JP2004271744A - 吸収型半導体光変調器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】吸収端波長が光信号の波長より短い半導体コア23と、電圧印加時にその半導体コアの吸収端波長を長波長側に動かすことにより、光信号を半導体コア23に吸収させるための電圧印加用の電極3A,3Bを具備する。半導体コア23の上部にあるp型の導電性を持つ半導体pクラッド層25において、pクラッド層がドーピング濃度の異なる複数の層251、252、253を積層した多層構造からなり、多層構造におけるドーピング濃度分布において中央部のpクラッド層252として、そのドーピング濃度が外側のpクラッド層251、253のドーピング濃度よりも小さく、かつドーピング濃度1×1017cm−3以下の層を含んでいる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光変調器に関し、特に高速で動作する吸収型半導体光変調器に関する。
【0002】
【従来の技術】
図7に従来の吸収型半導体光変調器の一例を示す(非特許文献1)。従来の吸収型半導体光変調器は、n−InP基板1と、その上面に積層した半導体積層体2と、この基板1の下面と半導体積層体2の上面に積層された一対の電極3A、3B(総括番号を3とする)とから構成されている。
【0003】
この半導体積層体2は、n−InP基板1の上面に順次積層されたn−InPクラッド層21、i−InGaAsP SCH(Separate Confined Heterostructure:キャリヤ閉込め領域と光閉込め領域を別々に有するヘテロ構造)層22、多重量子井戸コア層23、i−InGaAsP SCH層24、p−InPクラッド層25、p+−InGaAsキャップ層26からなる。この半導体積層体2の存在しないn−InP基板1の上面の両側には、ポリイミド層4が形成され、半導体積層体2を埋め込んでいる。
【0004】
電極3は、n−InP基板1の下面にn電極3Aを、p+−InGaAsキャップ層26の上面にp電極3Bを形成している。このp電極3Bの上面に、駆動電源(図示しない)から、半導体積層体2の積層方向(図7における上下方向)への電圧の印加を可能にしている。
【0005】
この吸収型半導体光変調器は、n−InP基板1の上面に積層した半導体積層体2のうち、多重量子井戸コア層23の側面から光信号を入射し、多重量子井戸コア層23内を伝送途中の光信号に上記電圧を印加することで、光の強度を変更して出力することができる。
【0006】
p電極3Bは進行波電極となっている。光信号の入射側のポリイミド層4の上部電極が電気信号の入力部Iとなり、この入力部Iに駆動信号源(図示しない)から電気信号(逆バイアス電圧)が入力される。一方、光信号の出射側のポリイミド層4の上部電極に出力部IIが設けられ、この出力部IIには終端抵抗(図示しない)が接続される。つまり、光が入射した多重量子井戸コア層23を伝搬する間に、電気信号も光変調器の全長にわたって光と同方向に伝搬する。両者が併走する間に、電気信号により多重量子井戸コア層23の吸収端波長は長波長側にシフトされるため、光は吸収されてOFF状態となる。
【0007】
上記構成の従来の吸収型半導体光変調器の動作原理を図8を用いて説明する。上記構成において、光信号の波長(動作波長)を1.55μmとした場合、多重量子井戸コア層23の構成を調節して、吸収ピークを1.48μm程度となるよう設計しておく。ここで、この光変調器に電圧を印加していない場合、動作波長は、図8の実線Aのグラフに示すように、吸収端波長よりも長波長側に離れており、入射光は半導体多重量子井戸コア層23に吸収されずに出射され、光はON状態になる。一方、光変調器に逆バイアス電圧を印加した場合の吸収スペクトルは、図8の破線Bのグラフに示すように、長波長側に移動するため、光信号は半導体多重量子井戸コア層23に吸収され、光はOFF状態となる。
【0008】
n電極3A、p電極3Bは金を含む金属合金であり、有限の電気伝導率をもつ。また、p−InPクラッド層25、n−InPクラッド層21は高濃度のキャリアドーピングを施された半導体であり、電極同様に有限の電気導電率を持つ。特に、p−InPクラッド層25及びn−InPクラッド層21については、誘電率の虚数部を有し、誘電率の虚数部はマイクロ波の周波数に比例し、導電率に反比例する。すなわち、誘電率の虚数部は、電気信号がマイクロ波としてp電極3Bを伝搬する際にマイクロ波の損失要因として作用する。ドーピングされたInPの伝導率は、金属に比べて桁違いに小さいため、マイクロ波として供給された電気信号が半導体多重量子井戸コア層23に印加される場合に、マイクロ波エネルギーの多くがp−InPクラッド層25またはn−InPクラッド層21で熱として消費されてしまい、半導体多重量子井戸コア層23の光吸収を変化させるために有効に使われない。さらに、上述のようにマイクロ波の損失要因となる誘電率虚数部はマイクロ波周波数の増大とともに増加してしまう。以上の状況を説明するのが図9に図示する従来の光変調器に対する光応答特性である。
