JPH05158085A

JPH05158085A - 光変調装置及びその製造方法

Info

Publication number: JPH05158085A
Application number: JP32195791A
Authority: JP
Inventors: Tatsuro Ikeda; 達郎池田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-12-05
Filing date: 1991-12-05
Publication date: 1993-06-25

Abstract

(57)【要約】【目的】ＭＱＷ層の面方向に電界を印加する構造を有す
る横電界型の光変調装置に関し、横モード制御を容易に
行うことを目的とする。【構成】量子井戸層３の面に沿った横方向にｐｉｎｉｐ
接合、またはｎｉｐｉｎ接合を形成し、それぞれのｐｉ
ｎ接合部分に逆バイアス電圧を印加するようにするか、
または、一導電型領域２７と反対導電型領域２８にある
量子井戸層２４を、それらの間の真正領域にある量子井
戸層２４に対して段違いに形成することを含み構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光変調装置及びその製
造方法に関し、より詳しくは、ＭＱＷ層の面方向に電界
を印加する構造を有する横電界型の光変調装置及びその
製造方法に関する。

【０００２】近年、通信の分野においては高度情報化社
会を構築するために通信の大容量化が要求されており、
これに対応するためには高速の変調を加えることが可能
なデバイスを開発する必要がある。

【０００３】

【従来の技術】半導体レーザを使って光変調を行う方法
としては、半導体レーザに注入する電流を変えることに
よって半導体レーザの発する光を変化させる直接変調方
式と、外部に光変調器を設けることによって光強度や屈
折率を変化させる外部変調方式とがある。

【０００４】このうち、直接変調方式は、高速の変調を
行うときに半導体レーザの緩和振動による発振波長のゆ
らぎ、即ち波長チャーピングが起こる。従って、高速変
調用の素子としては、外部変調方式を用いたものが望ま
しく、そのために高速変調をかけることができる変調器
が必要となる。

【０００５】これまで、変調器として、フランツ・ケル
ディシュ効果を用いた電界吸収型のものが開発されてき
た。しかし、将来実現が予測される１０Ｇｂ／ｓの伝送
容量を持ったシステムに対してはこの変調器でもまだ対
応できず、さらに高速変調が期待されている変調器とし
て多重量子井戸による量子閉じ込めシュタルク効果を使
った装置の研究がなされているが、この装置を使っても
なお十分な特性が得られていない。

【０００６】ところで、高速変調を可能にするには、変
調器の容量の低減、駆動電圧の低減の２点を満たす必要
がある。このような要請に応じた光変調器の一つとし
て、短波長帯で用いるエキシトン・ブリーチング型光変
調器が特願平２−１３２４１５号公報において提案され
ている。

【０００７】この装置は、図１１に示すように、半絶縁
性基板101 上に第一のクラッド層102 を設け、その平坦
な上面に多重量子井戸層（ＭＱＷ層）103 、第二のクラ
ッド層104 を順に積層したもので、変調器長の両側に
は、第二のクラッド層104 の表面から第一のクラッド層
102 の上部に達する深さのｎ型領域106 とｐ型領域107
が形成され、その間に挟まれるｉ型領域108 を導波路と
している。

【０００８】そして、ｉ型領域108 のＭＱＷ層103 にエ
キシトンピーク波長λepの光を照射し、ｐ型領域107 と
ｎ型領域106 に逆バイアス電圧を印加してＭＱＷ層103
の面方向に電界をかけることにより、ＭＱＷ層103 のエ
キシトンを壊して波長λepの光吸収量を減らす一方、無
電圧時にはＭＱＷ層103 におけるエキシトン吸収によっ
てその光を吸収し、これにより光強度変調を行う。

【０００９】なお、図中符号109 は、キャップ層、110
はｎ電極、111 はｐ電極、112 は電源を示している。と
ころで、通信用に用いられる１．５５μｍ付近の波長で
その変調器を使用するためには、ＭＱＷ層103 の材料と
して４元材料（InGaAsP)を使用する必要がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この材料系に
よれば、ｐ型領域107 やｎ型領域106 をイオン打ち込み
によって形成する際に、その領域のＭＱＷ層103 が混晶
化によって破壊されずにそのまま残ってしまう。この結
果として、変調器のＭＱＷ層103 のｎ型領域106からｐ
型領域107 に到る横方向に屈折率の差がつかずに広がっ
てしまい、横モードによる制御が難しいといったきらい
がある。

【００１１】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであって、横モード制御を容易に行える光変調装置
を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ために、図１に例示するように、半絶縁性基板１の上に
積層された第一のクラッド層２と、前記第一のクラッド
層２の上に形成された量子井戸層３と、前記量子井戸層
３の上に積層された第二のクラッド層４と、前記第二の
クラッド層４表面から第一のクラッド層２に到る深さに
形成された一導電型領域５と、前記一導電型領域５の両
側に真性領域をおいて形成され、かつ前記第一のクラッ
ド層４表面から第二のクラッド層２に到る深さの反対導
電型領域８，９と、前記一導電型領域５と前記反対導電
型領域８，９の間に逆バイアス電圧を印加可能な電源と
を有することを特徴とする光変調装置を適用する。

【００１３】さらに、前記の光変調装置の構造におい
て、一導電型領域５と反対導電型領域８とその間に挟ま
れた真性領域ならびに、一導電型領域５と反対導電型領
域９とその間に挟まれた真性領域それぞれに形成される
ｐｉｎ接合に対して逆バイアス電圧を印加することによ
り一導電型領域５とその両側に接する真性領域との間の
屈折率差を制御することによって、一導電型領域５を導
波する量子井戸のエキシトン吸収波長より長波長の光の
導波部への閉じ込めを制御することによって光変調をお
こなうことを特徴とする光変調装置を適用する。

