JP2014206557A - Electric field absorption modulator, semiconductor optical element, and optical module - Google Patents
Electric field absorption modulator, semiconductor optical element, and optical module Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014206557A JP2014206557A JP2013082290A JP2013082290A JP2014206557A JP 2014206557 A JP2014206557 A JP 2014206557A JP 2013082290 A JP2013082290 A JP 2013082290A JP 2013082290 A JP2013082290 A JP 2013082290A JP 2014206557 A JP2014206557 A JP 2014206557A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- energy
- layer
- modulator
- dfb laser
- mqw
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、電界吸収型変調器に関する。 The present invention relates to an electroabsorption modulator.
近年、例えば、情報通信分野などにおいて、電界吸収型変調器(以下、EA(Electro-Absorption)変調器と記す)が用いられている。EA変調器とは、量子閉じ込めシュタルク効果(Quantum Confinement Stark Effect:以下、QCSEと記す)を利用して、EA変調器の活性領域に、電界を選択的に印加することにより、光の吸収量を変化させて光のON/OFF制御を行う変調器である。活性領域に電界が印加されると、QCSEにより吸収スペクトルが長波長側にシフトし、レーザ波長λ0における光の吸収率を変化させている。この時、同時に活性領域の屈折率が変化するので、EA変調器の出力光にチャーピングが発生する。ここで、活性領域は、いわゆる単一量子井戸(Single-Quantum Well:以下、SQWと記す)層、もしくは、多重量子井戸(Multiple-Quantum Well:以下、MQWと記す)層を含んでいる。以下、本明細書において、MQWとは、通常のMQWに加えて、SQWをも含むものとする。 In recent years, for example, in the information communication field, an electroabsorption modulator (hereinafter referred to as an EA (Electro-Absorption) modulator) has been used. The EA modulator uses the quantum confinement Stark effect (hereinafter referred to as QCSE) to selectively apply an electric field to the active region of the EA modulator, thereby reducing the amount of light absorption. It is a modulator that changes the ON / OFF control of light. When an electric field is applied to the active region, the absorption spectrum is shifted to the long wavelength side by QCSE, and the light absorption rate at the laser wavelength λ 0 is changed. At this time, since the refractive index of the active region changes at the same time, chirping occurs in the output light of the EA modulator. Here, the active region includes a so-called single-quantum well (hereinafter referred to as SQW) layer or a multiple-quantum well (hereinafter referred to as MQW) layer. Hereinafter, in this specification, MQW includes SQW in addition to normal MQW.
近年、大きい消光比を維持しつつ、より低いチャープ特性を有する、EA変調器が求められている。より低いチャープ特性を実現するためには、EA変調器のチャープパラメータが負であり、かつ、チャープパラメータがより小さい値である(チャープパラメータの絶対値がより大きい値である)必要がある。 In recent years, there has been a demand for an EA modulator that has a lower chirp characteristic while maintaining a large extinction ratio. In order to realize a lower chirp characteristic, the chirp parameter of the EA modulator must be negative and the chirp parameter must be a smaller value (the absolute value of the chirp parameter is a larger value).
EA変調器における屈折率変化Δnは、EA変調器におけるチャープパラメータに比例しており、屈折率変化Δnは、次に示す(数式1)で表される。 The refractive index change Δn in the EA modulator is proportional to the chirp parameter in the EA modulator, and the refractive index change Δn is expressed by the following (Formula 1).
ここで、λ0はレーザ波長であり、αは吸収係数である。Δαは、電界無印加時(信号ON状態)から電界印加時(信号OFF状態)への吸収係数αの変化量である。また、Pは主値積分を表している。 Here, λ 0 is the laser wavelength and α is the absorption coefficient. Δα is a change amount of the absorption coefficient α from when no electric field is applied (signal ON state) to when an electric field is applied (signal OFF state). P represents principal value integration.
(数式1)の主値積分の第1項及び第2項はともに、分母が正である。よって、主値積分の第1項においてΔαの負の部分を多くし、主値積分の第2項においてΔαの正の部分を多くすることにより、屈折率変化Δnを負とすることができる。 Both the first term and the second term of the principal value integration of (Formula 1) have a positive denominator. Therefore, the refractive index change Δn can be made negative by increasing the negative part of Δα in the first term of the main value integration and increasing the positive part of Δα in the second term of the main value integration.
電界無印加時と電界印加時とで吸収係数αが効果的に変化するEA変調器が、特許文献1に開示されている。特許文献1には、InPウェハ上に積層されるMQW層がInGaAsP系材料で形成される場合が示されており、MQW層のInGaAsP組成が開示されている。
An EA modulator in which the absorption coefficient α effectively changes between when no electric field is applied and when an electric field is applied is disclosed in
InGaAsP系MQW層よりもさらに大きい消光比特性を実現するためには、例えば、MQW層をInGaAlAs系材料で形成するのが望ましい。InGaAlAs系MQWは、InGaAsP系MQWと、バンドオフセットが異なる。InGaAlAs系MQWの伝導帯のバンドオフセットは、InGaAsP系MQWの伝導帯のバンドオフセットより大きいという特徴があり、電子の閉じ込めが強くなることから、(数式1)に表す吸収係数αの変化量Δαが小さくなる傾向がある。それゆえ、InGaAlAs系MQWにおいて、InGaAsP系MQWより、チャープパラメータの値が増加してしまい、低チャープ特性を得ることは困難である。 In order to realize a larger extinction ratio characteristic than that of the InGaAsP-based MQW layer, for example, it is desirable to form the MQW layer with an InGaAlAs-based material. InGaAlAs MQW has a different band offset from InGaAsP MQW. The band offset of the conduction band of the InGaAlAs-based MQW is characterized by being larger than the band offset of the conduction band of the InGaAsP-based MQW. Since the electron confinement becomes strong, the amount of change Δα of the absorption coefficient α expressed by (Equation 1) is There is a tendency to become smaller. Therefore, in the InGaAlAs MQW, the value of the chirp parameter increases compared to the InGaAsP MQW, and it is difficult to obtain low chirp characteristics.
