JP3260885B2 - 共振型面型光変調素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電気信号や制御光等
の外部制御信号に応じて光変調を行なう共振型面型光変
調素子に関する。この共振型面型光変調素子は、光イン
ターコネクション、並列光情報伝送、並列光情報処理等
に適用できるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、化合物半導体量子井戸構造を用い
た共振型面型光変調素子として、例えば、図１０に示さ
れるような報告がなされている（Ｒ．Ｈ Ｙａｎ，Ｒ．
Ｊ．Ｓｉｍｅｓ ａｎｄ Ｌ．Ａ．Ｃｏｌｄｒｅｎ ；Ｉ
ＥＥＥ Ｊ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ. Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．１１ ｐ２２７２（１９８
９))。

【０００３】図１０に示すような共振型面型光変調素子
においては、基板上２０１に形成された下部反射構造２
０２と上部反射構造２０４により、光変調層２０３を挟
んで共振器構造が形成されている。光変調層２０３で
は、量子井戸構造による励起子吸収の電界吸収効果によ
り入力光に対する吸収率が変化する。このような共振型
面型光変調素子は、ファブリー・ペロー共振器を構成し
ており、図１１に示されるように上部反射鏡３０４の反
射率をＲｆ、共振器の長さをＬ、共振器媒質３０３の吸
収係数をａ、下部反射鏡３０２の反射率をＲｂとする
と、入力光が共振器に垂直入射し、かつ入力光の波長が
共振器の共振波長に一致した場合、一般に素子の反射率
Ｒｔは次式で示される。

【０００４】

【数１】

【０００５】 但し、Ｒｂｂ＝Ｒｂ・ｅｘｐ（−２ａＬ） （参考文献；Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ａ．Ｙａｒｉｖ ，Ｈｏｌｔ，Ｒｉｎｅｈａｒｔ ａ
ｎｄ Ｗｉｎｓｔｏｎ，Ｉｎｃ） ここで、共振器媒質３０３の吸収係数ａが変化した場
合、反射率Ｒｔもこれに伴って変化する。例えば、図１
０のように光変調層２０３内に化合物半導体量子井戸構
造を用いた場合、励起子吸収の電界吸収効果により入力
光に対する量子井戸構造の吸収率を変化させ、それによ
って素子の反射率Ｒｔを変化させることにより、光変調
が行なわれる。通常、このように電界吸収効果と共振器
効果を組み合わせることにより、電界吸収効果のみにて
行なわれる光変調よりも大きな光変調が得られる。

【０００６】図１０に示される共振型面型光変調素子で
は光変調度の最高のデータとして、４５％の光変調度
（反射率変化）と、８以上のコントラスト比（ｏｎ／ｏ
ｆｆＲａｔｉｏ）が報告されており、光接続や光情報処
理の分野において実用に供し得る素子としてその応用が
期待されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
造の共振型面型光変調素子で上記のような光変調度を達
成するためには、量子構造による励起子吸収波長と共振
器の共振波長を精密に制御し、電界印加による励起子吸
収波長の移動範囲内に、正確に共振波長を設定すること
が必要である。電界印加による励起子吸収波長の移動範
囲は３０ｍｅＶ程度と狭く、また、共振波長は共振器
長、即ち、光変調層の厚さにより決定されるため、従来
型の光変調素子の実現には、光変調層を形成する結晶成
長法に対して極めて高精度の層厚制御性、組成制御性、
さらにはこれらの再現性が必要とされていた。

【０００８】これらの原因により、従来の共振型面型光
変調素子を再現性良く実現することは極めて困難であ
り、素子製作の歩留りは２０％以下であった。このた
め、上記において説明した従来の共振型面型光変調素子
は、最高データとしては大きな変調度が得られるもの
の、再現性に大きな問題があり、実用には程遠い素子で
あった。

【０００９】以上のように、従来技術により高機能な共
振型面型光変調素子を実現するためには、共振器長を極
めて正確に制御し、共振器の共振波長と励起子吸収波長
の関係を精密に制御することが必要であった。このた
め、現実的に高い歩留りにて、再現性良く、このような
素子を製作することは困難であった。また、素子製作工
程の途中で、このような共振型面型光変調素子の共振波
長が設計値と一致しないことが分かっても、共振波長を
調整することは不可能であり、このことも素子製作にお
いて歩留りを大きく低下させる要因となっていた。

【００１０】本発明は、以上のような従来技術の問題点
を解決し、極めて高い再現性を有すると共に、素子製作
の歩留りを大幅に向上でき、実用に供することのできる
共振型面型光変調素子の製造方法を提供することを目的
としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために、本発明の共振型面型光変調素子の製造方
法は、基板上に、下部反射構造と、少なくとも外部信号
により光学的特性が変化する層を備えた光変調層と共振
波長調整層とを有する共振器媒質層と、上部反射構造に
より形成される共振型面型光変調素子の製造方法であ
り、前記波長調整層を形成する前の光変調層の層厚の総
和を、最終的な共振型面型光変調素子に要求される共振
波長よりもわずかに短波長になるように形成し、前記波
長調整層形成時に、前記下部反射構造と、形成されつつ
ある前記波長調整層表面間において得られる弱い共振器
の共振波長を検出し、その共振波長が最終的に要求され
る所定波長となった時点で前記波長調整層の形成を終了
する。

【００１２】本発明の素子では少なくとも下部反射構造
と、ｉ層（低キャリア濃度層）もしくは量子井戸構造等
を有する光変調層形成後に、波長調整層が形成され、こ
の波長調整層によって共振波長を制御するため、結晶成
長法等に、極めて精密かつ厳密な層厚制御を要求するこ
となく、極めて再現性良く共振型面型光変調素子を製作
できる。

【００１３】さらに、その場観察にて共振波長をモニタ
ーしながら製造するので、素子の共振波長が設計値と一
致しないことが判明した場合においても、波長調整層に
より共振波長を調整することが可能となり、歩留りが大
幅に向上し、かつ極めて再現性良く共振型面型光変調素
子を製作できる。

