JP2005331947A - 電界吸収型変調器及びその製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】速度整合と電気的損失のより好適な設計要件を満たしうる電界吸収型変調器を提供する。
【解決手段】電界吸収型変調器及びそれを作成する方法が開示される。１態様では、電界吸収型変調器(10)は、第１及び第２の電極(12,14)、第１及び第２のクラッディング領域(16,18)、活性領域(20)及びトンネル接合構造(21)を備える。第１及び第２のクラッディング領域(16,18)は第１の電極(12)と第２の電極(14)との間にある。活性領域(20)は、第１のクラッディング領域(16)と第２のクラッディング領域(18)の間にあり、光吸収領域(32)を含む。トンネル接合構造(21)は活性領域(20)と、第１及び第２のクラッディング領域(16,18)の一方との間にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、電界吸収型変調器及びその製作方法に関する。

光の強度を変調する為に通常とられる一般的な方法としては、直接変調と外部変調の２種類がある。

直接変調法においては、レーザー（例えばレーザーダイオード）が情報信号により直接的に変調されて被変調レーザー出力を生成する。レーザー出力パワーはレーザーへと入力される駆動電流を変調することにより直接的に変調されることが多い。レーザーは、駆動電流が閾値電流レベルを超えるとレーザー光の生成を開始する。一般に、直接変調式レーザーへと印加される入力駆動電流の変調範囲は、閾値電流レベル及びその近辺を超えて伸びる範囲である。

外部変調法においては、連続発振レーザーにより情報信号に基づいて生成された光の強度を変調器が変調する。変調器及びレーザーは別個のそれぞれの基板上に配置されたものであっても、または、単一の基板上に一緒に作られたものであっても良い。大別すると外部変調器には、マッハツェンダ型電気光学変調器等のような光を弱め合う干渉により変調する電気光学変調器と、光を吸収（例えば量子閉じ込めシュタルク効果）により変調する電界吸収型変調器の２系統がある。

電界吸収型変調器（電界吸収型光変調器ともいう）の吸収深度（例えば消光比）及びスペクトルは、変調器全体にかかる駆動電圧に依存する。一般に、外部変調器は、連続発振レーザーの出力を受けるように配置されており、変調器にかかる電圧を変化させることによりディジタル光学ビット・ストリームを生成する。

外部光変調器においては、時間変化する電気信号が入力光信号を変調する。集中型（lumped-type。例えば電界吸収型）外部光変調器は、典型的には、高周波数においてそれらの総容量による制約がある。代表的な高速外部光変調器は進行波電極構造を採用することでそのような制約を回避しているが、この構造は入力光信号を搬送する光導波路の付近に配置された伝送線信号電極を含んでいる。進行波型光変調器の光変調においては、光変調器の全長にわたる、時間変化する入力電気信号と光信号との間の分布型相互作用が支配的である。理想的には、入力電気信号と入力光信号は、進行波型光変調器を通って実質的に同じ位相速度で伝播し、これにより、光信号の各部分が変調器を通って伝播する際にその光信号の各部分が、印加された電気信号の実質的に同じ部分と相互作用する。

光学的位相速度及び電気的位相速度の一致に加えて、入力電気信号が進行波型光変調器中を伝わる際の電気的損失（電気損）を低減することが望ましい。光変調器の特性インピーダンスは一般に、反射を低減し、光変調器に加えられる電圧を増大させる為に入力電気信号源のインピーダンスに一致させてある。活性半導体層の構造と共に信号電極の形状を、光学的及び電気的な位相速度を一致させることに加え、変調器の特性インピーダンスを一致させるようにも適合させることができる。所望の電気パラメータを得るために変化させられる代表的な電極形状パラメータとしては、電極の厚み、電極の幅、そして上部電極と側部グランド電極（存在する場合）間の離間距離がある。

しかしながら既存の電界吸収型変調器には、これを広範囲にわたる速度整合及び消光比仕様にあわせて最適に設計することを阻む幾つかの設計上の根本的な制約が存在するのである。

