JP4141798B2

JP4141798B2 - Optical semiconductor device

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Publication number: JP4141798B2
Application number: JP2002318898A
Authority: JP
Inventors: 茂昭関口; 剛之山本
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: JP2004151590A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光半導体装置に関し、より詳しくは、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光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体光変調器は、小型化が可能であり、半導体レーザとの集積も可能であるという利点を持ち、ローコスト化が期待できる。従って、そのような半導体光変調器は、短距離から中長距離までの光通信システムに適用できる電気−光変換素子として研究が行われている。特にマッハツェンダ型変調器は、素子の波長チャーピングが少なく、中長距離光通信システム応用上で有用である。
【０００３】
しかし、実際に波長チャーピングを低減したマッハツェンダ型光変調器を実現するには、変調器内に形成された２本の光導波路について逆方向の位相変調が行われるように駆動しなくてはならない。このような駆動方法を、以下に、プッシュプル駆動と言う。
【０００４】
プッシュプル駆動の位相の調整を素子外部で行う場合には、正相と逆相の高周波信号を同期させて入力するためのタイミング調整回路が必要があり、高周波信号の精度の高いチューニングが必要となる。したがって、素子内部でプッシュプル駆動の位相調整ができれば、素子を容易に動作させることが可能になる。
【０００５】
素子内部でプッシュプル駆動の位相調整ができるマッハツェンダ型光変調器として、例えば、下記の特許文献１において集中定数型電極を用いる方法が検討されている。このマッハツェンダ型光変調器は、第１の位相変調器と第２の位相変調器を有し、第１の位相変調器と第２の位相変調器はそれぞれ下側に第１導電型クラッド層、上側に第２導電型クラッド層を有している。
【０００６】
そのマッハツェンダ型光変調器においては、第１の位相変調器の第１導電型クラッド層と第２の位相変調器の第２導電型クラッド層をリード線を介して接続する構造を有している。そして、第１の位相変調器の第１導電型クラッド層と第２の位相変調器の第２導電型クラッド層の接続点に単一のドライバの出力信号を印加し、第１の位相変調器の第２導電型クラッド層と第２の位相変調器の第１導電型クラッド層のうちｐ型の方に負電圧を、ｎ型の方に接地電位を印加する構造となっている。
【０００７】
しかし、そのような集中定数型電極を用いる素子では、電極容量およびリード線のインダクタンスが素子の動作速度を制限するので、高速動作させるためにはきわめて小型にする必要がある。しかし、マッハツェンダ型変調器は、素子長と駆動電圧が反比例するため、きわめて小型の素子では、きわめて高い駆動電圧が必要となる。駆動電圧を低減する方法としては、電界が印加される領域を薄くする方法がある。しかし、この方法では、電極容量が大きくなるため、やはり動作速度を制限することになり、集中定数型の素子では、低い駆動電圧で高速動作する素子は得られない。
【０００８】
素子の内部でプッシュプル駆動を調整できる他のマッハツェンダ型光変調器が、R. G. Walkerにより下記の非特許文献１において提案されている。この構造は図１(a),(b) に示すように、進行波型電極と集中定数型電極を組み合わせたような構造をもち、光導波路とマイクロ波導波路が分離して存在している。
【０００９】
図１(a) は、マッハツェンダ型光変調器の構造を示す平面図、図１(b) は、図１(a) のＩ−Ｉ線断面図である。
【００１０】
図１(a),(b) に示す光変調器は、２本のリッジ型の光導波路１１１，１１２と２つの光カプラ１１３，１１４と第１、第２の進行波型電極１１５ａ，１１５ｂを有している。
【００１１】
図１(a) において、第１、第２の進行波型電極１１５ａ，１１５ｂは光導波路１１１，１１２の両側に間隔をおいて配置されている。第１の進行波型電極１１５ａの一端と第２の進行波型電極１１５ｂの一端には高周波電気信号源１１６が接続され、それらの他端は互いに抵抗１１７を介して接続されている。
【００１２】
また、第１の光導波路１１１の上には間隔をおいて複数の位相変調電極１１５ｃが光進行方向に間隔をおいて形成され、それらの位相変調電極１１５ｃは、第１の進行波型電極１１５ａから櫛状に複数に分岐された配線１１５ｅを介して第１の進行波型電極１１５ａに接続されている。同様に、第２の光導波路１１２の上には間隔をおいて複数の位相変調電極１１５ｄが光進行方向に間隔をおいて形成され、それらの位相変調電極１１５ｄは、第２の進行波型電極１１５ｂから櫛状に複数に分岐された配線１１５ｆを介して第２の進行波型電極１１５ｂに接続されている。
【００１３】
図１(a) に示したマッハツェンダ型光変調器は、図１(b) に示すような層構造を有している。
【００１４】
図１(b) において、半絶縁性のGaAs基板１１０の上にはシリコンドープのｎ⁺型GaAsクラッド層１２１、アンドープのGaAsコア層１２２、AlGaAs層１２３が順に形成されている。そして、ｎ⁺型GaAsクラッド層１２１、GaAsコア層１２２は２つの光導波路１１１，１１２を包含する広さに凸状にパターニングされてGaAs基板１１０から突出し、さらにAlGaAs層１２３は第１、第２の光導波路１１１，１１２となるストライプ形状にパターニングされてGaAsコア層１２２から突出されている。さらに、第１、第２の光導波路１１１，１１２の上部を構成するAlGaAs層１２３上にはそれぞれ上記した位相変調電極１１５ｃ，１１５ｄが接続されている。なお、ｎ⁺型GaAsクラッド層１２１には直流バイアス電源１１８が接続されている。
【００１５】
以上により、進行波型電極１１５ａ，１１５ｂが位相変調電極１１５ｃ，１１５ｄから独立に存在し、しかも、複数の位相変調電極１１５ｃ，１１５ｄには進行波型電極１１５ａ，１１５ｂが接続されている。
【００１６】
そして、複数の位相変調電極１１５ｃ，１１５ｄはそれぞれ集中定数型電極として機能するが、十分小さいので高周波まで帯域の制限を受けずに動作する。また、図２(a),(b) に示すように、それぞれの集中定数型電極は、外部の進行波型電極１１５ａ，１１５ｂから見て、分布定数型の抵抗成分Ｒd 、容量Ｃd およびインダクタンスＬd に見えるため、これらを含めた進行波型電極として設計することで、特性インピーダンスを５０Ωに整合させ、光の速度と電気信号が伝搬する速度を整合させることも可能である。
【００１７】
また、図２(a) に示すように、第１及び第２の光導波路１１１，１１２の下部には導電層としてｎ⁺型GaAsクラッド層１２１があり、この導電層を介して第１、第２の光導波路１１１，１１２が等質な容量として働き、電圧を印加した際に第１、第２の光導波路１１１，１１２に対し電界が互いに逆方向に生じ、マッハツェンダ型光変調器をプッシュプル駆動する。さらに、光導波路１１１，１１２の下部に高導電率層であるｎ⁺型GaAsクラッド層１２１を備えているため、比較的効率的に第１及び第２の光導波路１１１，１１２のそれぞれに電界を集中することができるため、駆動電圧を比較的小さくできる。
【００１８】
しかし、図１(a) ，(b) に示した構造はマイクロ波導波路の形状がスロットライン型をしているため、放射損が大きく、他のシステムとの整合性も悪い。
【００１９】
これに対して、下記の非特許文献２において、R. Spickermannらは、図３(a) 〜(c) のような構造を提案している。この構造は、図１(a),(b) と同様に、光の導波路構造とマイクロ波の導波路構造を空間的に分離し、さらに、進行波型電極と集中定数型電極を組み合わせた構造をしている。図３(a) は、マッハツェンダ型光変調器の平面図であり、図３(b) は、図３(a) において破線で囲んだ領域を示し、図３(c) は、図３(b) のII−II線断面図である。
【００２０】
図３(a) 〜(c) において、半導体基板１３１の上に形成されたリッジ型の第１、第２の光導波路１３２，１３３は、互いに両端で接続されていて、第１及び第２の光導波路１３２，１３３の一端部は入射用光導波路１３４に接続され、第１及び第２の光導波路１３２，１３３の他端部は出射用光導波路１３５に接続されている。
【００２１】
そして、第１の光導波路１３２と第２の光導波路１３３の間の内側領域には第１の進行波型電極１３６が形成され、また、第１及び第２の光導波路１３２，１３３のそれぞれの外側領域には第２、第３の進行波型電極１３７，１３８が形成されている。また、第１の光導波路１３２上には光進行方向に複数の第１の位相変調電極１３９が間隔をおいて形成され、第２の光導波路１３３上には光進行方向に複数の第２の位相変調電極１４０が間隔をおいて形成されている。そして、第１の光導波路１３２上の第１の位相変調電極１３９は配線１４１を介して第１の進行波型電極１３７に接続され、また、第２の光導波路１３３上の第２の位相変調電極１４０は配線１４２を介して第１の進行波型電極１３６に接続されている。
【００２２】
また、第１の進行波型電極１３６と第１の光導波路１３２の間の領域では、第１の光導波路１３２の光進行方向に沿って複数の第３の位相変調電極１４３が半導体基板１３１上の半導体層１３１ａの上に形成され、第３の位相変調電極１４３は半導体層１３１ａにショットキー接続している。第３の位相変調電極１４３は第１の進行波型電極１３６から派生した配線１４４に接続されている。
【００２３】
さらに、第２の光導波路１３３と第３の進行波型電極１３８の間の領域では、第２の光導波路１３３の光進行方向に沿って複数の第４の位相変調電極１４５が半導体基板１３１上の半導体層１３１ａの上に形成され、第４の位相変調電極１４５は半導体層１３１ａにショットキー接続している。第４の位相変調電極１４５は、第３の進行波型電極１３８から派生した配線１４６に接続されている。
【００２４】
そのような構造のマッハツェンダ型光変調器では、第１の進行波型電極１３６の一端と接地線ＧＮＤの間に高周波電気信号源１１６が接続されている。また、第１の進行波型電極１３６の他端と第２の進行波型電極１３７の他端には第１の抵抗素子１１７ａが接続され、さらに、第１の進行波型電極１３６の他端と第３の進行波型電極１３８の他端には第２の抵抗素子１１７ｂが接続されている。第２の進行波型電極１３７の一端と第３の進行波型電極１３８の一端はそれぞれ接地線に接続されている。
【００２５】
これにより、図３(c) に示すように、第４の位相変調電極１４５と第２の位相変調電極１４０間で半導体層１３１ａを通して第２の光導波路１３３内に電界が発生するとともに、第３の位相変調電極１４３と第１の位相変調電極１３９間で半導体層１３１ａを通して第１の光導波路１３２内に電界が発生する。
【００２６】
この構造では、マイクロ波導波路にコプレーナ型を使用しているので、放射損が減るだけでなく、２本の光導波路１３２，１３３に並列に電界を印加しているため、駆動電圧を下げることができる。
【００２７】
【特許文献１】
特開閉１０−３３３１０６号公報（第４−５頁、図１、図２）
【非特許文献１】
IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.27 ，p.645, 1991
【非特許文献２】
Electronics Letters, vol.32, p.1095, 1996
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、非特許文献２に示した構造では、光導波路層をｐｉｎ構造にすることができないため、コア層に対し電界を効率的に印可することができず、また、コア層に量子井戸構造を使用できないため、屈折率変化率が低くなり、結果として駆動電圧が増加する。
【００２９】
従って、従来の素子では、内部的にプッシュプル駆動ができ、高速動作、低電圧駆動が可能で、他のシステムとの整合性に優れた素子は実現されていない。即ち、従来の半導体マッハツェンダ型光変調器は、内部的にプッシュプル駆動ができ、高速動作、低電圧駆動が可能で、他のシステムとの整合性に優れた素子ではない。
【００３０】
本発明の目的は、内部的にプッシュプル駆動ができ、高速動作、低電圧駆動が可能で、他のシステムとの整合性に優れた光半導体装置を提供することにある。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、半導体基板上に形成され且つ少なくとも一部がドープト半導体からなる第１の高導電率層と、前記第１の高導電率層上に形成された第１の光導波路と、前記第１の高導電率層上で前記第１の光導波路から間隔をおいて形成された第２の光導波路と、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の双方の光入力部に接続される分波器と、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路の双方の光出力部に接続される合波器と、前記第１の光導波路上に光伝搬方向に間隔をおいて複数形成された第１の分布電極と、前記第２の光導波路上に接する接続部分を有し、且つ前記光伝搬方向に沿って配置された第１の接地電極と、前記第１の光導波路を挟んで前記第１の接地電極と反対側に形成され、前記光伝搬方向に沿って配置された第２の接地電極と、前記第１の光導波路上の前記複数の第１の分布電極同士を互いに電気的に接続する第１の分布配線と、前記第１の高導電率層に接続され、該第１の高導電率層に直流バイアス電圧を印加するバイアス源とを有し、前記第１の分布配線と該第１の分布電極により信号電極が構成されることを特徴とする光半導体装置によって解決される。
【００３２】
即ち、本発明の半導体マッハツェンダ型光変調器は、半導体基板上に形成された高導電率層の上に第１及び第２の光導波路構造を有し、第１及び第２の光導波路構造の上にそれぞれ周期的に配置された第１及び第２の分布電極を有し、第１の光導波路構造上に配置された第１の分布電極と電気的に結合した信号電極と、第２の光導波路上に配置された第２の分布電極と電気的に結合した第１の接地電極と、信号電極を挟んで第１の接地電極の反対側に配置された第２の接地電極を有するようにしたものである。
【００３３】
本発明の半導体マッハツェンダ変調器によれば、高導電率層を利用して、第１及び第２の光導波路に直流バイアス電界を印加し、信号電極から高導電率層を介して第１及び第２の光導波路に互いに逆向きの高周波電界を印加する構成とすることにより、第１の光導波路を含んでなる位相変調器と、第２の光導波路を含んでなる位相変調器をプッシュプル駆動することができる。
【００３４】
しかも、信号電極に対し第１、第２の接地電極を有し、コプレーナ型のマイクロ波導波路構造となるため、放射損が少なく、他のシステムとの整合性にも優れている。また、光導波路構造下部に高導電率層を有しており、光導波路構造に効率的に電界を印加することができるため、低電圧駆動が可能である。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図４は、本発明の第１実施形態に係る半導体光変調器の平面図、図５(a) は、図４のIII-III 線断面図、図５(b) は、図４の一点鎖線で囲んだ領域を示す平面図、図５(c) は、図５(b) IV−IV線断面図である。
【００３６】
本実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器は、半絶縁性のInP 基板１の上に形成されている。
【００３７】
InP 基板１の上には、光進行方向に長い長方形の平面形状を有するｎ型導電性のInP 高導電率層２が形成されている。このInP 高導電率層２は、約１．０μｍ又はそれ以上の厚さを有している。このInP 高導電率層２のドーパントはシリコン（Si）であり、ドーパント濃度は１×１0¹⁸/cm³である。
【００３８】
n-InP 高導電率層２の上には、約幅１〜２μｍのストライプ状の第１の光導波路３と幅１〜２μｍのストライプ状の第２の光導波路４が８〜１０μｍの間隔をおいて略平行に形成されている。また、第１及び第２の光導波路３，４のうちの光入力端には、入力光を第１の光導波路３と第２の光導波路４に分配する分波器５が形成されている。また、第１及び第２の光導波路３，４の光出力端には、第１の光導波路３と第２の光導波路４から出力される光を合波する合波器６が形成されている。
【００３９】
なお、InP 基板１上において、分波器５には光を導入するための光入力導波路３ａ，４ａが接続され、また、合波器６には光を外部に導入するための光出力導波路３ｂ，４ｂが接続されている。
【００４０】
第１及び第２の光導波路３，４はそれぞれ、図５(a) に示すように、ｎ型InP よりなる下部クラッド層３ａ、４ａと、アンドープの量子井戸よりなるコア層３ｂ，４ｂと、ｐ型InP よりなる上部クラッド層３ｃ，４ｃと、ｐ型InGaAsよりなるコンタクト層３ｄ，４ｄとがInP 高導電率層２上に順に形成された積層構造を有している。従って、第１及び第２の光導波路３，４はそれぞれ上下方向にｐｉｎ接合構造となっている。
【００４１】
コア層３ｂ，４ｂを構成する量子井戸構造は、厚さ１０ｎｍのInGaAsP バリア層と厚さ１０ｎｍのInP 井戸層が交互に形成され、且つ井戸層がバリア層に挟まれた構造を有している。井戸層の数は、１又は複数である。
【００４２】
第１及び第２の光導波路３，４の側面とInP 基板１の上面とInP 高導電率層２の表面のそれぞれの面は、厚さ０．５μｍ程度の酸化シリコンよりなる保護絶縁膜７により覆われている。その保護絶縁膜７には、第１及び第２の光導波路３，４の上面を露出する開口部が形成されている。
【００４３】
第１の光導波路３上には、長手方向に複数の位相変調電極（分布電極）８が間隔をおいて形成されている。また、第２の光導波路４の上には、長手方向に複数の位相変調電極（分布電極）９が間隔をおいて形成されている。位相変調電極８，９の長さは３０μｍ〜５００μｍである。また、位相変調電極８，９は、５０μｍ以上、１ｍｍ以下の周期で配置されている。
【００４４】
第１及び第２の光導波路３，４のうち位相変調電極８、９が存在しない部分では、図５(c) に示すように、上部クラッド層３ｃ，４ｃ及びコンタクト層３ｄ，４ｄが除去されて凹部が形成され、その凹部内には半絶縁性InP よりなる埋込層１０が形成されている。
【００４５】
InP 高導電率層２から一側方に離れた位置においてInP 基板１上には保護絶縁膜７を介して第１の電極１１が形成されている。また、InP 高導電率層２から他側方に離れた位置において、InP 基板１上には保護絶縁膜７を介して第２の電極１２が形成されている。さらに、第２の電極１２から他側方に離れた位置において、InP 基板１上には保護絶縁膜７を介して第３の電極１３が形成されている。第１、第３の電極１１，１３は接地電極であり、第２の電極１２は信号電極である。
【００４６】
第１の光導波路３の上の位相変調電極８は、第１の電極１１から櫛状に延びる第１の分布配線１４に接続されている。また、第２の光導波路４の上の位相変調電極９は、第２の電極１２から櫛状に延びる第２の分布配線１５に接続されている。第１、第２の分布配線１４，１５はそれぞれ位相変調電極８，９の長さと同じかそれ以下の幅、例えば５μｍ以上の幅を有している。なお、第１及び第２の分布配線１４，１５は、InP 高導電率層２に対して接触しないようにブリッジ状に形成されている。
【００４７】
第１〜第３の電極１１〜１３、位相変調電極８，９、第１及び第２の分布配線１４，１５は、それぞれメッキにより形成された３μｍ以上の厚さの金膜からなり、金膜を形成しない領域をレジストパターンで覆うことにより形成される。
【００４８】
高周波信号１６は第２の電極１２と第３の電極１３のそれぞれの一端部に接続される。即ち、高周波信号１６は、信号電極である第２の電極１２と接地電極である第１、第３の電極１１、１３とによって形成されるコプレーナ型マイクロ波導波路構造の一端に接続される。また、第１の電極１１と第２の電極１２の間と、第２の電極１２と第３の電極１３の間には、それぞれ１００Ωの終端抵抗１７ａ，１７ｂが介在される。即ち、第１〜第３の電極１１〜１３から構成されるマイクロ波導波路は終端抵抗１７ａ，１７ｂにより終端される。
【００４９】
また、高導電率層２のうち光入力端の近傍にはバイアス電極１８が接続され、バイアス電極１８にはインダクタ１９を介して直流電圧用電源２０が接続されている。
【００５０】
上記したマッハツェンダ型光変調器において、連続（ＣＷ）光は分波器５の入力導波路に入力される。分波器５に入力された光は第１及び第２の光導波路３、４に分けられて進行し、さらに第２の光導波路４上の位相変調電極９から高導電率層２、第１の光導波路３に生じる電界により位相が変化させられて進んだ後に合波器６内で位相変化に応じた光強度に変換されて出力される。この場合、第２の光導波路４の上の第２の位相変調電極９に印加される信号は、第２の位相変調電極９からInP 高導電率層２へ電界を発生させ、同時に、InP 高導電率層２から第１の位相変調電極８へと電界を発生させる。従って、第１の光導波路３内と第２の光導波路４内のそれぞれの電界の方向は逆になる。
【００５１】
図６は、第２の電極１２に高周波信号を印加し、高導電率層２にバイアス電圧を印加した状態でのマッハツェンダ型光変調器の等価回路を示している。即ち、マイクロ波導波路２１はＬＣ分布定数回路で表せる。また、周期的に配置された位相変調電極８，９とその下の光導波路３、４とから構成される位相変調器が高導電率層２を介して直列に接続された容量Ｃp として見えるため、図６のようにマイクロ波導波路２１の分布定数回路に、位相変調器による容量Ｃp が装荷された回路として表せる。マイクロ波導波路２１とこの装荷容量Ｃp を合わせて設計することにより、図６の回路の特性インピーダンスを５０Ωに整合させ、マイクロ波の伝搬速度を光の伝搬速度と整合させる構造にすることにより高速動作が可能になる。
【００５２】
図７(a) は、上記したマッハツェンダ型変調器の図５(a) の断面における等価回路である。この等価回路のうちの直流の等価回路は図７(b) に示すようになり、直流電圧用電源２０による電界Ｅb は２つの光導波路３、４に同じ方向に印加される。これにより、光導波路３、４はそれぞれ同一方向にバイアスされる。高周波信号印加時における等価回路は図７(c) のようになり、図５(a) に示した第１の光導波路３と第２の光導波路４にはそれぞれ基板に対して逆方向に信号電界Ｅs が印加される。
【００５３】
したがって、２つの光導波路３、４における正味の位相変化量は、高周波に対し互いに逆方向であるため、マッハツェンダ型光変調器はプッシュプル駆動される。
【００５４】
また、信号電極である第２の電極１２の両側方には、接地電極である第１及び第３の電極１１，１３が配置されているので、第２の電極１２の周囲の信号電界の分布を均一にすることができる。
【００５５】
以上のように、上記したマッハツェンダ型光変調器によれば、素子内部でプッシュプル駆動が可能であり、かつコプレーナ電極構造を有するため放射損が少なく、他のシステムとの整合性に優れている。しかも、光導波路３，４の構造としてｐｉｎ接合構造を用い且つコア層３ｂ，４ｂにｉ型層の量子井戸を用いているため、低電圧動作が可能であり、かつ高速動作が可能である。
【００５６】
なお、本実施形態では、第１の光導波路３上の位相変調電極８は間隔をおいて不連続に形成されているが、連続的に一体に形成されていても良い。この場合、コンタクト層３ｄ，４ｄと上側クラッド層３ｃ，４ｃの凹部に埋め込まれた埋込層１０は高抵抗層であり、埋込層１０の直下のコア層３ｂ内を通る光は吸収されず、変調されない。しかし、連続してストライプ状に位相変調電極８を形成すると、マイクロ波の伝搬損失が増加するために変調速度が低く制限される。
【００５７】
また、上記した構造では、第１及び第２の分布配線１４，１５の幅は位相変調電極８，９の単位要素の長さより小さいが、位相変調電極８，９の単位要素の長さと等しくすることにより、マイクロ波の伝搬損失を低減できるため、より高速動作が可能になる。
【００５８】
なお、第１の電極１１とこれに接続される分布配線１４、位相変調電極８によって接地線が構成される。また、第３の電極１３は接地線である。さらに、第２の電極１２とこれに接続される分布配線１５、位相変調電極９によって信号線が構成される。
（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２実施形態に係る半導体光変調器の平面図、図９(a) は、図８のＶ−Ｖ線断面図、図９(b) は、図８の一点鎖線で囲んだ領域を示す平面図、図９(c) は、図９(b) のVI−VI線断面図である。なお、図８、図９において、図４，図５と同じ符号は同じ要素を示している。
【００５９】
本実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器は、半絶縁性のInP 基板１の上に形成されている。また、InP 基板１の上には、光進行方向に長い長方形の平面形状を有するｎ型のInP よりなる高導電率層２が形成されている。
【００６０】
高導電率層２の上には、第１の光導波路３と第２の光導波路４が略平行に且つ第１実施形態と同じ構造に形成されている。また、第１及び第２の光導波路３，４のうちの光入力端には、入力光を第１の光導波路３と第２の光導波路４に分波する分波器５が形成されている。また、第１及び第２の光導波路３，４の光出力端には、第１の光導波路３と第２の光導波路４から出力される光を合波する合波器６が形成されている。
【００６１】
第１及び第２の光導波路３，４の側面とInP 基板１の上面とInP 高導電率層２の表面のそれぞれの面は、酸化シリコンよりなる保護絶縁膜７により覆われている。その保護絶縁膜７には、第１及び第２の光導波路３，４の上面を露出する開口部が形成されている。
【００６２】
第１の光導波路３上には、第１実施形態と同様に、長手方向に複数の位相変調電極８が間隔をおいて周期的に形成されている。また、第２の光導波路４の上には、第１実施形態と同様に、長手方向に複数の位相変調電極９が間隔をおいて周期的に形成されている。
【００６３】
第１及び第２の光導波路３，４のうち位相変調電極８，９が存在しない部分では、図９(c) に示すように、上部クラッド層３ｃ，４ｃ及びコンタクト層３ｄ，４ｄが除去されて凹部が形成され、その凹部内には半絶縁性InP よりなる埋込層１０が形成されている。
【００６４】
InP 高導電率層２から一側方に離れた位置において、InP 基板１上には保護絶縁膜７を介して第１の電極１１が形成されている。第１の光導波路３の上の複数の位相変調電極８は、第１の電極１１に櫛状に延びた分布配線１４に接続されている。分布配線１４は、位相変調電極８の長さと同じかそれ以下の幅、例えば５μｍ以上の幅を有している。なお、分布配線１４は、InP 高導電率層２に対して接触しないようにブリッジ状に形成されている。
【００６５】
また、第２の光導波路４上では、隣り合う位相調整電極９の間隙の上から前後の位相変調電極９の一部にかけて分布配線パターン１２ａが形成され、これにより、複数の位相変調電極９が複数の分布配線パターン１２ａを介して電気的に接続される。即ち、複数の位相変調電極９と分布配線パターン１２ａにより第２の電極５２が構成される。
【００６６】
さらに、第２の光導波路４から他側方に離れた領域において、InP 基板１上には保護絶縁膜７を介して第３の電極１３が形成されている。
【００６７】
第１、第３の電極１１，１３は接地電極である。また、第２の光導波路４上に形成された位相変調電極９及び分布配線パターン１２ａは信号電極となる。
【００６８】
第１〜第３の電極１１〜１３、位相変調電極８，９、分布配線１４及び分布配線パターン１２ａは、それぞれメッキにより形成された３μｍ以上の厚さの金膜からなり、例えば金膜を形成しない領域をレジストパターンで覆うことにより形成される。なお、分布配線パターン１２ａは、第１、第３の電極１１，１３、位相変調電極８，９、分布配線１４を形成した後に形成される。
【００６９】
複数の位相変調電極８，９同士の光進行方向の間隙は３μｍ以上である。そして、第２の光導波路４の上の位相変調電極９同士の間隙の上には分布配線パターン１２ａが形成されている。
