JP2004037755A

JP2004037755A - 光制御素子

Info

Publication number: JP2004037755A
Application number: JP2002193633A
Authority: JP
Inventors: Eiji Yagyu; 柳生　栄治; Tetsuya Nishimura; 西村　哲也; Hitoshi Tada; 多田　仁史
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】伝搬損失を軽減した光変調器等の光制御素子を提供する。
【解決手段】この光制御素子は、多重量子井戸層３と、前記多重量子井戸層を、層に垂直な方向から挟む第１及び第２クラッド層２、４と、前記多重量子井戸層の長手方向の両側に接して前記多重量子井戸層を挟む第１半導体領域６、７と、前記多重量子井戸層を、前記長手方向の両側から前記第１半導体領域を介して挟む第２半導体領域８、９とを備え、前記第１半導体領域は、比抵抗が１０^６Ω・ｃｍ以上であって、前記第２半導体領域は、互いに異なる２つの導電型半導体領域からなり、前記２つの第２半導体領域から前記第１半導体領域を介して前記多重量子井戸層の層に平行に電界を印加する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調器や光スイッチ等の光制御素子に関する。特に、多重量子井戸構造を有する電界吸収型光制御素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の光通信における光強度変調素子としては、電界吸収型光変調器が用いられている。この電界吸収型光変調器では、多重量子井戸層の層に垂直な上下方向から電界を印加し吸収線をシフトさせて、光変調器に入射した光の強度を制御して、出射光の光強度変調を行う。この光変調器の動作限界は、通信に必要な消光比を得るための変調を行う導波路長に応じた素子容量で制限されるため、４０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ程度での変調が動作限界と考えられる。したがって、より高速な光強度変調素子には、短い変調導波路長で同じ変調を実現する事が求められる。
【０００３】
そこで、さらに高速動作可能な光変調器の開発が進められている。例えば、特開平８−２４８３６３号公報には、多重量子井戸層の層に平行な両側から層に平行に電界を印加する層方向電界印加型光変調器が記載されている。この光変調器では、層に平行に電界を印加することによって吸収線をブリーチして信号波長での吸収係数を変化させ、光強度変調を行っている。これによって、層に垂直に電界を印加する方法よりも大きな変調度が得られる。その結果、従来方式より短い、およそ１００μｍ以下の変調導波路長としても同等の消光比が得られる。そこで、変調導波路長を短くできるので素子容量を減少させて高速動作が可能となる。また、この光変調器では、多重量子井戸層の層に平行に電界を印加するために、導電型不純物が高濃度に添加された導電型領域が多重量子井戸層に隣接して設けられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような層方向電界印加型光制御素子では、多重量子井戸層を伝搬する光は、多重量子井戸層を両側方向から挟む２つの導電型半導体領域にもしみ出しながら伝搬する。しかし、多重量子井戸層を両側から挟む２つの半導体領域には伝導性を付与する不純物が高濃度に添加されているのでフリーキャリア吸収の効果が大きく、伝搬損失が生じるといった欠点があった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、伝搬損失を軽減した光変調器等の光制御素子を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光制御素子は、多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層を、層に垂直な方向から挟む第１及び第２クラッド層と、前記多重量子井戸層の長手方向の両側に接して前記多重量子井戸層を挟む第１半導体領域と、
前記多重量子井戸層を、前記長手方向の両側から前記第１半導体領域を介して挟む第２半導体領域と
を備え、
前記第１半導体領域は、比抵抗が１０^６Ω・ｃｍ以上であって、
前記第２半導体領域は、互いに異なる２つの導電型半導体領域からなり、
前記２つの第２半導体領域から前記第１半導体領域を介して前記多重量子井戸層の層に平行に電界を印加することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る光制御素子は、前記光制御素子であって、前記第１半導体領域は、比抵抗が１０^９Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする。
