JP2011197427A - Semiconductor optical modulator and semiconductor optical transmitter using the same - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor optical modulator capable of obtaining good transmission characteristics even in prechirp transmission, and a semiconductor optical transmitter using the semiconductor optical modulator.SOLUTION: The semiconductor modulator includes: a Mach-Zehnder type optical interferometer including optical waveguides 4a and 4b provided on a substrate 1; an electrode 11a formed on the optical waveguide 4a; an electrode 11b formed on the optical waveguide 4b and different in length from the electrode 11a; a semiconductor mesa structure 7 arranged on the substrate 1 apart from the optical waveguides 4a and 4b by a wavelength of the light to be modulated or more; and an auxiliary electrode 12 formed on the semiconductor mesa structure 7 and electrically connected to the electrode 11b.

Description

本発明は、半導体光変調器及びそれを用いた半導体光送信機に関する。   The present invention relates to a semiconductor optical modulator and a semiconductor optical transmitter using the same.

従来、長距離で大容量の光通信には、非線形光学結晶ニオブ酸リチウム(LN)中の電気光学効果を利用したMach−Zehnder(MZ)干渉計型変調器(以下、LN−MZ変調器ということがある)と半導体レーザとを組み合わせた送信機が主に用いられている。   Conventionally, for long-distance and large-capacity optical communication, a Mach-Zehnder (MZ) interferometer type modulator (hereinafter referred to as an LN-MZ modulator) using the electro-optic effect in the nonlinear optical crystal lithium niobate (LN). Transmitters in combination with semiconductor lasers are mainly used.

また、光通信に用いられる一般的な石英ガラスコア光ファイバは、光の波長が近赤外の1.5μm近傍の場合に非常に小さな透過損を示す。このため、長距離光通信には1.5μm帯の光が多く用いられている。その一方で、現在、幹線系に敷設されているシングルモード光ファイバの多くは、この波長帯で正の波長分散を持つ。そこで、分散による伝送波形劣化を補償するために、長距離伝送、特に50kmを超える長距離伝送では、意図的に変調光に負チャープを与えるプリチャープ伝送が用いられている。即ち、LN−MZ変調器では、分波した光信号の経路である2つのアーム(導波路)に印加する電界の強度の変調振幅比を適当に調整して所望の負チャープを付与している。特に、Zカット型とよばれるタイプのLN−MZ変調器では、2つの導波路に対して非対称な位置に形成された単一電極により、2つの導波路に互いに異なる強度の電界変化が付与され、所望の負チャープが付与される。   Further, a general silica glass core optical fiber used for optical communication exhibits a very small transmission loss when the wavelength of light is near 1.5 μm in the near infrared. For this reason, 1.5 μm band light is often used for long-distance optical communication. On the other hand, many single-mode optical fibers currently laid in the trunk line system have positive chromatic dispersion in this wavelength band. Therefore, in order to compensate for transmission waveform deterioration due to dispersion, pre-chirp transmission that intentionally gives negative chirp to modulated light is used in long-distance transmission, particularly long-distance transmission exceeding 50 km. That is, in the LN-MZ modulator, a desired negative chirp is imparted by appropriately adjusting the modulation amplitude ratio of the intensity of the electric field applied to the two arms (waveguides) that are the paths of the demultiplexed optical signal. . In particular, in a type of LN-MZ modulator called a Z-cut type, a single electrode formed at an asymmetric position with respect to two waveguides gives electric field changes of different strengths to the two waveguides. The desired negative chirp is given.

近年では、半導体を用いたMach−Zehnder干渉計型変調器(以下、半導体MZ変調器ということがある)についての研究も行われている。半導体MZ変調器には、半導体導波路の屈折率及びその変化率がLN導波路よりも大きいため、小型化が可能であるという利点がある。また、半導体レーザとの集積が容易なので、送信機内の部品点数を減らすことができるという利点もある。   In recent years, research on Mach-Zehnder interferometric modulators using semiconductors (hereinafter sometimes referred to as semiconductor MZ modulators) has also been conducted. The semiconductor MZ modulator has an advantage that it can be miniaturized because the refractive index of the semiconductor waveguide and the rate of change thereof are larger than those of the LN waveguide. Further, since integration with a semiconductor laser is easy, there is an advantage that the number of parts in the transmitter can be reduced.

ここで、従来の半導体MZ変調器の構造について説明する。図1は、従来の半導体MZ変調器の構造の一例を示す模式図である。   Here, the structure of a conventional semiconductor MZ modulator will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the structure of a conventional semiconductor MZ modulator.

図1(a)に示すように、基板51上に入力導波路52、光分配器53、導波路54a及び54b、光結合器55、並びに出力導波路56が形成されている。これらは、半導体導波路から構成されている。導波路54a上に電極61aが形成され、導波路54b上に電極61bが形成されている。更に、基板51の裏面に電極が形成されている。電極61aと接地との間にバイアス直流電源71a及び交流電源72aが直列に接続され、電極61bと接地との間にバイアス直流電源71b及び交流電源72bが接続されている。   As shown in FIG. 1A, an input waveguide 52, an optical distributor 53, waveguides 54a and 54b, an optical coupler 55, and an output waveguide 56 are formed on a substrate 51. These are composed of semiconductor waveguides. An electrode 61a is formed on the waveguide 54a, and an electrode 61b is formed on the waveguide 54b. Furthermore, an electrode is formed on the back surface of the substrate 51. A bias DC power supply 71a and an AC power supply 72a are connected in series between the electrode 61a and the ground, and a bias DC power supply 71b and an AC power supply 72b are connected between the electrode 61b and the ground.

半導体MZ変調器にも、LN−MZ変調器と同様にプリチャープの付与が要求される。プリチャープの付与には、いくつかの方法が検討されている。第1の方法は、電極61aに印加する変調電圧(交流電源72aの変調電圧)の振幅と電極61bに印加する変調電圧(交流電源72bの変調電圧)の振幅とを非対称にするという方法である。第2の方法は、電極61aに印加するバイアス電圧(バイアス直流電源71aの電圧)と電極61bに印加するバイアス電圧(バイアス直流電源71bの電圧)とを非対称にするという方法である。第3の方法は、図1(b)に示すように、電極61aの長さと電極61bの長さとを非対称にするという方法である。これらの方法はいずれも、両アーム(導波路54a及び54b)に反対称な変調電圧を与えるプッシュプル駆動を前提としている。   The semiconductor MZ modulator is also required to be pre-chirped like the LN-MZ modulator. Several methods for giving pre-chirp are being studied. The first method is a method in which the amplitude of the modulation voltage applied to the electrode 61a (modulation voltage of the AC power supply 72a) and the amplitude of the modulation voltage applied to the electrode 61b (modulation voltage of the AC power supply 72b) are made asymmetric. . The second method is a method in which the bias voltage applied to the electrode 61a (voltage of the bias DC power supply 71a) and the bias voltage applied to the electrode 61b (voltage of the bias DC power supply 71b) are made asymmetric. The third method is a method of making the length of the electrode 61a and the length of the electrode 61b asymmetric as shown in FIG. Both of these methods are premised on push-pull drive that applies antisymmetric modulation voltages to both arms (waveguides 54a and 54b).

しかしながら、第1の方法では、送信機内に高周波減衰器を設ける必要が生じ、装置の小型化及び省電力化の観点から不利である。第2の方法のみでは、得られる非対称性が小さく十分にプリチャープを付与することができない。第3の方法では、電極61a及び61b間の高周波特性(電力の反射、透過特性等)に差異が生じ、良好な伝送特性を得ることができない。   However, in the first method, it is necessary to provide a high-frequency attenuator in the transmitter, which is disadvantageous from the viewpoint of miniaturization of the apparatus and power saving. Only with the second method, the obtained asymmetry is small and a sufficient pre-chirp cannot be imparted. In the third method, a difference occurs in high-frequency characteristics (power reflection, transmission characteristics, etc.) between the electrodes 61a and 61b, and good transmission characteristics cannot be obtained.

