半導体光変調器及びそれを用いた半導体光送信機
【課題】プリチャープ伝送時にも良好な伝送特性を得ることができる半導体光変調器及びそれを用いた半導体光送信機を提供する。
【解決手段】半導体光変調器には、基板１上に設けられた光導波路４ａ及び４ｂを備えたマッハ・ツェンダ型光干渉計と、光導波路４ａ上に形成された電極１１ａと、光導波路４ｂ上に形成され、電極１１ａとは長さが相違する電極１１ｂと、が設けられている。更に、基板１上に光導波路４ａ及び４ｂから、光導波路４ａ及び４ｂから被変調光の波長以上離間して設けられた半導体メサ構造体７と、半導体メサ構造体７上に形成され、電極１１ｂに電気的に接続された補助電極１２と、が設けられている。
【解決手段】半導体光変調器には、基板１上に設けられた光導波路４ａ及び４ｂを備えたマッハ・ツェンダ型光干渉計と、光導波路４ａ上に形成された電極１１ａと、光導波路４ｂ上に形成され、電極１１ａとは長さが相違する電極１１ｂと、が設けられている。更に、基板１上に光導波路４ａ及び４ｂから、光導波路４ａ及び４ｂから被変調光の波長以上離間して設けられた半導体メサ構造体７と、半導体メサ構造体７上に形成され、電極１１ｂに電気的に接続された補助電極１２と、が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光変調器及びそれを用いた半導体光送信機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、長距離で大容量の光通信には、非線形光学結晶ニオブ酸リチウム（ＬＮ）中の電気光学効果を利用したＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ（ＭＺ）干渉計型変調器（以下、ＬＮ−ＭＺ変調器ということがある）と半導体レーザとを組み合わせた送信機が主に用いられている。
【０００３】
また、光通信に用いられる一般的な石英ガラスコア光ファイバは、光の波長が近赤外の１．５μｍ近傍の場合に非常に小さな透過損を示す。このため、長距離光通信には１．５μｍ帯の光が多く用いられている。その一方で、現在、幹線系に敷設されているシングルモード光ファイバの多くは、この波長帯で正の波長分散を持つ。そこで、分散による伝送波形劣化を補償するために、長距離伝送、特に５０ｋｍを超える長距離伝送では、意図的に変調光に負チャープを与えるプリチャープ伝送が用いられている。即ち、ＬＮ−ＭＺ変調器では、分波した光信号の経路である２つのアーム（導波路）に印加する電界の強度の変調振幅比を適当に調整して所望の負チャープを付与している。特に、Ｚカット型とよばれるタイプのＬＮ−ＭＺ変調器では、２つの導波路に対して非対称な位置に形成された単一電極により、２つの導波路に互いに異なる強度の電界変化が付与され、所望の負チャープが付与される。
【０００４】
近年では、半導体を用いたＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計型変調器（以下、半導体ＭＺ変調器ということがある）についての研究も行われている。半導体ＭＺ変調器には、半導体導波路の屈折率及びその変化率がＬＮ導波路よりも大きいため、小型化が可能であるという利点がある。また、半導体レーザとの集積が容易なので、送信機内の部品点数を減らすことができるという利点もある。
【０００５】
ここで、従来の半導体ＭＺ変調器の構造について説明する。図１は、従来の半導体ＭＺ変調器の構造の一例を示す模式図である。
【０００６】
図１（ａ）に示すように、基板５１上に入力導波路５２、光分配器５３、導波路５４ａ及び５４ｂ、光結合器５５、並びに出力導波路５６が形成されている。これらは、半導体導波路から構成されている。導波路５４ａ上に電極６１ａが形成され、導波路５４ｂ上に電極６１ｂが形成されている。更に、基板５１の裏面に電極が形成されている。電極６１ａと接地との間にバイアス直流電源７１ａ及び交流電源７２ａが直列に接続され、電極６１ｂと接地との間にバイアス直流電源７１ｂ及び交流電源７２ｂが接続されている。
【０００７】
半導体ＭＺ変調器にも、ＬＮ−ＭＺ変調器と同様にプリチャープの付与が要求される。プリチャープの付与には、いくつかの方法が検討されている。第１の方法は、電極６１ａに印加する変調電圧（交流電源７２ａの変調電圧）の振幅と電極６１ｂに印加する変調電圧（交流電源７２ｂの変調電圧）の振幅とを非対称にするという方法である。第２の方法は、電極６１ａに印加するバイアス電圧（バイアス直流電源７１ａの電圧）と電極６１ｂに印加するバイアス電圧（バイアス直流電源７１ｂの電圧）とを非対称にするという方法である。第３の方法は、図１（ｂ）に示すように、電極６１ａの長さと電極６１ｂの長さとを非対称にするという方法である。これらの方法はいずれも、両アーム（導波路５４ａ及び５４ｂ）に反対称な変調電圧を与えるプッシュプル駆動を前提としている。
【０００８】
しかしながら、第１の方法では、送信機内に高周波減衰器を設ける必要が生じ、装置の小型化及び省電力化の観点から不利である。第２の方法のみでは、得られる非対称性が小さく十分にプリチャープを付与することができない。第３の方法では、電極６１ａ及び６１ｂ間の高周波特性（電力の反射、透過特性等）に差異が生じ、良好な伝送特性を得ることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１０２０９７号公報
【特許文献２】特開２０００−０６６１５６号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】L. B. Soldano, et al, J. Lightwave Technol., vol.13, pp.615-627 (1995)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、プリチャープ伝送時にも良好な伝送特性を得ることができる半導体光変調器及びそれを用いた半導体光送信機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
半導体光変調器の一態様には、基板上に設けられた第１の光導波路及び第２の光導波路を備えたマッハ・ツェンダ型光干渉計と、前記第１の光導波路上に形成された第１の電極と、前記第２の光導波路上に形成され、前記第１の電極とは長さが相違する第２の電極と、が設けられている。更に、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路から被変調光の波長以上離間して設けられた半導体メサ構造体と、前記半導体メサ構造体上に形成され、前記第１の電極及び前記第２の電極のうち短いものに電気的に接続された補助電極と、が設けられている。
【発明の効果】
【００１３】
上記の半導体光変調器等によれば、２つの電極間の高周波特性を揃えることが可能となり、プリチャープ伝送時にも良好な伝送特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の半導体ＭＺ変調器の構造の一例を示す模式図である。
【図２】第１のシミュレーションの結果を示す図である。
【図３】第２のシミュレーションの結果を示す図である。
【図４】同じく、第２のシミュレーションの結果を示す図である。
【図５】（ａ）は第１の実施形態に係る半導体光変調器の構造を示す模式図であり、（ｂ）は第２の実施形態に係る半導体光変調器の構造を示す模式図である。
【図６】第３の実施形態に係る半導体光変調器の構造を示す上面図である。
【図７Ａ】第３の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す断面図である。
【図７Ｂ】図７Ａに引き続き、半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す断面図である。
【図８】同じく、第３の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す断面図である。
【図９】第３の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す上面図である。
【図１０】第３の実施形態の変形例を示す図である。
【図１１】第３の実施形態の他の変形例を示す図である。
【図１２】半導体光送信機の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
上記のように、図１（ｂ）に示すように、電極６１ａの長さと電極６１ｂの長さとを非対称にした場合には、電極６１ａ及び６１ｂ間の高周波特性に差異が生じ、良好な伝送特性を得ることができない。これは、実効的に印加される変調電圧の波形が電極６１ａ及び６１ｂ間で相違してしまい、この波形が等しい場合と比べて変調光の波形のアイ開口率が劣化するからである。
【００１６】
ここで、本願発明者らが行った種々のシミュレーションについて説明する。
【００１７】
