JP2017156646A - Semiconductor Mach-Zehnder optical modulator - Google Patents
Semiconductor Mach-Zehnder optical modulator Download PDFInfo
- Publication number
- JP2017156646A JP2017156646A JP2016041589A JP2016041589A JP2017156646A JP 2017156646 A JP2017156646 A JP 2017156646A JP 2016041589 A JP2016041589 A JP 2016041589A JP 2016041589 A JP2016041589 A JP 2016041589A JP 2017156646 A JP2017156646 A JP 2017156646A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- semiconductor
- layer
- optical modulator
- mach
- zehnder optical
- 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.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Description
本発明は、光通信などに用いる光変調器であるInP系半導体マッハツェンダ光変調器に関する。 The present invention relates to an InP-based semiconductor Mach-Zehnder optical modulator that is an optical modulator used for optical communication and the like.
増大する通信トラフィック需要に対応するために、光信号の多重度を上げる研究が盛んに行われている。光信号の多重度を上げる具体的な方式として、1シンボルに2値(多重度2)を割り当てることにより伝送容量を2倍にする4値位相変調方式(QPSK)、1シンボルに4値(多重度4)を割り当てることにより伝送容量を4倍にする16値直交振幅変調方式(16QAM)等の多値光変調方式が知られている。また、光偏波多重により伝送容量を2倍にする方法も知られている。 In order to respond to the increasing demand for communication traffic, researches to increase the multiplicity of optical signals are being actively conducted. As a specific method for increasing the multiplicity of optical signals, a four-value phase modulation method (QPSK) that doubles the transmission capacity by assigning a binary value (multiplicity 2) to one symbol, and four values (multi-value) for one symbol. There are known multilevel optical modulation schemes such as a 16-value quadrature amplitude modulation scheme (16QAM) that assigns the severity 4) to quadruple the transmission capacity. A method of doubling the transmission capacity by optical polarization multiplexing is also known.
これらの多値光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、Qチャンネル)を独立して生成可能な変調器であり、マッハツェンダ(Mach Zehnder)変調器を並列接続した特殊な構成を有している。 When performing such multilevel optical modulation, an I / Q modulator is used as the optical modulator. The I / Q modulator, also called an orthogonal modulator, is a modulator that can independently generate orthogonal optical electric field components (I channel, Q channel), and is connected in parallel with a Mach Zehnder modulator. Has a special configuration.
近年、光送信器モジュールの小型化、低消費電力化を実現すべく、ニオブ酸リチウム(LN:LiNbO3)を材料とするマッハツェンダ光変調器から、InPをはじめとする半導体マッハツェンダ光変調器の研究開発が注目を集めている。 In recent years, from the Mach-Zehnder optical modulator made of lithium niobate (LN: LiNbO 3 ) to the miniaturization and lower power consumption of the optical transmitter module, research on semiconductor Mach-Zehnder optical modulators including InP has been carried out. Development is attracting attention.
半導体マッハツェンダ光変調器は、従来のLN変調器に比べ、小型であり、低駆動電圧という特徴があるものの、光送信器モジュールのトレンドに従い、より一層の小型化、広帯域化、低消費電力化の実現が求められている。小型化、広帯域化および低消費電力化を行うためには、電極構造および長さを工夫することが有効な手法として知られている(例えば、非特許文献1および2参照)。
Although the semiconductor Mach-Zehnder optical modulator is smaller than the conventional LN modulator and has a feature of low driving voltage, it is further reduced in size, bandwidth, and power consumption according to the trend of the optical transmitter module. Realization is required. In order to reduce the size, increase the bandwidth, and reduce the power consumption, it is known as an effective technique to devise an electrode structure and length (see, for example, Non-Patent
図1に、従来の半導体マッハツェンダ光変調器の第1の例を示す。図1(a)に示すように、半導体マッハツェンダ光変調器は、入力用導波路101に接続された光分波器102と、出力用導波路105に接続された光合波器104と、光分波器102および光合波器104の間を接続する2本のアーム導波路103a,103bとからなるマッハツェンダ干渉計を有している。図1(b)に示すように、アーム導波路103a,103bの上部には進行波電極111a,111bが形成され、グランド電極112a〜112cとともにコプレナ線路を形成している。図1(c)に示すように、進行波電極111a,111bのそれぞれに、変調用の信号源121a,121bと終端抵抗122a,122bとを接続し、駆動電圧として高周波信号を印加することにより、入力された光信号を変調することができる。
FIG. 1 shows a first example of a conventional semiconductor Mach-Zehnder optical modulator. As shown in FIG. 1A, the semiconductor Mach-Zehnder optical modulator includes an
各々の光導波路は、光が伝搬するコア層として、多重量子井戸層を用いる。量子多重井戸層は、無歪の井戸層と、無歪の障壁層からなる。例えば、非特許文献1の素子サイズは、7.5mm×1.3mmというサイズで、駆動電圧3Vにおいて80Gb/sという広帯域を実現しているものの、より小型で、より低電圧駆動(例えば2V以下)が求められている。
Each optical waveguide uses a multiple quantum well layer as a core layer through which light propagates. The quantum multiple well layer includes an unstrained well layer and an unstrained barrier layer. For example, although the element size of Non-Patent
例えば、小型化と広帯域化は、位相変調部の電極長を短くすることで実現することが可能であるが、電極長を短くするということは、位相変調に寄与する領域が短くなることを意味し、駆動電圧が高くなってしまう。逆に、低駆動電圧化は、位相変調部の電極長を長くすることで実現可能であるが、電極の配線損失が増加するため、帯域が劣化してしまい、かつ素子サイズが大きくなってしまう。 For example, downsizing and widening of the band can be realized by shortening the electrode length of the phase modulation unit, but shortening the electrode length means that the region contributing to phase modulation is shortened. However, the driving voltage becomes high. Conversely, a low drive voltage can be realized by increasing the electrode length of the phase modulation section, but the wiring loss of the electrode increases, so the band is degraded and the element size is increased. .
