CN101910913A - 半导体光调制器和光调制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的半导体光调制器具备：第一半导体光波导，具有包含以下部分的层叠构造：核心层；夹着上述核心层被分别配置在下部和上部的第一包层和第二包层；插入在上述第二包层和上述核心层之间的势垒层；第二半导体光波导，具有在上述第一半导体光波导的层叠构造中上述第二包层在n型半导体内在层叠方向上局部地贯通的p型半导体的层叠构造；与上述第一半导体光波导的上述第一包层连接的第一电极；电气地将上述第一半导体光波导的上述第二包层和上述第二半导体光波导的上述第二包层的p型半导体连接起来的第二电极。

Description

半导体光调制器和光调制装置
技术领域
本发明涉及在长波长频带中超高速地动作的半导体光调制器和利用它的光调制装置。
背景技术
在高密度波长多路复用光通信系统中使用的发射机通常采用组合激光二极管光源和外部调制器而产生光信号的方式。为了这种目的而使用的典型的外部调制器是用LiNbO3(以后简称为“LN”)波导制作的LN调制器。基于电光效应的折射率的调制是该动作的基本，除了单纯的光相位调制器以外，还有组装了马赫-策德尔干涉仪的光强度调制器等。
最近，在小型化方面比LN调制器更有利的半导体光调制器引人注目。它是以下这样的InP/InGaAsP光调制器等，即在半绝缘性的GaAs上配置肖特基电极，使用将其作为光电子波导的GaAs光调制器、pin异质结，在光的封闭的同时，向波导的核心部分有效地施加电压。
半导体光调制器具有小型的优点，但相反有驱动电压高的问题，作为避免该问题的构造，提出了将双方的InP包层设为n型，插入薄的p型半导体的层(p型的势垒层)作为用于抑制电子电流的势垒层的npin型的半导体光调制器构造(例如参考专利文献1)。该npin型不使用成为光损失的原因的p型的包层，因此，在可以使用比较长的波导，降低驱动电压的方面是优越的。另外，由于具有能够任意地最优设计耗损层厚度的自由度，而具有以下这样的特征：容易同时满足电气阻抗的匹配和电气速度/光速度的匹配，还有利于高速化。
对于npin型的半导体光调制器构造，已知上部的n型的包层的导电率比现有的pin型的p型的包层的导电率大。这例如是在一样构造的npin型中，沿着波导上部的阳极电极应该只向光的行进方向施加到波导的用于调制的电气信号通过n型的包层而泄漏到没有阳极电极的部分的波导上。另外，有时也向波导施加一定的DC偏压，还有时同样地向没有阳极电极的部分的波导施加DC偏压。该电气信号和DC偏压的泄漏对调制动作产生影响，因此，对npin型的半导体光调制器的构造，采取了分离为向波导施加电气信号、DC偏压的部分和不向波导施加它们的部分的波导电选方法。
图1表示该电选方法的一个例子。图1的npin型的半导体光调制器构造将波导24的从上部开始的层结构设为n-p-i-n的顺序，形成对上部的n型的第二包层27和p型的势垒层26的一部分进行了凹加工的电选沟(groove)29-1，而采取了波导电选的方法。
但是，采取了图1的npin型的半导体光调制器构造的波导电选的方法的电选虽然是完全的，但由于因波导的局部不均匀而产生光散射，所以有要消除光衍射损失的课题。
图2表示消除了该光衍射损失的波导电选的方法的例子。图2的nipn型的半导体光调制器构造将波导24的从上部开始的层结构设为n-i-p-n的顺序，通过p型搀杂物的离子注入、再生长法，而再形成到达n型的第一包层23的下面的局部p型区域29-2(例如参考专利文献2)。
图2的nipn型的半导体光调制器构造的波导24的从上部开始的层结构与图1的层结构相反。以下说明其理由。图3表示采取了图2所说明的波导电选的方法的情况下的npin型的半导体光调制器构造。在npin型中，局部p型区域29-3与p型的势垒层26接触，无法始终进行波导电选。