【００７０】
高周波信号１６は、第２の電極５２（１２ａ、９）と第３の電極１３の間に接続される。即ち、高周波信号１６は、信号電極である第２の電極５２と接地電極である第１、第３の電極１２、１３とによって形成されるコプレーナ型マイクロ波導波路構造の一端に接続される。また、第１の電極１１と第２の電極５２の間と、第２の電極５２と第３の電極１３の間には、それぞれ終端抵抗１７ａ，１７ｂが介在される。即ち、マイクロ波導波路は、終端抵抗１７ａ，１７ｂにより終端される。
【００７１】
また、高導電率層２のうち光入力端の近傍にはバイアス電極１８が接続され、バイアス電極１８にはインダクタ１９を介して直流電圧用電源２０が接続されている。
【００７２】
上記したマッハツェンダ型光変調器において、光は分波器５の入力導波路に入力される。分波器５に入力された光は第１及び第２の光導波路３、４に分けられて進行し、さらに第２の光導波路４上の位相変調電極９から高導電率層２、第１の光導波路３に生じる電界により位相が変化させられて進んだ後に合波器６内で位相変化に応じた強度変化に変換されて出力される。この場合、第２の光導波路４の上の第２の位相変調電極９に印加される信号は、第２の位相変調電極９からInP 高導電率層２へ電界を発生させ、同時に、InP 高導電率層２から第１の位相変調電極８へと電界を発生させる。従って、第１の光導波路３内と第２の光導波路４内のそれぞれの電界の方向は逆になる。この場合、分布配線パターン１２ａを介して第２の光導波路４の上の第２の位相変調電極９に印加される信号は、第２の位相変調電極９からInP 高導電率層２へ電界を発生させ、同時に、InP 高導電率層２から第１の位相変調電極８へと電界を発生させる。従って、第１の光導波路３と第２の光導波路４の電界の方向は逆になる。
【００７３】
図１０に、上記したマッハツェンダ型光変調器の高周波に対する等価回路を示す。
【００７４】
図１０において、第１、第３の電極１１，１３を含むマイクロ波導波路２１はＬＣ分布定数回路で表せる。また、第２の光導波路４上に周期的に接続された位相変調電極９によって異なる伝播定数を持つ分布定数回路がマイクロ波導波路２１に接続され、しかも、第１の光導波路３上の位相変調電極８とその下のｐｉｎ接合構造により容量Ｃp がマイクロ波導波路２１接続されているように見えるため、ＬＣ分布定数回路に、位相変調器による異なる線路２３が接続され且つ容量Ｃp が装荷された回路としてあらわせる。
【００７５】
位相変調電極９によるマイクロ波導波路２１の特性インピーダンスおよびマイクロ波の伝搬速度は全く整合していなくても、マイクロ波導波路２１と位相変調電極９による線路２３と位相変調電極８による装荷容量Ｃp をあわせて設計することにより、図１０の回路の特性インピーダンスを５０Ωに整合させ、マイクロ波の伝搬速度を光の伝搬速度と整合させる構造が可能であるため、高速動作が可能になる。
【００７６】
また、上記したマッハツェンダ光変調器によれば、第１実施形態と同様な効果により、内部的にプッシュプル駆動が可能であり、かつコプレーナ電極構造を有するため放射損が少なく、他のシステムとの整合性に優れる。しかも、光導波路構造としてｐｉｎ構造を用い、コア層に量子井戸を用いているため、低電圧動作が可能であり、かつ高速動作が可能である。
【００７７】
さらに、信号電極である第２の電極５２の両側方には、接地電極である第１及び第３の電極１１，１３が配置されているので、第２の電極５２の周囲の信号電界の分布を均一にすることができる。
【００７８】
なお、本実施形態では、第２の光導波路４上の位相変調電極９は不連続に形成されているが、連続的に形成されていても良い。しかし、この場合マイクロ波の伝搬損失が増加するため、変調速度が低く制限される。
【００７９】
また、本実施形態では、位相変調電極８と第１の電極１１を接続する分布配線１４の幅は、図８では位相変調電極８の１つの単位要素の長さより小さいが、位相変調電極８の単位要素の長さと等しくすることにより、マイクロ波の伝搬損失を低減してもよく、これによりさらなる高速動作が可能になる。
【００８０】
なお、第１の電極１１とこれに接続される分布配線１４、位相変調電極８によって接地線が構成される。また、第３の電極１３は接地線である。さらに、分布配線パターン１２ａ、位相変調電極９によって信号線が構成される。
（第３の実施の形態）
図１１は、本発明の第３実施形態に係る半導体光変調器の平面図、図１２(a) は、図１１のVII-VII 線断面図、図１２(b) は、図１１の一点鎖線で囲んだ領域を示す平面図、図１２(c) は、図１２(b) のVII-VII 線断面図である。なお、図１１、図１２において、図４、図５、図８、図９と同じ符号は同じ要素を示している。
【００８１】
本実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器は、半絶縁性のInP 基板１の上に形成されている。また、InP 基板１の上には、光進行方向に長い長方形の平面形状を有するｎ型のInP よりなる高導電率層２が形成されている。
【００８２】
高導電率層２の上には、第１の光導波路３と第２の光導波路４が略平行に且つ第１実施形態と同じ構造に形成されている。また、第１及び第２の光導波路３，４のうちの光入力端には、入力光を第１の光導波路３と第２の光導波路４に分波する分波器５が形成されている。また、第１及び第２の光導波路３，４の光出力端には、第１の光導波路３と第２の光導波路４から出力される光を合波する合波器６が形成されている。
【００８３】
第１及び第２の光導波路３，４の側面とInP 基板１の上面とInP 高導電率層２の表面のそれぞれの面は、酸化シリコンよりなる保護絶縁膜７により覆われている。その保護絶縁膜７には、第１及び第２の光導波路３，４の上面を露出する開口部が形成されている。
【００８４】
第１の光導波路３上には、第１実施形態と同様に、長手方向に複数の位相変調電極８が間隔をおいて周期的に形成されている。また、第２の光導波路４の上には、第１実施形態と同様に、長手方向に複数の位相変調電極９が間隔をおいて周期的に形成されている。
【００８５】
第１及び第２の光導波路３，４のうち位相変調電極８，９が存在しない部分では、図９(c) に示すように、上部クラッド層３ｃ，４ｃ及びコンタクト層３ｄ，４ｄが除去されて凹部が形成され、その凹部内には半絶縁性InP よりなる埋込層１０が形成されている。
【００８６】
また、第１、第２の光導波路３，４上では、それぞれ隣り合う位相調整電極８，９の間隙の上から前後の位相変調電極８，９の一部にかけて分布配線パターン１１ａ，１２ａが形成され、これにより、複数の位相変調電極８，９が複数の分布配線パターン１１ａ，１２ａを介して光進行方向に電気的に接続される。即ち、第１の光導波路３上では複数の位相変調電極８と分布配線パターン１１ａが互いに接続されて第１の電極５１が構成される。同様に、第２の光導波路４上では複数の位相変調電極９と複数の分布配線パターン１２ａが互いに接続されて第２の電極５２が構成される。
【００８７】
さらに、高導電率層２から他側方に離れた領域において、InP 基板１上には保護絶縁膜７を介して第３の電極１３が形成されている。
【００８８】
第１の光導波路３上の位相変調電極８及び分布配線パターン１１ａは信号電極となる。また、第３の電極１３は接地電極である。さらに、第２の光導波路４上において第２の光導波路４上の位相変調電極９及び分布配線パターン１２ａは信号電極となる。
【００８９】
位相変調電極８，９、分布配線パターン１１ａ，１２ａ及び第３の電極１３は、それぞれメッキにより形成された３μｍ以上の厚さの金膜からなり、金膜を形成しない領域をレジストパターンで覆うことにより形成される。さらに、分布配線パターン１１ａ，１２ａは、第３の電極１３、位相変調電極８，９を形成した後に形成される。
【００９０】
高周波信号１６は、第２の電極５２と第３の電極１３の間に接続される。即ち、高周波信号１６は、信号電極である第２の電極５２と接地電極である第１、第３の電極５１、１３とによって形成されるコプレーナ型マイクロ波導波路構造の一端に接続される。また、第１の電極５１と第２の電極５２の間と、第２の電極５２と第３の電極１３の間には、それぞれ終端抵抗１７ａ，１７ｂが介在される。即ち、マイクロ波導波路は、終端抵抗１７ａ，１７ｂにより終端される。
【００９１】
また、高導電率層２のうち光入力端の近傍にはバイアス電極１８が接続され、バイアス電極１８にはインダクタ１９を介して直流電圧用電源２０が接続されている。
【００９２】
上記したマッハツェンダ型光変調器において、光は分波器５の入力導波路に入力される。分波器５に入力された光は第１及び第２の光導波路３、４に分けられて進行し、さらに第２の光導波路４上の位相変調電極９から高導電率層２、第１の光導波路３に生じる電界により位相が変化させられて進んだ後に合波器６内で位相変化に応じた強度変化に変換されて出力される。この場合、分布配線パターン１２ａを介して第２の光導波路４の上の第２の位相変調電極９に印加される信号は、第２の位相変調電極９から高導電率層２へ電界を発生させ、同時に、InP 高導電率層２から第１の光導波路３上の位相変調電極８へと電界を発生させる。従って、第１の光導波路３と第２の光導波路４の電界の方向は逆になる。
【００９３】
図１３は、上記したマッハツェンダ型光変調器の高周波に対する等価回路を示している。マッハツェンダ型光変調器のマイクロ波導波路２１はＬＣ分布定数回路で表せる。また、周期的に接続された位相変調電極８、９によって、異なる伝播定数を持つ分布定数回路が接続されているように見えるため、図１０のように分布定数回路に、位相変調器による異なる線路２３が接続された回路となる。位相変調電極８、９によるマイクロ波導波路２１の特性インピーダンスおよびマイクロ波の伝搬速度は全く整合していなくても、マイクロ波導波路２１と、位相変調電極８、９による線路２３をあわせて設計することにより、図１０の回路の特性インピーダンスを５０Ωに整合させ、マイクロ波の伝搬速度を光の伝搬速度と整合させる構造が可能であるため、高速動作が可能になる。
【００９４】
また、上記したマッハツェンダ光変調器によれば、第１実施形態と同様な効果により、内部的にプッシュプル駆動が可能であり、かつコプレーナ電極構造を有するため放射損が少なく、他のシステムとの整合性に優れ、かつ光導波路構造としてｐｉｎ構造を用い、コア層に量子井戸を用いているため、低電圧動作が可能であり、かつ高速動作が可能である。
【００９５】
さらに、信号電極である第２の電極５２の両側方には、接地電極である第１及び第３の電極５１，１３が配置されているので、第２の電極５２の周囲の信号電界の分布を均一にすることができる。
【００９６】
なお、本実施形態では、光導波路３上の分布配線パターン１１ａ，１２ａは不連続に形成されているが、連続的に形成されていてもよい。しかし、この場合マイクロ波の伝搬損失が増加するため、変調速度が低くなる。
【００９７】
なお、分布配線パターン１１ａと位相変調電極８によって接地線が構成される。また、第３の電極１３は接地線である。さらに、分布配線パターン１２ａと位相変調電極９によって信号線が構成される。
（第４の実施の形態）
図１４は、本発明の第４実施形態に係る半導体光変調器の平面図、図１５(a) は、図１４のIX−IX線断面図、図１５(b) は、図１４の一点鎖線で囲んだ領域を示す平面図、図１５(c) は、図１５(b) Ｘ−Ｘ線断面図である。なお、図１４、図１５において、図４、図５と同じ符号は同じ要素を示している。
【００９８】
本実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器は、半絶縁性のInP 基板１の上に形成されている。
【００９９】
InP 基板１の上には、光進行方向に長い長方形の平面形状を有するｎ型導電性のInP 高導電率層２が形成されている。このInP 高導電率層２は、約１．０μｍ又はそれ以上の厚さを有している。このInP 高導電率層２のドーパントはシリコン（Si）であり、ドーパント濃度は１×１0¹⁸/cm³である。
【０１００】
n-InP 高導電率層２の上には、第１の光導波路３、第２の光導波路４及び第３の光導波路（ストライプ層）２５がストライプ状であって互いに略平行に形成されている。また、第１，第２の光導波路３，４うちの光入力端には、入力光を第１の光導波路３と第２の光導波路４に分配する分波器５が形成されている。また、第１及び第２の光導波路３，４の光出力端には、第１の光導波路３と第２の光導波路４から出力される光を合波する合波器６が形成されている。なお、第３の光導波路２５には分波器５、合波器６は接続されない。
【０１０１】
第１、第２及び第３の光導波路３，４，２５はそれぞれ、図１５(a) に示すように、ｎ型InP よりなる下部クラッド層３ａ、４ａ，２５ａと、アンドープの量子井戸よりなるコア層３ｂ，４ｂ，２５ｂと、ｐ型InP よりなる上部クラッド層３ｃ，４ｃ，２５ｃと、ｐ型InGaAsよりなるコンタクト層３ｄ，４ｄ，２５ｄとがInP 高導電率層２上に順に形成された積層構造を有している。従って、第１、第２及び第３の光導波路３，４，２５はそれぞれ上下方向にｐｉｎ接合構造となっている。
【０１０２】
コア層３ｂ，４ｂ，２５ｂを構成する量子井戸構造は、厚さ１０ｎｍのInGaAsP バリア層と厚さ１０ｎｍのInP 井戸層が交互に形成され、且つ井戸層がバリア層に挟まれた構造を有している。井戸層の数は、１又は複数である。
【０１０３】
第１、第２及び第３の光導波路３，４，２５の側面とInP 基板１の上面とInP 高導電率層２の表面のそれぞれの面は、厚さ０．５μｍ程度の酸化シリコンよりなる保護絶縁膜７により覆われている。その保護絶縁膜７には、第１、第２及び第３の光導波路３，４，２５の上面を露出する開口部が形成されている。
【０１０４】
第１、第２、第３の光導波路３，４，２５上には、それぞれ長手方向に複数の位相変調電極８，９，２６が間隔をおいて形成されている。位相変調電極８，９，２６の長さは３０μｍ〜５００μｍである。また、位相変調電極８，９，２６は、５０μｍ以上、１ｍｍ以下の周期で配置されている。
【０１０５】
第１、第２及び第３の光導波路３，４，２５のうち位相変調電極８，９，２６が存在しない部分では、図１５(c) に示すように、上部クラッド層３ｃ，４ｃ，２５ｃ及びコンタクト層３ｄ，４ｄ，２５ｄが除去されて凹部が形成され、その凹部内には半絶縁性InP よりなる埋込層１０が形成されている。
【０１０６】
InP 高導電率層２から一側方に離れた位置において、InP 基板１上には保護絶縁膜７を介して第１の電極１１が形成されている。また、InP 高導電率層２から他側方に離れた位置において、InP 基板１上には保護絶縁膜７を介して第３の電極２７が形成されている。第１、第３の電極１１，２７は接地電極である。
【０１０７】
第２の光導波路４上では、隣り合う位相調整電極９の間隙の上方から前後の位相変調電極９の一部にかけて分布配線パターン１２ａが形成され、これにより、複数の位相変調電極９が複数の分布配線パターン１２ａを介して電気的に接続される。即ち、複数の位相変調電極９と複数の分布配線パターン１２ａにより、信号電極である第２の電極５２が構成される。
【０１０８】
第１の光導波路３の上の位相変調電極８は、第１の電極１１から櫛状に延びた第１の分布配線１４に接続されている。また、第３の光導波路２５上の位相変調電極２６は、第３の電極２７から延びる第２の分布配線２８に接続されている。第１、第２の分布配線１４，２８はそれぞれ位相変調電極８，９の長さと同じかそれ以下の幅、例えば５μｍ以上の幅を有している。なお、第１及び第２の分布配線１４，２８は、InP 高導電率層２に対して接触しないようにブリッジ状に形成されている。
【０１０９】
第１、第３の電極１１，２７、位相変調電極８，９，２６、第１及び第２の分布配線１４，２８及び分布配線パターン１２ａは、それぞれメッキにより形成された３μｍ以上の厚さの金膜からなり、金膜を形成しない領域をレジストパターンで覆うことにより形成される。
【０１１０】
高周波信号１６は第２の電極５２と第３の電極２７の間に接続される。即ち、高周波信号１６は、信号電極である第２の電極５２と接地電極である第１，第３の電極１１、２７とによって形成されるコプレーナ型マイクロ波導波路構造の一端に接続される。また、第１の電極１１と第２の電極５２の間と、第２の電極５２と第３の電極２７の間には、それぞれ１００Ωの終端抵抗１７ａ，１７ｂが介在される。即ち、マイクロ波導波路は、終端抵抗１７ａ，１７ｂにより終端される。
【０１１１】
また、高導電率層２のうち光入力端の近傍にはバイアス電極１８が接続され、バイアス電極１８にはインダクタ１９を介して直流電圧用電源２０が接続されている。
第１の光導波路３と第２の光導波路４の電界の方向は逆になる。
【０１１２】
上記したマッハツェンダ型光変調器において、光は分波器５の入力導波路に入力される。分波器５に入力された光は第１及び第２の光導波路３、４に分けられて進行し、さらに第２の光導波路４上の位相変調電極９から高導電率層２、第１の光導波路３に生じる電界により位相が変化させられて進んだ後に合波器６内で位相変化に応じた強度変化に変換されて出力される。この場合、分布配線パターン１２ａを介して第２の光導波路４の上の第２の位相変調電極９に印加される信号は、第２の位相変調電極９から高導電率層２へ電界を発生させ、同時に、InP 高導電率層２から第１の位相変調電極８へと電界を発生させる。従って、第１の光導波路３と第２の光導波路４の電界の方向は逆になる。
【０１１３】
マッハツェンダ型光変調器では、第３の光導波路２５に分波器５、合波器６は接続されないが、高周波信号が印加される第２の光導波路４を中心にして左右対称となるので、第２の電極５２の周囲の電界分布も左右対称となって電界の分布が均一になる。
【０１１４】
上記したマッハツェンダ型光変調器の高周波に対する等価回路は、第２実施形態に係る変調器の等価回路を示した図１０と同じになる。
【０１１５】
即ち、第１、第３の電極１１、２７よりなるマイクロ波導波路２１はＬＣ分布定数回路で表せる。また、第２の光導波路４上に周期的に接続された位相変調電極８によって異なる伝播定数を持つ分布定数回路が接続され、しかも位相変調電極８，９及びｐｉｎ構造により容量Ｃp が接続されているように見えるため、マイクロ波導波路２１の分布定数回路に、位相変調器による異なる線路２３が接続され且つ容量Ｃp が装荷された回路としてあらわせる。
【０１１６】
位相変調電極９によるマイクロ波導波路２１の特性インピーダンスおよびマイクロ波の伝搬速度は全く整合していなくても、マイクロ波導波路２１と、位相変調９による線路２３と位相変調電極８，２６による装荷容量Ｃp をあわせて設計することにより、図１０の回路の特性インピーダンスを５０Ωに整合させ、マイクロ波の伝搬速度を光の伝搬速度と整合させる構造が可能であるため、高速動作が可能になる。
【０１１７】
また、上記したマッハツェンダ光変調器によれば、第１実施形態と同様な効果により、内部的にプッシュプル駆動が可能であり、かつコプレーナ電極構造を有するため放射損が少なく、他のシステムとの整合性に優れる。しかも、光導波路構造としてｐｉｎ構造を用い、コア層に量子井戸を用いているため、低電圧動作が可能であり、かつ高速動作が可能である。
【０１１８】
なお、本実施形態では、第１、第３の光導波路３，２５上の位相変調電極８，２６は不連続に形成されているが、連続的に形成されていても良い。しかし、この場合マイクロ波の伝搬損失が増加するため、変調速度が低く制限される。
【０１１９】
また、本実施形態では、位相変調電極８，２６と第１、第３の電極１１を接続する分布配線１４，２８の幅は、図１４では位相変調電極８，２６の１つの単位要素の長さより小さいが、位相変調電極８，２６の単位要素の長さと等しくすることにより、マイクロ波の伝搬損失を低減してもよく、これによりさらなる高速動作が可能になる。
【０１２０】
また、本実施形態では光変調器が行われない第３の光導波路２５は、誘電体材料（絶縁材料）から置換しても同様の効果が得られる。しかし、第３の光導波路２５だけを別工程で形成すれば、マッハツェンダ型光変調器の製造工程が複雑になる。
【０１２１】
なお、第１の電極１１とこれに接続される分布配線１４、位相変調電極８によって接地線が構成される。また、第３の電極２７とこれに接続される位相変調で２６、分布配線２８によって接地線が構成される。さらに、位相変調電極９と分布配線パターン１２ａによって信号線が構成される。
（第５の実施の形態）
図１６は、本発明の第５実施形態に係る半導体光変調器の平面図、図１７(a) は、図１６のXI−XI線断面図、図１７(b) は、図１６の一点鎖線で囲んだ領域を示す平面図、図１７(c) は、図１７(b) の XII−XII 線断面図である。なお、図１６、図１７において、図１４、図１５と同じ符号は同じ要素を示している。
【０１２２】
本実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器は、半絶縁性のInP 基板１の上に形成されている。
【０１２３】
InP 基板１の上には、光進行方向に長い長方形の平面形状を有するｎ⁺型導電性のInP 高導電率層２が形成されている。このInP 高導電率層２は、光進行方向に長い平面形状にパターニングされている。
【０１２４】
n-InP 高導電率層２の上には、第１の光導波路３、第２の光導波路４及び第３の光導波路２５がストライプ状であって互いに略平行に形成されている。第１〜第３の光導波路３，４，２５は、図１７(a) に示すように、第４実施形態と同じ層構造を有している。また、第１，第２の光導波路３，４うちの光入力端には、入力光を第１の光導波路３と第２の光導波路４に分配する分波器５が形成されている。また、第１及び第２の光導波路３，４の光出力端には、第１の光導波路３と第２の光導波路４から出力される光を合波する合波器６が形成されている。なお、第３の光導波路２５には分波器５、合波器６は接続されない。
【０１２５】
第１、第２及び第３の光導波路３，４，２５の側面とInP 基板１の上面とInP 高導電率層２の表面のそれぞれの面は保護絶縁膜７により覆われている。その保護絶縁膜７には、第１、第２及び第３の光導波路３，４，２５の上面を露出する開口部が形成されている。
【０１２６】
第１、第２、第３の光導波路３，４，２５上には、それぞれ長手方向に複数の位相変調電極８，９．２６が間隔をおいて形成されている。第１、第２及び第３の光導波路３，４，２５のうち位相変調電極８，９，２６が存在しない部分では、図１７(c) に示すように、上部クラッド層３ｃ，４ｃ，２５ｃ及びコンタクト層３ｄ，４ｄ，２５ｄが除去されて凹部が形成され、その凹部内には半絶縁性InP よりなる埋込層１０が形成されている。
【０１２７】
第１、第２及び第３の光導波路３，４，２５上では、同一の光導波路において隣り合う位相調整電極８，９，２５の間隙の上方から前後の位相変調電極８，９，２６の一部にかけて分布配線パターン１１ａ，１２ａ，２７ａが形成され、これにより、複数の位相変調電極８，９，２５が複数の分布配線パターン１１ａ，１２ａ，２７ａを介して電気的に接続される。即ち、第１の光導波路３上の複数の位相変調電極８と複数の分布配線パターン１１ａにより、接地電極である第１の電極５１が構成される。また、第２の光導波路４上の複数の位相変調電極９と複数の分布配線パターン１２ａにより、信号電極である第２の電極５２が構成される。さらに、第３の光導波路２５上の複数の位相変調電極２６と複数の分布配線パターン２７ａにより、接地電極である第３の電極５３が構成される。
【０１２８】
位相変調電極８，９，２６及び分布配線パターン１１ａ，１２ａ，２７ａは、それぞれメッキにより形成された３μｍ以上の厚さの金膜からなり、金膜を形成しない領域をレジストパターンで覆うことにより形成される。
【０１２９】
高周波信号１６は、第２の電極５２と第３の電極５３の間に接続される。即ち、高周波信号１６は、信号電極である第２の電極５２と、接地電極である第１、第３の電極５１、５３とによって形成されるコプレーナ型マイクロ波導波路構造の一端に接続される。また、第１の電極５１と第２の電極５２の間と、第２の電極５２と第３の電極５３の間には、それぞれ１００Ωの終端抵抗１７ａ，１７ｂが介在される。即ち、マイクロ波導波路は、終端抵抗１７ａ，１７ｂにより終端される。
【０１３０】
また、高導電率層２のうち光入力端の近傍にはバイアス電極１８が接続され、バイアス電極１８にはインダクタ１９を介して直流電圧用電源２０が接続されている。
【０１３１】
上記したマッハツェンダ型光変調器において、光は分波器５の入力導波路に入力される。分波器５に入力された光は第１及び第２の光導波路３、４に分けられて進行し、さらに第２の光導波路４上の位相変調電極９から高導電率層２、第１の光導波路３に生じる電界により位相が変化させられて進んだ後に合波器６内で位相変化に応じた強度変化に変換されて出力される。この場合、分布配線パターン１２ａを介して第２の光導波路４の上の第２の位相変調電極９に印加される信号は、第２の位相変調電極９から高導電率層２へ電界を発生させ、同時に、InP 高導電率層２から第１の位相変調電極８へと電界を発生させる。従って、第１の光導波路３と第２の光導波路４の電界の方向は逆になる。
【０１３２】
マッハツェンダ型光変調器では、高周波信号が印加される第２の電極５２を中心にして第１及び第３の電極５１，５３が左右対称となるので、第２の電極５２の周囲の電界分布も左右対称となって電界の分布が均一になる。
【０１３３】
上記したマッハツェンダ型光変調器の高周波に対する等価回路は、第３実施形態に係る変調器の等価回路を示した図１３と同じになる。
【０１３４】
即ち、第１〜第３の電極５１〜５３を有するマイクロ波導波路２１はＬＣ分布定数回路で表せる。また、周期的に接続された位相変調電極８，９，２６によって異なる伝播定数を持つ分布定数回路が接続されているように見えるため、分布定数回路に、位相変調器による異なる線路２３が接続された回路としてあらわせる。
【０１３５】
位相変調電極８，９，２６によるマイクロ波導波路２１の特性インピーダンスおよびマイクロ波の伝搬速度が全く整合していなくても、マイクロ波導波路２１と、位相変調電極８，９，２６による線路２３をあわせて設計することにより、図１３の回路の特性インピーダンスを５０Ωに整合させ、マイクロ波の伝搬速度を光の伝搬速度と整合させる構造が可能であるため、高速動作が可能になる。
【０１３６】
また、上記したマッハツェンダ光変調器によれば、第１実施形態と同様な効果により、内部的にプッシュプル駆動が可能であり、かつコプレーナ電極構造を有するため放射損が少なく、他のシステムとの整合性に優れる。しかも、光導波路構造としてｐｉｎ構造を用い、コア層に量子井戸を用いているため、低電圧動作が可能であり、かつ高速動作が可能である。
【０１３７】
なお、本実施形態では、第１、第２及び第３の光導波路３，４，２５上の位相変調電極８，９，２６は間隔をおいて不連続に形成されているが、連続的に形成されていても良い。しかし、この場合マイクロ波の伝搬損失が増加するため、変調速度が低く制限される。
【０１３８】
また、本実施形態では光変調器が行われない第３の光導波路２５は、誘電体材料（絶縁材料）から置換しても同様の効果が得られる。
【０１３９】
なお、第１及び第３の光導波路３，２５において、位相変調電極８（２６）と分布配線パターン１１ａ（２７ａ）によって接地線が構成される。また、第２の光導波路４上において、位相変調電極９と分布配線パターン１２ａによって信号線が構成される。
（第６の実施の形態）
図１８は、本発明の第６実施形態に係る半導体光変調器の平面図、図１９(a) は、図１８のXIII-XIII 線断面図、図１９(b) は、図１８の一点鎖線で囲んだ領域を示す平面図、図１９(c) は、図１９(b) のXIIII-XIIII 線断面図である。
【０１４０】
本実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器は、半絶縁性のInP 基板１の上に形成されている。
【０１４１】
InP 基板１の上には、光進行方向に長い長方形の平面形状を有するｎ⁺型InP からなる第１及び第２の高導電率層２ａ，２ｂが側方に互いに間隔をおいて形成されている。第１及び第２の高導電率層２ａ，２ｂはそれぞれ約１．０μｍ又はそれ以上の厚さを有している。このInP 高導電率層２のドーパントはシリコン（Si）であり、ドーパント濃度は１×１0¹⁸/cm³である。
【０１４２】