本発明は、かかる課題を鑑みてなされたものであり、大きい消光比と、低チャープ特性とが、ともに実現するEA変調器、半導体光素子、及び光モジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an EA modulator, a semiconductor optical device, and an optical module that achieve both a large extinction ratio and low chirp characteristics.
(1)上記課題を解決するために、本発明に係る電界吸収型変調器は、井戸層の電子の基底準位に対する障壁層の高さを第1エネルギーと、前記井戸層のライトホールの基底準位に対する前記障壁層の高さを第2エネルギーと、前記井戸層のヘビーホールの基底準位に対する前記障壁層の高さを第3エネルギーと、それぞれするとき、前記第2エネルギーは、前記第1エネルギーと実質的に等しく、前記第3エネルギーは前記第2エネルギーより小さい、多重量子井戸を備える。 (1) In order to solve the above-described problem, the electroabsorption modulator according to the present invention is configured such that the height of the barrier layer with respect to the ground level of electrons in the well layer is the first energy, and the base of the light hole in the well layer. When the height of the barrier layer with respect to the level is a second energy, and the height of the barrier layer with respect to the ground level of the heavy hole of the well layer is a third energy, the second energy is the second energy. The third energy comprises a multiple quantum well substantially equal to one energy, the third energy being less than the second energy.
(2)上記(1)に記載の電界吸収型変調器であって、前記第1エネルギー及び前記第2エネルギーは、ともに、25meV以上50meV以下であってもよい。 (2) In the electroabsorption modulator according to (1), both the first energy and the second energy may be 25 meV or more and 50 meV or less.
(3)上記(1)又は(2)に記載の電界吸収型変調器であって、前記多重量子井戸の井戸層は、InGaAlAs系材料によって形成されてもよい。 (3) In the electroabsorption modulator according to (1) or (2), the well layer of the multiple quantum well may be formed of an InGaAlAs-based material.
(4)上記(1)乃至(3)のいずれかに記載の電界吸収型変調器であって、1550nm波長帯の光を変調してもよい。 (4) The electroabsorption modulator according to any one of (1) to (3), wherein light having a wavelength band of 1550 nm may be modulated.
(5)本発明に係る半導体光素子は、上記(1)乃至(4)のいずれかに記載の電界吸収型変調器、を備えていてもよい。 (5) A semiconductor optical device according to the present invention may include the electroabsorption modulator according to any one of (1) to (4).
(6)本発明に係る光モジュールは、上記(5)に記載の半導体光素子、を備えていてもよい。 (6) The optical module which concerns on this invention may be provided with the semiconductor optical element as described in said (5).
本発明により、大きい消光比と、低チャープ特性とが、ともに実現するEA変調器、半導体光素子、及び光モジュールが提供される。 The present invention provides an EA modulator, a semiconductor optical device, and an optical module that achieve both a high extinction ratio and low chirp characteristics.
以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described specifically and in detail based on the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof will be omitted. In addition, the drawings shown below are merely examples of the embodiment, and the size of the drawings and the scales described in this example do not necessarily match.
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態に係る半導体光素子は、EA変調器と、分布帰還型半導体レーザ(以下、DFBレーザ(Distributed FeedBack Laser)と記す)とが同一基板上にモノリシックに集積されるEA変調器集積DFBレーザ1である。当該実施形態に係るEA変調器集積DFBレーザ1は、波長帯が1550nmであり、伝送速度が10.7Gbit/sである80km伝送用の光送受信モジュールに搭載するためのレーザ素子である。
[First Embodiment]
The semiconductor optical device according to the first embodiment of the present invention includes an EA in which an EA modulator and a distributed feedback semiconductor laser (hereinafter referred to as a DFB laser (Distributed FeedBack Laser)) are monolithically integrated on the same substrate. This is a modulator integrated
図1Aは、当該実施形態に係るEA変調器集積DFBレーザ1の上面図であり、図1B及び図1Cは当該実施形態に係る半導体光素子の断面図である。図1Bに、図1AにIB−IB線で示す断面が、図1Cに、図1AにIC−IC線で示す断面が、それぞれ示されている。当該実施形態に係るEA変調器集積DFBレーザ1は、EA変調器部106と、DFBレーザ部111と、を備えている。DFBレーザ部111が連続光を発振し、EA変調器部106が該連続光を変調して、光信号として外部へ出射する。なお、当該実施形態に係るEA変調器集積DFBレーザ1の構造については、後述する。
FIG. 1A is a top view of the EA modulator integrated
図2A乃至図2Cは、量子井戸のバンドダイアグラムを示す図である。図2AはMQWの伝導帯のバンドダイアグラムCを表している。図2Bは、MQWの価電子帯のうち、ライトホール(以下、LHと記す)のバンドダイアグラムVlを表している。図2Cは、MQWの価電子帯のうち、ヘビーホール(以下、HHと記す)のバンドダイアグラムVhを表している。図2A乃至図2Cの縦軸はともにエネルギー準位Eであり、横軸はともに積層方向の位置Zであり、井戸層Wとその両側に位置する障壁層Bのバンドダイアグラムが図に示されている。 2A to 2C are diagrams showing band diagrams of quantum wells. FIG. 2A shows a band diagram C of the conduction band of MQW. FIG. 2B shows a band diagram Vl of a light hole (hereinafter referred to as LH) in the valence band of MQW. FIG. 2C shows a band diagram Vh of a heavy hole (hereinafter referred to as HH) in the MQW valence band. 2A to 2C, the vertical axis is the energy level E, the horizontal axis is the position Z in the stacking direction, and the band diagrams of the well layer W and the barrier layer B located on both sides thereof are shown in the figure. Yes.
