JP4209357B2

JP4209357B2 - 半導体光変調器

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Publication number: JP4209357B2
Application number: JP2004111851A
Authority: JP
Inventors: 健治河野; 昭彦浅井; 武本藤; 英司川面; 淳平岡; 松本　　聡
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2004-04-06
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2024-04-06
Also published as: JP2005300570A

Description

本発明は小型で高性能な半導体光変調器の分野に属し、特に一般的な結晶成長技術で容易に確実なプッシュプル動作を実現できる半導体光変調器に関する。

近年、長距離からメトロ伝送系においては可変波長光源や可変波長光源を内蔵したトランスポンダの需要が高まっており、これらの需要に答えるために、広波長帯域で、低チャープ特性を持つ半導体光変調器が必要とされている。

従来の半導体光変調器を図２及び図３を基に説明する（非特許文献１参照）。図２は半導体光変調器の平面図を示し、図３は図２におけるＡ−Ａ´線における断面図を示している。
図２に示すように、従来の半導体光変調器は、光入力部ａ、多モード干渉型（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ：ＭＭＩ）カプラを含む光分岐部ｂ、相互作用部ｃ、（ＭＭＩ）カプラを含む光合波部ｄ、光出力部ｅ、とから構成されている。光分岐部ｂは入力光を半分（３ｄＢ）づつに分岐し、各々の光を電気信号と光の相互作用部ｃに伝搬させる。

光導波路は第１の入力用光導波路１２、第２の入力用光導波路１３、分岐用ＭＭＩカプラ１４、第１の相互作用部光導波路１５、第２の相互作用部光導波路１６、合波用ＭＭＩカプラ２１、第１の出力用光導波路２２、第２の出力用光導波路２３から構成されている。そして第１及び第２の相互作用部光導波路１５、１６の上面側にそれぞれ電極の中心導体７、８が形成され、中心導体７、８の両側には接地電極９、１０、１１が形成されている。

半導体層の構成は図３に示すように、半絶縁性ＩｎＰ（ＳＩ−ＩｎＰ）基板１の上に第１のｎ−ＩｎＰ層２、屈折率が上下の媒質よりも高く、光導波路のコアの役割を果たすｉ−ＭＱＷコア層３、絶縁性により電流をブロックする役目を果たすＳＩ−ＩｎＰ層４、第２のｎ−ＩｎＰ層５、が順次積層している。

光導波路としてはハイメサ構造とするとともに、メサの左右にＢＣＢ（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）層６を形成することにより、第２のｎ−ＩｎＰ層５の上に中心導体７と中心導体８とを形成し易く構成している。なお、この構成においては、半導体光変調器の動作波長を１．５５μｍとすると、ｉ−ＭＱＷコア層３のエキシトンピーク波長は１．４μｍ弱に設定される。

次に、従来の半導体光変調器の動作原理について図２に基いて説明する。
光入力部ａの第１の入力用光導波路１２から光を入射する。第２の入力用光導波路１３はこの従来の半導体光変調器を２×２光スイッチとして使用する場合の予備用の入力用光導波路である。第１の入力用光導波路１２に入力された光は光分岐部ｂの分岐用ＭＭＩカプラ１４により２分され、相互作用部ｃの第１及び第２の相互作用部光導波路１５、１６にそれぞれ伝搬する。

中心導体の電気信号入力部１７、１８より電気信号が入力され、相互作用部ｃの中心導体７、８と第１及び第２の相互作用部光導波路１５、１６とが重なる領域において、電気信号と前述の２分された光が相互作用する。中心導体の電気信号出力部１９、２０には、進行波電極の場合にはここに５０Ω前後の終端器を取り付ける。なお、進行波電極の特性インピーダンスが５０Ωより低い場合には、その特性インピーダンスに応じた終端器を取り付ける。

なお、中心導体７、８に電気信号を印加しない場合には、分岐用ＭＭＩカプラ１４で２分された光は位相変化を生じずに、光合波部ｄの合波用ＭＭＩカプラ２１により同相で合波され、その結果、光は第２の出力用光導波路（ＯＮ用光出力用導波路）２３から出力される。