【0009】
図9は、横軸が光変調器にマイクロ波として供給された電気信号のマイクロ波変調周波数(GHz)であり、縦軸はp電極3B上を伝わるマイクロ波電気信号が光吸収変調に如何に効率よく寄与したかをデシベル(dB)単位で表示したものである。電気信号のマイクロ波変調周波数の増大とともに、変調器は0dB(すなわち効率100)から急速に劣化し、15GHzあたりで最低基準値の−3dBを下回ってしまう。これは、上述したマイクロ波の損失が主たる原因である。
【0010】
【非特許文献1】
K. Wakita, I. Kotaka, H. Asai, M. Okamoto, Y. Kondo. and M. Naganuma “High−speed and low−drive−voltage monolithic multiple quantum−well modulator / DFB laser light source”IEEE Photonics Technology Letters、pp. 16−18, Vol. 4, No. 1, January 1992、 IEEE (the Insutitute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.)
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のクラッド層構造では、周波数が高くなるにつれて、マイクロ波が感じる損失が大きくなるため、超高速光変調を実現するのが困難であった。
【0012】
本発明は、従来技術の上記のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、高速動作を阻む要因となっていたマイクロ波損失を効果的に取り除くことができる吸収型半導体光変調器を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、吸収端波長が光信号の波長よりも短い半導体コアと、電圧印加時に前記半導体コアの前記吸収端波長を長波長側に動かすことにより前記光信号を前記半導体コアに吸収させるための電圧印加用の電極とを具備する吸収型半導体光変調器において、前記半導体コアの上部にあるp型の導電性を持つ半導体pクラッド層がドーピング濃度の異なる3層以上の層を積層した多層構造からなり、かつ前記多層構造におけるドーピング濃度分布において中央部または略中央部の層のドーピング濃度がその外側の層のドーピング濃度よりも低濃度であるようにしている。
【0014】
吸収型変調器において、一般にクラッド層は、金属電極に接し、変調器動作中に発生した光電流を電極を通して、変調器が接続された外部回路へ流す重要な役割を担うため、ドーピング濃度を変化させることは行われないが、クラッド層の中央部にドーピング濃度の低い領域を設けるという発想によって、ドーピング濃度を下げたことによるマイクロ波損失の低減が可能となる。
【0015】
請求項2に記載の発明は、吸収端波長が光信号の波長よりも短い半導体コアと、電圧印加時に前記半導体コアの前記吸収端波長を長波長側に動かすことにより前記光信号を前記半導体コアに吸収させるための電圧印加用の電極とを具備する吸収型半導体光変調器において、前記半導体コアの下部にあるn型の導電性を持つ半導体nクラッド層がドーピング濃度の異なる3層以上の層を積層した多層構造からなり、かつ前記多層構造におけるドーピング濃度分布において中央部または略中央部の層のドーピング濃度がその外側の層のドーピング濃度よりも低濃度であるようにしている。
【0016】
請求項2に係わるn型クラッド層は、請求項1に係わるp型クラッドに比べてマイクロ波損失増大への寄与が比較的小さいが、クラッド層の中央部にドーピング濃度の低い領域を設けるという発想によって、p型クラッド層同様にドーピング濃度を下げたことによるマイクロ波損失の低減が期待できる。
【0017】
