JP4141451B2 - 半導体光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光通信システムや光情報処理システムにおいて用いられる半導体光変調器の構造に関する。

光変調器などの導波型光制御デバイスは、高速光通信システム、光情報処理システムのキーエレメントのひとつである。光変調器には、大別して、ＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）等の誘電体を用いたものと、ＩｎＰやＧａＡｓの半導体を用いたものがある。

誘電体を材料とするＬｉＮｂＯ_３光変調器は、現在広く用いられている。この光変調器は、光伝播ロスが少ない、光ファイバとのスポットサイズの違いが少ないため光結合損失も少ないなどの特徴を持っている。

半導体を材料とする光変調器の代表的な例には、次の２種類がある。すなわち、電界を印加することにより吸収端が長波長側へシフトする効果を利用した電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）と、電界を印加することにより屈折率が変化する電気光学効果（ポッケルス効果）を利用した電気光学変調器（ＥＯ変調器）である。

特に、電気光学変調器（ＥＯ変調器）は、盛んに研究が行われており、例えば、p−i−n 構造を持った集中定数型の変調器（非特許文献１）、さらにショットキー電極による進行波電極型の変調器（非特許文献２）などが知られている。また、これらより更に低電圧化、小型化、高速化を目指した、n−i−n 構造半導体マッハツェンダ変調器（特許文献１）も検討されている。

これらの光変調器を、実際に高速光通信システム内において機能させるためには、光変調器のチップと光ファイバを損失なく結合させ、外部の光回路と接続をする必要がある。すなわち、光ファイバとチップの位置を最適に調整して、結合損失を最小化するように光学的に結合させることが重要である。

例えば、光ファイバとＬｉＮｂＯ_３変調器とを光学的に結合させる方法には、光ファイバから出た光を変調器の導波路に入力し結合させ、この結合端の反対側端面からの出力光を、赤外ビジコンカメラなどで観察しながら位置調整をする方法がある。反対側端面と出力光ファイバを光学的に結合させる場合も、初めに調整した端面の光ファイバをエポキシ樹脂などで固定した後、変調器から出射される光を、出力光ファイバ側からその光強度をモニタしながら位置調整することによって、比較的簡単に行うことができる。

これに対して、光ファイバと半導体を材料とする光変調器とを光学的に結合させる場合は、上述したＬｉＮｂＯ_３変調器の場合とは異なる方法を取る必要がある。なぜならば、スポットサイズに大きな差異があるからである。すなわち、光ファイバからの光のスポットサイズが８μｍ程度であるのに対し、半導体光変調器から入出力する光のスポットサイズは２μｍ程度と、光ファイバに比べて４分の１倍も小さい。したがって、光ファイバと光変調器とを光学的に結合させる際には、光ファイバと光変調器との間にレンズを配置し、スポットサイズを調整することによって、光結合損失を小さくする必要がある。また、上述したスポットサイズの差異のため、光ファイバの位置調整を０．１μｍ程度の精度で行う必要がある。このため、前述した誘電体を用いたＬｉＮｂＯ_３変調器の場合のように、赤外ビジコンカメラでの観察による調整は困難である。

図６は、レンズを介して光変調器と光ファイバを結合させて調整を行う概念図を示している。図６（ａ）では、レンズ８ａ、８ｂを２枚使用して、光ファイバ６と光変調器７の位置を調整している様子を示している。図６（ｂ）のように、レンズ８ａが１枚であっても良い。図６には示されていないが、光変調器７の出力側においても、入力側と同様に光ファイバとの結合を行う。上記の結合を行う場合には、光変調器と光ファイバとの結合損失が最小となるように、レンズや光ファイバの位置を最適に調整することが必要となる。

光ファイバと半導体を材料とする変調器を光学的に結合させて、結合を最適に調整する具体的な方法には、次の２つがある。一つは、光ファイバから入射される光が光導波層に吸収されて流れる光吸収電流を、モニタする方法である。この光吸収電流をモニタしながら、光変調器と光ファイバの結合を最適に調整ができる。もう一つは、半導体光導波層を発光させて、光ファイバに結合した光を光強度計で電流量に変換する方法である。この方法の場合、光強度計の電気信号によるモニタ機構が必要となる。この電気信号をモニタしながら、光変調器と光ファイバの結合を最適に調整ができる。