次に、中心導体７、８に互いに逆位相の電気信号を印加した場合を考える。、中心導体７に負の電圧を、中心導体８に正の電圧を印加し、第１のｎ−ＩｎＰ層２をアースに接続したと仮定すると、図３に示したように２つのｉ−ＭＱＷコア層３に印加される電界の向きは上下逆となる。そのため、光分岐部ｂの分岐用ＭＭＩカプラ１４により２分された光は相互作用部ｃにおいて互いに逆向きに位相変化を受ける。

このように、２つのｉ−ＭＱＷコア層３に印加される電界の向きが上下逆の場合をプッシュプル動作と呼ぶ。プッシュプル動作の場合には、相互作用部ｃの第１及び第２の相互作用部光導波路１５、１６を伝搬した光は合波用ＭＭＩカプラ２１により逆相で合波され、光は第１の出力用光導波路（ＯＦＦ用光出力用導波路）２２から出力される。つまり、中心導体７、８と接地導体９、１０、１１間に印加した電気信号に応じてＯＮ用光出力用導波路２３（あるいは、ＯＦＦ用光出力用導波路２２）を通して、変調された光信号を取り出すことができる。

都築他、「４０Ｇｂｉｔ／ｓＩｎＰ系ｎ−ｉ−ｎ構造ＭＺ変調器」、２００４年３月電子情報通信学会総合大会、講演番号Ｃ−４−４１

しかしながら、このように構成した半導体光変調器においても、以下のような問題点があった。
半導体光変調器を動作する際には、中心導体７、８と接地導体９、１０、１１の間に電圧を印加した際に、電流がほとんど流れることなく、ｉ−ＭＱＷコア層３に電界を印加することが必要となる。その対策として、この従来の半導体光変調器では、屈折率変化を生じるｉ−ＭＱＷコア層３の上下に形成した第１及び第２のｎ−ＩｎＰ層２、５が非常に導電性を有しているため、電流ブロック層としてＳＩ−ＩｎＰ層４を設けている。

絶縁媒質としての役割をさせるＳＩ−ＩｎＰ層４はＦｅ元素をＩｎＰに高濃度にドーピングして製作する。ところが、ＳＩ−ＩｎＰを成長するためには特殊で高価な結晶成長装置が必要であるばかりでなく、結晶成長に高度な技術を必要とする。さらに、結晶成長が最適な条件からずれると絶縁性が確保されないため、電流が流れやすくなってしまう。そしてＳＩ−ＩｎＰ層４の絶縁性が不十分なことにより電流が流れてしまうと、ｉ−ＭＱＷコア層３に有効に電界が印加されないので、半導体光変調器としての動作を実現できないという問題点があった。

本発明は、これらの課題を解決し、特に一般的な結晶成長技術で容易に確実なプッシュプル動作を実現できる半導体光変調器を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１の半導体光変調器では、半導体基板上に、光を伝搬するための半導体コア層を含む光導波路と、前記半導体コア層に電気信号を印加するための電極とを備えた半導体光変調器において、前記半導体コア層が真性半導体層もしくは少なくとも一部がｎ型である半導体層から成り、前記半導体コア層の下方に第１のｐ型半導体層を、前記半導体コア層の上方に第２のｐ型半導体層を具備している。

また、本発明の請求項２の半導体光変調器では、請求項１の半導体光変調器において、前記半導体コア層と前記第１のｐ型半導体層との間、もしくは前記半導体コア層と第２のｐ型半導体層との間の少なくとも一方に、少なくとも１層のｉ型半導体層もしくは少なくとも一部がｎ型である半導体層が形成されている。

また、本発明の請求項３の半導体光変調器では、請求項１乃至２の半導体光変調器において、前記光導波路が前記半導体基板上に少なくとも２本形成されている。

また、本発明の請求項４の半導体光変調器では、請求項３の半導体光変調器において、前記少なくとも２本の光導波路の前記半導体コア層を伝搬する光と前記半導体コア層に印加する前記電気信号の相互作用効率の絶対値がほぼ等しく且つ符号が反対となるように、前記半導体コア層と前記第１のｐ型半導体層との間にある半導体層の厚み及びドーピングレベルと、前記半導体コア層と前記第２のｐ型半導体層との間にある半導体層の厚み及びドーピングレベルとを設定している。