図2に、従来の半導体マッハツェンダ光変調器の第2の例を示す。広帯域化の手法として、電極損失を低くすることができる容量装荷型構造が知られている(例えば、非特許文献3参照)。半導体マッハツェンダ光変調器は、入力用導波路201に接続されたY分岐器202と、出力用導波路205a,205bに接続されたMMI(Multi-Mode Interferometer)204と、Y分岐器202およびMMI204の間を接続する2本のアーム導波路203a,203bとからなるマッハツェンダ干渉計を有している。アーム導波路203a,203bに沿って進行波電極211a,211bが形成され、進行波電極から分岐された複数の小電極がアーム導波路上に設けられている。進行波電極211a,211bのそれぞれに、変調用の信号源221と終端抵抗222とを接続することにより、容量装荷型の半導体マッハツェンダ光変調器として動作する。
FIG. 2 shows a second example of a conventional semiconductor Mach-Zehnder optical modulator. As a technique for widening the bandwidth, a capacity-loaded structure capable of reducing electrode loss is known (for example, see Non-Patent Document 3). The semiconductor Mach-Zehnder optical modulator includes a Y-
第2の例では、アーム導波路上に位相変調領域に寄与しない部分が生じるため、第1の例の構造と比べて、電極長が長くなり、素子サイズが大きくなってしまうというデメリットが生じる。 In the second example, a portion that does not contribute to the phase modulation region is generated on the arm waveguide, so that the electrode length is increased and the element size is increased as compared with the structure of the first example.
上述したように、広帯域化、小型化および低消費電力化は、それぞれトレードオフの関係にあるため、電極構造の電気的な工夫のみでは、小型化、広帯域化、低消費電力化の全てを同時に実現することは不可能であった。 As described above, widening, downsizing, and low power consumption are in a trade-off relationship with each other. Therefore, all of the downsizing, widening, and low power consumption can be achieved at the same time by using only the electrical structure of the electrode structure. It was impossible to realize.
本発明の目的は、半導体マッハツェンダ光変調器のコアを形成する多重量子井戸(MQW:Multi-Quantum Well)構造を最適化し、量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)による屈折率変化量が大きくなるような構造を実現することにより、変調効率を向上させることにより、小型化、広帯域化、低駆動電圧化を同時に実現する半導体マッハツェンダ光変調器を提供することにある。 An object of the present invention is to optimize a multi-quantum well (MQW) structure that forms the core of a semiconductor Mach-Zehnder optical modulator, and to increase the refractive index variation due to the quantum confined Stark effect (QCSE). It is an object of the present invention to provide a semiconductor Mach-Zehnder optical modulator that simultaneously realizes a reduction in size, a wider band, and a lower drive voltage by improving modulation efficiency.
本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、入力用導波路に接続された光分波器と、出力用導波路に接続された光合波器と、前記光分波器および前記光合波器の間を接続する2本のアーム導波路とからなるマッハツェンダ干渉計を有し、前記アーム導波路上に形成された電極に駆動電圧を印加することにより、入力された光信号を変調する半導体マッハツェンダ光変調器であって、前記アーム導波路のコア層は、InとGaとAlとAsとからなり、引張歪を有する井戸層(343)と、InとAlとAsとからなる障壁層(344)とを含む多重量子井戸構造を有することを特徴とする。 In order to achieve such an object, the present invention provides an optical demultiplexer connected to an input waveguide, an optical multiplexer connected to an output waveguide, and the optical demultiplexer. And a Mach-Zehnder interferometer comprising two arm waveguides connecting between the optical multiplexer and the optical multiplexer, and applying the drive voltage to the electrodes formed on the arm waveguides, the input light A semiconductor Mach-Zehnder optical modulator for modulating a signal, wherein a core layer of the arm waveguide is made of In, Ga, Al, and As, a well layer (343) having tensile strain, In, Al, and As And having a multiple quantum well structure including a barrier layer (344) made of
以上説明したように、本発明によれば、変調効率を向上させることにより、半導体マッハツェンダ光変調器の小型化、広帯域化、低駆動電圧化を同時に実現することができる。 As described above, according to the present invention, by improving the modulation efficiency, the semiconductor Mach-Zehnder optical modulator can be downsized, widened, and driven at the same time.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態の半導体マッハツェンダ光変調器においては、多重量子井戸(MQW)構造の井戸層(ウェル)における引張歪(伸張歪)(特許文献1)を利用する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the semiconductor Mach-Zehnder optical modulator of this embodiment, tensile strain (elongation strain) in a well layer (well) having a multiple quantum well (MQW) structure is used (Patent Document 1).