【００１４】また、上記した課題を解決するために、図
２、５に例示するように、半絶縁性基板21，41の上に積
層され、かつ上部に凹状の溝22又はメサトライプ状の突
起40が形成された第一のクラッド層23，42と、前記第一
のクラッド層23，42の上に積層された量子井戸層24，43
と、前記量子井戸層24，43の上に形成された第二のクラ
ッド層25，44と、前記溝22又は前記突起40の一側にある
前記第二のクラッド層25，44表層から第一のクラッド層
23，42に到る部分に形成された一導電型領域27，46と、
前記溝22又は前記突起40の他側にある前記第二のクラッ
ド層25，44表層から第一のクラッド層23，42に到る深さ
に形成された反対導電型領域28，47と、前記一導電型領
域27，46と前記反対導電型領域28，47の間に逆バイアス
電圧を印加可能な電源とを有することを特徴とする光変
調装置を適用する。

【００１５】さらに、前記光変調層の構造において前記
溝22または、突起40の真性領域にある量子井戸層部を光
導波路とし、該真性領域とこれを挟む前記一導電型領域
27，46と前記反対導電型領域28，47とでつくられるｐｉ
ｎ接合に逆バイアス電圧を印加することによって量子井
戸のエキシトン吸収付近に対応する波長の光に対して光
強度変調をおこなうことを特徴とする光変調層を適用す
る。

【００１６】しかも、前記光変調層において、前記ｐｉ
ｎ接合に逆バイアス電圧を印加することによって量子井
戸のエキシトン吸収波長より長波長の光に対して光位相
変調をおこなうことを特徴とする光変調装置を適用す
る。

【００１７】また、上記した課題を解決するために、光
変調装置は、半絶縁性基板上に凹状の溝22、またはメサ
ストライプ状の突起40をもったクラッド層23，42を形成
する工程、該クラッド層23，42上に量子井戸層24，43を
形成する工程、該量子井戸層24，43上に第二のクラッド
層25，44を形成する工程、前記溝22または前記突起40の
一側にある前記第二のクラッド層25，44表層から第一の
クラッド層23，42に到る部分に一導電型領域を形成する
工程、前記溝22または前記突起40の他側にある前記第二
のクラッド層25，44表層から前記第一のクラッド層23，
42に到る部分に反対導電型領域を形成する工程、前記一
導電型領域ならびに前記反対導電型領域上に電極を形成
する工程を少なくとも含む製造方法によって形成され
る。

【００１８】

【作用】

(1) 第１、２の発明によれば、量子井戸層３の面に沿っ
た横方向にｐｉｎｉｐ接合、またはｎｉｐｉｎ接合を形
成し、それぞれのｐｉｎ接合部分に逆バイアス電圧を印
加するようにしている。

【００１９】このため、一導電型領域５と、その両側方
の反対導電型領域８，９と、これらに挟まれる２つの真
性領域においては、無電圧時にエキシトンが生じ、屈折
率はそれらの領域において均等である（図１(b))。

【００２０】そして、横方向に連続した２つのｐｉｎ接
合に逆バイアス電圧を印加すると、２つの真性領域にお
いてのみエキシトン準位が壊される。この場合、量子井
戸層３の真性領域の部分の入射光波長λopに対する屈折
率の関係をみると図１０(a) に示すようになり、無電圧
時には実線で示す状態にあったものがエキシトン準位の
壊れにより破線のように変化して屈折率が低下する。

【００２１】そこで、エキシトンピーク波長よりも長波
長の波長λopの光を一導電型領域５の量子井戸層３に照
射し、さらに真性領域のエキシトン準位を壊す電圧を横
方向に印加すると、真性領域の屈折率が減少し、その他
の一導電型領域５、反対導電型領域８，９ではエキシト
ンが存在してその屈折率は高いままであるために横方向
に屈折率の差が生じ（図１(c))、波長λopの光は、一導
電型領域５の量子井戸層３内に閉じ込められて進行す
る。この場合、横方向の屈折率の差によって光を閉じ込
めているので、横モードの制御は容易となる。

【００２２】一方、ｐｉｎ接合に電圧を印加しない状態
では、真性領域でエキシトン準位が生じて横方向の屈折
率差がなくなり（図１(b))、量子井戸層３内の光は横方
向に広がって散乱し易くなり、光は伝播しなくなる。

【００２３】このように、エキシトンを電界により壊し
て屈折率を変化させた状態でも、一導電型領域５には電
圧がかからないので、一導電型領域５での光吸収対波長
の関係は図１０(b) の実線のようになり、波長λopの光
は殆ど吸収されない。

【００２４】これに対して、従来の装置（図１１）の場
合は電圧を印加することによりエキシトンを消去し波長
λepの光に対して強度変調をかけるが、この場合、光透
過時（エキシトン消去時）にも図１０（ｂ）の破線に示
すように波長λepの光はかなり吸収され消光比を低下さ
せる。それに対して本発明の場合は、上に述べたように
光透過時において殆ど光吸収が生じないから消光比の低
下が抑制される。 (1) 第３〜６の発明によれば、一導電型領域27, 46と反
対導電型領域28, 47にある量子井戸層24, 43を、それら
の間の真性領域の量子井戸層24, 43に対して段違いに形
成している。

【００２５】このため、図２(b) 、図５(b) に示すよう
に、真性領域における量子井戸層２４，４３は、その両
横方向にある第一のクラッド層24, 43又は空気よりも屈
折率が高くなる。この結果、真性領域の量子井戸層24,
43を導波路としてエキシトンピーク波長λepの光を照射
すると、その中に光が閉じ込められ、横モード制御が容
易になる。