また、本発明の請求項５の半導体光変調器では、請求項４の半導体光変調器において、前記半導体コア層と前記第１のｐ型半導体層との間にある半導体層の厚み及びドーピングレベルと、前記半導体コア層と前記第２のｐ型半導体層との間にある半導体層の厚み及びドーピングレベルとをほぼ等しく設定している。

本発明によれば、ｐ型半導体、ｉ型半導体、あるいはｎ型半導体など、広く用いられている結晶成長技術により半導体光変調器を作成することができるため、従来技術のようにＳＩ−ＩｎＰを結晶成長するための高価な結晶成長装置及び高い絶縁性を実現するための高度な結晶成長技術を必要とすることなく、容易にプッシュプル動作が可能な半導体光変調器を実現することできる。

また、本発明によれば、半導体コア層の両側に設けた半導体層の厚み及びドーピングレベルを設定することにより、半導体光変調器にプッシュプル動作をさせた結果発生する光パルスのチャーピング量をゼロとすることができる。

以下、図面に基いて本発明の実施形態について説明する。

本発明の実施形態の平面図は、図２に示す従来の半導体光変調器と同一である。図１に本発明の実施形態のＡ−Ａ´線における相互作用部ｃの断面図を示す。なお、図３に示した従来の半導体光変調器と同一の部分に関しては同一番号を使用し、その説明は省略する。

図１に示すように、半絶縁性ＩｎＰ（ＳＩ−ＩｎＰ）基板１の上に、第１のｐ⁺−ＩｎＰ層２４、第１のｉ−ＩｎＰ層２５、光導波路のコアの役割を果たすｉ−ＭＱＷコア層３、第２のｉ−ＩｎＰ層２６、第２のｐ⁺−ＩｎＰ層２７が順次積層している。

一般に、ｐ型半導体は光に対する吸収係数が大きい。そこで本実施形態においては、ｐ型半導体層である第１及び第２のｐ⁺−ＩｎＰ層２４、２７による光の伝搬損失を低減するため、第１のｐ⁺−ＩｎＰ層２４と光の大半のパワーが伝搬するｉ−ＭＱＷコア層３との間に第１のｉ−ＩｎＰ層２５を挿入し、また第２のｐ⁺−ＩｎＰ層２７とｉ−ＭＱＷコア層３との間に第２のｉ−ＩｎＰ層２６を挿入している。

つまり本実施形態では、ｉ−ＭＱＷコア層３、第１のｉ−ＩｎＰ層２５、及び第２のｉ−ＩｎＰ層２６の３層がｉ型、つまり真性半導体であり、相互作用部ｃにおける２本の光導波路のドーピング構造はｐ−ｉ−ｐ構造となっている。

よく知られているように、ｉ−ＩｎＰのような真性半導体は、僅かにｎ型の特性を持っている（例えば、キャリア濃度は１〜５×１０¹⁵／ｃｍ³）。従って、本実施形態の場合においても図３に示した従来の半導体光変調器と同様に、中心導体７に負の電圧を、また中心導体８に正の電圧を印加したと仮定すると、中心導体７の下方においては、第２のｐ⁺−ＩｎＰ層２７と第２のｉ−ＩｎＰ層２６とが逆バイアスとなるように電圧印加される。一方、中心導体８の下方においては、第１のｉ−ＩｎＰ層２５と第１のｐ⁺−ＩｎＰ層２４とが逆バイアスとなるように電圧印加される。

半導体は逆バイアス方向に電圧を印加しても、ブレークダウン電圧までは電流が流れにくいので、つまり、中心導体７及び８にはほとんど電流が流れない。従って、図３に示したＳＩ−ＩｎＰ層４を電流ブロック層として用いる従来の半導体光変調器と同様に、図１に示したようなプッシュプル動作に必要な電界をｉ−ＭＱＷコア層３に印加することが可能となる。