図2Aに示す伝導帯のバンドオフセットΔEcは、障壁層Bの伝導帯の下端と、井戸層Wの伝導帯の下端と、の差であり、井戸層Wの伝導帯の、障壁層Bの伝導帯に対する深さを表している。ここで、井戸層W及び障壁層Bの伝導帯の下端とは、各層を形成する材料(バルク)の伝導帯の下端を表している。また、井戸層Wの伝導帯の下端と、井戸層Wの電子の基底準位と、の差をc0とすると、c0は、電子の基底準位の、井戸層Wの伝導帯の下端に対する高さを表している。障壁層の伝導帯の下端に対する、井戸層Wの電子の基底準位の深さを、第1エネルギーと定義すると、第1エネルギーは、ΔEc−c0で表すことが出来、第1エネルギーは、井戸層Wの電子の基底準位に対する障壁層の高さであると言ってもよい。なお、第1エネルギーは、2つのエネルギー準位差の絶対値であり、正の値を取る。 The band offset ΔE c of the conduction band shown in FIG. 2A is the difference between the lower end of the conduction band of the barrier layer B and the lower end of the conduction band of the well layer W, and the conduction band of the well layer W Depth of conduction band. Here, the lower end of the conduction band of the well layer W and the barrier layer B represents the lower end of the conduction band of the material (bulk) forming each layer. Further, if the difference between the lower end of the conduction band of the well layer W and the ground level of electrons in the well layer W is c0, c0 is a height of the ground level of electrons relative to the bottom of the conduction band of the well layer W. It represents. If the depth of the ground level of the electrons of the well layer W with respect to the lower end of the conduction band of the barrier layer is defined as the first energy, the first energy can be expressed by ΔE c −c0, It may be said that the height of the barrier layer with respect to the ground level of electrons in the well layer W. The first energy is an absolute value of the difference between the two energy levels and takes a positive value.
図2Bに示す価電子帯のバンドオフセットΔEvlは、障壁層Bの価電子帯の上端と、井戸層Wの価電子帯(ライトホール)の上端と、の差であり、井戸層Wの価電子帯(ライトホール)の、障壁層Bの価電子帯に対する深さを表している。ここで、井戸層W及び障壁層Bの価電子帯の上端とは、各層を形成する材料(バルク)の価電子帯の上端を表している。また、井戸層Wの価電子帯の上端と、井戸層Wのライトホールの基底準位と、の差をlh0とすると、lh0は、ライトホールの基底準位の、井戸層Wの価電子帯(ライトホール)の上端に対する高さを表している。障壁層の価電子帯の上端に対する、井戸層Wのライトホールの基底準位を、第2エネルギーと定義すると、第2エネルギーは、ΔEvl−lh0で表すことが出来、第2エネルギーは、井戸層Wのライトホールの基底準位に対する障壁層の高さであると言ってもよい。 The band offset ΔE vl of the valence band shown in FIG. 2B is the difference between the upper end of the valence band of the barrier layer B and the upper end of the valence band (light hole) of the well layer W. It represents the depth of the electron band (light hole) relative to the valence band of the barrier layer B. Here, the upper end of the valence band of the well layer W and the barrier layer B represents the upper end of the valence band of the material (bulk) forming each layer. If the difference between the upper end of the valence band of the well layer W and the ground hole level of the well layer W is lh0, lh0 is the valence band of the well layer W at the ground level of the light hole. This represents the height relative to the upper end of the (light hole). If the ground level of the light hole of the well layer W with respect to the upper end of the valence band of the barrier layer is defined as the second energy, the second energy can be expressed by ΔE vl -lh0, and the second energy is It may be said that it is the height of the barrier layer with respect to the ground level of the light hole of the layer W.
図2Cに示す価電子帯VのバンドオフセットΔEvhは、障壁層Bの価電子帯の上端と、井戸層Wの価電子帯(ヘビーホール)の上端と、の差であり、井戸層Wの価電子帯(ヘビーホール)の、障壁層Bの価電子帯に対する深さを表している。ここで、井戸層W及び障壁層Bの価電子帯の上端とは、各層を形成する材料(バルク)の価電子帯の上端を表している。また、井戸層Wの価電子帯の上端と、井戸層Wのヘビーホールの基底準位と、の差をhh0とすると、hh0は、ヘビーホールの基底準位の、井戸層Wの価電子帯(ヘビーホール)の上端に対する高さを表している。障壁層の価電子帯の上端に対する、井戸層Wのヘビーホールの基底準位を、第3エネルギーと定義すると、第3エネルギーは、ΔEvh−hh0で表すことが出来、第3エネルギーは、井戸層Wのヘビーホールの基底準位に対する障壁層の高さであると言ってもよい。なお、第2エネルギー及び第3エネルギーは、第1エネルギーと同様に、正の値を取る。 The band offset ΔE vh of the valence band V shown in FIG. 2C is the difference between the upper end of the valence band of the barrier layer B and the upper end of the valence band (heavy hole) of the well layer W. It represents the depth of the valence band (heavy hole) relative to the valence band of the barrier layer B. Here, the upper end of the valence band of the well layer W and the barrier layer B represents the upper end of the valence band of the material (bulk) forming each layer. Further, when the difference between the upper end of the valence band of the well layer W and the ground hole ground level of the well layer W is hh0, hh0 is the valence band of the well layer W at the ground hole level. This represents the height relative to the upper end of the (heavy hole). When the ground energy level of the heavy hole of the well layer W with respect to the upper end of the valence band of the barrier layer is defined as the third energy, the third energy can be expressed by ΔE vh −hh0. It may be said that it is the height of the barrier layer with respect to the ground level of the heavy hole of the layer W. In addition, 2nd energy and 3rd energy take a positive value similarly to 1st energy.
