JP2005043722A - 半導体電界吸収型変調器 - Google Patents

半導体電界吸収型変調器 Download PDF

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Abstract

【課題】 光変調を行う際の光吸収電流の発生量を局所的に制御する。
【解決手段】 吸収領域4a〜4dを光導波方向に沿って離散的に配置することにより、光吸収に実質的に寄与する各光吸収領域4a〜4dの間に、光吸収に実質的に寄与しない光吸収抑制領域5a〜5cを光導波方向に沿って設ける
【選択図】 図1

Description

本発明は半導体電界吸収型変調器に関し、特に、半導体電界吸収型変調器における光吸収電流の発生量を局所的に制御する方法に適用して好適なものである。
従来の半導体電界吸収型変調器では、例えば、非特許文献1に開示されているように、光吸収層としてバルク(単一材料)構造または多重量子井戸(MQW:Multiple Quantum Well)構造を形成し、電圧印加時のフランツケルディッシュ効果または量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE:Quantum Confined Stark Effect)を利用して吸収端波長を長波長側にシフトさせることにより、光変調を行うものがある。
図8は、従来の半導体電界吸収型変調器の概略構成を示す斜視図である。
図8において、n−InP基板101上には、n−InPクラッド層102、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層103、ノンドープInGaAsP光吸収層104、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層106、p−InPクラッド層107およびp−InGaAsコンタクト層108が順次積層されている。
そして、これらn−InPクラッド層102、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層103、ノンドープInGaAsP光吸収層104、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層106、p−InPクラッド層107およびp−InGaAsコンタクト層108は、メサストライプ構造を構成するようにエッチング加工されている。なお、ノンドープInGaAsP光吸収層104としては、例えば、多重量子井戸構造またはバルク構造を用いることができる。
そして、メサストライプ構造の両側のn−InP基板101上には埋め込み層109が形成され、n−InPクラッド層102、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層103、ノンドープInGaAsP光吸収層104、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層106、p−InPクラッド層107およびp−InGaAsコンタクト層108からなるメサストライプ構造は、埋め込み層109により埋め込まれている。
なお、埋め込み層109としては、例えば、SiO2またはポリイミド(例えば、東レ製:UR3800)などを材料とする絶縁性埋め込み層あるいはFeドープInPなどを材料とする半絶縁性埋め込み層を用いることができる。
そして、p−InGaAsコンタクト層108上には、ボンディング領域112が設けられたp側ストライプ電極110が形成され、n−InP基板101の裏面にはn側電極111が形成されている。
そして、メサストライプ構造を有するpinダイオードに逆バイアスを印加することにより、ノンドープInGaAsP光吸収層104の吸収端波長を短波長側から長波長側へシフトさせることが可能となる。このため、p側ストライプ電極110への印加電圧を制御することにより、信号光の吸収量を制御することが可能となり、光変調を実現することが可能となる。
MOVPE Growth of Strained InGaAs/InAlAs MQWs for a Polarization−Insensitive Electroabsorption Modulator,Journal of Electronic Materials,Vol.25,No.3,1996,pp385−388
しかしながら、半導体電界吸収型変調器では、信号光の吸収時に光吸収電流が内部に発生し、信号光強度が増大すると、光吸収電流が大きくなる。また、半導体電界吸収型変調器では、光吸収電流と外部からの印加電圧の積で与えられる熱が内部に発生する。このため、光吸収の集中する光入射端面では局所的に温度上昇が激しくなり、光吸収特性が変化したり、光入射端面が劣化したりするという問題もあった。
そこで、本発明の目的は、光吸収電流の発生量を局所的に制御しつつ、光変調を行うことが可能な半導体電界吸収型変調器を提供することである。
上述した課題を解決するために、請求項1記載の半導体電界吸収型変調器によれば、印加電圧に基づいて吸収係数が変化する光吸収層と、前記光吸収層を導波する光の経路上に設けられ、光吸収の発生を抑制する抑制領域とを備えることを特徴とする。
これにより、光吸収が特定の箇所に集中しないように、光吸収量を光吸収層上で均一化することが可能となり、光吸収電流の発生が特定の箇所に集中することを抑制することが可能となる。このため、光入射端における光吸収を低減させて、光入射端面の劣化を防止することが可能となる。
また、請求項2記載の半導体電界吸収型変調器によれば、第1導電型クラッド層と、光導波方向に離散的に配置されるようにして、前記第1導電型クラッド層上に形成された光吸収層と、前記光吸収層上に形成された第2導電型クラッド層とを備えることを特徴とする。
これにより、光吸収層において光吸収領域を分散化させることが可能となり、局所的な温度上昇を抑制することを可能として、光損傷耐性を向上させることが可能となる。
また、請求項3記載の半導体電界吸収型変調器によれば、第1導電型クラッド層と、前記第1導電型クラッド層上に形成された光吸収層と、前記光吸収層上に形成された第2導電型クラッド層と、前記光吸収層に対し光導波方向に離散的に電圧を印加する電圧印加手段とを備えることを特徴とする。