特開2004−102097号公報JP 2004-102097 A 特開2000−066156号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2000-066156

L. B. Soldano, et al, J. Lightwave Technol., vol.13, pp.615-627 (1995)L. B. Soldano, et al, J. Lightwave Technol., Vol.13, pp.615-627 (1995)

本発明の目的は、プリチャープ伝送時にも良好な伝送特性を得ることができる半導体光変調器及びそれを用いた半導体光送信機を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a semiconductor optical modulator capable of obtaining good transmission characteristics even during pre-chirp transmission and a semiconductor optical transmitter using the same.

半導体光変調器の一態様には、基板上に設けられた第1の光導波路及び第2の光導波路を備えたマッハ・ツェンダ型光干渉計と、前記第1の光導波路上に形成された第1の電極と、前記第2の光導波路上に形成され、前記第1の電極とは長さが相違する第2の電極と、が設けられている。更に、前記第1の光導波路及び前記第2の光導波路から被変調光の波長以上離間して設けられた半導体メサ構造体と、前記半導体メサ構造体上に形成され、前記第1の電極及び前記第2の電極のうち短いものに電気的に接続された補助電極と、が設けられている。   In one aspect of the semiconductor optical modulator, a Mach-Zehnder optical interferometer provided with a first optical waveguide and a second optical waveguide provided on a substrate, and the first optical waveguide are formed. A first electrode and a second electrode formed on the second optical waveguide and having a length different from that of the first electrode are provided. Furthermore, a semiconductor mesa structure provided at a distance equal to or greater than the wavelength of the modulated light from the first optical waveguide and the second optical waveguide, and formed on the semiconductor mesa structure, the first electrode and An auxiliary electrode electrically connected to a short one of the second electrodes.

上記の半導体光変調器等によれば、2つの電極間の高周波特性を揃えることが可能となり、プリチャープ伝送時にも良好な伝送特性を得ることができる。   According to the above semiconductor optical modulator or the like, the high frequency characteristics between the two electrodes can be made uniform, and good transmission characteristics can be obtained even during pre-chirp transmission.

従来の半導体MZ変調器の構造の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the structure of the conventional semiconductor MZ modulator. 第1のシミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of a 1st simulation. 第2のシミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of a 2nd simulation. 同じく、第2のシミュレーションの結果を示す図である。Similarly, it is a figure which shows the result of a 2nd simulation. (a)は第1の実施形態に係る半導体光変調器の構造を示す模式図であり、(b)は第2の実施形態に係る半導体光変調器の構造を示す模式図である。(A) is a schematic diagram which shows the structure of the semiconductor optical modulator based on 1st Embodiment, (b) is a schematic diagram which shows the structure of the semiconductor optical modulator concerning 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る半導体光変調器の構造を示す上面図である。It is a top view which shows the structure of the semiconductor optical modulator based on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the method of manufacturing the semiconductor optical modulator concerning 3rd Embodiment in process order. 図7Aに引き続き、半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す断面図である。FIG. 7B is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing the semiconductor optical modulator in the order of steps following FIG. 7A. 同じく、第3の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す断面図である。Similarly, it is sectional drawing which shows the method of manufacturing the semiconductor optical modulator concerning 3rd Embodiment in order of a process. 第3の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す上面図である。It is a top view which shows the method of manufacturing the semiconductor optical modulator concerning 3rd Embodiment in order of a process. 第3の実施形態の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of 3rd Embodiment. 第3の実施形態の他の変形例を示す図である。It is a figure which shows the other modification of 3rd Embodiment. 半導体光送信機の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a semiconductor optical transmitter.

上記のように、図1(b)に示すように、電極61aの長さと電極61bの長さとを非対称にした場合には、電極61a及び61b間の高周波特性に差異が生じ、良好な伝送特性を得ることができない。これは、実効的に印加される変調電圧の波形が電極61a及び61b間で相違してしまい、この波形が等しい場合と比べて変調光の波形のアイ開口率が劣化するからである。   As described above, as shown in FIG. 1B, when the length of the electrode 61a and the length of the electrode 61b are asymmetrical, a difference occurs in the high-frequency characteristics between the electrodes 61a and 61b, resulting in good transmission characteristics. Can't get. This is because the waveform of the modulation voltage that is effectively applied differs between the electrodes 61a and 61b, and the eye opening ratio of the waveform of the modulated light is degraded as compared with the case where the waveforms are equal.

ここで、本願発明者らが行った種々のシミュレーションについて説明する。   Here, various simulations performed by the present inventors will be described.

第1のシミュレーションでは、伝送線路の持つ高周波特性によってRF波形が劣化する様子を擬似的に表現するために、遮断周波数が異なる2種類の低域透過フィルタ(low-pass filter)が交流電源と電極との間に接続されていることとし、RF変調電圧波形(アイパターン)を求めた。ここで、低域透過フィルタは、光送信機の周波数特性解析に用いられることが多い4次のButterworthフィルタとした。一方の遮断周波数は20GHzとし、他方の遮断周波数は7.5GHzとした。また、入力信号のRF波形は、立ち上がり及び立ち下がりが自乗余弦波形を持つ10Gbit/sのNRZ信号の波形とし、立ち上がり時間及び立ち下がり時間はいずれも50psとした。   In the first simulation, two types of low-pass filters with different cutoff frequencies are connected to an AC power source and an electrode in order to simulate the appearance of the RF waveform being degraded by the high-frequency characteristics of the transmission line. The RF modulation voltage waveform (eye pattern) was obtained. Here, the low-pass filter is a fourth-order Butterworth filter often used for frequency characteristic analysis of an optical transmitter. One cutoff frequency was 20 GHz, and the other cutoff frequency was 7.5 GHz. The RF waveform of the input signal was a 10 Gbit / s NRZ signal waveform having a raised cosine waveform with a raised cosine waveform, and both the rise time and the fall time were 50 ps.

図2に、第1のシミュレーションの結果(低域透過フィルタ通過後のRF変調電圧波形)を示す。図2(a)は遮断周波数が20GHzの場合のRF変調電圧波形を示し、図2(b)は遮断周波数が7.5GHzの場合のRF変調電圧波形を示す。図2に示すように、遮断周波数が相違するため、RF変調電圧波形が大きく相違している。このことは、高周波特性(高周波帯域)が相違する電極に印加されたRF信号も、互いに大きく相違したものになることを意味している。   FIG. 2 shows the result of the first simulation (the RF modulation voltage waveform after passing through the low-pass filter). FIG. 2A shows an RF modulation voltage waveform when the cutoff frequency is 20 GHz, and FIG. 2B shows an RF modulation voltage waveform when the cutoff frequency is 7.5 GHz. As shown in FIG. 2, since the cut-off frequencies are different, the RF modulation voltage waveforms are greatly different. This means that RF signals applied to electrodes having different high frequency characteristics (high frequency bands) are also greatly different from each other.