【００２６】この場合、一導電型領域27, 46及び反対導
電型領域28, 47における井戸領域層24, 43は、真性領域
26、45のそれと段違いに存在するので、横モード制御を
妨げることはなく、量子井戸層24, 43がそれらの領域2
7, 46、28, 47に存在しても問題はない。

【００２７】そして、無電圧時には、エキシトン吸収が
生じ、また電圧印加時にはエキシトンが壊れて光が透過
され、光変調することになる。ところで、この動作は光
強度変調についての説明であるが、同じ光変調器を用い
て位相変調をかけることもできる。

【００２８】即ち、入射波長に対する屈折率の関係をエ
キシトン消滅電圧印加時と無電圧時について調べると、
図１０(a) に示す関係があり、エキシトンビーク波長λ
epよりも長波長側には、無電圧時に屈折率のピークを有
し、かつ電圧印加時にそのピークが消失するような波長
λopが存在する。

【００２９】従って、この波長λopでは電圧印加時と無
印加時で屈折率が変化し、それに伴って光の位相が変化
するので、図２(c) に示すように、光の波は位相の異な
る二つの期間を持つことになる。そこで期間Ｔ₁を
「０」の信号とし、期間Ｔ₂を「１」の信号となせば、
これによって情報を伝達することが可能になる。

【００３０】しかも、入射波長に対する光吸収係数の変
化を調べると、電圧印加時、無印加時で屈折率の変化の
大きな波長λopでは、図１０(b) に示すように、光吸収
が殆どないので、損失も少なく位相変調型の変調器とし
て使うのに都合がよい。

【００３１】

【実施例】そこで、以下に本発明の実施例を図面に基づ
いて説明する。（ａ）本発明の第１実施例の説明図１は、本発明の第１実施例の光変調装置を示す断面図
及びその屈折率分布図である。

【００３２】図１(a) において符号１は、InP よりなる
半絶縁性基板で、その上にはアンドープInP よりなる第
一のクラッド層２、多重量子井戸（ＭＱＷ）層３及びア
ンドープInP よりなる第二のクラッド層４が厚さ方向に
順に積層されている。第一及び第二のクラッド層２、４
の層厚を例えば１０００Åとする。

【００３３】ＭＱＷ層３は、第一のクラッド層２の上
に、例えばアンドープInP とアンドープIn_1-xGa_xAs_y
P_1-y（ｘ＝0.438 、ｙ＝0.940 ）をそれぞれ１００Åづ
つ交互に２０周期繰り返し積層してなるもので、そのう
ちInGaAsP が井戸層、InP が障壁層となり、そのエキシ
トンピーク波長λepは１．５２６μｍ程度である。その
変調器の光導波方向の長さは例えば２００μｍ程度にす
る。

【００３４】また、第二のクラッド層４から第一のクラ
ッド層２内部に到る部分のうち、光の導波方向に沿って
ｎ型領域５が設けられ、その両側には幅２μｍ程度のｉ
（真性）型領域６、７を介してｐ型領域８，９が形成さ
れており、ｎ型領域５内のＭＱＷ層３が光導波路となる
ように構成されている。

【００３５】それらのｐ型領域８，９及びｎ型領域５
は、不純物拡散或いは収束イオンビーム装置による不純
物の打ち込み等により形成されており、４元材のInGaAs
P 井戸層を有するＭＱＷ層３は不純物拡散等によっても
壊れることなくそれらの領域に残存している。ｐ型不純
物としてはZn、ｎ型不純物としてはSn、Siなどがある。

【００３６】なお、図中符号１0 は、ｐ型領域８，９及
びｎ型領域５の上に形成されたInGaAsよりなるキャップ
層、１２は、ｐ型領域８，９の上にキャップ層１0 を介
して形成されるTi／Ptよりなるｐ電極、１３は、ｎ型領
域５の上にキャップ層１0 を介して設けられたAuGe／Au
よりなるｎ電極、１４は、ｐ型領域８，９とｎ型領域５
に例えば０Ｖと２Ｖの交流電圧を印加する電源を示して
いる。

【００３７】次に、上記した実施例装置の動作について
説明する。上述した実施例において、ｐ型領域８，９、
ｉ型領域６，７及びｎ型領域５によって横方向（ＭＱＷ
層３の面に沿ったｐｉｎ方向）に２つのｐｉｎ接合が形
成され、無電圧（０Ｖ）時には各領域５〜９にエキシト
ンが生じ、屈折率はそれらの領域において均等である
（図１(b))。

【００３８】そして、ｉ型領域６，７に幅１μｍ当たり
１Ｖ程度となる逆バイアス電圧を２つのｐｉｎ接合に印
加すると、２つのｉ型領域６、７にのみ電圧が印加しエ
キシトン準位が壊される。

【００３９】この場合、二つのｉ型領域６、７のＭＱＷ
層３の入射光波長に対する屈折率の関係をみると、図１
０(a) に示すようになり、無電圧時には実線で示す状態
にあったものがエキシトン準位の壊れにより破線のよう
に変化して屈折率が低下する。

【００４０】そして、エキシトンピーク波長λepを１．
５２６μｍ程度として、それよりも長い波長をみると、
屈折率にピークがあり、しかもエキシトン消去時の屈折
率との差が大きな波長λopが存在する。この波長λopは
１．５４μｍ程度である。

【００４１】そこで、ｎ型領域５のＭＱＷ層３に波長λ
opの光を入射し、さらにｉ型領域６、７のエキシトン準
位を壊す電圧を横方向に印加すると、ｉ型領域６、７の
屈折率が減少し、その他のｎ型領域５、ｐ型領域８，９
ではエキシトンが存在してその屈折率は高いままである
ために横方向に屈折率の差が生じ（図１(c))、波長λop
の光は、ｎ型領域５のＭＱＷ層３内に閉じ込められて進
行する。

