JP2017167359A - リッジ導波路型光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】電気耐圧性を担保しつつ、高速かつ高効率（低駆動電圧）動作可能な光変調器を実現できるリッジ導波路型光変調器を提供すること。
【解決手段】基板上に、不純物ドーピングされた下部クラッド層と、ノンドープのコア・クラッド層と、不純物ドーピングされた上部クラッド層とが積層されてリッジ型光導波路が形成されており、前記上部クラッド層の上に設けられた電極と前記基板との間に電圧を印加して前記リッジ型光導波路内に電界を発生させることにより、前記リッジ型光導波路を伝搬する光を変調するリッジ導波路型光変調器であって、前記上部クラッド層と前記コア・クラッド層の一部とが導波路メサ領域内に形成され、導波路メサ領域内の前記上部クラッド層と前記コア・クラッド層とはホモ接合に形成されていることを特徴とするリッジ導波路型光変調器。
【選択図】図３

Description

本発明はリッジ導波路型光変調器に関する。

近年、光変調器の小型化・高速化を背景に化合物半導体材料を用いた光変調器が盛んに研究開発されている。中でもＩｎＰを基板材料として用いている光変調器は通信波長帯で量子閉じ込めシュタルク効果等を活用して高効率な変調動作が可能であるため、従来の強誘電体材料に代わる有望な変調器材料として注目されている。

ＩｎＰ系材料は元来、通信波長帯用のレーザダイオード（ＬＤ）や電界吸収型光変調器（ＥＡＭ）などに用いられてきた。その導波路構造は多岐にわたりメサ導波路を埋め込んだ埋め込みヘテロ構造やリッジ構造、また近年ではハイメサ構造といった導波路も高精度に作製が可能となっている。

何れのデバイス（ＬＤ・変調器など）でも半導体の層構造は主に光導波路コア層をノンドープとして、その上下をｐ型及びｎ型クラッド層で閉じ込めたダブルヘテロ構造が採用されている。

その中で、特にデバイスの高速性及び電気耐圧の安定性などの観点からリッジ構造を有する光デバイスが盛んに研究開発されている（例えば特許文献１）。図１に従来のＬＤやＥＡＭの断面構造を示す。従来の構成では、Ａｕ電極１０上のｎ型クラッド・基板１１が設けられ、さらにノンドープのＳＣＨ層１２、ノンドープのＭＱＷ層１３、ノンドープのＳＣＨ層１４が積層されている。さらに、ノンドープのＳＣＨ層１４上には、逆メサ形状に、ｐ型クラッド・基板１５とｐ型コンタクト層１６が形成されており、これらの上部にはＡｕ電極１７が設けられている。

ここでメサ加工は主にケミカルエッチングによる選択性を利用して形成される。ＩｎＰ系デバイスの場合にはメサ領域材料をＩｎＰとし、スラブ導波路の最上面、即ちケミカルエッチングのストップ層であるＳＣＨ層１４を、ＩｎＰに対してヘテロ接合を形成するようにＡｓ化合物であるＩｎＧａＡｓＰなどにすることで、図のようなリッジ導波路が形成される。なお、高速動作に重要な素子容量という点から、一般にエッチストップ層を含むスラブ層はノンドープ層で形成され、メサ領域には不純物ドーピング層を用いる。

リッジ導波路からなるＬＤやＥＡＭの多くは集中定数型の電極構造を有しており、デバイスの素子容量は空乏層領域よりも電極パッド領域が支配的となる。そのため、高速動作可能なＬＤ，ＥＡＭを実現する有効な手段は電極パッド容量を下げることであり、空乏層容量即ちノンドープ層の厚さ等の影響は比較的小さい。

一方、電極長の長さが数ミリメートルまで長くなる位相変調器などを高速に動作させる場合には、前記集中定数型ではなく分布定数型（進行波型）の電極を用いるのが一般的である。この場合には、素子の特性インピーダンスが高速応答特性に大きく関わる。特性インピーダンスは変調素子の断面で決定されるパラメータであり、電界が印加される領域即ちノンドープ層の厚さ等によって大きく特性が左右される。

特性インピーダンスは通常５０Ωに設計することで反射なく信号源から変調器に電圧を供給することが出来る。変調器の特性インピーダンスを５０Ωに近づける為には、ノンドープ層の厚さを１ミクロン程度まで厚くする必要がある。高速な位相変調素子ではノンドープのコア層（〜０．５ミクロン程度）の他に、ノンドープのクラッド層を追加することでインピーダンスの調整を行っている。

