CN111758065A - 光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明使得在使用由基于InP的半导体构成的芯的光调制器中能够更容易地提高调制效率。根据本发明的光调制器设置有：下包层(102)，形成在衬底(101)上；芯(103)，形成在下包层(102)上；以及上包层(104)，形成在芯(103)上。芯(103)由带隙与期望波长相对应的基于InP的半导体构成。下包层(102)和上包层(104)被配置为折射率等于或小于InP的折射率。
Description
技术领域
本发明涉及使用由基于InP的半导体制成的芯的光调制器。
背景技术
光调制器是大容量光通信的关键设备。在光调制器中，进行光调制的部分(诸如，芯)由诸如铌酸锂(LiNbO3)、基于InP的材料和硅(Si)之类的各种材料制成。在它们之中，基于InP的材料可以通过F-K(Franz-Keldysh)效应、普克尔斯(Pockels)效应、QCSE(量子限制Stark效应)效应、载流子等离子体效应、能带填充效应等而具有较大的折射率变化，并且有望用作调制器材料。
例如，专利文献1描述了一种光调制器，该光调制器包括折射率控制区域，其中如图3中所示，由n型InGaAsP制成的折射率控制层302设置在由InP制成的n型包层301上，由InP制成的p型包层303设置在折射率控制层302上。专利文献1报道了通过向作为芯的折射率控制层302施加反向偏压，从而允许由于F-K效应、载流子等离子体效应和能带填充效应而进行的折射率调制。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开号2010-113084
发明内容
技术问题
在由基于InP的材料制成芯的上述光调制器中，需要增大光的电场分布与电荷耗尽区域重叠的部分，以便提高调制效率。为此目的，重要的是增大芯与包层之间的折射率差，从而增加光限制。然而，在常规的光调制器中，与制成芯的InGaAsP相比，从上下将该层夹在中间的包层由诸如InP之类的基于InP的半导体制成。因此，它们之间的折射率差无法增加，存在不易增大光的电场分布与电荷耗尽区域重叠的部分以及不易提高调制效率的问题。
为了解决上述问题而做出了本发明，并且本发明的目的是使得能够更容易地提高使用由基于InP的半导体制成的芯的光调制器中的调制效率。
用于解决问题的手段
根据本发明的光调制器包括：下包层，形成在衬底上，折射率等于或小于InP的折射率；芯，形成在下包层上，由带隙与期望波长相对应的基于InP的半导体制成；上包层，形成在芯上，折射率等于或小于InP的折射率；以及电场施加装置，向芯施加电场。
在上述光调制器中，芯可以由InGaAsP制成。另外，下包层和上包层可以由氧化硅制成。
在上述光调制器中，电场施加装置包括第一导电类型的第一半导体层和第二导电类型的第二半导体层，第一半导体层和第二半导体层形成为：芯在与衬底的平面水平的方向上介于第一半导体层与第二半导体层之间。
在上述光调制器中，芯可以包括第一导电类型的第一芯和第二导电类型的第二芯。在这种情况下，可以以布置在与衬底的平面平行的方向上的状态形成第一芯和第二芯，或者可以以堆叠在下包层上的状态形成第一芯和第二芯。
在上述光调制器中，在芯的一侧上，第一半导体层可以被形成为仅与芯中的第一芯接触，并且在芯的另一侧，第二半导体层可以被形成为仅与芯中的第二芯接触。
发明效果
如上所述，根据本发明，由于折射率等于或小于InP的折射率的下包层和上包层设置在由基于InP的半导体制成的芯的上方和下方，因此能够在使用由基于InP的半导体制成的芯的光调制器中获得优异的效果，即，可以更容易地提高调制效率。
附图说明
图1A是示出了根据本发明实施例的光调制器的结构的截面图。
图1B是示出了根据本发明实施例的光调制器的另一结构的截面图。
图1C是示出了根据本发明实施例的光调制器的另一结构的截面图。
图1D是示出了根据本发明实施例的光调制器的另一结构的截面图。
图1E是示出了根据本发明实施例的光调制器的另一结构的截面图。
图1F是示出了根据本发明实施例的光调制器的另一结构的截面图。