具体地说，在施加大的反方向的DC偏压，p型势垒层26耗尽了的状态下，能够进行波导电选。但是，在p型的势垒层26的全受体量大，反向的DC偏压为规定值以下的小的状态下，在p型势垒层26的一部分产生残留空穴的中性化，对于高频的电气信号，无法进行波导电选。即，即使对在上部存在阳极电极28的n型第二包层27和在上部不存在阳极电极28的n型第二包层27进行电选，高频的电气信号也经由p型势垒层26泄漏到上部不存在阳极电极28的部分的波导24。
另外，由于这样的电气上处于“浮动状态”的p型势垒层26的电位不稳定，所以暗电流依存于温度、偏压电压地变化，波导24的电场也变化。这对元件的长期可靠性也有很大影响。这样，在n型包层上形成p型区域的波导电选的方法在势垒层的一部分中性化的情况下也能够进行波导电选，因此需要设为将构造上下反转了的nipn型。
专利文献1：日本特开2005-099387号公报
专利文献2：日本特开2005-116644号公报
但是，nipn型的半导体光调制器构造存在制造上的课题。具体地说，在对nipn型的各半导体层进行外延生长时，由于残留在生长气氛中的p型搀杂物的影响，势垒层上的成为波导的i层的杂质背景浓度难以成为所要求的浓度(例如2×1015/cm3)以下。因此，在nipn型的半导体光调制器构造中，存在难以制造出对电气信号的输入具有良好的线性的半导体光调制器的课题。
发明内容
为了解决上述课题，本发明的目的在于：提供一种光衍射损失少，能够进行波导电选的npin型的半导体光调制器和利用它的光调制装置。
为了达到上述目的，本发明的半导体光调制器在上部的n型的包层内局部地形成与势垒层接触的p型半导体的区域。
具体地说，本发明的半导体光调制器具备：核心层；夹着上述核心层而分别配置在下部和上部，由带隙比上述核心层宽的n型半导体构成，折射率比上述核心层低的第一包层和第二包层；被插入到上述第二包层和上述核心层之间，具有包含形成对电子的电势壁垒的由p型半导体构成的势垒层的层叠构造，并且具有电光效应的第一半导体光波导；在光传输方向上与上述第一半导体光波导连接，具有在上述第一半导体光波导的层叠构造中上述第二包层具有在n型半导体内在层叠方向局部地贯通的p型半导体的层叠构造的第二半导体光波导；与上述第一半导体光波导的上述第一包层连接的第一电极；电气地将上述第一半导体光波导的上述第二包层和上述第二半导体光波导的上述第二包层的p型半导体连接起来的第二电极。
半导体光调制器由于不形成图1所说明的那样的沟，在第二半导体光波导的第二包层上形成p型半导体，所以能够防止光衍射损失。另外，能够通过第二包层的p型半导体固定npin型的结构中的势垒层部分的电位，能够抑制经由势垒层的DC偏压和电气信号的泄漏。因此，本发明能够提供一种光衍射损失少、能够进行波导电选的npin型的半导体光调制器和利用它的光调制装置。
本发明的半导体光调制器还具备形成上述第一半导体光波导和上述第二半导体光波导的衬底，上述第一半导体光波导的层叠构造和上述第二半导体光波导的层叠构造还可以包含：在上述第一包层与上述衬底之间的n型电极层；在上述第一包层和上述核心层之间杂质浓度比上述第一包层低的第一低浓度包层；在上述核心层和上述势垒层之间杂质浓度比上述势垒层低的第二低浓度包层。
通过用杂质浓度低的第一低浓度包层和第二低浓度包层夹着核心层，能够防止杂质从第一包层和第二包层向核心层扩散。
本发明的半导体光调制器的上述第二半导体光波导的上述第二包层也可以在光传输方向的两端具有上述p型半导体，多个上述第一半导体光波导和多个上述第二半导体光波导也可以在光传输方向交互连接。
第二半导体光波导的第二包层的结构是在2个位置的p型半导体之间夹着n型半导体，因此在第二包层的两端产生电容小的pn结。因此，能够防止高频的电气信号从第一半导体光波导向第二半导体光波导侧泄漏。