特開２０１４−１９２４８９号公報

図２にリッジ型の高速位相変調器を搭載したマッハ・ツェンダ変調器（ＭＺＭ）における２つの導波路の横断面を示す。図２のＭＺＭは、半絶縁性基板２０上に、ｎ型クラッド層２１、ｐ型キャリア障壁層２２、ノンドープＭＱＷ層２３およびノンドープクラッド層２４、ノンドープエッチストップ層２５が積層され、さらにノンドープエッチストップ層２５上に逆メサ形状のｎ型クラッド２６とＡｕ電極２７とが設けられて構成されている。図１の場合と同様に、ノンドープ層２３、２４の最上層にエッチストップ層２５を設けて、更にその上層は不純物ドーピングされたメサ形状のクラッド層２６が形成される。エッチストップ層２５とクラッド層２６とはヘテロ接合に形成されている。

しかし、ＬＤやＥＡＭなどの集中定数電極デバイスと異なりＭＺＭのような分布定数電極デバイスにおいては、図１に示す従来構造と同様のヘテロ接合を有する図２のＭＺＭでは、高速性・低駆動電圧等の観点で以下の３つの問題が残る。

１つめの問題は、横方向の閉じ込めが強いハイメサ導波路と比べてインピーダンス整合が困難となることである。全てのノンドープ層は、横方向の閉じ込めが弱いスラブ導波路であるため、電界の横方向への広がりも大きい。印加した電界の広がりは素子容量を増大させる恐れがあるため高速動作化の障害となる。

２つめの問題は、光と電界の相互作用を最大限に活用できていないことである。リッジ型導波路の場合、光電界分布はスラブ導波路より上のメサ導波路内にも達する。電界が印加されるノンドープ層領域がメサ導波路に存在しないことは、光と電界の相互作用を最大限に活用できていない。

３つめの問題は、電界強度が集中する領域と光電界分布領域とがオーバーラップが小さいことである。リッジ導波路デバイスを逆方向バイアス電圧で制御する場合に、低駆動電圧の観点から電界強度が集中する電界集中領域、すなわちノンドープ層とｐ層の接合付近およびメサ導波路とスラブ導波路の接合付近、と光電界分布領域とがよりオーバーラップすることが望ましいが、コア層はノンドープのクラッド層に上下を挟まれているために、電界集中領域と光電界分布領域とのオーバーラップは小さくなる。

本発明は上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、電気耐圧性を担保しつつ、高速かつ高効率（低駆動電圧）動作可能な光変調器を実現できるリッジ導波路型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、一実施形態に記載された発明は、基板上に、不純物ドーピングされた下部クラッド層と、ノンドープのコア・クラッド層と、不純物ドーピングされた上部クラッド層とが積層されてリッジ型光導波路が形成されており、前記上部クラッド層の上に設けられた電極と前記基板との間に電圧を印加して前記リッジ型光導波路内に電界を発生させることにより、前記リッジ型光導波路を伝搬する光を変調するリッジ導波路型光変調器であって、前記上部クラッド層と前記コア・クラッド層の一部とが導波路メサ領域内に形成され、導波路メサ領域内の前記上部クラッド層と前記コア・クラッド層とはホモ接合に形成されていることを特徴とするリッジ導波路型光変調器である。

従来のＬＤやＥＡＭの断面構造を示す図である。 従来のリッジ型導波路を搭載したマッハ・ツェンダ変調器における２つの導波路の横断面を示す図である。 第１の実施形態にかかるリッジ導波路型光変調器の断面図である。 第１の実施形態にかかるリッジ導波路型光変調器の断面図である。 本実施形態のリッジ導波路型光変調器に対する電圧印加方法を説明する図である。 ｐ−ｉ−ｎと積層した構成例を示す図である。 ｎ−ｉ−ｐと積層した構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

本発明のリッジ導波路型光変調器は、基板上に、不純物ドーピングされた下部クラッド層と、ノンドープのコア・クラッド層と、不純物ドーピングされた上部クラッド層とが積層されてリッジ型光導波路が形成されており、上部クラッド層の上に設けられた電極と基板との間に電圧を印加してリッジ型光導波路内に電界を発生させることにより、リッジ型光導波路を伝搬する光を変調する。このリッジ導波路型光変調器は、上部クラッド層とコア・クラッド層の一部とが導波路メサ領域内に形成され、導波路メサ領域内の上部クラッド層とコア・クラッド層とはホモ接合に形成されている。

