(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、光軸に対応して形成された光導波路と、
前記半導体基板上に前記光軸を共有して、前記光導波路に沿って交互に複数回繰り返して形成された第１の光変調器と第２の光変調器と、
よりなり、
前記第１の光変調器の各々は、前記光導波路に第１の電界を印加する第１の電極を有し、
前記第２の光変調器の各々は、前記光導波路に第２の電界を印加する、前記第１の電極よりも電気容量の小さい第２の電極を有し、
前記半導体基板上で複数回交互に繰り返される前記第１の光変調器および第２の光変調器において、前記第１および第２の電極は直列接続されて進行波電極を構成し、
前記複数の第１の光変調器と第２の光変調器は、前記半導体基板上において全体として進行波型の光変調器を形成することを特徴とする半導体光変調器。
【請求項２】
前記半導体基板、または前記半導体基板と前記光導波路の間に設けられた半導体層は導電性を有し、
前記導電性半導体基板または前記導電性半導体層上に、前記光導波路の両脇に前記光導波路に沿って延在するグラウンド電極となる第３の電極を設けたことを特徴とする請求項１記載の半導体光変調器。
【請求項３】
前記光導波路は上下にクラッド層を有し、前記第１の電極の下においては、前記上下のクラッド層は導電性を有し、前記第２の電極の下においては、前記上下のクラッド層の少なくとも一方は絶縁性であることを特徴とする請求項１記載の半導体光変調器。
【請求項４】
前記半導体基板は、光軸に対して平行に延在するメサ構造を有し、
前記光導波路は、前記メサ構造の内部に形成され、
前記第１の光変調器に形成される第１の電極が前記メサ構造上に形成されることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体光変調器。
【請求項５】
前記光導波路は、光を伝搬するコア層の側面に、第１及び第２の半絶縁性半導体層が形成されたことを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体光変調器。
【請求項６】
前記第２の電極は、前記第２の光変調器の領域において前記光軸から所定方向に曲折した形状を成すことを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体光変調器。
【請求項７】
前記第２の光変調器の領域における前記第２の電極と前記光導波路との間に、所定の気体，真空，誘電体，半絶縁性半導体の内、少なくとも１つ以上より成る層が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体光変調器。
【請求項８】
前記光導波路を介して前記第１又は第２の光変調器と光学的に接続された半導体レーザを有し、
該半導体レーザが前記半導体基板上に形成されることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体光変調器。
【請求項９】
入射光を第１及び第２の光路に分岐する第１のカプラと、
前記第１の光路を構成する第１の光導波路と、
前記第２の光路を構成する第２の光導波路と、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とを結合する第２のカプラと、
少なくとも前記第１の光導波路上に形成された請求項１から７のいずれかに記載の半導体光変調器と、
を有することを特徴とするマッハツェンダ型光変調器。
【請求項１０】
第１の導電型を有する第１の半導体層上に光導波路層を形成する第１の工程と、
前記光導波路層上に第２の導電型を有する第２の半導体層を形成する第２の工程と、
前記第２の半導体層をパターニングして、所定間隔で繰り替えされる凹部を形成する第３の工程と、
前記凹部を半絶縁性半導体層で充填する第４の工程と、
前記第２の半導体層と前記半絶縁性半導体層とが所定間隔毎に繰り返される面をパターニングして、メサ構造を形成する第５の工程と、
前記メサ上に、前記第２の半導体層と接する金属配線を形成する第６の工程と、
を有することを特徴とする、請求項１〜７のうち、いずれか一項記載の半導体光変調器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は、半導体光変調器、それを用いたマッハツェンダ型光変調器、及び半導体光変調器の製造方法に関し、特に、高速のベースバンド通信に対応した半導体光変調器、それを用いたマッハツェンダ型光変調器、及び半導体光変調器の製造方法に関する。
【従来の技術】
【０００３】
従来、入力電気信号の波形に基づいて連続光を変調する素子としては、ＬｉＮｂＯ３を材料としたマッハツェンダ型光変調器が挙げられる。図１に、このマッハツェンダ型光変調器１０００を上面から見た模式図を示す。
【０００４】
図１を参照すると、マッハツェンダ型光変調器１０００は、干渉系を構成する２本の光導波路１００４と２つの光カプラ１００３，１００５と位相変調器１１００とから構成される。
【０００５】
また図２に、この素子における位相変調器１１００部分の断面構造を示す。図２を参照すると、従来技術によるＬｉＮｂＯ３を材料とした位相変調器１１００は、Ａｕメッキのシグナル，グランド両電極（１１０８，１１０９）と、このＡｕメッキ電極（１１０８，１１０９）がＳｉＯ２膜を介して積層される絶縁材料のＬｉＮｂＯ３基板１１０２と、から構成されている。また、ＬｉＮｂＯ３基板１１０２中には光導波路のコア（Ｔｉ拡散光導波路コア１１０３）がＴｉ拡散などの方法により形成されている。
【０００６】
このような構造において、Ａｕメッキ電極（シグナル）１１０８とＡｕメッキ電極（グランド）１１０９との間に電圧を与えると、発生する電界はＡｕメッキ電極（１１０８，１１０９）間を概ね一様の強度で分布する。また、分布した電界の内の一部は、Ｔｉ拡散光導波路コア１１０３にかかり、この部分で入射光の屈折率変化を生じさせる。
【０００７】
通常、図２に示した断面構造は進行波電極型の構造として設計されたものであり、入力インピーダンスを５０Ωにマッチングさせることで高周波の電気信号が入力された場合でも、入力側である駆動回路への反射を抑えるよう構成されている。但し、ＬｉＮｂＯ３材料系を用いた場合、図２に示す素子の長さは通常４０ｍｍ程度となり非常に長い。
【０００８】
一方、上記ＬｉＮｂＯ３材料系を用いたものとは別に、半導体を材料とした光変調器も存在する。このように、半導体材料を用いた場合の素子長は数十μｍから大きくても数ｍｍとなり、ＬｉＮｂＯ３を材料とした光変調器より素子長が短くなる。また、半導体を材料とすることで、同様に半導体を材料とする光源（レーザダイオード：ＬＤ）との集積が可能となる。
【０００９】
図３及び図４を用いて、半導体を材料とした光変調器（半導体光変調器１１１０）の構造の模式図を示す。まず、図３を参照すると、半導体光変調器１１１０は、光導波路コア層１１１３を挟んで導電性半導体層１１１５と導電性基板１１１２とが対向し、更にこれらを挟んで、金属電極（シグナル）１１１８と金属電極（グランド）１１１９とが対向している。この構成において高周波電気信号源１１１４から金属電極（１１１８，１１１９）に高周波電気信号が入力され、光（連続光）に所定の変調を与える。
【００１０】
このような光変調器１１１０は、単体で吸収型の光変調器として用いても良いし、また、図１に示したようなマッハツェンダ型光変調器の位相変調器部分として用いても良い。
【００１１】
また、図４に図３に示す光変調器１１１０の光軸に対して垂直な断面の層構造を示す。図４に示した層構造は、光導波路コア層１１１３となる薄いｉ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路コア層１１２３をｎ型ＩｎＰ層（ｎ−ＩｎＰクラッド層１１２２）とｐ型ＩｎＰ層（ｐ−ＩｎＰクラッド層１１２５）とで挟んだ構造となっている。
【００１２】
この構成において、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路コア層１１２３はアンドーピングとなっており、略絶縁体と見なせる。これに対してｉ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路コア層１１２３を挟むｐ型、ｎ型ＩｎＰ層（１１２２，１１２５）は略導電体である。これにより、素子上下の両Ａｕメッキ電極（１１２８，１１２９）間に逆バイアス電圧を与えた場合、その電界は導電性のｐ−ＩｎＰクラッド層１１２２，ｎ−ＩｎＰクラッド層１１２５中に殆ど存在せず、アンドーピングのｉ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路コア層１１２３に集中して生じる層構造となっている。
【００１３】
このため、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路コア層１１２３がｐ型、ｎ型半導体を電極とした平行平板コンデンサと同等であると考えられる。ここで、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路コア層１１２３の膜厚は、駆動電圧を低減させる必要から図４に示すように０．５μｍ以下と非常に薄くされる。そのため、このコンデンサは単位長さあたりで大きな電気容量を持つことになる。その結果、図４に示した層構造の半導体光変調器１１１０は単位素子長あたり非常に大きな電気容量を持つ。
【００１４】
図３及び図４に示した構造は素子を集中定数的に扱う構造となっているが、これに対してＬｉＮｂＯ３と同様、進行波電極型構造の半導体光変調器も存在する。また、この光変調器も入力インピーダンスを５０Ωに近づけるように設計される。但し、この光変調器の素子長は１ｍｍ程度となり、上記の集中定数型の半導体光変調器）１１１０）と比較して素子長が長くなる。
【００１５】
このような半導体光変調器の素子構造の模式図を図５及び図６に示す。但し、図６の断面層構造において、光導波路コア層を薄いアンドーピングＩｎＧａＡｓＰ層で形成し、これを導電性のｐ型，ｎ型ＩｎＰ層で挟む構造は、図３及び図４に示した集中定数型の半導体光変調器（１１１０）と同様である。
【００１６】
また、図６に示す半導体光変調器１１３０では、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路コア層１１４３ｂの下部に膜厚０．５μｍの略絶縁体と見なせるアンドーピングＩｎＰ層（ｉ−ＩｎＰ層１１４３ａ）が形成されている。これは、素子の駆動電圧による電界がｉ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路コア層１１４３ｂのみに集中してかかるのを防ぎ、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路コア層１１４３ｂとｉ−ＩｎＰ層１１４３ａとの両方に比較的小さい電界が一様にかかるようにするためである。半導体光変調器１１３０では、このような層構造を有することで、単位長さあたりの電気容量をアンドーピングＩｎＰ層が無い時と比較して小さくしている。
【００１７】
また、入力インピーダンスは断面層構造の単位長さあたりの電気容量に大きく依存しており、断面の電気容量が大きくなると入力インピーダンスは小さくなるという傾向がある。図４のようにｉ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路コア層１１２３とｎ−ＩｎＰ層１１２２との間に何もない構造では電気容量が非常に大きくなり、その結果、入力インピーダンスは小さくなり過ぎてしまう。これに対して図６の構造ではｉ−ＩｎＰ層１１４３ａをｉ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路コア層１１４３ｂとｎ−ＩｎＰクラッド層１１４２との間に形成することで電気容量を小さく抑え、入力インピーダンスが比較的所望する値、例えば５０Ωに近い値となるように構成されている。
