JP2013093622A - Optical semiconductor device control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光半導体装置の制御方法に関し、より詳しくは、歪量子井戸層を有する電界吸収型光変調器およびその光変調器と半導体レーザを集積した集積光源の制御方法に関する。 The present invention relates to an optical semiconductor device control method, and more particularly to an electroabsorption optical modulator having a strained quantum well layer and an integrated light source control method in which the optical modulator and a semiconductor laser are integrated.
現在のFTTH(Fiber To The Home)の広がりから、加入者系での高性能な光デバイスが強く求められており、光源である半導体レーザは、1.3μm付近の光が得られ、厳しい温度環境下で動作し(85℃以上)、なおかつ低消費電力であることが求められている。 Due to the current spread of FTTH (Fiber To The Home), there is a strong demand for high-performance optical devices in the subscriber system, and the semiconductor laser that is the light source can obtain light in the vicinity of 1.3 μm, which is a severe temperature environment. It is required to operate below (85 ° C. or higher) and to have low power consumption.
これまで、低消費電力で高い効率を有し、さらに温度特性の良い光半導体装置として、歪量子井戸半導体レーザが研究開発されてきた。また、光通信の信号として用いるには、半導体レーザから出力された光を0と1の信号に変調する必要があり、その場合には、半導体レーザを駆動する電流を直接変調する直接変調型、もしくは外部変調器を用いる外部変調型の変調器が開発されてきた。 So far, strained quantum well semiconductor lasers have been researched and developed as optical semiconductor devices having low power consumption, high efficiency, and good temperature characteristics. In addition, in order to use as a signal for optical communication, it is necessary to modulate the light output from the semiconductor laser into a signal of 0 and 1, in which case, a direct modulation type that directly modulates a current for driving the semiconductor laser, Alternatively, an external modulation type modulator using an external modulator has been developed.
最近では、次世代ネットワークの規格として、10Gbit/s、25Gbit/s、40Gbit/sという変調速度が必要な光源が求められてきている。これらの規格では、変調速度のほかに、光出力、消光比などの細かいパラメータが規定されている。 Recently, a light source that requires a modulation speed of 10 Gbit / s, 25 Gbit / s, or 40 Gbit / s has been demanded as a standard for next-generation networks. In these standards, in addition to the modulation speed, fine parameters such as light output and extinction ratio are defined.
このような半導体レーザなどの光半導体装置は、半導体混晶基板を用いて形成され、その基板上に結晶を成長する工程などを経て完成される。その結晶成長の際には、基板材料と格子定数が整合する材料を選択することが多いが、格子定数が異なった材料からなる歪量子井戸も使用されている。歪量子井戸層は、多元系材料の組成をバリア層や基板と格子整合しない条件にするとともに、その膜厚を薄くして、強制的に基板と同じ格子定数になるようにしたものである。 Such an optical semiconductor device such as a semiconductor laser is formed using a semiconductor mixed crystal substrate, and is completed through a process of growing a crystal on the substrate. In the crystal growth, a material whose lattice constant matches with the substrate material is often selected, but a strained quantum well made of a material having a different lattice constant is also used. The strained quantum well layer has a condition that the composition of the multi-component material is not lattice-matched with the barrier layer or the substrate, and the film thickness is reduced so as to force the lattice constant to be the same as that of the substrate.
このような歪量子井戸は、例えば半導体レーザの活性層に適用されており、歪を加えることによってエネルギーバンド構造の状態密度が変化し、半導体レーザの特性が向上する。また、光出力の向上のために複数の歪量子井戸を、バリア層を隔てて成長する多重量子井戸構造が多くの半導体レーザで採用されている。この多重量子井戸に電流を注入すると、伝導帯の各量子井戸には電子が、価電子帯の各量子井戸には正孔(ホール)が捕獲され、伝導帯、価電子帯間でキャリアの再結合が発生し、発光が起きる。 Such a strained quantum well is applied, for example, to an active layer of a semiconductor laser, and by applying strain, the density of states of the energy band structure changes, and the characteristics of the semiconductor laser are improved. In addition, a multiple quantum well structure in which a plurality of strain quantum wells are grown with a barrier layer interposed therebetween is employed in many semiconductor lasers in order to improve optical output. When current is injected into this multiple quantum well, electrons are captured in each quantum well in the conduction band and holes are captured in each quantum well in the valence band, so that carriers are regenerated between the conduction band and the valence band. Bonding occurs and light emission occurs.
InP基板上に形成された歪量子井戸を用いることで、加入者系光通信で用いられる波長1.3μm付近の光を得ることができ、レーザに注入電流を変調することで伝送に用いる変調信号を得ることができる。しかし、レーザの注入電流を直接変調する場合には、電流の変化に伴う屈折率変化(チャープ)によって、高速で変調するほど、信号を伝送した場合の波形歪が大きいという問題があった。 By using a strained quantum well formed on an InP substrate, it is possible to obtain light having a wavelength of about 1.3 μm, which is used in subscriber optical communication, and by modulating an injection current in a laser, a modulation signal used for transmission Can be obtained. However, when the laser injection current is directly modulated, there is a problem that the waveform distortion when a signal is transmitted increases as the modulation is performed at a higher speed due to a change in the refractive index (chirp) accompanying the change in the current.
この問題を解決するための一つの方法として外部変調器を用いる方法がある。外部変調器の一つとして最も広く用いられているものは、電界吸収型光変調器である。この変調器では、外部電圧印加により、量子閉じ込めシュタルク効果を利用して量子井戸の吸収端を長波長化し、電圧を印加しない場合は信号が出力されON、印加する場合は信号が吸収されOFFというスイッチング動作をする。この電界吸収型光変調器を用いることで、チャープを制御しつつ高速に信号を変調することができる。 One method for solving this problem is to use an external modulator. One of the most widely used external modulators is an electroabsorption optical modulator. In this modulator, by applying an external voltage, the absorption edge of the quantum well is lengthened using the quantum confined Stark effect. When no voltage is applied, a signal is output and ON, and when applied, the signal is absorbed and OFF. Performs switching operation. By using this electroabsorption optical modulator, it is possible to modulate a signal at high speed while controlling the chirp.