【００１４】以下、図面を参照して本発明の構成および
作用の詳細を説明する。本発明によって得られた共振型
面型光変調素子に関する構成を図１に示す。第１導電型
基板１の上に、屈折率の異なる２種類以上の積層構造に
より構成される第１導電型下部ブラッグ反射層２、第１
導電型クラッド層３、ｉ型層４、第２導電型クラッド層
５、共振器の共振波長を制御する波長調整層６、屈折率
の異なる２種類以上の積層構造により構成される上部ブ
ラッグ反射層７がそれぞれ積層されている。本構造では
下部ブラッグ反射層２と上部ブラッグ反射層７により、
共振器構造が形成されており、第１導電型クラッド層
３、ｉ型層４、第２導電型クラッド層５、波長調整層６
が共振器媒質となっており、共振器長はこれら共振器媒
質の層厚の総和になる。

【００１５】さらに、第１導電型基板１の裏面には第１
導電型に対応する電極８が、第２導電型クラッド層５の
表面には第２導電型に対応する電極９が、それぞれ形成
されている。第２導電型に対応する電極９には光入出射
窓部１０が形成されており、入力光はこの光入出射窓部
１０より入射し、上部ブラッグ反射層７と第１導電型ク
ラッド層３、ｉ型層４、第２導電型クラッド層５、波長
調整層６、さらに下部ブラッグ反射層２にて構成される
光共振器に導入される。この時、第１導電型に対応する
電極８と第２導電型に対応する電極９の間に電圧を印加
し、ｉ型層４に電界を印加することにより、入力光に対
する光学的性質の変化、例えば吸収率変化が生じる。こ
れにより、上記数１に示されるようにｉ型層４の電界吸
収効果と光共振器による共振モードとの相乗効果によ
り、光変調が行なわれる。被変調光は出力光として、光
入出射窓部１０により出射される。

【００１６】このような共振型面型光変調素子の動作時
の、電界吸収効果による吸収端波長と共振器の共振波長
の関係を図２に示す。この様な素子では、電界印加時に
フランツ・ケルディッシュ効果により、吸収端波長が長
波長側に移動する。また、共振器の共振波長では、図中
に示されるように、共振器モードにより反射率のディッ
プが見られる。素子の共振波長が、電界による吸収端波
長の移動範囲内に存在するように素子構造を製作し、さ
らに素子への入力光を素子の共振波長付近に設定する。
電界印加時には、吸収端波長の移動により、素子の共振
波長での吸収率が変化し、数１に示されるように、素子
の反射率が変化し、大きな光変調度にて光変調が行なわ
れる。

【００１７】このような共振型面型光変調素子におい
て、電界印加時の吸収端波長の移動範囲は１０ｍｅＶ程
度と限られているため、この波長範囲と共振器の共振波
長を正確に一致させることが必要となる。このため、本
発明によって得られた共振型面型光変調素子では、吸収
端波長に対する共振器の共振波長の関係を調整できるよ
うに、共振器媒質の中に波長調整層６が設けられてい
る。

【００１８】本発明に係る共振型面型光変調素子の製造
方法では、まず、第１導電型基板１の上に下部ブラッグ
反射層２、第１導電型クラッド層３、ｉ層４、第２導電
型クラッド層５の各層をそれぞれ形成し、素子に電界を
印加するための電極８，９を形成する。この段階で、下
部ブラッグ反射層２と第２導電型クラッド層５の表面に
より、光閉じ込めの弱い共振器状態が形成される。この
時、第１導電型クラッド層３、ｉ層４、第２導電型クラ
ッド層５の各層の層厚の総和は、この弱い共振器状態の
共振波長が、最終的な共振型面型光変調素子に要求され
る共振波長よりもわずかに短波長になるように形成され
る。

【００１９】この段階で例えば、素子の共振波長を測定
し、最終的な共振型面型光変調素子に要求される共振波
長との差異を求め、その差異に応じた層厚の波長調整層
６を形成する。この時、未だ上部ブラッグ反射層７が積
層されていないが、上記の場合と同様に下部ブラッグ反
射層２と波長調整層６の表面により、光閉じ込めの弱い
共振器状態が形成されるため、素子の共振波長を容易に
求めることが可能となる。このような波長調整層６の形
成時には、その場観察による評価を用いて、正確に波長
調整層６の層厚を制御することも可能である。波長調整
層６の形成後、上部ブラッグ反射層７が形成され、本発
明の共振型面型光変調素子が形成される。

【００２０】本発明の製造方法による共振型面型光変調
素子の場合、従来の素子と異なり、その場観察によって
光変調素子の特性をモニターしながら、波長調整層６を
形成することにより、再現良く、共振器の共振波長を所
定の波長に設定することが可能となる。このため、特に
共振器媒質層、即ち第１導電型グラッド層３、ｉ層４、
第２導電型グラッド層５の各層の厚さの総和の制御性に
対する厳しい要求が緩和される。さらに、従来構造の場
合、２０％以下であった素子製作の歩留りが８０％以上
に大幅に向上し、これまで達成できなかった高い歩留り
も確保できる。また、通常入力光は素子の共振波長付近
に設定されるため、波長調整層６の層厚を調整すること
により、吸収端波長の移動範囲内で入力波長を自由に設
定することも可能となる。

【００２１】本発明によって得られた別の共振型面型光
変調素子について説明をする。上記のような本発明によ
って得られた共振型面型光変調素子において、共振器媒
質内の光変調層の最上層、すなわち、第２導電型クラッ
ド層５と波長調整層６の間に屈折率差がある場合、この
界面において光の反射が生じる。この界面での反射が大
きいと、素子動作に要求される共振器の共振モードに対
する損失が増加し、素子の光変調特性が低下する。この
ため、より優れた光変調特性を得るためには、この界面
反射率は少なくとも１０％以下に抑える必要がある。垂
直入射光に対する界面反射率Ｒは、第２導電型クラッド
層５の屈折率がｎ１その直上に形成される波長調整層６
の屈折率がｎ２の場合、次のように表わされる。

