(57)【要約】【課題】再成長が不要である分離溝を形成する光変調器において、分離溝部で損失の増大を抑制することができる光変調器を提供することにある。【解決手段】導波路構造の活性領域１６ａに接続して形成され、キャリアバリア層１４より上層にある層１５の少なくとも一部の幅が、導波路内光伝搬方向にて徐々に狭くなる第１のテーパ部１８と、第１のテーパ部に対向し、前記導波路構造の非活性領域に接続して形成され、キャリアバリア層１４より上層にある層１５の少なくとも一部の幅が、徐々に広くなる第２のテーパ部１９とを具備する。【選択図】図１
2011039262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極層と、前記下部電極層上に形成された光変調層と、前記光変調層上に形成されたキャリアバリア層と、前記キャリアバリア層上に形成された上部電極層とを含む導波路構造が設けられ、前記キャリアバリア層より上層にある少なくとも一部が除去されて分離溝が形成されて、前記下部電極層への電圧の印加により光変調を行う導波路構造の活性領域と、導波路構造の非活性領域が形成された光変調器であって、
前記導波路構造の活性領域に接続して形成され、前記キャリアバリア層より上層にある層の少なくとも一部の幅が、導波路内光伝搬方向にて徐々に狭くなる第１のテーパ部と、
前記第１のテーパ部に対向し、前記導波路構造の非活性領域に接続して形成され、前記キャリアバリア層より上層にある層の少なくとも一部の幅が、徐々に幅が広くなる第２のテーパ部とを具備する
ことを特徴とする光変調器。
【請求項２】
下部電極層と、前記下部電極層上に形成された光変調層と、前記光変調層上に形成されたキャリアバリア層と、前記キャリアバリア層上に形成された上部電極層とを含む導波路構造が設けられ、前記キャリアバリア層より上層にある少なくとも一部が除去されて分離溝が形成されて、前記下部電極層への電圧の印加により光変調を行う導波路構造の活性領域と、導波路構造の非活性領域が形成された光変調器であって、
前記導波路構造の活性領域に接続して形成され、前記キャリアバリア層より上層にある層の少なくとも一部の厚さが導波路内光伝搬方向にて、徐々に薄くなる第１の傾斜部と、
前記第１の傾斜部に対向し、前記導波路構造の非活性領域に接続して形成され、前記キャリアバリア層より上層にある層の少なくとも一部の厚さが徐々に厚くなる第２の傾斜部とを具備する
ことを特徴とする光変調器。
【請求項３】
下部電極層と、前記下部電極層上に形成された光変調層と、前記光変調層上に形成されたキャリアバリア層と、前記キャリアバリア層上に形成された上部電極層とを含む導波路構造が設けられ、前記キャリアバリア層より上層にある少なくとも一部が除去されて分離溝が形成されて、前記下部電極層への電圧の印加により光変調を行う導波路構造の活性領域と、導波路構造の非活性領域が形成された光変調器であって、
前記導波路構造の活性領域に接続して形成され、前記キャリアバリア層より上層にある少なくとも一部が除去されることで波長よりも短いスリットが設けられ、導波路内光伝搬方向に、スリット間隔が徐々に狭くなる第１のスリット幅変更領域と、
前記第１のスリット幅変更領域に対向し、前記導波路構造の非活性領域に接続して形成され、前記キャリアバリア層より上層にある少なくとも一部が除去されることで波長よりも短いスリットが設けられ、スリット間隔が徐々に広くなる第２のスリット幅変更領域とを具備する
ことを特徴とする光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信分野で用いられる光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の通信容量増大の要求に応える形で、通信速度の向上が著しく達成されてきている。近年では、Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速変調された光信号長距離伝送が実用化されるにいたっている。これらの伝送では、半導体レーザの直接変調ではなく、直流動作の半導体レーザと外部変調器とを組み合わせた構成で光信号の変調が実施されている。これは、通信光が伝搬する光ファイバの分散効果の影響を無視できず、波長チャーピングが少ない信号を利用する必要があるためである。波長チャーピングとは、高速に大量の情報を光パルスで伝送する場合、送った信号波形と受け取った信号波形とが同じ形状であることが望ましいが、光パルスが光ファイバ内部を伝搬している間に光パルスのスペクトル幅が広がる現象である。直接変調の場合はスペクトルの広がり（波長チャーピング）が著しく、外部変調の場合は波長チャーピングが少ない。
【０００３】
現在の通信システムで主に利用されている外部変調器は、ＬｉＮｂＯ3（ＬＮ）導波路で構成されたＬＮ変調器である。このタイプの光変調器の動作原理は、光導波路と電気導波路を結合させる（光電子導波路）ことにより、電気光学効果に基づく屈折率変化を応用して、屈折率変化を介して入力電気信号により光に位相変化を与えることによるものであり、光位相変調器、マッハツェンダ干渉計を組んだ光強度変調器（ＭＺＭ）、また多数の導波路を結合させてより機能の高い光スイッチとして機能させることができる。
【０００４】
しかしながら、ＬＮ変調器は、導波路長が比較的長く、デバイスサイズが大きいため、その分パッケージのサイズも大きくなり、コストがかかるという問題がある。今後益々、変調器を搭載した光送信器の数量が、ユーザ数、通信量の増加とともに増えると、設置場所や駆動消費電力も増大するといった課題がある。
【０００５】
これらのＬＮを用いた変調器とならんで、半導体光変調器が注目されている。量子閉じ込めシュタルク効果を利用した電界吸収型光変調素子（ＥＡ光変調器）、または、電界を素子に与えることで、屈折率を変化させ、入力電気信号を光の位相変化に変換するマッハツェンダ型光変調器（ＭＺＭ光変調器）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１８３６１２号公報
【特許文献２】特開２００８−１０７４６８号公報
