(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、電圧により光の位相が変化する光導波路に含まれる半導体多層構造と
を備え、
前記半導体多層構造は、
Ｐ型クラッド層及びＮ型クラッド層と、
前記Ｐ型クラッド層と前記Ｎ型クラッド層との間に挟まれる多重量子井戸構造と
を備え、
前記多重量子井戸構造は、
第１バンドギャップを有する第１バリア層と、
前記第１バリア層の前記Ｎ型クラッド層側の部分と接続され、前記第１バンドギャップよりも小さい第２バンドギャップを有する中間層と、
前記中間層の前記Ｎ型クラッド層側の部分と接続され、前記第２バンドギャップよりも小さい第３バンドギャップを有するウェル層と、
前記ウェル層の前記Ｎ型クラッド層側の部分と接続され、前記第１バンドギャップを有する第２バリア層と
を含む層構造を備え、
前記第１及び第２バリア層の伝導帯エネルギーは、前記中間層の伝導帯エネルギーよりも大きく、前記中間層の伝導帯エネルギーは、前記ウェル層の伝導帯エネルギーよりも大きく、
前記中間層の価電子帯エネルギーは、前記ウェル層の価電子帯エネルギーよりも大きく、前記ウェル層の価電子帯エネルギーは、前記第１及び第２バリア層の価電子帯エネルギーよりも大きい、半導体光変調器。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体光変調器であって、
前記多重量子井戸構造は、
前記層構造における各層の接続方向に配列された複数の前記層構造を備え、
任意の二つの隣り合う前記層構造に関して、前記Ｐ型クラッド層側の前記層構造の前記第２バリア層が、前記Ｎ型クラッド層側の前記層構造の前記第１バリア層として適用される、半導体光変調器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体光変調器であって、
前記第１及び第２バリア層の材料はＡｌＧａＩｎＡｓであり、前記中間層の材料はＡｌＧａＩｎＡｓであり、前記ウェル層の材料はＩｎＧａＡｓＰまたはＧａＩｎＡｓＰＳｂである、半導体光変調器。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の半導体光変調器であって、
前記中間層は、
前記第１バリア層の前記Ｎ型クラッド層側の部分と接続され、前記第１バンドギャップよりも小さく、かつ前記第３バンドギャップよりも大きいバンドギャップを、前記第２バンドギャップとして有する第１中間層と、
前記第１中間層の前記Ｎ型クラッド層側の部分、及び、前記ウェル層の前記Ｐ型クラッド層側の部分と接続され、前記第１中間層のバンドギャップよりも小さく、かつ前記第３バンドギャップよりも大きいバンドギャップを、第４バンドギャップとして有する第２中間層と
を含み、
前記第１及び第２バリア層の伝導帯エネルギーは前記第１中間層の伝導帯エネルギーよりも大きく、前記第１中間層の伝導帯エネルギーは前記第２中間層の伝導帯エネルギーよりも大きく、前記第２中間層の伝導帯エネルギーは前記ウェル層の伝導帯エネルギーよりも大きく、
前記第１中間層の価電子帯エネルギーは前記第２中間層の価電子帯エネルギーよりも大きく、前記第２中間層の価電子帯エネルギーは前記ウェル層の価電子帯エネルギーよりも大きく、前記ウェル層の価電子帯エネルギーは前記第１及び第２バリア層の価電子帯エネルギーよりも大きい、半導体光変調器。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の半導体光変調器を用いた、光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、幹線系の長距離光通信で用いられることが多い半導体マッハツェンダ変調器などの半導体光変調器及び光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムで用いられる光変調器には大きく分けて、強度変調用の電界吸収型（ＥＡ）変調器と、位相変調用のマッハツェンダ（ＭＺ）変調器とがある。ＭＺ変調器ではＥＡ変調器よりも波長のチャープ（波長変動）を小さくできるため、ＭＺ変調器は特に長距離伝送用に用いられる。
【０００３】
ＭＺ変調器は、ポッケルス効果による屈折率変化を利用したＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）材料からなるＭＺ変調器（ＬＮ−ＭＺ変調器）と、光吸収変化にともなう屈折率変化を利用した半導体材料の中で特に量子閉じ込めシュタルク効果により屈折率変化を大きくした半導体多重量子井戸構造からなるＭＺ変調器（半導体ＭＺ変調器）とに分けられる。
【０００４】
