(57)【要約】【課題】従来技術の半導体ＭＺ変調器では、高周波ラインにおいてインピーダンス整合が取れれば、効率的に変調電極に電圧を印加することが可能で、特性の良い光変調器を実現できる。しかしながら、実際に半導体ＭＺ変調器をデバイスとして実装するにあたっては、作製工程のエッチングプロセス精度の問題があった。ドライエッチングにおける深さ方向の精度の制限によって、メサ構造の高さにばらつきが生じ、インピーダンス整合が不十分となる。高周波ラインおよび変調電極を安定して作製することが難しかった。【解決手段】本発明の光変調器では、ＳＩ-ＩｎＰ基板およびｎ型ＩｎＰクラッド層の間に、組成の異なるｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層が形成される。このｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層は、ＩｎＰをエッチングするための塩酸およびリン酸の混合液によってはほとんどエッチングされず、ウェットエッチングの際のエッチストップ層として機能する。高周波ラインおよびシグナル（変調）電極を、同一の高さに再現性良く作製することができる。【選択図】図１
2015194629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する光導波路に電界光学効果を生じさせる高周波電極と、前記高周波電極に接続され高周波電気信号を供給するための高周波配線とを含む半導体光変調器において、
前記光導波路は、
第１の導電性の半導体クラッド層と、
コア層を含むノンドープ半導体層と、
第２の導電性の半導体クラッド層と
が順次積層して形成された層構造を備え、
前記第１の導電性の半導体クラッド層の深さ方向の一部、および、回路構成面内の少なくとも前記高周波電極および前記高周波配線を含む範囲によって規定される領域内に、前記第１の導電性の半導体クラッド層とは組成の異なる第３の層が形成され、
前記第３の層の上面を、前記高周波電極および前記高周波配線の共通の底面とし、前記共通の底面上にそれぞれのグランド電極を形成することを特徴とする半導体光変調器。
【請求項２】
前記光導波路の側面が誘電体層で埋め込まれており、
前記高周波配線が前記誘電体層上に形成され、
前記高周波電極が前記光導波路上に形成され、
前記高周波電極および前記高周波配線が同じ高さ形成されている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】
前記第３の層は、前記高周波電極および前記高周波配線の共通のグランド電極として機能することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光変調器。
【請求項４】
前記第３の層は、前記第１の導電性の半導体クラッド層の最下部に接し、前記回路構成面の全面に形成されることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の半導体光変調器。
【請求項５】
電界吸収型光変調器またはマッハツェンダ型光変調器で構成されることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の半導体光変調器。
【請求項６】
外部回路から前記高周波配線へ電気信号が供給され、前記外部回路の信号源インピーダンスと前記高周波配線のインピーダンスが整合していることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の半導体光変調器。
【請求項７】
前記第３の層は、前記光導波路のメサ構造を作製するときの前記層構造をエッチングする工程におけるストップ層として機能することを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の半導体光変調器。
【請求項８】
電気光学効果を有する光導波路に電界光学効果を生じさせる高周波電極と、前記高周波電極に接続され高周波電気信号を供給するための高周波配線とを含む半導体光変調器において、
前記光導波路は、
第１の導電性の半導体クラッド層と、
コア層を含むノンドープ半導体層と、
第２の導電性の半導体クラッド層と
が順次積層して、基板上に形成された層構造を備え、
前記基板と、前記第１の導電性の半導体クラッド層との間に、前記第１の導電性の半導体クラッド層とは組成の異なる第３の層が形成されており、
前記第３の層の上面を、前記高周波電極および前記高周波配線の共通の底面とし、前記共通の底面上にそれぞれのグランド電極が形成され、
前記高周波電極および前記高周波配線の共通のグランド電極として機能することを特徴とする半導体光変調器。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、光通信システムや光情報処理システムにおいて用いられる光変調器に関する。より詳細には、インピーダンスのばらつきの少ない半導体光変調器に関する。
【０００２】
スマートフォンを初めとする新たなインターネット通信端末が幅広く普及する現在、携帯電話やインターネットを支える光通信の利用も爆発的に広がっている。光通信に対してはますますの高速化・大容量化が要請されている。光通信の高速・大容量化に対応するための技術として、波長の異なる複数の光信号を同時に利用することによって光ファイバーを多重利用する、波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：以下ＷＤＭ）光通信が利用されている。