图1G是示出了根据本发明实施例的光调制器的另一结构的截面图。
图1H是示出了根据本发明实施例的光调制器的另一结构的截面图。
图1I是示出了根据本发明实施例的光调制器的另一结构的截面图。
图2A是示意性示出了根据本发明实施例的光调制器的部分结构的俯视图。
图2B是示意性示出了根据本发明实施例的光调制器的部分结构的俯视图。
图3是示出了常规的光调制器的部分结构的截面图。
具体实施方式
在下文中，将参考图1A至图1I来描述根据本发明实施例的光调制器。注意，图1A至图1I示出了垂直于波导方向的横截面。
如图1A中所示，根据实施例的光调制器包括形成在衬底101上的下包层102、形成在下包层102上的芯103、以及形成在芯103上的上包层104。下包层102、芯103和上包层104构成光波导。例如，下包层102、芯103和上包层104可以构成满足单模条件的光波导。
下包层102和上包层104的折射率等于或小于InP的折射率。下包层102和上包层104由例如氧化硅制成。芯103由带隙与期望波长相对应的基于InP的半导体制成。芯103由例如InGaAsP制成。在这种情况下，要进行调制的光的波长在1.5μm的通信波长带中。衬底101可以是例如硅衬底。下包层102和上包层104可以由折射率比InP低的材料制成，并且不限于氧化硅。
光调制器包括第一导电类型的第一半导体层105和第二导电类型的第二半导体层106，第一半导体层105和第二半导体层106形成为：芯103在与衬底101的平面水平的方向上介于第一半导体层105与第二半导体层106之间。第一导电类型例如是n型，而第二导电类型例如是p型。第一电极107通过欧姆连接形成在第一半导体层105上，并且第二电极108通过欧姆连接形成在第二半导体层106上。
这些第一半导体层105、第二半导体层106、第一电极107和第二电极108构成针对芯103的电场施加装置。第一电极107和第二电极108被设置为在俯视图中与芯103不重叠。第一半导体层105和第二半导体层106具有比芯103小的折射率，并且还用作在与衬底101的平面平行的方向上将光限制在芯103中的包层。
芯103导入有n型或p型杂质，且具有导电类型。当通过上述电场施加装置对芯103施加电场时，芯103的一部分被耗尽且通过光波导传播(引导)的光的相位被调制。如上所述，由于每个电极被设置为在俯视图内与芯103不重叠，因此可以以减小电极对光的吸收的状态使芯103变薄，并且可以减小传播光模场直径。
根据上述实施例的光调制器，由于下包层102和上包层104由诸如氧化硅之类的折射率等于或小于InP的折射率的材料制成，因此与由基于InP的半导体制成的情况相比，向芯103的光限制变得更强。从而，可以增大芯103的传播光的电场分布与电荷耗尽区域重叠的部分，并且可以更容易地实现调制效率的提高。
在此，将简单地描述根据上述实施例的光调制器的制造方法。例如，制备由InP制成的生长衬底，并且通过已知的有机金属气相生长方法使由InGaAsP制成的生长层在生长衬底上外延生长。接下来，通过已知的光刻技术和蚀刻技术对生长的生长层进行构图，以形成芯103。接下来，通过在芯103的两侧的生长衬底上再次生长InP来形成第一半导体层105和第二半导体层106。
接下来，通过已知的接合技术将其上形成有下包层102的衬底101接合在形成在生长衬底上的芯103、第一半导体层105和第二半导体层106上。例如，可以通过利用诸如CVD(化学气相沉积)法之类的已知沉积方法沉积氧化硅，将下包层102形成在由硅制成的衬底101上。然后，通过去除生长衬底，从而获得以下状态：在衬底101上形成下包层102，并且在下包层102上形成芯103、第一半导体层105和第二半导体层106。
接下来，分别在第一半导体层105和第二半导体层106上形成第一电极107和第二电极108。之后，通过溅射法等分别在形成有第一电极107和第二电极108的第一半导体层105和第二半导体层106及芯103上沉积氧化硅来形成上包层104，并且得到根据上述实施例的光调制器。