ＬＮ−ＭＺ変調器では、駆動時の光吸収が無視できるので変調損失が小さいが、２Ｖπ（Ｖπは半波長電圧）が最大６Ｖ程度であり比較的大きい。一方、半導体ＭＺ変調器では、２Ｖπが最大３Ｖ程度でありＬＮ−ＭＺ変調器に比べて小さいが、動作時に光吸収が発生するため伝送時の変調損失が大きい。光変調器において変調損失は小さいほど伝送に有利であり、また半波長電圧Ｖπが小さいほど消費電力を削減することができる。よって、光変調器には、変調損失が小さく、かつ、半波長電圧Ｖπが小さいことが求められている。なお、半導体多重量子井戸構造は、例えば非特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｃ．Ｒｏｌｌａｎｄ  ｅｔ  ａｌ，「１０Ｇｂｉｔ／ｓ，１．５６μｍ  ｍｕｌｔｉ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ  ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ  Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ」，ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｍａｒｃｈ  １９９３，ｖｏｌ．２９，ｎｏ．５，ｐｐ．４７１−４７２（Ｆｉｇ．１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＥＡ変調器よりも波長のチャープ（波長変動）を小さくできるＭＺ変調器であっても、ＬＮ−ＭＺ変調器と半導体ＭＺ変調器とでは、波長のチャープ（波長変動）の電圧依存性に違いがある。
【０００７】
ＬＮ−ＭＺ変調器ではポッケルス効果による屈折率変化が引き起こされるため、一般的に、逆バイアス電圧に対して屈折率が線形に変化する。一方、半導体ＭＺ変調器では、量子閉じ込めシュタルク効果によって屈折率変化が引き起こされるため、逆バイアス電圧に対して屈折率が線形ではなく非線形に変化する。
【０００８】
半導体ＭＺ変調器は、このような屈折率の逆バイアス電圧に対する非線形性から、チャープ（波長変動）特性を示す指標であるαパラメータが０とならない。よって、半導体ＭＺ変調器は、ＬＮ−ＭＺ変調器よりもチャープ特性に関して不利であるといった課題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、αパラメータを０に近づけることが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る半導体光変調器は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、電圧により光の位相が変化する光導波路に含まれる半導体多層構造とを備える。前記半導体多層構造は、Ｐ型クラッド層及びＮ型クラッド層と、前記Ｐ型クラッド層と前記Ｎ型クラッド層との間に挟まれる多重量子井戸構造とを備える。前記多重量子井戸構造は、第１バンドギャップを有する第１バリア層と、前記第１バリア層の前記Ｎ型クラッド層側の部分と接続され、前記第１バンドギャップよりも小さい第２バンドギャップを有する中間層と、前記中間層の前記Ｎ型クラッド層側の部分と接続され、前記第２バンドギャップよりも小さい第３バンドギャップを有するウェル層と、前記ウェル層の前記Ｎ型クラッド層側の部分と接続され、前記第１バンドギャップを有する第２バリア層とを含む層構造を備える。前記第１及び第２バリア層の伝導帯エネルギーは、前記中間層の伝導帯エネルギーよりも大きく、前記中間層の伝導帯エネルギーは、前記ウェル層の伝導帯エネルギーよりも大きい。前記中間層の価電子帯エネルギーは、前記ウェル層の価電子帯エネルギーよりも大きく、前記ウェル層の価電子帯エネルギーは、前記第１及び第２バリア層の価電子帯エネルギーよりも大きい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、逆バイアス電圧と複屈折率変化との関係を実質的にシフトすることができるので、線形性を高くすることができ、αパラメータを０に近づけることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】関連ＭＺ変調器の概略構成を示す平面図である。
【図２】関連ＭＺ変調器における光出力のプッシュプル電圧依存性を示す図である。
【図３】関連ＭＺ変調器の構成を示す断面図である。
【図４】ＬＮ−ＭＺ変調器における屈折率と逆バイアス電圧との関係を示す図である。
【図５】半導体ＭＺ変調器における屈折率と逆バイアス電圧との関係を示す図である。
【図６】半導体ＭＺ変調器における位相と逆バイアス電圧との関係を示す図である。
【図７】単純な量子井戸構造のバンドダイアグラムを示す図である。
【図８】実施の形態１に係る多重量子井戸構造のバンドダイアグラムを示す図である。
【図９】実施の形態１に関連するバンドダイアグラムを示す図である。
【図１０】実施の形態１に関連するバンドダイアグラムを示す図である。
【図１１】実施の形態２に係る多重量子井戸構造のバンドダイアグラムを示す図である。
【図１２】実施の形態２に係る一つの層構造のバンドダイアグラムを示す図である。
【図１３】実施の形態２に係る半導体光変調器における位相とプッシュプル電圧との関係を示す図である。
【図１４】実施の形態２に係る半導体光変調器における光損失量とプッシュプル電圧との関係を示す図である。
【図１５】実施の形態２に係る半導体光変調器におけるαパラメータとプッシュプル電圧との関係を示す図である。
【図１６】実施の形態２に係る半導体光変調器における光損失量と波長との関係を示す図である。
【図１７】実施の形態２に係る一つの層構造のバンドダイアグラムを示す図である。
【図１８】実施の形態２に係る一つの層構造のバンドダイアグラムを示す図である。
【図１９】実施の形態３に係る光モジュールの構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜関連ＭＺ変調器＞
