(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高強度で光を誘導する部分（１１４，１１６，２１４，２１６）と、中間部により結合されてなる低強度で光を誘導する部分（１８０，２８０）と、前記低強度で光を誘導する部分と前記高強度で光を誘導する部分との間でモードの閉込めが徐々に変わる中間部とを具備し、下側の層（１５４，２５４）と上側の層（１５８，２５８）との間に配置されてなる導波層（１５６，２５６）を含む多層半導体構造を有する半導体基板上に作製され、導波路が、多層半導体構造内にエッチングによって形成されたリッジ構造により形造られている光導波路において、
前記高強度で光を誘導する部分が、導波層を貫通してその下側の層にまで延びるリッジ構造の一部によって形造られており、
前記低強度で光を誘導する部分が、導波層の上の層で終わるリッジ構造の一部によって形造られていることを特徴とする光導波路。
【請求項２】
前記中間部（２９０）は、テーパー形状に設けられ、前記高強度で光を誘導する部分（１１４，１１６，２１４，２１６）と前記低強度で光を誘導する部分（１８０，２８０）とを結合し、均一な幅の上半部と、前記低強度で光を誘導する部分から前記高強度で光を誘導する部分へ向かって幅が減少する下半部のテーパー部分とを具備するリッジ構造によって形成されており、そのリッジ構造の下半部のテーパー部分は導波層を貫通して延びていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
前記導波層（１５６，２５６）は、少なくとも１つの量子井戸を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光導波路。
【請求項４】
マッハ・ツェンダー半導体変調器は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のリッジ型導波路構造を備えており、その変調器は、入力側の導波路と出力側の導波路とを持つ入力側の導波型スプリッタを有しており、このとき、その導波型スプリッタの出力は、出力側の導波路を備えた導波型コンバイナに結合される出力を有する一対の変調部分にそれぞれ結合されており、さらにこのとき、前記導波型スプリッタの入力側の導波路および前記導波型コンバイナの出力側の導波路は、前記低強度で光を誘導する部分（１８０，２８０）にそれぞれ結合されてなる、前記高強度で光を誘導する部分（１１４，１１６，２１４，２１６）によって形成されていることを特徴とするマッハ・ツェンダー変調器。
【請求項５】
低強度で光を誘導する部分（１８０，２８０）のそれぞれは、前記中間のテーパー部（２９０）を介して、高強度で光を誘導する部分に結合されており、その中間のテーパー部は、低強度で光を誘導する部分と高強度で光を誘導する部分との間で、モードの閉込めが徐々に増大するようになっていることを特徴とする請求項４に記載のマッハ・ツェンダー変調器。
【請求項６】
テーパー部（２９０）の徐々に増大するモードの閉込めは、低強度で光を誘導する部分（１８０，２８０）に隣接する第１の幅から高強度で光を誘導する部分（１１４，１１６，２１４，２１６）に隣接するより狭い幅まで、幅が変化してなる導波路の中間部によって生じることを特徴とする請求項５に記載のマッハ・ツェンダー変調器。
【請求項７】
請求項１に記載のリッジ型導波路構造を備え、入力側の導波路と出力側の導波路とを持つ入力側の導波型スプリッタを有しており、このとき、その導波型スプリッタの出力は、出力側の導波路を備えた導波型コンバイナに結合される出力を有する一対の変調部分にそれぞれ結合されており、さらにこのとき、前記導波型スプリッタの入力側の導波路および前記導波型コンバイナの出力側の導波路は、前記低強度で光を誘導する部分（１８０，２８０）にそれぞれ結合されてなる、前記高強度で光を誘導する部分（１１４，１１６，２１４，２１６）によって形成されているマッハ・ツェンダー変調器であって、
さらに前記中間部（２９０）の徐々に増大するモードの閉込めは、低強度で光を誘導する部分（１８０，２８０）に隣接する第１の深さから高強度で光を誘導する部分（１１４，１１６，２１４，２１６）に隣接するより深い深さまで、深さが変化してなるテーパ部を構成する導波路の中間部によって生じることを特徴とするマッハ・ツェンダー変調器。
【請求項８】
前記中間部（２９０）は、低強度で光を誘導する部分（１８０，２８０）に隣接する第１の深さから高強度で光を誘導する部分（１１４，１１６，２１４，２１６）に隣接するより深い深さまで、深さが変化してなるテーパ部であることを特徴とする請求項1に記載の光導波路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度で光が誘導される導波路と低強度で光が誘導される導波路との光結合に関し、特に集積化されたマッハ・ツェンダー変調器の改良技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高ビットレートで、伝送距離の長い光ファイバーによる光通信においては、動作波長を選択してファイバー損失を低減するとともに、レーザ源の高周波数変調により生じるチャーピングや波長シフトによるスペクトルの広がりを低減することによって中継器の間隔をより長くすることが達成され得る。
【０００３】
従来におけるシングルモード光ファイバーでは、光波長が１．５５μｍのときに光吸収が最小になり、光波長が１．３μｍのときに波長分散が最小になる。長距離伝送においては、吸収損失がより重大な制約となるため、波長１．５５μｍのレーザ源を用いるのが好ましい。しかしながら、従来におけるシングルモード光ファイバーの波長分散は、１．３μｍのときよりも１．５５μｍのときのほうがより大きく、周波数に依存する群速度から生じる。
【０００４】