一態様においては、本発明は第一及び第二の電極、第一及び第二のクラッディング（cladding。またはクラッドともいう）領域、活性領域（アクティブ領域）、及びトンネル接合構造を含む電界吸収型変調器を提供するものである。第一及び第二のクラッディング領域は、第一の電極と第二の電極の間にある。活性領域は第一のクラッディング領域と第二のクラッディング領域の間にあり、光吸収領域を含んでいる。トンネル接合構造は、活性領域と、第一及び第二のクラッディング領域のうちの一方との間にある。

他の態様においては、本発明は上述した電界吸収型変調器を製作する方法を提供するものである。

本発明の他の特徴及び利点は、図面及び特許請求の範囲と共に以下の説明から明らかとなる。

以下の説明では、同じ要素には同じ参照符号を付している。更に図面は、例示的な実施形態の主な特徴を図式的に説明することを意図したものである。図面は、実際の実施形態の全ての特徴や、示された要素の相対的な大きさを示すことを意図したものではなく、また、本来のスケールで示しているわけではない。

以下に詳細に説明する電界吸収型変調器の実施形態は、トンネル接合構造の正孔電流吸い込み能力及びデプレッション（depletion）特性を活用することにより、この実施形態における一連の抵抗（または直列抵抗）及び光学損失を低減できるようにする。この方法によれば、以下に説明する電界吸収型変換器の実施形態へのトンネル接合構造の導入により、幾つかの設計上の制約が少なくなり、電界吸収型変調器を広い範囲にわたる速度整合及び消光比仕様にあわせて設計することが可能となる。

図１は、第一及び第二の電極１２、１４、第一及び第二のクラッディング領域１６、１８、活性領域２０及びトンネル接合２２を画定するトンネル接合構造２１を含む電界吸収型変調器１０の一実施形態を示すものである。

第一及び第二の電極１２、１４は、１層以上の金属層を含んでいる。一実施形態においては、第一及び第二の電極１２、１４の各々は、第一及び第二の電極１２、１４と支持半導体材料との間に、接着力を提供し、オーム接触界面を形成する下側のチタン層と、電界吸収型変調器の電気接触を形成する上側の金層を含んでいる。図示した実施形態においては、第一の電極１２は、図２Ａに示したように一本の繋がった導電性材料のストリップから形成された進行波信号電極であり、または、図２Ｂに示したように信号電極セグメントの各対がそれぞれに段間マイクロストリップ線２３で接続されている、直列に接続された導電性材料から成る隔置された複数の電極セグメントから形成された進行波信号電極である。

一部の例においては、第一及び第二の電極１２、１４は、それぞれのマイクロストリップ線により入力及び出力ボンディングパッドへと接続されている。入力ボンディングパッドは第一のボンディングワイヤにより外部信号源へと接続されており、出力ボンディングパッドは第二のボンディングワイヤにより外部終端負荷へと接続されている。電界吸収型変調器１０、入力及び出力ボンディングバッド、及び、入力及び出力マイクロストリップ線は、同じ基板２４（例えばＩｎＰ又はＧａＡｓ等の半導体材料のウェーハ）上に作成される。外部信号源は、好適なものであれば、任意のＲＦ（無線周波数）電気信号源を含む任意の高周波電気信号源としても良い。外部終端負荷は、好適なものであれば抵抗器等の任意の終端負荷で良い。一般に終端負荷と信号源をインピーダンス整合させることにより、反射を低減して電界吸収型変調器１０の活性領域２０に印加することができる電圧を最大にする。

図示した実施形態においては、基板２４は電気的に絶縁性であり、電界吸収型変調器１０及び第一及び第二の金属フィルム伝送線２６、２８は、基板２４上に形成された導電性半導体層３０（例えばｎ^＋＋ＩｎＧａＡｓ又はｎ^＋＋ＩｎＧａＡｓＰ）の上に形成される。他の実施形態においては、基板２４は導電性のものであり、電界吸収型変調器１０及び伝送線２６、２８はこの基板２４上に直に形成される。