第１のシミュレーションでは、伝送線路の持つ高周波特性によってＲＦ波形が劣化する様子を擬似的に表現するために、遮断周波数が異なる２種類の低域透過フィルタ（low-pass filter）が交流電源と電極との間に接続されていることとし、ＲＦ変調電圧波形（アイパターン）を求めた。ここで、低域透過フィルタは、光送信機の周波数特性解析に用いられることが多い４次のＢｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈフィルタとした。一方の遮断周波数は２０ＧＨｚとし、他方の遮断周波数は７．５ＧＨｚとした。また、入力信号のＲＦ波形は、立ち上がり及び立ち下がりが自乗余弦波形を持つ１０Ｇｂｉｔ／ｓのＮＲＺ信号の波形とし、立ち上がり時間及び立ち下がり時間はいずれも５０ｐｓとした。
【００１８】
図２に、第１のシミュレーションの結果（低域透過フィルタ通過後のＲＦ変調電圧波形）を示す。図２（ａ）は遮断周波数が２０ＧＨｚの場合のＲＦ変調電圧波形を示し、図２（ｂ）は遮断周波数が７．５ＧＨｚの場合のＲＦ変調電圧波形を示す。図２に示すように、遮断周波数が相違するため、ＲＦ変調電圧波形が大きく相違している。このことは、高周波特性（高周波帯域）が相違する電極に印加されたＲＦ信号も、互いに大きく相違したものになることを意味している。
【００１９】
第２のシミュレーションでは、２つの電極に波形が等しいＲＦ信号を印加してプッシュプル駆動を行った場合、及び２つの電極に波形が相違するＲＦ信号を印加してプッシュプル駆動を行った場合の変調光の波形（アイパターン）を求めた。ここで、半導体ＭＺ変調器は、半導体多重量子井戸（ＭＱＷ：multiple-quantum well）を導波層とするＭＺ干渉計を対称プッシュプル駆動で動作させることとし、ＭＺ干渉計の各アーム内での屈折率の変化は印加電圧に対して２次関数で表されるとした。また、干渉計の両アームに与えるＲＦ信号の振幅は等しいとし、各アームの電極長は１：３と非対称とし、またバイアス電圧も非対称とした。そして、波形が等しいＲＦ信号を印加する場合には、電極の長短に関わらず両アーム上の電極の高周波帯域が７．５ＧＨｚで揃っているとし、波形が相違するＲＦ信号を印加する場合には、長い電極の高周波帯域が７．５ＧＨｚ、短い電極の高周波帯域が２０ＧＨｚであるとした。また、変調光の波形は、光ファイバを用いた伝送前及び伝送後について求めた。なお、伝送後の波形の計算では、時間波形をフーリエ変換して周波数軸上で光ファイバの伝達関数を乗じ、逆フーリエ変換して時間領域に戻すことで、ファイバ中の群遅延分散による波形歪を評価した。このシミュレーションでは、２次分散のみを考慮し、１６００ｐｓ／ｎｍの分散量を与えた。これは、標準的な光ファイバで８０ｋｍ〜１００ｋｍの伝送に相当する分散量である。
【００２０】
図３及び図４に、第２のシミュレーションの結果（変調光の波形）を示す。図３（ａ）は波形が等しいＲＦ信号を印加した場合の伝送前の波形（変調器の出力光の波形）を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す波形の出力光の伝送後の波形を示す。図４（ａ）は波形が相違するＲＦ信号を印加した場合の伝送前の波形（変調器の出力光の波形）を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）に示す波形の出力光の伝送後の波形を示す。図３（ａ）と図４（ａ）とを比較すると、高周波帯域が非対称の場合、対称の場合と比較して、伝送前の波形のオンレベルとオフレベルとの比（動的消光比）が劣化していることが分かる。図３（ａ）及び図４（ａ）中の矢印の長さが動的消光比に相当する。また、図４（ｂ）中の矢印で示した部分から、伝送後の波形が非対称に歪み、アイ開口が劣化していることも分かる。符号誤り率が１×１０-11以下のエラーフリーの伝送を行うためには、このようなアイ開口の劣化は許容されず、このまま用いることはできない。
【００２１】
本願発明者らは、これらのシミュレーションの結果から、２つの導波路上の電極の高周波帯域が対称であれば、これらの高周波帯域が低い場合でも、良好な伝送特性が得られることを見出した。以下、このような知見に基づく実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図５（ａ）は、第１の実施形態に係る半導体光変調器の構造を示す模式図である。第１の実施形態は、集中定数型電極を備えた半導体光変調器の一例である。
【００２３】
第１の実施形態では、図５（ａ）に示すように、基板１上に入力導波路２、光分配器３、導波路４ａ及び４ｂ、光結合器５、並びに出力導波路６が形成されている。これらは、半導体導波路から構成されている。半導体導波路の構造は特に限定されず、例えば、ｐ−ｉ−ｎ層構造、ｐ−ｉ−ｐ層構造、又はｎ−ｉ−ｎ層構造である。半導体レーザと同一基板上に集積する場合には、これらのうちｐ−ｉ−ｎ層構造が好ましい。入力導波路２、光分配器３、導波路４ａ及び４ｂ、光結合器５、並びに出力導波路６からマッハ・ツェンダ型干渉計が構成されている。更に、導波路４ａとの間で導波路４ｂを挟む位置に、導波路４ａ及び４ｂと並行に延びる半導体メサ構造体７が導波路４ａ及び４ｂから独立して基板１上に形成されている。半導体メサ構造体７の幅は、導波路４ａ及び４ｂの幅と等しく、半導体メサ構造体７の断面構造（層構造）は、導波路４ａ及び４ｂの断面構造（層構造）と同様である。例えば、導波路４ａ及び４ｂに含まれるｉ層（第１の空乏層）の厚さと、半導体メサ構造体７に含まれるｉ層（第２の空乏層）の厚さとが等しい。なお、半導体メサ構造体７は、導波路４ａ及び４ｂを導波する光の電磁界の分布に影響を与えない程度の位置に設けられている。即ち、半導体メサ構造体７と導波路４ａ及び４ｂとの間の距離は、導波路４ａ及び４ｂを導波する光（被変調光）の波長以上である。なお、半導体メサ構造体７の幅が導波路４ａ及び４ｂの幅と一致している必要はないが、一致していない場合でも、半導体メサ構造体７の幅は、導波路４ａ及び４ｂの幅の９０％〜１１０％であることが好ましく、９５％〜１０５％であることがより好ましい。同様に、半導体メサ構造体７に含まれるｉ層の厚さが導波路４ａ及び４ｂに含まれるｉ層の厚さと一致している必要はないが、一致していない場合でも、半導体メサ構造体７に含まれるｉ層の厚さは、導波路４ａ及び４ｂに含まれるｉ層の厚さの９０％〜１１０％であることが好ましく、９５％〜１０５％であることがより好ましい。
【００２４】
また、導波路４ａ上に電極１１ａが形成され、導波路４ｂ上に電極１１ｂが形成されている。更に、半導体メサ構造体７上に補助電極１２が形成され、補助電極１２と電極１１ｂとが接続部１３を介して互いに接続されている。電極１１ａ、電極１１ｂ、補助電極１２、及び接続部１３は同一の材料から構成されている。電極１１ａは電極１１ｂよりも長く、電極１１ｂ及び補助電極１２の総長さが電極１１ａの長さと一致していることが好ましいが、これらが一致していなくてもよい。一致していない場合でも、電極１１ｂ及び補助電極１２の総長さは、電極１１ａの長さの９０％〜１１０％であることが好ましく、９５％〜１０５％であることがより好ましい。また、半導体メサ構造体７の長さは補助電極１２の長さ以上である。なお、干渉計の長さ（導波路４ａ及び４ｂが延びる方向の寸法）は、干渉計の幅（導波路４ａ及び４ｂが並ぶ方向の寸法）に比べてかなり大きく、電極１１ａの長さは、例えば１．５ｍｍ程度であり、導波路４ａ及び４ｂの間隔は、例えば５０μｍ程度である。また、半導体メサ構造体７と導波路４ｂとの間の間隔は、例えば５μｍである。この間隔は、導波路４ａ及び４ｂを導波する光（被変調光）の波長以上である。更に、基板１の裏面に電極が形成されている。電極１１ａと接地との間にバイアス直流電源２１ａ及び交流電源２２ａが接続され、電極１１ｂと接地との間にバイアス直流電源２１ｂ及び交流電源２２ｂが接続されている。
【００２５】
このように構成された第１の実施形態は、入力導波路２に強度一定の光（ＣＷ：continuous wave光）が入射され、電極１１ａ及び１１ｂにＲＦ信号が印加されると、半導体ＭＺ光変調器として動作する。この際に、電極１１ａ及び１１ｂの長さが非対称であるため、同じ振幅のＲＦ信号でプッシュプル駆動を行っても所望の負チャープ動作が得られる。従って、長距離伝送に適したプリチャープ伝送が可能である。
【００２６】
また、ＲＦ信号が印加される電極の高周波特性（高周波帯域）は、ＲＦ信号が印加される電極と基板１の裏面に設けられた電極との間の単位長さあたりの容量及び長さに主に依存する。また、ＲＦ信号が印加される電極と基板１の裏面に設けられた電極との間の単位長さあたりの容量は、これらの間に位置するｉ層の厚さ及び幅でほぼ決定される。本実施形態では、交流電源２２ａからのＲＦ信号は電極１１ａに印加され、交流電源２２ｂからのＲＦ信号は電極１１ｂ、接続部１３、及び補助電極１２に印加される。ここで、電極１１ａの長さは、電極１１ｂの長さ及び補助電極１２の長さの和と同等であり、これらの幅も同等である。更に、半導体メサ構造体７の幅が導波路４ａ及び４ｂの幅と同等であり、半導体メサ構造体７の断面構造が導波路４ａ及び４ｂの断面構造と同様である。従って、電極１１ａ及び１１ｂの特性インピーダンスが同等になり、高周波特性が揃う。このため、上述のシミュレーションから明らかなように、両ＲＦ信号の変調電圧波形が揃い、変調光波形の望ましくない歪を抑制することが可能となり、消光比及び伝送後波形のアイ開口率を良好なものとすることができる。つまり、幹線系の大容量通信においても良好な伝送特性を得ることができる。