半導体マッハツェンダ光変調器といった半導体素子は、例えば、InPなどの半導体基板上に形成される。半導体基板の格子定数をasubとし、歪み材料(ここでは井戸層)の格子定数をastrainとした場合、歪量εは次式(1)で与えられる。
ε=(astrain − asub)/asub (1)
A semiconductor element such as a semiconductor Mach-Zehnder optical modulator is formed on a semiconductor substrate such as InP. When the lattice constant of the semiconductor substrate is a sub and the lattice constant of the strained material (well layer here) is a strain , the strain amount ε is given by the following equation (1).
ε = (a strain −a sub ) / a sub (1)
図3を参照して、基板上の多重量子井戸構造の格子整合を説明する。紙面水平右方向が面内方向の格子整合の歪量、紙面上方向が膜厚方向の格子整合の歪量とした場合、図3(b)のように格子整合が合っている場合(格子整合系)、緊張(strain)はなく、歪量εは零(ε=0)となる。また、図3(a)のように伸張歪系の場合には、基板と歪材料との間において、面内方向に伸張する分、膜厚方向に圧縮し歪量εは零より小さく(ε<0)なる。さらに、図3(c)のように、圧縮歪系の場合には、基板と歪材料との間において、面内方向に圧縮する分、膜厚方向に伸張する結果、歪量εは零より大きく(ε>0)なる。 With reference to FIG. 3, the lattice matching of the multiple quantum well structure on the substrate will be described. When the amount of lattice matching distortion in the in-plane direction is the horizontal right direction on the plane of the paper, and the amount of lattice matching distortion is in the film thickness direction on the plane of the paper, the lattice matching is correct as shown in FIG. System), there is no strain, and the strain amount ε is zero (ε = 0). Further, in the case of an extension strain system as shown in FIG. 3A, the strain amount ε is smaller than zero by compressing in the film thickness direction as much as extending in the in-plane direction between the substrate and the strain material (ε <0). Further, as shown in FIG. 3C, in the case of a compression strain system, the amount of strain ε is less than zero as a result of the compression in the in-plane direction between the substrate and the strain material and the expansion in the film thickness direction. Larger (ε> 0).
図4に、歪み材料におけるバンド構造を示す。上部が伝導帯、下部が価電子帯であり、Ehhがヘビーホール(重い正孔帯)、Elhがライトホール(軽い正孔帯)、Esoがスピン軌道を示す。KXYはウェルの面内方向の価電子帯、KZはウェルの膜厚方向の価電子帯を示す。 FIG. 4 shows a band structure in the strained material. The upper part is a conduction band, the lower part is a valence band, E hh is a heavy hole (heavy hole band), E lh is a light hole (light hole band), and E so is a spin orbit. K XY represents a valence band in the in-plane direction of the well, and K Z represents a valence band in the thickness direction of the well.
伸張歪、圧縮歪は半導体レーザまたは半導体レーザ型光増幅素子に用いられる。図4に示すように、圧縮歪を有する第1活性層では面内方向、膜厚方向共にヘビーホールのエネルギーEhhがライトホールのエネルギーElhよりも上部の伝導帯側にあるために、格子整合系に比べてよりTE偏波入力光に対するゲインが大きくなる。逆に、伸張歪みを有する第2活性層では面内方向、膜厚方向共にヘビーホールのエネルギーEhhがライトホールのエネルギーElhよりも下部の価電子帯側にあるために、格子整合系に比べてよりTM偏波入力光に対するゲインが大きくなる。 The tensile strain and the compressive strain are used for a semiconductor laser or a semiconductor laser type optical amplifying element. As shown in FIG. 4, in the first active layer having compressive strain, the energy E hh of the heavy hole is in the conduction band side above the energy E lh of the light hole in both the in-plane direction and the film thickness direction. The gain for TE polarized input light is larger than that of the matching system. On the other hand, in the second active layer having a tensile strain, the energy E hh of the heavy hole is on the valence band side lower than the energy E lh of the light hole in both the in-plane direction and the film thickness direction. In comparison, the gain for the TM polarized input light is increased.
