JP2007158063A - 半導体光通信素子 - Google Patents

Abstract

【課題】低い電源電圧で動作可能で、光の波形劣化を生じさせない半導体光通信素子を提供する。
【解決手段】絶縁性の基板１１上に分離領域を挟んでＬＤ領域とＥＡ領域に、それぞれｎ型の下側クラッド層１２、コア層１３及びｐ型の上側クラッド層１４によるＬＤとＥＡを形成する。一方、分離領域は、上側クラッド層１４からコア層１３及び下側クラッド層１２を通して基板１１に達するようにプロトン等を注入し、絶縁層１７を形成する。これにより、ＬＤとＥＡが電気的に分離されるので、ＬＤのカソードとＥＡのアノードを共通の接地電位に接続し、ＬＤのアノードに正の電源電圧を与え、ＥＡのカソードには、正にバイアスした変調信号を印加することができる。従って、ＬＤに与える電源電圧は変調信号の影響を受けない。更に、電源回路の最大供給電圧を低くすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザダイオード（Laser Diode、以下、「ＬＤ」という）と半導体光変調器（Electro Absorption Modulator，以下、「ＥＡ」という）を集積化した半導体光通信素子に関するものである。

昨今、ＬＤとＥＡを集積化した半導体光通信素子は、その高速低チャープ動作により、２．５Ｇｂｐｓ以上の高速光通信システムの電気−光変換機能を有する光源として、広く用いられるようになってきた。従来、ＬＤとＥＡを同一基板上に集積化した素子は、これらの２つの素子が反対の極性の電源を必要とするため、正と負の２電源が必要であった。即ち、ＬＤとＥＡのカソードを共通の基板に形成した場合、ＬＤのアノードには、レーザ光を発生させるために＋１．７Ｖ程度の電源電圧を印加する必要がある。一方、ＥＡのアノードには、逆バイアスによってレーザ光の透過を制御するために−０．５〜−２．５Ｖ程度の変調信号を印加する必要がある。このため、電源回路の簡素化に加え、システム全体の低消費電力化のために、単一電源動作の方式が検討されている。

図２は、下記特許文献１に記載された従来の光半導体装置の原理図である。
この光半導体装置は、ＬＤ１ａとＥＡ１ｂで構成される従来型の光半導体素子１を有している。ＬＤ１ａのｐｎ接合とＥＡ１ｂのｐｎ接合は、半導体基板上に同一方向に形成され、これらのＬＤ１ａとＥＡ１ｂのカソードは、共通の基準電位Ｖｃｍが与えられる端子２に接続されている。

ＬＤ１ａのアノードは、電源電圧Ｖｃｃが与えられる端子３に接続され、このＬＤ１ａのアノードとカソードの間には、雑音除去用のキャパシタ４が接続されている。

一方、ＥＡ１ｂのアノードは伝送線路４の一端に接続され、この伝送線路の他端にはバイアス回路５が接続されている。バイアス回路５は、インダクタ５ａとキャパシタ５ｂで構成され、インダクタ５ａを介して接地電位ＧＮＤを与え、キャパシタ５ｂを介して変調信号Ｓｍｏｄを与えるものである。また、ＥＡ１ｂのアノードとカソードの間には、伝送線路４のインピーダンスに整合させるための抵抗６が接続されている。

この光半導体装置では、端子２の基準電位Ｖｃｍを、接地電位ＧＮＤと電源電圧Ｖｃｃの間の電位に設定する。これにより、ＬＤ１ａには、Ｖｃｃ−Ｖｃｍの電圧が順方向に印加され、ＥＡ１ｂには、Ｖｃｍの電圧が逆方向に印加される。これにより、従来型の光半導体素子１を単一の電源で動作をさせることができる。