電界吸収型光変調器の性能を決める要因は幾つか存在するが、もっとも重要なものの一つに消光比がある。消光比はON状態とOFF状態の信号の強度の比であり、一般的に大きいほど良い。消費光を増大する方法はいくつかあり、一般的には多重量子井戸の井戸数を増やす、変調器の長さを長くする、という方法がとられる。 There are several factors that determine the performance of an electroabsorption modulator, but one of the most important is the extinction ratio. The extinction ratio is the ratio of the signal intensity between the ON state and the OFF state, and generally the larger the better. There are several methods for increasing the consumed light. Generally, the methods of increasing the number of multiple quantum wells and increasing the length of the modulator are taken.
しかし、量子井戸の層数を増加し、変調器長を長くすると、挿入損が増加する。また、変調器の長さを長くすると、電気容量が大きくなるために、高速の電気信号を効率的に多重量子井戸部に送ることができず、最高変調速度が制限されることになる。 However, when the number of quantum well layers is increased and the modulator length is increased, the insertion loss increases. Further, when the length of the modulator is increased, the electric capacity is increased, so that a high-speed electric signal cannot be efficiently sent to the multiple quantum well portion, and the maximum modulation speed is limited.
そのため、井戸数、変調器長に関して、大きな消光比を得ることと、大きな光出力、高速の変調帯域を得ることはトレードオフの関係にある。 Therefore, obtaining a large extinction ratio with respect to the number of wells and the modulator length is in a trade-off relationship with obtaining a large light output and a high-speed modulation band.
したがって、本発明は上述したような課題を解決するために為されたものであって、井戸層数、変調器長を変化させないまま消光比を増大することができる光半導体装置の制御方法を提供することを目的としている。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides an optical semiconductor device control method capable of increasing the extinction ratio without changing the number of well layers and the modulator length. The purpose is to do.
上述した課題を解決する第1の発明に係る光半導体装置の制御方法は、
半導体混晶からなる基板と、前記基板の上に形成される、量子井戸層、バリア層を含む多重量子井戸構造の活性部と、前記活性部の上下をそれぞれ覆う上下クラッド部とを有し、前記上クラッド部の一部をエッチングし、光波長程度の幅のリッジメサ部をもつ、リッジ導波路構造を作製し、前記リッジメサ部の両脇を熱伝導率の小さい有機材料で埋め込んだ構成の電界吸収型光変調器と、
注入電流により光を出力する半導体レーザと、
前記半導体レーザと前記電界吸収型光変調器との間に設けられ、前記半導体レーザから出力された光が導波する光導波装置とを具備する光半導体装置の制御方法であって、
前記電界吸収型光変調器の消光比を、前記半導体レーザへの注入電流を変化させることにより制御することを特徴とする。
この発明に係る光半導体装置の制御方法によれば、変調器への入力光強度を変化させることで、変調器内での温度を上昇させ、消光比を増大させることができる。また、従来の半導体埋め込み型ではなく、有機材料で埋め込むリッジ型導波路構造を採用することにより、効率的な温度上昇、ならびに消光比増大を可能としている。
A method of controlling an optical semiconductor device according to the first invention for solving the above-described problem is as follows.
A substrate made of a semiconductor mixed crystal, an active part of a multiple quantum well structure including a quantum well layer and a barrier layer formed on the substrate, and an upper and lower cladding part covering the upper and lower sides of the active part, An electric field having a structure in which a part of the upper cladding part is etched to produce a ridge waveguide structure having a ridge mesa part with a width of about the optical wavelength, and both sides of the ridge mesa part are embedded with an organic material having a low thermal conductivity. An absorption light modulator;
A semiconductor laser that outputs light by an injection current;
An optical semiconductor device control method comprising: an optical waveguide device that is provided between the semiconductor laser and the electroabsorption optical modulator and guides light output from the semiconductor laser,
The extinction ratio of the electroabsorption optical modulator is controlled by changing an injection current to the semiconductor laser.
According to the method for controlling an optical semiconductor device according to the present invention, the temperature in the modulator can be increased and the extinction ratio can be increased by changing the input light intensity to the modulator. In addition, by adopting a ridge-type waveguide structure embedded with an organic material instead of the conventional semiconductor embedded type, it is possible to increase the temperature efficiently and increase the extinction ratio.
上述した課題を解決する第2の発明に係る光半導体装置の制御方法は、
第1の発明の光半導体装置の制御方法において、
前記リッジメサ部の幅が0.5μm以上2.5μm以下であり、前記リッジメサ部の高さが1μm以上3μm以下であることを特徴とする。
A method of controlling an optical semiconductor device according to the second invention for solving the above-described problem is as follows.
In the control method of the optical semiconductor device of the first invention,
The width of the ridge mesa portion is 0.5 μm or more and 2.5 μm or less, and the height of the ridge mesa portion is 1 μm or more and 3 μm or less.
上述した課題を解決する第3の発明に係る光半導体装置の制御方法は、
第1又は第2の発明の光半導体装置の制御方法において、
前記有機材料がポリイミドまたはベンゾシクロブテンであることを特徴とする。
An optical semiconductor device control method according to a third invention for solving the above-described problem is as follows.
In the control method of the optical semiconductor device according to the first or second invention,
The organic material is polyimide or benzocyclobutene.
上述した課題を解決する第4の発明に係る光半導体装置の制御方法は、
第1〜第3の何れか1つの光半導体装置の制御方法において、
前記基板の半導体混晶はInPであり、
前記多重量子井戸構造の活性部の井戸層、バリア層はIn1-x-yAlxGayAs、もしくはIn1-xGaxAsyP1-yであり、前記活性部の井戸数が1から20であることを特徴とする。
An optical semiconductor device control method according to a fourth invention for solving the above-described problem is as follows.
In the control method for any one of the first to third optical semiconductor devices,
The semiconductor mixed crystal of the substrate is InP,
The well layer and barrier layer of the active part of the multiple quantum well structure are In 1-xy Al x Ga y As or In 1-x Ga x As y P 1-y , and the number of wells in the active part is 1 It is 20, It is characterized by the above-mentioned.