【０００３】
ＷＤＭ光通信システムの大容量化を実現するには、１波長あたりの伝送レートを増加することが有用である。伝送レートを増加するためには、簡単なものとして、光伝送路に送出する変調信号のシンボルレートを上げる方法がある。しかしながら、シンボルレートを上げる場合、変調によって占有周波数帯域幅もシンボルレートに比例して増大することになる。シンボルレートを増大させて行けば、やがては所定のグリッド間隔で並ぶ隣接チャネルとの符号間干渉が発生することなり、伝送特性は劣化する。そのため近年では、シンボルレートを上げることなく、１シンボル当たりの信号多重度を上げることによって、システムの大容量化を実現する研究が盛んに行われている。
【０００４】
信号多重度を上げる方式として、例えば、１シンボルに２値（多重度２）を割り当てることによって伝送容量を２倍にするＱＰＳＫ（quadrature phase shift keying）方式や、１シンボルに４値（多重度４）を割り当てることによって伝送容量を４倍にする１６ＱＡＭ（quadrature amplitude modulation）方式、１６ＡＰＳＫ（Amplitude phase shift keying）方式等の多値変調方式が知られている。
【０００５】
これらの多値変調を実装する場合には、通常、光変調器としてＩ／Ｑ変調器が用いられる。Ｉ／Ｑ変調器は直交変調器とも呼ばれ、お互いに直交する２つのチャネル（Ｉチャンネル、Ｑチャンネル）の光電界成分に独立して情報を付与できる変調器である。具体的な実現方法としては、例えばマッハツェンダ（ＭＺ：Mach-Zehnder）変調器を並列に接続した特殊な構成をとる。
【０００６】
ＭＺ変調器の代表的なものとして、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）の誘電体を用いたＬＮ変調器が広く用いられている。ＬＮ変調器では、直流または光周波数に比べて十分低い周波数の電界をＬＮへ印加することによって媒質の屈折率が変化する、電気光学効果を用いて動作する。しかしながら、材料の物理定数からＬＮ変調器では必要な素子長が比較的長いものとなる。このため、ＬＮ変調器を含む光送信器モジュールが大きくなってしまう問題があった。
【０００７】
そこで最近では、光送信器モジュールをより小型化するために、半導体を用いたＭＺ変調器の開発も盛んに行われている。例として、半導体ＭＺ変調器に高速動作が可能な進行波電極を採用したものが提案されている。
【０００８】
図３は、従来技術の半導体ＭＺ変調器の構成を示す図である。図３の（ａ）は基板上に構成された半導体マッハツェンダ光変調器の上面図を示している。半導体マッハツェンダ光変調器は、入力導波路２１１、入力導波路２１１を導波してくる光波を２つの導波路２１２、２１３に分波する光分波器２１５、２つの導波路２１２、２１３を導波してくる光波を出力導波路２１４へと合波する光合波器２１６、および出力導波路２１４から構成される。入力導波路２１１へ入力された入力光は、第１の光導波路２１２上に形成された第１の変調電極２１７および第２の光導波路２１３上に形成された第２の変調電極２０９の間に印加される電気信号によって変調され、変調された出力光が出力導波路２１４から出力される。
【０００９】
図３の（ｂ）は、図３の（ａ）において、一方の光導波路２１３を横切る破線Ａを光の進行方向に見た断面を図示したものである。メサ状の光導波路は、ＳＩ（半絶縁性：semi-insulating）−ＩｎＰ基板２０１上に、ｎ型ＩｎＰ層２０３、ノンドープの光閉じ込めを行うコア層２０５を含むノンドープ層２０４、ｐ型ＩｎＰ層２０６が積層された層構造を有している。光導波路の両脇には、ｎ型ＩｎＰ層２０３と接続されたグランド電極２０８ａ、２０８ｂが形成されている。尚、２つの光導波路２１２、２１３は全く同一の構造と成っている。
【００１０】
図３の半導体ＭＺ変調器では、導波路を形成するために、ノンドープ層２０４、コア層２０５およびｐ型ＩｎＰ層２０６を積層した後、導波路の両側をコア層より深くエッチングしたハイメサ構造が用いられている。ハイメサ構造を作製するためには、通常、ドライエッチング加工が用いられ、図３の（ｂ）に示したようにｎ型ＩｎＰ層２０３の上面を越えて途中まで掘り込まれる。導波路幅としては、シングルモード条件で動作するために、１．０〜３．０μｍ程度のものが一般的に良く用いられている。
【００１１】
ドライエッチング加工された後で、光導波路の両脇には誘電体層２０７が形成される。高周波電極は、ｎ型ＩｎＰ層２０３上に形成されたグランド電極２０８ａ、２０８ｂおよびｐ型ＩｎＰ層２０６上に形成されたシグナル（変調）電極２０９によって構成されている。シグナル電極およびグランド電極の２つの高周波電極間に高周波信号を入力すると、その信号振幅に応じてノンドープ層２０４に電圧が掛かり、電気光学効果によって屈折率変化が生じる。さらに、第１の光導波路２１２および第２の光導波路２１３において、シグナル（変調）電極２０９およびシグナル（変調）電極２１７を差動信号によって駆動すると、２つの光導波路２１２、２１３の間で屈折率差が生じる。この駆動方法によって、高周波差動信号に応じて、出力導波路２１４からの出力光に変調が加えられる。再び図３の（ａ）を参照すれば、半導体ＭＺ変調器では、２つの光導波路２１２、２１３に対して、グランド電極２０８ａ、２０８ｂを含む高周波電極部分２２１と、差動信号が印可され得る高周波配線部分２２０がそれぞれ形成される。
