JP2004138873A - Waveguide optical modulator - Google Patents

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JP2004138873A
JP2004138873A JP2002304211A JP2002304211A JP2004138873A JP 2004138873 A JP2004138873 A JP 2004138873A JP 2002304211 A JP2002304211 A JP 2002304211A JP 2002304211 A JP2002304211 A JP 2002304211A JP 2004138873 A JP2004138873 A JP 2004138873A
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Kazuo Kasatani
笠谷 和生
Naoki Fujiwara
藤原 直樹
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently carry out fast modulation with simple control while reducing insertion loss. <P>SOLUTION: A semi-insulative InGaAsP guide layer 12 and a semi-insulative InP cladding layer 13 are successively laminated on a semi-insulative InP substrate 11. A semi-insulative InP protrusion layer 14 worked in a curved shape is formed on the semi-insulative InP cladding layer 13 and an AuZnNi/Au layer 15 is formed so as to be along with an outer peripheral part of the semi-insulative InP protrusion layer 14. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は導波路型光変調器に関し、特に、曲がり光導波路を用いた放射型の光変調器に適用して好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の光通信用光変調器としては、電界吸収効果素子と電気光学効果素子が古くから提案されている。
このうち、電界吸収効果素子は半導体材料に電界を印加することで、バンドギャップエネルギー(光の吸収波長)を変化させ、その半導体材料を通過する特定波長の光を吸収させることで、光の強度変調を行うもので、フランツケルディッシュ効果型と量子シュタルク効果型に分けることができる。
【0003】
ここで、半導体材料を用いた電界吸収効果素子の技術は、1980年代後半から開発が始まり、特性の改善技術(例えば、特許文献1)や半導体レーザとの集積化技術(例えば、特許文献2)が開発され、1990年代にこれらの基本技術を応用した光変調器回路へと進展している(例えば、特許文献3)。
一方、電気光学効果素子については、光導波路回路を分岐干渉型と方向性結合型に分類することができ、最近は進行波電極など電極を工夫して高速化を図る技術が注目されている。
【0004】
この電気光学効果による光変調器の技術開発は、1970年代の基本構造に関する技術(例えば、特許文献4)で始まり、1980年代になると、光変調の高速化の技術開発が活発化し、光波とマイクロ波の位相ずれを少なくして高速に変調する進行波電極構造が開発されている(例えば、特許文献5)。
さらに1990年代には、変調特性の広帯域化の技術に発展し、進行波電極の細部構造の改良がなされている(例えば、特許文献6、特許文献7)。
【0005】
ここで、電気光学効果素子を用いた光導波路回路では、Y分岐光導波路と二本の位相変調導波路と合波用Y分岐導波路により構成される分岐干渉型が一般的に用いられ、特に使用する光の波長帯や吸収電流などの制限がある構造ではないという利点がある。
しかし、分岐干渉型光変調器では、光強度変調するために、位相変調器部において、光の位相を90度程度変化させるだけの屈折率変化を与える必要があり、変調電圧が高くなりやすい。
【0006】
そこで、一般に駆動電圧を少しでも低減するために、位相変調導波路長を長くする傾向があり、その長さは数cmに達する。
このため、素子全体の挿入損失が大きくなる傾向があり、特に、半導体材料でこの分岐干渉型光変調器を構成すると、この挿入損失と素子長との双方、または素子長を減らした場合は、動作電圧が上昇するという問題があった(例えば、非特許文献1)。
【0007】
このため、従来の半導体系の分岐干渉型変調器では、InGaAsPガイド層上に形成されるp型InPクラッド層の一部を真性InPクラッド層に置き換えることで、素子全体の挿入損失を低減させたものがあった(例えば、非特許文献2)。
図10は、従来の分岐干渉型変調器の位相変調導波路構造の一例を示す断面図である。
【0008】
図10において、n型InP基板101上には、真性InGaAsPガイド層102および真性InPクラッド層103が形成され、真性InPクラッド層103上には、PN接合面形成のための突起状のp型InPクラッド層104が形成され、ストリップ装荷型導波路が構成されている。
また、p型InPクラッド層104上には、p側電極としてAuZnNi/Au層105が形成され、n型InP基板101の裏面には、n側電極としてAuGeNi/Au層106が形成されている。
【0009】
ここで、真性InGaAsPガイド層102とp型InPクラッド層104との間に、不純物無添加の真性InPクラッド層103を設けることにより、ストリップ装荷型導波路構造の低損失化が図られている。
図11は、従来の分岐干渉型変調器の位相変調導波路構造の別例を示す断面図である。
【0010】
図11において、n型InP基板201上には、n型InP突起層202が形成され、n型InP突起層202上には、真性InGaAsPガイド層203、真性InPクラッド層204、PN接合面形成のためのp型InPクラッド層205が形成され、ハイメサ光導波路構造が構成されている。
また、p型InPクラッド層205上には、p側電極としてAuZnNi/Au層206が形成され、n型InP基板201の裏面には、n側電極としてAuGeNi/Au層207が形成されている。
【0011】
ここで、真性InGaAsPガイド層203とp型InPクラッド層205との間に、不純物無添加の真性InPクラッド層204を設けることにより、ハイメサ光導波路構造の低損失化が図られている。
また、メサ加工を真性InPクラッド層204中で止めることなく、n型InP基板201まで掘り下げたハイメサ光導波路構造とすることで、電界の印加体積を光伝搬部に集中させることが可能となり、変調効率を向上させることができる。
【0012】
また、近年開発が進む近距離のメトロネットワーク用やアクセス系およびイーサー通信用の低価格帯の光変調方式では、上述した電界吸収効果または電気光学効果を利用した変調方式ではなく、半導体レーザを直接変調する方式が多く用いられている。
この半導体レーザを直接変調する方式では、半導体レーザの駆動電流が直接変調するため、外部変調器が不要となり、光通信システムの低価格化を図ることが可能となる。
【0013】
【特許文献1】
特許2670061号公報
【特許文献2】
特公平5‐8878号公報
【特許文献3】
特許2817602号公報
【特許文献4】
特公昭61‐8411号公報
【特許文献5】
特許2612896号公報
【特許文献6】
特許2606674号公報
【特許文献7】
特許2871645号公報
【非特許文献1】
1989年電子情報通信学会秋期全国大会 C‐260
【非特許文献2】
H.Takeuchi IEEE.Photonic Technol.Lett.Vol.no.8 pp227‐228,N.Yoshimoto.IEE EL vol.32 No.15.1996 pp1368‐1369
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電界吸収効果を利用した光変調器では、その半導体材料を通過する特定波長の光の吸収量を変化させることで、光の強度変調を行なうため、変調光の波長と半導体材料が持つバンドギャップエネルギー(波長)とを極近傍に設定する必要がある。
【0015】
このため、電界吸収効果を利用した光変調器を波長多重光通信に用いる場合、通信に使う多くの光波長チャンネル毎に専用のバンドギャップエネルギー(吸収波長)を持った光変調器を用意する必要があり、レーザと吸収変調器とを一対で製造設計しなければならないという問題があった。
また、電界吸収型素子では、吸収された光を光電流として排出しなくてはならないため、高出力化や10GHzを越える高速化において、この光電流の発生により、インピーダンス整合や電圧駆動源の許容電流量など設計に制限がかかるという問題があった。
【0016】
また、図10、11の電気光学効果を利用した光変調器では、p型Inpクラッド層104、205の吸収係数が大きいため、素子が2mm程度に長くなると、3dB以上の挿入損失が発生する。
もちろん、真性Inpクラッド層103、204の層厚を0.6μm以上取れば、光変調器の挿入損失をさらに低減することができる。
【0017】
しかし、真性Inpクラッド層103、204の層厚を増加させると、真性InGsAsPガイド層102、203に印加できる電界強度も低下するため、動作電圧が増加し、簡単に4V程度に達するという問題があった。
また、図10、11の光変調器のp側電極は、通常はPt(白金)、Au(金)層をAuZnNi層上に数ミクロンの厚さで積層することで、AuZnNi/Au層105、206が形成される。
【0018】
しかし、p型Inpクラッド層104、205の電気的抵抗値が、AuZnNi/Au層105、206に比べて大きいため、特許2606674号公報および特許287l645号公報に示されるような進行波電極を設計することができなくなり、半導体材料を用いた電気光学効果による光変調器の高速化の妨げになるという問題があった。
【0019】
さらに、半導体レーザを直接変調する方式では、半導体レーザの駆動電流が直接変調されるため、変調エネルギーが大きくなることに加えて、変調速度が速くなるにつれて、半導体レーザ内部のキャリア寿命時間によって決まる緩和振動という光の変調出力振動が発生し、光の伝送特性に大きく影響を与えるようになる。
【0020】
このため、現在の10GHzの光伝送では、受信した光信号を電気に変換した際に、電気的なフィルタをかけ、光の伝送波形の乱れを補正しているが、10GHz以上に通信速度が速くなると、緩和振動周波数と変調速度が近接し、このフィルタでの補正も困難になるという問題があった。
また、一見単純そうに見える直接変調方式も、この緩和振動周波数の問題により駆動できる周波数帯が駆動条件により変動するため、その設定には個別に対応することが必要となり、設定が難しくなるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、挿入損失を低減しつつ、制御が簡単で高速変調を効率よく行なうことが可能な導波路型光変調器を提供することである。
【0021】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項1記載の導波路型光変調器によれば、曲がり光導波路と、前記曲がり光導波路の外周部に設けられ、前記外周部の屈折率を変化させることにより、前記外周部の光閉じ込め効果を制御する変調用電極とを備えることを特徴とする。
【0022】
これにより、外周部に印加された印加電圧に基づいて、曲がり光導波路に閉じ込められた導波光を外周部から放射させることが可能となり、光導波路の横に電極を設けることで、光変調を行なうことが可能となる。
このため、金属吸収を抑制しつつ、導波光の分布の極近傍に電極を配置することが可能となり、導波光と電極との間の距離を稼ぐためのp型クラッド層を電極下に設ける必要がなくなる。
【0023】
この結果、導波光の吸収損失を低減させて、光変調器の挿入損失を低減することが可能となるとともに、曲がり光導波路構造の比屈折率差を効率よく変化させることを可能として、動作電圧を低下させることが可能となる。
また、電極下のp型クラッド層を除去することにより、電界の印加端を金属電極面とすることが可能となり、電気的損失の少ない進行波電極を容易に設計することが可能となることから、光変調器の高速化に容易に対応することが可能となる。
【0024】
さらに、曲がり光導波路からの放射特性および比屈折率差による光閉じ込め特性を利用して光変調を行なうことにより、特定波長の光を吸収させて光変調を行なう電界吸収効果素子に比べて、光変調時の波長依存性を緩和することが可能となる。
このため、同一素子で受け持つことのできる波長帯を容易に拡大させることが可能となり、光変調器の設計を容易に行なうことが可能となるとともに、1種類の光変調器を用意することで、波長多重光通信システムに容易に対応することが可能となる。
【0025】