【００４２】これに対して、ｐｉｎ接合に電圧を印加し
ない状態では、ｉ型領域６、７でエキシトン準位が生じ
て横方向の屈折率差がなくなり（図１(b))、ＭＱＷ層３
内の光は横方向に広がって散乱し易くなり、光は伝播し
なくなる。

【００４３】ところで、ｉ型領域６，７のエキシトンを
電界により壊して屈折率を変化させた状態では、波長λ
opの光が伝播するｎ型領域５には電圧がかからないの
で、波長λopの吸収は図１０(b) の実線のようになり、
光の減衰は殆ど生じない。

【００４４】このため、同じようにエキシトンを利用し
て波長λepの光を強度変調する従来の装置（図１１) に
比べて、光透過時の光吸収量が少なくなり、消光比の低
下が抑制される。

【００４５】なお、上記した数値は、これまで製造され
てきた変調器や半導体レーザに合わせるためにとった値
であり、これに限定されるものではない。また、ＭＱＷ
層の組成や幅については、使用する波長帯や電圧によっ
て変えることになり、さらに垂直方向の光閉じ込めを良
くするためには井戸層と障壁層の層数をさらに増やして
もよく、この場合、横方向に電圧をかけているので層数
を増やしてもＭＱＷ層にかかる電界が減ることはない。

【００４６】また、上記した実施例では、ｎ型領域の両
側方にｐ型領域を設けてｐｉｎｉｐ接合としたが、ｐ型
領域の両側方にｉ型領域を挟んでｎ型領域を設けてｎｉ
ｐｉｎ接合となし、ｐ型領域を光導波路としても同じ作
用が得られる。（ｂ）本発明の第２実施例の説明図２は、本発明の第２実施例の光変調器を示す断面図及
びその屈折率分布図である。

【００４７】図において符号２１は、InP よりなる半絶
縁性基板で、その上には、断面がすり鉢状（凹状）の溝
２２を光が導波する方向に設けたアンドープInP よりな
る第一のクラッド層２３が形成され、このクラッド層２
３の上面には多重量子井戸（ＭＱＷ）層２４及びアンド
ープInP よりなる第二のクラッド層２５が厚さ方向に順
に積層されている。

【００４８】上記したＭＱＷ層２４は、例えばアンドー
プInP とアンドープInGaAsP をそれぞれ１００Åづつ交
互に１０周期繰り返し積層してなるもので、そのうちIn
GaAsP が井戸層、InP が障壁層となる。

【００４９】また、第二のクラッド層２５から第一のク
ラッド層２３の上層部に到る部分のうち、溝２２の底部
のｉ型（真性）領域を挟む両側の***部にはそれぞれ不
純物導入によりｎ型領域２７とｐ型領域２８が形成され
ており、ｉ型領域２６内のＭＱＷ層２４が光導波路とな
るように構成されている。

【００５０】それらのｎ型領域２７及びｐ型領域２８内
のＭＱＷ層は、InGaAsP 井戸層を有しているので不純物
導入によっても壊れずに残っている。なお、図中符号２
９は、ｎ型領域２７及びｐ型領域２８の上に形成された
InGaAsよりなるキャップ層、３０は、ｐ型領域２８の上
にキャップ層２９を介して形成されたTi／Ptよりなるｐ
電極、３１は、ｎ型領域２７の上にキャップ層２９を介
して設けられたAuGe／Auよりなるｎ電極、３２は、ｎ型
領域２７とｐ型領域２８に例えば０Ｖ、２Ｖの交流電圧
を印加する電源を示している。

【００５１】次に、上記した実施例の動作について説明
する。上述した実施例において、ｉ型領域２６の両脇に
ｎ型領域２７とｐ型領域２８が配置されているので、ｐ
ｉｎ接合が横方向に形成されることになり、ｎ型領域２
７とｐ型領域２８の間に電圧を印加してｉ型領域２６内
のＭＱＷ層２４に面方向の電界をかけると、その内部で
エキシトンを形成する電子・正孔対が容易に壊れる。

【００５２】このため、入射光波長をエキシトンピーク
波長λepに合わせておけば、図１０(b) に示すように、
無電圧時には光がエキシトン吸収され、電圧印加時には
エキシトンが壊れて光が透過することになり、これによ
り光強度変調が行われる。

【００５３】また、ｉ型領域２６におけるＭＱＷ層２４
とその両横方向にある第一のクラッド層２３との間に
は、図２(b) に示すような屈折率差が生じるので、屈折
率の高いｉ型領域２６のＭＱＷ層２４を導波路としてこ
れに光を照射すると、その中に光が閉じ込められて横モ
ード制御が容易になる。

【００５４】また、ｎ型領域２７及びｐ型領域２８にお
けるＭＱＷ層２４は、ｉ型領域２６のそれよりも高い位
置に存在するので、横モード制御を妨げることはなく、
ＭＱＷ層２４を４元材料により形成しても問題はない。

【００５５】ところで、この動作は光強度変調について
の説明であるが、同じ光変調器を用いて屈折率変化によ
る光変調をかけることもでき、次にその動作を説明す
る。上記した実施例装置において、入射波長に対する屈
折率の関係をエキシトン消滅電圧印加時と無電圧時につ
いて調べると、第１実施例で既に述べたように図１０に
示す関係があり、エキシトンビーク波長λepよりも長波
長側には、無電圧時に屈折率のピークを有し、かつ電圧
印加時にそのピークが消失するような波長λopが存在す
る。そして、この屈折率変調を利用して位相変調器を作
ることができる。

【００５６】つまり、屈折率の変化によって光の波長が
変化して位相が変化する。そのため図２(c) に示すよう
に、光の波は位相の異なる二つの期間を持つことにな
る。そこで期間Ｔ₁を「０」の信号とし、期間Ｔ₂を
「１」の信号となせば、これによって情報を伝達するこ
とが可能になる。

