JP3839710B2

JP3839710B2 - Semiconductor optical modulator, Mach-Zehnder optical modulator, and optical modulator integrated semiconductor laser

Info

Publication number: JP3839710B2
Application number: JP2001376557A
Authority: JP
Inventors: 茂昭関口
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2021-12-11
Also published as: JP2003177368A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光変調器、マッハツェンダ型光変調器、及び光変調器一体型半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術における半導体光変調器、特に光の位相を操作する光位相変調器及びマッハツェンダ型光変調器は、素子の小型化が可能であったり半導体レーザとの集積が可能であったり等の利点を有している。更に、他の光変調器と比較してローコスト化が図れるという利点も有している。
【０００３】
このような利点を有することから、特に長距離大容量光通信において、短距離から中長距離までをカバーする電気−光変換素子として半導体光変調器は広く研究されている。また、マッハツェンダ型光変調器は伝送距離を制限する波長チャーピングを原理的になくすことが可能なため、４０Ｇｂｐｓを超える高速動作変調器として期待されている。
【０００４】
しかしながら、半導体光変調器では電極の容量及びリード線のインダクタンスにより素子の動作速度が制限される。このため、高速動作可能な光変調器を作成する場合、進行波型電極を用いることが不可欠である。また、進行波型電極を有する素子においては、伝搬する変調波の損失を極力減らすことが重要となってくる。
【０００５】
従来では、このような変調波の伝搬損失を減らすために変調波の単位長さあたりの減衰係数を小さくすることや素子長を短くすること等が施されてきた。一般的に、変調波の減衰係数を小さくするためには導電層間の空隙を広くすることが有効であり、また、素子長を短くするためには電界光学効果を持つコア層に効率よく電界をかけること、即ち導電層間を狭めることで単位長さあたりの位相変調量を増すことが有効である。
【０００６】
以上のことを前提として、以下に、従来技術による光位相変調器の層構造を２種類例示する。但し、以下の説明において‘ｉ−’は絶縁性であることを意味し、‘ｐ−’はｐ型の導電性であることを意味し、‘ｎ−’はｎ型の導電性であることを意味するものとする。
【０００７】
図１（ａ）は、従来技術において各層がドーピングされていない（ノンドープ型）の光位相変調器の一例を光軸に対して垂直に切断した場合の層構造を示す断面図である。この層構造を持つ光位相変調器１１００を以下の説明において従来技術１という。
【０００８】
図１（ａ）を参照すると、光位相変調器１１００は、絶縁性の基板（ＩｎＰ基板）１１０１上に、ノンドープ、即ち導電性でないクラッド層（ｉ−ＩｎＰクラッド層１１０２，１１０４）で挟まれたｉ−光導波路コア層１１０３が形成されている。また、このように形成された素子の上面及び下面には、それぞれ金属電極（シグナル）１１０５ａ，金属電極（グランド）１１０５ｂが形成されている。
【０００９】
この構成において、金属電極１１０５ａと１１０５ｂとの間の領域、即ち、光位相変調器を構成するｉ−ＩｎＰ基板１１０１，ｉ−ＩｎＰクラッド層１１０２，ｉ−光導波路コア層１１０３，ｉ−ＩｎＰクラッド層１１０４の何れの層もドーピングが施されていないため導電性を持たない。これにより、金属電極１１０５ａ，１１０５ｂを介して光位相変調器へ電界を加える場合、変調波の伝搬特性、特に変調波の単位長さあたり損失量を小さく抑えることができる。
【００１０】
このように従来技術１による光位相変調器１１００は、位相変調器を形成するいずれの層もドーピングが施されておらず、導電性を持たない。そのため、変調波の伝搬特性、特に変調波の単位長さあたりの損失への影響が小さいという利点がある。
【００１１】
また、図１（ｂ）は、従来技術において導波路がｐｉｎ型素子として構成された光位相変調器の一例を光軸に対して垂直に切断した場合の層構造を示す断面図である。この層構造を持つ光位相変調器１２００を以下の説明において従来技術２という。
【００１２】
図１（ｂ）を参照すると、光位相変調器１２００は、ｎ型の導電性を有するＩｎＰ基板（ｎ−ＩｎＰ基板）１２０１上に、ｎ型の導電性を持つクラッド層（ｎ−ＩｎＰクラッド層）１２０２とｐ型の導電性を持つクラッド層（ｐ−ＩｎＰクラッド層）１２０４とで挟まれた絶縁性の光導波路コア層（ｉ−光導波路コア層）１２０３が形成されている。また、このように形成された素子において、ｐ−ＩｎＰクラッド層１２０４の上部には金属電極（シグナル）１２０５ａが、ｎ−ＩｎＰ基板１２０１上には金属電極（グランド）１２０５ｂがそれぞれ形成されている。
【００１３】
このように、ノンドープの光導波路コア層１２０３をｎ型及びｐ型のクラッド層で挟み込むことで構成されたｐｉｎ型ダイオード構造を有する素子は、逆バイアスを印加することでｉ−光導波路コア層１２０３に効率的に電界を印加することができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術１では、電界をｉ−光導波路コア層１１０３に効率的に印加することができないため、印加した電圧に対して屈折率変化が小さいという問題が存在する。また、この問題を解決するためには、所望の位相変化を得るために素子長を長くする、若しくは高い電圧をかけることが必要となるが、素子長を長くすることは素子の小型化という半導体素子の利点に反し、更に変調波の損失を大きくするという問題にもつながる。また、高い電圧をかけることは、素子の消費電力を高くし、更に素子の駆動回路の形成が困難となるという問題にもつながる。
【００１５】
また、従来技術２では、ｉ−光導波路コア層１２０３上部のクラッド層にｐ型半導体を用いることで、光、変調波に対する損失が大きくなるという問題を有する。
【００１６】
また、このクラッド層にドーピングしたｐ型の不純物は他の領域に拡散しやすい。このため、ｐ型の不純物がｉ−光導波路コア層１２０３に拡散することにより、ｐ型不純物イオンやキャリアがｉ−光導波路コア層１２０３中に進入してしまうという問題が存在する。これは、ｉ−光導波路コア層１２０３中にｐ型不純物イオンやキャリアが、ｉ−光導波路コア層１２０３を伝搬する変調波の伝搬特性に悪影響を及ぼし、ｉ−光導波路コア層１２０３に効率的な電界が印加できなくなるためである。
【００１７】
また、上記のような問題を解決ために、ノンドープである絶縁性の層をｉ−光導波路コア層１２０３とｐ−ＩｎＰクラッド層１２０４との間に設けるよう構成し、これにより不純物拡散を軽減する方法が存在するか、このように構成した場合では、ｉ−光導波路コア層１２０３へ効率的に電界を印加することが困難となる問題を有する。
【００１８】
また、ｐｉｎ型ダイオード構造を有する素子では、必らず逆バイアスするように電界を印加しなければならず、素子の駆動電圧が制限される。
【００１９】
従って、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、光導波路コア層に効率的に電界を印加し、尚且つ変調波の伝搬特性を劣化させない半導体光変調器、マッハツェンダ型光変調器、及び光変調器一体型半導体レーザを提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
係る目的を達成するために、請求項１記載の発明は、光導波路層と、該光導波路層に電界を印加する一対の電極とを有し、印加された前記電界に基づいて前記光導波路層中を伝搬する光を変調する半導体光変調器であって、ｎ型の導電性を有する第１及び第２のクラッド層と、前記第１及び第２のクラッド層間に前記光導波路層とを有し、前記光導波路層は、ノンドープ層である光導波路コア層と、前記光導波路コア層の少なくとも片面に接する半絶縁性半導体層とを有することを特徴としている。
【００２１】
これにより、請求項１記載の発明では、光導波路層に効率的に電界を印加し、任意の電界を印加することができる半導体光変調器を提供することが可能となる。さらに、光導波路層の上下に形成するクラッド層にドーピングする不純物として、比較的拡散しにくいｎ型の不純物を用いることにより、光導波路層に不純物が拡散し、変調波の伝搬損失が生じることを防止することが可能となる。さらに、ｎ型半導体はｐ型半導体と比べ、導電率が高く、光吸収が小さいため、光及び変調波の損失の低減が可能となる。さらに、光導波路層を挟むクラッド層間を電気的に切断して、効率よく発生した電界を光導波路層へ印加することが可能となる。
【００２６】
また、請求項２記載の発明は、入射光を第１及び第２の光路に分波する分波器と、前記第１の光路を構成する第１の光導波路と、前記第２の光路を構成する第２の光導波路と、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とを合波する合波器と、前記第１及び第２の光導波路の少なくとも一方上に形成された請求項１または２に記載の前記半導体光変調器と、を有することを特徴としている。