【０００８】
さらに、本発明に係る光制御素子は、前記光制御素子であって、前記第２半導体領域は、前記光制御素子の長手方向の長さより短い範囲に形成されていると共に、
前記第２半導体領域の長手方向の長さに対応して形成された電極をさらに備えることを特徴とする。
【０００９】
またさらに、本発明に係る光制御素子は、前記光制御素子であって、前記長手方向に沿って前記多重量子井戸層を挟む第１及び第２の透明導波層をさらに備え、前記第１の透明導波層から前記多重量子井戸層を介して前記第２透明導波層へ光を伝搬すると共に、
前記第２半導体領域は、前記多重量子井戸層の長手方向の長さに対応して形成されていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る光制御素子について、添付図面を用いて説明する。なお、図面において、実質的に同一部材には同一符号を付している。
【００１１】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る光変調器について図１から図３を用いて説明する。この光変調器は、多重量子井戸層３の長手方向の両側に接して挟む第１半導体領域６、７と、さらに、長手方向の両側に接して該第１半導体領域６、７を挟む第２半導体領域８、９とを備える。この第１半導体領域６、７は、ノンドープ半導体領域からなる。このノンドープ半導体領域は、比抵抗が１０^９Ω・ｃｍ以上である。また、ノンドープ半導体領域は、理想的にはキャリアを全く含まない状態であるが、現状ではキャリア濃度がおよそ１．０×１０^１６／ｃｍ^３以下、好ましくは１．０×１０^１５／ｃｍ^３以下の低濃度である。このように多重量子井戸層の長手方向の両側に接してノンドープ半導体領域６、７で挟んだことによって、多重量子井戸層３からしみ出す光に対するフリーキャリア吸収を低減させ、伝搬損失を低減させることができる。また、第２半導体領域８、９は、異なる２つの導電型半導体領域からなる。この２つの第２半導体領域８、９によって、多重量子井戸層３の層に平行に電界１３を印加することができる。
【００１２】
この光変調器の具体的な構成について図１から図３を用いて説明する。図１は、この光変調器２０の全体構成を示す斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図であり、図３は図１のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。この光変調器は、光を伝搬させる多重量子井戸層３を含む中央部では、図２に示すように、ＩｎＰ基板１上に、ノンドープ下部クラッド層２、ノンドープ多重量子井戸層３、ノンドープ上部クラッド層４の順に積層されている。また、多重量子井戸層３の長手方向の両側に接して挟むノンドープ半導体領域６、７が形成されている。さらに、該ノンドープ半導体領域６、７を、長手方向の両側に接して挟む第２半導体領域８、９が形成されている。この第２半導体領域８、９は、異なる２つの導電型の高伝導性半導体領域からなる。また、第２半導体領域８、９の上面には、コンタクト層５及び電極８、９が順に積層されている。
【００１３】
この光変調器においては、多重量子井戸層３の長手方向の両側に接してノンドープ半導体領域からなる第１半導体領域６、７を設けている。この構成による作用について説明する。上記構成において光変調器２０に入射された光１２は、屈折率の低いクラッド部分に囲まれた屈折率の高いコア部内を主に伝搬する。この屈折率の高いコア部分は、ノンドープ多重量子井戸層３である。一方、屈折率の低いクラッド部は、該コア部を層に垂直な上下方向から挟む下部クラッド層２、上部クラッド層４と、層に平行であって長手方向に垂直な両側方向から挟む第１半導体領域６、７からなる。該クラッド部分の第１半導体領域６、７には不純物を添加していないか、あるいは不純物濃度が非常に低濃度である。そのため、状態密度のバンドギャップ内へのすそ引きや、バンドギャップ内への不純物バンドは生じない。したがって、コア部からクラッド部にしみ出す僅かな伝搬光に対するクラッド部でのフリーキャリア吸収が抑えられ、各クラッド層における伝搬損失を軽減できる。
【００１４】