【００１２】
図３の（ｃ）は、シグナル（変調）電極２０９と光導波路２１３とが重複をしていない図３（ａ)の破線Ｂにおける断面を示している。この非重複部分は、高周波配線部分２２０から光導波路２１３上の高周波電極２０９に給電するための高周波ライン（高周波配線）となっている。高周波ラインは上述のハイメサ構造と同時に作製され、ＳＩ-ＩｎＰ層２０１上に、ｎ型ＩｎＰ層２０３、グランド電極２１０、誘電体層２０７およびシグナル電極２０９がこの順に形成されたマイクロストリップライン構成となっている。
【００１３】
先に述べたように図３に示した半導体ＭＺ光変調器では、シグナル電極２０９、２１７を伝搬する電気信号によって、２つの光導波路２１２、２１３で光が伝搬するコア層２０５を含むノンドープ層２０４にそれぞれ電圧が印加され、光変調器として動作する。この時に光導波路方向の単位長さ当たりに受ける屈折率変化Δｎは、コア層を含むノンドープ層に印加される電圧Ｅ（Ｖ）との間で次式によって表される。
【００１４】
【数１】
2015194629.tif 000003
【００１５】
ここで、ａは１次の電気光学効果（ポッケルス効果）の係数を、ｂは２次の電気光学効果の係数を示す。
【００１６】
半導体ＭＺ変調器によって高速で変調を行うためには、上述の高周波配線部分２２１における電極の構成が重要となる。高速なマッハツェンダ変調器の実現には進行波型電極構造が有用である。進行波型電極構造では、インピーダンス整合および光変調器における光と電気信号との間の速度整合が重要となる。電気信号に対する伝送線路モデルでは、特性インピーダンスＺ０および伝播定数γは次式によって表される。
【００１７】
【数２】
2015194629.tif 000004
【００１８】
ここで、Ｒ、 Ｇ、 Ｌ、Ｃはそれぞれ単位長さ当たりの抵抗、コンダクタンス、インダクタンス、キャパシタンスを表しており、ωＬ≫Ｒ, ωＣ≫Ｇの場合、特性インピーダンスＺ０および伝播定数γはさらに次式で表される。
【００１９】
【数３】
2015194629.tif 000005
【００２０】
この時、電気信号の速度ｖは、次式によって表される。
【００２１】
【数４】
2015194629.tif 000006
【００２２】
式（６）は、光変調器の高周波配線部におけるインダクタンス成分Ｌや容量成分Ｃを制御することによって、特性インピーダンスＺ０および電気信号の速度ｖを調整することができることを定性的に示している。
【００２３】
具体的なインピーダンス整合条件としては、進行波型電極構造のインピーダンスＺ０が外部電気回路のインピーダンスである５０Ωに近い値になることが望ましい。進行波型電極構造のインピーダンスＺ０が５０Ωからずれると、電気信号の反射が起こり、進行波型電極へ効率的に電圧を印加できなくなる。
【００２４】
また、光と電気信号との間の速度差による制限を受ける場合の、変調信号の周波数帯域Δｆは、光速をｃ、光導波路を伝搬する光の群速度をｖ０、電極長をｌとして、次のように表される。
【００２５】
【数５】
2015194629.tif 000007
【００２６】
式（７）から、光の群速度ｖ０と電気信号の速度ｖとが一致した時に最大の周波数帯域を得ることができることがわかる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２７】
【非特許文献１】K. Tsuzuki et al． “40 Gb／s n−i−n InP Mach−Zehnder modulator with a ・ voltage of 2．2 V” Electronics Letters， 2nd October 2003， vol． 39， no． 20
【非特許文献２】Y. Shibata et al. “Reflection characteristics and cascadability of a multi−mode interference 3 dB coupler”， Optoelectronics IEE Proceedings， Vol. 149， No. 5-6, Oct-Dec 2002， pp. 217−221
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
上述のように、図３に示した従来技術の半導体ＭＺ変調器の構成は、高周波ラインにおいてインピーダンス整合が取れさえすれば、効率的にシグナル（変調）電極に電圧を印加することができ、特性の良い光変調器を得ることができる。しかしながら、実際に半導体ＭＺ変調器をデバイスとして実装するにあたっては、以下に述べるような作製プロセスにおける精度の問題があった。
【００２９】
インピーダンス整合を得るためには、光導波路上の高周波電極のシグナル電極２０９(断面Ａ)と、高周波ライン（マイクロストリップライン）上のシグナル電極２０９（断面Ｂ）とが同一の高さにあって、段差なく接続されることが好ましい。すなわち、図３の（ｂ）に示したハイメサの高さ、すなわちｎ型ＩｎＰ層層２０３からｐ型ＩｎＰ層２０６までの層厚の総和と、図３の（ｃ）に示した誘電体層２０７の厚さとが同じであることが好ましい。
【００３０】
前述のように光導波路のハイメサ構造を形成する場合には、一般的にドライエッチング加工が用いられる。しかしながら、ドライエッチング加工工程においては、深さ方向の制御について、通常数％〜１０％程度の作製誤差が生じる。例えば、ドライエッチングによって高さ３μｍのメサを形成しようとしても、ドライエッチングの一処理（バッチ）ごとに、ガス濃度やエッチング時間などを同じ条件としても、エッチング深さすなわちメサの高さは、２．７μｍ〜３．３μｍの範囲でばらつく可能性がある。ウェーファ（基板）の面内のばらつきも考慮すれば、さらに目標値の３μｍから大きくずれてしまう可能性があった。
