な極大値が存在することは、浅い基準逆バイアス電圧で電界変化量が十分に低減されていることを意味する。例えば、図２５においてドーピング濃度を２．５×１０１７ｃｍ−３とした場合のように、浅い基準逆バイアス電圧において電界変化が低減されていない場合や、ドーピング濃度を３．１×１０１７ｃｍ−３とした場合のように、浅い逆バイアス電圧で電界変化の低減が少し見られても、基準逆バイアス電圧１Ｖ付近において前提技術よりも高い電界変化量を持つような場合は、高周波特性の劣化を避けるために小さい屈折率変化を持つ大きなΔλを選択する必要があり、変調損失が増大する。
【０１０２】
また、第２の特徴として、図２６中のＣに示すように、極大値を与える基準逆バイアス電圧（図中のＢ）よりも深い基準逆バイアス電圧においても十分に大きな電界変化量を持つ。図２５に示したように、ドーピング濃度を上昇させていくと、極大値を与える逆バイアス電圧よりも深い逆バイアス電圧において、電界変化量が小さくなる傾向がある。このような電界変化の逆バイアス依存性を持つ場合、長波側波長での屈折率変化が小さくなるため、一定の半波長電圧Ｖπを満たすために大きいＤＣバイアス電圧で駆動する必要があり、変調時の損失が増大してしまう。
【０１０３】
なお、図２６において、基準逆バイアス電圧が０Ｖにおける電界変化量をＥｃ、極大値とＥｃの差をＥａ、極大値を与える最も浅い基準逆バイアス電圧をＶｋ、基準逆バイアスがＶｋ＋２Ｖのときの電界変化量とＥｃの差をＥｂとする。
【０１０４】
電界変化量の基準逆バイアス依存性が上述の２つの特徴を備えるか否かを判断するための指標は、Ｅａ×Ｅｂ／Ｅｃと表現することができる。ここで、Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｃは上述の通りである。Ｅａ、Ｅｂは、極大値を与える基準逆バイアス電圧（Ｖｋ）、およびＶｋよりも深い基準逆バイアス電圧において十分な電界変化量を持つことを特徴付けている。また、ＥａとＥｂを乗じたものとＥｃとの比をとることによって浅い基準逆バイアス電圧で電界変化量が低減され、明瞭な極大値を持つかどうかを判別できる。
【０１０５】
図２７、図２８、図２９に、Ｐ側中間層１３の厚みをそれぞれ１０、３０、５０ｎｍとし、Ｐ側中間層１３のドーピング濃度を各厚みに応じて３．１×１０１７ｃｍ−３〜７．５×１０１８ｃｍ−３、７．５×１０１６ｃｍ−３〜２．２×１０１８ｃｍ−３、１．０×１０１６ｃｍ−３〜２．５×１０１８ｃｍ−３とそれぞれ変化させた場合の指標Ｅａ×Ｅｂ／Ｅｃを示す。
【０１０６】
図２７〜図２９の横軸のドーピング濃度は１０を底とした対数表記である。これらの図から、指標Ｅａ×Ｅｂ／Ｅｃのドーピング濃度依存性は、Ｐ側中間層１３の厚みによらず、指標Ｅａ×Ｅｂ／Ｅｃの値が１０ｋＶ／ｃｍ付近を境目に顕著に変化することがわかる。
【０１０７】
図２７〜２９中に示す領域Ｃでは、浅い逆バイアス電圧で電界変化が低減されていない、または浅い逆バイアス電圧で前提技術よりも高い電界変化量を持つような場合であるため、指標Ｅａ×Ｅｂ／Ｅｃの値が小さいと考えられる。この場合、高周波特性の劣化を避けるために小さい屈折率変化を持つ大きなΔλを選択する必要があり、変調損失が増大すると考えられる。
【０１０８】
また、領域Ｄでは量子井戸構造には電界が印加されていない場合であるため、指標Ｅａ×Ｅｂ／Ｅｃの値が小さいと考えられる。このような場合、ＤＣバイアス電圧を大きくしても電界変化量が小さすぎるため屈折率変化が十分でなく、一定の半波長電圧Ｖπを満たすために大きいＤＣバイアス電圧で駆動する必要があり、変調時の損失が増大してしまう。よって、領域Ｃおよび領域Ｄでは変調損失を低減することは不可能である。
【０１０９】
領域Ｃおよび領域Ｄに比べて、指標Ｅａ×Ｅｂ／Ｅｃが顕著に増加している領域Ｅでは、先ほど述べた損失が改善する電界変化量の逆バイアス電圧依存性の特徴を持っていると言える。図２６〜２８から、Ｐ側中間層１３の厚み１０、３０、５０ｎｍのとき、領域Ｅつまり、指標Ｅａ×Ｅｂ／Ｅｃが１０以上であるようなドーピング濃度はそれぞれ、１．５×１０１８ｃｍ−３〜５．５×１０１８ｃｍ−３、３．４×１０１７ｃｍ−３〜１．９×１０１８ｃｍ−３、２．０×１０１７ｃｍ−３〜９．０×１０１７ｃｍ−３であることがわかる。