さらに、この光変調器の動作原理について、図４を用いて説明する。図４は、多重量子井戸層３に電界を印加した場合の吸収係数の変化を示すグラフである。この光変調器では、多重量子井戸層３の層方向に平行に電界１３を印加して光強度変調を行っている。多重量子井戸層３に外部電界を印加すると、電界方向にエネルギー準位が変化するため、図４に示すように、電界が０の場合（Ｅ＝０）と比べて吸収係数のピークが小さくなっていく。この吸収係数の変化を利用して光強度変調を行うことができる。まず、多重量子井戸層３は、外部からの電界が印加されていない時（Ｅ＝０）は、実線で示すように、励起子による吸収線が鋭く、使用波長に対し吸収がほとんどなく透明導波路として考えてよい。一方、外部から電界を印加した際には、小さな電界強度変化であっても効果的に励起子吸収が鈍くなり、点線で示すように、特定波長範囲において吸収係数が増加する。ここで、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸層３のフォトルミネッセンス波長は、使用する波長帯に適合するように、例えば、１．５５μｍ帯の光を変調する際には１．４９μｍ前後にする。なお、多重量子井戸層３の層方向に平行に電界１３を印加することにより、層方向に垂直に電界を印加する場合よりも、短い導波路長で光強度変調の動作に必要な消光比が得られる。このため、導波路長を短くする事ができるので、光変調器の低容量化を実現できると共に、高速応答が可能となる。
【００１５】
なお、ここでは光強度変調器として用いる場合について説明したが、その用途は光強度変調器に限られない。例えば、光スイッチとして機能させることもできる。さらに別の光制御素子として用いてもよい。また、同一のＩｎＰ基板１上に半導体レーザ装置を作製し、該半導体レーザ装置と光変調器とを集積化してもよい。
【００１６】
次に、この光変調器の製造方法について説明する。まず、この光変調器において、光を伝搬させる多重量子井戸層３を含む中央部は、以下の手順で作製される。
（ａ）ＩｎＰ基板１を用意する。
（ｂ）該ＩｎＰ基板１の第１面上に、順に、ノンドープＩｎＰ下部クラッド層２、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸層３、ノンドープＩｎＰ上部クラッド層４を積層する。なお、各層を構成するＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓＰ等の化合物半導体層は、有機金属気相成長法（ＭＯ−ＶＰＥ）や分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）を用いてエピタキシャル成長させることができる。
【００１７】
一方、この光変調器の多重量子井戸層３の長手方向の両側から挟む側面構造は以下の手順で作製される。ここで、側面構造としては、多重量子井戸層３の両側に接して挟む第１半導体領域６、７と、該第１半導体領域６、７をさらに両側から挟む第２半導体領域８、９である。
（ａ）上部クラッド層４まで形成した後、該上部クラッド層４の上にＳｉＯ_２等の絶縁膜で幅１〜３μｍのストライプを形成する。この絶縁膜の幅が光を伝搬する多重量子井戸層３の幅となる。
（ｂ）次いで、該絶縁膜をマスクにしてＩｎＰ基板１が露出するまでエッチングする。
（ｃ）ＩｎＰ基板１の上に、多重量子井戸層３を長手方向の両側に沿って挟むようにノンドープ半導体領域６、７を形成する。このノンドープ半導体領域６、７は、比抵抗が１０^９Ω・ｃｍ以上である。このノンドープ半導体領域６、７は、不純物を含まないように選択再成長させて形成できる。
（ｄ）多重量子井戸層３を挟むノンドープ半導体領域６、７をさらにその外側から挟むように異なる２つの導電型半導体領域８、９を形成する。この場合、それぞれの導電型不純物を拡散やイオン注入などの手法で添加し、導電型半導体領域８、９としてもよい。
（ｅ）導電型領域８、９の上面に、それぞれコンタクト層５を形成する。また、コンタクト層５として、ＧａＩｎＡｓ層が好ましい。
（ｆ）コンタクト層５の上に、電極１０、１１を蒸着により形成する。
以上の各工程によりこの光変調器が作製される。
【００１８】
ここで、上記下部クラッド層２、上記ノンドープ半導体領域６、７、コンタクト層５等の半導体層は、例えばＩｎＰ基板１と格子整合する条件下でＧａＩｎＡｓＰ層の組成比を変化させて形成してもよい。すなわち、組成比を変化させることで、屈折率やバンドギャップを制御できるので、屈折率の低いクラッド層や、バンドギャップの小さな量子井戸層を形成できる。なお、多重量子井戸層に用いる化合物半導体層としては、ＧａＩｎＡｓＰ層に限られない。その他、例えば、ＩｎＰ基板と格子整合しうるＡｌＧａＩｎＡｓ層等の化合物半導体層を用いることができる。この場合、屈折率やバンドギャップ等が所定値を有するものであれば、多重量子井戸層として用いることができる。
【００１９】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る光変調器について説明する。この光変調器は、実施の形態１に係る光変調器と比較すると、第１半導体領域が半絶縁性の半導体領域である点で相違する。この半絶縁性の半導体領域は、比抵抗が１０^６Ω・ｃｍ以上である。また、比抵抗１０^７Ω・ｃｍ以上がさらに好ましい。この半絶縁性の半導体領域は、鉄原子を不純物濃度として１０^１７／ｃｍ^３以上含有している。この半絶縁性の半導体領域は、鉄Ｆｅ原子を不純物として添加しながら成長させることにより形成できる。なお、含有する不純物としては鉄原子に限られない。多重量子井戸層の両側のクラッド部として、半絶縁性の半導体領域を用いた場合にも、状態密度のバンドギャップ内へのすそ引きや、バンドギャップ内への不純物バンドの発生が生じない。そのため、該半絶縁性半導体領域へしみ出した光に対するフリーキャリア吸収を低減でき、クラッド部における伝搬損失を軽減できる。