另外，本发明的光调制装置是将上述半导体光调制器组合为一对或多对的支路(arm)波导的马赫-策德尔干涉仪型的光调制装置。向作为支路波导的一对或多对相位调制器分别施加不同的电气信号，对左右的光信号进行合波，能够对输入光进行强度调制。
根据本发明，能够提供一种光衍射损失少、能够进行波导电选的npin型的半导体光调制器和利用它的光调制装置和利用它的光调制装置。
附图说明
图1是表示现有的npin型的半导体光调制器的构造的图。
图2是表示现有的nipn型的半导体光调制器的构造的图。
图3是表示现有的npin型的半导体光调制器的构造的图。
图4是表示本实施例的半导体光调制器的结构的图。(a)是上面图，(b)是正面图，(c)是侧面图。
图5是本实施例的光调制装置的概要结构图。
符号说明
21：阴极电极；22：n型电极层(n+-InP)；23：n型第一包层(n-InP)；24：波导；25：低浓度包层(ud-InP)；26：p型势垒层(p-InP)；27：n型第二包层(n-InP)；28：阳极电极；29-1：对第二包层27和p型势垒层26的一部分进行凹加工后的电选沟；29-2：将第二包层的一部分设为p型而能够进行电选的p型区域；29-3：即使将第二包层设为p型也不产生电选的情况下的p型区域；31：半导体衬底(i-InP)；32：n型电极层(n+-InP)；33：n型第一包层(n-InP)；34：有效地发挥电光效应的包含InGaAs/InGaAlAs多量子阱构造的核心层；35：第二低浓度包层(ud-InP)；36：p型势垒层(p-InP)；37：n型第二包层(n-InP)；38：p型半导体(p-InP)；39：第一半导体光波导；40、40-1、40-2：第一半导体光波导；41、41-1、41-2：第二半导体光波导；42、43、43-1、43-2：第二电极；44：第一电极；47：层叠构造；51、51-1、51-2：半导体光调制器；52-1～52-4：电选波导；53-1、53-2：多模干涉器；54-1～54-4：光输入输出波导；55-1、55-3：电气信号的输入端子；55-2、55-4：电气信号的输出端子；56-1～56-4：偏压端子；61：光支路电路；62：光合波电路
具体实施方式
参考附图，说明本发明的实施例。以下所说明的实施例是本发明的实施例，本发明并不限于以下的实施例。另外，在本说明书和附图中，符号相同的结构要素表示相互相同的要素。
(实施例1)
图4是表示本实施例的半导体光调制器的结构的图。图4(a)是上面图，图4(b)是正面图，图4(c)是侧面图。另外，在以下的说明中，在没有附加标号时，是对全部标号共通的说明。图4的半导体光调制器具备：第一半导体光波导39，由包含以下层的层叠构造47构成：核心层34、夹着核心层34被分别配置在上部和下部，由带隙(bandgap)比核心层34宽广的n型半导体构成，折射率比核心层34低的n型第一包层33和n型第二包层37、以及插入到n型第二包层37和核心层34之间，形成对电子的电势壁垒的由p型半导体构成的p型势垒层36，并且具有电光效应；第二半导体光波导41，在光传输方向上与第一半导体光波导39连接，由第一半导体光波导39的层叠构造47中的n型第二包层37具有在n型半导体内在层叠方向上局部地贯通的p型半导体38的层叠构造47构成；与第一半导体光波导39的n型第一包层33连接的第一电极44；电气地将第一半导体光波导39的n型第二包层37和第二半导体光波导41的n型第二包层37的p型半导体38连接起来的第二电极42和第二电极43。
图4的半导体光调制器还具备形成第一半导体光波导39和第二半导体光波导41的半导体衬底31，第一半导体光波导39的层叠构造47和第二半导体光波导41的层叠构造47还包含：n型第一包层33和半导体衬底31之间的n型电极层32；n型第一包层33和核心层34之间的杂质浓度比n型第一包层33低的第一低浓度包层；核心层34和p型势垒层36之间的杂质浓度比p型势垒层36低的第二低浓度包层35。另外，在图4中，没有图示出第一低浓度包层。