【００２７】
これにより、請求項２記載の発明では、光導波路層に効率的に電界を印加し、尚且つ変調波の伝搬特性を劣化させない半導体光変調器が適用されたマッハツェンダ型光変調器を提供することが可能となる。
【００２８】
また、請求項３記載の発明は、同一の半導体基板上に、請求項１に記載の前記半導体光変調器と、半導体レーザと、が形成され、前記半導体光編著器と前記半導体レーザとが、前記光導波路層により光学的に接続されていることを特徴としている。
【００２９】
これにより、請求項３記載の発明では、光導波路層に効率的に電界を印加し、尚且つ変調波の伝搬特性を劣化させない半導体光変調器が同一基板上にモノリシックに形成された半導体レーザを提供することが可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
〔原理〕
本発明を説明するにあたり、本発明の原理を先に述べる。
【００３１】
本発明は、光導波路層を挟むように形成されるクラッド層の材料としてｎ型の不純物が拡散された半導体を用いる。また、本発明は、両クラッド層間に半絶縁性半導体層を設けることで、両クラッド層が電気的に接続されることを防止する。
【００３２】
本発明では、上記のように構成することで、本発明では変調波の損失に与える影響を低減し、尚且つ光導波路層におけるコア層に効率的に電界を印加することが可能となり、小型で、且つ高速、低電圧動作が可能である半導体光位相変調器、マッハツェンダ型光変調器、及び光変調器一体型半導体レーザを提供することが可能となる。
【００３３】
以下、本発明を好適に実施した形態について図面を用いて詳細に説明する。
〔第１の実施例〕
まず、本発明の第１の実施例について、図面を用いて詳細に説明する。
【００３４】
図２は本実施例による光位相変調器１００を、光軸方向に対して垂直に切断した際の層構造を示す断面図である。
【００３５】
図２を参照すると、光位相変調器１００は、半絶縁性の半導体基板１０１上に、ｎ型の不純物が拡散されたクラッド層（ｎ型クラッド層１０２）が積層されている。また、ｎ型クラッド層１０２上には、光導波路層１０３が形成される。
【００３６】
光導波路層１０３は、クラッド層１０３ｂ及び１０３ｃと、クラッド層１０３ｂ及び１０３ｃで挟まれた光導波路コア層１０３ａとより構成される。また、光導波路層１０３上には、ｎ型の不純物が拡散されたクラッド層（ｎ型クラッド層１０４）が形成される。
【００３７】
ここで、光導波路層１０３は電界光学効果を有するものである。また、光導波路層１０３を構成する光導波路コア層１０３ａは半絶縁性となるようドーピングされた半導体材料又は、ノンドープの半導体材料により形成される。ここで、本実施例では光導波路コア層１０３ａの膜厚を少なくとも０．２μｍ以上０．８μｍ以下とする。また、光導波路コア層１０３ａの上部又は下部に形成されるクラッド層１０３ｂ又は１０３ｃは半絶縁性となるようドーピングされた半導体材料又は、ノンドープの半導体材料により形成される。
【００３８】
但し、光導波路コア層１０３ａをノンドープの半導体材料により形成した場合、クラッド層１０３ｂ，１０３ｃの少なくとも何れか一方を半絶縁性の半導体材料で形成するか、若しくは、ｎ型クラッド層１０２及び１０４間の何れかに半絶縁性の半導体材料による層を形成する。また、光導波路コア層１０３ａを半絶縁性の半導体材料により形成した場合、クラッド層１０３ｂ，１０３ｃを半絶縁性の半導体材料を用いて形成してもノンドープの半導体材料で形成してもよく、更には形成しなくてもよい。本実施例では、このようにｎ型クラッド層１０２及び１０４間に半絶縁性の層を設けることで、ｎ型クラッド層１０２及び１０４間を電気的に切り離す。
【００３９】
また、本実施例において、ｎ型クラッド層１０４上には金属電極１０５ａが形成され、また、ｎ型クラッド層１０２上には光導波路層１０３と同じ側に金属電極１０５ｂが形成される。
【００４０】
この構成において、２つの金属電極１０５ａ，１０５ｂに電圧を印加すると、光導波路層１０３の上面及び下面間に電位差が生じ、電界が発生する。この電界は、光導波路層１０３に集中する。従って、電界光学効果により光導波路コア層１０３ａの屈折率が変化する。
【００４１】
このように、本実施例では、光導波路層１０３の上部又は下部に形成されるｎ型クラッド層１０２，１０４がｎ型の導電性を有する半導体材料で形成され、また、ｎ型クラッド層１０２，１０４間には１層以上の半絶縁性半導体層が形成される。これにより、光導波路コア層１０３ａに不純物が拡散することなく、且つ効率的に光導波路コア層１０３ａに電界を印加するよう構成することが可能となる。
【００４２】
上記構成において、半絶縁性の半導体基板１０１としては、不純物として鉄がドーピングされたＩｎＰ基板を用いる。
【００４３】
また、光導波路コア層１０３ａには、例えばバンドギャップ波長が１．５μｍで膜厚が４〜１２ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ四次混晶と膜厚が５〜２０ｎｍのＩｎＰとを交互に積み重ねた量子井戸構造を有するＭＱＷを用いる。但し、これをＡｌＧａＩｎＡｓとＡｌＩｎＡｓとを用いた量子井戸構造を有するＭＱＷにより形成してもよい。
【００４４】
また、ｎ型クラッド層１０２，１０４には、例えばｎ型の不純物がドーピングされたＩｎＰを用いる。ここで、ｎ型の不純物としては、例えば１×１０^１８ｃｍ^―３の珪素を用いる。但し、これに硫黄やセレンを適用してもよい。
【００４５】
また、ｎ型クラッド層１０２，１０４間に形成する半絶縁層（クラッド層１０３ｂ，１０３ｃ、若しくは図示しない層）には、例えば鉄がドーピングされた半導体（例えばＩｎＰ）を用いる。但し、この半導体としては、膜厚が少なくとも０．２μｍ以上であり、ドーピングされた鉄の濃度が少なくとも１×１０^１６ｃｍ^−３以上であるものを用いる。
【００４６】
また、クラッド層１０３ｂ，１０３ｃの膜厚は１〜３μｍ程度とする。更に、金属電極１０５ａ，１０５ｂは、金メッキによる厚みを含んだ膜厚が５〜３０μｍとする。
【００４７】
上記のように構成された光位相変調器の金属電極１０５ａ，１０５ｂ間に電位差を与えた場合、ｎ型クラッド層１０２，１０４に大量の伝導電子が存在し、この電子が電界を打ち消すように働くため、ｎ型クラッド層１０２，１０４内には電界が発生しない。
【００４８】
また、ｎ型クラッド層１０２，１０４間に設けた半絶縁層（不純物として鉄がドーピングされた半導体層とする）内部では、ドーピングされた鉄が半導体層中で深いアクセプタとして機能し、近傍に存在する電子を捕獲してイオン化するため、自由電子が存在しない。このため、この半絶縁層中では電流が流れることが阻止され、層全体が略絶縁体として機能する。
【００４９】
従って、クラッド層１０３ｂ，１０３ｃ双方に鉄がドーピングされているとすると、図１における層構造では、光導波路コア層１０３ａとクラッド層１０３ｂ，１０３ｃとの合計が絶縁層として機能する。
【００５０】
また通常、珪素等のｎ型の不純物は亜鉛等のｐ型不純物と比較すると拡散しにくい。このため、本実施例による層構造では、設計時に意図したドーピングプロファイルが略所望する通り実現される。従って、本実施例では、絶縁層の膜厚が光導波路コア層１０３ａとクラッド層１０３ｂ，１０３ｃとの合計の厚さに正確に等しく、また、この絶縁層がｐ型不純物イオンやキャリアによる影響を受けないため、光導波路コア層１０３ａに対して効率的に電界を印加することが可能となる。
【００５１】
また、本実施例では、ｎ型不純物が拡散された半導体に比べ、光吸収が大きく、導電率の小さいｐ型の不純物が拡散された半導体を使用していないため、金属電極１０５ａを伝搬する変調波信号の伝搬損失及び、光導波路を伝搬する光の伝搬損失を低減することができる。
【００５２】
これに対し、例えば従来のｐｉｎ型ダイオード構造では、ｐ型の不純物が拡散された層を用いているため、このｐ型の不純物が光導波路コア層１０３ａへ拡散し、光導波路コア層１０３ａに内部までキャリアが存在してしまい、光導波路コア層１０３ａが絶縁層とならない。このため、金属電極１０５ａを伝搬する変調波信号の伝搬損失が増大する。
【００５３】
例えば４０ＧＨｚの変調波に関しては、ｐ型の不純物が拡散していない状態に比べ、ｐ型の不純物が拡散し、その濃度が１×１０^１６ｃｍ^―３程度になった光導波路コア層１０３ａでは、変調波の損失が、拡散していないものに比べて４倍程度に増大する。
【００５４】
また、光導波路コア層１０３ａにｐ型の不純物が拡散されると、光導波路コア層１０３ａに残留する正孔の存在のためにキャリア効果が生じ、変調速度が制限されるという不具合が発生する可能性がある。
【００５５】
更にまた、不純物拡散を制御するために、光導波路コア層１０３ａとｐ型の不純物が拡散されたクラッド層との間にノンドープのＩｎＰ層を例えば０．５μｍの膜厚で設けた場合、光導波路コア層１０３ａへのｐ型の不純物の拡散は減少させることが可能であるが、ノンドープのＩｎＰ層への拡散は存在するため、変調波の損失は増加する。更にこのように構成した場合、抵抗率の大きいｐ型半導体層が設けられているため、本実施例のような、膜厚０．５μｍの光導波路コア層１０３ａと例えば膜厚０．５μｍの半絶縁性のクラッド層とをｎ型クラッド層１０２，１０４で挟んだ構成を有する光位相変調器と比較して、変調波の損失は２割以上大きい。