【００２０】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る光強度変調器について図５を用いて説明する。この光変調器２０ａは、実施の形態１に係る光変調器と比較すると、図５に示すように、第２半導体領域８、９は光変調器２０ａの長手方向の長さより短い範囲に形成されている点で相違する。具体的には、長手方向に沿った所定の２箇所で、長手方向に垂直な両側方向から第２半導体領域８、９が部分的に除去され、溝１４が形成され、第１半導体領域６、７が露出している。また、第２半導体領域８、９の長手方向の長さに対応して電極１０、１１が形成されている。この電極１０、１１から第２半導体領域８、９及び第１半導体領域６、７とを介して多重量子井戸層３に電界を印加する。これによって多重量子井戸層３の層に平行に電界１３を印加する長手方向に沿った長さを第２半導体領域８、９の長さに限定することができる。なお、上記２箇所で２つの第２半導体領域８、９の少なくとも一方が部分的に除去されていればよい。また、第２半導体領域８、９と共に第１半導体領域６、７まで部分的に除去されていてもよい。
【００２１】
この光変調器において、第２半導体領域８、９は光変調器の長手方向の長さより短い範囲に形成されている。この構成による作用について説明する。上記構成によって、外部電極１０、１１から、第２半導体領域８、９を介して多重量子井戸層３に電界を印加した場合、電界が印加される光変調領域、すなわち空乏領域を長手方向の全域にわたらないようにすることができる。上記構成によって、多重量子井戸層３の光制御に寄与する領域を任意に設ける事ができる。すなわち、高速動作に求められる容量低減のために光制御領域を短くする場合にも、全体の素子長を変化させることなく溝１４で区切ることで実現できるので、取り扱いが容易である。
【００２２】
この光変調器において、長手方向に沿った２箇所で、長手方向に垂直な両側方向から第２半導体領域８、９を部分的に除去し、溝１４を形成する方法としては、例えば、ウエットエッチングを用いることができる。ウエットエッチングでは、臭化水素：過酸化水素：水の混合溶液や、臭素：メタノールの混合溶液等を用いることができる。また、上記ウエットエッチングの他、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法等のドライエッチングを用いてもよい。
【００２３】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る光変調器について、図６から図８を用いて説明する。図６は、この光変調器の全体構成を示す斜視図であり、図７は、図６のＣ−Ｃ’線に沿った断面図であり、図８は、図６のＤ−Ｄ’線に沿った断面図である。この光変調器は、実施の形態３に係る光変調器と比較すると、図６及び図７に示すように、長手方向に沿って多重量子井戸層３を挟む第１及び第２の透明導波層１５、１６を設けている点で相違する。光変調器２０ｂに入射した光は、第１の透明導波層１５から多重量子井戸層３に伝搬し、さらに多重量子井戸層３から第２の透明導波層１６に伝搬し、外部へ出射される。この場合、電界が印加される範囲にのみ多重量子井戸層３を用い、それ以外の箇所には多重量子井戸層３より伝搬損失が低い透明導波層１５、１６を用いることにより、光変調器全体の伝搬損失を低減することができる。
【００２４】
また、この光変調器では、多重量子井戸層３と２つの透明導波層１５、１６との境界近傍の２箇所で、長手方向に垂直な両側方向から第２半導体領域８、９が部分的に除去され、溝１４が形成され、第１半導体領域６、７が露出している。これによって多重量子井戸層３の層に平行に電界１３を印加する長手方向に沿った長さを限定することができる。このように電界を印加する範囲を限定する方法として、
１）導波方向において、電界を印加しない範囲に第１及び第２の透明導波層１５、１６を用いる方法
２）第２半導体領域８、９を部分的に除去し、溝１４で分離する方法
とを併用している。これにより、光を伝搬させる屈折率が高いコア部分、すなわち、多重量子井戸層３が除去されないので伝搬損失を抑制することができる。
【００２５】
