JP2016122066A - Semiconductor device for phase control of light propagating in semiconductor optical waveguide and method for the same - Google Patents

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宏泰 馬渡
Hiroyasu Motai
宏泰 馬渡
正樹 神徳
Masaki Kamitoku
正樹 神徳
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device achieving long term stability by suppressing the influence due to a variation with time of phase control characteristics at the time of element deterioration, and a method for the same.SOLUTION: A semiconductor device for phase control of light propagating in a semiconductor optical waveguide comprises: a semiconductor optical waveguide; a phase adjustment electrode for performing current injection to the semiconductor optical waveguide; a monitor PD part which receives natural emission light emitted from the semiconductor optical waveguide by the current injection and generates a light absorption current in proportion to the intensity of the received natural emission light; a light absorption current extraction part which extracts the light absorption current generated by the monitor PD part.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、電流注入によって半導体光導波路を伝搬する光の位相変化量を制御するための半導体装置及びその方法であって、より詳細は、素子劣化時の位相制御特性の経時変動を抑制し、長期安定性を実現するための半導体装置及びその方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a method thereof for controlling the amount of phase change of light propagating through a semiconductor optical waveguide by current injection, and more specifically, suppressing temporal variation of phase control characteristics at the time of element degradation, The present invention relates to a semiconductor device and a method for realizing long-term stability.

半導体光変調器は、近年の結晶成長技術や高精度加工技術の進展によって、光導波路としての特性が大きく向上したため、これまでのガラス材料をベースにした光変調器では困難であった高屈折率制御による小型化や低動作電圧化の開発が進展している。このうち、多様な光変調方式や今後の高速大容量化の推進に対応するため、従来の強度変調方式だけではなく、光の位相や偏波を用いた位相変調器が期待されている。   Semiconductor optical modulators have greatly improved the characteristics of optical waveguides due to recent advances in crystal growth technology and high-precision processing technology, so high refractive index, which has been difficult with conventional optical modulators based on glass materials. Development of miniaturization and low operating voltage by control is progressing. Among these, in order to cope with various light modulation schemes and future promotion of high speed and large capacity, not only conventional intensity modulation schemes but also phase modulators using the phase and polarization of light are expected.

このような位相変調器の例として、基本的なマッハツェンダー(Mach−Zehnder:MZ)型変調器の模式図を図1に示す。図1には、入力導波路1と、分岐部2と、第1及び第2のアーム導波路3及び4と、合波部5と、第1及び第2の出力導波路6及び7を備えたMZ型光変調器が示されている。図1に示すように、入力導波路1に入力された信号光を分岐部2で2分岐し、分岐後の信号光の位相を第1及び第2のアーム導波路3及び4でそれぞれ制御した後に各信号光を合波部5で合波することで、第1及び第2の出力導波路6及び7から強度変調光や位相変調光を得ることができる。   As an example of such a phase modulator, a schematic diagram of a basic Mach-Zehnder (MZ) type modulator is shown in FIG. 1 includes an input waveguide 1, a branching section 2, first and second arm waveguides 3 and 4, a combining section 5, and first and second output waveguides 6 and 7. An MZ type optical modulator is shown. As shown in FIG. 1, the signal light input to the input waveguide 1 is bifurcated by the branching unit 2, and the phase of the branched signal light is controlled by the first and second arm waveguides 3 and 4, respectively. Later, by combining each signal light by the multiplexing unit 5, intensity-modulated light and phase-modulated light can be obtained from the first and second output waveguides 6 and 7.

このような多機能の光位相変調器は、電気信号との相互作用を用いるための光導波路部分と、位相を調整するための光導波路部分と、光の合波分波器とで構成される。そのため、これらの機能部品を素子内に集積して作製することによって、素子の大型化やこれによる消費電力の増大という課題が生じる。光位相変調器を構成するこれらの光導波路部品は、その材料の屈折率差によって光を閉じ込めて導波させるため、屈折率差を大きくとることで小型化が可能になる。   Such a multi-function optical phase modulator includes an optical waveguide portion for using an interaction with an electric signal, an optical waveguide portion for adjusting the phase, and an optical multiplexing / demultiplexing device. . Therefore, when these functional components are integrated and manufactured in the element, there arises a problem that the element is enlarged and the power consumption is increased. Since these optical waveguide components constituting the optical phase modulator are guided by confining light by the refractive index difference of the material, it is possible to reduce the size by increasing the refractive index difference.

従来のガラス材料と比較して、半導体材料は広範囲な屈折率の設定が可能であるため、半導体材料による光導波路部品の作製が可能になることで、素子の大幅な小型化が期待されている(例えば、非特許文献1参照)。半導体で形成される導波路構造は、光が導波する中心となるコア層を屈折率の大きな材料で挟むことで形成される。このとき、挟む半導体層をp層とn層によって形成し、この両導電層に逆方向電界を印加することで、コア層であるi層に効率的に電界を印加することが可能になり、これにより、p層及びn層とi層との屈折率差を効率的に大きくすることができる。その結果、半導体材料を用いた場合ではガラス材料を用いた場合に比べて1/10程度の小型化が可能になる。   Compared to conventional glass materials, semiconductor materials can be set in a wide range of refractive indexes, so that it is possible to produce optical waveguide components using semiconductor materials. (For example, refer nonpatent literature 1). A waveguide structure formed of a semiconductor is formed by sandwiching a core layer, which is a center through which light is guided, with a material having a large refractive index. At this time, the sandwiched semiconductor layer is formed by the p layer and the n layer, and by applying a reverse electric field to both the conductive layers, an electric field can be efficiently applied to the i layer as the core layer, Thereby, the refractive index difference between the p layer, the n layer, and the i layer can be effectively increased. As a result, when a semiconductor material is used, the size can be reduced by about 1/10 compared to when a glass material is used.