【００５７】しかも、この装置における入射波長に対す
る光吸収係数の変化を調べると、電圧印加時、無印加時
で屈折率の変化の大きな波長λopでは、光吸収が殆どな
いので、損失も少なく位相変調型の変調器として使うの
に都合がよい。

【００５８】このため、同じようにエキシトンを利用し
て波長λepの光を強度変調する従来の装置（図１１）に
比べて、変調時の光吸収量が少なくなり、消光比の低下
が抑制される。

【００５９】なお、光変調器の駆動電圧は２Ｖ以下にす
ることが要求されているが、そのためには、溝２２の底
部の幅を２μｍ程度以下にする必要がある。これは、エ
キシトンの半径は１００Å程度と考えられ、これを消滅
させるために必要な電界は１０⁴Ｖ／cmだからである。

【００６０】また、本実施例では、平坦部（溝２２底
面）の上のＭＱＷ層２４に沿って光導波路が形成される
ために、一般的な半導体レーザ（不図示）との位置合わ
せが容易になる。このため、埋め込み型半導体レーザや
メサ型レーザ、横電流注入型レーザ（特開昭62-130581)
などに比べて集積化が容易になる。

【００６１】次に、上記した実施例装置の製造工程を図
３に基づいて説明する。まず、図３(a) に示すように、
InP よりなる半絶縁性基板２１の上にアンドープInP よ
りなる第一のクラッド層２３をエピタキシャル成長した
後に、このクラッド層２３の上にフォトレジスト３３を
塗布し、これを露光、現像して変調器の長さに合わせた
窓３４を形成する。

【００６２】この後に、フォトレジスト３３の窓３４を
通してエッチング液を第一のクラッド層２３に供給し、
そのクラッド層２３に断面すり鉢形の溝２２を形成する
（図３(b))。この場合、InP 基板２１にまでエッチング
が進まないようにエッチング時間を調整する。なお、こ
のエッチングは、ガスを使用したドライエッチングによ
り行ってもよい。

【００６３】次に、フォトレジスト３３を溶剤により除
去してから、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＶＰＥ法等によってIn
GaAsP 、InP をぞれぞれ膜厚１００Åずつ１０周期繰り
返して全体に積層し、これによりＭＱＷ層２４を形成す
る。さらに続けて、アンドープInP を1000Å程度積層
し、これを第二のクラッド層２５とする（図３(c))。

【００６４】この後に、フォトレジストよりなるマスク
３５により、溝２２の底部から一方の***部２３ａにか
けた領域を覆い、露出した他方の***部２３ｂのテラス
傾斜部から上面にイオン打ち込み法でSn、Si等の不純物
を打ち込み、拡散させてｎ型領域２７を形成する（図３
(d))。そして、マスク３５を除去してから、残りの***
部２３ａにも同様にしてZn等の不純物を拡散させてｐ型
領域２８を形成する（図４(e))。

【００６５】次に、全体にInGaAs層３６を積層した後
に、***部２３ａ，２３ｂの平坦面の上をフォトレジス
トのマスク３７によって覆い（図４(f))、マスク３７か
ら露出した溝２２の底面と***部２３ａ，２３ｂのテラ
ス斜面の上にあるInGaAs層３６をエッチングにより除去
し、ついでマスク３７を除去する。そして、***部２３
ａ，２３ｂの平坦面に残ったInGaAs層３６をキャップ層
２９とする。

【００６６】この後に、さらにフォトレジスト３７を塗
布し、これを露光、現像してｎ型領域２７の上にあるキ
ャップ層２９だけを露出し、この状態で蒸着法によりAu
Ge／Auを堆積する。そして、フォトレジスト３７を除去
すると、ｎ型領域２７のキャップ層２９の上にのみAuGe
／Auが残存し、これをｎ電極３１とする。ついで、ｐ型
領域２８の上のキャップ層２９にも同様にしてTi／Ptを
堆積し、これをｐ電極３０とする（図４(h))。これによ
り、上記した光変調器が完成する。

【００６７】（ｃ）本発明の第３実施例の説明上記した第２実施例では、第一のクラッド層２３に溝２
２を形成し、その溝２２の底面に形成されるＭＱＷ層２
４を導波路としたが、第一のクラッド層にメサストライ
プ状の突起を設け、その領域に形成されるＭＱＷ層を導
波路としてもよい。その第３の実施例を図５に基づいて
説明する。

【００６８】図５(a) において符号４１は、InP よりな
る半絶縁性基板で、その上にはメサストライプ状の突起
４０を光が導波する方向に設けたアンドープInP よりな
る第一のクラッド層４２が形成され、このクラッド層４
２の上面には多重量子井戸（ＭＱＷ）層４３及びアンド
ープInP よりなる第二のクラッド層４４が順に積層され
ている。

【００６９】上記したＭＱＷ層４３は、アンドープInP
とアンドープInGaAsP をそれぞれ１００Åづつ交互に１
０周期繰り返し積層してなるもので、そのうちInGaAsP
が井戸層、InP が障壁層となるように構成されている。

【００７０】また、第二のクラッド層４４から第一のク
ラッド層４２内に到る部分のうち、メサストライプ状突
起の頂面の上下はｉ型（真性）領域４５となり、その両
側のテラス傾斜部から凹部にかけた領域にはそれぞれ不
純物が導入されてｎ型領域４６とｐ型領域４７が形成さ
れており、ｉ型領域４５内のＭＱＷ層４３が光導波路と
なるように構成されている。

