(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通クラッド層と光吸収を行う光導波層と第１個別クラッド層とが順次積層された第１半導体層構造と；
前記共通クラッド層と、前記第１個別クラッド層と分離された第２個別クラッド層と、前記共通クラッド層と前記第２個別クラッド層の中間に位置し、前記光導波層と同一材料で形成された中間層とから構成され、前記共通クラッド層と前記中間層と前記第２個別クラッド層とが順次積層された第２半導体層構造と；
少なくとも前記第１個別クラッド層と前記第２個別クラッド層とを離隔する抵抗層と；
前記第１個別クラッド層に接続された第１電圧印加手段と；
前記第２半導体層構造において、前記共通クラッド層又は前記中間層に接続されることなく前記第２個別クラッド層のみに接続された第２電圧印加手段と；
を備え：
前記共通クラッド層と前記第１個別クラッド層及び前記第２個別クラッド層とは，相補形の半導体から構成され；
前記第１電圧印加手段と，前記第２電圧印加手段との間にバイアス電圧が直接的に印加されることを特徴とする，導波路型半導体光機能素子。
【請求項２】
前記抵抗層は，前記光導波層と前記中間層とをも離隔するものであることを特徴とする，請求項１に記載の導波路型半導体光機能素子。
【請求項３】
共通クラッド層と光吸収を行う光導波層と第１個別クラッド層とが順次積層された第１半導体層構造と；
前記共通クラッド層と、前記第１個別クラッド層と分離された第２個別クラッド層とが順次積層された第２半導体層構造と；
少なくとも前記第１個別クラッド層と前記第２個別クラッド層とを離隔する抵抗層と；
前記第１個別クラッド層に接続された第１電圧印加手段と；
前記第２個別クラッド層に接続された第２電圧印加手段と；
を備え：
前記共通クラッド層と前記第１個別クラッド層及び前記第２個別クラッド層とは，相補形の半導体から構成され；
前記第１電圧印加手段と，前記第２電圧印加手段との間にバイアス電圧が直接的に印加されることを特徴とする，導波路型半導体光機能素子。
【請求項４】
前記抵抗層は，絶縁層であることを特徴とする，請求項１，２又は３のいずれかに記載の導波路型半導体光機能素子。
【請求項５】
前記光導波層は，共通クラッド層及び第１クラッド層よりもキャリア濃度が低い半導体から構成されることを特徴とする，請求項１，２，３又は４のいずれかに記載の導波路型半導体光機能素子。
【請求項６】
前記共通クラッド層と前記光導波層と前記第１個別クラッド層とは，ダブルへテロ接合構造を形成することを特徴とする，請求項１，２，３，４又は５のいずれかに記載の導波路型半導体光機能素子。
【請求項７】
前記光導波層の複素屈折率の実部は，電界の印加によって変化することを特徴とする，請求項１，２，３，４，５又は６のいずれかに記載の導波路型半導体光機能素子。
【請求項８】
前記光導波層の複素屈折率の虚部は，電界の印加によって変化することを特徴とする，請求項１，２，３，４，５，６又は７のいずれかに記載の導波路型半導体光機能素子。
【請求項９】
前記光導波層の複素屈折率の実部は，前記光導波層に光が入力されることによって変化することを特徴とする，請求項１，２，３，４，５，６，７又は８のいずれかに記載の導波路型半導体光機能素子。
【請求項１０】
前記光導波層の複素屈折率の虚部は，前記光導波層に光が入力されることによって変化することを特徴とする，請求項１，２，３，４，５，６，７，８又は９のいずれかに記載の導波路型半導体光機能素子。
【請求項１１】
請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９又は１０のいずれかに記載の半導体光機能素子と，半導体レーザ源と，前記半導体光機能素子と前記レーザ源とを接続する光導波路とが，同一基板上に形成されたことを特徴とする，導波路型半導体光機能素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，超大容量光通信及び超高速光信号処理に適用可能な半導体光機能素子，特に，電界吸収型光変調器や過飽和吸収型光スイッチや波長スイッチ等の導波路型半導体光機能素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，例えば電界吸収型光変調器や過飽和吸収型光スイッチ等の半導体光機能素子において，一般的には，半導体基板上に，光導波層と成るキャリア濃度の低い部材から形成されるｉ層を挟んで，相補形の導電型半導体層を積層する，いわゆるＰ−ｉ−Ｎ接合構造が採用されている。
かかるＰ−ｉ−Ｎ接合構造においては，一方の導電型半導体層と他方の導電型半導体層とにそれぞれ電極を設置し，両電極に逆バイアス電圧を印加することによって，光導波層と成るｉ層に逆バイアス電圧を印加することができる。
【０００３】
したがって，Ｐ−ｉ−Ｎ接合構造を主に複素屈折率の虚部に変調をかける用途に適用する場合には，光を導波することによってｉ層に発生したフォトキャリアを，ｉ層に逆バイアス電圧を印加することによってｉ層から掃き出すことができる。結果として，Ｐ−ｉ−Ｎ接合構造の半導体光機能素子は，光導波層であるｉ層において，電界吸収効果による導波光の処理を安定して行うことができる。
【０００４】
さらに，Ｐ−ｉ−Ｎ接合構造を主に複素屈折率の実部に変調をかける用途に適用する場合には，逆バイアス電圧が印加されたＰ−ｉ−Ｎ接合構造において，光の導波によってｉ層の屈折率が変調を受けるため，継続的な光位相変調を実現することができる。結果として，Ｐ−ｉ−Ｎ接合構造の半導体光機能素子は，光導波層であるｉ層において，光位相変調効果による導波光の処理を安定して行うことができる。
【０００５】
上記のようなＰ−ｉ−Ｎ接合構造を有している従来の半導体光機能素子としては，例えば，Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ  ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｑｕａｎｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓｗｉｔｈ  ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  ｉｎ  ｅｘｃｅｓｓ  ｏｆ  ２０ＧＨｚ  ａｔ  １．５５μｍ．”Ｉｓａｍｕ  Ｋｏｔａｋａ，  ｅｔ  ａｌ.,ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏ．Ｌｅｔｔ.,ｖｏｌ．１，Ｎｏ．５，ｐｐ．１００−１０１，１９８９．に開示された光強度変調器がある。
【０００６】
かかる従来の光強度変調器においては，ｎ型半導体基板上に，ｎ型クラッド層（ｎ−ＩｎＰ），光導波層（ｕｎ−ｄｏｐｅｄ  ＩｎＧａＡｓＰ），ｐ型クラッド層（ｐ−ｌｎＰ），ｐ型オーミックコンタクト層（ｐ+−ＩｎＧａＡｓ）とが順次積層されて，Ｐ−ｉ−Ｎ接合構造が形成されている。この従来の光強度変調器で採用されているＰ−ｉ−Ｎ接合は，光導波路構造のコアに相当する光導波層とクラッドに相当するｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層とを異なる半導体材料から形成して，導波光の閉じ込め効果を一層高めた，Ｐ−ｉ−Ｎヘテロ接合と呼ばれる構成に成っている。
【０００７】
かかる従来の光強度変調器において，ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とから印加される電圧は，そのほとんどが光導波層にのみ印加される。したがって，従来の光変調器では，外部から印加される電圧の電位がｎ型クラッド層側よりｐ型クラッド層側が低い場合，すなわちＰ−ｉ−Ｎ接合に逆バイアスがかかる場合には，印加電圧を光導波層の厚さで割っただけの電界が光導波層にかかり，電界吸収効果によって光導波層内の吸収係数が増す。結果として，かかる従来の光変調器では，外部から印加する電圧を制御することにより，外部より導入された光を，光導波層において強度変調することができる。
【０００８】