【００５６】
光の損失については、例えば、従来のｐｉｎ型ダイオード構造では、ｐ型半導体での光吸収により本実施例の構造より光損失は２倍程度大きい。
【００５７】
また、本実施例の層構造を有する光位相変調器１００では、例えば金属電極１０５ａ，１０５ｂ間に５Ｖの電位差を与えた場合、光導波路コア層１０３ａに約５×１０４Ｖ／ｃｍ以上の電界が印加されるが、上記従来のｐｉｎ型ダイオード構造を有する光位相変調器では、ｐ型の不純物が拡散していないと仮定しても、同等かそれ以下の電界しか印加することができない。
【００５８】
このように本実施例による光位相変調器１００は、従来のものと比較して、光損失や印加させる電界の効率の面でも非常に大きなメリットを有している。
【００５９】
次に、図３を用いて本実施例による光位相変調器１００の具体的構成例を説明する。ここで、図３（ａ）は光位相変調器１００を集中定数型で構成した場合の集中定数型光位相変調器２００の俯瞰図であり、図３（ｂ）は光位相変調器１００を分布定数型（進行波型）で構成した場合の分布定数型光位相変調器３００の俯瞰図である。
【００６０】
図３（ａ）に示す集中定数型光位相変調器２００において、金属電極１０５ａにはバイアス電源３のマイナス（−）側が接続され、金属電極１０５ｂにはバイアス電源３のプラス（＋）側が接続される。また、容量６を介して信号電源４が金属電極１０５ａ，１０５ｂに接続される。ここで、電界光学効果により光導波路コア層１０３ａの屈折率が変化すると、これを伝搬する光の速度が変化する。従って、光導波路コア層１０３ａに入力された光１は、光位相変調器２００を通過することにより位相が変調される。但し、変調させる位相値は、光導波路コア層１０３ａを形成する半導体材料に対応して、印加する電圧値を設定することにより制御することができる。
【００６１】
また、図３（ｂ）に示す分布定数型光位相変調器３００において、金属電極１０５ａにバイアス電源３のマイナス側が、金属電極１０５ｂにバイアス電源３のプラス側が接続され、金属電極１０５ａ及び１０５ｂにそれぞれ信号電源４が容量６を介して接続される。また、信号電源４から出力された変調波信号２は金属電極１０５ａを伝搬し、並列して伝搬する光１を変調する。従って、光導波路コア層１０３ａに入力された光１は、光位相変調器３００を通過することにより位相が変調される。但し、変調させる位相値は、光導波路コア層１０３ａを形成する半導体材料に対応して、入力する変調波信号２の電圧値を設定することにより制御することができる。
〔第２の実施例〕
次に、本発明の第２の実施例について以下に図面を用いて詳細に説明する。
【００６２】
本実施例は、第１の実施例で例示した位相変調器１００をマッハツェンダ型光変調器１０に適用したものである。図４に本実施例によるマッハツェンダ型光変調器の俯瞰図を示す。
【００６３】
図４を参照すると、マッハツェンダ型光変調器１０は、半導体基板１１上に、入力された光２０を２分派する分派器１４と、２分派された光の位相を印加された電圧に基づいてそれぞれ変調する光位相変調器１２，１３と、光位相変調器１２，１３によりそれぞれ変調された光を合波する合波器１５と、を有して構成される。また、分派器１４と光位相変調器１２と合波器１５とは導波路１８により光学的に接続され、分派器１４と光位相変調器１３と合波器１５とは導波路１９により光学的に接続されている。
【００６４】
本実施例において、半導体基板１１には、例えば鉄が不純物としてドーピングされたＩｎＰ基板を用いる。また、分派器１４，合波器１５には、例えばマルチモード干渉結合器（ＭＭＩカプラ）を用いる。
【００６５】
この構成において光２０は、分派器１４により均等の強度及び波長を有する光２１ａ，２１ｂに分派され、導波路１８，１９にそれぞれ出力される。その後、導波路１８に入力された光２１ａは光位相変調器１２により変調され、また、導波路１９に入力された光２１ｂは光位相変調器１３により変調される。
【００６６】
ここで、光位相変調器１２，１３には、第１の実施例による光位相変調器１００が適用される。また、光位相変調器１２，１３は、それぞれ同じ電圧でバイアスされており、どちらか一方のみ、又は双方の金属電極（１０５ａ，１０５ｂ間）に信号電圧が印加される。但し、双方の金属電極（１０５ａ，１０５ｂ間）に信号電圧を印加する場合、それぞれに印加する信号電圧は、位相が揃って且つ反対向きであるものとする。
【００６７】
このように信号電圧を印加すると、それぞれの光位相変調器１２，１３に入力された光２１ａ，２１ｂは異なる位相変調を受け、その後、合波器１５により合波される。
【００６８】
このとき、合波器１５で合波される光２１ａ，２１ｂの位相差が２ｎπ（ｎは整数）である場合、合波器１５における干渉の結果、出力導波路１７から光２０ａと同等の強度（多少の減衰は含まれるが従来と比較して十分な程度の強度が保たれている）である光２０ｂが出力される。これに対して、光２１ａ，２１ｂの位相差が２（ｎ＋１）πである場合、干渉の結果、打ち消し合い、出力導波路１７には光２０ｂが出力されない。
【００６９】
従って、マッハツェンダ型光変調器１０では、光位相変調器１２，１３に印加した電圧によって、出力される光２０ｂの強度が変調される。そこで、第１の実施例による光位相変調器１００を適用することにより、変調波の伝搬損失が低減され、且つ、光導波路コア層１０３ａへの効率的な電界の印加が可能となり、伝送速度の向上が可能となる。
〔第３の実施例〕
次に、第１の実施例で例示した光位相変調器１００の凸部（又はメサともいう）の両側に半絶縁性の半導体壁を設けた層構造を有する光位相変調器１１０を第３の実施例として説明する。
【００７０】
図５は、本実施例による光位相変調器１１０を光軸に対して垂直に切断した際の層構造を示す断面図である。
【００７１】
図５を参照すると、本実施例による光位相変調器１１０は、第１の実施例で図２を用いて説明した構造において、ｎ型クラッド層１０２の上部と光導波路層１０３とｎ型クラッド層１０４とより成る凸部の両側に半絶縁性の半導体層（半絶縁性半導体層１１６ａ，１１６ｂ）が形成された構成となっており、金属電極１１５ａは、この半絶縁性半導体層１１６ａ，１１６ｂに架橋する形で、ｎ型クラッド層１０４に接するように形成されている。
【００７２】
本実施例では、このようにメサ形状となる共振器部分を半絶縁性の半導体で側面より挟み込むことにより、より効率よく電界を光導波路コア層１０３ａに存在させることが可能となる。
【００７３】
また、半絶縁性半導体層１１６ａ，１１６ｂは、例えば鉄がドーピングされた半導体（例えばＩｎＰ）を用いて形成する。但し、この半絶縁性の半導体としては、横方向の膜厚が少なくとも０．２μｍ以上であり、ドーピングされた鉄の濃度が少なくとも１×１０^１６ｃｍ^−３以上であるものを用いる。
〔第４の実施例〕
次に、本実施例において、第１の実施例で例示した光位相変調器１００と、半導体レーザと、を同一の基板上にモノリシックに形成した場合のレーザ一体型光位相変調器１２０を例に挙げて説明する。
【００７４】
図６は、本実施例によるレーザ一体型光位相変調器１２０を光軸と平行に半導体基板１０１に対して垂直に切断した際の層構造を示す断面図である。
【００７５】
図６を参照すると、レーザ一体型光位相変調器１２０は、半導体レーザが形成された領域（半導体レーザ領域１００Ｂ）と光位相変調器１００が形成された領域（光位相変調領域１００Ａ）とを有して構成されている。
【００７６】
また、本実施例では、半導体レーザ領域１００Ｂと光位相変調領域１００Ａとの間に、これらを電気的に切断するためのアイソレーション領域１００Ｃを設ける。これらの層構造は、半導体基板１０１とｎ型クラッド層１０２とが光位相変調領域１００Ａから、アイソレーション領域１００Ｃ，半導体レーザ領域１００Ｂまで、それぞれ同一層として形成されている。
【００７７】
半導体レーザ領域１００Ｂに着目すると、ｎ型クラッド層１０２上に、クラッド層１２３ｂがクラッド層１０３ｂの上面と同一面になるように、また、活性層１２３ａが光導波路コア層１０３ａと光結合できるように形成され、その後にｐ型クラッド層１０４ａがｎ型クラッド層１０４の上面と同一面になるまで積層された後、金属電極１２５ａが形成される。
【００７８】
また、アイソレーション領域１００Ｃに注目すると、ｎ型クラッド層１０２上のクラッド層１０３ｂ及び光導波路コア層１０３ａが光位相変調領域１００Ａとアイソレーション領域１００Ｃとで同一層として形成されており、その上にｎ型クラッド層１０４の上面と同一面となるまで半絶縁性の半導体層（半絶縁性半導体層１２６）が積層されている。但し、この半絶縁性の半導体としては、鉄が少なくとも１×１０^１６ｃｍ^−３以上の濃度でドーピングされたものを用いる。
【００７９】
但し、本実施例では、図６のように、光導波路コア層１０３ａの例えば上面に半絶縁性半導体層を設ける構成でなく、光導波路コア層１０３ａの下部や、その両方に、半絶縁性半導体層や誘電体層や空気又は真空等の層、又はこれらのうち何れか２つ以上より成る層を設けることで、半導体レーザ１００Ｂと光位相変調領域１００Ａとを電気的に分離するよう構成してもよい。
【００８０】