まず、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調器について説明する前に、これに関連するＭＺ変調器（以下「関連ＭＺ変調器」と記す）について説明する。
【００１４】
図１は、関連ＭＺ変調器の概略構成を示す平面図である。関連ＭＺ変調器は、分岐部１０２と、分岐導波路１０３と、合波部１０４と、入射光導波路１０５と、出射光導波路１０６と、信号電極１３及び電極１４を有する位相変調部１０７と、位相調整部１０８とを備える。
【００１５】
入射光導波路１０５に入射された光は分岐部１０２において２つに分岐され、上下に配設された分岐導波路１０３を通る。この分岐導波路１０３の長さは例えば３ｍｍである。上下の分岐導波路１０３に設けられた各位相変調部１０７において逆バイアス電圧が印加されると、位相変調部１０７を通過している光の位相が変化する。位相変化を受けた分岐後の光は、位相調整部１０８を通過した後に合波部１０４において合波される。合波の対象となる分岐後の光の位相が揃っている状態であれば、出射光導波路１０６から出射される出射光の光出力は最大となる。
【００１６】
具体的には、２つの分岐導波路１０３に設けられた２つの位相変調部１０７のそれぞれにおいて、信号電極１３及び電極１４の間にＤＣバイアス電圧（中心バイアス電圧）が印加されるとともに、２つの位相変調部１０７の間で符号が反転するＲＦ電圧（プッシュプル電圧）が印加されることによって、プッシュプル動作が行われる。なお、電極１４は、例えばノイズ耐性に優れるようにグランド電極として、分岐導波路１０３上の信号電極１３の両脇に配設される。
【００１７】
図２は、関連ＭＺ変調器における光出力のプッシュプル電圧依存性を示す図である。図２において、横軸はプッシュプル電圧ΔＶ（Ｖ）、縦軸は光出力（ｄＢ）をそれぞれ示している。
【００１８】
プッシュプル電圧が０Ｖの時は、各分岐導波路１０３にＤＣバイアス電圧のみが印加されている。この時、図１に示される２つの分岐導波路１０３に配設された２つの位相調整部１０８の一方で位相が変化し、合波部１０４で合波される光の位相（分岐導波路１０３の出射光の位相）は互いにπずれた状態となる。この結果、出射光導波路１０６からの光出力は最小となり、図２における点Ｚの出力に相当する。
【００１９】
一方、プッシュプル電圧が印加された場合には、合波部１０４で合波される光の位相のずれがπ以外になる。このうち、合波部１０４で合波される光の位相が揃う場合には、出射光導波路１０６からの光出力は最大になり、図２における点Ｘ及び点Ｙの出力に相当する。
【００２０】
なお図２においては、点Ｚから点Ｙに至るまでのプッシュプル電圧の変化量が幅Ｐで示され、０（ｄＢ）の光出力と、点Ｘまたは点Ｙにおける光出力との差分量が幅Ｑで示され、点Ｙから３（ｄＢ）の光出力だけ減少した点が点Ｒで示されている。
【００２１】
光出力が最大になる点Ｘ及び点Ｙでは、合波部１０４で合波される光の位相が揃う、つまり各位相調整部１０８に入射される光同士の位相がπだけずれている。一方、光出力が最小になる点Ｚでは、各位相調整部１０８に入射される光同士の位相は揃っている。このように、光の位相差を変調に用いるのが位相変調であり、この位相差は、位相変調部１０７により調整される。なお、出射光の位相をπ変化させるのに必要なＲＦ電圧（プッシュプル電圧）の半分のことを半波長電圧Ｖπといい、光出力が最大となる時の、０ｄＢからのずれを変調損失という。
【００２２】
さて、以上のような関連ＭＺ変調器として、ポッケルス効果による屈折率変化を利用したＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）からなるＭＺ変調器（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半導体多重量子井戸構造からなるＭＺ変調器（半導体ＭＺ変調器）とが存在する。
【００２３】
ＬＮ−ＭＺ変調器では、駆動時の光吸収が無視できるので変調損失が小さいが、２Ｖπ（Ｖπは半波長電圧）が最大６Ｖ程度であり比較的大きい。一方、半導体ＭＺ変調器では、２Ｖπが最大３Ｖ程度でありＬＮ−ＭＺ変調器に比べて小さいが、動作時に光吸収が発生するため伝送時の変調損失が大きい。光変調器において変調損失は小さいほど伝送に有利であり、また半波長電圧Ｖπが小さいほど消費電力を削減することができる。よって、光変調器には、変調損失が小さく、かつ、半波長電圧Ｖπが小さいことが求められている。
【００２４】
図３は、図１の関連ＭＺ変調器の導波路（位相変調部１０７）におけるＡ−Ａ’の断面図である。具体的には、半導体ＭＺ変調器の断面図である。半導体基板に相当する半絶縁ＩｎＰ基板９上に形成された位相変調部１０７は、ＰドープされたＰ型クラッド層１２と、ＮドープされたＮ型クラッド層１０と、絶縁体の活性層からなり、井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造１１と、信号電極１３と、電極１４とを備えている。多重量子井戸構造１１は、Ｐ型クラッド層１２とＮ型クラッド層１０との間に挟まれており、位相変調部１０７は、Ｐ−Ｉ−Ｎ構造を有している（このような構造は、例えば非特許文献１に記載されている）。なお、図３の例では、信号電極１３は、Ｐ型クラッド層１２上に配設され、電極１４は、多重量子井戸構造１１などの両側に位置するＮ型クラッド層１０上に配設されている。
【００２５】