電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）は、光を入射すると光吸収電流が流れるため、この光吸収電流をモニタすること、または、変調器に電流を流入し、光吸収層を発光させて光強度計の電気信号をモニタすることができる。したがって、比較的容易に光ファイバとの光学的結合をとり、光ファイバやレンズの位置調整をすることができる。

一方、電気光学変調器（ＥＯ変調器）、例えばｐ−ｉ−ｎ構造を有した光変調器においては、電界吸収型光変調器と同様に、光の入出力導波路近傍に電極を配置して、この電極から光吸収電流を測定が可能であり、または、この電極からの注入電流によって発光させた光の受光電流の測定が可能である。これらの電流をもとに、光ファイバやレンズの位置調整をすることができる。

国際公開第2004/081638号パンフレット C. Rolland et al.,"10 Gbit/s, 1.56 μm multiquantum well InP/InGaAsP Mach-Zehnder optical modulator, "Electron. Lett., vol.29, no. 5, pp. 471-472, 1993. R. Spickermann et al.,"GaAs／AlGaAs electro-optic modulator with bandwidth > 40 GHz, "Electron. Lett.,vol.31,no.11, pp. 915-916, 1995.

しかしながら、ショットキー電極構造の変調器（非特許文献２）や、特許文献１のn−i−n 構造の光変調器と光ファイバを結合させようとする場合には、次に述べるような問題点があった。

図５は、ｎ−ｉ−ｎ構造の光変調器の導波路の断面図を示す。基板上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層４２と、光導波コア層４３と、半絶縁型クラッド層４４と、ｎ型ＩｎＰクラッド層４５とが順次積層された層構造を持っている。ｎ型ＩｎＰクラッド層４５およびｎ型ＩｎＰクラッド層４２には、それぞれ、電極４６と電極４７が接続されている。

本光変調器の光導波コア層４３で光吸収され発生したホールは、バリア層である半絶縁型クラッド層４４に蓄積する。蓄積したホール４８−２は、半絶縁型クラッド層４４に接するｎ型ＩｎＰクラッド層４５に注入された電子と、半絶縁型クラッド層４４を隔てて再結合する。光吸収電流は、この再結合によってしか流れないため、光吸収電流量が非常に少ない。このため、光吸収電流は、光ファイバと光学的に結合させる際のモニタ電流としては不十分である。また、２つの電極４６、４７が共にｎ型半導体層上にあるため、電流注入によって光導波コア層４３を発光させることができない、という問題があった。バンドダイアグラムを用いて、さらにこの問題を詳細に説明する。

図４は、従来のn−i−n 構造の光変調器の導波路バンドダイアグラムを示す図である。図５に示した各層に対応するバンドに、図５と同一の番号を付けている。半絶縁型クラッド層４４内にドープされたＦｅ原子は深い凖位でのアクセプタとして働く。このため、価電子バンドのエネルギーを持ち上げ、電子に対するポテンシャルバリアとして働く。このポテンシャルバリアによって、ｎ型ＩｎＰクラッド層４５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光導波コア層４３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。

一方、光導波コア層４３において光吸収により発生した電子４９−１は、ｎ型ＩｎＰクラッド層４２から電極４７へ取り出すことができる。しかし、光吸収により発生したホール４８−１は、半絶縁型クラッド層４４とｎ型ＩｎＰクラッド層４５の境界面において電子−ホール再結合したものしか、光吸収電流として電極４６から取り出すことができない。このため、光ファイバから光導波コア層４３に入射される光が、光吸収電流へ変換される効率が悪く、光ファイバやレンズの位置調節を行うのに十分な光吸収電流信号を得ることができなかった。