【００７１】それらのｎ型領域４６及びｐ型領域４７に
おいてInGaAsP井戸層を有するＭＱＷ層４３は不純物導
入によっても壊れずに残存している。なお、図中符号４
８は、ｎ型領域４６及びｐ型領域４７の上に形成された
InGaAsよりなるキャップ層、４９は、ｐ型領域４７の上
にキャップ層４８を介して形成されるTi／Ptよりなるｐ
電極、５０は、ｎ型領域４６の上にキャップ層４８を介
して設けられたAuGe／Auよりなるｎ電極を示している。

【００７２】次に、上記した実施例の動作について説明
する。上述した実施例において、ＭＱＷ層４３のうちｉ
型層４５の両側にはInP よりなるｎ型領域４６とｐ型領
域４７が配置されているので、ｐｉｎ接合がＭＱＷ層４
３の面方向である横方向に形成されることになり、ｎ型
領域４６及びｐ型領域４７の上に設けられた電極４９、
５０に電圧をかけてｉ型領域４５のＭＱＷ層４３の面方
向に電界をかけると、第２実施例と同様にエキシトンを
形成する電子・正孔対が容易に壊れる。

【００７３】このため、入力波長をエキシトンピーク波
長λepに合わせておけば、第２実施例と同様に、無電圧
時には入力光がエキシトン吸収され、電圧印加時にはエ
キシトンが壊れて光が透過することになり、これにより
光強度変調が可能になる。

【００７４】この変調器では、ｉ型領域４５の平坦なＭ
ＱＷ層４３とその両側方にある空気の屈折率には図５
(b) に示すような差があり、屈折率の高いｉ型領域４５
ＭＱＷ層４３を導波路として光を照射すると、その中に
光が閉じ込められて横モード制御が容易になる。

【００７５】したがって、第２実施例と同様に、ＭＱＷ
層４３を４元材料によって形成しても横モード制御に影
響しなくなる。しかも、導波路となるＭＱＷ層４３の両
側が空気となって同一の屈折率によって閉じ込められて
いるので、高次モードの光の伝播を抑制できる。ちなみ
に、テラス傾斜部のＭＱＷ層４３を導波路とする構造の
変調器によれば、テラス傾斜部のＭＱＷ層４３を導波す
る光は一方が空気、他方は第一のクラッド層４２によっ
て閉じ込められ、導波路左右の屈折率に差が生じるた
め、その差が大きい場合には高次モードの光が伝播し易
くなる。

【００７６】また、この変調器によれば、第２実施例と
同じように屈折率変化による光変調をかけて位相変調さ
せることが可能になる。しかも、この位相変調に使用す
る光の波長は、第２実施例のようにエキシトンピーク波
長λepよりも長い波長を用いるから光吸収量が小さくな
り、位相変調型の変調器として使うのに適している。

【００７７】なお、光変調器の駆動電圧は２Ｖ以下にす
ることが要求されているが、第２実施例で述べたように
メサストライプ状突起の幅を２μｍ程度以下にする必要
がある。

【００７８】また、本実施例によっても、平坦部（ｉ型
領域４５）のＭＱＷ層４３が光導波路となるので、一般
的な半導体レーザとの位置合わせが容易である。次に、
上記した実施例装置の製造工程を図６、７に基づいて説
明する。

【００７９】まず、図６(a) に示すように、InP よりな
る半絶縁性基板４１の上にアンドープInP よりなる第一
のクラッド層４２をエピタキシャル成長した後に、この
クラッド層４２の上にフォトレジスト５１を塗布し、こ
れを露光、現像して変調器の長さに合わせたパターンを
形成する。

【００８０】この後に、フォトレジスト５１周囲の第一
のクラッド層４２にエッチング液を供給し、そのクラッ
ド層４２の上部にメサストライプ状の突起４０を形成す
る（図６(b))。この場合、InP 基板４１にまでエッチン
グが進まないようにエッチング時間を調節する。

【００８１】次に、フォトレジスト５１を溶剤により除
去してから、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＶＰＥ法等によってIn
GaAsP 、InP をぞれぞれ膜厚１００Åずつ１０周期繰り
返して積層し、これによりＭＱＷ層４３を構成する。さ
らに続けて、アンドープInP層を１０００Å程度積層
し、これを第二のクラッド層４４とする（図６(c))。

【００８２】この後に、フォトレジスト５２よりなるマ
スクにより、メサストライプ状突起４０の頂面から一方
の凹部にかけた領域を覆ってから、露出した他方の凹部
のテラス傾斜部からその底面に向けてイオン打ち込み法
によりSn、Si等の不純物を打ち込み、拡散させてｎ型領
域４６を形成する（図６(d))。

【００８３】そして、フォトレジスト５２を除去してか
ら、他方のテラス傾斜部及び凹部にも同様にしてZn等の
不純物を拡散させてｐ型領域４７を形成する（図７
(e))。

【００８４】次に、全体にInGaAs層５３を積層した後
に、突起４０の両側の底面の上をフォトレジスト５４に
よって覆い（図７(f))、それから露出した突起４０の頂
面とそのテラス傾斜部の上にあるInGaAs層５３をエッチ
ングにより除去し、ついでフォトレジスト５４を除去す
る。そして、凹部の底面に残ったInGaAsをキャップ層４
８とする。

【００８５】この後に、さらにフォトレジスト５５を塗
布し、これを露光、現像してｎ型領域４６の上にあるキ
ャップ層４８だけを露出し（図７(g))、この状態で蒸着
法によりAuGe／Auを堆積する。そして、フォトレジスト
５５を除去すると、ｎ型領域４６のキャップ層４８の上
にのみAuGe／Auが残存し、これをｎ電極５０とする。