請求項3に係わる発明では、請求項1の発明において、前記半導体コアの下部にあるn型の導電性を持つ半導体nクラッド層がドーピング濃度の異なる3層以上の層を積層した多層構造からなり、かつ前記多層構造におけるドーピング濃度分布において中央部または略中央部の層のドーピング濃度がその外側の層のドーピング濃度よりも低濃度であるようにすることで、請求項1に係わる発明の効果と請求項2に係わる発明の効果の相乗効果によりさらなるマイクロ波損失の低減が可能となる。
【0018】
請求項3に係わる発明では、前記中央部または略中央部の層のドーピング濃度が1×1017cm−3以下であるとすることで、実用的に最適な数値を限定している。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0020】
本発明の一実施形態の吸収型半導体光変調器の構造を図1に示す。なお、図7に示した従来の吸収型半導体光変調器と同じ構成には同じ符号を付し、その重複する説明は省略する。
【0021】
図1に示す本実施形態における吸収型半導体光変調器は、図7に示した従来の吸収型半導体光変調器と同様に、n−InP基板1と、その上面に積層した半導体積層体2と、この半導体積層体2の積層方向(図1における上下方向)に電圧を印加するように、n−InP基板1の下面と半導体積層体2の上面に積層された一対の電極3A,3Bとから構成されている。この半導体積層体2の存在しないn−InP基板1の上面の両側には、ポリイミド層4が形成され、半導体積層体2を埋め込んでいる。
【0022】
この半導体積層体2は、n−InP基板1の上面に順次積層された、nクラッド層であるn−InPクラッド層21、i−InGaAsP SCH層22、多重量子井戸コア層23、i−InGaAsP SCH層24、p型クラッド層であるp−InPクラッド層25、p+−InGaAsキャップ層26からなる。
【0023】
ここで、p−InPクラッド層25は、異なる濃度のp型ドーパントをドーピングされた3つの層を交互に積層した構成になっており、それらは下から(基板1側から)p−InPクラッド層251、p−InPクラッド層252、p−InPクラッド層253である。下部のp−InPクラッド層251及び上部のp−InPクラッド層253のドーピング濃度は、ともに1×1018cm−3であり、間に挟まれた中間のp−InPクラッド層252のドーピング濃度は、上記クラッド層251及び253よりも低濃度の5×1016cm−3に設定されている。
【0024】
上記構成の吸収型半導体光変調器を、従来の吸収型半導体光変調器と同様に動作させたときの結果を図2及び図3に示す。
【0025】
図2は、横軸が光変調器にマイクロ波として供給された電気信号のマイクロ波変調周波数(GHz)であり、縦軸はp電極3B上を伝わるマイクロ波電気信号が光吸収変調に如何に効率よく寄与したかをデシベル(dB)単位で表示したものである。図2のAのグラフは図1の本発明の光変調器を動作させたときの光応答の周波数特性を表す。図2のBのグラフは、比較のために従来の光変調器を動作させたときの光応答の周波数特性を併せて表示したものである。図2から分かるように、Aのグラフで示す本発明の光変調器は、Bのグラフで示す従来の光変調器と異なり、電気信号のマイクロ波変調周波数の増大とともに、変調器は0dB(すなわち効率100)から急速に劣化することはなく、40GHzあたりまで最低基準値の−3dBを下回ることがない。これは、後述のように、本発明の光変調器は、マイクロ波の損失が少ないことによる。
【0026】
図3は、横軸が光変調器のp電極3Bの上面に、駆動電源(図示しない)から、半導体積層体2の積層方向(図7における上下方向)へ電圧を印加したときの印加電圧(V)であり、縦軸は入射光に対する消光(dB)を表わす。図3の実線Aのグラフが図1の本発明の吸収型半導体光変調器を動作させたときの印加電圧に対する消光特性を表わす。図3には、比較のために従来の吸収型半導体光変調器を動作させた時の消光量の印加電圧依存性も、破線Bのグラフにより併せて表示した。ここで、図3においては、動作波長1.55μmに対する吸収ピークとして、半導体コア層(多重量子井戸コア層)23の光吸収ピークを1.48μmにして動作を行っている。
【0027】
図2に示すように、本発明の一実施形態における光変調器では、従来の光変調器の特性に比べて光応答特性に優れ、応答劣化の目安となる−3dB劣化の周波数が2.5倍に延びていることがわかる。マイクロ波は、自身の周波数が高くなるに従い、減衰しやすい性質を持っている。物理的には、光応答特性は、マイクロ波の形で光変調器に供給される電気信号がコア層23に効率良く伝えられ光信号の変調に寄与する程度を表す示量変数であり、光応答劣化の程度が−3dB以内に収まる周波数が高いということは、本発明の実施形態における光変調器の方が、そこを伝搬するマイクロ波にとって損失を感じにくい構造になっていることを物語っている。