高周波数でのレーザの直接変調は、一般に、比較的大きな周波数チャーピングを引き起こす。波長シフト、または変調パルスの立上りエッジにてより短波長側（青色側）へ波長がシフトし、かつパルスの立下りエッジにてより長波長側（赤色側）へ波長がシフトすることにより、パルスの広がりを生じるチャーピングによって、スペクトルの広がりが部分的に起こる。このチャーピングの影響は、周波数チャーピングとして知られている。チャーピングが小さく、波長１．５５μｍの多重量子井戸（以下、ＭＱＷと略記する）半導体レーザを用いた、中継器間隔８０ｋｍの２．５Ｇｂ／ｓ伝送システムが商業的に実用化されている。しかしながら、直接変調されたレーザの不利益は、実際の１０Ｇｂ／ｓの長距離伝送には大き過ぎる。
【０００５】
これに代わる方法は、帯域が狭く、チャーピングを低減または制御しながら変調された信号を発振する連続発振（cw）レーザとともに、電気光学変調器を用いることである。電気光学変調器においては、変調信号により生じた位相の遅れは、通常、マッハ・ツェンダー干渉計または方向性結合器により、強度変調に変換される。
【０００６】
マッハ・ツェンダー（以下、ＭＺと略記する）変調器は、この適用に対して特に興味深い。集積化された、すなわち半導体ＭＺ変調器は、電気光学変調器を構成する第１および第２の導波路チャネルもしくは導波路アームに対して結合された光導波路型スプリッタと、導波型コンバイナ（結合器）でできている。各導波路アームには電極が設けられており、それらの電極の一方または両方に変調電圧を印加して屈折率を変化させることにより、２つの光ビームの相対的な位相が変化する。従って、λ／２の位相差（すなわち、πシフト）によりビームが消滅して出力が「オフ」信号になっているにもかかわらず、異なる位相の変化により、２つのビームが最も強度の高い「オン」信号となる位相で結合している場合もあり得る。一般的に、スプリッタおよびコンバイナは、Ｙ分岐導波路：すなわちスプリッタもしくは方向性結合器の、導波路の接続部分に特有の典型的なＳ形状に見える「Ｓベンド部」として説明される部分の形をしている。
【０００７】
従来、これらの電気光学変調器には、ＬｉＮｂＯ3 が使われていた。近時では、小型で、必要とされる駆動電力が小さく、レーザ源と単一的に集積され得る、多重量子井戸ＭＱＷIII −Ｖ族半導体よりなる変調器が開発されてきている。これらのＭＱＷ構造においては、電子正孔対により形成された励起子は、室温であっても鋭い吸収ピークを示す。ＭＱＷ構造を形成する積層体の面に対して垂直に電界が印加されると、エネルギーギャップが小さくなり、励起子の吸収ピークは長波長側へシフトする。これは、量子閉込めシュタルク効果（以下、ＱＣＳＥと略記する）と呼ばれている。ＱＣＳＥを用いることによって、２種類の外部光変調器が作製され得る。一つは電界吸収型光変調器であり、もう一つは位相変調器である。バルク型の半導体変調器に対しては、フランツ・ケルディッシュ効果により、位相は外部電界とともに線形的に変化する。ＭＱＷ変調器では、ＱＣＳＥによる位相変化に二次の項が付加される。そのため、小型で高速の位相変調器において、比較的大きな電界で位相シフトが起こるような変調器が得られる。
【０００８】
駆動電圧または２つのアームにおける電力分割比を選択することによって、チャーピング周波数を制御することができるということは、ＭＺ変調器が多ギガビットの長距離光ファイバー伝送に極めて適しているということを意味しているものである。
【０００９】
光変調器において、チャーピングを低減する、あるいは制御する種々の方法が知られている。例えば、本発明者らのうちの一人であるＲｏｌｌａｎｄらにより１９９４年１月２８日付けで出願された米国特許出願第０８／１８８．０００号「Ｃｈｉｒｐ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ａ  Ｍａｃｈ  Ｚｅｈｎｄｅｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ  ｕｓｉｎｇ  ｎｏｎ−ｅｑｕａｌ  ｐｏｗｅｒｓｐｌｉｔｔｉｎｇ」には、マッハ・ツェンダー型半導体変調器における改良について説明されている。その後半には、変調器の第１および第２のアーム間の光パワーの比率を制御する手段が提供されている。
【００１０】
本発明者らのうちの一人であるＪｕｎ  Ｙｕらにより１９９５年６月２８日付けで出願された英国特許出願第９５１３１４６．２号「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ  ｗｉｔｈ  ａ  １／２  ｓｈｉｆｔ」には、改良されたマッハ・ツェンダー型半導体変調器の別の例について説明されており、その中で、変調器は、不等長すなわち非対称形状のアームを有している。そして、２つのアームにおける光路長はIII −Ｖ族ＭＱＷデバイスの波長の１．５倍もしくは奇数倍だけ異なっており、等しいプッシュプルデバイスの形状に対する逆のチャーピングおよび高い消光比を生じている。
【００１１】
Ｆａｌｔらによる米国特許第５３６３４５６号「Ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｈａｓｅｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅｉｒ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ」には、位相を変調する一対の電極を一まとめにした第１および第２の位相調整電極対を用いて周波数応答を改善するようにした発明について開示されている。
【００１２】