Kikuchi 他、「80-Gb/s Low-Driving-Voltage InP DQPSK Modulator With an n-p-i-n Structure」、IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.21, NO.12, p.787-789, 2009年6月15日Kikuchi et al., “80-Gb / s Low-Driving-Voltage InP DQPSK Modulator With an n-p-i-n Structure”, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.21, NO.12, p.787-789, June 15, 2009

半導体pin構造の屈折率制御としては、前述の逆方向電界印加のほかに、pin接合構造に順方向電流を注入してp層及びn層のそれぞれから多数キャリアをi層に注入し、キャリアをi層に閉じ込めることで、この部分の屈折率を制御することも可能である。ここで制御される屈折率はi層に溜まったキャリアの密度によって決定され、キャリア密度はキャリア再結合寿命で決まるキャリア減少速度に基づく単位時間当たりのキャリア減少量と注入キャリア密度に基づく単位時間当たりのキャリア増加量との平衡状態で決まる値になる。   For the refractive index control of the semiconductor pin structure, in addition to applying the reverse electric field as described above, a forward current is injected into the pin junction structure to inject majority carriers from the p layer and the n layer into the i layer. It is also possible to control the refractive index of this portion by confining in the i layer. The refractive index controlled here is determined by the density of carriers accumulated in the i layer, and the carrier density per unit time based on the carrier decrease amount per unit time based on the carrier decrease rate determined by the carrier recombination lifetime and the injected carrier density. It becomes a value determined by an equilibrium state with the carrier increase amount.

半導体pin接合への注入キャリア密度は注入電流密度で決まるが、注入電流密度は制御可能であるのに対しキャリア再結合寿命で決まるキャリア減少速度の値は制御できない。そのため、キャリア減少速度が変動した場合、注入電流密度は一定でもキャリア密度に変動が生じることになり、屈折率に変動が生じるため、結果として屈折率で決まる位相変化量を長期にわたって安定に制御することが困難になる可能性がある。   The injected carrier density into the semiconductor pin junction is determined by the injected current density, but the injected current density is controllable, but the value of the carrier decrease rate determined by the carrier recombination lifetime cannot be controlled. Therefore, when the carrier decrease rate fluctuates, the carrier density fluctuates even if the injection current density is constant, and the refractive index fluctuates. As a result, the phase change amount determined by the refractive index is stably controlled over a long period of time. Can be difficult.

ここで、キャリア密度を反映する物理量を測定する方法を見出すことによって、当該測定値に基づいて屈折率を一定に制御することができれば、素子劣化時の位相制御特性の経時変動に関わらず、半導体素子の位相制御特性を長期にわたって安定に維持することが可能となる。   If the refractive index can be controlled to be constant based on the measured value by finding a method for measuring a physical quantity that reflects the carrier density, the semiconductor can be used regardless of the temporal variation of the phase control characteristics when the element deteriorates. It becomes possible to maintain the phase control characteristics of the element stably over a long period of time.

上記を鑑み、本発明は、素子劣化時の位相制御特性の経時変動による影響を抑制し、長期安定性を実現するための半導体装置及びその方法を提供することを目的とする。   In view of the above, it is an object of the present invention to provide a semiconductor device and a method thereof for suppressing long-term stability by suppressing the influence of temporal variation in phase control characteristics at the time of element degradation.

上記課題を解決するために、請求項1に記載の半導体装置は、半導体光導波路を伝搬する光の位相制御のための半導体装置であって、pn接合構造又はpin接合構造を有する半導体光導波路と、前記半導体光導波路に電流注入を行う位相調整電極と、前記電流注入により前記半導体光導波路から放出された自然放出光を受光して、当該受光した自然放出光の強度に比例した光吸収電流を生成するモニタPD部と、前記モニタPD部で生成された前記光吸収電流を取り出す光吸収電流取り出し部と、を備えたことを特徴とする。   In order to solve the above problem, a semiconductor device according to claim 1 is a semiconductor device for phase control of light propagating in a semiconductor optical waveguide, and includes a semiconductor optical waveguide having a pn junction structure or a pin junction structure; A phase adjusting electrode for injecting current into the semiconductor optical waveguide; and spontaneous emission light emitted from the semiconductor optical waveguide by the current injection; and a light absorption current proportional to the intensity of the received spontaneous emission light. A monitor PD unit to be generated and a light absorption current extraction unit that extracts the light absorption current generated by the monitor PD unit are provided.

請求項2に記載の半導体装置は、請求項1に記載の半導体装置であって、前記光吸収電流取り出し部で取り出された光吸収電流の値が所定の値となるように前記位相調整電極から注入される電流を制御する定電流回路部をさらに備えたことを特徴とする。   The semiconductor device according to claim 2 is the semiconductor device according to claim 1, wherein the value of the light absorption current extracted by the light absorption current extraction unit is set to a predetermined value from the phase adjustment electrode. A constant current circuit unit for controlling the injected current is further provided.

請求項3に記載の半導体装置は、請求項1又は2に記載の半導体装置であって、前記半導体装置は、マッハツェンダー型光変調器であることを特徴とする。   A semiconductor device according to a third aspect is the semiconductor device according to the first or second aspect, wherein the semiconductor device is a Mach-Zehnder optical modulator.