導波路メサ領域内に、上部クラッド層に加えて、ノンドープのコア・クラッド層の一部が形成されていることで電界分布の広がりが抑制されることとなるので、その分だけ素子容量が小さくなり、高速化が可能となる。また、メサ導波路の一部もノンドープ化されたことで、電界分布と伝搬光との相互作用も強くなる。さらに、コア・クラッド層の一部がスラブ導波路の上層に存在することにより、電界集中領域と光電界分布領域とのオーバーラップが大きくなる。

また、導波路メサ領域において、上部クラッド層とコア・クラッド層の一部とがホモ接合に形成されていると、導波路メサ領域がケミカルエッチングにより形成される際に等価にエッチングされることとなり、エッチング界面形状に歪みが生じない。すなわち、上部電極から導波路メサ領域内の各層にわたって形成される電界に歪が生じにくい。

リッジ導波路は[０１１]ストライプ方向に形成されることが好ましい。すなわち、リッジ導波路型光変調器の導波路メサ領域は、逆メサ形状に形成されていることが好ましい。逆メサ形状であると、電極接触界面を大きく形成できる一方で電界領域を絞ることができる、したがって、コンタクト抵抗を低減しつつ電界狭窄を実現できる。

（第１の実施形態）
図３、４は第１の実施形態にかかるリッジ導波路型光変調器の断面図を示している。本実施形態のリッジ導波路型光変調器は、２つのアームを有するマッハ・ツェンダ型の導波路として構成される。２つのアームは、上部に形成された電極と基板との間に電圧が印加される上部電極形成領域（変調領域）と、上部に電極が形成されていない上部電極非形成領域とを有している。図３は上部電極形成領域における導波路横断面を示し、図４は上部電極非形成領域における導波路横断面を示している。

リッジ導波路型光変調器は、全領域共通して、基板３０の上に、ｎクラッド層３１、ｐキャリアブロック層３２が積層されている。電極３７が形成された領域では、図３に示すように、ｐキャリアブロック層３２上に、ノンドープ層であるクラッド層３３・コア層３４・エッチストップ層３５が積層され、エッチストップ層３５上に、逆メサ形状のノンドープのクラッド層３３および上部のｎクラッド層３６が積層され、さらにこれらの逆メサ形状の上部に電極３７が形成されている。電極３７が形成されていない領域では、図４に示すように、エッチストップ層３５上の逆メサ形状部分には、クラッド層３３およびｎクラッド層３６とに代えて、半絶縁性クラッド３８が積層されている。

次いでこのリッジ導波路型光変調器の製造方法について説明する。図３に示すように、エピタキシャル成長によって基板３０面から順にｎクラッド層３１と、ｐキャリアブロック層３２（例えばＩｎＡｌＡｓ）と、ノンドープ層であるクラッド層３３・コア層３４・エッチストップ層３５（例えばＩｎＧａＡｓＰ）とを積層した後に、ノンドープのクラッド層３３及びｎクラッド層３６とを堆積する。基板３０は閃亜鉛鉱型の化合物半導体結晶として、例えばＳＩ型のＩｎＰ（１００）基板を用いる。

クラッド層３３の組成は例えばコア層３４よりも屈折率が低く、且つケミカルエッチング選択性があるようにＩｎＰとした。またコア層３４は１．５ミクロン帯波長に対して電気光学効果による屈折率変化を効率的に用いるべく、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰの周期からなる多重量子井戸構造（ＰＬ波長：１．４ミクロンメートル）を用いた。

ノンドープのクラッド層３３とｎクラッド層３６との２つの層を接合する際に、近接した組成を有する材料を用いることでホモ接合に形成できる。ｎクラッド層３６は、ＩｎＰで構成されたノンドープのクラッド層３３とホモ接合を形成するように、不純物ドーピングされたＩｎＰを用いることができる。

例えば、全ノンドープ層３３、３４、３５の厚さは特性インピーダンスとの兼ね合いで、ここでは０．９ミクロンメートルとし、その内コア層３４は電気光学効果が効率的に作用するように０．５ミクロンメートル、またエッチストップ層３５上のノンドープクラッド層３３厚を０．２ミクロンメートルとすることができる。

なお、コアとクラッドの組成はそれぞれで比屈折率差を有していればよいため、例えばクラッド及びコアに組成の異なるＩｎＧａＡｌＡｓなどを用いても問題ないことは明らかである。

電極間の電気分離を行うために、図４に示す上部電極非形成領域を作成する。具体的には、変調領域（上部電極形成領域）以外の上部クラッド層３６およびエッチストップ層３５上のノンドープのクラッド層３３をドライエッチング及びケミカルエッチングによって除去した後、半絶縁性を有するクラッド層（ここではＩｎＰ）３８を結晶再成長により堆積させて埋め戻す。

