JP2017207588A

JP2017207588A - 半導体光変調素子

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Publication number: JP2017207588A
Application number: JP2016099008A
Authority: JP
Inventors: 菊池　順裕; Nobuhiro Kikuchi; 順裕菊池; 神徳　正樹; Masaki Kamitoku; 正樹神徳; 典秀柏尾; Norihide Kayao; 山田　貴; Takashi Yamada; 貴山田; 英一山田; Hidekazu Yamada; 昇一鈴木; Shoichi Suzuki; 近藤　信行; Nobuyuki Kondo; 信行近藤; 柴田　泰夫; Yasuo Shibata
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-05-17
Filing date: 2016-05-17
Publication date: 2017-11-24

Abstract

【課題】高周波特性に優れ、高速動作でき、かつ、チップ内在応力が小さく特性安定性や信頼性の高い光半導体変調素子を提供すること。
【解決手段】ＳＩ−ＩｎＰ基板２０１上にｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２０２、光を閉じ込め伝搬させるためのノンドープ半導体コア層２０３、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２０４で構成される層構造を持ち、メサ状の光導波路が形成されている。また、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２０４上には変調信号が印加されるシグナル電極２０６、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２０２上にはグランド電極２０７が配された高周波線路が形成されている。さらに、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２０２とグランド電極２０７との間の一部に絶縁膜２０５としてＳｉＯ₂が挿入されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光通信用の半導体光変調素子に適用でき、主にマッハ・ツェンダ型の半導体光変調器に関する。

近年の爆発的なデータ通信量の増大に伴い光通信システムの大容量化が求められており、使われる光部品が集積化、複雑化、信号の変調速度の高速化が進められている。そういった光部品の中には、例えば、光変調器が挙げられる。

最近では、１００Ｇｂ／ｓ以上の伝送容量を増大するため、ＱＰＳＫや１６ＱＡＭなどの多値変調に対応するマッハ・ツェンダ（ＭＺ：Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）型変調器をベースとした光Ｉ／Ｑ変調器（例えば、下記非特許文献１参照）が２つの光偏波用に２個集積された偏波多重光Ｉ／Ｑ変調器（都合４つのマッハ・ツェンダ変調器が集積された構成）が用いられるようになってきている。

この偏波多重光Ｉ／Ｑ変調器のそれぞれのマッハ・ツェンダ型変調器には、高速かつ独立の電気信号がＲＦ変調電極部に入力され、そのＲＦ変調電極部の光導波路内を伝搬する光に変調が加えられて高速変調された光信号が生成される。例えば１００Ｇｂ／ｓの光信号を生成するには２５Ｇｂａｕｄの４つの独立な電気信号が入力されることになる。

そのため、各マッハ・ツェンダ型変調器のＲＦ変調電極は高周波特性に優れ、互いに電気的クロストークが小さいことが求められる。そのためには、電気ロスを小さくできグランド電位が安定する、すなわち、広い表面積と断面積を有するグランド電極を形成することが好ましい。

E. Yamada et al., "112-Gb/s InP DP-QPSK modulator integrated with a silica-PLC polarization multiplexing circuit", OFC2013, PDP 5A9 (2013)

ところが、一般的に半導体と電極を構成する金属とでは大きく熱膨張係数が異なる。例えば、ＩｎＰの熱膨張係数は４．５ｘ１０^-6／Ｋであるのに対し、金は１４．３ｘ１０^-6／Ｋであり、ＩｎＰよりも金の方が大きな熱膨張係数を有する。ＩｎＰ上に金を形成した場合、温度上昇に対して圧縮応力（凸型に変化）、温度降下に対して引張応力（凹型に変化）が発生することになる。

マウントに変調器チップを半田実装する場合、一旦変調器チップは半田の融点（３００℃以上）まで昇温された後、降温過程において半田が固まった温度の状態で変調器チップは保持されることになる。一方、変調器の動作温度は室温から５０℃程度に温調をかけて使用されるのが一般的である。