上述した課題を解決する第5の発明に係る光半導体装置の制御方法は、
第1〜第4発明の何れか1つの光半導体装置の制御方法において、
前記多重量子井戸構造の活性部中の量子井戸層には、フォトルミネッセンスのピーク波長が、1.2μm〜1.3μm、または1.4μm〜1.55μmとなるような波長を達成する歪、厚みを有していることを特徴とする。
An optical semiconductor device control method according to a fifth invention for solving the above-described problem is as follows.
In the method for controlling an optical semiconductor device according to any one of the first to fourth inventions,
The quantum well layer in the active part of the multiple quantum well structure has a strain and thickness that achieves a wavelength such that the peak wavelength of photoluminescence is 1.2 μm to 1.3 μm, or 1.4 μm to 1.55 μm. It is characterized by having.
上述した課題を解決する第6の発明に係る光半導体装置の制御方法は、
第1〜第5の何れか1つの光半導体装置の制御方法において、
前記光導波装置は、半導体混晶からなる基板と、前記基板上に形成される、量子井戸層、バリア層を含む多重量子井戸構造の活性部、またはバルクの混晶からなり、光が導波するパッシブ層と、前記パッシブ層の上下をそれぞれ覆う上下クラッド部とを有することを特徴とする。
An optical semiconductor device control method according to a sixth invention for solving the above-described problem is as follows.
In the control method of any one of the first to fifth optical semiconductor devices,
The optical waveguide device includes a substrate made of a semiconductor mixed crystal and an active portion of a multiple quantum well structure including a quantum well layer and a barrier layer formed on the substrate, or a bulk mixed crystal, and light is guided. And a top and bottom clad portion that covers the top and bottom of the passive layer, respectively.
本発明に係る光半導体装置の制御方法によれば、井戸層数、変調器長を変えることなく、高消光比、高光出力、高変調帯域に構成された電界吸収型光変調器の消光比を、前記半導体レーザへの注入電流を変化させることにより制御することを特徴としているため、消光比を増大させることができ、チャープを制御しつつ高速に信号を変調することができる。 According to the method of controlling an optical semiconductor device according to the present invention, the extinction ratio of an electroabsorption optical modulator configured to have a high extinction ratio, a high optical output, and a high modulation band can be obtained without changing the number of well layers and the modulator length. Since the control is performed by changing the injection current to the semiconductor laser, the extinction ratio can be increased, and the signal can be modulated at high speed while controlling the chirp.
本発明に係る光半導体装置およびその制御方法について、各実施形態で具体的に説明する。 An optical semiconductor device and a control method thereof according to the present invention will be specifically described in each embodiment.
[第一番目の実施形態]
第一番目の実施形態に係る光半導体装置について、図1〜図5を参照して説明する。
[First embodiment]
The optical semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
本実施形態に係る光半導体装置は、図1に示すように、半導体混晶であるn型InPからなる基板11と、この基板11上に設けられたn−InPクラッド部14(下クラッド部)と、n−InPクラッド部14上に設けられた、In1-x-yAlxGayAsバリア、In1-x-yAlxGayAs量子井戸からなる多重量子井戸構造の活性層12と、活性層12の上に設けられ、p−InPクラッド部13(上クラッド部)を所望の幅にエッチングしリッジメサ部15を持つリッジ導波路構造を作製し、さらにこのリッジメサ部15の両脇を有機材料で埋め込んだ埋め込み部16とからなるリッジ型電界吸収変調器(Electroabsorption modulator:EAM)10を有する。前記xはAl(アルミニウム)の指数を示し、前記yはGa(ガリウム)の指数を示す。なお、リッジメサ部15の上部には、コンタクト層などを介して電極が設けられる。
As shown in FIG. 1, the optical semiconductor device according to the present embodiment includes a
上述した有機材料としては、ポリイミドやベンゾシクロブタン(以下、BCBと称す)など熱伝導率の小さい有機材料が挙げられる。 Examples of the organic material described above include organic materials having low thermal conductivity such as polyimide and benzocyclobutane (hereinafter referred to as BCB).
上述した多重量子井戸構造の活性層12は、トータルの絶縁層の厚さが350nmである6重多重量子井戸からなる。ここで、絶縁層は、不純物ドープがなされていない層であって、量子井戸の井戸およびバリアと、この外側にある、p、nに挟まれたノンドープ層全体である。これにより、多重量子井戸構造の活性層12中の量子井戸は、フォトルミネッセンスのピーク波長が1.1μm〜1.3μm、または、1.4μm〜1.55μmとなるような波長を達成する歪、厚さを有することとなる。さらに、量子井戸層として、そのバンドギャップ波長は入力光波長との差(離調)が室温で50nmとなるような混晶を用いる。
The
ここで、上述した構成の光半導体装置の製造方法について説明する。
まず、n型のInP基板11上に、n−InPクラッド部14(変調器下部クラッド)、In1-x-yAlxGayAsバリア、In1-x-yAlxGayAs量子井戸からなる多重量子井戸構造の活性層12、p−InPクラッド部13(上部クラッド)を順番に成長させる。
Here, a method of manufacturing the optical semiconductor device having the above-described configuration will be described.
First, a multiple quantum comprising an n-InP clad part 14 (modulator lower clad), an In 1 -xy Al x Ga y As barrier, and an In 1 -xy Al x Ga y As quantum well on an n-
続いて、エッチングによってp−InPクラッド部13の必要な部分以外を削り、幅、高さが2μmのメサ形成プロセス、有機材料(ここではBCBとする)による埋め込み、及び電極形成プロセス後、へき開により長さ50μmから300μmの変調器を作成して完成となる。
Subsequently, other than the necessary portions of the p-InP
上述した構成の光半導体装置の消光特性について図2を参照して説明する。消光特性の評価はEAMに対して、外部の半導体レーザから光を入力し、EAMへの印加電圧を変化させることによって行っている。EAMへの注入光パワーを変化させるために、レーザへの注入電流(20mA,30mA,40mA,60mA,80mA,100mA)をパラメータとしている。 The extinction characteristics of the optical semiconductor device configured as described above will be described with reference to FIG. The evaluation of the extinction characteristic is performed by inputting light from an external semiconductor laser to the EAM and changing the voltage applied to the EAM. In order to change the power of the light injected into the EAM, the current injected into the laser (20 mA, 30 mA, 40 mA, 60 mA, 80 mA, 100 mA) is used as a parameter.
