JP2016114712A - 半導体マッハツェンダー光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】光損失が小さく、かつ、小型の位相調整手段を備える半導体マッハツェンダー光変調器を提供すること。【解決手段】マッハツェンダー干渉計を構成する２つのアーム導波路上に、変調信号を印加する位相変調用の電極１０５と、ＤＣバイアス電圧を印加する位相調整用の電極１０６が形成された半導体マッハツェンダー光変調器で、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０１、ノンドープの半導体コア層１０２、ノンドープＩｎＰクラッド層１０３、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４が順次積層されている。但し、ノンドープＩｎＰクラッド層１０３は、位相調整用の電極１０６の直下の位相調整領域においては、設けられていないか、もしくは厚さが他の領域に比べ薄い状態とされる。【選択図】図１

Description

本発明は、光通信システムの送信器に利用できる半導体マッハツェンダー光変調器に関する。

ＷＤＭ光通信システムの大容量化を実現するには、１波長あたりの伝送レートを上げることが有用である。伝送レート増加には、一般に光伝送路に送出するシンボルレートを上げる方法がある。しかし、この場合、変調による占有周波数帯域がシンボルレートに比例して増大することになるため、シンボルレート増大に伴っていずれは決められたグリッド間隔で並ぶ隣接チャネルとの符号間干渉が発生することなり伝送特性が劣化する。

そのため、近年では、シンボルレートを上げることなく、１シンボルあたりの信号多重度を上げることで、システムの大容量化を実現するための研究が盛んに行われている。信号多重度を上げる方式として、例えば、１シンボルに２値（多重度２）を割り当てることで伝送容量を２倍にするＱＰＳＫ方式や、１シンボルに４値（多重度４）を割り当てることで伝送容量を４倍にする１６ＱＡＭ方式、１６ＡＰＳＫ方式等の多値変調方式が知られている。

通常、これらの多値変調を実行する場合には、光変調器としてＩ／Ｑ変調器が用いられる。Ｉ／Ｑ変調器は別名直交変調器とも呼ばれ、直交する光電界成分（Ｉチャンネル：In-phase channe、Ｑチャンネル：Quadrature-phase channel）を独立して生成可能な変調器であり、マッハツェンダー（ＭＺ：Mach-Zehnder）変調器を並列接続した特殊な構成をとるものである（例えば、特許文献１参照）。

マッハツェンダー変調器で代表的なものとしては、ＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）の誘電体を用いたＬＮ変調器が、現在、広く用いられているが、最近では、小型化に向けて、半導体ＭＺ変調器の開発も盛んに行われている（非特許文献１参照）。

しかし、実際に素子を作製した場合、小型ゆえにマッハツェンダー干渉計のアーム領域を構成する導波路側面のラフネス等のわずかな作製誤差が両アームの光路長差となり、動作点のずれが発生してしまう可能性がある。

そこで、この位相ずれを補償するため、位相調整手段を集積した半導体ＭＺ変調器が提案されている（非特許文献２参照）。位相調整方法の１つとして、電流注入によるプラズマ効果で屈折率変化を誘起し、マッハツェンダーアーム間の位相差を調整することが考えられる。

特表２００４−５１６７４３号公報

C. Rolland et al., "10 Gbit/s, 1.56μm multiquantum well InP/InGaAsP Mach-Zehnder optical modulator," Electron. Lett., vol. 29, no.5, pp. 471-472, 1993 E. Yamada et al., "Full C-band 40-Gbit/s DPSK tunable transmitter module developed by hybrid integration of tunable laser and InP n-p-i-n Mach-Zehnder modulator," Optical Fiber Communication (OFC), collocated National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC), OWU4, 2010