続いて、ＳｉＯ２マスクを用いたドライエッチング及びケミカルウェットエッチング（塩酸系）によってエッチストップ層３５までエッチングを行い、上部電極形成領域においては、最後に例えばＡｕ／Ｔｉ電極３７を蒸着及びメッキ法によって形成する。

以上のようにして、図３に示すような上部電極形成領域と図４に示すような上部電極非形成領域とを有するマッハ・ツェンダ干渉導波路を形成する。ここで、本実施形態では、電界狭窄及びコンタクト抵抗低減の観点から導波路メサ形状をケミカルエッチングにより逆台形とすべく、リッジ導波路を結晶方向の[011]と等価なストライプ方向に形成した。リッジ導波路を結晶方向の[011]と等価なストライプ方向に形成することは、変調器性能の観点から好ましいが、これに限定されるわけではない。

図５は、本実施形態のリッジ導波路型光変調器に対する電圧印加方法を説明する図である。図５に示すように、リッジ導波路型光変調器に形成されたマッハ・ツェンダ型の導波路５１の２つのアームに沿って容量装荷型の進行波電極５２が設けることができる。図５におけるＡ−Ａ’における断面は図３に対応し、図５におけるＢ−Ｂ’断面は図４に対応している。

上述したリッジ導波路型光変調器を駆動させるためには、図５に示す容量装荷型の進行波電極５２を用いることでより高速な変調動作が可能となる。しかしながら、容量を付加しない分布定数線路であっても本発明の有用性が失われないことは明らかである。

なお、本実施形態では基板面から順にｎ−ｐ−ｉ―ｎと積層したが、例えば図６及び図７のように基板面から順にｐ−ｉ−ｎ、ｎ−ｉ−ｐと積層しても本発明の有用性は失われない。図６は、上記のｐ−ｉ−ｎと積層した構成を示しており、図３において比較的薄層として形成されていたｐキャリアブロック層３２および厚層であるｎクラッド層４１の代わりにｐクラッド層６１を形成している。図７は、上記のｎ−ｉ−ｐと積層した構成を示しており、図３のｐキャリアブロック層３２を削除し、上部のｎクラッド層３６の代わりにｐクラッド層７１を用いた構成である。

以上説明したように、上記実施形態によれば、リッジ導波路型デバイスの特徴である電気耐圧性等を担保しつつ、ＭＺＭのような分布定数型電極デバイスにおいても高速かつ高効率（低駆動電圧）動作可能なリッジ導波路型光変調器を提供することができる。

１１ ｎ型クラッド・基板
１２ ノンドープのＳＣＨ層
１３ ノンドープのＭＱＷ層
１４ ノンドープのＳＣＨ層
１５ ｐ型クラッド・基板
１６ ｐ型コンタクト層
１７ Ａｕ電極
２０ 半絶縁性基板
２１ ｎ型クラッド層
２２ ｐ型キャリア障壁層
２３ ノンドープＭＱＷ層
２４ ノンドープクラッド層
２５ ノンドープエッチストップ層
２６ ｎ型クラッド
２７ Ａｕ電極
３０ 基板
３１ ｎクラッド層
３２ ｐキャリアブロック層
３３ ノンドープのクラッド層
３４ ノンドープのコア層
３５ ノンドープのエッチストップ層
３６ ｎクラッド層
３７ 電極
３８ 半絶縁性クラッド

Claims (4)

1. 基板上に、不純物ドーピングされた下部クラッド層と、ノンドープのコア・クラッド層と、不純物ドーピングされた上部クラッド層とが積層されてリッジ型光導波路が形成されており、前記上部クラッド層の上に設けられた電極と前記基板との間に電圧を印加して前記リッジ型光導波路内に電界を発生させることにより、前記リッジ型光導波路を伝搬する光を変調するリッジ導波路型光変調器であって、
   前記上部クラッド層と前記コア・クラッド層の一部とが導波路メサ領域内に形成され、導波路メサ領域内の前記上部クラッド層と前記コア・クラッド層とはホモ接合に形成されていることを特徴とするリッジ導波路型光変調器。
2. 前記リッジ型光導波路が結晶方向の[011]方向と等価なストライプ方向に形成されることを特徴とする、請求項１に記載のリッジ導波路型光変調器。
3. 前記ホモ接合にされた前記不純物ドーピングされたクラッド層とノンドープのコア層の材料組成がＩｎＰであることを特徴とする、請求項１に記載のリッジ導波路型光変調器。
4. 前記リッジ型光導波路がマッハ・ツェンダ干渉型導波路構造を有し、且つ進行波型電極を備えていることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のリッジ導波路型光変調器。

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