よって、熱膨張係数が大きく異なる部材と接する面積の大きなチップには、実装時の温度と動作温度の差に起因する大きな内在応力が発生するという課題があった。大きな内在応力が動作温度に応じて変化することで、変調器としての特性が安定せず、また、チップの温調設定温度を変更すると光軸ずれの発生要因ともなり得る。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高周波特性に優れ、高速動作でき、かつ、チップ内在応力が小さく特性安定性や信頼性の高い光半導体変調素子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、半導体光変調素子であって、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された半導体下部クラッド層と、前記半導体下部クラッド層上に形成された半導体コア層と、前記半導体コア層上に形成された半導体上部クラッド層とからなる層構造を持つメサ状の光半導体導波路と、前記半導体上部クラッド層上部に形成された、変調信号が印加されるシグナル電極と、前記メサ状の光半導体導波路の脇の前記半導体下部クラッド層上に形成されたグランド電極と、前記グランド電極と前記半導体下部クラッド層との間の一部に挿入された前記半導体下部クラッド層より熱膨張係数が小さい材料層と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、半導体光変調素子であって、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された半導体下部クラッド層と、前記半導体下部クラッド層上に形成された半導体コア層と、前記半導体コア層上に形成された半導体上部クラッド層とからなる層構造を持つメサ状の光半導体導波路と、前記半導体上部クラッド層上部に形成された、変調信号が印加されるシグナル電極と、前記メサ状の光半導体導波路の脇の前記半導体下部クラッド層上に形成されたグランド電極と、前記メサ状の光半導体導波路の側面から前記メサ状の光半導体導波路の脇に形成された前記半導体下部クラッド層より熱膨張係数が小さい材料層であって、前記グランド電極と前記半導体下部クラッド層との間の一部に挿入された前記材料層と、を備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の半導体光変調素子において、前記材料層は、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＳｉＯ₂とＳｉＮとの積層膜、およびＳｉＯ₂とＳｉＮとの混晶膜のいずれかの絶縁膜であることを特徴とする。

本発明は、高周波特性に優れ高速動作でき、かつ、チップの反りや内在応力が小さく特性安定性や信頼性の高い光半導体変調素子を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る偏波多重光Ｉ／Ｑ変調器の上面から見た構成図である。本発明の実施形態１に係る偏波多重光Ｉ／Ｑ変調器の図１のＡ−Ａ’における断面図である。本発明の実施形態２に係る図１のＡ−Ａ’における断面図である。

本発明の光半導体変調素子は、大きな面積を有するグランド電極とグランド電極よりも熱膨張係数が小さい半導体下部クラッド層との間の一部領域に、半導体下部クラッド層よりも熱膨張係数の小さい絶縁膜を挿入してチップの内在応力を低減する構造を特長としている。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に、本発明の一実施形態に係る偏波多重光Ｉ／Ｑ変調器の上面から見た構成図を示す。ここで示す偏波多重光Ｉ／Ｑ変調器１００は、計４つのマッハ・ツェンダ型変調器で構成される。半導体基板１０１上に半導体光導波路１０２が形成されており、半導体光導波路１０２上およびその近傍にＲＦ変調電極１０３と位相調整電極１０４とが形成されている。入力された光は、並列に接続された４つのマッハ・ツェンダ型変調器をそれぞれ通過する。４つのマッハ・ツェンダ型変調器の出力光を２つずつ合波し、半導体光導波路１０２から２つの出力光が出力される。出力光の一方は、ミラー１１０、偏波回転子１２０を介して偏波ビームコンバイナ（ＰＢＣ：ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＢｅａｍＣｏｍｂｉｎｅｒ）１３０に入射し、出力光の他方と偏波合波される。

図２に、本発明の実施形態１に係る偏波多重光Ｉ／Ｑ変調器の図１のＡ−Ａ’における断面図を示す。本実施形態１では、ＳＩ−ＩｎＰ基板２０１上にｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２０２、光を閉じ込め伝搬させるためのノンドープ半導体コア層２０３、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２０４で構成される層構造を持ち、メサ状の光導波路が形成されている。

また、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２０４上には変調信号が印加されるシグナル電極２０６、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２０２上にはグランド電極２０７が配された高周波線路が形成されている。さらに、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２０２とグランド電極２０７との間の一部に絶縁膜２０５としてＳｉＯ₂が挿入されている。