これにより、光吸収層を光導波方向に均一に形成した場合においても、光吸収層における光吸収を分散化させることが可能となり、光吸収層の電圧印加による光吸収電流を瞬時に変化させることが可能となる。このため、局所的な温度上昇を抑制することを可能として、光損傷耐性を向上させることが可能となる。
また、請求項4記載の半導体電界吸収型変調器によれば、第1導電型クラッド層と、前記第1導電型クラッド層上に形成された光吸収層と、前記光吸収層上に形成された第2導電型クラッド層と、光導波方向に離散的に配置されるようにして、前記第2導電型クラッド層に形成された半絶縁性領域とを備えることを特徴とする。
これにより、光吸収層を光導波方向に均一に形成した場合においても、光吸収層における光吸収を分散化させることが可能となり、半導体電界吸収型変調器に光を効率よく導波させることを可能としつつ、局所的な温度上昇を抑制することを可能として、光損傷耐性を向上させることが可能となる。
また、請求項5記載の半導体電界吸収型変調器によれば、第1導電型クラッド層と、前記第1導電型クラッド層上に形成され、幅の異なる領域が設けられた光吸収層と、前記光吸収層上に形成された第2導電型クラッド層とを備えることを特徴とする。
これにより、光吸収層における光吸収量を調整することが可能となり、光吸収量を光吸収層上で均一化することを可能として、光吸収電流の発生が特定の箇所に集中することを抑制することが可能となる。このため、光入射端における光吸収電流の集中を低減させることを可能として、光入射端における温度上昇を抑制することが可能となり、光入射端面の劣化を防止することが可能となる。
また、請求項6記載の半導体電界吸収型変調器によれば、第1導電型クラッド層と、前記第1導電型クラッド層上に形成された光吸収層と、前記光吸収層上に形成された第2導電型クラッド層と、前記第2導電型クラッド層の幅を異ならせるように形成された半絶縁性領域とを備えることを特徴とする。
これにより、光吸収層を光導波方向に均一に形成した場合においても、光吸収層における光吸収量を調整することが可能となり、光吸収量を光吸収層上で均一化することが可能となる。このため、半導体電界吸収型変調器に光を効率よく導波させることを可能としつつ、光吸収電流の発生が特定の箇所に集中することを抑制することが可能となり、光入射端における光吸収電流の集中を低減させることを可能として、光入射端における温度上昇を抑制することが可能となることから、光入射端面の劣化を防止することが可能となる。
また、請求項7記載の半導体電界吸収型変調器によれば、前記第1導電型クラッド層、前記光吸収層、前記第2導電型クラッド層および前記電極の少なくともいずれか1つは、光導波方向に対し徐々に広がるかまたはテーパ形状を含むように構成されていることを特徴とする。
これにより、光入射端における光吸収量を低減することが可能となり、光吸収電流が光入射端に集中して発生することを抑制することが可能となる。このため、光入射端における温度上昇を抑制することが可能となり、光入射端面の劣化を防止することが可能となる。
また、請求項8記載の半導体電界吸収型変調器によれば、光導波方向と同一の方向に電気信号を伝播させながら、前記光吸収層に電圧を印加する進行波型電極をさらに備えることを特徴とする。
これにより、集中定数型電極構造を有した半導体電界吸収型変調器構造より高速動作を図ることのできる半導体電界吸収型変調器においても、光入射端における端面劣化を抑制することが可能となる。
以上説明したように、本発明によれば、光吸収領域で吸収される光吸収電流量を調整することが可能となり、光吸収層において光吸収電流が過剰に生成される領域をなくすことができる。このため、光吸収電流の集中による半導体電界吸収型変調器の特性劣化や光入射端面の損傷を抑制することができる。
具体的には、光損傷耐性を2倍以上に改善することができ、例えば、光入射端での光吸収が集中する領域(光入射端から10μmまでの領域)を考えると、光の進行方向の10μm全てに渡って光吸収領域を設けた場合に比べて、光吸収領域を5μmに短縮することにより、光吸収キャリア密度を約半分に減らすことが可能となる。
以下、本発明の実施形態に係る半導体電界吸収型変調器について図面を参照しながら説明する。
図1(a)は、本発明の第1実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の概略構成を示す斜視図、図1(b)は、図1(a)のノンドープInGaAsP光吸収層4の形状を示す平面図である。
図1において、n−InP基板1上には、n−InPクラッド層2およびノンドープInGaAsP光閉じ込め層3が順次積層されている。そして、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層3上には、光吸収に実質的に寄与する光吸収領域4a〜4dが光導波方向に離散的に配置されたノンドープInGaAsP光吸収層4が形成されている。ここで、光吸収領域4a〜4dを光導波方向に沿って離散的に配置することにより、各光吸収領域4a〜4dの間に、光吸収に実質的に寄与しない光吸収抑制領域5a〜5cを光導波方向に沿って設けることができる。
そして、ノンドープInGaAsP光吸収層4上には、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層6、p−InPクラッド層7およびp−InGaAsコンタクト層8が順次積層されている。そして、これらn−InPクラッド層2、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層3、ノンドープInGaAsP光吸収層4、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層6、p−InPクラッド層7およびp−InGaAsコンタクト層8は、メサストライプ構造を構成するように加工されている。なお、ノンドープInGaAsP光吸収層4としては、例えば、多重量子井戸構造またはバルク構造を用いることができる。