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、上記のような層構造を有する半導体光変調器の電気容量は大きい。そのため、従来の半導体光変調器では、素子の入力インピーダンスが小さくなり過ぎるという問題が存在する。これは、例えば５０Ω系で構成される素子の駆動回路にインピーダンス・マッチングさせなければならない場合、半導体光変調器の入力インピーダンスを５０Ωとすることができず、光を変調するための高周波電気信号が素子から反射されて駆動回路へ戻ってきてしまうという問題の要因となる。
【００１９】
そこで、半導体光変調器の素子長を小さくして電気容量を小さくすることも考えられるが、このように構成した場合、一定駆動電圧の元に光が得られる吸収又は位相変化量が小さくなり、結果として駆動電圧の上昇を招くという問題を生じさせる。
【００２０】
これに対し、進行波電極型の半導体光変調器は素子長が比較的長いため、駆動電圧を十分に低減することができる。しかしながら、この半導体光変調器において進行波電極型の入力インピーダンスを５０Ωに近く設計することは実現困難である。これは、図６のようにｉ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路コア層１１４３ｂの下部に絶縁体であるｉ−ＩｎＰ層１１４３ａを付加した断面層構造においても、やはり未だ単位長さあたりの電気容量が大き過ぎることに起因している。
【００２１】
従って、この場合も入力インピーダンスが５０Ωより小さくなり、高周波電気信号が素子から反射するという問題が存在する。実際、図６の断面構造の入力インピーダンスは、有限要素法などの計算結果から２５．５Ω程度となっており、５０Ωからはかけ離れていることからも、上記のような問題の存在は明らかである。
【００２２】
また、図６に例示した半導体光変調器１１３０に高周波電気信号を入力した時のｓ１１反射特性を、図７における破線で示す。但し、ｓ１１反射特性とは、あるポート（これをポート１とする）から出力された電気信号が、同じポート（ポート１）に反射されて帰ってきた際の、出力電気信号と反射電気信号との強度比を示す特性である。
【００２３】
図７を参照すると、図６に示す半導体光変調器１１３０では、周波数１７ＧＨｚの時にｓ１１反射特性は最も悪く−５．３ｄＢとなり、印加した高周波電気信号が入力されずに、大きな割合で駆動回路へと反射して戻っていることが分かる。
【００２４】
そこで、図６においてｉ−ＩｎＰ層１１４３ａの膜厚を厚くすることも考えられるが、このように構成した場合、一定駆動電圧の元でｉ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路コア層１１４３ｂのアンドーピングＩｎＧａＡｓＰ層にかかる電界が更に小さくなるため、結果として駆動電圧は非常に大きくなってしまうという問題が存在する。
【００２５】
即ち、従来の半導体光変調器では集中定数型と進行波電極型とに関わらず、素子からの高周波電気信号の反射を抑えて、かつ、駆動電圧を小さくすることができないという問題があった。
【００２６】
従って、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、素子からの高周波電気信号の反射を抑えて、かつ、駆動電圧を小さくすることを可能にする半導体光変調器、それを用いたマッハツェンダ型光変調器、及び、該半導体光変調器を製造する製造方法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】
【００２７】
本発明は上記の課題を、半導体基板と、前記半導体基板上に、光軸に対応して形成された光導波路と、前記半導体基板上に前記光軸を共有して、前記光導波路に沿って交互に複数回繰り返して形成された第１の光変調器と第２の光変調器と、よりなり、前記第１の光変調器の各々は、前記光導波路に第１の電界を印加する第１の電極を有し、前記第２の光変調器の各々は、前記光導波路に第２の電界を印加する、前記第１の電極よりも電気容量の小さい第２の電極を有し、前記半導体基板上で複数回交互に繰り返される前記第１の光変調器および第２の光変調器において、前記第１および第２の電極は直列接続されて進行波電極を構成し、前記複数の第１の光変調器と第２の光変調器は、前記半導体基板上において全体として進行波型の光変調器を形成することを特徴とする半導体光変調器により、解決する。
【発明の実施の形態】
【００２８】
本発明を説明するにあたり、本発明の主旨を先に述べる。
【００２９】
本発明は、例えば光通信システムにおいて、光送信器内の光変調器として用いられるものであり、１０〜４０Ｇｂｉｔｓ／ｓｅｃ．或いはそれ以上の超高速通信等における連続光を入力電気信号（電圧）の波形に基づいて変調する半導体光変調器及び該素子の製造方法に関するものである。
【００３０】
これを実現するために、本発明は、電気容量の異なる、微小に構成した光変調器を光軸に対して直列に複数連結し、全体が１つの光変調器として動作する構造を有する。但し、以下の説明において光軸とは、変調する対象の光の進行方向である。
【００３１】
本発明では、上記構成において例えば一方の微小に構成した変調器の電気容量を十分に大きく構成し、他方の微小に構成した光変調器の電気容量を十分に小さく構成することで、素子全体として十分な電界光学効果の期待できる半導体光変調器の入力インピーダンスを所望する値となるよう構成する。また、以下の説明では、電気容量を十分に大きく構成した微小な光変調器を微小光変調器又は光変調領域と呼び、電気容量を十分に小さく構成した微小な光変調器をギャップ器又はギャップ領域と呼ぶ。
【００３２】
従って本発明は、複数の微小光変調器を用いて入射された光を電界光学効果により累積的に変調し、複数のギャップ器を用いて半導体光変調器全体の入力インピーダンスを所望の値に構成するものである。
【００３３】
即ち、本発には、各微小光変調器の間に光変調器部分とは異なる断面構造のギャップ器が設けられており、このギャップ器を介して各微小光変調器が電気的に接続される。この際、ギャップ器の電気容量を微小光変調器の電気容量に比較して小さく構成することで、微小光変調器を直接連結して単に一つの大きい半導体光変調器を構成した時に比べて、素子全体の入力インピーダンスを所望の値、例えば５０Ω（オーム）に近づける構造とする。
【００３４】
尚、本発明において連結する微小光変調器の総数は、素子全体を通過した光が十分な強度または位相変化量を持つように決定される。また、各微小光変調器の単体における電気容量はそれぞれ小さく抑えなければならない。そのため、微小光変調器の素子長を十分短くする必要がある。本発明では微小光変調器の素子長の目安を、入力する高周波電気信号の素子内における波長の４分の１以下とする。但し、この値は１つの目安であり、本発明ではその主旨を逸脱しない限り、種々変形できる。また、このように素子長の短い各微小光変調器は電気的な集中定数の素子として扱うことができるものである。
【００３５】
上記の素子構造は本発明による半導体光変調器の概念である。従って、この概念構造の範疇であれば、本発明による半導体光変調器の詳細な構造パラメータは、図３〜６に示すような半導体光変調器と同様の設計指針により決定して良い。
【００３６】
例えば、光導波路コア層としては、一定電界における屈折率変化係数が大きい方が望ましく、また、ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓＰから成るＭＱＷや他の材料系のＭＱＷを用いてもよい。
【００３７】
また、高周波電気信号が微小光変調器とギャップ領域とを伝搬していく際の損失は、可能な限り小さいほうがよい。そのために、例えば微小光変調器上のＡｕメッキの膜厚を１０μｍ以上と、比較的大きく形成する等の構造にするとよい。
【００３８】
また、本発明による半導体光変調器の素子構造において、高周波電気信号が隣り合う一組の微小光変調器とギャップ領域とを伝搬する際の遅延時間と、光がこれらを伝搬する際の時間と、が可能な限り同等の値となるように構成するとよい。
【００３９】
即ち、本発明では、ギャップ領域を介して連結された微小光変調器（これを第１の微小光変調器とする）に光が入力されてから、第１の微小光変調器とギャップ領域を介して隣接する次の微小光変調器（これを第２の微小光変調器とする）へ光が伝搬するまでの時間をｔｏとし、また同様に、第１の微小光変調器に電気信号が入力されてから第２の微小光変調器へ電気信号が伝搬するまでの時間をｔｅとした場合、ｔｏ＝ｔｅとなるように、各微小光変調器とギャップ領域との断面構造、及びギャップ領域の長さ、及び各微小光変調器を電気的に連結する金属配線の形状を設計するとよい。
【００４０】
このような構造の模式図を図８に示す。但し、紙面の都合上、図８では３個の微小光変調器とギャップ領域とがそれぞれ３つずつ光軸に対して交互に配列された場合の構成を示す。
【００４１】
図８を参照すると、本発明の概念構造による位相変調器１は、所定間隔（均一でも不均一でもよい）毎に絶縁材料６が形成されることで、微小光変調器１０Ａとギャップ領域１０Ｂとが交互に形成された導電性基板２上に、微小光変調器１０Ａ及びギャップ領域１０Ｂと交互に交差するように光導波路コア層３が形成された形状となっている。
【００４２】
また、微小光変調器１０Ａにおける光導波路コア層３には、導電性半導体５を介して金属電極（シグナル）８ｂが接続され、導電性基板２を介して金属電極（グランド）９が接続される。更に、各微小光変調器１０Ａにおける金属電極（シグナル）８ｂは、金属配線８ａにより連結されている。
【００４３】
このように、微小光変調器１０Ａにおいて、光導波路コア層３とシグナル−グランド両金属電極（８ｂ，９）との間は導電性の半導体材料にて形成されている。これに対して、ギャップ領域では、光導波路コア層３が絶縁性の半導体材料で挟まれている。従って、この構造では、ギャップ領域の電気容量が変調器に比べて小さくなるよう構成される。
【００４４】
即ち、上記構成において、微小光変調器１０Ａの金属電極（シグナル）８ｂ−金属電極（グランド）９間に電位差を与えると、発生する電界は導電性半導体５中には存在せず、光導波路コア層３のみに集中してかかる。これに対して、ギャップ領域１０Ｂの金属配線（エアブリッジ）８ａ−金属電極（グランド）９間に電位差を与えると、発生する電界は素子上部の金属配線８ａと光導波路コア層３の下部にある導電性基板２との間の比較的長い距離にほぼ一様にかかる。
【００４５】
但し、本発明において、図８に示す導電性基板２は、その材料としてＩｎＰ又はＧａＡｓが用いられて構成される。更に、この導電性基板２上に形成される光導波路コア層３は、上記の導電性基板２に用いられた材料と格子整合する材料か、若しくは１．０パーセント以内の格子不整合となる材料を用いて形成される。
【００４６】
また、ギャップ領域における金属配線（エアブリッジ）８ａと光導波路コア層３との間に、アンドーピングな、又は、FeがドーピングされたＩｎＰ又はＧａＡｓから成る半絶縁性の半導体層（絶縁材料６）を有することで、ギャップ領域における電気容量を減少させるよう構成されている。
【００４７】
また、本発明では、微小光変調器の光軸方向の長さを３０〜２００μｍとし、ギャップ領域の光軸方向の長さを１５〜６５０μｍとすることが好ましい。但し、これは、本発明による光半導体素子に入力される高周波電気信号の波長に依存して決定される。更に、本発明では、微小光変調器の光軸方向の長さとギャップ領域の光軸方向の長さとの比を１：０．５から１：３．５の間で設計するとよい。  また、本発明では、光導波路コア層３を、実質的にＩｎＰ基板と格子整合するＩｎＧａＡｓを井戸層とする多重量子井戸層（ＭＱＷ）を用いて構成するとよい。更に、このＭＱＷを、真空中での波長が１．５０〜１．６０μｍの光に対する等価屈折率が３．２〜３．３となる材料を用いて構成するとよい。
【００４８】
また、各微小光変調器の光導波路コア層３は、膜厚が０．５μｍ〜２．０μｍで、幅が１．０μｍ〜２．０μｍであり、更に高抵抗の半導体層で内包されて形成されるよう構成するとよい。
【００４９】
更に、エアブリッジの形状として形成される金属配線８ａは、ギャップ領域において、基板から少なくとも０〜１０．０μｍ離間されて形成されるとよい。
【００５０】
〈作用〉
以上のような構成により、本発明は以下に示す作用が得られる。
（１）半導体光変調器全体で１素子として動作する。
（２）半導体光変調器からの反射が低減される。