また、請求項2記載の導波路型光変調器によれば、前記曲がり光導波路は、光ガイド層と、前記光ガイド層上に積層された真性または半絶縁性半導体クラッド層と、前記真性または半絶縁性半導体クラッド層上に設けられた真性または半絶縁性半導体突起層とを備え、前記変調用電極は、前記真性または半絶縁性半導体突起層の外周に沿って設けられていることを特徴とする。
【0026】
これにより、半導体クラッド層による吸収損失および変調用電極による金属吸収を抑制しつつ、半導体突起層に沿って光を導波させることが可能となるとともに、真性または半絶縁性半導体クラッド層を介して、光ガイド層に効率よく電界を印加することが可能となる。
このため、曲がり光導波路からの光放射特性を効率よく制御することが可能となり、動作電圧の低減を図ることが可能となるとともに、挿入損失を低減しつつ、高速変調を効率よく行なうことが可能となる。
【0027】
また、請求項3記載の導波路型光変調器によれば、真性または半絶縁性半導体基板と、前記真性または半絶縁性半導体基板上に積層された真性または半絶縁性半導体光ガイド層と、前記真性または半絶縁性半導体光ガイド層上に積層された真性または半絶縁性半導体クラッド層と、前記真性または半絶縁性半導体クラッド層上に設けられた真性または半絶縁性半導体突起層と、前記真性または半絶縁性半導体突起層の外周に沿うようにして、前記真性または半絶縁性半導体クラッド層上に設けられた信号用電極と、前記信号用電極の外側と内側に配置されるようにして、前記真性または半絶縁性半導体クラッド層上に設けられた接地用電極とを備えることを特徴とする。
【0028】
これにより、GSG(ground signal ground)型電極構造を採用しつつ、曲がり光導波路の外周部における光放射特性を制御することが可能となり、挿入損失を抑制しつつ、インピーダンス設計を容易化して、高速変調を効率よく行なうことが可能となる。
また、請求項4記載の導波路型光変調器によれば、半導体基板と、前記半導体基板上の一部の領域に形成されたリッジ導波路型半導体レーザと、前記リッジ導波路型半導体レーザ上に設けられたレーザ用電極と、前記半導体基板上に形成され、前記リッジ導波路型半導体レーザに接合されたストリップ装荷型曲がり光導波路と、前記ストリップ装荷型曲がり光導波路の外周部に設けられ、前記外周部の屈折率を変化させることにより、前記外周部の光閉じ込め効果を制御する変調用電極とを備えることを特徴とする。
【0029】
これにより、リソグラフィー技術を用いることで、半導体レーザの光路と光変調器の光路とを一致させることが可能となり、半導体レーザの光路と光変調器の光路とを一致させるための位置合わせ作業を不要とすることが可能となるとともに、半導体レーザと光変調器とを同一基板上に集積化することを可能として、光通信システムの構築を容易化することが可能となる。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る導波路型光変調器について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る導波路型光変調器の概略構成を示す断面図、図2は、本発明の第1実施形態に係る導波路型光変調器の概略構成を示す平面図である。
【0031】
図1、2において、n型InP基板1上には、真性InGaAsPガイド層2および真性InPクラッド層3が形成され、真性InPクラッド層3上には、所定の曲率半径で湾曲するように真性InP突起層4が形成され、ストリップ装荷型曲がり導波路が構成されている。
なお、真性InGaAsPガイド層2は、InGaAsP/InGaAsを用いた多重量子井戸構造にしてもよい。
【0032】
また、真性InPクラッド層3および真性InP突起層4は、真性InGaAsPガイド層2上に積層された真性InP層をメサ型に加工することで形成することができる。
ここで、真性InP突起層4は、例えば、真性InPクラッド層3上で90度だけ曲がるように構成することができ、光入射端および光出射端は、互いに直行する端面にそれぞれ設けることができる。
【0033】
また、真性InPクラッド層3上には、真性InP突起層4の外周部に沿うようにして、AuZnNi/Au層5が形成され、n型InP基板1の裏面には、AuGeNi/Au層6が形成されている。
なお、AuZnNi/Au層5は信号電極、AuGeNi/Au層6は接地電極として用いることができる。
【0034】
そして、導波路型光変調器に入力された光は、真性InP突起層4に沿って、真性InGaAsPガイド層2を導波し、90度だけ向きを変えた後、光出射側へと誘導される。
ここで、真性InGaAsPガイド層2を導波する光の一部は、真性InP突起層4に沿って向きを変える際に、真性InP突起層4による光閉じ込め構造の外周部から放射され、その放射特性は、領域R1と領域R2との比屈折率差によって制御することができる。
【0035】
なお、領域R1と領域R2との比屈折率差は、領域R1の比屈折率をNeq1、領域R2の比屈折率をNeq2とすると、以下の(1)式で表すことができる。
比屈折率差=(Neq1−Neq2)/Neq1
なお、比屈折率差で一般的な定義は、コロナ社「光導波路の基礎」岡本勝就著、半導体光導波路への適用は、特願平7‐105727号公報などに開示されている。
【0036】
そして、AuZnNi/Au層5を介して、真性InGaAsPガイド層2に電圧を印加することにより、領域R2の比屈折率を制御することが可能となり、領域R1と領域R2との比屈折率差を変化させて、真性InP突起層4の外周部から放射される光放射特性を制御することが可能となる。
また、曲がり導波路構造による放射型の変調原理を用いることで、光の吸収が大きいp型クラッド層を除去することが可能となるとともに、AuZnNi/Au層5を真性InP突起層4の横に配置することが可能となり、素子全体の挿入損失や進行波電極の設計の問題を改善し、制御が簡単で高速変調が可能な半導体光変調器構造を提供することが可能となる。
【0037】
また、AuZnNi/Au層5を真性InP突起層4の横に配置することにより、吸収損失を低減させるために真性InP突起層4の高さを高くした場合においても、AuZnNi/Au層5を真性InGaAsPガイド層2に接近させることが可能となり、真性InGaAsPガイド層2に効率よく電界を印加することが可能となる。
【0038】
このため、吸収損失を抑制しつつ、動作電圧を低下させることが可能となり、高速変調を効率よく行なうことが可能となる。
なお、曲がり導波路構造における真性InP突起層4の曲げ曲率は、曲げ損失が1dB以下に保てる限界曲率を選ぶことができる。ここで、限界曲率は、光導波路の構造パラメータの真性InGaAsPガイド層2の層厚dと、真性InPクラッド層3の層厚tによって調整することができる。
【0039】
図3は、本発明の一実施形態に係る導波路型光変調器のクラッド層厚tと比屈折率差と限界曲率との関係を示す図である。なお、限界曲率は、伝播光が3dB減衰する限界の曲率で定義した。
図3において、横軸は真性InPクラッド層3の層厚t、縦軸は領域R1と領域R2との比屈折率差を示す。
【0040】
ここで、曲がり導波路構造における真性InP突起層4の限界曲率は、比屈折率差によって決めることができ、比屈折率差が大きい程、限界曲率半径が小さくなることがわかる。
そして、真性InP突起層4の外周部に沿って設けられたAuZnNi/Au層5に逆方向電圧を印加すると、例えば、「1989年電子情報通信学会秋季大会 C‐260」に記載されているように、バルク材料のガイド層の場合、第一次電気光学効果、フランツケルディッシュ効果、バルク材料の変わりに多重量子井戸構造を用いる場合は、量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)により、AuZnNi/Au層5下部の真性InGaAsPガイド層2の屈折率がlV当たり5/l0000程度増加する。
【0041】
この屈折率の変化により、曲がり導波路構造は、横方向の光の閉じ込め効果を失い、曲がり導波路の外周部から伝搬光は放射されるため、伝搬光の損失が増加する。
このため、AuZnNi/Au層5に印加する電圧を制御して、真性InGaAsPガイド層2の屈折率を変化させることにより、光の強度変調を行うことができる。
【0042】
そして、曲がり光導波路の外周部の光閉じ込め効果を制御する方法では、曲がり導波路の外周部から伝搬光が放射されるため、吸収電流の発生を抑えることが可能となる。
このため、高出力化や10GHzを越える高速化において、インピーダンス整合や電圧駆動源の許容電流量などの設計にかかる制限を緩和することが可能となり、高出力化や高速化に容易に対応することが可能となる。
【0043】
さらに、この変調方法および素子構造では、光閉じ込め領域の横にAuZnNi/Au層5が設けられているため、導波光の分布の極近傍に電極を配置することが可能となり、曲がり光導波路からP型クラッド層を除去することが可能となる。
すなわち、光変調器を構成する材料のうち、InGaAsPガイド層および上部InPクラッド層を真性または半絶縁性半導体とすることで、図10のPIN構造の上部にp型InPクラッド層104を設けたものに比べ、光変調器の挿入損失を約1/5に低減することができる。
【0044】
これは、図10のp型InPクラッド層104の吸収損失が、l×1018cm−3のドーピング濃度に対して約80dB/cm程度あるのに対し、真性InPクラッド層3および真性InP突起層4を用いた場合、吸収損失がほぼ0になること、AuZnNi/Au層5が伝播光分布の極近傍に設置されているが、光変調器がストリップ装荷型構造であるため、光分布が真性InGaAsPガイド層2中に閉じ込められ、金属吸収の影響をほとんど受けないためである。
【0045】
また、比屈折率差の小さい構造、例えば、真性InGaAsPガイド層2の層厚dを0.4μm、真性InPクラッド層3の層厚tを0.4μmとすると、領域R1と領域R2との比屈折率差は0.06%程度となる。
このため、曲がり導波路構造における真性InP突起層4の限界極率半径を15000μmとすれば、動作電圧が約2V程度で約20dB以上の消光比を得ることができ、動作電圧の上昇を抑制しつつ、変調効率を向上させることが可能となる。
【0046】
さらに、図1、2の曲がり導波路構造では、p型InPクラッド層を除去することが可能となるため、電界の印加端を金属電極面とすることが可能となる。
このため、進行波の電気的損失を低減させて、進行波設計を容易化することが可能となり、速度整合が取られた電極構造を設けることで、20GHz以上の高速化を図ることが可能になる。
【0047】
加えて、曲がり光導波路からの放射特性および比屈折率による光閉じ込め特性を利用して光変調を行なうことにより、特定波長の光を吸収させて光変調を行なう電界吸収効果素子に比べて、光変調時の波長依存性を緩和することが可能となる。
このため、数十nm程度の光の波長帯を同一構造で受け持たせることが可能となり、光変調器を波長多重光通信に用いる場合、通信に使う多くの光波長チャンネル毎に専用の光変調器を用意する必要がなくなり、光変調器の製造設計を容易に行なうことが可能となる。
【0048】
また、温度変化に伴う特性変化についても、室温が変動しても、横方向の比屈折率差は、ほとんど変化しないため、光変調特性にほとんど影響を与えることがない。
このため、様々の使用環境で光変調器を用いることが可能となるとともに、光伝送システムの保守・点検を容易化することが可能となる。
【0049】
なお、上述した第1実施形態では、曲がり導波路を形成するため、真性InP突起層4を90度だけ湾曲させて、光入射端および光出射端を互いに直行する端面にそれぞれ設ける方法について説明したが、例えば、曲がり導波路をU字状として、光入射端および光出射端を同一端面に設けるようにしてもよいし、あるいは、曲がり導波路をS字状または波型状にして、光入射端および光出射端を対向面にそれぞれ設けるようにしてもよい。
【0050】
図4は、本発明の第2実施形態に係る導波路型光変調器の概略構成を示す平面図である。なお、第2実施形態は、曲がり光導波路を構成する半導体材料を基板も含め、すべて半絶縁性材料で構成するとともに、進行波電極構造をGSG平面型構造とした例である。
図4において、半絶縁性InP基板11上には、半絶縁性InGaAsPガイド層12および半絶縁性InPクラッド層13が形成され、半絶縁性InPクラッド層13上には、所定の曲率半径で湾曲するように、半絶縁性InP突起層14が形成され、ストリップ装荷型曲がり導波路が構成されている。
【0051】
なお、半絶縁性InGaAsPガイド層12は、InGaAsP/InGaAsを用いた多重量子井戸構造にしてもよい。
また、半絶縁性InPクラッド層13および半絶縁性InP突起層14は、半絶縁性InGaAsPガイド層上に積層された半絶縁性InP層をメサ型に加工することで形成することができる。
【0052】
ここで、半絶縁性InP突起層14は、例えば、半絶縁性InPクラッド層13上で90度だけ曲がるように構成され、光入射端および光出射端は、互いに直行する端面にそれぞれ設けることができる。
また、半絶縁性InPクラッド層13上には、半絶縁性InP突起層14の外周部に沿うようにして、信号電極としてAuZnNi/Au層15が形成されるとともに、AuZnNi/Au層15の両側の半絶縁性InPクラッド層13上には、接地電極としてAuGeNi/Au層16a、16bがそれぞれ形成され、GSG型進行波電極構造が構成されている。
【0053】
また、半絶縁性InP突起層14が交差する光変調器の端面には、反射防止膜17a、17bが形成されている。