【００２７】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図５（ｂ）は、第２の実施形態に係る半導体光変調器の構造を示す模式図である。第２の実施形態は、進行波型電極を備えた半導体光変調器の一例である。
【００２８】
第２の実施形態では、図５（ｂ）に示すように、電極１１ａの入力導波路２側の端部に入力パッド１４ａが設けられ、出力導波路６側の端部に出力パッド１５ａが設けられ、電極１１ｂの入力導波路２側の端部に入力パッド１４ｂが設けられ、補助電極１２の出力導波路６側の端部に出力パッド１５ｂが設けられている。また、入力パッド１４ａと接地との間にバイアス直流電源２１ａ及び交流電源２２ａが接続され、入力パッド１４ｂと接地との間にバイアス直流電源２１ｂ及び交流電源２２ｂが接続されている。また、出力パッド１５ａと接地との間に終端抵抗２３ａが接続され、出力パッド１５ｂと接地との間に終端抵抗２３ｂが接続されている。他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００２９】
このように構成された進行波型電極を備えた第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、適切なプリチャープを付与することができ、また、良好な伝送特性をえることができる。
【００３０】
なお、バイアス直流電源２１ａが終端抵抗２３ａと直列に接続されていてもよく、バイアス直流電源２１ｂが終端抵抗２３ｂと直列に接続されていてもよい。
【００３１】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図６は、第３の実施形態に係る半導体光変調器の構造を示す上面図である。第３の実施形態は、進行波型電極を備えた半導体光変調器の一例である。
【００３２】
第３の実施形態では、図６に示すように、基板上に入力導波路２０２、光分配器２０３、導波路２０４ａ及び２０４ｂ、光結合器２０５、並びに出力導波路２０６が形成されている。これらは、半導体導波路から構成されている。半導体導波路の構造は特に限定されず、例えば、ｐ−ｉ−ｎ層構造、ｐ−ｉ−ｐ層構造、又はｎ−ｉ−ｎ層構造である。半導体レーザと同一基板上に集積する場合には、これらのうちｐ−ｉ−ｎ層構造が好ましい。入力導波路２０２、光分配器２０３、導波路２０４ａ及び２０４ｂ、光結合器２０５、並びに出力導波路２０６からマッハ・ツェンダ型干渉計が構成されている。更に、導波路２０４ａとの間で導波路２０４ｂを挟む位置に、導波路２０４ａ及び２０４ｂと並行に延びる半導体メサ構造体２０７が導波路２０４ａ及び２０４ｂから独立して基板上に形成されている。半導体メサ構造体２０７の幅は、導波路２０４ａ及び２０４ｂの幅と同等であり、半導体メサ構造体２０７の断面構造（層構造）は、導波路２０４ａ及び２０４ｂの断面構造（層構造）と同様である。例えば、導波路２０４ａ及び２０４ｂに含まれるｉ層（第１の空乏層）の厚さと、半導体メサ構造体２０７に含まれるｉ層（第２の空乏層）の厚さとが同程度となっている。導波路２０４ａ、導波路２０４ｂ、及び半導体メサ構造体２０７の幅は、例えば１．５μｍであり、半導体メサ構造体２０７と導波路２０４ｂとの間の間隔は、例えば５μｍである。この間隔は、導波路２０４ａ及び２０４ｂを導波する光（被変調光）の波長以上である。
【００３３】
また、導波路２０４ａ上に電極２１１ａが形成され、導波路２０４ｂ上に電極２１１ｂが形成されている。更に、半導体メサ構造体２０７上の２か所に１個ずつ補助電極２１２が形成され、２個の補助電極２１２と電極２１１ａとが接続部２１３を介して互いに接続されている。電極２１１ａは電極２１１ｂよりも長く、電極２１１ｂの長さと２個の補助電極２１２の長さとの総和が電極２１１ａの長さと同等である。例えば、電極２１１ａの長さは１．５ｍｍであり、電極２１１ｂの長さは０．５ｍｍであり、補助電極２１２の総長さは１．０ｍｍである。また、半導体メサ構造体２０７の長さは２個の補助電極２１２の長さの和以上である。なお、干渉計の長さ（導波路２０４ａ及び２０４ｂが延びる方向の寸法）は、干渉計の幅（導波路２０４ａ及び２０４ｂが並ぶ方向の寸法）に比べてかなり大きく、導波路２０４ａ及び２０４ｂの間隔は、例えば５０μｍ程度である。更に、基板の裏面に電極が形成されている。
【００３４】
このように構成された半導体光変調器に対しては、第２の実施形態と同様に、例えば、入力パッド２１４ａと接地との間にバイアス直流電源及び交流電源が接続され、入力パッド２１４ｂと接地との間に他のバイアス直流電源及び交流電源が接続される。また、出力パッド２１５ａと接地との間に終端抵抗が接続され、出力パッド２１５ｂと接地との間に他の終端抵抗が接続される。なお、保護膜１１０により、電極、入力パッド、又は出力パッドが設けられていない領域が覆われている。
【００３５】
このような第３の実施形態によっても、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
次に、第３の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法について説明する。図７Ａ及び図７Ｂは、第３の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す断面図である。また、図８も、第３の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す断面図である。図９は、第３の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す上面図である。図７Ａ及び図７Ｂは、図６及び図９中のＩ−Ｉ線に沿った断面を示し、図８は、図６及び図９中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示す。
【００３７】
先ず、図７Ａ（ａ）に示すように、ｎ型基板１０１上に、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：metal organic chemical vapor deposition）法により、ｎ型バッファ層１０２、多重量子井戸（ＭＱＷ：multi-quantum wells）層１０３、クラッド層１０４、ｐ型クラッド層１０５、及びｐ型コンタクト層１０６をこの順で積層する。ｎ型基板１０１としては、例えばｎ型ＩｎＰ基板を用いる。ｎ型バッファ層１０２としては、例えば厚さが１００ｎｍ程度のｎ型ＩｎＰ層を形成する。クラッド層１０４としては、例えば厚さが１００ｎｍ程度の不純物が添加されていないｉ型のＩｎＰ層を形成する。ｐ型クラッド層１０５としては、例えば厚さが１５００ｎｍ程度のｐ型ＩｎＰ層を形成する。ｐ型コンタクト層としては、例えば厚さが１５０ｎｍ程度のｐ型ＩｎＧａＡｓ層を形成する。ＭＱＷ層１０３としては、例えばＩｎＧａＡｓＰの井戸層とＩｎＰの障壁層とが交互に積層された積層体を形成する。例えば、井戸層の厚さは１０ｎｍとし、障壁層の厚さは１０ｎｍとし、これらが２０周期繰り返して積層されている。ＭＱＷ層１０３が導波層として機能する。また、井戸層の組成は、例えばバンド端の遷移波長が１．４μｍになるよう決定する。この場合、変調光の波長を１．５５μｍ付近とした場合に、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）によって実用上十分な大きさの屈折率変化を得ることができる。
【００３８】
次いで、ｐ型コンタクト層１０６上に、例えば化学気相成長（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）法によりシリコン酸化膜を形成する。その後、シリコン酸化膜上に、半導体導波路を形成する予定の領域、及び半導体メサ構造体２０７を形成する予定の領域を覆うレジストパターンを形成する。そして、レジストパターンをマスクとして用いてシリコン酸化膜のウェットエッチングを行う。この結果、レジストパターンの形状がシリコン酸化膜に転写され、図７Ａ（ｂ）に示すように、半導体導波路を形成する予定の領域、及び半導体メサ構造体２０７を形成する予定の領域を覆うマスクパターン１０７が形成される。
【００３９】
続いて、マスクパターン１０７をマスクとして用いて、ｐ型コンタクト層１０６、ｐ型クラッド層１０５、クラッド層１０４、ＭＱＷ層１０３、及びｎ型バッファ層１０２のドライエッチングを行う。このドライエッチングは、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：reactive ion etching）により行う。また、このドライエッチングでは、ｎ型基板１０１を若干オーバーエッチングする。この結果、図７Ａ（ｃ）及び図９（ａ）に示すように、導波路２０４ａ、導波路２０４ｂ、及び半導体メサ構造体２０７のメサストライプ構造が得られる。