（３）半導体光変調器の駆動電圧を低減することができる。
【００５１】
まず、以上のような概略構造を有することにより、本発明による半導体光変調器が全体で１つの素子として動作する理由を以下に説明する。
【００５２】
本発明の半導体光変調器を光変調器として用いる場合、図８に示すように、半導体光変調器の片側の端面から連続光を光導波路コア層３に入射する。更に、この入射光を変調するために、半導体光変調器の端にある微小光変調器１０Ａの金属電極８ｂに高周波電気信号を入力し、微小光変調器１０Ａ内の光導波路コア層３に電界光学効果による吸収係数または屈折率変化を生じさせる。これにより、半導体光変調器に入射した光が、最初の微小光変調器１０Ａ内を伝搬するときに少量の強度又は位相変化を受ける。
【００５３】
その後、高周波電気信号はギャップ領域１０Ｂの金属配線８ａを伝搬して次の微小光変調器１０Ａに入力される。同様に、最初の微小光変調器１０Ａにおいて微量の吸収または位相変化を受けた光もギャップ領域１０Ｂの光導波路コア層３を伝搬して次の微小光変調器１０Ａに入力される。これにより、次の微小光変調器１０Ａにおいても，光が高周波電気信号による吸収又は位相変化を受けて、その変化量を積算させる。但し、伝搬する光と高周波電気信号とは、可能な限り同期して各微小光変調器１０Ａ及びギャップ領域１０Ｂに入力されるよう構成する。
【００５４】
以降、同様に、高周波電気信号と光とは、ギャップ領域１０Ｂを介して順次隣接する微小光変調器１０Ａへと伝搬していく。従って、その過程において、光は強度または位相変化量を積算させていく。
【００５５】
最終的に半導体光変調器端の最後の微小光変調器１０Ａを伝搬して素子外へ出射される光の強度または位相は、高周波電気信号が入力されなかった場合に比較して十分な値に変調される。
【００５６】
尚、本発明の半導体光変調器を位相変調器として用いてマッハツェンダ干渉系を構成することで、素子全体でマッハツェンダ型光変調器を実現することも可能である。
【００５７】
次に本発明の素子構造による半導体光変調器が、入力側（駆動回路側）への高周波電気信号の反射を小さく抑えることができる理由を以下に説明する。
【００５８】
本発明の半導体光変調器において、高周波電気信号を入力した時のｓ１１反射特性を図７の実線に示す。但し、図７に示すｓ１１反射特性は、以下で説明する本発明の第１の実施例において図９から図１２を用いて示す半導体光変調器に基づいて、３次元有限要素法を用いてシミュレーションした結果である。
【００５９】
ここで、以下の第１の実施例で例示する光半導体素子の構造について先に触れる。
【００６０】
図９から図１２に示すように、第１の実施例で例示する半導体光変調器は素子全体が絶縁性のＩｎＰ基板（絶縁性ＩｎＰ基板１０１）上に形成される。また、光導波路コア層（ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂ）は、吸収係数変化或いは屈折率変化が大きく取れるように、ＩｎＰ基板に対して格子整合するＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸(ＭＱＷ)にて形成される。また、このｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの下部には図６に示した従来の半導体光変調器と同様、ｉ−ＩｎＰ層１０３ａが設けられている。また、ｉ−ＩｎＰ層１０３ａは、絶縁性ＩｎＰ基板１０１上に形成された導電性半導体のｎ−ＩｎＰクラッド層１０２上に形成される。
【００６１】
ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの上部には、微小光変調器１００Ａにおいて導電性のｐ−ＩｎＰクラッド層１０５ａ及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５ｂが形成される。これに対して、ギャップ領域１００Ｂにおけるｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂ上部は、全て半絶縁性のＳＩ−ＩｎＰ層１０４及び１０６にて形成される。
【００６２】
また、微小光変調器１００Ａ部分において、メサ最上部のｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５ｂ上部にはＡｕメッキからなるシグナル側の金属電極（Ａｕメッキ電極（シグナル）１０８）が形成されており、半導体層であるｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５ｂとオーミック性のコンタクトを形成している。また、このＡｕメッキ電極１０８はギャップ領域１００Ｂにおいてエアブリッジをなしており、ギャップ領域１００Ｂを介して隣接する微小光変調器１００Ａ同士を電気的に連結している。
【００６３】
グランド側の金属電極（Ａｕメッキ電極（グランド）１０９）については、メサ脇のｎ−ＩｎＰクラッド層１０２表面上に微小光変調器１００Ａとギャップ領域１００Ｂとで同じようにＡｕメッキにより形成されている。
【００６４】
以上のような素子構造において、ギャップ領域１００Ｂおける電界が素子上部のＡｕメッキ電極（エアブリッジ）１０８ａからアンドーピングであるｉ−ＩｎＰ層１０３ａ下部のｎ−ＩｎＰクラッド層１０２との間にほぼ一様にかかることになるため、この部分の電気容量は小さくなる。
【００６５】
このことを踏まえて図７を参照すると、ｓ１１の値は０ＧＨｚから４０ＧＨｚに渡って１４ｄＢ以下となっており、本発明による半導体光変調器から駆動回路への高周波電気信号の反射が十分に低減されている。
【００６６】
これは、図７において破線で示されている進行波電極を用いた従来構造のｓ１１と比較しても明らかであり、本発明により大幅に改善されていることが判別できる。
【００６７】
これは、本発明による半導体光変調器において、単位長さ辺りの電気容量が大きい各微小光変調器の間に電気容量の小さいギャップ領域を設けたことで、単に素子長の長い１つの半導体光変調器と比較して素子全体のインピーダンスを小さくすることが可能となったためである。即ち、本発明によれば、光半導体素子の入力インピーダンスを所望の値（例えば５０Ω）に構成することが容易に可能となる。
【００６８】
次に、本発明による半導体光変調器では駆動電圧を十分小さくできることを以下に説明する。
【００６９】
本発明では、一つの微小光変調器１０Ａを通過する際に光が受ける強度又は位相変化は微小である。これは、微小光変調器１０Ａの長さが短いためである（例として図１０では５０μｍ）。しかしながら、光が素子全体を通過する際に受ける強度又は位相変化量は、複数の微小光変調器１０Ａから受ける強度又は位相変化の合計となる。
【００７０】
ここで、本発明による半導体光変調器では、従来技術によるものと異なり、全体の素子長を長くしても素子全体の入力インピーダンスを所望の値に維持できるため、入力する高周波電気信号の大部分が反射されるという問題が発生しない。
【００７１】
そこで、本発明では、光が素子全体を通過した後の強度又は位相変化量が十分大きくなるように、連結する微小光変調器１０Ａの個数を十分な数とする。これにより、本発明の半導体光変調器では、その駆動電圧を十分に小さくすることが可能となる。
【００７２】
また、以下の説明では、各実施例において微小光変調器とギャップ領域とが、各々１種類ずつ形成された場合を例に挙げて説明しているが、本発明ではこれに限定されず、それぞれ複数種類に形成された微小変調器とギャップ領域とを、光軸上に複数配列させるよう構成してもよい。
【００７３】
以下、本発明を好適に実施した形態について、実施例を挙げて詳細に説明する。
【００７４】
《第１の実施例》
まず、本発明を好適に実施した第１の実施例について、以下に図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施例では、本発明により提供される半導体光変調器の一例を位相変調器として用いる場合についての例である。
【００７５】
〈素子構造〉
図９を参照すると、本実施例による位相変調器１００は、ＩｎＰ系半導体材料を用いて形成された高抵抗の絶縁性ＩｎＰ基板１０１を用いて構成される。絶縁性ＩｎＰ基板１０１上には、ＳｅやＳｉ等のｎ型不純物元素がドーピングされることで電気電導性が向上されたｎ−ＩｎＰクラッド層１０２が形成されている。
【００７６】
但し、本実施例による位相変調器１００は、上記の説明にもあるように、微小光変調器１００Ａとギャップ領域１００Ｂとを、光軸に対して交互に配列させた構成となっている。本実施例では、例えば微小光変調器１００Ａとギャップ領域１００Ｂとをそれぞれ１０個ずつ、合計２０個、直列に配列させることで構成された位相変調器１００を例示する。ここでは説明の都合上、図面にはそれぞれ３つずつが配列されている場合を示す。但し、本発明において、半導体光変調器（位相変調器）の光及び電気信号に対する入力端及び出力端は、微小光変調器で構成しても、ギャップ領域で構成してもよい。
【００７７】
また、本実施例による位相変調器１００において、ギャップ領域１００Ｂを介して隣り合う微小光変調器１００Ａは、それぞれＡｕメッキ電極（エアブリッジ）１０８ａを介して電気的に接続される。但し、本実施例では、ギャップ領域１００Ｂにおける電気容量をなるべく小さくするために、ギャップ領域１００Ｂ上に形成されるＡｕメッキ電極１０８が素子に接触しないようブリッジ状（Ａｕメッキ電極（エアブリッジ）１０８ａ）に構成する。このため、本実施例によるＡｕメッキ電極１０８は矩形型となり、微小光変調器１００Ａの領域において素子に接し（Ａｕメッキ電極（シグナル）１０８ｂ）、ギャップ領域１００Ｂにおいて素子と離間されている（Ａｕメッキ電極（エアブリッジ）１０８ａ）。
【００７８】
また、本実施例において、Ａｕメッキ電極１０８の幅及び厚さは微小光変調器１００Ａ及びギャップ領域１００Ｂで同一のものとなるよう構成するが、本発明では、これに限定されず、例えばＡｕメッキ電極（エアブリッジ）１０８ａの断面積（幅及び／又は厚さ）が、Ａｕメッキ電極（シグナル）１０８ｂよりも小さくなるよう構成してもよい。これにより、素子全体の入力インピーダンスをより所望の値に近付けることができる。
【００７９】
また、位相変調器１００においてＡｕメッキ電極１０８とｎ−ＩｎＰクラッド層１０２との間には、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂが形成される。更に、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの両側面には、微小光変調領域１００ＡにおいてＡｕメッキ電極（シグナル）１０８ｂと接する高抵抗のＳＩ−ＩｎＰ層１０４が形成される。即ち、微小光変調器１００Ａにおいて、Ａｕメッキ電極（シグナル）１０８ｂは、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの上部のｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５ｂとこれの両側面に形成されたＳＩ−ＩｎＰ層１０４とにまたがるよう形成される。
【００８０】
更に、上記のように形成された，ＳＩ−ＩｎＰ層及びこれで挟まれた領域より成るメサの両脇には、所定間隔を隔ててＡｕメッキ電極（グランド）１０９が形成される。このＡｕメッキ電極（グランド）１０９とｎ−ＩｎＰクラッド層１０２とは、オーミック性コンタクトを有している。
【００８１】
また、図９に示す位相変調器１００における微小光変調器１００Ａとギャップ領域１００Ｂとの層構造を、位相変調器１００のＡ−Ａ’面，Ｂ−Ｂ’面，Ｃ−Ｃ’面それぞれの断面構造を示す図１０から図１２を用いて詳細に説明する。
【００８２】
図１０は、図９に示す位相変調器１００を図中Ａ−Ａ’面で切断した断面の層構造を説明するための図である。但し、Ａ−Ａ’面は、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂに沿って位相変調器１００を、絶縁性ＩｎＰ基板１０１に対して垂直に切断した際の断面である。
【００８３】
