(57)【要約】本発明は、主として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半導体光変調器に関する。  本発明は、ＳＩ−ＩｎＰ基板（１１）上に順次、ｎ−ＩｎＰクラッド層（１２）と、光導波層（１３）と、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層（１４）と、ｎ−ＩｎＰクラッド層（１５）とが積層され、ｎ−ＩｎＰクラッド層（１５）に接続された電極（１６）と、ｎ−ＩｎＰクラッド層（１２）に接続されたグランド電極（１７）とから電圧を印加することを特徴とする。  本発明は、特に低電圧で動作すると共に導波損失の小さい半導体位相変調器又は半導体マッハツェンダ型光変調器として適用することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に順次、半絶縁型クラッド層と、半導体光導波層と、半絶縁型クラッド層とが積層された層構造を有する半導体光変調器において、
少なくとも一方の前記半絶縁型クラッド層における、前記半導体光導波層との積層面と対向する面を含む一部又は全部が、ｎ型クラッド層であることを特徴とする半導体光変調器。
【請求項２】
導波路構造が、ハイメサ導波路構造またはリッジ導波路構造であ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】
前記基板の直上のｎ型クラッド層または半絶縁型クラッド層と、前記基板に積層された前記半導体光導波層との積層面と対向する面を含むｎ型クラッド層または半絶縁型クラッド層とに電極を接続し、電圧印加を行う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４】
前記電極は、コプレーナ導波線路構造を有することを特徴とする請求項３に記載の半導体光変調器。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体光変調器と、入力光を二分する光分波器と、前記半導体光変調器によって変調された光を合波する合波器とを備えたことを特徴とする半導体マッハツェンダ型光変調器。
【請求項６】
基板上に順次、ｎ型クラッド層と、光導波層と、ｎ型クラッド層とが積層された層構造を有する半導体光変調器において、
半絶縁型クラッド層が、前記ｎ型クラッド層の少なくとも一方と光導波層との間に積層された
ことを特徴とする半導体光変調器。
【請求項７】
導波路構造が、ハイメサ導波路構造またはリッジ導波路構造であることを特徴とする請求項６に記載の半導体光変調器。
【請求項８】
前記基板の直上のｎ型クラッド層または半絶縁型クラッド層と、前記基板に積層された前記対向する面を含むｎ型クラッド層または半絶縁型クラッド層とに電極を接続し、電圧印加を行うことを特徴とする請求項６に記載の半導体光変調器。
【請求項９】
前記電極は、コプレーナ導波線路構造を有することを特徴とする請求項８に記載の半導体光変調器。
【請求項１０】
請求項６乃至９に記載の半導体光変調器と、入力光を二分する光分波器と、前記半導体光変調器によって変調された光を合波する合波器とを備えたことを特徴とする半導体マッハツェンダ型光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、半導体光変調器に関し、特に半導体位相変調器又は半導体マッハツェンダ型光変調器として適用することができる半導体光変調器に関する。
【背景技術】  光変調器などの導波型光制御デバイスは、高速光通信システム、光情報処理システムにおけるキーエレメントのひとつである。光変調器には、例えばＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）等の誘電体を用いた光変調器や、ＩｎＰやＧａＡｓ等の半導体を用いた光変調器等が含まれる。これらの光変調器の中でも、レーザや光アンプ等の他の光素子や電子回路との集積化が可能で、小型化、低電圧化が容易な半導体光変調器が、期待されている。
電界吸収型光変調器とマッハツェンダ型光変調器が、代表的な半導体光変調器として知られている。
電界吸収型光変調器は、たとえば、バルク半導体のフランツケルディッシュ効果（Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果）や多重量子井戸構造における量子閉じ込めシュタルク効果（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｎｆｉｎｅｄ  Ｓｔａｒｋ  Ｅｆｆｅｃｔ：ＱＣＳＥ）のような、電界を印加することにより吸収端が長波長側へシフトする効果を利用した光変調器である。
また、マッハツェンダ型光変調器は、バルク半導体の電気光学効果（ポッケルス効果）や多重量子井戸構造における量子閉じ込めシュタルク効果のように電界を印加することにより屈折率が変化する効果を利用した光変調器である。
電界吸収型光変調器は、消費電力が小さく、小型であり、ＬＮ変調器にみられるような直流電圧によるドリフトも生じないことから、有望な光変調器と考えられている。しかし、電界吸収型光変調器は、変調時に生じた波長チャーピングにより、ファイバ伝送後の光信号の波形が劣化する。
より詳細には、変調後の光信号スペクトルは、波長チャーピングにより、変調前に比べて広がる。変調後の光信号を光ファイバで伝送すると、光信号の波形は、ファイバ媒質の分散の効果によって波形劣化する。結果的に、伝送特性は劣化する。波形劣化は、伝送速度が速いほど、また伝送距離が長いほど顕著となる。
一方、マッハツェンダ型光変調器は、原理的に波長チャーピングをなくすことができるため、超高速・長距離通信用変調器として期待されている。
例えば、Ｃ．Ｒｏｌｌａｎｄ  ｅｔ  ａｌ．、１０Ｇｂｉｔ／ｓ，１．５６μｍ  ｍｕｌｔｉｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ  ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ  Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｌｅｔｔ．、１９９３年、第２９巻、第５号、ｐ．４７１−４７２（以下、文献１という）に、半導体のマッハツェンダ型光変調器が記載されている。この変調器は、ｐｉｎ構造を有した集中定数型の変調器である。ｐｉｎ構造を有した集中定数型の変調器では、光がｐ型とｎ型の半導体層にはさまれた層厚０．４μｍのノンドープ多重量子井戸（ＭＱＷ）領域を導波するため、電界による屈折率変調を高効率で受ける。したがって、位相変調部の長さを極めて短くすることができ、例えば、ＬＮ変調器における位相変調部の長さ２０〜３０ｍｍに対して、集中定数型の変調器では６００μｍとすることができる。
しかし、集中定数型の変調器は、ｐ型半導体部分での光損失が大きく、例えば全挿入損失が１３ｄＢと大きくなる。また集中定数型の変調器は、ＣＲ時定数による速度制限のため、１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の動作が困難である。