【００４０】
このとき、導波路２０４ａ、導波路２０４ｂ、及び半導体メサ構造体２０７の幅は、例えば１．５μｍとする。これは、変調光の波長において導波モードが単一となるようにするためである。また、半導体メサ構造体２０７と導波路２０４ｂとの間の間隔は、例えば５μｍとする。また、光分配器２０３及び光結合器２０５として、ＭＭＩ（multi-mode interference）カプラを設ける。この結果、干渉計の両アーム（導波路２０４ａ及び２０４ｂ）へと光を分岐させ、両アームからの光を合波させることが可能となる。ＭＭＩカプラの幅及び長さは、例えば、導波路部の屈折率と周囲の屈折率との比に応じて分岐比が１対１になるように設計する。
【００４１】
次いで、図７Ｂ（ｄ）に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法による埋め込み成長を行って、メサストライプ構造の周囲に埋め込み層１０８を形成する。埋め込み層１０８としては、例えば高抵抗（ＳＩ：semi-insulated）ＩｎＰ層を形成する。その後、ＢＨＦ（Ｂｕｆｆｅｒｅｄフッ酸）を用いてマスクパターン１０７を除去する。
【００４２】
続いて、図７Ｂ（ｅ）及び図８（ａ）に示すように、埋め込み層１０８及びｐ型コンタクト層１０６上にレジストパターン１０９を形成する。レジストパターン１０９としては、電極を形成する予定の領域のｐ型コンタクト層１０６を覆い、その他の領域のｐ型コンタクト層１０６を露出するものを形成する。そして、レジストパターン１０９をマスクとして用いたウェットエッチングを行い、ｐ型コンタクト層１０６のレジストパターン１０９から露出している部分を除去する。次いで、図９（ｂ）に示すように、レジストパターン１０９を除去する。
【００４３】
その後、全面に保護膜１１０を形成し、その上にレジストパターン１１１を形成する。保護膜１１０としては、例えばシリコン酸化膜を形成する。また、レジストパターン１１１としては、メサ上の電極を形成する予定の領域の保護膜１１０を露出するものを形成する。そして、レジストパターン１１１をマスクとして用いて保護膜１１０のウェットエッチングを行う。この結果、図７Ｂ（ｆ）及び図８（ｂ）に示すように、電極を形成する予定の領域のｐ型コンタクト層１０６が露出する。
【００４４】
続いて、図７Ｂ（ｇ）及び図８（ｃ）に示すように、例えばシードメタル膜１１２をレジストパターン１１１上及びｐ型コンタクト層１０６上に形成する。シードメタル膜１１２の形成では、例えば、Ａｕの真空蒸着、Ｚｎの真空蒸着、及びＡｕの真空蒸着をこの順で行う。
【００４５】
次いで、レジストパターン１１１をその上のシードメタル膜１１２と共に除去する。この結果、図７Ｂ（ｈ）及び図８（ｄ）に示すように、ｐ型コンタクト層１０６上のみにシードメタル膜１１２が残存する。つまり、シードメタル膜１１２をリフトオフ法により形成する。
【００４６】
その後、図７Ｂ（ｉ）及び図８（ｅ）に示すように、シードメタル膜１１２を露出するレジストパターン１１３を保護膜１１０上に形成する。そして、レジストパターン１１３をマスクとして用いてＡｕめっきを行うことにより、シードメタル膜１１２上にＡｕ膜１１４を形成する。
【００４７】
続いて、図７Ｂ（ｊ）及び図８（ｆ）に示すように、レジストパターン１１３を除去する。次いで、ｎ型基板１０１の裏面にシードメタル膜１１５及びＡｕ膜１１６をこの順で形成する。シードメタル膜１１５の形成では、例えば、ＡｕＧｅ真空蒸着及びＡｕの真空蒸着をこの順で行う。Ａｕ膜１１６は、例えばめっきにより形成することができる。
【００４８】
このような処理の結果、図６に示す半導体光変調器が得られる。
【００４９】
なお、電極２１１ｂ、補助電極２１２、及び半導体メサ構造体７の関係は、図６に示されたものに限定されない。例えば、図１０（ａ）に示すように、半導体メサ構造体７が基板の端面から離間していてもよい。また、図１０（ｂ）に示すように、補助電極２１２の一端のみに補助電極２１２が接続されていてもよい。また、図１０（ｃ）に示すように、電極２１１ａに、補助電極２１２と同様の補助電極２２２が接続され、補助電極２２２の下に、半導体メサ構造体２０７と同様の半導体メサ構造体２２７が設けられていてもよい。但し、電極２１１ａ及び２１１ｂの長さが互いに相違し、電極２１１ａ及び補助電極２２２の総長さと電極２１１ｂ及び補助電極２１２の総長さとが同等である。また、図１０（ｄ）に示すように、補助電極２１２が平面視で導波路２０４ａ及び２０４ｂ間に位置していてもよい。
【００５０】
更に、これらの電極、補助電極、及び半導体メサ構造体の関係は、図１１に示すように、集中定数型電極を備えた半導体光変調器に適用することもできる。図１１（ａ）〜（ｄ）に示す構造は、夫々図１０（ａ）〜（ｄ）に示す構造に対応し、図１１（ｅ）に示す構造は図６に示す構造に対応する。
【００５１】
また、図１２に示すように、単一の基板上に、上記の半導体光変調器と半導体レーザ１２０とを集積することにより、半導体光送信機が得られる。この半導体光送信機は、幹線系の大容量通信に好適である。
【００５２】
更に、導波路を構成する半導体材料は、特に限定されず、例えば、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ａｌ、Ｎ、Ｓｂ、Ｓ、Ｔｅ等のＩＩ族元素、ＩＩＩ族元素、Ｖ族元素、又はＶＩ族元素を含む混晶を導波層（活性層）の材料として用いてもよい。例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓを井戸層の材料として用い、ＡｌＩｎＡｓを障壁層の材料として用いた量子井戸層を用いてもよい。また、光結合器、光分配器として、方向性結合器、Ｙ分岐導波路等の一般的な結合器を用いてもよい。また、上記の実施形態では、光導波路がＳＩ−ＢＨ（buried heterostructure）構造を備えているが、ＰＮＰＮ型の埋め込み導波路となっていてもよい。また、半導体を用いた埋め込みを行わないハイメサ型導波路構造を備えていてもよく、上部クラッド層のみがエッチングされたリッジ型導波路構造を備えていてもよい。
【００５３】
また、半導体メサ構造体の幅は、必ずしも導波路のものと一致している必要はなく、半導体メサ構造体に含まれるｉ層の厚さも、必ずしも導波路のものと一致している必要はない。但し、特に数ＧＨｚ以上の高周波のＲＦ信号による変調を行う場合には、全体の静電容量だけでなく電極の長さ及び単位長さ当たりの容量等によって電極の周波数特性が影響を受けるため、これらは一致していることが望ましい。また、これらが一致していれば、一致していない場合よりも製造が容易である。
【符号の説明】
【００５４】
１：基板
４ａ、４ｂ：導波路
７：半導体メサ構造体
１１ａ、１１ｂ：電極
１２：補助電極
１３：接続部
２０４ａ、２０４ｂ：導波路
２０７、２２７：半導体メサ構造体
２１１ａ、２１１ｂ：電極
２１２、２２２：補助電極
２１３：接続部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光変調器及びそれを用いた半導体光送信機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、長距離で大容量の光通信には、非線形光学結晶ニオブ酸リチウム（ＬＮ）中の電気光学効果を利用したＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ（ＭＺ）干渉計型変調器（以下、ＬＮ−ＭＺ変調器ということがある）と半導体レーザとを組み合わせた送信機が主に用いられている。
【０００３】
また、光通信に用いられる一般的な石英ガラスコア光ファイバは、光の波長が近赤外の１．５μｍ近傍の場合に非常に小さな透過損を示す。このため、長距離光通信には１．５μｍ帯の光が多く用いられている。その一方で、現在、幹線系に敷設されているシングルモード光ファイバの多くは、この波長帯で正の波長分散を持つ。そこで、分散による伝送波形劣化を補償するために、長距離伝送、特に５０ｋｍを超える長距離伝送では、意図的に変調光に負チャープを与えるプリチャープ伝送が用いられている。即ち、ＬＮ−ＭＺ変調器では、分波した光信号の経路である２つのアーム（導波路）に印加する電界の強度の変調振幅比を適当に調整して所望の負チャープを付与している。特に、Ｚカット型とよばれるタイプのＬＮ−ＭＺ変調器では、２つの導波路に対して非対称な位置に形成された単一電極により、２つの導波路に互いに異なる強度の電界変化が付与され、所望の負チャープが付与される。
【０００４】
近年では、半導体を用いたＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計型変調器（以下、半導体ＭＺ変調器ということがある）についての研究も行われている。半導体ＭＺ変調器には、半導体導波路の屈折率及びその変化率がＬＮ導波路よりも大きいため、小型化が可能であるという利点がある。また、半導体レーザとの集積が容易なので、送信機内の部品点数を減らすことができるという利点もある。
【０００５】
ここで、従来の半導体ＭＺ変調器の構造について説明する。図１は、従来の半導体ＭＺ変調器の構造の一例を示す模式図である。