当該実施形態に係るEA変調器集積DFBレーザ1の主な特徴は、EA変調器部106のMQW層104がInGaAlAs系材料で形成されており、MQW層104のバンドダイアグラムが、第2エネルギーは、第1エネルギーと実質的に等しく(ΔEc−c0=ΔEvl−lh0)、第3エネルギーは第2エネルギーより小さい(ΔEvh−hh0<ΔEvl−lh0)となっていることにある。ここで、第2エネルギーが第1エネルギーと実質的に等しいとは、第2エネルギーが、第1エネルギーと一致するか、第1エネルギーの±10%以内の範囲にあることを言う。さらに、好ましくは±3%以内の範囲であることが好ましい。さらには第1エネルギーと第2エネルギーが等しい場合がさらに望ましい。
The main features of the EA modulator integrated
図3は、当該実施形態に係るEA変調器集積DFBレーザ1のEA変調器部106の吸収スペクトルを示す図である。図の縦軸は吸収係数αを、横軸は波長λを、それぞれ表しており、図にλ0で示す波長は、DFBレーザ部111が発振するレーザ光の波長である。図3に、電界無印加時の吸収スペクトルをスペクトルS1として、電界印加時の吸収スペクトルをスペクトルS2として、それぞれ表している。EA変調器部106のMQW層104のバンドダイアグラムが上記の構造となっていることにより、レーザ波長λ0より短波長側の吸収係数αの変化量Δαが負となる部分を多くし、レーザ波長λ0より長波長側の吸収係数αの変化量Δαが正となる部分を多くすることが出来ている。すなわち、EA変調器部106のMQW層104に電界を印加する際に、量子井戸層にある電子とライトホールが互いに逆方向に移動し、電子の波動関数と、ライトホールの波動関数との、積層方向に沿って空間的な重なり積分を小さくすることが実現出来ている。電界を印加して、波動関数に空間的な偏りが起こりやすくするためには、量子井戸の量子井戸の深さ及び有効質量が依存している。当該実施形態では、電子とライトホールの有効質量が同程度であることに注目して、井戸層に引張歪を導入している。そして、MQW層104のバンドダイアグラムにおいて、有効質量が同程度である電子の基底準位に対する障壁層の高さ(第1エネルギー)と、ライトホールの基底準位に対する障壁層の高さ(第2エネルギー)と、を実質的に等しくし、有効質量が重いヘビーホールの基底準位に対する障壁層の高さ(第3エネルギー)を、電子の基底準位に対する障壁層の高さやライトホールの基底準位に対する障壁層の高さより浅く(小さく)している。MQW層104をInGaAlAs系材料で形成することにより、第1エネルギー(電子の基底準位に対する障壁層の高さ)が、例えばInGaAsP系材料の第1エネルギーよりも大きく、大きい消光比特性を得ることが出来、さらに、EA変調器部106のMQW層104をかかるバンドダイアグラムとすることにより、消光比が大きい特性を有するInGaAlAs系MQWにおいても、より低いチャープ特性を実現することが出来る。さらに、EA変調器集積DFBレーザとすることにより、小型化及び低消費電力がさらに実現されている。
FIG. 3 is a diagram showing an absorption spectrum of the
近年、スマートフォンなどの情報端末の普及による情報伝送量の飛躍的な増大が続いており、その通信基盤を支えている通信デバイスとして、当該実施形態に係るEA変調器型集積DFBレーザ1は最適である。1550nm波長帯における伝送速度が10Gbit/sである80km伝送を実現するためには、第1エネルギー及び第2エネルギーは、25meV以上50meV以下が望ましく(25meV≦ΔEc−c0=ΔEvl−lh0≦50meV)、第1エネルギー及び第2エネルギーがかかる範囲となるよう素子設計を行えばよい。
In recent years, the amount of information transmission has increased dramatically due to the spread of information terminals such as smartphones, and the EA modulator integrated
ここで、MQW層104の井戸層の層厚をLwとすると、MQW層104は、井戸層及び障壁層の組成In(1−x−y)Ga(x)Al(y)Asのx及びyが、以下の(数式2)及び(数式3)で与えられるMQWである。
Here, if the layer thickness of the well layer of the
x=(a・Lw 2+b・Lw+c)・(ΔEc−c0)+(d・Lw 2+e・Lw+f) ・・・(数式2)
x = (a · L w 2 + b · L w + c) · (ΔEc-c0) + (d ·
y=(a・Lw 2+b・Lw+c)・(ΔEc−c0)+(d・Lw 2+e・Lw+f) ・・・(数式3)
y = (a · L w 2 + b · L w + c) · (ΔEc-c0) + (d ·
ここで、MQW層104の井戸層及び障壁層のx及びyの各係数a乃至fは、それぞれ以下の表1で与えられる。すなわち、井戸層及び障壁層のx及びyはそれぞれ、表1に示す各係数の値を(数式2)及び(数式3)それぞれに代入する式を満たしているのが望ましいが、井戸層及び障壁層のx及びyそれぞれは、かかる式によって求まる値の±3%の誤差を有していても、作製されるMQW層のΔEc−c0が25meV以上50meV以下を満たしていればよい。例えばLw=10nmで、ΔEc−c0=25meVとなるようなEA変調器を作製したければ、(数式2)、(数式3)、及び表1より、x及びyを求め、そのx及びyで示される組成でMQW層の井戸層及び障壁層を作製すれば良い。この時、x及びyで決められる組成で作製したとしてもプロセスばらつきなどにより誤差が生じ得るが、誤差に数%のずれが生じる場合であっても、作製されるMQW層のΔEc−c0が25meV以上50meV以下を満たしていれば本願の効果を得ることができる。
Here, the coefficients a to f of the well layer and the barrier layer of the