また，例えば，”Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ  ｐｈａｓｅ  ｍｏｄｕ１ａｔｏｒｓ ｕｓｉｎｇ ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ．”ＫｏｉｃｈｉＷａｋｉｔａ，  ｅｔ  ａｌ.,ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏ．Ｌｅｔｔ.,ｖｏｌ．１，Ｎｏ．１２，ｐｐ．４４１−４４２，１９８９．には，Ｐ−ｉ−Ｎ接合構造を有する従来の光位相変調器が開示されている。かかる従来の光位相変調器においては，Ｐ−ｉ−Ｎ接合に逆バイアスがかかる場合に，外部より導入された光を光導波層において位相変調することができる。
【０００９】
【発明の解決しようとする課題】
しかしながら，通常，Ｐ−ｉ−Ｎ接合構造においては，順バイアスが印加されると空乏層厚が減って，接合方向に電流が流れ易くなってしまう。すなわち，Ｐ−ｉ−Ｎ接合構造では，外部から印加する電圧が，順方向の電圧領域におけるＰ−ｉ−Ｎ接合部の電位障壁に相当するビルトイン電圧を越えてしまうと，光導波層に注入される電流が急激に大きくなる。
【００１０】
したがって，Ｐ−ｉ−Ｎ接合構造を有する上記従来の半導体光機能素子に，ビルトイン電圧を越える順方向の電圧が印加された場合には，インピーダンスの不整合が生じてしまう。かかるインピーダンスの不整合によって，従来の半導体光機能素子では，電圧印加機構への電気的反射が大きくなる。すなわち，従来の半導体光機能素子においては，電圧印加機構の半導体光機能素子前段に配置される装置（例えば，論理回路やドライバ等）が電気的反射を完全に吸収できなければ，電気的反射が半導体光機能素子に続いて印加される電気信号に重畳してしまう現象，いわゆるパターン効果が生じてしまう。パターン効果は，光信号の伝送品質を大きく劣化させる原因となるため，特に，半導体光機能素子で符号化（Ｃｏｄｉｎｇ）を行う場合や，符号化された時間多重信号から時間的に信号分離（光ＤＥＭＵＸ）を行う場合には，重要な問題となる。
【００１１】
また，従来の半導体光機能素子にビルトイン電圧を越える順方向の電圧を印加して，光導波層に注入される電流が急激に大きくなると，導波層内においてＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ）が発生する。かかるＡＳＥは，光導波層内を伝搬する光信号に混じって伝送用ファイバ内に取り込まれると，光伝送の品質を劣化させる原因になる。
【００１２】
さらに，従来の半導体光機能素子にビルトイン電圧を越える順方向の電圧を印加して，光導波層に注入される電流が急激に大きくなると，発生した電流と印加している電圧とによってジュール熱が生じる。かかるジュール熱は，素子の温度を上昇させ，特性の変化や寿命の劣化，さらには素子の破壊をも引き起こす原因となり得る。
【００１３】
したがって，従来の半導体光機能素子は，例えば光導波層を伝搬する光の伝搬損失を低減したり，符号化を行う場合に光信号のクロスポイントをマーク側に近づける等，通常，印加電圧をなるべく順方向に近いバイアス電圧に設定しなければならない用途には適していなかった。
【００１４】
本発明は，従来の半導体光機能素子が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり，順方向でも広い耐電圧特性を有することにより，急激な電流の注入が起こらないため，電気的反射の発生やジュール熱の発生等を防止しつつ多様な用途に使用できる，新規かつ改良された半導体光機能素子を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために，請求項１に記載の発明は，共通クラッド層と光吸収を行う光導波層と第１個別クラッド層とが順次積層された第１半導体層構造と；前記共通クラッド層と、前記第１個別クラッド層と分離された第２個別クラッド層と、前記共通クラッド層と前記第２個別クラッド層の中間に位置し、前記光導波層と同一材料で形成された中間層とから構成され、共通クラッド層と前記中間層と前記第２個別クラッド層とが順次積層された第２半導体層構造と；少なくとも第１個別クラッド層と第２個別クラッド層とを離隔する抵抗層と；第１個別クラッド層に接続された第１電圧印加手段と；前記第２半導体層構造において、前記共通クラッド層又は前記中間層に接続されることなく第２個別クラッド層のみに接続された第２電圧印加手段と；を備え：共通クラッド層と第１個別クラッド層及び第２個別クラッド層とは，相補形の半導体から構成され；第１電圧印加手段と，第２電圧印加手段との間にバイアス電圧が直接的に印加される構成を採用する。
【００１６】
かかる構成を有する請求項１に記載の発明において，光導波層には，第１電圧印加手段が第１個別クラッド層を介して電気的に接続されているとともに，第２電圧印加手段が第２個別クラッド層と中間層と共通クラッド層とを介して電気的に接続されている。したがって，請求項１に記載の発明においては，第１電圧印加手段と第２電圧印加手段とから電圧を印加することで光導波層に所望の電界を印加して，光導波層に発生するフォトキャリアの掃き出しを行うことができる。結果として，請求項１に記載の発明は，随時，閉じ込められながら光導波層内を伝搬する光に対して，継続的に所定の処理を施すことができる。
【００１７】
さらに，請求項１に記載の発明においては，第１個別クラッド層及び第２個別クラッド層と，共通クラッド層とが，相補形の半導体から形成されているため，光導波層に対して順バイアスを印加した場合，中間層に逆バイアスが印加された状態となる。すなわち，請求項１に記載の発明は，光導波層に電流を注入することなく，光導波層で導波される光に対して，順バイアス方向の電界による，安定した信頼性の高い処理を施すことができる。結果として，請求項１に記載の発明によれば，半導体光機能素子の用途を拡げることができる。
【００１８】
さらに，請求項１に記載の発明において，かかる光導波層への電流注入が抑制できるということによって，従来の半導体光機能素子においては生じる可能性があった，ジュール熱による素子の損傷やＡＳＥの発生や給電機構への電気的反射等を抑制することができる。
【００１９】
さらにまた，請求項１に記載の発明においては，抵抗層の抵抗値を調整することによって給電機構への電気的反射を，一層抑制することができる。
すなわち，通常，半導体光機能素子においては，光導波層における縦方向の光閉じ込め効果との関係等から，光導波層に電界を印加するための共通クラッド層を介した電気的経路は，例えば素材や形状等の点である程度の制限を受ける。したがって，半導体光機能素子において，光導波層に電界を印加するための共通クラッド層を介した電気的経路のインピーダンスには，設計上の制限が生じることが考えられる。請求項１に記載の発明においては，第１電圧印加手段が接続された第１個別クラッド層と第２電圧印加手段が接続された第２個別クラッド層とは，電気的に観た場合，相互に並列に配置された光導波層に電界を印加するための共通クラッド層を介した電気的経路と抵抗層とによって，相互に接続されている。したがって，請求項１に記載の発明においては，抵抗層の抵抗値を調整することによって，第１電圧印加手段と第２電圧印加手段とから印加される電圧に対して，半導体光機能素子自体のインピーダンスを調整することができる。結果として，請求項１に記載の発明では，抵抗層の抵抗を調整することによって外部回路とのインピーダンス整合を実現することが可能であり，給電機構への電気的反射を抑制することが可能となる。
【００２０】
以上説明したように，請求項１に記載の発明によれば，素子の損傷やＡＳＥの発生や給電機構への電気的反射等を抑制することによって，光伝送の品質の向上及び信頼性のある光の処理を実現可能な光機能素子を提供することができる。
なお，請求項１に記載の発明においては，請求項２に記載の発明のように，抵抗層は，光導波層と中間層とをも離隔するものである構成を採用することもできる。
【００２１】
また，請求項１及び２に記載の発明においては，第１個別クラッド層と共通クラッド層との間に中間層が設けられているが，かかる中間層は，本発明を特定の用途，例えば光導波層においてのみ光の処理を行う用途に適用する場合には，本発明に不可欠な構成要素ではない。したがって，本発明においては，請求項３に記載の発明のように，共通クラッド層と光吸収を行う光導波層と第１個別クラッド層とが順次積層された第１半導体層構造と；前記共通クラッド層と、前記第１個別クラッド層と分離された第２個別クラッド層とが順次積層された第２半導体層構造と；少なくとも前記第１個別クラッド層と前記第２個別クラッド層とを離隔する抵抗層と；前記第１個別クラッド層に接続された第１電圧印加手段と；前記第２個別クラッド層に接続された第２電圧印加手段と；備え：前記共通クラッド層と前記第１個別クラッド層及び前記第２個別クラッド層とは，相補形の半導体から構成され；前記第１電圧印加手段と，前記第２電圧印加手段との間にバイアス電圧が直接的に印加されている構成を採用することもできる。
