JP2005116644A

JP2005116644A - 半導体光電子導波路

Info

Publication number: JP2005116644A
Application number: JP2003346285A
Authority: JP
Inventors: Tadao Ishibashi; 忠夫石橋; Seigo Ando; 精後安藤; Takeshi Tsuzuki; 健都築
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-10-03
Filing date: 2003-10-03
Publication date: 2005-04-28
Also published as: CN100430780C; CN1864092A

Abstract

【課題】光モードの伝搬に大きな影響を与えることがなく、光ロスの問題を解決し、また、制御性よく安定に電気分離領域構造を有すること。
【解決手段】基板側に第１及び第３の半導体クラッド層１３，１１を配置し、この第１の半導体クラッド層１３と第３の半導体クラッド層１１との間に、ｐ形のドーパントを含み、かつ半導体コア層１４よりもバンドギャップの大きな第５の半導体層１２が挿入され、第４の半導体クラッド層１６に、イオン注入法による材料の改質を施して一カ所以上の電気的分離領域１９が形成され、第４の半導体クラッド層１６の電気的分離領域１９以外の主領域と、第３の半導体クラッド層１１のそれぞれに独立な電極１８，１７が設けられ、半導体コア層１４に電圧が印加される構造を有する。これにより、光モードの伝搬に大きな影響を与えることがなく、光ロスの問題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光電子導波路に関し、より詳細には、ｎｉｎ形ヘテロ構造を用いた光電子導波路の電気分離領域構造を有し、長波長帯の超高速光変調器に用いる半導体光電子導波路に関するものである。

近年の大容量光通信システムは、Ｇｂｉｔ／ｓ級以上の高速変調された光信号を伝送するようになったが、長距離になるほど光ファイバの分散効果の影響が生じやすいため、波長チャーピングの少ない、もしくは波長チャーピングが制御された光信号を用いる必要がある。そのために、レーザダイオードの直接変調ではなく、通常は直流動作のレーザダイオードと外部変調器を組み合わせた構成で光信号を発生している。長距離伝送に使用される従来の典型的な外部変調器は、ＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）導波路で構成されたＬＮ変調器である。

このタイプの光変調器の動作原理は、光導波路と電気導波路を結合させる（光電子導波路）ことにより、電気光学効果に基づく屈折率変化を応用し、入力電気信号を、屈折率変化を介して光に位相変化を与えることによるものであり、光位相変調器やマッハツェンダ干渉計を組んだ光強度変調器、または多数の導波路を結合させてより機能の高い光スイッチとして機能させることができる。

しかしながら、ＬＮ変調器は、ＬｉＮｂＯ_３が誘電体材料であるがゆえに、材料表面の安定化や導波路の加工に高度な製作技術を要する。また、導波路長が比較的長く、通常の半導体プロセスのものとは異なる特殊なフォトリソグラフィーを用いる必要がある。さらに、ＬＮ変調器を実装するパッケージのサイズは大きくならざるを得ない。このようなことから、ＬＮ変調器モジュールは製造コストが高くなり、光送信器のサイズが比較的大きくなるという問題があった。

また、ＬＮ変調器と同様の動作原理を用いた半導体光変調器も存在する。半絶縁性のＧａＡｓにショットキー電極を配置し、それを光電子導波路としたＧａＡｓ光変調器やヘテロｐｎ接合を用いて、光の閉じ込めと共に導波路のコア部分に効果的に電圧が印加されるようにしたＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器などである。ただし、これらの半導体光変調器は、前者については、導波路長が長く、電気ロスが大きいという問題があり、後者については、ｐクラッド層の光吸収が大きく導波路を長く取れないため動作電圧を低くできないという問題がある。最近、これらの問題を避ける構造として、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器の両側のクラッド層ともｎ形としたもの（いわゆるｎｉｎ形構造）が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

図４は、従来のｎｉｎ形構造を有する半導体光変調器の構成図で、図中符号４１はｎ形の第３の半導体クラッド層、４２はｐ形の第５の半導体クラッド層、４３は第１の半導体クラッド層、４４は電気光学効果を有する半導体コア層、４５は第２の半導体クラッド層、４６はｎ形の第４の半導体クラッド層、４７，４８はｎ電極、４９は凹状のエッチングで形成された電気分離領域を示している。この凹状のエッチング部分に半絶縁性半導体を再成長した電気分離構造も報告されているが（例えば、特許文献１参照）、より構造は複雑になるので、光変調器には必ずしも最適な手法ではない。