請求項4に記載の半導体装置は、請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置であって、前記モニタPD部は、前記半導体光導波路と同一の作製工程において作製されて前記半導体光導波路と同一の組成を有するか、又は前記半導体光導波路より光吸収端波長が長い組成を有することを特徴とする。   A semiconductor device according to a fourth aspect is the semiconductor device according to any one of the first to third aspects, wherein the monitor PD portion is manufactured in the same manufacturing process as the semiconductor optical waveguide. Or a composition having a light absorption edge wavelength longer than that of the semiconductor optical waveguide.

請求項5に記載の方法は、半導体装置において半導体光導波路を伝搬する光の位相制御のための方法であって、pn接合構造又はpin接合構造を有する半導体光導波路に位相調整電極から電流を注入するステップと、当該電流注入によって前記半導体光導波路から放出された自然放出光を受光して、当該受光した自然放出光の強度に比例した光吸収電流をモニタPD部において生成するステップと、前記モニタPD部で生成された前記光吸収電流を取り出すステップと、を含むことを特徴とする。   The method according to claim 5 is a method for phase control of light propagating in a semiconductor optical waveguide in a semiconductor device, and current is injected from a phase adjustment electrode into a semiconductor optical waveguide having a pn junction structure or a pin junction structure. Receiving spontaneous emission light emitted from the semiconductor optical waveguide by the current injection, generating a light absorption current proportional to the intensity of the received spontaneous emission light in the monitor PD unit, and the monitor And extracting the light absorption current generated in the PD unit.

請求項6に記載の方法は、請求項5に記載の方法であって、前記取り出された光吸収電流の値が所定の値となるように前記位相調整電極から注入される電流を制御するステップをさらに含むことを特徴とする。   The method according to claim 6 is the method according to claim 5, wherein the step of controlling the current injected from the phase adjustment electrode so that the value of the extracted light absorption current becomes a predetermined value. Is further included.

請求項7に記載の方法は、請求項5又は6に記載の方法であって、前記半導体装置は、マッハツェンダー型光変調器であることを特徴とする。   A method according to a seventh aspect is the method according to the fifth or sixth aspect, wherein the semiconductor device is a Mach-Zehnder optical modulator.

請求項8に記載の方法は、請求項5乃至7のいずれかに記載の方法であって、前記モニタPD部は、前記半導体光導波路と同一の作製工程において作製されて前記半導体光導波路と同一の組成を有するか、又は前記半導体光導波路より光吸収端波長が長い組成を有することを特徴とする。   The method according to claim 8 is the method according to any one of claims 5 to 7, wherein the monitor PD portion is manufactured in the same manufacturing process as the semiconductor optical waveguide and is the same as the semiconductor optical waveguide. Or a composition having a light absorption edge wavelength longer than that of the semiconductor optical waveguide.

本発明によると素子劣化時のキャリア再結合寿命が変動した場合でも、常に一定のキャリア密度に維持することが可能になり、長期にわたって安定な位相制御を容易に実現することができる。   According to the present invention, even when the carrier recombination lifetime at the time of device deterioration varies, it is possible to always maintain a constant carrier density, and it is possible to easily realize stable phase control over a long period of time.

MZ光変調器の模式図である。It is a schematic diagram of an MZ light modulator. 自然放出光スペクトルと注入電流との関係を例示する図である。It is a figure which illustrates the relationship between a spontaneous emission light spectrum and injection current. 本発明に係る半導体光導波路を伝搬する光の位相を制御するための装置を例示する図である。It is a figure which illustrates the apparatus for controlling the phase of the light which propagates the semiconductor optical waveguide concerning this invention. 本発明に係る、光吸収電流に基づいて注入電流を制御してキャリア密度を所定の値に制御するための装置構成を例示する図である。It is a figure which illustrates the apparatus structure for controlling an injection current based on the light absorption current, and controlling a carrier density to a predetermined value based on this invention. 本発明の実施例に係るMZ型光変調器を例示する図である。It is a figure which illustrates the MZ type | mold optical modulator which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るMZ型光変調器を例示する図である。It is a figure which illustrates the MZ type | mold optical modulator which concerns on the Example of this invention.

以下、本発明の原理を説明する。半導体素子の位相制御特性を長期にわたって安定に維持するためには、屈折率で決まる位相変化量を一定にすることが重要になる。ここで、屈折率はキャリア密度で決定されるため、このキャリア密度を直接計測することが可能となれば、キャリア再結合寿命の変動が生じた場合でも、注入電流密度を制御することによりキャリア密度を一定に保つことが可能となり、屈折率で決まる位相変化量を長期にわたって安定に制御することが可能となる。   Hereinafter, the principle of the present invention will be described. In order to maintain the phase control characteristics of the semiconductor element stably over a long period of time, it is important to make the amount of phase change determined by the refractive index constant. Here, since the refractive index is determined by the carrier density, if this carrier density can be directly measured, the carrier density can be controlled by controlling the injection current density even when the carrier recombination lifetime fluctuates. Can be kept constant, and the amount of phase change determined by the refractive index can be stably controlled over a long period of time.

キャリア密度に依存した特性として、自然放出光強度がある。自然放出とは、直接遷移型の半導体pn接合構造で常にキャリアが注入された状態において、注入キャリア密度に比例した強度で自然放出光が発光する現象である。   As a characteristic depending on the carrier density, there is spontaneous emission light intensity. Spontaneous emission is a phenomenon in which spontaneously emitted light is emitted with an intensity proportional to the injected carrier density in a state where carriers are always injected in a direct transition type semiconductor pn junction structure.