そして、導波路型光変調器に入力された光は、半絶縁性InP突起層14に沿って、半絶縁性InGaAsPガイド層12を導波し、90度だけ向きを変えた後、光出射側へと誘導される。
【0054】
ここで、半絶縁性InGaAsPガイド層12を導波する光の一部は、半絶縁性InP突起層14に沿って向きを変える際に、半絶縁性InP突起層14による光閉じ込め構造の外周部から放射され、その放射特性は、半絶縁性InP突起層14による光閉じ込め構造の比屈折率差によって制御することができる。
そして、曲がり光導波路を半絶縁性材料で構成するとともに、信号電極および接地電極を半絶縁性InPクラッド層13上に形成し、GSG型進行波電極構造を構成することにより、挿入損失を抑制しつつ、信号電極と接地電極との間のキャパシタンスを低減させて、インピーダンス設計を容易に行うことが可能となり、20Hz以上の高速変調を効率よく行なうことが可能となる。
【0055】
図5は、本発明の第2実施形態に係る導波路型光変調器の印加電圧と規格化光出力との関係を示す図である。
図5において、基板温度25度、波長1550nm、光入力10mW、TE偏向光を入射した時、動作電圧2Vで約20dB、挿入損失約1.5dBの良好な消光特性を観測することができた。
【0056】
また、1530nmから1570nmまで波長を変化させた場合も、図5とほぼ同様の消光特性が観測することができ、数十nm程度の光の波長帯を同一構造で受け持たせることが可能な光変調器を得ることができた。
図6は、本発明の第2実施形態に係る導波路型光変調器の製造工程を示す断面図である。
【0057】
図6(a)において、例えば、MOVPE(有機金属気相法)を用いることにより、半絶縁性InGaAsPガイド層12を半絶縁性InP基板11上に成長させる。
なお、半絶縁性InGaAsPガイド層12のバンドギャップエネルギーは、例えば、0.95eV付近、半絶縁性InGaAsPガイド層12の層厚は、例えば、約0.4μm程度とすることができる。
【0058】
ここで、鉄などの不純物を添加しながらInGaAsP4元混晶を成長させることにより、InGaAsP4元混晶を半絶縁化させることができる。
続けて、MOVPEを用いることにより、鉄イオンを混入させた半絶縁性InP層13´を半絶縁性InGaAsPガイド層12上に成長させる。
なお、半絶縁性InP層13´の層厚は、例えば、約1.5μm程度とすることができる。
【0059】
そして、CVDなどにより、ドライエッチング加工用のマスク材料である酸化珪素膜を半絶縁性InP層13´の表面に堆積させた後、フォトリソグラフィー技術およびドライエッチンング加工技術を用いることで、酸化珪素膜を曲がり光導波路形状にパターニングする。
なお、酸化珪素膜の膜厚は、例えば、0.3μm程度、曲がり光導波路パターンの幅は、例えば、約2.5μm程度、曲がり光導波路パターンの曲率半径は、例えば、15mmとすることができる。
【0060】
そして、光導波路形状にパターニングされた酸化珪素膜をマスクとして、半絶縁性InP層13´のエッチングを1.1μm程度の深さまで行なうことにより、図6(b)に示すように、半絶縁性InP突起層14が設けられた半絶縁性InPクラッド層13を半絶縁性InGaAsPガイド層12上に形成する。
このエッチング加工により、半絶縁性InPクラッド層13上に半絶縁性InP突起層14が設けられたストリップ装荷型導波路構造を形成することができる。
【0061】
続いて、図6(c)に示すように、半絶縁性InP突起層14の外周に沿うようにして、AuZnNi/Au層15を絶縁性InPクラッド層13上にそれぞれ、0.05μm、1.2μmの厚みに形成するとともに、AuZnNi/Au層15の両側に配置されるようにして、AuGeNi/Au層16a、16bを絶縁性InPクラッド層13上にそれぞれ、0.05μm、1.2μmの厚みに形成する。
【0062】
ここで、AuZnNi/Au層15を信号電極、AuGeNi/Au層16a、16bを接地電極として用いることで、GSG型進行波電極構造を構成することができ、光変調器の高速化を図ることができる。
次に、図6(d)に示すように、電子ビーム蒸着などを用いることにより、光入射面および光出射面にそれぞれ反射防止膜17a、17bを形成する。なお、反射防止膜17a、17bとしては、例えば、SiO膜とTiO膜の2層からなる積層構造を用いることができる。
【0063】
なお、上述した第2実施形態では、曲がり導波路を形成するため、真性InP突起層4を90度だけ湾曲させて、光入射端および光出射端を互いに直行する端面にそれぞれ設ける方法について説明したが、例えば、曲がり導波路をU字状として、光入射端および光出射端を同一端面に設けるようにしてもよく、あるいは、曲がり導波路をS字状または波型状にして、光入射端および光出射端を対向面にそれぞれ設けるようにしてもよい。
【0064】
図7は、本発明の第3実施形態に係る導波路型光変調器の概略構成を示す平面図である。なお、第3実施形態は、曲がり導波路型光変調器と半導体レーザとを同一基板上にモノリシック集積化した例である。
図7において、n型InP基板21上の一部の領域には、p型InPリッジ層29が設けられた1.3μm帯用分布帰還型半導体レーザ40が形成されている。そして、この1.3μm帯用分布帰還型半導体レーザ40に設けられたp型InP層27およびp型InPリッジ層29上には、絶縁膜を介してAuZnNi/Au層34が形成され、AuZnNi/Au層34は、この絶縁膜に形成された開口部を介してp型InPリッジ層29と接続さている。
【0065】
ここで、p型InPリッジ層29だけでなく、p型InP層27上にもAuZnNi/Au層34を設けることにより、AuZnNi/Au層34の面積を拡大して、AuZnNi/Au層34上にワイヤボンドを容易に行なうことが可能となる。
また、n型InP基板21上には、1.3μm帯用分布帰還型半導体レーザ40を埋め込むようにして、真性InGaAsPガイド層31および真性InPクラッド層32が形成され、真性InPクラッド層32上には、p型InPリッジ層29に接合されるようにして、真性InP突起層33が湾曲するように形成され、ストリップ装荷型曲がり導波路が構成されている。
【0066】
なお、真性InGaAsPガイド層31は、InGaAsP/InGaAsを用いた多重量子井戸構造にしてもよい。
また、真性InPクラッド層32および真性InP突起層33は、真性InP層をメサ型に加工することで形成することが可能となるとともに、p型InP層27およびp型InPリッジ層29は、p型InP層をメサ型に加工することで形成することが可能となる
このため、フォトリソグラフィー技術およびドライエッチング技術を用いて、曲がり導波路の真性InP層および半導体レーザのp型InP層のメサ加工を一括して行なうことにより、曲がり導波路の光路と半導体レーザの光路とを正確に一致させることができる。
【0067】
このため、曲がり導波路と半導体レーザとの光軸合わせを不要として、光軸ずれをなくすことができ、曲がり導波路と半導体レーザとの結合部での損失を低減させることが可能となる。
また、真性InPクラッド層32上には、真性InP突起層33の外周部に沿うようにして、AuZnNi/Au層35が形成され、n型InP基板21の裏面には、AuGeNi/Au層36が形成されている。
【0068】
そして、1.3μm帯用分布帰還型半導体レーザ40から出射された光は、真性InP突起層33に沿って、真性InGaAsPガイド層31を導波し、90度だけ向きを変えた後、光出射側へと誘導される。
ここで、真性InGaAsPガイド層31を導波する光の一部は、真性InP突起層33に沿って向きを変える際に、真性InP突起層33による光閉じ込め構造の外周部から放射され、その放射特性は、真性InP突起層33による光閉じ込め構造の比屈折率差によって制御することができる。
【0069】
そして、放射型の変調原理を用いることで、光の吸収が大きいp型クラッド層を曲がり導波路構造から除去することが可能となるとともに、AuZnNi/Au層35を真性InP突起層33の横に配置することが可能となり、素子全体の挿入損失や進行波電極の設計の問題を改善し、制御が簡単で高速変調が可能な半導体光変調器構造を提供することが可能となる。
【0070】
なお、図7の例では、n型InP基板21上に1.3μm帯用分布帰還型半導体レーザ40をモノリシック集積化したため、GSGの平面型ではなく、シングルストリップ型で進行波型電極を形成することが必要となる。
このため、信号電極と接地電極との間のキャパシタンスが増加し、変調できる周波数帯域は制限を受けるが、インピーダンス設計を精密に行うことで、l0GHz程度の高速性を保つことができる。
【0071】
例えば、図7の実施例では、レーザの動作電流を120mAとした場合、光出力が20mW、変調帯域が約8GHzと良好な特性を得ることができる。
これは、光変調器部の真性InGaAsPガイド層31の上部が真性InP層であり、吸収損失がほぼ0であるためと、シングルストリップラインの設計がある程度有効であるためと考えられる。
【0072】
また、消光特性は、図4の構成に比べて曲率半径を1mmと小さめに設定したため多少悪くなり、2Vで13dB程度の消光比を得ることができる。
図8、9は、本発明の第3実施形態に係る導波路型光変調器の製造工程を示す断面図である。
図8(a)において、1.3ミクロン帯用分布帰還型(DFB)レーザ40を集積するため、例えば、MOCVD法を用いることにより、1.15μm組成(バンドギャップエネルギー約1.07eV)の真性InGaAsPバッファ層(1.15Q)22、1.3μm組成の真性InGaAsP活性層(1.3Q)23、1.15μm組成の真性InGaAsPガイド層(1.15Q)24および真性InPクラッド層25をn型Inp基板21上に順次積層する。
【0073】
次に、図8(b)に示すように、真性InPクラッド層25を塩酸:燐酸=1:4水溶液などのエッチング液で除去し、電子ビーム露光技術を用いることにより、発信波長に合わせた周期で回折格子26を真性InGaAsPガイド層24上に形成する。
続いて、図8(c)に示すように、例えば、MOCVD法を用いることにより、回折格子26が形成された真性InGaAsPガイド層24上にp型Inpクラッド層27´を成長し、回折格子26を保護する。
【0074】
そして、図8(d)に示すように、CVDなどにより、p型Inpクラッド層27´上に酸化窒素膜28を成膜し、フォトリソグラフィー技術およびドライエッチンング加工技術を用いることで、1.3μm帯用分布帰還型半導体レーザ40の領域にのみ酸化窒素膜28が残るようにパターニングする。
そして、パターニングされた酸化窒素膜28をマスクとして、真性InGaAsPバッファ層22、真性InGaAsP活性層23、真性InGaAsPガイド層24およびp型Inpクラッド層27´のウェットエッチングを行うことで、1.3μm帯用分布帰還型半導体レーザ40の領域以外の真性InGaAsPバッファ層22、真性InGaAsP活性層23、真性InGaAsPガイド層24およびp型Inpクラッド層27´を除去する。
【0075】
なお、真性InGaAsPバッファ層22、真性InGaAsP活性層23、真性InGaAsPガイド層24およびp型Inpクラッド層27´をウェットエッチングする際のエッチング液としては、例えば、塩酸燐酸水溶液および硫酸:過酸化水素:水水溶液などを用いることができる。
そして、図9(a)に示すように、p型Inpクラッド層27´上に酸化窒素膜28を残した状態で、MOVPEを用いることにより、1.15μm組成の真性InGaAsPガイド層(1.15Q)31および真性InP層32´をn型Inp基板21上に選択的に成長させる。
【0076】
なお、真性InGaAsPガイド層31のバンドギャップエネルギーは、例えば、0.95eV付近、真性InGaAsPガイド層12の層厚は、例えば、約0.4μm程度とすることができる。
また、真性InP層32´の層厚は、例えば、約1.5μm程度とすることができる。
【0077】
そして、p型Inpクラッド層27´上の酸化窒素膜28を除去し、CVDなどにより、レーザ部のp型Inpクラッド層27´の表面および光変調器部の真性InP層32´の表面に、ドライエッチング加工用のマスク材料である酸化珪素膜を堆積させる。
そして、フォトリソグラフィー技術およびドライエッチンング加工技術を用いて、酸化珪素膜をパターニングすることにより、レーザ部上の酸化珪素膜をストライプ状にパターニングするとともに、光変調器部上の酸化珪素膜を曲がり光導波路形状にパターニングする。
【0078】
なお、酸化珪素膜の膜厚は、例えば、0.3μm程度、曲がり光導波路パターンの幅は、例えば、約2.5μm程度、曲がり光導波路パターンの曲率半径は、例えば、1mmとすることができる。
そして、ストライプ状および曲がり光導波路形状にパターニングされた酸化珪素膜をマスクとして、p型Inpクラッド層27´および真性InP層32´のエッチングを1.1μm程度の深さまで行なう。
【0079】
これにより、図9(b)に示すように、真性InP突起層33が設けられた真性InPクラッド層32を真性InGaAsPガイド層31上に形成することが可能となるとともに、p型Inpクラッド層27の上部にp型InPリッジ層29を設けることが可能となる。
