JP2022037930A - 光変調器 - Google Patents
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Abstract
【課題】メサ導波路の抵抗値を低減しつつコア層を伝搬する光の伝搬損失を低減できる光変調器を提供する。【解決手段】光変調器は、第１メサ導波路及び第２メサ導波路を備える。第１メサ導波路及び第２メサ導波路のそれぞれは、基板上に設けられたｐ型の第１半導体層と、第１半導体層上に設けられたｐ型の第２半導体層と、第２半導体層上に設けられたコア層と、コア層上に設けられたｎ型の第３半導体層と、を備える。第１半導体層は、第２半導体層のドーパント濃度よりも大きいドーパント濃度を有する。【選択図】図２
Description
本開示は、光変調器に関する。
特許文献１は、半絶縁性基板上に設けられた２つのメサ導波路を備えるマッハツェンダ変調器を開示する。各メサ導波路は、いわゆるｐｉｎ構造を有する。すなわち、各メサ導波路は、半絶縁性基板上に順に設けられたｎ型半導体層、ｉ型半導体層及びｐ型半導体層を備える。
ｐｉｎ構造を有するメサ導波路では、一方のメサ導波路のｎ型半導体層と他方のメサ導波路のｎ型半導体層とが、導電層を介して互いに電気的に接続される。一方、ｐ型半導体層はメサ導波路の頂部に位置するので、ｐ型半導体層を広げてｐ型半導体層の抵抗値を低減することは難しい。さらに、通常、ｐ型半導体層を構成する半導体材料の抵抗率は、ｎ型半導体層を構成する半導体材料の抵抗率よりも大きい。したがって、ｐｉｎ構造を有するメサ導波路の抵抗値を低減することは難しい。
そこで、ｐｉｎ構造を有するメサ導波路に代えてｎｉｐ構造を有するメサ導波路を用いることが考えられる。ｎｉｐ構造を有するメサ導波路は、半絶縁性基板上に順に設けられたｐ型半導体層、ｉ型半導体層及びｎ型半導体層を備える。ｐ型半導体層の抵抗値を低減するためには、ｐ型半導体層のドーパント濃度を高くすることが考えられる。しかし、その場合、ｐ型半導体層の光吸収係数が大きくなるので、コア層であるｉ型半導体層を伝搬する光の伝搬損失が増加してしまう。
本開示は、メサ導波路の抵抗値を低減しつつコア層を伝搬する光の伝搬損失を低減できる光変調器を提供する。
本開示の一側面に係る光変調器は、第１メサ導波路及び第２メサ導波路を備え、前記第１メサ導波路及び前記第２メサ導波路のそれぞれは、基板上に設けられたｐ型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられたｐ型の第２半導体層と、前記第２半導体層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられたｎ型の第３半導体層と、を備え、前記第１半導体層は、前記第２半導体層のドーパント濃度よりも大きいドーパント濃度を有する。
本開示によれば、メサ導波路の抵抗値を低減しつつコア層を伝搬する光の伝搬損失を低減できる光変調器が提供され得る。
［本開示の実施形態の説明］
一実施形態に係る光変調器は、第１メサ導波路及び第２メサ導波路を備え、前記第１メサ導波路及び前記第２メサ導波路のそれぞれは、基板上に設けられたｐ型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられたｐ型の第２半導体層と、前記第２半導体層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられたｎ型の第３半導体層と、を備え、前記第１半導体層は、前記第２半導体層のドーパント濃度よりも大きいドーパント濃度を有する。
一実施形態に係る光変調器は、第１メサ導波路及び第２メサ導波路を備え、前記第１メサ導波路及び前記第２メサ導波路のそれぞれは、基板上に設けられたｐ型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられたｐ型の第２半導体層と、前記第２半導体層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられたｎ型の第３半導体層と、を備え、前記第１半導体層は、前記第２半導体層のドーパント濃度よりも大きいドーパント濃度を有する。
上記光変調器では、第１半導体層が第２半導体層の抵抗値よりも小さい抵抗値を有するので、第１半導体層が存在しない場合に比べて、第１半導体層及び第２半導体層の合計抵抗値を低減できる。一方、第２半導体層が第１半導体層の光吸収係数よりも小さい光吸収係数を有するので、第２半導体層が存在しない場合に比べて、コア層を伝搬する光の伝搬損失を低減できる。したがって、上記光変調器によれば、メサ導波路の抵抗値を低減しつつコア層を伝搬する光の伝搬損失を低減できる。
前記第１メサ導波路の前記第１半導体層と前記第２メサ導波路の前記第１半導体層とが、互いに接続されてもよい。この場合、第１メサ導波路と第２メサ導波路とを互いに電気的に接続できる。
前記第１メサ導波路及び前記第２メサ導波路のそれぞれは、前記基板と前記第１半導体層との間に設けられた拡散防止層を更に備え、前記拡散防止層は、前記第１半導体層中のドーパントの前記基板への拡散を防止してもよい。この場合、第１半導体層のドーパント濃度の低下を抑制できる。