第１の高導電率層２ａの上には、第１の光導波路３、第２の光導波路４がストライプ状であって側方に離れて互いに略平行に形成されている。また、第２の高導電率層２ｂの上には、第３の光導波路（ストライプ層）３１、第４の光導波路（ストライプ層）３２がストライプ状であって側方に離れて互いに略平行に形成されている。第１〜第４の光導波路３，４，３１，３２の幅はそれぞれ１〜２μｍ程度である。
【０１４３】
第１，第２の光導波路３，４うちの光入力端には、入力光を第１の光導波路３と第２の光導波路４に分配する分波器５が形成されている。また、第１及び第２の光導波路３，４の光出力端には、第１の光導波路３と第２の光導波路４から出力される光を合波する合波器６が形成されている。なお、第３及び第４の光導波路３１，３２には分波器、合波器は接続されていない。
【０１４４】
第１及び第２の光導波路３，４はそれぞれ、図１９(a) に示すように、ｎ型InP よりなる下部クラッド層３ａ、４ａと、アンドープの量子井戸よりなるコア層３ｂ，４ｂと、ｐ型InP よりなる上部クラッド層３ｃ，４ｃと、ｐ型InGaAsよりなるコンタクト層３ｄ，４ｄとが第１の高導電率層２ａ上に順に形成された積層構造を有している。同じように、第３及び第４の光導波路３１，３２はそれぞれ、ｎ型InP よりなる下部クラッド層３１ａ，３２ａと、アンドープの量子井戸よりなるコア層３１ｂ，３２ｂと、ｐ型InP よりなる上部クラッド層３１ｃ，３２ｃと、ｐ型InGaAsよりなるコンタクト層３１ｄ，３２ｄとが第２の高導電率層２ｂ上に順に形成された積層構造を有している。
【０１４５】
従って、第１、第２、第３及び第４の光導波路３，４，３１，３２はそれぞれ上下方向にｐｉｎ接合構造となっている。
【０１４６】
コア層３ｂ，４ｂ，３１ｂ，３２ｂを構成する量子井戸構造は、厚さ１０ｎｍのInGaAsP バリア層と厚さ１０ｎｍのInP 井戸層が交互に形成され、且つ井戸層がバリア層に挟まれた構造を有している。井戸層の数は、１又は複数である。
【０１４７】
第１、第２，第３及び第４の光導波路３，４，３１，３２の側面とInP 基板１の上面と第１及び第２の高導電率層２ａ，２ｂの表面のそれぞれの面は、厚さ０．５μｍ程度の酸化シリコンよりなる保護絶縁膜７により覆われている。その保護絶縁膜７には、第１、第２，第３及び第４の光導波路３，４，３１，３２の上面を露出する開口部が形成されている。
【０１４８】
第１、第２、第３及び第４の光導波路３，４，３１，３２上にはそれぞれ長手方向に複数の位相変調電極８，９，３３，３４が間隔をおいて形成されている。位相変調電極８，９，３１，３２の長さは３０μｍ〜５００μｍである。また、位相変調電極８，９，３１，３２は、５０μｍ以上、１ｍｍ以下の周期で配置されている。
【０１４９】
第１〜第４の光導波路３，４，３１，３２の側面とInP 基板１の上面と第１及び第２のInP 高導電率層２，３の表面のそれぞれの面は保護絶縁膜７により覆われている。その保護絶縁膜７には、第１、第２、第３及び第４の光導波路３，４，３１，３２の上面を露出する開口部が形成されている。
【０１５０】
第１、第２，第３及び第４の光導波路３，４，３１，３２のうち位相変調電極８，９，３３，３４が存在しない部分では、図１９(c) に示すように、上部クラッド層３ｃ，４ｃ，３１ｃ，３２ｃ及びコンタクト層３ｄ，４ｄ，３１ｄ，３２ｄが除去されて凹部が形成され、その凹部内には半絶縁性InP よりなる埋込層１０が形成されている。
【０１５１】
第１の高導電率層２ａから一側方に離れた領域では、InP 基板１上に保護絶縁膜７を介して第１の電極１１が形成されている。また、第１の高導電率層２ａと第２の高伝導率層２ｂの間の領域では、InP 基板１上に保護絶縁膜７を介して第２の電極１２が形成されている。さらに、第２の高導電率層２ｂの他側方の領域では、InP 基板１上に保護絶縁膜７を介して第３の電極１３が形成されている。
【０１５２】
第２の電極１２は信号電極あり、第１及び第３の電極１１，１３は接地電極である。
【０１５３】
第１の光導波路３の上の複数の位相変調電極８は、第１の電極１１から櫛状に張り出した第１の分布配線１４に接続されている。第２の光導波路４の上の位相変調電極９は、第２の電極１２の一側部から櫛状に出る第２の分布配線１５に接続されている。第３の光導波路３１上の位相変調電極３３は、第３の電極１２の他側部から櫛状に出る第３の分布配線３５に接続されている。第４の光導波路３２上の位相変調電極３４は、第３の電極１３から櫛状に出る第４の分布配線３６に接続されている。
【０１５４】
第１〜第４の分布配線１４，１５，３５，３６はそれぞれ位相変調電極８，９，３３，３４の長さと同じかそれ以下の幅、例えば５μｍ以上の幅を有している。なお、第１〜第４の分布配線１４，１５，３５，３６は、それぞれ第１及び第２の高導電率層２ａ，２ｂに対して接触しないようにブリッジ状に形成されている。
【０１５５】
第１〜第３の電極１１〜１３、位相変調電極８，９，３３，３４及び第１〜第４の分布配線１４，１５，３５，３６は、それぞれメッキにより形成された３μｍ以上の厚さの金膜からなり、金膜を形成しない領域をレジストパターンで覆うことにより形成される。
【０１５６】
高周波信号１６は第２の電極１２と第３の電極１３の間に接続される。即ち、高周波信号１６は、信号電極である第２の電極１２と接地電極である第１、第３の電極１１、１３とによって形成されるコプレーナ型マイクロ波導波路構造の一端に接続される。また、第１の電極１１と第２の電極１２の間と、第２の電極１２と第３の電極１３の間には、それぞれ１００Ωの終端抵抗１７ａ，１７ｂが介在される。即ち、マイクロ波導波路は、終端抵抗１７ａ，１７ｂにより終端される。
【０１５７】
また、第１の高導電率層２ａのうち光入力端の近傍にはバイアス電極１８が接続され、バイアス電極１８にはインダクタ１９を介して直流電圧用電源２０が接続されている。
【０１５８】
上記したマッハツェンダ型光変調器において、光は分波器５の入力導波路に入力される。分波器５に入力された光は第１及び第２の光導波路３、４に分けられて進行し、さらに第２の光導波路４上の位相変調電極９から第１の高導電率層２ａ、第１の光導波路３に生じる電界により位相が変化させられて進んだ後に合波器６内で位相変化に応じた強度変化に変換されて出力される。この場合、第２の電極１２を介して第２の光導波路４の上の第２の位相変調電極９に印加される信号は、第２の位相変調電極９から高導電率層２へ電界を発生させ、同時に、InP 高導電率層２から第１の位相変調電極８へと電界を発生させる。従って、第１の光導波路３と第２の光導波路４の電界の方向は逆になる。
【０１５９】
このマッハツェンダ型光変調器では、高周波信号が印加される第２の電極１２を中心にして第１及び第３の電極１１，１３が左右対称となるので、第２の電極１２の周囲の電界分布も左右対称となって電界が均一に分布する。
【０１６０】
上記したマッハツェンダ型光変調器の高周波に対する等価回路は、第１実施形態に係る変調器の等価回路を示した図６と同じになる。
【０１６１】
即ち、第１〜第３の電極１１〜１３を含むマイクロ波導波路２１はＬＣ分布定数回路で表せる。また、第１、第２の電極１１，１２にそれぞれ周期的に接続された位相変調電極８，９と第１、第２の光導波路３，４よりなる位相変調器は、第１の高導電率層２ａを介して直列に接続された容量として見える。同じように、第２、第３の電極１２，１３にそれぞれ周期的に接続された位相変調電極３３，３４と第３、第４の光導波路３１，３２よりなる位相変調器は、第２の高導電率層２ｂを介して直列に接続された容量として見える。従って、図６に示すように、分布定数回路に位相変調器による容量Ｃp が装荷された回路としてあらわせる。
【０１６２】
これにより、マイクロ波導波路２１と位相変調８，９，３３，３４による装荷容量Ｃp をあわせて設計することにより、図３の回路の特性インピーダンスを５０Ωに整合させ、マイクロ波の伝搬速度を光の伝搬速度と整合させる構造が可能であるため、高速動作が可能になる。
【０１６３】
また、上記したマッハツェンダ光変調器によれば、第１実施形態と同様な効果により、内部的にプッシュプル駆動が可能であり、かつコプレーナ電極構造を有するため放射損が少なく、他のシステムとの整合性に優れる。しかも、光導波路構造としてｐｉｎ構造を用い、コア層に量子井戸を用いているため、低電圧動作が可能であり、かつ高速動作が可能である。
【０１６４】
なお、本実施形態では、第１〜第４の光導波路３，４，３１，３２上の位相変調電極８，９，３３，３４は不連続に形成されているが、連続的に形成されていても良い。しかし、この場合マイクロ波の伝搬損失が増加するため、変調速度が低く制限される。
【０１６５】
また、本実施形態では、位相変調電極８，９，３３，３４と第１〜第３の電極１１〜１３を接続する分布配線１４，１５，３５，３６の幅は、図２０では位相変調電極８，９，３３，３４の１つの単位要素の長さより小さいが、位相変調電極８，９，３３，３４の単位要素の長さと等しくすることにより、マイクロ波の伝搬損失を低減してもよく、これによりさらなる高速動作が可能になる。
【０１６６】
また、本実施形態では光変調器が行われない第３、第４の光導波路３１，３２は、誘電体材料（絶縁材料）から置換しても同様の効果が得られる。しかし、第３、第４の光導波路３１，３２だけを別工程で形成すれば、マッハツェンダ型光変調器の製造工程が複雑になる。
【０１６７】
なお、第１の電極１１とこれに接続される位相変調電極８、分布配線１４によって接地電極が構成される。また、第２の電極１２とこれに接続される位相変調電極９，３３、分布電極１５，３５によって信号線が構成される。さらに、第３の電極１３とこれに接続される位相変調電極３４、分布配線３６によって接地電極が構成される。
（第７の実施の形態）
図２０は、本発明の第７実施形態に係る半導体光変調器の平面図、図２１(a) は、図２０のXV−XV線断面図、図２１(b) は、図２０の一点鎖線で囲んだ領域を示す平面図、図２１(c) は、図２１(b) のXVI-XVI 線断面図である。なお、図２０、図２１において、図１８，図１９と同じ符号は同じ要素を示している。
【０１６８】
本実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器は、半絶縁性のInP 基板１の上に形成されている。
【０１６９】
InP 基板１の上には、第６実施形態と同じ構造の第１及び第２の高導電率層２ａ，２ｂが両側で間隔をおいて形成されている。また、第１の高導電率層２ａの上には、第６実施形態と同じ構造で第１の光導波路３、第２の光導波路４が互いに略平行に形成されている。これと同じように、第２の高導電率層２ｂの上には、第６実施形態と同じ構造で第３の光導波路３１、第４の光導波路３２が互いに略平行に形成されている。従って、第１、第２、第３及び第４の光導波路３，４，３１，３２はそれぞれ第６実施形態と同じ構造の上下方向にｐｉｎ接合構造となっている。
【０１７０】
第１，第２の光導波路３，４うちの光入力端には、入力光を第１の光導波路３と第２の光導波路４に分配する分波器５が形成されている。また、第１及び第２の光導波路３，４の光出力端には、第１の光導波路３と第２の光導波路４から出力される光を合波する合波器６が形成されている。
【０１７１】
第１、第２，第３及び第４の光導波路３，４，３１，３２の側面とInP 基板１の上面と第１及び第２の高導電率層２ａ，２ｂの表面のそれぞれの面は、保護絶縁膜７により覆われている。その保護絶縁膜７には、第１、第２，第３及び第４の光導波路３，４，３１，３２の上面を露出する開口部が形成されている。
【０１７２】
第１、第４の光導波路３，３２上にはそれぞれ長手方向に複数の位相変調電極８，３４が間隔をおいて形成されている。
【０１７３】
また、第２、第３の光導波路４，３１の上には、第２の光導波路４と第３の光導波路３１の間隙を跨ぐ広さの位相変調電極３７が光進行方向に間隔をおいて複数形成されている。この位相変調電極３７は、コンタクト層２ａ，２ｂの上面から約３μｍの高さで第２の光導波路４から第３の光導波路３１に橋渡しされている。
【０１７４】
第１〜第４の光導波路３，４，３１，３２のうち位相変調電極８，３７，３４が存在しない部分では、図２１(c) に示すように、上部クラッド層３ｃ，４ｃ，３１ｃ，３２ｃ及びコンタクト層３ｄ，４ｄ，３１ｄ，３２ｄが除去されて凹部が形成され、それらの凹部内には半絶縁性InP よりなる埋込層１０が形成されている。なお、一列に複数配置される位相変調電極１４，３４，３７の光進行方向の長さは３０〜５０μｍであり、光進行方向の周期は５０μｍ以上で１ｍｍ以下である。
【０１７５】
第１の高導電率層２ａの一側方の領域には、InP 基板１上に保護絶縁膜７を介して第１の電極１１が形成されている。
【０１７６】
また、第２の光導波路４と第３の光導波路３１の上において、光進行方向に隣り合う位相変調電極３７を接続するための分布配線パターン３８が形成されている。複数の分布配線パターン３８と複数の位相変調電極３７により、信号電極である第２の電極５２が構成される。
【０１７７】
さらに、第２の高導電率層２ｂの他側方の領域では、InP 基板１上に保護絶縁膜７を介して第３の電極１３が形成されている。
【０１７８】
第１の光導波路３の上の複数の位相変調電極８は、第６実施形態と同様に、第１の分布配線１４を介して第１の電極１１に接続されている。また、第４の光導波路３２上の位相変調電極３４は、第２の分布配線３６を介して第３の電極１３に接続されている。
【０１７９】
第１、第２の分布配線１４，３６はそれぞれ位相変調電極８，９，３３，３４の長さと同じかそれ以下の幅、例えば５μｍ以上の幅を有している。なお、第１、第２の分布配線１４，３６は、それぞれ第１及び第２の高導電率層２ａ，２ｂに対して接触しないようにブリッジ状に形成されている。
【０１８０】
第１、第３の電極１１、１３、位相変調電極８，３４，３７及び第１、第２の分布配線１４，３６、分布配線パターン３８は、それぞれメッキにより形成された３μｍ以上の厚さの金膜からなり、金膜を形成しない領域をレジストパターンで覆うことにより形成される。
【０１８１】
高周波信号１６は、第３の電極１３と第２の電極５２の間に接続される。即ち、高周波信号１６は、信号電極である第２の電極５２と接地電極である第１、第３の電極１１、１３とによって形成されるコプレーナ型マイクロ波導波路構造の一端に接続される。また、第１の電極１１と第２の電極５２の間と、第２の電極５２と第３の電極１３の間には、それぞれ１００Ωの終端抵抗１７ａ，１７ｂが介在される。即ち、マイクロ波導波路は、終端抵抗１７ａ，１７ｂにより終端される。
【０１８２】
また、第１の高導電率層２ａのうち光入力端の近傍にはバイアス電極１８が接続され、バイアス電極１８にはインダクタ１９を介して直流電圧用電源２０が接続されている。
【０１８３】
上記したマッハツェンダ型光変調器において、光は分波器５の入力導波路に入力される。分波器５に入力された光は第１及び第２の光導波路３、４に分けられて進行し、さらに第１及び第２の光導波路３、４上の位相変調電極８、３７から生じる電界により位相が変化させられた後に、合波器６で位相変化に応じた強度変化に変換されて出力される。この場合、第２及び第３の光導波路４，３１上の位相変調電極３７と分布配線パターン３８を介して第２の光導波路４のコンタクト層４ｄに印加される信号は、位相変調電極９から高導電率層２ａへの一方向の電界を発生させ、同時に、高導電率層２ａから第１の位相変調電極８への逆方向の電界を発生させる。従って、第１の光導波路３と第２の光導波路４の電界の方向は逆になる。
【０１８４】
このマッハツェンダ型光変調器では、高周波信号が印加される位相変調電極３７と分布配線パターン３８を中心にして第１及び第３の電極１１，１３が左右対称となるので、第２の電極５２の周囲の電界分布は左右対称となって電界の分布が均一になる。
【０１８５】
上記したマッハツェンダ型光変調器の高周波に対する等価回路は、第２実施形態に係る変調器の等価回路を示した図１０と同じになる。
【０１８６】
即ち、第１、第２及び第３の電極１１，５２，１３を含むマイクロ波導波路２１はＬＣ分布定数回路で表せる。また、第２及び第３の光導波路４，３１上に周期的に接続された位相変調電極３７によって異なる伝搬定数をもつ分布定数回路がマイクロ波導波路２１に接続され、さらに第１及び第２の分布配線１４，３６によって容量Ｃp がマイクロ波導波路２１に接続されることになる。
【０１８７】
従って、本実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器は、マイクロ波導波路２１の分布定数回路に位相変調器による異なる線路２３と容量Ｃp が装荷された回路として表される。
【０１８８】
第２及び第３の光導波路４，３１の上の位相変調電極３７によるマイクロ波導波路の特性インピーダンスとマイクロ波の伝搬速度は全く整合しなくても、マイクロ波導波路２１と位相変調電極３７による線路２３と第１及び第４の光導波路３，３２上の位相変調電極８，３４による装荷容量Ｃp を合わせて設計することにより、図１０の回路の特性インピーダンスを５０Ωに整合させ、マイクロ波の伝搬速度を光の伝搬速度に整合させる構造を作成することが可能である。これにより、マッハツェンダ型光変調器の高速動作が可能になる。
【０１８９】
また、上記したマッハツェンダ光変調器によれば、第１実施形態と同様な効果により、内部的にプッシュプル駆動が可能であり、かつコプレーナ電極構造を有するため放射損が少なく、他のシステムとの整合性に優れる。しかも、光導波路構造としてｐｉｎ構造を用い、コア層に量子井戸を用いているため、低電圧動作が可能であり、かつ高速動作が可能である。
【０１９０】
なお、本実施形態では、第１、第４の光導波路３，３２上の位相変調電極８，３４は不連続に形成されているが、連続的に形成されていても良い。しかし、この場合マイクロ波の伝搬損失が増加するため、変調速度が低く制限される。
【０１９１】
また、本実施形態では、第１、第２の分布配線１４，３６の幅は、図２０では位相変調電極８，３４の１つの単位要素の長さより小さいが、位相変調電極８，３４の単位要素の長さと等しくすることにより、マイクロ波の伝搬損失を低減してもよく、これによりさらなる高速動作が可能になる。
【０１９２】
また、本実施形態では光変調器が行われない第３、第４の光導波路３１，３２は、誘電体材料（絶縁材料）から置換しても同様の効果が得られる。しかし、第３、第４の光導波路３１，３２だけを別工程で形成すれば、マッハツェンダ型光変調器の製造工程が複雑になる。
【０１９３】
さらに、上記した構造において、第２の光導波路４の代わりに第３の光導波路３２を分波器５、合波器６に接続して変調器として使用しても、同様な効果が得られる。
【０１９４】
なお、第１の電極１１とこれに接続される位相変調電極８、分布配線１４によって接地電極が構成される。また、第３の電極１３とこれに接続される位相変調電極３４、分布配線３６によって接地電極が構成される。さらに、第２、第３の導波路４，３１の上の位相変調電極３７、分布電極３８によって信号線が構成される。
（第８の実施の形態）
図２２は、本発明の第８実施形態に係る半導体光変調器の平面図、図２３(a) は、図２２のXVII-XVII 線断面図、図２３(b) は、図２２の一点鎖線で囲んだ領域を示す平面図、図２３(c) は、図２３(b) のXVIII-XVIII 線断面図である。なお、図２２、図２３において、図１８，図１９と同じ符号は同じ要素を示している。
【０１９５】
本実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器は、半絶縁性のInP 基板１の上に形成されている。InP 基板１の上には、第６実施形態と同じ構造の第１及び第２の高導電率層２ａ，２ｂが間隔をおいて形成されている。
【０１９６】
第１の高導電率層２ａの上には、第６実施形態と同じ構造の第１の光導波路３、第２の光導波路４がストライプ状であって互いに略平行に形成されている。また、第２の高導電率層２ｂの上には、第６実施形態と同じ構造の第３の光導波路３１、第４の光導波路３２が互いに略平行に形成されている。従って、第１、第２、第３及び第４の光導波路３，４，３１，３２はそれぞれ上下方向にｐｉｎ接合構造となっている。
【０１９７】
第１，第２の光導波路３，４うちの光入力端には、入力光を第１の光導波路３と第２の光導波路４に分配する分波器５が形成されている。また、第１及び第２の光導波路３，４の光出力端には、第１の光導波路３と第２の光導波路４から出力される光を合波する合波器６が形成されている。
【０１９８】
第１、第２，第３及び第４の光導波路３，４，３１，３２の側面とInP 基板１の上面と第１及び第２の高導電率層２ａ，２ｂの表面のそれぞれの面は、保護絶縁膜７により覆われている。その保護絶縁膜７には、第１、第２，第３及び第４の光導波路３，４，３１，３２の上面を露出する開口部が形成されている。
【０１９９】
第１、第４の光導波路３，３２上には、それぞれ、光進行方向に複数の位相変調電極８，３４が間隔をおいて形成されている。
【０２００】
また、第２、第３の光導波路４，３１の上には、第２の光導波路４と第３の光導波路３１の間隙を跨ぐ位相変調電極３７が光進行方向に間隔をおいて複数形成されている。
【０２０１】
第１〜第４の光導波路３，４，３１，３２のうち位相変調電極８，３４，３７が存在しない部分では、図２３(c) に示すように、上部クラッド層３ｃ，４ｃ，３１ｃ，３２ｃ及びコンタクト層３ｄ，４ｄ，３１ｄ，３２ｄが除去されて凹部が形成され、それらの凹部内には半絶縁性InP よりなる埋込層１０が形成されている。
【０２０２】
第１、第４の光導波路３，３２上では、それぞれ、光進行方向に隣り合う位相調整電極８，３４同士を接続する分布配線パターン１１ａ，３６ａが形成され、これにより、複数の位相変調電極８，３４が複数の分布配線パターン１１ａ，３６ａを介して電気的に接続される。同じように、第２及び第３の光導波路４，３１上の複数の位相変調電極３７は複数の分布配線パターン３８によって接続されている。
【０２０３】
従って、第１の光導波路３において、複数の位相変調電極８と分布配線パターン１１ａにより接地電極である第１の電極５１が構成される。また、第２、第３の光導波路４，４１において、複数の位相変調電極３７と分布配線パターン３８により第２の電極５２が構成される。さらに、第４の光導波路３２において、複数の位相変調電極３４と分布配線パターン３６ａにより第３の電極５３が構成される。
【０２０４】
位相変調電極８，３４，３７、分布配線パターン１１ａ，３６ａ，３８は、それぞれメッキにより形成された３μｍ以上の厚さの金膜からなり、メッキの際には金膜を形成しない領域をレジストパターンで覆われ、レジストパターンはメッキ後に除去される。
【０２０５】
高周波信号１６は、第３の電極５３と第２の電極５２に接続される。即ち、高周波信号１６は、信号電極である第２の電極１２と接地電極である第１、第３の電極１１、１３とによって形成されるコプレーナ型マイクロ波導波路構造の一端に接続される。また、第１の電極１１と第２の電極１２の間と、第２の電極１２と第３の電極１３の間には、それぞれ１００Ωの終端抵抗１７ａ，１７ｂが介在され、マイクロ波導波路は終端抵抗１７ａ，１７ｂにより終端される。
【０２０６】
また、第１の高導電率層２ａのうち光入力端の近傍にはバイアス電極１８が接続され、バイアス電極１８にはインダクタ１９を介して直流電圧用電源２０が接続されている。
【０２０７】
上記したマッハツェンダ型光変調器において、光は分波器５の入力導波路に入力される。分波器５に入力された光は第１及び第２の光導波路３、４に分けられて進行し、さらに第１及び第２の光導波路３、４上の位相変調電極８、３７から生じる電界により位相が変化させられた後に、合波器６で位相変化に応じた強度変化に変換されて出力される。この場合、第２及び第３の光導波路４，３１上の位相変調電極３７と分布配線パターン３８を介して第２の光導波路４のコンタクト層４ｄに印加される信号は、位相変調電極９から高導電率層２ａへの一方向の電界を発生させ、同時に、高導電率層２ａから第１の位相変調電極８への逆方向の電界を発生させる。従って、第１の光導波路３と第２の光導波路４の電界の方向は逆になる。
【０２０８】
このマッハツェンダ型光変調器では、高周波信号が印加される第２の電極５２を中心にして第１及び第３の電極５１，５３が左右対称となるので、第２の電極５２の周囲の電界分布も左右対称となって電界の分布が均一になる。
【０２０９】
上記したマッハツェンダ型光変調器の高周波に対する等価回路は、第３実施形態に係る変調器の等価回路を示した図１３と同じになる。
【０２１０】
即ち、第１〜第３の電極１１，１２，１３、ｐｉｎ接合等よりなるマイクロ波導波路２１はＬＣ分布定数回路で表せる。また、周期的に接続された位相変調電極８，９，３７によって異なる伝播定数を持つ分布定数回路がマイクロ波導波路２１に接続されているように見えるため、分布定数回路に、位相変調器による異なる線路２３が接続された回路としてあらわせる。
【０２１１】
位相変調電極８，９，３７によるマイクロ波導波路２１の特性インピーダンスとマイクロ波の伝搬速度が全く整合していなくても、マイクロ波導波路２１と、位相変調電極８，９，３７による線路２３をあわせて設計することにより、図１３の回路の特性インピーダンスを５０Ωに整合させ、マイクロ波の伝搬速度を光の伝搬速度と整合させる構造が可能であるため、高速動作が可能になる。
【０２１２】
また、上記したマッハツェンダ光変調器によれば、第１実施形態と同様な効果により、内部的にプッシュプル駆動が可能であり、かつコプレーナ電極構造を有するため放射損が少なく、他のシステムとの整合性に優れる。しかも、光導波路構造としてｐｉｎ構造を用い、コア層に量子井戸を用いているため、低電圧動作が可能であり、かつ高速動作が可能である。
【０２１３】
なお、本実施形態では、第１、第４の光導波路３，３２上の位相変調電極８，３４は不連続に形成されているが、連続的に形成されていても良い。しかし、この場合マイクロ波の伝搬損失が増加するため、変調速度が低く制限される。
【０２１４】
また、本実施形態では光変調器が行われない第３、第４の光導波路３１，３２は、誘電体材料（絶縁材料）から置換しても同様の効果が得られる。しかし、第３、第４の光導波路３１，３２だけを別工程で形成すれば、マッハツェンダ型光変調器の製造工程が複雑になる。
【０２１５】
さらに、上記した構造において、第２の光導波路４の代わりに第３の光導波路３２を分波器５、合波器６に接続して変調器として使用しても、同様な効果が得られる。
【０２１６】
なお、第１の光導波路３上の位相変調電極８、分布配線パターン１１ａによって接地電極が構成される。また、第４の光導波路３２上の位相変調電極３４、分布配線パターン３６ａによって接地電極が構成される。さらに、第２、第３の導波路４，３１の上の位相変調電極３７、分布電極３８によって信号線が構成される。
（その他の実施の形態）
上記した第１〜第８の実施形態では、光導波路３，４，２５，３１，３２の表面を覆う保護絶縁膜７を酸化シリコンから構成しているが、その他の絶縁材料から構成してもよい。
【０２１７】
また、保護絶縁膜７の代わりに半絶縁性半導体膜を用いてもよく、例えば、第７実施形態に示したマッハツェンダ型光変調器において、図２４の断面に示すように、第１、第２、第３及び第４の光導波路３，４，３１，３２の側面に半絶縁性InP からなる保護層３９を形成する。
【０２１８】
これによれば、半絶縁性InP からなる保護膜３９により光導波路３，４，３１，３２を被覆しているので、マイクロ波伝搬特性にあまり影響を与えずに、光導波路３，４，３１，３２の光モードを安定化できる。しかも、光導波路３，４，３１，３２の側面を半導体膜で覆う構造は、酸化シリコン膜で覆う構造に比べて、光のモードの安定性や高信頼性に優れている。この場合、光導波路３，４，３１，３２の凹部に埋め込まれる半絶縁性InP の埋込層１０の形成と半絶縁性InP の保護層３９を同時に成長できるので、成膜工程が容易であり、歩留まりおよび素子の信頼性を向上することができる。
【０２１９】
また、保護膜３９により光導波路３，４，３１，３２の側面を覆っても上記した実施形態と同様に内部的にプッシュプル動作でき、他のシステムとの整合性にも優れ、高速で低電圧動作可能なマッハツェンダ型光変調器が実現される。
【０２２０】
なお、第２の光導波路４と第３の光導波路３１の間の隙間を無くすように、第２の光導波路４と第３の光導波路３１の間に半絶縁性半導体、例えばアンドープのInP 膜を埋め込んでも同様の効果が得られる。
【０２２１】
ところで、保護膜３９として半絶縁性半導体の代わりに別の物質、例えばｉ型半導体を用いても良い。しかし、保護膜３９としてｉ型の半導体を用いる場合には半絶縁性半導体を用いる場合に比べてマイクロ波の損失が生じ、動作速度が制限されやすい。