これにより、本実施例では、半導体レーザや光位相変調器１００に電気信号を入力した際に、各々における相互作用が改善されたレーザ一体型光位相変調器１２０を実現することができる。
【００８１】
また、本実施例による半導体レーザの層構造としては、図２に示す光位相変調器１００の層構造において、光導波路コア層１０３ａを活性層１２３ａとしたものとなっている。この活性層１２３ａとしては、光導波路コア層１０３ａと同一の材料で形成しても、異なる材料で形成してもよい。但し、異なる材料を用いて形成した場合、光の反射が生じないように、電気信号を入力した際の双方の屈折率が同等となるように構成するとよい。
【００８２】
また、本実施例では、図６のように、光位相変調領域１００Ａ（光位相変調器）を設けているが、この部分にマッハツェンダ形光変調器を設けて、光の変調を行うようにしてもよい。
〔他の実施例〕
また、上記した各実施例は、本発明を好適に実施した形態の一例に過ぎず、本発明は、その主旨を逸脱しない限り、種々変形して実施することが可能なものである。
（付記１）
光導波路層と、該光導波路層に電界を印加する一対の電極とを有し、印加された前記電界に基づいて前記光導波路層中を伝搬する光を変調する半導体光変調器であって、
前記光導波路層が、前記一対の電極の間において、同一である所定の導電性の第１及び第２のクラッド層間に形成されていることを特徴とする半導体光変調器。
（付記２）
半絶縁性半導体基板上に形成された第１のクラッド層と、
該第１のクラッド層上に形成された光導波路層と、
該光導波路層上に形成された第２のクラッド層と、
前記第２のクラッド層上に形成された第１の電極と、
前記第１のクラッド層上に形成された第２の電極と、を有し、
前記第１及び第２のクラッド層は、同一の所定の導電性を有することを特徴とする半導体光変調器。
（付記３）
前記所定の導電性は、ｎ型であることを特徴とする付記１又は２に記載の半導体光変調器。
（付記４）
前記第１及び第２のクラッド層間に形成された光導波路層は、光導波路コア層を含む１層以上の層より形成され、
前記光導波路層の少なくとも何れか１層以上が第１の半絶縁性半導体層であることを特徴とする付記１から３の何れか１項に記載の半導体光変調器。
（付記５）
前記光導波路コア層は、ノンドープ層であり、
前記第１の半絶縁性半導体層は、前記光導波路コア層の上部及び下部の少なくとも一方に形成されていることを特徴とすることを特徴とする付記４に記載の半導体光変調器。
（付記６）
前記光導波路コア層は、量子井戸構造を有することを特徴とする付記４又は５記載の半導体光変調器。
（付記７）
前記光導波路層の両側面に、各々第２又は第３の半絶縁性半導体層を有することを特徴とする付記１から５の何れか１項に記載の半導体光変調器。
（付記８）前記第１及び第２の電極は、進行波型電極であることを特徴とする付記２記載の半導体光変調器。
（付記９）
入射光を第１及び第２の光路に分派する分派器と、
前記第１の光路を構成する第１の光導波路と、
前記第２の光路を構成する第２の光導波路と、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とを合波する合波器と、
前記第１及び第２の光導波路の少なくとも一方上に形成された請求項１から７のいずれか１項に記載の前記半導体光変調器と、
を有することを特徴とするマッハツェンダ型光変調器。
（付記１０）
前記半導体光変調器は、同一の半導体基板上に形成されていることを特徴とする付記９記載のマッハツェンダ型光変調器。
（付記１１）同一の半導体基板上に、請求項１から７の何れか１項に記載の前記半導体光変調器と、半導体レーザと、が形成され、
前記半導体光変調器と前記半導体レーザとが、前記光導波路層により光学的に接続されていることを特徴とする光変調器一体型半導体レーザ。
（付記１２）前記半導体光変調器と前記半導体レーザとの間に、該半導体光変調器と該半導体レーザとを電気的に切断するアイソレーション領域を有することを特徴とする付記１１に記載の光変調器一体型半導体レーザ。
（付記１３）
前記アイソレーション領域は、前記半導体光変調器と前記半導体レーザとを光学的に接続する前記光導波路層の上部及び下部の少なくとも何れか一方に、第３の半絶縁性半導体層が形成されていることを特徴とする付記１２に記載の光変調器一体型半導体レーザ。
【００８３】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１記載の発明によれば、光導波路層に効率的に電界を印加し、尚且つ印加する電界の方向が任意であり、さらに、光導波路層を挟むクラッド層間を電気的に切断して、効率よく発生した電界を光導波路層へ印加することが可能な半導体光変調器を提供することが可能となる。
【００８４】
更に、請求項２記載の発明によれば、光導波路層の上下に形成するクラッド層として導電率が比較的高く、光吸収が比較的小さく、不純物が比較的拡散しにくいｎ型の半導体を用いることにより、変調波の伝搬特性を劣化させず、尚且つ光導波路層に不純物が拡散し、変調波の伝搬損失が生じることを防止することが可能となる。
【００８６】
また、請求項３記載の発明によれば、光導波路層に効率的に電界を印加し、尚且つ変調波の伝搬特性を劣化させない半導体光変調器が適用されたマッハツェンダ型光変調器を提供することが可能となる。
【００８７】
また、請求項４記載の発明によれば、光導波路層に効率的に電界を印加し、尚且つ変調波の伝搬特性を劣化させない半導体光変調器が同一基板上にモノリシックに形成された半導体レーザを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による光変調器の層構造を示す図であり、（ａ）はノンドーピング型素子として形成された光変調器１１００の層構造を示し、（ｂ）はｐｉｎ型素子として形成された光変調器１２００の層構造を示す。
【図２】本発明の第１の実施例による光位相変調器１００を光軸に対して垂直に切断した際の層構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例による光位相変調器１００の具体的構成例を示す俯瞰図であり、（ａ）は光位相変調器１００を用いて構成された集中定数型光位相変調器２００を示し、（ｂ）は光位相変調器１００を用いて構成された分布定数型（進行波型）光位相変調器３００を示す。
【図４】本発明の第１の実施例による光位相変調器１００を用いて構成されたマッハツェンダ型光変調器１０の構成を示す俯瞰図である。
【図５】本発明の第３の実施例による光位相変調器１１０を光軸に対して垂直に切断した際の層構造を示す断面図である。
【図６】本発明の第４の実施例によるレーザ一体型光変調器１２０を光軸に沿って半導体基板１０１と垂直に切断した際の層構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１光
２変調波信号
３バイアス電源
４信号電源
５抵抗
１０マッハツェンダ型光変調器
１１、１０１半導体基板
１２、１３、１００、１１０光位相変調器
１４分派器
１５合波器
１６入力導波路
１７出力導波路
１８、１９導波路
２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂ光
１００Ａ光位相変調領域
１００Ｂ半導体レーザ領域
１００アイソレーション領域
１０２、１０４ｎ型クラッド層
１０３光導波路層
１０３ａ光導波路コア層
１０３ｂ、１０３ｃ、１２３ｂクラッド層
１０４ａｐ型クラッド層
１０５ａ、１０５ｂ、１２５ａ金属電極
１１６ａ、１１６ｂ半絶縁性半導体層
１２０レーザ一体型光位相変調器
１２３ａ活性層
１２６半絶縁性半導体層
１１００光変調器（ノンドーピング型素子）
１１０１、１２０１ｉ−ＩｎＰ基板
１１０２、１１０４ｉ−ＩｎＰクラッド層
１１０３、１２０３ｉ−光導波路層
１１０５ａ、１２０５ａ金属電極（シグナル）
１１０５ｂ、１２０５ｂ金属電極（グランド）
１２００光変調器（ｐｉｎ型素子）
１２０２ｎ−ＩｎＰクラッド層
１２０４ｐ−ＩｎＰクラッド層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor optical modulator, a Mach-Zehnder optical modulator, and an optical modulator integrated semiconductor laser.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor optical modulators in the prior art, particularly optical phase modulators and Mach-Zehnder type optical modulators for manipulating the phase of light, have advantages such as miniaturization of elements and integration with semiconductor lasers. Have. Furthermore, there is an advantage that the cost can be reduced as compared with other optical modulators.