(第1の実施形態)
図5は、本発明の第1の実施形態にかかる半導体マッハツェンダ光変調器の断面図である。第1の実施形態の半導体マッハツェンダ光変調器の構成は、図1に示した構成と同じであり、図5は、図1のV−V’における1つのアーム導波路の断面を示している。アーム導波路の半導体層は、半絶縁性InP基板301上に、n型コンタクト層302、n型クラッド層303(第1の導電性半導体クラッド層)、ノンドープクラッド・コア層304、p型クラッド層305(第2の導電性半導体クラッド層)、p型コンタクト層306の順に積層されたハイメサ型の導波路構造を有している。この導波路構造の両側面には、誘電体113a,113bが形成されており、n型コンタクト層302上に形成されたグランド電極112a,112bと、p型コンタクト層306の上に形成された進行波電極111とにより、高周波電極を形成する。
(First embodiment)
FIG. 5 is a cross-sectional view of the semiconductor Mach-Zehnder optical modulator according to the first embodiment of the present invention. The configuration of the semiconductor Mach-Zehnder optical modulator of the first embodiment is the same as the configuration shown in FIG. 1, and FIG. 5 shows a cross section of one arm waveguide at VV ′ in FIG. The semiconductor layer of the arm waveguide includes an n-
n型コンタクト層302は、キャリア濃度が5x1018cm-3のInGaAsPとし、n型クラッド層303は、キャリア濃度が1x1018cm-3のInPとする。p型クラッド層305のキャリア濃度は、光吸収係数および電気抵抗率から鑑みて、5x1017cm-3〜1x1018cm-3のInPとする。p型コンタクト層306は、コンタクト抵抗を低減すべく、キャリア濃度が5x1018cm-3以上のInGaAsを用いる。
The n-
図6に、第1の実施形態にかかる半導体マッハツェンダ光変調器の製造方法を示す。半絶縁性InP基板301上に、半導体層として、n型コンタクト層302、n型クラッド層303、ノンドープクラッド・コア層304、p型クラッド層305、およびp型コンタクト層306を順に結晶成長させる(図6(a))。次に、半導体加工技術により、n型クラッド層303の一部を残した深さまで加工して、ハイメサ構造の光導波路を形成する(図6(b))。
FIG. 6 shows a method for manufacturing the semiconductor Mach-Zehnder optical modulator according to the first embodiment. On the
n型クラッド層303の一部を除去して、グランド電極112a,112bを蒸着する(図6(c))。その後、誘電体113a,113bを塗布して、加工形成し(図6(d))、進行波電極111とグランド電極112a,112bとを、メッキまたは蒸着により形成する(図6(e))。なお、ハイメサ構造の高さと誘電体113a,113bの高さとは、図5に示したように、等しいことが望ましい。
Part of the n-
図7に、第1の実施形態にかかる半導体マッハツェンダ光変調器の多重量子井戸構造を示す。ノンドープクラッド・コア層304は、InPからなる同じ厚さのノンドープクラッド層341,342(第1および第2のノンドープ半導体クラッド層)の間にノンドープコア層(ノンドープ半導体コア層)を有する。ノンドープコア層は、引張歪InGaAlAs井戸層343と無歪InAlAs障壁層344とを、交互に複数重ねた多重量子井戸構造とする。
FIG. 7 shows a multiple quantum well structure of the semiconductor Mach-Zehnder optical modulator according to the first embodiment. The non-doped
ノンドープコア層のバンドギャップ波長は、動作光波長で吸収が少なく、高効率にQCSE(量子閉じ込めシュタルク効果=Quantum Confined Stark Effect)を有効に作用させるため、入力光の波長が1.55μm帯の場合には、コア層のバンドギャップ波長を1.35〜1.45μmとする。入力波長とコア層のバンドギャップ波長との差をデチューニング量といい、マッハツェンダ光変調器の場合には100〜200nmになる。 The band gap wavelength of the non-doped core layer has little absorption at the operating light wavelength, and the QCSE (Quantum Confined Stark Effect) is effectively operated with high efficiency. Therefore, when the wavelength of the input light is in the 1.55 μm band In this case, the band gap wavelength of the core layer is set to 1.35 to 1.45 μm. The difference between the input wavelength and the band gap wavelength of the core layer is referred to as a detuning amount, which is 100 to 200 nm in the case of a Mach-Zehnder optical modulator.
InP系半導体マッハツェンダ光変調器の多重量子井戸は、マッハツェンダ干渉計における位相変化は大きくするのが理想であるから、吸収はなるべく少なく、かつQCSEによる屈折率変化が大きい方がよい。一方、多重量子井戸構造を有する電界吸収型(EA:electroabsorption)変調器においては、吸収を大きくし、チャープパラメータを重要視する(デチューニング量50nm以下)ことから、多重量子井戸の設計手法は異なる。すなわち、InP系半導体マッハツェンダ光変調器の設計においては、V−Δα(印加電圧に対する吸収損失変化)特性においてバイアスによる損失の増大が少なく、V−Δφ(印加電圧に対する位相変化)特性において、バイアスによる位相変調量が大きい方が良い。 In the multiple quantum well of the InP-based semiconductor Mach-Zehnder optical modulator, it is ideal that the phase change in the Mach-Zehnder interferometer is increased. Therefore, it is preferable that the absorption is as small as possible and the refractive index change due to QCSE is large. On the other hand, in an electroabsorption (EA) modulator having a multiple quantum well structure, the absorption technique is increased and the chirp parameter is regarded as important (detuning amount is 50 nm or less), so the design method of the multiple quantum well is different. . That is, in the design of the InP-based semiconductor Mach-Zehnder optical modulator, the increase in loss due to bias is small in the V-Δα (change in absorption loss with respect to applied voltage) characteristic, and the bias in the V-Δφ (phase change with respect to applied voltage) characteristic. A larger amount of phase modulation is better.