【特許文献３】特開平５−２４９３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような半導体光変調器は、多種多様な材料、層構造で提案されているが、共通する構造として、電界が印加され、光の変調を行う活性部と、活性部以外の部分とを電気的に分離した構造となっているものがある。これにより、印加した電圧が、活性部以外にもかかり、効率の低下を防止している。また、ＭＺＭ光変調器においては、ＭＺＭを構成する二本のアームが電気的に分離されていないと一方のアームの電極に電圧を印加しても、他方のアームにも電圧が印加されることになり動作さえしなくなる。
【０００８】
これらの電気的な分離を実施する方法として、活性部および該活性部上に設けられた電極層の両端に高抵抗の半導体を再成長させることによって、電気的分離を実施する方法が提案されている（例えば、特許文献１など参照）。また、活性部とそれ以外の部分が同じ構成であっても活性部以外の前記上部電極層とが溝を隔てて互いに分離する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。前者の方法は、再成長工程が必要であり、工程数の増加を招きコストが高くなるといったデメリットがある。後者は、再成長の必要がなく、簡便な工程で済むというメリットがあるが、前者の方法に比べて分離溝通過時に損失が増加してしまうといった問題があった。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、再成長が不要である分離溝を形成する光変調器において、分離溝で損失が増大してしまうという問題である。
【００１０】
ここで、分離溝の構造を説明する図である図１４を参照して説明する。図１４（ａ）は、ＥＡ変調器の概略を示す図であり、図１４（ｂ）はＭＺＭ変調器の概略を示す図である。
【００１１】
ＥＡ変調器２００は、図１４（ａ）に示すように、第１の光導波路２０１と第２の光導波路２０２との間に設けられ、光の変調を行う活性部である光変調領域２０３を有する。光変調領域２０３には電極２０３ａが設けられる。光変調領域２０３と第１の光導波路２０１との間に分離溝２０４が設けられ、光変調領域２０３と第２の光導波路２０２との間に分離溝２０５が設けられる。これにより、電気的な分離が行われる。
【００１２】
ＭＺＭ変調器３００は、図１４（ｂ）に示すように、第１の合分波器３１０と第２の合分波器３２０との間に設けられ、光の変調を行う活性部である第１，第２の光変調領域３０１，３０２を有する。第１の光合分波器３１０は、第１の光入力導波路３１１と、第１，第２の光出力導波路３１２，３１３とを有する。第２の光合分波器３２０は、第１，第２の光入力導波路３２１，３２２と、第１の光出力導波路３２３とを有する。第１，第２の光変調領域３０１，３０２には電極３０１ａ，３０２ａがそれぞれ設けられる。第１の光変調領域３０１の両端には分離溝３０３，３０４がそれぞれ設けられる。第２の光変調領域３０２の両端には分離溝３０５，３０６がそれぞれ設けられる。これにより、電気的な分離が行われる。
【００１３】
上述したＥＡ変調器２００およびＭＺＭ変調器３００では、電極２０３ａ，３０１ａ，３０２ａに電圧が印加されることで、バンドギャップの変調または屈折率変調が行われる。
【００１４】
ここで一般的な、光変調器の構造を説明する。図１４（ｃ）は光変調器の分離溝を拡大した図であり、図１４（ｄ）はその平面図であり、図１４（ｅ）はその側面図である。
【００１５】
通常、図示しない基板上にまずグランドコンタクトを得るための、下部電極層（図示せず）が設けられる。そして、その上にアンダークラッドとなる層４０１が設けられ、図１４（ｅ）に示すように、該層４０１上に、光が伝搬するコア層４０２が設けられる。このコア層４０２は、活性層単体からなる場合もあれば、ＳＣＨ層（Separate Confinement Hetero Structure；中間層）に挟まれた構造であるときもある。さらに、コア層４０２上には、電界を印加するために電流が流れないようにするためのキャリアバリア層４０４が設けられる。このキャリアバリア層４０４は、コア層４０２直上に設けられることもあるし、図１４（ｅ）に示すように、活性層内を伝搬する光のキャリア吸収を抑制するためにバッファ層４０３を介して隔てられている場合もある。キャリアバリア層４０４上には、シグナルの電気的コンタクトを得るための上部電極層４０５が設けられる。そして活性部では、電極となる金属が、上部電極層４０５の上に形成される。
【００１６】
分離溝４０６は、活性部で印加された電圧が、不必要な部分に印加されることを防止するために、活性部と非活性部の境界で、キャリアバリア層４０４上層の少なくとも一部を除去した構造である。このように分離溝４０６を設けることで、印加された電圧が活性部のみに印加され、横方向非活性部には印加されない構造の光変調器が得られる。
【００１７】
上述した分離溝による損失発生要因について図１５を参照して説明する。ここでは一例として、分離溝についての記載はないが特許文献２の図８に図示されるｎｐｉｎ構造のＭＺＭ光変調器の層構造について説明する。この他に、層構造としては、ｐｉｎ構造、ｎｉｎ構造のＭＺＭ変調器が知られているが、基本的には電界を活性層に印加する構造であり、同様の説明が可能である。本実施例で取り上げたｎｐｉｎ構造の場合は、ｐ層がキャリアバリア層に該当するが、他の構造の場合も、基板横方向への電気的分離が必要なため同様の分離溝の形成が考えられる。
【００１８】
図１５は、従来の光変調器のアーム部分の断面を示し、分離溝付近を拡大した図である。光変調器５００は、図１５に示すように、半絶縁性基板５０１上に形成されたｎ型電極層５０２と、ｎ型電極層５０２上に形成された下部クラッド層５０３と、下部クラッド層５０３上に形成されたコア層５０６と、コア層５０６上に形成された上部クラッド層５０７と、上部クラッド層５０７上に形成されたｎ型電極層５１１と、ｎ型電極層５１１上に形成されたｎ型電極５１２とを具備する。下部クラッド層５０３は、アンダークラッドであり、ｎ型クラッド層５０４と、ｎ型クラッド層５０４上の低濃度クラッド層５０５とで構成される。上部クラッド層５０７は、低濃度クラッド層５０８と、低濃度クラッド層５０８上のｐ型クラッド層５０９と、ｐ型クラッド層５０９上のｎ型クラッド層５１０とで構成される。コア層５０６と下部クラッド層５０３との間には、下部中間層５１３が形成される。コア層５０６と上部クラッド層５０７との間には、上部中間層５１４が形成される。