図2に示すように、レーザへの注入電流が20mA、30mAのときには消光特性はほとんど変化しないが、さらに大きくなると、消光比が大きくなっていくことがわかる。注入電流が100mAの場合には、20mAの場合に比べてバイアス電圧4.5Vで8dBもの消光比増大が確認できる。 As shown in FIG. 2, the extinction characteristics hardly change when the injection current into the laser is 20 mA or 30 mA, but it is understood that the extinction ratio increases as the current increases further. When the injection current is 100 mA, an increase in the extinction ratio of 8 dB can be confirmed at a bias voltage of 4.5 V compared to the case of 20 mA.
この理由は以下のように説明される。
上述した構成の光半導体装置におけるフォトカレントとバイアス電圧との関係を図3に示す。
図3に示すように、バイアス電圧が増大するとフォトカレントが大きくなり、また、注入光パワーが多い場合にもフォトカレントが増大する。EAM内では、このフォトカレントと電圧の積で表されるパワーがジュール熱として発生するため、バイアス電圧が大きいほど、また、注入光パワーが大きいほど、EAM内で温度が大きく上昇することになる。EAM内での温度が上昇すると、入力光波長との離調が小さくなり、より半導体の吸収端に近くなるため消光が大きくなる。
The reason for this is explained as follows.
FIG. 3 shows the relationship between the photocurrent and the bias voltage in the optical semiconductor device configured as described above.
As shown in FIG. 3, when the bias voltage increases, the photocurrent increases, and the photocurrent also increases when the injected light power is large. In the EAM, the power represented by the product of the photocurrent and the voltage is generated as Joule heat. Therefore, the higher the bias voltage and the higher the injected light power, the higher the temperature in the EAM. . When the temperature in the EAM rises, the detuning with the input light wavelength decreases, and the extinction increases because it is closer to the absorption edge of the semiconductor.
ここで、図4に図3のデータを基に熱解析シミュレーションによって得た、EAM内の温度上昇のバイアス電圧依存性を示す。図4に示すように、注入電流100mA、バイアス電圧4.5Vでは50℃近い温度上昇が得られているのがわかる。これはリッジメサ部15の両脇を熱伝導率の小さな有機材料で埋め込んだ埋め込み部16を設けているためである。
Here, FIG. 4 shows the bias voltage dependence of the temperature rise in the EAM, obtained by thermal analysis simulation based on the data of FIG. As shown in FIG. 4, it can be seen that a temperature increase of nearly 50 ° C. is obtained at an injection current of 100 mA and a bias voltage of 4.5V. This is because the embedded
上述した構成の光半導体装置における消光比変化の温度上昇依存性について図5に示す。
図5から、50℃上昇で10dB程度の消光比増大が予想され、EAMの構造を変えないまま消光比の調整が可能であることがわかる。この構造を用いることにより、従来の、半導体で埋め込む構造に比べて効率的な温度上昇を可能にし、より大きな消光比を得ることができる。
FIG. 5 shows the temperature rise dependency of the extinction ratio change in the optical semiconductor device having the above-described configuration.
FIG. 5 shows that an increase in the extinction ratio of about 10 dB is expected with a 50 ° C. increase, and the extinction ratio can be adjusted without changing the structure of the EAM. By using this structure, it is possible to increase the temperature more efficiently and to obtain a larger extinction ratio as compared with the conventional structure embedded with a semiconductor.
本実施形態では、離調を50nmとしたが、その原理から離調の値にかかわらず、本実施形態に係る光半導体装置で奏する効果を得ることができる。実際のEAMで用いられる離調は30nm〜150nm程度であり、本実施形態に係るEAMもそれらの値を用いることが可能である。 In the present embodiment, the detuning is set to 50 nm, but the effect exhibited by the optical semiconductor device according to the present embodiment can be obtained regardless of the detuning value from the principle. Detuning used in actual EAM is about 30 nm to 150 nm, and those values can also be used in the EAM according to the present embodiment.
また、リッジメサ部15(リッジ導波路)のメサ幅は2μmとしたが、温度上昇という観点からはメサ幅は狭いほど良い。しかし、あまりに狭すぎると、光の導波モードが形成されなくなってしまう。逆にあまりに広いと、複数の導波モードが形成され、変調器の動作に悪影響を及ぼす。導波モード形成の観点から考えると、メサ幅の最小値、最大値はそれぞれ0.5μm、2.5μm程度であり、その間のメサ幅を用いるのが良い。リッジメサ部15(メサ部)の高さについては、低すぎると、上部の電極まで光の電界が広がり、吸収損が大きくなり、高すぎると、デバイス作製上安定性がよくない。そのため、1μm〜3μm程度にしておくのが良い。 Further, although the mesa width of the ridge mesa portion 15 (ridge waveguide) is 2 μm, the smaller the mesa width is better from the viewpoint of temperature rise. However, if it is too narrow, the waveguide mode of light cannot be formed. On the other hand, if it is too wide, a plurality of waveguide modes are formed, which adversely affects the operation of the modulator. From the viewpoint of forming the waveguide mode, the minimum and maximum values of the mesa width are about 0.5 μm and 2.5 μm, respectively, and it is preferable to use the mesa width therebetween. If the height of the ridge mesa portion 15 (mesa portion) is too low, the electric field of light spreads to the upper electrode and the absorption loss increases, and if it is too high, the stability in device fabrication is not good. Therefore, it is good to set it as about 1 micrometer-3 micrometers.