[0003]
Because of such advantages, semiconductor optical modulators have been widely studied as electro-optical conversion elements covering short to medium and long distances, particularly in long-distance and large-capacity optical communications. Further, since the Mach-Zehnder type optical modulator can theoretically eliminate wavelength chirping that limits the transmission distance, it is expected as a high-speed operation modulator exceeding 40 Gbps.
[0004]
However, in the semiconductor optical modulator, the operation speed of the element is limited by the capacitance of the electrode and the inductance of the lead wire. For this reason, when creating an optical modulator capable of high-speed operation, it is indispensable to use traveling wave electrodes. In an element having a traveling wave type electrode, it is important to reduce the loss of the propagating modulated wave as much as possible.
[0005]
Conventionally, in order to reduce the propagation loss of such a modulated wave, the attenuation coefficient per unit length of the modulated wave has been reduced and the element length has been shortened. In general, it is effective to widen the gap between the conductive layers in order to reduce the attenuation coefficient of the modulated wave, and in order to shorten the element length, the electric field is efficiently applied to the core layer having the electro-optic effect. It is effective to increase the amount of phase modulation per unit length by applying, that is, by narrowing the conductive layer.
[0006]
On the premise of the above, two types of layer structures of an optical phase modulator according to the prior art will be exemplified below. However, in the following description, 'i-' means insulating, 'p-' means p-type conductivity, and 'n-' means n-type conductivity. Means.
[0007]
FIG. 1A is a cross-sectional view showing a layer structure when an example of an optical phase modulator in which each layer is not doped (non-doped type) in the prior art is cut perpendicular to the optical axis. The optical phase modulator 1100 having this layer structure is referred to as prior art 1 in the following description.
[0008]
Referring to FIG. 1A, an optical phase modulator 1100 is sandwiched between non-doped, ie, non-conductive cladding layers (i-InP cladding layers 1102, 1104) on an insulating substrate (InP substrate) 1101. An i-optical waveguide core layer 1103 is formed. Further, a metal electrode (signal) 1105a and a metal electrode (ground) 1105b are formed on the upper surface and the lower surface of the element thus formed, respectively.
[0009]
In this configuration, a region between the metal electrodes 1105a and 1105b, that is, an i-InP substrate 1101, an i-InP clad layer 1102, an i-optical waveguide core layer 1103, and an i-InP clad layer constituting an optical phase modulator. None of the layers 1104 has conductivity because it is not doped. As a result, when an electric field is applied to the optical phase modulator via the metal electrodes 1105a and 1105b, the propagation characteristics of the modulated wave, particularly the loss amount per unit length of the modulated wave can be kept small.
[0010]
As described above, in the optical phase modulator 1100 according to the related art 1, any layer forming the phase modulator is not doped and does not have conductivity. Therefore, there is an advantage that the influence on the propagation characteristics of the modulated wave, in particular, the loss per unit length of the modulated wave is small.
[0011]
FIG. 1B is a cross-sectional view showing a layer structure in a case where an example of an optical phase modulator in which a waveguide is configured as a pin-type element in the prior art is cut perpendicular to the optical axis. The optical phase modulator 1200 having this layer structure will be referred to as prior art 2 in the following description.
[0012]
Referring to FIG. 1B, an optical phase modulator 1200 includes an n-type conductive clad layer (n-InP clad layer) on an n-type conductive InP substrate (n-InP substrate) 1201. ) 1202 and an insulating optical waveguide core layer (i-optical waveguide core layer) 1203 sandwiched between p-type conductive cladding layer (p-InP cladding layer) 1204 is formed. In the element formed as described above, a metal electrode (signal) 1205a is formed on the p-InP clad layer 1204, and a metal electrode (ground) 1205b is formed on the n-InP substrate 1201.
[0013]
In this way, an element having a pin-type diode structure configured by sandwiching the non-doped optical waveguide core layer 1203 between the n-type and p-type clad layers can be applied to the i-optical waveguide core layer 1203 by applying a reverse bias. An electric field can be applied efficiently.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the prior art 1, since an electric field cannot be efficiently applied to the i-optical waveguide core layer 1103, there is a problem that the refractive index change is small with respect to the applied voltage. Further, in order to solve this problem, it is necessary to increase the element length or apply a high voltage in order to obtain a desired phase change. Contrary to the advantages of the element, it also leads to a problem of increasing the loss of the modulated wave. Further, applying a high voltage leads to problems that the power consumption of the element is increased and that it is difficult to form a drive circuit for the element.
[0015]
Further, the prior art 2 has a problem that a loss with respect to light and a modulated wave is increased by using a p-type semiconductor for the clad layer on the i-optical waveguide core layer 1203.
[0016]
Further, the p-type impurity doped in the cladding layer is likely to diffuse into other regions. Therefore, there is a problem that p-type impurity ions and carriers enter the i-optical waveguide core layer 1203 due to diffusion of p-type impurities into the i-optical waveguide core layer 1203. This is because p-type impurity ions and carriers in the i-optical waveguide core layer 1203 have an adverse effect on the propagation characteristics of the modulated wave propagating through the i-optical waveguide core layer 1203, and the i-optical waveguide core layer 1203 is efficient. This is because a strong electric field cannot be applied.
[0017]
In order to solve the above problems, a non-doped insulating layer is provided between the i-optical waveguide core layer 1203 and the p-InP cladding layer 1204, thereby reducing impurity diffusion. In the case where there is a method or such a configuration, there is a problem that it is difficult to efficiently apply an electric field to the i-optical waveguide core layer 1203.
[0018]
Further, in an element having a pin type diode structure, an electric field must be applied so as to be reverse-biased, and the driving voltage of the element is limited.
[0019]
Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, a semiconductor optical modulator, a Mach-Zehnder optical modulator, which efficiently applies an electric field to the optical waveguide core layer and does not deteriorate the propagation characteristics of the modulated wave, And an optical modulator integrated semiconductor laser.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the object, the invention according to claim 1 includes an optical waveguide layer and a pair of electrodes for applying an electric field to the optical waveguide layer, and the optical waveguide layer is based on the applied electric field. A semiconductor optical modulator that modulates light propagating therethrough,n-typeConductive first and second cladding layers, and the optical waveguide layer between the first and second cladding layers, the optical waveguide layer being an undoped layer, and the optical waveguide core layer, And a semi-insulating semiconductor layer in contact with at least one surface of the optical waveguide core layer.
[0021]
  Thus, according to the first aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor optical modulator capable of efficiently applying an electric field to the optical waveguide layer and applying an arbitrary electric field.Furthermore, by using n-type impurities that are relatively difficult to diffuse as impurities doped in the cladding layers formed above and below the optical waveguide layer, the impurities diffuse into the optical waveguide layer, resulting in a propagation loss of the modulated wave. It becomes possible to prevent. Furthermore, since the n-type semiconductor has higher conductivity and less light absorption than the p-type semiconductor, the loss of light and modulated waves can be reduced. Further, the clad layer sandwiching the optical waveguide layer can be electrically cut, and an efficiently generated electric field can be applied to the optical waveguide layer.
[0026]
  Also,Claim 2The described invention includes a duplexer that demultiplexes incident light into first and second optical paths, a first optical waveguide that constitutes the first optical path, and a second that constitutes the second optical path. 3. An optical waveguide, a multiplexer for multiplexing the first optical waveguide and the second optical waveguide, and at least one of the first and second optical waveguides. And the semiconductor optical modulator described above.
[0027]
  ThisClaim 2According to the described invention, it is possible to provide a Mach-Zehnder optical modulator to which a semiconductor optical modulator is applied that efficiently applies an electric field to the optical waveguide layer and does not deteriorate the propagation characteristics of the modulated wave.
[0028]
  Also,Claim 3The described invention is provided on the same semiconductor substrate.Claim 1The semiconductor optical modulator described in 1) and a semiconductor laser are formed, and the semiconductor optical editor and the semiconductor laser are optically connected by the optical waveguide layer.