【００１９】
この光変調器５００では、ｐ型クラッド層５０９が、キャリアバリア層として働く。また、活性層であるコア層５０６を囲むように中間層（ＳＣＨ層）５１３，５１４が配置されて光伝搬層を形成している。これらの上部には、ｐ型クラッド層５０９と光伝搬層を隔てる低濃度クラッド層５０８が形成されている。
【００２０】
このような層構造を有する光変調器５００の活性部５２１と非活性部５２２の境界上で、上部にあるｎ型電極層５１１、ｎ型クラッド層５１０、ｐ型クラッド層５０９を除去して分離溝５２０が形成される。分離溝５２０内部は、外気に当たる空気または、パシベーションを行う樹脂などの絶縁物で通常は充填されている。いずれの場合もそれらの屈折率は、半導体よりも小さく、１から少なくとも２の間である。このような構造にて、活性部５２１上のｎ型電極５１２に電圧を印加した場合、ｐ型クラッド層５０９でキャリアがブロックされ活性領域に電界がかかる。一方、非活性領域では、分離溝５２０により電界がかからず、電気的分離が実現できる。
【００２１】
ここで、同図にて、点線で示す符号Ｍ１は、活性部５２１を伝搬する光のフィールドを模式的に示したものであり、点線で示す符号Ｍ２は、非活性部５２２を伝搬する光のフィールドを模式的に示したものである。分離溝５２０では、分離溝５２０内部の屈折率が低いため、フィールドが基板方向に偏る結果、分離溝５２０外でのフィールド形状とは異なる。つまりこれら２つのフィールドの重なりを積分で示される、２つのフィールドの結合損失の２倍の損失が分離溝５２０を通過する度に生じ、デバイス全体の損失を増加させてしまう。なお、分離溝５２０一箇所を通過するとフィールドの不整合を２度経験するため２倍となる。
【００２２】
従って、本発明は上記の事情に鑑み提案されたものであって、再成長が不要である分離溝を形成する光変調器において、分離溝での損失の増大を抑制することができる光変調器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上述した課題を解決する第１の発明に係る光変調器は、
下部電極層と、前記下部電極層上に形成された光変調層と、前記光変調層上に形成されたキャリアバリア層と、前記キャリアバリア層上に形成された上部電極層とを含む導波路構造が設けられ、前記キャリアバリア層より上層にある少なくとも一部が除去されて分離溝が形成されて、前記下部電極層への電圧の印加により光変調を行う導波路構造の活性領域と、導波路構造の非活性領域が形成された光変調器であって、
前記導波路構造の活性領域に接続して形成され、前記キャリアバリア層より上層にある層の少なくとも一部の幅が、導波路内光伝搬方向にて徐々に狭くなる第１のテーパ部と、
前記第１のテーパ部に対向し、前記導波路構造の非活性領域に接続して形成され、前記キャリアバリア層より上層にある層の少なくとも一部の幅が、徐々に広くなる第２のテーパ部とを具備する
ことを特徴とする。
【００２４】
上述した課題を解決する第２の発明に係る光変調器は、
下部電極層と、前記下部電極層上に形成された光変調層と、前記光変調層上に形成されたキャリアバリア層と、前記キャリアバリア層上に形成された上部電極層とを含む導波路構造が設けられ、前記キャリアバリア層より上層にある少なくとも一部が除去されて分離溝が形成されて、前記下部電極層への電圧の印加により光変調を行う導波路構造の活性領域と、導波路構造の非活性領域が形成された光変調器であって、
前記導波路構造の活性領域に接続して形成され、前記キャリアバリア層より上層にある層の少なくとも一部の厚さが導波路内光伝搬方向にて、徐々に薄くなる第１の傾斜部と、
前記第１の傾斜部に対向し、前記導波路構造の非活性領域に接続して形成され、前記キャリアバリア層より上層にある層の少なくとも一部の厚さが徐々に厚くなる第２の傾斜部とを具備する
ことを特徴とする。
【００２５】
上述した課題を解決する第３の発明に係る光変調器は、
下部電極層と、前記下部電極層上に形成された光変調層と、前記光変調層上に形成されたキャリアバリア層と、前記キャリアバリア層上に形成された上部電極層とを含む導波路構造が設けられ、前記キャリアバリア層より上層にある少なくとも一部が除去されて分離溝が形成されて、前記下部電極層への電圧の印加により光変調を行う導波路構造の活性領域と、導波路構造の非活性領域が形成された光変調器であって、
前記導波路構造の活性領域に接続して形成され、前記キャリアバリア層より上層にある少なくとも一部が除去されることで波長よりも短いスリットが設けられ、導波路内光伝搬方向に、スリット間隔が徐々に狭くなる第１のスリット幅変更領域と、
前記第１のスリット幅変更領域に対向し、前記導波路構造の非活性領域に接続して形成され、前記キャリアバリア層より上層にある少なくとも一部が除去されることで波長よりも短いスリットが設けられ、スリット間隔が徐々に広くなる第２のスリット幅変更領域とを具備する
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る光変調器によれば、再成長が不要である分離溝を形成する光変調器において、分離溝内の伝搬光モードフィールドと分離溝外の伝搬光モードフィールドの不整合が解消されるため、分離溝での損失の増大を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施例に係る光変調器を説明するための図であり、図１（ａ）にその斜視、図１（ｂ）にその平面、図１（ｃ）にその側面を示す。
【図２】従来の光変調器を説明するための図であり、図２（ａ）にその斜視を示し、図２（ｂ）にそれが具備する分離溝内におけるモードフィールドの計算結果を示し、図２（ｃ）にそれが具備する分離溝外におけるモードフィールドの計算結果を示す。