理想的には、これらのデバイスは、シングルモードであり、かつ結合効率をよくするために、光ファイバーまたはレーザ源の次元と合致するような次元を有している。ＭＱＷ変調器のシミュレーションおよび設計に、例えば、「Ｏｐｔｉｍａｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｔｒｏｎｇｌｙ  Ｇｕｉｄｉｎｇ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｒｉｂ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｙ−ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ」（ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．２、ｎｏ．６、１９９０年６月）の中でＲｏｌｌａｎｄらにより、また「Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｏｆ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｍｏｄｅｓ  ｉｎＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ」（ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｖｏｌ．２８、ｎｏ．５、１９９２年５月）の中でＫｈａｌｉｌらにより、検討されたように、ビーム伝搬法（以下、ＢＰＭと略記する）が使用されてきた。ＢＰＭは、干渉計の損失をデバイス長の関数として計算するのに使用される。デバイスの入力および出力での光遷移が、変調器を構成する導波光構造に必要とされる。
【００１３】
導波路構造に関しては、その構造においてわずかでも軸が変化すると、多量のエネルギーが放射モードに遷移してしまう。マッハ・ツェンダー変調器においては、例えば、放射モードは、モード不整合またはファイバー接合の不整合によって引き起こされ得る。
【００１４】
高強度で光が誘導される導波路構造で構成された変調器は、デバイスの小型化、低損失化および電気的な場と光学的な場との重なりが大きくなるという利点を有している。高強度で光が誘導される構造は、リッジ型導波路の導波層またはＭＱＷ層を貫通する適切なエッチングにより作製される。結合損失は、入力端におけるテーパファイバーの場のプロファイルのような入力源のプロファイル、および導波路の横の構造により決まる。一般に、結合効率はリッジ型導波路の幅とともに増大するが、ＢＰＭ解析によれば、導波路がマルチモード化しないようにするためには、ＭＱＷの幅は２．１μｍに制限されてしまうことがわかっている（本発明者らの一人であるＪｕｎ  Ｙｕの博士論文（クイーンズ大学、キングストン、カナダ、１９９４年）の第５章参照）。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
一方、如何なる放射モードも、高強度で光が誘導される構造において誘導される傾向にあり、かつデバイス特性が逆に影響されるため、基本モードと干渉する虞がある。放射エネルギーが漏れるのに、低強度で光が誘導される構造におけるよりも極めて長い距離がかかる。高強度で光が誘導される構造は、都合よく、長さが〜１００μｍの短いＳベンド部を用いており、電気的モードと光学的モード（E/O modes)との間で大きな重なりを有する。しかしながら、高強度で光が誘導される構造は、ファイバー結合、すなわち光軸ずれや入射角等に極めて敏感であり、低強度で光が誘導される構造と比較して、導波路とファイバーとの結合効率が低い。
【００１６】
積層体が丁度ＭＱＷ上までのみエッチングされている場合には、その導波路の構造は、低強度で光が誘導される構造であるリブ型導波路の構造に近くなる。
【００１７】
低強度で光が誘導される構造では、消光比および周波数チャーピングは、ファイバー出力端のサブミクロンの光軸ずれに対して、敏感でない。しかし、それを作製するにあたっては、特別なエッチングの停止が必要となり、また信頼性の高いシングルモードの導波路にとってはリッジ底部近傍のリッジ側部の傾斜をよく制御することが必要とされる、という点でより複雑である。
【００１８】
低強度で光が誘導される構造において生じる放射モードは、より弱く誘導されると予想され、それゆえ変調器の特性にあまり影響を及ぼさない。しかしながら、高強度で光が誘導される構造に関しては、パワーを劣化させることなく出力端にて同じ口径を保つために、より長いＳベンド部分が必要となる。（ＢＰＭ解析および実測によれば、ＭＱＷの上端とエッチングを停止した底部との間のエッチング深さが０．１μｍから０．２μｍのときに、低強度で光が誘導される構造をなすということが確認された）。そのＳベンド部の長さは、曲げ損失を低くするためには、高強度で光が誘導される部分において１００μｍから最長７００〜１０００μｍにまで増大した。
【００１９】
高強度で光が誘導される構造では、変調器のビット０の出力が、変調器がオフにされたときにもゼロに近くなるということを、シミュレーションは示唆している。実験的には、極めて多量の残留パワーが検出される。ビット０の場が非対称であるのは、変調器の出力部分でのシングルモード導波路において放射モードになっているからであり、その放射モードは、高強度で光を誘導するリッジ型導波路によって長い距離を伝搬する。
【００２０】
本発明は、低強度で光を誘導する導波路および高強度で光を誘導する導波路との光結合の改善を提供することを目的とし、特に、本発明は、マッハ・ツェンダー変調器に対する結合を改善して、ファイバーの光軸ずれの影響を低減することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つによれば、高強度で光を誘導する部分、低強度で光を誘導する部分およびそれらの間に配置された中間部を具備し、その中間部が、低強度で光が誘導される部分と高強度で光が誘導される部分との間で、モードの閉込めが徐々に変化するようになっている光導波路構造が提供される。
【００２２】