図１０に示す断面構造を参照すると、微小光変調器１００Ａとギャップ領域１００Ｂとが、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂで構成される光軸上に交互に配列されている。また、Ａｕメッキ電極１０８は、ギャップ領域１００Ｂ上でエアブリッジの形状となり、メサとの間に空間１０７が形成される。また、本実施例においてＡｕメッキ電極１０８は、微小光変調器１００Ａ上とギャップ領域１００Ｂ上とで厚さが一様となるように形成されている。
【００８４】
ここで、微小光変調器１００Ａの光軸に沿った長さを５０μｍとし、ギャップ領域１００Ｂの光軸に沿った長さを７０μｍとする。但し、微小光変調器１００Ａの長さは、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂに入射させる光の波長に基づいて決定されるものである。本実施例では、微小光変調器１００Ａの長さが入射光の波長の４分の１よりも長くなるように形成されるとよい。また、ギャップ領域１００Ｂの長さは、位相変調器１００全体の長さ及び個々の微小光変調器１００Ａの長さや、個々のギャップ領域１００Ｂにおける電気容量等に基づいて決定されるものである。
【００８５】
本実施例において、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂは、膜厚が０．５μｍのＭＱＷ層から成る。このＭＱＷ層は、膜厚が１０ｎｍのアンドーピングであるＩｎＰ障壁層と、膜厚が１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ井戸層と、のＭＱＷから形成されている。本実施例において、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層の総数は２５層とする。
【００８６】
また、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの下側、即ち、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂとｎ−ＩｎＰクラッド層１０２との間には、膜厚が０．５μｍのｉ−ＩｎＰ層１０３ａが形成される。このｉ−ＩｎＰ層１０３ａは、微小光変調器１００Ａにおける単位長さあたりの電気容量が、必要以上に大きくなることを防止するために設けられるものである。
【００８７】
以上、説明したｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂとｉ−ＩｎＰ層１０３ａとｎ−ＩｎＰクラッド層１０２とは、微小光変調器１００Ａとギャップ領域１００Ｂとに渡って一様に形成される。
【００８８】
また、微小光変調器１００Ａにおいてｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの上側、即ち、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂとＡｕメッキ電極（シグナル）１０８ｂとの間には、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０５ａとｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５ｂとが形成される。これに対し、ギャップ領域１００Ｂにおいてｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの上側、即ち、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂとＡｕメッキ電極（エアブリッジ）１０８ａとの間には、ＳＩ−ＩｎＰ層１０６と空間１０７とが形成される。ここで、ＳＩ−ＩｎＰ層１０６は、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの両側に形成されたＳＩ−ＩｎＰ層１０４と一体である。
【００８９】
また、図９からも明らかなように、Ａｕメッキ電極（エアブリッジ）１０８ａとＳＩ−ＩｎＰ層１０６とは、空間１０７を介することで接触していない。但し、空間１０７内は、真空であっても空気やその他の所定の気体が封入されても構わない。
【００９０】
次に、図１１（Ｂ−Ｂ’断面図）及び図１２（Ｃ−Ｃ’断面図）を用いて、微小光変調器１００Ａ及びギャップ領域１００Ｂの層構造をより詳細に説明する。
【００９１】
図１１に示すように、本実施例による微小光変調器１００Ａは、絶縁性ＩｎＰ基板１０１上にｎ−ＩｎＰクラッド層１０２が形成される。このｎ−ＩｎＰクラッド層１０２は、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂ及びｉ−ＩｎＰ層１０３ａと重なる領域が凸状に形成される。本実施例において、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂ及びｉ−ＩｎＰ層１０３ａの幅を１．５μｍとする。従って、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０２の凸部分の幅も１．５μｍとなる。また、ｉ−ＩｎＰクラッド層１０２の凸部分での厚さを２．０μｍとし、凸部分以外での厚さを１．５μｍとする。
【００９２】
ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂ及びｉ−ＩｎＰ層１０３ａ及びｎ−ＩｎＰクラッド層１０２の凸部分の両側には、高さ４．０μｍのＳＩ−ＩｎＰ層１０４が形成される。更に、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの上面には、膜厚２．０μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層１０５ａと、膜厚０．５μｍのｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５ｂと、が２つのＳＩ−ＩｎＰ層１０４で挟まれた領域に納まるよう形成され、上面が平らなメサが形成される。但し、本実施例では、形成されたメサの幅が６．０μｍとなるように各ＳＩ−ＩｎＰ層１０４の幅を決定する。
【００９３】
更に、このメサの上面には、厚さが５．０μｍのＡｕメッキ電極（シグナル）１０８ｂが形成される。このＡｕメッキ電極（シグナル）１０８ｂは、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５ｂとオーミック性のコンタクトを有する。
【００９４】
また、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０２において、メサから１０．０μｍ離間された領域には、膜厚３．０μｍのＡｕメッキ電極（グランド）１０９が形成される。
【００９５】
ここで、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０５ａとｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５ｂとｎ−Ｉｎｐクラッド層１０２とは、ドーピング濃度をそれぞれ１．５×１０１８／ｃｍ３，２．０×１０１９／ｃｍ３，１．０×１０１８／ｃｍ３と、比較的大きな値とすることで、電気電導性が高められている。
【００９６】
この構成において、電位差をＡｕメッキ電極１０８とＡｕメッキ電極（グランド）１０９との間に与えると、生じる電界の大部分が、微小光変調器１００Ａにおける光導波路のコア層を成すｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂとこれの直下にあたるｉ−ＩｎＰ層１０３ａとに集中する。これは、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂとｉ−ＩｎＰ層１０３ａとが略絶縁体でありｎ−ＩｎＰクラッド層１０２が導電体であると見なせるためである。また、このように発生した電界は、微小光変調領域１００Ａにおけるｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂとｉ−ＩｎＰ層１０３ａとに一様に分布する。
【００９７】
また、図１２に示す本実施例によるギャップ領域１００Ｂの層構造において、絶縁性ＩｎＰ基板１０１とｎ−ＩｎＰクラッド層１０２とｉ−ＩｎＰ層１０３ａとｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂとＡｕメッキ電極（グランド）１０９とは、図１１に示すものと同様である。
【００９８】
但し、メサ部分において、ｎ−ＩｎＰ層１０２の凸部分及びｉ−ＩｎＰ層１０３ａとｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂとは、図１２に示すように、ＳＩ−ＩｎＰ層１０４及び１０６で囲まれるよう構成される。ここで、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂ上面に形成されるＳＩ−ＩｎＰ層１０６の膜厚を２．５μｍとする。
【００９９】
このようにＡｕメッキ電極（エアブリッジ）１０８ａとｎ−ＩｎＰクラッド層１０２又はＡｕメッキ電極（グランド）１０９との間に、絶縁性のＳＩ−ＩｎＰ層１０６を形成することで、Ａｕメッキ電極１０８とＡｕメッキ電極（グランド）１０９とに電位差を与えた際に発生する電界が微小光変調領域１００Ａと比較して小さくなるよう構成する。
【０１００】
更に、メサ上部には、高さ１２．０μｍの空間１０７を隔てて、Ａｕメッキ電極（エアブリッジ）１０８ａが形成される。
【０１０１】
この構成において、電位差をＡｕメッキ電極１０８とＡｕメッキ電極（グランド）１０９との間に与えると、生じる電界が、メサ上部のＡｕメッキ電極（エアブリッジ）１０８ａと、Ａｕメッキ電極１０９或いはｉ−ＩｎＰ層１０３ａ下部のｎ−ＩｎＰクラッド層１０２との間に広く概ね一様に分布するため、発生した電界は微小光変調器１００Ａに比較して、ギャップ領域１００Ｂでは弱い電界となる。
【０１０２】
このように、微小光変調器１００Ａとギャップ領域１００Ｂとにおいて、グランド−シグナル両電極間（１０９，１０８ａ又は１０８ｂ）の距離が異なる層構造、即ち、ギャップ領域１００Ｂにおけるグランド−シグナル両電極間（１０９，１０８ａ）の距離が、微小光変調器１００Ａにおけるグランド−シグナル両電極間（１０９，１０８ｂ）の距離よりも長い構造を有することにより、ギャップ領域における電気容量を、微小光変調器１００Ａに比較して小さな値とする事が可能となる。且つ、ギャップ領域１００Ｂにおける電気容量が素子全体のインピーダンスに反映されることでその値が改善された位相変調器を構成することが可能となる。
【０１０３】
〈位相変調器１００の製造工程〉
次に、本実施例による位相変調器１００の製造工程について、以下に図９から図１８を用いて詳細に説明する。
【０１０４】
図１３を参照すると、この製造工程では、まず、高抵抗の絶縁性ＩｎＰ基板１０１を用意し、この基板１０１上にＭＯＶＰＥ法（有機金属気相エピタキシャル：Metal Organic Vapor Phase Epitaxial）を用いて、ｎ型ＩｎＰ層（ｎ−ＩｎＰクラッド層１０２），アンドープＩｎＰ層（ｉ−ＩｎＰ層１０３ａ），アンドーピング多重量子井戸層（ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂ），ｐ型ＩｎＰ層（ｐ−ＩｎＰクラッド層１０５ａ），ｐ型ＩｎＧａＡｓ層（ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５ｂ）を、順次形成する。これにより、図１３に示すような層構造を有するウェハが形成される。
【０１０５】
また、この際、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０２の膜厚を２．０μｍとし、ｉ−ＩｎＰ層１０３ａの膜厚を０．５μｍとし、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの膜厚を０．５μｍとし、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０５ａの膜厚を２．０μｍとし、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５ｂの膜厚を０．５μｍとする。