そして、このエッチング加工により、光変調器部にストリップ装荷型導波路構造を形成することが可能となるとともに、ストリップ装荷型導波路構造に接合されたリッジ構造をレーザ部に形成することが可能となり、製造工程の増加を伴うことなく、光変調器部の光路とレーザ部の光路とを正確に一致させることができる。
【0080】
続いて、図9(c)に示すように、CVDなどにより、真性InP突起層33が設けられた真性InPクラッド層32上およびp型InPリッジ層29が設けられたp型Inpクラッド層27上に絶縁膜38を形成する。
そして、フォトリソグラフィー技術およびドライエッチンング加工技術を用いて、絶縁膜38をパターニングすることにより、真性InP突起層33の外周部およびp型InPリッジ層29上に開口部を形成する。
【0081】
そして、蒸着などの方法により、真性InP突起層33が設けられた真性InPクラッド層32上およびp型InPリッジ層29が設けられたp型Inpクラッド層27上にAuZnNi/Au層をそれぞれ、0.05μm、1.2μmの厚みに堆積する。
そして、フォトリソグラフィー技術およびドライエッチンング加工技術を用いることにより、全面に積層されたAuZnNi/Au層をパターニングし、絶縁膜38を介してp型Inpクラッド層27およびp型InPリッジ層29上にAuZnNi/Au層34を形成するとともに、真性InP突起層33の外周部に沿ってAuZnNi/Au層35を形成する。
【0082】
また、蒸着などの方法により、AuGeNi/Au層36をn型Inp基板21の裏面にそれぞれ、0.05μm、1.2μmの厚みに形成する。
ここで、AuZnNi/Au層35を信号電極、AuGeNi/Au層36を接地電極として用いることで、シングルストリップライン構造を構成することができ、インピーダンス設計を精密に行うことで、光変調器の高速化を図ることができる。
【0083】
次に、図9(d)に示すように、電子ビーム蒸着などを用いることにより、光出射面に反射防止膜37を形成するとともに、必要に応じて、1.3ミクロン帯用分布帰還型レーザ40の端面にも反射防止膜を形成する。ここで、反射防止膜37としては、例えば、SiO膜とTiO膜の2層からなる積層構造を用いることができる。
【0084】
なお、上述した第3実施形態では、曲がり導波路を形成するため、真性InP突起層4を90度だけ湾曲させて、光入射端および光出射端を互いに直行する端面にそれぞれ設ける方法について説明したが、例えば、曲がり導波路をU字状として、光入射端および光出射端を同一端面に設けるようにしてもよく、あるいは、曲がり導波路をS字状または波型状にして、光入射端および光出射端を対向面にそれぞれ設けるようにしてもよい。
【0085】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、曲がり光導波路の外周部に印加された印加電圧に基づいて、曲がり光導波路の光放射特性を制御することにより、挿入損失の増大を抑制しつつ、変調用電極下のp型クラッド層を除去することが可能となり、光変調器の設計の容易化を図りつつ、高速変調を効率よく行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る導波路型光変調器の概略構成を示す断面図である。
【図2】本発明の第1実施形態に係る導波路型光変調器の概略構成を示す平面図である。
【図3】本発明の一実施形態に係る導波路型光変調器のクラッド層厚tと比屈折率差と限界曲率との関係を示す図である。
【図4】本発明の第2実施形態に係る導波路型光変調器の概略構成を示す平面図である。
【図5】本発明の第2実施形態に係る導波路型光変調器の印加電圧と規格化光出力との関係を示す図である。
【図6】本発明の第2実施形態に係る導波路型光変調器の製造工程を示す断面図である。
【図7】本発明の第3実施形態に係る導波路型光変調器の概略構成を示す平面図である。
【図8】本発明の第3実施形態に係る導波路型光変調器の製造工程を示す断面図である。
【図9】本発明の第3実施形態に係る導波路型光変調器の製造工程を示す断面図である。
【図10】従来の分岐干渉型変調器の位相変調導波路構造の一例を示す断面図である。
【図11】従来の分岐干渉型変調器の位相変調導波路構造の別例を示す断面図である。
【符号の説明】
1、21 n型InP基板
2、24、31 真性InGaAsPガイド層
3、32 真性InPクラッド層
4、33 真性InP突起層
5、15、34、35 AuZnNi/Au層
6、16a、16b、36 AuGeNi/Au層
11 半絶縁性InP基板
12 半絶縁性InGaAsPガイド層
13 半絶縁性InPクラッド層
14 半絶縁性InP突起層
17a、17b、37 反射防止膜
22 真性InGaAsPバッファ層
23 真性InGaAsP活性層
25 真性InPクラッド層
26 回折格子
27 p型InP層
28 酸化窒素膜
29 p型InPリッジ層
38 絶縁膜
40 1.3μm帯用分布帰還型半導体レーザ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a waveguide type optical modulator, and is particularly suitable for application to a radiation type optical modulator using a bent optical waveguide.
[0002]
[Prior art]
As a conventional optical modulator for optical communication, an electric field absorption effect element and an electro-optic effect element have been proposed for a long time.
Among them, the electric field absorption effect element changes the band gap energy (absorption wavelength of light) by applying an electric field to the semiconductor material, and absorbs light of a specific wavelength passing through the semiconductor material, thereby increasing the light intensity. Modulation is performed, and can be divided into Franz-Keldysh effect type and quantum Stark effect type.
[0003]
Here, the technology of the electroabsorption element using a semiconductor material has been developed since the latter half of the 1980's, and the technology for improving characteristics (for example, Patent Document 1) and the technology for integrating with a semiconductor laser (for example, Patent Document 2) Has been developed, and in the 1990's, an optical modulator circuit applying these basic technologies has been developed (for example, Patent Document 3).
On the other hand, as for the electro-optic effect element, the optical waveguide circuit can be classified into a branch interference type and a directional coupling type. Recently, a technique for increasing the speed by devising an electrode such as a traveling wave electrode has been attracting attention.
[0004]
The technical development of the optical modulator using the electro-optic effect started with the technology related to the basic structure in the 1970s (for example, Patent Document 4). In the 1980s, the technology development for speeding up the optical modulation became active, and the light wave and the micro wave were developed. A traveling wave electrode structure that modulates waves at high speed by reducing the phase shift of waves has been developed (for example, Patent Document 5).
Furthermore, in the 1990's, the technology for broadening the modulation characteristics was developed, and the detailed structure of the traveling wave electrode was improved (for example, Patent Documents 6 and 7).
[0005]
Here, in an optical waveguide circuit using an electro-optic effect element, a branch interference type composed of a Y-branch optical waveguide, two phase modulation waveguides, and a multiplexing Y-branch waveguide is generally used. There is an advantage that the structure is not limited by the wavelength band of light to be used or the absorption current.
However, in the branching interference type optical modulator, in order to modulate the light intensity, it is necessary to give a refractive index change in the phase modulator unit to change the phase of light by about 90 degrees, and the modulation voltage tends to be high.
[0006]
In order to reduce the driving voltage even slightly, the length of the phase modulation waveguide generally tends to be long, and the length reaches several cm.
For this reason, the insertion loss of the entire device tends to be large, and particularly, when the branch interference optical modulator is formed of a semiconductor material, when both the insertion loss and the device length or the device length are reduced, There has been a problem that the operating voltage increases (for example, Non-Patent Document 1).
[0007]
Therefore, in the conventional semiconductor-based branch interference modulator, the insertion loss of the entire device is reduced by replacing a part of the p-type InP cladding layer formed on the InGaAsP guide layer with an intrinsic InP cladding layer. (For example, Non-Patent Document 2).
FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of a phase modulation waveguide structure of a conventional branch interference modulator.
[0008]
In FIG. 10, an intrinsic InGaAsP guide layer 102 and an intrinsic InP cladding layer 103 are formed on an n-type InP substrate 101. On the intrinsic InP cladding layer 103, a protruding p-type InP for forming a PN junction surface is formed. The clad layer 104 is formed, and a strip-loaded waveguide is formed.
On the p-type InP cladding layer 104, an AuZnNi / Au layer 105 is formed as a p-side electrode, and on the back surface of the n-type InP substrate 101, an AuGeNi / Au layer 106 is formed as an n-side electrode.
[0009]
Here, the loss of the strip-loaded waveguide structure is reduced by providing the undoped intrinsic InP cladding layer 103 between the intrinsic InGaAsP guide layer 102 and the p-type InP cladding layer 104.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing another example of the phase modulation waveguide structure of the conventional branching interference modulator.
[0010]
11, an n-type InP projection layer 202 is formed on an n-type InP substrate 201. On the n-type InP projection layer 202, an intrinsic InGaAsP guide layer 203, an intrinsic InP cladding layer 204, and a PN junction surface are formed. P-type InP cladding layer 205 is formed to form a high-mesa optical waveguide structure.
On the p-type InP cladding layer 205, an AuZnNi / Au layer 206 is formed as a p-side electrode, and on the back surface of the n-type InP substrate 201, an AuGeNi / Au layer 207 is formed as an n-side electrode.
[0011]
Here, the loss of the high-mesa optical waveguide structure is achieved by providing an impurity-free intrinsic InP clad layer 204 between the intrinsic InGaAsP guide layer 203 and the p-type InP clad layer 205.
In addition, the mesa processing is not stopped in the intrinsic InP cladding layer 204, and the high mesa optical waveguide structure is dug down to the n-type InP substrate 201, so that the applied volume of the electric field can be concentrated on the light propagation portion, and the modulation can be performed. Efficiency can be improved.
[0012]
In recent years, low-cost optical modulation methods for short-distance metro networks, access systems, and Ethernet communications, which are being developed in recent years, use semiconductor lasers directly instead of the above-described modulation methods using the electric field absorption effect or the electro-optic effect. A modulation method is often used.
In the method of directly modulating the semiconductor laser, since the drive current of the semiconductor laser is directly modulated, an external modulator is not required, and the cost of the optical communication system can be reduced.
[0013]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2670061
[Patent Document 2]
Japanese Patent Publication No. 5-8878
[Patent Document 3]
Japanese Patent No. 2817602
[Patent Document 4]
JP-B-61-8411
[Patent Document 5]
Japanese Patent No. 261896
[Patent Document 6]
Japanese Patent No. 2606774
[Patent Document 7]
Japanese Patent No. 2871645
[Non-patent document 1]
1989 IEICE Autumn National Convention C-260
[Non-patent document 2]
H. Takeuchi IEEE. Photonic Technology. Lett. Vol. no. 8 pp227-228, N.P. Yoshimoto. IEEE EL vol. 32 No. 15. 1996 pp1366-1369
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, in an optical modulator utilizing the electric field absorption effect, the intensity of light is modulated by changing the amount of absorption of light of a specific wavelength passing through the semiconductor material. It is necessary to set the gap energy (wavelength) very close.
[0015]
For this reason, when an optical modulator utilizing the electric field absorption effect is used for wavelength division multiplexing optical communication, it is necessary to prepare an optical modulator having a dedicated band gap energy (absorption wavelength) for each of many optical wavelength channels used for communication. There is a problem that the laser and the absorption modulator must be manufactured and designed as a pair.
Further, in the electroabsorption type element, the absorbed light must be discharged as a photocurrent, so that in the case of a high output or a high speed exceeding 10 GHz, the generation of the photocurrent causes impedance matching and tolerance of a voltage driving source. There is a problem that the design such as the amount of current is limited.
[0016]
In the optical modulator using the electro-optic effect shown in FIGS. 10 and 11, since the absorption coefficient of the p-type Inp cladding layers 104 and 205 is large, when the element is long to about 2 mm, an insertion loss of 3 dB or more occurs.
Of course, if the thickness of the intrinsic Inp cladding layers 103 and 204 is 0.6 μm or more, the insertion loss of the optical modulator can be further reduced.
[0017]
However, when the thickness of the intrinsic Inp cladding layers 103 and 204 is increased, the electric field intensity that can be applied to the intrinsic InGsAsP guide layers 102 and 203 is also reduced. Therefore, there is a problem that the operating voltage increases and easily reaches about 4V. Was.
The p-side electrode of the optical modulator shown in FIGS. 10 and 11 is usually formed by laminating a Pt (platinum) and Au (gold) layer with a thickness of several microns on an AuZnNi layer so that the AuZnNi / Au layer 105, 206 is formed.
[0018]
However, since the electrical resistance value of the p-type Inp cladding layers 104 and 205 is larger than that of the AuZnNi / Au layers 105 and 206, a traveling wave electrode as shown in Japanese Patent No. 2606774 and Japanese Patent No. 2871645 is designed. And the speed of the optical modulator due to the electro-optic effect using a semiconductor material is hindered.
[0019]
Further, in the method of directly modulating the semiconductor laser, since the driving current of the semiconductor laser is directly modulated, in addition to the modulation energy being increased, as the modulation speed is increased, the relaxation determined by the carrier lifetime inside the semiconductor laser is increased. Light modulation output vibration called vibration occurs, which greatly affects light transmission characteristics.
[0020]
For this reason, in the current 10 GHz optical transmission, when a received optical signal is converted into electricity, an electrical filter is applied to correct the disturbance of the optical transmission waveform. However, the communication speed is higher than 10 GHz. Then, there is a problem that the relaxation oscillation frequency and the modulation speed are close to each other, and it is difficult to perform correction by this filter.
Also, in the direct modulation method which seems simple at first glance, the frequency band that can be driven by the problem of the relaxation oscillation frequency fluctuates depending on the driving conditions, so it is necessary to respond individually to the setting, which makes the setting difficult. was there.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a waveguide type optical modulator which can easily control and efficiently perform high-speed modulation while reducing insertion loss.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, according to the waveguide type optical modulator of the first aspect, a bent optical waveguide is provided on an outer peripheral portion of the bent optical waveguide, and a refractive index of the outer peripheral portion is changed. And a modulation electrode for controlling the light confinement effect of the outer peripheral portion.
[0022]
Thereby, based on the applied voltage applied to the outer peripheral portion, the guided light confined in the bent optical waveguide can be radiated from the outer peripheral portion, and light modulation is performed by providing an electrode beside the optical waveguide. It becomes possible.
For this reason, it is possible to dispose the electrode very close to the distribution of the guided light while suppressing metal absorption, and it is necessary to provide a p-type cladding layer below the electrode to increase the distance between the guided light and the electrode. Disappears.
[0023]
As a result, it is possible to reduce the absorption loss of the guided light and reduce the insertion loss of the optical modulator, and it is possible to efficiently change the relative refractive index difference of the bent optical waveguide structure, thereby achieving an operating voltage. Can be reduced.
In addition, by removing the p-type cladding layer under the electrode, the application end of the electric field can be made to be the metal electrode surface, and the traveling wave electrode with low electric loss can be easily designed. Thus, it is possible to easily cope with an increase in the speed of the optical modulator.
[0024]
Furthermore, by performing light modulation using the radiation characteristics from the bent optical waveguide and the light confinement characteristics due to the relative refractive index difference, the light is absorbed more than a specific wavelength and compared with an electric field absorption effect element that performs light modulation. It is possible to reduce the wavelength dependence at the time of modulation.
For this reason, it is possible to easily expand the wavelength band that can be covered by the same element, and to easily design an optical modulator, and to prepare one type of optical modulator. It is possible to easily cope with a wavelength division multiplexing optical communication system.
[0025]
According to the waveguide type optical modulator of the second aspect, the bent optical waveguide includes an optical guide layer, an intrinsic or semi-insulating semiconductor clad layer laminated on the optical guide layer, and the intrinsic or semi-insulating semiconductor clad layer. An intrinsic or semi-insulating semiconductor projection layer provided on a semi-insulating semiconductor cladding layer, wherein the modulation electrode is provided along the outer periphery of the intrinsic or semi-insulating semiconductor projection layer. And
[0026]
This makes it possible to guide light along the semiconductor protrusion layer while suppressing absorption loss by the semiconductor cladding layer and metal absorption by the modulation electrode, and through the intrinsic or semi-insulating semiconductor cladding layer. Thus, an electric field can be efficiently applied to the light guide layer.
As a result, it is possible to efficiently control the characteristics of light emission from the bent optical waveguide, to reduce the operating voltage, and to efficiently perform high-speed modulation while reducing insertion loss. It becomes.
[0027]
According to the waveguide type optical modulator of the third aspect, an intrinsic or semi-insulating semiconductor substrate, and an intrinsic or semi-insulating semiconductor optical guide layer laminated on the intrinsic or semi-insulating semiconductor substrate, An intrinsic or semi-insulating semiconductor cladding layer laminated on the intrinsic or semi-insulating semiconductor optical guide layer, and an intrinsic or semi-insulating semiconductor protrusion layer provided on the intrinsic or semi-insulating semiconductor cladding layer, Along with the periphery of the intrinsic or semi-insulating semiconductor protrusion layer, a signal electrode provided on the intrinsic or semi-insulating semiconductor cladding layer, and disposed outside and inside the signal electrode. And a ground electrode provided on the intrinsic or semi-insulating semiconductor cladding layer.
[0028]
This makes it possible to control the light emission characteristics at the outer periphery of the bent optical waveguide while adopting a GSG (ground signal ground) type electrode structure, thereby facilitating impedance design while suppressing insertion loss, and achieving high speed operation. Modulation can be performed efficiently.
According to the waveguide type optical modulator of the fourth aspect, the semiconductor substrate, the ridge waveguide type semiconductor laser formed in a partial region on the semiconductor substrate, and the ridge waveguide type semiconductor laser. And a strip-loaded bending optical waveguide formed on the semiconductor substrate and joined to the ridge waveguide-type semiconductor laser, provided on the outer periphery of the strip-loading bending optical waveguide, A modulation electrode for controlling a light confinement effect of the outer peripheral portion by changing a refractive index of the outer peripheral portion.
[0029]
This makes it possible to match the optical path of the semiconductor laser with the optical path of the optical modulator by using lithography technology, eliminating the need for alignment work for aligning the optical path of the semiconductor laser with the optical path of the optical modulator. And the semiconductor laser and the optical modulator can be integrated on the same substrate, and the construction of the optical communication system can be facilitated.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a waveguide type optical modulator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a waveguide optical modulator according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic configuration of the waveguide optical modulator according to the first embodiment of the present invention. FIG.
[0031]
1 and 2, an intrinsic InGaAsP guide layer 2 and an intrinsic InP cladding layer 3 are formed on an n-type InP substrate 1, and the intrinsic InP cladding layer 3 is formed on the intrinsic InP cladding layer 3 so as to be curved with a predetermined radius of curvature. The protruding layer 4 is formed to form a strip-loaded bending waveguide.