当該実施形態に係るEA変調器集積DFBレーザ1の第1例及び第2例の構造について説明する。第1例では、第1エネルギー及び第2エネルギーを50meV(ΔEc−c0=ΔEvl−lh0=50meV)と、第3エネルギーを26meV(ΔEvh−hh0=26meV)としている。EA変調器部106は、図1Bに示す通り、n型InP基板101上に、n型InPバッファ層102、n型InGaAlAs下側ガイド層103、MQW層104、p型InGaAlAs上側ガイド層105、p型InPクラッド層112、及びp型コンタクト層113からなる半導体多層が順に積層されている。ここで、MQW層104の井戸層及び障壁層はともにアンドープ層である。そして、井戸層は、層厚Lwが10nmで、組成がIn0.473Ga0.514Al0.013Asであり、障壁層は、層厚Lbが4nmで、組成がIn0.606Ga0.188Al0.206Asであり、MQW層104は、7層の井戸層を含んでいる。半導体多層のうち、光導波路を形成する活性領域の外側にある領域が、n型InPバッファ層102の一部となる高さまで除去されることにより、メサストライプ構造を形成している。さらに、EA変調器部106は、メサストライプ構造の両側面が半絶縁性InP層114によって埋め込まれている埋め込みヘテロ(Buried Hetero:以下、BHと記す)構造を有している。半絶縁性InP層114の上表面の所定の領域にパッシベーション膜115が形成されており、メサストライプ構造の最上面に接触するよう上側電極116(p型電極)が形成されている。さらに、n型InP基板101の裏面には、EA変調器部106及びDFBレーザ部111共通の下側電極117(n型電極)が形成されている。
The structure of the first example and the second example of the EA modulator integrated
これに対して、DFBレーザ部111は、図1Cに示す通り、n型InP基板101上に、n型InPバッファ層102、n型InGaAsP下側ガイド層107、MQW層108、p型InGaAsP上側ガイド層109、10nmから20nm程度の層厚のp型InGaAsP回折格子層110、p型InPクラッド層112、及びp型コンタクト層113からなる半導体多層が順に積層されている。MQW層108は、井戸層・障壁層が共に、アンドープInGaAsPによって構成されている。DFBレーザ部111の半導体多層は、EA変調器部106と同様に、メサストライプ構造を形成しており、さらに、DFBレーザ部111は、BH構造を有し、さらに上側に、パッシベーション膜115及び上側電極116が形成されている。
In contrast, as shown in FIG. 1C, the
図1Aに示す通り、当該実施形態に係るEA変調器集積DFBレーザ1は、同一基板上に、EA変調器部106と、DFBレーザ部111とが、モノリシックに集積されており、出射側とは反対側の端面(図1Aの右側の端面)に反射膜118が、出射側の端面(図1Aの左側の端面)に反射抑制膜119が、それぞれ形成されている。
As shown in FIG. 1A, in the EA modulator integrated
次に、当該実施形態に係るEA変調器集積DFBレーザ1の第2例の構造について説明する。第2例では、第1エネルギー及び第2エネルギーを30meV(ΔEc−c0=ΔEvl−lh0=30meV)と、第3エネルギーを17meV(ΔEvh−hh0=17meV)としており、MQW層104の井戸層は、層厚Lwが10nmで、組成がIn0.485Ga0.494Al0.022Asであり、障壁層は、層厚Lbが4nmで、組成がIn0.595Ga0.227Al0.178Asである。なお、MQW層104は、7層の井戸層を含んでいる。それ以外については、第2例は、第1例と同じ構造をしている。
Next, the structure of the second example of the EA modulator integrated
図4は、当該実施形態に係るEA変調器集積DFBレーザ1の第1例のα特性についての測定結果を、図5は、同様に第2例のα特性についての測定結果を、それぞれ示す図である。α特性は、EA変調器部106のチャープパラメータの指標となる特性である。なお、α特性は、吸収係数αとは全く異なる特性である。図4及び図5に示す通り、第1例及び第2例のEA変調器集積DFBレーザとも、Vea<−0.4Vにてα<0を達成した。その結果、伝送速度が10Gbit/sであって、波長分散が1600ps/nm(すなわち、80km相当の伝送)において、伝送試験を行ったところ、一般的な伝送ペナルティの仕様である2dBに対して、伝送ペナルティ1.5dBを得ることができた。同時に電気の振幅電圧Vmod=1.2Vにて、消光比は11.2dBと大きな消光比を達成し、大きい消光比と低チャープ特性(低伝送ペナルティ特性)の両立を実現した。
FIG. 4 is a diagram showing measurement results for the α characteristics of the first example of the EA modulator integrated
以下に、当該実施形態に係るEA変調器集積DFBレーザ1の製造方法について説明する。ウェハ形状をしたn型InP基板101上に、有機金属気相成長法(以下、MO−CVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)法と記す)により、n型InPバッファ層102、n型InGaAlAs下側ガイド層103、MQW層104、p型InGaAlAs上側ガイド層105、及びp型InPキャップ層を、順に、結晶成長する(EA変調器部106の第1多層成長)。
A method for manufacturing the EA modulator integrated
そして、こうして形成されたウェハ全体のうち、EA変調器集積DFBレーザ1のEA変調器部106となる領域の上にのみ、熱気相成長法(以下、T−CVD(Thermal-Chemical Vapor Deposition)法と記す)により、酸化膜(SiO2)を形成する。そして、ドライエッチング・ウェットエッチングを施して、このEA変調器部106となる領域以外の領域に位置する、n型InPバッファ層102より上の多層部分を除去する。
The thermal vapor deposition method (hereinafter referred to as T-CVD (Thermal-Chemical Vapor Deposition) method) is applied only on the region to be the
その後、ウェハ全体のうち、EA変調器集積DFBレーザ1のDFBレーザ部111となる領域の上に、バットジョイント技術を用いてn型InGaAsP下側ガイド層107、MQW層108、p型InGaAsP上側ガイド層109、10nmから20nm程度の層厚のp型InGaAsP回折格子層110、及びp型InPキャップ層を、順に、結晶成長する(DFBレーザ部111の第1多層成長)。
Thereafter, the n-type InGaAsP