【０１０６】
更に、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０２のドーピング濃度を１．０×１０１８／ｃｍ３とし、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０５ａのドーピング濃度を１．５×１０１８／ｃｍ３とし、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５ｂのドーピング濃度を２．０×１０１９／ｃｍ３とする。但し、本実施形態において、ｎ型の半導体にドーピングする材料としては、ＳｅやＳｉ等のｎ型不純物元素を用い、また、ｐ型の半導体にドーピングする材料としては、ＺｎやＭｇ等のｐ型不純物元素が用いられる。
【０１０７】
次に、図１４の工程で、上記のように形成したウェハの表面（ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５ｂ側）にＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜を堆積し、フォトレジストを形成する。その後、この形成したフォトレジストを用いたリソグラフィ法（フォトリソグラフィ）により所定のマスク形状にパターニングする。
【０１０８】
上記のように所定形状のマスクが形成されたウェハは、次にＳｉＣｌ４とＡｒとの混合ガスによるプラズマを用いたドライエッチング処理が施される。但し、このエッチングは、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの表面までとする。これにより、図１４に示す層構造を有するウェハが形成される。
【０１０９】
次に、図１５の工程で、上記のようなエッチングによりｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５ｂとｐ−ＩｎＰクラッド層１０５ａとが除去され、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂが剥き出しになった領域に対し、ＭＯＶＰＥ法により高抵抗のＳＩ−ＩｎＰ層１０６を形成する。この際、ＳＩ−ＩｎＰ層１０６は、その層１０６の最上面が、エッチングされていない領域に残存するｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５ｂの最上面と同程度の高さとなるまで成長させる。これにより、図１５に示すような層構造を有するウェハが形成される。
【０１１０】
ここで、エッチングされた領域のみにＳＩ−ＩｎＰ層１０６を成長させるために、上記のマスクを、ＳｉＯ２膜のような誘電体を用いて形成する。これは、ＭＯＶＰＥ法において、半導体上に形成された誘電体上には半導体が成長しないことを利用するためである。また、上記のようにＳＩ−ＩｎＰ層１０６が形成された後、マスクはバッファドフッ酸により除去される。
【０１１１】
また、図１５において、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０５ａがエッチングされずに残っている領域の光軸方向の長さと、ＳＩ−ＩｎＰ層１０６が形成された領域の光軸方向の長さとは、それぞれ５０μｍ，７０μｍである。
【０１１２】
次に、図１６の工程で、ウェハにおけるｐ−ＩｎＰクラッド層１０５ａ及びＳＩ−ＩｎＰ層１０６が形成された面には、再度、ＳｉＯ２膜を用いたフォトレジストが全面に形成され、フォトリソグラフィによるパターニングが施されて、所定のマスクが形成される。
【０１１３】
その後、所定形状のマスクが形成されたウェハに対して、ＳｉＣｌ４とＡｒとの混合ガスによるプラズマを用いたドライエッチング処理を施し、ＭＱＷから成るｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂと、ｉ−ＩｎＰ層１０３ａと、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０５ａ及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５ｂ,又はＳＩ−ＩｎＰ層１０６と、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０２の上面と、をメサ状に加工する。
【０１１４】
この際、形成されるメサの幅を１．５μｍとし、高さを４．０μｍとする。これにより、図１６に示す層構造を有するウェハが形成される。
【０１１５】
その後、図１７の工程で、メサが形成されたウェハに対し、ＭＯＶＰＥ法による結晶成長を用いてメサ部分以外に高抵抗のＳＩ−ＩｎＰ層１０４をメサと同程度の高さまで形成する。これにより、図１７に示す層構造を有するウェハが形成される。
【０１１６】
この際、メサ上面には、上記のＳｉＯ２膜が積層されているため、ＳＩ−ＩｎＰ層１０４は形成されない。また、ＳＩ−ＩｎＰ層１０４を形成後に、メサ上部のマスクは上記と同様に除去される。
【０１１７】
その後、図１８の工程で、再度、ＳＩ−ＩｎＰ層１０４及びメサ上面に、ＳｉＯ２膜を用いたフォトレジストを形成し、これをフォトリソグラフィによるパターニングにより、所定のマスク形状に加工する。
【０１１８】
その後、所定形状のマスクが形成されたウェハ面に対して、ＳｉＣｌ４とＡｒとの混合ガスによるプラズマを用いたドライエッチング処理を施し、図１８に示すようなメサを形成する。この際、形成されるメサの幅を６．０μｍとする。また、高さは４．０μｍである。また、このようにメサを形成後、上記のマスクは上記と同様に除去される。
【０１１９】
但し、この工程で形成されるＳＩ−ＩｎＰ層１０４は、光導波路コア層上に設けるＡｕメッキ電極１０８の形成を容易にするために形成されるものである。従って、必要でなければ、このＳＩ−ＩｎＰ層１０４を形成する工程を削除することも可能である。
【０１２０】
次に、図９〜図１２の工程で、上記のようにメサが形成されたウェハに対して、Ａｕメッキ電極１０８及びＡｕメッキ電極（グランド）１０９を形成するために、メサが形成された面に対してフォトレジストを形成し、これをフォトリソグラフィにより所定のマスク形状にパターニングする。この際、形成される（少なくともメサ上面に形成される）マスクの厚さを１２．０μｍとする。これは、ギャップ領域におけるＡｕメッキ電極（エアブリッジ）がメサと離間される距離を１２．０μｍとするためである。
【０１２１】
このように所定形状のマスクが形成されたウェハに対して、Ａｕメッキプロセスを用いて、Ａｕメッキ電極１０８及びＡｕメッキ電極（グランド）１０９を形成する。この際、Ａｕメッキ電極１０８の膜厚を５．０μｍとする。また、幅は６．０μｍである。これに対し、Ａｕメッキ電極（グランド）１０９の膜厚は３．０μｍとする。
【０１２２】
但し、メサ上面にｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５ｂが残っている領域、即ち、微小光変調器１００Ａを形成する領域において、Ａｕメッキ電極（シグナル）１０８ｂとｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０５ｂとが、オーミック性のコンタクトとなるように、それぞれが接触するよう形成する。
【０１２３】
このように、Ａｕメッキ電極１０８及びＡｕメッキ電極（グランド）１０９を形成後、マスクを除去することで空間１０７が形成され、最終的に図９から図１２に示す位相変調器１００が得られる。
【０１２４】
以上のように形成した本実施例による位相変調器１００の作用について、図７を用いて以下に説明する。
【０１２５】
図７において実線は、本実施例による位相変調器１００から得られたｓ１１反射特性であり、破線は、図５に示す従来技術による進行波電極型の半導体光変調器から得られたｓ１１反射特性である。但し、ｓ１１反射特性とは、あるポート（これをポート１とする）から出力された電気信号が、同じポート（ポート１）に反射されて帰ってきた際の、出力電気信号と反射電気信号との強度比を示す特性である。
【０１２６】
但し、本実施例による位相変調器１００では、微小光変調器１００Ａ部分に電圧を印加したときの屈折率変化が大きくなるように、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂ及びｉ−ＩｎＰ層１０３ａの合計膜厚を１．０μｍと比較的薄くしている。
【０１２７】
ここで、従来技術による半導体光変調器におけるｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１１０３ｂ及びｉ−ＩｎＰ層１１０３ａの合計膜厚を本実施例と同様に１．０μｍとした場合、一様な断面構造を持つ従来の半導体光変調器では、単位長さあたりの電気容量が大きくなり、入力インピーダンスが所望の値（一般的には５０Ω）よりも小さくなってしまう。このため、入力側とのインピーダンス整合が図れず、入力高周波電気信号が駆動回路側（入力側）へ反射してしまい、素子特性が劣化する。
【０１２８】
これは、図７の破線に示すように、例えば０ＧＨｚから４０ＧＨｚまでの高周波電気信号に対して、従来技術による半導体光変調器のｓ１１反射特性が最高で略−５ｄＢと、高い値を示していることからも明らかである。
【０１２９】
これに対して、本実施例による位相変調器１００では、複数の微小光変調器１００Ａの間に単位長さあたりの電気容量が小さいギャップ器１００Ｂを設ける構造となっている。このため、素子全体としての入力インピーダンスを入力側のインピーダンスに整合させ易い構造となっており、入力される高周波電気信号の駆動回路側への反射を抑制することが可能となる。
【０１３０】
これは、図７の実線に示すように、例えば０ＧＨｚから４０ＧＨｚ付近までの高周波電気信号に対して、本実施例による位相変調器１００のｓ１１反射特性が約−１４ｄＢ以下と、従来技術と比較して大幅に低減されていることからも明らかである。従って、本実施例による位相変調器１００の反射特性が良好なものであると言える。
【０１３１】
また、図７に示すｓ１１反射特性は、有限要素法、境界要素法などの３次元シミュレータを用いて算出された値であり、本実施例で例示した構成及び寸法等は、このシミュレーションに基づいて構造の最適化を行なった結果として得られたものである。
【０１３２】
《第２の実施例》
次に、上記第１の実施例で示した位相変調器１００の他の実施例について、以下に第２の実施例として図面を用いて詳細に説明する。
【０１３３】
図１９は、本実施例による位相変調器２００の斜視図である。
【０１３４】
図１９を参照すると、位相変調器２００は、メサ上のＡｕメッキ電極２０８の形状が第１の実施例とは異なる。但し、Ａｕメッキ電極２０８を形成する前の構造及び作製工程は、第１の実施例と同様なものである。
【０１３５】
本実施例では、ギャップ領域２００Ｂにおけるメサ上のＡｕメッキ電極２０８がエアブリッジの形状を有しておらず、メサ上面に接する構造になっている。これにより、本実施例ではＡｕメッキ電極２０８を形成するプロセスを容易にしている。
【０１３６】
但し、ギャップ領域２００Ｂにおいてｉ−ＭＱＷ光導波路コア層２０３ｂ上面からＡｕメッキ電極２０８までの間に導電性半導体がない点では第１の実施例と同様である。そのため、本実施例においてもギャップ領域２００Ｂの電気容量は微小光変調器２００Ａの電気容量と比較して小さくなっている。
【０１３７】
このため、素子全体としての入力インピーダンスを入力側のインピーダンスに整合させ易い構造となっており、入力される高周波電気信号の駆動回路側への反射を抑制することが可能となる。
【０１３８】
また、本実施例によるメサ上のＡｕメッキ電極２０８の幅は、微小光変調器２００Ａ部分において６．０μｍ、ギャップ領域２００Ｂ部分において３．０μｍとする。
【０１３９】
《第３の実施例》
次に、上記第１の実施例で示した位相変調器１００の他の実施例について、以下に第３の実施例として図面を用いて詳細に説明する。
【０１４０】