半导体衬底31是作为半绝缘性的半导体的InP衬底。n型电极层32是杂质浓度比n型第一包层33高的n型InP半导体的层。n型第一包层33是n型InP半导体的层。核心层34是由InGaAs薄膜和InGaAlAs薄膜形成多量子阱构造的层。第二低浓度包层35是杂质浓度比p型势垒层36低的p型的InP半导体的层。p型势垒层36是p型InP半导体的层。n型第二包层37是n型InP半导体的层。p型半导体38是局部地形成在n型第二包层37的n型InP半导体的层上的p型InP半导体。在此，n型第一包层33和n型第二包层37的折射率比核心层34的折射率小，使得能够在核心层34内传输光。另外，n型第一包层33和n型第二包层37的带隙比核心层34的阱层的带隙宽广。
图4的半导体光调制器的第二半导体光波导41的n型第二包层37在光传输方向的两端具有p型半导体38，第一半导体光波导40-1、第一半导体光波导39、第一半导体光波导40-2、第二半导体光波导41-1、第二半导体光波导41-2在光传输方向交互连接。
图4的半导体光调制器将第一半导体光波导39作为有源(active)波导，而该有源波导作为光调制部件而发挥功能。另外，图4的半导体光调制器将第二半导体光波导41-1和第二半导体光波导41-2作为连接波导而配置在第一半导体光波导39的两端，而该连接波导作为电气信号分离部件而发挥功能。进而，图4的半导体光调制器将第一半导体光波导40-1和第一半导体光波导40-2作为无源(passive)波导而配置在第二半导体光波导41-1和第二半导体光波导41-2的外侧。
第二电极42是与第一半导体光波导39的n型第二包层37和第二半导体光波导41的n型第二包层37的p型半导体38双方连接的电极。图4的第二电极42连接到与第一半导体光波导39最接近的第二半导体光波导41的n型第二包层37的p型半导体38上。第二电极43是与第一半导体光波导40的n型第二包层37和第二半导体光波导41的n型第二包层37的p型半导体38双方连接的电极。图4的第二电极43连接在与第一半导体光波导40最接近的第二半导体光波导41的n型第二包层37的p型半导体38上。第一电极44是与n型电极层32连接的电极。
为了制作图4的半导体光调制器，在半导体衬底31上使n型电极层32进行外延生长，在其上使包含在层叠构造47中的各半导体层进行外延生长。然后，通过离子注入、选择性的外延再生长等方法，形成相当于p型半导体38的部分。接着，残留包含在层叠构造47中的各半导体层的一部分地进行蚀刻，形成台面形的波导。进而，在规定的位置上形成第二电极42、第二电极43和第一电极44。另外，为了进行台面表面的保护，也可以根据需要层叠钝化膜。另外，第一半导体光波导和第二半导体光波导是用于说明本发明的名字。第一半导体光波导和第二半导体光波导不是机械地连接，而如上述那样在同一衬底上同时形成各半导体层，因此，在第一半导体光波导和第二半导体光波导之间没有连接面。
为了使图4的半导体光调制器动作，首先，需要施加规定的DC偏压。对于第一电极44，如果向第二电极42施加负的DC偏压Vbias-A，则核心层34、第二低浓度包层35和p型势垒层36的一部分或全部耗尽，成为在核心层34感应出电压的正常的动作状态。在此，与p型势垒层36的一部分中性化还是完全耗尽无关地形成对电子的电势壁垒，因此，几乎抑制了从n型第二包层37的电子注入。在此，分别通过第二电极43-1和第二电极43-2向作为无源波导而发挥功能的第一半导体光波导40-1和第一半导体光波导40-2施加DC偏压Vbias-P1和DC偏压Vbias-P2。