【図３】伝搬シュミレーションの結果を説明するための図であり、図３（ａ）に従来の光変調器の斜視を示し、図３（ｂ）にその伝搬シュミレーションの結果を示し、図３（ｃ）に第１の実施例に係る光変調器の斜視を示し、図３（ｄ）にその伝搬シュミレーションの結果を示す。
【図４】第１の実施例に係る光変調器が具備する分離溝のテーパ部の幅と伝搬損失との関係を示したグラフである。
【図５】隔離層の厚さと伝搬損失との関係を示したグラフである。
【図６】光変調器が具備するテーパ部の他例を説明するための図である。
【図７】本発明の第２の実施例に係る光変調器が具備する分離溝を説明するための図である。
【図８】光変調器が具備するテーパ部を説明するための図である。
【図９】本発明の第３の実施例に係る光変調器を説明するための図であり、図９（ａ）にその斜視、図９（ｂ）にその平面、図９（ｃ）にその側面を示す。
【図１０】光変調器が具備するテーパ部の他例を説明するための図である。
【図１１】本発明の第４の実施例に係る光変調器を説明するための図であり、図１１（ａ）にその斜視、図１１（ｂ）にその平面、図１１（ｃ）にその側面を示す。
【図１２】光変調器の他例の側面図である。
【図１３】光変調器の他例の斜視図である。
【図１４】従来の分離溝構造を説明するための図であって、図１４（ａ）にＥＡ変調器の概略を示し、図１４（ｂ）にＭＺＭ変調器の概略を示し、図１４（ｃ）に分離溝の拡大を示し、図１４（ｄ）にその平面を示し、図１４（ｅ）にその断面を示す。
【図１５】従来の光変調器のアーム部分の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明に係る光変調器について、各実施例にて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２９】
本発明の第１の実施例に係る光変調器について、図１〜図６を参照して説明する。
本実施例に係る光変調器１０は、図１に示すように、化合物半導体基板としてＩｎＰ基板（図示せず）上に、下部電極層１１と、この下部電極層１１の上部に形成される光変調層１２と、この光変調層１２の上部に形成されるバッファ層１３と、このバッファ層１３の上部に形成されるキャリアバリア層１４と、このキャリアバリア層１４の上部に形成される上部電極層１５とを含む半導体多層膜により構成される導波路構造１６を有する。
【００３０】
導波路構造１６には、キャリアバリア層１４より上層にある層の少なくとも一部、ここでは、キャリアバリア層１４および上部電極層１５が除去されて分離溝１７が形成される。これにより、上部電極層１５に電圧が印加されて光変調を行う活性領域１６ａと、分離溝１７により活性領域１６ａと電気的に分離され活性領域以外の非活性領域１６ｂとが形成される。
【００３１】
活性領域１６ａには、キャリアバリア層１４および上部電極層１５が共に、導波路構造１６内の光伝搬方向に沿って、幅が徐々に狭くなる第１のテーパ部１８が設けられる。第１のテーパ部１８の幅は、基端部側から先端部側（分離溝１７）へ向かうに従い徐々に狭くなっている。
【００３２】
他方、非活性領域１６ｂには、キャリアバリア層１４および上部電極層１５が共に、導波路構造１６内の光伝搬方向に沿って、幅が徐々に広くなる第２のテーパ部１９が設けられる。よって、第１のテーパ部１８の幅が最も狭い先端部１８ａと、第２のテーパ部１９の幅が最も狭い先端部１９ａとが対向して配置される。
【００３３】
上述した構成の光変調器１０について、損失低減の効果を数値計算によりシミュレーションにて確認した。
【００３４】
まず、上述した光変調器１０の構造の計算に先立って、従来構造の光変調器に設けられた分離溝４０６による損失を計算した。計算したモデルは以下の通りである。
層構造として、先に示した図１５に示すように、基板５０１側より、ｎ型電極層５０２、ｎ型クラッド層５０４、低濃度クラッド層５０５、下部中間層５１３、コア層５０６、上部中間層５１４、低濃度クラッド層５０８、ｐ型クラッド層５０９、ｎ型クラッド層５１０、ｎ型電極層５１１を有する。
【００３５】
それぞれの層厚は、ｎ型クラッド層５０４を０．５μｍとし、低濃度クラッド層５０５を１．５μｍとし、下部中間層５１３を０．１μｍとし、コア層５０６を０．２μｍとし、上部中間層５１４を０．１μｍとし、低濃度クラッド層５０８を０．３μｍとし、ｐ型クラッド層５０９を０．１μｍとし、ｎ型クラッド層５１０を１．０μｍとした。
【００３６】
これら各層の屈折率は、ｎ型クラッド層５０４にて３．１７とし、低濃度クラッド層５０５にて３．１７とし、下部中間層５１３にて３．３９とし、コア層５０６にて３．３９とし、上部中間層５１４にて３．３９とし、低濃度クラッド層５０８にて３．２０とし、ｐ型クラッド層５０９にて３．１７とし、ｎ型クラッド層５１０にて３．３０とした。
【００３７】
活性部５２１、非活性部５２２の導波路の幅をそれぞれ２．０μｍとし、分離溝５２０の外部の導波路を５０μｍ伝搬した後、５μｍの長さの分離溝５２０を通過し、再度、分離溝５２０の外部の導波路を５０μｍ伝搬した場合について計算を実施した。
【００３８】
まず、分離溝内外の部分でのモードフィールドを計算した。分離溝外の求められたフィールドは、図２（ｂ）に示すようになり、分離溝内部でのモードフィールドが図２（ｃ）に示すようになる。なお、図２（ａ）は、図１４に示す従来の光変調器５００を模式的に示した図である。この図２（ａ）では、光変調器は、下部電極層４０１と、この上に形成された光変調層４０２と、この上に形成されたバッファ層４０３と、この上に形成されたキャリアバリア層４０４と、この上に形成された上部電極層４０５とを具備し、キャリアバリア層４０４と上部電極層４０５の一部が除去されて分離溝４０６が形成されている。
【００３９】
ここで、分離溝４０６の内部は、樹脂によって充填されているとし、その屈折率を１．５７とした。
図２（ｂ）に示される分離溝外フィールドは、上下においてフィールドが対称であるが、図２（ｃ）に示すように、分離溝内部では、フィールドが下に偏った形状となる。つまり、これらのフィールド形状が異なるため、モードフィールド不整合により損失が発生することが分かる。