そして、メサストライプ構造の両側のn−InP基板1上には埋め込み層9が形成され、n−InPクラッド層2、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層3、ノンドープInGaAsP光吸収層4、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層6、p−InPクラッド層7およびp−InGaAsコンタクト層8からなるメサストライプ構造は、埋め込み層9により埋め込まれている。
なお、埋め込み層9としては、例えば、SiO2またはポリイミド(例えば、東レ製:UR3800)などを材料とする絶縁性埋め込み層あるいはFeドープInPなどを材料とする半絶縁性埋め込み層を用いることができる。
そして、p−InGaAsコンタクト層8上には、ボンディング領域16が設けられたp側ストライプ電極10が形成され、n−InP基板1の裏面にはn側電極11が形成されている。
なお、チップサイズは、例えば、長さL0=200μm、幅W1=400μmとすることができ、n−InPクラッド層2、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層3、ノンドープInGaAsP光吸収層4、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層6、p−InPクラッド層7およびp−InGaAsコンタクト層8からなるメサストライプ構造の幅W2および高さHは、例えば、2μmおよび3μmに設定することができる。また、例えば、光吸収領域4aの長さL1は2μm、光吸収抑制領域5aの長さD1は2μm、光吸収領域4bの長さL2は3μm、光吸収抑制領域5bの長さD2は3μm、光吸収領域4cの長さL3は4μm、光吸収抑制領域5cの長さD3は4μm、光吸収領域4dの長さL4は5μm、・・・として、光吸収領域4a〜4dおよび光吸収抑制領域5a〜5cの長さが光導波方向に徐々に増加するように設定することができる。
そして、メサストライプ構造を有するpinダイオードに逆バイアスを印加することにより、ノンドープInGaAsP光吸収層4の吸収端波長を短波長側から長波長側へシフトさせることが可能となる。このため、p側ストライプ電極10への印加電圧を制御することにより、信号光の吸収量を制御することが可能となり、光変調を実現することが可能となる。
ここで、光吸収領域4a〜4dを光導波方向に沿って離散的に配置することにより、局所的な温度上昇を抑制して、光損傷耐性を向上させることが可能となる。
図2(a)〜図2(c)および図3は、本発明の第2実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の製造方法を示す断面図、図2(d)は、選択成長用マスク12の形状の一例を示す平面図である。
図2(a)において、エピタキシャル成長により、SiまたはSnがドープされたn−InPクラッド層2をn−InP基板1上に積層する。なお、エピタキシャル成長法としては、例えば、MBE(molecular beam epitaxy)法、MOCVD(metal organic chemical vaper depiosition)法、あるいはALCVD(atomic layer chemical vaper depiosition)法を用いることができる。
次に、図2(b)に示すように、エピタキシャル成長により、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層3をn−InPクラッド層2上に積層する。
次に、図2(c)に示すように、スパッタまたはCVDなどの方法により、SiO2膜をノンドープInGaAsP光閉じ込め層3上に形成する。そして、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてSiO2膜に開口部14を形成することにより、選択成長用マスク12をノンドープInGaAsP光閉じ込め層3上に形成する。
ここで、開口部14には、図2(d)に示すように、図1の光吸収領域4a〜4dおよび光吸収抑制領域5a〜5cにそれぞれ対応して、開口幅が狭い幅狭部14a〜14dおよび開口幅が広い幅広部15a〜15cを設けることができる。
次に、図3(a)に示すように、エピタキシャル成長により、選択成長用マスク12を介してノンドープInGaAsP光吸収層4をノンドープInGaAsP光閉じ込め層3上に形成する。
ここで、選択成長用マスク12を介してノンドープInGaAsP光吸収層4を成長させることにより、開口部14内にのみノンドープInGaAsP光吸収層4を選択的に成長させることが可能となるとともに、幅狭部14a〜14dでは、ノンドープInGaAsP光吸収層4を厚く成長させることを可能として、光吸収領域4a〜4dを形成することが可能となり、幅広部15a〜15cでは、ノンドープInGaAsP光吸収層4を薄く成長させることを可能として、光吸収抑制領域5a〜5cを形成することが可能となる。
なお、ノンドープInGaAsP光吸収層4成長時の膜厚制御方法については、例えば、IEEE.LEOS96,Volume2,18−19.Nov.1996.“Recent advance on selective MOVPE technique for photonic integrated circuits”に開示されている。
次に、図3(b)に示すように、選択成長用マスク12をノンドープInGaAsP光閉じ込め層3から除去する。ここで、選択成長用マスク12を除去する場合、フッ酸などをエッチング液としたウェットエッチングを用いることができる。
次に、図3(c)に示すように、エピタキシャル成長により、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層6、Znがドープされたp−InPクラッド層7およびp−InGaAsコンタクト層8を、ノンドープInGaAsP光吸収層4が形成されたノンドープInGaAsP光閉じ込め層3上に順次積層する。