ｎ形の第３の半導体クラッド層４１上には、ｐ形の第５の半導体クラッド層４２と第１の半導体クラッド層４３とが順次積層され、その第１の半導体クラッド層４３と第２の半導体クラッド層４５とで挟まれるように、電気光学効果を有する半導体コア層４４が設けられている。さらに、第２の半導体クラッド層４５上には、凹状のエッチングで形成された電気分離領域４９を有するｎ形の第４の半導体クラッド層４６が積層されている。この第４の半導体クラッド層４６上には電極４８が設けられているとともに、第３の半導体クラッド層４１の凸状部の両側には電極４７が設けられている。

図４に示した導波路構造では、ｎ形ＩｎＰクラッド層４６の一部を凹状にエッチングして電気分離領域４９を設けているので、クラッド層の厚が変わる部分で光伝搬モードの変化が生じ、その結果、光散乱ロスが発生していた。また、従来の導波路構造では、第４の半導体クラッド層４６のエッチングが比較的深く、その制御性が問題となっていた。

特開２００３−１７７３６８号公報米国特許第５，６４７，０２９号明細書

しかしながら、このｎｉｎ形ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器の典型的な構造においては、変調を行う導波路部分とその外側の接続導波路部分の電気分離を、一部の上層ｎクラッド層４６の一部を除去することによって行われているため、導波路に凹部４９が生じてしまっていた。これは、接続導波路から電気分離領域部分、電気分離領域部分から主導波路部分において、光の伝搬モード変化に伴う光ロスが生じるという問題がある。さらには、電気分離領域部分（凹部）の直下には一定の厚さ以上の高抵抗クラッド層を残す必要があるため、その高抵抗クラッド層の厚さを薄くできず、半導体コア層４４に効果的に電界を印加することができないという問題もあった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、従来の凹部形成による電気分離領域と比較して、光モードの伝搬に大きな影響を与えることがなく、光ロスの問題を解決し、また、制御性よく安定に電気分離領域構造を有する半導体光電子導波路を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、有効な電気光学効果を有する半導体コア層と、該半導体コア層の上下を挟み、かつ該半導体コア層よりもバンドギャップの大きな第１及び第２の半導体クラッド層と、該第１及び第２の半導体クラッド層の上下を挟み、ｎ形のドーパントを含む第３及び第４の半導体クラッド層とを少なくとも備えた半導体ヘテロ構造の積層体であって、基板側に前記第１及び第３の半導体クラッド層を配置し、該第１の半導体クラッド層と前記第３の半導体クラッド層との間に、ｐ形のドーパントを含み、かつ前記半導体コア層よりもバンドギャップの大きな第５の半導体層が挿入され、前記第４の半導体クラッド層に、イオン注入法による材料の改質を施して一カ所以上の電気的分離領域が形成され、前記第４の半導体クラッド層の前記電気的分離領域以外の主領域と、前記第３の半導体クラッド層のそれぞれに独立な電極が設けられ、前記半導体コア層に電圧が印加される構造を有することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記注入イオン種が、前記第４の半導体クラッド層内でアクセプタ、もしくは深いドナー／アクセプタ対準位を形成する原子であることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第４の半導体クラッド層に電気的分離領域が、３領域以上あることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記電気的分離領域を挟んで前記第４の半導体クラッド層の主領域と反対側の前記第４の半導体クラッド層にｎ電極が設けられ、前記第３の半導体クラッド層のｎ電極と接続されていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、従来の凹部形成による電気分離領域と比較して、光モードの伝搬に大きな影響を与えることがなく、光ロスの問題を解決し、また、制御性よく安定に電気分離領域構造を有する半導体光電子導波路を提供することができる。また、本発明は、駆動電圧が低いという特徴を有するｎｉｎ形ヘテロ構造を用いた光変調器の特性を安定に実現するのに効果を発揮し、入力光電力の低減をとおして光変調器モジュールの低消費電力化や低価格化に寄与することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明に係る半導体光電子導波路の実施例１を説明するための構成図で、図中符号１１はｎ形の第３の半導体クラッド層、１２はｐ形の第５の半導体クラッド層、１３は第１の半導体クラッド層、１４は電気光学効果を有する半導体コア層、１５は第２の半導体クラッド層、１６はｎ形の第４の半導体クラッド層、１７，１８はｎ電極、１９はイオン注入で形成された電気分離領域を示している。