関連ＭＺ変調器において、伝送特性に影響を及ぼすチャープ（波長変動）特性を表す指標であるαパラメータは次式（１）で表すことができる。なお、式（１）において、ΔＶはプッシュプル電圧であり、Ｉは出力光（合波によって得られる合波光）の強度であり、φは出力光の位相である。また、図１の上側の分岐導波路１０３をアーム１、下側の分岐導波路１０３をアーム２とした場合、Ｖ１，Ｖ２はアーム１及びアーム２にかかる印加逆バイアス電圧である。
【００２６】
【数１】
0006391606.tif 000002
【００２７】
出力光（合波光）の電界振幅Ｅｏは次式（２）で表すことができる。なお、式（２）において、Ｅiは入力光の電界振幅であり、Ａ，Ｂはアーム１及びアーム２を通る光の吸収にともなう電界振幅であり、φ１，φ２はアーム１及びアーム２の位相であり、γは両アームの光の分岐比である。
【００２８】
【数２】
0006391606.tif 000003
【００２９】
ここで、電界振幅Ａ，Ｂ、位相φ１，φ２は次式（３）で表すことができる。なお、式（３）において、Δｎ１，Δｎ２はアーム１及びアーム２の屈折率であり、ａａｂｓ１、ａａｂｓ２はアーム１及びアーム２の吸収であり、λは光変調器に入射される光の波長であり、Ｌは導波路上の位相変調部１０７の長さ、Γは位相変調部１０７における変調層と光断面の重なり積分である。
【００３０】
【数３】
0006391606.tif 000004
【００３１】
さらに、式（２）における虚数と実数との比から、出力光の強度Ｉ及び位相φは次式（４）及び次式（５）のように表すことができる。
【００３２】
【数４】
0006391606.tif 000005
【００３３】
【数５】
0006391606.tif 000006
【００３４】
また、中心バイアス電圧Ｖｃ、アーム１及びアーム２の逆バイアス電圧Ｖ１、Ｖ２、プッシュプル電圧ΔＶの間には次式（６）の関係がある。
【００３５】
【数６】
0006391606.tif 000007
【００３６】
ＬＮ−ＭＺ変調器ではポッケルス効果による屈折率変化が引き起こされるため、一般的に図４に示されるように、逆バイアス電圧Ｖに対して屈折率が線形に変化する。ここで図４においては、横軸は逆バイアス電圧（Ｖ）、縦軸は屈折率変化Δｎをそれぞれ示している。
【００３７】
ＬＮ−ＭＺ変調器は、半導体ＭＺ変調器に比べて吸収が無視できるほど小さく、式（２）のＡ，Ｂを０とみなすことができる。このため、両アームの分岐比γを１にするような良好な導波路が実現できれば、例えば、ある定数ｋを用いて、ＬＮ−ＭＺ変調器の屈折率の逆バイアス電圧依存性が次式（７）のように表される。
【００３８】
【数７】
0006391606.tif 000008
【００３９】
このとき、上式（５）は、式（６）と式（７）とを用いて次式（８）のように表すことができる。
【００４０】
【数８】
0006391606.tif 000009
【００４１】
式（８）は、中心バイアス電圧Ｖｃに関する項のみが存在し、プッシュプル電圧ΔＶに関する項はアーム１及びアーム２でキャンセルされるため、存在しない。よって、式（８）の位相φをΔＶで微分すると０となり、式（１）で表されるαパラメータは０となることがわかる。
【００４２】
一方、半導体ＭＺ変調器では、量子閉じ込めシュタルク効果によって屈折率変化が引き起こされるため、逆バイアス電圧Ｖに対して屈折率が線形に変化せずに、図５に示すように非線形に変化する。ここで図５においては、横軸は逆バイアス電圧（Ｖ）、縦軸は屈折率変化Δｎをそれぞれ示している。
【００４３】
また、半導体ＭＺ変調器では、吸収が無視できないので、式（２）のＡ，Ｂを０とみなすことはできない。よって、ＬＮ−ＭＺ変調器の場合の式（８）とは異なり、式（５）にはプッシュプル電圧ΔＶに関する項が残る。このため、式（５）の位相φをΔＶで微分すると０とならないので、式（１）で表されるαパラメータは０とならないことがわかる。
【００４４】
このことは、図２中の点Ｚから点Ｘまたは点Ｙに向かって変化する際に、合波された光の位相が変化することを示している。このような位相の変化は、ＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ）変調や１６ＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調等でよく用いられる位相と振幅との関係を表すコンスタレーションにおいて、軌跡の歪みや、変調信号の劣化が生じる原因となると考えられる。
【００４５】
以上のように半導体ＭＺ変調器は、逆バイアス電圧に対する屈折率の非線形性から、αパラメータが０となることはなく、ＬＮ−ＭＺ変調器よりもチャープ特性に関して不利であるといった課題があった。これに対して、以下に説明する本実施の形態１に係る半導体光変調器は、以上のような問題を解決することが可能となっている。
【００４６】
＜実施の形態１＞
ＬＮ−ＭＺ変調器及び半導体ＭＺ変調器において、屈折率変化を直接的に決める量は、電圧ではなく、電界である。図６の点線は４元混晶半導体であるＡｌＧａＩｎＡｓを量子井戸構造に用いた構成について、逆バイアス電圧と光の位相との典型的な関係例を示したものである。図６では、横軸は逆バイアス電圧（Ｖ）、縦軸は位相をそれぞれ示している。なお、縦軸の位相は屈折率変化Δｎに対応する。
【００４７】
図６に示されるように、逆バイアス電圧と位相（複屈折率変化）との関係は直線ではなく、２次曲線に近くなっている。ところで、図６の実線は同じ電圧でも電界が大きくなったと仮定し、点線を低電圧側にシフトしたものである。このようなシフトを行った場合、二つのメリットが考えられる。