図１３は、進行波型電極構造のマッハツェンダ型光変調器の導波路の概略断面図であり、電界印加部分の断面構造を示してある。図１３に示す構造を有するマッハツェンダ型光変調器は、ショットキー電極を用いた進行波電極型変調器であり、上述する集中定数型の変調器の問題点を解決すべく現在盛んに研究されている変調器であり、たとえばＲ．Ｓｐｉｃｋｅｒｍａｎｎ  ｅｔ  ａｌ．、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ  ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ  ｗｉｔｈ  ｂａｎｄｗｉｄｔｈ＞４０ＧＨｚ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｌｅｔｔ．、１９９５年、第３１巻、第１１号、ｐ．９１５−９１６（以下、文献２という）に記載されている。
図１３に示すように、当該電界印加部分は、ＳＩ（Ｓｅｍｉ−Ｉｎｓｕｌａｔｅ：半絶縁）−ＩｎＰクラッド層７１と、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層７１上に積層された光導波層７２と、リッジ状のＳＩ−ＩｎＰクラッド層７３と、グランド電極７４と、リッジ上面のショットキー電極７５とから構成される。ＳＩ−ＩｎＰクラッド層７１と７３は、ｉ（ノンドープ）−ＩｎＰにより置き換えられることもある。また、ＩｎＰだけでなく、ＧａＡｓ系材料により形成されることもある。
従来のｐｉｎ構造を有した集中定数型変調器は、ｐ型電極における電気信号の導波損失とｐｉｎ構造の容量成分による光と電界の速度不整合により、進行波型電極構造を実現することが困難であった。
図１３に示す構造を有するマッハツェンダ型光変調器は、ショットキー電極を用いることにより、進行波型電極構造を実現している。また、この進行波電極型変調器は、半導体としてはＳＩ層又はノンドープ層を用いて、集中定数型の変調器の説明で述べたような欠点を解消することができる。
しかしながら、図１３に示す構造を有するマッハツェンダ型光変調器では、ショットキー電極７５とグランド電極７４との距離ＧＡＰは、加工上の制限により最小でも約９μｍとなり、比較的大きくなってしまう。したがって、光導波層７２の電界強度（図１３において、矢印で図示）は小さくなる。その結果、光変調器の屈折率の変調効率は、低下する。
図１３に示す構造を有するマッハツェンダ型光変調器は、変調効率が小さいため、十分な位相変調を行うために位相変調部を長くすることが求められ、あるいは高い動作電圧を必要とされる。この結果、進行波電極型の変調器は、集中定数型ほどの小型化ができないこと（例えば、約１０ｍｍ）、あるいは動作電圧が高くなること（例えば、Ｖπ＝２８Ｖ）が知られている。
進行波型電極構造の半導体光変調器の従来技術の他の例として、米国特許第５６４７０２９号明細書（以下、文献５）に示されているものが知られている。図１４は、米国特許第５６４７０２９号明細書に示された半導体光変調器の導波路の断面構造図である。図１４に示すように、光変調器８０はハイメサ導波路型であり、ＳＩ−ＩｎＰ基板８１上に、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ下部クラッド層８２、量子井戸を含む光導波層８３、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ上部クラッド層８４の順に積層されている。
図１４に示した半導体光変調器は、光導波層８３の上下面をｎ型のＩｎＡｌＡｓクラッド層８２，８４で挟み、電極８５と８６を介して、その両クラッド層８２と８４との間に電圧が印加される特徴を有する。
図１４に示した半導体光変調器の他の特徴として、半導体光導波路の光導波層８３と電極８５との距離ｓ、又は光導波層８３とＳＩ−ＩｎＰ基板８１との間のクラッド層８２の厚さｔなどを変化させ、信号光と電気信号との速度整合条件およびインピーダンス整合条件を満たすことによって、駆動周波数帯域が４０ＧＨｚにも及ぶ高速の光変調が実現される。
しかし、図１４に示した半導体光変調器の構造は、ポテンシャル障壁がないために、電圧を印加すると大きな電流が流れてしまう。そこで、この素子は、光導波層８３としてＢＲＡＱＷＥＴ層（Ｂａｒｒｉｅｒ−Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ  Ａｎｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｔｒａｎｓｆｅｒ層）を用いることを前提にしている。ＢＲＡＱＷＥＴ層については、例えば、Ｔ．Ｙ．Ｃｈａｎｇ，ｅｔ  ａｌ．、Ｎｏｖｅｌ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｐｅｒｍｉｔｔｉｎｇ  ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  ｂａｎｄ  ｆｉｌｌｉｎｇ  ｏｆ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌｓ  ａｎｄ  ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ  ｌａｒｇｅ  ｐｈａｓｅ  ｓｈｉｆｔｓ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｍｅｅｔｉｎｇ  １９８９，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、３−６  Ｄｅｃ．１９８９．、ｐ．７３７−７４０（以下、文献３という）に詳細に説明されている。
ＢＲＡＱＷＥＴ層は、ｎ型半導体層、ＭＱＷ光導波層、ｐ型半導体層、ｎ型半導体層を順次積層させた構造を有する。図１５Ａおよび図１５Ｂは、ＢＲＡＱＷＥＴ層のバンド構造を示す図である。図１５Ａは電圧を印加していない状態を、図１５Ｂは電圧を印加した状態をそれぞれ示す。図１５Ａに示すように、ＢＲＡＱＷＥＴ層のバンド構造は、ｎ型半導体部分とｐ型半導体部分のフェルミ準位の違いを利用して、ｐ型半導体部分を電子に対するポテンシャル障壁として利用した構造である。また、図１５Ｂに示すように、電圧印加時に電子が２つの電極間に流れないようにする障壁があるため、光導波路に電圧印加が行えるような構造となっている。
この構造は、ＭＱＷ光導波層に電子を注入することによってひきおこされるバンドフィリング効果、すなわち吸収係数の変化又は屈折率の変化を利用する特徴を有する。電子のみがＭＱＷ光導波層に注入され、ホールは電圧印加時の応答には寄与しない。ＢＲＡＱＷＥＴ層は、移動度の小さいホールを介在しないため、高速の電気信号に応答することができる。
実際には、ｐ型半導体部分のバンドギャップの持ち上がりが電流を効果的に遮蔽するために、ｎ型半導体とｐ型半導体とは、非常に精密な濃度制御が必要とされる。しかし、ｎ型キャリア濃度とｐ型キャリア濃度を層界面で急峻に制御することは困難である。またノンドープ化される領域が大きくなると、電界がノンドープ領域に印加され、電気光学効果の効率が下がることになる。