次に、図3(d)に示すように、例えば、メタン系のガスを用いたRIE(reactive ion etching)などの異方性エッチングを選択的に行うことにより、n−InPクラッド層2、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層3、ノンドープInGaAsP光吸収層4、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層6、p−InPクラッド層7およびp−InGaAsコンタクト層87をストライプ状にエッチング加工し、n−InPクラッド層2、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層3、ノンドープInGaAsP光吸収層4、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層6、p−InPクラッド層7およびp−InGaAsコンタクト層8からなるメサストライプ構造を形成する。
次に、図3(e)に示すように、エピタキシャル成長により、n−InP基板1上に半絶縁性FeドープInP層を形成し、n−InPクラッド層2、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層3、ノンドープInGaAsP光吸収層4、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層6、p−InPクラッド層7およびp−InGaAsコンタクト層8からなるメサストライプ構造を埋め込み層9で埋め込む。
そして、図1に示すように、p−InGaAsコンタクト層8上にp側ストライプ電極10を形成するとともに、n−InP基板1の裏面にn側電極11を形成する。
なお、上述した第2実施形態では、選択成長用マスク12を用いたエピタキシャル成長により、光吸収領域4a〜4dおよび光吸収抑制領域5a〜5cを一括成長させる方法について説明したが、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層3上に一様に形成されたノンドープInGaAsP光吸収層をエッチング除去することにより、光吸収領域4a〜4dを光導波方向に離散的に形成するようにしてもよい。
また、この場合、光吸収領域4a〜4dが光導波方向に離散的に配置されたノンドープInGaAsP光吸収層4に光を効率よく導波させるための光導波路を構成するようにしてもよい。
図4は、本発明の第3実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の概略構成を示す斜視図である。
図4において、n−InP基板21上には、n−InPクラッド層22、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層23、ノンドープInGaAsP光吸収層24、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層26、p−InPクラッド層27およびp−InGaAsコンタクト層28が順次積層されている。そして、これらn−InPクラッド層22、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層23、ノンドープInGaAsP光吸収層24、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層26、p−InPクラッド層27およびp−InGaAsコンタクト層28は、メサストライプ構造を構成するようにエッチング加工されている。なお、ノンドープInGaAsP光吸収層24としては、例えば、多重量子井戸構造またはバルク構造を用いることができる。
そして、p−InPクラッド層27には、半絶縁性領域32a〜32cが光導波方向に沿って離散的に設けられている。なお、p−InPクラッド層27に半絶縁性領域32a〜32cを設ける場合、p−InPクラッド層27を半絶縁化させるためのイオン注入をp−InPクラッド層27に選択的に行うことができる。また、イオン注入に用いるイオンとしては、例えば、H+(プロトン)を挙げることができる。
ここで、p−InPクラッド層27に半絶縁性領域32a〜32cを設けることで、半絶縁性領域32a〜32c直下のノンドープInGaAsP光吸収層24に加わる電圧を、その周囲のノンドープInGaAsP光吸収層24に加わる電圧に比べて低下させることができる。このため、ノンドープInGaAsP光吸収層24を光導波方向に沿って一様に形成した場合においても、半絶縁性領域32a〜32cの位置に対応して、光吸収に実質的に寄与しない光吸収抑制領域25a〜25cを光導波方向に沿って設けることができ、光吸収に実質的に寄与する光吸収領域24a〜24dを光導波方向に離散的に配置することができる。
そして、メサストライプ構造の両側のn−InP基板21上には埋め込み層29が形成され、n−InPクラッド層22、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層23、ノンドープInGaAsP光吸収層24、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層26、p−InPクラッド層27およびp−InGaAsコンタクト層28からなるメサストライプ構造は、埋め込み層29により埋め込まれている。
なお、埋め込み層29としては、例えば、SiO2またはポリイミド(例えば、東レ製:UR3800)などを材料とする絶縁性埋め込み層あるいはFeドープInPなどを材料とする半絶縁性埋め込み層を用いることができる。
そして、p−InGaAsコンタクト層28上には、ボンディング領域33が設けられたp側ストライプ電極30が形成され、n−InP基板21の裏面にはn側電極31が形成されている。なお、n−InP基板21に上面から接するように形成されたコンタクトホールを介してn側電極31を設けるようにしてもよい。
そして、メサストライプ構造を有するpinダイオードに逆バイアスを印加することにより、ノンドープInGaAsP光吸収層24の吸収端波長を短波長側から長波長側へシフトさせることが可能となる。このため、p側ストライプ電極30への印加電圧を制御することにより、信号光の吸収量を制御することが可能となり、光変調を実現することが可能となる。
ここで、p−InPクラッド層27に半絶縁性領域32a〜32cを設けることで、ノンドープInGaAsP光吸収層24を光導波方向に一様に形成した場合においても、ノンドープInGaAsP光吸収層24における光吸収を分散化させることが可能となる。このため、半導体電界吸収型変調器に光を効率よく導波させることを可能としつつ、局所的な温度上昇を抑制して、光損傷耐性を向上させることが可能となる。
