JP2012118276A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 導波路型のフォトダイオードにおける信頼性を向上させること。
【解決手段】 半導体からなり、メサ型構造を有する光導波路５０と、半導体からなり、光導波路５０に接続され、光導波路５０よりも広いメサ型構造を有する光導波路構造を備えたフォトダイオード５２と、を有する光半導体。フォトダイオード５２における導波路幅を広げることで、コア２０の側面付近に欠陥が生じた場合でも光の導波領域を保護することができるため、フォトダイオード５２の信頼性を向上させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、光導波路を有する光半導体装置に関する。

光に信号を乗せて光ファイバで伝送する光通信システムにおいては、半導体からなる光導波路を備える光半導体装置が利用される。光導波路を備える光半導体装置として、例えばマッハツェンダ型光変調器が知られている。

マッハツェンダ型光変調器における導波路は、入力された光を分岐する分岐部と、分岐された光を伝搬させる２つの光導波路と、光導波路を伝搬した光を再び合波させる合波部と、合波部からの出力光を外部へと導く出力導波路と、を含む。分岐した２つの光導波路上には、変調電極及び位相調整電極が設けられている。変調電極は、印加された電圧により合波の際の干渉条件を変化させ、光出力のオン・オフの切り替えを行う。位相調整電極は、変調される前の光の位相を揃える調整を行う。

また、合波部の後段に位置する出力導波路には、光を検出する光強度検出電極が設けられている。光強度検出電極の検出結果に基づき、位相変調が正しく行われているかどうかを確認し、必要に応じて修正を施すことができる。このとき、出力導波路のうち光強度検出電極が設けられた領域は、導波路型のフォトダイオードとして機能する。

特開平７−４９４７３号公報

光導波路を有する光半導体装置では、フォトダイオードとして機能する光導波路において、導波路のコア部分に生じた欠陥により、信頼性が損なわれてしまう場合があった。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、導波路型のフォトダイオードにおける信頼性を向上させることを目的とする。

本発明は、半導体からなり、メサ型構造を有する光導波路と、半導体からなり、前記光導波路に接続され、前記光導波路よりも広いメサ型構造を有する光導波路構造を備えたフォトダイオードと、を有することを特徴とする光半導体装置である。

上記構成において、前記光導波路および前記フォトダイオードの幅は、シングルモードのみを許容する導波路幅である構成とすることができる。

上記構成において、前記フォトダイオードの導波路幅と前記光導波路の導波路幅との差は、０．５〜１．０μｍである構成とすることができる。

上記構成において、前記フォトダイオードの導波路幅と前記光導波路の導波路幅との差は、１．０〜２．５μｍであり、前記フォトダイオードと前記光導波路との接続部は、前記フォトダイオードから前記光導波路に向かって導波路幅が大きくなるテーパ形状となっている構成とすることができる。

上記構成において、前記光半導体装置は、マッハツェンダ型光変調器であり、前記フォトダイオードは、前記マッハツェンダ型光変調器を構成する導波路に設けられている構成とすることができる。

本発明によれば、導波路型のフォトダイオードにおける信頼性を向上させることができる。

図１は、実施例１に係る光半導体装置の平面図である。 図２は、実施例１に係る半導体装置の断面図である。 図３は、出力光導波路の平面図である。 図４は、出力光導波路の断面図である。

図１は、実施例１に係る光変調装置の平面図である。本実施例では、光導波路を備える光半導体装置として、マッハツェンダ型光変調器に本発明を適用した態様について説明する。図１のように、実施例１に係る光変調装置は、マッハツェンダ型光変調器１０と、位相調整用電極４０にＤＣ電圧を印加する位相調整回路１２と、変調用電極４２に変調用の電圧を印加する駆動回路１４と、マッハツェンダ型光変調器１０の入力端にレーザ光を供給する波長可変レーザ１５とを備える。波長可変レーザは、例えば周知のチューナブルレーザであり、その詳細な構成については説明を省略する。本実施例では、波長可変レーザ１５はマッハツェンダ型光変調器１０と共通の基板上に集積して形成されているが、波長可変レーザ１５はマッハツェンダ型光変調器１０と別の基板上に形成されていてもよい。