【００４８】
以下、その二つのメリットについて数式を用いて説明する。屈折率が電圧の２次の項まで依存すると仮定した場合、例えば１次、２次の係数をそれぞれｋ１、ｋ２（いずれも正値）とすると図６の点線は次式（９）にように表すことができる。
【００４９】
【数９】
0006391606.tif 000010
【００５０】
図６の点線を低電圧側にＶ０だけシフトした図６の実線は、式（１０）のように表すことができる。
【００５１】
【数１０】
0006391606.tif 000011
【００５２】
Ｖの１次の係数が、式（９）ではｋ１であるのに対し、式（１０）ではｋ１よりも大きい（ｋ１＋２ｋ２Ｖ０）である。このことから、上述のシフトによる一つ目のメリットとして、同じ中心バイアス電圧Ｖｃに対して目的の位相変化を得るためのプッシュプル電圧ΔＶを小さくすることができる。
【００５３】
また、２次の係数に対する１次の係数の比率が、式（９）に比べ式（１０）の方が大きい。このことから、上述のシフトによる二つ目のメリットとして、線形性を高くすることができる。
【００５４】
そこで、以下で説明する本実施の形態１に係る構造では、同じ電圧でも電界を実質的に大きくすること、つまり、式（１０）のように逆バイアス電圧と位相（複屈折率変化）との関係を実質的にシフトすることが可能となっている。その構造について説明する前に、通常の構造について説明する。図７はＡｌＧａＩｎＡｓを用いた通常の光変調器に利用されている量子井戸構造（以下「単純な量子井戸構造」と記すこともある）のバンドダイアグラムである。
【００５５】
図７の構造は、ＡｌＧａＩｎＡｓからなるウェル層２１ｃと呼ばれるエネルギーバンドギャップの小さな層が、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる第１及び第２バリア層２１ａ，２１ｄと呼ばれるエネルギーバンドギャップの大きな層に挟まれた構造となっている。なお、第１及び第２バリア層２１ａ，２１ｄ及びウェル層２１ｃの間のエネルギーバンドギャップの差は、ＡｌＧａＩｎＡｓの組成比を変更することにより実現することができる。図７のようなバンドダイアグラムを有する構造に電圧を印加すると、エネルギーバンドが傾斜するようになる。この傾斜の大きさは電界強度に相当する。
【００５６】
次に、本実施の形態１に係る半導体光変調器の構造について説明する。なお、この半導体光変調器には、例えば半導体ＭＺ変調器が適用される。
【００５７】
本実施の形態１に係る半導体光変調器の位相変調部１０７は、図３の関連ＭＺ変調器の位相変調部１０７と同様に、Ｐ型クラッド層１２と、Ｎ型クラッド層１０と、多重量子井戸構造１１とを備えている。本実施の形態１では、多重量子井戸構造１１の構成が関連ＭＺ変調器と異なっている。
【００５８】
図８は、本実施の形態１に係る多重量子井戸構造１１のバンドダイアグラムを示す図である。
【００５９】
多重量子井戸構造１１は、第１バリア層１１ａと、中間層１１ｂと、ウェル層１１ｃと、第２バリア層１１ｄとを含む層構造１１ｓを備えている。
【００６０】
第１バリア層１１ａは、Ｐ型クラッド層１２の近くに配設され、第１バンドギャップを有している。第１バリア層１１ａの材料には、例えばＡｌＧａＩｎＡｓが用いられる。
【００６１】
中間層１１ｂは、第１バリア層１１ａのＮ型クラッド層１０側の部分と接続され、第１バンドギャップよりも小さい第２バンドギャップを有している。中間層１１ｂの材料には、例えば第１バリア層１１ａと異なる組成比のＡｌＧａＩｎＡｓが用いられる。
【００６２】
ウェル層１１ｃは、中間層１１ｂのＮ型クラッド層１０側の部分と接続され、第２バンドギャップよりも小さい第３バンドギャップを有する。ウェル層１１ｃの材料には、例えばＩｎＧａＡｓＰが用いられる。
【００６３】
第２バリア層１１ｄは、ウェル層１１ｃのＮ型クラッド層１０側の部分と接続され、第１バリア層１１ａと同じ第１バンドギャップを有する。この第２バリア層１１ｄの材料には、第１バリア層１１ａと同じ材料が適用される。
【００６４】
第１及び第２バリア層１１ａ，１１ｄの伝導帯エネルギーをＥｃｂ、中間層１１ｂの伝導帯エネルギーをＥｃｉ、ウェル層１１ｃの伝導帯エネルギーをＥｃｗとした場合、Ｅｃｂ＞Ｅｃｉ＞Ｅｃｗの関係が成り立っている。つまり、第１及び第２バリア層１１ａ，１１ｄの伝導帯エネルギーＥｃｂは、中間層１１ｂの伝導帯エネルギーＥｃｉよりも大きく、中間層１１ｂの伝導帯エネルギーＥｃｉは、ウェル層１１ｃの伝導帯エネルギーＥｃｗよりも大きくなっている。
【００６５】
また、第１及び第２バリア層１１ａ，１１ｄの価電子帯エネルギーをＥｖｂ、中間層１１ｂの価電子帯エネルギーをＥｖｉ、ウェル層１１ｃの価電子帯エネルギーをＥｖｗとした場合、Ｅｖｉ＞Ｅｖｗ＞Ｅｖｂの関係が成り立っている。つまり、中間層１１ｂの価電子帯エネルギーＥｖｉは、ウェル層１１ｃの価電子帯エネルギーＥｖｗよりも大きく、ウェル層１１ｃの価電子帯エネルギーＥｖｗは、第１及び第２バリア層１１ａ，１１ｄの価電子帯エネルギーＥｖｂよりも大きくなっている。
【００６６】
＜実施の形態１のまとめ＞