したがって、ＢＲＡＱＷＥＴ構造を採用した実用的な光変調器の作製は、非常に困難である。前述した文献の光変調器は、バンドギャップが大きくて、ｐ型の半導体を障壁層として使用することによって障壁を高くしている。このような構造で、実際に使用できるほどの消光特性のとれた光変調器は、これまでに知られていない。
また、光変調器の例ではないが、光導波層の上下をｎ型クラッド層で挟んだ例として、図１６に示す断面構造を有する進行波型電極フォトダイオードがある（Ｊｉｎ−Ｗｅｉ  Ｓｈｉ  ａｎｄ  Ｃｈｉ−Ｋｕａｎｇ  Ｓｕｎ、Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｌｏｎｇ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−Ｌｅｎｇｔｈ  Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−Ｗａｖｅ  Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｈｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、２０００年１２月、第１８巻、第１２号、ｐ．２１７６−２１８７、（以下、文献４という））。図１６に示す進行波型電極フォトダイオード９０は、ｎ型クラッド層９２と、光導波層９３、ｎ型クラッド層９４とがＳＩ−ＧａＡｓ基板９１上に積層された積層構造を有する。ｎ型クラッド層９２とｎ型クラッド層９４に挟まれた光導波層９３は、電圧を印加した際に生ずる電流を抑制するために、高抵抗ＧａＡｓ（ＬＴＧ−ＧａＡｓ）を用いている。進行波型電極フォトダイオード９０は、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層９４上に電極９６と、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層９２上に電極９５を備える。
しかしながら、高抵抗ＧａＡｓとして、低温成長ＧａＡｓ（ＬＴＧ−ＧａＡｓ）を用いているため、低温成長で導入された欠陥により光損失が生じる。
以上説明したように、現在検討されている半導体マッハツェンダ型光変調器のうちで、集中定数型の変調器は、ｐ型半導体部分での光損失が大きく、ＣＲ時定数による速度制限のため１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の動作が困難である。また、進行波電極型の変調器は、屈折率の変調効率が小さく、位相変調部の小型化が困難で、動作電圧が高くなる。
【発明の開示】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたもので、低電圧化、小型化及び高速化を同時に実現した半導体マッハツェンダ型光変調器、半導体位相変調器等の半導体光変調器を提供することを目的とする。
上記課題を解決する第１の発明は、基板上に順次、半絶縁型クラッド層と、半導体光導波層と、半絶縁型クラッド層とが積層された層構造を有する半導体光変調器において、少なくとも一方の前記半絶縁型クラッド層における、前記半導体光導波層との積層面と対抗する面を含む一部又は全部が、ｎ型クラッド層であることを特徴とする半導体光変調器である。
半導体光導波層を挟む半絶縁型クラッド層の一方について、半導体光導波層との積層面に対向する面を含んだ一部または半絶縁型クラッド層全部がｎ型クラッド層となっている場合と、半導体光導波層を挟む半絶縁型クラッド層の両方について、半導体光導波層との積層面に対向する面を含んだ一部または半絶縁型クラッド層全部がｎ型クラッド層となっている場合（ただし、両方の半絶縁型クラッド層すべてがｎ型クラッド層となることはない。）とが例として挙げられる。
すなわち、第１の例として、基板上に順次、ｎ型クラッド層（以下ｎ層という）、半絶縁型クラッド層（以下ＳＩ層という）、半導体光導波層（以下、光導波層という）、ＳＩ層、ｎ層が積層される場合がある。第２の例として、基板上に順次、ｎ層、ＳＩ層、光導波層、ＳＩ層が積層される場合がある。第３の例として、基板上に順次、ＳＩ層、光導波層、ＳＩ層、ｎ層が積層される場合がある。第４の例として、基板上に順次、ＳＩ層、光導波層、ｎ層が積層される場合がある。第５の例として、基板上に順次、ｎ層、光導波層、ＳＩ層が積層される場合がある。第６の例として、基板上に順次、ｎ層、光導波層、ＳＩ層、ｎ層が積層される場合がある。第７の例として、基板上に順次、ｎ層、ＳＩ層、光導波層、ｎ層が積層される場合がある。
上記課題を解決する第２の発明は、ｎ型クラッド層と、光導波層と、ｎ型クラッド層とが積層された層構造を有する半導体光変調器において、半絶縁型クラッド層が、前記ｎ型クラッド層の少なくとも一方と光導波路層との間に積層されたことを特徴とする半導体光変調器である。
すなわち、第１の発明における、第１の例、第６の例、および第７の例の場合がある。
本発明の半導体光変調器は、ｎ型クラッド層と半導体光導波層との間に半絶縁型クラッド層が挿入されているので、上記文献１に開示されている光変調器とは異なる。また、本発明の半導体光変調器は、上記文献４に開示されている進行波電極型フォトダイオードとも異なる。すなわち、本発明の半導体光変調器は、高抵抗でない半導体光導波層（例えばノンドープ光導波層）を用い、高抵抗でない半導体光導波層とｎ型クラッド層との間に半絶縁型クラッド層が挿入されている。
すなわち、本発明の半導体光変調器では、半導体光導波層の上下面の少なくとも一方に半絶縁型クラッド層を配し、かつ前記半導体光導波層の上面の半絶縁型クラッド層の上面又は前記半導体光導波層の下面の半絶縁型クラッド層の下面の少なくとも一方にｎ型ドープ層が配されている。このように、ｐ型ドープ層を用いていないため、ｐ型半導体の光吸収損失やｐ型電極の導体損失が無く、低損失な光導波路と進行波型電極構造を実現することができる。
また、半導体光導波層の上下面の少なくとも一方に半絶縁型クラッド層を配することにより、半導体光導波層の上側及び下側の両方にｎ電極が存在しても、電流が流れることなく電圧印加が可能となる。
本発明の半導体光変調器は、電極層間の距離を５μｍ以下にすることが可能である。すなわち、本発明の半導体光変調器は、従来の進行波型電極構造の半導体光変調器と比較して、電界強度を大きくすることができる。したがって、本発明の半導体光変調器は、屈折率の変調効率が大きく、位相変調部を小型化することができ、動作電圧を低くすることが可能となる。また、本発明の半導体光変調器は、進行波型電極構造を採用することにより、集中定数電極のようにＣＲ時定数に制限されることなく、１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高周波帯域でも動作が可能となる。