特開２００３−２９８１７５号公報 特開平９−５１１４２号公報 特開平１０−３２６９４２号公報 特開２００３−６０２８４号公報

しかしながら、前記光半導体装置では、次のような課題があった。
電源電圧Ｖｃｃは、ＬＤ１ａを駆動するための電圧（例えば、１．７Ｖ）と、ＥＡ１ｂに対する逆バイアス電圧（例えば、−１．５Ｖ）を合わせた電圧、即ち４．３Ｖが必要になる。更に、変調信号Ｓｍｏｄは±１Ｖ程度必要であるので、最大電圧は５．３Ｖ程度となる。また、ＥＡ１ｂのアノードの電位は、変調信号Ｓｍｏｄによって変動するので、端子２の基準電位Ｖｃｍのこれに連動して変動し、この基準電位Ｖｃｍの変動による光の波形劣化のおそれがあった。

本発明は、電源回路の最大供給電圧が低くても動作可能で、光の波形劣化を生じさせない半導体光通信素子を提供することを目的としている。

本発明は、同一の基板上に分離領域を挟んでＬＤとＥＡが形成され、該ＬＤで発生されたレーザ光が該ＥＡによって変調されて出力されるように構成した半導体光通信素子において、前記基板及び前記分離領域を、前記ＬＤと前記ＥＡを電気的に分離する絶縁性の材料で形成したことを特徴としている。

本発明では、同一の基板上に形成されたＬＤとＥＡが、基板及び分離領域で電気的に絶縁されている。これにより、例えば、ＬＤのカソードとＥＡのアノードを共通の接地電位に接続し、ＬＤのアノードに正の電源電圧を与え、ＥＡのカソードに正にバイアスした変調信号を印加することができる。これにより、ＬＤに与える電源電圧は変調信号の影響を受けない。また、ＬＤとＥＡに与える電圧は共に正であるので、電源回路の最大供給電圧を低くして、消費電力を低減することができるという効果がある。

絶縁性の基板上に分離領域を介して、それぞれ第１導電型（例えば、ｎ型）の下側クラッド層と第２導電型（例えば、ｐ型）の上側クラッド層の間にコア層を挟んでＬＤとＥＡを形成する。なお、分離領域は、基板上にＬＤとＥＡを構成する下側クラッド層、コア層及び上側クラッド層を一括形成した後、このＬＤとＥＡを分離する箇所にプロトン等のイオンを選択的に注入し、基板表面に達する絶縁体を生成することによって形成される。

図１（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例１を示す半導体光通信素子の構成図であり、同図（ａ）は斜視図、及び同図（ｂ）は、同図（ａ）中のＡ１−Ａ２線に沿う部分の断面図である。

この半導体光通信素子は、図１（ａ）に示すように、絶縁性の基板１１（例えば、不純物が含まれていないＩｎＰ基板）の上に順次形成された下側クラッド層１２、コア層１３及び上側クラッド層１４を有している。下側クラッド層１２と上側クラッド層１４は共にＩｎＰで形成され、コア層１３はＩｎＧａＡｓＰで形成され、このコア層１３がクラッド層１２，１４に比べて光の屈折率が大きくなるように設定されている。

更に、図１（ａ）におけるＡ１−Ａ２線の両側の上側クラッド層１４には、このＡ１−Ａ２線に平行して底部がコア層１３の表面に達する溝が設けられている。この溝の中には、内側表面に形成されたＳｉＯ_２による絶縁性の保護膜１５を介して、光の屈折率が小さいポリイミド層１６が埋め込まれている。

また、上側クラッド層１４と下側クラッド層１２には、それぞれｐ型不純物とｎ型不純物が含まれ、コア層１３は不純物を含まない絶縁層となっている。これにより、上側クラッド層１４、コア層１３及び下側クラッド層１２によって、ｐｉｎ構造のダイオードが形成されるようになっている。