如图1B所示，半导体层111和半导体层112可以设置在芯103上方和下方。半导体层111和半导体层112由例如InP制成。另外，第一电极107可以经由接触层113连接在第一半导体层105上。类似地，第二电极108可以经由接触层114连接在第二半导体层106上。接触层113和接触层114可以由例如InGaAs制成。可以通过以较高的浓度导入第一导电类型的杂质来形成接触层113，可以通过以较高的浓度导入第二导电类型的杂质来形成接触层114。
芯103可以具有例如多量子阱结构。注意，芯103可以处于未掺杂状态。
如图1C中所示，芯103可以包括第一导电类型的第一芯131和第二导电类型的第二芯132。在该示例中，以布置在与衬底101的平面平行的方向上的状态形成第一芯131和第二芯132。以该方式，通过由第一芯131和第二芯132形成芯103，光电场的峰值和p-n结(电荷耗尽区)彼此接近，它们重叠的部分增大，有望实现高调制效率。
当芯103由InGaAsP制成时，导入到要制成为例如p型的第二芯132中的受主具有较大的光吸收系数，而由于载流子等离子体效应引起的折射率变化量非常小。因此，最好使该受主的密度低于导入到要制成为n型的第一芯131中的施主的密度，以使第二芯132容易耗尽。
如图1D中所示，可以以堆叠在下包层102上的状态形成第一导电类型的第一芯133和第二导电类型的第二芯134。通过该结构，构成芯103的第一芯133和第二芯134这两个芯都被形成为与第一半导体层105和第二半导体层106接触。在该结构的情况下，也在与衬底101的平面垂直的方向上对芯103施加电场。由于通过芯103传播的光在垂直于衬底101的方向上的模直径较小，因此耗尽层在垂直方向上延伸的该结构使得光与耗尽区重叠的部分更大。
半导体层111和半导体层112可以导入有杂质，且具有导电类型。例如，半导体层111可以具有第一导电类型，并且半导体层112可以具有第二导电类型。当半导体层111和半导体层112由InP制成时，如图1E中所示，获得了包括第一导电类型的第一半导体层151和第二导电类型的第二半导体层161的结构，第一半导体层151和第二半导体层161形成为：芯103在与衬底101的平面水平和垂直的方向上介于第一半导体层151与第二半导体层161之间。
如图1F中所示，结构可以包括第一导电类型的第一半导体层152和第二导电类型的第二半导体层162，第一半导体层152和第二半导体层162形成为：芯103在与衬底101的平面水平的方向上介于第一半导体层152与第二半导体层162之间。第一半导体层152和第二半导体层162在芯103的两侧变薄。变薄的部分被上包层141掩埋。通过该结构，能够进一步提高向芯103的光限制，并且有望实现高调制效率。在这种情况下，第一半导体层152和第二半导体层162不需要具有包层的功能。
参考图1F所描述的结构被制成为如图1G中所示的结构，其中芯103的下表面被形成为与下包层102接触，并且上包层141被形成为与芯103的上表面接触。该结构是未设置图1F所示的半导体层111和半导体层112的状态。
如图1H中所示，在芯103的一侧，第一半导体层153可以被形成为仅与芯103中的第一芯133接触，而在芯103的另一侧，第二半导体层163可以被形成为仅与芯103中的第二芯134接触。第一半导体层153具有第一导电类型(例如，n型)，而第二半导体层163具有第二导电类型(例如，p型)。
在芯103的一侧，由半绝缘半导体制成的横向包层115被形成为与第二芯134接触。在芯103的另一侧，由半绝缘半导体制成的横向包层116被形成为与第一芯133接触。第一半导体层153、第二半导体层163、横向包层115和横向包层116可以由例如InP制成。例如，横向包层115和横向包层116可以由掺杂Fe而变得半绝缘的InP制成。
通过如上所述进行构成，在与衬底101垂直的方向上(在该方向上，通过芯103引导的光的电场分布与电荷耗尽区域重叠的部分较大)形成p-n结，并且在此处施加电场。另一方面，在与衬底101的平面水平的方向上(在该方向上，通过芯103引导的光的电场分布与电荷耗尽区域重叠的部分较小)未形成p-n结。结果是，可以减小寄生电容，这对于高速化是有利的。注意，横向包层115和横向包层116可以由诸如SiO2之类的绝缘体或空气制成。