The intrinsic InGaAsP guide layer 2 may have a multiple quantum well structure using InGaAsP / InGaAs.
[0032]
Further, the intrinsic InP cladding layer 3 and the intrinsic InP protrusion layer 4 can be formed by processing the intrinsic InP layer laminated on the intrinsic InGaAsP guide layer 2 into a mesa shape.
Here, the intrinsic InP protrusion layer 4 can be configured to be bent by 90 degrees on the intrinsic InP cladding layer 3, for example, and the light incident end and the light exit end can be provided on end faces perpendicular to each other. .
[0033]
An AuZnNi / Au layer 5 is formed on the intrinsic InP cladding layer 3 along the outer periphery of the intrinsic InP protrusion layer 4, and an AuGeNi / Au layer 6 is formed on the back surface of the n-type InP substrate 1. Is formed.
The AuZnNi / Au layer 5 can be used as a signal electrode, and the AuGeNi / Au layer 6 can be used as a ground electrode.
[0034]
Then, the light input to the waveguide type optical modulator is guided along the intrinsic InP protrusion layer 4 through the intrinsic InGaAsP guide layer 2, turned 90 degrees, and guided to the light emission side. You.
Here, a part of the light guided through the intrinsic InGaAsP guide layer 2 is radiated from the outer peripheral portion of the light confinement structure by the intrinsic InP protrusion layer 4 when the direction of the light is changed along the intrinsic InP protrusion layer 4. The characteristics can be controlled by the relative refractive index difference between the region R1 and the region R2.
[0035]
The relative refractive index difference between the region R1 and the region R2 can be expressed by the following equation (1), where the relative refractive index of the region R1 is Neq1 and the relative refractive index of the region R2 is Neq2.
Relative refractive index difference = (Neq1-Neq2) / Neq1
A general definition of the relative refractive index difference is disclosed in Kona Corporation's "Basics of Optical Waveguides" by Katsuyuki Okamoto, and its application to semiconductor optical waveguides is disclosed in Japanese Patent Application No. 7-105727.
[0036]
By applying a voltage to the intrinsic InGaAsP guide layer 2 via the AuZnNi / Au layer 5, the relative refractive index of the region R2 can be controlled, and the relative refractive index difference between the region R1 and the region R2 can be reduced. By changing this, it becomes possible to control the radiation characteristics of light emitted from the outer peripheral portion of the intrinsic InP protrusion layer 4.
Also, by using the radiation type modulation principle based on the bent waveguide structure, it becomes possible to remove the p-type cladding layer which absorbs a large amount of light, and to place the AuZnNi / Au layer 5 on the side of the intrinsic InP protrusion layer 4. It is possible to provide a semiconductor optical modulator structure that can be arranged, improves the insertion loss of the entire device and the problem of the design of the traveling-wave electrode, and is simple in control and capable of high-speed modulation.
[0037]
Further, by arranging the AuZnNi / Au layer 5 beside the intrinsic InP protrusion layer 4, even when the height of the intrinsic InP protrusion layer 4 is increased in order to reduce the absorption loss, the AuZnNi / Au layer 5 is kept in an intrinsic state. It becomes possible to approach the InGaAsP guide layer 2, and an electric field can be efficiently applied to the intrinsic InGaAsP guide layer 2.
[0038]
For this reason, the operating voltage can be reduced while suppressing the absorption loss, and high-speed modulation can be performed efficiently.
In addition, as the bending curvature of the intrinsic InP protrusion layer 4 in the bent waveguide structure, a critical curvature that can keep the bending loss at 1 dB or less can be selected. Here, the critical curvature can be adjusted by the layer thickness d of the intrinsic InGaAsP guide layer 2 and the layer thickness t of the intrinsic InP cladding layer 3, which are the structural parameters of the optical waveguide.
[0039]
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the cladding layer thickness t, the relative refractive index difference, and the critical curvature of the waveguide type optical modulator according to one embodiment of the present invention. The critical curvature was defined as the critical curvature at which the propagating light attenuated by 3 dB.
3, the horizontal axis represents the thickness t of the intrinsic InP cladding layer 3, and the vertical axis represents the relative refractive index difference between the region R1 and the region R2.
[0040]
Here, the critical curvature of the intrinsic InP protrusion layer 4 in the bent waveguide structure can be determined by the relative refractive index difference, and it is understood that the larger the relative refractive index difference, the smaller the critical radius of curvature.
Then, when a reverse voltage is applied to the AuZnNi / Au layer 5 provided along the outer peripheral portion of the intrinsic InP protruding layer 4, for example, as described in the “1989 IEICE Autumn Meeting C-260” In the case of a guide layer of a bulk material, the AuZnNi / Au layer 5 is formed by a quantum confined Stark effect (QCSE) when a multiple quantum well structure is used instead of the primary electro-optic effect, the Franz-Keldysh effect, and the bulk material. The refractive index of the lower intrinsic InGaAsP guide layer 2 increases by about 5 / l0000 per volt.
[0041]
Due to this change in the refractive index, the bent waveguide structure loses the effect of confining the light in the lateral direction, and the propagation light is radiated from the outer periphery of the bent waveguide, so that the loss of the propagation light increases.
Therefore, by controlling the voltage applied to the AuZnNi / Au layer 5 to change the refractive index of the intrinsic InGaAsP guide layer 2, light intensity can be modulated.
[0042]
In the method of controlling the light confinement effect at the outer peripheral portion of the bent optical waveguide, propagation light is radiated from the outer peripheral portion of the bent waveguide, so that it is possible to suppress generation of an absorption current.
For this reason, in the case of high output and high speed exceeding 10 GHz, it is possible to relax restrictions on design such as impedance matching and allowable current amount of a voltage driving source, and to easily cope with high output and high speed. Becomes possible.
[0043]
Further, in this modulation method and element structure, the AuZnNi / Au layer 5 is provided beside the light confinement region, so that it is possible to arrange an electrode very close to the distribution of the guided light, and to set the Pd from the bent optical waveguide. The mold clad layer can be removed.
That is, of the materials constituting the optical modulator, the InGaAsP guide layer and the upper InP cladding layer are made of intrinsic or semi-insulating semiconductor, so that the p-type InP cladding layer 104 is provided above the PIN structure of FIG. , The insertion loss of the optical modulator can be reduced to about 1/5.
[0044]
This is because the absorption loss of the p-type InP cladding layer 104 of FIG. 18 cm -3 When the intrinsic InP cladding layer 3 and the intrinsic InP protrusion layer 4 are used, the absorption loss becomes almost zero, while the AuZnNi / Au layer 5 has a propagation light distribution of about 80 dB / cm. However, since the optical modulator has a strip-loaded structure, the light distribution is confined in the intrinsic InGaAsP guide layer 2 and is hardly affected by metal absorption.
[0045]
Further, assuming that the structure having a small relative refractive index difference, for example, the layer thickness d of the intrinsic InGaAsP guide layer 2 is 0.4 μm and the layer thickness t of the intrinsic InP cladding layer 3 is 0.4 μm, the ratio between the region R1 and the region R2 is The difference in refractive index is about 0.06%.
For this reason, if the critical radius of curvature of the intrinsic InP protrusion layer 4 in the bent waveguide structure is set to 15000 μm, an extinction ratio of about 20 dB or more can be obtained at an operating voltage of about 2 V, and an increase in the operating voltage can be suppressed. In addition, the modulation efficiency can be improved.
[0046]
Further, in the bent waveguide structure shown in FIGS. 1 and 2, the p-type InP cladding layer can be removed, so that the electric field application end can be the metal electrode surface.
For this reason, it is possible to reduce the electric loss of the traveling wave, to facilitate the traveling wave design, and to increase the speed to 20 GHz or more by providing an electrode structure with speed matching. Become.
[0047]
In addition, by performing light modulation using the radiation characteristics from the bent optical waveguide and the light confinement characteristics based on the relative refractive index, the light is absorbed more than a specific wavelength and compared with the electric field absorption effect element that performs light modulation. It is possible to reduce the wavelength dependence at the time of modulation.
For this reason, it is possible to cover the wavelength band of light of about several tens of nm with the same structure, and when an optical modulator is used for wavelength division multiplexing optical communication, a dedicated optical modulation is performed for each of many optical wavelength channels used for communication. It is not necessary to prepare a device, and it is possible to easily perform the manufacturing design of the optical modulator.
[0048]
Also, regarding the characteristic change due to the temperature change, even if the room temperature changes, the relative refractive index difference in the horizontal direction hardly changes, so that the light modulation characteristic is hardly affected.
For this reason, the optical modulator can be used in various use environments, and maintenance and inspection of the optical transmission system can be facilitated.
[0049]
In the above-described first embodiment, a method has been described in which the intrinsic InP protruding layer 4 is bent by 90 degrees to form a bent waveguide, and the light incident end and the light output end are respectively provided on end surfaces perpendicular to each other. However, for example, the curved waveguide may be formed in a U-shape, and the light incident end and the light emitting end may be provided on the same end surface. The end and the light emitting end may be provided on the opposing surfaces, respectively.
[0050]
FIG. 4 is a plan view showing a schematic configuration of a waveguide optical modulator according to the second embodiment of the present invention. Note that the second embodiment is an example in which the semiconductor material constituting the bent optical waveguide, including the substrate, is entirely made of a semi-insulating material, and the traveling wave electrode structure is a GSG planar structure.
In FIG. 4, a semi-insulating InGaAsP guide layer 12 and a semi-insulating InP cladding layer 13 are formed on a semi-insulating InP substrate 11, and the semi-insulating InP cladding layer 13 is curved with a predetermined radius of curvature. As a result, the semi-insulating InP protrusion layer 14 is formed to form a strip-loaded bending waveguide.
[0051]
The semi-insulating InGaAsP guide layer 12 may have a multiple quantum well structure using InGaAsP / InGaAs.
The semi-insulating InP clad layer 13 and the semi-insulating InP protrusion layer 14 can be formed by processing the semi-insulating InP layer laminated on the semi-insulating InGaAsP guide layer into a mesa shape.
[0052]
Here, the semi-insulating InP projecting layer 14 is configured to bend by 90 degrees on the semi-insulating InP cladding layer 13, for example, and the light incident end and the light emitting end are provided on end faces orthogonal to each other. it can.
On the semi-insulating InP cladding layer 13, an AuZnNi / Au layer 15 is formed as a signal electrode along the outer periphery of the semi-insulating InP protrusion layer 14, and both sides of the AuZnNi / Au layer 15 are formed. AuGeNi / Au layers 16a and 16b are respectively formed as ground electrodes on the semi-insulating InP clad layer 13 to form a GSG type traveling wave electrode structure.
[0053]
Further, anti-reflection films 17a and 17b are formed on end faces of the optical modulator where the semi-insulating InP protrusion layers 14 intersect.
Then, the light input to the waveguide type optical modulator is guided along the semi-insulating InGaAsP guide layer 12 along the semi-insulating InP protrusion layer 14 and changes its direction by 90 degrees. It is guided to.