前記基板が半絶縁性半導体基板であり、前記拡散防止層が前記基板中のドーパントの前記第１半導体層への拡散を防止してもよい。この場合、基板のドーパント濃度の低下を抑制できる。
前記第１半導体層がＩｎＧａＡｓを含んでもよい。この場合、第１半導体層がＩｎＰを含む場合に比べて、第１半導体層のドーパント濃度を高くできる。
［本開示の実施形態の詳細］
以下、添付図面を参照しながら本開示の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。図面には、互いに交差するＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向が必要に応じて示される。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は例えば互いに直交している。
以下、添付図面を参照しながら本開示の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。図面には、互いに交差するＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向が必要に応じて示される。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は例えば互いに直交している。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光変調器を模式的に示す平面図である。図１に示される光変調器１０は、例えばマッハツェンダ変調器である。光変調器１０は、例えば光通信において光の強度又は位相を変調し、変調信号を生成することができる。光変調器１０は、例えば光の強度を調整することによって光を減衰させることができる。
図１は、第１実施形態に係る光変調器を模式的に示す平面図である。図１に示される光変調器１０は、例えばマッハツェンダ変調器である。光変調器１０は、例えば光通信において光の強度又は位相を変調し、変調信号を生成することができる。光変調器１０は、例えば光の強度を調整することによって光を減衰させることができる。
光変調器１０は、第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２を備える。第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２は、それぞれマッハツェンダ変調器の第１アーム導波路及び第２アーム導波路である。第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２のそれぞれは、基板１２上に設けられ、Ｘ軸方向に沿って延在し、Ｚ軸方向に高さを有する。
第１メサ導波路Ｍ１の入力端及び第２メサ導波路Ｍ２の入力端は、光分波器Ｃ１に光学的に結合される。光分波器Ｃ１は、例えば１×２多モード干渉カプラ等の多モード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ－Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラである。光分波器Ｃ１は、入力導波路Ｗ１の出力端に光学的に結合される。入力導波路Ｗ１の入力端は入力ポートＰ１となる。入力ポートＰ１は基板１２の縁に位置する。光は入力ポートＰ１に入力される。
第１メサ導波路Ｍ１の出力端及び第２メサ導波路Ｍ２の出力端は、光合波器Ｃ２に光学的に結合される。光合波器Ｃ２は、例えば２×１多モード干渉カプラ等のＭＭＩカプラである。光合波器Ｃ２は、出力導波路Ｗ２の入力端に光学的に結合される。出力導波路Ｗ２の出力端は出力ポートＰ２となる。出力ポートＰ２は、入力ポートＰ１が位置する基板１２の縁とは反対側の縁に位置する。光は出力ポートＰ２から出力される。
第１メサ導波路Ｍ１は、Ｘ軸方向に沿って延在する直線導波路Ｍ１ａと、直線導波路Ｍ１ａの両端にそれぞれ光学的に結合された一対の曲がり導波路Ｍ１ｂとを備える。一方の曲がり導波路Ｍ１ｂが光分波器Ｃ１に光学的に結合される。他方の曲がり導波路Ｍ１ｂが光合波器Ｃ２に光学的に結合される。直線導波路Ｍ１ａは、Ｘ軸方向に沿って互いに離間して配置された複数の変調部Ｍ１ｍを備える。複数の変調部Ｍ１ｍ間には絶縁部Ｍ１ｓが位置する。各変調部Ｍ１ｍには、Ｘ軸方向に延在する配線Ｅ１ａが接続される。配線Ｅ１ａは、変調部Ｍ１ｍ上に位置している。各配線Ｅ１ａは、配線Ｅ１ｂにより電極パッドＥＰ１に接続される。電極パッドＥＰ１は、Ｙ軸方向において配線Ｅ１ａから離れて位置する。電極パッドＥＰ１は、複数の変調部Ｍ１ｍにわたってＸ軸方向に延在する。配線Ｅ１ａ、配線Ｅ１ｂ及び電極パッドＥＰ１は、基板１２上に位置している。配線Ｅ１ａ、配線Ｅ１ｂ及び電極パッドＥＰ１は、例えば金等の金属を含む。
第２メサ導波路Ｍ２は第１メサ導波路Ｍ１と同様の構成を備える。第２メサ導波路Ｍ２は、Ｘ軸方向に沿って直線導波路Ｍ２ａと、直線導波路Ｍ２ａの両端にそれぞれ光学的に結合された一対の曲がり導波路Ｍ２ｂとを備える。一方の曲がり導波路Ｍ２ｂが光分波器Ｃ１に光学的に結合される。他方の曲がり導波路Ｍ２ｂが光合波器Ｃ２に光学的に結合される。直線導波路Ｍ２ａは、Ｘ軸方向に沿って互いに離間して配置された複数の変調部Ｍ２ｍを備える。複数の変調部Ｍ２ｍ間には絶縁部Ｍ２ｓが位置する。各変調部Ｍ２ｍには、Ｘ軸方向に延在する配線Ｅ２ａが接続される。配線Ｅ２ａは、変調部Ｍ２ｍ上に位置している。各配線Ｅ２ａは、配線Ｅ２ｂにより電極パッドＥＰ２に接続される。電極パッドＥＰ２は、Ｙ軸方向において配線Ｅ２ａから離れて位置する。電極パッドＥＰ２は、複数の変調部Ｍ２ｍにわたってＸ軸方向に延在する。配線Ｅ２ａ、配線Ｅ２ｂ及び電極パッドＥＰ２は、基板１２上に位置している。配線Ｅ２ａ、配線Ｅ２ｂ及び電極パッドＥＰ２は、例えば金等の金属を含む。
