JP4105618B2 - 半導体光変調導波路 - Google Patents

Description

本発明は長波長帯の超高速光変調器に用いる半導体光変調導波路に関する。

近年の大容量光通信システムは、Ｇbit/s 級以上の高速変調された光信号を伝送する様になったが、長距離になるほどファイバの分散効果の影響が生じやすいため、波長チャーピング（chirping）の少ない、もしくは波長チャーピングが制御された光信号を用いる必要がある。そのために、レーザダイオードの直接変調ではなく、通常は直流動作のレーザダイオードと外部変調器を組み合わせた構成で光信号を発生している。長距離伝送に使用される従来の典型的な外部変調器は、ＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）導波路で構成されたＬＮ変調器である。このタイプの光変調器の動作原理は、光導波路と電気導波路を結合させる（光電子導波路）ことにより、電気光学効果に基づく屈折率変化を応用して、屈折率変化を介して入力電気信号により光に位相変化を与えることによるものであり、光位相変調器，マッハツェンダ干渉計を組んだ光強度変調器、また多数の導波路を結合させてより機能の高い光スイッチとして機能させることができる。

しかしながら、ＬＮ変調器は、ＬｉＮｂＯ_３が誘電体材料であるがゆえに、材料表面の安定化や導波路の加工に高度な製作技術を要する。また、ＬＮ変調器は、導波路長が比較的長く、そのため通常の半導体プロセスのものとは異なる特殊なフォトリソグラフィーを用いる必要がある。またその結果、ＬＮ変調器を実装するパッケージのサイズは大きくならざるを得ない。この様なことから、ＬＮ変調器モジュールは製造コストが高くなり、光送信器のサイズが比較的大きくなるという課題があった。

ＬＮ変調器と同様の動作原理を用いた半導体光変調器も従来から存在している。これら半導体光変調器としては、半絶縁性のＧａＡｓにショートキー電極を配置し、それを光電子導波路としたＧａＡｓ光変調器や、ヘテロｐｎ接合を用いて光の閉じ込めと共に導波路のコア部分に効果的に電圧が印加される様にしたＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器などがある。ただし、これらの半導体光変調器は、前者のＧａＡｓ光変調器については導波路長が長く電気ロスが大きいという課題、後者のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器についてはｐクラッド層の光吸収が大きく、導波路を長く取れないために動作電圧を低くできないという課題があった。

特開平２００３−１７７３６８号公報 米国特許第５，６４７，０２９号明細書

そこで、本発明者らは、上記のような課題を避ける構造として、図４に示すように、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器の両側のクラッド層共にｎ形としたもの（いわゆるｎｉｎ形構造）をごく最近提案した（特願２００３−３３２５４２号）。図４に示す構成では、コア層４４に電圧をかける際に電子電流が流れない様に、電子に対するバリア層を設ける必要があり、そのバリア層としては、コア層４４の下側にｐ形のドーピン層を導入した半導体クラッド層４２を挿入している。コア層４４の上部のｎ形クラッド層４６−１の両脇をｐ形層とし、これを電気分離層４６−２としている。なお、４１はｎ形の第３の半導体クラッド層、４３は第１の半導体クラッド層、４５は第２の半導体クラッド層、４６−３は第４の半導体クラッド層４６−１，４６−２の接続導波路領域、および４７，４８はｎ電極である。

図４に示すｎｉｎ形ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器の導波路構造においては、駆動電圧を低減できるという優れた特徴を持つが、コア層４４に少ないながらも光吸収があり、そこで発生したホールがバリア層４２に蓄積し、その結果、電子に対するバリアが下がり、リーク電流が発生するという現象（寄生フォトトランジスタ効果）が起こるという、さらに解決すべき課題があることが判明した。すなわち、トランジスタ動作で言えば、ベースが開放状態で、ベースホール濃度が上昇すると、エミッタ／ベース接合が順バイアスされる状態となる。さらに、順バイアスの電圧分だけコア層４４にかかる電圧も低下するので、光波長や光強度によって変調特性が変わってしまうという結果をもたらし、これが変調器としての利用範囲を制限することとなる。

本発明の目的は、ｎｉｎ形ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器のような半導体光変調導波路でコア層電圧の変動が起こるという上述の課題を解決し、半導体光変調導波路の安定動作を実現することにある。