例えば、モード不整合による損失を低減するために、テーパー状をなす導波部を、低強度で光が誘導される部分と高強度で光が誘導される部分との間にバッファとして設け、それによって反射損失を抑制する。従って、導波路全体において、低強度で光が誘導される部分と高強度で光が誘導される部分の両方を備えていることによって、結合効率が改善されるという利点が得られる。
【００２３】
低強度で光が誘導される部分と高強度で光が誘導される部分との間で、徐々に変化するモードの閉込めは、導波路の幅または深さがテーパー状、例えば低強度で光が誘導される部分と高強度で光が誘導される部分との間で幅が狭くなるように変化している中間部により生じる。
【００２４】
下側の層と上側の層との間に配置されてなる導波層を含む多層半導体構造を有する半導体基板上に作製された導波路において、その導波路は、多層半導体構造内にエッチングによって形成されたリッジ構造により形造られていて、高強度で光を誘導する部分は、導波層を貫通してその下側の層にまで延びるリッジ構造の一部における導波層よって形造られているとともに、低強度で光を誘導する部分が、導波層の上の層で終わるリッジ構造の一部によって形造られている。高強度で光を誘導する部分と低強度で光を誘導する部分とを結合する中間のテーパー形状をなす部分は、均一な幅の上半部と、低強度で光が誘導される部分から高強度で光が誘導される部分へ向かって幅が減少する下半部とを具備するリッジ構造によって形成されており、そのリッジ構造の下半部は導波層を貫通して延びている。
【００２５】
導波層は、少なくとも１つの量子井戸を備えていてもよい。
【００２６】
本発明のもう１つによれば、マッハ・ツェンダー半導体変調器は、半導体基板上に形成されてなるリッジ型導波路構造によって形成されており、その変調器は入力側の導波型スプリッタを有しており、その導波型スプリッタの出力は、導波型コンバイナに結合される出力を有する一対の変調部分にそれぞれ結合されており、入力側の導波型スプリッタおよび導波型コンバイナは、導波型スプリッタの入力および導波型コンバイナの出力のそれぞれの低強度で光を誘導する部分に結合されてなる、高強度で光を誘導する部分によって形成されている。
【００２７】
低強度で光が誘導される部分と高強度で光が誘導される部分との端面結合は、実際に、結合効率に対する光軸ずれの影響を低減するように作用する。しかしながら、この構造は、低強度で光を誘導する部分と高強度で光を誘導する部分との間の急激に変化する境界にて、モード不整合を生じる虞があるとともに、レーザおよび変調器が集積化された設計に対して有害な反射を生じる虞がある。
【００２８】
利点として、低強度で光を誘導する部分は、中間のテーパー部を介して、高強度で光を誘導する部分に結合されており、その中間のテーパー部は、低強度で光が誘導される部分と高強度で光が誘導される部分との間で、モードの閉込めが徐々に増大するようになっている。
【００２９】
実際には、テーパー部の徐々に増大するモードの閉込めは、好ましくは、中間部の幅が狭くなること、すなわち、低強度で光を誘導する部分に隣接する第１の幅から高強度で光を誘導する部分に隣接するより狭い幅まで、幅が変化してなる導波路の中間部を設けることによって生じているとよい。
【００３０】
そのテーパー部は、損失の低減、それによる反射の抑制、およびモード不整合による損失の低減に有効である。約４０個のデバイス対する実験では、いずれのテーパー部においても０．５９dBの伝送レベルの増加を示す。
【００３１】
代わりに、テーパー部の徐々に増大するモードの閉込めは、導波路の中間部の別のパラメータ、例えば深さが変わることによって生じるようになっていてもよい。
【００３２】
リッジ型導波路構造は、半導体基板上に作製され、かつ下側の層と上側の層との間に配置されてなる導波層を含む多層半導体構造を有しており、それぞれの高強度で光を誘導する部分が、導波層を貫通してその下側の層にまで延びるリッジ構造の一部によって形造られているとともに、それぞれの低強度で光を誘導する部分が、導波層の上の層で終わるリッジ構造の一部によって形造られている。中間のテーパー部は、低強度で光を誘導する部分と高強度で光を誘導する部分との間に延びている。そのテーパー部は、均一な幅の上半部と、低強度で光が誘導される部分から高強度で光が誘導される部分へ向かって幅が減少する下半部を備えている。
【００３３】
一例として、中間部の幅は、３０μm 長にわたって６μm から２μm まで狭くなっており、０．１μm の設計誤差で作製される。そのテーパー部は、ドライエッチングとウェットエッチングの工程を組み合わせて用いる２工程のエッチング処理で作製され得る。作製を補助するために、導波層上に、ウェットエッチング停止層が０．１５±０．０５μｍの厚さで設けられる。
【００３４】
これらの構造は、標準的な波長で動作する通信用レーザと一緒に動作させるのに非常に適している。
【００３５】
従って、入力ファイバーと出力ファイバーの結合効率が改善されてなるマッハ・ツェンダー（ＭＺ）変調器が得られる。そのＭＺ変調器は、デバイスの結合効率および選択性（selectivity)を最もよくするために、低強度で光が誘導されする入力部と高強度で光を誘導する部分とを結合している。モードの閉込めが徐々に変化し、モード不整合による損失を低減し、それによって導波路の低強度で光が誘導される部分と高強度で光が誘導される部分の間の接合部における反射を抑制する中間のテーパー状の導波部によって、導波路の低強度で光が誘導される部分と高強度で光が誘導される部分との結合が改善される。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら、詳細に説明する。
【００３７】