なお、上述した第3実施形態では、ノンドープInGaAsP光吸収層24の一部に電圧が印加されない、もしくは周囲のノンドープInGaAsP光吸収層24に比べて弱い電圧しか印加されない領域を設けるために、ノンドープInGaAsP光吸収層24の一部をイオン注入などで半絶縁化させる方法について説明したが、ノンドープInGaAsP光吸収層24に電圧を印加する電極を離散的に配置することにより、ノンドープInGaAsP光吸収層24の一部に電圧が印加されない、もしくは周囲のノンドープInGaAsP光吸収層24に比べて弱い電圧しか印加されない領域を形成するようにしてもよい。
図5は、本発明の第4実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の概略構成を示す斜視図である。
図5において、n−InP基板41上には、n−InPクラッド層42、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層43、ノンドープInGaAsP光吸収層44、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層46、p−InPクラッド層47およびp−InGaAsコンタクト層48が順次積層されている。そして、これらn−InPクラッド層42、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層43、ノンドープInGaAsP光吸収層44、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層46、p−InPクラッド層47およびp−InGaAsコンタクト層48は、幅が光導波方向に徐々に広がるようにエッチング加工されている。なお、ノンドープInGaAsP光吸収層44としては、例えば、多重量子井戸構造またはバルク構造を用いることができる。
そして、メサストライプ構造の両側のn−InP基板41上には埋め込み層49が形成され、n−InPクラッド層42、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層43、ノンドープInGaAsP光吸収層44、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層46、p−InPクラッド層47およびp−InGaAsコンタクト層48は、埋め込み層49により埋め込まれている。
なお、埋め込み層49としては、例えば、SiO2またはポリイミド(例えば、東レ製:UR3800)などを材料とする絶縁性埋め込み層あるいはFeドープInPなどを材料とする半絶縁性埋め込み層を用いることができる。
そして、p−InGaAsコンタクト層48上には、ボンディング領域52が設けられたp側ストライプ電極50が形成され、n−InP基板41の裏面にはn側電極51が形成されている。ここで、p側ストライプ電極50は、p−InGaAsコンタクト層48に対応して、幅が光導波方向に徐々に広がるようにエッチング加工されている。
そして、メサストライプ構造を有するpinダイオードに逆バイアスを印加することにより、ノンドープInGaAsP光吸収層44の吸収端波長を短波長側から長波長側へシフトさせることが可能となる。このため、p側ストライプ電極50への印加電圧を制御することにより、信号光の吸収量を制御することが可能となり、光変調を実現することが可能となる。
ここで、n−InPクラッド層42、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層43、ノンドープInGaAsP光吸収層44、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層46、p−InPクラッド層47、p−InGaAsコンタクト層48およびp側ストライプ電極50の幅を光導波方向に徐々に広げることにより、光入射端におけるノンドープInGaAsP光吸収層44の幅を狭くすることが可能となるとともに、光閉じ込め効果も低下させることが可能となり、光入射端における光吸収量を低減することが可能となる。また、光入射端から奥に入るに従って、ノンドープInGaAsP光吸収層44の幅を広くすることが可能となるとともに、光閉じ込め効果も増大させることが可能となり、光吸収量を徐々に増大させることが可能となる。このため、ノンドープInGaAsP光吸収層44内で光吸収電流の発生を平均化することが可能となり、半導体電界吸収型変調器の内部における温度上昇を均一化することを可能として、光入射端面の劣化を防止することが可能となる。
なお、上述した第4実施形態では、n−InPクラッド層42、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層43、ノンドープInGaAsP光吸収層44、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層46、p−InPクラッド層47、p−InGaAsコンタクト層48およびp側ストライプ電極50の長さ方向全体に渡って、n−InPクラッド層42、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層43、ノンドープInGaAsP光吸収層44、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層46、p−InPクラッド層47、p−InGaAsコンタクト層48およびp側ストライプ電極50をテーパ状に形成する方法について説明したが、n−InPクラッド層42、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層43、ノンドープInGaAsP光吸収層44、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層46、p−InPクラッド層47、p−InGaAsコンタクト層48およびp側ストライプ電極50の長さ方向の一部をテーパ状に形成するようにしてもよい。例えば、n−InPクラッド層42、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層43、ノンドープInGaAsP光吸収層44、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層46、p−InPクラッド層47、p−InGaAsコンタクト層48およびp側ストライプ電極50の光入射端から10μmまでの領域のみをテーパ状に形成するようにしてもよい。