[0029]
  ThisClaim 3In the described invention, it is possible to provide a semiconductor laser in which a semiconductor optical modulator that applies an electric field efficiently to an optical waveguide layer and does not deteriorate the propagation characteristics of a modulated wave is formed monolithically on the same substrate. Become.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
〔principle〕
In explaining the present invention, the principle of the present invention will be described first.
[0031]
In the present invention, a semiconductor in which n-type impurities are diffused is used as a material for a clad layer formed so as to sandwich an optical waveguide layer. Moreover, this invention prevents that both clad layers are electrically connected by providing a semi-insulating semiconductor layer between both clad layers.
[0032]
In the present invention, with the configuration as described above, the present invention reduces the influence on the loss of the modulated wave, and can efficiently apply an electric field to the core layer in the optical waveguide layer. In addition, it is possible to provide a semiconductor optical phase modulator, a Mach-Zehnder optical modulator, and an optical modulator integrated semiconductor laser capable of high-speed and low-voltage operation.
[0033]
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First embodiment]
First, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0034]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a layer structure when the optical phase modulator 100 according to this embodiment is cut perpendicularly to the optical axis direction.
[0035]
Referring to FIG. 2, in the optical phase modulator 100, a clad layer (n-type clad layer 102) in which n-type impurities are diffused is laminated on a semi-insulating semiconductor substrate 101. An optical waveguide layer 103 is formed on the n-type cladding layer 102.
[0036]
The optical waveguide layer 103 includes clad layers 103b and 103c and an optical waveguide core layer 103a sandwiched between the clad layers 103b and 103c. On the optical waveguide layer 103, a clad layer (n-type clad layer 104) in which n-type impurities are diffused is formed.
[0037]
Here, the optical waveguide layer 103 has an electro-optic effect. The optical waveguide core layer 103a constituting the optical waveguide layer 103 is formed of a semiconductor material doped so as to be semi-insulating or a non-doped semiconductor material. Here, in this embodiment, the film thickness of the optical waveguide core layer 103a is at least 0.2 μm to 0.8 μm. The clad layer 103b or 103c formed on the upper or lower portion of the optical waveguide core layer 103a is formed of a semiconductor material doped so as to be semi-insulating or a non-doped semiconductor material.
[0038]
However, when the optical waveguide core layer 103a is formed of a non-doped semiconductor material, at least one of the cladding layers 103b and 103c is formed of a semi-insulating semiconductor material, or between the n-type cladding layers 102 and 104. A layer made of a semi-insulating semiconductor material is formed on either of them. When the optical waveguide core layer 103a is formed of a semi-insulating semiconductor material, the cladding layers 103b and 103c may be formed of a semi-insulating semiconductor material or a non-doped semiconductor material. May not be formed. In this embodiment, the semi-insulating layer is provided between the n-type cladding layers 102 and 104 in this manner, so that the n-type cladding layers 102 and 104 are electrically separated.
[0039]
In this embodiment, a metal electrode 105 a is formed on the n-type cladding layer 104, and a metal electrode 105 b is formed on the same side as the optical waveguide layer 103 on the n-type cladding layer 102.
[0040]
In this configuration, when a voltage is applied to the two metal electrodes 105a and 105b, a potential difference is generated between the upper and lower surfaces of the optical waveguide layer 103, and an electric field is generated. This electric field is concentrated on the optical waveguide layer 103. Therefore, the refractive index of the optical waveguide core layer 103a changes due to the electro-optic effect.
[0041]
As described above, in this embodiment, the n-type cladding layers 102 and 104 formed on the upper or lower portion of the optical waveguide layer 103 are formed of a semiconductor material having n-type conductivity. One or more semi-insulating semiconductor layers are formed between the layers 104. Accordingly, it is possible to configure such that an electric field is efficiently applied to the optical waveguide core layer 103a without impurities being diffused into the optical waveguide core layer 103a.
[0042]
In the above structure, an InP substrate doped with iron as an impurity is used as the semi-insulating semiconductor substrate 101.
[0043]
The optical waveguide core layer 103a has a quantum well structure in which, for example, a GaInAsP quaternary mixed crystal having a band gap wavelength of 1.5 μm and a film thickness of 4 to 12 nm and InP having a film thickness of 5 to 20 nm are alternately stacked. Use MQW. However, this may be formed by MQW having a quantum well structure using AlGaInAs and AlInAs.
[0044]
For the n-type cladding layers 102 and 104, for example, InP doped with n-type impurities is used. Here, as the n-type impurity, for example, 1 × 10¹⁸cm^―3The silicon is used. However, sulfur or selenium may be applied to this.
[0045]
For the semi-insulating layer (cladding layers 103b and 103c or a layer not shown) formed between the n-type cladding layers 102 and 104, for example, a semiconductor doped with iron (for example, InP) is used. However, this semiconductor has a film thickness of at least 0.2 μm and a doped iron concentration of at least 1 × 10¹⁶cm^-3Use what is above.
[0046]
The film thickness of the cladding layers 103b and 103c is about 1 to 3 μm. Furthermore, the metal electrodes 105a and 105b have a thickness of 5 to 30 μm including the thickness by gold plating.
[0047]
When a potential difference is applied between the metal electrodes 105a and 105b of the optical phase modulator configured as described above, a large amount of conduction electrons exist in the n-type cladding layers 102 and 104, and these electrons work so as to cancel the electric field. Therefore, no electric field is generated in the n-type cladding layers 102 and 104.
[0048]
In addition, inside the semi-insulating layer (a semiconductor layer doped with iron as an impurity) provided between the n-type cladding layers 102 and 104, the doped iron functions as a deep acceptor in the semiconductor layer and exists in the vicinity. The free electrons do not exist because the electrons are captured and ionized. For this reason, the current is prevented from flowing in the semi-insulating layer, and the entire layer functions as an approximately insulator.
[0049]
Accordingly, assuming that both the cladding layers 103b and 103c are doped with iron, in the layer structure in FIG. 1, the total of the optical waveguide core layer 103a and the cladding layers 103b and 103c functions as an insulating layer.
[0050]
In general, n-type impurities such as silicon are less likely to diffuse than p-type impurities such as zinc. For this reason, in the layer structure according to the present embodiment, the doping profile intended at the time of design is substantially realized as desired. Therefore, in this embodiment, the thickness of the insulating layer is exactly equal to the total thickness of the optical waveguide core layer 103a and the clad layers 103b and 103c, and the insulating layer is affected by p-type impurity ions and carriers. Therefore, it is possible to efficiently apply an electric field to the optical waveguide core layer 103a.
[0051]
Further, in this embodiment, since the light absorption is large and the semiconductor in which the p-type impurity having low conductivity is diffused is not used as compared with the semiconductor in which the n-type impurity is diffused, the modulation propagating through the metal electrode 105a is not used. The propagation loss of the wave signal and the propagation loss of the light propagating through the optical waveguide can be reduced.
[0052]
On the other hand, for example, in the conventional pin-type diode structure, a layer in which p-type impurities are diffused is used. Therefore, the p-type impurities diffuse into the optical waveguide core layer 103a, and the optical waveguide core layer 103a has an internal structure. The carriers exist until the optical waveguide core layer 103a becomes an insulating layer. For this reason, the propagation loss of the modulated wave signal propagating through the metal electrode 105a increases.
[0053]
For example, with respect to a modulated wave of 40 GHz, p-type impurities are diffused and the concentration is 1 × 10, compared to a state where p-type impurities are not diffused.¹⁶cm^―3In the optical waveguide core layer 103a that has reached a level, the loss of the modulated wave is increased by about four times compared to that of the undiffused layer.
[0054]
In addition, when p-type impurities are diffused in the optical waveguide core layer 103a, a carrier effect is generated due to the presence of holes remaining in the optical waveguide core layer 103a, and there is a possibility that the modulation speed is limited. There is sex.
[0055]
Furthermore, in order to control the impurity diffusion, when an undoped InP layer having a film thickness of, for example, 0.5 μm is provided between the optical waveguide core layer 103a and the clad layer in which the p-type impurity is diffused, the optical waveguide Although the diffusion of the p-type impurity into the core layer 103a can be reduced, the loss of the modulation wave increases because the diffusion into the non-doped InP layer exists. Further, in this configuration, since a p-type semiconductor layer having a high resistivity is provided, the optical waveguide core layer 103a having a film thickness of 0.5 μm and a half film having a film thickness of 0.5 μm, for example, as in this embodiment. Compared to an optical phase modulator having an insulating clad layer sandwiched between n-type clad layers 102 and 104, the loss of the modulated wave is 20% or more larger.
[0056]
Regarding the light loss, for example, in the conventional pin type diode structure, the light loss is about twice as large as that of the structure of this embodiment due to light absorption by the p type semiconductor.
[0057]
In the optical phase modulator 100 having the layer structure of the present embodiment, for example, when a potential difference of 5 V is applied between the metal electrodes 105a and 105b, an electric field of about 5 × 10 4 V / cm or more is applied to the optical waveguide core layer 103a. However, in the optical phase modulator having the conventional pin type diode structure, only an electric field equal to or lower than that can be applied even if it is assumed that p-type impurities are not diffused.