したがって、本実施形態に係る光半導体装置によれば、半導体混晶からなる基板11と、この基板11の上に形成される、量子井戸層、バリア層を含む多重量子井戸構造の活性層12と、活性層12の上下をそれぞれ覆う上下クラッド部13,14とからなる電界吸収型光変調器を有し、上クラッド部13の一部をエッチングし、光波長程度の幅のリッジメサ部15をもつ、リッジ導波路構造を作製し、リッジメサ部15の両脇を熱伝導率の小さい有機材料で埋め込んだ埋め込み部16を設けたことにより、変調器への入力光強度を変化させることで、変調器内での温度を上昇させ、消光比を増大させることができる。また、従来の半導体埋め込み型ではなく、有機材料で埋め込むリッジ型導波路構造を採用することにより、効率的な温度上昇、ならびに消光比増大を可能としている。すなわち、井戸層数、変調器長を変えることなく、高消光比、高光出力、高変調帯域の電界吸収型変調器を構成することが可能となる。
Therefore, according to the optical semiconductor device according to the present embodiment, the
[第二番目の実施形態]
第二番目の実施形態に係る光半導体装置について、図6および図7を参照して説明する。
本実施形態に係る光半導体装置は、上述した第一番目の実施形態に係る光半導体装置と同一の構成のEAM10を具備する装置であって、同一の装置には同一符号を付記しその説明を省略する。
[Second Embodiment]
An optical semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.
The optical semiconductor device according to the present embodiment is a device including the
本実施形態に係る光半導体装置は、図6および図7に示すように、注入電流により光を出力する半導体レーザ部(以下、LD部と称す)20と、電界吸収型変調器部(以下、EAM部と称す)10と、LD部20とEAM部10との間に設けられた光導波装置30とを同一半導体基板上に集積したリッジ型変調器集積光源を有する。LD部20と光導波装置30とEAM部10とは光が導波するように構成されている。
As shown in FIGS. 6 and 7, the optical semiconductor device according to the present embodiment includes a semiconductor laser unit (hereinafter referred to as an LD unit) 20 that outputs light by an injection current, an electroabsorption modulator unit (hereinafter, referred to as an LD unit). (Referred to as an EAM portion) 10 and an
LD部20はn型のInP基板21上に設けられたn−InPクラッド部24(下クラッド部)と、n−InPクラッド部24上に設けられた、InAlGaAsバリア、InAlGaAs量子井戸からなる半導体レーザ多重量子井戸活性層27と、半導体レーザ多重量子井戸活性層27上に設けられ、所定の周期Λの回折格子29と、この上に設けられたp−InPクラッド部23(上クラッド部)とを有する。p−InPクラッド部23は、EAM部10と同様に、所望の幅にエッチングしたリッジメサ部25と、リッジメサ部25の両脇を有機材料(例えば、ポリイミドやBCBなど)で埋め込んだ埋め込み部(図示せず)とからなる。なお、リッジメサ部25の上部にはコンタクト層などを介して電極が設けられる。
The
光導波装置30は、EAM部10と同様の構成となっているが絶縁のため上部電極はない構成となっている。すなわち、光導波装置30は、光を導波する構造であって、n型のInP基板31上に設けられたn−InPクラッド部34(下クラッド部)と、n−InPクラッド部34上に設けられた、InAlGaAsバリア、InAlGaAs量子井戸からなるパッシブ層(多重量子井戸構造の活性層)38と、パッシブ層38上に設けられたp−InPクラッド部33(上クラッド部)とを有する。p−InPクラッド部33は、EAM部10と同様に、所望の幅にエッチングしたリッジメサ部35と、リッジメサ部35の両脇を有機材料(例えば、ポリイミドやBCBなど)で埋め込んだ埋め込み部(図示せず)とからなる。光導波装置30の長さ(LD部20とEAM部10との間の大きさ)は、50μmから100μmとしている。これは、50μmより短いとLD部20とEAM部10とを絶縁することができず、また100μmより長いと光の損失が大きくなるためである。
The
LD部20の半導体レーザ多重量子井戸活性層27としてバンドギャップ波長が1.3μmとなるような多重量子井戸構造を用い、EAM部10の多重量子井戸構造の活性層12として、トータルの絶縁層の厚さが350nmである6重多重量子井戸を用いた。絶縁層は、不純物ドープがなされていない層であって、量子井戸の井戸およびバリアと、この外側にある、p、nに挟まれたノンドープ層全体である。さらに、量子井戸層として、そのバンドギャップ波長は入力波長との離調が室温で50nmとなるような混晶を用いる。
As the semiconductor laser multiple quantum well
ここで、上述した構成の光半導体装置(変調器集積光源)の製造方法について説明する。
まず、n型のInP基板11,21,31上に、n−InPクラッド部14,24,34、半導体レーザ多重量子井戸活性層27を成長させる。ウェットエッチングによってLD部20の必要な部分以外を削り、多重量子井戸構造の活性層12およびパッシブ層38を再成長させる。
Here, a manufacturing method of the optical semiconductor device (modulator integrated light source) having the above-described configuration will be described.
First, on the n-
続いて、LD部20に回折格子29を形成後、p−InPクラッド部13,23,33を2μm成長し、さらにp−InPクラッド部13,23上にp−InGaAsのコンタクト層(図示せず)を成長させることで、半導体レーザ、電界吸収型変調器、および光導波装置を作りこむウェハーが完成する。
Subsequently, after forming the diffraction grating 29 in the
次に、完成したウェハーに幅が2μmのメサ形成プロセス、BCBによる埋め込み、及び電極形成プロセス後、へき開により長さ400μmから1000μmの変調器集積光源を作成して完成となる。 Next, after a mesa formation process with a width of 2 μm, a BCB embedding process, and an electrode formation process on the completed wafer, a modulator integrated light source having a length of 400 μm to 1000 μm is formed by cleavage to complete the process.
したがって、本実施形態に係る光半導体装置によれば、第一番目の実施形態に係る光半導体装置と同様な作用効果を奏する上に、LD部20とEAM部10との間に光導波装置30を設けたリッジ型変調器集積光源を有し、LD部20への注入電流を制御することで、EAM部10での消光比を制御し、チャープを制御しつつ高速に信号を変調することができる。
Therefore, according to the optical semiconductor device according to the present embodiment, the
[第三番目の実施形態]
第三番目の実施形態に係る光半導体装置について、図6および図7を参照して説明する。
本実施形態に係る光半導体装置は、上述した第二番目の実施形態に係る光半導体装置にて、光導波装置30のパッシブ層のみを変更した装置であって、同一の装置には同一符号を付記しその説明を省略する。
[Third embodiment]
An optical semiconductor device according to the third embodiment will be described with reference to FIGS.
