(57)【要約】【課題】  ｎｉｎ形ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器導波路の変調部接続導部との間に形成される電気分離部の構造に起因する、光ロスと変調効率が悪いという問題を解決し、変調器の駆動電圧をさらに下げる構造を実現すること。【解決手段】  基板側に第１及び第３の半導体クラッド層１３、１１を配置し、この第１の半導体クラッド層１３と第３の半導体クラッド層１１の間に、ｐ形のドーパントを含み、かつ半導体コア層１４よりもバンドギャップの大きな第５の半導体層１２が挿入され、第４の半導体クラッド層１６内の一部にｎ形の主領域が形成され、他の領域は高抵抗を保ち、第４の半導体クラッド層１６のｎ形主領域と、第３の半導体クラッド層１１のそれぞれに独立な電極が設けられ、半導体コア層１４に電圧が印加される構造を有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する半導体コア層と、該半導体コア層の上下を挟み、かつ該半導体コア層よりもバンドギャップの大きな第１及び第２の半導体クラッド層と、該第１の半導体クラッド層の下に配置され、ｎ形のドーパントを含む第３の半導体クラッド層と、前記第２の半導体クラッド層の上に配置された第４の半導体クラッド層とを少なくとも備えた半導体ヘテロ構造の積層体からなる半導体光電子導波路であって、
基板側に前記第１及び第３の半導体クラッド層を配置し、該第１の半導体クラッド層と前記第３の半導体クラッド層間に、ｐ形のドーパントを含み、かつ前記半導体コア層よりもバンドギャップの大きな第５の半導体層が挿入され、
前記第４の半導体クラッド層内の一部にｎ形の主領域が形成され、他の領域は高抵抗を保ち、前記第４の半導体クラッド層の前記ｎ形主領域と、前記第３の半導体クラッド層のそれぞれに独立な電極が設けられ、前記半導体コア層に電圧が印加される構造を有することを特徴とする半導体光電子導波路。
【請求項２】
前記第４の半導体クラッド層のｎ形主領域のドナー濃度が導波路の垂直断面において分布し、該導波路の中心部のドナー濃度を前記半導体コア層側に張り出した凸状としたことを特徴とする請求項１に記載の半導体光電子導波路。
【請求項３】
前記第４の半導体クラッド層の高抵抗領域を挟んだ該第４の半導体クラッド層のｎ形主領域の反対側に、さらに２ヶ所のｎ形領域とｎ電極が形成され、該ｎ電極が前記第３の半導体クラッド層の前記ｎ電極と接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体光電子導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光電子導波路に関し、より詳細には、ｎｉｎ形ヘテロ構造を用いた光電子導波路の電気分離領域構造を有し、長波長帯の超高速光変調器に用いる半導体光電子導波路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の大容量光通信システムは、Ｇｂｉｔ／ｓ級以上の高速変調された光信号を伝送するようになったが、長距離になるほど光ファイバの分散効果の影響が生じやすいため、波長チャーピングの少ない、もしくは波長チャーピングの制御された光信号を用いる必要がある。そのために、レーザダイオードの直接変調ではなく、通常は直流動作のレーザダイオードと外部変調器を組み合わせた構成で光信号を発生している。長距離伝送に使用される従来の典型的な外部変調器は、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）導波路で構成されたＬＮ変調器である。
【０００３】
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、入力電気信号を、屈折率変化を介して光に位相変化を与えることによるものであり、光位相変調器やマッハツェンダ干渉計を組んだ光強度変調器、または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、ＬｉＮｂＯ３が誘電体材料であるがゆえに、材料表面の安定化や導波路の加工に高度な製作技術を要する。また、導波路長が比較的長く、通常の半導体プロセスのものとは異なる特殊なフォトリソグラフィーを用いる必要がある。さらに、ＬＮ変調器を実装するパッケージのサイズは大きくならざるを得ない。このようなことから、ＬＮ変調器モジュールは製造コストが高くなり、光送信器のサイズが比較的大きくなるという問題があった。
【０００５】
また、ＬＮ変調器と同様の動作原理を用いた半導体光変調器も存在する。半絶縁性のＧａＡｓにショットキー電極を配置し、それを光電子導波路としたＧａＡｓ光変調器やヘテロｐｎ接合を用いて、光の閉じ込めと共に導波路のコア部分に効果的に電圧が印加される様にしたＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器などである。ただし、これらの半導体光変調器は、前者については、導波路長が長く、電気ロスが大きいという問題があり、後者については、ｐクラッド層の光吸収が大きく導波路を長く取れないため動作電圧を低くできないという問題がある。最近、これらの問題を避ける構造として、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器の両側のクラッド層ともｎ形としたもの（いわゆるｎｉｎ形構造）が提案されている。
【０００６】
図４は、従来のｎｉｎ形構造を有する半導体光変調器の構成図で、図中符号４１はｎ形の第３の半導体クラッド層、４２はｐ形の第５の半導体クラッド層、４３は第１の半導体クラッド層、４４は電気光学効果を有する半導体コア層、４５は第２の半導体クラッド層、４６はｎ形の第４の半導体クラッド層、４７，４８はｎ電極、４９は凹状のエッチングで形成された電気分離領域を示している。この凹状のエッチング部分に半絶縁性半導体を再成長した電気分離構造も報告されているが（例えば、特許文献１参照）、より構造は複雑になるので、光変調器には必ずしも最適な手法ではない。
【０００７】
ｎ形の第３の半導体クラッド層４１上には、ｐ形の第５の半導体クラッド層４２と第１の半導体クラッド層４３とが順次積層され、その第１の半導体クラッド層４３と第２の半導体クラッド層４５とで挟まれるように、電気光学効果を有する半導体コア層４４が設けられている。さらに、第２の半導体クラッド層４５上には、凹状のエッチングで形成された電気分離領域４９を有するｎ形の第４の半導体クラッド層４６が積層されている。この第４の半導体クラッド層４６上には電極４８が設けられているとともに、第３の半導体クラッド層４１の凸状部の両側には電極４７が設けられている。
【０００８】
図４に示した導波路構造では、ｎ形ＩｎＰクラッド層４６の一部を凹状にエッチングして電気分離領域４９を設けているので、クラッド層の厚が変わる部分で光伝搬モードの変化が生じ、その結果、光散乱ロスが発生していた。また、従来の導波路構造では、第４の半導体クラッド層４６のエッチングが比較的深く、その制御性が問題となっていた。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１７７３６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、このｎｉｎ形ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器の典型的な構造においては、変調を行う導波路部分（変調部）とその外側の接続導波路部分の電気分離を、一部の上層ｎクラッド層４６の一部を除去することによって行われているため、導波路に凹部４９が生じてしまっていた。これは、接続導波路から電気分離領域部分、電気分離領域部分から主導波路部分において、光の伝搬モード変化に伴う光ロスが生じるという問題がある。さらには、電気分離領域部分（凹部）の直下には一定の厚さ以上の高抵抗クラッド層を残す必要があるため、その高抵抗クラッド層厚を薄くして半導体コア層４４に効果的に電界を印加することができない（変調効率が悪い）という問題もあった。
【００１１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ｎｉｎ形ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器導波路の変調部接続導部との間に形成される電気分離部の構造に起因する、光ロスと変調効率が悪いという問題を解決し、変調器の駆動電圧をさらに下げる構造を実現するようにした半導体光電子導波路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、電気光学効果を有する半導体コア層と、該半導体コア層の上下を挟み、かつ該半導体コア層よりもバンドギャップの大きな第１及び第２の半導体クラッド層と、該第１の半導体クラッド層の下に配置され、ｎ形のドーパントを含む第３の半導体クラッド層と、前記第２の半導体クラッド層の上に配置された第４の半導体クラッド層とを少なくとも備えた半導体ヘテロ構造の積層体からなる半導体光電子導波路であって、基板側に前記第１及び第３の半導体クラッド層を配置し、該第１の半導体クラッド層と前記第３の半導体クラッド層間に、ｐ形のドーパントを含み、かつ前記半導体コア層よりもバンドギャップの大きな第５の半導体層が挿入され、前記第４の半導体クラッド層内の一部にｎ形の主領域が形成され、他の領域は高抵抗を保ち、前記第４の半導体クラッド層の前記ｎ形主領域と、前記第３の半導体クラッド層のそれぞれに独立な電極が設けられ、前記半導体コア層に電圧が印加される構造を有することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