電極パッドＥＰ１の一端及び電極パッドＥＰ２の一端には、配線により駆動回路ＤＲが接続されている。駆動回路ＤＲは、交流電源ＰＷと、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２とを含む。交流電源ＰＷは、配線により抵抗Ｒ１を介して電極パッドＥＰ１の一端に接続される。交流電源ＰＷは、配線により抵抗Ｒ２を介して電極パッドＥＰ２の一端に接続される。
電極パッドＥＰ１の他端は、配線により終端抵抗ＲＴ１を介して接地電位ＧＮＤに接続されている。電極パッドＥＰ２の他端は、配線により終端抵抗ＲＴ２を介して接地電位ＧＮＤに接続されている。
図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。図２には、変調部Ｍ１ｍ及び変調部Ｍ２ｍの断面が示されている。図２に示されるように、第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２のそれぞれは、基板１２上に設けられたｐ型の第１半導体層１４と、第１半導体層１４上に設けられたｐ型の第２半導体層１６と、第２半導体層１６上に設けられたコア層１８と、コア層１８上に設けられたｎ型の第３半導体層２０とを備える。第１半導体層１４、第２半導体層１６、コア層１８及び第３半導体層２０は、基板１２の主面１２ａ上に順に設けられる。第２半導体層１６は下部クラッド層を構成する。第３半導体層２０は上部クラッド層を構成する。第１メサ導波路Ｍ１のコア層１８及び第２メサ導波路Ｍ２のコア層１８は、Ｙ軸方向において互いに離間して配置されている。Ｘ軸方向に直交する第１メサ導波路Ｍ１の断面において、光のスポットＳ１は、第２半導体層１６、コア層１８及び第３半導体層２０にわたって形成される。Ｘ軸方向に直交する第２メサ導波路Ｍ２の断面において、光のスポットＳ２は、第２半導体層１６、コア層１８及び第３半導体層２０にわたって形成される。
基板１２は、例えば半絶縁性半導体基板である。基板１２は、絶縁性ドーパントがドープされたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。基板１２は、例えば鉄（Ｆｅ）がドープされたＩｎＰを含む。基板１２のドーパント濃度は、１×１０１７ｃｍ－３以上１×１０１８ｃｍ－３以下であってもよい。
第１半導体層１４は、コア層１８と基板１２との間に位置する第１部分１４ａと、第１部分１４ａの両側に位置する一対の第２部分１４ｂとを備える。第１部分１４ａ及び一対の第２部分１４ｂは、Ｘ軸方向に延在している。したがって、第１半導体層１４の幅（Ｙ軸方向の長さ）は、コア層１８の幅よりも大きくなっている。第１メサ導波路Ｍ１の第１半導体層１４と第２メサ導波路Ｍ２の第１半導体層１４とは、互いに接続されている。本実施形態において、第１メサ導波路Ｍ１の第１半導体層１４と第２メサ導波路Ｍ２の第１半導体層１４とは、互いに接続されて単一の半導体層を形成している。第１半導体層１４は、一対の第２部分１４ｂを備えなくてもよい。この場合、基板１２と第１半導体層１４との間に設けられた半導体層又は導電層によって、第１メサ導波路Ｍ１の第１半導体層１４と第２メサ導波路Ｍ２の第１半導体層１４とを互いに電気的に接続できる。
第１半導体層１４は、ｐ型ドーパントがドープされたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。第１半導体層１４は、例えば亜鉛（Ｚｎ）がドープされたＩｎＧａＡｓ又はＩｎＰを含む。第１半導体層１４は、第２半導体層１６のドーパント濃度よりも大きいドーパント濃度を有する。第１半導体層１４のドーパント濃度は、第２半導体層１６のドーパント濃度の１０倍以上であってもよい。第１半導体層１４のドーパント濃度は、５×１０１８ｃｍ－３以上であってもよいし、１×１０１９ｃｍ－３以上であってもよい。第１半導体層１４の厚みＴ１は、例えば０．５μｍ以上２．０μｍ以下である。
第２半導体層１６は、コア層１８と第１半導体層１４との間に位置する第１部分１６ａと、第１部分１６ａの両側に位置する一対の第２部分１６ｂとを備える。第１部分１６ａの厚みは、第２部分１６ｂの厚みよりも大きい。第１部分１６ａ及び一対の第２部分１６ｂは、Ｘ軸方向に延在している。したがって、第２半導体層１６の幅は、コア層１８の幅よりも大きくなっている。第１メサ導波路Ｍ１の第２半導体層１６と第２メサ導波路Ｍ２の第２半導体層１６とは、互いに接続されている。本実施形態において、第１メサ導波路Ｍ１の第２半導体層１６と第２メサ導波路Ｍ２の第２半導体層１６とは、互いに接続されて単一の半導体層を形成している。第２半導体層１６は、一対の第２部分１６ｂを備えなくてもよい。