【００２２】 Ｒ＝（ｎ_１−ｎ_２）^２／（ｎ_１−ｎ_２）^２ 参考文献：光学ハンドブック、小瀬輝次他編集、朝倉書
店発行。したがって、界面反射率Ｒを１０％以下にする
ためには、次の条件が満たされることが必要である。 １．９３×ｎ_１ ≧ｎ_２ ≧０．５１×ｎ_１ 実際に、上記関係を満足するように第２導電型クラッド
層５と波長調整層６の材料を選定することにより、等価
的に内部損失が減少し、上記関係を満足しない場合の素
子と比較して１０％以上の光変調度の向上が得られた。

【００２３】次に、本発明によって得られた、前述とは
別の共振型面型光変調素子の構成および動作を図３に示
す。第１導電型基板１ａの上に、屈折率の異なる２種類
以上の積層構造により構成される第１導電型下部ブラッ
グ反射層２ａ、第１導電型クラッド層３ａ、バンドギャ
ップＥｇ_１の薄膜層とバンドギャップＥｇ_２の薄膜層
（Ｅｇ_１＜Ｅｇ_２）が交互に積層されて形成された量子
井戸層２０、第２導電型クラッド層５ａ、共振器の共振
波長を制御する波長調整層６ａ、屈折率の異なる２種類
以上の積層構造により構成される上部ブラッグ反射層７
ａがそれぞれ積層されている。

【００２４】量子井戸層２０においては、少なくともバ
ンドギャップＥｇ_１の薄膜層の厚さはその薄膜層内での
電子もしくは正孔のドブロイ波長以下、もしくは励起子
のボーア半径以下であり、量子効果が顕著に現われる量
子構造となっている。また、下部ブラッグ反射層２ａと
上部ブラッグ反射層７ａにより共振器構造が形成されて
おり、第１導電型クラッド層３ａ、量子井戸層２０、第
２導電型クラッド層５ａ、波長調整層６ａが共振器媒質
となっており、共振器長はこれら共振器媒質の層厚の総
和になる。

【００２５】さらに、第１導電型基板１ａの裏面には、
第１導電型に対応する電極８ａが形成され、第２導電型
クラッド層５ａの表面には、第２導電型に対応する電極
９ａが形成されている。第２導電型に対応する電極９ａ
には、入力光を光変調層に導入し、かつ光変調層である
量子井戸層２０にて変調された被変調光を出力光として
出射するための光入出射窓部１０ａが形成されている。
入力光はこの光入出射窓部１０ａより入射し、上部ブラ
ッグ反射層７ａと第１導電型クラッド層３ａ、量子井戸
層２０、第２導電型クラッド層５ａ、波長調整層６ａ、
さらに下部のブラッグ反射層２ａにおいて構成される光
共振器に導入される。

【００２６】この時、第１導電型に対応する電極８ａと
第２導電型に対応する電極９ａの間に電圧を印加し、量
子井戸層２０の内部に電界を印加することにより、入力
光に対する光学的性質、例えば、吸収率が変化する。こ
れにより、上記数１に示されるような量子井戸層２０の
電界光学効果と、光共振器による共振モードとの相乗効
果により、大きな変調率の光変調が行なわれる。被変調
光は出力光として光入出射窓部１０より出射される。

【００２７】このような共振型面型光変調素子の動作時
の、量子構造による励起子吸収波長と共振器の共振波長
との関係を図４に示す。この図４では量子構造の一例と
して、最も一般的な矩形の井戸型ポテンシャルを有する
量子井戸構造の場合が示されている。この量子井戸構造
は、室温励起子と状態密度分布により、図中に示される
ような吸収特性を有しており、電界印加時にはＱｕａｎ
ｔｕｍ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｓｔａｒｋ Ｅｆｆｅｃｔ
により、励起子吸収ピーク波長が長波長側に移動する。
また、共振器の共振波長では、図中に示されるように共
振器モードにより反射率のディップが見られる。素子の
共振波長が、電界による励起子吸収ピーク波長の移動範
囲内に存在するように素子構造を製作し、さらに、素子
への入力光を素子の共振波長付近に設定すると、電界印
加時に、励起子吸収ピーク波長が長波長側に移動して素
子の共振波長に一致すると、この波長での吸収率が変化
し、数１に示されるように素子の反射率が大きく変化
し、大きな光変調度で光変調が行なわれる。

【００２８】さらに通常、量子構造の励起子吸収の電界
効果は、フランツ・ケルディシュ効果等に比べて、低電
界にて大きさ電界効果を示すため、このような現象を利
用することにより、高効率な光変調が行なわれる。量子
構造の励起子吸収の電界効果は、原理的に高速応答性を
有しているため、高速光変調にも適している。

【００２９】このような面型光変調素子において、電界
印加時の励起子吸収ピークの移動範囲は３０ｍｅＶ程度
と限られているため、この波長範囲と共振器の共振波長
を正確に一致させることが必要となる。このため、本発
明によって得られた共振型面型光変調素子では、励起子
吸収ピーク波長に対する共振器の共振波長の関係を調整
できるように、共振器媒質の中に波長調整層６ａが設け
られている。

【００３０】本発明の共振型面型光変調素子の製造方法
においては、第１導電型基板１ａ上に、下部ブラック゛
反射層２ａ、第１導電型クラッド層３ａ、量子井戸層２
０、第２導電型クラッド層５ａの各層を形成し、素子に
電界を印加するための電極８ａ，９ａを形成する。この
段階で、下部ブラック゛反射層２ａと第２導電型クラッ
ド層５ａの表面により、光閉じ込めの弱い共振器状態が
形成される。このとき、第１導電型クラッド層３ａ、量
子井戸層２０、第２導電型クラッド層５ａの各層の層厚
の総和は、この弱い共振器状態の共振波長が最終的な共
振型面型光変調素子に要求される共振波長よりも、わず
かに短波長となるように形成される。