なお、ここではEA変調器部106、DFBレーザ部111の順に半導体多層を形成するとしたが、形成する順序は、どちらが先でもかまわない。EA変調器部106及びDFBレーザ部111を形成した後、DFBレーザ部111のp型InPキャップ層のみがエッチングされる。そして、各EA変調器集積DFBレーザのDFBレーザ部111となる領域の上にのみ、p型InGaAsP回折格子層110に干渉露光法によって回折格子が形成される。なお、回折格子の形成においてはEB描画法により形成しても構わない。
Here, it is assumed that the semiconductor multilayer is formed in the order of the
さらに、p型InPクラッド層112、p型コンタクト層113、及びp型InP保護層を、順に、MO−CVD法により、結晶成長される(第2多層成長)。第1多層、第2多層ともに、p型半導体のドーパントとして、亜鉛(Zn)が用いられている。
Further, the p-type
次に、ストライブ状にパターニングして形成されたSiO2膜をマスクに、ドライエッチングを施して、EA変調器部106及びDFBレーザ部111に、所定の幅のメサストライプ構造を形成する。このとき、メサストライプ構造の最下点は、n型InPバッファ層102の一部となる高さまで及んでおり、EA変調器部106及びDFBレーザ部111において、活性層となるMQW層104,108は、それぞれ、メサ構造の最下点から上方に位置している。その後、メサストライプ構造の両側面に、ルテニウム(Ru)をドーパントとした半絶縁性InP層114を形成する。形成される際の温度は、半絶縁性InP層114の抵抗率と埋め込み形状が最適になるように、550〜600℃の間に設定される。
Next, dry etching is performed using a SiO 2 film formed by patterning in a stripe shape as a mask to form a mesa stripe structure having a predetermined width in the
その後、EA変調器部106とDFBレーザ部111になる領域の間にある領域のp型コンタクト層113を除去して、EA変調器部106のp型コンタクト層113とDFBレーザ部111のp型コンタクト層113とを電気的に遮断する。そして、このウェハ全体を一旦パッシベーション膜115(SiO2膜)で保護して、EA変調器部106及びDFBレーザ部111において、メサストライプ構造の最上面に形成されるパッシベーション膜115を部分的に除去してスルーホールを形成した後、上側電極116を蒸着して、イオンミリングによって電極パターニングを行う。最後に、n型InP基板101の下面を、ウェハ全体の厚さが100〜150μmになる程度まで研磨して、下側電極117を蒸着して、ウェハ工程が完了する。
Thereafter, the p-
続いて、このウェハを、バー状の形状となるよう劈開して、レーザ素子の後方側(レーザ部側)の劈開面に、反射率90%以上の反射膜118を、レーザ素子の前方側(EA変調器部側)の劈開面に、反射率1%以下の反射抑制膜119を、それぞれコーティングする。その後、さらに、チップ状に劈開され、EA変調器集積DFBレーザ1それぞれが作製される。
Subsequently, the wafer is cleaved so as to have a bar shape, and a
以上、当該実施形態に係るEA変調器集積DFBレーザ1について説明した。当該実施形態に係るEA変調器集積DFBレーザ1のEA変調器部106では、MQW層104をInGaAlAs系材料で形成することにより大きい消光比を実現し、MQW層104のバンドダイアグラムを前述の通りとすることにより、低いチャープ特性をも実現している。チャープ特性を低くすることと、消光比を大きくすることは、一般には、トレードオフの関係となるので、素子製品の目的・用途に応じて、第1エネルギー及び第2エネルギーを25meV〜50meVの間で調整することにより、大きい消光比と、低チャープ特性とが、ともに実現する半導体光素子が実現される。
The EA modulator
本発明は、1550nm波長帯で用いられ、MQW層104がInGaAlAs系材料で形成される場合に、大きい消光比と、低いチャープ特性を実現することが出来、最適であるが、MQW層104を形成する材料は、InGaAlAs系に限定されることはない。他の材料を用いてMQWを形成する場合であっても、同様のバンドダイアグラムを実現することができれば、電子とホールの振る舞いにより当該実施形態と同様の効果を奏する。また、当該実施形態では、EA変調器と、DFBレーザとが、同一基板上にモノリシックに集積されるレーザ素子としたが、これに限定されることはない。他のレーザであってもよいし、EA変調器が外部変調器として、半導体レーザ素子が出力する連続光を変調してもよい。かかる場合であっても、当該実施形態と同様の効果を奏することは言うまでもない。
The present invention is used in the 1550 nm wavelength band, and when the
[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態に係る光モジュールは、第1の実施形態に係るEA変調器集積DFBレーザ1を備える、光モジュールである。図6は、当該実施形態に係る光モジュールの構成を示す模式図である。当該実施形態に係る光モジュールは、EA変調器集積DFBレーザ1、2つのレンズ10、アイソレータ11、光ファイバ12、サーミスタ13、及びモニタPD14を、備えている。EA変調器集積DFBレーザ1より、変調された光信号が出力する。EA変調器集積DFBレーザ1より出力した光信号は、1つ目のレンズ10によってより平行光に近づけられ、アイソレータ11を通過して、2つ目のレンズ10により、光ファイバ12の入力端付近で集光され、そして、光ファイバ12に結合される。EA変調器集積DFBレーザ1の温度は、サーミスタ13により所定の一定温度に保たれる。また、EA変調器集積DFBレーザ1の光出力は、モニタPD14(pin-Diode:受光素子)によってモニタされ、光出力量がフィードバックされて駆動電流が制御される。第1の実施形態に係るEA変調器集積DFBレーザ1において、大きい消光比と、低いチャープ特性が実現されており、当該実施形態に係る光モジュールでは、光ファイバ12が通常分散のものであっても、80kmといった長距離伝送をするのに十分な程度に、良好な伝送特性を得ることが出来ている。すなわち、光ファイバ12で長距離伝送を行った後の光であっても、光信号のON/OFFを識別することが可能である。なお、当該実施形態に係る光モジュールは、図6に示す光送信モジュール(TOSA)としているが、これに限定されることはなく、他の光モジュール、例えば、光送受信モジュールであっても、格別の効果を奏することは言うまでもない。