図１７には、多重量子井戸構造をなす従来における半導体マッハ・ツェンダー変調器の概略図が示されている。変調器１０は、適当なレーザ源からの光が入射される入力導波路１４を有する入力Ｙ分岐部１２を備えている。入力導波路１４は、およそ２μｍ幅であり、シングルモードである。レーザからの入力光パワーは、ファイバーのピグテイル手段（図示せず）を介して入力導波路１４に供給されるか、またはそれに代わって、共通基板上に単一的に集積されてなるレーザから供給される。入力Ｙ分岐部（スプリッタ）１２は、シングルモードの入力導波路１４の部分、それに続く〜４０μｍ長で〜４μｍ幅のリッジ部の３重モード導波部１６、および約〜１００長の２つのＳベンド部１８，２０を備えている。３重モード導波部１６は、２つの対称的なモードと１つの非対称的なモードの３つのモードを支持している。変調器の分岐アーム２２，２４は、２つのＳベンド部１８，２０に位置合わせされて結合されており、シングルモードのみを支持するように、いずれもおよそ２μｍ幅になっている。一般に、公知の変調器では、分岐アーム２２，２４が縦軸２６に対して等距離をなすように設計されている。分岐アーム２２，２４間の距離は、〜２０μｍである。出力Ｙ合流部（コンバイナ）２８は、入力Ｙ分岐部と同様の寸法を有しており、入力Ｙ分岐部と同様に、シングルモードの出力導波路３４に結合された３重モード導波部３２内に、光を再結合して入射する２つのＳベンド部３０を有している。入力Ｙ分岐部１２を示す変調器の部分平面図が図１８に拡大して示されている。
【００３８】
各分岐アーム２２，２４は、その上に、それぞれ電極パッド４０，４２に接続された金属層３６，３８を有している。これらの電極により、各分岐アーム２２，２４に独立して電圧を印加することができ、それによって、屈折率を変えて、導波路を通過して伝搬する光の位相を変えることができるようになっている。これらのシングルモードの分岐アーム２２，２４は、通常、２μｍ幅で深さ３μｍであり、例えば約６００μｍ長でおよそ２０μｍの距離で離間されている。
【００３９】
図１７の右側には、導波路の層構造を示すために、一般的な高強度で光を誘導する構造をした、図１７の左側に示す入力導波路の部分における断面が拡大して示されている。各層は、非線形的な電気光学特性を有する材料でできている。その材料とは、例えば、あるII−VI族合金と同様に、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ等のIII −Ｖ族である。このタイプの積層構造は、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）のような周知のエピタキシャル法により成長される。図１７の拡大断面図に示すように、その構造は、Ｎ＋ＩｎＰ基板５０上に成長された薄いＩｎＧａＡｓ吸収層５２を有している。その吸収層５２上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層５４が成長され、その上に導波層となる多重量子井戸構造体（以下、ＭＱＷ体と称する）５６が形成されている。ＭＱＷ体５６は、ＩｎＰバリア層により相互に分離された複数のＩｎＧａＡｓＰ四元化合物層でできた真性領域になっていてもよい。一般に、好ましくは多重量子井戸構造であるが、代わりに単一の量子井戸構造を用いてもよい。ＭＱＷ体５６上にｐ型ＩｎＰクラッド層５８が成長され、最後に高濃度ドープされたｐ＋ＩｎＧａＡｓ層６０が、オーミック電極を形成するためのコンタクト層および吸収層として設けられる。Ｐ型電極はコンタクト層（ｐ＋ＩｎＧａＡｓ層６０）上に選択的に形成され、またｎ型電極６２は基板に形成される。
【００４０】
図１７〜図１８に示す変調器の高強度で光を誘導する導波路の積層体構造は、変調器構造の全体にわたって同じである。図１７に示す従来における構造体は、デバイスがパターニングされ、ボンディングパッド、井戸および導波路のリッジ部もしくはアームが、図に示すように、ＭＱＷ層を貫通して同時にエッチングされることにより作製される。図１７に示すように、リッジ部の側壁部は、高強度で光が誘導される構造となるために、ＭＱＷよりも下のレベルまでエッチングされる。例えば、Ｒｏｌｌａｎｄらによる記事「１０Ｇｂｉｔ／ｓ  １．５６μｍｍｕｌｔｉｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ  ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ  Ｍａｃｈ  Ｚｅｈｎｄｅｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ」（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．２９  ｐｐ．４７１〜４７２、１９９３年）内に、さらに詳細に構造が説明されている。しかしながら、上述したように、高強度で光が誘導される導波路は、さらにより小型で、より短い構造となり得るが、高強度で光を誘導する導波路は、ファイバー結合、すなわち光軸ずれや入射角等に極めて敏感であり、低強度で光が誘導される構造に比べて、導波路とファイバーとの間をあまり効率よく結合することができない。
【００４１】
図１、図２および図３には、本発明の実施の形態１によるマッハ・ツェンダー変調器の一部が示されており、図１は変調器の入力結合器部分の平面図、図２（ａ）は図１のII−IIにおける縦断面図、図３（ａ）は図１のIII −III における縦断面図である。図２（ｂ）および図３（ｂ）は、図１のIIおよびＶＩにおけるビームのプロファイルに対するＢＰＭの伝搬シミュレーションを表している。
【００４２】
この実施の形態１の変調器の構造は、入力Ｙ分岐部（スプリッタ）１１２（図１に示されている）と出力Ｙ合流部を形成する２つのＹ分岐部、および変調器の分岐アーム１１８，１２０からなる主要部分を有しており、それらは、それぞれ図１７に示した従来における変調器の対応する構成要素１６、１８および２０と同様のものである。全てのこれらの導波路部分は、高強度で光を誘導するリッジ型導波路として作製される。そのリッジ部は、図２（ａ）に示すように、従来の方法で導波層を貫通してエッチングされて形成される。
【００４３】