【００８６】ついで、ｐ型領域４７上のキャップ層４８
にも同様にしてTi／Ptを体積し、これをｐ電極４９とす
れば、上記した光変調器が完成する（図７(h))。（ｄ）本発明の第４の実施例の説明第２、第３実施例では、第１のInP クラッド層２３、４
２をエッチングして溝２２や突起４０を形成したが、そ
の底面や頂面の平坦性をさらに高めようとする場合に
は、第一のクラッド層２３、４２と半絶縁性基板２１、
４１の間にエッチングストップ層を挿入すればよい。そ
こで次に、第２実施例の構造の変調器を例に上げて説明
する。

【００８７】まず、図８(a) に示すように、InP 半絶縁
性基板２１の上にＭＯＣＶＤ法等によってInGaAsエッチ
ングストップ層２０、InP よりなる第一のクラッド層２
３を順に積層し、ついで変調器の長さに合わせて窓３４
を有するフォトレジスト３３のマスクを形成する。

【００８８】この後に、InP を選択的にエッチングする
エッチング液を窓３４から供給し、第２実施例と同様に
クラッド層２３に溝２２を形成することになるが（図８
(b)）、InGaAsエッチングストップ層２０を露出させる
までに行えば、エッチングストップ層２０から下方には
エッチングが進まず、溝２２から平坦なエッチングスト
ップ層２０が表れるまでエッチングを行えば、その底面
も平坦化される。

【００８９】この後に、フォトレジスト３３を除去した
状態を示すと、図８(b) に示すような断面状態となり、
この上に第２実施例と同じ方法によってＭＱＷ層２４、
第２のクラッド層２５を形成することになる（図８
(c))。

【００９０】そして、溝２２の両側の***部２３ａ，２
３ｂに不純物を導入してｎ型領域２７とｐ型領域２８を
形成し、さらに、***部２３ａ，２３ｂの上にキャップ
層２９を形成するとともに、ｎ型領域２７の上にｎ電極
３１を、ｐ型領域２８の上にｐ電極３０を形成する（図
８(d))。

【００９１】このように形成した光変調器によれば、溝
22にあるＭＱＷ層２４がより平坦になり、その面に沿っ
てかかる電界の強度を強めることができるから、より少
ない電圧で変調をかけることができるようになり有利と
なる。

【００９２】なお、エッチングストップ層として、InGa
AsP のような４元系を使用することも可能であり、この
場合には、エッチングストップ層の上にはＭＱＷ障壁層
(InP)から成長を始める必要がある。井戸層から成長さ
せたい場合には、エッチングストップ層の組成比を変え
ればよい。

【００９３】（ｅ）本発明の第５の実施例の説明上記した実施例の変調器は、半導体レーザと集積化する
こともでき、その形成工程を図９に基づいて簡単に説明
する。

【００９４】例えば、図９(a) に示すように、InP 半絶
縁性基板４１の上にメサストライプ状の突起４０を有す
る第一のクラッド層４２を形成し、その上にＭＱＷ層４
３、第二のクラッド層４４を積層した後に、第３実施例
と同様にしてｐ型領域４６とｎ型領域４７を形成し、つ
いで全体にキャップ層４８を積層する。

【００９５】この場合のメサストライプ状の突起４０
は、変調器形成領域Ｘから半導体レーザ形成領域Ｙに延
在している。この状態で、まず、全体にフォトレジスト
６１を塗布し、これを露光、現像して変調器形成領域Ｘ
と半導体レーザ形成領域Ｙとを分離する領域に窓６２を
形成する。

【００９６】この後に、窓６２から露出したキャップ層
４８から第一のクラッド層４２までを反応性イオンエッ
チング（ＲＩＥ）法によって垂直にエッチングする。こ
の後に、第３実施例と同様にしてキャップ層４８をパタ
ーニングし、変調器形成領域Ｘと半導体レーザ形成領域
Ｙの突起４０の両側の底面にそのキャップ層４８を残存
させ、さらにこの上にｐ電極４９、ｎ電極５０を形成す
ると、図９(b) に示すように、同一構造の半導体レーザ
６３と変調器６４がモノリシックに形成される。

【００９７】なお、この構造の変調器により強度変調を
行うことになるが、位相変調を行う場合には、組成のこ
となるＭＱＷ層を２度積層、パターニングする。即ち、
既に述べたように半導体レーザの発振波長を変調器のエ
キシトンビーク吸収波長λepよりも長波長側にもってい
く必要があるので、半導体レーザのＭＱＷ層と変調器の
ＭＱＷ層を別々に形成する必要がある。

【００９８】そこで、半導体レーザ部の組成のＭＱＷ層
を素子全体に積んだ後に、半導体レーザ形成領域をマス
クにより覆い、変調器形成領域のＭＱＷ層をエッチング
により除去する。次に、変調器形成領域側のＭＱＷ層を
成長させてからレーザ側のマスクを除いて前面にクラッ
ド層を形成し、それ以降は同様な工程を経ることにな
る。

【００９９】なお、半導体レーザを駆動する場合には、
ｐｉｎ接合に順バイアス電圧を印加する。

【０１００】

【発明の効果】以上述べたように第１の本発明によれ
ば、量子井戸層の面に沿った横方向にｐｉｎｉｐ接合、
またはｎｉｐｉｎ接合を形成し、それぞれのｐｉｎ接合
部分に逆バイアス電圧を印加するようにしている。

【０１０１】このため、エキシトンピーク波長よりも長
波長の波長λopの光を中央の導電型領域の量子井戸層に
照射し、さらにエキシトン準位を壊す電圧を横方向に印
加すると、真性領域の屈折率がエキシトン生成時よりも
減少し、その他の導電型領域ではエキシトンが存在して
その屈折率は高いままであり、導電型領域内の量子井戸
層の存否に関係なく横方向に屈折率の差を生じさせるこ
とができ、横モードの制御が容易になる。

【０１０２】しかも、エキシトンを電界により壊して屈
折率を変化させた状態では、波長λopの光を伝播する導
電型領域には電圧がかからないので、その特性によって
光の減衰を低減することができる。