以上のような本実施の形態１に係る半導体光変調器は、半導体基板と、半導体基板上に形成され、電圧により光の位相が変化する光導波路に含まれる半導体多層構造とを備える。半導体多層構造は、Ｐ型クラッド層１２及びＮ型クラッド層１０と、Ｐ型クラッド層１２とＮ型クラッド層１０との間に挟まれる多重量子井戸構造１１とを備える。多重量子井戸構造１１は、第１バンドギャップを有する第１バリア層１１ａと、第１バリア層１１ａのＮ型クラッド層１０側の部分と接続され、第１バンドギャップよりも小さい第２バンドギャップを有する中間層１１ｂと、中間層１１ｂのＮ型クラッド層１０側の部分と接続され、第２バンドギャップよりも小さい第３バンドギャップを有するウェル層１１ｃと、ウェル層１１ｃのＮ型クラッド層１０側の部分と接続され、第１バンドギャップを有する第２バリア層１１ｄとを含む層構造を備える。第１及び第２バリア層１１ａ，１１ｄの伝導帯エネルギーは、中間層１１ｂの伝導帯エネルギーよりも大きく、中間層１１ｂの伝導帯エネルギーは、ウェル層１１ｃの伝導帯エネルギーよりも大きい。中間層１１ｂの価電子帯エネルギーは、ウェル層１１ｃの価電子帯エネルギーよりも大きく、ウェル層１１ｃの価電子帯エネルギーは、第１及び第２バリア層１１ａ，１１ｄの価電子帯エネルギーよりも大きい。
【００６７】
このような構成によれば、中間層１１ｂは、ウェル層１１ｃのＰ型クラッド層１２側（逆バイアスを印加した時にポテンシャルが高くなる側）に配置され、中間層１１ｂの伝導帯エネルギー及び価電子帯エネルギーはいずれもウェル層１１ｃよりも高くなっている。これにより、第１及び第２バリア層１１ａ，１１ｄに挟まれた中間層１１ｂ及びウェル層１１ｃに閉じ込められた電子及び正孔のエネルギー準位や波動関数は、電界が印加されていなくても、図８の点線に示されるように実質的に電界が印加されている単純な量子井戸構造のエネルギー準位や波動関数と同等となる。この結果、電圧が印加されていなくても、式（１０）のように、逆バイアス電圧と位相（複屈折率変化）との関係を実質的にシフトすることができるので、上述の二つのメリットの一方として、線形性を高くすることができ、αパラメータを０に近づけることができる。また、上述の二つのメリットの他方として、プッシュプル電圧ΔＶを小さくすることも期待できる。
【００６８】
なお、図８のような構造は、第１及び第２バリア層１１ａ，１１ｄ、中間層１１ｂ、及び、ウェル層１１ｃを同一の４元混晶で実現することは困難である。例えば、図９では第１及び第２バリア層２１ａ，２１ｄ、中間層２１ｂ、及び、ウェル層２１ｃに同一のＡｌＧａＩｎＡｓ（組成比は異なる）を用いているが、伝導帯の実効的な電界の向きと、価電子帯の実効的な電界の向きとが逆になるので、図８のような構造を実現することができない。例えば、図１０では第１及び第２バリア層２１ａ，２１ｄ、中間層２１ｂ、及び、ウェル層２１ｃに同一のＩｎＧａＡｓＰ（組成比は異なる）を用いているが、この場合も同様に図８のような構造を実現することができない。
【００６９】
これに対して本実施の形態１では、中間層１１ｂの材料にＡｌＧａＩｎＡｓを用い、ウェル層１１ｃの材料にＩｎＧａＡｓＰを用いるので、図８のような構造を実現することができる。
【００７０】
一方、伝導帯の電子の有効質量は、価電子帯の正孔の有効質量より小さいため、電圧の印加にともなうエネルギーシフト量が小さいことが知られている。この場合、逆バイアス電圧と位相との関係を効率的にシフトするためには、伝導帯の印加電界を価電子帯の印加電圧よりも大きくすることが必要である。本実施の形態１では、中間層１１ｂのＡｌＧａＩｎＡｓとウェル層１１ｃのＩｎＧａＡｓＰとの間の伝導帯のエネルギー差ΔＥｃを、その間の価電子帯のエネルギー差ΔEｖよりも大きくすることができる。このため、伝導帯の実効的な印加電界を価電子帯の実効的な印加電界よりも大きくすることができる。
【００７１】
＜実施の形態２＞
以下、本発明の実施の形態２に係る半導体光変調器のうち、実施の形態１と同じまたは類似する構成要素については同じ参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。
【００７２】
本実施の形態２に係る半導体光変調器の位相変調部１０７の断面構造は、実施の形態１の断面構造（図３）と概ね同じである。位相変調部１０７はハイメサ構造であり、半絶縁ＩｎＰ基板９上に、ＳあるいはＳｅがドープされたＮ−ＩｎＰからなるＮ型クラッド層１０と、活性層からなる多重量子井戸構造１１と、ＢｅあるいはＺｎがドープされたＰ−ＩｎＰからなるＰ型クラッド層１２と、信号電極１３とがこの順に積層されている。
【００７３】
図１１は、本実施の形態２に係る位相変調部１０７のバンドダイアグラムを示す図である。本実施の形態２に係る半導体光変調器は、Ｎ型クラッド層１０と多重量子井戸構造１１との間に配設されたＮ−光閉じ込め層７と、Ｐ型クラッド層１２と多重量子井戸構造１１との間に配設されたＰ−光閉じ込め層８とを備えている。
【００７４】
また、図１１に示すように、本実施の形態２では、Ｎ−ＩｎＰからなるＮ型クラッド層１０と、Ｐ−ＩｎＰからなるＰ型クラッド層１２と、Ｎ型クラッド層１０とＰ型クラッド層１２とに挟まれた多重量子井戸構造１１が、層構造１１ｓにおける各層の接続方向に配列された複数の層構造１１ｓを備えている。
【００７５】