第２半導体層１６は、ｐ型ドーパントがドープされたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。第２半導体層１６は、第１半導体層１４の半導体材料とは異なる半導体材料を含んでもよい。第２半導体層１６は、例えばＺｎがドープされたＩｎＰを含む。第２半導体層１６のドーパント濃度は、５×１０１７ｃｍ－３以上２×１０１８ｃｍ－３以下であってもよい。第２半導体層１６の厚みＴ２（第１部分１６ａの厚み）は、第１半導体層１４の厚みＴ１より大きくてもよく、例えば１．０μｍ以上３．０μｍ以下である。
コア層１８は、ｉ型の半導体層すなわちアンドープ半導体層である。コア層１８は、多重量子井戸構造を有してもよい。コア層１８は、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ系のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。コア層１８の幅は例えば１．５μｍ以下である。
第３半導体層２０は、ｎ型ドーパントがドープされたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。第３半導体層２０は、例えばＳｉがドープされたＩｎＰを含む。第３半導体層２０のドーパント濃度は、５×１０１７ｃｍ－３以上２×１０１８ｃｍ－３以下であってもよい。第３半導体層２０の厚みは、例えば１．０μｍ以上３．０μｍ以下である。
第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２のそれぞれは、第３半導体層２０上に設けられたｎ型の第４半導体層２２を備えてもよい。第４半導体層２２は、ｎ型ドーパントがドープされたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。第４半導体層２２は、第３半導体層２０の半導体材料とは異なる半導体材料を含んでもよい。第４半導体層２２は、例えばＳｉがドープされたＩｎＧａＡｓ又はＩｎＰを含む。第４半導体層２２は、第３半導体層２０のドーパント濃度よりも大きいドーパント濃度を有する。第４半導体層２２のドーパント濃度は、５×１０１８ｃｍ－３以上であってもよいし、１×１０１９ｃｍ－３以上であってもよい。第４半導体層２２の厚みは、例えば０．１μｍ以上０．５μｍ以下である。
第１メサ導波路Ｍ１の第４半導体層２２には電極Ｅ１が接続される。電極Ｅ１は、第４半導体層２２にオーミック接触する。電極Ｅ１は、配線Ｅ１ａに接続される。同様に、第２メサ導波路Ｍ２の第４半導体層２２には電極Ｅ２が接続される。電極Ｅ２は、第４半導体層２２にオーミック接触する。電極Ｅ２は、配線Ｅ２ａに接続される。電極Ｅ１及び電極Ｅ２のそれぞれは、例えばＮｉ層、Ｇｅ層及びＡｕ層を含む。更なる電極が第１半導体層１４に接続されてもよい。
基板１２の主面１２ａ、第１メサ導波路Ｍ１の側面及び第２メサ導波路Ｍ２の側面上には、例えば無機材料を含む絶縁膜３０が設けられてもよい。第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２を埋め込むように、絶縁膜３０上に埋込領域３２が設けられてもよい。埋込領域３２は例えば樹脂を含む。絶縁膜３０は、埋込領域３２上に設けられてもよい。
図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。図３には、絶縁部Ｍ１ｓ及び絶縁部Ｍ２ｓの断面が示されている。図３に示されるように、絶縁部Ｍ１ｓ及び絶縁部Ｍ２ｓにおいて、第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２のそれぞれは、第３半導体層２０及び第４半導体層２２を備えず、コア層１８上に設けられた半絶縁性半導体層２６を備える。半絶縁性半導体層２６上には、電極Ｅ１、電極Ｅ２、配線Ｅ１ａ及び配線Ｅ２ａが設けられていない。半絶縁性半導体層２６は、絶縁性ドーパントがドープされたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。半絶縁性半導体層２６は、例えばＦｅがドープされたＩｎＰを含む。
本実施形態の光変調器１０では、駆動回路ＤＲにより電極Ｅ１及び電極Ｅ２に交流電圧が印加される。例えば第１メサ導波路Ｍ１に電圧が印加されることによって、第１メサ導波路Ｍ１のコア層１８を伝搬する光の強度又は位相が調整される。同様に、第２メサ導波路Ｍ２に電圧が印加されることによって、第２メサ導波路Ｍ２のコア層１８を伝搬する光の強度又は位相が調整される。光変調器１０では、第１半導体層１４が第２半導体層１６の抵抗値よりも小さい抵抗値を有するので、第１半導体層１４が存在せず第２半導体層１６のみの場合に比べて、第１半導体層１４及び第２半導体層１６の合計抵抗値を低減できる。その結果、第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２のそれぞれの抵抗値が低くなるので、光変調器１０の変調帯域を広くできる。一方、第２半導体層１６が第１半導体層１４の光吸収係数よりも小さい光吸収係数を有するので、第２半導体層１６が存在せず第１半導体層１４のみの場合に比べて、コア層１８を伝搬する光の伝搬損失を低減できる。したがって、光変調器１０によれば、第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２のそれぞれの抵抗値を低減しつつコア層１８を伝搬する光の伝搬損失を低減できる。