【００３１】この段階で例えば、素子の共振波長を測定
し、最終的な共振型面型光変調素子に要求される共振波
長との差異を求め、その差異に応じた層厚の波長調整層
６ａを形成する。この時、未だ上部ブラック゛反射層７
ａが積層されていないが、上記の場合と同様に、下部ブ
ラック゛反射層２ａと波長調整層６ａの表面により、光
閉じ込めの弱い共振器状態が形成されるため、素子の共
振波長を容易に求めることが可能となる。このような波
長調整層６ａの形成時には、その場観察による評価を用
いて正確に波長調整層６ａの層厚を制御することも可能
である。波長調整層６ａの形成後、上部ブラック゛反射
層７ａが形成され、本発明の共振型面型光変調素子が形
成される。この共振型面型光変調素子に入力光を入射
し、制御信号に応じた電界を印加することにより、光変
調が行なわれる。

【００３２】この共振型面型光変調素子の場合も、その
場観察にて光変調素子の特性をモニターしながら、波長
調整層６ａを形成することにより、再現性良く共振器の
波長を、励起子吸収ピーク波長に対して所定の波長に設
定することが可能となった。このため、特に共振器媒質
層、すなわち第１導電型クラッド層３ａ、量子井戸層２
０、第２導電型クラッド層５ａの各層の厚さの総和の制
御性に対する厳しい要求が緩和され、さらに従来構造の
場合には達成できなかった高い歩留りも確保できるよう
になった。また、通常入力光は、素子の共振波長付近に
設定されるため、波長調整層６ａの層厚を調整すること
により、励起子吸収ピーク波長の移動範囲内で、入力波
長を自由に設定することも可能となった。

【００３３】本発明によって得られたさらに別の共振型
面型光変調素子について説明をする。上記のような本発
明によって得られた共振型面型光変調素子においても、
より優れた光変調特性を得るためには、共振器媒質内の
光変調層最上層、すなわち、第２導電型クラッド層５ａ
と波長調整層６ａの間の界面反射率を少なくとも１０％
以下に抑える必要がある。このためには、上記例と同様
に第２導電型クラッド層５ａの屈折率ｎ_１と、その直上
に形成される波長調整層６ａの屈折率ｎ_２の関係は、次
のような条件を満たさなければならない。

【００３４】 １．９３×ｎ_１ ≧ｎ_２ ≧０．５１×ｎ_１ 実際に上記関係を満足するように、第２導電型クラッド
層５ａと波長調整層６ａの材料を選定することにより、
等価的に内部損失が減少し、上記関係を満足しない場合
の素子と比較して１０％以上の光変調度の向上が得られ
た。

【００３５】以上、このように本発明により、初めて大
きな光変調度を有する共振型面型光変調素子が極めて再
現性良く形成できるようになった。また、励起子吸収ピ
ーク波長の移動範囲内で、入力波長を自由に設定するこ
とも可能となった。上記のような波長調整層６，６ａを
有する共振型面型光変調素子の実施例を以下に示す。

【００３６】

〔例１〕

図５は本発明によって得られた共振型面型光変調素子の
第１の例を示す概略断面図である。この共振型面型光変
調素子は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によりｎ−Ｇ
ａＡｓ基板３１上に２０組のｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓブ
ラック゛反射層３２、ｎ−ＧａＡｓクラッド層３３、ｉ
−ＩｎＧａＡｓ層３４、ｐ−ＧａＡｓクラッド層３５が
順次形成されている。この時、ｎ−ＧａＡｓクラッド層
３３、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層３４、ｐ−ＧａＡｓクラッド
層３５の各層の層厚の総和は、これらの層を共振器媒質
とした場合に、共振波長が素子の所定の共振波長よりも
わずかに短波長となるように設定されている。次に、エ
ッチングにより基板面に対して略垂直な柱状になるよう
に、ｐ−ＧａＡｓクラッド層３５からｉ−ＩｎＧａＡｓ
層３４を通り、ｎ−ＧａＡｓクラッド層３３に至るメサ
形状が形成され、さらにｎ−ＧａＡｓ基板３１の裏面に
ｎ電極３８が、また、ｐ−ＧａＡｓクラッド層３５の表
面に、光入出射窓部４０を有するように窓開けされたｐ
電極３９がそれぞれ形成されている。

【００３７】この後、共振器媒質層の共振波長が、最終
的に素子に要求される共振波長となるように、電子ビー
ム蒸着法により、ＳｉＯ_２層による波長調整層３６が、
窓開けされて露出したｐ−ＧａＡｓクラッド層３５上に
形成され、さらに３組のＴｉＯ_２層とＳｉＯ_２層が交互
に積層された上部ブラック゛反射層３７が、その上に形
成されている。このような波長調整層３６と上部ブラッ
ク゛反射層３７は、例えば、上記のように電子ビーム蒸
着法により形成されるが、波長調整層３６形成時に、そ
の場観察によりｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓブラック゛反射
層３２と波長調整層３６表面にて形成される弱い共振器
の共振波長を調べることが可能であるため、例えば、そ
の反射特性信号が、所望の特性となった時点で波長調整
層３６の形成を終了することにより、必要とされる厚さ
の波長調整層３６を再現性良く形成することが可能とな
った。

【００３８】このように形成された共振型面型光変調素
子において、光入出射窓部４０から入力光を入射し、外
部からの制御信号に応じた電圧をｐ電極３９とｎ電極３
８の間に印加すると、フランツ・ケルディシュ効果によ
り、入力光に対するｉ−ＩｎＧａＡｓ層３４の吸収率が
変化し、この結果、光共振器の反射特性が変化する。こ
の結果、３０％を超える高変調度で、かつ５以上のコン
トラスト比の光変調が行なわれ、光変調された出力光が
光入出射窓部４０より出射された。このように、本構造
にある波長調整層３６を採用し、その場測定により、共
振波長を観測しながら波長調整層３６を形成することに
より、極めて再現性良く、共振型面型光変調素子を実現
することが可能となった。