【００４０】
図３（ａ），（ｂ）は、従来構造の光変調器において、分離溝外導波路４０５ａを５０μｍ伝搬した後、５μｍの長さの分離溝４０６を通過し、再度、分離溝外導波路４０５ｂを５０μｍ伝搬した場合の伝搬シミュレーションの結果を示している。図３（ｂ）において、符号Ａ１は、導波路を上（図３（ａ）における矢印Ａ１）から見た場合、符号Ａ２は導波路を横（図３（ａ）における矢印Ａ２）から見た場合の結果を示している。上下のフィールドの不整合が多いため、Ａ２の分離溝４０６以降（左より光は入射）で、ビームが大きく蛇行しているのが確認できる。この場合に生じる損失、つまり従来構造の光変調器における分離溝４０６一箇所当たりの損失を計算した結果は、０．２５ｄＢとなった。これは、先に述べたように、分離溝外と内部のモードフィールド不整合による。
【００４１】
一方、本実施例の構造である、該活性領域１６ａに接続されるキャリアバリア層１４、該層より上層にある少なくとも一部の幅が導波路内光伝搬方向にて活性部の導波路幅よりも少なくとも徐々に狭くなる領域である第１のテーパ部１８と、前記領域以降に対向して徐々に幅が非活性領域導波路幅よりも広くなる領域である第２のテーパ部１９を有する光変調器の場合を図３（ｃ）および図３（ｄ）に示している。幅が徐々に狭くなる、または徐々に広くなる部分（テーパ部１８，１９）の長さを２５μｍとして、図３（ａ）に示す光変調器の分離溝４０６の両端にテーパ部１８，１９を付加した構造である。ここで、テーパ部１８，１９の先端幅は０．３μｍとした。
【００４２】
図３（ｄ）に示すように、Ｂ２から見た伝搬の様子で、従来構造の光変調器で見られた蛇行は解消しているのが確認できる。これは十分な断熱変換によって、先に示した分離溝外のフィールド（図２（ｂ））が、分離溝内部（図２（ｃ））に効率良く変換されていることを表している。
【００４３】
ｐ型クラッド層より上層の形状が伝搬方向に徐々に狭くなり、一度消滅し、再度、徐々に広くなる構造の場合の損失は、０．０２４ｄＢと計算され、ほぼ従来構造の光変調器の分離溝における損失を１／１０にできることが分かる。
【００４４】
これにより本実施例の構造では、電気的分離を確保しつつ、分離溝１７を通過する際に発生する損失を抑制する効果を得ることができるといえる。つまり、再成長を実施せずとも、低損失化を実施することができ、工程数を減少させ、低コスト化につながる。
【００４５】
本実施例では、テーパ部１８，１９を対向する形状で設けた光変調器としたが、少なくとも一方でも幅を変化させることで、従来構造の光変調器の分離溝と比べて分離溝１７で発生する損失を低減する効果が得られる。なお、分離溝１７の一方側にのみテーパ部を設けた光変調器では、損失低減効果を十分に得ることができず、分離溝１７の両方側にテーパ部を対向して設けた光変調器配置とする方が好ましい。
【００４６】
また、本実施例では、テーパ部１８，１９の先端幅を０．３μｍとして計算を実施しているが、先端の幅は狭ければ狭いほど良い。ここで、図４に、テーパ部の長さ同一としてテーパ部の先端の幅を関数として分離溝の損失を計算した結果を示す。この図に示すように、テーパ部の先端幅が小さいほど、損失を小さくできる。少なくとも、テーパを少しでもつければ効果があることが分かる。通常のＭＺＭ変調器の場合、２個ないし、４個程度の分離溝を通過することが想定される。ここで、分離溝の透過損失を０．２ｄＢ以下に抑えることを想定すると、テーパ部の先端幅を０．５μｍ以下にすることが適していることがわかる。
【００４７】
分離溝１７として、キャリアストップ層となるｐ層（キャリアバリア層１４）までエッチングで除去されている構造を前提としたが、ｐ層（キャリアバリア層１４）上部の層の少なくとも一部がエッチングされて、十分な分離抵抗が確保できれば、具体的には、エッチングされ層の厚さが薄くなる、または幅が狭くなることで抵抗値は上昇すれば、ｐ層まで必ずしもエッチングする必要はない。このような形状の分離溝を設けた光変調器であっても、上述した分離溝１７を設けた光変調器と同じ効果が得られる。
【００４８】
隔離層の厚さと伝搬損失との関係について図５を参照して説明する。キャリアバリア層１４の下層には、光が伝搬するコア層および上部中間層からキャリアバリア層１４を隔離する層である隔離層（バッファ層）が設けられる。本実施例では、隔離層はｉ−ＩｎＰ層である。図５において、実線は本実施例の光変調器の場合を示し、点線は従来の光変調器の場合を示している。隔離層が無い場合、すなわち、横軸にて０の場合には、従来の光変調器の分離溝を通過するとｉ−ＩｎＰを０．１μｍまで薄くしたときでは０．８ｄＢの損失が発生することになる。
【００４９】
しかし、本実施例の光変調器の場合は、ｉ−ＩｎＰを０．１μｍとした場合でも、０．０８ｄＢしか損失が発生せず、１／１０の損失に抑える効果がある。これらの結果は、本実施例の光変調器では、隔離層の厚さが薄いほど損失低減効果が大きいことを表している。
【００５０】
また、この結果は、見方を変えれば、ｐ層（キャリアバリア層１４）を除去する際に、除去を過剰に行って、分離溝１７の隔離層であるｉ−ＩｎＰ層の厚さが薄くなってしまっても、本実施例の光変調器の構造では十分に、損失を低減することが可能であることが解る。従来構造の光変調器では、この図が示すように、過剰にエッチングしてしまい、ｉ−ＩｎＰ層の厚さが薄くなってしまうと損失が増加してしまうが、本実施例では、過剰なエッチングを実施してしまっても損失が十分に小さく十分に従来技術に比べて低損失化が可能であるメリットがある。
【００５１】
これは、製造時のエッチング深さのトレランスが本実施例の光変調器の構造を採用することで低減できることを意味する。
【００５２】
ここで、上述したようなテーパ構造を有する光半導体素子、光半導体活性領域にスポットサイズ変換用テーパ導波路を接続した素子は、数多く報告されている（例えば、特許文献３参照）。これらのスポットサイズ変換器と、本発明のテーパつき分離溝の違いについて以下に述べる。
【００５３】
（１）本実施例の光変調器では、モードフィールド不整合を解消しつつ、電気的分離を行っている。