【０００６】
図１（ａ）に示すように、基板５１上に入力導波路５２、光分配器５３、導波路５４ａ及び５４ｂ、光結合器５５、並びに出力導波路５６が形成されている。これらは、半導体導波路から構成されている。導波路５４ａ上に電極６１ａが形成され、導波路５４ｂ上に電極６１ｂが形成されている。更に、基板５１の裏面に電極が形成されている。電極６１ａと接地との間にバイアス直流電源７１ａ及び交流電源７２ａが直列に接続され、電極６１ｂと接地との間にバイアス直流電源７１ｂ及び交流電源７２ｂが接続されている。
【０００７】
半導体ＭＺ変調器にも、ＬＮ−ＭＺ変調器と同様にプリチャープの付与が要求される。プリチャープの付与には、いくつかの方法が検討されている。第１の方法は、電極６１ａに印加する変調電圧（交流電源７２ａの変調電圧）の振幅と電極６１ｂに印加する変調電圧（交流電源７２ｂの変調電圧）の振幅とを非対称にするという方法である。第２の方法は、電極６１ａに印加するバイアス電圧（バイアス直流電源７１ａの電圧）と電極６１ｂに印加するバイアス電圧（バイアス直流電源７１ｂの電圧）とを非対称にするという方法である。第３の方法は、図１（ｂ）に示すように、電極６１ａの長さと電極６１ｂの長さとを非対称にするという方法である。これらの方法はいずれも、両アーム（導波路５４ａ及び５４ｂ）に反対称な変調電圧を与えるプッシュプル駆動を前提としている。
【０００８】
しかしながら、第１の方法では、送信機内に高周波減衰器を設ける必要が生じ、装置の小型化及び省電力化の観点から不利である。第２の方法のみでは、得られる非対称性が小さく十分にプリチャープを付与することができない。第３の方法では、電極６１ａ及び６１ｂ間の高周波特性（電力の反射、透過特性等）に差異が生じ、良好な伝送特性を得ることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１０２０９７号公報
【特許文献２】特開２０００−０６６１５６号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】L. B. Soldano, et al, J. Lightwave Technol., vol.13, pp.615-627 (1995)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、プリチャープ伝送時にも良好な伝送特性を得ることができる半導体光変調器及びそれを用いた半導体光送信機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
半導体光変調器の一態様には、基板上に設けられた第１の光導波路及び第２の光導波路を備えたマッハ・ツェンダ型光干渉計と、前記第１の光導波路上に形成された第１の電極と、前記第２の光導波路上に形成され、前記第１の電極とは長さが相違する第２の電極と、が設けられている。更に、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路から被変調光の波長以上離間して設けられた半導体メサ構造体と、前記半導体メサ構造体上に形成され、前記第１の電極及び前記第２の電極のうち短いものに電気的に接続された補助電極と、が設けられている。
【発明の効果】
【００１３】
上記の半導体光変調器等によれば、２つの電極間の高周波特性を揃えることが可能となり、プリチャープ伝送時にも良好な伝送特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の半導体ＭＺ変調器の構造の一例を示す模式図である。
【図２】第１のシミュレーションの結果を示す図である。
【図３】第２のシミュレーションの結果を示す図である。
【図４】同じく、第２のシミュレーションの結果を示す図である。
【図５】（ａ）は第１の実施形態に係る半導体光変調器の構造を示す模式図であり、（ｂ）は第２の実施形態に係る半導体光変調器の構造を示す模式図である。
【図６】第３の実施形態に係る半導体光変調器の構造を示す上面図である。
【図７Ａ】第３の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す断面図である。
【図７Ｂ】図７Ａに引き続き、半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す断面図である。
【図８】同じく、第３の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す断面図である。
【図９】第３の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す上面図である。
【図１０】第３の実施形態の変形例を示す図である。
【図１１】第３の実施形態の他の変形例を示す図である。
【図１２】半導体光送信機の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
上記のように、図１（ｂ）に示すように、電極６１ａの長さと電極６１ｂの長さとを非対称にした場合には、電極６１ａ及び６１ｂ間の高周波特性に差異が生じ、良好な伝送特性を得ることができない。これは、実効的に印加される変調電圧の波形が電極６１ａ及び６１ｂ間で相違してしまい、この波形が等しい場合と比べて変調光の波形のアイ開口率が劣化するからである。
【００１６】
ここで、本願発明者らが行った種々のシミュレーションについて説明する。
【００１７】
第１のシミュレーションでは、伝送線路の持つ高周波特性によってＲＦ波形が劣化する様子を擬似的に表現するために、遮断周波数が異なる２種類の低域透過フィルタ（low-pass filter）が交流電源と電極との間に接続されていることとし、ＲＦ変調電圧波形（アイパターン）を求めた。ここで、低域透過フィルタは、光送信機の周波数特性解析に用いられることが多い４次のＢｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈフィルタとした。一方の遮断周波数は２０ＧＨｚとし、他方の遮断周波数は７．５ＧＨｚとした。また、入力信号のＲＦ波形は、立ち上がり及び立ち下がりが自乗余弦波形を持つ１０Ｇｂｉｔ／ｓのＮＲＺ信号の波形とし、立ち上がり時間及び立ち下がり時間はいずれも５０ｐｓとした。
【００１８】
図２に、第１のシミュレーションの結果（低域透過フィルタ通過後のＲＦ変調電圧波形）を示す。図２（ａ）は遮断周波数が２０ＧＨｚの場合のＲＦ変調電圧波形を示し、図２（ｂ）は遮断周波数が７．５ＧＨｚの場合のＲＦ変調電圧波形を示す。図２に示すように、遮断周波数が相違するため、ＲＦ変調電圧波形が大きく相違している。このことは、高周波特性（高周波帯域）が相違する電極に印加されたＲＦ信号も、互いに大きく相違したものになることを意味している。
【００１９】
第２のシミュレーションでは、２つの電極に波形が等しいＲＦ信号を印加してプッシュプル駆動を行った場合、及び２つの電極に波形が相違するＲＦ信号を印加してプッシュプル駆動を行った場合の変調光の波形（アイパターン）を求めた。ここで、半導体ＭＺ変調器は、半導体多重量子井戸（ＭＱＷ：multiple-quantum well）を導波層とするＭＺ干渉計を対称プッシュプル駆動で動作させることとし、ＭＺ干渉計の各アーム内での屈折率の変化は印加電圧に対して２次関数で表されるとした。また、干渉計の両アームに与えるＲＦ信号の振幅は等しいとし、各アームの電極長は１：３と非対称とし、またバイアス電圧も非対称とした。そして、波形が等しいＲＦ信号を印加する場合には、電極の長短に関わらず両アーム上の電極の高周波帯域が７．５ＧＨｚで揃っているとし、波形が相違するＲＦ信号を印加する場合には、長い電極の高周波帯域が７．５ＧＨｚ、短い電極の高周波帯域が２０ＧＨｚであるとした。また、変調光の波形は、光ファイバを用いた伝送前及び伝送後について求めた。なお、伝送後の波形の計算では、時間波形をフーリエ変換して周波数軸上で光ファイバの伝達関数を乗じ、逆フーリエ変換して時間領域に戻すことで、ファイバ中の群遅延分散による波形歪を評価した。このシミュレーションでは、２次分散のみを考慮し、１６００ｐｓ／ｎｍの分散量を与えた。これは、標準的な光ファイバで８０ｋｍ〜１００ｋｍの伝送に相当する分散量である。
【００２０】
図３及び図４に、第２のシミュレーションの結果（変調光の波形）を示す。図３（ａ）は波形が等しいＲＦ信号を印加した場合の伝送前の波形（変調器の出力光の波形）を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す波形の出力光の伝送後の波形を示す。図４（ａ）は波形が相違するＲＦ信号を印加した場合の伝送前の波形（変調器の出力光の波形）を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）に示す波形の出力光の伝送後の波形を示す。図３（ａ）と図４（ａ）とを比較すると、高周波帯域が非対称の場合、対称の場合と比較して、伝送前の波形のオンレベルとオフレベルとの比（動的消光比）が劣化していることが分かる。図３（ａ）及び図４（ａ）中の矢印の長さが動的消光比に相当する。また、図４（ｂ）中の矢印で示した部分から、伝送後の波形が非対称に歪み、アイ開口が劣化していることも分かる。符号誤り率が１×１０-11以下のエラーフリーの伝送を行うためには、このようなアイ開口の劣化は許容されず、このまま用いることはできない。