[0054]
Here, when a part of the light guided through the semi-insulating InGaAsP guide layer 12 changes its direction along the semi-insulating InP projection layer 14, an outer peripheral portion of the light confinement structure by the semi-insulating InP projection layer 14 is formed. And the radiation characteristics can be controlled by the relative refractive index difference of the light confinement structure by the semi-insulating InP protrusion layer 14.
The bent optical waveguide is made of a semi-insulating material, and the signal electrode and the ground electrode are formed on the semi-insulating InP clad layer 13 to form a GSG type traveling wave electrode structure, thereby suppressing insertion loss. In addition, the impedance between the signal electrode and the ground electrode can be reduced, impedance design can be easily performed, and high-speed modulation of 20 Hz or more can be efficiently performed.
[0055]
FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between the applied voltage and the normalized optical output of the waveguide optical modulator according to the second embodiment of the present invention.
In FIG. 5, when the substrate temperature was 25 ° C., the wavelength was 1550 nm, the optical input was 10 mW, and TE polarized light was incident, good extinction characteristics of about 20 dB and an insertion loss of about 1.5 dB were observed at an operating voltage of 2 V.
[0056]
Also, when the wavelength is changed from 1530 nm to 1570 nm, almost the same extinction characteristics as those in FIG. 5 can be observed, and the same structure can cover the wavelength band of light of about several tens nm. A modulator could be obtained.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the waveguide-type optical modulator according to the second embodiment of the present invention.
[0057]
In FIG. 6A, for example, a semi-insulating InGaAsP guide layer 12 is grown on a semi-insulating InP substrate 11 by using MOVPE (metal organic chemical vapor deposition).
The band gap energy of the semi-insulating InGaAsP guide layer 12 can be, for example, about 0.95 eV, and the layer thickness of the semi-insulating InGaAsP guide layer 12 can be, for example, about 0.4 μm.
[0058]
Here, by growing an InGaAsP quaternary mixed crystal while adding an impurity such as iron, the InGaAsP quaternary mixed crystal can be made semi-insulating.
Subsequently, a semi-insulating InP layer 13 ′ in which iron ions are mixed is grown on the semi-insulating InGaAsP guide layer 12 by using MOVPE.
The thickness of the semi-insulating InP layer 13 ′ can be, for example, about 1.5 μm.
[0059]
Then, a silicon oxide film, which is a mask material for dry etching, is deposited on the surface of the semi-insulating InP layer 13 ′ by CVD or the like, and then silicon oxide is formed by using photolithography technology and dry etching technology. The film is bent and patterned into an optical waveguide shape.
The thickness of the silicon oxide film may be, for example, about 0.3 μm, the width of the bent optical waveguide pattern may be, for example, about 2.5 μm, and the radius of curvature of the bent optical waveguide pattern may be, for example, 15 mm. .
[0060]
Then, the semi-insulating InP layer 13 'is etched to a depth of about 1.1 [mu] m using the silicon oxide film patterned in the optical waveguide shape as a mask, thereby obtaining a semi-insulating InP layer 13' as shown in FIG. The semi-insulating InP clad layer 13 provided with the InP protrusion layer 14 is formed on the semi-insulating InGaAsP guide layer 12.
By this etching process, a strip-loaded waveguide structure in which the semi-insulating InP protrusion layer 14 is provided on the semi-insulating InP cladding layer 13 can be formed.
[0061]
Subsequently, as shown in FIG. 6C, the AuZnNi / Au layer 15 is placed on the insulating InP clad layer 13 along the outer periphery of the semi-insulating InP protrusion layer 14 so as to have a thickness of 0.05 μm, 1.. The AuGeNi / Au layers 16a and 16b are formed on the insulating InP clad layer 13 so as to have a thickness of 0.05 μm and 1.2 μm, respectively, so as to be formed on both sides of the AuZnNi / Au layer 15. Formed.
[0062]
Here, by using the AuZnNi / Au layer 15 as a signal electrode and the AuGeNi / Au layers 16a and 16b as ground electrodes, a GSG type traveling wave electrode structure can be formed, and the speed of the optical modulator can be increased. it can.
Next, as shown in FIG. 6D, antireflection films 17a and 17b are formed on the light incident surface and the light emission surface, respectively, by using electron beam evaporation or the like. In addition, as the antireflection films 17a and 17b, for example, SiO 2 2 Film and TiO 2 A laminated structure including two layers of films can be used.
[0063]
In the above-described second embodiment, a method has been described in which, in order to form a bent waveguide, the intrinsic InP protrusion layer 4 is bent by 90 degrees, and the light incident end and the light output end are provided on the end surfaces orthogonal to each other. However, for example, the curved waveguide may be formed in a U shape, and the light incident end and the light emitting end may be provided on the same end surface. Alternatively, the curved waveguide may be formed in an S shape or a wave shape, and the light incident end may be formed. Alternatively, the light emitting end may be provided on the facing surface.
[0064]
FIG. 7 is a plan view showing a schematic configuration of a waveguide optical modulator according to the third embodiment of the present invention. Note that the third embodiment is an example in which a bent waveguide optical modulator and a semiconductor laser are monolithically integrated on the same substrate.
In FIG. 7, a 1.3 μm band distributed feedback semiconductor laser 40 provided with a p-type InP ridge layer 29 is formed in a partial region on the n-type InP substrate 21. An AuZnNi / Au layer 34 is formed on the p-type InP layer 27 and the p-type InP ridge layer 29 provided in the 1.3 μm band distributed feedback semiconductor laser 40 via an insulating film. The Au layer 34 is connected to the p-type InP ridge layer 29 via an opening formed in the insulating film.
[0065]
Here, by providing the AuZnNi / Au layer 34 not only on the p-type InP ridge layer 29 but also on the p-type InP layer 27, the area of the AuZnNi / Au layer 34 is enlarged and the AuZnNi / Au layer 34 is formed on the AuZnNi / Au layer 34. Wire bonding can be easily performed.
An intrinsic InGaAsP guide layer 31 and an intrinsic InP cladding layer 32 are formed on the n-type InP substrate 21 so as to embed the 1.3 μm band distributed feedback semiconductor laser 40, and are formed on the intrinsic InP cladding layer 32. Is formed so as to be bonded to the p-type InP ridge layer 29 so that the intrinsic InP protrusion layer 33 is curved, thereby forming a strip-loaded bending waveguide.
[0066]
The intrinsic InGaAsP guide layer 31 may have a multiple quantum well structure using InGaAsP / InGaAs.
The intrinsic InP cladding layer 32 and the intrinsic InP protrusion layer 33 can be formed by processing the intrinsic InP layer into a mesa, and the p-type InP layer 27 and the p-type InP ridge layer 29 It can be formed by processing the type InP layer into a mesa type.
For this reason, the mesa processing of the intrinsic InP layer of the bent waveguide and the p-type InP layer of the semiconductor laser is performed at once using the photolithography technique and the dry etching technique, so that the optical path of the bent waveguide and the optical path of the semiconductor laser are formed. Can be matched exactly.
[0067]
For this reason, it is not necessary to align the optical axis of the bent waveguide and the semiconductor laser, the optical axis deviation can be eliminated, and the loss at the joint between the bent waveguide and the semiconductor laser can be reduced.
An AuZnNi / Au layer 35 is formed on the intrinsic InP cladding layer 32 along the outer periphery of the intrinsic InP protrusion layer 33, and an AuGeNi / Au layer 36 is formed on the back surface of the n-type InP substrate 21. Is formed.
[0068]
The light emitted from the 1.3 μm band distributed feedback semiconductor laser 40 is guided along the intrinsic InP protrusion layer 33 through the intrinsic InGaAsP guide layer 31, and is turned by 90 degrees. Guided to the side.
Here, a part of the light guided through the intrinsic InGaAsP guide layer 31 is radiated from the outer peripheral portion of the light confinement structure by the intrinsic InP protrusion layer 33 when changing the direction along the intrinsic InP protrusion layer 33, and the radiation thereof is performed. The characteristics can be controlled by the relative refractive index difference of the light confinement structure by the intrinsic InP protrusion layer 33.
[0069]
By using the radiation modulation principle, it becomes possible to bend the p-type cladding layer having large light absorption from the waveguide structure and to place the AuZnNi / Au layer 35 on the side of the intrinsic InP protrusion layer 33. It is possible to provide a semiconductor optical modulator structure that can be arranged, improves the insertion loss of the entire device and the problem of the design of the traveling-wave electrode, and is simple in control and capable of high-speed modulation.
[0070]
In the example shown in FIG. 7, since the distributed feedback semiconductor laser 40 for the 1.3 μm band is monolithically integrated on the n-type InP substrate 21, the traveling wave type electrode is formed in a single strip type instead of a GSG planar type. It is necessary.
For this reason, the capacitance between the signal electrode and the ground electrode increases, and the frequency band in which modulation can be performed is limited. However, high-speed operation of about 10 GHz can be maintained by precisely performing impedance design.
[0071]
For example, in the embodiment of FIG. 7, when the operating current of the laser is set to 120 mA, good characteristics such as an optical output of 20 mW and a modulation band of about 8 GHz can be obtained.
This is probably because the upper part of the intrinsic InGaAsP guide layer 31 of the optical modulator section is an intrinsic InP layer, the absorption loss is almost zero, and the design of the single strip line is somewhat effective.
[0072]
In addition, the extinction characteristic is slightly deteriorated because the radius of curvature is set as small as 1 mm as compared with the configuration in FIG. 4, and an extinction ratio of about 13 dB can be obtained at 2 V.
8 and 9 are cross-sectional views illustrating the steps of manufacturing a waveguide-type optical modulator according to the third embodiment of the present invention.
In FIG. 8A, in order to integrate the distributed feedback type (DFB) laser 40 for the 1.3 micron band, for example, by using the MOCVD method, the intrinsic property of a 1.15 μm composition (band gap energy about 1.07 eV) is obtained. An InGaAsP buffer layer (1.15Q) 22, an intrinsic InGaAsP active layer (1.3Q) having a composition of 1.3 μm, an intrinsic InGaAsP guide layer (1.15Q) having a composition of 1.15 μm 24 and an intrinsic InP cladding layer 25 are n-type. The layers are sequentially laminated on the Inp substrate 21.
[0073]
Next, as shown in FIG. 8B, the intrinsic InP cladding layer 25 is removed with an etching solution such as a hydrochloric acid: phosphoric acid = 1: 4 aqueous solution, and the period adjusted to the transmission wavelength is obtained by using an electron beam exposure technique. To form a diffraction grating 26 on the intrinsic InGaAsP guide layer 24.
Subsequently, as shown in FIG. 8C, a p-type Inp cladding layer 27 'is grown on the intrinsic InGaAsP guide layer 24 on which the diffraction grating 26 has been formed by using, for example, the MOCVD method. Protect.
[0074]
Then, as shown in FIG. 8D, a nitrogen oxide film 28 is formed on the p-type Inp clad layer 27 'by CVD or the like, and by using photolithography technology and dry etching technology, 1. Patterning is performed so that the nitrogen oxide film 28 remains only in the region of the distributed feedback semiconductor laser 40 for the 3 μm band.