図２０は本実施例による位相変調器３００の微小光変調器３００Ａの光軸に対して垂直な断面構造を示す図であり、図２１は位相変調器３００のギャップ領域３００Ｂの光軸に対して垂直な断面構造を示す図である。
【０１４１】
本実施例による位相変調器３００は、メサの形状が第１の実施例と異なる。但し、メサ形状以外は第１の実施例と共通であり、位相変調器３００全体の斜視図は図９と同様なものとなる。
【０１４２】
図２０を参照すると、位相変調器３００における微小光変調器３００Ａの層構造は、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層３０３上部のｐ−ＩｎＰクラッド層３０５ａとｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０５ｂとの幅が、メサに等しい幅まで広げられている点が実施例１と異なる。これにより、位相変調器３００Ａ部分の断面における素子抵抗を小さくしているだけでなく、メサ上のＡｕメッキ電極３０８ａ及び３０８ｂの形成を容易にしている。
【０１４３】
また、メサの側面を形成するＳＩ−ＩｎＰ層３０４の上面には、膜厚３．０μｍのｎ−ＩｎＰ層３０５ｃが形成される。これにより、Ａｕメッキ電極（シグナル）３０８ｂ及びＡｕメッキ電極（グランド）３０９に電位差を与えた際に生じる電界が、ｐ−ＩｎＰクラッド層３０５ａにおけるｉ−ＭＱＷ光導波路コア層３０３と接する面以外の部分に分散することを防止し、発生する電界を効率的にｉ−ＭＱＷ光導波路コア層３０３に集中させることが可能となる。
【０１４４】
また、本実施例によるギャップ領域３００Ｂの層構造は、図２１に示すように、第１の実施例によるギャップ領域１００Ｂの層構造と同様なものとなる。但し、上記の微小光変調器３００Ａの層構造と同様に、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層３０３下部にｉ−ＩｎＰ層が形成されていない。
【０１４５】
《第４の実施例》
次に、上記第１の実施例で示した位相変調器１００の他の実施例について、以下に第４の実施例として図面を用いて詳細に説明する。
【０１４６】
図２３は、本実施例による位相変調器４００の斜視図であり、図２２は、図２３に示す位相変調器４００に対してＡｕメッキ電極４０８及び４０９を形成する前の素子の斜視図である。
【０１４７】
図２２及び図２３を参照すると、本実施例による位相変調器４００では、ｎ−ＩｎＰクラッド層４０２に接するＡｕメッキ電極（グランド）４０９が、ｉ−ＩｎＰ層４０３ａとｉ−ＭＱＷ光導波路コア層４０３ｂとｐ−ＩｎＰクラッド層４０５ａとｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層４０５ｂとから成るメサの片側のみに形成されている点において第１の実施例と異なる。また、位相変調器４００では、メサの反対側でｎ−ＩｎＰクラッド層４０２の大部分が除去されており、替わりに高抵抗のＳＩ−ＩｎＰ層４０４がメサ上面と同じ高さまで形成されている。
【０１４８】
このような層構造において、微小位相変調器４００Ａ部分では、第１の実施例と同様にｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層４０５ｂの上部にＡｕメッキ電極４０８が形成されている。これに対し、ギャップ領域４００Ｂでは、Ａｕメッキ電極４０８がメサ脇（Ａｕメッキ電極（グランド）４０９）と反対側）へ迂回するように、高抵抗のＳＩ−ＩｎＰ層４０４の上面に形成されている。
【０１４９】
このように構成することで、本実施例では、ｎ−ＩｎＰクラッド層４０２とＡｕメッキ電極（グランド）４０９との距離を大きくとり、ギャップ領域４００Ｂにおける電気容量を低減している。従って、本実施例による位相変調器４００によれば、素子の入力インピーダンスをより大きい値に調整することが可能となる。
【０１５０】
その他の構成は、第１の実施例と同様であるため、本実施例では説明を省略する。
【０１５１】
《第５の実施例》
次に、上記第１の実施例で示した位相変調器１００の他の実施例について、以下に第５の実施例として図面を用いて詳細に説明する。
【０１５２】
図２５は、本実施例による位相変調器５００の斜視図であり、図２４は、図２５に示す位相変調器５００に対してＡｕメッキ電極５０８を形成する前の素子の斜視図である。
【０１５３】
図２４及び図２５を参照すると、本実施例による位相変調器５００では、位相変調器５００では、ｎ型のＩｎＰ基板（ｎ型ＩｎＰ基板５０２）を用いており、Ａｕメッキ電極（グランド）５０９が基板の裏面（ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層５０３ｂが形成される面の反対）に形成されている。
【０１５４】
また、位相変調器５００において、微小光変調器５００Ａ部分では、実施例１と同様にｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０５ｂの上部にＡｕメッキ電極５０８が形成されている。これに対して、ギャップ領域５００Ｂでは、Ａｕメッキ電極５０８がｉ−ＩｎＰ層５０３ａとｉ−ＭＱＷ光導波路コア層５０３ｂとｐ−ＩｎＰクラッド層５０５ａとｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０５ｂとから成るメサ脇へ迂回するように高抵抗のＳＩ−ＩｎＰ層５０４の上面に形成されている。
【０１５５】
更に、本実施例において、Ａｕメッキ電極４０８が迂回する方向をメサを挟んで交互に変化させている。これにより、ギャップ領域に形成したＡｕメッキ同士の相互インダクタンスの影響を減じることが可能となる。
【０１５６】
《第６の実施例》
また、上記各実施例で例示した位相変調器が形成された半導体チップと同一の半導体チップに、半導体レーザを形成し、半導体レーザが一体形成された半導体チップを製造することも可能である。
【０１５７】
本実施例で提供される半導体チップの光軸方向に、半導体基板に対して垂直に切断した場合の層構造を図２６に示す。
【０１５８】
図２６を参照すると、レーザダイオード（ＬＤ）１００Ｄと、微小光変調器１００Ａ及びギャップ領域１００Ｂより成る位相変調器１００とがアイソレーション領域１００Ｃを介して光学的に接続されている。
【０１５９】
アイソレーション領域１００Ｃに着目すると、絶縁性ＩｎＰ基板１０１とｎ−ＩｎＰクラッド層１０２とｉ−ＩｎＰ層１０３ａとｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂとが、ＬＤ１００Ｄから位相変調器１００まで、それぞれ同一の上下方向の位置に形成されている。ＬＤ１００ＤにおけるＭＱＷ層は、発振波長が１．５５μｍになる様に構造が設定される。
【０１６０】
また、アイソレーション領域１００Ｃにおけるｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの上には、ＳＩ−ＩｎＰ層１０６ａが積層されている。
【０１６１】
このように、本実施例による光半導体素子では、ＬＤ１００Ｄと位相変調器１００とを光学的に接続するｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの上面に、半絶縁体層であるＳＩ−ＩｎＰ層１０６ａが形成され、ＬＤ１００Ｄと位相変調器１００とが電気的に分離される構成となっている。
【０１６２】
但し、本実施例では、図２６のように、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの例えば上面に半絶縁体層を設ける構成でなく、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの下部や、その両方に、半絶縁体層や誘電体層や空気又は真空等の層、又はこれらのうち何れか２つ以上で構成された複数の層により、ＬＤ１００Ｄと位相変調器１００とを電気的に分離するよう構成してもよい。
【０１６３】
これにより、本実施例では、ＬＤ１００Ｄや半導体光変調器１００に電気信号を入力した際に、各々における相互作用が改善された半導体レーザを含む光半導体素子を実現することができる。
【０１６４】
《第７の実施例》
また、本実施例において、図１に示すマッハツェンダ型光変調器の例えば２つのアームの両方に位相変調器を設けた場合の、位相変調器１００間で発生する相互作用を改善する構成を図面を用いて詳細に説明する。
【０１６５】
図２７は、図１に示すマッハツェンダ型光変調器１０００において、位相変調器１１００として、第１の実施例に示す光変調器１００を適用した場合の、カプラ１００３及び位相変調器１１００間の、光導波路１００４に沿った素子の層構造を示す断面図である。
【０１６６】
図２７を参照すると、光カプラ１００３と、微小光変調器１００Ａ及びギャップ領域１００Ｂより成る位相変調器１００とがアイソレーション領域１００Ｅを介して光学的に接続されている。
【０１６７】
アイソレーション領域１００Ｃに着目すると、絶縁性ＩｎＰ基板１０１とｎ−ＩｎＰクラッド層１０２とｉ−ＩｎＰ層１０３ａとｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂとが、光カプラ１００３の出力端から位相変調器１００まで、それぞれ同一層として形成されている。
【０１６８】
また、アイソレーション領域１００Ｃにおけるｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの上には、ＳＩ−ＩｎＰ層１０６ｂが積層されている。
【０１６９】
このように、本実施例による光半導体素子では、光カプラ１００３と位相変調器１００とを光学的に接続するｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの上面に、半絶縁体層であるＳＩ−ＩｎＰ層１０６ｂが形成され、光カプラ１００３と位相変調器１００とが電気的に分離される構成となっている。
【０１７０】
但し、本実施例では、図２７のように、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの例えば上面に半絶縁体層を設ける構成でなく、ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの下部や、その両方に、半絶縁体層や誘電体層や空気又は真空等の層、又はこれらのうち何れか２つ以上で構成された複数の層により、光カプラ１００３と位相変調器１００とを電気的に分離するよう構成してもよい。
【０１７１】
また、上記説明では、位相変調器１１００と光カプラ１００３との接続部分のみに着目して説明しているが、本実施例では、位相変調器１１００と光カプラ１００５や、もう一方の光導波路１００４（図１中位相変調器１１００が設けられていない光導波路１００４）上に構成された位相変調器１００と光カプラ１００３及び１００５との間における層構造も、上記図２７と同様の層構造となる。
【０１７２】
これにより、本実施例では、光カプラ１００３から分岐する各光導波路１００４上にそれぞれ設けられた半導体光変調器１００に電気信号を入力した際の、各々における相互作用が改善されたマッハツェンダ型光変調器を実現することができる。
【０１７３】
《第８の実施例》
以上、説明した各実施例は、本発明による半導体光変調器を位相変調器に適用した場合についてのものであるが、これを例えば吸収型の光変調器に適用することも可能である。これは、各実施例において、入射光の導波路であるｉ−ＭＱＷ光導波路コア（層）のＭＱＷとして、その発光波長が変調させたい光の波長に近いものを用いることで実現されるものである。
【０１７４】