しかも、高速光変調を実現するためには、キャパシタンスを小さくする、あるいは進行波電極の場合には５０Ω系が望まれるなどの理由から、ｉ−ＩｎＰ層の全厚みが厚いことが必要となる。例えば本実施形態の場合に５０Ωの進行波電極を実現しようとすると、メサの幅Ｗが１．５μｍから２μｍの場合、２つのｉ−ＩｎＰ層２５、２６と０．２μｍ〜０．８μｍ程度の厚みのｉ−ＭＱＷコア層３からなるｉ層の全厚みは１．５〜２μｍ程度となる。

逆バイアス電圧Ｖ_bを印加した場合におけるトンネル電流を規定するポテンシャル障壁ΔＷは
ΔＷ＝（２κε₀／ｑ）^1/2Ｅ_g／（Ｎ_B｜Ｖ_b｜）^1/2
として与えられることがよく知られている。ここで、κとε₀は各々半導体の比誘電率と真空の誘電率、Ｅ_gは逆バイアス時のエネルギーバンドギャップ、Ｎ_Bは接合した２つの半導体（ここでは第１のｐ⁺−ＩｎＰ層２４と第１のｉ−ＩｎＰ層２５、あるいは第２のｐ⁺−ＩｎＰ層２７と第２のｉ−ＩｎＰ層２６）のうち、低濃度側（ここでは第１のｉ−ＩｎＰ層２５もしくは第２のｉ−ＩｎＰ層２６）のキャリア濃度（ドーピングレベル）である。なお、ΔＷが大きい方がトンネル電流は小さい、言い換えると高い逆バイアスを印加できることになる。

ｐ型半導体とｉ型（あるいは、濃度が薄いｎ型とも言える）半導体の逆バイアス耐圧は１０Ｖ程度は確保できるので、プッシュプル動作による光変調動作を実現するのに充分な印加電圧となる。

つまり、本実施形態の構造を適用することにより、従来必要であったＳＩ−ＩｎＰ層を用いることなく、２つのｉ−ＭＱＷコア層３に印加される電界の向きを上下逆にすることが可能となり、プッシュプル動作を実現できる。

なお、中心導体７の下方のｉ−ＭＱＷコア層３と、中心導体８の下方のｉ−ＭＱＷコア層３を伝搬する光と電気信号との相互作用効率（物理的には、２つのｉ−ＭＱＷコア層３を伝搬する光のパワーと電気信号が形成する電界との重なり積分の値）が互いに符号が逆で絶対値を等しくすることにより、半導体光変調器にプッシュプル動作をさせた結果発生する光パルスのチャーピング量をゼロとすることができる。

このゼロチャーピングは、ｉ−ＭＱＷコア層３と第２のｐ⁺−ＩｎＰ層２７との間にある半導体層の厚み及びドーピングレベルと、ｉ−ＭＱＷコア層３と第１のｐ⁺−ＩｎＰ層２４との間にある半導体層の厚み及びドーピングレベルを最適に設定することにより実現できる。本実施形態の場合には、例えば、第１のｉ−ＩｎＰ層２５と第２のｉ−ＩｎＰ層２６の厚み及びドーピングレベルを各々ほぼ等しくすることにより、ほぼゼロチャーピングを実現できることになる。

なお、ｉ−ＭＱＷコア層３を含む光導波路が１本の場合には位相変調器として動作する。
また、電極としては進行波電極でも良いし集中定数電極でも良いことは言うまでもない。
また、相互作用部ｃの中心導体７、８の直下にある部分以外の第２のｐ⁺−ＩｎＰ２７をエッチング除去しておけば、光の伝搬損失を低減することができる。

さらに、これまでの説明においては、光導波路としてのコアとしてｉ−ＭＱＷ層を仮定したが、例えばＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓなど各種のバルク材料でも良い。また、ＭＱＷ層３はｉ型、つまり真性としたが、一部もしくは全部がｎ型でも良い。