The optical semiconductor device according to the present embodiment is a device in which only the passive layer of the
本実施形態に係る光半導体装置は、第二番目の実施形態に係る光半導体装置と同様に、図6および図7に示すように、LD部20と、EAM部10と、LD部20とEAM部10の間に設けられた光導波装置30とからなるリッジ型変調器集積光源を有する。
As in the optical semiconductor device according to the second embodiment, the optical semiconductor device according to the present embodiment has an
光導波装置30は、EAM部10の多重量子井戸構造の活性層12と異なるパッシブ層38を有し絶縁のため上部電極はない構成となっている。すなわち、光導波装置30は、光を導波する構造であって、バルクのInGaAsPからなるパッシブ層38を有している。なお、パッシブ層38の下部には、n−InPクラッド部34(下クラッド部)を介してn型のInP基板31が設けられる。パッシブ層38の上部には、p−InPクラッド部33(上クラッド部)を所望の幅にエッチングしたリッジメサ部35と、リッジメサ部35の両脇を有機材料(例えば、ポリイミドやBCBなど)で埋め込んだ埋め込み部(図示せず)とが設けられる。
The
パッシブ層38のバンドギャップ波長を1.2μmとしている。パッシブ層38のバンドギャップ波長は、レーザの発振波長に近すぎると吸収による損失が大きくなるため、それよりも十分短波長である必要があり、発振波長よりも100nm程度短波であればこの吸収損失は問題にならない。本実施形態では、発振波長が1.3μmであるため、パッシブ層38のバンドギャップ波長は1.2μm程度より短波長である必要がある。しかし、あまりに波長が短いと、基板との屈折率差がとれなくなり、小さな光導波路構造を作りにくくなる。InP基板に対して、通常と同じ大きさの光導波路を作成することのできるパッシブ層38のバンドギャップ波長は通常1.1μm以上であり、本実施形態における発振波長1.3μmのレーザに対しては、パッシブ層38のバンドギャップ波長は1.1μm〜1.2μm程度が最適となる。本実施形態では、パッシブ層38のバンドギャップ波長を1.2μmとしているが、1.1μm以上であれば同様の効果を得ることができる。
The band gap wavelength of the
本実施形態では、第二番目の実施形態に係る光半導体装置と同様に、LD部20の活性層27としてバンドギャップ波長が1.3μmとなるような多重量子井戸構造を用い、EAM部10の活性層12としてトータルの絶縁層の厚さが350nmである6重多重量子井戸を用いた。絶縁層は、不純物ドープがなされていない層であって、量子井戸の井戸およびバリアと、この外側にある、p、nに挟まれたノンドープ層全体である。さらに、量子井戸層として、そのバンドギャップ波長は入力波長との離調が室温で50nmとなるような混晶を用いる。
In the present embodiment, as in the optical semiconductor device according to the second embodiment, a multiple quantum well structure having a band gap wavelength of 1.3 μm is used as the
ここで、上述した構成の光半導体装置(変調器集積光源)の製造方法について説明する。
本実施形態に係る光半導体装置の製造方法では、EAM部10の多量子井戸構造の活性層12を再成長した後、もう一度ウェットエッチングにより不必要な部分を削り、その後InGaAsPバルク(パッシブ層38)を再成長する工程が行われる。その他の工程は第二番目の実施形態と同じである。
Here, a manufacturing method of the optical semiconductor device (modulator integrated light source) having the above-described configuration will be described.
In the method of manufacturing an optical semiconductor device according to the present embodiment, after the
したがって、本実施形態に係る光半導体装置によれば、第一番目および第二番目の実施形態に係る光半導体装置と同様の作用効果を得ることができるほか、LD部20の活性層27とEAM部10の活性層12とのジョイント面を削りパッシブ層38を新たに再成長するため、ジョイント端面の形状を綺麗にすることができる。ジョイント端面の形状はLD部20からEAM部10への光の透過率に大きな影響を及ぼすため、綺麗なほど良く、光の透過率の低下を抑制できる。
Therefore, according to the optical semiconductor device according to the present embodiment, the same operational effects as those of the optical semiconductor devices according to the first and second embodiments can be obtained, and the
また、第二番目の実施形態の場合と異なり、パッシブ層38のバンドギャップエネルギーをEAM部10の量子井戸層よりも大きくしたことにより、EAM部10で光を吸収することにより生成されたキャリアがパッシブ層38に進入してこないため、高速変調に有利である。
Further, unlike the case of the second embodiment, the band gap energy of the
[第四番目の実施形態]
第四番目の実施形態に係る光半導体装置について、図1を参照して説明する。
本実施形態に係る光半導体装置は、上述した第一番目の実施形態に係る光半導体装置にて、多重量子井戸構造の組成のみを変更した装置であって、同一の装置には同一符号を付記する。
[Fourth embodiment]
An optical semiconductor device according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG.
The optical semiconductor device according to this embodiment is a device in which only the composition of the multiple quantum well structure is changed in the optical semiconductor device according to the first embodiment described above, and the same device is denoted by the same reference numeral. To do.