如图1I中所示，第一导电类型的第一半导体层154和第二导电类型的第二半导体层164可以形成在下包层102上。
第一半导体层154在芯形成区域201中被形成为与下包层102分开。在与下包层102分开的区域中，由空气层形成的横向包层117设置在下包层102与第一半导体层154之间。另一方面，第二半导体层164在芯形成区域201中被形成为与上包层142分开。在芯形成区域201中与上包层142分开的区域中，第一半导体层154设置在第二半导体层164与上包层142之间。
在具有上述结构的光调制器中，在芯形成区域201中，第一半导体层154的一部分和第二半导体层164的一部分被堆叠，以形成芯103。芯形成区域201中的第一半导体层154成为第一导电类型的第一芯135，并且芯形成区域201中的第二半导体层164成为第二导电类型的第二芯136。
如参考图1D、图1H和图1I所描述的，当由InGaAsP制成的芯103由第一导电类型的部分和第二导电类型的部分组成且这些部分(p-n结)堆叠在下包层102上时，芯103的延伸方向优选与InGaAsP的结晶方向对准。
例如，如图2A中所示，当p型第一芯设置在衬底侧上且n型第二芯设置在其上时，将由InGaAsP制成的芯103的上表面设定为(001)，并且优选将芯103的延伸方向(光学模的传播方向)设定为InGaAsP的[110]轴向。这是因为，在该结构中，由于在与衬底101垂直的方向上对芯103施加了电场，所以普克尔斯效应有助于折射率变化。通过将芯103的延伸方向设置为[110]方向，由于普克尔斯效应而引起的折射率变化的符号与F-K效应、载流子等离子体效应和能带填充效应一致。因此，对于对芯103施加的反向偏压，可以获得大量的折射率变化。
如图2B中所示，当n型第一芯设置在衬底侧上且p型第二芯设置在其上时，将由InGaAsP制成的芯103的上表面设定为(001)，并且优选将芯103的延伸方向(光学模的传播方向)设定为InGaAsP的[1-10]轴向。这是因为，在该结构中，对于所实现的结构，电场的方向与上述情况下的电场方向相反。
如上所述，根据本发明，在使用由基于InP的半导体制成的芯的光调制器中，由于折射率等于或小于InP的折射率的下包层和上包层设置在由基于InP的半导体制成的芯的上方和下方，因此能够更容易地提高调制效率。
本发明不限于上述实施例，并且显而易见的是，本领域技术人员可以在本发明的技术思想内进行许多修改和组合。
附图标记列表
101 衬底
102 下包层
103 芯
104 上包层
105 第一半导体层
106 第二半导体层
107 第一电极
108 第二电极。
Claims (8)
1.一种光调制器，包括：
下包层，形成在衬底上，折射率等于或小于InP的折射率；
芯，形成在所述下包层上，由带隙与期望波长相对应的基于InP的半导体制成；
上包层，形成在所述芯上，折射率等于或小于InP的折射率；以及
电场施加装置，向所述芯施加电场。
2.根据权利要求1所述的光调制器，其中，所述芯由InGaAsP制成。
3.根据权利要求1或2所述的光调制器，其中，所述下包层和所述上包层由氧化硅制成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光调制器，其中，所述电场施加装置包括第一导电类型的第一半导体层和第二导电类型的第二半导体层，所述第一半导体层和所述第二半导体层形成为：所述芯在与所述衬底的平面水平的方向上介于所述第一半导体层与所述第二半导体层之间。
5.根据权利要求4所述的光调制器，其中，所述芯包括第一导电类型的第一芯和第二导电类型的第二芯。
6.根据权利要求5所述的光调制器，其中，以布置在与所述衬底的平面平行的方向上的状态形成所述第一芯和所述第二芯。
7.根据权利要求5所述的光调制器，其中，以堆叠在所述下包层上的状态形成所述第一芯和所述第二芯。
8.根据权利要求7所述的光调制器，其中：
在所述芯的一侧上，所述第一半导体层被形成为仅与所述芯中的所述第一芯接触；以及
在所述芯的另一侧上，所述第二半导体层被形成为仅与所述芯中的所述第二芯接触。
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