[Second Embodiment]
The optical module according to the second embodiment of the present invention is an optical module including the EA modulator integrated
[第3の実施形態]
本発明の第3の実施形態に係る光伝送装置は、第2の実施形態に係る光モジュールを備える、光伝送装置(光送受信システム)である。また、当該実施形態に係るルータは、第2の実施形態に係る光モジュールを備える、ルータであってもよい。当該実施形態に係る光伝送装置、又はルータは、第2の実施形態に係る光モジュールを備えることにより、小型、低コストで大容量の通信を実現できる。
[Third Embodiment]
The optical transmission apparatus according to the third embodiment of the present invention is an optical transmission apparatus (optical transmission / reception system) including the optical module according to the second embodiment. The router according to this embodiment may be a router including the optical module according to the second embodiment. The optical transmission device or the router according to the embodiment can realize a large-capacity communication at a small size and at a low cost by including the optical module according to the second embodiment.
以上、本発明の実施形態に係るEA変調器、半導体光素子、及び光モジュールについて説明した。本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 The EA modulator, semiconductor optical device, and optical module according to the embodiment of the present invention have been described above. It goes without saying that the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
1 EA変調器集積DFBレーザ、10 レンズ、11 アイソレータ、12 光ファイバ、13 サーミスタ、14 モニタPD、101 n型InP基板、102 n型InPバッファ層、103 n型InGaAlAs下側ガイド層、104 MQW層、105 p型InGaAlAs上側ガイド層、106 EA変調器部、107 n型InGaAsP下側ガイド層、108 MWQ層、109 p型InGaAsP上側ガイド層、110 p型InGaAsP回折格子層、111 DFBレーザ部、112 p型InPクラッド層、113 p型コンタクト層、114 半絶縁性InP層、115 パッシベーション膜、116 上側電極、117 下側電極、118 反射膜、119 反射抑制膜。 1 EA modulator integrated DFB laser, 10 lens, 11 isolator, 12 optical fiber, 13 thermistor, 14 monitor PD, 101 n-type InP substrate, 102 n-type InP buffer layer, 103 n-type InGaAlAs lower guide layer, 104 MQW layer 105 p-type InGaAlAs upper guide layer, 106 EA modulator section, 107 n-type InGaAsP lower guide layer, 108 MWQ layer, 109 p-type InGaAsP upper guide layer, 110 p-type InGaAsP diffraction grating layer, 111 DFB laser section, 112 p-type InP cladding layer, 113 p-type contact layer, 114 semi-insulating InP layer, 115 passivation film, 116 upper electrode, 117 lower electrode, 118 reflection film, 119 antireflection film.
Claims (6)
前記第2エネルギーは、前記第1エネルギーと実質的に等しく、前記第3エネルギーは前記第2エネルギーより小さい、多重量子井戸を備える、電界吸収型変調器。 The height of the barrier layer with respect to the ground level of electrons in the well layer is a first energy, the height of the barrier layer with respect to the ground level of the light hole in the well layer is a second energy, and the height of the heavy hole in the well layer. When the height of the barrier layer with respect to the ground level is set as the third energy, respectively,
The electroabsorption modulator comprising a multiple quantum well, wherein the second energy is substantially equal to the first energy, and the third energy is smaller than the second energy.