しかしながら、この電流注入によるプラズマ効果を利用する方法は、同時に自由キャリア吸収による大きな光損失が生じてしまうという課題がある。

もう１つの位相調整方法としては、位相変調領域と同じ構造を用いて電圧印加による電気光学効果を用いたものが考えられる（非特許文献２参照）。この方法は、自由キャリア吸収による損失増大を回避できるが、通常、位相変調領域の半導体コア層のバンドギャップ波長は、大きな電界吸収効果を発生しないよう動作波長から短波長側へ十分離して設計されるため、変調効率は電流注入によるプラズマ効果を利用する方法に比べ小さい。プラズマ効果による屈折率の最大変化率は屈折率の１％程度であるのに対して、電気光学効果による変化率は０．１％のオーダーであり、一桁低い。そのため、位相調整領域において位相変調領域と同じ構造を用いると、結果、長い位相調整領域が必要となり、素子サイズが大きくなるという課題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、光損失が小さく、かつ、小型の位相調整手段を備える半導体マッハツェンダー光変調器を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、マッハツェンダーアーム導波路のうち少なくとも一方に位相変調用電極と位相調整用電極を備えた半導体マッハツェンダー光変調器であって、前記マッハツェンダーアーム導波路は、少なくともｎ型クラッド層、コア層、ｐ型クラッド層が積層された半導体光導波路構造を有し、前記位相変調用電極および前記位相調整用電極は、前記ｐ型クラッド層上に設けられ、前記位相変調用電極に電圧を印加することによって電界が生じる領域は、前記ｎ型クラッド層、前記コア層、第１のノンドープクラッド層、前記ｐ型クラッド層が積層された半導体光導波路構造であり、前記位相調整用電極に電圧を印加することによって電界が生じる領域は、前記ｎ型クラッド層、前記コア層、前記ｐ型クラッド層が積層された半導体光導波路構造、又は、前記ｎ型クラッド層、前記コア層、第２のノンドープクラッド層、前記ｐ型クラッド層が積層された半導体光導波路構造であり、前記第２のノンドープクラッド層は前記第１のノンドープクラッド層よりも薄いことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の半導体マッハツェンダー光変調器において、
前記コア層の少なくとも一部は、多重量子井戸層構造を有することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の半導体マッハツェンダー光変調器において、前記ｎ型クラッド層は、電圧を印加された前記位相変調用電極および前記位相調整用電極との間に電界が生じるように、前記位相変調用電極および前記位相調整用電極に対して電位差を有することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体マッハツェンダー光変調器において、前記位相変調用電極に印加される電圧は交流電圧であり、前記位相調整用電極に印加される電圧は直流電圧であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体マッハツェンダー光変調器において、前記位相変調用電極は、進行波型電極であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体マッハツェンダー光変調器において、前記ｎ型クラッド層、前記第１および２のノンドープクラッド層、前記ｐ型クラッド層は、ＩｎＰ系材料又はＧａＡｓ基板整合する材料からなることを特徴とする。

本発明によれば、位相調整手段が形成される領域（位相調整領域）の電界強度を高めることにより、位相変調手段が形成される領域（位相変調領域）よりも大きな屈折率変化を得ることができる。その結果、位相調整領域の長さを短くすることが可能となり、小型の半導体マッハツェンダー光変調器が実現できる。

本発明の第１の実施例における半導体マッハツェンダー光変調器の概略図を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＢＢにおける断面図、（ｃ）は（ａ）のＣＣにおける断面図である。 量子井戸数が４の多重量子井戸層とＳＣＨ層とを有する半導体コア層のバンド構造を示す図である。 従来の半導体マッハツェンダー光変調器の概略図を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＢＢにおける断面図、（ｃ）は（ａ）のＣＣにおける断面図である。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）〜（ｃ）に、本発明の第１の実施形態に係る半導体マッハツェンダー光変調器の概略図を示す。図１の（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＢＢにおける断面図、（ｃ）は（ａ）のＣＣにおける断面図、（ｄ）は（ａ）のＤＤにおける断面図をそれぞれ示している。

この半導体マッハツェンダー光変調器は、マッハツェンダー干渉計を構成する２つのアーム導波路上に、変調信号を印加する位相変調用の電極１０５と、ＤＣバイアス電圧を印加する位相調整用の電極１０６が形成されている。本実施形態では、２本のマッハツェンダーアーム導波路の両方に電極が形成されているが、どちらから一方のマッハツェンダーアーム導波路上にのみ形成されていてもよい。

本実施形態に係る半導体マッハツェンダー光変調器では、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０１、ノンドープの半導体コア層１０２、ノンドープＩｎＰクラッド層１０３、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４が順次積層されている。但し、本発明では、ノンドープＩｎＰクラッド層１０３は、位相調整用の電極１０６の直下の位相調整領域においては、設けられていないか、もしくは厚さが他の領域に比べ薄くされる。図１に示す本実施形態では、位相調整領域において、ノンドープＩｎＰクラッド層１０３が設けられておらず、半導体コア層１０２にｐ型ＩｎＰクラッド層１０４が接している例を示している。