【００３９】さらに、本発明によって得られた共振型面
型光変調素子の第１の例の構造の採用により、ｎ−Ｇａ
Ａｓクラッド層３３、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層３４、ｐ−Ｇ
ａＡｓクラッド層３５の各層の層厚の総和と、これらの
設計層厚との間の誤差を、波長調整層３６形成時に補正
することも可能となり、従来構造では２０％以下であっ
た素子製作の歩留りを、８０％以上に大幅に向上するこ
とができた。このように、本発明によって得られる共振
型面型光変調素子により、初めて実用的な共振型面型光
変調素子が提供されるようになった。

【００４０】〔例２〕 図６は、この発明によって得られた共振型面型光変調素
子の第２の例を示す図である。この第２の例において
も、ＭＢＥによりｎ−ＧａＡｓ基板５１上に２０組のｎ
−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓブラック゛反射層５２、ｎ−Ｇａ
Ａｓクラッド層５３、３０組のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ
量子井戸層５４、ｐ−ＧａＡｓクラッド層５５が順次形
成されている。この時、ｎ−ＧａＡｓクラッド層５３、
ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸層５４、ｐ−ＧａＡｓ
クラッド層５５の各層の層厚の総和は、これらの層を共
振器媒質とした場合に、共振波長が、素子の所定の共振
波長よりもわずかに短波長となるように設定されてい
る。次に、エッチングにより、基板面に対して略垂直な
柱状になるように、ｐ−ＧａＡｓクラッド層５５からＩ
ｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸層５４を通り、ｎ−Ｇａ
Ａｓクラッド層５３に至るメサ形状が形成され、さらに
ｎ−ＧａＡｓ基板５１の裏面にｎ電極５８が、また、ｐ
−ＧａＡｓクラッド層５５の表面に、光入出射窓部６０
を有するように窓開けされたｐ電極５９がそれぞれ形成
されている。

【００４１】この後、共振器媒質層の共振波長が、最終
的に素子に要求される共振波長となるように、電子ビー
ム蒸着法により、ＳｉＯ_２層による波長調整層５６が、
窓開けされて露出したｐ−ＧａＡｓクラッド層５５上に
形成され、さらに３組のＴｉＯ_２層とＳｉＯ_２層が交互
に積層された上部ブラック゛反射層５７がその上に形成
されている。このような波長調整層５６と上部ブラック
゛反射層５７は、例えば、上記のように電子ビーム蒸着
法により形成されるが、波長調整層５６形成時に、その
場観察によりｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓブラック゛反射層
５２と波長調整層５６表面にて形成される弱い共振器の
共振波長を調べることが可能であるため、例えば、その
反射特性信号が所望の特性となった時点で波長調整層５
６の形成を終了することにより、必要とされる厚さの波
長調整層５６を再現性良く形成することが可能となっ
た。

【００４２】このように形成された共振型面型光変調素
子において、光入出射窓部６０から入力光を入射し、外
部からの制御信号に応じた電圧をｐ電極５９とｎ電極５
８の間に印加することにより、入力光に対するＩｎＧａ
Ａｓ／ＧａＡｓ量子井戸層５４の吸収率が変化し、上記
のように光共振器の反射特性が大きく変化し、この結
果、高変調度に光変調された出力光が光入出射窓部６０
より出射された。

【００４３】このようにして形成された共振型面型光変
調素子の、素子の反射率と印加電圧の特性の結果を図７
に示す。一般的に量子井戸層５４による励起子吸収の電
界効果では、フランツ・ケルディッシュ効果に比べて小
さな電界にて大きな吸収率の変化が得られる。このた
め、量子井戸層５４の電界吸収効果により共振器の反射
率を変化させる本例の共振型面型光変調素子では、より
高効率に、４０％を超える高変調度でかつ１０以上のコ
ントラスト比の光変調が行なわれた。また、波長調整層
５６を採用し、その場観察により共振波長を観測しなが
ら波長調整層５６を形成することによって、極めて再現
性良く、かつ高い光変調度を有する共振型面型光変調器
を実現することが可能となった。

【００４４】さらに、本発明によって得られた共振型面
型光変調素子の第２の例の構造の採用により、ｎ−クラ
ッド層５３、量子井戸層５４、ｐ−クラッド層５５の各
層の層厚の総和と、これらの設計層厚との間の誤差を、
波長調整層５６形成時に補正することも可能となり、従
来構造では２０％以下であった素子製作の歩留りが、８
０％以上に大幅に向上した。このように、本実施例の共
振型面型光変調素子により、初めて実用的な共振型面型
光変調素子が提供できた。

【００４５】〔例３〕 図８は、この発明によって得られた共振型面型光変調素
子の第３の例を示す図である。 この第３実施例におい
ても、ＭＢＥによりｎ−ＧａＡｓ基板７１上に２０組の
ｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓブラック゛反射層７２、ｎ−Ｇ
ａＡｓクラッド層７３、３０組のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡ
ｓ量子井戸層７４、ｐ−ＧａＡｓクラッド層７５が順次
形成されている。この時、ｎ−ＧａＡｓクラッド層７
３、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸層７４、ｐ−Ｇａ
Ａｓクラッド層７５の各層の層厚の総和は、これらの層
を共振器媒質とした場合に、共振波長が素子の所定の共
振波長よりもわずかに短波長となるように設定されてい
る。次に、エッチングにより基板面に対して略垂直な柱
状になるようにｐ−ＧａＡｓクラッド層７５からＩｎＧ
ａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸層７４を通り、ｎ−ＧａＡｓ
クラッド層７３に至るメサ形状が形成され、さらにｎ−
ＧａＡｓ基板７１の裏面にｎ電極７８が、また、ｐ−Ｇ
ａＡｓクラッド層７５の表面に、光入出射窓部８０を有
するように窓開けされたｐ電極７９がそれぞれ形成され
ている。