【００２２】
かかる構成を有する請求項３に記載の発明は，請求項１又は２に記載の発明と同様に，光導波層内に閉じ込められて伝送される光に対して，継続的に所定の処理を施すことができるとともに，広い用途において信頼性の高い安定した処理を行うことができる半導体光機能素子を実現することができる。
【００２３】
さらに，請求項３に記載の発明は，中間層を設けないことによって，第２半導体層構造の第２個別クラッド層と共通クラッド層との接合部に発生するエネルギ障壁は不均一にならない。したがって，請求項３に記載の発明は，請求項１又は２に記載の発明と比べて，光導波層からのフォトキャリアの掃き出しの高速化，ひいては光の処理の高速化を実現することができる。
【００２４】
本発明においては，さらに，請求項４に記載の発明のように，抵抗層は絶縁層である構成とすることも可能である。
かかる構成を有する請求項４に記載の発明においては，第１個別クラッド層と第２個別クラッド層とは，電気的には，光導波層に電界を印加するための共通クラッド層を介した電気的経路のみによって接続された状態となる。したがって，請求項４に記載の発明においては，第１電圧印加手段と第２電圧印加手段とから電圧を印加しても，半導体光機能素子での電流発生を抑制することができる。結果として，請求項４に記載の発明によれば，発熱による特性変化の抑制によって長時間の安定動作が可能な半導体光機能素子を実現することができる。
【００２５】
さらに，請求項５に記載の発明のように，光導波層は，共通クラッド層及び第１クラッド層よりもキャリア濃度が低い半導体から構成される構成とすれば，第１光導層付近の空乏層幅を容易に拡げることができるため，光導波層によって導波される光の処理をより効果的に行うことができる。
【００２６】
さらにまた，請求項６に記載の発明のように，共通クラッド層と光導波層と第１個別クラッド層とは，ダブルへテロ接合構造を形成する構成とすれば，光導波層への光の閉じ込めを一層効果的に行うことができる。したがって，請求項６に記載の発明によれば，光の伝送損失の少ない半導体光機能素子を実現することができる。
【００２７】
さらにまた，請求項７に記載の発明のように，光導波層の複素屈折率の実部は，電界の印加によって変化する構成としたり，請求項８に記載の発明のように，光導波層の複素屈折率の虚部は，電界の印加によって変化する構成とすれば，第１電圧印加手段及び第２電圧印加手段から印加する電圧を制御することによって，光導波層の屈折率や吸収係数を変化させることができる。したがって，請求項７又は８に記載の発明によれば，印加電圧によって，光導波層を伝搬する光に対して所定の処理を行うことができる。
【００２８】
さらにまた，請求項９に記載の発明のように，光導波層の複素屈折率の実部は，光導波層に光が入力されることによって変化する構成や，請求項１０に記載の発明のように，光導波層の複素屈折率の虚部は，光導波層に光が入力されることによって変化する構成とすれば，外部から印加する電圧を変化させなくても，光の入力によって，光導波層に対して，所定の屈折率変化や所定の吸収係数の変化を与えることができる。したがって，請求項９又は１０に記載の発明によれば，光導波層を伝搬する光に対して，光によって所定の処理を行うことが可能となる。
【００２９】
さらにまた，請求項１１に記載の発明のように，請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９又は１０のいずれかに記載の半導体光機能素子と，半導体レーザ源と，前記半導体光機能素子と前記半導体レーザ源とが，同一基板上に形成された構成とすれば，様々な波形の光を得ることが可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に，添付図面を参照しながら，本発明を電界吸収型光変調器に適用した場合の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，以下の説明及び添付図面において，略同一の機能及び構成を有する構成要素については，同一符号を付することにより，重複説明を省略する。
【００３１】
（第１の実施の形態）
まず，本発明の第１の実施の形態について，図１〜図１０を参照しながら説明する。なお，図１は，本実施の形態にかかる電界吸収型光変調器である光変調器１００の概略構成を示す斜視図であり，図２は，光変調器１００の概略構成を示す正面図である。また，図３〜図５は，光変調器１００の動作説明のためのエネルギダイヤグラムであり，図６及び図７は，光変調器１００の概略的な特性説明図である。さらに，図８及び図９は，光変調器１００と同様の基本構成を有する一光変調器及び従来の光変調器についての実験データであり，図１０は，本実施の形態にかかる他の光変調器１５０の概略構成を示す正面図である。
【００３２】
図１に示すように，ワンチップ状の電界吸収型光変調器である本実施の形態にかかる光変調器１００において，例えばｎ−ＩｎＰウェハから成る半導体基板１１０の上には，共通クラッド層に相当する例えばｎ−ＩｎＰから成る下側クラッド層１１２が積層されている。さらに，光変調器１００において，下側クラッド層１１２上には，それぞれ所定の構造，例えば共にストライプ構造を有する第１積層体１２０ａと第２積層体１２０ｂとが，光変調器１００の相互に対抗する二素子端面である第１素子端面１００ａと第２素子端面１００ｂとに渡って形成されている。
【００３３】
図２に示すように，第１半導体層構造に相当する第１積層体１２０ａにおいては，下側クラッド層１１２上に，光導波層に相当する例えばｕｎ−ｄｏｐｅｄ  ＩｎＧａＡｓＰから成る光吸収層１１４ａと，第１個別クラッド層に相当する例えばｐ−ＩｎＰから成る上側クラッド層１１６ａとが，順次積層されて，Ｐ−ｉ−Ｎヘテロ接合構造が形成されている。
【００３４】
なお，第１積層体１２０ａにおいて，光吸収層１１４ａの組成波長や構造は，電界が印加された場合にのみ，複素屈折率の虚部に相当する光吸収係数の増加によって，伝搬する光の吸収を行うように設定されており，電界が印加されていない場合には，内部を伝搬する光をほとんど吸収しない様に成っている。さらにまた，第１積層体１２０ａにおいて，Ｐ−ｉ−Ｎヘテロ接合構造の最上層，すなわち上側クラッド層１１６ａ上には，第１電圧印加手段に相当する構成要素として，例えば，上面に第１電極１２２ａが接触設置されたｐ+−ＩｎＧａＡｓから成るオーミックコンタクト層１１８ａが積層されている。
【００３５】
また，第２半導体層構造に相当する第２積層体１２０ｂにおいては，下側クラッド層１１２上に，例えばｕｎ−ｄｏｐｅｄ  ＩｎＧａＡｓＰから成る中間層１１４ｂと，第２個別クラッド層に相当する例えばｐ−ＩｎＰから成る上側クラッド層１１６ｂとが，順次積層されている。第２積層体１２０ｂにおいては，下側クラッド層１１２と上側クラッド層１１６ｂとで中間層１１４ｂが挟み込まれることにより，Ｐ−ｉ−Ｎヘテロ接合構造が形成されている。さらに，第２積層体１２０ｂにおいて，上側クラッド層１１６ｂ上には，第２電圧印加手段に相当する構成要素として，例えば，上面に第２電極１２２ｂが接触設置されたｐ+−ＩｎＧａＡｓから成るオーミックコンタクト層１１８ｂが積層されている。
【００３６】
光変調器１００においては，以上のような構成を有する第１積層体１２０ａと第２積層体１２０ｂとの脇を，電気的絶縁材料である例えばＦｅ−ｄｏｐｅｄ  ＩｎＧａＡｓＰで埋め込んで，絶縁層１２４が形成されている。したがって，第１積層体１２０ａの光吸収層１１４ａでは，横方向の光閉じ込めと電界の狭窄とが実現されるため，結果として，光変調器１００においては，光吸収層１１４ａをコアとする光導波路１３０が形成されることになる。
【００３７】
以上説明したように本実施の形態にかかる光変調器１００においては，第１電極１２２ａと第２電極１２２ｂとの間は，バッファ層としての役割を果たす下側クラッド層１１２を介して，二つのＰ−ｉ−Ｎへテロ接合が電気的に直列接続されていることになる。すなわち，光変調器１００においては，第１積層体１１０ａの上側クラッド層１１６ａと，第１積層体１１０ａの光吸収層１１４ａと，下側クラッド層１１２と，第２積層体１１０ｂの中間層１１４ｂと，第２積層体１１０ｂの上側クラッド層１１６ｂとから，Ｐ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合が形成されている。
