(57)【要約】【課題】深い埋め込み構造を有する低ＰＤＬ（偏光依存性ロス）の光変調器素子を提供する。【解決手段】半導体基板２上に光変調層３およびクラッド層が積層され、変調層の両側部には変調層の光を側方から閉じ込める埋込み層が形成され、変調層に印加される電界によって変調層の光吸収係数を変化させる電気吸収型光変調器素子において、前記クラッド層および埋込み層は、前記変調層の上に積層される第１のクラッド層４−１と、その第１のクラッド層の両側部の領域をエッチング除去した空間に埋め込み成長される第１の埋込み層５−１とで構成される第１段目の層と、その第１段目の層の上に積層される第２のクラッド層４−２と、第２のクラッド層の両側部の領域をエッチング除去した空間に埋込み成長される第２の埋込み層５−２とで構成される第２段目の層とから構成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上に半導体光導波路としての変調層およびクラッド層が積層され、変調層の両側部には変調層の光を側方から閉じ込める埋込み層が形成されてなり、変調層に印加される電界によって変調層の光吸収係数を変化させる電気吸収型光変調器素子において、
前記クラッド層および埋込み層は、前記変調層の上に積層される第１のクラッド層と、その第１のクラッド層の変調層の上方領域を除く両側部の領域をエッチング除去した空間に埋め込み成長される第１の埋込み層とで構成される第１段目の層と、その第１段目の層の上に積層される第２のクラッド層と、その第２のクラッド層の前記変調層の上方領域を除く両側部の領域をエッチング除去した空間に埋込み成長される第２の埋込み層とで構成される第２段目の層とからなることを特徴とする電気吸収型光変調器素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光変調器素子に関し、特に偏光依存性ロス（ＰＤＬ：Ｐｏｌａｒａｉｚａｔｉｏｎ  Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｌｏｓｓ）を低減させた光変調器素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（従来例１）
図４に従来例１の電気吸収型光変調器素子の構成を示す。
ｎ−ＩｎＰ基板５２を準備し、基板の表面に、順次ＩｎＧａＡｓＰ光変調層５３、ＩｎＧａＡｓＰパイルアップ防止層５４、ＩｎＰクラッド層５５、ｐ−ＩｎＰクラッド層５６、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５７より成る薄膜多層構造をエピタキシャル成長により成膜形成する。
基板を構成する材料としては、表面にマトリクス状に配列形成された多数の電気吸収型光変調器素子を劈開により切り出しを容易にする材料であるＩｎＰが選択使用される。ＩｎＧａＡｓＰ光変調層５３にはその光導波路端面から光が入射される。ＩｎＧａＡｓＰ層５４はホール（正孔）のパイルアップを阻止するパイルアップ阻止層である。ＩｎＰ層５５はドーピングされていないＩｎＰより成り、クラッド層を構成している。ＩｎＧａＡｓＰ光変調層５３のバンドギャップエネルギーＥｇ３、ＩｎＧａＡｓＰパイルアップ防止層５４のバンドギャップエネルギーＥｇ４、ＩｎＰクラッド層５５のバンドギャップエネルギーＥｇ５の大きさは、Ｅｇ３＜Ｅｇ４＜Ｅｇ５の関係に各層の材料を調整する。ｐ−ＩｎＰクラッド層５６はバンドギャップエネルギーの大なる層であり、ＩｎＧａＡｓＰ光変調層５３とＩｎＧａＡｓＰパイルアップ防止層５４を包みこんでクラッド層として動作すると共にＩｎＧａＡｓＰ光変調層５３とＩｎＧａＡｓＰパイルアップ防止層５４に対する電圧印加の作用をなすｐ−ＩｎＰクラッド層である。
ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５７はｐ−ＩｎＰクラッド層５６に電極をオームコンタクトするために介在される電極形成用層であり、バンドギャップエネルギーの小さい材料より成る。Ｆｅ−ＩｎＰ光閉込め層５８はＦｅをドーピングしたＩｎＰより成り、これによりＩｎＧａＡｓＰ光変調層５３を取り囲んで光閉じ込め構造を形成する。５９はＳｉＮｘ絶縁層である。またｎ−ＩｎＰ基板５２には負電極５１、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層５７には正電極６０が設けられる（例えば、特許文献１  参照）。