本発明の半導体光変調器は、半導体光導波層としてノンドープ半導体層を用いることができる。すなわち、意図的にＦｅ等の半絶縁性不純物をドープし、または低温成長により高抵抗化を図らなくても良い。半導体光導波層としてノンドープ半導体層を用いた場合は、光導波層における光の損失が小さくなる。本発明の半導体光変調器では、特に、半絶縁型クラッド層を半導体光導波層の上面又は下面の一方のみに配した場合、半絶縁型クラッド層のポテンシャル障壁により半導体光導波層に大きな電界をかけることができる。
上記課題を解決する第３の発明は、第１または第２のいずれかの発明に係る半導体光変調器において、導波路構造が、ハイメサ導波路構造またはリッジ導波路構造であることを特徴とする半導体光変調器である。
ハイメサ導波路構造は、半導体光導波層の下方（基板側に向かう方向）の層までエッチングすることにより形成された光導波路の構造である。リッジ導波路構造とは、半導体光導波層の上方（基板側から離れる方向）の層までエッチングすることにより形成される光導波路の構造である。
上記課題を解決する第４の発明は、第１または第２のいずれかの発明に係る半導体光変調器において、基板の直上のｎ型クラッド層または半絶縁型クラッド層と、基板に積層された半導体光導波層との積層面と対向する面を含むｎ型クラッド層または半絶縁型クラッド層とに電極を接続し、電圧印加を行うことを特徴とする半導体光変調器である。
第１の発明で説明した、第１、第６又は第７の例では、基板の直上及び基板に積層された最上層にはｎ型クラッド層が存在するため、両電極はこれらのｎ型クラッド層に接続する。また、第２〜第５の例では、一方がｎ型クラッド層であり、他方が半絶縁型クラッド層であるため、一方の電極はｎ型クラッド層に、他方の電極は半絶縁型クラッド層に接続される。
ｎ型クラッド層は、導電性を有し電極と同様の役割をも果たす。したがって、半導体光導波層に電界を発生させる実質的な電極間隔を、実際の電極−電極間隔よりも小さくすることができる。
上記課題を解決する第５の発明は、第４の発明に係る半導体光変調器において、前記電極が、コプレーナ導波線路構造であることを特徴とする半導体光変調器である。
上記課題を解決する第６の発明は、第１ないし第５のいずれかの発明に係る半導体光変調器と、入力光を二分する光分波器と、前記半導体光変調器によって変調された光を合波する合波器とを備えたことを特徴とする半導体マッハツェンダ型光変調器である。
従来のｐｉｎ構造の変調器は、電界による屈折率変調を高効率で利用することができる。しかし、従来のｐｉｎ構造の変調器は、ｐ型半導体の光吸収損失やｐ型電極の導体損失、光と電界の速度不整合による進行波型電極構造の困難性等の欠点を有していた。
本発明の半導体マッハツェンダ型光変調器は、上記第１から第５の発明に係る構造を採用することにより、電界による屈折率変調を高効率に発生することができる進行波型電極構造の実現を可能とする。
【図面の簡単な説明】  図１は、第１の実施形態に係る半導体光変調器の電界印加部分の導波路（ハイメサ構造）の概略断面図である。
図２は、第１の実施形態に係る半導体光変調器の電界印加部分の導波路（リッジ構造）の概略断面図である。
図３は、ＳＩ半導体層の厚さと耐圧との関係図である。
図４Ａは、第１の実施形態に係る半導体光変調器のバンドダイアグラムであり、無電界の状態を示す。
図４Ｂは、第１の実施形態に係る半導体光変調器のバンドダイアグラムであり、電界を印加した状態を示す。
図５は、第２の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の概略外観図である。
図６は、第２の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の位相変調光導波路部分の概略断面図である。
図７Ａは、第２の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の位相変調導波路の電圧−電流特性を示すグラフである。
図７Ｂは、第２の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の位相変調導波路の電圧−電流特性を示すグラフである。
図８Ａは、第２の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の電圧印加時の透過光強度特性を示した図である。
図８Ｂは、第２の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の電圧印加時の透過光強度特性を示した図である。
図９Ａは、第２の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の小信号応答特性を示した図である。
図９Ｂは、第２の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の４０Ｇｂｉｔ／ｓアイダイアグラムを示した図である。
図９Ｃは、第２の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の４０Ｇｂｉｔ／ｓエラーレートを示した図である。
図１０Ａは、第２の実施形態に係る進行波型電極付きマッハツェンダ型光変調器の速度整合条件のメサ幅依存性を示した図である。
図１０Ｂは、第２の実施形態に係る進行波型電極付きマッハツェンダ型光変調器のインピーダンス整合条件のメサ幅依存性を示した図である。
図１１は、第３の実施形態に係る半導体光変調器の電界印加部分の導波路（ハイメサ構造）の概略断面図である。
図１２は、第３の実施形態に係る半導体光変調器の電界印加部分の導波路（リッジ構造）の概略断面図である。
図１３は、従来の進行波型電極構造の半導体光変調器の電界印加部分の導波路の概略断面図である。
図１４は、従来の進行波型電極構造の半導体光変調器の他の例であり、当該光変調器に係る電界印加部分の導波路の概略断面図である。
図１５Ａは、電圧を印加していない状態のＢＲＡＱＷＥＴ層のバンド構造を示す図である。
図１５Ｂは、電圧を印加した状態のＢＲＡＱＷＥＴ層のバンド構造を示す図である。
図１６は、光導波層の上下をｎ型クラッド層で挟んだ構造を有する進行波型電極フォトダイオードの概略断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係るＩｎＰ系多重量子井戸半導体光変調器の導波路の概略断面図であり、導波路における電界印加部分の断面構造を示す。
本実施形態に係る半導体光変調器は、ＳＩ−ＩｎＰ基板１１上にｎ−ＩｎＰクラッド層１２、光導波層１３、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層１４、ｎ−ＩｎＰクラッド層１５が順次積層された積層体を、エッチングプロセスによりメサ状に加工した光導波路構造をもつ。
第１の実施形態に係る半導体光変調器は、光導波層１３の下（本実施形態では、光導波層１３の下層であるｎ−ＩｎＰクラッド層１２）までエッチングされたハイメサ導波路構造１０である。
図１に示された半導体光変調器は、ｎ−ＩｎＰクラッド層１５の上面に電極１６を、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２の上面にグランド電極１７備えている。電極１６とグランド電極１７の間に高周波信号を印加するため、電極構造は、２つのグランド電極１７の間に電極１６が挟まれた構造であるコプレーナ導波線路（ＣＰＷ）構造が採用される。