図２８に本実施例による電界吸収型光変調器８００の光軸に平行な方向の断面図を示す。本実施例においては図２８の断面を有す一本の光導波路構造により電界吸収型の光変調器が構成される。図２８においては、３つの微小電界吸収型光変調器８００Ａを間に絶縁領域８００Ｂを挟んで接続している。微小電界吸収型光変調器８００Ａと絶縁領域８００Ｂとの長さはそれぞれ５０．０μｍ，８０．０μｍとなっている。また、素子の両端には光入出力領域８００Ｅが１５０．０μｍずつ設けられている。図２８から分かるように、本実施例ではＩ−ＭＱＷ光導波路コア層８０３ｂの膜厚は０．３μｍとなっている。このＭＱＷの発光波長は１．５０μｍに設定されている。また、井戸層の層数は１５層である。井戸層はＩｎＧａＡｓＰ、バリア層はＩｎＰにてそれぞれ形成されている。本実施例においては、Ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層８０３ｂの下部にはｎ−ＩｎＰクラッド層１０２がコア層８０３ｂに接して形成されている。本実施例において、微小電界吸収型光変調器８００Ａと絶縁領域８００Ｂとの光軸に垂直な方向の断面の様子は、Ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層８０３ｂの膜厚と、コア層８０３ｂ下部にｉ−ＩｎＰ層１０３ａが形成されていないことを除いて、第１の実施例において説明した図１１，図１２のものと同様である。
【０１７５】
次に、本実施例の作用について説明する。まず、本実施例においては、微小電界吸収型光変調器の全長（８００Ａを合計した長さ）を１５０．０μｍと十分に大きくとっている。これにより、本実施例の素子を変調動作させる際の駆動電圧を小さくすることができる。ここで、本実施例においては、微小電界吸収型光変調器８００Ａの間に、電気容量の小さい絶縁領域８００Ｂを形成していることで、素子全体の入力インピーダンスを５０Ωあるいは所望の値に近付けることができる。これにより素子に入力される電気信号の駆動回路への反射を抑えることができ、良好な変調特性を得ることができる。
【０１７６】
《第９の実施例》
また、本発明による半導体光変調器のその他の実施例について説明する。図２９は、本発明の第９の実施例による半導体光変調器９００の光軸に平行な方向の断面図である。また、図３０は、半導体光変調器９００の光軸に垂直な方向の断面図である。これらの図から分かるように、本実施例においてはｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂの上部には光軸に平行な方向にｐ−ＩｎＰクラッド層９０５ａとｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層９０５ｂとが一様に形成されている。一方、Ａｕメッキ電極（シグナル）９０８については第１の実施例と同様に、微小光移動変調器９００Ａ領域においてｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層９０５ｂに接して形成されているのに対して、絶縁領域９００Ｂにおいてはｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層９０５ｂから浮いて形成されている。その他の構造については第１の実施例にて説明した構造と同様である。
【０１７７】
本実施例の製造方法は第１の実施例で説明した方法と同様である。但し、本実施例においては第１の実施例において図１４，図１５を用いて説明した製造工程は省かれて行われる。
【０１７８】
次に本実施例の作用について説明する。本実施例においては、絶縁領域９００Ｂのｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂ上部には導電性の半導体が形成されている。このため、本素子を高周波電気信号により変調動作した場合、この部分に生じる電界は小さい。この場合、第１の実施例にて説明した構造に比較すると、絶縁領域９００Ｂのｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂに生じる電界は大きくなり、そのためこの領域の第１の実施例に比較して電気容量は大きくなる。しかしながら、この場合でも、絶縁領域９００ＢのＡｕメッキ電極（シグナル）９０８はｉ−ＭＱＷ光導波路コア層１０３ｂを内包するメサ上面から離れて形成されているので、このＡｕメッキ電極（シグナル）９０８がメサ上面に接して形成された微小光変調器９００Ａ領域に比較すると、この絶縁領域９００Ｂの電気容量は小さくなる。したがって、本実施例においても、やはり電気容量の大きい微小光変調器９００Ａと、電気容量の小さい絶縁領域９００Ｂとが交互に連結されている事となり、素子全体の入力インピーダンスを５０Ωあるいは所望の値に近付けることができる。また、本実施例においては、前述のように第１の実施例の素子構造に比較して図１４，図１５で示した工程を省略することができる。このため、第１の実施例に比較すると製造が簡便になるという利点が得られる。
【０１７９】
また、図２９，図３０では光導波路コア層上部の導電性半導体が、微小光変調器９００Ａ領域と絶縁領域９００Ｂとで一様に形成されているが、他の実施例においては、この導電性半導体の上部の一部分のみを取り除き、真空，気体，誘電体，半絶縁性半導体の少なくとも一つと置き換えてもよい。この場合は一様に導電性半導体が形成された場合に比較して、絶縁領域９００Ｂの電気容量はより小さくなり、このためより第１の実施例に近い効果が得られる。
【０１８０】
《他の実施例》
また、本発明において、金属電極（シグナル）と金属電極（グランド）とは、入れ換えることが可能なものである。但し、この際、各位相変調器におけるｎ−ＩｎＰクラッド層（１０２，２０２，３０２，４０２）及びｐ−ＩｎＰクラッド層（１０５ａ，２０５ａ，３０５ａ，４０５ａ，５０５ａ）及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層（１０５ｂ，２０５ｂ，３０５ｂ，４０５ｂ，５０５ｂ）及びｎ型ＩｎＰ基板５０２の特性は、それぞれ入れ換えられ、ｐ−ＩｎＰクラッド層，ｎ−ＩｎＰクラッド層，ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層，ｐ型ＩｎＰ基板となる。
【０１８１】
更に、上記各実施例におけるギャップ領域では、金属配線（シグナル）と光導波路コア層とが、所定の絶縁体層で電気的に分離される構成となっているが、これを金属配線（シグナル）及び金属配線（グランド）双方に適用することも可能である。
【０１８２】
また、上記した各実施例は、本発明を好適に実施した形態の一例に過ぎず、本発明は、その主旨を逸脱しない限り、種々変形して実施することが可能なものである。
（付記１）
半導体基板表面上に光軸に対応して形成された光導波路と、
前記半導体基板上に形成された少なくとも２種類の光変調器とを有し、
少なくとも２種類の前記光変調器を光導波路上に複数配列させたことを特徴とする半導体光変調器。
（付記２）
前記光変調器は、第１の電気容量で且つ第１の素子長として形成された第１の光変調器と、第２の電気容量で且つ第２の素子長として形成された第２の光変調器とを含み、
前記第２の光変調器を介して隣接する前記第１の光変調器は、金属配線により電気的に接続され、
前記第２の電気容量は、前記第１の電気容量よりも小さいことを特徴とする付記１記載の半導体光変調器。
（付記３）
前記第１の光変調器は、印加された電圧に基づいて前記光導波路内に電界を発生させる電界発生手段を有し、
該電界発生手段は、
バイアスの電圧が印加される第１及び第２の電極と、
該第１又は第２の電極に前記バイアスの電圧を印加することで発生する電界を、前記光導波路に集中させる導電性半導体層とより成り、
該導電性半導体層は、前記光導波路の上下、少なくとも一方に形成されていることを特徴とする付記２記載の半導体光変調器。
（付記４）
前記半導体基板は、光軸に対して平行に延在するメサ構造を有し、
前記光導波路は、前記メサ構造の内部に形成され、
前記第１の光変調器に形成される第１の電極が前記メサ構造上に形成されることを特徴とする付記２記載の半導体光変調器。
（付記５）
前記光導波路は、光を伝搬するコア層の側面に、第１及び第２の半絶縁性半導体層が形成されたことを特徴とする付記４記載の半導体光変調器。
（付記６）
前記金属配線は、前記第２の光変調器の領域において前記光軸から所定方向に曲折した形状を成すことを特徴とする付記２から５のいずれか１項に記載の半導体光変調器。
（付記７）
前記第２の光変調器の領域における前記金属配線と前記光導波路との間に、所定の気体，真空，誘電体，半絶縁性半導体の内、少なくとも１つ以上より成る層が形成されていることを特徴とする付記２から６のいずれか１項に記載の半導体光変調器。
（付記８）
前記光導波路を介して前記第１又は第２の光変調器と光学的に接続された半導体レーザを有し、
該半導体レーザが前記半導体基板上に形成されることを特徴とする付記１記載の半導体光変調器。
（付記９）
入射光を第１及び第２の光路に分岐する第１のカプラと、
前記第１の光路を構成する第１の光導波路と、
前記第２の光路を構成する第２の光導波路と、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とを結合する第２のカプラと、
少なくとも前記第１の光導波路上に形成された請求項１から７のいずれかに記載の半導体光変調器と、
を有することを特徴とするマッハツェンダ型光変調器。
（付記１０）
第１の導電型を有する第１の半導体層上に光導波路層を形成する第１の工程と、
前記光導波路層上に第２の導電型を有する第２の半導体層を形成する第２の工程と、
前記第２の半導体層をパターニングして、所定間隔で繰り替えされる凹部を形成する第３の工程と、
前記凹部を半絶縁性半導体層で充填する第４の工程と、
前記第２の半導体層と前記半絶縁性半導体層とが所定間隔毎に繰り返される面をパターニングして、メサ構造を形成する第５の工程と、
前記メサ上に、前記第２の半導体層と接する金属配線を形成する第６の工程と、
を有することを特徴とする半導体光変調器の製造方法。
（付記１１）
前記第１の素子長は、前記光導波路内を伝搬させる高周波電気信号の波長の４分の１以下であることを特徴とする付記２記載の半導体光変調器。
（付記１２）
前記第１及び第２の光変調器と前記光導波路とは、単一の半導体基板上に集積されて形成されることを特徴とする付記２記載の半導体光変調器。
（付記１３）
前記金属配線は、前記第２の光変調器の領域においてエアブリッジの形状を成すことを特徴とする付記２記載の半導体光変調器。
（付記１４）
前記第１の光変調器は、前記第２の電極を２つ有し、
該第２の電極は、前記第１の電極を中心として前記半導体基板表面上に左右対象に形成されることを付記３記載の半導体光変調器。
（付記１５）
前記第１及び第２の光変調器が形成される前記半導体基板は、導電性のｎ型又はｐ型半導体基板であり、
前記第２の電極は、前記半導体基板の裏面に形成されることを特徴とする付記３記載の半導体光変調器。
（付記１６）
前記光導波路は、内部に発生された電界に基づいて、前記光の位相を変化させる、又は、該電界に基づいて前記光を吸収することを特徴とする付記２記載の半導体光変調器。
（付記１７）
前記第１の電極は、前記メサ構造の両側に形成された前記第１及び第２の半絶縁性半導体層を架橋するように設けられたことを特徴とする付記５記載の半導体変調器。
（付記１８）
所定の第１の光変調器に光が入力されてから該所定の第１の光変調器に隣接する次の第１の光変調器へ光が伝搬するまでの時間ｔｏと、前記所定の第１の光変調器に電気信号が入力されてから前記次の第１の光変調器へ電気信号が伝搬するまでの時間ｔｅと、の関係が、
ｔｏ＝ｔｅ
となることを特徴とする付記２記載の半導体光変調器。
（付記１９）
前記半導体基板は、ＩｎＰ又はＧａＡｓを用いて形成され、
前記光導波路は、前記ＩｎＰ又はＧａＡｓと格子整合する材料、又は、該ＩｎＰ又はＧａＡｓに対して１．０パーセント以内の格子不整合である材料を用いて形成されることを特徴とする付記１記載の半導体光変調器。
（付記２０）
前記第２の光変調器の領域における前記金属配線と前記光導波路との間に、アンドーピングな、又は、FeがドーピングされたＩｎＰ又はＧａＡｓから成る第３の半絶縁性半導体層を有することを特徴とする付記２記載の半導体光変調器。
（付記２１）
前記第１の光変調器の光軸方向の長さが、３０μｍ以上２００μｍ以下であり、前記第２の光変調器の光軸方向の長さが、１５μｍ以上６５０μｍ以下であることを特徴とする付記２記載の半導体光変調器。
（付記２２）
前記第１の光変調器の光軸方向の長さと、前記第２の光変調器の光軸方向の長さ、の比が、１：０．５から１：３．５の範囲内であることを特徴とする付記２記載の半導体光変調器。
（付記２３）