マッハツェンダ型光変調器１０は、半導体基板上のメサ状の光導波路の経路を組み合わせて構成される光変調器である。図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ間の断面模式図の例であり、図２（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ間の断面模式図の例であり、図２（ｃ）はＣ−Ｃ間の断面図である。

図２（ａ）のように、光導波路は、半導体基板１６上に形成されている。光導波路は、半導体基板１６上において、下クラッド層１８ａ、コア２０、上クラッド層１８ｂがこの順に積層されている。光導波路構造自体は、この積層構造をメサ型に画定することで構成されている。半導体基板１６の上面、光導波路の上面及び側面には、パッシベーション膜２２及び絶縁膜２４が形成されている。

半導体基板１６は、例えばＩｎＰ等の半導体からなる。下クラッド層１８ａ及び上クラッド層１８ｂは、例えばＩｎＰ等の半導体からなる。コア２０は、下クラッド層１８ａ及び上クラッド層１８ｂよりもバンドギャップエネルギが小さい半導体からなり、例えばＩｎＧａＡｓＰ等からなる。それにより、コア２０を通過する光が下クラッド層１８ａ及び上クラッド層１８ｂによって閉じ込められる。パッシベーション膜２２は、例えばＳｉＮ等の誘電体からなる。絶縁膜２４は、例えばＡＬポリマー等の絶縁体からなる。

図１のように、マッハツェンダ型光変調器１０には、第１入力端２６ａに接続された第１入力光導波路２８ａが設けられ、第２入力端２６ｂに接続された第２入力光導波路２８ｂが設けられている。第１入力光導波路２８ａ及び第２入力光導波路２８ｂは、第１ＭＭＩ（Multi Mode Interference）３０で合波し、第１光導波路３２ａ及び第２光導波路３２ｂに分岐する。マッハツェンダ型光変調器１０の長手方向を対称軸とした場合に、第１光導波路３２ａは第１入力端２６ａと同じ側に配置され、第２光導波路３２ｂは第２入力端２６ｂと同じ側に配置されている。

第１光導波路３２ａ及び第２光導波路３２ｂは第２ＭＭＩ３４で合波し、第１出力端３６ａに接続された第１出力光導波路３８ａと、第２出力端３６ｂに接続された第２出力光導波路３８ｂと、に分岐する。マッハツェンダ型光変調器１０の長手方向を対称軸とした場合に、第１出力端３６ａは第２光導波路３２ｂと同じ側に配置され、第２出力端３６ｂは第１光導波路３２ａと同じ側に配置されている。第１光導波路３２ａの光路長と第２光導波路３２ｂの光路長との間には、あらかじめ差が設けられている。例えば、第１光導波路３２ａを伝搬する光と第２光導波路３２ｂを伝搬する光とに−０．５πの位相差が生じるような光路長差が設けられている。

第１光導波路３２ａ及び第２光導波路３２ｂの夫々には、位相調整用電極４０及び変調用電極４２が設けられている。位相調整用電極４０及び変調用電極４２は、互いに離間している。位相調整用電極４０及び変調用電極４２の位置関係は特に限定されるものではないが、本実施例においては、位相調整用電極４０は変調用電極４２よりも光入力端側に配置されている。第１出力光導波路３８ａ及び第２出力光導波路３８ｂの夫々には、光強度検出電極４４が設けられている。出力光導波路３８において、上部にコンタクト層４６を介して光強度検出電極４４が設けられた領域は、光強度を検出するための導波路型のフォトダイオードとして機能している。

図２（ｂ）のように、変調用電極４２は、上クラッド層１８ｂ上において、コンタクト層４６を介して配置されている。コンタクト層４６は、例えばＩｎＧａＡｓ等の半導体からなる。なお、上クラッド層１８ｂとコンタクト層４６との間には、パッシベーション膜２２及び絶縁膜２４は設けられていない。位相調整用電極４０も、図２（ｂ）と同様に上クラッド層１８ｂ上にコンタクト層４６を介して配置されている。また、図２（ｃ）のように、光強度検出電極４４は、上クラッド層１８ｂ上において、コンタクト層４６を介して配置されている。光強度検出用電極４４における導波路幅は、位相調整用電極４０及び変調用電極４２における導波路幅より大きくなっているが、この点については後段で詳述する。位相調整用電極４０、変調用電極４２、及び光強度検出電極４４は、例えばＡｕ等の金属からなる。