第2のシミュレーションでは、2つの電極に波形が等しいRF信号を印加してプッシュプル駆動を行った場合、及び2つの電極に波形が相違するRF信号を印加してプッシュプル駆動を行った場合の変調光の波形(アイパターン)を求めた。ここで、半導体MZ変調器は、半導体多重量子井戸(MQW:multiple-quantum well)を導波層とするMZ干渉計を対称プッシュプル駆動で動作させることとし、MZ干渉計の各アーム内での屈折率の変化は印加電圧に対して2次関数で表されるとした。また、干渉計の両アームに与えるRF信号の振幅は等しいとし、各アームの電極長は1:3と非対称とし、またバイアス電圧も非対称とした。そして、波形が等しいRF信号を印加する場合には、電極の長短に関わらず両アーム上の電極の高周波帯域が7.5GHzで揃っているとし、波形が相違するRF信号を印加する場合には、長い電極の高周波帯域が7.5GHz、短い電極の高周波帯域が20GHzであるとした。また、変調光の波形は、光ファイバを用いた伝送前及び伝送後について求めた。なお、伝送後の波形の計算では、時間波形をフーリエ変換して周波数軸上で光ファイバの伝達関数を乗じ、逆フーリエ変換して時間領域に戻すことで、ファイバ中の群遅延分散による波形歪を評価した。このシミュレーションでは、2次分散のみを考慮し、1600ps/nmの分散量を与えた。これは、標準的な光ファイバで80km〜100kmの伝送に相当する分散量である。   In the second simulation, when an RF signal having the same waveform is applied to two electrodes to perform push-pull driving, and when an RF signal having a different waveform is applied to two electrodes to perform push-pull driving. The waveform (eye pattern) of the modulated light was obtained. Here, the semiconductor MZ modulator operates an MZ interferometer having a semiconductor multiple-quantum well (MQW) as a waveguiding layer by a symmetric push-pull drive, and in each arm of the MZ interferometer. The change in refractive index was expressed by a quadratic function with respect to the applied voltage. Also, the amplitude of the RF signal applied to both arms of the interferometer is the same, the electrode length of each arm is asymmetric as 1: 3, and the bias voltage is also asymmetric. When applying RF signals with the same waveform, the high frequency bands of the electrodes on both arms are aligned at 7.5 GHz regardless of the length of the electrodes. When applying RF signals with different waveforms, The high frequency band of the long electrode is 7.5 GHz, and the high frequency band of the short electrode is 20 GHz. The waveform of the modulated light was obtained before and after transmission using an optical fiber. In the calculation of the waveform after transmission, the time waveform is Fourier transformed, multiplied by the transfer function of the optical fiber on the frequency axis, and inverse Fourier transformed to return to the time domain, resulting in waveform distortion due to group delay dispersion in the fiber. Evaluated. In this simulation, only the secondary dispersion was considered and a dispersion amount of 1600 ps / nm was given. This is a dispersion amount corresponding to transmission of 80 km to 100 km with a standard optical fiber.

図3及び図4に、第2のシミュレーションの結果(変調光の波形)を示す。図3(a)は波形が等しいRF信号を印加した場合の伝送前の波形(変調器の出力光の波形)を示し、図3(b)は図3(a)に示す波形の出力光の伝送後の波形を示す。図4(a)は波形が相違するRF信号を印加した場合の伝送前の波形(変調器の出力光の波形)を示し、図4(b)は図4(a)に示す波形の出力光の伝送後の波形を示す。図3(a)と図4(a)とを比較すると、高周波帯域が非対称の場合、対称の場合と比較して、伝送前の波形のオンレベルとオフレベルとの比(動的消光比)が劣化していることが分かる。図3(a)及び図4(a)中の矢印の長さが動的消光比に相当する。また、図4(b)中の矢印で示した部分から、伝送後の波形が非対称に歪み、アイ開口が劣化していることも分かる。符号誤り率が1×10-11以下のエラーフリーの伝送を行うためには、このようなアイ開口の劣化は許容されず、このまま用いることはできない。 3 and 4 show the result of the second simulation (the waveform of the modulated light). FIG. 3A shows a waveform before transmission (waveform of output light from the modulator) when RF signals having the same waveform are applied, and FIG. 3B shows the output light having the waveform shown in FIG. The waveform after transmission is shown. 4A shows a waveform before transmission (waveform of output light from the modulator) when RF signals having different waveforms are applied, and FIG. 4B shows output light having the waveform shown in FIG. The waveform after transmission is shown. Comparing FIG. 3 (a) and FIG. 4 (a), when the high frequency band is asymmetric, the ratio between the on-level and the off-level of the waveform before transmission (dynamic extinction ratio), compared to the symmetric case. It can be seen that is deteriorated. The length of the arrow in FIG. 3A and FIG. 4A corresponds to the dynamic extinction ratio. It can also be seen from the part indicated by the arrow in FIG. 4B that the waveform after transmission is asymmetrically distorted and the eye opening is degraded. In order to perform error-free transmission with a code error rate of 1 × 10 −11 or less, such deterioration of the eye opening is not allowed and cannot be used as it is.

本願発明者らは、これらのシミュレーションの結果から、2つの導波路上の電極の高周波帯域が対称であれば、これらの高周波帯域が低い場合でも、良好な伝送特性が得られることを見出した。以下、このような知見に基づく実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。   As a result of these simulations, the inventors of the present application have found that if the high-frequency bands of the electrodes on the two waveguides are symmetrical, good transmission characteristics can be obtained even when these high-frequency bands are low. Hereinafter, embodiments based on such knowledge will be specifically described with reference to the accompanying drawings.

(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態について説明する。図5(a)は、第1の実施形態に係る半導体光変調器の構造を示す模式図である。第1の実施形態は、集中定数型電極を備えた半導体光変調器の一例である。
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described. FIG. 5A is a schematic diagram showing the structure of the semiconductor optical modulator according to the first embodiment. The first embodiment is an example of a semiconductor optical modulator provided with a lumped constant type electrode.

第1の実施形態では、図5(a)に示すように、基板1上に入力導波路2、光分配器3、導波路4a及び4b、光結合器5、並びに出力導波路6が形成されている。これらは、半導体導波路から構成されている。半導体導波路の構造は特に限定されず、例えば、p−i−n層構造、p−i−p層構造、又はn−i−n層構造である。半導体レーザと同一基板上に集積する場合には、これらのうちp−i−n層構造が好ましい。入力導波路2、光分配器3、導波路4a及び4b、光結合器5、並びに出力導波路6からマッハ・ツェンダ型干渉計が構成されている。更に、導波路4aとの間で導波路4bを挟む位置に、導波路4a及び4bと並行に延びる半導体メサ構造体7が導波路4a及び4bから独立して基板1上に形成されている。半導体メサ構造体7の幅は、導波路4a及び4bの幅と等しく、半導体メサ構造体7の断面構造(層構造)は、導波路4a及び4bの断面構造(層構造)と同様である。例えば、導波路4a及び4bに含まれるi層(第1の空乏層)の厚さと、半導体メサ構造体7に含まれるi層(第2の空乏層)の厚さとが等しい。なお、半導体メサ構造体7は、導波路4a及び4bを導波する光の電磁界の分布に影響を与えない程度の位置に設けられている。即ち、半導体メサ構造体7と導波路4a及び4bとの間の距離は、導波路4a及び4bを導波する光(被変調光)の波長以上である。なお、半導体メサ構造体7の幅が導波路4a及び4bの幅と一致している必要はないが、一致していない場合でも、半導体メサ構造体7の幅は、導波路4a及び4bの幅の90%〜110%であることが好ましく、95%〜105%であることがより好ましい。同様に、半導体メサ構造体7に含まれるi層の厚さが導波路4a及び4bに含まれるi層の厚さと一致している必要はないが、一致していない場合でも、半導体メサ構造体7に含まれるi層の厚さは、導波路4a及び4bに含まれるi層の厚さの90%〜110%であることが好ましく、95%〜105%であることがより好ましい。   In the first embodiment, as shown in FIG. 5A, the input waveguide 2, the optical distributor 3, the waveguides 4a and 4b, the optical coupler 5, and the output waveguide 6 are formed on the substrate 1. ing. These are composed of semiconductor waveguides. The structure of the semiconductor waveguide is not particularly limited, and is, for example, a p-i-n layer structure, a p-i-p layer structure, or a n-i-n layer structure. In the case of integration on the same substrate as the semiconductor laser, a pin layer structure is preferable among these. The input waveguide 2, the optical distributor 3, the waveguides 4a and 4b, the optical coupler 5, and the output waveguide 6 constitute a Mach-Zehnder interferometer. Further, a semiconductor mesa structure 7 extending in parallel with the waveguides 4a and 4b is formed on the substrate 1 independently of the waveguides 4a and 4b at a position sandwiching the waveguide 4b with the waveguide 4a. The width of the semiconductor mesa structure 7 is equal to the width of the waveguides 4a and 4b, and the sectional structure (layer structure) of the semiconductor mesa structure 7 is the same as the sectional structure (layer structure) of the waveguides 4a and 4b. For example, the thickness of the i layer (first depletion layer) included in the waveguides 4 a and 4 b is equal to the thickness of the i layer (second depletion layer) included in the semiconductor mesa structure 7. The semiconductor mesa structure 7 is provided at a position that does not affect the distribution of the electromagnetic field of the light guided through the waveguides 4a and 4b. That is, the distance between the semiconductor mesa structure 7 and the waveguides 4a and 4b is equal to or greater than the wavelength of the light (modulated light) guided through the waveguides 4a and 4b. Note that the width of the semiconductor mesa structure 7 does not need to match the width of the waveguides 4a and 4b, but even if it does not match, the width of the semiconductor mesa structure 7 is the width of the waveguides 4a and 4b. It is preferably 90% to 110%, more preferably 95% to 105%. Similarly, the thickness of the i layer included in the semiconductor mesa structure 7 does not need to match the thickness of the i layer included in the waveguides 4a and 4b. The thickness of the i layer included in 7 is preferably 90% to 110%, more preferably 95% to 105% of the thickness of the i layer included in the waveguides 4a and 4b.