以下、自然放出について説明する。pn接合に順方向電流を流すと、p層側及びn層側からそれぞれ正孔および電子が注入されてpn接合界面あるいはpin接合構造のi層に流れ込み、電子と正孔が再結合してキャリアがエネルギーに変換される。キャリア再結合の際には、ある一定の割合で発光再結合が生じ、この時に発生する光の波長はバンドギャップエネルギーに対応した波長を中心として分布し、その強度はキャリア密度に比例する。   Hereinafter, spontaneous emission will be described. When a forward current is passed through the pn junction, holes and electrons are injected from the p layer side and the n layer side, respectively, and flow into the pn junction interface or the i layer of the pin junction structure. Is converted into energy. At the time of carrier recombination, light emission recombination occurs at a certain rate, and the wavelength of the light generated at this time is distributed centering on the wavelength corresponding to the band gap energy, and its intensity is proportional to the carrier density.

したがって、pin構造で形成された半導体光導波路を伝搬する光の位相を制御する際に、電流注入による屈折率制御を用いる場合、i層から発生した自然放出光の強度に基づいて所望の屈折率になっているかを検出することが可能になる。自然放出光スペクトルと注入電流との関係例を図2に示す。図2の201、202及び203は、各注入電流における波長に対する自然放出光の発光強度を示し、204は波長に対する信号光強度を示し、205はフォトダイオードにおける波長に対する光吸収感度を示す。図2の201、202及び203に示すように、電流値が大きくなるにつれて発光強度が大きくなる。また、図2の205に示されるように波長1400nm以降で光吸収感度が激減しており、自然放出光は吸収されるが、信号光は透過される。そのため、信号光に影響を与えずにモニタすることができる。   Therefore, when the refractive index control by current injection is used to control the phase of light propagating through the semiconductor optical waveguide formed with the pin structure, the desired refractive index is based on the intensity of spontaneous emission light generated from the i layer. It becomes possible to detect whether or not. An example of the relationship between the spontaneous emission spectrum and the injection current is shown in FIG. 2, 201, 202, and 203 indicate the emission intensity of spontaneous emission light with respect to the wavelength at each injection current, 204 indicates the signal light intensity with respect to the wavelength, and 205 indicates the light absorption sensitivity with respect to the wavelength in the photodiode. As indicated by 201, 202 and 203 in FIG. 2, the emission intensity increases as the current value increases. Further, as indicated by 205 in FIG. 2, the light absorption sensitivity is drastically reduced after the wavelength of 1400 nm, and spontaneous emission light is absorbed, but signal light is transmitted. Therefore, it is possible to monitor without affecting the signal light.

図3は、本発明に係る半導体光導波路を伝搬する光の位相を制御するための装置構成を示す。図3には、半導体pn又はpin構造を有する半導体光導波路101と、半導体光導波路101の位相制御領域に電流を注入する位相制御電極102と、位相制御電極102による電流注入により半導体光導波路101から放出された自然放出光に比例した光吸収電流を生成するモニタフォトダイオード(PD)部103と、モニタPD部103で生成された光吸収電流を取り出す光吸収電流取り出し部104と、を備えた半導体装置100が示されている。   FIG. 3 shows an apparatus configuration for controlling the phase of light propagating through the semiconductor optical waveguide according to the present invention. FIG. 3 shows a semiconductor optical waveguide 101 having a semiconductor pn or pin structure, a phase control electrode 102 for injecting current into the phase control region of the semiconductor optical waveguide 101, and the semiconductor optical waveguide 101 by current injection by the phase control electrode 102. A semiconductor comprising a monitor photodiode (PD) unit 103 that generates a light absorption current proportional to the emitted spontaneous emission light, and a light absorption current extraction unit 104 that extracts the light absorption current generated by the monitor PD unit 103 An apparatus 100 is shown.

モニタPD部103は、特定波長の光を検出することが可能な半導体pnあるいはpin構造を形成することによって作製される。モニタPD部103を構成する半導体層構造は、半導体光導波路101を形成する半導体構造と全く同じ層構造でも実現可能である。この場合、一様に形成される半導体エピタキシャル層から半導体光導波路101をエッチングによって形成する際に、同時にモニタPD部103となる領域を形成することで、チップ作製工程は全く変えずに実現可能である。   The monitor PD unit 103 is manufactured by forming a semiconductor pn or pin structure capable of detecting light of a specific wavelength. The semiconductor layer structure constituting the monitor PD unit 103 can be realized by the same layer structure as the semiconductor structure forming the semiconductor optical waveguide 101. In this case, when the semiconductor optical waveguide 101 is formed by etching from the uniformly formed semiconductor epitaxial layer, a region that becomes the monitor PD portion 103 is formed at the same time, so that the chip manufacturing process can be realized without any change. is there.

光吸収電流取り出し部104は、例えばモニタPD部103で生成された光吸収電流を取り出すための電極を形成することによって作製することができる。この場合、光吸収電流取り出し部104も同様に、位相制御電極102を形成する構造及び工程と全く同じ構造及び工程で実現可能である。   The light absorption current extraction unit 104 can be manufactured, for example, by forming an electrode for extracting the light absorption current generated by the monitor PD unit 103. In this case, the light absorption current extraction unit 104 can also be realized with the same structure and process as the phase control electrode 102 is formed.