従来のスポットサイズ変換器は、光フィールドの変換は行えるが、電気的分離は行えない。つまり、本実施例では、電気的分離が行えるように、キャリアバリア層の上層の少なくとも一部を除去し、十分に電気的に分離できる抵抗を確保できるものであり、従来のスポットサイズ変換器とは異なる。
【００５４】
（２）従来のスポットサイズ変換器は、あるフィールドから目的とするフィールドを変換する。そのため目的のフィールドの形状が、所望の形状に近くなるように形成する。つまり片道のフィールド変換を実施するものである。しかし、本実施例では、テーパ部によって変換される先のフィールド形状は問わない。対向する形状を有し、分離溝前後でフィールドを元に戻すことが重要であり、中間状態である分離溝内のフィールド形状は問題ではない。言い換えれば、従来のスポットサイズ変換と異なり、本実施例で用いられるテーパ部の形状が、対向することで、具体的には面対称であることで、分離溝前後でフィールドに再度戻すことを特徴としている。
【００５５】
この論理の極端な場合の例として、図６に示すように、対向するテーパ部１１８，１１９の先端部１１８ａ，１１９ａが繋がっていても良い。この場合でも、このテーパ部１１８，１１９の構造により、キャリアバリア層より上部の幅が狭くなることで、分離溝部分での抵抗値が上昇し、電気的分離は達成される。さらに、分離溝内部のフィールドは、従来構造の分離溝、すなわち、テーパがない場合や上層がエッチグされていない場合のフィールドとも異なるが、中間状態のフィールドは問わないため繋がってもよい。活性部と非活性部の導波路幅が同じ場合、テーパ部の先端が繋がり、対向している形状であっても、電気的分離を確保しつつ、モードフィールドは、この分離溝構造を通過している通過前後で同じものとなる。つまり、この場合、スポットサイズが変化していないのでスポットサイズ変換器とは呼べない。
【００５６】
これらの理由により、本実施例の光変調器の構造は、従来からあるスポットサイズ変換器とは全く異なるものであり、一線を画するものである。
【００５７】
以上から、本実施例に係る光変調器は、電気的分離を確保しつつ、従来構造で問題となっていた分離溝で発生する損失を大幅に改善し、さらに、プロセス上の製造トレランスも向上できる。
【実施例２】
【００５８】
本発明の第２の実施例に係る光変調器について、図７および図８を参照して説明する。
本実施例では、実施例１で計算した構造を有する一段のＭＺＩ構造を実際に作製し、評価を行った。また同時に比較のために、従来構造の分離溝を有するデバイスの作製、評価も行った。
【００５９】
本実施例の光変調器を次に示す手順にて作製した。
まず、半絶縁性のＩｎＰ基板をクリーニングした後、ＭＯＰＶＥ装置を用いて、ｎ型電極層、ｎ型クラッド層、低濃度クラッド層、下部中間層、コア層、上部中間層、低濃度クラッド層、ｐ型クラッド層、ｎ型クラッド層、ｎ型電極層を成長させた。それぞれの層厚は、ｎ型クラッド層を０．５μｍとし、低濃度クラッド層を１．５μｍとし、下部中間層を０．１μｍとし、コア層を０．２μｍとし、上部中間層を０．１μｍとし、低濃度クラッド層を０．３μｍとし、ｐ型クラッド層を０．１μｍとし、ｎ型クラッド層を１．０μｍとした。
【００６０】
その後、標準的な、フォトリソグラフィー技術、リアクティブイオンエッチング法を用いて分離溝の形状を形成した。
【００６１】
図７は、フォトリソグラフィーによって定義された分離溝の具体的な形状を示している。
ｗｇ１は活性部導波路幅を示し、ｗｇ２は非活性部導波路幅を示し、徐々に狭くなる形状のｗｔｓ１およびｗｔｅ１は、第１のテーパ部のテーパ始点およびテーパ終点幅をそれぞれ示す。ｇａｐは対向するテーパ先端間の距離、徐々に広くなる形状のｗｔｅ２及びｗｔｓ２は第２のテーパ部のテーパ始点およびテーパ終点幅を示す。
【００６２】
また、ｗ１、ｗ２は、分離溝部入出力部の全幅を示している。ｗｔｓ１、ｗｔｓ２は、それぞれｗｇ１、ｗｇ２より太いことが重要である。
【００６３】
分離溝形成後に、ｗｇ１またはｗｇ２の幅の導波路をさらに形成するが、形成する際に、設計上ｗｇ１＝ｗｔｓ１の場合、エッチング時のパターンシフトなどによって、エッチング後のｗｔｓ１幅がｗｇ１より小さくなることが起こりえる。この場合は、分離溝境界で、伝搬光のモードフィールド不整合が発生し損失を発生させてしまうためである。同じく出口側のｗｇ２とｗｔｓ２に関しても同じことが言える。また通常ｗｇ１とｗｇ２は同じ幅であることがほとんどであるのでｗｔｓ２とｗｔｓ１もまた等しくなることが多い。
【００６４】
次にテーパ先端幅となる、ｗｔｅ１，ｗｔｅ２は、先に示したように可能な限り小さいことが望ましい。しかし、無限小にすることが困難な場合は、図８に示すように、テーパ部１２１の先端部１２１ａを導波路に対して垂直にならないように傾けること、図示例では垂線ｐに対して角度α傾けることが好ましい。これは、先端部１２１ａに到達した光が反射することを抑制するためである。また十分にテーパ部１２１の長さが長く、先端幅１２１ａが小さく電気的分離が十分に得られる際、ｇａｐ＝０とすることも可能である。このときは、テーパ先端の反射端がなくなるので反射を大きく低減できる。
【００６５】
次にｗ１、ｗ２であるが、これはｗｔｓ１、ｗｔｓ２よりも十分に大きくとることが好ましい。差分が小さいとエッチングプロセス実施時に、エッチングが困難となる場合があるためである。レイアウト上許される範囲で大きく形成すれば良い。
【００６６】
最後にテーパ部の長さは、ｔａｐｅｒ１，ｔａｐｅｒ２とも後に形成する導波路の内側にくる部分の長さであり、この長さが所望の設計となるようにし、ｔａｐｅｒ１ｓ，２ｓはそれぞれｔａｐｅｒ１，２よりも長くなり、テーパ先端幅ｗｔｅ１，ｗｔｅ２が与えられれば、幾何学的にこの単純なテーパ形状の場合も求めることが可能である。本実施例の光変換器が具備する分離溝の形状は、テーパ部分は単純な直線から成る構造を示しているが、その他の曲線であっても同様の効果が得られる。また、外周の形状も直線で形成しているが曲線であっても問題は生じない。
【００６７】
本実施例では、ｗｇ１＝ｗｇ２＝２．０μｍであるので、ｗｔｓ１およびｗｔｓ２をそれぞれ３．０μｍとした。
【００６８】