InP系半導体マッハツェンダ光変調器の多重量子井戸構造には、P系半導体材料(InGaAsP系材料)とAl系半導体材料(InGaAlAs系材料)とを用いることができる。Al系半導体材料は、P系半導体材料に比べて、量子井戸を作製した際に、伝導帯オフセット値(ΔEc)が大きく、吸収スペクトルが急峻であり、変調効率がより優れている。そのため、高効率な半導体マッハツェンダ光変調器を実現するには、Al系半導体材料を用いる必要がある。 For the multiple quantum well structure of the InP-based semiconductor Mach-Zehnder optical modulator, a P-based semiconductor material (InGaAsP-based material) and an Al-based semiconductor material (InGaAlAs-based material) can be used. The Al-based semiconductor material has a larger conduction band offset value (ΔEc), a sharp absorption spectrum, and a higher modulation efficiency when a quantum well is produced than the P-based semiconductor material. Therefore, in order to realize a highly efficient semiconductor Mach-Zehnder optical modulator, it is necessary to use an Al-based semiconductor material.
図8を参照して、歪みによる光吸収の変化を説明する。図8(b)に示すように、InGaAlAs井戸層に最適な引張歪を加えると、ライトホール(LH)とヘビーホール(HH)の分離が小さくなり、吸収スペクトルをより急峻にすることができる。これによりQCSEによる屈折率変化を大きくすることができる。最適な歪量より小さい場合(図8(a))、最適な歪量より大きい場合(図8(c))には、ライトホールとヘビーホールの分離が大きく、QCSEによる屈折率変化は、最適な引張歪の歪量の場合に比べて小さくなる。 With reference to FIG. 8, the change of the light absorption by distortion is demonstrated. As shown in FIG. 8B, when an optimal tensile strain is applied to the InGaAlAs well layer, the separation between the light hole (LH) and the heavy hole (HH) is reduced, and the absorption spectrum can be made steeper. Thereby, the refractive index change by QCSE can be enlarged. When the amount of distortion is smaller than the optimum amount of distortion (FIG. 8 (a)) or larger than the amount of optimum distortion (FIG. 8 (c)), the separation of the light hole and the heavy hole is large, and the refractive index change due to QCSE is optimum. It becomes smaller than the case of a strain amount of a large tensile strain.
図9に、印加電圧に対する吸収損失変化(V−Δα)特性と印加電圧に対する位相変化(V−Δφ)特性を示す。図9(a)に示したV−Δαより、引張歪を加えると、同一バイアス電圧時の吸収損は小さくなる。図9(b)に示したV−Δφより、引張歪を加える事で、同一バイアス時の位相変化量は所望の引張歪を加えた時に最大となる。一方、引張歪量を加えすぎたりすると、位相変化量は大幅に小さくなる。図9(c)に示したように、吸収損失変化に対する位相変化(Δα−Δφ)を求めると、所望の範囲の引張歪を加えることにより、同一損失時の位相変化量が大きく、高効率化していることがわかる。 FIG. 9 shows the absorption loss change (V−Δα) characteristic with respect to the applied voltage and the phase change (V−Δφ) characteristic with respect to the applied voltage. From V-Δα shown in FIG. 9 (a), when tensile strain is applied, the absorption loss at the same bias voltage is reduced. From V−Δφ shown in FIG. 9B, by applying a tensile strain, the amount of phase change at the same bias becomes the maximum when a desired tensile strain is applied. On the other hand, if the amount of tensile strain is excessively added, the amount of phase change is significantly reduced. As shown in FIG. 9C, when the phase change (Δα−Δφ) with respect to the absorption loss change is obtained, the amount of phase change at the same loss is large and high efficiency is obtained by applying a tensile strain in a desired range. You can see that
図10に、引張歪量に対するΔφ/Δαを示し、Δφ/Δαが大きいほど効率が高いことを示している。ここで、許容される効率を、最大値の0.5×(1/e)とすると、必要な引張歪の歪量は0.1%〜0.5%となる。InGaAlAs井戸層の一層辺りの厚みは、吸収スペクトルを急峻にするために、5.0nm〜15.0nm程度であることが望ましく、図10より、0.1%〜0.5%程度の引張歪の歪量、組成においては、In1-x-yGaxAlyAs(0.35≦x≦0.53,0.01≦y≦0.12)であることが望ましい。井戸層が厚ければ厚いほど、最適な引張歪量は大きくなり、薄い場合には必要な引張歪量は小さくなる。また、引張歪量が最適値より大きすぎたり、小さすぎる場合には、変調効率が劣化してしまう。 FIG. 10 shows Δφ / Δα with respect to the amount of tensile strain, and the larger Δφ / Δα, the higher the efficiency. Here, if the allowable efficiency is the maximum value of 0.5 × (1 / e), the required strain amount of the tensile strain is 0.1% to 0.5%. The thickness of one layer of the InGaAlAs well layer is preferably about 5.0 nm to 15.0 nm in order to make the absorption spectrum steep, and from FIG. 10, the tensile strain of about 0.1% to 0.5% is obtained. In terms of strain and composition, it is desirable that In 1-xy Ga x Al y As (0.35 ≦ x ≦ 0.53, 0.01 ≦ y ≦ 0.12). The thicker the well layer, the larger the optimum tensile strain amount, and the smaller the required tensile strain amount, the thinner. In addition, when the tensile strain amount is too large or too small than the optimum value, the modulation efficiency is deteriorated.