また、両電極４６、４７が同一のｎ型半導体であるため、電流注入により光導波コア層４３を発光させる方法を用いて位置調整をすることも不可能であった。

本発明の目的は、光吸収電流が不十分なため計測が困難である問題点、および電流注入によって光導波コア層を発光させることが困難である問題点を解決して、簡単に光ファイバやレンズの位置調整を行うことができる光変調器の素子構造を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板上に、第１のｎ型クラッド層と、半導体光導波層と、半絶縁型クラッド層と、第２のｎ型クラッド層とが順次積層された層構造を有する半導体光変調導波路と、前記層構造を有する入力導波路と、前記層構造を有する出力導波路とを含む半導体光変調器において、入射光を入力する前記入力導波路の入力端または出射光を出力する前記出力導波路の出力端の近傍であって、光進行方向の一定長さ区間の、前記第２のｎ型クラッド層のすべてまたは一部を、ｐ型の導電性を持つ領域としたｐ型半導体領域と、前記ｐ型半導体領域上に形成された電極とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、基板上に、第１のｎ型クラッド層と、半導体光導波層と、半絶縁型クラッド層と、第２のｎ型クラッド層とが順次積層された層構造を有する半導体光変調導波路と、前記層構造を有する入力導波路と、前記層構造を有する出力導波路とを含む半導体光変調器において、入射光を入力する前記入力導波路の入力端または出射光を出力する前記出力導波路の出力端の近傍であって、光進行方向の一定長さ区間の、前記第２のｎ型クラッド層および前記第２のｎ型クラッド層に接する前記半絶縁型クラッド層の一部を、ｐ型の導電性を持つ領域としたｐ型半導体領域と、前記ｐ型半導体領域上に形成された電極とを備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記半導体光変調導波路はマッハツェンダ型干渉計を構成していることを特徴とする。

従来技術と異なり、光吸収により発生したホールはｐ型半導体領域を介して、電極から引き抜かれ、十分な量の光吸収電流を検出できる。また光導波コア層への電流注入により、光導波コア層を発光させることも可能になる。

また、従来のp-i-n 構造の光導波路と異なり、光導波コア層とｐ型半導体領域の間に半絶縁型クラッド層が存在するため、ｐ型半導体領域による光吸収損失が少なく、再成長、またはイオン注入による作製精度誤差も十分に広くとることができる。

本発明の構造の光変調器では、光変調器の導波路の入出力導波路近傍で、半絶縁型クラッド層と電極の間にｐ型半導体領域が導入されている。このため、半絶縁型クラッド層を介した光吸収電流の検出をすること、あるいは光導波コア層を発光させることが可能となる。

光ファイバから入射される光が、光導波コア層に吸収されて流れる光吸収電流をモニタすることにより、簡単にレンズおよび光ファイバの位置調整を行うことができる。また、半導体光導波コア層を発光させ、光ファイバに結合したこの光を光強度計で電流量に変換することにより、電気信号によるモニタ機構を利用することが可能となり、簡易に半導体光変調器とレンズおよび光ファイバの位置調整を行うことができる。

本発明による光変調器は、光を入力する入出力導波路の入力端の近傍または光を出力する出力導波路出力端の近傍に、ｎ型クラッド層の一部をｐ型の導電性としたｐ型半導体領域を持つ。このため、半絶縁型クラッド層を保持していても、光吸収により発生したホールは、このｐ型半導体領域を介して、電極から引き抜かれ、十分な量の光吸収電流を検出することができる。また光導波コア層への電流注入により、光導波コア層を発光させることもできる。光ファイバに結合したこの光を光強度計で電流量に変換することで、電気信号によるモニタ機構を利用することができる。

したがって、本発明の目的である、簡単に半導体光変調器とレンズおよび光ファイバの位置調整を行うことが可能となる。以下、実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明による半導体光変調器に使用される導波路の入出力導波路近傍の構造を示す図である。本導波路は、半絶縁ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２、光導波コア層１３、半絶縁型クラッド層１４、ｎ型ＩｎＰクラッド層１５−１、を順次積層した層構造を有する半導体光変調導波路である。光を入出力する入力端面または出力端面から、光変調器の内部方向へ一定距離だけ離れた一定長さの区間において、半絶縁型クラッド層１４に接するｎ型ＩｎＰクラッド層１５−１と半絶縁型クラッド層１４の一部を、ｐ型の導電性を持つｐ型半導体領域１５−２とし、このｐ型半導体領域１５−２上に電極１６を設けている。電極１６は、ｐ型半導体領域１５−２のみと接触している。

このｐ型半導体領域１５−２は、例えば、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２からｎ型ＩｎＰクラッド層１５−１までの層を成長させた後に、ｐ型半導体領域１５−２に相当する部分をエッチングで取り除いてｐ型ＩｎＰを再成長させることにより形成できる。また、ｎ型ＩｎＰクラッド層１５−１の一部にイオン注入法によってＢｅアクセプタを導入することによっても形成できる。この際、半絶縁型クラッド層１４の厚さは０．５から１．０μｍ程度と比較的厚い。このため、ｐ型半導体領域１５−２が光導波コア層１３に接近することにより発生する、ｐ型半導体領域１５−２での光吸収損失を、十分に抑えることができる。したがって、低損失な光変調器導波路を、十分に緩やかな作製誤差精度で形成可能である。