図１に示す実施の形態１におけるＭＺ変調器の入力および出力の結合器部分は、図１８に示す従来のＭＺ変調器とは異なっている。出力部分は、図１に示す入力部分と同様の構成になっており、いずれも、変調器の高強度で光を誘導する入力部（以下、高強度誘導部と称する）１１６に端面結合されてなる低強度で光を誘導する導波部（以下、低強度誘導部と称する）１８０を有している。それぞれの低強度誘導部は、出力部分（図示せず）に端面結合されている。
【００４４】
実施の形態１のＭＺ変調器の積層構造は、半導体基板上に作製され、そして図１の構造のII−IIおよびIII −III における模式的な断面図に示された多層構造を有している。図２（ａ）および図３（ａ）に示す積層構造は、従来通り、下層のｎ型層１５４と上層のｐ型層１５８との間に配置された、多重量子井戸構造をなす導波層１５６を有している。これらの層の組成は、図１７に示す従来の変調器の多層構造と同様である。
【００４５】
断面図において、低強度誘導部１８０は、図３（ａ）に概略的に示すように、導波層１５６上で所定の厚さｔのエッチング停止層１７２まで至る上層ｐ型層１５８によりリッジ部が形造られてなる導波部を有している。リッジ型導波路構造の作製においては、一般にドライエッチングとウェットエッチングの処理が組み合わされて使用される。そして、エッチング停止層は、上述したように、低強度誘導部を形成するために、ＭＱＷ層上に丁度配置される。リッジ部の側壁の形状は、まっすぐに垂直であるのが理想的であるが、リッジ構造は、異方性のドライエッチング処理とウェットエッチング工程を含む２工程のエッチング処理により形成される。ドライエッチング工程は、異方性エッチングであり、急峻な側壁を有するリッジ部を形成する。実際には、エッチング停止層まで下がるウェットエッチング工程では、エッチング深さを制御する必要があり、リッジ側壁の底部近傍において、傾斜したリッジ側壁、すなわち角度ｑがエッチング処理に依存する「裾部」が生じる（図３（ａ）参照）。他のモードは、この構造の寸法に依存して生じる。しかしながら、エッチングにより図３（ａ）に示す構造が形成される場合でさえ、低強度誘導部において、ファイバーの光軸ずれが著しく低減される。
【００４６】
それぞれの部分における理論上のモード構造は図２（ｂ）および図３（ｂ）に示すように特徴づけられる。従って、レーザ源からの入力は、直接結合されるか、または光ファイバーを介して結合され、より効率よく低強度誘導部に結合される。
【００４７】
図９には、実施の形態１によるＭＺ変調器における、低強度誘導部１８０と高強度誘導部１１６との端面結合部分の結合損失が、エッチング停止層と導波層の上端との間の層の厚さｔに対する関数として示されている。厚さｔが変わると、モード構造が変化してモードの閉込めが変わり、導波路の高強度誘導部との結合が改善される。図２（ａ）および図３（ａ）に示すように、リッジ部の幅をＷ、低強度誘導部１６０の幅をＷ2 とする。入力結合器部分における低強度誘導部と高強度誘導部との端面結合部分に対する結合損失を低減するために、低強度誘導部での好ましい厚さｔは、０．１μｍと０．２μｍとの間の厚さであった。低強度で結合される部分の長さは、好ましくは１５０μｍ以上の長さである。図１０には、低強度誘導部と高強度誘導部の端面結合部分を有する実施の形態１のＭＺ変調器における、入力用ファイバーの位置（すなわち、光軸ずれ）に対して結合された入力パワーおよび出力用ファイバーの位置に対する消光比の関係が示されている。図１１は、実施の形態１の導波路の低強度で光を誘導して出力する部分における、「オフ」状態のときに伝搬するモードのシミュレーション結果を示している。
【００４８】
実施の形態２のＭＺ変調器において、この変調器の構造は、図４に示すように、入力結合器が、低強度誘導部２８０、および低強度誘導部と高強度誘導部との間のモードの閉込めを徐々に変化させるための中間部２９０により結合された高強度誘導部２１４を有している点を除いて、実施の形態１の構造と同じである。実施の形態２の構造において、実施の形態１の構造と対応する構成要素については、実施の形態１の符号に１００を加えて示す。
【００４９】
中間部２９０の構造は、入力結合器の要部斜視図である図８に示すように、低強度で光が誘導される導波部と高強度で光が誘導される導波部との間の過渡部となっている。図８に示すように、中間部２９０の特徴は、図４並びに概略縦断面を示す図５、図６および図７に示すように、導波路の導波層の幅を決める中間部の幅が徐々に変わるテーパー形状になっていることである。中間部の幅がテーパーによって狭くなるのに伴って、モードの閉込めが変化してモードのスクイージングが起こり、低強度誘導部２８０と高強度誘導部２１４との結合におけるモード不整合が低減される。中間のテーパー部分は、図５、図６および図７にそれぞれ示すように、均一な幅Ｗのリッジ部を形成する上半部と、低強度誘導部に隣接する第１の幅Ｗ1 から高強度誘導部に隣接するより狭い幅Ｗ2 まで導波路の幅が徐々に細くなる下半部により、特徴付けられる。それゆえ、中間部（テーパー部）２９０は、図８に示すように、低強度誘導部と高強度誘導部との間の過渡領域となっている。
【００５０】
テーパー部が、その長さ方向に沿ってモードの閉込めが変わるようになっていることによって、変調器の低強度誘導部と高強度誘導部との間の結合効率が改善される。
【００５１】
実際には、テーパー部の徐々に増加するモードの閉込めは、好ましくは、中間部の幅が徐々に狭くなっていること、すなわち、導波路の中間部が、低強度誘導部に隣接する第１の幅から高強度誘導部に隣接するより狭い幅に至るまで変化していることによって与えられる。
【００５２】
テーパー部は損失を低減するのに効果的であり、それゆえ反射を抑え、モードの不一致による損失を低減するのに有効である。４０個のデバイスから得た実験データでは、各テーパー部において、約０．５９ｄＢの伝送レベルの増大が観察された。理論上は、１ｄＢの増大が計算により導出される。