上記目的を達成するため、本発明の半導体光変調導波路は、電気光学効果を持つ半導体コア層，該コア層の上下を挟み該コア層のそれよりもバンドギャップの大きな第１及び第２の半導体クラッド層，該第１の半導体クラッド層の下に配置されたｎ形のドーパントを含む第３の半導体クラッド層，および前記第２の半導体クラッド層の上に配置された第４の半導体クラッド層を少なくとも備えた半導体ヘテロ構造の積層体であって、基板側に前記第３の半導体クラッド層と前記第１の半導体クラッド層が配置され、前記第２の半導体クラッド層と前記第４の半導体クラッド層間にｐ形のドーパントを含み前記コア層のそれよりもバンドギャップの大きな第５の半導体層が挿入され、前記第４のクラッド層内の一部にｎ形の変調導波路の主領域が形成され、該主領域に隣接する分離領域はｐ形の導電性を持ち、前記主領域と前記分離領域に共通の電極が接触し、前記第３の半導体クラッド層にもう一つの電極が接触し、両電極を介して前記コア層に電圧が印加される構造を持つことを特徴とする。

ここで、前記第４のクラッド層内の前記ｎ形の変調導波路の主領域の一部をｐ形の導電性を持つ領域とし、該ｐ形の導電性を持つ領域がｎ形主領域と電気的に共通の電極を持つことを特徴とすることができる。

また、前記ｎ形の変調導波路の主領域の外側両側の第４のクラッド層に一対の電極が形成され、該電極が前記第３の半導体クラッド層のｎ電極と接続されていることを特徴とすることができる。

本発明は、上記構成により、ｎｉｎ形ヘテロ構造を用いた光電子導波路の寄生バイボーラ効果の抑制をすることができ、その結果、ｐ形バリア層に蓄積されるホールにより、バリアの高さが変動し、リーク電流が発生し、コア層電圧の変動が起こるという課題を解決することができる。

また、そのため、本発明は、駆動電圧を低減できるという特徴を持つｎｉｎ形ヘテロ構造を用いた光変調器の特性を安定に実現するのに効果を発揮し、より高い入力光電力を許容し、光送信モジュールの出力を増大させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態における半導体光変調導波路の構造を図１に示す。基板（図示していない）側から説明すると、１１はｎ形の第３のＩｎＰｎ形クラッド層、１２は低ドーピング濃度でＩｎＰよりもバンドギャップの小さい第１のＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層（半導体クラッド層）、１３は電気光学効果が動作光波長で有効に働き、光吸収が問題とならない程度に低くなる様にその構造が決められた半導体コア層である。本デバイスが、１．５μｍ帯のデバイスであれば、ＩｎＧａＡｌＡｓのＧａ／Ａｌ組成を変えた層を、それぞれ量子井戸層とバリア層にした多重量子井戸構造とする。

１４は低ドーピング濃度でＩｎＰよりもバンドギャップの小さい第２のＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層（半導体クラッド層）であり、さらに、このクラッド層１４上に、１５のｐ形ＩｎＰバリア層（第５の半導体クラッド層）を配置する。

第４のＩｎＰクラッド層１６は３つの領域から成り、１６−１はｎ形ＩｎＰからなる光変調部、１６−２はｐ形ＩｎＰ領域（分離領域）であり、その底面はｐ形ＩｎＰバリア層１５に接触する。このｐ形ＩｎＰ領域１６−２は、例えば、１１−１６までの層の成長後に、１６−２に相当する部分をエッチングで取り除きｐ形ＩｎＰを再成長させるか、あるいは１６の層の一部にイオン注入法でＢｅアクセプタを導入することにより形成できる。１６−３は、導電形は問わないＩｎＰの接続導波路領域である。

１７と１８は金属電極であり、一方の電極１７に対して他方の電極１８を負の極性としてコア層１３に電圧を印加する。金属電極１８は、１６−１と１６−２の両方の領域に電気的接触を取る。動作状態で使用する印加電圧範囲で、光変調部直下の１２−１５の層はすべて、ｎ形ＩｎＰクラッド層１６−１とｐ形ＩｎＰバリア層１５との界面の一部の空乏化部分を除き、ほとんどｎ形の中性を保つ様にドーピング濃度を決める。

図１に示すデバイスを光電子導波路として機能させるには、図１に示すメサ構造の断面と垂直な方向に光を伝搬させた状態で、電極１８に電気信号を入力し、ｎ形の第３のＩｎＰｎ形クラッド層１１とｎ形ＩｎＰからなる光変調部の層１６−１間に電圧を印加する。ここで、ＩｎＰバリア層１５はｐ形であり、電子に対するポテンシャルバリアとして働くので、層１６−１からの電子注入が抑制され、リーク電流の発生が少ない状態でコア層１３に電圧を印加して、電気光学効果に基づく光位相の変調を行うことができる。