【００３８】
なお，再び図１に示すように，光変調器１００は，素子端面１００ａと素子端面１００ｂとに無反射膜をコーティングしてあり，光導波路１３０への光の入出力時の損失を抑制する構成に成っている。
【００３９】
ここで，本実施の形態にかかる光変調器１００で採用されているＰ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造の特性について，図３〜図５と図６及び図７とを参照しながら説明する。なお，以下の説明においては，Ｐ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造の動作を容易にイメージすることができるように，便宜的に，片方のＰ型領域をコレクタ（ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）と，Ｎ型領域をベース（ｂａｓｅ）と，他方のＰ型領域をエミッタ（ｅｍｉｔｔｅｒ）と，それぞれ一般にＰ−Ｎ−Ｐ接合型のトランジスタに用いられている呼称を利用する。
【００４０】
最初は，Ｐ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造において，コレクタ側のｉ層を光が透過するときの様子について，図３〜図５を参照して説明する。なお，Ｐ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造において，コレクタ側のｉ層を光が通過するときの様子は，コレクタ側の電位とエミッタ側の電位とによって変化するため，各場合に分けてそれぞれ説明する。
【００４１】
まず，第１の場合について，図３を参照しながら説明する。
第１の場合とは，熱平衡状態，すなわちエミッタ側のＰ型領域とコレクタ側のＰ型領域とに，外部から電圧が印加されていない場合である。
発明者等の知見によれば，この場合，エミッタとコレクタとの間には，ビルトイン電位（拡散電位）による障壁（以下，「ビルトイン障壁」と称する。）が生じる。また，コレクタとベースとの間にも，同様に，ビルトイン障壁が生じる。
【００４２】
すなわち，第１の場合，コレクタ側のｉ層では，かかるビルトイン障壁による電界の影響によって，僅かだけ光の吸収が起こる。
したがって，第１の場合において，コレクタ側のｉ層を光が通過すると，コレクタ側のｉ層で，光ｈνの僅かな吸収により，電子（図中においては，黒丸で表す。）とホール（図中においては，白丸で表す。）とが発生する。かかるコレクタ側のｉ層で発生したキャリアは，電子がエミッタ側に拡散し，ホールがコレクタ側に拡散する。
【００４３】
しかし，第１の場合においては，エミッタ側に拡散した電子は，エミッタ側のｉ層付近に生じたビルトイン障壁によって，その流れが阻止される。したがって，ベースの伝導帯とエミッタ側のｉ層の伝導帯及びコレクタ側のｉ層の伝導帯とには，次第に，電子が蓄積される。結果として，第１の場合には，コレクタ側のｉ層の伝導帯は，ほとんどが電子によって占められて（バンドフィリング効果），コレクタ側のｉ層では，光の吸収がほとんど生じなくなる。
【００４４】
次に，コレクタ側が，エミッタ側に対して低い電位になっている場合，すなわち，エミッタが（＋）であり，コレクタが（−）である場合について，第２の場合として図４を参照しながら説明する。
この場合，コレクタ側のＰ−ｉ−Ｎ接合部であるｉ層付近には，逆方向バイアスが印加されている状態と成るとともに，エミッタ側のｉ層付近には，順方向バイアスが印加されている状態と成る。
【００４５】
したがって，コレクタ側のｉ層には，逆方向バイアスによる電界が印加され，電界吸収効果による光ｈνの大きな吸収が生じ，発生したホ−ルはコレクタ側に流れる。一方，順方向バイアスが印加されている状態となるエミッタ側のｉ層付近では，ビルトイン障壁が小さくなるので，コレクタ側のｉ層で発生した電子は，ベースに蓄積されずにエミッタ側に流れる。結果として，第２の場合には，バンドフィリング効果が起きず，コレクタ側のｉ層での継続的な光吸収が可能となる。
【００４６】
また，ベ−スであるＮ型領域を，厚さを厚く，不純物の濃度を大きく設定しておけば，エミッタ側から注入されたホ−ルが，ベ−スを貫通してコレクタ側のｉ層に注入されることはない。したがって，Ｐ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造において，ベ−スであるＮ型領域を，厚さを厚く，不純物濃度を高く設定しておけば，第２の場合におけるコレクタ側のｉ層での発光再結合も抑制することができる。
【００４７】
さらに，第３の場合として，コレクタ側が，エミッタ側に対して高い電位に成っている場合，すなわち，エミッタが（−）であり，コレクタが（＋）である場合について，図５を参照しながら説明する。この場合，コレクタ側のｉ層には，順方向バイアスが印加されることになる。したがって，コレクタ側のｉ層では，逆方向電圧は全くなくなるので，光の吸収は完全に起こらなくなる。さらに，第３の場合においては，コレクタ側のｉ層へは電子が注入されることはない。したがって，第３の場合にも，コレクタ側のｉ層において発光再結合は生じない。
【００４８】
発明者等の知見によれば，コレクタ側のｉ層を光が透過する場合に以上説明したような特性を示すＰ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造は，電流電圧特性が図６に示すようになり，消光特性が図７に示すようになる。図６及び図７によれば，Ｐ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造においては，Ｐ−ｉ−Ｎ接合構造を備えていた従来の半導体光機能素子の動作領域，すなわち，コレクタ側のＰ−ｉ−Ｎ接合部に対して逆バイアスが印加される電圧領域（上記コレクタ側のｉ層を光が透過する場合の特性についての説明における，第２の場合に相当する。）では，エミッタ側のＰ−ｉ−Ｎ接合部のビルトイン電圧分だけ逆バイアス側に平行移動することを除けば，電流電圧特性および消光特性ともに，Ｐ−ｉ−Ｎ接合構造を備えていた従来の電界吸収型光変調器と同様の電界吸収効果が得られることが分かる。
【００４９】
さらに，図６に示すように，Ｐ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造において，コレクタ側のＰ−ｉ−Ｎ接合部での電圧領域におけるブレークダウン電圧は，コレクタ側のＰ−ｉ−Ｎ接合部の逆耐圧電圧とエミッタ側のＰ−ｉ−Ｎ接合のビルトイン電圧との和程度となる。また，コレクタ側のＰ−ｉ−Ｎ接合部に対して順バイアスが印加される電圧領域，すなわちＰ−ｉ−Ｎ接合を適用していた従来の半導体光機能素子の動作領域外の電圧領域では，ブレークダウン電圧は，コレクタ側のＰ−ｉ−Ｎ接合部のビルトイン電圧とエミッタ側のＰ−ｉ−Ｎ接合部の逆耐圧電圧との和程度となる。
【００５０】
すなわち，Ｐ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造では，コレクタとエミッタとの電位差が，一方のＰ−ｉ−Ｎ接合部のビルトイン電圧と他方のＰ−ｉ−Ｎ接合部の逆耐圧電圧との和程度迄であれば，コレクタ側のｉ層に急激な電流が流れることはない。したがって，Ｐ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造は，電気的には，正から負の広い電圧範囲において，耐性が保たれた容量を持つ半導体光機能素子に適用できることが理解できる。
【００５１】
次に，以上説明した特性を示すＰ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造を備える本実施の形態にかかる光変調器１００の動作について，再び図１を参照して説明する。
なお，光変調器１００においては，光導波路１３０を形成する第１積層体１２０ａの上側クラッド層１１６ａがコレクタに相当し，光導波路１３０のコアである光吸収層１１４ａがコレクタ側のｉ層に相当する。さらに，光変調器１００において，下側クラッド層１１２がベースに相当する。さらにまた，光変調器１００においては，第２積層体１２０ｂの中間層１１４ｂがエミッタ側のｉ層に相当し，第２積層体１２０ｂの上側クラッド層１１６ｂがエミッタに相当する。