半導体コア層１０２は、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０１、ノンドープＩｎＰクラッド層１０３、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４よりもバンドギャップ波長が短く、屈折率が高い組成の混晶半導体でできており、この部分に光が閉じ込められることにより、光導波路として機能する。

半導体コア層１０２は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓなどの材料系を用い、単一組成の四元混晶のバルク層や多重量子井戸層で構成したり、図２に示すような、多重量子井戸層とその上下にバンドギャップが多重量子井戸層よりも大きく、かつ、ＩｎＰ層よりも小さい値を持つ分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）の光閉じ込め層とを有する構造を用いたりすることもできる。また、四元混晶のバルク層や多重量子井戸層のバンドギャップ波長は、入力光に使用する光波長に対して、電気光学効果が有効に作用し、かつ、光吸収が問題とならないように設定されている。

また、光導波路は、図１（ｃ）、（ｄ）に示すようにハイメサ導波路構造を有し、半導体コア層１０２へ電圧印加を行うため、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４の上部に、位相変調用の電極１０５と位相調整用の電極１０６が設けられている。ｎ型ＩｎＰクラッド層１０１は、電極１０５、１０６に対して電位差を持つようにされており、本実施形態ではｎ型ＩｎＰクラッド層１０１が接地されている。

位相変調用の電極１０５には、高速（例えば、１０ＧＨｚ以上）の電気信号を入力するため、例えば、特性インピーダンスが５０Ωになるよう設計された高周波線路を用いた、高周波特性に優れる進行波型の電極を用いることが望ましい。一方、位相調整用の電極１０６は、光の位相を所望の値にシフトさせ、それを維持するためにＤＣバイアス電圧が印加されるため、特に高周波特性に配慮する必要はない。これらの電極１０５、１０６に負の電圧を印加すると半導体コア層１０２において電気光学効果により屈折率変化が発生し、光の位相を変化させることができる。

ノンドープＩｎＰクラッド層１０３は、導波光の電界分布がｐ型ＩｎＰクラッド層１０４に及ばないようにするために挿入されている。ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４の光の吸収係数はｎ型ＩｎＰクラッド層１０１よりも約１０倍大きいため、この部分に光の電界分布があると、大きな挿入損失となるので、それを避けるために挿入されている。

半導体の特徴として、１次の電気光学効果（ポッケルス効果）と、さらにフランツケルディシュ効果や量子閉じ込めシュタルク効果による２次の電気光学効果を有するという特徴があり、ノンドープ層を薄くして電界強度を上げればそれだけ、線形以上の変調効率上昇が見込める。一般に、電圧印加時に単位長さ当たりに受ける屈折率変化Δｎを考えると、

と表される。ここで、Ｅは半導体コア層１０２内の電界強度、ａは１次の電気光学効果（ポッケルス効果）の係数、ｂは２次の電気光学効果の係数である。

本実施形態では、位相調整領域にノンドープＩｎＰクラッド層１０３がないため、同じ電圧を掛けても半導体コア層１０２の電界強度が上がり、より大きな屈折率変化が得られることになる。言い換えれば、必要な屈折率変化に対して、より短い位相変調領域で済むことになり、より小型の半導体マッハツェンダー光変調器を実現できる。

図３に従来の半導体マッハツェンダー光変調器の例を示す。図３の（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＢＢにおける断面図、（ｃ）は（ａ）のＣＣにおける断面図、（ｄ）は（ａ）のＤＤにおける断面図をそれぞれ示している。従来の半導体マッハツェンダー光変調器では、ｎ型ＩｎＰクラッド層２０１、ノンドープの半導体コア層２０２、ノンドープＩｎＰクラッド層２０３、ｐ型ＩｎＰクラッド層２０４が順次積層されている。また、マッハツェンダー干渉計を構成する２つのアーム導波路上に、変調信号を印加する位相変調用の電極２０５と、ＤＣバイアス電圧を印加する位相調整用の電極２０６が形成されている。

ノンドープの半導体コア層２０２の厚さは３００ｎｍで、ノンドープＩｎＰクラッド層２０３の厚さは４００ｎｍとなっており、ノンドープ層の合計の厚さは７００ｎｍとなっている。この例では、位相変調領域と位相調整領域の長さは同一の３ｍｍとなっている。