【００４６】この後、共振器媒質層の共振波長が、最終
的に素子に要求される共振波長となるように、電子ビー
ム蒸着法により、ＳｉＯ_２層による波長調整層７６が、
窓開けされて露出したｐ−ＧａＡｓクラッド層７５上に
形成され、上部反射構造として、その上にＡｕの蒸着膜
７７が形成されている。このような波長調整層７６は、
例えば、上記のように電子ビーム蒸着法により形成され
るが、波長調整層７６形成時に、その場観察によりｎ−
ＧａＡｓ／ＡｌＡｓブラック゛反射層７２と波長調整層
７６表面にて形成される弱い共振器の共振波長を調べる
ことが可能であるため、例えば、その反射特性信号が所
望の特性となった時点で波長調整層７６の形成を終了す
ることにより、必要とされる厚さの波長調整層７６を再
現性良く形成することが可能となった。

【００４７】このように形成された共振型面型光変調素
子において、光入出射窓部８０から入力光を入射し、外
部からの制御信号に応じた電圧をｐ電極７９とｎ電極７
８の間に印加することにより、入力光に対するＩｎＧａ
Ａｓ／ＧａＡｓ量子井戸層７４の吸収率が変化し、上記
のように光共振器の反射特性が大きく変化した。この結
果、４０％を超える高変調度でかつ１０以上のコントラ
スト比の光変調が行なわれ、高変調度に光変調された出
力光が光入出射窓部８０より出射された。

【００４８】このように上部反射構造としてＡｕ蒸着膜
７７等の金属蒸着膜等を用いることも可能であり、この
場合、上部反射構造の反射率は、蒸着膜の膜厚を制御す
ることにより制御される。金属蒸着膜７７を上部反射構
造に用いることにより、素子製作工程がより簡略化さ
れ、また、金属蒸着膜等を電気的配線の一部として用い
ることも可能となる。

【００４９】本例に示される構造の共振型面型光変調素
子の場合においても、第１の例の場合と同様に極めて再
現性良く、高い光変調度を有する共振型面型光変調素子
を実現することが可能となり、従来構造では２０％以下
であった素子製作の歩留りが、８０％以上に大幅に向上
することができた。このように本例の共振型面型光変調
素子により、初めて実用的な共振型面型光変調素子が提
供されるようになった。

【００５０】〔例４〕 図９は、この発明によって得られる共振型面型光変調素
子の第４の例を示す図である。この第４の例において
も、ＭＢＥによりｎ−ＧａＡｓ基板９１上に２０組のｎ
−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓブラック゛反射層９２、ｎ−Ｇａ
Ａｓクラッド層９３、３０組のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ
量子井戸層９４、ｐ−ＧａＡｓクラッド層９５が順次形
成されている。この時、ｎ−ＧａＡｓクラッド層９３、
ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸層９４、ｐ−ＧａＡｓ
クラッド層９５の各層の層厚の総和は、これらの層を共
振器媒質とした場合に、共振波長が素子の所定の共振波
長よりもわずかに短波長となるように設定されている。
次に、エッチングにより、基板面に対して略垂直な柱状
になるようにｐ−ＧａＡｓクラッド層９５からＩｎＧａ
Ａｓ／ＧａＡｓ量子井戸層９４を通り、ｎ−ＧａＡｓク
ラッド層９３に至るメサ形状が形成され、さらにｎ−Ｇ
ａＡｓ基板９１の裏面にｎ電極９８が、また、ｐ−Ｇａ
Ａｓクラッド層９５の表面に、光入出射窓部１００を有
するように窓開けされたｐ電極９９がそれぞれ形成され
ている。

【００５１】この後、共振器媒質層の共振波長が最終的
に素子に要求される共振波長となるように、電子ビーム
蒸着法により、ＴｉＯ_２層による波長調整層９６が窓開
けされて露出したｐ−ＧａＡｓクラッド層９５上に形成
され、さらに３組のＳｉＯ_２層とＴｉＯ_２層が交互に積
層された上部ブラック゛反射層９７がその上に形成され
ている。このような波長調整層９６と上部ブラック゛反
射層９７は、例えば、上記のように電子ビーム蒸着法に
より形成されるが、波長調整層９６形成時に、その場観
察により、ｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓブラック゛反射層９
２と波長調整層９６表面にて形成される弱い共振器の共
振波長を調べることが可能であるため、例えば、その反
射特性信号が所望の特性となった時点で波長調整層９６
の形成を終了することにより、必要とされる厚さの波長
調整層９６を再現性良く形成することが可能となった。

【００５２】さらに波長調整層９６をＴｉＯ_２層（屈折
率＝２．５）にて形成したため、共振器媒質内のｐ−Ｇ
ａＡｓクラッド層９５（屈折率＝３．６２）との界面に
おいて、 １．９３×ｎ_１ ≧ｎ_２ ≧０．５１×ｎ_１ なる条件が満たされ、界面反射が１０％以下となった。
ｐ−ＧａＡｓクラッド層９５（屈折率＝３．６２）上に
ＴｉＯ_２層（屈折率＝２．５）を形成した層構造にて、
実際に界面反射率を測定したところ、３．３％という小
さな値が得られた。同様にしてｐ−ＧａＡｓクラッド層
９５（屈折率＝３．６２）上にＳｉＯ_２層（屈折率＝
１．４６）を形成した層構造において測定された界面反
射率は、１８％であった。この場合は上記条件を満たし
ていないため、界面反射率が１０％以上となっている。

【００５３】このようにＴｉＯ_２層を波長調整層９６と
して用いることにより、ｐ−ＧａＡsクラッド層９５と
の界面反射率を減少させることができ、等価的に共振器
の内部損失が少なくなり、より高い光変調度と大きなコ
ントラスト比が得られるようになった。

【００５４】この共振型面型光変調素子において、光入
出射窓部１００から入力光を入射し、外部からの制御信
号に応じた電圧をｐ電極９９とｎ電極９８の間に印加す
ることにより、入力光に対するＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ
量子井戸層９４の吸収率が変化し、上記のように光共振
器の反射特性が大きく変化し、光共振器の反射特性が大
きく変化し、５０％以上の高変調度でかつ１５以上のコ
ントラスト比の光変調が行なわれ、高変調度に光変調さ
れた出力光が光入出射窓部１００より出射された。この
共振型面型光変調素子の場合、例えば、波長調整層９６
に上記条件を満足しないＳｉＯ_２層を用いた場合に比べ
て、光変調度で１０％、コントラスト比で５の特性向上
が得られた。