【０２２２】
また、上記した第１〜第８の実施形態において、位相変調電極の前後において光導波路３，４，３１，３２の凹部を半絶縁性InP の埋込層１０で埋め込んでいるが、半絶縁性InP の埋込層１０の代わりにｉ型半導体層を形成してもよし、埋め込まなくてもよい。しかし、凹部内の埋込層としてｉ型半導体層を用いた場合には、半絶縁性半導体を用いる場合に比べてマイクロ波の損失が増加し動作速度は制限されやすい。
【０２２３】
その凹部内に何も埋め込まない場合は、光導波路構造を伝搬する光がこの部分で散乱し、本実施形態と比較して光の損失や反射が増加する。また、光導波路３，４，３１，３２に凹部を形成しない場合は、マイクロ波の伝搬損失が増加するため、上記した実施形態に比較して変調速度が制限される。
【０２２４】
また、位相変調電極の前後において光導波路３，４，３１，３２の凹部に酸化シリコンを埋め込んでもよいが、光導波路構造を伝搬する光の散乱が凹部で生じるので、光の損失や反射が増加する。
【０２２５】
上記した実施形態においては半絶縁性の基板１としてInP 基板を用いているが、半絶縁性のGaAs基板を用いてもよい。また、コア層３ｂ，４ｂ，３１ｂ，３２ｂとしてGaInAsP 量子井戸を用いているが、GaInAs量子井戸やAlGaInAs量子井戸構造を用いてもよい。また、上側又は下側のクラッド層３ａ，３ｃ，４ａ，４ｃを構成する材料としてAlGaAs、AlInAsを用いてもよい。さらに、光導波路３，４，３１，３２の下の高導電率層２，２ａ，２ｂとしてはｎ型半導体層を用いているが、例えば、光導波路３，４の下の部分をｎ型半導体で、その他の部分を金属で構成してもよい。
【０２２６】
また、上記した本実施形態では、コア層３ｂ，４ｂ，３１ｂ，３２ｂとして量子井戸構造を用いているが、バルクの半導体層を用いてもよい。バルクの半導体層を用いる場合には、量子井戸構造を用いる場合に比べて、電界に対する位相変調効果が小さいため上記した実施形態と比較して駆動電圧が増加しやすい。
【０２２７】
また、上記した実施形態では光導波路構造３，４，２５，３１，３２にｐｉｎ構造の半導体を用いているが、ｉ型半導体を用いてもよい。しかし、ｉ型半導体を用いる場合は上記した実施形態に比べて電界に対する位相変調効果が小さいため駆動電圧が増加する。
【０２２８】
上記した実施形態では、分波器５、合波器６はInP 基板１上に形成されているが、外部に形成しても良い。この場合、上記した実施形態に比較して素子が大型化し、光の過剰損失が生じやすい。
【０２２９】
また、上記した施形態では、複数の位相変調電極８，９の前後の間隔、複数の位相変調電極８，９の各々の長さは一定であるが、それらの間隔、長さを一定としない構成としてもよい。この場合、上記した実施形態と比較してマイクロ波の伝搬損失が増加し、変調効率も劣化しやすい。
【０２３０】
上記した実施形態では、分布配線１４，１５はInP 基板１の上に空隙をおいたブリッジ状に形成されているが、InP 基板１上に例えば樹脂によって形成した台の上に形成してもよい。この場合、上記した実施形態と比較してマイクロ波の損失が生じ、動作速度が制限されやすい。
【０２３１】
なお、上記した実施形態において、分布配線又は分布配線パターンは、第１〜第４の光導波路には直に接しないように離れて形成することが好ましい。
【０２３２】
なお、上記した実施形態では半導体マッハツェンダ型変調器の例をあげたが、本発明の素子を実施形態の構成を持つような高速の光スイッチやＤＥＭＵＸに利用できることはいうまでもない。
（付記１）半導体基板上に形成され且つ少なくとも一部がドープト半導体からなる第１の高導電率層と、
前記第１の高導電率層上に形成された第１の光導波路と、
前記第１の高導電率層上で前記第１の光導波路から間隔をおいて一側方に形成された第２の光導波路と、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の双方の光入力部に接続される分波器と、
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路の双方の光出力部に接続される合波器と、
前記第１の光導波路上に光伝搬方向に間隔をおいて複数形成され且つ互いに電気的に接続される第１の分布電極と、
前記第２の光導波路上に接する接続部分を有し、前記第１の高導電率層から離れて形成され、且つ前記光伝搬方向に沿って配置された第１の接地電極と、
前記半導体基板の上であって前記第１の高導電率層の他側方に形成され且つ前記第１の高導電率層から離れて形成された第２の接地電極と
を有することを特徴とする光半導体装置。
（付記２）前記第１の光導波路上の複数の前記第１の分布電極同士を互いに電気的に接続する第１の分布配線を有し、前記第１の分布配線と前記第１の分布電極により信号電極が構成されることを特徴とする付記１に記載の光半導体装置。
（付記３）前記第１の高導電率層と前記第２の接地電極の間の領域において、前記第１の高導電率層と前記第２の接地電極から離れて前記半導体基板上に配置された信号電極と、
前記信号電極から櫛状に伸びて複数の前記第１の分布電極の各々に個別に接続され，かつ前記第１の光導波路及び前記第１の高導電率層から離れて形成された複数の第１の分布配線とを有することを特徴とする付記１に記載の光半導体装置。
（付記４）前記第１の分布配線と前記第１の分布配線に接続される前記第１の分布電極とそれぞれの前記光伝送方向の長さが等しいことを特徴とする付記３に記載の光半導体装置。
（付記５）前記第１の接地電極の前記接続部分は、前記光伝搬方向に沿って間隔をおいて形成された複数の第２の分布電極であることを特徴とする付記１乃至付記４のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記６）前記第１の接地電極は、前記第１の高導電率層の一側方向で且つ前記第１の高導電率層から離れて形成された第１の電極と、前記第１の電極から櫛状に伸びて前記第２の分布電極を前記第１の電極に個別に接続し且つ記第２の光導波路に離れて配置された第２の分布配線とを有することを特徴とする付記５に記載の光半導体装置。
（付記７）前記第１の接地電極は、前記第２の光導波路の前記光の伝搬方向に沿って複数の前記第２の分布電極の隣同士を互いに接続し、且つ前記第２の光導波路上部に接しないように配置された第２の分布配線を有することを特徴とする付記５に記載の光半導体装置。
（付記８）前記第１の高導電率層上において、前記第１の光導波路の他側方の領域に形成され且つ前記第２の接地電極の一部が上部に接続される第１のストライプ層をさらに有することを特徴とする付記１又は付記２に記載の光半導体装置。
（付記９）前記第１の接地電極の前記接続部分は、前記光伝搬方向に沿って間隔をおいて形成された複数の第２の分布電極であり、
前記第２の接地電極が前記第１のストライプ層に接する部分は、前記光伝搬方向に沿って間隔をおいて形成される複数の第３の分布電極である
ことを特徴とする付記８に記載の光半導体装置。
（付記１０）前記第１の接地電極は、前記第１の高導電率層から一側方に離れて形成された第１の電極と、前記第１の電極から櫛状に伸びて前記第２の分布電極に個別に接続され且つ前記第２の光導波路から間隔をおいて形成される第２の分布配線とを有し、
前記第２の接地電極は、前記第１のストライプ層から他側方に離れて形成された第３の電極と、前記第３の電極から櫛状に伸びて前記第３の分布電極に個別に接続され且つ前記第１のストライプ層から間隔をおいて形成される第３の分布配線とを有している
ことを特徴とした付記９に記載の光半導体装置。
（付記１１）複数の前記第２、第３の分布配線の各々の前記光伝搬方向の長さと、前記第２、第３の分布電極の各々の前記光伝搬方向の長さが等しいことを特徴とする付記１０に記載の光半導体装置。
（付記１２）前記第２の分布電極を含む前記第１の接地電極は、前記光の伝搬方向に沿って前記第２の分布電極の隣同士を互いに接続し、かつ前記第２の光導波路上部に接しないように配置された第２の分布配線を含み、
前記第３の分布電極を含む前記第２の接地電極は、前記光の伝搬方向に沿って前記第３の分布電極の隣同士を互いに接続し、かつ前記第１の誘電体層上部に接しないように配置された第３の分布配線を含んでなることを特徴とする付記９に記載の光半導体装置。
（付記１３）前記第１のストライプ層は、誘電体材料から構成されていることを特徴とする付記８乃至付記１２のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記１４）前記第１のストライプ層は、前記第１及び第２の光導波路と同じ層構造を有することを特徴とする付記８乃至付記１３のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記１５）前記半導体基板上において、前記第２の接地電極と前記第１の高導電率層の間で且つ前記第２の接地電極と前記第１の高導電層から離れて形成された第２の高導電率層と、
前記第２の高導電率層上に形成され且つ前記第２の接地電極の接続部分が上部に接続される第１のストライプ層と、
前記第２の高導電率層上であって前記第１のストライプ層から一側方に離れて形成された第２のストライプ層と、
前記第２のストライプ層のうち前記光の伝搬方向に沿って間隔をおいて形成され且つ複数の前記第１の分布電極に電気的に接続される複数の第４の分布電極とを有することを特徴とする付記１に記載の光半導体装置。
（付記１６）複数の前記第１の分布電極同士を前記光伝搬方向に互いに接続し且つ前記第１の光導波路から離れて形成される第１の分布配線と、
複数の前記第４の分布電極同士を互いに接続し且つ前記第２のストライプ層から離れて形成される第４の分布配線と、
前記第１、第４の分布電極、前記第１及び第４の分布配線とを含む信号電極とを有することを特徴とする付記１５に記載の光半導体装置。
（付記１７）前記半導体基板上であって前記第１の高導電率層と前記第２の高導電率層の間の領域で前記第１及び第２の高導電率層から離れて形成された第２の電極と、
前記第２の電極の一側から櫛状に分岐されて複数の前記第１の分布電極に個別に接続される複数の第１の分布配線と、
前記第２の電極の他側から櫛状に分岐されて複数の前記第４の分布電極に個別に接続される複数の第４の分布配線と
を有することを特徴とする付記１５に記載の光半導体装置。
（付記１８）前記第１、第４の分布配線と前記第１、第４の分布電極のうち前記光伝搬方向のそれぞれの長さが等しいことを特徴とする付記１７に記載の光半導体装置。
（付記１９）前記第１の接地電極の前記接続部分は、前記光伝搬方向に沿って間隔をおいて形成された複数の第２の分布電極であり、
前記第２の接地電極は前記第１のストライプ層の上部において前記光の伝搬方向に沿って間隔をおいて形成された複数の第３の分布電極を有する
ことを特徴とする付記１５乃至付記１８のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記２０）前記第１の接地電極は、複数の前記２の分布電極の他に、前記第１の光導波路の一側方であって前記第１の高導電率層から一側方に離れて前記半導体基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極から櫛状に延びて前記第２の分布電極に個別に接続される複数の第２の分布配線とを有し、
さらに、前記第２の接地電極は、複数の前記３の分布電極の他に、前記第１のストライプ層の他側方であって前記第２の高導電率層から他側方に離れて前記半導体基板上に形成された第３の電極と、前記第３の電極から櫛状に延びて前記第３の分布電極に個別に接続される複数の第３の分布配線とを有する
ことを特徴とする付記１９に記載の光半導体装置。
（付記２１）前記光伝搬方向において、前記第２の分布電極の個々の長さは前記第２の分布電極の個々の長さに等しく、さらに、前記第３の分布電極の個々の長さは前記第３の分布電極の個々の長さに等しいことを特徴とする付記２０に記載の光半導体装置。
（付記２２）前記第１の接地電極は、複数の前記第２の分布電極同士を前記光伝搬方向に互いに接続する第２の分布配線を有し、
前記第２の接地電極は、複数の前記第３の分布電極同士を前記光伝搬方向に互いに接続する第３の分布配線を有する
ことを特徴とする付記１９に記載の光半導体装置。
（付記２３）前記第１の光導波路と前記第２のストライプ層の間は高抵抗体により埋め込まれていることを特徴とする付記１５、付記１６、付記２１、付記２２のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記２４）前記第１のストライプ層と第２のストライプ層の少なくとも一方は、前記第１及び第２の光導波路と同じ層構造を有することを特徴とする付記１５乃至付記２２のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記２５）前記第１の光導波路と第２の光導波路のうち少なくとも一方は、ｐ型半導体層、ｉ型半導体層及びｎ型半導体層からなるｐｉｎ接合構造を有していることを特徴とする付記１乃至付記２４のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記２６）前記第１の光導波路と第２の光導波路のうち少なくとも一方において、前記第１の分布電極と前記第１の接地電極の前記接続部分とのいずれにも接していない領域の前記ｉ型半導体層より上の層が除去されて除去部分となっていることを特徴とする付記２５に記載の光半導体装置。
（付記２７）前記除去部分内には高抵抗体が埋め込まれていることを特徴とする付記２６に記載の光半導体装置。
（付記２８）少なくとも前記第１及び第２の光導波路の両側面は、高抵抗体で覆われていることを特徴とする付記１乃至付記２７のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記２９）前記高抵抗体は、半絶縁性半導体であることを特徴とする付記２３１、付記２７、付記２８のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記３０）前記第１及び第２の光導波路は量子井戸構造を有することを特徴とする付記１乃至付記２９のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記３１）前記分波器、前記合波器は前記半導体基板の上に配置されていることを特徴とする付記１乃至付記３０のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記３２）前記第１の高導電率層には直流バイアス電圧を印加するバイアス源が接続されていることを特徴とする付記１乃至付記３１のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記３３）前記第１の光導波路の上の複数の第１の分布電極には信号源が接続されることを特徴とする付記１乃至付記３２のいずれかに記載の光半導体装置。
【０２３３】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、高導電率層上に形成された第１及び第２の光導波路に直流バイアス電界を印加し、信号電極から高導電率層を介して第１及び第２の光導波路に互いに逆向きの高周波電界を印加するようにしたので、第１の光導波路を含んでなる位相変調器と、第２の光導波路を含んでなる位相変調器をプッシュプル駆動することができる。
【０２３４】
しかも、信号電極に対し第１、第２の接地電極を有し、コプレーナ型のマイクロ波導波路構造となるため、放射損が少なく、他のシステムとの整合性にも優れている。また、光導波路構造下部に高導電率層を有しており、光導波路構造に効率的に電界を印加することができるため、低電圧駆動が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１(a),(b) は、第１の従来技術に係るマッハツェンダ型変調器を示す平面図及び断面図である。
【図２】図２(a),(b) は、第１の従来技術に係るマッハツェンダ型変調器の等価回路図である。
【図３】図３(a),(b),(c) は、第２の従来技術に係るマッハツェンダ型変調器を示す平面図、部分拡大平面図及び断面図である。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態に係るマッハツェンダ型変調器を示す平面図である。
【図５】図５(a) は、図４に示した本発明の第１実施形態に係るマッハツェンダ型変調器のIII-III 線断面図、図５(b) は図４の部分拡大平面図、及び図５(c) は図５(b) のIV−IV線断面図である。
【図６】図６は、本発明の第１実施形態に係るマッハツェンダ型変調器の等価回路図である。
【図７】図７(a) は、本発明の第１実施形態に係るマッハツェンダ型変調器の膜厚の方向の等価回路図、図７(b),(c) は図７(a) の動作を説明する等価回路図である。
【図８】図８は、本発明の第２実施形態に係るマッハツェンダ型変調器を示す平面図である。
【図９】図９(a) は、図８に示した本発明の第２実施形態に係るマッハツェンダ型変調器のＶ−Ｖ線断面図、図９(b) は図８の部分拡大平面図、及び図９(c) は図９(b) のVI−VI線断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２実施形態に係るマッハツェンダ型変調器の等価回路図である。
【図１１】図１１は、本発明の第３実施形態に係るマッハツェンダ型変調器を示す平面図である。
【図１２】図１２(a) は、図１１に示した本発明の第３実施形態に係るマッハツェンダ型変調器のVII-VII 線断面図、図１２(b) は図１１の部分拡大平面図、及び図１２(c) は図１２(b) のVIII−VIII線断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の第３実施形態に係るマッハツェンダ型変調器の等価回路図である。
【図１４】図１４は、本発明の第４実施形態に係るマッハツェンダ型変調器を示す平面図である。
【図１５】図１５(a) は、図１４に示した本発明の第４実施形態に係るマッハツェンダ型変調器のVIIII-VIIII 線断面図、図１５(b) は図１４の部分拡大平面図、及び図１５(c) は図１５(b) のＸ−Ｘ線断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の第５実施形態に係るマッハツェンダ型変調器を示す平面図である。
【図１７】図１７(a) は、図１６に示した本発明の第５実施形態に係るマッハツェンダ型変調器のXI-XI 線断面図、図１７(b) は図１６の部分拡大平面図、及び図１７(c) は図１７(b) のXII-XII 線断面図である。
【図１８】図１８は、本発明の第６実施形態に係るマッハツェンダ型変調器を示す平面図である。
【図１９】図１９(a) は、図１８に示した本発明の第６実施形態に係るマッハツェンダ型変調器のXIII−XIII線断面図、図１９(b) は図１８の部分拡大平面図、及び図１９(c) は図１９(b) のXIIII-XIIII 線断面図である。
【図２０】図２０は、本発明の第７実施形態に係るマッハツェンダ型変調器を示す平面図である。
【図２１】図２１(a) は、図２０に示した本発明の第７実施形態に係るマッハツェンダ型変調器のXV−XV線断面図、図２１(b) は図２０の部分拡大平面図、及び図２１(c) は図２１(b) のXVI-XVI 線断面図である。
【図２２】図２２は、本発明の第８実施形態に係るマッハツェンダ型変調器を示す平面図である。
【図２３】図２３(a) は、図２２に示した本発明の第８実施形態に係るマッハツェンダ型変調器のXVII−XVII線断面図、図２３(b) は図２２の部分拡大平面図、及び図２３(c) は図２３(b) のXVIII-XVIII 線断面図である。
【図２４】図２４は、本発明のその他の実施形態に係るマッハツェンダ型変調器を示す断面図である。
【符号の説明】
１…InP （半導体）基板、２，２ａ，２ｃ…高導電率層、３，４，２５，３１，３２…光導波路、５…分波器、６…合波器、７…保護絶縁膜、８，９，２６，３３，３４，３７…位相変調電極（分布電極）、１０…埋込層、１１…第１の電極、１２…第２の電極、１３、２７，３６…第３の電極、１１ａ，１２ａ，１３ａ…分布配線パターン、１４，１５，２８…分布配線、１６…高周波信号源、１７ａ，１７ｂ…抵抗、１８…バイアス電極、１９…インタクタ、２０…直流電圧用電源。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical semiconductor device, and more particularly to an optical semiconductor device used as an optical modulator in an optical transmitter in an optical communication system.
[0002]
[Prior art]
The semiconductor optical modulator has the advantage that it can be miniaturized and can be integrated with a semiconductor laser, and a low cost can be expected. Therefore, such a semiconductor optical modulator has been studied as an electro-optical conversion element applicable to an optical communication system from a short distance to a medium to long distance. In particular, the Mach-Zehnder type modulator has little wavelength chirping of the element, and is useful for application to a medium and long distance optical communication system.
[0003]
However, in order to actually realize a Mach-Zehnder type optical modulator with reduced wavelength chirping, it is necessary to drive the two optical waveguides formed in the modulator so as to perform phase modulation in the opposite direction. . Hereinafter, such a driving method is referred to as push-pull driving.
[0004]
When adjusting the phase of push-pull drive outside the device, a timing adjustment circuit is required to synchronize and input high-frequency signals of the positive and negative phases, and high-frequency signal tuning is required. Become. Therefore, if the push-pull drive phase adjustment can be performed inside the element, the element can be easily operated.
[0005]
As a Mach-Zehnder type optical modulator capable of adjusting the phase of push-pull drive inside the element, for example, a method using a lumped constant type electrode is studied in Patent Document 1 below. This Mach-Zehnder type optical modulator has a first phase modulator and a second phase modulator, and the first phase modulator and the second phase modulator are respectively provided with a first conductivity type cladding layer on the lower side, A second conductivity type cladding layer is provided on the upper side.
[0006]
The Mach-Zehnder type optical modulator has a structure in which the first conductivity type cladding layer of the first phase modulator and the second conductivity type cladding layer of the second phase modulator are connected via a lead wire. . Then, an output signal of a single driver is applied to a connection point between the first conductivity type cladding layer of the first phase modulator and the second conductivity type cladding layer of the second phase modulator, and the first phase modulator Of the second conductivity type cladding layer and the first conductivity type cladding layer of the second phase modulator, a negative voltage is applied to the p-type and a ground potential is applied to the n-type.
[0007]
However, in an element using such a lumped constant type electrode, the electrode capacity and the inductance of the lead wire limit the operation speed of the element, so that it is necessary to make it extremely small in order to operate at high speed. However, in the Mach-Zehnder type modulator, since the element length and the drive voltage are inversely proportional, a very high drive voltage is required for an extremely small element. As a method of reducing the driving voltage, there is a method of thinning a region to which an electric field is applied. However, in this method, the electrode capacity is increased, so that the operation speed is also limited. With a lumped element, an element that operates at high speed with a low driving voltage cannot be obtained.