また、導波路4a上に電極11aが形成され、導波路4b上に電極11bが形成されている。更に、半導体メサ構造体7上に補助電極12が形成され、補助電極12と電極11bとが接続部13を介して互いに接続されている。電極11a、電極11b、補助電極12、及び接続部13は同一の材料から構成されている。電極11aは電極11bよりも長く、電極11b及び補助電極12の総長さが電極11aの長さと一致していることが好ましいが、これらが一致していなくてもよい。一致していない場合でも、電極11b及び補助電極12の総長さは、電極11aの長さの90%〜110%であることが好ましく、95%〜105%であることがより好ましい。また、半導体メサ構造体7の長さは補助電極12の長さ以上である。なお、干渉計の長さ(導波路4a及び4bが延びる方向の寸法)は、干渉計の幅(導波路4a及び4bが並ぶ方向の寸法)に比べてかなり大きく、電極11aの長さは、例えば1.5mm程度であり、導波路4a及び4bの間隔は、例えば50μm程度である。また、半導体メサ構造体7と導波路4bとの間の間隔は、例えば5μmである。この間隔は、導波路4a及び4bを導波する光(被変調光)の波長以上である。更に、基板1の裏面に電極が形成されている。電極11aと接地との間にバイアス直流電源21a及び交流電源22aが接続され、電極11bと接地との間にバイアス直流電源21b及び交流電源22bが接続されている。   An electrode 11a is formed on the waveguide 4a, and an electrode 11b is formed on the waveguide 4b. Further, the auxiliary electrode 12 is formed on the semiconductor mesa structure 7, and the auxiliary electrode 12 and the electrode 11 b are connected to each other through the connection portion 13. The electrode 11a, the electrode 11b, the auxiliary electrode 12, and the connection part 13 are comprised from the same material. The electrode 11a is longer than the electrode 11b, and the total length of the electrode 11b and the auxiliary electrode 12 preferably matches the length of the electrode 11a, but these do not need to match. Even if they do not match, the total length of the electrode 11b and the auxiliary electrode 12 is preferably 90% to 110%, more preferably 95% to 105% of the length of the electrode 11a. Further, the length of the semiconductor mesa structure 7 is not less than the length of the auxiliary electrode 12. Note that the length of the interferometer (dimension in the direction in which the waveguides 4a and 4b extend) is considerably larger than the width of the interferometer (dimension in the direction in which the waveguides 4a and 4b are arranged), and the length of the electrode 11a is For example, it is about 1.5 mm, and the interval between the waveguides 4a and 4b is, for example, about 50 μm. Moreover, the space | interval between the semiconductor mesa structure 7 and the waveguide 4b is 5 micrometers, for example. This interval is equal to or greater than the wavelength of light (modulated light) guided through the waveguides 4a and 4b. Furthermore, an electrode is formed on the back surface of the substrate 1. A bias DC power supply 21a and an AC power supply 22a are connected between the electrode 11a and the ground, and a bias DC power supply 21b and an AC power supply 22b are connected between the electrode 11b and the ground.

このように構成された第1の実施形態は、入力導波路2に強度一定の光(CW:continuous wave光)が入射され、電極11a及び11bにRF信号が印加されると、半導体MZ光変調器として動作する。この際に、電極11a及び11bの長さが非対称であるため、同じ振幅のRF信号でプッシュプル駆動を行っても所望の負チャープ動作が得られる。従って、長距離伝送に適したプリチャープ伝送が可能である。   In the first embodiment configured as described above, when light having a constant intensity (CW: continuous wave light) is incident on the input waveguide 2 and an RF signal is applied to the electrodes 11a and 11b, the semiconductor MZ light modulation is performed. Operates as a container. At this time, since the lengths of the electrodes 11a and 11b are asymmetrical, a desired negative chirp operation can be obtained even if push-pull driving is performed with an RF signal having the same amplitude. Therefore, pre-chirp transmission suitable for long-distance transmission is possible.

また、RF信号が印加される電極の高周波特性(高周波帯域)は、RF信号が印加される電極と基板1の裏面に設けられた電極との間の単位長さあたりの容量及び長さに主に依存する。また、RF信号が印加される電極と基板1の裏面に設けられた電極との間の単位長さあたりの容量は、これらの間に位置するi層の厚さ及び幅でほぼ決定される。本実施形態では、交流電源22aからのRF信号は電極11aに印加され、交流電源22bからのRF信号は電極11b、接続部13、及び補助電極12に印加される。ここで、電極11aの長さは、電極11bの長さ及び補助電極12の長さの和と同等であり、これらの幅も同等である。更に、半導体メサ構造体7の幅が導波路4a及び4bの幅と同等であり、半導体メサ構造体7の断面構造が導波路4a及び4bの断面構造と同様である。従って、電極11a及び11bの特性インピーダンスが同等になり、高周波特性が揃う。このため、上述のシミュレーションから明らかなように、両RF信号の変調電圧波形が揃い、変調光波形の望ましくない歪を抑制することが可能となり、消光比及び伝送後波形のアイ開口率を良好なものとすることができる。つまり、幹線系の大容量通信においても良好な伝送特性を得ることができる。   The high-frequency characteristics (high-frequency band) of the electrode to which the RF signal is applied mainly depend on the capacity and length per unit length between the electrode to which the RF signal is applied and the electrode provided on the back surface of the substrate 1. Depends on. Further, the capacitance per unit length between the electrode to which the RF signal is applied and the electrode provided on the back surface of the substrate 1 is substantially determined by the thickness and width of the i layer positioned therebetween. In the present embodiment, the RF signal from the AC power supply 22a is applied to the electrode 11a, and the RF signal from the AC power supply 22b is applied to the electrode 11b, the connection unit 13, and the auxiliary electrode 12. Here, the length of the electrode 11a is equivalent to the sum of the length of the electrode 11b and the length of the auxiliary electrode 12, and the widths thereof are also equivalent. Furthermore, the width of the semiconductor mesa structure 7 is equal to the width of the waveguides 4a and 4b, and the cross-sectional structure of the semiconductor mesa structure 7 is the same as the cross-sectional structure of the waveguides 4a and 4b. Therefore, the characteristic impedances of the electrodes 11a and 11b are equal, and the high frequency characteristics are uniform. For this reason, as apparent from the above-described simulation, the modulation voltage waveforms of both RF signals are aligned, it is possible to suppress undesirable distortion of the modulated light waveform, and the extinction ratio and the eye opening ratio of the post-transmission waveform are excellent. Can be. That is, good transmission characteristics can be obtained even in high-capacity communication on the trunk line.