このようにして形成されたモニタPD部103及び光吸収電流取り出し部104を用いて、半導体光導波路101から放出された自然放出光の強度に比例した光吸収電流の値を所定の値に保持するように位相制御電極102から半導体光導波路101への注入電流を制御すれば、キャリア密度を所定の値に保持していることと等価となるため、位相変化量を一定に保持することが可能になる。   Using the monitor PD unit 103 and the light absorption current extraction unit 104 thus formed, the value of the light absorption current proportional to the intensity of the spontaneous emission light emitted from the semiconductor optical waveguide 101 is held at a predetermined value. In this way, controlling the injection current from the phase control electrode 102 to the semiconductor optical waveguide 101 is equivalent to maintaining the carrier density at a predetermined value, so that the amount of phase change can be kept constant. Become.

図4に、取り出された光吸収電流に基づいて注入電流を制御してキャリア密度を所定の値に制御するための装置構成を示す。図4には、半導体光導波路101と、位相制御電極102と、モニタPD部103と、光吸収電流取り出し部104と、定電流回路105とを備えた半導体装置200が示されている。   FIG. 4 shows an apparatus configuration for controlling the injection current based on the extracted light absorption current to control the carrier density to a predetermined value. FIG. 4 shows a semiconductor device 200 including a semiconductor optical waveguide 101, a phase control electrode 102, a monitor PD unit 103, a light absorption current extraction unit 104, and a constant current circuit 105.

定電流回路105は、光吸収電流取り出し部104によって取り出された光吸収電流に基づいて、キャリア密度が所定の値となるように位相調整電極102によって半導体光導波路101に印加される電流を制御する。   The constant current circuit 105 controls the current applied to the semiconductor optical waveguide 101 by the phase adjustment electrode 102 so that the carrier density becomes a predetermined value based on the light absorption current extracted by the light absorption current extraction unit 104. .

(実施例)
以下に、本発明の実施例を示す。ここで、下記の実施例ではMZ型光変調器を例示しているが、これに限定されず、半導体光導波路を伝搬する光の位相制御を行う構成であれば本発明を適用可能である。
(Example)
Examples of the present invention are shown below. Here, in the following embodiment, an MZ type optical modulator is exemplified, but the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to any configuration that performs phase control of light propagating through a semiconductor optical waveguide.

図5を用いて、位相制御のために電流注入がなされる半導体光導波路の近傍に、半導体光導波路から発せられる自然放出光を検出するためのモニタPD部を設けた半導体位相変調器の実施例を説明する。図5は、本発明の実施例に係るMZ型光変調器の構成を例示する。図5には、入力導波路301と、分岐部302と、第1及び第2のアーム導波路303及び304と、合波部305と、第1及び第2の出力導波路306及び307を備えたMZ型光変調器300であって、第1のアーム導波路303を伝搬する光を変調するための第1の変調信号電極308と、第2のアーム導波路304を伝搬する光を変調するための第2の変調信号電極309と、第1のアーム導波路303を伝搬する光の位相を制御するための第1の位相調整電極310と、第2のアーム導波路304を伝搬する光の位相を制御するための第2の位相調整電極311と、第1のアーム導波路303から発せられた自然放出光を受光して自然放出光の強度に比例した第1の光吸収電流を出力する第1のモニタPD部312と、第2のアーム導波路304から発せられた自然放出光を受光して自然放出光の強度に比例した第2の光吸収電流を出力する第2のモニタPD部313と、第1のモニタPD部312から出力された光吸収電流を取り出す第1の光吸収電流取り出し部314と、第2のモニタPD部313から出力された光吸収電流を取り出す第2の光吸収電流取り出し部315と、を備えたMZ型光変調器300が示されている。   5 shows an embodiment of a semiconductor phase modulator in which a monitor PD section for detecting spontaneous emission light emitted from a semiconductor optical waveguide is provided in the vicinity of the semiconductor optical waveguide into which current is injected for phase control. Will be explained. FIG. 5 illustrates the configuration of an MZ type optical modulator according to an embodiment of the present invention. 5 includes an input waveguide 301, a branching section 302, first and second arm waveguides 303 and 304, a combining section 305, and first and second output waveguides 306 and 307. The MZ type optical modulator 300 modulates light propagating through the first arm waveguide 304 and the first modulation signal electrode 308 for modulating light propagating through the first arm waveguide 303. A second modulation signal electrode 309 for controlling the phase of light propagating through the first arm waveguide 303, and a phase of the light propagating through the second arm waveguide 304. The second phase adjusting electrode 311 for controlling the phase and the spontaneous emission light emitted from the first arm waveguide 303 are received and a first light absorption current proportional to the intensity of the spontaneous emission light is output. The first monitor PD unit 312 and the second A second monitor PD unit 313 that receives spontaneously emitted light emitted from the waveguide 304 and outputs a second light absorption current proportional to the intensity of the spontaneously emitted light, and is output from the first monitor PD unit 312. MZ type light provided with a first light absorption current extraction unit 314 for extracting the light absorption current and a second light absorption current extraction unit 315 for extracting the light absorption current output from the second monitor PD unit 313 A modulator 300 is shown.