【００３１】
ここで、図３の（ｃ）のＢ断面におけるマイクロストリップラインのインピーダンスを所望の値にするため、誘電体層２０７の膜厚をそのインピーダンス値に対応した厚さにすると、次の問題が生じる。上述のドライエッチング加工工程における作製誤差のために、図３の（ｂ）のＡ断面における高周波電極のシグナル電極２０９と、マイクロストリップライン上のシグナル電極２０９との間の接続部で、誘電体層２０７の段差が生じてしまう。例えば、誘電体層２０７の設計膜厚を３μｍに設定した場合、ドライエッチングのエッチング量を同じく３μｍに設定しようとしても、上述のドライエッチング工程の誤差により実際のエッチングの深さは３．３μｍとなり得る。この場合、高周波電極のシグナル電極２０９と、マイクロストリップライン上のシグナル電極２０９との間の接続部で、０．３μｍの段差が生じることになる。
【００３２】
このような誘電体層２０７の段差の発生は、信頼性の高い電極を構成するためのプロセスを難しくする。極端な場合には、接続部において高周波電極が切れてしまう。さらに段差が生じてしまった場合、パターンを形成するためのフォトリソグラフィの条件ずれが生じる。例えば、図３の（ｂ）のメサ上と図３の（ｃ）のマイクロストリップライン上との間で、最適フォーカス条件が変わってしまう。この結果、図３の（ｂ）のメサ部にフォーカスを合わせた場合には、図３の（ｃ）のマイクロストリップラインのフォーカスがずれる。逆に、図３（ｃ）のマイクロストリップラインにフォーカスを合わせた場合には、図３の（ｂ）のメサ部のフォーカスがずれる。結果として、電極２０９の幅が最適値からずれてしまう不具合が発生してしまう。
【００３３】
一方、プロセスの容易さを優先して、メサの高さ（エッチング深さ）に応じて誘電体層２０７の膜厚を調整すると、Ｂ断面におけるマイクロストリップラインのインピーダンス値にずれが発生することになる。原理的には、異なるドライエッチング処理のその都度、誘電体層厚に合わせてシグナル線路幅を調整する複数のフォトマスクを準備すれば、インピーダンスずれを補償することもできる。しかしながら、このようなインピーダンスずれ補償を個別に行うのは、プロセス上非常に煩雑なものとなりコストも掛る。
【００３４】
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、進行波型電極を持つ半導体光変調器において、高周波信号が印可される電極をインピーダンスの制御性良く作製できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
上述の課題を解決するために、請求項１の発明は、電気光学効果を有する光導波路に電界光学効果を生じさせる高周波電極（１０９）と、前記高周波電極に接続され高周波電気信号を供給するための高周波配線（１０９）とを含む半導体光変調器において、前記光導波路は、第１の導電性の半導体クラッド層（１０３）と、コア層を含むノンドープ半導体層（１０４）と、第２の導電性の半導体クラッド層（１０６）とが順次積層して形成された層構造を備え、前記第１の導電性の半導体クラッド層の深さ方向の一部、および、回路構成面内の少なくとも前記高周波電極および前記高周波配線を含む範囲によって規定される領域内に、前記第１の導電性の半導体クラッド層とは組成の異なる第３の層（１０２）が形成され、前記第３の層の上面を、前記高周波電極および前記高周波配線の共通の底面とし、前記共通の底面上にそれぞれのグランド電極（１０８、１１０）を形成することを特徴とする半導体光変調器である。尚、上記の高周波電極はシグナル（変調）電極に対応し、高周波配線は高周波ラインに対応している。
【００３６】
請求項２の発明は、請求項１の半導体光変調器であって、前記光導波路の側面が誘電体層（１０７）で埋め込まれており、前記高周波配線が前記誘電体層上に形成され、前記高周波電極が前記光導波路上に形成され、前記高周波電極および前記高周波配線が同じ高さ形成されていることを特徴とする。
【００３７】
請求項３の発明は、請求項１または２の半導体光変調器であって、前記第３の層は、前記高周波電極および前記高周波配線の共通のグランド電極として機能することを特徴とする。
【００３８】
請求項４の発明は、請求項１乃至３いずれかの半導体光変調器であって、前記第３の層は、前記第１の導電性の半導体クラッド層の最下部に接し、前記回路構成面の全面に形成されることを特徴とする。
【００３９】
請求項５の発明は、請求項１乃至４いずれかの半導体光変調器であって、電界吸収型光変調器またはマッハツェンダ型光変調器で構成されることを特徴とする。
【００４０】
請求項６の発明は、請求項１乃至５いずれかの半導体光変調器であって、外部回路から前記高周波配線へ電気信号が供給され、前記外部回路の信号源インピーダンスと前記高周波配線のインピーダンスが整合していることを特徴とする。
【００４１】
請求項７の発明は、請求項１乃至６いずれかの半導体光変調器であって、前記第３の層は、前記光導波路のメサ構造を作製するときの前記層構造をエッチングする工程におけるストップ層として機能することを特徴とする。
【００４２】