(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。図5(b)は、第2の実施形態に係る半導体光変調器の構造を示す模式図である。第2の実施形態は、進行波型電極を備えた半導体光変調器の一例である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. FIG. 5B is a schematic diagram showing the structure of the semiconductor optical modulator according to the second embodiment. The second embodiment is an example of a semiconductor optical modulator provided with traveling wave type electrodes.

第2の実施形態では、図5(b)に示すように、電極11aの入力導波路2側の端部に入力パッド14aが設けられ、出力導波路6側の端部に出力パッド15aが設けられ、電極11bの入力導波路2側の端部に入力パッド14bが設けられ、補助電極12の出力導波路6側の端部に出力パッド15bが設けられている。また、入力パッド14aと接地との間にバイアス直流電源21a及び交流電源22aが接続され、入力パッド14bと接地との間にバイアス直流電源21b及び交流電源22bが接続されている。また、出力パッド15aと接地との間に終端抵抗23aが接続され、出力パッド15bと接地との間に終端抵抗23bが接続されている。他の構成は、第1の実施形態と同様である。   In the second embodiment, as shown in FIG. 5B, the input pad 14a is provided at the end of the electrode 11a on the input waveguide 2 side, and the output pad 15a is provided at the end of the output waveguide 6 side. The input pad 14b is provided at the end of the electrode 11b on the input waveguide 2 side, and the output pad 15b is provided at the end of the auxiliary electrode 12 on the output waveguide 6 side. A bias DC power supply 21a and an AC power supply 22a are connected between the input pad 14a and the ground, and a bias DC power supply 21b and an AC power supply 22b are connected between the input pad 14b and the ground. A termination resistor 23a is connected between the output pad 15a and the ground, and a termination resistor 23b is connected between the output pad 15b and the ground. Other configurations are the same as those of the first embodiment.

このように構成された進行波型電極を備えた第2の実施形態においても、第1の実施形態と同様に、適切なプリチャープを付与することができ、また、良好な伝送特性をえることができる。   In the second embodiment including the traveling wave type electrode configured as described above, an appropriate pre-chirp can be imparted and good transmission characteristics can be obtained as in the first embodiment. it can.

なお、バイアス直流電源21aが終端抵抗23aと直列に接続されていてもよく、バイアス直流電源21bが終端抵抗23bと直列に接続されていてもよい。   The bias DC power supply 21a may be connected in series with the termination resistor 23a, and the bias DC power supply 21b may be connected in series with the termination resistor 23b.

(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。図6は、第3の実施形態に係る半導体光変調器の構造を示す上面図である。第3の実施形態は、進行波型電極を備えた半導体光変調器の一例である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. FIG. 6 is a top view showing the structure of the semiconductor optical modulator according to the third embodiment. The third embodiment is an example of a semiconductor optical modulator provided with traveling wave type electrodes.

第3の実施形態では、図6に示すように、基板上に入力導波路202、光分配器203、導波路204a及び204b、光結合器205、並びに出力導波路206が形成されている。これらは、半導体導波路から構成されている。半導体導波路の構造は特に限定されず、例えば、p−i−n層構造、p−i−p層構造、又はn−i−n層構造である。半導体レーザと同一基板上に集積する場合には、これらのうちp−i−n層構造が好ましい。入力導波路202、光分配器203、導波路204a及び204b、光結合器205、並びに出力導波路206からマッハ・ツェンダ型干渉計が構成されている。更に、導波路204aとの間で導波路204bを挟む位置に、導波路204a及び204bと並行に延びる半導体メサ構造体207が導波路204a及び204bから独立して基板上に形成されている。半導体メサ構造体207の幅は、導波路204a及び204bの幅と同等であり、半導体メサ構造体207の断面構造(層構造)は、導波路204a及び204bの断面構造(層構造)と同様である。例えば、導波路204a及び204bに含まれるi層(第1の空乏層)の厚さと、半導体メサ構造体207に含まれるi層(第2の空乏層)の厚さとが同程度となっている。導波路204a、導波路204b、及び半導体メサ構造体207の幅は、例えば1.5μmであり、半導体メサ構造体207と導波路204bとの間の間隔は、例えば5μmである。この間隔は、導波路204a及び204bを導波する光(被変調光)の波長以上である。   In the third embodiment, as shown in FIG. 6, an input waveguide 202, an optical distributor 203, waveguides 204a and 204b, an optical coupler 205, and an output waveguide 206 are formed on a substrate. These are composed of semiconductor waveguides. The structure of the semiconductor waveguide is not particularly limited, and is, for example, a p-i-n layer structure, a p-i-p layer structure, or a n-i-n layer structure. In the case of integration on the same substrate as the semiconductor laser, a pin layer structure is preferable among these. The input waveguide 202, the optical distributor 203, the waveguides 204a and 204b, the optical coupler 205, and the output waveguide 206 constitute a Mach-Zehnder interferometer. Further, a semiconductor mesa structure 207 extending in parallel with the waveguides 204a and 204b is formed on the substrate independently of the waveguides 204a and 204b at a position sandwiching the waveguide 204b with the waveguide 204a. The width of the semiconductor mesa structure 207 is equal to the width of the waveguides 204a and 204b, and the cross-sectional structure (layer structure) of the semiconductor mesa structure 207 is the same as the cross-sectional structure (layer structure) of the waveguides 204a and 204b. is there. For example, the thickness of the i layer (first depletion layer) included in the waveguides 204a and 204b and the thickness of the i layer (second depletion layer) included in the semiconductor mesa structure 207 are approximately the same. . The width of the waveguide 204a, the waveguide 204b, and the semiconductor mesa structure 207 is 1.5 μm, for example, and the distance between the semiconductor mesa structure 207 and the waveguide 204b is 5 μm, for example. This interval is equal to or greater than the wavelength of light (modulated light) guided through the waveguides 204a and 204b.

また、導波路204a上に電極211aが形成され、導波路204b上に電極211bが形成されている。更に、半導体メサ構造体207上の2か所に1個ずつ補助電極212が形成され、2個の補助電極212と電極211aとが接続部213を介して互いに接続されている。電極211aは電極211bよりも長く、電極211bの長さと2個の補助電極212の長さとの総和が電極211aの長さと同等である。例えば、電極211aの長さは1.5mmであり、電極211bの長さは0.5mmであり、補助電極212の総長さは1.0mmである。また、半導体メサ構造体207の長さは2個の補助電極212の長さの和以上である。なお、干渉計の長さ(導波路204a及び204bが延びる方向の寸法)は、干渉計の幅(導波路204a及び204bが並ぶ方向の寸法)に比べてかなり大きく、導波路204a及び204bの間隔は、例えば50μm程度である。更に、基板の裏面に電極が形成されている。   An electrode 211a is formed on the waveguide 204a, and an electrode 211b is formed on the waveguide 204b. Further, one auxiliary electrode 212 is formed at two locations on the semiconductor mesa structure 207, and the two auxiliary electrodes 212 and the electrode 211 a are connected to each other via the connection portion 213. The electrode 211a is longer than the electrode 211b, and the sum of the length of the electrode 211b and the length of the two auxiliary electrodes 212 is equal to the length of the electrode 211a. For example, the length of the electrode 211a is 1.5 mm, the length of the electrode 211b is 0.5 mm, and the total length of the auxiliary electrode 212 is 1.0 mm. Further, the length of the semiconductor mesa structure 207 is equal to or greater than the sum of the lengths of the two auxiliary electrodes 212. The length of the interferometer (dimension in the direction in which the waveguides 204a and 204b extend) is considerably larger than the width of the interferometer (dimension in the direction in which the waveguides 204a and 204b are arranged), and the interval between the waveguides 204a and 204b. Is, for example, about 50 μm. Further, an electrode is formed on the back surface of the substrate.