[0058]
As described above, the optical phase modulator 100 according to the present embodiment has very significant advantages in terms of optical loss and the efficiency of the applied electric field as compared with the conventional one.
[0059]
Next, a specific configuration example of the optical phase modulator 100 according to this embodiment will be described with reference to FIG. 3A is an overhead view of the lumped constant optical phase modulator 200 when the optical phase modulator 100 is configured as a lumped constant type, and FIG. 3B is a distribution of the optical phase modulator 100. FIG. 3 is an overhead view of a distributed constant type optical phase modulator 300 in the case of a constant type (traveling wave type).
[0060]
In the lumped constant optical phase modulator 200 shown in FIG. 3A, the negative (−) side of the bias power source 3 is connected to the metal electrode 105a, and the positive (+) side of the bias power source 3 is connected to the metal electrode 105b. The Further, the signal power source 4 is connected to the metal electrodes 105a and 105b through the capacitor 6. Here, when the refractive index of the optical waveguide core layer 103a changes due to the electro-optic effect, the speed of light propagating through it changes. Therefore, the phase of the light 1 input to the optical waveguide core layer 103 a is modulated by passing through the optical phase modulator 200. However, the phase value to be modulated can be controlled by setting the voltage value to be applied corresponding to the semiconductor material forming the optical waveguide core layer 103a.
[0061]
3B, the negative side of the bias power source 3 is connected to the metal electrode 105a, the positive side of the bias power source 3 is connected to the metal electrode 105b, and the metal electrodes 105a and 105b are respectively connected. A signal power supply 4 is connected via a capacitor 6. The modulated wave signal 2 output from the signal power source 4 propagates through the metal electrode 105a and modulates the light 1 propagating in parallel. Accordingly, the phase of the light 1 input to the optical waveguide core layer 103 a is modulated by passing through the optical phase modulator 300. However, the phase value to be modulated can be controlled by setting the voltage value of the input modulated wave signal 2 corresponding to the semiconductor material forming the optical waveguide core layer 103a.
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0062]
In this embodiment, the phase modulator 100 exemplified in the first embodiment is applied to the Mach-Zehnder type optical modulator 10. FIG. 4 shows an overhead view of the Mach-Zehnder type optical modulator according to this embodiment.
[0063]
Referring to FIG. 4, the Mach-Zehnder type optical modulator 10 includes a divider 14 for dividing the input light 20 onto the semiconductor substrate 11 and a voltage applied with the phase of the divided light, respectively. The optical phase modulators 12 and 13 to be modulated and the multiplexer 15 that multiplexes the lights modulated by the optical phase modulators 12 and 13, respectively. The splitter 14, the optical phase modulator 12, and the multiplexer 15 are optically connected by a waveguide 18, and the splitter 14, the optical phase modulator 13, and the multiplexer 15 are optically connected by a waveguide 19. It is connected to the.
[0064]
In this embodiment, the semiconductor substrate 11 is an InP substrate doped with, for example, iron as an impurity. For example, a multimode interference coupler (MMI coupler) is used for the splitter 14 and the multiplexer 15.
[0065]
In this configuration, the light 20 is split into light 21a and 21b having equal intensity and wavelength by the splitter 14 and output to the waveguides 18 and 19, respectively. Thereafter, the light 21 a input to the waveguide 18 is modulated by the optical phase modulator 12, and the light 21 b input to the waveguide 19 is modulated by the optical phase modulator 13.
[0066]
Here, the optical phase modulator 100 according to the first embodiment is applied to the optical phase modulators 12 and 13. The optical phase modulators 12 and 13 are biased with the same voltage, and a signal voltage is applied to only one or both metal electrodes (between 105a and 105b). However, when a signal voltage is applied to both metal electrodes (between 105a and 105b), the signal voltage applied to each of them is assumed to have the same phase and opposite directions.
[0067]
When the signal voltage is applied in this way, the lights 21 a and 21 b input to the respective optical phase modulators 12 and 13 are subjected to different phase modulations, and then multiplexed by the multiplexer 15.
[0068]
At this time, when the phase difference between the light beams 21a and 21b combined by the multiplexer 15 is 2nπ (n is an integer), as a result of the interference in the multiplexer 15, the intensity equivalent to that of the light 20a from the output waveguide 17 is obtained. Light 20b is output (which includes some attenuation but maintains a sufficient intensity compared to the conventional case). On the other hand, when the phase difference between the light beams 21a and 21b is 2 (n + 1) π, the light beams 20b are not output to the output waveguide 17 because of the interference.
[0069]
Therefore, in the Mach-Zehnder optical modulator 10, the intensity of the output light 20b is modulated by the voltage applied to the optical phase modulators 12 and 13. Therefore, by applying the optical phase modulator 100 according to the first embodiment, the propagation loss of the modulated wave is reduced, and an efficient electric field can be applied to the optical waveguide core layer 103a, and the transmission speed can be reduced. Improvement is possible.
[Third embodiment]
Next, an optical phase modulator 110 having a layer structure in which semi-insulating semiconductor walls are provided on both sides of the convex portion (or also referred to as a mesa) of the optical phase modulator 100 illustrated in the first embodiment is provided as a third component. This will be described as an example.
[0070]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the layer structure when the optical phase modulator 110 according to this embodiment is cut perpendicularly to the optical axis.
[0071]
Referring to FIG. 5, the optical phase modulator 110 according to the present embodiment has the same structure as that described with reference to FIG. 2 in the first embodiment, the upper portion of the n-type cladding layer 102, the optical waveguide layer 103, and the n-type cladding layer. 104, a semi-insulating semiconductor layer (semi-insulating semiconductor layers 116a and 116b) is formed on both sides of the convex portion 104, and the metal electrode 115a is formed on the semi-insulating semiconductor layers 116a and 116b. It is formed so as to be in contact with the n-type cladding layer 104 in a cross-linking manner.
[0072]
In this embodiment, the mesa-shaped resonator portion is sandwiched from the side surface by a semi-insulating semiconductor, so that an electric field can be present in the optical waveguide core layer 103a more efficiently.
[0073]
The semi-insulating semiconductor layers 116a and 116b are formed using a semiconductor doped with iron (for example, InP), for example. However, this semi-insulating semiconductor has a lateral film thickness of at least 0.2 μm or more and a doped iron concentration of at least 1 × 10 6.¹⁶cm^-3Use what is above.
[Fourth embodiment]
Next, in this embodiment, the laser-integrated optical phase modulator 120 when the optical phase modulator 100 exemplified in the first embodiment and the semiconductor laser are monolithically formed on the same substrate is taken as an example. I will give you a description.
[0074]
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a layer structure when the laser-integrated optical phase modulator 120 according to the present embodiment is cut perpendicularly to the semiconductor substrate 101 in parallel with the optical axis.
[0075]
Referring to FIG. 6, the laser-integrated optical phase modulator 120 has a region where the semiconductor laser is formed (semiconductor laser region 100B) and a region where the optical phase modulator 100 is formed (optical phase modulation region 100A). Configured.
[0076]
In the present embodiment, an isolation region 100C for electrically cutting these is provided between the semiconductor laser region 100B and the optical phase modulation region 100A. In these layer structures, the semiconductor substrate 101 and the n-type cladding layer 102 are formed as the same layer from the optical phase modulation region 100A to the isolation region 100C and the semiconductor laser region 100B.
[0077]
Focusing on the semiconductor laser region 100B, on the n-type cladding layer 102, the cladding layer 123b is flush with the upper surface of the cladding layer 103b, and the active layer 123a can be optically coupled to the optical waveguide core layer 103a. After being formed and then laminated until the p-type cladding layer 104a is flush with the upper surface of the n-type cladding layer 104, the metal electrode 125a is formed.
[0078]
When attention is paid to the isolation region 100C, the clad layer 103b and the optical waveguide core layer 103a on the n-type clad layer 102 are formed as the same layer in the optical phase modulation region 100A and the isolation region 100C. A semi-insulating semiconductor layer (semi-insulating semiconductor layer 126) is stacked until it is flush with the upper surface of the n-type cladding layer 104. However, as the semi-insulating semiconductor, iron is at least 1 × 10¹⁶cm^-3A material doped with the above concentration is used.
[0079]
However, in this embodiment, as shown in FIG. 6, a semi-insulating semiconductor layer is not provided on, for example, the upper surface of the optical waveguide core layer 103a, but a semi-insulating semiconductor is provided below or both of the optical waveguide core layer 103a. The semiconductor laser 100B and the optical phase modulation region 100A are electrically separated by providing a layer, a dielectric layer, a layer such as air or vacuum, or a layer made of any two or more of these layers. Also good.
[0080]
Thereby, in this embodiment, when an electric signal is input to the semiconductor laser or the optical phase modulator 100, it is possible to realize the laser-integrated optical phase modulator 120 in which the interaction in each is improved.