【００５３】
図１２および図１３に示すデータは、変調器の両端に設けられた低強度誘導部による導波路構造によって得られる改善効果を示すためのＢＰＭによるシミュレーション結果および実施の形態２のＭＺ変調器構造での測定結果である。特に、図１２は、６μｍから２μｍまでのテーパー部の幅に対するパワー損失を、３０μｍのテーパー長Ｌtaper の関数として示す特性図であり、図１３は、８μｍから２μｍまでのテーパー部の幅に対するパワー損失を、テーパー長Ｌtaper の関数として示す特性図である。
【００５４】
入力側の低強度誘導部の長さは、１５０μｍ以下である。図１２には、テーパー部の幅が６μｍから２μｍまでの中間部を有する実施の形態２の変調器におけるテーパー部の長さの関数として、重複したパワー損失が示されており、また図１３には、実施の形態２の異なる寸法の別の変調器、すなわちテーパー部の幅が８μｍから２μｍまでの中間部を有する変調器におけるテーパー部の長さの関数として、重複したパワー損失が示されている。図１４には、実施の形態２によるＭＺ変調器における入力用ファイバーの位置に対する入力パワーの関係が示されており、また図１５には、実施の形態２によるＭＺ変調器における出力用ファイバーの位置に対する消光比の関係が示されている。
【００５５】
消光比および周波数チャーピングは、出力用ファイバーの光軸ずれに依存している。従来のＭＺ変調器では、出力用ファイバーのサブミクロンオーダーの光軸ずれに対して、消光比が数ｄＢ程度変化する。周波数チャーピングは、出力用ファイバーの光軸ずれに対して敏感であり、消光比と公知の変調モードに対する好ましくないチャーピングとはトレードオフの関係にある。実施の形態２のＭＺ変調器の実施においては、入力用ファイバーの光軸ずれが０．４μｍであると、放射モードが生じ、迅速に放射してしまって、１５０μｍの伝搬距離の後には殆どうなりが起こらない。また、パワーの分割比は、入力用ファイバーの光軸ずれおよび入力導波部の長さに対してあまり敏感ではない。
【００５６】
実施の形態２のＭＺ変調器構造との比較においては、シミュレーションおよび測定については、全てが低強度で光を誘導する部分でできた従来のＭＺ変調器の結果と比較した。この従来のＭＺ変調器では、導波モードと放射モードとの間で、パワーの周期的な交換が観察された。低強度で光を誘導するＭＺ導波路に対するうなりの平均的な長さは、およそ１ｍｍであった。また一方では、低強度で光が誘導される構造では、導波路とファイバーとの間の結合が、ファイバー結合、光軸ずれおよび入射角に対して敏感でない、という改善された利点があった。しかしながら、その低強度で光が誘導される構造では、高強度で光が誘導される構造におけるＳベンド部の長さが〜１００μｍであるのと比べて、例えば１０００μｍの極めて長いＳベンド部が必要となり、その結果、電気的モードと光学的モード（E/O modes)との間の重なりがより小さくなってしまう。
【００５７】
全てが高強度で光を誘導する部分でできた別の従来構造では、ビーティングの長さは約２０μｍであり、より著しい放射モードの干渉を示していた。対称なモードは、Ｙ分岐の２つのアームに等しく分配する。しかしながら、非対称な放射モードの場が、入力用ファイバーの光軸ずれによって引き起こされる可能性がある。実際に、ある程度の光軸ずれは避けようもなく、特にデバイスのパッケージング中の光軸ずれは避けられない。最初のＹ分岐における２つの分岐路間のパワー分割比は、消光比および周波数チャーピングにに影響を及ぼす。例えば、上述したいくつかの公知の設計では、意図的にパワー比を分割している。しかしながら、またファイバーの光軸ずれによって、十分に消失せずに出力に影響を及ぼす非対称なモードが生じ、アームに沿って干渉が生じてしまう。
【００５８】
実施の形態２のＭＺ変調器構造の作製において、例えば、中間部の幅は、３０μｍのテーパー長にわたって、６μｍの幅Ｗ1 から２μｍの幅Ｗ2 まで徐々に細くなり、０．１μｍの設計誤差で作製される。そのデバイス構造は、ドライエッチングとウェットエッチングの工程を組み合わせて用いる３工程のエッチング処理で作製され得る。作製を補助するために、導波層上に、ウェットエッチング停止層が０．１５±０．０５μｍの厚さで設けられる。従って、導波層上のリッジ部における厚さｔ（図３（ａ）参照）は、０．１μｍから０．２μｍの厚さである。試みた別の例では、中間部の幅を、３０μｍのテーパー長にわたって、８μｍの幅Ｗ1 から２μｍの幅Ｗ2 まで徐々に細くした。
【００５９】
３工程のエッチング処理では、均一な幅のリッジ部とテーパー部の長さ方向にその幅が変わるテーパー部を有する中間部を形成するために、２つのマスキング層が必要となる。第１のマスキング層は、典型的にＳｉＯ2 であり、低強度誘導部の均一な幅のリッジ部と導波路の高強度誘導部を形成するために堆積される。その上に、ＳｉＮx でできた第２のマスキング層が、テーパー部を形成するために堆積される。それから、マスキングされていない領域が、例えば０．５μｍの深さで部分的にエッチングされる。ＳｉＮx 層が除去され、その後、ＳｉＯ2 マスキング層を用いて、第２のドライエッチングにより、中間部の下半部に形成されるテーパー部上のリッジ部が形成されるとともに、導波路の高強度誘導部のエッチングが完了する。テーパー領域においては、エッチング停止層の近くまでエッチングが行なわれ、テーパー状の下半部上のリッジ部およびその他の低強度誘導部を形成するために、ウェットエッチングがエッチング停止層へ至るまで行なわれて終了する。信頼性の高いデバイスを得るためには、リッジ部の長さ方向に沿った２つのマスクの位置合わせおよびテーパー部の軸合わせを注意深く行なう必要がある。プロトタイプの開発においては、全体の歩留まりを低下させるにもかかわらず、デバイスの部分においてテーパー部の中心が導波路の軸に沿って正確に位置することを確実に行なうために、マスクの位置合わせの分解能がおよそ０．１μｍである接触型のマスクを用いて、オフセットマスク手法（an offset masking approach）が用いられ得る。その代わりに、位置合わせ精度を向上させ、またデバイスの歩留まりを向上させるために、公知のマスキング方法やエッチング処理を用いてもよい。