このように構成された半導体光変調器に対しては、第2の実施形態と同様に、例えば、入力パッド214aと接地との間にバイアス直流電源及び交流電源が接続され、入力パッド214bと接地との間に他のバイアス直流電源及び交流電源が接続される。また、出力パッド215aと接地との間に終端抵抗が接続され、出力パッド215bと接地との間に他の終端抵抗が接続される。なお、保護膜110により、電極、入力パッド、又は出力パッドが設けられていない領域が覆われている。   For the semiconductor optical modulator configured as described above, as in the second embodiment, for example, a bias DC power supply and an AC power supply are connected between the input pad 214a and the ground, and the input pad 214b and the ground are connected. Are connected to another bias DC power source and an AC power source. Further, a termination resistor is connected between the output pad 215a and the ground, and another termination resistor is connected between the output pad 215b and the ground. Note that the protective film 110 covers a region where no electrode, input pad, or output pad is provided.

このような第3の実施形態によっても、第2の実施形態と同様の効果を得ることができる。   According to the third embodiment, the same effect as that of the second embodiment can be obtained.

次に、第3の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法について説明する。図7A及び図7Bは、第3の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す断面図である。また、図8も、第3の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す断面図である。図9は、第3の実施形態に係る半導体光変調器を製造する方法を工程順に示す上面図である。図7A及び図7Bは、図6及び図9中のI−I線に沿った断面を示し、図8は、図6及び図9中のII−II線に沿った断面を示す。   Next, a method for manufacturing the semiconductor optical modulator according to the third embodiment will be described. 7A and 7B are cross-sectional views showing a method of manufacturing the semiconductor optical modulator according to the third embodiment in the order of steps. FIG. 8 is also a cross-sectional view showing a method of manufacturing the semiconductor optical modulator according to the third embodiment in the order of steps. FIG. 9 is a top view showing the method of manufacturing the semiconductor optical modulator according to the third embodiment in the order of steps. 7A and 7B show a cross section taken along the line II in FIGS. 6 and 9, and FIG. 8 shows a cross section taken along the line II-II in FIGS.

先ず、図7A(a)に示すように、n型基板101上に、例えば有機金属気相成長(MOCVD:metal organic chemical vapor deposition)法により、n型バッファ層102、多重量子井戸(MQW:multi-quantum wells)層103、クラッド層104、p型クラッド層105、及びp型コンタクト層106をこの順で積層する。n型基板101としては、例えばn型InP基板を用いる。n型バッファ層102としては、例えば厚さが100nm程度のn型InP層を形成する。クラッド層104としては、例えば厚さが100nm程度の不純物が添加されていないi型のInP層を形成する。p型クラッド層105としては、例えば厚さが1500nm程度のp型InP層を形成する。p型コンタクト層としては、例えば厚さが150nm程度のp型InGaAs層を形成する。MQW層103としては、例えばInGaAsPの井戸層とInPの障壁層とが交互に積層された積層体を形成する。例えば、井戸層の厚さは10nmとし、障壁層の厚さは10nmとし、これらが20周期繰り返して積層されている。MQW層103が導波層として機能する。また、井戸層の組成は、例えばバンド端の遷移波長が1.4μmになるよう決定する。この場合、変調光の波長を1.55μm付近とした場合に、量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)によって実用上十分な大きさの屈折率変化を得ることができる。   First, as shown in FIG. 7A (a), an n-type buffer layer 102, a multiple quantum well (MQW: multi-well) are formed on an n-type substrate 101 by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). -quantum wells) layer 103, cladding layer 104, p-type cladding layer 105, and p-type contact layer 106 are laminated in this order. For example, an n-type InP substrate is used as the n-type substrate 101. As the n-type buffer layer 102, for example, an n-type InP layer having a thickness of about 100 nm is formed. As the cladding layer 104, for example, an i-type InP layer to which an impurity having a thickness of about 100 nm is not added is formed. As the p-type cladding layer 105, for example, a p-type InP layer having a thickness of about 1500 nm is formed. As the p-type contact layer, for example, a p-type InGaAs layer having a thickness of about 150 nm is formed. As the MQW layer 103, for example, a stacked body in which InGaAsP well layers and InP barrier layers are alternately stacked is formed. For example, the thickness of the well layer is set to 10 nm, the thickness of the barrier layer is set to 10 nm, and these are repeated 20 cycles. The MQW layer 103 functions as a waveguide layer. The composition of the well layer is determined so that the transition wavelength at the band edge is 1.4 μm, for example. In this case, when the wavelength of the modulated light is about 1.55 μm, a practically sufficient refractive index change can be obtained by the quantum confined Stark effect (QCSE).

次いで、p型コンタクト層106上に、例えば化学気相成長(CVD:chemical vapor deposition)法によりシリコン酸化膜を形成する。その後、シリコン酸化膜上に、半導体導波路を形成する予定の領域、及び半導体メサ構造体207を形成する予定の領域を覆うレジストパターンを形成する。そして、レジストパターンをマスクとして用いてシリコン酸化膜のウェットエッチングを行う。この結果、レジストパターンの形状がシリコン酸化膜に転写され、図7A(b)に示すように、半導体導波路を形成する予定の領域、及び半導体メサ構造体207を形成する予定の領域を覆うマスクパターン107が形成される。   Next, a silicon oxide film is formed on the p-type contact layer 106 by, for example, chemical vapor deposition (CVD). Thereafter, a resist pattern is formed on the silicon oxide film to cover a region where the semiconductor waveguide is to be formed and a region where the semiconductor mesa structure 207 is to be formed. Then, the silicon oxide film is wet etched using the resist pattern as a mask. As a result, the shape of the resist pattern is transferred to the silicon oxide film, and as shown in FIG. 7A (b), a region covering the region where the semiconductor waveguide is to be formed and the region where the semiconductor mesa structure 207 is to be formed are covered. A pattern 107 is formed.

続いて、マスクパターン107をマスクとして用いて、p型コンタクト層106、p型クラッド層105、クラッド層104、MQW層103、及びn型バッファ層102のドライエッチングを行う。このドライエッチングは、例えば反応性イオンエッチング(RIE:reactive ion etching)により行う。また、このドライエッチングでは、n型基板101を若干オーバーエッチングする。この結果、図7A(c)及び図9(a)に示すように、導波路204a、導波路204b、及び半導体メサ構造体207のメサストライプ構造が得られる。   Subsequently, the p-type contact layer 106, the p-type cladding layer 105, the cladding layer 104, the MQW layer 103, and the n-type buffer layer 102 are dry-etched using the mask pattern 107 as a mask. This dry etching is performed by, for example, reactive ion etching (RIE). In this dry etching, the n-type substrate 101 is slightly over-etched. As a result, as shown in FIGS. 7A (c) and 9 (a), the mesa stripe structure of the waveguide 204a, the waveguide 204b, and the semiconductor mesa structure 207 is obtained.