尚、本実施例においては、ｐ型半導体領域１５−２は、ｎ型ＩｎＰクラッド層１５−１および半絶縁型クラッド層１４の中までに入り込んでいるが、これに限られず、半絶縁型クラッド層１４にちょうど接する深さまでであっても良い。また、半絶縁型クラッド層１４にまで達していない場合であっても良い。

また、本実施例においては、ｐ型半導体領域１５−２は、入力端面または出力端面から一定距離だけ光変調器の内部方向に入った場所に位置しているが、これに限られない。すなわち、ｐ型半導体領域１５−２が、入力端面または出力端面に位置して、各端面に露出している場合であっても良い。したがって、上に述べたｐ型半導体領域を設けた本発明の効果が発揮されるような、半導体光変調器の入出力導波路端の近傍であれば良い。このｐ型半導体領域は、１つで十分に本発明の効果を示すが、ｐ型半導体領域が２つ以上あっても構わない。ｐ型半導体領域の、具体的な光進行方向の長さは、例えば、５０μｍ以上とすることができる。

この光変調器導波路に光ファイバを光学的に結合させる際には、図１に示したメサ構造の断面と垂直な方向に光を入射させた状態で、電極１６と電極１７ａ、１７ｂとの間に流れる光吸収電流を検出して調整を行う。

図２は、本発明の構成にかかる光変調器導波路のバンドダイアグラムを示す図である。図１に示す各層に対応するバンドに、同一の番号を付けている。半絶縁型クラッド層１４内にドープされたＦｅ原子は深い凖位でのアクセプタとして働き、価電子バンドのエネルギーを持ち上げるが、ホールに対してはポテンシャル障壁として機能しない。このため、ｐ型半導体領域１５−２との間でホールの移動が行われ、光吸収電流の検出を高効率に行うことができる。

また、光導波コア層１３に電流注入を行う際にも、電極１７から注入された電子はｎ型ＩｎＰクラッド層１２を介して光導波コア層１３へ、電極１６から注入されたホールはｐ型半導体領域１５−２、半絶縁型クラッド層１４を介して光導波コア層１３へそれぞれ注入されるため、光導波コア層１３で電子−ホール再結合による発光を行うことができる。

このため、光ファイバから入射される光が光導波コア層に吸収されて流れる光吸収電流を、モニタすることにより、簡単にレンズおよび光ファイバの位置調整を行うことができる。あるいは、半導体光導波層を発光させ、光ファイバに結合した光を光強度計で電流量に変換して、電気信号によるモニタ機構を利用することにより、簡単なレンズおよび光ファイバの位置調整を行うことができる。

図３は、本発明による半導体光変調器の一例であるマッハツェンダ変調器の概観図である。マッハツェンダ変調器は、２本のｎ−ｉ−ｎ構造の光導波路で構成されている。２本の光導波路の一部は、それぞれ、位相変調導波路４ａ、４ｂを構成している。位相変調導波路４ａ、４ｂは、それぞれ２ヶ所で光合分波器３ａ、３ｂと接続されている。光合分波器３ａは、さらにｐ型半導体領域を持つ導波路１に接続され、もう一つの光合分波器３ｂは、さらにｐ型半導体領域を持つ導波路２に接続される。ｐ型半導体領域を持つ導波路１へは入力光が入力され、ｐ型半導体領域を持つ導波路２からは、出力光が出力される。このｐ型半導体領域を持つ導波路１、２には、実施例１で説明した本発明特有のｎ−ｉ−ｎ構造が使用されている。電極６ａ、６ｂが設けられており、実施例１における電極１６に対応している。

上記のような構成のマッハツェンダ干渉計によって、光の強度変調が可能になる。すなわち、ｐ型半導体領域を持つ導波路１へ入射した入力光は、光合分波器３ａによって、２本の位相変調導波路４ａ、４ｂへ分けられる。それぞれの位相変調導波路４ａ、４ｂで位相変調を行った後、再び光合分波器３ｂにより合成さる。位相変調導波路４ａ、４ｂで、位相変調されたそれぞれの信号光は、光合分波器３ｂで干渉・合成されて、ｐ型半導体領域を持つ導波路２から強度変調された出力光を出力する動作を行う。高速で光変調を行うために、変調信号である高周波電界を印加する電極は、コプレーナ導波路５の構造が採用されている。