【0028】
また、図3に示す消光特性において、十分な消光を得るために必要な印加電圧は、本発明の一実施形態における光変調器の方が従来の光変調器に比べてより高い電圧を必要としているが、図2で示す−3dB周波数帯域の大幅な延伸効果に比べると非常に小さな増加量に留まっており、本発明の効果が大きいことを示している。
【0029】
本発明の一実施形態における光変調器では、前述のように、p−InPクラッド層252のドーピング濃度を、p−InPクラッド層251及びp−InPクラッド層253よりも低濃度の5×1016cm−3に設定している。ここで、p−InPクラッド層252のドーピング濃度とマイクロ波損失低減効果との関係はどのようなものであるか?との疑問が生じる。その関係を図示したのが図4である。
【0030】
図4は、本発明の一実施形態における吸収型半導体光変調器において、p−InPクラッド層252のドーピング濃度を変化させた場合のマイクロ波損失及び、光応答特性の−3dB劣化帯域のマイクロ波周波数依存性をプロットしたものである。図4の黒丸のプロットをつなげたグラフAから分かるように、マイクロ波損失は、p−InPクラッド層252のドーピング濃度が1×1017cm−3程度(1E17で図示)を境にして、ドーピング濃度の減少に対して急速に低減されることがわかる。
【0031】
1×1017cm−3という濃度は、半導体積層体2を構成する半導体p−i−nダイオード構造において、多重量子井戸コア層23の厚さで決まるダイオード構造の容量値とのバランスから決まるものである。多重量子井戸コア層23の厚さは典型的に0.2〜0.3μm程度であり、これ以上薄くすることは、p−i−nダイオード構造の容量値が増加するため利点がなく、逆に厚くすると印加電圧の増大を招く。本発明の一実施形態の光変調器の動作周波数は40GHz以上と超高速であり、そのような超高速光変調器の動作に、マイクロ波電気信号を供給する電子回路の制限から、低駆動印加電圧化は必須である。従って、多重量子井戸コア層23の厚さは典型的に0.2〜0.3μm程度から大きく変更する可能性は小さい。よって、多重量子井戸コア層23の厚さで決まるダイオード構造の容量値とのバランスから決まる1×1017cm−3というp−InPクラッド層252のドーピング濃度は、本発明を特徴づける量である。
【0032】
図5は、本発明の一実施形態における吸収型半導体光変調器の動作時のポテンシャルエネルギー分布を、半導体積層体2の中央部の上下方向に沿って図示したものである。p−InPクラッド層252のドーピング濃度は、5×1016cm−3である。図5の(A)のポテンシャル図は印加電圧0V時のときのものであり、図5の(B)のポテンシャル図は印加電圧−2V時のものである。
【0033】
図6は、従来の光変調器における動作時のポテンシャルエネルギー分布を半導体積層体2の中央部の上下方向に沿って図示したものである。p−InPクラッド層全体のドーピング濃度は、1×1018cm−3である。図6の(A)のポテンシャル図は印加電圧0V時のときのものであり、図6の(B)のポテンシャル図は印加電圧−2V時のものである。
【0034】
図5及び図6の比較からわかるように、本発明の一実施形態の吸収型半導体光変調器は、従来の吸収型半導体光変調器と同様のポテンシャル分布を形成し、光変調器として問題なく動作することを示している。
【0035】
(他の実施形態)
以上、本発明の好適な実施形態を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、請求項に記載の範囲であれば、その数値や材質等の変更、形状等の変形、代替物との置換等は、全て本発明の実施形態に含まれる。
【0036】
例えば、前述の本発明の一実施形態では、半導体コア23の上部にあるp型の導電性を持つ半導体pクラッド層25をドーピング濃度の異なる3層251、252、253としたが、本発明はこれに限定されず、半導体pクラッド層25を例えば5層等の3層以上を積載した多層構造としても同様な効果が期待できる。
【0037】
また、半導体コア23の下部にあるn型の導電性を持つ半導体nクラッド層23をドーピング濃度の異なる3層以上の層を積層した多層構造にし、かつその多層構造におけるドーピング濃度分布において中央部または略中央部の層のドーピング濃度がその外側の層のドーピング濃度よりも低濃度であるように設定しても好ましい。n型クラッド層23は、p型クラッド25に比べてマイクロ波損失増大への寄与が比較的小さいが、クラッド層の中央部にドーピング濃度の低い領域を設けるという本発明の新規な発想によって、p型クラッド層同様にドーピング濃度を下げたことによるマイクロ波損失の低減が期待できる。