電気吸収型光変調器素子のＰＤＬは当業者に知られた課題であり、この現象は同素子の変調層の上にあるオーバークラッド層の厚みが従来不十分であったため、変調層中の光のフィールドの広がりが上部のコンタクト層などに達していることに大きな原因があると考えられる（図７（ａ）従来構造  参照）。これに対し従来は、主に本発明が直接的な課題とする素子作製の困難のため、また変調器駆動電圧の増大を避けるためにオーバークラッド層を十分厚くすることができず、従来例２，従来例３に示す光変調器素子、あるいは光導波路の外部に構成される技術的手段によってＰＤＬ対策をしなければならなかった。
【０００３】
（従来例２）
図５に従来例２の光変調器の構成を示す。
光変調器は、第１の入力端子ａから入射される光信号を第２の端子ｂに出力すると共に第２の端子ｂから入力される光信号を第３の端子ｃに出力する光サーキュレータ７１と、印加される電圧に応じて透過特性が変化する電気吸収型光変調器素子７３と、入力光の偏光面を４５度回転させるファラディ回転子７５と、入力光を反射する全反射ミラー７６とを備え、光サーキュレータ７１の第２の端子ｂから出力される光信号が、レンズ７２、電気吸収型光変調器素子７３、レンズ７４、ファラディ回転子７５を介して全反射ミラー７６に入射され、該全反射ミラー７６により反射された光信号がファラディ回転子７５、レンズ７４、電気吸収型光変調器素子７３、レンズ７２を介して光サーキュレータ７１の第２の端子ｂに入力されるように構成される。
このように光変調器において、入射光は電気吸収型光変調器素子７３を一度通過し、さらに、偏光面が９０度回転されて電気吸収型光変調器素子を再度通過することとなる。従って、どのような偏光面を有する入射光であっても電気吸収型光変調器素子の挿入損失は同一となり、偏光依存性ロスを０とすることができる。なお、電気吸収型光変調器素子７３を２度通過させているため、電気吸収型光変調器素子からファラディ回転子に出射された光信号が再び電気吸収型光変調器素子に入射されるまでの伝搬遅延はΔｔと変調信号の周期ＴとがΔｔ＝ｎＴ（ｎ：整数）を満たす関係となるように全反射ミラーの位置を調整する（例えば、特許文献２  参照）
【０００４】
（従来例３）
図６に従来例３の光導波路装置の構成を示す。
光導波路装置は、光を伝搬する第１の材料からなり、端面を有する石英ガラスファイバ８１と、光を伝搬する第２の材料からなり端面８３を有するニオブ酸リチウム導波路基板８２とからなり、基板８２中に光導波路８４が形成される。
基板８２の端面が石英ガラスファイバ８１の端面に隣接され、石英ガラスファイバの端面が石英ガラスファイバを通る光の伝搬方向に対し直角以外の角度（約３０°）となっており、基板８２の端面が基板を通る光の伝搬方向に対して直角以外の角度（約１８°）とされる。
異なる材料の界面を光が伝搬する際、該材料の端面の法線がＴＭ偏光波の電界及び導波路により画定される平面内にあるように、界面が角度を付けて研磨されている場合に、ＴＭ光はＴＥ光より、より小さい反射損を有する。この反射損の違いにより、ＴＥ光と比べて伝搬損の大きいＴＭ光を補償する結果となり適切な研磨角度を選択することにより異なる補償量を達成することができる。従って、光導波路の上下に金属電極を有する光導波路において、光導波路と金属電極との間の緩衝層の厚みを増加させることなく、動作電圧を同程度に保持しつつＰＤＬを減少させることができる（例えば、特許文献３  参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１２２８３３
【特許文献２】
特開平９−３２５３０８号公報
【特許文献３】
特開２００２−１３１５６３
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来例２の光変調器及び従来例３の光導波路装置は外部に構成される技術的手段によりＰＤＬ問題を解決するために、従来例２においては光変調器素子の他に光サーキュレータ、ファラディ回転子、全反射ミラー等を必要とするため構成が複雑となり、また、従来例３においては高い精度の機械加工が必要となり高価となる。
図７に示すように光変調器素子において、（ａ）従来構造では、電極が光導波路に近いため、光ビームのＴＭモード形状に影響する。従って、ＰＤＬが大きくなる。これに対して（ｂ）深い埋め込み構造にした場合には、電極と導波路との距離が大きくなるため、ビーム形状に影響しない。従って、ＰＤＬを小さくすることができる。
光変調器素子の光導波路層を作成するに必要なエッチング工程にはウェットエッチングとドライエッチングの両方法がある。ドライエッチングを用いればサイドエッチング（後述する）の問題無く垂直な深彫り（深い埋め込み構造）も可能であるが、電気吸収型光変調器素子の場合、他の例えば半導体レーザー光源素子などと異なり高い電圧を印加して駆動されるため、ドライエッチングによって加工するとプラズマによって素子に結晶欠陥を生じる恐れがあるため、安全性の高い素子の作製のために電気吸収型光変調器素子の分野においてはウエットエッチングによる加工が望ましい。