製造方法としては、ＳＩ−ＩｎＰ基板２０１上に有機金属気相成長法あるいは分子線エピタキシー法にて順次ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２０２、ノンドープ半導体コア層２０３、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２０４を成長する。次に、ＳｉＯ₂等の絶縁膜２０５堆積し、フォトリソグラフィと絶縁膜加工により光導波路のマスクを形成する。

その後、ドライエッチングによりｎ−ＩｎＰ下部クラッド２０２の途中まで半導体加工することでメサ状導波路を形成する。フッ酸系のウェットエッチングにより光導波路マスク除去後、再度、ＳｉＯ₂をｐ−ＣＶＰ等で全面堆積する。さらに、フォトリソグラフィとレジストマスクによるバッファードフッ酸で所望の箇所以外のＳｉＯ₂をウェットエッチング除去した後、シグナル電極２０６およびグランド電極２０７を形成する。これらの工程を実施することにより、図２に示す構造を形成できる。

ＳｉＯ₂の熱膨張係数は０．６ｘ１０^-6／Ｋ近傍でＩｎＰの熱膨張係数（４．５ｘ１０^-6／Ｋ）より小さいため、温度変化によるｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２０２に掛かる応力の向きはグランド電極２０７と逆になる。よって、本例ではグランド電極２０７と絶縁膜２０５は温度変化によりｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２０２へ与える応力をお互い相殺する方向に働き、全体として変調器チップの内在応力を減らす効果が期待できる。

尚、絶縁膜２０５はＳｉＯ₂に限らずＳｉＮなどの熱膨張係数がグランド電極２０７と接する半導体材料、本実施形態ではｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２０２より低い材料であれば良い。また、絶縁膜２０５の膜厚や面積は高周波特性を満たしつつ全体の内在応力が一番低くなるように設計されることが好ましい。

さらにノンドープ半導体コア層２０３は、ＩｎＧａＡｓＰ系やＩｎＧａＡｌＡｓ系を用いたバルク結晶や量子井戸構造（ＭＱＷ）で形成しても良いし、これら材料に限らずｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２０４、及び、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２０２よりも屈折率が高い半導体材料であれば使用することが可能である。

また、電極と半導体との間、すなわちグランド電極２０７と下部クラッド層２０２との間、およびシグナル電極２０６と上部クラッド層２０４との間にＩｎＧａＡｓ層やＩｎＧａＡｓＰ層を形成して良好なオーミックコンタクトを形成する構成を採ってももちろん構わない。また、今回半導体材料としてＩｎＰ系を用いて説明したが、ＧａＡｓ系その他ほかの半導体材料を用いた光導波路でも適用可能である。

（実施形態２）
図３に、本発明の実施形態２に係る図１のＡ−Ａ’における断面図を示す。本実施形態２では、ＳＩ−ＩｎＰ基板３０１上にｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３０２、光を閉じ込め伝搬させるための半導体コア層３０３、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層３０４で構成される層構造を持ち、メサ状の光導波路が形成されている。

また、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層３０４上には変調信号が印加されるシグナル電極３０６、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３０２上にはグランド電極３０７が配された高周波線路が形成されている。さらに、メサ状光導波路の側面からメサ状光導波路の脇のｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３０２にかけて絶縁膜３０５であるＳｉＯ₂が形成されており、また、その一部がｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３０２とグランド電極３０７との間に挿入される構成となっている。

製造方法としては、ＳＩ−ＩｎＰ基板３０１上に有機金属気相成長法あるいは分子線エピタキシー法にて順次ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３０２、ノンドープ半導体コア層３０３、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層３０４を成長する。次に、ＳｉＯ₂等の絶縁膜３０５を堆積し、フォトリソグラフィと絶縁膜加工により光導波路のマスクを形成する。

その後、ドライエッチングによりｎ−ＩｎＰ下部クラッド３０２の途中まで半導体加工することでメサ状導波路を形成する。フッ酸系のウェットエッチングにより光導波路マスク除去後、再度、絶縁膜３０５であるＳｉＯ₂をｐ−ＣＶＰ等で全面堆積する。さらに、フォトリソグラフィとレジストマスクによるバッファードフッ酸によるウェットエッチングやＣＦ系のドライエッチングで所望の箇所以外のＳｉＯ₂を除去した後、バッファードフッ酸や所望の箇所以外のＳｉＯ₂を除去した後、シグナル電極３０６およびグランド電極３０７を形成する。これらの工程を実施することにより、図３に示す構造を形成できる。