実施例１において説明したように、本実施例のマッハツェンダ光変調器の入出力導波路近傍では、半絶縁型クラッド層に達するようなｐ型半導体領域をもつｎ−ｉ−ｎ構造が採用されている。このｐ型半導体領域を持つ導波路１、２を備えているところに、本マッハツェンダ光変調器の特徴がある。実施例１において説明した電極１６は、本実施例２においては図２の電極６ａ、６ｂに対応している。実施例１において図２により説明したように、このｐ型半導体領域の存在により、光吸収により発生したホールを引き抜くことや、逆に、このｐ型半導体領域に電流を注入して光導波コア層を発光させることもできる。

このため、光ファイバから入射される光が光導波コア層に吸収されて流れる光吸収電流を、モニタすることにより、簡単にレンズおよび光ファイバの位置調整を行うことができる。あるいは、半導体光導波コア層を発光させ、光ファイバに結合した光を光強度計で電流量に変換して、電気信号によるモニタ機構を利用することにより、簡単にレンズおよび光ファイバの位置調整を行うことができる。

本発明の実施例１および実施例２の光変調器の導波路構造を示す図である。 本発明の実施例１および実施例２の光導波路のバンドダイアグラムを示す図である。 本発明の実施例２の光変調器の構造を示す図である。 従来のｎ−ｉ−ｎ構造の半導体電気光学変調器における導波路バンドダイアグラムを示す図である。 従来のｎ−ｉ−ｎ構造の光変調器の導波路断面図である。 レンズを介して光変調器と光ファイバを結合させて調整を行う概念図である。

符号の説明

１、２ ｐ型半導体領域を持つ導波路
３ａ、３ｂ 光合分波器
４ａ、４ｂ 位相変調導波路
５ 高周波電界印加線路（コプレナ導波路）
６ 光ファイバ
７ 光変調器
８ａ、８ｂ レンズ
１１ 半絶縁ＩｎＰ基板
１２、１５−１、４２、４５ ｎ型ＩｎＰクラッド層
１３、４３ 光導波コア層
１４、４４ 半絶縁型クラッド層（半絶縁型ＦｅドープＩｎＰクラッド層）
１５−２ ｐ型半導体領域（ｎ型ＩｎＰクラッド層内に設けられたｐ形領域）
６ａ、６ｂ、１６、１７、１７ａ、１７ｂ、４６、４７ 電極
２６−１、４８−１ 光吸収により発生したホール
２６−２ 半絶縁型クラッド層内を通過し、ｐ型半導体領域に移動するホール
２７−１、４９−１ 光吸収により発生した電子
２７−２ ｎ型ＩｎＰクラッド層１２内に存在する電子
４８−２ 半絶縁型クラッド層４４内に蓄積されたホール
４９−２ ｎ型ＩｎＰクラッド層４２内に存在する電子

Claims (3)

1. 基板上に、第１のｎ型クラッド層と、半導体光導波層と、半絶縁型クラッド層と、第２のｎ型クラッド層とが順次積層された層構造を有する半導体光変調導波路と、前記層構造を有する入力導波路と、前記層構造を有する出力導波路とを含む半導体光変調器において、
   入射光を入力する前記入力導波路の入力端または出射光を出力する前記出力導波路の出力端の近傍であって、光進行方向の一定長さ区間の、前記第２のｎ型クラッド層のすべてまたは一部を、ｐ型の導電性を持つ領域としたｐ型半導体領域と、
   前記ｐ型半導体領域上に形成された電極と、
   を備えたことを特徴とする半導体光変調器。
2. 基板上に、第１のｎ型クラッド層と、半導体光導波層と、半絶縁型クラッド層と、第２のｎ型クラッド層とが順次積層された層構造を有する半導体光変調導波路と、前記層構造を有する入力導波路と、前記層構造を有する出力導波路とを含む半導体光変調器において、
   入射光を入力する前記入力導波路の入力端または出射光を出力する前記出力導波路の出力端の近傍であって、光進行方向の一定長さ区間の、前記第２のｎ型クラッド層および前記第２のｎ型クラッド層に接する前記半絶縁型クラッド層の一部を、ｐ型の導電性を持つ領域としたｐ型半導体領域と、
   前記ｐ型半導体領域上に形成された電極と、
   を備えたことを特徴とする半導体光変調器。
3. 前記半導体光変調導波路はマッハツェンダ型干渉計を構成していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体光変調器。
   

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