従来例１の光変調器素子の低ＰＤＬ化を目指すにあたり、深い埋め込み構造をウェットエッチングによって、製作しようとすると次のような問題点があった。
図８に示すように、ウェットエッチングの場合、縦方向のエッチングのほかに、横方向のエッチング（サイドエッチ）を考慮しなければならない。縦方向のエッチング量のおよそ２０％が横方向のエッチング量に相当する。従来の方法で、深い埋め込み構造（図８（ｂ）  参照）を製作すると、サイドエッチにより、変調層がなくなってしまう。
また、マスクから遠くなることにより、エッチングの形状制御性に欠け、特にサイドエッチ量は、マスクに隠れるため、上からでは観察困難であり、測定するためには断面観察を必要とし、破壊検査となる。よって、素子製作を継続することができなくなる。
本発明は、かかる安全性を確保しながらウエットエッチングに随伴するサイドエッチの問題を解決して、変調層の深い埋め込みによる低ＰＤＬの電気吸収型変調器素子を作製することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、エッチング工程を２段階に分離し、途中にクラッド層の埋込み成長を実施することにより、サイドエッチ量を無視できる範囲に抑え、深い埋込み構造を実現するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１〜図３を参照して本発明の光変調器素子の構成及び製作工程を説明する。
▲１▼ｎ−ＩｎＰ基板２の表面に、順次、ＩｎｇａＡｓＰ変調層３、ＩｎＰクラッド層４−１、マスク（酸化物）より成る薄膜多層構造をエピタキシャル成長により成膜形成する。これは従来構造のコンタクト層を除いた構造である。
▲２▼成膜形成されたＩｎｇａＡｓＰ変調層３、ＩｎＰクラッド層４−１からなる層の両側にＦｅ−ＩｎＰ（Ｆｅドープ）埋込み層５−１を形成する。この埋込み層は光の閉じ込めの他、電気的に高抵抗（半絶縁性）であり、駆動電流を変調層に集中させる機能を有する。
▲３▼マスク２０−１を除去した後、この上に再度、クラッド層となるＩｎＰ層、コンタクト層となるｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層、マスク２０−２を再成長させる。
▲４▼再成長させたマスク以外の部分をエッチングにより部分的に除去した後、再度埋込み成長を行い埋込み層５−２を形成する。また埋込み層５−２に表面にＳｉＮｘ絶縁層を設ける。次にマスク２０−２を除去してｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層１０−１の表面に正電極１１を、またｎ−ＩｎＰ基板２の下面の負電極１を設けて変調器素子を得る。
前記工程において、両側部の領域のエッチング除去に用いられる、中央のクラッド層を覆うパターンをフォトリソで作成するマスク２０−１、２０−２は、第１段目と第２段目の層とでおなじ工程で作製でき、設備の共通化を図ることができる。
【０００９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は次の効果を奏する。
光変調器素子において、（１）ウエットエッチングにより深い埋込み構造を製作することができる、（２）一度に行うエッチングの深さは、従来と同様であり、サイドエッチ量を無視することができる、（３）最初に行うエッチングの量と、２回目に行うエッチング量は、その深さが同じであり、条件設定は一度ですむ、（４）エッチングごとにエッチング液（エッチャント）を交換することにより、エッチャントの疲れがすくない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光変調器素子の製作工程▲１▼（埋め込み前）、▲２▼（Ｆｅ−ＩｎＰの埋め込み成長）を示す図。
【図２】本発明の光変調器素子の製作工程▲３▼（マスク除去後、再成長）、▲４▼（エッチング後、埋め込み成長）を示す図。
【図３】本発明の光変調器素子の製作工程▲５▼（完成）を示す図。
【図４】従来例１の電気吸収型光変調器素子の構成を示す図。
【図５】従来例２の低ＰＤＬを実現した光変調器の構成を示す図。
【図６】従来例３の低ＰＤＬを実現した光導波路装置の構成を示す図。
【図７】（ａ）従来構造と（ｂ）深い埋め込み構造の作用の違いを説明する図。
【図８】埋め込み前の（ａ）従来構造と本発明の（ｂ）深い埋め込み構造を示す図。
【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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