第１メサ導波路Ｍ１の第１半導体層１４と第２メサ導波路Ｍ２の第１半導体層１４とが互いに接続されていると、第１メサ導波路Ｍ１と第２メサ導波路Ｍ２とを互いに接続できる。これにより、第１メサ導波路Ｍ１と第２メサ導波路Ｍ２との間の接続抵抗を低減できる。第１メサ導波路Ｍ１の第２半導体層１６と第２メサ導波路Ｍ２の第２半導体層１６とが互いに接続されていると、第１メサ導波路Ｍ１と第２メサ導波路Ｍ２との間の接続抵抗を更に低減できる。また、第１半導体層１４及び第２半導体層１６の各幅がコア層１８の幅よりも大きいと、第１半導体層１４及び第２半導体層１６の各抵抗値を低減できる。
第１半導体層１４がＩｎＧａＡｓを含む場合、第１半導体層１４がＩｎＰを含む場合に比べて、第１半導体層１４のドーパント濃度を高くできる。
図４は、周波数とＥＯ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｏｐｔｉｃａｌ）応答との関係の例を示すグラフである。図４の横軸は周波数（ＧＨｚ）を示す。図４の縦軸はＥＯ応答（ｄＢ）を示す。図４には、実施例１の光変調器及び比較例１の光変調器におけるＥＯ応答特性のシミュレーション結果が示されている。
実施例１の光変調器は、図１から図３に示されるｎｉｐ構造を有する。実施例１の光変調器は以下の構成を有する。
基板１２：ＦｅがドープされたＩｎＰ基板（Ｆｅ濃度１×１０１７ｃｍ－３以上１×１０１８ｃｍ－３以下）、
第１半導体層１４：ＺｎがドープされたＩｎＧａＡｓ層（厚み１μｍ、Ｚｎ濃度１×１０１９ｃｍ－３以上）、
第２半導体層１６：ＺｎがドープされたＩｎＰ層（第１部分１６ａの厚み１．５μｍ、第２部分１６ｂの厚み１μｍ、Ｚｎ濃度５×１０１７ｃｍ－３以上２×１０１８ｃｍ－３以下）、
コア層１８：ＡｌＧａＩｎＡｓ系の多重量子井戸（厚み０．５μｍ、幅１．５μｍ、第１メサ導波路Ｍ１のコア層１８と第２メサ導波路Ｍ２のコア層１８と間の距離１５μｍ）、
第３半導体層２０：ＳｉがドープされたＩｎＰ層（Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ－３以上２×１０１８ｃｍ－３以下）、
第４半導体層２２：ＳｉがドープされたＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ濃度１×１０１９ｃｍ－３以上）
電極Ｅ１及び電極Ｅ２：Ｎｉ／Ｇｅ／Ａｕ（第３半導体層２０、第４半導体層２２及び電極Ｅ１（電極Ｅ２）の合計厚み１．５μｍ）
配線Ｅ１ａ及び配線Ｅ２ａ：Ａｕ層（厚み２μｍ、幅４μｍ、長さ１２０μｍ）。
電極パッドＥＰ１及び電極パッドＥＰ２：Ａｕ層（幅５０μｍ、Ｙ軸方向における電極パッドＥＰ１と電極パッドＥＰ２との間の距離５０μｍ、１つの変調部Ｍ１ｍ及び１つの絶縁部Ｍ１ｓに対応する部分のＸ軸方向の長さ１５０μｍ）、
半絶縁性半導体層２６：ＦｅがドープされたＩｎＰ層（Ｆｅ濃度１×１０１７ｃｍ－３以上１×１０１８ｃｍ－３以下）。
基板１２：ＦｅがドープされたＩｎＰ基板（Ｆｅ濃度１×１０１７ｃｍ－３以上１×１０１８ｃｍ－３以下）、
第１半導体層１４：ＺｎがドープされたＩｎＧａＡｓ層（厚み１μｍ、Ｚｎ濃度１×１０１９ｃｍ－３以上）、
第２半導体層１６：ＺｎがドープされたＩｎＰ層（第１部分１６ａの厚み１．５μｍ、第２部分１６ｂの厚み１μｍ、Ｚｎ濃度５×１０１７ｃｍ－３以上２×１０１８ｃｍ－３以下）、
コア層１８：ＡｌＧａＩｎＡｓ系の多重量子井戸（厚み０．５μｍ、幅１．５μｍ、第１メサ導波路Ｍ１のコア層１８と第２メサ導波路Ｍ２のコア層１８と間の距離１５μｍ）、
第３半導体層２０：ＳｉがドープされたＩｎＰ層（Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ－３以上２×１０１８ｃｍ－３以下）、
第４半導体層２２：ＳｉがドープされたＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ濃度１×１０１９ｃｍ－３以上）
電極Ｅ１及び電極Ｅ２：Ｎｉ／Ｇｅ／Ａｕ（第３半導体層２０、第４半導体層２２及び電極Ｅ１（電極Ｅ２）の合計厚み１．５μｍ）
配線Ｅ１ａ及び配線Ｅ２ａ：Ａｕ層（厚み２μｍ、幅４μｍ、長さ１２０μｍ）。
電極パッドＥＰ１及び電極パッドＥＰ２：Ａｕ層（幅５０μｍ、Ｙ軸方向における電極パッドＥＰ１と電極パッドＥＰ２との間の距離５０μｍ、１つの変調部Ｍ１ｍ及び１つの絶縁部Ｍ１ｓに対応する部分のＸ軸方向の長さ１５０μｍ）、
半絶縁性半導体層２６：ＦｅがドープされたＩｎＰ層（Ｆｅ濃度１×１０１７ｃｍ－３以上１×１０１８ｃｍ－３以下）。
比較例１の光変調器は、ｐｉｎ構造を有する。比較例１の光変調器は、第１半導体層１４及び第２半導体層１６に代えてＳｉがドープされたｎ型ＩｎＰ層を備え、第３半導体層２０に代えてＺｎがドープされたｐ型ＩｎＰ層及びｐ型ＩｎＧａＡｓ層を備え、電極Ｅ１及び電極Ｅ２としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを備え、半絶縁性半導体層２６に代えてノンドープＩｎＰ層を備えること以外は実施例１の光変調器と同じ構成を備える。したがって、比較例１の光変調器は以下の構成を有する。