図１２は一つの層構造１１ｓ（第１バリア層１１ａ、中間層１１ｂ、ウェル層１１ｃ、第２バリア層）のバンドダイアグラムを示す図である。第１及び第２バリア層１１ａ，１１ｄは、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる例えば厚み６ｎｍの層である。中間層１１ｂは、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる例えば厚み５ｎｍの層である。ウェル層１１ｃは、ＩｎＧａＡｓＰからなる例えば厚み５ｎｍの層である。そして、任意の二つの隣り合う層構造１１ｓに関して、図１１に示されるように、Ｐ型クラッド層１２側の層構造１１ｓの第２バリア層１１ｄが、Ｎ型クラッド層１０側の層構造１１ｓの第１バリア層１１ａとして適用されている。
【００７６】
ここでは複数の層構造１１ｓが、Ｐ型クラッド層１２とＮ型クラッド層１０とを結ぶ方向に周期的に積層されており、１３層のウェル層１１ｃ及び中間層１１ｂが積層され、１２層のバリア層が積層されているものとする。ただし、これら層の数はこれに限ったものではない。なお、図１２に示された多重量子井戸構造１１において、全てのウェル層１１ｃの電界非印加時の吸収端は一致しているものとする。
【００７７】
複数のバリア層のうち、Ｐ型クラッド層１２に最も近いバリア層には、Ｎ型ドーピングが施されている。このＮ型ドーピング濃度は、１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。Ｎ型ドーピングされたバリア層は、Ｐ型クラッド層１２とＰＮ接合を形成する。
【００７８】
以下、本実施の形態２に係る半導体光変調器の各種測定結果について、図７で示したようなＡｌＧａＩｎＡｓの単純な量子井戸構造を備える光変調器と対比しながら説明する。なお、対比に用いる光変調器の変調層の構造は、図１１の多重量子井戸構造１１を単純な量子井戸構造に置き換えたものであり、対比に用いる量子井戸構造の電界非印加時の吸収端は、図１２の構造と一致しているものとする。また、変調部の長さは同じく３ｍｍであるものとする。
【００７９】
図１３、図１４、及び、図１５は、それぞれ位相変化、変調損失、及び、αパラメータのプッシュプル電圧依存性を示す図である。これらは、同一の波長（１.５５μｍ）、及び同一の半波長電圧Ｖπ（２Ｖπ＝２．５Ｖ）の条件のもとで測定した結果である。
【００８０】
図１３は、図２における点Ｘから点Ｙにおいて変調させている時の位相変化を規格化した結果を示す。図１３においては、横軸はプッシュプル電圧ΔＶ（Ｖ）、縦軸は位相変化量Δφ（ｒａｄ）をそれぞれ示している。また、本実施の形態２に係る構造の特性は実線で、単純な量子井戸構造の特性は点線でそれぞれ示されている。
【００８１】
図１４は、図２における点Ｘまたは点Ｙにおける光損失量（光出力に対応）を示す。図１４においては、横軸はプッシュプル電圧ΔＶ（Ｖ）、縦軸は吸収による光損失量（ｄＢ）をそれぞれ示している。また、本実施の形態２に係る構造の特性は実線で、単純な量子井戸構造の特性は点線でそれぞれ示されている。
【００８２】
図１５は、図２における点Ｚから点Ｙにおいて変調させている時のαパラメータを示す。図１５においては、横軸はプッシュプル電圧ΔＶ（Ｖ）、縦軸はαパラメータをそれぞれ示している。また、本実施の形態２に係る構造の特性は実線で、単純な量子井戸構造の特性は点線でそれぞれ示されている。
【００８３】
なお、図１３〜図１５では、横軸はプッシュプル電圧であるが、このプッシュプル電圧は逆バイアス電圧依存性に対応している。このため、例えば図１３は、実質的に屈折率変化の逆バイアス電圧依存性を示すことになる。また、図１５を左右反転させた図は、実質的に図２における点Ｘから点Ｚにおいて変調させた場合のαパラメータのプッシュプル電圧依存性を示すことになる。
【００８４】
さて、図１３〜図１５の結果について詳細に説明する。図１３の結果から、本実施の形態２に係る構造における位相変化量の逆バイアス電圧依存性の曲線の方が、単純な量子井戸構造の同曲線に比べて直線的になっていることがわかる。これは、実施の形態１で説明したメリットの一つ、つまり線形性を高めることに対応している。
【００８５】
図１４の結果から、本実施の形態２に係る構造の方が、単純な量子井戸構造に比べて吸収損失（光損失量）が小さくなっている（０に近くなっている）ことがわかる。
【００８６】
図１５の結果から、特にプッシュプル電圧がＶπ付近の時において比較すると、本実施の形態２に係る構造の方が、単純な量子井戸構造に比べて、αパラメータが僅かではあるが０に近づけられていることがわかる。
【００８７】
図１６は、本実施の形態２に係る構造と単純な量子井戸構造とについて、波長を変えた場合の光損失の結果を示す図である。図１６では、黒の三角印が本実施の形態２に係る構造の光損失の結果を示し、白の四角印が単純な量子井戸構造の光損失の結果を示す。図１６の結果から、特定の波長だけでなく、光通信で通常利用されるＣ帯全体において、本実施の形態２に係る構造の方が、単純な量子井戸構造に比べて光損失が小さくなることがわかる。
【００８８】
＜実施の形態２のまとめ＞
以上のような本実施の形態２に係る半導体光変調器では、多重量子井戸構造１１は、層構造における各層の接続方向に配列された複数の層構造を備える。そして、任意の二つの隣り合う層構造に関して、Ｐ型クラッド層１２側の層構造の第２バリア層１１ｄが、Ｎ型クラッド層１０側の層構造の第１バリア層１１ａとして適用される。
【００８９】
このような構成によれば、実施の形態１と同様に、逆バイアス電圧による電界変化に対する屈折率変化を線形に近づけることができ、αパラメータを０に近づけることができる。また、Ｃ帯において光損失を小さくすることができる。