請求項８の発明は、電気光学効果を有する光導波路に電界光学効果を生じさせる高周波電極（１０９）と、前記高周波電極に接続され高周波電気信号を供給するための高周波配線（１０９）とを含む半導体光変調器において、前記光導波路は、第１の導電性の半導体クラッド層（１０３）と、コア層を含むノンドープ半導体層（１０４）と、第２の導電性の半導体クラッド層（１０６）とが順次積層して、基板上に形成された層構造を備え、前記基板と、前記第１の導電性の半導体クラッド層（１０３）との間に、前記第１の導電性の半導体クラッド層とは組成の異なる第３の層（１０２）が形成されており、前記第３の層の上面を、前記高周波電極および前記高周波配線の共通の底面とし、前記共通の底面上にそれぞれのグランド電極（１０８、１１０）が形成され、前記高周波電極および前記高周波配線の共通のグランド電極として機能することを特徴とする半導体光変調器である。
【発明の効果】
【００４３】
以上説明したように、本発明によれば、光導波路上の高周波電極のシグナル電極の高さおよび高周波配線部（マイクロストリップライン）上の電極の高さを同一として、段差を生じることなく接続することができる。半導体光変調器の外部回路との間で、制御性良くインピーダンス整合をとることができる。その結果、効率的に高周波電圧を変調器に印加することが可能となり、変調効率の良い半導体光変調器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、本発明の半導体光変調器の構成を説明する図である。
【図２】図２は、マイクロストリップラインのインピーダンスの電極幅依存性の計算結果を示した図である。
【図３】図３は、従来技術の半導体光変調器の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
本発明の半導体光変調器は、第１の導電性の半導体によるクラッド、第２の導電性の半導体によるクラッドおよびコアを含む光導波路において、基板側に近いクラッド層内に、第１の導電性の半導体によるクラッドとは組成の異なる第３の層を形成する。この第３の層は、少なくとも、半導体光変調器への高周波電気信号が印可されるすべての電極を含む範囲に形成される。この第３の層が、高周波電気信号が印可されるすべての信号電極およびグランド電極を形成する高さの基準として機能する。この高周波電気信号が印可される電極は進行波電極であって、電気光学効果によって変調動作が行われる光導波路上のシグナル（変調）電極まで、外部回路からの電気信号を運ぶ高周波配線も含む。高周波電気信号が、インピーダンス整合した状態で信号電極に供給され、光導波路において効率良く変調動作を実現できる。
【００４６】
以下、図面を参照しながら本発明の半導体光変調器の構成・動作および作製方法について説明する。
【００４７】
図１は、本発明の半導体光変調器の構成を示す図である。図１の（ａ）は、基板上に構成された半導体マッハツェンダ光変調器の上面図を示している。半導体マッハツェンダ光変調器は、入力導波路１１１、入力導波路１１１を導波してきた光波を２つの光導波路１１２、１１３に分波する光分波器１１５、２つの光導波路１１２、１１３を導波してきた光波を出力導波路１１４へと合波する光合波器１１６、および出力導波路１１４から構成される。入力導波路１１１へ入力された入力光は、第１の光導波路１１２上に形成された第１の変調電極１１７および第２の光導波路１１３上に形成された第２の変調電極１０９の間に印加される電気信号によって変調され、変調された出力光が出力導波路１１４から出力される。
【００４８】
図１の（ｂ）は、図１の（ａ）において、一方の光導波路１１３を横切る破線Ａを光の進行方向に見た断面構造を示したものである。メサ状の光導波路は、ＳＩ（半絶縁性：semi-insulating）−ＩｎＰ基板１０１上に、ｎ型ＩｎＰ層１０３、ノンドープの光閉じ込めを行うコア層１０５を含むノンドープ層１０４、ｐ型ＩｎＰ層１０６が積層された層構造を有している。
【００４９】
また、光導波路の両脇には誘電体層１０７が形成されている。高周波電極は、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０２上に形成されたグランド電極１０８ａ、１０８ｂおよびｐ型ＩｎＰ層１０６上に形成されたシグナル電極１０９で構成されている。この高周波電極に高周波信号を入力することによって、その振幅に応じてコア層１０５を含むノンドープ層１０４に電圧が印可され、電気光学効果によって屈折率変化が生じる。ここで、第１の光導波路１１２および第２の光導波路１１３において、シグナル（変調）電極１０９およびシグナル（変調）電極１１７を差動信号で駆動すると、２つの光導波路１１２、１１３の間で屈折率差が生じる。この駆動方法によって、高周波差動信号に応じて、出力導波路１１４からの出力光に変調が掛かることになる。
【００５０】
図３の（ｃ）は、シグナル（変調）電極１０９と光導波路１１３とが重複をしていない図３（ａ)の破線Ｂにおける断面を示している。この非重複部分は、高周波配線部分１２０から光導波路１１３上のシグナル電極１０９へ給電するための高周波ライン１０９となっている。高周波ラインは上述のハイメサ構造と同時に作製され、ＳＩ-ＩｎＰ層１０１上に、ｎ型ＩｎＰ層１０２、グランド電極１１０、誘電体層１０７および高周波ライン１０９がこの順に形成されたマイクロストリップライン構成となっている。
【００５１】