【００２１】
本願発明者らは、これらのシミュレーションの結果から、２つの導波路上の電極の高周波帯域が対称であれば、これらの高周波帯域が低い場合でも、良好な伝送特性が得られることを見出した。以下、このような知見に基づく実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図５（ａ）は、第１の実施形態に係る半導体光変調器の構造を示す模式図である。第１の実施形態は、集中定数型電極を備えた半導体光変調器の一例である。
【００２３】
第１の実施形態では、図５（ａ）に示すように、基板１上に入力導波路２、光分配器３、導波路４ａ及び４ｂ、光結合器５、並びに出力導波路６が形成されている。これらは、半導体導波路から構成されている。半導体導波路の構造は特に限定されず、例えば、ｐ−ｉ−ｎ層構造、ｐ−ｉ−ｐ層構造、又はｎ−ｉ−ｎ層構造である。半導体レーザと同一基板上に集積する場合には、これらのうちｐ−ｉ−ｎ層構造が好ましい。入力導波路２、光分配器３、導波路４ａ及び４ｂ、光結合器５、並びに出力導波路６からマッハ・ツェンダ型干渉計が構成されている。更に、導波路４ａとの間で導波路４ｂを挟む位置に、導波路４ａ及び４ｂと並行に延びる半導体メサ構造体７が導波路４ａ及び４ｂから独立して基板１上に形成されている。半導体メサ構造体７の幅は、導波路４ａ及び４ｂの幅と等しく、半導体メサ構造体７の断面構造（層構造）は、導波路４ａ及び４ｂの断面構造（層構造）と同様である。例えば、導波路４ａ及び４ｂに含まれるｉ層（第１の空乏層）の厚さと、半導体メサ構造体７に含まれるｉ層（第２の空乏層）の厚さとが等しい。なお、半導体メサ構造体７は、導波路４ａ及び４ｂを導波する光の電磁界の分布に影響を与えない程度の位置に設けられている。即ち、半導体メサ構造体７と導波路４ａ及び４ｂとの間の距離は、導波路４ａ及び４ｂを導波する光（被変調光）の波長以上である。なお、半導体メサ構造体７の幅が導波路４ａ及び４ｂの幅と一致している必要はないが、一致していない場合でも、半導体メサ構造体７の幅は、導波路４ａ及び４ｂの幅の９０％〜１１０％であることが好ましく、９５％〜１０５％であることがより好ましい。同様に、半導体メサ構造体７に含まれるｉ層の厚さが導波路４ａ及び４ｂに含まれるｉ層の厚さと一致している必要はないが、一致していない場合でも、半導体メサ構造体７に含まれるｉ層の厚さは、導波路４ａ及び４ｂに含まれるｉ層の厚さの９０％〜１１０％であることが好ましく、９５％〜１０５％であることがより好ましい。
【００２４】
また、導波路４ａ上に電極１１ａが形成され、導波路４ｂ上に電極１１ｂが形成されている。更に、半導体メサ構造体７上に補助電極１２が形成され、補助電極１２と電極１１ｂとが接続部１３を介して互いに接続されている。電極１１ａ、電極１１ｂ、補助電極１２、及び接続部１３は同一の材料から構成されている。電極１１ａは電極１１ｂよりも長く、電極１１ｂ及び補助電極１２の総長さが電極１１ａの長さと一致していることが好ましいが、これらが一致していなくてもよい。一致していない場合でも、電極１１ｂ及び補助電極１２の総長さは、電極１１ａの長さの９０％〜１１０％であることが好ましく、９５％〜１０５％であることがより好ましい。また、半導体メサ構造体７の長さは補助電極１２の長さ以上である。なお、干渉計の長さ（導波路４ａ及び４ｂが延びる方向の寸法）は、干渉計の幅（導波路４ａ及び４ｂが並ぶ方向の寸法）に比べてかなり大きく、電極１１ａの長さは、例えば１．５ｍｍ程度であり、導波路４ａ及び４ｂの間隔は、例えば５０μｍ程度である。また、半導体メサ構造体７と導波路４ｂとの間の間隔は、例えば５μｍである。この間隔は、導波路４ａ及び４ｂを導波する光（被変調光）の波長以上である。更に、基板１の裏面に電極が形成されている。電極１１ａと接地との間にバイアス直流電源２１ａ及び交流電源２２ａが接続され、電極１１ｂと接地との間にバイアス直流電源２１ｂ及び交流電源２２ｂが接続されている。
【００２５】
このように構成された第１の実施形態は、入力導波路２に強度一定の光（ＣＷ：continuous wave光）が入射され、電極１１ａ及び１１ｂにＲＦ信号が印加されると、半導体ＭＺ光変調器として動作する。この際に、電極１１ａ及び１１ｂの長さが非対称であるため、同じ振幅のＲＦ信号でプッシュプル駆動を行っても所望の負チャープ動作が得られる。従って、長距離伝送に適したプリチャープ伝送が可能である。
【００２６】
また、ＲＦ信号が印加される電極の高周波特性（高周波帯域）は、ＲＦ信号が印加される電極と基板１の裏面に設けられた電極との間の単位長さあたりの容量及び長さに主に依存する。また、ＲＦ信号が印加される電極と基板１の裏面に設けられた電極との間の単位長さあたりの容量は、これらの間に位置するｉ層の厚さ及び幅でほぼ決定される。本実施形態では、交流電源２２ａからのＲＦ信号は電極１１ａに印加され、交流電源２２ｂからのＲＦ信号は電極１１ｂ、接続部１３、及び補助電極１２に印加される。ここで、電極１１ａの長さは、電極１１ｂの長さ及び補助電極１２の長さの和と同等であり、これらの幅も同等である。更に、半導体メサ構造体７の幅が導波路４ａ及び４ｂの幅と同等であり、半導体メサ構造体７の断面構造が導波路４ａ及び４ｂの断面構造と同様である。従って、電極１１ａ及び１１ｂの特性インピーダンスが同等になり、高周波特性が揃う。このため、上述のシミュレーションから明らかなように、両ＲＦ信号の変調電圧波形が揃い、変調光波形の望ましくない歪を抑制することが可能となり、消光比及び伝送後波形のアイ開口率を良好なものとすることができる。つまり、幹線系の大容量通信においても良好な伝送特性を得ることができる。
【００２７】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図５（ｂ）は、第２の実施形態に係る半導体光変調器の構造を示す模式図である。第２の実施形態は、進行波型電極を備えた半導体光変調器の一例である。
【００２８】
第２の実施形態では、図５（ｂ）に示すように、電極１１ａの入力導波路２側の端部に入力パッド１４ａが設けられ、出力導波路６側の端部に出力パッド１５ａが設けられ、電極１１ｂの入力導波路２側の端部に入力パッド１４ｂが設けられ、補助電極１２の出力導波路６側の端部に出力パッド１５ｂが設けられている。また、入力パッド１４ａと接地との間にバイアス直流電源２１ａ及び交流電源２２ａが接続され、入力パッド１４ｂと接地との間にバイアス直流電源２１ｂ及び交流電源２２ｂが接続されている。また、出力パッド１５ａと接地との間に終端抵抗２３ａが接続され、出力パッド１５ｂと接地との間に終端抵抗２３ｂが接続されている。他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００２９】
このように構成された進行波型電極を備えた第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、適切なプリチャープを付与することができ、また、良好な伝送特性をえることができる。
【００３０】
なお、バイアス直流電源２１ａが終端抵抗２３ａと直列に接続されていてもよく、バイアス直流電源２１ｂが終端抵抗２３ｂと直列に接続されていてもよい。
【００３１】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図６は、第３の実施形態に係る半導体光変調器の構造を示す上面図である。第３の実施形態は、進行波型電極を備えた半導体光変調器の一例である。
【００３２】
第３の実施形態では、図６に示すように、基板上に入力導波路２０２、光分配器２０３、導波路２０４ａ及び２０４ｂ、光結合器２０５、並びに出力導波路２０６が形成されている。これらは、半導体導波路から構成されている。半導体導波路の構造は特に限定されず、例えば、ｐ−ｉ−ｎ層構造、ｐ−ｉ−ｐ層構造、又はｎ−ｉ−ｎ層構造である。半導体レーザと同一基板上に集積する場合には、これらのうちｐ−ｉ−ｎ層構造が好ましい。入力導波路２０２、光分配器２０３、導波路２０４ａ及び２０４ｂ、光結合器２０５、並びに出力導波路２０６からマッハ・ツェンダ型干渉計が構成されている。更に、導波路２０４ａとの間で導波路２０４ｂを挟む位置に、導波路２０４ａ及び２０４ｂと並行に延びる半導体メサ構造体２０７が導波路２０４ａ及び２０４ｂから独立して基板上に形成されている。半導体メサ構造体２０７の幅は、導波路２０４ａ及び２０４ｂの幅と同等であり、半導体メサ構造体２０７の断面構造（層構造）は、導波路２０４ａ及び２０４ｂの断面構造（層構造）と同様である。例えば、導波路２０４ａ及び２０４ｂに含まれるｉ層（第１の空乏層）の厚さと、半導体メサ構造体２０７に含まれるｉ層（第２の空乏層）の厚さとが同程度となっている。導波路２０４ａ、導波路２０４ｂ、及び半導体メサ構造体２０７の幅は、例えば１．５μｍであり、半導体メサ構造体２０７と導波路２０４ｂとの間の間隔は、例えば５μｍである。この間隔は、導波路２０４ａ及び２０４ｂを導波する光（被変調光）の波長以上である。