【００５５】このように上記条件を満たす波長調整層９
６を採用し、その場観察により共振波長を観測しながら
波長調整層９６を形成することにより、等価的内部損失
が小さく、高い光変調度を有する共振型面型光変調素子
を極めて再現性良く実現することができるようになっ
た。さらに本例の構造の採用により、ｎ−クラッド層９
３、量子井戸層９４、ｐ−クラッド層９５の各層の層厚
の総和と、これらの設計層厚との間の誤差を、波長調整
層９６形成時に補正することも可能となり、従来構造で
は２０％以下であった素子製作の歩留りが８０％以上に
大幅に向上した。このように本例の共振型面型光変調素
子により、初めて実用的な共振型面型光変調素子が提供
できた。

【００５６】なお、上記した第２の例、第３の例、第４
の例に示される共振型面型光変調素子において、光変調
層に電界を印加する代わりに、光変調層を構成する量子
井戸の基底量子準位間遷移エネルギー以上のエネルギー
に対する波長の光（制御光）を入射すると、量子井戸層
内にて室温励起子のスクリーングと位相空間フィルタリ
ングが生じ、励起子共鳴吸収波長における光吸収が大幅
に緩和される。ここで、例えば、励起子共鳴吸収波長に
入力光を設定すると、制御光の有無により入力光に対す
る量子構造の実効吸収率が大幅に変化し、電界印加の場
合と同様に制御光に応じた入力光の光変調が行なわれ
る。

【００５７】上記した第２の例、第３の例、第４の例に
おいて、バンドギャップＥｇ_１の薄膜層とバンドギャッ
プＥｇ_２の薄膜層（Ｅｇ_１＜Ｅｇ_２）が交互に積層され
て形成された量子井戸層５４，７４，９４としては、例
えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓ／Ａｌ
ＧａＡｓの積層構造が用いられる。この場合、ＧａＡｓ
のバンドギャップＥｇ_１はＡｌＧａＡｓのバンドギャッ
プＥｇ_２よりも小さく、電子および正孔はＧａＡｓ層内
に閉じ込められ、種々の量子効果を示し、室温励起子を
形成する。ＧａＡｓ層内での励起子のボーア半径は約１
２０オングストロームであることから、量子効果を利用
した光変調素子を形成するためには、ＧａＡｓ層の厚さ
は１２０オングストローム程度以下であることが望まし
い。

【００５８】また、使用する光の波長に応じて、他の材
料も用いられる。例えば、波長０．９２〜１．０６μｍ
の波長帯用の量子井戸層材料の一例としては、ＩｎＧａ
Ａｓ／ＧａＡｓの積層構造がある。この場合、ＩｎＧａ
ＡｓのバンドギャップＥｇ_１はＧａＡｓのバンドギャッ
プＥｇ_２よりも小さく、電子および正孔はＩｎＧａＡｓ
層内に閉じ込められ、種々の量子効果を示し、室温励起
子を形成する。ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ積層構造は歪系
であり、その臨界薄膜はＩｎＧａＡｓ組成や結晶成長条
件に依存し、１００〜９００オングストローム程度であ
ること、さらにＩｎＧａＡｓのバンドギャップＥｇ_１と
ＧａＡｓのバンドギャップＥｇ_２の差からＩｎＧａＡｓ
層の厚さを５０オングストローム以下にすると電子およ
び正孔の閉じ込めが弱まり、光変調素子を形成するため
に十分な量子効果が得られなくなること等を考慮する
と、ＩｎＧａＡｓ層の厚さは５０〜１２０オングストロ
ーム程度、望ましくは８０〜１００オングストローム程
度とする必要がある。

【００５９】量子構造内への電子および正孔の閉じ込
め、および室温励起子の形成という観点より、バンドギ
ャップＥｇ_１の薄膜層とバンドギャップＥｇ_２の薄膜層
（Ｅｇ_１＜Ｅｇ_２）により形成される量子構造におい
て、両層のバンド構造の、伝導帯のエネルギー差は少な
くとも８ｍｅＶ、価電子帯のエネルギー差は少なくとも
４ｍｅＶ程度以上存在することが必要であり、良好な光
変調という点からは伝導帯のエネルギー差は５０ｍｅＶ
以上でることが望ましい。さらに、何れの場合において
も、室温励起子の形成のためにバンドギャップＥｇ_１の
薄膜層内に形成される基底量子準位（第１量子準位）エ
ネルギーＥｇ_３はバンドギャップＥｇ_２の薄膜層の伝導
帯のエネルギー底部Ｅｇ_４よりも小さいことが必要であ
る。

【００６０】上記本発明によって得られたの第１〜第４
の例に示される共振型面型光変調素子において、第１導
電型クラッド層、および第２導電型クラッド層の層厚に
は、特に制限はないものの、積層面内にて均一に、かつ
効率良くｉ型層に電界を印加するという観点から、５０
０オングストローム以上であることが好ましい。また、
上記本発明によって得られた共振型面型光変調素子にお
いて、第１導電型下部ブラッグ反射層を、反射層と同時
に第１導電型クラッド層として機能させ、積層構成から
第１導電型クラッド層を省略することも可能である。

【００６１】上記のように本発明によって得られた共振
型面型光変調素子において、素子は、入力光に対して、
基板面に略垂直な方向に形成された共振器として動作す
る。このような動作をする限りにおいて、形成される波
長調整層の層厚に特に制限はないものの、共振器内での
光変調層の有効体積比を大きくし、高効率の光変調を行
なうという観点から、波長調整層の層厚は、波長調整層
内部における入力光の媒質内波長が１波長以下となるよ
うに形成されることが望ましい。