前記第1エネルギー及び前記第2エネルギーは、ともに、25meV以上50meV以下である、
ことを特徴とする、電界吸収型変調器。 The electroabsorption modulator according to claim 1,
The first energy and the second energy are both 25 meV or more and 50 meV or less.
An electroabsorption modulator characterized by that.
前記多重量子井戸の井戸層は、InGaAlAs系材料によって形成される、
ことを特徴とする、電界吸収型変調器。 The electroabsorption modulator according to claim 1 or 2,
The well layer of the multiple quantum well is formed of an InGaAlAs-based material.
An electroabsorption modulator characterized by that.
1550nm波長帯の光を変調する、
ことを特徴とする、電界吸収型変調器。 The electroabsorption modulator according to any one of claims 1 to 3,
Modulates light in the 1550 nm wavelength band,
An electroabsorption modulator characterized by that.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013082290A JP2014206557A (en) | 2013-04-10 | 2013-04-10 | Electric field absorption modulator, semiconductor optical element, and optical module |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013082290A JP2014206557A (en) | 2013-04-10 | 2013-04-10 | Electric field absorption modulator, semiconductor optical element, and optical module |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014206557A true JP2014206557A (en) | 2014-10-30 |
Family
ID=52120170
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013082290A Pending JP2014206557A (en) | 2013-04-10 | 2013-04-10 | Electric field absorption modulator, semiconductor optical element, and optical module |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2014206557A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019020614A (en) * | 2017-07-19 | 2019-02-07 | 日本オクラロ株式会社 | Optical transmission module |
JP2021026134A (en) * | 2019-08-06 | 2021-02-22 | 日本ルメンタム株式会社 | Embedded semiconductor optical element and manufacturing method of the same |
JP2021193756A (en) * | 2016-09-26 | 2021-12-23 | 日本ルメンタム株式会社 | Optical semiconductor element, optical module, and method for manufacturing optical semiconductor element |
-
2013
- 2013-04-10 JP JP2013082290A patent/JP2014206557A/en active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021193756A (en) * | 2016-09-26 | 2021-12-23 | 日本ルメンタム株式会社 | Optical semiconductor element, optical module, and method for manufacturing optical semiconductor element |
JP7267370B2 (en) | 2016-09-26 | 2023-05-01 | 日本ルメンタム株式会社 | Optical semiconductor device, optical module, and method for manufacturing optical semiconductor device |
JP2019020614A (en) * | 2017-07-19 | 2019-02-07 | 日本オクラロ株式会社 | Optical transmission module |
JP6998691B2 (en) | 2017-07-19 | 2022-01-18 | 日本ルメンタム株式会社 | Optical transmission module |
JP2021026134A (en) * | 2019-08-06 | 2021-02-22 | 日本ルメンタム株式会社 | Embedded semiconductor optical element and manufacturing method of the same |
JP7294938B2 (en) | 2019-08-06 | 2023-06-20 | 日本ルメンタム株式会社 | Embedded type semiconductor optical device and manufacturing method thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7809038B2 (en) | Electro-absorption optical modulator integrated with a laser to produce high speed, uncooled, long distance, low power, 1550 nm optical communication device with optimized parameters | |
JP4920506B2 (en) | Electroabsorption optical modulator | |
JP5467953B2 (en) | Semiconductor optical device, optical transmission module, optical transmission / reception module, and optical transmission device | |
JP2021193756A (en) | Optical semiconductor element, optical module, and method for manufacturing optical semiconductor element | |
JP5545847B2 (en) | Optical semiconductor device | |
US8687269B2 (en) | Opto-electronic device | |
JP5801589B2 (en) | Light modulation element | |
JP5243901B2 (en) | Coaxial type semiconductor optical module | |
JP2019054107A (en) | Semiconductor optical element | |
JP7457485B2 (en) | Embedded semiconductor optical device | |
JP2019008179A (en) | Semiconductor optical element | |
JP2014206557A (en) | Electric field absorption modulator, semiconductor optical element, and optical module | |
JP4547765B2 (en) | Optical modulator, semiconductor laser device with optical modulator, and optical communication device | |
US20130207140A1 (en) | Semiconductor Optical Element Semiconductor Optical Module and Manufacturing Method Thereof | |
JP6939411B2 (en) | Semiconductor optical device | |
US11462886B2 (en) | Buried-type semiconductor optical device | |
JP4550371B2 (en) | Electroabsorption optical modulator, semiconductor integrated device with electroabsorption optical modulator, module using them, and method for manufacturing semiconductor integrated device with electroabsorption optical modulator | |
JP2012002929A (en) | Method for manufacturing semiconductor optical element, laser module, and optical transmission apparatus | |
JP2001013472A (en) | Optical semiconductor element and optical communication equipment | |
JP4105618B2 (en) | Semiconductor optical modulation waveguide | |
JP2002057405A (en) | Semiconductor laser device and its manufacturing method | |
JP2010114158A (en) | Process of fabricating electroabsorption optical modulator integrated laser device | |
JP5772466B2 (en) | OPTICAL SEMICONDUCTOR DEVICE, OPTICAL TRANSMITTER MODULE, OPTICAL TRANSMISSION SYSTEM, AND OPTICAL SEMICONDUCTOR DEVICE MANUFACTURING METHOD | |
JP2009016878A (en) | Semiconductor laser and optical module using the same | |
JP5550713B2 (en) | Coaxial type semiconductor optical module |