図5に示すように、入力導波路301に入力された信号光を分岐部302で2分岐して第1及び第2のアーム導波路303及び304にそれぞれ出力し、第1及び第2のアーム導波路303及び304を伝搬する信号光をそれぞれ第1及び第2の変調信号電極308及び309で変調し、第1の位相調整電極310を用いて第1のアーム導波路303に電流を注入することによって第1のアーム導波路303を伝搬する信号光の位相を制御した後に各信号光を合波部305で合波することで、第1及び第2の出力導波路306及び307からそれぞれ出力光が出力される。第1の位相調整電極310での電流注入によって第1のアーム導波路303で自然放出光が発生し、当該自然放出光は第1のモニタPD部312で受光されて自然放出光の強度に比例した光吸収電流が生成される。第1の光吸収電流取り出し部314は、第1のモニタPD部312で生成された光吸収電流を取り出すことができる。   As shown in FIG. 5, the signal light input to the input waveguide 301 is bifurcated by the branching section 302 and output to the first and second arm waveguides 303 and 304, respectively, and the first and second arms The signal light propagating through the waveguides 303 and 304 is modulated by the first and second modulation signal electrodes 308 and 309, respectively, and a current is injected into the first arm waveguide 303 using the first phase adjustment electrode 310. Thus, after controlling the phase of the signal light propagating through the first arm waveguide 303, the signal light is multiplexed by the multiplexing unit 305, thereby being output from the first and second output waveguides 306 and 307, respectively. Light is output. Spontaneously emitted light is generated in the first arm waveguide 303 due to current injection in the first phase adjustment electrode 310, and the spontaneously emitted light is received by the first monitor PD unit 312 and is proportional to the intensity of the spontaneously emitted light. Light absorption current is generated. The first light absorption current extraction unit 314 can extract the light absorption current generated by the first monitor PD unit 312.

ここで、上記では、第1のアーム導波路303に電流を注入して第1のアーム導波路303から発せられた自然放出光を第1のモニタPD部312で検出する構成例を示したが、第2のアーム導波路304に電流を注入して第2のアーム導波路304から発せられた自然放出光を第2のモニタPD部313で検出する構成としてもよいことは言うまでもない。以下でも同様とする。   Here, in the above description, a configuration example in which current is injected into the first arm waveguide 303 and the spontaneous emission light emitted from the first arm waveguide 303 is detected by the first monitor PD unit 312 is shown. Needless to say, the second monitor PD unit 313 may detect the spontaneous emission light emitted from the second arm waveguide 304 by injecting a current into the second arm waveguide 304. The same applies to the following.

以下、図5に示す本発明の実施例に係るMZ型光変調器300の作製過程を説明する。まず、半導体基板全面にpin層構造又はpn層構造をエピタキシャル成長させ、フォトリソグラフィによって光導波路状のマスクパターンを形成する。このマスクパターン形成時に、自然放出光検出用のPD領域状のマスクパターンも一緒に形成する。その後、反応性イオンエッチング等の方法を用いてマスクパターンに覆われていない部分を選択的にエッチング除去することによって、光導波路構造とPD構造を形成する。樹脂材料等で平坦化したのち、表面にフォトリソグラフィを用いて電極を形成する。ここでも電極マスクパターンにPD構造部分を含めることで、光変調器部分と同時に電極部分を形成することが可能である。特に、フォトダイオードを光導波路と同じ層構成とすれば同一の基板上に一括で作製することができ、それにより結晶成長工程が省くことができるとともに、フォトダイオード部分が光導波路部分と同じ半導体層構造を持つことになるため、光導波路部分から発せられる自然放出光を受光することができる。ここで、光導波路部分から発せられる自然放出光を受光するためには、フォトダイオード部分が光導波路部分と同じ組成でなくとも、フォトダイオード部分が光導波路部分よりも光吸収端波長が長い組成であればよい。   Hereinafter, a manufacturing process of the MZ type optical modulator 300 according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 5 will be described. First, a pin layer structure or a pn layer structure is epitaxially grown on the entire surface of the semiconductor substrate, and an optical waveguide mask pattern is formed by photolithography. When this mask pattern is formed, a mask pattern in the form of a PD region for spontaneous emission detection is also formed. Thereafter, the optical waveguide structure and the PD structure are formed by selectively etching away portions not covered with the mask pattern using a method such as reactive ion etching. After planarization with a resin material or the like, an electrode is formed on the surface using photolithography. Again, by including the PD structure portion in the electrode mask pattern, the electrode portion can be formed simultaneously with the optical modulator portion. In particular, if the photodiode has the same layer configuration as that of the optical waveguide, it can be manufactured on the same substrate in a lump so that the crystal growth process can be omitted and the photodiode portion is the same semiconductor layer as the optical waveguide portion. Since it has a structure, spontaneous emission light emitted from the optical waveguide portion can be received. Here, in order to receive spontaneous emission light emitted from the optical waveguide part, the photodiode part has a longer light absorption edge wavelength than the optical waveguide part, even though the photodiode part does not have the same composition as the optical waveguide part. I just need it.

なお、フォトダイオード領域への入力成分として信号光の漏えい成分等がある場合も考えられるが、信号光の波長は半導体での吸収損失を極力低減するため、半導体組成の吸収端波長は信号光より短く設定される。したがって、フォトダイオード領域への信号光の漏れ成分等による吸収は生じない。   Although there may be signal light leakage components as an input component to the photodiode region, the wavelength of the signal light reduces the absorption loss in the semiconductor as much as possible. Set short. Therefore, absorption due to leakage components of signal light to the photodiode region does not occur.