本実施形態に係る光半導体装置は、リッジ型電界吸収変調器(Electroabsorption modulator:EAM)を有する装置であって、図1に示すように、In1-xGaxAsyP1-yバリア、In1-xGaxAsyP1-y量子井戸からなる多重量子井戸構造の活性層12を有している。前記xはGa(ガリウム)の指数を示し、前記yはAs(ヒ素)の指数を示す。なお、多重量子井戸構造の活性層12の下部には、n−InPクラッド部14(下クラッド部)を介してn型InPからなる基板11が設けられる。多重量子井戸構造の活性層12の上部には、p−InPクラッド部13(上クラッド部)を所望の幅にエッチングしリッジメサ部15をもつリッジ導波路構造を作製し、さらにこのリッジメサ部15の両脇を有機材料(例えば、ポリイミドやBCBなど)で埋め込んだ埋め込み部16が設けられる。リッジメサ部15の上部には、コンタクト層などを介して電極が設けられる。
The optical semiconductor device according to the present embodiment is a device having a ridge type electroabsorption modulator (EAM), and as shown in FIG. 1, an In 1-x Ga x As y P 1-y barrier, It has an
多重量子井戸構造の活性層12は、トータルの絶縁層の厚さが350nmである6重多重量子井戸からなる。ここで、絶縁層は、不純物ドープがなされていない層であって、量子井戸の井戸およびバリアと、この外側にある、p、nに挟まれたノンドープ層全体である。これにより、多重量子井戸構造の活性層12中の量子井戸は、フォトルミネッセンスのピーク波長が1.1μm〜1.3μm、または、1.4μm〜1.55μmとなるような波長を達成する歪、厚さを有することとなる。さらに、量子井戸層として、そのバンドギャップ波長は入力光波長との差(離調)が室温で50nmとなるような混晶を用いる。
The
したがって、本実施形態に係る光半導体装置によれば、多重量子井戸構造の活性層12の井戸層およびバリア層をInGaAsPとしても、上述した第一番目の実施形態に係る光半導体装置と同様に、変調器への入力光強度を変化させることで、変調器内での温度を上昇させ、消光比を増大させることができる。また、従来の半導体埋め込み型ではなく、有機材料で埋め込むリッジ型導波路構造を採用することにより、効率的な温度上昇、ならびに消光比増大を可能としている。すなわち、井戸層数、変調器長を変えることなく、高消光比、高光出力、高変調帯域の電界吸収型変調器を構成することが可能となる。
Therefore, according to the optical semiconductor device according to the present embodiment, even if the well layer and the barrier layer of the
[第五番目の実施形態]
第五番目の実施形態に係る光半導体装置について、図6および図7を参照して説明する。
本実施形態に係る光半導体装置は、上述した第二番目の実施形態に係る光半導体装置にて、LD部の半導体レーザ多重量子井戸活性層のバリア層および量子井戸層、EAM部の活性層のバリア層および量子井戸層をInGaAsPに変更し、光導波装置のパッシブ層をEAM部の活性層と同じ組成に変更した装置であって、同一の装置には同一の符号を付記しその説明を省略する。
[Fifth embodiment]
The optical semiconductor device according to the fifth embodiment will be described with reference to FIGS.
The optical semiconductor device according to the present embodiment is the same as the optical semiconductor device according to the second embodiment described above, in which the barrier layer and quantum well layer of the semiconductor laser multiple quantum well active layer of the LD portion, and the active layer of the EAM portion The barrier layer and the quantum well layer are changed to InGaAsP, and the passive layer of the optical waveguide device is changed to the same composition as the active layer of the EAM part. To do.
本実施形態に係る光半導体装置は、第二番目の実施形態に係る光半導体装置と同様に、図6および図7に示すように、注入電流により光を出力するLD部20と、EAM部10と、LD部20とEAM部10の間に設けられた光導波装置30とを同一半導体基板上に集積したリッジ型変調器集積光源を有する。LD部20と光導波装置30とEAM部10とは光が導波するように構成されている。
As in the optical semiconductor device according to the second embodiment, the optical semiconductor device according to this embodiment includes an
EAM部10はInGaAsPバリア、InGaAsP量子井戸からなる多重量子井戸構造の活性層12を有している。なお、多重量子井戸構造の活性層12の下部には、n−InPクラッド部14(下クラッド部)を介してn型のInP基板11が設けられる。多重量子井戸構造の活性層12の上部には、p−InPクラッド部13を所望の幅にエッチングしたリッジメサ部15と、このリッジメサ部15の両脇を有機材料(例えば、ポリイミドやBCBなど)で埋め込んだ埋め込み部(図示せず)とが設けられる。なお、リッジメサ部15の上部にはコンタクト層などを介して電極が設けられる。
The
LD部20は、InGaAsPバリア、InGaAsP量子井戸からなる半導体レーザ多重量子井戸活性層27を有している。なお、半導体レーザ多重量子井戸活性層27の下部には、n−InPクラッド部24(下クラッド部)を介してn型のInP基板21上に設けられる。半導体レーザ多重量子井戸活性層27上には所定の周期Λの回折格子29が設けられ、この上にp−InPクラッド部23(上クラッド部)が設けられる。p−InPクラッド部23は、EAM部10と同様に、所望の幅にエッチングしたリッジメサ部25と、リッジメサ部25の両脇を有機材料(例えば、ポリイミドやBCBなど)で埋め込んだ埋め込み部(図示せず)とからなる。なお、リッジメサ部25の上部にはコンタクト層などを介して電極が設けられる。
The
光導波装置30は、EAM部10と同様の構成となっているが絶縁のため上部電極はない構成となっている。すなわち、光導波装置30は、光を導波する構造であって、InGaAsPバリア、InGaAsP量子井戸からなるパッシブ層(多重量子井戸活性層)38を有している。パッシブ層38の下部には、n−InPクラッド部34(下クラッド部)を介してn型のInP基板31が設けられる。パッシブ層38の上部には、p−InPクラッド部33(上クラッド部)を所望の幅にエッチングしたリッジメサ部35と、リッジメサ部35の両脇を有機材料(例えば、ポリイミドやBCBなど)で埋め込んだ埋め込み部(図示せず)が設けられる。
The
LD部20の半導体レーザ多重量子井戸活性層27としてバンドギャップ波長が1.3μmとなるような多重量子井戸構造を用い、EAM部10の多重量子井戸構造の活性層12としてトータルの絶縁層の厚さが350nmである6重多重量子井戸を用いた。絶縁層は、不純物ドープがなされていない層であって、量子井戸の井戸およびバリアと、この外側にある、p、nに挟まれたノンドープ層全体である。さらに、量子井戸層として、そのバンドギャップ波長は入力波長との離調が室温で50nmとなるような混晶を用いる。
As the semiconductor laser multiple quantum well
したがって、本実施形態に係る光半導体装置によれば、LD部20の半導体レーザ多重量子井戸層のバリア、量子井戸、EAM部10の多重量子井戸構造の活性層12のバリア、量子井戸、光導波装置30のパッシブ層38である多重量子井戸構造の活性層のバリア、量子井戸をそれぞれInGaAsPとしても、上述した第二番目の実施形態に係る光半導体装置と同様に、LD部20とEAM部10との間に光導波装置30を設けたリッジ型変調器集積光源を有し、LD部20への注入電流を制御することで、EAM部10での消光比を制御し、チャープを制御しつつ高速に信号を変調することができる。
Therefore, according to the optical semiconductor device according to the present embodiment, the barrier and quantum well of the semiconductor laser multiple quantum well layer of the
[他の実施形態]
上記では、活性層の井戸数が6つである光半導体装置を用いて説明したが、活性層の井戸数は6つに限定されず、1から20である光半導体装置とすることも可能である。このような光半導体装置であっても、上述した光半導体装置と同様な作用効果を奏する。
[Other Embodiments]
In the above description, the optical semiconductor device in which the number of wells in the active layer is six has been described. However, the number of wells in the active layer is not limited to six, and an optical semiconductor device having 1 to 20 can be used. is there. Even such an optical semiconductor device has the same effects as the above-described optical semiconductor device.