第二电极42使第一半导体光波导39的n型第二包层37和第二半导体光波导41的n型第二包层37的p型半导体38成为同电位。第二电极42具有以下的作用：通过p型半导体38向p型势垒层36施加与第一半导体光波导39的n型第二包层37相同的电位。在p型势垒层36耗尽的情况下，不具有上述作用。但是，在p型势垒层36的一部分残留空穴而中性化的情况下，通过上述作用而使p型势垒层36成为固定电位，抑制了浮动状态的不稳定性。例如从第一半导体光波导40-1侧入射一定光强度的DC光。第一半导体光波导39的核心层34的折射率通过输入到第二电极42的电信号而变化，入射的DC光通过第一半导体光波导39而被调制，从第一半导体光波导40-2一侧作为光调制信号而出射。
本构造的第二半导体光波导41并不是将第一半导体光波导39的n型第二包层37和第一半导体光波导40的n型第二包层37完全地分离。在p型势垒层36残留空穴的状态下，在第一半导体光波导39的n型第二包层37和第一半导体光波导40的n型第二包层37之间发生导通。以下，将因该导通所产生的电流记载为“DC漏电流”。但是，由于p型势垒层36的电阻充分高，所以即使在第二电极42与第二电极43之间有电压差，实质上也能将因上述电压差所产生的DC漏电流抑制为对调制动作没有影响的范围内。另外，由于p型半导体38与其他n型半导体部分的pn结，而切断了第二半导体光波导41的n型第二包层37部分的光传输方向的耦合。
举例说明p型势垒层36的电阻。在p型势垒层36的残留空穴的层的厚度为200埃，空穴密度1×1018/cm3的情况下，p型势垒层36的膜电阻被计算为约3MΩ，如果高电阻线路的长度是50μm，则电阻值可以预计为100MΩ左右。即使在DC偏压Vbias-A与DC偏压Vbias-P1或DC偏压Vbias-P2之间有10V的电位差，DC漏电流也是小的0.1μA。因此，无论DC偏压Vbias-P1和DC偏压Vbias-P2与DC偏压Vbias-A是相同的值还是不同的值，通过调整DC偏压Vbias-P1和DC偏压Vbias-P2，都能使所输入的光信号产生一定的相位变化。
第二半导体光波导41的n型第二包层37的结构在2个位置的p型半导体38之间夹着n型半导体，因此，在n型第二包层37的两端产生电容小的pn结。因此，能够防止高频的电信号从第二电极42向第二半导体光波导41侧泄漏。另外，在第二半导体光波导41的p型势垒层36残留了空穴的状态下也一样。这是因为：夹在第二半导体光波导41的2个位置的p型半导体38之间的n型半导体部分是对于高频的电信号来说电阻充分高的高电阻线路，高频的电信号的传输停留在第二半导体光波导41的n型半导体的部分。在1kHz左右以上的频带中，高频的电信号的衰减大，信号的传输距离比第二半导体光波导41的长度短。第二半导体光波导41是与第一半导体光波导39对应的寄生线路，但由于是高电阻线路，所以从连接节点看的反射始终高，对光调制动作没有障碍。
如以上说明的那样，图4的半导体光调制器通过具备作为连接波导而发挥功能的第二半导体光波导的构造，能够使npin型的结构中的势垒层部分的电位固定，能够抑制经由势垒层而泄漏DC偏压和电信号。进而，在p型势垒层耗尽的高偏压状态下，对调制动作没有影响，能够使能够进行正常动作的DC偏压具有比现有技术宽的范围。
另外，本实施例的元件构造对形成半导体光波导的接合台面的表面状态的变化所伴随的暗电流的变化也没有影响，能够成为长期可靠性优越的半导体光调制器。
另外，在本实施例中，说明了将InP包层和InGaAs/InGaAlAs量子阱核心层用作半导体材料的例子，但基本上也可以是将InGaAlAs置换为InGaAsP的结构、组合了InGaAsP和InGaAlAs的结构，对半导体材料的种类没有限制。
(实施例2)
图5是本实施例的光调制装置的概要结构图。图5的光调制装置是将在实施例1中说明了的半导体光调制器作为支路波导的马赫-策德尔干涉仪型的光调制装置。图5的光调制装置具备半导体光调制器51、光支路回路61、光合波回路62。