導波路構造として、光導波層の上までエッチングするリッジ導波路構造を採用することも可能である。図２は、リッジ導波路構造２０を適用した導波路における電界印加部分の断面構造を示す。図２に示した導波路は、ＳＩ−ＩｎＰ基板２１上にｎ−ＩｎＰクラッド層２２、光導波層２３、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層２４、ｎ−ＩｎＰクラッド層２５が順次積層され、光導波層２３の上層であるＳＩ−ＩｎＰクラッド層２４までエッチングされている。
図２に示された半導体光変調器は、ｎ−ＩｎＰクラッド層２５の上面に電極２６を備える。グランド電極は、光導波層の下層であるｎ−ＩｎＰクラッド層に接続させる必要がある。図２に示されたリッジ導波路構造は、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層２４の表面からｎ−ＩｎＰクラッド層２２までの溝を備え、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２と接続されるようにグランド電極２７が配置されている。
グランド電極２７とｎ−ＩｎＰクラッド層２２とを接続する場合に、グランド電極２７と光導波層２３との接触により、電圧印加時に電子が光導波層２３に流れ込み、電気光学特性が劣化する可能性がある。しかしながら、光導波層２３はノンドープ層であるため、グランド電極２７とｎ−ＩｎＰクラッド層２２との接続部分（溝）をリッジ導波路部分から十分に離れた場所に形成することにより、当該問題を解消することができる。
たとえば図１に示された半導体光変調器の場合、動作時には、電極１６とグランド電極１７との間に電圧を印加することにより、光導波層１３に信号電界（図１において、矢印で図示）を発生させる。第１の実施形態では、ｎ−ＩｎＰクラッド層１５およびｎ−ＩｎＰクラッド層１２は、導電性を有し、電極と同様の役割をも果たす。光導波層１３に電界を発生させる電極の間隔は、実質的にはｎ−ＩｎＰクラッド層１５とｎ−ＩｎＰクラッド層１２との間隔となる。
このため、第１の実施形態の半導体光変調器は、従来例（図１３参照）と比較して実質的な電極間隔を小さくし、光導波層１３中の電界強度を増加させ、電気光学効果を高めることができる。
次に、実質的な電極間隔を決定する、光導波路１３とＳＩ−ＩｎＰクラッド層１４との層厚、特に、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層１４の層厚について説明する。
電極１６及びグランド電極１７を介して、ｎ−ＩｎＰクラッド層１５とｎ−ＩｎＰクラッド層１２との間に印加可能な電圧値は、２つのｎ型半導体層の間に挟まれたＳＩ−ＩｎＰクラッド層１４の耐圧により決定される。図３は、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層の厚さと耐圧の関係を示す。
図３に示すように、耐圧は、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層１４の層厚が０．５μｍのときに±２．５Ｖ、層厚１．０μｍのときに±７．０Ｖ、層厚２．０μｍのときに±２５Ｖである。
ここで、第１の実施形態の半導体光変調器は、従来例に係る半導体光変調器（図１３参照）と比較して実質的な電極間隔（ｎ−ＩｎＰクラッド層１５とｎ−ＩｎＰクラッド層１２との間隔）が小さいため、比較的低い印加電圧で高強度の電界を発生させることができ、高い効率で電気光学効果を利用することが可能となる。
従来例に係る半導体光変調器は、電極間隔が約９μｍと大きく、またこれに伴い高電圧（２８Ｖ程度）を印加する必要があった。第１の実施形態の半導体光変調器は、実質的な電極間隔を小さくし、電気光学効果の効率を向上させることができ、駆動電圧の低電圧化、素子の小型化等を実現することを可能とする。
第１の実施形態の半導体光変調器における光導波層１３と電極１６までの距離を約１μｍ以下とした場合、信号光のロスは、電極１６を構成する金属によって増大する。したがって、第１の実施形態の半導体光変調器における光導波層１３と電極１６までの距離は、１μｍ以上にすることが望ましい。
光導波層１３から電極１６までの距離は、ｎ−ＩｎＰクラッド層１５とＳＩ−ＩｎＰクラッド層１４の層厚で決定される。第１の実施形態の半導体光変調器は、速度整合とインピーダンス整合をとるためにＳＩ−ＩｎＰクラッド層１４の層厚を小さくした場合であっても、ｎ−ＩｎＰクラッド層１５の層厚を調整（大きく）することにより、光導波層１３から電極１６までの距離を１μｍ以上に維持することができる。したがって、電極１６による光損失を防止し、高い効率で電気光学効果を利用することができる位相変調部とすることが可能である。
図４Ａ及び図４Ｂは、第１の実施形態に係るＩｎＰ系多重量子井戸半導体光変調器のバンドダイアグラムを示す。図４Ａは、電圧を印加しない状態のバンドダイアグラムを、図４Ｂは、電圧を印加した状態のバンドダイアグラムを示す。図４Ａおよび図４Ｂは、図面右側から、ＳＩ−ＩｎＰ基板上に順次積層したｎ−ＩｎＰクラッド層１２と、光導波層１３と、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層１４と、ｎ−ＩｎＰクラッド層１５とからなる構造に対応する形態のバンド構造を示す。図４Ａおよび図４Ｂは、光導波層１３が、バンドギャップ波長１３７０ｎｍのノンドープ多重量子井戸層（ＭＱＷ）１３ａと、その上下に配されたバンドギャップ波長１３００ｎｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３ｂとからなる場合のバンド構造を示す。
ＳＩ−ＩｎＰクラッド層１４のバンド構造は、ドープされたＦｅ原子が深い準位でイオン化したアクセプタとして働くことにより、イオン化したアクセプタの電荷によりバンドが曲げられ、電子１に対するポテンシャルバリアを形成する。ポテンシャルバリアが電子１の漏れ電流を防ぐことによって、電圧印加時に、効率的に光導波層１３に電界が印加されることが可能となる。
なお、本発明の第１の実施形態の半導体光変調器は、上述の形態に限られず、光導波層１３と電極１６との間をＳＩ−ＩｎＰクラッド層のみとしてもよい。また、本発明の第１の実施形態の半導体光変調器は、光導波層１３と電極１６との間をｎ−ＩｎＰクラッド層とし、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２の代わりにＳＩ−ＩｎＰクラッド層としてもよい。更に、本発明の第１の実施形態の半導体光変調器は、光導波層１３と電極１６との間をｎ−ＩｎＰクラッド層とし、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２の代わりにＳＩ−ＩｎＰクラッド層とｎ−ＩｎＰクラッド層との積層構造（光導波層１３の直下をＳＩ−ＩｎＰクラッド層とする）としてもよい。