[0008]
Another Mach-Zehnder type optical modulator capable of adjusting the push-pull drive inside the element is proposed by RG Walker in the following Non-Patent Document 1. As shown in FIGS. 1A and 1B, this structure has a structure in which traveling wave type electrodes and lumped constant type electrodes are combined, and an optical waveguide and a microwave waveguide exist separately.
[0009]
FIG. 1A is a plan view showing the structure of a Mach-Zehnder type optical modulator, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line II of FIG.
[0010]
The optical modulator shown in FIGS. 1A and 1B includes two ridge-type optical waveguides 111 and 112, two optical couplers 113 and 114, and first and second traveling wave-type electrodes 115a and 115b. Have.
[0011]
In FIG. 1 (a), the first and second traveling wave type electrodes 115a and 115b are arranged on both sides of the optical waveguides 111 and 112 with a space therebetween. A high frequency electrical signal source 116 is connected to one end of the first traveling wave type electrode 115a and one end of the second traveling wave type electrode 115b, and the other ends thereof are connected to each other via a resistor 117.
[0012]
A plurality of phase modulation electrodes 115c are formed on the first optical waveguide 111 at intervals in the light traveling direction, and the phase modulation electrodes 115c are formed as the first traveling wave electrode 115a. Are connected to the first traveling wave electrode 115a through a plurality of wirings 115e branched in a comb shape. Similarly, a plurality of phase modulation electrodes 115d are formed on the second optical waveguide 112 at intervals in the light traveling direction, and these phase modulation electrodes 115d are formed as second traveling wave type electrodes. It is connected to the second traveling wave type electrode 115b through the wiring 115f branched into a plurality of comb shapes from 115b.
[0013]
The Mach-Zehnder type optical modulator shown in FIG. 1 (a) has a layer structure as shown in FIG. 1 (b).
[0014]
In FIG. 1B, a silicon-doped n-type is formed on a semi-insulating GaAs substrate 110. ⁺ A type GaAs cladding layer 121, an undoped GaAs core layer 122, and an AlGaAs layer 123 are sequentially formed. And n ⁺ The type GaAs cladding layer 121 and the GaAs core layer 122 are convexly patterned to have a width including the two optical waveguides 111 and 112 and protrude from the GaAs substrate 110, and the AlGaAs layer 123 further includes the first and second optical waveguides 111. , 112 and is projected from the GaAs core layer 122. Further, the above-described phase modulation electrodes 115c and 115d are connected to the AlGaAs layer 123 constituting the upper portions of the first and second optical waveguides 111 and 112, respectively. N ⁺ A DC bias power supply 118 is connected to the type GaAs cladding layer 121.
[0015]
As described above, the traveling wave electrodes 115a and 115b exist independently from the phase modulation electrodes 115c and 115d, and the traveling wave electrodes 115a and 115b are connected to the plurality of phase modulation electrodes 115c and 115d.
[0016]
Each of the plurality of phase modulation electrodes 115c and 115d functions as a lumped constant electrode, but is sufficiently small and operates without being restricted by a band up to a high frequency. Further, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), each of the lumped constant type electrodes has a distributed constant type resistance component Rd, capacitance Cd and inductance Ld as viewed from the traveling wave type electrodes 115a and 115b. Therefore, by designing as a traveling wave type electrode including these, it is possible to match the characteristic impedance to 50Ω and to match the speed of light and the speed of propagation of an electric signal.
[0017]
As shown in FIG. 2 (a), n is formed as a conductive layer below the first and second optical waveguides 111 and 112. ⁺ There is a type GaAs cladding layer 121, and the first and second optical waveguides 111 and 112 function as homogeneous capacities through the conductive layer, and the first and second optical waveguides 111 and 112 when a voltage is applied. On the other hand, electric fields are generated in opposite directions, and the Mach-Zehnder optical modulator is driven by push-pull. Furthermore, n which is a high conductivity layer is formed under the optical waveguides 111 and 112. ⁺ Since the type GaAs cladding layer 121 is provided, the electric field can be concentrated on each of the first and second optical waveguides 111 and 112 relatively efficiently, so that the drive voltage can be made relatively small.
[0018]
However, the structure shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b) has a large radiation loss due to the shape of the microwave waveguide being a slot line type, and the compatibility with other systems is also poor.
[0019]
On the other hand, in the following Non-Patent Document 2, R. Spickermann et al. Propose a structure as shown in FIGS. 3 (a) to 3 (c). As in FIGS. 1 (a) and 1 (b), this structure spatially separates the optical waveguide structure and the microwave waveguide structure, and further combines a traveling wave type electrode and a lumped constant type electrode. Has a structure. 3A is a plan view of the Mach-Zehnder type optical modulator, FIG. 3B shows a region surrounded by a broken line in FIG. 3A, and FIG. 3C shows FIG. Is a sectional view taken along line II-II in FIG.
[0020]
3A to 3C, the ridge-type first and second optical waveguides 132 and 133 formed on the semiconductor substrate 131 are connected to each other at both ends, and the first and second ridge-type optical waveguides 132 and 133 are connected to each other. One end portions of the optical waveguides 132 and 133 are connected to the incident optical waveguide 134, and the other end portions of the first and second optical waveguides 132 and 133 are connected to the outgoing optical waveguide 135.
[0021]
A first traveling wave electrode 136 is formed in an inner region between the first optical waveguide 132 and the second optical waveguide 133, and each of the first and second optical waveguides 132 and 133 is formed. Second and third traveling wave electrodes 137 and 138 are formed in the outer region. In addition, a plurality of first phase modulation electrodes 139 are formed on the first optical waveguide 132 at intervals in the light traveling direction, and a plurality of second phase modulation electrodes 139 are formed on the second optical waveguide 133 in the light traveling direction. Phase modulation electrodes 140 are formed at intervals. The first phase modulation electrode 139 on the first optical waveguide 132 is connected to the first traveling wave type electrode 137 via the wiring 141, and the second phase modulation on the second optical waveguide 133 is performed. The electrode 140 is connected to the first traveling wave type electrode 136 via the wiring 142.
[0022]
In the region between the first traveling wave electrode 136 and the first optical waveguide 132, a plurality of third phase modulation electrodes 143 are formed on the semiconductor substrate 131 along the light traveling direction of the first optical waveguide 132. The third phase modulation electrode 143 is Schottky connected to the semiconductor layer 131a. The third phase modulation electrode 143 is connected to a wiring 144 derived from the first traveling wave type electrode 136.
[0023]
Further, in the region between the second optical waveguide 133 and the third traveling wave type electrode 138, a plurality of fourth phase modulation electrodes 145 are arranged on the semiconductor substrate 131 along the light traveling direction of the second optical waveguide 133. The fourth phase modulation electrode 145 is Schottky connected to the semiconductor layer 131a. The fourth phase modulation electrode 145 is connected to a wiring 146 derived from the third traveling wave type electrode 138.
[0024]
In the Mach-Zehnder type optical modulator having such a structure, a high-frequency electric signal source 116 is connected between one end of the first traveling wave type electrode 136 and the ground line GND. A first resistance element 117 a is connected to the other end of the first traveling wave electrode 136 and the other end of the second traveling wave electrode 137, and the other end of the first traveling wave electrode 136 is further connected. A second resistance element 117 b is connected to the other end of the third traveling wave type electrode 138. One end of the second traveling wave type electrode 137 and one end of the third traveling wave type electrode 138 are each connected to a ground line.
[0025]
As a result, an electric field is generated in the second optical waveguide 133 through the semiconductor layer 131a between the fourth phase modulation electrode 145 and the second phase modulation electrode 140, as shown in FIG. An electric field is generated in the first optical waveguide 132 through the semiconductor layer 131a between the phase modulation electrode 143 and the first phase modulation electrode 139.
[0026]
In this structure, since a coplanar type is used for the microwave waveguide, not only radiation loss is reduced, but an electric field is applied in parallel to the two optical waveguides 132 and 133, so that the drive voltage can be lowered. it can.
[0027]
[Patent Document 1]
No. 10-333106 (page 4-5, FIGS. 1 and 2)
[Non-Patent Document 1]
IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.27, p.645, 1991
[Non-Patent Document 2]
Electronics Letters, vol.32, p.1095, 1996
[0028]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the structure shown in Non-Patent Document 2, since the optical waveguide layer cannot be a pin structure, an electric field cannot be efficiently applied to the core layer, and a quantum well structure is formed in the core layer. Since it cannot be used, the refractive index change rate decreases, and as a result, the drive voltage increases.
[0029]
Therefore, in the conventional device, push-pull drive can be internally performed, high-speed operation and low-voltage drive are possible, and a device excellent in consistency with other systems has not been realized. That is, the conventional semiconductor Mach-Zehnder type optical modulator can be internally driven by push-pull operation, can operate at high speed and low voltage, and is not an element excellent in consistency with other systems.
[0030]
An object of the present invention is to provide an optical semiconductor device that can internally perform push-pull driving, can operate at high speed and low voltage, and has excellent compatibility with other systems.
[0031]
[Means for Solving the Problems]
The above-described problems include a first high conductivity layer formed on a semiconductor substrate and at least partially made of a doped semiconductor, a first optical waveguide formed on the first high conductivity layer, From the first optical waveguide on the first high conductivity layer Formed at intervals A second optical waveguide; a duplexer connected to the optical input portions of both the first optical waveguide and the second optical waveguide; and both the first optical waveguide and the second optical waveguide. A plurality of multiplexers connected to the optical output section, and a plurality of optical multiplexers spaced apart in the light propagation direction on the first optical waveguide. Formed first A distribution electrode and a connecting portion in contact with the second optical waveguide; Have A first ground electrode disposed along the light propagation direction; On the opposite side of the first ground electrode across the first optical waveguide Formed Arranged along the light propagation direction A second ground electrode, a first distribution wiring for electrically connecting the plurality of first distribution electrodes on the first optical waveguide, and the first high conductivity layer. A bias source for applying a DC bias voltage to the first high conductivity layer, and the first distributed wiring; The This is solved by an optical semiconductor device characterized in that a signal electrode is constituted by the first distributed electrode.
[0032]
That is, the semiconductor Mach-Zehnder type optical modulator of the present invention has the first and second optical waveguide structures on the high conductivity layer formed on the semiconductor substrate, and the first and second optical waveguide structures have the first and second optical waveguide structures. A signal electrode electrically coupled to the first distribution electrode disposed on the first optical waveguide structure, the first and second distribution electrodes respectively disposed periodically on the first optical waveguide structure; A first ground electrode electrically coupled to the second distributed electrode disposed on the optical waveguide; and a second ground electrode disposed on the opposite side of the first ground electrode with the signal electrode interposed therebetween. It is a thing.
[0033]
According to the semiconductor Mach-Zehnder modulator of the present invention, a high-conductivity layer is used to apply a DC bias electric field to the first and second optical waveguides, and the first and second through the high-conductivity layer from the signal electrode. Push-pull drive of the phase modulator including the first optical waveguide and the phase modulator including the second optical waveguide by applying a high-frequency electric field opposite to each other to the two optical waveguides can do.
[0034]
In addition, since the first and second ground electrodes are provided for the signal electrode and the coplanar type microwave waveguide structure is provided, there is little radiation loss and excellent compatibility with other systems. Further, since the high conductivity layer is provided below the optical waveguide structure, and an electric field can be efficiently applied to the optical waveguide structure, low voltage driving is possible.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
4 is a plan view of the semiconductor optical modulator according to the first embodiment of the present invention, FIG. 5A is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 4, and FIG. 5B is a dashed-dotted line in FIG. FIG. 5 (c) is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG. 5 (b).
[0036]
The Mach-Zehnder optical modulator according to this embodiment is formed on a semi-insulating InP substrate 1.
[0037]
On the InP substrate 1, an n-type conductive InP high conductivity layer 2 having a rectangular planar shape that is long in the light traveling direction is formed. The InP high conductivity layer 2 has a thickness of about 1.0 μm or more. The dopant of this InP high conductivity layer 2 is silicon (Si), and the dopant concentration is 1 × 10 ¹⁸ /cm ^Three It is.
[0038]
On the n-InP high-conductivity layer 2, a stripe-shaped first optical waveguide 3 having a width of about 1 to 2 μm and a stripe-shaped second optical waveguide 4 having a width of 1 to 2 μm are spaced at an interval of 8 to 10 μm. Are formed substantially parallel to each other. A duplexer 5 that distributes the input light to the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 is formed at the light input end of the first and second optical waveguides 3 and 4. . In addition, a multiplexer 6 that multiplexes the light output from the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 is formed at the light output ends of the first and second optical waveguides 3 and 4. Yes.
[0039]
On the InP substrate 1, the optical input waveguides 3 a and 4 a for introducing light are connected to the duplexer 5, and the optical output waveguide for introducing light to the outside is connected to the multiplexer 6. Waveguides 3b and 4b are connected.
[0040]
As shown in FIG. 5 (a), the first and second optical waveguides 3 and 4 have lower cladding layers 3a and 4a made of n-type InP, and core layers 3b and 4b made of undoped quantum wells, respectively. The upper clad layers 3c and 4c made of p-type InP and the contact layers 3d and 4d made of p-type InGaAs are formed on the InP high conductivity layer 2 in this order. Therefore, the first and second optical waveguides 3 and 4 each have a pin junction structure in the vertical direction.
[0041]
The quantum well structure constituting the core layers 3b and 4b has a structure in which InGaAsP barrier layers having a thickness of 10 nm and InP well layers having a thickness of 10 nm are alternately formed, and the well layers are sandwiched between the barrier layers. . The number of well layers is one or more.
[0042]
The side surfaces of the first and second optical waveguides 3, 4, the upper surface of the InP substrate 1, and the surface of the InP high conductivity layer 2 are covered with a protective insulating film 7 made of silicon oxide having a thickness of about 0.5 μm. Covered. The protective insulating film 7 is formed with an opening that exposes the top surfaces of the first and second optical waveguides 3 and 4.
[0043]
On the first optical waveguide 3, a plurality of phase modulation electrodes (distributed electrodes) 8 are formed at intervals in the longitudinal direction. A plurality of phase modulation electrodes (distributed electrodes) 9 are formed on the second optical waveguide 4 at intervals in the longitudinal direction. The length of the phase modulation electrodes 8 and 9 is 30 μm to 500 μm. The phase modulation electrodes 8 and 9 are arranged with a period of 50 μm or more and 1 mm or less.
[0044]
In the portions where the phase modulation electrodes 8 and 9 do not exist in the first and second optical waveguides 3 and 4, the upper cladding layers 3c and 4c and the contact layers 3d and 4d are removed as shown in FIG. A recess is formed, and a buried layer 10 made of semi-insulating InP is formed in the recess.
[0045]
A first electrode 11 is formed on the InP substrate 1 via a protective insulating film 7 at a position away from the InP high conductivity layer 2 to one side. A second electrode 12 is formed on the InP substrate 1 via a protective insulating film 7 at a position away from the InP high conductivity layer 2 to the other side. Further, a third electrode 13 is formed on the InP substrate 1 via the protective insulating film 7 at a position away from the second electrode 12 to the other side. The first and third electrodes 11 and 13 are ground electrodes, and the second electrode 12 is a signal electrode.
[0046]
The phase modulation electrode 8 on the first optical waveguide 3 is connected to a first distributed wiring 14 extending from the first electrode 11 in a comb shape. Further, the phase modulation electrode 9 on the second optical waveguide 4 is connected to a second distributed wiring 15 extending in a comb shape from the second electrode 12. The first and second distributed wirings 14 and 15 have a width equal to or less than the length of the phase modulation electrodes 8 and 9, respectively, for example, a width of 5 μm or more. The first and second distributed wirings 14 and 15 are formed in a bridge shape so as not to contact the InP high conductivity layer 2.
[0047]
The first to third electrodes 11 to 13, the phase modulation electrodes 8 and 9, and the first and second distributed wirings 14 and 15 are each made of a gold film having a thickness of 3 μm or more formed by plating. It is formed by covering a region where no film is formed with a resist pattern.
[0048]
The high frequency signal 16 is connected to one end of each of the second electrode 12 and the third electrode 13. That is, the high-frequency signal 16 is connected to one end of a coplanar type microwave waveguide structure formed by the second electrode 12 that is a signal electrode and the first and third electrodes 11 and 13 that are ground electrodes. Also, 100Ω termination resistors 17a and 17b are interposed between the first electrode 11 and the second electrode 12, and between the second electrode 12 and the third electrode 13, respectively. That is, the microwave waveguide composed of the first to third electrodes 11 to 13 is terminated by the termination resistors 17a and 17b.
[0049]
In addition, a bias electrode 18 is connected in the vicinity of the optical input end of the high conductivity layer 2, and a DC voltage power source 20 is connected to the bias electrode 18 via an inductor 19.
[0050]
In the Mach-Zehnder type optical modulator described above, continuous (CW) light is input to the input waveguide of the duplexer 5. The light input to the demultiplexer 5 travels while being divided into the first and second optical waveguides 3, 4, and further from the phase modulation electrode 9 on the second optical waveguide 4 to the high conductivity layer 2, the first optical waveguide 3. After the phase is changed by the electric field generated in the optical waveguide 3, the light is converted into the light intensity corresponding to the phase change in the multiplexer 6 and output. In this case, the signal applied to the second phase modulation electrode 9 on the second optical waveguide 4 generates an electric field from the second phase modulation electrode 9 to the InP high conductivity layer 2 and at the same time, the InP high An electric field is generated from the conductivity layer 2 to the first phase modulation electrode 8. Accordingly, the directions of the electric fields in the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 are reversed.
[0051]
FIG. 6 shows an equivalent circuit of the Mach-Zehnder type optical modulator in a state where a high frequency signal is applied to the second electrode 12 and a bias voltage is applied to the high conductivity layer 2. That is, the microwave waveguide 21 can be expressed by an LC distributed constant circuit. Further, the phase modulator composed of the periodically arranged phase modulation electrodes 8 and 9 and the optical waveguides 3 and 4 therebelow is seen as a capacitor Cp connected in series via the high conductivity layer 2. As shown in FIG. 6, the circuit can be expressed as a circuit in which the distributed constant circuit of the microwave waveguide 21 is loaded with the capacitor Cp by the phase modulator. By designing the microwave waveguide 21 and the loading capacitance Cp together, the characteristic impedance of the circuit shown in FIG. 6 is matched to 50Ω, and the microwave propagation speed is matched with the light propagation speed to achieve high-speed operation. Is possible.
[0052]
FIG. 7A is an equivalent circuit in the cross section of FIG. 5A of the Mach-Zehnder type modulator described above. Among these equivalent circuits, a DC equivalent circuit is as shown in FIG. 7B, and the electric field Eb from the DC voltage power source 20 is applied to the two optical waveguides 3 and 4 in the same direction. As a result, the optical waveguides 3 and 4 are biased in the same direction. The equivalent circuit when a high frequency signal is applied is as shown in FIG. 7 (c). The first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 shown in FIG. An electric field Es is applied.
[0053]
Therefore, since the net phase change amounts in the two optical waveguides 3 and 4 are opposite to each other with respect to the high frequency, the Mach-Zehnder optical modulator is push-pull driven.
[0054]
In addition, since the first and third electrodes 11 and 13 that are ground electrodes are disposed on both sides of the second electrode 12 that is the signal electrode, the distribution of the signal electric field around the second electrode 12 is increased. Can be made uniform.
[0055]
As described above, according to the above-described Mach-Zehnder type optical modulator, push-pull drive is possible inside the device, and since it has a coplanar electrode structure, there is little radiation loss and excellent compatibility with other systems. . In addition, since a pin junction structure is used as the structure of the optical waveguides 3 and 4 and an i-type quantum well is used for the core layers 3b and 4b, low voltage operation is possible and high speed operation is possible.
[0056]
In the present embodiment, the phase modulation electrodes 8 on the first optical waveguide 3 are formed discontinuously at intervals, but may be formed continuously and integrally. In this case, the buried layer 10 buried in the recesses of the contact layers 3d and 4d and the upper cladding layers 3c and 4c is a high resistance layer, and light passing through the core layer 3b immediately below the buried layer 10 is not absorbed. Not modulated. However, if the phase modulation electrode 8 is continuously formed in a stripe shape, the propagation speed of the microwave increases, so that the modulation speed is limited to be low.
[0057]
In the structure described above, the width of the first and second distributed wirings 14 and 15 is smaller than the length of the unit elements of the phase modulation electrodes 8 and 9, but is equal to the length of the unit elements of the phase modulation electrodes 8 and 9. As a result, the propagation loss of the microwave can be reduced, so that higher speed operation is possible.
[0058]
The first electrode 11, the distribution wiring 14 connected to the first electrode 11, and the phase modulation electrode 8 constitute a ground line. The third electrode 13 is a ground line. Further, the second electrode 12, the distribution wiring 15 connected to the second electrode 12, and the phase modulation electrode 9 constitute a signal line.
(Second Embodiment)
8 is a plan view of a semiconductor optical modulator according to the second embodiment of the present invention, FIG. 9A is a cross-sectional view taken along the line VV of FIG. 8, and FIG. 9B is a dashed-dotted line in FIG. FIG. 9C is a cross-sectional view taken along the line VI-VI in FIG. 9B. 8 and 9, the same reference numerals as those in FIGS. 4 and 5 denote the same elements.
[0059]
The Mach-Zehnder optical modulator according to this embodiment is formed on a semi-insulating InP substrate 1. On the InP substrate 1, a high conductivity layer 2 made of n-type InP having a rectangular planar shape that is long in the light traveling direction is formed.
[0060]
On the high conductivity layer 2, a first optical waveguide 3 and a second optical waveguide 4 are formed substantially in parallel and in the same structure as in the first embodiment. Further, a duplexer 5 that splits the input light into the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 is formed at the optical input end of the first and second optical waveguides 3 and 4. Yes. In addition, a multiplexer 6 that multiplexes the light output from the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 is formed at the light output ends of the first and second optical waveguides 3 and 4. Yes.
[0061]
The side surfaces of the first and second optical waveguides 3, 4, the upper surface of the InP substrate 1, and the surface of the InP high conductivity layer 2 are covered with a protective insulating film 7 made of silicon oxide. The protective insulating film 7 is formed with an opening that exposes the top surfaces of the first and second optical waveguides 3 and 4.
[0062]
On the first optical waveguide 3, a plurality of phase modulation electrodes 8 are periodically formed at intervals in the longitudinal direction, as in the first embodiment. On the second optical waveguide 4, a plurality of phase modulation electrodes 9 are periodically formed at intervals in the longitudinal direction, as in the first embodiment.
[0063]
In the portions where the phase modulation electrodes 8 and 9 do not exist in the first and second optical waveguides 3 and 4, the upper cladding layers 3c and 4c and the contact layers 3d and 4d are removed as shown in FIG. 9C. A recess is formed, and a buried layer 10 made of semi-insulating InP is formed in the recess.
[0064]
A first electrode 11 is formed on the InP substrate 1 via a protective insulating film 7 at a position away from the InP high conductivity layer 2 to one side. The plurality of phase modulation electrodes 8 on the first optical waveguide 3 are connected to a distributed wiring 14 extending in a comb shape to the first electrode 11. The distribution wiring 14 has a width equal to or less than the length of the phase modulation electrode 8, for example, a width of 5 μm or more. The distributed wiring 14 is formed in a bridge shape so as not to contact the InP high conductivity layer 2.
[0065]
On the second optical waveguide 4, a distributed wiring pattern 12 a is formed from the gap between adjacent phase adjustment electrodes 9 to a part of the front and rear phase modulation electrodes 9, whereby a plurality of phase modulation electrodes 9 are formed. They are electrically connected via a plurality of distributed wiring patterns 12a. That is, the second electrode 52 is configured by the plurality of phase modulation electrodes 9 and the distributed wiring pattern 12a.
[0066]
Further, a third electrode 13 is formed on the InP substrate 1 via the protective insulating film 7 in a region away from the second optical waveguide 4 to the other side.
[0067]
The first and third electrodes 11 and 13 are ground electrodes. The phase modulation electrode 9 and the distributed wiring pattern 12a formed on the second optical waveguide 4 serve as signal electrodes.
[0068]
The first to third electrodes 11 to 13, the phase modulation electrodes 8 and 9, the distributed wiring 14 and the distributed wiring pattern 12a are each made of a gold film having a thickness of 3 μm or more formed by plating, for example, forming a gold film It is formed by covering a region not to be covered with a resist pattern. The distributed wiring pattern 12 a is formed after the first and third electrodes 11 and 13, the phase modulation electrodes 8 and 9 and the distributed wiring 14 are formed.
[0069]
The gap in the light traveling direction between the plurality of phase modulation electrodes 8 and 9 is 3 μm or more. A distributed wiring pattern 12 a is formed on the gap between the phase modulation electrodes 9 on the second optical waveguide 4.
[0070]
The high-frequency signal 16 is connected between the second electrode 52 (12a, 9) and the third electrode 13. That is, the high-frequency signal 16 is connected to one end of a coplanar type microwave waveguide structure formed by the second electrode 52 that is a signal electrode and the first and third electrodes 12 and 13 that are ground electrodes. Termination resistors 17a and 17b are interposed between the first electrode 11 and the second electrode 52, and between the second electrode 52 and the third electrode 13, respectively. That is, the microwave waveguide is terminated by the termination resistors 17a and 17b.
[0071]
In addition, a bias electrode 18 is connected in the vicinity of the optical input end of the high conductivity layer 2, and a DC voltage power source 20 is connected to the bias electrode 18 via an inductor 19.
[0072]
In the Mach-Zehnder optical modulator described above, light is input to the input waveguide of the duplexer 5. The light input to the demultiplexer 5 travels while being divided into the first and second optical waveguides 3, 4, and further from the phase modulation electrode 9 on the second optical waveguide 4 to the high conductivity layer 2, the first optical waveguide 3. After the phase is changed by the electric field generated in the optical waveguide 3, the light is converted into an intensity change corresponding to the phase change in the multiplexer 6 and output. In this case, the signal applied to the second phase modulation electrode 9 on the second optical waveguide 4 generates an electric field from the second phase modulation electrode 9 to the InP high conductivity layer 2 and at the same time, the InP high An electric field is generated from the conductivity layer 2 to the first phase modulation electrode 8. Accordingly, the directions of the electric fields in the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 are reversed. In this case, a signal applied to the second phase modulation electrode 9 on the second optical waveguide 4 via the distributed wiring pattern 12a generates an electric field from the second phase modulation electrode 9 to the InP high conductivity layer 2. At the same time, an electric field is generated from the InP high conductivity layer 2 to the first phase modulation electrode 8. Accordingly, the directions of the electric fields of the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 are reversed.
[0073]
FIG. 10 shows an equivalent circuit for the high frequency of the Mach-Zehnder type optical modulator described above.