ＳｉＯ₂の熱膨張係数は０．６ｘ１０^-6／Ｋ近傍でＩｎＰの熱膨張係数より小さいため、温度変化によるｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３０２に掛かる応力の向きはグランド電極３０７と逆になる。よって、本例ではグランド電極３０７と絶縁膜３０５は温度変化によりｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３０２へ与える応力をお互い相殺する方向に働き、全体として変調器チップの内在応力を減らす効果が期待できる。また、グランド電極３０７や絶縁膜３０５のｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３０２と接する縁が開放端になることを避ける構造となるため、エッヂでの局在応力を抑制する効果も期待できる。

尚、絶縁膜３０５はＳｉＯ₂に限らずＳｉＮなどの熱膨張係数がグランド電極３０７と接する半導体材料、本実施形態ではｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３０２より低い材料であれば良い。また、絶縁膜３０５の膜厚や面積は高周波特性を満たしつつ全体の内在応力が一番低くなるように設計されることが好ましい。

さらにノンドープ半導体コア層３０３は、ＩｎＧａＡｓＰ系やＩｎＧａＡｌＡｓ系を用いたバルク結晶や量子井戸構造（ＭＱＷ）で形成しても良いし、これら材料に限らず上部クラッド層３０４、及び、下部クラッド層３０２よりも屈折率が高い半導体材料であれば使用することが可能である。

また、電極と半導体との間、すなわちグランド電極３０７と下部クラッド層３０２との間、およびシグナル電極３０６と上部クラッド層３０４との間にＩｎＧａＡｓ層やＩｎＧａＡｓＰ層を形成して良好なオーミックコンタクトを形成する構成を採ってももちろん構わない。また、今回半導体材料としてＩｎＰ系を用いて説明したが、ＧａＡｓ系その他ほかの半導体材料を用いた光導波路でも適用可能である。

さらに、第１の実施形態と第２の実施形態を併せ持つ構造を適用することも可能である。

１００偏波多重光Ｉ／Ｑ変調器
１０１半導体基板
１０２半導体光導波路
１０３ＲＦ変調電極
１０４位相調整電極
１１０ミラー
１２０偏波回転子
１３０ＰＢＣ
２０１、３０１ＳＩ−ＩｎＰ基板
２０２、３０２ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層
２０３、３０３ノンドープ半導体コア層
２０４、３０４ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層
２０５、３０５絶縁膜
２０６、３０６シグナル電極
２０７、３０７グランド電極

Claims

半導体基板と、前記半導体基板上に形成された半導体下部クラッド層と、前記半導体下部クラッド層上に形成された半導体コア層と、前記半導体コア層上に形成された半導体上部クラッド層とからなる層構造を持つメサ状の光半導体導波路と、
前記半導体上部クラッド層上部に形成された、変調信号が印加されるシグナル電極と、
前記メサ状の光半導体導波路の脇の前記半導体下部クラッド層上に形成されたグランド電極と、
前記グランド電極と前記半導体下部クラッド層との間の一部に挿入された前記半導体下部クラッド層より熱膨張係数が小さい材料層と、
を備えたことを特徴とする半導体光変調素子。
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された半導体下部クラッド層と、前記半導体下部クラッド層上に形成された半導体コア層と、前記半導体コア層上に形成された半導体上部クラッド層とからなる層構造を持つメサ状の光半導体導波路と、
前記半導体上部クラッド層上部に形成された、変調信号が印加されるシグナル電極と、
前記メサ状の光半導体導波路の脇の前記半導体下部クラッド層上に形成されたグランド電極と、
前記メサ状の光半導体導波路の側面から前記メサ状の光半導体導波路の脇に形成された前記半導体下部クラッド層より熱膨張係数が小さい材料層であって、前記グランド電極と前記半導体下部クラッド層との間の一部に挿入された前記材料層と、
を備えたことを特徴とする半導体光変調素子。
前記材料層は、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＳｉＯ₂とＳｉＮとの積層膜、およびＳｉＯ₂とＳｉＮとの混晶膜のいずれかの絶縁膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体光変調素子。