また、上述した第4実施形態では、n−InPクラッド層42、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層43、ノンドープInGaAsP光吸収層44、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層46、p−InPクラッド層47、p−InGaAsコンタクト層48およびp側ストライプ電極50の全ての層をテーパ状に形成する方法について説明したが、ノンドープInGaAsP光吸収層44、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層46、p−InPクラッド層47、p−InGaAsコンタクト層48およびp側ストライプ電極50のいずれか少なくとも1層のみをテーパ状に形成するようにしてもよい。
また、上述した第4実施形態では、n−InPクラッド層42、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層43、ノンドープInGaAsP光吸収層44、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層46、p−InPクラッド層47、p−InGaAsコンタクト層48およびp側ストライプ電極50の幅を光導波方向に徐々に広げる方法について説明したが、n−InPクラッド層42、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層43、ノンドープInGaAsP光吸収層44、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層46、p−InPクラッド層47、p−InGaAsコンタクト層48およびp側ストライプ電極50の幅を光導波方向に段階的に広げるようにしてもよい。
図6は、本発明の第5実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の概略構成を示す斜視図である。
図6において、n−InP基板61上には、n−InPクラッド層62、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層63、ノンドープInGaAsP光吸収層64、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層66、p−InPクラッド層67およびp−InGaAsコンタクト層68が順次積層されている。そして、これらn−InPクラッド層62、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層63、ノンドープInGaAsP光吸収層64、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層66、p−InPクラッド層67およびp−InGaAsコンタクト層68は、メサストライプ構造を構成するようにエッチング加工されている。なお、ノンドープInGaAsP光吸収層64としては、例えば、多重量子井戸構造またはバルク構造を用いることができる。
そして、p−InPクラッド層67の両側には、p−InPクラッド層67の幅が光導波方向に徐々に広がるように構成された半絶縁性領域73が設けられている。なお、p−InPクラッド層67の両側に半絶縁性領域73を設ける場合、p−InPクラッド層67を半絶縁化させるためのイオン注入をp−InPクラッド層67の両側に行うことができる。また、イオン注入に用いるイオンとしては、例えば、H+(プロトン)を挙げることができる。
そして、メサストライプ構造の両側のn−InP基板61上には埋め込み層69が形成され、n−InPクラッド層62、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層63、ノンドープInGaAsP光吸収層64、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層66、p−InPクラッド層67およびp−InGaAsコンタクト層68は、埋め込み層69により埋め込まれている。
なお、埋め込み層69としては、例えば、SiO2またはポリイミド(例えば、東レ製:UR3800)などを材料とする絶縁性埋め込み層あるいはFeドープInPなどを材料とする半絶縁性埋め込み層を用いることができる。
そして、p−InGaAsコンタクト層68上には、ボンディング領域72が設けられたp側ストライプ電極70が形成され、n−InP基板61の裏面にはn側電極71が形成されている。
そして、メサストライプ構造を有するpinダイオードに逆バイアスを印加することにより、ノンドープInGaAsP光吸収層64の吸収端波長を短波長側から長波長側へシフトさせることが可能となる。このため、p側ストライプ電極70への印加電圧を制御することにより、信号光の吸収量を制御することが可能となり、光変調を実現することが可能となる。
ここで、p−InPクラッド層67の幅が光導波方向に徐々に広がるように構成された半絶縁性領域73をp−InPクラッド層67の両側に設けることで、半絶縁性領域73直下のノンドープInGaAsP光吸収層64に加わる電圧を、p−InPクラッド層67直下のノンドープInGaAsP光吸収層64に加わる電圧に比べて低下させることができる。
このため、光入射端側では、ノンドープInGaAsP光吸収層64のうち光吸収に実質的に寄与する領域を狭めることが可能となるとともに、光入射端から奥に進むに従って、ノンドープInGaAsP光吸収層64のうち光吸収に実質的に寄与する領域を徐々に広げることが可能となる。