高周波ライン１０９では、その特性インピーダンスを電気信号の駆動源インピーダンスの５０Ωに合わせることが重要であるが、マイクロストリップラインのインピーダンスは、誘電体層１０７の誘電率、シグナル電極（高周波ライン）の幅および高さによって決まる。
【００５２】
図２は、マイクロストリップラインのインピーダンスの電極幅依存性の計算結果を示した図である。誘電体層の誘電率が２．６であって、誘電体層の膜厚が３、４、５μｍの各場合について、マイクロストリップラインのインピーダンスを計算している。図２に示したように、誘電体層が厚い程、また、電極幅が狭い程インピーダンスが上昇する。
【００５３】
ここで、本発明の半導体光変調器の作製工程の概略を説明する。最初に、ＳＩ-ＩｎＰ基板１０１上に、ｎ型ＩｎＰ層１０３、ノンドープ層１０４、コア層１０５およびｐ型ＩｎＰ層１０６の半導体各層を結晶成長する（ステップ１０）。次に、半導体加工により入力導波路１１１から出力導波路１１４までのメサ状の光導波路を形成する（ステップ１２）。その後、グランド電極１１０を蒸着（ステップ１４）、さらに誘電体層１０７を塗布、加工形成する（ステップ１６）。最後に、グランド電極１０８ａ、１０８ｂおよびシグナル電極（高周波ライン）１０９、１１７を形成する（ステップ１８）。
【００５４】
上述の工程によって本発明の半導体光変調器を作製するときも、図１の（ｂ）のＡ断面における光導波路上の高周波電極のシグナル電極１０９の高さと、図１の（ｃ）のＢ断面におけるマイクロストリップライン上の高周波ライン１０９の高さが同一であって、段差なく接続されることが好ましい。すなわち、ｎ型ＩｎＰ層１０３からｐ型ＩｎＰ層１０６までの層厚の総和であるハイメサの高さと、誘電体層１０７の厚さとが同じであることが好ましい。
【００５５】
本発明の光変調器では、ＳＩ-ＩｎＰ基板１０１およびｎ型ＩｎＰ層１０３の間に、組成の異なるｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０２が挿入されていることを特徴としている。このｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０２は、ＩｎＰをエッチングするための塩酸およびリン酸の混合液によってはほとんどエッチングされず、ウェットエッチングの際のエッチストップ層として機能する。本発明の光変調器では、ハイメサ構造の光導波路を形成する時のドライエッチング加工は、作製誤差を考慮して目標深さよりも浅めにエッチングを行い（ステップ１２−１）、その後、残ったｎ型ＩｎＰ層１０３に対してウェットエッチングを行う（ステップ１２−２）。
【００５６】
尚、このエッチングストップ層１０２は、ｎ型ＩｎＰ層１０３の深さ方向の一部であって、半導体光変調器の回路構成面の全面に渡って形成されていれば良い。必要な場合には、ｎ型ＩｎＰ層１０３の深さ方向の一部であって、シグナル電極１０９および高周波ライン１０９を少なくとも含む範囲だけに形成されていても良い。
【００５７】
ＳＩ-ＩｎＰ基板１０１とｎ型ＩｎＰ層１０３との間に、エッチストップ層１０２を挿入することによって、メサ高さはドライエッチングの深さ方向の作製誤差の影響を受けない。すなわち、ｎ型ＩｎＰ層１０３、ノンドープ層１０４およびｐ型ＩｎＰ層１０６の半導体の各層厚の総和のみで決定される所定のメサ高さを、安定的に得ることができる。したがって、光導波路上の高周波電極のシグナル電極１０９の高さと、マイクロストリップライン上の高周波ライン１０９の高さを精度よく揃えることができる。したがって、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０２（第３の層）は、光導波路のメサ構造を作製するときの層構造をエッチングする工程におけるストップ層として機能する。従来技術の半導体光変調器において必要とされたメサ高さに応じた誘電体層の膜厚調整も不要となる。煩雑な調整工程を追加することなしに、高周波信号を伝搬させるマイクロストリップラインをインピーダンスの精度良く作製することが可能となる。
【００５８】
したがって本発明の半導体光変調器は、電気光学効果を有する光導波路に電界光学効果を生じさせる高周波電極（１０９）と、前記高周波電極に接続され高周波電気信号を供給するための高周波配線（１０９）とを含む半導体光変調器であって、前記光導波路は、第１の導電性の半導体クラッド層（１０３）と、コア層を含むノンドープ半導体層（１０４）と、第２の導電性の半導体クラッド層（１０６）とが順次積層して形成された層構造を備えている。そして、前記第１の導電性の半導体クラッド層の深さ方向の一部、および、回路構成面内の少なくとも前記高周波電極および前記高周波配線を含む範囲によって規定される領域内に、前記第１の導電性の半導体クラッド層とは組成の異なる第３の層（１０２）が形成され、前記第３の層の上面を、前記高周波電極および前記高周波配線の各グランド層の共通の底面とし、前記共通の底面の上方にそれぞれのグランド電極（１０８ａ、１０８ｂ、１１０）を形成することになる。
【００５９】
半導体コア層１０４は、ＩｎＰに対して屈折率が高い層で構成される。たとえば、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓなどの材料系を用い、単一組成の四元混晶のバルク層や多重量子井戸層で構成することができる。また、多重量子井戸層と、その上下にバンドギャップが多重量子井戸層よりも大きくかつ上部・下部のクラッド層よりも小さい値を持つ光閉じ込め層とを有する構造を用いることもできる。
【００６０】