[0074]
In FIG. 10, the microwave waveguide 21 including the first and third electrodes 11 and 13 can be expressed by an LC distributed constant circuit. Further, a distributed constant circuit having different propagation constants is connected to the microwave waveguide 21 by the phase modulation electrode 9 periodically connected to the second optical waveguide 4, and the phase modulation on the first optical waveguide 3 is performed. Since the capacitor Cp seems to be connected to the microwave waveguide 21 by the electrode 8 and the pin junction structure below the electrode 8, a circuit in which a different line 23 by a phase modulator is connected to the LC distributed constant circuit and the capacitor Cp is loaded. As shown.
[0075]
Even if the characteristic impedance of the microwave waveguide 21 by the phase modulation electrode 9 and the propagation speed of the microwave are not matched at all, the line 23 by the microwave waveguide 21 and the phase modulation electrode 9 and the loading capacity Cp by the phase modulation electrode 8 are combined. 10 can match the characteristic impedance of the circuit of FIG. 10 to 50Ω and match the propagation speed of the microwave with the propagation speed of the light, so that high-speed operation is possible.
[0076]
Further, according to the above-described Mach-Zehnder optical modulator, push-pull drive is possible internally due to the same effects as in the first embodiment, and since it has a coplanar electrode structure, there is little radiation loss, and Excellent consistency. Moreover, since the pin structure is used as the optical waveguide structure and the quantum well is used for the core layer, low voltage operation is possible and high speed operation is possible.
[0077]
Furthermore, since the first and third electrodes 11 and 13 that are ground electrodes are disposed on both sides of the second electrode 52 that is the signal electrode, the distribution of the signal electric field around the second electrode 52 is increased. Can be made uniform.
[0078]
In the present embodiment, the phase modulation electrode 9 on the second optical waveguide 4 is formed discontinuously, but may be formed continuously. However, in this case, since the propagation loss of the microwave increases, the modulation speed is limited to be low.
[0079]
In the present embodiment, the width of the distribution wiring 14 that connects the phase modulation electrode 8 and the first electrode 11 is smaller than the length of one unit element of the phase modulation electrode 8 in FIG. By making it equal to the length of the unit element, the microwave propagation loss may be reduced, thereby enabling higher speed operation.
[0080]
The first electrode 11, the distribution wiring 14 connected to the first electrode 11, and the phase modulation electrode 8 constitute a ground line. The third electrode 13 is a ground line. Further, the distributed wiring pattern 12a and the phase modulation electrode 9 constitute a signal line.
(Third embodiment)
11 is a plan view of a semiconductor optical modulator according to a third embodiment of the present invention, FIG. 12A is a cross-sectional view taken along line VII-VII in FIG. 11, and FIG. 12B is a dashed-dotted line in FIG. FIG. 12C is a cross-sectional view taken along the line VII-VII in FIG. 12B. 11 and 12, the same reference numerals as those in FIGS. 4, 5, 8, and 9 indicate the same elements.
[0081]
The Mach-Zehnder optical modulator according to this embodiment is formed on a semi-insulating InP substrate 1. On the InP substrate 1, a high conductivity layer 2 made of n-type InP having a rectangular planar shape that is long in the light traveling direction is formed.
[0082]
On the high conductivity layer 2, a first optical waveguide 3 and a second optical waveguide 4 are formed substantially in parallel and in the same structure as in the first embodiment. Further, a duplexer 5 that splits the input light into the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 is formed at the optical input end of the first and second optical waveguides 3 and 4. Yes. In addition, a multiplexer 6 that multiplexes the light output from the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 is formed at the light output ends of the first and second optical waveguides 3 and 4. Yes.
[0083]
The side surfaces of the first and second optical waveguides 3, 4, the upper surface of the InP substrate 1, and the surface of the InP high conductivity layer 2 are covered with a protective insulating film 7 made of silicon oxide. The protective insulating film 7 is formed with an opening that exposes the top surfaces of the first and second optical waveguides 3 and 4.
[0084]
On the first optical waveguide 3, a plurality of phase modulation electrodes 8 are periodically formed at intervals in the longitudinal direction, as in the first embodiment. On the second optical waveguide 4, a plurality of phase modulation electrodes 9 are periodically formed at intervals in the longitudinal direction, as in the first embodiment.
[0085]
In the portions where the phase modulation electrodes 8 and 9 do not exist in the first and second optical waveguides 3 and 4, the upper cladding layers 3c and 4c and the contact layers 3d and 4d are removed as shown in FIG. 9C. A recess is formed, and a buried layer 10 made of semi-insulating InP is formed in the recess.
[0086]
On the first and second optical waveguides 3 and 4, distributed wiring patterns 11 a and 12 a are formed from above the gap between the adjacent phase adjustment electrodes 8 and 9 to a part of the front and rear phase modulation electrodes 8 and 9. Thereby, the plurality of phase modulation electrodes 8 and 9 are electrically connected in the light traveling direction via the plurality of distributed wiring patterns 11a and 12a. That is, on the first optical waveguide 3, the plurality of phase modulation electrodes 8 and the distributed wiring pattern 11 a are connected to each other to form the first electrode 51. Similarly, on the second optical waveguide 4, a plurality of phase modulation electrodes 9 and a plurality of distributed wiring patterns 12 a are connected to each other to form a second electrode 52.
[0087]
Further, a third electrode 13 is formed on the InP substrate 1 via the protective insulating film 7 in a region away from the high conductivity layer 2 to the other side.
[0088]
The phase modulation electrode 8 and the distributed wiring pattern 11a on the first optical waveguide 3 serve as signal electrodes. The third electrode 13 is a ground electrode. Further, on the second optical waveguide 4, the phase modulation electrode 9 and the distributed wiring pattern 12a on the second optical waveguide 4 serve as signal electrodes.
[0089]
The phase modulation electrodes 8 and 9, the distributed wiring patterns 11a and 12a, and the third electrode 13 are each made of a gold film having a thickness of 3 μm or more formed by plating, and a region where the gold film is not formed is covered with a resist pattern. It is formed by. Further, the distributed wiring patterns 11a and 12a are formed after the third electrode 13 and the phase modulation electrodes 8 and 9 are formed.
[0090]
The high frequency signal 16 is connected between the second electrode 52 and the third electrode 13. That is, the high-frequency signal 16 is connected to one end of a coplanar microwave waveguide structure formed by the second electrode 52 that is a signal electrode and the first and third electrodes 51 and 13 that are ground electrodes. Termination resistors 17a and 17b are interposed between the first electrode 51 and the second electrode 52, and between the second electrode 52 and the third electrode 13, respectively. That is, the microwave waveguide is terminated by the termination resistors 17a and 17b.
[0091]
In addition, a bias electrode 18 is connected in the vicinity of the optical input end of the high conductivity layer 2, and a DC voltage power source 20 is connected to the bias electrode 18 via an inductor 19.
[0092]
In the Mach-Zehnder optical modulator described above, light is input to the input waveguide of the duplexer 5. The light input to the demultiplexer 5 travels while being divided into the first and second optical waveguides 3, 4, and further from the phase modulation electrode 9 on the second optical waveguide 4 to the high conductivity layer 2, the first optical waveguide 3. After the phase is changed by the electric field generated in the optical waveguide 3, the light is converted into an intensity change corresponding to the phase change in the multiplexer 6 and output. In this case, a signal applied to the second phase modulation electrode 9 on the second optical waveguide 4 through the distributed wiring pattern 12a generates an electric field from the second phase modulation electrode 9 to the high conductivity layer 2. At the same time, an electric field is generated from the InP high conductivity layer 2 to the phase modulation electrode 8 on the first optical waveguide 3. Accordingly, the directions of the electric fields of the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 are reversed.
[0093]
FIG. 13 shows an equivalent circuit for the high frequency of the Mach-Zehnder optical modulator described above. The microwave waveguide 21 of the Mach-Zehnder type optical modulator can be expressed by an LC distributed constant circuit. Further, since it seems that the distributed constant circuit having different propagation constants is connected by the phase modulation electrodes 8 and 9 that are periodically connected, different lines by the phase modulator are connected to the distributed constant circuit as shown in FIG. 23 becomes a connected circuit. Even if the characteristic impedance of the microwave waveguide 21 by the phase modulation electrodes 8 and 9 and the propagation speed of the microwave are not matched at all, the microwave waveguide 21 and the line 23 by the phase modulation electrodes 8 and 9 should be designed together. 10 can match the characteristic impedance of the circuit of FIG. 10 to 50Ω and match the propagation speed of the microwave with the propagation speed of the light, thereby enabling high-speed operation.
[0094]
Further, according to the above-described Mach-Zehnder optical modulator, push-pull drive is possible internally due to the same effects as in the first embodiment, and since it has a coplanar electrode structure, there is little radiation loss, and Since the pin structure is used as the optical waveguide structure and the quantum well is used for the core layer, it is possible to operate at a low voltage and to operate at high speed.
[0095]
Furthermore, since the first and third electrodes 51 and 13 that are ground electrodes are arranged on both sides of the second electrode 52 that is the signal electrode, the distribution of the signal electric field around the second electrode 52 is increased. Can be made uniform.
[0096]
In the present embodiment, the distributed wiring patterns 11a and 12a on the optical waveguide 3 are formed discontinuously, but may be formed continuously. However, in this case, the microwave propagation loss increases, and the modulation speed becomes low.
[0097]
The distributed wiring pattern 11a and the phase modulation electrode 8 constitute a ground line. The third electrode 13 is a ground line. Further, the distributed wiring pattern 12a and the phase modulation electrode 9 constitute a signal line.
(Fourth embodiment)
14 is a plan view of a semiconductor optical modulator according to the fourth embodiment of the present invention, FIG. 15A is a cross-sectional view taken along the line IX-IX in FIG. 14, and FIG. 15B is a dashed-dotted line in FIG. FIG. 15C is a sectional view taken along line XX in FIG. 15B. 14 and 15, the same reference numerals as those in FIGS. 4 and 5 indicate the same elements.
[0098]
The Mach-Zehnder optical modulator according to this embodiment is formed on a semi-insulating InP substrate 1.
[0099]
On the InP substrate 1, an n-type conductive InP high conductivity layer 2 having a rectangular planar shape that is long in the light traveling direction is formed. The InP high conductivity layer 2 has a thickness of about 1.0 μm or more. The dopant of this InP high conductivity layer 2 is silicon (Si), and the dopant concentration is 1 × 10 ¹⁸ /cm ^Three It is.
[0100]
On the n-InP high-conductivity layer 2, a first optical waveguide 3, a second optical waveguide 4, and a third optical waveguide (stripe layer) 25 are formed in a stripe shape and substantially parallel to each other. Yes. A duplexer 5 that distributes the input light to the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 is formed at the optical input end of the first and second optical waveguides 3 and 4. In addition, a multiplexer 6 that multiplexes the light output from the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 is formed at the light output ends of the first and second optical waveguides 3 and 4. Yes. The duplexer 5 and the multiplexer 6 are not connected to the third optical waveguide 25.
[0101]
As shown in FIG. 15 (a), the first, second and third optical waveguides 3, 4 and 25 are each composed of lower cladding layers 3a, 4a and 25a made of n-type InP and undoped quantum wells. Core layers 3b, 4b, and 25b, upper cladding layers 3c, 4c, and 25c made of p-type InP, and contact layers 3d, 4d, and 25d made of p-type InGaAs were sequentially formed on the InP high conductivity layer 2. It has a laminated structure. Accordingly, the first, second and third optical waveguides 3, 4 and 25 each have a pin junction structure in the vertical direction.
[0102]
The quantum well structure constituting the core layers 3b, 4b, and 25b has a structure in which an InGaAsP barrier layer having a thickness of 10 nm and an InP well layer having a thickness of 10 nm are alternately formed, and the well layer is sandwiched between the barrier layers. ing. The number of well layers is one or more.
[0103]
Each of the side surfaces of the first, second and third optical waveguides 3, 4 and 25, the upper surface of the InP substrate 1 and the surface of the InP high conductivity layer 2 is made of silicon oxide having a thickness of about 0.5 μm. The protective insulating film 7 is covered. The protective insulating film 7 is formed with an opening that exposes the top surfaces of the first, second, and third optical waveguides 3, 4, and 25.
[0104]
On the first, second, and third optical waveguides 3, 4, and 25, a plurality of phase modulation electrodes 8, 9, and 26 are formed at intervals in the longitudinal direction. The length of the phase modulation electrodes 8, 9, and 26 is 30 μm to 500 μm. The phase modulation electrodes 8, 9, and 26 are arranged with a period of 50 μm or more and 1 mm or less.
[0105]
In the first, second and third optical waveguides 3, 4 and 25 where the phase modulation electrodes 8, 9, and 26 are not present, as shown in FIG. 15 (c), the upper cladding layers 3c, 4c and 25c. The contact layers 3d, 4d and 25d are removed to form a recess, and a buried layer 10 made of semi-insulating InP is formed in the recess.
[0106]
A first electrode 11 is formed on the InP substrate 1 via a protective insulating film 7 at a position away from the InP high conductivity layer 2 to one side. A third electrode 27 is formed on the InP substrate 1 via the protective insulating film 7 at a position away from the InP high conductivity layer 2 to the other side. The first and third electrodes 11 and 27 are ground electrodes.
[0107]
On the second optical waveguide 4, a distributed wiring pattern 12 a is formed from above the gap between adjacent phase adjustment electrodes 9 to a part of the front and rear phase modulation electrodes 9, whereby a plurality of phase modulation electrodes 9 are formed into a plurality of phase modulation electrodes 9. It is electrically connected via the distributed wiring pattern 12a. That is, the plurality of phase modulation electrodes 9 and the plurality of distributed wiring patterns 12a constitute a second electrode 52 that is a signal electrode.
[0108]
The phase modulation electrode 8 on the first optical waveguide 3 is connected to a first distribution wiring 14 extending from the first electrode 11 in a comb shape. The phase modulation electrode 26 on the third optical waveguide 25 is Third electrode 27 Is connected to a second distribution wiring 28 extending from the second distribution wiring 28. The first and second distributed wirings 14 and 28 have a width equal to or less than the length of the phase modulation electrodes 8 and 9, respectively, for example, a width of 5 μm or more. The first and second distributed wirings 14 and 28 are formed in a bridge shape so as not to contact the InP high conductivity layer 2.
[0109]
The first and third electrodes 11 and 27, the phase modulation electrodes 8, 9, and 26, the first and second distributed wirings 14 and 28, and the distributed wiring pattern 12a each have a thickness of 3 μm or more formed by plating. It is formed by covering a region made of a gold film and not forming a gold film with a resist pattern.
[0110]
The high frequency signal 16 is connected between the second electrode 52 and the third electrode 27. That is, the high-frequency signal 16 is connected to one end of a coplanar microwave waveguide structure formed by the second electrode 52 that is a signal electrode and the first and third electrodes 11 and 27 that are ground electrodes. Further, 100Ω termination resistors 17a and 17b are interposed between the first electrode 11 and the second electrode 52 and between the second electrode 52 and the third electrode 27, respectively. That is, the microwave waveguide is terminated by the termination resistors 17a and 17b.
[0111]
In addition, a bias electrode 18 is connected in the vicinity of the optical input end of the high conductivity layer 2, and a DC voltage power source 20 is connected to the bias electrode 18 via an inductor 19.
The directions of the electric fields of the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 are reversed.
[0112]
In the Mach-Zehnder optical modulator described above, light is input to the input waveguide of the duplexer 5. The light input to the demultiplexer 5 travels while being divided into the first and second optical waveguides 3, 4, and further from the phase modulation electrode 9 on the second optical waveguide 4 to the high conductivity layer 2, the first optical waveguide 3. After the phase is changed by the electric field generated in the optical waveguide 3, the light is converted into an intensity change corresponding to the phase change in the multiplexer 6 and output. In this case, a signal applied to the second phase modulation electrode 9 on the second optical waveguide 4 through the distributed wiring pattern 12a generates an electric field from the second phase modulation electrode 9 to the high conductivity layer 2. At the same time, an electric field is generated from the InP high conductivity layer 2 to the first phase modulation electrode 8. Accordingly, the directions of the electric fields of the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 are reversed.
[0113]
In the Mach-Zehnder type optical modulator, the duplexer 5 and the multiplexer 6 are not connected to the third optical waveguide 25, but are symmetrical with respect to the second optical waveguide 4 to which a high-frequency signal is applied. The electric field distribution around the second electrode 52 is also bilaterally symmetrical, and the electric field distribution is uniform.
[0114]
The equivalent circuit for the high frequency of the Mach-Zehnder type optical modulator described above is the same as FIG. 10 showing the equivalent circuit of the modulator according to the second embodiment.
[0115]
That is, the microwave waveguide 21 including the first and third electrodes 11 and 27 can be expressed by an LC distributed constant circuit. Further, a distributed constant circuit having different propagation constants is connected by the phase modulation electrode 8 periodically connected on the second optical waveguide 4, and the capacitor Cp is connected by the phase modulation electrodes 8, 9 and the pin structure. Therefore, the distributed constant circuit of the microwave waveguide 21 is represented as a circuit in which a different line 23 by a phase modulator is connected and a capacitor Cp is loaded.
[0116]
Even if the characteristic impedance of the microwave waveguide 21 by the phase modulation electrode 9 and the propagation speed of the microwave are not matched at all, the loading capacity Cp by the microwave waveguide 21, the line 23 by the phase modulation 9, and the phase modulation electrodes 8, 26 Thus, a structure in which the characteristic impedance of the circuit of FIG. 10 is matched to 50Ω and the propagation speed of the microwave is matched with the propagation speed of the light can be achieved, so that high-speed operation is possible.
[0117]
Further, according to the above-described Mach-Zehnder optical modulator, push-pull drive is possible internally due to the same effects as in the first embodiment, and since it has a coplanar electrode structure, there is little radiation loss, and Excellent consistency. Moreover, since the pin structure is used as the optical waveguide structure and the quantum well is used for the core layer, low voltage operation is possible and high speed operation is possible.
[0118]
In the present embodiment, the phase modulation electrodes 8 and 26 on the first and third optical waveguides 3 and 25 are formed discontinuously, but may be formed continuously. However, in this case, since the propagation loss of the microwave increases, the modulation speed is limited to be low.
[0119]
In the present embodiment, the width of the distribution wirings 14 and 28 connecting the phase modulation electrodes 8 and 26 and the first and third electrodes 11 is the length of one unit element of the phase modulation electrodes 8 and 26 in FIG. However, by making the length equal to the length of the unit element of the phase modulation electrodes 8 and 26, the propagation loss of the microwave may be reduced, thereby enabling further high-speed operation.
[0120]
In the present embodiment, the same effect can be obtained even if the third optical waveguide 25 that is not subjected to the optical modulator is replaced with a dielectric material (insulating material). However, if only the third optical waveguide 25 is formed in a separate process, the manufacturing process of the Mach-Zehnder optical modulator becomes complicated.
[0121]
The first electrode 11, the distribution wiring 14 connected to the first electrode 11, and the phase modulation electrode 8 constitute a ground line. The third electrode 27 and the phase modulation 26 connected to the third electrode 27 and the distributed wiring 28 constitute a ground line. Further, the phase modulation electrode 9 and the distributed wiring pattern 12a constitute a signal line.
(Fifth embodiment)
16 is a plan view of a semiconductor optical modulator according to a fifth embodiment of the present invention, FIG. 17A is a cross-sectional view taken along the line XI-XI of FIG. 16, and FIG. FIG. 17 (c) is a cross-sectional view taken along the line XII-XII of FIG. 17 (b). 16 and 17, the same reference numerals as those in FIGS. 14 and 15 denote the same elements.
[0122]
The Mach-Zehnder optical modulator according to this embodiment is formed on a semi-insulating InP substrate 1.
[0123]
On the InP substrate 1 is an n having a rectangular planar shape that is long in the light traveling direction. ⁺ A type conductive InP high conductivity layer 2 is formed. The InP high conductivity layer 2 is patterned in a planar shape that is long in the light traveling direction.
[0124]
On the n-InP high conductivity layer 2, the first optical waveguide 3, the second optical waveguide 4, and the third optical waveguide 25 are formed in stripes and substantially parallel to each other. As shown in FIG. 17 (a), the first to third optical waveguides 3, 4, 25 have the same layer structure as that of the fourth embodiment. A duplexer 5 that distributes the input light to the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 is formed at the optical input end of the first and second optical waveguides 3 and 4. In addition, a multiplexer 6 that multiplexes the light output from the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 is formed at the light output ends of the first and second optical waveguides 3 and 4. Yes. The duplexer 5 and the multiplexer 6 are not connected to the third optical waveguide 25.
[0125]
The side surfaces of the first, second and third optical waveguides 3, 4, 25, the upper surface of the InP substrate 1, and the surface of the InP high conductivity layer 2 are covered with a protective insulating film 7. The protective insulating film 7 is formed with an opening that exposes the top surfaces of the first, second, and third optical waveguides 3, 4, and 25.
[0126]
On the first, second, and third optical waveguides 3, 4, and 25, a plurality of phase modulation electrodes 8, 9.26 are formed at intervals in the longitudinal direction. In the portions where the phase modulation electrodes 8, 9, 26 are not present in the first, second, and third optical waveguides 3, 4, 25, as shown in FIG. 17 (c), the upper cladding layers 3c, 4c, 25c. The contact layers 3d, 4d and 25d are removed to form a recess, and a buried layer 10 made of semi-insulating InP is formed in the recess.
[0127]
On the first, second and third optical waveguides 3, 4, 25, the phase modulation electrodes 8, 9, 26 before and after the gap between adjacent phase adjustment electrodes 8, 9, 25 in the same optical waveguide Distributed wiring patterns 11a, 12a, and 27a are formed over a portion thereof, whereby the plurality of phase modulation electrodes 8, 9, and 25 are electrically connected via the plurality of distributed wiring patterns 11a, 12a, and 27a. That is, the plurality of phase modulation electrodes 8 and the plurality of distributed wiring patterns 11a on the first optical waveguide 3 constitute the first electrode 51 that is a ground electrode. The plurality of phase modulation electrodes 9 and the plurality of distributed wiring patterns 12a on the second optical waveguide 4 constitute a second electrode 52 that is a signal electrode. Further, the plurality of phase modulation electrodes 26 and the plurality of distributed wiring patterns 27a on the third optical waveguide 25 constitute a third electrode 53 that is a ground electrode.
[0128]
The phase modulation electrodes 8, 9, 26 and the distributed wiring patterns 11a, 12a, 27a are each made of a gold film having a thickness of 3 μm or more formed by plating, and are formed by covering a region where the gold film is not formed with a resist pattern. Is done.
[0129]
The high frequency signal 16 is connected between the second electrode 52 and the third electrode 53. That is, the high-frequency signal 16 is connected to one end of a coplanar type microwave waveguide structure formed by the second electrode 52 that is a signal electrode and the first and third electrodes 51 and 53 that are ground electrodes. Further, 100Ω termination resistors 17a and 17b are interposed between the first electrode 51 and the second electrode 52 and between the second electrode 52 and the third electrode 53, respectively. That is, the microwave waveguide is terminated by the termination resistors 17a and 17b.
[0130]
In addition, a bias electrode 18 is connected in the vicinity of the optical input end of the high conductivity layer 2, and a DC voltage power source 20 is connected to the bias electrode 18 via an inductor 19.
[0131]
In the Mach-Zehnder optical modulator described above, light is input to the input waveguide of the duplexer 5. The light input to the demultiplexer 5 travels while being divided into the first and second optical waveguides 3, 4, and further from the phase modulation electrode 9 on the second optical waveguide 4 to the high conductivity layer 2, the first optical waveguide 3. After the phase is changed by the electric field generated in the optical waveguide 3, the light is converted into an intensity change corresponding to the phase change in the multiplexer 6 and output. In this case, a signal applied to the second phase modulation electrode 9 on the second optical waveguide 4 through the distributed wiring pattern 12a generates an electric field from the second phase modulation electrode 9 to the high conductivity layer 2. At the same time, an electric field is generated from the InP high conductivity layer 2 to the first phase modulation electrode 8. Accordingly, the directions of the electric fields of the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 are reversed.
[0132]
In the Mach-Zehnder type optical modulator, the first and third electrodes 51 and 53 are symmetric with respect to the second electrode 52 to which the high-frequency signal is applied, so that the electric field distribution around the second electrode 52 is also It becomes symmetrical and the electric field distribution becomes uniform.
[0133]
The equivalent circuit for the high frequency of the Mach-Zehnder type optical modulator described above is the same as FIG. 13 showing the equivalent circuit of the modulator according to the third embodiment.
[0134]
That is, the microwave waveguide 21 having the first to third electrodes 51 to 53 can be expressed by an LC distributed constant circuit. Further, since it seems that a distributed constant circuit having different propagation constants is connected by the periodically connected phase modulation electrodes 8, 9, and 26, different lines 23 by phase modulators are connected to the distributed constant circuit. As a circuit.
[0135]
Even if the characteristic impedance of the microwave waveguide 21 by the phase modulation electrodes 8, 9 and 26 and the propagation speed of the microwave are not matched at all, the microwave waveguide 21 and the line 23 by the phase modulation electrodes 8, 9 and 26 are combined. 13 can match the characteristic impedance of the circuit of FIG. 13 to 50Ω and match the propagation speed of the microwave with the propagation speed of light, so that high-speed operation is possible.
[0136]
Further, according to the above-described Mach-Zehnder optical modulator, push-pull drive is possible internally due to the same effects as in the first embodiment, and since it has a coplanar electrode structure, there is little radiation loss, and Excellent consistency. Moreover, since the pin structure is used as the optical waveguide structure and the quantum well is used for the core layer, low voltage operation is possible and high speed operation is possible.
[0137]
In the present embodiment, the phase modulation electrodes 8, 9, and 26 on the first, second, and third optical waveguides 3, 4, and 25 are formed discontinuously at intervals. It may be formed. However, in this case, since the propagation loss of the microwave increases, the modulation speed is limited to be low.
[0138]
In the present embodiment, the same effect can be obtained even if the third optical waveguide 25 that is not subjected to the optical modulator is replaced with a dielectric material (insulating material).
[0139]
In the first and third optical waveguides 3 and 25, the phase modulation electrode 8 (26) and the distributed wiring pattern 11a (27a) constitute a ground line. Further, on the second optical waveguide 4, a signal line is constituted by the phase modulation electrode 9 and the distributed wiring pattern 12a.
(Sixth embodiment)
18 is a plan view of a semiconductor optical modulator according to a sixth embodiment of the present invention, FIG. 19A is a cross-sectional view taken along line XIII-XIII in FIG. 18, and FIG. 19B is a dashed-dotted line in FIG. FIG. 19C is a cross-sectional view taken along the line XIIII-XIIII of FIG. 19B.