基板１２：ＦｅがドープされたＩｎＰ基板（Ｆｅ濃度１×１０１７ｃｍ－３以上１×１０１８ｃｍ－３以下）、
ｎ型ＩｎＰ層：ＳｉがドープされたＩｎＰ層（第１部分１６ａに対応する部分の厚み１．５μｍ、第２部分１６ｂに対応する部分の厚み１μｍ、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ－３以上２×１０１８ｃｍ－３以下）、
コア層１８：ＡｌＧａＩｎＡｓ系の多重量子井戸（厚み０．５μｍ、幅１．５μｍ、第１メサ導波路Ｍ１のコア層１８と第２メサ導波路Ｍ２のコア層１８と間の距離１５μｍ）、
ｐ型ＩｎＰ層：ＺｎがドープされたＩｎＰ層（Ｚｎ濃度１×１０１９ｃｍ－３以上）、
ｐ型ＩｎＧａＡｓ層：ＺｎがドープされたＩｎＧａＡｓ層（Ｚｎ濃度１×１０１９ｃｍ－３以上）、
電極Ｅ１及び電極Ｅ２：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ（ｐ型ＩｎＰ層、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層及び電極Ｅ１（電極Ｅ２）の合計厚み１．５μｍ）
配線Ｅ１ａ及び配線Ｅ２ａ：Ａｕ層（厚み２μｍ、幅４μｍ、長さ１２０μｍ）。
電極パッドＥＰ１及び電極パッドＥＰ２：Ａｕ層（幅５０μｍ、Ｙ軸方向における電極パッドＥＰ１と電極パッドＥＰ２との間の距離５０μｍ、１つの変調部Ｍ１ｍ及び１つの絶縁部Ｍ１ｓに対応する部分のＸ軸方向の長さ１５０μｍ）、
ノンドープＩｎＰ層：ノンドープＩｎＰ層。
基板１２：ＦｅがドープされたＩｎＰ基板（Ｆｅ濃度１×１０１７ｃｍ－３以上１×１０１８ｃｍ－３以下）、
ｎ型ＩｎＰ層：ＳｉがドープされたＩｎＰ層（第１部分１６ａに対応する部分の厚み１．５μｍ、第２部分１６ｂに対応する部分の厚み１μｍ、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ－３以上２×１０１８ｃｍ－３以下）、
コア層１８：ＡｌＧａＩｎＡｓ系の多重量子井戸（厚み０．５μｍ、幅１．５μｍ、第１メサ導波路Ｍ１のコア層１８と第２メサ導波路Ｍ２のコア層１８と間の距離１５μｍ）、
ｐ型ＩｎＰ層：ＺｎがドープされたＩｎＰ層（Ｚｎ濃度１×１０１９ｃｍ－３以上）、
ｐ型ＩｎＧａＡｓ層：ＺｎがドープされたＩｎＧａＡｓ層（Ｚｎ濃度１×１０１９ｃｍ－３以上）、
電極Ｅ１及び電極Ｅ２：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ（ｐ型ＩｎＰ層、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層及び電極Ｅ１（電極Ｅ２）の合計厚み１．５μｍ）
配線Ｅ１ａ及び配線Ｅ２ａ：Ａｕ層（厚み２μｍ、幅４μｍ、長さ１２０μｍ）。
電極パッドＥＰ１及び電極パッドＥＰ２：Ａｕ層（幅５０μｍ、Ｙ軸方向における電極パッドＥＰ１と電極パッドＥＰ２との間の距離５０μｍ、１つの変調部Ｍ１ｍ及び１つの絶縁部Ｍ１ｓに対応する部分のＸ軸方向の長さ１５０μｍ）、
ノンドープＩｎＰ層：ノンドープＩｎＰ層。
図４に示されるように、比較例１の光変調器では、３ｄＢ帯域が５０ＧＨｚであった。一方、実施例１の光変調器では、３ｄＢ帯域は６７．５ＧＨｚであった。したがって、実施例１の光変調器の変調帯域が、比較例１の光変調器の変調帯域よりも広いことが分かる。
図５は、下部クラッド層と光の伝搬損失との関係の例を示すグラフである。図５の横軸は下部クラッド層の厚みＴ２（μｍ）を示す。図５の縦軸は光の伝搬損失（ｄＢ／ｃｍ）を示す。図５には、実験例１から実験例７の光変調器におけるシミュレーション結果が示されている。実験例１から実験例７の光変調器は、下部クラッド層である第２半導体層１６の厚みＴ２が互いに異なっていること以外は同じ構成を備える。例えば、実験例１の光変調器において、第２半導体層１６の厚みＴ２は０μｍである。すなわち、第２半導体層１６は存在しない。実験例２から実験例７の光変調器では、第２半導体層１６の厚みＴ２はそれぞれ順に０．５μｍ、１μｍ、１．５μｍ、２μｍ、２．５μｍ及び３μｍである。第２半導体層１６の厚みＴ２が１．５μｍである実験例４の光変調器が図４の実施例１の光変調器に対応する。
図５に示されるように、第２半導体層１６の厚みＴ２が大きくなると、光の伝搬損失が小さくなる。第２半導体層１６の厚みＴ２が１．４μｍ以上であると、光の伝搬損失は１ｄＢ／ｃｍ以下となる。
図６の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、第１実施形態に係る光変調器の製造方法の工程を模式的に示す断面図である。光変調器１０は、以下のようにして製造されてもよい。
まず、図６（ａ）に示されるように、例えば有機金属気相成長法により、第１半導体層１４、第２半導体層１６、コア層１８、第３半導体層２０及び第４半導体層２２を順に基板１２上に形成する。その後、例えばフォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、マスクを用いて、図１に示される絶縁部Ｍ１ｓの形成領域に位置する第３半導体層２０及び第４半導体層２２をエッチングする。続いて、例えば有機金属気相成長法により、絶縁部Ｍ１ｓの形成領域に図３の半絶縁性半導体層２６を形成する。その後、例えばウェットエッチングによりマスクを除去する。