ｎ形の第３の半導体クラッド層１１上には、ｐ形の第５の半導体クラッド層１２と第１の半導体クラッド層１３とが順次積層され、その第１の半導体クラッド層１３と第２の半導体クラッド層１５とで挟まれるようにして、電気光学効果を有する半導体コア層１４が設けられている。さらに、第２の半導体クラッド層１５上には、イオン注入で形成された電気分離領域１９を有するｎ形の第４の半導体クラッド層１６が積層されている。この第４の半導体クラッド層１６上には電極１８が設けられているとともに、第３の半導体クラッド層１１の凸状部の両側には電極１７が設けられている。

つまり、本発明の半導体光電子導波路は、有効な電気光学効果を有する半導体コア層１４と、この半導体コア層１４の上下を挟み、かつこの半導体コア層１４よりもバンドギャップの大きな第１及び第２の半導体クラッド層１３，１５と、この第１及び第２の半導体クラッド層１３，１５の上下を挟むｎ形のドーパントを含む第３及び第４の半導体クラッド層１１，１６とを少なくとも備えた半導体ヘテロ構造の積層体からなっている。

基板（図示せず）側には、第１及び第３の半導体クラッド層１３，１１を配置し、この第１の半導体クラッド層１３と第３の半導体クラッド層１１との間にｐ形のドーパントを含み、かつ半導体コア層１４よりもバンドギャップの大きな第５の半導体層１２が挿入され、第４の半導体クラッド層１６には、イオン注入により一カ所以上の電気的分離領域１９が形成され、また、第４の半導体クラッド層１６の電気的分離領域１９以外の主領域と、第３の半導体クラッド層１１のそれぞれには独立な電極１８，１７が設けられ、半導体コア層１４に電圧が印加される構造を有している。

このように、基板側から第３のＩｎＰｎ形クラッド層１１と、ｐ形のドーパントを含む第５のＩｎＰクラッド層１２と、通常は低ドーピング濃度の第１のＩｎＰクラッド層１３と、電気光学効果が動作光波長で有効に働き、光吸収が問題とならない程度に低くなるようにその構造が決められた半導体コア層１４とが順次積層されていて、１．５μｍ帯のデバイスであれば、ＩｎＧａＡｌＡｓのＧａ／Ａｌ組成を変えた層を、それぞれ量子井戸層とバリア層にした多重量子井戸構造となっている。

さらに、半導体コア層１４上には、低ドーピング濃度の第２のＩｎＰクラッド層１５と、第４のＩｎＰｎ形クラッド層１６が配置されている。電極１７に対して電極１８を正に電圧を印加し、電気光学効果に基づく光位相の変調を行う。動作状態で使用する印加電圧範囲で、第５のＩｎＰクラッド層１２から第２のＩｎＰクラッド層１５はすべてを空乏化させ、また、ｎ形の第３のＩｎＰｎ形クラッド層１１と第４の半導体クラッド層１６は一部を空乏化させる。第５のＩｎＰクラッド層１２がｐ形であるので電子に対するポテンシャルバリアとして働く。

このデバイスを光電子導波路として機能させるには、図１に示したメサ構造の断面と垂直方向に光を伝搬させた状態で電極１８に電気信号を入力し、第３のＩｎＰｎ形クラッド層１１と第２のＩｎＰクラッド層１５間に電圧が印加される状態とする。通常、光変調器として光電子導波路を用いる際には、電極１８から電圧が印加される光変調導波路部と、この光変調導波路部の光入力／出力側に接続導波路が配置され、それらの間を電気的に分離する必要がある。

本実施例１の半導体光電子導波路においては、符号１９で示した部分にイオン注入法により第４のＩｎＰｎ形クラッド層の一部を高抵抗化領域もしくはｐｎ接合で囲まれたｐ形領域（電気分離領域）としている。