【００３３】
また、導波路２０４ａ上に電極２１１ａが形成され、導波路２０４ｂ上に電極２１１ｂが形成されている。更に、半導体メサ構造体２０７上の２か所に１個ずつ補助電極２１２が形成され、２個の補助電極２１２と電極２１１ａとが接続部２１３を介して互いに接続されている。電極２１１ａは電極２１１ｂよりも長く、電極２１１ｂの長さと２個の補助電極２１２の長さとの総和が電極２１１ａの長さと同等である。例えば、電極２１１ａの長さは１．５ｍｍであり、電極２１１ｂの長さは０．５ｍｍであり、補助電極２１２の総長さは１．０ｍｍである。また、半導体メサ構造体２０７の長さは２個の補助電極２１２の長さの和以上である。なお、干渉計の長さ（導波路２０４ａ及び２０４ｂが延びる方向の寸法）は、干渉計の幅（導波路２０４ａ及び２０４ｂが並ぶ方向の寸法）に比べてかなり大きく、導波路２０４ａ及び２０４ｂの間隔は、例えば５０μｍ程度である。更に、基板の裏面に電極が形成されている。
【００３４】
このように構成された半導体光変調器に対しては、第２の実施形態と同様に、例えば、入力パッド２１４ａと接地との間にバイアス直流電源及び交流電源が接続され、入力パッド２１４ｂと接地との間に他のバイアス直流電源及び交流電源が接続される。また、出力パッド２１５ａと接地との間に終端抵抗が接続され、出力パッド２１５ｂと接地との間に他の終端抵抗が接続される。なお、保護膜１１０により、電極、入力パッド、又は出力パッドが設けられていない領域が覆われている。
【００３５】
このような第３の実施形態によっても、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
次に、第３の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法について説明する。図７Ａ及び図７Ｂは、第３の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す断面図である。また、図８も、第３の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す断面図である。図９は、第３の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す上面図である。図７Ａ及び図７Ｂは、図６及び図９中のＩ−Ｉ線に沿った断面を示し、図８は、図６及び図９中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示す。
【００３７】
先ず、図７Ａ（ａ）に示すように、ｎ型基板１０１上に、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：metal organic chemical vapor deposition）法により、ｎ型バッファ層１０２、多重量子井戸（ＭＱＷ：multi-quantum wells）層１０３、クラッド層１０４、ｐ型クラッド層１０５、及びｐ型コンタクト層１０６をこの順で積層する。ｎ型基板１０１としては、例えばｎ型ＩｎＰ基板を用いる。ｎ型バッファ層１０２としては、例えば厚さが１００ｎｍ程度のｎ型ＩｎＰ層を形成する。クラッド層１０４としては、例えば厚さが１００ｎｍ程度の不純物が添加されていないｉ型のＩｎＰ層を形成する。ｐ型クラッド層１０５としては、例えば厚さが１５００ｎｍ程度のｐ型ＩｎＰ層を形成する。ｐ型コンタクト層としては、例えば厚さが１５０ｎｍ程度のｐ型ＩｎＧａＡｓ層を形成する。ＭＱＷ層１０３としては、例えばＩｎＧａＡｓＰの井戸層とＩｎＰの障壁層とが交互に積層された積層体を形成する。例えば、井戸層の厚さは１０ｎｍとし、障壁層の厚さは１０ｎｍとし、これらが２０周期繰り返して積層されている。ＭＱＷ層１０３が導波層として機能する。また、井戸層の組成は、例えばバンド端の遷移波長が１．４μｍになるよう決定する。この場合、変調光の波長を１．５５μｍ付近とした場合に、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）によって実用上十分な大きさの屈折率変化を得ることができる。
【００３８】
次いで、ｐ型コンタクト層１０６上に、例えば化学気相成長（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）法によりシリコン酸化膜を形成する。その後、シリコン酸化膜上に、半導体導波路を形成する予定の領域、及び半導体メサ構造体２０７を形成する予定の領域を覆うレジストパターンを形成する。そして、レジストパターンをマスクとして用いてシリコン酸化膜のウェットエッチングを行う。この結果、レジストパターンの形状がシリコン酸化膜に転写され、図７Ａ（ｂ）に示すように、半導体導波路を形成する予定の領域、及び半導体メサ構造体２０７を形成する予定の領域を覆うマスクパターン１０７が形成される。
【００３９】
続いて、マスクパターン１０７をマスクとして用いて、ｐ型コンタクト層１０６、ｐ型クラッド層１０５、クラッド層１０４、ＭＱＷ層１０３、及びｎ型バッファ層１０２のドライエッチングを行う。このドライエッチングは、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：reactive ion etching）により行う。また、このドライエッチングでは、ｎ型基板１０１を若干オーバーエッチングする。この結果、図７Ａ（ｃ）及び図９（ａ）に示すように、導波路２０４ａ、導波路２０４ｂ、及び半導体メサ構造体２０７のメサストライプ構造が得られる。
【００４０】
このとき、導波路２０４ａ、導波路２０４ｂ、及び半導体メサ構造体２０７の幅は、例えば１．５μｍとする。これは、変調光の波長において導波モードが単一となるようにするためである。また、半導体メサ構造体２０７と導波路２０４ｂとの間の間隔は、例えば５μｍとする。また、光分配器２０３及び光結合器２０５として、ＭＭＩ（multi-mode interference）カプラを設ける。この結果、干渉計の両アーム（導波路２０４ａ及び２０４ｂ）へと光を分岐させ、両アームからの光を合波させることが可能となる。ＭＭＩカプラの幅及び長さは、例えば、導波路部の屈折率と周囲の屈折率との比に応じて分岐比が１対１になるように設計する。
【００４１】
次いで、図７Ｂ（ｄ）に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法による埋め込み成長を行って、メサストライプ構造の周囲に埋め込み層１０８を形成する。埋め込み層１０８としては、例えば高抵抗（ＳＩ：semi-insulated）ＩｎＰ層を形成する。その後、ＢＨＦ（Ｂｕｆｆｅｒｅｄフッ酸）を用いてマスクパターン１０７を除去する。
【００４２】
続いて、図７Ｂ（ｅ）及び図８（ａ）に示すように、埋め込み層１０８及びｐ型コンタクト層１０６上にレジストパターン１０９を形成する。レジストパターン１０９としては、電極を形成する予定の領域のｐ型コンタクト層１０６を覆い、その他の領域のｐ型コンタクト層１０６を露出するものを形成する。そして、レジストパターン１０９をマスクとして用いたウェットエッチングを行い、ｐ型コンタクト層１０６のレジストパターン１０９から露出している部分を除去する。次いで、図９（ｂ）に示すように、レジストパターン１０９を除去する。
【００４３】
その後、全面に保護膜１１０を形成し、その上にレジストパターン１１１を形成する。保護膜１１０としては、例えばシリコン酸化膜を形成する。また、レジストパターン１１１としては、メサ上の電極を形成する予定の領域の保護膜１１０を露出するものを形成する。そして、レジストパターン１１１をマスクとして用いて保護膜１１０のウェットエッチングを行う。この結果、図７Ｂ（ｆ）及び図８（ｂ）に示すように、電極を形成する予定の領域のｐ型コンタクト層１０６が露出する。
【００４４】
続いて、図７Ｂ（ｇ）及び図８（ｃ）に示すように、例えばシードメタル膜１１２をレジストパターン１１１上及びｐ型コンタクト層１０６上に形成する。シードメタル膜１１２の形成では、例えば、Ａｕの真空蒸着、Ｚｎの真空蒸着、及びＡｕの真空蒸着をこの順で行う。
【００４５】
次いで、レジストパターン１１１をその上のシードメタル膜１１２と共に除去する。この結果、図７Ｂ（ｈ）及び図８（ｄ）に示すように、ｐ型コンタクト層１０６上のみにシードメタル膜１１２が残存する。つまり、シードメタル膜１１２をリフトオフ法により形成する。
【００４６】
その後、図７Ｂ（ｉ）及び図８（ｅ）に示すように、シードメタル膜１１２を露出するレジストパターン１１３を保護膜１１０上に形成する。そして、レジストパターン１１３をマスクとして用いてＡｕめっきを行うことにより、シードメタル膜１１２上にＡｕ膜１１４を形成する。
【００４７】
続いて、図７Ｂ（ｊ）及び図８（ｆ）に示すように、レジストパターン１１３を除去する。次いで、ｎ型基板１０１の裏面にシードメタル膜１１５及びＡｕ膜１１６をこの順で形成する。シードメタル膜１１５の形成では、例えば、ＡｕＧｅ真空蒸着及びＡｕの真空蒸着をこの順で行う。Ａｕ膜１１６は、例えばめっきにより形成することができる。