【０１０３】また、第２の発明によれば、一導電型領域
と反対導電型領域にある量子井戸層を、それらの間の真
性領域の量子井戸層に対して段違いに形成している。こ
のため、真性領域における量子井戸層は、その両横方向
にある第一のクラッド層又は空気よりも屈折率が高くな
り、この結果、その中に光が閉じ込められ、導電型領域
に量子井戸層が存在しても横モード制御が容易になる。

【０１０４】しかも、入射波長に対する光吸収係数の変
化を調べると、エキシトンピーク波長よりも長波長の光
では吸収率が少なく、しかも、電圧印加時と無電圧時で
屈折率の変化が大きい波長が存在するので、この屈折率
の変化を利用して位相変調を行えば、光損失の小さい位
相変調器を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例装置を示す断面図及びその
屈折率分布図である。

【図２】本発明の第２実施例装置を示す断面図、その屈
折率分布図、位相変調を示す波形図である。

【図３】本発明の第２実施例装置の形成工程を示す断面
図（その１）である。

【図４】本発明の第２実施例装置の形成工程を示す断面
図（その２）である。

【図５】本発明の第３実施例装置を示す断面図及びその
屈折率分布図である。

【図６】本発明の第３実施例装置の形成工程を示す断面
図（その１）である。

【図７】本発明の第３実施例装置の形成工程を示す断面
図（その２）である

【図８】本発明の第４実施例装置の形成工程を示す断面
図である。

【図９】本発明の第５実施例装置の形成工程を示す斜視
図である。

【図１０】エキシトンを利用したＭＱＷ層の波長・屈折
率の関係を示す特性図、及び波長・光吸収係数の関係を
示す特性図である。

【図１１】従来装置の一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１、２１、４１半絶縁性基板２、４、２３、２５、４２、４４クラッド層３、２４、４３ＭＱＷ層５、２７、４６ｎ型領域８、９、２８、４７ｐ型領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半絶縁性基板（１）の上に積層された第一
のクラッド層（２）と、前記第一のクラッド層（２）の上に形成された量子井戸
層（３）と、前記量子井戸層（３）の上に積層された第二のクラッド
層（４）と、前記第二のクラッド層（４）表面から第一のクラッド層
（２）に到る深さに形成された一導電型領域（５）と、前記一導電型領域（５）の両側に真性領域をおいて形成
され、かつ前記第一のクラッド層（４）表面から第二の
クラッド層（２）に到る深さの反対導電型領域（８，
９）と、前記一導電型領域（５）と前記反対導電型領域（８，
９）の間に逆バイアス電圧を印加可能な電源とを有する
ことを特徴とする光変調装置。
【請求項２】請求項１の構造において一導電型領域
（５）と反対導電型領域（８）とその間に挟まれた真性
領域ならびに、一導電型領域（５）と反対導電型領域
（９）とその間に挟まれた真性領域それぞれに形成され
るｐｉｎ接合に対して逆バイアス電圧を印加することに
より一導電型領域（５）とその両側に接する真性領域と
の間の屈折率差を制御することによって、一導電型領域
（５）を導波する量子井戸のエキシトン吸収波長より長
波長の光の導波部への閉じ込めを制御することによって
光変調をおこなうことを特徴とする光変調装置。
【請求項３】半絶縁性基板（21，41）の上に積層され、
かつ上部に凹状の溝（22）又はメサトライプ状の突起
（40）が形成された第一のクラッド層（23，42）と、前記第一のクラッド層（23，42）の上に積層された量子
井戸層（24，43）と、前記量子井戸層（24，43）の上に形成された第二のクラ
ッド層（25，44）と、前記溝（22）又は前記突起（40）の一側にある前記第二
のクラッド層（25，44）表層から第一のクラッド層（2
3，42）に到る部分に形成された一導電型領域（27，4
6）と、前記溝（22）又は前記突起（40）の他側にある前記第二
のクラッド層（25，44）表層から第一のクラッド層（2
3，42）に到る深さに形成された反対導電型領域（28，4
7）と、前記一導電型領域（27，46）と前記反対導電型領域（2
8，47）の間に逆バイアス電圧を印加可能な電源とを有
することを特徴とする光変調装置。
【請求項４】請求項２の構造において前記溝（22）また
は、突起（40）の真性領域にある量子井戸層部を光導波
路とし、該真性領域とこれを挟む前記一導電型領域（2
7，46）と前記反対導電型領域（28，47）とでつくられ
るｐｉｎ接合に逆バイアス電圧を印加することによって
量子井戸のエキシトン吸収付近に対応する波長の光に対
して光強度変調をおこなうことを特徴とする光変調装
置。
【請求項５】請求項２において前記ｐｉｎ接合に逆バイ
アス電圧を印加することによって量子井戸のエキシトン
吸収波長より長波長の光に対して光位相変調をおこなう
ことを特徴とする光変調装置。
【請求項６】半絶縁性基板上に凹状の溝（22）、または
メサストライプ状の突起（40）をもったクラッド層（2
3，42）を形成する工程、該クラッド層（23，42）上に
量子井戸層（24，43）を形成する工程、該量子井戸層
（24，43）上に第二のクラッド層（25，44）を形成する
工程、前記溝（22）または前記突起（40）の一側にある
前記第二のクラッド層（25，44）表層から第一のクラッ
ド層（23，42）に到る部分に一導電型領域を形成する工
程、前記溝（22）または前記突起（40）の他側にある前
記第二のクラッド層（25，44）表層から前記第一のクラ
ッド層（23，42）に到る部分に反対導電型領域を形成す
る工程、前記一導電型領域ならびに前記反対導電型領域
上に電極を形成する工程を少なくとも含む光変調装置の
製造方法。