[0081]
Further, the layer structure of the semiconductor laser according to the present embodiment is such that the optical waveguide core layer 103a is an active layer 123a in the layer structure of the optical phase modulator 100 shown in FIG. The active layer 123a may be formed of the same material as the optical waveguide core layer 103a or a different material. However, when formed using different materials, it is preferable that the refractive indexes of both are equal when an electric signal is input so as not to reflect light.
[0082]
Further, in this embodiment, as shown in FIG. 6, an optical phase modulation region 100A (optical phase modulator) is provided, but a Mach-Zehnder type optical modulator is provided in this portion so as to modulate light. Also good.
[Other Examples]
Each of the above-described embodiments is merely an example of a preferred embodiment of the present invention, and the present invention can be implemented with various modifications without departing from the gist thereof.
(Appendix 1)
A semiconductor optical modulator having an optical waveguide layer and a pair of electrodes for applying an electric field to the optical waveguide layer, and modulating light propagating in the optical waveguide layer based on the applied electric field,
The semiconductor optical modulator, wherein the optical waveguide layer is formed between first and second clad layers having the same predetermined conductivity between the pair of electrodes.
(Appendix 2)
A first cladding layer formed on a semi-insulating semiconductor substrate;
An optical waveguide layer formed on the first cladding layer;
A second cladding layer formed on the optical waveguide layer;
A first electrode formed on the second cladding layer;
A second electrode formed on the first cladding layer,
The semiconductor optical modulator according to claim 1, wherein the first and second cladding layers have the same predetermined conductivity.
(Appendix 3)
The semiconductor optical modulator according to appendix 1 or 2, wherein the predetermined conductivity is n-type.
(Appendix 4)
The optical waveguide layer formed between the first and second cladding layers is formed of one or more layers including an optical waveguide core layer,
4. The semiconductor optical modulator according to any one of appendices 1 to 3, wherein at least one of the optical waveguide layers is a first semi-insulating semiconductor layer.
(Appendix 5)
The optical waveguide core layer is a non-doped layer,
The semiconductor optical modulator according to appendix 4, wherein the first semi-insulating semiconductor layer is formed on at least one of an upper part and a lower part of the optical waveguide core layer.
(Appendix 6)
6. The semiconductor optical modulator according to appendix 4 or 5, wherein the optical waveguide core layer has a quantum well structure.
(Appendix 7)
6. The semiconductor optical modulator according to claim 1, further comprising a second or third semi-insulating semiconductor layer on each side surface of the optical waveguide layer.
(Additional remark 8) The said 1st and 2nd electrode is a traveling wave type electrode, The semiconductor optical modulator of Additional remark 2 characterized by the above-mentioned.
(Appendix 9)
A splitter for splitting incident light into first and second optical paths;
A first optical waveguide constituting the first optical path;
A second optical waveguide constituting the second optical path;
A multiplexer for multiplexing the first optical waveguide and the second optical waveguide;
The semiconductor optical modulator according to claim 1, wherein the semiconductor optical modulator is formed on at least one of the first and second optical waveguides.
A Mach-Zehnder optical modulator characterized by comprising:
(Appendix 10)
The Mach-Zehnder optical modulator according to appendix 9, wherein the semiconductor optical modulator is formed on the same semiconductor substrate.
(Appendix 11) The semiconductor optical modulator according to any one of claims 1 to 7 and a semiconductor laser are formed on the same semiconductor substrate,
An optical modulator integrated semiconductor laser, wherein the semiconductor optical modulator and the semiconductor laser are optically connected by the optical waveguide layer.
(Supplementary note 12) The light according to supplementary note 11, wherein an isolation region for electrically cutting the semiconductor optical modulator and the semiconductor laser is provided between the semiconductor optical modulator and the semiconductor laser. Modulator integrated semiconductor laser.
(Appendix 13)
In the isolation region, a third semi-insulating semiconductor layer is formed on at least one of the upper and lower portions of the optical waveguide layer that optically connects the semiconductor optical modulator and the semiconductor laser. 13. The optical modulator integrated semiconductor laser as set forth in appendix 12.
[0083]
【The invention's effect】
  As described above, according to the first aspect of the present invention, an electric field is efficiently applied to the optical waveguide layer, and the direction of the applied electric field is arbitrary,Furthermore, the clad layer sandwiching the optical waveguide layer can be electrically cut to efficiently apply the generated electric field to the optical waveguide layer.A semiconductor optical modulator can be provided.
[0084]
According to the second aspect of the present invention, an n-type semiconductor having a relatively high conductivity, a relatively small light absorption, and a relatively difficult impurity to diffuse is used as the cladding layer formed above and below the optical waveguide layer. As a result, it is possible to prevent the propagation loss of the modulated wave from occurring due to the diffusion of impurities into the optical waveguide layer without deteriorating the propagation characteristic of the modulated wave.
[0086]
  Also,Claim 3According to the described invention, it is possible to provide a Mach-Zehnder optical modulator to which a semiconductor optical modulator that applies an electric field efficiently to an optical waveguide layer and does not deteriorate the propagation characteristics of a modulated wave is applied. .
[0087]
  Also,Claim 4According to the described invention, it is possible to provide a semiconductor laser in which a semiconductor optical modulator that applies an electric field efficiently to an optical waveguide layer and that does not deteriorate the propagation characteristics of a modulated wave is formed monolithically on the same substrate. It becomes possible.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are diagrams showing a layer structure of an optical modulator according to the prior art, in which FIG. 1A shows the layer structure of an optical modulator 1100 formed as a non-doping type element, and FIG. 1B shows that it is formed as a pin type element; 2 shows a layer structure of the manufactured optical modulator 1200. FIG.
FIG. 2 is a sectional view showing a layer structure when the optical phase modulator 100 according to the first embodiment of the present invention is cut perpendicularly to the optical axis.
3 is a bird's-eye view showing a specific configuration example of the optical phase modulator 100 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3A is a lumped constant optical phase configured using the optical phase modulator 100. FIG. 1 shows a modulator 200, and FIG. 2B shows a distributed constant type (traveling wave type) optical phase modulator 300 configured using the optical phase modulator 100. FIG.
4 is an overhead view showing a configuration of a Mach-Zehnder type optical modulator 10 configured using the optical phase modulator 100 according to the first embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a layer structure when an optical phase modulator 110 according to a third embodiment of the present invention is cut perpendicular to the optical axis.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a layer structure when a laser-integrated optical modulator 120 according to a fourth embodiment of the present invention is cut perpendicularly to a semiconductor substrate 101 along an optical axis.
[Explanation of symbols]
1 light
2 Modulated wave signal
3 Bias power supply
4 signal power supply
5 Resistance
10 Mach-Zehnder optical modulator
11, 101 Semiconductor substrate
12, 13, 100, 110 Optical phase modulator
14 Divider
15 multiplexer
16 input waveguide
17 Output waveguide
18, 19 Waveguide
20a, 20b, 21a, 21b light
100A optical phase modulation region
100B semiconductor laser region
100 isolation region
102, 104 n-type cladding layer
103 Optical waveguide layer
103a Optical waveguide core layer
103b, 103c, 123b Clad layer
104a p-type cladding layer
105a, 105b, 125a Metal electrode
116a, 116b Semi-insulating semiconductor layer
120 Laser-integrated optical phase modulator
123a Active layer
126 Semi-insulating semiconductor layer
1100 Optical modulator (non-doping element)
1101, 1201 i-InP substrate
1102, 1104 i-InP clad layer
1103, 1203 i-optical waveguide layer
1105a, 1205a Metal electrode (signal)
1105b, 1205b Metal electrode (ground)
1200 Optical modulator (pin type element)
1202 n-InP cladding layer
1204 p-InP cladding layer

Claims

A semiconductor optical modulator having an optical waveguide layer and a pair of electrodes for applying an electric field to the optical waveguide layer, and modulating light propagating in the optical waveguide layer based on the applied electric field,
first and second cladding layers having n-type conductivity;
The optical waveguide layer between the first and second cladding layers;
The optical waveguide layer is an optical waveguide core layer that is a non-doped layer;
A semiconductor optical modulator comprising: a semi-insulating semiconductor layer in contact with at least one surface of the optical waveguide core layer.

A duplexer for demultiplexing incident light into first and second optical paths;
A first optical waveguide constituting the first optical path;
A second optical waveguide constituting the second optical path;
A multiplexer for multiplexing the first optical waveguide and the second optical waveguide;
The semiconductor optical modulator according to claim 1, formed on at least one of the first and second optical waveguides;
A Mach-Zehnder optical modulator characterized by comprising:

The semiconductor optical modulator according to claim 1 and a semiconductor laser are formed on the same semiconductor substrate,
An optical modulator integrated semiconductor laser, wherein the semiconductor optical modulator and the semiconductor laser are optically connected by the optical waveguide layer.