また、テーパ先端幅は０．３μｍとした、ｗ１、ｗ２は余裕を見て共に１３μｍとし、ｔａｐｅｒ１＝ｔａｐｅｒ２＝２５μｍとし設計を実施した。
【００６９】
フォトリソグラフィーを終了した後、キャリアブロック層となるｐ層までエッチングにて除去した。ｐ層も除去しているが、完全に除去する必要はない。
【００７０】
その後、同様の工程を繰り返すことで、導波路を形成し、グランドのコンタクト層となる基板頂上のｎ層を露出させるように、ウエットエッチングプロセスを実施した。これらをＢＣＢ（Bisbenzocyclobutane）で埋め込んだ後に、ＢＣＢの加工を行い、メサ上のコンタクト層、グランドのコンタクト層を開けた。さらに、形成された導波路メサ上、下部のグランドコンタクトとなる箇所にオーミテックコンタクト用の金属を蒸着、熱処理を実施し、続いて、金属配線を実施し、デバイスを作製した。
【００７１】
まず、測定結果として、比較に作製した従来構造では、分離溝を一箇所当たり通過する損失は、０．８ｄＢと計算より高い値となってしまった。つまり、一箇所当たりの分離溝の損失は、０．４ｄＢであった。
【００７２】
一方、テーパ長２５μｍで、テーパ先端幅０．３μｍの場合で観測された２箇所当たりの分離溝通過の損失は０．１ｄＢであった。つまり一箇所あたりの透過損失は０．０５ｄＢ以下ということになる。これは、測定限界程度であり正しく測定できているかわからない。なお、通常、０．１ｄＢ以下の損失測定は非常に困難である。そのため、上述した第１の実施例にて示した計算値０．０２５ｄＢと同等かどうかは不明であるが、従来構造と比較して、少なくとも大幅に低減できることが確認できた。
【００７３】
以上の結果より、本実施例に係る光変調器の構造では、実デバイスにおいても有効である分離溝の損失を大幅に削減できる効果が得られる。
【実施例３】
【００７４】
本発明の第３の実施例に係る光変調器について、図９および図１０を参照して説明する。
上述した第１，第２の実施例ではテーパ部の形状が三角形であり、かつｐ層より上のテーパ部の厚さが一定である場合について述べた。本実施例では厚さが徐々に変わる傾斜部を具備する光変調器を作製し評価を実施した。
【００７５】
本実施例の光変調器（デバイス）の作製方法は、上述した第２の実施例に示す方法と類似している。唯一異なる点は、分離溝のパターンニングを実施する際に、フォトマスクにグレーマスク、具体的には、段階的にグレー階調で透過率が変わるフォトマスクを利用し、分離溝に伝搬方向にて徐々に薄くなる部分（第１の傾斜部）と、再度、徐々に厚くなる部分（第２の傾斜部）を形成した。グレーマスクは、マイクロレンズなどを作製する際に斜面を形成するのに用いられる手法である。
【００７６】
しかし３次元のスロープ形状を形成する方法であれば、これに限らない。例えばフォトマスクをデバイスから少し離した状態で、露光すれば光の回折によってスロープを得られることは良く知られている。
【００７７】
上述した手法で作製された光変調器３０は、図９に示すように、化合物半導体基板としてＩｎＰ基板（図示せず）上に、下部電極層１１と、この下部電極層１１の上部に形成される光変調層１２と、この光変調層１２の上部に形成されるバッファ層１３と、このバッファ層１３の上部に形成されるキャリアバリア層１４と、このキャリアバリア層１４の上部に形成される上部電極層１５とを含む半導体多層膜により構成される導波路構造１６を有する。
【００７８】
導波路構造１６には、キャリアバリア層１４より上層にある層の少なくとも一部、ここでは、キャリアバリア層１４および上部電極層１５が除去されて分離溝３７が形成される。これにより、上部電極層１５に電圧が印加されて光変調を行う活性領域１６ａと、分離溝３７により活性領域１６ａと電気的に分離され活性領域以外の非活性領域１６ｂとが形成される。
【００７９】
活性領域１６ａには、キャリアバリア層１４および上部電極層１５が共に、導波路構造１６内の光伝搬方向に沿って、厚さが徐々に薄くなる第１の傾斜部３８が設けられる。第１の傾斜部３８の厚さは、基端部側から先端部側（分離溝３７）へ向かうに従い徐々に薄くなっている。
【００８０】
他方、非活性領域１６ｂには、キャリアバリア層１４および上部電極層１５が共に、導波路構造１６内の光伝搬方向に沿って、厚さが徐々に厚くなる第２の傾斜部３９が設けられる。
【００８１】
このデバイスにおける、分離溝の損失を評価したとこる、同じく０．１ｄＢ以下という値になり、使用した測定限界以下の値を得た。
【００８２】
以上の結果より、伝搬方向に膜厚が薄くなる構造を対向させた場合においても従来構造の分離溝から大幅に損失を低減できることがわかった。
【００８３】
ここで、上述した第１の実施例に示す構造と、本実施例の構造を足し合わせた構造である図１０に示すような構造でも、第１，第３の実施例と同様な効果が得られる。図１０では、対向する片方のテーパ部の形状のみを示しており、対向する他方のテーパ部を省略している。活性領域１６ａには、キャリアバリア層１４および上部電極層１５が共に、導波路構造１６内の光伝搬方向に沿って、幅が徐々に狭くなると共に、厚みが徐々に薄くなる第１のテーパ部１３８が設けられている。なお、非活性領域には、キャリアバリア層１４および上部電極層１５が共に、導波路構造１６内の光伝搬方向に沿って、幅が徐々に広くなると共に、厚みが徐々に厚くなる第２のテーパ部が設けられている。このような構造の場合、横幅だけでなく縦方向にもモードフィールドの断熱変換が可能であるため、同一テーパ長でもより低損失な分離溝が実現できる効果が得られる。また、上述した第１の実施例および本実施例と同じ損失を実現するために必要なテーパ長を、短くできるためデバイスサイズが小さくできるといったメリットがある。
【実施例４】
【００８４】
本発明の第４の実施例に係る光変調器について、図１１〜図１３を参照して説明する。
上述した第１，第２の実施例ではテーパ部分の形状が三角形であり、かつｐ層より上のテーパ部の厚さが一定である場合について述べ、第３の実施例では、膜厚方向に変化する場合について述べた。本実施例ではテーパ部の代わりに複数のスリットを設けた光変調器を作製し評価を実施した。
【００８５】