また、通常2本の干渉系光導波路を形成するため2つのフォトダイオードも並ぶことになるが、同じ干渉系での位相調整領域への電流注入は片側一方の光導波路にしか行わないため、他方の光導波路から自然放出光は発せられず、一方の側に設けられた光導波路から発せられた自然放出光が他方の側に設けられたフォトダイオードに混入することはない。   In addition, two photodiodes are usually arranged to form two interference optical waveguides, but current injection into the phase adjustment region in the same interference system is performed only on one optical waveguide, so the other Spontaneously emitted light is not emitted from this optical waveguide, and spontaneously emitted light emitted from the optical waveguide provided on one side is not mixed into the photodiode provided on the other side.

さらに、複数のMZ光変調器が集積化された多値変調や偏波多重の光変調器では、複数の自然放出光発生源から同時に光が発せられることになるが、MZ光変調器では自然放出光をモニタするためのモニタPD部が位相制御電極の直近に形成されて自然放出光を吸収するため、そのさらに先に形成される隣接するMZ光変調器のモニタPD部に影響を与えることはない。その反対側へ放出される自然放出光は、電流注入を行わない側の位相調整電極とこれに隣接するモニタPD部が形成されているため、反対側のモニタPD部で吸収されることで、他のMZ光変調器へ影響を与えることはない。   Furthermore, in a multilevel modulation or polarization multiplexing optical modulator in which a plurality of MZ optical modulators are integrated, light is emitted simultaneously from a plurality of spontaneous emission light generation sources. Since the monitor PD section for monitoring the emitted light is formed in the immediate vicinity of the phase control electrode and absorbs the spontaneous emission light, it affects the monitor PD section of the adjacent MZ light modulator formed further ahead. There is no. The spontaneous emission light emitted to the opposite side is absorbed by the opposite monitor PD part because the phase adjustment electrode on the side where current injection is not performed and the monitor PD part adjacent thereto are formed. It does not affect other MZ light modulators.

このようにして、本実施例では、自然放出光強度を測定することによりキャリア密度を直接計測することが可能になる。   Thus, in this embodiment, it is possible to directly measure the carrier density by measuring the spontaneous emission light intensity.

図6を用いて、光導波路の近傍にモニタPD部を備えた半導体位相変調器において、動作点を長期にわたって安定に制御する方法を以下に示す。図6には、図5で示した構成において、第1及び第2の位相調整電極310及び311と第1及び第2のモニタPD部312及び313とに接続された定電流回路316をさらに備えたMZ型光変調回路350が示されている。   A method for stably controlling the operating point over a long period of time in a semiconductor phase modulator having a monitor PD section in the vicinity of the optical waveguide will be described below with reference to FIG. 6 further includes a constant current circuit 316 connected to the first and second phase adjustment electrodes 310 and 311 and the first and second monitor PD units 312 and 313 in the configuration shown in FIG. An MZ type optical modulation circuit 350 is shown.

定電流回路316は、第1のモニタPD部312から第1の光吸収電流取り出し部314を介して取り出された光吸収電流を受け取り、受け取った光吸収電流が所定の値となるように第1の位相調整電極310における注入電流を制御することができる。   The constant current circuit 316 receives the light absorption current extracted from the first monitor PD unit 312 via the first light absorption current extraction unit 314, and performs the first operation so that the received light absorption current becomes a predetermined value. The injection current in the phase adjustment electrode 310 can be controlled.

第1のモニタPD部312によって検知される自然放出光の強度は、第1のモニタPD部312から出力される光吸収電流に基づいて検知される。この値は、自然放出光を発している電流注入領域のキャリア密度を反映している。したがって、第1のモニタPD部312から出力された光吸収電流を所定の値に保持するように、電流注入領域への電流値を制御することによって、キャリア密度を所定の値に保持することが可能になる。   The intensity of the spontaneous emission light detected by the first monitor PD unit 312 is detected based on the light absorption current output from the first monitor PD unit 312. This value reflects the carrier density of the current injection region emitting spontaneous emission light. Therefore, the carrier density can be held at a predetermined value by controlling the current value to the current injection region so that the light absorption current output from the first monitor PD unit 312 is held at a predetermined value. It becomes possible.

自然放出光の波長は、バンドギャップ波長に一致した値になるため、信号伝搬光に比べて短いものとなる。したがって、信号伝搬光そのものの漏れ光や散乱光が、モニタPDに検知されることはほとんどない。   Since the wavelength of the spontaneous emission light is a value that matches the band gap wavelength, it is shorter than the signal propagation light. Therefore, leak light or scattered light of the signal propagation light itself is hardly detected by the monitor PD.

ここで、図6では、定電流回路316が第1及び第2の位相調整電極310及び311と第1及び第2のモニタPD部312及び313とに接続された構成を例示したが、位相を制御する側の位相制御電極及び光吸収電流取り出し部のみに接続されている構成としてもよい。   Here, FIG. 6 illustrates a configuration in which the constant current circuit 316 is connected to the first and second phase adjustment electrodes 310 and 311 and the first and second monitor PD units 312 and 313. It is good also as a structure connected only to the phase control electrode and light absorption current extraction part of the side to control.

また、本実施例では、2つの光導波路の両側にモニタPD部を設けた構成としているが、一方の光導波路側だけにモニタPD部を設ける構成としてもよい。   In this embodiment, the monitor PD units are provided on both sides of the two optical waveguides. However, the monitor PD unit may be provided only on one optical waveguide side.