次に、図６（ｂ）に示されるように、例えばフォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、マスクＭＫ１を用いて、第２半導体層１６、コア層１８、第３半導体層２０及び第４半導体層２２をエッチングする。続いて、図６（ｃ）に示されるように、例えばフォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、マスクＭＫ２を用いて、第２半導体層１６及び第１半導体層１４をエッチングする。これにより、第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２を形成する。
次に、図２に示されるように、第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２を覆うように絶縁膜３０を形成する。その後、絶縁膜３０上に樹脂を塗布することによって埋込領域３２を形成する。その後、埋込領域３２上に絶縁膜３０を形成する。続いて、例えばフォトリソグラフィー、ドライエッチング、蒸着及びリフトオフにより、電極Ｅ１、電極Ｅ２、配線Ｅ１ａ、配線Ｅ２ａ、配線Ｅ１ｂ、配線Ｅ２ｂ、電極パッドＥＰ１及び電極パッドＥＰ２を形成する。
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係る光変調器の一部を模式的に示す断面図である。図７に示される光変調器は、拡散防止層４０を更に備えること以外は第１実施形態の光変調器１０と同じ構成を備える。図７に示される光変調器において、第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２のそれぞれは、基板１２と第１半導体層１４との間に設けられた拡散防止層４０を更に備える。拡散防止層４０は、有機金属気相成長法による半導体層の形成の工程又は電極形成の工程における第１半導体層１４中のドーパントの基板１２への拡散を防止してもよい。拡散防止層４０は基板１２中のドーパントの第１半導体層１４への拡散を防止してもよい。基板１２のドーパントがＦｅであり、第１半導体層１４のドーパントがＺｎであるときに、ドーパントの拡散はとくに起こり易い。基板１２と第１半導体層１４との接触面が高温になるとＦｅとＺｎとの相互拡散が起こり易い。基板１２に第１半導体層１４から拡散したＺｎが侵入すると、基板１２の半絶縁性が劣化する。第１半導体層１４に基板１２から拡散したＦｅが侵入すると、第１半導体層１４の抵抗が上昇してＥＯ応答特性が劣化する。有機金属気相成長の温度におけるＦｅ又はＺｎの拡散距離よりも厚い拡散防止層４０を設けることにより、Ｆｅの拡散は拡散防止層４０中で終端するので、Ｆｅが第１半導体層１４に届くことが抑制される。拡散防止層４０により、Ｚｎが基板１２に届くことが抑制される。第１メサ導波路Ｍ１の拡散防止層４０と第２メサ導波路Ｍ２の拡散防止層４０とは、互いに接続されている。本実施形態において、第１メサ導波路Ｍ１の拡散防止層４０と第２メサ導波路Ｍ２の拡散防止層４０とは、互いに接続されて単一の半導体層を形成している。
図７は、第２実施形態に係る光変調器の一部を模式的に示す断面図である。図７に示される光変調器は、拡散防止層４０を更に備えること以外は第１実施形態の光変調器１０と同じ構成を備える。図７に示される光変調器において、第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２のそれぞれは、基板１２と第１半導体層１４との間に設けられた拡散防止層４０を更に備える。拡散防止層４０は、有機金属気相成長法による半導体層の形成の工程又は電極形成の工程における第１半導体層１４中のドーパントの基板１２への拡散を防止してもよい。拡散防止層４０は基板１２中のドーパントの第１半導体層１４への拡散を防止してもよい。基板１２のドーパントがＦｅであり、第１半導体層１４のドーパントがＺｎであるときに、ドーパントの拡散はとくに起こり易い。基板１２と第１半導体層１４との接触面が高温になるとＦｅとＺｎとの相互拡散が起こり易い。基板１２に第１半導体層１４から拡散したＺｎが侵入すると、基板１２の半絶縁性が劣化する。第１半導体層１４に基板１２から拡散したＦｅが侵入すると、第１半導体層１４の抵抗が上昇してＥＯ応答特性が劣化する。有機金属気相成長の温度におけるＦｅ又はＺｎの拡散距離よりも厚い拡散防止層４０を設けることにより、Ｆｅの拡散は拡散防止層４０中で終端するので、Ｆｅが第１半導体層１４に届くことが抑制される。拡散防止層４０により、Ｚｎが基板１２に届くことが抑制される。第１メサ導波路Ｍ１の拡散防止層４０と第２メサ導波路Ｍ２の拡散防止層４０とは、互いに接続されている。本実施形態において、第１メサ導波路Ｍ１の拡散防止層４０と第２メサ導波路Ｍ２の拡散防止層４０とは、互いに接続されて単一の半導体層を形成している。
拡散防止層４０は、ノンドープ半導体層（ｉ型半導体層）であってもよいし、ｎ型半導体層であってもよいし、絶縁性ドーパント（例えば鉄）及びｎ型ドーパント（例えばＳｉ）を含む半導体層であってもよい。拡散防止層４０は、例えばＩｎＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰ等のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。拡散防止層４０の厚みは、例えば０．１μｍ以上３．０μｍ以下である。