エッチストップ層である半導体層１０２は、コア層で閉じ込められている光フィールドが掛からないように、コア層から十分に離れた位置に設定されていれば良い。その条件を満たす限り、図１のように半導体層１０３の最下部に接している必要は無く、半導体層１０３の途中に挿入されていても良い。したがって、前述のように、前記第１の導電性の半導体クラッド層の深さ方向の一部、および、回路構成面内の少なくとも前記高周波電極および前記高周波配線を含む範囲によって規定される領域内に、前記第１の導電性の半導体クラッド層とは組成の異なる第３の層（１０２）が形成される。また、前記第３の層は、前記第１の導電性の半導体クラッド層の最下部に接し、前記回路構成面の全面に形成されることもできる。
【００６１】
また、第３の層であるｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０２は、十分な導電性を持つものとすることもできるので、前記高周波電極および前記高周波配線の共通のグランド電極として機能することもできる。
【００６２】
誘電体層１０７は、たとえば、ポリイミドやＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などを用いることができる。また、本発明の半導体光変調器の導波路部分の材料としては、ＩｎＰ系材料に限定される必要はなく、例えばＧａＡｓ基板と整合する材料系を用いても構わない。
【００６３】
また上述の説明では、変調器の構成は、マッハツェンダ型の変調器を例として説明を行ったが、本発明はマッハツェンダ型だけに限定されない。電気光学効果を供する光導波路上に電界光学効果を引き起こすための高周波電極と、この高周波電極に高周波信号を入力するための高周波ラインで構成された半導体光変調器であれば、本発明におけるエッチストップ層を持った構成が適用可能である。例えば、電界吸収型（ＥＡ：Electro-absorption）変調器における高周波ラインに適用する場合にも本発明を適用できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの送信器に利用できる。
【符号の説明】
【００６５】
１０１、２０１  ＳＩ−ＩｎＰ基板
１０２  ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層
１０３、２０３  ｎ型ＩｎＰ層
１０４、２０４  ノンドープ層
１０５、２０５  コア層
１０６、２０６  ｐ型ＩｎＰ層
１０７、２０７  誘電体層
１０８ａ、１０８ｂ、１１０、２０８ａ、２０８ｂ  グランド電極
１０９、１１７、２０９、２１７  シグナル（変調）電極
１１１、２１１  入力導波路
１１２、１１３、２１２、２１３  光導波路
１１３、２１３  光分波器
１１４、２１４  出力導波路
１１６、２１６  光合波器
【図１】
2015194629.tif 000008
【図２】
2015194629.tif 000009
【図３】
2015194629.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成27年5月14日(2015.5.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
上述の課題を解決するために、請求項１の発明は、電気光学効果を有する光導波路に電
界光学効果を生じさせる高周波電極（１０９）と、前記高周波電極に接続され高周波電気
信号を供給するための高周波配線（１０９）とを含む半導体光変調器において、前記光導
波路は、第１の導電性の半導体クラッド層（１０３）と、コア層を含むノンドープ半導体
層（１０４）と、第２の導電性の半導体クラッド層（１０６）とが順次積層して形成され
た層構造を備え、前記第１の導電性の半導体クラッド層の深さ方向の一部、および、回路
構成面内の少なくとも前記高周波電極および前記高周波配線を含む範囲によって規定され
る領域内に、前記第１の導電性の半導体クラッド層とは組成の異なる第３の層（１０２）
が形成され、前記第３の層の上面を、前記高周波電極および前記高周波配線の共通の底面
とし、前記共通の底面上にそれぞれのグランド電極（１０８、１１０）を形成され、前記光導波路の側面が誘電体層で埋め込まれており、前記高周波配線が前記誘電体層上に形成され、前記高周波電極が前記光導波路上に形成され、前記高周波電極および前記高周波配線が同じ高さに形成されていることを特徴とする半導体光変調器である。尚、上記の高周波電極はシグナル（変調）電極に対応し、高周波配線は高周波ラインに対応している。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
請求項２の発明は、請求項１の半導体光変調器であって、前記第３の層は、前記高周波電極および前記高周波配線の共通のグランド電極として機能することを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
請求項３の発明は、請求項１または２の半導体光変調器であって、前記第３の層は、前記第１の導電性の半導体クラッド層の最下部に接し、前記回路構成面の全面に形成されることを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
請求項４の発明は、請求項１乃至３いずれかの半導体光変調器であって、電界吸収型光変調器またはマッハツェンダ型光変調器で構成されることを特徴とする。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