【００５２】
また，光変調器１００においては，第１電極１２２ａに印加された電圧は，第１積層体１２０ａのオーミックコンタクト層１１８ａを介して，コレクタに相当する上側クラッド層１１６ａに印加されることになる。さらに，光変調器１００においては，第２電極１２２ｂに印加された電圧は，第２積層体１２０ｂのオーミックコンタクト層１１８ｂを介して，エミッタに相当する上側クラッド層１１６ｂに印加されることになる。
【００５３】
したがって，光変調器１００において，第１電極１２２ａと第２電極１２２ｂとに共に電圧が印加されていない場合（すなわち，上記Ｐ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造の説明における第１の場合に相当する。）には，光導波路１３０の光吸収層１１４ａでは，バンドフィリング効果が生じる。結果として，光変調器１００では，第１素子端面１００ａ側から光導波路１３０のコアである光吸収層１１４ａに入力された光信号Ｓ１は，ほとんど吸収されることなく光吸収層１１４ａを透過し，光信号Ｓ２として，光吸収層１１４ａから第２素子端面１００ｂ側に出力される。
【００５４】
また，第１電極１２２ａに第２電極１２２ｂよりも負方向の電圧が印加されている場合（すなわち，上記Ｐ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造の説明における第２の場合に相当する。）には，光導波路１３０のコアである光吸収層１１４ａは，逆バイアスが印加された状態となり，継続的な光の吸収が可能となる。結果として，第１素子端面１００ａ側から光導波路１３０のコアである光吸収層１１４ａに入力された光信号Ｓ１は，光吸収層１１４ａで吸収による強度変調を受け，変調光信号Ｓ３として，光吸収層１１４ａから第２素子端面１００ｂ側に出力される。
【００５５】
さらに，第１電極１２２ａに第２電極１２２ｂよりも正方向の電圧が印加されている場合（すなわち，上記Ｐ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造の説明における第３の場合に相当する。）には，光導波路１３０のコアである光吸収層１１４ａは，順バイアスが印加された状態となり，光吸収層１１４ａでの光の吸収は全く生じない。結果として，第１素子端面１００ａ側から光導波路１３０のコアである光吸収層１１４ａに入力された光信号Ｓ１は，光信号Ｓ４として，光吸収層１１４ａから第２素子端面１００ｂ側に出力される。
【００５６】
ここで，本実施の形態にかかる光変調器１００が，以上説明したように正から負の広い電圧範囲において，耐圧が保たれた容量として機能することを確認するために，本実施の形態にかかる光変調器１００と基本構成が同じである光変調器について，実際に実施した実験の結果を図８及び図９を参照しながら説明する。なお，本実験においては，半導体の接合部で接合方向に大きな電流が流れた場合に，インピーダンスの不整合が生じることで増大する電気反射係数Ｓ１１を測定した。図８には，光変調器１００と基本構成が同じである光変調器について，電気反射係数Ｓ１１を測定したデータを示している。一方，図９は，従来の光変調器について，電気反射係数Ｓ１１を測定したデータを示している。
【００５７】
本実験においては，本実施の形態にかかる光変調器１００と基本構成が同じである光変調器と従来の光変調器とは，同じ材料及び寸法のものとして，半導体基板はｎ−ＩｎＰウェハ，下側クラッド層は厚さ２μｍのｎ−ＩｎＰ層，光吸収層は厚さ０．２５μｍのｕｎ−ｄｏｐｅｄ  ＩｎＧａＡｓＰ層，上側クラッド層は厚さ１．５μｍのｐ−ＩｎＰ層，オーミックコンタクト層は厚さ０．２μｍのｐ+−ＩｎＧａＡｓ層であるものを用いた。また，外部電源として用いた特性インピーダンスが５０Ωの給電ラインを，試料の光変調器と並列に接続された５０Ω抵抗とで終端した。
【００５８】
まず，図８及び図９から，光変調器の光吸収層（導波路構造内のｉ層）に順バイアスが印加される条件（印加電圧の符号が正の場合である。）で，顕著な違いが出ていることが分かる。すなわち，従来の光変調器では，印加電圧が＋０．５Ｖ付近から，急激に電気反射係数が増加しているのに対して，本実施の形態にかかる光変調器１００と基本構成が同じである光変調器では，全く電気反射係数Ｓ１１が劣化していない。
【００５９】
さらに，光導波路内のｉ層に逆バイアスが印加される条件（印加電圧の符号が負の場合，すなわち−２Ｖ及び−５Ｖの場合である。）においても，従来の光変調器では，１０ＧＨｚ付近の電気反射係数Ｓ１１が−５ｄＢよりも大きいのに対し，本実施の形態にかかる光変調器１００と基本構成が同じである光変調器では，１０ＧＨｚ付近の電気反射係数Ｓ１１は，−９ｄＢ程度にまで，大幅に改善されている。
【００６０】
以上，本実施の形態について光変調器１００を例として説明したが，本実施の形態は光変調器１００の構成に限定されない。
本実施の形態は，例えば，図１０に示すように，半導体基板１１０の上に，下側クラッド層１１２ａと光吸収層１１４とを順次積層し，さらに，光吸収層１１４の上に，絶縁層１５４を挟んで，上側クラッド層１１６ａと上面に第１電極１２２ａが接触設置されたオーミックコンタクト層１１８ａとから成る第１積層体１７０ａと，上側クラッド層１１６ｂと上面に第２電極１２２ｂが接触設置されたオーミックコンタクト層１１８ｂとから成る第１積層体１７０ｂとが，形成された構成の光変調器１５０に適用することもできる。
【００６１】
また，例えば，図１に示すように，光変調器１００においては，第２半導体層構造に相当する第２積層体１２０ａは，第１素子端面１００ａと第２素子端面１００ｂとに渡ってストライプ構造に形成されていたが，本実施の形態においては，第２半導体層構造は，必ずしもストライプ構造である必要はなく，また，その端部は光機能素子の内部で終端させた構成とすることもできる。
【００６２】
以上説明したように，本実施の形態にかかる光変調器においては，正の電圧範囲における電気反射を低減できる。したがって，光変調器前段に電気的に戻る反射が低減され，パターン効果を抑制することができる。さらに，本実施の形態にかかる光変調器においては，光導波路内のｉ層に順バイアスが印加される条件でもｉ層への電流の注入は生じない。したがって，本実施の形態によれば，正の電圧範囲においてもＡＳＥの発生を抑制できる。
【００６３】
すなわち，本実施の形態にかかる光変調器は，動作電圧を正の電圧範囲にする用途に応用することができる。したがって，印加する電気信号のマーク側の電圧を，Ｐ−ｉ−Ｎ接合に順バイアス電圧が印加される領域に設定して，光波形のクロスポイントをレベルの中心付近に設定する用途や，マーク側のレベルの幅を小さくする用途への，光変調器の応用が可能となる。結果として，本実施の形態にかかる光変調器を用いれば光信号のＳ／Ｎ比が大きく改善されて，光通信における伝送距離の長距離化が期待できる。
【００６４】
さらに，従来の光変調器では，正方向の電圧が印加されることによって，Ｐ−ｉ−Ｎ接合部に電流が流れてジュール熱が発生し，熱的に劣化する可能性があった。したがって，従来の光変調器は，最初に逆バイアス電圧を印加しておいてから次に高周波信号を印加するという順番で電圧の印加を行い，ジュール熱の発生を防止する必要があった。しかし，本実施の形態にかかる光変調器は，正から負に渡り広い電圧範囲に対して耐性を持つため，本実施の形態にかかる光変調器には，駆動電力として，先に高周波信号を印加して後からバイアス電圧を印加しても大電流は流れない。したがって，本実施の形態にかかる光変調器を用いれば，電圧を重畳して印加する場合に，電圧を印加してゆく順番にはこだわらなくても良くなる。
【００６５】
さらにまた，本実施の形態にかかる光変調器では，正バイアス方向の電圧範囲でも光導波層に電流の急激な注入が生じずに，ジュール熱による熱の発生を抑制できる。したがって，本実施の形態によれば，光変調器，ひいては半導体光機能素子の信頼性の劣化を抑制することができる。
【００６６】
さらに，本実施の形態にかかる光変調器には，順バイアス方向のサージ電圧が印加されたとしても，光導波路内のＰ−ｉ−Ｎ接合のビルトイン電圧（通常は，約０．７Ｖである。）と他方のＰ−ｉ−Ｎ接合の逆耐圧電圧（通常は，１０Ｖ以上である。）の和程度以下の電圧であれば，サージ電圧を阻止できる。したがって，本実施の形態によれば，電気的サージに強い光変調器を提供することができる。