そして、ｉ−ＭＱＷ層３の上下に設けた第１及び第２のｉ−ＩｎＰ層２５、２６は各種の４元材料でも良いし、一部もしくは全部をｎ型にドーピングしても良い。

さらには第１及び第２のｐ⁺−ＩｎＰ層２４、２７も各種の４元材料でも良いし、オーミックコンタクトのために中心導体７、８の直下に３元組成のｐ⁺−ＩｎＧａＡｓ層あるいはｐ−ＩｎＧａＡｓ層を設けても良い。同様に、第１のｉ−ＩｎＰ層２５の直下に三元組成のｐ⁺−ＩｎＧａＡｓ層あるいはｐ−ＩｎＧａＡｓ層を設けても良い。この場合、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓのバンドギャップの大きさが異なるため、第１のｉ−ＩｎＰ層２５の直下のｐ⁺−ＩｎＧａＡｓ層あるいはｐ−ＩｎＧａＡｓ層において発生した正孔が流れにくくなるので、より有効である。

以上の説明においてｐ⁺型と説明した構成部については、ｐ⁺型よりも濃度が低いｐ型としても良い。
また、半導体材料としてＩｎＰなど長波長用の材料について説明したが、動作波長がより短い場合にはＡｌＧａＡｓなどの材料を用いればよいことは言うまでもない。
また、本実施形態においては、光を分岐、合波する手段としてＭＭＩカプラ１４、２１としたが、Ｙ分岐光導波路としてもよい。

本発明の実施形態の半導体層構造を示す断面図従来の半導体光変調器の平面図従来の半導体光変調器の半導体層構造を示す断面図

符号の説明

１：半絶縁性ＩｎＰ（ＳＩ−ＩｎＰ）基板、２：第１のｎ−ＩｎＰ層、３：ｉ−ＭＱＷコア層、４：ＳＩ−ＩｎＰ層、５：第２のｎ−ＩｎＰ層、６：ＢＣＢ層、７，８：中心導体、９，１０，１１：接地導体、１２：第１の入力用光導波路、１３：第２の入力用光導波路、１４：分岐用ＭＭＩカプラ、１５，１６：相互作用部の光導波路、１７，１８：電気信号の入力部、１９，２０：電気信号の出力部、２１：合波用ＭＭＩカプラ、２２：第１の出力用光導波路、２３：第２の出力用光導波路、２４：第１のｐ⁺−ＩｎＰ層、２５：第１のｉ−ＩｎＰ層、２６：第２のｉ−ＩｎＰ層、２７：第２のｐ⁺−ＩｎＰ層

Claims

半導体基板上に、光を伝搬するための半導体コア層を含む光導波路と、前記半導体コア層に電気信号を印加するための電極とを備えた半導体光変調器において、
前記半導体コア層が真性半導体層もしくは少なくとも一部がｎ型である半導体層から成り、
前記半導体コア層の下方に第１のｐ型半導体層を、前記半導体コア層の上方に第２のｐ型半導体層を具備することを特徴とする半導体光変調器。
前記半導体コア層と前記第１のｐ型半導体層との間、もしくは前記半導体コア層と第２のｐ型半導体層との間の少なくとも一方に、少なくとも１層のｉ型半導体層もしくは少なくとも一部がｎ型である半導体層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体光変調器。
前記光導波路が前記半導体基板上に少なくとも２本形成されていることを特徴とする請求項１乃至２記載の半導体光変調器。
前記少なくとも２本の光導波路の前記半導体コア層を伝搬する光と前記半導体コア層に印加する前記電気信号の相互作用効率の絶対値がほぼ等しく且つ符号が反対となるように、前記半導体コア層と前記第１のｐ型半導体層との間にある半導体層の厚み及びドーピングレベルと、前記半導体コア層と前記第２のｐ型半導体層との間にある半導体層の厚み及びドーピングレベルとを設定したことを特徴とする請求項３記載の半導体光変調器。
前記半導体コア層と前記第１のｐ型半導体層との間にある半導体層の厚み及びドーピングレベルと、前記半導体コア層と前記第２のｐ型半導体層との間にある半導体層の厚み及びドーピングレベルとをほぼ等しく設定したことを特徴とする請求項４記載の半導体光変調器。