【００９０】
なお、図１２の代わりに、図１７に示すようなバンドダイアグラムを有する層構造１１ｓ（第１バリア層１１ａ、中間層１１ｂ、ウェル層１１ｃ、第２バリア層１１ｄ）が適用されてもよい。なお、図１７において、第１及び第２バリア層１１ａ，１１ｄは、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる例えば厚み６ｎｍの層である。中間層１１ｂは、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる例えば厚み５ｎｍの層である。ウェル層１１ｃは、ＧａＩｎＡｓＰＳｂからなる例えば厚み５ｎｍの層である。このような構成によれば、上述と同様に、逆バイアス電圧による電界変化に対する屈折率変化を線形に近づけることができ、αパラメータを０に近づけることができる。また、光通信でＣ帯以外によく使われるＬ帯において光損失を小さくすることができる。
【００９１】
また、図１２及び図１３の代わりに、図１８に示すようなバンドダイアグラムを有する層構造１１ｓが適用されてもよい。この層構造１１ｓの中間層１１ｂは、第１中間層１１ｂ１と第２中間層１１ｂ２とを含んでいる。
【００９２】
第１中間層１１ｂ１は、第１バリア層１１ａのＮ型クラッド層１０側の部分と接続されている。そして第１中間層１１ｂ１は、第１バリア層１１ａの第１バンドギャップよりも小さく、かつウェル層１１ｃの第３バンドギャップよりも大きいバンドギャップを、第２バンドギャップとして有している。
【００９３】
第２中間層１１ｂ２は、第１中間層１１ｂ１のＮ型クラッド層１０側の部分、及び、ウェル層１１ｃのＰ型クラッド層１２側の部分と接続されている。そして第２中間層１１ｂ２は、第１中間層１１ｂ１のバンドギャップよりも小さく、かつウェル層１１ｃの第３バンドギャップよりも大きいバンドギャップを、第２バンドギャップである第４バンドギャップとして有している。
【００９４】
また、第１及び第２バリア層１１ａ，１１ｄの伝導帯エネルギーは第１中間層１１ｂ１の伝導帯エネルギーよりも大きく、第１中間層１１ｂ１の伝導帯エネルギーは第２中間層１１ｂ２の伝導帯エネルギーよりも大きく、第２中間層１１ｂ２の伝導帯エネルギーはウェル層１１ｃの伝導帯エネルギーよりも大きい。第１中間層１１ｂ１の価電子帯エネルギーは第２中間層１１ｂ２の価電子帯エネルギーよりも大きく、第２中間層１１ｂ２の価電子帯エネルギーはウェル層１１ｃの価電子帯エネルギーよりも大きく、ウェル層１１ｃの価電子帯エネルギーは第１及び第２バリア層１１ａ，１１ｄの価電子帯エネルギーよりも大きい。
【００９５】
なお、図１８において、第１及び第２バリア層１１ａ，１１ｄは、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる例えば厚み６ｎｍの層である。第１中間層１１ｂ１は、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる例えば厚み３．５ｎｍの層である。第２中間層１１ｂ２は、引張歪を有し、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる例えば厚み３．５ｎｍの層である。ウェル層１１ｃは、ＧａＩｎＡｓＰＳｂからなる例えば厚み３．５ｎｍの層である。このような構成によれば、上述と同様に、逆バイアス電圧による電界変化に対する屈折率変化を線形に近づけることができ、αパラメータを０に近づけることができる。
【００９６】
＜実施の形態３＞
図１９は、本発明の実施の形態３に係る光モジュールの構成を示す平面図である。図１９の光モジュールは、波長可変レーザ光源２０１と、エタロンなどを有する波長モニタＰＤ（フォトダイオード）２０２と、実施の形態１または２に係る半導体光変調器２０４と、光モニタＰＤ（フォトダイオード）２０３とを備える。つまり、図１９の光モジュールは、実施の形態１または２に係る半導体光変調器２０４を用いる。ここで、波長モニタＰＤ２０２の出力（出力光の波長の測定結果）と、光モニタＰＤ２０３の出力（出力光の光強度の測定結果）とに基づいて、波長可変レーザ光源２０１に対してフィードバックの制御が行われる。これにより、波長可変レーザ光源２０１から、所望の波長で発振する光が出力される。この制御ともに、ＭＺ変調器である半導体光変調器２０４のＤＣバイアス電圧を変化させることによって、光モジュールが特定のＲＦ電圧振幅で動作するように調整される。
【００９７】
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、省略したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００９８】
１０  Ｎ型クラッド層、１１  多重量子井戸構造、１１ａ  第１バリア層、１１ｂ  中間層、１１ｂ１  第１中間層、１１ｂ２  第２中間層、１１ｃ  ウェル層、１１ｄ  第２バリア層、１１ｓ  層構造、１２  Ｐ型クラッド層。
【図１】
0006391606.tif 000012
【図２】
0006391606.tif 000013
【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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