【００６７】
なお，本実施の形態にかかる光変調器は，従来から行われていた結晶成長工程に何ら変更を加えず，また製造工程におけるエッチングに使用するマスクパターンについても僅かな変更を行うのみで，製造することができる。
【００６８】
（第２の実施の形態）
次に，本発明の第２の実施の形態について，図１１〜図１６を参照しながら説明する。なお，図１１は，本実施の形態にかかる電界吸収型光変調器である光変調器２００の概略構成を示す斜視図であり，図１２は，光変調器２００の概略構成を示す正面図である。また，図１３〜図１５は，光変調器２００の動作説明のためのエネルギダイヤグラムである。さらに，図１６は，本実施の形態にかかる他の光変調器２５０の概略構成を示す正面図である。
【００６９】
本実施の形態にかかる光変調器２００は，図１１及び図１２に示すように，上記第１の実施の形態にかかる光変調器１００を部分的に変形した構成を有している。具体的には，本実施の形態にかかる光変調器２００は，図１に示す光変調器１００のＰ−ｉ−Ｎヘテロ接合構造を有する第２積層体１２０ｂに代えて，下側クラッド層１１２上に，個別クラッド層に相当する例えばｐ−ＩｎＰから成る上側クラッド層２１６ｂと，上面に第２電極２２２ｂが接触設置された例えばｐ+−ＩｎＧａＡｓから成るオーミックコンタクト層２１８ｂとが積層された第３積層体２２０ｂが備えられている。
【００７０】
つまり，本実施の形態にかかる光変調器２００は，第２電極２２２ｂ直下に，下側クラッド層１１２と上側クラッド層２１６ｂとから形成されるＰ−Ｎホモ接合構造を有する第３積層体２２０ｂが配置された構成となっている。
【００７１】
なお，本実施の形態にかかる光変調器２００においては，上記第１の実施の形態にかかる光変調器１００と同様に，光導波路１３０のコアとして，第１積層体に形成されるＰ−ｉ−Ｎへテロ接合構造のｉ層である，ｕｎ−ｄｏｐｅｄ  ＩｎＧａＡｓＰから成る光吸収層１１４ａが構成されている。さらに，光変調器２００において，光吸収層１１４ａの組成波長や構造も，上記第１の実施の形態にかかる光変調器１００と同様に，光吸収層１１４ａに電界が印加される場合のみ，光吸収係数の増加による光の吸収が行われるように設定されており，光吸収層１１４ａに電界が印加されていない場合には，光の吸収が行われない様に成っている。
【００７２】
したがって，本実施の形態にかかる光変調器２００は，光導波層１１４ａをｉ層とするＰ−ｉ−Ｎ−Ｐ接合構造を備えていることになる。
ここで，本実施の形態にかかる光変調器２００で採用されているＰ−ｉ−Ｎ−Ｐ接合構造において，ｉ層を光が透過する場合の様子について，エネルギダイヤグラムである図１３〜図１５を参照しながら説明する。なお，以下の説明においても，上記第１の実施の形態にかかる光変調器１００で採用されているＰ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造を説明した場合と同様に，Ｎ型領域をベース（ｂａｓｅ）と，Ｐ−ｉ−Ｎ接合側のＰ型領域をコレクタ（ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）と，Ｐ−Ｎ接合側のＰ型領域をエミッタ（ｅｍｉｔｔｅｒ）と，それぞれ一般にＰ−Ｎ−Ｐ接合型のトランジスタに用いられている呼称を利用して説明する。また，Ｐ−ｉ−Ｎ−Ｐ接合構造においても，コレクタ側に配置されているｉ層を光が通過するときの様子は，両Ｐ型領域の電位差によって変化するため，各場合に分けてそれぞれ説明する。
【００７３】
まず，図１３に示すように，Ｐ−ｉ−Ｎ−Ｐ接合構造において熱平衡状態が達成されている場合，すなわちエミッタとコレクタとに，外部から電圧が印加されていない場合について，第１の場合として説明する。
発明者等の知見によれば，この場合，コレクタとベースとの間では，キャリア濃度の低いｉ層付近にビルトイン障壁が生じ，かかるビルトイン障壁による電界の影響で，ｉ層においては僅かだけ光の吸収が起こる。一方，エミッタとベースとの間には，Ｐ−Ｎ接合部付近でビルトイン障壁が生じる。
【００７４】
したがって，ｉ層では，光が通過すると，光ｈνの僅かな吸収により，電子（図中においては，黒丸で表す。）とホール（図中においては，白丸で表す。）とが発生する。
かかるｉ層で発生した電子はエミッタ側に拡散する。一方，ｉ層で発生したホールはコレクタ側に拡散するが，ホールは，エミッタとベースの接合部付近に生じたビルトイン障壁によって，その流れが阻止される。したがって，Ｐ−ｉ−Ｎ−Ｐ接合構造における第１の場合にも，図３に示すＰ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造における第１の場合と同様に，バンドフィリング効果が生じ，ｉ層では光の吸収がほとんど生じなくなる。
【００７５】
次に，第２の場合として，Ｐ−ｉ−Ｎ−Ｐ接合構造において，コレクタ側が，エミッタ側に対して負バイアスになっている場合について，図１４を参照しながら第２の場合として説明する。
この場合には，コレクタ側には，逆バイアスが印加された状態となり，ｉ層には電界が印加される。したがって，ｉ層では，電界吸収効果による大きな光吸収が生じ，発生したホールはコレクタ側に流れる。さらに，エミッタ側は，順バイアスが印加された状態となり，ベースとエミッタ間の障壁は小さくなる。かかるベースとエミッタとの接合はＰ−Ｎホモ接合であるから，価電子帯と伝導体のエネルギ不連続がほとんど無く，なめらかな障壁が実現されている。したがって，電子は，ベースとエミッタとのＰ−Ｎ接合部をスムーズに通過することが可能となる。
【００７６】
つまり，Ｐ−ｉ−Ｎ−Ｐ接合構造における第２の場合には，図４に示すＰ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造における第２の場合よりも，フォトキャリアである電子が，ベース及びエミッタの接合部を短い時間で通過する。
【００７７】
また，Ｐ−ｉ−Ｎ−Ｐ接合構造における第２の場合にも，ベ−スであるＮ型領域を，厚さを厚く，不純物の濃度を大きく設定しておけば，エミッタ側から注入されたホ−ルが，ベ−スを貫通してコレクタ側のｉ層に注入されることはない。したがって，Ｐ−ｉ−Ｎ−Ｐ接合構造においても，Ｐ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造と同様に，コレクタ側のｉ層での発光再結合も抑制することができる。
【００７８】
さらに，第３の場合として，コレクタ側が，エミッタ側に対して正バイアス電位になっている場合について，図１５を参照しながら説明する。
この場合，ｉ層には，順バイアスが印加されることになる。したがって，ｉ層では，光の吸収は完全に起こらなくなる。さらに，第３の場合においては，コレクタ側のｉ層へは電子が注入されることはない。したがって，第３の場合にも，コレクタ側のｉ層において発光再結合は生じない。
【００７９】
なお，Ｐ−ｉ−Ｎ−Ｐ接合構造における第３の場合には，エミッタとベースとのＰ−Ｎホモ接合部に逆方向電圧が集中するが，被入射光が仮にエミッタとベースとのＰ−Ｎホモ接合部近傍に投射されたとしても，被入射光の波長に対してエミッタとベースとのＰ−Ｎ接合のバンドギャップ波長は十分に短波長側にある。したがって，第３の場合には，光の吸収は起こらない。
【００８０】
次に，以上説明した特性を示すＰ−ｉ−Ｎ−Ｐ接合構造を備える本実施の形態にかかる光変調器２００の動作について，再び図１１を参照して説明する。
なお，光変調器２００においては，光導波路１３０を形成する第１積層体１２０ａの上側クラッド層１１６ａがコレクタに相当し，光導波路１３０のコアである光吸収層１１４ａがｉ層に相当することになる。さらに，光変調器２００において，下側クラッド層１１２がベースに相当する。さらにまた，光変調器２００においては，第３積層体２２０ｂの上側クラッド層１１６ｂがエミッタに相当することになる。
【００８１】
また，光変調器２００においては，第１電極１２２ａに印加された電圧は，第１積層体１２０ａのオーミックコンタクト層１１８ａを介して，コレクタに相当する上側クラッド層１１６ａに印加されることになり，第３電極２２２ｂに印加された電圧は，第３積層体２２０ｂのオーミックコンタクト層２１８ｂを介して，エミッタに相当する上側クラッド層２１６ｂに印加されることになる。
【００８２】