以上、図１に示すハイメサ導波路構造を有する半導体光変調器に基づいて、第１の実施形態の説明をしたが、図２に示すリッジ導波路構造を有する半導体光変調器であっても同様の効果を得ることができる。
＜第２の実施形態＞
図５は、第２の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の概略外観を示す。図５に示すように、マッハツェンダ型光変調器６０は、基板上に形成された、入力光を二分する２×２多モード干渉型（ＭＭＩ）カップラ６８ａと、二分された光の位相を印加された電圧に基づいてそれぞれ変調する２本の位相変調導波路６９ａ，６９ｂと、変調された光を合波する２×２多モード干渉型カップラ６８ｂと、位相変調導波路６９ａ，６９ｂに電界を印加する信号電極６６及びグランド電極６７とを備える。ここで、位相変調導波路６９ａ，６９ｂの長さＬ（位相変調領域）は３ｍｍである。
図６は、第２の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の位相変調導波路の概略断面を示す。図６に示すように、第２の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器は、ＳＩ−ＩｎＰ基板６１の上に順次積層された、ｎ−ＩｎＰクラッド層６２と、ＭＱＷ及びその上下面に配されたＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層からなる光導波層６３と、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層６４と、ｎ−ＩｎＰクラッド層６５と、および、導波路メサ上部に信号電極６６と、メサ底部（ｎ−ＩｎＰクラッド層６２上）にグランド電極６７とを備える。
ＭＱＷの吸収波長は１３７０ｎｍであり、信号光の１５５０ｎｍから十分離れた波長である。導波路のメサ幅は２．０μｍ、メサ高さは３．０μｍ、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層６４の層厚は１．０μｍである。
図７Ａおよび図７Ｂは、本実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の位相変調導波路の電圧−電流特性を示す。図７Ａは、印加した電圧と漏れ電流の関係を示し、図７Ｂは、図７Ａの電圧０Ｖ以上の領域における漏れ電流を対数表示で示す。図７Ａおよび図７Ｂは、位相変調導波路６９ａ，６９ｂが漏れ電流の非常に少ない±１５Ｖ程度の電圧耐性を有していること、および光導波層６３とＳＩ−ＩｎＰクラッド層６４に効果的に電圧が印加されていることを示す。
層厚１．０μｍのＳＩ−ＩｎＰクラッド層６４は、漏れ電流２００μＡ以下の優れたポテンシャル障壁特性を有していることが理解される。なお、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層６４のＦｅドープ量を、第１の実施形態におけるＳＩ−ＩｎＰクラッド層１４（図１を参照）のＦｅドープ量に比べて多くすることによって、耐電圧は約２倍に向上されている。
以上より、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層をポテンシャルバリアとして用いることにより、ＢＲＡＱＷＥＴ構造によるｐ型半導体のバリアに比べ、製作が非常に容易で、電圧耐性の優れた良質なバリアを形成することができる。すなわち、ＢＲＡＱＷＥＴ構造は、耐電圧が±２Ｖ程度であるのに対して、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層をポテンシャルバリアとして用いることにより、約±１５Ｖもの耐電圧を得ることができる。
ＢＲＡＱＷＥＴ構造は、ＭＱＷへの電子の注入により、吸収係数の変化あるいは屈折率の変化を利用する構造となっている。他方、第１及び第２の実施形態の光変調器は、光導波層への電圧印加によるポッケルス効果を利用する方法を用いている。第１および第２の実施形態に係る方法は、ＢＲＡＱＷＥＴ構造で用いられる方法に比べて、波長チャープおよび波長依存性を小さく抑えることができる。第１および第２の実施形態に係る方法は、光変調器に広く要求される特性を満たすことができる。
上記文献５は、ＢＲＡＱＷＥＴ構造を用いることに言及している。しかし、文献５は、ＭＱＷの構造に言及していない。第１及び第２の実施形態の導波路構造は、主な特徴として半絶縁型半導体を電流の流れを阻止する層として用いる。また、第１及び第２の実施形態の導波路構造は、光導波層に電子を注入せず、電圧印加によるポッケルス効果を利用する。このように、本発明は、文献５に記載された光変調器とは素子の構造、動作原理が全く異なる、導波路構造を提供する。
図８Ａ及び図８Ｂは、第２の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の電圧印加時の透過光強度の変化を示す。図８Ａ及び図８Ｂは、入力光の波長を１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍに変化させて各波長における透過光強度の変化を示す。図８Ａは、図８Ｂにおける逆バイアス電圧６Ｖ以下の領域の拡大図である。図８Ａ及び図８Ｂに示すように、本実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器は、入力光波長１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの４０ｎｍに亘る波長域において、１５ｄＢ以上の消光比を得ることができ、逆バイアス電圧２．２Ｖの同一動作条件で波長に依存しない動作が可能である。
また、図８Ａ及び図８Ｂは、逆バイアス電圧を光の位相が逆転する電圧（２Ｖπ）にしたときに、透過光強度の劣化がないことを示す。ここで、Ｖπとは、マッハツェンダ型光変調器において消光するために必要な電圧である。この特性は、光導波層領域での光吸収がほとんどないことから得られる特性である。ＢＲＡＱＷＥＴ構造のようなバンド準位の変化を利用する構造では、入力光波長とバンド準位が密接に関係しているため、このような波長に依存しない特性を得ることができない。
第２の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器は、光導波層の吸収端波長を入力光波長から十分に離したこと、およびポッケルス効果を利用する構造としたことにより、上述したような波長に依存しない、また吸収のない特性を得ることができる。
従来のショットキー電極型変調器の位相変調導波路の長さはおよそ１０ｍｍである。第２の実施形態では、電界印加領域を小さくしたことにより、高効率で位相変調を行うことができ、３ｍｍという短い位相変調導波路で十分に信号光を変調することが可能となる。