通常、光変調器として光電子導波路を用いる際には、電圧が印加される光変調部、及びこの光変調部の光入力／出力側に接続導波路１６−３が配置され、それらの間を電気的に分離する必要がある。本実施形態の構造においては、図１の１６−２で示した部分が選択的にｐ形領域（ｐ形ＩｎＰ領域）となっており、これが電気分離領域となる。

ｎ形ＩｎＰクラッド層１６−１に電気的に接続されたｐ形ＩｎＰ領域１６−２の導入は以下の様な作用を持つ。すなわち、図４に示した従来の導波路構造では、先に述べた様に、コア層４４の光吸収で発生したホールに伴う寄生フォトトランジスタ効果が起こってしまうが、本実施形態の構造では、空乏化したバリア層１５よりもｐ形ＩｎＰ領域（分離領域）１６−２の方が電位が低いので、ホールがｐ形ＩｎＰ領域（分離領域）１６−２に流れこみ、バリア層１５中のホールの蓄積を抑制することができる。

（第２の実施形態）
上述した本発明の第１の実施形態では、ｐ形ＩｎＰ領域１６−２は光変調部１６−１の両脇に配置されているが、導波路が長くなると、光吸収で発生したホールをｐ形ＩｎＰ領域１６−２に効果的に吸収できなくなる。これを防ぐには、本発明の第２の実施形態の構造を表わす図２に示すように、２６−２のｐ形ＩｎＰ領域を光変調部内に多数配置すれば良い。

第１の実施形態の場合と同様に、これらの領域２６−２はｎ形ＩｎＰ領域２６−１と電気的接触を取る。ここで、ｐ形ＩｎＰ領域２６−２の縦方向の長さを短く取れば、ホール吸収の効果を保持しつつ、ｐ形層の導入による光吸収の増大をごくわずかに抑えることが可能となる。また、各ｐ形ＩｎＰ領域２６−２に電極２８が接続されて、これら領域２６−２が同電位となることから、これら領域が電気信号の伝搬に対しても、悪影響を与えることはない。

なお、２１はｎ形の第３の半導体クラッド層、２２は第１の半導体クラッド層、２３は電気光学効果を持つ半導体コア層、２４は第２の半導体クラッド層、２５はｐ形の第５の半導体クラッド層、２６−３は第４の半導体クラッド層のｐ形領域（分離領域）、２６−４は第４の半導体クラッド層の接続導波路領域、２７はｎ電極である。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態における半導体光変調導波路の構造を示す。ここで、３１はｎ形の第３の半導体クラッド層、３２は第１の半導体クラッド層、３３は電気光学効果を持つ半導体コア層、３４は第２の半導体クラッド層、３５はｐ形の第５の半導体クラッド層、３６−１は第４の半導体クラッド層のｎ形領域（光変調部）、３６−２は第４の半導体クラッド層のｐ形領域（分離領域）、３６−３は第４の半導体クラッド層の接続導波路領域、３７，３８はｎ電極、３９は第４の半導体クラッド層の接続導波路部分に形成された電極、および４０は第４の半導体クラッド層の接続導波路部分を第３のクラッド層と同電位とする配線である。

本実施形態の半導体光変調導波路は、電気分離領域として機能するｐ形ＩｎＰ領域３６−２を挟んで、光変調導部３６−１と反対側の第４のクラッド層（接続導波路部分）３６−３のそれぞれに電極３９を形成し、この電極３９と第３の半導体クラッド層３１上の電極３７間に配線４０を接続して、接続導波路３６−３の電位を第３のクラッド層３１と同電位とする構成のものである。

この構成により、電気分離部３６−２の抵抗が十分に高くない場合、電気分離領域の外側の電位が上がり、主導波路部分以外にバイアス電圧がかかってしまうという問題を排除できる。ここで、上記接続導波路の導電形はｐ，ｎ，もしくは空乏化層としても良い。いずれの場合も、変調導波路部分との間が順バイアスとなって電流が流れる状態とはならないからである。

（他の実施形態）
上述した本発明の第２と第３の実施形態を組み合わせることも有効である。また、上述した本発明の実施形態では、ＩｎＰとＩｎＡｌＧａＡｓを材料とする例を述べたが、本発明はＡｌＧａＡｓ系やＩｎＧａＡｓＰ系を含む他のIII-Ｖ族化合物半導体を用いた光電子導波路構造にも同様に適用できる。このように、本発明の実施形態は上述したものに限定されず、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、材質等の置換、形状や個数の変更、周知部品や公知技術との単なる組合せ等は、本発明の実施形態に含まれる。