以上のように、光導波路の位相制御領域の近傍にモニタPD部を形成することで、この部分で位相制御領域から発せられる自然放出光強度をモニタし、自然放出光強度を一定に保持するための定電流回路を用いて位相制御領域への電流注入の制御を行うことで、素子劣化時のキャリア再結合寿命が変動した場合でも、常に一定のキャリア密度に維持することが可能になり、長期にわたって安定な位相制御を容易に実現することができる。   As described above, by forming the monitor PD portion in the vicinity of the phase control region of the optical waveguide, the intensity of spontaneous emission light emitted from the phase control region is monitored in this portion, and the intensity of spontaneous emission light is kept constant. By controlling the current injection into the phase control region using the constant current circuit, it is possible to always maintain a constant carrier density even when the carrier recombination lifetime fluctuates when the element deteriorates. Thus, stable phase control can be easily realized.

入力導波路 1、301
分岐部 2、302
アーム導波路 3、4、303、304
合波部 5、305
出力導波路 6、7、306、307
半導体装置 100、200
半導体光導波路 101
位相制御電極 102、310、311
モニタPD部 103、312、313
光吸収電流取り出し部 104、314、315
定電流回路 105、316
MZ型光変調器 300、350
変調信号電極 308、309
Input waveguide 1, 301
Branch part 2,302
Arm waveguide 3, 4, 303, 304
Multiplexing unit 5,305
Output waveguide 6, 7, 306, 307
Semiconductor device 100, 200
Semiconductor optical waveguide 101
Phase control electrode 102, 310, 311
Monitor PD 103, 312, 313
Light absorption current extraction unit 104, 314, 315
Constant current circuit 105, 316
MZ type optical modulator 300, 350
Modulation signal electrode 308, 309

Claims (8)

半導体光導波路を伝搬する光の位相制御のための半導体装置であって、
pn接合構造又はpin接合構造を有する半導体光導波路と、
前記半導体光導波路に電流注入を行う位相調整電極と、
前記電流注入により前記半導体光導波路から放出された自然放出光を受光して、当該受光した自然放出光の強度に比例した光吸収電流を生成するモニタPD部と、
前記モニタPD部で生成された前記光吸収電流を取り出す光吸収電流取り出し部と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device for phase control of light propagating in a semiconductor optical waveguide,
a semiconductor optical waveguide having a pn junction structure or a pin junction structure;
A phase adjusting electrode for injecting current into the semiconductor optical waveguide;
A monitor PD unit that receives spontaneously emitted light emitted from the semiconductor optical waveguide by the current injection and generates a light absorption current proportional to the intensity of the received spontaneously emitted light;
A light absorption current extraction unit for extracting the light absorption current generated by the monitor PD unit;
A semiconductor device comprising:
前記光吸収電流取り出し部で取り出された光吸収電流の値が所定の値となるように前記位相調整電極から注入される電流を制御する定電流回路部をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The constant current circuit unit for controlling the current injected from the phase adjustment electrode so that the value of the light absorption current extracted by the light absorption current extraction unit becomes a predetermined value. 2. The semiconductor device according to 1. 前記半導体装置は、マッハツェンダー型光変調器であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a Mach-Zehnder optical modulator. 前記モニタPD部は、前記半導体光導波路と同一の作製工程において作製されて前記半導体光導波路と同一の組成を有するか、又は前記半導体光導波路より光吸収端波長が長い組成を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。   The monitor PD unit is manufactured in the same manufacturing process as the semiconductor optical waveguide and has the same composition as the semiconductor optical waveguide, or has a composition having a light absorption edge wavelength longer than that of the semiconductor optical waveguide. The semiconductor device according to claim 1. 半導体装置において半導体光導波路を伝搬する光の位相制御のための方法であって、
pn接合構造又はpin接合構造を有する半導体光導波路に位相調整電極から電流を注入するステップと、
当該電流注入によって前記半導体光導波路から放出された自然放出光を受光して、当該受光した自然放出光の強度に比例した光吸収電流をモニタPD部において生成するステップと、
前記モニタPD部で生成された前記光吸収電流を取り出すステップと、
を含むことを特徴とする方法。
A method for phase control of light propagating in a semiconductor optical waveguide in a semiconductor device,
injecting a current from a phase adjustment electrode into a semiconductor optical waveguide having a pn junction structure or a pin junction structure;
Receiving spontaneous emission light emitted from the semiconductor optical waveguide by the current injection, and generating a light absorption current proportional to the intensity of the received spontaneous emission light in the monitor PD unit;
Extracting the light absorption current generated by the monitor PD unit;
A method comprising the steps of:
前記取り出された光吸収電流の値が所定の値となるように前記位相調整電極から注入される電流を制御するステップをさらに含むことを特徴とする請求項5に記載の方法。   The method according to claim 5, further comprising controlling a current injected from the phase adjustment electrode so that a value of the extracted light absorption current becomes a predetermined value. 前記半導体装置は、マッハツェンダー型光変調器であることを特徴とする請求項5又は6に記載の方法。   The method according to claim 5, wherein the semiconductor device is a Mach-Zehnder optical modulator. 前記モニタPD部は、前記半導体光導波路と同一の作製工程において作製されて前記半導体光導波路と同一の組成を有するか、又は前記半導体光導波路より光吸収端波長が長い組成を有することを特徴とする請求項5乃至7のいずれかに記載の方法。   The monitor PD unit is manufactured in the same manufacturing process as the semiconductor optical waveguide and has the same composition as the semiconductor optical waveguide, or has a composition having a light absorption edge wavelength longer than that of the semiconductor optical waveguide. The method according to any one of claims 5 to 7.
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