なお、本実施例１においては、電子に対するポテンシャルバリアとして働くｐ形にドーピングされた第５のＩｎＰクラッド層１２を下部に配置することも特徴である。これは、イオン注入時に生成される結晶欠陥により、ポテンシャルバリアを作るイオン化したアクセプタの温度分布が影響を受けるのを避けることを目的とする。すなわち、バイアスを印加した際、ポテンシャルバリア形状が劣化して接合のリーク電流が増大するのを防ぐためのものである。

また、本実施例１の構成においては、電気分離領域１９にイオン注入されるイオン種として、ＢｅなどのＩｎＰ中でアクセプタを形成する原子、もしくは深いドナー／アクセプタ対準位を形成する原子を用いている。電気分離領域１９がｐ形となってしまう場合、その部分の電気抵抗は、同程度のドーピング量のｎ形層のそれに比べて約３０倍以上高く、たとえ高抵抗層となっていなくとも、入力電気信号が電気分離領域１９に伝搬することによる変調効率の低下を防ぐことが可能となる。もちろん高抵抗層とした方が良いが、ｎ形からｐ形に変化させただけでも電気分離の機能を向上させることができる。

図４に示した従来の導波路構造では、ｎ形ＩｎＰクラッド層４６の一部を凹状にエッチングして電気分離領域４９を設けていたので、クラッド層の厚さが変わる部分で光伝搬モードの変化が生じ、その結果、光散乱ロスが発生していた。一方、本実施例１の構造では、そのような光伝搬モードの変化に伴う光散乱ロスは起こらない。また、従来の構造では、第４の半導体クラッド層４６のエッチングが比較的深く、その制御性が問題となっていたが、本実施例１の構造ではそのような問題も生じない。結局、本実施例１の構造は、電気分離領域の形成に起因する従来の光電子導波路の問題を改善するものであり、光ロスを下げることにより光変調器の出力を増大させ、また、素子製作時の構造制御を容易にすることができる。

図２は、本発明に係る半導体光電子導波路の実施例２を説明するための構成図で、図中符号２１はｎ形の第３の半導体クラッド層、２２はｐ形の第５の半導体クラッド層、２３は第１の半導体クラッド層、２４は電気光学効果を有する半導体コア層、２５は第２の半導体クラッド層、２６はｎ形の第４の半導体クラッド層、２７，２８はｎ電極、２９はイオン注入で形成された複数のｐｎ接合から成る電気分離領域を示している。なお、電気分離領域２９以外の積層構造は、図１の実施例１と同様である。

上述した実施例１では、電気分離領域１９は、第４のＩｎＰｎ形クラッド層１６の両側に一ヶ所ずつ設けられているが、本実施例２では、これを多数のイオン注入領域を接続して電気分離領域２９としたものである。イオン注入部分がｐ形層となる場合、電気分離領域全体としてｐｎ接合がシリーズ接続された形になるので、ｐｎ接合一個あたりにかかる電圧が下がり、電気分離領域のリーク電流が低減される。

一般に、イオン注入で形成されたｐｎ接合には格子欠陥が残留し再結合電流（リーク電流）が流れ易い。この電気分離層構造は、そのような場合に有用となるものである。

図３は、本発明に係る半導体光電子導波路の実施例３を説明するための構成図で、図中符号３１はｎ形の第３の半導体クラッド層、３２はｐ形の第５の半導体クラッド層、３３は第１の半導体クラッド層、３４は電気光学効果を有する半導体コア層、３５は第２の半導体クラッド層、３６はｎ形の第４の半導体クラッド層、３７，３８はｎ電極、３９はイオン注入で形成された電気分離領域、４０ａはｎ形の第４の半導体クラッド層に形成された電極、４０ｂはｎ形の第４の半導体クラッド層に形成された電極を第３のクラッド層と同電位にする配線を示している。なお、電極４０ａ及び配線４０ｂ以外の積層構造は、図１の実施例１と同様である。

電気分離領域３９を挟んで光変調導波路部と対抗する部分の第４の半導体クラッド層３６にｎ電極４０ａを形成し、これを配線４０ｂで接続することにより、その電位を第３の半導体クラッド層３１と同電位とするものである。電気分離領域の抵抗が十分に高くない場合、電気分離領域３９の外側の電位が上がり、主導波路部分以外にバイアス電圧がかかってしまうという問題を排除できる。