第４の半導体クラッド層のｎ形主領域のドナー濃度が導波路の垂直断面において分布し、該導波路の中心部のドナー濃度を前記半導体コア層側に張り出した凸状としたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第４の半導体クラッド層の高抵抗領域を挟んだ該第４の半導体クラッド層のｎ形主領域の反対側に、さらに２ヶ所のｎ形領域とｎ電極が形成され、該ｎ電極が前記第３の半導体クラッド層の前記ｎ電極と接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、ｎｉｎ形ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器導波路の変調部接続導部との間に形成される電気分離部の構造に起因する、光ロスと変調効率が悪いという問題を解決し、変調器の駆動電圧をさらに下げる構造を実現するようにした半導体光電子導波路を提供することができる。
【００１６】
また、従来の凹部形成による電気分離領域と比較して、光モードの伝搬に大きな影響を与えることがなく、光ロスの問題を解決し、また、制御性よく安定に光変調部と電気分離領域を有する半導体光電子導波路を提供することができる。
【００１７】
また、導波路の電気信号伝搬速度とインピーダンスを変えることなく、コア部分に電界を効果的に印加して、変調に必要な動作電圧を下げることができる。
【００１８】
さらに、駆動電圧が低いという特徴を有するｎｉｎ形ヘテロ構造を用いた光変調器の特性を安定に実現するのに効果を発揮し、入力光電力や電気入力信号電力の低減をとおして、光変調器モジュールの低消費電力化、低価格化に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。  
【実施例１】
【００２０】
図１は、本発明に係る半導体光電子導波路の実施例１を説明するための構成図で、図中符号１１はｎ形の第３の半導体クラッド層、１２はｐ形の第５の半導体クラッド層、１３は第１の半導体クラッド層、１４は電気光学効果を有する半導体コア層、１５は第２の半導体クラッド層、１６は第４の半導体クラッド層、１７は第４の半導体クラッド層１６のｎ形部分（光変調導波路部分）、１８，１９はｎ電極を示している。
【００２１】
ｎ形の第３の半導体クラッド層１１上には、ｐ形の第５の半導体クラッド層１２と第１の半導体クラッド層１３とが順次積層され、その第１の半導体クラッド層１３と第２の半導体クラッド層１５とで挟まれるようにして、電気光学効果を有する半導体コア層１４が設けられている。さらに、第２の半導体クラッド層１５上には、ｎ形部分（光変調導波路部分）１７を有する第４の半導体クラッド層１６が積層されている。この第４の半導体クラッド層１６上には電極１９が設けられているとともに、第３の半導体クラッド層１１の凸状部の両側には電極１８が設けられている。
【００２２】
つまり、本発明の半導体光電子導波路は、電気光学効果を有する半導体コア層１４と、この半導体コア層１４の上下を挟み、かつ半導体コア層１４よりもバンドギャップの大きな第１及び第２の半導体クラッド層１３、１５と、この第１の半導体クラッド層１３の下に配置され、ｎ形のドーパントを含む第３の半導体クラッド層１１と、第２の半導体クラッド層１５の上に配置された第４の半導体クラッド層１６とを少なくとも備えた半導体ヘテロ構造の積層体からなっている。
【００２３】
基板（図示せず）側に第１及び第３の半導体クラッド層１３、１１を配置し、この第１の半導体クラッド層１３と第３の半導体クラッド層１１の間に、ｐ形のドーパントを含み、かつ半導体コア層１４よりもバンドギャップの大きな第５の半導体層１２が挿入され、第４の半導体クラッド層１６内の一部にｎ形の主領域が形成され、他の領域は高抵抗を保ち、第４の半導体クラッド層１６のｎ形主領域と、第３の半導体クラッド層１１のそれぞれに独立な電極が設けられ、半導体コア層１４に電圧が印加される構造を有している。
【００２４】
このように、図示されていない基板側から、第３のＩｎＰｎ形クラッド層１１と、ｐ形のドーパントを含む第５のＩｎＰクラッド層１２と、通常は低ドーピング濃度の第１のＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層１３と、電気光学効果が動作光波長で有効に働き、光吸収が問題とならない程度に低くなる様にその構造が決められた半導体コア層１４とが積層されていて、１．５μｍ帯のデバイスであれば、ＩｎＧａＡｌＡｓのＧａ／Ａｌ組成を変えた層を、それぞれ量子井戸層とバリア層にした多重量子井戸構造となっている。
【００２５】