本実施形態では、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。さらに、拡散防止層４０によって、基板１２及び第１半導体層１４の各ドーパント濃度の低下を抑制できる。
以上、本開示の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本開示は上記実施形態に限定されない。各実施形態の各構成要素は、任意に組み合わされてもよい。
１０…光変調器
１２…基板
１２ａ…主面
１４…第１半導体層
１４ａ…第１部分
１４ｂ…第２部分
１６…第２半導体層
１６ａ…第１部分
１６ｂ…第２部分
１８…コア層
２０…第３半導体層
２２…第４半導体層
２６…半絶縁性半導体層
３０…絶縁膜
３２…埋込領域
４０…拡散防止層
Ｃ１…光分波器
Ｃ２…光合波器
ＤＲ…駆動回路
Ｅ１…電極
Ｅ１ａ…配線
Ｅ１ｂ…配線
Ｅ２…電極
Ｅ２ａ…配線
Ｅ２ｂ…配線
ＥＰ１…電極パッド
ＥＰ２…電極パッド
ＧＮＤ…接地電位
Ｍ１…第１メサ導波路
Ｍ１ａ…直線導波路
Ｍ１ｂ…曲がり導波路
Ｍ１ｍ…変調部
Ｍ１ｓ…絶縁部
Ｍ２…第２メサ導波路
Ｍ２ａ…直線導波路
Ｍ２ｂ…曲がり導波路
Ｍ２ｍ…変調部
Ｍ２ｓ…絶縁部
ＭＫ１…マスク
ＭＫ２…マスク
Ｐ１…入力ポート
Ｐ２…出力ポート
ＰＷ…交流電源
Ｒ１…抵抗
Ｒ２…抵抗
ＲＴ１…終端抵抗
ＲＴ２…終端抵抗
Ｓ１…スポット
Ｓ２…スポット
Ｗ１…入力導波路
Ｗ２…出力導波路
１２…基板
１２ａ…主面
１４…第１半導体層
１４ａ…第１部分
１４ｂ…第２部分
１６…第２半導体層
１６ａ…第１部分
１６ｂ…第２部分
１８…コア層
２０…第３半導体層
２２…第４半導体層
２６…半絶縁性半導体層
３０…絶縁膜
３２…埋込領域
４０…拡散防止層
Ｃ１…光分波器
Ｃ２…光合波器
ＤＲ…駆動回路
Ｅ１…電極
Ｅ１ａ…配線
Ｅ１ｂ…配線
Ｅ２…電極
Ｅ２ａ…配線
Ｅ２ｂ…配線
ＥＰ１…電極パッド
ＥＰ２…電極パッド
ＧＮＤ…接地電位
Ｍ１…第１メサ導波路
Ｍ１ａ…直線導波路
Ｍ１ｂ…曲がり導波路
Ｍ１ｍ…変調部
Ｍ１ｓ…絶縁部
Ｍ２…第２メサ導波路
Ｍ２ａ…直線導波路
Ｍ２ｂ…曲がり導波路
Ｍ２ｍ…変調部
Ｍ２ｓ…絶縁部
ＭＫ１…マスク
ＭＫ２…マスク
Ｐ１…入力ポート
Ｐ２…出力ポート
ＰＷ…交流電源
Ｒ１…抵抗
Ｒ２…抵抗
ＲＴ１…終端抵抗
ＲＴ２…終端抵抗
Ｓ１…スポット
Ｓ２…スポット
Ｗ１…入力導波路
Ｗ２…出力導波路
Claims (10)
- 第１メサ導波路及び第２メサ導波路を備え、
前記第１メサ導波路及び前記第２メサ導波路のそれぞれは、基板上に設けられたｐ型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられたｐ型の第２半導体層と、前記第２半導体層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられたｎ型の第３半導体層と、を備え、
前記第１半導体層は、前記第２半導体層のドーパント濃度よりも大きいドーパント濃度を有する、光変調器。 - 前記第１メサ導波路の前記第１半導体層と前記第２メサ導波路の前記第１半導体層とが、互いに接続されている、請求項１に記載の光変調器。
- 前記第１メサ導波路及び前記第２メサ導波路のそれぞれは、前記基板と前記第１半導体層との間に設けられた拡散防止層を更に備え、
前記拡散防止層は、前記第１半導体層中のドーパントの前記基板への拡散を防止する、請求項１又は請求項２に記載の光変調器。 - 前記基板が半絶縁性半導体基板であり、
前記拡散防止層が前記基板中のドーパントの前記第１半導体層への拡散を防止する、請求項３に記載の光変調器。 - 前記第１半導体層がＩｎＧａＡｓを含む、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光変調器。
- 前記第１半導体層は、前記第２半導体層のドーパント濃度の１０倍以上のドーパント濃度を有する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光変調器。
- 前記第１半導体層のドーパント濃度は、５×１０１８ｃｍ－３以上である、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光変調器。
- 前記第２半導体層は、前記第１半導体層の半導体材料とは異なる半導体材料を含む、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の光変調器。
- 前記第２半導体層の厚みは、前記第１半導体層の厚みより大きい、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の光変調器。
- 前記第２半導体層の厚みは、１．４μｍ以上である、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の光変調器。
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