これに対し、本実施形態では、位相調整領域にノンドープＩｎＰクラッド層１０３がないために、ノンドープ層の合計の厚さは３００ｎｍである。したがって、同じ印加電圧でも、半導体コア層１０２にかかる電界強度は約２．３倍（＝７００ｎｍ／３００ｎｍ）となる。屈折率変化としては、２次の項もあるため、約３倍となる。

よって、本実施形態では、位相調整領域の長さを従来の１／３の１ｍｍと大幅に短縮化しても従来と同等の位相調整特性を有する、小型な半導体マッハツェンダー光変調器を得ることができる。また、位相調整領域を狭くできるため、ノンドープＩｎＰクラッド層１０３がないことによる、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４による光損失の増加は小さく抑えることができる。

このように光の伝搬方向に沿ってノンドープＩｎＰクラッド層１０３がない部分を作製する方法としては、例えば、ノンドープＩｎＰクラッド層１０３を全面に結晶成長したのち、ドライエッチングやウェットエッチングによって位相調整領域の部分のみ選択エッチング除去後、ｐ型ＩｎＰ半導体クラッド層１０４を全面に一括成長することによって形成することができる。

なお、本実施形態では、導波路構造として、ハイメサ導波路構造を用いているが、これに限らず、リッジ導波路構造を用いても良い。また、導波路の部材としてはＩｎＰ系材料に限定されるものではなく、例えば、ＧａＡｓ基板整合する材料系を用いても構わない。

また、光導波路のシングルモード条件と伝搬損失の観点、及び、インピーダンス整合と速度整合を満たすことを考えると、光導波路幅は、１．２μｍ〜２．５μｍ程度、ノンドープの半導体コア層１０２とノンドープＩｎＰクラッド層１０３とを足し合わせた層厚は、０．２μｍ〜２．０μｍ程度で調整されることが好ましい。

１０１、２０１ ｎ型ＩｎＰクラッド層
１０２、２０２ 半導体コア層
１０３、２０３ ノンドープＩｎＰクラッド層
１０４、２０４ ｐ型ＩｎＰ半導体クラッド層
１０５、１０６、２０５、２０６ 電極

Claims (6)

1. マッハツェンダーアーム導波路のうち少なくとも一方に位相変調用電極と位相調整用電極を備えた半導体マッハツェンダー光変調器であって、
   前記マッハツェンダーアーム導波路は、少なくともｎ型クラッド層、コア層、ｐ型クラッド層が積層された半導体光導波路構造を有し、
   前記位相変調用電極および前記位相調整用電極は、前記ｐ型クラッド層上に設けられ、
   前記位相変調用電極に電圧を印加することによって電界が生じる領域は、前記ｎ型クラッド層、前記コア層、第１のノンドープクラッド層、前記ｐ型クラッド層が積層された半導体光導波路構造であり、
   前記位相調整用電極に電圧を印加することによって電界が生じる領域は、前記ｎ型クラッド層、前記コア層、前記ｐ型クラッド層が積層された半導体光導波路構造、又は、前記ｎ型クラッド層、前記コア層、第２のノンドープクラッド層、前記ｐ型クラッド層が積層された半導体光導波路構造であり、前記第２のノンドープクラッド層は前記第１のノンドープクラッド層よりも薄いことを特徴とする半導体マッハツェンダー光変調器。
2. 前記コア層の少なくとも一部は、多重量子井戸層構造を有することを特徴とする請求項１記載の半導体マッハツェンダー光変調器。
3. 前記ｎ型クラッド層は、電圧を印加された前記位相変調用電極および前記位相調整用電極との間に電界が生じるように、前記位相変調用電極および前記位相調整用電極に対して電位差を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体マッハツェンダー光変調器。
4. 前記位相変調用電極に印加される電圧は交流電圧であり、前記位相調整用電極に印加される電圧は直流電圧であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体マッハツェンダー光変調器。
5. 前記位相変調用電極は、進行波型電極であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体マッハツェンダー光変調器。
6. 前記ｎ型クラッド層、前記第１および２のノンドープクラッド層、前記ｐ型クラッド層は、ＩｎＰ系材料又はＧａＡｓ基板整合する材料からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体マッハツェンダー光変調器。