【００６２】上記本発明によって得られた実施の例に示
されるような共振型面型光変調素子の形成に用いる材料
としては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓ，
ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓ
Ｐ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｌＰ，ＧａＡｓＰ，ＧａＮ，Ｉ
ｎＡｓ，ＩｎＡｓＰ，ＩｎＡｓＳｂ等、ＩＩ−ＶＩ族化
合物半導体であるＺｎＳｅ，ＺｎＳ，ＺｎＳＳｅ，Ｃｄ
Ｓ，ＣｄＳｅ，ＣｄＳＳｅ，ＣｄＴｅ，ＨｇＣｄＴｅ
等、ＩＶ−ＶＩ族化合物半導体であるＰｂＳｅ，ＰｂＴ
ｅ，ＰｂＳｅＴｅ，ＰｂＳｎＴｅ等、あるいはＳｉ，Ｇ
ｅ，ＳｉＧｅ等の半導体がある。また、同様の機能を有
する有機材料等も使用可能である。本発明によって得ら
れた共振型面型光変調素子に関して、上記に記載されて
いる各条件を満たしながら使用する光の波長や、その波
長での各材料の屈折率等により、目的とする特性の共振
型面型光変調素子の実現に最も適する材料が選択される
のである。

【００６３】また、本発明によって得られた実施の例に
示される屈折率の異なる２種類以上の積層構造により構
成されるブラッグ反射層は、例えば屈折率の異なる２種
類の薄膜を交互に積層した構造により形成される。各層
の厚さは、使用する光の、各層内での波長の１／４に相
当する厚さ、もしくはその整数倍の厚さに形成され、２
種類の薄膜の屈折率差と構成層数により所望の反射率が
得られる。例えば、本発明によって得られた第１の例に
示される共振型面型光変調素子では、下部ブラッグ反射
層として各層の厚さが、各層内での入射光波長の１／４
に相当する厚さのＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの積層構造等
も用いられる。また、上部ブラッグ反射層としては、Ｔ
ｉＯ_２／ＳｉＯ_２積層構造が用いられているが、これら
の材料の他に例えば、ＧｅＯ_２，ＣｄＳ，ＺｎＳ，Ｃａ
Ｆ_２，ＬｉＦ，ＭｇＦ_２等を用いた同様の積層構造を用
いることも可能であり、素子の使用目的に応じて、これ
らの材料の中から最適なものが選定される。さらに、実
質的に機能が同一であれば、ブラッグ反射層の代わりに
金属薄膜による反射層等を用いることも可能である。

【００６４】さらに、上記第１〜第４の例において、メ
サ形状形成のために、量子構造を基板面に対して略垂直
な方向に加工するエッチングには、ウエットエッチング
やドライエッチングの手法が適用されるが、加工形状や
加工寸法の微細度、および加工密度等の要求に応じて、
それに適する何れかの手法、もしくは両者の手法が用い
られる。

【００６５】上記の第２の例、第３の例、第４の例にお
いて、光変調層内に量子井戸層が用いられているが、こ
れに限らず量子効果を示す量子細線、量子箱等を光変調
層内に用いることが可能である。量子細線や量子箱で
は、電子や正孔に対する閉じ込めの次元が上がるため、
量子効果がより顕著になり、励起子の束縛エネルギーが
増加し、光学的非線形性が増大する。このため、このよ
うな構造を光変調層内に用いた共振型面型光変調素子で
は、より高効率高変調度の光変調を行なうことが可能で
ある。以上の第１〜第４実施例において示される共振型
面型光変調素子では各素子を１次元アレイ状、もしくは
２次元アレイ状に配置し、例えば空間変調素子等として
動作させることも可能である。

【００６６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、共振波
長調整層形成時において、共振波長をモニターしながら
製造するので、素子の共振波長が設計値と一致しないこ
とが判明した場合、共振波長調整層により共振波長を調
整することが可能となり、再現性良く、高い歩留りにて
実用に供される共振型面型光変調素子を実現することが
可能になる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の共振型面型光変調素子を説明するた
めの概略断面図である。

【図２】この発明の共振型面型光変調素子の動作時の電
界吸収効果による吸収端波長と共振器の共振波長の関係
を示す図である。

【図３】この発明の共振型面型光変調素子を説明するた
めの概略断面図である。

【図４】この発明の共振型面型光変調素子の動作時の、
量子構造による励起子吸収波長と共振器の共振波長との
関係を示す図である。

【図５】この発明の共振型面型光変調素子の第１の例を
示す概略断面図である。

【図６】この発明の共振型面型光変調素子の第２の例を
示す概略断面図である。

【図７】この発明の共振型面型光変調素子の第２の例の
特性を示す図である。

【図８】この発明の共振型面型光変調素子の第３の例を
示す概略断面図である。

【図９】この発明の共振型面型光変調素子の第４の例を
示す概略断面図である。

【図１０】従来の共振型面型光変調素子を示す概略図で
ある。

【図１１】ファブリー・ペロー(fabry-Perot)共振器のモ
デルを示す概略図である。

【符号の説明】

３１，５１，７１，９１ ｎ−ＧａＡｓ基板 ３２，５２，７２，９２ ｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓブ
ラック゛反射層 ３３，５３，７３，９３ ｎ−ＧａＡｓクラッド層 ３４ ｉ−ＩｎＧａＡｓ層 ５４，７４，９４ ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸
層 ３５，５５，７５，９５ ｐ−ＧａＡｓクラッド層 ３６，５６，７６，９６ 波長調整層 ３７，５７，７７，９７ 上部ブラック゛反射層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−58015（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−188415（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−204833（ＪＰ，Ａ) 国際公開91／16748（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/01 - 1/017 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に、下部反射構造と、少なくとも外
   部信号により光学的特性が変化する層を備えた光変調層
   と共振波長調整層とを有する共振器媒質層と、上部反射
   構造により形成される共振型面型光変調素子の製造方法
   であり、前記波長調整層を形成する前の光変調層の層厚
   の総和を、最終的な共振型面型光変調素子に要求される
   共振波長よりもわずかに短波長になるように形成し、前
   記波長調整層形成時に、前記下部反射構造と、形成され
   つつある前記波長調整層表面間において得られる弱い共
   振器の共振波長を検出し、その共振波長が最終的に要求
   される所定波長となった時点で、前記波長調整層の形成
   を終了することを特徴とする共振型面型光変調素子の製
   造方法。