次に、第２の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器における高速駆動特性について説明する。本発明に係る光変調器の光導波路は、２つの電極に接する半導体層がｎ型半導体である。本発明に係る光変調器の光導波路は、ｐ型半導体層を使用していないため、ｐ型半導体層に起因する電気信号のロスや、光の吸収ロスを回避することができる。また、本発明に係る光変調器の光導波路は、導波路層の幅や、光導波層とＳＩ−ＩｎＰクラッド層とからなる電界印加領域の厚さを制御して光導波路の容量成分を調整することにより、電気信号と信号光の速度条件やインピーダンス条件を整合させることができる。本発明に係る光変調器の光導波路は、速度条件及びインピーダンス条件が整合した進行波型電極構造を採用することによって、高速電気信号により光を変調する高速光変調器として実現されることができる。
図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃは、本実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の高周波信号駆動特性を示すグラフである。図９Ａは、高周波電気信号と光変調信号の応答特性を示す小信号周波数特性を示す。図９Ａに示すように、周波数応答が３ｄＢダウンする小信号周波数帯域は４０ＧＨｚであり、４０Ｇｂｉｔ／ｓの変調に十分な帯域が得られている。また、図９Ｂは、４０Ｇｂｉｔ／ｓにおけるアイダイアグラムを示す。図９Ｂに示すように、明確なアイ開口を確認することができ、高速な光変調が可能となっている。図９Ｃは、４０Ｇｂｉｔ／ｓで変調した際のビットエラーレートを測定した結果を示す。図９Ｃに示すように、エラーフリー動作が実現できており、本実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器が高速光変調器として有用なことが分かる。
次に、第２の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器における速度整合条件、インピーダンス整合条件のメサ幅に対するトレランスについて説明する。速度整合及びインピーダンス整合は、変調器の光導波路の容量成分を制御することで得られる。ここで、光導波路の容量成分は、導波路層の幅や、光導波層とＳＩ−ＩｎＰクラッド層とからなる電界印加領域の厚さを制御することにより調整することできる。電界印加領域の厚さは、半導体層の層厚なので、エピタキシャル成長により数十オングストローム単位での精密な制御が可能である。一方、導波路層の幅は、半導体表面のエッチングにより制御されるので、０．１μｍ単位での加工誤差が発生する。
図１０Ａは、半絶縁層厚０．８μｍ、１．０μｍ、１．２μｍの光導波路について、速度整合条件のメサ幅トレランスを計算により求めた結果を示したグラフである。また、図１０Ｂは、半絶縁層厚０．８μｍ、１．０μｍ、１．２μｍの光導波路について、インピーダンス整合条件のメサ幅トレランスを計算により求めた結果を示したグラフである。
詳細には、図１０Ａは、一定の厚さの半絶縁層を有する光導波路の幅（グラフ横軸）と、この光導波路に電気信号を与える際の電気信号の速度（グラフ縦軸）との関係が示す。図１０Ａによれば、導波路幅が大きくなるほど電気信号の速度が遅くなることがわかる。また図１０Ａによれば、半絶縁層の厚さが大きくなるほど電気信号の速度が速くなることが分かる。この結果、図１０Ａから分かるように、半絶縁層厚１．０μｍの光導波路が速度整合条件を満たす、すなわち、電気信号の速度と導波路を伝播する信号光の速度（９．２９×１０７ｍ／ｓ）が一致するのは、導波路幅が２．１μｍのときである。
４０Ｇｂｉｔ／ｓまでの速度における光変調特性を考慮すると、３ｍｍの位相変調領域を通過した後の信号光と、３ｍｍの信号電極６６を通過した後の電気信号との速度不整合による位相長のずれは、１５０μｍまで許容することができる。許容できる１５０μｍの位相長のずれは、電気信号の許容速度範囲に換算すると、８．８３×１０７ｍ／ｓ〜９．７５×１０７ｍ／ｓとなる。
この結果、速度整合を満たすための導波路幅トレランスは、速度が完全に整合する２．１μｍの±０．３μｍである１．８μｍ〜２．４μｍとなる。このトレランスは、加工精度に対して十分に広いため、多少の加工誤差があっても歩留まりの良い光変調器が作製可能となる。
また、図１０Ｂは、一定の厚さの半絶縁層を有する光導波路の幅（グラフ横軸）と、この光導波路に電気信号を与える信号電極６６の特性インピーダンス（グラフ縦軸）との関係を示す。図１０Ｂによれば、導波路幅が大きくなるほど特性インピーダンスが低下し、半絶縁層の厚さが大きくなるほど特性インピーダンスが大きくなることが分かる。この結果、図１０Ｂから分かるように、半絶縁層厚１．０μｍの光導波路がインピーダンス整合条件を満たす、すなわち、信号電極６６の特性インピーダンスがマッハツェンダ型光変調器６０に接続される周辺デバイスのインピーダンス５０Ωと一致するのは、導波路幅２．１μｍのときである。
ここで、デバイス同士の接続に際して、５Ω程度のインピーダンスのずれは光変調特性に影響を及ぼさないことを考慮すると、信号電極６６の特性インピーダンスの許容範囲は、４５Ω〜５５Ωとすることができる。この結果、インピーダンス整合条件を満たすための導波路幅トレランスは、インピーダンスが完全に整合する２．１μｍの±０．３５μｍ程度の１．７５μｍ〜２．４５μｍとなる。このトレランスも、加工精度に対して十分に広いため、加工誤差により受ける影響が小さく、高速変調可能な光変調器を容易に作製することができる。
従来の半導体マッハツェンダ型光変調器は、集中定数型の光変調器のｐ型半導体部分での光損失が大きく、ＣＲ時定数による速度制限のため１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の動作が困難である。また、従来の半導体マッハツェンダ型光変調器は、進行波電極型の光変調器の屈折率の変調効率が小さく、位相変調部の小型化が困難で、動作電圧が高い。
上述するように、第２の実施形態に係る半導体マッハツェンダ型光変調器及び位相変調器は、２つのｎ型ドープクラッド層の間に、光導波層とＳＩクラッド層とを挟み込んだ層構造を有し、ｐ型ドープ層を用いていないため、ｐ型半導体の光吸収損失やｐ型電極の導体損失がなく、ｐ型ドープ層に起因する問題が解消された光導波路や進行波型電極構造を実現することができる。
また、従来の進行波型電極構造を有する半導体マッハツェンダ型光変調器と比較して、第２の実施形態に係る半導体マッハツェンダ型光変調器及び位相変調器は、電極層間の距離を５μｍ以下にすることが可能であるため、電界強度を大きくすることができる。したがって、第２の実施形態に係る半導体マッハツェンダ型光変調器及び位相変調器は、屈折率の変調効率が大きくなり、位相変調部を小型化することができ、動作電圧を低くすることが可能である。
また、第２の実施形態に係る半導体マッハツェンダ型光変調器及び位相変調器は、進行波型電極構造を採用することによって、ＣＲ時定数に制限されることなく、１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高周波帯域でも動作が可能でありながら、変調効率が高いため素子の小型化、低電圧化が可能である。
＜第３の実施形態＞
図１１は、第３の実施形態に係るＩｎＰ系多重量子井戸半導体光変調器の導波路の概略断面図である。図１１は、導波路における電界印加部分の断面構造を示す。