各変調用電極４２の一端には、第１光導波路３２ａ及び第２光導波路３２ｂ夫々を伝搬する光を変調させる変調用の電圧が駆動回路１４により印加される。各変調用電極４２の他端には、終端抵抗４８が接続されている。各変調用電極４２に変調用の電圧が印加されると、第１光導波路３２ａ及び第２光導波路３２ｂにおいてコア２０の屈折率が変化し、第１光導波路３２ａ及び第２光導波路３２ｂを通過する光の位相が変化する。

駆動回路１４は、第１光導波路３２ａに設けられた変調用電極４２と、第２光導波路３２ｂに設けられた変調用電極４２と、に変調信号として差動信号を入力する。つまり、第１光導波路３２ａの変調用電極４２にハイにドライブさせる電圧が印加されると、第２光導波路３２ｂの変調用電極４２にはローにドライブさせる電圧が印加される。反対に、第１光導波路３２ａの変調用電極４２にローにドライブさせる電圧が印加されると、第２光導波路３２ｂの変調用電極４２にはハイにドライブさせる電圧が印加される。このように、第１光導波路３２ａの変調用電極４２に印加される電圧と第２光導波路３２ｂの変調用電極４２に印加される電圧とに電位差があることで、第１光導波路３２ａを伝搬する光と第２光導波路３２ｂを伝搬する光とにその電位差に応じた位相差を生じさせる。

例えば、第１光導波路３２ａの変調用電極４２にハイにドライブさせる電圧が印加され、第２光導波路３２ｂの変調用電極４２にローにドライブさせる電圧が印加された場合に、第１光導波路３２ａを伝搬する光と第２光導波路３２ｂを伝搬する光とに−０．５πの位相差が生じる。また、例えば、第１光導波路３２ａの変調用電極４２にローにドライブさせる電圧が印加され、第２光導波路３２ｂの変調用電極４２にハイにドライブさせる電圧が印加された場合に、第１光導波路３２ａを伝搬する光と第２光導波路３２ｂを伝搬する光とに＋０．５πの位相差が生じる。

上述したように、第１光導波路３２ａを伝搬する光と第２光導波路３２ｂを伝搬する光とに−０．５πの位相差が生じるような光路長差があらかじめ設けられている。このため、各変調用電極４２に変調用の電圧が印加されて第１光導波路３２ａを伝搬する光と第２光導波路３２ｂを伝搬する光とに−０．５πの位相差が生じる場合は、第１光導波路３２ａを通過した光と第２光導波路３２ｂを通過した光とに−πの位相差が生じることになる。このように、第１光導波路３２ａを通過した光と第２光導波路３２ｂを通過した光とに−πの位相差が生じる場合は、第１入力端２６ａから入力された光は第１出力端３６ｂから出力され、第２出力端３６ａからは出力されない。一方、変調用電極４２に変調用の電圧が印加されて第１光導波路３２ａを伝搬する光と第２光導波路３２ｂを伝搬する光とに＋０．５πの位相差が生じる場合は、第１光導波路３２ａを通過した光と第２光導波路３２ｂを通過した光との位相差は０になる。第１光導波路３２ａを通過した光と第２光導波路３２ｂを通過した光との位相差が０の場合には、第１入力端２６ａから入力された光は第２出力端３６ａから出力され、第１出力端３６ｂからは出力されない。

このように、第１光導波路３２ａを通過した光と第２光導波路３２ｂを通過した光との位相差に応じて、第１入力端２６ａから入力された光が出力される出力端が第１出力端３６ａと第２出力端３６ｂとの間で切り替る。これにより、第１出力端３６ａ又は第２出力端３６ｂからの出力信号を変調信号として利用することができる。本実施例においては、第１出力端３６ａの出力信号を変調信号として利用する。

マッハツェンダ型光変調器１０の光導波路の製造において製造バラツキが少なからず発生し、光導波路の長さや幅等が設計寸法から外れてしまうことがある。これにより、第１光導波路３２ａの光路長と第２光導波路３２ｂの光路長とが設計値から外れてしまい、第１光導波路３２ａを伝搬する光と第２光導波路３２ｂを伝搬する光との位相差が設計値からズレてしまうことがある。このような光の位相差の設計値からの誤差を調整するのが位相調整回路１２である。