なお、本発明の光電子導波路を半導体レーザと集積化する手法は、電界吸収形光変調器と半導体レーザとを集積化する周知の手法と技術的に同じであることは、言うまでもないので、その詳細な説明は省略する。

本発明の半導体光変調導波路は、長波長帯の超高速光変調器に用いることができ、高速光ネットワーク通信等に大いに寄与できると期待できる。

本発明の第１の実施形態における半導体光変調導波路の構造を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態における半導体光変調導波路の構造を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態における半導体光変調導波路の構造を示す模式図である。 先願の半導体光変調導波路の構造の一例を示す模式図である。

符号の説明

１１ ｎ形の第３の半導体クラッド層
１２ 第１の半導体クラッド層
１３ 電気光学効果を持つ半導体コア層
１４ 第２の半導体クラッド層
１５ ｐ形の第５の半導体クラッド層
１６−１ 第４の半導体クラッド層のｎ形領域（光変調部）
１６−２ 第４の半導体クラッド層のｐ形領域（分離領域）
１６−３ 第４の半導体クラッド層の接続導波路領域
１７，１８ ｎ電極
２１ ｎ形の第３の半導体クラッド層
２２ 第１の半導体クラッド層
２３ 電気光学効果を持つ半導体コア層
２４ 第２の半導体クラッド層
２５ ｐ形の第５の半導体クラッド層
２６−１ 第４の半導体クラッド層のｎ形領域（光変調部）
２６−２ 第４の半導体クラッド層の光変調部に配置されたｐ形領域
２６−３ 第４の半導体クラッド層のｐ形領域（分離領域）
２６−４ 第４の半導体クラッド層の接続導波路領域
２７，２８ ｎ電極
３１ ｎ形の第３の半導体クラッド層
３２ 第１の半導体クラッド層
３３ 電気光学効果を持つ半導体コア層
３４ 第２の半導体クラッド層
３５ ｐ形の第５の半導体クラッド層
３６−１ 第４の半導体クラッド層のｎ形領域（光変調部）
３６−２ 第４の半導体クラッド層のｐ形領域（分離領域）
３６−３ 第４の半導体クラッド層の接続導波路領域
３７，３８ ｎ電極
３９ 第４の半導体クラッド層の接続導波路部分に形成された電極
４０ 第４の半導体クラッド層の接続導波路部分を第３のクラッド層と同位相
とする配線
４１ ｎ形の第３の半導体クラッド層
４２ ｐ形の半導体クラッド層（バリア層）
４３ 第１の半導体クラッド層
４４ 電気光学効果を持つ半導体コア層
４５ 第２の半導体クラッド層
４６−１ 第４の半導体クラッド層のｎ形領域（光変調部）
４６−２ 第４の半導体クラッド層のｐ形領域（分離領域）
４６−３ 第４の半導体クラッド層の接続導波路領域
４７，４８ ｎ電極

Claims (3)

1. 電気光学効果を持つ半導体コア層，該コア層の上下を挟み該コア層のそれよりもバンドギャップの大きな第１及び第２の半導体クラッド層，該第１の半導体クラッド層の下に配置されたｎ形のドーパントを含む第３の半導体クラッド層，および前記第２の半導体クラッド層の上に配置された第４の半導体クラッド層を少なくとも備えた半導体ヘテロ構造の積層体であって、
   基板側に前記第３の半導体クラッド層と前記第１の半導体クラッド層が配置され、前記第２の半導体クラッド層と前記第４の半導体クラッド層間にｐ形のドーパントを含み前記コア層のそれよりもバンドギャップの大きな第５の半導体層が挿入され、
   前記第４のクラッド層内の一部にｎ形の変調導波路の主領域が形成され、該主領域に隣接する分離領域はｐ形の導電性を持ち、前記主領域と前記分離領域に共通の電極が接触し、前記第３の半導体クラッド層にもう一つの電極が接触し、両電極を介して前記コア層に電圧が印加される構造を持つことを特徴とする半導体光変調導波路。
2. 前記第４のクラッド層内の前記ｎ形の変調導波路の主領域の一部をｐ形の導電性を持つ領域とし、該ｐ形の導電性を持つ領域がｎ形主領域と電気的に共通の電極を持つことを特徴とする請求項１に記載の半導体光変調導波路。
3. 前記ｎ形の変調導波路の主領域の外側両側の第４のクラッド層に一対の電極が形成され、該電極が前記第３の半導体クラッド層のｎ電極と接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光変調導波路。
   

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