また、InAlAs障壁層の一層辺りの厚みは、5.0nm〜10.0nm程度であることが望ましく、上記InGaAlAs井戸層とInAlAs障壁層からなる多重量子井戸構造の膜厚は、マッハツェンダ干渉計を構成するハイメサ導波路は、0.4μm〜0.75μm程度であることが望ましい。 Further, the thickness of one layer of the InAlAs barrier layer is preferably about 5.0 nm to 10.0 nm, and the film thickness of the multiple quantum well structure including the InGaAlAs well layer and the InAlAs barrier layer constitutes a Mach-Zehnder interferometer. The high mesa waveguide to be used is preferably about 0.4 μm to 0.75 μm.
先に述べたように、ΔEcが大きいほど高効率な半導体マッハツェンダ光変調器を実現できるため、InAlAs障壁層は無歪であることが望ましい。これは、歪補償多重量子井戸構造とするために、InAlAs障壁層にInGaAlAs井戸層とは逆の圧縮歪を加えた場合には、ΔEcが小さくなってしまうためである。 As described above, the higher the ΔEc, the higher the efficiency of the semiconductor Mach-Zehnder optical modulator that can be realized. Therefore, the InAlAs barrier layer is preferably unstrained. This is because ΔEc becomes small when compressive strain opposite to that of the InGaAlAs well layer is applied to the InAlAs barrier layer in order to obtain a strain-compensated multiple quantum well structure.
上記のように、理想的にはInAlAs障壁層が無歪であることにより、最も高効率な半導体マッハツェンダ光変調器を実現することができる。一方、変調効率を落とすことになるが、エピタキシャル成長における信頼性および品質を上げるために、InAlAs障壁層に圧縮歪を加えることも可能である。この場合には、完全に歪補償を実現する圧縮歪を加えても良いが、ΔEcの変化量が小さく、ある程度歪を補償できる程度の圧縮歪である方が望ましい。 As described above, ideally, the most efficient semiconductor Mach-Zehnder optical modulator can be realized because the InAlAs barrier layer is unstrained. On the other hand, although the modulation efficiency is lowered, compressive strain can be applied to the InAlAs barrier layer in order to increase the reliability and quality in epitaxial growth. In this case, compression distortion that completely realizes distortion compensation may be added, but it is desirable that the amount of change in ΔEc is small and the compression distortion is such that distortion can be compensated to some extent.
ΔEcは、井戸層および障壁層がともに無歪の場合に約400meVであり、変調効率を考えるとマッハツェンダ光変調器では、この半分程度の200meVは最低限必要である。そのため、InAlAs障壁層は圧縮歪の歪量0%〜1.0%程度、組成でIn1-xAlxAs層(0.32≦x≦0.48)であることが望ましい。 ΔEc is about 400 meV when both the well layer and the barrier layer are unstrained. In view of the modulation efficiency, the Mach-Zehnder optical modulator requires about 200 meV, which is about half of this. Therefore, it is desirable that the InAlAs barrier layer be an In 1-x Al x As layer (0.32 ≦ x ≦ 0.48) in terms of composition with a compressive strain of about 0% to 1.0%.
本実施形態によれば、従来の半導体マッハツェンダ光変調器に比べ、変調効率を高効率化することができる。例えば、1.5倍の高効率化が実現できたとすると、同一電極長であれば、従来と比較して駆動電圧を2/3とすることができる。同一駆動電圧であれば、従来と比較して電極長を2/3にすることができ、小型化および広帯域化を実現することができる。また、1.5倍の高効率化の効果を、電極長の設計により、低駆動電圧化と小型化、広帯域化のそれぞれに効果的に割り振ることにより、広帯域化、低駆動電圧化を同時に実現することができる。 According to the present embodiment, the modulation efficiency can be increased as compared with the conventional semiconductor Mach-Zehnder optical modulator. For example, assuming that 1.5 times higher efficiency can be realized, the driving voltage can be reduced to 2/3 as compared with the conventional case if the electrode length is the same. If the driving voltage is the same, the electrode length can be reduced to 2/3 compared to the conventional case, and a reduction in size and a wider band can be realized. In addition, the effect of 1.5 times higher efficiency is realized by allocating the drive voltage, downsizing, and wide band effectively by designing the electrode length, thereby realizing wide band and low drive voltage at the same time. can do.