つまり、本発明は、駆動電圧が低いという特徴を有するｎｉｎ形ヘテロ構造を用いた光変調器の特性を安定に実現するのに効果を発揮し、入力光電力の低減をとおして光変調器モジュールの低消費電力化や低価格化に寄与することができる。なお、上述した各実施例では、ＩｎＰとＩｎＡｌＧａＡｓを半導体材料とする半導体光電子導波路を示したが、ＡｌＧａＡｓ系やＩｎＧａＡｓＰ系を含む他のIII-Ｖ族化合物半導体を用いた光電子導波路構造にも同様に適用できる。

本発明は、ｎｉｎ形ヘテロ構造を用いた光電子導波路の電気分離領域構造を有し、長波長帯の超高速光変調器に用いる半導体光電子導波路に関するもので、従来の凹部形成による電気分離領域と比較して、光モードの伝搬に大きな影響を与えることがなく、光ロスの問題を解決し、また、制御性よく安定に電気分離領域構造を有する半導体光電子導波路を提供することができる。

本発明に係る半導体光電子導波路の実施例１を説明するための構成図である。本発明に係る半導体光電子導波路の実施例２を説明するための構成図である。本発明に係る半導体光電子導波路の実施例３を説明するための構成図である。従来のｎｉｎ形構造を有する半導体光変調器の構成図である。

符号の説明

１１，２１，３１ｎ形の第３の半導体クラッド層
１２，２２，３２ｐ形の第５の半導体クラッド層
１３，２３，３３第１の半導体クラッド層
１４，２４，３４電気光学効果を有する半導体コア層
１５，２５，３５第２の半導体クラッド層
１６，２６，３６ｎ形の第４の半導体クラッド層
１７，１８，２７，２８，３７，３８ｎ電極
１９，３９イオン注入で形成された電気分離領域
２９イオン注入で形成された複数のｐｎ接合から成る電気分離領域
４０ａｎ形の第４の半導体クラッド層に形成された電極
４０ｂｎ形の第４の半導体クラッド層に形成された電極を第３のクラッド層と同電位にする配線
４１ｎ形の第３の半導体クラッド層
４２ｐ形の第５の半導体クラッド層
４３第１の半導体クラッド層
４４電気光学効果を有する半導体コア層
４５第２の半導体クラッド層
４６ｎ形の第４の半導体クラッド層
４７，４８ｎ電極
４９凹状のエッチングで形成された電気分離領域

Claims

有効な電気光学効果を有する半導体コア層と、該半導体コア層の上下を挟み、かつ該半導体コア層よりもバンドギャップの大きな第１及び第２の半導体クラッド層と、該第１及び第２の半導体クラッド層の上下を挟み、ｎ形のドーパントを含む第３及び第４の半導体クラッド層とを少なくとも備えた半導体ヘテロ構造の積層体であって、
基板側に前記第１及び第３の半導体クラッド層を配置し、該第１の半導体クラッド層と前記第３の半導体クラッド層との間に、ｐ形のドーパントを含み、かつ前記半導体コア層よりもバンドギャップの大きな第５の半導体層が挿入され、
前記第４の半導体クラッド層に、イオン注入法による材料の改質を施して一カ所以上の電気的分離領域が形成され、前記第４の半導体クラッド層の前記電気的分離領域以外の主領域と、前記第３の半導体クラッド層のそれぞれに独立な電極が設けられ、前記半導体コア層に電圧が印加される構造を有することを特徴とする半導体光電子導波路。
前記注入イオン種が、前記第４の半導体クラッド層内でアクセプタ、もしくは深いドナー／アクセプタ対準位を形成する原子であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光電子導波路。
前記第４の半導体クラッド層に電気的分離領域が、３領域以上あることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体光電子導波路。
前記電気的分離領域を挟んで前記第４の半導体クラッド層の主領域と反対側の前記第４の半導体クラッド層にｎ電極が設けられ、前記第３の半導体クラッド層のｎ電極と接続されていることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の半導体光電子導波路。