このダイオードは、図１（ａ）に示すように、手前側のＥＡ領域と奥側のＬＤ領域の間が、分離領域で分離されている。即ち、図１（ｂ）の左側に示すＥＡ領域と右側に示すＬＤ領域の間には、上側クラッド層１４の表面からコア層１３と下側クラッド層１２を通り、基板１１の表面からその内部に達し、ＥＡ領域とＬＤ領域を分断するように形成された絶縁層１７が設けられている。そして、この絶縁層１７による分離領域で、ＥＡ領域とＬＤ領域が電気的に絶縁されている。

ＥＡ領域とＬＤ領域の上側クラッド層１４は、それぞれＥＡとＬＤのアノードとなっている。そして、ＥＡ領域とＬＤ領域の上側クラッド層１４の表面には、半導体コンタクト層１８、オーミック電極１９が順次形成され、このオーミック電極１９の上に、ＥＡ用のアノード電極配線２０ＥＡと、ＬＤ用のアノード電極配線２０ＬＤが形成されている。

一方、ＥＡ領域とＬＤ領域の下側クラッド層１２は、それぞれＥＡとＬＤのカソードとなっており、同様のカソード電極配線２１ＥＡ，２１ＬＤが形成されている。また、基板１１の下側には、ダイボンディング用の金属膜２２が形成されている。

なお、分離領域の形成方法としては、次のような方法がある。
（１） 基板１１の表面に、下側クラッド層１２、コア層１３、及び上側クラッド層１４を一括して形成した後、分離領域にのみ選択的にプロトン等のイオン注入を行い、基板１１の表面に達する絶縁層１７を構成する。
（２） 基板１１の表面に、ＥＡ領域とＬＤ領域の下側クラッド層１２とコア層１３を形成した後、分離領域にのみ選択的にプロトン等のイオン注入を行い、基板１１の表面に達する絶縁層を構成する。その後、コア層１３の表面に上側クラッド層１４を形成し、この上側クラッド層１４の上から、再び分離領域に選択的にプロトン等のイオン注入を行い、先に構成した絶縁層に連結させる。

図３は、図１の等価回路と接続方法の説明図である。以下、この図３を参照しつつ、図１の動作を説明する。

図３中に破線枠で示すように、この半導体光通信素子３０は、相互に電気的に絶縁されたＬＤ３１とＥＡ３２を有している。即ち、ＬＤ３１のアノードＡとカソードＫは、それぞれ図１におけるＬＤ領域の上側クラッド層１４と下側クラッド層１２に対応し、ＥＡ３２のアノードＡとカソードＫは、それぞれ図１におけるＥＡ領域の上側クラッド層１４と下側クラッド層１２に対応している。そして、ＬＤ３１のアノードＡとカソードＫは、それぞれ外部接続用の端子３３，３４に接続され、ＥＡ３２のアノードＡとカソードＫは、それぞれ外部接続用の端子３５，３６に接続されている。

なお、ＬＤ３１とＥＡ３２のアノードＡは、図１に示すように、絶縁層１７で分離されているが、この絶縁層１７による絶縁抵抗３７ａは極めて大きく、浮遊容量３７ｂは極めて小さいので、動作上の影響はない。同様に、ＬＤ３１とＥＡ３２のカソードＫを分離する絶縁層１７の絶縁抵抗３８ａは極めて大きく、浮遊容量３８ｂは極めて小さいので、動作上の影響はない。

半導体光通信素子３０は、ＬＤ３１側の端子３３に電源電圧ＶＣＣ（例えば、＋１．７Ｖ）が印加され、端子３４は接地電位ＧＮＤに接続される。一方、ＥＡ３２側の端子３５は接地電位ＧＮＤに接続され、端子３６にはバイアス電圧ＶＢ（例えば、＋１．５Ｖ）に変調信号ＳＭ（例えば、±１．０Ｖ）が重畳された信号が与えられる。また、端子３５，３６間には、インピーダンス整合用の抵抗４１が接続される。

図１のＬＤ領域において、ｐ型の上側クラッド層１４と下側クラッド層１２の間に電源電圧ＶＣＣが印加されると、ＬＤ３１が発振してレーザ光がコア層１３を伝搬する。この時、レーザ光は、光の屈折率が小さいクラッド層１４，１２で上下方向に挟まれ、かつ左右方向には、上側クラッド層１２に設けられた、光の屈折率が小さいポリイミド層１６で挟まれる。これにより、レーザ光は、光の屈折率が大きいコア層１３の内部を、図１中のＡ１−Ａ２線に沿って直進する。

この時、分離領域のコア層１３には、絶縁性を持たせるためのプロトン等が注入されているが、レーザ光の伝搬には影響しない。

分離領域を通ってＥＡ領域のコア層１３に伝搬されたレーザ光は、逆バイアスされた電界吸収型のＥＡ３２によって強度変調される。即ち、逆バイアスの電圧が小さいと（例えば、−０．５Ｖ）、レーザ光は吸収されずに外部に出力される。一方、逆バイアスの電圧が大きいと（例えば、−２．５Ｖ）、レーザ光は殆ど吸収されて外部に出力されない。

以上のように、この実施例１の半導体光通信素子は、絶縁性の基板１１の上に、絶縁性の分離領域で隔離してＬＤとＥＡを形成している。従って、ＬＤ３１とＥＡ３２のアノードＡとカソードＫを電気的に分離した端子３３〜３６として取り出すことができる。これにより、ＬＤ３１のカソードＫとＥＡ３２のアノードＡを接地電位ＧＮＤに接続し、ＬＤ３１のアノードＡに正の電源電圧ＶＣＣを印加すると共に、ＥＡ３２のカソードＫに正のバイアス電圧ＶＢでバイアスされた変調信号ＳＭを与えることができる。

従って、基準となる接地電位ＧＮＤが変調信号ＳＭによって変動を受けることがなく、光の波形劣化を生じさせることがないという利点がある。更に、必要となる電源電圧及び変調電圧は、本例の場合、最大でも＋２．５Ｖであり、電源回路の最大供給電圧を低くすることが可能になり、消費電力を低減することができるという利点がある。

図４（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例２を示す半導体光通信素子の構成図であり、同図（ａ）は断面構造図、及び同図（ｂ）は、等価回路図である。

この半導体光通信素子は、図１（ａ）中の分離領域の絶縁層１７に代えて、半導体層２３を設けたものである。半導体層２３は、下側クラッド層のｐ型層２３ａ、コア層２３ｂ、及び上側クラッド層のｎ型層２３ｃで構成されている。即ち、ＬＤ領域とＥＡ領域の下側クラッド層はｎ型であるが、分離領域の下側クラッド層はｐ型となっている。また、ＬＤ領域とＥＡ領域の上側クラッド層はｐ型であるが、分離領域の上側クラッド層はｎ型となっている。なお、半導体層２３の幅は、電子または正孔の拡散長よりも十分に大きな値とする。具体的には、１０μｍ以上あれば十分である。その他の構成は、図１と同様である。

このような構成の半導体光通信素子は、図４（ｂ）の等価回路で示す構成と考えることができる。

即ち、図４（ａ）におけるＬＤ領域の上側クラッド層１４と下側クラッド層１２は、それぞれＬＤ３１のアノードＡとカソードＫに対応し、ＥＡ領域の上側クラッド層１４と下側クラッド層１２が、それぞれＥＡ３２のアノードＡとカソードＫに対応する。

下側クラッド層１２のＬＤ領域（ｎ型）、分離領域（ｐ型）及びＥＡ領域（ｎ型）は、逆方向に直列接続された２つのダイオード３９ａ，３９ｂに対応する。また、上側クラッド層１４のＬＤ領域（ｐ型）、分離領域（ｎ型）及びＥＡ領域（ｐ型）は、逆方向に直列接続された２つのダイオード３９ｃ，３９ｄに対応する。更に、分離領域のｐ型層２３ａ、コア層２３ｂ及びｎ型層２３ｃは、ダイオード３９ｅに対応し、このダイオード３９ｅのアノードはダイオード３９ａ，３９ｂの接続点（アノード）に接続され、カソードはダイオード３９ｃ，３９ｄの接続点（カソード）に接続されている。

これにより、ＬＤ３１のアノードＡとカソードＫは、ＥＡ３２のアノードＡ及びカソードＫからほぼ完全に電気的に分離される。同様に、ＥＡ３２のアノードＡとカソードＫは、ＬＤ３１のアノードＡ及びカソードＫからほぼ完全に電気的に分離される。従って、この半導体光通信素子は、図１の半導体光通信素子と同様の電気的特性を有する。

以上のように、この実施例２の半導体光通信素子は、絶縁性の基板１１の上に、ＬＤ領域とＥＡ領域のクラッド層とは逆極性の不純物を含む半導体層２３を分離領域として設けている。これにより、ＬＤ領域とＥＡ領域が電気的に分離され、実施例１と同様の利点が得られる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されず、種々の変形が可能である。この変形例としては、例えば、次のようなものがある。
（ａ） 順方向バイアスで動作する素子としてＬＤを例示したが、ＬＤの他、半導体光増幅器や、半導体波長変換器等に対しても適用可能である。
（ｂ） 逆方向バイアスで動作する素子としてＥＡを例示したが、ＥＡの他、別方式の光変調器や、フォトダイオード、半導体光スイッチ、半導体光方向性結合器等に対しても適用可能である。
（ｃ） 図３の半導体光通信素子３０では、ＬＤ３１のカソードＫとＥＡ３２のアノードＡを、それぞれ別の端子３４，３５に接続しているが、これらのＬＤ３１のカソードＫとＥＡ３２のアノードＡを内部で接続して３端子構成にしても良い。
（ｄ） 図１の構造や材料等は一例であり、これに限定するものではない。例えば、下側クラッド層１２をｐ型に、上側クラッド層１４をｎ型にしても良い。また、本実施例の説明において、具体的な材料としてＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰを引用したが、その他の化合物半導体材料を使用することができる。

本発明の実施例１を示す半導体光通信素子の構成図である。 従来の光半導体装置の原理図である。 図１の等価回路と接続方法の説明図である。 本発明の実施例２を示す半導体光通信素子の構成図である。

符号の説明

１１ 基板
１２ 下側クラッド層
１３，２３ｂ コア層
１４ 上側クラッド層
１７ 絶縁層
２３ 半導体層
２３ａ ｎ型層
２３ｃ ｐ型層

Claims (4)

1. 同一の基板上に分離領域を挟んでレーザダイオードと半導体光変調器が形成され、該レーザダイオードで発生されたレーザ光が該半導体光変調器によって変調されて出力されるように構成した半導体光通信素子において、
   前記基板及び前記分離領域は、前記レーザダイオードと前記半導体光変調器を電気的に分離する絶縁性の材料で形成したことを特徴とする半導体光通信素子。
2. 前記基板は絶縁性または不純物が含まれていない化合物半導体基板とし、前記分離領域はイオン注入によって絶縁性を持たせるように形成したことを特徴とする請求項１記載の半導体光通信素子。
3. 同一の基板上に分離領域を挟んでレーザダイオードと半導体光変調器が形成され、該レーザダイオードで発生されたレーザ光が該半導体光変調器によって変調されて出力されるように構成した半導体光通信素子において、
   前記レーザダイオードと前記半導体光変調器は、前記基板の上にそれぞれ第１導電型の下側クラッド層と第２導電型の上側クラッド層の間にコア層を挟んで形成され、
   前記分離領域は、前記基板の上に第２導電型の下側クラッド層と第１導電型の上側クラッド層の間にコア層を挟んで形成されたことを特徴とする半導体光通信素子。
4. 前記分離領域の長さは、電子または正孔の拡散長よりも長く設定されていることを特徴とする請求項３記載の半導体光通信素子。

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