第３の実施形態に係る半導体光変調器は、ＳＩ−ＩｎＰ基板４１上にｎ−ＩｎＰクラッド層４２、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層４８、光導波層４３、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層４４、ｎ−ＩｎＰクラッド層４５を順次積層させた積層体を、エッチングプロセスによりメサ状に加工した光導波路構造をもつ。
第３の実施形態に係る半導体光変調器は、光導波層４３とｎ−ＩｎＰクラッド層４２との間にＳＩ−ＩｎＰクラッド層４８を設け、光導波層４３をＳＩ−ＩｎＰクラッド層４８、４４により挟み込む積層構造とした点において、第１の実施形態と異なる。
第３の実施形態に係る半導体光変調器は、エッチングプロセスの際に、光導波層４３の下（本実施形態では、ｎ−ＩｎＰクラッド層４２）までエッチングしたハイメサ導波路構造４０である。
第３の実施形態に係る半導体光変調器は、ｎ−ＩｎＰクラッド層４５の上面に電極４６と、ｎ−ＩｎＰクラッド層４２の上面にグランド電極４７とを備える。
電極構造は、両電極間に高周波信号を印加するため、２つのグランド電極４７の間に電極４６が挟まれた構造であるコプレーナ導波線路（ＣＰＷ）構造である。
導波路構造は、光導波層の上でエッチングを止めるリッジ導波路構造とすることも可能である。図１２は、リッジ導波路構造５０を適用した第３の実施形態に係る半導体光変調器の電界印加部分の断面構造を示す。リッジ導波路構造５０を適用した第３の実施形態に係る半導体光変調器は、ＳＩ−ＩｎＰ基板５１上にｎ−ＩｎＰクラッド層５２、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層５８、光導波層５３、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層５４、ｎ−ＩｎＰクラッド層５５を順次積層させ、光導波層５３の上層であるＳＩ−ＩｎＰクラッド層５４までエッチングされている。
図１２に示された半導体光変調器は、ｎ−ＩｎＰクラッド層５５の上面に電極５６を備える。グランド電極は、光導波層の下側にあるｎ−ＩｎＰクラッド層に接続させる必要がある。図１２に示された半導体光変調器は、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層５４の表面からｎ−ＩｎＰクラッド層５２までの溝を備え、ｎ−ＩｎＰクラッド層５２と接続されるようにグランド電極５７を設置されている。
グランド電極５７とｎ−ＩｎＰクラッド層５２とを接続する際に、グランド電極５７と光導波層５３とが接触する問題については、第１の実施形態で説明したとおりである。
動作時には、電極４６とグランド電極４７との間に電圧を印加することにより、光導波層４３に信号電界（図１１において、矢印で図示）を発生させる。第３の実施形態の半導体光変調器は、ｎ−ＩｎＰクラッド層４５とｎ−ＩｎＰクラッド層４２とが導電性を有し電極と同様の役割をも果たすため、実質的な電極間隔を小さくすることができ、高効率の電気光学効果を得ることができる。
第３の実施形態の半導体光変調器は、実質的な電極間隔（ｎ−ＩｎＰクラッド層４５とｎ−ＩｎＰクラッド層４２との間隔）が小さいため、比較的低い印加電圧でも高強度の電界を発生させることができ、駆動電圧の低電圧化、素子の小型化等を実現することが可能となる。
ただし、第３の実施形態の半導体光変調器は、第１の実施形態の半導体光変調器と比較して、実質的な電極間隔がＳＩ−ＩｎＰクラッド層４８の分だけ大きい。したがって、電気光学効果の効率面等からは第１の実施形態の半導体光変調器の方が第３の実施形態の半導体光変調器よりも優れている。しかしながら、第３の実施形態の半導体光変調器は、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層４４および４８を設け、光導波層４３をＳＩ−ＩｎＰクラッド層４４，４８で挟み込む積層構造としたことにより、第３の実施形態に係る半導体光変調器は、電圧の印加方向が一方向に限定されないので利便性が高いという優れた機能を有している。
なお、第３の実施形態の半導体光変調器における光導波層４３と電極４６までの距離は、第１の実施形態の半導体光変調器と同様であり、１μｍ以上が望ましい。第３の実施形態の半導体光変調器は、電気光学効果の効率を向上させるためにＳＩ−ＩｎＰクラッド層４４の層厚を小さくした場合であっても、ｎ−ＩｎＰクラッド層４５の層厚を調整（大きく）することにより、光導波層４３から電極４６までの距離を１μｍ以上に維持することができる。したがって、第３の実施形態の半導体光変調器は、電極４６による光損失を防止しながら、高効率な電気光学効果を利用することができる位相変調部とすることが可能である。
なお、第３の実施形態の半導体光変調器は、光導波層４３と電極４６との間をＳＩ−ＩｎＰクラッド層のみとしてもよく、逆にｎ−ＩｎＰクラッド層４２の部分をＳＩ−ＩｎＰクラッド層とし、光導波層４３とＳＩ−ＩｎＰ基板４１との間をＳＩ−ＩｎＰクラッド層のみとしてもよい。
以上、図１１に示すハイメサ導波路構造を有する半導体光変調器に基づいて、第３の実施形態の説明をしたが、図１２に示すリッジ導波路構造を有する半導体光変調器であっても同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】  本発明に係る半導体光変調器は、ｐ型ドープ層を用いていないため、ｐ型半導体の光吸収損失や電気信号の導体損失が無く、低損失な光導波路と進行波型電極構造を実現することができる。また光導波層の少なくとも一方にＳＩクラッド層が配設されることによって、光導波層への電子の流れ込みを防止しつつ電圧印加が可能となっている。
本発明に係る半導体光変調器では、従来の進行波型電極構造の半導体光変調器と比べ、電極層間の距離を５μｍ以下にすることが可能であるため光導波層における電界強度を大きくすることができる。このため、屈折率の変調効率が大きく、位相変調部を小型化することができるとともに、動作電圧を低くすることが可能である。
また、進行波型電極構造を採用することによって、集中定数電極のようにＣＲ時定数に制限されること無く１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高周波帯域でも動作が可能でありながら、変調効率が高いため素子の小型化、低電圧化が可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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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１６】
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【国際調査報告】
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