[0140]
The Mach-Zehnder optical modulator according to this embodiment is formed on a semi-insulating InP substrate 1.
[0141]
On the InP substrate 1 is an n having a rectangular planar shape that is long in the light traveling direction. ⁺ First and second high conductivity layers 2a and 2b made of type InP are formed laterally spaced from each other. The first and second high conductivity layers 2a and 2b each have a thickness of about 1.0 μm or more. The dopant of this InP high conductivity layer 2 is silicon (Si), and the dopant concentration is 1 × 10 ¹⁸ /cm ^Three It is.
[0142]
On the first high-conductivity layer 2a, the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 are formed in a stripe shape and are spaced apart from each other and are substantially parallel to each other. On the second high conductivity layer 2b, a third optical waveguide (striped layer) 31 and a fourth optical waveguide (striped layer) 32 are striped and are separated from each other and are substantially parallel to each other. Is formed. The widths of the first to fourth optical waveguides 3, 4, 31, and 32 are each about 1 to 2 μm.
[0143]
A splitter 5 for distributing input light to the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 is formed at the optical input end of the first and second optical waveguides 3 and 4. In addition, a multiplexer 6 that multiplexes the light output from the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 is formed at the light output ends of the first and second optical waveguides 3 and 4. Yes. Note that the third and fourth optical waveguides 31 and 32 are not connected to a duplexer or a multiplexer.
[0144]
As shown in FIG. 19 (a), the first and second optical waveguides 3 and 4 have lower cladding layers 3a and 4a made of n-type InP, and core layers 3b and 4b made of undoped quantum wells, respectively. The upper clad layers 3c and 4c made of p-type InP and the contact layers 3d and 4d made of p-type InGaAs have a laminated structure formed in order on the first high conductivity layer 2a. Similarly, the third and fourth optical waveguides 31 and 32 are respectively formed of lower cladding layers 31a and 32a made of n-type InP, core layers 31b and 32b made of undoped quantum wells, and upper parts made of p-type InP. The clad layers 31c and 32c and the contact layers 31d and 32d made of p-type InGaAs have a laminated structure formed in order on the second high conductivity layer 2b.
[0145]
Accordingly, the first, second, third, and fourth optical waveguides 3, 4, 31, 32 each have a pin junction structure in the vertical direction.
[0146]
The quantum well structure constituting the core layers 3b, 4b, 31b, and 32b has a structure in which an InGaAsP barrier layer having a thickness of 10 nm and an InP well layer having a thickness of 10 nm are alternately formed, and the well layer is sandwiched between the barrier layers. Have. The number of well layers is one or more.
[0147]
The side surfaces of the first, second, third and fourth optical waveguides 3, 4, 31, 32, the upper surface of the InP substrate 1, and the surfaces of the first and second high conductivity layers 2a, 2b are respectively The protective insulating film 7 made of silicon oxide having a thickness of about 0.5 μm is covered. The protective insulating film 7 is formed with an opening that exposes the top surfaces of the first, second, third, and fourth optical waveguides 3, 4, 31, and 32.
[0148]
On the first, second, third and fourth optical waveguides 3, 4, 31, 32, a plurality of phase modulation electrodes 8, 9, 33, 34 are formed at intervals in the longitudinal direction. The length of the phase modulation electrodes 8, 9, 31, 32 is 30 μm to 500 μm. The phase modulation electrodes 8, 9, 31, 32 are arranged with a period of 50 μm or more and 1 mm or less.
[0149]
Side surfaces of the first to fourth optical waveguides 3, 4, 31, 32, the upper surface of the InP substrate 1, and the surfaces of the first and second InP high conductivity layers 2, 3 are covered with a protective insulating film 7. Covered. The protective insulating film 7 is formed with an opening that exposes the top surfaces of the first, second, third, and fourth optical waveguides 3, 4, 31, and 32.
[0150]
Of the first, second, third, and fourth optical waveguides 3, 4, 31, and 32, in the portion where the phase modulation electrodes 8, 9, 33, and 34 are not present, as shown in FIG. The cladding layers 3c, 4c, 31c and 32c and the contact layers 3d, 4d, 31d and 32d are removed to form a recess, and a buried layer 10 made of semi-insulating InP is formed in the recess.
[0151]
A first electrode 11 is formed on the InP substrate 1 via a protective insulating film 7 in a region away from the first high conductivity layer 2a to one side. In the region between the first high conductivity layer 2a and the second high conductivity layer 2b, the second electrode 12 is formed on the InP substrate 1 with the protective insulating film 7 interposed. Further, a third electrode 13 is formed on the InP substrate 1 via the protective insulating film 7 in the region on the other side of the second high conductivity layer 2b.
[0152]
The second electrode 12 is a signal electrode, and the first and third electrodes 11 and 13 are ground electrodes.
[0153]
The plurality of phase modulation electrodes 8 on the first optical waveguide 3 are connected to a first distribution wiring 14 extending from the first electrode 11 in a comb shape. The phase modulation electrode 9 on the second optical waveguide 4 is connected to a second distributed wiring 15 that protrudes from one side of the second electrode 12 in a comb shape. The phase modulation electrode 33 on the third optical waveguide 31 is connected to a third distributed wiring 35 that comes out in a comb shape from the other side of the third electrode 12. The phase modulation electrode 34 on the fourth optical waveguide 32 is connected to a fourth distribution wiring 36 that comes out in a comb shape from the third electrode 13.
[0154]
The first to fourth distributed wirings 14, 15, 35, 36 have a width equal to or less than the length of the phase modulation electrodes 8, 9, 33, 34, for example, a width of 5 μm or more. The first to fourth distributed wirings 14, 15, 35, and 36 are formed in a bridge shape so as not to contact the first and second high conductivity layers 2a and 2b, respectively.
[0155]
The first to third electrodes 11 to 13, the phase modulation electrodes 8, 9, 33, and 34 and the first to fourth distributed wirings 14, 15, 35, and 36 are each formed by plating and have a thickness of 3 μm or more. It is formed by covering a region where the gold film is not formed with a resist pattern.
[0156]
The high frequency signal 16 is connected between the second electrode 12 and the third electrode 13. That is, the high-frequency signal 16 is connected to one end of a coplanar type microwave waveguide structure formed by the second electrode 12 that is a signal electrode and the first and third electrodes 11 and 13 that are ground electrodes. Also, 100Ω termination resistors 17a and 17b are interposed between the first electrode 11 and the second electrode 12, and between the second electrode 12 and the third electrode 13, respectively. That is, the microwave waveguide is terminated by the termination resistors 17a and 17b.
[0157]
In addition, a bias electrode 18 is connected in the vicinity of the optical input end of the first high conductivity layer 2 a, and a DC voltage power supply 20 is connected to the bias electrode 18 via an inductor 19.
[0158]
In the Mach-Zehnder optical modulator described above, light is input to the input waveguide of the duplexer 5. The light input to the duplexer 5 travels while being divided into first and second optical waveguides 3 and 4, and further from the phase modulation electrode 9 on the second optical waveguide 4 to the first high conductivity layer 2 a. After the phase is changed by the electric field generated in the first optical waveguide 3, the light is converted into an intensity change corresponding to the phase change in the multiplexer 6 and output. In this case, a signal applied to the second phase modulation electrode 9 on the second optical waveguide 4 via the second electrode 12 generates an electric field from the second phase modulation electrode 9 to the high conductivity layer 2. At the same time, an electric field is generated from the InP high conductivity layer 2 to the first phase modulation electrode 8. Accordingly, the directions of the electric fields of the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 are reversed.
[0159]
In this Mach-Zehnder type optical modulator, the first and third electrodes 11 and 13 are symmetric with respect to the second electrode 12 to which a high-frequency signal is applied. Therefore, the electric field distribution around the second electrode 12 is Is also symmetrical and the electric field is uniformly distributed.
[0160]
The equivalent circuit for the high frequency of the Mach-Zehnder type optical modulator described above is the same as FIG. 6 showing the equivalent circuit of the modulator according to the first embodiment.
[0161]
That is, the microwave waveguide 21 including the first to third electrodes 11 to 13 can be expressed by an LC distributed constant circuit. In addition, the phase modulator composed of the phase modulation electrodes 8 and 9 and the first and second optical waveguides 3 and 4 periodically connected to the first and second electrodes 11 and 12 respectively has a first high conductivity. It appears as a capacitor connected in series via the rate layer 2a. Similarly, the phase modulator composed of the phase modulation electrodes 33 and 34 and the third and fourth optical waveguides 31 and 32 periodically connected to the second and third electrodes 12 and 13, respectively, It appears as a capacitor connected in series via the high conductivity layer 2b. Therefore, as shown in FIG. 6, the distributed constant circuit is represented as a circuit loaded with the capacitor Cp by the phase modulator.
[0162]
Thus, by designing the microwave waveguide 21 and the loading capacitance Cp by the phase modulation 8, 9, 33, 34 together, the characteristic impedance of the circuit of FIG. Since a structure matching the propagation speed is possible, high-speed operation is possible.
[0163]
Further, according to the above-described Mach-Zehnder optical modulator, push-pull drive is possible internally due to the same effects as in the first embodiment, and since it has a coplanar electrode structure, there is little radiation loss, and Excellent consistency. Moreover, since the pin structure is used as the optical waveguide structure and the quantum well is used for the core layer, low voltage operation is possible and high speed operation is possible.
[0164]
In the present embodiment, the phase modulation electrodes 8, 9, 33, and 34 on the first to fourth optical waveguides 3, 4, 31, and 32 are formed discontinuously, but are formed continuously. May be. However, in this case, since the propagation loss of the microwave increases, the modulation speed is limited to be low.
[0165]
Further, in the present embodiment, the widths of the distribution wirings 14, 15, 35, and 36 that connect the phase modulation electrodes 8, 9, 33, and 34 to the first to third electrodes 11 to 13 are as shown in FIG. Although it is smaller than the length of one unit element of 8, 9, 33, 34, the propagation loss of the microwave may be reduced by making it equal to the length of the unit element of the phase modulation electrodes 8, 9, 33, 34. This allows for higher speed operation.
[0166]
In the present embodiment, the same effect can be obtained even if the third and fourth optical waveguides 31 and 32 that are not subjected to the optical modulator are replaced with a dielectric material (insulating material). However, if only the third and fourth optical waveguides 31 and 32 are formed in separate processes, the manufacturing process of the Mach-Zehnder optical modulator becomes complicated.
[0167]
The first electrode 11, the phase modulation electrode 8 connected to the first electrode 11, and the distributed wiring 14 constitute a ground electrode. The second electrode 12, the phase modulation electrodes 9 and 33 connected to the second electrode 12, and the distribution electrodes 15 and 35 constitute a signal line. Further, the third electrode 13, the phase modulation electrode 34 connected to the third electrode 13, and the distribution wiring 36 constitute a ground electrode.
(Seventh embodiment)
20 is a plan view of a semiconductor optical modulator according to a seventh embodiment of the present invention, FIG. 21A is a cross-sectional view taken along line XV-XV in FIG. 20, and FIG. 21B is a dashed-dotted line in FIG. FIG. 21 (c) is a cross-sectional view taken along the line XVI-XVI of FIG. 21 (b). 20 and 21, the same reference numerals as those in FIGS. 18 and 19 denote the same elements.
[0168]
The Mach-Zehnder optical modulator according to this embodiment is formed on a semi-insulating InP substrate 1.
[0169]
On the InP substrate 1, first and second high conductivity layers 2a and 2b having the same structure as that of the sixth embodiment are formed at intervals on both sides. Further, on the first high conductivity layer 2a, the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 are formed substantially in parallel with each other with the same structure as that of the sixth embodiment. Similarly, on the second high conductivity layer 2b, the third optical waveguide 31 and the fourth optical waveguide 32 are formed substantially parallel to each other with the same structure as that of the sixth embodiment. Therefore, the first, second, third, and fourth optical waveguides 3, 4, 31, and 32 each have a pin junction structure in the vertical direction of the same structure as that of the sixth embodiment.
[0170]
A splitter 5 for distributing input light to the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 is formed at the optical input end of the first and second optical waveguides 3 and 4. In addition, a multiplexer 6 that multiplexes the light output from the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 is formed at the light output ends of the first and second optical waveguides 3 and 4. Yes.
[0171]
The side surfaces of the first, second, third and fourth optical waveguides 3, 4, 31, 32, the upper surface of the InP substrate 1, and the surfaces of the first and second high conductivity layers 2a, 2b are respectively The protective insulating film 7 is covered. The protective insulating film 7 is formed with an opening that exposes the top surfaces of the first, second, third, and fourth optical waveguides 3, 4, 31, and 32.
[0172]
A plurality of phase modulation electrodes 8 and 34 are formed on the first and fourth optical waveguides 3 and 32 at intervals in the longitudinal direction.
[0173]
On the second and third optical waveguides 4, 31, a phase modulation electrode 37 wide across the gap between the second optical waveguide 4 and the third optical waveguide 31 is spaced in the light traveling direction. A plurality are formed. The phase modulation electrode 37 is bridged from the second optical waveguide 4 to the third optical waveguide 31 at a height of about 3 μm from the upper surface of the contact layers 2a and 2b.
[0174]
In the first to fourth optical waveguides 3, 4, 31, and 32 where the phase modulation electrodes 8, 37, and 34 are not present, as shown in FIG. 21 (c), the upper cladding layers 3c, 4c, 31c, 32c and contact layers 3d, 4d, 31d, and 32d are removed to form recesses, and a buried layer 10 made of semi-insulating InP is formed in these recesses. The length of the phase modulation electrodes 14, 34, 37 arranged in a row in the light traveling direction is 30 to 50 μm, and the period in the light traveling direction is 50 μm or more and 1 mm or less.
[0175]
In a region on one side of the first high conductivity layer 2 a, a first electrode 11 is formed on the InP substrate 1 via a protective insulating film 7.
[0176]
A distributed wiring pattern 38 for connecting the phase modulation electrodes 37 adjacent in the light traveling direction is formed on the second optical waveguide 4 and the third optical waveguide 31. The plurality of distributed wiring patterns 38 and the plurality of phase modulation electrodes 37 constitute a second electrode 52 that is a signal electrode.
[0177]
Further, a third electrode 13 is formed on the InP substrate 1 via the protective insulating film 7 in the region on the other side of the second high conductivity layer 2b.
[0178]
The plurality of phase modulation electrodes 8 on the first optical waveguide 3 are connected to the first electrode 11 via the first distributed wiring 14 as in the sixth embodiment. The phase modulation electrode 34 on the fourth optical waveguide 32 is connected to the third electrode 13 via the second distribution wiring 36.
[0179]
The first and second distributed wirings 14 and 36 have a width equal to or less than the length of the phase modulation electrodes 8, 9, 33 and 34, for example, a width of 5 μm or more. The first and second distributed wirings 14 and 36 are formed in a bridge shape so as not to contact the first and second high conductivity layers 2a and 2b, respectively.
[0180]
The first and third electrodes 11 and 13, the phase modulation electrodes 8, 34 and 37, the first and second distributed wirings 14 and 36, and the distributed wiring pattern 38 each have a thickness of 3 μm or more formed by plating. It is formed by covering a region made of a gold film and not forming a gold film with a resist pattern.
[0181]
The high frequency signal 16 is connected between the third electrode 13 and the second electrode 52. That is, the high-frequency signal 16 is connected to one end of a coplanar microwave waveguide structure formed by the second electrode 52 that is a signal electrode and the first and third electrodes 11 and 13 that are ground electrodes. Also, 100Ω termination resistors 17a and 17b are interposed between the first electrode 11 and the second electrode 52 and between the second electrode 52 and the third electrode 13, respectively. That is, the microwave waveguide is terminated by the termination resistors 17a and 17b.
[0182]
In addition, a bias electrode 18 is connected in the vicinity of the optical input end of the first high conductivity layer 2 a, and a DC voltage power supply 20 is connected to the bias electrode 18 via an inductor 19.
[0183]
In the Mach-Zehnder optical modulator described above, light is input to the input waveguide of the duplexer 5. The light input to the duplexer 5 travels while being divided into the first and second optical waveguides 3 and 4, and is generated from the phase modulation electrodes 8 and 37 on the first and second optical waveguides 3 and 4. After the phase is changed by the electric field, it is converted into an intensity change corresponding to the phase change by the multiplexer 6 and output. In this case, a signal applied to the contact layer 4 d of the second optical waveguide 4 via the phase modulation electrode 37 on the second and third optical waveguides 4 and 31 and the distributed wiring pattern 38 is transmitted from the phase modulation electrode 9. An electric field in one direction to the high conductivity layer 2a is generated, and at the same time, an electric field in the opposite direction from the high conductivity layer 2a to the first phase modulation electrode 8 is generated. Accordingly, the directions of the electric fields of the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 are reversed.
[0184]
In this Mach-Zehnder type optical modulator, the first and third electrodes 11 and 13 are symmetric with respect to the phase modulation electrode 37 to which a high-frequency signal is applied and the distributed wiring pattern 38, so that the second electrode 52 The surrounding electric field distribution becomes symmetrical and the electric field distribution becomes uniform.
[0185]
The equivalent circuit for the high frequency of the Mach-Zehnder type optical modulator described above is the same as FIG. 10 showing the equivalent circuit of the modulator according to the second embodiment.
[0186]
That is, the microwave waveguide 21 including the first, second, and third electrodes 11, 52, and 13 can be expressed by an LC distributed constant circuit. Further, a distributed constant circuit having different propagation constants is connected to the microwave waveguide 21 by the phase modulation electrode 37 periodically connected to the second and third optical waveguides 4 and 31, and the first and second optical waveguides are further connected. The capacitance Cp is connected to the microwave waveguide 21 by the distributed wirings 14 and 36.
[0187]
Therefore, the Mach-Zehnder type optical modulator according to the present embodiment is represented as a circuit in which the distributed constant circuit of the microwave waveguide 21 is loaded with the different line 23 and the capacitor Cp by the phase modulator.
[0188]
Even if the characteristic impedance of the microwave waveguide by the phase modulation electrode 37 on the second and third optical waveguides 4 and 31 and the propagation speed of the microwave do not match at all, the line by the microwave waveguide 21 and the phase modulation electrode 37 10 is matched with the loading capacitance Cp by the phase modulation electrodes 8 and 34 on the first and fourth optical waveguides 3 and 32 to match the characteristic impedance of the circuit of FIG. It is possible to create a structure that matches the speed with the speed of light propagation. As a result, the Mach-Zehnder type optical modulator can be operated at high speed.
[0189]
Further, according to the above-described Mach-Zehnder optical modulator, push-pull drive is possible internally due to the same effects as in the first embodiment, and since it has a coplanar electrode structure, there is little radiation loss, and Excellent consistency. Moreover, since the pin structure is used as the optical waveguide structure and the quantum well is used for the core layer, low voltage operation is possible and high speed operation is possible.
[0190]
In the present embodiment, the phase modulation electrodes 8 and 34 on the first and fourth optical waveguides 3 and 32 are formed discontinuously, but may be formed continuously. However, in this case, since the propagation loss of the microwave increases, the modulation speed is limited to be low.
[0191]
In the present embodiment, the width of the first and second distribution wirings 14 and 36 is smaller than the length of one unit element of the phase modulation electrodes 8 and 34 in FIG. By making the length equal to the length of the element, the microwave propagation loss may be reduced, thereby enabling higher speed operation.
[0192]
In the present embodiment, the same effect can be obtained even if the third and fourth optical waveguides 31 and 32 that are not subjected to the optical modulator are replaced with a dielectric material (insulating material). However, if only the third and fourth optical waveguides 31 and 32 are formed in separate processes, the manufacturing process of the Mach-Zehnder optical modulator becomes complicated.
[0193]
Further, in the above-described structure, the same effect can be obtained even when the third optical waveguide 32 is connected to the duplexer 5 and the multiplexer 6 instead of the second optical waveguide 4 and used as a modulator. .
[0194]
The first electrode 11, the phase modulation electrode 8 connected to the first electrode 11, and the distributed wiring 14 constitute a ground electrode. The third electrode 13, the phase modulation electrode 34 connected to the third electrode 13, and the distribution wiring 36 constitute a ground electrode. Further, a signal line is constituted by the phase modulation electrode 37 and the distribution electrode 38 on the second and third waveguides 4 and 31.
(Eighth embodiment)
22 is a plan view of a semiconductor optical modulator according to an eighth embodiment of the present invention, FIG. 23 (a) is a cross-sectional view taken along line XVII-XVII in FIG. 22, and FIG. 23 (b) is an alternate long and short dash line in FIG. FIG. 23 (c) is a cross-sectional view taken along the line XVIII-XVIII of FIG. 23 (b). 22 and 23, the same reference numerals as those in FIGS. 18 and 19 denote the same elements.
[0195]
The Mach-Zehnder optical modulator according to this embodiment is formed on a semi-insulating InP substrate 1. On the InP substrate 1, first and second high conductivity layers 2 a and 2 b having the same structure as that of the sixth embodiment are formed at intervals.
[0196]
On the first high conductivity layer 2a, the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 having the same structure as that of the sixth embodiment are formed in a stripe shape and substantially parallel to each other. Further, on the second high conductivity layer 2b, the third optical waveguide 31 and the fourth optical waveguide 32 having the same structure as that of the sixth embodiment are formed substantially parallel to each other. Accordingly, the first, second, third, and fourth optical waveguides 3, 4, 31, 32 each have a pin junction structure in the vertical direction.
[0197]
A splitter 5 for distributing input light to the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 is formed at the optical input end of the first and second optical waveguides 3 and 4. In addition, a multiplexer 6 that multiplexes the light output from the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 is formed at the light output ends of the first and second optical waveguides 3 and 4. Yes.
[0198]
The side surfaces of the first, second, third and fourth optical waveguides 3, 4, 31, 32, the upper surface of the InP substrate 1, and the surfaces of the first and second high conductivity layers 2a, 2b are respectively The protective insulating film 7 is covered. The protective insulating film 7 is formed with an opening that exposes the top surfaces of the first, second, third, and fourth optical waveguides 3, 4, 31, and 32.
[0199]
A plurality of phase modulation electrodes 8 and 34 are formed on the first and fourth optical waveguides 3 and 32 at intervals in the light traveling direction.
[0200]
In addition, a plurality of phase modulation electrodes 37 are formed on the second and third optical waveguides 4, 31 across the gap between the second optical waveguide 4 and the third optical waveguide 31 with an interval in the light traveling direction. Has been.
[0201]
In the first to fourth optical waveguides 3, 4, 31, and 32 where the phase modulation electrodes 8, 34, and 37 are not present, as shown in FIG. 23 (c), the upper cladding layers 3c, 4c, 31c, 32c and contact layers 3d, 4d, 31d, and 32d are removed to form recesses, and a buried layer 10 made of semi-insulating InP is formed in these recesses.
[0202]
On the first and fourth optical waveguides 3 and 32, distributed wiring patterns 11a and 36a for connecting the phase adjustment electrodes 8 and 34 adjacent to each other in the light traveling direction are formed, and thereby, a plurality of phase modulation electrodes are formed. 8, 34 are electrically connected via a plurality of distributed wiring patterns 11a, 36a. Similarly, the plurality of phase modulation electrodes 37 on the second and third optical waveguides 4 and 31 are connected by a plurality of distributed wiring patterns 38.
[0203]
Accordingly, in the first optical waveguide 3, the plurality of phase modulation electrodes 8 and the distributed wiring pattern 11a constitute a first electrode 51 that is a ground electrode. In the second and third optical waveguides 4 and 41, the plurality of phase modulation electrodes 37 and the distributed wiring pattern 38 constitute a second electrode 52. Further, in the fourth optical waveguide 32, a third electrode 53 is constituted by the plurality of phase modulation electrodes 34 and the distributed wiring pattern 36a.
[0204]
The phase modulation electrodes 8, 34, 37 and the distributed wiring patterns 11a, 36a, 38 are each made of a gold film having a thickness of 3 μm or more formed by plating, and a region in which no gold film is formed at the time of plating is a resist pattern. The resist pattern is removed after plating.
[0205]
The high frequency signal 16 is connected to the third electrode 53 and the second electrode 52. That is, the high-frequency signal 16 is connected to one end of a coplanar type microwave waveguide structure formed by the second electrode 12 that is a signal electrode and the first and third electrodes 11 and 13 that are ground electrodes. Also, 100Ω termination resistors 17a and 17b are interposed between the first electrode 11 and the second electrode 12, and between the second electrode 12 and the third electrode 13, respectively, and the microwave waveguide is terminated. Terminated by resistors 17a and 17b.
[0206]
In addition, a bias electrode 18 is connected in the vicinity of the optical input end of the first high conductivity layer 2 a, and a DC voltage power supply 20 is connected to the bias electrode 18 via an inductor 19.
[0207]
In the Mach-Zehnder optical modulator described above, light is input to the input waveguide of the duplexer 5. The light input to the duplexer 5 travels while being divided into the first and second optical waveguides 3 and 4, and is generated from the phase modulation electrodes 8 and 37 on the first and second optical waveguides 3 and 4. After the phase is changed by the electric field, it is converted into an intensity change corresponding to the phase change by the multiplexer 6 and output. In this case, a signal applied to the contact layer 4 d of the second optical waveguide 4 via the phase modulation electrode 37 on the second and third optical waveguides 4 and 31 and the distributed wiring pattern 38 is transmitted from the phase modulation electrode 9. An electric field in one direction to the high conductivity layer 2a is generated, and at the same time, an electric field in the opposite direction from the high conductivity layer 2a to the first phase modulation electrode 8 is generated. Accordingly, the directions of the electric fields of the first optical waveguide 3 and the second optical waveguide 4 are reversed.
[0208]
In this Mach-Zehnder type optical modulator, the first and third electrodes 51 and 53 are symmetric with respect to the second electrode 52 to which a high-frequency signal is applied. Therefore, the electric field distribution around the second electrode 52 is Becomes symmetrical and the electric field distribution becomes uniform.
[0209]
The equivalent circuit for the high frequency of the Mach-Zehnder type optical modulator described above is the same as FIG. 13 showing the equivalent circuit of the modulator according to the third embodiment.
[0210]
That is, the microwave waveguide 21 including the first to third electrodes 11, 12, 13, a pin junction, and the like can be expressed by an LC distributed constant circuit. In addition, since the distributed constant circuit having different propagation constants appears to be connected to the microwave waveguide 21 by the periodically connected phase modulation electrodes 8, 9, and 37, the distributed constant circuit differs depending on the phase modulator. This is represented as a circuit to which the line 23 is connected.