【００４８】
このような処理の結果、図６に示す半導体光変調器が得られる。
【００４９】
なお、電極２１１ｂ、補助電極２１２、及び半導体メサ構造体７の関係は、図６に示されたものに限定されない。例えば、図１０（ａ）に示すように、半導体メサ構造体７が基板の端面から離間していてもよい。また、図１０（ｂ）に示すように、補助電極２１２の一端のみに補助電極２１２が接続されていてもよい。また、図１０（ｃ）に示すように、電極２１１ａに、補助電極２１２と同様の補助電極２２２が接続され、補助電極２２２の下に、半導体メサ構造体２０７と同様の半導体メサ構造体２２７が設けられていてもよい。但し、電極２１１ａ及び２１１ｂの長さが互いに相違し、電極２１１ａ及び補助電極２２２の総長さと電極２１１ｂ及び補助電極２１２の総長さとが同等である。また、図１０（ｄ）に示すように、補助電極２１２が平面視で導波路２０４ａ及び２０４ｂ間に位置していてもよい。
【００５０】
更に、これらの電極、補助電極、及び半導体メサ構造体の関係は、図１１に示すように、集中定数型電極を備えた半導体光変調器に適用することもできる。図１１（ａ）〜（ｄ）に示す構造は、夫々図１０（ａ）〜（ｄ）に示す構造に対応し、図１１（ｅ）に示す構造は図６に示す構造に対応する。
【００５１】
また、図１２に示すように、単一の基板上に、上記の半導体光変調器と半導体レーザ１２０とを集積することにより、半導体光送信機が得られる。この半導体光送信機は、幹線系の大容量通信に好適である。
【００５２】
更に、導波路を構成する半導体材料は、特に限定されず、例えば、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ａｌ、Ｎ、Ｓｂ、Ｓ、Ｔｅ等のＩＩ族元素、ＩＩＩ族元素、Ｖ族元素、又はＶＩ族元素を含む混晶を導波層（活性層）の材料として用いてもよい。例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓを井戸層の材料として用い、ＡｌＩｎＡｓを障壁層の材料として用いた量子井戸層を用いてもよい。また、光結合器、光分配器として、方向性結合器、Ｙ分岐導波路等の一般的な結合器を用いてもよい。また、上記の実施形態では、光導波路がＳＩ−ＢＨ（buried heterostructure）構造を備えているが、ＰＮＰＮ型の埋め込み導波路となっていてもよい。また、半導体を用いた埋め込みを行わないハイメサ型導波路構造を備えていてもよく、上部クラッド層のみがエッチングされたリッジ型導波路構造を備えていてもよい。
【００５３】
また、半導体メサ構造体の幅は、必ずしも導波路のものと一致している必要はなく、半導体メサ構造体に含まれるｉ層の厚さも、必ずしも導波路のものと一致している必要はない。但し、特に数ＧＨｚ以上の高周波のＲＦ信号による変調を行う場合には、全体の静電容量だけでなく電極の長さ及び単位長さ当たりの容量等によって電極の周波数特性が影響を受けるため、これらは一致していることが望ましい。また、これらが一致していれば、一致していない場合よりも製造が容易である。
【符号の説明】
【００５４】
１：基板
４ａ、４ｂ：導波路
７：半導体メサ構造体
１１ａ、１１ｂ：電極
１２：補助電極
１３：接続部
２０４ａ、２０４ｂ：導波路
２０７、２２７：半導体メサ構造体
２１１ａ、２１１ｂ：電極
２１２、２２２：補助電極
２１３：接続部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた第１の光導波路及び第２の光導波路を備えたマッハ・ツェンダ型光干渉計と、
前記第１の光導波路上に形成された第１の電極と、
前記第２の光導波路上に形成され、前記第１の電極とは長さが相違する第２の電極と、
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路から被変調光の波長以上離間して設けられた半導体メサ構造体と、
前記半導体メサ構造体上に形成され、前記第１の電極及び前記第２の電極のうち短いものに電気的に接続された補助電極と、
を有することを特徴とする半導体光変調器。
【請求項２】
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は第１の空乏層を有し、
前記半導体メサ構造体は第２の空乏層を有し、
前記第２の空乏層の厚さ及び幅は、前記第１の空乏層の厚さ及び幅の９０％以上１１０％以下であり、
前記補助電極の長さと前記第１の電極及び前記第２の電極のうち短いものの長さとの和は、前記第１の電極及び前記第２の電極のうち長いものの長さの９０％以上１１０％以下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】
前記半導体メサ構造体の層構造は、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路の層構造と等しく、
前記半導体メサ構造体の幅は、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路の幅の９０％以上１１０％以下であり、
前記補助電極の長さと前記第１の電極及び前記第２の電極のうち短いものの長さとの和は、前記第１の電極及び前記第２の電極のうち長いものの長さの９０％以上１１０％以下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４】
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、半導体の多重量子井戸構造の導波層を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体光変調器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体光変調器と、
前記基板上に前記半導体光変調器と集積された半導体レーザと、
を有することを特徴とする半導体光送信機。
【請求項１】
基板上に設けられた第１の光導波路及び第２の光導波路を備えたマッハ・ツェンダ型光干渉計と、
前記第１の光導波路上に形成された第１の電極と、
前記第２の光導波路上に形成され、前記第１の電極とは長さが相違する第２の電極と、
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路から被変調光の波長以上離間して設けられた半導体メサ構造体と、
前記半導体メサ構造体上に形成され、前記第１の電極及び前記第２の電極のうち短いものに電気的に接続された補助電極と、
を有することを特徴とする半導体光変調器。
【請求項２】
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は第１の空乏層を有し、
前記半導体メサ構造体は第２の空乏層を有し、
前記第２の空乏層の厚さ及び幅は、前記第１の空乏層の厚さ及び幅の９０％以上１１０％以下であり、
前記補助電極の長さと前記第１の電極及び前記第２の電極のうち短いものの長さとの和は、前記第１の電極及び前記第２の電極のうち長いものの長さの９０％以上１１０％以下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】
前記半導体メサ構造体の層構造は、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路の層構造と等しく、
前記半導体メサ構造体の幅は、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路の幅の９０％以上１１０％以下であり、
前記補助電極の長さと前記第１の電極及び前記第２の電極のうち短いものの長さとの和は、前記第１の電極及び前記第２の電極のうち長いものの長さの９０％以上１１０％以下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４】
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、半導体の多重量子井戸構造の導波層を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体光変調器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体光変調器と、
前記基板上に前記半導体光変調器と集積された半導体レーザと、
を有することを特徴とする半導体光送信機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１９７４２７（Ｐ２０１１−１９７４２７Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６４３７６（Ｐ２０１０−６４３７６）
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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