【０１１０】
上述の領域Ｅの範囲をまとめたものを図３０に示す。図３０から、Ｐ側中間層１３の厚みが薄いほど、高いドーピング濃度が必要であることが分かる。Ｐ側中間層１３の厚みをｘとすると、図３０においてドーピング濃度の下限は１８．７−０．０５ｘ＋０．０００５ｘ２、上限は１９．０−０．０３ｘ＋０．０００２ｘ２と、２次方程式でそれぞれ近似することができる。ドーピング濃度がこれらの範囲内にあれば、指標Ｅａ×Ｅｂ／Ｅｃの値は１０ｋＶ／ｃｍ以上であり、損失が改善する電界変化量の逆バイアス電圧依存性の特徴を満たすと考えられる。
【０１１１】
＜効果＞
本実施の形態における半導体光変調器（即ち、半導体ＭＺ変調器）において、Ｐ側中間層１３の組成は、Ｎ型の不純物がドープされたＩｎＡｌＡｓであり、基準逆バイアス電圧の増大に伴って、多重量子井戸層１ａの中心よりもＮ型クラッド層１１側の多重量子井戸層１ａに印加される電界の変化量は極大値を持ち、極大値を与える基準逆バイアス電圧をＶｋとし、基準逆バイアス電圧ゼロにおける電界の変化量をＥｃとし、極大値と前記Ｅｃとの差をＥａとし、基準逆バイアス電圧（Ｖｋ＋２［Ｖ］）における電界の変化量と、Ｅｃとの差をＥｂとしたとき、Ｅａ×Ｅｂ／Ｅｃ≧１０［ｋＶ／ｃｍ］を満たすことを特徴とする。
【０１１２】
従って、本実施の形態における半導体光変調器は、上述の条件式（Ｅａ×Ｅｂ／Ｅｃ≧１０［ｋＶ／ｃｍ］）を満たす。よって、逆バイアス電圧の増大に伴って多重量子井戸層１ａの中心よりもＮ型クラッド層１１側の多重量子井戸層１ａに印加される電界の変化量は、所定値の基準逆バイアス電圧を印加するまでに明瞭な極大値を持つ。つまり、０Ｖから所定値までの範囲の基準逆バイアス電圧印加時に、多重量子井戸層１ａに印加される電界の変化量が従来よりも低減される。よって、前述の所定値まで逆バイアス電圧を印加したときの屈折率変化を従来よりも低く抑えることができる。また、極大値を持つ基準逆バイアス電圧よりも深い基準逆バイアス電圧においても十分な電界変化量を持つため、屈折率変化の逆バイアス電圧依存性の非線形性を従来よりも大きくすることができる。
【０１１３】
よって、半波長電圧Ｖπを一定とした場合、ＤＣバイアス電圧を従来よりも小さくできるため、高周波特性の劣化を避けるために、長波側のΔλを選んだ場合であっても、従来よりも変調損失を低減することが可能である。よって、良好な高周波特性と変調損失の低減を両立することが可能である。
【０１１４】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【０１１５】
１０ａ  変調部、１０ｂ  分岐部、１０ｃ  導波路、１０ｄ  合波部、１０ｅ  入射光導波路、１０ｆ  出力光導波路、１０ｇ  πシフタ、１ａ  多重量子井戸層、１ｂ  Ｐ側電極、１ｃ  Ｎ側電極、１ｄ  Ｎ−ＩｎＰ基板、２，１１，２１，２３  Ｎ型クラッド層、３，１４，１６，２９  Ｐ型クラッド層、１４ａ，１６ａ  上層、１４ｂ，１６ｂ  下層、８  電界緩和層、１２，２４  Ｎ側中間層、１３，２８  Ｐ側中間層、１５  Ｐ型ハイドープ層、２０  光閉じ込め層、２２  Ｎ型ハイドープ層、２５  Ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層、２６  Ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層、２７  Ｎ−ＩｎＡｌＡｓ層、１００Ａ，１００Ｂ  領域。
【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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【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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