第一及び第二のクラッディング領域１６、１８、及び活性領域２０の各々は、１層以上の半導体層を含んでいる。図示した実施形態においては、第一及び第二のクラッディング領域１６、１８はｎ型にドーピング（または、ｎ型がドーピング）されており、活性領域はドーピングされていない為に相対的に微量（例えば約５ｘ１０^１５ｃｍ^−３未満）の不純物しか含んでいない。第一及び第二のクラッディング領域１６、１８は、活性領域２０の材料組成よりも低い屈折率を持つ材料組成から成る。このようにすることで、クラッディング領域１６、１８及び活性領域２０は電界吸収型変調器１０中を通る光の導波路として作用する。

活性領域２０は、電界吸収プロセスに関わる束縛電子及び正孔状態を作り出す伝導帯アライメントと価電子帯アライメントを持つ、少なくとも１つの量子井戸を含む光吸収領域３２を含んでいる。他の例では、活性領域２０の光吸収領域３２が量子井戸構造に代えてバルク半導体層から形成されるが、この場合の光変調はフランツ・ケルディッシュ効果を通じて得られるものである。

ｎ型半導体層３４及びｐ型半導体層３６はトンネル接合構造２１を形成するが、トンネル接合２２は層３４と３６の間の境界部に画定されている。ｎ型層３４及びｐ型層３６はいずれも縮退ドープされている（すなわち、フェルミレベルが許容帯（許容バンド）内にある）。多くの半導体材料系においては、ｎ型層３４が少なくとも約１０^１９ｃｍ^−３のドナー不純物濃度を持ち、ｐ型層３６が少なくとも約１０^１９ｃｍ^−３のアクセプター（あるいはドナー）不純物濃度を有する場合に縮退ドープが得られる。以下に詳細に説明するように、代表的な動作条件下においては、ｎ及びｐ型層３４、３６により形成されるトンネル接合構造２１は、ｎ型層３４からｐ型層３６への電子トンネル効果を生じるプロセスを通じて活性領域２０の光吸収領域３２中で生成された正孔を吸い込む。このプロセスでは、トンネル接合構造２１に印加されている電圧の降下は比較的小さい（例えば、典型的な動作条件下においてミリボルトのオーダー）。

トンネル接合構造２１の正孔吸い込み機能は、比較的薄いｎ及びｐ型層３４、３６を用いて実現することができる。トンネル接合構造２１の存在により、クラッディング領域１６をｐ型材料ではなくｎ型材料で形成することが可能となり、クラッディング領域１６全体の電気抵抗を低下させることができる。自由キャリア吸収損失はｎ型材料よりもｐ型材料の方が大幅に大きいことから、この特徴は特に重要である。加えて、より伝導性の低いｐ型材料は、素子の活性領域２０に印加することができる電圧を低下させ、変調器の長さ方向に沿ったマイクロ波損失を増大させることにより、電界吸収型変調器１０の性能を制約するものである。トンネル接合構造２１の存在は、活性領域２０に現れる印加電圧を部分的に上げ、これにより所与の印加電圧についての消光比を大きくする。活性領域２０の厚さは、典型的には指定された消光比を達成する必要性と速度整合問題により制約される。従って、トンネル接合構造２１の採用により、活性領域の厚さに対する設計上の制約が緩和されて、速度整合のために活性領域の厚さを調節する上でより大きな自由度が許容される。

加えて、トンネル接合構造２１の存在はｎ型クラッディング領域１６と信号電極１２との間にｎ^＋型接触層３８を配置することを可能にする。ｎ^＋型接触層３８は信号電極１２と下側の半導体材料との間におけるオーム接触（オーム接点）の形成を促進する。この特徴は、ｐ型導電層への低抵抗接触の実現が困難な半導体材料系においては特に重要である。このような場合、ｐ型導電層を、トンネル接合及びｎ型導電層に代えることにより大幅な性能の改善を実現することができる。従って、トンネル接合構造２１をこのような材料系へと組み込むことにより、非常に大量のｐ型ドープが不可能な場合や、中程度か低いｐ型ドーピングレベルしか実現できない場合においても、信号電極１２との低電圧降下接触を作ることができる。従って、トンネル接触構造２１の存在により、印加された電圧のうち、活性領域２０へと入る部分がさらに大きくなり、これにより所与の印加電圧に対する消光比が増大することになる。このように、トンネル接合構造２１の利用により活性領域の厚さに対する設計上の制約が更に緩和される。