Then, using the patterned nitrogen oxide film 28 as a mask, the intrinsic InGaAsP buffer layer 22, the intrinsic InGaAsP active layer 23, the intrinsic InGaAsP guide layer 24, and the p-type Inp clad layer 27 'are wet-etched to perform a 1.3 μm band. The intrinsic InGaAsP buffer layer 22, the intrinsic InGaAsP active layer 23, the intrinsic InGaAsP guide layer 24, and the p-type Inp cladding layer 27 'other than the area of the distributed feedback semiconductor laser 40 are removed.
[0075]
As an etching solution for wet etching the intrinsic InGaAsP buffer layer 22, the intrinsic InGaAsP active layer 23, the intrinsic InGaAsP guide layer 24, and the p-type Inp cladding layer 27 ', for example, a phosphoric acid aqueous solution of phosphoric acid and sulfuric acid: hydrogen peroxide: A water solution or the like can be used.
Then, as shown in FIG. 9A, while using the MOVPE with the nitrogen oxide film 28 left on the p-type Inp cladding layer 27 ', an intrinsic InGaAsP guide layer (1.15Q ) 31 and the intrinsic InP layer 32 ′ are selectively grown on the n-type Inp substrate 21.
[0076]
The band gap energy of the intrinsic InGaAsP guide layer 31 can be, for example, around 0.95 eV, and the layer thickness of the intrinsic InGaAsP guide layer 12 can be, for example, about 0.4 μm.
The thickness of the intrinsic InP layer 32 'can be, for example, about 1.5 μm.
[0077]
Then, the nitrogen oxide film 28 on the p-type Inp cladding layer 27 'is removed, and the surface of the p-type Inp cladding layer 27' of the laser unit and the surface of the intrinsic InP layer 32 'of the optical modulator unit are formed by CVD or the like. A silicon oxide film as a mask material for dry etching is deposited.
Then, by patterning the silicon oxide film using photolithography technology and dry etching processing technology, the silicon oxide film on the laser portion is patterned into stripes, and the silicon oxide film on the optical modulator portion is bent. It is patterned into an optical waveguide shape.
[0078]
The thickness of the silicon oxide film can be, for example, about 0.3 μm, the width of the bent optical waveguide pattern can be, for example, about 2.5 μm, and the radius of curvature of the bent optical waveguide pattern can be, for example, 1 mm. .
Then, the p-type Inp cladding layer 27 ′ and the intrinsic InP layer 32 ′ are etched to a depth of about 1.1 μm using the silicon oxide film patterned in the stripe shape and the bent optical waveguide shape as a mask.
[0079]
Thereby, as shown in FIG. 9B, the intrinsic InP clad layer 32 provided with the intrinsic InP protrusion layer 33 can be formed on the intrinsic InGaAsP guide layer 31, and the p-type Inp clad layer 27 can be formed. Can be provided with a p-type InP ridge layer 29 above.
By this etching process, a strip-loaded waveguide structure can be formed in the optical modulator section, and a ridge structure bonded to the strip-loaded waveguide structure can be formed in the laser section. Thus, the optical path of the optical modulator section and the optical path of the laser section can be accurately matched without increasing the number of manufacturing steps.
[0080]
Subsequently, as shown in FIG. 9C, on the intrinsic InP clad layer 32 provided with the intrinsic InP protrusion layer 33 and on the p-type Inp clad layer 27 provided with the p-type InP ridge layer 29 by CVD or the like. Then, an insulating film 38 is formed.
Then, an opening is formed on the outer peripheral portion of the intrinsic InP protrusion layer 33 and on the p-type InP ridge layer 29 by patterning the insulating film 38 using a photolithography technique and a dry etching technique.
[0081]
Then, AuZnNi / Au layers are respectively formed on the intrinsic InP cladding layer 32 provided with the intrinsic InP protrusion layer 33 and the p-type Inp clad layer 27 provided with the p-type InP ridge layer 29 by a method such as vapor deposition. It is deposited to a thickness of 0.05 μm or 1.2 μm.
Then, the AuZnNi / Au layer laminated on the entire surface is patterned by using the photolithography technique and the dry etching technique, and the AuZnNi / Au layer is patterned on the p-type Inp clad layer 27 and the p-type InP ridge layer 29 via the insulating film 38. The AuZnNi / Au layer is formed along the outer periphery of the intrinsic InP protrusion layer 33 while forming the AuZnNi / Au layer.
[0082]
Further, the AuGeNi / Au layer 36 is formed on the back surface of the n-type Inp substrate 21 to a thickness of 0.05 μm and 1.2 μm, respectively, by a method such as vapor deposition.
Here, by using the AuZnNi / Au layer 35 as a signal electrode and the AuGeNi / Au layer 36 as a ground electrode, a single strip line structure can be formed. Can be achieved.
[0083]
Next, as shown in FIG. 9D, an anti-reflection film 37 is formed on the light emitting surface by using electron beam evaporation or the like, and if necessary, a distributed feedback laser for the 1.3-micron band. An anti-reflection film is also formed on the end face of 40. Here, as the antireflection film 37, for example, SiO 2 2 Film and TiO 2 A laminated structure including two layers of films can be used.
[0084]
In the above-described third embodiment, a method has been described in which the intrinsic InP protrusion layer 4 is bent by 90 degrees to form a bent waveguide, and the light incident end and the light output end are respectively provided on end faces perpendicular to each other. However, for example, the curved waveguide may be formed in a U-shape, and the light incident end and the light emitting end may be provided on the same end surface. Alternatively, the light emitting end may be provided on the facing surface.
[0085]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by controlling the light emission characteristics of the bent optical waveguide based on the applied voltage applied to the outer peripheral portion of the bent optical waveguide, while suppressing an increase in insertion loss, The p-type cladding layer under the modulation electrode can be removed, and high-speed modulation can be efficiently performed while facilitating the design of the optical modulator.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a waveguide type optical modulator according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a schematic configuration of a waveguide optical modulator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a cladding layer thickness t, a relative refractive index difference, and a critical curvature of the waveguide type optical modulator according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a plan view illustrating a schematic configuration of a waveguide optical modulator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between an applied voltage and a normalized optical output of a waveguide optical modulator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the waveguide-type optical modulator according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a plan view illustrating a schematic configuration of a waveguide optical modulator according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the waveguide-type optical modulator according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the waveguide-type optical modulator according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating an example of a phase modulation waveguide structure of a conventional branching interference modulator.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing another example of the phase modulation waveguide structure of the conventional branching interference modulator.
[Explanation of symbols]
1,21 n-type InP substrate
2, 24, 31 Intrinsic InGaAsP guide layer
3,32 Intrinsic InP cladding layer
4,33 Intrinsic InP protrusion layer
5, 15, 34, 35 AuZnNi / Au layer
6, 16a, 16b, 36 AuGeNi / Au layer
11 Semi-insulating InP substrate
12 Semi-insulating InGaAsP guide layer
13 Semi-insulating InP cladding layer
14 Semi-insulating InP protrusion layer
17a, 17b, 37 Anti-reflective coating
22 Intrinsic InGaAsP buffer layer
23 Intrinsic InGaAsP Active Layer
25 Intrinsic InP cladding layer
26 diffraction grating
27 p-type InP layer
28 Nitric oxide film
29 p-type InP ridge layer
38 Insulating film
40 1.3μm Distributed Feedback Semiconductor Laser

Claims (4)

曲がり光導波路と、
前記曲がり光導波路の外周部に設けられ、前記外周部の屈折率を変化させることにより、前記外周部の光閉じ込め効果を制御する変調用電極とを備えることを特徴とする導波路型光変調器。
A bent optical waveguide;
A waveguide-type optical modulator, comprising: a modulation electrode provided on an outer peripheral portion of the bent optical waveguide and controlling a light confinement effect of the outer peripheral portion by changing a refractive index of the outer peripheral portion. .
前記曲がり光導波路は、
光ガイド層と、
前記光ガイド層上に積層された真性または半絶縁性半導体クラッド層と、
前記真性または半絶縁性半導体クラッド層上に設けられた真性または半絶縁性半導体突起層とを備え、
前記変調用電極は、前記真性または半絶縁性半導体突起層の外周に沿って設けられていることを特徴とする請求項1記載の導波路型光変調器。
The bent optical waveguide includes:
A light guide layer,
An intrinsic or semi-insulating semiconductor clad layer laminated on the light guide layer,
Comprising an intrinsic or semi-insulating semiconductor protrusion layer provided on the intrinsic or semi-insulating semiconductor cladding layer,
The waveguide type optical modulator according to claim 1, wherein the modulation electrode is provided along an outer periphery of the intrinsic or semi-insulating semiconductor protrusion layer.
真性または半絶縁性半導体基板と、
前記真性または半絶縁性半導体基板上に積層された真性または半絶縁性半導体光ガイド層と、
前記真性または半絶縁性半導体光ガイド層上に積層された真性または半絶縁性半導体クラッド層と、
前記真性または半絶縁性半導体クラッド層上に設けられた真性または半絶縁性半導体突起層と、
前記真性または半絶縁性半導体突起層の外周に沿うようにして、前記真性または半絶縁性半導体クラッド層上に設けられた信号用電極と、
前記信号用電極の外側と内側に配置されるようにして、前記真性または半絶縁性半導体クラッド層上に設けられた接地用電極とを備えることを特徴とする導波路型光変調器。
An intrinsic or semi-insulating semiconductor substrate;
An intrinsic or semi-insulating semiconductor optical guide layer laminated on the intrinsic or semi-insulating semiconductor substrate,
An intrinsic or semi-insulating semiconductor cladding layer laminated on the intrinsic or semi-insulating semiconductor optical guide layer,
An intrinsic or semi-insulating semiconductor protrusion layer provided on the intrinsic or semi-insulating semiconductor cladding layer,
Along with the periphery of the intrinsic or semi-insulating semiconductor protrusion layer, a signal electrode provided on the intrinsic or semi-insulating semiconductor cladding layer,
A waveguide type optical modulator, comprising: a grounding electrode provided on the intrinsic or semi-insulating semiconductor cladding layer so as to be disposed outside and inside the signal electrode.
半導体基板と、
前記半導体基板上の一部の領域に形成されたリッジ導波路型半導体レーザと、
前記リッジ導波路型半導体レーザ上に設けられたレーザ用電極と、
前記半導体基板上に形成され、前記リッジ導波路型半導体レーザに接合されたストリップ装荷型曲がり光導波路と、
前記ストリップ装荷型曲がり光導波路の外周部に設けられ、前記外周部の屈折率を変化させることにより、前記外周部の光閉じ込め効果を制御する変調用電極とを備えることを特徴とする導波路型光変調器。
A semiconductor substrate;
A ridge waveguide type semiconductor laser formed in a partial region on the semiconductor substrate,
A laser electrode provided on the ridge waveguide type semiconductor laser,
A strip-loaded bending optical waveguide formed on the semiconductor substrate and bonded to the ridge waveguide semiconductor laser;
A waveguide electrode, comprising: a modulation electrode that is provided on an outer peripheral portion of the strip-loaded bent optical waveguide and that controls a light confinement effect of the outer peripheral portion by changing a refractive index of the outer peripheral portion. Light modulator.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006047895A (en) * 2004-08-09 2006-02-16 Furukawa Electric Co Ltd:The Photonic crystal semiconductor device and semiconductor laser integrated device

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