この結果、ノンドープInGaAsP光吸収層64を光導波方向に一様に形成した場合においても、ノンドープInGaAsP光吸収層64における光吸収量を調整することが可能となり、光吸収量をノンドープInGaAsP光吸収層64で均一化することが可能となる。
このため、半導体電界吸収型変調器に光を効率よく導波させることを可能としつつ、光吸収電流が特定の箇所に集中して発生することを抑制することが可能となる。このため、光入射端における光吸収電流の集中を低減させることを可能として、光入射端における温度上昇を抑制することが可能となり、光入射端面の劣化を防止することが可能となる。
なお、上述した第5実施形態では、p−InPクラッド層67の長さ方向全体に渡って、p−InPクラッド層67をテーパ状に形成する方法について説明したが、p−InPクラッド層67の長さ方向の一部をテーパ状に形成するようにしてもよい。例えば、p−InPクラッド層67の光入射端から10μmまでの領域のみをテーパ状に形成するようにしてもよい。
また、上述した第5実施形態では、p−InPクラッド層67の幅を光導波方向に徐々に広げる方法について説明したが、p−InPクラッド層67の幅を光導波方向に段階的に広げるようにしてもよい。
また、上述した第5実施形態では、p−InPクラッド層67の幅を光導波方向に徐々に広げるように構成された半絶縁性領域73をp−InPクラッド層67の両側に設ける方法について説明したが、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層66の幅を光導波方向に徐々に広げるように構成された半絶縁性領域をノンドープInGaAsP光閉じ込め層66の両側に設けるようにしてもよい。
図7は、本発明の第6実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の概略構成を示す斜視図である。
図7において、n−InP基板81上には、n−InPクラッド層82およびノンドープInGaAsP光閉じ込め層83が順次積層されている。そして、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層83上には、光吸収に実質的に寄与する光吸収領域84a〜84dが光導波方向に離散的に配置されたノンドープInGaAsP光吸収層84が形成されている。ここで、光吸収領域84a〜84dを光導波方向に沿って離散的に配置することにより、各光吸収領域84a〜84dの間に、光吸収に実質的に寄与しない光吸収抑制領域85a〜85cを光導波方向に沿って設けることができる。
そして、ノンドープInGaAsP光吸収層84上には、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層86、p−InPクラッド層87およびp−InGaAsコンタクト層88が順次積層されている。そして、これらn−InPクラッド層82、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層83、ノンドープInGaAsP光吸収層84、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層86、p−InPクラッド層87およびp−InGaAsコンタクト層88は、メサストライプ構造を構成するようにエッチング加工されている。なお、ノンドープInGaAsP光吸収層84としては、例えば、多重量子井戸構造またはバルク構造を用いることができる。
そして、メサストライプ構造の両側のn−InP基板81上には埋め込み層89が形成され、n−InPクラッド層82、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層83、ノンドープInGaAsP光吸収層84、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層86、p−InPクラッド層87およびp−InGaAsコンタクト層88からなるメサストライプ構造は、埋め込み層89により埋め込まれている。
なお、埋め込み層89としては、例えば、SiO2またはポリイミド(例えば、東レ製:UR3800)などを材料とする絶縁性埋め込み層あるいはFeドープInPなどを材料とする半絶縁性埋め込み層を用いることができる。
そして、p−InGaAsコンタクト層88上には、p側進行波型電極90が形成され、n−InP基板81の裏面にはn側電極91が形成されている。ここで、p側進行波型電極90には、電気信号入力端子90aおよび電気信号出力端子90bが設けられ、電気信号入力端子90aはp側進行波型電極90の光入射端側に接続され、電気信号出力端子90bはp側進行波型電極90の光出射端側に接続されている。
なお、進行波型電極を設けた半導体電界吸収型変調器については、例えば、特開平11−133366号公報に開示されている。
そして、電気信号入力端子90aを介してp側進行波型電極90に電気信号のパルスを入力し、メサストライプ構造を有するpinダイオードに逆バイアスを印加することにより、ノンドープInGaAsP光吸収層84の吸収端波長を短波長側から長波長側へシフトさせることが可能となる。このため、p側進行波型電極90pへの印加電圧を制御することにより、信号光の吸収量を制御することが可能となり、光変調を実現することが可能となる。
ここで、光吸収領域84a〜84dを光導波方向に沿って離散的に配置することにより、集中定数型電極構造を有した半導体電界吸収型変調器構造より高速動作を図ることのできる半導体電界吸収型変調器において、光吸収電流の発生に伴う局所的な温度上昇を抑制することを可能として、光入射端における端面劣化を抑制することが可能となる。
なお、上述した実施形態では、メサストライプ構造を例にとって説明したが、メサストライプ構造以外にも、リブ導波路構造、リッジ導波路構造またはストリップ装荷導波路構造などに適用するようにしてもよい。ここで、リッジ導波路構造を用いることにより、光吸収層より基板側の半導体層をエッチング除去する必要がなくなり、熱放散性を向上させることが可能となる。