このとき、導波路204a、導波路204b、及び半導体メサ構造体207の幅は、例えば1.5μmとする。これは、変調光の波長において導波モードが単一となるようにするためである。また、半導体メサ構造体207と導波路204bとの間の間隔は、例えば5μmとする。また、光分配器203及び光結合器205として、MMI(multi-mode interference)カプラを設ける。この結果、干渉計の両アーム(導波路204a及び204b)へと光を分岐させ、両アームからの光を合波させることが可能となる。MMIカプラの幅及び長さは、例えば、導波路部の屈折率と周囲の屈折率との比に応じて分岐比が1対1になるように設計する。   At this time, the width of the waveguide 204a, the waveguide 204b, and the semiconductor mesa structure 207 is, for example, 1.5 μm. This is because the waveguide mode is single at the wavelength of the modulated light. Further, the interval between the semiconductor mesa structure 207 and the waveguide 204b is, for example, 5 μm. Further, as the optical distributor 203 and the optical coupler 205, an MMI (multi-mode interference) coupler is provided. As a result, light can be branched to both arms (waveguides 204a and 204b) of the interferometer, and light from both arms can be multiplexed. The width and length of the MMI coupler are designed so that the branching ratio becomes 1: 1, for example, in accordance with the ratio of the refractive index of the waveguide section to the surrounding refractive index.

次いで、図7B(d)に示すように、例えばMOCVD法による埋め込み成長を行って、メサストライプ構造の周囲に埋め込み層108を形成する。埋め込み層108としては、例えば高抵抗(SI:semi-insulated)InP層を形成する。その後、BHF(Bufferedフッ酸)を用いてマスクパターン107を除去する。   Next, as shown in FIG. 7B (d), for example, buried growth by MOCVD is performed to form a buried layer 108 around the mesa stripe structure. As the buried layer 108, for example, a high resistance (SI: semi-insulated) InP layer is formed. Thereafter, the mask pattern 107 is removed using BHF (Buffered hydrofluoric acid).

続いて、図7B(e)及び図8(a)に示すように、埋め込み層108及びp型コンタクト層106上にレジストパターン109を形成する。レジストパターン109としては、電極を形成する予定の領域のp型コンタクト層106を覆い、その他の領域のp型コンタクト層106を露出するものを形成する。そして、レジストパターン109をマスクとして用いたウェットエッチングを行い、p型コンタクト層106のレジストパターン109から露出している部分を除去する。次いで、図9(b)に示すように、レジストパターン109を除去する。   Subsequently, a resist pattern 109 is formed on the buried layer 108 and the p-type contact layer 106 as shown in FIGS. 7B (e) and 8 (a). The resist pattern 109 is formed so as to cover the p-type contact layer 106 in a region where electrodes are to be formed and to expose the p-type contact layer 106 in other regions. Then, wet etching is performed using the resist pattern 109 as a mask, and the portion of the p-type contact layer 106 exposed from the resist pattern 109 is removed. Next, as shown in FIG. 9B, the resist pattern 109 is removed.

その後、全面に保護膜110を形成し、その上にレジストパターン111を形成する。保護膜110としては、例えばシリコン酸化膜を形成する。また、レジストパターン111としては、メサ上の電極を形成する予定の領域の保護膜110を露出するものを形成する。そして、レジストパターン111をマスクとして用いて保護膜110のウェットエッチングを行う。この結果、図7B(f)及び図8(b)に示すように、電極を形成する予定の領域のp型コンタクト層106が露出する。   Thereafter, a protective film 110 is formed on the entire surface, and a resist pattern 111 is formed thereon. For example, a silicon oxide film is formed as the protective film 110. Further, as the resist pattern 111, a pattern that exposes the protective film 110 in a region where an electrode on the mesa is to be formed is formed. Then, the protective film 110 is wet etched using the resist pattern 111 as a mask. As a result, as shown in FIGS. 7B (f) and 8 (b), the p-type contact layer 106 in the region where the electrode is to be formed is exposed.

続いて、図7B(g)及び図8(c)に示すように、例えばシードメタル膜112をレジストパターン111上及びp型コンタクト層106上に形成する。シードメタル膜112の形成では、例えば、Auの真空蒸着、Znの真空蒸着、及びAuの真空蒸着をこの順で行う。   Subsequently, as shown in FIG. 7B (g) and FIG. 8 (c), for example, a seed metal film 112 is formed on the resist pattern 111 and the p-type contact layer 106. In the formation of the seed metal film 112, for example, vacuum deposition of Au, vacuum deposition of Zn, and vacuum deposition of Au are performed in this order.

次いで、レジストパターン111をその上のシードメタル膜112と共に除去する。この結果、図7B(h)及び図8(d)に示すように、p型コンタクト層106上のみにシードメタル膜112が残存する。つまり、シードメタル膜112をリフトオフ法により形成する。   Next, the resist pattern 111 is removed together with the seed metal film 112 thereon. As a result, the seed metal film 112 remains only on the p-type contact layer 106 as shown in FIGS. 7B (h) and 8 (d). That is, the seed metal film 112 is formed by a lift-off method.

その後、図7B(i)及び図8(e)に示すように、シードメタル膜112を露出するレジストパターン113を保護膜110上に形成する。そして、レジストパターン113をマスクとして用いてAuめっきを行うことにより、シードメタル膜112上にAu膜114を形成する。   Thereafter, a resist pattern 113 exposing the seed metal film 112 is formed on the protective film 110 as shown in FIGS. 7B (i) and 8 (e). Then, an Au film 114 is formed on the seed metal film 112 by performing Au plating using the resist pattern 113 as a mask.

続いて、図7B(j)及び図8(f)に示すように、レジストパターン113を除去する。次いで、n型基板101の裏面にシードメタル膜115及びAu膜116をこの順で形成する。シードメタル膜115の形成では、例えば、AuGe真空蒸着及びAuの真空蒸着をこの順で行う。Au膜116は、例えばめっきにより形成することができる。   Subsequently, as shown in FIGS. 7B (j) and 8 (f), the resist pattern 113 is removed. Next, a seed metal film 115 and an Au film 116 are formed in this order on the back surface of the n-type substrate 101. In forming the seed metal film 115, for example, AuGe vacuum deposition and Au vacuum deposition are performed in this order. The Au film 116 can be formed by plating, for example.

このような処理の結果、図6に示す半導体光変調器が得られる。   As a result of such processing, the semiconductor optical modulator shown in FIG. 6 is obtained.

なお、電極211b、補助電極212、及び半導体メサ構造体7の関係は、図6に示されたものに限定されない。例えば、図10(a)に示すように、半導体メサ構造体7が基板の端面から離間していてもよい。また、図10(b)に示すように、補助電極212の一端のみに補助電極212が接続されていてもよい。また、図10(c)に示すように、電極211aに、補助電極212と同様の補助電極222が接続され、補助電極222の下に、半導体メサ構造体207と同様の半導体メサ構造体227が設けられていてもよい。但し、電極211a及び211bの長さが互いに相違し、電極211a及び補助電極222の総長さと電極211b及び補助電極212の総長さとが同等である。また、図10(d)に示すように、補助電極212が平面視で導波路204a及び204b間に位置していてもよい。   Note that the relationship among the electrode 211b, the auxiliary electrode 212, and the semiconductor mesa structure 7 is not limited to that shown in FIG. For example, as shown in FIG. 10A, the semiconductor mesa structure 7 may be separated from the end face of the substrate. Further, as shown in FIG. 10B, the auxiliary electrode 212 may be connected to only one end of the auxiliary electrode 212. Further, as shown in FIG. 10C, an auxiliary electrode 222 similar to the auxiliary electrode 212 is connected to the electrode 211a, and a semiconductor mesa structure 227 similar to the semiconductor mesa structure 207 is formed under the auxiliary electrode 222. It may be provided. However, the lengths of the electrodes 211a and 211b are different from each other, and the total length of the electrode 211a and the auxiliary electrode 222 is equal to the total length of the electrode 211b and the auxiliary electrode 212. As shown in FIG. 10D, the auxiliary electrode 212 may be located between the waveguides 204a and 204b in plan view.