【００６０】
図１６に示すＭＺ変調器の別の実施の形態では、異なる構造をなすテーパー形状の中間部が設けられており、そのテーパー部の全長にわたって導波路の深さが変わることによって、中間部におけるモードの閉込めが変化するようになっている。この構造では、その作製にあたって、制御が複雑な選択的なエピタキシャル成長が必要となる。実際には、実施の形態２の構造が好ましい。その理由は、幅を徐々に細くするのは、より容易であるからである。
【００６１】
このように、導波路構造全体は、低強度で光を誘導する導波部と高強度で光を誘導する導波部とを有し、それら低強度誘導部と高強度誘導部とが、それら両誘導部の間でモードの閉込めが徐々に変化してなる中間部により結合されたものである。中間部は、横方向の寸法、または導波路構造の他のパラメータ、例えば導波層を含む導波路の中間部の一部の幅、をテーパー状にすることによって、作製されるという利点を有している。従って、モード構造における変化によって、その場がスクイージング（squeezing the field)され、モード不整合および反射損失が低減されて、高強度誘導部内での整合されたパワーの比率がより大きくなる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明に係る光導波路およびマッハ・ツェンダー変調器によれば、低強度で光を誘導する導波路および高強度で光を誘導する導波路との光結合の改善を実現でき、特に、マッハ・ツェンダー変調器に対する結合を改善して、ファイバーの光軸ずれの影響を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるマッハ・ツェンダー（ＭＺ）変調器の部分平面図である。
【図２】図１のII−IIにおける、高強度で光を誘導する導波路部分を表す概略縦断面図および光モードの様子を示す図である。
【図３】図１のIII −III における、低強度で光を誘導する導波路部分を表す概略縦断面図および光モードの様子を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２によるＭＺ変調器の部分平面である。
【図５】図４に示された構造のＶ−Ｖにおける第１の縦断面図である。
【図６】図４に示された構造のXI−XIにおける第１の縦断面図および導波路のこの部分内を伝搬する光モードの様子を示す図である。
【図７】図４に示された構造のXII −XII における第１の縦断面図および導波路の高強度で光を誘導する部分におけるモードとよく一致する導波路の傾斜部分の終端における光モードの様子を示す図である。
【図８】図４のＭＺ変調器の要部斜視図であり、変調器の入力結合器部分の高強度で光を誘導する部分に結合された中間の傾斜部分を示す図である。
【図９】実施の形態１の変調器におけるモードの不一致を示すために、低強度で光を誘導する導波路と高強度で光を誘導する導波路の太い結合部分における結合損失を、エッチング停止層と導波層の上端との間のリブの厚さに対する関数として示す特性図である。
【図１０】低強度で光を誘導する導波路と高強度で光を誘導する導波路の太い結合部分を備えて作製された実施の形態１のＭＺ変調器に対して、入力ファイバー位置における入力パワーと出力ファイバー位置における消光比を示す特性図である。
【図１１】実施の形態１の導波路の低強度で光を誘導する出力部分における、「オフ」状態で伝搬するシミュレーションモードを示す図である。
【図１２】重複するパワー損失を、傾斜部分の幅が６μｍ〜２μｍの中間部分を有する実施の形態２の変調器における傾斜部分の長さの関数として示す特性図である。
【図１３】重複するパワー損失を、傾斜部分の幅が８μｍ〜２μｍの中間部分を有する実施の形態２の変調器における傾斜部分の長さの関数として示す特性図である。
【図１４】実施の形態２によるＭＺ変調器の入力ファイバ位置に対する入力パワーを示す特性図である。
【図１５】実施の形態２によるＭＺ変調器の出力ファイバ位置に対する消光比を示す特性図である。
【図１６】他の実施の形態によるＭＺ変調器の要部斜視図であり、変調器の入力結合器部分の高強度で光を誘導する部分に結合された中間の傾斜部分を示すである。
【図１７】従来におけるＭＱＷ半導体マッハ・ツェンダー（ＭＺ）変調器の概略を示す要部斜視図および従来におけるＭＱＷ半導体ＭＺ変調器の部分拡大縦断面図である。
【図１８】図１７に示した従来におけるＭＺ変調器の部分平面図である。
【符号の説明】
１０  変調器
１２，１１２  入力Ｙ分岐部（スプリッタ）
１４  入力導波路
１６，３２  ３重モード導波部
１８，２０，３０  Ｓベンド部
２２，２４，１１８，１２０  分岐アーム
２６  縦軸
２８  出力Ｙ合流部（コンバイナ）
３４  出力導波路
３６，３８  金属層
４０，４２  電極パッド
５０  Ｎ＋ＩｎＰ基板
５２  ＩｎＧａＡｓ吸収層
５４  ｎ型ＩｎＰクラッド層
５６  多重量子井戸構造体（ＭＱＷ）
５８  ｐ型ＩｎＰクラッド層
６０  ｐ＋ＩｎＧａＡｓ層
６２  ｎ型電極
１１６，２１４  高強度で光を誘導する入力部
１５４  下層のｎ型層
１５６  導波層
１５８  上層のｐ型層
１６０，１８０，２８０  低強度で光を誘導する導波部
１７２  エッチング停止層
２９０  中間部
【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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【図１８】
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