半导体光调制器51是在实施例1中说明了的半导体光调制器。半导体光调制器51-1具有将用于调制的电信号输入到作为有源波导的第一半导体光波导的电信号的输入端子55-1和用于上述电信号的终端的电信号的输出端子55-2。半导体光调制器51-2也具有同样的电信号的输入端子55-3和电信号的输出端子55-4。另外，半导体光调制器51-1具有向作为无源波导的第一本体光波导施加DC偏压的偏压端子56-1和偏压端子56-2。半导体光调制器51-2也具有同样的偏压端子56-3和偏压端子56-4。
光支路回路61包含光输入波导54-1、光输入波导54-2、多模干涉器53-1、电选波导52-1和电选波导52-2。光输入波导54-1和光输入波导54-2是入射一定光强度的DC光的光波导。多模干涉器53-1将输入的DC光分支为2个，输出到电选波导52-1和电选波导52-2。
光合波回路62包含光输出波导54-3、光输出波导54-4、多模干涉器53-2、电选波导52-3和电选波导52-4。多模干涉器53-2经由电选波导52-3和电选波导52-4输入由半导体光调制器51-1和半导体光调制器51-2调制后的信号光，对输入的光进行合波，输出到光输出波导54-3和光输出波导54-4。
为了使图5的光调制装置动作，从光输入波导54-1或光输入波导54-2导入DC光，在多模干涉器53-1、多模干涉器53-2、偏压端子56-1向偏压端子56-4适当地施加DC偏压，从输入端子55-1和输入端子55-3施加调制信号。由多模干涉器53-1分支了的DC光被导入到2个半导体光波导，如实施例1所说明的那样，分别通过输入的电气信号进行相位调制。分别进行了相位调制后的光通过多模干涉器53-2的光合波被进行强度调制，从光输入输出波导54-3和光输入输出波导54-4输出。
通过利用实施例1的光半导体调制器，能够构成光损失少的MZ光调制装置。
在本实施例中，为单一的强度调制装置，但通过多段地连接该强度调制装置，还能够构成交叉连接形式的光开关。另外，组合该强度调制装置和实施例1所说明的相位调制器，能够构成功能比强度相位调制器等更高的调制装置。

Claims (4)

1.一种半导体光调制器，其特征在于包括：
第一半导体光波导，具有电光效应，具有包含以下部分的层叠构造：核心层；夹着上述核心层被分别配置在下部和上部，由带隙比上述核心层宽广的n型半导体构成，折射率比上述核心层低的第一包层和第二包层；插入在上述第二包层和上述核心层之间，由形成对电子的电势壁垒的p型半导体构成的势垒层；
第二半导体光波导，在光传输方向上与上述第一半导体光波导连接，具有在上述第一半导体光波导的层叠构造中上述第二包层具有在n型半导体内在层叠方向上局部地贯通的p型半导体的层叠构造；
与上述第一半导体光波导的上述第一包层连接的第一电极；
电气地将上述第一半导体光波导的上述第二包层和上述第二半导体光波导的上述第二包层的p型半导体连接起来的第二电极。
2.根据权利要求1所述的半导体光调制器，其特征在于：
还具备形成上述第一半导体光波导和上述第二半导体光波导的衬底，
上述第一半导体光波导的层叠构造和上述第二半导体光波导的层叠构造在上述第一包层和上述衬底之间还包含n型电极层，在上述第一包层和上述核心层之间还包含杂质浓度比上述第一包层低的第一低浓度包层，在上述核心层和上述势垒层之间还包含杂质浓度比上述势垒层低的第二低浓度包层。
3.根据权利要求1或2所述的半导体光调制器，其特征在于：
上述第二半导体光波导的上述第二包层在光传输方向的两端具有上述p型半导体，
多个上述第一半导体光波导和多个上述第二半导体光波导在光传输方向上交互连接。
4.一种马赫-策德尔干涉仪型的光调制装置，将权利要求1～3的任意一个记载的半导体光调制器组合成为一对或多对支路波导。
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