前記光導波路における光を伝搬するコア層は、ＩｎＧａＡｓＰを井戸層とする多重量子井戸層から成り、
前記光導波路は、真空中において波長が１．５０μｍから１．６０μｍの光に対する等価屈折率が３．２から３．３であることを特徴とする付記１記載の半導体光変調器。
（付記２４）
前記第１の光変調器内の前記光導波路における光を伝搬するコア層は、絶縁性半導体層に内包され、
該絶縁性半導体層は、膜厚が０．５μｍから２．０μｍであり、幅が１．０μｍから３．０μｍであることを特徴とする付記２記載の半導体光変調器。
（付記２５）
前記メサ構造に内包された前記光導波路上に導電性半導体層が形成され、
前記第１の光変調器における第１の電極は、前記導電性半導体層上に形成され、
前記導電性半導体層は、前記第１の電極に面する側の幅が、前記光導波路の幅よりも広く形成されることを特徴とする付記４記載の半導体光変調器。
（付記２６）
前記金属配線は、膜厚が２．０μｍから１０．０μｍで、幅が３．０μｍから８．０μｍの配線として形成され、
前記エアブリッジの形状は、前記第２の光変調器の領域における前記金属配線の一部又は全部が、該第２の光変調器と接触又は広くとも１２．０μｍ離間された形状であることを特徴とする付記１３記載の半導体光変調器。
（付記２７）
前記金属配線は、前記メサ構造上に連続して延在することを特徴とする付記４記載の半導体光変調器。
（付記２８）
前記半導体レーザと前記第１又は第２の光変調器との間に、該半導体レーザと該第１又は第２の光変調器とを電気的に切断するアイソレーション領域を有することを特徴とする付記８記載の半導体光変調器。
（付記２９）
前記半導体光変調器は、前記第１及び第２の光導波路上に各々設けられ、
前記第１又は第２のカプラと前記半導体光変調器との間に、該第１又は第２のカプラと前記第１又は第２の光導波路上に設けられた前記半導体光変調器とを電気的に切断するアイソレーション領域を有することを特徴とする付記９記載のマッハツェンダ型光変調器。
（付記３０）
前記アイソレーション領域において、光導波路の上部に、気体，真空，誘電体，半絶縁性半導体の内、少なくとも１つ以上よりなる層が形成されていることを特徴とする付記２８又は２９に記載の半導体光変調器。
（付記３１）
前記第６の工程は、前記第５の工程で作成された前記メサ構造の両側に、所定幅の半絶縁性半導体層を形成した後、前記金属配線を形成することを特徴とする付記１０記載の半導体光変調器の製造方法。
【発明の効果】
【０１８３】
以上、説明したように、本発明によれば、素子からの高周波電気信号の反射を抑えて、かつ、駆動電圧を小さくすることを可能にする半導体光変調器を提供することが可能となる。
【０１８４】
更に、本発明によれば、複数の第１の光変調器において累積的に光を変調する半導体光変調器において、素子全体の入力インピーダンスが電気容量の小さい第２の光変調器に基づいて決定されるよう構成することが可能となるため、素子からの高周波電気信号の反射を抑えて、かつ、駆動電圧を小さくすることが可能となる。
【０１８５】
更に、本発明によれば、素子からの高周波電気信号の反射を抑えて、かつ、駆動電圧を小さくすることを可能にする半導体光変調器において、印加された電圧により発生する電界を光導波路に集中させることが可能となるため、より駆動電圧を抑え、且つ素子長が短く構成された半導体光変調器を提供することが可能となる。
【０１８６】
更に、本発明によれば、素子からの高周波電気信号の反射を抑えて、かつ、駆動電圧を小さくすることを可能にする半導体光変調器において、印加された電圧により発生する電界を効率的に光導波路に集中させることが可能となるため、より駆動電圧を抑え、且つ素子長が短く構成された半導体光変調器を提供することが可能となる。
【０１８７】
更に、本発明によれば、素子からの高周波電気信号の反射を抑えて、かつ、駆動電圧を小さくすることを可能にする半導体光変調器において、メサ上部に形成する金属配線を容易に形成することが可能となる。
【０１８８】
更に、本発明によれば、第２の光変調器の電気容量をより低減させることが可能となるため、素子全体の入力インピーダンスをより容易に、外部回路のインピーダンスにマッチングさせることが可能となる。
【０１８９】
更に、本発明によれば、第２の光変調器の電気容量をより低減させることが可能となるため、素子全体の入力インピーダンスをより容易に、外部回路のインピーダンスにマッチングさせることが可能となる。
【０１９０】
更に、本発明によれば、上記何れかの半導体光変調器に半導体レーザが一体形成されたチップを提供することが可能となる。
【０１９１】
また、本発明によれば、素子からの高周波電気信号の反射を抑えて、かつ、駆動電圧を小さくされた半導体光変調器が適用されたマッハツェンダ型光変調器を提供することが可能となる。
【０１９２】
更に、本発明によれば、素子からの高周波電気信号の反射を抑えて、かつ、駆動電圧を小さくすることを可能にする半導体光変調器を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マッハツェンダ型光変調器１０００の構成を示すブロック図である。
【図２】従来技術によるＬｉＮｂＯ３を材料とした位相変調器１１００の層構造を示す断面図である。
【図３】従来技術による集中定数型の半導体光変調器１１１０の構造を示す斜視図である。
【図４】図３に示す半導体光変調器１１１０の層構造を示す断面図である。
【図５】従来技術による進行波電極型の半導体光変調器１１３０の構造を示す斜視図である。
【図６】図５に示す半導体光変調器１１３０の層構造を示す断面図である。
【図７】本発明による半導体光変調器（位相変調器）１００に対して３次元有限要素法を用いてシミュレーションした結果として得られたｓ１１反射特性と従来技術による半導体光変調器１１３０に対して３次元有限要素法を用いてシミュレーションした結果として得られたｓ１１反射特性とを示すグラフである。
【図８】本発明による半導体光変調器（位相変調器１）の概念構造を示す模式図である。
【図９】本発明の第１の実施例による位相変調器１００の構造を示す斜視図である。
【図１０】図９に示す位相変調器１００のＡ−Ａ’面の層構造を示す断面図である。
【図１１】図９に示す位相変調器１００のＢ−Ｂ’面の層構造を示す断面図である。
【図１２】図９に示す位相変調器１００のＣ−Ｃ’面の層構造を示す断面図である。
【図１３】図９に示す位相変調器１００の製造工程を説明するための図である（１）。
【図１４】図９に示す位相変調器１００の製造工程を説明するための図である（２）。
【図１５】図９に示す位相変調器１００の製造工程を説明するための図である（３）。
【図１６】図９に示す位相変調器１００の製造工程を説明するための図である（４）。
【図１７】図９に示す位相変調器１００の製造工程を説明するための図である（５）。
【図１８】図９に示す位相変調器１００の製造工程を説明するための図である（６）。
【図１９】本発明の第２の実施例による位相変調器２００の構造を示す斜視図である。
【図２０】本発明の第３の実施例による位相変調器３００における微小光変調器３００Ａの層構造を示す断面図である。
【図２１】本発明の第３の実施例による位相変調器３００におけるギャップ領域３００Ｂの層構造を示す断面図である。
【図２２】本発明の第４の実施例による位相変調器４００におけるＡｕメッキ電極（４０８，４０９）が形成される前段階の構造を示す斜視図である。
【図２３】本発明の第４の実施例による位相変調器４００の構造を示す斜視図である。
【図２４】本発明の第５の実施例による位相変調器５００におけるＡｕメッキ電極５０８が形成される前段階の構造を示す斜視図である。
【図２５】本発明の第５の実施例による位相変調器５００の構造を示す斜視図である。
【図２６】本発明の第６の実施例による半導体レーザが設けられた光半導体素子の層構造を示す断面図である。
【図２７】本発明の第７の実施例によるマッハツェンダ型光変調器の光カプラ１００３又は１００５と位相変調器１１００との間の光導波路１００４に沿った層構造を示す断面図である。
【図２８】本発明の第８の実施例による電界吸収型光変調器８００の層構造を示す断面図である。
【図２９】本発明の第９の実施例による半導体光変調器９００の光軸に平行な方向の断面図である
【図３０】本発明の第９の実施例による半導体光変調器９００の光軸に垂直な方向の断面図である。
【符号の説明】
１、１００、１１００  位相変調器
２、１１１２、１１３２  導電性基板
３、１１１３、１１３３  光導波路コア層
５、１１１５、１１３５  導電性半導体
６  絶縁材料
８ａ、１１１８、１１３８  金属電極（シグナル）
８ｂ  金属配線（エアブリッジ）
９、１１１９、１１３９  金属電極（グランド）
１０Ａ、１００Ａ、２００Ａ、３００Ａ、４００Ａ、５００Ａ、９００Ａ  微小光変調器
１０Ｂ、１００Ｂ、２００Ｂ、３００Ｂ、４００Ｂ、５００Ｂ  ギャップ領域
１１、１１３７、１００８  終端抵抗
１２、１００６、１１１４、１１３４  高周波電気信号源
１００Ｄ  ＬＤ
１００Ｃ、１００Ｅ  アイソレーション領域
１０１、２０１、３０１、４０１、１１４１  絶縁性ＩｎＰ基板
１０２、２０２、３０２、４０２、１１２２、１１４２  ｎ−ＩｎＰクラッド層（導電性）
１０３ａ、２０３ａ、４０３ａ、５０３ａ、１１４３ａ  ｉ−ＩｎＰ層
１０３ｂ、２０３ｂ、３０３、４０３ｂ、５０３ｂ、１１４３ｂ、８０３ｂ  ｉ−ＭＱＷ光導波路コア層
１０４、２０４、３０４、４０４、５０４  ＳＩ−ＩｎＰ層
１０５ａ、２０５ａ、３０５ａ、４０５ａ、５０５ａ、９０５ａ、１１２５、１１４５  ｐ−ＩｎＰクラッド層
１０５ｂ、２０５ｂ、３０５ｂ、４０５ｂ、５０５ｂ、９０５ｂ  ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１０６、１０６ａ、１０６ｂ、３０６、８０４  ＳＩ−ＩｎＰ層
１０７  空間
１０８、１０８ｃ、２０８、４０８、５０８  Ａｕメッキ電極
１０８ａ、３０８ａ  Ａｕメッキ電極（エアブリッジ）
１０８ｂ、３０８ｂ、１１０８、１１２８、１１４８、９０８  Ａｕメッキ電極（シグナル）
１０９、２０９、３０９、４０９、５０９、９０９、１１０９、１１２９、１１４９  Ａｕメッキ電極（グランド）
３０５ｃ  ｎ−ＩｎＰ層
５０２  ｎ型ＩｎＰ基板
８００  電界吸収型光変調器
８００Ａ  微小電界吸収型光変調器
８００Ｂ、９００Ｂ  絶縁領域
８００Ｅ  光入出力領域
８１０ａ、８１０ｂ  光入出力端面
９００  半導体光変調器
１０００  マッハツェンダ型光変調器
１００１  光入力端面
１００２  光出力端面
１００３、１００５  光カプラ
１００４  光導波路
１００７  金属電極
１１０２  ＬｉＮｂＯ３基板（誘電体）
１１０３  Ｔｉ拡散光導波路コア１１０３
１１０５  ＳｉＯ２バッファ層
１１１０、１１３０  半導体光変調器
１１２３  ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路コア層
１１３１  絶縁性基板
【図１】
0003905367.tif 000002
【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】
0003905367.tif 000008
【図８】
0003905367.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0003905367.tif 000011
【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】
0003905367.tif 000019
【図１９】
0003905367.tif 000020
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
0003905367.tif 000027
【図２７】
0003905367.tif 000028
【図２８】
0003905367.tif 000029
【図２９】
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【図３０】
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