したがって，光変調器１００において，第１電極１２２ａと第３電極２２２ｂとに共に電圧が印加されていない場合（すなわち，上記Ｐ−ｉ−Ｎ−Ｐ接合構造における第１の場合に相当する。）には，光導波路１３０の光吸収層１１４ａでは，バンドフィリング効果が生じる。結果として，光変調器２００では，第１素子端面２００ａ側から光導波路１３０のコアである光吸収層１１４ａに入力された光信号Ｓ１は，ほとんど吸収されることなく光吸収層１１４ａを透過し，光信号Ｓ２として，光吸収層１１４ａから第２素子端面２００ｂ側に出力される。
【００８３】
また，第１電極１２２ａが第３電極２２２ｂに対して正の電圧が印加されている場合には，第１積層体１２０ａの上型クラッド層１１６ａが第３積層体２２０ｂの上型クラッド層２１６ｂに対して高い電位になる（すなわち，上記Ｐ−ｉ−Ｎ−Ｐ接合構造における第２の場合に相当する。）。かかる場合，光導波路１３０のコアである光吸収層１１４ａは，逆バイアスが印加された状態となり，継続的な光の吸収が可能となる。結果として，第１素子端面２００ａ側から光導波路１３０のコアである光吸収層１１４ａに入力された光信号Ｓ１は，光吸収層１１４ａで吸収による所定の強度変調を受け，変調光信号Ｓ３として，光吸収層１１４ａから第２素子端面２００ｂ側に出力される。
【００８４】
さらに，第１電極１２２ａが第３電極２２２ｂに対して負の電圧が印加されている場合には，第１積層体１２０ａの上型クラッド層１１６ａが第３積層体２２０ｂの上型クラッド層２１６ｂに対して低い電位になる（すなわち，上記Ｐ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造の説明における第３の場合に相当する。）。かかる場合，光導波路１３０のコアである光吸収層１１４ａは，順バイアスが印加された状態となり，光吸収層１１４ａでの光の吸収は全く生じない。結果として，第１素子端面２００ａ側から光導波路１３０のコアである光吸収層１１４ａに入力された光信号Ｓ１は，光信号Ｓ４として，光吸収層１１４ａから第２素子端面２００ｂ側に出力される。
【００８５】
以上説明したように，本実施の形態にかかる光変調器２００においては，光導波路１３０のコアに相当する光吸収層１１４ａにビルトイン電圧を越える順方向の電圧を印加したとしても大きな電流が注入されることがない。したがって，本実施の形態によれば，注入電流によって生じる，例えばパターン効果やジュール熱の発生等を抑制することができる。結果として，本実施の形態によれば，例えば低損失で動作させる用途や，マークとスペースとの中間付近にクロスポイントがある符号化した光信号を発生させる用途等，様々な用途に応用することができる光変調器を提供することができる。
【００８６】
さらに，上記第１の実施の形態にかかる光変調器１００において，第２積層構造１２０ｂのＰ−ｉ−Ｎへテロ接合では，二つのヘテロ界面であるＰ−ｉヘテロ接合とｉ−Ｎへテロ接合とで，伝導帯及び価電子帯のエネルギー不連続量があり，そこを通過するキャリアの流れは抵抗を受ける可能性がある。一方，本実施の形態にかかる光変調器２００においては，エネルギ−不連続界面の箇所が，第１の実施の形態にかかる光変調器１００よりも減少しており，不連続界面で生じるエネルギー不連続の量も減っている。したがって，第２電極２２２ｂ直下に位置する第３積層体２２０ｂのＰ−Ｎホモ接合側では，キャリアの掃き出しがスムーズに行われ，キャリアの通過時間が早い。結果として，本実施の形態にによれば，高周波領域まで高速応答を保つ光変調器を実現することができる。
【００８７】
さらにまた，上記第１の実施の形態にかかる光変調器１００においては，光導波路１３０を形成する第１積層体１２０ａと第２積層体１２０ｂとをあまり近く設定すると，光方向性結合器のようになってしまい，光に対して所定の変調処理を行うことができなくなる。しかし，本実施の形態にかかる光変調器２００では，第３積層体２２２ｂには，光導波層がないため，光導波路１３０内のＰ−ｉ−Ｎへテロ接合に対して，第３積層体２２２ｂのＰ−Ｎホモ接合がある位置を近づけても，光方向性結合器のようにはならない。したがって，光変調器２００においては，コレクタに相当する上側クラッド層１１６ｂとエミッタに相当する第３積層体２２０ｂの上側クラッド層２１６ｂとの距離を近づけて配置することができる。結果として，本実施の形態にかかる光変調器２００においては，ベースに相当する下側クラッド層１１２内の導体抵抗の低減を，特別に光学的アラインメントを工夫することなく実現できることから，光学的アライメントの時間短縮が期待できる。
【００８８】
なお，本実施の形態にかかる光変調器２００は，例えばマスクを形成した後に光吸収層を選択的に成長させる方法や，全面に光吸収層を成長させた後に，第３積層体２２０ｂを形成すべき部分の光吸収層をエッチング除去する方法等，従来からの公知の結晶成長・プロセス技術を用いて，容易に製造することができる。
【００８９】
また，本実施の形態は，図１６に示すように，半導体基板１１０の上に下側クラッド層１１２を積層し，下側クラッド層１１２上の第３積層体２２０ｂ以外の部分には，光吸収層２１４を積層し，さらに，光吸収層２１４の上に，上側クラッド層１１６ａと上面に第１電極１２２ａが接触設置されたオーミックコンタクト層１１８ａとが順次積層された第１積層体１７０ａが，第３積層体２２０ｂに対して，絶縁層１５４を挟んで配置された構成の光変調器２５０に適用することもできる。
【００９０】
また，本実施の形態も，上記第１の実施の形態と同様に，第２半導体層構造に相当する積層体は，必ずしもストライプ構造である必要はなく，また，その端部は光機能素子の内部で終端させた構成とすることもできる。
【００９１】
（第３の実施の形態）
以上，本発明を適用可能なワンチップ型の電界吸収型光変調器について説明したが，次に，上記第１の実施の形態にかかる光変調器１００の応用形態といえる半導体光機能素子３００について，図１７を参照しながら説明する。なお，図１７は，半導体光機能素子３００の概略構成を示す斜視図である。
本実施の形態にかかる半導体光機能素子３００は，図１７中の線Ａ−Ｂ及び線Ｃ−Ｄで規定される境界面を境として，正面側に位置する光変調器１００ｔと裏面側に位置する半導体レーザ３４０とが，ｎ型の半導体基板３１０上に形成された構成を有している。
【００９２】
半導体光機能素子３００を構成する光変調器１００ｔは，図１に示す上記第１の実施の形態にかかる光変調器１００において，半導体基板１１０に代えて，半導体基板３１０を適用した構成になっている。
【００９３】
一方，本実施の形態にかかる半導体光機能素子３００を構成する半導体レーザ３４０は，光変調器１００ｔと光導波路１３０ｔを共有するように形成された導波路型半導体レーザである。なお，本実施の形態にかかる半導体光機能素子３００においては，かかる半導体レーザ３４０の光導波路１３０ｔを鉛直方向から挟むように，上側電流注入用電極３４０ａと下側電流注入用電極３４０ｂとが設置されている。
【００９４】
なお，半導体光機能素子３００において，光導波路１３０ｔの両終端面が表出する二素子端面である第１素子端面３００ａと第２素子端面とには，所定の透過率を持つ膜コーティングが施されている。
したがって，本実施の形態にかかる半導体光機能素子３００は，光変調器１００ｔの光変調動作と，半導体レーザ３４０の発振動作とを調節することによって，モード同期型のレーザパルス発生装置として機能する。
【００９５】
以上，本実施の形態にかかる半導体光機能素子３００について説明したが，本実施の形態においては，半導体レーザ３４０の代わりに，例えばＤＦＢレーザ（分布帰還型レーザ）やＤＢＲレーザ（ブラッグ反射型レーザ）を，半導体基板３１０上に形成することもできる。かかる場合には，第１素子端面３００ａに無反射膜をコーティングすることで，変調器と集積化した光源として機能する，いわゆる変調器集積化光源と呼ばれる光機能素子を構成することが可能である。
また，本実施の形態にかかる半導体光機能素子３００は，半導体レーザ３４０側の第２素子端面３００ｂに無反射（ＡＲ）膜をコーティングして，半導体光増幅器と光変調器との集積素子として機能する光機能素子を構成することも可能である。
【００９６】
以上，本発明の好適な実施の形態について，添付図面を参照しながら説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において，当業者であれば，各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり，それら変更例及び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００９７】