上記では、回折格子が均一な周期構造を具備する光半導体装置を用いて説明したが、回折格子に位相シフト領域が含まれる構造の光半導体装置とすることも可能である。 In the above description, an optical semiconductor device having a diffraction grating having a uniform periodic structure is described. However, an optical semiconductor device having a structure in which a phase shift region is included in the diffraction grating may be used.
本発明によれば、井戸層数、変調器長を変えることなく、高消光比、高光出力、高変調帯域の光半導体装置の制御方法を得ることができるため、通信産業などで有益に利用することができる。 According to the present invention, a method for controlling an optical semiconductor device having a high extinction ratio, a high optical output, and a high modulation band can be obtained without changing the number of well layers and the modulator length. be able to.
10 光半導体装置
11 基板
12 多重量子井戸構造の活性部
13 上クラッド部
14 下クラッド部
15 リッジメサ部
16 埋め込み部
20 半導体レーザ部
27 半導体レーザ量子井戸活性層
30 光導波装置
38 パッシブ層
DESCRIPTION OF
Claims (6)
注入電流により光を出力する半導体レーザと、
前記半導体レーザと前記電界吸収型光変調器との間に設けられ、前記半導体レーザから出力された光が導波する光導波装置とを具備する光半導体装置の制御方法であって、
前記電界吸収型光変調器の消光比を、前記半導体レーザへの注入電流を変化させることにより制御することを特徴とする光半導体装置の制御方法。 A substrate made of a semiconductor mixed crystal, an active part of a multiple quantum well structure including a quantum well layer and a barrier layer formed on the substrate, and an upper and lower cladding part covering the upper and lower sides of the active part, An electric field having a structure in which a part of the upper cladding part is etched to produce a ridge waveguide structure having a ridge mesa part with a width of about the optical wavelength, and both sides of the ridge mesa part are embedded with an organic material having a low thermal conductivity. An absorption light modulator;
A semiconductor laser that outputs light by an injection current;
An optical semiconductor device control method comprising: an optical waveguide device that is provided between the semiconductor laser and the electroabsorption optical modulator and guides light output from the semiconductor laser,
A method for controlling an optical semiconductor device, wherein the extinction ratio of the electroabsorption optical modulator is controlled by changing an injection current into the semiconductor laser.
前記リッジメサ部の幅が0.5μm以上2.5μm以下であり、前記リッジメサ部の高さが1μm以上3μm以下であることを特徴とする光半導体装置の制御方法。 In the control method of the optical semiconductor device according to claim 1,
The method of controlling an optical semiconductor device, wherein a width of the ridge mesa portion is 0.5 μm or more and 2.5 μm or less, and a height of the ridge mesa portion is 1 μm or more and 3 μm or less.
前記有機材料がポリイミドまたはベンゾシクロブテンであることを特徴とする光半導体装置の制御方法。 In the control method of the optical semiconductor device according to claim 1 or 2,
The method for controlling an optical semiconductor device, wherein the organic material is polyimide or benzocyclobutene.
前記基板の半導体混晶はInPであり、
前記多重量子井戸構造の活性部の井戸層、バリア層はIn1-x-yAlxGayAs、もしくはIn1-xGaxAsyP1-yであり、前記活性部の井戸数が1から20であることを特徴とする光半導体装置の制御方法。 In the control method of the optical semiconductor device given in any 1 paragraph of Claims 1-3,
The semiconductor mixed crystal of the substrate is InP,
The well layer and barrier layer of the active part of the multiple quantum well structure are In 1-xy Al x Ga y As or In 1-x Ga x As y P 1-y , and the number of wells in the active part is 1 20. A method for controlling an optical semiconductor device, comprising:
前記多重量子井戸構造の活性部中の量子井戸層には、フォトルミネッセンスのピーク波長が、1.2μm〜1.3μm、または1.4μm〜1.55μmとなるような波長を達成する歪、厚みを有していることを特徴とする光半導体装置の制御方法。 In the control method of the optical semiconductor device given in any 1 paragraph of Claims 1-4,
The quantum well layer in the active part of the multiple quantum well structure has a strain and thickness that achieves a wavelength such that the peak wavelength of photoluminescence is 1.2 μm to 1.3 μm, or 1.4 μm to 1.55 μm. A method for controlling an optical semiconductor device, comprising:
前記光導波装置は、半導体混晶からなる基板と、前記基板上に形成される、量子井戸層、バリア層を含む多重量子井戸構造の活性部、またはバルクの混晶からなり、光が導波するパッシブ層と、前記パッシブ層の上下をそれぞれ覆う上下クラッド部とを有することを特徴とする光半導体装置の制御方法。 In the control method of the optical semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The optical waveguide device includes a substrate made of a semiconductor mixed crystal and an active portion of a multiple quantum well structure including a quantum well layer and a barrier layer formed on the substrate, or a bulk mixed crystal, and light is guided. And a method of controlling an optical semiconductor device, comprising: a passive layer that covers the upper and lower clads that respectively cover the upper and lower sides of the passive layer.
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