位相調整回路１２は、各位相調整用電極４０にＤＣ（直流）電圧を印加して、第１光導波路３２ａ及び第２光導波路３２ｂにおいてコア２０の屈折率を変化させ、第１光導波路３２ａ及び第２光導波路３２ｂを伝搬する光の位相を変化させることで位相調整を行う。具体的には、位相調整回路１２は、各光強度検出電極４４で検出される出力信号の光強度に基づいて、各位相調整用電極４０に印加するＤＣ電圧をフィードバック制御する。第１光導波路３２ａを通過した光と第２光導波路３２ｂを通過した光との位相差が０又は−πに合致して変化する場合には、第１出力端３６ａから出力される光強度と第２出力端３６ｂから出力される光強度とは、一定の時間幅で同じ大きさとなる。そこで、位相調整回路１２は、第１出力導波路３８ａの光強度検出電極４４で検出された光強度と、第２出力導波路３８ｂの光強度検出電極４４で検出された光強度と、が同じ大きさとなるように、各位相調整用電極４０に印加するＤＣ電圧を調整する。これにより、第１光導波路３２ａを通過した光と第２光導波路３２ｂを通過した光との位相差を０又は−πに合致させることができ、製造ばらつきによる位相のズレを調整することができる。

次に、出力光導波路３８の詳細な構成について説明する。

図３は、光強度検出電極４４の付近における出力光導波路３８（３８ａまたは３８ｂのいずれでもよい）の構成を示す平面図である。図３（ａ）は本実施例の構成を示し、図３（ｂ）はその変形例を示す（変形例については後段で詳述する）。出力光導波路３８において、光強度検出電極４４が設けられた領域（以下、第１領域５０と称する。）は、導波路型のフォトダイオードとして機能している。また、出力光導波路３８において、第１領域５０以外の領域（フォトダイオードの前後に接続された光導波路）を第２領域５２と称する。図３（ａ）に示すように、本実施例に係る半導体装置では、第１領域５０の導波路幅が第２領域５２に比べて大きくなっている。

図４は、光導波路の幅を比較するための断面図である。図４（ａ）は図３（ａ）の第１領域５０の断面を示し、図４（ｂ）は第２領域５２の断面を示す。半導体基板１６及び光導波路３８に係る構成のみを示し、電極及びコンタクト層の表示、並びに一部のハッチの表示を省略している。図中の円（符号６０）で示す領域は、光の導波領域を示している。

このように、光導波路はメサ型に画定されている。このため、コア２０が誘電体よりなるパッシベーション膜２２に接触している。コア２０（半導体）とパッシベーション膜２２（誘電体）との間は界面準位の差が大きく、パッシベーション膜２２内のキャリアの影響により、コア２０の側面付近の領域（符号６２）に欠陥が生じ、フォトダイオードの機能が損なわれてしまう場合がある。メサ型に画定された光導波路は、その幅がモード特性を決めるファクタの一つである。このタイプの光導波路は高次モードが発生しないように、そのメサ幅が制限される。これまでは、フォトダイオードが設けられる領域の光導波路の幅は、それ以外の光導波路の幅と同じに構成されていた。例えば、従来のマッハツェンダ型光変調器では、高次モードが発生しないように、光強度検出電極４４が設けられた第１領域５０の導波路幅は、その他の領域（第２領域５２）の導波路幅と同じに設計されていた。しかし、図４（ａ）に示すように、導波路幅が狭いとコア２０の欠陥が光の導波領域に重なってしまい、フォトダイオードの信頼性が損なわれてしまう場合がある。

これに対し、本実施例では、光強度検出電極４４が設けられた第１領域５０の導波路幅が、その他の領域（第２領域５２）の導波路幅より大きく設計されている。これにより、図４（ｂ）に示すように、コア２０の側面付近の領域（符号６２）に欠陥が生じた場合でも、光の導波領域（符号６０）が影響を受けることはない。その結果、フォトダイオードの信頼性を向上させることができる。

光導波路の幅が大きくする場合、高次モードが発生しないように考慮することが好ましい。この観点から、第１領域５０及び第２領域５２の導波路幅の差は、例えば０．５μｍ〜２．５μｍとすることが好ましい。このとき、上記導波路幅の差が０．５μｍ〜１．０μｍである場合には、図４（ａ）のように第１領域５０と第２領域５２との境界部分の導波路幅が不連続となっていてもよい。

一方、上記導波路幅の差が１．０μｍ〜２．５μｍである場合、第１領域５０と第２領域５２との境界部分は、図３（ｂ）の変形例のように、第１領域５０の側から第２領域５２の側に向かって大きくなるテーパ形状とすることが好ましい。第１領域５０と第２領域５２との境界部分にテーパ部５４を形成することにより、導波路幅を比較的大きくした場合でも、高次モードの発生を抑制することができる。また、導波路幅を大きくすることにより、コア２０への欠陥の発生による信頼性の低下を抑制することができる。例えば、第２領域５２の導波路幅を１．５μｍとした場合、第１領域５０の導波路幅はテーパ部５４を形成しない場合には２．０μｍ〜２．５μｍとすることが好ましく、テーパ部５４を形成する場合には２．５μｍ〜４．０μｍとすることが好ましい。

実施例１に係る構成は、コア２０が誘電体（パッシベーション膜２２）に直接接触している光半導体装置に対して特に好適であるが、コア２０の側面に半導体層が形成されている場合でも、本構成により同様に信頼性の向上を図ることができる。この場合、パッシベーション膜２２を例えばＩｎＰ等の半導体とすることができる。また、実施例１では、マッハツェンダ型光変調器における出力導波路３８を例に説明したが、実施例１に係る構成は導波路型のフォトダイオードを有する任意の光半導体装置に対し適用することができる。

また、本実施例で説明した形式以外のマッハツェンダ型光変調器に本発明を適用することもできる。たとえば、マッハツェンダ型光変調器は、入力端と出力端がそれぞれ単一の場合であっても、本発明を適用することができる。出力端が単一の場合、本発明のフォトダイオードは出力端に位置する光導波路に設けられる。また、フォトダイオードの配置位置についても、たとえば、ＭＭＩの間に位置する２つの光導波路（いわゆるアーム）やマッハツェンダ型光変調器の入力側の光導波路に設けることもできる。

さらに、本発明の構成は、マッハツェンダ型光変調器以外の光導波路に適用することもできる。たとえば、複数の半導体レーザの出力を１つのＭＭＩに結合するタイプの光半導体装置が挙げられる。この場合、各半導体レーザの出力とＭＭＩとを接続する光導波路それぞれに本発明の構成を有するフォトダイオードを設けることができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ マッハツェンダ型光変調器
１２ 位相調整回路
１４ 駆動回路
１６ 半導体基板
１８ クラッド層
２０ コア
２２ パッシベーション膜
２４ 絶縁膜
２６ 入力端
２８ 入力導波路
３０ 第１ＭＭＩ
３２ 光導波路
３４ 第２ＭＭＩ
３６ 出力端
３８ 出力光導波路
４０ 位相調整用電極
４２ 変調用電極
４４ 光強度検出電極
５０ 第１領域
５２ 第２領域
５４ テーパ部

Claims (5)

1. 半導体からなり、メサ型構造を有する光導波路と、
   半導体からなり、前記光導波路に接続され、前記光導波路よりも広いメサ型構造を有する光導波路構造を備えたフォトダイオードと、
   を有することを特徴とする光半導体装置。
2. 前記光導波路および前記フォトダイオードの幅は、シングルモードのみを許容する導波路幅であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
3. 前記フォトダイオードの導波路幅と前記光導波路の導波路幅との差は、０．５〜１．０μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の光半導体装置。
4. 前記フォトダイオードの導波路幅と前記光導波路の導波路幅との差は、１．０〜２．５μｍであり、
   前記フォトダイオードと前記光導波路との接続部は、前記フォトダイオードから前記光導波路に向かって導波路幅が大きくなるテーパ形状となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の光半導体装置。
5. 前記光半導体装置は、マッハツェンダ型光変調器であり、前記フォトダイオードは、前記マッハツェンダ型光変調器を構成する導波路に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光半導体装置。

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