さらに、半導体コア層１４上には、低ドーピング濃度の第２のＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層１５と、第４の高抵抗ＩｎＰクラッド層１６が配置されている。電極１８に対して電極１９を正の極性として電圧を印加する。動作状態で使用する印加電圧範囲で、第５のＩｎＰクラッド層１２から第２のＩｎＰクラッド層１５はすべてが空乏化され、また、ｎ形ＩｎＰクラッド層１６は一部のみ空乏化されている。第５のＩｎＰクラッド層１２がｐ形であるので電子に対するポテンシャルバリアとして働くので、リーク電流の発生が少ない状態でコア層に電圧を印加することが可能となる。このｎ形ＩｎＰ領域は、例えば、第３の半導体クラッド層１１から第４の半導体クラッド層１６までの層を成長後に、符号１７に相当する部分をエッチングで取り除きｎ形ＩｎＰを再成長するか、第４の半導体クラッド層１６の一部にイオン注入法でＳｉドナーを導入することにより形成できる。
【００２６】
このデバイスを光電子導波路として機能させるには、図１に示したメサ構造の断面と垂直方向に光を伝搬させた状態で電極１８に電気信号を入力し、第３のＩｎＰｎ形クラッド層１１と第２のＩｎＰクラッド層１５間に電圧が印加される状態とし、電気光学効果に基づく光位相の変調を行う。通常、光変調器として光電子導波路を用いる際には、電極１９から電圧が印加される光変調導波路部と、この光変調導波路部の光入力／出力側に接続導波路が配置され、それらの間を電気的に分離する必要がある。
【００２７】
本実施例１の構造においては、符号１７で示した部分が選択的にｎ形領域となっており、第４の半導体クラッド層１６が高抵抗となっているので、光の伝搬モードに影響を与えることなく、電気入力を光変調導波路部に印加することができる。すなわち、図４に示した従来の導波路構造では、ｎ形ＩｎＰクラッド層４６の一部を凹状にエッチングして電気分離領域４９を設けていたので、クラッド層の厚さが変わる部分で光伝搬モードの変化が生じ、その結果、光散乱ロスが発生していた。一方、本実施例１の構造では、導波路の形状が保たれるので、そのような光伝搬モードの変化に伴う光散乱ロスは起こらない。また、従来の構造では、第４の半導体クラッド層４６のエッチングが比較的深く、その制御性が問題となっていたが、本実施例１の構造では、ｎ形領域の下面位置を自由に設定することができるので、半導体コア層により高い電界を誘起することができる。結局、本実施例１の構造は、電気分離領域の形成に起因する従来の光電子導波路の問題を改善するものであり、光ロスを下げることにより光変換器の出力を増大させ、光変調効率を上げることができる。
【実施例２】
【００２８】
図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る半導体光電子導波路の実施例２を説明するための構成図で、図２（ａ）は断面図、図２（ｂ）は光伝搬モードのコア部分の電界強度と電気信号のコア部分の電界強度分布図、図２（ｃ）は本実施例２の他の例を示す図である。
【００２９】
図中符号２１はｎ形の第３の半導体クラッド層、２２はｐ形の第５の半導体クラッド層、２３は第１の半導体クラッド層、２４は電気光学効果を有する半導体コア層、２５は第２の半導体クラッド層、２６は第４の半導体クラッド層、２７，２７ａは第４の半導体クラッド層のｎ形部分（光変調導波路部分）、２７ｂは低誘電率絶縁体層、２８，２９はｎ電極を示している。なお、光変調導波路部分２７，２７ａ，２７ｂ以外の積層構造は、図１の実施例１と同様である。
【００３０】
上述した実施例１では、光変調導波路部分１７のｎ形ＩｎＰクラッド層の下面位置が平坦になっているが、本実施例２では、光変調導波路部である上部ｎ形ＩｎＰクラッド層の光変調導波路部分２７を、そのドナー濃度が導波路の垂直断面において、導波路の中心部で半導体コア層側に張り出した凸状としたものである。この凸状のｎ形ＩｎＰ領域は、例えば、第３の半導体クラッド層２１から第４の半導体クラッド層２６までの層を成長後に、光変調導波路部分２７に相当する部分をエッチングで取り除きｎ形ＩｎＰを再成長するか、第４の半導体クラッド層２６の一部にイオン注入法でＳｉドナーを選択的に導入することにより形成できる。
【００３１】
図２（ｂ）に示したように、ｎ形ＩｎＰクラッド層のドナー濃度分布が半導体コア層側に凸状となっていると、この半導体コア層の電界強度分布は、導波路の中心部で高く、周辺で低くなる。光電伝搬モードの電界強度分布もまた導波路の中心で高いので、平坦なコア層の電界強度分布の場合に比べ、より効果的に光変調を行うことができる。すなわち、単位長さあたりの導波路の容量が一定（特性インピーダンス、電気信号伝搬速度一定）の条件で比較するならば、容量を導波路の中心で大きく、周辺で小さくなる分布を取った方が、単位導波路長あたりの（光強度×電界強度）の積分値が大きくすることができる。結局、光変調効果がより効率的となり、同一の導波路長であれば駆動電圧をより低く、同一の駆動電圧であれば導波路長をより短くすることができる。
【００３２】