なお、上部クラッド層、下部クラッド層は、どちらか一方がn型半導体であり、もう一方がp型半導体であって構わない。一方、上部クラッド層、下部クラッド層の両方がn型半導体で、上部クラッド層とコア層との間、または下部クラッド層とコア層との間に、第3のp型クラッド層を挿入した構造とすることもできる。 Note that one of the upper cladding layer and the lower cladding layer may be an n-type semiconductor and the other may be a p-type semiconductor. On the other hand, both the upper clad layer and the lower clad layer are n-type semiconductors, and a third p-type clad layer is inserted between the upper clad layer and the core layer, or between the lower clad layer and the core layer. It can also be.
また、第1の実施形態においては,一例として図1の半導体マッハツェンダ光変調器の構成と同等としたが、図2に示した容量装荷型の構成、それ以外の構成の半導体マッハツェンダ光変調器であってもよい。 In the first embodiment, the configuration of the semiconductor Mach-Zehnder optical modulator shown in FIG. 1 is equivalent to the configuration of the semiconductor Mach-Zehnder optical modulator shown in FIG. There may be.
(第2の実施形態)
図11は、本発明の第2の実施形態にかかる半導体マッハツェンダ光変調器の断面図である。第2の実施形態の半導体マッハツェンダ光変調器の構成は、図1に示した構成と同じであり、図11は、図1のV−V’における1つのアーム導波路の断面を示している。アーム導波路の半導体層は、半絶縁性InP基板401上に、n型コンタクト層402、n型クラッド層403、ノンドープクラッド・コア層404、p型キャリアブロック層405(第3の導電性半導体クラッド層)、n型クラッド層406、n型コンタクト層407の順に積層されたハイメサ型の導波路構造を有している。この導波路構造の両側面には、誘電体113a,113bが形成されており、n型コンタクト層402上に形成されたグランド電極112a,112bと、p型コンタクト層407の上に形成された進行波電極111とにより、高周波電極を形成する。
(Second Embodiment)
FIG. 11 is a cross-sectional view of a semiconductor Mach-Zehnder optical modulator according to the second embodiment of the present invention. The configuration of the semiconductor Mach-Zehnder optical modulator of the second embodiment is the same as the configuration shown in FIG. 1, and FIG. 11 shows a cross section of one arm waveguide at VV ′ in FIG. The semiconductor layer of the arm waveguide is composed of an n-
n型コンタクト層402は、キャリア濃度が5x1018cm-3のInGaAsPとし、n型クラッド層403は、キャリア濃度が1x1018cm-3のInPとする。p型キャリアストップ層405は、電子に対して十分な障壁となるようにバンドギャップの大きなInAlAsに1x1018cm-3のホールキャリアをドーピングさせる。n型クラッド層406は、キャリア濃度が1x1018cm-3のInPとし、n型コンタクト層407は、キャリア濃度が5x1018cm-3のInGaAsとした。
The n-
図12に、第2の実施形態にかかる半導体マッハツェンダ光変調器の多重量子井戸構造を示す。ノンドープクラッド・コア層404は、InPからなる同じ厚さのノンドープクラッド層441,442の間にノンドープコア層を有する。ノンドープコア層は、引張歪InGaAlAs井戸層443と無歪InAlAs障壁層444とを、交互に複数重ねた多重量子井戸構造とする。
FIG. 12 shows a multiple quantum well structure of a semiconductor Mach-Zehnder optical modulator according to the second embodiment. The non-doped
ノンドープコア層のバンドギャップ波長は、動作光波長で高効率にQCSEを有効に作用させるため、入力波長1.55μm帯の場合には、コア層のバンドギャップ波長を1.35〜1.45μmとする。多重量子井戸構造の構成については、上述した第1の実施形態と同じである。 The band gap wavelength of the non-doped core layer is QCSE that effectively operates at the operating light wavelength. Therefore, in the case of an input wavelength of 1.55 μm, the band gap wavelength of the core layer is 1.35 to 1.45 μm. To do. The configuration of the multiple quantum well structure is the same as that of the first embodiment described above.
また、第2の実施形態においては,一例として図1の半導体マッハツェンダ光変調器の構成と同等としたが、図2に示した容量装荷型の構成、それ以外の構成の半導体マッハツェンダ光変調器であってもよい。 In the second embodiment, the configuration is the same as that of the semiconductor Mach-Zehnder optical modulator shown in FIG. 1 as an example, but the capacitance-loading configuration shown in FIG. There may be.
101,201 入力用導波路
102 光分波器
103,203 アーム導波路
104 光合波器
105,205 出力用導波路
111,211 進行波電極
112,212 グランド電極
121,221 信号源
122,222 終端抵抗
202 Y分岐器
204 MMI
101, 201
Claims (10)
前記アーム導波路のコア層は、
InとGaとAlとAsとからなり、引張歪を有する井戸層と、
InとAlとAsとからなる障壁層と
を含む多重量子井戸構造を有することを特徴とする半導体マッハツェンダ光変調器。 An optical demultiplexer connected to the input waveguide, an optical multiplexer connected to the output waveguide, and the two arm waveguides connecting the optical demultiplexer and the optical multiplexer A semiconductor Mach-Zehnder optical modulator that modulates an input optical signal by applying a driving voltage to an electrode formed on the arm waveguide,
The core layer of the arm waveguide is
A well layer composed of In, Ga, Al, and As and having tensile strain;
A semiconductor Mach-Zehnder optical modulator having a multiple quantum well structure including a barrier layer made of In, Al, and As.