更に、これらの電極、補助電極、及び半導体メサ構造体の関係は、図11に示すように、集中定数型電極を備えた半導体光変調器に適用することもできる。図11(a)〜(d)に示す構造は、夫々図10(a)〜(d)に示す構造に対応し、図11(e)に示す構造は図6に示す構造に対応する。   Furthermore, the relationship between these electrodes, auxiliary electrodes, and semiconductor mesa structure can also be applied to a semiconductor optical modulator having a lumped constant type electrode as shown in FIG. The structures shown in FIGS. 11A to 11D correspond to the structures shown in FIGS. 10A to 10D, respectively, and the structure shown in FIG. 11E corresponds to the structure shown in FIG.

また、図12に示すように、単一の基板上に、上記の半導体光変調器と半導体レーザ120とを集積することにより、半導体光送信機が得られる。この半導体光送信機は、幹線系の大容量通信に好適である。   Also, as shown in FIG. 12, a semiconductor optical transmitter can be obtained by integrating the semiconductor optical modulator and the semiconductor laser 120 on a single substrate. This semiconductor optical transmitter is suitable for trunk-system large-capacity communication.

更に、導波路を構成する半導体材料は、特に限定されず、例えば、Zn、Cd、Hg、Al、N、Sb、S、Te等のII族元素、III族元素、V族元素、又はVI族元素を含む混晶を導波層(活性層)の材料として用いてもよい。例えば、AlGaInAsを井戸層の材料として用い、AlInAsを障壁層の材料として用いた量子井戸層を用いてもよい。また、光結合器、光分配器として、方向性結合器、Y分岐導波路等の一般的な結合器を用いてもよい。また、上記の実施形態では、光導波路がSI−BH(buried heterostructure)構造を備えているが、PNPN型の埋め込み導波路となっていてもよい。また、半導体を用いた埋め込みを行わないハイメサ型導波路構造を備えていてもよく、上部クラッド層のみがエッチングされたリッジ型導波路構造を備えていてもよい。   Furthermore, the semiconductor material constituting the waveguide is not particularly limited. For example, a group II element such as Zn, Cd, Hg, Al, N, Sb, S, Te, a group III element, a group V element, or a group VI A mixed crystal containing an element may be used as a material for the waveguide layer (active layer). For example, a quantum well layer using AlGaInAs as the material of the well layer and AlInAs as the material of the barrier layer may be used. Moreover, you may use common couplers, such as a directional coupler and a Y branch waveguide, as an optical coupler and an optical splitter. In the above embodiment, the optical waveguide has an SI-BH (buried heterostructure) structure, but it may be a PNPN type buried waveguide. Further, a high-mesa waveguide structure that does not embed using a semiconductor may be provided, or a ridge-type waveguide structure in which only the upper cladding layer is etched may be provided.

また、半導体メサ構造体の幅は、必ずしも導波路のものと一致している必要はなく、半導体メサ構造体に含まれるi層の厚さも、必ずしも導波路のものと一致している必要はない。但し、特に数GHz以上の高周波のRF信号による変調を行う場合には、全体の静電容量だけでなく電極の長さ及び単位長さ当たりの容量等によって電極の周波数特性が影響を受けるため、これらは一致していることが望ましい。また、これらが一致していれば、一致していない場合よりも製造が容易である。   Further, the width of the semiconductor mesa structure does not necessarily match that of the waveguide, and the thickness of the i layer included in the semiconductor mesa structure does not necessarily match that of the waveguide. . However, especially when performing modulation with a high-frequency RF signal of several GHz or more, the frequency characteristics of the electrode are affected not only by the overall capacitance but also by the length of the electrode and the capacity per unit length. It is desirable that they match. Also, if they match, manufacturing is easier than if they do not match.

1:基板
4a、4b:導波路
7:半導体メサ構造体
11a、11b:電極
12:補助電極
13:接続部
204a、204b:導波路
207、227:半導体メサ構造体
211a、211b:電極
212、222:補助電極
213:接続部
1: Substrate 4a, 4b: Waveguide 7: Semiconductor mesa structure 11a, 11b: Electrode 12: Auxiliary electrode 13: Connection part 204a, 204b: Waveguide 207, 227: Semiconductor mesa structure 211a, 211b: Electrode 212, 222 : Auxiliary electrode 213: Connection part

Claims (5)

基板上に設けられた第1の光導波路及び第2の光導波路を備えたマッハ・ツェンダ型光干渉計と、
前記第1の光導波路上に形成された第1の電極と、
前記第2の光導波路上に形成され、前記第1の電極とは長さが相違する第2の電極と、
前記第1の光導波路及び前記第2の光導波路から被変調光の波長以上離間して設けられた半導体メサ構造体と、
前記半導体メサ構造体上に形成され、前記第1の電極及び前記第2の電極のうち短いものに電気的に接続された補助電極と、
を有することを特徴とする半導体光変調器。
A Mach-Zehnder type optical interferometer provided with a first optical waveguide and a second optical waveguide provided on a substrate;
A first electrode formed on the first optical waveguide;
A second electrode formed on the second optical waveguide and having a length different from that of the first electrode;
A semiconductor mesa structure provided apart from the first optical waveguide and the second optical waveguide by at least the wavelength of the modulated light;
An auxiliary electrode formed on the semiconductor mesa structure and electrically connected to a short one of the first electrode and the second electrode;
A semiconductor optical modulator comprising:
前記第1の光導波路及び前記第2の光導波路は第1の空乏層を有し、
前記半導体メサ構造体は第2の空乏層を有し、
前記第2の空乏層の厚さ及び幅は、前記第1の空乏層の厚さ及び幅の90%以上110%以下であり、
前記補助電極の長さと前記第1の電極及び前記第2の電極のうち短いものの長さとの和は、前記第1の電極及び前記第2の電極のうち長いものの長さの90%以上110%以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体光変調器。
The first optical waveguide and the second optical waveguide have a first depletion layer;
The semiconductor mesa structure has a second depletion layer;
The thickness and width of the second depletion layer are 90% to 110% of the thickness and width of the first depletion layer,
The sum of the length of the auxiliary electrode and the length of the short one of the first electrode and the second electrode is 90% to 110% of the length of the long one of the first electrode and the second electrode. The semiconductor optical modulator according to claim 1, wherein:
前記半導体メサ構造体の層構造は、前記第1の光導波路及び前記第2の光導波路の層構造と等しく、
前記半導体メサ構造体の幅は、前記第1の光導波路及び前記第2の光導波路の幅の90%以上110%以下であり、
前記補助電極の長さと前記第1の電極及び前記第2の電極のうち短いものの長さとの和は、前記第1の電極及び前記第2の電極のうち長いものの長さの90%以上110%以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体光変調器。
The layer structure of the semiconductor mesa structure is equal to the layer structure of the first optical waveguide and the second optical waveguide,
The width of the semiconductor mesa structure is 90% to 110% of the width of the first optical waveguide and the second optical waveguide,
The sum of the length of the auxiliary electrode and the length of the short one of the first electrode and the second electrode is 90% to 110% of the length of the long one of the first electrode and the second electrode. The semiconductor optical modulator according to claim 1, wherein:
前記第1の光導波路及び前記第2の光導波路は、半導体の多重量子井戸構造の導波層を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体光変調器。   4. The semiconductor optical modulator according to claim 1, wherein each of the first optical waveguide and the second optical waveguide has a waveguide layer having a semiconductor multiple quantum well structure. 5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体光変調器と、
前記基板上に前記半導体光変調器と集積された半導体レーザと、
を有することを特徴とする半導体光送信機。
A semiconductor optical modulator according to any one of claims 1 to 4,
A semiconductor laser integrated with the semiconductor optical modulator on the substrate;
A semiconductor optical transmitter characterized by comprising:
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