幾つかの実施例では、第一及び第二の電極１２、１４の各々は半導体材料と接触するチタン層上に設けた金層から形成されており、接触層３８は縮退ドープされたｎ型のＩｎＧａＡｓ層から形成されており、クラッディング領域１６、１８の各々及び基板２４はｎ型ＩｎＰで形成されており、トンネル接合構造２１は縮退ドープされたｎ及びｐ型ＩｎＰ層３４、３６から形成されており、活性領域２０は、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ系の半導体材料、又はＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料から選択された材料の複数の層から形成されている。

他の実施例では、トンネル接合構造２１は他のｎ及びｐ型の二種、三種又は四種の材料の対から形成されている。例えば、一実施例におけるトンネル接合構造２１はｐ型ＡｌＩｎＡｓ層とｎ型ＩｎＰ層から形成されている。一般に、電界吸収型変調器１０の種々の層は様々な異なる半導体材料系から形成することが可能であり、その中にはＡｌＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ及び他のＩＩ−Ｖ及びＩＩ−ＶＩ半導体材料系が含まれる。

図３は、熱平衡（印加バイアス０）にある電界吸収型変調器１０の一実施形態の半導体層についてのエネルギーバンドの略図である。図４は、第一及び第二の電極１２、１４間に逆バイアスＶ_{Ｒｅｖｅｒｓｅ}を印加した場合の、図３に示した電界吸収型変調器１０の一実施形態に対応する半導体層についてのエネルギーバンドの略図である。

動作時、典型的には信号電極１２から第二の電極１４へと、電界吸収型変調器１０に負の電位を印加し、活性領域２０における光吸収閾値を変えることにより活性領域２０を通過する光の強度が変調される。これらの条件下において、ｐ型層３６、活性領域２０及びｎ型クラッディング領域１８から形成されるｐ−ｉ−ｎ接合は逆バイアスされ、トンネル接合構造２１は順方向バイアスされる。光吸収の結果、ｐ型層３６は活性領域２０の光吸収領域３２において生成された正孔のシンクとして作用する。

図５Ａ及び図５Ｂは、熱平衡にあるｎ型層及びｐ型層３４、３６についてのエネルギーバンド及び空間電荷分布の略図をそれぞれ示している。図５Ａに示したように、ｎ型層及びｐ型層３４、３６の各々は、フェルミレベル（Ｅ_Ｆ）が許容エネルギーバンド内にあるように縮退ドープされている。電界吸収型変調器１０の幾つかの実施例では、厚さｔ_ｎ及びｔ_ｐは、それぞれ、空乏領域幅Ｘ_ｎ及びＸ_ｐと概ね同じ大きさとなるように選択されている。このようにすることで、高濃度にドープされたｎ型及びｐ型層３４、３６は実質的に空乏化し、ｎ型及びｐ型層３４、３６における自由キャリアに起因する光学損失が最小化される。一般に、ｎ型及びｐ型層３４、３６のいずれかの厚さが、対応する空乏幅Ｘ_ｎ、Ｘ_ｐよりも薄い場合、トンネル接合構造２１の微分抵抗（または差動抵抗）が増大する傾向にあり、印加電圧のより大きな部分が活性領域２０ではなくトンネル接合構造２１において降下する。ｎ型及びｐ型層３４、３６のいずれかの厚さが対応する空乏幅Ｘ_ｎ、Ｘ_ｐよりも厚い場合、ｎ型及びｐ型層３４、３６のより大きな部分が空乏化しないことになる。これらの空乏化しなかった領域は高濃度にドープされている為、これらは大きな自由キャリア吸収損失の原因となり、ｐ型層３６の非空乏部分の場合には、変調される光に対して余分な価電子帯間吸収が生じる場合がある（すなわち、光挿入損失が増大する）。