また、n型基板−i層−p層からなる積層構造の他、p型基板−i層−n層からなる積層構造、SI基板−n層−i層−p層からなる積層構造またはSI基板−p層−i層−n層からなる積層構造を用いるようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、InGaAsP系材料を用いた構成を例にとって説明したが、本発明は必ずしもInGaAsP系に限定されることなく、例えば、GaAs/AlGaAs系、InGaAs/InAlGaAs系、あるいはGaSb/AlGaSb系、GaInNAs系などに適用するようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、半導体電界吸収型変調器を単体で構成する方法について説明したが、半導体電界吸収型変調器を他の半導体デバイスとモノリシック集積化するようにしてもよい。
また、n側電極を介して半導体電界吸収型変調器をヒートシンクに接続し、さらにヒートシンクを介して放熱板またはベルチェ素子などの冷却装置に接続することにより、素子温度の変動を抑えることを可能として、素子特性の安定性をさらに向上させるようにしてもよい。
上述した半導体電界吸収型変調器は、光通信、光交換、光情報処理などの光を利用した光伝送処理システムなどの用途に適用することができ、半導体電界吸収型変調器の光吸収電流の発生量を均一化することで、光伝送処理システムの高速化を図ることが可能となるとともに、光伝送処理システムの信頼性を向上させて、保守点検にかかる負担を軽減することが可能となる。
図1(a)は、本発明の第1実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の概略構成を示す斜視図、図1(b)は、光吸収層の形状を示す平面図である。 図2(a)〜図2(c)は、本発明の第2実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の製造方法を示す断面図、図2(d)は、選択成長用マスクの形状を示す平面図である。 本発明の第2実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の製造方法を示す断面図である。 本発明の第3実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の概略構成を示す斜視図である。 本発明の第4実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の概略構成を示す斜視図である。 本発明の第5実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の概略構成を示す斜視図である。 本発明の第6実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の概略構成を示す斜視図である。 従来の半導体電界吸収型変調器の概略構成を示す斜視図である。
符号の説明
1、21、41、61、81 n−InP基板
2、22、42、62、82 n−InPクラッド層
3、23、6、26、43、46、63、66、83、86 ノンドープInGaAsP光閉じ込め層
4、24、44、64、84 ノンドープInGaAsP光吸収層
4a〜4d、24a〜24d、84a〜84d 光吸収領域
5a〜5c、25a〜25c、85a〜85c 光吸収抑制領域
7、27、47、67、87 p−InPクラッド層
8、28、48、68、88 p−InGaAsコンタクト層
9、29、49、69、89 FeドープInP埋め込み層
10、30、70 p側ストライプ電極
11、31、51、71、91 n側電極
12 選択成長用マスク
14 開口部
14a〜14d 幅狭部
15a〜15c 幅広部
16、33、52、72 ボンディング領域
32a〜32c、73 半絶縁性領域
50 p側テーパ状電極
90 p側進行波型電極
90a 電気信号入力端子
90b 電気信号出力端子

Claims (8)

  1. 印加電圧に基づいて吸収係数が変化する光吸収層と、
    前記光吸収層を導波する光の経路上に設けられ、光吸収の発生を抑制する抑制領域とを備えることを特徴とする半導体電界吸収型変調器。
  2. 第1導電型クラッド層と、
    光導波方向に離散的に配置されるようにして、前記第1導電型クラッド層上に形成された光吸収層と、
    前記光吸収層上に形成された第2導電型クラッド層とを備えることを特徴とする半導体電界吸収型変調器。
  3. 第1導電型クラッド層と、
    前記第1導電型クラッド層上に形成された光吸収層と、
    前記光吸収層上に形成された第2導電型クラッド層と、
    前記光吸収層に対し光導波方向に離散的に電圧を印加する電圧印加手段とを備えることを特徴とする半導体電界吸収型変調器。
  4. 第1導電型クラッド層と、
    前記第1導電型クラッド層上に形成された光吸収層と、
    前記光吸収層上に形成された第2導電型クラッド層と、
    光導波方向に離散的に配置されるようにして、前記第2導電型クラッド層に形成された半絶縁性領域とを備えることを特徴とする半導体電界吸収型変調器。
  5. 第1導電型クラッド層と、
    前記第1導電型クラッド層上に形成され、幅の異なる領域が設けられた光吸収層と、
    前記光吸収層上に形成された第2導電型クラッド層とを備えることを特徴とする半導体電界吸収型変調器。
  6. 第1導電型クラッド層と、
    前記第1導電型クラッド層上に形成された光吸収層と、
    前記光吸収層上に形成された第2導電型クラッド層と、
    前記第2導電型クラッド層の幅を異ならせるように形成された半絶縁性領域とを備えることを特徴とする半導体電界吸収型変調器。
  7. 前記第1導電型クラッド層、前記光吸収層および前記第2導電型クラッド層の少なくともいずれか1つは、光導波方向に対し徐々に広がるかまたはテーパ形状を含むように構成されていることを特徴とする請求項5または6記載の半導体電界吸収型変調器。
  8. 光導波方向と同一の方向に電気信号を伝播させながら、前記光吸収層に電圧を印加する進行波型電極をさらに備えることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項記載の半導体電界吸収型変調器。
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