請求項５の発明は、請求項１乃至４いずれかの半導体光変調器であって、外部回路から前記高周波配線へ電気信号が供給され、前記外部回路の信号源インピーダンスと前記高周波配線のインピーダンスが整合していることを特徴とする。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
請求項６の発明は、請求項１乃至５いずれかの半導体光変調器であって、前記第３の層は、前記光導波路のメサ構造を作製するときの前記層構造をエッチングする工程におけるストップ層として機能することを特徴とする。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
請求項７の発明は、電気光学効果を有する光導波路に電界光学効果を生じさせる高周波電極（１０９）と、前記高周波電極に接続され高周波電気信号を供給するための高周波配線（１０９）とを含む半導体光変調器において、前記光導波路は、第１の導電性の半導体クラッド層（１０３）と、コア層を含むノンドープ半導体層（１０４）と、第２の導電性の半導体クラッド層（１０６）とが順次積層して、基板上に形成された層構造を備え、前記基板と、前記第１の導電性の半導体クラッド層（１０３）との間に、前記第１の導電性の半導体クラッド層とは組成の異なる第３の層（１０２）が形成されており、前記第３の層の上面を、前記高周波電極および前記高周波配線の共通の底面とし、前記共通の底面上にそれぞれのグランド電極（１０８、１１０）が形成され、前記第３の層は、前記高周波電極および前記高周波配線の共通のグランド電極として機能し、前記光導波路の側面が誘電体層で埋め込まれており、前記高周波配線が前記誘電体層上に形成され、前記高周波電極が前記光導波路上に形成され、前記高周波電極および前記高周波配線が同じ高さに形成されていることを特徴とする半導体光変調器である。
【手続補正９】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する光導波路に電界光学効果を生じさせる高周波電極と、前記高周波電極に接続され高周波電気信号を供給するための高周波配線とを含む半導体光変調器において、
前記光導波路は、
第１の導電性の半導体クラッド層と、
コア層を含むノンドープ半導体層と、
第２の導電性の半導体クラッド層と
が順次積層して形成された層構造を備え、
前記第１の導電性の半導体クラッド層の深さ方向の一部、および、回路構成面内の少なくとも前記高周波電極および前記高周波配線を含む範囲によって規定される領域内に、前記第１の導電性の半導体クラッド層とは組成の異なる第３の層が形成され、
前記第３の層の上面を、前記高周波電極および前記高周波配線の共通の底面とし、前記共通の底面上にそれぞれのグランド電極が形成され、
前記光導波路の側面が誘電体層で埋め込まれており、
前記高周波配線が前記誘電体層上に形成され、
前記高周波電極が前記光導波路上に形成され、
前記高周波電極および前記高周波配線が同じ高さに形成されている
ことを特徴とする半導体光変調器。
【請求項２】
前記第３の層は、前記高周波電極および前記高周波配線の共通のグランド電極として機能する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】
前記第３の層は、前記第１の導電性の半導体クラッド層の最下部に接し、前記回路構成面の全面に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光変調器。
【請求項４】
電界吸収型光変調器またはマッハツェンダ型光変調器で構成されることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の半導体光変調器。
【請求項５】
外部回路から前記高周波配線へ電気信号が供給され、前記外部回路の信号源インピーダンスと前記高周波配線のインピーダンスが整合していることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の半導体光変調器。
【請求項６】
前記第３の層は、前記光導波路のメサ構造を作製するときの前記層構造をエッチングする工程におけるストップ層として機能することを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の半導体光変調器。
【請求項７】
電気光学効果を有する光導波路に電界光学効果を生じさせる高周波電極と、前記高周波電極に接続され高周波電気信号を供給するための高周波配線とを含む半導体光変調器において、
前記光導波路は、
第１の導電性の半導体クラッド層と、
コア層を含むノンドープ半導体層と、
第２の導電性の半導体クラッド層と
が順次積層して、基板上に形成された層構造を備え、
前記基板と、前記第１の導電性の半導体クラッド層との間に、前記第１の導電性の半導体クラッド層とは組成の異なる第３の層が形成されており、
前記第３の層の上面を、前記高周波電極および前記高周波配線の共通の底面とし、前記共通の底面上にそれぞれのグランド電極が形成され、
前記第３の層は、前記高周波電極および前記高周波配線の共通のグランド電極として機能し、
前記光導波路の側面が誘電体層で埋め込まれており、
前記高周波配線が前記誘電体層上に形成され、
前記高周波電極が前記光導波路上に形成され、
前記高周波電極および前記高周波配線が同じ高さに形成されている
ことを特徴とする半導体光変調器。