例えば，上記実施の形態においては，Ｐ−ｉ−Ｎ−ｉ−Ｐ接合構造又はＰ−ｉ−Ｎ−Ｐ接合構造を有する光変調器を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，Ｎ−ｉ−Ｐ−ｉ−Ｎ接合構造やＮ−ｉ−Ｐ−ｉ−Ｎ接合構造を有する光変調器に対しても適用することができる。
【００９８】
また，上記実施の形態においては，光導波路としては使用しない側の接合部をＰ−ｉ−Ｎ接合部又はＰ−Ｎ接合部として形成した光変調器を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明いおいては，光導波路としては使用しない側の接合部は，バンドギャップ波長が被入射光よりも十分に短波長側にある接合部であれば良い。したがって，本発明は，例えばｐ型層とｎ型層との間にｌｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰ等の混晶を配して形成した接合部や，他にもＰ−ｉ−Ｎホモ接合，Ｐ−Ｎへテロ接合，Ｐ−ｉ−Ｎホモ＆へテロ接合（Ｐ−ｉ−Ｎホモ＆へテロ接合とは，Ｐ−ｉ若しくはｉ−Ｎのどちら一方がホモ接合であって，他方がへテロ接合である接合をいう。）等を用いて光導波路としては使用しない側の接合部として採用した光変調器についても適用することができる。
【００９９】
さらに，上記実施の形態においては，ｎ−ＩｎＰから成る半導体基板上に形成された光変調器及び半導体光機能素子を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，他の様々な材料や極性等を有する基板，例えば，ｎ−ＩｎＰ以外の材料から成るＮ型半導体，あるいはＰ型半導体やＵｎ−ｄｏｐｅｄの半導体，さらにはＦｅ−ｄｏｐｅｄ  ＩｎＰ等の絶縁体等から成る基板上に形成された光変調器及び半導体光機能素子等に対しても適用することができる。
【０１００】
さらにまた，上記実施の形態においては，抵抗層としてＦｅ−ＩｎＰの絶縁層を有する光変調器を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，他の様々な抵抗層，例えばＵｎ−ｄｏｐｅｄ  ＩｎＰから成る抵抗層やポリイミド等の有機絶縁材料から成る抵抗層等を有する光変調器に対しても適用することができる。
【０１０１】
さらにまた，上記実施の形態においては，ＩｎＰを主材料として用いた光変調器を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，例えばＧａＡｓ等を主材料として用いた光変調器に対しても適用することができる。
【０１０２】
さらにまた，上記実施の形態において説明した光変調器においては，ｉ層やＵｎ  ｄｏｐｅｄ層における不純物濃度は１０16ｃｍ-3以下であることが望ましいが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明においては，ｎ型クラッド層やｐ型クラッド層には，他の様々な範囲の不純物拡散濃度が許容される。
【０１０３】
さらにまた，上記実施の形態においては，光導波層がＩｎＧａＡｓＰ結晶である光変調器を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，他の様々な光導波層，例えば多重量子井戸構造の光導波層やそれに格子歪みを導入した光導波層等に対しても適用することができる。
【０１０４】
さらにまた，上記実施の形態においては，電界吸収型光変調器を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，他の様々な光変調器，例えば電界の印加によって光導波層の屈折率を変え，それにより光の位相に変調をかける光位相変調器やマッハツェンダ干渉計を構成した光強度変調器等に対しても適用することができる。
【０１０５】
さらにまた，上記実施の形態においては，光変調器を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，他の様々な半導体光機能素子，例えば，過飽和吸収型の光スイッチや波長スイッチ等に対しても適用することができる。
【０１０６】
さらにまた，上記実施の形態においては，光変調器と光変調器及び半導体レーザから成る半導体光機能素子を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，他の様々な半導体光機能素子，例えば電界吸収型光変調器や位相変調器やマッハツェンダ型光強度変調器等の光変調装置，あるいは過飽和吸収型の装置や波長スイッチ等の半導体光機能素子，さらには，光変調装置や過飽和吸収型の装置や波長スイッチ等の半導体光機能素子と半導体レーザ等の他の導波路型半導体光機能素子とを集積化した半導体光機能素子等に対しても適用することができる。
【０１０７】
【発明の効果】
本発明によれば，半導体光機能素子の耐電圧特性を向上させることができるため，光導波層に電界を印加するときに，大電流が流れる可能性が大幅に小さくなる。したがって，本発明によれば，ジュール熱の発生による半導体光機能素子の破損や寿命の短縮を防ぐことができるとともに，ＡＳＥの発生やインピーダンス不整合の発生による電気的反射等が低減し，光信号の伝送中に発生するノイズの低減を実現することができる。
【０１０８】
さらに，本発明によれば，耐電圧特性の向上により，半導体光機能素子の用途の拡大を図ることができる。したがって，本発明によれば，近い将来に実現が予想される超高速大容量光通信システムの構築に有用な半導体光機能素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能な光変調器の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す光変調器のの概略構成を示す正面図である。
【図３】図１に示す光変調器の動作説明のためのエネルギダイヤグラムである。
【図４】図１に示す光変調器の動作説明のための他のエネルギダイヤグラムである。
【図５】図１に示す光変調器の動作説明のための他のエネルギダイヤグラムである。
【図６】図１に示す光変調器の概略的な特性説明図である。
【図７】図１に示す光変調器の概略的な他の特性説明図である。
【図８】本発明を適用可能な他の光変調器についての実験データである。
【図９】従来の半導体光機能素子についての実験データである。
【図１０】本発明を適用可能な他の光変調器の概略構成を示す正面図である。
【図１１】本発明を適用可能な他の光変調器の概略構成を示す斜視図である。
【図１２】図１１に示す光変調器の概略構成を示す正面図である。
【図１３】図１１に示す光変調器の動作説明のためのエネルギダイヤグラムである。
【図１４】図１１に示す光変調器の動作説明のための他のエネルギダイヤグラムである。
【図１５】図１１に示す光変調器の動作説明のための他のエネルギダイヤグラムである。
【図１６】本発明を適用可能な他の光変調器の概略構成を示す正面図である。
【図１７】本発明を適用可能な半導体光機能素子の概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１００              光変調器
１１２              下側クラッド層
１１４ａ            光吸収層
１１４ｂ            中間層
１１６ａ，１１６ｂ  上側クラッド層
１２０ａ，１２０ｂ  積層体
１２２ａ，１２２ｂ  電極
１２４              絶縁層
３００              半導体光機能素子
３４０              半導体レーザ
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３    光信号
【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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【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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