ホモ接合の場合、空乏領域幅Ｘ_ｎ、Ｘ_ｐは以下のように計算することができる。

ここで、ｎ_ｉはｎ型及びｐ型層３４、３６の真性キャリア密度、ε_Ｓはｎ型及びｐ型層３４、３６の誘電率、ｑはクーロン単位で表した電荷の大きさ、ｋはボルツマン定数、Ｔはケルビン単位の絶対温度、Ｎ_Ｄはｎ型層３４のドナー・ドーピングレベル、Ｎ_Ａはｐ型層３６のアクセプター・ドーピングレベルである。

幾つかの実施例では、ｎ型層の厚さｔ_ｎは約０．９・Ｘ_ｎ以上、約２．０・Ｘ_ｎ未満であり、ｐ型層の厚さｔ_ｐは約０．９・Ｘ_ｐ以上、約２．０・Ｘ_ｐ未満である。これらの実施例のいくつかでは、

である（尚・は乗算を意味する）。ｐ型層３６がドーピング密度を２ｘ１０^１９ｃｍ^−３としたＩｎＰから成り、ｎ型層３４がドーピング密度を１ｘ１０^１９ｃｍ^−３としたＩｎＰから成る一実施例では、Ｘ_ｐ＝５．８ｎｍ、Ｘ_ｎ＝１１．６ｎｍ、ｔ_ｐ＝７ｎｍ、ｔ_ｎ＝１４ｎｍである。

電界吸収型変調器の進行波導波路構造の長さは、典型的には指定された電圧振幅に対して指定された消光比を得るための必要性によって決まる。ｎ型及びｐ型層３４、３６の厚さを最適化することで光学損失の低減が実現されるが、これにより適切な信号消光を得る為に進行波導波路構造の長さを長くすることが可能になる。かくして、かかる最適化されたトンネル接合構造の利用は、進行波導波路長の設計上の制約を緩和するものである。上述したように、活性領域の厚さを速度整合を達成するために変えることができる。

図６は、電界吸収型変調器１０の製作方法の一実施形態を示すものである。この方法によれば、導電層３０が基板２４上に形成される（ステップ４０）。クラッディング領域１８が導電層３０上に形成される（ステップ４２）。活性領域２０がクラッディング領域１８上に形成される（ステップ４４）。トンネル接合構造２１が活性領域２０上に形成される（ステップ４６）。クラッディング領域１６がトンネル接合構造２１上に形成される（ステップ４８）。接触層３８がクラッディング領域１６上に形成される（ステップ５０）。第一及び第二の電極１２、１４が接触層３８上及び基板の背面に形成され、第一及び第二の伝送線２６、２８が導電層３０上に形成される（ステップ５２）。

他の実施形態も特許請求の範囲に含まれる。例えば、上述した電界吸収型変調器の実施形態はリッジ型導波路構造に関して述べたものである。しかしながら、電界吸収型変調器は他の実施形態において異なるタイプの導波路構造で組み込むことも可能である。例えば、幾つかの実施形態では、電界吸収型変調器は埋め込みヘテロ構造から形成される。

本発明の一態様では、電界吸収型変調器(10)は、第１及び第２の電極(12,14)、第１及び第２のクラッディング領域(16,18)、活性領域(20)及びトンネル接合構造(21)を備える。第１及び第２のクラッディング領域(16,18)は第１の電極(12)と第２の電極(14)との間にある。活性領域(20)は、第１のクラッディング領域(16)と第２のクラッディング領域(18)の間にあり、光吸収領域(32)を含む。トンネル接合構造(21)は活性領域(20)と、第１及び第２のクラッディング領域(16,18)の一方との間にある。