実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係る光変調器について説明する。この光変調器は、実施の形態４に係る光変調器と比較すると、第１半導体領域６、７が半絶縁性の半導体領域である点で相違する。この半絶縁性半導体領域は、例えば、鉄Ｆｅ原子を不純物として添加しながら成長させることによって形成される。このように多重量子井戸層を半絶縁性の半導体領域で挟んだことによって、多重量子井戸層からしみ出す光に対するフリーキャリア吸収を低減させ、伝搬損失を低減させることができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明に係る光制御素子によれば、多重量子井戸層を長手方向の両側に接して挟む比抵抗が１０^６Ω・ｃｍ以上の第１半導体領域を設けている。このように多重量子井戸層を半絶縁性以上の高抵抗を有する第１半導体領域で挟んだことによって、多重量子井戸層からしみ出す光に対するフリーキャリア吸収を低減させ、伝搬損失を低減させることができる。
【００２７】
また、本発明に係る光制御素子によれば、第１半導体領域は、比抵抗が１０^９Ω・ｃｍ以上であるノンドープ半導体領域であるので、さらにフリーキャリア吸収を低減させ、伝搬損失を低減させることができる。
【００２８】
さらに、本発明に係る光制御素子によれば、第２半導体領域は、素子の長手方向の長さより短い範囲に形成されており、該第２半導体領域の長手方向の長さに対応して形成された電極を備える。これにより、多重量子井戸層に電界を印加する範囲を第２半導体領域の長さに限定することができると共に、第２半導体領域間の接合容量を減少させることができ、高速動作させることが可能となる。また、導電型領域を部分的に除去し、光を伝搬させる多重量子井戸層を除去しないので、伝搬損失を小さくすることができる。さらに、電界印加範囲を小さくしても素子サイズを大きく維持できるので取り扱いが容易となる。
【００２９】
またさらに、本発明に係る光制御素子によれば、光制御に用いられる範囲にのみ多重量子井戸層を用い、それ以外の箇所には多重量子井戸層より伝搬損失が低い透明導波層を用いている。これにより、光変調器全体の伝搬損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光変調器の斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る光変調器の動作を説明する概略図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る光変調器の斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態４に係る光変調器の斜視図である。
【図７】図６のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。
【図８】図６のＤ−Ｄ’線に沿った断面図である。
【符号の説明】
１　ＩｎＰ基板、２　ノンドープＩｎＰ下部クラッド層（第１クラッド層）、３ノンドープＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸層、４　ノンドープＩｎＰ上部クラッド層（第２クラッド層）、５　ＧａＩｎＡｓコンタクト層、６、７　第１半導体領域、８、９　第２半導体領域、１０、１１　電極、１２　レーザ光、１３　電界、１４　溝、１５、１６　透明導波層、２０　層方向電界印加型光変調器

Claims

多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層を、層に垂直な方向から挟む第１及び第２クラッド層と、前記多重量子井戸層の長手方向の両側に接して前記多重量子井戸層を挟む第１半導体領域と、
前記多重量子井戸層を、前記長手方向の両側から前記第１半導体領域を介して挟む第２半導体領域と
を備え、
前記第１半導体領域は、比抵抗が１０^６Ω・ｃｍ以上であって、
前記第２半導体領域は、互いに異なる２つの導電型半導体領域からなり、
前記２つの第２半導体領域から前記第１半導体領域を介して前記多重量子井戸層の層に平行に電界を印加することを特徴とする光制御素子。
前記第１半導体領域は、比抵抗が１０^９Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光制御素子。
前記第２半導体領域は、前記光制御素子の長手方向の長さより短い範囲に形成されていると共に、
前記第２半導体領域の長手方向の長さに対応して形成された電極をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光制御素子。
前記長手方向に沿って前記多重量子井戸層を挟む第１及び第２の透明導波層をさらに備え、前記第１の透明導波層から前記多重量子井戸層を介して前記第２透明導波層へ光を伝搬すると共に、
前記第２半導体領域は、前記多重量子井戸層の長手方向の長さに対応して形成されていることを特徴とする請求項３に記載の光制御素子。