図２（ｃ）に示す構造は、図２（ａ）に示す構造の変形例であり、上部ｎ形ＩｎＰクラッド層の光変調導波路部分２７ａを導波路の中心寄り部分のみに残した例である。電極２９の直下のｎ層がない部分に、誘電率の低いＳｉＯ２などの材料２７ｂを挿入することで、その部分の容量を下げることが可能となる。結局、ｎ領域わき部分の容量が下がる分だけ、半導体コア層の中心部の容量を上げることができることになり、より一層、半導体コア層に電界を印加することができる。
【実施例３】
【００３３】
図３は、本発明に係る半導体光電子導波路の実施例３を説明するための構成図で、図中符号３１はｎ形の第３の半導体クラッド層、３２はｐ形の第５の半導体クラッド層、３３は第１の半導体クラッド層、３４は電気光学効果を有する半導体コア層、３５は第２の半導体クラッド層、３６は第４の半導体クラッド層、３７ａは第４の半導体クラッド層のｎ形部分（光変調導波路部分）、３７ｂは第４の半導体クラッド層の接続導波路部分、３８，３９はｎ電極、４０ａは第４の半導体クラッド層の接続導波路部分に形成された電極、４０ｂは第４の半導体クラッド層の接続導波路部分を第３のクラッド層と同電位とする配線を示している。なお、導波路部分３７ａ、３７ｂ、電極４０ａ及び配線４０ｂ以外の積層構造は、図１の実施例１と同様である。
【００３４】
電気分離領域を挟んで光変調導波路部２７ａと対抗する部分の第４の半導体クラッド層３６にｎ電極３９を形成してこれを接続導波路３７ｂとし、その電位を第３の半導体クラッド層３１と同電位とするものである。電気分離領域の抵抗が十分に高くない場合、電気分離領域の外側の電位が上がり、主導波路部分は以外にバイアス電圧がかかってしまうという問題を排除できる。ここで、接続導波路の導電形はｐ，ｎ，もしくは空乏化層としても良い。いずれの場合も、変調導波路部分との間が順バイアスとなって電流が流れる状態とはならないからである。
【００３５】
なお、上述した各実施例では、ＩｎＰとＩｎＡｌＧａＡｓを材料とする実施例について説明したが、ＡｌＧａＡｓ系やＩｎＧａＡｓＰ系を含む他のIII-Ｖ族化合物半導体を用いた光電子導波路構造にも同様に適用できる。また、本発明の光電子導波路を半導体レーザと集積化することができるのは、技術的には電界吸収形光変調器と半導体レーザと集積化する手法と同じであることは言うまでもないことである。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、ｎｉｎ形ヘテロ構造を用いた光電子導波路の電気分離領域構造を有し、長波長帯の超高速光変調器に用いる半導体光電子導波路に関するもので、ｎｉｎ形ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器導波路の変調部接続導部との間に形成される電気分離部の構造に起因する、光ロスと変調効率が悪いという問題を解決し、変調器の駆動電圧をさらに下げる構造を実現するようにした半導体光電子導波路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る半導体光電子導波路の実施例１を説明するための構成図である。
【図２】本発明に係る半導体光電子導波路の実施例２を説明するための構成図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は光伝搬モードのコア部分の電界強度と電気信号のコア部分の電界強度分布図、（ｃ）は本実施例２の他の例を示す図である。
【図３】本発明に係る半導体光電子導波路の実施例３を説明するための構成図である。
【図４】従来のｎｉｎ形構造を有する半導体光変調器の構成図である。
【符号の説明】
【００３８】
１１，２１，３１  ｎ形の第３の半導体クラッド層
１２，２２，３２  ｐ形の第５の半導体クラッド層
１３，２３，３３  第１の半導体クラッド層
１４，２４，３４  電気光学効果を有する半導体コア層
１５，２５，３５  第２の半導体クラッド層
１６，２６，３６  第４の半導体クラッド層
１７，２７，２７ａ，３７ａ  第４の半導体クラッド層のｎ形部分(光変調導波路部分)
１８，１９，２８，２９，３８，３９  ｎ電極
２７ｂ  低誘電率絶縁体層
３７ｂ  第４の半導体クラッド層の接続導波路部分
４０ａ  第４の半導体クラッド層の接続導波路部分に形成された電極
４０ｂ  第４の半導体クラッド層の接続導波路部分を第３のクラッド層と同電位とする配線
４１  ｎ形の第３の半導体クラッド層
４２  ｐ形の第５の半導体クラッド層
４３  第１の半導体クラッド層
４４  電気光学効果を有する半導体コア層
４５  第２の半導体クラッド層
４６  ｎ形の第４の半導体クラッド層
４７，４８  ｎ電極
４９  凹状のエッチングで形成された電気分離領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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