【0038】
また、前述の本発明の一実施形態では、p型クラッド25の中央部の層252のドーピング濃度を1×1017cm−3以下であるとしたが、この値は前述したように、多重量子井戸コア層23の厚さで決まるダイオード構造の容量値とのバランスから決まるものであるので、他の値も有り得る。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高速動作を阻む要因となっていたマイクロ波損失を効果的に取り除くことができ、それによって優れた吸収型半導体光変調器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態における吸収型半導体光変調器の構造を示す模式図である。
【図2】本発明の一実施形態における吸収型半導体光変調器の光応答特性を示す特性図である。
【図3】本発明の一実施形態における吸収型半導体光変調器の消光特性を示す特性図である。
【図4】本発明の一実施形態における吸収型半導体光変調器でのマイクロ波損失と−3dB周波数帯域のドーピング濃度依存性を示す特性図である。
【図5】本発明の一実施形態の吸収型半導体光変調器におけるポテンシャルエネルギー分布を示す図である。
【図6】従来の吸収型半導体光変調器におけるポテンシャルエネルギー分布を示す図である。
【図7】従来の吸収型半導体光変調器の構造を示す模式図である。
【図8】従来の吸収型半導体光変調器の動作原理を説明する概念図である。
【図9】従来の吸収型半導体光変調器の光応答特性を示す特性図である。
【符号の説明】
1 n−InP基板
2 半導体積層体
3A n電極
3B p電極
21 n−InPクラッド層
22 i−InGaAsP SCH層
23 多重量子井戸コア層
24 i−InGaAsP SCH層
25 p−InPクラッド層
251 p−InPクラッド層
252 p−InPクラッド層
253 p−InPクラッド層
26 p+−InGaAsキャップ層
4 ポリイミド層
Claims (4)
- 吸収端波長が光信号の波長よりも短い半導体コアと、電圧印加時に前記半導体コアの前記吸収端波長を長波長側に動かすことにより前記光信号を前記半導体コアに吸収させるための電圧印加用の電極とを具備する吸収型半導体光変調器において、
前記半導体コアの上部にあるp型の導電性を持つ半導体pクラッド層がドーピング濃度の異なる3層以上の層を積層した多層構造からなり、かつ前記多層構造におけるドーピング濃度分布において中央部または略中央部の層のドーピング濃度がその外側の層のドーピング濃度よりも低濃度であることを特徴とする吸収型半導体光変調器。 - 吸収端波長が光信号の波長よりも短い半導体コアと、電圧印加時に前記半導体コアの前記吸収端波長を長波長側に動かすことにより前記光信号を前記半導体コアに吸収させるための電圧印加用の電極とを具備する吸収型半導体光変調器において、
前記半導体コアの下部にあるn型の導電性を持つ半導体nクラッド層がドーピング濃度の異なる3層以上の層を積層した多層構造からなり、かつ前記多層構造におけるドーピング濃度分布において中央部または略中央部の層のドーピング濃度がその外側の層のドーピング濃度よりも低濃度であることを特徴とする吸収型半導体光変調器。 - 前記半導体コアの下部にあるn型の導電性を持つ半導体nクラッド層がドーピング濃度の異なる3層以上の層を積層した多層構造からなり、かつ前記多層構造におけるドーピング濃度分布において中央部または略中央部の層のドーピング濃度がその外側の層のドーピング濃度よりも低濃度であることを特徴とする請求項1に記載の吸収型半導体光変調器。
- 前記中央部または略中央部の層のドーピング濃度が1×1017cm−3以下であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の吸収型半導体光変調器。
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JP2015133381A (ja) * | 2014-01-10 | 2015-07-23 | 三菱電機株式会社 | 半導体装置の製造方法、半導体装置、半導体装置の製造システム |
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