電界吸収型変調器の一実施形態の略断面図である。 図１に示した電界吸収型変調器の実施形態の上面図であり、信号電極が連続した導電性材料のストリップから形成されている場合の例を示すものである。 図１に示した電界吸収型変調器の実施形態の上面図であり、段間マイクロストリップ線で直列に接続されている、導電性材料から成る複数の隔置された電極セグメントから信号電極が形成されている場合の例を示すものである。 図１に示した電界吸収型変調器の実施形態が熱平衡にある場合のエネルギーバンドの一例を示す略図である。 図１に示した電界吸収型変調器の実施形態に逆バイアスが印加された状態のエネルギーバンド図の一例を示す略図である。 図１に示した電界吸収型変調器の実施形態における例示的なトンネル接合構造のエネルギーバンドの略図である。 図５Ａに示したエネルギーバンド図に対応する例示的なトンネル接合構造における空間電荷分布のグラフである。 図１に示した電界吸収型変調器の実施形態を製作する方法の一実施形態のフローチャートである。

符号の説明

１２ 第一の電極
１４ 第二の電極
１６ 第一のクラッディング領域
１８ 第二のクラッディング領域
２０ 活性領域
２１ トンネル接合構造
３２ 光吸収領域
３４ ｎ型半導体層
３６ ｐ型半導体層

Claims (10)

1. 第一及び第二の電極（１２、１４）と、
   前記第一の電極（１２）と第二の電極（１４）の間にある第一及び第二のクラッディング領域（１６、１８）と、
   前記第一のクラッディング領域（１６）と第二のクラッディング領域（１８）の間にあり、光吸収領域（３２）を含む活性領域（２０）と、
   前記活性領域（２０）と、前記第一及び第二のクラッディング領域（１６、１８）の一方との間にあるトンネル接合構造（２１）
   とを具備する電界吸収型変調器。
2. 前記トンネル接合構造（２１）が、ｎ型半導体層（３４）及びｐ型半導体層（３６）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電界吸収型変調器。
3. 前記ｎ型半導体層（３４）が約１０^１９ｃｍ^−３以上のドナー不純物濃度を有し、前記ｐ型半導体層（３６）が約１０^１９ｃｍ^−３以上のアクセプター不純物濃度を有することを特徴とする、請求項２に記載の電界吸収型変調器。
4. 前記ｎ型半導体層（３４）及びｐ型半導体層（３６）が、熱平衡にあるそれぞれの空乏層の厚さＸ_ｎ及びＸ_ｐにより特性付けられるものであり、前記ｎ型半導体層（３４）が約０．９・Ｘ_ｎ以上、約２．０・Ｘ_ｎ未満の厚さｔ_ｎを有し、前記ｐ型半導体層（３６）が約０．９・Ｘ_ｐ以上、約２．０・Ｘ_ｐ未満の厚さｔ_ｐを有することを特徴とする、請求項２に記載の電界吸収型変調器。
5. 

   
   であることを特徴とする、請求項４に記載の電界吸収型変調器。
6. 前記ｎ型半導体層（３４）が前記第一のクラッディング領域（１６）に隣接し、前記ｐ型半導体層（３６）が前記活性領域（２０）に隣接し、前記第一のクラッディング領域（１６）がｎ型にドーピングされていることを特徴とする、請求項２に記載の電界吸収型変調器。
7. 前記活性領域（２０）が、前記ｐ型半導体層（３６）と前記第二のクラッディング領域（１８）の間に、かつ、それらの各々に隣接して存在し、前記第二のクラッディング領域（１８）がｎ型にドーピングされていることを特徴とする、請求項６に記載の電界吸収型変調器。
8. 前記第一の電極（１２）と前記第一のクラッディング領域（１６）の間に、縮退ドープされたｎ型接触層（３８）を更に具備する、請求項６に記載の電界吸収型変調器。
9. 前記活性領域（２０）が少なくとも１つの量子井戸を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電界吸収型変調器。
10. 第一及び第二の電極（１２、１４）を形成するステップと、
    第一及び第二のクラッディング領域（１６、１８）を前記第一の電極（１２）と第二の電極（１４）の間に形成するステップと、
    前記第一のクラッディング領域（１６）と第二のクラッディング領域（１８）の間に、光吸収領域（３２）を含む活性領域（２０）を形成するステップと、
    前記活性領域（２０）と前記第一及び第二のクラッディング領域（１６、１８）のうちの一方との間にトンネル接合構造（２１）を形成するステップ
    とを含む、電界吸収型変調器を製作する方法。

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