[0211]
Even if the characteristic impedance of the microwave waveguide 21 formed by the phase modulation electrodes 8, 9, and 37 and the propagation speed of the microwave are not matched at all, the microwave waveguide 21 and the line 23 formed by the phase modulation electrodes 8, 9, and 37 are combined. 13 can match the characteristic impedance of the circuit of FIG. 13 to 50Ω and match the propagation speed of the microwave with the propagation speed of light, so that high-speed operation is possible.
[0212]
Further, according to the above-described Mach-Zehnder optical modulator, push-pull drive is possible internally due to the same effects as in the first embodiment, and since it has a coplanar electrode structure, there is little radiation loss, and Excellent consistency. Moreover, since the pin structure is used as the optical waveguide structure and the quantum well is used for the core layer, low voltage operation is possible and high speed operation is possible.
[0213]
In the present embodiment, the phase modulation electrodes 8 and 34 on the first and fourth optical waveguides 3 and 32 are formed discontinuously, but may be formed continuously. However, in this case, since the propagation loss of the microwave increases, the modulation speed is limited to be low.
[0214]
In the present embodiment, the same effect can be obtained even if the third and fourth optical waveguides 31 and 32 that are not subjected to the optical modulator are replaced with a dielectric material (insulating material). However, if only the third and fourth optical waveguides 31 and 32 are formed in separate processes, the manufacturing process of the Mach-Zehnder optical modulator becomes complicated.
[0215]
Further, in the above-described structure, the same effect can be obtained even when the third optical waveguide 32 is connected to the duplexer 5 and the multiplexer 6 instead of the second optical waveguide 4 and used as a modulator. .
[0216]
The phase modulation electrode 8 and the distributed wiring pattern 11a on the first optical waveguide 3 constitute a ground electrode. The phase modulation electrode 34 and the distributed wiring pattern 36a on the fourth optical waveguide 32 constitute a ground electrode. Further, a signal line is constituted by the phase modulation electrode 37 and the distribution electrode 38 on the second and third waveguides 4 and 31.
(Other embodiments)
In the first to eighth embodiments described above, the protective insulating film 7 that covers the surfaces of the optical waveguides 3, 4, 25, 31, 32 is made of silicon oxide, but may be made of other insulating materials. Good.
[0217]
A semi-insulating semiconductor film may be used instead of the protective insulating film 7. For example, in the Mach-Zehnder type optical modulator shown in the seventh embodiment, as shown in the cross section of FIG. A protective layer 39 made of semi-insulating InP is formed on the side surfaces of the third and fourth optical waveguides 3, 4, 31 and 32.
[0218]
According to this, since the optical waveguides 3, 4, 31, 32 are covered with the protective film 39 made of semi-insulating InP, the optical waveguides 3, 4, 31 are not affected so much in the microwave propagation characteristics. , 32 light modes can be stabilized. Moreover, the structure in which the side surfaces of the optical waveguides 3, 4, 31, and 32 are covered with the semiconductor film is superior in light mode stability and high reliability as compared with the structure in which the silicon oxide film is covered. In this case, the formation of the semi-insulating InP buried layer 10 embedded in the recesses of the optical waveguides 3, 4, 31, and 32 and the semi-insulating InP protective layer 39 can be simultaneously grown. In addition, yield and device reliability can be improved.
[0219]
Further, even if the side surfaces of the optical waveguides 3, 4, 31, 32 are covered with the protective film 39, the push-pull operation can be performed internally as in the above-described embodiment, the compatibility with other systems is excellent, and the speed is low. A Mach-Zehnder type optical modulator capable of voltage operation is realized.
[0220]
A semi-insulating semiconductor such as an undoped InP film is provided between the second optical waveguide 4 and the third optical waveguide 31 so as to eliminate a gap between the second optical waveguide 4 and the third optical waveguide 31. The same effect can be obtained even if embedded.
[0221]
Incidentally, another material such as an i-type semiconductor may be used as the protective film 39 instead of the semi-insulating semiconductor. However, when an i-type semiconductor is used as the protective film 39, microwave loss occurs compared to the case where a semi-insulating semiconductor is used, and the operation speed is likely to be limited.
[0222]
In the first to eighth embodiments described above, the recesses of the optical waveguides 3, 4, 31, and 32 are buried with the semi-insulating InP buried layer 10 before and after the phase modulation electrode. Instead of the InP buried layer 10, an i-type semiconductor layer may be formed or may not be buried. However, when an i-type semiconductor layer is used as the buried layer in the recess, the microwave loss is increased and the operation speed is likely to be limited as compared with the case where a semi-insulating semiconductor is used.
[0223]
When nothing is embedded in the concave portion, the light propagating through the optical waveguide structure is scattered at this portion, and the loss and reflection of light increase as compared with the present embodiment. In addition, when the concave portions are not formed in the optical waveguides 3, 4, 31, and 32, the propagation loss of the microwave increases, so that the modulation speed is limited as compared with the above-described embodiment.
[0224]
In addition, silicon oxide may be embedded in the recesses of the optical waveguides 3, 4, 31, and 32 before and after the phase modulation electrode, but light loss and reflection increase because scattering of light propagating through the optical waveguide structure occurs in the recesses. To do.
[0225]
In the embodiment described above, an InP substrate is used as the semi-insulating substrate 1, but a semi-insulating GaAs substrate may be used. Further, although GaInAsP quantum wells are used as the core layers 3b, 4b, 31b, and 32b, GaInAs quantum wells or AlGaInAs quantum well structures may be used. Further, AlGaAs or AlInAs may be used as a material constituting the upper or lower clad layer 3a, 3c, 4a, 4c. Further, n-type semiconductor layers are used as the high conductivity layers 2, 2 a, 2 b below the optical waveguides 3, 4, 31, 32. The other parts may be made of metal.
[0226]
In the above-described embodiment, the quantum well structure is used as the core layers 3b, 4b, 31b, and 32b. However, a bulk semiconductor layer may be used. In the case of using a bulk semiconductor layer, the phase modulation effect on the electric field is small compared to the case of using a quantum well structure, so that the drive voltage is likely to increase compared to the above-described embodiment.
[0227]
In the above-described embodiment, a pin structure semiconductor is used for the optical waveguide structures 3, 4, 25, 31, and 32. However, an i-type semiconductor may be used. However, when an i-type semiconductor is used, the drive voltage increases because the phase modulation effect on the electric field is smaller than in the above-described embodiment.
[0228]
In the above-described embodiment, the duplexer 5 and the multiplexer 6 are formed on the InP substrate 1, but may be formed outside. In this case, the device is increased in size as compared with the above-described embodiment, and excess loss of light tends to occur.
[0229]
Further, in the above-described embodiment, the interval before and after the plurality of phase modulation electrodes 8 and 9 and the length of each of the plurality of phase modulation electrodes 8 and 9 are constant, but the interval and length thereof are not constant. It is good also as a structure. In this case, the microwave propagation loss increases as compared with the above-described embodiment, and the modulation efficiency is likely to deteriorate.
[0230]
In the above-described embodiment, the distributed wirings 14 and 15 are formed in a bridge shape with a gap on the InP substrate 1, but may be formed on the InP substrate 1 on a table made of resin, for example. . In this case, compared with the above-described embodiment, microwave loss occurs, and the operation speed is likely to be limited.
[0231]
In the above-described embodiment, it is preferable that the distributed wiring or the distributed wiring pattern is formed so as not to be in direct contact with the first to fourth optical waveguides.
[0232]
In the above-described embodiment, an example of a semiconductor Mach-Zehnder type modulator is given, but it goes without saying that the element of the present invention can be used for a high-speed optical switch or DEMUX having the configuration of the embodiment.
(Supplementary note 1) a first high conductivity layer formed on a semiconductor substrate and at least partially made of a doped semiconductor;
A first optical waveguide formed on the first high conductivity layer;
A second optical waveguide formed on one side of the first high conductivity layer at a distance from the first optical waveguide;
A duplexer connected to the light input portions of both the first optical waveguide and the second optical waveguide;
A multiplexer connected to the light output portions of both the first optical waveguide and the second optical waveguide;
A plurality of first distributed electrodes formed on the first optical waveguide at intervals in the light propagation direction and electrically connected to each other;
A first ground electrode having a connection portion in contact with the second optical waveguide, formed away from the first high conductivity layer, and disposed along the light propagation direction;
A second ground electrode formed on the semiconductor substrate and on the other side of the first high-conductivity layer, and formed away from the first high-conductivity layer;
An optical semiconductor device comprising:
(Additional remark 2) It has the 1st distribution wiring which mutually connects a plurality of said 1st distribution electrodes on the above-mentioned 1st optical waveguide, The 1st distribution wiring and the 1st distribution electrode 2. The optical semiconductor device according to appendix 1, wherein a signal electrode is configured by the above.
(Additional remark 3) It arrange | positions on the said semiconductor substrate in the area | region between the said 1st high conductivity layer and the said 2nd ground electrode away from the said 1st high conductivity layer and the said 2nd ground electrode. Signal electrodes,
A plurality of first electrodes extending in a comb shape from the signal electrode and individually connected to each of the plurality of first distribution electrodes and formed away from the first optical waveguide and the first high conductivity layer. 2. The optical semiconductor device according to appendix 1, wherein the optical semiconductor device has one distributed wiring.
(Supplementary note 4) The light according to supplementary note 3, wherein the first distribution wiring and the first distribution electrode connected to the first distribution wiring are equal in length in the light transmission direction. Semiconductor device.
(Supplementary note 5) The supplementary notes 1 to 4, wherein the connection portion of the first ground electrode is a plurality of second distributed electrodes formed at intervals along the light propagation direction. The optical semiconductor device according to any one of the above.
(Supplementary Note 6) The first ground electrode includes a first electrode formed in one side direction of the first high conductivity layer and away from the first high conductivity layer, and the first electrode And a second distributed wiring that extends in a comb shape from the electrode, individually connects the second distributed electrode to the first electrode, and is disposed apart from the second optical waveguide. The optical semiconductor device according to appendix 5.
(Supplementary note 7) The first ground electrode connects a plurality of the second distribution electrodes adjacent to each other along the light propagation direction of the second optical waveguide, and the second optical waveguide. 6. The optical semiconductor device according to appendix 5, wherein the optical semiconductor device has a second distributed wiring arranged so as not to contact the upper portion.
(Supplementary Note 8) A first stripe formed on the first high conductivity layer in a region on the other side of the first optical waveguide and having a part of the second ground electrode connected to an upper portion thereof. The optical semiconductor device according to appendix 1 or appendix 2, further comprising a layer.
(Supplementary Note 9) The connection portion of the first ground electrode is a plurality of second distributed electrodes formed at intervals along the light propagation direction,
The portion where the second ground electrode is in contact with the first stripe layer is a plurality of third distributed electrodes formed at intervals along the light propagation direction.
Item 8. The optical semiconductor device according to appendix 8, wherein:
(Supplementary Note 10) The first ground electrode includes a first electrode formed on one side away from the first high conductivity layer, and a second electrode extending in a comb shape from the first electrode. A second distributed wiring individually connected to the distributed electrode and formed at a distance from the second optical waveguide,
The second ground electrode includes a third electrode formed on the other side away from the first stripe layer, and a third comb extending from the third electrode into the third distribution electrode. And a third distributed wiring connected and spaced from the first stripe layer.
The optical semiconductor device according to appendix 9, characterized by the above.
(Supplementary Note 11) The length of each of the plurality of second and third distribution wirings in the light propagation direction is equal to the length of each of the second and third distribution electrodes in the light propagation direction. The optical semiconductor device according to appendix 10.
(Supplementary note 12) The first ground electrode including the second distribution electrode connects the second distribution electrodes adjacent to each other along the light propagation direction, and the upper portion of the second optical waveguide. A second distributed wiring arranged so as not to contact
The second ground electrode including the third distributed electrode connects the third distributed electrodes adjacent to each other along the light propagation direction and does not contact the upper portion of the first dielectric layer. The optical semiconductor device according to appendix 9, which includes a third distributed wiring arranged as described above.
(Supplementary note 13) The optical semiconductor device according to any one of supplementary notes 8 to 12, wherein the first stripe layer is made of a dielectric material.
(Supplementary note 14) The optical semiconductor device according to any one of supplementary notes 8 to 13, wherein the first stripe layer has the same layer structure as the first and second optical waveguides.
(Supplementary Note 15) A first layer formed between the second ground electrode and the first high conductivity layer and apart from the second ground electrode and the first high conductivity layer on the semiconductor substrate. Two high conductivity layers;
A first stripe layer formed on the second high-conductivity layer and connected to a connection portion of the second ground electrode;
A second stripe layer formed on the second high conductivity layer and away from the first stripe layer to one side;
A plurality of fourth distribution electrodes formed in the second stripe layer at intervals along the light propagation direction and electrically connected to the plurality of first distribution electrodes. 2. The optical semiconductor device according to appendix 1, which is characterized.
(Supplementary Note 16) A first distribution wiring formed by connecting a plurality of the first distribution electrodes to each other in the light propagation direction and away from the first optical waveguide;
A fourth distribution wiring formed by connecting a plurality of the fourth distribution electrodes to each other and away from the second stripe layer;
16. The optical semiconductor device according to appendix 15, further comprising a signal electrode including the first and fourth distributed electrodes and the first and fourth distributed wirings.
(Supplementary Note 17) Formed on the semiconductor substrate and in a region between the first high conductivity layer and the second high conductivity layer, apart from the first and second high conductivity layers. A second electrode;
A plurality of first distribution wires branched in a comb shape from one side of the second electrode and individually connected to the plurality of first distribution electrodes;
A plurality of fourth distribution lines branched in a comb shape from the other side of the second electrode and individually connected to the plurality of fourth distribution electrodes;
Item 15. The optical semiconductor device according to Appendix 15, wherein
(Supplementary note 18) The optical semiconductor device according to supplementary note 17, wherein the first and fourth distribution wirings and the first and fourth distribution electrodes have the same length in the light propagation direction.
(Supplementary note 19) The connection portion of the first ground electrode is a plurality of second distributed electrodes formed at intervals along the light propagation direction,
The second ground electrode has a plurality of third distribution electrodes formed at intervals along the light propagation direction above the first stripe layer.
The optical semiconductor device according to any one of appendix 15 to appendix 18, characterized in that.
(Supplementary note 20) In addition to the plurality of the two distributed electrodes, the first ground electrode is one side of the first optical waveguide and is separated from the first high conductivity layer to one side. A first electrode formed on the semiconductor substrate, and a plurality of second distribution wirings extending in a comb shape from the first electrode and individually connected to the second distribution electrode,
In addition to the plurality of the three distributed electrodes, the second ground electrode is on the other side of the first stripe layer and away from the second high conductivity layer to the other side. A third electrode formed on the semiconductor substrate; and a plurality of third distributed wirings extending in a comb shape from the third electrode and individually connected to the third distributed electrode.
Item 20. The optical semiconductor device according to Appendix 19, wherein
(Supplementary Note 21) In the light propagation direction, each length of the second distribution electrode is equal to each length of the second distribution electrode, and each length of the third distribution electrode is 21. The optical semiconductor device according to appendix 20, wherein the length is equal to the length of each of the third distributed electrodes.
(Appendix 22) The first ground electrode has a second distribution wiring that connects the plurality of second distribution electrodes to each other in the light propagation direction,
The second ground electrode has a third distribution wiring that connects the plurality of third distribution electrodes to each other in the light propagation direction.
Item 20. The optical semiconductor device according to Appendix 19, wherein
(Supplementary Note 23) The supplementary note 15, the supplementary note 16, the supplementary note 21, or the supplementary note 22, wherein the first optical waveguide and the second stripe layer are embedded with a high resistance body. Optical semiconductor device.
(Supplementary note 24) Any one of Supplementary notes 15 to 22, wherein at least one of the first stripe layer and the second stripe layer has the same layer structure as the first and second optical waveguides. The optical semiconductor device described.
(Appendix 25) At least one of the first optical waveguide and the second optical waveguide has a pin junction structure including a p-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer. The optical semiconductor device according to any one of Appendix 1 to Appendix 24.
(Supplementary Note 26) In at least one of the first optical waveguide and the second optical waveguide, the region of the region that is not in contact with either the first distribution electrode or the connection portion of the first ground electrode 26. The optical semiconductor device according to appendix 25, wherein a layer above the i-type semiconductor layer is removed to form a removed portion.
(Supplementary note 27) The optical semiconductor device according to supplementary note 26, wherein a high-resistance element is embedded in the removed portion.
(Supplementary note 28) The optical semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 27, wherein at least both side surfaces of the first and second optical waveguides are covered with a high resistance body.
(Supplementary note 29) The optical semiconductor device according to any one of supplementary notes 231, 27, and 28, wherein the high-resistance element is a semi-insulating semiconductor.
(Supplementary note 30) The optical semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 29, wherein the first and second optical waveguides have a quantum well structure.
(Supplementary note 31) The optical semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 30, wherein the duplexer and the multiplexer are arranged on the semiconductor substrate.
(Supplementary note 32) The optical semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 31, wherein a bias source for applying a DC bias voltage is connected to the first high conductivity layer.
(Supplementary note 33) The optical semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 32, wherein a signal source is connected to the plurality of first distributed electrodes on the first optical waveguide.
[0233]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a DC bias electric field is applied to the first and second optical waveguides formed on the high conductivity layer, and the first and second signals are transmitted from the signal electrode through the high conductivity layer. Since the opposite high-frequency electric fields are applied to the two optical waveguides, the phase modulator including the first optical waveguide and the phase modulator including the second optical waveguide are push-pull driven. be able to.
[0234]
In addition, since the first and second ground electrodes are provided for the signal electrode and the coplanar type microwave waveguide structure is provided, there is little radiation loss and excellent compatibility with other systems. Further, since the high conductivity layer is provided below the optical waveguide structure, and an electric field can be efficiently applied to the optical waveguide structure, low voltage driving is possible.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are a plan view and a cross-sectional view showing a Mach-Zehnder modulator according to a first prior art.
FIGS. 2A and 2B are equivalent circuit diagrams of a Mach-Zehnder type modulator according to the first prior art. FIG.
FIGS. 3A, 3B, and 3C are a plan view, a partially enlarged plan view, and a cross-sectional view showing a Mach-Zehnder modulator according to a second prior art.
FIG. 4 is a plan view showing a Mach-Zehnder modulator according to the first embodiment of the present invention.
5A is a sectional view taken along line III-III of the Mach-Zehnder modulator according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 4, and FIG. 5B is a partially enlarged plan view of FIG. FIG. 5C is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG.
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the Mach-Zehnder modulator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 (a) is an equivalent circuit diagram in the direction of film thickness of the Mach-Zehnder modulator according to the first embodiment of the present invention, and FIGS. 7 (b) and 7 (c) are diagrams of FIG. 7 (a). It is an equivalent circuit diagram for explaining the operation.
FIG. 8 is a plan view showing a Mach-Zehnder modulator according to a second embodiment of the present invention.
9A is a cross-sectional view taken along line VV of the Mach-Zehnder type modulator according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 8, and FIG. 9B is a partially enlarged plan view of FIG. FIG. 9C is a cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG. 9B.
FIG. 10 is an equivalent circuit diagram of a Mach-Zehnder modulator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a plan view showing a Mach-Zehnder modulator according to a third embodiment of the present invention.
12A is a cross-sectional view taken along line VII-VII of the Mach-Zehnder modulator according to the third embodiment of the present invention shown in FIG. 11, and FIG. 12B is a partially enlarged plan view of FIG. FIG. 12 (c) is a cross-sectional view taken along line VIII-VIII of FIG. 12 (b).
FIG. 13 is an equivalent circuit diagram of a Mach-Zehnder modulator according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a plan view showing a Mach-Zehnder modulator according to a fourth embodiment of the present invention.
15A is a sectional view taken along line VIIII-VIIII of the Mach-Zehnder modulator according to the fourth embodiment of the present invention shown in FIG. 14, and FIG. 15B is a partially enlarged plan view of FIG. FIG. 15C is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.
FIG. 16 is a plan view showing a Mach-Zehnder modulator according to a fifth embodiment of the present invention.
17A is a cross-sectional view taken along line XI-XI of the Mach-Zehnder modulator according to the fifth embodiment of the present invention shown in FIG. 16, and FIG. 17B is a partially enlarged plan view of FIG. FIG. 17C is a cross-sectional view taken along line XII-XII in FIG.
FIG. 18 is a plan view showing a Mach-Zehnder modulator according to a sixth embodiment of the present invention.
19A is a cross-sectional view taken along line XIII-XIII of the Mach-Zehnder modulator according to the sixth embodiment of the present invention shown in FIG. 18, and FIG. 19B is a partially enlarged plan view of FIG. FIG. 19C is a cross-sectional view taken along line XIIII-XIIII in FIG. 19B.
FIG. 20 is a plan view showing a Mach-Zehnder modulator according to a seventh embodiment of the present invention.
21A is a cross-sectional view taken along line XV-XV of the Mach-Zehnder modulator according to the seventh embodiment of the present invention shown in FIG. 20, and FIG. 21B is a partially enlarged plan view of FIG. FIG. 21C is a cross-sectional view taken along line XVI-XVI in FIG.
FIG. 22 is a plan view showing a Mach-Zehnder modulator according to an eighth embodiment of the present invention.
23A is a cross-sectional view taken along line XVII-XVII of the Mach-Zehnder modulator according to the eighth embodiment of the present invention shown in FIG. 22, and FIG. 23B is a partially enlarged plan view of FIG. FIG. 23 (c) is a cross-sectional view taken along line XVIII-XVIII of FIG. 23 (b).
FIG. 24 is a cross-sectional view showing a Mach-Zehnder modulator according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... InP (semiconductor) substrate, 2, 2a, 2c ... High conductivity layer, 3, 4, 25, 31, 32 ... Optical waveguide, 5 ... Demultiplexer, 6 ... Multiplexer, 7 ... Protective insulating film, 8, 9, 26, 33, 34, 37 ... phase modulation electrode (distributed electrode), 10 ... buried layer, 11 ... first electrode, 12 ... second electrode, 13, 27, 36 ... third electrode 11a, 12a, 13a ... distributed wiring pattern, 14, 15, 28 ... distributed wiring, 16 ... high frequency signal source, 17a, 17b ... resistor, 18 ... bias electrode, 19 ... inactor, 20 ... DC voltage power source.

Claims

A first high conductivity layer formed on a semiconductor substrate and comprising at least a portion of a doped semiconductor;
A first optical waveguide formed on the first high conductivity layer;
A second optical waveguide formed on the first high conductivity layer and spaced from the first optical waveguide;
A duplexer connected to the light input portions of both the first optical waveguide and the second optical waveguide;
A multiplexer connected to the light output portions of both the first optical waveguide and the second optical waveguide;
A plurality of first distributed electrodes formed on the first optical waveguide at intervals in the light propagation direction;
A first ground electrode having a connection portion in contact with the second optical waveguide and disposed along the light propagation direction;
A second ground electrode formed on the opposite side of the first ground electrode across the first optical waveguide and disposed along the light propagation direction ;
A first distribution wiring that electrically connects the plurality of first distribution electrodes on the first optical waveguide;
A bias source connected to the first high conductivity layer and applying a DC bias voltage to the first high conductivity layer;
The optical semiconductor device, wherein a signal electrode is constituted by the first distribution line and the first distribution electrode.

A first high conductivity layer formed on a semiconductor substrate and comprising at least a portion of a doped semiconductor;
A first optical waveguide formed on the first high conductivity layer;
A second optical waveguide formed on the first high conductivity layer and spaced from the first optical waveguide;
A duplexer connected to the light input portions of both the first optical waveguide and the second optical waveguide;
A multiplexer connected to the light output portions of both the first optical waveguide and the second optical waveguide;
A plurality of first distributed electrodes formed on the first optical waveguide at intervals in the light propagation direction;
A first ground electrode having a connection portion in contact with the second optical waveguide, formed away from the first high conductivity layer, and disposed along the light propagation direction;
The second high-conductivity layer is formed on the opposite side of the first high-conductivity layer with the first high-conductivity layer interposed therebetween and away from the first high-conductivity layer , and is disposed along the light propagation direction . A ground electrode;
A signal electrode disposed on the semiconductor substrate apart from the first high conductivity layer and the second ground electrode in a region between the first high conductivity layer and the second ground electrode; ,
A plurality of first distribution wirings extending in a comb shape from the signal electrodes and individually connected to each of the plurality of first distribution electrodes;
An optical semiconductor device comprising: a bias source connected to the first high conductivity layer and applying a DC bias voltage to the first high conductivity layer.

The connection portion of the first ground electrode is a plurality of second distribution electrodes formed at intervals along the light propagation direction. An optical semiconductor device according to 1.

The first ground electrode includes a first electrode formed away from the first high-conductivity layer, and extends from the first electrode in a comb shape so as to connect the second distributed electrode to the first electrode. The optical semiconductor device according to claim 3, further comprising: a second distributed wiring that is individually connected to the electrode and is spaced apart from the second optical waveguide.

The first ground electrode connects the second distribution electrodes adjacent to each other along the light propagation direction of the second optical waveguide, and does not contact the upper portion of the second optical waveguide. The optical semiconductor device according to claim 3, further comprising a second distributed wiring arranged as described above.

The second ground electrode is composed of a third optical waveguide formed on the first high conductivity layer, is formed on the opposite side of the second optical waveguide across the first optical waveguide, and The optical semiconductor device according to claim 1, further comprising a first stripe layer, a part of which is connected to an upper portion.

On the semiconductor substrate, a second high electrode formed between the second ground electrode and the first high conductivity layer and apart from the second ground electrode and the first high conductivity layer. A conductivity layer;
A first stripe layer composed of a fourth optical waveguide formed on the second high-conductivity layer and having a connection portion of the second ground electrode connected to an upper portion;
A second stripe layer formed on the first optical waveguide side away from the first stripe layer , comprising a fifth optical waveguide formed on the second high conductivity layer;
Having a plurality of fourth distribution electrodes the light is along the propagation direction are formed at intervals of and connected to the plurality of the first distribution electrode electrically on the second stripe layer The optical semiconductor device according to claim 1.

A plurality of the first distribution electrodes connected to each other in the light propagation direction and formed away from the first optical waveguide;
A fourth distribution wiring formed by connecting a plurality of the fourth distribution electrodes to each other and away from the second stripe layer;
8. The optical semiconductor device according to claim 7, further comprising a signal electrode including the first and fourth distribution electrodes and the first and fourth distribution wirings.

A second electrode formed on the semiconductor substrate and spaced apart from the first and second high conductivity layers in a region between the first high conductivity layer and the second high conductivity layer; When,
A plurality of first distribution wires branched in a comb shape from one side of the second electrode and individually connected to the plurality of first distribution electrodes;
The plurality of fourth distribution wirings branched in a comb shape from the other side of the second electrode and individually connected to the plurality of fourth distribution electrodes. Optical semiconductor device.