本実施例の光変調器（デバイス）の作製方法は、上述した第２の実施例で作製した方法と同じである。
【００８６】
本実施例では幅ｄのスリットを伝搬方向に、キャリアバリア層より上の部分に、伝搬方向に進むにつれて、スリットの間隔が短くなるように配置した。同じく対向する部分ではスリットの間隔が徐々に広がるように配置した。この状態にて、エッチングを行って本実施例に係る光変調器を作製した。
【００８７】
本実施例に係る光変調器４０は、図１１に示すように、化合物半導体基板としてＩｎＰ基板（図示せず）上に、下部電極層１１と、この下部電極層１１の上部に形成される光変調層１２と、この光変調層１２の上部に形成されるバッファ層１３と、このバッファ層１３の上部に形成されるキャリアバリア層１４と、このキャリアバリア層１４の上部に形成される上部電極層１５とを含む半導体多層膜により構成される導波路構造１６を有する。
【００８８】
導波路構造１６には、キャリアバリア層１４より上層にある層の少なくとも一部、ここでは、キャリアバリア層１４および上部電極層１５が除去されて分離溝４７が形成される。これにより、上部電極層１５に電圧が印加されて光変調を行う活性領域１６ａと、分離溝４７により活性領域１６ａと電気的に分離され活性領域以外の非活性領域１６ｂとが形成される。
【００８９】
活性領域１６ａには、キャリアバリア層１４より上層にある少なくとも一部が除去されることで波長よりも短いスリットが設けられ、導波路内光伝搬方向にスリット間隔ｄ11，ｄ12，ｄ13，ｄ14が徐々に狭くなる第１のスリット幅変更領域４８が設けられる。
【００９０】
他方、非活性領域１６ｂには、キャリアバリア層１４より上層にある少なくとも一部が除去されることで波長よりも短いスリットが設けられ、スリット間隔ｄ24，ｄ23，ｄ22，ｄ21が徐々に狭くなる第２のスリット幅変更領域４９が設けられる。
【００９１】
この場合、スリットｄを光の波長より十分に小さい１００ｎｍとした。これらの構造で低損失化ができる理由は以下の通りである。
【００９２】
上述したスリットは、伝搬光が主に通過するコア部より上方にあり、かかるスリット幅ｄは、十分に伝搬光の波長より短いので、このスリットにより散乱される光強度はかなり小さい。この場合、伝搬方向に向かって徐々に、キャリアバリア層１４より上の層の実効屈折率がマクロにみると低下していくようにみえ、伝搬光は、断熱的に分離溝４７のモードフィールドに移行する。そして再度逆にこれらのスリットを通過することで元のフィールドに戻る。
【００９３】
図では簡略化のために、分離溝４７の両側に、それぞれ数本、ここでは４本のスリットしか設けていないが、実際には１０本のスリットを設けた。それぞれの間隔は、ビーム伝搬法（ＢＰＭ法）を用いて最適化した配置を行った。
【００９４】
実際に、作製したデバイスを測定した結果、分離溝一個所あたりの透過損失は、０．１５ｄＢとなった。これは上述した第１，第３の実施例と比べて大きな値であった。スリットによる散乱による損失が幾分かあるためやや大きくなったものと推測される。しかし、本実施例の構造においても、従来構造の分離溝と比べると小さく、低損失化の効果が得られることがわかった。
【００９５】
本実施例では、各スリットが同じ深さである場合について説明したが、図１２に示すように、徐々に深さが変化する場合も考えられる。具体的には、スリット１４０，１４１，１４２，１４３が徐々に深くなる第１のスリット深さ変更領域１４８と、第１のスリット深さ変更領域１４８に対向し、スリット１４７，１４６，１４５，１４４が徐々に浅くなる第２のスリット深さ変更領域１４９とを具備する光変調器とすることも可能である。これは、上述した第３の実施例の作製方法を適応すれば作製が可能である。
【００９６】
この場合、不要な散乱を避けることができるため、低損失な分離溝が実現可能であるというメリットがある。
【００９７】
ここで、上述した第１の実施例に示す構造と、本実施例の構造を足し合わせた構造である図１３に示すような構造でも、第１，第４の実施例と同様な効果が得られる。図１３では、対向する片方のテーパ部の形状のみを示しており、対向する他方のテーパ部を省略している。活性領域１６ａには、キャリアバリア層１４および上部電極層１５が共に、導波路構造内の光伝搬方向に沿って、幅が徐々に狭くなると共に、波長よりも短いスリットが設けられ、導波路内光伝搬方向にスリット間隔が徐々に狭くなる領域１５２が設けられている。なお、非活性領域には、キャリアバリア層１４および上部電極層１５が共に、導波路構造内の光伝搬方向に沿って、幅が徐々に広くなると共に、波長よりも短いスリットが設けられ、導波路内光伝搬方向にスリット間隔が徐々に広くなる領域が設けられている。この光変調器は、第１の実施例の横方向のテーパ構造と組み合わせて作製することで、断熱的変換がよりスムーズに行われるため低損失な分離溝の実現が可能である。この場合もマスク設計の変更だけで実施でき、特殊なグレーマスク露光などが不要で簡便に作製できるメリットがある。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明に係る光変調器によれば、再成長が不要である分離溝を形成する光変調器において、分離溝部で損失の増大を抑制することができる。その結果、通信産業などで有益に利用することができる。
【符号の説明】
【００９９】
１０，３０，４０  光変調器
１１        下部電極層
１２        コア部
１３        バッファ層
１４        キャリアバリア層
１５        上部電極層
１６        導波路
１７，３７，４７  分離溝
１８        第１のテーパ部
１９        第２のテーパ部
３８        第１の傾斜部
３９        第２の傾斜部
４８        第１のスリット幅変更領域
４９        第２のスリット幅変更領域
【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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