第1の導電性半導体クラッド層と、
第1のノンドープ半導体クラッド層と、
ノンドープ半導体コア層と、
前記第1のノンドープ半導体クラッド層と同じ材料で、かつ同じ厚さの第2のノンドープ半導体クラッド層と、
第2の導電性半導体クラッド層とが順次積層して形成されていることを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載の半導体マッハツェンダ光変調器。 The arm waveguide is on a semiconductor substrate,
A first conductive semiconductor cladding layer;
A first non-doped semiconductor cladding layer;
A non-doped semiconductor core layer;
A second non-doped semiconductor cladding layer of the same material and thickness as the first non-doped semiconductor cladding layer;
8. The semiconductor Mach-Zehnder optical modulator according to claim 1, wherein the second conductive semiconductor clad layer is sequentially laminated.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016041589A JP6417346B2 (en) | 2016-03-03 | 2016-03-03 | Semiconductor Mach-Zehnder optical modulator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016041589A JP6417346B2 (en) | 2016-03-03 | 2016-03-03 | Semiconductor Mach-Zehnder optical modulator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2017156646A true JP2017156646A (en) | 2017-09-07 |
JP6417346B2 JP6417346B2 (en) | 2018-11-07 |
Family
ID=59809684
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016041589A Active JP6417346B2 (en) | 2016-03-03 | 2016-03-03 | Semiconductor Mach-Zehnder optical modulator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6417346B2 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11142801A (en) * | 1997-11-14 | 1999-05-28 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Optical control element |
JP2003177368A (en) * | 2001-12-11 | 2003-06-27 | Fujitsu Ltd | Semiconductor optical modulator, mach-zehnder type optical modulator and optical modulator integrated type semiconductor laser |
US6647158B2 (en) * | 2000-09-15 | 2003-11-11 | Massachusetts Institute Of Technology | Optical modulator using simultaneous push-pull drive of linear and quadratic electro-optic effects |
WO2006095776A1 (en) * | 2005-03-08 | 2006-09-14 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Semiconductor light modulator |
JP2013246223A (en) * | 2012-05-24 | 2013-12-09 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Semiconductor optical phase modulator |
-
2016
- 2016-03-03 JP JP2016041589A patent/JP6417346B2/en active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11142801A (en) * | 1997-11-14 | 1999-05-28 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Optical control element |
US6647158B2 (en) * | 2000-09-15 | 2003-11-11 | Massachusetts Institute Of Technology | Optical modulator using simultaneous push-pull drive of linear and quadratic electro-optic effects |
JP2003177368A (en) * | 2001-12-11 | 2003-06-27 | Fujitsu Ltd | Semiconductor optical modulator, mach-zehnder type optical modulator and optical modulator integrated type semiconductor laser |
WO2006095776A1 (en) * | 2005-03-08 | 2006-09-14 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Semiconductor light modulator |
JP2013246223A (en) * | 2012-05-24 | 2013-12-09 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Semiconductor optical phase modulator |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6417346B2 (en) | 2018-11-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8346025B2 (en) | Compact electrooptic modulator | |
EP2458433B1 (en) | Optical modulator and manufacturing method of the optical modulator | |
US8947766B2 (en) | Tunable optical frequency comb generator | |
CN102648434B (en) | Optical modulator module and method for modulating optical signal | |
JP6259358B2 (en) | Semiconductor Mach-Zehnder type optical modulator | |
JP2017111238A (en) | Semiconductor Mach-Zehnder optical modulator and IQ modulator using the same | |
Wang et al. | Modulation on silicon for datacom: Past, present, and future (invited review) | |
JP2004151729A (en) | Quantum-confined stark effect quantum-dot optical modulator | |
JP6126541B2 (en) | Semiconductor Mach-Zehnder optical modulator | |
WO2020018307A1 (en) | Reduced-cross-talk coherent optical transmitter | |
US20090220185A1 (en) | Light modulating device | |
JP6939411B2 (en) | Semiconductor optical device | |
JP6348880B2 (en) | Semiconductor Mach-Zehnder optical modulator | |
US20050225828A1 (en) | Electro-optic modulators incorporating quantum dots | |
JP5906210B2 (en) | Light modulator | |
JP2014191218A (en) | Optical modulator | |
JP2019194722A (en) | Semiconductor Mach-Zehnder optical modulator and IQ modulator using the same | |
JP6417346B2 (en) | Semiconductor Mach-Zehnder optical modulator | |
JP2016114712A (en) | Semiconductor Mach-Zehnder optical modulator | |
JP5667514B2 (en) | Phase shifter on semiconductor substrate, polarization separator and polarization synthesizer using the same | |
JP2015212769A (en) | Semiconductor Mach-Zehnder optical modulator | |
US11372307B2 (en) | Optical modulator | |
JP6151958B2 (en) | Light modulation element and method for driving light modulation element | |
JP6271978B2 (en) | Semiconductor Mach-Zehnder modulator |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170726 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20180515 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180522 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180713 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20181002 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20181005 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6417346 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |